JP2010276772A - 自律型撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ジンバル機構を用いない、低コストで簡単な構造によって、周囲の画像撮影が可能な自律型撮像装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 中空の球形外殻から構成された球状フレーム１と、球状フレーム１の内部に固定されたカメラ２と、球状フレーム１の内部に分散して配置され液量調整により重心位置を変化させる複数の液量調整機構５乃至１２と、姿勢を検出する姿勢角センサ１４と、姿勢角センサ１４の出力情報に基づいて球状フレーム１の姿勢を変化させる制御回路１５を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、撮像装置の視線方向を自律的に変化させて、周囲の撮像を行う自律型撮像装置に関するものである。

従来、海上に無人機を浮かべ、信号無線による陸上からの遠隔操作によって、音響測深機による測量調査を行う、自律型調査装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この自律型調査装置には撮像装置が搭載されておらず、海面上の目標物を無人で撮影することはできない。

一方、多軸のジンバル機構から成る自律型撮像装置を船舶に設置し、ジンバル機構や撮像装置を遠隔操作で制御することにより、撮像装置の撮影画像から海上監視を行う監視装置が利用されている。この自律型撮像装置では、ヨー方向に回転するアウタジンバルの内側に、インナジンバルをピッチ方向に回転可能に軸支し、インナジンバルの内側に撮像装置を設けることで多軸のジンバル機構を構成し、撮像装置の視線方向をヨーおよびピッチの２軸周りに回転移動させることができる（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−１８０６６９号公報

特開平１１−３４１４８７号公報

従来の自律型撮像装置は船舶に搭載され、遠隔操作で撮像装置を駆動制御することによって、撮影画像を利用した海上監視や海上調査が行われている。しかし、船舶の航海には、人手と高いコストがかかるので、無人で海上撮影や海上調査を行う自律型撮像装置が望まれていた。

また、無人の自律型撮像装置であっても、従来の多軸のジンバル機構から成る自律型撮像装置は、撮像装置の視線方向を空間的に安定化させるために、撮像装置の駆動系を構成する多くの構成部品と、複雑な駆動機構により構成されていた。特に、海上で利用される場合、海上の厳しい波浪環境下で使用されることから、多軸のジンバル機構を防水構造とするために複雑な構造となり、整備性が悪く、高コストであった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、低コストで簡単な構造によって、周囲の画像撮影が可能な自律型撮像装置を得ることを目的とする。

この発明による自律型撮像装置は、中空の球形外殻から成る球状フレームと、球状フレームの内部に設けられた撮像装置と、球状フレームの内部に設けられ、重心位置を変化させる重心位置調整機構と、重心位置調整機構による重心位置変化に応じて、撮像装置の視線方向を所望方向に変化させる制御装置と、を備えたことを特徴とする。

また、重心位置調整機構は、球状フレームの内部に分散して配置され、それぞれの液量調整により重心位置を変化させる複数の液量調整機構から構成されても良い。

この発明によれば、装置全体の重心移動を利用してカメラの視線方向を回転させることで、多軸のジンバル機構を構成しない簡単な構造により、周辺画像の撮影を行うことができる。

この発明に係る実施の形態１による自律型撮像装置の構成を示す図である。 この発明に係る実施の形態１による自律型撮像装置の液量調整機構の配置を示す図である。 この発明に係る実施の形態１による自律型撮像装置の液量調整機構の構成例を示す図である。 この発明に係る実施の形態１による自律型撮像装置の上下回転動作を示す図である。 この発明に係る実施の形態１による自律型撮像装置の視線方向の回転動作を示す図である。 この発明に係る実施の形態２による自律型撮像装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による自律型撮像装置の構成を示す図である。図において、自律型撮像装置は、球状フレーム１と、撮像装置を構成するカメラ３と、重心位置調整機構を構成する液量調整部５０と、制御装置を構成する姿勢角センサ１４および制御回路１５とから構成される。球状フレーム１は中空の球形外殻から成り、球状フレーム１の内部には、カメラ３が収納されて保持固定されている。球状フレーム１の内部に金属フレームやＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）骨組構造などの構造体を設けても良い。カメラ３は中央部にレンズ２が設けられ、レンズ２の背面には、図示しない撮像素子、素子ドライバ回路、画像信号処理回路などが配置されている。球状フレーム１の球形外殻は軽量化のため樹脂やＣＦＲＰから構成されると良い。球状フレーム１におけるレンズ２の対向面には、外界からの可視光や赤外光が入射する光学窓（図示せず）が部分的にかつ水密的に設けられており、レンズ２を外囲環境から保護している。自律型撮像装置は、海面や湖面などの液体の水面に投入され、液体Ａの水面よりもレンズ２全体が上に出るように、液体に対して浮いている。以下の説明では、液体が海水Ａである場合について説明する。
なお、球状フレーム１の外表面は、エンボス加工や突起物の接着などにより凹凸面が形成され、海水Ａに対する摩擦抵抗が大きくなっている。

カメラ３の周囲には液量調整部５０が設けられており、液量調整部５０は球状フレーム１の内部に収納されている。液量調整部５０は、８つの液量調整機構５,６,７,８,９,１０,１１,１２と、各液量調整機構の間を液体１３が流通するように相互に接続するホース４とを備えて構成される。液量調整機構５乃至１２は、球状フレーム１の外殻内周面に分散して配置され、それぞれ保持固定される。液量調整機構５乃至１２は液体シリンダ（後述するシリンダ１８）から構成されており、シリンダ内部には液体１３が充填される。液体１３は、例えばエチレングリコールを主成分とする不凍結の液体からなる。ホース４は各液量調整機構５乃至１２の液体シリンダに直結され、ホース４内部には液体１３が充填される。ホース４は、球状フレーム１の外殻内周面に保持固定される。

姿勢角センサ１４と制御回路１５は、球状フレーム１の内部に収納され、保持固定されている。姿勢角センサ１４と制御回路１５は、カメラ１に内蔵しても良い。姿勢角センサ１４は、重力加速度や流体の液面を検出して水平面に対する傾斜角度を検出する傾斜角度センサと、地磁気を検出して東西南北の方位を計測する地磁気センサから構成され、慣性空間に対する球状フレーム１の絶対姿勢角を検出するための姿勢角情報を得る。なお、姿勢角センサ１４は、加速度センサやジャイロセンサを用いて姿勢角を検出するものであっても良いが、この場合はバイアス誤差が発生するので、現在の位置姿勢からの相対角度の姿勢角情報を検出することとなる。あるいは、傾斜角度センサ、地磁気センサ、加速度センサおよびジャイロセンサを組み合わせて姿勢角センサ１４を構成しても良く、この場合バイアス誤差を補正しセンサ誤差を低減することができる。

制御回路１５は、姿勢角センサ１４から得られる姿勢角情報に基づいて指令信号を生成し、生成した指令信号を液量調整機構５乃至１２に供給して液量調整機構５乃至１２を駆動制御し、それぞれの液量配分を調整する。この液量配分の調整により装置全体の重心位置を移動させることで、装置全体に回転力を生み、内部に実装されたカメラ３の視線方向を所望方向に向けることができる。
また、制御回路１５は、カメラ３のレンズ２のズーミングやフォーカシング、露光調整、シャッタ制御などの撮影制御を行う。制御回路１５には画像処理装置が設けられ、カメラ３により撮影された画像（ビデオ信号）は、制御回路１５によってリアルタイムにディジタル画像処理が行われ、ディジタル静止画像や動画像が得られる。制御回路１５によって処理されたディジタル静止画像や動画像は、球状フレーム１内に設けられた記憶装置（図示せず）に記録される。

図２は、液量調整機構５乃至１２の配置を説明するための図である。図２において、球状フレーム１の球形と中心点が一致する仮想的な立方体格子について、この立方体格子の８つの格子点に各液量調整機構５乃至１２がそれぞれ位置するように、各液量調整機構５乃至１２は格子形状に配置されている。これにより、各液量調整機構５乃至１２の液体シリンダ内部に均等に液体１３が充填された状態で、液量調整部５０の重心位置を球状フレーム１の球形の中心点に一致させることができる。
なお、自律型撮像装置全体の重心位置についても、球状フレーム１の球形の中心点に一致するように、カメラ１、姿勢角センサ１４や制御回路１５などの各構成品の重量および設置位置が設定されている。

また、図１に示すように、カメラ１に対して互いに反対側に位置する液量調整機構５と液量調整機構７は、ホース４との接続位置、すなわちシリンダの体積変化する部分空間が互いに逆向になるように設置される。カメラ１に対して互いに反対側に位置する液量調整機構６と液量調整機構８は、ホース４との接続位置、すなわちシリンダの体積変化する部分空間が互いに逆向になるように設置される。同様にして、カメラ１に対して互いに反対側に位置する液量調整機構９と液量調整機構１１は、ホース４との接続位置、すなわちシリンダの体積変化する部分空間が互いに逆向になるように設置される。カメラ１に対して互いに反対側に位置する液量調整機構１０と液量調整機構１２は、ホース４との接続位置、すなわちシリンダの体積変化する部分空間が互いに逆向になるように設置される。

図３は、各液量調整機構５乃至１２の構成例を示す図である。
液量調整機構５乃至１２は、液体シリンダであるシリンダ１８と、シリンダ１８の内部に収容されたシャフト１７と、シャフト１７の一方の端部に回転軸（ロータ）が直結されたモータ１６を備えて構成される。シリンダ１８の他方の端部には、ホース４が水密的に接続されている。シャフト１７およびモータ１６は直動アクチュエータを構成している。モータ１６は、シャフト１７を回転させることによってピストン１９をシャフト１７の軸方向に直線的に移動させる、回転力を直線移動に変換する直動機構で構成され、例えば精密ねじやボールねじあるいはウオームギアなどによって構成される。モータ１６は、制御回路１５からの駆動信号に基づいて回転駆動するものであり、ステッピングモータや回転角度および角速度検出器付きのサーボモータによって構成される。

シリンダ１８の内部には、ピストン１９とともに構成する内部空間に液体１３が充填されている。モータ１６を回転駆動し、ピストン１９の位置をホース４側（図の右方向）に移動させることで、シリンダ１８内の液体１３がホース４から押し出され、シリンダ１８内の液量は減少する。

同様に、モータ１６を逆回転するように駆動し、ピストン１９の位置をモータ１６側（図の左方向）に移動させることで、シリンダ１８内の液体１３がホース４から供給されてシリンダ１８内に充填され、シリンダ１８内の液量は増加する。

次に、実施の形態１による自律型撮像装置の動作を説明する。
実施の形態１による自律型撮像装置は、海水Ａに浮遊する。自律型撮像装置は、海水の波浪によって変化した姿勢角を姿勢角センサ１４で検知し、検知した姿勢角情報にもとづいて、制御回路１５により、液量調整機構５乃至１２を駆動制御する。この駆動制御により、液量調整機構５乃至１２がそれぞれピストン１９の位置を調整することで、シリンダ１８内およびホース４内の液体１３の量を変化させ、各液量調整機構５乃至１２の重心位置を変える。これによって、自律型撮像装置は、姿勢角の変化をキャンセルする方向へ重心を変化させ、自律型撮像装置本体に回転力を得て、球状フレーム１が回転動作する。かくして、この動作を、制御ループを組んで継続することで、カメラ３のレンズ２の向きおよび視線方向を、自律的に安定化させることができる。

この際、レンズ２、カメラ３およびレンズ２を保護する光学窓は、球状フレーム１と一緒に回転動作するので、球状フレーム１との位置関係が相対的に固定されたままの状態でカメラ２の視線方向を変化させることができる。このため、例えばカメラ３が赤外線カメラを構成する場合であっても、レンズ２を保護する光学窓（ゲルマニウムやシリコンなどから構成される赤外線を透過する窓）の大きさを、レンズ２が覆われる程度の最小限の大きさとすることができる。

図４は、自律型撮像装置の駆動制御による上下回転動作の例を示した図である。
図４（ａ）において、例えば液量調整機構５，７について各ピストン１９を上方に移動することで、液量調整機構７のシリンダ内液量を増やすとともに、液量調整機構５のシリンダ内液量を減らす。これにより、図４（ａ）に示す自律型撮像装置の左方に液体１３を集中させることで、自律型撮像装置の中心にあった重心を左方に移動させ、図における反時計回りの回転力Ｂを得る。このとき、液量調整機構６，８については、各ピストン１９を移動させず、液量調整機構６，８のシリンダ内液量を変化させない。このようにして、カメラ３の視線方向を下方向に回転させることができる。このとき、カメラ３の視線方向を所定角度範囲（例えば±４５度）内で上下回転動作させても良い。

また、図４（ｂ）において、例えば液量調整機構５，７について各ピストン１９を下方に移動することで、液量調整機構５のシリンダ内液量を増やすとともに、液量調整機構７のシリンダ内液量を減らす。これにより、図４（ｂ）に示す自律型撮像装置の右方に液体１３を集中させることで、自律型撮像装置の中心にあった重心を右方に移動させ、時計回りの回転力Ｃを得る。このとき、液量調整機構６，８については、各ピストン１９を移動させず、液量調整機構６，８のシリンダ内液量を変化させない。このようにして、カメラ３の視線方向を上方向に回転させることができる。このとき、カメラ３の視線方向を所定角度範囲（例えば±４５度）内で上下回転動作させても良い。

次に、自律型撮像装置のカメラ３の視線方向を、上下および左右方向に回転させて、目標方向に移動させる動作について説明する。図５は、自律型撮像装置のレンズ２を所望の目標回転角に移動させる動作例を示す図である。自律型撮像装置の目標回転角が、重力Ｅに平行な軸を回転軸とする水平面内での目標回転角Ｄである場合は、複数の上下往復回転動作を繰り返し行うことで、レンズ２を水平面内で全周回転させることができる。

例えば、図２の液量調整機構７のシリンダ内液量を増加させるとともに、液量調整機構９のシリンダ内液量を減少させることで、液量調整機構７,５,９,１１を含む傾斜面に垂直な傾斜回転軸の周りで、レンズ２が図２の右下方向に移動するように回転する。
また、図２の液量調整機構１１のシリンダ内液量を増加させるとともに、液量調整機構５のシリンダ内液量を減少させることで、液量調整機構１１,８,５,１０を含む傾斜面に垂直な傾斜回転軸の周りで、レンズ２が図２の右上方向に移動するように回転する。

このように、液量調整機構５乃至１２の液量制御により、図５に示す回転軌道Ｆに沿って、垂直面に対し傾斜した傾斜回転軸の周りに上下斜め方向に所定角度だけ往復回転動作させながらレンズ２を旋回させる動作を、異なる傾斜回転軸毎に繰り返し行う。かくして、複数の上下往復回転を複合させた回転軌道Ｆに沿ってレンズ２をジグザグまたは波状に移動し、カメラ３の視線方向を所望の目標回転角へ旋回させる回転運動を行うことができる。

なお、自律型撮像装置は、液量調整機構５乃至１２を立体的に配置しているために、すべての角度への回転が可能となる。
自律型撮像装置の回転方法は、重心位置の移動によって姿勢変化を行うことができるものであれば、海上以外の地上、空中においても適用することができる。
例えば、自律型撮像装置を地上に設置する場合は、球状フレーム１を地面に置き、液量調整機構５乃至１２の液量調整により重心位置を移動させることで、球状フレーム１が地面の上を転がり、カメラ３の視線方向を所望の方向に変化させることができる。
また、例えば自律型撮像装置を空中に浮遊させる場合は、球状フレーム１内にヘリウムガスを詰めて球状フレーム１を気球のように浮かせ、液量調整機構５乃至１２の液量調整により重心位置を移動させることで、球状フレーム１が空中で回転し、カメラ３の視線方向を所望の方向に変化させることができる。この場合、液量調整機構５乃至１２の代わりにヘリウムガスよりも重量の重い気体を充填した気体量調整機構を設けても良い。

また、液量調整機構をさらに多数分散配置し、可撓性に優れ実装スペースの小さいホースで連結することで、液量調整機構の可動量が少なく、かつ実装スペースを抑えた自律型撮像装置を構成することができるとともに、視線方向をより滑らかに移動させることができる。例えば、各液量調整機構が、正八面体や正十二面体などより頂点数の多い正多面体の格子点に位置するように配置することで、レンズ２の旋回時における上下往復動作の最小可動範囲が小さくなり、より滑らかな旋回動作が可能になる。

さらに、レンズ２に広角レンズを用いて広い視野角範囲を得ることにより、旋回時のレンズ２のジグザグまたは波状移動により、カメラ３の視線方向がジグザグまたは波状に移動しても、移動途中で視野角範囲を順次重ねることができるので、旋回時におけるカメラ２の視野角の欠損をなくすことができる。

以上説明したとおり、この実施の形態１による自律型撮像装置は、中空の球形外殻から構成された球状フレーム１と、球状フレーム１の内部に設けられた撮像装置であるカメラ２と、球状フレーム１の内部に設けられて装置の重心位置を変化させる重心位置調整機構（液量調整部５０）と、重心位置調整機構による重心位置変化に応じて、撮像装置の視線方向を所望方向に変化させる制御装置とを備えたことを特徴とする。

また、重心位置調整機構は、球状フレーム１の内部に分散して配置され、それぞれの液量調整により重心位置を変化させる複数の液量調整機構５乃至１２から構成される。各液量調整機構５乃至１２はそれぞれシリンダ１８とピストン１９から構成され、各液量調整機構５乃至１２のシリンダ１８は互いにホース４により接続される。

また、制御装置は、球状フレーム１の姿勢を検出する姿勢角センサ１４と、姿勢角センサ１４の出力情報に基づいて球状フレーム１の姿勢を変化させる指令信号を生成する制御回路１５とを備える。

このように、装置全体の重心移動を利用してカメラの視線方向を回転させることで、多軸のジンバル機構を構成しない簡単な構造により、無人で周辺画像の撮影を行うことができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、通信機能を持たない自律型撮像装置を例にして説明した。この実施の形態２では、通信機能を有した自律型撮像装置について説明する。

図６は、この発明に係る実施の形態２による自律型撮像装置の構成を示す図である。図において、自律型撮像装置は、球状フレーム１の内部に、通信装置を構成するアンテナ１０３および送受信機１０２が設けられる。なお、図１と同一符号のものは同一構成のものであり、同一動作を行う。

自律型撮像装置は、外部の制御装置から、遠隔操作による移動指示指令信号を指令電波１０１によって与えられる。自律型撮像装置は、アンテナ１０３を介して指令電波１０１を受け、送受信機１０２によって指令電波１０１の信号増幅や復調、再生などの受信信号処理を行い、移動指示指令信号を得る。制御回路１５は、送受信機１０２によって得られた移動指示指令信号に基づいて、液量調整機構５乃至１２を駆動制御し、カメラ３の視線方向を回転移動する。また、制御回路１５は、送受信機１０２によって得られた移動指示指令信号に基づいて、カメラ２の撮影制御を行う。これによって、外部からの遠隔操作により、所望の方向におけるカメラ３の画像を得ることができる。

また、自律型撮像装置は、制御回路１５による撮影制御によって、カメラ３の撮影画像を得ると、カメラ３により撮影されたディジタル静止画像や動画像などのビデオ信号を、送受信機１０２によって無線信号に変調し、アンテナ１０３を介して外部の制御装置に送信する。外部の制御装置は、アンテナ１０３から送られた無線信号を復調してカメラ３の撮影画像を再生し、ディジタル静止画像や動画像を得る。外部の制御装置の操作者は、得られたカメラ３の画像をディスプレイに再生し、再生された画像を用いて遠隔による海上監視や海上調査を行う。

なお、自律型撮像装置を複数台導入することによって、自律型撮像装置同士でネットワーク型のカメラ通信システムを構築することができる。このようにネットワークを組むことで、複数の自律型撮像装置による多数の撮影画像を用いて、より精度の高い遠隔海上監視や、遠隔海上調査を行うことができる。

このように、実施の形態２による自律型撮像装置は、球状フレームの内部に通信装置を備え、通信装置により受信した制御指令に基づいて制御回路１５が撮像装置の視線方向を所望方向に変化させるように、液量調整機構５乃至１２を駆動制御する。これによって、遠隔操作によって自律型撮像装置のカメラ２の視線方向を、無人で所望の方向に操作することが可能となる。

１ 球状フレーム、２ レンズ、３ カメラ、４ ホース、５〜１２ 液量調整機構、１３ 液体、１４ 姿勢角センサ、１５ 制御回路、１６ モータ、１７ シャフト、１８ シリンダ、１９ ピストン、１０２ 送受信機、１０３ アンテナ。

Claims (5)

1. 中空の球形外殻から成る球状フレームと、
   球状フレームの内部に設けられた撮像装置と、
   球状フレームの内部に設けられ、重心位置を変化させる重心位置調整機構と、
   重心位置調整機構による重心位置変化に応じて、撮像装置の視線方向を所望方向に変化させる制御装置と、
   を備えた自律型撮像装置。
2. 中空の球形外殻から構成された球状フレームと、
   球状フレームの内部に設けられた撮像装置と、
   球状フレームの内部に分散して配置され、それぞれの液量調整により重心位置を変化させる複数の液量調整機構と、
   を備えた自律型撮像装置。
3. 各液量調整機構はそれぞれシリンダとピストンから構成され、各液量調整機構のシリンダは互いにホースにより接続されるとともに、
   各液量調整機構の液量調整による重心位置変化に応じて、撮像装置の視線方向を所望方向に変化させる制御装置を備えたことを特徴とする請求項２記載の自律型撮像装置。
4. 制御装置は、球状フレームの姿勢を検出する姿勢角センサと、姿勢角センサの出力情報に基づいて球状フレームの姿勢を変化させる指令信号を生成する制御回路とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の自律型撮像装置。
5. 球状フレームに設けられた通信装置を備え、制御装置は通信装置により受信した制御指令に基づいて撮像装置の視線方向を所望方向に変化させることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の自律型撮像装置。

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