RU131151U1 - Система коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в системе дополненной реальности на движущемся объекте - Google Patents

Abstract

Система коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, содержащая бортовой приемник спутниковой навигационной системы и бортовой вычислитель, отличающаяся тем, что в нее введен комплекс дополненной реальности, включающий прозрачные очки или шлем дополненной реальности с прозрачными микродисплеями и встроенной видеокамерой, и маркерами дополненной реальности, неподвижно размещенными на движущемся объекте в поле зрения видеокамеры, при этом бортовой вычислитель выполнен с возможностью построения трехмерного вектора направления движения объекта, последовательные значения которого анализируются с помощью математического метода регрессионного анализа, и выявления участка прямолинейного движения по признаку неизменности параметров линейной регрессии для коррекции угловых координат пользователя по углам рыскания и тангажа.

Description

Полезная модель относится к области навигационного приборостроения для подвижных объектов различного назначения.

Уровень техники.

Существуют системы повышения эффективности пространственной ориентации операторов, управляющих движением подвижных объектов (автомобилей, водных и воздушных судов) с помощью комплексов дополненной реальности, состоящих из наголовного модуля, включающего прозрачные стерео очки или шлем дополненной реальности с прозрачными микродисплеями, систему ориентации, обеспечивающую определение трех линейных координат положения точки наблюдения и трех угловых координат положения линии наблюдения в пространстве, и компьютера, в реальном времени генерирующего и передающего на микродисплеи видеоизображение виртуальных объектов, обозначающих траекторию движения и другую информацию по навигации и управлению. Примеры таких комплексов - шлем для пилотов истребителей-бомбардировщиков F-35 (http://www.vsi-hmcs.com/index.php/f-35-hmds); шлем Elbit Systems Targo Racer используемый пилотами авиашоу Rocket Racing League (http://www.membrana.ru/articles/technic/2010/04/27/130400.html).

Для аналогичных целей могут применяться выпускаемые промышленностью очки дополненной реальности STAR 1200XL компании Vuzix, снабженные встроенной видеокамерой и датчиком ориентации, позволяющим определять три угловых координаты положения линии наблюдения в пространстве (http://www.vuzix.com/augmented-reality/products_star1200xl.html), при этом данные о пространственном положении можно получать от спутниковой навигационной системы.

Используемые в подобных устройствах интегрированные микромеханические инерциальные датчики, включающие гироскопы, акселерометры и магнитометры, характеризуются значительным дрейфом данных гироскопов, достигающим значений до сотен градусов в час. Известны способы коррекции дрейфа гироскопов по углам крена и тангажа с помощью данных акселерометров, а по углу рыскания с помощью данных магнитометров посредством программно реализованного математического фильтра Калмана, как это делается, например, в выпускаемом промышленностью микромеханическом инерциальном датчике InertiaCube4 компании InterSense.

Недостатком способа коррекции дрейфа гироскопа по данным акселерометров и магнитометров является погрешность акселерометров и магнитометров, которая, особенно для магнитометров, может принимать большие и случайно изменяющиеся во времени значения из-за внешних магнитных влияний.

Известны способы коррекции дрейфа и калибровки гироскопов на движущихся объектах по данным спутниковых навигационных систем (RU 2462690, ЕР 1475609, ЕР 0934506), которые подразумевают неизменность ориентации инерциальных датчиков относительно движущегося объекта, на котором размещена приемная антенна спутниковой навигационной системы.

Недостатками известных способов коррекции дрейфа гироскопов на движущихся объектах по данным спутниковых навигационных систем в случае использования в составе систем дополненной реальности является неприменимость вследствие подвижности головы пользователя системы дополненной реальности относительно движущегося объекта, на котором находится пользователь, и координаты которого определяются спутниковой навигационной системой. В комплексах дополненной реальности критически важным является определение ориентации головы пользователя, поскольку эта информация используется для позиционирования изображений виртуальных объектов, выводимых на очки дополненной реальности.

В технологии дополненной реальности также известен способ позиционирования виртуальных объектов в реальной среде с помощью специальных надежно распознаваемых графических маркеров дополненной реальности - например, с помощью программной библиотеки ARToolKit (http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/). Данная библиотека позволяет, в частности, определить положение камеры относительно графического маркера, представляющего собой четкое черно-белое изображение простых геометрических фигур.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание системы коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в системе дополненной реальности на движущемся объекте, по данным спутниковой навигационной системы и результатам распознавания образов графических маркеров дополненной реальности.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является интегрированная инерциально-спутниковая система ориентации и навигации, предложенная в заявке RU 2462690, которая подразумевает размещение на движущемся объекте двух разнесенных на расстояние нескольких метров антенн спутниковой навигационной системы. В случае использования в составе системы дополненной реальности данная система неприменима из-за невозможности размещения на голове пользователя системы дополненной реальности громоздких устройств, обеспечивающих разнесение антенн спутниковой навигационной системы, а также вследствие подвижности головы пользователя относительно движущегося объекта.

Раскрытие полезной модели.

Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в достижении автономности систем навигации, которая позволяет учитывать пространственную ориентацию (позицию и т.п.) оператора.

Указанный технический результат достигается тем, что по данным бортового приемника спутниковой навигационной системы посредством математического аппарата линейного регрессионного анализа (Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. Учебник для вузов. Москва: Высшая школа, 1988.) строится трехмерный вектор направления движения объекта. Объем обрабатываемых при регрессионном анализе данных о линейных координатах варьируется и зависит от скорости движущегося объекта. При обнаружении участка прямолинейного движения по признаку неизменности параметров линейной регрессии, производится коррекция угловых координат головы пользователя очков дополненной реальности, вырабатываемых по данным микромеханического гироскопа, приводящая угловые координаты головы пользователя по углам рыскания и тангажа к угловым координатам текущего вектора движения объекта с учетом смещения ориентации головы пользователя относительно движущегося объекта, определяемого с помощью оптического распознавания маркеров дополненной реальности (см. фиг.1), неподвижно размещаемых на движущемся объекте, например в пилотской кабине воздушного судна. Маркеры располагаются таким образом, чтобы хотя бы один из них обязательно попадал в поле зрения видеокамеры, встроенной в очки дополненной реальности. Обеспечивается подсветка маркеров, делающая их видимыми для видеокамеры в любое время суток. Выработка параметров ориентации головы пользователя по данным оптического распознавания графических маркеров дополненной реальности осуществляется с помощью свободно доступных на рынке программных пакетов дополненной реальности, например пакета ARToolKit компании ARToolworks Inc.

Краткое описание иллюстраций.

Фиг.1. Техническая реализация системы коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в комплексе дополненной реальности на движущемся объекте.

Осуществление полезной модели.

Осуществление предлагаемой полезной модели системы коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в комплексе дополненной реальности на движущемся объекте заключается в следующем.

Система (см. фиг.1), включает размещенные на борту движущегося объекта компьютер, приемник спутниковой системы навигации, очки дополненной реальности, имеющие встроенный микромеханический гироскоп и миниатюрную видеокамеру, три маркера дополненной реальности, представляющие собой четкие изображения трех различных геометрических фигур. Средние размеры маркеров 7×7 см, размеры графических маркеров могут варьироваться в зависимости от типа используемой видеокамеры и их удаления от пользователя. Маркеры могут быть нанесены либо непосредственно на плоские поверхности кабины движущегося объекта, либо на промежуточный носитель (бумага, липкая пленка, пластина из тонкого пластика) с последующим размещением в кабине движущегося объекта. Маркеры размещаются таким образом, чтобы при любом положении головы пользователя хотя бы один маркер попадал в поле зрения видеокамеры, встроенной в очки дополненной реальности, это условие определяет необходимость использования трех маркеров. Обеспечивается подсветка маркеров, делающих их видимыми для видеокамеры в любое время суток. Информация о точках размещения маркеров на движущемся объекте вводится в бортовой компьютер.

В бортовой компьютер поступают данные об изменяющихся линейных координатах движущегося объекта от приемника спутниковой системы навигации, данные гироскопа и видеокартинка от видеокамеры, встроенной в очки дополненной реальности. Компьютер посредством линейного регрессионного анализа постоянно вычисляет угловые координаты вектора направления движения объекта по линейным координатам от приемника системы спутниковой навигации. Также компьютер постоянно вычисляет угловые координаты головы пользователя относительно маркеров дополненной реальности по видеокартинке от видеокамеры и угловые координаты головы пользователя по данным от микромеханического гироскопа. При обнаружении прямолинейного участка движения объекта по признаку неизменности угловых координат вектора движущегося объекта производится коррекция угловых координат (углы рыскания и тангажа) по данным гироскопа путем приведения их к угловым координатам вектора движения объекта с учетом углового смещения головы пользователя относительно движущегося объекта.

Для осуществления полезной модели может быть использован автономный мобильный компьютер, имеющий карманные размеры. Очки смешанной реальности представляют собой прозрачные стекла, либо проекторы изображения на сетчатку глаза, которые выводят стереопару трехмерных объемных изображений виртуальных объектов, сформированных компьютером. В качестве прозрачных очков смешанной реальности могут быть использованы соответствующие очки, выпускаемые промышленностью, например, STAR 1200XL компании Vuzix, снабженные микромеханическим инерциальным датчиком и миниатюрной видеокамерой. Линейные координаты точки наблюдения можно получать, используя компактный приемник глобальных навигационных систем повышенной точности GLONASS/GPS/SBAS (например, Garmin GTN 625).

Claims (1)

1. Система коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, содержащая бортовой приемник спутниковой навигационной системы и бортовой вычислитель, отличающаяся тем, что в нее введен комплекс дополненной реальности, включающий прозрачные очки или шлем дополненной реальности с прозрачными микродисплеями и встроенной видеокамерой, и маркерами дополненной реальности, неподвижно размещенными на движущемся объекте в поле зрения видеокамеры, при этом бортовой вычислитель выполнен с возможностью построения трехмерного вектора направления движения объекта, последовательные значения которого анализируются с помощью математического метода регрессионного анализа, и выявления участка прямолинейного движения по признаку неизменности параметров линейной регрессии для коррекции угловых координат пользователя по углам рыскания и тангажа.

   

Images