用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法和系统。所述方法包括：通过一系列不同瞄准Vi获取头部姿势的N个测量

【技术实现步骤摘要】
用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法和系统
本专利技术涉及一种用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调的方法。
技术介绍
本专利技术属于用于飞行器(例如直升机或飞机)的驾驶人-系统接口(human-systeminterface，HSI)的
，所述飞行器配备有头戴式显示系统(head-worndisplaysystem，HWD)或头盔安装式显示系统(helmet-mounteddisplaysystem，HMD)以及头部姿势检测设备DDP。平视显示系统，无论是否是穿戴式，都能够使显示(具体来说为“符号”)符合外部世界，也就是说定位于飞行员眼部前方的符号的集合能够与外部世界中的对应元素重叠。该符号的集合可以是例如速度向量、地面上的或空中的目标、地形的合成图示或甚至传感器图像。这种相符的显示器需要了解飞行器的位置和姿态，并且对于头戴式显示设备，需要了解显示器相对于联接到飞行器的固定参考系的姿态。关于这些各种位置和姿态，由航空电子设备系统提供飞行器的位置和姿态，且由姿势检测设备DDP提供显示器的位置和姿态。举例来说，且具体地说，用于提供飞行器的位置和姿态的航空电子设备系统可分别是：-全球定位系统(globalpositioningsystem，GPS)类型的全球定位设备；以及-基于微机电系统(microelectromechanicalsystem，MEMS)类型或激光陀螺仪类型的陀螺仪和加速度计的惯性参考系统IRS，或姿态和航向参考系统AHRS。众所周知，在驾驶舱中，在安装显示系统时执行头戴式显示系统的协调，以便计算从显示器参考系切换到飞行器参考系作出的角度校正，从而获得相符的平视显示器。目前，如今的一些头戴式显示设备在显示设备或显示器与姿势检测系统DDP的穿戴部分之间具有一定的可移动性，这是因为例如当存在用于使显示器单独倾斜在操作员的视场之外的设备时，这两个元件(即显示器和DDP的移动式穿戴部分)之间缺少机械刚度。随后，在显示器再次倾斜进入操作员的视场时，需要再次继续进行协调，以便一旦安装了平视显示器就计算对头部进行的角度的新校正，从而能够在穿戴在头部上的显示设备中显示相符的符号。为了能够且促进这种相对频繁的重新协调需求，已知的操作是在飞行器上安装专用仪器，称为视轴参考单元或视轴标线单元BRU。在驾驶舱中面向操作员的头部安装的视轴参考单元BRU以对于平视系统固定且已知的定向显示准直符号。每当需要重新对准相符的符号(即重新协调)时，操作员以视轴参考单元BRU的准直符号来对准操作员的平视显示器中显示的符号。在平视显示器(即显示器)中显示的符号与准直符号对准时，检测设备输出协调系统随后根据三个校正角度计算旋转矩阵，以便重新协调显示器的参考系相对于飞行器的参考系的姿态。这一基于视轴参考单元BRU的使用的协调系统的主要缺陷在于包含额外的一件仅专用于这一重新对准或协调功能的设备，且在安装复杂性、额外体积和重量方面的成本可能受到限制，特别是对于小型民用飞行器来说。这种BRU设备必须通过电导线供电且以稳定方式安装。这种BRU设备在其安装有附加错误项时需要冗长的协调过程。举例来说，在安装时或在维护操作期间，可能存在通过移动而不对准的风险。此外，在承载件(即飞行器的承载结构)上的这一视轴参考单元BRU的定向的准确参数必须也引入到头盔安装式显示系统HMD中，且所述BRU单元随后相对于承载件必须一直保持完全固定。目前，现行机械技术并不能够保证驾驶舱中的BRU单元的安装不会有随时间推移变化的风险。实际上，振动环境、飞行员且具体来说维护操作员的介入可能轻微引起视轴参考单元BRU的旋转或移动，这导致无法补偿且在许多情况下无法检测到的视线的误差的引入，从而阻碍任何后续的重新协调。第一个技术难题是如何提供一种头戴式显示系统和一种协调方法，所述协调方法在平视显示器或观察系统HWD/HMD具有用于松开和重新接合飞行员的视场中的显示器的机构、不对准的来源时，使得有可能重新对准外部世界上的符号，并且能够避免使用安装在驾驶舱内的校正地标(也是误差的来源)。第二个技术难题是在平视显示系统HWD/HMD具有用于松开和重新接合飞行员的视场中的显示器的机构时，如何更精确地确定显示器D0与头部姿势检测子系统DDP的移动式跟踪元件D2之间的相对定向M01。第三个技术难题是如何校正飞行器的定向(其由飞行器相对于地球的惯性位置提供)，具体为航向，对于相符的显示器通常尚不知晓具有足够精度的所述航向的值。
技术实现思路
为此，本专利技术的主题是一种用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法，所述头戴式显示系统包括：透明头戴式显示器D0；头部姿势检测子系统DDP，其具有牢固地附接到透明显示器D0的移动式跟踪第一元件D1、牢固地联接到飞行器的平台的固定的第二元件D2，以及用于测量并确定移动式跟踪第一元件D1相对于联接到平台的固定的第二元件D2的参考系的相对定向M12的装置；姿态惯性设备D3，其用于提供平台相对于联接到地球的地面参考系的相对姿态M3t；协调子系统，其用于使驾驶信息在显示器D0上的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统，所述协调子系统具有用于管理和执行双重协调方法的实施的双重协调计算机以及人-系统接口。双重协调方法的特征在于，其包括以下步骤：-执行一系列整数N个不同瞄准Vi，N大于或等于3，i从1变化到N，其通过在外部现实世界的任何相同固定目标上对准居中的瞄准视觉图案、通过显示器D0来执行，每一瞄准Vi与显示器D0上的瞄准图案的中心的不同固定位置Pi相对应且具有确定为位置Pi的函数的瞄准向量且对于每一瞄准Vi，获取跟踪元件相对于DDP参考方向的相对角定向的相对应测量DDP参考方向相对于飞行器的平台为固定的，随后-将处于倾斜位置的显示器D0与跟踪第一元件D1之间的相对定向M01的矩阵计算为右矩阵所述右矩阵为方程组：的解，其中i＝1到N，向量表示与在外部现实世界中瞄准的目标点相对应的平台的惯性参考系中的向量且为未知的，且左矩阵为联接到飞行器的平台的固定的第二元件D2的参考系与姿态惯性设备D3的参考系之间的相对定向的矩阵M23，所述左矩阵可能不按规则但假定根据时间保持恒定，且在其未知时，需要至少四个测量根据具体实施方案，双重协调方法包括以下特征中的一个或多个、单独采用或组合采用：-测量的数目N大于或等于三，且联接到飞行器的平台的固定的第二元件D2的参考系与姿态惯性设备D3的参考系之间的相对定向的左矩阵已知，并且i从1变化到N的方程组的求解使用迭代过程和校正算子π(.)来确定矩阵和向量所述校正算子将任意矩阵A变换为3×3正方形旋转矩阵π(A)，所述π(A)是所有3×3旋转矩阵中在以下意义上最接近矩阵A的：矩阵π(A)-A的所有项的平方和最小；-方程组的求解的步骤包括以下第一组子步骤：在第一初始化子步骤中，通过将设定为等于I3来初始化右矩阵的第一序列[s]表示遍历序列的整数项数，I3表示单位矩阵；随后通过利用以下方程式计算随后来重复第二迭代子步骤，以从[s]迭代到[s+1]：序列表示外部方向向量的第二序列，序列和分别朝向和收敛；随后，在第三终止子步骤中，在以由一或两个预定阈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法，所述头戴式显示系统包括：‑透明头戴式显示器(12)D0，‑头部姿势检测子系统(16)，其具有牢固地附接到透明显示器(12)D0的移动式跟踪第一元件(18)D1、牢固地联接到飞行器的平台(24)的固定的第二元件(22)D2，以及用于测量并确定移动式跟踪第一元件(18)D1相对于联接到平台(24)的固定的第二元件(22)D2的参考系的相对定向M12的装置(26)，‑姿态惯性设备(30)D3，其用于提供平台(24)相对于联接到地球的地面参考系的相对姿态M3t，‑协调子系统(34)，其用于使驾驶信息在显示器D0上的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统，所述协调子系统(34)具有用于管理和执行所述双重协调方法的实施的双重协调计算机以及人‑系统接口，所述双重协调方法的特征在于，其包括以下步骤：‑执行一系列整数N个不同瞄准Vi(206；306)，N大于或等于3，i从1变化到N，其通过在外部现实世界的任何相同固定目标上对准居中的瞄准视觉图案经由显示器D0来执行，每一瞄准Vi与显示器D0上的瞄准图案的中心的不同固定位置Pi相对应且具有确定为所述位置Pi的函数的瞄准向量...

【技术特征摘要】
2017.12.21 FR 17013421.一种用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法，所述头戴式显示系统包括：-透明头戴式显示器(12)D0，-头部姿势检测子系统(16)，其具有牢固地附接到透明显示器(12)D0的移动式跟踪第一元件(18)D1、牢固地联接到飞行器的平台(24)的固定的第二元件(22)D2，以及用于测量并确定移动式跟踪第一元件(18)D1相对于联接到平台(24)的固定的第二元件(22)D2的参考系的相对定向M12的装置(26)，-姿态惯性设备(30)D3，其用于提供平台(24)相对于联接到地球的地面参考系的相对姿态M3t，-协调子系统(34)，其用于使驾驶信息在显示器D0上的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统，所述协调子系统(34)具有用于管理和执行所述双重协调方法的实施的双重协调计算机以及人-系统接口，所述双重协调方法的特征在于，其包括以下步骤：-执行一系列整数N个不同瞄准Vi(206；306)，N大于或等于3，i从1变化到N，其通过在外部现实世界的任何相同固定目标上对准居中的瞄准视觉图案经由显示器D0来执行，每一瞄准Vi与显示器D0上的瞄准图案的中心的不同固定位置Pi相对应且具有确定为所述位置Pi的函数的瞄准向量且对于每一瞄准Vi，获取跟踪元件相对于头部姿势检测子系统参考方向的相对角定向的相对应测量(206；306)，所述头部姿势检测子系统参考方向相对于飞行器的平台为固定的，随后-将处于倾斜位置的显示器D0与跟踪第一元件D1之间的相对定向M01的矩阵计算为右矩阵(206；306)，所述右矩阵为以下方程组的解：其中i＝1到N向量表示与在外部现实世界中瞄准的目标点相对应的平台的惯性参考系中的向量且为未知的；并且左矩阵为联接到飞行器的平台的固定的第二元件D2的参考系与姿态惯性设备D3的参考系之间的相对定向的矩阵M23，所述左矩阵可能不按规则但假定根据时间保持恒定，且在其未知时，需要至少四个测量2.根据权利要求1所述的用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法，其中所述测量的数目N大于或等于三，且联接到所述飞行器的平台的固定的第二元件D2的参考系与姿态惯性设备D3的参考系之间的相对定向的所述左矩阵已知，并且i从1变化到N的所述方程组的求解使用迭代过程和校正算子π(.)来确定所述矩阵和所述向量所述校正算子将任意矩阵A变换为3×3正方形旋转矩阵π(A)，所述π(A)是所有3×3旋转矩阵中在以下意义上最接近矩阵A的：矩阵π(A)-A的所有项的平方和最小。3.根据权利要求2所述的用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法，其中所述方程组的求解的步骤(208)包括以下第一组子步骤：-在第一初始化子步骤(214)中，通过将设定为等于I3来初始化右矩阵的第一序列[s]表示遍历序列的整数项数，I3表示单位矩阵；随后-通过利用以下方程式计算来重复第二迭代子步骤(216)，以从[s]迭代到[s+1]：序列表示外部方向向量的第二序列，且所述序列和分别朝向和收敛；随后-在第三终止子步骤(218)中，在以由一或两个预定阈值定义的足够精度接近极限和时，终止通过第二子步骤(216)执行的所述迭代过程。4.根据权利要求2和3中任一项所述的用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法，其中所述测量的数目N等于三，且由所述协调计算机将居中的瞄准视觉图案设定为固定在所述显示器上三个不同位置P1、P2、P3处，所述三个不同位置P1、P2、P3分别与三个瞄准V1、V2、V3相对应：第一位置P1在所述显示器的左侧部分中且垂直于所述中心，第二位置P2在所述显示器的右侧部分中且垂直于所述中心，第三位置P3水平于所述中心且向上。5.根据权利要求1所述的用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法，其中所述测量的数目N大于或等于四，且联接到所述飞行器的平台的参考系D2与联接到惯性单元D3的参考系之间的相对定向的所述左矩阵未知，且并不试图确定所述向量i从1变化到N的所述方程组：的求解(308)，其相当于对于i从1变化到4的方程组：通过表示进行求解，该求解使用迭代过程和校正算子π(.)来确定所述矩阵所述校正算子将任意矩阵A变换为3×3正方形旋转矩阵π(A)，所述π(A)是所有3×3旋转矩阵中在以下意义上最接近矩阵A的：矩阵π(A)-A的所有项的平方和最小。6.根据权利要求5所述的用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法，其中所述方程组的求解的步骤(308)包括以下第二组子步骤(312)：-在第四初始化子步骤(314)中，通过将设定为等于I3来初始化右矩阵的第一序列[s]表示遍历序列的整数项数，I3表示单位矩阵；随后-通过利用以下方程式计算第一矩阵序列的值值来重复第五迭代子步骤(316)，以从[s]迭代到[s+1]：序列表示向量的辅助第二序列，且所述序列朝向收敛；随后-在第六终止子步骤(318)中，在以由预定阈值定义的足够精度接近极限时，终止通过第五子步骤(316)执行的所述迭代过程。7.根据权利要求5和6中任一项所述的用于使飞行器驾驶信息的显示符合外部现实世界的头戴式显示系统的双重协调方法，其中所述测量的数目N等于四，且由所述协调计算机将居中的瞄准视觉图案设定为固定在所述显示器上四...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·艾默里克，S·鲁泽，
申请(专利权)人：泰勒斯公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR