專利名稱：頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿測量方法
頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是頭盔瞄準測量系統(tǒng)中計算飛機飛行員瞄準目標時瞄準線方向的方法，特
別是指頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿測量方法。背景技術(shù)：
研究頭部跟蹤技術(shù)在航空火力控制領(lǐng)域具有重要意義，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中"先敵發(fā)現(xiàn)， 先敵開火"，現(xiàn)代導彈一般是采用離軸發(fā)射，需要飛行員操縱飛機去瞄準目標，從發(fā)現(xiàn)目標 到導彈截獲目標的這段時間，飛行員可能需要做大載荷機動使飛機對準目標，這不但是對 飛行員的生理是個考驗，而且截獲的目標的時間比較長，容易貽誤戰(zhàn)機，現(xiàn)代戰(zhàn)機利用飛行 員的頭部去瞄準目標，也就是頭盔瞄準具，可以做到看哪打哪的作用。 頭部跟蹤實現(xiàn)的技術(shù)手段有多種方法，按傳輸媒質(zhì)的類型可分為機械法、電磁法、 光電法、超聲波法等，機械法頭部跟蹤系統(tǒng)對使用者頭部有較大的生理影響，目前已被淘 汰；電磁法是被廣泛使用的一種方法，它的基本原理是首先建立一個特定磁場區(qū)域，然后利 用磁場感應(yīng)器來獲取磁場信息，最后根據(jù)所得信息來計算出感應(yīng)器所在位置的坐標系與參 考系之間的關(guān)系參數(shù)。缺點是容易受到磁性金屬、電磁場級地磁的干擾，穩(wěn)定性不好。超聲 波法以脈沖渡越時間為基礎(chǔ)的超聲波測距技術(shù)為基礎(chǔ)的，在超聲波跟蹤器中，所有能夠影 響聲速的因素都會影響系統(tǒng)的性能，而且發(fā)射器和接收器之間不能有遮擋，而較大的延遲 則進一步限制了系統(tǒng)的使用。光電法是目前比較先進的跟蹤方法，利用光電探測器(CCD、 PSD、光電管)對一定輻射源(紅外、可見光等)進行位置和角度測量，進而求出被測物體的 姿態(tài)、位置參數(shù)。這種跟蹤器中，飛行員的頭盔上裝有三個紅外發(fā)光二極管，組成三角形。座 艙內(nèi)裝有兩個掃描系統(tǒng)，每個掃描系統(tǒng)的瞬時光學視場很窄且相向旋轉(zhuǎn)，只有瞬間視場掃 過的二極管，其輻射才能被掃描系統(tǒng)中的光電器件接收，用來測量瞬時視場由起始位置掃 到每個二極管轉(zhuǎn)過的角度，配合掃描系統(tǒng)的間距及二極管的間距等已知參數(shù)便可求出二極
管平面的法線方向。光電式頭部跟蹤器的特點是抗電磁能力強，一旦位置固定，其精度可以 保證。缺點就是存在遮擋問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種操作簡單、精度較高的頭部跟蹤系統(tǒng)中 的位姿測量方法。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的1、一種頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿 測量方法，其特征在于包括以下步驟 步驟1 :將至少兩組發(fā)光源分布在頭盔上，每一組發(fā)光源由四個點光源組成，其中 三個點光源組成一個等邊三角形，第四個點光源置于所述三個點所組成三角形的平面之 上，使第四個點光源和所述三個點光源組成的等邊三角形不共面，且第四個點光源在所述 等邊三角形上過重心點的法線上； 步驟2 :將攝像機固定在頭盔的后方，對著發(fā)光源的位置，攝像機包括光學裝置及成像傳感器，在每一瞬時，至少有一組按上述布置的發(fā)光源通過光學裝置全部成像在成像 傳感器上； 步驟3 :攝像機將成像傳感器上記錄的圖像信息發(fā)送到計算機進行處理。 所述點光源采用LED。它被點亮時可以發(fā)射出很強紅外光線，由于LED發(fā)光部分很
小，所以看成是點光源，不發(fā)散，可以很好的提高測量的精度。 所述成像傳感器采用CCD (Charge-coupled Device,電荷耦合元件)圖像傳感器。
計算機用來處理從透鏡成像裝置發(fā)送來的圖像數(shù)據(jù)，進行測定瞄準線的計算。
本發(fā)明一種頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿測量方法的優(yōu)點在于一、精度較高；二、適宜 在飛機上安裝，對飛機的其他部件沒有干擾；三、不會給頭盔增加太多重量，從而減少飛行 員的負擔；四、由于只是使用LED燈加上CCD進行定位，所以成本相對不高，適宜廣泛使用， 同時安全性和穩(wěn)定性很好。


下面參照附圖結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的描述。 圖1為頭盔瞄準線測量系統(tǒng)示意圖； 圖2是點光源在攝像機傳感器上的成像示意圖； 圖3是金字塔重構(gòu)示意圖； 圖4是金字塔模型詳細解算模型示意圖； 圖5是傳感器平面坐標系示意圖； 圖6是攝像機坐標系示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿測量方法中使用的頭盔瞄準線測量系統(tǒng)包括頭盔 1、至少兩組發(fā)光源2、攝像機5，以及計算機6。其中發(fā)光源2布置在頭盔1上，攝像機5布 置在頭盔1的后方，對著發(fā)光源2的位置，該攝像機5包括光學裝置3及成像傳感器4，光學 裝置3即透鏡。 每一組發(fā)光源2由四個點光源組成，其中三個點光源組成一個等邊三角形，第四 個點光源置于所述三個點所組成三角形的平面之上，使第四個點光源和所述三個點光源組 成的等邊三角形不共面，且第四個點光源在所述等邊三角形上過重心點的法線上。
在每一瞬時，至少有一組按上述布置的點光源通過光學裝置3全部成像在成像傳 感器4上。成像傳感器4上的圖像與發(fā)光的點光源一一對應(yīng)。計算機6接收攝像機5傳來 的圖像并處理，從中提取相應(yīng)的點光源圖像坐標。如果使用智能攝像機可以直接從攝像機 輸出對應(yīng)點光源在成像傳感器4上的圖像坐標。計算機6還負責進行測量飛行員瞄準線測 量計算。 光學裝置3被安置在一個固定的位置，該位置與成像傳感器4和飛機主體相關(guān)，并 且保持相對靜止。因此，從光學裝置3到成像傳感器4的距離保持為常量。但是，頭盔l上 的點光源到光學裝置3的距離將隨著飛行員頭盔1的移動而變化，這種情況下，不要求在成 像傳感器4上產(chǎn)生一個銳利聚焦的二極管圖像。 成像傳感器4是一種二維光電照相元件，頭盔1上的點光源的圖像就成像在成像傳感器4上，點光源的圖像由四個亮斑組成，其中三個按三角形的三個頂點排列，四個亮斑 與頭盔1上發(fā)光的一組點光源對應(yīng)。每一組發(fā)光源2以上述方式布置的目的是，當只有三 個點光源成像在成像傳感器4上時，通過計算機6計算并不能保證瞄準總是有唯一結(jié)果，因 此布置了第四個點光源，它可以排除這種解的不確定性，并且能保證每次一組發(fā)光源成像 在成像傳感器4上時，只有唯一的瞄準線結(jié)果。 頭盔1上的點光源選用紅外LED，是因為它是微型器件，發(fā)光時可以作為點光源處 理，再就是它可以發(fā)出高密度的紅外光線，能夠減少環(huán)境光的干擾，從而更好的適應(yīng)飛機飛 行員頭盔瞄準線測量系統(tǒng)的應(yīng)用。 如果在頭盔1上只裝配一組發(fā)光源2，由于光學裝置3和成像傳感器4固定在飛機 主體上，可能存在頭盔1在移動到某位置時光學裝置3不能將點光源發(fā)出的光線成像在成 像傳感器4上。為避免這種"盲點"的可能性，在頭盔1上安裝多組發(fā)光源2，使之分布于頭 盔1上，如圖1 ，對于頭盔1的任何位置，至少有一組發(fā)光源2可以在成像傳感器4上形成一 幅圖像。 請參閱圖2，下面結(jié)合圖2對頭盔瞄準線測量系統(tǒng)的測量算法原理基礎(chǔ)進行詳細 地說明。在圖2中，8是為飛行員定制的頭盔，為了計算方便，建立了一個頭盔參考坐標系， 它的原點是O"迪卡爾坐標軸定義為(X。， Y。， Z。)。更適合的應(yīng)該將頭盔參考坐標系原點0H 與護目鏡上的十字星相一致。并且用球坐標的方式來表示。10，11，12和13是頭盔8上安 裝的一組紅外發(fā)光LED，10，11和12按三角形的頂點分布，第四個點13在三角形平面外。對 本組點光源，建立了一個本組點光源的局部坐標系，原點為(\，迪卡爾坐標軸定義為(&，Yy Z》。 14是光學裝置，安裝在頭盔8與成像傳感器15之間，16是該光學裝置14的中心。 一組點光源通過光學裝置14在成像傳感器15上生成一幅圖像，該組中的點光源10， 11， 12 和13在成像傳感器14上的圖像對應(yīng)于亮點10a， lla， 12a和13a。 在上面形成的模型中，點光源10， 11， 12發(fā)出的光線形成的圖像點10a， lla， 12a和 光學裝置中心16，四點構(gòu)成一個相交于光學裝置中心16的金字塔模型。再加上已知的成像 傳感器15與光學裝置中心16的距離(需要標定)，計算機可以計算出瞄準線。在這里，分 布在頭盔8上的這組點光源10， 11， 12和13在空間中的相對位置關(guān)系是已知的。
該計算瞄準線的計算機算法首先重構(gòu)出上述的金字塔模型，由點光源構(gòu)成的三角 形邊長，依照他們在頭盔8上的位置是預先確定的。因此，計算機算法的第二步是通過已知 的金字塔模型計算點光源10，11，12構(gòu)成三角形的邊長。但是，僅僅通過圖像點10a，lla， 12a和光學裝置中心16，四點構(gòu)成一個相交于光學裝置中心16的金字塔模型不能計算得到 一個唯一的由點光源10， 11， 12構(gòu)成的三角形邊長。 如圖3所示，通過由10a，lla，12a和光學裝置中心16構(gòu)成的金字塔重構(gòu)出兩個同 樣的三角形(10， 11， 12)和(1(T，ir，12—)。第四個點光源13就是為了避免這種不確定性 它說明了被重構(gòu)的13點是正確的。也就是三角形(10， 11， 12)是正確重構(gòu)的三角形。
重構(gòu)金字塔模型詳細的解算過程如圖4所示。0為光學裝置14的中心，Aa、Ba、Ca 為三角形布置的一組點光源10， 11， 12在成像傳感器15上形成的圖像點，A、 B、 C為點光源 發(fā)射的光線通過A點且與點光源10， 11， 12所組成的三角形平行的平面相交形成的交點。因 此，計算出平面ABC的法線方向就等于求得了該點光源所確定的瞄準線的方向。事實上，三角形ABC與點光源10， 11， 12所確定的三角形相似，點光源10， 11， 12確定三角形的邊長是 已知的，并且三條邊相等。 根據(jù)圖4，設(shè)0A長度為a二 1已知，0B長度為b， 0C長度為c。 Z AOB、 Z BOC、 Z AOC也可以通過圖像點Aa、 Ba、 Ca及0之間的關(guān)系(成像傳感器和光學裝置的相對位置 是預先固定)確定，分別設(shè)為a 、 P 、 Y 。那么，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可以分別求得AB、BC、AC 的長度，即: AB = a2+b2+2 XaXbXcosa
BC = b2+c2+2XbXcXcose
AC = a2+c2+2XaXcXcos Y
因為AB = BC， AB = AC，則有
爿5 = a2 +62 +2xax6xcosa _SC = 62 +c2 +2x6xcxcos" < = fl2+C2十2xflXCXC0S^ 上述方程組聯(lián)立得
{a2 +62 +2xflx6xcoscr = 62 +c2 +2x6xcxcos〃 a2 +62 +2x<arx6xcosa = a2 +c +2x axe x cosy 這是一個二元二次方程組。消元可得到一個關(guān)于c的一元四次方程。解該一元四 次方程可得到c的四個解。其中有兩個實解，把c的實解回代到二元二次方程可得到b的 兩個對應(yīng)實解。在圖4上表示就是0A、0B、0C和OA' 、0B' 、0C'。 計算金字塔模型得到兩個結(jié)果說明了只有按三角形布置的點光源10， 11， 12不能 計算瞄準線的唯一結(jié)果。同時也說明了第四個點光源13的必要性。成像傳感器15上圖像 點13a由點光源13發(fā)出光線形成。因此，成像傳感器15上圖像點13a，頭盔上的一組點光 源中的由點光源形成的三角形平面外的點光源13和光學裝置中心16應(yīng)該在同一條空間直 線上。這給排除由金字塔模型得到兩個解中的非真實解提供了一種方法。具體的方法論述 參考下文。 1)如圖5所示，建立成像傳感器平面坐標系(0a-XaYa)。坐標系原點設(shè)在成像傳 感器平面與光學裝置光軸的交點，迪卡爾坐標軸X、 Y軸方向與傳感器平面水平、垂直方向 對應(yīng)。 2)如圖6所示，建立攝像機坐標系(0c-XcYcZc)，坐標系原點設(shè)在光學裝置中心， 迪卡爾坐標軸Z軸通過光學裝置的光軸。X、Y軸方向與傳感器平面坐標系X、Y軸方向?qū)?yīng)。
3)將圖4所示的金字塔模型用上述兩個坐標系，在攝像機坐標系表示圖4中的點， 則其中每一個點都具有一個三維坐標。利用上面重構(gòu)金字塔模型得出的兩組結(jié)果，即可計 算出點光源10， 11， 12在攝像機坐標系中的兩組坐標值。 4)在攝像機坐標系中，根據(jù)計算得到的點光源10、11、12點的兩組空間坐標，可以 計算該三點確定的兩組平面法線。同時利用第四個點光源在該組點光源中的相對位置關(guān)系 (第四點是10， 11， 12和13構(gòu)成的四面體的頂點)，也可以計算得到第四個點光源13的攝像機坐標系兩個空間坐標。 5)到目前為止，一般來講我們得到的有兩組不同解。判斷圖像點13a，光學裝置中 心和計算出的點光源13的關(guān)系，即可排除非真實解，因為點光源13的真實解能夠使三點共 線。 6)該組點光源10， 11， 12坐標的真實解對應(yīng)的平面法線是我們所需要的。把法線 變換到飛機坐標系中，就是我們要計算的頭盔瞄準線。
權(quán)利要求
一種頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿測量方法，其特征在于包括以下步驟步驟1將至少兩組發(fā)光源分布在頭盔上，每一組發(fā)光源由四個點光源組成，其中三個點光源組成一個等邊三角形，第四個點光源置于所述三個點所組成三角形的平面之上，使第四個點光源和所述三個點光源組成的等邊三角形不共面，且第四個點光源在所述等邊三角形上過重心點的法線上；步驟2將攝像機固定在頭盔的后方，對著發(fā)光源的位置，攝像機包括光學裝置及成像傳感器，在每一瞬時，至少有一組按上述布置的發(fā)光源通過光學裝置全部成像在成像傳感器上；步驟3攝像機將成像傳感器上記錄的圖像信息發(fā)送到計算機進行處理。
2. 如權(quán)利要求1所述的頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿測量方法，其特征在于所述點光源采 用LED。
3. 如權(quán)利要求1所述的頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿測量方法，其特征在于所述光學裝置 被安置在一個固定的位置，該位置與成像傳感器和飛機主體相關(guān)，并且保持相對靜止，從所 述光學裝置到成像傳感器的距離保持為常量。
4. 如權(quán)利要求1所述的頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿測量方法，其特征在于所述成像傳感 器采用CCD圖像傳感器。
全文摘要
一種頭部跟蹤系統(tǒng)中的位姿測量方法包括將至少兩組發(fā)光源分布在頭盔上，每一組發(fā)光源由四個點光源組成，其中三個點光源組成一個等邊三角形，第四個點光源置于所述三個點所組成三角形的平面之上，且第四個點光源在所述等邊三角形上過重心點的法線上；將攝像機固定在頭盔的后方，對著發(fā)光源的位置，在每一瞬時，至少有一組按上述布置的發(fā)光源通過攝像機的光學裝置全部成像在攝像機的成像傳感器上；攝像機將成像傳感器上記錄的圖像信息發(fā)送到計算機進行處理。本發(fā)明的優(yōu)點在于精度較高；適宜在飛機上安裝，對飛機的其他部件沒有干擾；不會給頭盔增加太多重量；成本不高，適宜廣泛使用，同時安全性和穩(wěn)定性很好。
文檔編號G01C11/00GK101762262SQ20091018501
公開日2010年6月30日 申請日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者吳華夏, 張濤, 李園, 武維生, 沈威, 董戴 申請人:安徽華東光電技術(shù)研究所