JP3319348B2 - 距離測定方法とその装置 - Google Patents

距離測定方法とその装置

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Description

【発明の詳細な説明】 【発明の属する技術分野】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、遠隔操作ロボット
システムにおいて2台以上のカメラを用いた距離測定方
法とその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】遠隔操作ロボットにおいて、ロボットが
対象物を把持するには対象物までの距離測定が必要とな
る。従来は、レーザ光や2台のカメラを用いた三角測量
による距離測定がなされている。図4にレーザ光による
距離測定の例[以下、これを『従来例1』という]を示
す。全ての図面において、同一符号は同一若しくは相当
部材を表すものとする。レーザ光源1から距離を測定し
たい対象物2に対してレーザ光を照射する。その映像を
カメラ3を用いて取り込み、画面中のレーザ光の位置を
画像処理によって求め、三角測量の原理を用いてロボッ
ト座標の原点から対象物までの距離を求めている。
【0003】一方、2台のカメラを用いた距離計測の例
[以下、これを『従来例2』という]を図5に示す。対
象物2上の距離を測定する点が、それぞれ第1のカメラ
3と第2のカメラ3’の画面中央に位置するようにカメ
ラを取付けた雲台4を調整する。そのときの各カメラの
光軸方向から三角測量の原理を用いて対象物までの距離
を求める。この従来例2の方式は、カメラの向きから距
離を求めており、画像処理が不要となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、従来例1に
おいては、レーザ光の場合、日光などの外乱があると画
像処理によるレーザ光の位置検出が難しくなり、レーザ
光の出力を大きくすると安全性の問題が生じる。さら
に、従来例2の方式では、第1のカメラ3と第2のカメ
ラ3’と雲台4,4’との取付け誤差などの影響によ
り、カメラ3とカメラ3’の計算上の光軸がずれて交わ
らないとき、あるいは雲台4,4’の調整がうまくいか
ず実際に光軸が交わらないときなど計算不能となる。ま
た、精度を向上するためにカメラを複数個用いる場合
は、この種の従来技術は適用できない。そこで、本発明
は光軸のずれを考慮し、複数のカメラにより対象物まで
の距離を測定する方法並びに装置を提供することを目的
とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
(解決手段1)上記課題を達成するため本発明請求項1
に記載の発明は、2台以上のカメラと、これらのカメラ
の映像を映し出すTVモニタと、前記カメラを取付けて
光軸方向を制御する雲台と、それらの雲台への位置指令
を送る指令装置と、前記雲台の位置を検出できる検出装
置と、この検出装置からの位置情報を処理する演算装置
を備えた距離測定方法において、前記指令装置を用いて
前記雲台を動かし、距離測定がなされる測定点が前記T
Vモニタの中央に位置するように前記カメラの向きを調
整し、このときの前記雲台の位置を前記検出装置により
検出し、前記演算装置において前記雲台の位置から前記
カメラの光軸を表す直線の方程式を求め、それぞれの前
記直線までの距離の2乗和が最小になるなるような点を
求め、その点までの距離を前記測定点までの距離として
距離測定を行うことを特徴とする距離測定方法である。
【0006】これにより複数のカメラを用いての距離計
測が確実に行え、しかも光軸がずれた場合にも対応が可
能となるという格段の効果を奏することができる。
【0007】本発明請求項2に記載の発明は、請求項1
に記載の距離測定方法において、第i番目のカメラの位
置ベクトルをベクトルai ,それを載置する雲台の位置
情報から求めた測定点への光軸の方向を表す単位ベクト
ルをベクトルti ,カメラの台数をn,3×3の単位行
列をI,ベクトルti の転置行列をti u ,求める測定
点の位置ベクトルをベクトルbとして、ベクトルbから
前記光軸上の点までのベクトルri の長さが最小となる
条件を求めるベクトル方程式 〔nI−Σベクトルti ×ベクトルti u 〕ベクトルb
=Σ〔ベクトルai −(ベクトルai ・ベクトルti
ベクトルti 〕 を解き、各光軸までの距離の2乗和が最小となる点を求
めるようにしたことを特徴とする距離測定方法である。
【0008】このような演算は汎用のマイクロコンピュ
ータで充分対処可能であり、たやすく複数個のカメラの
光軸の交点を算出されて、ロボットの作業点と対象物の
距離が正確かつ迅速に計測されて、ロボット動作が自由
自在に制御できることになる。
【0009】本発明請求項3に記載の発明は、2台以上
のカメラと、これらのカメラの映像を映し出すTVモニ
タと、前記カメラを取付けて光軸方向を制御する雲台
と、それらの雲台への位置指令を送る指令装置と、前記
雲台の位置を検出できる検出装置と、この検出装置から
の位置情報を処理する演算装置を備えた距離測定装置に
おいて、対象物上の測定点が前記TVモニタの中央に位
置するように前記カメラの向きを調整する手段と、この
ときの前記雲台の位置を前記検出装置により検出する手
段と、前記演算装置において前記雲台の位置から前記カ
メラの光軸を表す直線の方程式を求める手段と、それぞ
れの前記直線までの距離の2乗和が最小になるなるよう
な点を求める手段と、その点までの距離を前記測定点ま
での距離とする手段とをそれぞれ具備することを特徴と
する距離測定装置である。
【0010】かくして、各カメラの雲台の位置を自由に
指令により調節して適合させ、さらに光軸までの距離の
2乗和を素早く簡易に導出可能となり、例えば活線作業
ロボットのような遠隔操作ロボットにおいて、ロボット
が対象物を把持するには、対象物までの距離測定が必要
となるが、扱い難いレーザ光を使用せずとも、複数台の
カメラで確実な距離データが演算されて、ロボットの動
作条件を完璧なコントロールの下に置くことができると
いう顕著な効果が認められる。
【0011】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)以下、本発明の実施の形態1につい
て、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の基
本的構成を表す斜視図である。図2は、図1の回路構成
を示すブロック図である。複数のカメラ3,3’,3”
がそれぞれ雲台4,4’,4”に載置され、それらの位
置は検出器5,5’,5”を用いて読み取ることができ
る。カメラ3,3’,3”からの映像情報は、TV(テ
レビ)モニタ7に映し出される。また、雲台4,4’,
4”はジョイステック(操縦桿)8からの位置指令9に
よって、位置が変更できる。
【0012】オペレータは、TVモニタ7を見ながらジ
ョイステック8で雲台4,4’,4”を動かし、TVモ
ニタ7の画面中央に距離測定を行いたい測定点が位置す
るようにカメラの各光軸12,12’,12”を調整す
る。演算装置(CPU)10では、先ず検出器5からの
雲台4,4’,4”の位置情報11を用いて、カメラ
3,3’,3”の光軸12,12’,12”の各方向を
求める。 その計算は、雲台4,4’,4”の機械的な
構成に依存している。
【0013】これは、例えば文献としての『遠隔操作マ
ニピュレータ用自動カメラ追跡編成”Automatic camera
trackingfor remote manipulators ”,Proc. of the
1984 National Topical Meetingon Robotics and Remot
e Handling in Hostile Environments,pp.383-391,198
4』、つまり、1984年・悪環境におけるロボットと
遠隔操縦の国際会議論文集に掲載された計算例におい
て、この手法が述べられている。
【0014】この論文では遠隔マニピュレータに関して
固定、あるいは可動カメラを使った移動物体の自動カメ
ラ追跡問題について述べている。カメラのパン(左
右)、チルト(上下)方向の角度を求めるのに4×4の
同次変換行列を使った運動学的なアプローチを行ってい
る。視覚フィードバックシステムは使わず、必要な情報
は全てマニピュレータとカメラ位置決め装置の位置セン
サから得ている。全てのハードウェアの要求は、一般に
手に入る管理計算機付の遠隔マニュプレータで実現して
いる。
【0015】ここで述べられたシステムは、リニア・パ
ルスのオン・オフ(バン・バン制御)の閉ループ制御を
行っており、±2度の不感帯がある。この不感帯の領域
は、連続的なカメラの動きに起因する操作者のいわゆ
る”船酔い”を避けるために望ましい。操作者とのイン
ターフェイス機能を含むカメラ制御のためのプログラム
上の考案が議論されている。ここで述べられたシステム
は、PDP11/34計算機と遠隔操作システムSM−
229のマニピュレータとオーク・リッジ国際研究所の
カメラ位置決めシステムを使って実際に構築されてい
る。
【0016】そして、各カメラ3,3’,3”の光軸1
2,12’,12”方向が求まると、次に演算装置10
は、図1に示すような点13を求める。この図1は、3
台のカメラ3,3’,3”を用いた例である。第1のカ
メラ3とその光軸12,第2のカメラ3’とその光軸1
2’,第3のカメラ3”とその光軸12”があるとき、
求める点13は3つの光軸12,12’,12”までの
距離の2乗和が最小になる点である。
【0017】この演算手順は、以下のような手法により
求めて行く。図3に示すように、第i番目のカメラ3の
位置ベクトルをベクトルai ,それを載置する雲台の位
置情報から求めた測定点への光軸の方向を表す単位ベク
トルをベクトルti とし、求める測定点の位置ベクトル
をベクトルbとすると、ベクトルbから前記光軸上の点
までのベクトルri の長さが最小となるのは、ベクトル
i とベクトルti が直交するときである。
【0018】そのとき、 ベクトルri =ベクトルai −ベクトルb−{(ベクト
ルai −ベクトルb)・ベクトルti }ベクトルti である。そこで、前記演算装置ではベクトルbから各光
軸までの距離の2乗和Σ ベクトルri ・ベクトルri
が最小となるベクトルbを求める。それには、上式をベ
クトルbで微分して零とおくと次式が得られる。 Σ〔ベクトルai −ベクトルb−{(ベクトルai −ベ
クトルb)・ベクトルti }ベクトルti 〕=0
【0019】これを整理すると、ベクトルbに関する以
下のような連立一次方程式が得られる。 〔nI−Σベクトルti ×ベクトルti u 〕ベクトルb
=Σ〔ベクトルai −(ベクトルai ・ベクトルti
ベクトルti 〕 ここで、nはカメラの台数,Iは3×3の単位行列,ベ
クトルti u はベクトルti の転置行列を示す。上式を
解くことで、各光軸までの距離の2乗和が最小となる点
13が求まる。
【0020】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数のカ
メラを用いる場合にも最小の誤差で距離計測を行うこと
ができ、しかも光軸がずれた場合にも対応が迅速確実に
なるという格段の効果を奏する。
【0021】また、本発明が適用する演算方法は汎用の
マイクロコンピュータを用いて実現することができ、ま
た複数個のカメラの光軸の交点がたやすく算出されて、
ロボットの作業点と対象物の距離が正確にかつ素早く計
測されるので、装置の価格を高めることなく高精度で応
答速度の高いロボットを提供することができるようにな
るという優れた効果がある。
【0022】さらに、本発明によると、各カメラの雲台
の位置を自由に指令により調節して適合させ、さらに光
軸までの距離の2乗和を直ちに簡易に導出可能であるの
で、例えば活線作業ロボットのような遠隔操作ロボット
で対象物までの距離測定をする場合、取り扱いが容易で
ないレーザ光を使用することなく、複数台のカメラで精
度よく距離を演算するので、ロボットの動作を完璧なコ
ントロールの下に置くことができて、危険遠隔作業を高
い安全性でさせることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における基本的構成を表
す斜視図である。
【図2】本発明の図1の回路構成を示すブロック図であ
る。
【図3】第i番目のカメラの位置ベクトルai 、それを
載置する雲台の位置情報から求めた測定点への光軸の方
向を表す単位ベクトルti 、求める測定点の位置ベクト
ルbとし、ベクトルbから前記光軸上の点までのベクト
ルri の長さが最小となる点は、ベクトルri とベクト
ルti が直交する場合であることの解析的説明図
【図4】従来例1のレザー光を用いた距離測定方法の説
明図
【図5】従来例2の2台のカメラによる距離測定方法の
説明図
【符号の説明】
1 レザー光源 2 対象物 3,3’,3” カメラ 4,4’,4” 雲台 5,5’,5” (位置)検出器 6 映像信号 7 TV(テレビ)モニタ 8 ジョイ・ステック 9 位置指令 10 演算装置(CPU) 11 位置情報

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2台以上のカメラと、これらのカメラの
    映像を映し出すTVモニタと、前記カメラを取付けて光
    軸方向を制御する雲台と、それらの雲台への位置指令を
    送る指令装置と、前記雲台の位置を検出できる検出装置
    と、この検出装置からの位置情報を処理する演算装置を
    備えた距離測定方法において、 前記指令装置を用いて前記雲台を動かし、 距離測定がなされる測定点が前記TVモニタの中央に位
    置するように前記カメラの向きを調整し、 このときの前記雲台の位置を前記検出装置により検出
    し、 前記演算装置において前記雲台の位置から前記カメラの
    光軸を表す直線の方程式を求め、 それぞれの前記直線までの距離の2乗和が最小になるな
    るような点を求め、 その点までの距離を前記測定点までの距離として距離測
    定を行うことを特徴とする距離測定方法。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の距離測定方法におい
    て、 第i番目のカメラの位置ベクトルをベクトルai ,それ
    を載置する雲台の位置情報から求めた測定点への光軸の
    方向を表す単位ベクトルをベクトルti ,カメラの台数
    をn,3×3の単位行列をI,ベクトルti の転置行列
    をti u ,求める測定点の位置ベクトルをベクトルbと
    して、 ベクトルbから前記光軸上の点までのベクトルri の長
    さが最小となる条件を求めるベクトル方程式 〔nI−Σベクトルti ×ベクトルti u 〕ベクトルb
    =Σ〔ベクトルai −(ベクトルai ・ベクトルti
    ベクトルti 〕 を解き、各光軸までの距離の2乗和が最小となる点を求
    めるようにしたことを特徴とする距離測定方法。
  3. 【請求項3】 2台以上のカメラと、これらのカメラの
    映像を映し出すTVモニタと、前記カメラを取付けて光
    軸方向を制御する雲台と、それらの雲台への位置指令を
    送る指令装置と、前記雲台の位置を検出できる検出装置
    と、この検出装置からの位置情報を処理する演算装置を
    備えた距離測定装置において、 対象物上の測定点が前記TVモニタの中央に位置するよ
    うに前記カメラの向きを調整する手段と、 このときの前記雲台の位置を前記検出装置により検出す
    る手段と、 前記演算装置において前記雲台の位置から前記カメラの
    光軸を表す直線の方程式を求める手段と、 それぞれの前記直線までの距離の2乗和が最小になるな
    るような点を求める手段と、 その点までの距離を前記測定点までの距離とする手段と
    をそれぞれ具備することを特徴とする距離測定装置。
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