KR20180052712A - 헬멧 추적기 버페팅 보상 - Google Patents

Abstract

버페팅 또는 유사한 효과에 노출될 수 있는 물체의 고정, 이동 또는 가동 플랫폼에 대한 배향을 결정하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 물체는, 예를 들어 항공기의 파일럿이 착용하는 헬멧일 수 있는데, 이러한 경우 비행 중인 항공기에 대한 헬멧의 배향은 일반적으로, 특히 연관된 헬멧-마운트 디지털 디스플레이 시스템에 디스플레이되고 있는 공간-안정화된 심볼의 위치를 결정할 때에 알려질 수 있다. 본 발명의 방법에 따르면, 물체의 배향이 소스 센서 데이터의 유효 시점에 앞서 어떤 시간에 예측될 수 있을 뿐만 아니라 - 디지털 디스플레이 시스템의 유용한 특징임 -, 하지만 이러한 예측을 수행하는 기능성이, 추적기 시스템에 의해 출력되는 데이터의 품질에 대한 버페팅의 영향을, 물체에 대한 그리고 추적기 시스템 센서에 대한 버페팅의 검출된 심각도에 따라서 감소시키도록 동적으로 구성될 수 있다. 이러한 방법은, 물체의 배향을 결정하기 위하여 사용되는 것과 동일한 소스 데이터를 사용하여, 임의의 버페팅의 심각도를 측정하기 위한 기능성을 포함한다.

Description

헬멧 추적기 버페팅 보상

본 발명은 대상물을 추적하는 것에 관한 것이고, 특히, 대상물의 배향을 결정하고 추적하는 것에 관한 것이지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 특히, 사용자가 착용하면 항공기와 같은 가동 플랫폼에서 또는 그 안에서 이동할 때에 버페팅 또는 이와 유사한 배향의 신속한 유도된 변화에 노출될 수 있는 헬멧 또는 다른 신체-착용 디바이스의 배향을 결정하고 추적하는 데에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은, 디스플레이 내에 디스플레이 아티팩트를 포지셔닝하는 데에 사용하기 위한 헤드 또는 헬멧 배향 데이터를 제공하도록, 이러한 추적 시스템을 내장하는 헤드 또는 헬멧-마운트 디스플레이 시스템에까지 확장된다.

디스플레이 내의 심볼 또는 다른 아티팩트의 위치가 가동 기준 프레임에 대한, 예를 들어 콕핏 또는 항공기 내의 다른 내부 지역 또는 지상 차량 또는 다른 타입의 차량 내의 운전자의 위치 또는 다른 위치에 대한 사용자의 머리의 배향에 따라서 결정되는 헬멧 또는 헬멧 내의 헤드 추적기 시스템 또는 헤드-마운트 디스플레이 시스템을 포함하는 것이 알려져 있다.

다양한 상이한 센서 기술을 사용하는 상이한 타입의 다양한 추적기 시스템이 알려져 있다. 예를 들어, Proc. SPIE 8735, Head- and Helmet-Mounted Displays XVIII: Design and Applications, 873502 (May 16, 2013)은 헤드 및 헬멧-마운트 디스플레이와 함께 사용되기 위한 하이브리드 광학/관성 헬멧 추적기 시스템을 기술한다. 전자기 기법을 사용하는 헬멧 추적기의 일 예는 에서 구할 수 있는 White Paper entitled 'Accuracy and Resolution in Electromagnetic 6 Degree-of-freedom (6DOF) Measurement Systems', APB 8500-001A에 기술되는 Polhemus® Inc에서부터 구할 수 있다. 그러나, 공지된 추적기 시스템은 일반적으로, 공간-안정화된 심볼 또는 다른 아티팩트, 즉 원거리 머리의 움직임에도 불구하고 외부에서 보이는 점 또는 객체와 정렬되어, 공간의 원거리뷰 내에 고정되도록 디스플레이의 사용자에게 나타나는 심볼을 디스플레이 내에서 생성하고 포지셔닝하기 위해서 사용될 수 있는 배향 데이터를 공급하기 위해서, 연관된 추적 시스템에 의존하는 머리 또는 헬멧-마운트 디지털 디스플레이 시스템의 특정한 필요성 중 일부를 예견하지 못한다. 특히, 공지된 추적기 시스템은 항공기에서 발생할 것으로 알려진 특정한 동작 상태, 예컨대 버페팅(buffeting)에 대해 탄력적이지 않다.

본 발명은 그 다양한 양태에서 첨부된 청구 범위에서 규정된다. 특히, 본 발명의 제 1 양태에 따르면, 물체의 배향을 결정하기 위한 추적기 시스템으로서,

상기 물체와 연관되고, 상기 물체의 배향의 변화 레이트의 사이클릭 표시를 제공하는 레이트 데이터를 출력하도록 구성되는 센서 장치;

상기 센서 장치에 의해 출력된 레이트 데이터를 수신하고, 수신된 레이트 데이터의 유효 시점(time point of validity)에 앞서 미리 결정된 예측 기간에 상기 수신된 레이트 데이터로부터 상기 물체의 배향을 결정하도록 구성되는 예측기 컴포넌트;

상기 센서 장치로부터 출력된 레이트 데이터를 수신하고, 상기 물체에 대한 버페팅 심각도의 측정치를 수신된 레이트 데이터로부터 결정하도록 구성되는 버페팅(buffeting) 측정 컴포넌트; 및

상기 버페팅 측정 컴포넌트에 의해 결정된 버페팅 심각도의 결정된 측정치를 보상하도록, 상기 예측기 컴포넌트의 동작을 조절하도록 구성되는 버페팅 보상 컴포넌트를 포함하는, 추적기 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 본 발명은 사용자 시스템에 의한 물체의 배향의 변화에 응답하는 데에 존재하는 레이턴시를 극복하도록 도울 수 있을 뿐만 아니라, 공지된 추적기 시스템의 성능에 잠재적으로 악영향을 미칠 버페팅 또는 추적된 물체의 다른 유도된 신속한 변화의 특정 동작 상태를 검출하고, 그들의 영향을 감소시키도록 추적기 동작을 수정할 수 있다.

특히, 본 발명은 물체의 배향을 결정하기 위하여 예측기 컴포넌트에 의해 사용되는 것과 동일한 소스 배향 변화 레이트 데이터를 사용하여, 버페팅의 존재 및 심각도를 검출할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 상기 버페팅 측정 컴포넌트는, 2-스테이지 필터링 프로세스를 사용하여 버페팅 심각도의 측정치를 계산하도록 구성되고,

상기 2-스테이지 필터링 프로세스의 제 1 스테이지에서, 레이트 데이터의 각각의 새로운 인스턴스가 상기 센서 장치로부터 수신되면, 이전에 수신된 레이트 데이터의 가중 평균과 수신된 레이트 데이터의 중간-이력(mid-history) 인스턴스 사이의 차이가 결정되고,

상기 2-스테이지 필터링 프로세스의 제 2 스테이지에서, 상기 레이트 데이터의 새로운 인스턴스에 대한 상기 버페팅 심각도의 측정치는, 이전에 결정된 차이들의 가중 평균과 중간-이력으로서 결정된 차이(mid-history determined difference) 사이의 차이로서 결정된다.

예시적인 실시예에서, 상기 가중 평균은 수신된 레이트 데이터의 이력에 걸쳐서 적용되는 대칭적 가중치 프로파일을 사용하여 결정된다. 예를 들어, 대칭적 가중치 프로파일은 하프-사인-파 프로파일 또는 균일한 가중치의 프로파일을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 버페팅 측정 컴포넌트는, 균일한 가중치를 가지는 저역-통과 필터를 버페팅 심각도의 상기 결정된 측정에 적용하도록 구성되는 제 3 필터 스테이지를 더 포함한다.

예시적인 실시예에서, 상기 예측기 컴포넌트는, 상기 센서 장치로부터 레이트 데이터의 새로운 인스턴스가 수신되면,

상기 레이트 데이터의 새로운 인스턴스의 유효 시점에 앞서 추정 시간 기간 동안에 상기 물체의 배향의 평균 변화 레이트를 추정하고,

상기 물체의 배향의 변화의 추정을 제공하도록, 추정된 평균 변화 레이트를 적분 기간에 걸쳐 적분하며,

상기 물체의 예측된 배향을 제공하도록, 상기 배향의 추정된 변화를 상기 레이트 데이터의 수신된 새로운 인스턴스를 적분함으로써 결정된 배향에 가산하도록 구성된다.

버페팅 보상 컴포넌트는, 상기 예측기 컴포넌트의 추정 기간 및 적분 기간 중 적어도 하나를 상기 버페팅 심각도의 결정된 측정에 따라 조절하도록 구성될 수 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 상기 추적기 시스템은, 상기 예측기 컴포넌트에 의한 출력을 수신하고, 수신된 출력에 조절가능한 레이턴시를 가진 유한 임펄스 응답 필터를 적용하도록 구성되는 출력 필터 컴포넌트를 더 포함하고, 상기 버페팅 보상 컴포넌트는 적용된 유한 임펄스 응답 필터의 레이턴시를 상기 버페팅 심각도의 결정된 측정에 따라서 조절하도록 더욱 구성된다. 출력 필터는, 예를 들어 해닝 유한 임펄스 응답 필터를 구현할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 상기 물체는, 상기 관성 센서 장치가 부착되는 헤드 또는 헬멧 또는 다른 신체-착용 아이템이고, 상기 센서 장치는 상기 헤드 또는 헬멧 또는 다른 신체-착용 아이템의 배향의 변화 레이트를 나타내는 레이트 데이터를 결정하고 출력하도록 구성된다.

본 발명의 제 2 양태에 따르면, 물체의 배향을 결정하기 위한 컴퓨터-구현 방법으로서,

(i) 상기 물체와 연관된 센서 장치로부터, 상기 물체의 배향의 변화 레이트의 사이클릭 표시를 제공하는 레이트 데이터를 수신하는 단계;

(ii) 여러 사이클에 걸쳐서 수신된 레이트 데이터로부터, 상기 물체에 대한 버페팅 심각도의 측정치를 결정하는 단계; 및

(iii) 수신된 레이트 데이터로부터, 구성가능한 예측 프로세스를 사용하여, 수신된 레이트 데이터의 유효 시점 보다 앞서는 미리 결정된 예측 기간에서 상기 물체의 배향을 예측하는 단계를 포함하고,

버페팅 심각도의 결정된 측정치는, 상기 구성가능한 예측 프로세스 내의 하나 이상의 동작 파라미터를 결정하는, 컴퓨터-구현 방법이 제공된다.

본 발명의 방법의 예시적인 실시예에서, 단계 (ii)에서, 상기 버페팅 심각도의 측정치는, 2-스테이지 필터링 프로세스를 사용하여 결정되고,

상기 2-스테이지 필터링 프로세스의 제 1 스테이지에서, 단계 (i)에서 레이트 데이터의 각각의 새로운 인스턴스가 상기 센서 장치로부터 수신되면, 이전에 수신된 레이트 데이터의 가중 평균과 수신된 레이트 데이터의 중간-이력(mid-history) 인스턴스 사이의 차이가 결정되고,

상기 2-스테이지 필터링 프로세스의 제 2 스테이지에서, 상기 레이트 데이터의 새로운 인스턴스에 대한 버페팅 심각도의 측정치는, 이전에 결정된 차이들의 가중 평균과 중간-이력으로서 결정된 차이(mid-history determined difference) 사이의 차이로서 결정된다.

상기 가중 평균은 수신된 레이트 데이터의 이력에 걸쳐서 적용되는 대칭적 가중치 프로파일을 사용하여 결정될 수 있다. 대칭적 가중치 프로파일은, 예를 들어 하프-사인-파 프로파일 또는 균일한 가중치의 프로파일을 포함할 수 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 상기 단계 (ii)는, 균일한 가중치를 가지는 저역-통과 필터를 상기 버페팅 심각도의 결정된 측정에 적용하는 것을 더 포함한다.

예시적인 실시예에서, 상기 구성가능한 예측 프로세스는, 단계 (i)에서 상기 센서 장치로부터 레이트 데이터의 새로운 인스턴스가 수신되면,

상기 레이트 데이터의 수신된 새로운 인스턴스의 유효 시점에 앞서 추정 시간 기간 동안에 상기 물체의 배향의 평균 변화 레이트를 추정하는 것,

상기 물체의 배향의 변화의 추정을 제공하도록, 상기 추정된 평균 변화 레이트를 적분 기간에 걸쳐 적분하는 것, 및

상기 물체의 예측된 배향을 제공하도록, 상기 배향의 추정된 변화를 상기 레이트 데이터의 수신된 새로운 인스턴스를 적분함으로써 결정된 배향에 가산하는 것을 포함한다.

바람직하게는, 단계 (iii)에서, 상기 구성가능한 예측 프로세스의 추정 기간 및 적분 기간 중 적어도 하나는 상기 버페팅 심각도의 결정된 측정에 따라 조절된다.

예시적인 실시예에서, 본 발명의 방법은, 조절가능한 레이턴시를 가지는 유한 임펄스 응답 필터를 상기 예측기 컴포넌트의 출력에 적용하는 단계를 더 포함하고, 상기 유한 임펄스 응답 필터의 레이턴시는 상기 버페팅 심각도의 결정된 측정에 따라서 조절된다. 적용된 필터는, 예를 들어 해닝 유한 임펄스 응답 필터이다.

본 발명의 제 3 양태에 따르면, 공간-안정화된 심볼 또는 다른 공간-안정화된 디스플레이 아티팩트를 디스플레이하도록 구성되는 헤드 또는 헬멧-마운트 디지털 디스플레이 디바이스로서,

본 발명의 제 1 양태에 따르는, 상기 헤드 또는 헬멧의 배향을 결정하기 위한 추적기 시스템을 포함하고,

상기 물체는 상기 헤드 또는 헬멧-마운트 디스플레이가 탑재되는 헤드 또는 헬멧이며,

미리 결정된 예측 기간은, 상기 추적기 시스템에 의한 예측된 배향의 출력에 의해 표시되는 상기 헤드 또는 헬멧의 배향을 고려하도록, 상기 디스플레이 디바이스에 의해 포지셔닝된 공간-안정화된 심볼 또는 다른 공간-안정화된 디스플레이 아티팩트를 디스플레이하는 예상된 시간에 대응하는, 헤드 또는 헬멧-마운트 디지털 디스플레이 디바이스가 제공된다.

본 발명의 제 4 양태에 따르면, 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 디지털 프로세서에 설치되고 실행되면 본 발명의 제 2 양태에 따르는 방법 단계를 구현하도록 구성되는 소프트웨어 코드 수단 또는 상기 소프트웨어 코드 수단에 액세스하기 위한 수단을 저장하는 데이터 캐리어를 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.

본 발명의 제 4 양태에 따르면, 본 발명의 제 2 양태에 따르는 방법 단계를 구현하도록 프로그램되는 디지털 프로세서가 제공된다.

이제, 본 발명의 예시적인 시예들이 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다:
도 1 은 본 발명의 예시적인 실시예를 포함하기에 적합한 헬멧 추적기 시스템에 대한 기능성 아키텍처를 도시한다;
도 2 는 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 사이클릭 추적 프로세스에 대한 예시적인 타이밍을 보여준다;
도 3 은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 보완 피쳐를 포함하는, 도 1 의 기능성 아키텍처의 일부를 더 상세히 도시한다; 그리고
도 4 는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 헬멧 추적기 시스템을 구현하기에 적합한 컴포넌트가 있는 헬멧의 구현예를 도시한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 시스템은, 짧은 기간 내에 물체의 배향에 높고 변동하는 유도된 변화 레이트를 수반하는 버페팅 또는 다른 효과의 영향을 고려하면서, 물체의 배향을 결정하고 모니터링하도록 구성된다. 물체의 배향은, 관성 공간 내에서 또는 물체가 여행하고 있거나 그렇지 않으면 연관되는 가동 플랫폼에 대해서 결정될 수 있다. 물체는, 물체와 가동 플랫폼의 상대 레이트의 크기가 플랫폼에 대한 물체의 배향을 결정하는 시점에서 실질적으로 제로인 경우에, 가동 플랫폼과 연관된다고 간주될 수 있다. 본 발명의 실시예는 항공기의 파일럿의 헬멧과 함께 사용되기 위한 헬멧 추적기 시스템의 예시적인 콘텍스트에서 이하 후술될 것이다. 좀 더 자세하게 설명하면, 본 발명의 실시예는, 이러한 헬멧 추적기 시스템이 헬멧-마운트 디스플레이 시스템과 연관되어 사용되는 경우의 콘텍스트에서 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 가동 플랫폼과 연관된 다른 타입의 물체의 배향을 추적하는 데에도 적용될 수 있다.

후속 설명은 본 발명의 실시예를 내장하는 헬멧 추적기 시스템의 동작에 내재된 원리를 설명하도록 설계된 논리적 시스템 아키텍처에 관한 것이다. 헬멧 추적기 시스템이, 시스템의 기능성 컴포넌트가 후술될 논리적 순차적인 아키텍처 내의 기능성 컴포넌트와 다르게 결합되고 분산될 수 있는, 물체-배향 데이터 처리 아키텍처를 사용하여 구현될 수도 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 그러나, 동작 원리는 실질적으로 변하지 않은 상태로 남아있을 것이고, 후속 설명은 적어도, 선택되는 어떠한 데이터 처리 아키텍처에서도 이러한 기능들이 구현되게 하기 위한 상세한 요건을 특정하는 역할을 할 수 있다.

후속하는 설명을 위하여, 다음의 관례와 용어가 축과 회전을 명명하기 위해 취해질 것이다. 축들은 'x', 'y' 및 'z'로 명명될 것이고 회전각은 ψ, θ 및 φ로 명명될 것이다. 여기에서 회전각은 오일러 각도로 규정된다: ψ는 방위각(Azimuth angle)이고; θ는 상하각(Elevation angle)이며; φ 는 롤링각(Roll angle)이다. 여기에서 축들과 회전은 항공 축들(Avionic Axes)에 대해서 규정되고, 다음의 관례가 적용될 것이다:

축들은 가동 물체(예를 들어 헬멧 또는 항공기)의 원점 O에 대해서 규정되고, 원점 O 및 축들의 방향은 통상적으로 기계적인 기준들에 따라서 규정된다;

+x는 전진 방향이다;

+y는 우측이다;

+z는 하향이다;

+ψ는 +z 방향 중심의 시계방향 회전('요')이다;

+ θ는 +y 방향 중심의 시계방향 회전('피치')이다;

+ φ는 +x 방향 중심의 시계방향 회전('롤')이다.

편의상, 주어진 기준 프레임에 대한 추적된 물체 또는 헬멧의 배향 및 가동 플랫폼 또는 항공기의 배향은 사원법(quaternions)을 사용하여 규정될 것이다.

통상적인 머리 또는 헬멧-마운트 디스플레이 시스템에서, 도파관 디스플레이 또는 차양 투영 디스플레이 장치가 제공된다; 이들은 사용자의 한쪽 눈 또는 양쪽 눈이 볼 수 있는 이미지를 생성한다. 이러한 이미지는 통상적으로, 그렇지 않으면 투명 도파관 또는 차양을 통해서 볼 수 있었을 외부 장면 상에 오버레이된 상태로 보이도록 디스플레이되는 심볼 또는 다른 디스플레이 아티팩트의 형태를 가지는데, 도파관 또는 차양은 결합기로서의 역할을 한다. 심볼 또는 다른 디스플레이 아티팩트는, 미리 결정된 심볼 세트(symbology set) 내의 흑백 심볼, 데이터 또는 다른 텍스트 정보로부터 밤시간 동안 야간 카메라에 의해 제공되는 외부 장면에 대해서 제공되는 풀컬러 비디오 이미지 또는 뷰까지 어느 것이든지 포함할 수 있다.

헬멧-마운트 디스플레이 내에 심볼을 포지셔닝할 때에 헬멧 배향을 고려해야 하는 두 가지 특정한 상황들이 존재한다: 이것은 항공기의 중심선에 기하학적으로 정렬된 가상 헤드업 디스플레이의 심볼을 디스플레이하는 것; 및 지구에 대해서 고정된 위치에 있으며 항공기 밖에서 보이는 지상 설치 물체 또는 다른 물체와 고정된 정렬 상태로 나타나도록 심볼을 디스플레이하는 것이다. 각각의 경우에, 항공기에 대한 헬멧 그리고 지구에 대한 항공기의 중 하나 또는 양자 모두의 배향은 변하는 중일 수 있고, 이들 중 전자가 빨리 변할 수 있다. 특히, 헬멧 및 따라서 추적기 시스템 센서는, 버페팅의 기간에 노출될 수 있는데, 이것은 이러한 기간 동안에 공지된 추적기 시스템의 기능을 현저하게 훼손시킬 수 있다.

관성 센서 기술, 비-관성 센서 기술 또는 관성 및 비-관성 센서 기술의 혼합에 기초한 다양한 머리 또는 헬멧 또는 헬멧 추적 시스템이 알려져 있다. 예를 들어, 항공기 또는 다른 타입의 밀폐된 공간에서 사용되기 위한 헬멧 추적기 시스템에서, 헬멧에 탑재된 적외선 광-방출 다이오드(LED) 및 주변 콕핏 또는 캐빈 내의 알려진 위치에 탑재된 카메라의 어레이의 고정된 배치를 포함하는 광학 추적기 시스템이 사용될 수 있다. 헬멧 배향은, 정규 펄스 사이클에서 제어된 패턴으로 LED에 급전하고 헬멧 LED의 카메라 이미지를 처리함으로써 추적될 수 있다. 각각의 펄스 사이클은 헬멧 배향을 결정할 독립적인 기회를 제공한다.

센서 및 송신기의 조합을 포함하는 전자기 추적기 장치 또는 음향 추적기 장치를 이러한 구속된 공간 내에서 사용하는 것도 역시 알려져 있는데, 송신기는 헬멧에 탑재되고 센서는 공간 내의 고정된 위치에 있거나 그 반대이다.

광학 또는 균등한 비-관성 추적기 시스템이 디스플레이 시스템과 함께 사용되는 경우의 하나의 단점은 헬멧 배향에 대한 레이턴시를 결정하는 데에 내재적인 레이턴시가 존재한다는 것이다. 이러한 레이턴시가 연관된 디스플레이 시스템 내에서 심볼 위치를 조절하는 데에 존재하는 임의의 내재적 레이턴시와 결합되어, 헬멧 배향의 결정된 변화에 대한 전체 시스템 응답 때문에 조종사에게 멀미가 생길 수 있다. 이것은, 머리의 움직임에 따라서, 일부 외부 기준 점에 대해 고정되도록 나타나야 하는 디스플레이된 심볼이 실질적으로 동시적이고 대응하는 이동을 하지 않을 경우에 발생한다. 이러한 응용예에서 레이턴시를 최소화하려는 여러 시도가 이루어진 결과, 헬멧에 탑재될 수 있을만큼 충분히 작인 소형 관성 센서를 사용되는데, 이것은 가속도계, 틸트 센서 또는 소형 자이로스코픽 센서일 수 있고, 두 개 또는 세 개의 이러한 센서가 각각의 직교 축들('자이로 축들')과 정렬된 상태이다. 관성 센서는 광학, 자기 또는 음향 센서보다 배향의 변화 레이트를 나타내는 데이터를 더 빨리 생성할 수 있고, 예를 들어 배향의 변화를 나타낼 수 있다. 그러나, 헬멧-탑재용으로 적합한 타입의 소형 관성 센서는, 변동하는 바이어스 오차, 노이즈 또는, 예를 들어 헬멧에 부정확하게 탑재되거나 제작 시에 자이로 축들이 비-직교성을 가지기 때문에 발생하는 다른 타입의 '설치' 또는 '오정렬' 오차에 노출되는 배향 레이트 데이터를 출력할 수 있다.

헬멧의 관성 센서를 비-관성 헬멧 배향 센서 시스템과 결합하고 두 개의 소스로부터의 데이터를 하나의 프로세스에서 결합하여 관성 센서 레이트 데이터에 대한 정정을 계산하고 적용시키는 기술이 알려져 있다. 그러면, 관성 센서 측정치로부터 헬멧 배향을 계산할 때의 오차가 누적되는 것이 방지되는 것을 도울 수 있다.

본 발명에서, 특히 헬멧-마운트 디스플레이 시스템에 적합하고, 헬멧 이동 센서 시스템으로부터 얻어지는 데이터 품질 및 헬멧 버페팅 및 연관된 디스플레이 시스템 내의 레이턴시의 영향의 문제점을 해결하는 하이브리드 헬멧 추적기 시스템이 고안되었다.

본 발명의 하이브리드 추적기 시스템은 헬멧에 탑재된 관성 센서를 광학 헬멧 추적기 시스템과 결합한다. 이러한 소스들로부터 출력된 데이터를 신규하고 진보적인 방식으로 처리하여, 관성 기준 프레임, 또는 '세계 축들'에 대한 헬멧 배향, 및 항공기 또는 사용자가 조종하고 있을 수 있거나 그렇지 않으면 사용자가 그 안에서 운전하고 있을 수 있는 다른 타입의 육지 또는 해양 탈 것과 같은 가동 기준 프레임에 대한 헬멧 배향을 결정하기 위하여 여러 처리 컴포넌트들이 제공된다. 더욱이, 헬멧 배향은, 헬멧 버페팅의 영향을 최소화하면서, 헬멧 배향의 변화에 응답할 때, 연관된 헬멧-마운트 디스플레이 시스템 내에 디스플레이된 가상 아이템의 위치를 조절하는 데에 발생하는 지연을 실질적으로 제거하는 방식으로 결정된다.

후속 설명에서, 데이터 변수는 다음 명명 구조에 따라서 명명될 것이다

<처리><추적된 프레임><데이터 타입> _{<데이터 소스>} <기준 프레임>

여기에서:

<처리>는 데이터에 적용되는 임의의 사전-처리를 규정하는데, 특히

'f' -는 데이터가 공지되거나 규정된 필터링 기법을 사용하여 필터링된다는 것을 나타낸다; 그리고

'i' -는 데이터가 각각의 변수의 두 개의 연속 측정들로부터 유도된, 보간된 값을 포함한다는 것을 나타낸다;

<추적된 프레임>은 추적되는 중인 축들의 프레임이며 이러한 데이터가 관련되는 프레임을 지정하는 대문자를 포함하고,

'H' - 헬멧 외피(Helmet Shell)(헬멧-참조 축들),

'G' - 헬멧-마운트 자이로(자이로 축들), 및

'A' - 항공기(항공기-참조 축들)를 포함하며;

<데이터 타입>은 적용가능한 변화의 '레이트'를 규정하는 데이터를 지정하기 위해 사용된다;

<데이터 소스>는 데이터의 가장 최근의 기원, 즉 데이터가 생성되는 센서 시스템 또는 처리 스테이지를 규정하는, 아래첨자와 같은 소문자이고

'o' - 광학 헬멧 추적기,

'g' - 헬멧-마운트 자이로, 및

'c' - 자이로 데이터 정정기를 포함한다; 그리고

<기준 프레임>은 데이터가 추적된 프레임의 배향을 규정하는 대상이 되는 기준 프레임을 규정하고

'W' - '세계 축들' 또는 '관성 공간'이라고도 불리는 관성 기준 프레임의 축들이고,

'A' - 항공기에 고정된 축들을 포함한다.

코어 컴포넌트의 개관

본 발명의 하이브리드 헬멧 추적기 시스템, 또는 그 안에 본 발명에 통합될 수 있는 예시적인 일 실시예의 코어 컴포넌트 및 기능성이 이제 도 1 을 참조하여 개략적으로 설명될 것이다. 편의상, 정의된 축들에 대한 추적된 엔티티의 배향은 달리 특정되지 않는 한 사원법으로 표현될 것이다.

도 1 을 참조하면, 논리적 아키텍처는 기능성 관점에서, 호스트 항공기에 대한 헬멧 배향을 결정하기 위한 하이브리드 헬멧 추적기 시스템(1)의 코어 컴포넌트의 세트를 도시한다. 이러한 응용예에서, 하이브리드 헬멧 추적기 시스템(1)은 3 개의 소스로부터의 센서 데이터를 사용한다.

- 헬멧-마운트 관성 센서 - 헬멧-마운트 자이로(5) -는, 3 개의 공칭적으로 직교하는 자이로 축들의 각각의 하나와 각각 연관되는 3 개의 소형 자이로스코프(자이로), 예를 들어 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 자이로를 포함한다. 각각의 자이로는, 자신의 각각의 자이로 축을 따라 결정되는, 헬멧-마운트 자이로(5)의 시스템의 관성 공간 내에서의 배향의 변화 레이트를 감지할 수 있다. 시스템(5)은 레이트 벡터 GRate _g 를 수 킬로헤르쯔의 주파수에서 생성하는데, 그 성분들은 개개의 자이로에 의해서 그들의 각각의 자이로 축들 주위에서 감지된 자이로 시스템(5)의 배향의 변화 레이트를 규정한다.

- 광학 헬멧 추적기 시스템(10)은 헬멧에 그리고 항공기의 콕핏 내에 탑재되어 헬멧의 배향 H _o A, 즉 항공기 축들에 대한 헬멧-참조 축들의 세트의 배향을 결정하고, 결정된 헬멧 배향을 나타내는 데이터를 통상적으로 180Hz의 주파수에서 출력하는 컴포넌트를 포함한다.

- 비록 본 발명의 하이브리드 헬멧 추적기(1)의 컴포넌트는 아니지만, 항공기 네비게이션 시스템(15)은 통상적으로 레이저 자이로스코프를 사용하는 관성 센서 시스템에 기초한다. 항공기 네비게이션 시스템(15)은, 항공기의 배향, 특히 통상적으로 '국지 레벨 북쪽(local level north)'을 가리키는 기준 프레임인 네비게이션 기준 프레임에 대한 항공기-참조 축들의 세트의 배향을 규정하는 데이터를 가끔씩(통상적으로 20ms 내지 90ms 마다 한 번씩) 출력한다. 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 항공기 네비게이션 시스템(15)에 의해 출력되는 항공기 배향 데이터는 하이브리드 헬멧 추적기(1)에 의해 수신되고 관성 기준 프레임에 대한 항공기 배향 AW의 측정으로서 사용될 수 있다. 후속하는 설명으로 분명히 이해될 수 있는 바와 같이, 지구 자전과 지면 위에서의 항공기의 이동에 기인한, 네비게이션 프레임과 관성 기준 프레임의 정렬의 변동은, 이러한 데이터가 본 발명에서 사용되는 시간 기간 동안에는 유효하게 무시될 수 있다.

통상적인 항공기 네비게이션 시스템(15)은, 하나의 예가 항공기 내에 제공되는 MIL-STD-1553B인 표준 데이터 버스로의 인터페이스를 가지고, 이러한 데이터 버스를 거쳐 데이터를 출력한다. 항공기 네비게이션 시스템(15)은 항공기 배향 AW의 업데이트된 측정을 이러한 데이터 버스를 통해 출력하여, 이러한 측정을 요구하는 설치된 모든 항공기 시스템에 의해 이러한 측정이 수신될 수 있게 한다. 특히, 하이브리드 헬멧 추적기(1)는 표준 데이터 버스에 연결되어, 추적기가 업데이트된 항공기 배향 데이터를 항공기 네비게이션 시스템(15)으로부터 수신할 수 있게 할 수 있다. 그러나, 관성 기준 프레임에 대한 항공기 배향을 규정하는 데이터의 대체 소스로서, 관성 공간에서의 항공기 배향을 결정할 수 있는 관성 또는 다른 타입의 센서 장치가 하이브리드 추적기 시스템(1)에 의해 사용되도록 항공기 내에 탑재될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 헬멧 배향은, 연관된 디지털 헬멧-마운트 디스플레이에 디스플레이되는 중인 헬멧 배향이 변하는 것에 따라 특정 타입의 심볼을 리포지셔닝해야 하는 필요성에 대응하여 순환적으로 결정된다. '추적기 사이클'이라고 불릴 각각의 사이클 동안에 헬멧-마운트 자이로(5)에 의해 공급되는 데이터로부터 헬멧 배향이 결정되고, 그러한 관성 센서 데이터에 있는 임의의 오차는 우선적으로, 데이터 버스를 통해 수신된 항공기 배향 데이터와 조합된 광학 헬멧 추적기(10)에 의해 공급되는 데이터를 참조하여 정정된다. 편의상, 추적기 사이클의 지속기간은 연속적인 이미지가 연관된 디지털 디스플레이에서 리프레시되는 사이의 기간에 매칭되도록 구현될 수 있지만, 반드시 그래야 하는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들에서, 관성 센서 데이터에 대한 정정을 결정할 때에, 예를 들어 공통 기준 프레임, 즉, 본 명세서에서 '관성 공간' 또는 '세계 축들'이라고도 불리는 관성 기준 프레임에 대해 참조된, 상이한 연관된 센서 시스템(5, 10)에 의해 감지되는 것처럼 헬멧의 배향을 규정하는 데이터를 가지고 작업을 하는 것이 편하다는 것이 발견되었다. 헬멧-마운트 자이로(5)에 의해 출력되는 데이터는 관성 공간에서의 자이로의 운동에 관련되는 반면에, 광학 헬멧 추적기(10)에 의해 출력되는 데이터는 항공기에 고정된 기준 프레임에 대한 헬멧의 운동을 규정한다. 그러므로, 광학 헬멧 추적기(10)로부터의 항공기-참조 데이터를 관성 공간과 관련시키는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 위하여, 항공기에 대한 사원법으로 표현되는 헬멧 배향 H _o A의 측정을 광학 헬멧 추적기(10)로부터 수신하고 이것을 항공기 네비게이션 시스템(15)으로부터 표준 버스를 거쳐 수신된 항공기 배향 AW를 사용하여 관성 기준 프레임에 대한 유도된 헬멧 배향으로 사원법에 의해 변환하기 위한 변환 컴포넌트(20)가 제공된다.

광학 헬멧 추적기(10)가 항공기 네비게이션 시스템(15) 또는 헬멧-마운트 자이로(5)의 시스템에 의해 사용되는 것에 대한 배향을 규정하기 위해서 상이한 관례를 사용한다면, 변환 컴포넌트(20)도 다른 두 개의 센서 시스템(5, 15)에 의해 사용되는 것과 동일한 관례를 사용하여 헬멧 배향을 표현하기 위해서, 광학 헬멧 추적기(10)의 출력을 변환하도록 구현된다.

또한 편의상, 헬멧-마운트 자이로(5)로부터의 변화 레이트 데이터를 광학 헬멧 추적기(10)로부터의 데이터와 결합하는 후속 데이터 처리를 위하여, 광학으로-감지된 배향 측정 H _o W를 '미분'하여 미리 결정된 시간 간격 동안의, '유도된 물체 배향 레이트 공간' 또는, 헬멧 추적기의 경우에는 '유도된 헬멧 배향 레이트 공간' 내의 한 점을 나타내는 배향 벡터의 변화 레이트 HRate _o 를 제공하도록 레이트 계산 컴포넌트(25)가 제공된다. 즉, 레이트 벡터 HRate _o 의 성분들은 물체-참조 또는 헬멧-참조 축들을 따라 결정된, 관성 공간에서의 헬멧 배향의 유도된 광학으로-감지된 변화 레이트를 규정한다. 이상적인 구현예에서, 헬멧-마운트 자이로(3)의 축들은 헬멧-참조 축들과 실질적으로 정렬된다. 그러나, 실제로는, 정렬의 차이 또는 다른 설치와 관련된 오차 또는 제조 오차가 있을 수 있다.

설치 또는 제조시에 발생되는 오차 외에, 헬멧에 탑재되기에 적합한 타입의 소형 자이로에 의해 출력된 레이트 데이터는, 주어진 헬멧 운동에 대한, 또는 심지어 자이로들이 정지된 때의 일련의 레이트 벡터 GRate _g 에 걸쳐 출력된 레이트 측정 내의 분포(distribution)에 의해 특징지어지는 '노이즈'에 노출될 수 있다. 헬멧 마운트 자이로(5)로부터 수신된 레이트 데이터 및 광학 헬멧 추적기(10)에 의한 측정으로부터 유도된(25) 레이트 데이터에 다양한 필터링 기법을 적용하여 노이즈의 영향을 감소시키기 위하여, 추가적 데이터 필터링 컴포넌트가 역시 포함될 수 있다(도 1 에는 명백하게 도시되지 않음).

더 심각하게도, 개개의 자이로로부터 출력된 레이트 데이터는 통상적으로 약 0.1˚/min 이상의 편향 오차를 포함할 수도 있는데, 이러한 오차도 역시, 예를 들어 자이로의 온도가 변함에 따라 변해서, 정정되지 않는 다면 헬멧의 결정된 배향에 누적 오차가 생기게 할 수 있다.

이러한 이유 때문에, 자이로 레이트 데이터에 대한 정정이 계산될 수 있는 데이터를 제공하기 위하여, 비-관성 센서 장치를 포함하는 것이 역시 알려져 있다 - 본 발명의 예시적인 실시예에서, 광학 헬멧 추적기(10)가 이러한 비-관성 센서 장치를 제공함 -.

필터링된 HRate _o 레이트 벡터 및 대응하는 필터링된 GRate 자이로 레이트 벡터를 헬멧-마운트 자이로(5)로부터 수신하고, 자이로 레이트 데이터 내의 임의의 설치 또는 제조-관련 오차에 대한 정정을 결정하기 위하여, 처리 컴포넌트 - 자이로 정정 계산 컴포넌트(30) -가 제공된다. 구체적으로 설명하면, 이러한 오차는: 헬멧-마운트 자이로 시스템(5)을 헬멧에 설치하는 동안의 자이로 축들과 헬멧-참조 축들의 정렬 오차; 자이로 축들의 비-직교성의 오차; 및 자이로 축들과 나란한 레이트 측정의 상대적인 스케일링에 기인한 오차를 포함할 수 있다. 또한, 자이로 정정 계산 컴포넌트(30)가 편향에 대한 정정을 결정하도록 구현된다.

그러면, 결정된 정정이 해당 추적기 사이클에 대하여 자이로 정정 적용 컴포넌트(35)에 의해서, 헬멧-마운트 자이로(5)로부터 출력된 레이트 벡터 GRate _g 의 각각의 샘플로부터 유도된 레이트 벡터 GRate에 적용되어, 자이로 시스템(5)에 의해 감지된 이동을 헬멧의 실제 이동에 더 정확하게 관련시킨다. 그 결과는 헬멧-마운트 자이로(5)에 의해 감지되는 것과 같은, 헬멧의 배향의 변화 레이트의 완전히 정정된 측정이고, 벡터 HRate _c 로 표시된다.

(35)의 정정을 최근 관성 센서 데이터에 적용하여 결과적으로 완전히 정정된 레이트 벡터 HRate _c 를 얻은 뒤에, 관성 기준 프레임, 또는 세계 축들에 대한 헬멧 배향 HW의 측정이 적분기 컴포넌트(50)에서의 적분에 의해 결정된다. 필요하다면, 변환 컴포넌트(20)에 의해 출력되는, 관성 기준 프레임에 대한 유도된 헬멧 배향 H _o W는, 적분 오차를 정정하는 데에 사용되도록 적분기 컴포넌트(50)로 공급될 수 있다.

예측기 컴포넌트(55)는, 적분기(50)에 의해 결정되는 배향 HW의 유효 시간(time of validity)으로부터, 헬멧 배향이 미리 결정된 기간부터 미래까지- 예측 기간 T _p - 동안에 관성 기준 프레임에 대해 어떻게 변했을지를 결정하기 위하여 제공된다. 이러한 유효 시간은 해당 추적기 사이클에 대한 GRate 벡터의 유효 시점(time point of validity)이다. 예측기 컴포넌트(55)는 정정된 레이트 데이터 HRate _c 를 수신하고, 더 상세히 후술될 예측 기법을 적용하여, 예측 시간 기간 T _p 에 걸친 헬멧 배향의 변화를 헬멧 이동의 구성가능한 길이의 최근 이력을 고려하면서 결정한다. 예측기 컴포넌트(55)에 의해 결정된 변화는 합산 컴포넌트(60)에서 배향 HW에 가산되어, 세계 축들에 상대적인, 헬멧에 대한 예측된 배향 H _p W를 제공한다.

본 발명의 헬멧 추적기(1)에 예측기 컴포넌트(55)를 포함시킬 때 얻어지는 특별한 장점은, 헬멧의 이동을 나타내는 데이터를 헬멧-마운트 자이로(5)로부터 캡쳐하면서 시작되고 연관된 헬멧-마운트 디스플레이 시스템에 리포지셔닝된 심볼을 디스플레이하면서 끝나는 프로세스에 있는 총레이턴시를 예견할 수 있다는 것이다. 예측기 컴포넌트(55)는, 디스플레이 내에서 리포지셔닝되어야 하는 심볼이, 파일럿이 디스플레이에서 리포지셔닝된 심볼을 볼 수 있는 시간 - 예측 기간 T _p 의 끝 -에 기대되는 헬멧 배향을 고려할 수 있게 한다.

적분기 컴포넌트(50)는 예측기 컴포넌트(55)와 별개로 구현될 수도 있고, 또는 적분기 컴포넌트(50)는 편의에 따라서 예측기 컴포넌트(55)의 기능성의 일부로서 통합될 수도 있다.

디스플레이 시스템은, 세계 축들에 대한 예측된 헬멧 배향 H _p W를 사용하여, 해당 시간에 디스플레이를 통해 파일럿이 볼 수 있는 외부 장면에 있는 특정한 지상-참조된 피쳐 또는 포지션과 정렬되어야 하는 심볼을 디스플레이 내에 포지셔닝할 수 있다. 그러나, 공간 내에 고정된 가상 헤드-업 디스플레이(HUD) 내에서 심벌을 항공기의 내부의 파일럿의 뷰(시차가 발생할 수 있음)에 대하여(즉 항공기 축들에 대하여) 리포지셔닝할 수 있기 위해서, 항공기 네비게이션 시스템(15)에 의해 표준 항공기 데이터 버스를 통해서 공급되는 항공기 배향 AW의 최근 측정을 사용하여, 세계 축들에 대한 예측된 배향 H _p W를 항공기-참조 축들에 대한 예측된 헬멧 배향 H _p A로 변환하기 위하여 추가적인 변환 컴포넌트(65)가 제공된다. 항공기 네비게이션 시스템(15)에 의해 제공되는 항공기 배향 AW에 대한 업데이트의 출력에 존재하는 임의의 기대된 레이턴시는, 항공기-참조 축들에 대한 예측된 헬멧 배향 H _p A의 정확도에 큰 영향을 미치지 않을 것이라는 것이 발견되었다.

연관된 디스플레이 시스템 또는 결정된 헬멧 배향 데이터의 다른 사용자의 요구를 지원하기 위하여, 하이브리드 헬멧 추적기 시스템(1)의 추적기 사이클 주기가 편리하게 선택된다. 디지털 헬멧-마운트 디스플레이 시스템의 특정한 예에서, 디스플레이 내의 심볼의 위치를 20ms 미만의 시간 기간 내에 업데이트할 수 있다면 바람직한데, 실제로는 더 짧은 기간이 바람직하고, 그러면 디스플레이된 정보를 더 신속하게 업데이트할 수 있는 것뿐만 아니라 예측 기간 T _p 도 대응하여 감소하게 된다.

또한 편의상, 추적기 사이클 주기는 전술된 예에서 5.555ms인, 광학 헬멧 추적기(10)에 의한 헬멧 배향의 연속적인 측정들 사이의 기간에 대응하도록 선택될 수 있으며, 일반적으로 헬멧-마운트 자이로(5)보다 헬멧 이동에 대해 더 적게 반응한다. 그러나, 위에서 언급된 바와 같이, 추적기 사이클 주기는 반드시 광학 헬멧 추적기(10)의 성능에 연관될 필요는 없다. 대안적인 구성에서, 헬멧-마운트 자이로(5)에 의해 출력되는 데이터가 샘플링되는 레이트는 광학 헬멧 추적기(10)로부터 데이터가 이용가능해지는 레이트의 배수가 되도록 설정될 수 있으며, 추적기 사이클 주기도 대응하여 감소되게 한다.

특정 실시예에서, 헬멧-마운트 자이로(5)로부터 출력되는 데이터는, 예를 들어 180Hz로 샘플링될 수 있고, 광학 헬멧 추적기(10)는 더 느린 레이트, 예를 들어 60Hz에서 작동될 수 있는데, 이것은 연속적인 측정들 사이에 16.667ms의 기간이 된다. 편의상, 추적기 사이클 레이트(자이로 데이터가 샘플링되는 레이트)는 광학 헬멧 추적기(10)가 작동되는 레이트의 미리 결정된 배수가 돼야 한다.

추적기 사이클 레이트보다 더 느린 레이트에서 동작하는 동작 광학 헬멧 추적기(10)에는 적어도 두 개의 잠재적 이점들이 있다. 우선, 광학 헬멧 추적기(10)에 의해 방출되는 광 신호의 파워가 감소될 수 있고, 결과적으로 전력 소모가 절약된다. 둘째로, 이러한 광 신호는, 특히 야간 동작 시에는 외부 에이전시에 의해 쉽게 검출되지 않을 수 있다.

하이브리드 헬멧 추적기(1)의 추적기 사이클이 연관된 디스플레이 시스템의 디스플레이 사이클과 동기화되는 것이 일반적으로 바람직하다. 어떤 이유에 의해서 디스플레이 사이클이 추적기 사이클과 언제나 동기화되는 것은 아니라면, 출력 H _p W 및 H _p A 중 하나 또는 양자 모두를 연속적인 추적기 사이클들에 걸쳐서 보간하여 헬멧 배향을 디스플레이 시스템이 원하는 바에 적합한 어떤 다른 시점에 결정하기 위하여, 하드웨어 또는 소프트웨어-구현 컴포넌트가 하이브리드 헬멧 추적기 시스템(1)의 출력부에 포함될 수 있다. 그러면 예측기(55)가 안정한 예측 시간 T _p 에 따라 동작할 수 있도록 보장된다.

임의의 주어진 추적기 사이클에 대하여, 헬멧-마운트 자이로(5)로부터의 레이트 데이터의 샘플은 레이트 데이터의 측정 GRate를 제공하고, 이것은 이제 오차에 대한 최후에 계산된 정정을 사용하여 완전히 정정된다(35). 적분기(50) 및 예측기(55)는 레이트 데이터 HRate _c 를 사용하여 해당 추적기 사이클에 대한 헬멧 배향의 예측된 측정 H _p W 및 H _p A를 결정한다. 그러나, 자이로 정정 계산 컴포넌트(30)에 의해 계산된 오차에 대한 정정을 업데이트하기 위한 프로세스는, 광학 헬멧 추적기(10)가 작동되는 레이트와, 따라서 이러한 계산을 위하여 새로운 데이터가 이용가능해지는 레이트에 대응하는 상이한 사이클 - 편의상 정정 업데이트 사이클 -에 걸쳐 작동할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 대한 설명에서, 광학 헬멧 추적기(10)는 추적기 사이클 레이트에서 작동된다는 것과 헬멧 배향 센서(5, 10)로부터의 데이터가 추적기 사이클 레이트에서 정정 계산 컴포넌트(30)에 이용가능해진다는 것이 가정될 것이다.

가끔은 광학 헬멧 추적기(10)로부터의 출력이 일시적으로 이용불가능해질 수 있는데, 예컨대 헬멧-마운트 LED와 콕핏-마운트 센서 사이를 통과하는 광 신호가 파일럿 손의 움직임 또는 다른 것에 의해 일시적으로 차단되는 경우에 그러하다. 이러한 경우에, 헬멧 추적기 프로세스의 동작은 자이로 정정 계산 컴포넌트(30)의 동작이 중지되는 소위 '타성(coasting)' 기간에 진입한다 - 이 기간 동안에는 정정 계산의 기초가 되는 새로운 데이터가 광학 헬멧 추적기(10)로부터 나오지 않는다. 이러한 경우에, 자이로 정정 적용 컴포넌트(35)에 의해 GRate 데이터에 적용되고 있는 정정은, 광학 헬멧 추적기(10)로부터의 데이터가 다음에 이용가능해지고 정정 업데이트 사이클이 재시작될 수 있을 때까지 바뀌지 않은 상태를 유지한다. 타성 기간은, 오차, 특히 자이로 바이어스에 기인한 오차가 사용할 수 없을 수준까지 누적되지 않도록 보장하기 위한, 구성가능한 최대 타성 기간에 의해서 한정되는 하나 이상의 추적기 사이클 동안에 지속될 수 있다.

동기화 및 필터링

위에서 언급된 바와 같이, 정정 업데이트 사이클을 추적기 사이클 레이트와 동일한 레이트에서 작동시키는 것이 필수적인 것은 아니지만 편리하다. 또한, 광학 헬멧 추적기(10)를 추적기 사이클 레이트에서 작동시키는 것이 필수적이지는 않지만 역시 편리한데, 이를 통하여 추적기 사이클 레이트는 이러한 예에서 180Hz의 주파수로 제한된다. 광학 헬멧 추적기(10)가 헬멧 배향의 변화를 측정할 수 있는 레이트는 디스플레이 내에서 심볼을 리포지션해야 하는 연관된 헬멧-마운트 디스플레이의 필요성을 지원하기에 충분히 빠른 것으로 간주될 것이고, 따라서, 원리를 설명하기 위하여, 상세한 설명의 후속 부분은 정정 사이클, 추적기 사이클 및 광학 헬멧 추적기 레이트를 등화시키기 위하여 이러한 편리한 선택들을 채용할 것이다. 이러한 선택이, 헬멧 추적기(1)에 대한 추적기 사이클 주기 및 따라서 예측기(55)가 동작하여 예측된 헬멧 배향을 결정하는 기간을 보여주는 도 2 에 도시된다.

도 1 및 추가적으로 도 2 를 참조하면, 타임라인은 지속기간이 5.555ms이고, 시점 Sync(n-1) 및 Sync(n)에서 각각 시작하는 두 개의 완전한 추적기 사이클, n-1 및 n에 걸쳐 있는 것으로 도시된다. GRate _g 벡터의 샘플은, 시점 Sync(n-1)과 tGRate(n-1) 사이, Sync(n)과 tGRate(n) 사이 등의, 각각의 추적기 사이클의 실질적으로 전체 지속기간에 걸쳐서 연장되는 샘플링 기간(85) 동안 헬멧-마운트 자이로(5)로부터 캡쳐될 수 있다. 자이로 레이트 데이터 GRate _g 의 각각의 샘플에 적용될 수 있는 제 1 타입의 필터링에서(도면에는 미도시), 평균 레이트 벡터 GRate가 계산되어 주어진 추적기 사이클의 캡쳐된 샘플을 나타내는 단일 레이트 벡터를 제공할 수 있다.

예를 들어, 추적기 사이클 n에 대해서 예측된 헬멧 배향 H _p A 및 H _p W를 유도하기 위하여, 최근 이용가능한 완전히 정정된 자이로 레이트 벡터 HRate _c 는, 시점 Sync(n-1)에서 시작하고 시점 tGRate(n-1)에서 끝나는 캡쳐 기간(85) 동안에 캡쳐되는 GRateg 벡터의 샘플에 기초하여 계산되는 것이다. 다음의 완전한 추적기 사이클 동안에, HRate _c 는 시점 Sync(n)에서 시작하고 시점 tGRate(n)에서 끝나는 캡쳐 기간(85) 동안에 캡쳐된 GRate _g 벡터에 기초하여 계산된다. 추적기 사이클 n 동안에 헬멧 배향을 예측기(55)에 의하여 예측하기 위해서, 헬멧-마운트 자이로(5)로부터 얻어지는 레이트 데이터의 최근의 이용가능한 샘플의 유효 시점은 이전의 추적기 사이클이 끝날 때의 시점 tGRate(n-1)이다.

헬멧 배향에 대한 업데이트는, 광-방출 다이오드(LED)에 의해 방출되는 적외선 광의 펄스들의 정규 세트를 사용하여 광학 헬멧 추적기(10)에서 결정되는데, 펄스의 각각의 세트는 각각의 추적기 사이클의 시작에 가까운 짧은 시간 간격(80) 내에 발생한다(추적기 사이클 레이트가 광학 헬멧 추적기 레이트보다 T-배 빠르다면, 이러한 펄스는 매 T 개의 추적기 사이클 마다 하나의 추적기 사이클의 시작 시에만 발생할 것이다). LED 펄스의 각각의 세트는 헬멧 배향을 결정할 기회를 제공하고, 따라서 헬멧 배향 H _o A의 각각의 결정이 유효하다고 간주될 시점을 나타낸다. 도 2a 에서, 라벨 tmHA(n-1) 및 tmHA(n)은, 광학-추적된 헬멧 배향이 사이클 n-1 및 n 각각 동안에 생성된 LED 펄스에 대해서 유효할 공칭 시점을 나타낸다.

적분 오차를 없애기 위하여, 헬멧 배향 H _o W는 추적기 사이클의 끝에 맞게 동기화되어 자이로 레이트 데이터의 추정된 유효 시점 tGRate(n-1), tGRate(n) 등과 매칭돼야 한다. 광학 헬멧 추적기(10)가 추적기 사이클 n 동안에 시점 tmHA(n)에서 LED 펄스들의 세트 이후에 추적기 사이클 n-1에 대해서만 적용될 때에만 헬멧 배향을 결정할 수 있다면, 변환 컴포넌트(20)는, 시점 tmHA(n-1) 및 tmHA(n)에 대해서 결정된 헬멧 배향 H _o W의 두 개의 측정들 사이의 보간에 의하여 세계 축들 H _o W에 대한 헬멧 배향을 시점 tGRate(n-1)에 대하여 유도하여, 추적기 사이클 n-1의 끝에서 유효한 헬멧 배향의 보간된 추정iH _o W를 제공하도록 구성될 수 있다. 보간 단계는 추적기 사이클 n-1에 대해서 적용가능한 H _o W의 결정을 다음 기간만큼 지연시키는 효과를 가진다

tmHA(n) - tGRate(n-1).

즉, 추적기 사이클 n 동안의 적분 오차를 정정하기 위하여, 최근 이용가능 측정 H _o W의 유효 시점은, 시점 tmHA(n)에서의 가장 최근 LED 펄스에 대해 생성된 측정 H _o W가 아니라, 시점 tGRate(n-1) 또는 더 이른 추적기 사이클 동안의 균등한 시점 tGRate()에서 유효한, 보간된 측정 iH _o W이다. 각각의 측정 H _o W를 생성하여, 광학 헬멧 추적기(10)로부터의 헬멧 배향 H _o A 및 항공기 네비게이션 시스템(15)으로부터의 AW의 동기화된 출력의 최근 이용가능 조합이 사이클 n-1 이전의 추적기 사이클에 관련될 수 있게 하기 위해서, 관성 공간에서의 항공기 배향의 적절하게 타이밍된 측정 AW가 이용가능해야 한다.

추적기 사이클의 끝에 타이밍된 데이터와 함께 작동하는 선택된 관례가, 예측기 컴포넌트(55)에 의해 적용돼야 하는 예측 기간 T _p 를 결정할 때에 고려됨으로써, 예측 기간 T _p 는 최근 처리된 자이로 데이터의 끝 - 최근 이용가능한 적분된 헬멧 배향 HW의 유효 시점 -에 대해서 규정된다.

컴포넌트(30)에 의해 자이로 오차 정정을 계산하려면, 헬멧-마운트 자이로(5)로부터 캡쳐되는 필터링된 GRate 데이터와 실질적으로 동기화되는, 광학 헬멧 추적기(10)에 의해 출력되는 배향 데이터의 연속 측정들 HoW를 사용하여 유도된(25) 필터링된 배향 레이트 데이터 HRateo가 입력으로서 필요하며, 따라서 두 개의 입력 측정들이 헬멧 이동의 동일한 기간에 관련되게 보장한다. 정정 계산 컴포넌트(30)로 들어가는 입력을 형성하는 그러한 데이터는 완전히 정정된 레이트 벡터 HRate _c 가 생성돼야 하는 '현재의' 추적기 사이클과 반드시 관련돼야 하는 것은 아니지만, 이들은 서로 동기화되어야 한다. 더욱이, 항공기 네비게이션 시스템(15)에 의해 출력되고 헬멧 배향 H _o W를 유도하기 위해서 사용되는 항공기 배향 데이터 AW도 역시, 광학 헬멧 추적기(10)에 의해 출력되는 헬멧 배향 데이터 H _o A의 유효 시간(time of validity)에서, 즉 각각의 시점 tmHA(n-1), tmHA(n) 등에서 유효해야 하고, 각 쌍들 사이의 중간 시점에서 유효하다고 추정된다. 세계 축들에 대한 유도된 헬멧 배향 H _o W가 항공기에 대한 헬멧 배향 H _o A 및 정확하게 동기화되는 세계 축들에 대한 항공기 배향 AW의 측정들을 사용하여 계산되도록 보장하기 위하여, 다양한 기법이 적용될 수 있다.

헬멧 배향의 계산

적분기 컴포넌트(50)는 최후의 완전한 추적기 사이클에 대해서 헬멧 배향 벡터 HRate _c 의 완전히 정정된 변화 레이트를 수신하고, 이것을 적분 프로세스에 삽입하여 사원법에 의해 표현되는 세계 축들에 대한 헬멧 배향 HW를 결정한다. 병렬적으로, 예측기(55)는, 최근 완전한 추적기 사이클의 끝에서, 헬멧 배향 HW의 유효 시점으로부터 예측 기간 T _p 에 걸쳐서 헬멧 배향이 어떻게 변할 것인지를 예측하도록 동작한다.

예측기(55)는, 예측 기간 T _p 에 걸쳐서 또는 후술되는 바와 같이 특정한 상황에서 변할 수 있는 일부 다른 '추정 시간' 기간 동안에, 우선적으로 헬멧의 배향의 평균 변화 레이트를 추정함으로써 동작한다. 평균 변화 레이트는 가중치가 요구되는 신호의 출력에 맞도록 연속적으로 조절되는 적응적 FIR 필터로서의 역할을 하는 재귀적 최소자승(Recursive Least-Squares; RLS) 필터를 이용하여 계산될 수 있다. 이러한 경우에, 요구되는 신호는 마지막 입력 직전의 추정 시간 기간 동안의 평균 회전 레이트 벡터이다. 필터의 적응적 부분은, 최근 입력의 시간에서 추정 시간 기간을 뺀 시간 직전의 n 개의 입력에 적용될 경우에, 추정 시간의 최근 기간에 걸쳐서 평균화된 회전 레이트 벡터에 가장 잘 매칭되는 가중치를 발견하는데, 여기에서 n은 필터의 탭 카운트이다. 그러면, 이러한 가중치는 n 개의 최근 입력에 적용되어, 추정 시간의 직후 기간 동안의 평균 회전 레이트 벡터를 추정한다.

그러면, 추정된 회전 레이트 벡터는 예측 기간 T _p 에 걸쳐 적분되어, 마지막에 결정된 헬멧 배향 HW에 대한 헬멧 배향 H _p H의 예측된 변화를 제공한다. 그러면, 세계 축들에 대한 예측된 헬멧 배향 H _p W가, 적분기(50)로부터 출력되는 마지막 헬멧 배향 HW와 배향에서의 예측된 변화의 다음 수학식에 따른 사원법 승산에 의하여, 합산 컴포넌트(60)에 의해 얻어진다:

수신된 정정된 레이트 벡터 HRate _c 를 적분하고 HW를 계산하기 위하여 적분기 컴포넌트(50)에 의해 구현되는 적분 프로세스는, 예를 들어 변환 컴포넌트(20)에 의해 유도되는 헬멧 배향의 보간된 추정 iH _o W에 대해서 적분 오차를 없애기 위한 프로세스를 포함할 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 정제의 추가적인 레벨에서, 필터링의 최종 스테이지는 필터 컴포넌트(125)에 의해서, 항공기 축들에 대한 예측된 헬멧 배향 H _p A에 적용될 수 있다. 예측기 컴포넌트(55)의 기능과 함께, 이러한 필터링의 최종 스테이지는, 이제 도 3 을 참조하여 설명될 프로세스에서 헬멧에 영향을 주고 있을 수 있는 버페팅의 영향을 고려하도록 구현될 수 있다.

도 3 을 참조하면, 하이브리드 추적기 시스템(1)에 대한 논리적 아키텍처는, 항공기로부터 전달되는 헬멧 버페팅, 또는 신속한 헬멧 이동의 다른 인스턴스를 검출하고, 추적기 시스템에 의해 출력되는 데이터의 품질과, 따라서 연관된 디스플레이를 판독할 수 있는 사용자의 능력에 이들이 미치는 영향을 완화하도록 돕기 위한 프로세스를 구현하도록 설계되는, 상호연동하는 기능성 블록의 콜렉션으로서 상세히 도시된다. 이러한 프로세스의 목적은, 헬멧이 노출되고 있는 버페팅의 심각도를 표시하는 버페팅 측정을 생성하는 것이다. 버페팅(buffeting)는, 항공기 버페팅이 사용자의 머리로 전달되는 것에 의해서 발생되고, 보통 10Hz 이상의 범위에 있는 주파수로 발생하는, 헬멧 회전의 비자발적 변화라고 분류된다. 버페팅 측정은, 연관된 헬멧-마운트 디스플레이 시스템에 도움이 되도록, 버페팅의 효과를 상쇄하게 돕도록 적분기(50), 예측기(55) 및 필터(125)의 동작을 수정하기 위하여 사용될 수 있다.

도 3 에서, 데이터 소스(5, 10 및 15)와 관성 센서 오차의 정정(20, 25, 30 및 35)에 관련되고, 결과적으로 완전히 정정된 헬멧 배향 레이트 벡터 HRate _c 를 얻는 그러한 기능성 블록들이 단일 센서 장치 컴포넌트(100)로서 표현된다.

수신된 데이터로부터 버페팅 또는 신속한 헤드 이동을 나타내는 헬멧 이동을 검출하도록 구성되는 버페팅 측정 컴포넌트(130), 및 검출된 버페팅 또는 신속한 헤드 이동의 영향을 완화하기 위하여 적분기(50), 예측기(55) 및 필터(125)의 동작 파라미터를 변경하도록 구성되는 버페팅 보상 컴포넌트(135)가 제공된다. 버페팅의 측정은 수신된 정정된 헬멧 레이트 벡터 HRate _c 로부터 유도되고 2-스테이지 필터에 의해 수행되어 순시 측정을 생성하며, 그 이후에 측정 자체의 필터링이 후속된다.

제 1 스테이지 필터는 수신된 헬멧 레이트 벡터 HRate _c 에 직접적으로 작용하고, 정정된 레이트 벡터의 이력을 나타내는, 여러 추적기 사이클을 포함하는 미리 규정된 기간에 걸쳐서 대칭적 가중치를 가지는 FIR 필터를 포함한다. 가중치는 이러한 시간 기간의 중간에서 최대이고, 하프 사인-파 함수를 따라 간다. 또는, 처리 요구 사항이 줄어든다는 이점과 함께, 가중치는 전체 이력에 걸쳐서 균일할 수 있다. 각각의 수신된 레이트 벡터에 대해서, 필터는 수신된 레이트 벡터들의 이력 동안에, 가중된 평균 레이트 벡터를 생성한다. 이것이 중간-이력 레이트 벡터와 비교되어 델타 벡터를 생성한다.

제 2 스테이지 필터는 제 1 스테이지 필터와 동일한 형태를 가지지만, 델타 벡터에 작용한다. 다시 말하자면, 이러한 필터 출력은 중간-이력 입력과 비교되어 2차 델타 벡터를 제공한다. 그러면, 이러한 벡터의 크기는 순시 버페팅 측정으로서 취해지고, 미리 구성된 최대 값으로 한정된다.

순시 버페팅 측정은, 균일하게 가중된 평균으로 이루어지는 최종 필터 스테이지를 통과하게 되어, 버페팅 측정 컴포넌트(130)로부터 버페팅 보상 컴포넌트(135)로 출력되는 버페팅 심각도 측정을 생성한다.

버페팅 보상 컴포넌트(135)는 마지막 버페팅 레벨 및 마지막 헬멧 회전 레이트 벡터 HRate _c 를 수신하고, 예측기 컴포넌트(55) 및 출력 필터 컴포넌트(125)의 동작을 변경할 수 있는 파라미터를 계산한다. 계산된 파라미터는 다음과 같다:

- 추정 시간 - 예측 시간 T _p 와 다르다면, 추적된 헬멧 배향에 앞서서 예측기 컴포넌트(55)에 의해 평균 헬멧 회전 레이트 벡터가 추정되는 장래의 기간;

- 적분 시간 - 추정된 평균 회전 레이트 벡터가 예측기 컴포넌트(55)에 의해 적분되어 해당 시간 동안의 헬멧 배향 H _p H의 변화를 예측하는 시간; 및

- 필터 레이턴시 - 최종 출력 필터(125)에 대해 필요한 레이턴시.

정상 상태에서는, 추정 시간 및 적분 시간은 양자 모두 요구된 예측 시간 T _p 와 같으며, 필터 레이턴시는 구성된 기본 값으로 설정된다. 버페팅의 레벨이 높으면 추정 시간은 감소될 수 있고, 필터 레이턴시는 증가될 수 있다. 신속한 헬멧 회전이 이루어지는 동안에, 추정 시간 및 적분 시간 양자 모두가 출력 필터의 기본 레이턴시 의해서 연장될 수 있다.

프로세스에서 제 1 단계는 버페팅 플래그의 상태를 결정하는 것이다. 버페팅 플래그는, 버페팅의 레벨 때문에 예측기의 "정상 상태" 동작이 변하게 되는지 여부를 표시한다. 플래그는, 버페팅 측정 컴포넌트(130)에 의해서 계산된 버페팅 레벨 BL이 미리 규정된 상부 임계를 초과하면 세팅되고, 버페팅 레벨 BL이 하부 임계 밑으로 내려가면 리셋된다. 버페팅 레벨 BL이 두 임계들 사이에 있으면, 플래그는 변하지 않는다. 그러면 플래그를 제어하는 데에 히스테리시스가 생긴다.

버페팅 보상 컴포넌트(135)는 스케일링된 버페팅 레벨을, 입력 버페팅 레벨을 버페팅 플래그를 세팅하기 위해서 사용되는 미리 구성된 최대 버페팅 레벨 값으로 나눈 것으로서 계산한다. 버페팅 플래그가 세팅되면, 스케일링된 버페팅 레벨이 예측기 출력 필터 컴포넌트(125)에 대한 레이턴시를 계산하기 위하여 사용되는데, 여기에서 레이턴시가 커지만 필터링이 많아진다는 것을 의미한다:

여기에서 L은 출력 필터의 미리 규정된 기본 레이턴시(BL보다 적음)이고, 필터(125)에 대한 최대 레이턴시로 한정되며, 이것이 음수가 되면 log 항은 제로가 되고, SL은 구성가능한 감도 인자이고, BL은 버페팅 상태에서의 필터링에 대한 베이스라인 인자이며, b는 스케일링된 버페팅 레벨이다. 필터(125)에 대해 최대 허락된 레이턴시는 미리 정의된 상수이다.

예측기의 추정 시간 및 적분 시간은 공칭적으로는 양자 모두 요구된 예측 시간 T _p 와 같지만, 높은 버페팅 또는 높은 회전 레이트의 조건에 의해서 수정될 수 있다. 버페팅 플래그가 세팅되고 스케일링된 버페팅 레벨이 미리 규정된 높은 레벨을 초과하면, 추정 시간은 하나의 사이클로 감소된다. 버페팅 플래그가 세팅되지 않지만 헬멧 회전 레이트가 미리 정의된 임계를 초과하면, 추정 및 적분 양자 모두에 대해 요구된 예측 시간에 기본 필터 레이턴시가 가산된다. 모든 다른 조건에서, 추정 시간 및 적분 시간 양자 모두는 요구된 예측 시간으로 세팅된다. 추정 시간 및 적분 시간을 계산하기 위한 예시적인 로직이 다음 표에 표시된다.

버페팅 플래그 세트	F	F	T	T
스케일링된 버페팅 레벨 > 높은 임계	X	X	F	T
|HRate c | > 높은 레이트 임계	F	T	X	X
추정 시간 = 요구된 T p		-		-
추정 시간 = 사이클 시간	-	-	-
추정 시간 = 요구된 T p + 기본 레이턴시	-		-	-
적분 시간 = 요구된 T p		-
적분 시간 = 요구된 T p + 기본 레이턴시	-		-	-

필터 컴포넌트(125)는 예측된 헬멧 배향 H _p A에, 일반적으로 낮은 레이턴시를 가지는 최종 저역-통과 필터를 적용하도록 구성된다. 레이턴시는 수학식 3 에 따라서 증가되어, 버페팅의 영향을 완화시킬 수 있고, 언제나 추적기 사이클들의 정확한 개수로서 규정된다.

기본적인 필터 타입은 해닝 FIR 필터이다. 가중치들의 개별 세트가 0 부터 최대 허용된 레이턴시까지의 각각의 허용된 레이턴시에 대해서 미리 구성된다. 제로 레이턴시의 경우, 가중치 세트는 단지 값 1.0 이다. 일반적으로, 가중치 세트는(2L+ 1) 개의 값을 포함하고, L은 요구된 레이턴시이다. n 개의 가중치의 선택된 세트가 H _p A 사원법의 최근 입력들의 각각의 성분에 적용된다. 결과가 정규화된다면, 사원법의 간단한 가중 평균이 유효해지게 하도록 최대치 레이턴시 기간 동안의 회전이 충분히 크다는 것이 가정된다. 레이턴시의 변화에 의해 야기되는 출력에서의 불연속성을 평활화하기 위해서, 다음 방법이 사용된다.

이전의 사이클의 입력이 현재의 가중치, 즉 수학식 3 으로부터의 마지막 필터 레이턴시 입력 L에 의해 선택된 가중치를 가지고 다시 필터링된다. 마지막 출력과 다시 필터링된 출력 사이의 차이가 델타를 업데이트하기 위하여 사용되고, 그러면 델타는 현재의 필터링된 출력에 가산된다:

여기서

	는 필터링된 값에 적용될 델타(제로로 초기화됨)이다;
	는 불연속성이 없을 경우, 가 제로로 감쇄되게 하는 감소 인자(fade factor)(<1)이다;
	는 이전의 사이클로부터의 필터 출력이다;
	는 현재의 사이클의 가중치를 이전의 사이클의 입력에 적용하는 다시 필터링된 출력이다;
	는 현재의 사이클의 가중치를 현재의 사이클의 입력에 적용하는 필터 출력이다; 그리고
	는 요구된 출력 값이다.

마지막으로, 필터링된 출력은 필터(125)에 의하여 단위 사원법(unit quaternion)으로 정규화된다.

항공기 축들에 대한 예측된 헬멧 배향 H _p A를 사원법으로서 계산하고 필터링했으면, 배향의 사원법 표현을 계산된 배향의 사용자의 요구 사항에 따라서, 공지된 방법에 의해서 등가 아지무스, 고도 및 롤 각도를 제공하는 오일러 각도 표현으로 변환하면 편리할 수 있다.

구현형태

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 헬멧 추적기 시스템의 통상적 구현형태가 이제 도 4 를 참조하여 설명될 것이다.

도 4 를 참조하면, 헬멧 추적기 시스템은 헬멧(150)과 통합된 형태로 도시된다. 헬멧 추적기 시스템은, 통상적으로 헬멧(150)의 외피에 맞춤되는, 3 개의 자이로 요소를 포함하는 단일 관성 센서 모듈인 헬멧-마운트 자이로(5) 컴포넌트, 및 광학 헬멧 추적기 시스템을 포함한다. 광학 헬멧 추적기 시스템은 헬멧(150)의 외피 내에 내장되거나 외피에 탑재된 LED(155)의 배치 및 헬멧(150)의 가능한 임의의 배향에서 LED(155) 중 적어도 일부로의 시선 뷰를 가지도록 고정된 위치에, 예를 들어 항공기 콕핏 내에 각각 탑재되는 하나 이상의 카메라(160)의 배치를 포함한다.

광학 헬멧 추적기 제어기(165)는 카메라(160)의 각각에 연결되어, 카메라의 시선 내에 있는 LED(155)에 의해 방출된 광을 검출하는 것으로부터 얻어지는 이미지 데이터를 수신한다. 제어기(165)는, LED(155)의 조명을 제어할 수 있도록, 적합한 케이블(170)을 이용하여 헬멧(150) 내의 LED(155)에도 연결된다. 제어기(165)는, 예를 들어 미리 결정된 패턴으로 LED(155)가 순환 조명하도록 트리거링하고, 카메라(160)로부터 결과적으로 얻어지는 이미지 데이터를 수신하도록 구성된다. 제어기(165)는 적합한 광학 헬멧 추적기 알고리즘을 구현하도록 프로그래밍된 디지털 프로세서, 또는 LED(155)를 조명하고 카메라(160)로부터 결과적으로 얻어지는 이미지 데이터를 해석하여 이러한 예에서는 항공기와 연관된 기준 프레임에 대한 헬멧 배향을 결정하도록 구현되는 하드웨어 및 소프트웨어-구현 기능성의 조합을 포함한다.

도 1 내지 도 4 를 참조하여 전술된 바와 같은 전체 헬멧 추적기 시스템의 기능성을 구현하기 위하여 추가적인 처리 모듈(175)이 제공된다. 처리 모듈(175)은, 이론적으로는 헬멧-마운트 자이로(5)로부터 출력된 레이트 데이터 GRate _g 를 수신하기 위하여, 하지만 또한 항공기-설치 이미지 생성 시스템(도 4 에는 미도시)으로부터 수신된 이미지 데이터를 인터페이스(190)를 통해 헬멧(150)과 통합된 헬멧-마운트 디스플레이(도 4 에서는 명백하게 도시되지 않음)로 전달하도록, 적합한 케이블(180)을 이용하여 헬멧(150)에 연결된다. 헬멧-마운트 디스플레이 시스템은, 각 경우에 이미지가 차양(200)을 통한 외부 장면의 파일럿 뷰에 중첩되게 보이도록 이미지를 파일럿에게 제공하도록 구성되는, 차양-투영 디스플레이 시스템, 또는 도파관-기초 디스플레이일 수 있다. 처리 모듈(175)은 헬멧 배향 H _p A 및 H _p W의 예측된 출력 측정을, 적합하도록 헬멧-마운트 디스플레이에 디스플레이될 어떤 타입의 심볼 및 데이터의 위치를 계산할 때 사용되도록 인터페이스(190)를 통해 항공기-설치 이미지 생성 시스템으로 출력하도록 구성된다.

본 발명의 하이브리드 헬멧 추적기 시스템을 포함하는 헬멧-마운트 디스플레이 시스템이 통상적으로 항공기에 설치되면, 항공기에 설치되거나 사용되는 임의의 디스플레이 시스템에 의해 디스플레이되기 위한 이미지를 생성하기 위하여, 하나 이상의 추가적 모듈(도 4 에는 미도시)이 항공기 내에 설치될 수 있다. 이러한 디스플레이 시스템은 본 발명의 적용예와 관련되는 헬멧-마운트 디스플레이에 추가하여, 헤드업 디스플레이(HUD) 및/또는 헤드-다운 디스플레이(HDD)를 포함할 수 있다. 이러한 추가적인 모듈은 표준 항공기 데이터 버스에 연결될 수 있고, 따라서 파일럿에게 정보를 표시하기 위하여 항공기 네비게이션 시스템에 의해 출력되는 항공기 배향 데이터 AW 및 다른 시스템으로부터의 데이터에 접근할 수 있다. 이러한 추가적인 모듈에 의하여 항공기 데이터 버스를 거쳐서 수신되는 항공기 배향 AW에 대한 업데이트와 함께, 헬멧-마운트 디스플레이에 디스플레이되기 위한 심볼 및 데이터를 포함하는 이미지 데이터는 인터페이스(190)를 통하여 처리 모듈(175)로 전달될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예는 헬멧-마운트 디스플레이를 가지는 헬멧의 배향을 결정하는 콘텍스트에서 설명되어 왔다. 이것은, 디스플레이될 이미지 내에서 공간-안정화된 심볼을 포지셔닝할 수 있도록, 결정된 배향이 연관된 이미지 생성기에 의해 사용되는 본 발명에 따른 추적기 시스템의 적용예의 한 예이다. 그러나, 본 명세서에서 설명된 기법들이 물체와 연관되고 버페팅 또는 유사한 효과를 겪을 수 있는 가동 플랫폼에 대한, 임의의 물체의 배향을 결정하는 것에도 적용될 수 있다는 것이 당업자에게는 명백하게 이해될 것이다.

또한, 특정한 특징들이 다른 특징들과 독립적으로 적용되어, 설명된 특징들의 상이한 조합을 가지는 본 발명에 따른 추적기 시스템을 제공할 수 있다는 것도 당업자에게는 명백하게 이해될 것이다.

Claims (29)

1. 물체의 배향을 결정하기 위한 추적기 시스템으로서,
   상기 물체와 연관되고, 상기 물체의 배향의 변화 레이트의 사이클릭 표시를 제공하는 레이트 데이터를 출력하도록 구성되는 센서 장치;
   상기 센서 장치에 의해 출력된 레이트 데이터를 수신하고, 수신된 레이트 데이터의 유효 시점(time point of validity)에 앞서 미리 결정된 예측 시간 기간에 상기 수신된 레이트 데이터로부터 상기 물체의 배향을 결정하도록 구성되는 예측기 컴포넌트;
   상기 센서 장치로부터 출력된 레이트 데이터를 수신하고, 상기 물체에 대한 버페팅 심각도(buffeting severity)의 측정치를 수신된 레이트 데이터로부터 결정하도록 구성되는 버페팅 측정 컴포넌트; 및
   상기 버페팅 측정 컴포넌트에 의한, 버페팅 심각도의 결정된 측정치를 보상하게끔, 상기 예측기 컴포넌트의 동작을 조절하도록 구성되는 버페팅 보상 컴포넌트를 포함하는, 추적기 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 버페팅 측정 컴포넌트는, 2-스테이지 필터링 프로세스를 사용하여 버페팅 심각도의 측정치를 계산하도록 구성되고,
   상기 2-스테이지 필터링 프로세스의 제 1 스테이지에서, 레이트 데이터의 각각의 새로운 인스턴스가 상기 센서 장치로부터 수신되면, 이전에 수신된 레이트 데이터의 가중 평균과 수신된 레이트 데이터의 중간-이력(mid-history) 인스턴스 사이의 차이가 결정되고,
   상기 2-스테이지 필터링 프로세스의 제 2 스테이지에서, 상기 레이트 데이터의 새로운 인스턴스에 대한 상기 버페팅 심각도의 측정치는, 이전에 결정된 차이들의 가중 평균과 중간-이력으로서 결정된 차이(mid-history determined difference) 사이의 차이로서 결정되는, 추적기 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 가중 평균은 상기 수신된 레이트 데이터의 이력에 걸쳐서 적용되는 대칭적 가중치 프로파일을 사용하여 결정되는, 추적기 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 대칭적 가중치 프로파일은 하프-사인-파 프로파일을 포함하는, 추적기 시스템.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 대칭적 가중치 프로파일은 균일한 가중치의 프로파일을 포함하는, 추적기 시스템.
6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 버페팅 측정 컴포넌트는, 균일한 가중치를 가지는 저역-통과 필터를 버페팅 심각도의 상기 결정된 측정치에 적용하도록 구성되는 제 3 필터 스테이지를 더 포함하는, 추적기 시스템.
7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 예측기 컴포넌트는, 상기 센서 장치로부터 레이트 데이터의 새로운 인스턴스가 수신되면,
   상기 레이트 데이터의 새로운 인스턴스의 유효 시점에 앞서 추정 시간 기간 동안에 상기 물체의 배향의 평균 변화 레이트를 추정하고,
   상기 물체의 배향의 변화의 추정을 제공하도록, 추정된 평균 변화 레이트를 적분 기간에 걸쳐 적분하며,
   상기 물체의 예측된 배향을 제공하게끔, 배향의 추정된 변화를 상기 레이트 데이터의 수신된 새로운 인스턴스를 적분함으로써 결정된 배향에 가산하도록 구성되는, 추적기 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 버페팅 보상 컴포넌트는, 상기 예측기 컴포넌트의 추정 시간 기간 및 적분 기간 중 적어도 하나를 상기 버페팅 심각도의 결정된 측정치에 따라 조절하도록 구성되는, 추적기 시스템.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 추적기 시스템은,
   상기 예측기 컴포넌트에 의한 출력을 수신하고, 수신된 출력에 조절가능한 레이턴시를 가진 유한 임펄스 응답 필터를 적용하도록 구성되는 출력 필터 컴포넌트를 더 포함하고,
   상기 버페팅 보상 컴포넌트는 적용된 유한 임펄스 응답 필터의 레이턴시를 상기 버페팅 심각도의 결정된 측정치에 따라서 조절하도록 더욱 구성되는, 추적기 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 출력 필터는 해닝(Hanning) 유한 임펄스 응답 필터를 구현하는, 추적기 시스템.
11. 물체의 배향을 결정하기 위한 컴퓨터-구현 방법으로서,
    (i) 상기 물체와 연관된 센서 장치로부터, 상기 물체의 배향의 변화 레이트의 사이클릭 표시를 제공하는 레이트 데이터를 수신하는 단계;
    (ii) 여러 사이클에 걸쳐서 수신된 레이트 데이터로부터, 상기 물체에 대한 버페팅 심각도의 측정치를 결정하는 단계; 및
    (iii) 수신된 레이트 데이터로부터, 구성가능한 예측 프로세스를 사용하여, 수신된 레이트 데이터의 유효성 시점에 앞서 미리 결정된 예측 시간 기간에 상기 물체의 배향을 예측하는 단계를 포함하고,
    버페팅 심각도의 결정된 측정치는, 상기 구성가능한 예측 프로세스 내의 하나 이상의 동작 파라미터를 결정하는, 컴퓨터-구현 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    단계 (ii)에서, 상기 버페팅 심각도의 측정치는, 2-스테이지 필터링 프로세스를 사용하여 결정되고,
    상기 2-스테이지 필터링 프로세스의 제 1 스테이지에서, 단계 (i)에서 레이트 데이터의 각각의 새로운 인스턴스가 상기 센서 장치로부터 수신되면, 이전에 수신된 레이트 데이터의 가중 평균과 수신된 레이트 데이터의 중간-이력(mid-history) 인스턴스 사이의 차이가 결정되고,
    상기 2-스테이지 필터링 프로세스의 제 2 스테이지에서, 레이트 데이터의 새로운 인스턴스에 대한 버페팅 심각도의 측정치는, 이전에 결정된 차이들의 가중 평균과 중간-이력으로서 결정된 차이(mid-history determined difference) 사이의 차이로서 결정되는, 컴퓨터-구현 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가중 평균은 수신된 레이트 데이터의 이력에 걸쳐서 적용되는 대칭적 가중치 프로파일을 사용하여 결정되는, 컴퓨터-구현 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 대칭적 가중치 프로파일은 하프-사인-파 프로파일을 포함하는, 컴퓨터-구현 방법.
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 대칭적 가중치 프로파일은 균일한 가중치의 프로파일을 포함하는, 컴퓨터-구현 방법.
16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (ii)는, 균일한 가중치를 가지는 저역-통과 필터를 상기 버페팅 심각도의 결정된 측정치에 적용하는 것을 더 포함하는, 컴퓨터-구현 방법.
17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구성가능한 예측 프로세스는, 단계 (i)에서 상기 센서 장치로부터 레이트 데이터의 새로운 인스턴스가 수신되면,
    상기 레이트 데이터의 수신된 새로운 인스턴스의 유효 시점에 앞서 추정 시간 기간 동안에 상기 물체의 배향의 평균 변화 레이트를 추정하는 것,
    상기 물체의 배향의 변화의 추정을 제공하도록, 상기 추정된 평균 변화 레이트를 적분 기간에 걸쳐 적분하는 것, 및
    상기 물체의 예측된 배향을 제공하도록, 배향의 추정된 변화를 상기 레이트 데이터의 수신된 새로운 인스턴스를 적분함으로써 결정된 배향에 가산하는 것을 포함하는, 컴퓨터-구현 방법.
18. 제 17 항에 있어서,
    단계 (iii)에서, 상기 구성가능한 예측 프로세스의 추정 시간 기간 및 적분 기간 중 적어도 하나는 상기 버페팅 심각도의 결정된 측정치에 따라 조절되는, 컴퓨터-구현 방법.
19. 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은,
    조절가능한 레이턴시를 가지는 유한 임펄스 응답 필터를 상기 예측기 컴포넌트의 출력에 적용하는 단계를 더 포함하고,
    상기 유한 임펄스 응답 필터의 레이턴시는 상기 버페팅 심각도의 결정된 측정치에 따라서 조절되는, 컴퓨터-구현 방법.
20. 제 19 항에 있어서,
    적용된 필터는 해닝 유한 임펄스 응답 필터인, 컴퓨터-구현 방법.
21. 공간-안정화된(space-stabilised) 심볼 또는 다른 공간-안정화된 디스플레이 아티팩트를 디스플레이하도록 구성되는 헤드 또는 헬멧-마운트 디지털 디스플레이 디바이스로서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따르는, 상기 헤드 또는 헬멧의 배향을 결정하기 위한 추적기 시스템을 포함하고,
    상기 물체는 상기 헤드 또는 헬멧-마운트 디스플레이가 탑재되는 헤드 또는 헬멧이며,
    미리 결정된 예측 시간 기간은, 상기 추적기 시스템에 의한 예측된 배향의 출력에 의해 표시되는 상기 헤드 또는 헬멧의 배향을 고려하도록, 상기 디스플레이 디바이스에 의해 포지셔닝된 공간-안정화된 심볼 또는 다른 공간-안정화된 디스플레이 아티팩트를 디스플레이하는 예상된 시간에 대응하는, 헤드 또는 헬멧-마운트 디지털 디스플레이 디바이스.
22. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물체는, 관성 센서 장치가 부착되는 헤드 또는 헬멧 또는 다른 신체-착용 아이템이고, 상기 센서 장치는 상기 헤드 또는 헬멧 또는 다른 신체-착용 아이템의 배향의 변화 레이트를 나타내는 레이트 데이터를 결정하고 출력하도록 구성되는, 추적기 시스템.
23. 물체의 배향을 결정하기 위한 추적기 시스템으로서,
    실질적으로 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명된 바와 같고 첨부 도면에 도시된 바와 같은, 추적기 시스템.
24. 헤드 또는 헬멧의 배향을 결정하기 위한 헤드 또는 헬멧 추적기 시스템으로서,
    실질적으로 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명된 바와 같고 첨부 도면에 도시된 바와 같은, 헤드 또는 헬멧 추적기 시스템.
25. 물체의 배향을 결정하기 위한 방법으로서,
    실질적으로 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명된 바와 같고 첨부 도면에 도시된 바와 같은, 방법.
26. 물체의 배향을 결정하기 위한 방법으로서,
    실질적으로 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명된 바와 같고 첨부 도면에 도시된 바와 같은, 방법.
27. 물체의 배향을 결정할 때에 상기 물체에 대한 버페팅을 보상하는 방법으로서,
    실질적으로 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명된 바와 같고 첨부 도면에 도시된 바와 같은, 방법.
28. 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
    설치되어 디지털 프로세서 상에서 실행되면 제 11 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 기술된 방법 단계를 구현하도록 구성되는 소프트웨어 코드 수단 또는 상기 소프트웨어 코드 수단에 액세스하기 위한 수단을 저장하는 데이터 캐리어를 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
29. 제 11 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 기술된 방법 단계를 구현하도록 프로그램되는 디지털 프로세서.

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