[发明专利]视觉辅助惯性测量单元的数字头盔显示设备跟踪系统

说明书

技术领域

本发明与计算机视觉和惯性测量相关，属于视觉测量和组合导航研究领域，建立的头盔显示器跟踪系统具有轻质、舒适、快响应、高精度等特点，其中采用的是一种视觉辅助惯性测量单元的导航方法，能够实时、可靠地实现对头盔姿态的精确跟踪。

背景技术

头盔跟踪系统通过跟踪飞行员头部运动，实现武器系统的瞄准，在实际飞行任务中，飞行员不仅要时刻查看仪器面板数据变化，同时还要关注舱外打击目标的位置，视线瞄准目标，因此通过飞行员视线方向变化控制瞄准系统瞄准目标的方法是非常有意义的，飞行员视线方向体现在飞行员所带头盔的姿态变化，利用传感器获取头部姿态，从而得到视线方向，转化成控制信号，控制瞄准系统。

头盔跟踪系统应用在头盔瞄准具中已有很长一段时间，传统的瞄准方式主要有机电式、电磁式和光电式：机电式是通过连杆装置和电磁离合器将头盔与座舱顶部连接起来，由连杆两端的测角器测量头部转动的角度；电磁式是通过头盔和座舱内的磁敏感器和磁辐射器，利用磁场方向的偏差获得头部相对于机身正方向的角度，电磁设备的安装会使得飞行员头部负荷大，且易对舱内其他设备产生电磁干扰；光电式是通过座舱内的红外接收机接收头盔两侧红外二极管发出的红外信号，与基准信号比对，由偏差计算头部转动的角度，虽然这种方法较为先进，也改进了前两种方法的一些缺点，但是光电式的瞄准系统结构复杂，安装调试难度大，也为头盔瞄准器的使用造成一定的不便。

随着计算机视觉的发展，越来越多的学者将目光转向了视觉测量，其用于头盔瞄准具的应用价值也逐渐体现，视觉测量由于其成本低、质量轻、可靠性高、使用方便、技术成熟等优点，大大减轻飞行员的负担和安装调试的难度，因此，许多学者对基于视觉测量、图像处理技术的头盔瞄准具进行了大量的仿真与研究，但是视觉图像的处理需要占用很大的计算空间，处理速度较慢，若要满足视线对准的快速性与实时性，必须要求机载计算机具有很大的存储空间和很高的计算效率。

惯性测量单元基于惯性测量技术，是非常成熟的测量手段，已广泛应用于各类飞行器和舰船，它具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好、能连续不断地提供数据等特点，是一种完全自主性、实时性的测量、导航方法，但惯性测量单元的测量误差随时间的不断增加而积累，再加上自身的漂移特性，不能满足长时间的精度要求，本发明的方法就是基于视觉辅助惯性测量单元的方法，利用成熟的惯性测量单元测量技术，加以视觉测量的辅助，以一定的时间间隔修正惯性测量的误差，以达到精确跟踪头盔姿态的目的。

发明内容

利用惯性测量单元而发展起来的各项技术凭借其自主性、实时性等强大优点，保证了惯性测量在数字头盔姿态跟踪方面的可行性；视觉测量技术的发展也为数字头盔的姿态跟踪提供了技术支持，其精度较高的优势在保证姿态跟踪自主性的基础上，弥补惯性测量单元误差随时间积累的缺点，辅助惯性测量单元实现对数字头盔姿态的实时跟踪；本发明设计一种视觉辅助惯性测量单元的数字头盔跟踪系统，在头盔顶部选定若干个标志/特征点进行标定，相机安装在头盔顶部正上方的座舱内，对正下方进行拍照；惯性测量单元安装在飞行员的头盔上，通过建立一种导航滤波方法实现对头盔姿态的计算。

本发明的基本原理如下。

一、坐标系统的建立

为方便参数的表示和转换，建立惯性坐标系、相机坐标系、像素坐标系、头盔初始坐标系、头部转动坐标系等五个坐标系；惯性测量单元的测量值在惯性坐标系下表示；相机测量到的像点坐标在像素坐标系下表示；头盔初始坐标系以头盔中心为坐标原点，以平视前方的视线方向为x轴，以向上指向相机的方向为z轴，y轴与x轴、z轴构成右手坐标系，且不随头部转动而转动；头部转动坐标系随头部一起转动，以头盔最底部中心（颈部）为坐标原点，平视前方时的三轴方向与头盔初始坐标系三轴方向一致。这五个坐标系之间，存在一定的转换关系。

 二、惯性测量单元模型

惯性测量单元（陀螺仪和加速度计）的测量值为头盔在惯性空间内的转动角速度和非引力加速度                                                沿头盔三个转轴方向的分量，而和则表示头盔在惯性空间内真实的、不含噪声的转动角速度和加速度，由于惯性测量单元存在漂移，且在测量的过程中受到随机噪声的干扰，因此实际测量值和与真实值和有如下关系，

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