JP4924342B2 - モーショントラッカ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、カメラ装置に設定された相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を測定するためのモーショントラッカ装置（以下、ＭＴ装置ともいう）に関する。本発明は、例えば、ゲーム機や乗物等の移動体で用いられる頭部装着型表示装置付ヘルメットの現在位置及び現在角度（すなわち、現在の頭部位置及び頭部角度）を測定するＨＭＴ装置（以下、ＨＭＴ装置ともいう）等に利用される。
時々刻々と変動する物体の現在位置や現在角度を正確に測定する技術は、様々な分野で利用されている。例えば、ゲーム機では、バーチャルリアリティ（ＶＲ）を実現するために、頭部装着型表示装置付ヘルメットを用いることにより、映像を表示することがなされている。このとき、頭部装着型表示装置付ヘルメットの現在位置や現在角度に合わせて、映像を変化させる必要があり、頭部装着型表示装置付ヘルメットの現在位置や現在角度を測定するために、ＨＭＴ装置が利用されている。
また、救難飛行艇による救難活動では、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付ヘルメット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（救難飛行艇）の緯度、経度、高度、姿勢に加えて、飛行体に設定された相対座標系に対するパイロットの頭部の現在位置や現在角度を測定する必要があり、ＨＭＴ装置が利用されている。
頭部装着型表示装置付ヘルメットに利用されるＨＭＴ装置としては、光学的に頭部装着型表示装置付ヘルメットの現在位置や現在角度を測定するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、光学マーカー群として、複数の反射板を頭部装着型表示装置付ヘルメットの外周面上に取り付けるとともに、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装置が開示されている。また、発光体を互いに離隔するようにして複数箇所に取り付けた光学方式のＨＭＴ装置もある（例えば、特許文献２参照）。図５は、従来の光学方式のＨＭＴ装置を示す図である。図５に示すように、頭部装着型表示装置付ヘルメット５０の外周面上に、光学マーカー群として、発光体であるＬＥＤ（発光ダイオード）７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個のＬＥＤ７の相対的な位置関係をＨＭＴ装置に予め記憶させておく。そして、これら３個のＬＥＤ７を、設置場所が固定された２台のカメラ２ａ、２ｂで同時に立体視で撮影することで、所謂、三角測量の原理により、現在の３個のＬＥＤ７の相対的な位置関係を測定している。このようにして、頭部装着型表示装置付ヘルメット５０に固定された３点の位置（３個のＬＥＤの位置）が特定できれば、頭部装着型表示装置付ヘルメット５０の位置や角度が特定できるので、これにより、２台のカメラ２ａ、２ｂに対する頭部装着型表示装置付ヘルメット５０の移動位置や移動角度を算出している。
特表平９−５０６１９４号公報
特願２００６−２８４４４２号公報
しかしながら、光学方式のＨＭＴ装置においては、２台のカメラ２ａ、２ｂにより３個のＬＥＤ７を観測し続ける必要があるが、図６に示すように、頭部装着型表示装置付ヘルメット５０の位置や角度が大きく変化する場合には、３個のＬＥＤ７の位置とカメラ２ａ、２ｂの設置場所との関係で、３個のＬＥＤ７の内のいくつかがカメラ２ａ、２ｂの視野から外れることがあり、その結果、頭部装着型表示装置付ヘルメット５０の測定ができなくなることがあった。
そこで、本発明は、カメラ装置でＬＥＤ等の光学マーカーの検出ができなくなったときに、カメラ装置に設定された相対座標系に対する、頭部装着型表示装置付ヘルメット等の対象物の現在位置及び現在角度を、精度よく測定することができるモーショントラッカ装置を提供することを目的とする。
そこで、本発明は、カメラ装置でＬＥＤ等の光学マーカーの検出ができなくなったときに、カメラ装置に設定された相対座標系に対する、頭部装着型表示装置付ヘルメット等の対象物の現在位置及び現在角度を、精度よく測定することができるモーショントラッカ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本発明のモーショントラッカ装置は、対象物に位置決めされて取り付けられた３個以上の光学マーカーと、相対座標系が設定され、前記光学マーカーからの光線を立体視で検出するカメラ装置と、検出された光線に基づいて、前記相対座標系に対する光学マーカーの現在位置である光学マーカー位置情報を算出する光学マーカー位置情報算出部と、前記光学マーカー位置情報に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出して、相対情報記憶部に記憶させる第一相対情報算出部とを備えるモーショントラッカ装置であって、前記対象物に取り付けられるとともに、前記対象物に作用する対象物角速度を検出する対象物角速度センサと、前記対象物に取り付けられるとともに、前記対象物に作用する対象物加速度を検出する対象物加速度センサと、前記相対情報記憶部に記憶された少なくとも２つの相対情報に基づいて、前記対象物の対象物速度を算出する対象物速度算出部と、前記対象物角速度、光学マーカー位置情報、及び、記憶された相対情報に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出して、前記相対情報記憶部に記憶させる第二相対情報算出部と、前記対象物角速度、対象物加速度、対象物速度、及び、記憶された相対情報に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出して、前記相対情報記憶部に記憶させる第三相対情報算出部と、前記光学マーカー位置情報算出部で算出された光学マーカー位置情報が、３個以上の光学マーカーの現在位置を含むときには、前記第一相対情報算出部で相対情報を算出し、前記光学マーカー位置情報が、１個以上３個未満の光学マーカーの現在位置を含むときには、前記第二相対情報算出部で相対情報を算出し、前記光学マーカー位置情報が、全く光学マーカーの現在位置を含まないときには、前記第三相対情報算出部で相対情報を算出する切替部とを備えるようにしている。
ここで、「対象物角速度センサ」とは、センサ自体に３軸が定義されて、この３軸を基準とする角速度を検出できるもののことをいい、例えば、ジャイロセンサ等が用いられる。
また、「対象物加速度センサ」とは、センサ自体に３軸が定義されて、この３軸を基準とする３軸方向の加速度を検出できるもののことをいい、例えば、加速度センサ等が用いられる。
また、「対象物加速度センサ」とは、センサ自体に３軸が定義されて、この３軸を基準とする３軸方向の加速度を検出できるもののことをいい、例えば、加速度センサ等が用いられる。
本発明のＨＭＴ装置によれば、３個以上の光学マーカーが、対象物に位置決めされて取り付けられている。また、カメラ装置が、光学マーカーからの光線を立体視で検出する。そして、光学マーカー位置情報算出部は、検出された光線に基づいて、相対座標系に対する光学マーカーの現在位置である光学マーカー位置情報を算出する。このとき、光学マーカー位置情報が、３個以上の光学マーカーの現在位置を含んでいれば、対象物の現在位置及び現在角度が特定できるので、第一相対情報算出部が光学マーカー位置情報のみを用いて相対情報を算出する。
しかし、対象物の位置や角度が大きく変化した場合には、光学マーカーの位置とカメラ装置の設置場所との関係で、カメラ装置により１個若しくは２個の光学マーカーからの光線のみしか立体視で検出することができないことがある。そこで、本発明のＨＭＴ装置では、対象物角速度センサが、対象物に作用する対象物角速度を検出する。これにより、光学マーカー位置情報が、１個以上３個未満の光学マーカーの現在位置を含むときには、第二相対情報算出部が、光学マーカー位置情報を用いて対象物の位置を特定するとともに、対象物角速度を用いて対象物の移動角度量を算出することにより、相対情報を算出する。
さらに、対象物の位置や角度が大きく変化した場合には、光学マーカーの位置とカメラ装置の設置場所との関係で、カメラ装置により全く光学マーカーからの光線を立体視で検出することができないことがある。そこで、本発明のＨＭＴ装置では、対象物加速度センサが、対象物に作用する対象物加速度を検出する。これにより、光学マーカー位置情報が、全く光学マーカーの現在位置を含まないときには、第三相対情報算出部が、対象物角速度を用いて対象物の移動角度量を算出するとともに、対象物加速度を用いて対象物の移動距離量を算出することにより、相対情報を算出する。
しかし、対象物の位置や角度が大きく変化した場合には、光学マーカーの位置とカメラ装置の設置場所との関係で、カメラ装置により１個若しくは２個の光学マーカーからの光線のみしか立体視で検出することができないことがある。そこで、本発明のＨＭＴ装置では、対象物角速度センサが、対象物に作用する対象物角速度を検出する。これにより、光学マーカー位置情報が、１個以上３個未満の光学マーカーの現在位置を含むときには、第二相対情報算出部が、光学マーカー位置情報を用いて対象物の位置を特定するとともに、対象物角速度を用いて対象物の移動角度量を算出することにより、相対情報を算出する。
さらに、対象物の位置や角度が大きく変化した場合には、光学マーカーの位置とカメラ装置の設置場所との関係で、カメラ装置により全く光学マーカーからの光線を立体視で検出することができないことがある。そこで、本発明のＨＭＴ装置では、対象物加速度センサが、対象物に作用する対象物加速度を検出する。これにより、光学マーカー位置情報が、全く光学マーカーの現在位置を含まないときには、第三相対情報算出部が、対象物角速度を用いて対象物の移動角度量を算出するとともに、対象物加速度を用いて対象物の移動距離量を算出することにより、相対情報を算出する。
以上のように、本発明のＨＭＴ装置によれば、カメラ装置により光学マーカーの検出ができなくなるような、第一相対情報算出部が相対情報を算出できない状態になったときにも、第二相対情報算出部や第三相対情報算出部が相対情報を算出することができる。
なお、第三相対情報算出部は、対象物角速度と対象物加速度とに基づいて、相対情報を算出するが、対象物加速度を用いて対象物の移動距離量を算出する際に２回積分を実施するため、高い精度を長時間確保することはできない。そこで、第一相対情報算出部が相対情報を算出できない状態になったときに、光学マーカー位置情報が、１個以上３個未満の光学マーカーの現在位置を含む場合には、対象物加速度を用いず、第二相対情報算出部が、光学マーカー位置情報を用いて対象物の位置を特定するとともに、対象物角速度を用いて対象物の移動角度量を算出することにより、相対情報を算出する。つまり、光学マーカー位置情報が、全く光学マーカーの現在位置を含まない場合のみに、第三相対情報算出部が、対象物角速度を用いて対象物の移動角度量を算出するとともに、対象物加速度を用いて対象物の移動距離量を算出することにより、相対情報を算出する。したがって、対象物加速度を用いて対象物の移動距離量を算出する時間を減少させることで、高い精度を保持することができる。すなわち、精度よく、移動体に設定された相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を算出することができる。
なお、第三相対情報算出部は、対象物角速度と対象物加速度とに基づいて、相対情報を算出するが、対象物加速度を用いて対象物の移動距離量を算出する際に２回積分を実施するため、高い精度を長時間確保することはできない。そこで、第一相対情報算出部が相対情報を算出できない状態になったときに、光学マーカー位置情報が、１個以上３個未満の光学マーカーの現在位置を含む場合には、対象物加速度を用いず、第二相対情報算出部が、光学マーカー位置情報を用いて対象物の位置を特定するとともに、対象物角速度を用いて対象物の移動角度量を算出することにより、相対情報を算出する。つまり、光学マーカー位置情報が、全く光学マーカーの現在位置を含まない場合のみに、第三相対情報算出部が、対象物角速度を用いて対象物の移動角度量を算出するとともに、対象物加速度を用いて対象物の移動距離量を算出することにより、相対情報を算出する。したがって、対象物加速度を用いて対象物の移動距離量を算出する時間を減少させることで、高い精度を保持することができる。すなわち、精度よく、移動体に設定された相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を算出することができる。
（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、前記対象物は、搭乗者の頭部に装着されるヘルメットであり、かつ、前記カメラ装置は、前記搭乗者が搭乗する移動体に取り付けられ、さらに、前記移動体に取り付けられるとともに、前記移動体に作用する移動体角速度を、前記対象物角速度センサと同時間に検出する移動体角速度センサと、前記移動体に取り付けられるとともに、前記移動体に作用する移動体加速度を、前記対象物加速度センサと同時間に検出する移動体加速度センサとを備え、前記第二相対情報算出部は、前記対象物角速度、光学マーカー位置情報、記憶された相対情報、及び、移動体角速度に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出し、前記第三相対情報算出部は、前記対象物角速度、対象物加速度、対象物速度、記憶された相対情報、移動体角速度、及び、移動体加速度に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出するようにしてもよい。
また、上記発明において、前記対象物は、搭乗者の頭部に装着されるヘルメットであり、かつ、前記カメラ装置は、前記搭乗者が搭乗する移動体に取り付けられ、さらに、前記移動体に取り付けられるとともに、前記移動体に作用する移動体角速度を、前記対象物角速度センサと同時間に検出する移動体角速度センサと、前記移動体に取り付けられるとともに、前記移動体に作用する移動体加速度を、前記対象物加速度センサと同時間に検出する移動体加速度センサとを備え、前記第二相対情報算出部は、前記対象物角速度、光学マーカー位置情報、記憶された相対情報、及び、移動体角速度に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出し、前記第三相対情報算出部は、前記対象物角速度、対象物加速度、対象物速度、記憶された相対情報、移動体角速度、及び、移動体加速度に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出するようにしてもよい。
ここで、「移動体角速度センサ」とは、センサ自体に３軸が定義されて、この３軸を基準とする角速度を検出できるもののことをいい、例えば、ジャイロセンサ等が用いられる。なお、上述した対象物角速度センサは、対象物が移動体中で移動したときには、対象物の動きと移動体の動きとが合成された動きの情報を検出することになる。一方、移動体角速度センサは、対象物が移動体中で移動しても、移動体の動きのみの情報を検出することになる。
また、「移動体加速度センサ」とは、センサ自体に３軸が定義されて、この３軸を基準とする３軸方向の加速度を検出できるもののことをいい、例えば、加速度センサ等が用いられる。なお、上述した対象物加速度センサは、対象物が移動体中で移動したときには、対象物の動きと移動体の動きとが合成された動きの情報を検出することになる。一方、移動体加速度センサは、対象物が移動体中で移動しても、移動体の動きのみの情報を検出することになる。
また、「移動体加速度センサ」とは、センサ自体に３軸が定義されて、この３軸を基準とする３軸方向の加速度を検出できるもののことをいい、例えば、加速度センサ等が用いられる。なお、上述した対象物加速度センサは、対象物が移動体中で移動したときには、対象物の動きと移動体の動きとが合成された動きの情報を検出することになる。一方、移動体加速度センサは、対象物が移動体中で移動しても、移動体の動きのみの情報を検出することになる。
本発明のＨＭＴ装置によれば、搭乗者が移動体中に搭乗しているときには、対象物角速度センサは、搭乗者の動きと移動体の動きとが合成された動きの情報を検出するが、移動体角速度センサが移動体の動きのみの情報を検出するため、対象物角速度と移動体角速度とを用いて、移動体の動きを除外した搭乗者の動きのみの情報を算出することができる。また、対象物加速度センサも、搭乗者の動きと移動体の動きとが合成された動きの情報を検出するが、移動体加速度センサが移動体の動きのみの情報を検出するため、対象物加速度と移動体加速度とを用いて、移動体の動きを除外した搭乗者の動きのみの情報を算出することができる。これにより、搭乗者が移動体に搭乗していても、相対情報を算出することができる。
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。
図１は、本発明の一実施形態であるＨＭＴ装置の概略構成を示す図であり、図２は、図１に示す頭部装着型表示装置付ヘルメットの平面図である。また、図３は、相対座標系（ＸＹＺ座標系）の設定を説明するための図である。
本実施形態は、飛行体３０に搭乗するパイロット３が着用する頭部装着型表示装置付ヘルメットの現在位置及び現在角度を算出するものである。つまり、ＨＭＴ装置１は、飛行体３０に設定された相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する、パイロット３が着用する頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に設定されたヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出する。なお、相対座標系（ＸＹＺ座標系）は、後述するカメラ装置２を基準とするものであり、相対座標系記憶部４３に記憶され、一方、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）は、後述するＬＥＤ群７を基準として設定されたものであり、ヘルメット座標系記憶部４４に記憶されている。また、角度（ＲＬｈ）は、ロール方向（Ｘ軸に対する回転）の角度であり、角度（ＥＬｈ）は、エレベーション方向（Ｙ軸に対する回転）の角度であり、角度（ＡＺｈ）は、アジマス方向（Ｚ軸に対する回転）の角度である。
本実施形態は、飛行体３０に搭乗するパイロット３が着用する頭部装着型表示装置付ヘルメットの現在位置及び現在角度を算出するものである。つまり、ＨＭＴ装置１は、飛行体３０に設定された相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する、パイロット３が着用する頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に設定されたヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出する。なお、相対座標系（ＸＹＺ座標系）は、後述するカメラ装置２を基準とするものであり、相対座標系記憶部４３に記憶され、一方、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）は、後述するＬＥＤ群７を基準として設定されたものであり、ヘルメット座標系記憶部４４に記憶されている。また、角度（ＲＬｈ）は、ロール方向（Ｘ軸に対する回転）の角度であり、角度（ＥＬｈ）は、エレベーション方向（Ｙ軸に対する回転）の角度であり、角度（ＡＺｈ）は、アジマス方向（Ｚ軸に対する回転）の角度である。
ＨＭＴ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３０に取り付けられたカメラ装置２と、飛行体３０に取り付けられた移動体３軸ジャイロセンサ（移動体角速度センサ）４及び移動体加速度センサ５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。
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、ＬＥＤ（光学マーカー）群７と、対象物３軸ジャイロセンサ（対象物角速度センサ）１４と、対象物加速度センサ１５とを有する。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。
ＬＥＤ群７は、図２に示すように、互いに異なる波長の赤外光を発光する３個（あるいは３個以上の数）のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃ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。
ＬＥＤ群７は、図２に示すように、互いに異なる波長の赤外光を発光する３個（あるいは３個以上の数）のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃ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。
ここで、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）は、原点及び各座標軸の方向を任意に定めることができるが、本実施形態では図２に示すように、原点をＬＥＤ７ａの位置とし、前方方向をＸ’軸方向とし、前方方向に垂直方向をＹ’軸方向とし、Ｘ’軸方向及びＹ’軸方向に垂直方向をＺ’軸方向とするように定義するように、後述するヘルメット座標系記憶部４４に設定されている。また、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）上での３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置関係（初期データ）も、ヘルメット座標系記憶部４４に記憶されている。これにより、後述する三角測量の手法で、現時点における３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置を算出し、初期データを参照することで、頭部装着型表示装置ヘルメット１０の現在位置及び現在角度が、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）を用いて表現されるようになっている。
対象物３軸ジャイロセンサ１４は、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に作用する対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）を検出するものである。また、対象物３軸ジャイロセンサ１４は、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）に軸を合わせられて、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に取り付けられている。よって、ロール方向（Ｘ’軸に対する回転）、エレベーション方向（Ｙ’軸に対する回転）、アジマス方向（Ｚ’軸に対する回転）における対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）が検出される。このとき、パイロット３は飛行体３０に乗っており、飛行体３０自体も動いているので、対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）は、パイロット３の頭部の角速度だけでなく、飛行体３０の角速度も含んだものとなる。
なお、対象物３軸ジャイロセンサ１４は、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の原点に取り付けられていてもよく、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の原点以外の位置に取り付けられた場合には、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の原点の位置での角速度を求めるためにオフセット行列Ｍ０を乗算したりする一般的な計算方法等で、対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）に変換することになる。
なお、対象物３軸ジャイロセンサ１４は、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の原点に取り付けられていてもよく、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の原点以外の位置に取り付けられた場合には、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の原点の位置での角速度を求めるためにオフセット行列Ｍ０を乗算したりする一般的な計算方法等で、対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）に変換することになる。
対象物加速度センサ１５は、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に作用する対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）を検出するものである。また、対象物加速度センサ１５は、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）に軸を合わせられて、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に取り付けられている。よって、Ｘ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸における対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）が検出される。このとき、パイロット３は飛行体３０に乗っており、飛行体３０自体も動いているので、対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）は、パイロット３の頭部の加速度だけでなく、飛行体３０の加速度も含んだものとなる。
なお、軸合わせされずに、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に取り付けられている場合は、座標変換行列を求めておくことで、ヘルメット座標系と関連付けを行うことになる。
なお、軸合わせされずに、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に取り付けられている場合は、座標変換行列を求めておくことで、ヘルメット座標系と関連付けを行うことになる。
なお、本実施形態では、初期の状態において、パイロット３によって相対座標系（ＸＹＺ座標系）とヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）とが正確に軸合わせされたり、相対座標系とヘルメット座標系との軸ズレ量が算出されたりする必要がある。ここで、相対座標系とヘルメット座標系との軸合わせの方法としては、例えば、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に特定方向を向くように指示することにより、相対座標系とヘルメット座標系とを軸合わせする方法等が挙げられる。これにより、対象物３軸ジャイロセンサ１４と移動体３軸ジャイロセンサ４との軸合わせが行われるとともに、対象物加速度センサ１５と移動体加速度センサ５との軸合わせが行われることになる。
飛行体３０は、パイロット３が搭乗するコックピットであり、パイロット３が着席する座席３０ａと、カメラ装置２と、移動体３軸ジャイロセンサ４と、移動体加速度センサ５とを備える。
カメラ装置２は、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとからなり、撮影方向が頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に向けられているとともに、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の立体視が可能な一定の距離（ｄ）を隔てるように、飛行体３０の天井に固定軸２ｃを介して設置されている。これにより、第一カメラ２ａで撮影された第一画像が作成されるとともに、第二カメラ２ｂで撮影された第二画像が作成されることになる。
このとき、第一画像及び第二画像中にＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが映し出されていれば、第一画像及び第二画像中に映し出されているＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置により、第一カメラ２ａからの方向角度（α）と第二カメラ２ｂからの方向角度（β）とを算出し、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとの間の距離（ｄ）を用いることにより、所謂、三角測量の手法で、第一画像及び第二画像中に映し出されているＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのカメラ装置２に対する位置を算出できる（図３参照）。
カメラ装置２は、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとからなり、撮影方向が頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に向けられているとともに、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の立体視が可能な一定の距離（ｄ）を隔てるように、飛行体３０の天井に固定軸２ｃを介して設置されている。これにより、第一カメラ２ａで撮影された第一画像が作成されるとともに、第二カメラ２ｂで撮影された第二画像が作成されることになる。
このとき、第一画像及び第二画像中にＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが映し出されていれば、第一画像及び第二画像中に映し出されているＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置により、第一カメラ２ａからの方向角度（α）と第二カメラ２ｂからの方向角度（β）とを算出し、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとの間の距離（ｄ）を用いることにより、所謂、三角測量の手法で、第一画像及び第二画像中に映し出されているＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのカメラ装置２に対する位置を算出できる（図３参照）。
また、ＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置を、空間座標で表現することができるようにするために、カメラ装置２に固定され、カメラ装置２とともに移動する座標系である相対座標系（ＸＹＺ座標系）を用いる。なお、相対座標系（ＸＹＺ座標系）の具体的な原点位置やＸＹＺ軸方向の説明については後述する。
これにより、相対座標系（ＸＹＺ座標系）において、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置座標が表現できれば、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが位置決めされて取り付けられている頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）は、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置及び角度を用いて表現できるようになる。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）は、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の原点であるＬＥＤ７ａの現在の位置座標で表現することとする。
しかしながら、相対座標系（ＸＹＺ座標系）において、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの内の２個以下のＬＥＤの位置座標しか表現できない場合がある。このような場合には、本実施形態では後述する方法で対象物３軸ジャイロセンサ１４と移動体３軸ジャイロセンサ４と対象物加速度センサ１５と移動体加速度センサ５とを用いて、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を表現することになる。
これにより、相対座標系（ＸＹＺ座標系）において、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置座標が表現できれば、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが位置決めされて取り付けられている頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）は、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置及び角度を用いて表現できるようになる。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）は、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の原点であるＬＥＤ７ａの現在の位置座標で表現することとする。
しかしながら、相対座標系（ＸＹＺ座標系）において、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの内の２個以下のＬＥＤの位置座標しか表現できない場合がある。このような場合には、本実施形態では後述する方法で対象物３軸ジャイロセンサ１４と移動体３軸ジャイロセンサ４と対象物加速度センサ１５と移動体加速度センサ５とを用いて、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を表現することになる。
移動体３軸ジャイロセンサ４は、飛行体３０に作用する移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）を検出するものである。また、移動体３軸ジャイロセンサ４は、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に軸を合わせされて、飛行体３０に取り付けられている。よって、ロール方向（Ｘ軸に対する回転）、エレベーション方向（Ｙ軸に対する回転）、アジマス方向（Ｚ軸に対する回転）における移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）が検出される。
なお、移動体３軸ジャイロセンサ４は、相対座標系（ＸＹＺ座標系）の原点に取り付けられていてもよく、相対座標系（ＸＹＺ座標系）の原点以外の位置に取り付けられた場合には、相対座標系（ＸＹＺ座標系）の原点の位置での角速度を求めるためにオフセット行列Ｍ０を乗算したりする一般的な計算方法等で、移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）に変換することになる。
なお、移動体３軸ジャイロセンサ４は、相対座標系（ＸＹＺ座標系）の原点に取り付けられていてもよく、相対座標系（ＸＹＺ座標系）の原点以外の位置に取り付けられた場合には、相対座標系（ＸＹＺ座標系）の原点の位置での角速度を求めるためにオフセット行列Ｍ０を乗算したりする一般的な計算方法等で、移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）に変換することになる。
移動体加速度センサ５は、飛行体３０に作用する対象物加速度（αｘ、αｙ、αｚ）を検出するものである。また、移動体加速度センサ５は、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に軸を合わせられて、飛行体３０に取り付けられている。よって、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸における対象物加速度（αｘ、αｙ、αｚ）が検出される。
なお、軸合わせされずに、飛行体３０に取り付けられている場合は、座標変換行列を求めておくことで、相対座標系と関連付けを行うことになる。
なお、軸合わせされずに、飛行体３０に取り付けられている場合は、座標変換行列を求めておくことで、相対座標系と関連付けを行うことになる。
制御部２０は、図１に示すように、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。ＣＰＵ２１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と、第一相対情報算出部２２と、第二相対情報算出部２３と、光学マーカー位置情報算出部２４と、対象物速度算出部２５と、第三相対情報算出部２６と、切替部２９と、映像表示部２７とを有する。
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、相対情報を蓄積する相対情報記憶部４２と、相対座標系（ＸＹＺ座標系）を記憶する相対座標系記憶部４３と、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）を記憶するヘルメット座標系記憶部４４とを有する。
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、相対情報を蓄積する相対情報記憶部４２と、相対座標系（ＸＹＺ座標系）を記憶する相対座標系記憶部４３と、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）を記憶するヘルメット座標系記憶部４４とを有する。
なお、相対座標系（ＸＹＺ座標系）は、原点及び各座標軸の方向を任意に定めることができるが、本実施形態では図３に示すように、第二カメラ２ｂから第一カメラ２ａへの方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向に垂直かつ左向き方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向に垂直かつ天井に垂直で下向き方向をＺ軸方向とするように定義し、原点を第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとの中点として定義するように相対座標系記憶部４３に設定されている。
また、ヘルメット座標系記憶部４４には、予め、初期データとして、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）上におけるそれぞれの位置（Ｘ’ＤＩＳ、Ｙ’ ＤＩＳ、Ｚ’ ＤＩＳ）が記憶されている。
さらに、相対情報記憶部４２には、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を含む相対情報が順次記憶されていくことになる。このとき、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの相対座標系（ＸＹＺ座標系）における時間ｔｎのそれぞれの位置（ＸＬＥＤ、ＹＬＥＤ、ＺＬＥＤ）も順次記憶されていく。
また、ヘルメット座標系記憶部４４には、予め、初期データとして、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）上におけるそれぞれの位置（Ｘ’ＤＩＳ、Ｙ’ ＤＩＳ、Ｚ’ ＤＩＳ）が記憶されている。
さらに、相対情報記憶部４２には、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を含む相対情報が順次記憶されていくことになる。このとき、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの相対座標系（ＸＹＺ座標系）における時間ｔｎのそれぞれの位置（ＸＬＥＤ、ＹＬＥＤ、ＺＬＥＤ）も順次記憶されていく。
モーショントラッカ駆動部２８は、ＬＥＤ群７を点灯する指令信号を出力するとともに、カメラ装置２でＬＥＤ群７を撮影することにより、第一画像及び第二画像を取得する制御を行うものである。
光学マーカー位置情報算出部２４は、第一画像及び第二画像に基づいて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する、ＬＥＤ群７のそれぞれの現在位置である時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報を算出する制御を行うものである。
具体的には、カメラ装置２にＬＥＤが撮影されれば、ＬＥＤのカメラ装置２に対する位置は、第一画像と第二画像中に映し出されているＬＥＤの位置を抽出し、さらに第一カメラ２ａからの方向角度（α）と第二カメラ２ｂからの方向角度（β）とを抽出し、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとの間の距離（ｄ）を用いることにより、三角測量の手法で算出する。
光学マーカー位置情報算出部２４は、第一画像及び第二画像に基づいて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する、ＬＥＤ群７のそれぞれの現在位置である時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報を算出する制御を行うものである。
具体的には、カメラ装置２にＬＥＤが撮影されれば、ＬＥＤのカメラ装置２に対する位置は、第一画像と第二画像中に映し出されているＬＥＤの位置を抽出し、さらに第一カメラ２ａからの方向角度（α）と第二カメラ２ｂからの方向角度（β）とを抽出し、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとの間の距離（ｄ）を用いることにより、三角測量の手法で算出する。
切替部２９は、光学マーカー位置情報算出部２４で算出された時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報が、３個以上のＬＥＤの現在位置を含むときには、第一相対情報算出部２２で相対情報を算出し、時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報が、１個以上３個未満のＬＥＤの現在位置を含むときには、第二相対情報算出部２３で相対情報を算出し、時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報が、全くＬＥＤの現在位置を含まないときには、第三相対情報算出部２６で相対情報を算出するように切り替えを行う制御を行うものである。
第一相対情報算出部２２は、時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報が、３個以上のＬＥＤの現在位置を含むときに、時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報に基づいて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を含む時間ｔｎ＋１の相対情報を算出して、相対情報記憶部２４に記憶させる制御を行うものである。
具体的には、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する時間ｔｎ＋１の３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置座標である光学マーカー位置情報と、ヘルメット座標系記憶部４４に記憶されている初期データとを比較することにより、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが位置決めされて取り付けられているヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出する。
具体的には、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する時間ｔｎ＋１の３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置座標である光学マーカー位置情報と、ヘルメット座標系記憶部４４に記憶されている初期データとを比較することにより、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが位置決めされて取り付けられているヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出する。
第二相対情報算出部２３は、時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報が、１個以上３個未満のＬＥＤの現在位置を含むときに、時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）と、時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報と、記憶された時間ｔｎの相対情報と、時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）とに基づいて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を含む相対情報を算出して、相対情報記憶部２４に記憶させる制御を行うものである。
すなわち、光学マーカー位置情報算出部２４で算出された光学マーカー位置情報が３個以上のＬＥＤの現在位置を含まず、第一相対情報算出部２２が相対情報を算出できない状態になったときに、第二相対情報算出部２３は、１個以上３個未満のＬＥＤの現在位置を用いて相対情報を算出することになる。
すなわち、光学マーカー位置情報算出部２４で算出された光学マーカー位置情報が３個以上のＬＥＤの現在位置を含まず、第一相対情報算出部２２が相対情報を算出できない状態になったときに、第二相対情報算出部２３は、１個以上３個未満のＬＥＤの現在位置を用いて相対情報を算出することになる。
具体的には、まず、対象物３軸ジャイロセンサ１４で検出された時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）と、移動体３軸ジャイロセンサ４で検出された時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）との差分から、角速度差（ΔＶＲＬ、ΔＶＥＬ、ΔＶＡＺ）を算出する。つまり、差分を算出することによって、飛行体３０の角速度が消去され、頭部のみの角速度が得られる。
次に、角速度差（ΔＶＲＬ、ΔＶＥＬ、ΔＶＡＺ）を積分演算することにより、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までのヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の角度移動量（ＲＬＤＥＰ、ＥＬＤＥＰ、ＡＺＤＥＰ）を算出する。
次に、角度移動量（ＲＬＤＥＰ、ＥＬＤＥＰ、ＡＺＤＥＰ）を用いて下記式（１）により、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に位置決めして取り付けられたＬＥＤの時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動距離量（ΔＸｒ、ΔＹｒ、ΔＺｒ）を算出する。なお、ＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）上におけるそれぞれの位置（Ｘ’ＤＩＳ、Ｙ’ ＤＩＳ、Ｚ’ ＤＩＳ）は、ヘルメット座標系記憶部４４に、初期データとして予め記憶されている。
次に、角速度差（ΔＶＲＬ、ΔＶＥＬ、ΔＶＡＺ）を積分演算することにより、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までのヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の角度移動量（ＲＬＤＥＰ、ＥＬＤＥＰ、ＡＺＤＥＰ）を算出する。
次に、角度移動量（ＲＬＤＥＰ、ＥＬＤＥＰ、ＡＺＤＥＰ）を用いて下記式（１）により、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に位置決めして取り付けられたＬＥＤの時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動距離量（ΔＸｒ、ΔＹｒ、ΔＺｒ）を算出する。なお、ＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）上におけるそれぞれの位置（Ｘ’ＤＩＳ、Ｙ’ ＤＩＳ、Ｚ’ ＤＩＳ）は、ヘルメット座標系記憶部４４に、初期データとして予め記憶されている。
次に、相対情報記憶部２４に記憶された相対座標系（ＸＹＺ座標系）における時間ｔｎのＬＥＤの位置（ＸＬＥＤ、ＹＬＥＤ、ＺＬＥＤ）を用いて下記式（２）により、時間ｔｎのＬＥＤの位置（ＸＬＥＤ、ＹＬＥＤ、ＺＬＥＤ）に移動距離量（ΔＸｒ、ΔＹｒ、ΔＺｒ）を加算することで、時間ｔｎ＋１のＬＥＤの計算位置（ＸＤＥＰ、ＹＤＥＰ、ＺＤＥＰ）を算出する。
ここで、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出するためには、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動角度量（ＲＬＤＥＰ、ＥＬＤＥＰ、ＡＺＤＥＰ）だけでなく、移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）も算出する必要がある。
そこで、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する時間ｔｎ＋１の１個若しくは２個のＬＥＤの位置座標である光学マーカー位置情報と、検出されたＬＥＤと同一のＬＥＤの算出位置（ＸＤＥＰ、ＹＤＥＰ、ＺＤＥＰ）とを比較することにより、ヘルメット座標系の時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）を算出する。
そして、最後に、時間ｔｎ＋１の全てのＬＥＤの算出位置（ＸＤＥＰ、ＹＤＥＰ、ＺＤＥＰ）に移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）を加算した位置座標（ＸＬＥＤ、ＹＬＥＤ、ＺＬＥＤ）を算出して、ヘルメット座標系記憶部４４に記憶されている初期データと比較することにより、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが位置決めされて取り付けられているヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出する。
そこで、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する時間ｔｎ＋１の１個若しくは２個のＬＥＤの位置座標である光学マーカー位置情報と、検出されたＬＥＤと同一のＬＥＤの算出位置（ＸＤＥＰ、ＹＤＥＰ、ＺＤＥＰ）とを比較することにより、ヘルメット座標系の時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）を算出する。
そして、最後に、時間ｔｎ＋１の全てのＬＥＤの算出位置（ＸＤＥＰ、ＹＤＥＰ、ＺＤＥＰ）に移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）を加算した位置座標（ＸＬＥＤ、ＹＬＥＤ、ＺＬＥＤ）を算出して、ヘルメット座標系記憶部４４に記憶されている初期データと比較することにより、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが位置決めされて取り付けられているヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出する。
対象物速度算出部２５は、相対情報記憶部４２に記憶された時間ｔｎ−１の相対情報と時間ｔｎの相対情報とに基づいて、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の時間ｔｎの対象物速度（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）を算出する制御を行うものである。
後述する第三相対情報算出部２６で、移動体加速度（αｘ、αｙ、αｚ）と対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）とを用いて相対情報を算出するためには、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の時間ｔｎ＋１の速度を算出することになるが、このときに、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の時間ｔｎの対象物速度（初速度）が必要になる。そこで、対象物速度算出部２５は、時間ｔｎ−１の相対情報と時間ｔｎの相対情報とから、時間ｔｎ−１から時間ｔｎまでの平均速度を算出する。これにより、第三相対情報算出部２６で平均速度を時間ｔｎの対象物速度（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）として用いることになる。
後述する第三相対情報算出部２６で、移動体加速度（αｘ、αｙ、αｚ）と対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）とを用いて相対情報を算出するためには、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の時間ｔｎ＋１の速度を算出することになるが、このときに、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の時間ｔｎの対象物速度（初速度）が必要になる。そこで、対象物速度算出部２５は、時間ｔｎ−１の相対情報と時間ｔｎの相対情報とから、時間ｔｎ−１から時間ｔｎまでの平均速度を算出する。これにより、第三相対情報算出部２６で平均速度を時間ｔｎの対象物速度（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）として用いることになる。
第三相対情報算出部２６は、時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報が、全くＬＥＤの現在位置を含まないときに、時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）と、時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）と、時間ｔｎの対象物速度（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）と、記憶された時間ｔｎの相対情報と、時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）と、時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動体加速度（αｘ、αｙ、αｚ）とに基づいて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を含む相対情報を算出して、相対情報記憶部２４に記憶させる制御を行うものである。
すなわち、光学マーカー位置情報算出部２４で算出された光学マーカー位置情報が全くＬＥＤの現在位置を含まず、第一相対情報算出部２２及び第二相対情報算出部２３が相対情報を算出できない状態になったときに、第三相対情報算出部２３は、相対情報を算出することになる。
ここでも、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出するために、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動角度量（ＲＬＤＥＰ、ＥＬＤＥＰ、ＡＺＤＥＰ）と、移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）とを算出することになる。なお、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動角度量（ＲＬＤＥＰ、ＥＬＤＥＰ、ＡＺＤＥＰ）を算出する方法については、第二相対情報算出部２３で説明したものと同様であるので説明を省略することとする。
すなわち、光学マーカー位置情報算出部２４で算出された光学マーカー位置情報が全くＬＥＤの現在位置を含まず、第一相対情報算出部２２及び第二相対情報算出部２３が相対情報を算出できない状態になったときに、第三相対情報算出部２３は、相対情報を算出することになる。
ここでも、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出するために、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動角度量（ＲＬＤＥＰ、ＥＬＤＥＰ、ＡＺＤＥＰ）と、移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）とを算出することになる。なお、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動角度量（ＲＬＤＥＰ、ＥＬＤＥＰ、ＡＺＤＥＰ）を算出する方法については、第二相対情報算出部２３で説明したものと同様であるので説明を省略することとする。
具体的には、まず、対象物加速度センサ１５で検出された時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）と、移動体加速度センサ１５で検出された時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動体加速度（αｘ、αｙ、αｚ）との差分から、加速度差（Δαｘ、Δαｙ、Δαｚ）を算出する。つまり、差分を算出することによって、飛行体３０の加速度が消去され、頭部のみの加速度が得られる。
次に、対象物速度算出部２５で算出された時間ｔｎの対象物速度（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）を用いて、加速度差（Δαｘ、Δαｙ、Δαｚ）を２回積分演算することにより、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）を算出する。
そして、最後に、時間ｔｎの全てのＬＥＤの位置に算出位置（ＸＤＥＰ、ＹＤＥＰ、ＺＤＥＰ）と移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）とを加算した位置座標（ＸＬＥＤ、ＹＬＥＤ、ＺＬＥＤ）を算出して、ヘルメット座標系記憶部４４に記憶されている初期データと比較することにより、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが位置決めされて取り付けられているヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出する。
次に、対象物速度算出部２５で算出された時間ｔｎの対象物速度（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）を用いて、加速度差（Δαｘ、Δαｙ、Δαｚ）を２回積分演算することにより、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の時間ｔｎから時間ｔｎ＋１までの移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）を算出する。
そして、最後に、時間ｔｎの全てのＬＥＤの位置に算出位置（ＸＤＥＰ、ＹＤＥＰ、ＺＤＥＰ）と移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）とを加算した位置座標（ＸＬＥＤ、ＹＬＥＤ、ＺＬＥＤ）を算出して、ヘルメット座標系記憶部４４に記憶されている初期データと比較することにより、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが位置決めされて取り付けられているヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出する。
映像表示部２７は、時間ｔｎ＋１の相対情報に基づいて、映像表示光を出射する制御を行うものである。これにより、パイロット３は、表示器による表示映像を視認することができる。
（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により相対情報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。
まず、ステップＳ１０１の処理において、時間ｔｎを時間ｔｎ+１と更新する。
次に、ヘッドモーショントラッカ装置１により相対情報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。
まず、ステップＳ１０１の処理において、時間ｔｎを時間ｔｎ+１と更新する。
次に、ステップＳ１０２の処理において、モーショントラッカ駆動部２８は、第一画像及び第二画像を取得する。
また、ステップＳ１０３の処理において、移動体３軸ジャイロセンサ４と移動体加速度センサ５とは、移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）と移動体加速度（αｘ、αｙ、αｚ）とを検出する。
さらに、ステップＳ１０４の処理において、対象物３軸ジャイロセンサ１４と対象物加速度センサ１５とは対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）と対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）とを検出する。
なお、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４の処理は、同時に実行される。
また、ステップＳ１０３の処理において、移動体３軸ジャイロセンサ４と移動体加速度センサ５とは、移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）と移動体加速度（αｘ、αｙ、αｚ）とを検出する。
さらに、ステップＳ１０４の処理において、対象物３軸ジャイロセンサ１４と対象物加速度センサ１５とは対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）と対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）とを検出する。
なお、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４の処理は、同時に実行される。
次に、ステップＳ１０５の処理において、光学マーカー位置情報算出部２４は、第一画像及び第二画像に基づいて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する、ＬＥＤ群７の現在位置である時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報を算出する。
次に、ステップＳ１０６の処理において、切替部２９は、光学マーカー位置情報算出部２４で算出された時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報が、いくつのＬＥＤの現在位置を含んでいるかを判定する。
次に、ステップＳ１０６の処理において、切替部２９は、光学マーカー位置情報算出部２４で算出された時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報が、いくつのＬＥＤの現在位置を含んでいるかを判定する。
光学マーカー位置情報が、３個のＬＥＤの現在位置を含むときには、ステップＳ１０７の処理において、第一相対情報算出部２２は、時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報に基づいて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を含む相対情報を算出して、相対情報記憶部２４に記憶させる。
また、光学マーカー位置情報が、１個以上３個未満のＬＥＤの現在位置を含むときには、ステップＳ１０８の処理において、第二相対情報算出部２３は、対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）と、時間ｔｎ＋１の光学マーカー位置情報と、時間ｔｎの相対情報と、移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）とに基づいて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を含む相対情報を算出して、相対情報記憶部２４に記憶させる。
さらに、光学マーカー位置情報が、全くＬＥＤの現在位置を含まないときには、ステップＳ１０９の処理において、対象物速度算出部２５は、時間ｔｎ−１の相対情報と時間ｔｎの相対情報とに基づいて、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の時間ｔｎの対象物速度（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）を算出する。
次に、ステップＳ１１０の処理において、第三相対情報算出部２６は、対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）と、対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）と、時間ｔｎの対象物速度（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）と、時間ｔｎの相対情報と、移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）と、移動体加速度（αｘ、αｙ、αｚ）とに基づいて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を含む相対情報を算出して、相対情報記憶部２４に記憶させる。
次に、ステップＳ１１０の処理において、第三相対情報算出部２６は、対象物角速度（Ｖ’ＲＬ、Ｖ’ＥＬ、Ｖ’ＡＺ）と、対象物加速度（α’ｘ、α’ｙ、α’ｚ）と、時間ｔｎの対象物速度（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）と、時間ｔｎの相対情報と、移動体角速度（ＶＲＬ、ＶＥＬ、ＶＡＺ）と、移動体加速度（αｘ、αｙ、αｚ）とに基づいて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を含む相対情報を算出して、相対情報記憶部２４に記憶させる。
次に、ステップＳ１１１の処理において、映像表示部２７は、時間ｔｎ＋１の相対情報に基づいて、映像表示光を出射する。
次に、ステップＳ１１２の処理において、飛行体３０が移動しているか否かを判定する。飛行体３０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。
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Ｓ１０１の処理に戻る。つまり、飛行体３０が移動していないと判定するときまで、ステップＳ１０１〜Ｓ１１１の処理は繰り返される。
次に、ステップＳ１１２の処理において、飛行体３０が移動しているか否かを判定する。飛行体３０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。
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Ｓ１０１の処理に戻る。つまり、飛行体３０が移動していないと判定するときまで、ステップＳ１０１〜Ｓ１１１の処理は繰り返される。
以上のように、本発明のＨＭＴ装置１によれば、カメラ装置２によりＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの検出ができなくなるような、第一相対情報算出部２２が相対情報を算出できない状態になったときにも、第二相対情報算出部２３や第三相対情報算出部２６が相対情報を算出することができる。
また、対象物加速度を用いて頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）を算出する時間を減少させることで、高い精度を保持することができる。すなわち、精度よく、移動体に設定された相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の現在位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び現在角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出することができる。
また、対象物加速度を用いて頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の移動距離量（ΔＸｈ、ΔＹｈ、ΔＺｈ）を算出する時間を減少させることで、高い精度を保持することができる。すなわち、精度よく、移動体に設定された相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の現在位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び現在角度（ＲＬｈ、ＥＬｈ、ＡＺｈ）を算出することができる。
なお、上述したＨＭＴ装置１では、ＬＥＤ群７は、互いに異なる波長の赤外光を発光する構成を示したが、全てのＬＥＤは、同一の波長の光を発光するようにして、例えば、各ＬＥＤをそれぞれ個別に追跡して区別する方法（例えば、特願２００６−２８４４４２号公報等に記載されたＬＥＤの識別方法）を用いたり、各ＬＥＤの形状をそれぞれ変えたりして、互いを識別されるような構成としてもよい。また、ＬＥＤ群は、赤外光以外の光を発光するような構成としてもよい。
本発明は、飛行体に設定された相対座標系に対する搭乗員等の頭部位置や頭部角度を測定するためのモーショントラッカ装置に利用することができる。
１ ヘッドモーショントラッカ装置
２ カメラ装置
３ パイロット
４ 移動体３軸ジャイロセンサ（移動体角速度センサ）
５ 移動体加速度センサ
７ ＬＥＤ（光学マーカー）
１０ 頭部装着型表示装置付ヘルメット（対象物）
１４ 対象物３軸ジャイロセンサ（対象物角速度センサ）
１５ 対象物加速度センサ
２２ 第一相対情報算出部
２３ 第二相対情報算出部
２４ 光学マーカー位置情報算出部
２５ 対象物速度算出部
２６ 第三相対情報算出部
２８ モーショントラッカ駆動部
２９ 切替部
３０ 飛行体
４２ 相対情報記憶部
２ カメラ装置
３ パイロット
４ 移動体３軸ジャイロセンサ（移動体角速度センサ）
５ 移動体加速度センサ
７ ＬＥＤ（光学マーカー）
１０ 頭部装着型表示装置付ヘルメット（対象物）
１４ 対象物３軸ジャイロセンサ（対象物角速度センサ）
１５ 対象物加速度センサ
２２ 第一相対情報算出部
２３ 第二相対情報算出部
２４ 光学マーカー位置情報算出部
２５ 対象物速度算出部
２６ 第三相対情報算出部
２８ モーショントラッカ駆動部
２９ 切替部
３０ 飛行体
４２ 相対情報記憶部
Claims (2)
- 対象物に位置決めされて取り付けられた３個以上の光学マーカーと、
相対座標系が設定され、前記光学マーカーからの光線を立体視で検出するカメラ装置と、
検出された光線に基づいて、前記相対座標系に対する光学マーカーの現在位置である光学マーカー位置情報を算出する光学マーカー位置情報算出部と、
前記光学マーカー位置情報に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出して、相対情報記憶部に記憶させる第一相対情報算出部とを備えるモーショントラッカ装置であって、
前記対象物に取り付けられるとともに、前記対象物に作用する対象物角速度を検出する対象物角速度センサと、
前記対象物に取り付けられるとともに、前記対象物に作用する対象物加速度を検出する対象物加速度センサと、
前記相対情報記憶部に記憶された少なくとも２つの相対情報に基づいて、前記対象物の対象物速度を算出する対象物速度算出部と、
前記対象物角速度、光学マーカー位置情報、及び、記憶された相対情報に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出して、前記相対情報記憶部に記憶させる第二相対情報算出部と、
前記対象物角速度、対象物加速度、対象物速度、及び、記憶された相対情報に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出して、前記相対情報記憶部に記憶させる第三相対情報算出部と、
前記光学マーカー位置情報算出部で算出された光学マーカー位置情報が、３個以上の光学マーカーの現在位置を含むときには、前記第一相対情報算出部で相対情報を算出し、
前記光学マーカー位置情報が、１個以上３個未満の光学マーカーの現在位置を含むときには、前記第二相対情報算出部で相対情報を算出し、
前記光学マーカー位置情報が、全く光学マーカーの現在位置を含まないときには、前記第三相対情報算出部で相対情報を算出する切替部とを備えることを特徴とするモーショントラッカ装置。 - 前記対象物は、搭乗者の頭部に装着されるヘルメットであり、かつ、
前記カメラ装置は、前記搭乗者が搭乗する移動体に取り付けられ、
さらに、前記移動体に取り付けられるとともに、前記移動体に作用する移動体角速度を、前記対象物角速度センサと同時間に検出する移動体角速度センサと、
前記移動体に取り付けられるとともに、前記移動体に作用する移動体加速度を、前記対象物加速度センサと同時間に検出する移動体加速度センサとを備え、
前記第二相対情報算出部は、前記対象物角速度、光学マーカー位置情報、記憶された相対情報、及び、移動体角速度に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出し、
前記第三相対情報算出部は、前記対象物角速度、対象物加速度、対象物速度、記憶された相対情報、移動体角速度、及び、移動体加速度に基づいて、前記相対座標系に対する対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出することを特徴とする請求項１に記載のモーショントラッカ装置。
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