DE2629073C3

DE2629073C3 - Verfahren zum indirekten Messen der Blickrichtung

Info

Publication number: DE2629073C3
Application number: DE19762629073
Authority: DE
Inventors: Harry 7513 Stutensee Liepelt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1976-06-29
Filing date: 1976-06-29
Publication date: 1981-04-16
Also published as: DE2629073A1; DE2629073B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Blickrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie sie aus der DE-OS 15 48 437 oder aus Aviation Week & Space Technology, July 4, 1966, S. 58, 59, bekannt ist.

Bei der Bedienung technischer Einrichtungen (z. B. Flugzeug) können nach Erreichen der Belastungsgrenze für manuell ausführbare Arbeiten durch Einbeziehen der Augen-Kopfbewegung zusätzliche Aufgaben bewältigt werden. Die Unmöglichkeit von Hand- und Fußbewegungen, z. B. bei einem großen Teil der Querschnittsgelähmten erfordert das Einbeziehen der verbliebenen Muskelaktivitäten bei Kopfbewegungen tür Steuerung oder Regelung von Servosystemen.

Die Einrichtung nach der DE-OS 15 48 437 weist eine in Bezug auf den Kopf starre Optik auf, durch die die Versuchsperson blicken muß, was also das Gesichtsfeld stark beeinträchtigt. Außerdem sind zur Berechnung der Ablenkung umfangreiche Rechner notwendig. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Blickrichtung ohne direkte Messung der Augenstellung zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 oder nach Anspruch 5 gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

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 beriihrungslos ausgeführt werden.

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

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 1 dargestellt

Eine Kopfdrehung kann um die beiden Achsen 2 und 9 ausgeführt werden. 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 IC ζ. i3. auf einem x-y-Schreiber dargestellt werden können. Das Kabel 5 dient zur Stromversorgung eines (nicht eingezeichneten) Lämpchens, welches sich in etwa einfachem Brennpunktabstand des Uhrglases 12 zwischen Auge und dem Uhrglas befindet. Die Lage des Uhrglases relativ zum Kopf wird mit Hilfe der Halterung 7 festgelegt An dem Bügel 6 ist über die Achse 9 der Helm 11 befestigt.

Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in F i g. 2 dargestellt. Hier wird eine Lichtquelle 21 oder ein beliebiges Muster über eine Fernrohroptik 22 und über eine durch die Halterung 20 fest mit dem Helm verbundene Glasplatte 13, deren Neigung jedoch beliebig verstellbar ist, so in das Auge eingespiegelt, daß die Lichtquelle in verschiedenen, einstellbaren Entfernungen dem Beobachter 18 scharf erscheint. Ein am Helm 19 oder einer anderen am Kopf fest anliegenden Vorrichtung befestigter Spiegel 16 reflektiert einen Teil des Parallelstrahlbündels 14 in die Richtung 15. Dieses Teilstrahlbündel 15 wird auf das Targel einer FS-Kamera abgebildet, wo die Position des entsprechenden Bildpunktes ein Maß für die Richtung des Bündels 15 und damit für die Neigung des Spiegels 16 gegenüber zwei ausgezeichneten Raumrichtungen ist Für Bewegungen des Kopfes in Richtung und senkrecht zum Parallelstrahlbündel 14 mit Amplituden, die durch die Querschnittsfläche des Bündels 14 und des Spiegels 16 bestimmt sind, erhält man die gleichen Meßwerte für die Spiegelneigung. Der Parallaxe-Fehler beim Anvisieren ist bei hinreichend weit entfernten Zielen zu vernachlässigen. Der Vorteil gegenüber der ersten Ausführung (Fig. 1) besteht in einer größeren Beweglichkeit des Kopfes. Zur Vermeidung unzulässig großer Kopfbewegungen ist eine Halsstütze 17 zweckmäßig.

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 Winkelaufnehmer

verbundenen Achsen a und b dargestellt Die raumfeste Achse a richtet man parallel aus zu der in Fig.3b eingezeichneten vertikalen Achse O₃ des raumfesten Koordinatensystems R (Ä-System) mit dem Ursprung O, das von den orthonormierten Vektore» ei, & und ^₅ aufgespannt wird. Die Achse b wird senkrecht zur Achse a ausgerichtet Den Schnittpunkt 5 der beiden Achsen a und b wählen wir als Ursprung eines kopfbezogenen Koordinatensystems K (^-System), das von den orthonormierten Vektoren εΊ, e'₂ und e₃ aufgespannt wird.

Wir bezeichnen mit A das Auge und mit Z den anvisierten Zielpunkt Die Visierlinie eines Beobachters ist also AZ, Durch einfache Abstandsmessungen werden die Komponenten der Vektoren OS, SZ und AZ im i?-System bestimmt Man erhält die Komponenten a\, a₂, a₃ des Vektors SA, da A4 = SZ- AZgilt

Allgemein ergibt sich für ein System, dessen Koordinatenursprung im Ä-System durch den Vektor QR' gegeben ist, ein Zielvektor R'Z rufgrund der Beziehung

R'Z = OZ - OR' = OS +SZ - OR'.

Nach dieser für einen beliebigen Zielpunkt Z durchgeführten Messung ist der Winkel ϋ· zwischen SA:=(au a% a₃) und C₃ durch die Beziehung

ϋ = arc cos ,

(1)

H+al + 4
festgelegt und der Winkel ₇ zwischen S_A und Q₁ durch

η = arc cos

(2)

Bei jeder Ausführung der Erfindung bleiben beim sukzessiven Anvisieren von verschiedenen Zielen die Komponenten des Vektors SA und die Richtung des Vektors AZ im /C-System konstant. Die neuen Komponenten al, a'2, a'3 von SA im Ä-System beim Anvisieren eines neuen Zielpunktes Z,- erhält man nach der Messung der Winkeländerungen Δϋ- und Δφ mit den Winkelaufnehmern an den Achsen b bzw. a gemäß den Beziehungen

a[ = \aj + of + a§ - a₃ ² cos (7 + !7), (3)

a₂ = I af + a| + a| - O₃ ² sin (7 + 17), (4)
n₃ = laf + a² 4· af cos(0 + .10). (5)

Der Betrag des Vektors SA bleibt erhalten:

2 , 2 , „2 '2 ι „'2 , „'2

C₁ H- O₂ + °3 ^{= α}1 + °2 + ^Ö3 ·■ -

Entsprechend werden die neuen Komponenten b'u b'2, b₃ des Vektors AZ, aus den alten Komponenten b\, b2, bi berechnet, wobei zusätzlich zu den Winkeln Aft und Δφ die Längenänderung

Ar=\AZ\-\AZ\
gemessen werden muß

K = ViVbi + hi +"öl + Δ rf - b'f cos (ψ + Αφ),

V₂ = 1/ (Hl + b\ + b\ + Ar)² - bf sin (ψ

ίο b'i = (\'bf + b\ + b\ + Ar) cos (β + Δϋ). (8)

Die Winkel & und φ ergeben sich aus den Gl. 1—2, wenn in diesen die Komponenten a\, a%, a₃ durch die Komponenten b\, bz, O₃ des Vektors ^Zersetzt werden.
Die Komponenten des Vektors SA und AZ; beim Anvisieren eines beliebigen neuen Zieles Z-, sind durch Messen von Δϋ; Δφ und Ar eindeutig festgelegt, falls ihre' Komponenten einmal für einen Zielpunkt Z festgelegt worden sind. Man erhält den gesuchten Zielvektor OZ im i?-System mit Hilfe der Beziehung

OZ = OS + SA + AZ

Zur Berechnung des Zielvektors QZ und damit der Zielrichtung, z. B. für eine Kanone in einem erdfesten Koordinatensystem muß also die Lage des Ursprungs 5 des kopfbezogenen Koordinatensystems relativ zum Ursprung O des erdfesten Koordinatensystems bekannt sein, d.h. der Vektor QS, und für einen beliebigen Zielpunkt Z die Richtung und Länge 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 AZund SA = SZ- AZ, aus denen die Winkel Ό-, φ, ff und φ mit Hilfe der Gl. 1—2 berechnet werden. Diese insgesamt zehn Zahlenwerte werden gespeichert. Für jeden anderen Zielpunkt Z, werden die entsprechenden Komponenten der Vektoren SA und AZi aus diesen gespeicherten zehn Zahlenwerten und den gemessenen Drehwinkeln Δ& und Δφ 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 O eines erdfesten Koordinatensystems.

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=AZreduzieren sich die Messung am Anfang und der Rechenaufwand auf die Hälfte.

Bei dem für Anwendungen sehr wichtigen Fall, daß nur eine eindeutige Zuordnung Blickrichtung—Zielpunkt interessiert, wie z. B. beim Betrachten einer Tafel oder 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 für eine eindeutige Zuordnung der Blickrichtung zu dem betrachteten Bildpunkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum indirekten Messen der Blickrichtung durch Messen der Verschiebung der Kopfbewegung bzw. Position des Kopfes mit Hilfe einer optischen Einrichtung und einer elektrischen Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer in Bezug auf den Kopf (18) fixierten Beleuchtungseinrichtung (21) eine Lichtmarke über eine Optik (12, 22) in das Auge eingespiegelt wird, und die Kopfbewegung mit Hilfe einer Fernsehkamera aufgezeichnet wird, wobei ein am Kopf starr befestigter Reflektor (16) ein Lichtbündel (14) einer zweiten Beleuchtungseinrichtung in die Fernsehkamera reflektiert

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmarke eine in einstellbarer Entfernung zu einer sphärischen Glasfläche (12) zwischen Auge und dieser Glasfläche befindliche Leuchtquelle ist, wobei Glasfläche und Leuchtquelle mit dem Kopf fest verbunden sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Marke über eine Glasplatte in das Auge eingespiegelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Marke ein mit dem Kopf fest verbundenes leuchtendes oder nicht leuchtendes Objekt ist, das ohne optische Hilfsmittel im Sehraum beobachtet wird.

5. Verfahren zum indirekten Messen der Blickrichtung durch Messen der Verschiebung der Kopfbewegung bzw. Position des Kopfes mit Hilfe einer optischen Einrichtung und einer elektrischen Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfbewegung folgendermaßen gemessen wird:

a) die Drehung um die senkrechte Achse (2), die über eine Halterung (1) raumfest gelagert ist, über Winkelaufnehmer (4)

b) die Drehung um die horizontale Achse (9), die über einem Bügel (9) gelagert ist, über Winkelaufnehmer (8).