Способ коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в системе дополненной реальности на движущемся объекте


 


Владельцы патента RU 2527132:

Общество с ограниченной ответственностью "АВИАРЕАЛ" (RU)

Способ коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в системе дополненной реальности на движущемся объекте. Изобретение относится к области навигационного приборостроения. Для повышении эффективности пространственной ориентации операторов, управляющих подвижными объектами (автомобилями, водными и воздушными судами) могут применяться системы дополненной реальности в виде наголовных модулей, включающие, в том числе, автономные подсистемы ориентации, обеспечивающие определение трех угловых координат положения линии наблюдения в пространстве. Недостатком подсистем ориентации, выполненных на микромеханических элементах (гироскопах, акселерометрах, магнитометрах) является значительный дрейф данных, особенно по углу рыскания, достигающий нескольких сотен градусов в час. Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышение точности пространственной ориентации посредством микромеханических гироскопов за счет коррекции их дрейфа с помощью данных спутниковой навигационной системы и оптического распознавания маркеров дополненной реальности. Технический результат достигается тем, что по данным бортового приемника спутниковой навигационной системы с помощью метода регрессионного анализа строится трехмерный вектор движения объекта и, при обнаружении участка прямолинейного движения, производится коррекция показаний гироскопа по углам рыскания и тангажа путем приведения их к угловым координатам текущего вектора движения. Для учета положения головы оператора относительно движущегося объекта применяется оптическое распознавание графических маркеров (четких изображений различных геометрических фигур), неподвижно размещенных на объекте в поле зрения видеокамеры, также входящей в наголовный модуль системы дополненной реальности. 1 ил.

 

Изобретение относится к области навигационного приборостроения для подвижных объектов различного назначения.

Уровень техники.

Существуют способы повышения эффективности пространственной ориентации операторов, управляющих движением подвижных объектов (автомобилей, водных и воздушных судов) с помощью систем дополненной реальности, состоящих из наголовного модуля, включающего прозрачные стереоочки или шлем дополненной реальности с прозрачными микродисплеями, систему позиционирования, обеспечивающую определение трех линейных координат положения точки наблюдения и трех угловых координат положения линии наблюдения в пространстве, и компьютера, в реальном времени генерирующего и передающего на микродисплеи видеоизображение виртуальных объектов, обозначающих траекторию движения и другую информацию по навигации и управлению. Примеры таких систем - шлем для пилотов истребителей-бомбардировщиков F-35 (http://www.vsi-hmcs.com/index.php/f-35-hmds); шлем Ebit Systems Targo Racer, используемый пилотами авиашоу Rocket Racing League (http://www.membrana.ru/articles/technic/2010/04/27/130400.html).

Для аналогичных целей могут применяться выпускаемые промышленностью очки дополненной реальности STAR 1200XL компании Vuzix, снабженные встроенной видеокамерой и датчиком ориентации, позволяющим определять три угловых координаты положения линии наблюдения в пространстве (reality/products star 1200xl.html), при этом данные о пространственном положении можно получать от спутниковой навигационной системы.

Используемые в подобных устройствах интегрированные микромеханические инерциальные датчики, включающие гироскопы, акселерометры и магнитометры, характеризуются значительным дрейфом данных гироскопов, достигающим значений до сотен градусов в час. Известны способы коррекции дрейфа гироскопов по углам крена и тангажа с помощью данных акселерометров, а по углу рыскания с помощью данных магнитометров посредством программно реализованного математического фильтра Калмана, как это делается, например, в выпускаемом промышленностью микромеханическом инерциальном датчике InertiaCube4 компании InterSense.

Недостатком способа коррекции дрейфа гироскопа по данным акселерометров и магнитометров является погрешность акселерометров и магнитометров, которая особенно для магнитометров может принимать большие и случайно изменяющиеся во времени значения из-за внешних магнитных влияний.

Известны способы коррекции дрейфа и калибровки гироскопов на движущихся объектах по данным спутниковых навигационных систем (RU 2462690, EP 1475609, EP 0934506), которые подразумевают неизменность ориентации инерциальных датчиков относительно движущегося объекта, на котором размещена приемная антенна спутниковой навигационной системы.

Недостатками известных способов коррекции дрейфа гироскопов на движущихся объектах по данным спутниковых навигационных систем в случае использования в составе систем дополненной реальности является неприменимость вследствие подвижности головы пользователя системы дополненной реальности относительно движущегося объекта, на котором находится пользователь, и координаты которого определяются спутниковой навигационной системой. В системах дополненной реальности критически важным является определение ориентации головы пользователя, поскольку эта информация используется для позиционирования изображений виртуальных объектов, выводимых на очки дополненной реальности.

В технологии дополненной реальности также известен способ позиционирования виртуальных объектов в реальной среде с помощью специальных надежно распознаваемых графических маркеров дополненной реальности - например, с помощью программной библиотеки ARToolKit (.Washington.edu/artoolkit/). Данная библиотека позволяет, в частности, определить положение камеры относительно графического маркера, представляющего собой четкое черно-белое изображение простых геометрических фигур.

Технической задачей создания предлагаемого изобретения является разработка способа коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в системе дополненной реальности на движущемся объекте, по данным спутниковой навигационной системы и результатам распознавания образов графических маркеров дополненной реальности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является интегрированная инерциально-спутниковая система ориентации и навигации, предложенная в заявке RU 2462690, которая подразумевает размещение на движущемся объекте двух разнесенных на расстояние нескольких метров антенн спутниковой навигационной системы. В случае использования в составе системы дополненной реальности данная система неприменима из-за невозможности размещения на голове пользователя системы дополненной реальности громоздких устройств, обеспечивающих разнесение антенн спутниковой навигационной системы, а также вследствие подвижности головы пользователя относительно движущегося объекта.

Раскрытие изобретения

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышение точности пространственной ориентации посредством микромеханических гироскопов за счет коррекции их дрейфа с помощью данных спутниковой навигационной системы и оптического распознавания маркеров дополненной реальности.

Указанный технический результат достигается тем, что способ коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в системе дополненной реальности на движущемся объекте, состоит в том, что при движении объекта (например, воздушного или морского судна, автомобиля), на котором находится пользователь системы дополненной реальности, включающей очки дополненной реальности со встроенными микромеханическим гироскопом и видеокамерой, посредством математического аппарата линейного регрессионного анализа (Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. Учебник для вузов. -М.: Высшая школа, 1988) по данным бортового приемника спутниковой навигационной системы строится трехмерный вектор направления движения объекта. Объем обрабатываемых при регрессионном анализе данных о линейных координатах варьируется и зависит от скорости движущегося объекта. При обнаружении участка прямолинейного движения по признаку неизменности параметров линейной регрессии производится коррекция угловых координат головы пользователя очков дополненной реальности, вырабатываемых по данным микромеханического гироскопа, приводящая угловые координаты головы пользователя по углам рыскания и тангажа к угловым координатам текущего вектора движения объекта с учетом смещения ориентации головы пользователя относительно движущегося объекта, определяемого с помощью оптического распознавания маркеров дополненной реальности (см. фиг.1), неподвижно размещаемых на движущемся объекте, например в пилотской кабине воздушного судна. Маркеры располагаются таким образом, чтобы хотя бы один из них обязательно попадал в поле зрения видеокамеры, встроенной в очки дополненной реальности. Обеспечивается подсветка маркеров, делающая их видимыми для видеокамеры в любое время суток. Выработка параметров ориентации головы пользователя по данным оптического распознавания графических маркеров дополненной реальности осуществляется с помощью свободно доступных на рынке программных пакетов дополненной реальности, например пакета ARToolKit компании ARToolworks Inc.

Фиг.1 - техническая реализация способа коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в системе дополненной реальности на движущемся объекте.

Осуществление изобретения.

Осуществление предлагаемого способа коррекции дрейфа микромеханического гироскопа, используемого в системе дополненной реальности на движущемся объекте, заключается в следующем.

Система, осуществляющая предлагаемый способ (см. фиг.1), включает размещенные на борту движущегося объекта компьютер, приемник спутниковой системы навигации, очки дополненной реальности, имеющие встроенный микромеханический гироскоп и миниатюрную видеокамеру, три маркера дополненной реальности, представляющие собой четкие изображения трех различных геометрических фигур. Средние размеры маркеров 7×7 см, размеры графических маркеров могут варьироваться в зависимости от типа используемой видеокамеры и их удаления от пользователя. Маркеры могут быть нанесены либо непосредственно на плоские поверхности кабины движущегося объекта, либо на промежуточный носитель (бумага, липкая пленка, пластина из тонкого пластика) с последующим размещением в кабине движущегося объекта. Маркеры размещаются таким образом, чтобы при любом положении головы пользователя хотя бы один маркер попадал в поле зрения видеокамеры, встроенной в очки дополненной реальности, это условие определяет необходимость использования трех маркеров. Обеспечивается подсветка маркеров, делающих их видимыми для видеокамеры в любое время суток. Информация о точках размещения маркеров на движущемся объекте вводится в бортовой компьютер.

В бортовой компьютер поступают данные об изменяющихся линейных координатах движущегося объекта от приемника спутниковой системы навигации, данные гироскопа и видеокартинка от видеокамеры, встроенной в очки дополненной реальности. Компьютер посредством линейного регрессионного анализа постоянно вычисляет угловые координаты вектора направления движения объекта по линейным координатам от приемника системы спутниковой навигации. Также компьютер постоянно вычисляет угловые координаты головы пользователя относительно маркеров дополненной реальности по видеокартинке от видеокамеры и угловые координаты головы пользователя по данным от микромеханического гироскопа. При обнаружении прямолинейного участка движения объекта по признаку неизменности угловых координат вектора движущегося объекта производится коррекция угловых координат (углы рыскания и тангажа) по данным гироскопа путем приведения их к угловым координатам вектора движения объекта с учетом углового смещения головы пользователя относительно движущегося объекта.

Для осуществления изобретения может быть использован автономный мобильный компьютер, имеющий карманные размеры. Очки смешанной реальности представляют собой прозрачные стекла, либо проекторы изображения на сетчатку глаза, которые выводят стереопару трехмерных объемных изображений виртуальных объектов, сформированных компьютером. В качестве прозрачных очков смешанной реальности могут быть использованы соответствующие очки, выпускаемые промышленностью, например, STAR 1200XL компании Vuzix, снабженные микромеханическим инерциальным датчиком и миниатюрной видеокамерой. Линейные координаты точки наблюдения можно получать, используя компактный приемник глобальных навигационных систем повышенной точности GLONASS/GPS/SBAS (например, Garmin GTN 625).

Способ коррекции дрейфа микромеханического гироскопа состоит в том, что при движении объекта, на котором находится пользователь системы дополненной реальности, включающей очки дополненной реальности со встроенными видеокамерой и микромеханическим гироскопом, по данным которого вырабатываются угловые координаты головы пользователя, и бортовой приемник спутниковой навигационной системы, отличающийся тем, что по данным спутниковой навигационной системы строится трехмерный вектор направления движения объекта, последовательные значения которого анализируются бортовым вычислителем с помощью математического метода регрессионного анализа и при выявлении участка прямолинейного движения по признаку неизменности параметров линейной регрессии производится коррекция угловых координат головы пользователя по углам рыскания и тангажа, приводящая их к угловым координатам текущего вектора движения объекта с учетом смещения ориентации головы пользователя относительно движущегося объекта, определяемого с помощью оптического распознавания маркеров дополненной реальности, неподвижно размещенных на движущемся объекте в поле зрения видеокамеры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для определения азимутального положения платформы трехосного гиростабилизатора, например, в высокоточных навигационных системах различного назначения.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения азимутального положения платформы трехосного гиростабилизатора, например, в высокоточных навигационных системах различного назначения.

Азимутальная ориентация платформы трехосного гиростабилизатора по приращениям угла прецессии гироблока относится к области приборостроения и может быть использована для определения азимута, например, в высокоточных системах различного назначения.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано для контроля гиростабилизированных платформ космического назначения. .

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к управляемым гиростабилизаторам с косвенной стабилизацией, работающим на подвижных объектах. .

Изобретение относится к системам автоматического управления и может найти применение для стабилизации поля зрения и управления линией визирования оптических приборов, размещаемых на подвижных объектах.

Изобретение относится к области корректируемых по информации от навигационных спутников гироскопических систем навигации морских объектов. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения азимута, например, в высокоточных системах различного назначения. .

Изобретение относится к управляемым гиростабилизаторам линии визирования, работающим на подвижных объектах и предназначенным для стабилизации оптического изображения.

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение при разработке, изготовлении и эксплуатации самоориентирующихся гироскопических систем курсоуказания и курсокреноуказания.

Изобретение относится к системам автоматического регулирования, а конкретно к двухосным управляемым гиростабилизаторам оптической линии визирования, работающим на подвижных объектах и предназначенным для стабилизации и наведения линии визирования. Устройство содержит исполнительные двигатели наружной и внутренней рамок, установленные на осях вращения наружной и внутренней рамок, усилители каналов наружной и внутренней рамок, выходы которых соединены с входами исполнительных двигателей наружной и внутренней рамок, выходные валы наружной и внутренней рамок, связанные с выходами исполнительных двигателей наружной и внутренней рамок, электронный преобразователь координат, выходы которого соединены с входами усилителей каналов наружной и внутренней рамок. Дополнительно введены пульт наведения, входы которого связаны с сигналами углов наведения на цель по азимуту и высоте, постоянного угла наклона наружной рамки и угла поворота выходного вала подвеса, а выходы пульта наведения соединены с соответствующими входами электронного преобразователя координат, исполнительный двигатель подвеса, установленный на основании, усилитель канала подвеса, вход которого соединен с выходом пульта наведения, а выход усилителя канала подвеса соединен с входом исполнительного двигателя подвеса. Техническим результатом является повышение точности наведения двухосного гиростабилизатора в подвесе за счет использования электронного преобразователя координат в устройстве наведения.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано для определения положения платформы трехосного гиростабилизатора в азимуте, например, в высокоточных навигационных системах различного назначения. Технический результат - возможность определения азимутального положения гиростабилизированной платформы в условиях азимутальных смещений основания, упрощение конструкции, сокращение времени и повышение точности определения азимутального положения платформы. Для этого измерения производятся в инерциальном режиме функционирования системы стабилизации платформы относительно вертикальной оси. Перед началом измерений платформа грубо устанавливается и удерживается в требуемом исходном положении по азимуту. Азимутальное положение определяется по информации о токах обратной связи и углах поворота штатного гироблока, отключаемого от системы стабилизации и включаемого в режим датчика угловой скорости. Стабилизация и горизонтирование платформы при измерениях осуществляется соответствующим акселерометром, подключенным через усилитель к двигателю стабилизации. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано в навигационных системах. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого определение азимута производится при введении одного из гироблоков системы стабилизации в компасный режим путем его отключения от штатного канала системы стабилизации, при осуществлении стабилизации и горизонтирования платформы в измененном канале стабилизации с помощью соответствующего акселерометра, отключаемого от датчика моментов гироблока и подключаемого через усилитель к двигателю стабилизации платформы измененного канала, а также при осуществлении режима «памяти» в азимутальном канале. В расчетный момент времени на датчик моментов гироблока подаются управляющие сигналы, возвращающие гироскоп в исходное положение. Определение азимута исходного положения платформы производится по сигналам с датчика угла гироблока и акселерометра. Использование управляющих сигналов дает возможность сократить время измерительного процесса за счет совмещения его с процессом приведения компасного гироскопа в исходное положение при одновременном обеспечении заданной точности определения азимута платформы, а также возможность для ТГС дальнейшего непрерывного функционирования по назначению.

Группа изобретений относится к установке и работе инерционных датчиков, таких как, например, датчики пространственного положения (гироскопы) или датчики движения (акселерометры) на борту транспортного средства. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерений. В способе осуществляют калибровку устройства (S) инерционного датчика, установленного в произвольной позиции на борту транспортного средства (V), на основе формирования (200-500) матрицы (R) преобразования, приспособленной преобразовывать реально измеренные данные динамических параметров транспортного средства (V), найденных в локальной системе (x, y, z) координат, в данные, указывающие динамические параметры транспортного средства (V) в системе (X, Y, Z) координат транспортного средства, причем значение каждого элемента матрицы (R) преобразования модифицируют посредством наложения ограничения ортогональности (600) матрицы. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх