JP2013185851A - 測位装置、該測位装置を備えた測位システム、及び測位方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測位ポイントの２次元の位置及び高さ（標高）を特定することが出来る。
【解決手段】設置されている各光源Ａ_１，…は、それぞれの３次元座標（世界座標）を特定するための明滅パターンで明滅している。測位装置２の撮影手段２１は、少なくとも６つの光源Ａ_１，…を含む画像を連続的に取得し、その明滅パターンを解析して各光源Ａ_１，…の３次元座標を求める。また、該測位装置２は、各光源Ａ_１，…の画像座標（画像上での２次元座標）を求める。このようにして、６つの光源Ａ_１，…の世界座標と画像座標がそれぞれ求まるので、それらの値を変換式（つまり、世界座標を画像座標に変換するための式）に代入することにより変換パラメータ（画像座標を世界座標に変換するパラメータ）を求めることができる。そして、測位ポイントの画像座標と前記変換パラメータとから測位ポイントの世界座標を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、自己の位置を測定する測位装置、該測位装置を備えた測位システム、及び測位方法に係り、詳しくは、少なくとも６つの光源を利用して自己の位置を測定するものに関する。

従来、自己の位置を測定する測位システムや測位方法としては種々の方式のものが実施されている（例えば、特許文献１参照）。

屋外用の測位システムとしては、アメリカのＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）に代表されるＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ；全世界的航法衛星システム）があり、このＧＮＳＳでは、複数の人工衛星からの電波を受信して自己（自装置）の位置を検知できるようになっている。

また、屋内用の測位システムとしては以下の方式のものがある。すなわち、
・ 無線ＬＡＮ方式
・ ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）方式
・ ＩＭＥＳ（Ｉｎｄｏｏｒ ＭＥｓｓａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）方式
・ 赤外／可視光通信方式

なお、無線ＬＡＮ方式は、無線ＬＡＮアクセスポイントからの電波の強度を利用して測位を行うものであり、ＲＦＩＤ方式は、受信端末側でＲＦＩＤのＩＤを受信することで自己の位置を特定するものであり、ＩＭＥＳ方式は、屋内に設置されたＧＰＳ送信機によって、ＧＰＳ送信機の設置位置情報をＧＰＳと同一の信号に乗せて送信するゾーン検出型の測位方式であり、赤外／可視光通信方式は、赤外／可視光光源から送信された位置情報をフォトダイオードで検出する方式である。

しかしながら、屋外及び屋内の両方での測位が可能であって移動体の位置測定を短時間で精度良く行えるような測位システムは未だ実用化されてはいない。このような問題を解決するものとして、複数の光源を利用して自己の位置を測定する測位システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図７は、複数の光源を利用した測位システムの構成の一例を示すブロック図であり、符号１００は、道路に沿うように配置された複数の光源を示し、符号１０１は、該光源１００，…からの光を受光するラインセンサを示し、符号１０２は、各光源１００の位置情報を取得する位置情報取得部を示し、符号１０３は、前記ラインセンサ１０１における受光位置と前記位置情報取得部１０２が取得した位置情報とに基づいて測定位置を特定する測定位置特定部を示している。

特開２０１０−２６２４８２号公報 特開２００９−３１２１６号公報

しかしながら、図７に示す測位システムの場合、道路に沿った位置（一次元の位置）を特定することは出来るものの、２次元の位置や高さ（標高）を特定することは困難であった。

本発明は、上述の問題を解消することのできる測位装置、該測位装置を備えた測位システム、及び測位方法を提供することを目的とするものである。

請求項１に係る発明は、図１に例示するものであって、自己の位置を測定する測位装置（２）において、
少なくとも６つの光源（図５の符号Ａ_１，…参照）が含まれる所定時間毎の画像（同図の符号Ｃ参照。以下、「測位用画像」とする）を取得する２次元イメージセンサを有する撮影手段（２１）と、
該取得した一の測位用画像（Ｃ）における各光源（Ａ_１，…）の座標である画像座標（ｘ_１，ｙ_１，ｘ_２，ｙ_２，…）を取得する画像座標取得部（２２）と、
前記撮影手段（２１）が取得した複数の測位用画像（Ｃ，…）から各光源（Ａ_１，…）の明滅パターン（図４の符号Ｂ_１，Ｂ_２参照）を取得する明滅パターン取得部（２３）と、
該取得した各光源（Ａ_１，…）の明滅パターン（Ｂ_１，Ｂ_２）に基づいて各光源（Ａ_１，…）の世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１，Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２，…）を取得する世界座標取得部（２５）と、
画像座標（ｘ_１，ｙ_１，ｘ_２，ｙ_２，…）を世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１，Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２，…）に変換するためのパラメータである変換パラメータ（Ｐ）を、前記取得した画像座標（ｘ_１，ｙ_１，ｘ_２，ｙ_２，…）と前記取得した世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１，Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２，…）とから算出する変換パラメータ算出部（２４）と、
位置測定をしたいポイント（図５の符号Ａ_０参照。以下、「測位ポイント」とする）の画像座標（ｘ_０，ｙ_０）と前記変換パラメータ（Ｐ）とから該測位ポイント（Ａ_０）の世界座標（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）を算出する世界座標算出部（２６）と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、所定のエリアに配置された少なくとも６つの光源（図２及び図３の符号Ａ_１，…参照）と、
請求項１に記載の測位装置（２）と、
を備え、
各光源（Ａ_１，…）は、該光源（Ａ_１，…）の位置情報を示す固有の明滅パターン（図４の符号Ｂ_１，Ｂ_２参照）で明滅するように構成されたことを特徴とする測位システム（１）に関する。

請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において、前記光源（Ａ_１，…）は２次元的に分布するように配置されたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、少なくとも６つの光源（Ａ_１，…）が含まれる所定時間毎の測位用画像（Ｃ，…）を取得する工程と、
該取得した一の測位用画像（Ｃ）における各光源（Ａ_１，…）の座標である画像座標（ｘ_１，ｙ_１，ｘ_２，ｙ_２，…）を取得する工程と、
該取得した複数の測位用画像（Ｃ，…）から各光源（Ａ_１，…）の明滅パターン（図４の符号Ｂ_１，Ｂ_２参照）を取得する工程と、
該取得した各光源（Ａ_１，…）の明滅パターン（Ｂ_１，Ｂ_２）に基づいて各光源（Ａ_１，…）の世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１，Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２，…）を取得する工程と、
画像座標（ｘ_１，ｙ_１，ｘ_２，ｙ_２，…）を世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１，Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２，…）に変換するためのパラメータである変換パラメータ（Ｐ）を、前記取得した画像座標（ｘ_１，ｙ_１，ｘ_２，ｙ_２，…）と前記取得した世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１，Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２，…）とから算出する工程と、
位置測定をしたい測位ポイント（Ａ_０）の画像座標（ｘ_０，ｙ_０）と前記変換パラメータ（Ｐ）とから該測位ポイント（Ａ_０）の世界座標（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）を算出する工程と、を備えた測位方法に関する。

なお、括弧内の番号などは、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。

請求項１乃至４に係る発明によれば、光源が配置されているエリアならば屋内・屋外を問わず測位することが出来る。また、前記撮影手段のフレームレートを高くしたり前記２次元イメージセンサの解像度を高くしたりすることで、静止体のみならず移動体の位置測定を短時間に精度良く行うことができる。さらに、前記測位ポイントの３次元座標（世界座標）を測定することができ、２次元の位置だけでなく高さ（標高）までも特定することが出来る。またさらに、ＧＰＳのように外国が打ち上げた人工衛星を利用する方式のものでは外国のシステムに異常が生じた場合には測位精度にも影響が出てしまうが、本発明に係る測位システムの場合は自国内の設備のみで測位が可能となるため、信頼性の高い測位システムを提供することが出来る。

図１は、本発明に係る測位装置の構成の一例を示すブロック図である。 図２は、本発明に係る測位システムの構成の一例（トンネルの天井部分に光源を配置した例）を示す模式図である。 図３は、本発明に係る測位システムの構成の他の例（道路に沿って光源を配置した例）を示す模式図である。 図４は、ある一つの光源の明滅パターンを示した波形図である。 図５は、測位用画像の一例を示す模式図である。 図６は、本発明に係る測位方法の一例を示すフローチャート図である。 図７は、複数の光源を利用した測位システムの構成の一例を示すブロック図である。

以下、図１乃至図６に沿って、本発明の実施の形態について説明する。

本発明に係る測位システムは、図２及び図３に符号１で例示するものであって、所定のエリア（つまり、測位対象エリア）に配置された少なくとも６つの光源Ａ_１，Ａ_２，…を備えている。該光源Ａ_１，…を配置するエリアは、測位を行いたいエリアであればどこでも良く、
・ 屋内（ビルや地下街やトンネル等の建築物或いは建造物の内部）
・ 屋外（道路に沿ったエリアや、橋に沿ったエリア）
を問わない。そして、前記光源Ａ_１，…は、屋内においてはその天井に沿って略水平方向に２次元的に分布させて配置すると良く、屋外においては、図３に例示するように、道路Ｄや橋（不図示）の上方部分にて略水平方向に２次元的に分布させて配置すると良い。これらの光源Ａ_１，…には、可視光か赤外光を出射するものを用いることができ、白熱電球や赤外線ランプやＬＥＤなどの公知の光源を用いることができる。また、各光源Ａ_１，…は、該光源Ａ_１，…の位置情報を示す固有の明滅パターンで明滅を繰り返すように構成されている。図４は、ある一つの光源の明滅パターンを示した波形図であり、縦軸には光の強さを取り、横軸には時間を取っている。該光源は所定時間（例えば、０．０１秒）が経過するタイミングで点滅を適宜切り換え、点灯時を“１”とし消灯時を“０”とすると、
「０，０，１，１，１，１，０，１，１，０，０，１」
の明滅パターンＢ_１，Ｂ_２を繰り返している。いま、「１」が４つ続く部分Ｂ_１がスタート信号であると規定しておくと、区間Ｂ_２の部分、すなわち、
「０，１，１，０，０，１，０，０」
が、位置情報を担持しているデータ部分となる。このデータ部分Ｂ_２に担持させる情報としては、
・ 位置情報そのもの（光源の世界座標）
・ 光源のＩＤ情報（詳細は後述する）
などを挙げることができる。なお、図４に示す例では、光源は点灯状態と消灯状態との組み合わせによって位置情報を送信しているが、もちろんこれに限られるものではなく、“明状態（明るく点灯している状態）”と“暗状態（暗く点灯している状態）”との組み合わせによって位置情報を送信するようにしても良い。また、図２及び図３に示す例では、光源Ａ_１，…は２列に整列配置しているが、もちろんこれに限られるものではなく、３列以上に整列配置するようにしても、整列させないで自由な位置に配置するようにしても良い。

なお、本発明に係る測位システムの場合、次述するように撮影手段２１が少なくとも６つの光源Ａ_１，…が含まれる画像（図５の符号Ｃ参照。以下、「測位用画像」とする）を取得した場合にのみ測位が可能である。したがって、該光源Ａ_１，…の配置密度が低いとそのような測位用画像Ｃを前記撮影手段２１が取得することが困難で、任意の場所で任意のタイミングで測位するということは困難になる。任意の場所で任意のタイミングで測位できるようにするには、前記測位用画像Ｃを前記撮影手段２１が容易に取得できるように該光源Ａ_１，…の配置密度を高くしておく必要がある。

一方、本発明に係る測位システム１は、自己（自身）の位置を測定するための測位装置２を備えている。この測位装置２は、所定時間毎に連続撮影できるように構成された撮影手段（図１の符号２１参照）を備えており、該撮影手段２１によって、前記光源Ａ_１，…の内の少なくとも６つの光源Ａ_１，…が含まれる測位用画像Ｃ，…を所定時間毎に取得できるようになっている。この撮影手段２１としては、２次元のイメージセンサ（例えば、２次元ＣＣＤイメージセンサや２次元ＣＭＯＳイメージセンサ）を備えて動画像を撮影することができるデジタルビデオカメラを挙げることが出来る。なお、前記測位装置２が静止している場合は、前記撮影手段２１のフレームレートが低くても前記複数の測位用画像Ｃ，…の取得が可能であるが、前記測位装置２が移動している場合は、前記撮影手段２１のフレームレートは該測位装置２の移動速度に応じて高くする必要がある。該測位装置２を自動車に乗せて測位を行う場合も考慮し、前記撮影手段２１には、５０ｆｐｓ〜２００ｆｐｓ程度の高フレームレートで撮影できるデジタルビデオカメラ（例えば、スタンレー電気株式会社製のＴＯＦカメラ）を用いると良い。

また、前記測位装置２は、一の測位用画像Ｃ（つまり、上述のようにして取得した複数の測位用画像Ｃ，…の内の一の測位用画像Ｃ）における各光源Ａ_１，…の２次元座標（画像座標）を取得する画像座標取得部２２を備えている。なお、図５中の（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…は、各光源Ａ_１，…の画像座標を示し、ｘ軸及びｙ軸は、測定用画像Ｃ上に規定した座標軸を示す。

さらに、前記測位装置２は、
・ 前記撮影手段２１が取得した複数の測位用画像Ｃ，…から各光源Ａ_１，…の明滅パターン（例えば、図４に符号Ｂ_２で示すデータ部分）を取得する明滅パターン取得部２３と、
・ 該明滅パターン取得部２３が取得した各光源Ａ_１，…の明滅パターンＢ_２に基づいて各光源Ａ_１，…の世界座標を取得する世界座標取得部２５と、
を備えている。なお、前記明滅パターンが位置情報そのものを担持しているならば前記世界座標取得部２５は該明滅パターンから世界座標を直接的に取得すれば良いが、前記明滅パターンが位置情報そのものではなく光源のＩＤ情報を担持しているならば、前記世界座標取得部２５は所定のデータベース（各光源のＩＤと位置情報とを格納しているようなデータベース）を参照して世界座標を取得するようにすると良い。

ところで、ある点（例えば、ある１つの光源）の世界座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とし、その点の画像座標を（ｘ，ｙ）とし、画像座標を世界座標に変換するためのパラメータ（変換パラメータ）をＰとすると、この世界座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と画像座標（ｘ，ｙ）との間には次の式が成立する。すなわち、

この変換パラメータＰは射影行列と呼ばれる３×４の行列である。すなわち、

この変換パラメータＰは定数倍しても全く同じものを表すため、その自由度は１２ではなく１１である。そして、各成分の式は以下のようになる。すなわち、

いま、６点の光源Ａ_１，…の世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２），…は既知であり、該６点の光源Ａ_１，…の画像座標（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…も既知であるので、以下の式が成立する。すなわち、

すなわち、前記測位装置２の場合、６つの光源Ａ_１，…の世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２），…と画像座標（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…とが求まるため、それらの世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２），…と画像座標（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…とを上述の式に代入することで、射影行列Ｐに関する１２個の拘束式が得られることとなる。したがって、自由度が１１の射影行列Ｐが求められることとなる。前記測位装置２は変換パラメータ算出部２４を備えており、該変換パラメータ算出部２４が、前記取得した画像座標（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…と前記取得した世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２），…とから前記射影行列（変換パラメータ）Ｐを算出することとなる。

一方、位置測定をしたいポイント（測位ポイント）Ａ_０の画像座標（ｘ_０，ｙ_０）は前記測位用画像Ｃ上で任意に決定でき、例えば、（ｘ_０，ｙ_０）＝（０，０）と決定できる。すると、上述のように変換パラメータＰは求まっているので、該測位ポイントの画像座標（ｘ_０，ｙ_０）と該変換パラメータＰとから該測位ポイントＡ_０の世界座標（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）を世界座標算出部２６が算出する。

本発明によれば、光源Ａ_１，…が配置されているエリアならば屋内・屋外を問わず測位することが出来る。また、前記撮影手段２１のフレームレートを高くしたり前記２次元イメージセンサの解像度を高くしたりすることで、静止体のみならず移動体の位置測定を短時間に精度良く行うことができる。さらに、前記測位ポイントＡ_０の３次元座標（世界座標）を測定することができ、２次元の位置だけでなく高さ（標高）までも特定することが出来る。またさらに、ＧＰＳのように外国が打ち上げた人工衛星を利用する方式のものでは外国のシステムに異常が生じた場合には測位精度にも影響が出てしまうが、本発明に係る測位システムの場合は自国内の設備のみで測位が可能となるため、信頼性の高い測位システムを提供することが出来る。

一方、本発明に係る測位方法は、少なくとも以下の工程を備えている。すなわち、
・ 少なくとも６つの光源Ａ_１，…が含まれる所定時間毎の測位用画像Ｃ，…を取得する工程（図６のＳ１参照）
・ 該取得した一の測位用画像Ｃにおける各光源Ａ_１，…の画像座標（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…を取得する工程（図６のＳ２参照）
・ 該取得した複数の測位用画像Ｃ，…から各光源Ａ_１，…の明滅パターン（例えば、図４に符号Ｂ_２で示すデータ部分）を取得する工程（図６のＳ３参照）
・ 該取得した各光源Ａ_１，…の明滅パターンＢ_２に基づいて各光源Ａ_１，…の世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２），…を取得する工程（図６のＳ４参照）
・ 画像座標（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…を世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２），…に変換するためのパラメータである変換パラメータＰを、前記取得した画像座標（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…と前記取得した世界座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１），（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２），…とから算出する工程（図６のＳ５参照）
・ 位置測定をしたい測位ポイントＡ_０の画像座標（ｘ_０，ｙ_０）と前記変換パラメータＰとから該測位ポイントＡ_０の世界座標（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）を算出する工程（図６のＳ６参照）

本発明によれば、光源Ａ_１，…が配置されているエリアならば屋内・屋外を問わず測位することが出来る。また、前記撮影手段２１のフレームレートを高くしたり前記２次元イメージセンサの解像度を高くしたりすることで、静止体のみならず移動体の位置測定を短時間に精度良く行うことができる。さらに、前記測位ポイントＡ_０の３次元座標（世界座標）を測定することができ、２次元の位置だけでなく高さ（標高）までも特定することが出来る。またさらに、ＧＰＳのように外国が打ち上げた人工衛星を利用する方式のものでは、外国のシステムに異常が生じた場合には測位精度にも影響が出てしまうが、本発明に係る測位システムの場合は自国内の設備のみで測位が可能となるため、信頼性の高い測位システムを提供することが出来る。

なお、上述した例では世界座標としてＸＹＺ座標を例示しているが、もちろんこれに限られるものではなく、緯度・経度・標高で位置を特定するようにしても、その他の座標系で位置を特定するようにしても良い。

本発明に係る測位装置、測位システム及び測位方法は、車に搭載した場合にはいわゆるカーナビとして使用することができるが、人が携行するようにしても良い。また、トンネルや管路や地下施設などにおいて壁面の状態を調査する際の位置情報の取得に使用するようにしても良い。

１ 測位システム
２ 測位装置
２１ 撮影手段
２２ 画像座標取得部
２３ 明滅パターン取得部
２４ 変換パラメータ算出部
２５ 世界座標取得部
２６ 世界座標算出部
Ａ_０ 測位ポイント
Ａ_１，… 光源
Ｂ_１，Ｂ_２ 明滅パターン
Ｃ 測位用画像
Ｐ 変換パラメータ
ｘ_１，ｙ_１，ｘ_２，ｙ_２，… 画像座標
Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１，Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２，… 世界座標

Claims (4)

1. 自己の位置を測定する測位装置において、
   少なくとも６つの光源が含まれる所定時間毎の画像（以下、「測位用画像」とする）を取得する２次元イメージセンサを有する撮影手段と、
   該取得した一の測位用画像における各光源の座標である画像座標を取得する画像座標取得部と、
   前記撮影手段が取得した複数の測位用画像から各光源の明滅パターンを取得する明滅パターン取得部と、
   該取得した各光源の明滅パターンに基づいて各光源の世界座標を取得する世界座標取得部と、
   画像座標を世界座標に変換するためのパラメータである変換パラメータを、前記取得した画像座標と前記取得した世界座標とから算出する変換パラメータ算出部と、
   位置測定をしたいポイント（以下、「測位ポイント」とする）の画像座標と前記変換パラメータとから該測位ポイントの世界座標を算出する世界座標算出部と、
   を備えた測位装置。
2. 所定のエリアに配置された少なくとも６つの光源と、
   請求項１に記載の測位装置と、
   を備え、
   各光源は、該光源の位置情報を示す固有の明滅パターンで明滅するように構成された、
   ことを特徴とする測位システム。
3. 前記光源は２次元的に分布するように配置された、
   ことを特徴とする請求項２に記載の測位システム。
4. 少なくとも６つの光源が含まれる所定時間毎の測位用画像を取得する工程と、
   該取得した一の測位用画像における各光源の座標である画像座標を取得する工程と、
   該取得した複数の測位用画像から各光源の明滅パターンを取得する工程と、
   該取得した各光源の明滅パターンに基づいて各光源の世界座標を取得する工程と、
   画像座標を世界座標に変換するためのパラメータである変換パラメータを、前記取得した画像座標と前記取得した世界座標とから算出する工程と、
   位置測定をしたい測位ポイントの画像座標と前記変換パラメータとから該測位ポイントの世界座標を算出する工程と、
   を備えた測位方法。

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