JP2019086390A - 移動体の測位装置及びその較正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネル内などの衛星による測位が不可能な状況において推測航法の出力を高い精度で補正することができる測位装置及び測位装置の較正方法を提供する。【解決手段】マイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズ間のピッチと相似に複数のマークが配列されたマーク列とによって、モアレ干渉縞パターンを生じるように構成された可変モアレパターン部および少なくとも２つの基準点を備えたマーカ画像を利用して、移動体の位置及び姿勢を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の自動走行などにも適用できる、移動体の測位装置及びその較正方法に関する。

自動車、農業機械、建設機械などを含む移動体では、衛星測位が広く利用されるようになっているが、トンネル内、高架下、高層ビルの多い都市などのように衛星測位を行うことができない環境では、ジャイロなどを利用したＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）、車速計、気圧計などのセンサを用いた推測航法によって位置の推定がなされている。

しかしながら、推測航法においては、測位装置の較正後の時間の経過とともに、実際の位置との誤差が蓄積するため、限られた範囲でしか求められる精度を得ることができないという問題があった。このような問題に対して、例えば移動体の走行路に沿って一定間隔で反射体を設置し、移動体と反射体の相対距離を計測することで誤差を補正する方法が提案されている（特許文献１）。

特許第３７１０４５１号公報

上記文献１において提案されている技術では、移動体の位置を精度よく測定することは可能であるものの、移動体の姿勢（方位角）は２地点間の移動経路から間接的に推定しているのみである。このため、推測航法の出力（移動体の位置と方位角）を補正することはできても、例えば、ＩＭＵ、車速計、気圧計等のセンサそのものを較正するためには、精度が不十分である。

そこで、本発明は、トンネル内などの衛星による測位が不可能な状況において推測航法の出力を高い精度で維持することができる測位装置及びこの測位装置の較正方法を提供することを目的とする。

本発明に係る測位装置は、推測航法により位置姿勢情報を生成する推測航法部と、マイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズ間のピッチと相似に複数のマークが配列されたマーク列とによって、モアレ干渉縞パターンを生じるように構成された可変モアレパターン部および少なくとも２つの基準点を備えたマーカ画像を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像されたマーカ画像に基づいて、前記推測航法部の生成する位置姿勢情報を較正する較正部とを有する。

本発明に係る測位装置によれば、トンネル内などの衛星による測位が不可能な状況において推測航法の出力を高い精度で維持することができる。

本発明の実施形態に係る測位装置の概略ブロック図である。 本実施形態で使用するマーカの概略平面図である。 本実施形態に係る測位装置の推測航法処理を示すフローチャートである。 本実施形態に係る測位装置のＩＭＵ部の較正処理を示すフローチャートである。

以下に、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、測位装置による衛星測位が不可能となる状況の一例として、航法衛星から送信された航法信号を受信できないトンネル内での、測位装置が搭載された移動体である車両の自動走行について説明する。

車両の自動走行を実現するためには、測位装置により、車両の正確な位置を常時把握しておく必要がある。衛星測位が可能な一般の道路上では、ＧＮＳＳ（全地球航法衛星システム：Global Navigation Satellite System）の方式ならばいずれの方式でもよく、例えば、リアルタイムキネマティック測位（ＲＴＫ：Ｒｅａｌｔｉｍｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ）方式、単独搬送波位相測位（ＰＰＰ:Precise Point Positioning）方式、ＰＰＰ−ＡＲ（PPP Ambiguity Resolution）方式等を採用することにより、数センチメートル程度の誤差で正確な測位が可能となっている。しかしながら、トンネルの中のような衛星測位が不可能となる状況下では、例えばＩＭＵを用いた推測航法に切り換えて車両の位置を推定することになるが、前述のようにＩＭＵによる位置推定には誤差の蓄積という問題があり、トンネルの距離が長い場合には蓄積される誤差は無視できなくなる。そこで、本実施形態では、例えば図２に示すマーカ４０を、トンネル内に所定の間隔で予め複数設置し、以下に説明する方法でマーカ４０を利用して車両の正確な位置及び姿勢を測定する。また、従来では停止状態で行うのが一般的であった、ＩＭＵ等のセンサの較正を移動中にも行えるようにするものである。

図１は、本実施形態に係る測位装置１０の概略ブロック図を示している。測位装置１０には、ＧＮＳＳ部１１、ＩＭＵ部１２、マーカ測位部１３、制御部１４、記憶部１５、較正部１６、入出力部１７が含まれている。
衛星測位部として機能するＧＮＳＳ部１１にはＧＮＳＳアンテナ（不図示）が含まれており、衛星測位によってＧＮＳＳアンテナの位置を測定して位置情報を出力する。
推測航法部として機能するＩＭＵ部１２は、測位装置１０の３軸加速度および姿勢を検出するモーション・センサ（不図示）、移動体の速度を検出する速度センサ（不図示）、測位装置１０の高度を検出する気圧計（不図示）等のセンサを有する。ＩＭＵ部１２は、移動体の姿勢を検出するとともに、測位衛星からの信号が届かないトンネルに移動体が入り、ＧＮＳＳ部１１による測位ができなくなった時点で、ＧＮＳＳ部１１又は制御部１４から移動体の位置情報を受け取って、推測航法により移動体の位置を推測する。

マーカ測位部１３は、位置姿勢算出部１３１、角度算出部１３２、位置姿勢修正部１３３を有し、図２に示すマーカ４０を使用して、ＩＭＵ部１２による位置姿勢情報の出力を補正するものであり、マーカ４０を撮像するために車両の前方に取り付けられた、撮像部としてのカメラ１３４及びカメラ１３４が撮像した画像を処理する画像処理装置（不図示）が含まれている。

位置姿勢算出部１３１は、カメラ１３４が撮像したマーカ４０の画像に基づいて、マーカ４０に対するカメラ１３４すなわち移動体の相対的な位置姿勢情報を算出する。角度算出部１３２は、カメラ１３４が撮像したマーカ４０の画像に基づいて、マーカ４０に対してカメラ１３４すなわち移動体の成す角度である視線角度を算出する。位置姿勢修正部１３３は、角度算出部１３２において算出された視線角度を用いて、位置姿勢算出部１３１において算出されたマーカ４０に対する移動体の相対的位置姿勢情報を修正する。

制御部１４は、ＧＮＳＳ部１１、ＩＭＵ部１２、マーカ測位部１３からの情報に基づいて移動体の位置および姿勢を算出する他、各種の演算及び制御を実行する。記憶部１５には、各マーカ４０のＩＤ部４１を撮像して得られる画像から各マーカを特定するための識別情報と、予め測定されているそれぞれのマーカ４０の地球座標系における位置及び姿勢に関する情報とが、互いに関連付けて記憶されている。また記憶部１５は、各種演算における一時的な記憶手段としても使用される。

較正部１６は、マーカ測位部１３で生成された位置姿勢情報に基づいて、ＩＭＵ部１２の有する各種センサの較正を行う。

入出力部１７は、制御部１４により算出された移動体の位置姿勢情報を、移動体の制御部（不図示）や、表示部（不図示）に出力する一方、制御部１４に対する制御指示の入力を受ける。

図２は、本実施形態で使用するマーカ４０の概略平面図である。マーカ４０は、例えば「ＬｅｎｔｉＭａｒｋ：レンチキュラーレンズを用いた高精度な姿勢推定のための視覚マーカ」（電子情報通信学会誌Ｄ Ｖｏｌ．Ｊ９５−Ｄ Ｎｏ．８ ｐｐ１５２２−１５２９）図２に記載のＬｅｎｔｉＭａｒｋを使用することができる。マーカ４０には、中央のマーカ識別情報が表示されるＩＤ部４１と、その周囲の右辺に沿って設けられた、Ｘ軸用可変モアレパターン部４２と、上辺に沿って設けられたＹ軸用可変モアレパターン部４３と、四隅の基準点４６ａ〜４６ｄから構成されている。

ＩＤ部４１には、例えばマーカ４０を識別するためのユニークＩＤ情報およびマーカ４０の正確な位置姿勢情報が符号化されて図形の中に埋め込まれている。すなわち、それぞれのマーカ４０によってこのＩＤ部４１の形状は異なっていり、このＩＤ部４１をカメラ１３４で撮像し、その画像を処理してマーカ測位部１３が認識することによってそれぞれのマーカ４０の設置位置の座標およびその向きである位置姿勢情報ＧＰ₄₁を識別することができる。この識別のために使用できるものとしては、ARTool Kit、ARTag、CyberCode、ARTool Kit Plus等が知られている。また、次元バーコード又はＱＲコード（登録商標）と呼ばれるコードをこのＩＤ部４１に使用することもできる。

マーカ４０の四隅に配置された基準点４６ａ〜４６ｄは、マーカ４０を観測する移動体からマーカ４０までの距離およびマーカ４０に対する移動体の相対的位置姿勢を測定するのに使用される。この基準点の直径と各基準点同士の間隔は予め分かっているので、カメラ１３４で撮像した画像における基準点の大きさ及び間隔を計測することによって、移動体からマーカ４０までの距離およびマーカ４０の法線に対する変位角度、すなわち移動体の相対的位置姿勢情報を知ることができる。

Ｘ軸用可変モアレパターン部４２、Ｙ軸用可変モアレパターン部４３のそれぞれは、レンチキュラーレンズを白黒縞模様の上に、レンチキュラーレンズを構成する各シリンダー状レンズの軸方向と縞模様とが平行になるように貼り付けて作成されるもので、シリンダー状レンズの間隔と縞模様の間隔を異ならせることによって、Ｘ軸用可変モアレパターン部４２およびＹ軸用可変モアレパターン部４３を正面から見たときに、それぞれ黒い縞模様（「黒ピーク」と呼ぶ）４２ａおよび４３ａが現れる。この黒ピークの位置は、Ｘ軸用可変モアレパターン部４２およびＹ軸用可変モアレパターン部４３がシリンダー状レンズと平行な軸の回りに僅かに回転するだけで大きく変化する。すなわち、黒ピークの位置に基づいて高い感度でマーカ４０に対する移動体の相対的な回転角度を検出することができる。可変モアレパターン部は、シリンダー状レンズの間隔と縞模様の間隔とを変えることによって、回転角度検出の感度を調整することができる。Ｘ軸用可変モアレパターン部４２およびＹ軸用可変モアレパターン部４３については、特許第５８４２２４８号公報の図３〜図８及びこれに関連する明細書の記載によって詳しく説明されている。

図２に示したマーカ４０が水平方向の軸（Ｘ軸）の回りに回転すると、Ｘ軸用可変モアレパターン部４２に現れる黒ピーク４２ａは上下方向に移動する。すなわち、Ｘ軸用可変モアレパターン部４２は、マーカ４０の法線を基準とした移動体のＸ軸の視線角度を検出することができる。また、マーカ４０が垂直方向の軸（Ｙ軸）の回りに回転すると、Ｙ軸用可変モアレパターン部４３に現れる黒ピーク４３ａは左右方向に移動する。すなわち、Ｙ軸用可変モアレパターン部４３はマーカ４０の法線を基準とした移動体のＹ軸の視線角度を検出することができる。本実施形態では、Ｘ軸用可変モアレパターン部４２およびＹ軸用可変モアレパターン部４３はそれぞれ1カ所としているが、これらに加えて低い感度での角度検出用可変モアレパターン部を付加することも可能である。水平方向、垂直方向の軸の回りの回転角度を求めることによって、マーカ４０の法線に対する視線の角度を高い精度で求めることができる。Ｘ軸用可変モアレパターン部４２およびＹ軸用可変モアレパターン部４３を観察したときの視線の正面からの角度、すなわち、Ｘ軸用可変モアレパターン部４２およびＹ軸用可変モアレパターン部４３の法線と視線との角度と、各黒ピーク４２ａおよび４３ａの位置との関係は、予め計測して記憶部１５に記憶しておくことができる。

本実施形態に係る測位装置１０の動作について説明する。図３は、トンネル内を走行する移動体に搭載された測位装置１０の推測航法処理を示すフローチャートである。
移動体がトンネル内に入り、航法衛星の電波を受信できなくなると、ＧＮＳＳ部１１による測位を停止し、ＧＮＳＳ部１１で測位済みの最新の位置情報ＧＰ₁₁をＩＭＵ部１２に引き継ぎ、推測航法が開始される（ステップＳ１１）。移動体がマーカ４０に近づくと、カメラ１３４によってマーカ４０を撮像する（ステップＳ１２）。なお、移動体とこれに取り付けられたカメラ１３４の位置関係は予め測定されており、記憶部１５に補正値として記憶されている。

マーカ測位部１３では、撮像されたマーカ４０のＩＤ部４１の画像情報からマーカ４０のユニークＩＤを識別して、記憶部１５から予め記憶されている当該ユニークＩＤと対応づけられた地球座標系における位置姿勢情報ＧＰ₁₅を読み出す（ステップＳ１３）。なお、記憶部１５に予め記憶されている当該ユニークＩＤと対応づけられた位置姿勢情報ＧＰ₁₅を読み出すのに代えて、図示しないネットワークを介して位置情報提供サーバ（不図示）に接続して、当該ユニークＩＤと対応づけられた位置及び姿勢情報ＧＰ₁₅を読み出すようにしてもよい。また、ユニークＩＤの識別に代えて、画像情報に埋め込まれたマーカ４０の位置姿勢情報ＧＰ₁₅を取得してもよい。

位置姿勢算出部１３１は、ステップＳ１２で撮像されたマーカ４０の画像情報に含まれる４つの基準点４１ａ〜４１ｄに基づいて、マーカ４０に対する移動体の相対位置姿勢情報ＣＰ₁₃₁を算出する（ステップＳ１４）。角度算出部１３２は、マーカ４０の画像情報に含まれるＸ軸用可変モアレパターン部４２およびＹ軸用可変モアレパターン部４３を解析して、モアレパターンによって出現する黒ピーク４２ａおよび４３ａ位置を算出し、マーカ４０の中心とカメラ１３５とを結ぶ直線がマーカ４０の法線に対して成すＸ軸上の視線角度θ_XおよびＹ軸上の視線角度θ_Yを算出する（ステップＳ１５）。

位置姿勢修正部１３３は、ステップＳ１５において算出されたθ_Xおよびθ_Yを用いて、ステップＳ１４において判定されたマーカ４０に対する移動体の相対位置姿勢情報ＣＰ₁₃₁を修正し（ステップＳ１６）、ステップＳ１３で取得したマーカ４０の位置姿勢情報ＧＰ₁₅に基づいて、移動体の地球座標系における位置姿勢情報ＧＰ₁₃₃を算出して入出力部１７から出力する（ステップＳ１７）。以上、ステップＳ１１からステップＳ１７の動作を、航法衛星の電波を受信でき、ＧＮＳＳ部１１による測位が可能となるまで継続する。

以上のように、マーカ４０の位置姿勢、移動体からマーカ４０までの距離と視線の角度が正確に求められれば、マーカ４０と移動体との相対位置が正確に求められる。そして、記憶部１５から読み出されたそのマーカ４０の地球座標系における位置及び姿勢と、マーカ４０と移動体との相対位置とに基づいて、移動体の地球座標系における位置及び姿勢（すなわち、移動体の進行方向）を正確に算出することができる。
得られた移動体の地球座標系における位置及び姿勢のデータを用いて、ＩＭＵ部１２の出力を正確に較正することもできる。図４は、本実施の形態に係るＩＭＵ部１２の較正処理を示すフローチャートである。

較正部１６では、最後にＩＭＵ部１２の較正を行った時刻Ｔ₀を基準として、較正後の経過時間Ｔを計測する（ステップＳ２１）。較正後の経過時間Ｔが予め定めた閾値Ｔ_Xを越えた場合には（ステップＳ２２；ＹＥＳ）、図３のステップＳ１７で補正された位置姿勢情報ＧＰ₁₃₃と、図３のステップＳ１２の撮像が行われた同時刻にＩＭＵ部１２で算出された位置姿勢情報ＧＰ₁₂とを比較し（ステップＳ２３）、位置姿勢情報ＧＰ₁₂と位置姿勢情報ＧＰ₁₃₃との差異Δ₀が予め定めた閾値Δ_X以上の場合には（ステップＳ２４；ＹＥＳ）、ＩＭＵ部１２の位置姿勢情報ＧＰ₁₂がステップＳ１７で補正された位置姿勢情報ＧＰ₁₃₃と一致するように、ＩＭＵ部１２が有するセンサ等の出力値を較正する（ステップＳ２５）。なお、ステップＳ２２で経過時間Ｔが極めて小さい場合（ステップＳ２２；ＮＯ）や、位置姿勢情報の誤差Δ₀が閾値Δ_Xよりも小さい場合には（ステップＳ２４；ＮＯ）、較正処理を行わずに処理を終了する。

マーカ４０は、トンネル内に適当の間隔、例えば１００メートル間隔で設置しておき、移動体が各マーカを通過するたびにマーカ測位部１３が測位動作を実行するようにすれば、移動体の正確な位置及び姿勢を継続的に知ることができ、ＩＭＵ部１２の出力ＧＰ₁₂をその都度補正することができるので、ＩＭＵ部１２の出力ＧＰ₁₂の誤差の蓄積を大幅に抑えることができる。

予め測定された各マーカ４０の位置及び姿勢に関する情報ＧＰ₁₅を測位装置１０の記憶部１５に記憶しておくのに代えて、これらの情報を図示しないネットワーク上のサーバに記憶しておき、必要に応じて無線通信を介してネットワークの当該サーバにアクセスしてこれらの情報ＧＰ₁₅をダウンロードすることも可能である。また、これらの情報ＧＰ₁₅やＧＰ₁₃₃を、無線通信を介して近くを走行する別の複数の車両との間で共有するようにすることも可能である。ＩＭＵ部１２が求めた車両の位置及び姿勢の情報ＧＰ₁₂と、マーカを利用して求めた車両の位置及び姿勢の情報ＧＰ₁₃₃の差分Δ₀を、ネットワークを介して複数の車両間で共有することも可能である。

上記実施形態では、衛星測位が不可能となる状況の一例としてトンネルの中を、例えば自動運転で車両が走行する場合について説明したが、衛星測位が不可能となる状況には、他にも高架の下や高層ビルが立ち並ぶ都市部などがあり、このような状況下でもマーカ４０を設置できるところであれば、本発明を適用することができる。また、衛星測位が不可能ではない状況下であっても、衛星測位の代わりに本発明を適用することも可能である。

図３に示した処理において、航法衛星の電波を受信でき、ＧＮＳＳ部１１による測位が可能となったときに、補正されたＩＭＵ部１２の位置姿勢情報ＧＰ₁₃₃をＧＮＳＳ部１１に供給すれば、ＧＮＳＳ部１１によるＰＰＰ方式又はＰＰＰ−ＡＲ方式の測位パラメータの推定に利用することができる。供給された位置姿勢情報ＧＰ₁₃₃が正確であることにより、ＰＰＰ方式又はＰＰＰ−ＡＲ方式の初期化処理に要する時間を大幅に短縮することができる。

すなわち上記実施形態では、マーカ４０を使用することによって、トンネル内であっても走行している車両の正確な位置及び姿勢を知ることができるため、トンネルの出口にマーカ４０を設置しておき、その正確な位置及び姿勢を測定しておいて、これを利用してトンネルから出る時点での正確な車両の位置及び姿勢を求め、そのデータをＧＮＳＳ部１１に供給すれば、一般的に初期化処理に時間を要するＰＰＰ方式又はＰＰＰ−ＡＲ方式の測位パラメータの推定に利用することができる。そして、このデータが正確であることにより、ＰＰＰ方式又はＰＰＰ−ＡＲ方式の初期化処理に要する時間を大幅に短縮することができる。このように、トンネル内ではマーカを利用し、トンネルから出た時点でＧＮＳＳを用いた測位を再開するようにすれば、トンネルの内及び外においてシームレスに測位を行うことができる。

１０ 測位部
１１ ＧＮＳＳ部
１２ ＩＭＵ部
１３ マーカ測位部
１４ 制御部
１５ 記憶部
４０ マーカ
４１ ＩＤ部
４２ Ｘ軸用可変モアレパターン部
４３ Ｙ軸用可変モアレパターン部
４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ 基準点

Claims (4)

1. 推測航法により位置姿勢情報を生成する推測航法部と、
   マイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズ間のピッチと相似に複数のマークが配列されたマーク列とによって、モアレ干渉縞パターンを生じるように構成された可変モアレパターン部および少なくとも２つの基準点を備えたマーカ画像を撮像する撮像部と、
   前記撮像部で撮像されたマーカ画像に基づいて、前記推測航法部の生成する位置姿勢情報を較正する較正部とを有する測位装置。
2. 前記撮像部で撮像された前記マーカ画像に含まれる少なくとも２つの基準点に基づいて、前記マーカ画像の位置姿勢情報を算出する位置姿勢算出部と、
   前記撮像部で撮像された前記マーカ画像に含まれる前記可変モアレパターン部に生じたモアレ干渉縞パターンを解析して、前記マーカと前記マーカ画像を撮像した地点とを結ぶ直線が前記マーカに対して成す視線角度を算出する角度算出部と、
   前記視線角度を用いて、前記位置姿勢算出部で算出された位置姿勢情報を修正する位置姿勢修正部とを有し、
   前記較正部は、前記位置修正部で修正された位置修正情報に基づいて、前記推測航法部の生成する位置姿勢情報を較正する請求項１に記載の測位装置
3. 衛星測位により地球座標位置を含む位置姿勢情報を生成する衛星測位部を有し、
   前記推測航法部は、前記較正部により較正された位置姿勢情報を前記衛星測位部に供給し、
   前記衛星測位部は、前記推測航法部から供給された位置姿勢情報を用いて衛星測位のパラメータ推定を行う請求項１または２に記載の測位装置。
4. マイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズ間のピッチと相似に複数のマークが配列されたマーク列とによって、モアレ干渉縞パターンを生じるように構成された可変モアレパターン部および少なくとも２つの基準点を備えたマーカ画像を撮像部により撮像する工程と、
   撮像された前記マーカ画像に含まれる前記少なくとも２つの基準点に基づいて、前記マーカ画像の位置姿勢情報を位置姿勢算出部により算出する工程と、
   撮像された前記マーカ画像に含まれる前記可変モアレパターン部に生じた前記モアレ干渉縞パターンを解析して、前記マーカと前記マーカ画像を撮像した地点とを結ぶ直線が前記マーカに対して成す視線角度を角度算出部により算出する工程と、
   前記視線角度を用いて、前記マーカ画像の前記位置姿勢を記位置姿勢修正部により修正する工程と、
   修正された前記位置姿勢情報に基づいて、推測航法により位置姿勢情報を生成する推測航法部の位置姿勢情報を較正部により較正する工程と
   を備える測位装置の較正方法。

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