JP4268404B2

JP4268404B2 - 移動体の自己位置計測方法

Info

Publication number: JP4268404B2
Application number: JP2002361923A
Authority: JP
Inventors: 廉樹浅沼
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: JP2004191289A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体の自己位置を、画像認識によって計測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の技術による移動体の自己位置計測方法を示す説明図である。すなわち、従来、移動体の自己位置を計測する方法としては、図６に示されるように、２箇所の既知点Ｂ_１，Ｂ_２にそれぞれ反射プリズムを設置し、移動体Ａに設けた光波測量器Ｍによって、既知点Ｂ_１，Ｂ_２までの距離Ｌ_１，Ｌ_２と、線分Ｂ_１・Ｍと線分Ｂ_２・Ｍのなす角度θを計測し、二点夾角法によって、自己位置を求める方法がある。そして、このような移動体の自己位置計測方法は、例えば下記の特許文献１のように、シールド工法によるトンネル内の測量システム等に採用されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−６６１３３
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような二点夾角法による自己位置計測方法においては、既知点Ｂ_１，Ｂ_２までの距離Ｌ_１，Ｌ_２及び角度θを計測するための光波測量器Ｍが必要であり、既知点Ｂ_１，Ｂ_２には測量用の反射プリズムを設置する必要があり、設備のコストが高価になる問題が指摘される。しかも、移動体Ａが矢印Ｖ方向へ移動することによって、計測角度θが小さくなるほど、位置計測精度が低下することは避けられない。しかも、既知点Ｂ_１，Ｂ_２と光波測量器Ｍの間に遮光物が存在する場合は、自己位置を計測できない等の問題が指摘される。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、光波測量器や反射プリズムを用いることなく、移動体の自己位置を精度良く計測することの可能な自己位置計測方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る移動体の自己位置計測方法は、移動体に搭載した撮像手段によって、前記移動体が走行する路面における所要箇所に配置した複数の既知点を撮像し、絶対座標系における前記複数の既知点を結ぶ線分の絶対座標傾きと、前記画面の座標系における前記複数の既知点を結ぶ線分のローカル座標傾きとの差によって、絶対座標系に対する前記撮像手段による画面の座標系の傾きを求め、この画面の座標系の傾きと、前記既知点の絶対座標値から、前記絶対座標系における前記画面の中心座標を求め、この中心座標から、平面上の絶対座標系での前記移動体の特定箇所の２次元位置を同定するものである。
【０００７】
請求項２の発明に係る移動体の自己位置計測方法は、請求項１に記載された方法において、既知点が、路面における既知の絶対座標上に打ち込まれた測量釘からなるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る移動体の自己位置計測方法を、遠隔制御による測量システムに適用した実施の形態を示す測量車の正面図、図２は、同じく測量車の平面図、図３は、制御系のブロック図、図４は、本形態による計測状況を概略的に示す説明図、図５は本発明による自己位置計測方法を示す説明図である。
【０００９】
まず図１及び図２に示される測量車１０は、請求項１に記載された移動体に相当するものであって、図４に示される移動可能な土木工事用機器（例えば掘削機等）３０を追跡可能となるように、前輪１１ａ及び後輪１１ｂによって走行可能な測量車本体１１を有し、この測量車本体１１には、トータルステーション１２と、カメラ１３が搭載されている。
【００１０】
トータルステーション１２は、良く知られているように、光波によって、反射プリズムからなるターゲットを自動的に視準し、かつ視準された測点の測距及び測角する光波測距測角儀であり、整準台１２ａによって旋回動作可能に支持され、旋回軸を鉛直に保つようになっている。また、図３のブロック図に示されるように、トータルステーション１２は、トータルステーション１２を自動的に視準動作させる視準制御部１２１と、視準に伴いトータルステーション１２を自動的に測距・測角動作させる測距・測角制御部１２２を備え、整準台１２ａは、整準制御部１２３を備えている。
【００１１】
測量車１０に搭載されたカメラ１３は、請求項１に記載された撮像手段に相当するものであって、連続撮影可能な例えば小型ＣＣＤカメラ等が採用され、すなわち光学像を画像信号に変換するものである。このカメラ１３は、図１及び図２に示されるように、レンズ面が水平（光軸が鉛直）になるように保持可能であると共に、整準台１２ａにカメラ支持アーム１３ａを介して俯仰動作可能に取り付けられており、整準台１２ａによって、トータルステーション１２と共に旋回可能となっている。カメラ１３の撮影動作やカメラ支持アーム１３ａの動作は、図３に示されるカメラ制御部１３１を介して制御されるようになっている。
【００１２】
測量車１０には、上述のトータルステーション１２及びカメラ１３のほか、図３に示されるように、前輪１１ａ又は後輪１１ｂを駆動させるための車輪駆動装置１４と、制御装置１５と、モデム１６と、バッテリ及び充電装置（不図示）等が搭載されている。制御装置１５には、視準制御部１２１、測距・測角制御部１２２、車輪駆動装置１４、整準制御部１２３、カメラ制御部１３１、制御装置１５及びモデム１６が接続されている。また、カメラ１３からの画像データを処理する画像処理部１３２は、前記モデム１６に接続されている。
【００１３】
図３において、参照符号２０は、測量車１０による測量エリアの近傍に構築した監視事務所である。監視事務所２０内には、測量車１０の車輪駆動装置１４への動作指令や、トータルステーション１２への視準・測距・測角動作等の動作指令や、カメラ１３の撮影動作及びそのカメラ支持アーム１３ａによる旋回等の動作指令等を送ることによって、測量車１０の走行や、トータルステーション１２及びカメラ１３の動作を遠隔制御する遠隔制御ユニット２１と、トータルステーション１２による測量データや、カメラ１３からの画像データを処理して座標の演算等を行う、請求項１に記載された演算手段に相当するパーソナルコンピュータ（以下、パソコンと略称する）２２が設置されている。
【００１４】
遠隔制御ユニット２１及びパソコン２２には、モデム２３が接続されている。また、モデム２３には、画像処理部２４を介してモニタ２５が接続されている。
【００１５】
上述の構成を備える本形態のシステムの動作は、次のように行われる。まず、遠隔制御ユニット２１や、パソコン２２等、監視事務所２０における各種機器の電源を投入し、かつ測量車１０に搭載された各種機器の電源を投入して、これらを動作可能な状態に暖機運転しておく。一方、測量車１０は、待機状態では、その走行や、トータルステーション１２及びカメラ１３の動作に必要な電源であるバッテリに充電が行われている。
【００１６】
一方、図４に示されるように、移動可能な土木工事用機器３０の所定箇所には、未知の測点として、予め１個以上のターゲットＴ_１，Ｔ_２…が取り付けられている。ターゲットＴ_１，Ｔ_２…は、反射プリズムからなるものである。また、土木工事用機器３０による施工が完了した路面Ｌには、測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎ，Ａ_ｎ−１，Ｂ_ｎ−１，Ａ_ｎ−２，Ｂ_ｎ−２，…が２個１組で複数組、予め求められた絶対座標上に位置して所定間隔で打ち込まれている。
【００１７】
測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎ，Ａ_ｎ−１，Ｂ_ｎ−１，Ａ_ｎ−２，Ｂ_ｎ−２，…は、測量の基準として打設されるものであり、それぞれ合成樹脂材や塗料等により赤、あるいは青などの彩色が施されている。そして、各測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎ，Ａ_ｎ−１，Ｂ_ｎ−１，Ａ_ｎ−２，Ｂ_ｎ−２，…の絶対座標データは、予め外部入力あるいはデータ転送等によって、パソコン２２のメモリに記憶される。
【００１８】
次に、監視事務所２０の係員は、遠隔制御ユニット２１の操作によって、モデム２３及び測量車１０側のモデム１６を介して測量車１０の制御装置１５へ前進指令を送信すると、これによって制御装置１５が測量車１０の車輪駆動装置１４を起動し、測量車１０は、施工が完了した路面Ｌ上を土木工事用機器３０側へ向けて走行を開始する。また、このとき、予め制御装置１５からの制御指令によって、カメラ制御部１３１が、カメラ支持アーム１３ａを、カメラ１３が水平かつ前方を向くように動作させる。
【００１９】
測量車１０の走行に伴って、カメラ１３で連続的に撮影される走行方向の状況は、画像処理部１３２からモデム１６を介して監視事務所２０へ送信され、監視事務所２０のモデム２３から画像処理部２４を介してモニタ２５にリアルタイムで画像出力される。このため、監視事務所２０の係員は、モニタ２５の画面に映し出される測量車前方の映像を見ながら、遠隔制御ユニット２１を操作することによって、測量車１０の走行を遠隔制御することができる。
【００２０】
図４に示されるように、測量車１０が、土木工事用機器３０に設けられたターゲットＴ_１，Ｔ_２…に対するトータルステーション１２の視準、測距、測角動作が容易に可能となる位置にある測量釘の打設箇所、例えば土木工事用機器３０に最も近い位置にある測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎの打設箇所に達したら、そこで走行を停止する。次に、監視事務所２０の係員は、遠隔制御ユニット２１の操作によって、測量車１０の自己位置計測指令を、モデム２３，１６を介して測量車１０の制御装置１５へ送信する。この場合、まず、制御装置１５からの制御指令によって、カメラ制御部１３１が、カメラ支持アーム１３ａを、カメラ１３が鉛直下方へ向くように、言い換えればレンズ面が水平になるように動作させる。このため、カメラ１３は、測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎを映し出すことになる。
【００２１】
次に、カメラ１３から画像処理部１３２及びモデム１６を介して監視事務所２０へ送信された測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎの画像データ及びパソコン２２のメモリに予め記憶された測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎの絶対座標データから、パソコン２２によって、測量車１０の所定位置（例えばトータルステーション１２）の自己位置の絶対座標Ｐを算出する。
【００２２】
自己位置の算出方法を、図５を参照しながら説明すると、測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎは先に説明したように、予め求められた絶対座標上に、測量の基準として打設されるものであるため、その座標値は絶対座標系、すなわち図５におけるＸＹ座標系で既知のものである。このため、まず、測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎの既知の絶対座標データにより、ＸＹ座標系における線分Ａ_ｎＢ_ｎの絶対座標傾きγが求められる。
【００２３】
次に、カメラ１３によって撮影された画面上のχψ座標系（これをカメラ座標系と仮称する）における線分Ａ_ｎＢ_ｎのローカル座標傾きβが求められる。カメラ１３は、レンズ面が水平（光軸が鉛直）になるように保持されることによって、その真下の所定の領域が精度良く撮影されるので、前記カメラ座標系に、カメラ１３の傾斜による誤差を生じることはない。そして、絶対座標傾きγとローカル座標傾きβとの差によって、絶対座標系（ＸＹ座標系）でのカメラ１３の旋回方向の傾きαを求めることができる（α＝γ−β）。ここで、カメラ１３の傾きαは、整準台１２ａによる旋回角に由来するものである。
【００２４】
次に、測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎの絶対座標値と、絶対座標系でのカメラ１３の傾きαを用いて、カメラ中心点の絶対座標値Ｏを算出する。なお、カメラ中心点は、画面の中心に相当する。カメラ中心点とトータルステーション１２の位置関係は固定であるため、測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎとの距離と角度γから、トータルステーション１２の自己位置の絶対座標Ｐを算出することができる。
【００２５】
先に述べた図６に示される二点夾角法によって自己位置を求める従来の方法によれば、測量車（移動体Ａ）の移動に伴って夾角θが小さくなるので、計測制度が低下するおそれがあったが、上述の方法によれば、測量釘Ａ_ｎ，Ｂ_ｎ，Ａ_ｎ−１，Ｂ_ｎ−１，Ａ_ｎ−２，Ｂ_ｎ−２，…の既知の絶対座標データを順次利用するため、自己位置を高精度で計測することができる。また、従来のように、トータルステーション１２の自己位置を計測するための基準点となる後方測点ターゲットを定期的に設置しなおす必要がない。このため、既知点への後方測点ターゲットの位置出し設置作業が不要となる。
【００２６】
パソコン２２によってトータルステーション１２の自己位置の絶対座標Ｐが求められたら、監視事務所２０の係員は、遠隔制御ユニット２１から、トータルステーション１２による自動測距・測角動作の指令を送信する。これによって、まず整準制御部１２３が整準台１２ａを動作させることにより、トータルステーション１２を水平に保持し、次に、トータルステーション１２が、図４に示される土木工事用機器３０に設置した測量対象のターゲットＴ_１，Ｔ_２…を、それぞれ自動的に視準し、測距・測角制御部１２２が動作して、トータルステーション１２により各ターゲットＴ_１，Ｔ_２…までの距離及び角度を順に測量し、その測量データが、制御装置１５からモデム１６を介して監視事務所２０へ送信される。
【００２７】
監視事務所２０では、トータルステーション１２から送信されたターゲットＴ_１，Ｔ_２…の測量データを、モデム２３を通してパソコン２２で受信し、トータルステーション１２の自己位置データ及び方向角に基づいて演算処理することにより、土木工事用機器３０の位置及び方向を算出することができる。
【００２８】
また、上述の形態では、本発明を、工事車両などの位置や方向を追跡して測量する測量車の自己位置を同定する場合について実施したが、他の移動体の自己位置同定にも適用可能であることは言うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の発明に係る移動体の自己位置計測方法によれば、移動体に搭載した撮像手段によって、移動体が走行する路面に配置した複数の既知点を撮影し、その画面の座標系における前記複数の既知点を結ぶ線分のローカル座標傾きと、絶対座標系における複数の既知点を結ぶ線分の絶対座標傾きから、絶対座標系に対する前記撮像手段による画面の座標系の傾きを求め、この傾きと、複数の既知点の絶対座標値から、絶対座標系における前記画面の中心座標を求め、この中心座標から、平面上の絶対座標系での移動体の特定箇所の２次元位置を計測するものであるため、測量器による自己位置計測のための反射プリズム等が不要であり、高精度の自己位置計測を行うことができる。
【００３０】
請求項２の発明に係る移動体の自己位置計測方法によれば、請求項1又は２における既知点として、路面における既知の絶対座標上に打ち込まれた測量釘を利用するものであるため、光波測量器で自己位置を同定する場合のような、反射プリズム等による後方測点ターゲットを設置する必要がなく、移動体の移動のたびに後方測点ターゲットの盛り代え作業を行う必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る移動体の自己位置計測方法を、遠隔制御による測量システムに適用した実施の形態を示す測量車の正面図である。
【図２】本発明に係る移動体の自己位置計測方法を、遠隔制御による測量システムに適用した実施の形態を示す測量車の平面図である。
【図３】本発明に係る移動体の自己位置計測方法を実施するための制御系のブロック図である。
【図４】本発明による計測状況を概略的に示す説明図である。
【図５】本発明による自己位置計測方法を示す説明図である。
【図６】従来の技術による移動体の自己位置計測方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０測量車（移動体）
１３カメラ（撮像手段）
１３１カメラ制御部
１３２画像処理部
１５制御装置
２０監視事務所
２１遠隔制御ユニット
２２パソコン（演算手段）
Ａ_ｎ，Ｂ_ｎ，Ａ_ｎ−１，Ｂ_ｎ−１，Ａ_ｎ−２，Ｂ_ｎ−２，… 測量釘
Ｏカメラ中心点の絶対座標値（画面の中心座標）
Ｐ自己位置の絶対座標
Ｔ_１，Ｔ_２… ターゲット
α カメラの旋回方向の傾き（画面の座標系の傾き）
β ローカル座標傾き
γ 絶対座標傾き

Claims

移動体に搭載した撮像手段によって、前記移動体が走行する路面における所要箇所に配置した複数の既知点を撮像し、絶対座標系における前記複数の既知点を結ぶ線分の絶対座標傾きと、前記画面の座標系における前記複数の既知点を結ぶ線分のローカル座標傾きとの差によって、絶対座標系に対する前記撮像手段による画面の座標系の傾きを求め、この画面の座標系の傾きと、前記既知点の絶対座標値から、前記絶対座標系における前記画面の中心座標を求め、この中心座標から、平面上の絶対座標系での前記移動体の特定箇所の２次元位置を同定することを特徴とする移動体の自己位置計測方法。
既知点が、路面における既知の絶対座標上に配置された測量釘からなることを特徴とする請求項１に記載の移動体の自己位置計測方法。