IS-900 位置跟踪系统技术概述
伴随着海军SBIR项目开发的IS-900运动位置跟踪系统，于1999年引入商业化。至今为止，有超过500个IS-900系统在军事领域（飞行仿真，武器训练系统，等），产业领域（石油& 天然气，汽车）以及大学和研究所里。
IS-900系统是基于惯性和超声波定位混合技术的六自由度（6-DOF）位置跟踪系统。定位器的位置和方向是由加速器和陀螺仪的输出来实现的。通过超声波组件得到测量范围的加速器传感器的输出，漂移误差的矫正通过使用精密的卡尔曼滤波融合得到。这样得到的六自由度数据非常平滑，精确，并且不会延时。
IS-900技术的优势包括：
  • 避免金属，声响和其他干扰因素的干扰
  • 传感器的设计优化了声学发生器“瞄准线”的缺陷
  • 在整个跟踪空间里一致精确
  • 应用空间尺寸小到驾驶员防真器大到广播工作室
  • 由声学发生器映射得到精确位置，初始安装时一次性性能矫正
  • 高级的运动预见算法
  • 无线跟踪器
  • 将位置跟踪器整和进OEM应用

系统组成& 结构
图1阐释了加速器-声学位置跟踪器系统的结构。IS-900硬件由超声波发生器（SoniStrip），位置跟踪器（Tracked Devices），以及处理单元（Processor Unit）构成。图说明了用来定位加速器/声学仪器的IS-900。超声波发生器群发送40kHz的超声波信号，这些信号被跟踪器接收到。跟踪器的加速器组件计算方向和位置更新。声学组件防止漂移误差的积累，使6-DOF（六自由度）数据通过RS-232网络连接传送。
IS-900有四个位置跟踪器的扩展接口。由于每个位置跟踪器是预先组建好的，IS-900自动的注册每个仪器的类型和它与IS-900基于电源的物理连接。IS-900超声波发生器设计成为跟踪空间上灵活的组件，这样可以在跟踪环境广阔多样的空间中应用。

IS-900处理器
IS-900处理器使用专门的固件来控制整个系统的多个独立的微处理器。如图2，处理器含四个前端跟踪器输入面板，一个前端LCD状态指示器，以及四个后端超声波发生器集线器面板（支持一共48个超声波盘）。一个超声波发生器扩展集线器可加额外的超声波发生器。
图2

超声波发生器（SoniStrips）和SnoiWing超声波脉冲传输器
超声波发生器（SoniStrips）和SnoiWing，如图3，具有超声波发生盘，可以接收处理器基的信号并相应的传输出超声波脉冲。声学传播器给每个超声波磁盘播送的宽度与宽度角度范围相适应（大概70/锥角）以获得跟踪范围最大。
图3
IS-900使用声学time-of-flight（TOF）范围系统来防止位置和方向漂移。为了最大精确度和解决方案，声学深度测量根据由超声波发生器传输器到跟踪器的无方向的TOF测量得到。超声波盘的声学脉冲由位置跟踪器整和的麦克风探测到。
首先，来自处理器的命令触发超声波发生器的一个超声波盘发送器发送一个40kHz的超声波脉冲。同时，每个位置跟踪器的分隔的时间计算器开始记时，当每个唯一的声学信号脉冲签名达到的时候暂停。根据声速（由测量得到的温度计算得到）得到深度的测量，并且用于计算位置。

SoniStrip与SoniWing装配和结构
超声波发生器（SoniStrips）通常装配在需要定位空间的天花板上。为了增强这个系统的灵活性，IS-900配有各种不同大小的超声波发生器以适应各种环境（CAVE，ImmersaDesk，ReaCTor，PowerWall，HoloBench，CUBE，等）。用户可以将超声波发生器放置在大多数环境中，包括如虚拟工作台，汽车和驾驶模拟器中。一旦安装，用户必须测量每个超声波发生器的x,y,z坐标以矫正超声波发生器群，并且将这些信息输入系统提供的群配置使用程序中。矫正的过程必须由训练的技术人员进行。InterSense公司根据要求提供安装和培训。
SoniWing固定的超声波盘群，它不需要专门的测量或矫正。超声波盘的精确定位由InterSense出厂时矫正，并且系统自带的ISDEMO配置使用程序也包含。

跟踪位置器(tracking station)描述
对InterSense运动位置跟踪器而言，”station”\是定位用的物体或设备，用产业上的术语也叫传感器（sensor）。IS-900定位器跟踪六自由度（6-DOF）模型的各种状态，意味着每个定位器输出X，Y，Z位置信息，以及倾斜，偏航和旋转方向信息。不仅如此，Wand和Stylus跟踪器对沉浸软件环境输出操纵杆和按钮信息。表4摘要了InterSense的IS-900的跟踪位置器。
位置跟踪状态（Tracked Station） 功能
小型Wand/Joystick跟踪器（MiniTrax Stand&High Accuracy Head Tracking Stations） 五个按钮，其中心下按按钮的操纵杆
小型标准/高精度头部跟踪器(MiniTrax Standard&High Accuracy Head Tracking Stations) 立体眼镜和头盔显示器（HMD）
小型手持跟踪器(MiniTrax Hand Tracking Station) 右或左手版本，用于装备虚拟现实手套接口
针跟踪器(Stylus Tracking Station) 两个按钮
表4-IS-900跟踪器
每个位置跟踪器使用InterSense的设备协议将加速器立方（角度& 加速率）的原始数据与URM声学深度数据结合，传输给IS-900处理器。设备协议是数据独立的（例如，它是能够将任何数据以正确的格式返回处理器的一种数据总线结构），所以它也将按钮和操纵杆信息传给IS-900处理器。
InterSense当前为沉浸环境中使用提供三种不同类型的跟踪器。所有这些跟踪器都使用InterSense的高级加速器小型化技术和小型的数字声学位置参照组件。这些跟踪器包括带有中央按键的操作杆的小型化五按钮操作棒（MiniTrax 5-button wand），标准小型化头部跟踪器（standard MiniTrax Head Tracker）和高精度小型化头部跟踪器(High Accuracy MiniTrax Head Tracker).
除了InterSense标准跟踪器，还有新的OEM设备，这些设备与将IS-900小型化技术整和入第三方跟踪器的一些IS-900系统中应用。例如，小型化技术成功的整和入了多武器系统和火力训练系统之中。

小型化头部跟踪器（MiniTrax Head Tracker）
小型化头部跟踪器（如图5）是一个用于立体眼镜，头盔显示器和所有虚拟环境中需要跟踪的轻量，人体工学设计跟踪器设备。有标准和高精度两种版本。
标准版本中，小型化头部跟踪器整和了两小型声学微型麦克风接收器。每个微型麦克风接收器有接近180度的接收锥角。微型麦克风放置在45度朝上和45度朝下的位置以优化接受天花板（水平）和沉浸屏幕（垂直）方向装配的超声波发生器群。
高精度版本有四个声学麦克风接收器，两个朝上放置，两个放置在设备的后面。高精度小型化头部跟踪器是需要高精度方向应用的理想选择，例如在增强真实系统中。
图5-立体眼镜上小型化头部跟踪器和高精度手持跟踪器

带操纵杆的小型化手持棒（MiniTrax Wand with Joystick）
带操作杆的小型化手持棒（图6）是一个为使用者提供简单而简便方法与虚拟环境交互的跟踪器。
有四个微型声学麦克风接收器整和入手持棒。在任何给定的测量周期，只有一对麦克风激活并监听超声波盘发送的超声波信号的位置信息。每个微型麦克风接收器都有180度的接收锥角。利用小型化手持棒顶部和底部的两对麦克风，手持棒持续跟踪目标空间内360度全方位的运动。手持棒在激活的麦克风对中的一个短暂（小于一分钟）闭塞时候继续工作。
为了交互应用，手持棒有五个按钮（四个在顶上，一个在底下），加上操纵杆上的第六个按钮和在沉浸虚拟环境中用于方便提供“飞行”漫游接口操作杆上的四坐标方向钮。
图6-小型化跟踪手持棒（无线模式）

无线小型化模块
所有的小型化跟踪器都可以借助IS-900无线模块与IS-900处理器不使用信号线联系。无线模块有两个组件——一个IS-900处理器插件的接收组件和一个可更换，电池驱动的传输器，这个传输器或者整和进跟踪器（IS-900无线小型化手持棒-图8），或者与小型化设备（小型化手或头跟踪器-图7）的直接插件相连接。IS-900小型化无线模块的照片如下。
图7-IS-900无线小型化头部接收器，头部跟踪器和传输器组件（从左到右）
图8-IS-900小型化手持棒和接收器组件

应用
由于灵活的结构，IS-900的应用广泛。以下是最常见的摘要。请与我们联系以得到更多的其他应用的信息。
沉浸环境（CAVEs，Powerwalls，等…）
  • 地震分析和石油& 天然气领域规划
  • 虚拟汽车设计和分析
军事防真项目
  • 固定和旋转飞行防真
  • 武器训练系统（例如，Stinger导弹发射）
  • 地面防御
  • 坦克防真
同时也在具有头盔显示器，相机跟踪器的虚拟设置，焊接防真，火警消防员训练，增强现实感系统中应用。

技术信息
  • 最大序列率：115.2kbaud
  • 垂直同步选择：
  • 延时：
  • 接口
  • 协议
  • 无线使用跟踪器频率是2.4GHz

设备详细情况
  手持棒（Wand） 手持跟踪器（Hand Tracker） 头部跟踪器（Head Tracker） 高精度头部跟踪器（High Accuracy Head Tracker）
Resolution（RMS）
位置（X/Y/Z） 0．75mm 0．75mm 0．75mm 0．75mm
角度（P/R/Y） 0.05度 0.05度 0.05度 0.05度
无线位置 1．5mm 1．5mm 1．5mm 1．5mm
无线角度 0.10度 0.10度 0.10度 0.10度
Static Accuracy
位置 2.0-3.0mm 2.0-3.0mm 2.0-3.0mm 2.0-3.0mm
角度（P/R，Y） 0.25度,0.50度 0.25度,0.50度 0.25度,0.50度 0.25度,0.25度
无线位置 3.0-5.0mm 3.0-5.0mm 3.0-5.0mm 3.0-5.0mm
无线角度 0.50度,1.00度 0.50度,1.00度 0.50度,1.00度 0.50度,0.50度
大小（WxLxH） 10.0*17.0*5.5cm 10.0*8.0*4.4cm 9.4*2.7*2.7cm 20.5*3.0*2.7cm
重量 140g 有线 220g(无线) 44g 23g 38g

概要描述
  • 基处理器三维：16.75 x 12 x 3.5 in (425.45 x 304.8 x 88.9 mm)
  • 装配架可选
  • 跟踪设备标准信号线长度是40ft（13.3m）
  • 基处理器和超声波发生器末端链长最大长度是15米
  • 跟踪设备和基处理器之间最大信号线长度是15米
  • 跟踪设备和超声波发生器组距离不应该超过4米
  • 有Windows，Linux，IRIX，MAC平台SDK提供

OEM和自定义IS-900配置
在系统标准接口和序列处理器之上，IS-900系统提供系统集成者和OEM客户部署配置跟踪器广阔的选择空间。

自定义跟踪设备
IS-900小型化设备使用标准的通讯接口来接收和传输发生自IS-900跟踪手持棒上按钮等其他元件的数据。这个接口是Inter-IC（I2C）总线。
I2C总线是20年前飞利浦公司开发的工业标准，用于建立各种IC和设备接口之间简单的通讯。小型化电路板包括与按钮和电位放大器产生的数字和跟踪信号接口的4头接头。使用这个接口，OEM和系统集成者可以将IS-900跟踪传感器嵌入他们自己的3D交互设备中，并且通过跟踪系统接口传送他们自定义控制的全部数据。这种方法利用了跟踪器可无线选择的优点。I2C环境允许至多4bytes的输入输出数据，这些数据由小型化主板每个循环产生。通过改变输入和输出循环，有可能在读取各种按钮和电位计控制信号的同时，想各种显示器回写反馈数据，如IEDs，蜂鸣器或触觉显示屏。
设计者可以选择直接使用InterSense现有的23x23mm按钮/操纵杆主板或者作为参考。它支持六个数字I/0连接和两个12bit跟踪输入，或者可以用做应用使用相同处理器和现有例程的自定义处理器主板的开发平台。
图9中的自定义跟踪器是最近由InterSense与其他公司合作得到的，包括NVIS SX，虚拟双目眼镜& HMD，以及与Aegis& EER合作的无线导弹训练。
图9-小型化双目眼镜跟踪器，头盔显示器

超声波盘配置选择
如上面文档提到的，标准IS-900系统使用包含2或3个离散传输器（SoniDiscs）的超声波发生器（SoniStrips）。一个典型的系统带有六个超声波发生器，它可以装备在沉浸显示器之上或者周围。借助标准超声波发生器，跟踪空间可以覆盖到140平方米。
为了更加灵活，每个超声波盘可以离散的装备在跟踪环境中，并且提供一个可编程的体积控制以支持更长深度的应用。如图10，离散的超声波盘可以以独立的小型，外包形式装备。
图10-离散超声波盘装配方法
跟踪系统在一个宽广的环境中安装，包括大到工作室，博物馆和娱乐应用，小到驾驶室或者飞行防真，设计工作室或者虚拟训练应用的桌面环境。
由于超声波发生器组可以解决大多数标准沉浸显示应用，需要超声波组的模型组织方法来覆盖更大范围的跟踪应用。超声波发生器在大空间环境中的典型安装，是在天花板上按照网格的模式装备，相距大约1米。这些测量坐标被下载进IS-900处理器以确定跟踪环境的参照坐标。
对于小规模应用，一种固定的，出厂模式的配置提供快捷，简单的方式来建立跟踪空间。如图11，标准IS-900系统包含两个固定的配置模式——SoniWing，它使用六个传输器来跟踪1.5x1.5x2米的空间，而SoniFrame支持九个超声波传输器来跟踪2.5x2.5x3米的空间。
图10-装备在天花板上的SoniWing和SoniFrame
某些OEM或自定义安装，SoniDiscs安装在特定的位置。对这些应用，每个SnoiDisc单独的在它自己的包裹中装配，可以以标准的Ethernet CAT5信号线相连。对于可视化敏感的应用（如六面CAVE），变频器需要安装在15cm远离SoniDisc的位置。
图11的例子是使用单个SoniDiscs嵌入屏幕的焊接防真应用以及连接防真&训练飞行防真器360度显示的圆屋顶。