CN206193691U - 一种动作捕捉系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种动作捕捉系统。包括：定位基站和被追踪设备，定位基站包括第一射频收发器和至少三个超声波发射器；被追踪设备包括第二射频收发器和至少一个超声波传感器；定位基站发射数据信号和超声波信号至被追踪设备，被追踪设备处理数据后得到每个超声波传感器相对于定位基站的空间位置，结合所有超声波传感器在被追踪设备上的分布信息确定被追踪设备相对于定位基站的空间位置和姿态。通过实施本实用新型，仅需要一个基站即可完成空间定位，不需要任何图像识别算法，所获取的仅仅是时间参数；且具有计算速度快、响应延时低、功耗低、空间位置追踪精度高等特点。

Description

一种动作捕捉系统

技术领域

本发明涉及人机交互领域，更具体地说，涉及一种动作捕捉系统。

背景技术

虚拟现实(VR)等技术近年来因为各方面技术渐渐成熟以后形成新产品的热点领域。因为这些技术可以给人带来更多维度的感官体验，因此这些领域里的人机交互也是当前业界研究和开发的热点。在这个领域内最重要的技术就是动作捕捉技术，通过该技术获取头戴显示器和人机交互装置的空间位置和空间姿态才能实现接近真实的VR体验。

现有技术的技术方案：

方案一：参考附图1，HTC VIVE的Lighthouse技术利用了机械旋转的X,Y轴线扫激光来扫描玩家的活动空间，头盔以及控制器安装有数量非常多的光敏器件，通过测量扫描的时间差来重建头盔和控制器的空间位置和姿态。

方案二：参考附图2，Oculus的主动式光学定位技术，利用头戴显示器的结构上设置的LED以特定的亮度分布和点亮顺序，利用图像识别重建头盔的三维位置，同时头戴显示器内还设置有姿态检测装置来进行追踪辅助。

方案三：参考附图3，SONY公司的PlayStation Move采用的是双目相机拍摄不同颜色的光球来进行控制器的追踪。

现有技术的缺点：Lighthouse需要高速旋转的机械部件，会产生较大的机械振动，会导致定位数据抖动，而且因为机械磨损寿命会有问题。另一方面，为了得到全向的定位需要两个基站联合定位，成本高，调试麻烦，对安装环境有要求。Oculus的主动光学定位依赖摄像头的帧率，需要在不同的帧识别红外LED的状态，因此可以追踪的点数非常有限。SONY的双目光球系统追踪范围小，响应慢，用户体验不佳。

发明内容

为解决上述现有技术中存在缺陷，本发明提供一种动作捕捉系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种动作捕捉系统，所述系统包括：定位基站和被追踪设备，其中，

所述定位基站包括第一射频收发器和至少三个超声波发射器；

所述被追踪设备包括第二射频收发器和至少一个超声波传感器；

所述定位基站发射数据信号和超声波信号至所述被追踪设备，所述被追踪设备接收并处理所述数据信号和超声波信号，得到每个所述超声波传感器相对于所述定位基站的空间位置，结合所有所述超声波传感器在所述被追踪设备上的分布信息确定所述被追踪设备相对于所述定位基站的空间位置和姿态。

进一步，在本发明所述的动作捕捉系统中，所述定位基站还包括：用于控制所述定位基站内所述第一射频收发器发送数据信号和所述超声波发射器发射超声波信号的第一微处理器；

与所述第一微处理器连接、用于驱动所述超声波发射器发射超声波信号的驱动电路；

所述第一射频收发器连接所述第一微处理器；所述超声波发射器通过所述驱动电路连接至所述第一微处理器。

进一步，在本发明所述的动作捕捉系统中，所述定位基站还包括：定位基站卫星A、定位基站卫星B、定位基站卫星C，第一射频收发器包括：射频收发器A、射频收发器B、射频收发器C；

在所述定位基站卫星A中，超声波发射器A通过驱动电路A连接处理器A；所述射频收发器A连接所述处理器A；

在所述定位基站卫星B中，超声波发射器B通过驱动电路B连接处理器B；所述射频收发器B连接所述处理器B；

在所述定位基站卫星C中，超声波发射器C通过驱动电路C连接处理器C；所述射频收发器C连接所述处理器C。

进一步，在本发明所述的动作捕捉系统中，所述被追踪设备还包括：与所述被追踪设备的主系统连接、用于接收并处理所述数据信号和超声波信号的第二微处理器；

所述第二微处理器有多个外部中断，其中一个所述外部中断连接所述第二射频收发器，其余所述外部中断分别通过放大调理电路连接所述超声波传感器。

进一步，在本发明所述的动作捕捉系统中，所述被追踪设备还包括：与所述被追踪设备主系统连接、用于接收并处理所述数据信号和超声波信号的第三微处理器；

所述第三微处理器有多个外部中断，其中一个所述外部中断连接所述第二射频收发器，其余所述外部中断通过频率分离器连接所述超声波传感器。

进一步，在本发明所述的动作捕捉系统中，所述频率分离器包括：用于将接收到的所述超声波信号进行放大的放大电路、用于选取预设频率声波的带通滤波器、用于将超声波信号转化为数字信号的比较器；所述超声波传感器通过所述放大电路连接所述带通滤波器，所述带通滤波器将选择的超声波信号传输至所述比较器，所述比较器连接对应的所述外部中断；

或

所述频率分离器包括：用于将接收到的所述超声波信号进行放大的放大电路、用于选取预设频率声波的模拟锁相环、用于为所述模拟锁相环提供参考频率的参考频率源；

所述超声波传感器通过所述放大电路连接所述模拟锁相环，所述模拟锁相环连接所述参考频率源，所述模拟锁相环连接对应的所述外部中断。

另，本发明还公开一种动作捕捉方法，包括：

步骤一：定位基站通过第一射频收发器发送数据信号，并在发送数据信号延后第一预设时间后通过超声波发射器发送超声波信号；

步骤二：被追踪设备通过第二射频收发器接收所述数字信号，所述被追踪设备通过超声波传感器接收所述超声波信号；

步骤三：所述被追踪设备根据所述超声波信号到达所述超声波传感器的时间得到每个所述超声波发射器与所述超声波传感器之间的距离；

步骤四：根据每个所述超声波发射器与所述超声波传感器之间的距离，解算出每个所述超声波传感器相对于所述定位基站的空间位置；

步骤五：根据每个所述超声波传感器相对于所述定位基站的空间位置和所述超声波传感器在所述被追踪设备上的分布信息，得到所述被追踪设备相对于所述定位基站的空间位置和姿态。

优选地，在本发明所述的动作捕捉系统中，

所述步骤一包括：所述第一射频收发器在每个周期内以第一时间间隔为间隔向所述被追踪设备多次广播所述数据信号，所述数据信号内包含所述超声波发射器的预设顺序信息；所述超声波发射器按照所述预设顺序信息依次在所述第一射频收发器每次发送所述数据信号延后第一预设时间后发送所述超声波信号；

所述步骤三包括：所述被追踪设备以所述第二射频收发器接收到所述数据信号为计时起点，以所述超声波传感器接收到所述超声波信号为计时终点，去除偏置时间后得到每个所述超声波信号到达所述超声波传感器的时间。

优选地，在本发明所述的动作捕捉系统中，

所述步骤一包括：所述第一射频收发器在每个周期开始时广播所述数据信号，所述超声波发射器按照预设顺序并以第二时间间隔为间隔依次发射所述超声波信号；

所述步骤三包括：所述被追踪设备以所述第二射频收发器接收到所述数据信号为计时起点，以所述超声波传感器接收到所述超声波信号为计时终点，去除对应倍数的所述第二时间间隔得到每个所述超声波信号到达所述超声波传感器的时间。

优选地，在本发明所述的动作捕捉系统中，

所述步骤一包括：所述第一射频收发器在每个周期开始时广播所述数据信号，每个所述超声波发射器发射不同频率的所述超声波信号；

所述步骤三包括：所述被追踪设备以所述第二射频收发器接收到所述数据信号为计时起点，以频率分离器输出不同频率的所述超声波信号为计时终点，去除偏置时间后得到每个所述超声波信号到达所述超声波传感器的时间。

实施本发明的一种动作捕捉系统，具有以下有益效果：该系统包括：定位基站和被追踪设备，其中，定位基站包括第一射频收发器和至少三个超声波发射器；被追踪设备包括第二射频收发器和至少一个超声波传感器；定位基站发射数据信号和超声波信号至被追踪设备，被追踪设备接收并处理数据信号和超声波信号，得到每个超声波传感器相对于定位基站的空间位置，结合所有超声波传感器在被追踪设备上的分布信息确定被追踪设备相对于定位基站的空间位置和姿态。通过实施本发明，仅需要一个基站即可完成空间定位，不需要任何图像识别算法，所获取的仅仅是时间参数；另外，本发明具有计算速度快、响应延时低、功耗低、空间位置追踪精度高等特点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是HTC VIVE的Lighthouse动作捕捉的结构示意图；

图2是Oculus的主动式光学定位技术的结构示意图；

图3是SONY公司的PlayStation Move动作捕捉的结构示意图；

图4是本发明动作捕捉系统的结构示意图；

图5是本发明动作捕捉系统的第一实施例的定位基站的结构示意图；

图6是本发明动作捕捉系统的第一实施例的被追踪设备的结构示意图；

图7是本发明动作捕捉系统的第一实施例的定位基站的工作时序图；

图8是本发明动作捕捉系统的第一实施例的被追踪设备的工作时序图；

图9是本发明动作捕捉系统的第二实施例的定位基站的工作时序图；

图10是本发明动作捕捉系统的第二实施例的被追踪设备的工作时序图；

图11是本发明动作捕捉系统的第三实施例的定位基站的结构示意图；

图12是本发明动作捕捉系统的第三实施例的被追踪设备的结构示意图；

图13是本发明动作捕捉系统的第三实施例的频率分离器的结构示意图；

图14是本发明动作捕捉系统的第四实施例的频率分离器的结构示意图；

图15是本发明动作捕捉系统的第三、四实施例的定位基站的工作时序图；

图16是本发明动作捕捉系统的第三、四实施例的被追踪设备的工作时序图；

图17是本发明动作捕捉系统的第五实施例的定位基站的结构示意图；

图18是本发明动作捕捉系统的第五实施例的系统结构示意图；

图19-22是本发明动作捕捉系统的应用场景示意图；

图23是超声波发射器A-C和单个超声波传感器之间的位置关系模型。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图4所示，图4是本发明的一种动作捕捉系统的结构示意图。该系统包括：定位基站和被追踪设备，其中，

定位基站包括第一射频收发器和至少三个超声波发射器；

被追踪设备包括第二射频收发器和至少一个超声波传感器；

被追踪设备通过有线或无线通信接口接入主系统；

定位基站发射数据信号和超声波信号至被追踪设备，被追踪设备接收并处理数据信号和超声波信号，得到每个超声波传感器相对于定位基站的空间位置，结合所有超声波传感器在被追踪设备上的分布信息确定被追踪设备相对于定位基站的空间位置和姿态。

如图5-8所示，为本发明一种动作捕捉系统的第一实施例。

参考图5，图5是本实施例一种动作捕捉系统的第一实施例的定位基站的结构示意图。该定位基站包括：第一微处理器、第一射频收发器、多个超声波发射器以及对应的驱动电路，其中，

第一微处理器用于控制定位基站内第一射频收发器发送数据信号和超声波发射器发射超声波信号，第一射频收发器连接第一微处理器；驱动电路用于驱动超声波发射器发射超声波信号，本实施例的驱动电路包括第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路，超声波放射器包括第一超声波发射器、第二超声波发射器、第三超声波发射器；第一超声波发射器通过第一驱动电路连接第一微处理器，第二超声波发射器通过第二驱动电路连接第一微处理器，第三超声波发射器通过第三驱动电路连接第一微处理器。

优选地，本示例中的超声波发射器优选为柱状PVDF薄膜超声波发射器，例如TEConnectivity公司就有生产这类超声波发射器，典型发射频率为40Khz或80Khz，发射角度为全向360度。

参考图6，图6是本实施例一种动作捕捉系统的第一实施例的被追踪设备的结构示意图。该被追踪设备包括：第二微处理器、第二射频收发器、多个超声波传感器、以及与超声波传感器对应的放大调理电路，其中，

被追踪设备的第二微处理器通过有线或无线通信接口接入主系统，将解算好的位置信息传送给主系统进行处理，无线通信接口包括但不限于蓝牙/wifi/zigbee等；第二微处理器包括多个外部中断，超声波传感器包括：第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器。第二射频收发器连接第二微处理器的外部中断0，第一超声波传感器通过第一放大调理电路连接第二微处理器的外部中断1，第二超声波传感器通过第二放大调理电路连接第二微处理器的外部中断2，第三超声波传感器通过第三放大调理电路连接第二微处理器的外部中断3。可以理解，超声波传感器的数量可根据定位精度的需求进行调整，放大调理电路和第二微处理器的外部中断做对应调整即可。

优选地，第二微处理器包括但不限于具有外部中断或边沿触发功能的微处理器、FPGA或ASIC等。第一射频收发器和第二射频收发器应当是相互匹配的，例如市场上常见的2.4G射频收发器，有NORDIC公司的NRF24L01系列，上海链接电子公司的LT89xx系列。其中第二射频收发器与第二微处理器外部中断0连接的引脚应当是数据包中断输出引脚，上述的NRF24L01系列和LT89xx系列均有该引脚。超声波传感器优选为MEMS硅麦克风，Knowles公司有生产该类型的硅麦克风，它的体积非常小，容易集成到头戴显示器或手持控制器上，其声孔直径小于1mm，故可以排布较为密集。超声波传感器通过放大调理电路的调理整形比较后将接收到的超声波信号转化为第二微处理器可以识别的电平跳变。

参考图7，图7是本实施例一种动作捕捉系统的第一实施例的定位基站的工作时序图。其中，Tw是两次空间定位的间隔时间，在Tw的时间内，第一微处理器控制第一射频收发器以Tsafe为间隔分别广播含有超声波发射器标签的3个数据包，并在相应的间隔里控制第一超声波发射器、第二超声波发射器、第三超声波发射器依次延时Td或立即发射超声波，如此往复。Td一般在500us以内，在数据包较长的情况下Td可以为0。Tsafe是指超声波在设定的追踪距离内能够安全的传播的时间。

参考图8，图8是本实施例一种动作捕捉系统的第一实施例的被追踪设备的工作时序图。被追踪设备上设置的第二射频收发器在每次空间定位的时间Tw内会收到3个带有超声波发射标签的数据包，将Tw分为3个时隙，它们的间隔为Tsafe；分别以这3个数据包收到的时间作为计时起始点，被追踪设备上设置的第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器在3个时隙中接收到的超声波信号引发的中断分别作为计时结束得到对应的时间。例如，外部中断1分别得到的是Tt1A、Tt1B和Tt1C，去除延时Td分别得到T1A、T1B和T1C，将得到的T1A、T1B和T1C分别乘以声速则可以得到定位基站上设置的超声波发射器到达第一超声波传感器的距离，其他超声波传感器以此类推。

如图9-10所示，为本发明一种动作捕捉系统的第二实施例。

第二实施例的中的定位基站和被追踪设备的结构参考第一实施例，这里不在赘述，第二实施例与第一实施例区别在定位方法上，具体过程参考图9和图10。

参考图9，图9是本实施例一种动作捕捉系统的第二实施例的定位基站的工作时序图。其中，Tw是两次空间定位的间隔时间，在Tw的起始时间，第一微处理器控制第一射频收发器广播1个同步数据包，在延时Td后或立即控制第一超声波发射器发射超声波。Td一般在500us以内，在数据包较长的情况下Td可以为0。在第一超声波发射器发射超声波后，以Tsafe为间隔分别控制第二超声波发射器和第三超声波发射器发射超声波，如此往复。

参考图10，图10是本实施例一种动作捕捉系统的第二实施例的被追踪设备的工作时序图。被追踪设备上设置的第二射频收发器在每次空间定位的时间Tw起始时间会收到同步数据包，以收到同步数据包作为计时起始点，在Td延时之后，以Tsafe作为间隔将Tw分为3个时隙，被追踪节点上设置的第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器在3个时隙中接收到的触发信号引发的中断分别作为计时结束得到对应的时间，例如外部中断1分别得到的是Tt1A、Tt1B和Tt1C，将Tt1A、Tt1B和Tt1C分别减去Td、Td+Tsafe、Td+2*Tsafe得到T1A、T1B和T1C，将得到的T1A、T1B和T1C分别乘以声速则可以得到定位基站上设置的3个超声波发射器到达第一超声波传感器的距离，其他超声波传感器以此类推。

如图11-13所示，为本发明一种动作捕捉系统的第三实施例。

参考图11，图11是本实施例一种动作捕捉系统的第三实施例的定位基站的结构示意图。与第一实施例和第二实施例不同，在第三实施例中，超声波发射器通过发射不同频率的声波来区分，第一超声波发射器发射频率为FA的超声波信号，第二超声波发射器发射频率为FB的超声波信号，第三超声波发射器发射频率为FC的超声波信号。第一微处理器可以通过第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路分别控制第一超声波发射器、第二超声波发射器、第三超声波发射器发射超声波信号。超声波发射器优选为柱状PVDF薄膜超声波发射器，例如TE Connectivity公司就有生产这类超声波发射器，典型发射频率为40Khz或80Khz，发射角度为全向360度，特别地，柱状PVDF薄膜超声波发射器有一个特性，即可以通过调整PVDF薄膜的柱状半径和长度改变其中心频率，使其可以在多个频率上进行全功率发射。

参考图12，图12是本实施例一种动作捕捉系统的第三实施例的被追踪设备的结构示意图。该被追踪设备包括：第二微处理器、与第二微处理器连接的第二射频收发器、放大调理电路1-n、与放大调理电路1-n连接的超声波传感器1-n，n为大于1的自然数；放大调理电路1-n分别连接有能够分离出FA、FB和FC的频率分离器1-n。第二微处理器包括但不限于具有外部中断或边沿触发功能的微处理器、FPGA或ASIC。第二微处理器的外部中断0连接有第二射频收发器，其余的外部中断的连接关系具体为：频率分离器1-n的FA、FB和FC输出各自连接有外部中断1A-nA、1B-nB、1C-nC。

优选地，第二微处理器通过有线或蓝牙/wifi/zigbee等无线通信接口与主系统连接，将解算好的位置信息传送给主系统进行处理。第一射频收发器和第二射频收发器应当是相互匹配的，例如市场上常见的2.4G射频收发器，有NORDIC公司的NRF24L01系列，上海链接电子公司的LT89xx系列。其中，第二射频收发器与第二微处理器外部中断0连接的引脚应当是数据包中断输出引脚，上述的NRF24L01系列和LT89xx系列均有该引脚。超声波传感器1-n优选为MEMS硅麦克风，Knowles公司有生产该类型的硅麦克风，它的体积非常小，可检测的频宽大，容易集成到头戴显示器或手持控制器上，其声孔直径小于1mm，故可以排布较为密集。

参考图13，图13是本实施例一种动作捕捉系统的第三实施例的频率分离器的结构示意图。该频率分离器包括：用于将接收到的超声波信号进行放大的放大电路、用于选取预设频率声波的带通滤波器、用于将超声波信号转化为数字信号的比较器；超声波传感器通过放大电路连接带通滤波器，带通滤波器将选择的超声波信号传输至比较器，比较器连接对应的外部中断。

具体的，超声波传感器被放大电路放大扩流后同时接入中心频率设计为FA、FB和FC的3个带通滤波器，此时只有频率符合FA、FB和FC的超声波信号会通过对应的带通滤波器，在带通滤波器后级连接的比较器将频率为FA、FB和FC的超声波信号转化为数字电路可以识别的电平跳变。由于被追踪节点在追踪过程中的移动会导致轻微的多普勒效应，使得接收到的信号可能会发生一定的频偏，因此带通滤波器的带宽应该至少有2-3khz，而FA、FB和FC之间的频差应该至少在10Khz以上才能避免混淆误触发。

如图14所示，为本发明一种动作捕捉系统的第四实施例。

参考图14，图14是本发明一种动作捕捉系统的第四实施例的频率分离器的结构示意图。第四实施例的与第三实施例的区别在于频率分离器的选择不同，与第三实施例相同部分在此不再赘述，仅对频率分离器做详细说明。该频率分离器包括：用于将接收到的超声波信号进行放大的放大电路、用于选取预设频率声波的模拟锁相环、用于为模拟锁相环提供参考频率的参考频率源；超声波传感器通过放大电路连接模拟锁相环，模拟锁相环连接参考频率源，模拟锁相环连接对应的外部中断。

具体的，超声波传感器被放大电路放大扩流后同时接入模拟锁相环A-C，当接收到的超声波信号符合模拟锁相环的参考频率时，模拟锁相环的输出会发生电平跳变。模拟锁相环A-C的参考频率源输入分别为FA、FB和FC，因此当输入的超声波信号里包含频率为FA、FB和FC的信号时，模拟锁相环A-C会分别进入频率锁定状态引起输出的电平跳变，以此可以对应分离出频率为FA、FB和FC的超声波信号。

图15是本发明一种动作捕捉系统的第三、四实施例的定位基站的工作时序图。其中，Tw是两次空间定位的间隔时间，在Tw的起始时间，第一微处理器控制第一射频收发器广播1个同步数据包，在延时Td后或立即控制超声波发射器A-C分别以频率FA、FB和FC发射超声波，如此往复。优选地，Td一般在500us以内，在数据包较长的情况下Td可以为0。

图16是本发明一种动作捕捉系统的第三、四实施例的被追踪设备的工作时序图。被追踪设备上设置的第二射频收发器在每次空间定位的时间Tw起始时间会收到同步数据包，以收到同步数据包作为计时起始点，每个频率分离器所连接的外部中断接口分别以频率为FA、FB和FC的超声波所引发的中断作为计时结束得到对应的时间，例如外部中断1A、外部中断1B和外部中断1C分别得到的是Tt1A、Tt1B和Tt1C，将Tt1A、Tt1B和Tt1C分别减去Td得到T1A、T1B和T1C，将得到的T1A、T1B和T1C分别乘以声速则可以得到定位基站上设置的超声波发射器A-C到达第一超声波传感器的距离，其他超声波传感器以此类推。

如图17-18所示，为本发明一种动作捕捉系统的第五实施例。

图17是本发明动作捕捉系统的第五实施例的定位基站的结构示意图；图18是本发明动作捕捉系统的第五实施例的系统结构示意图。该定位基站包括：定位基站卫星A、定位基站卫星B、定位基站卫星C，第一射频收发器包括：射频收发器A、射频收发器B、射频收发器C；

在定位基站卫星A中，超声波发射器A通过驱动电路A连接处理器A；射频收发器A连接处理器A；

在定位基站卫星B中，超声波发射器B通过驱动电路B连接处理器B；射频收发器B连接处理器B；

在定位基站卫星C中，超声波发射器C通过驱动电路C连接处理器C；射频收发器C连接处理器C。

在进行较大空间的追踪时，超声波发射器A、超声波发射器B、超声波发射器C设置在可追踪区域边缘能够获得较好的分辨率，此时定位基站上的超声波发射器A、B、C还可以拆分为3个独立的“卫星基站”的布局形式。请参考图17，其中超声波发射器A、B、C也可以是单一频率或前述分为3个频率分别为FA,FB和FC的情形，控制时序的区别在于：

上述实施例中超声波发射器B和C的发射时机是以每个追踪周期里基站发射数据包的时间为基准的，发射实际动作由基站的微处理器直接控制；而在图17所示的布局中，定位基站卫星A广播的数据包和超声波发射器A的发射和前述的3个方法中的一致，定位基站卫星B和C的射频收发器始终处于接收状态，超声波发射器B和C的发射时机则是以接收到定位基站卫星A广播的数据包的时间作为基准，由定位基站卫星B和C的处理器各自以前述方法中的时序控制超声波发射的实际动作，由于射频收发器的发射和接收速度较快，因此被追踪节点处只需要在前述方法测得的超声波发射器B和C的到达时间上分别减去射频收发期间的延时即可完成定位追踪。

该实施方法的好处在于，每个卫星只需要在自身上设置电池或就近取电即可，无需在它们之间建立有线连接，可以大大提高基站的布局的便利性，相关领域的技术人员可以通过前述的方法描述和提供的时序图较为容易地理解这种实施方法，同样属于本发明的保护范畴，在此不累述其时序图。

图19-22是本发明动作捕捉系统的应用场景示意图。

请参考图19，图19所示的是本发明用于VR(虚拟现实)交互的直观展示。图中展示了定位基站与被追踪节点之间的关系。定位基站设置在天花板的为较佳设置，被追踪节点为头戴式显示器和手持控制器，在头戴显示器和手持控制器上以各角度均可接收超声波的布局设置各个超声波传感器，通过上述的方法可以获得头戴显示器和手持控制器上大部分超声波传感器的空间位置，由于已知超声波传感器在头戴显示器和手持控制器上的具体位置，因此理论上只要获取头戴显示器和手持控制器上任意两个超声波传感器的空间位置即可获得头戴显示器和手持控制器的姿态，因此这样的设置能够保证在用户使用VR系统进行交互时，头戴显示器和手持控制器在各种姿势下都能尽可能地保持着头戴显示器和手持控制器的动作捕捉。

请参考图20，图20所示的是本发明应用在无人飞行器室内位置捕捉的实施方法。定位基站设置在天花板的为较佳设置，无人机在水平平面设置多个超声波传感器，通过捕捉至少2个超声波传感器的空间位置即可获知无人飞行器的空间位置和姿态。

请参考图21，图21所示的是方法1和方法2定位基站的捕捉半径Rc、捕捉帧率与Tsafe的设置的关系，如图所示Rc为以定位基站的几何中心为球心的半球的半径。根据声速，当Rc为5m时，Tsafe应当设置为至少15ms，此时的动作捕捉理论帧率上限在20fps左右；当Rc设置为3m时，Tsafe应当设置为至少10ms，此时的动作捕捉理论帧率上限在30fps左右。

请参考图22，图22所示的是方法3定位基站的捕捉半径Rc、捕捉帧率与Tw的设置的关系，如图所示Rc为以定位基站的几何中心为球心的半球的半径。根据声速，当Rc为5m时，Tw应当设置为至少15ms，此时的动作捕捉帧率上限在66fps左右；当Rc设置为3m时，Tw应当设置为至少10ms，此时的动作捕捉理论帧率上限在100fps左右。方法1和方法2硬件结构是一致，相对方法3来说，方法1和方法2的被追踪节点对处理器和模拟电路的要求和成本明显更低，但动作捕捉帧率较低；在需要高速响应的动作捕捉情景中，采用方法3能获得较好体验效果，以上皆为工程实践得出的参数，旨在充分说明本发明的实施方法是经过工程验证的。

另，本发明还公开一种动作捕捉方法，包括：

步骤一：定位基站通过第一射频收发器发送数据信号，并在发送数据信号延后第一预设时间后通过超声波发射器发送超声波信号；

步骤二：被追踪设备通过第二射频收发器接收数字信号，被追踪设备通过超声波传感器接收超声波信号；

步骤三：被追踪设备根据超声波信号到达超声波传感器的时间得到每个超声波发射器与超声波传感器之间的距离；

参考图23，图23是超声波发射器A-C和单个超声波传感器之间的位置关系模型。设超声波发射器A-C分别为A、B和C点，由于它们设置在同一平面上，以A为基准原点，A、B和C点的坐标分别为(0,0,0)、(x1,y1,0)和(x2,y2,0)；设超声波发射器为R点，其坐标为(x,y,z)，且R点始终在z轴的正半轴区域活动；设R到A、B和C点的距离分别为D0，D1，D2。此时有以下关系：

解该方程得到：

将x,y带入原方程，在开方时取z的正值可以求出z。

由以上可以得知在A、B和C点的位置确定的情况下，通过测量D0，D1，D2可以求出R点的空间位置(x,y,z)。根据之前叙述的方法，可以能够获取每个超声波传感器距离A、B和C点的距离。

可以理解，定位基站上可以设置多个超声波发射器，多个超声波发射器的距离计算方法可参考本实施例的三个超声波发射器，原理相似，在此不再赘述。

步骤四：根据每个超声波发射器与超声波传感器之间的距离，解算出每个超声波传感器相对于定位基站的空间位置；

步骤五：根据每个超声波传感器相对于定位基站的空间位置和超声波传感器在被追踪设备上的分布信息，得到被追踪设备相对于定位基站的空间位置和姿态。

优选地，在本发明的动作捕捉系统中，

步骤一包括：第一射频收发器在每个周期内以第一时间间隔为间隔向被追踪设备多次广播数据信号，数据信号内包含超声波发射器的预设顺序信息；超声波发射器按照预设顺序信息依次在第一射频收发器每次发送数据信号延后第一预设时间后发送超声波信号；

步骤三包括：被追踪设备以第二射频收发器接收到数据信号为计时起点，以超声波传感器接收到超声波信号为计时终点，去除偏置时间后得到每个超声波信号到达超声波传感器的时间。

优选地，在本发明的动作捕捉系统中，

步骤一包括：第一射频收发器在每个周期开始时广播数据信号，超声波发射器按照预设顺序并以第二时间间隔为间隔依次发射超声波信号；

步骤三包括：被追踪设备以第二射频收发器接收到数据信号为计时起点，以超声波传感器接收到超声波信号为计时终点，去除对应倍数的第二时间间隔得到每个超声波信号到达超声波传感器的时间。

优选地，在本发明的动作捕捉系统中，

步骤一包括：第一射频收发器在每个周期开始时广播数据信号，每个超声波发射器发射不同频率的超声波信号；

步骤三包括：被追踪设备以第二射频收发器接收到数据信号为计时起点，以频率分离器输出不同频率的超声波信号为计时终点，去除偏置时间后得到每个超声波信号到达超声波传感器的时间。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种动作捕捉系统，其特征在于，所述系统包括：定位基站和被追踪设备，其中，

所述定位基站包括第一射频收发器和至少三个超声波发射器；

所述被追踪设备包括第二射频收发器和至少一个超声波传感器；

所述定位基站发射数据信号和超声波信号至所述被追踪设备，所述被追踪设备接收并处理所述数据信号和超声波信号，得到每个所述超声波传感器相对于所述定位基站的空间位置，结合所有所述超声波传感器在所述被追踪设备上的分布信息确定所述被追踪设备相对于所述定位基站的空间位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的动作捕捉系统，其特征在于，所述定位基站还包括：用于控制所述定位基站内所述第一射频收发器发送数据信号和所述超声波发射器发射超声波信号的第一微处理器；

与所述第一微处理器连接、用于驱动所述超声波发射器发射超声波信号的驱动电路；

所述第一射频收发器连接所述第一微处理器；所述超声波发射器通过所述驱动电路连接至所述第一微处理器。

3.根据权利要求1所述的动作捕捉系统，其特征在于，所述定位基站还包括：定位基站卫星A、定位基站卫星B、定位基站卫星C，第一射频收发器包括：射频收发器A、射频收发器B、射频收发器C；

在所述定位基站卫星A中，超声波发射器A通过驱动电路A连接处理器A；所述射频收发器A连接所述处理器A；

在所述定位基站卫星B中，超声波发射器B通过驱动电路B连接处理器B；所述射频收发器B连接所述处理器B；

在所述定位基站卫星C中，超声波发射器C通过驱动电路C连接处理器C；所述射频收发器C连接所述处理器C。

4.根据权利要求1-3任一所述的动作捕捉系统，其特征在于，所述被追踪设备还包括：与所述被追踪设备的主系统连接、用于接收并处理所述数据信号和超声波信号的第二微处理器；

所述第二微处理器有多个外部中断，其中一个所述外部中断连接所述第二射频收发器，其余所述外部中断分别通过放大调理电路连接所述超声波传感器。

5.根据权利要求1-3任一所述的动作捕捉系统，其特征在于，所述被追踪设备还包括：与所述被追踪设备主系统连接、用于接收并处理所述数据信号和超声波信号的第三微处理器；

所述第三微处理器有多个外部中断，其中一个所述外部中断连接所述第二射频收发器，其余所述外部中断通过频率分离器连接所述超声波传感器。

6.根据权利要求5所述的动作捕捉系统，其特征在于，所述频率分离器包括：用于将接收到的所述超声波信号进行放大的放大电路、用于选取预设频率声波的带通滤波器、用于将超声波信号转化为数字信号的比较器；所述超声波传感器通过所述放大电路连接所述带通滤波器，所述带通滤波器将选择的超声波信号传输至所述比较器，所述比较器连接对应的所述外部中断。

7.根据权利要求5所述的动作捕捉系统，其特征在于，所述频率分离器包括：用于将接收到的所述超声波信号进行放大的放大电路、用于选取预设频率声波的模拟锁相环、用于为所述模拟锁相环提供参考频率的参考频率源；

所述超声波传感器通过所述放大电路连接所述模拟锁相环，所述模拟锁相环连接所述参考频率源，所述模拟锁相环连接对应的所述外部中断。

8.根据权利要求1所述的动作捕捉系统，其特征在于，所述定位基站设置在天花板或墙体上，所述被追踪设备为头戴显示器和/或手持控制器，所述头戴显示器和手持控制器设置有第二射频收发器和至少一个超声波传感器。

9.根据权利要求1所述的动作捕捉系统，其特征在于，所述定位基站设置在天花板或墙体上，所述被追踪设备为无人飞行器，所述无人飞行器上设置有第二射频收发器和至少一个超声波传感器。

10.根据权利要求1所述的动作捕捉系统，其特征在于，所述被追踪设备包括：头戴显示器、手持控制器、衣着、佩戴物、无人飞行器中的一种或多种。