阅读说明：本技术 一种头戴显示设备及定位方法、定位系统 (head-mounted display device, positioning method and positioning system ) 是由 张秀志 周宏伟 柳光辉 郭衡江 于 2019-08-15 设计创作，主要内容包括：本申请公开了头戴显示设备及定位方法、定位系统,头戴显示设备定位方法包括：获取来自三维空间中锚点的无线信号,基于所述无线信号,得到所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置；依据所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置以及所述锚点在三维空间中的位置,获得所述头戴显示设备在所述三维空间中的第一位置,依据所述第一位置,修正所述头戴显示设备在同步定位与地图构建SLAM地图上的位置,得到所述头戴显示设备的修正位置。本申请实施例降低了SLAM累积误差,提高了定位精度和头戴显示设备使用过程中的安全性,改善了用户体验。(The application discloses head-mounted display equipment, a positioning method and a positioning system, wherein the positioning method of the head-mounted display equipment comprises the following steps: acquiring a wireless signal from an anchor point in a three-dimensional space, and obtaining the position of the head-mounted display device relative to the anchor point based on the wireless signal; according to the position of the head-mounted display device relative to the anchor point and the position of the anchor point in the three-dimensional space, a first position of the head-mounted display device in the three-dimensional space is obtained, and according to the first position, the position of the head-mounted display device on a synchronous positioning and mapping SLAM map is corrected, so that the corrected position of the head-mounted display device is obtained. According to the embodiment of the application, the SLAM accumulated error is reduced, the positioning precision and the safety of the head-mounted display device in the using process are improved, and the user experience is improved.)

一种头戴显示设备及定位方法、定位系统

技术领域

本发明涉及头戴显示设备技术领域，具体涉及一种头戴显示设备及定位方法、定位系统。

背景技术

现有的头戴显示设备，比如VR(虚拟现实，Virtual Reality)设备，支持Roomscale(房间规模追踪)模式，即允许用户在一定的空间内自由移动，追踪并捕捉用户的动作。然而VR设备在进行定位追踪时依赖于SLAM系统(Simultaneous Localization And Mapping,同步定位与地图构建)的定位精度，由于SLAM系统是相对定位，定位结果存在累积误差且难以消除。比如，正常的SLAM系统的初始误差在几厘米级别，使用一段时间以后，SLAM的误差可能会到十几厘米，甚至几十厘米的误差。随着使用时间的延长，其定位误差也随之增大，这给用户的使用带来安全隐患，尤其在多人应用场景中，误差过大，定位不准容易导致用户之间发生碰撞。

发明内容

本申请提供了一种头戴显示设备及定位方法、定位系统，降低了SLAM累积误差，提高了定位精度和头戴显示设备使用过程中的安全性，改善了用户体验。

根据本申请的一个方面，提供了一种头戴显示设备定位方法，包括：

获取来自三维空间中锚点的无线信号，基于所述无线信号，得到所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置；

依据所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置以及所述锚点在三维空间中的位置，获得所述头戴显示设备在所述三维空间中的第一位置，依据所述第一位置，修正所述头戴显示设备在同步定位与地图构建SLAM地图上的位置，得到所述头戴显示设备的修正位置。

根据本申请的另一个方面，提供了一种头戴显示设备，包括：

相对位置计算模块，用于获取来自三维空间中锚点的无线信号，基于所述无线信号，得到所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置；

定位模块，用于依据所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置以及所述锚点在三维空间中的位置，获得所述头戴显示设备在所述三维空间中的第一位置，依据所述第一位置，修正所述头戴显示设备在同步定位与地图构建SLAM地图上的位置，得到所述头戴显示设备的修正位置。

根据本申请的又一个方面，提供了一种头戴显示设备定位系统，包括预设数目个如本申请一个方面所述的头戴显示设备，其中预设数目为大于2的自然数；

所述头戴显示设备位于同一空间中，所述头戴显示设备之一被标识为主头戴显示设备,所述头戴显示设备中的至少一个被标识为辅助头戴显示设备；

各所述辅助头戴显示设备得到所述辅助头戴显示设备的修正位置后，将所述辅助头戴显示设备的修正位置上传到所述主头戴显示设备；

所述主头戴显示设备接收各所述辅助头戴显示设备的修正位置，将自身的修正位置以及收到的各所述辅助头戴显示设备的修正位置发送给各所述辅助头戴显示设备，实现位置共享。

本申请实施例的头戴显示设备及其定位方法、定位系统，通过获取来自三维空间中锚点的无线信号，基于无线信号得到头戴显示设备相对于锚点的位置，依据相对位置以及锚点在三维空间中的位置，获得头戴显示设备在三维空间中的第一位置，基于第一位置来修正SLAM地图上头戴的位置，从而得到头戴显示设备的修正位置。由此，利用实时更新的锚点与头戴之间的相对位置，结合SLAM输出的位置，修正头戴显示设备的位置，减小了SLAM累积误差，方案实现简单，易扩展、成本低廉，提高了头戴显示设备的定位精度，保证了头戴使用过程中的安全性，改善了用户的使用体验。

附图说明

图1是本申请一个实施例的头戴显示设备定位方法的流程示意图；

图2是本申请一个实施例的头戴显示设备定位方法的应用场景示意图；

图3是本申请一个实施例的锚点在空间中的布设示意图；

图4是本申请一个实施例的头戴显示设备的框图；

图5是本申请一个实施例的头戴显示设备定位系统的框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本申请一个实施例的头戴显示设备定位方法的流程示意图，参见图1，本实施例的头戴显示设备定位方法包括下列步骤：

步骤S101，获取来自三维空间中锚点的无线信号，基于所述无线信号，得到所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置。

步骤S102，依据所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置以及所述锚点在三维空间中的位置，获得所述头戴显示设备在所述三维空间中的第一位置，依据所述第一位置，修正所述头戴显示设备在同步定位与地图构建SLAM地图上的位置，得到所述头戴显示设备的修正位置。

由图1所示可知，本实施例的头戴显示设备定位方法，通过获取锚点的无线信号，基于无线信号获得头戴显示设备相对于锚点的位置，并依据这一位置确定头戴显示设备在三维空间中的第一位置，利用该第一位置修正SALM地图上头戴的位置，得到修正后头戴的位置，以此减小SLAM定位中的累积误差，提高了定位精度，改善用户体验，保证了头戴使用时的安全性，解决了现有头戴显示设备仅依赖SALM定位而SALM定位存在累积误差导致定位精度不高问题。

本实施例在空间中预先设置锚点，并以锚点作为位置基准，头戴通过获取来自锚点的无线信号，实时计算出头戴当前所在的位置，这些无线信号中包括方位角信息、距离信息、到达时间信息等，完成头戴的定位。

一个实施例中，锚点为电磁发射器。前述获取来自三维空间中锚点的无线信号，基于所述无线信号，得到所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置，包括：接收所述三维空间中至少一个电磁发射器发射的电磁信号，基于所述电磁信号，得到所述头戴显示设备相对于所述电磁发射器的位置。

也就是说，头戴(即头戴显示设备)接收三维空间中预先布设的电磁发射器锚点发出的电磁信号，根据该电磁信号，计算出头戴相对于电磁发射器锚点的位置。根据相对位置，在空间建模阶段，头戴以电磁发射器锚点所在位置为坐标系原点，建立空间模型，计算出头戴显示设备在三维空间中的第一位置，后续基于第一位置校正头戴在构建的SLAM地图中的位置，完成自身的定位。

如图2所示，在一个具体的应用场景中，三维空间中有三个用户，用户202戴着头戴显示设备在空间内自由移动，头戴显示设备追踪用户202的移动并确定用户202的位置(由于头戴佩戴在用户头上，所以在定位时用户与头戴被看做是一体的)。

图2中示意的三维空间为房间，但是本实施例的三维空间不限于房间，也可以是室外空间。如图2所示，房间的一面墙上布设有电磁发射器锚点201，各用户202佩戴的头戴分别接收电磁发射器锚点201发射的电磁信号，并基于电磁信号中的方位角、距离信息确定出各自相对于锚点的位置。

由于锚点是预先布置在房间内的，所以锚点在三维空间中的位置是已知的，那么根据锚点在三维空间中的位置以及头戴相对于锚点的相对位置即可确定头戴在三维空间中的位置，即，第一位置。确定出第一位置之后，头戴再结合头戴中SALM导航定位系统构建的SALM地图，修正SALM地图中头戴的位置，得到准确的头戴位置。

本实施例将锚点放置到一面墙的中间位置，理论上，发射距离为6米的锚点可以覆盖图2所示的5米×5米×5米的空间范围，实现锚点少覆盖范围大、易扩展、成本低的有益效果。

这种基于锚点的定位方案，只使用空间中的相对位置数据，而且锚点在整个应用场景中是静止不动的，为简化设计及成本，锚点只有电磁发射器而不需要摄像头等硬件。另外，为支持VR的Roomscale模式，电磁发射器锚点的发射距离为6米，以覆盖到5米×5米×5米的空间范围，所以整个定位方案中，使用一个锚点就可以支持大空间范围的追踪。

需要说明的是，SLAM导航定位系统可以采用现有技术实现，通过SLAM技术快速构建环境的3D地图，即使用SLAM导航定位系统构建SLAM地图为现有技术，具体实现细节可以参见现有技术的说明，这里不做过多说明。

由于本实施例中采用电磁发射器作为锚点，电磁发射器的覆盖范围是有限的，对此，本申请实施例通过采用不同工作频率的锚点，支持更大范围的空间追踪。参见图3，在比图2所示空间范围更大的空间中包括两个锚点，两个锚点分布于空间的不同位置，一个电磁发射器锚点设置在一面墙的中间位置，另一个电磁发射器锚点设置在另一面墙的中间位置，两个电磁发射器锚点的位置平行，图3所示空间中左半边区域的长宽高均为5米，右半边区域的长宽高也为5米。

两个电磁发射器锚点的位置平行是为了覆盖不同的空间范围以使得总体覆盖范围更大。为了与其他电磁发射器的信号做区分，本实施例中第一电磁发射器与所述第二电磁发射器按照预设工作频率范围(比如40-42KHz)内的工作频率发射电磁信号，且所述第一电磁发射器的工作频率与所述第二电磁发射器的工作频率不同以对电磁发射器锚点进行区分，比如左边电磁发射器锚点的发射频率为41KHz，右边电磁发射器锚点的频率为42KHz。

基于此，所述获取来自三维空间中锚点的无线信号，基于所述无线信号，得到所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置包括：接收所述三维空间中第一电磁发射器发射的第一电磁信号以及第二电磁发射器发射的第二电磁信号，基于所述第一电磁信号，得到所述头戴显示设备相对于所述第一电磁发射器的第二位置，基于所述第二电磁信号，得到所述头戴显示设备相对于所述第二电磁发射器的第三位置；依据第二位置指示的头戴显示设备与第一电磁发射器的距离，以及第三位置指示的头戴显示设备与第二电磁发射器的距离，从所述第二位置和所述第三位置中选其一作为所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置；或者，融合所述第二位置和所述第三位置，获得第四位置，将所述第四位置作为所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置。

也就是说，对于空间中设置有两个锚点的情况，空间中的头戴分别接收两个锚点发射的电磁信号，计算相对这两个锚点的位置，然后根据距离远近对这两个相对位置(第二位置和第三位置)进行取舍或融合以确定最终的一个相对位置(即，第四位置)。

如前述，锚点发射信号的覆盖范围是有限的，所以用户戴着头戴在空间中走动时，可能仅收到第一电磁发射器的电磁信号，或者仅收到第二电磁发射器的电磁信号，又或者既能收到第一电磁发射器的电磁信号又能第二电磁发射器的电磁信号。那么头戴根据实际情况，计算相对于电磁发射器锚点的位置。

比如，当头戴仅收到第一电磁发射器的电磁信号时，表明头戴距离第一电磁发射器较近，此时可仅仅根据第一电磁发射器的电磁信号计算出相对于第一电磁发射器的位置，基于这一位置信息确定头戴的第一位置。

又比如，当头戴收到第一电磁发射器的电磁信号以及第二电磁发射器的电磁信号时，可以比较这两个电磁信号的强度，确定头戴与第一电磁发射器、第二电磁发射器的距离远近或者，比较由第二位置指示的头戴与第一电磁发射器的距离D1以及由第三位置指示的头戴与第二电磁发射器的距离D2的大小，将距离小的那个位置作为头戴显示设备相对于所述锚点的位置。或者，当头戴收到第一电磁发射器的电磁信号以及第二电磁发射器的电磁信号时表明用户可能位于第一电磁发射器和第二电磁发射器中间的位置，此时在计算出两个相对位置(第二位置和第三位置)之后，根据第一电磁发射器对应的第一权重、第二电磁发射器对应的第一权重，利用两个相对位置以及各自的权重，计算出新的相对位置(即，第四位置)，并用新的相对位置以及锚点在空间中的位置计算得到头戴的第一位置。

由此，本实施例通过采用不同工作频率的锚点，支持一个大范围的空间追踪。具体的，锚点1工作在一个特定频率(如41KHz)，锚点2工作在一个不同的频率(如42KHz)，这样头戴通过与不同锚点的相对位置，在一个大场景中完成定位。头戴定位方案可以基于该原理做进一步扩展，即本实施例的扩展性强。

在一个实施例中，头戴显示设备还包括与其配套的手柄端，手柄端也设置有电磁发射器，不过与前述作为锚点的电磁发射器不同的是，手柄端的电磁发射器的工作频率与锚点的工作频率不同，也就是说，本申请实施例中头戴接收所述三维空间中工作频率与手柄端电磁发射器工作频率不同的电磁发射器发射的电磁信号，以此头戴可以区分是手柄端的电磁发射器的电磁信号，还是空间中锚点发射的电磁信号，进而根据空间中锚点发射的电磁信号计算头戴与电磁发射器锚点的相对位置，实现头戴定位。

比如，手柄端电磁发射器的工作范围是27K-40KHz，而电磁发射器锚点固定工作在几个特定频率(如40-42KHz)，该频率范围40-42KHz内的电磁信号头戴接收处理用于计算相对位置，根据相对位置，在空间建模阶段，通过将该电磁发射器锚点位置作为坐标系原点，建立空间模型，实时更新锚点和头戴的相对位置，结合SLAM输出的空间位置，实时更新和修正头戴空间位置。注：在多人应用场景中，各头戴可以使用相同的空间坐标系建立空间模型。

应用本实施例的定位系统，头戴显示设备支持锚点少空间大的应用场景。另外，如果头戴的鱼眼相机在一些干扰和场景失效的情况下，可以通过锚点接收电磁信号进行定位，从而继续头部/手部6DOF(自由度)的数据输出，起到很好的抗干扰效果。而且，在没有鱼眼相机产生6DOF数据的头戴一体机上，通过标定流程明确锚点在空间中的位置，基于锚点在空间中的位置，映射到头戴的游戏世界坐标系，手柄根据与头戴的相对位置，同样映射头戴的游戏世界坐标系，这样可以输出头戴一体机的头部/手部6DOF(自由度)数据，满足了实际应用需求，改善了用户体验。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的对象在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例还提供了一种头戴显示设备，图4是本申请一个实施例的头戴显示设备的框图，参见图4，本实施例的头戴显示设备400包括：

相对位置计算模块401，用于获取来自三维空间中锚点的无线信号，基于所述无线信号，得到所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置；

定位模块402，用于依据所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置以及所述锚点在三维空间中的位置，获得所述头戴显示设备在所述三维空间中的第一位置，依据所述第一位置，修正所述头戴显示设备在同步定位与地图构建SLAM地图上的位置，得到所述头戴显示设备的修正位置。

在本申请的一个实施例中，所述相对位置计算模块401，用于接收所述三维空间中至少一个电磁发射器发射的电磁信号，基于所述电磁信号，得到所述头戴显示设备相对于所述电磁发射器的位置。

在本申请的一个实施例中，所述相对位置计算模块401，具体用于接收所述三维空间中第一电磁发射器发射的第一电磁信号以及第二电磁发射器发射的第二电磁信号，基于所述第一电磁信号，得到所述头戴显示设备相对于所述第一电磁发射器的第二位置，基于所述第二电磁信号，得到所述头戴显示设备相对于所述第二电磁发射器的第三位置；依据所述第二位置指示的所述头戴显示设备与所述第一电磁发射器的距离，以及所述第三位置指示的所述头戴显示设备与所述第二电磁发射器的距离，从所述第二位置和所述第三位置中选其一作为所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置；或者，融合所述第二位置和所述第三位置，获得第四位置，将第四位置作为所述头戴显示设备相对于所述锚点的位置。

在本申请的一个实施例中，所述第二位置指示的所述头戴显示设备与所述第一电磁发射器的距离，以及所述第三位置指示的所述头戴显示设备与所述第二电磁发射器的。

由图4所示可知，头戴显示设备利用实时更新的锚点与头戴之间的相对位置，结合SLAM输出的空间位置，修正头戴显示设备的位置输出，提高了头戴显示设备的定位精度，保证了头戴使用过程中的安全性，改善了用户的使用体验。

本申请实施例还提供了一种头戴显示设备定位系统，图5是本申请一个实施例的头戴显示设备定位系统的框图。

参见图5，本实施例的头戴显示设备500包括预设数目个如前述的头戴显示设备400，其中预设数目为大于2的自然数，

所述头戴显示设备400位于同一空间中，所述头戴显示设备400之一被标识为主头戴显示设备,所述头戴显示设备400中的至少一个被标识为辅助头戴显示设备；各所述辅助头戴显示设备得到所述辅助头戴显示设备的修正位置后，将所述辅助头戴显示设备的修正位置上传到所述主头戴显示设备；所述主头戴显示设备接收各所述辅助头戴显示设备的修正位置，将自身的修正位置以及收到的各所述辅助头戴显示设备的修正位置发送给各所述辅助头戴显示设备，实现位置共享。

图5示意了包括两个头戴显示设备400的情况，实际应用中，头戴显示设备400的数量可以为3个或更多，不做限制。

考虑多人应用场景，比如三个用户都戴着头戴玩同一个游戏，那么，三个用户位于同一个空间内，各用户都可以随意走动，为避免用户之间发生碰撞，需要对头戴对进行定位。因此，三个头戴中的一个被预先标识为主设备(主头戴显示设备)，其余两个为从设备(即辅助头戴显示设备)。在具体应用中，三个头戴都接收空间中锚点的电磁信号，各自计算与锚点的相对位置，进而得出各自的修正后的位置，从设备在确定自己的修正后的位置之后，上报给主设备，主设备自己也计算自己的修改后的位置，在收到各从设备上报的位置后，主设备将自己的位置，各从设备的位置向从设备下发，这样主设备，各从设备均可以得知空间中其他设备的位置，实现了位置共享。

实现位置共享的目的是为了避免用户之间的发生碰撞，所以，在本申请的一个实施例中，所述主头戴显示设备还用于，如果依据各所述辅助头戴显示设备的修正位置以及自身的修正位置判断出所述主头戴显示设备与所述辅助头戴显示设备的距离小于预设阈值，则输出提示信息；所述辅助头戴显示设备还用于，如果依据各所述辅助头戴显示设备的修正位置以及所述头戴显示设备自身的修正位置判断出所述辅助头戴显示设备与所述主头戴显示设备，或所述辅助头戴显示设备与其他辅助头戴显示设备的距离小于预设阈值，则输出提示信息。

也就是说，主设备或各从设备在基于位置共享确定出自己与其他头戴的位置过近时，输出提示信息，提示用户当前与其他用户位置过近，需要进行避让等信息，从而，防止用户之间碰撞，提高设备使用时的安全性。

输出提示信息的方式可以是振动、语音、或者与头戴当前的虚拟场景结合通过显示虚拟障碍物的形式实现，本实施例不对输出方式进行限定。

综上所述，本申请实施例的头戴显示设备及其定位方法、系统通过共享的锚点，建模应用场景，并且通过锚点，实时更新空间位置，在单人应用场景中减少SLAM引起的累积误差，改善了用户体验。在同一场景中多VR产品使用的情况下，进一步提高了VR设备使用时的安全性，满足了用户需求，提升了头戴显示设备的市场竞争力。

需要说明的是术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，正如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围以权利要求的保护范围为准。