JP5383801B2 - 位置及び経路地図表示用の位置及び経路地図データを生成する装置及び当該データ提供方法 - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
該当無
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
該当無

本発明は、一般に位置及び軌跡又は経路マッピングシステムに関し、より詳細には正確な瞬間位置情報及びトラバース経路データを余分な視野方向地上局に頼ることなく提供する位置及び経路地図生成データ取得解析システムに関する。

従来の車両位置マッピング及び経路マッピングシステムは、一組の第一検出装置（センサ）と一組の第二慣性センサ又は車両追跡センサを含む。一組の第一センサは、車両動作データを記録するように構成され、一組の第二の慣性センサは、その自走車両の位置座標を決定するように構成される。車両動作パラメータは、これらに限定されないが、車両の横加速度、車両の縦加速度、車輪速度、エンジンの毎分回転数（ＲＰＭ）、スロットル位置、及びステアリング角を含み得る。一組の第二慣性センサは、運動センサ及び加速度計を含んでよい。これら第二慣性センサは、ひとまとめにして自走車両の進行方向（方位）を決定するように構成することができる。しかしながら、車両動作データは、正確な位置、即ち自走車両の約±２〜５フィート内の位置と関連付けられない場合は殆ど役に立たない。

従来から、自走車両の位置座標決定用データは、全地球測位システム（ＧＰＳ）又は等価なシステムによって提供されている。しかしながら、適正な動作のために、ＧＰＳ受信機は２４個の衛星の内少なくとも３個の衛星からの信号を捕えることができることが必要とされ、これにより２次元位置、即ち、経度と緯度を計算し更には移動を追跡する。３次元測位又は３次元の姿勢、即ち経度、緯度、高度が必要とされる場合、少なくとも４個の衛星からの信号を受信する必要がある。

ＧＰＳ受信機の平均的な位置精度は約１５メートル、即ち約５０フィートにすぎない。しかしながら、この精度は大気条件や他の要因に影響を受け得る。例えばＧＰＳ信号は、都市環境においては近接構造物の大きさや密集度により妨げられ又は妨害され、また郊外環境においては濃い樹冠や山岳地形によって妨げられ又は妨害され得る。また、受信機が住居、トンネル、峡谷、洞窟などに位置する場合にも、ＧＰＳ信号は妨げられ又は妨害され得る。その結果、ＧＰＳを用いた位置決め及び経路マッピングシステムの使用及びその精度は限定されたものとなる。

動作検出装置、例えば動作検出加速度計、重力加速度計、ジャイロスコープ等の開発及びこれらの小型携帯型装置への組み込みに関しては、他者により提案がなされており、これらにより入力信号データが生成される。たとえば、ロビンらによる米国特許第７，１３８，９７９号明細書には、携帯型装置の２次元方位に基づく入力信号を生成する方法及びシステムが開示されている。ロビンはカメラ、ジャイロスコープ及び／又は加速度計を用い装置の空間方位の変化を検出し、更にはこの変化を示す位置信号を生成することを開示している。

従って、複数の衛星からの信号の取得に頼ること無い地上位置及び経路地図生成システムを提供し上記使用制限を解消することが望まれている。更に、精度が約±２〜５フィートである位置及び経路地図生成システムの提供が望まれている。

位置及び経路地図生成システムの望ましい応用として、これらに限定されないが、小型据付型又は非据付型ユニットの進行ルートをあらゆる地形や環境（昼夜）においてモニターする機能、小型ユニットの目的地をあらゆる地形や環境において特定し指定する機能、移動の際のリアルタイムな位置及び画像データを最下層プラットフォームユーザに対して送信又は再送信する機能、及び無人飛行機、ミサイル、無人車両、ロボット等の無人システムの正確な経路地図を生成する機能等が挙げられる。

正確な位置及び経路地図情報は、軍隊や沿岸警備隊の隊員、消防士、警官、捜索救助チーム、及び救急医療処置隊員にとって有用であろう。例えば狩猟、ハイキング、ボート漕ぎ、セーリング、パラセーリング、パラシュート、懸垂下降、山登り等の娯楽における使用においても、正確な位置情報やトラバース経路データの恩恵が得られるであろう。

位置及び経路地図を表示するための位置及び経路地図データを生成する装置、システム、及び方法を開示する。この装置は、物体の姿勢に関する複数の第一のデータ信号を生成する一組の第一センサと、この物体の姿勢に関する複数の第二データ信号を生成する一組の第二センサと、最重要特徴物を含んだ複数の第三データ信号を生成する撮像装置であって、最重要特徴物はこの撮像装置による少なくとも２枚の画像内に配置される、撮像装置と、少なくとも一つの処理装置であって、複数の第一データ信号及び複数の第二データ信号を用い自装置の進行方向（方位）を算出し、複数の第三データ信号を用い進行方向に沿った移動距離を算出し、算出された進行方向及び移動距離を、二次元又は三次元システム上に視覚表示される経路地図の一区間又は区間の一部に変換するように構成される処理装置とを含む。
本発明は、以下の発明の詳細な説明を図面とともに参照することにより、より完全に理解されるであろう。

傾きセンサ及び基準水平面を示す図である。 本発明による位置及び経路地図生成装置のブロック図である。 本発明による、運動センサ及び撮像装置を組み込んだ手持ち型位置及び経路地図生成装置の実施形態を示す。 本発明による、二点間の移動距離を決定するための三角撮像関係を示す。 画像の縮小率を示す図である。 本発明による、移動距離を算出し経路地図を生成するためのデータを生成する際の図である。 本発明による、経路地図データを生成し表示する方法のフローチャートである。

瞬間慣性位置情報を提供しトラバース経路データを生成する位置及び経路地図生成データ取得解析装置及びシステムが開示される。これらの装置及びシステムは、携帯型装置及び自走車両における使用のために構成され配置される。本発明は主として、自走車両とともに使用される用途について説明をする。しかしながら、本発明の携帯型装置への適用性、特に、以下に限定するものではないが、移動電話、携帯電話、コードレス電話、テキストメッセージ装置、無線呼出し機、会話無線機、携帯ナビゲーションシステム、携帯音楽プレーヤー、携帯ビデオプレーヤー、携帯マルチメディア装置、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯ゲーム機等の携帯型無線装置への適用性は、当業者にとって認識可能なものである。

図１を参照し、携帯型装置や自走車両等の任意の剛体５０の三次元姿勢は、基準点５５における３個の角度、ヨー角（図示せず）、ピッチ角、及びロール角によって記述又は定義することができる。これら３個の角度のそれぞれは、局所水平面５２、即ち地球の重力ベクトル５４に垂直な面を基準にしている。ヨー（α）は、水平基準面５２内における運動を示し、真北方向、即ち地球の極軸から進行方向へ向けて時計回りに計測した水平基準面５２内における角度として定義される。ピッチ（φ）は、横軸周りの回転を示し、物体の縦軸５６と局所水平面５２との間の角度として定義される。通例として、正のピッチは「機首上げ」状態に対応し、負のピッチは「機首下げ」状態に対応する。ロール（θ）は縦軸周りの回転を示し、縦軸周りの局所基準水平面と実平面５８との間の回転角として定義される。通例として、正のロールは「右翼下がり」状態に対応し、負のロールは「左翼下がり」状態に対応する。

上記装置及びシステムは、加速度計と、磁気センサと、信号処理装置とを含み、移動速度及び距離の計算用のデータ信号を生成する撮像装置及び画像処理装置と組み合わされ、進行方向（方位）計算用のデータ信号を生成可能な６自由度システムを構成する。図２を参照し、装置１０及びシステム２０は、磁気コンパス等の磁気検出器又は磁気センサ１２と、慣性センサ又は車両追跡センサ１４と、撮像装置１６と、信号処理装置１８と、画像処理装置１１とを含む。信号処理部１９及び画像処理部１７は別々に説明をするが、処理装置１１及び１８を両者の機能を実行可能な一つの信号処理装置に統合可能なことは、当業者には理解されよう。

信号処理部１９は、その適切な部分が進行方向（方位）データを生成するように構成され配置される。即ち、物体５０のロール及びピッチ回転は、ｘ及びｙ方向における慣性センサ１４の傾きの度合い及び／又は磁気センサ１２によるｘ、ｙ、ｚ軸周りの磁場の強さを用いて検出できる。ヨー、ピッチ、及びロール角速度と同様に、物体５０の位置も磁気センサ１２を用いて検出できる。

信号処理部１９内の複数のセンサ１２及び１４は、加速度誘起傾斜及び／又は検出された磁場強度に相当するデータ信号を生成するように構成される。これらのデータ信号は信号処理装置１８に送信される。信号処理装置１８は、データ信号を処理し、物体５０の瞬間位置、ピッチ、ロール、及びヨーを決定する。ヨーは進行方向（方位）に相当する。

画像処理部１７は、物体５０の移動距離及び速度を決定するための画像データ信号を生成するように構成され配置される。例えば撮像装置１６は、多数の画像を所定の固定速度、例えば毎秒３００，０００画像フレームで生成するように構成することができ、これは連続した画像フレーム間の時間間隔が約３．３ミリ秒（ｍｓｅｃ）であることに相当する。画像に対応したデータ信号は画像処理装置１１に送信される。画像処理装置１１は、画像データ信号を処理し移動又は進行の距離及び速度を縮小率法により決定するように構成される。
磁気及び慣性検出装置

加速度計、歪ゲージ、圧電素子、圧電抵抗素子、静電素子、機械スイッチ、ジャイロスコープ、磁気コンパス、磁気素子、光学素子、赤外線素子等の運動検出装置や運動センサは、物体５０と一体化され及び／又は物体５０に固定され物体５０の運動を検出する手段として従来からよく知られている。６自由度の運動状態を完全に得るため、従来の運動検出においては、二軸又は三軸加速度計による検出を三軸ジャイロスコープによる検出と組み合わせている。加速度計は、ロール及びピッチ回転を、加速度計のｘ及びｙ方向における傾きの関数として検出する。ジャイロスコープは、加速度計によっては容易に得られないヨー、ピッチ、及びロール角回転速度を提供する。したがって、従来の運動検出においては、６自由度の慣性検出のためにはジャイロスコープが必要となる。

自由空間においては、即ち重力も磁場もないことを特徴とする条件においては、二軸又は三軸加速度計及び三軸ジャイロスコープを用いることで十分であり、６自由度の運動の情報が得られる。しかしながら、地球は重力場及び磁場を有するため、これら重力場及び磁場の影響下にある地上では「自由空間」は得られない。これが、従来の経路地図生成システムが余分な地上ＧＰＳに頼っている理由のひとつである。

装置１０は、例えばマサチューセッツ州アンドーバーのＭＥＭＳＩＣ社製の加速度計等の二軸加速度計１４を含む。本発明は、二軸加速度計に関して説明されるが、当業者は本発明の教示を他の慣性検出装置に容易に適合させることができるであろう。加速度計１４は、２本の検出軸が同一平面、即ち、水平基準面５２上に置かれるように、また更には検出軸が直交するように物体５０に装着される。例えば二軸加速度計１４は、子プリント基板（ＰＣＢ）に固定可能なモノリシック構造体であってもよく、そしてこの子プリント基板は主ＰＣＢに垂直に装着される。

装置１０は更に、電子コンパス、より詳細には吊下げ式電子コンパス等の磁気センサ１２を含む。磁気センサ１２（電子コンパス）は、ヨー、ピッチ、及びロール角速度のみならず位置を検出するのに適しているが、この磁気センサ１２は主にｘ及びｙ軸検出を用いたヨー回転の検出に用いられる。

マサチューセッツ州アンドーバーのＭｅｍｓｉｃ社に譲渡され、その全てをここに援用する米国特許出願第６０／９０６，１００号明細書（携帯電子装置用運動−姿勢検出）は、新規な三軸磁気検出装置１２を開示している。この磁気抵抗センサ１２は、通常複数の薄い帯状片、例えば４個のＮｉＦｅ磁気材料等のパーマロイを含み、これらはホイートストーンブリッジに組まれている。動作時において、印加磁場の任意の変化は、対応した変化をパーマロイ帯状片の抵抗にもたらす。その結果、各検出軸からの出力の大きさは、その検出軸に沿った磁場の強度の直接的な測定値となる。

三軸磁気センサ１４によって得られた測定値は、パラメータＭ_ｘ，Ｍ_ｙ，Ｍ_ｚとして表され、これらはそれぞれｘ，ｙ，ｚ軸周りの磁場強度に対応する。二軸加速度計１２によって得られた測定値は、パラメータＡ_ｘ及びＡ_ｙとして表され、これらはそれぞれｘ及びｙ軸方向における加速度に対応する。

物体５０のピッチ角（φ）は以下の式を用いて算出できる。

ここで「ｇ」は重力加速度であり３２．２フィート／秒^２（９．８メートル／秒^２）である。

物体５０のロール角（θ）は以下の式を用いて算出できる。

物体のヨー角（α）で、これは地球の極軸に対する進行方向（方位）に対応するが、このヨー角は以下の式を用いて算出できる。

Ｍ_ｘｈは、水平面５２におけるｘ軸周りの磁場強度であり、Ｍ_ｙｈは水平面におけるｙ軸周りの磁場強度である。

図１を参照し、物体５０の３次元姿勢が変化した場合、即ち物体５０がｘ、ｙ、ｚ軸のうち一つ以上の軸周りに回転した場合、磁気センサ１２は、各軸毎の磁場強度信号Ｍ_ｘ，Ｍ_ｙ，Ｍ_ｚを生成し、慣性センサ１４は、ｘ及びｙ軸における加速度信号Ａ_ｘ及びＡ_ｙを生成する。これらの信号はアナログ信号であってもデジタル信号であってもよい。

場強度及び加速度パラメータＭ_ｘ，Ｍ_ｙ，Ｍ_ｚ，Ａ_ｘ及びＡ_ｙを計算するためのデータ信号は、信号処理装置１８に提供される。信号処理装置１８は、センサ１２及び／又は１４の一方又は両方と一体化されていてもよく、また、装置１０とは別個の構造体であってもよい。

信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善するため、慣性検出装置１４及び／又は磁気検出装置１２からのデータ信号はローパスフィルタ２１を通してもよい。それに加え又は別法として、ＳＮＲを改善するため、一つの二軸加速度計１４の代わりに、一対の二軸加速度計１４を互いに逆方向を向くように物体５０上に垂直に装着してもよい。この場合、一方の加速度計１４は物体５０の後部軸上に前向きに装着し、他方の加速度計１４は物体５０の後部軸上に後向きに装着する。この配置においては、一対の加速度計は大きさが二倍の信号を出力し、ノイズの影響が更に減少する。

パラメータ信号がアナログ信号である場合、信号処理装置１８は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換機１３を更に含む。一旦信号をデジタル形式にすると、これらの信号にはデータ処理ユニットを用いて所望の処理を施すことができる。
撮像装置

撮像装置１６及び画像処理装置１１は、装置１０及びシステム２０の画像処理部１７に一体化され、移動距離（Ｄ_１−＞ｎ）及び移動速度（Ｒ）の算出に用いられる画像データ信号を生成する。撮像装置１６は、多数のデジタル画像信号を所定の固定速度で生成し送信するように構成され配置される。画像データ信号は、検出可能な「最重要特徴物」を含まなければならず、この最重要特徴物は、少なくとも２個の測定できる識別可能寸法、例えば長さ、幅及び／又は高さを有する。例えば最重要特徴物は、人造構造物、電柱、木、露頭岩石等である。

撮像装置１６はデジタルカメラや同様な他の小型軽量デジタル撮像ユニットであり、これは所定の速度、例えば毎秒３００，０００フレーム、即ち０．３３ｍｓｅｃの画像間隔で画像を取得可能であり、画像処理装置１９に送信するデジタルデータ信号を即座に作成可能とされている。

図３に示すように、運動センサ１２及び１４及び撮像装置１６は、単一のシステム２０として実現することができ、このシステムは、信号処理装置１８と、画像処理装置１１と、また任意に主制御装置２５とを収容するように構成され配置される。
信号及び画像処理装置及び主制御装置

上述したように、信号処理装置１８、画像処理装置１１、及び（任意の）主制御装置２５のそれぞれは、別個の装置であってもよく、またこれらの装置うち２個以上を一体化し一つの装置としてもよい。本発明の説明を簡略化するため、例示のシステム２０における信号処理装置１８、画像処理装置１１、及び主制御装置２５はそれぞれ別個の装置とする。

信号処理装置１８、画像処理装置１１、及び（任意の）主制御装置２５のそれぞれは、揮発性（ランダムアクセス）メモリと、不揮発性（読み出し専用）メモリと、ハードウェア又はソフトウェアによりアプリケーション、ドライバプログラム、アルゴリズム等を実行するように構成されたプロセッサ又はマイクロプロセッサとを含んでよい。アプリケーション、ドライバプログラム、アルゴリズム等（以下これらをまとめて「アプリケーション」と呼ぶ）は、不揮発性メモリに記憶可能であり、揮発性メモリ上で実行可能である。このようなアプリケーションの実例として、アナログ及び／又はデジタルデータ信号を処理し送信し記憶するアプリケーション、これらのデータ信号を用いて移動距離及び／又は進行方向（方位）を算出するアプリケーション、及び／又はこれらの未処理のままの又は算出されたデータ信号を処理装置上で又は処理装置によって実行可能な機械語又はコマンドに変換し経路地図表示を生成するアプリケーションが挙げられる。

より詳細には、データ処理部１９は、少なくとも一つのデータ処理アプリケーションを実行又は走らせ、式（１）〜（３）及びそれぞれ磁気センサ１２及び慣性センサ１４からの場強度及び加速度パラメータデータを用いてヨー（α）、即ち、進行方向（方位）を算出するように構成されている。次いで、算出されたヨー（α）の値は画像処理装置１１及び／又は（任意で）主制御装置２５に送られる。または、データ処理部１９は、画像処理装置１１及び／又は主制御装置２５へ送信されるデータ信号を単に生成する少なくとも一つのアプリケーションを実行又は走らせるように構成される。この場合、ヨーは、式（１）〜（３）と磁気センサ１２からの磁場強度信号データ及び慣性センサ１４からの加速度信号データを用い、画像処理装置１１及び／又は主制御装置２５において計算される。

画像処理部１７については、撮像装置１６によって得られた画像データ信号は画像処理装置１１に送信され、この画像処理装置１１は、少なくとも一つのアプリケーションを実行又は走らせ、後に詳細に説明する縮小率法を用いて物体５０の移動速度（Ｒ）及び移動距離（Ｄ_１−＞ｎ）を計算するように構成されている。更に、画像処理装置１１は、これらの算出した移動速度（Ｒ）及び移動距離（Ｄ_１−＞ｎ）データ信号を信号処理装置１８及び／又は（任意に）主制御装置２５に送信する。

画像処理部１７における少なくとも一つの画像処理アプリケーションは、第一画像Ｉ_１内の最重要特徴物、例えば自然又は人造物体を認識するように構成されている。この最重要特徴物は、以降の画像Ｉ_ｎにおいても共通である。なお、ｎは正の整数である。例えば最重要特徴物は、人造構造物、電柱、木、露頭岩石等でよい。
更に、画像処理部１７は、任意の２枚の画像、例えば画像Ｉ_１及びＩ_ｎにおいて、これらの画像において共通である最重要特徴物の少なくとも一つの寸法，即ち、長さ、幅及び／又は高さを求めように構成されている。図４Ａ及び４Ｂを参照し、画像処理部１７は、これらの二枚の画像において測定された共通の最重要特徴物の寸法を用いて無次元縮小率数（ΔＭＡＧ）を計算するように構成されている。例えば縮小率数（ΔＭＡＧ）は、当業者にとっては直感的なものであるレンズ結像原理及び三角法関係を含むインテリジェンスアルゴリズムを用いて得ることができる。更に、画像処理部１７は、履歴データを用いまた実験室内又は野外における実験や較正を通じて、縮小率数（ΔＭＡＧ）を修正するように構成されてもよい。

画像処理部１７によって縮小率数（ΔＭＡＧ）が算出されると、時刻Ｔ_１において得られた画像Ｉ_１と時刻Ｔ_ｎにおいて得られた画像Ｉ_ｎ間における距離Ｄ_１−＞ｎ及び移動速度（Ｒ）を計算することができる。計算された移動距離Ｄ_１−＞ｎ及び移動速度（Ｒ）は、信号処理装置１８及び／又は（任意で）主制御装置２５に送信される。別法として、画像処理部１７は、少なくとも一つのアプリケーションを実行又は走らせ、未処理の信号データを信号処理装置１８及び／又は（任意で）主制御装置２５に送信するためのデータ信号を生成するように構成される。この場合、後に信号処理装置１８及び／又は主制御装置２５において、移動速度（Ｒ）及び移動距離（Ｄ_１−＞ｎ）が算出される。

画像処理部１７及び信号処理部１９から独立した別個の主制御装置２５へデータ信号が送信される場合、制御装置２５は、進行方向（方位）データを移動速度（Ｒ）及び移動距離（Ｄ_１−＞ｎ）データの各々に統合するように構成してもよい。次いで、統合された進行方向（方位）データと時刻Ｔ_１において得られた画像Ｉ_１と時刻Ｔ_ｎにおいて得られた画像Ｉ_ｎとの間における移動距離（Ｄ_１−＞ｎ）は、物体５０の移動時又は静止時における位置及び経路地図を生成し図として描き及び／又は表示するために用いられる信号に変換される。

方法
進行方向（方位）及び移動距離を検出し算出し、位置及び経路地図データを取得、計算、表示する装置とシステムを説明してきた。次に、進行方向（方位）及びその変化を計算し、次いで進行方向（方位）に追従しながら移動距離と移動速度を求め、更には、例えば図表化位置及び経路地図を生成し表示するように構成された携帯電子装置等の装置上で実行可能なアプリケーションプログラムへの入力信号を生成する方法について説明する。説明のための方法のフローチャートを図６に示す。

この方法においては、自走車両に搭載可能又は人が持ち運べるシステムに統合された二軸又は三軸加速度計、三軸磁場センサ、及び撮像装置が用いられる。二軸又は三軸加速度計及び電子コンパス等の三軸磁場センサは、それぞれ一組の第一信号又は一組の第二信号を生成する（ステップ１Ａ）ように構成され、撮像装置は一組の第三信号を生成する（ステップ１Ｂ）ように構成される。

二軸又は三軸加速度計によって生成された一組の第一信号は、少なくともｘ及びｙ方向における加速度及び／又その変化Ａ_ｘ及びＡ_ｙに対応し、これらは装置の慣性姿勢の変化に比例する。この説明においては加速度及び／又はその変化はｘ及びｙ方向におけるものとしたが、本発明は、全ｘ、ｙ、及びｚ方向における加速度及び／又はその変化に対しても同様に成り立つ。三軸磁場センサによって生成された一組の第二信号は、ｘ、ｙ、ｚ軸周りの磁場強度及び／又はその変化Ｍ_ｘ，Ｍ_ｙ，Ｍ_ｚに対応する。撮像装置によって生成された一組の第三信号は、所定の速度、例えば毎秒３０００，０００フレームで得られた多数のリアルタイム画像に対応する。

次いで、生成された一組の第一信号及び一組の第二信号は、それらが処理される信号処理装置へと送信される（ステップ２Ａ）。信号処理は、これらに限定されないが、アナログ信号からデジタル信号への変換及び／又は信号をフィルタリングしＳＮＲを減少させることを含んでよいが。

生成された一組の第一信号及び一組の第二信号に対するデジタル信号が生成されると（ステップ２Ａ）、信号処理装置又は主制御装置はこれらの信号を用いヨー（システムの進行方向（方位）の尺度）及び／又はその変化を算出する（ステップ３Ａ）。システムが一つ以上の慣性軸周りに回転している場合、加速度及び磁場強度の一部又はすべてが変化し、これらはシステムの適切な部分においてヨーの変化に変換される。

ステップ１Ａ〜３Ａが一回以上繰り返された後、第一信号データの連続した組及び第二信号データの連続した組における変化（ΔＭ及び／又はΔＡ）が求められ（ステップ４Ａ）、これらの変化が十分に検知できるものか否か、即ち、これらの変化はヨーの計算値を十分に変化させ、単なる変動ではなく、進行方向（方位）の変化をもたらし得るか、が確認される。このステップ（ステップ４Ａ）は、とりわけ、送信された第一及び第二信号の組の数、送信データに対して実行されるフィルタリングの量、及び実行される計算の数を最小にするように行われる。

次いで、算出されたヨーは、入力信号に変換される（ステップ５Ａ）。これらの入力信号は、システム上又はシステムによって実行可能、又はシステムと通信状態にあるローカル又はリモート処理装置において実行可能なアプリケーションプログラムに適合したものである。これら変換された信号は、信号処理装置、画像処理装置、及び主制御装置のうち一台以上の装置において用いることができ、そこにおいて時刻Ｔ_ｎにおけるヨー角（α）及び移動距離（Ｄ_１−＞ｎ）が組み合わせられ、経路地図における１区間又は区間の一部が提供される。詳しくは、算出されたヨー（α）は機械語入力信号に変換され（ステップ５Ａ）、アプリケーションプログラム上の動作が変更される。

ステップ１Ａ〜５Ａは連続して実行されるが、それと同時に又は実質的に同時に、一組の第三信号、例えばデジタル画像信号が撮像装置によって生成される（ステップ１Ｂ）。送信され、フィルタリングされ、縮小率数（ΔＭＡＧ）、移動速度（Ｒ）及び移動距離（Ｄ_１−＞ｎ）の計算に用いられる画像データの量を減らすために、上記装置及びシステムは、サンプル周期ｎを用いて送信、フィルタリング、及び／又は計算を行うように構成してもよい。ここでｎは正の整数（例えば、１００、１０００等）であり、サンプルされる画像の間のフレームの数を表すものである。

例示の目的のみのためであるが、図６におけるｎは１００に等しくされており、これによりサンプリングクロックをｎ＝１に設定（又は再設定）した後、次の１００番目の画像までは、第三信号の組に対応する画像信号データが、送信、フィルタリングされず、及び／又は縮小率数（ΔＭＡＧ）の算出に用いられることがないようにされている。図６はさらに、磁場強度の測定可能な変化（ΔＭ）及び／又は加速度の測定可能な変化（ΔＡ）によって示される進行方向（方位）の測定可能な変化が生じた際に、サンプリングクロックを設定（又は再設定）できることを示している。したがって、サンプリングクロックは、意図的に又は何らかの状況が発生した際に設定又は再設定される。

次いで、画像信号データは、この信号データを処理可能な画像処理装置に送られる（ステップ２Ｂ）。デジタル画像データ信号の画像処理は、これらに限定されないが、ＳＮＲを下げるための信号のフィルタリング、グレイシェーディング等を含んでよい。
生成された一組の第三信号に対する画像信号データが処理されると（ステップ２Ｂ）、画像処理装置又は画像処理装置と連結された主制御装置は最初に、連続画像内における画像信号に共通の最重要特徴物を特定する。例えば画像内の最重要特徴物は、自然物（例えば構造物又は電柱等）又は人造構造物（例えば露頭岩石、木等）であってよい。連続した画像において共通の最重要特徴物を特定すると、画像処理装置は、最重要対象物の寸法のうち少なくとも一つ及びサンプリング時間の間の経過時間を用い、縮小率数（ΔＭＡＧ）を算出する（ステップ３Ｂ）。縮小率数（ΔＭＡＧ）は、撮像装置が最重要特徴物の近くに移動したことを示す無次元の値である。次いで、画像処理装置は、縮小率数（ΔＭＡＧ）を用い、サンプリング時刻Ｔ_１とサンプリング時刻Ｔ_ｎの間における移動距離（Ｄ_１−＞ｎ）及び移動速度（Ｒ）を逆算する（ステップ４Ｂ）。

縮小率は、図４Ｂ及び図５に概念的及び例示的に示されている。図５に示す図は、手動で移動されるシステムを示している。サンプリング時刻Ｔ_１は新規の計時における最初の時間間隔に相当し、この時刻において撮像装置は、第一の進行方向（方位）８５に対応付けられる第一の画像Ｈ_１を記録する。画像処理装置又は主制御装置は、システムが第一の進行方向（方位）８５及び／又は第一の進行方向（方位）から数度以内、例えば±５度の範囲に移動する限り、人造構造物８０を最重要特徴物として認識するように構成される。サンプリング時刻Ｔ_１においては、人造構造物８０が第一の画像Ｈ_１を生じる。

撮像装置及びシステムが移動し人造構造物８０に近づくと、時刻Ｔ_ｎにおいては、対応する画像Ｈ_ｎの寸法の内少なくとも一つが、第一の画像Ｈ_１における寸法よりも大きくなる。二枚の画像Ｈ_１及びＨ_ｎにおける寸法変化は計測又は測定可能である。寸法の増加は縮小率（ΔＭＡＧ）に対応し、これは図４Ｂにおいて長さと高さの変化として図示されている。

上述のように、装置又はシステムの進行方向（方位）が第一の進行方向（方位）８５から十分に変化すると、算出されたヨーの変化及び／又は磁場強度及び／又は加速度の測定可能な変化により、サンプリングクロックが自動的にｎ＝１に設定又は再設定され得る。新規なサンプリング計時において、画像処理装置又は主制御装置は引き続き、連続した画像において共通な木９０等の新規な最重要特徴物を特定する。画像処理装置又は主制御装置は、 時間間隔をおいた画像データ信号を用い、画像内の最重要特徴物の縮小率数（ΔＭＡＧ）をあらためて算出する（ステップ３Ｂ）。更に、画像処理装置は、縮小率数（ΔＭＡＧ）を用い、サンプリング時刻Ｔ_ｎとサンプリング時刻Ｔ_ｍの間における移動距離（Ｄ_ｎ−＞ｍ）を算出する（ステップ４Ｂ）。ここでｍは正の整数である。

次いで、算出された移動距離（Ｄ_１−＞ｎ又はＤ_ｎ−＞ｍ）及び 移動速度（Ｒ）は入力信号に変換される（ステップ５Ｂ）。これらの入力信号は、システム上で実行されるかシステムによって実行可能及び／又はこのシステムと通信状態にあるローカル又はリモート装置によって実行される位置及び経路地図生成アプリケーションプログラムに対応したものである（ステップ５Ｂ）。特に、位置及び経路地図生成アプリケーションに関しては、サンプリング時刻間における移動距離（Ｄ_１−＞ｎ）及び 移動速度（Ｒ）は、入力信号に変換され、これらの入力信号は、適当な進行方向（方位）信号に対応している。その結果、アプリケーションプログラムは、進行方向（方位）とそれに対応付けられた移動距離とを、各移動区間等を適切に累積表示可能なグラフィック形式で表示する（ステップ６）。進行方向（方位）の変化及びこの進行方向（方位）に沿った移動距離が変換されアプリケーションプログラムに入力されると、二次元又は三次元表示画像は入力信号に応じて調節される。

本発明の用途は携帯装置に限定されるものではない。実際のところ、本発明は、携帯型であろうとなかろうとヒューマン-マシンインタフェース、即ちユーザインタフェースを有する任意の電子機器に適用可能である。

本発明を自走車両又は手動輸送に関連し説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものと解釈されるものではない。例えば「車両」は、外洋又は遠洋航行船舶、航空機、宇宙船、ロケット、ミサイル、衛星、デジタルカメラ等であってもよい。当業者は、上述の装置、システム、及び方法に対して加え得る変形や変更を認識するであろう。従って、本発明は、添付の請求の範囲及び精神以外によって限定されるものではない。

Claims (12)

1. 加速度計と、磁気センサと、慣性センサと、移動距離及び移動速度算出用のデジタル画像信号を生成する撮像装置と、少なくとも一つの処理装置と、画像処理装置と、表示用スクリーンと、を含んで構成される位置及び経路地図表示用の位置及び経路地図データを生成する装置であって、
   前記磁気センサは、物体の三次元姿勢に関する時間的に連続する一連の第一データ信号を生成するものであり、
   前記慣性センサは、物体の三次元姿勢に関する時間的に連続する一連の第二データ信号を生成するものであり、
   前記撮像装置は、少なくとも２個の測定できる識別可能寸法を有する最重要特徴物としての自然物又は人造構造物を含む前記物体の時間的に連続する一連のデジタル画像データ信号を所定の固定速度で生成し画像処理装置に送信するものであり、
   前記処理装置は、前記時間的に連続する一連の第一データ信号と前記時間的に連続する一連の第二データ信号とを用いて前記装置の進行方向を算出し、
   前記時間的に連続する一連のデジタル画像中の第一デジタル画像と第二デジタル画像の２枚のデジタル画像に共通する前記最重要特徴物を特定し、
   前記第一デジタル画像中の最重要特徴物の少なくとも一つの識別可能寸法としての第一寸法を決定し、
   前記第二デジタル画像中の最重要特徴物の少なくとも一つの識別可能寸法としての第二寸法を決定し、
   前記第一寸法と第二寸法との差から縮小率数を算出し、
   該縮小率数と、前記第一デジタル画像と第二デジタル画像との間の経過時間を用いて前記進行方向に沿った移動距離を算出し、
   前記算出した進行方向と移動距離を、二次元又は三次元システム上での視覚表示用の経路地図上の一区間又は一区間の一部に実行可能な機械語又はコマンドに変換するものであり、
   前記表示用スクリーンは、前記一区間又は一区間の一部を表示するものである、
   ことを特徴とする位置及び経路地図表示用の位置及び経路地図データを生成する装置。
2. 前記第一データ信号は、三本の直交軸周りの磁場強度に対応した磁場強度データ信号である請求項１に記載の装置。
3. 前記第二データ信号は、二本又は三本の直交軸に沿った加速度に対応した加速度データ信号である請求項１に記載の装置。
4. 前記少なくとも一つの処理装置は、前記複数の磁気センサ及び前記複数の慣性センサに電気的に結合された信号処理装置と、前記撮像装置と該信号処理装置とに電気的に結合された画像処理装置と、を含む請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも一つの処理装置は、前記信号処理装置と前記画像処理装置とのそれぞれに電気的に結合された主制御装置を更に含む請求項５に記載の装置。
6. 前記磁気センサは、三軸電子コンパスを含む請求項１に記載の装置。
7. 前記慣性センサは、二軸又は三軸加速度計を含む請求項１に記載の装置。
8. 前記進行方向（方位）に対応するヨー角（α）が下記の式を用いて算出される請求項１に記載の装置。
   

   

   （式中、Ｍ_xｈは水平面におけるｘ軸周りの磁場強度であり、Ｍ_ｙｈは前記水平面におけるｙ軸周りの磁場強度であり、θは前記物体のロール角であり、φは前記物体のピッチ角である。）
9. 前記請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置上に位置又は経路地図を生成し、表示するためのデータ提供方法であって、
   前記磁気センサにより、物体の三次元姿勢に関する時間的に連続する一連の第一データ信号を生成すること、
   前記慣性センサにより、前記物体の三次元姿勢に関する時間的に連続する一連の第二データ信号を生成すること、
   前記撮像装置により、少なくとも２個の測定できる識別可能寸法を有する最重要特徴物としての自然物又は人造構造物を含む前記物体の時間的に連続する一連のデジタル画像データ信号を所定の固定速度で生成し画像処理装置に送信すること、
   前記処理装置により、前記時間的に連続する一連の第一データ信号と前記時間的に連続する一連の第二データ信号とを用いて前記装置の進行方向を算出すること、
   前記時間的に連続する一連のデジタル画像中の第一デジタル画像と第二デジタル画像の２枚のデジタル画像に共通する前記最重要特徴物を特定すること、
   前記第一デジタル画像中の最重要特徴物の少なくとも一つの識別可能寸法としての第一寸法を決定すること、
   前記第二デジタル画像中の最重要特徴物の少なくとも一つの識別可能寸法としての第二寸法を決定すること、
   前記第一寸法と第二寸法との差から縮小率数を算出すること、
   該縮小率数と、前記第一デジタル画像と第二デジタル画像との間の経過時間を用いて前記進行方向に沿った移動距離を算出すること、
   前記算出した進行方向と移動距離を、二次元又は三次元システム上での視覚表示用の経路地図上の一区間又は一区間の一部に実行可能な機械語又はコマンドに変換すること、
   前記表示用スクリーンに前記一区間又は一区間の一部を表示すること、
   を含むことを特徴とするデータ提供方法。
10. 前記第一データ信号は、三本の直交軸周りの磁場強度に対応した磁場強度データ信号である請求項９に記載の方法。
11. 前記第二データ信号は、二本又は三本の直交軸に沿った加速度に対応した加速度データ信号である請求項９に記載の方法。
12. 前記進行方向（方位）に対応するヨー角（α）が下記の式を用いて算出される請求項９に記載の方法。
    

    

    （式中、Ｍ_xｈは水平面におけるｘ軸周りの磁場強度であり、Ｍ_ｙｈは前記水平面におけるｙ軸周りの磁場強度であり、θは前記物体のロール角であり、φは前記物体のピッチ角である。）

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