用于追踪移动的偏振追踪器系统和方法

摘要

提供了一种系统和方法，用于利用所发射的偏振电磁辐射作为追踪对象相对于另一个对象的相对定向和定位的手段。基于进行多个基于偏振的测量和然后确定将得出那些测量的对应几何结构来确定包括三个角度和三个平移的六个基本自由度。

说明书

技术领域

此处描述的示例性实施例一般涉及移动追踪系统，并更具体地涉及追踪对象相对于平台的移动。

背景技术

存在其中期望知道对象相对于另一对象的移动的许多情况。已知的追踪器技术包括惯性、磁性、超声和基于摄像机的光学系统。然而，这些方法已经主要被开发用于头戴式显示器（HWD），例如军用头盔，并趋向于是昂贵的、过于笨重的，并可能具有等待时间问题。

移动追踪器技术的一个已知使用涉及航空工业。由于诸如飞机之类的交通工具（vehicle）的操作变得更复杂，优选的是交通工具操作者（例如，飞行机务人员）是专心的，并以及时的方式接收信息以确保恰当的操作。用于提供信息的一个方法是近眼（NTE）显示系统。头部追踪器技术是头戴式或NTE显示器、系统的关键方面，尤其当期望提供以紧密NTE形状因子的保形（conformal）平视显示器（HUD）的功能性时。NTE显示系统是HWD系统的类型，其使用例如眼镜、面甲（visor）、头盔或帽子来在一只或两只眼睛前方放置显示器。通常，NTE显示器是半透明的，包括例如具有准直光学器件和微显示器（诸如，液晶显示器（LCD）、硅上液晶（LCoS）显示器或有机发光二极管（OLED）显示器）的光学组合器元件，因此在NTE显示器上呈现给用户的信息可以被叠加在可视场景上。例如，NTE显示器可以提供交通工具外的场景的表示视图，以供交通工具的操作者使用，甚至在拙劣可见度的条件下，诸如厚雾的条件。

因此，合期望的是提供用于追踪对象的移动的系统和方法，其允许简单、小型且轻重量的追踪组装。此外，示例性实施例的其它合期望的特征和特性将从结合附图和前述技术领域及背景技术的后续具体实施方式和随附权利要求变得显而易见。

发明内容

提供了一种用于追踪对象相对于平台的移动的系统和方法。

在示例性实施例中，一种用于追踪对象相对于平台的移动的方法包括从多个发射器传输偏振（polarized）电磁辐射，所述发射器附于对象和平台之一，所述对象被配置成指向相对于平台的多个方向中的至少一个；由附于对象和平台中的另一个的多个偏振检测器接收偏振电磁辐射；测量由多个偏振检测器接收到的偏振电磁辐射的偏振电磁辐射水平；以及分析所接收到的偏振电磁辐射水平以确定所述对象相对于平台所指向的至少一个方向。

在另一个示例性实施例中，一种移动追踪系统包括第一对象；第二对象；附于第一对象和第二对象中的一个的多个发射器；附于第一对象和第二对象中的另一个的多个检测器；以及处理器，其耦合到发射器和检测器且被配置成指示发射器传输偏振电磁辐射；从检测器接收指示由检测器所接收到的偏振电磁辐射的数据；以及分析所述数据以确定第一对象相对于第二对象所指向的至少一个方向。

附图说明

后文将结合下述附图各图来描述本发明，其中同样的标号指代同样的元件，并且

图1是根据此处描述的示例性实施例的用于显示信息的头戴式系统；

图2是根据此处描述的示例性实施例的适用于在航空器中使用的显示系统的框图；

图3是根据示例性实施例的用于发射偏振电磁辐射的三个发射器和用于接收偏振电磁辐射的三个检测器的示图；

图4是根据另一个示例性实施例的两个偏振检测器和两个多轴偏振发射器组装的示图；

图5是根据又一个示例性实施例的用于接收偏振电磁辐射的检测器阵列；并且

图6是根据示例性实施例的适合于与图1的显示系统一起使用的示例性方法的流程图。

具体实施方式

下述具体实施方式本质上仅仅是说明性的而非意在限制主题或本申请的实施例和这样的实施例的使用。此处描述为示例性的任何实现方式不一定被解释为对于其它实现方式是优选的或有利的，除非这样陈述。此外，并无意图由前述技术领域、背景技术、发明内容或下述具体实施方式中呈现的任何明确或暗含的理论来进行界定。

还应当注意的是，图1-6仅仅是说明性的，并可以不按比例绘制。此外，包括x、y和z轴和/或方向的笛卡尔坐标系被示出以阐明根据各种实施例的组件的相对位置和/或定向。然而，该坐标系仅意图在于有助于解释本发明的各种方面，并不应被解释为限制的。

本领域技术人员将认识到，结合此处公开的实施例所描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或二者的组合。一些实施例和实现方式在功能和/或逻辑块组件（或模块）及各种处理步骤方面被描述。然而，应认识到的是，这样的块组件（或模块）可以由被配置成执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件来实现。为了清楚地说明硬件和软件的该可互换性，各种说明性组件、块、模块、电路和步骤一般在其功能性方面被描述。这样的功能性被实现为硬件还是软件取决于特定应用和施加在整体系统上的设计约束。技术人员可以针对每个特定应用以变化的方式实现所述功能性，但是这样的实现决策不应被解释为使得背离本发明的范围。例如，系统或组件的实施例可以采用各种集成电路组件，例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，其可以在一个或多个微处理器或其它控制设备的控制下执行各种功能。此外，本领域技术人员将认识到此处所述的实施例仅仅是示例性实现方式。

结合此处公开的实施例所描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可以用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或被设计成执行此处描述的功能的其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是在替换方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核的一个或多个微处理器，或任何其它这样的配置。词语“示例性”此处排他性地用于意指“用作示例、实例或说明”。此处描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为对于其它实施例是优选的或有利的。

结合此处公开的实施例所描述的方法或算法的步骤可以直接体现在硬件中、在由处理器执行的软件模块中或者在二者的组合中。软件模块可以驻留在RAM存储器、闪速存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移除盘、CD-ROM或本领域中已知的任何其它形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器，以使得处理器可以从存储介质读信息和向其写信息。在替换方案中，存储介质可以集成于处理器。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可以驻留为用户终端中的离散组件。任何上述设备是计算机可读存储介质的示例性、非限制性示例。

在本文档中，诸如第一和第二等之类的关系术语可以仅仅用于区分一个实体或动作与另一个实体或动作而不一定要求或暗指这样的实体或动作之间的任何实际的这样的关系或次序。诸如“第一”、“第二”、“第三”等之类的数字序数仅仅表明多个中的不同的单个，并不暗指任何次序或顺序，除非由权利要求的语言具体限定。任何权利要求中的文本的顺序并不暗指过程步骤必须以根据这样的顺序的时间或逻辑上的次序来执行，除非由权利要求的语言所具体限定。过程步骤可以在不背离本发明的范围的情况下以任何次序被互换，只要这样的互换不违背权利要求的语言并且不是逻辑上无意义的。

下述描述参考“耦合”在一起的元件或节点或特征。如此处使用的，除非另有明确陈述，否则“耦合”意指一个元件/节点/特征直接或间接接合到另一个元件/节点/特征（或者直接或间接与其通信），并不一定是机械地。因而，虽然附图可以描绘一个示例性元件布置，但在所描绘的主题的实施例中可以存在附加的居间元件、设备、特征或组件。此外，某些术语也可以在下述描述中仅用于参考目的，并因而不意图为限制性的。

此处描述的示例性实施例利用偏振来追踪第一对象相对于第二对象（用于示例，对象相对于平台）的定向和定位。该方法提供高准确度、非常低的等待时间（例如，亚毫秒）、缩减的形状因子、简化的安装、金属结构的耐性（tolerance）和降低的成本。示例性实施例包括向移动致动器提供移动的反馈，在飞行员所穿戴并基于飞行员的头部的移动的近眼显示器、诸如海轮中的显示器之类的显示系统、以及由非现场（off-site）控制器（例如地面控制器）使用的显示器上、基于用户的头部或可能地远程飞行员的头部的移动而显示包括符号和图形的信息，诸如保形图像。许多其它显示应用也可以受益于追踪能力。

一个示例性实施例使用三个偏振电磁辐射源和三个匹配的偏振检测器。如此处使用的，电磁辐射包括具有兼容的波长（例如，显著小于发射器与检测器之间的距离）的所发射的电磁辐射并包括例如可见光、紫外、近红外和红外的光谱。每个匹配的配对可以允许测量差动旋转（differential rotation）的三个独立角之一。三个角的集合可以是传统的Euler（欧拉）角，或例如在航空环境中是等价角描述，诸如相对于诸如飞行甲板之类的参考系的俯仰（pitch）、转动（roll）和偏转（yaw）的更熟悉的集合。

当包括复合的角度和平移的自然场景时，相对角度和定位之间的几何结构和固有相互作用变得更加复杂。然而，底层能力仍然基于进行多个基于偏振的测量并然后确定将得出那些测量的对应的几何结构来确定包括三个角度和三个平移度的所有六个基本自由度（DOF）。

参见，例如图1的眼镜100或HWD，其包括第一角轴102（俯仰）、第二角轴104（转动）和第三角轴106（偏转）。可以考虑附加的平移移动，例如第一平移方向112（X）、第二平移方向114（Y）和第三平移方向116（Z）。通过发射器和检测器的合适装配，头部和/或HWD（诸如NTE显示系统）的定向或定位（或二者）可以相对于另一个对象120（诸如平台）来确定。

用于从测量的数据计算角度和定位的方法可以采取若干形式。一个示例将会是将测量精简成六个独立度量并应用将那些精简的度量转换成期望的DOF度量的合适的变换（例如，矩阵，如果线性相关的话，诸如如果操纵方向余弦则可以是的情况）。另一个示例性方法将会是计算过采样的系统的数值拟合，并使用过采样来对采样数据中的任何潜在噪声进行平均（滤波），提供冗余（例如，如果一个或多个发射器被妨碍或遭遇由于寄生反射或其它情形引起的异常信号电平），或者增强某些几何关系方面的灵敏度（例如，空间对角度灵敏度）。附加信号处理方法还可以用来改善所提取的DOF度量，例如通过包括测量（例如，测量的电平）的时间特性。诸如Kalman（卡尔曼）滤波之类的方法和相关技术是本领域技术人员所熟知的。

诸如目镜100之类的对象的空间坐标的计算可以包括确定发射器所附于的对象相对于检测器所附于的平台的至少一个自由度。知道空间坐标对于控制所追踪对象的操作可以是有用的，诸如确定要在与眼镜关联的NTE显示器的示例性实施例中显示的信息。

若干方法或配置可以用于将HWD的硬件实现适配于特定目标或需要。示例性考虑可以包括：

· 头戴式大小、形状因子和/或重量；

· 头戴式组件的性质（例如，发射、检测或甚至潜在地无源的，诸如具有偏振器和/或双折射膜的反射器）

· 要追踪的角度和/或定位的功能范围

· 操作速度或等待时间

· 需要的准确度或抗噪性

· 周围环境，包括周围照明条件

· 远程（非头戴式）模块的定位和/或数目

· 低成本

· 低功率

· 冗余。

应当理解的是，图2是为了解释和易于描述的目的的偏振追踪系统200的简化表示，并且图2并非意在以任何方式限制本申请或主题的范围。实践中，偏振追踪系统200可以包括众多其它设备和组件以用于提供附加功能和特征，如将由本领域技术人员认识到的。

图2包括多个发射器202、多个检测器204和处理器206。多个偏振器（偏振滤波器）210定位在多个发射器202之上或以其它方式与其组合，每个发射器一个偏振器210以用于对检测器204所检测到的电磁辐射208进行偏振。多个偏振器212被定位在多个检测器204之上或以其它方式与其组合，每个检测器一个偏振器212。处理器指示偏振发射器202何时提供偏振电磁辐射208的脉冲和提供从偏振检测器204输出的偏振电磁辐射水平的分析。如此处所使用的，分析包括执行对测量的“偏振电磁辐射水平”或信号的计算分析。

发射器202和检测器204可以包括分别发射和检测电磁辐射的任何已知或后续开发的发射器和检测器。例如，偏振不灵敏发射器和偏振器可以与偏振滤波器组合使用，如图2中所示。可替换地，对应的偏振器210和/或212可以被省略，如果发射器输出是固有偏振的和/或检测器是固有偏振灵敏的。另外的示例性实施例可以包括附加的非偏振发射器和/或检测器。这些将会提供例如可以被用来使针对诸如距离滚降（rolloff）或投影面积因子之类的效应的其它测量归一化的附加测量数据。仍另外的变型也是可能的，诸如在偏振发射器和/或检测器的情况下包含双折射延迟膜。虽然大部分熟悉类型的偏振器是单轴吸收偏振器元件，但这并非意图为限制性的并且可以使用其它类型的偏振元件（例如，反射性、介电和分束偏振器或者胆甾（cholesteric）偏振器与适当四分之一波长延迟膜的组合）。

处理器206可以用通用处理器、内容可寻址存储器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、任何合适的可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或被设计成执行此处描述的功能的任何组合来实施或实现。处理器设备可以被实现为微处理器、控制器、微控制器或状态机。此外，处理器设备可以实现为计算设备的组合，例如数字信号处理器和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合数字信号处理器核或任何其它这样的配置。

在该描述的过程期间，根据说明各种示例性实施例的不同各图，同样的标号可以用于标识同样的元件。

参考图3中示出的示例性实施例，以三角形302形式的多个发射器202（例如三个近红外（NIR）LED）可以独立地脉冲。每个发射器202将具有邻近发射器的单轴吸收偏振器210（图2），以使得其在发射器202和以三角形304的形式的检测器204之间，其中针对不同的偏振器210的吸收轴分布成优选以三维的定向。多个检测器204将各自具有关联的单轴吸收偏振器212（图2），并且将测量来自发射器的结果信号，其中测量的信号电平随来自每个源的偏振角以及可能地其它几何参数而变化。利用三个偏振检测器204和三个偏振发射器202，将存在多达9个可能的独立测量（发射器/检测器对），概念上多于足以推断出六个独立的DOF。通过优化发射器202和检测器204的三维关系，应当有可能更好地匹配针对目标应用的期望的范围和/或灵敏度。图3是示例配置，其中三角形302表示附于目镜100或其它结构的发射器202。较大的三角形304表示检测器204的集合，其中至少一些被偏振，附于结构、平台120或其它对象。应该理解的是，检测器204可以附于目镜100，并且发射器202附于另一个对象120，或者发射器202和检测器204可以附于目镜100和平台120二者。增加发射器202或检测器204的数目将增加从其中提取要测量的关系的可用数据。非偏振发射器202和检测器204也可以如上所述地被包括，并且发射器202和检测器204的相对定位可以被调整以最佳利用可用空间。将元件的空间伸展例如拓宽到要被追踪的对象的侧面、后方以及上方可以改善追踪能力，而同时可以存在不总是在其间具有清楚视线的发射器-检测器配对。

上述方法和系统可以利用在其中对象相对于另一个对象或平台（包括诸如航空器、陆地交通工具、和水运工具之类的交通工具）移动的任何场景中。虽然附图中示出的实施例并入了耳机，但应该理解的是此处所述的方法和系统还可以在其它头戴式耳机设备上使用，诸如头盔、护目镜或耳部支承的设备。其它实施例是可能的，其中NTE显示器不存在，但使用上述方法来可移动地耦合且联合地追踪其它组件。所述方法和系统还可以与无人交通工具一起使用，其中耳机的操作范围限制对应于其中用户远程地控制交通工具的站。

在另一个示例性实施例（图4）中，偏振发射器202被定位在截断的基于方形的角锥体（pyramid）424的侧面422、426上，因而具有四个成角的侧面422和顶侧面426，总共5个发射侧面（不包括未示出的方形基底）。在另一个示例性实施例中，偏振发射器202定位在侧面422、426的表面之下，其中来自偏振发射器202的电磁辐射通过侧面422、426的表面。每个侧面422、426包括具有吸收轴（由线202的角定位来表示）的线性偏振片材。轴以倾斜的角度而定向，以使得角锥体424内没有吸收轴是平行的，或者在相同的平面内（共面）。由于检测器204至少横向地与彼此分离，并且同样可能地定向地，每个将不同地看到发射器202，并且可以提取角坐标102、104、106和空间坐标112、114、116二者。图4描绘了包括每个偏振器428的表面430上（或之下）的检测器204的示例性配置，其中针对该偏振器428的单轴吸收轴的可能定向由线的角定位来表示。每个轴可以被调整以优化性能。再次，这将可能地包括将元件置于侧面上方或置于侧面，不恰好面对彼此，如此处描述的示例中所示。示出两个多发射器角锥体424和两个检测器204，但如在其它实施例中，发射器和检测器位置可以被互换并且可以包括非偏振发射器和检测器。此外，两个多发射器角锥体中的每一个可以独立于彼此而被测量和追踪，例如，如果它们之间的距离是可调整的话，诸如NTE显示器的可调整的瞳孔间距离或IPD。

图5的示例性实施例包括紧密检测器阵列500（例如，线性或双轴阵列，或者摄像机传感器阵列），而不是单个元件检测器，其中检测器阵列500的每个检测器204（或检测器204的子组）具有与其关联的偏振器428的不同定向（由线204的定位来表示）。阵列500的参数（例如，检测器204的数目、每个检测器204的大小、每个偏振器428的偏振角、以及可能的非偏振检测器元件，未示出）经历优化。通过同时检测任意偏振的发射器202通过偏振器定向阵列的有效透射比，在源偏振的较大范围上可以生成源偏振的改进的估计。图5上的另外的变型将是偏振发射器阵列的示例性实施例的描绘，其中阵列500可以表示具有关联的输出偏振的显示设备或可寻址的发射阵列。

各类附加的示例性实施例是可能的，包括如下示例：

· 与其它追踪器类型的组合，用于冗余、性能增强或交叉检查。每个追踪器类型将很可能具有与等待时间、潜在的漂移、对干扰或遮蔽的易感性等有关的其自己的关联的权衡。在一个实施例中，耦合到附加的追踪设备的处理器可以基于附加追踪设备和移动追踪系统的组合输出而比较和修改所测量的空间坐标。

· 变化计算算法以当头部运动最小或缓慢时优化精度和/或准确度，并且以有利于快速头部运动的情况下的低等待时间。此处描述的本发明的实质优点之一是如与许多已知的技术相比的对于极低等待时间追踪的潜力。

· 由偏振检测器测量的结果可以通过来自非偏振检测器的可比较的结果而归一化，通过使用比率以最小化角度和空间滚降或其它依赖性的效应。

· 同时，滚降度可以用作针对计算或校准的模型的附加输入，例如以计算源和检测器之间的距离。滚降的另一个几何源将会是由于投影面积因子（例如，由于相对倾斜而引起的余弦因子）。

· 范围、灵敏度和其它参数之间的权衡的优化。例如，某些头部移动更可能覆盖比其它头部移动大的角范围。

· 利用与一个或多个源或检测器结合的无源或有源偏振旋转元件。在一个示例中，可切换LC单元（LC cell）可以被放置在一个或多个光学路径中。对LC单元的驱动可以基于头戴式单元的一般邻近而调整以增强该覆盖区中的灵敏度。如果头部显著移动，则LC单元可以被重调整。

· 可以使用偏振分裂器，诸如分束器棱镜。

· 通过平均算法和相位灵敏检测而降低由于周围光和其它源而引起的噪声，例如通过使用利用背景减除的脉冲和门控检测技术。发射器输出可以另外被脉冲编码，其中每个发射器具有唯一的脉冲序列，以用于标识当前活动的发射器的目的。如果发射器输出是可标识的，例如由于脉冲编码，则它们能够可选地以异步的或以其它方式独立于图2的处理器206的方式而被驱动。除了用于标识目的之外，脉冲编码的序列还可以可选地被包括在信号电平的检测和平均中。

· 附加光学器件，诸如透镜、滤波器或挡板，可以与发射器或检测器结合使用。

图6是图示了适合于与此处描述的示例性实施例一起使用的方法600的示例性实施例的流程图。结合方法600执行的各种任务可以由软件、硬件、固件或其任何组合来执行。为了说明性目的，方法600的下述描述可以参考以上结合前述各图提及的元件。实践中，方法600的部分可以由所述系统的不同元件来执行，例如处理器或显示元件。应该认识到的是，方法600可以包括任何数量的附加或可替换任务，图6中示出的任务不需要以图示的次序执行，并且方法600可以被合并到具有未在此详细描述的附加功能性的更全面的过程或方法中。此外图6中示出的一个或多个任务可以从方法600的实施例中省略，只要意图的整体功能性仍然完整。

根据图6的示例性方法，用于检测移动的方法600包括：从附于对象和平台之一的多个发射器传输602偏振电磁辐射，所述对象被配置成指向相对于平台的多个方向中的至少一个；由附于对象和平台中另一个的多个偏振检测器接收604偏振电磁辐射；测量606由多个偏振检测器接收到的偏振电磁辐射的偏振电磁辐射水平；以及分析608接收到的偏振电磁辐射水平以确定所述对象所指的至少一个方向。如此处所使用的，分析意为对测量的“偏振电磁辐射水平”或信号的计算分析。

益处、其它优点和对问题的解决方案已经在上文关于特定实施例进行描述。然而，可以使任何益处、优点或解决方案发生或变为更明显的益处、优点、对问题的解决方案和（一个或多个）任何元件不被解释为任何或所有权利要求的关键的、所需的或必需的特征或元件。如此处使用的，术语“包括”、“包含”或其任何其它变型意图为涵盖非排他性包含，以使得包括元件列表的过程、方法、物品或装置不仅包括那些元件，但还可以包括未明确列出的或对这样的过程、方法、物品或装置而言固有的其它元件。

虽然已经在前述具体实施方式中呈现了至少一个示例性实施例，但应该认识到的是，存在大量变型。还应该认识到的是，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并不意图为以任何方式限制本发明的范围、应用性或配置。而是，前述具体实施方式将向本领域技术人员提供便利的路线图以用于实现本发明的示例性实施例，理解的是，可以在示例性实施例中描述的元件的功能和布置中做出各种改变，而不背离如在所附权利要求中阐述的本发明的范围。