JP2564963B2 - ターゲット及びこれを用いた三次元位置姿勢計測システム - Google Patents
ターゲット及びこれを用いた三次元位置姿勢計測システムInfo
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- G—PHYSICS
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- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は例えば宇宙機が宇宙基地や他の宇宙機にラン
デブ・ドッキングする際に、他宇宙機の自宇宙機に対す
る三次元の相対位置姿勢を計測する技術に関するもので
ある。
デブ・ドッキングする際に、他宇宙機の自宇宙機に対す
る三次元の相対位置姿勢を計測する技術に関するもので
ある。
［従来の技術］ 第９図は例えば第２回宇宙用人工知能／ロッボト／オ
ートメーションシンポジウム講演集SAIRAS 88 B1-3 P51
〜54（Symposium on Artificial Intelligence,Robotic
s and Automation in Spaceapplication 1988,講演番号
B1-3）に示された従来の三次元位置姿勢計測用ターゲッ
トを示す斜視図であり、第10図は同じく三次元位置姿勢
計測システムの構成を示す説明図である。
ートメーションシンポジウム講演集SAIRAS 88 B1-3 P51
〜54（Symposium on Artificial Intelligence,Robotic
s and Automation in Spaceapplication 1988,講演番号
B1-3）に示された従来の三次元位置姿勢計測用ターゲッ
トを示す斜視図であり、第10図は同じく三次元位置姿勢
計測システムの構成を示す説明図である。
第９図において、（１）は平板、（2a），（2b），
（2c），（2d）はこの平板（１）上に長方形をなすよう
に配置されたマーク、（41）は長方形に配置されたマー
ク（2a），（2b），（2c），（2d）の対角線交点、（4
2）は対角線交点（41）から平板（１）に垂直に立てた
ポール、（43）はポール（42）の頂点に取り付けられた
マークであり、これらで三次元位置姿勢計測用ターゲッ
ト（９）が構成される。
（2c），（2d）はこの平板（１）上に長方形をなすよう
に配置されたマーク、（41）は長方形に配置されたマー
ク（2a），（2b），（2c），（2d）の対角線交点、（4
2）は対角線交点（41）から平板（１）に垂直に立てた
ポール、（43）はポール（42）の頂点に取り付けられた
マークであり、これらで三次元位置姿勢計測用ターゲッ
ト（９）が構成される。
さらに第10図において、（８）は測定対象、（９）は
測定対象（８）に取り付けられた三次元位置姿勢計測用
ターゲット、（10a），（10b），（10c）はターゲット
上に仮想的に設けたターゲット座標系座標軸、（11）は
観測点、（12）は観測点（11）上に仮想的に設けた基準
座標系、（12a），（12b），（12c）は基準座標系（1
2）を構成する座標軸、（44）は観測点（11）上に取り
付けたTVカメラ、（45）はTVカメラ（44）の出力から同
期信号を分離する同期信号分離回路、（46）は同期信号
分離回路（45）の出力を入力とするカウンタ回路、（4
7）はカウンタ回路（46）の出力を一時的に記憶してお
くバッファメモリ、（26）はバッファメモリ（47）の内
容を参照し決められたプログラムによって演算処理を行
う演算処理回路を示す。
測定対象（８）に取り付けられた三次元位置姿勢計測用
ターゲット、（10a），（10b），（10c）はターゲット
上に仮想的に設けたターゲット座標系座標軸、（11）は
観測点、（12）は観測点（11）上に仮想的に設けた基準
座標系、（12a），（12b），（12c）は基準座標系（1
2）を構成する座標軸、（44）は観測点（11）上に取り
付けたTVカメラ、（45）はTVカメラ（44）の出力から同
期信号を分離する同期信号分離回路、（46）は同期信号
分離回路（45）の出力を入力とするカウンタ回路、（4
7）はカウンタ回路（46）の出力を一時的に記憶してお
くバッファメモリ、（26）はバッファメモリ（47）の内
容を参照し決められたプログラムによって演算処理を行
う演算処理回路を示す。
次に動作について説明する。測定対象（８）にターゲ
ット（９）を取り付けて、観測点（11）からTVカメラ
（44）でターゲットを観測すると第11図の説明図に示す
ような画像を得ることができる。図において、（20a）
は平板（１）上のマーク（2a）、（20b）は同じくマー
ク（2b）、（20c）は同じくマーク（2c）、（20d）は同
じくマーク（2d）、（48）は同じくマーク（43）に対応
する像で、（49）は同じく交点（41）に対応する点であ
る。TVカメラ（44）の出力を同期信号分離回路（45）に
入力し同期信号と画像信号を分離する。この画像信号か
ら輝度の高い点、即ちマークの像（20a），（20b），
（20c），（20d）を図示しないマーク検出回路で検出す
る。この検出されたマーク像の画像内での位置を同期信
号分離回路（45）で得られた同期信号を利用し、カウン
タ（46）を用いて算出する。次にその原理について説明
する。同期信号分離回路（45）から得られる同期信号は
垂直同期信号と水平同期信号とで構成されている。この
ためこの検出されたマークの画像内での水平方向の位置
は、水平同期信号からの時間をカウンタ（46）でカウン
トすることによって算出することができ、垂直方向の位
置は垂直同期信号からの水平同期信号数を同じくカウン
タ（46）でカウントすることによって算出できる。カウ
ンタ（46）でカウントされた値はバッファメモリに記憶
される。演算処理回路（26）はこのバッファメモリ（4
7）にアクセスし、その値を用いてあらかじめプログラ
ムされたソフトウェアに従って三次元位置姿勢を算出す
る。
ット（９）を取り付けて、観測点（11）からTVカメラ
（44）でターゲットを観測すると第11図の説明図に示す
ような画像を得ることができる。図において、（20a）
は平板（１）上のマーク（2a）、（20b）は同じくマー
ク（2b）、（20c）は同じくマーク（2c）、（20d）は同
じくマーク（2d）、（48）は同じくマーク（43）に対応
する像で、（49）は同じく交点（41）に対応する点であ
る。TVカメラ（44）の出力を同期信号分離回路（45）に
入力し同期信号と画像信号を分離する。この画像信号か
ら輝度の高い点、即ちマークの像（20a），（20b），
（20c），（20d）を図示しないマーク検出回路で検出す
る。この検出されたマーク像の画像内での位置を同期信
号分離回路（45）で得られた同期信号を利用し、カウン
タ（46）を用いて算出する。次にその原理について説明
する。同期信号分離回路（45）から得られる同期信号は
垂直同期信号と水平同期信号とで構成されている。この
ためこの検出されたマークの画像内での水平方向の位置
は、水平同期信号からの時間をカウンタ（46）でカウン
トすることによって算出することができ、垂直方向の位
置は垂直同期信号からの水平同期信号数を同じくカウン
タ（46）でカウントすることによって算出できる。カウ
ンタ（46）でカウントされた値はバッファメモリに記憶
される。演算処理回路（26）はこのバッファメモリ（4
7）にアクセスし、その値を用いてあらかじめプログラ
ムされたソフトウェアに従って三次元位置姿勢を算出す
る。
次にTVカメラ（44）で得られた第11図に示す画像から
測定対象（８）の観測点（11）に対する三次元の相対的
な位置姿勢を計測する原理について説明する。相対位置
姿勢は、ターゲット座標系座標軸（10a），（10b），
（10c）の基準座標系（12）に対する位置３成分とと姿
勢角３成分で表すことができる。一般に、三次元空間に
おいて同一平面上にある４点の幾何学的な位置関係が既
知の場合、透視変換によって４点の対応点が得られる
と、透視の逆変換から４点の３次元位置が一意に決定さ
れることが明らかにされている（島崎：「投影変換の逆
変換に関する２、３の考察」，電子通信学会画像工学研
究会資料 IE,79-15,1979年）。さらにこの原理を用い
て、長方形の頂点に配置された４つのマークをターゲッ
トとする三次元位置姿勢計測システムが発表されている
（石井ら：「３次元位置・姿勢センサとロボットへの応
用」，計測自動制御学会論文集Vol.21,No.4,1985年）。
測定対象（８）の観測点（11）に対する三次元の相対的
な位置姿勢を計測する原理について説明する。相対位置
姿勢は、ターゲット座標系座標軸（10a），（10b），
（10c）の基準座標系（12）に対する位置３成分とと姿
勢角３成分で表すことができる。一般に、三次元空間に
おいて同一平面上にある４点の幾何学的な位置関係が既
知の場合、透視変換によって４点の対応点が得られる
と、透視の逆変換から４点の３次元位置が一意に決定さ
れることが明らかにされている（島崎：「投影変換の逆
変換に関する２、３の考察」，電子通信学会画像工学研
究会資料 IE,79-15,1979年）。さらにこの原理を用い
て、長方形の頂点に配置された４つのマークをターゲッ
トとする三次元位置姿勢計測システムが発表されている
（石井ら：「３次元位置・姿勢センサとロボットへの応
用」，計測自動制御学会論文集Vol.21,No.4,1985年）。
基準座標（12）上に置かれたTVカメラ（44）によって
得られるターゲット（９）の画像内の像（20a），（20
b），（20c），（20d）は平板（１）上のマーク（2
a），（2b），（2c），（2d）の透視変換された対応点
に相当するため、画像内の像（20a），（20b），（20
c），（20d）のそれぞれの像重心を算出すれば、ターゲ
ット座標系座標軸（10a），（10b），（10c）の、基準
座標（12）に対する相対的な位置姿勢を得ることがで
き、測定対象の三次元位置姿勢を計測することができ
る。さらにポール（42）の頂点に取り付けられたマーク
（43）に対応する像（48）と対角線交点（41）に対応す
る点（49）の画像上での長さは姿勢角の変化に応じて感
度良く変化するので、この性質を利用して高精度な姿勢
角の計測を行っている。
得られるターゲット（９）の画像内の像（20a），（20
b），（20c），（20d）は平板（１）上のマーク（2
a），（2b），（2c），（2d）の透視変換された対応点
に相当するため、画像内の像（20a），（20b），（20
c），（20d）のそれぞれの像重心を算出すれば、ターゲ
ット座標系座標軸（10a），（10b），（10c）の、基準
座標（12）に対する相対的な位置姿勢を得ることがで
き、測定対象の三次元位置姿勢を計測することができ
る。さらにポール（42）の頂点に取り付けられたマーク
（43）に対応する像（48）と対角線交点（41）に対応す
る点（49）の画像上での長さは姿勢角の変化に応じて感
度良く変化するので、この性質を利用して高精度な姿勢
角の計測を行っている。
［発明が解決しようとする課題］ 従来のターゲットは以上のように構成されていたの
で、姿勢角の計測精度を向上させるにはポール（42）を
長くしなければならず、ポールによってマークが隠れて
しまって計測不能になったり、ポールがドッキング時に
観測側の宇宙機に衝突する危険性があるなどの問題があ
った。また、これらの問題を回避するためにポールを短
くすると十分な姿勢角の計測精度が得られないという問
題点があった。
で、姿勢角の計測精度を向上させるにはポール（42）を
長くしなければならず、ポールによってマークが隠れて
しまって計測不能になったり、ポールがドッキング時に
観測側の宇宙機に衝突する危険性があるなどの問題があ
った。また、これらの問題を回避するためにポールを短
くすると十分な姿勢角の計測精度が得られないという問
題点があった。
本発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、姿勢角の計測精度を著しく向上できるととも
に、ドッキング時に宇宙機にポールなどの突起物が衝突
する危険性を排除できるターゲットを得ることを目的と
しており、さらにこのターゲットに適した三次元位置姿
勢計測システムを提供することを目的とする。
たもので、姿勢角の計測精度を著しく向上できるととも
に、ドッキング時に宇宙機にポールなどの突起物が衝突
する危険性を排除できるターゲットを得ることを目的と
しており、さらにこのターゲットに適した三次元位置姿
勢計測システムを提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明のターゲットは、同一平面上の４点以上の位置
を示すマーク、及び凹形球面状の反射面を有する凹形球
面反射体を有するもので、この凹形球面反射体をその曲
率中心が上記マークで規定される平面上に位置しないよ
うに配設したものである。なお、この明細書における平
面は仮想平面をも含むものである。
を示すマーク、及び凹形球面状の反射面を有する凹形球
面反射体を有するもので、この凹形球面反射体をその曲
率中心が上記マークで規定される平面上に位置しないよ
うに配設したものである。なお、この明細書における平
面は仮想平面をも含むものである。
また本発明の三次元位置姿勢計測システムは、上記タ
ーゲットを測定対象に取り付け、上記ターゲットに光を
照射してマーク及び凹形球面反射体に輝点を生じさせ、
このときの上記ターゲットの画像を得て、得られた画像
から輝度の高い部分を検出して各々の重心を求め、その
画像内の水平方向と垂直方向の位置を算出し、得られた
値から測定対象の三次元位置と姿勢角を計測するシステ
ムである。
ーゲットを測定対象に取り付け、上記ターゲットに光を
照射してマーク及び凹形球面反射体に輝点を生じさせ、
このときの上記ターゲットの画像を得て、得られた画像
から輝度の高い部分を検出して各々の重心を求め、その
画像内の水平方向と垂直方向の位置を算出し、得られた
値から測定対象の三次元位置と姿勢角を計測するシステ
ムである。
［作用］ 本発明におけるターゲットは、同一平面上の４点以上
の位置を示すマークとその曲率中心が上記平面にない凹
形球面反射体から構成されており、凹形球面反射体にお
いては上記曲率中心を通る光のみが検出可能で上記曲率
中心位置が位置指標として動作し、各位置指標を三次元
的に配設したのと等価となるので、従来例のような計測
やドッキングの妨げとなるような突起物を設ける必要が
ない。さらに凹形球面反射体の曲率半径が大きいほど姿
勢角の計測精度が良くなるため、計測の高精度化が容易
である。
の位置を示すマークとその曲率中心が上記平面にない凹
形球面反射体から構成されており、凹形球面反射体にお
いては上記曲率中心を通る光のみが検出可能で上記曲率
中心位置が位置指標として動作し、各位置指標を三次元
的に配設したのと等価となるので、従来例のような計測
やドッキングの妨げとなるような突起物を設ける必要が
ない。さらに凹形球面反射体の曲率半径が大きいほど姿
勢角の計測精度が良くなるため、計測の高精度化が容易
である。
また、本発明の三次元位置姿勢計測システムでは、光
を照射する手段、例えば光源を有しているので、ターゲ
ットのマークと凹形球面反射体によって輝度の高い輝点
を発生させることが可能となり、背景からのマークと輝
点の抽出が容易である。
を照射する手段、例えば光源を有しているので、ターゲ
ットのマークと凹形球面反射体によって輝度の高い輝点
を発生させることが可能となり、背景からのマークと輝
点の抽出が容易である。
［実施例］ 以下、本発明の実施例を図について説明する。第１図
（ａ）（ｂ）は各々本発明の一実施例のターゲットの構
成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図であ
る。図において、（１）はターゲット基板、（２）は同
一平面上の４点の位置を示すマークで、この場合は平ら
なターゲット基板（１）に取り付けられた４個のコーナ
ーキューブリフレクタ（2a），（2b），（2c），（2d）
からなる。（３）はターゲット基板（１）に配置した凹
形球面反射体で、この場合は凹面鏡である。次にマー
ク、即ちコーナーキューブリフレクタ（2a），（2b），
（2c），（2d）及び凹面鏡（３）の配置について第２図
（ａ）の正面説明図、同図（ｂ）の断面説明図によって
説明する。仮想平面（４）上で、かつ中心を（５）とす
る仮想円の円周上の４等分割点に相当する点（6a），
（6b），（6c），（6d）にコーナーキューブリフレクタ
（2a），（2b），（2c），（2d）をそれぞれ配置する。
凹面鏡（３）はその曲率中心（７）が、仮想円の中心
（５）から平面（４）に垂直に立てた仮想法線上で、し
かも平面（４）上にないところにくるように配置する。
（ａ）（ｂ）は各々本発明の一実施例のターゲットの構
成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図であ
る。図において、（１）はターゲット基板、（２）は同
一平面上の４点の位置を示すマークで、この場合は平ら
なターゲット基板（１）に取り付けられた４個のコーナ
ーキューブリフレクタ（2a），（2b），（2c），（2d）
からなる。（３）はターゲット基板（１）に配置した凹
形球面反射体で、この場合は凹面鏡である。次にマー
ク、即ちコーナーキューブリフレクタ（2a），（2b），
（2c），（2d）及び凹面鏡（３）の配置について第２図
（ａ）の正面説明図、同図（ｂ）の断面説明図によって
説明する。仮想平面（４）上で、かつ中心を（５）とす
る仮想円の円周上の４等分割点に相当する点（6a），
（6b），（6c），（6d）にコーナーキューブリフレクタ
（2a），（2b），（2c），（2d）をそれぞれ配置する。
凹面鏡（３）はその曲率中心（７）が、仮想円の中心
（５）から平面（４）に垂直に立てた仮想法線上で、し
かも平面（４）上にないところにくるように配置する。
次に、このターゲットを用いた本発明の一実施例の三
次元位置姿勢計測システムの構成について第３図の説明
図で説明する。図において、（８）は測定対象、（９）
は測定対象（８）に取り付けられた三次元位置姿勢計測
用ターゲット、（10a），（10b），（10c）はターゲッ
ト上に仮想的に設けたターゲット座標系座標軸、（11）
は観測点、（12a），（12b），（12c）は観測点（11）
上に仮想的に設けた基準座標系座標軸、（13）は観測点
（12）上に取り付けられたターゲットの画像を得るため
のセンサヘッド、（14）はそのセンサヘッド（13）を構
成する半導体レーザーからなる光源、（15）は同じくハ
ーフミラー、（16）は同じくレンズ群で、この場合光源
（14）、ハーフミラー（15）、レンズ群（16）で光照射
手段を構成している。（17）は同じくセンサヘッド（1
3）を構成する結像手段であるレンズ群、（18）は同じ
く撮像手段である固体撮像素子、（19）はそのセンサヘ
ッド（13）で得られた画像、（20a），（20b），（20
c），（20d）は画像内にマークのコーナーキューブリフ
レクタ（2a），（2b），（2c），（2d）によって生じた
輝点の像、（21）は凹面鏡（３）によって生じた輝点の
像、（22）は仮想円の中心（５）に対応した画像内の位
置で、（23）は画像（19）からコーナーキューブリフレ
クタ輝点像（20a），（20b），（20c），（20d）及び凹
面鏡輝点像（21）を抽出する輝点像抽出手段であるター
ゲット抽出回路、（24）はターゲット抽出回路（23）で
抽出された像（20a），（20b），（20c），（20d），
（21）のそれぞれの像重心の画像（19）内での水平位置
及び垂直位置を抽出するための像重心座標値検出手段で
ある重心位置検出回路、（25）は測定対象（８）の運動
とともに変化する輝点（20a），（20b），（20c），（2
0d），（21）を刻々と追尾するターゲット追尾回路、
（26）は重心位置検出回路（24）で得られた値をもとに
して決められたプログラムによって演算処理を行う演算
処理手段である演算処理回路を示す。
次元位置姿勢計測システムの構成について第３図の説明
図で説明する。図において、（８）は測定対象、（９）
は測定対象（８）に取り付けられた三次元位置姿勢計測
用ターゲット、（10a），（10b），（10c）はターゲッ
ト上に仮想的に設けたターゲット座標系座標軸、（11）
は観測点、（12a），（12b），（12c）は観測点（11）
上に仮想的に設けた基準座標系座標軸、（13）は観測点
（12）上に取り付けられたターゲットの画像を得るため
のセンサヘッド、（14）はそのセンサヘッド（13）を構
成する半導体レーザーからなる光源、（15）は同じくハ
ーフミラー、（16）は同じくレンズ群で、この場合光源
（14）、ハーフミラー（15）、レンズ群（16）で光照射
手段を構成している。（17）は同じくセンサヘッド（1
3）を構成する結像手段であるレンズ群、（18）は同じ
く撮像手段である固体撮像素子、（19）はそのセンサヘ
ッド（13）で得られた画像、（20a），（20b），（20
c），（20d）は画像内にマークのコーナーキューブリフ
レクタ（2a），（2b），（2c），（2d）によって生じた
輝点の像、（21）は凹面鏡（３）によって生じた輝点の
像、（22）は仮想円の中心（５）に対応した画像内の位
置で、（23）は画像（19）からコーナーキューブリフレ
クタ輝点像（20a），（20b），（20c），（20d）及び凹
面鏡輝点像（21）を抽出する輝点像抽出手段であるター
ゲット抽出回路、（24）はターゲット抽出回路（23）で
抽出された像（20a），（20b），（20c），（20d），
（21）のそれぞれの像重心の画像（19）内での水平位置
及び垂直位置を抽出するための像重心座標値検出手段で
ある重心位置検出回路、（25）は測定対象（８）の運動
とともに変化する輝点（20a），（20b），（20c），（2
0d），（21）を刻々と追尾するターゲット追尾回路、
（26）は重心位置検出回路（24）で得られた値をもとに
して決められたプログラムによって演算処理を行う演算
処理手段である演算処理回路を示す。
次に動作について第４図で説明する。第４図はこの三
次元位置姿勢測定システムのセンサヘッド（13）とター
ゲット（９）の断面を示して測定原理を示す説明図であ
る。図においてセンサヘッド（13）の光源（14）が光を
発生すると、ハーフミラー（15）及びレンズ群（16）に
導かれてターゲット（９）に拡散する光（28）を照射す
る。コーナーキューブリフレクタ（2a），（2c）は入射
光（29），（30）に平行に光を反射し、反射光はセンサ
ヘッド（13）のレンズ群（17）によって固体撮像素子
（18）に結像して輝点を生じ、画像（19）内で輝点（20
a），（20c）として検出される。また、鏡の入射光と反
射光の関係から、凹面鏡（３）の曲率中心（７）を通っ
て凹面鏡（３）に入射する光（31）は凹面鏡（３）によ
って反射され、再び曲率中心（７）を通ってセンサヘッ
ド（13）に入射する。凹面鏡反射光ではこの光のみが固
体撮像素子（18）上に輝点を生じるので、画像（19）内
における凹面鏡（３）の輝点（21）は凹面鏡（３）の曲
率中心（７）の位置に対応する。即ち、曲率中心（７）
に印、位置指標を配したものと等価な画像が得られる。
このようにセンサヘッド（13）から得られる画像（19）
内の輝点（20a），（20b），（20c），（20d）は、同一
平面（４）上にあるマークのコーナーキューブリフレク
タに対応し、輝点（21）は凹面鏡（３）の曲率中心
（７）の位置に対応している。
次元位置姿勢測定システムのセンサヘッド（13）とター
ゲット（９）の断面を示して測定原理を示す説明図であ
る。図においてセンサヘッド（13）の光源（14）が光を
発生すると、ハーフミラー（15）及びレンズ群（16）に
導かれてターゲット（９）に拡散する光（28）を照射す
る。コーナーキューブリフレクタ（2a），（2c）は入射
光（29），（30）に平行に光を反射し、反射光はセンサ
ヘッド（13）のレンズ群（17）によって固体撮像素子
（18）に結像して輝点を生じ、画像（19）内で輝点（20
a），（20c）として検出される。また、鏡の入射光と反
射光の関係から、凹面鏡（３）の曲率中心（７）を通っ
て凹面鏡（３）に入射する光（31）は凹面鏡（３）によ
って反射され、再び曲率中心（７）を通ってセンサヘッ
ド（13）に入射する。凹面鏡反射光ではこの光のみが固
体撮像素子（18）上に輝点を生じるので、画像（19）内
における凹面鏡（３）の輝点（21）は凹面鏡（３）の曲
率中心（７）の位置に対応する。即ち、曲率中心（７）
に印、位置指標を配したものと等価な画像が得られる。
このようにセンサヘッド（13）から得られる画像（19）
内の輝点（20a），（20b），（20c），（20d）は、同一
平面（４）上にあるマークのコーナーキューブリフレク
タに対応し、輝点（21）は凹面鏡（３）の曲率中心
（７）の位置に対応している。
これら５点（20a），（20b），（20c），（20d），
（21）の画像内の位置を用いれば従来例と同じように三
次元位置姿勢を計測することが可能である。
（21）の画像内の位置を用いれば従来例と同じように三
次元位置姿勢を計測することが可能である。
また、ターゲット追尾回路（25）によって、一度ター
ゲットを抽出した後は常に高速に輝点（20a），（20
b），（20c），（20d）及び（21）を検出することが可
能である。
ゲットを抽出した後は常に高速に輝点（20a），（20
b），（20c），（20d）及び（21）を検出することが可
能である。
このように、この実施例のターゲットは、従来例のよ
うな突起物がないので、突起物によってマークが隠れて
計測不能になったり、他の物体に衝突するなどの問題を
生じない。さらに、凹形球面反射体である凹面鏡の曲率
半径が大きくなるほど姿勢角の計測精度は高くなるの
で、計測の高精度化は極めて容易である。
うな突起物がないので、突起物によってマークが隠れて
計測不能になったり、他の物体に衝突するなどの問題を
生じない。さらに、凹形球面反射体である凹面鏡の曲率
半径が大きくなるほど姿勢角の計測精度は高くなるの
で、計測の高精度化は極めて容易である。
また、三次元位置姿勢計測システムは、そのセンサヘ
ッドに光源を用い、ターゲットには光の反射体を用いて
いるので、マークや凹面鏡内の輝点を背景から分離する
ことが容易で、計測精度を向上できる。さらに、対象物
の姿勢が大きく変化して凹面鏡内部に輝点が生じない場
合が発生しても、平面上に配置された他の４個のコーナ
ーキューブリフレクタからなるマークから対象物の姿勢
角を計測することができ、冗長性を有する信頼性の高い
計測を実現できる。
ッドに光源を用い、ターゲットには光の反射体を用いて
いるので、マークや凹面鏡内の輝点を背景から分離する
ことが容易で、計測精度を向上できる。さらに、対象物
の姿勢が大きく変化して凹面鏡内部に輝点が生じない場
合が発生しても、平面上に配置された他の４個のコーナ
ーキューブリフレクタからなるマークから対象物の姿勢
角を計測することができ、冗長性を有する信頼性の高い
計測を実現できる。
なお、上記実施例のターゲットではマークとしてコー
ナーキューブリフレクタを４個用い、同一平面上の４点
の位置を示す場合について説明したが、マークが示す平
面上の位置は４点以上であればよく、その配置も同一円
周の４等分割でなくてもよい。また、凹形球面反射体と
の位置関係も実施例のものにこだわらない。例えば第５
図（ａ）の正面図、同図（ｂ）の断面図に示すように、
マークとしてコーナーキューブリフレクタを５個配置し
てターゲット基板（１）の法線まわりの姿勢角を一意に
求められるようにしたものでもよい。また、第６図
（ａ）の正面図、同図（ｂ）の断面図に示すようにマー
クのコーナーキューブリフレクタ（2a），（2b），（2
c），（2d）を凹形球面反射体の凹面鏡（３）球面に配
置してもよい。さらに第７図（ａ）の正面図、同図
（ｂ）の断面図に示すようにマークとしてコーナーキュ
ーブリフレクタを８個用い、その内の４個（2f），（2
g），（2h），（2i）を凹形球面反射体（３）内に配置
して、測定対象（８）が測定点（11）に接近してもセン
サヘッド（３）の視野内に４個のコーナーキューブリフ
レクタが入るようにしてもよい。
ナーキューブリフレクタを４個用い、同一平面上の４点
の位置を示す場合について説明したが、マークが示す平
面上の位置は４点以上であればよく、その配置も同一円
周の４等分割でなくてもよい。また、凹形球面反射体と
の位置関係も実施例のものにこだわらない。例えば第５
図（ａ）の正面図、同図（ｂ）の断面図に示すように、
マークとしてコーナーキューブリフレクタを５個配置し
てターゲット基板（１）の法線まわりの姿勢角を一意に
求められるようにしたものでもよい。また、第６図
（ａ）の正面図、同図（ｂ）の断面図に示すようにマー
クのコーナーキューブリフレクタ（2a），（2b），（2
c），（2d）を凹形球面反射体の凹面鏡（３）球面に配
置してもよい。さらに第７図（ａ）の正面図、同図
（ｂ）の断面図に示すようにマークとしてコーナーキュ
ーブリフレクタを８個用い、その内の４個（2f），（2
g），（2h），（2i）を凹形球面反射体（３）内に配置
して、測定対象（８）が測定点（11）に接近してもセン
サヘッド（３）の視野内に４個のコーナーキューブリフ
レクタが入るようにしてもよい。
また、上記実施例では凹面鏡を用いたものについて説
明したが、第８図（ａ）の正面図、同図（ｂ）の断面図
に参考に示したように凸面鏡のような凸形の球面反射体
を用いても同様に三次元位置姿勢を計測することは可能
である。
明したが、第８図（ａ）の正面図、同図（ｂ）の断面図
に参考に示したように凸面鏡のような凸形の球面反射体
を用いても同様に三次元位置姿勢を計測することは可能
である。
また、凹形球面反射体（３）の材質としては、ガラス
の鏡、金属、あるいはCFRPでも良い。
の鏡、金属、あるいはCFRPでも良い。
さらに、上記実施例ではマーク（２）としてコーナー
キューブリフレクタを用いたが、他に同様のものとして
キャッツアイでもよく、さらには凹面鏡、凸面鏡、LED
のような自ら光を発するものでもよく、ペイントで描い
たものでもよく、光を帰すものであればよい。
キューブリフレクタを用いたが、他に同様のものとして
キャッツアイでもよく、さらには凹面鏡、凸面鏡、LED
のような自ら光を発するものでもよく、ペイントで描い
たものでもよく、光を帰すものであればよい。
そして、上記実施例ではセンサヘッド（13）を単数用
いた場合を示したが、センサヘッド（13）の数は２個以
上でもよく、この場合センサヘッド（13）１個の視野に
５個すべての輝点が収まらなくてもよく、ターゲット
（９）を観測する視野を分割してそれぞれのセンサヘッ
ド（13）で計測を行ってもよい。
いた場合を示したが、センサヘッド（13）の数は２個以
上でもよく、この場合センサヘッド（13）１個の視野に
５個すべての輝点が収まらなくてもよく、ターゲット
（９）を観測する視野を分割してそれぞれのセンサヘッ
ド（13）で計測を行ってもよい。
また、センサヘッド（13）の光源（14）として半導体
レーザーを用いたが、他に同様のものとしてLED、白熱
ランプ、ハロゲンランプでもよい。
レーザーを用いたが、他に同様のものとしてLED、白熱
ランプ、ハロゲンランプでもよい。
また、上記実施例では宇宙における用途について説明
したが、ロボットの手先運動計測などの他の産業用の三
次元位置姿勢計測用のターゲット及びシステムとしても
有効で、上記実施例と同様の効果を奏する。
したが、ロボットの手先運動計測などの他の産業用の三
次元位置姿勢計測用のターゲット及びシステムとしても
有効で、上記実施例と同様の効果を奏する。
さらに、上記実施例ではターゲット検出に光を利用し
ているが、例えばマークおよび凹形球面反射体を電磁波
を反射するものとして、他の電磁波を照射して検出する
ようにしても同様の効果を奏する。また、マークは電磁
波を出すものでもよい。
ているが、例えばマークおよび凹形球面反射体を電磁波
を反射するものとして、他の電磁波を照射して検出する
ようにしても同様の効果を奏する。また、マークは電磁
波を出すものでもよい。
［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば三次元位置姿勢計測用
のターゲットを同一平面上の４点以上の位置を示すマー
ク及び曲率中心が上記平面から離隔して配設される凹形
球面反射体から構成したので、突起物がなく、突起物に
よってマークが隠れて計測不能になったり、他の物体に
衝突するなどの危険性を排除できる。さらに、凹形球面
反射体の曲率半径が大きくなるほど姿勢角の計測精度は
高くなるので、容易に計測精度を向上できる。
のターゲットを同一平面上の４点以上の位置を示すマー
ク及び曲率中心が上記平面から離隔して配設される凹形
球面反射体から構成したので、突起物がなく、突起物に
よってマークが隠れて計測不能になったり、他の物体に
衝突するなどの危険性を排除できる。さらに、凹形球面
反射体の曲率半径が大きくなるほど姿勢角の計測精度は
高くなるので、容易に計測精度を向上できる。
また、本発明の三次元位置姿勢計測システムは上記タ
ーゲットに適するもので、測定対象にターゲットを取着
し、上記ターゲットに光を照射する手段を有しており、
マークや凹形球面反射体内の輝点を背景から分離するこ
とが容易で、計測精度を向上できる。
ーゲットに適するもので、測定対象にターゲットを取着
し、上記ターゲットに光を照射する手段を有しており、
マークや凹形球面反射体内の輝点を背景から分離するこ
とが容易で、計測精度を向上できる。
第１図（ａ）（ｂ）は本発明の一実施例によるターゲッ
トの構成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面
図、第２図（ａ）（ｂ）は同ターゲットのマークと凹形
球面反射体の配置を説明するもので、（ａ）は正面説明
図、（ｂ）は断面説明図、第３図は本発明の一実施例に
よる三次元位置姿勢計測システムの構成を示す説明図、
第４図は同三次元位置姿勢計測システムの動作原理を示
す図、第５図〜第７図は各々本発明による他の実施例の
ターゲットの構成を示すもので、各図（ａ）は正面図、
各図（ｂ）は断面図、第８図は参考例のターゲットの構
成を示すもので、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は断
面図、第９図は従来のターゲットの構成を示す斜視図、
第10図は従来の三次元位置姿勢計測システムの構成を示
す説明図、第11図は従来の三次元位置姿勢計測システム
の動作を説明する説明図である。 図において、（１）はターゲット基板、（２）はマーク
で、（2a），（2b），（2c），（2d）はマークを構成す
るコーナーキューブリフレクタ、（３）は凹形球面反射
体、（９）はターゲット、（13）はセンサヘッド、（1
4）は光照射手段を構成する光源、（16）は光照射手段
を構成するレンズ群、（17）は結像手段であるレンズ
群、（18）は撮像手段である固体撮像素子、（23）は輝
点像抽出手段であるターゲット検出回路、（24）は像重
心座標値検出手段である重心位置検出回路、（25）はタ
ーゲット追尾回路、（26）は演算処理手段である演算処
理回路である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
トの構成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面
図、第２図（ａ）（ｂ）は同ターゲットのマークと凹形
球面反射体の配置を説明するもので、（ａ）は正面説明
図、（ｂ）は断面説明図、第３図は本発明の一実施例に
よる三次元位置姿勢計測システムの構成を示す説明図、
第４図は同三次元位置姿勢計測システムの動作原理を示
す図、第５図〜第７図は各々本発明による他の実施例の
ターゲットの構成を示すもので、各図（ａ）は正面図、
各図（ｂ）は断面図、第８図は参考例のターゲットの構
成を示すもので、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は断
面図、第９図は従来のターゲットの構成を示す斜視図、
第10図は従来の三次元位置姿勢計測システムの構成を示
す説明図、第11図は従来の三次元位置姿勢計測システム
の動作を説明する説明図である。 図において、（１）はターゲット基板、（２）はマーク
で、（2a），（2b），（2c），（2d）はマークを構成す
るコーナーキューブリフレクタ、（３）は凹形球面反射
体、（９）はターゲット、（13）はセンサヘッド、（1
4）は光照射手段を構成する光源、（16）は光照射手段
を構成するレンズ群、（17）は結像手段であるレンズ
群、（18）は撮像手段である固体撮像素子、（23）は輝
点像抽出手段であるターゲット検出回路、（24）は像重
心座標値検出手段である重心位置検出回路、（25）はタ
ーゲット追尾回路、（26）は演算処理手段である演算処
理回路である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
Claims (2)
- 【請求項１】同一平面上の４点以上の位置を示すマー
ク、及び曲率中心が上記平面から離隔して配設される凹
形球面反射体からなり、測定対象の位置姿勢を検出する
ために上記測定対象に取着される三次元位置姿勢計測用
ターゲット。 - 【請求項２】測定対象に取着する請求項１記載のターゲ
ット、このターゲットに光を照射する手段、上記ターゲ
ットの画像を得る結像手段及び撮像手段、上記画像から
上記ターゲットのマークの像と凹形球面反射体によって
生じる輝点の像を抽出する手段、上記マーク像と輝点像
のそれぞれの像重心の座標値を検出する手段、及び上記
像重心の座標値から測定対象の三次元位置姿勢を計算に
より求める演算処理手段を備える三次元位置姿勢計測シ
ステム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2086123A JP2564963B2 (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | ターゲット及びこれを用いた三次元位置姿勢計測システム |
| US07/673,195 US5207003A (en) | 1990-03-29 | 1991-03-21 | Target and system for three-dimensionally measuring position and attitude using said target |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2086123A JP2564963B2 (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | ターゲット及びこれを用いた三次元位置姿勢計測システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03282203A JPH03282203A (ja) | 1991-12-12 |
| JP2564963B2 true JP2564963B2 (ja) | 1996-12-18 |
Family
ID=13877929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2086123A Expired - Fee Related JP2564963B2 (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | ターゲット及びこれを用いた三次元位置姿勢計測システム |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5207003A (ja) |
| JP (1) | JP2564963B2 (ja) |
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