[发明专利]基于超宽带定位的VR定位追踪系统及其定位追踪方法

摘要

本发明涉及VR定位追踪技术领域，具体涉及一种基于超宽带定位的VR定位追踪系统及其定位追踪方法，该系统包含三个以上超宽带定位基站，其特征在于，该系统还包括VR基础设备和VR基础运行时；所述的超宽带定位基站包括基站编码ID生成单元、时间同步单元、数据处理单元、超宽带（UWB）收发机、高精度时钟，天线和网络数据传输单元；所述的VR基础设备包括显示屏、处理器、方向传感器、VR与控制器连接线、电池、镜片和超宽带(UWB)定位模块；所述的超宽带(UWB)定位模块包括天线、超宽带（UWB）发送机和高精度时钟；所述的基础VR运行时包括图像处理单元、定位引擎和图像传输单元。本发明解决了VR设备空间位置不确定以及长时间使用VR设备容易眩晕的问题。

主权项

1.基于超宽带定位的VR定位追踪系统的定位追踪方法，其特征在于该系统包含三个以上超宽带定位基站，一种基于超宽带定位的VR定位追踪系统，该系统包含VR基础设备，超宽带定位模块，超宽带定位基站，VR基础运行时，定位引擎，将所述VR基础设备与所述超宽带室内定位模块结合，将所述VR基础运行时与所述定位引擎结合；超宽带定位基站先进行时钟同步，超宽带定位模块向外发送定位信息，超宽带定位基站接收到定位信息后对其接收到的时间进行同步，再将同步后的时间发送给定位引擎，定位引擎根据接收到的时间戳信息，利用TDOA定位算法，求出VR设备所在坐标，VR运行时同时获取坐标信息，根据所述坐标信息调整VR设备所需显示的图像，并将所述图像传输给VR设备；所述的超宽带定位基站包括基站编码ID生成单元、时间同步单元、数据处理单元、超宽带(UWB)收发机、高精度时钟，天线和网络数据传输单元；所述的VR基础设备包括显示屏、处理器、方向传感器、VR与控制器连接线、电池、镜片和超宽带(UWB)定位模块；所述的基础VR运行时包括图像处理单元、定位引擎和图像传输单元； 所述基站编码ID生成单元，用于产生包含有基站编码ID信息，并通过广播信息向外广播；所述超宽带定位模块，用于向所述超宽带定位基站发送进行定位的广播信息；所述的超宽带(UWB)定位模块包括天线、超宽带(UWB)发送机和高精度时钟；所述超宽带(UWB)发送机，为通信系统的物理层，除了基本的通信作用外，结合高精度时钟，生成精准的超宽带信号的接收时间戳和发送时间戳；所述高精度时钟，用于为超宽带(UWB)收发机和超宽带(UWB)发送机提供精准时钟；进一步，所述的超宽带定位模块还可以包含惯导模块，惯导模块可以获得超宽带定位模块在惯性参考系的加速度，在通过定位算法计算出超宽带定位模块的具体位置后，利用惯导模块小范围调整定位坐标，可以提高整体定位精度；超宽带定位模块主要负责超宽带信号的发送，采用MPS430处理器，在MPS430处理器的控制下实现了对单元的启动和关闭；定位模块的超宽带定位单元是MPS430处理器发送控制信号给脉冲成型子单元，脉冲成型子单元产生脉冲信号发送给MPS430处理器，处理器MPS430通过室内定位数据加密子单元将脉冲信号加密后，由数据发送子单元将加密后的数据发送给周围的超宽带定位基站，通过持续向周围定位基站发送信号，定位基站接收到该信号后计算到达时间差，并将数据发送给定位引擎，定位引擎解算出定位坐标，从而实现定位；所述超宽带定位基站，用于利用时间同步单元进行无线时钟同步，并接收来自于所述超宽带定位模块的广播信息，结合高精度时钟，获得超宽带的接收时间戳，所述超宽带UWB收发机将所述接收时间戳和来自于所述时间同步单元的无线同步信息发送给数据处理单元获得基站编码ID信息，然后通过网络传输单元将所述接收时间戳和所述基站编码ID信息发送给VR基础运行时；超宽带定位基站通过发射接收超宽带脉冲信号进行多超宽带定位基站同步和全局同步，并且能够接收超宽带定位模块所发出的超宽带脉冲信号，从中计算到达时间差，并将所得到的多种信息传送到定位引擎；超宽带定位基站分为主定位基站和从定位基站两种，每个定位系统包括一个主定位基站和若干从定位基站，每个较大区域设立最初的一个主定位基站，这个主定位基站在接收超宽带定位模块发送的时间戳信号的同时，进行每1ms一次的时钟同步信号的广播，为周围的从定位基站进行授时，周围的从定位基站按设定好的定位基站编号进行逐级时钟同步，每个得到校准的从定位基站又按编号向下一级定位基站发送时间同步信号，以此来实现全局时钟同步，另外，从定位基站主要负责接收超宽带脉冲信号，每个超宽带定位基站硬件完全一样，通过软件可以任意设定主定位基站和从定位基站，每个主定位基站都可以向周围从定位基站进行授时，每100ms进行一次广播保证了时间戳信息的准确性；MPS430处理器在定位基站中处于主控地位，首先MPS430处理器发送控制信号给脉冲成型子单元，使其产生皮秒级的脉冲信号，产生的脉冲信号被送入时间戳收发子单元，时间戳收发子单元将脉冲信号通过数据加密解密子单元进行数据加密，加密后的脉冲信号通过数据传输子单元和周围的定位基站进行收发脉冲信号；数据传输子单元将接收到的脉冲信号通过数据加密解密子单元进行数据解密，解密后的脉冲信号通过时间戳收发子单元发送给MPS430处理器，MPS430处理器通过时钟同步子单元，并根据接收到脉冲信号实现定位区域的时钟同步，同步后的超宽带定位基站就将接收到的超宽带定位模块发送的时间戳信息打包发送给定位引擎，定位引擎以此时间戳信息，根据TDOA定位算法进行坐标解算，并进行估计和优化最终得出定位标签的最优坐标解；所述VR基础运行时，根据接收到的来自于所述超宽带定位基站的接收时间戳和来自于所述超宽带室内定位模块的基站编码ID信息，定位引擎利用TDOA定位算法，得到所述超宽带定位模块所在的坐标信息；同时所述图像处理单元根据所述坐标信息来调整所述VR基础设备所需显示的图像，并通过图像传输单元将图像传输给所述VR基础设备； 所述VR基础设备，用于控制所述超宽带室内定位模块向所述超宽带定位基站发送进行定位的广播信息，并接收到来自于所述VR运行时的图像，通过显示器呈现出来；所述追踪方法，包含如下步骤：步骤一：各个超宽带定位基站通过时间同步单元进行无线时钟同步：使各定位基站之间保持时钟同步；步骤二：VR基础设备控制超宽带定位模块向超宽带定位基站发送进行定位的广播信息：VR基础设备控制超宽带定位模块按照一定规律交错式等固定间隔的向超宽带定位基站发送包含基站编码ID信息的广播信号；步骤三：超宽带定位基站接收定位信息：超宽带定位基站接收到定位的广播信息，通过高精度时钟提供高精度的超宽带的接收时间戳，超宽带(UWB)收发机将所述接收时间戳信息以及所述广播信息发送给数据处理单元获得基站编码ID信息，并将所述接收时间戳以及所述基站编码ID信息传递给VR运行时；步骤四：定位引擎首先将接收到的接收时间戳信息，以此计算超宽带定位模块到超宽带定位基站的时间戳差值，也即TDOA(到达时间差)测量值，利用到达时间差即可解算出超宽带定位模块的具体坐标；(1)计算时间差的方法为：超宽带定位模块在t_tag,i时刻收到超宽带定位基站i在t_m,i发送的信号，在t_tag,j时刻收到超宽带定位基站j在t_n,j发送的信号，其中所述超宽带定位基站i和所述超宽带定位基站j是相隔n个时间间隔依次发送信号的，则n·△t＝t_m,i‑t_n,j，其中n＝1,2...,则有：所述超宽带定位基站i所发射的信号到达超宽带定位器的时间为：t_tag,i‑t_m,i；所述超宽带定位基站j所发射的信号到达超宽带定位器的时间为：t_tag,j‑t_n,j；所述超宽带定位基站i和所述超宽带定位基站j所发射信号达到超宽带定位器的时间差TDOA为：t_i‑t_j＝(t_tag,i‑t_m,i)‑(t_tag,j‑t_n,j)＝(t_tag,i‑t_tag,j)‑(t_m,i‑t_n,j)＝(t_tag,i‑t_tag,j)‑n·△t(2)解算超宽带定位模块位置坐标的方法为：由于超宽带定位基站是交错式等间隔依次发送信号，则(t_m,i‑t_n,j)为常数，超宽带定位器到所述超宽带定位基站i和所述超宽带定位基站j之间的距差值为：其中，(x_i,y_i,z_i)和(x_j,y_j,z_j)分别为所述超宽带定位基站i和所述超宽带定位基站j的固定坐标，(x,y,z)为超宽带定位器的未知坐标，通过至少三个TDOA距差值可以解算出超宽带定位模块的未知坐标(x,y,z)，步骤五：VR基础运行时将图像信息传输给VR基础设备：VR基础运行时获取VR基础设备位置信息后，依据所述位置信息对VR场景与图片通过处理器进行处理，然后将图像信息通过VR与控制器连接线传输给所述VR基础设备，所述处理器，用于处理方向传感器采集的数据，接收VR与控制器连接线的数据并控制显示屏显示画面；所述方向传感器，用于采集用户方向；所述VR与控制器连接线，用于提供图像数据的传输接口，提供控制信息的传输，进一步，所述步骤一中无线时钟同步还可以是有线时钟同步方式。