JP2013247401A - 追尾装置および追尾方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
追尾目標の移動体が遠方に位置する場合でも、撮影装置を高精度に線形駆動させて移動体を追尾できる追尾装置および追尾方法を提供する。
【解決手段】
本発明の追尾装置１０は、撮影動作し、撮影した画像データを出力する撮影手段２０、画像データから移動体を特定し、特定した移動体の位置と目標位置との画像上の差分を演算して追尾誤差として出力する画像処理手段３０、移動体の位置情報を取得し、取得した位置情報に基づいて演算した駆動角度に追尾誤差の積分相当値を加算して目標角度を生成すると共に、取得した位置情報に基づいて演算した駆動角速度に追尾誤差の平方根相当値の関数を加算して目標角速度を生成する追尾制御手段４０、および、生成された目標角度および目標角速度に基づいて撮影手段を駆動する駆動手段５０を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動体を追尾する追尾装置および追尾方法に関し、特に、高速で移動する移動体を追尾するカメラ追尾機能を備えた追尾装置および追尾方法に関する。

航空機等の高速で移動する移動体を追尾する目標追尾装置として、モノパルス電波追尾系とカメラ追尾機能を付加した画像追尾系とを併用するものがある。

例えば、特許文献１には、レーダー装置を用いて航空機の位置および移動状態を取得し、実際に航空機を撮影する時の航空機の推定位置を演算し、演算した航空機の推定位置を撮影する撮影制御装置が開示されている。

一方、特許文献２には、移動体を撮影した画像データから取得した追尾誤差と、カメラセンサを支持するジンバルの角度データから演算した角速度データとに基づいて、追尾誤差がゼロとなる制御指令値を計算し、計算した制御指令値に基づいてジンバルを駆動する移動体追尾装置が開示されている。

特開２００６−２７０４０４号公報 特開２００９−１１５６２１号公報

しかし、特許文献１、２の技術は、追尾目標の移動体が遠方に位置する場合、十分な追尾精度を出すことが困難である。この理由は、移動体が遠方に位置する場合には移動体を撮影する撮影装置を低速度で円滑に微小角度駆動する必要があるが、この場合、撮影装置を駆動する旋回部のバックラッシュや摩擦が大きくなり、旋回部の挙動が非線形になるためである。特に、撮影装置の重量が大きい場や撮影装置を超低速度で駆動させる場合は、旋回部への入力電圧を低くしたままで、駆動に十分な回転トルクを出力させる必要があり、旋回部の挙動が顕著に非線形となる。

本発明の目的は、上記の課題に鑑みなされたものであり、追尾目標の移動体が遠方に位置する場合でも、撮影装置を駆動する駆動部を高精度に線形駆動させて移動体を追尾できる追尾装置および追尾方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る追尾装置は、撮影動作し、撮影した画像データを出力する撮影手段と、画像データから移動体を特定し、特定した移動体の位置と目標位置との画像上の差分を演算して追尾誤差として出力する画像処理手段と、移動体の位置情報を取得し、取得した位置情報に基づいて演算した駆動角度に追尾誤差の積分相当値を加算して目標角度を生成すると共に、取得した位置情報に基づいて演算した駆動角速度に追尾誤差の平方根相当値の関数を加算して目標角速度を生成する追尾制御手段と、生成された目標角度および目標角速度に基づいて撮影手段を駆動する駆動手段と、を備える。

上記目的を達成するために本発明に係る追尾方法は、移動体の位置情報を取得し、撮影した画像データを出力し、出力された画像データから移動体を特定し、特定した移動体の位置と目標位置との画像上の差分を演算して追尾誤差として出力し、取得した位置情報に基づいて演算した駆動角度に、追尾誤差の積分相当値を加算して目標角度を生成し、取得した位置情報に基づいて演算した駆動角速度に、追尾誤差の平方根相当値の関数を加算して目標角速度を生成し、生成された目標角度および目標角速度に基づいて撮影手段を駆動する。

本発明に係る追尾装置および追尾方法は、追尾目標の移動体が遠方に位置する場合でも、撮影装置を高精度に線形駆動させて移動体を追尾できる。

本発明の第１の実施形態に係る追尾装置１０のブロック構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る追尾装置１０の動作フロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る目標追尾システム１００のシステム構成図である。 本発明の第２の実施形態の飛翔体の大きさの算出方法のイメージ図である。 本発明の第２の実施形態の画面上の位置と実空間上位置との関係を示したイメージ図である。 角速度ゲインとエラー角との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る目標追尾システム１００の入出力信号のフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る目標追尾システム１００のアルゴリズムフロー図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る追尾装置について説明する。本実施形態に係る追尾装置のブロック図を図１に示す。図１において、本実施形態に係る追尾装置１０は、撮影手段２０、画像処理手段３０、追尾制御手段４０および駆動手段５０を備える。

撮影手段２０は、駆動手段５０によって駆動された状態で移動体を含む空間を撮影し、撮影した画像データを画像処理手段３０へ出力する。本実施形態において、撮影手段２０はズーム機能を有し、画像処理手段３０から入力した実空間上の差分に基づいてズーム設定値を演算し、演算したズーム設定値を用いて移動体を拡大して撮影することにより、ズームの画像データを画像処理手段３０へ出力する。

画像処理手段３０は、撮影手段２０から入力した画像データを２値化する等して移動体を特定し、特定した移動体の位置と目標位置との画面上の差分を計測して追尾誤差として追尾制御手段４０へ出力する。本実施形態において、画像処理手段３０は、追尾誤差としてエラー角（δＡＺ、δＥＬ）を出力する。また、画像処理手段３０は、特定した移動体の位置と目標位置との実空間上の差分を演算して撮影手段２０へ出力する。

追尾制御手段４０は、移動体の位置情報を取得し、取得した位置情報に基づいて、駆動角度および駆動角速度を演算する。追尾制御手段４０はさらに、演算した駆動角度に画像処理手段３０から入力した追尾誤差の積分相当値を加算して目標角度を生成すると共に、演算した駆動角速度に画像処理手段３０から入力した追尾誤差の平方根相当値の関数を加算して目標角速度を生成する。そして、追尾制御手段４０は、演算した目標角度および目標角速度を駆動手段５０へ出力する。

本実施形態において、追尾制御手段４０は、移動体に搭載されたＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）送信機から、ＧＰＳ衛星から受信した情報に基づいて算出した移動体の位置情報を取得する。そして、追尾制御手段４０は、取得した位置情報からカルマンフィルタ等を適用することによって移動後の位置情報を推定し、推定した移動後の位置情報から駆動角度（ＡＺ、ＥＬ）および式（１）で表される駆動角速度（ω_ＡＺ、ω_ＥＬ）を演算する。

さらに、追尾制御手段４０は、演算した駆動角度（ＡＺ、ＥＬ）、駆動角速度（ω_ＡＺ、ω_ＥＬ）および画像処理手段３０から入力したエラー角（δＡＺ、δＥＬ）から、式（２）で表される目標角度および式（３）で表される目標角速度を生成して駆動手段５０へ出力する。

駆動手段５０は、追尾制御手段４０から入力した目標角度（ＡＺ(k+1)、ＥＬ(k+1)）および目標角速度（ω_ＡＺ(k+1)、ω_ＥＬ(k+1)）に基づいて撮影手段２０を駆動する。駆動手段５０の角速度は、エラー角（δＡＺ、δＥＬ）の平方根に比例するため、式（３）において、駆動角速度をエラー角の平方根相当値の関数を用いて補正することにより、駆動手段５０が持つ動き始め等で発生するクーロン摩擦および粘性摩擦等の非線形な外乱を低減することができ、撮影手段２０を高精度に線形駆動することができる。

次に、本実施形態に係る追尾装置１０の動作手順について説明する。追尾装置１０の動作フロー図を図２に示す。図２において、追尾制御手段４０は、移動体に搭載されたＧＰＳ送信機から移動体の現在の位置情報を取得した場合（Ｓ１）、取得した位置情報から移動後の位置情報を推定し（Ｓ２）、推定した移動後の位置情報を用いて撮影手段２０を駆動するための駆動角度および駆動角速度を生成し、駆動手段５０へ出力する（Ｓ３）。

駆動手段５０は、追尾制御手段４０から入力した駆動角度および駆動角速度に基づいて撮影手段２０を駆動し（Ｓ４）、撮影手段２０は、移動体方向の実空間を撮影し、撮影した画像データを画像処理手段３０へ出力する（Ｓ５）。

画像処理手段３０は、撮影手段２０から入力した画像データから移動体を特定し、特定した移動体の位置と目標位置との画像上と実空間上の差分をそれぞれ演算して撮影手段２０へ出力する。撮影手段２０は、画像処理手段３０から入力した画像上および実空間上の差分に基づいてズーム設定し（Ｓ６）、移動体を拡大して撮影することによって取得したズームの画像データを画像処理手段３０へ出力する（Ｓ７）。

画像処理手段３０は、撮影手段２０から入力したズームの画像データから移動体を特定し（Ｓ８）、特定した移動体の位置と目標位置との画面上の差分を計測し、追尾誤差として追尾制御手段４０へ出力する（Ｓ９）。

一方、追尾制御手段４０は、定期的にＧＰＳ送信機から移動体の現在の位置情報を取得している。すなわち、追尾制御手段４０は、定期的に上述のＳ１〜Ｓ３を実行する。追尾制御手段４０は、ＧＰＳ送信機から取得した移動体の現在の位置情報から移動後の位置情報を推定し、推定した移動後の位置情報から駆動角度および駆動角速度を演算する。以下、取得した移動体の現在の位置情報から駆動角度および駆動角速度を演算する工程をＳ１０とする。

追尾制御手段４０はさらに、演算した駆動角度に画像処理手段３０から入力した追尾誤差の積分相当値を加算して目標角度を生成すると共に、Ｓ１０で演算した駆動角速度に追尾誤差の平方根相当値の関数を加算して目標角速度を生成し、駆動手段５０へ出力する（Ｓ１１）。

駆動手段５０は、追尾制御手段４０から入力した目標角度および目標角速度に基づいて撮影手段２０を駆動し（Ｓ１２）、撮影手段２０は、移動体方向の実空間をズーム撮影し、撮影した画像データを画像処理手段３０へ出力する（Ｓ１３）。

以下、本実施形態に係る追尾装置１０は、Ｓ８−Ｓ１３を繰り返すことにより、高速で移動する移動体を追尾する。

以上のように、本実施形態に係る追尾装置１０において、追尾制御手段４０は、移動体の位置情報から演算した駆動角速度に、追尾誤差の平方根相当値の関数を加算することによって、撮影手段２０を駆動するための目標角速度を生成し、駆動手段５０へ出力する。

駆動角速度を追尾誤差の平方根相当値の関数を用いて補正することにより、偏角量がゼロ点近傍となる状況で駆動手段５０に発生するクーロン摩擦や粘性摩擦等の非線形な外乱を低減することができる。従って、本実施形態に係る追尾装置１０は、追尾目標の移動体が遠方に位置する場合でも、撮影装置２０を駆動する駆動手段５０を高精度に線形駆動させて移動体を追尾できる。

さらに、本実施形態に係る追尾装置１０において、追尾制御手段４０は、初期捕捉において、移動体に搭載されたＧＰＳ送信機等から送信される移動体の位置情報に基づいて粗追尾を行う。この場合、別途、レーダー等の設備を備える必要がなく、安価な追尾システムを構築することができる。

そして、移動体を捕捉した後は、ズーム機能を用いて移動体をズーム撮影し、ズームの画像データから追尾誤差を計測し、追尾誤差をゼロとする精追尾を行うことにより、高精度の追尾を継続して行うことができる。

なお、本実施形態において、追尾制御手段４０は、移動体に搭載されたＧＰＳ送信機から移動体の位置情報を取得したが、これに限定されない。追尾制御手段４０は、例えば、地上に配置されたレーダー装置等から移動体の位置情報を取得することもできる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る目標追尾システムのシステム構成図を図３に示す。図３において、目標追尾システム１００は、ＧＰＳ送信機２００、追尾制御装置３００、撮像装置４００および画像処理装置５００から成る。

ＧＰＳ送信機２００は追尾対象の飛翔体に搭載され、ＧＰＳ衛星から受信した情報に基づいて、自機を搭載している飛翔体の位置情報（位置、速度および加速度等）を演算し、演算した位置情報を地上局に配置されている追尾制御装置３００へ送信する。

追尾制御装置３００は地上局に配置され、ＧＰＳ送信機２００から飛翔体の位置情報を受信すると共に、画像処理装置５００からエラー角を取得する。追尾制御装置３００は受信した位置情報を円滑化処理し、円滑化処理した位置情報および取得したエラー角からカメラ４２０を駆動するためのサーボ制御値を生成し、生成したサーボ制御値を撮影装置４００へ出力する。追尾制御装置３００については後述する。

撮影装置４００は、カメラ駆動部４１０およびカメラ４２０を備える。カメラ駆動部４１０は、追尾制御装置３００から入力したサーボ制御値に基づいて、カメラ４２０の姿勢を制御する。カメラ４２０は、ズーム機能を備えたカメラであり、カメラ駆動部４１０によって姿勢を制御された状態で撮影動作し、取得した画像データを画像処理装置５００へ出力する。本実施形態において、カメラ４２０は、ズーム機能を機能させることによって遠方に位置する飛翔体を撮影し、水平画素数１９２０素子および垂直画素数１０８０素子の画像データを画像処理装置５００へ出力する。

カメラ４２０のズーム機能について、図４および図５を用いて説明する。図４は、飛翔体の大きさの算出方法のイメージ図、図５は、画面上の位置と実空間上位置との関係を示したイメージ図である。ここで、図４（ａ）および図５（ａ）は水平方向のイメージ図、図４（ｂ）および図５（ｂ）は垂直方向のイメージ図である。

図４において、カメラ４２０の駆動方向と飛翔体の進行方向とのずれである水平角度：θ_ＯＨおよび垂直角度：θ_ＯＶは、機体ヘディング角：ｙａｗ、機体仰角：θpitchを用いて、式（１．１）で表される。

ここで、ＡＺはカメラ４２０の方位角、ＥＬは仰角である。この時、画面データ上の飛翔体の水平ピクセル値：Ｈ_Targete、垂直ピクセル値：Ｖ_Targeteは、図５において、実空間距離：Ｌ、実水平空間上の水平誤差距離：Ｈ_m、実垂直空間上の垂直誤差距離：Ｖ_mとすると、水平画素数１９２０素子および垂直画素数１０８０素子の場合、式（１．２）で表される。

本実施形態において、算出したＨ_Target、Ｖ_Targetに対応した比率をカメラ４２０にズーム設定することにより、飛翔体のカメラ撮像画面上の姿勢角を考慮した状態で、遠方に位置する飛翔体をズーム撮影することができる。なお、撮影装置４００は、カメラ４２０に設定した比率を、水平画角：θ_Ｈ０および垂直画角をθ_Ｖ０として画像処理装置５００へ出力する。

画像処理装置５００は、撮影装置４００から画像データと設定画角とが入力した場合、入力した画像データを画像処理し、飛翔体の画像中心からのずれ（水平誤差：Ｈ、垂直誤差：Ｖ）を算出する。本実施形態において、画像処理装置５００は、飛翔体の画像中心からのずれとして、図５に示したエラー角（δＡＺ、δＥＬ）を算出して追尾制御装置３００へ出力する。

図５（ａ）において、画像データ上の駆動方向と飛翔体方向との水平誤差をＨ、水平画角をθ_Ｈ０、水平画素数を１９２０素子とすると、実水平空間上の水平誤差距離：Ｈ_mおよび水平撮影範囲：ｘは式（２．１）で表される。

従って、図５（ａ）に示したＡＺエラー角：δＡＺは、式（２．２）で表される。

同様に、図５（ｂ）において、画像データ上の駆動方向と飛翔体方向との垂直誤差をＶ、垂直画角をθ_Ｖ０、垂直画素数を１０８０素子とすると、実垂直空間上の垂直誤差距離：Ｖ_mおよび垂直撮影範囲：ｙは式（２．３）で表される。

従って、図５（ｂ）に示したＥＬエラー角：δＥＬは式（２．４）で表される。

画像処理装置５００は、式（２．２）および式（２．４）を用いて算出したエラー角（δＡＺおよびδＥＬ）を、追尾制御装置３００へ出力する。

次に、追尾制御装置３００について詳細に説明する。図３に示すように、追尾制御装置３００は、目標設定部３１０、粗追尾制御部３２０および精追尾制御部３３０を備える。

目標設定部３１０は、追尾する目標値を設定する機能を有する。本実施形態において、目標設定部３１０は、図示しない入力手段を用いて指定される所定の飛翔体を目標値として設定する。

粗追尾制御部３２０は、ＧＰＳ送信機２００から取得した飛翔体の現在の位置情報（過去の情報を使用して計算されるため、実際は過去の位置情報）に基づいて飛翔体の移動後の位置を推定する。本実施形態において、粗追尾制御部３２０はＧＰＳ送信機２００から、飛翔体の現在の位置情報として、下記に示した飛翔体の座標位置Ｐ（ｋ）、速度Ｖ（ｋ）および加速度Ａ（ｋ）を取得する。

ここで、飛翔体の状態ベクトル：Ｘ_ｋおよび制御入力：ｕ_ｋを式（３．１）で定義すると、

飛翔体の現在の状態（ｋ）から時間ΔＴ経過した時の状態（ｋ＋１）は、運動方程式に従い、下記の式（３．２）で表される。

一方、本実施形態に係る目標追尾システム１００は、時間遷移に関する雑音をＷ_ｋ、観測雑音をＶ_ｋとして、式（３．３）、式（３．４）に示した状態方程式および観測方程式によって表される。

ここで、Ｆは追尾予測システムの時間遷移に関する線形モデル、Ｄは制御入力ｕ_ｋに対する線形演算子、Ｇは共分散行列、Ｈは状態空間を観測空間に線形写像する観測モデルである。

本実施形態に係る粗追尾制御部３２０は、式（３．３）、式（３．４）で表される状態方程式および観測方程式に基づいて、ＧＰＳ送信機２００から取得した飛翔体の位置情報から、飛翔体の移動後の位置を推定する。

精追尾制御部３３０は、粗追尾制御部３２０から飛翔体の移動後の位置が入力した場合、移動後の位置と画像処理装置５００から入力したエラー角とを用いて撮影装置４００を制御するためのサーボ制御値を演算して撮影装置４００へ出力する。

本実施形態において、精追尾制御部３３０は先ず、駆動角度(方位角：ＡＺ、仰角：ＥＬ) を演算する。そして、精追尾制御部３３０は、演算した駆動角度に画像処理装置５００から入力したエラー角の積分相当値を加算することによって演算した駆動角度を補正し、飛翔体の画像データ上の位置を画面中心に移動させるためカメラ目標角度Ｐ_ＯＳ（ｋ＋１）を取得する。

カメラ目標角度Ｐ_ＯＳ（ｋ＋１）、すなわち、水平方向のカメラ目標角度：ＡＺ_{C_ref}（ｋ＋１）および垂直方向のカメラ目標角度：ＥＬ_{C_ref}（ｋ＋１）は、水平方向のエラー角：δＡＺ、垂直方向のエラー角：δＥＬを用いて、式（４．１）で表される。

本実施形態において、精追尾制御部３３０はさらに、駆動角速度（ω_AZ、ω_EL）を演算する。図６に示すように、角速度ゲインがエラー角の絶対値の１／２乗に比例することから、精追尾制御部３３０は、演算した駆動角速度（ω_AZ、ω_EL）に画像処理装置５００から入力したエラー角の平方根相当値の関数を加算することによって、偏角量のゼロ点近傍における非線形要因を排除したカメラ目標角速度Ｖ（ｋ＋１）を取得する。

カメラ目標角速度Ｖ（ｋ＋１）、すなわち、水平方向のカメラ目標角速度：ω_{Az_C_ref}（ｋ＋１）および垂直方向のカメラ目標角速度：ω_{EL_C_ref}（ｋ＋１）は、方位角：ＡＺ、仰角：ＥＬ、水平画角：θ_Ｈ、垂直画角をθ_Ｖを用いて、式（４．２）で表される。

駆動角速度（ω_AZ、ω_EL）に、エラー角（δＡＺ、δＥＬ）の平方根相当値の関数を、スムージングのためのプロファイルとして加算することにより、動き始めや偏角量がゼロ点近傍となる状況において、カメラ駆動部４１０の回転摺動部位にクーロン摩擦や粘性摩擦等の非線形な外乱が発生した場合でも、飛翔体が画像データのゼロ点に引き寄せられ、カメラ４２０による飛翔体の高精度な画像追尾が可能となる。

そして、精追尾制御部３３０は、取得したカメラ目標角度Ｐ_ＯＳ（ｋ＋１）およびカメラ目標角速度Ｖ（ｋ＋１）を、サーボ制御値として撮影装置４００へ出力することにより、撮影装置４００をＰＩ制御する。なお、式（４．１）および式（４．２）を用いる代わりに、断片線形型非線形要素の記述関数を用いることもできる。

次に、本実施形態に係る目標追尾システム１００の動作フローについて説明する。目標追尾システム１００の入出力信号のフローを図７に示す。図７に示すように、本実施形態に係る目標追尾システム１００において飛翔体の画像追尾を行う場合、飛翔体に搭載されたＧＰＳ送信機２００は、ＧＰＳ衛星から受信した情報から飛翔体の位置情報（位置、速度および加速度等）を演算し、演算した飛翔体の位置情報を地上局に配置されている追尾制御装置３００へ送信する（Ｓ１０１）。

一方、目標追尾システム１００において、撮影装置４００はサーボ制御値に基づいて所定方向の画像データを取得し、式（１．２）で算出したピクセル値に基づいて飛翔体を撮影する。そして、撮影装置４００は取得した画像データ、撮影に用いた水平画角θ_HOおよび垂直画角θ_VOを画像処理装置５００へ出力する（Ｓ１０２）。

画像処理装置５００は、撮影装置４００から画像データ、水平画角θ_HOおよび垂直画角θ_VOが入力した場合、入力した画像データから飛翔体を特定し、飛翔体と画像中心とのずれ（Ｈ、Ｖ）、飛翔体の大きさおよび重心等を取得する。

さらに、画像処理装置５００は、算出したずれ（Ｈ、Ｖ）および撮影装置４００から入力した水平画角θ_HOおよび垂直画角θ_VOを用い、式（２．２）、式（２．４）に基づいて飛翔体の位置とカメラ４２０の駆動方向（画像データの中心位置）の誤差であるエラー角（δＡＺおよびδＥＬ）を算出し、算出したエラー角を追尾制御装置３００へ出力する（Ｓ１０３）。

追尾制御装置３００は、ＧＰＳ送信機２００から飛翔体の位置情報（位置、速度および加速度等）が入力した場合、粗追尾制御部３２０において、式（３．３）、式（３．４）で表される状態方程式および観測方程式に基づいて平滑化フィルタ処理し、飛翔体の移動後の位置を推定する（Ｓ１０４）。

追尾制御装置３００はさらに、精追尾制御部３２０において、式（４．１）、式（４．２）に基づいて、推定した移動後の位置を画像処理装置５００から入力したエラー角（δＡＺおよびδＥＬ）を用いて補正し、カメラ４２０の撮影方向を制御するためのカメラ目標角度Ｐ_ＯＳ（ｋ＋１）およびカメラ目標角速度Ｖ（ｋ＋１）を取得する。そして、追尾制御装置３００は、取得したカメラ目標角度Ｐ_ＯＳ（ｋ＋１）およびカメラ目標角速度Ｖ（ｋ＋１）をサーボ制御値として撮影装置４００へ出力する（Ｓ１０５）。

撮影装置４００は、追尾制御装置３００からＰ_ＯＳ（ｋ＋１）およびＶ（ｋ＋１）が入力した場合、カメラ駆動部４１０においてカメラ４２０の姿勢をサーボ制御する（Ｓ１０６）。撮影装置４００がＰ_ＯＳ（ｋ＋１）およびＶ（ｋ＋１）によってサーボ制御されることにより、画像データ上の飛翔体と中心位置とのずれが減少する。ここで、図７において、ＥｓｔはEstimate(予測）を意味し、Est_Az_c_ref、Est_El_ c_refは予測目標角度を表し、Est_Az_c_v_ref、Est_El_c_v_refは予測目標角速度を表す。

さらに、撮影装置４００は、式（１．２）を用いてカメラ４２０をズーム制御する。そして、追尾制御装置３００は、ズームの画像データに基づくエラー角を画像処理装置５００から取得し、取得したエラー角および作動したカメラ駆動部４１０の動作量等から、次フレームの画像ずれ量を予測し、画像データ上の飛翔体と中心位置とのずれをさらに小さくするためのカメラ目標角度Ｐ_ＯＳ（ｋ＋１）およびカメラ目標角速度Ｖ（ｋ＋１）を取得して撮影装置４００へ出力する。

そして、撮影装置４００は、追尾制御装置３００から入力した、画像データ上の飛翔体と中心位置とのずれをさらに小さくするためのＰ_ＯＳ（ｋ＋１）およびＶ（ｋ＋１）に基づいてカメラ４２０の姿勢をサーボ制御する（Ｓ１０７）。追尾制御装置３００が次フレームの画像ずれ量を予測し、予測した画像ずれ量に基づいてＰ_ＯＳ（ｋ＋１）およびＶ（ｋ＋１）を演算することにより、画像データ上の飛翔体が中心位置に高精度に補正される。ここで、図７において、Ｅst_Ｈ_ｑおよびＥｓｔ_Ｖ_ｑは、次フレームに想定される画像ずれの予測値を表す。

ここで、ＧＰＳ送信機２００からの位置情報取得処理および平滑化フィルタによる移動後の位置の推定処理は、低速度周期で行われる。一方、サーボ制御値の生成および生成したサーボ制御値に基づくカメラ駆動部４１０のＰＩ制御は、高速度周期で行われる。

次に、本実施形態に係る目標追尾システム１００のアルゴリズムフローについて説明する。目標追尾システム１００のアルゴリズムフローを図８に示す。図８において、本実施形態に係る目標追尾システム１００は、撮影装置４００が撮影した画像データから飛翔体を特定し（Ｓ２０１）、特定した飛翔体と画像中心とのずれ（Ｈ、Ｖ）や飛翔体の大きさおよび重心等を取得する（Ｓ２０２、Ｓ２０３）。

そして、目標追尾システム１００は、取得した飛翔体の位置が異常か否か判定する（Ｓ２０４）。目標追尾システム１００は、特定した飛翔体の位置情報が、飛翔体が位置することがない位置情報や、前回と大きく異なる位置情報である場合、飛翔体以外の物体を飛翔体として特定したと判定する。この場合、目標追尾システム１００は、前回用いた位置情報をそのまま保持したり、補間処理等を行ったりする。

一方、特定した飛翔体が追尾目標の飛翔体である場合、目標追尾システム１００はさらに、飛翔体をズーム撮影するための設定を開始する（Ｓ２０５）。具体的には、目標追尾システム１００は、画像データから飛翔体の画像中心からのずれ、すなわち、エラー角（δＡＺ、δＥＬ）を式（２．２）、式（２．４）を用いて算出する（Ｓ２０６）。

また、目標追尾システム１００はＧＰＳ送信機２００を用いて取得した飛翔体の位置情報を式（３．３）、式（３．４）で表される状態方程式および観測方程式に基づいて平滑化フィルタ処理する（Ｓ２０７）。ＧＰＳ送信機２００から入力した飛翔体の位置情報（時暦データ）をカルマンフィルタ等の予測推定フィルタで円滑化して用いる場合、エラー電圧の精度によらない安定的な粗追尾制御を行うことができる。

そして、目標追尾システム１００は、式（４．１）、式（４．２）に基づいて、平滑化フィルタ処理した飛翔体の位置情報をエラー角（δＡＺ、δＥＬ）によって補正することにより、撮影装置４００をサーボ制御するためのサーボ制御値として、カメラ目標角度Ｐ_ＯＳ（ｋ＋１）およびカメラ目標角速度Ｖ（ｋ＋１）を取得する（Ｓ２０８）。撮影装置４００は、サーボ制御値に基づいてカメラ４２０の姿勢を制御し、飛翔体の画像データを取得する（Ｓ２０９）。

撮影装置４００で撮像した画像データを用いてサーボ制御値を補正することにより、飛翔体を容易に精追尾できる。さらに、ズーム機能を用いて遠方の飛翔体の位置を詳細に特定してサーボ制御値をゼロ点補正することにより、飛翔体を高精度に精追尾できる。

さらに、画像処理装置５００において処理される画像ずれ情報は非同期低周期更新であるため、撮影装置４００の高速周期サーボ系にて利用する際には予測補完する必要がある。予測目標角度Est_Az_c_ref、Est_El_ c_ref、予測目標角速度Est_Az_c_v_ref、Est_El_c_v_ref等を目標値として設定することでよりスムーズにサーボ系を動作させることが可能となる。また、次のフレームでどの程度画像ずれが発生するか予測することで画像処理装置５００が画像処理すべきエリアをより正確に特定することができる。例えば、前フレームにて発生した画像ずれＨ、Ｖに対し、本フレームにて補正した残量δＨ,δＶを基に、次フレームにおける画像ずれ(Est_H_q、Est_V_q)を生成する。これにより、常に画面全体を画像処理する必要がなく、目標が存在する可能性のあるエリアのみをしぼって画像処理することにより、画像処理更新レートを高速化することが可能となる。

以上のように、本実施形態に係る目標追尾システム１００は、飛翔体に搭載されたＧＰＳ送信機２００から送信された飛翔体の位置、速度、加速度データを平滑化することによって飛翔体を粗追尾し、撮影装置４００によって飛翔体を撮影したズームの画像データを用いて飛翔体を高精度に精追尾する。

ＧＰＳ送信機２００から送信される飛翔体の位置情報を（時暦データ）、カルマンフィルタ等の予測推定フィルタによって円滑化して移動後の位置情報を推定することにより、エラー電圧の精度によらない継続的且つ安定的な粗追尾制御を行うことができる。

飛翔体の精追尾としては、推定した位置情報に画像データから取得した画像補正値の積分相当値を加算するＰＩ制御方式と、画像データから取得した偏角情報の平方根相当値の関数をスムージングのためのプロファイルとして用いる非線形制御方式と、を併用する。これにより、飛翔体を観測中心に移動させると共にカメラ駆動装置の回転機構が持つ動き始め等で発生するクーロン摩擦および粘性摩擦等の非線形な外乱による影響を低減する。

さらに、追尾補正としては、ズーム機能を用いて遠方の飛翔体を撮像することにより、飛翔体の位置を詳細に特定することができ、高精度なゼロ点補正を行うことができる。

従って、本実施形態に係る目標追尾システム１００は、追尾特性を向上させるために、システムタイミングを広帯域に設定したり、高速で高価な画像処理装置を準備したりする必要がなく、安価で高精度な追尾システムを構築することができる。

ここで、目標物としては、ＧＰＳ送信機２００を搭載可能であると共に、撮影装置４００による撮影が可能であれば、飛翔体に限定されない。また、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

１０ 追尾装置
２０ 撮影手段
３０ 画像処理手段
４０ 追尾制御手段
５０ 駆動手段
１００ 目標追尾システム
２００ ＧＰＳ送信機
３００ 追尾制御装置
３１０ 目標設定部
３２０ 粗追尾制御部
３３０ 精追尾制御部
４００ 撮像装置
４１０ カメラ駆動部
４２０ カメラ
５００ 画像処理装置

Claims (6)

1. 撮影動作し、撮影した画像データを出力する撮影手段と、
   前記画像データから移動体を特定し、特定した移動体の位置と目標位置との画像上の差分を演算して追尾誤差として出力する画像処理手段と、
   移動体の位置情報を取得し、取得した位置情報に基づいて演算した駆動角度に前記追尾誤差の積分相当値を加算して目標角度を生成すると共に、取得した位置情報に基づいて演算した駆動角速度に前記追尾誤差の平方根相当値の関数を加算して目標角速度を生成する追尾制御手段と、
   前記生成された目標角度および目標角速度に基づいて撮影手段を駆動する駆動手段と、
   を備える追尾装置。
2. 前記画像処理手段は、追尾誤差として、水平方向のエラー角（δＡＺ）および垂直方向のエラー角（δＥＬ）を出力し、
   前記追尾制御手段は、目標角度として下記数式で表されるＡＺ(k+1)、ＥＬ(k+1)を生成し、
   

   

   目標角速度として下記数式で表されるω_ＡＺ(k+1) 、ω_ＥＬ(k+1)を生成する、
   

   

   請求項１記載の追尾装置。
3. 前記画像処理手段はさらに、特定した移動体の位置と目標位置との実空間上の差分（Ｈ_ｍ、Ｖ_ｍ）を演算して出力し、
   前記撮影手段は、ズーム機能を有し、移動体のヘディング角：ｙａｗ、移動体の仰角：θpitch、画像の横方向の画素数をα、画像の縦方向の画素数をβとすると、下記数式に基づいてズーム設定する、
   

   

   請求項１または２記載の追尾装置。
4. 移動体に搭載され、ＧＰＳ衛星から取得した情報に基づいて移動体の位置情報を演算し、演算した位置情報を前記追尾制御手段へ出力する位置情報取得手段をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか１項記載の追尾装置。
5. 前記追尾制御手段は、下記数式で表される状態方程式および観測方程式を用いて入力された位置情報から移動後の位置情報を推定し、推定した位置情報から前記駆動角度および駆動角速度を演算する、
   

   

   請求項１乃至４のいずれか１項記載の追尾装置。
6. 移動体の位置情報を取得し、
   撮影した画像データを出力し、
   前記出力された画像データから移動体を特定し、特定した移動体の位置と目標位置との画像上の差分を演算して追尾誤差として出力し、
   前記取得した位置情報に基づいて演算した駆動角度に、前記追尾誤差の積分相当値を加算して目標角度を生成し、
   前記取得した位置情報に基づいて演算した駆動角速度に、前記追尾誤差の平方根相当値の関数を加算して目標角速度を生成し、
   前記生成された目標角度および目標角速度に基づいて撮影手段を駆動する、
   追尾方法。

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