一种电场追踪系统

技术领域

本发明涉及VR通信技术领域，尤其涉及一种电场追踪系统。

背景技术

VR虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种虚拟环境，是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中，而VR虚拟现实设备中一般都会配备VR手柄或其他类似VR手柄的辅助设备，VR手柄主要是用于对VR虚拟现实设备创建的虚拟环境进行操作控制，或者是对虚拟环境中的人物/角色等进行操作控制的辅助设备，因此为了使VR手柄能够正常的对虚拟环境和/或人物/角色进行精确的操作控制就需要对VR手柄进行定位，对VR手柄进行定位是定位VR手柄相对于VR头戴设备的相对位置。而目前如何定位VR手柄相对于VR头戴设备的相对位置一直是设计的难点，在现有技术中，比较成熟的方案包括采用摄像头、红外光、电磁定位等方案，但是这几种方案都在某些追踪方面存在缺陷，例如，基于摄像头的捕捉方案中，由于摄像头会存在很多视角盲区，没法捕捉追踪范围以外的区域，因此其定位精度差，有时甚至会丢失VR手柄的信息，虽然也可以通过设置多个摄像头来弥补视角盲区的缺陷，但随着设想的的增多，会增加其重量，从而影响用户的体验，且随着数量增多，成本以及故障率也会增加；而通过红外基站虽然限制了可追踪的范围，但用户没法走出基站所固定的跟踪区域；而电磁定位都利用磁场的特性进行定位，可实现在空中360°的追踪，而且受遮挡等影响较小，但受外界磁场影响比较大，且要达到一定范围内的磁场强度，功耗也非常大。

综上所述，由于磁场的线圈的效率很低，因此，整个系统的功耗很大，因此本发明实际解决的技术问题是如何解决磁场定位功耗高的问题。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种电场追踪系统，解决了磁场定位功耗高的问题。

本发明公开了一种电场追踪系统，包括VR手柄、VR头戴设备、至少由一个极化天线组组成的接收模组。其中，VR手柄上设有第一通信模块，VR头戴设备上设有第二通信模块，接收模组设于第一通信模块或第二通信模块上；第一通信模块能与所述第二通信模块相互通信；VR手柄生成信号参数并通过第一通信模块或第一通信模块和第二通信模块，将信号参数发送至接收模组上，接收模组中的极化天线组的每个单极化天线在不同时刻接收到的不同的信号参数计算出VR手柄与VR头戴设备的相对位置和姿态。

优选地，第一通信模块包括至少包括发射天线、第一射频前端以及第一通信芯片，第二通信模块至少包括接收模组、天线切换开关、第二射频前端以及第二通信芯片；其中，第一射频前端分别连接发射天线和第一通信芯片；第二射频前端分别连接接收模组和第二通信芯片，且天线切换开关设于接收模组上，并切换接收模组的每个极化天线组中的每个单极化天线的工作状态，使每个极化天线组中的每个单极化天线在同一时刻只有一个单极化天线工作。

优选地，接收模组包括至少一个极化天线组，每个极化天线组包括至少由三个彼此垂直的单极化天线，极化天线组建立坐标空间；接收模组的每个极化天线组的每个单极化天线接收VR手柄生成的信号参数，接收模组根据天线切换开关使每个极化天线组的每个单极化天线在接收到信号参数，并根据第一通信模块和第二通信模块的距离和极化角度和相位参数以及信号强度不同，并通过比较以及计算出第一通信模块相对于第二通信模块的相对位置及状态。

优选地，三个彼此垂直的单极化天线分别在坐标空间的X、Y、Z坐标方向上，且在坐标空间的X、Y、Z坐标的相对方向上的单极化天线的分别组成偶极子天线，每个偶极子天线分别包括第一枝节、第二枝节、接地点、馈电点，天线切换开关分别连接在同一坐标空间中的每个偶极子天线的接地点和馈电点，控制在同一所述坐标空间中的偶极子天线只有一个偶极子天线工作。

优选地，三个互相垂直的单极化天线在第一通信模块或第二通信模块的同一位置。

优选地，VR手柄生成的信号参数的频段为2.4G。

优选地，VR手柄生成的信号参数为电磁波信号。

优选地，第一通信模块包括接收模组、天线切换开关、第一射频前端、第一通信芯片，第二通信模块包括接收天线、第二射频前端、第二通信芯片；其中，第二射频前端分别连接所述接收天线和第二通信芯片；第一射频前端分别连接所接收模组和第一通信芯片，且天线切换开关设于接收模组上，并切换接收模组的每个极化天线组中的每个单极化天线的工作状态，使每个极化天线组中的每个单极化天线在同一时刻只有一个单极化天线工作。

优选地，VR手柄还包括测量单元，测量单元与所述第一通信模块连接并通信。

优选地，测量单元惯性传感器。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，本发明的有益效果在于解决了磁场定位功耗高的问题，除了能够保持360°无遮挡追踪的优点外，相对磁场定位的功耗更低，且采用手柄本身存在的高频率信号参数，基本没有增加任何额外的功耗，且成本较低，通过多极化天线组组成的天线模组，大幅度提升精度，且能够精确的判断出VR手柄与VR头戴设备的相对位置，从而实现高精度快速追踪。

附图说明

图1为本发明一种电场追踪系统的工作示意图；

图2为本发明一种电场追踪系统的第一通信模块的框架示意图；

图3为本发明一种电场追踪系统的第二通信模块的框架示意图；

图4为本发明一种电场追踪系统的接收模组的天线的示意图及其切换方式示意图。。

附图标记：

1为VR头戴设备、100为第二通信模块、101为第二射频前端、102为接收模组、103第二通信芯片、2为VR手柄、200为第一通信模块、201为发射天线、202为第一射频前端、203为第一通信芯片、300为天线切换开关、400为第一枝节、500为第二枝节、600为接地点、700为馈电点。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

参阅图1-图4所示，本实施例提供一种电场追踪系统，主要应用于VR虚拟现实设备，具体的为应用于VR虚拟现实设备对VR手柄2的定位，可以是对VR虚拟现实设备的VR头戴设备1定位VR手柄2，也可以是VR虚拟现实设备本身对VR手柄2的定位追踪。该电场追踪系统包括VR手柄2、VR头戴设备1以及至少由一个极化天线组组成的接收模组102；其中，VR手柄2上设有第一通信模块100，VR头戴设备1上设有第二通信模块100，由至少一个极化天线组组成的接收模组102可以设在在VR手柄2上的第一通信模块100上，也可以设在在VR头戴设备1上的第二通信模块100上，在VR手柄2上的第一通信模块100能与在VR头戴设备1上的第二通信模块100相互通信。VR手柄2自身能够生成一个信号参数，该信号参数通过第一通信模块100或第一通信模块100和第二通信模块100，将该信号参数发送在接收模组102上，接收模块中的极化天线组的每个单极化天线将会在不同时刻接收到不同的信号参数从而计算出VR手柄2相对于VR头戴设备1的相对位置和姿态。具体的，在VR手柄2上的第一通信模块100至少包括发射天线201、第一射频前端202以及第一通信芯片203，在VR头戴设备1上的第二通信模块100至少包括接收模组102、天线切换开关300、第二射频前端101以及第二通信芯片103；其中，第一通信模块100的第一射频前端202分别连接发射天线201和第一通信芯片203，第二射频前端101分别连接接收模组102和第二通信芯片102，且天线切换开关300设于接收模组102上，并切换接收模组102的每个极化天线组中的每个单极化天线的工作状态，使每个极化天线组中的每个单极化天线只有一个单极化天线处于工作的状态。

需要说明的是，接收模组102至少包括一个极化天线组，且每个极化天线组至少由三个彼此垂直的单极化天线，极化天线组将会建立一个坐标空间，接收模组102的每个极化天线组的每个单极化天线接收VR手柄2生成的信号参数，而接收模组102将会根据天线切换开关300使极化天线组的每个单极化天线在不同时刻接收到不同的信号参数，并根据第一通信模块100和第二通信模块100的距离和极化角度和相位参数以及信号强度的不同，并通过比较后计算出第一通信模块100相对于第二通信模块100的相对位置以及状态，即判断是VR手柄2相对于VR头戴设备1的相对位置以及VR手柄2的姿态。

需要说明的是，三个彼此垂直的单极化天线分别在坐标空间的X、Y、Z坐标方向上，且坐标空间的X、Y、Z坐标的相对方向上单极化天线分别组成偶极子天线，每个偶极子天线分别包括第一枝节400、第二枝节500、接地点600、馈电点700，天线切换开关300分别连接在同一坐标空间中的每个偶极子天线的接地点600和馈电点700，控制在同一坐标空间中的偶极子天线在同一时刻只有一个偶极子天线工作。需要说明的是，在同一坐标空间中的三个互相垂直的单极化天线在第一通信模块100或第二通信模块100的同一位置。需要说明的是，VR手柄2生成的信号参数的频段为2.4G，频率范围为2.4Ghz到2.5Ghz。需要说明的是，VR手柄2生成的信号参数为电磁波信号。

需要说明的是，本发明的另一种实施方式为，在VR手柄2上的第一通信模块100包括接收模组102、天线切换开关300、第一射频前端202、第一通信芯片203，第二通信模块100包括接收天线、第二射频前端101、第二通信芯片102；第二射频前端101分别连接接收天线和第二通信芯片102，第一射频前端202分别连接天线模组和第一通信芯片203，且天线切换开关300设于接收模组102上，且天线切换开关300切换接收模组102的每个极化天线组中的每个单极化天线的工作状态，使每个极化天线组中的每个单极化天线在同一时刻只有一个单极化天线工作。需要说明的是，VR手柄2上还包括测量单元，该测量单元与第一通信模块100通信连接，该测量单元可以为惯性传感器等。

需要说明的是，本发明提出了电场追踪系统。目前VR设备VR手柄2的通信大部分是使用2.4G进行通信，其频段处于2.400～2.500GHz之间。为了能很好的追踪VR手柄2，需要VR手柄2的惯性传感器(IMU)的数据以高频率、低延时的要求通过2.4G频段上报给VR虚拟现实设备，进而达到良好的追踪效果。不同于磁场定位工作在几十千赫兹的频率，本发明的电场定位优选2.4G频段。利用VR手柄2本身上报信息的2.4G信号参数，然后在VR头戴设备1上上设置一组包含多个极化天线组的接收模组102，然后根据不同极化天线接收到的信号参数的强度，计算出VR手柄2的相对位置和姿态，从而实现VR手柄2的实时追踪。本发明的另一种方式为VR手柄2端2.4G信号参数的天线采用一组包含多极化天线组组成的接收模组102，在VR头戴设备1上仅配置单极化天线用于接收信号的接收天线，通过接收到不同极化天线发射的信号强度，计算出手柄的相对位置和姿态，从而实现实时追踪。

接收模组102包括若干个极化天线组(例如，至少三个彼此垂直的线极化天线。用于建立坐标空间(例如，XY-Z笛卡尔坐标空间)，便于侦测和计算在VR手柄2上的天线的位置和/或取向。该接收模块的多个极化天线组捕获来自VR手柄2上的发射器发射的信号参数(电磁波信号)，由于距离不同以及极化角度不同，其不同极化天线的接收到的信号的强度和相位等参数也不同，通过比较和计算这些不同极化天线的参数，可以计算出VR手柄2相对于VR头戴设备1的相对位置和取向。

计算位置信息时也可以结合VR手柄2上报的IMU信息以及其他定位的数据信息(诸如，可进一步提升VR手柄2的位置精度。同时VR头戴设备1以及VR手柄2上的测量单元(IMU)以及其他数据(诸如相机、深度传感器等)都会侦测到与运动有关的一个或多个参数，可以组合以快速和精准确定在VR手柄2和/或VR头戴设备1上的天线的的位置和/或取向，但相机、深度传感器等一般配在VR头戴设备1上。同时2.4G信号参数本来就是以高报点率的方式在传输信号，因此基于此信号设计的电场定位方式所得的姿态信息也以高报点率方式在刷新，因此定位的延时非常低，精度也比较高。

如图1所示，本发明的电场追踪系统包含VR头戴设备1和左右VR手柄2，VR手柄2分别为对称设计，便于用户双手操作，且单独的某一个VR手柄2也可以工作，因此以下以VR手柄2为例介绍方案。VR头戴设备包含了接收电场强度和相位等信息的第二通信模块100，而VR手柄2亦包含信号参数的第一通信模块100。其中第二通信模块100包含了三个互相垂直放置的单极化天线的接收天线、天线切换开关300、第二射频前端101和第二通信芯片102等，而第一通信芯片203则包含了发射天线201、第一射频前端202以及第一通信芯片203等。

需要说明的是，三个互相垂直的极化天线的工作频率都为2.4G频段(频率范围为2.4Ghz到2.5Ghz)，其极化特性都采用线极化天线。

需要说明的是，本发明的收发系统频率采用2.4G频段，VR手柄2的发射系统直接采用VR手柄2原本就存在的2.4G收发系统中的发射模块，因为VR手柄2本身就会将IMU的信息以一般几百～几千赫兹的频率上发到VR头戴设备1。VR头戴设备1的接收天线会实时接收到VR手柄2的信号参数，通过天线切换开关300，得到三个极化天线的信号强度和相位值，然后基于接收到的信号参数和电磁场的分布和传输理论，可以确定在VR手柄2上的天线相对于在VR头戴设备1上的天线的姿态，包括位置和/或方向，同时由于在VR手柄2上的发射天线201相对于V手柄位置固定，因此可确定VR手柄2相对于VR头戴设备1的姿态。

第二通信模块100中的天线的信号信息接收通过时分多路复用的方式实现，即通过天线切换开关300快速切换三个不同极化天线，从而获得三组接收的信号信息用于姿态的计算和估计。

需要说明的是，三个互相垂直的极化天线都放置在VR头戴设备1的前面部位，减少VR手柄2运动时头部的遮挡。

三个互相垂直的极化天线优选放置在一起，也可以分开放置。为了校正定位误差，可以在设计完天线后，对整套收发系统进行方位的标定和校准。

参阅图4所示为三个互相垂直的偶极子线极化天线，包括Z方向放置的偶极子天线，包括第一枝节400和第二枝节500，以及接地点600和馈电点700，以及X和Y方向放置的偶极子天线。这三个天线的接地点600和馈电点700通过天线切换开关300同时切换，在同一时刻只有一个偶极子天线正常工作，用于接收信号发射天线201。

需要说明的是，本发明的另一个实时例为将实施例中的极化天线组及天线切换开关300用于VR手柄2侧的，即VR手柄2侧的第一通信模块200包含了发射天线201以及天线切换开关300，以及第一射频前端202和第一通信芯片203，而VR头戴设备1则集成了一根接收天线，以及第二射频前端101和第二通信芯片103。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。