补偿电磁跟踪系统中的畸变技术方案

提供了补偿电磁跟踪系统中的畸变。系统包括：磁发射器，生成磁场；磁传感器，基于磁传感器处接收的磁场的特性生成信号；一个或更多个计算机系统：从磁传感器接收信号；基于从磁传感器接收的信号确定磁传感器相对磁发射器的EM姿势；基于与磁发射器和磁传感器相关的惯性数据确定磁传感器相对磁发射器的惯性姿势和/或基于与磁发射器和磁传感器相关的光学数据确定磁传感器相对磁发射器的光学姿势；基于惯性姿势或光学姿势中一者或两者和EM姿势确定磁传感器相对磁发射器的估计姿势；基于EM姿势确定畸变磁场；基于估计姿势确定估计清洁磁场；基于畸变磁场和估计清洁场确定估计畸变磁场；基于估计的畸变磁场确定磁传感器相对磁发射器的改进EM姿势。

Compensation for Distortion in Electromagnetic Tracking System

【技术实现步骤摘要】
补偿电磁跟踪系统中的畸变相关申请的交叉引用本申请根据35USC§119(e)要求于2018年2月8日提交的美国专利申请第62/627,897号的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。
本公开内容涉及补偿电磁跟踪(EMT)系统中的畸变。
技术介绍
增强现实(AR)系统和虚拟现实(VR)系统可以使用电磁跟踪(EMT)系统来辅助在各种环境(例如，游戏、医疗等)中对设备的定位。这种系统利用靠近的磁发射器和磁传感器，使得传感器和发射器可以在空间上相对于彼此定位。跟踪环境中的畸变可能使EMT系统报告针对传感器或发射器的不正确的位置和取向。
技术实现思路
电磁跟踪(EMT)系统可以用于游戏和/或手术环境中以跟踪设备(例如，游戏控制器、头戴式显示器、医疗设备、机器人臂等)，从而使得它们各自的三维位置和取向能够被系统用户所知。增强现实(AR)和虚拟现实(VR)系统还使用EMT系统来执行头部、手部和身体跟踪，以例如使用户的移动与AR/VR内容同步。这种EMT系统使用靠近的磁发射器和磁传感器来确定传感器相对于发射器的位置和/或取向(例如，姿势)。EMT系统对金属物体敏感，这可以表现为跟踪环境中的畸变。这种畸变可以导致位置和取向(P&O)算法(例如，有时被称为姿势算法)报告错误结果。为了确保发射器和传感器能够向用户提供准确的位置和取向测量，可以在EMT系统中对这种畸变进行补偿。例如，EMT系统可以采用一种或更多种同步定位与地图构建(SLAM)补偿技术来减少或消除导致不正确的P&O测量的畸变。在一些实现中，这种SLAM补偿技术可以采用诸如卡尔曼滤波的算法，例如扩展卡尔曼滤波(EKF)。在一方面，一般地，一种系统包括被配置成生成磁场的磁发射器。该系统还包括磁传感器，其被配置成基于在磁传感器处接收的磁场的特性来生成信号。该系统还包括被配置成从磁传感器接收信号的一个或更多个计算机系统。一个或更多个计算机系统还被配置成基于从磁传感器接收的信号确定磁传感器相对于磁发射器的电磁(EM)姿势。一个或更多个计算机系统还被配置成确定以下中的一项或两项：i)基于与磁发射器和磁传感器相关联的惯性数据确定磁传感器相对于磁发射器的惯性姿势，或ii)基于与磁发射器和磁传感器相关联的光学数据确定磁传感器相对于磁发射器的光学姿势。一个或更多个计算机系统还被配置成基于惯性姿势或光学姿势中的一者或两者以及EM姿势确定磁传感器相对于磁发射器的估计姿势。一个或更多个计算机系统还被配置成基于EM姿势确定畸变磁场。一个或更多个计算机系统还被配置成基于估计姿势确定估计的清洁磁场。一个或更多个计算机系统还被配置成基于畸变磁场和估计的清洁场确定估计的畸变磁场。一个或更多个计算机系统还被配置成基于估计的畸变磁场确定磁传感器相对于磁发射器的改进的EM姿势。实现可以包括以下特征中的一个或更多个特征。在一些实现中，估计的畸变磁场是根据补偿算法来确定的。在一些实现中，补偿算法被配置成基于畸变磁场、估计的清洁磁场和估计的姿势选择畸变模型。补偿算法还被配置成使用非线性最小二乘算法识别模型的参数。补偿算法还被配置成基于所识别的参数计算估计的畸变磁场。在一些实现中，畸变模型包括偶极子模型、矩形环模型或球谐函数模型中的一个或更多个。在一些实现中，估计的畸变磁场是基于估计的清洁磁场与畸变磁场之间的差异来确定的。在一些实现中，估计的畸变磁场表示由系统正在运行的环境引起的畸变。在一些实现中，系统包括以下中的一个或更多个：虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统、混合现实(MR)系统或电磁跟踪(EMT)系统。在一些实现中，从磁传感器接收的信号、畸变磁场、估计的清洁磁场和估计的畸变磁场被表示为3×3数据矩阵。在一些实现中，估计姿势通过卡尔曼滤波器确定。在一些实现中，卡尔曼滤波器是扩展卡尔曼滤波器(EKF)。在一些实现中，EM姿势基于从磁传感器接收的信号通过EKF来确定。在一些实现中，EKF包括用于将来自磁传感器的不同原始输出转换成EM姿势的功能。在一些实现中，惯性数据包括惯性原始数据，并且EKF包括用于将惯性原始数据转换成惯性姿势的功能。在一些实现中，系统是紧耦合的。在一些实现中，EM姿势由EM跟踪器确定。在一些实现中，EM跟踪器向EKF提供EM姿势。在一些实现中，系统是松耦合的。在一些实现中，磁发射器被包含到控制器中，并且磁传感器被包含到头戴式显示器(HMD)中。在一些实现中，改进的EM姿势表示HMD相对于控制器姿势的姿势。在一些实现中，改进的EM姿势随HMD和控制器在跟踪环境中到处移动而被实时地确定。在一些实现中，控制器和HMD均包括被配置成提供惯性数据的惯性测量单元(IMU)。在一些实现中，系统包括被配置成提供光学数据的一个或更多个光学传感器。在一些实现中，一个或更多个光学传感器包括一个或更多个相机。在一些实现中，光学数据用于识别跟踪环境中的一个或更多个特征，并使所识别的特征显示在HMD的屏幕上。在一些实现中，EM姿势包括由跟踪环境中所生成的磁场的畸变引起的误差。在另一方面，一般地，一种方法包括：由一个或更多个计算机系统从磁传感器接收信号。磁传感器被配置成基于由磁发射器生成并在磁传感器处接收的磁场的特性来生成信号。该方法还包括：基于从磁传感器接收的信号确定磁传感器相对于磁发射器的电磁(EM)姿势。该方法还包括：以下中的一项或两项：i)基于与磁发射器和磁传感器相关联的惯性数据确定磁传感器相对于磁发射器的惯性姿势，或ii)基于与磁发射器和磁传感器相关联的光学数据确定磁传感器相对于磁发射器的光学姿势。该方法还包括：基于惯性姿势或光学姿势中的一者或两者以及EM姿势确定磁传感器相对于磁发射器的估计姿势。该方法还包括：基于EM姿势确定畸变磁场。该方法还包括：基于估计姿势确定估计的清洁磁场。该方法还包括：基于畸变磁场和估计的清洁场确定估计的畸变磁场。该方法还包括：基于估计的畸变磁场确定磁传感器相对于磁发射器的改进的EM姿势。在本文中描述的系统和技术提供各种优点。例如，可以由其中发射器和传感器在跟踪环境中自由地到处移动的AR和VR系统采用这种SLAM补偿技术。换句话说，这种SLAM补偿技术在其中发射器和/或传感器在跟踪环境中不固定的AR和VR系统中可能是有效的。可以使用考虑当前输入测量和先前计算的状态的递归算法来实时地执行畸变补偿。对于包括一个或更多个紧耦合方面的实现，可以减小系统的带宽，这又增加了系统的信噪比(SNR)。紧耦合系统通常也较难以干扰，因为所有原始传感器数据被集成到EKF的一个(例如，单个)过程中。通常，紧耦合系统可以在存在畸变的情况下提高性能，因为一些传感器可以帮助补偿其他传感器的缺陷。此外，可以在紧耦合的系统中观察到另外的滤波器状态，因此，可以提供具有提高的稳定性的输出。在附图和以下描述中阐述了一个或更多个实施方式的细节。根据描述和附图并且根据权利要求，其他特征、目的和优点将是明显的。附图说明图1示出了示例电磁跟踪(EMT)系统。图2示出了包括补偿算法的同步定位与地图构建(SLAM)畸变校正系统的示例的示意图。图3示出了说明由图2的补偿算法执行的操作的流程图。图4示出了SLAM畸变校正系统的另一示例的示意图。图5示出了确定磁传感器相对于磁发射器的估计姿势和改本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，包括：磁发射器，其被配置成生成磁场；磁传感器，其被配置成基于在所述磁传感器处接收的磁场的特性来生成信号；以及一个或更多个计算机系统，其被配置成：从所述磁传感器接收所述信号；基于从所述磁传感器接收的信号确定所述磁传感器相对于所述磁发射器的电磁EM姿势；以下中的一项或两项：i)基于与所述磁发射器和所述磁传感器相关联的惯性数据确定所述磁传感器相对于所述磁发射器的惯性姿势，或ii)基于与所述磁发射器和所述磁传感器相关联的光学数据确定所述磁传感器相对于所述磁发射器的光学姿势；基于所述惯性姿势或所述光学姿势中的一者或两者以及所述EM姿势确定所述磁传感器相对于所述磁发射器的估计姿势；基于所述EM姿势确定畸变磁场；基于所述估计姿势确定估计的清洁磁场；基于所述畸变磁场和所述估计的清洁场确定估计的畸变磁场；以及基于所述估计的畸变磁场确定所述磁传感器相对于所述磁发射器的改进的EM姿势。

【技术特征摘要】
2018.02.08 US 62/627,8971.一种系统，包括：磁发射器，其被配置成生成磁场；磁传感器，其被配置成基于在所述磁传感器处接收的磁场的特性来生成信号；以及一个或更多个计算机系统，其被配置成：从所述磁传感器接收所述信号；基于从所述磁传感器接收的信号确定所述磁传感器相对于所述磁发射器的电磁EM姿势；以下中的一项或两项：i)基于与所述磁发射器和所述磁传感器相关联的惯性数据确定所述磁传感器相对于所述磁发射器的惯性姿势，或ii)基于与所述磁发射器和所述磁传感器相关联的光学数据确定所述磁传感器相对于所述磁发射器的光学姿势；基于所述惯性姿势或所述光学姿势中的一者或两者以及所述EM姿势确定所述磁传感器相对于所述磁发射器的估计姿势；基于所述EM姿势确定畸变磁场；基于所述估计姿势确定估计的清洁磁场；基于所述畸变磁场和所述估计的清洁场确定估计的畸变磁场；以及基于所述估计的畸变磁场确定所述磁传感器相对于所述磁发射器的改进的EM姿势。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述估计的畸变磁场是根据补偿算法确定的。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述补偿算法被配置成：基于所述畸变磁场、所述估计的清洁磁场和所述估计姿势选择畸变模型；使用非线性最小二乘算法识别所述模型的参数；以及基于所识别的参数计算所述估计的畸变磁场。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述畸变模型包括偶极子模型、矩形环模型或球谐函数模型中的一个或更多个。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述估计的畸变磁场是基于所述估计的清洁磁场与所述畸变磁场之间的差异确定的。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述估计的畸变磁场表示由所述系统正在运行的环境引起的畸变。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括以下中的一个或更多个：虚拟现实系统、增强现实系统、混合现实系统或电磁跟踪系统。8.根据权利要求1所述的系统，其中，从所述磁传感器接收的信号、所述畸变磁场、所述估计的清洁磁场和所述估计的畸变磁场被表示为3×3数据矩阵。9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述估计姿势通过卡尔曼滤波器确定。10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述卡尔曼滤波器是扩展卡尔曼滤波器EKF。11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述EM姿势基于从所述磁传感器接收的信号通过所述EKF来确定。12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述EKF包括用于将来自...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·罗伯特·施奈德，藤冈健治，
申请(专利权)人：阿森松技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US