JP2746487B2 - 垂直離着陸航空機の機体位置測定方法 - Google Patents
垂直離着陸航空機の機体位置測定方法Info
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Description
点に着陸又は着艦誘導する際に用いられる機体位置の測
定方法に関する。
従来の方法として、レーダを用いるものがある。しかし
この方法では、使用電波の周波数帯にもよるが、直距離
測定の誤差は数m以上もあり、定点へ正確に誘導させる
ことは困難であった。
動的に着地位置を測定する装置が開示されている。この
装置は、直距離測定にレーザ測距器を用いており、やは
り測定誤差は数m程度で精度は低い。また、高出力のレ
ーザ装置を地上に設置し、機体側にはレーザシーカと測
距用レーザ装置を搭載する必要があり、システムとして
規模が大きくなる欠点がある。また特開昭61−285
198号公報には、機体側に地上局からのレーザの照射
方向を検知する光センサと、地上からのレーザを反射す
るためのコーナーキューブピリズムを搭載し、地上局は
レーザ発振器とレーザ発振器付近に機体に搭載したコー
ナーキューブプリズムからの反射光を検知するための光
センサとレーザ発振器及び光センサを2軸駆動させるた
めのモータを設置し、機体を誘導したい方向に積極的に
レーザ発振器の照射方向を2軸駆動することにより制御
し、機体がレーザ上に乗っていないときには、機体の光
センサにより機体を誘導し、レーザ上に乗っているとき
には機体のコーナーキューブプリズムからの反射光によ
り機体の方向が検知できる装置が示されている。この装
置は、連続的に機体の位置を測定することができないこ
と及びレーザのビーム幅は比較的狭いため、地上局の制
御のための演算を実施している間にレーザのビーム幅以
上に機体が移動した場合には誘導できず、比較的移動速
度の小さい移動体にしか適用できない欠点がある。
装置として光波測距儀がある。これは、レーザ光等を用
いて測定対象物までの距離を測定するものである。測定
精度を上げるために、対象物にプリズムを設置し、照射
したレーザ光がプリズムにより反射されて生じた位相差
から距離を求める等の方法を採っている。しかし、この
装置を用いて位置測定を行うためには作業員の手動によ
り測定対象物を捉え続けなければならず、自動化するこ
とはできない。
を高精度で定点に誘導することは困難であり、従来は自
動的に着陸又は着艦させることは行われてはいなかっ
た。
にそれぞれ小型軽量な装置を設け、有人機のみならず無
人機を自動的に定点に高精度で誘導することを可能にす
る垂直離着陸航空機の機体位置測定方法を提供すること
を目的とする。
機の機体位置測定方法は、機体表面の同一円周上にマー
カーが分布している垂直離着陸航空機の機体を、画像セ
ンサを用いて画像情報として捉える工程と、画像情報か
らマーカーのみを抽出し、マーカーが描く楕円を形成す
る工程と、形成された楕円の座標を測定し、この楕円を
表す方程式を用いて機体の方位角、仰角及び直距離を求
める工程とを備えたことを特徴としている。
ーカーが配置され、このマーカーの付近にプリズムが装
着され、大地に対する方位角及び仰角を測定することが
できる2軸ジンバル装置が地上に設置され、この2軸ジ
ンバル装置に画像センサと光波測距儀とが光軸が一致し
た状態で設けられており、画像追随装置を用いて画像セ
ンサに前記マーカーを画像追随させ、このときの2軸ジ
ンバル装置の角度から機体までの方位角及び仰角を求め
る工程と、光波測距儀よりプリズムへレーザ光を照射さ
せ、機体までの直距離を求める工程とを備えたことを特
徴としている。
とができる第1及び第2の2軸ジンバル装置が、所定の
間隔を空けてそれぞれ地上に設置され、この第1及び第
2の2軸ジンバル装置に第1及び第2の画像センサがそ
れぞれ装着されており、画像追随装置を用いてそれぞれ
の第1及び第2の画像センサに垂直離着陸航空機の機体
を画像追随させ、第1の2軸ジンバル装置の第1の方位
角及び第1の仰角と、第2の2軸ジンバル装置の第2の
方位角及び第2の仰角とを測定する工程と、第1の方位
角及び第1の仰角より定まる第1の画像センサの光軸か
らの距離を2乗した値と、第2の方位角及び第2の仰角
より定まる第2の画像センサの光軸からの距離を2乗し
た値とが最も小さくなる位置を求めることによって、機
体の位置を推定する工程とを備えたことを特徴としてい
る。
像情報として捉えられ、この画像情報からマーカーのみ
が抽出され、このマーカーが描く楕円が形成される。こ
の形成された楕円の座標が測定され、楕円を表す方程式
より機体の方位、仰角及び機体までの直距離が求められ
る。これにより、航空機の着陸又は着艦を自動的に誘導
することが可能となる。さらにこの方法によれば、測定
のために機体側に設けるべきものはマーカーのみであ
り、簡易なため小型の無人機等にも適用が可能である。
ーカーの付近にプリズムが装着されている場合、画像追
随装置により画像センサがマーカーを画像追随し、この
画像センサが設けられている2軸ジンバル装置の角度か
ら機体までの方位と仰角が求められる。また、2軸ジン
バル装置に設けられた光波測距儀からプリズムへレーザ
光が照射され、機体までの直距離が測定される。画像セ
ンサは、視野を大きくとれるため、マーカーの追随処理
をする間に機体が移動しても十分視野内にマーカーを捉
え続けることができ、移動速度が比較的大きな移動体を
追随し、連続的に機体の位置を計測することができるた
め、航空機の着陸又は着艦の自動的な誘導が可能とな
る。
は、この二つの画像センサにより機体までの方位角と仰
角とが求められ、これらの角度により二つの光軸が定ま
る。航空機のような移動体を計測する場合には、固定点
を計測する場合とは異なり、同一条件で繰り返し計測す
ることができず、またこの光軸には測定誤差が含まれ空
間の一点で一致しない場合が多く、連続的に精度良く機
体位置を推定する必要があり、本発明では、それぞれの
光軸からの距離の2乗の和が最も小さくなる位置を機体
の位置として推定する。また、速度を有する移動体を確
実に追随し、前記内容の位置推定を行う必要があるが、
画像センサは、視野を大きくとれるため、マーカーの追
随処理をする間に機体が移動しても十分視野内にマーカ
ーを捉え続けることができ、移動速度が比較的大きな移
動体を追随し、連続的に機体の位置を高精度に計測する
ことができるため、航空機の着陸又は着艦の自動誘導が
可能となる。さらにこれらの方法によれば、測定のため
に機体側に設けるべきものはマーカーのみであり、簡易
なため小型の無人機等にも適用が可能である。
して説明する。先ず、第1の実施例による垂直離着陸航
空機の機体位置測定方法について述べる。これは、可視
光線あるいは赤外線等の画像センサを用いて航空機の画
像をとらえ、機体までの直距離、方位及び仰角を測定し
機体の位置を自動的に求める方法である。
画像センサの視野の大きさから求めることができる。但
し、航空機は複雑な形状をしており、機体の見かけの大
きさは飛行姿勢によって著しく異なる。そこで、飛行姿
勢によらず見かけの大きさを正確に捕らえるためには、
工夫を要することになる。
機体上に設置し、このマーカーの描く円の大きさを捉え
て直距離を測定している。このマーカーの描く円の大き
さは、大きいほど見かけの大きさが大きくなり、直距離
の測定精度は向上する。しかし、小型航空機の場合には
機体上に設置できるマーカーの大きさにも限度がある。
そこで図2(a)に示されるように、一つの円周10上
に分布した複数のマーカーを機体11に設置し、あるい
は図2(b)に示されるように円弧状のマーカー13及
び14を設置する。
垂直に着陸して行く過程で斜めから見ることにより、長
軸と短軸とが傾いた楕円となる。この楕円は、画像セン
サで捕らえた場合にどのように見えるかは、後述するよ
うに数式で表すことが可能である。この数式の係数を用
いて、方位角と仰角を計算することができる。
離着陸する際には姿勢は変化しないと仮定している。機
体の姿勢が変化する場合には、マーカーが描く楕円の長
軸と短軸の比、楕円の傾きは変化する。このような場合
には、機体に搭載されている姿勢検出装置等の情報を用
いて補正を行う必要がある。
れるような装置が用いられる。機体11側には、上述し
たようにマーカー12が設けられている。地上には、機
体11の画像を捉えて画像信号を出力する画像センサ2
1と、この画像信号を処理して直距離、方位角α及び仰
角βを算出する画像処理・計測装置22とが設置され
る。これらの装置の配列を示したのが図3のブロック図
である。機体11の画像を検出する画像センサ21から
画像信号が画像処理・計測装置22に出力され、画像処
理・計測装置22からは機体の位置を示す情報が出力さ
れる。
る原理について、図4を用いて述べる。ここで、機体の
姿勢としてピッチ角及びロール角は共に0度で、方位角
は方位の基準方向から0度であると仮定する。
進入し、画像センサ21がこれを画像として検出し画像
信号を出力する。
置22に入力され、処理が施されて図4(a)のように
画面が構成される。そして、例えばマーカー12が赤外
線マーカーであり、画像センサ21が赤外線画像センサ
である場合には、二値化処理が行われて、図4(b)に
示されたようにマーカー12のみが背景から抽出され
る。抽出された複数のマーカー12の配列から、マーカ
ー12が分布する楕円が再構成される。
ように、長軸の長さが12で、短軸の長さが11であ
り、長軸の傾きがγである。
出方法について説明する。
G,ZG座標系とする。X,Y,Z座標系は、この
XG,YG,ZG座標系と平行であって原点(XA,Y
A,ZA)を機体上に設定したものとする。x,y,z
座標系は、機体上に設定され姿勢の変化と共に変わる値
とする。そして、x,y,z座標系とX,Y,Z座標系
とのなす角度を、機体姿勢角(θ,φ,ψ)とする。さ
らに、機体上に形成されたマーカーが描く円は、x=0
としたyz平面上で半径をRとした(1)式のような方
程式により表される。
式のような関係にある。
ZA)を用いてXG,YG,ZG座標系で(3)式のよ
うに表される。
ZG地球座標系により次のように表現される。
れるxに0を代入すると、以下のようである。
のようにして機体上のマーカーが描く円を表す。マーカ
ーが描く円はx=0の平面にあるため、円の式はψがど
のような値をとっても同一である。そこで、ψ=0とす
ると上記(4)式は以下のようになる。
たXC,Yc,Zc座標系を導入する。カメラの光軸の
方位角をAZc,仰角をELcとすると、XC,Yc,
Zc座標系とXG,YG,ZG座標系との間には、
(7)式の関係が成立する。
と、(2)仰角ELcが0の場合における方位角と仰
角、直距離をそれぞれ求める。
場合 AZc=0を(7)式に代入すると、(8)式のように
なる。
レンズの光軸に対して垂直な二次元平面上に形成され
る。そこで、光軸とxc軸が一致し、撮像素子面上にy
c軸とzc軸が存在するxc,yc,zc座標軸を設定
する。画像はyc−zc軸の平面上に描かれ、(9)式
のように表される。
離である。
(9)式より次の(10)式のように変形される。
(11)及び(12)式が得られる。
とすると、(11)及び(12)式はそれぞれ(13)
及び(14)式のようになる。
られる。
ZG地球座標系における機体方向の方位角及び仰角をE
LA及びAZAとすると、(17)式が成立する。
得られ、方位角AZA、仰角ELA、直距離Lの間には
次のような関係が成り立つ。
z0)に位置する円となる。ここで、rは撮像素子上の
円の半径とする。
って、方位角AZA、仰角ELA、直距離Lがそれぞれ
(20)〜(22)式のように求まる。
(7)式は(23)式のようになり、さらに(9)式を
代入すると(24)式のようになる。
(25)及び(26)式が得られる。
すると、(25)及び(26)式はそれぞれ(27)及
び(28)式のようになる。
のようになる。
1)式で表される。
e0との比d0/e0をとると(32)式が得られ、こ
れより(33)式のようにAZcが求まる。
うである。
(37)式のように方位角AZAに関する式が得られ
る。
ある。
り、
ついて説明する。この第2の実施例では、図7に示され
たような装置を機体側及び地上側に設置して測定を行
う。垂直離着陸航空機として、ヘリコプタ41を測定の
対象とする。
れ自由度を持ち回転することができる2軸ジンバル装置
44が設置されている。この2軸ジンバル装置44上
に、可視光線又は赤外線等を用いてヘリコプタ41の画
像を捉える画像センサ42が搭載されている。そして画
像センサ42が、その光軸上にヘリコプタ41の機体を
常に画像追随できるように2軸ジンバル装置44が回転
動作する。このときの2軸ジンバル装置44の角度を測
定することにより、ヘリコプタ41までの方位角と仰角
とが計測される。また、画像センサ42の光軸と平行に
なるように画像センサ42の付近に光波測距儀43が設
置されている。この光波測距儀43によって、ヘリコプ
タ41までの直距離の測定が行われる。
より回転移動させ、ヘリコプタ41を画像追随させる装
置が、画像追随装置46である。画像追随装置46に
は、様々な方式によるものが考えられる。本実施例で
は、ヘリコプタ41の機体を画像センサ42でトラッキ
ングできる方式であれば、いずれによるものを用いても
よい。ここでは一例として、面積重心追随方式について
その概略を説明する。
赤外線画像センサで画像を捉えると、対象物の輝度が高
く背景の輝度は低くなる。そこで、所定の輝度を閾値と
し、この閾値よりも低い温度の領域を輝度0にし、高い
領域を最大輝度に変換して対象物のみを抽出する。抽出
した目標物の画像の面積重心を計算し、その重心位置と
画像中心位置との間の垂直方向及び水平方向の偏差をそ
れぞれ求める。
次のように行う。2軸ジンバル装置44の方位角及び仰
角は、それぞれ画面の水平方向と垂直方向とにそれぞれ
対応する。そこで、画面の水平方向の偏差に一定のゲイ
ンを乗算して方位角方向の回転速度指令とし、画面の垂
直方向の偏差に一定のゲインを乗算して仰角方向の回転
速度指令とする。このようにして2軸ジンバル装置44
により画像センサ42を移動させ、ヘリコプタ41を画
像追随させる。
るように誘導するには、光波測距儀43がヘリコプタ4
1までの直距離を正確に測定できなければならない。そ
こで、ヘリコプタ41には定点47の近傍にマーカー4
9が設置され、このマーカー49の付近にはレーザ光を
反射するプリズム48が搭載されている。これにより、
画像センサ42がマーカー49を追随し光波測距儀43
が確実にプリズム48を捉えることが可能となる。
ロック図として示したのが図8である。ヘリコプタ41
に取り付けたマーカー49を、画像センサ42が画像追
随する。この画像センサ42の光軸が、マーカー48の
方向を指向するように、上述したように画像追随装置4
6が画像センサ42からの出力を用いて2軸ジンバル装
置44に指令信号を与える。2軸ジンバル装置44の方
位角α、抑角β及び画像センサ42と共に2軸ジンバル
装置44に固定されている光波測距儀43がプリズム4
8を捉え、直距離Lが測定され、計算装置45に与えら
れ、機体の位置(XG,YG,ZG)は(43)式のよ
うに計算される。
観を示した図9と装置のブロック構成を示した図10と
を用いて説明する。この実施例では、二組の画像センサ
62及び64を用いる。それぞれの画像センサ62及び
64は、大地に対する角度を測定することができる2軸
ジンバル装置63及び65上に搭載されている。2軸ジ
ンバル装置63及び65は、それぞれ画像追随装置66
及び67からの指令を受けて回転動作を行う。この画像
追随装置66及び67は、それぞれ画像センサ62及び
64から画像信号を与えられて、画像センサ62及び6
4の光軸がヘリコプタ61の一定の箇所を追随するよう
にジンバル角度指令を出力する。画像を追随させる方式
には第2の実施例において述べたように幾つかあり、面
積重心追随方式等を用いることができる。
1及び仰角β1が、2軸ジンバル65から方位角α2及
び仰角β2がそれぞれ計算装置68に出力される。ここ
で、画像センサ62及び64の方位角,仰角の基準は一
致させておく必要がある。図9に示されるように、方位
角の基準方向にx軸、これと90度直交する方向にy
軸、さらに鉛直下方にz軸をそれぞれ設定する。そし
て、画像センサ62及び64の位置をそれぞれ(x1,
y1,z1)(x2,y2,z2)とする。ヘリコプタ
61の位置の計測は、この二つの既知の位置からの方位
角α1及び仰角β1、方位角α2及び仰角β2とから三
角測量の要領で行うことができる。
β2には誤差が含まれている。このため、二つの光軸が
一箇所で交差せずヘリコプタ61の位置が定まらない場
合が多い。そこで、これらの角度データからヘリコプタ
61の位置を推定する演算を計算装置67において行
う。画像センサ62からみたヘリコプタ61の単位ベク
トル(l1,m1,n1)は(44)式のようであり、
画像センサ64からみたヘリコプタ61の単位ベクトル
(l2,m2,n2)は(45)式のように表される。
離の二乗の和h2は、(46)式のように表される。
うである。
式のようにヘリコプタ61の座標(x0,y0,z0)
が求まる。
得られた方位角と仰角から、精度良くヘリコプタ61の
位置を推定することができる。
航空機の機体位置測定方法は、機体を画像センサにより
捉え、機体に設けられたマーカーが描く楕円が形成して
座標を測定し、楕円を表す方程式から機体の方位角、仰
角及び機体までの直距離を求めるため、航空機の着睦又
は着艦を自動的に誘導することが可能となる。
され、このマーカーの付近にプリズムが装着されている
場合には、画像センサがマーカーを画像追随し2軸ジン
バル装置の角度から方位角と仰角が求まり、光波測距儀
より直距離が測定される。
は、この二つの画像センサにより方位角と仰角とが求ま
り、これらの角度により定まる二つの光軸からの距離の
2乗の和が最も小さくなる位置から機体の座標が推定さ
れる。これらの方法によれば、測定のために機体側に設
けるべきものはマーカーのみであり、小型で軽量な無人
機等に対しても適用することができる。
の機体位置測定方法を実施する際に用いる測定装置の外
観を示した斜視図。
マーカーの配列を示した平面図。
成を示したブロック図。
た機体の画像を示した説明図。
を示した説明図。
円の半径を示した説明図。
の機体位置測定方法を実施する際に用いる測定装置の外
観を示した斜視図。
成を示したブロック図。
の機体位置測定方法を実施する際に用いる測定装置の外
観を示した斜視図。
構成を示したブロック図。
Claims (3)
- 【請求項1】機体表面の同一円周上にマーカーが分布し
ている垂直離着陸航空機の機体を、画像センサを用いて
画像情報として捉える工程と、 前記画像情報から前記マーカーのみを抽出し、前記マー
カーが描く楕円を形成する工程と、 形成された前記楕円の座標を測定し、この楕円を表す方
程式を用いて前記機体の方位角、仰角及び直距離を求め
る工程とを備えたことを特徴とする垂直離着陸航空機の
機体位置測定方法。 - 【請求項2】垂直離着陸航空機の機体表面にマーカーが
配置され、このマーカーの付近にプリズムが装着され、 大地に対する方位角及び仰角を測定することができる2
軸ジンバル装置が地上に設置され、この2軸ジンバル装
置に画像センサと光波測距儀とが光軸が一致した状態で
設けられており、 画像追随装置を用いて前記画像センサに前記マーカーを
画像追随させ、このときの2軸ジンバル装置の角度から
前記機体までの方位角及び仰角を求める工程と、 前記光波測距儀より前記プリズムへレーザ光を照射さ
せ、前記機体までの直距離を求める工程とを備えたこと
を特徴とする垂直離着陸航空機の機体位置測定方法。 - 【請求項3】大地に対する角度を測定することができる
第1及び第2の2軸ジンバル装置が、所定の間隔を空け
てそれぞれ地上に設置され、この第1及び第2の2軸ジ
ンバル装置に第1及び第2の画像センサがそれぞれ装着
されており、 画像追随装置を用いてそれぞれの前記第1及び第2の画
像センサに垂直離着陸航空機の機体を画像追随させ、前
記第1の2軸ジンバル装置の第1の方位角及び第1の仰
角と、前記第2の2軸ジンバル装置の第2の方位角及び
第2の仰角とを測定する工程と、 前記第1の方位角及び前記第1の仰角より定まる前記第
1の画像センサの光紬からの距離を2乗した値と、前記
第2の方位角及び前記第2の仰角より定まる前記第2の
画像センサの光軸からの距離を2乗した値とが最も小さ
くなる位置を求めることによって、前記機体の位置を推
定する工程とを備えたことを特徴とする垂直離着陸航空
機の機体位置測定方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3208579A JP2746487B2 (ja) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | 垂直離着陸航空機の機体位置測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3208579A JP2746487B2 (ja) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | 垂直離着陸航空機の機体位置測定方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH0524591A JPH0524591A (ja) | 1993-02-02 |
JP2746487B2 true JP2746487B2 (ja) | 1998-05-06 |
Family
ID=16558525
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3208579A Expired - Lifetime JP2746487B2 (ja) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | 垂直離着陸航空機の機体位置測定方法 |
Country Status (1)
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1991
- 1991-07-25 JP JP3208579A patent/JP2746487B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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