JP2000337887A - 移動体の自己位置標定装置 - Google Patents
移動体の自己位置標定装置Info
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- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
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Abstract
を同時にかつ垂直方向分解能も高く撮影して、移動体の
自己位置、向きおよび傾きを検出することができる移動
体の自己位置標定装置を提供する。 【解決手段】 移動体1の周辺にある複数個のランドマ
ークを撮影するために移動体上に設置され、所定の垂直
視野の範囲で全方位の情景を同時に撮像する全方位カメ
ラ20と、この全方位カメラで撮像された画像からラン
ドマークを抽出し、それらランドマークの方位および仰
角を出力する画像処理装置30と、この画像処理装置か
ら出力された複数個のランドマークの方位および仰角か
ら移動体の自己位置、向きおよび傾きを計算する自己位
置計算装置40とを備えた。
Description
メラにより観測することにより移動体の自己位置を検出
する自己位置標定装置に関するものである。
5−240940号公報に示された移動体の位置および
傾斜角度を計測する光計測システムを説明するための図
であり、図において、101は移動体、102はレーザ
計測装置、103は再帰反射器、104は面ビームであ
る。再帰反射器103は入射光を元来た方向へ反射する
光学的性能を有している。移動体101に搭載されたレ
ーザ計測装置102は、互いに異なる傾斜角を有する2
つの面ビーム104を回転操走査する。レーザ計測装置
102は、再帰反射器103からの反射光を検知するこ
とにより、面ビーム104が再帰反射面103に当たっ
たときの回転走査角を検出する。この検出された回転走
査角と面ビーム104の傾斜角度と再帰反射器103の
座標位置とに基づいて、移動体101の位置および傾斜
角度が求められる。
開平8−178654号公報に示された移動体の自己位
置標定ができる評定装置を説明するための図であり、図
において、105は移動体、106は同時全方位視覚方
位角センサ(COPIS)、107は円錐ミラー、10
8は反射光、109はレンズ、110は撮像器である。
COPIS106は、円錐ミラー107が全方位からの
光を撮像器110方向に反射し、その反射光108を撮
像器110がレンズ109を通して撮像する構造になっ
ているので、全方位の被写体を実時間で連続的に観察で
きる。このCOPIS106により3つ以上の特定目標
の方位を測定する。この測定された複数個の特定目標の
方位と絶対位置とに基づいて、移動体の自己位置が求め
られる。
は、レーザ計測装置102が複数個の再帰反射器103
を回転走査するには時間を要し、移動体101が高速で
移動している場合、回転走査中にも移動体の位置が変化
することになり、移動体101の正確な位置を求めるこ
とはできないという問題があった。
106を用いることにより、複数個の特定目標の方位を
同時に測定することが可能である。しかし、COPIS
106では円錐ミラー107が用いられているため、反
射面の動径方向の断面形状(直線)と周方向の断面形状
(凸曲線)が異なることから、非点収差が生じてしま
う。よって、撮像器110により得られる画像はボケて
しまい、特に垂直方向の解像力が低くなるという問題点
が生じる。また、垂直方向分解能の低さのため、移動体
101の傾きがわからないという問題も生じる。
なされたもので、移動体から観測できるすべてのランド
マークを同時にかつ垂直方向分解能も高く撮影して、移
動体の自己位置、向きおよび傾きを検出することができ
る移動体の自己位置標定装置を提供することを目的とす
る。
置標定装置は、移動体の周辺にある複数個のランドマー
クを撮影するために移動体上に設置され、所定の垂直視
野の範囲で全方位の情景を同時に撮像する全方位カメラ
と、この全方位カメラで撮像された画像からランドマー
クを抽出し、それらランドマークの方位および仰角を出
力する画像処理装置と、この画像処理装置から出力され
た複数個のランドマークの方位および仰角から移動体の
自己位置、向きおよび傾きを計算する自己位置計算装置
とを備えたものである。
記第1の発明において、移動体から見た少なくとも3個
のランドマークの方位および仰角から、上記移動体の上
記ランドマークに対する相対的な自己位置、向きおよび
傾きを計算するものである。
記第1の発明において、矩形領域内にいる移動体から見
た4隅に設置されたランドマークの方位および仰角か
ら、上記移動体の上記ランドマークに対する相対的な自
己位置、向きおよび傾きを計算するものである。
記第1ないし3のうちのいずれかの発明において、画像
処理装置により抽出されたランドマークの形状、絵柄お
よび色のうちの少なくとも1つの特徴を識別する識別装
置と、移動体が移動する環境内の各ランドマークの特徴
を表記した地図から上記識別装置により検出された特徴
を持つランドマークを探し出す同定装置とを備えたもの
である。
記第1ないし4のうちのいずれかの発明において、全方
位照明装置を備えたものである。
記第1ないし4のうちのいずれかの発明において、全方
位赤外線照射装置を備え、全方位カメラは赤外線カメラ
であるものである。
施の形態1による移動体に搭載された自己位置標定装置
の構成を示すブロック図である。図において、1は移動
体である例えば自律走行車、20は全方位カメラ、30
は画像処理装置、40は自己位置計算装置、2は全方位
カメラ20の垂直方向の撮像範囲である。全方位カメラ
20は、後述するような構成を有し、自律走行車1の周
辺にある複数個のランドマークを撮影するために自律走
行車1上に設置され、所定の垂直視野の範囲で全方位の
情景を同時に撮像することができる。画像処理装置30
は、全方位カメラで撮像された画像からランドマークを
抽出し、それらランドマークの方位および仰角を出力す
る。自己位置計算装置40は、画像処理装置30から出
力された複数個のランドマークの方位および仰角から自
律走行車1の自己位置、向きおよび傾きを計算する。な
お、画像処理装置30および自己位置計算装置40は共
に、例えばマイクロコンピュータで構成されている。
図であり、詳細は例えば本発明と同一出願人による特願
平6−512983号の明細書に記載されている。図に
おいて、3は主鏡であり、図のように反射面の動径方向
の断面形状が凸曲面で構成された円錐状の回転体からな
る。4は副鏡であり、主鏡3と同様に反射面の動径方向
の断面形状が凸曲面で構成された円錐状の回転体からな
る。5はレンズ、6はCCDカメラ、7は一部が透明に
なっているカバー7である。全方位にわたる撮像範囲2
からの光線は、カバー7から入射し、主鏡3、副鏡4と
反射され、CCDカメラ6のレンズ5に入射する。よっ
て、CCDカメラ6において常時360゜全方位の情景
が観察可能となる。さらに、本実施の形態に係る全方位
カメラでは、主鏡4および副境3の反射面の動径方向の
断面形状は凸曲面であり、周方向の断面形状も凸曲面で
あるので、非点収差の発生が抑えられ、垂直方向分解能
も高く撮影できる。
行車1の傾きの求め方を説明する。図3は全方位カメラ
20で得られた画像であり、自律走行車1の周辺にある
複数個のランドマーク8が映し出されている。例えば、
全方位カメラ2が、垂直視野が水平+20〜−20゜
で、等距離射影方式になるように設計されている場合、
図3に示すように、ドーナツ型画面の内周に仰角+20
゜方向が、外周に仰角−20゜方向が、内外周の中心を
通る円の上に水平方向が映し出され、仰角20゜、10
゜、0゜、−10゜、−20゜の各グリッドは等間隔で
並ぶこととなる。図3(a)は、すべてのランドマーク
8が全方位カメラ2と同じ高さに設置されていて、か
つ、自律走行車1が傾いていない場合の画像であり、ラ
ンドマーク8はすべて水平(仰角0゜)方向に映し出さ
れる。図3(b)は、すべてのランドマーク8a、8b
が全方位カメラ2と同じ高さに設置されていて、かつ、
自律走行車1が傾いている場合の画像であり、この画像
より、自律走行車1はランドマーク8aの方向(向きか
ら時計回りに90゜の方向)に−10゜、ランドマーク
8bの方向(210゜の方向)に+10゜傾いているこ
とがわかる。
め方を説明する。図4に示すように、自律走行車の自己
位置を(x、y)、向きをφ、ランドマークの位置を
(xi、yi)、i=1、…3と表す。向きから計ったラ
ンドマークの方位(この図では時計回りに計っている)
をβiと表すと、
φを消去すると、
が2つのランドマークの座標(x1、y1)、(x2、
y2)と観測方位β1、β2の情報だけで決められるとい
うことは、自己位置(x、y)が図5に示すような円の
上にあると言うことを意味する。
(1)からそれぞれ、円の方程式 x2−a2,3x+y2−b2,3+c2,3=0 …(10) x2−a3,1x+y2−b3,1+c3,1=0 …(11) を得る。ここで、
には、円は式(9)以外にもう1個で十分であるが、後
の計算を楽にするために3個使う。これらの3つの円の
関係は図6に示すようになる。
とL3の交点である。このうち、直線はL3は円C1 、 2と
円C2 、 3の2つの交点を通る。直線L3も同様である。2
つの直線L2とL3の方程式は式(9)、(10)、(1
1)から2次の項を消去することによって得られて
対する相対的な自己位置は
て解けば自律走行車1の向きが得られる。
したものに限らず、例えば図13で示した従来のCOP
ISにおいて、円錐ミラー107が本実施の形態と同様
に、反射面の動径方向の断面形状が凸曲面で構成された
円錐状の回転体からなる場合にも本実施の形態と同様の
効果が得られる。要は、所定の垂直視野の範囲で全方位
の情景を同時にかつ垂直方向分解能も高く撮像すること
ができるものであればよい。
置および向きの別の求め方について説明する。図7は本
発明の実施の形態2による自己位置標定装置の動作を説
明する図である。自律走行車1はいつも、4つのコーナ
ーにランドマーク8が設置された矩形ブロック(領域)
の中にいる場合を考える。この矩形ブロックの4つのコ
ーナーに設置されたランドマークの方位を測定し、これ
らランドマークの方位データから、以下に示すように自
己の相対位置と向きとを計算する。
の間隔をLとし、4つのコーナーP 1、P2,P3,P4の
座標を P1=(0,0) 後方、左側のコーナー P2=(W,0) 後方、右側のコーナー P3=(0,L) 前方、左側のコーナー P4=(W,L) 前方、右側のコーナー とおく(図7参照)。ここで、座標系の原点は後方左側
のコーナーP1にとり、通路に直交する向きをX軸に、
平行な向きをY軸にとってある。この座標系での自己位
置を(X、Y)とすると、各コーナーの方位はY軸から
時計周りに測って
とおく。これもY軸から時計回りに計るものとする。
P1、P2,P3,P4に設置されたランドマーク8の方位
であるが、自己の向きを基準にした方位となるから、得
られる方位データは β1=θ1−φ …(25) β2=θ2−φ …(26) β3=θ3−φ …(27) β4=θ4−φ …(28) の4つである。
が、4つのデータから完全に決定することはできないか
ら、L、X、YはWで規格化して、
として扱う。すなわち、矩形の中で自律走行車1の向き
と相対的な位置を求めることにする。
である。この方程式系は陽に解くことができて、自律走
行車の相対的な自己位置(x、y)および向きφは以下
のように表される。
は、実施の形態1で示した方法と同じであるので、その
重複する説明を省略する。
べてのランドマークが全方位カメラと同じ高さに設置さ
れていると仮定した。本実施の形態では、ランドマーク
の高さがそれぞれ異なる場合における自律走行車の傾き
の求め方について説明する。自律走行車1の自己位置か
ら求められた各ランドマークまでの距離と、各ランドマ
ークと全方位カメラの高さの差から、自律走行車1が傾
いていない場合における全方位カメラから見た各ランド
マークの仰角を求め、これらの仰角と観測された仰角の
差を求めることで自律走行車1の傾きが求まる。なお、
自律走行車の位置および向きの求め方は,実施の形態1
または2で示した方法と同じであるので、その重複する
説明を省略する。
実施の形態4による自己位置標定装置の動作について説
明する。図8は、自律走行車が走行する環境とランドマ
ークの位置および特徴とを表記した地図であり、この図
において、9は自律走行車の走行経路、8cはランドマ
ークの位置と特徴(絵柄)、10は壁などの移動しない
障害物である。本実施の形態による自己位置標定装置
は、図1で示した全方位カメラ20、画像処理装置30
および自己位置計算装置40に加えて、画像処理装置3
0により抽出されたランドマークの形状、絵柄および色
のうちの少なくとも1つの特徴を識別する識別装置と、
移動体が移動する環境内の各ランドマークの特徴を表記
した地図(図8参照)から識別装置により検出された特
徴を持つランドマークを探し出す同定装置とを備えてい
る。なお、これら識別装置および同定装置は例えばマイ
クロコンピュータにより構成される。また、本実施の形
態ではランドマークとしては、例えば種々の絵柄が描か
れた回転体または板体がポール上に載置されてなるもの
が用いられる。
画像処理装置30により自律走行車1の近傍でこれを取
り囲む4つのランドマークを抽出し、それらの特徴を識
別装置により識別し、例えば、「+」、「|」、
「=」、「/」の絵柄が確認された場合、同定装置によ
り地図(図8参照)から上記絵柄を持つランドマークを
探し出すことで、地図上のd領域に自律走行車1がいる
ことが確認できる。d領域内における自律走行車1の自
己位置、向きおよび傾きの求め方は、実施の形態1、2
または3で示した方法と同じであるので、その重複する
説明を省略する。なお、各ランドマークの絶対位置を用
いて自立走行車1の絶対的な自己位置を検出することも
可能である。
態2と同様に、自立走行車1の移動経路を4つのコーナ
ーにランドマーク8が設置された複数の矩形領域a〜d
に分け、自律走行車1はいつも、いずれかの矩形領域の
中にいる場合について述べたが、これに限るものではな
く、実施の形態1で示したように自立走行車周辺の少な
くとも3個のランドマークを撮像し、抽出する場合にも
同様に本実施の形態を適用でき、同様の効果が得られ
る。
5による自己位置標定装置の要部の構成を示す断面図で
あり、図において、11は発光装置(可視光)、12は
回転対称な形状(円錐形状)の反射面を有する反射鏡で
あり、これらにより全方位照明装置を構成している。1
3は照明範囲である。複数個の発光装置11は全方位カ
メラの下部にカメラを取り囲むように設置され、円錐形
状の反射鏡12は全方位カメラ上部にカメラを取り囲む
ように設置されているので、発光装置11から発せられ
た光は反射鏡12で反射され、全方位にわたる照射範囲
13を照射する。よって、照度の低い環境下においても
ランドマークの観察・撮影が容易になる。さらに、ラン
ドマークに反射部材を用いた場合、全方位照明装置によ
り照射されることでランドマークの輝度が増し、ランド
マークの観察がさらに容易になることはいうまでもな
い。また、CCDカメラ6に赤外線カメラを、発光装置
11に赤外線発生装置を、ランドマークに赤外線反射部
材を用いた場合にも、上記の可視光の発光装置11の場
合と同様の効果が得られることはいうまでもない。
形態6による自己位置標定装置の要部の構成を示す断面
図である。本実施の形態では全方位カメラの下部にカメ
ラを取り囲むように設置された複数個の発光装置11か
ら発せられた光は、反射鏡を介することなく全方位にわ
たる照射範囲13を直接照射する。この場合にも上述の
実施の形態5と同様の効果が得られる。さらに、ランド
マークに反射部材を用いた場合、全方位照明装置により
照射されることでランドマークの輝度が増し、ランドマ
ークの観察がさらに容易になることはいうまでもない。
また、CCDカメラ6に赤外線カメラを、発光装置11
に赤外線発生装置を、ランドマークに赤外線反射部材を
用いた場合にも、上記の可視光の発光装置11の場合と
同様の効果が得られることはいうまでもない。
律走行車1の自己位置をランドマークの方位のみを用い
て求める方法を示した。自律走行車1の傾きが小さい場
合には、この方法でも自己位置を比較的正確に求めるこ
とができるが、自律走行車1の傾きが大きい場合には、
ランドマークの仰角を考慮することなく自己位置を正確
に求めることができない。そこで、本実施の形態では、
ランドマークの仰角を考慮して自律走行車の自己位置を
求める。
を考慮した自律走行車1の自己位置の求め方について説
明する。自己位置を(x、y、z)、ランドマークの位
置を(xi、yi、zi)、i=1、…nと表す。自律走
行車1の姿勢を、図11に示すように、オイラー角
(φ、θ、ψ)で表す。自律走行車1に固定された座標
系で見たランドマークの位置は次式で表される。
いて次のように表される。
ドマークの自律走行車1に固定された座標系での仰角α
iと方位角βiとする。これらは
はi=1、2、3について、式(45),(46)を連
立させて解くことで、自己位置(x、y、z)および姿
勢(φ、θ、ψ)が求められる。
差が独立で、平均が0、分散がそれぞれ(σEの二
乗)、(σAの二乗)で与えられるとすると、最適な位
置と傾きの推定値は評価関数
θ、ψ)である。これはニュートン法のような非線形の
最適化法を用いて解を求めることができる。
走行車である場合について説明したが、これに限るもの
ではなく、例えば自動車等であってもよい。また、ラン
ドマークは山やビルディング等であってもよい。
動体の周辺にある複数個のランドマークを撮影するため
に移動体上に設置され、所定の垂直視野の範囲で全方位
の情景を同時に撮像する全方位カメラと、この全方位カ
メラで撮像された画像からランドマークを抽出し、それ
らランドマークの方位および仰角を出力する画像処理装
置と、この画像処理装置から出力された複数個のランド
マークの方位および仰角から移動体の自己位置、向きお
よび傾きを計算する自己位置計算装置とを備えたので、
移動体から観測できるすべてのランドマークを同時にか
つ垂直方向分解能も高く撮影して、移動体の自己位置、
向きおよび傾きを検出することができる。さらに、移動
体の傾きを検出できるのでこの傾きを考慮した正確な自
己位置を求めることも可能である。
いて、移動体から見た少なくとも3個のランドマークの
方位および仰角から、上記移動体の上記ランドマークに
対する相対的な自己位置、向きおよび傾きを計算するの
で、移動体から観測できるすべてのランドマークを同時
にかつ垂直方向分解能も高く撮影して、移動体の自己位
置、向きおよび傾きを検出することができる。
いて、矩形領域内にいる移動体から見た4隅に設置され
たランドマークの方位および仰角から、上記移動体の上
記ランドマークに対する相対的な自己位置、向きおよび
傾きを計算するので、移動体から観測できるすべてのラ
ンドマークを同時にかつ垂直方向分解能も高く撮影し
て、移動体の自己位置、向きおよび傾きを検出すること
ができる。
うちのいずれかの発明において、画像処理装置により抽
出されたランドマークの形状、絵柄および色のうちの少
なくとも1つの特徴を識別する識別装置と、移動体が移
動する環境内の各ランドマークの特徴を表記した地図か
ら上記識別装置により検出された特徴を持つランドマー
クを探し出す同定装置とを備えたので、全方位カメラで
撮像され画像処理装置で抽出されたランドマークが地図
上のどのランドマークなのかを確認することができ、移
動体の地図上でのおおよその位置を知ることができ、さ
らに、移動体の絶対位置を求めることも可能である。
うちのいずれかの発明において、全方位照明装置を備え
たので、照度の低い環境下においてもランドマークの撮
影が容易になる。
うちのいずれかの発明において、全方位赤外線照射装置
を備え、全方位カメラは赤外線カメラであるので、照度
の低い環境下においてもランドマークの撮影が容易にな
る。
置標定装置の構成を表すブロック図である。
置標定装置の要部の構成を示す断面図である。
得られた画像である。
置および向きの求め方を説明する図である。
置および向きの求め方を説明する図である。
置および向きの求め方を説明する図である。
置標定装置の動作を説明する図である。
行する環境とランドマークの位置と特徴を表記した地図
である。
置の要部の構成を示す断面図である。
装置の要部の構成を示す断面図である。
位置および向きの求め方を説明する図である。
成を示す斜視図である。
置の構成図である。
主鏡、 4 副鏡、5 レンズ、 6 CCDカメ
ラ、 7 カバー、 8、8a、8b、8cランドマー
ク、 9 走行経路、 10 動かない障害物、 11
発光装置、12 反射鏡、 13 照射範囲、 10
1 移動体、 102 レーザ計測装置、 103 再
帰反射器、 104 面ビーム、 105 移動体、
106 同時全方位視覚方位角センサ(COPIS)、
107 円錐ミラー、 108 反射光、 109
レンズ、 110 撮像器、 20 全方位カメラ、3
0 画像処理装置、 40 自己位置計算装置。
Claims (6)
- 【請求項1】 移動体の周辺にある複数個のランドマー
クを撮影するために移動体上に設置され、所定の垂直視
野の範囲で全方位の情景を同時に撮像する全方位カメラ
と、この全方位カメラで撮像された画像からランドマー
クを抽出し、それらランドマークの方位および仰角を出
力する画像処理装置と、この画像処理装置から出力され
た複数個のランドマークの方位および仰角から移動体の
自己位置、向きおよび傾きを計算する自己位置計算装置
とを備えたことを特徴とする移動体の自己位置標定装
置。 - 【請求項2】 移動体から見た少なくとも3個のランド
マークの方位および仰角から、上記移動体の上記ランド
マークに対する相対的な自己位置、向きおよび傾きを計
算することを特徴とする請求項1記載の移動体の自己位
置標定装置。 - 【請求項3】 矩形領域内にいる移動体から見た4隅に
設置されたランドマークの方位および仰角から、上記移
動体の上記ランドマークに対する相対的な自己位置、向
きおよび傾きを計算することを特徴とする請求項1記載
の移動体の自己位置標定装置。 - 【請求項4】 画像処理装置により抽出されたランドマ
ークの形状、絵柄および色のうちの少なくとも1つの特
徴を識別する識別装置と、移動体が移動する環境内の各
ランドマークの特徴を表記した地図から上記識別装置に
より検出された特徴を持つランドマークを探し出す同定
装置とを備えたことを特徴とする請求項1ないし3のい
ずれかに記載の移動体の自己位置標定装置。 - 【請求項5】 全方位照明装置を備えたことを特徴とす
る請求項1ないし4のいずれかに記載の移動体の自己位
置標定装置。 - 【請求項6】 全方位赤外線照射装置を備え、全方位カ
メラは赤外線カメラであることを特徴とする請求項1な
いし4のいずれかに記載の移動体の自己位置標定装置。
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Cited By (26)
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