JP4967546B2 - ヘッドモーショントラッカ装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体に設定された基準座標に対する少なくとも搭乗者の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（以下、ＨＭＴ装置ともいう）に関する。本発明は、例えば、ゲーム機や乗物等の移動体で用いられる頭部装着型表示装置付ヘルメットの現在角度（すなわち、現在の頭部角度）を算出するＨＭＴ装置等に利用される。

例えば、救難飛行艇による救難活動では、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付ヘルメット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（救難飛行艇）の緯度、経度、高度、姿勢に加えて、飛行体に設定された基準座標に対するパイロットの頭部角度を測定している。このために、ＨＭＴ装置が利用されている。

このような従来のＨＭＴ装置として、例えば、複数の反射板を頭部装着型表示装置付ヘルメットに取り付けるとともに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ＨＭＴ装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、本出願人が先に出願しているＨＭＴ装置もある（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の外周面上に、光学マーカー群として、ＬＥＤ（発光ダイオード）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ＬＥＤの相対的な位置（相対位置）の関係を、設計情報（頭部装着型表示装置付ヘルメットの設計図等）の位置パラメータを用いて予め記憶させておく。そして、これら３つのＬＥＤ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ＬＥＤの相対位置の関係を算出する。カメラ装置で頭部装着型表示装置付ヘルメットに固定された３点の位置（３つのＬＥＤの位置）が特定できれば、記憶された位置パラメータを参照することにより、カメラ装置に対する頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や向き（角度）が特定できるので、その結果、基準座標に対する頭部装着型表示装置付ヘルメットの現在位置や現在角度を算出している。
特表平９−５０６１９４号公報

しかしながら、光学マーカーとしてＬＥＤを使用した場合、設計情報の位置パラメータを用いて、実際にＬＥＤが発光している中心（ＬＥＤの物理的発光中心）を記憶させることには問題があった。ここで、図９は、一般的なＬＥＤの概略構成を示す断面図である。ＬＥＤ５０は、半導体部５１と、反射板５２と、レンズ５３とを有する。図９に示すように、ＬＥＤの外形形状から求めた中心と、実際にＬＥＤが発光している中心（ＬＥＤの物理的発光中心）とに、製造の際に生じた差異が存在することがあり、ＬＥＤの外形形状から求めた中心（設計情報の位置パラメータ）を記憶させても、測定誤差が生じることがあった。さらに、頭部装着型表示装置付ヘルメットを搭乗者が装着するときに、頭部装着型表示装置付ヘルメットの顎紐を締め付けることにより頭部に固定するが、その際に頭部装着型表示装置付ヘルメットが変形するともに、ＬＥＤも変形することもあった。

そこで、本発明は、移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部角度を高精度で算出することができる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。

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、搭乗者の頭部に装着され、少なくとも５つの光学マーカーからなる光学マーカー群と、移動体に取り付けられ、前記光学マーカーを検出するカメラ装置とを備える光学方式モーショントラッカと、前記各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を記憶する相対位置記憶部と、前記光学方式モーショントラッカ及び相対位置記憶部により、前記移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部角度を含む相対頭部情報を算出する頭部情報算出部と、前記相対頭部情報を算出する測定を行う前に、予め前記カメラ装置で光学マーカーを検出させることにより、前記各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を算出して、相対位置記憶部に記憶させる相対位置算出部とを備えたヘッドモーショントラッカ装置であって、前記光学マーカーは発光体であり、前記相対位置算出部は、少なくとも４つの光学マーカーを検出させることにより、少なくとも４つの各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を算出する第一段階と、少なくとも４つの光学マーカーのうちの３つの光学マーカーと、少なくとも４つの光学マーカー以外の光学マーカーを検出させることにより、各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を算出する第二段階とを実行する。

ここで、「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、蛍光体等の光学マーカーを取り付けるとともに、光学マーカー群を光学的に検出するカメラ装置等の光学検出手段を配置することにより、光学マーカー群を逐次検出することで、物体の動きを追跡することができるモーショントラッカのことをいう。

本発明のＨＭＴ装置によれば、相対位置算出部は、カメラ装置で光学マーカーを検出させることにより、各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を算出する。つまり、光学マーカーが設置された頭部装着型表示装置付ヘルメットを搭乗者が装着するときに、頭部装着型表示装置付ヘルメットの顎紐を締め付けることにより、光学マーカーが変形しても、変形後である使用時の光学マーカーが発光している中心を実際に検出することで、相対位置記憶部に使用時の各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を記憶させることができる。これにより、頭部情報算出部は、精度よく、移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部角度を含む相対頭部情報を算出することができる。
また、本発明のＨＭＴ装置によれば、カメラ装置で光学マーカー群を検出し続けることが可能なように、例えば、頭部装着型表示装置付ヘルメットの全体にわたって多数の光学マーカーを設置した場合に、全ての光学マーカーを一度にカメラ装置で検出ができなくても、第一段階と第二段階とを実行することにより、全ての光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を算出することができる。よって、全ての光学マーカーにおいて、実際に使用時の光学マーカーが発光している中心を検出することで、相対位置記憶部に使用時の各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を記憶させることができる。また、上記各発明において、前記光学マーカー群は、前記搭乗者の頭部に装着されるヘルメットに取り付けられているようにしてもよい。

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。

図１は、本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、飛行体に設定される基準座標（ＸＹＺ座標）を説明するための図である。さらに、図４〜図６は、ＬＥＤ群７の相対位置の関係の算出方法を説明するための図である。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の頭部角度の算出を行うものである。
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に固定された固定軸２ｃにより支持されるカメラ装置２（２ａ、２ｂ）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。

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、位置や向き（すなわち、頭部角度）を測定する際の指標となる光学マーカー群として機能するＬＥＤ群７とを有する。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。

ＬＥＤ群７は、図２に示すように、互いに異なる波長の赤外光を発光するＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ及びＬＥＤｆの６つのＬＥＤが互いに離隔するようにして配置されたものである。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０のＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ、ＬＥＤｆの全ての相対位置の関係が、後述する算出手法で、メモリ４１の相対位置記憶部４７に記憶される。よって、後述する三角測量の手法で、現時点におけるＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ及びＬＥＤｆのうちから少なくとも３つのＬＥＤの位置を算出し、相対位置記憶部４７に記憶されたデータを参照することにより、ＬＥＤ群７が固定されている頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の角度を特定できる。

飛行体３０は、パイロット３が搭乗するコックピットであり、パイロット３が着席する座席３０ａと、カメラ装置２（２ａ、２ｂ）とを備える。

カメラ装置２（２ａ、２ｂ）は、２台のカメラ２ａ、２ｂからなり、撮影方向が頭部装着型表示装置付ヘルメット１０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１０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２ｃを介して設置されている。
よって、図３に示すように、ＬＥＤａのカメラ装置２（２ａ、２ｂ）に対する位置は、カメラ装置２（２ａ、２ｂ）に撮影された画像データ中に映し出されているＬＥＤａの位置を抽出し、さらにカメラ２ａからの方向角度（α°）とカメラ２ｂからの方向角度（β°）とを抽出し、カメラ２ａとカメラ２ｂ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。他の光学マーカーであるＬＥＤのカメラ装置２（２ａ、２ｂ）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。

このときの各ＬＥＤの位置を、空間座標で表現することができるようにするために、カメラ装置２（２ａ、２ｂ）に固定され、カメラ装置２とともに移動する座標系である基準座標（ＸＹＺ座標）を用いる。なお、基準座標（ＸＹＺ座標）の具体的な原点位置やＸＹＺ軸方向の説明については後述する。基準座標（ＸＹＺ座標）によりＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ、ＬＥＤｆの位置座標は、（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）、（Ｘ４、Ｙ４、Ｚ４）、（Ｘ５、Ｙ５、Ｚ５）、（Ｘ６、Ｙ６、Ｚ６）としてそれぞれ表現できる。これらのうち、例えば、カメラ装置２（２ａ、２ｂ）に対するＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃの位置座標（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）が特定されることにより、ＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃが固定されている頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の角度が座標系を用いて特定できるようになる。
つまり、光学マーカー群であるＬＥＤ群７から発光される赤外光を検出することにより、少なくとも３つのＬＥＤの現在の位置座標を得ることで、カメラ装置２（２ａ、２ｂ）に対する頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の現在の角度を算出でき、これを基準座標（ＸＹＺ座標）の座標軸に対する角度で表現できるようにしてある。なお、「座標軸に対する角度」とは、ロール方向Θ（Ｘ軸に対する回転）、エレベーション方向Φ（Ｙ軸に対する回転）、アジマス方向Ψ（Ｚ軸に対する回転）のことをいう。

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ＣＰＵ２１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と、頭部情報算出部２２と、相対位置算出部２３と、映像表示部２５とからなる。

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、基準座標（ＸＹＺ座標）を記憶する基準座標記憶部４３と、ＬＥＤ群７のそれぞれの相対位置の関係を記憶する相対位置記憶部４７とを含む。

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、カメラ装置２（２ａ、２ｂ）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、カメラ２ｂからカメラ２ａへの方向を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、原点をカメラ２ａとカメラ２ｂとの中点として定義するようにしてある。

したがって、基準座標記憶部４３は、カメラ装置２に対して固定された座標系である基準座標（ＸＹＺ座標）の定義に必要な情報である原点位置情報、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に関する情報を記憶する。具体的には、予め、移動体３０に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向を格子方向とした正方格子状の基準座標スケールを配置して画像データを収得し、画像データに対し、画像データ中の格子点に基づいて、原点位置及びＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の情報を関連付けて記憶する。これにより、記憶された画像データと、ＬＥＤを撮影したときの画像データとを比較することにより、当該画像データに映し出されたＬＥＤの座標位置が求められることになる。

モーショントラッカ駆動部２８は、ＬＥＤ群７を点灯する指令信号を出力するとともに、カメラ装置２（２ａ、２ｂ）でＬＥＤ群７を検出し、画像データによる位置情報を取得する制御を行うものである。

頭部情報算出部２２は、少なくとも３つのＬＥＤの位置を算出して、カメラ装置２（ＸＹＺ座標）に対するパイロット３の頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）を含む相対頭部情報を算出する制御を行うものである。
例えば、カメラ装置２（２ａ、２ｂ）に対するＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃの座標位置（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）を算出し、これら３つの座標位置に基づいて、相対位置記憶部４７に記憶されているＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃの相対位置の関係を参照することにより、ＬＥＤ群７が固定された頭部装着型表示装置ヘルメット１０の現在角度を決定する。

相対位置算出部２３は、モーショントラッカ駆動部２８に指令信号を出力することにより、画像データによるＬＥＤ群７の位置情報を取得させることで、ＬＥＤ群７のそれぞれの相対位置の関係を算出して、相対位置記憶部４７に記憶させる制御を行うものである。
まず、第一段階として、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に特定方向（初期状態）を向くように指示することにより、図４、５に示すように、ＬＥＤａ（Ａ_０）、ＬＥＤｂ（Ｂ_０）、ＬＥＤｃ（Ｃ_０）、ＬＥＤｄ（Ｄ_０）を検出させることで、ＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄのそれぞれの相対位置の関係を、後述する算出方法で算出する。なお、特定方向（初期状態）とは、ＬＥＤａ（Ａ_０）、ＬＥＤｂ（Ｂ_０）、ＬＥＤｃ（Ｃ_０）、ＬＥＤｄ（Ｄ_０）が必ず検出されるように設定されている。
次に、第二段階として、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に特定方向（初期状態）と異なる第二方向（第二状態）を向くように指示することにより、図６に示すように、ＬＥＤｂ（Ｂ_１）、ＬＥＤｃ（Ｃ_１）及びＬＥＤｄ（Ｄ_１）と、ＬＥＤｅ（Ｅ_１）及びＬＥＤｆ（Ｆ_１）を検出させることで、ＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ、ＬＥＤｆのそれぞれの相対位置の関係を、後述する算出方法で算出する。なお、第二方向（第二状態）とは、ＬＥＤｂ（Ｂ_１）、ＬＥＤｃ（Ｃ_１）及びＬＥＤｄ（Ｄ_１）と、ＬＥＤｅ（Ｅ_１）及びＬＥＤｆ（Ｆ_１）が必ず検出されるように設定されている。このとき、ＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ、ＬＥＤｆのそれぞれの相対位置の関係を相対位置記憶部４７に記憶させる。

映像表示部２５は、相対頭部情報に基づいて、映像表示光を出射する制御を行うものである。これにより、パイロット３は、表示器による表示映像を視認することができるようになる。

（ＬＥＤ群７の相対位置の関係の算出方法）
ヘッドモーショントラッカ装置１により、ＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ、ＬＥＤｆのそれぞれの相対位置の関係を算出する方法について説明する。図７は、ヘッドモーショントラッカ装置１によるＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ、ＬＥＤｆのそれぞれの相対位置の関係を算出する方法について説明するためのフローチャートである。

まず、ステップＳ１０１の処理において、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に特定方向（初期状態）を向くように指示する。このとき、ＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ及びＬＥＤｄの４つのＬＥＤが、カメラ装置２で検出可能になるが、ＬＥＤｅ及びＬＥＤｆの２つのＬＥＤは、カメラ装置２で検出不能になる。

次に、ステップＳ１０２の処理において、モーショントラッカ駆動部２８は、カメラ装置２でＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ及びＬＥＤｄの４つのＬＥＤを第一段階として検出する。これにより、基準座標（ＸＹＺ座標）でのＬＥＤａ（Ａ_０）、ＬＥＤｂ（Ｂ_０）、ＬＥＤｃ（Ｃ_０）、ＬＥＤｄ（Ｄ_０）の座標位置が、それぞれ（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）、（Ｘ４、Ｙ４、Ｚ４）が算出される。

次に、ステップＳ１０３の処理において、相対位置算出部２３は、頭部装着型表示装置ヘルメット１０の現在角度を基準座標（ＸＹＺ座標）で表現するために、ヘルメット座標（ｘｙｚ座標）を決定する。
具体的には、式（１）〜（３）を用いて、頭部装着型表示装置ヘルメット１０上のＬＥＤａ（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）を、ヘルメット基準点と定め、さらにヘルメット基準点を始点とする一方向（ＬＥＤａ（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）からＬＥＤｂ（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）への方向）をヘルメットｘ軸方向ｅｘと定め、ヘルメット基準点を始点とする一方向（ｘ軸方向と垂直な方向で、かつ、ｘ軸方向とＬＥＤａ（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）からＬＥＤｃ（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）への方向と同一の平面内）を、ヘルメットｙ軸方向ｅｙと定め、ヘルメット基準点を始点とする一方向（ｘ軸方向とｙ軸方向と垂直な方向）を、ヘルメットｚ軸方向ｅｚと定める（図２及び図４参照）。これにより、頭部装着型表示装置ヘルメット１０の現在角度は、基準座標（ＸＹＺ座標）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対するヘルメット座標（ｘｙｚ座標）のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の角度（Θ、Φ、Ψ）で表現することができるようになる。
なお、ｅｘ、ｅｙ、ｅｚはベクトルを表し、Ａ_０Ｂ_０、Ａ_０Ｃ_０等もベクトルを表す。

次に、ステップＳ１０４の処理において、相対位置算出部２３は、ＬＥＤａと、ＬＥＤｂ及びＬＥＤｃとの相対位置を算出して、相対位置記憶部４７に記憶させる。
具体的には、式（４）、（５）を用いて、ＬＥＤａ（Ａ_０）を基準とするヘルメット座標（ｘｙｚ座標）でのＬＥＤｂ（Ｂ_０）の座標位置（α_ｂ、０、０）及びＬＥＤｃの座標位置（α_ｃ、β_ｃ、０）を算出する（図４参照）。
Ａ_０Ｂ_０＝α_ｂｅｘ・・・・・・・（４）
Ａ_０Ｃ_０＝α_ｃｅｘ＋β_ｃｅｙ・・・（５）

次に、ステップＳ１０５の処理において、相対位置算出部２３は、ＬＥＤａと、ＬＥＤｄとの相対位置を算出して、相対位置記憶部４７に記憶させる。
具体的には、式（６）を用いて、ヘルメット座標（ｘｙｚ座標）でのＬＥＤｄ（Ｄ_０）の座標位置（α_ｄ、β_ｄ、γ_ｄ）を算出する（図５参照）。
Ａ_０Ｄ_０＝α_ｄｅｘ＋β_ｄｅｙ＋γ_ｄｅｚ・・・（６）

次に、ステップＳ１０６の処理において、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に第二方向（第二状態）を向くように指示する。このとき、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ及びＬＥＤｆの５つのＬＥＤが、カメラ装置２で検出可能になるが、ＬＥＤａは、カメラ装置２で検出不能になる。

次に、ステップＳ１０７の処理において、モーショントラッカ駆動部２８は、カメラ装置２でＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ及びＬＥＤｆの５つのＬＥＤを第二段階として検出する。これにより、基準座標（ＸＹＺ座標）でのＬＥＤｂ（Ｂ_１）、ＬＥＤｃ（Ｃ_１）、ＬＥＤｄ（Ｄ_１）、ＬＥＤｅ（Ｅ_１）、ＬＥＤｆ（Ｆ_１）の座標位置が、それぞれ（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）、（Ｘ４、Ｙ４、Ｚ４）、（Ｘ５、Ｙ５、Ｚ５）、（Ｘ６、Ｙ６、Ｚ６）が算出される。

次に、ステップＳ１０８の処理において、相対位置算出部２３は、ＬＥＤａと、ＬＥＤｅ及びＬＥＤｆとの相対位置を算出して、相対位置記憶部４７に記憶させる。
具体的には、下述する式（７）〜（１０）を用いて、ヘルメット座標（ｘｙｚ座標）でのＬＥＤｅ（Ｅ_１）の座標位置（α_ｅ、β_ｅ、γ_ｅ）を算出する（図４及び図６参照）。
まず、ＬＥＤａが検出されていないため、初期状態でも検出されたＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ及びＬＥＤｄと、ＬＥＤｅとの相対関係を式（７）で表現する。
Ｂ_１Ｅ_１＝α_ｅ´Ｂ_１Ｃ_１＋β_ｅ´Ｂ_１Ｄ_１＋γ_ｅ´（Ｂ_１Ｃ_１×Ｂ_１Ｄ_１）・・・（７）
式（７）により、α_ｅ´、β_ｅ´、γ_ｅ´が求まる。また、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ及びＬＥＤｄと、ＬＥＤｅとの相対関係は一定であるので、式（７）が成立すれば、初期状態のときに式（８）が成立する。
Ｂ_０Ｅ_０＝α_ｅ´Ｂ_０Ｃ_０＋β_ｅ´Ｂ_０Ｄ_０＋γ_ｅ´（Ｂ_０Ｃ_０×Ｂ_０Ｄ_０）・・・（８）
式（８）を変形すると、
Ａ_０Ｅ_０−Ａ_０Ｂ_０＝α_ｅ´Ｂ_０Ｃ_０＋β_ｅ´Ｂ_０Ｄ_０＋γ_ｅ´（Ｂ_０Ｃ_０×Ｂ_０Ｄ_０）
Ａ_０Ｅ_０＝α_ｅ´Ｂ_０Ｃ_０＋β_ｅ´Ｂ_０Ｄ_０＋γ_ｅ´（Ｂ_０Ｃ_０×Ｂ_０Ｄ_０）＋Ａ_０Ｂ_０
となる。このとき、ＬＥＤａ（Ａ_０）、ＬＥＤｂ（Ｂ_０）、ＬＥＤｃ（Ｃ_０）、ＬＥＤｄ（Ｄ_０）の座標位置は、ステップＳ１０２の処理ですでに算出されているので、基準座標（ＸＹＺ座標）でのＬＥＤｅ（Ｅ_０）の座標位置が求まる。ここで、
Ａ_０Ｅ_０＝α_ｅｅｘ＋β_ｅｅｙ＋γ_ｅｅｚ・・・・・・・・・・・・・・・（９）
である。よって、ｅｘ、ｅｙ、ｅｚは、ステップＳ１０３の処理ですでに設定されているので、式（８）と式（９）とを比較することにより、ヘルメット座標（ｘｙｚ座標）でのＬＥＤｅ（Ｅ_０）の座標位置（α_ｅ、β_ｅ、γ_ｅ）が求まる。また、ヘルメット座標（ｘｙｚ座標）でのＬＥＤｆ（Ｆ_０）の座標位置（α_ｆ、β_ｆ、γ_ｆ）についても、同様に算出する。

次に、ステップＳ１０８の処理が終了したときには、本フローチャートを終了させる。
なお、頭部装着型表示装置付ヘルメットの全体にわたって、さらに多数のＬＥＤを設置した場合に、ステップＳ１０８の処理が終了したときに、まだカメラ装置で全てのＬＥＤの検出ができなくて、相対位置算出部により全てのＬＥＤの相対位置が算出されていなければ、ステップＳ１０７及びＳ１０８の処理を繰り返せばよい。

（ヘッドモーショントラッカ装置１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８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。

まず、ステップＳ２０１の処理において、時間（ｔ_ｎ）にｔ_ｎ＋１と更新するように、ｔ_ｎ＋１と時間記憶部４４に記憶させる。
次に、ステップＳ２０２の処理において、モーショントラッカ駆動部２８は、カメラ装置２でＬＥＤ群７を検出する。

次に、ステップＳ２０３の処理において、頭部情報算出部２２は、カメラ装置２でＬＥＤａとＬＥＤｂとＬＥＤｃとが検出されたか否かを判定する。
ＬＥＤａとＬＥＤｂとＬＥＤｃとが検出されていないと判定したときには、ステップＳ２０４の処理において、頭部情報算出部２２は、検出されたＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃ、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ及びＬＥＤｆのうちの少なくとも３つの座標位置に基づいて、ＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃの座標位置（Ｘ１´、Ｙ１´、Ｚ１´）、（Ｘ２´、Ｙ２´、Ｚ２´）、（Ｘ３´、Ｙ３´、Ｚ３´）を算出する。このとき、相対位置記憶部４７に記憶されているＬＥＤ郡７の相対位置のデータを参照することにより、ＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃの座標位置を以下のように算出する。

ここでは、一例として、ＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ及びＬＥＤｆの３つのＬＥＤが検出された場合について説明する。
まず、基準座標（ＸＹＺ座標）で、検出されたＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ、ＬＥＤｆの座標位置（Ｘ４´、Ｙ４´、Ｚ４´）、（Ｘ５´、Ｙ５´、Ｚ５´）、（Ｘ６´、Ｙ６´、Ｚ６´）を算出する。
また、相対位置記憶部４７に、ヘルメット座標（ｘｙｚ座標）でのＬＥＤｄ、ＬＥＤｅ、ＬＥＤｆの座標位置（α_ｄ、β_ｄ、γ_ｄ）、（α_ｅ、β_ｅ、γ_ｅ）、（α_ｆ、β_ｆ、γ_ｆ）が記憶されている。
つまり、式（１０）〜（１３）が成立する。
ＯＡ´＝ＯＤ´−Ａ´Ｄ´＝ＯＤ´−（α_ｄｅｘ´＋β_ｄｅｙ´＋γ_ｄｅｚ´）・・（１０）
ＯＡ´＝ＯＥ´−Ａ´Ｅ´＝ＯＥ´−（α_ｅｅｘ´＋β_ｅｅｙ´＋γ_ｅｅｚ´）・・（１１）
ＯＡ´＝ＯＦ´−Ａ´Ｆ´＝ＯＦ´−（α_ｆｅｘ´＋β_ｆｅｙ´＋γ_ｆｅｙ´）・・（１２）
ｅｚ´＝ｅｘ´×ｅｙ´・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１３）
式（１０）〜（１３）を計算することにより、基準座標（ＸＹＺ座標）でのＬＥＤａの座標位置（Ｘ１´、Ｙ１´、Ｚ１´）が求まる。このとき、ｅｘ´、ｅｙ´及びｅｚ´も求まる。

また、相対位置記憶部４７に、ヘルメット座標（ｘｙｚ座標）でのＬＥＤｂ、ＬＥＤｃの座標位置（α_ｂ、０、０）、（α_ｃ、β_ｃ、０）が記憶され、式（１４）、（１５）が成立する。
ＯＢ´＝ＯＡ´＋Ａ´Ｂ´＝ＯＡ´＋α_ｂｅｘ´・・・・・・・・（１４）
ＯＣ´＝ＯＡ´＋Ａ´Ｃ´＝ＯＡ´＋α_ｃｅｘ´＋β_ｃｅｙ´・・・（１５）
式（１４）、（１５）を計算することにより、基準座標（ＸＹＺ座標）でのＬＥＤｂの座標位置（Ｘ２´、Ｙ２´、Ｚ２´）及びＬＥＤｃの座標位置（Ｘ３´、Ｙ３´、Ｚ３´）が求まる。

一方、ＬＥＤａとＬＥＤｂとＬＥＤｃとが検出されたと判定したとき、又は、ステップＳ２０４の処理が終了したときには、ステップＳ２０５の処理において、頭部情報算出部２２は、ＬＥＤａ、ＬＥＤｂ、ＬＥＤｃの座標位置（Ｘ１´、Ｙ１´、Ｚ１´）、（Ｘ２´、Ｙ２´、Ｚ２´）、（Ｘ３´、Ｙ３´、Ｚ３´）に基づいて、基準座標（ＸＹＺ座標）に対するパイロット３の頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）を相対頭部情報として算出する。

次に、ステップＳ２０６の処理において、頭部角度（Θａ、Φａ、Ψａ）を含む相対頭部情報を出力する。つまり、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部角度が測定される。

次に、ステップＳ２０７の処理において、飛行体３０が移動しているか否かを判定する。飛行体３０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Ｓ２０１の処理に戻る。つまり、飛行体３０が移動していないと判定されるときまで、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６の処理は繰り返される。

以上のように、ヘッドモーショントラッカ装置１によれば、相対位置算出部２３は、カメラ装置２でＬＥＤ群７を検出させることにより、各ＬＥＤのそれぞれの相対位置の関係を算出する。つまり、ＬＥＤが設置された頭部装着型表示装置付ヘルメット１０をパイロット３が装着するときに、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の顎紐を締め付けることにより、ＬＥＤが変形しても、変形後である使用時のＬＥＤが発光している中心を実際に検出することで、相対位置記憶部４７に使用時の各ＬＥＤのそれぞれの相対位置の関係を記憶させることができる。これにより、頭部情報算出部２２は、精度よく、飛行体３０に設定された基準座標に対するパイロット３の頭部角度を含む相対頭部情報を算出することができる。

さらに、カメラ装置２でＬＥＤ群７を検出し続けることが可能なように、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の全体にわたって多数のＬＥＤを設置しているが、全てのＬＥＤを一度にカメラ装置２で検出ができなくても、第一段階と第二段階とを実行することにより、全てのＬＥＤのそれぞれの相対位置の関係を算出することができる。よって、全てのＬＥＤにおいて、実際に使用時のＬＥＤが発光している中心を検出することで、相対位置記憶部４７に使用時の各ＬＥＤのそれぞれの相対位置の関係を記憶させることができる。

なお、ヘッドモーショントラッカ装置は、相対頭部情報として頭部位置も算出するような構成としてもよい。

本発明は、搭乗員等の飛行体に設定された基準座標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である。 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。 基準座標（ＸＹＺ座標）を説明するための図である。 ＬＥＤ群７の相対位置の関係の算出方法を説明するための図である。 ＬＥＤ群７の相対位置の関係の算出方法を説明するための図である。 ＬＥＤ群７の相対位置の関係の算出方法を説明するための図である。 ヘッドモーショントラッカ装置１による６つのＬＥＤ群７のそれぞれの相対位置の関係を算出する方法について説明するためのフローチャートである。 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。 ＬＥＤの概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１ ヘッドモーショントラッカ装置
２ カメラ装置
３ パイロット
７ ＬＥＤ群
１０ 頭部装着型表示装置付ヘルメット
２２ 頭部情報算出部
２３ 相対位置算出部
２８ モーショントラッカ駆動部
３０ 飛行体
４７ 相対位置記憶部

Claims (2)

1. 搭乗者の頭部に装着され、少なくとも５つの光学マーカーからなる光学マーカー群と、移動体に取り付けられ、前記光学マーカーを検出するカメラ装置とを備える光学方式モーショントラッカと、前記各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を記憶する相対位置記憶部と、前記光学方式モーショントラッカ及び前記相対位置記憶部により、前記移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部角度を含む相対頭部情報を算出する頭部情報算出部と、前記相対頭部情報を算出する測定を行う前に、予め前記カメラ装置で光学マーカーを検出させることにより、前記各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を算出して、相対位置記憶部に記憶させる相対位置算出部とを備えたヘッドモーショントラッカ装置であって、前記光学マーカーは発光体であり、前記相対位置算出部は、少なくとも４つの光学マーカーを検出させることにより、少なくとも４つの各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を算出する第一段階と、少なくとも４つの光学マーカーのうちの３つの光学マーカーと、少なくとも４つの光学マーカー以外の光学マーカーを検出させることにより、各光学マーカーのそれぞれの相対位置の関係を算出する第二段階とを実行することを特徴とするヘッドモーショントラッカ装置。
   
2. 前記光学マーカー群は、前記搭乗者の頭部に装着されるヘルメットに取り付けられてい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。