JP3725982B2 - 位置取得装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、地図対象物の3次元位置を取得する位置取得装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、市街地地図を作成するには建物等の位置を測量する必要があるが、従来では三角測量技法を利用した測量が行われていた。
【0003】
例えばレストランやガソリンスタンドなどが新しく出店されると、そこに測量機材を運搬し、基準点を設定して建物との相対位置を計測することで、建物の位置を間接的に求めることが可能だった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来では、三角測量技法を利用した地図対象物の3次元位置測量が行われていた。しかし、三角測量を行うには、重量物である測量機材を測定場所に運搬した上で、複数の基準点を設定する必要があった。また、離れた場所にある別の対象物を測量する場合は、測量機材を運搬して、手間の掛かる準備作業を再び行う必要があり、多大な時間と労力を要した。その上、交通量の激しい道路上では、交通の妨げとなることもあった。
【0005】
また、建物等の建築や取り壊しなどがあっても、測量が大掛で技術の熟練を要したので測量が頻繁に行えず、地図情報の更新が遅れて現場の状態と乖離することとなり、改善が望まれていた。
【0006】
そこで、この発明は上記従来の課題を解決すべくなされたもので、地図対象物の3次元位置が容易に得られる位置取得装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上述の従来課題を解決するために、この発明による位置取得装置は、車両に搭載されたステレオカメラと、前記車両に搭載され、GPS時計を備えるとともに、GPS衛星からのGPS信号と、GPS基準局からの位置補正情報とを基に、前記ステレオカメラの3次元位置を求めるDGPS受信機と、前記車両が所定の距離を走行する度にパルスを発生する車速エンコーダと、前記車両に搭載され、一定周期の測位パルスを生成し、前記DGPS受信機が求めた3次元位置を用いた推測航法演算により、前記測位パルスのタイミングで、前記ステレオカメラの3次元位置および撮影方向を測定し、測定した3次元位置および撮影方向のデータを含む測位パケットを生成する慣性航法部と、前記車両に搭載され、前記エンコーダが所定数のパルスを発生する毎に、前記ステレオカメラに対してシャッタトリガ信号を与え、当該シャッタトリガ信号が与えられたときに当該ステレオカメラが撮影して出力する、走行路周囲の地図対象物のステレオ画像を受信して受信の順に保存し、前記測位パケットを受信して受信の順に保存する位置画像収集部とを備え、前記位置画像収集部は、前記シャッタトリガ信号を前記DGPS受信機に与え、前記DGPS受信機は、前記シャッタトリガ信号が与えられたときに、前記GPS時計により計時を行い、計時による撮影時刻データを慣性航法部に出力し、前記慣性航法部は、前記DGPS受信機からの撮影時刻データを受信し、当該撮影時刻データを、当該受信後の最初の測位パルスにより測定された3次元位置および撮影方向のデータを含む測位パケットに格納することを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、この発明による位置取得装置の実施の形態を図1ないし図11を参照して詳述する。
【0011】
図1は、この発明による位置取得装置の第1の実施の形態のブロック図である。
【0012】
この位置取得装置は、DGPS受信機1、慣性航法部2、ステレオカメラ3、位置画像収集部4、車速エンコーダ5、テープストリーマ6、ディスプレイ装置7、位置補間手段8および対象物座標算出手段9からなり、オペレータが運転する自動車に搭載されて、走行路周囲の地図対象物を含んだ画像を自動的に撮影する。尚、位置補間手段8および対象物座標算出手段9は、事後の解析により地図対象物の3次元座標を求めるためのものであり、必ずしも自動車に搭載されなくともよい。
【0013】
DGPS受信機1は、DGPS(Differential Global Positioning System)方式、すなわち相対測位方式を利用するGPS受信機であり、GPS衛星からのGPS信号(電波)を受信するアンテナ1aと、携帯電話網を介してGPS基準局から位置補正情報を受信するための携帯電話用アンテナ1bとを備えている。DGPS受信機1は、GPS信号および位置補正情報から、ステレオカメラ3の3次元位置座標(x,y,z)を求めて、そのデータを、RS232Cインターフェースを経由して、慣性航法部2へ送信する。
【0014】
この位置データは、慣性航法部2において、後述する推測航法演算による測位を実行するときの既知の位置データ(基準位置のデータ)として用いられる。
【0015】
また、DGPS受信機1は、GPS衛星に搭載されている原子時計に同期して、百万分の1秒の精度を有するGPS時計を内蔵している。この図に示すPPS(Pulse Per Second) 信号は、DGPS受信機1が毎正秒に発生するパルス信号であり、同軸ケーブルで電気的に接続された、慣性航法部2および位置画像収集部4に入力される。また、GPS時計は、シャッタトリガ信号を入力すると、その時刻を撮影時刻として計時する。
【0016】
慣性航法部2は、DGPS受信機1から送信されるステレオカメラ3の基準位置のデータおよび後述する車速エンコーダ5からの車両速度情報に基づき、推測航法演算により、走行する車両に固定されたステレオカメラ3の位置座標(x,y,z)を求めると同時に、カメラ角(ψ,ω,κ)、すなわち、ステレオカメラ3の撮影方向の、地球座標系の南北軸に対する傾き角度ψと、東西軸に対する傾き角度ωおよび上下方向に対する傾き角度κをリアルタイムに求める。(以下、ステレオカメラ3の位置座標およびカメラ角を測定する動作を「測位」と記す。) 推測航法演算を用いることで、例えばトンネル内部等のGPS測位ができない場所においても、常に測位が可能となっている
図2は、測位を行う慣性航法部2のブロック図である。
【0017】
慣性航法部2は、内部タイマー21、測位部22、および測位パケット生成部23から構成される。
【0018】
内部タイマー21は、慣性航法部2の内部時刻を管理するタイマーであり、予め設定された周期20msに1回の割合で測位の為のパルス(測位パルス)を測位部22に出力するとともに、その時刻を計時して測位パケット生成部23へ送出する。
【0019】
また、内部タイマー21は百万分の1秒の分解能を有し、予めGPS時計と正確に時刻合わせされた後、PPS信号のパルスが入力される毎に(毎正秒に)時刻合わせを行う。従って、GPS時計に対する、内部タイマー21の誤差の蓄積を回避することができる。
【0020】
測位部22には、RS232Cインターフェースを経由して、DGPS受信機1から基準位置データが入力される。このデータをもとに、内部タイマー21から入力される測位パルスのタイミングで、3軸のリングレーザジャイロ、加速度計、および車速計(後述する車速エンコーダ)による測位(推測航法測位)が行われる。そして、得られたステレオカメラ3の位置座標およびカメラ角データは、測位パケット生成部22へ出力される。
【0021】
測位パケット生成部23では、測位部22において測定、計時されたステレオカメラ3の位置座標、カメラ角および撮影時刻が入力される。また、DGPS受信機1からは、撮影時刻データが入力される。そして、図3に示すような、位置座標x,y,zと、カメラ角φ,ω,κと、測位時刻tpと、撮影時刻tsとから構成される測位パケットが生成され、図1に示すMIL1553バスへ出力される。
【0022】
また、左右2台のCCDディジタルカメラからなる、図1のステレオカメラ3は、車両の所定位置に固定搭載されている。ステレオカメラ3は、シャッタトリガ信号を受け、建物等に代表される走行路周辺の地図対象物をステレオ撮影する。この信号は、DGPS受信機1にも送信され、GPS時計により撮影時刻が計時される。
【0023】
位置画像収集部4は、このステレオカメラ3から送信される画像データの取込処理を行い、テープストリーマ5に保存するコンピュータである。また、慣性航法部2から送信される測位パケットを受信して、これを蓄積保存する。
【0024】
図4は、位置画像収集部4のブロック図である。
【0025】
この位置画像収集部4では、内部バス42に種々の回路が接続されており、予め設定されたプログラムにより、CPU41が各種処理を行う。
【0026】
慣性航法部2における時刻合わせと同様に、PPS信号により内部タイマー43の時刻合わせが行われる。
【0027】
ハードディスク装置48には、測位パケットに収納された情報が蓄積保存され、データベース(カメラ位置角度データベース)が構築される。
【0028】
パルス発生部49は、図1に示す、車速エンコーダ5から入力されるエンコーダパルス信号をカウントして、所定数のパルスが入力される毎にシャッタトリガ信号を出力する。すなわち、車速エンコーダ5は、車輪軸に取り付けられ、回転動作に同期したエンコーダパルス信号を送出する速度センサであり、パルス発生部49は5mの走行距離に相当する数のパルスをカウントする毎に、シャッタトリガ信号を発生させる。このシャッタトリガ信号は、CPU41に接続され、カメラインターフェース45を経由して、ステレオカメラ3の左右のカメラシャッタを同時に動作させる。従って、左右同期した走行路周囲のステレオ画像が連続的に撮影できる。ところで、この実施の形態では、5m走行する毎に撮影が行われるが、このような撮影方法に限ることなく、例えば、オペレータの指示により撮影を行ってもよい。
【0029】
尚、上述のように、カメラ位置角度データベースには、測位パケットに収納された撮影時刻tsが保存されるが、位置画像収集部4の内部タイマー43によっても撮影時刻が計時されてハードディスク装置48に保存され、万が一撮影時刻データがDGPS受信機1から送信されなかった場合のバックアップとして、使用できるようになっている。
【0030】
そして、MIL1553入力インターフェース44は、測位パケットを取り込み、カメラインターフェース45は、シャッタを動作させる他に、ステレオカメラ3からの左右の画像データを入力する。テープストリーマインターフェース46は、画像データを保存するためのテープストリーマ6とのデータ通信を行う。ビデオインターフェース47は、測定されていくステレオ画像や地図情報をオペレータに知らせるディスプレイ装置へ画像信号を送信する。
【0031】
このような、種々の入出力インターフェースを備えた位置画像収集部4により、図1に示した、各種周辺機器が制御される。
【0032】
図5は、ディスプレイ装置7に表示される画面の一例である。
【0033】
左画像表示部81および右画像表示部82には、ステレオカメラ3が逐次撮影していく地図対象物の画像が表示される。従って、何らかの原因でカメラ位置がずれてしまった場合は、オペレータは、位置を修正することができる。情報表示部83には、測位時刻や撮影時刻などの情報が表示される。地図表示部84は道路地図表示部であり、走行中の道路をトレースして、オペレータに現在位置を知らせるので、道順の確認が容易となっている。
【0034】
次にこの実施の形態における位置取得装置の動作について説明する。
【0035】
図6は、撮影地点と測位地点を示す道路地図であり、車両10が、走行路Rを直進して、曲がり角で右折した様子を例示したものである。
【0036】
この実施の形態では、慣性航法部2に予め測位周期20msが設定されおり、1秒に50回の割合で測位が行われるので、車両10が時速50kmで走行した場合の各測位地点は、この図に示すように、互いに約28cmの距離間隔を有する。
【0037】
一方、エンコーダパルスをカウントして、車両10が5m走行する毎に1回の割合でステレオ撮影が行われるようになっているので、5m間隔に、A地点、B地点、C地点と、ステレオ撮影が行われていく。
【0038】
このように、この発明による位置取得装置の第1の実施の形態では、測位およびステレオ撮影が自動的に行うことができる。
【0039】
図7は、この実施の形態の位置取得装置における主な信号のタイミングチャートである。
【0040】
DGPS受信機1は、内蔵するGPS時計の毎正秒(この図では、13時00分00秒と13時00分01秒)に、PPS信号を慣性航法部2および位置画像収集部4へ送出し、受信側の内部タイマーの時刻合わせが行われる。
【0041】
慣性航法部2は、20msの周期を有するパルス(測位パルス)を生成し(立上がり時刻:tp1,tp2,tp3,…)、このパルスのタイミングで、測位が行われる。そして、測位が行われる毎に、測位パケット(P1,P2,P3,…)を出力する。従って、測位パケット出力の周期も約20msとなる。
【0042】
エンコーダパルス信号を入力する位置画像収集部4では、所定数のパルスが入力される毎に、パルス発生部49がシャッタトリガ信号(立上がり時刻:ts1,ts2)を出力し、ステレオ撮影が行われる。
【0043】
シャッタトリガ信号(立上がり時刻:ts1,ts2)は、撮影時刻を取得するための要求としてDGPS受信機1にも入力される(このチャートのGPS時刻リクエストは、DGPS受信機1に入力されるシャッタトリガ信号を表す)。このパルスが入力されるとDGPS受信機1は、GPS時計により計時を行い、撮影時刻データを慣性航法部2に出力する。
【0044】
そして、慣性航法部2は、撮影時刻データを受信すると、次回送信されるべき測位パケットにその撮影時刻データを格納して出力する。従って、撮影時刻データおよび測位によって得られたデータが、確実に送信可能となる。
【0045】
このチャートの例では、時刻ts1、ts2にシャッタトリガ信号が発生し、DGPS受信機1からの撮影時刻データは、RS232Cインターフェースを経由して送信されるので、時刻ts1、ts2よりそれぞれ遅延して、時刻ts1a、ts2aに慣性航法部2が受信する。慣性航法部2は、時刻データts1、tsを測位パケットP4、Pnにそれぞれ格納して出力する。
【0046】
測位パケットは、位置画像収集部4に入力された順番に蓄積保存され、カメラ位置角度データベースが、ハードディスク装置48に構築される。
【0047】
図8は、このカメラ位置角度データベースの構造図である。
【0048】
カメラ位置角度データベースは、測位パケットを単に積み上げ保存したものであり、ステレオカメラの位置座標(x,y,z)、カメラ角(ψ,ω,κ)、測位時刻(tp)、および撮影時刻(ts)のフィールドから構成される。測位時刻(tp)、および撮影時刻(ts)には、時分秒および小数点以下6桁までの時刻データが保存される。
【0049】
また、撮影が行われた場合にのみ測位パケットに収納される撮影時刻データ (ts1、ts2)は、この図に示すように、互いに離れて保存されし、また撮影時刻フィールドが空(blank)のレコードも多数保存される。
【0050】
図9には、画像データベースの構造を示す。
【0051】
カメラインターフェース45を介して収集された左右の画像データを、収集された順番で蓄積保存することにより、画像データベースは構築される。
【0052】
このように、カメラ位置角度データベースは、測位パケットを受信した順番に蓄積保存し、一方、画像データベースは、画像データを受信した順番に蓄積保存したものなので、カメラ位置角度データベースの各撮影時刻データを各画像データに対応づけることが可能となる。
【0053】
すなわち、実質的には、ステレオカメラの位置座標、カメラ角および測位時刻とが対応づけられたデータベースと、画像データと撮影時刻とが対応づけられたデータベースの、2つのデータベースが構築されたことになる。
【0054】
図1の位置補間手段8は、データ収集を終了した後に、ステレオカメラの位置座標およびカメラ角データを時刻情報(撮影時刻および測位時刻)に基づいて、撮影時刻におけるステレオカメラの位置座標およびカメラ角を求めるものである。
【0055】
そして、図1に示す対象物座標算出手段9は、ステレオ画像を解析して、ステレオカメラと撮影された地図対象物との相対位置を求め、この相対位置と、位置補間手段8で求めた撮影時刻におけるステレオカメラの位置座標およびカメラ角とに基づいて、地図対象物の3次元位置座標を得るものである。
【0056】
従って、この実施の形態の位置取得装置によれば、多数の地図対象物の3次元位置座標を自動的に得ることができる。
【0057】
また、従来の三角測量のように熟練した技術を要しないばかりでなく、交通の妨げにもならない。
【0058】
しかも、時刻情報は、GPS時計により、100万分の1秒の精度を有するように時刻合わせされたものなので、地図対象物の位置座標の精度を向上させることができる。
【0059】
以上説明した、この実施の形態の位置取得装置の動作をフローチャートを使って簡単に説明する。
【0060】
図10は、測位の手順を示すフローチャートである。
【0061】
先ず、慣性航法部2の内部タイマー21により20ms経過したかが判定される(S1)。経過していないと判定されたとき(NO)は、再びステップS1を繰り返す。ステップS1にて20ms経過したと判定されると(YES)、測位が行われる(S2)。
【0062】
そして、DGPS受信機1からの撮影時刻データの有無を判定する(S3)。撮影時刻データが無い場合は(NO)、ステップS5へ制御を移す。ステップS3にて、撮影時刻データが有ると判定されると(YES)、撮影時刻データを測位パケットに格納する。(S4)
次に、測位パケットを位置画像収集部4へ送信し(S5)、測位パケットに格納されたデータをハードディスク装置48に保存する(S6)。そして、制御をステップS1へ戻し、この手順を繰り返し実行することで、カメラ位置角度データベースが構築される。
【0063】
図11は、地図対象物のステレオ撮影の手順を示すフローチャートである。
【0064】
先ず、位置画像収集部4のパルス発生部49が、エンコーダパルス信号に基づいて5m走行したか否かを判定する(S11)。5m走行に満たない場合(NO)は、再びステップS11を繰り返す。ステップS11にて5m走行したと判定されると(YES)、シャッタトリガ信号を発生させる(S12)。
【0065】
シャッタトリガ信号により、ステレオカメラ3は撮影を行う(S13)。そして画像データをテープストリーマ6へ保存し(S14)、制御をステップS11へ移す。
【0066】
このような一連の動作が行われ、走行路周囲の地図対象物のステレオ画像収集を効率良く行われる。
【0067】
尚、この実施の形態の位置取得装置は、自動車の車両に搭載され、道路周囲の地図対象物のステレオ画像を収集するものであったが、情報収集部等を鉄道車両に搭載することで、鉄道路線周囲の地図対象物のデータを収集して、その地図対象物の位置を取得することもできる。また、この発明によれば、災害や交通事故現場を撮影して、その位置座標特定に役立てることもできる。
【0068】
以上説明したように、この発明による位置取得装置は、ステレオ画像やステレオカメラの3次元位置座標および撮影方向の情報を収集するだけでなく、DGPS受信機に内蔵されたGPS時計が、撮影時刻を計時し、GPS時計により逐次時刻合わせされる慣性航法部の内部タイマーが、ステレオカメラの3次元位置座標および撮影方向の測定時刻を計時するので、後の解析で、撮影時刻におけるステレオカメラの3次元位置座標および撮影方向を正確に求めるために必要な情報が、車両を走行させることで容易に収集できる。そして、位置補間手段および対象物座標算出手段による解析で、地図対象物の3次元位置座標が取得可能となる。従って、車両を走行させて情報を収集すれば、多数の地図対象物の3次元位置座標が容易に取得できるので、時間と労力が節減できる。
【0069】
【発明の効果】
この発明の位置取得装置によれば、共に車両に搭載したステレオカメラと撮影時刻計時手段とを有する画像収集手段を設けたことにより、走行路周囲の地図対象物のステレオ画像を逐次撮影して取得できるだけでなく、その撮影時刻を計時することもでき、こうして計時された撮影時刻はステレオ画像に対応づけられて保存される。
【0070】
また、共に車両に搭載した測定部と測定時刻計時手段とを有する位置方向収集手段を設けたことにより、ステレオカメラの3次元位置および撮影方向が逐次測定できるだけでなく、その測定時刻を計時することもでき、こうして計時された測定時刻は、ステレオカメラの3次元位置および撮影方向に対応づけられて保存される。
【0071】
これらの共に時刻情報が付加された情報からは、撮影時刻におけるステレオカメラの3次元位置および撮影方向が算出でき、この算出結果と撮影されたステレオ画像とに基づいて地図対象物の3次元位置の解析が可能となるので、多数の地図対象物の3次元位置が、容易に取得でき、時間と労力が節減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による位置取得装置の第1の実施の形態のブロック図である。
【図2】図1に示す装置を構成する慣性航法部のブロック図である。
【図3】図1に示す装置で送受信される測位パケットのデータ構造図である。
【図4】図1に示す装置を構成する位置画像収集部のブロック図である。
【図5】図1に示す装置を構成するディスプレイ装置の表示画面である。
【図6】図1に示す装置による画像収集方法を説明する道路地図である。
【図7】図1に示す装置の主な信号のタイミングチャートである。
【図8】図1に示す装置に保存されるカメラ位置角度データベースの構造図である。
【図9】図1に示す装置に保存される画像データベースの構造図である。
【図10】図1に示す装置における測位の手順を示すフローチャートである。
【図11】図1に示す装置における画像収集の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 DGPS受信機
2 慣性航法部
21 内部タイマー
22 測位部
23 測位パケット生成部
3 ステレオカメラ
4 位置画像収集部
41 CPU
43 内部タイマー
44 MIL1553入力インターフェース
45 カメラインターフェース
46 テープストリーマインターフェース
47 ビデオインターフェース
48 ハードディスク装置
49 パルス発生部
5 車速エンコーダ
6 テープストリーマ
7 ディスプレイ装置
8 位置補間手段
9 対象物座標算出手段
10 車両
Claims (1)
- 車両に搭載されたステレオカメラと、
前記車両に搭載され、GPS時計を備えるとともに、GPS衛星からのGPS信号と、GPS基準局からの位置補正情報とを基に、前記ステレオカメラの3次元位置を求めるDGPS受信機と、
前記車両が所定の距離を走行する度にパルスを発生する車速エンコーダと、
前記車両に搭載され、一定周期の測位パルスを生成し、前記DGPS受信機が求めた3次元位置を用いた推測航法演算により、前記測位パルスのタイミングで、前記ステレオカメラの3次元位置および撮影方向を測定し、測定した3次元位置および撮影方向のデータを含む測位パケットを生成する慣性航法部と、
前記車両に搭載され、前記エンコーダが所定数のパルスを発生する毎に、前記ステレオカメラに対してシャッタトリガ信号を与え、当該シャッタトリガ信号が与えられたときに当該ステレオカメラが撮影して出力する、走行路周囲の地図対象物のステレオ画像を受信して受信の順に保存し、前記測位パケットを受信して受信の順に保存する位置画像収集部とを備え、
前記位置画像収集部は、前記シャッタトリガ信号を前記DGPS受信機に与え、
前記DGPS受信機は、前記シャッタトリガ信号が与えられたときに、前記GPS時計により計時を行い、計時による撮影時刻データを慣性航法部に出力し、
前記慣性航法部は、前記DGPS受信機からの撮影時刻データを受信し、当該撮影時刻データを、当該受信後の最初の測位パルスにより測定された3次元位置および撮影方向のデータを含む測位パケットに格納する
ことを特徴とする位置取得装置。
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