JP2022521986A - 拡張現実システム内のエミッタのための６自由度追跡のためにフェーズドアレイビーム形成を利用する方法およびシステム - Google Patents

拡張現実システム内のエミッタのための６自由度追跡のためにフェーズドアレイビーム形成を利用する方法およびシステム Download PDF

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Abstract

電磁追跡システムは、第１の位相によって特徴付けられる、第１のフェーズドアレイ要素と、第１の位相と異なる第２の位相によって特徴付けられる、第２のフェーズドアレイ要素とを含む、ハンドヘルドコントローラを含む。第１のフェーズドアレイ要素および第２のフェーズドアレイ要素は、電磁場パターンによって特徴付けられる操向可能電磁ビームを発生させるように構成される。電磁追跡システムはまた、磁場パターンを感知するように構成される電磁センサを含む、頭部搭載型拡張現実ディスプレイも含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その内容が参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０１９年２月２８日に出願され、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ ＰＨＡＳＥＤ ＡＲＲＡＹ ＢＥＡＭＦＯＲＭＩＮＧ ＦＯＲ ＳＩＸ ＤＥＧＲＥＥ ＯＦ ＦＲＥＥＤＯＭ ＴＲＡＣＫＩＮＧ ＦＯＲ ＡＮ ＥＭＩＴＴＥＲ ＩＮ ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ ＲＥＡＬＩＴＹ ＳＹＳＴＥＭＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／８１１，９１４号の優先権の利益を主張する。
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、またはそのように知覚され得る様式で、ユーザに提示される。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。
これらのディスプレイ技術において成された進歩にもかかわらず、当技術分野において、拡張現実システム、特に、ディスプレイシステムに関連する、改良された方法、システム、およびデバイスの必要性が存在する。
本開示は、仮想現実（ＶＲ）および／または拡張現実（ＡＲ）結像および可視化システムに関する。本開示は、概して、ＶＲおよび／またはＡＲシステムにおいて６自由度（ＤｏＦ）追跡を実施するための方法およびシステムに関する。より具体的には、本開示の実施形態は、センサに対するエミッタの位置および配向を算出するために、エミッタ（伝送機とも称される）によって伝送されるエネルギーを指向するための方法およびシステムを提供する。いくつかの実施形態では、エミッタのフェーズドアレイ要素を使用するビーム形成が、本明細書により完全に説明されるようなビーム操向を可能にするために利用される。本開示は、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムにおける種々の用途に適用可能である。
本開示のある実施形態によると、電磁追跡システムが、提供される。電磁追跡システムは、電磁エミッタを含む、ハンドヘルドコントローラを含む。電磁エミッタは、第１の位相によって特徴付けられる、第１のフェーズドアレイ要素と、第１の位相と異なる第２の位相によって特徴付けられる、第２のフェーズドアレイ要素とを含む。第１のフェーズドアレイ要素および第２のフェーズドアレイ要素は、電磁場パターンによって特徴付けられる操向可能電磁ビームを発生させるように構成される。電磁追跡システムはまた、磁場パターンを感知するように構成される電磁センサを含む、頭部搭載型ＡＲディスプレイも含む。
本開示の別の実施形態によると、ハンドヘルドコントローラの６ＤｏＦ姿勢を決定する方法が、提供される。本方法は、電磁センサの姿勢を決定するステップと、ハンドヘルドコントローラから電磁ビームを発生させるステップとを含む。電磁ビームは、電磁場パターンによって特徴付けられる。本方法はまた、電磁ビームを操向し、電磁センサにおける受電電力を増加させるステップと、電磁ビームと関連付けられるビーム角を決定するステップとを含む。本方法はさらに、ハンドヘルドコントローラと電磁センサとの間の距離を決定するステップと、電磁センサの姿勢、ビーム角、および距離を使用して、ハンドヘルドコントローラの６ＤｏＦ姿勢を決定するステップとを含む。
多数の利益が、従来の技法に優る本開示の方法によって達成される。例えば、本開示の実施形態は、所定の様式においてセンサにおける電磁場強度を増加させる、方法およびシステムを提供する。本開示の実施形態は、エミッタ位置のアクティブ追跡を可能にし、それによって、姿勢決定の正確度を増加させる。本開示のこれらおよび他の実施形態は、その利点および特徴の多くとともに、下記のテキストおよび添付の図と併せて、さらに詳細に説明される。
本開示のさらなる理解を提供するように含まれる、付随する図面は、本明細書の一部に組み込まれ、それを構成し、本開示の実施形態を図示し、詳細な説明とともに、本開示の原理を解説する役割を果たす。本開示の根本的理解およびそれが実践され得る種々の方法のために必要であり得るよりも詳細に本開示の構造的詳細を示す試行は、行われない。
図１は、いくつかの実施形態による、電磁（ＥＭ）追跡システムの系統図を図式的に図示する。
図２は、いくつかの実施形態による、電磁追跡システムの機能を説明する、フローチャートである。
図３は、いくつかの実施形態による、拡張現実（ＡＲ）システムとともに組み込まれる、電磁追跡システムを図式的に図示する。
図４は、いくつかの実施形態による、ＡＲデバイスのコンテキストにおいて操向されたビームを使用する電磁追跡を図式的に図示する。
図５Ａは、いくつかの実施形態による、所定の角度において操向されたビームを発生させる３つの電磁源のセットを図式的に図示する。
図５Ｂは、いくつかの実施形態による、４面体配列内の４つの電磁源のセットを図式的に図示する。
図６は、いくつかの実施形態による、ハンドヘルドコントローラ位置を追跡する方法を図示する、フローチャートである。
図７Ａは、いくつかの実施形態による、２つのエミッタ位置の関数として受信される信号の変動を図式的に図示する。
図７Ｂは、他の実施形態による、２つのエミッタ位置の関数として受信される信号の変動を図式的に図示する。
図８は、５Ｇセルラーモバイル通信システムと通信する拡張現実システムを図式的に図示する。
拡張現実（ＡＲ）システムは、ユーザと双方向性であるように設計されることができる。実施例として、ユーザは、ユーザがＡＲシステムと相互作用するために利用し得る、トーテムとも称される、ハンドヘルドコントローラを提供されてもよい。故に、ユーザによって装着される、ＡＲヘッドセットまたはヘッドセットとも称される、頭部装着型ディスプレイシステムを含む、ＡＲシステムの他の要素に対するハンドヘルドコントローラの位置および配向（例えば、６自由度（ＤｏＦ）姿勢）を決定することが可能であることが有用である。
高精度位置特定を達成するための１つのアプローチは、電磁場の伝送および検出を伴い得る。例えば、電磁場は、少なくとも１つの電磁場エミッタ（概して、「エミッタ」と称される）によって放出され、少なくとも１つの電磁場センサ（概して、「センサ」と称される）によって受電され得る。エミッタおよびセンサは、ユーザのＡＲヘッドセット、ベルトパック、および／または他の補助デバイス（例えば、トーテム、触知デバイス、ゲーム用器具等）上に方略的に設置され得る。エミッタは、ＡＲヘッドセットのユーザの環境内に既知の空間（および／または時間的）分布を有する、電磁場を発生させる。センサは、発生された電磁場をセンサの場所において測定する。発生された電磁場の分布のこれらの測定および知識に基づいて、エミッタに対するセンサの姿勢（例えば、位置および／または配向）が、決定されることができる。故に、センサおよび／またはエミッタが取り付けられる、オブジェクトの姿勢が、決定されることができる。すなわち、センサおよびエミッタの相対的位置が、決定され得る。
図１は、電磁追跡システム１００の例示的系統図を図示する。いくつかの実施形態では、電磁追跡システム１００は、既知の電磁場を放出するように構成される、１つ以上の電磁場エミッタ１０２（概して、「エミッタ１０２」と称される）を含む。図１に示されるように、エミッタ１０２は、電力をエミッタ１０２に提供するために、電力供給源１１０（例えば、電流、バッテリ等）に結合されてもよい。
いくつかの実施形態では、エミッタ１０２は、電磁場を発生させる、いくつかのコイル（例えば、相互に垂直に位置付けられ、電磁場をＸ、Ｙ、およびＺ方向に生成する、少なくとも３つのコイル）を含む。コイルは、各コイルがＡＣ双極子形電磁場を発生させるように、所定のＡＣ周波数において（例えば、２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚの範囲内で）動作されることができる。本電磁場は、座標空間（例えば、Ｘ－Ｙ－Ｚデカルト座標空間）を確立するために使用される。これは、システムが、既知の電磁場に関連して電磁センサ１０４ａ、１０４ｂの位置（例えば、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）位置）をマッピングし、電磁センサ１０４ａ、１０４ｂの位置および／または配向を決定することを可能にする。いくつかの実施形態では、電磁センサ１０４ａ、１０４ｂ（概して、「センサ１０４」と称される）は、１つ以上の実オブジェクトに取り付けられてもよい。センサ１０４は、電流が、電磁場、例えば、エミッタ１０２によって放出される電磁場を通して誘発され得る、コイルを含んでもよい。センサ１０４は、電磁場、例えば、エミッタ１０２によって放出される電磁場からの入射電磁束を捕捉するように位置付けられる／配向される、コイルまたはループ（例えば、相互に垂直に位置付けられる少なくとも３つのコイル）を含んでもよく、これらのコイルを通して誘発される電流を比較し、相互に対するコイルの相対的位置および配向を把握することによって、エミッタ１０２に対するセンサ１０４の相対的位置および配向が、計算され得る。
センサ１０４に動作可能に結合される、コイルおよび慣性測定ユニット（「ＩＭＵ」）コンポーネントの挙動に関する１つ以上のパラメータが、エミッタ１０２が結合される、座標系に対するセンサ１０４（およびそれが取り付けられるオブジェクト）の位置および／または配向を検出するために測定されてもよい。いくつかの実施形態では、複数のセンサ１０４が、座標空間内のセンサ１０４のそれぞれの位置および配向を検出するために、エミッタ１０２に関連して使用されてもよい。電磁追跡システム１００は、３つの方向（例えば、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向）と、さらに、２つまたは３つの配向角度とにおける位置を提供してもよい。いくつかの実施形態では、ＩＭＵの測定は、センサ１０４の位置および配向を決定するために、コイルの測定と比較されてもよい。いくつかの実施形態では、電磁（ＥＭ）データおよびＩＭＵデータは両方とも、カメラ、深度センサ、および他のセンサ等の種々の他のデータソースとともに、位置および配向を決定するために組み合わせられてもよい。本情報は、コントローラ１０６に伝送されてもよい（例えば、無線通信、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等）。いくつかの実施形態では、姿勢（または位置および配向）は、従来のシステムでは、比較的に高いリフレッシュレートにおいて報告され得る。
従来、電磁場エミッタが、テーブル、手術台、壁、または天井等の比較的に安定した大きいオブジェクトに結合され、１つ以上のセンサが、医療デバイス、ハンドヘルドゲーム用コンポーネント、または同等物等のより小さいオブジェクトに結合される。代替として、図３を参照して下記に説明されるように、電磁追跡システムの種々の特徴が、より安定したグローバル座標系に対する空間内を移動する２つのオブジェクト間の位置および／または配向における変化またはデルタが追跡され得る、構成を生成するために採用されてもよい。換言すると、構成は、電磁追跡システムの変動が、頭部搭載型コンポーネントとハンドヘルドコンポーネントとの間の位置および配向デルタ（変化）を追跡するために利用され得る一方、（例えば、ユーザにローカルの部屋環境の）グローバル座標系に対する頭部姿勢が、システムの頭部搭載型コンポーネントに結合され得る、外向き捕捉カメラを使用して、同時位置特定およびマッピング（「ＳＬＡＭ」）技法等によって別様に決定される、図３に示される。
コントローラ１０６は、エミッタ１０２を制御してもよく、また、センサ１０４からのデータを捕捉してもよい。システムの種々のコンポーネントは、任意の電気機械的または無線／Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）手段を通して、相互に結合され得ることを理解されたい。コントローラ１０６はまた、既知の電磁場に関するデータおよび電磁場に関連した座標空間を含んでもよい。本情報は、次いで、既知の電磁場に対応する座標空間に関連して、センサ１０４の位置および配向を検出するために使用される。
電磁追跡システムの１つの利点は、それらが、最小限の待ち時間を伴って、高分解能の高度に再現可能な追跡結果を生成することである。加えて、電磁追跡システムは、必ずしも、光学追跡器に依拠せず、ユーザの視線内にないセンサ／オブジェクトも、容易に追跡され得る。
電磁場の強度Ｖは、コイルエミッタ（例えば、エミッタ１０２）からの距離ｒの三次関数として降下することを理解されたい。したがって、アルゴリズムが、エミッタ１０２から離れた距離に基づいて使用されてもよい。プロセッサとも称され得る、コントローラ１０６は、そのようなアルゴリズムを用いて、エミッタ１０２から離れた可変距離におけるセンサ１０４の位置および配向を決定するように構成されてもよい。センサ１０４がエミッタ１０２からより遠く離れるように移動するにつれた電磁場の強度の急減少を前提として、正確度、効率、および短い待ち時間の観点からの最良結果は、より近い距離において達成され得る。典型的電磁追跡システムでは、エミッタは、電流（例えば、プラグイン電力供給源）によって給電され、センサは、エミッタの２０フィート半径内に位置する。センサとエミッタとの間の半径が小さいほど、ＡＲ用途を含む、多くの用途において、より望ましくあり得る。
図２は、電磁追跡システム１００等の電磁追跡システムの機能を説明する方法２００のための例示的フローチャートを図示する。２０２では、既知の電磁場が、放出される。いくつかの実施形態では、電磁場エミッタが、電磁場を発生させてもよい。例えば、電磁場エミッタの各コイルは、電磁場を１つの方向（例えば、Ｘ、Ｙ、またはＺ）に発生させてもよい。電磁場は、恣意的波形を伴って発生されてもよい。いくつかの実施形態では、軸のそれぞれに沿った電磁場成分は、他の方向に沿った他の電磁場成分と若干異なる周波数において発振し得る。２０４では、電磁場に対応する座標空間が、随意に、決定されてもよい。例えば、コントローラは、電磁場に基づいて、エミッタおよび／またはセンサの周囲の座標空間を自動的に決定してもよい。いくつかの実施形態では、座標空間は、方法の本段階において決定されなくてもよい。２０６では、センサ（既知のオブジェクトに取り付けられてもよい）におけるコイルの挙動が、検出されてもよい。例えば、コイルにおいて誘発される電流が、計算されてもよい。いくつかの実施形態では、コイルの回転または任意の他の定量化可能挙動が、追跡および測定されてもよい。２０８では、本挙動は、エミッタに対するセンサおよび／または既知のオブジェクト（例えば、センサを含む、ＡＲヘッドセット）またはその逆の位置または配向を検出するために使用されてもよい。例えば、コントローラ１０６は、センサにおけるコイルの挙動と種々の位置または配向を相関させる、マッピングテーブルを調べてもよい。これらの計算に基づいて、座標空間内の位置が、センサおよび／またはエミッタの配向とともに、決定されてもよい。
ＡＲシステムのコンテキストでは、電磁追跡システムの１つ以上のコンポーネントは、モバイルコンポーネント（例えば、エミッタおよびセンサ）の正確な追跡を促進するように修正される必要があり得る。上記に説明されるように、ユーザの頭部姿勢および配向を追跡することが、多くのＡＲ用途において望ましくあり得る。ユーザの頭部姿勢および配向の正確な決定は、ＡＲシステムが、適切な／関連仮想コンテンツをユーザに表示することを可能にする。例えば、仮想場面は、実建物の背後に隠れている仮想モンスターを含んでもよい。建物に関連したユーザの頭部の姿勢および配向に応じて、仮想モンスターのビューは、現実的ＡＲ体験が提供されるように、修正される必要があり得る。または、仮想コンテンツと相互作用する、トーテム、触知デバイス、またはある他の手段の位置および／または配向は、ユーザがＡＲシステムと相互作用することを可能にする際に重要であり得る。例えば、多くのゲーム用途では、ＡＲシステムは、仮想コンテンツに関連して実オブジェクトの位置および配向を検出することができる。または、仮想インターフェースを表示するとき、トーテム、ユーザの手、触知デバイス、またはＡＲシステムとの相互作用のために構成される、任意の他の実オブジェクトの位置は、システムが、コマンド、相互作用、および同等物を理解するために、表示される仮想インターフェースに関連して把握されることができる。光学追跡等のいくつかの位置特定方法は、長い待ち時間および低分解能問題に悩まされ得、これは、仮想コンテンツのレンダリングを多くのＡＲ用途において困難にする。
いくつかの実施形態では、図１および２に関連して議論される、電磁追跡システムは、ＡＲシステムが、放出される電磁場に関連して１つ以上のオブジェクトの位置および配向を検出するように適合されてもよい。典型的電磁追跡システムは、大きく嵩張る電磁エミッタ（例えば、図１における１０２）を有する傾向にあり、これは、例えば、トーテムを伴う、頭部搭載型ＡＲデバイスにとって問題となる。しかしながら、（例えば、ミリメートル範囲内の）より小さい電磁エミッタが、ＡＲシステムのコンテキストにおいて、既知の電磁場を放出するために使用されてもよい。
図３は、電磁場フェーズドアレイエミッタ３０２（概して、「フェーズドアレイエミッタ３０２」と称される）がハンドヘルドコントローラ３０６の一部として組み込まれた状態で、ＡＲシステムとともに組み込まれる、電磁追跡システムを図示する。ハンドヘルドコントローラ３０６は、ＡＲヘッドセット３０１（またはベルトパック３７０）に対して独立して移動可能であることができる。例えば、ハンドヘルドコントローラ３０６は、ユーザの手に保持されることができる、またはハンドヘルドコントローラ３０６は、ユーザの手または腕に搭載され得る（例えば、リングまたはブレスレットとして、またはユーザによって装着されるグローブの一部として）。いくつかの実施形態では、ハンドヘルドコントローラ３０６は、例えば、ゲーム用シナリオにおいて使用される（例えば、多自由度コントローラ）、または豊かなユーザ体験をＡＲ環境内に提供する、またはユーザがＡＲシステムと相互作用することを可能にする、トーテムであってもよい。いくつかの実施形態では、コントローラ３０６は、触知デバイスであってもよい。いくつかの実施形態では、フェーズドアレイエミッタ３０２は、ベルトパック３７０の一部として組み込まれてもよい。
ハンドヘルドコントローラは、フェーズドアレイエミッタ３０２に給電する、バッテリ３１０または他の電力供給源を含んでもよい。フェーズドアレイエミッタ３０２はまた、他のコンポーネントに対するフェーズドアレイエミッタ３０２の位置付けおよび／または配向を決定することを補助するように構成される、ＩＭＵ３５０コンポーネントを含む、またはそれに結合され得ることを理解されたい。これは、特に、フェーズドアレイエミッタ３０２および電磁場センサ３０４（概して、「センサ３０４」と称される）の両方が、モバイル式である場合、有利であり得る。フェーズドアレイエミッタ３０２を、図３の実施形態に示されるように、ベルトパック３０７ではなく、ハンドヘルドコントローラ３０６内に設置することは、フェーズドアレイエミッタ３０２が、ベルトパック３７０におけるリソースに関して競合せず、むしろ、ハンドヘルドコントローラ３０６におけるその独自のバッテリソースを使用することを確実にすることに役立つ。いくつかの実施形態では、フェーズドアレイエミッタ３０２は、ＡＲヘッドセット３０１上に配置されることができ、センサ３０４は、ハンドヘルドコントローラ３０６またはベルトパック３７０上に配置されることができる。したがって、本開示の実施形態は、ハンドヘルドコントローラ３０６が、ハンドヘルドユニットとして実装される一方、他の実施形態では、ハンドヘルドコントローラが、ＡＲヘッドセット３０１内に実装される一方、付加的実施形態では、ハンドヘルドコントローラが、補助ユニット、例えば、ベルトパック３０７内に実装される、実装を提供する。さらに、ハンドヘルドコントローラ３０６が単一デバイス内に実装される、実装に加え、ハンドヘルドコントローラおよび付帯する物理的コンポーネントの機能は、複数のデバイス、例えば、ハンドヘルドコントローラ３０６、ＡＲヘッドセット３０１、および／またはベルトパック３０７等の補助ユニットを横断して分散されることができる。
いくつかの実施形態では、センサ３０４は、ＡＲヘッドセット３０１上の１つ以上の場所上に、１つ以上のＩＭＵまたは付加的電磁束捕捉コイル等の他の感知デバイスまたはセンサ３０８とともに設置されてもよい。例えば、図３に示されるように、センサ３０４、３０８は、ＡＲヘッドセット３０１の片側または両側上に設置されてもよい。センサ３０４、３０８は、かなり小型であるように工作され得る（かつある場合には、あまり敏感ではない場合がある）ため、複数のセンサ３０４、３０８を有することは、効率および精度を改良し得る。いくつかの実施形態では、１つ以上のセンサはまた、ベルトパック３７０またはユーザの身体の任意の他の部分上に設置されてもよい。センサ３０４、３０８は、無線で、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を通して、センサ３０４、３０８（およびそれが取り付けられるＡＲヘッドセット３０１）の姿勢および配向を決定する、コンピューティング装置に通信してもよい。いくつかの実施形態では、コンピューティング装置は、ベルトパック３７０に常駐してもよい。いくつかの実施形態では、コンピューティング装置は、ＡＲヘッドセット３０１またはコントローラ３０６に常駐してもよい。いくつかの実施形態では、コンピューティング装置は、ひいては、マッピングデータベース３３０（例えば、マッピングデータベース、クラウドリソース、パス可能世界モデル、座標空間、および同等物）を含み、姿勢を検出し、実オブジェクトおよび／または仮想オブジェクトの座標を決定してもよく、クラウドリソースおよびパス可能世界モデルに接続さえしてもよい。ハンドヘルドコントローラ３０６は、いくつかの実施形態では、電磁エミッタおよび電磁センサの位置および配向が修正された電磁場パターンからの場に基づいて算出されるように、電磁エミッタによる電磁放出および電磁センサによる感知のタイミングを制御することが可能である。いくつかの実施形態では、電磁エミッタの位置および配向が、電磁センサに対して算出される。他の実施形態では、電磁センサの位置および配向が、電磁エミッタに対して算出される。いくつかの実施形態では、電磁エミッタおよび電磁センサの位置および配向が、算出される。
上記に説明されるように、いくつかの電磁エミッタは、ＡＲデバイスにとって嵩張りすぎ得る。したがって、エミッタは、従来的システムより小さいコンポーネント（例えば、コイル）を使用して、コンパクトであるように工作され得る。しかしながら、電磁場の強度がエミッタから離れる距離の三次関数として減少することを前提として、センサ３０４とフェーズドアレイエミッタ３０２との間の半径が小さいほど（例えば、約３～３．５フィート）、図１に詳述されるもの等の従来的システムと比較して、電力消費を低減させ得る。
いくつかの実施形態では、本側面は、１つ以上の実施形態においてハンドヘルドコントローラ３０６およびフェーズドアレイエミッタ３０２に給電し得る、バッテリ３１０の寿命を延長させるために利用されてもよい。いくつかの実施形態では、本側面は、電磁場をフェーズドアレイエミッタ３０２において発生させるコイルのサイズを低減させるために利用されてもよい。しかしながら、同一強度の電磁場を得るために、電力は、増加される必要があり得る。これは、ハンドヘルドコントローラ３０６にコンパクトにフィットし得る、コンパクトなフェーズドアレイエミッタ３０２を可能にする。
いくつかの他の変更が、ＡＲデバイスのための電磁追跡システムを使用するときに行われてもよい。本姿勢報告レートは、かなり良好であるが、ＡＲシステムは、さらにより効率的な姿勢報告レートを要求し得る。この目的を達成するために、ＩＭＵベースの姿勢追跡が、（加えて、または代替として）使用されてもよい。有利なこととして、ＩＭＵは、姿勢検出プロセスの効率を増加させるために、可能な限り安定したままであり得る。ＩＭＵは、それらが最大５０～１００ミリ秒安定したままであるように工作されてもよい。いくつかの実施形態は、姿勢更新が１０～２０Ｈｚのレートで報告されることを可能にし得る、外側姿勢推定器モジュールを利用し得る（例えば、ＩＭＵは、経時的にドリフトし得る）ことを理解されたい。ＩＭＵを合理的レートで安定した状態に保つことによって、姿勢更新のレートは、１０～２０Ｈｚまで劇的に減少され得る（従来的システムにおけるより高い周波数と比較して）。
電磁追跡システムが、例えば、１０％デューティサイクルで起動され得る（例えば、１００ミリ秒毎にグラウンドトゥルースに関してピングのみを行う）場合、ＡＲシステムは、電力を節約し得る。これは、電磁追跡システムが、１００ミリ秒のうち１０ミリ秒ウェークアップし、姿勢推定を発生させることを意味し得る。これは、直接、電力消費節約に転換され得、これは、ひいては、ＡＲデバイス（例えば、ＡＲヘッドセット３０１および／またはコントローラ３０６）のサイズ、バッテリ寿命、およびコストに影響を及ぼし得る。
いくつかの実施形態では、デューティサイクルにおける本低減は、図３に図示されるように、１つのみのハンドヘルドコントローラ３０６ではなく、第２のハンドヘルドコントローラ（図示せず）を提供することによって、方略的に利用されてもよい。例えば、ユーザは、２つのコントローラおよび同等物を要求する、ゲームをプレーしている場合がある。または、マルチユーザゲームでは、２人のユーザは、ゲームをプレーするために、その独自のコントローラを有してもよい。１つではなく、２つのコントローラ（例えば、手毎の対称コントローラ）が、使用されるとき、コントローラは、オフセットデューティサイクルで動作してもよい。同一概念はまた、マルチプレーヤゲームをプレーしている２人の異なるユーザによって利用される、コントローラにも適用され得る。
本開示のいくつかの実施形態が、電磁エミッタ内の電磁要素のフェーズドアレイの使用のコンテキストにおいて議論されるが、本開示の実施形態は、電磁放射線の使用に限定されず、建設的干渉の領域および相殺的干渉の領域によって特徴付けられるエネルギー分布をもたらす、音響エネルギー（すなわち、音）を含む、他の形態のエネルギーも、ビーム形成を実施するために使用されることができる。
ＡＲヘッドセット３０１に対するハンドヘルドコントローラ３０６の６ＤｏＦ姿勢（すなわち、位置および配向）を決定するために、磁気追跡が、利用されることができる。ハンドヘルドコントローラ内に配置されるエミッタを使用して、既知の幾何学形状の磁場が、生成されることができる。ヘッドセット内の１つ以上のセンサが、次いで、既知の幾何学形状におけるＡＲヘッドセットの場所の測定に基づいて、ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の６ＤｏＦ関係を決定するために使用されることができる。ある場合には、ＩＭＵによって提供される測定データは、例えば、センサ融合のコンテキストにおいて、ハンドヘルドコントローラの６ＤｏＦ姿勢の測定を算出または改良するために利用されることができる。しかしながら、ＩＭＵは、相対運動を測定するために好適であり得るが、それらの測定データと関連付けられるバイアスのレベルを有し得る。本バイアスが積分されるにつれて、ＩＭＵの位置のドリフトが蓄積し、測定正確度を低下させ得る。故に、本開示の実施形態は、低減されたバイアスによって特徴付けられる測定データを提供する。いくつかの実施形態では、測定データは、雑音成分を含み得るが、バイアスの低減は、雑音の平均化を可能にし、改良された正確度で信号を提供する。
図４は、いくつかの実施形態による、ＡＲデバイスのコンテキストにおいて操向されたビームを使用する電磁追跡を図式的に図示する。下記により完全に説明されるように、ハンドヘルドコントローラ４１０によって放出される、放出されたビーム４０２は、ビーム角θにおいて指向される。フェーズドアレイエミッタ４１２内の個々のフェーズドアレイ要素の間の位相遅延関係を把握して、ビーム角θが、算出されることができる。双方向通信経路４３０（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））を使用して実装されるフィードバックループが、次いで、フェーズドアレイエミッタ４１２内のフェーズドアレイ要素のそれぞれと関連付けられる位相遅延が、ビームを操向し、ＡＲヘッドセット４２０の電磁場センサ４２２において受電電力の最大値を達成／維持するために調節されるように、利用されることができる。本明細書により完全に説明されるように、通信経路４３０は、ハンドヘルドコントローラ４１０に関連するデータ、例えば、ハンドヘルドコントローラＩＭＵデータ、フェーズドアレイエミッタ４１２内の個々のフェーズドアレイ要素の位相遅延、ビーム角θ、および同等物が、ＡＲヘッドセット４２０に伝送されることを可能にする。さらに、通信経路４３０は、ＡＲヘッドセット４２０に関連するデータ、例えば、ＡＲヘッドセットＩＭＵデータ、電磁場センサ４２２における受電電力、および同等物が、ハンドヘルドコントローラ４１０に伝送されることを可能にする。放出されたビーム４０２のビーム角θは、ＡＲヘッドセット４２０において、より具体的には、電磁場センサ４２２において、受容されたエネルギーを最大限にするように掃引および操向されてもよい。
下記により完全に説明されるように、放出されたビーム４０２の特性に基づいて算出され得る、フェーズドアレイエミッタ４１２内の個々のフェーズドアレイ要素の位相遅延およびハンドヘルドコントローラ４１０とＡＲヘッドセット４２０との間の距離を前提として、ハンドヘルドコントローラ４１０の６ＤｏＦ姿勢が、ＡＲヘッドセット４２０の既知の姿勢に対して決定されることができる。
図５Ａは、いくつかの実施形態による、所定の角度において操向されたビームを発生させる３つの電磁源（例えば、個々のフェーズドアレイ要素）のセットを図式的に図示する。図５Ａに図示されるように、３つのフェーズドアレイ要素５１０、５１２、および５１４が、ハンドヘルドコントローラ内に配置されるフェーズドアレイエミッタ５０５（例えば、図４のフェーズドアレイエミッタ４１２）の要素として含まれる。いくつかの実施形態では、フェーズドアレイ要素５１０、５１２、および５１４はそれぞれ、各コイルがＡＣ双極子形電磁場を発生させるように、所定のＡＣ周波数において（例えば、２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚの範囲内で）動作されるコイルであり得る。例示的フェーズドアレイエミッタ５０５では、フェーズドアレイ要素５１０、５１２、５１４の全ては、それらのコイルを一般的な方向、例えば、ｚ方向と整合させる。概して、フェーズドアレイ要素５１０、５１２、５１４の相対配向および配列は、フェーズドアレイエミッタ５０５によって生成されるメインローブが、ＡＲヘッドセット（例えば、図４のＡＲヘッドセット４２０）が通常動作の間にハンドヘルドコントローラ（例えば、図４のハンドヘルドコントローラ４１０）（例えば、ユーザがハンドヘルドコントローラを保持するために利用する手のいずれかに応じて、掌が左または右に面している状態で、ほぼ腰／胴体中央の高さでユーザの手に保持されるハンドヘルドコントローラ）に対するであろう、最も一般的な方向に沿って指向されるように、選択される。ＡＲヘッドセット（例えば、ＡＲヘッドセット３０１）が通常動作の間にハンドヘルドコントローラ（例えば、ハンドヘルドコントローラ３０６）に対するであろう、本最も一般的な方向は、図３に図示される。
電磁放射線が、フェーズドアレイ要素５１０、５１２、５１４のそれぞれによって放出されるにつれて、放出される電磁放射線の波動性質は、フェーズドアレイ要素５１０、５１２、および５１４によって放出される電磁放射線の間に干渉をもたらす。本干渉は、建設的干渉の領域および相殺的干渉の領域を生成する。図５Ａに図示されるフェーズドアレイ要素５１０、５１２、および５１４に関して、各要素の位相が、整合される（すなわち、要素の間に遅延がない）場合、メインローブが、図の平面に直交するｘ方向に沿って生成されるであろう。固定位相遅延関係が、フェーズドアレイ要素（すなわち、ゼロであり得る位相遅延φを有するフェーズドアレイ要素５１０、位相遅延φ１を有するフェーズドアレイ要素５１２、および位相遅延φ２を有するフェーズドアレイ要素５１４）の間に実装される場合、フェーズドアレイ要素５１０、５１２、および５１４の間の干渉は、メインローブ５２５およびサイドローブ（明確にする目的のために図示されていない）の発生をもたらすであろう。いくつかの実施形態では、フェーズドアレイ要素５１０、５１２、および５１４は、概して、位相遅延なしに関するメインローブをハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の最も一般的な方向と整合させるために、図５Ａに図示されるｙ－ｚ平面が図４に図示されるビーム角θに直交するであろうように、位置付けられるであろう。３つのフェーズドアレイ要素が図５Ａに図示されるが、本開示の実施形態は、本特定の数に限定されず、２つのフェーズドアレイ要素および３つを上回るフェーズドアレイ要素を含む、他の数も、本開示の実施形態によって利用されることができる。
いくつかの実施形態では、単一のコイルが、フェーズドアレイ要素毎に利用されることができる。いくつかの実施形態では、複数のコイルが、フェーズドアレイ要素毎に利用されることができる。実施例として、ハンドヘルドコントローラが、ＡＲヘッドセットがハンドヘルドコントローラに対するであろう、最も一般的な方向に対して９０°回転されるときの性能を改良するために、フェーズドアレイ要素毎の第２のコイルが、図の平面の中／外を指し示す方向（すなわち、±ｘ方向）にメインローブの強度を増加させるために利用されることができる。ハンドヘルドコントローラのフェーズドアレイ要素に加えて、エミッタは、図１の電磁場エミッタ１０２によって図示されるように、３つのコイルエミッタとして実装されることができる。
したがって、３つのフェーズドアレイ要素５１０、５１２、および５１４は、静的である（すなわち、ハンドヘルドコントローラ内のそれらの位置が固定される）が、各フェーズドアレイ要素と関連付けられる位相遅延の制御が、メインローブ５２５の操向を可能にすることができる。図５Ａに図示されるように、メインローブ５２５は、それぞれ、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿った成分θｘ、θｙ、およびθｚを有する、ビーム角θにおいて配向される、ベクトル５２０上で心合される。ベクトル５２０は、メインローブの中心と整合されるため、中心ベクトルと称されることができる。位相遅延φ１および／またはφ２を修正することによって、メインローブ５２５は、ベクトル５２０が恣意的ビーム角θにおいて配向され得るように、操向されることができる。フェーズドアレイ要素５１２および５１４に対応する位相遅延φ１および／またはφ２のみが、本実施例では修正されるが、付加的位相遅延φが、メインローブ５２５と関連付けられるビーム角θに対する制御と併せてフェーズドアレイ要素５１０と関連付けられ得ることを理解されたい。付加的位相遅延φが利用されるとき、３つ全ての位相遅延が、フェーズドアレイ要素５１０、５１２、５１４の間の所望の位相遅延を達成するように制御されることができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。
メインローブ５２５のビーム操向が、ベクトル５２０を、ハンドヘルドコントローラ内に配置されるフェーズドアレイエミッタ５０５からＡＲヘッドセット内の電磁場センサ（例えば、電磁場センサ４２２）まで指向されるベクトルと整合させるために、使用されることができる。いったんハンドヘルドコントローラ内に配置されるフェーズドアレイエミッタ５０５から指向されるベクトル５２０およびＡＲヘッドセット内の電磁場センサが整合されると、電磁場センサにおいて受容されるエネルギーは、メインローブ５２５の中心が電磁場センサに指向されるであろうため、最大限にされるであろう。図６に関連してより完全に説明されるであろうように、メインローブ５２５のビーム操向は、ＡＲヘッドセットに対するハンドヘルドコントローラの配向を決定するために利用されるであろう。
ハンドヘルドコントローラ内のフェーズドアレイエミッタの設置およびＡＲヘッドセット内の電磁場センサの設置の説明が本明細書で提供されるが、これは、本開示によって要求されず、フェーズドアレイエミッタは、対応する電磁場センサがハンドヘルドコントローラ内に設置された状態で、ＡＲヘッドセット内に設置されることができる。加えて、いくつかの実施形態では、フェーズドアレイエミッタまたは電磁場センサは、補助ユニット内に設置されることができる。典型的には、ハンドヘルドコントローラは、電力要件およびフェーズドアレイエミッタの動作と関連付けられる加重をサポートすることができ、結果として、フェーズドアレイエミッタは、ハンドヘルドコントローラ内に設置されるコンポーネントとして実装されるであろう。図３を参照すると、算出作業が、ハンドヘルドコントローラ３０６、ＡＲヘッドセット３０１、ベルトパック３７０、または小型セル（図示せず）内で実施される、または適宜、これらの要素の間に分散されることができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。
図５Ｂは、いくつかの実施形態による、４面体配列内の４つの電磁源のセットを図式的に図示する。図５Ｂに図示されるように、４つのフェーズドアレイ要素５１０、５１２、５１４、および５１６は、４面体の４つの頂点上にあるように位置付けられる。フェーズドアレイ要素５１０、５１２、および５１４が、ｙ－ｚ平面内にある一方、フェーズドアレイ要素５１６は、ｘ軸に沿って測定されるｙ－ｚ平面の上方の所定の高さに位置付けられる。図５Ｂに図示される４面体配列を利用することによって、付加的制御が、メインローブのビーム形状にわたって提供されるとともに、ｙ－ｚ平面内のビーム操向のための制御の増加が提供される。
図６は、いくつかの実施形態による、ハンドヘルドコントローラ位置を追跡する方法６００を図示する、例示的フローチャートを図示する。本方法は、電磁場センサの姿勢（すなわち、位置および配向）を決定するステップを含む（６１０）。いくつかの実施形態では、電磁場センサの姿勢を決定するステップは、電磁場センサを含む、ＡＲヘッドセットの頭部姿勢を決定するステップを含んでもよい。いくつかの実施形態では、電磁場センサの位置のみが、決定されることができる。いくつかの実施形態では、ＡＲヘッドセット内の１つ以上のＩＭＵが、本頭部姿勢決定を提供するために使用されることができる。本方法はまた、例えば、電磁場エミッタ内の１つ以上のＩＭＵを使用して、電磁場エミッタ（例えば、ハンドヘルドコントローラ）の近似位置を決定する随意のプロセスも含む（６２０）。いくつかの実装では、本随意のプロセスはまた、例えば、電磁場エミッタ内の１つ以上のＩＭＵを使用して、電磁場エミッタ（例えば、ハンドヘルドコントローラ）の近似配向（すなわち、近似姿勢）も決定する。いくつかの実施形態では、近似姿勢は、ユーザがハンドヘルドコントローラを保持し、ハンドヘルドコントローラを較正または初期化するにつれて、重力に直交する方向への加速度を超える、重力に起因する加速度に基づいて、決定されることができる。
ビーム操向が、次いで、電磁ビームのメインローブ、例えば、図５のメインローブ５２５を操向するように開始される（６３０）。検索アルゴリズムとも称される、最適化アルゴリズムを使用して、ビームは、電磁センサにおいて受容されるエネルギーが最大限にされるまで操向される。当業者に公知であるいくつかの最適化アルゴリズムのうちの１つが、本ビーム操向プロセスで利用されることができる。典型的には、適合度関数Ｆが、最大限にされる。
Figure 2022521986000002
 式中、Δφ１＝φ１－φおよびΔφ２＝φ２－φであり、φは、フェーズドアレイ要素５１０と関連付けられる位相遅延であり、φ１は、フェーズドアレイ要素５１２と関連付けられる位相遅延であり、φ２は、フェーズドアレイ要素５１４と関連付けられる位相遅延である。フェーズドアレイ要素は、以下のように動作周波数と関連付けられることができる、すなわち、フェーズドアレイ要素５１０：φがゼロであり得る、ωｔ＋φ、フェーズドアレイ要素５１２：ωｔ＋φ１、およびフェーズドアレイ要素５１４：ωｔ＋φ２である。上記に議論されるように、ビーム操向は、位相遅延φ１およびφ２の制御、または３つ全ての位相φ、φ１、およびφ２の制御を通して、遂行されることができる。
種々の実施形態によると、本明細書に議論されるビーム操向プロセスは、ＡＲヘッドセットにおいて、またはハンドヘルドコントローラにおいて決定されるビーム操向情報を使用して、実装されることができる。例えば、以下のプロセスフローが、ビーム操向情報がＡＲヘッドセットにおいて決定されるときに実装されることができる。ハンドヘルドコントローラは、第１の通信経路を介して電磁ビームを伝送し、第２の通信経路を介してセンサデータ（例えば、ハンドヘルドコントローラにおいて収集されるセンサデータ）を伝送する。ＡＲヘッドセットは、第１の通信経路を介して電磁ビームを受信し、第２の通信経路を介してハンドヘルドコントローラセンサデータを受信する。
ＡＲヘッドセットは、次いで、電磁ビームと関連付けられる電力を計算し、電磁ビーム、ハンドヘルドデバイスセンサデータ、およびＡＲヘッドセットセンサデータと関連付けられる、計算された電力に基づいて、ビーム操向情報を決定する。本ビーム操向情報を前提として、ＡＲヘッドセットは、第２の通信経路を介してビーム操向情報を伝送し、ハンドヘルドコントローラは、ビーム操向情報を受信する。故に、ハンドヘルドコントローラは、受信されたビーム操向情報に基づいて、電磁ビームのビーム操向性質を変化させることができる。例えば、受信されたビーム操向情報は、ハンドヘルドコントローラが位相遅延φ１およびφ２のうちの１つ以上のものを増加または減少させることになることを示し得る。別の実施例として、ＡＲヘッドセットは、ハンドヘルドデバイスセンサデータおよびＡＲヘッドセットセンサデータに基づいて、ハンドヘルドコントローラがＡＲヘッドセットに対して移動していることを決定してもよく、故に、主要ビーム（例えば、主要ビーム５２５）およびその対応するベクトル（例えば、ベクトル５２０）が、ＡＲヘッドセット内の電磁センサと整合され続け得るように、ハンドヘルドコントローラに位相遅延φ１およびφ２のうちの１つ以上のものを増加または減少させる、ビーム操向情報を発生させてもよい。
さらに、以下のプロセスフローが、ビーム操向情報がハンドヘルドコントローラにおいて決定されるときに実装されることができる。ハンドヘルドコントローラは、第１の通信経路を介して電磁ビームを伝送し、ＡＲヘッドセットは、第１の通信経路を介して電磁ビームを受信する。ＡＲヘッドセットは、次いで、電磁ビームと関連付けられる電力を計算し、第２の通信経路を介して、計算された電力およびＡＲヘッドセットセンサデータをハンドヘルドコントローラに伝送する。
ハンドヘルドコントローラは、計算された電力およびＡＲヘッドセットセンサデータを受信し、電磁ビームと関連付けられる計算された電力、ＡＲヘッドセットセンサデータ、およびハンドヘルドコントローラセンサデータに基づいて、ビーム操向情報を決定する。故に、ハンドヘルドコントローラは、受信されたビーム操向情報に基づいて、電磁ビームのビーム操向性質を変化させることができる。
いくつかの実施形態では、較正プロセスが、システム特性を考慮するため、かつビーム操向アルゴリズムの正確度を改良するために、利用されることができる。さらに、種々の制御および最適化アルゴリズムが、本開示の実施形態と併用するために好適である。適合度関数を最大限にするために使用され得る、例示的制御および最適化アルゴリズムは、勾配降下方法、確率的勾配降下方法、運動量を用いた勾配降下方法、深層学習アルゴリズム、および同等物を含む。実施例として、初期化段階では、ビームは、ハンドヘルドコントローラの周囲の領域が分析されるにつれて、操向されたビームに関して大きい角度偏差（例えば、１０°増分）をもたらす多くの量だけ位相遅延φ１およびφ２を変動させることによって、操向され得る。受電される電力の最大値を提供した、ビーム角（および関連付けられる位相遅延）に戻ると、より小さい増分が、受電される電力を最大限にするために、漸次的に利用されることができる（例えば、５°、２°、１°、０．５°）。
初期化プロセスは、ハンドヘルドコントローラがＡＲヘッドセットに対して所与の方向に配向されるであろう確率に関連する情報を提供する、人間工学的研究によって情報を与えられ得る。実施例として、ハンドヘルドコントローラが、典型的には、掌が左に面している状態で、ほぼ腰／胴体中央の高さで保持される場合、初期化プロセスは、本配向においてハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の方向と整合される角度の近傍で開始されることができる。ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の本最も一般的な方向が、ビーム角θとして図４に図示される。当業者に明白であろうように、より高速の収束を提供し得る最適化アルゴリズムが、本開示の範囲内に含まれる。いったんビームロックが達成されると、ビーム操向角の角度調節が、特定の用途に対して、適宜、減少または増加されることができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。
これらの最適化アルゴリズムを動作させる際に、通信経路が、例えば、最適化アルゴリズムの動作の間に収集されるデータを交換するように、ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間に提供される。図４の通信経路４３０の実施例は、ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の双方向通信を提供する、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）無線リンクである。本通信経路は、例えば、受電電力データをＡＲヘッドセットからハンドヘルドコントローラに伝送するために使用されることができる。加えて、本通信経路は、ビーム角（例えば、位相遅延またはＡＲヘッドセットにおけるビーム角の算出のための位相遅延に基づくビーム角）についての情報をハンドヘルドコントローラからＡＲヘッドセットに伝送するために使用されることができる。したがって、通信経路４３０は、制御信号およびデータが、ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の双方向様式で伝送されることを可能にする。例えば、ＡＲヘッドセットまたはハンドヘルドコントローラのいずれかにおいて発生されるＩＭＵデータが、通信経路４３０を通して伝送されることができる。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）無線リンクが、通信経路４３０の実施例として説明されるが、他の通信技術が、ＷｉＦｉ無線リンク、ＵＳＢリンク等の有線リンク、および同等物を含む、本開示の範囲内に含まれる。
動作時、位相遅延の修正に起因するビーム操向は、ＡＲヘッドセットにおける受電電力の増加／減少をもたらす。ＡＲヘッドセット内の電磁場センサにおける受電電力の変化に応答して、ハンドヘルドコントローラ内の電磁場エミッタは、フェーズドアレイ要素の間の位相遅延を変動させ、受電電力を増加させる様式でビームを操向することができる。
上記に説明されるように、いったんビームが、メインローブの中心を通して通過するベクトル、およびハンドヘルドコントローラ内のフェーズドアレイエミッタからＡＲヘッドセット内の受信機とも称され得る電磁場センサまで指向されるベクトルを整合させるように操向されると、電磁場センサにおいて受容されるエネルギーは、最大限にされるであろう。したがって、通信経路を通して伝送される、ＡＲヘッドセット内の電磁場センサからハンドヘルドコントローラ内のフェーズドアレイエミッタまでのフィードバックを使用して、受電電力を最大限にするため（いくつかの実施形態では受電電力を維持するため）のビーム操向が、遂行されることができる。
図６をもう一度参照すると、いったんビームが受電電力を最大限にするように操向されると、インジケータが、ビームロックの達成を示すように発生されることができる（６３２）。ビームロックを達成することは、所与の時間におけるハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の所与の方向と関連付けられるであろう。ハンドヘルドコントローラ（および／またはＡＲヘッドセット）が、時間の関数として移動するにつれて、追跡アルゴリズムが、持続的に起動し、ビーム操向を通してビームロックを維持するであろう。ハンドヘルドコントローラ内のＩＭＵおよび／またはＡＲヘッドセット内のＩＭＵによって提供されるデータは、例えば、ハンドヘルドコントローラおよびＡＲヘッドセット位置および／または配向、速度、加速度、または同等物のわずかな変化に応答して、角度ステップサイズ偏差を低減させるために、またはハンドヘルドコントローラおよびＡＲヘッドセット位置および／または配向、速度、加速度、または同等物の大きな変化に応答して、角度ステップサイズ偏差を増加させるために、初期化および／または追跡アルゴリズムによって利用されてもよい。いくつかの実施形態では、角度ステップサイズ偏差は、ハンドヘルドコントローラの回転が放出されたビームの高速操向をもたらし得るため、ハンドヘルドコントローラの角速度および／または加速度に応答して修正される。
電磁場センサにおけるエネルギーが、最大値を達成するとき、メインローブが配向されるビーム角θは、それぞれ、フェーズドアレイ要素５１２および５１４と関連付けられる位相遅延φ１およびφ２の関数として決定されることができる（６３４）。換言すると、位相遅延φ１およびφ２、およびフェーズドアレイ要素５１０、５１２、および５１４の幾何学的配列を前提として、ビーム角θは、位相遅延および幾何学的配列の関数として算出されることができる。ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間のビーム角θを前提として、ハンドヘルドコントローラおよびＡＲヘッドセットが、ハンドヘルドコントローラおよびＡＲヘッドセットを接続するベクトルに沿って配置されることが公知である。本情報に、ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の距離が、下記により完全に説明されるように、決定され、加算される（６３４）。
本開示の実施形態は、いくつかの技法のうちの１つを利用し、ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の距離を決定する。例えば、いくつかの実施形態では、測定された電力は、受電電力を距離に関連付ける較正されたテーブルまたは関数と比較されることができる。通信経路を利用して、ハンドヘルドコントローラからのＩＭＵデータが、距離算出を精緻化するように、ＡＲヘッドセットにおける測定された電力と融合されることができる。いくつかの実施形態では、既知の電磁場パターンが、受電電力を前提として、ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の距離を決定するために使用されることができる。実施例として、所与の電磁場パターンおよび所与の距離に関して、所定の角度（例えば、５°）のメインローブの操向は、所定の量（例えば、１０％）の受電電力の減少をもたらすであろう。より大きい距離（例えば、２倍の距離）において、所定の角度のメインローブの操向は、受電電力のより少ない減少（例えば、２０％）をもたらすであろう。いったん受電電力が最大限にされると、位相遅延が、（例えば、一連の角度を通して）所定の角度だけビームを操向するように変動されることができ、受電電力の減少は、距離を算出するために使用されることができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。
いくつかの実施形態では、ハンドヘルドコントローラ位置の関数としての受電電力の測定値が、ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の距離を決定するために利用されることができる。本実施形態は、図７Ａおよび７Ｂに関連して説明される。
図７Ａは、いくつかの実施形態による、２つのエミッタ位置の関数として受信される信号の変動の実施例を図式的に図示する。図７Ａでは、フェーズドアレイエミッタ７１０が、位置ｘ１に位置付けられ、ベクトル７１５と整合される中心角を有する、伝送パターン７１１によって特徴付けられる。明確にする目的のために、伝送パターンの中心またはメインローブのみが、図示される。電磁場センサ７２０が、ベクトル７１５の長さに等しいフェーズドアレイエミッタ７１０からの所与の距離に位置付けられ、ビームロックが、位置ｘ１におけるフェーズドアレイエミッタに関して達成されている（Ｔｘ（ｘ１））。
図７Ａを参照すると、フェーズドアレイエミッタ７１２が、位置ｘ２に平行移動された後に図示される（Ｔｘ（ｘ２））。位置平行移動情報が、ハンドヘルドコントローラによって発生されるＩＭＵデータを分析することによって取得され、本ＩＭＵデータがハンドヘルドコントローラ姿勢を追跡するために使用され得るため、ＡＲヘッドセットに伝送されることができる。いくつかの実施形態では、ハンドヘルドコントローラ姿勢に関連するＩＭＵデータは、ハンドヘルドコントローラ姿勢値を提供するように、ＡＲヘッドセットによって受信される電磁力の測定値と融合される。平行移動後、伝送パターンが、新しいフェーズドアレイエミッタ位置（すなわち、ｘ２）を与えられて維持される場合、電磁場センサ７２０において受電される電力は、位置７１８においてメインローブに交差する図７Ａのベクトル７１７によって図示されるように、減少するであろう。メインローブ振幅が、位置７１８において有意に減少されるため、平行移動距離を所与の距離のための受電電力と相関させる関数が、発生されることができる。
図７Ｂは、いくつかの実施形態による、２つのエミッタ位置の関数として受信される信号の変動の実施例を図式的に図示する。図７Ｂでは、ベクトル７３５の長さに等しい距離が、図７Ａに図示されるベクトル７１５の長さに等しい距離を上回る。図７Ｂでは、フェーズドアレイエミッタ７３０が、位置ｘ１に位置付けられ、ベクトル７３５と整合される中心角を有する、伝送パターン７３１によって特徴付けられる。明確にする目的のために、伝送パターンの中心またはメインローブのみが、図示される。電磁場センサ７４０が、フェーズドアレイエミッタ７３０からのベクトル７３５の長さに等しい距離に位置付けられ、ビームロックが、位置ｘ１におけるフェーズドアレイエミッタ７３０に関して達成されている（Ｔｘ（ｘ１））。
図７Ｂに図示されるように、フェーズドアレイエミッタ７３２が、位置ｘ２に平行移動された後に図示される（Ｔｘ（ｘ２））。位置平行移動情報が、ハンドヘルドコントローラによって発生されるＩＭＵデータを分析することによって取得されることができる。平行移動後、伝送パターンが、新しいフェーズドアレイエミッタ位置（すなわち、ｘ２）を与えられて維持される場合、電磁場センサ７４０において受電される電力は、位置７３８においてメインローブに交差する図７Ｂのベクトル７３７によって図示されるように、減少するであろう。図７Ａと比較した、図７Ｂの電磁エミッタと電磁センサとの間のより大きい距離により、所与の平行移動（すなわち、位置ｘ１から位置ｘ２まで）のための受電電力の減少は、図７Ａの同一の平行移動のための受電電力の減少と比較して、低減される。故に、平行移動距離を図７Ｂに図示されるより大きい所与の距離のための受電電力と相関させる付加的関数が、発生されることができる。種々の平行移動距離において受電電力を測定することによって、（１）平行移動距離および（２）フェーズドアレイエミッタと電磁センサとの距離の関数として、受電電力の増加または減少をマッピングする、ルックアップテーブル、方程式、または他の数学的構築物を発生させることが可能である。結果として、受電電力増加または減少および平行移動距離を前提として、フェーズドアレイエミッタと電磁場センサとの間の距離が、算出されることができる。いくつかの実施形態では、上記に議論される値が、電力導関数をマッピングするために利用されることができる。
Figure 2022521986000003
 これは、受電電力および平行移動距離の関数として、フェーズドアレイエミッタと電磁場センサとの間の距離を決定するために使用されることができる。したがって、本開示の実施形態は、ハンドヘルドコントローラの位置の変化、およびハンドヘルドコントローラの配向の変化を利用し、エミッタとセンサとの距離を決定することができる。
いくつかの実施形態では、エミッタとセンサとの距離を決定するために利用される、ハンドヘルドコントローラの位置の変化の関数としての受電電力の増加または減少は、操向可能なものを再指向し得るアクティブ追跡ループと比較して、短い時間周期で実施されることに留意されたい。したがって、実施形態は、例えば、図６に関して議論されるように、アクティブ追跡と併せて距離測定を可能にする。
いくつかの実施形態では、ハンドヘルドコントローラの機能性は、ハンドヘルドコントローラにおいて収集される、および／または利用可能である情報を利用して、向上される。例えば、ＩＭＵデータの変化が、ハンドヘルドコントローラにおいて決定される、例えば、ハンドヘルドコントローラが所与の量だけ所与の方向に平行移動された、または所与の量だけ所与の軸の周囲で回転されたという決定である場合、ビーム操向は、フィードバックがＡＲヘッドセット内の電磁場センサから受信されることに先立って、ハンドヘルドコントローラにおいて開始されることができる。したがって、ハンドヘルドコントローラがＡＲヘッドセットからのフィードバックに応答してビーム操向を実施する、本開示の実施形態、およびハンドヘルドコントローラが、ハンドヘルドコントローラにおいて測定される、および／または利用可能であるデータに応答して、ビーム操向を開始する、実施形態が、本開示の範囲内に含まれる。さらに、これらのアプローチの組み合わせが、本開示の範囲内に含まれる。実施例として、ハンドヘルドコントローラにおけるＩＭＵ測定がハンドヘルドコントローラにおいて開始されるビーム操向をもたらす、実装では、ＡＲヘッドセットから受信されるフィードバックは、ビーム操向プロセスのための制御システムの要素として、ビーム操向の開始後に利用されることができる。
いくつかの実施形態では、上記に説明されるようにビーム操向を使用して算出される、ビーム角およびハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の距離に加えて、ハンドヘルドコントローラに組み込まれるＩＭＵが、上記に算出されるビーム角およびハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の距離と積分され得る、ハンドヘルドコントローラ姿勢についての情報を提供するために利用されることができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。
図６に戻ると、ＡＲヘッドセットの位置、具体的には、ｘ－ｙ－ｚ座標系における電磁場センサの位置、ハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の角度θ、およびハンドヘルドコントローラからＡＲヘッドセットまでの距離を使用して、ハンドヘルドコントローラの６ＤｏＦ姿勢が、決定されることができる（６４０）。ＡＲヘッドセットの位置は、典型的には、ＡＲヘッドセット内のＩＭＵを使用して追跡される、ＡＲヘッドセットの頭部姿勢から決定されることができる。ＡＲヘッドセットの既知の位置に基づいて、ハンドヘルドコントローラの位置は、ビーム角およびハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間の距離を前提として、決定されることができる。さらに、フェーズドアレイ要素の平面（すなわち、図５Ａに図示されるようなｙ－ｚ平面）に対するビームの角度が、ハンドヘルドコントローラの配向を決定し、６ＤｏＦ姿勢（すなわち、位置および配向）の決定をもたらすために、使用されることができる。いくつかの実施形態では、ハンドヘルドコントローラＩＭＵからのデータは、ｚ軸の周囲のＡＲヘッドセットおよびトーテムの回転が一意のハンドヘルドコントローラ姿勢を区別しない所与の距離およびビーム角をもたらし得る状況で、ハンドヘルドコントローラ配向の曖昧性を除去するために利用されることができる。いくつかの実施形態では、頭部姿勢（すなわち、ＡＲヘッドセットの姿勢）を前提として、距離およびビーム角は、ハンドヘルドコントローラ姿勢を決定するために十分である。
ハンドヘルドコントローラ位置を前提として、ハンドヘルドコントローラ位置および配向（すなわち、姿勢）のアクティブ追跡が、実施されることができる（６５０）。したがって、いったんハンドヘルドコントローラの６ＤｏＦ姿勢が決定されると、ハンドヘルドコントローラ６ＤｏＦ姿勢のアクティブ追跡が、時間の関数として６ＤｏＦ姿勢を更新するように実施されることができる。実施例として、ＡＲヘッドセットとハンドヘルドコントローラとの間の通信経路を使用して、ハンドヘルドコントローラおよび／またはＡＲヘッドセットの運動は、メインローブと整合されるベクトルおよびハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間のベクトルが不整合状態になるにつれて、受電電力の減少をもたらすであろう。ＡＲヘッドセットとハンドヘルドコントローラとの間の通信経路を通してハンドヘルドコントローラに通信される受電電力の本測定された減少に基づいて、位相遅延は、ビームを操向し、メインローブと整合されるベクトルおよびハンドヘルドコントローラとＡＲヘッドセットとの間のベクトルを再整合させるように、調節されることができる。
反復様式で、アクティブ追跡が、ビーム角および距離を決定し、ハンドヘルドコントローラの６ＤｏＦ姿勢を算出することによって、実施されることができる。上記に議論されるように、ビーム偏差のステップサイズが、本アクティブ追跡プロセスの間に調節されることができる。故に、ＡＲヘッドセットまたはハンドヘルドコントローラのいずれかが移動するにつれて、アクティブ追跡は、ビーム角がＡＲヘッドセットとハンドヘルドコントローラとの間の方向と整合するように、フィードバックに基づいてリアルタイムでビーム角を維持することができる。
図８は、５Ｇセルラーモバイル通信システムと通信する拡張現実システムを図式的に図示する。図８に図示されるように、小型セル（例えば、フェムトセル、ピコセル、またはマイクロセル）とも称される、５Ｇ伝送機８１０が、ＡＲヘッドセット８２０と、電磁ハンドヘルドコントローラ８２２と、補助ユニット８２４とを含む、ＡＲシステム８０５と通信する。通信デバイス、例えば、５Ｇデバイスが、したがって、本開示のいくつかの実施形態では、ＡＲシステムに含まれる。図３および８を参照すると、図８に図示されるＡＲヘッドセット８２０、電磁ハンドヘルドコントローラ８２２、および補助ユニット８２４は、それぞれ、図３に図示される、ＡＲヘッドセット３０１、電磁場エミッタ３０２、およびベルトパック３７０に対応し得る。
図８に図示されるように、ビーム形成が、例えば、ＡＲヘッドセット８２０と通信するためのビーム経路８１２に沿って、または補助ユニット８２４と通信するためのビーム経路８１４に沿って、５Ｇ伝送機からＡＲシステム８０５までの通信経路を指向するために、５Ｇ伝送機８１０によって利用されることができる。いくつかの実装では、ＡＲシステム８０５の種々の要素の空間近接性は、相互に十分に近いため、５Ｇ伝送機８１０によって実施されるビーム形成は、ＡＲシステムの特定の要素に関連する特異性を伴わずに、５Ｇ伝送機およびＡＲシステムを接続する単一のビーム経路によって特徴付けられる。
５Ｇ伝送機８１０とＡＲシステム８０５との間の通信経路内でビーム形成を実装することによって、増加したデータレート、より少ない待ち時間、および他の利益が、提供されることができる。さらに、ビーム形成が、ビーム経路８３０によって図示されるように、５Ｇ伝送機８１０と通信するためにＡＲシステム８０５において実施されることができる。ハンドヘルドコントローラにおけるビーム形成が、ビーム経路８３０によって図示されるが、本開示の実施形態はまた、補助ユニットまたはＡＲヘッドセットにおいてビーム形成を利用し、５Ｇ伝送機との通信を促進することができる。したがって、ＡＲシステムとの通信を促進するように５Ｇ伝送機において実施されるビーム形成に加えて、ビーム形成が、５Ｇ伝送機との通信を促進するように、ＡＲシステムの１つ以上の要素において実施されることができる。さらに、ビーム形成が、ＡＲヘッドセット、ハンドヘルドコントローラ、および／または補助ユニットを含む、ＡＲシステムの要素のうちの１つ以上のものにおいて実施されることができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。
いくつかの実施形態では、５Ｇ伝送機または他の好適な通信ハブの位置が、所定の座標空間（例えば、Ｘ－Ｙ－Ｚデカルト座標空間）において把握される。５Ｇ伝送機の本既知の位置を前提として、ＡＲシステムは、例えば、ビーム操向を使用して、５Ｇ伝送機とＡＲシステムとの間の通信経路を利用し、５Ｇ伝送機の既知の位置に対するＡＲシステム（またはＡＲシステムの要素）の位置を決定することができる。実施例として、通信が、５Ｇ伝送機とＡＲシステムの補助ユニットとの間に確立されるとき、５Ｇ伝送機の既知の位置に対する補助ユニットの位置が、決定されることができる。したがって、例えば、ＡＲシステムのための初期化プロセスの間に、ＡＲシステムの位置が、決定されることができる。５Ｇが図８に図示されるが、本開示の実施形態は、本特定の通信規格に限定されず、既知の位置を有する他の通信ハブが、本開示の範囲内で利用されることができる。逆に、いったん５Ｇ伝送機およびＡＲシステムがそれらの相対的位置を確立すると、ＡＲシステムは、ビーム経路８３０に沿ってビーム操向をより正確に実施するために、その変化する位置または姿勢について独立して収集される情報を使用してもよく、５Ｇ伝送機がビーム経路８１２および８１４に沿ってビーム操向をより正確に実施するために、その変化する位置または姿勢についてのそのような情報を５Ｇ伝送機に通信してもよい。
また、本明細書に説明される実施例および実施形態は、例証目的のみのためのものであって、それに照らして、種々の修正または変更が、当業者に示唆され、本願の精神および権限および添付の請求項の範囲内に含まれるものであることを理解されたい。

Claims (20)

  1. 電磁追跡システムであって、
    電磁エミッタを含むハンドヘルドコントローラであって、前記電磁エミッタは、
    第１の位相によって特徴付けられる第１のフェーズドアレイ要素と、
    前記第１の位相と異なる第２の位相によって特徴付けられる第２のフェーズドアレイ要素と
    を含み、
    前記第１のフェーズドアレイ要素および前記第２のフェーズドアレイ要素は、電磁場パターンによって特徴付けられる操向可能電磁ビームを発生させるように構成される、ハンドヘルドコントローラと、
    前記電磁場パターンを感知するように構成される電磁センサを含む頭部搭載型拡張現実ディスプレイと
    を備える、電磁追跡システム。
  2. プロセッサであって、前記プロセッサは、
    前記第１の位相および前記第２の位相を制御することと、
    前記電磁場パターンに基づいて、前記ハンドヘルドコントローラの位置および配向をデジタル的に算出することと
    を行うように構成される、プロセッサ
    をさらに備える、請求項１に記載の電磁追跡システム。
  3. 前記プロセッサは、前記ハンドヘルドコントローラ内に配置される、請求項２に記載の電磁追跡システム。
  4. 前記ハンドヘルドコントローラを含む補助ユニットをさらに備える、請求項２に記載の電磁追跡システム。
  5. 前記補助ユニットは、ベルトパックを備える、請求項４に記載の電磁追跡システム。
  6. 前記電磁場パターンは、前記第１の位相および前記第２の位相の修正によって操向される、請求項１に記載の電磁追跡システム。
  7. 前記電磁エミッタはさらに、第３のフェーズドアレイ要素を備え、前記第１のフェーズドアレイ要素、前記第２のフェーズドアレイ要素、および前記第３のフェーズドアレイ要素は、平面内に配置される、請求項１に記載の電磁追跡システム。
  8. 前記電磁エミッタはさらに、第４のフェーズドアレイ要素を備え、前記第１のフェーズドアレイ要素、前記第２のフェーズドアレイ要素、および前記第３のフェーズドアレイ要素は、４面体の３つのコーナーを形成し、前記第４のフェーズドアレイ要素は、前記４面体の第４のコーナーを形成する、請求項７に記載の電磁追跡システム。
  9. ハンドヘルドコントローラの６自由度（ＤｏＦ）姿勢を決定する方法であって、前記方法は、
    電磁センサの姿勢を決定することと、
    前記ハンドヘルドコントローラから電磁ビームを発生させることであって、前記電磁ビームは、電磁場パターンによって特徴付けられる、ことと、
    前記電磁ビームを操向し、前記電磁センサにおける受電電力を増加させることと、
    前記電磁ビームと関連付けられるビーム角を決定することと、
    前記ハンドヘルドコントローラと前記電磁センサとの間の距離を決定することと、
    前記電磁センサの姿勢、前記ビーム角、および前記距離を使用して、前記ハンドヘルドコントローラの６ＤｏＦ姿勢を決定することと
    を含む、方法。
  10. 前記ハンドヘルドコントローラは、電磁エミッタを含み、前記電磁エミッタは、
    第１の位相とともに動作させるように構成される第１のフェーズドアレイ要素と、
    第２の位相とともに動作させるように構成される第２のフェーズドアレイ要素と
    を含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記電磁エミッタはさらに、第３のフェーズドアレイ要素を含み、前記第１のフェーズドアレイ要素、前記第２のフェーズドアレイ要素、および前記第３のフェーズドアレイ要素は、平面内に配置される、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記電磁センサの姿勢は、頭部姿勢を備え、前記電磁センサは、ＡＲヘッドセットの要素である、請求項９に記載の方法。
  13. 前記電磁ビームを操向することは、前記電磁ビームの中心ベクトルを、前記ハンドヘルドコントローラから前記電磁センサまでのベクトルと整合させることを含む、請求項９に記載の方法。
  14. 前記電磁ビームを操向し、前記電磁センサにおける受電電力を増加させることは、前記電磁センサにおける受電電力を最大限にすることを含む、請求項９に記載の方法。
  15. 非一過性のコンピュータ可読媒体であって、前記非一過性のコンピュータ可読媒体は、命令を備え、前記命令は、１つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ以上のプロセッサに、
    電磁センサの姿勢を決定することと、
    ハンドヘルドコントローラから電磁ビームを発生させることであって、前記電磁ビームは、電磁場パターンによって特徴付けられる、ことと、
    前記電磁ビームを操向し、前記電磁センサにおける受電電力を増加させることと、
    前記電磁ビームと関連付けられるビーム角を決定することと、
    前記ハンドヘルドコントローラと前記電磁センサとの間の距離を決定することと、
    前記電磁センサの姿勢、前記ビーム角、および前記距離を使用して、前記ハンドヘルドコントローラの６ＤｏＦ（ＤｏＦ）姿勢を決定することと
    を含む動作を実施させる、非一過性のコンピュータ可読媒体。
  16. 前記ハンドヘルドコントローラは、電磁エミッタを含み、前記電磁エミッタは、
    第１の位相とともに動作させるように構成される第１のフェーズドアレイ要素と、
    第２の位相とともに動作させるように構成される第２のフェーズドアレイ要素と
    を含む、請求項１５に記載の非一過性のコンピュータ可読媒体。
  17. 前記電磁エミッタはさらに、第３のフェーズドアレイ要素を含み、前記第１のフェーズドアレイ要素、前記第２のフェーズドアレイ要素、および前記第３のフェーズドアレイ要素は、平面内に配置される、請求項１６に記載の非一過性のコンピュータ可読媒体。
  18. 前記電磁センサの姿勢は、頭部姿勢を備え、前記電磁センサは、ＡＲヘッドセットの要素である、請求項１５に記載の非一過性のコンピュータ可読媒体。
  19. 前記電磁ビームを操向することは、前記電磁ビームの中心ベクトルを、前記ハンドヘルドコントローラから前記電磁センサまでのベクトルと整合させることを含む、請求項１５に記載の非一過性のコンピュータ可読媒体。
  20. 前記電磁ビームを操向し、前記電磁センサにおける受電電力を増加させることは、前記電磁センサにおける受電電力を最大限にすることを含む、請求項１５に記載の非一過性のコンピュータ可読媒体。
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