JP2012167940A - 移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置 - Google Patents

移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本願発明の課題は前記問題を解決するものであり、採用に当たって掛かる費用を軽減し、且つ高い精度で移動体姿勢を決定することのできる方法、プログラム、及び装置を提供することにある。
【解決手段】移動体姿勢の決定方法は、移動体位置を計測し、太陽を含む画像を取得するとともに、画像を取得した画像取得時刻を取得し、計測された移動体位置に基づいて、移動体の移動方位を算出し、画像取得位置を求め、画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求め、絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求め、計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、任意座標軸と絶対座標軸の角度差と、前記算出された移動体の移動方位と、に基づいて、移動体の姿勢を算出する方法である。
【選択図】図1

Description

本願発明は、空中を移動する航空機、路上を移動する自動車、軌道上を移動する列車、海上を移動する船舶、といった移動体の姿勢を決定する方法、プログラム、装置に関するものであり、より具体的には、移動中に測位と画像取得を行い、これらの結果を基に移動中の移動体姿勢を決定する方法、プログラム、装置に関するものである。
移動体が移動している間、移動体の姿勢は変化し、その姿勢を検出する技術は、様々な分野で取り入れられている。例えば航空機や船舶では、移動中の姿勢がその航路や安定性に影響するため、移動中に自身の姿勢を検知し把握することがある。あるいは、輸送する物によっては移動体の姿勢を制御する必要があり、そのため移動中の移動体姿勢を把握する場合がある。とくに、空中写真測量やレーザー計測(図7)など航空機によって計測を実施する場合には、撮影方向やレーザーの照射方向が極めて重要であり、計測時の航空機姿勢は必ず取得される。
飛行中の航空機の姿勢を取得するためには、特許文献1で示されるように、通常はGPS(Global Positioning System)とIMU(Inertial Measurement Unit)が用いられる。しかしながら、IMUは高価である上に、航空機に搭載するにあたっては耐衝撃機構を要するなど、採用するためには多大な費用を要する。また、GPSとIMUの組み合わせによる方法では、一般的に移動体姿勢の算出が後処理となり、移動中リアルタイムで姿勢を取得してそれを姿勢制御などに反映させることはできない。
そこで特許文献2では、IMUに代えて、磁気センサと重力加速度センサを利用して姿勢角の情報を取得する方法等を提案している。また、本願発明で着目している「太陽を含む画像を利用する」という技術については、特許文献3で提案されている。
特開2004−245741 特開2004−264028 特開2010−173544
ここで示した特許文献1は、前述のとおりGPSとIMUの組み合わせにより姿勢情報を取得する方法であり、移動体姿勢の算出は後処理となって移動中のリアルタイム処理ができない、採用に当たって多大な費用を要する、といった問題を抱えている。引用文献2は、IMUを用いないため引用文献1のような問題はないものの、磁気センサと重力加速度センサを用いる方法では、GPSとIMUを組み合わせた場合に比べると取得する精度は劣り、空中写真測量やレーザー計測などを行うにあたっては採用し難い技術である。引用文献3は、本願同様「太陽を含む画像を利用する」という点に着目しているが、車両用の空気調和装置を制御するためのものであり、移動体の姿勢を決定するためのものではない。
本願発明の課題は前記問題を解決するものであり、採用に当たって掛かる費用を軽減し、且つ高い精度で移動体姿勢を決定することのできる方法、プログラム、及び装置を提供することにある。
移動体姿勢の決定方法は、移動中の移動体の姿勢を決定する方法であって、前記移動体に搭載された位置計測手段によって、移動中に2回以上、移動体位置を計測し、前記移動体に搭載された画像取得手段によって、移動中に、太陽を含む画像を取得するとともに、画像を取得した画像取得時刻を取得し、計測された2以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を算出し、計測された前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を求め、前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求め、水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求め、前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差と、前記算出された移動体の移動方位と、に基づいて、移動体の姿勢を算出する方法である。
この場合、位置計測手段によって、移動体位置を計測するとともに、その計測時刻を取得し、計測された前記移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を算出することもできる。
移動体姿勢の決定プログラムは、移動中の移動体の姿勢を決定するプログラムであって、前記移動体に搭載された位置計測手段によって移動中に計測された、2以上の移動体位置を読み込む機能と、前記移動体に搭載された画像取得手段によって移動中に取得された太陽を含む画像と、画像を取得した画像取得時刻と、を読み込む機能と、前記2以上の移動体位置に基づいて、移動体の移動方位を算出する機能と、前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を求める機能と、前記画像の輝度に基づいて、画像中における太陽位置を抽出する機能と、移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求める機能と、水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求める機能と、前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差と、前記算出された移動体の移動方位と、に基づいて、移動体の姿勢を算出する機能と、をコンピュータに実行させるものである。
この場合、位置計測手段によって移動中に計測された計測時刻を、読み込む機能と、移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を求める機能と、をコンピュータに実行させることもできる。
移動体姿勢の決定装置は、移動中の移動体の姿勢を決定する装置であって、前記移動体に搭載され、移動中に太陽を含む画像を取得し、その画像を取得した画像取得時刻を取得し得る、画像取得手段と、前記移動体に搭載され、移動中に移動体位置を計測し得る、位置計測手段と、前記画像と、前記画像取得時刻と、前記移動体位置と、を記憶する記憶手段と、前記記憶手段から、前記画像と前記画像取得時刻と前記移動体位置と、を読み込んで演算処理を行う演算処理手段と、を備え、前記演算処理手段は、2以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を計算するとともに、前記画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を計算し、前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを計算し、水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを計算し、前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差と、前記算出された移動体の移動方位と、移動体の姿勢を計算するものである。
この場合、位置計測手段は、計測された計測時刻を取得し、記憶手段は、前記計測時刻を記憶し、演算処理手段は、記憶手段から前記計測時刻を読み込んで、移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を計算することもできる。
本願発明の移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置には、次のような効果がある。
(1)IMUを必要とせず、GPSやカメラなど比較的廉価な製品で構成できるので、掛かる費用を軽減することができる。
(2)GPSとカメラなど少ない設備を搭載するだけなので、比較的容易に設置することができる。
(3)磁気センサなどに比べ、高い精度で移動体姿勢を取得することができる。
(4)移動中リアルタイムで移動体姿勢を取得できるので、移動しながら姿勢制御を行うことができる。
(5)複雑な演算処理を必要としないので、容易かつ迅速に結果を取得することができる。
移動体1が移動している状態を示す説明図。 本願発明を実施するために利用される構成要素を示すブロック図。 移動体の姿勢に合わせた座標系である任意座標系を示す説明図。 (a)は任意座標系において画像取得位置から太陽を見たときの太陽の角度を示すモデル図、(b)は画像中における太陽位置を示す説明図。 (a)は任意座標系における計測ベクトルを表すモデル図、(b)は絶対座標系における基準ベクトルを表すモデル図。 (a)は任意座標系のx軸−y軸をz軸回りにκ’だけ回転させた図、(b)は任意座標系のy軸−z軸をx軸回りにφ’だけ回転させた図、(c)は任意座標系のz軸−x軸をy軸回りにω’だけ回転させた図。 航空機によるレーザー計測を示す説明図。
本願発明の移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置の実施形態の例を図に基づいて説明する。
(概 要)
図1は、移動体1が移動している状態を示す説明図である。本願発明は、図1に示すように移動中の移動体1における姿勢を決定するものであって、移動中に自位置(移動体1自身の位置)を計測するとともに、太陽S(図1)を含む画像を取得し、自位置の座標と取得した画像によって移動中の姿勢を決定するものである。具体的には、移動中に計測した座標から移動体1の移動している方向(方位)を算出し、取得した画像中の太陽位置から任意座標系(移動体1の姿勢に合わせた座標系)における太陽方位・高度を求め、さらに緯度、経度、日時から絶対座標系(水平面と鉛直軸からなる座標系)における太陽方位・高度を求め、任意座標系と絶対座標系におけるそれぞれの太陽方位・高度を合わせた結果、両座標系に生じる座標軸の角度差と、移動体1の移動方向(方位)と、に基づいて移動体1の姿勢を決定するものである。
移動体1とは、図1に示すような空中を移動する航空機に限らず、路上を移動する自動車、軌道上を移動する列車、海上を移動する船舶、といった移動し得る全てのものを意味する語であるが、便宜上ここでは移動体1を航空機として説明する。
図2は、本願発明を実施するために利用される構成要素を示すブロック図である。この図に示すように、位置計測手段2、画像取得手段3、記憶手段4、演算処理手段5が用いられ、これらは移動中であっても安定するように移動体1に設置される。
図3は、移動体1の姿勢に合わせた座標系である「任意座標系」を示す説明図である。この図に示すように任意座標系は、移動体1の(進行方向に対する)左右方向にx軸、移動体1の進行方向にy軸、移動体1の上下方向にz軸が設けられており、移動体1の姿勢に合わせてその向きを変えるものである。そして、各座標軸の傾きが移動体1の姿勢を決定する。この姿勢は、具体的には、水平面であって東向きをX軸、水平面であって北向きをY軸、鉛直上向きをZ軸、とする「絶対座標系」に対する傾きから求められるものであり、X軸回りの回転角(y軸とY軸あるいはz軸とZ軸の傾き)をピッチ、Y軸回りの回転角(z軸とZ軸あるいはx軸とX軸の傾き)をロール、Z軸回りの回転角(y軸とY軸あるいはx軸とX軸の傾き)をヨー、とする3つの要素から決定されるのが姿勢である。
以下、構成要素ごとに詳細に説明する。
(位置計測手段)
位置計測手段2は、移動中の移動体1の位置を計測するものであり、GPSを利用することも出来る。GPSとしては、単独測位法のほかRTK−OTFやDGPSなどの方法も採用することもできる。位置計測手段2として単独測位GPSを利用した場合、図2に示すように、位置計測手段2はアンテナ部2aとレシーバ部2bで構成される。
GPSは、複数の衛星からの信号を受信することによって位置を特定するシステムであり、自身(位置計測手段2)の位置を特定するとともに、計測を実施した時刻(以下、「計測時刻」という。)も取得することができる。ここで計測される位置は、数学座標系や世界測地系など通常利用される座標系におけるもの(あるいは緯度、経度、標高で表されるもの)であり、図1では第1の地点P1で計測した位置(X,Y,Z)と、移動後の第2の地点P2で計測した位置(X,Y,Z)を示している。また、GPSによれば比較的短い間隔で計測することが可能で、例えば1秒間に1回(1Hz)といった間隔で計測することができる。
(画像取得手段)
画像取得手段3は、太陽Sを含む画像を取得するものであり、デジタルカメラやデジタルビデオを利用することができる。画像取得手段3に用いられるレンズは広角のもの(望ましくは画角120〜180°のもの)が適し、超広角レンズや円周魚眼レンズを採用したいわゆる天頂カメラを採用することが望ましい。また画像取得手段3としてデジタルカメラやデジタルビデオを利用する場合、取得される画像の画素数が300万〜1,000万程度、フレームレートが15〜30fps程度のものとすることが望ましいが、もちろんこのような規格に限定されるものではない。
画像取得手段3は太陽Sを含む画像を取得する必要があることから、画像取得手段3のレンズ部分に減光フィルタ6を設置することもできる。減光フィルタ6を設置することで、太陽Sの外形をより確実に取得することができる。なお減光フィルタ6としては、減光率1,000〜10,000程度の減光黒色フィルタを採用することが可能で、気象条件によって減光率を適宜選択するとより望ましい。
画像取得手段3によって画像を取得した時刻(以下、「画像取得時刻」という。)は、別途用意した計器で計測することもできるが、画像取得の直前あるいは直後に行われた位置計測手段2による計測時刻を採用することも可能であり、より望ましくは、フレームレート(例えば15〜30fps)に基づいて計算により求めるとよい。
画像取得手段3は、位置計測手段2のアンテナ部2aとともにプラットフォーム7に固定したうえで移動体1に搭載(設置)することができる(図2)。この場合、画像取得手段3とアンテナ部2aは接近してプラットフォーム7に固定されることが望ましい。また、画像取得手段3や位置計測手段2は、移動体1の任意の位置に設置することができるが、画像取得手段3については太陽Sの画像を取得しやすい位置に設置することが望ましい。例えば移動体1が航空機の場合、画像取得手段3は航空機の上部に設置することができる。
(記憶手段)
記憶手段4は、位置計測手段2によって計測された移動体1の位置情報(移動体位置データ)と、画像取得手段3によって取得した画像情報(画像データ)とを記憶するものである。なお、移動体位置データはその計測時刻情報(計測時刻データ)と紐づいて記憶され、画像データはその画像取得時刻情報(画像取得時刻データ)と紐づいて記憶されることが望ましく、これらを関連付けるデータベースを記憶手段4に構築することもできる。
(演算処理手段)
演算処理手段5は、移動体1の姿勢を決定するための一連の演算処理を行うものであり、具体的には、この演算処理を実行するためのプログラムを格納するRAM(他の記憶媒体でも可)や、当該プログラムを実行するCPUなどを搭載したコンピュータ(電子計算機)である。このプログラムを実行する際には、記憶手段4に記憶された移動体位置データ、計測時刻データ、画像データ、画像取得時刻データが、記憶手段4から読み込まれ、これらを利用して計算処理が実行される。
(任意座標系)
前述したとおり、ここでいう任意座標系とは、移動体1の姿勢に合わせた座標系のことであり、図2や図3に示すようにそれぞれ直交する、x軸(移動体1の左右方向)、y軸(移動体1の進行方向)、z軸(移動体1の上下方向)、で表される。また、任意座標系の原点(x軸、y軸、z軸が交わる点)は、画像取得手段3で画像を取得した位置(以下、「画像取得位置」という。)、つまり画像取得手段3の設置位置に設けられる。このように、任意座標系の原点は移動体1とともに移動し、各座標軸は移動体1の姿勢に合わせてその向きを変えるものであり、移動体1から見ると任意座標系の原点と各座標軸は固定されているが、後述する絶対座標系から見るとこれらは変化するもので、任意座標系はいわば相対的な座標系である。
(計測ベクトル)
図4(a)は任意座標系において画像取得位置(座標原点O)から太陽Sを見たときの太陽Sの角度θを示すモデル図であり、図4(b)は画像中における太陽位置を示す説明図である。移動中の移動体1の姿勢が未知であれば、移動体1上では水平面を認識することができず、太陽Sの高度(水平面となす角)を把握することができない。よって移動体1上で太陽Sの仰角を把握するには、原点と太陽Sを結ぶ直線と、任意座標系のy軸−z軸からなる平面と、挟角を求めることとなる。この挟角を求める手段は種々あるが、ここでは図4(a)に示すように、原点と太陽Sを結ぶ直線と、任意座標系のz軸との挟角θを求める手段を例に説明する。
広角レンズを用いた天頂カメラ等で撮像すると、図4(b)のような円形の画像が取得される。このように取得可能範囲が円形となることから、この円(最外端の円)はイメージサークルと呼ばれる。図4(b)に示すイメージサークル内には、挟角θの大きさに応じた補助円が描かれており、つまり中心点(座標原点O)から離れる補助円ほど挟角θが大きいことがわかる。図4(b)では、イメージサークルの半径rと挟角θの積r・θを半径として補助円が描かれる等距離射影を採用している。この手法によれば補助円の大きさがθに比例しているため、直感的でわかりやすいという特長がある。なお、補助円を描く方法としては、等距離射影に限らず、2r・sin(θ/2)で与えられる半径で補助円が描かれる等立体角射影や、r・sin(θ)で与えられる半径で補助円が描かれる正射影などを採用することもできる。
画像内に収められた太陽Sは、他と比べるとその輝度が著しく高いため簡単に識別することができる。すなわち、従来の画像認識技術を利用すれば、容易に画像中の太陽を抽出することができる。なお、この輝度として明度を用いることができるが、画像中の太陽を識別することができれば、いわゆる色の3属性のうちの彩度や色相を用いることも、もちろんこれらを組み合わせて用いることもできる。
画像中における太陽の抽出は、演算処理手段5によって行われる。また、演算処理手段5は、抽出した太陽の外形(輪郭)からその重心(図心)位置を計算によって求め、この太陽の重心位置と、画像中の中心点(座標原点O)との距離から挟角θを求める。さらに演算処理手段5は、図4(b)に示すように、中心点(座標原点O)と太陽の重心位置とを結ぶ直線と、任意座標系のy軸との挟角δを求める。このように太陽Sを含む画像から、原点O(すなわち画像取得位置)を基準とした、任意座標系のy軸と太陽との挟角δ、前述の挟角θから任意座標系のx軸−y軸面との挟角(π/2−θ)、をそれぞれ求めることができるので、任意座標系における太陽Sの方向を特定することができる。
図5(a)は、任意座標系における計測ベクトルVmを表すモデル図である。この計測ベクトルVmは、画像から求められた挟角δ及び挟角θ(あるいはπ/2−θ)によって、任意座標系における太陽Sの方向を表したもので、任意座標系の原点Oを起点とし、太陽Sを終点としたベクトルである。取得した画像に基づいて求められるベクトルなので、計測ベクトルVmとした。図5(a)に示すように、任意座標系のx軸,y軸,z軸と、計測ベクトルVmとがなす角は、それぞれαm,βm,γmであり、便宜上これらの余弦を方向余弦と呼ぶ。すなわち、x軸の方向余弦はcos(αm)であり、y軸の方向余弦はcos(βm)であり、z軸の方向余弦はcos(γm)である。便宜上、x軸の方向余弦cos(αm)をLm、y軸の方向余弦cos(βm)をMm、z軸の方向余弦cos(γm)をNmとする。
(絶対座標系)
前述したとおり、ここでいう絶対座標系とは、水平面と鉛直軸からなるものであり、詳しくは、水平面を構成するX軸とY軸、鉛直軸であるZ軸の3軸で構成される。なお、X軸は東西方向であって東向きを正、Y軸は南北方向であって北向きを正、Z軸は上向きを正としている。この絶対座標系も、任意座標系と同様、その原点(X軸、Y軸、Zが交わる点)は、画像取得手段3で画像を取得した位置である「画像取得位置」に設けられ、すなわち位置計測手段2によって取得された移動体1の位置情報(座標や、緯度・経度・標高)が原点Oとされる。このように絶対座標系の原点は移動体1とともに移動するものの、各座標軸は移動体1の姿勢にかかわらず常に一定(東西方向、南北方向、鉛直方向)である。
(基準ベクトル)
地球が自転し、太陽の周囲を公転していることを考えれば、日時と位置(緯度・経度や座標)を与えれば、その位置における太陽高度とその方位は理論上計算によって求めることができる。この算出式は、種々のものが公知であり、以下にその一例を示す。
任意の緯度φ、経度λの地点における任意の日時の太陽方位ψ、高度η、は次式により求められる。なお、この計算は、演算処理手段5によって行われる。
A.元旦からの通し日数dnに基づいて定めるθo
θo=2π(dn−1)/365
B.求める日の太陽赤緯δ
δ=0.006918−0.399912cos(θo)+0.070257sin(θo)−0.006758cos(2θo)+0.000907sin(2θo)−0.002697cos(3θo)+0.001480sin(3θo)
C.地心太陽距離r/r
r/r=1/{1.000110+0.034221cos(θo)+0.001280sin(θo)+0.000719cos(2θo)+0.000077sin(2θo)}0.5
D.均時差Eq
Eq=0.000075+0.001868cos(θo)−0.032077sin(θo)−0.014615cos(2θo)−0.040849sin(2θo)
E.太陽の時角h
h=(JST−12)π/12+標準子午線からの経度差+均時差(Eq)
ただし、JST:日本標準時間
F.太陽方位ψ
ψ=arcsin{sin(φ)sin(δ)+cos(φ)cos(δ)cos(h)}
G.太陽高度η
η=arctan[cos(φ)cos(δ)sin(h)/{sin(φ)sin(α)−sin(δ)}]
太陽方位・高度を求めるための計算は、演算処理手段5によって行われる。ここでいう太陽光度とは、絶対座標系の原点と太陽Sを結ぶ直線と、水平面(すなわち絶対座標系のX軸−Y軸からなる平面)との間の挟角である。また、太陽方位とは、絶対座標系の原点と太陽Sを結ぶ直線と、北方向(すなわち絶対座標系のY軸の正方向)との間の挟角である。なお、厳密には高度(標高)によって太陽光度の値は変化するが、地球から太陽までの距離を考えると、高度による影響は極めて微小なので、ここでは無視することができる。
ここで計算上必要な条件値は、日時と位置である。日(月日)については、当然ながら計測を行った日であり、時刻については、位置計測手段2によって取得された「計測時刻」を用いることができる。また位置については、同じく位置計測手段2によって取得された移動体1の位置情報を採用することができる。
図5(b)は、絶対座標系における基準ベクトルVcを表すモデル図である。この基準ベクトルVcは、計算上求められた太陽方位・高度によって、絶対座標系における太陽Sの方向を表したもので、絶対座標系の原点Oを起点とし、太陽Sを終点としたベクトルである。図5(b)に示すように、絶対座標系のX軸,Y軸,Z軸と、基準ベクトルVcとがなす角は、それぞれαc,βc,γcであり、便宜上これらの余弦を方向余弦と呼ぶ。すなわち、X軸の方向余弦はcos(αc)であり、Y軸の方向余弦はcos(βc)であり、Z軸の方向余弦はcos(γc)である。便宜上、X軸の方向余弦cos(αc)をLc、Y軸の方向余弦cos(βc)をMc、Z軸の方向余弦cos(γc)をNcとする。
(移動体の方位)
図1に示すように、移動している移動体1の方位は、位置計測手段2で計測した位置情報から算出することができる。具体的には、図1で示す第1の地点P1で計測した位置情報(X,Y,Z)と、移動後の第2の地点P2で計測した位置情報(X,Y,Z)を用いて移動体1の進行方向の方位を計算する。なお、位置計測手段2で取得される座標は、任意座標系のものでも、絶対座標系のものでもなく、数学座標系や世界測地系など通常利用される座標系におけるものである。よって、位置情報のうち平面座標である(X,Y)と(X,Y)を用いれば、水平面上での2点間の方位を求めることができる。このように、移動中の2点で位置情報を取得すればその間の進行方向を方位として表すことができるが、2点に限らず、3点以上取得して移動中の方位を計算することもできる。この方位計算は、演算処理手段5によって行われる。
(画像取得位置)
前述したとおり、画像取得位置とは、画像取得手段3で画像を取得した位置であり、画像取得した時点における画像取得手段3の設置位置である。画像取得位置は、演算処理手段5によって算出され、位置計測手段2で計測した位置情報に基づいて計算される。具体的には、記憶手段4から画像取得時刻データを読み込むとともに、画像取得時刻の前後の計測時刻データを読み込み、さらにこれらの計測時刻に計測された位置情報(移動体位置データ)を読み込んで、画像取得時刻における位置情報すなわち画像取得位置を計算する。なお厳密には、ここで計算されるのは位置計測手段2(アンテナ部2a)の位置であるが、画像取得手段3とアンテナ部2aは十分接近しているので、これらの離隔は無視することができる。
なお画像取得位置は、上記計算によって求める手法に代えて、画像取得時刻の直近の計測時刻データと移動体位置データを読み込み、これを便宜的に、画像取得時刻における位置情報すなわち画像取得位置とすることもできる。
(姿勢の決定)
計測ベクトルVmと基準ベクトルVcは、両者とも画像取得位置から太陽Sまで結ぶベクトルなので、本来ならば一致するはずであるが、図5(a)(b)に示すように、任意座標系で表される計測ベクトルVmと、絶対座標系で表される基準ベクトルVcとは、それぞれ方向が異なっている。これは、移動体1の姿勢に起因するためである。つまり、移動体1の姿勢に対応する任意座標系の各座標軸が、絶対座標系の各座標軸に対して傾いているためであり、換言すれば、任意座標系における計測ベクトルVmの方向余弦Lm,Mm,Nmと、絶対座標系における基準ベクトルVcの方向余弦Lc,Mc,Ncが、異なるためである。
任意座標系の各座標軸と、絶対座標系の各座標軸との、ズレ(角度差)を求めれば、任意座標系の各座標軸の傾き、すなわち移動体1の姿勢を求めることができる。任意座標系と絶対座標系との各座標軸の角度差を求める解法については、様々な手法があるが、ここでは以下の手法を例示して説明する。
図5(a)に示す任意座標系の原点と、図5(b)に示す絶対座標系の原点を重ね、その上で、任意座標系のx軸,y軸,z軸をそれぞれ回転させながら計測ベクトルVmと基準ベクトルVcの方向をあわせる。このときx軸,y軸,z軸を回転させた量(角度)を算出し、これらの回転量に基づいて移動体1の姿勢を求める。
任意座標系のx軸,y軸,z軸をそれぞれ回転させながら計測ベクトルVmと基準ベクトルVcの方向をあわせる具体的な手順を、図6(a)〜(c)に基づいて説明する。なお、図6(a)は任意座標系のx軸−y軸をz軸回りにκ’だけ回転させた図で、図6(b)は任意座標系のy軸−z軸をx軸回りにφ’だけ回転させた図で、図6(c)は任意座標系のz軸−x軸をy軸回りにω’だけ回転させた図である。
まず図6(a)に示すように、任意座標系のxn0軸−yn0軸を、zn0軸回りにκ’だけ回転させる。このとき、最初の任意座標系xn0軸−yn0軸−zn0軸における計測ベクトルVmの方向余弦をLm,Mm,Nmとすると、zn0軸回りに回転させた後の計測ベクトルVmの方向余弦Lm,Mm,Nmは次式で与えられる。
Lm=Lm・cosκ’−Mm・sinκ’
Mm=Lm・sinκ’+Mm・cosκ’
Nm=Nm
次に図6(b)に示すように、任意座標系のyn1軸−zn0軸を、xn1軸回りにφ’だけ回転させる。このとき、xn1軸回りに回転させた後の計測ベクトルVmの方向余弦Lm,Mm,Nmは次式で与えられる。
Lm=Lm
Mm=Mm・cosφ’−Nm・sinφ’
Nm=Mm・sinφ’+Nm・cosφ’
最後に図6(c)に示すように、任意座標系のzn1軸−xn1軸を、yn2軸回りにω’だけ回転させる。このとき、yn2軸回りに回転させた後の計測ベクトルVmの方向余弦Lm,Mm,Nmは次式で与えられる。
Lm=Lm・cosω’−Nm・sinω’
Mm=Mm
Nm=Lm・sinω’+Nm・cosω’
すなわち、Lm,Mm,Nmを、Lm,Mm,Nmで表すと次式のとおりとなる。
Lm=[Lm・cosκ’−Mm・sinκ’]・cosω’−[(Lm・sinκ’+Mm・cosκ’)・sinφ’+Nm・cosφ’]・sinω’
Mm=[Lm・sinκ’+Mm・cosκ’]・cosφ’−Nm・sinφ’
Nm=[Lm・cosκ’−Mm・sinκ’]・sinω’+[(Lm・sinκ’+Mm・cosκ’)・sinφ’+Nm・cosφ’]・cosω’
図6(c)で、回転後の任意座標系xn2軸−yn2−zn2軸における計測ベクトルVmのLm,Mm,Nmと、絶対座標系における基準ベクトルVcの方向余弦Lc,Mc,Ncを一致させて得られる解κ’,φ’,ω’が、すなわち任意座標系と絶対座標系との各座標軸の角度差である。そして、絶対座標系のX軸からκ’だけ回転させたものをx軸、Y軸からφ’だけ回転させたものをy軸、Z軸からω’だけ回転させたものをz軸とする。さらに、x軸の方向(水平面に投影した方向)を、移動体1の移動中に2点以上計測した位置情報から求めた方位に合わせて、x軸−y軸−z軸を決定する。ここで決定されたx軸−y軸−z軸と、移動体1の方位κ、y軸と水平面(絶対座標系のX軸−Y軸からなる平面)との角度φ、z軸と水平面との角度ω、に基づいて移動体1の姿勢が求められる。
(応用例)
上記のとおり決定された移動体1の姿勢は、空中写真測量やレーザー計測など航空機によって計測を実施する場合に、撮影方向やレーザーの照射方向を把握する点に用いることができるほか、図2に示すように、外部出力端子8を設け、リアルタイムで外部装置を制御することもできる。ここで外部装置とは、例えば移動体1の運行姿勢を制御する装置であり、あるいは移動体1に積載した荷物等の姿勢を制御する装置などである。
被写地物の移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置は、航空機や船舶の運航制御や、航空写真測量やレーザー計測などの計測作業、その他、水平姿勢を維持する必要のある薬品等の輸送など、様々な分野で応用可能な発明である。
1 移動体
2 位置計測手段
2a (位置計測手段の)アンテナ部
2b (位置計測手段の)レシーバ部
3 画像取得手段
4 記憶手段
5 演算処理手段
6 減光フィルタ
7 プラットフォーム
8 外部出力端子
S 太陽
(絶対座標系の)x軸
(絶対座標系の)y軸
(絶対座標系の)x軸
(任意座標系の)x軸
(任意座標系の)y軸
(任意座標系の)x軸
Vc 基準ベクトル
Lc (基準ベクトルとX軸の)方向余弦
Mc (基準ベクトルとY軸の)方向余弦
Nc (基準ベクトルとZ軸の)方向余弦
Vm 計測ベクトル
Lm (計測ベクトルとx軸の)方向余弦
Mm (計測ベクトルとy軸の)方向余弦
Nm (計測ベクトルとz軸の)方向余弦

Claims (6)

  1. 移動中の移動体の姿勢を決定する方法であって、
    前記移動体に搭載された位置計測手段によって、移動中に2回以上、移動体位置を計測し、
    前記移動体に搭載された画像取得手段によって、移動中に、太陽を含む画像を取得するとともに、画像を取得した画像取得時刻を取得し、
    計測された2以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を算出し、
    計測された前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を求め、
    前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、
    移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求め、
    水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求め、
    前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差と、前記算出された移動体の移動方位と、に基づいて、移動体の姿勢を算出することを特徴とする移動体姿勢の決定方法。
  2. 請求項1記載の移動体姿勢の決定方法において、
    位置計測手段によって、移動体位置を計測するとともに、その計測時刻を取得し、
    計測された前記移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を算出することを特徴とする移動体姿勢の決定方法。
  3. 移動中の移動体の姿勢を決定するプログラムであって、
    前記移動体に搭載された位置計測手段によって移動中に計測された、2以上の移動体位置を読み込む機能と、
    前記移動体に搭載された画像取得手段によって移動中に取得された太陽を含む画像と、画像を取得した画像取得時刻と、を読み込む機能と、
    前記2以上の移動体位置に基づいて、移動体の移動方位を算出する機能と、
    前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を求める機能と、
    前記画像の輝度に基づいて、画像中における太陽位置を抽出する機能と、
    移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求める機能と、
    水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求める機能と、
    前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差と、前記算出された移動体の移動方位と、に基づいて、移動体の姿勢を算出する機能と、をコンピュータに実行させることを特徴とする移動体姿勢の決定プログラム。
  4. 請求項3記載の移動体姿勢の決定プログラムにおいて、
    位置計測手段によって移動中に計測された計測時刻を、読み込む機能と、
    移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を求める機能と、をコンピュータに実行させることを特徴とする移動体姿勢の決定プログラム。
  5. 移動中の移動体の姿勢を決定する装置であって、
    前記移動体に搭載され、移動中に太陽を含む画像を取得し、その画像を取得した画像取得時刻を取得し得る、画像取得手段と、
    前記移動体に搭載され、移動中に移動体位置を計測し得る、位置計測手段と、
    前記画像と、前記画像取得時刻と、前記移動体位置と、を記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段から、前記画像と前記画像取得時刻と前記移動体位置と、を読み込んで演算処理を行う演算処理手段と、を備え、
    前記演算処理手段は、
    2以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を計算するとともに、前記画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を計算し、
    前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、
    移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを計算し、
    水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを計算し、
    前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差と、前記算出された移動体の移動方位と、に基づいて、移動体の姿勢を計算することを特徴とする移動体姿勢の決定装置。
  6. 請求項5記載の移動体姿勢の決定装置において、
    位置計測手段は、計測された計測時刻を取得し、
    記憶手段は、前記計測時刻を記憶し、
    演算処理手段は、記憶手段から前記計測時刻を読み込んで、移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を計算することを特徴とする移動体姿勢の決定装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020530104A (ja) * 2018-07-05 2020-10-15 キム、テヒ 3次元傾き感知装置及びこれを用いた傾き感知方法
WO2023146092A1 (ko) * 2022-01-25 2023-08-03 삼성전자주식회사 영상 기반 관성 센서 보정 방법 및 이를 수행하는 전자 장치

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10281780A (ja) * 1997-04-07 1998-10-23 Toshiba Corp 月・惑星走行車両位置計測システム
US7805244B2 (en) * 2006-05-30 2010-09-28 Inha University Attitude correction apparatus and method for inertial navigation system using camera-type solar sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10281780A (ja) * 1997-04-07 1998-10-23 Toshiba Corp 月・惑星走行車両位置計測システム
US7805244B2 (en) * 2006-05-30 2010-09-28 Inha University Attitude correction apparatus and method for inertial navigation system using camera-type solar sensor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020530104A (ja) * 2018-07-05 2020-10-15 キム、テヒ 3次元傾き感知装置及びこれを用いた傾き感知方法
JP6989829B2 (ja) 2018-07-05 2022-01-12 キム、テヒ 3次元傾き感知装置及びこれを用いた傾き感知方法
WO2023146092A1 (ko) * 2022-01-25 2023-08-03 삼성전자주식회사 영상 기반 관성 센서 보정 방법 및 이를 수행하는 전자 장치

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