JP2007315775A - ヘッドモーショントラッカ装置及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流磁気方式のＨＭＴ、光学方式のＨＭＴにおいて測定不可のときに、移動体に設定された基準方向に対する頭部角度を算出することができるヘッドモーショントラッカ装置及びその使用方法を提供する。
【解決手段】 磁気方式又は光学方式モーショントラッカにより搭乗者の頭部角度を含む第一相対頭部情報を算出する主頭部情報算出部とを備えた移動体センサと、移動体センサに基づいて移動体の動きを表す絶対移動体情報を算出する絶対移動体情報算出部と、頭部センサと、頭部センサの出力信号に基づいて移動体と頭部との動きとを合成した絶対頭部情報を算出する絶対頭部情報算出部と、絶対移動体情報と絶対頭部情報とに基づいて第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部と、主頭部情報算出部による第一相対頭部情報の算出が不適当な領域において副頭部情報算出部により第二相対頭部情報を算出する切替部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体に設定された基準方向に対する搭乗者の頭部角度や頭部位置等を測定するためのヘッドモーショントラッカ装置及びその使用方法に関する。

例えば、救難飛行艇による救難活動において、発見した救難目標を見失うことがないようにするため、頭部装着型表示装置により表示される照準画像と救難目標とが対応した時にロックすることにより、ロックされた救難目標の位置を演算することが行われている。このとき、その救難目標の位置を演算するために、飛行体の緯度、経度、高度、姿勢に加えて、飛行体に設定された基準方向に対する搭乗員の頭部情報（頭部角度や頭部位置）を測定している。

このような従来のヘッドモーショントラッカ装置（以下、ＨＭＴともいう）として、例えば、交流磁気方式のＨＭＴが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。図８は、飛行体に搭載された交流磁気方式のＨＭＴの概略構成を示す図である。ＨＭＴ１００は、交流磁界を発生する磁気ソース１０２と、座席１０４に座ったパイロット１０３が頭部に装着する頭部装着型表示装置付ヘルメット１１０と、頭部装着型表示装置付ヘルメット１１０に固定された磁気センサ１０７と、磁気ソース１０２及び磁気センサ１０７の制御を行うとともに、磁気センサ１０７が検出した磁気データに基づいて磁気センサ１０７の位置や角度を算出する機能を有する制御部１２０とから構成される。
つまり、ＨＭＴ１００によれば、磁気ソース１０２が発生する交流磁界により、空間の各点には、それぞれの位置に固有の磁気変化（大きさ及び向きを有する磁気データ）が生じる。このとき、予め、飛行体に対する位置の基準となる座標と、飛行体に対する方向の基準となる基準方向とが定められている。例えば、磁気ソース１０２の位置を原点としてＸＹＺ座標を定め、さらに、Ｘ軸方向を基準方向（例えば、機種方向をＸ軸とする）として定めてあるものとする。

磁気センサ１０７で検出した磁気データと、空間の各点が有する磁気データと比較することにより、磁気センサ１０７の現在位置であるＸ、Ｙ、Ｚの位置情報、及び、磁気センサ１０７の基準方向に対する角度であるアジマス角（Ｘ軸に対する回転）、エレベーション角（Ｙ軸に対する回転）、ロール角（Ｚ軸に対する回転）の角度情報を求め、頭部装着型表示装置付ヘルメット１１０を装着したパイロット１０３の頭部の原点及び基準方向に対する頭部位置や頭部角度を算出している。

また、複数の反射板をヘルメットに取り付けて光源から光を照射したときの反射光をカメラ装置でモニタする光学方式のＨＭＴが開示されている（例えば、特許文献２参照）。また、本出願人が先に出願しているＨＭＴもある（特願２００５−１０６４１８号）。具体的には、頭部装着型表示装置付ヘルメット外周面上に、マーカーとして、ＬＥＤを互いに離隔するようにして３箇所に取り付け、これら３つのマーカーの位置関係を予め定めておく。そして、これら３つのマーカーを、ステレオ視が可能でかつ設置場所が固定された２台のカメラ装置で同時に撮影することで、所謂、三角測量の原理により、現在の３つのマーカーの位置関係を測定している。これにより、３つのマーカー位置関係について、マーカーの現在の位置関係と、予め定められたマーカーの位置関係とを対応付けることで、頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度を特定している。
特開２００２−８１９０４号公報 特表平９−５０６１９４号公報

しかしながら、交流磁気方式のＨＭＴ１００において、磁気ソース１０２や磁気センサ１０７の周辺に、金属等の導電性物質が存在する場合は、導電性物質内に発生する渦電流による影響で、交流磁界内に磁気歪が生じ、精度の高い位置、角度の特定を困難にしていた。

一方、光学方式のＨＭＴにおいては、カメラによりマーカーを観測し続ける必要があるが、頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度が大きく変化する場合は、マーカー位置とカメラ設置場所との関係で、マーカーがカメラ装置の視野から外れることがあり、ステレオ視による測定ができなくなることがあった。

そこで、本発明は、交流磁気方式のＨＭＴにおいて交流磁界内に磁気歪が生じたり、光学方式のＨＭＴにおいてステレオ視による測定ができなくなったりしたときにも、移動体に設定された基準方向に対する頭部角度を、正確に算出することができる補助機構を備えたヘッドモーショントラッカ装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、特に、精密な調整作業を行う必要のない補助機構を備えたヘッドモーショントラッカ装置及びその使用方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明のヘッドモーショントラッカ装置は、磁気方式モーショントラッカ、又は、光学方式モーショントラッカのうちのいずれかの計測方式により移動体に設定された基準軸に対する搭乗者の頭部の動きを検出するモーショントラッカと、モーショントラッカにより検出された頭部の動きに基づいて少なくとも搭乗者の頭部角度を含む第一相対頭部情報を算出する主頭部情報算出部とを備えたヘッドモーショントラッカ装置において、移動体に取り付けられ、少なくとも角速度を検出する移動体センサと、移動体センサの出力信号に基づいて移動体の動きを表す絶対移動体情報を算出する絶対移動体情報算出部と、搭乗者の頭部に装着され、少なくとも角速度を検出する頭部センサと、頭部センサの出力信号に基づいて移動体と頭部の動きを合成した絶対頭部情報を算出する絶対頭部情報算出部と、絶対移動体情報と絶対頭部情報とに基づいて少なくとも搭乗者の頭部角度を含む第一相対頭部情報に対応する第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部と、主頭部情報算出部による第一相対頭部情報の算出が不適当な領域において副頭部情報算出部により第二相対頭部情報を算出する切替部とを備えるようにしている。

ここで、磁気方式モーショントラッカとは、動きを検出しようとする物体（例えばヘルメット）に磁気センサを取り付け、その物体の移動範囲内の空間に対して磁気ソースにより磁界を発生させておき、物体に取り付けた磁気センサで当該空間の各地点ごとに定まる磁気を検出することにより、磁気センサの位置や向き（角度）を求めることで物体の動きを追跡する方式のモーショントラッカをいう。
また、光学方式モーショントラッカとは、動きを検出しようとする物体に、発光体（ランプ、ＬＥＤ等）、反射体、蛍光体等のマーカーとなるものを配置し、その物体の移動範囲の空間に、マーカーを光学的に検出しうるカメラ等の光学検出手段を配置して、マーカーの動きを逐次検出することにより物体の動きを追跡する方式のモーショントラッカをいう。

また、移動体センサ、および、頭部センサとは、センサ自体に３軸が定義されて、このセンサを測定対象物に取り付けることにより、この３軸を基準とする角速度や３軸方向の加速度を検出できるものをいう。具体的には、ジャイロセンサ、あるいは加速度センサが用いられ、物体（すなわち頭部センサを取り付けた頭部装着ヘルメット、移動体センサを取り付けた移動体）の絶対空間に対する動きの情報が検出される。なお、頭部センサは、移動体中では頭部の動きと移動体の動きとが合成された動きの情報が検出される。

また、「第一相対頭部情報の算出が不適当な領域」とは、求めようとする第一頭部情報について正確な頭部情報が得られない領域、あるいは求めようとする第一頭部情報の測定ができない領域をいう。具体的には、例えば、磁気方式モーショントラッカの場合は磁気歪により正確な磁気データの測定ができない領域（この領域は予め設定記憶される）、光学方式モーショントラッカの場合はマーカーがカメラ等の光学検出手段の視野外になって光学的測定ができない領域をいう。

本発明のヘッドモーショントラッカ装置によれば、主頭部情報算出部は、磁気方式モーショントラッカ、又は、光学方式モーショントラッカにより、移動体に設定された基準軸に対する搭乗者の頭部の動きが検出されると、検出された頭部の動きに基づいて少なくとも搭乗者の頭部角度を含む第一相対頭部情報を算出する。さらに、移動体に取り付けた移動体センサが角速度を検出し、検出結果に基づいて絶対移動体情報算出部が移動体の動きを表す絶対移動体情報を算出する。また、搭乗者の頭部に取り付けた頭部センサが角速度を検出し、検出結果に基づいて絶対頭部情報算出部が移動体の動きと搭乗者の頭部の動きとを合成した絶対頭部情報を算出する。
そして、副頭部情報算出部は、絶対移動体情報及び絶対頭部情報に基づいて、これらの差分から、少なくとも搭乗者の頭部角度を含んだ第一相対頭部情報に対応する第二相対頭部情報を算出する。そして、切替部は、磁気方式モーショントラッカにおいて交流磁界内に磁気歪が生じている領域（予め設定記憶された領域）になったり、光学方式モーショントラッカにおいてステレオ視による測定ができなくなったりして、主頭部情報算出部が第一相対頭部情報を算出できない領域になったときに、副頭部情報算出部が移動体に設定された基準方向に対する頭部角度を含む第二相対頭部情報を算出する。
このようにして、常時、移動体に設定された基準方向に対する頭部角度等の頭部情報を算出するようにする。

ここで、副頭部情報算出部は、頭部センサの出力から算出される絶対頭部情報と移動体センサの出力から算出される絶対移動体情報とに基づいて、第二相対頭部情報を算出するが、角速度を検出するセンサ（ジャイロセンサ等）の性質上、時間とともにドリフト現象による誤差を生じる可能性がある。しかしながら、ドリフトが生じない主頭部情報算出部により頭部角度を含む第一相対頭部情報を算出するとともに、主頭部情報算出部による第一相対頭部情報の算出が不適当なときに、一時的に補助として、副頭部情報算出部により頭部角度を含む第二相対頭部情報を算出する。この第二相対頭部情報は、直前の第一相対頭部情報に、その後、移動体センサおよび頭部センサで計測した変化分を加算したものであり、短時間の測定であればドリフトの影響はほとんどない。そして、再び主頭部情報算出部による第一相対頭部情報の算出が可能になると、第一相対頭部情報を参照するようにする。

本発明によれば、正確な第一相対頭部情報が得られないときに、一時的に第二相対頭部情報による正確な頭部情報を得ることができる。このとき、第二相対頭部情報を利用する期間は、第一相対頭部情報の算出ができなくなってから短時間だけにすることができるので、副頭部情報算出部は、発生するドリフト誤差を抑えることができ、その結果、移動体に設定された基準方向に対する頭部角度を、常に、精度良く算出することができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記発明において、副頭部情報算出部は、移動体が停止した状態で同時に求めた絶対頭部情報および第一相対頭部情報に基づいて頭部センサのセンサ軸方向を検出する頭部センサ軸検出部と、移動体が移動中に同時に求めた絶対頭部情報および第一相対頭部情報および絶対移動体情報に基づいて移動体センサのセンサ軸方向を算出する移動体センサ軸算出部とを備え、さらに、頭部センサのセンサ軸方向および移動体センサのセンサ軸方向を移動体に設定された基準軸方向に合わせるための軸合わせ用変換データを記憶する変換データ記憶部を備え、副頭部情報算出部は、軸合わせ用変換データに基づいて絶対頭部情報および絶対移動体情報を補正するようにしてもよい。

これによれば、頭部センサ軸検出部は、移動体が停止した状態で、頭部センサが絶対頭部情報を検出する。頭部センサは、本来は頭部の動きと移動体の動きとを合成した動きを検出するのであるが、移動体が停止している状態では、絶対頭部情報には、頭部の動きのみが含まれることになる。
また、頭部センサ（例えばジャイロセンサ）は、既述のように、センサ自体に３軸方向が定義されており、このセンサを測定対象物に取り付けることにより、この３軸を基準とする角速度が検出されるが、この３軸とモーショントラッカの基準軸方向とは、予め積極的に調整作業を行わっておかない限り軸方向が一致しておらず、軸ずれが生じている。
そのため、移動体が停止した状態での頭部センサによる測定（このとき頭部センサは頭部の動きのみを検出することになる）と同時並行して、磁気方式あるいは光学方式モーショントラッカにより頭部の動きを検出し、頭部角度を第一相対頭部情報として算出する。この第一相対頭部情報からは軸ずれを含まない正確な頭部情報が得られる。それゆえ、移動体が停止している状態で頭部センサにより測定した絶対頭部情報（軸ずれを含む）と、第一相対頭部情報とを比較することにより、その差分から頭部センサのセンサ軸のずれ量が算出できるので、このずれ量を求めることにより移動体に設定された基準軸方向に対する頭部センサのセンサ軸方向を検出する。

続いて、検出された頭部センサのセンサ軸方向とモーショントラッカの基準軸とのずれ量を考慮した上で、さらに移動体センサ軸検出部によって、移動体センサの軸ずれについて検出する。
すなわち、移動体センサ軸検出部は、移動体が移動中に、頭部センサと移動体センサとにより、絶対頭部情報および絶対移動体情報を同時に検出する。既述のように、移動体が移動中に、頭部センサで測定した絶対頭部情報には、頭部と飛行体の動きを合成した動きが検出され、その一方で、移動体センサで測定した絶対頭部情報には飛行体の動きが検出されていることになる。
これらの検出と並行して、磁気方式あるいは光学方式モーショントラッカにより頭部の動きを検出し、頭部角度を第一相対頭部情報として算出する。この第一相対頭部情報からは、移動体に設定された基準軸に対する正確な頭部情報（頭部角度）が得られる。
それゆえ、移動体が移動中の状態で、頭部センサにより測定した絶対頭部情報（頭部の動きと移動体の動きを含む）と、第一相対頭部情報（頭部の動きのみを含む）とを比較し、差分をとることにより、絶対頭部情報から頭部の動きを除いた移動体の動きのみの情報（基準移動体情報ともいう）が算出される。

一方、移動体センサで測定した絶対移動体情報からも、移動体の動きのみが検出されるが、こちらのセンサは、積極的に調整作業が行われていない限り、頭部センサの場合と同様に、移動体センサのセンサ軸と移動体に設定された基準軸との間の軸ずれ量が含まれている。
よって、先ほど求めた基準移動体情報と絶対移動体情報との差をとることにより、移動体に設定された基準軸方向に対する移動体センサのセンサ軸方向が算出される。

そして、副頭部情報算出部は、算出された頭部センサのセンサ軸方向および移動体センサのセンサ軸方向から、移動体に設定された基準軸方向に合わせるための軸合わせ用変換データを算出し、軸合わせ用変換データを変換データ記憶部に記憶する。また、副頭部情報算出部は、この軸合わせ用変換データに基づいて絶対頭部情報および絶対移動体情報を補正するようにする。
これにより、頭部センサを搭乗者の頭部に取り付けたり、移動体センサを移動体に取り付けたりする際に、精密な調整作業を行う必要性がなくなる。

また、最初の発明において、移動体センサと頭部センサとはさらに加速度を検出し、主頭部情報算出部は、搭乗者の頭部角度と頭部位置とを含んだ第一相対頭部情報を算出し、副頭部情報算出部は、搭乗者の頭部角度と頭部位置とを含んだ第二相対頭部情報を算出するようにしてもよい。
これによれば、頭部角度とともに頭部位置も算出することができる。

また、上記発明において、副頭部情報算出部は、移動体が停止した状態で同時に求めた絶対頭部情報および第一相対頭部情報に基づいて頭部センサのセンサ軸方向、センサ軸中心を検出する頭部センサ軸検出部と、移動体が移動中に同時に求めた絶対頭部情報および第一相対頭部情報および絶対移動体情報に基づいて移動体センサのセンサ軸方向、センサ軸中心を算出する移動体センサ軸算出部とを備え、さらに、頭部センサのセンサ軸方向、センサ軸中心、および、移動体センサのセンサ軸方向、センサ軸中心を移動体に設定された基準軸方向、基準軸中心に合わせるための軸合わせ用変換データを記憶する変換データ記憶部を備え、副頭部情報算出部は、軸合わせ用変換データに基づいて絶対頭部情報および絶対移動体情報を補正するようにしてもよい。
これによれば、頭部センサを搭乗者の頭部に取り付けたり、移動体センサを移動体に取り付けたりする際に、精密な調整作業を行う必要性がなくなる。

また、上記各発明において、磁気方式モーショントラッカは、移動体に取り付けられ、交流磁界を発生させる磁気ソースと、頭部に装着され、交流磁界を検出する磁気センサとを備えるようにしてもよい。
この発明によれば、移動体内の磁気ソースを取り付けた場所付近では、主頭部情報算出部により頭部角度や頭部位置を得ることができ、これから離れた場所では副頭部情報算出部により頭部角度や頭部位置の情報を得ることができる。

また、上記各発明において、光学方式モーショントラッカは、頭部に装着され、光線を出射する光学マーカーと、移動体に取り付けられ、光学マーカーからの光線を検出するカメラを備えるようにしてもよい。
この発明によれば、移動体内のカメラ設置場所付近では、主頭部情報算出部により頭部角度や頭部位置を得ることができ、カメラの死角となる場所では副頭部情報算出部により頭部角度や頭部位置の情報を得ることができる。

また、別の観点からなされた本発明のヘッドモーショントラッカ装置の使用方法は、磁気方式モーショントラッカ、又は、光学方式モーショントラッカのうちのいずれかの計測方式により移動体に設定された基準軸に対する搭乗者の頭部の動きを検出するモーショントラッカと、モーショントラッカにより検出された頭部の動きに基づいて少なくとも搭乗者の頭部角度を含む第一相対頭部情報を算出する主頭部情報算出部と、移動体に取り付けられ角速度を検出する移動体センサと、移動体センサの出力信号に基づいて移動体の動きを表す絶対移動体情報を算出する絶対移動体情報算出部と、搭乗者の頭部に装着され、角速度を検出する頭部センサと、頭部センサの出力信号に基づいて移動体と頭部の動きを合成した絶対頭部情報を算出する絶対頭部情報算出部と、絶対移動体情報と絶対頭部情報とに基づいて少なくとも搭乗者の頭部角度を含んだ第一相対頭部情報に対応する第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部とを備えたヘッドモーショントラッカ装置の使用方法であって、（ａ）移動体が停止した状態での頭部センサの出力により頭部の動きのみからなる絶対頭部情報を算出するとともに、モーショントラッカにより頭部の動きを検出して第一相対頭部情報を算出するようにし、さらに同時に求めた絶対頭部情報および第一相対頭部情報に基づいて頭部センサのセンサ軸方向を検出する頭部センサ軸検出工程と、（ｂ）移動体が移動中の頭部センサの出力により頭部の動きと移動体の動きとを合成した絶対頭部情報を算出するとともに、モーショントラッカにより頭部の動きを検出して第一相対頭部情報を算出し、移動体センサの出力により移動体の動きからなる絶対移動体情報を検出し、さらにこれら絶対頭部情報と第一相対頭部情報と絶対移動体情報とに基づいて移動体センサのセンサ軸を検出する移動体センサ軸検出工程とを備えるようにしている。
本発明によれば、複雑な軸合わせのための調整作業を行うことなく、頭部センサや移動体センサを移動体に取り付けただけで、使用することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置の概略構成を示す図である。本実施形態は、飛行体パイロットの頭部角度の算出を行うものである。
ヘッドモーショントラッカ装置１は、パイロット３の頭部に装着される頭部装着型表示装置付ヘルメット１０と、飛行体に取り付けられた磁気ソース２及び飛行体側３軸ジャイロセンサ４と、コンピュータにより構成される制御部２０とから構成される。

磁気ソース２は、交流磁界を発生させるものであり、磁気ソース２を駆動することにより、空間の各点には、それぞれの位置に固有の磁気変化（大きさ及び向きを有する磁気データ）が生じることになる。磁気ソース２の位置を原点としてＸＹＺ座標が定められ、さらに、Ｘ軸方向を基準方向として定められている。このＸＹＺ座標系は飛行体に設定され、飛行体とともに移動する座標系（飛行体座標系ともいう）となる。

飛行体側３軸ジャイロセンサ４は、飛行体の角速度を検知するものである。なお、飛行体側３軸ジャイロセンサ４自体には、ｘ_１ｙ_１ｚ_１座標が定められ、さらに、ｘ_１軸方向が基準方向として定められている。つまり、絶対移動体情報として、アジマス方向（ｘ_１軸に対する回転）、エレベーション方向（ｙ_１軸に対する回転）、ロール方向（ｚ_１軸に対する回転）における移動量である角速度（θ１、φ１、ψ１）が検知される。また、飛行体側３軸ジャイロセンサ４は、上記のＸＹＺ座標系（飛行体座標系）とは、必ずしも、正確に軸合わせされることなく取り付けられている。

頭部装着型表示装置付ヘルメット１０は、表示器（図示せず）と、表示器から出射される画像表示光を反射することにより、パイロット３の目に導くコンバイナ８と、磁気センサ７と、頭部側３軸ジャイロセンサ６とを有する。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０自体にも、座標系（ヘルメット座標系）および基準方向が定められているが、モーショントラッカの一部として使用するためには、パイロット３によって磁気ソース２の位置を原点としたＸＹＺ座標系（飛行体座標系）におけるＸＹＺ軸方向と合わせておく必要があり、軸合わせ後は、飛行体と同様、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の角度はＸＹＺ座標系で表される。この頭部装着型表示装置付ヘルメット１０自体の基準方向とＸＹＺ座標系との軸合わせの方法については、広く用いられている一般的な方法（例えばヘルメットを装着したパイロットに特定方向を向くように指示し、そのときの位置を記憶させることにより軸調整を行う）により行われる。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０を装着したパイロット３は、表示器による表示画像とコンバイナ８の前方実在物とを視認することが可能となっている。

磁気センサ７は、３軸のピックアップコイルを有しており、磁気センサ７が存在する位置固有の磁気の大きさと向きとを検出するものである。この検出された磁気データは第一相対頭部情報の算出に用いられることになる。

頭部側３軸ジャイロセンサ６は、頭部の角速度を検知するものである。なお、頭部側３軸ジャイロセンサ６自体に、ｘ_２ｙ_２ｚ_２座標が定められ、さらに、ｘ_２軸方向が基準方向として定められている。つまり、絶対頭部情報として、アジマス方向、エレベーション方向、ロール方向における移動量である角速度（θ２、φ２、ψ２）が検知される。このとき、パイロット３は飛行体に乗っており、飛行体自体も動いているので、角速度（θ２、φ２、ψ２）は、パイロット３の頭部の角速度だけでなく、飛行体の角速度も含んだものとなる。

また、頭部側３軸ジャイロセンサ６は、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に設定されたＸＹＺ軸や基準方向（Ｘ軸方向）とは、必ずしも正確に調整されることなく、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に取り付けられる。

制御部２０は、ＣＰＵ２１、メモリ４１等からなるコンピュータにより構成され、各種の制御や演算処理を行う。制御部２０のＣＰＵが実行する処理を、機能ブロックごとに分けて説明すると、モーショントラッカ駆動部２８、主頭部情報算出部２２、絶対移動体情報算出部２３、絶対頭部情報算出部２４、副頭部情報算出部２５、切替部２９とからなる。副頭部情報算出部２５は、さらに詳細に説明すると、頭部センサ軸算出部２６、移動体センサ軸算出部２７を有する。

また、メモリ４１は、制御部２０が処理を実行するために必要な種々のデータを蓄積する領域が形成してあり、そのひとつとして、後述する頭部センサ軸変換行列Ａ、移動体センサ軸変換行列Ｂを蓄積する変換データ記憶領域４２が含まれる。
また、磁気ソース２によって発生する磁界について、磁気歪が発生している領域と発生していない領域との境界情報を記憶する境界情報記憶領域４３が含まれる。この領域は、予め、磁気センサ７で各位置における磁気データを採取して磁気分布を作成することにより決定される。

モーショントラッカ駆動部２８は、磁気ソース２に交流磁界を発生させる指令信号を出力し、磁気センサ７に磁気データを検出させる制御を行う。
主頭部情報算出部２２は、磁気センサ７から出力される磁気データを、理論計算式（ビオサバールの法則等）に当てはめることにより、ＸＹＺ座標系（飛行体座標系）における位置情報（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）及び基準軸方向（ＸＹＺ座標軸）に対する角度であるアジマス角、エレベーション角、ロール角の角度情報（Θａ、Φａ、Ψａ）を算出する演算を行う。すなわち、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）と頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）とを含む第一相対頭部情報を算出する。なお、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）と頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）とを含む第一相対頭部情報は、メモリ４１に記憶されることになる。

絶対移動体情報算出部２３は、移動体センサ４から出力される角速度（θ１、φ１、ψ１）に基づいて、積分演算により絶対移動体情報である絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）を算出する。この絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）は、飛行体側３軸ジャイロセンサ４に設定されたｘ_１ｙ_１ｚ_１座標系の基準方向（ｘ_１軸方向）に対して算出される。

絶対頭部情報算出部２４は、頭部側３軸ジャイロセンサ６から出力される角速度（θ２、φ２、ψ２）に基づいて、積分演算により絶対頭部情報である絶対頭部角度（θｔ、φｔ、ψｔ）を算出する。
この絶対頭部角度（θｔ、φｔ、ψｔ）は、頭部側３軸ジャイロセンサ６に設定されたｘ_２ｙ_２ｚ_２座標系の基準方向（ｘ_２軸方向）に対して算出される。

副頭部情報算出部２５は、予め、飛行体側３軸ジャイロセンサ４に設定されたｘ_１ｙ_１ｚ_１座標系、頭部側３軸ジャイロセンサ６に設定されたｘ_２ｙ_２ｚ_２座標系を、ＸＹＺ座標系（飛行体座標系）に一致させる軸合わせを行っている場合とそうでない場合とで処理する内容が異なる。
既に、座標系どうしの正確な軸合わせが行われている場合には、絶対頭部角度（θｔ、φｔ、ψｔ）と絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）との差分を算出することにより、直ちに搭乗者の頭部角度が求められるので、これを第二相対頭部情報として算出する。

しかしながら、一般に、ｘ_１ｙ_１ｚ_１座標系、ｘ_２ｙ_２ｚ_２座標系を、ＸＹＺ座標系（飛行体座標系）に一致させる軸合わせ作業は手間がかかる。そのため、軸合わせ作業を行う代わりに、副頭部情報算出部２５が、ｘ_１ｙ_１ｚ_１座標系、ｘ_２ｙ_２ｚ_２座標系からＸＹＺ座標系（飛行体座標系）に座標変換を行う軸合わせ用変換データ（変換行列）を求めておくことにより、演算処理により、軸方向を一致させるようにすることができる。こちらの演算方法については、後述する。

切替部２９は、境界情報記憶領域４３を参照して、主頭部情報算出部２２による算出を行うか、副頭部情報算出部２５による算出を行うかの切り替えを行う制御を行う。具体的には、磁気センサ７が磁気歪のない領域内にあるか否かを判定して、磁気センサ７が磁気歪のない領域内にあると判定したときには、第一相対頭部情報を出力し、一方、磁気歪がある領域内にあると判定したときには、第二相対頭部情報を出力するように切り替える制御を行う。

（副頭部情報算出部による軸合わせ用変換データ（変換行列）の算出）
次に、軸合わせ用変換データ（変換行列）を求め、演算により軸方向を一致させる場合の副頭部情報算出部２５の演算について説明する。この場合に、副頭部情報算出部２５の頭部センサ軸算出部２６、移動体センサ軸算出部２７が、以下に説明する演算処理を行う。
図２は、ヘッドモーショントラッカ装置が軸合わせ用の変換データを採取する際に実行される演算処理の流れを説明する図である。

まず、頭部センサ軸算出部２６は、ＸＹＺ座標系（飛行体座標系）の軸方向に対する頭部側３軸ジャイロセンサ６のセンサ軸方向を算出するための演算を行う。
すなわち、頭部センサ軸算出部２６は、飛行体が停止し、頭部の動きのみが検出される状態のときに、頭部側３軸ジャイロセンサ６が検出した角速度データ（θ２、φ２、ψ２）を用いて算出した絶対頭部角度（θｔ、φｔ、ψｔ）、および、これと並行して主頭部情報算出部２２により算出された頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）との差に基づいて、頭部側３軸ジャイロセンサ６のｘ_２軸方向とＸ軸方向との間の軸差である頭部角度差（Δθｔ、Δφｔ、Δψｔ）を算出する。
角度差を求める演算を便宜上、「〜」と表現すると、頭部角度差（Δθｔ、Δφｔ、Δψｔ）は、（１）式で表すことができる。

（Δθｔ、Δφｔ、Δψｔ）＝（θｔ、φｔ、ψｔ）〜（Θａ、Φａ、Ψａ）・・・(1)

さらに、頭部センサ軸算出部２６は、頭部角度差（Δθｔ、Δφｔ、Δψｔ）から、頭部側３軸ジャイロセンサ６のセンサ軸方向をＸ軸方向に一致させるための頭部センサ軸変換行列Ａを求め、これをメモリ４１の変換データ記憶領域４２に記憶させる処理を行う。頭部センサ軸変換行列Ａは、（２）式の関係を満たしており、絶対頭部情報算出部２４によるそれ以後の演算に用いられる。

（Θａ、Φａ、Ψａ）＝Ａ・（θｔ、φｔ、ψｔ）・・・(2)

続いて、移動体センサ軸算出部２７が、ＸＹＺ座標系およびＸ軸方向に対する飛行体側３軸ジャイロセンサ４のセンサ軸方向を算出するための演算を行う。
この演算には、（１）頭部センサ軸変換行列Ａを用いてＸＹＺ座標系に軸合わせされた飛行中の絶対頭部角度（θｔ、φｔ、ψｔ）’（変換行列により座標変換されたことを示すために便宜上「’」を付している）と、（２）主頭部情報算出部２２で算出された飛行中の頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）（第一相対頭部情報）と、（３）絶対移動体情報算出部２３により算出された飛行中の絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）とが用いられる。

すなわち、頭部センサ軸算出部２６が、まず、飛行中の計測データを用いて算出した絶対頭部角度（θｔ、φｔ、ψｔ）’ （飛行体と頭部との合成角度）、および、主頭部情報算出部２２が算出した頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）（頭部角度のみ）との差分を算出することにより、飛行体の角度を算出する。この飛行体角度を基準飛行体角度（θｓ、φｓ、ψｓ）とする。
角度差を求める演算を便宜上、「〜」と記載すると、基準飛行体角度（θｓ、φｓ、ψｓ）は（３）式で表すことができる。

（θｓ、φｓ、ψｓ）＝（θｔ、φｔ、ψｔ）’〜（Θａ、Φａ、Ψａ）・・・(3)

続いて、移動体センサ軸算出部２７が、基準飛行体角度（θｓ、φｓ、ψｓ）と絶対移動体情報算出部２３により算出された飛行中の絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）との差である飛行体角度差（Δθｈ、Δφｈ、Δψｈ）を算出する。
具体的には、下述する計算式（４）により、絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）から、頭部側３軸ジャイロセンサ６及び主頭部情報算出部２２により算出された基準飛行体角度（θｓ、φｓ、ψｓ）の差分を算出することによって、飛行体角度差（Δθｈ、Δφｈ、Δψｈ）を算出する。

（Δθｈ、Δφｈ、Δψｈ）＝（θｈ、φｈ、ψｈ）〜（θｓ、φｓ、ψｓ）・・・(4)

つまり、基準飛行体角度（θｓ、φｓ、ψｓ）と絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）とは、いずれも飛行体角度を示すものであるが、基準飛行体角度（θｓ、φｓ、ψｓ）はＸＹＺ座標系に対する角度であり、絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）は飛行体側３軸ジャイロセンサ４に設定されたｘ_１ｙ_１ｚ_１座標系に対する角度である。したがって、これらの差である飛行体角度差（Δθｈ、Δφｈ、Δψｈ）は、ＸＹＺ座標系とｘ_１ｙ_１ｚ_１座標系との軸差（軸ずれ量）に相当する。

さらに、移動体センサ軸算出部２７は、算出されたセンサ軸方向をＸ軸方向に一致させるための移動体センサ軸変換行列Ｂを求め、これをメモリ４１の変換データ記憶領域４２に記憶させる処理を行う。
この移動体センサ軸変換行列Ｂは、（５）式の関係を満たしており、絶対頭部情報算出部２３によるそれ以後の演算に用いられる。

（θｓ、φｓ、ψｓ）＝Ｂ・（θｈ、φｈ、ψｈ）・・・(5)

頭部センサ軸算出部２６、移動体センサ軸算出部２７によるこれらの演算処理により、たとえ、頭部側３軸ジャイロセンサ６や飛行体側３軸ジャイロセンサ４とＸＹＺ座標系（飛行体座標系）との間で正確な軸合わせが行われていない場合でも、副頭部情報算出部２５が変換行列Ａ、Ｂを求めることにより、絶対移動体情報算出部２３と絶対頭部情報算出部２４とが、それ以降、これら変換行列を用いてＸＹＺ座標系に合わせた絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）’、絶対頭部角度（θｔ、φｔ、ψｔ）’を算出することができるようにする。

（副頭部情報算出部による頭部角度の算出）
次に、変換行列Ａ、Ｂが得られた以後の副頭部情報算出部２５による頭部角度の演算について説明する。
副頭部情報算出部２５は、飛行体側３軸ジャイロセンサ４で検知された角速度（θ１、φ１、ψ１）と、頭部側３軸ジャイロセンサ６で検知された角速度（θ２、φ２、ψ２）と、変換行列Ａ、Ｂとに基づいて、基準軸方向であるＸＹＺ軸に対する角度であるアジマス角、エレベーション角、ロール角の角度情報（Θｂ、Φｂ、Ψｂ）を算出する制御を行う。

図３は、飛行体に設定されたＸＹＺ軸（Ｘ軸が基準方向）に対する頭部角度を算出する方法を説明する図である。副頭部情報算出部２５は、頭部側３軸ジャイロセンサ６で検出した角速度（θ２、φ２、ψ２）を積分することにより、絶対頭部角度（θｔ、φｔ、ψｔ）を算出する。また、飛行体側３軸ジャイロセンサ４で検出した角速度（θ１、φ１、ψ１）を積分することにより、絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）を算出する。

続いて、変換行列Ａを用いて、下述する計算式（６）により絶対頭部角度（θｔ、φｔ、ψｔ）を補正し、ＸＹＺ軸での絶対頭部角度（θｔ、φｔ、ψｔ）’を算出する。

（θｔ、φｔ、ψｔ）’＝Ａ・（θｔ、φｔ、ψｔ）・・・(6)

これは、次式と等価である。
（θｔ、φｔ、ψｔ）’＝（θｔ、φｔ、ψｔ）〜（Δθｔ、Δφｔ、Δψｔ）

同様に、変換行列Ｂを用いて、下述する計算式（７）により絶対飛行体角度（θｈ、φｈ、ψｈ）を補正し、ＸＹＺ軸での絶対頭部角度（θｈ、φｈ、ψｈ）’を算出する。

（θｈ、φｈ、ψｈ）’＝Ｂ・（θｈ、φｈ、ψｈ）・・・(7)

これは、次式と等価である。
（θｈ、φｈ、ψｈ）’＝（θｈ、φｈ、ψｈ）〜（Δθｈ、Δφｈ、Δψｈ）

続いて、下述する計算式（８）により、ＸＹＺ座標系で角度差（θｂ、φｂ、ψｂ）を算出する。つまり、絶対頭部角度と絶対飛行体角度との差を算出することによって、飛行体の角度が消去され、ＸＹＺ座標系（飛行体座標系）に対する頭部の角度が得られる。

（θｂ、φｂ、ψｂ）＝（θｔ、φｔ、ψｔ）’〜（θｈ、φｈ、ψｈ）’・・・(8)

続いて、下述する計算式（９）により、初期値を加えて、ＸＹＺ座標系におけるパイロット３の頭部角度（Θｂ、Φｂ、Ψｂ）を算出する。すなわち、角速度の積分によって求めた頭部角度は、初期値を基準としてその値から変化した頭部角度分が算出されるので、初期値（Θ０、Φ０、Ψ０）を加算する。この初期値には、切替部２９により主頭部情報算出部２２から副頭部情報算出部２５に演算が切り替えられた直前の主頭部情報算出部２２の出力値が用いられる。

（Θｂ、Φｂ、Ψｂ）＝（θｂ、φｂ、ψｂ）＋（Θ０、Φ０、Ψ０）・・・(9)

ここで、飛行体側３軸ジャイロセンサ４及び頭部側３軸ジャイロセンサ６には、ドリフトが生じるため、時間の経過にともなって、算出されたパイロット３の頭部角度と実際のパイロット３の頭部角度とに、ずれが生じてしまう。このような問題を防ぐために、主として主頭部情報算出部２２により飛行体に設定された基準方向に対する頭部角度を含む第一相対頭部情報を出力するとともに、補助として副頭部情報算出部７５により飛行体に設定された基準方向に対する頭部角度を含む第二相対頭部情報を出力するようにしている。この切り替えは、切替部２９によりなされる。

（ヘッドモーショントラッカ装置の動作）
次に、ヘッドモーショントラッカ装置１により頭部角度を測定する測定動作について説明する。図４は、ヘッドモーショントラッカ装置１による測定動作について説明するためのフローチャートである。予め飛行体が停止した状態のときに計測を行っておき、変換行列Ａを求めてあるものとする。

まず、ステップＳ１０１の処理において、飛行体が移動しているか否かを判定する。飛行体が移動していないと判定したときには、本フローチャートを終了させる。

一方、飛行体が移動していると判定したときには、ステップＳ１０２の処理において、主頭部情報算出部２２は、磁気センサ７から出力された磁気データにより、飛行体に設定された基準軸方向（ＸＹＺ軸方向）に対する頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）を算出する。すなわち、飛行体に設定された基準軸方向に対する頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）を含む第一相対頭部情報を算出する。

次に、ステップＳ１０３の処理において、頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）を含む第一相対頭部情報を出力する。つまり、飛行体に設定された基準方向に対する頭部角度が測定される。
次に、ステップＳ１０４の処理において、頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）を含む第一相対頭部情報をメモリ４１に記憶する。このとき、メモリ４１に記憶される頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）は、ステップＳ１０４の処理が実行される毎に、更新されることになる。

次に、ステップＳ１０５の処理において、切替部２７は、境界条件記憶領域４３の境界情報を参照し、磁気センサ７が磁気歪のない領域にあるか否かを判定する。磁気センサ７が磁気歪の生じていない領域（測定可能領域）に存在すると判定されたときには、ステップＳ１０１の処理に戻る。つまり、磁気センサ７が第一相対頭部情報の測定可能領域から外れているか、又は、飛行体が移動していないと判定するときまで、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４の処理は繰り返される。

一方、磁気センサ７が磁気歪の発生している領域（測定不可領域）に存在すると判定されたときには、ステップＳ１０６（Θａ、Φａ、Ψａ）の処理において、頭部側３軸ジャイロセンサ６が、頭部の角速度（θ２、φ２、ψ２）を出力する。
また、ステップＳ１０７の処理において、飛行体側３軸ジャイロセンサ４は、飛行体の角速度（θ１、φ１、ψ１）を出力する。
なお、ステップＳ１０６及びＳ１０７の処理は、同時に実行される。

次に、ステップＳ１０８の処理において、副頭部情報算出部２５は、角速度（θ１、φ１、ψ１）と、角速度（θ２、φ２、ψ２）と、記憶されている頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）（初期値（Θ０、Φ０、Ψ０）として使用する）と、記憶されている変換行列Ａ、Ｂとに基づいて、頭部角度（Θｂ、Φｂ、Ψｂ）を算出することにより、頭部角度（Θｂ、Φｂ、Ψｂ）を含む第二相対頭部情報を出力する。つまり、飛行体に設定された基準軸方向（ＸＹＺ軸方向）に対する頭部角度が測定される。

次に、ステップＳ１０９の処理において、切替部２７は、磁気センサ７が測定可能領域にあるか否かを判定する。磁気歪が発生している領域（測定不可領域）と判定されたときには、ステップＳ１０６及びＳ１０９の処理に戻る。つまり、磁気センサ７が測定可能領域に入ったと判定されるときまで、ステップＳ１０６〜ステップＳ１０８の処理は繰り返される。

一方、磁気センサ７が、再び磁気歪のない領域（測定可能領域）に戻ったと判定されたときには、ステップＳ１０１の処理に戻る。

以上のように、実施形態１のヘッドモーショントラッカ装置１によれば、磁気歪が生じて主頭部情報算出部２２による測定が困難な領域にいるときに、副頭部情報算出部２５により飛行体に設定された基準軸方向（ＸＹＺ軸）に対する頭部角度を含む第二相対頭部情報を算出することができるので、常に頭部角度を算出することができる。
また、副頭部情報算出部２５は、頭部側３軸ジャイロセンサ６で検知される絶対頭部情報と飛行体側３軸ジャイロセンサ４で検知される絶対移動体情報とに基づいて、第二相対頭部情報を算出するため、時間とともにドリフト誤差を生じる可能性があるが、主として主頭部情報算出部２２により頭部角度を含む第一相対頭部情報を算出するとともに、補助として副頭部情報算出部２５により頭部角度を含む第二相対頭部情報を一時的に算出するので、飛行体に設定された基準方向に対する頭部角度を精度良く算出することができる。
しかも、飛行体側３軸ジャイロセンサ４や頭部側３軸ジャイロセンサを、軸合わせを行うことなく頭部（ヘルメット等）に取り付けても、正確な頭部角度を算出することができる。

（実施形態２）
図５は、本発明の他の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置の概略構成を示す図である。本実施形態は、頭部角度に加えて、頭部位置についても算出する。また、光学方式モーショントラッカを使用する。なお、頭部角度の算出については、実施形態１と同じ演算処理が行われるので、ここでは頭部角度の算出については説明を省略し、頭部位置の算出について説明する。

ヘッドモーショントラッカ装置５１は、パイロット５３の頭部に装着される頭部装着型表示装置付ヘルメット６０と、飛行体に取り付けられた一対のカメラ装置５２ａ、５２ｂ、飛行体側３軸ジャイロセンサ５４及び飛行体側加速度センサ５５と、コンピュータにより構成される制御部７０とから構成される。

カメラ装置５２ａ、５２ｂは、撮影方向が頭部装着型表示装置付ヘルメット６０に向けられているとともに、ヘルメットの立体視が可能な距離を隔てて設置されている。そして、後述するＬＥＤ群５７から発光される赤外光の位置を立体視により検出することにより、各ＬＥＤの位置を求め、ヘルメットの動きを検出する。

飛行体側３軸ジャイロセンサ５４は、上述した飛行体側３軸ジャイロセンサ４（図１）と同様のものであるので、説明を省略する。
飛行体側加速度センサ５５は、飛行体の加速度を検知するものである。なお、飛行体側加速度センサ５５自体に、ｘ_３ｙ_３ｚ_３座標が定められ、さらに、ｘ_３軸方向が基準方向として定められている。つまり、ｘ_３軸、ｙ_３軸、ｚ_３軸方向に対する加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）が検出される。また、飛行体側加速度センサ５５は、飛行体に設定されるＸＹＺ座標系、後述する頭部側加速度センサ５９に設定された座標系（ｘ_４ｙ_４ｚ_４座標系）と座標軸の位置や方向を合わせることもなく、飛行体に取り付けられている。

頭部装着型表示装置付ヘルメット６０は、表示器（図示せず）と、表示器から出射される画像表示光を反射することにより、パイロット５３の目に導くコンバイナ５８と、ＬＥＤ群５７と、頭部側３軸ジャイロセンサ５６と、頭部側加速度センサ５９とを有する。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット６０を装着したパイロット５３は、表示器による表示画像とコンバイナ５８の前方実在物とを視認することが可能となっている。

ＬＥＤ群５７は、互いに異なる波長の赤外光を発光する３個（あるいはそれ以上の数）のＬＥＤが互いに離隔するようにして取り付けられたものである。このＬＥＤ群５７によって、ＸＹＺ座標が定義付けられ、さらに、Ｘ軸方向が基準方向として定められる。つまり、頭部装着型表示装置付ヘルメット６０自体に取り付けた３個のＬＥＤの座標を求めることにより、ヘルメットの位置や角度を求めることができるようにしている。

頭部側３軸ジャイロセンサ５６は、上述した頭部側３軸ジャイロセンサ６と同様のものである。なお、頭部側３軸ジャイロセンサ５６の基準方向（ｘ_２軸方向）は、実施形態1で説明した方法で、ＬＥＤ群５７で設定されたＸ軸方向と軸合わせされているものとする。

頭部側加速度センサ５９は、頭部の加速度を検出するものである。なお、頭部側加速度センサ５９自体に、ｘ_４ｙ_４ｚ_４座標が定められ、さらに、ｘ_４軸方向が基準方向として定められている。つまり、ｘ_４軸、ｙ_４軸、ｚ_４軸方向における加速度（ｘ２，ｙ２，ｚ２）が検出される。パイロット５３は飛行体に乗っており、飛行体も動いているので、加速度（ｘ２，ｙ２，ｚ２）は、パイロット５３の頭部の加速度だけでなく、飛行体の加速度も含んだものとなる。また、頭部加速度センサ５９は、ＸＹＺ座標系、後述する飛行体側加速度センサ５５に設定された座標系（ｘ_３ｙ_３ｚ_３座標系）と座標軸の位置や方向を合わせることもなく、飛行体に取り付けられている。

制御部７０は、ＣＰＵ７１、メモリ９１等からなるコンピュータにより構成され、各種の制御や演算処理を行う。制御部７０のＣＰＵが実行する処理を、機能ブロックごとに分けて説明すると、切替部７７、モーショントラッカ駆動部７８、主頭部情報算出部７２、絶対移動体情報算出部７３、絶対頭部情報算出部７４、副頭部情報算出部７５、頭部センサ軸算出部７６、移動体センサ軸算出部７７を有する。
また、メモリ９１は、制御部７０が処理を実行するために必要な種々のデータを蓄積する領域が形成してあり、そのひとつとして、後述する頭部センサ軸変換行列Ｃ、移動体センサ軸変換行列Ｄを蓄積する変換データ記憶領域９２を有する。

制御部７０のうち、主頭部情報算出部７２、絶対移動体情報算出部７３、絶対頭部情報算出部７４、副頭部情報算出部７５、頭部センサ軸算出部７６、移動体センサ軸算出部７７は、それぞれ実施形態１における頭部角度を算出するための主頭部情報算出部２２、絶対移動体情報算出部２３、絶対頭部情報算出部２４、副頭部情報算出部２５、頭部センサ軸算出部２６、移動体センサ軸算出部２７と同様の機能を実現し、さらに頭部位置を算出するための追加の機能を実現するものである。そのため、頭部角度の算出に関する説明は、実施形態１と同じであるので、説明を省略することとし、以下では頭部位置の算出に関する説明を行う。

モーショントラッカ駆動部７８は、ＬＥＤ群５７を点灯する指令信号を出力し、カメラ装置５２ａ、５２ｂによりＬＥＤ群５７の位置データを検出させる制御を行う。

主頭部情報算出部７２は、カメラ装置５２ａ、５２ｂで撮影した画像データから、ＸＹＺ座標系（飛行体座標系）における位置情報（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）及び基準軸方向（ＸＹＺ座標軸）に対する角度であるアジマス角、エレベーション角、ロール角の角度情報（Θａ、Φａ、Ψａ）を算出する演算を行う。すなわち、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）と頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）とを含む第一相対頭部情報を算出する。なお、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）と頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）とを含む第一相対頭部情報は、メモリ９１に記憶されることになる。

絶対移動体情報算出部７３は、飛行体側加速度センサ５４から出力される加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）に基づいて、積分演算により絶対移動体情報である絶対飛行体位置（ｘｈ、ｙｈ、ｚｈ）を算出する。この絶対飛行体位置（θｈ、φｈ、ψｈ）は、飛行体側加速度センサ５４に設定されたｘ_３ｙ_３ｚ_３座標系に対して算出される。

絶対頭部情報算出部７４は、頭部側加速度センサ５６から出力される加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）に基づいて、積分演算により絶対頭部情報である絶対頭部位置（ｘｔ、ｙｔ、ｚｔ）を算出する。
この絶対頭部位置（ｘｔ、ｙｔ、ｚｔ）は、頭部側加速度センサ５６に設定されたｘ_４ｙ_４ｚ_４座標系に対して算出される。

副頭部情報算出部７５は、予め、飛行体側加速度センサ５４に設定されたｘ_３ｙ_３ｚ_３座標系、頭部側加速度センサ５６に設定されたｘ_４ｙ_４ｚ_４座標系を、ＸＹＺ座標系（飛行体座標系）に位置や方向を一致させる軸合わせを行っている場合とそうでない場合とで処理する内容が異なる。
既に、ｘ_３ｙ_３ｚ_３座標系、ｘ_４ｙ_４ｚ_４座標系のセンサ軸中心、センサ軸方向を、ＸＹＺ座標系の対応位置や軸方向に対して軸合わせしている場合には、絶対頭部位置（ｘｔ、ｙｔ、ｚｔ）と絶対飛行体角度（ｘｈ、ｙｈ、ｚｈ）との差を算出することにより、直ちに搭乗者の頭部位置が求められるので、これを第二相対頭部情報として算出する。

しかしながら、一般に、ｘ_３ｙ_３ｚ_３座標系、ｘ_４ｙ_４ｚ_４座標系のセンサ軸中心、センサ軸方向を、ＸＹＺ座標系（飛行体座標系）上の対応位置や軸方向に合わせる軸合わせ作業は、手間がかかる。そのため、座標系の軸合わせ作業を行う代わりに、副頭部情報算出部７５が、座標変換を行う軸合わせ用変換データ（変換行列）を求めておくことにより、演算処理により、センサ軸中心やセンサ軸方向を合わせるようにすることができる。こちらの演算方法については、後述する。

切替部７９は、主頭部情報算出部２２による算出を行うか、副頭部情報算出部２５による算出を行うかの切替を行う制御を行う。具体的には、カメラ装置５２ａ、５２ｂによりＬＥＤ群の検出ができるかを判定して、検出できるときには、第一相対頭部情報を出力し、検出できないときには、第二相対頭部情報を出力するように切り替える制御を行う。

（副頭部情報算出部７５による変換行列の算出）
次に、軸合わせ用変換データ（変換行列）を求め、演算により座標系を合わせる場合の副頭部情報算出部７５の演算について説明する。この場合に、副頭部情報算出部７５の頭部センサ軸算出部７６、移動体センサ軸算出部７７が、以下に説明する演算処理を行う。ここでは頭部角度の変換行列の算出については説明を省略し、頭部位置の変換行列の算出について説明する。
図６は、ヘッドモーショントラッカ装置５１が軸合わせ用の変換データを採取する際に実行される演算処理の流れを説明する図である。

まず、頭部センサ軸算出部７６は、ＸＹＺ座標系（飛行体座標系）に対する頭部側加速度センサ５６のセンサ軸中心を算出するための演算を行う。
すなわち、頭部センサ軸算出部７６は、飛行体が停止し、頭部の動きのみが検出される状態のときに、頭部側加速度センサ５６が検出した加速度データ（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を用いて算出した絶対頭部位置（ｘｔ,ｙｔ,ｚｔ）、および、これと並行して主頭部情報算出部７２により算出された頭部位置（Ｘａ,Ｙａ,Ｚａ）との差分に基づいて、頭部側加速度センサ５６のｘ_４ｙ_４ｚ_４座標軸中心とＸＹＺ座標軸中心との差である頭部側座標位置差（Δｘｔ，Δｙｔ，Δｚｔ）を算出する。
位置差を求める演算を便宜上、「〜」で表現すると、頭部側座標位置差（Δｘｔ，Δｙｔ，Δｚｔ）は、（１０）式で表すことができる。

（Δｘｔ，Δｙｔ，Δｚｔ）＝（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）〜（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）・・・(10)

さらに、頭部センサ軸算出部７６は、頭部側座標位置差（Δｘｔ，Δｙｔ，Δｚｔ）から、頭部側加速度センサ５６のセンサ軸をＸ軸に一致させるための頭部センサ軸変換行列Ｃを求め、これをメモリ９１の変換データ記憶領域９２に記憶させる処理を行う。頭部センサ軸変換行列Ｃは、（１１）式の関係を満たしており、絶対頭部情報算出部７４によるそれ以後の演算に用いられる。

（Ｘａ,Ｙａ,Ｚａ）＝Ｃ・（ｘｔ,ｙｔ,ｚｔ）・・・(11)

続いて、移動体センサ軸算出部７７が、ＸＹＺ座標系に対する飛行体側加速度センサ５４のセンサ軸中心を算出するための演算を行う。
この演算には、（１）頭部センサ軸変換行列Ｃを用いてＸＹＺ座標系に座標軸を一致させた飛行中の絶対頭部位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）’（変換行列により座標変換されたことを示すために便宜上「’」を付している）と、（２）主頭部情報算出部７２で算出された飛行中の頭部位置（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）（第一相対頭部情報）と、（３）絶対移動体情報算出部７３により算出された飛行中の絶対飛行体位置（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）とが用いられる。

すなわち、頭部センサ軸算出部７６が、まず、飛行中の計測データを用いて算出した絶対頭部位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）’ （飛行体位置と頭部位置との合成位置）、および、主頭部情報算出部７２が算出した頭部位置（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）（頭部位置）との差を算出する。
具体的には、下述する計算式（１２）により、絶対頭部位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）’から、飛行体に設定された基準座標軸（ＸＹＺ軸）に対する頭部位置（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）の差を算出することにより、飛行体の位置を示す基準飛行体位置（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）を算出する。

（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）＝（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）’〜（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）・・・(12)

この基準飛行体位置（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）は、ＸＹＺ座標系で表される絶対頭部位置（飛行体位置と頭部位置との合成位置）から、ＸＹＺ座標系での頭部位置のみを除いた飛行体位置である。

続いて、移動体センサ軸算出部７７が基準飛行体位置（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）と絶対移動体情報算出部７３により算出された飛行中の絶対飛行体位置（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）との差である飛行体側座標位置差（Δｘｈ，Δｙｈ，Δｚｈ）を算出する。
具体的には、下述する計算式（１３）により、絶対飛行体位置（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）から、頭部側加速度センサ５６及び主頭部情報算出部７２により算出された基準飛行体位置（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）の差分を算出することによって、飛行体側座標位置差（Δｘｈ，Δｙｈ，Δｚｈ）を算出する。

（Δｘｈ，Δｙｈ，Δｚｈ）＝（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）〜（ｘｓ，ｙｓ，ψｓ）・・・(13)

つまり、基準飛行体位置（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）と絶対飛行体位置（ｘｈ,ｙｈ，ｚｈ）とは、いずれも飛行体位置を示すものであるが、基準飛行体位置（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）はＸＹＺ座標系に対する位置であり、絶対飛行体位置（ｘｈ、ｙｈ、ｚｈ）は飛行体側加速度センサ５４に設定されたｘ_３ｙ_３ｚ_３座標系に対する位置である。したがって、これらの差である飛行体側座標位置差（Δｘｈ，Δｙｈ，Δｚｈ）は、ＸＹＺ座標系とｘ_３ｙ_３ｚ_３座標系とのセンサ軸中心位置差に相当する。

さらに、移動体センサ軸算出部７７は、飛行体側差表位置差（Δｘｈ，Δｙｈ，Δｚｈ）から、移動体側加速度センサ５４のセンサ軸中心を、ＸＹＺ座標軸中心に一致させるための飛行体側センサ軸変換行列Ｄを求め、これをメモリ９１の変換データ記憶領域９２に記憶させる処理を行う。

この移動体センサ軸変換行列Ｄは、（１４）式の関係を満たしており、絶対頭部情報算出部２３によるそれ以後の演算に用いられる。

（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）＝Ｄ・（ｘｈ、ｙｈ、ｚｈ）・・・(14)

このようにして、副頭部情報算出部７５の頭部センサ軸算出部７６、移動体センサ軸算出部７７による演算処理により、たとえ、頭部側加速度センサ５６や飛行体側加速度センサ５４とＸＹＺ座標系（飛行体座標系）との間で正確なセンサ軸の位置合わせが行われていない場合でも、変換行列Ｃ、Ｄを求めることにより、絶対移動体情報算出部７３と絶対頭部情報算出部７４とが、これら変換行列を用いてＸＹＺ座標系に合わせた絶対飛行体位置（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）’、絶対頭部位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）’を算出することができるようにする。

（副頭部情報算出部７５による頭部位置の算出）
次に、変換行列Ｃ、Ｄが得られた以後の副頭部情報算出部７５による頭部角度の演算について説明する。
副頭部情報算出部７５は、飛行体側加速度センサ５４から検出された加速度（ｘ１，ｙ１，ｚ１）と、頭部側加速度センサ５６から検出された加速度（ｘ２，ｙ２，ｚ２）と、変換行列Ｃ、Ｄとに基づいて、基準軸であるＸＹＺ軸に対する位置情報（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）を算出する制御を行う。

図７は、飛行体に設定されたＸＹＺ軸（基準軸）に対する頭部位置を算出する方法を説明する図である。副頭部情報算出部７５は、頭部側加速度センサ５６で検出した加速度（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を積分することにより、絶対頭部位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）を算出するとともに、飛行体側加速度センサ５４で検出した加速度（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を積分することにより、絶対飛行体位置（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を算出する。

続いて、変換行列Ｃを用いて、下述する計算式（１５）により絶対頭部位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）を補正し、ＸＹＺ軸での絶対頭部位置（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）’を算出する。

（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）’＝Ｃ・（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）・・・(15)

これは、次式と等価である。
（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）’＝（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）〜（Δｘｔ，Δｙｔ，Δｚｔ）

同様に、変換行列Ｄを用いて、下述する計算式（１６）により絶対飛行体位置（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）を補正し、ＸＹＺ軸での絶対頭部位置（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）’を算出する。

（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）’＝Ｄ・（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）・・・(16)

これは、次式と等価である。
（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）’＝（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）〜（Δｘｈ，Δｙｈ，Δｚｈ）

続いて、下述する計算式（１７）により、ＸＹＺ座標系で位置差（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）を算出する。つまり、絶対頭部位置と絶対飛行体位置との差を算出することによって、飛行体の位置が消去され、ＸＹＺ座標系（飛行体座標系）に対する頭部の位置が得られる。

（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）＝（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）’〜（ｘｈ，ｙｈ，ｚｈ）’・・・(17)

続いて、下述する計算式（１８）により、初期値を加えて、ＸＹＺ座標系におけるパイロット３の頭部位置（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）を算出する。すなわち、加速度の積分によって求めた頭部位置は、初期値を始点として、その値から変化した頭部位置分が算出されるので、初期値（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）を加算する。この初期値には、切替部７９により主頭部情報算出部７２から副頭部情報算出部７５に演算が切り替えられた直前の主頭部情報算出部７２の出力値が用いられる。

（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）＝（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）＋（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）・・・(18)

ここで、飛行体側加速度センサ５４及び頭部側加速度センサ５６には、ドリフトが生じるため、時間の経過にともなって、算出されたパイロット５３の頭部位置と実際のパイロット３の頭部位置とに、ずれが生じてしまう。このような問題を防ぐために、主として主頭部情報算出部７２により飛行体に設定された基準位置に対する頭部位置を含む第一相対頭部情報を出力するとともに、補助として副頭部情報算出部７５により飛行体に設定された基準方向に対する頭部位置を含む第二相対頭部情報を出力するようにしている。この切り替えは、切替部７９によりなされる。

（ヘッドモーショントラッカ装置の動作）
ヘッドモーショントラッカ装置５１により頭部位置を測定する測定動作は、基本的に、図４を用いて、「頭部角度」について説明したものと同様の処理を「頭部位置」についても行うものであるので、説明を省略する。

本発明は、搭乗員等の飛行体に設定された基準方向に対する頭部角度を測定するためのヘッドモーショントラッカ装置に利用することができる。

本発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置の概略構成を示す図。 副頭部情報算出部２５による変換行列の算出方法を説明する図。 副頭部情報算出部２５による頭部角度の算出方法を説明する図。 本発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置による測定動作について説明するためのフローチャート。 本発明の他の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置の概略構成を示す図。 副頭部情報算出部７５による変換行列の算出方法を説明する図。 副頭部情報算出部７５による頭部角度の算出方法を説明する図。 従来の交流磁気方式のヘッドモーショントラッカ装置の概略構成を示す図

符号の説明

１、５１ ヘッドモーショントラッカ装置
２ 磁気ソース
３、５３ パイロット
４、５４ 飛行体側３軸ジャイロセンサ
６、５６ 頭部側３軸ジャイロセンサ
７ 磁気センサ
１０、６０ 頭部装着型表示装置付ヘルメット
２２、７２ 主頭部情報算出部
２３、７３ 絶対移動体情報算出部
２４、７４ 絶対頭部情報算出部
２５、７５ 副頭部情報算出部
２６、７６ 頭部センサ軸算出部。
２７、７７ 移動体センサ軸算出部
２８、７８ モーショントラッカ駆動部
２９、７９ 切替部
４２、９２ 変換データ記憶領域
５２ カメラ装置
５７ ＬＥＤ群

Claims (7)

1. 磁気方式モーショントラッカ、又は、光学方式モーショントラッカのうちのいずれかの計測方式により移動体に設定された基準軸に対する搭乗者の頭部の動きを検出するモーショントラッカと、モーショントラッカにより検出された頭部の動きに基づいて少なくとも搭乗者の頭部角度を含む第一相対頭部情報を算出する主頭部情報算出部とを備えたヘッドモーショントラッカ装置において、
   移動体に取り付けられ、少なくとも角速度を検出する移動体センサと、
   移動体センサの出力信号に基づいて移動体の動きを表す絶対移動体情報を算出する絶対移動体情報算出部と、
   搭乗者の頭部に装着され、少なくとも角速度を検出する頭部センサと、
   頭部センサの出力信号に基づいて移動体と頭部の動きを合成した絶対頭部情報を算出する絶対頭部情報算出部と、
   絶対移動体情報と絶対頭部情報とに基づいて少なくとも搭乗者の頭部角度を含む第一相対頭部情報に対応する第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部と、
   主頭部情報算出部による第一相対頭部情報の算出が不適当な領域において副頭部情報算出部により第二相対頭部情報を算出する切替部とを備えたことを特徴とするヘッドモーショントラッカ装置。
2. 副頭部情報算出部は、移動体が停止した状態で同時に求めた絶対頭部情報および第一相対頭部情報に基づいて頭部センサのセンサ軸方向を算出する頭部センサ軸算出部と、移動体が移動中に同時に求めた絶対頭部情報および第一相対頭部情報および絶対移動体情報に基づいて移動体センサのセンサ軸方向を算出する移動体センサ軸算出部とを備え、
   さらに、頭部センサのセンサ軸方向および移動体センサのセンサ軸方向を移動体に設定された基準軸方向に合わせるための軸合わせ用変換データを記憶する変換データ記憶部を備え、
   副頭部情報算出部は、軸合わせ用変換データに基づいて絶対頭部情報および絶対移動体情報を補正することを特徴とする請求項１に記載のヘッドモーショントラッカ装置。
3. 移動体センサと頭部センサとはさらに加速度を検出し、
   主頭部情報算出部は、搭乗者の頭部角度と頭部位置とを含んだ第一相対頭部情報を算出し、
   副頭部情報算出部は、搭乗者の頭部角度と頭部位置とを含んだ第二相対頭部情報を算出することを特徴とする請求項１に記載のヘッドモーショントラッカ装置。
4. 副頭部情報算出部は、移動体が停止した状態で同時に求めた絶対頭部情報および第一相対頭部情報に基づいて頭部センサのセンサ軸方向、センサ軸中心を算出する頭部センサ軸算出部と、移動体が移動中に同時に求めた絶対頭部情報および第一相対頭部情報および絶対移動体情報に基づいて移動体センサのセンサ軸方向、センサ軸中心を算出する移動体センサ軸算出部とを備え、
   さらに、頭部センサのセンサ軸方向、センサ軸中心、および、移動体センサのセンサ軸方向、センサ軸中心を移動体に設定された基準軸方向、基準軸中心に合わせるための軸合わせ用変換データを記憶する変換データ記憶部を備え、
   副頭部情報算出部は、軸合わせ用変換データに基づいて絶対頭部情報および絶対移動体情報を補正することを特徴とする請求項３に記載のヘッドモーショントラッカ装置。
5. 磁気方式モーショントラッカは、移動体に取り付けられ、交流磁界を発生させる磁気ソースと、頭部に装着され、交流磁界を検出する磁気センサとを備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のヘッドモーショントラッカ装置。
6. 光学方式モーショントラッカは、頭部に装着され、光線を出射する光学マーカーと、移動体に取り付けられ、光学マーカーからの光線を検出する光学検出手段とを備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のヘッドモーショントラッカ装置。
7. 磁気方式モーショントラッカ、又は、光学方式モーショントラッカのうちのいずれかの計測方式により移動体に設定された基準軸に対する搭乗者の頭部の動きを検出するモーショントラッカと、モーショントラッカにより検出された頭部の動きに基づいて少なくとも搭乗者の頭部角度を含む第一相対頭部情報を算出する主頭部情報算出部と、移動体に取り付けられ角速度を検出する移動体センサと、移動体センサの出力信号に基づいて移動体の動きを表す絶対移動体情報を算出する絶対移動体情報算出部と、搭乗者の頭部に装着され、角速度を検出する頭部センサと、頭部センサの出力信号に基づいて移動体と頭部の動きを合成した絶対頭部情報を算出する絶対頭部情報算出部と、絶対移動体情報と絶対頭部情報とに基づいて少なくとも搭乗者の頭部角度を含んだ第一相対頭部情報に対応する第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部とを備えたヘッドモーショントラッカ装置の使用方法であって、
   （ａ）移動体が停止した状態での頭部センサの出力により頭部の動きのみからなる絶対頭部情報を算出するとともに、モーショントラッカにより頭部の動きを検出して第一相対頭部情報を算出するようにし、さらに同時に求めた絶対頭部情報および第一相対頭部情報に基づいて頭部センサのセンサ軸方向を算出する頭部センサ軸算出工程と、
   （ｂ）移動体が移動中の頭部センサの出力により頭部の動きと移動体の動きとを合成した絶対頭部情報を算出するとともに、モーショントラッカにより頭部の動きを検出して第一相対頭部情報を算出し、移動体センサの出力により移動体の動きからなる絶対移動体情報を検出し、さらにこれら絶対頭部情報と第一相対頭部情報と絶対移動体情報とに基づいて移動体センサのセンサ軸を算出する移動体センサ軸算出工程とを備えたことを特徴とするヘッドモーショントラッカ装置の使用方法。

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