專利名稱：攝像機引導(dǎo)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如在權(quán)利要求1的開頭部分中描述的攝像機引導(dǎo)系統(tǒng)。
我們已經(jīng)從同一位申請人的專利申請書中知道了用于引導(dǎo)諸攝像機的系統(tǒng)，如專利申請書PCT/IB94/00431中描述的那種系統(tǒng)，在該專利申請書中一個特殊的實施例需要GPS(全球定位系統(tǒng))系統(tǒng)，以便獲得一個目標的位置數(shù)據(jù)，一臺裝架在一個平臺上的攝像機瞄準這個目標，并將這些數(shù)據(jù)表示在一個與這個平臺連在一起的坐標系中。
使用已經(jīng)表明在某些情形中多個GPS接收機，或更一般地諸GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))系統(tǒng)，這些系統(tǒng)包括諸常規(guī)的GPS和諸其它的GPS型系統(tǒng)，可能有與某種麻煩相關(guān)聯(lián)的諸缺點。于是，當例如，由三個一組位于一個實體上的GNSS接收機確定這個實體的姿態(tài)時，處理由這些GNSS接收機發(fā)射的數(shù)據(jù)需求很高的計算能力，與此同時每個實體有三個GNSS接收機的結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)提出了不適當?shù)姆€(wěn)定性要求。上述的專利申請書對諸慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助使用作了總結(jié)，這些慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由例如諸慣性測量裝置(IMU)組成，每個IMU又由三個加速測量儀和三個陀螺儀組成，這些陀螺儀測量諸角速度，它們對諸GNSS接收機的工作起到補充作用，特別是在諸很差的接收條件在一個短時間內(nèi)對諸GNSS信號的接收產(chǎn)生消極影響的情形中是如此。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些以后簡稱為諸IMU的慣性測量裝置的明智的使用能夠有助于在諸實體，即目標或諸目標，平臺或諸平臺，或者中繼站或中繼站正以某個速度在三維空間中移動的諸情形中，簡化用于引導(dǎo)諸攝像機的系統(tǒng)的工作。于是，可用在權(quán)利要求1指出專利特征的部分中描述的方法解決上面提到的問題。
我們能夠確定僅裝備一臺GNSS接收機和一個IMU的，更一般地稱為一個實體的一個目標，一個攝像機，平臺或中繼站的姿態(tài)，如果這個實體正以足夠的速度在三維空間中的任意路徑上移動的話。速度僅僅必須大到足以允許IMU能夠適當?shù)毓ぷ骷纯桑遗c實體的軌道一樣不需要預(yù)先規(guī)定。這樣一個系統(tǒng)在功能上可與一個用于確定姿態(tài)的包含若干個GNSS接收機的系統(tǒng)相比較，但是在這里我們用同一臺接收機測量在三維空間中的若干個不同的位置。雖然由這臺接收機進行的諸位置測量是在諸時間間隔中實施的，但是我們用IMU來精確地測量在由這臺GNSS接收機作出的諸位置測量之間實體位置中的相對變化。這允許計算出與實體連在一起的坐標系相對于與地連在一起的GNSS坐標系的定向。這就是說確定與正在移動的實體連在一起的坐標系相對于與地連在一起的坐標系的諸歐拉角，以另一種方式說明了實體的精確的姿態(tài)。
IMU的諸測量受到誤差即所謂的漂移誤差的損害，但是通過調(diào)整分開兩個GNSS測量的諸間隔的持續(xù)時間到所要的精度，可以容易地校正這些誤差。這些更精確的GNSS測量使得在每個間隔的終端控制這些漂移誤差成為可能。
在本發(fā)明的一個特定的實施例中，諸實體或諸運載工具的軌道不是任意的，而是被限定在已知的和編成目錄的邊界內(nèi)，就像例如一個汽車競賽環(huán)路的軌跡那樣。在這樣一個情形中，可以由信息處理裝置將軌跡的諸邊界和它的三維地形，包括例如高度的諸變化，諸小山，諸橋梁，和更特殊地諸隧道的穿過預(yù)先記錄下來。因此，可以通過對由IMU記錄的諸三維加速度和諸轉(zhuǎn)動進行校正來確定僅裝備一個IMU并在這些已知的和預(yù)先記錄的邊界內(nèi)移動的一個運載工具或?qū)嶓w的位置和姿態(tài)。而且，這種校正過程也有足夠的信息去計算IMU的諸加速測量儀和它的諸陀螺儀的諸漂移誤差。為了得到真正的精確的結(jié)果，僅僅需要運載工具或?qū)嶓w偶爾接近諸軌道邊界，如在上述情形中的軌跡的邊緣。更精確地說，當運載工具或?qū)嶓w擦過軌跡的邊緣時，由表面擦碰的變化引起的諸振動立即由IMU識別出來并由信息處理裝置將它們用于更新軌跡邊界的準確定位。于是，在這樣一種當路線是已知的并被編成目錄時的情形中，一個由每個運載工具或?qū)嶓w僅有一個IMU而沒有GNSS接收機組成的結(jié)構(gòu)可能是足夠了。然而，我們知道在一場汽車競賽的情形中，當諸運載工具的路線包含諸隧道，或更一般地包含適合于諸信號混響或顯示出諸“多路徑”特性的諸部分時，諸GNSS系統(tǒng)的性能會降低。有諸非常高的建筑物或諸橋梁時的情形就是如此。于是由IMU發(fā)射的數(shù)據(jù)對于由信息處理裝置進行實體的連續(xù)的準確定位是極其重要的。
在本發(fā)明的一個特定的實施例中，我們將本發(fā)明應(yīng)用到上面的諸實體或諸運載工具的軌道被限定在諸已知的邊界內(nèi)的情形，如果例如由一個安排在軌道上的光電管發(fā)射的諸信號將諸定向的補充指數(shù)提供給信息處理裝置，則我們能夠較容易地做到并較快地實施系統(tǒng)的初始化。在信息處理裝置的諸存儲器中記錄下光電管的位置，于是，無論何時一個給定的運載工具或?qū)嶓w在這個光電管前面經(jīng)過時，由光電管發(fā)射的諸信號能夠使系統(tǒng)精確地跟蹤在運載工具或?qū)嶓w的位置中發(fā)生的諸變化。
在本發(fā)明的一個特定的實施例中，我們特別地將本發(fā)明應(yīng)用到諸實體必須能夠以低速度在四周移動或者甚至沒有兼顧系統(tǒng)的效用就停止的諸情形，為了將附加的數(shù)據(jù)提供給信息處理裝置，我們將諸輪子或諸駕駛部件的轉(zhuǎn)動的諸傳感器安裝在諸實體上。另一方面，當諸高速移動時，因為諸輪子經(jīng)常發(fā)生側(cè)滑，從而引入難以校正的諸隨機誤差，所以使得這些傳感器失去效用或使它們的數(shù)據(jù)被忽略。
在本發(fā)明的一個特定的實施例中，我們特別地將本發(fā)明應(yīng)用到在一個限定的環(huán)境，例如諸移動或競賽大廳內(nèi)的工作，在該實施例中我們能夠用諸偽衛(wèi)星，近來一般地將它們稱為“偽星(pseudolites)”，代替諸GNSS衛(wèi)星，并將它們安裝在最接近大廳天化板的地方。這些偽星有與諸GNSS衛(wèi)星可比較的諸功能度，并能夠通過信息處理裝置有效地將為截獲關(guān)于諸目標的圖像所需的數(shù)據(jù)提供給諸平臺和諸攝像機。
在本發(fā)明的一個特定的實施例中，諸攝像機在數(shù)量上至少有兩臺，信息處理裝置有分析拍攝的諸圖像的能力。這種能力能使系統(tǒng)在關(guān)于諸實體不需要通過信息處理裝置連續(xù)地提供用于計算它們的位置和姿態(tài)的數(shù)據(jù)的情況下就能工作。特別是并作為一個例子，當諸目標正沿著一條基本上位在一個平面中的路徑移動時，也就是說是在兩維而不是三維的情形中，能將諸攝像機中的一個放置在離開這個平面相當遠的地方。信息處理裝置分析由這臺攝像機拍攝的諸圖像，該攝像機的位置通過信息處理裝置是已知的。于是，即便這些目標不直接發(fā)射關(guān)于它們的位置或它們的移動的信息，但是通過對諸圖像的分析和估算它們在相關(guān)平面中的位置，也能夠識別一個或多個目標。能用一個或多個其它的攝像機，這些攝像機更接近諸目標，它們的位置通過信息處理裝置也是已知的，以類似的方式改善這個估算。利用這些圖像分析能力，甚至對諸不合作的目標，就是說不直接顯示它們的位置的諸目標，也能使系統(tǒng)進行工作。
我們現(xiàn)在將更詳細地對在一個室內(nèi)運動事件或演出中GNSS的偽星的特殊工作進行說明。將諸電磁信號的諸源安裝在偽星上，而偽星本身則例如以諸天化板照明燈的方式固定在最接近大廳天化板的地方。當用GNSS的偽星測量姿態(tài)和位置時，我們測量諸電磁信號的這些不同的源與諸接收機或諸接收點，或這些信號的諸發(fā)射機分開的距離，并將該距離用作在諸信息處理裝置的諸計算中的一個基礎(chǔ)，其目的在于確定這些接收機或接收點的位置。
諸相關(guān)信號的速度接近光速，用這個信號從源或從一個發(fā)射機傳播到一個接收機或接收點的距離所需的時間計算該信號傳播的距離。實踐中，我們查明在諸測量中的某個多余信息。這使通過諸平均值的諸計算改善諸測量的精度并隨意地通過本來已知的諸似是而非性的試驗消除諸錯誤的測量成為可能。在某些情形中，特別是對于涉及在諸源，諸發(fā)射機和諸接收機之間的諸短距離的諸室內(nèi)應(yīng)用，能用不同于諸電磁波的諸技術(shù)測量諸距離。超聲能成為一個第一種選擇。另一種可能性是用如在1996年10月17日歸檔的同一申請人的瑞士專利申請書No.1996 2538/96中描述的，諸非繞線型傳感器。這樣一個非繞線型傳感器由一個磁鼓和繞在這個磁鼓周圍的一條細線組成，用一個恢復(fù)彈簧裝配該磁鼓的心軸并將它連接到一個角傳感器。當我們想要測量其位移的該實體拉動該導(dǎo)線時，磁鼓轉(zhuǎn)動某個角度，該角度由傳感器測量出來并提供位移的一個測量。當引起實體移動離開的力減弱時，恢復(fù)彈簧保持導(dǎo)線處于拉緊的狀態(tài)。這些非繞線型傳感器顯示出諸值得注意的精確的特性，對于本發(fā)明的諸需要來說這些特性是完全令人滿意的。在來自Space AgeControl公司，38850 20th Street East，Palmdale，California (加利福尼亞州Palmdale市東第20街38850號)的小冊子PT-001-B中給出了它的一個例子。
現(xiàn)在我們將參照附在這里的諸圖對系統(tǒng)的工作方式進行描述，其中-

圖1表示一個由一臺在它的平臺上的攝像機拍攝的目標，和-圖2表示一個有至少兩臺攝像機和諸不合作目標的實施例。
表示在圖1中的系統(tǒng)包括一個裝備有一臺GNSS接收機的目標8，一個由一臺攝像機和一個平臺7組成的裝置拍攝該目標8。包括平臺7的這個裝置在一條三維軌道1上移動。平臺7裝備有一臺GNSS接收機和一個IMU(它們中無論哪一個都沒有在圖中表示出來)。當它移動時，相對于GNSS坐標系2測量在軌道上的至少三個位置3，4和5。
與這些GNSS位置測量的同時，IMU也記錄下平臺經(jīng)受的諸加速度，也相對于慣性坐標系6測量了諸點3，4和5的位置。信息處理裝置用這些位置測量值(它們在數(shù)量上必須至少是6個)計算平臺7的精確的位置和精確的姿態(tài)，也就是說它的相對于固定坐標系2的諸歐拉角。目標8的位置由它的GNSS接收機確定。
于是，從目標8的位置以及從平臺7的位置和姿態(tài)，信息處理裝置推導(dǎo)出攝像機相對于平臺的諸指向角以及用于這臺攝像機的變焦距數(shù)據(jù)，以便用所希望的聚焦在所有的時間中將目標8保持在攝像機的視場內(nèi)。
圖2表示一場由至少兩臺攝像機拍攝的汽車競賽的特殊情形。將這些攝像機裝載在一架在競賽環(huán)路上空飛行的飛機9上，該環(huán)路在本情形中不包含諸隧道。信息處理裝置(未在圖中表示出來)包含用于對由這個攝像機拍攝的諸圖像進行分析的諸能力并對諸目標10和11，這些是競賽中的兩位競爭者的位置作出一個估算。它們將用于導(dǎo)向最適當?shù)哪繕?，例?0的諸要素提供給第二臺攝像機12，但是也可能根據(jù)例如來自專利申請書PCT/IB94/00431的已知的諸判據(jù)選擇這個目標。第二臺攝像機12也提供適合于用上述的諸分析能力進行處理的諸圖像，這使改善選出的目標10的位置的精確定位和允許這臺攝像機有令人滿意的組幀成為可能。
商業(yè)上能夠利用這種圖像拍攝，特別是當將攝像機放置在認為太危險而不能使一位攝影師去冒生命危險的位置上，例如非常接近軌跡的地方時更需要利用這種圖像拍攝。兩臺攝像機，依靠對與這些攝像機有關(guān)的諸圖像進行分析的諸能力，在跟蹤被認為是不合作的選出目標10時相互幫助是值得贊賞的。
權(quán)利要求
1.包括多個實體的攝像機引導(dǎo)系統(tǒng)，這些實體可以是一個或多個目標，由一個或多個平臺支持的一臺或多臺攝像機以及一個或多個中繼站，這個系統(tǒng)使利用由諸所述的平臺中的一個支持的諸所述的攝像機中的至少一臺，從諸所述的目標中的至少一個獲取諸視頻信號成為可能，這些視頻信號是由諸中繼站發(fā)射給一個接收站的，這些實體以某個速度在一個三維空間中移動，這些實體中的至少一個裝備有一臺GNSS接收機和一個IMU，依靠用于對來源于諸實體的信息進行處理的裝置，GNSS接收機和IMU允許攝像機或諸攝像機自動地指向目標或諸目標，這個系統(tǒng)的特征在于由一臺GNSS和一個IMU組成的裝置實施若干個位置測量，這些測量是在諸時間間隔上進行的，并使得一方面計算實體的位置和另一方面計算確定實體的定向和姿態(tài)的諸歐拉角成為可能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中將分開由GNSS接收機進行的兩次測量的時間間隔用作如信息處理系統(tǒng)注意到的諸IMU漂移誤差的函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的系統(tǒng)，其中諸實體中的某一個的軌道位于存儲在信息處理裝置中的諸已知的邊界中，這允許計算位置和姿態(tài)而不需用一臺GNSS接收機。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，它的特征在于諸目標是在一場汽車競賽中的諸競爭者和在于通過將定向的諸補充指數(shù)提供給信息處理裝置，較快地實施系統(tǒng)的初始化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，它的特征在于在汽車競賽中諸輪子或用于控制諸競爭者車輛的諸部件的轉(zhuǎn)動的諸傳感器將附加的數(shù)據(jù)提供給信息處理裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的系統(tǒng)，其中實體裝備有用于測量氣壓或高度壓力的裝置，它能使信息處理裝置較好地計算實體的位置和姿態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3或6的系統(tǒng)，其中實體裝備有一個能夠測量地磁場相對于實體的定向的磁強計，它能使信息處理裝置較好地計算實體的位置和姿態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1和3的系統(tǒng)，其中信息處理裝置有諸圖像分析能力，并且其中諸目標在如由一個或多個放在遠處的攝像機所看到的一個基本上是平面的空間中移動，于是這允許確定諸不合作目標的位置和姿態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中諸目標是在一場汽車競賽中的諸競爭者，和其中將至少一臺放在遠處的攝像機裝載在一架在競賽場地上空飛行的飛機上，并且該攝像機與至少一臺其它的攝像機相互作用，以便準確定位和跟蹤諸不合作的目標。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中一個實體的位置和高度用在位于實體上的至少三個點和有諸已知位置的至少其它的三個點之間的至少6個的距離測量值計算出來，這些距離是用諸非繞線型傳感器，和/或諸超聲信號和/或諸電磁信號測量出來的。
全文摘要
一個用于引導(dǎo)諸攝像機的系統(tǒng)要求一臺GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))接收機,一個慣性測量裝置,以及諸其它的幫助確定諸實體特別是要拍攝的諸目標的位置和姿態(tài)的傳感器。
文檔編號G01S19/38GK1276062SQ97182420
公開日2000年12月6日 申請日期1997年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月24日
發(fā)明者卡爾·歐森 申請人:韋爾斯和弗恩投資有限公司