JP2016176751A - 目標情報取得装置及び目標情報取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元地形データを用いることなく、目標の位置や速度等の目標情報が取得できる目標情報取得装置及び目標情報取得方法を提供する。
【解決手段】目標を撮影して、撮影データを出力する撮影部１２と、目標までの距離を計測して出力するレーザ測距部と、目標が視野内に収まるように、撮影部及びレーザ測距部を駆動し、そのときの撮影方向を撮影方位情報として出力する防振部１４と、飛翔体の緯度経度を測定して機体位置情報として出力するＧＰＳ測位部１５と、飛翔体の機体高度情報として出力する飛行高度検出部１７と、予め２次元の地図情報を記憶し、撮影データが含まれる領域を２次元地図情報から切り出し、撮影データとを合わせ込む照合補正を行って、照合補正で用いた傾斜角及び、測遠情報、撮影方位情報、機体位置情報、機体高度情報を用いて目標の３次元位置を演算する目標情報処理ユニット１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヘリコプター等の飛翔体に搭載されて目標の位置や速度等の目標情報を取得する目標情報取得装置及び目標情報取得方法に関する。

近年、人工衛星や航空機等の飛翔体から地上を撮影して、撮影画像から海上の艦船等の目標を探知する目標探知装置が提案されている。

例えば、特開２０１３−２３４９４６号公報においては、目標の位置を迅速かつ高精度で特定する目標位置特定装置が開示されている。

即ち、この目標位置特定装置は、高所に設置され、任意の方向に旋回し指向することが可能な支持機構により支持されており、地上に所在する複数の目標を撮影するカメラと、支持機構の設置位置および設置姿勢、並びに支持機構の回転角度から、カメラの撮影方向を示す視軸を計測する視軸計測部を備える。また、カメラで撮影されている地表面または海上面までの距離である撮影距離を計測可能とする撮影距離計測部と、計測された視軸、撮影距離計測部により計測された撮影距離、から、視軸と地表面または海上面との交点座標である画面中心座標を算出する画面中心座標算出部と、を備える。さらに、複数の目標のそれぞれについて、算出された画面中心座標からの前後左右方向の距離である中心基準距離を算出するとともに、画面中心座標に対して、算出された中心基準距離を加算することにより、目標のそれぞれの位置座標を特定する目標座標特定部と、を備える。

このとき、画面中心座標算出部には、３次元地形データが予め記憶されて、画面中心座標を３次元地形データから算出している。

特開２０１３−２３４９４６号公報

しかしながら、３次元地形データはデータ量が大きく、目標情報の取得には多大な演算負荷が必要となり、迅速な目標情報の取得が困難となる問題があった。無論、演算に置いてデータの間引き処理を行って、演算負荷を軽減することも可能であるが、この場合には、目標情報の精度が犠牲になる問題が生じる。

そこで、本発明の主目的は、３次元地形データを用いることなく、迅速、かつ、高精度に目標の位置や速度等の目標情報が取得できる目標情報取得装置及び目標情報取得方法を提供することである。

上記課題を解決するため、飛翔体に搭載されて目標を撮影し、その撮影データを用いて、少なくとも当該目標の位置を目標情報として算出する目標情報取得装置にかかる発明は、目標を撮影して、撮影データを出力する撮影部と、目標までの距離を計測して、計測結果を測遠情報として出力するレーザ測距部と、目標が視野内に収まるように、少なくとも撮影部及びレーザ測距部を駆動し、そのときの撮影方向を撮影方位情報として出力する防振部と、飛翔体の緯度経度を測定して機体位置情報として出力するＧＰＳ測位部と、飛翔体の対地高度を測定して機体高度情報として出力する飛行高度検出部と、予め２次元の地図情報を記憶し、撮影データが含まれる領域を２次元地図情報から切り出して、切出マップデータとし、撮影データと切出マップデータとを合わせ込む照合補正を行って、当該照合補正で用いた傾斜角及び、測遠情報、撮影方位情報、機体位置情報、機体高度情報を用いて目標の３次元位置を演算する目標情報処理ユニットと、を備えることを特徴とする。

また、飛翔体に搭載されて目標を撮影し、その撮影データを用いて、少なくとも当該目標の位置を目標情報として算出する目標情報取得方法にかかる発明は、撮影部により目標を撮影して、撮影データを出力する撮影手順と、レーザ測距部により目標までの距離を計測して、計測結果を測遠情報として出力するレーザ測距手順と、防振部により目標が視野内に収まるように、少なくとも撮影部及びレーザ測距部を駆動し、そのときの撮影方向を撮影方位情報として出力する防振手順と、ＧＰＳ測位部により飛翔体の緯度経度を測定して機体位置情報として出力するＧＰＳ測位手順と、飛行高度検出部により飛翔体の対地高度を測定して機体高度情報として出力する飛行高度検出手順と、予め２次元の地図情報を記憶した目標情報処理ユニットにより、撮影データが含まれる領域を２次元地図情報から切り出して、切出マップデータとし、撮影データと切出マップデータとを合わせ込む照合補正を行って、当該照合補正で用いた傾斜角及び、測遠情報、撮影方位情報、機体位置情報、機体高度情報を用いて目標の３次元位置を演算する目標情報処理手順と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、３次元地形データを用いることなく、迅速、かつ、高精度に目標の位置や速度等の目標情報が取得できるようになる。

本発明にかかる目標情報取得装置のブロック図である。 目標情報演算手順を示したフローチャートである。 目標情報演算手順の説明に適用される目標、地形、ヘリコプターの様子を例示した図である。 目標情報演算手順の説明に適用されるパラメータを説明する図である。

本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる目標情報取得装置２のブロック図である。

目標情報取得装置２は、望遠レンズ１１、撮影部１２、画像処理部１３、防振部１４、ＧＰＳ測位部１５、機体姿勢検出部１６、飛行高度検出部１７、目標情報処理ユニット１８、駆動制御部１９、レーザ測遠部２０を備える。

また、目標情報処理ユニット１８は、輪郭データ抽出部１８ａ、切出マップ作成部１８ｂ、位置基準抽出部１８ｃ、データ補正部１８ｄ、目標情報演算部１８ｅを含んでいる。

望遠レンズ１１は、飛翔体から目標を撮影するために十分な焦点距離を持つ光学レンズである。なお、広角レンズであってもよい。撮影部１２は、非冷却赤外線カメラ等からなり、望遠レンズ１１を通過した光をデジタルデータに変換することにより目標を撮影する。

画像処理部１３は、撮影した映像のブレや歪み等を補正する。防振部１４は、ジンバルを具備して望遠レンズ１１及び撮影部１２に加わる飛翔体等からの振動を抑制すると共に、望遠レンズ１１、撮影部１２、レーザ測遠部２０を撮影方向に駆動し、そのときの方位を撮影方位情報として撮影部１２、画像処理部１３を介して目標情報処理ユニット１８に出力する。

ＧＰＳ測位部１５は、飛翔体の位置を取得する。機体姿勢検出部１６は、飛翔体のピッチ、ヨー、ロールの３軸の姿勢情報を検出する。飛行高度検出部１７は、飛翔体の対地高度を検出する。

駆動制御部１９は、防振部１４を駆動させる。レーザ測遠部２０は、飛翔体と目標との距離を計測する。目標情報処理ユニット１８は、防振部１４から撮影方位情報、ＧＰＳ測位部１５から飛翔体の位置情報、機体姿勢検出部１６から機体姿勢情報、飛行高度検出部１７から機体高度情報の各情報を用いて目標の緯度経度や速度等の目標情報を演算する。

次に、この目標情報取得装置２の詳細構成を目標情報演算手順と共に説明する。図２は、主に目標情報処理ユニット１８で行われる目標情報演算手順を示したフローチャートである。目標情報は、目標撮影処理（ステップＳ１〜ステップＳ４）、マップ切出処理（ステップＳ５，Ｓ６）、補正照合処理（ステップＳ７，Ｓ８）、目標情報演算処理（ステップＳ９）を経て取得される。

以下の説明では、図３に示すように、山間部の道路を走っている自動車を目標とした場合に、飛翔体（図３では、ヘリコプター）に搭載された目標情報取得装置２により、自動車の位置及び速度を目標情報として算出するものとする。このとき、各パラメータを図４のように定義する。

図４は、目標情報演算手順の説明に適用されるパラメータを説明する図である。図４において、白丸（○）は目標、白三角（△）は撮影側基準、黒三角（▲）はマップ側基準を示している。線Ｋ１は飛翔体からの撮影方向、線Ｋ２鉛直線、点Ｒは飛翔体の直下地表点である。また、Ｐ（ｘ、ｙ）は目標の緯度経度、Ｐ（ｚ）は海面（海抜０ｍ）からの高さ、Ｑ（ｘ，ｙ）は飛翔体の緯度経度、Ｈは直下地表点Ｒから飛翔体までの高さである。

撮影側基準及びマップ側基準については、後述するが、これらを総称して単に位置基準と記載する。

αは鉛直線Ｋ２と撮影部１２の光軸方位Ｋ１とのなす角度、βは撮影画像が水平面となす角度である。なお、撮影画像は、地形の凹凸形状を２次元的に表示したイメージ画像で、撮影方向は、このイメージ画像に対して垂直をなす。即ち、凹凸形状を含む地形がイメージ画像の面（正確には、撮影部１２における撮影素子の素子面）への射影像が撮影画像となる。

さらに、ｈ１は飛翔体と目標との高度差、ｈ２は飛翔体直下の直下地表点Ｒと海面との高度差、Ｌは飛翔体と目標との距離である。

このとき、目標位置は、下記の式１、式２
Ｐ（ｘ，ｙ）＝Ｑ（ｘ、ｙ）＋Ｌ＊ｓｉｎ（α） …（１）
Ｐ（ｚ）＝Ｈ−ｈ１＋ｈ２＝Ｈ−Ｌ＊ｃｏｓ（α）＋ｈ２ …（２）
で与えられる。

ここで、飛翔体の緯度経度位置Ｑ（ｘ，ｙ）は、ＧＰＳ測位部１５からの機体位置情報により取得できる。高度Ｈは、飛行高度検出部１７から機体高度情報により取得できる。角度αは、防振部１４からの撮影方位情報により取得できる。距離Ｌは、レーザ測遠部２０からの測遠情報から取得できる。

飛翔体の緯度経度Ｑ（ｘ，ｙ）は機体位置情報により取得できるので、予め３次元マップを準備し、当該３次元マップから緯度経度Ｑ（ｘ，ｙ）の位置（直下地表点Ｒ）における高度ｈ２を読み取ることができる。

しかし、この方法ではデータ量の大きい３次元マップを準備している必要がある。そこで、本実施形態では、２次元マップを用いて、高精度に目標情報を取得する。

＜目標撮影＞
ステップＳ１： オペレータの指示等は、駆動制御部１９に撮影方位指令を指示する。この撮影方位指令は、目標を指示する指令である。なお、目標の自動検出や自動追尾も可能である。例えば、目標が自動車の場合には、自動車の温度（エンジン等による温度）を後述する輝度値等に基づき当該目標の検出が可能である。

防振部１４は、駆動制御部１９からの撮影方位指令に基づく駆動信号により、望遠レンズ１１、撮影部１２、レーザ測遠部２０をオペレータ等が指示した方位に向ける。そして、撮影部１２は、望遠レンズ１１介して当該撮影方向の風景を撮影し、これを撮影データとして画像処理部１３に送る。レーザ測遠部２０は、オペレータにより指示された目標との距離Ｌを計測し、測遠情報として出力する。

なお、撮影方位情報は、撮影データ、測遠情報と共に画像処理部１３を介して目標情報処理ユニット１８に送られる。

画像処理部１３は、表示手段を備え、入力した撮像データに対してノイズ除去等の画像処理を行って、当該表示手段に表示すると共に、画像処理された撮像データを目標情報処理ユニット１８に出力する。

ステップＳ２： オペレータは、表示手段に表示された画像を目視して、目標を指示（撮影方位指令の指示）や目標の確認を行う。

ステップＳ３： 目標の存在が確認された場合は、目標情報処理ユニット１８の輪郭データ抽出部１８ａは、入力している撮像データに対して輝度値の抽出を行う。即ち、撮像データは、輝度データからなる。そこで、輪郭データ抽出部１８ａは、撮像データの内で、予め設定された輪郭線抽出条件より大きいデータを抽出することにより輝度線が取得される。即ち、輪郭データ抽出部１８ａが行う処理は、輝度値に関する等高線を作成する処理である。

例えば、山稜の輝度は空の輝度と異なる。そこで、輪郭線抽出条件を山稜の輝度と空の輝度との間の値に設定することで、山稜の稜線を取得することができる。従って、輪郭線抽出条件とは、川であれば川に対する輝度値、道路であれば道路に対する輝度値、山稜であれば山稜に対する輝度値のように、各物体の温度を予め想定して設定された輝度値である。

無論、ある画素（又は複数の画素領域）の輝度値に注目して、この輝度値から所定範囲の輝度値の画素を選択することにより、山稜、川、道路等の輪郭線を抽出することも可能である。

ステップＳ４： このような輝度抽出処理により抽出された輪郭線により、図３に示すような２次元のイメージ図が得られる。以下、この図を輪郭データと記載する。

そこで、目標情報処理ユニット１８の位置基準抽出部１８ｃは、予め設定された撮影基準抽出条件に基づき輪郭データから撮影側基準を抽出する。この撮影基準とは、川、道路等の撮影データにおいて、位置判断に利用できる目印（基準）であり、撮影基準抽出条件は、輪郭データに撮影側基準が含まれているか否かを判断するための条件である。

後述するように、撮影側基準は、マップとの照合を行う際の撮影画像側の基準をなす。このとき撮影側基準として道路、川等が例示できる。無論、道路や川に限定するものではなく、マップに必ず存在する物で、かつ、誤認の恐れが少ないと共に、方位が判断できる物であれば撮影側基準となる。この意味から、道路や川以外に例えば池や大きな学校等の施設であってもよい。

撮影側基準が川の場合、川の水温は、上流も下流も概ね一定である。そこで、川に対する撮影基準抽出条件は、川の温度を想定した温度範囲とする。そして、輪郭データ中に、撮影基準抽出条件で示す温度範囲にある輪郭線を抽出して、川とする。

道路は、日陰の場所や日当りの場所が存在し、また自動車等の物体が存在することがある。このため、輪郭線は、あたかも道路を点線でなぞったような形となる場合がある。このような場合の撮影基準抽出条件は、輪郭線が不連続であっても、不連続部分が撮影基準抽出条件の範囲内ならば連続と判断できる距離的な条件とする。

ステップＳ５： 目標情報処理ユニット１８には、ＧＰＳ測位部１５から機体位置情報、機体姿勢検出部１６から機体姿勢情報、飛行高度検出部１７から機体高度情報が入力している。

そこで、目標情報処理ユニット１８の切出マップ作成部１８ｂは、撮影方位情報及び機体位置情報に基づき、予め備えている２次元地図情報（マップ）から撮影領域のマップを切り出す。以下、切り出されたマップを切出マップ、そのデータを切出マップデータと記載する。切出マップデータの範囲は撮影データが含まれるように、大きめに切り出す。

ステップＳ６： そして、位置基準抽出部１８ｃは、切出マップデータからマップ側基準を抽出する。即ち、位置基準抽出部１８ｃは、撮影側基準とマップ側基準とを抽出する処理を行う。

このマップ側基準は、撮影側基準と同じ物（道路、川等）である。切出マップには、道路、川等のマップ側基準として採用できる物（道路や川等）に対しては、マップ側基準に関する情報（信濃川、県道１号線等）が付加されている。従って、切出マップデータからマップ側基準を抽出する処理は、切出マップデータに含まれるマップ基準情報を取得する処理となる。

ステップＳ７，Ｓ８： 次に、目標情報処理ユニット１８のデータ補正部１８ｄは、輪郭データ又は切出マップデータの照合補正（位置補正、回転補正、傾斜補正）を行いながら、輪郭データと切出マップデータとの照合を行う。

以下の説明では切出マップデータに対する補正を行うものとする。これは、輪郭データには地図情報に含まれていない種々の物等の情報も含まれているため、データ量は輪郭データより切出マップデータの方が少ないことが予想されるためである。しかし、このことは輪郭データに対して補正を行わないことではない。何れのデータに対して補正を行っても良い。

位置補正は、撮影側基準にマップ側基準の位置を一致させる補正である。回転補正は、位置基準を回転中心として、切出マップデータを撮影データに対して水平面内で回転させる処理である。傾斜補正は、切出マップデータを水平面に対して傾斜させる処理である。これらの位置補正、回転補正、傾斜補正を順次繰り返し、撮影データと切出マップデータとを一致させる。

一致の判断は、撮影側基準とマップ側基準との差分を算出し、該差分が一致許容範囲内に収まったとき一致と判断する。なお、差分を「０」（完全に一致）させることは困難である。そこで、上述したような一致と判断できる許容範囲（一致許容範囲）を設定する。

撮影側基準とマップ側基準との一致は、撮像データと、傾斜補正により撮影部における撮影素子の面に射影した２次元の切出マップとが、一致したことを意味し、このときの傾斜角が角度βとなる。

ステップＳ９： 撮影側基準とマップ側基準とが一致すると、目標情報処理ユニット１８の目標情報演算部１８ｅは、補正された切出マップデータを用いて、マップ側基準と目標との距離Ｄを取得する。図４において点Ｓは、補正された切出マップ上の目標位置を示している。

このとき、目標の海面（海抜０ｍ）からの高さＰ（ｚ）は、
Ｐ（Ｚ）≒（Ｐ（ｘ，ｙ）＋δ）／ｔａｎ（β） …（３）
δ＝Ｄ／ｃｏｓ（β） …（４）
と近似できるので、
Ｐ（Ｚ）≒（Ｐ（ｘ，ｙ）＋Ｄ／ｃｏｓ（β））／ｔａｎ（β） …（５）
となる。

以上により、目標の３次元位置（緯度経度Ｐ（ｘ，ｙ）及び高度Ｐ（ｚ））が、２次元座標を用いることなく高精度に取得できるようになる。

目標の速度及び移動方向は、目標を所定の時間間隔で撮影して、上述した手順を繰り返すことにより取得できる。

２ 目標情報取得装置
１１ 望遠レンズ
１２ 撮影部
１３ 画像処理部
１４ 防振部
１６ 機体姿勢検出部
１７ 飛行高度検出部
１８ 目標情報処理ユニット
１８ａ 輪郭データ抽出部
１８ｂ 切出マップ作成部
１８ｃ 位置基準抽出部
１８ｅ 目標情報演算部
１８ｄ データ補正部
１９ 駆動制御部
２０ レーザ測遠部

Claims (4)

1. 飛翔体に搭載されて目標を撮影し、その撮影データを用いて、少なくとも当該目標の位置を目標情報として算出する目標情報取得装置であって、
   目標を撮影して、撮影データを出力する撮影部と、
   目標までの距離を計測して、計測結果を測遠情報として出力するレーザ測距部と、
   前記目標が視野内に収まるように、少なくとも前記撮影部及び前記レーザ測距部を駆動し、そのときの撮影方向を撮影方位情報として出力する防振部と、
   前記飛翔体の緯度経度を測定して機体位置情報として出力するＧＰＳ測位部と、
   前記飛翔体の対地高度を測定して機体高度情報として出力する飛行高度検出部と、
   予め２次元の地図情報を記憶し、前記撮影データが含まれる領域を前記２次元地図情報から切り出して、切出マップデータとし、前記撮影データと前記切出マップデータとを合わせ込む照合補正を行って、当該照合補正で用いた傾斜角及び、前記測遠情報、前記撮影方位情報、前記機体位置情報、前記機体高度情報を用いて前記目標の３次元位置を演算する目標情報処理ユニットと、
   を備えることを特徴とする目標情報取得装置。
2. 請求項１に記載の目標情報取得装置であって、
   前記目標情報処理ユニットは、
   前記撮影データに含まれる各データの輝度値の等高線を作成して輪郭データとする輪郭データ抽出部と、
   予め２次元の地図情報を記憶し、前記撮影データが含まれる領域を前記２次元地図情報から切り出して、切出マップデータとするマップ作成部と、
   前記撮影データに含まれる撮影側基準と、前記切出マップデータに含まれるマップ側基準とを抽出する位置基準抽出部と、
   前記撮影データと前記切出マップデータとが一致するように、当該撮影側基準又はマップ側基準の位置基準を水平面内で移動させる位置補正、該位置基準を回転中心として回転させる回転補正、前記水平面に対して傾斜させる傾斜補正からなる前記照合補正を行うデータ補正部と、
   前記撮影データと前記切出マップデータとを一致させた際の前記傾斜角を用いて前記目標の水平面からの高度を算出すると共に、前記測遠情報、前記撮影方位情報、前記機体位置情報、前記機体高度情報を用いて前記目標の３次元位置を演算する目標情報演算部と、
   を備えることを特徴とする目標情報取得装置。
3. 飛翔体に搭載されて目標を撮影し、その撮影データを用いて、少なくとも当該目標の位置を目標情報として算出する目標情報取得方法であって、
   撮影部により目標を撮影して、撮影データを出力する撮影手順と、
   レーザ測距部により目標までの距離を計測して、計測結果を測遠情報として出力するレーザ測距手順と、
   防振部により前記目標が視野内に収まるように、少なくとも前記撮影部及び前記レーザ測距部を駆動し、そのときの撮影方向を撮影方位情報として出力する防振手順と、
   ＧＰＳ測位部により前記飛翔体の緯度経度を測定して機体位置情報として出力するＧＰＳ測位手順と、
   飛行高度検出部により前記飛翔体の対地高度を測定して機体高度情報として出力する飛行高度検出手順と、
   予め２次元の地図情報を記憶した目標情報処理ユニットにより、前記撮影データが含まれる領域を前記２次元地図情報から切り出して、切出マップデータとし、前記撮影データと前記切出マップデータとを合わせ込む照合補正を行って、当該照合補正で用いた傾斜角及び、前記測遠情報、前記撮影方位情報、前記機体位置情報、前記機体高度情報を用いて前記目標の３次元位置を演算する目標情報処理手順と、
   を含むことを特徴とする目標情報取得方法。
4. 請求項３に記載の目標情報取得方法であって、
   前記目標情報処理手順には、
   輪郭データ抽出部により前記撮影データに含まれる各データの輝度値の等高線を作成して輪郭データとする輪郭データ抽出手順と、
   予め２次元の地図情報を記憶したマップ作成部により前記撮影データが含まれる領域を前記２次元地図情報から切り出して、切出マップデータとするマップ作成手順と、
   位置基準抽出部により前記撮影データに含まれる撮影側基準と、前記切出マップデータに含まれるマップ側基準とを抽出する位置基準抽出手順と、
   データ補正部により前記撮影データと前記切出マップデータとが一致するように、当該撮影側基準又はマップ側基準の位置基準を水平面内で移動させる位置補正、該位置基準を回転中心として回転させる回転補正、前記水平面に対して傾斜させる傾斜補正からなる前記照合補正を行うデータ補正手順と、
   目標情報演算部により前記撮影データと前記切出マップデータとを一致させた際の前記傾斜角を用いて前記目標の水平面からの高度を算出すると共に、前記測遠情報、前記撮影方位情報、前記機体位置情報、前記機体高度情報を用いて前記目標の３次元位置を演算する目標情報演算手順と、
   を含むことを特徴とする目標情報取得方法。

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