JP5092279B2 - Head motion tracker device and method of using the same - Google Patents
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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。 The present invention relates to a head motion tracker device for measuring an occupant's head angle, head position, and the like with respect to a reference direction set for a moving body, and a method of using the head motion tracker device.
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。 For example, in a rescue operation by a rescue flying boat, locking is performed by locking when the aiming image displayed by the head-mounted display device corresponds to the rescue target so that the discovered rescue target is not lost. The position of the rescue target that has been made is calculated. At this time, in order to calculate the position of the rescue target, in addition to the latitude, longitude, altitude and attitude of the flying object, the head information of the crew (head angle and head) with respect to the reference direction set for the flying object Position).
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。
As such a conventional head motion tracker device (hereinafter also referred to as HMT), for example, an AC magnetic type HMT can be cited (for example, see Patent Document 1). FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of an AC magnetic HMT mounted on a flying object. The HMT 100 is fixed to a
That is, according to the
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。
By comparing the magnetic data detected by the
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。
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。
However, in the AC
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。 On the other hand, in an optical HMT, it is necessary to continue to observe a marker with a camera. However, if the position and angle of the helmet with a head-mounted display device change greatly, the relationship between the marker position and the camera installation location In some cases, the marker may be out of the field of view of the camera device, making measurement impossible in stereo.
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。
Therefore, the present invention provides a head for a reference direction set for a moving body even when magnetostriction occurs in an AC magnetic field in an AC magnetic HMT, or stereo measurement cannot be performed in an optical HMT. It is an object of the present invention to provide a head motion tracker device including an auxiliary mechanism that can accurately calculate a component angle.
Another object of the present invention is to provide a head motion tracker device having an auxiliary mechanism that does not require precise adjustment work and a method of using the head motion tracker device.
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、第一相対頭部情報の算出が不適当な領域に入る直前に算出した第一相対頭部情報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第一相対頭部情報から副頭部情報算出部により算出された第二相対頭部情報に切り替える切替部とを備えるようにしている。 The head motion tracker of the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, has a passenger motion with respect to a reference axis set on a moving body by a measurement method of either a magnetic motion tracker or an optical motion tracker. A motion tracker that detects head movement, and a main head information calculation unit that calculates first relative head information including at least the head angle of the passenger based on the head movement detected by the motion tracker. In the head motion tracker apparatus, the moving body sensor that is attached to the moving body and detects at least the angular velocity and the absolute moving body information that calculates the absolute moving body information that represents the movement of the moving body based on the output signal of the moving body sensor A calculation unit, a head sensor that is mounted on the head of the passenger and detects at least the angular velocity, and an output signal of the head sensor Absolute head information calculation unit movement of the moving body and head to calculate a synthesized absolute head information based on a first relative calculation of the first relative head information is calculated immediately before entering the inappropriate region A sub head information calculation unit that calculates second relative head information corresponding to the first relative head information including at least the head angle of the passenger based on the head information, the absolute moving body information, and the absolute head information. And a switching unit that switches from the first relative head information to the second relative head information calculated by the sub head information calculation unit in an area where the calculation of the first relative head information by the main head information calculation unit is inappropriate And so on.
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。
Here, the magnetic motion tracker is a magnetic sensor attached to an object (for example, a helmet) whose movement is to be detected, and a magnetic field is generated by a magnetic source in a space within the movement range of the object. This is a motion tracker that tracks the movement of an object by detecting the magnetism determined for each point in the space with an attached magnetic sensor to determine the position and orientation (angle) of the magnetic sensor.
In addition, an optical motion tracker is an object whose motion is to be detected by placing a marker such as a light emitter (lamp, LED, etc.), reflector, phosphor, etc. in the space of the movement range of the object. It refers to a type of motion tracker that tracks the movement of an object by arranging optical detection means such as a camera that can optically detect the marker and sequentially detecting the movement of the marker.
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。 In addition, the mobile body sensor and the head sensor have three axes defined in the sensor itself, and by attaching the sensor to a measurement object, the angular velocity or the acceleration in the three-axis direction based on the three axes can be obtained. It can be detected. Specifically, a gyro sensor or an acceleration sensor is used to detect movement information with respect to an absolute space of an object (that is, a head-mounted helmet attached with a head sensor or a moving body attached with a moving body sensor). The head sensor detects movement information obtained by combining the movement of the head and the movement of the moving body in the moving body.
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。 The “region where calculation of the first relative head information is inappropriate” means a region where accurate head information cannot be obtained for the first head information to be obtained, or the first head to be obtained. An area where information cannot be measured. Specifically, for example, in the case of a magnetic motion tracker, an area where accurate magnetic data cannot be measured due to magnetostriction (this area is preset and stored), and in the case of an optical motion tracker, the marker is an optical such as a camera. An area outside the field of view of the detection means and incapable of optical measurement.
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。
According to the head motion tracker device of the present invention, the main head information calculation unit detects the movement of the passenger's head relative to the reference axis set on the moving body by the magnetic motion tracker or the optical motion tracker. Then, the first relative head information including at least the passenger's head angle is calculated based on the detected head movement. Further, the moving body sensor attached to the moving body detects the angular velocity, and the absolute moving body information calculation unit calculates absolute moving body information representing the movement of the moving body based on the detection result. Also, the head sensor attached to the passenger's head detects the angular velocity, and the absolute head information calculation unit combines the movement of the moving body and the movement of the passenger's head based on the detection result. Calculate information.
Then, the sub head information calculation unit, based on the absolute moving body information and the absolute head information, from these differences, the second relative corresponding to the first relative head information including at least the head angle of the passenger Head information is calculated. Then, the switching unit becomes a region in which magnetostriction is generated in the AC magnetic field in the magnetic motion tracker (previously set and stored region), or the optical motion tracker cannot measure by stereo vision, Second relative head information including a head angle with respect to a reference direction set by the sub head information calculation unit when the main head information calculation unit cannot calculate the first relative head information. Is calculated.
In this way, head information such as head angle with respect to the reference direction set for the moving body is always calculated.
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。 Here, the sub head information calculation unit calculates the second relative head information based on the absolute head information calculated from the output of the head sensor and the absolute moving body information calculated from the output of the moving body sensor. Although calculated, an error due to a drift phenomenon may occur with time due to the nature of a sensor (such as a gyro sensor) that detects angular velocity. However, when the first relative head information including the head angle is calculated by the main head information calculation unit that does not cause drift, and the calculation of the first relative head information by the main head information calculation unit is inappropriate As a temporary aid, the second relative head information including the head angle is calculated by the sub head information calculation unit. The second relative head information is obtained by adding the change measured by the mobile body sensor and the head sensor to the immediately preceding first relative head information. There is almost no. When the first relative head information can be calculated again by the main head information calculation unit, the first relative head information is referred to.
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。 According to the present invention, when accurate first relative head information cannot be obtained, accurate head information based on second relative head information can be temporarily obtained. At this time, the period of using the second relative head information can be set to a short time after the first relative head information cannot be calculated. As a result, the head angle with respect to the reference direction set for the moving body can always be calculated with high accuracy.
(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。
(Means and effects for solving other problems)
In the above invention, the sub head information calculation unit detects the sensor axis direction of the head sensor based on the absolute head information and the first relative head information obtained simultaneously with the moving body stopped. A sensor axis detection unit, and a moving body sensor axis calculation unit that calculates the sensor axis direction of the moving body sensor based on the absolute head information, the first relative head information, and the absolute moving body information simultaneously obtained while the moving body is moving And a conversion data storage unit for storing conversion data for axis alignment for adjusting the sensor axis direction of the head sensor and the sensor axis direction of the moving body sensor to the reference axis direction set in the moving body, The sub head information calculation unit may correct the absolute head information and the absolute moving body information based on the axis alignment conversion data.
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。
According to this, the head sensor axis detection unit detects the absolute head information while the moving body is stopped. The head sensor originally detects a movement that combines the movement of the head and the movement of the moving body. However, when the moving body is stopped, the absolute head information includes only the movement of the head. Will be included.
In addition, as described above, the head sensor (for example, gyro sensor) has a triaxial direction defined in the sensor itself, and by attaching the sensor to an object to be measured, an angular velocity with respect to the triaxial axis is set. Although detected, these three axes and the reference axis direction of the motion tracker do not coincide with each other unless an adjustment operation is actively performed in advance, and an axis deviation occurs.
Therefore, in parallel with the measurement by the head sensor in a state where the moving body is stopped (the head sensor detects only the movement of the head at this time), the magnetic head or the optical motion tracker is used at the same time. The head angle is calculated as the first relative head information. From this first relative head information, accurate head information that does not include an axis deviation is obtained. Therefore, by comparing the absolute head information (including the axis deviation) measured by the head sensor with the moving body stopped and the first relative head information, Since the deviation amount of the sensor axis can be calculated, the sensor axis direction of the head sensor with respect to the reference axis direction set for the moving body is detected by obtaining the deviation amount.
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。
Subsequently, in consideration of the amount of deviation between the detected sensor axis direction of the head sensor and the reference axis of the motion tracker, the moving body sensor axis detector further detects the axis deviation of the moving body sensor.
That is, the moving body sensor axis detection unit simultaneously detects the absolute head information and the absolute moving body information by the head sensor and the moving body sensor while the moving body is moving. As described above, while the moving body is moving, the absolute head information measured by the head sensor detects the combined motion of the head and the flying object, while it is measured by the moving body sensor. The movement of the flying object is detected in the absolute head information.
In parallel with these detections, the movement of the head is detected by a magnetic or optical motion tracker, and the head angle is calculated as first relative head information. From this first relative head information, accurate head information (head angle) with respect to the reference axis set for the moving body is obtained.
Therefore, the absolute head information (including the head movement and the movement of the moving body) measured by the head sensor and the first relative head information (only the head movement is measured while the moving body is moving). Information) including only the movement of the moving body excluding the head movement from the absolute head information (also referred to as reference moving body information) is calculated.
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。
On the other hand, only the movement of the moving body is detected from the absolute moving body information measured by the moving body sensor, but this sensor is the same as the case of the head sensor unless adjustment work is actively performed. In addition, the amount of axial deviation between the sensor axis of the moving body sensor and the reference axis set for the moving body is included.
Therefore, the sensor axis direction of the mobile body sensor with respect to the reference axis direction set for the mobile body is calculated by taking the difference between the previously obtained reference mobile body information and the absolute mobile body information.
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。
Then, the sub head information calculation unit calculates conversion data for axis alignment for alignment with the reference axis direction set for the moving body from the calculated sensor axis direction of the head sensor and the sensor axis direction of the moving body sensor. Then, the conversion data for axis alignment is stored in the conversion data storage unit. In addition, the sub head information calculation unit corrects the absolute head information and the absolute moving body information based on the axis alignment conversion data.
Thereby, when attaching a head sensor to a passenger | crew's head, or attaching a mobile body sensor to a mobile body, the necessity of performing a precise adjustment operation | work is eliminated.
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。
In the first invention, the mobile body sensor and the head sensor further detect acceleration, and the main head information calculation unit includes first relative head information including the head angle and head position of the occupant. The sub head information calculation unit may calculate second relative head information including the head angle and head position of the passenger.
According to this, the head position can be calculated together with the head angle.
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。
In the above invention, the sub head information calculation unit calculates the sensor axis direction of the head sensor and the sensor axis center based on the absolute head information and the first relative head information obtained simultaneously with the moving body stopped. Based on the absolute head information, the first relative head information, and the absolute moving body information that are simultaneously obtained while the moving body is moving, the sensor axis direction and the sensor axis center of the moving body sensor are detected. A moving body sensor axis calculating unit for calculating, and further, a sensor axis direction of the head sensor, a sensor axis center, and a sensor axis direction of the moving body sensor, a reference axis direction in which the sensor axis center is set to the moving body, A conversion data storage unit for storing axis alignment conversion data for alignment with the center of the reference axis is provided, and the sub head information calculation unit corrects the absolute head information and the absolute moving body information based on the axis alignment conversion data. Yo It may be.
According to this, when attaching the head sensor to the occupant's head or attaching the moving body sensor to the moving body, there is no need to perform precise adjustment work.
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。
In each of the above inventions, the magnetic motion tracker may include a magnetic source that is attached to the moving body and generates an alternating magnetic field, and a magnetic sensor that is attached to the head and detects the alternating magnetic field.
According to the present invention, the head angle and head position can be obtained by the main head information calculation unit near the place where the magnetic source is attached in the moving body, and the sub head information calculation unit can be obtained at a place away from this. Information on the head angle and head position can be obtained.
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。
In each of the above inventions, the optical motion tracker may be provided with an optical marker that is mounted on the head and emits a light beam, and a camera that is attached to the moving body and detects the light beam from the optical marker.
According to the present invention, the head angle and head position can be obtained by the main head information calculation unit near the camera installation location in the moving body, and the head information calculation unit can obtain the head angle at a location where the camera is blind spot. Information on the part angle and head position can be obtained.
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、第一相対頭部情報の算出が不適当な領域に入る直前に算出した第一相対頭部情報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。
In addition, the method of using the head motion tracker device of the present invention from another point of view is to board the reference axis set on the moving body by the measurement method of either the magnetic motion tracker or the optical motion tracker. A motion tracker that detects the movement of the head of the person, and a main head information calculation unit that calculates first relative head information including at least the head angle of the passenger based on the movement of the head detected by the motion tracker A moving body sensor that is attached to the moving body and detects an angular velocity, an absolute moving body information calculating unit that calculates absolute moving body information that represents the movement of the moving body based on an output signal of the moving body sensor, and a passenger's head The head sensor that is mounted on the head and detects the angular velocity, and the absolute head information that combines the movement of the moving body and the head based on the output signal of the head sensor is calculated. A pair head information calculation section, at least the rider on the basis of the first relative head information and absolute mobile body information and the absolute head information calculation of the first relative head information is calculated immediately before entering the inappropriate region A head motion tracker device comprising: a sub head information calculation unit that calculates second relative head information corresponding to the first relative head information including the head angle of: Calculate absolute head information consisting only of head movement based on the output of the head sensor when the body is stopped, and calculate the first relative head information by detecting head movement using a motion tracker. And a head sensor axis detecting step for detecting the sensor axis direction of the head sensor based on the absolute head information and the first relative head information obtained simultaneously, and (b) a head sensor in which the moving body is moving Output of the head and the moving body The absolute moving body consisting of the movement of the moving body is calculated by calculating the absolute head information by synthesizing the head and calculating the first relative head information by detecting the movement of the head by the motion tracker. A moving body sensor axis detecting step of detecting information and further detecting a sensor axis of the moving body sensor based on the absolute head information, the first relative head information, and the absolute moving body information is provided.
According to the present invention, the head sensor and the moving body sensor can be used only by attaching them to the moving body without performing complicated adjustment work for axis alignment.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and it goes without saying that various aspects are included without departing from the spirit of the present invention.
(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a head motion tracker apparatus according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the head angle of the flying pilot is calculated.
The head
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。
The
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、x1y1z1座標が定められ、さらに、x1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(x1軸に対する回転)、エレベーション方向(y1軸に対する回転)、ロール方向(z1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。
The flying object side three-
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。
The
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。 The magnetic sensor 7 has a three-axis pickup coil, and detects the magnitude and direction of the magnetism specific to the position where the magnetic sensor 7 exists. The detected magnetic data is used for calculating the first relative head information.
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、x2y2z2座標が定められ、さらに、x2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。
The head side 3-
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。
Further, the head-side three-
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。
The
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。
Further, the
In addition, a boundary
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。
The motion
The main head
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x1y1z1座標系の基準方向(x1軸方向)に対して算出される。
Based on the angular velocity (θ1, φ1, ψ1) output from the moving
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x2y2z2座標系の基準方向(x2軸方向)に対して算出される。
Based on the angular velocity (θ2, φ2, ψ2) output from the head-side three-
The absolute head angle ([theta] t, .phi.t, .psi.t) is calculated relative to the head side
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x1y1z1座標系、頭部側3軸ジャイロセンサ6に設定されたx2y2z2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。
The sub head
When accurate axis alignment between coordinate systems has already been performed, by calculating the difference between the absolute head angle (θt, φt, ψt) and the absolute flying object angle (θh, φh, ψh) Since the head angle of the passenger is obtained immediately, this is calculated as the second relative head information.
しかしながら、一般に、x1y1z1座標系、x2y2z2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、x1y1z1座標系、x2y2z2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。
However, in general, it takes time and effort to align the x 1 y 1 z 1 coordinate system and the x 2 y 2 z 2 coordinate system with the XYZ coordinate system (aircraft coordinate system). Therefore, instead of performing the axis alignment operation, the sub head
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。
The switching
(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。
(Calculation of conversion data (conversion matrix) for axis alignment by the sub head information calculation unit)
Next, calculation of the sub head
FIG. 2 is a diagram for explaining the flow of arithmetic processing executed when the head motion tracker apparatus collects conversion data for axis alignment.
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x2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)
First, the head sensor
That is, the head sensor
When the calculation for obtaining the angle difference is expressed as “˜” for convenience, the head angle differences (Δθt, Δφt, Δψt) can be expressed by the equation (1).
(Δθt, Δφt, Δψt) = (θt, φt, ψt) to (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)
Further, the head sensor
(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。
Subsequently, the moving body sensor
For this calculation, (1) absolute head angle in flight (θt, φt, ψt) ′ (coordinate-transformed by the transformation matrix, aligned with the XYZ coordinate system using the head sensor axis transformation matrix A For convenience, (2) head angle in flight (Θa, Φa, Ψa) calculated by the main head information calculation unit 22 (first relative head information) ) And (3) absolute flying object angles (θh, φh, ψh) in flight calculated by the absolute moving object
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)
That is, the head sensor
If the calculation for obtaining the angle difference is described as “˜” for the sake of convenience, the reference aircraft angle (θs, φs, ψs) can be expressed by the following equation (3).
(Θs, φs, ψs) = (θt, φt, ψt) ′ to (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)
Subsequently, the moving body sensor
Specifically, the reference flight calculated by the head side three-
(Δθh, Δφh, Δψh) = (θh, φh, ψh) to (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x1y1z1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x1y1z1座標系との軸差(軸ずれ量)に相当する。
That is, the reference flying object angle (θs, φs, ψs) and the absolute flying object angle (θh, φh, ψh) indicate the flying object angle, but the reference flying object angle (θs, φs, ψs). ) Is an angle with respect to the XYZ coordinate system, and absolute aircraft angle (θh, φh, ψh) is an angle with respect to the x 1 y 1 z 1 coordinate system set in the aircraft-side three-
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)
Further, the moving body sensor
This moving body sensor axis conversion matrix B satisfies the relationship of equation (5), and is used for subsequent calculations by the absolute head
(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。
By these calculation processes by the head sensor
(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。
(Head angle calculation by sub head information calculation unit)
Next, calculation of the head angle by the sub head
The sub-head
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。
FIG. 3 is a diagram for explaining a method of calculating the head angle with respect to the XYZ axes (X axis is a reference direction) set for the flying object. The sub head
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)
Subsequently, by using the transformation matrix A, the absolute head angle (θt, φt, ψt) is corrected by the following formula (6), and the absolute head angle (θt, φt, ψt) ′ on the XYZ axes is corrected. Is calculated.
(Θt, φt, ψt) ′ = A · (θt, φt, ψt) (6)
This is equivalent to:
(Θt, φt, ψt) ′ = (θt, φt, ψt) to (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)
Similarly, using the transformation matrix B, the absolute aircraft angle (θh, φh, ψh) is corrected by the following equation (7), and the absolute head angle (θh, φh, ψh) ′ on the XYZ axes is corrected. Is calculated.
(Θh, φh, ψh) ′ = B · (θh, φh, ψh) (7)
This is equivalent to:
(Θh, φh, ψh) ′ = (θh, φh, ψh) to (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)
Subsequently, the angular difference (θb, φb, ψb) is calculated in the XYZ coordinate system by the calculation formula (8) described below. That is, by calculating the difference between the absolute head angle and the absolute flying object angle, the flying object angle is eliminated, and the head angle with respect to the XYZ coordinate system (aircraft coordinate system) is obtained.
(Θb, φb, ψb) = (θt, φt, ψt) ′ to (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)
Subsequently, an initial value is added by the calculation formula (9) described below to calculate the head angle (Θb, Φb, Ψb) of the
(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。
Here, since drift occurs in the flying body side three-
(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。
(Operation of the head motion tracker)
Next, a measurement operation for measuring the head angle by the head
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。 First, in the process of step S101, it is determined whether or not the flying object is moving. When it is determined that the flying object is not moving, this flowchart is ended.
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。
On the other hand, when it is determined that the flying object is moving, in the process of step S102, the main head
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。
Next, in the process of step S103, first relative head information including head angles (Θa, Φa, ψa) is output. That is, the head angle with respect to the reference direction set for the flying object is measured.
Next, in the process of step S <b> 104, first relative head information including the head angle (Θa, Φa, Ψa) is stored in the
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。
Next, in the process of step S105, the switching
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。
On the other hand, when it is determined that the magnetic sensor 7 is present in the region where the magnetostriction occurs (non-measurable region), in the process of step S106 (Θa, Φa, ψa), the head side 3-
Further, in the process of step S107, the flying vehicle side three-
Note that the processes of steps S106 and S107 are performed simultaneously.
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。
Next, in the process of step S108, the sub head
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。
Next, in the process of step S109, the switching
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。 On the other hand, when it is determined that the magnetic sensor 7 has returned to the region (measurable region) where there is no magnetostriction, the process returns to step S101.
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。
As described above, according to the head
In addition, the sub head
Moreover, an accurate head angle can be calculated even if the flying object side three-
(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。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a head motion tracker device according to another embodiment of the present invention. In the present embodiment, the head position is calculated in addition to the head angle. An optical motion tracker is used. In addition, since the same calculation process as
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。
The head
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。
The
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、x3y3z3座標が定められ、さらに、x3軸方向が基準方向として定められている。つまり、x3軸、y3軸、z3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(x4y4z4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。
Since the flying object side three-
The flying object
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。
The
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。
The
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(x2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。
The head side
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、x4y4z4座標が定められ、さらに、x4軸方向が基準方向として定められている。つまり、x4軸、y4軸、z4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(x3y3z3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。
The head-
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。
The
In addition, the
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。
Of the
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。
The motion
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。
The main head
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x3y3z3座標系に対して算出される。
Based on the acceleration (x1, y1, z1) output from the flying object
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x4y4z4座標系に対して算出される。
Based on the acceleration (x2, y2, z2) output from the head-
The absolute head position (xt, yt, zt) is calculated with respect to the x 4 y 4 z 4 coordinate system set in the head-
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x3y3z3座標系、頭部側加速度センサ56に設定されたx4y4z4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、x3y3z3座標系、x4y4z4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。
The sub-head
Already, x 3 y 3 z 3 coordinate system, x 4 y 4 z 4 coordinate system of the sensor axis center, the sensor axis direction, if you combined axial with respect to the corresponding position and the axial direction of the XYZ coordinate system, By calculating the difference between the absolute head position (xt, yt, zt) and the absolute flying object angle (xh, yh, zh), the head position of the occupant is immediately obtained. Calculated as part information.
しかしながら、一般に、x3y3z3座標系、x4y4z4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。
However, in general, x 3 y 3 z 3 coordinate system, the axis to align x 4 y 4 z 4 coordinate system of the sensor axis center, the sensor axis, the corresponding position or the axial direction on the XYZ coordinate system (aircraft coordinate system) The alignment work takes time. Therefore, instead of performing the coordinate alignment operation of the coordinate system, the sub-head
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。
The switching
(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。
(Calculation of transformation matrix by sub head information calculation unit 75)
Next, calculation of the sub head
FIG. 6 is a diagram illustrating the flow of arithmetic processing executed when the head
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x4y4z4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)
First, the head sensor
That is, the head sensor
If the calculation for obtaining the position difference is expressed by “˜” for convenience, the head side coordinate position difference (Δxt, Δyt, Δzt) can be expressed by the equation (10).
(Δxt, Δyt, Δzt) = (xt, yt, zt) to (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)
Further, the head sensor
(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。
Subsequently, the moving body sensor
For this calculation, (1) absolute head position in flight (xt, yt, zt) ′ (coordinate-transformed by the transformation matrix with the coordinate axes coincided with the XYZ coordinate system using the head sensor axis transformation matrix C (') For convenience) (2) Head position in flight (Xa, Ya, Za) calculated by main head information calculation unit 72 (first relative head Information) and (3) the absolute flying object position (xh, yh, zh) in flight calculated by the absolute moving object
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。
That is, the head sensor
Specifically, according to the calculation formula (12) described below, from the absolute head position (xt, yt, zt) ′ to the head position (Xa, Ya, By calculating the difference of Za), the reference aircraft position (xs, ys, zs) indicating the position of the aircraft is calculated.
(Xs, ys, zs) = (xt, yt, zt) ′ to (Xa, Ya, Za) (12)
This reference aircraft position (xs, ys, zs) is obtained by calculating only the head position in the XYZ coordinate system from the absolute head position represented by the XYZ coordinate system (the combined position of the aircraft position and the head position). Excluded flying object position.
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)
Subsequently, the moving body sensor
Specifically, the reference flying object position calculated by the head-
(Δxh, Δyh, Δzh) = (xh, yh, zh) to (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x3y3z3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x3y3z3座標系とのセンサ軸中心位置差に相当する。
That is, the reference aircraft position (xs, ys, zs) and the absolute aircraft position (xh, yh, zh) both indicate the aircraft position, but the reference aircraft position (xs, ys, zs). ) Is a position with respect to the XYZ coordinate system, and absolute vehicle position (xh, yh, zh) is a position with respect to the x 3 y 3 z 3 coordinate system set in the vehicle-
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)
Further, the moving body sensor
This moving body sensor axis conversion matrix D satisfies the relationship of the equation (14), and is used for subsequent calculations by the absolute head
(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。
In this way, the head-
(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。
(Calculation of head position by sub head information calculation unit 75)
Next, the calculation of the head angle by the sub head
The sub head
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。
FIG. 7 is a diagram for explaining a method of calculating the head position with respect to the XYZ axes (reference axes) set for the flying object. The sub-head
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)
Subsequently, using the transformation matrix C, the absolute head position (xt, yt, zt) is corrected by the following formula (15), and the absolute head position (xt, yt, zt) ′ on the XYZ axes is corrected. Is calculated.
(Xt, yt, zt) ′ = C · (xt, yt, zt) (15)
This is equivalent to:
(Xt, yt, zt) ′ = (xt, yt, zt) to (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)
Similarly, using the transformation matrix D, the absolute aircraft position (xh, yh, zh) is corrected by the following equation (16), and the absolute head position (xh, yh, zh) ′ on the XYZ axes is corrected. Is calculated.
(Xh, yh, zh) ′ = D · (xh, yh, zh) (16)
This is equivalent to:
(Xh, yh, zh) ′ = (xh, yh, zh) to (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)
Subsequently, the position difference (xb, yb, zb) is calculated in the XYZ coordinate system by the calculation formula (17) described below. That is, by calculating the difference between the absolute head position and the absolute flying object position, the position of the flying object is deleted, and the position of the head with respect to the XYZ coordinate system (aircraft coordinate system) is obtained.
(Xb, yb, zb) = (xt, yt, zt) ′ to (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)
Subsequently, an initial value is added by a calculation formula (18) described below, and the head position (Xb, Yb, Zb) of the
(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。
Here, since drift occurs in the flying object
(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。
(Operation of the head motion tracker)
The measurement operation for measuring the head position by the head
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。 The present invention can be used for a head motion tracker device for measuring a head angle with respect to a reference direction set in a flying object such as a crew member.
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
DESCRIPTION OF
27, 77 Moving body sensor
Claims (8)
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、
第一相対頭部情報の算出が不適当な領域に入る直前に算出した第一相対頭部情報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第一相対頭部情報から副頭部情報算出部により算出された第二相対頭部情報に切り替え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。 A motion tracker that detects the movement of the head of the passenger relative to the reference axis set on the moving object by the measurement method of either the magnetic motion tracker or the optical motion tracker, and the head detected by the motion tracker In a head motion tracker device comprising a main head information calculation unit that calculates first relative head information including at least the head angle of the passenger based on the movement of the unit,
A moving body sensor that is attached to the moving body and detects at least an angular velocity;
An absolute moving body information calculating unit that calculates absolute moving body information representing movement of the moving body based on an output signal of the moving body sensor;
A head sensor that is mounted on the head of the passenger and detects at least the angular velocity;
An absolute head information calculation unit that calculates absolute head information obtained by combining the movement of the moving body and the head based on the output signal of the head sensor;
First including at least the head angle of the passenger based on the first relative head information, the absolute moving body information, and the absolute head information calculated immediately before entering the area where the calculation of the first relative head information is inappropriate . A sub head information calculation unit for calculating second relative head information corresponding to the relative head information;
And a switching unit for switching to the second relative head information calculated by the sub head information calculation unit from the first relative head information in the calculation are inappropriate areas of the first relative head information primarily head information calculating section A head motion tracker device comprising:
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。 The sub-head information calculation unit calculates a sensor axis direction of the head sensor based on the absolute head information and the first relative head information obtained simultaneously with the moving body stopped. A moving body sensor axis calculation unit for calculating a sensor axis direction of the moving body sensor based on the absolute head information and the first relative head information and the absolute moving body information obtained simultaneously while the moving body is moving;
Furthermore, a conversion data storage unit for storing conversion data for axis alignment for adjusting the sensor axis direction of the head sensor and the sensor axis direction of the moving body sensor to the reference axis direction set in the moving body is provided,
The head motion tracker device according to claim 1, wherein the sub head information calculation unit corrects the absolute head information and the absolute moving body information based on the axis alignment conversion data.
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。 The moving body sensor and head sensor further detect acceleration,
The main head information calculation unit calculates first relative head information including the head angle and head position of the passenger,
The head motion tracker device according to claim 1, wherein the sub head information calculation unit calculates second relative head information including a head angle and a head position of the passenger.
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。 The sub head information calculation unit calculates the sensor axis direction of the head sensor and the sensor axis center based on the absolute head information and the first relative head information obtained simultaneously with the moving body stopped. A moving body sensor axis that calculates a sensor axis direction and a sensor axis center of the moving body sensor based on the absolute head information, the first relative head information, and the absolute moving body information that are simultaneously obtained while the moving body is moving. A calculation unit,
Furthermore, the sensor axis direction of the head sensor, the sensor axis center, and the sensor axis direction of the moving body sensor, the reference axis direction set to the moving body, and the axis alignment conversion data for aligning with the reference axis center A conversion data storage unit for storing
The head motion tracker device according to claim 3, wherein the sub head information calculation unit corrects the absolute head information and the absolute moving body information based on the axis alignment conversion data.
切替部は第一相対頭部情報の算出が不適当な領域として当該境界情報を参照する請求項1〜請求項5のいずれかに記載のヘッドモーショントラッカ装置。The head motion tracker device according to claim 1, wherein the switching unit refers to the boundary information as an area where the calculation of the first relative head information is inappropriate.
(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。 A motion tracker that detects the movement of the head of the passenger relative to the reference axis set on the moving object by the measurement method of either the magnetic motion tracker or the optical motion tracker, and the head detected by the motion tracker A main head information calculation unit that calculates first relative head information including at least the head angle of the passenger based on the movement of the unit, a mobile body sensor that is attached to the mobile body and detects an angular velocity, and a mobile body sensor An absolute moving body information calculation unit that calculates absolute moving body information representing movement of the moving body based on the output signal, a head sensor that is mounted on the head of the passenger and detects an angular velocity, and an output signal of the head sensor absolute head information calculation unit movement of the moving body and head to calculate a synthesized absolute head information, the calculation of the first relative head information calculated immediately before entering the inappropriate region based on Deputy head to calculate a second relative head information corresponding to the first relative head information and absolute mobile body information and the first relative head information including the head angle of at least occupant based absolutely and head information A head motion tracker device comprising a head information calculation unit,
(A) Absolute head information consisting only of head movement is calculated based on the output of the head sensor in a state where the moving body is stopped, and the head movement is detected by the motion tracker to detect the first relative head information. And a head sensor axis calculation step for calculating the sensor axis direction of the head sensor based on the absolute head information and the first relative head information obtained simultaneously.
(B) The absolute head information obtained by synthesizing the head movement and the movement of the moving body is calculated based on the output of the head sensor while the moving body is moving, and the head movement is detected by the motion tracker. Relative head information is calculated, absolute moving body information consisting of movement of the moving body is detected by the output of the moving body sensor, and further based on these absolute head information, first relative head information, and absolute moving body information A method of using a head motion tracker device, comprising: a moving body sensor axis calculation step of calculating a sensor axis of a moving body sensor.
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