JP3192779B2 - 位置・姿勢計測装置 - Google Patents
位置・姿勢計測装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、例えぱ宇宙航行体に
搭載されて各種の作業に供されるマニピュレータと作業
対象物との相互位置及び姿勢を計測するのに用いられる
位置・姿勢計測装置に関する。
搭載されて各種の作業に供されるマニピュレータと作業
対象物との相互位置及び姿勢を計測するのに用いられる
位置・姿勢計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、宇宙開発の分野においては、宇宙
ステーション等の有人宇宙計画が推進され、これにとも
ない宇宙空間に大形宇宙構造物を建設する計画が推進さ
れている。この大形宇宙構造物建設計画にあっては、構
造物の取付け・組立て作業用として、マニピュレータシ
ステムの利用が考えられている。そして、このようなマ
ニピュレータシステムにおいて要請されることは、特
に、その安全性と共に、正確な作業を簡便に行い得るよ
うに構成することである。この要請を満足するために
は、マニピュレータに対する計測対象、例えば作業対象
物の位置及び姿勢を正確に把握する必要がある。
ステーション等の有人宇宙計画が推進され、これにとも
ない宇宙空間に大形宇宙構造物を建設する計画が推進さ
れている。この大形宇宙構造物建設計画にあっては、構
造物の取付け・組立て作業用として、マニピュレータシ
ステムの利用が考えられている。そして、このようなマ
ニピュレータシステムにおいて要請されることは、特
に、その安全性と共に、正確な作業を簡便に行い得るよ
うに構成することである。この要請を満足するために
は、マニピュレータに対する計測対象、例えば作業対象
物の位置及び姿勢を正確に把握する必要がある。
【0003】上記位置・姿勢計測手段としては、TV
(テレビジョン)カメラ等の撮像部をマニピュレータ等
の移動体側に設け、計測対象物となる作業対象物には、
所定のパターン、紋様を持つ標的部材を設ける。そし
て、マニピュレータの撮像部で、標的部材を撮影して、
その画像から標的部材のパターン、紋様の画像データを
周知のパターン認識手法により抽出し、抽出した画像デ
ータから相互間の相対的位置及び姿勢を算出する方法が
ある。
(テレビジョン)カメラ等の撮像部をマニピュレータ等
の移動体側に設け、計測対象物となる作業対象物には、
所定のパターン、紋様を持つ標的部材を設ける。そし
て、マニピュレータの撮像部で、標的部材を撮影して、
その画像から標的部材のパターン、紋様の画像データを
周知のパターン認識手法により抽出し、抽出した画像デ
ータから相互間の相対的位置及び姿勢を算出する方法が
ある。
【0004】しかしながら、上記距離・姿勢計測手段に
あっては、撮像部で捕らえた標的部材の画像から、パタ
ーン、紋様の画像データを抽出するのにパターン、紋様
の明暗に依存することとなるために、照明条件の変化や
陰影の影響を受け易く、信頼性の点で問題を有する。
あっては、撮像部で捕らえた標的部材の画像から、パタ
ーン、紋様の画像データを抽出するのにパターン、紋様
の明暗に依存することとなるために、照明条件の変化や
陰影の影響を受け易く、信頼性の点で問題を有する。
【0005】なお、係る事情は、宇宙用マニピュレータ
システムに限ることなく、重力環境で使用されるマニピ
ュレータシステムにおけるマニピュレータと作業対象
物、宇宙空間でランデブードッキングする衛星同志、あ
るいは航空機、地上移動車、船舶の移動体同志等のに相
対位置が不確定な対象物同志の位置・姿勢を計測する手
段においても同様のものである。
システムに限ることなく、重力環境で使用されるマニピ
ュレータシステムにおけるマニピュレータと作業対象
物、宇宙空間でランデブードッキングする衛星同志、あ
るいは航空機、地上移動車、船舶の移動体同志等のに相
対位置が不確定な対象物同志の位置・姿勢を計測する手
段においても同様のものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の距離・姿勢計測手段では、広範囲に亘る高精度な計
測が困難であるという問題を有していた。
来の距離・姿勢計測手段では、広範囲に亘る高精度な計
測が困難であるという問題を有していた。
【0007】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、簡易な構成で、且つ、信頼性の高い安定した計測
を実現し得るようにした距離・姿勢計測装置を提供する
ことを目的とする。
ので、簡易な構成で、且つ、信頼性の高い安定した計測
を実現し得るようにした距離・姿勢計測装置を提供する
ことを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明は、少なくとも
一方が移動して相対位置・姿勢が不確定な関係を有した
第1及び第2の対象物と、この第1及び第2の対象物の
一方に設けられるもので、中心軸に対して略対称な曲面
を持ち、該曲面に中心軸を中心として3分割以上に分割
して形成した3個以上の異なる色を有する色領域が設け
られてなる立体形状の標的部材と、前記第1及び第2の
対象物の他方に設けられ、前記標的部材を撮像する撮像
手段と、この撮像手段で撮影した画像より前記標的部材
の色領域の色画像を抽出する画像処理手段と、この画像
処理手段で抽出した前記標的部材の色領域に対応した色
画像の各面積及び該各面積の中心位置を算出し、これら
面積及び面積の中心位置に基づいて前記第1及び第2の
対象物の相対位置・姿勢を算出する演算手段とを備えて
位置・姿勢計測装置を構成したものである。
一方が移動して相対位置・姿勢が不確定な関係を有した
第1及び第2の対象物と、この第1及び第2の対象物の
一方に設けられるもので、中心軸に対して略対称な曲面
を持ち、該曲面に中心軸を中心として3分割以上に分割
して形成した3個以上の異なる色を有する色領域が設け
られてなる立体形状の標的部材と、前記第1及び第2の
対象物の他方に設けられ、前記標的部材を撮像する撮像
手段と、この撮像手段で撮影した画像より前記標的部材
の色領域の色画像を抽出する画像処理手段と、この画像
処理手段で抽出した前記標的部材の色領域に対応した色
画像の各面積及び該各面積の中心位置を算出し、これら
面積及び面積の中心位置に基づいて前記第1及び第2の
対象物の相対位置・姿勢を算出する演算手段とを備えて
位置・姿勢計測装置を構成したものである。
【0009】
【作用】上記構成によれば、周壁に異なる色を有した3
個以上の色領域が設けられた立体形状の標的部材を、相
対位置・姿勢が不確定な関係を有する第1及び第2の対
象物の一方に設け、この標的部材を第1及び第2の対称
物の他方に搭載した撮像手段で撮影して、その撮影した
画像から画像処理手段で標的部材の色領域に対応する各
色画像を抽出し、この抽出した各色画像の面積及び該面
積の中心位置を算出して、これら面積及び面積の中心位
置に基づいて第1及び第2の対象物の相対位置・姿勢を
算出するように構成した。従って、標的部材の画像情報
に色情報が含まれることにより、従来に比して高精度な
画像抽出が可能となり、可及的に安定した正確な計測が
可能となる。
個以上の色領域が設けられた立体形状の標的部材を、相
対位置・姿勢が不確定な関係を有する第1及び第2の対
象物の一方に設け、この標的部材を第1及び第2の対称
物の他方に搭載した撮像手段で撮影して、その撮影した
画像から画像処理手段で標的部材の色領域に対応する各
色画像を抽出し、この抽出した各色画像の面積及び該面
積の中心位置を算出して、これら面積及び面積の中心位
置に基づいて第1及び第2の対象物の相対位置・姿勢を
算出するように構成した。従って、標的部材の画像情報
に色情報が含まれることにより、従来に比して高精度な
画像抽出が可能となり、可及的に安定した正確な計測が
可能となる。
【0010】
【実施例】以下、この発明の実施例について、図面を参
照して詳細に説明する。
照して詳細に説明する。
【0011】図1はこの発明の一実施例に係る移動体用
距離・姿勢計測装置を示すもので、図中10は、計測対
象物で、例えば宇宙作業機に搭載されるマニピュレータ
等をいう。そして、図中11は、被計測対象物で、上記
計測対象物に対して相対的位置・姿勢が不確定な関係を
有する作業対象物等をいう。このうち被計測対象物11
にはこの発明の特徴とする標的部材12が設けられる。
標的部材12は、例えば第2図に示すように中心軸に対
して略対称な曲面を持つ略球状に形成され、該曲面に中
心軸を中心として4分割に分割されて形成された4個の
互いに異なる色を有する色領域121〜124が設けら
れなる。
距離・姿勢計測装置を示すもので、図中10は、計測対
象物で、例えば宇宙作業機に搭載されるマニピュレータ
等をいう。そして、図中11は、被計測対象物で、上記
計測対象物に対して相対的位置・姿勢が不確定な関係を
有する作業対象物等をいう。このうち被計測対象物11
にはこの発明の特徴とする標的部材12が設けられる。
標的部材12は、例えば第2図に示すように中心軸に対
して略対称な曲面を持つ略球状に形成され、該曲面に中
心軸を中心として4分割に分割されて形成された4個の
互いに異なる色を有する色領域121〜124が設けら
れなる。
【0012】また、対象物10には撮像手段、例えばテ
レビジョンカメラ(以下、TVカメラと記す)13が搭
載される。TVカメラ14には画像処理部15が接続さ
れ、この画像処理部14には演算部15が接続される。
レビジョンカメラ(以下、TVカメラと記す)13が搭
載される。TVカメラ14には画像処理部15が接続さ
れ、この画像処理部14には演算部15が接続される。
【0013】すなわち、画像処理部14は、例えば周知
の色の3原色(赤(R),緑(G),青(B))に基づ
いて、予め標的部材12の色領域121〜124につい
て、その3原色の信号の割合を記憶しておき、この記憶
情報に基づいて、入力した1フレームの画像データの中
から色領域の色画像データを判定する。この際、色画像
データは、照明や陰影等の影響による背景の色と明確に
識別するために、各色画像データ毎に色成分情報を3原
色の成分の合成量に、相当量により R´=R/R+G+B G´=G/R+G+B B´=B/R+G+B の如く除算して明度に対する、いわゆる無次元化を行
う。このようにして、色領域121〜124の色画像デ
ータを抽出して、演算部15に出力する。
の色の3原色(赤(R),緑(G),青(B))に基づ
いて、予め標的部材12の色領域121〜124につい
て、その3原色の信号の割合を記憶しておき、この記憶
情報に基づいて、入力した1フレームの画像データの中
から色領域の色画像データを判定する。この際、色画像
データは、照明や陰影等の影響による背景の色と明確に
識別するために、各色画像データ毎に色成分情報を3原
色の成分の合成量に、相当量により R´=R/R+G+B G´=G/R+G+B B´=B/R+G+B の如く除算して明度に対する、いわゆる無次元化を行
う。このようにして、色領域121〜124の色画像デ
ータを抽出して、演算部15に出力する。
【0014】演算部15は、抽出した色画像データの各
面積S1 ,S2 ,S3 ,S4 と、面積S1 の重心(面積
中心)X1 ,面積S2 の重心X2 ,面積S3 の重心
X3 ,面積S4 の重心X4 を算出する。
面積S1 ,S2 ,S3 ,S4 と、面積S1 の重心(面積
中心)X1 ,面積S2 の重心X2 ,面積S3 の重心
X3 ,面積S4 の重心X4 を算出する。
【0015】そして、図3に示すように、標的部材12
とTVカメラ13との現在距離Lは、標的部材12とT
Vカメラ13とが中心軸を一致させた状態における距離
をL0 、この状態におけるTVカメラ13で撮影した画
像データ全体の面積をS0 、該面積S0 の重心の画像フ
レーム上の座標をX0 (x0 ,y0 )として(図4参
照)、 L= (S0 /S1 ) 1/2 ×L0 の式で算出する。次に、図5に示すように、距離Lにお
けるTVカメラ13の座標系(x,y,z)に対する標
的部材12の方向角、即ち y軸回りの角度φ(水平方向角度)…(方位角) x´回りの角度θ(上下方向角度)…(仰角) は、Cφ,Cθを定数として、 φ=Cφ× (x1 +x2 +x3 +x4 ) ×1/4 θ=Cθ× (y1 +y2 +y3 +y4 ) ×1/4 の式に基づいて算出する。
とTVカメラ13との現在距離Lは、標的部材12とT
Vカメラ13とが中心軸を一致させた状態における距離
をL0 、この状態におけるTVカメラ13で撮影した画
像データ全体の面積をS0 、該面積S0 の重心の画像フ
レーム上の座標をX0 (x0 ,y0 )として(図4参
照)、 L= (S0 /S1 ) 1/2 ×L0 の式で算出する。次に、図5に示すように、距離Lにお
けるTVカメラ13の座標系(x,y,z)に対する標
的部材12の方向角、即ち y軸回りの角度φ(水平方向角度)…(方位角) x´回りの角度θ(上下方向角度)…(仰角) は、Cφ,Cθを定数として、 φ=Cφ× (x1 +x2 +x3 +x4 ) ×1/4 θ=Cθ× (y1 +y2 +y3 +y4 ) ×1/4 の式に基づいて算出する。
【0016】また、図6に示すように、TVカメラ13
から標的部材12への視線に対する標的部材の姿勢角、
即ち x軸回りの角度α y軸回りの角度β 視線回りの角度ψは、 α=sin-1{(S3 +S4 −S1 −S2 ) / (S1 +S
2 +S3 +S4 )} β=sin-1{(S2 +S3 −S1 −S4 ) / (S1 +S
2 +S3 +S4 )} ψ=tan-1{(y1 +y3 −y2 −y4 ) / (x1 +x
2 −x3 −x4 )} の式に基づいて算出する。このように算出した相対的位
置・姿勢情報は、例えば図示しない表示部に出力されて
表示される。
から標的部材12への視線に対する標的部材の姿勢角、
即ち x軸回りの角度α y軸回りの角度β 視線回りの角度ψは、 α=sin-1{(S3 +S4 −S1 −S2 ) / (S1 +S
2 +S3 +S4 )} β=sin-1{(S2 +S3 −S1 −S4 ) / (S1 +S
2 +S3 +S4 )} ψ=tan-1{(y1 +y3 −y2 −y4 ) / (x1 +x
2 −x3 −x4 )} の式に基づいて算出する。このように算出した相対的位
置・姿勢情報は、例えば図示しない表示部に出力されて
表示される。
【0017】このように、上記距離・姿勢計測装置は、
略球状の曲面を、中心軸を中心として4分割した4分割
曲面に異なる色を有する色領域121〜124を設けた
立体形状の標的部材12を被計測対象物11に搭載し
て、この標的部材12を計測対象物10に設けたTVカ
メラ13で撮影し、その撮影した画像データから画像処
理部14で標的部材12の色領域121〜124に対応
する各色画像データを抽出し、この抽出した各色画像デ
ータの面積及び該面積の中心位置を算出して、これら面
積及び面積の中心位置に基づいて被計測対象物11と計
測対象物10の相対位置・姿勢を算出するように構成し
た。これによれば、TVカメラ13で撮影した標的部材
12の画像情報に色情報が含まれることにより、従来の
ように明暗を利用してパターンや紋様の画像を抽出して
いたものに比して高精度な画像抽出が可能となり、可及
的に安定した正確な位置・姿勢の計測が実現される。
略球状の曲面を、中心軸を中心として4分割した4分割
曲面に異なる色を有する色領域121〜124を設けた
立体形状の標的部材12を被計測対象物11に搭載し
て、この標的部材12を計測対象物10に設けたTVカ
メラ13で撮影し、その撮影した画像データから画像処
理部14で標的部材12の色領域121〜124に対応
する各色画像データを抽出し、この抽出した各色画像デ
ータの面積及び該面積の中心位置を算出して、これら面
積及び面積の中心位置に基づいて被計測対象物11と計
測対象物10の相対位置・姿勢を算出するように構成し
た。これによれば、TVカメラ13で撮影した標的部材
12の画像情報に色情報が含まれることにより、従来の
ように明暗を利用してパターンや紋様の画像を抽出して
いたものに比して高精度な画像抽出が可能となり、可及
的に安定した正確な位置・姿勢の計測が実現される。
【0018】なお、上記標的部材12としては、上記実
施例に限ることなく、その他、例えば図7〜図10に示
すように構成しても良い。
施例に限ることなく、その他、例えば図7〜図10に示
すように構成しても良い。
【0019】図7の標的部材20は、中心軸に対して略
対称な曲面を持つ略半球状の立体形状を有し、該曲面を
中心軸を中心として4分割に分割して、4個の互いに異
なる色を有する色領域201〜204を設けたものであ
る。
対称な曲面を持つ略半球状の立体形状を有し、該曲面を
中心軸を中心として4分割に分割して、4個の互いに異
なる色を有する色領域201〜204を設けたものであ
る。
【0020】図8の標的部材21は、中心軸に対して略
対称な曲面を持つ略円錐状の立体形状を有し、該曲面を
中心軸を中心として4分割に分割して、4個の互いに異
なる色を有する色領域211〜214(図の都合上、色
領域214を図示せず)を設けたものである。
対称な曲面を持つ略円錐状の立体形状を有し、該曲面を
中心軸を中心として4分割に分割して、4個の互いに異
なる色を有する色領域211〜214(図の都合上、色
領域214を図示せず)を設けたものである。
【0021】図9の標的部材22は、中心軸に対して略
対称な曲面を持つ略円錐台状の立体形状を有し、該曲面
を中心軸を中心として4分割に分割して、4個の互いに
異なる色を有する色領域221〜224(図の都合上、
色領域224を図示せず)を設けたものである。
対称な曲面を持つ略円錐台状の立体形状を有し、該曲面
を中心軸を中心として4分割に分割して、4個の互いに
異なる色を有する色領域221〜224(図の都合上、
色領域224を図示せず)を設けたものである。
【0022】図10の標的部材23は、中心軸を中心と
して4分割した傾斜面を持つ略四角錐状の立体形状を有
し、これら4個の傾斜面に互いに異なる色を有する色領
域231〜234を設けたものである。
して4分割した傾斜面を持つ略四角錐状の立体形状を有
し、これら4個の傾斜面に互いに異なる色を有する色領
域231〜234を設けたものである。
【0023】また、上記実施例では、標的部材12,2
0,21,22,23を被計測対象物11に設け、TV
カメラ13を計測対象物10に搭載するように構成した
が、これら標的部材12,20,21,22,23及び
TVカメラ13を逆に搭載するように構成することも可
能である。
0,21,22,23を被計測対象物11に設け、TV
カメラ13を計測対象物10に搭載するように構成した
が、これら標的部材12,20,21,22,23及び
TVカメラ13を逆に搭載するように構成することも可
能である。
【0024】さらに、上記標的部材12,20,21,
22,23としては、4分割に形成した場合で説明した
が、これに限ることなく、3分割以上に分割して、3個
以上の色領域を設けことにより、略同様の効果が期待さ
れる。
22,23としては、4分割に形成した場合で説明した
が、これに限ることなく、3分割以上に分割して、3個
以上の色領域を設けことにより、略同様の効果が期待さ
れる。
【0025】また、この発明は上記実施例に限ることな
く、例えば宇宙航行体、航空機、地上における自動車等
の各種の移動体の位置・姿勢検出にもの適用可能で、こ
れらの移動体同志の距離及び姿勢を検出することも可能
である。
く、例えば宇宙航行体、航空機、地上における自動車等
の各種の移動体の位置・姿勢検出にもの適用可能で、こ
れらの移動体同志の距離及び姿勢を検出することも可能
である。
【0026】よって、この発明は、上記実施例に限るこ
となく、その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々の変形を実施し得ることは勿論である。
となく、その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々の変形を実施し得ることは勿論である。
【0027】
【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、簡易な構成で、且つ、信頼性の高い安定した計測を
実現し得るようにした距離・姿勢計測装置を提供するこ
とができる。
ば、簡易な構成で、且つ、信頼性の高い安定した計測を
実現し得るようにした距離・姿勢計測装置を提供するこ
とができる。
【図1】この発明の一実施例に係る位置・姿勢計測装置
を示した図。
を示した図。
【図2】図1の標的部材を取り出して示した図。
【図3】図1の計測動作を説明するために示した図。
【図4】図1の計測動作を説明するために示した図。
【図5】TVカメラの座標系に対する標的部材の方向角
を説明するために示した図。
を説明するために示した図。
【図6】TVカメラから標的部材への視線に対する標的
部材の姿勢角を説明するために示した図。
部材の姿勢角を説明するために示した図。
【図7】この発明の他の実施例を示した図。
【図8】この発明の他の実施例を示した図。
【図9】この発明の他の実施例を示した図。
【図10】この発明の他の実施例を示した図。
10…計測対象物、11…被計測対象物、12…標的部
材、13…TVカメラ、14…画像処理部、15…演算
部。
材、13…TVカメラ、14…画像処理部、15…演算
部。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 102 B64G 1/64
Claims (4)
- 【請求項1】 少なくとも一方が移動して相対位置・姿
勢が不確定な関係を有した第1及び第2の対象物と、 この第1及び第2の対象物の一方に設けられるもので、
中心軸に対して略対称な曲面を持ち、該曲面に中心軸を
中心として、3分割以上に分割して形成した3曲面以上
の異なる色を有する色領域が設けられてなる立体形状の
標的部材と、 前記第1及び第2の対象物の他方に設けられ、前記標的
部材を撮像する撮像手段と、 この撮像手段で撮影した画像データより前記標的部材の
色領域の色画像データを抽出する画像処理手段と、 この画像処理手段で抽出した前記標的部材の色領域に対
応した色画像データの各面積及び該各面積の中心位置を
算出し、これら面積及び面積の中心位置に基づいて前記
第1及び第2の対象物の相対位置・姿勢を算出する演算
手段とを具備した位置・姿勢計測装置。 - 【請求項2】 前記標的部材は、中心軸に対して略対称
な曲面に中心軸を中心として、4分割に分割して形成し
た4曲面の異なる色を有する色領域が設けられた請求項
1記載の位置・姿勢計測装置。 - 【請求項3】 前記標的部材は、中心軸を中心として、
3分割以上に分割して形成した3面以上の傾斜面を持つ
立体形状を有し、前記傾斜面に異なる色を有した色領域
を設けた請求項1記載の位置・姿勢計測装置。 - 【請求項4】 前記標的部材は、中心軸を中心にして4
分割して4面の傾斜面を持つ立体形状を有し、前記4面
の傾斜面に異なる色を有した色領域を設けた請求項3記
載の位置・姿勢計測装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29604992A JP3192779B2 (ja) | 1992-11-05 | 1992-11-05 | 位置・姿勢計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29604992A JP3192779B2 (ja) | 1992-11-05 | 1992-11-05 | 位置・姿勢計測装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06147828A JPH06147828A (ja) | 1994-05-27 |
JP3192779B2 true JP3192779B2 (ja) | 2001-07-30 |
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ID=17828444
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP29604992A Expired - Fee Related JP3192779B2 (ja) | 1992-11-05 | 1992-11-05 | 位置・姿勢計測装置 |
Country Status (1)
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---|---|
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1992
- 1992-11-05 JP JP29604992A patent/JP3192779B2/ja not_active Expired - Fee Related
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