JP2006242731A - 測位装置および測位方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＧＰＳを用いるのとは異なる方式で測位誤差推定を行うことにより、測位精度を向上することを目的とする。
【解決手段】 撮像部１１０で画像を撮像する。画像処理部１２０は撮像した画像から特徴点を検出し、画像における特徴点の位置関係に基づいて測位装置１００が向いている方向と特徴点への方向とが成す見越角を算出する。ＧＩＳ測位計算部１３０はＧＰＳ測位システム１６０で測位した測位装置１００の概算座標とＧＩＳ取得部１５０がＧＩＳデータベース１８０から取得した特徴点の座標と画像処理部１２０で算出した見越角とに基づいて測位計算を行う。さらに、測位補正部１７０はＧＩＳ測位計算部１３０の測位結果に基づいてＧＰＳ測位システム１６０で測位した概算座標の誤差を推定し、概算座標に対して推定した誤差分の補正を行うことで測位精度を向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は測位装置および測位方法に関するものである。

従来、車体運動の微小変位をセンサにより計測し、計測した車体の変位を積分することで絶対座標や姿勢角を出力する装置がある。しかし、この方法ではセンサ出力に誤差がある場合、車体の絶対座標や姿勢角を計測時にセンサ出力の誤差も積分される。このため、測位結果において誤差の影響が顕著になる。そこで、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）による観測更新により誤差の補正を行うＧＰＳ測位システムが存在する。
また、作業区域内において、少なくとも３ヶ所にあらかじめ設置された基準点に対して自走車の現在座標を検出するものがある（特許文献１）。
特開平３−５４６０１号公報

しかし、高精度のＧＰＳを都心部で使用する場合、ビルなどの障害物によりＧＰＳ電波受信機から衛星が遮蔽され、可視衛星数が４個未満となり測位ができなくなるという課題があった。また、壁面でのＧＰＳ電波の反射等によるマルチパスの影響で著しく測位精度が劣化するなどの課題があった。
また、少なくとも３ヶ所に設置されたランドマークに対して現在座標を検出する方法では、座標を検出可能な範囲が作業区域内であり且つランドマークが少なくとも３ヶ所必要であるという課題があった。

そこで、例えば、高層ビル群が林立する都心部において、ＧＰＳを用いるのとは異なる方式で測位誤差推定を行うことにより測位精度を向上することを目的とする。
また、任意の場所において３ヶ所またはそれ以下のランドマークに対して現在座標や方位を検出、補正することを目的とする。

本発明の測位装置は、画像を撮像する撮像部と、前記撮像部が撮像した前記画像を示す撮像データを入力し、前記撮像データの示す画像から少なくとも３点を検出し、前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の座標から各点に向かう方向と前記撮像部が撮像した方向とが成す各角度を示す見越角データを算出する第１の見越角算出部と、前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の概算座標を示す撮像座標データと前記撮像部が撮像した方向を示す撮像方向データとを入力し、前記撮像座標データと前記撮像方向データとに基づいて前記撮像部が撮像した撮像範囲を算出し、前記第１の見越角算出部で検出した３点の座標を、各点の座標を示す物体データを記憶管理する地理情報データベースと接続して取得する地理情報取得部と、前記地理情報取得部が取得した前記撮像データ前記第１の見越角算出部で検出した３点の座標と前記第１の見越角算出部が算出した前記見越角データとを入力し、前記第１の見越角算出部が前記撮像データから検出した各点の座標と前記見越角データの示す各角度とに基づいて前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の座標と方位を算出する座標算出部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ＧＰＳや慣性測位システムとは異なる方法により測位することができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における測位装置１００の構成図である。
実施の形態１における測位装置１００の構成について、図１に基づいて以下に説明する。

測位装置１００は、撮像部１１０、画像処理部１２０、ＧＩＳ（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）測位計算部１３０、ＧＩＳ取得部１５０、ＧＰＳ測位システム１６０、測位補正部１７０を備える。
また、測位装置１００はＧＩＳデータベース１８０、表示装置１９０に接続する。

ＧＩＳデータベース１８０は、建物などの物体の座標と形状とを３次元で示す地理情報データ（以下、ＧＩＳデータとする）を記憶管理する。
表示装置１９０は、測位装置１００の測位結果や測位結果に基づく座標情報の表示処理を行う。例えば、車両に搭載されたカーナビゲーションシステムのディスプレイは表示装置１９０の一例である。

撮像部１１０はＩＲ（赤外線）カメラ１１１と姿勢安定装置１１２とを備え、画像の撮像を行う。
ＩＲカメラ１１１には、昼夜を問わず、鮮明な画像を取得できるという特徴がある。また、赤外波長を用いることから、撮像した画像から空と空以外の境界の抽出が容易になるという特徴もある。このため、実施の形態１では撮像部１１０はＩＲカメラ１１１を備えて画像の撮像を行う。但し、撮像部１１０は、可視光により撮像するカメラなどＩＲカメラ１１１以外の撮像装置を備えて撮像を行ってもよい。
姿勢安定装置１１２は、ＩＲカメラ１１１をピッチ、ロール軸方向に可動なジンバル機構を介して車体に搭載し、加速度計を３個用いた傾斜計等によりＩＲカメラ１１１を水平面にスタビライズさせる。姿勢安定装置１１２はロール、ピッチ方向に揺動自在で空間安定化制御を実行する。撮像部１１０は姿勢安定装置１１２を備えることにより、ＩＲカメラ１１１が撮像する画像に対する車体のロール、ピッチ姿勢角変動の影響を減少することができる。

画像処理部１２０は画像見越角計算部１２１と回転補正部１２２とを備える。
画像見越角計算部１２１は、撮像部１１０が撮像した画像を示す撮像データ（以下、ＩＲ画像とする）から、画像処理により建物の輪郭などの特徴点を抽出し、その見越角を計算する。つまり、ＩＲ画像に基づいて、撮像部１１０が撮像を行った時の撮像部１１０の座標から撮像範囲にある物体の座標に向かう方向と撮像部１１０が撮像した方向とが成す角度（見越角）を示す見越角データを算出する。
回転補正部１２２は、ＩＲ画像に車体のロール、ピッチ姿勢角変動の影響がある場合は、計算された見越角に回転補正処理を行う。画像処理部１２０は回転補正部１２２を備えることにより、ＩＲ画像より得られた特徴点にピッチ、ロール回転補正をかけ、ロール、ピッチ姿勢角変動の安定化を図ることができる。

測位装置１００は姿勢安定装置１１２と回転補正部１２２とのいずれかを備えることで撮像した画像のロール、ピッチ姿勢角変動の安定化を図ることができる。

ＧＩＳ測位計算部１３０は、画像処理部１２０が算出した見越角に基づいて、撮像部１１０の座標、撮像方向（以下、方位とする）の測位を行う。測位装置１００の座標および方位は撮像部１１０の座標および方位で表すものとする。

ＧＩＳ取得部１５０は、測位装置１００の概算の座標（撮像座標データ）と概算の方位（撮像方向データ）とに基づいて、撮像範囲にあるＧＩＳデータをＧＩＳデータベース１８０から取得する。

ＧＰＳ測位システム１６０はＧＰＳ受信機１６１と運動計測センサ１６２とＧＰＳ測位計算部１６３とを備えて撮像部１１０の座標を測位する。
ＧＰＳ受信機１６１は測位衛星から測位信号を受信する。
運動計測センサ１６２は測位装置１００の運動の微小変位を検出する。
ＧＰＳ測位計算部１６３は運動計測センサ１６２が検出した測位装置１００の運動の微小変位を積分することで測位を行う。ここで運動の微小変位に基づいて測位するシステムを慣性測位システムとする。さらに、ＧＰＳ測位計算部１６３はＧＰＳ受信機１６１が受信した測位信号から得られる観測値（観測データ）に基づいて、慣性測位による測位結果に含まれる誤差を補正する。
ここで、ＧＰＳ測位システム１６０はＧＰＳ受信機１６１と運動計測センサ１６２とのいずれか一方を備えて、ＧＰＳまたは慣性測位システムのいずれかで測位してもよい。

測位補正部１７０は誤差補正測位部１７１と測位誤差推定部１７２とを備えて、カルマンフィルタの処理を行い誤差を推定し、誤差を補正した測位結果を出力する。
測位誤差推定部１７２はＧＩＳ測位計算部１３０が算出した測位結果に基づいてＧＰＳ測位システム１６０が算出した測位結果に含まれる誤差を推定する。
誤差補正測位部１７１は測位誤差推定部１７２が推定した誤差でＧＰＳ測位システム１６０が算出した測位結果を補正する。

図２は、実施の形態１における測位処理のフローチャートである。
撮像部１１０が撮像した画像に、ＧＩＳデータが示す建物などの物体について２以上の特徴点が存在する場合の測位処理について、図２に基づいて以下に説明する。

まず、撮像部１１０のＩＲカメラ１１１は測位を行う地点で撮像を行い、撮像した画像を示すＩＲ画像を取得する（Ｓ１０１）。
このとき、姿勢安定装置１１２はＩＲカメラ１１１のロール、ピッチ方向の安定を保つ。

また、ＧＩＳ取得部１５０は測位装置１００の概算の座標および方位を取得する（Ｓ１０２）。
ここで、概算の座標および方位は任意の方法により取得する。例えば、ＧＰＳ測位システム１６０でＧＰＳと慣性測位システムとのいずれか又はＧＰＳと慣性測位システムの組み合わせにより測位した測位結果を取得してもよいし、測位補正部１７０が前回測位した測位結果を取得してもよい。

次に、ＧＩＳ取得部１５０は、Ｓ１０２の処理で取得した測位装置１００の概算の座標および方位に基づいて、撮像部１１０が撮像可能な撮像範囲のＧＩＳデータをＧＩＳデータベースから取得する（Ｓ１０３）。
つまり、ＧＩＳ取得部１５０は、測位装置１００が概算の座標に位置し概算の方位を正面にする場合にＩＲカメラ１１１が撮像可能な撮像範囲を特定し、特定した撮像範囲のＧＩＳデータの取得を行う。これにより、ＧＩＳ取得部１５０は、撮像部１１０がＳ１０１の処理で取得した撮像画像データに対応するＧＩＳデータを取得することができる。ここで、ＧＩＳ取得部１５０が取得したＧＩＳデータは建物などの物体を形成する各頂点の座標を示している。

次に、画像処理部１２０の画像見越角計算部１２１は、撮像部１１０がＳ１０１の処理で取得したＩＲ画像に基づいて見越角を算出する（Ｓ１０４）。
そこで画像見越角計算部１２１は、ＩＲ画像に撮像された背景と既設物との境界領域のエッジ抽出処理を行い、抽出された境界線の形状の変化点を形状の特徴点として検出する。
さらに、回転補正部１２２は撮像部１１０が取得したＩＲ画像のロール、ピッチ方向の変動に対応して、画像見越角計算部１２１が算出した見越角を補正する。
以下、画像処理部１２０が算出する見越角を画像見越角とする。

図３は、実施の形態１における画像見越角の算出処理のフローチャートである。
画像処理部１２０の画像見越角計算部１２１が行う画像見越角の算出処理について、図３に基づいて以下に説明する。

まず、撮像部１１０が取得したＩＲ画像を入力する（Ｓ２０１）。

次に、Ｓ２０１の処理で入力したＩＲ画像を二値化する（Ｓ２０２）。

次に、Ｓ２０２で処理したＩＲ画像の二値化データに基づいてエッジ部分を抽出する（Ｓ２０３）。

次に、Ｓ２０３で抽出したエッジ部分から建物などの物体を形成する各頂点を特徴点として検出する（Ｓ２０４）。
ここで、特徴点は任意の２点もしくは３点を検出できればよい。

次に、撮像画像データが示す画像とＳ２０４で検出した特徴点との位置関係に基づいて特徴点に対する画像見越角を算出する（Ｓ２０５）。
例えば、ＩＲカメラ１１１の撮像範囲に対応して１画素あたりの角度を設定し、ＩＲ画像の中心から各特徴点までの画素数に１画素あたりの角度を乗じることで画像見越角を算出する。

以上の処理により、画像処理部１２０の画像見越角計算部１２１は画像見越角を算出する。

一方、例えば、ＧＰＳ測位システム１６０により得られた、概算位置および概算方位により限定された撮像される範囲の建物情報を、ＧＩＳデータベース１８０よりＧＩＳ取得部１５０が取得する（Ｓ２０６）。

次に、ＧＩＳ測位計算部１３０はＳ２０６で取得された建物情報を用いて、概算方位及び方位により限定された撮像される範囲の投影図を幾何学的に作成する（Ｓ２０７）。

次に、ＧＩＳ測位計算部１３０はＳ２０７で作成した幾何学的な投影図と、Ｓ２０１で取得されたＩＲ画像を比較し、Ｓ２０４で特定された特徴点を、Ｓ２０７で作成した幾何学的な投影図において特定する。そして、幾何学的な投影図に対応させて特徴点の座標を取得する（Ｓ２０８）。

以上の処理により、ＩＲ画像により検出し、画像見越角の計算を行った特徴点の座標を取得する。

図２において、次に、ＧＩＳ測位計算部１３０は画像処理部１２０がＳ１０４の処理で取得した特徴点に対応するＧＩＳデータ（Ｓ２０５の処理で特定したＧＩＳデータ）と特徴点に対する画像見越角とに基づいて撮像部１１０の座標を測位する（Ｓ１０５）。

図４は、実施の形態１における３点の特徴点に基づく測位方法を示す図である。
３点の特徴点に基づいて測位装置１００の座標と方位角を算出する方法について、図４に基づいて以下に説明する。

図４に測位装置１００と特徴点との関係を示す。
ここで、測位装置１００の座標を（ｘ，ｙ）、撮像部１１０の方位角をΦ、特徴点の位置を（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）｛ｉ＝１，２，３｝と表す。また、方位角Φから測った特徴点の方位角、つまり特徴点に対する見越角をβ_ｉ｛ｉ＝１，２，３｝で表す。
それぞれの関係は以下の式１、式２、式３で表すことができる。

上記の式１と式２とから方位角Φを消去すると以下の式４を得る。

ここで式４を整理すると、特徴点の座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）と見越角（β_ｉ，β_ｊ）について、以下の式５を得る。

式１、式２、式３から得られる３個の円の関係は図４のようになる。特徴点１と特徴点２と測位装置１００の座標とが円周上にある円がサークル１２、特徴点２と特徴点３と測位装置１００の座標とが円周上にある円がサークル２３、特徴点３と特徴点１と測位装置１００の座標とが円周上にある円がサークル３１である。また、測位装置１００の座標と特徴点１とが線上にある直線がラインＬ_１、測位装置１００の座標と特徴点２とが線上にある直線がラインＬ_２、測位装置１００の座標と特徴点３とが線上にある直線がラインＬ_３である。

測位装置１００の座標を図４に示した２つの直線Ｌ_２、Ｌ_３の交点で表すと、測位装置１００の座標（ｘ，ｙ）は以下の式６、式７で算出することができる。
ここで、特徴点の座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）および見越角β_ｉの値は、画像処理部１２０がＳ１０４の処理で算出した値である。

また、式６、式７で算出した値を式１に代入することで方位角Φが算出できる。

上記では、画像処理部１２０が３点の特徴点について座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）および見越角β_ｉを算出できた場合について説明した。
ここで、画像処理部１２０が２点の特徴点についてしか座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）および見越角β_ｉを算出できなかった場合には、ＧＩＳ取得部１５０がＳ１０２の処理で取得した概算の方位を、上記各式の方位角Φとして使用することにより、測位装置１００の座標（ｘ，ｙ）を算出することができる。

図２において、ＧＰＳ測位システム１６０は、ＧＰＳと慣性測位システムのいずれか又はそれぞれを組み合わせて、測位装置１００の座標および方位を測位する（Ｓ１０６）。

次に、測位補正部１７０は、ＧＩＳ測位計算部１３０がＳ１０５の処理で測位した測位結果とＧＰＳ測位システム１６０がＳ１０６の処理で測位した測位結果とに基づいて測位装置１００の座標および方位を測位する（Ｓ１０７）。
このとき、測位誤差推定部１７２は各測位結果に基づいてＧＰＳ測位システム１６０の測位結果に含まれる誤差を推定する。そして、誤差補正測位部１７１は測位誤差推定部１７２が推定した誤差に基づいて、ＧＰＳ測位システム１６０の測位結果を補正して測位装置１００の測位を行う。
測位補正部１７０の各処理は、自己位置や方位角等の状態量のダイナミクスをモデル化（状態方程式の作成）し、ＩＲ画像より観測された量と状態量の関係を定式化（観測方程式の作成）し、カルマンフィルタ処理を実施することにより実行する。
また、測位補正部１７０は測位結果を表示装置１９０に出力し、表示装置１９０は測位結果に基づく表示処理を行う。

実施の形態１では、ＩＲカメラ１１１により３個以上の特徴点が観測できている場合には、ＧＩＳと組み合わせて位置と方位を推定することができることを説明した。これはＧＰＳによる自己位置とはまったく異なる方式によるものであるため、ＧＰＳに加えて誤差の補正に使用することができるほか、ＧＰＳの測位信号が全く受信できていない場合でも位置と方位を更新することができる。さらに、ＧＰＳによる測位システムでは車体に速度がない場合、方位の適切な更新はできないが、実施の形態１の方式では止まった状態でも方位の更新まで行うことができる。

また、実施の形態１では、ＩＲカメラ１１１により２個の特徴点が観測できている場合には、ＧＰＳ測位システム１６０による方位を用い、ＧＩＳと組み合わせて位置を推定することができることを説明した。これはＧＰＳによる自己位置とはまったく異なる方式によるものであるため、ＧＰＳに加えて誤差の補正に使用することができるほか、ＧＰＳの測位信号が全く受信できていない場合でも位置の更新をすることができる。

上記説明のように、測位装置１００において、ＧＩＳ測位計算部１３０がＧＩＳデータに基づいて測位する。そして、ＧＩＳ測位計算部１３０の測位結果に基づいて測位補正部１７０がカルマンフィルタ処理を行って測位誤差を推定してＧＰＳ測位システム１６０の測位結果を補正することで、精度の高い測位結果を得ることができる。
ただし、測位装置１００は、ＧＩＳ測位計算部１３０の測位結果を最終的な測位結果としてもよい。この場合、測位装置１００は測位衛星から測位信号を受信できずにＧＰＳによる測位ができなくても測位することが可能である。そのため、測位装置１００はＧＰＳ測位システム１６０を備えなくても構わない。
また、測位装置１００は、ＧＩＳ測位計算部１３０の測位結果に基づいてＧＰＳ測位システム１６０の慣性測位システムによる測位結果を補正してもよい。この場合、測位装置１００はＧＰＳによる測位結果に基づいて慣性測位システムによる測位結果を補正しなくても、精度の高い測位結果を得ることができる。また、慣性測位システムではなく、ＧＰＳによる測位結果を補正することでも精度の高い測位結果を得ることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、２点以上の特徴点について座標および見越角を取得できる場合の測位処理について説明した。
実施の形態２では、１点の特徴点についてしか座標および見越角を取得できない場合の測位処理について説明する。
以下、上記実施の形態１と異なる部分についてのみ説明し、その他の部分は上記実施の形態１と同様であるものとする。

図５は、実施の形態２における測位装置１００の構成図である。
図１に基づいて説明した上記実施の形態１の測位装置１００の構成と異なる部分について、図５に基づいて以下に説明する。その他の部分は上記実施の形態１の測位装置１００と同様である。

測位装置１００は、上記実施の形態１の測位装置１００の構成に加え、幾何学見越角計算部１４０を備える。

幾何学見越角計算部１４０は、撮像部１１０の撮像範囲にある物体の座標と測位装置１００の概算の座標とに基づいて見越角を示す見越角データ（以下、幾何学見越角とする）を算出する。

ＧＩＳ測位計算部１３０は、画像処理部１２０が算出した画像見越角および幾何学見越角計算部１４０が算出した幾何学見越角とに基づいて見越角誤差の算出を行う。

測位誤差推定部１７２はＧＩＳ測位計算部１３０が算出した見越角誤差に基づいてＧＰＳ測位システム１６０が算出した測位結果に含まれる誤差を推定する。

図６は、実施の形態２における測位処理のフローチャートである。
撮像部１１０が撮像した画像に、ＧＩＳデータが示す建物などの物体について１以上の特徴点が存在する場合の測位処理について、図６に基づいて以下に説明する。
ここで、図２に基づいて説明した上記実施の形態１の測位処理と異なる部分についてのみ説明し、その他の部分は上記実施の形態１の測位処理と同様であるものとする。

図６においてＳ３０１〜Ｓ３０３の処理は、図２のＳ１０１〜Ｓ１０３の処理に対応する。

そして、画像処理部１２０は１点の特徴点に対して画像見越角を算出する。画像見越角の算出処理は図２のＳ１０４の処理と同様である。
また、幾何学見越角計算部１４０は画像処理部１２０が画像見越角を算出した対象である特徴点の座標とＧＩＳ取得部１５０がＳ３０２の処理で取得した測位装置１００の概算の座標および方位に基づいて見越角を算出する（Ｓ３０４）。
画像見越角を算出した対象である特徴点の座標は、図３のＳ２０５の処理で特定したＧＩＳデータから取得する。

次に、ＧＩＳ測位計算部１３０は、画像処理部１２０と幾何学見越角計算部１４０とがＳ３０４の処理でそれぞれ算出した画像見越角と幾何学見越角の差を見越角誤差として算出する（Ｓ３０５）。

図６においてＳ３０６とＳ３０７の処理は、図２のＳ１０６とＳ１０７の処理に対応する。
Ｓ３０７の処理では、測位補正部１７０の測位誤差推定部１７２は、ＧＩＳ測位計算部１３０がＳ３０５の処理で算出した見越角誤差に基づいてカルマンフィルタ処理を行って誤差を推定する。誤差補正測位部１７１は測位誤差推定部１７２が推定した誤差に基づいて、ＧＰＳ測位システム１６０がＳ３０６の処理で測位した測位結果の補正を行う。

図７は、実施の形態２における測位結果の補正を示す図である。
測位装置１００の概算の座標と方位と真値の座標と方位と画像処理部１２０が算出した画像見越角と幾何学見越角計算部１４０が算出した幾何学見越角との関係を図７に示す。
図７において、概算の座標は（ｘ，ｙ）、概算の方位角はΦ、特徴点の座標は（ｘ１，ｙ１）、画像見越角はβ_ＩＲ、幾何学見越角はβ_ＧＥＯ、真値の座標は（ｘ’，ｙ’）、真値の方位角はΦ’で表す。

幾何学見越角β_ＧＥＯは以下の式８で算出することができる。

そして、見越角誤差はβ_ＩＲ−β_ＧＥＯで算出することができる。

幾何学見越角β_ＧＥＯが画像見越角β_ＩＲと異なることを示す見越角誤差は、概算の座標（ｘ，ｙ）が真値の座標（ｘ’，ｙ’）からずれていることにより発生する。
そこで、測位補正部１７０は見越角誤差を観測残差としてカルマンフィルタ処理を行う。

実施の形態２では、ＩＲカメラ１１１により１点の特徴点が観測できている場合には、１点の特徴点に対する画像見越角と幾何学見越角とを観測することにより、その見越角の差を誤差推定に用いることができることを説明した。この誤差推定はＧＰＳに加えて誤差の補正に使用することができる。

つまり、実施の形態２では、１点の特徴点についてしか座標および見越角を取得できない場合でも、見越角誤差を算出し見越角誤差に基づいてＧＰＳ測位システム１６０の測位結果の誤差を補正することで、精度の高い測位結果が得られることを説明した。

実施の形態３．
実施の形態３では、１点の特徴点の検出と１機の測位衛星からの測位信号の受信とが行える場合の測位処理について説明する。

実施の形態３における測位装置１００の構成は上記実施の形態１または上記実施の形態２と同様である。

図８は、実施の形態３における１点の特徴点と１機の測位衛星からの測位信号とに基づく測位方法を示す図である。
ＧＰＳはＧＰＳ衛星からの距離を観測することで自己位置を特定するシステムであり、通常は座標（緯度、経度、高さ）とＧＰＳ受信機の時計誤差という４つのパラメータを解くために、４つの測位衛星を観測して測位するのが一般的である。
しかし、時計の誤差が求まってしまえば、ＧＰＳ衛星からの擬似距離を計算することができ、自己位置はＧＰＳ衛星を中心とした擬似距離ρを半径とする球面のどこかであるということがわかる。また、地球の地表面上に位置するという拘束を加えることで、自己位置は地表の等擬似距離円上のどこかであるということがわかる。
次に、撮像部１１０により座標が既知である建物の特徴点を抽出し、その扇角ψを観測することができれば、自己位置は扇角ψが成す等扇角線上のどこかであることがわかる。
よって、自己位置はこの等擬似距離円と等扇角線の交差する点であることがわかる。
ここで、扇角とは、特徴点から自己位置に向かう方向と特定の方向とが成す角度である。図８において特定の方向は基準方位とする北である。

図９は、実施の形態３における測位処理のフローチャートである。
撮像部１１０が撮像した画像に、ＧＩＳデータが示す建物などの物体について１以上の特徴点が存在し、ＧＰＳ受信機１６１が１以上のＧＰＳ衛星から測位信号を受信できる場合の測位処理について、図９に基づいて以下に説明する。
ここで、図２に基づいて説明した上記実施の形態１の測位処理と異なる部分についてのみ説明し、その他の部分は上記実施の形態１の測位処理と同様であるものとする。

図９においてＳ４０１〜Ｓ４０３の処理は、図２のＳ１０１〜Ｓ１０３の処理に対応する。

そして、ＧＩＳ測位計算部１３０は１点の特徴点に対して扇角を算出する（Ｓ４０４）。

図１０は、実施の形態３における扇角算出方法を示す図である。
図１０において、方位をΦ、見越角をβ、扇角をψ、測位装置１００の座標を（ｘ，ｙ）、特徴点を（ｘ_１，ｙ_１）で表している。見越角βは上記実施の形態１および上記実施の形態２と同様にして算出する。
ＧＩＳ測位計算部１３０は、図１０に示す関係から、１８０°−（β＋Φ）を計算することで扇角ψを算出することができる。

また、ＧＰＳ測位システム１６０のＧＰＳ受信機１６１は、１以上のＧＰＳ衛星から測位信号を受信し、測位信号に基づいてＧＰＳ衛星の座標とＧＰＳ衛星に対する擬似距離（観測データ）とを算出する（Ｓ４０５）。

次に、ＧＩＳ測位計算部１３０は図８に基づいて説明した測位方法により測位を行う（Ｓ４０６）。

また、ＧＰＳ測位システム１６０は慣性測位により測位を行う（Ｓ４０７）。

そして、測位補正部１７０は、ＧＩＳ測位計算部１３０がＳ４０６の処理で測位した測位結果に基づいて、ＧＰＳ測位システム１６０がＳ４０７の処理で測位した測位結果を誤差補正する（Ｓ４０８）。

実施の形態３では、測位衛星が１機しか見えていなかったとしても、自己位置の誤差を推定するのに十分な情報を得ることができることを説明した。

つまり、実施の形態３では、ＧＰＳによる測位ができなくても、１点の特徴点と１機の測位衛星からの測位信号とに基づいて測位することができることを説明した。
また、ＧＰＳによる測位ができなくても、慣性測位による測位結果を誤差補正できることで精度の高い測位結果を得られることを説明した。

近年、夜間の歩行者等の視認性向上や障害物発見を目的として、赤外線カメラが自動車に搭載され始めている。また、工場、倉庫群、空港や港湾施設などの広い範囲の遠隔監視のために赤外線カメラを搭載した無人車両による移動監視システムなどの開発が進んでいる。一方、３次元ＧＩＳはカーナビゲーションシステムに採用され始め、今後より一層の普及が見込まれている。
そこで上記の各実施の形態では、自動車に搭載された赤外線カメラを使用して、建物と空との境界点を画像処理し、建物輪郭の特徴点を抽出し、これと建物の３次元形状データを持つ３次元ＧＩＳと組み合わせることにより、自己位置の座標、方位角及び見越角誤差を観測情報として、ＧＰＳ測位システムを補強する測位装置１００を提案した。

図１１は、実施の形態における測位装置１００のハードウェア構成図である。
図１１において、測位装置１００は、プログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）９１１を備えている。ＣＰＵ９１１は、バス９１２を介してＲＯＭ９１３、ＲＡＭ９１４、通信ボード９１５、磁気ディスク装置９２０と接続されている。
ＲＡＭ９１４は、揮発性メモリの一例である。ＲＯＭ９１３、磁気ディスク装置９２０は、不揮発性メモリの一例である。これらは、記憶装置あるいは記憶部の一例である。
通信ボード９１５は、ＬＡＮ、インターネット等に接続されている。
例えば、通信ボード９１５は、情報入出力部の一例である。

磁気ディスク装置９２０には、オペレーティングシステム（ＯＳ）９２１、プログラム群９２３、ファイル群９２４が記憶されている。プログラム群９２３は、ＣＰＵ９１１、ＯＳ９２１により実行される。

上記プログラム群９２３には、各実施の形態の説明において「〜部」、「〜システム」として説明する機能を実行するプログラムが記憶されている。プログラムは、ＣＰＵ９１１により読み出され実行される。
ファイル群９２４には、各実施の形態の説明において、「〜を判定し」、「〜を判定した結果」、「〜を計算し」、「〜を計算した結果」、「〜を処理し」、「〜を処理した結果」のような表現で説明する結果情報が、「〜ファイル」として記憶されている。
また、各実施の形態の説明において説明するフローチャートの矢印の部分は主としてデータの入出力を示し、そのデータの入出力のためにデータは、磁気ディスク装置９２０、ＦＤ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｄｉｓｋ ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）、光ディスク、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＭＤ（ミニディスク）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）、その他の記録媒体に記録される。あるいは、信号線やその他の伝送媒体により伝送される。

また、各実施の形態の説明において「〜部」、「〜システム」として説明するものは、ＲＯＭ９１３に記憶されたファームウェアで実現されていても構わない。或いは、ソフトウェアのみ、或いは、ハードウェアのみ、或いは、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせ、さらには、ファームウェアとの組み合わせで実施されても構わない。

また、各実施の形態を実施するプログラムは、磁気ディスク装置９２０、ＦＤ、光ディスク、ＣＤ、ＭＤ、ＤＶＤ、その他の記録媒体による記録装置を用いて記憶されても構わない。

実施の形態１における測位装置１００の構成図。 実施の形態１における測位処理のフローチャート。 実施の形態１における画像見越角の取得処理のフローチャート。 実施の形態１における３点の特徴点に基づく測位方法を示す図。 実施の形態２における測位装置１００の構成図。 実施の形態２における測位処理のフローチャート。 実施の形態２における測位結果の補正を示す図。 実施の形態３における１点の特徴点と１機の測位衛星からの測位信号とに基づく測位方法を示す図。 実施の形態３における測位処理のフローチャート。 実施の形態３における扇角算出方法を示す図。 実施の形態における測位装置１００のハードウェア構成図。

符号の説明

１００ 測位装置、１１０ 撮像部、１１１ ＩＲカメラ、１１２ 姿勢安定装置、１２０ 画像処理部、１２１ 画像見越角計算部、１２２ 回転補正部、１３０ ＧＩＳ測位計算部、１４０ 幾何学見越角計算部、１５０ ＧＩＳ取得部、１６０ ＧＰＳ測位システム、１６１ ＧＰＳ受信機、１６２ 運動計測センサ、１６３ ＧＰＳ測位計算部、１７０ 測位補正部、１７１ 誤差補正測位部、１７２ 測位誤差推定部、１８０ ＧＩＳデータベース、１９０ 表示装置、９１１ ＣＰＵ、９１２ バス、９１３ ＲＯＭ、９１４ ＲＡＭ、９１５ 通信ボード、９２０ 磁気ディスク装置、９２１ ＯＳ、９２３ プログラム群、９２４ ファイル群。

Claims (10)

1. 画像を撮像する撮像部と、
   前記撮像部が撮像した前記画像を示す撮像データを入力し、前記撮像データの示す画像から少なくとも３点を検出し、各点に向かう方向と前記撮像部が撮像した方向とが成す各角度を示す見越角データを算出する第１の見越角算出部と、
   前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の概算座標を示す撮像座標データと前記撮像部が撮像した方向を示す撮像方向データとを入力し、前記撮像座標データと前記撮像方向データとに基づいて前記撮像部が撮像した撮像範囲を算出し、前記第１の見越角算出部で検出した３点の座標を、各点の座標を示す物体データを記憶管理する地理情報データベースと接続して取得する地理情報取得部と、
   前記地理情報取得部が取得した前記第１の見越角算出部で検出した３点の座標と前記第１の見越角算出部が算出した前記見越角データとを入力し、前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の座標と方位を算出する座標算出部と
   を備えたことを特徴とする測位装置。
2. 画像を撮像する撮像部と、
   前記撮像部が撮像した前記画像を示す撮像データを入力し、前記撮像データの示す画像から少なくとも２点を検出し、各点に向かう方向と前記撮像部が撮像した方向とが成す各角度を示す見越角データを算出する第１の見越角算出部と、
   前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の概算座標を示す撮像座標データと前記撮像部が撮像した方向を示す撮像方向データとを入力し、前記撮像座標データと前記撮像方向データとに基づいて前記撮像部が撮像した撮像範囲を算出し、前記第１の見越角算出部で検出した２点の座標を、各点の座標を示す物体データを記憶管理する地理情報データベースと接続して取得する地理情報取得部と、
   前記地理情報取得部が取得した前記第１の見越角算出部で検出した２点の座標と前記第１の見越角算出部が算出した前記見越角データと前記撮像方向データとを入力し、前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の座標を算出する座標算出部と
   を備えたことを特徴とする測位装置。
3. 画像を撮像する撮像部と、
   前記撮像部が撮像した前記画像を示す撮像データを入力し、前記撮像データの示す画像から１点を検出し、検出した１点に向かう方向と前記撮像部が撮像した方向とが成す角度を示す見越角データを算出する第１の見越角算出部と、
   前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の概算座標を示す撮像座標データと前記撮像部が撮像した方向を示す撮像方向データとを入力し、前記撮像座標データと前記撮像方向データとに基づいて前記撮像部が撮像した撮像範囲を算出し、前記第１の見越角算出部で検出した１点の座標を、各点の座標を示す物体データを記憶管理する地理情報データベースと接続して取得する地理情報取得部と、
   前記撮像方向データと前記第１の見越角算出部が算出した前記見越角データとを入力し、前記撮像方向データの示す前記撮像部が撮像した方向と特定の方向とが成す角度と前記見越角データの示す角度とを１８０度から減算することで、前記第１の見越角算出部が検出した１点の座標からの方向と前記特定の方向とが成す角度を示す扇角データを算出する扇角算出部と、
   測位衛星との距離と前記測位衛星の座標とを示す観測データと前記地理情報取得部が取得した前記物体データと前記扇角算出部が算出した前記扇角データとを入力し、前記特定の方向から前記扇角データの示す角度を成す方向に前記第１の見越角算出部が検出した１点の座標から向かう線と、前記観測データの示す前記測位衛星の座標を中心として前記観測データの示す前記測位衛星との距離を半径とする球の球面との交点が座標を示す関係にある前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の座標を算出する座標算出部と
   を備えたことを特徴とする測位装置。
4. 前記測位装置は、さらに、
   ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）と慣性測位システムとの少なくともいずれかにより前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の座標を測位する測位部と、
   前記座標算出部が算出した座標を示す算出座標データと前記測位部が測位した座標を示す測位座標データとを入力し、前記算出座標データに基づいて前記測位座標データの示す座標を補正する座標補正部と
   を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかに記載の測位装置。
5. 画像を撮像する撮像部と、
   前記撮像部が撮像した前記画像を示す撮像データを入力し、前記撮像データの示す画像から１点を検出し、検出した１点に向かう方向と前記撮像部が撮像した方向とが成す角度を示す見越角データを算出する第１の見越角算出部と、
   前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の概算座標を示す撮像座標データと前記撮像部が撮像した方向を示す撮像方向データとを入力し、前記撮像座標データと前記撮像方向データとに基づいて前記撮像部が撮像した撮像範囲を算出し、前記第１の見越角算出部で検出した１点の座標を、各点の座標を示す物体データを記憶管理する地理情報データベースと接続して取得する地理情報取得部と、
   前記撮像座標データと前記撮像方向データと前記地理情報取得部が取得した前記物体データとを入力し、前記撮像座標データの示す前記撮像部の座標から前記第１の見越角算出部が検出した１点の座標に向かう方向と前記撮像方向データの示す前記撮像部が撮像した方向とが成す角度を示す見越角データを幾何学的に算出する第２の見越角算出部と、
   前記第１の見越角算出部が算出した見越角データと前記第２の見越角算出部が算出した見越角データとを入力し、前記第１の見越角算出部が算出した見越角データの示す見越角と前記第２の見越角算出部が算出した見越角データの示す見越角との誤差を示す見越角誤差データを算出する見越角誤差算出部と、
   前記撮像座標データと前記見越角誤差算出部が算出した前記見越角誤差データとを入力し、前記見越角誤差データの示す見越角誤差に基づいて前記撮像座標データの示す座標を補正する座標補正部と
   を備えたことを特徴とする測位装置。
6. 前記座標補正部はカルマンフィルタ処理により座標を補正することを特徴とする請求項４または請求項５記載の測位装置。
7. 撮像部が画像を撮像し、
   前記撮像部が撮像した前記画像を示す撮像データを入力し、前記撮像データの示す画像から少なくとも３点を検出し、各点に向かう方向と前記撮像部が撮像した方向とが成す各角度を示す見越角データを算出し、
   前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の概算座標を示す撮像座標データと前記撮像部が撮像した方向を示す撮像方向データとを入力し、前記撮像座標データと前記撮像方向データとに基づいて前記撮像部が撮像した撮像範囲を算出し、検出した３点の座標を、各点の座標を示す物体データを記憶管理する地理情報データベースと接続して取得し、
   前記地理情報データベースから取得した３点の座標と算出した前記見越角データとを入力し、前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の座標と方位を算出する
   ことを特徴とする測位方法。
8. 撮像部が画像を撮像し、
   前記撮像部が撮像した前記画像を示す撮像データを入力し、前記撮像データの示す画像から少なくとも２点を検出し、各点に向かう方向と前記撮像部が撮像した方向とが成す各角度を示す見越角データを算出し、
   前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の概算座標を示す撮像座標データと前記撮像部が撮像した方向を示す撮像方向データとを入力し、前記撮像座標データと前記撮像方向データとに基づいて前記撮像部が撮像した撮像範囲を算出し、検出した２点の座標を、各点の座標を示す物体データを記憶管理する地理情報データベースと接続して取得し、
   前記地理情報データベースから取得した３点の座標と算出した前記見越角データと前記撮像方向データとを入力し、前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の座標を算出する
   ことを特徴とする測位方法。
9. 撮像部が画像を撮像し、
   前記撮像部が撮像した前記画像を示す撮像データを入力し、前記撮像データの示す画像から１点を検出し、検出した１点に向かう方向と前記撮像部が撮像した方向とが成す角度を示す見越角データを算出し、
   前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の概算座標を示す撮像座標データと前記撮像部が撮像した方向を示す撮像方向データとを入力し、前記撮像座標データと前記撮像方向データとに基づいて前記撮像部が撮像した撮像範囲を算出し、検出した１点の座標を、各点の座標を示す物体データを記憶管理する地理情報データベースと接続して取得し、
   前記撮像方向データと算出した前記見越角データとを入力し、前記撮像方向データの示す前記撮像部が撮像した方向と特定の方向とが成す角度と前記見越角データの示す角度とを１８０度から減算することで、検出した１点の座標からの方向と前記特定の方向とが成す角度を示す扇角データを算出し、
   測位衛星との距離と前記測位衛星の座標とを示す観測データと取得した前記物体データと算出した前記扇角データとを入力し、前記特定の方向から前記扇角データの示す角度を成す方向に、検出した１点の座標から向かう線と、前記観測データの示す前記測位衛星の座標を中心として前記観測データの示す前記測位衛星との距離を半径とする球の球面との交点が座標を示す関係にある前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の座標を算出することを特徴とする測位方法。
10. 撮像部が画像を撮像し、
    前記撮像部が撮像した前記画像を示す撮像データを入力し、前記撮像データの示す画像から１点を検出し、検出した１点に向かう方向と前記撮像部が撮像した方向とが成す角度を示す第１の見越角データを算出し、
    前記撮像部が撮像を行った時の前記撮像部の概算座標を示す撮像座標データと前記撮像部が撮像した方向を示す撮像方向データとを入力し、前記撮像座標データと前記撮像方向データとに基づいて前記撮像部が撮像した撮像範囲を算出し、検出した１点の座標を、各点の座標を示す物体データを記憶管理する地理情報データベースと接続して取得し、
    前記撮像座標データと前記撮像方向データと取得した前記物体データとを入力し、前記撮像座標データの示す前記撮像部の座標から検出した１点の座標に向かう方向と前記撮像方向データの示す前記撮像部が撮像した方向とが成す角度を示す第２の見越角データを幾何学的に算出し、
    前記第１の見越角データと前記第２の見越角データとを入力し、前記第１の見越角データの示す見越角と前記第２の見越角データの示す見越角との誤差を示す見越角誤差データを算出し、
    前記撮像座標データと前記見越角誤差データとを入力し、前記見越角誤差データの示す見越角誤差に基づいて前記撮像座標データの示す座標を補正する
    ことを特徴とする測位方法。