JP2009014588A - 追尾照準装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像処理に要する時間が多大になることによって発生する照準方向のずれ量を除去して高精度に目標物を追尾できる追尾照準装置。
【解決手段】照準軸が目標物に向くように照準方向を合わせて光を照射する照準器１と、照準器から光が照射された目標物からの反射光を撮像面に結像させることにより該目標物を撮像する撮像器２と、撮像器によって撮像された画像に基づき撮像器および照準器の指向方向を算出する制御器５と、制御器によって算出された指向方向に照準器および撮像器を一体として駆動して位置決めを行う位置決め機構４とを備えた追尾照準装置において、制御器は、指向方向を算出する間に目標物の相対位置が変化することによる照準方向のずれ量を、現在の目標物の位置および直前の目標物の位置に基づき補正量として算出し、該算出した補正量に基づき照準器の照準方向を補正する照準制御部１３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、目標物を撮像し、この撮像した目標物に照準方向を合わせて追尾する追尾照準装置に関し、特に目標物に合わせる照準方向を補正する技術に関する。

従来、撮像器を用いて目標物を撮像し、この撮像した目標物に照準器の照準方向を合わせて目標を追尾する追尾照準装置が知られている。この追尾照準装置においては、目標物を撮像器で撮像することにより得られた画像を制御器で処理することにより目標方向を特定し、照準器および撮像器を目標物に指向させるように構成されている。

なお、追尾照準装置に関連する技術として、特許文献１は、機械的なジンバルによる空間安定機構を電子的な追尾ループに置き換える際の追尾誤差をゼロにするように処理エリアの読出アドレスを制御する飛しょう体の誘導装置を開示している。
特許第２７０７８７２号公報

ところで、従来の追尾照準装置において行われている、撮像により得られた画像に基づき目標方向を算出する画像処理は、一般に、演算量が多大で、演算に要する時間も多大である。

したがって、追尾照準装置によって追尾および照準する対象の目標物の移動速度が高速である場合、遠方の目標物または小さい目標物に照準方向を合わせる必要のために高い精度が要求される場合、あるいは、追尾照準装置が搭載されている機器が高速で移動する場合などは、制御器で画像処理を行っている間に、追尾照準装置から見た目標物の照準方向にずれが発生する。

すなわち、照準する時点での照準方向には目標物は既に存在していないという状況が発生し、このずれ量を無視できず、最悪の場合には追尾制御ができなくなるという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、画像処理に要する時間が多大になることによって発生する照準方向のずれ量を除去して高精度に目標物を追尾することができる追尾照準装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１は、照準軸が目標物に向くように照準方向を合わせて光を照射する照準器と、照準器から光が照射された目標物からの反射光を撮像面に結像させることにより該目標物を撮像する撮像器と、撮像器によって撮像された画像に基づき撮像器および照準器の指向方向を算出する制御器と、制御器によって算出された指向方向に照準器および撮像器を一体として駆動して位置決めを行う位置決め機構とを備えた追尾照準装置において、制御器は、指向方向を算出する間に目標物の相対位置が変化することによる照準方向のずれ量を、現在の目標物の位置および直前の目標物の位置に基づき補正量として算出し、該算出した補正量に基づき照準器の照準方向を補正する照準制御部を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の追尾照準装置において、前記制御器は、下記式に基づき補正量ΔＰiを算出し、
ΔＨi＝Ｋrｈ（１−ｒi-1／ｒi）（Ｈi−Ｈ0）＋Ｋθｈ（θi−θi-1）（−Ｖ0＋Ｖi）
ΔＶi＝Ｋrｖ（１−ｒi-1／ｒi）（Ｖ0−Ｖi）＋Ｋθｖ（θi−θi-1）（Ｈi−Ｈ0） ・・・（４）
ここで、Ｋrｈ_，ＫrｖおよびＫθｈ，Ｋθｖは補正ゲイン、（Ｈ0，Ｖ0）は撮像器画像における視軸中心座標、（Ｈi，Ｖi）は撮像時点の目標物の方向の座標、ｒiおよびｒi-1は撮像時点およびその直前の時点での指向方向誤差の大きさ、θiおよびθi-1は撮像時点およびその直前の時点での指向方向誤差の方向であり、該算出した補正量に基づき前記照準器の照準方向を補正することを特徴とする。

本発明によれば、制御器が指向方向を算出する間に目標物の相対位置が変化することによる照準方向のずれ量を、現在の目標物の位置および直前の目標物の位置に基づき補正量として算出し、該算出した補正量に基づき照準器の照準方向を補正するので、画像処理に要する時間が多大になることによって発生する照準方向のずれ量を除去して高精度に目標物を追尾することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る追尾照準装置の構成を示す図である。この追尾照準装置は、照準器１、撮像器２、位置決め機構４および制御器５から構成されている。

照準器１は、例えばレーザ装置から構成されており、目標物１０に向けて、つまり目標物１０に照準方向を合わせてレーザ光を照射する。この際、制御器５において、その演算時間の間に目標物が移動することを予測して算出された照準方向補正信号に応じて、補正すべき照準方向のずれ量だけ補正した方向に照準方向を補正してレーザ光を照射する。

撮像器２は、照準器１と一体に駆動されるように配置されており、目標物１０を撮像する。この撮像器２は、撮像素子２ａとレンズ２ｃとを備えており、照準器１によってレーザ光が照射された目標物１０からの反射光はレンズ２ｃで集光され、撮像素子２ａの撮像面２ｂに結像される。

この撮像器２の撮像面２ｂに反射光が垂直に入力される方向を視軸方向といい、この視軸方向と上記照準方向とは平行になるように調整されている。撮像素子２ａは、撮像面２ｂに結像された目標物１０の像を電気信号に変換し、画像データとして制御器５に送る。

位置決め機構４は、制御器５から送られてくる追尾誤差信号に応じて、照準器１および撮像器２を一体として動かし、照準器１の照準方向が目標物１０の方向へ指向するように位置決めを行う。

制御器５は、撮像器２から送られてくる画像データに基づいて、上述した追尾誤差信号を生成して位置決め機構４に送るとともに、照準方向補正信号を生成して照準器１に送る（詳細は後述する）。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る追尾照準装置の動作を、図２および図３に示した説明図を参照しながら説明する。制御器５は、機能的な構成要素として、画像処理部１１、追尾制御部１２および照準制御部１３を備えている。

まず、撮像器２は、目標物１０を撮像し、画像データとして制御器５に送る。制御器５の内部の画像処理部１１は、撮像器２から受け取った画像データに基づき、撮像器２の視軸方向に対する目標物の方向、すなわち、目標方向誤差を算出し、追尾制御部１２および照準制御部１３に送る。

追尾制御部１２は、画像処理部１１から受け取った目標方向誤差をゼロに近づけるような追尾誤差信号を生成して位置決め機構４に送る。これにより、照準器１および撮像器２が駆動され、撮像器２の視軸方向が目標物１０の方向に指向するように位置決めされる。すなわち、撮像器２の視軸方向が、撮像器２に反映され、次の撮像が行われることになる。

また、照準制御部１３は、画像処理部１１から受け取った目標方向誤差に対し、目標物１０の移動を予測した補正量を加えた照準方向補正信号を生成し、照準器１に送る。これにより、位置決め機構４により決定された撮像器２の視軸方向に、照準器１の照準方向の補正量が加えられ、照準器１による照準方向が決定される。

図３は、撮像器２から得られた画像データに基づき生成された撮像器画像を示す。この撮像器画像において、目標物１０の方向、つまり撮像時点の目標物１０の方向（照準方向）はＰi、照準器１および撮像器２の目標物１０に対する指向方向誤差の大きさはｒi、指向方向誤差の方向はθiとして表されている。

従来の追尾照準装置においては、照準器１からの照準方向は、これら指向方向誤差ｒiおよび指向方向誤差の方向θiから成る目標方向誤差を解消する方向に照準されている。

ところが、撮像器２で撮像することにより得られた画面データから追尾照準方向を算出する制御器５の演算時間の間に、目標物１０または追尾照準装置自身が移動することによって、照準時点における目標物１０の方向はＱiに移動している。

そこで、本発明の実施例１に係る追尾照準装置では、この目標方向のずれ（Ｑi−Ｐi）を補正する。目標物１０の運動を撮像器画像内の２次元の運動とみなし、目標方向のずれの大きさが視軸中心Ｏと目標物１０の方向との間の距離で表されることから、目標物１０の運動方程式を２次元の極座標系で表し、撮像時点から見た将来の時点である照準時点における目標物の位置を、撮像時点の目標物１０の速度近似値に基づき、以下のように推定する。

今、照準方向の補正量をΔＰi、補正ゲインをＫrおよびＫ_θ、撮像器画像における視軸中心座標を（Ｈ0，Ｖ0）、撮像時点の目標物１０の方向の座標を（Ｈi，Ｖi）、撮像時点およびその直前の時点での指向方向誤差の大きさをそれぞれｒiおよびｒi-1、撮像時点およびその直前の時点での指向方向誤差の方向をそれぞれθiおよびθi-1とすると、撮像時点の目標物１０の方向（照準方向）Ｐiは、次式で表される。

制御器５の照準制御部１３は、上記（４）式により算出された補正量ΔＰｉに基づき照準方向補正信号を生成し、照準器１に送る。これにより、照準器１は、補正すべき照準方向のずれ量だけ補正した方向に照準方向を補正して目標物１０にレーザ光を照射する。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る追尾照準装置によれば、制御器５が指向方向を算出する間に目標物の相対位置が変化することによる照準方向のずれ量を、現在の目標物の位置および直前の目標物の位置に基づき、上記（１）式にしたがって補正量として算出し、該算出した補正量に基づき照準器の照準方向を補正するので、画像処理に要する時間が多大になることによって発生する照準方向のずれ量を除去して高精度に目標物を追尾することができる。

本発明は、目標物が追尾照準装置に対して相対的に高速で移動したり、遠方の目標物または小さい目標物に照準方向を合わせる必要のために高い精度が要求される追尾照準装置に利用可能である。

本発明の実施例１に係る追尾照準装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る追尾照準装置の追尾照準制御動作を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る追尾照準装置において行われる照準補正動作を撮像器画面を用いて説明する図である。

符号の説明

１ 照準器
２ 撮像器
２ａ 撮像素子
２ｂ 撮像面
２ｃ レンズ
４ 位置決め機構
５ 制御器
１０ 目標物
１１ 画面処理部
１２ 追尾制御部
１３ 照準制御部

Claims (3)

1. 照準軸が目標物に向くように照準方向を合わせて光を照射する照準器と、
   前記照準器から光が照射された目標物からの反射光を撮像面に結像させることにより該目標物を撮像する撮像器と、
   前記撮像器によって撮像された画像に基づき前記撮像器および照準器の指向方向を算出する制御器と、
   前記制御器によって算出された指向方向に前記照準器および撮像器を一体として駆動して位置決めを行う位置決め機構とを備えた追尾照準装置において、
   前記制御器は、指向方向を算出する間に目標物の相対位置が変化することによる照準方向のずれ量を、現在の目標物の位置および直前の目標物の位置に基づき補正量として算出し、該算出した補正量に基づき前記照準器の照準方向を補正する照準制御部と、
   を備えたことを特徴とする追尾照準装置。
2. 前記制御器は、下記式に基づき補正量（ΔＨi，ΔＶｉ）を算出し、
   ΔＨi＝Ｋrｈ（１−ｒi-1／ｒi）（Ｈi−Ｈ0）＋Ｋθｈ（θi−θi-1）（−Ｖ0＋Ｖi）
   ΔＶi＝Ｋrｖ（１−ｒi-1／ｒi）（Ｖ0−Ｖi）＋Ｋθｖ（θi−θi-1）（Ｈi−Ｈ0） ・・・（４）
   ここで、Ｋrｈ_，ＫrｖおよびＫθｈ_，Ｋθｖは補正ゲイン、（Ｈ0，Ｖ0）は撮像器画像における視軸中心座標、（Ｈi，Ｖi）は撮像時点の目標物の方向の座標、ｒiおよびｒi-1は撮像時点およびその直前の時点での指向方向誤差の大きさ、θiおよびθi-1は撮像時点およびその直前の時点での指向方向誤差の方向であり、
   該算出した補正量に基づき前記照準器の照準方向を補正することを特徴とする請求項１記載の追尾照準装置。
3. 前記式によって補正した照準方向と現在の照準方向を基に、再び前記式によって補正を行った補正量に基づき前記照準器の照準方向を補正することを特徴とする請求項２記載の追尾照準装置。

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