专利名称：头部跟踪系统中的位姿测量方法
头部跟踪系统中的位姿测量方法
技术领域：
本发明是头盔瞄准测量系统中计算飞机飞行员瞄准目标时瞄准线方向的方法，特
别是指头部跟踪系统中的位姿测量方法。
背景技术：
研究头部跟踪技术在航空火力控制领域具有重要意义，在现代战争中"先敌发现， 先敌开火"，现代导弹一般是采用离轴发射，需要飞行员操纵飞机去瞄准目标，从发现目标 到导弹截获目标的这段时间，飞行员可能需要做大载荷机动使飞机对准目标，这不但是对 飞行员的生理是个考验，而且截获的目标的时间比较长，容易贻误战机，现代战机利用飞行 员的头部去瞄准目标，也就是头盔瞄准具，可以做到看哪打哪的作用。 头部跟踪实现的技术手段有多种方法，按传输媒质的类型可分为机械法、电磁法、 光电法、超声波法等，机械法头部跟踪系统对使用者头部有较大的生理影响，目前已被淘 汰；电磁法是被广泛使用的一种方法，它的基本原理是首先建立一个特定磁场区域，然后利 用磁场感应器来获取磁场信息，最后根据所得信息来计算出感应器所在位置的坐标系与参 考系之间的关系参数。缺点是容易受到磁性金属、电磁场级地磁的干扰，稳定性不好。超声 波法以脉冲渡越时间为基础的超声波测距技术为基础的，在超声波跟踪器中，所有能够影 响声速的因素都会影响系统的性能，而且发射器和接收器之间不能有遮挡，而较大的延迟 则进一步限制了系统的使用。光电法是目前比较先进的跟踪方法，利用光电探测器(CCD、 PSD、光电管)对一定辐射源(红外、可见光等)进行位置和角度测量，进而求出被测物体的 姿态、位置参数。这种跟踪器中，飞行员的头盔上装有三个红外发光二极管，组成三角形。座 舱内装有两个扫描系统，每个扫描系统的瞬时光学视场很窄且相向旋转，只有瞬间视场扫 过的二极管，其辐射才能被扫描系统中的光电器件接收，用来测量瞬时视场由起始位置扫 到每个二极管转过的角度，配合扫描系统的间距及二极管的间距等已知参数便可求出二极
管平面的法线方向。光电式头部跟踪器的特点是抗电磁能力强，一旦位置固定，其精度可以 保证。缺点就是存在遮挡问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种操作简单、精度较高的头部跟踪系统中 的位姿测量方法。 本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的1、一种头部跟踪系统中的位姿 测量方法，其特征在于包括以下步骤 步骤1 :将至少两组发光源分布在头盔上，每一组发光源由四个点光源组成，其中 三个点光源组成一个等边三角形，第四个点光源置于所述三个点所组成三角形的平面之 上，使第四个点光源和所述三个点光源组成的等边三角形不共面，且第四个点光源在所述 等边三角形上过重心点的法线上； 步骤2 :将摄像机固定在头盔的后方，对着发光源的位置，摄像机包括光学装置及成像传感器，在每一瞬时，至少有一组按上述布置的发光源通过光学装置全部成像在成像 传感器上； 步骤3 :摄像机将成像传感器上记录的图像信息发送到计算机进行处理。 所述点光源采用LED。它被点亮时可以发射出很强红外光线，由于LED发光部分很
小，所以看成是点光源，不发散，可以很好的提高测量的精度。 所述成像传感器采用CCD (Charge-coupled Device,电荷耦合元件)图像传感器。
计算机用来处理从透镜成像装置发送来的图像数据，进行测定瞄准线的计算。
本发明一种头部跟踪系统中的位姿测量方法的优点在于一、精度较高；二、适宜 在飞机上安装，对飞机的其他部件没有干扰；三、不会给头盔增加太多重量，从而减少飞行 员的负担；四、由于只是使用LED灯加上CCD进行定位，所以成本相对不高，适宜广泛使用， 同时安全性和稳定性很好。
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。 图1为头盔瞄准线测量系统示意图； 图2是点光源在摄像机传感器上的成像示意图； 图3是金字塔重构示意图； 图4是金字塔模型详细解算模型示意图； 图5是传感器平面坐标系示意图； 图6是摄像机坐标系示意图。
具体实施方式
本发明头部跟踪系统中的位姿测量方法中使用的头盔瞄准线测量系统包括头盔 1、至少两组发光源2、摄像机5，以及计算机6。其中发光源2布置在头盔1上，摄像机5布 置在头盔1的后方，对着发光源2的位置，该摄像机5包括光学装置3及成像传感器4，光学 装置3即透镜。 每一组发光源2由四个点光源组成，其中三个点光源组成一个等边三角形，第四 个点光源置于所述三个点所组成三角形的平面之上，使第四个点光源和所述三个点光源组 成的等边三角形不共面，且第四个点光源在所述等边三角形上过重心点的法线上。
在每一瞬时，至少有一组按上述布置的点光源通过光学装置3全部成像在成像传 感器4上。成像传感器4上的图像与发光的点光源一一对应。计算机6接收摄像机5传来 的图像并处理，从中提取相应的点光源图像坐标。如果使用智能摄像机可以直接从摄像机 输出对应点光源在成像传感器4上的图像坐标。计算机6还负责进行测量飞行员瞄准线测 量计算。 光学装置3被安置在一个固定的位置，该位置与成像传感器4和飞机主体相关，并 且保持相对静止。因此，从光学装置3到成像传感器4的距离保持为常量。但是，头盔l上 的点光源到光学装置3的距离将随着飞行员头盔1的移动而变化，这种情况下，不要求在成 像传感器4上产生一个锐利聚焦的二极管图像。 成像传感器4是一种二维光电照相元件，头盔1上的点光源的图像就成像在成像传感器4上，点光源的图像由四个亮斑组成，其中三个按三角形的三个顶点排列，四个亮斑 与头盔1上发光的一组点光源对应。每一组发光源2以上述方式布置的目的是，当只有三 个点光源成像在成像传感器4上时，通过计算机6计算并不能保证瞄准总是有唯一结果，因 此布置了第四个点光源，它可以排除这种解的不确定性，并且能保证每次一组发光源成像 在成像传感器4上时，只有唯一的瞄准线结果。 头盔1上的点光源选用红外LED，是因为它是微型器件，发光时可以作为点光源处 理，再就是它可以发出高密度的红外光线，能够减少环境光的干扰，从而更好的适应飞机飞 行员头盔瞄准线测量系统的应用。 如果在头盔1上只装配一组发光源2，由于光学装置3和成像传感器4固定在飞机 主体上，可能存在头盔1在移动到某位置时光学装置3不能将点光源发出的光线成像在成 像传感器4上。为避免这种"盲点"的可能性，在头盔1上安装多组发光源2，使之分布于头 盔1上，如图1 ，对于头盔1的任何位置，至少有一组发光源2可以在成像传感器4上形成一 幅图像。 请参阅图2，下面结合图2对头盔瞄准线测量系统的测量算法原理基础进行详细 地说明。在图2中，8是为飞行员定制的头盔，为了计算方便，建立了一个头盔参考坐标系， 它的原点是O"迪卡尔坐标轴定义为(X。， Y。， Z。)。更适合的应该将头盔参考坐标系原点0H 与护目镜上的十字星相一致。并且用球坐标的方式来表示。10，11，12和13是头盔8上安 装的一组红外发光LED，10，11和12按三角形的顶点分布，第四个点13在三角形平面外。对 本组点光源，建立了一个本组点光源的局部坐标系，原点为(\，迪卡尔坐标轴定义为(&，Yy Z》。 14是光学装置，安装在头盔8与成像传感器15之间，16是该光学装置14的中心。 一组点光源通过光学装置14在成像传感器15上生成一幅图像，该组中的点光源10， 11， 12 和13在成像传感器14上的图像对应于亮点10a， lla， 12a和13a。 在上面形成的模型中，点光源10， 11， 12发出的光线形成的图像点10a， lla， 12a和 光学装置中心16，四点构成一个相交于光学装置中心16的金字塔模型。再加上已知的成像 传感器15与光学装置中心16的距离(需要标定)，计算机可以计算出瞄准线。在这里，分 布在头盔8上的这组点光源10， 11， 12和13在空间中的相对位置关系是已知的。
该计算瞄准线的计算机算法首先重构出上述的金字塔模型，由点光源构成的三角 形边长，依照他们在头盔8上的位置是预先确定的。因此，计算机算法的第二步是通过已知 的金字塔模型计算点光源10，11，12构成三角形的边长。但是，仅仅通过图像点10a，lla， 12a和光学装置中心16，四点构成一个相交于光学装置中心16的金字塔模型不能计算得到 一个唯一的由点光源10， 11， 12构成的三角形边长。 如图3所示，通过由10a，lla，12a和光学装置中心16构成的金字塔重构出两个同 样的三角形(10， 11， 12)和(1(T，ir，12—)。第四个点光源13就是为了避免这种不确定性 它说明了被重构的13点是正确的。也就是三角形(10， 11， 12)是正确重构的三角形。
重构金字塔模型详细的解算过程如图4所示。0为光学装置14的中心，Aa、Ba、Ca 为三角形布置的一组点光源10， 11， 12在成像传感器15上形成的图像点，A、 B、 C为点光源 发射的光线通过A点且与点光源10， 11， 12所组成的三角形平行的平面相交形成的交点。因 此，计算出平面ABC的法线方向就等于求得了该点光源所确定的瞄准线的方向。事实上，三角形ABC与点光源10， 11， 12所确定的三角形相似，点光源10， 11， 12确定三角形的边长是 已知的，并且三条边相等。 根据图4，设0A长度为a二 1已知，0B长度为b， 0C长度为c。 Z AOB、 Z BOC、 Z AOC也可以通过图像点Aa、 Ba、 Ca及0之间的关系(成像传感器和光学装置的相对位置 是预先固定)确定，分别设为a 、 P 、 Y 。那么，根据三角函数关系可以分别求得AB、BC、AC 的长度，即: AB = a2+b2+2 XaXbXcosa
BC = b2+c2+2XbXcXcose
AC = a2+c2+2XaXcXcos Y
因为AB = BC， AB = AC，则有
爿5 = a2 +62 +2xax6xcosa _SC = 62 +c2 +2x6xcxcos" < = fl2+C2十2xflXCXC0S^ 上述方程组联立得
{a2 +62 +2xflx6xcoscr = 62 +c2 +2x6xcxcos〃 a2 +62 +2x<arx6xcosa = a2 +c +2x axe x cosy 这是一个二元二次方程组。消元可得到一个关于c的一元四次方程。解该一元四 次方程可得到c的四个解。其中有两个实解，把c的实解回代到二元二次方程可得到b的 两个对应实解。在图4上表示就是0A、0B、0C和OA' 、0B' 、0C'。 计算金字塔模型得到两个结果说明了只有按三角形布置的点光源10， 11， 12不能 计算瞄准线的唯一结果。同时也说明了第四个点光源13的必要性。成像传感器15上图像 点13a由点光源13发出光线形成。因此，成像传感器15上图像点13a，头盔上的一组点光 源中的由点光源形成的三角形平面外的点光源13和光学装置中心16应该在同一条空间直 线上。这给排除由金字塔模型得到两个解中的非真实解提供了一种方法。具体的方法论述 参考下文。 1)如图5所示，建立成像传感器平面坐标系(0a-XaYa)。坐标系原点设在成像传 感器平面与光学装置光轴的交点，迪卡尔坐标轴X、 Y轴方向与传感器平面水平、垂直方向 对应。 2)如图6所示，建立摄像机坐标系(0c-XcYcZc)，坐标系原点设在光学装置中心， 迪卡尔坐标轴Z轴通过光学装置的光轴。X、Y轴方向与传感器平面坐标系X、Y轴方向对应。
3)将图4所示的金字塔模型用上述两个坐标系，在摄像机坐标系表示图4中的点， 则其中每一个点都具有一个三维坐标。利用上面重构金字塔模型得出的两组结果，即可计 算出点光源10， 11， 12在摄像机坐标系中的两组坐标值。 4)在摄像机坐标系中，根据计算得到的点光源10、11、12点的两组空间坐标，可以 计算该三点确定的两组平面法线。同时利用第四个点光源在该组点光源中的相对位置关系 (第四点是10， 11， 12和13构成的四面体的顶点)，也可以计算得到第四个点光源13的摄像机坐标系两个空间坐标。 5)到目前为止，一般来讲我们得到的有两组不同解。判断图像点13a，光学装置中 心和计算出的点光源13的关系，即可排除非真实解，因为点光源13的真实解能够使三点共 线。 6)该组点光源10， 11， 12坐标的真实解对应的平面法线是我们所需要的。把法线 变换到飞机坐标系中，就是我们要计算的头盔瞄准线。
权利要求
一种头部跟踪系统中的位姿测量方法，其特征在于包括以下步骤步骤1将至少两组发光源分布在头盔上，每一组发光源由四个点光源组成，其中三个点光源组成一个等边三角形，第四个点光源置于所述三个点所组成三角形的平面之上，使第四个点光源和所述三个点光源组成的等边三角形不共面，且第四个点光源在所述等边三角形上过重心点的法线上；步骤2将摄像机固定在头盔的后方，对着发光源的位置，摄像机包括光学装置及成像传感器，在每一瞬时，至少有一组按上述布置的发光源通过光学装置全部成像在成像传感器上；步骤3摄像机将成像传感器上记录的图像信息发送到计算机进行处理。
2. 如权利要求1所述的头部跟踪系统中的位姿测量方法，其特征在于所述点光源采 用LED。
3. 如权利要求1所述的头部跟踪系统中的位姿测量方法，其特征在于所述光学装置 被安置在一个固定的位置，该位置与成像传感器和飞机主体相关，并且保持相对静止，从所 述光学装置到成像传感器的距离保持为常量。
4. 如权利要求1所述的头部跟踪系统中的位姿测量方法，其特征在于所述成像传感 器采用CCD图像传感器。
全文摘要
一种头部跟踪系统中的位姿测量方法包括将至少两组发光源分布在头盔上，每一组发光源由四个点光源组成，其中三个点光源组成一个等边三角形，第四个点光源置于所述三个点所组成三角形的平面之上，且第四个点光源在所述等边三角形上过重心点的法线上；将摄像机固定在头盔的后方，对着发光源的位置，在每一瞬时，至少有一组按上述布置的发光源通过摄像机的光学装置全部成像在摄像机的成像传感器上；摄像机将成像传感器上记录的图像信息发送到计算机进行处理。本发明的优点在于精度较高；适宜在飞机上安装，对飞机的其他部件没有干扰；不会给头盔增加太多重量；成本不高，适宜广泛使用，同时安全性和稳定性很好。
文档编号G01C11/00GK101762262SQ20091018501
公开日2010年6月30日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者吴华夏, 张涛, 李园, 武维生, 沈威, 董戴 申请人:安徽华东光电技术研究所