(57)【要約】【課題】  交流磁界内に磁気歪等が生じて正確に測定ができなくなったり、ステレオ視による測定ができなくなったりしたときにも、頭部位置を、精度よく算出することができる補助機構を備えたヘッドモーショントラッカ装置を提供する。【解決手段】  モーショントラッカにより、第一相対頭部情報を算出する主頭部情報算出部２２と、第一相対頭部情報を記憶する第一相対頭部情報記憶部４２とを備えたヘッドモーショントラッカ装置１において、加速度を検出する移動体センサ４と、加速度を検出する頭部センサ６と、第一相対頭部情報に基づいて、頭部速度情報を算出する頭部速度情報算出部２４と、移動体センサ４及び頭部センサ６から検出された加速度と、頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部２３と、主頭部情報算出部２２による第一相対頭部情報が不適当であるときに、副頭部情報算出部２３により第二相対頭部情報を算出させる切替部２９とを備える。【選択図】図１
2008058102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学方式モーショントラッカと、
前記光学方式モーショントラッカにより、移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第一相対頭部情報を算出する主頭部情報算出部とを備えたヘッドモーショントラッカ装置において、
異なる時間に算出された少なくとも２つの第一相対頭部情報を記憶する第一相対頭部情報記憶部と、
前記移動体に取り付けられるとともに、当該移動体に作用する加速度を検出する移動体センサと、
前記搭乗者の頭部に装着されるとともに、当該頭部に作用する加速度を検出する頭部センサと、
前記少なくとも２つの第一相対頭部情報に基づいて、前記搭乗者の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する頭部速度情報算出部と、
前記移動体センサ及び頭部センサから検出された加速度と、前記頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、前記基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部と、
前記主頭部情報算出部による第一相対頭部情報が不適当であるときに、前記副頭部情報算出部により第二相対頭部情報を算出させる切替部とを備えることを特徴とするヘッドモーショントラッカ装置。
【請求項２】
前記光学方式モーショントラッカは、前記搭乗者の頭部に装着される光学マーカー群と、
前記移動体に取り付けられ、前記光学マーカー群からの光線を検出するカメラ装置とを備えることを特徴とする請求項１に記載のヘッドモーショントラッカ装置。
【請求項３】
磁気方式モーショントラッカと、
前記磁気方式モーショントラッカにより、移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第一相対頭部情報を算出する主頭部情報算出部とを備えたヘッドモーショントラッカ装置において、
異なる時間に算出された少なくとも２つの第一相対頭部情報を記憶する第一相対頭部情報記憶部と、
前記移動体に取り付けられるとともに、当該移動体に作用する加速度を検出する移動体センサと、
前記搭乗者の頭部に装着されるとともに、当該頭部に作用する加速度を検出する頭部センサと、
前記少なくとも２つの第一相対頭部情報に基づいて、前記搭乗者の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する頭部速度情報算出部と、
前記移動体センサ及び頭部センサから検出された加速度と、前記頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、前記基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部と、
前記主頭部情報算出部による第一相対頭部情報が不適当であるときに、前記副頭部情報算出部により第二相対頭部情報を算出させる切替部とを備えることを特徴とするヘッドモーショントラッカ装置。
【請求項４】
前記磁気方式モーショントラッカは、前記移動体に取り付けられ、交流磁界を発生させる磁気ソースと、
前記搭乗者の頭部に装着され、前記交流磁界を検出する磁気センサとを備えることを特徴とする請求項３に記載のヘッドモーショントラッカ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部位置を測定するためのヘッドモーショントラッカ装置（以下、ＨＭＴ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（すなわち、現在の頭部位置）を検出するＨＭＴ装置等に利用される。
【背景技術】
【０００２】
例えば、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基準座標に対するパイロットの頭部位置を測定している。このために、ＨＭＴ装置が利用されている。
【０００３】
このような従来のＨＭＴ装置として、例えば、交流磁気方式ＨＭＴが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。図１４は、飛行体１３０に取り付けられた交流磁気方式ＨＭＴの概略構成を示す図である。ＨＭＴ１００は、交流磁界を発生する磁気ソース１０２と、座席１３０ａに座ったパイロット１０３が頭部に装着する頭部装着型表示装置付ヘルメット１１０と、頭部装着型表示装置付ヘルメット１１０に固定された磁気センサ１０７と、磁気ソース１０２及び磁気センサ１０７の制御を行うとともに、磁気センサ１０７が検出した磁気データに基づいて磁気センサ１０７の位置を算出する機能を有する制御部１２０とから構成される。
よって、ＨＭＴ１００によれば、磁気ソース１０２が発生する交流磁界により、空間の各点には、それぞれの位置に固有の磁気変化（大きさ及び向きを有する磁気データ）が生じることになる。なお、このとき、予め、飛行体１３０に対する位置の基準となる基準座標が定められて、制御部１２０に記憶されており、例えば、磁気ソース１０２の位置を原点としてＸＹＺ座標（例えば、機種方向をＸ軸とする）を定めてある。
【０００４】
これにより、磁気センサ１０７で検出した磁気データと、空間の各点が有する磁気データと比較することにより、磁気センサ１０７の現在位置であるＸ、Ｙ、Ｚの位置情報を求め、頭部装着型表示装置付ヘルメット１１０を装着したパイロット１０３の頭部の基準座標に対する頭部位置を算出している。
【０００５】
また、複数の反射板を頭部装着型表示装置付ヘルメット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ＨＭＴ装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。また、本出願人が先に出願しているＨＭＴ装置もある（特願２００５−１０６４１８号）。具体的には、頭部装着型表示装置付ヘルメットの外周面上に、光学マーカー群として、ＬＥＤ（発光ダイオード）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つのＬＥＤの相対的な位置関係を予め制御部に記憶させておく。そして、これら３つのＬＥＤを、ステレオ視が可能でかつ設置場所が固定された２台のカメラで同時に撮影することで、所謂、三角測量の原理により、現在の３つのＬＥＤの相対的な位置関係を測定している。頭部装着型表示装置付ヘルメットに固定された３点の位置（３つの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の位置や向き（角度）が特定できるので、これにより、基準座標に対する頭部装着型表示装置付ヘルメットの移動距離量や移動角度量を算出している。
【特許文献１】特開２００２−８１９０４号公報
【特許文献２】特表平９−５０６１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、交流磁気方式のＨＭＴ１００において、磁気ソース１０２や磁気センサ１０７の周辺に、金属等の導電性物質が存在する場合は、導電性物質内に発生する渦電流による影響で、交流磁界内に磁気歪が生じ、精度の高い磁気センサ１０７の位置の特定を困難にしていた。
【０００７】
一方、光学方式ＨＭＴ装置においては、カメラ装置により光学マーカー群を観測し続ける必要があるが、頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置が大きく変化する場合には、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、光学マーカーがカメラ装置の視野から外れることがあるので、ステレオ視による測定ができなくなることがあった。
【０００８】
そこで、本発明は、交流磁気方式のＨＭＴにおいて交流磁界内に磁気歪が生じて正確な測定ができなくなったり、光学方式ＨＭＴ装置においてステレオ視による測定ができなくなったりしたときにも、移動体に設定された基準座標に対する頭部位置を、精度よく算出することができる補助機構を備えたヘッドモーショントラッカ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた第一の本発明のヘッドモーショントラッカ装置は、光学方式モーショントラッカと、前記光学方式モーショントラッカにより、移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第一相対頭部情報を算出する主頭部情報算出部とを備えたヘッドモーショントラッカ装置において、異なる時間に算出された少なくとも２つの第一相対頭部情報を記憶する第一相対頭部情報記憶部と、前記移動体に取り付けられるとともに、当該移動体に作用する加速度を検出する移動体センサと、前記搭乗者の頭部に装着されるとともに、当該頭部に作用する加速度を検出する頭部センサと、前記少なくとも２つの第一相対頭部情報に基づいて、前記搭乗者の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する頭部速度情報算出部と、前記移動体センサ及び頭部センサから検出された加速度と、前記頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、前記基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部と、前記主頭部情報算出部による第一相対頭部情報が不適当であるときに、前記副頭部情報算出部により第二相対頭部情報を算出させる切替部とを備えるようにしている。
【００１０】
ここで、「光学方式モーショントラッカ」とは、動きを検出しようとする物体（例えば、頭部装着型表示装置付ヘルメット）に、発光体（ランプ、ＬＥＤ等）、反射体、蛍光体等の光学マーカーを取り付けるとともに、光学マーカー群を光学的に検出するカメラ装置等の光学検出手段を配置することにより、光学マーカー群の位置を逐次検出することで、物体の動きを追跡することができるモーショントラッカのことをいう。
【００１１】
また、「移動体センサ」及び「頭部センサ」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、具体的には、加速度センサが用いられる。なお、頭部センサでは、移動体中では頭部の動きと移動体の動きとが合成された動きの情報が検出される。
【００１２】
また、第一の発明のヘッドモーショントラッカ装置による「主頭部情報算出部による第一相対頭部情報が不適当であるとき」とは、主頭部情報算出部により正確な第一相対頭部情報が得られないとき、あるいは、第一相対頭部情報が得られないときのことをいう。具体的には、光学方式モーショントラッカでは、光学マーカーがカメラ装置等の光学検出手段の視野外に移動することにより光学的測定ができなくなるときのことをいう。
【００１３】
次に、第二の本発明のヘッドモーショントラッカ装置は、磁気方式モーショントラッカと、前記磁気方式モーショントラッカにより、移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第一相対頭部情報を算出する主頭部情報算出部とを備えたヘッドモーショントラッカ装置において、異なる時間に算出された少なくとも２つの第一相対頭部情報を記憶する第一相対頭部情報記憶部と、前記移動体に取り付けられるとともに、当該移動体に作用する加速度を検出する移動体センサと、前記搭乗者の頭部に装着されるとともに、当該頭部に作用する加速度を検出する頭部センサと、前記少なくとも２つの第一相対頭部情報に基づいて、前記搭乗者の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する頭部速度情報算出部と、前記移動体センサ及び頭部センサから検出された加速度と、前記頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、前記基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する副頭部情報算出部と、前記主頭部情報算出部による第一相対頭部情報が不適当であるときに、前記副頭部情報算出部により第二相対頭部情報を算出させる切替部とを備えるようにしている。
【００１４】
ここで、「磁気方式モーショントラッカ」とは、動きを検出しようとする物体に磁気センサを取り付けるとともに、空間に対して磁気ソースで交流磁界を発生させることにより、磁気センサで当該空間の各地点毎に定まる磁気を検出して、磁気センサの位置を求めることで、物体の動きを追跡することができるモーショントラッカのことをいう。
【００１５】
また、第二の発明のヘッドモーショントラッカ装置による「主頭部情報算出部による第一相対頭部情報が不適当であるとき」とは、主頭部情報算出部により正確な第一相対頭部情報が得られないとき、あるいは、第一相対頭部情報が得られないときのことをいう。具体的には、磁気方式モーショントラッカでは、磁気歪等がある領域や磁気マッピングを作成していない領域により正確な磁気データの測定ができなくなるとき（この領域等は予め設定記憶される）のことをいう。
【発明の効果】
【００１６】
第一の発明のＨＭＴ装置によれば、主頭部情報算出部は、光学方式モーショントラッカにより、移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第一相対頭部情報を算出する。一方、頭部速度情報算出部は、少なくとも２つの第一相対頭部情報に基づいて、搭乗者の頭部速度を含む頭部速度情報を算出することができる。よって、移動体に取り付けられた移動体センサが加速度を検出するとともに、搭乗者の頭部に取り付けられた頭部センサが加速度を検出すると、副頭部情報算出部は、加速度と、頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、搭乗者の頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。
これにより、切替部は、光学方式モーショントラッカにおいてステレオ視による測定ができなくなるような、主頭部情報算出部が第一相対頭部情報を算出できない状態になったときに、一時的に副頭部情報算出部が移動体に設定された基準座標に対する頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。
なお、副頭部情報算出部は、頭部センサから検出される加速度、及び、移動体センサから検出される加速度に基づいて、第二相対頭部情報を算出するが、加速度を検出するセンサ（加速度センサ等）の性質上、精度がよくない。そこで、精度がよい主頭部情報算出部により頭部位置を含む第一相対頭部情報を算出するとともに、主頭部情報算出部による第一相対頭部情報が不適当であるときに、一時的に補助として、副頭部情報算出部により頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する。そして、再び、主頭部情報算出部による第一相対頭部情報を算出することが可能になると、その第一相対頭部情報を参照するようにする。つまり、このようにすることで、常時、精度よく、移動体に設定された基準座標に対する頭部位置等の頭部情報を算出することができる。
【００１７】
また、第二の発明のＨＭＴ装置によれば、主頭部情報算出部は、磁気方式モーショントラッカにより、移動体に設定された基準座標に対する搭乗者の頭部位置を含む第一相対頭部情報を算出する。一方、頭部速度情報算出部は、少なくとも２つの第一相対頭部情報に基づいて、搭乗者の頭部速度を含む頭部速度情報を算出することができる。よって、移動体に取り付けられた移動体センサが加速度を検出するとともに、搭乗者の頭部に取り付けられた頭部センサが加速度を検出すると、副頭部情報算出部は、加速度と、頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、搭乗者の頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。
これにより、切替部は、磁気方式モーショントラッカにおいて交流磁界内に磁気歪等が生じている領域（予め設定記憶された領域）になるような、主頭部情報算出部が第一相対頭部情報を正確に算出できない状態になったときに、一時的に副頭部情報算出部が移動体に設定された基準座標に対する頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。つまり、このようにすることで、常時、精度よく、移動体に設定された基準座標に対する頭部位置等の頭部情報を算出することができる。
【００１８】
（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記第一の発明において、前記光学方式モーショントラッカは、前記搭乗者の頭部に装着される光学マーカー群と、前記移動体に取り付けられ、前記光学マーカー群からの光線を検出するカメラ装置とを備えるようにしてもよい。
この発明によれば、移動体内のカメラ設置場所付近では、主頭部情報算出部により頭部位置の頭部情報を得ることができ、一方、カメラ装置の死角となる場所では副頭部情報算出部により頭部位置の頭部情報を得ることができる。
【００１９】
また、上記第二の発明において、前記磁気方式モーショントラッカは、前記移動体に取り付けられ、交流磁界を発生させる磁気ソースと、前記搭乗者の頭部に装着され、前記交流磁界を検出する磁気センサとを備えるようにしてもよい。
この発明によれば、例えば、磁気データの測定が正確に測定できると設定された領域では、主頭部情報算出部により頭部位置の頭部情報を得ることができ、一方、磁気歪等により磁気データの測定が正確に測定できないと設定された領域（補正不能な領域）では副頭部情報算出部により頭部位置の頭部情報を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
（第一の発明）
図１は、第一の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、基準座標（ＸＹＺ座標）の設定を説明するための図である。さらに、図４は、ＨＭＴ装置が頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する際に実行する演算処理の流れを説明する図である。なお、本実施形態は、飛行体３０に設定された基準座標（ＸＹＺ座標）でのパイロット３の頭部位置の算出を行うものである。
本実施形態（第一の発明）では、光学方式モーショントラッカを使用する。すなわち、ＨＭＴ装置５１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６０と、飛行体３０に固定された固定軸５２ｃにより支持されるカメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）と、飛行体３０に取り付けられた飛行体側加速度センサ４と、コンピュータにより構成される制御部７０とから構成される。
【００２２】
頭部装着型表示装置付ヘルメット６０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、位置や向き（すなわち、頭部位置）を測定する際の指標となる頭部マーカーとして機能するＬＥＤ群５７と、頭部側加速度センサ６とを有する。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット６０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。
【００２３】
ＬＥＤ群５７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ＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃ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。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット６０の３個のＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃの相対的な位置関係と頭部装着型表示装置付ヘルメット６０に対する取り付け位置とが、予め、メモリ９１の初期データ記憶部３９に記憶するようにしてある。よって、後述する三角測量の手法で、現時点における３個のＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃの位置を算出し、初期データ記憶部３９に記憶されたデータを参照することにより、ＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃが固定されている頭部装着型表示装置付ヘルメット６０の位置が特定できる。なお、ＬＥＤ群は、赤外光以外の光を発光するようにしてもよい。さらに、３個のＬＥＤは、互いに異なる波長の光を発光するようにしたが、同一の波長の光を発光するようにして、例えば、互いの形状を変えたり、追跡方法を用いる等の識別方法で、互いを識別されるようにしてもよい。
【００２４】
頭部側加速度センサ６は、頭部の加速度を検知するものである。なお、頭部側加速度センサ６自体に、ｘ２ｙ２ｚ２座標が定められている。つまり、ｘ２軸、ｙ２軸、ｚ２軸方向に対する加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）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、加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）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、本実施形態の一部として使用されるためには、パイロット３によって基準座標（ＸＹＺ座標）と、ｘ２ｙ２ｚ２座標とを正確に軸合わせされる必要がある。ここで、基準座標（ＸＹＺ座標）とｘ２ｙ２ｚ２座標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６０自体に、後述するヘルメット座標を定め、まず、頭部側加速度センサ６を、ヘルメット座標と正確に軸合わせして、頭部装着型表示装置付ヘルメット６０に取り付け、次に、頭部装着型表示装置付ヘルメット６０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、ヘルメット座標と基準座標（ＸＹＺ座標）とを軸合わせする方法等が挙げられる。
【００２５】
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５２（５２ａ、５２ｂ）と、飛行体側加速度センサ４とを備える。
カメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）は、２台のカメラ５２ａ、５２ｂからなり、撮影方向が頭部装着型表示装置付ヘルメット６０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６０の立体視が可能な一定の距離（ｄ１）を隔てるように、飛行体３０の天井に固定軸５２ｃを介して設置されている。
これにより、図３に示すように、ＬＥＤ５７ａのカメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）に対する位置は、カメラ装置５２（５２ａ，５２ｂ）に撮影された画像中に映し出されているＬＥＤ５７ａの位置を抽出し、さらにカメラ５２ａからの方向角度（α）とカメラ５２ｂからの方向角度（β）とを抽出し、カメラ５２ａとカメラ５２ｂとの間の距離（ｄ１）を用いることにより、三角測量の手法で算出することができるようにしてある。他の頭部マーカーであるＬＥＤ５７ｂ、５７ｃのカメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）に対する位置についても、同様に算出されるようにしてある。
【００２６】
このときの各頭部マーカーの位置を、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５２（５２ａ、５２ｂ）に固定され、カメラ装置５２とともに移動する座標系である基準座標（ＸＹＺ座標）を用いる。なお、基準座標（ＸＹＺ座標）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。基準座標（ＸＹＺ座標）によりＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃの位置座標は、（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）として表現できる。カメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）に対する３つのＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃの位置座標（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）が特定されることにより、ＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃが固定されている頭部装着型表示装置付ヘルメット６０の位置が座標系を用いて特定できるようになる。
つまり、頭部マーカーであるＬＥＤ群５７から発光される赤外光を検出することにより３個のＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃの現在の位置座標を得ることで、カメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）に対する頭部装着型表示装置付ヘルメット６０の現在の位置を算出でき、位置座標で表現できるようにしてある。
【００２７】
飛行体側加速度センサ４は、飛行体３０の加速度を検知するものである。なお、飛行体側加速度センサ４自体には、ｘ１ｙ１ｚ１座標が定められている。つまり、ｘ１軸、ｙ１軸、ｚ１軸方向に対する加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）が検出される。なお、飛行体側加速度センサ４は、基準座標（ＸＹＺ座標）と正確に軸合わせされて、取り付けられている。なお、軸合わせされずに、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、基準座標と関連付けを行うことになる。
【００２８】
制御部７０は、ＣＰＵ７１、メモリ９１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。制御部７０のＣＰＵ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７８と、主頭部情報算出部７２と、頭部速度情報算出部２４と、副頭部情報算出部２３と、切替部２９と、映像表示部２５とからなる。
また、メモリ９１は、制御部７０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、基準座標（ＸＹＺ座標）を記憶する基準座標記憶部９３と、第一相対頭部情報を蓄積する第一相対頭部情報記憶部４２と、時間記憶部４４と、第二相対頭部情報を記憶する第二相対頭部情報記憶部４８と、現在頭部速度を記憶する速度記憶部４７と、初期データ記憶部３９とを含む。
【００２９】
ここで、基準座標（ＸＹＺ座標）について説明する。基準座標（ＸＹＺ座標）は、カメラ装置５２（５２ａ，５２ｂ）とともに移動する３次元座標系であり、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、カメラ５２ｂからカメラ５２ａへの方向をＸ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軸方向とし、Ｘ軸方向に垂直かつ天井に水平で右向き方向をＹ軸方向とするように定義し、原点をカメラ５２ａ、カメラ５２ｂの中点として定義するようにしてある。
【００３０】
したがって、基準座標記憶部９３は、カメラ装置５２（５２ａ，５２ｂ）に対して固定された座標である基準座標（ＸＹＺ座標）の定義に必要な情報である原点位置情報と、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に関する情報とを記憶する。具体的には、予め、飛行体３０に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向を有する正方格子状の基準座標スケールを配置して画像データを取得し、画像データの格子点に基づいて、原点位置及びＸ、Ｙ、Ｚ軸の方向の情報を関連付けて記憶する。よって、記憶された画像データと、他の画像データとを比較することにより、他の画像データに存在する物体の座標位置が求められることになる。
【００３１】
モーショントラッカ駆動部７８は、ＬＥＤ群５７を点灯する指令信号を出力するとともに、カメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）でＬＥＤ群７５を撮影し、画像データによる位置情報を取得する制御を行うものである。
【００３２】
主頭部情報算出部７２は、カメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）（ＸＹＺ座標）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を含む第一頭部情報を算出する制御を行うものである。
つまり、カメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）に対する３つのＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃの位置（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）を算出し、これら３つの位置座標を、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶されているＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃの相対的な位置関係と頭部装着型表示装置ヘルメット６０に対する取り付け位置のデータを参照することにより、ＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃが固定された頭部装着型表示装置ヘルメット６０の現在位置を決定する。
【００３３】
決定された頭部装着型表示装置ヘルメット６０の現在位置を、ＸＹＺ座標を用いて表現するために、頭部装着型表示装置ヘルメット６０上の一点をヘルメット基準点（Ｐ）と定め、さらにヘルメット基準点を始点とする二方向をヘルメット基準方向（Ｍ及びＮ）と定めるヘルメット座標を設定する。本実施形態では、図２に示すように、ヘルメット基準点（Ｐ）としてＬＥＤ５７ａの位置を指定し、ヘルメット基準方向（Ｍ及びＮ）として頭部装着型表示装置ヘルメット６０の前方方向とその垂直方向を指定することにする。これにより、頭部装着型表示装置ヘルメット６０の現在位置は、ヘルメット基準点（Ｐ）の位置座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を用いて表現することができる。
【００３４】
つまり、主頭部情報算出部２２は、３つのＬＥＤ５７ａ、５７ｂ、５７ｃの位置（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）を算出し、これに基づいて、ヘルメット基準点（Ｐ）の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）として算出する。なお、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を含む第一相対頭部情報は、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶され、蓄積されていくことになる。
【００３５】
頭部速度情報算出部２４は、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶された第一相対頭部情報に基づいて、パイロット３の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する制御を行うものである。後述する副頭部情報算出部２３で、飛行体側加速度センサ４及び頭部側加速度センサ６から検出された加速度に基づいて、第二相対頭部情報を算出するために、速度を算出する必要があるが、このときに、初速度が必要になる。例えば、時間ｔ２から時間ｔ３までの加速度を積分するときには、時間ｔ２の速度（初速度）が必要となる。そこで、頭部速度情報算出部２４は、時間ｔ１（なお、ｔ１→ｔ２→ｔ３の順に時間は進行するものとする）に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）と、時間ｔ２に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）とから、時間ｔ１から時間ｔ２までの平均速度を算出することによって、副頭部情報算出部２３で時間ｔ２の速度（初速度）として用いるための、パイロット３の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する。
【００３６】
副頭部情報算出部２３は、加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）及び加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）と、頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、パイロット３の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出する制御を行うものである。例えば、まず、飛行体加速度センサ４で検知された時間ｔ３の加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）と、頭部側加速度センサ６で検知された時間ｔ３の加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）との差分から、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）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、時間ｔ２の速度として頭部速度情報を用いて、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を積分演算することにより、時間ｔ３の現在頭部速度を算出するとともに現在頭部速度を速度記憶部４８に記憶させる。さらに、時間ｔ３の現在頭部速度を積分演算することにより、時間ｔ２に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）からの頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を算出する。最後に、時間ｔ２に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）に頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を加算することにより、頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出するとともに第二相対頭部情報を第二相対頭部情報記憶部４７に記憶させることを行う。その後、場合によっては、加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）及び加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）と、記憶された現在頭部速度及び第二相対頭部情報とに基づいて、パイロット３の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出することを行う。
【００３７】
切替部７９は、主頭部情報算出部７２による算出を行うか、あるいは副頭部情報算出部２３による算出を行うかの切り替えを行う制御を行う。具体的には、カメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）によりＬＥＤ群５７の検出ができるかを判定して、検出できるときには、第一相対頭部情報を出力し、一方、検出できないときには、第二相対頭部情報を出力するように切り替えることを行う。
【００３８】
映像表示部２５は、第一相対頭部情報又は第二相対頭部情報に基づいて、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ようになる。
【００３９】
（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５１により頭部位置を測定する測定動作について説明する。図５〜７は、ヘッドモーショントラッカ装置５１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。
【００４０】
まず、ステップＳ１０１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Ｓ１０２の処理において、時間ｔｎにｔｎ+１と更新するように、ｔｎ+１と時間記憶部４４に記憶させる。
【００４１】
次に、ステップＳ１０３の処理において、主頭部情報算出部７２は、カメラ装置５２から検出された画像データにより、飛行体３０に設定された基準座標（ＸＹＺ座標）に対する頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を算出する。すなわち、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を含む第一相対頭部情報を算出する。
【００４２】
次に、ステップＳ１０４の処理において、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を含む第一相対頭部情報を出力する。つまり、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置が測定される。
次に、ステップＳ１０５の処理において、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を含む第一相対頭部情報を第一相対頭部情報記憶部４２に記憶する。このとき、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶される頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）は、ステップＳ１０５の処理が実行される毎に、蓄積されていくことになる。
【００４３】
次に、ステップＳ１０６の処理において、切替部７９は、カメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）によりＬＥＤ群５７の検出ができるかを判定する。ＬＥＤ群５７を検出できると判定されたときには、ステップＳ１０１の処理に戻る。つまり、ＬＥＤ群５７の検出ができなくなるか、又は、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〜Ｓ１０５の処理は繰り返される。
【００４４】
一方、ＬＥＤ群５７の検出ができないと判定されたときには、ステップＳ１０７の処理において、時間ｓｍにｓ０と更新するように、ｓ０と時間記憶部４４に記憶させる。
【００４５】
次に、ステップＳ１０８の処理において、頭部側加速度センサ６が、頭部の加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）を出力する。また、ステップＳ１０９の処理において、飛行体側加速度センサ４は、飛行体の加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を出力する。
なお、ステップＳ１０８及びＳ１０９の処理は、同時に実行される。
【００４６】
次に、ステップＳ１１０の処理において、頭部速度情報算出部２４は、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶された時間ｔｎの第一相対頭部情報と時間ｔｎ＋１の第一相対頭部情報とに基づいて、パイロット３の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する。つまり、時間ｔｎ＋１の速度として用いるための頭部速度情報を算出する。
【００４７】
次に、ステップＳ１１１の処理において、副頭部情報算出部２３は、時間ｓ０の加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）及び加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）と、算出された頭部速度情報とに基づいて、時間ｓ０の現在頭部速度を算出する。
具体的には、飛行体側加速度センサ４で検知された加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）と、頭部側加速度センサ６で検知された加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）との差分から、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を算出する。次に、時間ｔｎ＋１の速度として頭部速度情報を用いて、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を積分演算することにより、時間ｓ０の現在頭部速度を算出する。このとき、現在頭部速度を速度記憶部４８に記憶させる。
【００４８】
次に、ステップＳ１１２の処理において、副頭部情報算出部２３は、時間ｓ０の現在頭部速度と、時間ｔｎ＋１の第一相対頭部情報とに基づいて、時間ｓ０の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を算出する。すなわち、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出する。
具体的には、まず、時間ｓ０の現在頭部速度を積分演算することにより、時間ｔｎ＋１に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）からの頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を算出する。次に、時間ｔｎ＋１に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）に頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を加算することにより、時間ｓ０の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出する。
【００４９】
次に、ステップＳ１１２の処理において、時間ｓ０の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を出力する。つまり、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）が測定される。
次に、ステップＳ１１４の処理において、頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を第二相対頭部情報記憶部４７に記憶する。
【００５０】
次に、ステップＳ１１５の処理において、切替部７９は、カメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）によりＬＥＤ群５７の検出ができるかを判定する。ＬＥＤ群５７を検出できると判定されたときには、ステップＳ１０１の処理に戻る。
【００５１】
一方、ＬＥＤ群５７の検出ができないと判定されたときには、ステップＳ１１６の処理において、時間ｓｍにｓｍ＋１と更新するように、ｓｍ＋１と時間記憶部４４に記憶させる。
【００５２】
次に、ステップＳ１１７の処理において、頭部側加速度センサ６が、頭部の加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）を出力する。また、ステップＳ１１８の処理において、飛行体側加速度センサ４は、飛行体の加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を出力する。
なお、ステップＳ１１７及びＳ１１８の処理は、同時に実行される。
【００５３】
次に、ステップＳ１１９の処理において、副頭部情報算出部２３は、時間ｓｍ＋１の加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）及び加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）と、時間ｓｍの現在頭部速度及び頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）とに基づいて、時間ｓｍ＋１の現在頭部速度を算出する。
具体的には、飛行体側加速度センサ４で検知された加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）と、頭部側加速度センサ６で検知された加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）との差分から、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を算出する。次に、時間ｓｍの現在頭部速度を用いて、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を積分演算することにより、時間ｓｍ＋１の現在頭部速度を算出する。このとき、現在頭部速度を速度記憶部４８に記憶させる。速度記憶部４８に記憶される現在頭部速度は、ステップＳ１１９の処理が実行される毎に、更新されていくことになる。
【００５４】
次に、ステップＳ１２０の処理において、副頭部情報算出部２３は、時間ｓｍ＋１の現在頭部速度と、時間ｓｍの第二相対頭部情報とに基づいて、時間ｓｍ＋１の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を算出する。すなわち、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出する。
具体的には、まず、時間ｓｍ＋１の現在頭部速度を積分演算することにより、時間ｓｍに記憶された頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）からの頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を算出する。次に、時間ｓｍに記憶された頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）に頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を加算することにより、時間ｓｍ＋１の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出する。
【００５５】
次に、ステップＳ１２１の処理において、頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を出力する。つまり、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）が測定される。
【００５６】
次に、ステップＳ１２２の処理において、頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を第二相対頭部情報記憶部４７に記憶する。このとき、第二相対頭部情報記憶部４７に記憶される頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）は、ステップＳ１２２の処理が実行される毎に、更新されていくことになる。
【００５７】
次に、ステップＳ１２３の処理において、切替部７９は、カメラ装置５２（５２ａ、５２ｂ）によりＬＥＤ群５７の検出ができるかを判定する。ＬＥＤ群５７を検出できないと判定されたときには、ステップＳ１１６の処理に戻る。つまり、ＬＥＤ群５７を検出できると判定されるときまで、ステップＳ１１６〜ステップＳ１２２の処理は繰り返される。
一方、ＬＥＤ群５７の検出ができると判定されたときには、ステップＳ１０１の処理に戻る。
【００５８】
以上のように、第一の発明のＨＭＴ装置５１によれば、主頭部情報算出部７２は、光学方式モーショントラッカにより、飛行体３０に設定された基準座標に対するパイロット３の頭部位置を含む第一相対頭部情報を算出する。一方、頭部速度情報算出部２４は、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶された第一相対頭部情報に基づいて、パイロット３の頭部速度を含む頭部速度情報を算出することができる。よって、飛行体３０に取り付けられた飛行体側加速度センサ４が加速度を検出するとともに、パイロット３の頭部に取り付けられた頭部側加速度センサ６が加速度を検出すると、副頭部情報算出部２３は、加速度と、頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、パイロット３の頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。
これにより、切替部７９は、光学方式モーショントラッカにおいてステレオ視による測定ができなくなるような、主頭部情報算出部７２が第一相対頭部情報を算出できない状態になったときに、一時的に副頭部情報算出部２３が飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。
このようにして、常時、精度良く、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置の頭部情報を算出することができる。
【００５９】
なお、上述したＨＭＴ装置５１では、ＬＥＤ群５７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２００５−１０６４５８号等に記載された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。
【００６０】
（第二の発明）
図８は、第二の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る。また、図９は、基準座標（ＸＹＺ座標）の設定を説明するための図であり、図１０は、ＨＭＴ装置が頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する際に実行する演算処理の流れを説明する図である。本実施形態（第二の発明）では、磁気方式モーショントラッカを使用する。すなわち、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に取り付けられた磁気ソース２及び飛行体側加速度センサ４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。
【００６１】
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、磁気ソース２と、飛行体側加速度センサ４とを備える。
磁気ソース２は、交流磁界を発生させるものであり、磁気ソース２を駆動することにより、コックピットの空間の各点には、それぞれの位置に固有の磁気変化（大きさ及び向きを有する磁気データ）が生じることになる。なお、後述するように、磁気ソース２の位置を原点として基準座標（ＸＹＺ座標）が定められることにより、座標ごとに固有の磁気データが関連付けられることになる。また、基準座標（ＸＹＺ座標）は、飛行体３０に設定され、飛行体３０とともに移動する座標となる。
【００６２】
飛行体側加速度センサ４は、飛行体３０の加速度を検知するものである。なお、飛行体側加速度センサ４自体には、ｘ１ｙ１ｚ１座標が定められている。つまり、ｘ１軸、ｙ１軸、ｚ１軸方向に対する加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）が検出される。なお、飛行体側加速度センサ４は、基準座標（ＸＹＺ座標）と正確に軸合わせされて、取り付けられている。
【００６３】
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、磁気センサ７と、頭部側加速度センサ６とを有する。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０自体にも、座標（ヘルメット座標）が定められているが、本実施形態の一部として使用するためには、パイロット３によって磁気ソース２の位置を原点とした基準座標（ＸＹＺ座標）と正確に軸合わせされる必要がある。頭部装着型表示装置付ヘルメット１０自体のヘルメット座標と基準座標（ＸＹＺ座標）との軸合わせの方法については、広く用いられている一般的な方法（例えば、頭部装着型表示装置付ヘルメットを装着したパイロットに特定方向を向くように指示することにより軸合わせを行う方法）により行われる。
【００６４】
磁気センサ７は、３軸のピックアップコイルを有しており、磁気センサ７が存在する位置固有の磁気の大きさと向きとを検出するものである。この検出された磁気データは第一相対頭部情報の算出に用いられることになる。
【００６５】
頭部側加速度センサ６は、頭部の加速度を検知するものである。なお、頭部側加速度センサ６自体に、ｘ２ｙ２ｚ２座標が定められている。つまり、ｘ２軸、ｙ２軸、ｚ２軸方向に対する加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）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、加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）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、頭部側加速度センサ６は、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と正確に軸合わせされて、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に取り付けられる。
【００６６】
制御部２０は、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。制御部２０の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、主頭部情報算出部２２と、副頭部情報算出部２３と、頭部速度情報算出部２４と、切替部２９と、映像表示部２５とからなる。
【００６７】
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、基準座標（ＸＹＺ座標）を記憶する基準座標記憶部４３と、第一相対頭部情報を蓄積する第一相対頭部情報記憶部４２と、時間記憶部４４と、第二相対頭部情報を記憶する第二相対頭部情報記憶部４８と、現在頭部速度を記憶する速度記憶部４７とを含む。
ここで、基準座標（ＸＹＺ座標）について説明する。基準座標（ＸＹＺ座標）は、磁気ソース２とともに移動する３次元座標系であり、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９に示すように、機種方向をＸ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軸方向とし、Ｘ軸方向に垂直かつ天井に水平で右向き方向をＹ軸方向とするように定義し、原点を磁気ソース２として定義するようにしてある。このときに、例えば、各位置における磁気データを採取することにより、磁気マッピングを作成することで、座標ごとに固有の磁気データが関連付けられる。
また、メモリ４１は、磁気ソース２によって発生する磁界について、コックピットの空間で、磁気マッピングが作成可能な領域と、磁気歪等が発生していて補正不能（磁気マッピング作成不能）な領域との境界情報を記憶する境界情報記憶領域４６を含む。境界情報は、予め、磁気センサ７で各位置における磁気データを採取することにより、補正不能な領域を検出することで決定される。
【００６８】
モーショントラッカ駆動部２８は、磁気ソース２に交流磁界を発生させる指令信号を出力し、磁気センサ７に磁気データを検出させる制御を行うものである。
主頭部情報算出部２２は、磁気センサ７から出力される磁気データを、基準座標記憶部４３に記憶されている磁気マッピングに当てはめることにより、ＸＹＺ座標における位置情報（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を算出する演算を行うものである。すなわち、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を含む第一相対頭部情報を算出する。なお、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を含む第一相対頭部情報は、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶され、蓄積されていくことになる。
【００６９】
頭部速度情報算出部２４は、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶された第一相対頭部情報に基づいて、パイロット３の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する制御を行うものである。後述する副頭部情報算出部２３で、飛行体側加速度センサ４及び頭部側加速度センサ６から検出された加速度に基づいて、第二相対頭部情報を算出するために、速度を算出する必要があるが、このときに、初速度が必要になる。例えば、時間ｔ２から時間ｔ３までの加速度を積分するときには、時間ｔ２の速度（初速度）が必要となる。そこで、頭部速度情報算出部２４は、時間ｔ１に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）と、時間ｔ２に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）とから、時間ｔ１から時間ｔ２までの平均速度を算出することによって、副頭部情報算出部２３で時間ｔ２の速度（初速度）として用いるための、パイロット３の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する。
【００７０】
副頭部情報算出部２３は、加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）及び加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）と、頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、パイロット３の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出する制御を行うものである。例えば、まず、飛行体加速度センサ４で検知された時間ｔ３の加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）と、頭部側加速度センサ６で検知された時間ｔ３の加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）との差分から、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）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、時間ｔ２の速度として頭部速度情報を用いて、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を積分演算することにより、時間ｔ３の現在頭部速度を算出するとともに現在頭部速度を速度記憶部４８に記憶させる。さらに、時間ｔ３の現在頭部速度を積分演算することにより、時間ｔ２に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）からの頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を算出する。最後に、時間ｔ２に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）に頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を加算することにより、頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出するとともに第二相対頭部情報を第二相対頭部情報記憶部４７に記憶させることを行う。その後、場合によっては、加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）及び加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）と、記憶された現在頭部速度及び第二相対頭部情報とに基づいて、パイロット３の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出することを行う。
【００７１】
切替部２９は、境界情報記憶領域４６を参照して、主頭部情報算出部２２による算出を行うか、あるいは副頭部情報算出部２３による算出を行うかの切り替えを行う制御を行うものである。具体的には、磁気センサ７が補正不能な領域内にあるか否かを判定して、磁気センサ７が補正不能な領域内にないと判定したときには、第一相対頭部情報を出力し、一方、補正不能な領域内にあると判定したときには、第二相対頭部情報を出力するように切り替える制御を行う。
【００７２】
映像表示部２５は、第一相対頭部情報又は第二相対頭部情報に基づいて、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ようになる。
【００７３】
（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により頭部位置を測定する測定動作について説明する。図１１〜１３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。
【００７４】
まず、ステップＳ２０１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Ｓ２０２の処理において、時間ｔｎにｔｎ＋１と更新するように、ｔｎ＋１と時間記憶部４４に記憶させる。
【００７５】
次に、ステップＳ２０３の処理において、主頭部情報算出部２２は、磁気センサ７から出力された磁気データにより、飛行体３０に設定された基準座標（ＸＹＺ座標）に対する頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を算出する。すなわち、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を含む第一相対頭部情報を算出する。
【００７６】
次に、ステップＳ２０４の処理において、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を含む第一相対頭部情報を出力する。つまり、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置が測定される。
次に、ステップＳ２０５の処理において、頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を含む第一相対頭部情報を第一相対頭部情報記憶部４２に記憶する。このとき、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶される頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）は、ステップＳ２０５の処理が実行される毎に、蓄積されていくことになる。
【００７７】
次に、ステップＳ２０６の処理において、切替部２９は、境界情報記憶領域４６の境界情報を参照し、磁気センサ７が補正不能な領域にあるか否かを判定する。磁気センサ７が補正不能な領域に存在しないと判定されたときには、ステップＳ２０１の処理に戻る。つまり、磁気センサ７が補正不能な領域から外れているか、又は、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Ｓ２０１〜Ｓ２０５の処理は繰り返される。
【００７８】
一方、磁気センサ７が補正不能な領域に存在すると判定されたときには、ステップＳ２０７の処理において、時間ｓｍにｓ０と更新するように、ｓ０と時間記憶部４４に記憶させる。
【００７９】
次に、ステップＳ２０８の処理において、頭部側加速度センサ６が、頭部の加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）を出力する。また、ステップＳ２０９の処理において、飛行体側加速度センサ４は、飛行体の加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を出力する。
なお、ステップＳ２０８及びＳ２０９の処理は、同時に実行される。
【００８０】
次に、ステップＳ２１０の処理において、頭部速度情報算出部２４は、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶された時間ｔｎの第一相対頭部情報と時間ｔｎ＋１の第一相対頭部情報とに基づいて、パイロット３の頭部速度を含む頭部速度情報を算出する。つまり、時間ｔｎ＋１の速度として用いるための頭部速度情報を算出する。
【００８１】
次に、ステップＳ２１１の処理において、副頭部情報算出部２３は、時間ｓ０の加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）及び加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）と、算出された頭部速度情報とに基づいて、時間ｓ０の現在頭部速度を算出する。
具体的には、飛行体側加速度センサ４で検知された加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）と、頭部側加速度センサ６で検知された加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）との差分から、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を算出する。次に、時間ｔｎ＋１の速度として頭部速度情報を用いて、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を積分演算することにより、時間ｓ０の現在頭部速度を算出する。このとき、現在頭部速度を速度記憶部４８に記憶させる。
【００８２】
次に、ステップＳ２１２の処理において、副頭部情報算出部２３は、時間ｓ０の現在頭部速度と、時間ｔｎ＋１の第一相対頭部情報とに基づいて、時間ｓ０の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を算出する。すなわち、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出する。
具体的には、まず、時間ｓ０の現在頭部速度を積分演算することにより、時間ｔｎ＋１に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）からの頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を算出する。次に、時間ｔｎ＋１に記憶された頭部位置（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）に頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を加算することにより、時間ｓ０の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出する。
【００８３】
次に、ステップＳ２１２の処理において、時間ｓ０の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を出力する。つまり、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）が測定される。
次に、ステップＳ２１４の処理において、頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を第二相対頭部情報記憶部４７に記憶する。
【００８４】
次に、ステップＳ２１５の処理において、切替部２９は、磁気センサ７が補正不能な領域にあるか否かを判定する。磁気センサ７が、再び補正不能な領域から外れたと判定されたときには、ステップＳ２０１の処理に戻る。
【００８５】
一方、磁気センサ７が補正不能な領域に存在すると判定されたときには、ステップＳ２１６の処理において、時間ｓｍにｓｍ＋１と更新するように、ｓｍ＋１と時間記憶部４４に記憶させる。
【００８６】
次に、ステップＳ２１７の処理において、頭部側加速度センサ６が、頭部の加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）を出力する。また、ステップＳ２１８の処理において、飛行体側加速度センサ４は、飛行体の加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を出力する。
なお、ステップＳ２１７及びＳ２１８の処理は、同時に実行される。
【００８７】
次に、ステップＳ２１９の処理において、副頭部情報算出部２３は、時間ｓｍ＋１の加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）及び加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）と、時間ｓｍの現在頭部速度及び頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）とに基づいて、時間ｓｍ＋１の現在頭部速度を算出する。
具体的には、飛行体側加速度センサ４で検知された加速度（ｘ１、ｙ１、ｚ１）と、頭部側加速度センサ６で検知された加速度（ｘ２、ｙ２、ｚ２）との差分から、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を算出する。次に、時間ｓｍの現在頭部速度を用いて、加速度差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を積分演算することにより、時間ｓｍ＋１の現在頭部速度を算出する。このとき、現在頭部速度を速度記憶部４８に記憶させる。速度記憶部４８に記憶される現在頭部速度は、ステップＳ２１９の処理が実行される毎に、更新されていくことになる。
【００８８】
次に、ステップＳ２２０の処理において、副頭部情報算出部２３は、時間ｓｍ＋１の現在頭部速度と、時間ｓｍの第二相対頭部情報とに基づいて、時間ｓｍ＋１の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を算出する。すなわち、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出する。
具体的には、まず、時間ｓｍ＋１の現在頭部速度を積分演算することにより、時間ｓｍに記憶された頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）からの頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を算出する。次に、時間ｓｍに記憶された頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）に頭部位置の移動距離量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を加算することにより、時間ｓｍ＋１の頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を算出する。
【００８９】
次に、ステップＳ２２１の処理において、頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を出力する。つまり、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）が測定される。
【００９０】
次に、ステップＳ２２２の処理において、頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）を含む第二相対頭部情報を第二相対頭部情報記憶部４７に記憶する。このとき、第二相対頭部情報記憶部４７に記憶される頭部位置（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）は、ステップＳ２２２の処理が実行される毎に、更新されていくことになる。
【００９１】
次に、ステップＳ２２３の処理において、切替部２９は、磁気センサ７が補正不能な領域にあるか否かを判定する。補正不能な領域に存在すると判定されたときには、ステップＳ２１６の処理に戻る。つまり、補正不能な領域から外れたと判定されるときまで、ステップＳ２１６〜ステップＳ２２２の処理は繰り返される。
一方、磁気センサ７が、再び補正不能な領域から外れたと判定されたときには、ステップＳ２０１の処理に戻る。
【００９２】
以上のように、第二の発明のヘッドモーショントラッカ装置１によれば、主頭部情報算出部２２は、磁気方式モーショントラッカにより、飛行体３０に設定された基準座標に対するパイロット３の頭部位置を含む第一相対頭部情報を算出する。一方、頭部速度情報算出部２４は、第一相対頭部情報記憶部４２に記憶された第一相対頭部情報に基づいて、パイロット３の頭部速度を含む頭部速度情報を算出することができる。よって、飛行体３０に取り付けられた飛行体側加速度センサ４が加速度を検出するとともに、パイロット３の頭部に取り付けられた頭部側加速度センサ６が加速度を検出すると、副頭部情報算出部２３は、加速度と、頭部速度情報及び第一相対頭部情報とに基づいて、パイロット３の頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。
これにより、切替部２９は、磁気センサ７が補正不能な領域に存在するような、主頭部情報算出部２２が第一相対頭部情報を正確に算出できない状態になったときに、一時的に副頭部情報算出部２３が飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出することができる。
このようにして、常時、精度よく、飛行体３０に設定された基準座標に対する頭部位置の頭部情報を算出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、飛行体に設定された基準座標に対する搭乗員等の頭部位置を測定するためのヘッドモーショントラッカ装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】第一の発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置の概略構成を示す図である。
【図２】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。
【図３】基準座標（ＸＹＺ座標）の設定を説明するための図である。
【図４】ＨＭＴ装置が頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する際に実行する演算処理の流れを説明する図である。
【図５】第一の発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置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。
【図６】第一の発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置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。
【図７】第一の発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置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。
【図８】第二の発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置の概略構成を示す図である。
【図９】基準座標（ＸＹＺ座標）の設定を説明するための図である。
【図１０】ＨＭＴ装置が頭部位置を含む第二相対頭部情報を算出する際に実行する演算処理の流れを説明する図である。
【図１１】第二の発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置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。
【図１２】第二の発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置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。
【図１３】第二の発明の一実施形態であるヘッドモーショントラッカ装置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。
【図１４】従来の交流磁気方式のヘッドモーショントラッカの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
１、５１  ヘッドモーショントラッカ装置
２  磁気ソース
３  パイロット
４  飛行体側加速度センサ
６  頭部側加速度センサ
７  磁気センサ
１０、６０  頭部装着型表示装置付ヘルメット
２２、７２  主頭部情報算出部
２３  副頭部情報算出部
２４  頭部速度情報算出部
２８、７８  モーショントラッカ駆動部
２９  切替部
３０  飛行体
４２  第一相対頭部情報記憶部
５２  カメラ装置
５７  ＬＥＤ群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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