(57)【要約】【課題】航空機の視界情報提供システムで用いられる撮像手段の姿勢を制御する撮像姿勢制御装置において、ＨＭＤ等のディスプレイから得た視界情報と、他の器官から得た空間情報と、が矛盾することによる操縦者の生理的不快感を解消する。【解決手段】相互に直交する３軸回りに回転可能な撮像手段１００の姿勢を制御する撮像姿勢制御装置において、操縦者の視線方向に係る情報を検出する視線方向情報検出手段１０と、視線方向に係る情報を参照して撮像手段１００を回転駆動するための駆動信号を出力し、この駆動信号に基づいて撮像手段１００を回転駆動させる駆動手段２０、２００と、撮像手段１０の姿勢に係る情報を検出する撮像姿勢情報検出手段３０と、航空機の姿勢に係る情報を検出する機体姿勢情報検出手段４０と、撮像手段１０の姿勢に係る情報及び航空機の姿勢に係る情報を参照して駆動信号を補正する補正手段５０と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機に搭載されロール軸・ピッチ軸・ヨー軸回りに回転可能な撮像手段の姿勢を制御する撮像姿勢制御装置において、
操縦者の視線方向に係る情報を検出する視線方向情報検出手段と、
前記視線方向に係る情報を参照して前記撮像手段を回転駆動するための駆動信号を出力し、この駆動信号に基づいて前記撮像手段を回転駆動させる駆動手段と、
前記撮像手段の姿勢に係る情報を検出する撮像姿勢情報検出手段と、
前記航空機の姿勢に係る情報を検出する機体姿勢情報検出手段と、
前記撮像手段の姿勢に係る情報及び前記航空機の姿勢に係る情報を参照して前記駆動信号を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする撮像姿勢制御装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、
所定の間隔をおいて配置された２台のカメラからなるステレオカメラであることを特徴とする請求項１に記載の撮像姿勢制御装置。
【請求項３】
前記撮像手段の姿勢に係る情報は、前記撮像手段のヨー角情報であり、
前記航空機の姿勢に係る情報は、機体のピッチ角情報であり、
前記補正手段は、
前記撮像手段をロール軸回りに回転駆動させるための駆動信号を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像姿勢制御装置。
【請求項４】
前記視線方向に係る情報が所定レベルに達していない場合に、前記撮像手段の回転駆動を阻止する駆動阻止手段を備えることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の撮像姿勢制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像姿勢制御装置に関し、特に、３軸（ロール軸・ピッチ軸・ヨー軸）回りに回転可能な撮像手段の姿勢を制御する撮像姿勢制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、飛行中の外界の画像情報を所定の撮像装置によって取得し、この画像情報に基づいて外界映像を生成し、生成した外界映像を所定のディスプレイに表示することにより、操縦者の操縦を支援する技術が提案され、実用化されている。
【０００３】
例えば、相互に直交する３軸回りに回転可能で、撮像方向を任意に変更することができるジャイロ式駆動装置に取り付けられたビデオカメラ（例えば、特許文献１参照。）を、機体の外部に設置する技術が提案されている。このようなジャイロ式駆動装置を採用すると、機体が動揺した場合においても、ジャイロ・スタビライズ効果により、外界映像は安定した状態で維持されることとなる。
【０００４】
一方、航空機を操縦する際には、前記したような安定した外界映像だけではなく、地平線の傾斜や進行方向への指向を適切に示すとともに、操縦者の頭部や視線の動きに応じて変化する外界映像（視界情報）を提供する技術が必要となる。
【０００５】
かかる視界情報を提供する技術としては、操縦者の頭部に小型のディスプレイ（Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ：以下、「ＨＭＤ」という）を装着するとともに、所定の駆動装置を介して機体にカメラを設置し、操縦者の頭部の動きを測定することにより操縦者の視線方向を検出し、検出した視線方向に従ってカメラを駆動する、というシステム（以下、「視界情報提供システム」という）が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１６７９０１号公報（第２頁、第２図）
【特許文献２】
特開２００１−３４４５９７号公報（第１頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記したような視界情報提供システムで使用される駆動装置は、２軸（ピッチ軸・ヨー軸）回りにのみカメラを回転可能とする構造であるため、このシステムによって提供される視界情報を視認した操縦者（又は同乗者）が生理的不快感をおぼえる場合がある。
【０００８】
例えば、操縦者が一時的に横を向いたことによりカメラがヨー軸回りに回転し、視界情報が横向きになった状態において、機体がピッチング運動を行った場合には、機体があたかもロール運動を行っているような視界情報が表示される。一方、機体は実際にロール運動を行っているわけではないので、操縦者は、三半規管及び耳石からなる前庭器官により、機体がピッチング運動をしていることを感じる。この結果、操縦者が目から得た視界情報と、前庭器官から得た空間情報と、が矛盾することとなるため、操縦者は酔い易くなってしまう。
【０００９】
かかる現象は、外部が全く見えない場合（例えば、前記したＨＭＤを使用した場合）や、外部が見え難い場合（例えば、透過型の視界表示装置を使用した場合における夜間・悪天候時）において、顕著となる。
【００１０】
本発明の課題は、航空機の視界情報提供システムで用いられる撮像手段の姿勢を制御する撮像姿勢制御装置において、操縦者が目から得た視界情報と、他の器官から得た空間情報と、が矛盾することに起因する操縦者の生理的不快感を解消することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、航空機に搭載されロール軸・ピッチ軸・ヨー軸回りに回転可能な撮像手段の姿勢を制御する撮像姿勢制御装置において、操縦者の視線方向に係る情報を検出する視線方向情報検出手段と、前記視線方向に係る情報を参照して前記撮像手段を回転駆動するための駆動信号を出力し、この駆動信号に基づいて前記撮像手段を回転駆動させる駆動手段と、前記撮像手段の姿勢に係る情報を検出する撮像姿勢情報検出手段と、前記航空機の姿勢に係る情報を検出する機体姿勢情報検出手段と、前記撮像手段の姿勢に係る情報及び前記航空機の姿勢に係る情報を参照して前記駆動信号を補正する補正手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、補正手段により、撮像姿勢情報検出手段で検出した撮像手段の姿勢に係る情報と、機体姿勢情報検出手段で検出した航空機の姿勢に係る情報と、を参照して、撮像手段を回転駆動するための駆動信号を補正することができる。
【００１３】
例えば、操縦者が一時的に横を向いたことにより撮像手段がヨー軸回りに回転して撮像手段が横向きになった状態において、機体がピッチング運動を行った場合に、撮像手段の姿勢に係る情報（撮像手段のヨー角情報）と、航空機の姿勢に係る情報（機体のピッチ角情報）と、に基づいて、撮像手段をロール軸回りに回転駆動させるための駆動信号を補正することができる。従って、機体がピッチング運動を行っても、ロール軸はほぼ動かない視界情報を表示することができる。この結果、操縦者が目から得た視界情報と、前庭器官から得た空間情報と、の矛盾を解消することができるので、操縦者の酔いを防止することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の撮像姿勢制御装置において、前記撮像手段は、所定の間隔をおいて配置された２台のカメラからなるステレオカメラであることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の撮像姿勢制御装置において、前記撮像手段の姿勢に係る情報は、前記撮像手段のヨー角情報であり、前記航空機の姿勢に係る情報は、機体のピッチ角情報であり、前記補正手段は、前記撮像手段をロール軸回りに回転駆動させるための駆動信号を補正することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の撮像姿勢制御装置において、前記視線方向に係る情報が所定レベルに達していない場合に、前記撮像手段の回転駆動を阻止する駆動阻止手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、視線方向に係る情報が所定レベルに達していない場合に撮像手段の回転駆動を阻止する駆動阻止手段を備えるので、操縦者が視界情報の変更を望まない場合において、操縦者や機体の微動により撮像手段が回転して視界情報が変更してしまうのを防ぐことができる。従って、安定した視界情報を操縦者に提供することができるので、操縦者が生理的不快感をおぼえることがない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態では、航空機の視界情報提供システムにおいて使用される撮像姿勢制御装置について説明する。なお、視界情報提供システムは、操縦者の頭部に装着するＨＭＤ、機体に搭載するステレオカメラ、等を備えるものであり、本実施の形態に係る撮像姿勢制御装置は、ステレオカメラの姿勢を制御するように機能する。
【００１９】
まず、本実施の形態に係る撮像姿勢制御装置の構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、撮像姿勢制御装置の構成を説明するためのブロック図であり、図２は、図１に示した撮像姿勢制御装置によって制御される撮像手段（ステレオカメラ１００）の概略図である。
【００２０】
撮像姿勢制御装置は、相互に直交するロール軸Ａ１・ピッチ軸Ａ２・ヨー軸Ａ３回りに回転可能なステレオカメラ１００（図２参照）の姿勢を制御するものである。ステレオカメラ１００は、所定の間隔をおいて配置された２台のカメラ１１０から構成されており、ステレオカメラ駆動装置２００を介して航空機の機体Ｂの前方下部に設置されている。
【００２１】
撮像姿勢制御装置は、図１に示すように、視線方向情報検出手段１０、演算装置２０、ステレオカメラ駆動装置２００、撮像姿勢情報検出手段３０、機体姿勢情報検出手段４０、補正手段５０、駆動阻止手段６０、等を備えて構成されている。
【００２２】
視線方向情報検出手段１０は、操縦者の視線方向に係る情報を検出するものである。本実施の形態では、「視線方向に係る情報」として、操縦者の頭部の姿勢情報（頭部ロール角情報ΦＴ、頭部ヨー角情報ΨＴ及び頭部ピッチ角情報ΘＴ）を採用している。視線方向情報検出手段１０で検出した操縦者の頭部の姿勢情報は、演算装置２０に出力される。
【００２３】
視線方向情報検出手段１０は、操縦者の頭部に装着するＨＭＤ７０及び機体に搭載した３軸ジャイロセンサによって構成することができる。また、ＨＭＤ７０に搭載したセンサ（磁気センサ、光波センサ、音波センサ等）と、機体に搭載した信号（磁気信号、光波信号、音波信号等）発生手段と、によって視線方向情報検出手段１０を構成することもできる。
【００２４】
演算装置２０は、視線方向情報検出手段１０で検出した視線方向に係る情報を参照して、ステレオカメラ１００を回転駆動するための駆動信号を出力するものである。演算装置２０は、ローパスフィルタ２１、リミッタ２２、Ａ／Ｄ変換器２３、補正手段５０、駆動阻止手段６０、等を備えている。
【００２５】
ローパスフィルタ２１は、視線方向情報検出手段１０によって検出された情報（頭部ロール角情報ΦＴ、頭部ヨー角情報ΨＴ及び頭部ピッチ角情報ΘＴ）の低周波部分（約数十Ｈｚ以下）のみを通過させて高周波ノイズを除去するフィルタであり、機体振動の影響を除去する。
【００２６】
リミッタ２２は、ステレオカメラ１００の２台のカメラ１１０が機体Ｂに当たるのを回避するために、カメラ１１０の回転角度を制限するという機能を果たす。リミッタ２２により、ステレオカメラ１００のロール軸Ａ１回りの回転角（ロール角Φ）と、ピッチ軸Ａ２回りの回転角（ピッチ角Θ）と、ヨー軸Ａ３回りの回転角（ヨー角Ψ）とを、ステレオカメラ１００が機体Ｂに当たらない範囲に制限する。なお、これらロール角Φ、ピッチ角Θ及びヨー角Ψの範囲は、機体Ｂに対するステレオカメラ駆動装置２００の取付位置により決定される。
【００２７】
なお、機体Ｂの進行方向を向いて右側のカメラ１１０が所定の基準位置から下方に傾斜する場合をロール角「正」とし、２台のカメラ１１０が所定の基準位置から上方を向く場合をピッチ角「正」とし、２台のカメラ１１０が所定の基準位置から右側を向く場合をヨー角「正」としている。
【００２８】
ステレオカメラ駆動装置２００は、演算装置２０で出力された駆動信号に基づいてステレオカメラ１００を回転駆動して、ステレオカメラ１００の姿勢を変更するものである。なお、演算装置２０及びステレオカメラ駆動装置２００は、本発明における駆動手段を構成する。
【００２９】
撮像姿勢情報検出手段３０は、ステレオカメラ１００の姿勢に係る情報を検出するものである。本実施の形態においては、「ステレオカメラ１００の姿勢に係る情報」として、ステレオカメラ１００のヨー角情報（ヨー軸Ａ３回りの回転角）Ψを採用している。
【００３０】
機体姿勢情報検出手段４０は、航空機の姿勢に係る情報を検出するものである。本実施の形態においては、「航空機の姿勢に係る情報」として、機体のピッチ角情報（機体の前後軸と水平面とのなす角）ΘＢを採用している。撮像姿勢情報検出手段３０及び機体姿勢情報検出手段４０としては、ジャイロを用いた慣性機器や、光や電波等の電磁波を利用する装置等を採用することができる。
【００３１】
補正手段５０は、ステレオカメラ１００の姿勢に係る情報（ステレオカメラ１００のヨー角情報Ψ）及び航空機の姿勢に係る情報（機体のピッチ角情報ΘＢ）に基づいて、ステレオカメラ１００を回転駆動するための駆動信号を補正するものであり、演算装置２０内に設けられている。
【００３２】
本実施の形態における補正手段５０は、ステレオカメラ１００のヨー角情報Ψ及び機体のピッチ角情報ΘＢを用いて、補正角情報ΦＣを算出し、視線方向情報検出手段１０で検出された頭部ロール角情報ΦＴからこの補正角情報ΦＣを減算することにより、補正ロール角情報ΦＦを算出している。すなわち、
ΦＦ＝ΦＴ−ΦＣ                          （１）
となる。ここで、補正角情報ΦＣは、
ΦＣ＝ΘＢｓｉｎΨ                          （２）
なる式で算出される。なお、機体のピッチ角情報ΘＢ及びステレオカメラ１００のヨー角情報Ψは、Ａ／Ｄ変換器２３によりデジタル信号に変換される。
【００３３】
駆動阻止手段６０は、視線方向情報検出手段１０で検出した視線方向に係る情報が所定レベルに達していない場合に、ステレオカメラ１００の回転駆動を阻止するものであり、演算装置２０内に設けられている。具体的に説明すると、視線方向情報検出手段１０で検出された頭部ロール角情報ΦＴ、頭部ヨー角情報ΨＴ及び頭部ピッチ角情報ΘＴの絶対値が、予め規定した規定値Φ０、Ψ０、Θ０未満であった場合には、駆動阻止手段６０は、ステレオカメラ駆動装置２００への駆動信号の出力を阻止する。
【００３４】
次に、本実施の形態に係る撮像姿勢制御装置によるステレオカメラ１００の姿勢制御動作について説明する。
【００３５】
まず、操縦者の頭部が横向きになると、視線方向情報検出手段１０は、操縦者の頭部の姿勢情報（頭部ヨー角情報ΨＴ）を検出する。視線方向情報検出手段１０で検出された頭部ヨー角情報ΨＴは、演算装置２０に出力され、ローパスフィルタ２１を経て、駆動阻止手段６０に達する。駆動阻止手段６０で、頭部ヨー角情報ΨＴの絶対値が規定値Ψ０以上である場合には、頭部ヨー角情報ΨＴはそのままリミッタ２２を経由してステレオカメラ駆動装置２００に伝送される。一方、頭部ヨー角情報ΨＴの絶対値が規定値Ψ０未満である場合には、駆動阻止手段６０は、ステレオカメラ駆動装置２００への駆動信号の出力を阻止する。
【００３６】
駆動阻止手段６０を通過した頭部ヨー角情報ΨＴがステレオカメラ駆動装置２００に入力されると、ステレオカメラ駆動装置２００は、この頭部ヨー角情報ΨＴに基づいてステレオカメラ１００をヨー軸Ａ３回りに回転させる。ステレオカメラ１００がヨー軸Ａ３回りに回転すると、撮像姿勢情報検出手段３０は、ステレオカメラ１００のヨー角情報Ψを検出する。そして、撮像姿勢情報検出手段３０によって検出されたヨー角情報Ψは、Ａ／Ｄ変換器２３でデジタル信号に変換された上で、演算装置２０の補正手段５０に伝送される。
【００３７】
このようにステレオカメラ１００がヨー軸Ａ３回りに回転した状態において、航空機がピッチング運動を行うと、機体姿勢情報検出手段４０は、機体のピッチ角情報ΘＢを検出する。機体姿勢情報検出手段４０で検出されたピッチ角情報ΘＢは、Ａ／Ｄ変換器２３を経由して、演算装置２０の補正手段５０に伝送される。
【００３８】
補正手段５０は、撮像姿勢情報検出手段３０で検出されたヨー角情報Ψと、機体姿勢情報検出手段４０で検出されたピッチ角情報ΘＢと、を参照して補正ロール角情報ΦＦを算出し、ステレオカメラ１００を回転駆動するための駆動信号を補正する。
【００３９】
例えば、視線方向情報検出手段１０で検出された頭部ロール角情報ΦＴが０°（左右への傾斜なし）、撮像姿勢情報検出手段３０で検出されたヨー角情報Ψが３０°（右向き）、機体姿勢情報検出手段４０で検出されたピッチ角情報ΘＢが３０°（上向き）である場合には、補正ロール角情報ΦＦは、前記した（１）式及び（２）式を用いて、
ΦＦ＝ΦＴ−ΘＢｓｉｎΨ＝０−３０×ｓｉｎ３０°＝−１５（°）    （３）
と算出される。
【００４０】
すなわち、検出された頭部ロール角情報ΦＴは０°であって、仮にこの情報ΦＴがそのままステレオカメラ駆動装置２００に入力されるとステレオカメラ１００のロール角Φは所定の基準位置から傾斜することはないが、本実施の形態においては、補正手段５０により算出された補正ロール角情報ΦＦ（−１５°）がステレオカメラ駆動装置２００に入力されるため、ステレオカメラ１００は所定の基準位置から左側に１５°傾斜することとなる。このため、機体がピッチング運動をしてもロール軸はほぼ動かない視界情報を表示することができる。
【００４１】
以上説明した実施の形態に係る撮像姿勢制御装置においては、補正手段５０により、撮像姿勢情報検出手段３０で検出したステレオカメラ１００のヨー角情報Ψと、機体姿勢情報検出手段４０で検出した機体のピッチ角情報ΘＢと、を参照して駆動信号を補正することができる。
【００４２】
すなわち、操縦者が一時的に横を向いたことによりステレオカメラ１００がヨー軸Ａ３回りに回転して横向きになった状態において、機体がピッチング運動を行った場合に、ステレオカメラ１００のヨー角情報Ψと、機体のピッチ角情報ΘＢと、に基づいて補正ロール角情報ΦＦを算出することにより、ステレオカメラ１００のロール軸Ａ１回りの回転駆動量を補正することができる。従って、操縦者は、機体がロール運動しているような錯覚を受けることがない。この結果、操縦者がＨＭＤ７０から得た視界情報と、前庭器官から得た空間情報と、の矛盾を解消することができるので、操縦者の酔いを防止することができる。
【００４３】
また、本実施の形態に係る撮像姿勢制御装置においては、視線方向情報検出手段１０で検出した情報（頭部ロール角情報ΦＴ、頭部ヨー角情報ΨＴ及び頭部ピッチ角情報ΘＴ）の絶対値が、予め規定した規定値（Φ０、Ψ０、Θ０）未満である場合に、駆動阻止手段６０によってステレオカメラ１００の回転駆動を阻止することができる。従って、操縦者が視界情報の変更を望まない場合において、センサの共振や、機体の振動に起因する視線方向の変動、等によりステレオカメラ１００が回転して視界情報が変わってしまうのを防ぐことができる。この結果、安定した視界情報を操縦者に提供することができるので、操縦者は、疲労感の認知を含む生理的不快感をおぼえることがない。
【００４４】
なお、以上の実施の形態においては、視線方向情報検出手段１０として、操縦者の頭部の姿勢情報を検出するものを採用したが、操縦者の眼球の動きを検出するアイカメラ等を視線方向情報検出手段１０として採用することもできる。
【００４５】
また、本発明に係る撮像姿勢制御装置を搭載する航空機は、操縦者が搭乗する有人の航空機であるが、その種類は特に限定されることはない。すなわち、固定翼航空機、回転翼航空機、飛行船、等の各種有人航空機に本発明に係る撮像姿勢制御装置を搭載することができる。
【００４６】
また、本発明に係る撮像姿勢制御装置は、地上で遠隔操縦を行う航空機についても適用することができる。例えば、視線方向情報検出手段１０を装着したＨＭＤ７０等のディスプレイを地上操作員がかぶり、これ以外の装置を機体に搭載して運用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、補正手段により、撮像姿勢情報検出手段で検出した撮像手段の姿勢に係る情報と、機体姿勢情報検出手段で検出した航空機の姿勢に係る情報と、を参照して駆動信号を補正することができる。例えば、操縦者が一時的に横を向いたことにより撮像手段が横向きになった状態において、機体がピッチング運動を行った場合に、撮像手段のヨー角と、機体のピッチ角と、に基づいて、撮像手段のロール軸回りの回転駆動量を補正することができる。この結果、機体がロール運動しているような錯覚を起こすことなく、視界情報を表示することができるので、操縦者が得た視界情報と、前庭器官から得た空間情報と、の矛盾を解消することができ、操縦者の酔いを防止することができる。
【００４８】
請求項４に記載の発明によれば、視線方向に係る情報が所定レベルに達していない場合に撮像手段の回転駆動を阻止する駆動阻止手段を備えるので、操縦者が視界情報の変更を望まない場合において、センサの共振や、機体の振動等に起因する視線方向の変動、等により撮像手段が回転して視界情報が変わってしまうのを防ぐことができる。従って、安定した視界情報を操縦者に提供することができるので、操縦者は、疲労感の認知を含む生理的不快感をおぼえることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る撮像姿勢制御装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図２】図１に示した撮像姿勢制御装置によって制御されるステレオカメラの概略図である。
【符号の説明】
１０        視線方向情報検出手段
２０        演算装置（駆動手段）
３０        撮像姿勢情報検出手段
４０        機体姿勢情報検出手段
５０        補正手段
６０        駆動阻止手段
７０        ＨＭＤ
１００        ステレオカメラ（撮像手段）
１１０        カメラ
２００        ステレオカメラ駆動装置（駆動手段）
Ａ１        ロール軸
Ａ２        ピッチ軸
Ａ３        ヨー軸
【図１】
2004271557.tif 000003
【図２】
2004271557.tif 000004