Виды систем позиционирования

Существуют различные системы трекинга, наиболее распространены оптический, электромагнитный и ультразвуковой трекинг. Каждая система имеет свои достоинства и недостатки.

Оптический трекинг

Работа систем оптического трекинга основана на том же принципе, что и стереоскопическое зрение человека. Поскольку человек видит двумя глазами, он способен определить, на каком расстоянии находится объект и как он ориентирован. Для построения оптической системы трекинга используют, как правило, от двух до 24-х видеокамер, работающих в ИК-диапазоне и пассивные ИК-отражатели (или активные ИК-маячки), располагаемые на объектах, положение и ориентацию которых нужно определить. Количество видеокамер выбирается исходя их размеров рабочей зоны.

Для каждой камеры нужно провести внутреннюю калибровку, т.е. установить зависимость между внешними размерами шаблона-маски и его образа на матрице камеры. После этого следует выполнить внешнюю калибровку, связав координатные системы (реальное местоположение) камер между собой.

Оптический трекинг применяет фирма NaturalPoint.

Достоинства систем оптического трекинга:

• относительная простота и дешевизна,
• малые габариты и вес отражателей,
• возможность применения пассивных отражателей, не требующих электропитания.

Недостатки систем оптического трекинга:

• необходимость точной калибровки видеокамер. Чем больше рабочая зона, тем больше камер нужно установить и тем сложнее становится процедура калибровки,
• невысокая точность определения координат и углов,
• необходимость прямой видимости между камерами и отражателями,
• сложности в идентификации пассивных ИК-отражателей, расположенных на разных объектах.

Электромагнитный трекинг

При электромагнитном трекинге измеряется сила магнитного поля. Магнитное поле возникает в результате пропускания тока через три электромагнитные катушки, расположенные взаимно перпендикулярно друг другу. Эти катушки должны находиться в небольшом корпусе, закрепленном на движущемся объекте, положение которого нужно отслеживать. Ток, проходящий через катушки, превращает их в электромагниты, что позволяет определить их позицию и ориентацию в пространстве. Такая система плохо работает вблизи любых металлических объектов и устройств, способных повлиять на электромагнитное поле.

Электромагнитный трекинг используют фирмы PolHemus, Ascension.

Достоинства систем электромагнитного трекинга:

• хорошая точность измерения координат и углов,
• не требуется трудоемкая калибровка при наличии специально подготовленного помещения,
• работает в отсутствии прямой видимости.

Недостатки систем электромагнитного трекинга:

• необходимость построения специально подготовленного помещения (или сцены), не содержащего металлических элементов (даже винты и гвозди должны быть немагнитными),
• электромагнитный сенсор, устанавливаемый на движущемся объекте, не может быть сделан беспроводным ввиду большой потребляемой энергии.

Ультразвуковой трекинг

В системе ультразвукового трекинга передатчики расположены на движущемся реальном объекте, а приемники образуют антенну (в некоторых системах передатчики и приемники меняются местами). Всякий раз, когда передатчик посылает сигнал, его принимают статичные сенсоры, измеряющие время между отправлением и приемом сигнала. По времени задержки рассчитываются расстояния между излучателями и приемниками. По полученным расстояниям вычисляются трехмерные координаты объекта в системе. Ориентация объекта определяется с помощью связки из трех жестко закрепленных передатчиков.

Ультразвуковой трекинг используется в изделиях фирмы RUCAP, InterSense.

Достоинства систем ультразвукового трекинга:

• хорошая точность измерения координат и углов,
• возможность построения практически любой рабочей зоны.

Недостатки систем ультразвукового трекинга:

• необходимость прямой видимости между излучателями и приемниками,
• низкая скорость ультразвука,
• необходимость точной калибровки приемников,
• снижение точности при изменении температуры и при порывах ветра.

Компания «RUCAP» в своих разработках использует комбинированную систему позиционирования. В основе лежит ультразвуковой трекинг, дополненный инерционными датчиками для компенсации недостатков ультразвукового позиционирования. Применение малогабаритных инерциальных датчиков позволяет повысить надежность системы, исключить сбои при кратковременном пропадании ультразвукового сигнала из-за возможного появления преград между излучателями и приемниками, а также позволяет сохранить высокое быстродействие системы при нескольких измеряемых объектах. При этом точность остается на уровне точности ультразвукового метода.

Также для улучшения точностных характеристик используются температурные датчики и постоянно совершенствуется алгоритм измерения расстояний.

Кроме того разработана простая методика калибровки приемников с помощью специального калибратора и программы калибровки.