JP2011141262A

JP2011141262A - 高度測定装置および方法

Info

Publication number: JP2011141262A
Application number: JP2010132596A
Authority: JP
Inventors: Hyeon-Cheol Lee; ▲玄▼ ▲徹▼ 李
Original assignee: Korea Aerospace Research Institute KARI
Current assignee: Korea Aerospace Research Institute KARI
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-07-21
Also published as: EP2343501A2; US8315748B2; US20110166722A1; KR20110080775A; EP2343501A3

Abstract

【課題】別の高度計なしに飛行体の高度を測定することのできる高度測定装置および方法を提供する。
【解決手段】前記高度測定装置は、垂直離着陸機に備えられ、地上に円形に形成される円形マークのイメージを収集するカメラユニットおよび前記カメラユニットで収集された前記イメージから前記垂直離着陸機の高度を演算する演算ユニットを備える。したがって、別の高度計を利用せずに単純に地上の円形マークのような構造物を介して高度を測定することのできる利点があり、これによって低廉な構造で高度測定装置を備えることのできる効果がある。
【選択図】図４

Description

本発明は、垂直離着陸機の高度測定装置に関し、より詳しくは、別の高度計のような高価な装備を省略しながらも容易に垂直離着陸機の高度を計算できる高度測定装置に関する。

従来の高度を測定する方法では、ＧＰＳ（Global Positioning System）の受信データを用いる方法または気圧型高度センサを用いて高度を測定する方式、電磁波を用いる方式などがある。

そのうちＧＰＳを用いた方法は、高度情報を提供はしても高価なＧＰＳ受信機でないか高度が低い場合に誤差が大きくなる問題点を抱えており、動的環境下で誤差が大きく、可視衛星数に制限を受ける。このような短所を補完して精密度を高めるための技術としてＤＧＰＳ（Differential Global Positioning System）方式があるが、ＧＰＳ基準局を別に設置しなければならない費用的な側面と基準局との一定の範囲が制限されたり空間的制限を有するという短所がある。

他の１つの方法である気圧型高度センサを用いた方法は、センサ自体が外部環境およびノイズに非常に敏感であり、それによってデータの変化幅が非常に大きくて低い高度で誤差が多く発生し、正確度を信頼できないという問題が生じ、大気圧は、地域、温度、風などの周囲の環境によって随時変化して不特定であるため、気圧型高度センサを単独で用いる場合、±１０ｍ以上の一般的な誤差の範囲を有するようになるため、正確な高度を測定するには多くの困難がある。

また、地上から近い道路で主に用いる電波高度計を用いて高度を測定する場合には、レーダ波を放射して戻ってくる時間によって距離を計算するが、正確であるとはいえ高価な装備である。したがって、高度測定において精密度を向上させながらも費用を節減しようとする努力が行われてきた。

上述した問題点を解決するための本発明の一目的は、別の高度計を利用せずに単純な構造変更によって高度を測定することのできる高度測定装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、地上に近接した高さ、すなわち１００ｍ以下の低高度においても、誤差の範囲を減少させて正確な高度を測定することのできる高度測定装置を提供することにある。

本発明のまた他の目的は、大気圧変化、高度変化および温度変化などの外部の環境変化に関わらず高度を測定することのできる高度測定装置を提供することにある。

詳述した本発明の目的を達成するための本発明の好適な実施形態によれば、高度測定装置は垂直離着陸機に備えられ、地上に円形に形成される円形マークのイメージを収集するカメラユニットと、前記カメラユニットで収集された前記イメージから前記垂直離着陸機の高度を演算する演算ユニットとを備える。

この時、前記演算ユニットは、前記円形マークの実際直径Ｄ、円形マークと離着陸地点までの距離Ｒ、前記イメージの横軸直径長さｘ、前記イメージの縦軸直径長さｙ、前記垂直離着陸機のピッチ（pitch）角、ロール（roll）角およびヨー（yaw）角から前記高度を演算するように備えられることが好ましく、また、前記カメラユニットは少なくとも４８０×６４０以上の解像度を有するように備えることがより好ましい。

そして、前記高度測定装置は、高度を測定する高度計をさらに備え、前記高度計はＧＰＳ、ＤＧＰＳ、電波高度計または気圧型高度センサのうち少なくとも１つを備え、前記演算ユニットで演算された前記高度と前記高度計で測定された高度とを比較して補正するようにすることによって、相対的に正確度の高い高度を演算するようにすることも可能である。

また、詳述した本発明の目的を達成するための本発明の他の好適な実施形態によれば、垂直離着陸機の高度を演算する高度測定装置において、地上の着陸地点と一定距離離して予め設定された形状のマーク形状をイメージとして収集するカメラユニットを備えて、本来のマーク形状と比較して演算することにより前記垂直離着陸機の高度を計算するように設けられる。

また、詳述した本発明の目的を達成するための本発明のまた他の好適な実施形態によれば、高度測定方法は、地上の円形マークのイメージを収集するステップと、前記イメージから前記イメージの横軸直径長さｘ、前記イメージの縦軸直径長さｙを測定するステップと、前記円形マークの実際直径Ｄ、円形マークと離着陸地点までの距離Ｒ、前記イメージの横軸直径長さｘ、前記イメージの縦軸直径長さｙ、前記垂直離着陸機のピッチ角、ロール角およびヨー角から前記高度を演算するステップとを含む。

ここで、前記高度測定方法は、前記高度演算ステップで測定された高度を前記飛行体に備えたＧＰＳ、ＤＧＰＳ、電波高度計または気圧型高度センサのうち少なくとも１つによって測定された高度と比較して補正するステップをさらに含むことが好ましい。

本発明によれば、別の高度計を利用せずに単純に地上の円形マークのような構造物を介して高度を測定することのできる利点があり、これによって低廉な構造で高度測定装置を備えることのできる効果がある。

また、地上に近接した高さ、すなわち１００ｍ以下の低高度でも誤差の範囲を減少させて正確な高度を測定することのできる利点がある。

また、地上の円形マークに対するイメージを収集するカメラユニットによって高度を測定するようになるため、大気圧変化、高度変化および温度変化などの外部の環境変化に関わらず高度を測定することのできる効果がある。

本発明の好ましい実施形態に係る高度測定装置の円形マークを示す図である。図１の円形マークと着陸地点を示す図である。本発明の好ましい実施形態に係る高度測定装置によって収集された円形マークイメージを例示する図である。本発明の好ましい実施形態に係る高度測定装置によって高度を測定する方法を説明するために示す図である。飛行体のピッチ角が０でない場合を示す図である。飛行体のロール角が０でない時を示す図である。飛行体のピッチ角およびヨー角が０でない場合を示す図である。

以下、添付する図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を詳細に説明するが、本発明が実施形態によって制限されたり限定されることはない。参考に、以下の説明では構成および機能が略同一で、同様に取り扱われている要素については同一の参照符号で特定する。

本発明の好ましい実施形態に係る高度測定装置を図１〜図４を参照しながら説明すれば、次の通りである。図１は、本発明の好ましい実施形態に係る高度測定装置の円形マークを示す図面であり、図２は、図１の円形マークと着陸地点を示す図面であり、図３は、本発明の好ましい実施形態に係る高度測定装置で収集された円形マークイメージを例示する図面であり、図４は、本発明の好ましい実施形態に係る高度測定装置で高度を測定する方法を説明するために示す図である。

ここに示すように、高度測定装置は、地上の円形マーク１０からイメージを収集するカメラユニット２０と、演算ユニット（図示せず）とを含む。

円形マーク１０は、一般的な滑走路に設けた離着陸地点１から一定間隔離れて円形に設けられる。この時、円形マーク１０の直径をＤ、離着陸地点１と円形マーク中心１１までの距離をＲとする。ここで、円形マーク１０の直径は１０ｍとしたが、これらに限定または制限されることはなく、約１００〜２００ｍの距離で円形マーク１０のイメージを後述するカメラユニット２０で明確に収集できる程度であれば、自由に変更可能なことはもちろんのことである。

カメラユニット２０は、垂直離着陸機に備えられるが、垂直離着陸機の正面方向Ｆを注視するように配置され、円形マーク１０のイメージを収集するように一般的に常用されるカメラまたはＣＣＤセンサを用いてもよく、より詳しくは円形マーク１０のイメージを収集できるように少なくとも４８０×６４０の解像度以上の白黒カメラを用いることが好ましいが、これらに限定または制限されることはなく、例えば、カラーカメラや赤外線カメラを用いてもよいことはもちろんである。

この時、本実施形態では、垂直離着陸機にカメラユニット２０が設けられるものとして提示したが、これらに限定または制限されることはなく、全ての飛行体に対して適用可能であることは誰もが理解できることである。

ただし、高度測定装置を構成するにおいて、費用を節減できるようにするために、最小解像度を有する白黒カメラを用いることが好ましい。また、夜間にカメラユニット２０で円形マーク１０のイメージを収集するためには、円形マーク１０を夜光ペイントで処理することが好ましい。

演算ユニットは、カメラユニット２０で収集されたイメージから垂直離着陸機の高度を演算するように一般的に常用されるマイクロ・プロセッサを備える。

ここで、高度測定装置で測定される高度測定方法をより詳細に説明すれば、まず、垂直離着陸機に備えたカメラユニット２０で円形マーク１０に対するイメージを収集する。

これによって収集された円形マーク１０のイメージは、図３に示す通りである。次に、円形マーク１０の実際直径Ｄ、円形マーク１０と離着陸地点１までの距離Ｒは与えられた変数であり、イメージの横軸直径長さｘ、イメージの縦軸直径長さｙはイメージから抽出することができる。

すなわち、図３に示すように、円形マーク１０に対するイメージは、垂直離着陸機の高度、垂直離着陸機の姿勢などによって変形して収集される。

この時、図４を参照すれば、垂直離着陸機の高度、垂直離着陸機のピッチ角に係る概略的な位置を判断することができる。ここで、ピッチ角とは機首が上下に動かす時の地表面に対する角度をいい、ヨー角とは機首を左右に動かす場合に移動前の胴体中心線に対する角度をいい、ロール角とは飛行機において胴体が軸に対して主翼が傾いた程度を示すことを言う。

ここで、図４では、ピッチ角が０である場合を想定して表す。ここで、地表面とカメラユニット２０の視線方向間にできる角度（θ）、離着陸地点１と円形マーク１０までの距離ＧＲ（Ground Range）、円形マーク１０とカメラまでの距離ＳＲ（Slant Range）が分かれば、円形マークの実際直径Ｄ、円形マークと離着陸地点までの距離Ｒ、イメージの横軸直径長さｘ、イメージの縦軸直径長さｙ、飛行体のピッチ角、ロール角およびヨー角から垂直離着陸機の高度を計算できる。

ここで、本発明の好ましい実施形態に係る高度測定装置での高度測定方法をピッチ角、ロール角およびヨー角の変化により例を挙げて説明すれば次の通りである。

まず、ピッチ角、ロール角および要角がすべて０である場合を説明すれば、次の通りである。円形マーク１０が位置する方向に飛行体が映像を撮影すれば、地上の円形マーク１０は円形の形が図３に示すように楕円形に見えるようになり、ｘとｙの比率はそのままでなく映像視線と地上平面がなす角度によって異なるように見えるようになる。また、図４に示すように、この楕円のｘとｙの距離の比を計算すれば、式１のように飛行体と地上の角θを、そして、すでに知っている地上の距離ＧＲをもって、式２のように高度ｈを計算することができる。この時、そのｙ／ｘ比をθ＝ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）を有し、計算の際に次の式１のように表すことができる。

である。

ここで、ｘ、ｙは、カメラユニット２０で収集したイメージから測定する長さであり、例えば、実際円形マーク１０の直径が１０ｍであっても写真におけるｘ、ｙは１ｃｍにもなり５ｃｍにもなり得ることは誰でも理解できることである。

例えば、Ｄ＝１０ｍ、Ｒ＝１００ｍ、ピッチ角＝０°、ロール角＝０°、ヨー角＝０°の時に映像のｙ＝０．５ｃｍ、ｘ＝１ｃｍの場合には、ｙ／ｘ＝０．５で、θ＝ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）＝２６．５７°であり、これによってｈ＝ＧＲ＊ｙ／ｘ＝１００＊０．５＝５０ｍと高度は５０ｍで測定される。

次に、ピッチ角が０ではなく、ロール角と要角が０である場合に高度を測定する方法を図５を参照して説明すれば次の通りである。この時、ピッチ角、ロール角およびヨー角は飛行体で提供される。図５は、飛行体のピッチ角が０でない場合を示す図である。

ここに示すように、ｙの値の代りに式３のｙを代入して式４、５に表すようにそれぞれθ、ｈを計算する。

ここで、式１および２で計算されたｙの代わりに式３のｙを代入すれば次の通りである。

これで、例えば、Ｄ＝１０ｍ、Ｒ＝１００ｍ、ピッチ角＝＋１０°、ロール角＝０°、ヨー角＝０°の時に映像のｙ'＝０．５ｃｍ、ｘ＝１ｃｍの場合にｙ＝ｙ'ｃｏｓ（α）＝０．５＊ｃｏｓ１０＝０．４９２４ｃｍで、ｙ／ｘ＝０．４９２４／１＝０．４９２４と計算され、θ＝ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）＝２６．２２°であるため、ｈ＝ＧＲ＊ｙ／ｘ＝１００＊０．４９２４＝４９．２４ｍと計算することができる。

ここで、本発明に係る高度測定装置においてピッチ角αおよびθの大きさにより一部誤差が発生することができるが、一般的に垂直離着陸機の場合、ピッチ角αが非常に小さく表れて、誤差は無視できるものと思われ、好ましくは、θとピッチ角は小さくなるほど正確度を高めることができる。すなわち、θとピッチ角が相対的に小さくなる場合に、ｙ'はカメラユニット２００で円形マーク１０の外側枠を結ぶ線と概略接する長さを有するようになり、正確度を高めることができる。また、後述するように、高度測定の正確度を向上させるために高度測定装置を既存の高度計と補完するように使用する方法を用いることも可能なことはもちろんである。次に、ピッチ角とロール角が０度ではなく、ヨー角が０度である場合を図６を参照して説明すれば次のようになる。図６は、飛行体のロール角が０でない時を示す図である。

この時、ｘの値の代りに式６のｘを代入して式７、８に表すようにそれぞれθ、ｈを計算する。右側にロールであるか、左にロールであるかは重要でなく、どちらに計算しても関係ない。

これで、例えば、Ｄ＝１０ｍ、Ｒ＝１００ｍ、ピッチ角＝＋１０°、ロール角＝＋５°、ヨー角＝０°の時に映像のｙ'＝０．５ｃｍ、ｘ'＝１ｃｍ場合にｙ＝ｙ'ｃｏｓ（α）＝０．５＊ｃｏｓ１０＝０．４９２４ｃｍと計算され、ｘ＝ｘ'ｃｏｓ（β）＝１＊ｃｏｓ５＝０．９９６２ｃｍと計算され、これによって、ｙ／ｘ＝０．４９２４／０．９９６２＝０．４９４３で、θ＝ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）＝２６．３０°であり、したがって、ｈ＝ＧＲ＊ｙ／ｘ＝１００＊０．４９４３＝４９．４３ｍと高度が測定される。

次に、ピッチ角、ロール角および要角がすべて０でない場合を図７を参照して説明すれば次の通りである。図７は、飛行体のピッチ角、ロール角および要角が０でない場合を示す図である。

ここに示すように、ｙの値の代りに式９のｙを代入して数式１０、１１に表すようにそれぞれθ、ｈを計算する。

ここで、ｙ'は、図５のようにピッチ角が０ではない時、イメージから測定する長さをいう。ここで、例えば、Ｄ＝１０ｍ、Ｒ＝１００ｍ、ピッチ角＝＋１０°、ロール角＝＋５°、ヨー角＝＋５°で、イメージのｙ''＝０．５ｃｍ、ｘ'＝１ｃｍ場合にｙ＝ｙ''ｃｏｓ（δ）ｃｏｓ（α）＝０．５＊ｃｏｓ５ｃｏｓ１０＝０．４９０５ｃｍで、ｘ＝ｘ'ｃｏｓ（β）＝１＊ｃｏｓ５＝０．９９６２ｃｍであり、ｙ／ｘ＝０．４９０５／０．９９６２＝０．４９２４で、θ＝ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ）＝２６．２２°と計算され、これによってｈ＝ＧＲ＊ｙ／ｘ＝１００＊０．４９２４＝４９．２４ｍと高度が計算される。

したがって、別の高度計を利用せずに地上にいかなる補助装備も必要なく、地上には予め設定された任意の形態の円形マークの形だけが必要であり、飛行体には映像情報を獲得するためのカメラだけがあれば、地上の円形マークのような構造物を介して高度を測定することのできるという利点があり、これにより低廉な構造で高度測定装置を備えることのできる効果がある。

そして、本実施形態では、高度測定装置だけで垂直離着陸機または飛行体の高度を測定するものとして提示したが、これらに限定または制限されることはなく、例えば、一般的に航空機で高度を測定するために用いる既存の高度計、例えば、電波高度計、気圧型高度センサ、ＧＰＳまたはＤＰＧＳのような機器の正確度を高めるための誤差の補正に高度測定装置で測定された高度データを使用してより正確な高度を測定する方法が用いられてもよいことは誰にも理解できることである。

換言すれば、高度測定装置が高度を測定する高度計（図示せず）として、詳述したＧＰＳ、ＤＧＰＳ、電波高度計または気圧型高度センサのうち少なくとも１つを備え、演算ユニットで演算された高度と高度計で測定された高度とを比較して補正するようにすることも可能である。

上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態により制限されるものではない。

１０円形マーク
２０カメラユニット

Claims

垂直離着陸機に備えられ、地上に円形に形成される円形マークのイメージを収集するカメラユニットと、
前記カメラユニットで収集された前記イメージから前記垂直離着陸機の高度を演算する演算ユニットと、
を含む高度測定装置。
前記演算ユニットは、
前記円形マークの実際直径Ｄ、円形マークと離着陸地点までの距離Ｒ、前記イメージの横軸直径長さｘ、前記イメージの縦軸直径長さｙ、前記垂直離着陸機のピッチ角、ロール角およびヨー角から前記高度を演算するように備えられる請求項１に記載の高度測定装置。
前記カメラユニットは、少なくとも４８０×６４０以上の解像度を有するように備えられる請求項１に記載の高度測定装置。
前記高度測定装置は、高度を測定する高度計をさらに含み、前記高度計はＧＰＳ、ＤＧＰＳ、電波高度計または気圧型高度センサのうち少なくとも１つを含み、前記演算ユニットで演算された前記高度と前記高度計で測定された高度とを比較して補正する請求項１に記載の高度測定装置。
垂直離着陸機の高度を演算する高度測定装置において、地上の着陸地点と一定距離離して予め設定された形状のマーク形状をイメージとして収集するカメラユニットを備えて本来のマーク形状と比較して演算することにより前記垂直離着陸機の高度を計算する高度測定装置。
飛行体で地上の円形マークのイメージを収集するステップと、
前記イメージから前記イメージの横軸直径長さｘ、前記イメージの縦軸直径長さｙを測定するステップと、
前記円形マークの実際直径Ｄ、円形マークと離着陸地点までの距離Ｒ、前記イメージの横軸直径長さｘ、前記イメージの縦軸直径長さｙ、前記飛行体のピッチ角、ロール角およびヨー角から前記高度を演算するステップと、
を含む高度測定方法。
前記高度演算ステップで測定された高度を前記飛行体に備えたＧＰＳ、ＤＧＰＳ、電波高度計または気圧型高度センサのうち少なくとも１つによって測定された高度と比較して補正するステップをさらに含む請求項６に記載の高度測定方法。