JP4961904B2 - ヘッドモーショントラッカ装置 - Google Patents
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よって、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)が生じることになる。なお、このとき、予め、飛行体130に対する位置の基準となる基準座標が定められて、制御部120に記憶されており、例えば、磁気ソース102の位置を原点としてXYZ座標(例えば、機種方向をX軸とする)を定めてある。
これにより、切替部は、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るような、主頭部情報算出部が第一相対頭部情報を算出できない状態になったときに、一時的に副頭部情報算出部が移動体に設定された基準座標に対する頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。
なお、副頭部情報算出部は、頭部センサから検出される加速度、及び、移動体センサから検出される加速度に基づいて、第二相対頭部情報を算出するが、加速度を検出するセンサ(加速度センサ等)の性質上、精度がよくない。そこで、精度がよい主頭部情報算出部により頭部位置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が不適当であるときに、一時的に補助として、副頭部情報算出部により頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する。そして、再び、主頭部情報算出部による第一相対頭部情報を算出することが可能になると、その第一相対頭部情報を参照するようにする。つまり、このようにすることで、常時、精度よく、移動体に設定された基準座標に対する頭部位置等の頭部情報を算出することができる。
これにより、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等が生じている領域(予め設定記憶された領域)になるような、主頭部情報算出部が第一相対頭部情報を正確に算出できない状態になったときに、一時的に副頭部情報算出部が移動体に設定された基準座標に対する頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。つまり、このようにすることで、常時、精度よく、移動体に設定された基準座標に対する頭部位置等の頭部情報を算出することができる。
また、上記第一の発明において、前記光学方式モーショントラッカは、前記搭乗者の頭部に装着される光学マーカー群と、前記移動体に取り付けられ、前記光学マーカー群からの光線を検出するカメラ装置とを備えるようにしてもよい。
この発明によれば、移動体内のカメラ設置場所付近では、主頭部情報算出部により頭部位置の頭部情報を得ることができ、一方、カメラ装置の死角となる場所では副頭部情報算出部により頭部位置の頭部情報を得ることができる。
この発明によれば、例えば、磁気データの測定が正確に測定できると設定された領域では、主頭部情報算出部により頭部位置の頭部情報を得ることができ、一方、磁気歪等により磁気データの測定が正確に測定できないと設定された領域(補正不能な領域)では副頭部情報算出部により頭部位置の頭部情報を得ることができる。
図1は、第一の発明の一実施形態であるHMT装置の概略構成を示す図であり、図2は、図1に示す頭部装着型表示装置付ヘルメットの平面図である。また、図3は、基準座標(XYZ座標)の設定を説明するための図である。さらに、図4は、HMT装置が頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する際に実行する演算処理の流れを説明する図である。なお、本実施形態は、飛行体30に設定された基準座標(XYZ座標)でのパイロット3の頭部位置の算出を行うものである。
本実施形態(第一の発明)では、光学方式モーショントラッカを使用する。すなわち、HMT装置51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60と、飛行体30に固定された固定軸52cにより支持されるカメラ装置52(52a、52b)と、飛行体30に取り付けられた飛行体側加速度センサ4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。
なお、本実施形態の一部として使用されるためには、パイロット3によって基準座標(XYZ座標)と、x2y2z2座標とを正確に軸合わせされる必要がある。ここで、基準座標(XYZ座標)とx2y2z2座標との軸合わせの方法としては、例えば、頭部装着型表示装置付ヘルメット60自体に、後述するヘルメット座標を定め、まず、頭部側加速度センサ6を、ヘルメット座標と正確に軸合わせして、頭部装着型表示装置付ヘルメット60に取り付け、次に、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3に特定方向を向くように指示することにより、ヘルメット座標と基準座標(XYZ座標)とを軸合わせする方法等が挙げられる。
カメラ装置52(52a、52b)は、2台のカメラ52a、52bからなり、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、頭部装着型表示装置付ヘルメット60の立体視が可能な一定の距離(d1)を隔てるように、飛行体30の天井に固定軸52cを介して設置されている。
これにより、図3に示すように、LED57aのカメラ装置52(52a、52b)に対する位置は、カメラ装置52(52a,52b)に撮影された画像中に映し出されているLED57aの位置を抽出し、さらにカメラ52aからの方向角度(α)とカメラ52bからの方向角度(β)とを抽出し、カメラ52aとカメラ52bとの間の距離(d1)を用いることにより、三角測量の手法で算出することができるようにしてある。他の頭部マーカーであるLED57b、57cのカメラ装置52(52a、52b)に対する位置についても、同様に算出されるようにしてある。
つまり、頭部マーカーであるLED群57から発光される赤外光を検出することにより3個のLED57a、57b、57cの現在の位置座標を得ることで、カメラ装置52(52a、52b)に対する頭部装着型表示装置付ヘルメット60の現在の位置を算出でき、位置座標で表現できるようにしてある。
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、基準座標(XYZ座標)を記憶する基準座標記憶部93と、第一相対頭部情報を蓄積する第一相対頭部情報記憶部42と、時間記憶部44と、第二相対頭部情報を記憶する第二相対頭部情報記憶部48と、現在頭部速度を記憶する速度記憶部47と、初期データ記憶部39とを含む。
つまり、カメラ装置52(52a、52b)に対する3つのLED57a、57b、57cの位置(X1、Y1、Z1)、(X2、Y2、Z2)、(X3、Y3、Z3)を算出し、これら3つの位置座標を、第一相対頭部情報記憶部42に記憶されているLED57a、57b、57cの相対的な位置関係と頭部装着型表示装置ヘルメット60に対する取り付け位置のデータを参照することにより、LED57a、57b、57cが固定された頭部装着型表示装置ヘルメット60の現在位置を決定する。
次に、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について説明する。図5〜7は、ヘッドモーショントラッカ装置51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。
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、時間tnにtn+1と更新するように、tn+1と時間記憶部44に記憶させる。
次に、ステップS105の処理において、頭部位置(Xa、Ya、Za)を含む第一相対頭部情報を第一相対頭部情報記憶部42に記憶する。このとき、第一相対頭部情報記憶部42に記憶される頭部位置(Xa、Ya、Za)は、ステップS105の処理が実行される毎に、蓄積されていくことになる。
なお、ステップS108及びS109の処理は、同時に実行される。
具体的には、飛行体側加速度センサ4で検知された加速度(x1、y1、z1)と、頭部側加速度センサ6で検知された加速度(x2、y2、z2)との差分から、加速度差(Δx、Δy、Δz)を算出する。次に、時間tn+1の速度として頭部速度情報を用いて、加速度差(Δx、Δy、Δz)を積分演算することにより、時間s0の現在頭部速度を算出する。このとき、現在頭部速度を速度記憶部48に記憶させる。
具体的には、まず、時間s0の現在頭部速度を積分演算することにより、時間tn+1に記憶された頭部位置(Xa、Ya、Za)からの頭部位置の移動距離量(ΔX、ΔY、ΔZ)を算出する。次に、時間tn+1に記憶された頭部位置(Xa、Ya、Za)に頭部位置の移動距離量(ΔX、ΔY、ΔZ)を加算することにより、時間s0の頭部位置(Xb、Yb、Zb)を含む第二相対頭部情報を算出する。
次に、ステップS114の処理において、頭部位置(Xb、Yb、Zb)を含む第二相対頭部情報を第二相対頭部情報記憶部47に記憶する。
なお、ステップS117及びS118の処理は、同時に実行される。
具体的には、飛行体側加速度センサ4で検知された加速度(x1、y1、z1)と、頭部側加速度センサ6で検知された加速度(x2、y2、z2)との差分から、加速度差(Δx、Δy、Δz)を算出する。次に、時間smの現在頭部速度を用いて、加速度差(Δx、Δy、Δz)を積分演算することにより、時間sm+1の現在頭部速度を算出する。このとき、現在頭部速度を速度記憶部48に記憶させる。速度記憶部48に記憶される現在頭部速度は、ステップS119の処理が実行される毎に、更新されていくことになる。
具体的には、まず、時間sm+1の現在頭部速度を積分演算することにより、時間smに記憶された頭部位置(Xb、Yb、Zb)からの頭部位置の移動距離量(ΔX、ΔY、ΔZ)を算出する。次に、時間smに記憶された頭部位置(Xb、Yb、Zb)に頭部位置の移動距離量(ΔX、ΔY、ΔZ)を加算することにより、時間sm+1の頭部位置(Xb、Yb、Zb)を含む第二相対頭部情報を算出する。
一方、LED群57の検出ができると判定されたときには、ステップS101の処理に戻る。
これにより、切替部79は、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るような、主頭部情報算出部72が第一相対頭部情報を算出できない状態になったときに、一時的に副頭部情報算出部23が飛行体30に設定された基準座標に対する頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。
このようにして、常時、精度良く、飛行体30に設定された基準座標に対する頭部位置の頭部情報を算出することができる。
図8は、第二の発明の一実施形態であるHMT装置の概略構成を示す図である。また、図9は、基準座標(XYZ座標)の設定を説明するための図であり、図10は、HMT装置が頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する際に実行する演算処理の流れを説明する図である。本実施形態(第二の発明)では、磁気方式モーショントラッカを使用する。すなわち、HMT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30に取り付けられた磁気ソース2及び飛行体側加速度センサ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、コックピットの空間の各点には、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。なお、後述するように、磁気ソース2の位置を原点として基準座標(XYZ座標)が定められることにより、座標ごとに固有の磁気データが関連付けられることになる。また、基準座標(XYZ座標)は、飛行体30に設定され、飛行体30とともに移動する座標となる。
なお、頭部側加速度センサ6は、頭部装着型表示装置付ヘルメット10に設定されたヘルメット座標と正確に軸合わせされて、頭部装着型表示装置付ヘルメット10に取り付けられる。
ここで、基準座標(XYZ座標)について説明する。基準座標(XYZ座標)は、磁気ソース2とともに移動する3次元座標系であり、原点及び各座標軸の方向を任意に定めることができるが、本実施形態では図9に示すように、機種方向をX軸方向とし、X軸方向に垂直かつ天井に垂直で下向き方向をZ軸方向とし、X軸方向に垂直かつ天井に水平で右向き方向をY軸方向とするように定義し、原点を磁気ソース2として定義するようにしてある。このときに、例えば、各位置における磁気データを採取することにより、磁気マッピングを作成することで、座標ごとに固有の磁気データが関連付けられる。
また、メモリ41は、磁気ソース2によって発生する磁界について、コックピットの空間で、磁気マッピングが作成可能な領域と、磁気歪等が発生していて補正不能(磁気マッピング作成不能)な領域との境界情報を記憶する境界情報記憶領域46を含む。境界情報は、予め、磁気センサ7で各位置における磁気データを採取することにより、補正不能な領域を検出することで決定される。
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、基準座標記憶部43に記憶されている磁気マッピングに当てはめることにより、XYZ座標における位置情報(Xa、Ya、Za)を算出する演算を行うものである。すなわち、頭部位置(Xa、Ya、Za)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)を含む第一相対頭部情報は、第一相対頭部情報記憶部42に記憶され、蓄積されていくことになる。
次に、ヘッドモーショントラッカ装置1により頭部位置を測定する測定動作について説明する。図11〜13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。
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S202の処理において、時間tnにtn+1と更新するように、tn+1と時間記憶部44に記憶させる。
次に、ステップS205の処理において、頭部位置(Xa、Ya、Za)を含む第一相対頭部情報を第一相対頭部情報記憶部42に記憶する。このとき、第一相対頭部情報記憶部42に記憶される頭部位置(Xa、Ya、Za)は、ステップS205の処理が実行される毎に、蓄積されていくことになる。
なお、ステップS208及びS209の処理は、同時に実行される。
具体的には、飛行体側加速度センサ4で検知された加速度(x1、y1、z1)と、頭部側加速度センサ6で検知された加速度(x2、y2、z2)との差分から、加速度差(Δx、Δy、Δz)を算出する。次に、時間tn+1の速度として頭部速度情報を用いて、加速度差(Δx、Δy、Δz)を積分演算することにより、時間s0の現在頭部速度を算出する。このとき、現在頭部速度を速度記憶部48に記憶させる。
具体的には、まず、時間s0の現在頭部速度を積分演算することにより、時間tn+1に記憶された頭部位置(Xa、Ya、Za)からの頭部位置の移動距離量(ΔX、ΔY、ΔZ)を算出する。次に、時間tn+1に記憶された頭部位置(Xa、Ya、Za)に頭部位置の移動距離量(ΔX、ΔY、ΔZ)を加算することにより、時間s0の頭部位置(Xb、Yb、Zb)を含む第二相対頭部情報を算出する。
次に、ステップS214の処理において、頭部位置(Xb、Yb、Zb)を含む第二相対頭部情報を第二相対頭部情報記憶部47に記憶する。
なお、ステップS217及びS218の処理は、同時に実行される。
具体的には、飛行体側加速度センサ4で検知された加速度(x1、y1、z1)と、頭部側加速度センサ6で検知された加速度(x2、y2、z2)との差分から、加速度差(Δx、Δy、Δz)を算出する。次に、時間smの現在頭部速度を用いて、加速度差(Δx、Δy、Δz)を積分演算することにより、時間sm+1の現在頭部速度を算出する。このとき、現在頭部速度を速度記憶部48に記憶させる。速度記憶部48に記憶される現在頭部速度は、ステップS219の処理が実行される毎に、更新されていくことになる。
具体的には、まず、時間sm+1の現在頭部速度を積分演算することにより、時間smに記憶された頭部位置(Xb、Yb、Zb)からの頭部位置の移動距離量(ΔX、ΔY、ΔZ)を算出する。次に、時間smに記憶された頭部位置(Xb、Yb、Zb)に頭部位置の移動距離量(ΔX、ΔY、ΔZ)を加算することにより、時間sm+1の頭部位置(Xb、Yb、Zb)を含む第二相対頭部情報を算出する。
一方、磁気センサ7が、再び補正不能な領域から外れたと判定されたときには、ステップS201の処理に戻る。
これにより、切替部29は、磁気センサ7が補正不能な領域に存在するような、主頭部情報算出部22が第一相対頭部情報を正確に算出できない状態になったときに、一時的に副頭部情報算出部23が飛行体30に設定された基準座標に対する頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。
このようにして、常時、精度よく、飛行体30に設定された基準座標に対する頭部位置の頭部情報を算出することができる。
2 磁気ソース
3 パイロット
4 飛行体側加速度センサ
6 頭部側加速度センサ
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 副頭部情報算出部
24 頭部速度情報算出部
28、78 モーショントラッカ駆動部
29 切替部
30 飛行体
42 第一相対頭部情報記憶部
52 カメラ装置
57 LED群
Claims (4)
- 光学方式モーショントラッカと、
前記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座標に対する搭乗者の頭部位置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、
異なる時間に算出された少なくとも2つの第一相対頭部情報を記憶する第一相対頭部情報記憶部と、
前記移動体に取り付けられるとともに、当該移動体に作用する加速度を検出する移動体センサと、
前記搭乗者の頭部に装着されるとともに、当該頭部に作用する加速度を検出する頭部センサと、
前記少なくとも2つの第一相対頭部情報に基づいて、前記搭乗者の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する頭部速度情報算出部と、
前記移動体センサ及び頭部センサから検出された加速度と、前記頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、前記基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部と、
前記主頭部情報算出部による第一相対頭部情報が不適当であるときに、前記副頭部情報算出部により第二相対頭部情報を算出させる切替部とを備えることを特徴とするヘッドモーショントラッカ装置。 - 前記光学方式モーショントラッカは、前記搭乗者の頭部に装着される光学マーカー群と、
前記移動体に取り付けられ、前記光学マーカー群からの光線を検出するカメラ装置とを備え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。 - 磁気方式モーショントラッカと、
前記磁気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座標に対する搭乗者の頭部位置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、
異なる時間に算出された少なくとも2つの第一相対頭部情報を記憶する第一相対頭部情報記憶部と、
前記移動体に取り付けられるとともに、当該移動体に作用する加速度を検出する移動体センサと、
前記搭乗者の頭部に装着されるとともに、当該頭部に作用する加速度を検出する頭部センサと、
前記少なくとも2つの第一相対頭部情報に基づいて、前記搭乗者の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する頭部速度情報算出部と、
前記移動体センサ及び頭部センサから検出された加速度と、前記頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、前記基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部と、
前記主頭部情報算出部による第一相対頭部情報が不適当であるときに、前記副頭部情報算出部により第二相対頭部情報を算出させる切替部とを備えることを特徴とするヘッドモーショントラッカ装置。 - 前記磁気方式モーショントラッカは、前記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、
前記搭乗者の頭部に装着され、前記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3に記載のヘッドモーショントラッカ装置。
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