基于光场扫描的虚拟现实设备空间定位方法与流程

本发明涉及一种基于光场扫描的虚拟现实设备空间定位方法，尤其是一种分离式激光光场扫描定位方法。

背景技术：

空间跟踪定位器或三维空降传感器是一种能实时地检测活动物体在六个自由度上相对于某个固定物体的数值，即在x、y、z坐标上的位置值，以及围绕x、y、z轴的旋转值。在虚拟现实技术中广泛使用的是低频磁场式和超声式传感器。低频磁场式传感器的低频磁场是由该传感器的磁场发射器产生的，该发射器有三个正交的天线组成，在接受器内也安装一个正交天线，它被安装在远处的运动物体上，根据接受器所接受到的磁场，可以计算出接受器相对于发射器的位置和方向，并通过通信电缆把数据传送给主计算机。但低频磁场式空间定位方法存在作用距离短、抗干扰能力差等问题，超声式传感器均存在着定位精度低、温度稳定性差、回声干扰等问题。

因此本发明设计了一种基于光场扫描的虚拟现实设备空间定位方法，能够从根本上解决定位准确性差与抗干扰性差等问题。

技术实现要素：

本发明目的是：提供一种基于光场扫描的虚拟现实设备空间定位方法，可提高定位的准确性，并充分扩大可定位空间。

本发明的技术方案是：一种基于光场扫描的虚拟现实设备空间定位方法，该定位系统包括一个vr虚拟现实设备(3)和两个灯塔(1和2)，其特征在于，虚拟现实设备(3)包含激光探测器，灯塔(1和2)用于发射红外激光线束，扫描整个被定位空间。激光管(6和8)和电机(11和7)是灯塔的核心器件，一个激光管和一个电机为一组，构成一个激光扫描轴。每个灯塔具有两个扫描轴，称绕垂直方向转动的轴为x轴，绕竖直方向转动的轴为y轴。扫描轴内的45°反射镜(9)、一字线透镜(4)安装在旋转镜片座(5)上，通过转接法兰(10)连接到电机(11)上，并随电机(11)旋转。每个灯塔内的两个扫描轴旋转的相位相差180°。两个灯塔(1和2)的扫描轴同相位，两个灯塔(1和2)分时出光。灯塔激光束为了避免接收端被环境光等其他光源干扰，由灯塔发出的红外激光线束采用2mhzook调制，其扫描轴转速十分稳定，且虚拟现实设备(3)激光探测器灵敏度很高，因此能够保证定位的准确性。

本发明的创新点为：

1.本发明中定位系统中包括两个灯塔即a灯塔(1)和b灯塔(2)。整个系统的扫描频率为30hz，即一个扫描周期约33ms。在一个扫描周期中，灯塔a、b的x、y轴依次扫过被定位空间，每个轴扫过定位空间的时间约为8.33ms。电机运行于60hz即3600rpm，每个轴每次扫描的角度为180°，需确保两个灯塔的电机同步运转，且同一个灯塔中的两个电机具有180°相位差。

2.本发明中系统采用三相无刷电机，电机运行于3600rpm，由驱动器drv11873实现无刷电机的驱动。电机每转过一圈，激光线束会扫过pcb上的硅光电池bpw34一次，进而得到一个脉冲，脉冲的频率即为电机每秒转动的圈数；另一方面，认为激光扫描到被定为空间的中点为180°相位处，则激光扫过bpw34的时刻即为电机相位的零点。由此即可获得电机的转速和相位信息。

3.对电机的闭环控制，也分为转速和相位两方面。在转速误差大于0.5％时，系统以60hz转速作为调整目标，采用pid算法对电机转速进行控制；当转速误差小于0.5％，系统则同时以转速误差和相位误差控制电机转动。若相位误差小于10°，则认为当前轴已处于相位锁定状态。

4.为保证输出功率稳定，避免激光管发光效率随时间衰减，需构建一个高响应速度的激光管自动功率控制(apc)电路。为了实现2mhz的调制，要求apc电路的开关速度至少为100ns量级，为此运放选用带宽130mhz的lmh6643实现。对于每个扫描轴，在相位锁定之前，激光管保持常亮状态；在相位锁定后，每个测量周期内，每个测量轴有1/4周期对被测空间进行扫描，此时激光管应处于2mhz调制状态。同时，在另一个灯塔进行扫描时，为了避免干扰，当前非扫描状态的灯塔的激光管应关闭。

5.两个灯塔之间需同步以保证依次对被测空间的扫描，灯塔之间的同步由无线信号实现。灯塔a(1)每33.33ms发送一次系统同步信号，灯塔b(2)通过接收此同步信号来实现和灯塔a(1)的同步。约定同步信号的前16.66ms为灯塔a的扫描时间，后16.66ms为灯塔b的扫描时间。对于每个扫描轴而言，当其相位锁定后，在每次扫描开始的时刻将通过无线发送当前轴的id。被定位设备收到无线信号的时刻即为扫描开始的时刻，从而实现系统信号同步和电机相位锁定信号的发出与接收。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为整个定位系统结构框架图；

图2为本发明中关键部件灯塔工装图；

其中：11与7为电机，10为转接法兰，9为45°反射镜，4为一字线透镜，5为旋转镜片座，6与8为红外脉冲激光器。

具体实施方式

参照图1所示，灯塔(1和2)发射红外激光线束，扫描整个被定位空间。灯塔激光束为了避免接收端被环境光等其他光源干扰，由灯塔发出的红外激光线束采用2mhzook调制，所发出的激光被虚拟现实设备(3)中高灵敏度激光探测器接收，根据所接收激光信号的相位差得到虚拟设备在此空间的三维定位。

即整个定位流程为：1和2的相位是同步的，且两个轮流发光。t0-t3时刻1号灯塔出光，t4-t7时刻2号灯塔出光。

t0时刻，1发出行扫描开始信号(x方向)

t1时刻，3接收到光信号，通过δ1＝t1-t0，计算出扫描角度。

t2时刻，1发出列扫描开始信号(y方向)

t3时刻，3接收到光信号，通过δ2＝t3-t2，计算出扫描角度。

t4时刻，2发出行扫描开始信号(x方向)

t5时刻，3接收到光信号，通过δ3＝t5-t4，计算出扫描角度。

t6时刻，2发出列扫描开始信号(y方向)

t7时刻，3接收到光信号，通过δ4＝t6-t5，计算出扫描角度。

通过三角函数，计算出3在空间中的位置。

以上所述，仅为本发明具体实施方式。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种基于光场扫描的虚拟现实设备空间定位方法。该定位系统包括一VR虚拟现实设备和两个灯塔，其特征在于，虚拟现实设备包含激光探测器，灯塔用于发射经调制的红外激光线束，扫描整个被定位空间。每个灯塔包含两组激光管和电机分别对应横纵两个激光扫描轴。为避免接收端被环境光等其他光源干扰，由灯塔发出的红外激光线束采用2MHz OOK调制。本发明的优点在于，同步信号使用无线射频信号，同步时间准确；激光经调制，避免环境光造成干扰，提高探测灵敏度；电机经闭环反馈，使转速稳定，从各个方面保证了虚拟现实设备的空间定位准确性及缩短定位时间。

技术研发人员：黄柴铭;王铭明;宋乐;刘鹏希;于成龙;陈禄;许炎武;李力;郭鑫;许栋
受保护的技术使用者：上海拆名晃信息科技有限公司
技术研发日：2016.06.02
技术公布日：2017.07.25