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Verfahren zum indirekten Messen der Blickrichtung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Blickrichtung
mit Hilfe einer in das Gesichtsfeld eingeblendeten, relativ zum Kopf unbeweglichen
Marke, die durch Kopfbewegungen scheinbar an den!Ort des Zieles verschoben wird.
Das Messen der entsprechenden Kopfstellungen ermöglicht nach einmaliger Justierung
die Berechnung der Blickrichtung des Beobachters und damit eine Zuordnung zu dem
betrachteten Ziel, durch welche das Bedienen von technischen Einrichtungen allein
durch Ändern der Blickrichtung zu entsprechenden Zielpunkten möglich ist, und gestattet
zweitens bei zusätzlich bekannter Entfernung Auge-Ziel die Berechnung der Zielrichtung
für Zieleinrichtungen (z. B. Kanone), deren Position relativ zum Beobachter bekannt
ist.
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Bei der Bedienung technischer Einrichtungen (Warten, Flugzeug) können
nach Erreicnen der Belastungsgrenze für manuell ausführbare Arbeiten durch Einbeziehen
der Augen-Kopfbewegungen zusätzliche Aufgaben bewältigt werden. Die Linmüglichkeit
von Hand- und Fußbewegungen, z.B.
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bei einem großen Teil der Querschnittsgelähmten erfordert das Einbeziehen
der verbliebenen Muskelaktivitäten bei Kopfbewegungen zur Steuerung oder Regelung
von Servosystemen.
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Es ist bekannt, daß in das Gesichtsfeld eines Piloten Ausschnitte
der überflogenen Landschaft und Zielpunkte eingespiegelt werden, die jedoch im Gegensatz
zu unserer Erfindung nicht zur Berechnung der Blickrichtung des Piloten herangezogen
werden. Das Messen von Kopfbewegungen ist insbesondere in der Grundlagenforschung
üblich für Untersuchungen der Auge-Kopf-Koordination. Das Messen der Blickrichtung
erfolgt über eine zusätzliche Messung der Augenstellung, die i.a. sehr aufwendig
und unbequem ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Blickrichtung ohne direkte
Messung der Augenstellung zu bestimmen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig folgendermaßen gelöst. Mit dem
Kopf des Beobachters ist fest verbunden eine Halterung für ein optisches System,
über das eine Marke in das Gesichtsfeld so eingespiegelt wird, daß sie für einen
Beobachter scharf innerhalb der betrachteten Umgebung zu sehen ist. Die Position
der Marke relativ zum Kopf ist festgelegt durch die Anordnung dieses optischen Systems.
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Durch Kopfbewegungen kann die Marke mit jedem Punkt des Sehraums scheinbar
zur Deckung gebracht werden. Auf diese Weise wird eine eindeutige Zuordnung der
über die eingespiegelte Marke anvisierten Umgebungspunkte zu den Koordinaten hergestellt,
die die Kopfstellung relativ zu einem raumfesten Bezugssystem -festlegen. Die Stellung
des Kopfes wird gemessen über Weg- und Winkelaufnehmer oder berührungslos mit opto-elektronischen
Methoden (Schief, A.: Verfahren und Einrichtung zur berührungslosen Messung von
Sturz- und Spur von Kraftfahrzeugrädern. Patentanmeldung P 23 53 965.3 (1973). Die
Marke ist das vergrößerte Spiegelbild einer Lichtquelle, die sich zwischen dem Auge
und einer sphärisch gekrümmten, die Lichtquelle reflektierenden, durchsichtigen
Glasfläche (Uhrglas) in etwa einfachemBrennpunktabstand befindet oder eine Lichtquelle,
die über eine oder mehrere Linsen und eine Glasplatte in das Auge abgebildet wird.
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Die Marke kann auch ein mit dem Kopf fest verbundenes, nicht selbst
leuchtendes Objekt sein, das ohne optische Hilfsmittel im Sehraum beobachtet wird.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß eine Steuerung allein durch Kopfbewegungen vorgenommen werden kann. Durch die
sehr gute Auge-Kopf-Koordination reduziert sich der Zeitbedarf gegenüber einer Handsteuerung
oder -regelung. Eine Steuerung oder Regelung kann berührungslos ausgeführt werden.
Zur Messung der Blickrichtung braucht nicht die Augenstellung gemessen zu werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt.
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Eine Kopfdrehung kann um die beiden Achsen 2 und 9 ausgeführt werden.
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Die vertikal ausgerichtete Achse 2 bleibt durch eine Halterung 1 raumfest.
Eine Drehung um die Achse 2 wird mit dem Winkelaufnehmer 4,
eine
Drehung um die Achse 9 mit dem Winkelaufnehmer 8 gemessen, deren Signale über die
Kabelzuführungen 3 und 10 z. 8. auf einem x-y-Schreiber dargestellt werden können.
Das Kabel 5 dient zur Stromversorgung eiiiL>s (nicht ciiirlozeichtieten) Lämpchens,
welches sich in etwa einfachem ßrennpunktabstand des Uhrglases 12 zwischen Auge
und dem Uhrglas befindet. Die Lage des Uhrglases relativ zum Kopf wird mit Hilfe
der Halterung V festgelegt. An dem Bügel 6 ist über die Achse 9 der Helm 11 befestigt.
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Ein 2. Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Hier wird eine
Lichtquelle 1 oder ein beliebiges Muster über eine Fernrohroptik 2 und über eine
durch die Halterung 10 fest mit dem Helm verbundene Glasplatte 3, deren Neigung
jedoch beliebig verstellbar ist, so in das Auge eingespiegelt, daß die Lichtquelle
in verschiedenen, einstellbaren Entfernungen dem Beobachter 8 scharf erscheint.
Ein am Helm 9 oder einer anderen am Kopf fest anliegenden Vorrichtung befestigter
Spiegel 6 reflektiert einen Teil des Parallelstrahlbündels 4 in die Richtung 5.
Dieses Teilstrahlbündel 5 wird auf das Target einer FS-Kamera abgebildet, wo die
Position des entsprechenden Bildpunktes ein Maß für die Richtung des Bündels 5 und
damit für die Neigung des Spiegels 6 gegenüber zwei ausgezeichneten Raumrichtungen
ist. Für Bewegungen des Kopfes in Richtung und senkrecht zum Parallelstrahlbündel
4 mit Amplituden, die durch die Querschnittsfläche des Bündels 4 und des Spiegels
6 bestimmt sind, erhält man die gleichen Meßwerte für die Spiegelneigung. Der Parallaxe-Fehler
beim Anvisieren ist bei hinreichend weit entfernten Zielen zu vernachlässigen.
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Der Vorteil gegenüber der 1. Ausführung (Fig. 1) besteht in einer
gröBeren Beweglichkeit des Kopfes. Zur Vermeidung unzulässig großer Kopfbewegungen
ist eine Halsstütze 7 zweckmäßig.
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Die Richtung des Zielvektors in einem raumfesten Koordinatensystem
R nach dem Anvisieren des Ziels durch einen Beobachter erhält man allgemein nach
folgendem Verfahren, das am Ausführungsbeispiel 1 erklärt wird. In Fig. 3a sind
schematisch der Helm, Bügel und die mit dem Bügel über Winkel aufnehmer verbundenen
Achsen a und b dargestellt. Die raumfeste Achse a richtet man parallel aus zu der
in Fig. 3b eingezeichneten vertikalen Achse e3 des raumfesten Koordinatensystems
R (R-System) mit dem Ursprung 0, das von den orthonormierten
Vektoren
e1, e2 und e3 aufgespannt wird. Die Achse b wird senkrecht zur Achse a ausgerichtet.
Den Schnittpunkt S der beiden Achsen Ü und b wählen wir als Ursprung eines kopfbezogenen
Koordinatensystems K (K-System), das von den orthonormierten Vektoren e', e2 und
e3' aufgespannt wird.
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wir bezeichnen mit A das Auge und mit Z den anvisierten Zielpunkt.
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Die Visierlinie eines Beobachters ist also AZ. Durch einfache Abstandsmessungen
werden die Komponenten der Vektoren OS, SZ und AZ im R-System bestimmt. Ma erhält
die Komponenten a1, a2, a3 des Vektors SA, da SA = SZ - AL gilt.
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Allgemein ergibt sich für ein System, dessen Koordinatenursprung im
R-System durch den Vektor OR' gegeben ist, ein Zielvektor R'Z aufgrund der Beziehung
R'Z = OZ - OR' = OS + SZ - OR' Nach dieser für einer beliebigen Zielpunkt Z durchgeführten
Messung ist der Winkel zwischen SA:-(a1, a2, a3) und e3 durch die Beziehung (1)
# = arc cos
festgelegt und der Winkel # zwischen SA und e1 durch (2) ci = arc cos
Bei jeder Ausführung der Erfindung bleiben beim sukzessiven Anvisieren von verschiedenen
Zielen die Komponenten des Vektors SA und die Richtung des Vektors AZ im K-System
konstant. Die neuen Komponenten a'1, a'2, a'3 von SA im R-System beim Anvisieren
eines neuen Zielpunktes Zi erhält man nach der Messung der Winkeländerungen A9 und
## mit den Winkelaufnehmern an den Achsen b bzw. a gemäß den Beziehungen
cos (#+##) sin (cp + Acp)
cos (ß + Der Betrag des Vektors bleibt erhalten: a1²+a2²+a3²=a1'²+a2'²+a3'² Entsprechend
werden die neuen Komponenten b1', b2', b3' des Vektors AZi aus den alten Komponenten
b1, b2, b3 berechnet, wobei zusätzlich zu den Winkeln ## und ## die Längenänderung
#r = |AZi| - |AZ| gemessen werden muß
cos ( + A) sin (# +
cos (# + Die Winkel # und Q ergeben sich aus den Gl. 1-2, wenn in diesen die Komponenten
a1, a2, a3 durch die Komponenten b1, b2, b3 des Vektors AZ ersetzt werden.
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Die Komponenten des Vektors SA und AZi beim Anvisieren eines beliebigen
neuen Zieles Zi sind durch Messen von ##, ## und #r eindeutig festgelegt, falls
ihre Komponenten einmal für einen Zielpunkt Z festgelegt worden sind. Man erhält
den gesuchten Zielvektor OZ im R-System mit Hilfe der Beziehung (9) OZ = OS + SA
+ AZ Zur Berechnung des Zielvektors DZ und damit der Zielrichtung, z.S.
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für eine Kanone in einem erdfesten Koordinatensystem muß also die
Lage des Ursprungs S des kopfbezogenen Koordinatensystems relativ zum Ursprung 0
des erdfesten Koordinatensystems bekannt sein, d.h.
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der Vektor OS, und für einen beliebigen Zielpunkt Z die Richtung und
@änge der Verbindungslinie Auge-Ziel beim Anvisieren des Ziels (Vektor AZ) und die
Richtung und länge der Verbindungslinie des Ursprungs S des kopfbezogenen Koordinatensystems
zum Zielpunkt Z (Vektor SZ). Man erhält die Komponenten der Vektoren AZ und SA =
SZ - AZ, aus denen die Winkel #, #, # und # mit Hilfe der Gl. 1-2
berechnet
werden. Diese insgesamt zehn Zahlenwerte werden gespeichert.
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Für jeden anderen Zielpunkt Z werden die entsprechenden Komponenten
der Vektoren SA und nZi aus diesen gespeicherten zehn Zahlenwerten und den gemessenen
Drehwinkeln Ab und Bp sowie der Abstandsänderung Ar des Zielpunktes Z. vom Auge
mit Hilfe der Gl. 3-8 mit einem Prozessor berechnet. Aus der Vektorbeziehung (9)
ergibt sich dann die Zielrichtung OZ, z. B. für eine Kanone im Ursprung 0 eines
erdfesten Koordinatensystems.
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Mit zunehmender Entfernung Auge-Zielpunkt wird der Vektor SA, dessen
Betrag etwa 10 cm entspricht, immer bedeutungsloser und kann für hinreichend große
Entfernungen vernachlässigt werden. Durch das Gleichsetzen SZ = AZ reduzieren sich
die Messung am Anfang und der Rechenaufwand auf die Hälfte.
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Bei dem für Anwendungen sehr wichtigen Fall, daß nur eine eindeutige
Zuordnung Blickrichtung - Zielpunkt interessiert, wie z. B. beim Betrachten einer
Tafel uder der Kodierung von Programmen einer technischen Einrichtung durch die
Felder einer optisch dargebotenen Matrix, genügen die beiden z. B. mit den Winkelaufnehmern
im Ausführungsbeispiel 1 gemessenen Winkelwerte Vür eine eindeutige Zuordnung der
Blickrichtung zu dem betrachteten bildpunkt.