用于确定特别是射击武器模拟器上的观察单元目标点的设备和方法 |
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| 申请号 | CN201080018252.7 | 申请日 | 2010-04-19 | 公开(公告)号 | CN102428340A | 公开(公告)日 | 2012-04-25 |
| 申请人 | E.西格玛科技股份有限公司; | 发明人 | 约瑟夫·米尔纳; 弗尔克尔·蒂尔; 马丁·马克特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于确定观察单元(09)的目标点(03)的设备。该设备包括目标区(02)、将至少两条不平行的扫描线(05a、05b)投影且在目标区(02)上移动的扫描线投影器(06)、控制扫描线(05a、05b)移动的控制单元(07)和在识别出扫描线(05a、05b)时将目标点 信号 相应地提供给控制单元(07)的光学目标点探测器(08)。控制单元(07)确定每条扫描线(05a、05b)在通过目标点探测器(08)识别出的时间点上在目标区(02)内的 位置 ，并将在该时间点上两条扫描线(05a、05b)的虚拟交点作为目标点(03)输出。本发明此外涉及一种用于确定观察单元(09)目标点(03)的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于确定观察单元(09)的目标点(03)的设备，所述设备包括： |
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| 说明书全文 | 用于确定特别是射击武器模拟器上的观察单元目标点的设备和方法 技术领域[0001] 本发明涉及一种用于确定观察单元目标点的设备以及方法。 背景技术[0002] 此类观察单元可与不同的仪器例如照相机、显示仪器或射击武器模拟器等组合。依据本发明的观察单元例如适用于确定照相机的目标点或视向，这对虚拟演播室中的录像和图像处理具有非常重要的意义。依据本发明的观察装置允许了由照相机拍摄的图像区的精确确定。 [0004] 对于依据本发明的观察装置而言，在控制或监控机器人特别是工业机器人中呈现出另一应用领域。首先，在待由机器人完成的任务质量方面，取决于机器人的能力的配合问题对于能非常准确地移向确定的空间位置起到了重要作用。对此大有前途的途径是机器人的外部监控和机器人在空间中的位置的精确测定。公知的是，为此为灵活确定位置而使用实现了绝对精确度的提高的多照相机系统。公知的测量系统利用监控工业机器人操作空间的多个高分辨率和校验的测量照相机来工作。在工业机器人的末端执行器上安装有相应的目标标记，利用这些目标标记可以确定末端执行器的位置和定向。在此，技术开支很高。本发明也可以有利地用于机器人末端执行器的这样的位置确定。 [0005] 主要在后面的说明中参阅的观察装置的特殊用途是射击武器模拟器上的目标点确定。但本领域技术人员容易地认识到，观察装置也可以移植给其它应用情况。 [0006] 为练习使用射击武器而使用极其不同的模拟仪器，这些模拟仪器可或多或少接近实际地模拟武器的操作并进行击发。为使这种模拟器的使用者获得关于所模拟的射击事实上是否已碰上所瞄准的目标或者关于射弹在真实击发的情况中击中哪里的反馈，需要测定如下目标点的相应设备和评估方法，该目标点在击发的瞬间由射手瞄准，并且然后射弹在实际的击发情况下击中到该目标点中，前提始终是：安装在模拟武器上的瞄准器在目标点被准确无误地瞄准时尽可能与击中点全等。在瞄准点与碰上部位之间的由弹道学产生的偏差对于后面的观察来说无关紧要，从而对此不作进一步讨论。 [0007] DE 601 15 445 T2公开了一种允许所模拟的弹着点(Geschossaufschlagsort)的视觉反馈的火器激光练习系统和方法。为此，在射击武器模拟器上安装激光发射模块，该激光发射模块在操作扳机时将激光束对准靶子。此外设置有扫描装置，该扫描装置检测靶子和投影到靶子上的激光束的图像并传输到计算机系统。激光束的相遇部位可以显示给使用者并经受进一步的自动处理。 [0008] 由DE 10 2004 042 144 A1公知一种用于借助激光直接对准的武器的射击模拟的方法和设备。在这种情况下，在射击武器模拟器上也设置有将激光束对准所瞄准的目标的激光束源。从安装在目标上的反射器反射激光的一部分并回投到射击武器模拟器上。此外，所反射的激光束的渡越时间可以用于测定在射击武器模拟器与目标之间的距离。 [0009] DE 698 28 412 T2介绍了一种利用激光作用的练习武器，该练习武器与计算机系统共同工作，以便测定目标点。安装在武器上的激光模块在击发时间点上将激光束发射到靶子上，其中，激光束在靶子上的碰上点通过探测器测定并传送到计算机系统处。 [0010] 此前所称的、由现有技术公知的系统具有以下共同之处，即，只要激光束在靶子上的投影点用于评估命中精确度，射击武器上就必须安装发射强烈聚焦的激光束的激光束模块。由此，特别是在射击武器与靶子之间有大的距离的情况下，存在对激光束模块的高要求。当激光束具有过低的平行度时，目标点就不能以高精确度确定，因为激光束的投影面相比真实射弹的相遇横截面更大。如果取而代之地使用带有高平行度的激光束，那么必需的激光束模块在技术上是复杂的，这不仅导致高成本，而且也导致大尺寸，这些与射击武器模拟器的接近实际的模仿相对立。此外，在使用强烈成束的激光束时，必须采取特殊的保护措施，以便当使用者或周围人员被激光束意外碰上时避免损伤他们的眼睛。 发明内容[0011] 由此，本发明的任务在于，说明一种用于确定观察单元的、特别是射击武器模拟器的目标点的设备和方法，所述设备和方法避免上述缺点。尤其力求的是，提高目标点探测的分辨精确度，而不由此使得用于相应靶子或用于观察图像区的成本令人无法接受地变高。同时，通过本发明应实现的是，精确地观察大的图像区或实现大的靶子，例如需要时在使用运动图像的情况下可以在其上显示出接近实际的场景。 [0013] 用于确定观察单元目标点的依据本发明的设备包括目标屏，在该目标屏上限定至少一个目标区。目标屏例如构造为投影屏幕或可以是结构件或诸如此类的组成部分。目标屏进而还有目标区不一定是平面的，而是例如可以布置在单重或多重球面弯曲的面上。弯曲的投影面可以接近实际地显示目标图像或其它物体，从而例如也可以为射手在仅几米远的目标屏上模拟处于远距离的目标。目标区可以在整个目标屏上延伸或仅检测目标屏的一部分。 [0014] 此外，该设备包括扫描线投影器，该扫描线投影器同时或时间错开地将至少两条不平行的扫描线投影到目标屏上，并且在该目标屏或目标区上移动的。在此有效的是，不使用正交于投影器的偏转反射镜转动轴线的扫描线，且顶多使用平行于投影器的偏转反射镜转动轴线的扫描线。 [0015] 此外，设置有控制单元，该控制单元控制和测量扫描线移动，以便确定扫描线何时进入目标区或何时从该扫描区中出来，以及扫描线在确定时间点上在目标区内部处在何处。 [0016] 最后，设置有光学目标点探测器，该光学目标点探测器例如安装在射击武器模拟器、照相机或显示仪器上，并利用相应仪器(例如射击武器模拟器的瞄准器)的视向取向。 [0017] 目标点探测器可根据应用情况持续地观察目标区或例如通过所模拟的击发来激活，从而使得当该目标点探测器识别出扫描线时，该目标点探测器将目标点信号相应地提供给控制单元。当目标点探测器持续地观察扫描线的出现时，那么所生成的时间点信号不断地或仅在预先确定的瞬间，例如在操作扳机时提供。在后面所称的情况下，对此例如当射手操作射击武器模拟器的扳机时，可以将在扳机时间点左右预先规定的范围内将储存在中间存储器内的信号提供给控制单元。 [0018] 依据一种特别优选的实施方式，观察单元设计为射击武器模拟器的组成部分。在变更的实施方式中，观察单元用于检测照相机的或其它显示仪器的目标点。这样的显示仪器能以公知的方式立体观测地构造，其中，用于双眼视野的目标点检测可以分开实施。目标点在本发明的意义上也可以理解为来自目标区的由照相机或显示仪器检测的确定的平面的部分。 [0019] 优选地，目标区通过至少两个位置确定的参考探测器来界定，这些参考探测器在至少两条不平行的扫描线运动投影时被碰上，并由此生成相应的参考信号。参考探测器也用于自动校验，因为这些参考探测器可以检查扫描线的位置。参考探测器在变更的实施方式中也可以布置在目标区外，只要它们在偏转运动期间由扫描线达到。 [0020] 控制单元从参考信号和由目标点探测器提供的目标点信号中估算出扫描线在目标区内例如在击发时间点上的位置。随后，从至少两条扫描线的虚拟交点的确定中确定目标点在所模拟的击发瞬间中或预先规定的观察时间点上的准确位置。事实上，虽然在观察时间点(例如击发时间点)与通过目标点探测器进行的两条扫描线的识别之间存在最小的时间偏移，但该时间偏移由于高重复率和低处理时间而在任何情况下都在毫秒范围内运动，从而使得该时间偏移对于目标点的测定而言可以忽略或在高精确度要求中可在计算上进行考虑。 [0021] 取决于目标区的形状和扫描线在该目标区内运动的检测，为确定目标点可以使用不同的方法。在简单的情况下，测定在出现参考信号与通过目标点探测器识别出相应扫描线的时间点之间的时间。在(例如从投影器内偏转反射镜的角速度中)知道偏转速度的情况下，通过时间差可以估算扫描线的相应位置。 [0022] 在一种变更的实施方式中，可优选通过在投影器内部的探测来测定各扫描线的偏转角。然后可以从宽度角和高度角中确定扫描线在目标平面上或在三维空间内的位置。这提供的优点是，目标点不仅在平面中，而且在空间中也可以精确地确定。这样，扫描线在观察时间点(击发)上的虚拟交点处于在目标点探测器与所瞄准的目标点之间的光轴上。 [0023] 为了在射击武器模拟器上使用依据本发明的观察单元，具有特别重要意义的是，在射击武器模拟器上不需要发射激光束的模块，而是该模块由简单的光学探测器取代。这种目标点探测器在这种应用情况下具有尽可能小的视角，从而该目标点探测器的检测范围限制在带有例如几平方毫米的延伸的非常小的面上。同时，目标屏或在目标屏上限定的目标区几乎任意大小地确定尺寸，而目标点探测的开支不由此明显升高。 [0024] 在其它应用情况下，同样可以达到目标点探测的高分辨率的精确度，而对此无需复杂的、正如迄今为止例如通过栅格图案的投影实施的在空间中的位置确定。 [0025] 因为所投影的扫描线可以施加低能量密度，所以可以排除对处于目标区内的人员(例如在虚拟演播室内使用时)的健康威胁。但扫描线投影器优选在目标屏与射击武器模拟器之间定位。通过扫描线投影器的这种定位，任何情况下均避免射击武器模拟器的使用者被所投影的激光直接碰上。 [0026] 扫描线投影器具有至少一个光源(例如激光器或LED)，光源的射束呈线性地展开，并将其例如通过旋转的偏转反射镜或翻转反射镜作为扫描线移动通过目标区。这种的激光扫描器的结构和工作原理原则上由本领域技术人员所公知，从而可以取消对扫描线投影器的详细说明。但需要提及的是，为提高扫描率也可以将多于两条的扫描线引导通过目标区，其中，可以利用激光的不同波长、偏振或调制，以便避免扫描线的相互影响。 [0027] 在一种优选的实施方式中，设置有四个分别布置在矩形目标区的角上的参考探测器。当在这种情况下使用不平行于目标区的侧边缘和对角线地移动通过该目标区的扫描线时，扫描线在时间上错开地碰上所有四个参考探测器，从而提供了四个时间点来确定目标区内的扫描线的参考位置。扫描线在目标区内在其间所处的位置可以在知道移动速度的情况下简单估算。 [0028] 一种变更的实施方式将扫描线的所检测的发射角用于位置确定。 [0029] 扫描线优选以高重复率引导通过目标区。在扫描线投影器内使用旋转的偏转反射镜的情况下，可以毫无问题地达到100Hz和更高的重复率。这意味着，每秒有多于50对的扫描线可以掠过目标区，并可在该处由目标点探测器检测到。通过反射面积的倍增可以容易地实现更高的重复率。附图说明 [0030] 本发明的其它优点、细节和改进方案在参阅附图的情况下由依据本发明设备的优选实施方式以及例如通过该设备完成的方法基本流程的下列说明得出。其中： [0031] 图1示出用于确定射击武器模拟器目标点的设备的概览图； [0032] 图2示出用于确定射击武器模拟器目标点的方法的基本方法步骤的流程图。 具体实施方式[0033] 在图1中简化地示出了用于确定射击武器模拟器的目标点及其共同作用的依据本发明的设备的基本元件。该设备包括目标屏01，该目标屏例如可以构造为带有数平方米的扩展的投影面。在变更的实施方式中，目标屏可以具有任意变更的、可估算的表面形状，例如球状地弯曲。传统的靶子可以标注或投影到这样的投影面上。同样可行的是，将包括活动图像序列的复杂的图像场景投影在目标屏01上。在目标屏01上限定至少一个目标区02，使用者在目标区域中瞄准目标点03。 [0034] 在所示的实施方式中，总共设置有四个参考探测器04，这些参考探测器在这里各自布置在目标区02的角上。在其它实施方式中，可以或多或少地使用也可以定位在目标区的其它部位上的参考探测器。参考探测器的功能在于，确定在投影面上的相对于投影器的一个或多个参考位置。这例如可以通过对共同的时基和由参考探测器提供的参考信号的评估来进行。在最简单的情况下，参考探测器允许限定一个或多个时隙(Zeitfenster)，这些时隙通过扫描线05进入到目标区02中而打开并在离开目标区时重新关闭。通过使用多于两个的参考探测器和扫描线的适当取向，目标区在此可以分成多个分区。 [0035] 在上面已经提到的变更的实施方式中，取而代之地确定各个当前的发射角。从对扫描线投影器的发射特性曲线和偏转的启动时间点的认知中可以测定该角度。 [0036] 扫描线05由扫描线投影器06生成，投影到目标屏上并在目标区02上移动。在所示的实施方式中，扫描线投影器06配置为激光扫描器，该激光扫描器借助于公知的光学元件使激光束呈线性地展开，以便首先将第一扫描线05a移动通过目标区02，且随后将第二扫描线05b以改变的取向和180°相位偏移同样移动通过目标区02。在变更的实施方式中，扫描线投影器06可以包括多个激光源和/或偏转单元。 [0037] 两条扫描线05a、05b可以同时或时间错开地运动通过目标区02。这些扫描线优选以90°的角彼此不平行地分布。特别有效的是，扫描线不平行于目标区02的侧边缘和对角线地投影，因为按照这种方式两个参考探测器04绝不会同时被一条扫描线碰上。 [0038] 中央控制单元07评估参考探测器04的参考信号，并确定第一或第二扫描线碰上各参考探测器的相应的时间点。同时，将控制单元07与扫描线投影器06联接，以便操纵扫描线的投影。在使用将扫描线引导通过目标区02的偏转速度的情况下，控制单元可以在同时利用由参考探测器04提供的参考信号情况下估算出扫描线在确定时间点上处于目标区的哪个部位上。这在基于时间的估算中以进入到目标区中(时隙打开)的或遇到在时隙打开后被该扫描线碰上的另一参考探测器的所测定的时间点为出发点进行。在变更的实施方式中，确定在所扫描的目标空间内部的扫描线的长度角和宽度角，以便测定扫描线在空间上限定的位置。 [0039] 在图1中所示的例子中，时隙在扫描线05碰上处于其移动行程上的第一参考探测器时打开，并且在扫描线到达在运动方向上的第四参考探测器上时关闭。在此期间，扫描线与另外两个参考探测器相切，由此可以提高位置估算的精确度，这也可以理解为子时隙的打开和关闭。 [0040] 此外，依据本发明的设备包括安装在射击武器模拟器09上的目标点探测器08。目标点探测器08具有至少一个光学传感器，当射击武器模拟器09对准目标屏01并模拟击发时，利用该传感器观察目标区02。不同于图像检测系统的是，目标点探测器08配备有尽可能小的视角，从而使得目标点探测器在与目标区距离更大的情况下也仅检测目标区02的一小部分。为了聚焦，目标点探测器08可以包括相应的光学机构。由目标点探测器08观察的区域例如对应于击中在目标点03上的射弹击中孔的尺寸。但目标点03在更大的观察范围中也可以通过考虑信号强度而更精确地确定。 [0041] 以下部位认为是目标点03，即，在击发的时间点上两条扫描线5a、5b在该部位上需要时在时间错开地投影扫描线时忽略投影的时间间隔的情况下虚拟相交。通过利用扫描线05在两个方向上执行对目标区02的扫描，将由两条扫描线的大量交叉点构成的矩阵虚拟地投影到目标区上。在击发的瞬间，查询目标点探测器08，并在基于时间测定扫描线位置的情况下，由控制单元07确定所经过的直至检测第一扫描线5a和检测第二扫描线5b的时间跨度。在知道由参考探测器04提供的时间信号和扫描线的偏转速度的情况下，可从这些数值中估算出在击发时间点上两条扫描线的各自的位置。所瞄准的目标点03然后对应于在所测定的位置中的两条扫描线的虚拟交点。澄清地指出的是，扫描线和由射手瞄准的目标点完全可以处于不同的平面上。在目标点与目标点探测器之间的光轴与扫描线交叉。那么，这些交叉点的交点投影与目标点全等。 [0042] 在图2中以流程图的形式再次示出依据本发明的方法最重要的步骤，分配给此前所介绍的负责实施这些步骤的设备的相应的单元。为在目标屏上投影至少两条扫描线，首先在步骤20中将激光束例如转向到旋转的反射镜或同类型的元件上，以便产生扫描线。在步骤21中，将扫描线移动通过目标屏并在此遇上参考探测器04，参考探测器然后将参考信号传输到控制单元07处。在步骤22中，可以在评估由参考探测器提供的参考信号的情况下和在使用例如在控制单元07内产生并分配给其它单元的共同时基的情况下进行整个设备的自动校验。 [0043] 射击武器模拟器09在步骤23中接收共同的时基，并在触发射击时借助于目标点探测器08探测投影的扫描线。探测扫描线的时间点例如以时间戳的形式传输到控制单元07处。该控制单元然后在步骤24中以上面已经阐释的方式在使用所测定的时间信息的情况下估算目标点。 [0044] 因为用于确定目标点的设备在所介绍的应用中与射击武器模拟器共同起作用，所以依据目的地在控制单元07与模拟中央单元10之间存在数据联接。模拟中央单元10承担用于射击武器模拟器的其它控制功能。 [0045] 附图标记列表 [0046] 01 目标屏 [0047] 02 目标区 [0048] 03 目标点 [0049] 04 参考探测器 [0050] 05 扫描线 [0051] 05a 第一扫描线 [0052] 05b 第二扫描线 [0053] 06 扫描线投影器 [0054] 07 控制单元 [0055] 08 目标点探测器 [0056] 09 射击武器模拟器 [0057] 10 模拟中央单元 |
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