JP2001208511A - 位置表示・データ送信装置、位置計測・データ受信装置及び位置計測・データ通信システム - Google Patents
位置表示・データ送信装置、位置計測・データ受信装置及び位置計測・データ通信システムInfo
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Abstract
情と無関係に同時に実現させることができる。 【解決手段】 光を用いて位置計測とデータ通信とを同
時に行う。このために位置表示・データ送信装置1に位
置表示用及びデータ送信用の発光部材11a,12aを
設け、位置計測・データ受信装置2にて撮像手段32に
より発光部材の発光状態を撮影する。そして撮影した発
光部材の画像から三角法を用いて位置計測を行い、発光
部材の点滅でデータ通信を行う。このように光を用いて
位置計測及びデータ通信の双方を行えば、電波の利用が
制限される病院や、強力な電磁波にさらされる宇宙空間
でも使用できる。
Description
検出と当該対象物体とのデータ送受信の部分に特徴のあ
る位置表示・データ送信装置、位置計測・データ受信装
置及び位置計測・データ通信システムに関する。
を行うシステム,すなわち位置計測・データ通信システ
ムが様々な場面で用いられている。このようなシステム
の例として、通話場所探索と通話を行うPHS、車両の
位置測定と交通情報の受信を行うVICS対応のカーナ
ビゲーション、相手ロボットの位置計測とデータ通信を
行う移動ロボットコミュニケーション等がある。
従来例を示す。これら従来のシステムでは、位置計測や
データ通信に「電波」が用いられている点が特徴であ
る。そのため、電波の利用が制限される病院等では使用
が禁止される。また、強力な電磁波にさらされる宇宙空
間では使用が制限される。
を用いない方法が開発されている。すなわちまず、複数
の光源を位置測定対象の物体に取り付けてイメージセン
サで撮影する。その撮影画像の光点座標に基づいて、三
角法により対象物体の位置や動きを測定するというもの
である。
画像計測の分野で広く用いられている。しかしながら、
この技術は、上記PHSやVICS対応カーナビとは本
来的に異なる技術であり、対象物体の位置計測とデータ
通信を行うシステムにそのまま適用することはできな
い。また、従来の画像計測技術では、位置測定の精度が
十分でなく、対象物体が並行移動や回転移動を同時に行
うような場合にまで、高精度に位置計測できるとはいい
難い。
及びデータ通信を電波制限の有無に関係なく同時に行う
とともに、その位置測定の精度を十分に高くすることが
要望されている。
れたもので、位置測定とデータ通信とを電波事情と無関
係に同時に実現させることができる位置表示・データ送
信装置、位置計測・データ受信装置、位置計測・データ
通信システム、病院内モニタリングシステム及び移動体
ドッキングシステムを提供することを目的とする。
るためになされた発明について説明するが、これに先立
って、発明の骨子を述べる。
ータ通信とを同時に行うところにある。このために位置
表示・データ送信装置に位置表示用及びデータ送信用の
発光部材を設け、位置計測・データ受信装置にて撮像手
段により発光部材の発光状態を撮影する。そして撮影し
た発光部材の画像から三角法を用いて位置計測を行い、
発光部材の点滅でデータ通信を行う。このように光を用
いて位置計測及びデータ通信の双方を行えば、電波の利
用が制限される病院や、強力な電磁波にさらされる宇宙
空間でも使用できる。図16に光を用いて位置計測とデ
ータ通信とを同時に行う技術の概要を示す。
置を計測させるために発光する複数の位置表示用発光部
材と、点滅することによりデータを送信する1以上のデ
ータ送信用発光部材とを備えた位置表示・データ送信装
置である。
置測定をさせるための信号とデータ送信用の信号とを、
電波事情と無関係に受信側で同時受信できるように、送
信することができる。
記第1の発明において、送信すべきデータをデータ送信
用発光部材に点滅表示させるように、データ送信用発光
部材に対して送信データを送出するデータ送出手段を備
えた位置表示・データ送信装置である。
1の発明と同様な効果を奏する。
記第2の発明において、測定対象物に関するデータを取
得するセンサ手段を備え、データ送出手段は、センサ手
段により取得されたデータをデータ送信用発光部材に送
出する位置表示・データ送信装置である。
ンサ手段により取得されたデータを送信することができ
る。
記第1〜3の発明において、位置表示用発光部材及びデ
ータ送信用発光部材は、固体発光素子又はレーザからな
る記載の位置表示・データ送信装置である。
記第1〜4の発明において、位置表示用発光部材とデー
タ送信用発光部材とは、異なる波長の光を発する発光体
である位置表示・データ送信装置である。
置検出及びデータ受信側において、位置表示用発光部材
とデータ送信用発光部材との識別を簡単かつ確実に行う
ことができる。したがって、位置検出及びデータ受信側
における処理を高速化することができる。
記第1〜5の発明において、複数の位置表示用発光部材
は、さらにそれぞれ複数の位置表示用発光部材からなる
2以上のグループを形成し、各グループ毎に異なる波長
の光を発する発光体である位置表示・データ送信装置で
ある。
えば遠距離用と近距離用の位置表示用発光部材のグルー
プを形成することができる。このように距離に応じて異
なる位置表示用発光部材のグループを設けてやれば位置
検出の精度を向上させることができる。このときに各グ
ループの色が異なっているので位置検出側において簡易
かつ確実かつ高速に位置検出処理を行うことができる。
なお、グループ分けとしては、短距離及び長距離のみな
らず、中距離等のグループを設けたり、さらに他段階の
距離に応じてグループを設けることができる。
置表示・データ送信装置における発光点を撮像する撮像
手段と、撮像手段により撮像された画像をA/D変換す
るA/D変換器と、A/D変換器から出力されたデジタ
ル画像に基づき、位置表示用の発光点とデータ送信用の
発光点とを抽出分離する画像処理手段と、画像処理手段
により抽出された位置表示用の発光点データに基づき、
位置表示・データ送信装置の位置を計測する位置計測手
段と、画像処理手段により抽出されたデータ送信用の発
光点データに基づき、位置表示・データ送信装置が送信
したデータを取得するデータ取得手段とを備えた位置計
測・データ受信装置である。
を用いて送信側から送出された位置測定をさせるための
信号とデータ送信用の信号とを、電波事情と無関係に同
時受信することができる。
記第7の発明において、画像処理手段は、位置表示用の
発光点がデータ送信用の発光点の外側に配置される場合
に、まず、デジタル画像の外側から走査することにより
位置表示用の発光点のみを検出し、次に、予め決まって
いる位置表示用及びデータ送信用の各発光点の位置関係
に基づきデータ送信用の発光点の位置を予測すると共
に、デジタル画像において予測位置付近のみを走査して
データ送信用の発光点を検出する位置計測・データ受信
装置である。
像処理手段における高速な処理が可能となり、応答性の
よくデータ伝送速度の高い位置計測・データ受信装置を
実現することができる。
記第7又は8の発明において、撮像手段として半導体撮
像素子を用いる位置計測・データ受信装置である。
上記第7〜9の発明において、撮像手段は、発光点をカ
ラー画像として撮像し、画像処理手段は、カラー画像処
理を行う位置計測・データ受信装置である。
えば発光点側が異なる色で位置表示とデータ送信を行っ
ている場合に、両者の容易な分離が可能となり、画像処
理の確実性及び高速性が向上する。
上記第1〜6の発明のうち何れかの位置表示・データ送
信装置と、上記第7〜10の発明のうち何れかの位置計
測・データ受信装置とをそれぞれ1以上備え、位置計測
・データ受信装置は、位置表示・データ送信装置からの
送信データを取得すると共にその位置を計測する位置計
測・データ通信システムである。
置測定とデータ通信とを電波事情と無関係に同時に実現
させることができる。
上記第3の発明の位置表示・データ送信装置と、上記第
7〜10の発明のうち何れかの位置計測・データ受信装
置とをそれぞれ1以上備え、位置表示・データ送信装置
は、病院内を移動する患者に装着されると共に、そのセ
ンサ手段は当該患者の状態を検出し、位置計測・データ
受信装置は、少なくともその撮像手段が前記病院内に設
けられ、患者の状態を含む送信データを位置表示・デー
タ送信装置から取得し、かつその位置を計測する病院内
モニタリングシステムである。
波の使用に制限がある病院内においても、患者のいる場
所と患者の状態とを同時に把握することができる。
移動体が静止体にドッキングする移動体ドッキングシス
テムにおいて、上記第1〜6の発明のうち何れかの位置
表示・データ送信装置とドッキング手段とを備えて、自
己の位置を表示すると共に、ドッキングのためのデータ
を前記移動体に送信し、移動体は、上記第7〜10の発
明のうち何れかの位置計測・データ受信装置と移動手段
とドッキング手段とを備えて、静止体の位置を計測しド
ッキングのためのデータを取得する移動体ドッキングシ
ステムである。
い電磁波に曝され、電波による通信が困難な場合がある
宇宙空間においても、位置確認とデータ通信を確保で
き、宇宙船や人工衛星等が安全確実にドッキングするこ
とができる。
移動体同士がドッキングする移動体ドッキングシステム
において、各移動体は、上記第1〜6の発明のうち何れ
かの位置表示・データ送信装置、上記第7〜10の発明
のうち何れかの位置計測・データ受信装置、移動手段及
びドッキング手段を備えて、自己の位置を表示し、か
つ、互いの位置を計測するとともに、ドッキングのため
のデータを送受信する移動体ドッキングシステムであ
る。
記第13の発明と同様な作用効果が得られる他、ドッキ
ングを行う双方が移動するのでより短時間でドッキング
作業を行うことができる。
上記第1〜6発明のうち何れかの位置表示・データ送信
装置と、上記第7〜10の発明のうち何れかの位置計測
・データ受信装置とを備えた宇宙空間移動体である。
い電磁波に曝され、電波による通信が困難な場合がある
宇宙空間においても、位置表示と通信を行うことができ
る。
て説明する。 (発明の第1の実施の形態)図1は本発明の第1の実施
形態に係る位置計測・データ通信システムの一構成例を
示すブロック図である。
置計測用及びデータ送信用の光点を表示する位置表示・
データ送信装置1と、各光点に基づいて位置表示・デー
タ送信装置1の位置を計測し、また、同装置1からの送
信データを取得する位置計測・データ受信装置2とによ
って構成されている。
用発光素子部11と、データ送信用発光素子部12と、
データ処理装置13と、各部11,12,13に電力を
供給する電源14とからなる。また、位置表示・データ
送信装置1には、送信すべきデータを取得する1以上の
センサ3(#1),3(#2),..(以下、単にセン
サ3という)が接続されている。
表示用発光素子11a(図2)からなり、本実施形態で
は発光素子として赤外線LEDが用いられる。各発光素
子11aのうち3個は、同一平面上に配置され、残り1
個はその平面から若干ずれた位置に配置される。4つの
発光素子11aは、上記平面を望む方向から見た場合に
は略菱形をなしている。また、位置測定が行われる間は
常時点灯状態となる。
原理を示す概念図である。
LEDを位置計測・データ受信装置側の撮像素子32で
撮影し、撮影した画像上の光点の座標から、三角法を用
いて対象物体の位置や動きを測定する。
1)は、12個のデータ送信用発光素子12a(図3)
からなり、本実施形態では赤外線LEDを用いている。
12個の発光素子12aは、4つの位置表示用発光素子
11aの内側、具体的には発光素子11aの菱形内の2
頂点間に配置される。また、データ送信時には、発光素
子12aは点滅状態となり、点灯状態で”1”,消灯状
態で”0”を示す。
の原理を示す概念図である。
一度に12個のLEDを点滅させることにより、12ビ
ットのデータを転送するようになっている。このデータ
発信を実現するために、データ処理装置13が設けられ
ている。
3からのセンサ出力をマルチプレクサ21で多重化しア
ンプ22で増幅するとともに、アンプ出力をPCM(パ
ルス・コード・モジュレーション)装置23でパルス符
号系列に変換してデータ送信用発光素子部12に入力す
るようになっている。データ送信用発光素子部12の各
発光素子12aは、入力されたパルス符号が1(1.5
V)のとき点灯し、0(0V)のとき消灯することにな
る。
ータを合成して1つにまとめる装置であり、本実施形態
では、センサ3が接続されている。各センサ3出力が一
定周期で順次取得されて合成されるようになっている。
なお、マルチプレクサ21の接続対象はセンサ3に限ら
れず、他の種類のデータ出力装置であってもよい。
信号をパルス符号系列に変換するパルス符号変調のため
の装置であり、A/D変換器24と、データ処理用のC
PU25と、パルス符号系列を生成出力するデジタル出
力部26とを備えている。ここで、デジタル出力部26
は、シリアル・パラレル変換部27を備える。このシリ
アル・パラレル変換部27は、複数の発光素子12aに
よって複数ビット(本実施形態では12ビット)のデー
タを表示出力できるように、シリアルのパルス符号系列
をパラレル信号に変換する。なお、PCM装置23に
は、パルス位置変調(PPM)、パルス間隔変調(PS
M、PIM)、パルス時変調(PTM)、パルス周波数
変調(PFM)、パルス振幅変調(PAM)、パルス幅
変調(PDM)、パルス幅変調周波数変調(PDMF
M)、パルス密度変調(PNM)などの種々のパルス変
調方式が適用可能である。さらに、入力されるデータが
デジタルデータの場合でも、パルス符号系列を生成可能
であり、その場合にはA/D変換器24は不要である。
信装置2の構成を説明する。位置計測・データ送受信装
置2は、赤外線LEDからの赤外光のみを通過させる赤
外線フィルタ31と、同フィルタ31が取り付けられた
CCDカメラなどからなる撮像素子32と、位置計測・
データ受信装置本体33と、表示装置34とからなる。
ークステーションやパーソナルコンピュータ等の計算機
にA/D変換器41を含む拡張ボード及び画像信号を処
理する拡張ボードを備えたものであり、これらのハード
ウエアとソフトウェアとによって必要な機能手段を実現
する。なお、位置計測・データ受信装置本体33は、小
型化/省電力化のためにワンボード化あるいはワンチッ
プ化してもよい。
ては、撮像素子出力がA/D変換器41によりA/D変
換され、そのA/D出力が画像処理部42により画像処
理されて発光素子11a,12aの座標が検出される。
さらに、検出された発光素子座標に基づき、位置計測部
43及びデータ解析部44にて位置表示・データ送信装
置1の位置検出及び同装置1からのデータ取得がなさ
れ、各データが位置・受信データ格納部45に格納さ
れ、表示情報処理部46にて表示処理されるようになっ
ている。
の専用ソフトウエアから構成され、図4に示す機能を備
える。
装置における画像処理部の構成例を示す図である。
像素子32のA/D変換出力を2値化処理部51,収縮
拡大処理部52,ラベル付け処理部53,重心計算処理
部54にて順次処理し、その処理結果を発光素子データ
分離部55にて位置計測用情報とデータ通信用情報とに
分離する。さらに、それぞれの分離情報に対し、位置検
出用発光素子座標検出部56又はデータ通信用発光素子
座標検出部57により座標検出処理を施し、各情報の座
標値を位置計測部43又はデータ解析部44に出力する
ようになっている。
準としてCCD出力の各画素の階調データを2値データ
に変換する。これにより、濃淡画像が白黒画像に変換さ
れ、発光素子の点灯部分が白に、その他の部分が黒にな
る。
白黒画像を一旦収縮し拡大することで、ノイズを除去す
る。
査し、発光素子画像に相当する白色画素のまとまり毎に
順番に番号をつける。これにより、各々の発光素子11
a,12aが区別される。
各白色画素のまとまりの重心を求めることにより、画像
上の各発光素子11a,12aの座標を算出する。
像における位置表示用発光素子11aとデータ送信用発
光素子12aとを分離する。発光素子11aは発光素子
12aよりも外側に位置するため、撮影画像における上
下左右方向の一番外側にある発光素子画像が位置表示用
発光素子11aとなる。それ以外の発光素子画像がデー
タ送信用発光素子12aに対応する。なお、この分離
は、位置表示用発光素子11aが常時点灯し、かつ常に
データ送信用発光素子12aの外側にあることから可能
となる。
光素子データ分離部55で判別された位置表示用発光素
子11aの画像上の座標を検出する。
発光素子データ分離部55で判別されたデータ送信用発
光素子12aの画像上の座標を検出する。
1a,12aの座標情報は、それぞれ位置計測部43及
びデータ解析部44(図1)に入力され、更なる処理が
行われる。
2より入力された各発光素子画像の座標をそれぞれ上下
左右の発光素子11aであると判別し、この発光素子座
標に基づき、かつ、三角法及びニュートン法を利用して
実空間における位置表示・データ送信装置の座標を算出
する。さらに、この算出結果を表示情報処理部46に入
力すると共に、位置・受信データ格納部45に保存す
る。
理をより詳しく説明すると、次の通りである。すなわ
ち、位置表示用発光素子11aの座標点を点集合P1,
P2,P3,..,Pnと考えると、各点間距離dijは、 dij=|Pi−Pj| …(1) ただし1≦i,j≦n である。また、観測点(撮像素子がある場所)からの視
線ベクトルをu1,..,un(ただし|ui|=1(1
≦i≦n))と定義する。
aとの距離αiは、 αi=|Pi| …(2) ただしPi=αiui として表すことができる。このとき次の方程式が成立す
る。
る。種々の求め方があるが、本実施形態では上記方程式
から次のような残差tijを考え、この残差tijを最小2
乗法を用いて最小にすれば、αiを求めることができ
る。
する手法として上記のようにニュートン法という数値解
析手法を用いている。
つの位置表示用発光素子11aのうち一つが同一平面上
にないことにより、正確な座標算出が可能である。仮
に、4つの位置表示用発光素子を同一平面に並べ、その
菱形において対角をなす左右2点を軸とし、CCD撮像
面に対して前後に同一角度で回転した2つの位置につい
て考える。この2つの位置については撮像画像において
は区別がつかない。前方向、後方向に回転したときの撮
像面への投影結果が同じもとのなるためである。同様に
上下2発光素子を軸として左右に同角度で回転させた場
合も区別がつかない。本実施形態では、下側の発光素子
11aが、他の3点(これら3つは同一平面上にある)
と異なる平面上にあるため、上記不都合は生じない。
2から入力されたデータ送信用発光素子12aの座標よ
り、12個の発光素子12aのうち何れが点灯し、消灯
しているかを計算する。その計算結果より、送信データ
を復元する。なお、各発光素子画像が何れの発光素子1
2aに対応するかは、位置表示用発光素子11aとの位
置関係で判別される。
リアル変換部47及びデマルチプレクサ48を備え、送
信データの復元に当たり、パラレルデータからなる送信
データをパラレル・シリアル変換部47でシリアルデー
タに変換する。さらに、変換されたシリアルデータをデ
マルチプレクサ48によって各センサ3毎のデータに分
離して表示情報処理部46に入力し、また、位置・受信
データ格納部45に格納する。
びデータ解析部44から入力された位置データ及び受信
データに基づいて、位置表示・データ送信装置1の位置
を示す画面を作成すると共に、同画面にさらに受信デー
タを表示させるようにして表示装置34に表示出力す
る。
における位置計測・データ通信システムの動作について
説明する。このシステムでは、まず、対象物体に取り付
けられた位置表示・データ送信装置1において、センサ
3からの転送データがデータ処理装置13においてデジ
タル化される。さらに、データ処理装置13からのパル
ス波形系列に従ってデータ送信用発光素子12aが位置
計測・データ受信装置2の撮像素子32に向けて点滅す
る。このとき、位置表示用発光素子11aは常時点灯状
態となっている。
12aとして赤外線LEDを使用する場合を想定してお
り、他の発光体等の影響を除去するために、赤外線フィ
ルタ31を介して位置計測・データ受信装置2の撮像素
子32で撮像される。
処理部42にて画像処理アルゴリズム(2値化、拡大縮
小、ラベリングなど)による発光素子座標検出が行われ
る。画像処理部42にて検出され、位置検出用及びデー
タ受信用に分離された発光素子座標値は、それぞれ位置
計測部43及びデータ解析部44に入力されて、位置検
出及びデータ取り出しが実行される。これにより、位置
表示・データ送信装置1が取り付けられた対象物体の位
置と、当該物体からの送信データとが取得されることに
なる。
置・受信データ格納部45に保存され、必要な場合に取
り出されて利用される。また、これらのデータは表示装
置34から表示出力され、システム使用者の利用に供さ
れる。
明する。本実施形態では、データ送信は、発光体(発光
素子12a)の点滅によって行われる。したがって、単
位時間当たりのデータ転送量Hは、発光体数の数n(本
実施形態では12個)と点滅周波数ωpを用いて、 H=nωp …(7) と表される。発光体の点滅周波数は、サンプリング定理
により、撮像素子が1フレームの画像を取得するサンプ
リング周波数ωiの半分以下でなければならない。した
がって、データ転送量は(8)式のようにも記述でき
る。
サであるが、その原理ゆえ、サンプリング周波数を高く
するには限界がある。このため、撮像素子32としてC
CDイメージセンサを用いたときにデータ転送量Hを上
げるには、データ送信用発光素子11aの数nを大きく
する必要がある。なお、データ転送量をいとわなければ
このnは1でもよく、その場合には、データ送受信前後
におけるシリアルパラレル変換及びパラレルシリアル変
換は不要となる。
CMOS撮像素子やフォトダイオードアレイのようなイ
メージセンサを用いれば、高いサンプリング周波数を実
現できるため、高速なデータ送受信が可能となる。しか
し、これらはCCDほど多くの画素を有していないた
め、解像度の高い画像を得ることは難しく、データ送信
に用いる発光素子12aの数nを大きくすることができ
ない。以上から、データ転送量に応じて、発光体の数、
撮像素子32の種類を適宜決定する。
用いる場合は、データ転送レートはビデオレートである
30Hzに限定される。しかし、n個の発光素子12a
を使用することで、(7)式から単位時間あたりのデー
タ転送量を30×N(ビット)とすることが可能とな
る。なお、CCDセンサの場合もサンプリング周波数を
ビデオレート以上確保できる。
いて説明する。本実施形態では、発光素子11a,12
aとして、赤外線LEDを用いるとしたが、発光素子の
種類は、目的や使用状況に応じて選択する。
高輝度で指向性の高いものが望ましく、加えてデータ送
信用発光素子12aは輝度の立ち上がり立ち下がり速度
が速いものが望ましい。
を考慮し、位置表示・データ送信装置1と位置計測・デ
ータ受信装置2との距離に応じて適宜選択する。距離が
数メートルの場合は、低コスト/低消費電力で発光強度
の小さい「赤外線LED」を使用し、それ以上の距離の
場合には高輝度なレーザダイオードを用いるとよい。さ
らに、レーザダイオードに代えて気体レーザなどの他の
種類のレーザを用いてもよい。
配置間隔をあまりにも狭くすると、位置計測やデータ送
受信のエラーの原因となる。そこで、システムを用いる
環境や撮像素子に取り付けるレンズ、発光素子の指向性
の度合いに応じて、発光素子の配置間隔を適宜決定す
る。
位置計測・データ通信システムは、位置表示用発光素子
部11及びデータ送信用発光素子部12を対象物体に取
り付けられるべき位置表示・データ送信装置1に設け、
光を用いて対象物体の位置及びデータ送受信を行うよう
にしたので、電波事情と無関係に位置測定とデータ通信
とを同時に実現させることができる。
制限される病院や強力な電磁波にさらされる宇宙空間な
どでも使用することができる。
装置2においては、比較的簡単な画像処理を施すだけで
発光素子画像を解析できるため、位置検出とデータ受信
をリアルタイム処理で実現することができる。
信装置1においては、位置表示用の発光素子11aを同
一平面のみに配置することなく、少なくとも1つの発光
素子11aを他の複数の発光素子11aとは異なる平面
に配置させるようにしたので、対象物体が平行移動しつ
つ回転するような場合でも的確かつ正確に位置計測する
ことができる。したがって、このような特徴を持った位
置表示装置あるいは位置表示・データ送信装置を備える
システムでは、対象物体の移動状態に関係なく高精度に
位置測定することができる。
2aとして赤外線LEDを用いたので、位置計測・デー
タ受信装置側では赤外線フィルタ31を用いるようにし
たが、本発明はこのような場合に限られるものではな
い。たとえば他の光源が存在しないような環境ではフィ
ルタ自体が不要であるし、また、発光素子11a,12
aの発光波長が他の波長域であるような場合には、その
波長域の光のみを通過するフィルタを用いるようにすれ
ばよい。
送信装置1が送信するデータをセンサ3からの情報とし
たが、本発明における通信データは、このようなセンサ
情報に限られるものではなく、あらゆる種類のデータと
することができる。さらに、本実施形態では、センサ3
からのアナログデータを送信したため、データ処理装置
においてA/D変換器24が必要であったが、元々デジ
タル化されているデータを送信することも可能である。
この場合には、アンプ22及びA/D変換器24は不要
であり、デジタルデータをCPU25で処理してパルス
符号化変調すればよい。さらに、実施形態では複数セン
サ情報を送受信したので、送受信側においてマルチプレ
クサ21及びデマルチプレクサ48が用いられたが、送
受信データの種類によってはこれらのマルチプレクサ2
1及びデマルチプレクサ48は不要である。
置1及び位置計測・データ受信装置2を1台づつ示した
が、これらをそれぞれ1台及び又は複数台設けてシステ
ムを構成してもよい。
が単色(赤外線)の場合を扱い、画像処理も白黒画像と
して取り扱うようにしたが、本発明はカラー画像の場合
でも実施可能である。以下、カラー画像を用いる場合の
変形例を説明する。なお、この変形例は、第2の実施形
態以降に対しても同様な考え方で適用できるものであ
る。
像を扱う場合における、位置計測・データ受信装置の画
像処理部の構成例を示す図である。
は、画像処理部42Cに色分解処理部59が設けられ、
RGBに分解された各データがそれぞれに対応する2値
化処理部51R,51G,51Bに入力される。RGB
毎の各処理部51R〜57R,51G〜57G,51B
〜57Bが図4の対応部分と同様な処理を実現すること
で、カラー画像処理が実現できる。なお、色分解処理部
59に代えて、A/D変換器41〜画像処理部42C間
にカラーフィルタを用いるようにしてもよい。
なメリットがある。
表示用発光素子12aとで異なる色の発光素子を用い、
カラー撮像素子で撮像すると共に、発光素子の色の違い
を考慮した処理を行えば、データ送信用発光素子11a
と位置表示用発光素子12aとをより容易に分離するこ
とができ、処理を高速化することができる。
表示用発光素子を用いれば位置検出精度を向上させるこ
とができるが、この場合に、近距離用と遠距離用とで異
なる色を用いれば、発光素子分離が容易になる。
れ並列処理であるので、CPUが複数ある計算機では効
率的、高速な処理を実現することができる。
は、第1の実施形態の画像処理部42の構成を改良した
ものである。これにより、発光素子11a,12aの座
標検出を一層高速に実行できる。
計測・データ受信装置における画像処理部の構成例を示
す図であり、図4と同一部分には同一符号を付してその
説明を省略する。
ムは、画像処理部55aの機能が図6に示すように修正
される他、第1の実施形態と同様に構成されている。
ら撮影画像を入力し、当該画像から位置表示用発光素子
11aの座標及びデータ通信用発光素子12aの座標を
検出してそれぞれ位置計測部43及びデータ解析部44
に出力する。このために2値化処理部51、収縮拡大処
理部52及び発光素子データ分離部55aを備えてい
る。
は、第1の実施形態と同様に構成されている。
去された2値化画像から位置表示用発光素子11a及び
データ通信用発光素子12aを抽出分離し、その座標を
出力する。このために、最外位置発光素子検出部50
と、ラベル付け処理部53aと、重心処理部54aと、
位置表示用発光素子座標検出部56aと、データ通信用
発光素子座標検出部57aとを備えている。
去された2値化画像に対し、上下左右の最外位置から順
次走査を行って白色画素のまとまりを検出する。この処
理は画像領域全体に対して行うのではなく、例えば上外
側からの検出でまとまりが検出されれば、次に下外側か
らの走査処理に移るというように、上下左右最外位置の
4つのまとまりを検出できる最小限の走査を行う。最外
位置発光素子検出部50は、この4つの白色画素まとま
りを位置表示用発光素子画像としてラベル付け処理部5
3aに入力する。
素子検出部50から4つの位置表示用発光素子画像を入
力された場合には、これらの各まとまりに位置表示用発
光素子画像であると識別できる番号を付けて重心計算処
理部54aに出力する。
通信用発光素子座標検出部57aからデータ通信用発光
素子が存在すると予想される座標(推定座標)を受け取
ったときには、当該座標付近における適宜なサイズの領
域を2値化画像において走査し、白色画素まとまりを検
出する。白色画素まとまりが検出できた場合には、これ
らの各まとまりにデータ通信用発光素子画像であると識
別できる番号を付けて重心計算処理部54aに出力す
る。
と同様な処理を行う他、白色画素まとまりが位置表示用
発光素子画像であるときには、その結果を位置表示用発
光素子座標検出部56aに出力し、データ通信用発光素
子画像であるときには、データ通信用発光素子座標検出
部57aに出力する。
重心計算結果に基づいて位置表示用発光素子11aの画
像上の座標を検出し、位置計測部43及びデータ通信用
発光素子座標検出部57aに出力する。
は、重心計算結果に基づいてデータ送信用発光素子12
aの画像上の座標を検出し、データ解析部44へ出力す
る。また、位置表示用発光素子座標検出部56aから位
置表示用発光素子11aの画像上の座標を受け取った場
合には、データ通信用発光素子12aの推定座標を算出
し、ラベル付け処理部53aに入力する。
素子11aと各データ通信用発光素子12aと間におけ
る相対的な位置関係が既知であることに基づいている。
本実施形態(第1実施形態でも同様)では、データ通信
用発光素子12aの外側に位置表示用発光素子11aが
存在し、これらの4つの発光素子11aは図7に示すよ
うに、方形の撮影画像領域に対し45度回転した方形を
なしている。
発光素子の位置関係を説明する図である。
す2点の位置表示用発光素子11a間に一直線に配置さ
れている。なお、データ通信用発光素子12aの配置
は、上下間でも左右間でもよいが、本実施形態では、図
7に示すように左右最外位置にある2つの位置表示用素
子11a間に配置される。さらに、データ通信用発光素
子12aの配置は、位置表示用素子11aがなす図形の
内側であれば種々の形態が考えられる。
に、左右2点の位置表示用発光素子11a間の直線配置
であるため、2値化画像上の位置表示用発光素子の座標
さえわかればデータ通信用発光素子12aが存在すべき
座標は容易に推定できる。データ通信用発光素子座標検
出部57aはこの推定処理を行い、ラベル付け処理部5
3aはこの推定座標に基づいて一定の領域のみを走査す
る。この結果、2値化画像全体を走査する必要がなく、
高速な画像処理が実現される。
光素子データ分離部55aにおける座標検出の処理流れ
を説明する。
流れ図である。
された2値化画像が発光素子データ分離部55aに入力
されると、最外位置発光素子検出部50において上下左
右の最外位置にある白色画素まとまりが検出される(s
1)。
にて番号付けされ(s2)、重心計算処理部54aにて
重心計算される(s3)。
光素子座標検出部56aにて位置表示用発光素子の座標
が検出される。さらに、この検出された位置表示用発光
素子の座標に基づいて、データ通信用発光素子座標検出
部57aにおいてデータ通信用発光素子の座標が推定さ
れ、ラベル付け処理部53aに入力される(s4)。
定座標近辺のみが2値化画像において走査され、検出さ
れた白色画素まとまりに番号が付され(s5)、さらに
重心計算が行われる(s6)。
ータ通信用発光素子座標検出部57aに入力され、デー
タ通信用発光素子の座標が取得される(s7)。
6a及びデータ通信用発光素子座標検出部57aから各
座標値が位置計測部43及びデータ解析部44に出力さ
れることになる(s8)。
位置計測・データ受信装置は、第1実施形態と同様な構
成を設けた他、位置表示用発光素子とデータ通信用発光
素子の位置関係を利用して、2値化画像の全領域を走査
することなく、各座標を検出できるようにしたので、高
速に画像処理を行うことができ、応答性の高いシステム
を実現させることができる。
答性を確保する場合にはデータ送信用発光素子の数を増
やすことができ、データ伝送速度を高くすることができ
る。
は、第1又は第2の実施形態の位置計測・データ通信シ
ステムを病院内モニタリングシステムに利用するもので
ある。
内モニタリングシステムの一構成例を示すブロック図で
あり、図1と同一部分には同一符号を付して説明を省略
し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
内に撮像素子32としての撮像用カメラ64が多数配置
され、また、位置表示・データ送信装置1が患者に対応
して多数設けられる他、第1又は第2の実施形態の位置
計測・データ通信システムと同様に構成されている。
ネ型フレーム61、処理回路&バッテリーパック62及
びデータ送信&電力供給用ケーブル63により、図1に
おける位置表示・データ送信装置1が構成されている。
これらは被検出対象の患者に装着される。また、患者に
は、図1のセンサ3として体温計及び心拍計が装着され
る(図示せず)。さらに、特に図示しないが、位置表示
・データ送信装置1は体温計及び心拍計からのセンサ情
報のみならず、センサ情報と共に、患者の識別情報をも
送信するようになっている。
及び表示装置34(CRT)は、図9に示すように、病
院内の監視センターに設けられ、撮像素子32としての
監視用カメラ64は複数台設けられる。これらにより位
置計測・データ受信装置2が構成される。複数台の監視
用カメラ64に対して処理能力が足りない場合には、例
えば各監視用カメラ64に対応して、位置計測・データ
受信装置本体33が複数台設けられる。なお、位置計測
・データ受信装置本体33が複数台設けられる場合に
は、各位置計測・データ受信装置本体33をネットワー
ク接続し、患者の識別情報に基づいて、患者毎の情報に
整理してCRT34から表示出力するようにする。
システムでは、病院内における患者のモニタリングが行
われる。すなわち病院内を移動する患者には、位置表示
・データ送信装置1及びセンサ3が装着される。一方、
監視センター(ナースステーション等)では、患者の居
場所がモニタリングされながら、その患者の心拍数や体
温がチェックされる。患者に異常が生じた場合には、現
場に看護婦が急行する。
病院内モニタリングシステムは、位置表示・データ送信
装置1及び位置計測・データ受信装置2を設けたので、
電波使用制限のある病院内でも患者の位置と状態をモニ
タリングすることができる。
は、第1又は第2の実施形態の位置計測・データ通信シ
ステムを人工衛星ドッキングシステムに利用するもので
ある。本実施形態では人工衛星ドッキングシステムのう
ち、人工衛星と基地局とがドッキングする場合を説明す
る。
動体ドッキングシステムの一構成例を示すブロック図で
あり、図1と同一部分には同一符号を付して説明を省略
し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
星ドッキングシステムとして構成され、人工衛星71と
基地局72に組み込まれている。
置1と、位置計測・データ受信装置2と、ドッキング装
置73と、速度制御姿勢制御装置74を少なくとも備え
る。一方、基地局72は、位置表示・データ送信装置1
と、位置計測・データ受信装置2と、ドッキング装置7
3と、トッキング指令装置75を少なくとも備える。こ
こで、人工衛星71及び基地局72が備える位置表示・
データ送信装置1及び位置計測・データ受信装置2は、
発光素子11a,12aにレーザダイオードが使用さ
れ、赤外線フィルタ31が除去される他、第1の実施形
態と同様に構成されている。
にドッキング動作のための各種指令を与えるために、同
指令信号を位置表示・データ送信装置1に与えて人工衛
星71に向けて送信させる。
ドッキング装置73は、位置計測・データ受信装置2や
速度制御姿勢制御装置74等から取得される人工衛星の
速度・姿勢データや、ドッキング指令装置75に由来す
る各種指令とに基づいて、ドッキングを実現する。
情報及び指令信号を自己の位置計測・データ受信装置2
から取得して、速度姿勢制御を行うと共に、その速度・
姿勢データを自己のトッキング装置73及び位置表示・
データ送信装置1に与える。
ステムにおいては、基地局72のドッキング指令装置7
5から、位置表示・データ送信装置1及び位置計測・デ
ータ受信装置2を介し、人工衛星71の速度制御姿勢制
御装置74に各種指令及び基地局位置が通知される。
74により人工衛星71の速度姿勢制御がなされ、その
結果が位置表示・データ送信装置1及び位置計測・デー
タ受信装置2を介し、基地局72に通知される。
置計測・データ受信装置2からの通知により、人工衛星
71の速度や姿勢及び基地局の位置が監視されており、
所定のタイミングで装置を稼動させ、ドッキングが実行
される。
と基地局の様子を示す。
移動体ドッキングシステムは、位置表示・データ送信装
置1及び位置計測・データ受信装置2を設けたので、強
力な電磁波にさらされる人工衛星のドッキングシステム
を実現させることができる。
は、第4実施形態同様、第1又は第2の実施形態の位置
計測・データ通信システムを人工衛星ドッキングシステ
ムに利用するものである。本実施形態では人工衛星ドッ
キングシステムのうち、人工衛星同士がドッキングする
場合を説明する。
動体ドッキングシステムの一構成例を示すブロック図で
あり、図1及び図10と同一部分には同一符号を付して
説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べ
る。
星同士のドッキングシステムとして構成され、人工衛星
71(A),71(B)に組み込まれている。各人工衛
星71は第4の実施形態と同様に構成されている。
の速度と姿勢を通知し合って、これらのデータに基づい
て速度姿勢制御を行ったのでは、相対位置が収束せず、
いつまでもドッキングを行うことができない。
かの人工衛星が主導し、第4の実施形態における基地局
72として動作するように地上基地局79から指令信号
を与える。これにより、地上基地局72の指令を受けた
後は所定条件で第4の実施形態と同様な状態となる。
考えられる。例えば両衛星71が所定の距離以内となっ
た後に、上記主従状態となるようにしてもよい。また、
地上基地局指令によらず予め定められた関係により予め
主となる人工衛星が決まるようになっていてもよい。
は位置計測やデータ通信のみでよい場合もある。種々の
ケースが考えられるが、どのような組み合わせとなって
もよいように各人工衛星71には、位置表示・データ送
信装置1及び位置計測・データ受信装置2の双方が搭載
されている。
工衛星の様子を示す。
移動体ドッキングシステムは、位置表示・データ送信装
置1及び位置計測・データ受信装置2を設けたので、ド
ッキング相手の人工衛星の位置を画像計測しながら、そ
の速度データを光伝送する人工衛星同士のドッキングシ
ステムを実現させることができる。
れるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変
形することが可能である。また、各実施形態は可能な限
り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わ
された効果が得られる。
のドッキングを例にとって説明したが、本発明を適用で
きるのは人工衛星に限られず、各種の宇宙船や宇宙ステ
ーション等の宇宙空間移動体や宇宙空間設置体に適用で
きる。また、位置表示・データ送信装置1及び位置計測
・データ受信装置2を備える宇宙空間移動体や宇宙空間
設置体は、宇宙空間でも特に電波障害が激しく電波通信
が全く不能な場所でも通信及び位置測定を行うことがで
きる。このような場合には、出力の高いガラスレーザや
気体レーザを発光素子11a,12aとして搭載してお
けば、通信等の有効距離を大きくすることができる。
ステムを実現するために、以下のような実験装置を用い
て実験を行い、本発明の実施可能性を確認した。
テムは、位置測定用赤外線LED、データ通信用赤外線
LED、A/D変換機、CCDカメラ、赤外線フィルタ
等を少なくとも含み、実施形態で説明したシステムの原
型をなすものである。
撮像素子を固定し、他端にXYZステージと回転ステー
ジを取りつけ、その上に発光素子を取りつけた対象物体
を置いて構成させた。こうして対象物体の前後左右上下
移動、回転移動が自由に行えるようにした。なお今回の
実験では発光素子に赤外線LED、撮像素子にCCDカ
メラを用いた。またカメラに赤外線透過フィルターを取
りつけ、LED光だけが撮影できるようにした。
4個の赤外線LEDを、赤外線フィルタを介してCCD
カメラで撮影した。次にその画像から各素子の重心位置
を求め、三角法を使って対象物体の位置をリアルタイム
で算出した。
並行移動に関して測定誤差を評価した。カメラとの距離
がzの場所に対象物体を置き、同場所での位置計測結果
と実際の位置との誤差を求めた(なおzは、0.30m
から0.85mまで0.05m間隔で変化させた)。
こで、同図(a)は測定系の座標を示し、同図(b)は
CCDカメラと発光素子との距離zに対する測定誤差を
示す。なお、図14(b)における横軸zはカメラから
対象物体までの距離z、縦軸は位置測定結果と実際の位
置との誤差である。さらに、同図(c)〜(e)は距離
zが一定の場合におけるxy平面上の測定誤差を示す。
距離に比例して誤差が大きくなることが明らかである。
カメラとの距離が0.30m、0.55m、0.75m
の際に大きな誤差が測定されたが、これは撮影された画
像を画素データに変換するときに生じる量子化誤差が原
因と思われる。しかし同誤差は10mm以下であり、実
現すべきシステムにおいては許容範囲内と考えられる。
対象物体を移動したときの測定誤差を評価した。結果は
上記図14(c)〜(e)に示されている。
から対象物体までの距離が0.30m、0.50m、
0.80mの場合の誤差が示されている。図中の横軸は
X軸、縦軸はY軸、そして色の濃淡は誤差の大きさを示
している(色が暗いほど誤差が大きい)。図14(c)
〜(e)から、いずれの場合においても光軸付近で誤差
がほぼゼロだが、光軸から離れるほど誤差が大きくなる
ことがわかる。しかし、その誤差は4mm以内であっ
た。
した実験装置では、データ伝送用の光源として12個の
赤外線LEDを対象物体に取りつけた。それぞれのLE
Dは送信データの各ビットに対応しているので、本装置
は360(ビット/秒)の速度でデータを送ることがで
きる。
信号の一例を示す図である。
信号は振幅1.4V、周波数0.6Hz、バイアス電圧
−0.2Vの正弦波である。同図(b)に示す受信信号
においては多少の歪みが観察されるが、元データはほぼ
正確に伝送されていることがわかる。
置測定とデータ通信とを電波事情と無関係に同時に実現
させることができる位置表示・データ送信装置、位置計
測・データ受信装置、位置計測・データ通信システム、
病院内モニタリングシステム及び移動体ドッキングシス
テムを提供することができる。
タ通信システムの一構成例を示すブロック図。
概念図。
す概念図。
る画像処理部の構成例を示す図。
合における、位置計測・データ受信装置の画像処理部の
構成例を示す図。
タ受信装置における画像処理部の構成例を示す図。
位置関係を説明する図。
ングシステムの一構成例を示すブロック図。
ングシステムの一構成例を示すブロック図。
示す図。
ングシステムの一構成例を示すブロック図。
す図。
を示す図。
行う技術の概要を示す図。
す図。
Claims (15)
- 【請求項1】 位置を計測させるために発光する複数の
位置表示用発光部材と、 点滅することによりデータを送信する1以上のデータ送
信用発光部材と、を備えたことを特徴とする位置表示・
データ送信装置。 - 【請求項2】 送信すべきデータを前記データ送信用発
光部材に点滅表示させるように、前記データ送信用発光
部材に対して送信データを送出するデータ送出手段を備
えたことを特徴とする請求項1記載の位置表示・データ
送信装置。 - 【請求項3】 測定対象物に関するデータを取得するセ
ンサ手段を備え、 前記データ送出手段は、前記センサ手段により取得され
たデータを前記データ送信用発光部材に送出することを
特徴とする請求項2記載の位置表示・データ送信装置。 - 【請求項4】 前記位置表示用発光部材及び前記データ
送信用発光部材は、固体発光素子又はレーザからなるこ
とを特徴とする請求項1乃至3のうち何れか一項に記載
の位置表示・データ送信装置。 - 【請求項5】 前記位置表示用発光部材と前記データ送
信用発光部材とは、異なる波長の光を発する発光体であ
ることを特徴とする請求項1乃至4のうち何れか一項に
記載の位置表示・データ送信装置。 - 【請求項6】 前記複数の位置表示用発光部材は、さら
にそれぞれ複数の位置表示用発光部材からなる2以上の
グループを形成し、各グループ毎に異なる波長の光を発
する発光体であることを特徴とする請求項1乃至5のう
ち何れか一項に記載の位置表示・データ送信装置。 - 【請求項7】 位置表示・データ送信装置における発光
点を撮像する撮像手段と、 前記撮像手段により撮像された画像をA/D変換するA
/D変換器と、 前記A/D変換器から出力されたデジタル画像に基づ
き、位置表示用の発光点とデータ送信用の発光点とを抽
出分離する画像処理手段と、 前記画像処理手段により抽出された位置表示用の発光点
データに基づき、前記位置表示・データ送信装置の位置
を計測する位置計測手段と、 前記画像処理手段により抽出されたデータ送信用の発光
点データに基づき、前記位置表示・データ送信装置が送
信したデータを取得するデータ取得手段とを備えたこと
を特徴とする位置計測・データ受信装置。 - 【請求項8】 前記画像処理手段は、位置表示用の発光
点がデータ送信用の発光点の外側に配置される場合に、
まず、前記デジタル画像の外側から走査することにより
位置表示用の発光点のみを検出し、次に、予め決まって
いる位置表示用及びデータ送信用の各発光点の位置関係
に基づきデータ送信用の発光点の位置を予測すると共
に、前記デジタル画像において予測位置付近のみを走査
してデータ送信用の発光点を検出することを特徴とする
請求項7記載の位置計測・データ受信装置。 - 【請求項9】 前記撮像手段として半導体撮像素子を用
いることを特徴とする請求項7又は8記載の位置計測・
データ受信装置。 - 【請求項10】 前記撮像手段は、前記発光点をカラー
画像として撮像し、前記画像処理手段は、カラー画像処
理を行うことを特徴とする請求項7乃至9のうち何れか
一項に記載の位置計測・データ受信装置。 - 【請求項11】 請求項1乃至6のうち何れか一項に記
載の位置表示・データ送信装置と、請求項7乃至10の
うち何れか一項に記載の位置計測・データ受信装置とを
それぞれ1以上備え、 前記位置計測・データ受信装置は、前記位置表示・デー
タ送信装置からの送信データを取得すると共にその位置
を計測することを特徴とする位置計測・データ通信シス
テム。 - 【請求項12】 請求項3記載の位置表示・データ送信
装置と、請求項7乃至10のうち何れか一項に記載の位
置計測・データ受信装置とをそれぞれ1以上備え、 前記位置表示・データ送信装置は、病院内を移動する患
者に装着されると共に、そのセンサ手段は当該患者の状
態を検出し、 前記位置計測・データ受信装置は、少なくともその撮像
手段が前記病院内に設けられ、患者の状態を含む送信デ
ータを前記位置表示・データ送信装置から取得し、かつ
その位置を計測することを特徴とする病院内モニタリン
グシステム。 - 【請求項13】 移動体が静止体にドッキングする移動
体ドッキングシステムにおいて、 前記静止体は、請求項1乃至6のうち何れか一項に記載
の位置表示・データ送信装置とドッキング手段とを備え
て、自己の位置を表示すると共に、ドッキングのための
データを前記移動体に送信し、 前記移動体は、請求項7乃至10のうち何れか一項に記
載の位置計測・データ受信装置と移動手段とドッキング
手段とを備えて、前記静止体の位置を計測しドッキング
のためのデータを取得することを特徴とする移動体ドッ
キングシステム。 - 【請求項14】 移動体同士がドッキングする移動体ド
ッキングシステムにおいて、 各移動体は、請求項1乃至6のうち何れか一項に記載の
位置表示・データ送信装置、請求項7乃至10のうち何
れか一項に記載の位置計測・データ受信装置、移動手段
及びドッキング手段を備えて、自己の位置を表示し、か
つ、互いの位置を計測するとともに、ドッキングのため
のデータを送受信することを特徴とする移動体ドッキン
グシステム。 - 【請求項15】 請求項1乃至6のうち何れか一項に記
載の位置表示・データ送信装置と、請求項7乃至10の
うち何れか一項に記載の位置計測・データ受信装置とを
備えたことを特徴とする宇宙空間移動体。
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---|---|---|---|
JP2000018704A JP3374175B2 (ja) | 2000-01-27 | 2000-01-27 | 位置表示用データ送信機能付きデータ送信装置、(以下[発明の名称の続き]欄に記載) |
US09/614,732 US6603865B1 (en) | 2000-01-27 | 2000-07-12 | System for optically performing position detection and data communication |
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JP2000018704A JP3374175B2 (ja) | 2000-01-27 | 2000-01-27 | 位置表示用データ送信機能付きデータ送信装置、(以下[発明の名称の続き]欄に記載) |
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