Tracking Systeme

CAR-Seminar 12.01.06

Andreas v. DaakeTU-Clausthal

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Anforderungen

Techniken

1. Zeit-/Frequenzmessung (TOF)

2. Räumliche Scans

3. Inertialsysteme

4. Mechanische Kopplung

5. Direkte Feldmessung

Hybrides Tracking

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Anforderungen

• Anwendung in der Augmented Reality zur Einbettung Virtueller

Objekte in die reale Welt

• Überlagerung von Koordinatensystemen

• Positionsbestimmung Realer Objekte, die mit virtuellen interagieren

sollen

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Anforderungen

• Präzision

• Update-Rate

• Freiheitsgrade

• Reichweite/Mobilität

• Preis

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1. Zeit-/Frequenzmessung

• Am beweglichen Objekt befindliche Emitter senden Signale aus

• von einem räumlich festen Referenzpunkt werden dieses Signale

empfangen und ausgewertet

a) Ultraschall

b) GPS

c) Phasenverschiebung

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1. Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall

• Prinzip: Messen der Flugzeit des Signals zwischen Objekt und Referenz

• Signal: Ultraschall (40kHz)

EmitterReceiver

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1. Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall

• „3-D-Mouse“ von Logitech

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1. Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall

•Relativ einfach zu realisieren

•Kostengünstig

•Robust

•Klein

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1. Zeit-/Frequenzmessung a) Ultraschall

•Umgebungsgeräusche (CRT, CD-Laufwerke, Reflexionen)

•Signaldämpfung

•Variierende Schallgeschwindigkeit

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1. Zeit-/Frequenzmessung b) GPS

• Prinzip: Mindestens 24 Satelliten umkreisen die Erde

• Signal: Gepulstes Radio-Signal welches den Sendezeitpunkt enthält

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1. Zeit-/Frequenzmessung b) GPS

• Global Positioning Satellit „GPS-Block IIA“

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1. Zeit-/Frequenzmessung b) GPS

•Weltweit verfügbar

•Hohe Präzision möglich

•Sichtkontakt nötig

•Nur SPS zugänglich

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1. Zeit-/Frequenzmessung c) Phasenverschiebung

• Alle Emitter senden mit verschiedenen Frequenzen

• Empfänger vergleichen das empfangene Signal mit einem Referenzsignal

• Aus der relativen Phasenänderung wird die Positionsänderung bestimmt

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2. Räumliche Scans

• Erfassung der Umgebung mit Video-/Infrarotkameras

• Abtastung mit rotierenden Lichtstrahlen

a) Multiscopy

b) Mustererkennung

c) Videometrie

d) Beam Scanning

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2. Räumliche Scans a) Multiscopy

• Erkennen eines Markers mit mehreren Kameras

• Bestimmung der Position durch Triangulierung

Stereoscopy

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2. Räumliche Scans b) Mustererkennung

• Erkennen von Geometrischen Mustern mit einer Kamera

• Das gesehene 2D-Muster ist eine Funktion des Originalsmusters

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2. Räumliche Scans c) Videometrie

• Kamera auf dem Objekt/Kopf

• Orientierung an der Umgebung z. B. Gebäudedecke

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2. Räumliche Scans d) Beam Scanning

• Rotierende, optische Strahlen werden von der Referenz ausgesendet

• Positionsbestimmung aus dem Zeitpunkt des Auftreffens auf das Objekt

„Laser Bird 2“ von Ascension Technology

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2. Räumliche Scans

•Sehr präzise

•Hohe Update-Rate

•Konstante Lichtverhältnisse nötig

•Hoher Rechenaufwand

•Marker müssen in gutem Zustand sein

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3. Inertialsysteme

• Bestimmung relativer Bewegung durch Massenträgheit

a) Mechanische Gyroskope

b) Beschleunigungssensorik

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3. Inertialsysteme a) Mechanische Gyroskope

• Prinzip: Kreiselbewegung definiert eine Referenzachse

• Sensoren messen die Bewegung zu dieser Achse

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3. Inertialsysteme b) Beschleunigungssensorik

• Prinzip: Bestimmung der Auslenkung einer federgelagerten Masse durch:

• Kapazitive Sensoren

• Druckmessung mit Piezo-Elementen

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3. Inertialsysteme

•Unabhängig von externer Referenz

•Hohe Update-Rate da die Kräfte kontinuierlich anliegen

•Einfacher Aufbau

•Kleiner Aufbau

•Drift unvermeidlich

•Numerische Fehler summieren sich mit der Zeit auf

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4. Mechanische Kopplung

• Positionsbestimmung über:

• gelenkverbundene Gestänge

• Seile

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4. Mechanische Kopplung

•Sehr präzise

•Hohe Update-Rate

•Kostengünstig zu realisieren

•Eingeschränkter Aktionsradius

•Nicht benutzerfreundlich

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5. Direkte Feldmessung

• Sensoren am Objekt nutzen Physikalische Felder zur Positions- und

Orientierungsbestimmung

• Diese Felder werden von einem Referenzpunkt erzeugt

a) Gravitationsfeldsensoren

b) Magnetsensoren

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5. Direkte Feldmessung a) Gravitationsfeldsensoren

• Prinzip: Messen der Richtung der Gravitation der Erde

• Mechanisch durch Ausschlagsmessung eines Pendels

• Optisch durch Flüssigkeitverdeckte Lichtquellen

Lichtquellen Sensoren

LichtundurchlässigeFlüssigkeit

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5. Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren

• Prinzip: Messung der Feldstärke und Richtung eines von einem

Referenzpunkt ausgesandten Magnetfeldes

• Somit können Abstand und Winkel zur Referenz bestimmt werden

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5. Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren

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5. Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren

• AC: Durchflutung der Spulen mit Sinusförmigem Strom

• Störanfällig in Umgebungen mit Metall

• DC: Durchflutung der Spulen mit gepulstem Gleichstrom

• Messung erst nach Aufbau des Magnetfeldes

• Keine Ummagnetisierungsstörungen an Metallischen Gegenständen

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5. Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren

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DC-System „Flock Of Birds“ von Ascension Technology

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5. Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren

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5. Direkte Feldmessung b) Magnetsensoren

•Geringe Größe

•Kostengünstig

•Starke Störanfälligkeit

•Geringe Reichweite

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Hybrides Tracking

• Kombination verschiedener Techniken zur Erhöhung von:

• Zuverlässigkeit

• Genauigkeit

• Update-Rate

• Anzahl der Freiheitsgrade

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• Übliche Kombinationen:

• Ultraschall – Gyroskop: Kleinräumige 6-DOF-Systeme

• GPS – Gyroskop : Großräumige 6-DOF-Systeme

• Infrarot – Magnetisch : Medizinische AR

• Optisch – Trägheit : sehr präzise 6-DOF-

Systeme

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Hybrides Tracking

• Optisches – Trägheits - Tracking System „IS 1200“ von InterSense

• Beschleunigungssensoren + Mustererkennung

• Hohe Update-Rate

• Hohe Präzision

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Hybrides Tracking

• Optisch – Magnetisches - Tracking

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