(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周辺環境中での身体の動きを追跡する方法であって、
前記周辺環境に複数の基準装置を固定する段階と、
前記身体側に取りつけられた慣性センサにより測定された慣性測定値を得る段階と、
前記慣性測定値を用いて身体の位置推定値および方向推定値を更新する段階と、
予め記憶された前記複数の基準装置の配置に関するマップ情報を用いることによって、前記更新された位置推定値に応じて、前記複数の基準装置のなかから起動対象の基準装置を選択する段階と、
前記選択された起動対象の基準装置に対して、当該起動対象の基準装置の識別子を符号化した制御信号を送信する段階と、
前記起動対象の基準装置から送信された音響レンジ測定信号を前記慣性センサに固定された複数の音響センサで受信する段階と、
前記音響レンジ測定信号に基づいて、各音響センサと前記起動対象の基準装置との間の距離に関する音響レンジ測定値を取得する段階と、
取得した音響レンジ測定値を用いて、前記位置推定値および前記方向推定値をさらに更新する段階と、を有する方法。
【請求項２】
慣性センサおよび当該慣性センサに対して固定された複数の音響センサの集合を含むセンサシステムと、前記センサシステムに連結されるプロセッサと、周辺環境に取り付けられている複数の基準装置の配置に関するマップ情報を予め記憶するデータ記憶部と、前記周辺環境に固定されている複数の基準装置のなかから選択される起動対象の基準装置に対して、選択された当該起動対象の基準装置の識別子を符号化した制御信号を送信する送信機と、を含み、前記複数の音響センサの各音響センサが前記基準装置からの音響レンジ測定信号を受信する、追跡装置であって、
前記プロセッサは、
前記慣性センサによって測定された慣性測定値を得る機能と、
前記慣性測定値を用いて、前記センサシステムの位置推定値および方向推定値を更新する機能と、
前記マップ情報を用いることによって、前記更新された位置推定値に応じて、前記複数の基準装置のなかから起動対象の基準装置を選択する機能と、
前記各音響センサによって受信された前記音響レンジ測定信号に基づいて、各音響センサと前記起動対象の基準装置との間の距離に関する音響レンジ測定値を取得する機能と、
取得した音響レンジ測定値を用いて、前記位置推定値および前記方向推定値をさらに更新する機能と、を実行するようにプログラムされていることを特徴とする追跡装置。
【請求項３】
慣性センサおよび当該慣性センサに対して固定された複数の音響センサの集合を含むセンサシステムと、前記センサシステムに連結されるプロセッサと、周辺環境に取り付けられている複数の基準装置の配置に関するマップ情報を予め記憶するデータ記憶部と、前記周辺環境に固定されている複数の基準装置のなかから選択される起動対象の基準装置に対して、選択された当該起動対象の基準装置の識別子を符号化した制御信号を送信する送信機と、を含み、前記複数の音響センサの各音響センサが前記基準装置からの音響レンジ測定信号を受信する、追跡装置に適用されるソフトウェアが記録されたコンピュータ読取可能な記録媒体であって、
前記ソフトウェアは、
身体側に取り付けられた前記慣性センサによって測定された慣性測定値を得る手順と、
前記慣性測定値を用いて、前記センサシステムの位置推定値および方向推定値を更新する手順と、
前記マップ情報を用いることによって、前記更新された位置推定値に応じて、前記複数の基準装置のなかから起動対象の基準装置を選択する手順と、
前記各音響センサによって受信された前記音響レンジ測定信号に基づいて、各音響センサと前記起動対象の基準装置との間の距離に関する音響レンジ測定値を取得する手順と、
取得した音響レンジ測定値を用いて、前記位置推定値および前記方向推定値をさらに更新する手順と、を前記プロセッサに実行させる、ことを特徴とするコンピュータ読取可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
背景
本発明は、動きの追跡（モーショントラッキング）に関する。
【０００２】
動きの追跡では、身体（ボディー）の位置および方向を決定するために、慣性的および音響的な測定モードを含む様々な測定モードを用いることができる。
【０００３】
慣性的な動きの追跡は、一般的な複数直交軸の一組についての直線的な加速度と、軸を中心とした角速度とについての測定に基づく。一つの方法では、回転するジャイロスコープが、これらの複数のジャイロスコープが取り付けられて追跡される身体の回転に応じてジャイロスコープの回転軸が回転する速度に比例した力を発生する。これらの力は、測定されて、身体の角速度を推定するために用いられる。微細機械加工（Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ）された振動要素および光導波管ベースの装置が、ジャイロスコープの代わりに使用されてもよい。
【０００４】
加速度計は、直線的な加速度によって生じる力に比例した信号を発生する。このような慣性追跡するシステムにおいて、角速度と加速度信号とが統合され、直線速度、直線変位、およびトータルな回転角度が決定される。
【０００５】
ジャイロスコープ装置によって発生する信号がノイズを含むので、前記統合の過程は、「ドリフト」として一般に知られるノイズ成分を蓄積する。小型化された低価格のジャイロスコープ装置は、一般的に、より大きな誤差を示す。ドリフトのレートは、静止している身体に対して毎秒数度であり、また、身体が９０度回転する毎に数度程度の大きさである。角速度と加速度信号との統合に先立って、加速度測定結果を周辺環境における一定の基準フレームに変換するために、身体の方向推定値が用いられるので、方向推定値における誤差は、位置推定値にも影響を及ぼす。この変換における不正確さは、水平方向の加速度測定値のバイアスとして表れる一定方向の力（グラビティ）として生じる。
【０００６】
このドリフトを修正する一つの方法は、例えば、傾斜計やコンパスのような付加的なセンサを用いて、統合される慣性測定値におけるドリフトを時折あるいは継続的に修正することである。例えば、１９９７年７月８日にエリック  Ｍ．フォクスリンによって提出された米国特許５，６４５，０７７は、上記の方法を開示する。この特許は、引用によって本文書中に組み込まれる。
【０００７】
動作追跡の他の方法は、音波を使用して、身体上の一または複数の点と周辺環境における一定の基準点との間の距離を測定することである。「アウトサイド−イン」と呼ばれる一つの構成では、身体上の点に固定された複数の音波放射体のセットが、周辺環境での一定の基準点にある複数のマイクロホンによって受信されるパルスを発する。一つの放射体から一つのマイクロホンへ至るフライト時間（ｔｉｍｅ  ｏｆ  ｆｌｉｇｈｔ）は、その放射体とそのマイクロホンとの間の距離（すなわち、「レンジ」）の推定値に比例する。複数の放射体からそれぞれのマイクロホンにまでの複数のレンジ推定値は、放射体の位置を三角測量によって算出するために用いられる。身体上にある複数の放射体の位置は、身体の方向を推定するために結合される。
【０００８】
身体上の光源の光学的な追跡といった他の測定モードも、身体の動きの追跡に用いることができる。
【０００９】
一つの形態によれば、本発明は、周辺環境中での身体の動きを追跡する方法であって、
前記周辺環境に複数の基準装置を固定する段階と、前記身体側に取りつけられた慣性センサにより測定された慣性測定値を得る段階と、前記慣性測定値を用いて身体の位置推定値および方向推定値を更新する段階と、予め記憶された前記複数の基準装置の配置に関するマップ情報を用いることによって、前記更新された位置推定値に応じて、前記複数の基準装置のなかから起動対象の基準装置を選択する段階と、前記選択された起動対象の基準装置に対して、当該起動対象の基準装置の識別子を符号化した制御信号を送信する段階と、前記起動対象の基準装置から送信された音響レンジ測定信号を前記慣性センサに固定された複数の音響センサで受信する段階と、前記音響レンジ測定信号に基づいて、各音響センサと前記起動対象の基準装置との間の距離に関する音響レンジ測定値を取得する段階と、取得した音響レンジ測定値を用いて、前記位置推定値および前記方向推定値をさらに更新する段階と、を有する方法である。
【００１０】
他の形態によれば、本発明は、慣性センサおよび当該慣性センサに対して固定された複数の音響センサの集合を含むセンサシステムと、前記センサシステムに連結されるプロセッサと、周辺環境に取り付けられている複数の基準装置の配置に関するマップ情報を予め記憶するデータ記憶部と、前記周辺環境に固定されている複数の基準装置のなかから選択される起動対象の基準装置に対して、選択された当該起動対象の基準装置の識別子を符号化した制御信号を送信する送信機と、を含み、前記複数の音響センサの各音響センサが前記基準装置からの音響レンジ測定信号を受信する、追跡装置であって、前記プロセッサは、前記慣性センサによって測定された慣性測定値を得る機能と、前記慣性測定値を用いて、前記センサシステムの位置推定値および方向推定値を更新する機能と、前記マップ情報を用いることによって、前記更新された位置推定値に応じて、前記複数の基準装置のなかから起動対象の基準装置を選択する機能と、前記各音響センサによって受信された前記音響レンジ測定信号に基づいて、各音響センサと前記起動対象の基準装置との間の距離に関する音響レンジ測定値を取得する機能と、取得した音響レンジ測定値を用いて、前記位置推定値および前記方向推定値をさらに更新する機能と、を実行するようにプログラムされていることを特徴とする追跡装置である。
さらに他の形態によれば、本発明は、慣性センサおよび当該慣性センサに対して固定された複数の音響センサの集合を含むセンサシステムと、前記センサシステムに連結されるプロセッサと、周辺環境に取り付けられている複数の基準装置の配置に関するマップ情報を予め記憶するデータ記憶部と、前記周辺環境に固定されている複数の基準装置のなかから選択される起動対象の基準装置に対して、選択された当該起動対象の基準装置の識別子を符号化した制御信号を送信する送信機と、を含み、前記複数の音響センサの各音響センサが前記基準装置からの音響レンジ測定信号を受信する、追跡装置に適用されるソフトウェアが記録されたコンピュータ読取可能な記録媒体であって、前記ソフトウェアは、身体側に取り付けられた前記慣性センサによって測定された慣性測定値を得る手順と、前記慣性測定値を用いて、前記センサシステムの位置推定値および方向推定値を更新する手順と、前記マップ情報を用いることによって、前記更新された位置推定値に応じて、前記複数の基準装置のなかから起動対象の基準装置を選択する手順と、前記各音響センサによって受信された前記音響レンジ測定信号に基づいて、各音響センサと前記起動対象の基準装置との間の距離に関する音響レンジ測定値を取得する手順と、取得した音響レンジ測定値を用いて、前記位置推定値および前記方向推定値をさらに更新する手順と、を前記プロセッサに実行させる、ことを特徴とする。
【００１１】
本発明の効果は、増加可能な複数の超音波ビーコンの集合が設けられる無制限な空間にわたって機能する６−自由度の追跡能力を提供することを含む。慣性測定値は、円滑かつ敏感に動きを検出することを提供する一方、超音波測定値は、本システムの慣性的な追跡要素におけるドリフトによって生じるような誤差の修正を推進することを提供する。小型で軽量な慣性センサは、バーチャルリアリティ−ディスプレイシステムのために頭部に装着される追跡装置に適している。超音波測定を用いてドリフトを修正することによって、例えば磁界の変化などの外的要因に敏感なドリフト修正用の測定は不要となる。各ビーコンは独立して機能し、各ビーコン間での配線が不要であるため、複数のビーコンの集合を簡単に拡張することができる。追跡装置は、常に少数の超音波ビーコンの使用のみに依存し、その結果、追跡装置が作動する空間は、建物内の複数の部屋のように不揃いな複数の領域であることが許容される。
【００１２】
他の本発明の効果は、「インサイド−アウト」形態を用いることによって、音波が放射された後に身体が動くことによる音響レンジ測定での待ち時間（レイタンシー）がなくなることである。
【００１３】
他の本発明の効果は、例えば、ビーコンの閉塞によって音響的な測定を行うことができない場合であっても、慣性的な測定を用いることによって追跡が継続されることである。そして、音響測定を再び実行することが可能となれば、慣性追跡におけるドリフトが修正される。
【００１４】
さらに他の効果によれば、本発明は、身体の追跡を可能としつつ、複数の放射体と複数のセンサとの間の一または複数のパスをブロック化することができる視線（line  Of  ｓｉｇｈｔ）の冗長性を提供することができる。
【００１５】
本発明の他の特徴および効果は、以下の説明および特許請求の範囲から明らかである。
【００１６】
説明
図１において、位置および方向の推定を継続して行う追跡装置１０は、広い部屋内を自由に移動することができる。例えば、追跡装置１００は、オペレータの頭部のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）に固定することができ、オペレータが動いたり、頭部の向きを変えたりするのに応じて、追跡装置１００も、部屋内を移動し、方向を変える。追跡装置１００は、直線加速度および回転速度に関係づけられた慣性測定を行う慣性測定ユニット１４０に接続されたプロセッサ１３０を有している。プロセッサ１３０は、室内での移動に伴う追跡装置の動きを決定するために慣性測定を用いる。
【００１７】
プロセッサ１３０は、超音波ビーコンアレイ１２０、すなわち複数のビーコンの「集合（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）」から送られてきた音響信号を受信する３つの超音波レンジ測定ユニット（ＵＲＭ）１１０にも、接続されている。超音波ビーコンアレイ１２０は、独立した複数の超音波ビーコン１２２を有しており、これらのビーコンは、周辺環境に固定されており、例えば、２フィート間隔の格子状となるように大きな部屋の天井に矩形型に配置されている。プロセッサ１３０は、これらビーコンの既知の三次元配置とともに、それら複数の超音波ビーコン１２２からの複数の信号を利用して、それらビーコンまでのレンジを推定し、その結果、追跡装置１００の動きを検出する。超音波ビーコン１２２の各々は、追跡装置１００から送られる赤外線コマンド信号１１２に応答して超音波パルス１１４を送信する。特に、追跡装置１００上の各ＵＲＭ１１０は、複数の超音波ビーコン１２２の総てに対して、複数の赤外線（ＩＲ）信号を通信する。これらの赤外線信号は、アドレス情報を含むので、その情報によって意図された一又は小数のビーコンが、各赤外線信号を認識し、その信号に応答する。赤外線信号に応答して、宛先とされたビーコンは、一つ以上のＵＲＭ１１０によって受信される超音波パルスを直ちに送信する。プロセッサ１３０は、宛先とされたビーコンが赤外線コマンドに対して直ちに応答したことを知り、赤外線コマンドを発してから超音波パルスを受信するまでの遅延を測定することによってフライト時間を決定する。超音波パルスのフライト時間は、ビーコンまでのレンジを推定するために用いられ、このレンジ推定値は、追跡装置１００の位置および方向を更新するために使用される
慣性測定および超音波信号測定は、共に限界を有する。それぞれの測定モードのいずれかを独立して用いる場合は、これら複数の測定を組み合わせた場合と同程度の正確さを達成しない。追跡装置１００は、双方の測定モードによる各測定値を組み合わせて、その位置および方向（すなわち、６−自由度、「６−ＤＯＦ」）の推定値を調整し、双方のモードによる各測定値を、それらが利用可能な時、または、いくらかの遅延の後に、反映する。このために、プロセッサ１３０は、双方の測定値を結合し、追跡装置１００の位置と方向との推定値を順次に変化させ、これらの推定値に含まれる不確実性の推定を維持する拡張カルマンフィルタカルマンフィルタ（ＥＫＦ）の実行役を務める。
【００１８】
図２において、プロセッサ１３０は、インテル（登録商標）社の８０４８６マイクロプロセッサ等の中央演算装置（ＣＰＵ）２００と、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）等のプログラム記憶部２２０と、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等のワーキング記憶部２３０とを備えている。ＣＰＵ２００は、ＩＭＵ１４０およびＵＲＭ１１０との接続を行う入出力インタフェース２１０にも接続されている。入出力インタフェース２１０は、ＩＭＵ１４０およびＵＲＭ１１０とデジタル的に接続するデジタル論理回路を備える。
【００１９】
ＩＭＵ１４０は、慣性測定値を符号化したシリアルデータ列２０１を提供する。入出力インタフェース２１０は、このシリアルデータをＣＰＵ２００に伝送するためのパラレル形式２１２に変換する。各ＵＲＭ１１０は、ＩＲ制御信号を複数の超音波ビーコン１２２（図１）に通信する赤外線発光ダイオード５１０を駆動するためのシリアル信号２１１を受け取る。入出力インタフェース２１０は、一または複数の超音波ビーコンを識別するアドレス情報２１０をＣＰＵ２００から受け、（例えば、振幅変調によって）赤外線搬送波にシリアル信号を挿入する各ＵＲＭ１１０に対して、シリアル信号を提供する。同様なシリアル信号は、同様な赤外線信号を同時に通信するＵＲＭ１１０の総てに供給される。各ＵＲＭ１１０は、この返信として、超音波パルスの到着を示す入出力インタフェース２１０への論理信号２０２を提供する。入出力インタフェース２１０は、ビーコンからの超音波パルスのフライト時間を決定するためのタイマを備えており、この結果、そのビーコンまでのレンジ推定値を決定する。これらのレンジ推定値は、ＣＰＵ２００に対して提供される。
【００２０】
追跡のアルゴリズムの実現物（インプリメンテーション）は、プログラム記憶部２２０に記憶されており、ＣＰＵ２００によって実行されて、入出力インタフェース２１０によって得られた測定値を位置と方向との推定値に変換する。ＣＰＵ２００は、複数の超音波ビーコンの位置が予め定められたマップや、ＵＲＭ１１０にある複数のマイクロホン位置などの情報を備える固定データ記憶部２４０にも接続されている。プロセッサ１３０は、ＣＰＵ２００と追跡装置１００の位置および方向に基づいて表示を変えるディスプレイ装置などの他の装置とを接続するための通信インタフェース２６０を備えている。
【００２１】
本システムの動作は、（上述の）図１に示す部屋の二次元的なビューである図３を参照することによって理解することができる。白丸と矢印３１０ａ〜ｅの順番列は、一連の時間ステップのおのおのにおける追跡装置１００の実際の位置と方向を表している。前の測定値および第１の時間ステップにおける慣性測定値に基づいて、黒丸と矢印３１２ａは、追跡装置１００による第１の時間ステップにおけるその追跡装置の位置と方向の推定値を表している。次の時間ステップでは、追跡装置１００は、位置３１０ｂに移動し、新しい慣性測定値に基づいて、追跡装置１００は、その位置推定値を３１２ｂに更新する。これは、実際の位置３１０ｃおよび推定位置３１２ｃを持つ次の時間ステップに対しても繰り返される。
【００２２】
位置３１０ｂに到達した後に、追跡装置１００は、超音波トランスジューサ１２２のうちの一つに向けて点線３２０で示す赤外線（ＩＲ）コマンドを送信する。その赤外線コマンドを受信した後（本質的に遅延なし）、超音波トランスジューサ１２２は、波３２４で示す超音波パルスを送信する。波３２４は、少し遅れて実際の位置３３０で追跡装置１００に到着する。到着時間に基づいて、追跡装置１００は、波３２６が到着した時に位置３３２にいたと推定する。
【００２３】
次の時間ステップにおいて、追跡装置１００は、まず、慣性測定値に基づいて自己の位置３１２ｄを推定する。追跡装置１００は、超音波トランスジューサ１２２の位置と位置３３２の間隔に関する情報および測定された超音波フライト時間に基づいて、改善された位置推定値３１２ｄ′を計算する。この処理は、慣性測定値を用いて実際の位置３１０ｅおよび推定位置３１２ｅで繰り返される。
【００２４】
一般に、慣性測定値と超音波測定値はどちらも時間ステップごとに用いることができる。ただし、超音波測定の頻度は、もっと少なくすることができる。各時間ステップでは、位置と方向（姿勢）の両方が更新される。超音波パルスは、互いに関連づけられて配置された複数のマイクロホンの使用によって、位置と方向の両方に関する情報を提供することができる。
【００２５】
図４において、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）１４０は、三つの角速度センサ（例えば、微細加工された振動式回転センサまたは小型の回転式ジャイロスコープ）４２０ａ〜ｃと、三つの直線加速度センサ４１０ａ〜ｃとを含んでいる。これらのセンサは、追跡装置１００の基準フレームに固定される三つの直交軸に沿って位置するように配置される。各加速度センサは、対応する軸に沿った加速度にほぼ比例する信号を提供し、各角速度センサは、対応する軸の回りの回転速度にほぼ比例する信号を提供する。
【００２６】
慣性測定ユニット１４０の方向が変化するので、加速度信号などの信号は、部屋の固定（ナビゲーション）基準フレームに対して変化する方向に対応する。また、慣性測定ユニット１４０は、合計６個の加速度計および角速度センサのおのおのからの信号４１１を受け取り、加速度と角速度信号のデジタル表現を多重化したシリアルデータストリーム４１３を送信する信号インタフェース４３０を含んでいる。以下でさらに論じるように、加速度と角速度信号は、不完全であり、付加的なバイアスとスケーリングの不正確さとを示すことがある。これらスケーリングとバイアスの不正確さは、本装置の動きに依存する。
【００２７】
図５において、各超音波測定ユニット１１０は、赤外線信号発生器５１２によって駆動される赤外線（ＩＲ）発光ダイオード（ＬＥＤ）５１０を含んでいる。信号発生器５１２は、入出力インタフェース（図２）からのシリアル信号２１１を受け取り、赤外線ＬＥＤ５１０を駆動してその信号を一つ以上の超音波ビーコン１２２に送信する。レンジが所望される超音波ビーコンのアドレスは、シリアル信号２１１において符号化されている。各超音波ビーコン１２２は、超音波レンジ測定ユニット１１０とその超音波ビーコンの間に十分に距離が短い非遮断の経路が存在する場合に赤外線信号を受信する赤外線センサ５４０を含んでいる。赤外線信号は、その後、赤外線信号デコーダ５４２によって復号化される。この復号化された信号は、超音波レンジ測定ユニットによって送信されたアドレス情報を含んでいる。制御回路５６０は、復号化された赤外線信号を受信し、その超音波ビーコンが実際に宛先とされているどうかを判断し、もしそうであれば、パルス発生器５５２に合図して、超音波パルスを発生する超音波トランスジューサ５５０に信号を提供させる。超音波パルスは、空気を通過して超音波レンジ測定ユニット１１０に至り、ここで、マイクロホン５２０は、超音波パルスを受信して、超音波パルスの到着を示す論理信号を生成するパルス検出器５２２に対し、対応する電気信号を渡す。このパルス検出信号は、入出力インタフェース２１０（図２）に渡される。後述するように、フライト時間は、完全に正確なレンジ測定値ではない。誤差の原因は、パルス検出時のタイミング誤差、例えば空気の温度または空気の流れに起因する音波の伝搬速度の変動、および超音波ビーコンからの超音波の異なる複数の方向への不均一な伝搬である。
【００２８】
入出力インタフェース２１０は、図６に示す論理要素を実現する回路（つまり、プログラマブルロジックアレイ）を含んでいる。ＩＭＵデータバッファ６３０は、シリアルに符号化された加速度と角速度データ４１３をＩＭＵ１４０から受け取り、ＣＰＵ２００への出力として加速度と回転との六つの測定値６３１を提供する。また、入出力インタフェース２１０は、ビーコンアドレスバッファ６１０を含んでいる。ＣＰＵ２００（図２）は、レンジを測定すべき対象とされる超音波ビーコンのアドレスを提供する。ビーコンアドレスバッファ６１０は、そのアドレスを記憶するとともに、そのアドレスをシリアル形式で各ＵＲＭ１１０に提供する。アドレスが各ＵＲＭ１１０によって送信される（そして、超音波ビーコン１２２によって受信される）と同時に、三つのカウンタ６２０ａ〜ｃはリセットされ、一定のクロッキング速度（例えば、２ＭＨｚ）で、ゼロからインクリメントを開始する。各ＵＲＭ１１０がビーコンからの超音波パルスを検出すると、対応するパルス検出信号が対応するカウンタに渡され、このカウンタはカウントするのをやめる。その後、カウント値は、超音波ビーコンから各ＵＲＭ１１０までの超音波パルスのフライト時間の測定値としてＣＰＵ２００によって利用可能である。
【００２９】
図７ａ〜ｂにおいて、追跡装置１００（図１）は、Ｎ（北）、Ｅ（東）、Ｄ（下）と表示された座標軸７１０として示される部屋のナビゲーション基準フレーム内での自己の位置を決定する。位置ｒ(n)７３０は、軸７１０からのそれぞれＮ方向、Ｅ方向、Ｄ方向への変位の成分（ｒN(n)，ｒE(n)，ｒD(n)）Tを有するベクトルである。また、追跡装置１００は、自己の姿勢（方向）を決定する。
【００３０】
図７ｂにおいて、姿勢は、ロール、ピッチ、およびヨーの（オイラー）角、θ＝（Ψ，θ，Φ）T、によって表される。このオイラー角は、身体の姿勢を調整するために必要とされ、座標軸７２０によって表現される。一方、ナビゲーション姿勢は、座標軸７１０によって表現される。三つのオイラー角は、３×３の方向余弦行列、Ｃbn（θ）、として表され、この行例は、本質的にｚ軸、ｙ軸、ｘ軸を中心として回るヨー動作、ピッチ動作、ロール動作を順番に加えることによって、身体の基準フレーム内の座標ベクトルを変換する。方向余弦行列は、次のように定義することができる。
【００３１】
【数１】
0004690546.tif 000002
【００３２】
上付き文字と下付き文字の表記Ｃbnは、この行列が"ｂ"（身体）基準フレーム内のベクトルを受けて、"ｎ"（ナビゲーション）基準フレーム内のベクトルを提供することを意味する。
【００３３】
図８において、慣性センサ８００は、回転センサ４２０ａ〜Cと加速度センサ４１０ａ〜Cを含んでおり、慣性測定信号を慣性追跡部８１０に提供する。慣性追跡部８１０は、図８に示す信号流れの離散的時間近似を実行する。慣性追跡部８１０は、いくつかの段階を含んでいる。まず、ジャイロスコープ補償８２０では、測定値のバイアスをなくすために（ベクトル）角速度信号ωを修正する。この例では、付加的なバイアスδωのみが修正される。また、乗算型誤差（例えば、不正確なスケールファクタ）や取付けの不正確さによる誤差のような他のバイアスも修正することができる。同様に、加速度計補償８３０では、加速度信号a(b)上の付加的バイアスδa(b)に対して修正を行う。以下で十分に論じるように、いくつかのパラメータは、バイアス項δωおよびa(b)を含んでおり、超音波測定値を用いて推定される。
【００３４】
姿勢積分（ｉｎｔｅｇｌａｔｉｏｎ）８４０では、バイアス修正されたローテーション信号に基づいて姿勢推定値を更新する。この例では、姿勢積分は、姿勢を表す方向余弦を用いて実行される。連続的な微分方程式である次式の離散的時間近似が用いられて、典型的には１００乃至２００毎秒の一定速度で方向余弦行列を更新する。
【００３５】
【数２】
0004690546.tif 000003
【００３６】
離散的時間系の表記に変更して（例えば、Ｃk＝Ｃbn（ｋΔｔ））、離散的な時間における方向余弦行列の更新が、次のように、実行される。
【００３７】
【数３】
0004690546.tif 000004
【００３８】
ここで、
【００３９】
【数４】
0004690546.tif 000005
【００４０】
および
【００４１】
【数５】
0004690546.tif 000006
【００４２】
前式Ｓ（δθ）は、δθの歪対称行列（ｓｋｅｗ  ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ｍａｔｒｉｘ）である。ここで、Ｓ（δθ）は、次式を満足する。
【００４３】
【数６】
0004690546.tif 000007
【００４４】
Ｃkが実際に方向余弦行列であることを保証するべく、その行は、各項目に含まれる数値的または近似処理上の誤差を除くための各反復法の後、正規直交化される。
【００４５】
追跡される方向の方向余弦行列Ｃkに基づいて、座標変換８５０は、身体基準フレームでのバイアス修正された加速度信号を受け取って、次式にしたがって、ナビゲーション基準フレームでの加速度信号を出力する。
【００４６】
【数７】
0004690546.tif 000008
【００４７】
二重積分８５０では、以下の式によって、速度および位置を計算する。
【００４８】
【数８】
0004690546.tif 000009
【００４９】
および
【００５０】
【数９】
0004690546.tif 000010
【００５１】
オイラー角計算８７０では、方向余弦行列を取得し、対応するオイラー角度を出力する。慣性追跡部８１０の出力は、（θ，ｒ(n)）Tである。慣性追跡部の状態は、５セット分の３次元値からなる１５次元ベクトルを含む。
【００５２】
【数１０】
0004690546.tif 000011
【００５３】
後述するように、慣性追跡部８１０は、誤差更新信号δｘを超音波レンジ測定部から受信する。超音波レンジ測定部は、姿勢、速度、および位置の値を修正し、ジャイロスコープおよび加速度計のバイアス修正要素のパラメータを更新するために用いられる。
【００５４】
図９において、ビーコンシーケンサ９１０は、位置推定値ｒ(n)を慣性追跡部８１０から受信する。（図１に図示される）超音波ビーコン１２２の位置（およびアドレス）のビーコンマップ９１５を用いて、ビーコンシーケンサ９１０は、超音波レンジ測定値を生成するために、いずれのビーコンが起動（トリガー）されるかについて時間ステップ毎に決定する。例えば、ビーコンシーケンサ９１０は、現在の位置に近い複数のビーコンを決定し、これらのビーコンの間で時間ステップ毎に循環（ｃｙｃｌｅ）する。位置推定値が変化するのにしたがって、最も近いビーコンのセットも、一般には変化する。ビーコンシーケンサ９１０が、複数のビーコンを順番に起動し、これに対応して、複数の超音波パルスが到着するとともに、追跡装置によって検出される。各パルスは、パルスを検出するのに用いられる各マイクロホン別に、一つのレンジ測定値を生じさせる。本実施形態では、各パルスは、三つのレンジ測定値を一セット生じさせる、すなわち、三つのＵＲＭ１１０の各マイクロホン別に、一つずつのレンジ測定値を生じさせる。
【００５５】
また、図９において、レンジ測定部９２０は、超音波レンジ推定値を受信するプロセスに対応する。レンジ測定に関連するパラメータは、宛先とされたビーコンの位置ｂ(n)、パルスの検出に用いられるマイクロホンの位置ｍ(b)、レンジ推定値自体ｄr、および、測定における待ち時間を修正するために用いられる、パルスが検出された時間ｔrである。位置推定値が誤差を含まないとすれば、レンジ推定値は、完全に正確であり、レンジ推定値は、次式を満たす。
【００５６】
【数１１】
0004690546.tif 000012
【００５７】
この等式によって求められる偏差は、上記のパラメータおよび慣性追跡部８１０の出力を修正するために用いられる。
【００５８】
相補的（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）カルマンフィルタが、追跡装置１００によって用いられる。そして、レンジ測定値が入力されるのに応じて、追跡される値を増加的に更新することによって、追跡される位置および方向の推定値を修正する。図１０において、この方法は、２つの関連した構成を含んでいる。慣性追跡部８１０が、その出力ｘを更新するので、カルマン予測部（Ｋａｌｍａｎ  ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ）１０１０は、そのｘについて誤差の予想される共分散行列を保持する。例えば、慣性追跡部８１０において、ドリフト補償が欠落している場合には、共分散行列Ｐは、常に増加する誤差に対応するものとなる。
【００５９】
この方法に使用される第２の構成は、カルマン更新部（Ｋａｌｍａｎ  ｕｐｄａｔｅｒ）１０２０であり、レンジ測定部９２０からの情報を受け取って、この測定情報を使用して、蓄積された誤差δｘの推定値を決定する。この推定値は、慣性追跡部８１０にフィードバックされて、ｘを更新するために用いられる。また、各超音波測定の後に、カルマン更新部１０２０は、ｘにおける誤差について新たに推定される共分散行列Ｐ（＋）を計算し、これをカルマン予測部１０１０にフィードバックする。各超音波測定は、部分的に慣性測定部８１０の出力を修正する。超音波の更新の連続的な流れは、誤差の残余が小さいことを保証する。
【００６０】
慣性追跡部８１０は、その入力に対して非線形なプロセッサであり、その結果、ガウス分布のノイズによって駆動される純粋な線形フィルタとしてのカルマンフィルタの定式は、適切ではない。一般的に「拡張カルマンフィルタ」（ＥＫＦ）として知られているものを用いて慣性追跡部８１０の出力ｘにおける誤差の伝播を特徴化する線形動的システムモデルが用いられる。このＥＫＦがモデル化する誤差は、慣性追跡部のベクトル出力の複数成分に対応する成分を持った次式で与えられる。
【００６１】
【数１２】
0004690546.tif 000013
【００６２】
この誤差項δａ(b)は、ナビゲーション座標系ではなく、身体座標系においてモデル化されており、他の要素は、慣性追跡部８１０の出力における複数の誤差に直接的に対応していることに注意すべきである。この線形化誤差伝播モデルにおける複数のパラメータは、状態遷移行例（ａ  ｓｔａｔｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｍａｔｒｉｘ）と、この誤差モデルを駆動すると考えられる駆動ノイズの共分散行列（ａ  ｃｏｖａｒｉａｎｃｅ  ｍａｔｒｉｘ）とを有している。状態遷移行列および駆動ノイズ共分散は、ともに、慣性追跡部の出力に依存する。測定値がない場合、上記の誤差プロセスの平均は、ゼロのままである。しかしながら、誤差の共分散は、大きくなる。線形化された誤差伝播モデルは、次式のようになる。
【００６３】
【数１３】
0004690546.tif 000014
【００６４】
このＦk＝Ｆ（ｘk-1）の内容は、慣性的追跡装置８１０において使用される更新式の摂動解析から導き出され、次の誤差伝播式に対応する。
【００６５】
【数１４】
0004690546.tif 000015
【００６６】
プロセスノイズｗkの共分散Ｑkは、対角化されていると仮定される。この共分散行列の内容は、慣性追跡部８１０に提供される慣性測定値の既知の誤差源からみ導かれる。この誤差源は、付加的なバイアス誤差、スケーリング誤差、及びセンサの身体座標に対する取り付け誤差、センサ自体からの信号ノイズなどを含む。個々の共分散は、以下のように慣性形追跡装置の出力に依存する。
【００６７】
【数１５】
0004690546.tif 000016
【００６８】
ここで、個々の分散項は、以下のようにパラメータで示される。
【００６９】
【数１６】
0004690546.tif 000017
【００７０】
ここで、「ＧｙｒｏＳｃａｌｅ」、「ＡｃｃｅｌＳｃａｌｅ」、「ＧｙｒｏＡｌｉｇｎ」、および「ＡｃｃｅｌＡｌｉｇｎ」は、装置誤差の補償用の補正係数における不正確さの度合に対応する。一般的に、非対角性の（ｎｏｎ−ｄｉａｇｏｎａｌ）プロセスノイズ共分散を使用することができる。
【００７１】
図１１において、カルマン予測部１０１０は、２つの段階を有する。誤差線形化段階１１１０では、すでに概略を説明したように、まず、ＦkおよびＱkを計算する。そして、共分散伝播段階１１２０では、次式で表されるカルマンフィルタ共分散伝播式を適用することによって、時間ステップ毎に誤差の共分散を反復的に更新する。
【００７２】
【数１７】
0004690546.tif 000018
【００７３】
カルマン予測部１０１０が超音波レンジ測定の結果として与えられる更新された共分散Ｐ（＋）を受信した場合、更新された共分散によって、現在の誤差の共分散Ｐを置換する。
【００７４】
図１２において、カルマン更新部１０２０は、慣性追跡部８１０からの位置および方向の推定値と、カルマン予測部からの位置および方向の誤差の共分散は勿論、レンジ測定９２０の出力についても受信する。また、誤差の推定値と、その提供される誤差の推定値の結果として更新される共分散とを計算する。カルマン更新部１０２０の第１の段階は、測定差分計算１２１０である。期待されるレンジと測定されたレンジとの間の差分は、次式のように計算される。
【００７５】
【数１８】
0004690546.tif 000019
【００７６】
一般的に、レンジ測定値は、最初に検出されて、しばらくした後に用いられる。この待ち時間を考慮するために、この測定値が用いられる時点における位置および方向よりも、音響パルスが到着した時点における追跡装置の位置および方向の推定値が利用される。現在の位置、方向、および線形速度と角速度は、ｒ(n)（ｔr）およびＣbn（ｔr）を決定するための測定時点のものとなるように外挿して戻すために用いられる。
【００７７】
カルマン更新式を適用するために、この差分は、以下の線形観測式を用いてモデル化される。
【００７８】
【数１９】
0004690546.tif 000020
【００７９】
この観測行列Ｈk＝Ｈ（ｘk，ｂ，ｄ，ｍ）は、レンジ測定における誤差上の位置および方向の誤差を線形化した結果である。付加的なノイズνは、以下の形式を有する分散Ｒ（ｘk，ｂ，ｄ，ｍ）を有する。また、Ｈkは、以下の形式を有する。
【００８０】
【数２０】
0004690546.tif 000021
【００８１】
この分散Ｒ（ｘk，ｂ，ｄ，ｍ）が導出されることによって、超音波レンジ測定値と関係づけられた種々の現象をモデル化する。例えば、レンジが増加する場合、パルスのスプレッドなどの影響を部分的に受けるため、パルスの検出が困難になる。このため、増加した分散が使用されて、関係するレンジ測定誤差がモデル化される。この分散Ｒ（ｘk，ｂ，ｄ，ｍ）は、以下の形式を有する。
【００８２】
【数２１】
0004690546.tif 000022
【００８３】
ここで、次のようにパラメータ表示される。
【００８４】
【数２２】
0004690546.tif 000023
【００８５】
および
【００８６】
【数２３】
0004690546.tif 000024
【００８７】
Ｈkの最初の二つの項は、二者選択的に０に設定され、（もし、より精度が高くなる場合には）加速度的なチルト修正を行うことが可能になる。３番目の項がゼロに設定される場合、ヨーのドリフト修正は、より長い期間にわたって行われて、より高い正確さになる。
【００８８】
カルマン更新部１０２０は、測定値の許容／拒否段階１２３０を含んでいる。許容／拒否段階１２３０は、測定値の前記差分δｘ、および、当該測定値の差分について計算された分散Ｒを取得する。測定値の差分が、測定値の差分について計算された標準偏差の所定倍以上である場合、測定値は、超音波パルス検出器が早発的にあるいは遅延してトリガーを発した場合などのように、疑わしいものとして拒否される。そうでない場合には、測定値の差分をさらに処理して、誤差推定値δｘの状態を計算する。カルマンゲイン計算１２４０では、カルマンフィルタ更新式を用いて、以下のようにカルマンゲインを計算する。
【００８９】
【数２４】
0004690546.tif 000025
【００９０】
誤差推定部１２５０は、δｘ＝Ｋδｄとして誤差推定値を計算し、共分散更新部１２６０は、以下のように誤差共分散を計算する。
【００９１】
【数２５】
0004690546.tif 000026
【００９２】
δｘの成分は、慣性追跡部８１０を更新するために使用される。計算された項δωおよびδａ(b)は、ジャイロスコープバイアス補償８２０および加速度計バイアス補償８３０（図８）に渡されて、それぞれ、現在格納されているバイアスパレメータに加算される。計算された項δν(n)およびδｒ(n)は、二重積分８６０（図８）に送られる、それらは、現在のν(n)およびｒ(n)推定値にそれぞれ加えられる。最終的に、方向余弦行列は、次のように更新され、再度、正規直交化される
【００９３】
【数２６】
0004690546.tif 000027
【００９４】
再び、図１において、超音波ビーコンアレイ１２０は、規則的なパターンで配列された単体の複数の超音波ビーコン１２２を含んでいる。例えば、これらの複数のビーコンは、２フィートほどの間隔を持った矩形のグリッド上に、より好ましくは、３ｍｍ以下の精度で配列されている。有限の数のアドレスがこれらのビーコンのために使用可能である。本実施形態によれば、８個の異なるアドレスのみが、ハードウエアの制限上、使用可能となっている。したがって、追跡装置が、赤外線コマンドを一つのアドレスに送信する場合、一般的には、複数の超音波ビーコンが、その信号を受信し、反応する。特定のアドレスを持った最も近いビーコンのみがレンジ測定のために用いられる。しかしながら、複数のビーコンが、各赤外線コマンドに対して反応するので、パルス検出回路は、例えば、前の反復的な処理において起動（トリガー）されたビーコンからのパルスによって本来よりも早くに起動されるかもしれない。しかしながら、その反復的な処理は、十分に離れているので、そのパルスは、次の反復処理の後に到着することはない。この早期のトリガー動作の問題を避けるために、パルス検出器５２２（図５）は、所望のパルスが到着すると期待される時間近傍の時間ウインドウの間のみ動作可能となる。これは、他のビーコンからのパルス、または以前のパルスの長期間の一定な残響によって誤ったトリガーがなされることを避ける。
【００９５】
追跡およびカルマン更新処理の説明において、初期の位置および方向推定値は、既知であると仮定されるが、これは、追跡装置１００によって自動捕獲アルゴリズムが用いられる場合には、常に必要であるわけではない。限られた超音波ビーコンのアドレス数は、初期の捕獲アルゴリズムのための基準として用いられる。最初に、追跡装置は、許容可能な宛先の各ビーコンについてトリガーを与え、宛先とされるビーコンの中で最も近い一つのビーコンのレンジを測定する。そして、最も近い４つのビーコンのアドレスが、レンジ測定によって決定される。追跡ユニットは、総てのビーコンの位置およびアドレスを含むビーコンマップを有している。最も近い４つのビーコンのアドレスによって、可能な位置が部屋の小部分に限定されるように、ビーコンが配置される。最も近い複数のビーコンに基づいて不確定さがある場合には、その不確定さを解決すべく、複数のビーコン間の実際の距離が三角測量処理のために使用される。初期の方向は、各々のマイクロホンに関連づけられた複数のレンジ測定に基づく。
【００９６】
追跡処理の全体は、図１３に示されるフローチャートによって要約することができる。最初に、既に概略を説明した方法を使用して、初期の位置および方向が取得される（ステップ１３１０）。この処理は、時間ステップ毎に一回実行されるループを挿入する。次の時間ステップのために待機した後（ステップ１３２０）、慣性測定値が受信されるとともに（ステップ１３３０）、追跡された変数ｘ、および誤差共分散Ｐが、慣性測定を用いることによって更新される（ステップ１３４０）。未処理の超音波レンジ測定が使用可能である場合（ステップ１３５０）、レンジ測定結果を使用して、誤差更新値δｘと更新された誤差共分散Ｐ（＋）を計算する（ステップ１３６０）。この誤差更新値および新たな誤差共分散を使用して、慣性追跡部やカルマン予測部を更新する（ステップ１３７０）。この処理は、さらに、レンジ測定を行うことが、当該時間ステップにおいて要求されるか否かを決定することを含む（ステップ１３８０）。三つのレンジ測定が各パルスについてなされるが、一回の時間ステップあたり一つのレンジ測定値のみが使用され、次回以降の時間ステップにおいて適用される複数のレンジ測定値の予備（バックログ）が存在することとなる。したがって、将来の何回かの時間ステップのためには、新たなレンジ測定は、必要がないものとできる。次の超音波パルスについて期待されるフライト時間（一般には、一つの時間ステップよりも長い）を考慮する場合、この処理によって、この時間ステップで１つの赤外線コマンドをビーコンに対して送信すべきか否かを決定し（ステップ１３８０）、次のビーコンのアドレスが選択され（ステップ１３９０）、その場合、そのビーコンへの赤外線コマンドが送信される（ステップ１３９５）。処理は、再び戻り、次の時間間隔まで待機して、ステップ１３２０において再度開始される。
【００９７】
いくつかの代わりの方法を用いることができる。説明された実施形態では、時間ステップあたり一つのレンジ測定値が使用される。もし、プロセッサ１３０が十分に計算能力を有していれば、これに代えて、総ての利用可能な複数のレンジ測定値を時間ステップ毎に使用することが可能である。この選択的な方法は、総ての複数のレンジ測定結果が考慮されるまで、ステップ１３７０からステップ１３５０へ繰り返して戻ることによって実行される。また、代替的に、各スケールレンジ測定別に、順番にカルマン更新部を適用するというよりも、各ベクトル観測器および修正された観測ノイズに対する類似の更新式を用いることによって、総てのレンジ測定に対して、一回のステップでカルマン更新部を適用することもできる。次の時間ステップまでに、レンジ測定の差分をとる処理をする代わりに、むしろ複数のレンジ測定値が到着する毎に複数のレンジ測定値を結合し、慣性追跡装置の更新と同時に行わないようにすることもできる。
【００９８】
上述した処理は、他の測定モードと結合することができる。例えば、傾斜計を使用することによって、姿勢のドリフト修正可能な拡張カルマンフィルタに対して測定値を提供することができる。また、回転についての総ての３自由度の修正を可能とする三個またはそれ以上のマイクロホンを使用するよりも、むしろ、二個のマイクロホンを、傾斜計のような測定モードと結びつけて、レンジ測定のために使用することができる。このように、幾つかのドリフト修正を、傾斜計に基づいて行うことができるが、磁界の変化に対して敏感なコンパスは、ドリフト修正に必要とされない。三個を超えるマイクロホンが使用されることによって、より大きな冗長性を提供し、多くの回転自由度を許容することができる。
【００９９】
周囲環境の固定位置にビーコンを取り付ける代わりとして、「インサイドアウト」構成として、しばしば言及される追跡装置上の複数のマイクロホンによって、「アウトサイドイン」構成を置換することができる。この追跡装置は、超音波パルスを提供し、調整されたマイクロホンの配列が、追跡装置の位置を検出する。１つのパルスが１つのマイクロホンに到達する時間に、追跡装置は、一般的に、新たな位置に移動していることに注意すべきである。この測定の待ち時間は、上述したレンジ測定で使用される待ち時間修正と同様な方法において、修正されるべきである。
【０１００】
複数のビーコン１２２は、平面状の配列に取り付けられる必要はない。これらは、天井のみならず壁に取り付けることもでき、あるいは、周辺環境にある他の支持部材上に取り付けることもできる。例えば、ビーコンは、照明器具上に取り付けられることもできる。ビーコンの数は、ユーザーの要求に適合するように選択することができ、複数のビーコンの位置は、例えば、適切な取付け位置の可能性、幾何学形状に応じて選択されることが可能であり、ビーコンマップは、選択された数およびビーコンの位置に応じて設定することができる。ビーコンの集合に含まれる前記の数は、ビーコンマップがアップデータ可能である限り、ユーザーによって増加することもでき、減少することもできる。
【０１０１】
追跡装置から複数のビーコンへのコマンド信号は、赤外線の伝送以外の他のモードを用いることによって送信することができる。例えば、ＲＦ、可視光、音響信号を使用することができる。
【０１０２】
二個以上の対象物は、「インサイド−アウトサイド−イン」構成において追跡することができる。図１４ａにおいて、追跡装置１００は、その位置を上述のように追跡する。第２の追跡装置１４００は、互いに関係が知られており宛先とされる３つの超音波ビーコン１４１０を有している。ビーコン１４１０がトリガーされることによって送信される音響パルスは、追跡装置１００上のＵＲＭ１１０によって受信され、追跡装置は、第２の追跡装置の相対的な位置および方向を決定することができる。相対的な位置および方向の推定における精度の向上を提供する拡張は、追跡装置１４００に固定された第２の慣性測定ユニットを備えるとともに、その慣性測定結果を追跡装置１００に送信することである。単一のビーコンのみが第２の対象物上に置かれている場合、相対的な位置は、第２の装置の相対的な方向の追跡を行うことなく、超音波レンジ測定を用いて検出される。
【０１０３】
図１４ｂにおいて、複数の追跡装置から構成される「相互追跡ネットワーク」を用いることができる。これらの追跡装置は、固定されたビーコンおよび他の移動する追跡対象物を含む周辺環境下における、他の装置の位置に関するそれら個々の位置を追跡する。これは、複数の追跡装置と結合された付加的な通信システム、例えば、ＲＦローカルエリアネットワークを用いて行うことができる。
【０１０４】
上述した実施形態では、ビーコンアレイの「マップ」は、正確であると仮定されている。レンジ測定が冗長性を持った情報を含んでいる場合、ビーコンの配置の誤差は、反復的に推定および更新され、この結果、精度が向上する。特に、ビーコンの配置の誤差は、拡張カルマンフィルタの状態として含めることができ、各ビーコンからの複数のレンジ測定は、配置誤差を推定する時間を超えて与えられる。分離された初期の自動「マッピング」モードを、室内における１又は複数の位置のレンジ測定、および三角測量計算を通じて使用することができ、複数のビーコンの位置を決定することができる。これらの自動決定された位置は、既知の位置として、あるいは、カルマンフィルタを用いて更に更新された初期の推定値として、使用することが可能である。この種の方法によれば、複数のビーコンは、精密に位置決めされていることを要求されることなく、不規則に置かれることが可能である。
【０１０５】
上述した追跡方法は、いくつかの応用を有する。第１の応用は、追跡装置を、頭部に装着されるディスプレイに結合することである。図１５において、頭部装着ディスプレイによれば、ユーザーがワークピースのような物理的対象物１５２０を直接的に見ることを可能とする。ディスプレイ１５１０は、ワークピース１５２０についての室内の基準フレームにおける既知の位置を利用し、ユーザーによるワークピースの視野に対して情報をスーパーインポーズすることができる。例えば、大きな装置への配線作業に応用した場合、スーパーインポーズされる情報には、配線の正しい配置に関する情報を含めることができる。また、同様な頭部装着ディスプレイは、現実にユーザーによって見ることができる実際の視野の上にイメージをスーパーインポーズすること以外にも、バーチャルリアリティシステム（仮想現実感システム）において、ユーザーよって視覚される完全なイメージを提供するために用いることができる。
【０１０６】
他の応用は、テレビジョンへの応用におけるカメラ位置の追跡を含む。図１６において、テレビジョン製作における一般的な技術は、（端的にはモノクロの）背景におかれたブランクの前で対象物１６２０が撮影され、電子的に、（１６３０で説明されている）他のイメージを背景としてスーパーインポーズすることである。かかる技術の困難性は、カメラ１６１０が移動するのにつれて、背景となるイメージも、カメラの移動を反映して変化すべき点にある。追跡装置１００をカメラ１６１０に取り付けることによって、カメラの位置および方向は、追跡され、カメラの位置および方向の変化を受信するイメージプロセッサによって、背景のイメージを自動的に変化することができる。この方法は、イメージプロセッサに格納される大きな「仮想セット」の構築を可能とし、また、その結果として、複数の変化するカメラ「アングル」を使用することを可能とする。
【０１０７】
他の応用は、例えば、自動車の衝突テストの際における、自動車内の要素の動きを検出することを含む。図１７において、衝突する自動車１７１０内におけるダミー１７２０の動きは、追跡装置１００を使用して、追跡することが可能である。さらに、付加的なビーコン１７３０を用いて、上述したインサイド−アウトサイド−イン方法を利用し、防御壁（ファイアウォール）上のポイントのような第２の対象物が追跡される。これは、自動車の基準フレームに対するダミーの位置追跡と、このダミーに関係する自動車内の所定ポイントの追跡とを共に可能とする。
【０１０８】
その他の応用は、ロボットのナビゲーション、在庫品、財産、または社員の追跡、仮想的な船、または、応急法のために増大されたリアリティ、フィルムカメラ追跡、娯楽（例えば、テーマパーク、およびゲーム）、動作捕獲のためのフルボディ追跡、および兵器追跡を含む。
【０１０９】
他の実施形態では、慣性追跡をするために他の方法を使用することができる。例えば、方向余弦行列を用いて姿勢積分を行うよりは、むしろ、姿勢の統合化は、オイラー角、または四元数を用いて行うことができる。線形化された誤差伝播系行列および駆動ノイズの共分散は、使用される個々の追跡アルゴリズムに依存することを注意すべきである。カルマンフィルタの状態は、例えば、他の項を含めるように変化することができる。例えば、上述した実施形態のように加速度計の付加的なバイアスを追跡するだけでなく、加速度計信号の乗算型バイアス（例えば、スケールファクタにおける誤差）、取り付けの不正確さ、および音速の影響を追跡することができる。
【０１１０】
音響位相、ＲＦまたは光学的なフライトタイム、ＲＦまたは光学的な位相、および機械的なケーブルの伸張量を含むような、他のレンジ測定方法を用いることが可能である。
【０１１１】
慣性的および音響的な測定を融合する他の方法を、カルマンフィルタリングの代わりに用いることができる。例えば、ニューラルネットワーク、ルールベースの推論、またはファジー論理システム、あるいは、最適化方法を、複数の測定を結合するために用いることができる。
【０１１２】
上記説明では、８個の異なる超音波ビーコンアドレスのみが使用されている。これとは別の方法として、各ビーコンを、個別に宛先とすることが可能であり、あるいは、多くの共通アドレスを使用することも可能である。複数のビーコンを個々に宛先とすることができる場合、例えば、「グループアドレス」、または取得フェーズの期間中に個々のビーコンを宛先とするシーケンスコマンド、に対応するビーコンを有することによって、初期の取得を実行することが可能である。これは、レンジにおいて最初に１つのビーコンを見つけ、その近くにある、すなわち追跡装置によって既に知られたビーコンマップに基づいて近くになる、複数の付加的なビーコンをサーチすることによって、追尾装置が、その初期位置をゼロ調整する方法において行われる。このような方法は、追跡エリアが、幾つかの複数の部屋にまたがる場合にも用いることができる。最初に、追跡装置が決定されている部屋を検出し、そしてその次に部屋内での位置を検出することができる。
【０１１３】
上記の記載は、説明のために意図されてものであり、特許請求の範囲によって定義される発明の範囲を限定するものではないことが理解される。他の実施態様、効果、および変形は、特許請求の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  追跡装置および該追跡装置に用いられる音響ビーコンの集合を示す図である。
【図２】  追跡装置プロセッサの構成を示す図である。
【図３】  慣性と音響の組合せ追跡手法の説明図である。
【図４】  慣性測定ユニット（ＩＭＵ）を示す図である。
【図５】  超音波レンジ測定ユニット（ＵＲＭ）および超音波ビーコンを示す図である。
【図６】  追跡装置プロセッサ内で慣性測定ユニットおよび超音波測定ユニットと接続するのに用いられる入出力インタフェースを示す図である。
【図７】  図７ａは、ナビゲーションおよび身体の基準フレームの説明図であり、図７ｂは、相互の追跡装置の説明図である。
【図８】  慣性追跡部の信号流れ図である。
【図９】  超音波レンジ測定サブシステムの信号流れ図である。
【図１０】  慣性追跡部、カルマン予測部、およびカルマン更新部の各構成要素を含む追跡装置の信号流れ図である。
【図１１】  カルマン予測部の信号流れ図である。
【図１２】  カルマン更新部の信号流れ図である。
【図１３】  追跡処理のフローチャートである。
【図１４】  図１４ａは、第１の追跡された身体に対する第２の身体の追跡の説明図であり、図１４ｂは、複数の装置の相互追跡の説明図である。
【図１５】  頭部に取り付けられるディスプレイシステムを示す図である。
【図１６】  テレビジョン用のカメラ追跡システムの説明図である。
【図１７】  自動車内の身体の追跡の説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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