HyTrack定位系统的基本原理是什么

HyTrack技术总监近期接受采访时介绍了关于该定位系统的一些技术问题，其中聊到了该系统定位的基本原理是什么。

HyTrack——最精确的毫米级定位系统

在讲解了跟踪技术之后，陈禄介绍了HYPEREAL自主研发的灯塔技术原理。

灯塔定位技术的最早原型是在1989年被提出的Minnesota Scanner，其原理就是利用扫描激光面对于空间进行编码进而对物体做跟踪。

而后有很多人基于相似原理做了改进用于不同领域的应用中。Valve之前首先把它成功的带到了VR消费电子领域。

陈：这是我们公司自己研发的比较早期的原型，做得比较裸。

左边是灯塔，有两个电机，电机上面有透镜，这里有一个小动画演示灯塔的结构，可以看到通过透镜把一束激光变为一个扇面，再利用电机使得激光面匀速扫描。

中间的部分是我们头显的早期原型，上面有很多小的线路板就是我们自己制作的传感器模块，每一个中心有一个光电二极管。

传感器把光信号转成电信号再到数字信号，然后传到计算机里。

基本原理如上图，左边这一块是激光扫描扇面的顶视图，激光会从一个基准位置开始向下扫。

在扫过基准位置时刻，我们会发射一个无线同步信号。蓝线是扫到每个光电二极管的激光面。

右边的图是传感器上面的时序图，从收到无线同步信号的时候开始计时，当被光扫过的时候，会留下一个很小的间距的光脉冲。

测量脉冲中点时刻，结合电机转速，我们可以计算得到该扫描面相对基准平面的夹角。

这样我们就知道这个点处在空间当中哪一个平面上。通过两个方向的扫描，被照到的传感器点我们可以确定其在空间当中的某条直线上。

在这里我们和VIVE采用了不同的技术方案，他们使用的光同步，灯塔会有LED灯。

无线同步的好处是，灯塔之间不用同步线连接了，或者灯塔不用互相对着摆放。

两种方案在工程实现上的区别很大，测量手段也会不一样，但是本质上都是为了获得同步信号时间。

而后是算法逻辑，这主要基于一个数学模型。

我们通过光学系统所得到的其实是两个角度，这样就可以知道，这个物体的某些点在投影平面上的坐标。

这里等同于一个小孔成像的相机模型，也可以很好地表达成一个线性的约束。

在静止状态下我们已知传感器点的相对位置，当物体运动过之后，可以得到某些点的扫描观测值，因为它被照到，它会处在这个空间当中某两个面的交线上。

这个可以很好的写成一个线性约束表达式，可以把它们联立起来，相当于做一个最优化的问题，我需要求解在满足这些约束情况下最优的旋转和平移。

这个问题其实是一个比较标准的问题，求解的方法也非常多，其实在视觉领域，对这类问题有很多人做过不同的方法。

比如说你怎么样参数化你的旋转，就会有不同的方法，基本上这个应该算是一个比较成熟的问题。

这就是我们的算法流程图。

以上我们提到的是激光系统的原理，但不要忘了，在头盔和手柄上还可以利用IMU。

其实在有陀螺仪、加速器和磁力器的情况下，IMU本身也可以做定位工作，但是它有个很大的问题——会漂移。

其实我们对这个物体姿态有两个数据来源，一个是IMU，一个是激光系统，这两套系统理论上都可以独立对这个姿态进行估计，IMU的好处是采样频率高在短时间内相对来说比较精确。

坏处是稍微长一点时间就会有较大漂移。而激光系统则是在大尺度下相对比较精确，但是它可能被遮挡和有误差。

我们要做的工作之一就是怎么把这两个信号融合在一起。

这就是我们HyTrack定位系统的基本原理。