JP2008281380A - 三次元センサのデータ補正装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】陸上に三次元センサを設置し、海面上の物体を検知・計測する場合に、基準平面を自動で補正でき、三次元センサをそれぞれ別の位置に設置し、複数の三次元センサを併用する場合に、各センサの座標系を共通のグローバル座標系に自動で調整できる三次元センサのデータ補正装置及び方法を提供する。
【解決手段】緯度・経度取得手段２２、日時取得手段２４、潮位計算手段２６、および三次元座標補正手段２８を備え、潮位計算手段２６で算出した潮位を用いて三次元センサ１０の座標データを補正する。また方位取得手段３２、および三次元座標基準設定手段３４を備え、緯度・経度、方位、水準面からの高さ、水準面からの傾き量（ピッチ、ロール）が把握できるため、グローバル座標系自身の三次元座標の基準を、グローバル座標系に合うよう自動設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザレーダ装置、ミリ波レーダ、ステレオカメラ等の三次元センサによる三次元座標データを補正する三次元センサのデータ補正装置及び方法に関する。

レーザレーダ装置、ミリ波レーダ、ステレオカメラ等の三次元センサは、離れた位置から対象物の三次元座標（位置や形状）を計測することができる。
このうち、レーザレーダ装置は、計測対象物にレーザ光を投光して反射光を受光し、投光と受光の時間差から対象物までの距離や対象物の形状等を検出する装置であり、遠距離から計測対象物の三次元計測が可能である。

かかる三次元センサを用いて海上の船舶等を監視する手段として、例えば特許文献１が開示されている。
特許文献１の「監視システム及び監視方法」は、接近してくる船や人や車、飛行機等の海上、陸上、空中の監視を目的とする。
そのため、この発明の監視システムは、図８に示すように、港湾内外を監視する少なくとも１以上の監視用レーザレーダ装置５１を有し、昼夜間を問わず、港湾に入港する船舶５２の詳細な情報を取得し、船名や識別番号等を確認し、船舶を指定しての通信を可能とし、船舶の出入港の管理を容易にするものである。

特開２００５−２０８０１１号公報、「監視システム及び監視方法」

一般的に、三次元センサで取得した三次元情報を用いて、物体の検知や位置計測等を行う場合、地面や床面などを基準平面として、そこから一定以上の高さのあるものを検出するといった処理が行なわれる。
しかし、陸上（例えば移動体）に三次元センサを設置し、海面上の物体を検知・計測する場合、潮位の変動によって基準平面である海面が上下してしまうため、同様の処理を行うことができないという問題がある。そのため、海面と海面上の船舶等の識別ため、海面高さをその都度基準平面として入力する必要があった。

一方、三次元センサをそれぞれ別の移動体に設置し、複数の三次元センサを併用する場合は、一般的に各センサの座標系を共通のグローバル座標系に合わせるよう計測時にその都度調整を行う必要がある。
しかし、グローバル座標系の設定項目が位置Ｘ，Ｙ，Ｚと角度θ，φ，ψの６項目あり多いため、設定作業が煩雑であるという問題がある。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的は、陸上（例えば移動体）に三次元センサを設置し、海面上の物体を検知・計測する場合に、基準平面を自動で補正できる三次元センサのデータ補正装置及び方法を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、三次元センサの座標系をグローバル座標系に自動で調整できる三次元センサのデータ補正装置及び方法を提供することにある。

本発明によれば、陸上から海面上の対象物を計測する三次元センサのデータ補正装置であって、
三次元センサが設置されている緯度・経度を取得する緯度・経度取得手段と、
計測時の日時を取得する日時取得手段と、
潮位を計算する潮位計算手段と、
三次元座標補正手段とを備え、
潮位計算手段により、緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、算出した潮位を用いて三次元座標補正手段により三次元センサの座標データを補正する、ことを特徴とする三次元センサのデータ補正装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記三次元座標補正手段により、算出した潮位を用いて三次元センサの原点を海面位置に補正する。

また、前記三次元座標補正手段により、算出した潮位を用いて三次元センサの原点と海面高さの差により検出閾値を補正する。

また本発明によれば、陸上から海面上の対象物を計測する三次元センサのデータ補正方法であって、
三次元センサが設置されている緯度・経度を取得し、
計測時の日時を取得し、
緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、算出した潮位を用いて三次元センサの座標データを補正する、ことを特徴とする三次元センサのデータ補正方法が提供される。

また本発明によれば、陸上から海面上の対象物を計測する三次元センサのデータ補正装置であって、
三次元センサが設置されている緯度・経度を取得する緯度・経度取得手段と、
計測時の日時を取得する日時取得手段と、
方位を取得する方位取得手段と、
潮位を計算する潮位計算手段と、
三次元座標基準設定手段とを備え、
潮位計算手段により、緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、
三次元座標基準設定手段により、緯度・経度からグローバル座標系の水平位置Ｘ，Ｙを設定し、方位からグローバル座標系の方位角ψを設定し、
計測された計測海面の傾きから、グローバル座標系のピッチ角θとロール角φを設定し、
設定したピッチ角θとロール角φを用いて計測海面を水平に補正し、補正した補正海面と前記算出潮位との海面高さの差からグローバル座標系の高さ位置Ｚを設定する、ことを特徴とする三次元センサのデータ補正装置が提供される。

また本発明によれば、陸上から海面上の対象物を計測する三次元センサのデータ補正方法であって、
三次元センサが設置されている緯度・経度を取得してこれからグローバル座標系の水平位置Ｘ，Ｙを設定し、
方位を取得してこれからグローバル座標系の方位角ψを設定し、
計測時の日時を取得して、前記緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、
計測された計測海面の傾きから、グローバル座標系のピッチ角θとロール角φを設定し、
計測時の日時を取得して、前記緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、設定したピッチ角θとロール角φを用いて計測海面を水平に補正し、
補正した補正海面と前記算出潮位との海面高さの差からグローバル座標系の高さ位置Ｚを設定する、ことを特徴とする三次元センサのデータ補正方法が提供される。

上記本発明の第１の装置及び方法によれば、陸上（例えば移動体）に三次元センサを設置し、海面上の物体を検知・計測する場合であっても、緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、算出した潮位を用いて三次元センサの座標データを補正するので、海面を基準平面として、基準平面を自動で補正できる。

また、上記本発明の第２の装置及び方法によれば、三次元センサをそれぞれ別の位置（例えば移動体）に設置し、複数の三次元センサを併用する場合であっても、緯度・経度からグローバル座標系の水平位置Ｘ，Ｙを設定し、方位からグローバル座標系の方位角ψを設定することができる。
さらに、計測された計測海面と潮位から算出された算出海面とから、グローバル座標系のピッチ角θとロール角φと、補正した補正海面と前記算出海面との海面高さの差からグローバル座標系の高さ位置Ｚを設定することができる。従って、各センサの座標系を共通のグローバル座標系に自動で調整できる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

本発明を適用する三次元センサは、陸上から海面上の対象物を計測するものであり、レーザレーダ装置に限定されず、ミリ波レーダ、ステレオカメラ、その他の三次元センサであってもよい。

図１は、本発明のデータ補正装置を内蔵した三次元センサの全体構成例である。この例において三次元センサ１０は、レーザレーダ装置であり、レーザ発振器１２、投光器１４、受光器１６、距離演算器１８及び制御器１９を備える。

レーザ発振器１２は、レーザ光１を所定の周期で発振又は変調する。レーザ光１はパルスレーザ光であるのが好ましいが、変調された変調レーザ光であってもよい。このレーザ発振器１２は、制御器１９からの制御信号５ａにより、パルスレーザ光の発振タイミングとパルス周期、又は連続レーザ光の変調周期と位相を自由に制御できるようになっている。

投光器１４は、レーザ発振器１２からのレーザ光１を所定の計測領域に向けて空間的に走査しながら投光する。以下、投光されるレーザ光を「投光レーザ光」と呼ぶ。
この例において、投光器１４は、レーザ光１を反射して、投光レーザ光２を所定の計測領域に向けて１次元的または２次元的にスキャン可能な光学スキャナ装置である。光学スキャナ装置としては、微細なＭＥＭＳミラーやポリゴンスキャナ、ガルバノスキャナなどを用いることができる。
制御器１９からの速度指令６により、光学スキャナ装置のスキャン速度をリアルタイムに変更できるようになっている。また、光学スキャナ装置の角度情報７は、制御器１９に通知される。

受光器１６は、計測領域で反射されたレーザ光（以下、「受光レーザ光」と呼ぶ）を受光する。受光レーザ光３の受光タイミング８は、距離演算器１８に通知される。

距離演算器１８は、制御器１９からの制御信号５ｂと受光タイミング８から、投光し受光したレーザ光（投光レーザ光２と受光レーザ光３）の時間差を求め、これから距離データ９を算出する。算出された距離データ９は、制御器１９に通知される。
なお、光学スキャナの動作速度を変更する場合には、パルスレーザによる測距方式だけでなく、変調レーザによる位相差方式による測距も可能である。

制御器１９は、レーザ発振器１２、投光器１４、および距離演算器１８を制御し、距離演算器１８で得られた距離データ９に基づき、計測領域に向けて走査するレーザ光（投光レーザ光２）の走査ピッチを変更し、制御信号５ａ、５ｂ及び速度指令６として出力する。
また、制御器１９は、光学スキャナのスキャン角度７と、距離演算器１８から受信した距離データ９とから、角度距離情報を生成し、計測データ１１（二次元データまたは三次元データ）として図示しない出力装置（表示装置、記憶装置、制御装置等）に出力する。

図１の制御器１９は、本発明による三次元センサのデータ補正装置２０を備える。図２は、本発明のデータ補正装置の第１実施形態図である。この図において、本発明のデータ補正装置２０は、緯度・経度取得手段２２、日時取得手段２４、潮位計算手段２６、および三次元座標補正手段２８を備える。

緯度・経度取得手段２２は、例えばＧＰＳ（全地球測位システム）であり、三次元センサ１０が設置されている緯度・経度を取得する。センサの設置箇所が移動しない場合は、予め緯度と経度を固定値として設定しておくことでも良い。

日時取得手段２４は、例えば電波時計であり、計測時の日時を取得する。内蔵の時計などにより現在の日時値を取得しても、内部に時計を持たず、外部の基準時計を参照して日時値を取得しても良い。

潮位計算手段２６は、太陽と月の運動から潮位を計算する周知の計算プログラムを有し、緯度・経度および計測時の日時から計測領域、又はセンサが設置されている位置近傍の潮位を算出する。

三次元座標補正手段２８は、例えばコンピュータであり、潮位計算手段２６で算出した潮位を用いて三次元センサ１０の座標データを補正するようになっている。

図３は、三次元座標補正手段２８による補正を模式的に示す図である。
図３Ａに示すように、グローバル座標系の３次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚにおいて、海面を基準平面とし、海面をＺ＝０のＸ−Ｙ平面（水平面）に設定して、そこから一定以上の高さのあるもの（検知・計測対象物）を検出する処理を行う場合を想定する。

図３Ｂに示すように、例えば潮位が上昇すると、海面がＺ＝０を満たさなくなり、Ｚ＝０の基準面から一定以上の高さのあるものとして、検知・計測対象物以外に海面及び波等も検出してしまい、検知・計測対象物を検出する処理が困難となる。

この場合、図３Ｃに示すように、三次元座標補正手段２８により、算出した潮位を用いて三次元センサの原点を海面位置に補正することにより、図３Ａの状態となり、海面をＺ＝０のＸ−Ｙ平面（水平面）に設定して、そこから一定以上の高さのあるもの（検知・計測対象物）を検出する処理を行うことができる。

図４は、三次元座標補正手段２８による補正を模式的に示す別の図である。
図４Ａに示すように、グローバル座標系の３次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚにおいて、海面を基準平面とし、海面をＺ＝０のＸ−Ｙ平面（水平面）に設定する。

図４Ｂに示すように、Ｚ＝Ｚ０の閾値平面を設定して、閾値平面以上の高さのあるもの（検知・計測対象物）を検出する処理を行う場合を想定する。

図４Ｃに示すように、例えば潮位が上昇すると、海面が閾値平面以上の高さとなり、閾値平面以上の高さのあるものとして、検知・計測対象物以外に海面及び波等も検出してしまい、検知・計測対象物を検出する処理が困難となる。

この場合、図４Ｄに示すように、三次元座標補正手段２８により、算出した潮位を用いて三次元センサの原点と海面高さの差により閾値を補正することにより、図４Ａの状態となり、海面をＺ＝０のＸ−Ｙ平面（水平面）に設定して、そこから一定以上の高さのあるもの（検知・計測対象物）を検出する処理を行うことができる。

上述した装置を用い、本発明のデータ補正方法は、三次元センサ１０が設置されている緯度・経度を取得し、計測時の日時を取得し、緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、算出した潮位を用いて三次元センサ１０の座標データを補正する。

上述した本発明の第１実施形態の装置及び方法によれば、陸上（例えば移動体）に三次元センサ１０を設置し、海面上の物体を検知・計測する場合であっても、緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、算出した潮位を用いて三次元センサの座標データを補正するので、海面を基準平面として、基準平面を自動で補正できる。

図５は、本発明のデータ補正装置の第２実施形態図である。この図において、本発明のデータ補正装置３０は、緯度・経度取得手段２２、日時取得手段２４、潮位計算手段２６、方位取得手段３２、および三次元座標基準設定手段３４を備える。

緯度・経度取得手段２２は、例えばＧＰＳ（全地球測位システム）であり、三次元センサ１０が設置されている緯度・経度を取得する。センサの設置箇所が移動しない場合は、予め緯度と経度を固定値として設定しておくことでも良い。

日時取得手段２４は、例えば電波時計であり、計測時の日時を取得する。内蔵の時計などにより現在の日時値を取得しても、内部に時計を持たず、外部の基準時計を参照して日時値を取得しても良い。

潮位計算手段２６は、太陽と月の運動から潮位を計算する周知の計算プログラムを有し、緯度・経度および計測時の日時から計測領域、又はセンサが設置されている位置近傍の潮位を算出する。

方位取得手段３２は、例えば、ジャイロ・コンパスであり、方位を取得する。

三次元座標基準設定手段３４は、例えばコンピュータであり、緯度・経度からグローバル座標系の水平位置Ｘ，Ｙを設定する。また、方位からグローバル座標系の方位角ψを設定する。
また、三次元座標基準設定手段３４は、計測された計測海面と潮位から算出された算出海面との相対角度から、グローバル座標系のピッチ角θとロール角φを設定する。
さらに、三次元座標基準設定手段３４は、設定したピッチ角θとロール角φを用いて計測海面を水平に補正し、補正した補正海面と前記算出海面との海面高さの差からグローバル座標系の高さ位置Ｚを設定するようになっている。

この三次元座標基準設定手段３４により、海面を計測した三次元情報から近似平面を算出する。その平面の傾き量から、自身の傾き量（ピッチとロール）を把握する。またその平面から鉛直方向への自身の距離を算出し、その時点での潮位をオフセットとして加算する。加算結果を自身の高さ情報とすることにより潮位０ｃｍを基準とした絶対高さを把握することができる。

上述した装置を用い、本発明のデータ補正方法は、以下の各ステップからなる。図６は、本発明の方法のステップＳ４の模式図であり、図７は本発明の方法のステップＳ５，Ｓ６の模式図である。

（Ｓ１）三次元センサ１０が設置されている緯度・経度を取得してこれからグローバル座標系の水平位置Ｘ，Ｙを設定する。
（Ｓ２）方位を取得してこれからグローバル座標系の方位角ψを設定し、計測時の日時を取得する。
（Ｓ３）前記緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出する。
（Ｓ４）計測された計測海面と潮位から算出された算出海面との相対角度から、グローバル座標系のピッチ角θとロール角φを設定する。
（Ｓ５）設定したピッチ角θとロール角φを用いて計測海面を水平に補正する。
（Ｓ６）補正した補正海面と前記算出海面との海面高さの差からグローバル座標系の高さ位置Ｚを設定する。

以上により緯度・経度、方位、水準面からの高さ、水準面からの傾き量（ピッチ、ロール）が把握できるため、グローバル座標系自身の三次元座標の基準を、グローバル座標系に合うよう自動設定する。

上述した本発明の第２実施形態の装置及び方法によれば、三次元センサ１０をそれぞれ別の位置（例えば移動体）に設置し、複数の三次元センサを併用する場合であっても、緯度・経度からグローバル座標系の水平位置Ｘ，Ｙを設定し、方位からグローバル座標系の方位角ψを設定することができる。

さらに、計測された計測海面と潮位から算出された算出海面とから、グローバル座標系のピッチ角θとロール角φと、補正した補正海面と前記算出海面との海面高さの差からグローバル座標系の高さ位置Ｚを設定することができる。従って、各センサの座標系を共通のグローバル座標系に自動で調整できる。
なお、この自動調整方法は、複数のセンサに限ったものでない。例えばセンサ１台を固定設置した場合でも、ロール、ピッチの自動調整は水平面出しをするのに有効となる。他の座標情報についても、グローバル座標系と合わせてあると、直感的に操作者が分かりやすくなる効果がある。例えば実世界での北方向が、センサの値でも北と示される。また、１台のセンサを移動させながら、各所でグローバル座標系に合わせてから計測するといった使い方にも適する。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明のデータ補正装置を内蔵した三次元センサの全体構成例である。 本発明のデータ補正装置の第１実施形態図である。 三次元座標補正手段２８による補正を模式的に示す図である。 三次元座標補正手段２８による補正を模式的に示す別の図である。 本発明のデータ補正装置の第２実施形態図である。 本発明の方法のステップＳ４の模式図である。 本発明の方法のステップＳ５，Ｓ６の模式図である。 特許文献１の「監視システム及び監視方法」の模式図である。

符号の説明

１ レーザ光、２ 投光レーザ光、３ 受光レーザ光、
５ａ，５ｂ 制御信号、６ 速度指令、７ 角度情報、
８ 受光タイミング、９ 距離データ、
１０ レーザレーダ装置、１１ 計測データ、
１２ レーザ発振器、１４ 投光器、１６ 受光器、
１８ 距離演算器、１９ 制御器、
２０ データ補正装置、２２ 緯度・経度取得手段、
２４ 日時取得手段、２６ 潮位計算手段、
２８ 三次元座標補正手段、
３０ データ補正装置、３２ 方位取得手段、
３４ 三次元座標基準設定手段

Claims (6)

1. 陸上から海面上の対象物を計測する三次元センサのデータ補正装置であって、
   三次元センサが設置されている緯度・経度を取得する緯度・経度取得手段と、
   計測時の日時を取得する日時取得手段と、
   潮位を計算する潮位計算手段と、
   三次元座標補正手段とを備え、
   潮位計算手段により、緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、算出した潮位を用いて三次元座標補正手段により三次元センサの座標データを補正する、ことを特徴とする三次元センサのデータ補正装置。
2. 前記三次元座標補正手段により、算出した潮位を用いて三次元センサの原点を海面位置に補正する、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元センサのデータ補正装置。
3. 前記三次元座標補正手段により、算出した潮位を用いて三次元センサの原点と海面高さの差により検出閾値を補正する、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元センサのデータ補正装置。
4. 陸上から海面上の対象物を計測する三次元センサのデータ補正方法であって、
   三次元センサが設置されている緯度・経度を取得し、
   計測時の日時を取得し、
   緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、算出した潮位を用いて三次元センサの座標データを補正する、ことを特徴とする三次元センサのデータ補正方法。
5. 陸上から海面上の対象物を計測する三次元センサのデータ補正装置であって、
   三次元センサが設置されている緯度・経度を取得する緯度・経度取得手段と、
   計測時の日時を取得する日時取得手段と、
   方位を取得する方位取得手段と、
   潮位を計算する潮位計算手段と、
   三次元座標基準設定手段とを備え、
   潮位計算手段により、緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、
   三次元座標基準設定手段により、緯度・経度からグローバル座標系の水平位置Ｘ，Ｙを設定し、方位からグローバル座標系の方位角ψを設定し、
   計測された計測海面の傾きから、グローバル座標系のピッチ角θとロール角φを設定し、
   設定したピッチ角θとロール角φを用いて計測海面を水平に補正し、補正した補正海面と前記算出潮位との海面高さの差からグローバル座標系の高さ位置Ｚを設定する、ことを特徴とする三次元センサのデータ補正装置。
6. 陸上から海面上の対象物を計測する三次元センサのデータ補正方法であって、
   三次元センサが設置されている緯度・経度を取得してこれからグローバル座標系の水平位置Ｘ，Ｙを設定し、
   方位を取得してこれからグローバル座標系の方位角ψを設定し、
   計測された計測海面の傾きから、グローバル座標系のピッチ角θとロール角φを設定し、
   計測時の日時を取得して、前記緯度・経度および計測時の日時から計測領域の潮位を算出し、設定したピッチ角θとロール角φを用いて計測海面を水平に補正し、
   補正した補正海面と前記算出潮位との海面高さの差からグローバル座標系の高さ位置Ｚを設定する、ことを特徴とする三次元センサのデータ補正方法。

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