CN106918335A - 一种基于多psd传感器的辅助式三维空间定位装置与应用 - Google Patents
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Abstract
一种基于多PSD传感器的辅助式三维空间定位装置，包括装置包括信号接收处理端和便携式红外发射端；信号接收处理端,使用两个或两个以上二维PSD传感器，并且两个或两个以上PSD传感器按照已知的距离关系摆放固定；采用被动定位的方式，接收便携式红外发射端发出的红外光；通过红外发光器在多个PSD传感器上形成的光点位置计算出红外发光点的空间位置；通过在需要定位的物体上安装固定便携式红外发射器实现对物体的间接三维空间定位；所述的基于多PSD传感器的辅助式三维空间定位装置中，根据多路PSD传感器采集到的红外发射器的位置信号计算出发射器的精确三维空间中的位置；本装置需要两枚或两枚以上二维PSD传感器。
Description
技术领域
本发明涉及红外目标的三维追踪定位领域，更准确的说本发明涉及一种基于多PSD传感器的辅助式三维空间定位装置与应用方法。
背景技术
裸眼立体显示器中通过实现对人眼的跟踪可以实现全方位的自由立体显示，而现在实现人眼跟踪多采用CCD图像传感器采集图像信号，通过计算机软件图像处理的方式实现人眼跟踪。该方法在光照强度较低、背景环境复杂的场合往往会出现跟踪不到或者跟踪不准确的情况。且只能得到人眼的二维方向坐标。通过基于多PSD传感器的空间定位装置，将PSD信号采集处理部分安装在裸眼立体显示器端，将便携式红外发射端佩戴于人头部指定位置。通过PSD对红外发光点的定位实现对人眼的间接定位，从而为裸眼立体显示器实现全方位的立体显示必须实现人眼跟踪的问题提供一种解决方法。利用该装置实现间接的人眼跟踪具有抗干扰能力强、跟踪准确、续航时间长的特点。
中国专利申请号201610251492.0所描述的基于一维运动机构和二维位置传感器的六自由度定位系统中，采用将三个二维位置传感器固定于所需定位物体上的方案，用激光发射到PSD传感器接收面的方式实现对物体的空间姿态的确定。
发明内容
本发明目的是，要解决现有裸眼立体显示技术中的人眼跟踪问题，为裸眼立体显示器实现全方位的立体显示效果提供一种嵌入式、低成本、高稳定性的辅助式人眼三维空间定位装置与方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于多PSD传感器的辅助式三维空间定位装置，其特征在于，包括装置包括信号接收处理端和便携式红外发射端；
信号接收处理端，在PSD传感器上端安装窄带红外滤光镜头，滤除非红外波段的光信号；信号接收处理端使用两个或两个以上二维PSD传感器，并且两个或两个以上PSD传感器按照已知的距离关系摆放固定；采用被动定位的方式，接收红外发光器发出的红外光；通过红外发光器在多个PSD传感器上形成的光点位置计算出红外发光点的空间位置；
通过在需要定位的物体上安装固定红外发光器实现对物体的间接三维空间定位；所述PSD传感器是指Position Sensitive Detector，即：位置敏感检测器；
所述的基于多PSD传感器的辅助式三维空间定位装置中，根据多路PSD传感器采集到的红外发射器的位置信号计算出发射器的精确三维空间中的位置；
信号接收处理端，计算目标位置的过程中利用其中任意一路PSD信号计算出红外目标的二维方向坐标，确定光源在透过该镜头中心某一方向的一条射线上；利用两路PSD的信号找出两条射线的交点，计算出红外光源的三维位置坐标。
进一步，利用多路PSD的两两相交射线计算出多组红外光源的位置坐标，通过软件算法实现计算出的目标位置的最优化。
进一步，所述波形调制模块控制恒流驱动模块驱动红外发光器发出调制后的红外光；所述PSD信号接收及处理端对PSD传感器输出的信号进行滤波放大和直流恢复；所述A/D转换器将模拟信号转化为数字信号连接到数字信号处理模块；所述数字信号处理模块应用单片机或FPGA等处理器接收A/D转换器输出的数字信号进行数字滤波、非线性优化、位置解算；所述PSD信号接收及处理端将计算出的位置信号通过接口输出；信号接收处理端，计算目标位置之前对经过A/D转换之后的数字信号进行数字滤波得到准确的数据信号。信号接收处理端，计算目标位置之前对经过AD转换之后的数字信号进行数字滤波得到准确的数据信号。
进一步，便携式红外发射端，采用高亮的红外发光器，中心波长为940nm，点亮时肉眼观察不到亮光。
便携式红外发射端，采用恒流源+PWM调制的方式实现红外发光器的低功耗驱动。
进一步，便携式红外发射端，采用便携式可重复充电使用的大容量锂离子电池供电，保证了定位装置的长续航能力。
所述的一种基于多PSD传感器的辅助式三维空间定位装置中，信号接收处理端，在PSD传感器上端安装窄带红外滤光镜头，滤除非红外波段的光信号。
信号接收处理端设有数字信号处理模块，由单片机或FPGA等处理单元构成，采样A/D转换芯片输出的数字信号。对采样的信号进行数字信号处理工作。用处理之后的数据进行位置信息的解算工作。将计算出的位置信号通过串行接口输出。
在人眼跟踪中的使用方法，将带有红外调制LED的红外发射端佩戴于人的头部固定位置，利用检测端多PSD空间位置检测装置，精确检测红外LED的空间三维位置信息，从而间接实现对人眼位置的确定。利用该装置实现间接的人眼跟踪具有抗干扰能力强、跟踪准确、续航时间长的特点。
有益效果：本发明采用的是普通红外发光器，采用普通的红外LED即可，且是将便携式的红外发射端固定于待测物体，最少只需要2枚二维PSD传感器，通过实现对红外发射器的定位间接实现对目标物体的空间定位，且定位精度及效率均高。且本方案不受现有技术在定位一维运动机构的限制，可以实现大范围的空间目标定位。所述基于多PSD传感器的辅助式三维空间定位装置，将便携式红外发射端固定于所需定位物体上，通过实现对红外发射点的精确三维定位实现对所需定位物体的间接定位。
附图说明
图1为该装置的整体框架图。
图2为信号处理单元的操作流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但不构成对本发明的限制。
图1所示的基于多PSD的辅助式空间定位装置主要包括红外发射端和信号接收处理端。所述PSD传感器是指Position Sensitive Detector，即：位置敏感检测器；本装置至少需要两枚二维PSD传感器；所述红外发射端电池及电压转换模块为红外发射端波形调制与恒流驱动提供电源；所述波形调制模块控制恒流驱动模块驱动红外LED发出调制后的红外光；所述PSD信号接收及处理端对PSD传感器四个输出的信号进行滤波放大和直流恢复；所述A/D转换器将模拟信号转化为数字信号连接到单片机；所述数字信号处理模块应用单片机或FPGA等处理器接收A/D转换器输出的数字信号进行数字滤波、非线性优化、位置解算；所述PSD信号接收及处理模块将解算出的位置信号通过接口输出。
通过上述的实施方式，本发明所述的一种基于多PSD传感器的辅助式三维空间定位装置的软硬件模块组成包括：利用两个或两个以上二维PSD传感器；PSD传感器上端安装红外滤光镜头；接收红外LED发出的红外光；多路PSD位置信息的融合解算方法；实现对红外发光装置以及非红外目标的三维空间定位；PSD信号数字化之后的优化处理；红外发射端的低功耗驱动方法；红外LED的调制驱动方法；红外发射端的低功耗长续航的电源解决方案；
在上述实施方式中，将红外发射端固定在所需空间定位的物体上，将红外发射器一端面向PSD镜头接收面。将红外发射端装上电池，打开红外发射端的电源开关。使用满足输出协议的接收器接收PSD信号处理端输出的位置坐标。根据定位需要推算出所需定位物体的空间三维位置。
在上述实施方式中，数字信号处理模块由单片机或FPGA等处理单元构成。如图2所示，工作流程如下：
1、系统上电。
2、初始化，包括IO初始化和定时器初始化等。
3、采样A/D转换芯片输出的数字信号。
4、对采样的信号进行数字信号处理工作。
5、用处理之后的数据进行位置信息的解算工作。
6、将计算出的位置信号通过串行接口输出。
7、重复3-6的工作过程。
本装置在人眼跟踪中的使用方法与上述的实施方式一致。将带有红外调制LED的红外发射端佩戴于人的头部固定位置，利用检测端多PSD空间位置检测装置，精确检测红外LED的空间三维位置信息，从而间接实现对人眼位置的确定。利用该装置实现间接的人眼跟踪具有抗干扰能力强、跟踪准确、续航时间长的特点。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于多PSD传感器的辅助式三维空间定位装置，其特征在于，包括装置包括信号接收处理端和便携式红外发射端；
信号接收处理端,使用两个或两个以上二维PSD传感器，并且两个或两个以上PSD传感器按照已知的距离关系摆放固定；采用被动定位的方式，接收便携式红外发射端发出的红外光；通过红外发光器在多个PSD传感器上形成的光点位置计算出红外发光点的空间位置；
通过在需要定位的物体上安装固定便携式红外发射器实现对物体的间接三维空间定位；
所述的基于多PSD传感器的辅助式三维空间定位装置中，根据多路PSD传感器采集到的红外发射器的位置信号计算出发射器的精确三维空间中的位置。
2.根据权利要求1所述的空间定位装置，其特征在于，信号接收处理端，计算目标位置的过程中利用其中任意一路PSD信号计算出红外目标的方向坐标，确定红外光源在透过该镜头中心某一方向的一条射线上；利用两路PSD的信号找出两条射线的交点，计算出红外光源的三维位置坐标。
3.根据权利要求1所述的空间定位装置，其特征在于，利用多路PSD的两两相交射线计算出多组红外光源的位置坐标，通过软件算法实现计算出的目标位置的最优化。
4.根据权利要求1所述的空间定位装置，其特征在于，所述波形调制模块控制恒流驱动模块驱动红外发光器发出调制后的红外光；所述PSD信号接收及处理端对PSD传感器输出的信号进行滤波放大和直流恢复；所述A/D转换器将模拟信号转化为数字信号连接到数字信号处理模块；所述数字信号处理模块应用单片机或FPGA等处理器接收A/D转换器输出的数字信号进行数字滤波、非线性优化、位置解算；所述PSD信号接收及处理端将计算出的位置信号通过接口输出；信号接收处理端，计算目标位置之前对经过A/D转换之后的数字信号进行数字滤波得到准确的数据信号。
5.根据权利要求1所述的空间定位装置，其特征在于，便携式红外发射端，采用高亮的红外发光器，中心波长为940nm，点亮时肉眼观察不到亮光。
6.根据权利要求1所述的空间定位装置，其特征在于，便携式红外发射端，采用恒流源+PWM调制的方式实现红外发光器的低功耗驱动。
7.根据权利要求1所述的空间定位装置，其特征在于，便携式红外发射端，采用便携式可重复充电使用的大容量锂离子电池供电，保证了定位装置的长续航能力。
8.根据权利要求1所述的空间定位装置，其特征在于信号接收处理端，在PSD传感器上端安装窄带红外滤光镜头，滤除非红外波段的光信号。
9.根据权利要求1所述的空间定位装置，其特征在于信号接收处理端设有数字信号处理模块，由单片机或FPGA等处理单元构成，对多路A/D转换芯片输出的数字信号进行计算得到红外光源的位置坐标。
10.根据权利要求1-10之一所述的空间定位装置的应用，其特征是将带有红外调制LED的红外发射端佩戴于人的头部固定位置，利用检测端多PSD空间位置检测装置，精确检测红外LED的空间三维位置信息，从而间接实现对人眼位置的确定。
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