JP5761554B2 - Moving body posture determination method, moving body posture determination program, and moving body posture determination apparatus - Google Patents

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本願発明は、空中を移動する航空機、路上を移動する自動車、軌道上を移動する列車、海上を移動する船舶、といった移動体の姿勢を決定する方法、プログラム、装置に関するものであり、より具体的には、移動中に測位と画像取得を行い、これらの結果を基に移動中の移動体姿勢を決定する方法、プログラム、装置に関するものである。   The present invention relates to a method, a program, and an apparatus for determining the attitude of a moving body such as an aircraft moving in the air, an automobile moving on a road, a train moving on a track, a ship moving on the sea, and the like. The present invention relates to a method, a program, and an apparatus for performing positioning and image acquisition during movement and determining the moving body posture during movement based on these results.

移動体が移動している間、移動体の姿勢は変化し、その姿勢を検出する技術は、様々な分野で取り入れられている。例えば航空機や船舶では、移動中の姿勢がその航路や安定性に影響するため、移動中に自身の姿勢を検知し把握することがある。あるいは、輸送する物によっては移動体の姿勢を制御する必要があり、そのため移動中の移動体姿勢を把握する場合がある。とくに、空中写真測量やレーザー計測(図7)など航空機によって計測を実施する場合には、撮影方向やレーザーの照射方向が極めて重要であり、計測時の航空機姿勢は必ず取得される。   While the moving body is moving, the posture of the moving body changes, and techniques for detecting the posture are adopted in various fields. For example, in the case of an aircraft or a ship, the posture during movement affects the route and stability of the aircraft, so that the posture of the vehicle may be detected and grasped during movement. Alternatively, depending on the object to be transported, it is necessary to control the posture of the moving body, and thus the moving body posture during movement may be grasped. In particular, when measurement is performed by aircraft such as aerial photogrammetry and laser measurement (FIG. 7), the shooting direction and the laser irradiation direction are extremely important, and the attitude of the aircraft at the time of measurement is always acquired.

飛行中の航空機の姿勢を取得するためには、特許文献1で示されるように、通常はGPS(Global Positioning System)とIMU(Inertial Measurement Unit)が用いられる。しかしながら、IMUは高価である上に、航空機に搭載するにあたっては耐衝撃機構を要するなど、採用するためには多大な費用を要する。また、GPSとIMUの組み合わせによる方法では、一般的に移動体姿勢の算出が後処理となり、移動中リアルタイムで姿勢を取得してそれを姿勢制御などに反映させることはできない。   In order to acquire the attitude of an aircraft in flight, as shown in Patent Document 1, GPS (Global Positioning System) and IMU (Internal Measurement Unit) are usually used. However, the IMU is expensive and requires a large amount of cost to adopt, for example, an impact-resistant mechanism is required when mounted on an aircraft. In the method using a combination of GPS and IMU, the calculation of the moving body posture is generally post-processing, and the posture cannot be acquired in real time during movement and reflected in posture control or the like.

そこで特許文献2では、IMUに代えて、磁気センサと重力加速度センサを利用して姿勢角の情報を取得する方法等を提案している。また、本願発明で着目している「太陽を含む画像を利用する」という技術については、特許文献3で提案されている。   Therefore, Patent Document 2 proposes a method for acquiring posture angle information using a magnetic sensor and a gravitational acceleration sensor instead of the IMU. Further, Patent Literature 3 proposes a technique of “using an image including the sun” focused on in the present invention.

特開2004−245741JP-A-2004-245741 特開2004−264028JP 2004-264028 A 特開2010−173544JP 2010-173544 A

ここで示した特許文献1は、前述のとおりGPSとIMUの組み合わせにより姿勢情報を取得する方法であり、移動体姿勢の算出は後処理となって移動中のリアルタイム処理ができない、採用に当たって多大な費用を要する、といった問題を抱えている。引用文献2は、IMUを用いないため引用文献1のような問題はないものの、磁気センサと重力加速度センサを用いる方法では、GPSとIMUを組み合わせた場合に比べると取得する精度は劣り、空中写真測量やレーザー計測などを行うにあたっては採用し難い技術である。引用文献3は、本願同様「太陽を含む画像を利用する」という点に着目しているが、車両用の空気調和装置を制御するためのものであり、移動体の姿勢を決定するためのものではない。   Patent Document 1 shown here is a method for acquiring posture information by a combination of GPS and IMU as described above, and the calculation of the moving body posture is post-processing and real-time processing during movement cannot be performed. It has a problem of cost. Although Cited Document 2 does not use an IMU, there is no problem as in Cited Document 1, but the method using a magnetic sensor and a gravitational acceleration sensor is inferior in accuracy to obtain compared to a combination of GPS and IMU, and aerial photography. This technique is difficult to adopt for surveying or laser measurement. Although cited document 3 is paying attention to the point of "using the image containing the sun" like this application, it is for controlling the air conditioner for vehicles, and for determining the posture of a moving body. is not.

本願発明の課題は前記問題を解決するものであり、採用に当たって掛かる費用を軽減し、且つ高い精度で移動体姿勢を決定することのできる方法、プログラム、及び装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a method, a program, and an apparatus that can reduce the cost for adoption and can determine a moving body posture with high accuracy.

移動体姿勢の決定方法は、移動中の移動体の姿勢を決定する方法であって、前記移動体に搭載された位置計測手段によって、移動中に2回以上、移動体位置を計測し、前記移動体に搭載された画像取得手段によって、移動中に、太陽を含む画像を取得するとともに、画像を取得した画像取得時刻を取得し、計測された2以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を算出し、計測された前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を求め、前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とし、前記算出された移動体の移動方位に基づく任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求め、水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求め、前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差に基づいて、移動体の姿勢を算出する方法である。 The determination method of the moving body posture is a method of determining the posture of the moving body that is moving, the position measuring means mounted on the moving body measures the position of the moving body twice or more during the movement, The image acquisition means mounted on the moving body acquires an image including the sun during movement, acquires an image acquisition time when the image is acquired, and based on the measured two or more moving body positions, The moving direction of the moving body is calculated, and based on the measured moving body position, an image acquisition position that is the position of the moving body when the image is acquired is obtained, and the solar position in the image based on the luminance of the image And an arbitrary coordinate system based on the calculated moving direction of the moving body is provided based on a coordinate axis adapted to the posture of the moving body, the image acquisition position being the origin, and based on the sun position in the image The task A measurement vector from the origin of the coordinate system to the sun is obtained, and an absolute coordinate system that is a coordinate axis composed of a horizontal plane and a vertical axis and that has the image acquisition position as an origin is provided, and based on the image acquisition position and the image acquisition time A reference vector heading from the origin of the absolute coordinate system toward the sun, combining the measurement vector and the reference vector, and calculating a posture of the moving object based on an angular difference between the arbitrary coordinate axis and the absolute coordinate axis. .

この場合、位置計測手段によって、移動体位置を計測するとともに、その計測時刻を取得し、計測された前記移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を算出することもできる。   In this case, the position measuring means measures the position of the moving body, acquires the measurement time, and calculates the image acquisition position based on the measured position of the moving body, the measurement time, and the image acquisition time. You can also

移動体姿勢の決定プログラムは、移動中の移動体の姿勢を決定するプログラムであって、前記移動体に搭載された位置計測手段によって移動中に計測された、2以上の移動体位置を読み込む機能と、前記移動体に搭載された画像取得手段によって移動中に取得された太陽を含む画像と、画像を取得した画像取得時刻と、を読み込む機能と、前記2以上の移動体位置に基づいて、移動体の移動方位を算出する機能と、前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を求める機能と、前記画像の輝度に基づいて、画像中における太陽位置を抽出する機能と、移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とし、前記算出された移動体の移動方位に基づく任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求める機能と、水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求める機能と、前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差に基づいて、移動体の姿勢を算出する機能と、をコンピュータに実行させるものである。 The moving body posture determination program is a program for determining the posture of a moving body that is moving, and a function of reading two or more moving body positions measured during movement by a position measuring unit mounted on the moving body. And a function of reading an image including the sun acquired during movement by the image acquisition means mounted on the mobile body and an image acquisition time when the image was acquired, and the two or more mobile body positions, A function for calculating the moving direction of the moving body, a function for obtaining an image acquisition position that is a position of the moving body when an image is acquired based on the position of the moving body, and a luminance in the image based on the brightness of the image a function of extracting the sun position, with a coordinate axis to match the orientation of the moving object as an origin the image acquisition position, provided any coordinate system based on the moving direction of the calculated moving body, the image Based on the position of the sun inside, a function for obtaining a measurement vector from the origin of the arbitrary coordinate system toward the sun, a coordinate axis composed of a horizontal plane and a vertical axis, and an absolute coordinate system with the image acquisition position as the origin, Based on the image acquisition position and the image acquisition time, a function for obtaining a reference vector from the origin of the absolute coordinate system toward the sun, and the measurement vector and the reference vector are matched, and the angle difference between the arbitrary coordinate axis and the absolute coordinate axis based on, but to execute the function of calculating the attitude of the moving body, to the computer.

この場合、位置計測手段によって移動中に計測された計測時刻を、読み込む機能と、移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を求める機能と、をコンピュータに実行させることもできる。   In this case, the computer has a function of reading the measurement time measured during the movement by the position measurement unit, and a function of obtaining the image acquisition position based on the moving body position, the measurement time, and the image acquisition time. It can also be executed.

移動体姿勢の決定装置は、移動中の移動体の姿勢を決定する装置であって、前記移動体に搭載され、移動中に太陽を含む画像を取得し、その画像を取得した画像取得時刻を取得し得る、画像取得手段と、前記移動体に搭載され、移動中に移動体位置を計測し得る、位置計測手段と、前記画像と、前記画像取得時刻と、前記移動体位置と、を記憶する記憶手段と、前記記憶手段から、前記画像と前記画像取得時刻と前記移動体位置と、を読み込んで演算処理を行う演算処理手段と、を備え、前記演算処理手段は、2以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を計算するとともに、前記画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を計算し、前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とし、前記算出された移動体の移動方位に基づく任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを計算し、水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを計算し、前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差と、前記算出された移動体の移動方位と、移動体の姿勢を計算するものである。 The moving body posture determining device is a device that determines the posture of a moving moving body, is mounted on the moving body, acquires an image including the sun while moving, and acquires an image acquisition time when the image is acquired. An image acquisition means that can be acquired, a position measurement means that is mounted on the mobile body and that can measure the position of the mobile body during movement, the image, the image acquisition time, and the mobile body position are stored. Storage means, and arithmetic processing means for performing arithmetic processing by reading the image, the image acquisition time, and the moving body position from the storage means, and the arithmetic processing means comprises two or more of the movements Based on the body position, the moving direction of the moving body is calculated, the image acquisition position that is the position of the moving body when the image is acquired is calculated, and the sun position in the image is calculated based on the luminance of the image. Extract and move to the posture of the moving body With a Align was axis as an origin the image acquisition position, provided any coordinate system based on the moving direction of the calculated moving object, based on the sun position in the image, from the origin of the arbitrary coordinate system A measurement vector toward the sun is calculated, a coordinate axis composed of a horizontal plane and a vertical axis, and an absolute coordinate system having the image acquisition position as an origin is provided, and based on the image acquisition position and the image acquisition time, the absolute coordinate A reference vector from the origin of the system to the sun is calculated, and the measurement vector and the reference vector are matched, the angle difference between the arbitrary coordinate axis and the absolute coordinate axis, the calculated moving direction of the moving object, and the attitude of the moving object Is calculated.

この場合、位置計測手段は、計測された計測時刻を取得し、記憶手段は、前記計測時刻を記憶し、演算処理手段は、記憶手段から前記計測時刻を読み込んで、移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を計算することもできる。   In this case, the position measurement unit acquires the measured measurement time, the storage unit stores the measurement time, and the arithmetic processing unit reads the measurement time from the storage unit to determine the position of the mobile object and the measurement The image acquisition position can also be calculated based on the time and the image acquisition time.

本願発明の移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置には、次のような効果がある。
(1)IMUを必要とせず、GPSやカメラなど比較的廉価な製品で構成できるので、掛かる費用を軽減することができる。
(2)GPSとカメラなど少ない設備を搭載するだけなので、比較的容易に設置することができる。
(3)磁気センサなどに比べ、高い精度で移動体姿勢を取得することができる。
(4)移動中リアルタイムで移動体姿勢を取得できるので、移動しながら姿勢制御を行うことができる。
(5)複雑な演算処理を必要としないので、容易かつ迅速に結果を取得することができる。
The mobile body posture determination method, the mobile body posture determination program, and the mobile body posture determination device of the present invention have the following effects.
(1) Since an IMU is not required and a relatively inexpensive product such as a GPS or a camera can be used, the cost can be reduced.
(2) Since only a small amount of equipment such as a GPS and a camera is installed, it can be installed relatively easily.
(3) The moving body posture can be acquired with higher accuracy than a magnetic sensor or the like.
(4) Since the moving body posture can be acquired in real time during movement, posture control can be performed while moving.
(5) Since complicated arithmetic processing is not required, a result can be acquired easily and quickly.

移動体1が移動している状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the state which the mobile body 1 is moving. 本願発明を実施するために利用される構成要素を示すブロック図。The block diagram which shows the component utilized in order to implement this invention. 移動体の姿勢に合わせた座標系である任意座標系を示す説明図。Explanatory drawing which shows the arbitrary coordinate system which is a coordinate system united with the attitude | position of the moving body. (a)は任意座標系において画像取得位置から太陽を見たときの太陽の角度を示すモデル図、(b)は画像中における太陽位置を示す説明図。(A) is a model figure which shows the angle of the sun when seeing the sun from an image acquisition position in arbitrary coordinate systems, (b) is explanatory drawing which shows the sun position in an image. (a)は任意座標系における計測ベクトルを表すモデル図、(b)は絶対座標系における基準ベクトルを表すモデル図。(A) is a model diagram showing a measurement vector in an arbitrary coordinate system, (b) is a model diagram showing a reference vector in an absolute coordinate system. (a)は任意座標系のx軸−y軸をz軸回りにκ’だけ回転させた図、(b)は任意座標系のy軸−z軸をx軸回りにφ’だけ回転させた図、(c)は任意座標系のz軸−x軸をy軸回りにω’だけ回転させた図。(A) is a diagram in which the x-axis and y-axis of the arbitrary coordinate system are rotated by κ ′ around the z-axis, and (b) is the y-axis / z-axis of the arbitrary coordinate system rotated by φ ′ around the x-axis. FIG. 4C is a diagram in which the z-axis of the arbitrary coordinate system is rotated by ω ′ around the y-axis. 航空機によるレーザー計測を示す説明図。Explanatory drawing which shows the laser measurement by an aircraft.

本願発明の移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置の実施形態の例を図に基づいて説明する。   An example of embodiments of a mobile body posture determination method, a mobile body posture determination program, and a mobile body posture determination apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(概 要)
図1は、移動体1が移動している状態を示す説明図である。本願発明は、図1に示すように移動中の移動体1における姿勢を決定するものであって、移動中に自位置(移動体1自身の位置)を計測するとともに、太陽S(図1)を含む画像を取得し、自位置の座標と取得した画像によって移動中の姿勢を決定するものである。具体的には、移動中に計測した座標から移動体1の移動している方向(方位)を算出し、取得した画像中の太陽位置から任意座標系(移動体1の姿勢に合わせた座標系)における太陽方位・高度を求め、さらに緯度、経度、日時から絶対座標系(水平面と鉛直軸からなる座標系)における太陽方位・高度を求め、任意座標系と絶対座標系におけるそれぞれの太陽方位・高度を合わせた結果、両座標系に生じる座標軸の角度差と、移動体1の移動方向(方位)と、に基づいて移動体1の姿勢を決定するものである。
(Overview)
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a state in which the moving body 1 is moving. The present invention determines the posture of the moving body 1 as shown in FIG. 1 and measures its own position (the position of the moving body 1 itself) while moving, and the sun S (FIG. 1). Is acquired, and the moving posture is determined based on the coordinates of the own position and the acquired image. Specifically, the moving direction (azimuth) of the moving body 1 is calculated from the coordinates measured during the movement, and an arbitrary coordinate system (a coordinate system that matches the attitude of the moving body 1) is obtained from the sun position in the acquired image. ), And the sun direction and altitude in the absolute coordinate system (a coordinate system consisting of a horizontal plane and a vertical axis) are calculated from the latitude, longitude, and date, and the sun direction and altitude in the arbitrary coordinate system and absolute coordinate system are obtained. As a result of combining the altitudes, the attitude of the moving body 1 is determined based on the angle difference between the coordinate axes generated in both coordinate systems and the moving direction (azimuth) of the moving body 1.

移動体1とは、図1に示すような空中を移動する航空機に限らず、路上を移動する自動車、軌道上を移動する列車、海上を移動する船舶、といった移動し得る全てのものを意味する語であるが、便宜上ここでは移動体1を航空機として説明する。   The moving body 1 is not limited to an aircraft that moves in the air as shown in FIG. 1, but means any object that can move, such as an automobile that moves on the road, a train that moves on a track, and a ship that moves on the sea. Although it is a word, the mobile body 1 is demonstrated as an aircraft here for convenience.

図2は、本願発明を実施するために利用される構成要素を示すブロック図である。この図に示すように、位置計測手段2、画像取得手段3、記憶手段4、演算処理手段5が用いられ、これらは移動中であっても安定するように移動体1に設置される。   FIG. 2 is a block diagram showing components used for carrying out the present invention. As shown in this figure, position measuring means 2, image acquiring means 3, storage means 4, and arithmetic processing means 5 are used, and these are installed on the moving body 1 so as to be stable even during movement.

図3は、移動体1の姿勢に合わせた座標系である「任意座標系」を示す説明図である。この図に示すように任意座標系は、移動体1の(進行方向に対する)左右方向にxn軸、移動体1の進行方向にyn軸、移動体1の上下方向にzn軸が設けられており、移動体1の姿勢に合わせてその向きを変えるものである。そして、各座標軸の傾きが移動体1の姿勢を決定する。この姿勢は、具体的には、水平面であって東向きをXa軸、水平面であって北向きをYa軸、鉛直上向きをZa軸、とする「絶対座標系」に対する傾きから求められるものであり、Xa軸回りの回転角(yn軸とYa軸あるいはzn軸とZa軸の傾き)をピッチ、Ya軸回りの回転角(zn軸とZa軸あるいはxn軸とXa軸の傾き)をロール、Za軸回りの回転角(yn軸とYa軸あるいはxn軸とXa軸の傾き)をヨー、とする3つの要素から決定されるのが姿勢である。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing an “arbitrary coordinate system” that is a coordinate system that matches the posture of the moving body 1. As shown in this figure, the arbitrary coordinate system is provided with an xn axis in the left and right direction (relative to the traveling direction) of the moving body 1, a yn axis in the traveling direction of the moving body 1, and a zn axis in the up and down direction of the moving body 1. The direction of the moving body 1 is changed according to the posture. The inclination of each coordinate axis determines the posture of the moving body 1. Specifically, this posture is obtained from an inclination with respect to an “absolute coordinate system” in which the horizontal plane is the eastward direction is the Xa axis, the horizontal plane is the northward direction is the Ya axis, and the vertical upward direction is the Za axis. , Rotation angle around the Xa axis (inclination of yn axis and Ya axis or zn axis and Za axis) pitch, rotation angle around Ya axis (inclination between zn axis and Za axis or xn axis and Xa axis) roll, Za The posture is determined from three elements where the rotation angle around the axis (inclination of the yn axis and the Ya axis or the inclination of the xn axis and the Xa axis) is yaw.

以下、構成要素ごとに詳細に説明する。   Hereinafter, each component will be described in detail.

(位置計測手段)
位置計測手段2は、移動中の移動体1の位置を計測するものであり、GPSを利用することも出来る。GPSとしては、単独測位法のほかRTK−OTFやDGPSなどの方法も採用することもできる。位置計測手段2として単独測位GPSを利用した場合、図2に示すように、位置計測手段2はアンテナ部2aとレシーバ部2bで構成される。
(Position measuring means)
The position measuring means 2 measures the position of the moving moving body 1 and can use GPS. As the GPS, in addition to the single positioning method, methods such as RTK-OTF and DGPS can also be adopted. When single positioning GPS is used as the position measuring means 2, as shown in FIG. 2, the position measuring means 2 includes an antenna portion 2a and a receiver portion 2b.

GPSは、複数の衛星からの信号を受信することによって位置を特定するシステムであり、自身(位置計測手段2)の位置を特定するとともに、計測を実施した時刻(以下、「計測時刻」という。)も取得することができる。ここで計測される位置は、数学座標系や世界測地系など通常利用される座標系におけるもの(あるいは緯度、経度、標高で表されるもの)であり、図1では第1の地点P1で計測した位置(X1,Y1,Z1)と、移動後の第2の地点P2で計測した位置(X2,Y2,Z2)を示している。また、GPSによれば比較的短い間隔で計測することが可能で、例えば1秒間に1回(1Hz)といった間隔で計測することができる。   The GPS is a system that specifies a position by receiving signals from a plurality of satellites, specifies the position of itself (position measuring means 2), and performs the measurement (hereinafter referred to as “measurement time”). ) Can also be acquired. The position measured here is in a commonly used coordinate system such as a mathematical coordinate system or a world geodetic system (or expressed in latitude, longitude, and altitude), and in FIG. 1, it is measured at the first point P1. The position (X1, Y1, Z1) and the position (X2, Y2, Z2) measured at the second point P2 after the movement are shown. Further, according to GPS, it is possible to measure at a relatively short interval, for example, it can be measured at an interval of once per second (1 Hz).

(画像取得手段)
画像取得手段3は、太陽Sを含む画像を取得するものであり、デジタルカメラやデジタルビデオを利用することができる。画像取得手段3に用いられるレンズは広角のもの(望ましくは画角120〜180°のもの)が適し、超広角レンズや円周魚眼レンズを採用したいわゆる天頂カメラを採用することが望ましい。また画像取得手段3としてデジタルカメラやデジタルビデオを利用する場合、取得される画像の画素数が300万〜1,000万程度、フレームレートが15〜30fps程度のものとすることが望ましいが、もちろんこのような規格に限定されるものではない。
(Image acquisition means)
The image acquisition means 3 acquires an image including the sun S, and can use a digital camera or a digital video. A wide-angle lens (preferably having a field angle of 120 to 180 °) is suitable for the lens used in the image acquisition means 3, and it is desirable to employ a so-called zenith camera that employs a super-wide-angle lens or a circumferential fisheye lens. When a digital camera or digital video is used as the image acquisition unit 3, it is desirable that the number of pixels of the acquired image is about 3 million to 10 million and the frame rate is about 15 to 30 fps. It is not limited to such a standard.

画像取得手段3は太陽Sを含む画像を取得する必要があることから、画像取得手段3のレンズ部分に減光フィルタ6を設置することもできる。減光フィルタ6を設置することで、太陽Sの外形をより確実に取得することができる。なお減光フィルタ6としては、減光率1,000〜10,000程度の減光黒色フィルタを採用することが可能で、気象条件によって減光率を適宜選択するとより望ましい。   Since the image acquisition unit 3 needs to acquire an image including the sun S, the neutral density filter 6 can be installed in the lens portion of the image acquisition unit 3. By installing the neutral density filter 6, the outer shape of the sun S can be acquired more reliably. As the neutral density filter 6, it is possible to employ a neutral density black filter having a neutral density of about 1,000 to 10,000, and it is more preferable that the neutral density is appropriately selected according to weather conditions.

画像取得手段3によって画像を取得した時刻(以下、「画像取得時刻」という。)は、別途用意した計器で計測することもできるが、画像取得の直前あるいは直後に行われた位置計測手段2による計測時刻を採用することも可能であり、より望ましくは、フレームレート(例えば15〜30fps)に基づいて計算により求めるとよい。   The time at which the image is acquired by the image acquisition means 3 (hereinafter referred to as “image acquisition time”) can be measured with a separately prepared instrument, but is based on the position measurement means 2 performed immediately before or after the image acquisition. It is also possible to employ the measurement time, and more desirably, it may be obtained by calculation based on the frame rate (for example, 15 to 30 fps).

画像取得手段3は、位置計測手段2のアンテナ部2aとともにプラットフォーム7に固定したうえで移動体1に搭載(設置)することができる(図2)。この場合、画像取得手段3とアンテナ部2aは接近してプラットフォーム7に固定されることが望ましい。また、画像取得手段3や位置計測手段2は、移動体1の任意の位置に設置することができるが、画像取得手段3については太陽Sの画像を取得しやすい位置に設置することが望ましい。例えば移動体1が航空機の場合、画像取得手段3は航空機の上部に設置することができる。   The image acquisition means 3 can be mounted (installed) on the moving body 1 after being fixed to the platform 7 together with the antenna portion 2a of the position measurement means 2 (FIG. 2). In this case, it is desirable that the image acquisition unit 3 and the antenna unit 2a are close to each other and fixed to the platform 7. Moreover, although the image acquisition means 3 and the position measurement means 2 can be installed in the arbitrary positions of the mobile body 1, it is desirable to install the image acquisition means 3 in the position where the image of the sun S is easy to acquire. For example, when the moving body 1 is an aircraft, the image acquisition means 3 can be installed in the upper part of the aircraft.

(記憶手段)
記憶手段4は、位置計測手段2によって計測された移動体1の位置情報(移動体位置データ)と、画像取得手段3によって取得した画像情報(画像データ)とを記憶するものである。なお、移動体位置データはその計測時刻情報(計測時刻データ)と紐づいて記憶され、画像データはその画像取得時刻情報(画像取得時刻データ)と紐づいて記憶されることが望ましく、これらを関連付けるデータベースを記憶手段4に構築することもできる。
(Memory means)
The storage unit 4 stores the position information (moving body position data) of the moving body 1 measured by the position measuring unit 2 and the image information (image data) acquired by the image acquiring unit 3. The moving body position data is preferably stored in association with the measurement time information (measurement time data), and the image data is preferably stored in association with the image acquisition time information (image acquisition time data). An associated database can also be constructed in the storage means 4.

(演算処理手段)
演算処理手段5は、移動体1の姿勢を決定するための一連の演算処理を行うものであり、具体的には、この演算処理を実行するためのプログラムを格納するRAM(他の記憶媒体でも可)や、当該プログラムを実行するCPUなどを搭載したコンピュータ(電子計算機)である。このプログラムを実行する際には、記憶手段4に記憶された移動体位置データ、計測時刻データ、画像データ、画像取得時刻データが、記憶手段4から読み込まれ、これらを利用して計算処理が実行される。
(Calculation processing means)
The arithmetic processing means 5 performs a series of arithmetic processing for determining the posture of the mobile body 1. Specifically, the arithmetic processing means 5 is a RAM (other storage medium) that stores a program for executing this arithmetic processing. Or a computer (electronic computer) equipped with a CPU for executing the program. When this program is executed, the moving body position data, measurement time data, image data, and image acquisition time data stored in the storage unit 4 are read from the storage unit 4 and calculation processing is executed using these data. Is done.

(任意座標系)
前述したとおり、ここでいう任意座標系とは、移動体1の姿勢に合わせた座標系のことであり、図2や図3に示すようにそれぞれ直交する、xn軸(移動体1の左右方向)、yn軸(移動体1の進行方向)、zn軸(移動体1の上下方向)、で表される。また、任意座標系の原点(xn軸、yn軸、zn軸が交わる点)は、画像取得手段3で画像を取得した位置(以下、「画像取得位置」という。)、つまり画像取得手段3の設置位置に設けられる。このように、任意座標系の原点は移動体1とともに移動し、各座標軸は移動体1の姿勢に合わせてその向きを変えるものであり、後述する絶対座標系から見るとこれらは変化するもので、任意座標系はいわば相対的な座標系である。
(Arbitrary coordinate system)
As described above, the arbitrary coordinate system referred to here is a coordinate system that matches the posture of the moving body 1 and is orthogonal to each other as shown in FIGS. 2 and 3 (the horizontal direction of the moving body 1). ), Yn axis (traveling direction of the moving body 1), and zn axis (up and down direction of the moving body 1). The origin of the arbitrary coordinate system (the point where the xn axis, yn axis, and zn axis intersect) is the position where the image acquisition unit 3 acquires an image (hereinafter referred to as “image acquisition position”), that is, the image acquisition unit 3. It is provided at the installation position. Thus, the origin of any coordinate system moves with the moving body 1, the coordinate axes are all SANYO changing its direction in accordance with the posture of the moving body 1, these changes when viewed from the absolute coordinate system discussed later The arbitrary coordinate system is a relative coordinate system.

(計測ベクトル)
図4(a)は任意座標系において画像取得位置(座標原点O)から太陽Sを見たときの太陽Sの角度θを示すモデル図であり、図4(b)は画像中における太陽位置を示す説明図である。移動中の移動体1の姿勢が未知であれば、移動体1上では水平面を認識することができず、太陽Sの高度(水平面となす角)を把握することができない。よって移動体1上で太陽Sの仰角を把握するには、原点と太陽Sを結ぶ直線と、任意座標系のyn軸−zn軸からなる平面と、挟角を求めることとなる。この挟角を求める手段は種々あるが、ここでは図4(a)に示すように、原点と太陽Sを結ぶ直線と、任意座標系のzn軸との挟角θを求める手段を例に説明する。
(Measurement vector)
FIG. 4A is a model diagram showing the angle θ of the sun S when the sun S is viewed from the image acquisition position (coordinate origin O) in an arbitrary coordinate system, and FIG. 4B shows the sun position in the image. It is explanatory drawing shown. If the posture of the moving moving body 1 is unknown, the horizontal plane cannot be recognized on the moving body 1 and the altitude (angle formed with the horizontal plane) of the sun S cannot be grasped. Therefore, in order to grasp the elevation angle of the sun S on the moving body 1, a straight line connecting the origin and the sun S, a plane composed of the yn axis-zn axis of the arbitrary coordinate system, and the included angle are obtained. There are various means for obtaining the included angle. Here, as shown in FIG. 4A, an example of means for obtaining the included angle θ between the straight line connecting the origin and the sun S and the zn axis of the arbitrary coordinate system will be described. To do.

広角レンズを用いた天頂カメラ等で撮像すると、図4(b)のような円形の画像が取得される。このように取得可能範囲が円形となることから、この円(最外端の円)はイメージサークルと呼ばれる。図4(b)に示すイメージサークル内には、挟角θの大きさに応じた補助円が描かれており、つまり中心点(座標原点O)から離れる補助円ほど挟角θが大きいことがわかる。図4(b)では、イメージサークルの半径rと挟角θの積r・θを半径として補助円が描かれる等距離射影を採用している。この手法によれば補助円の大きさがθに比例しているため、直感的でわかりやすいという特長がある。なお、補助円を描く方法としては、等距離射影に限らず、2r・sin(θ/2)で与えられる半径で補助円が描かれる等立体角射影や、r・sin(θ)で与えられる半径で補助円が描かれる正射影などを採用することもできる。   When an image is taken with a zenith camera or the like using a wide-angle lens, a circular image as shown in FIG. 4B is acquired. Since the acquirable range is thus circular, this circle (the outermost circle) is called an image circle. In the image circle shown in FIG. 4B, an auxiliary circle corresponding to the size of the included angle θ is drawn. That is, the auxiliary circle away from the center point (coordinate origin O) has a larger included angle θ. Recognize. 4B employs equidistant projection in which an auxiliary circle is drawn with the product r · θ of the radius r of the image circle and the included angle θ as the radius. According to this method, since the size of the auxiliary circle is proportional to θ, there is a feature that it is intuitive and easy to understand. The method of drawing the auxiliary circle is not limited to the equidistant projection, and is given by an equal solid angle projection in which the auxiliary circle is drawn with a radius given by 2r · sin (θ / 2), or by r · sin (θ). It is also possible to adopt an orthogonal projection in which an auxiliary circle is drawn with a radius.

画像内に収められた太陽Sは、他と比べるとその輝度が著しく高いため簡単に識別することができる。すなわち、従来の画像認識技術を利用すれば、容易に画像中の太陽を抽出することができる。なお、この輝度として明度を用いることができるが、画像中の太陽を識別することができれば、いわゆる色の3属性のうちの彩度や色相を用いることも、もちろんこれらを組み合わせて用いることもできる。   The sun S contained in the image can be easily identified because its brightness is significantly higher than others. That is, if the conventional image recognition technique is used, the sun in the image can be easily extracted. Lightness can be used as the luminance. However, if the sun in the image can be identified, the saturation and hue of the three so-called color attributes can be used, and of course, these can be used in combination. .

画像中における太陽の抽出は、演算処理手段5によって行われる。また、演算処理手段5は、抽出した太陽の外形(輪郭)からその重心(図心)位置を計算によって求め、この太陽の重心位置と、画像中の中心点(座標原点O)との距離から挟角θを求める。さらに演算処理手段5は、図4(b)に示すように、中心点(座標原点O)と太陽の重心位置とを結ぶ直線と、任意座標系のyn軸との挟角δを求める。このように太陽Sを含む画像から、原点O(すなわち画像取得位置)を基準とした、任意座標系のyn軸と太陽との挟角δ、前述の挟角θから任意座標系のxn軸−yn軸面との挟角(π/2−θ)、をそれぞれ求めることができるので、任意座標系における太陽Sの方向を特定することができる。   Extraction of the sun in the image is performed by the arithmetic processing means 5. Further, the arithmetic processing means 5 obtains the position of the center of gravity (centroid) from the extracted outline (contour) of the sun by calculation, and from the distance between the position of the center of gravity of the sun and the center point (coordinate origin O) in the image. Find the included angle θ. Further, as shown in FIG. 4B, the arithmetic processing means 5 obtains an included angle δ between a straight line connecting the center point (coordinate origin O) and the center of gravity position of the sun and the yn axis of the arbitrary coordinate system. In this way, from the image including the sun S, the nip axis between the yn axis of the arbitrary coordinate system and the sun with reference to the origin O (that is, the image acquisition position), and the xn axis of the arbitrary coordinate system from the aforementioned included angle θ− Since the included angle (π / 2−θ) with the yn-axis plane can be obtained, the direction of the sun S in the arbitrary coordinate system can be specified.

図5(a)は、任意座標系における計測ベクトルVmを表すモデル図である。この計測ベクトルVmは、画像から求められた挟角δ及び挟角θ(あるいはπ/2−θ)によって、任意座標系における太陽Sの方向を表したもので、任意座標系の原点Oを起点とし、太陽Sを終点としたベクトルである。取得した画像に基づいて求められるベクトルなので、計測ベクトルVmとした。図5(a)に示すように、任意座標系のxn軸,yn軸,zn軸と、計測ベクトルVmとがなす角は、それぞれαm,βm,γmであり、便宜上これらの余弦を方向余弦と呼ぶ。すなわち、xn軸の方向余弦はcos(αm)であり、yn軸の方向余弦はcos(βm)であり、zn軸の方向余弦はcos(γm)である。便宜上、xn軸の方向余弦cos(αm)をLm、yn軸の方向余弦cos(βm)をMm、zn軸の方向余弦cos(γm)をNmとする。   FIG. 5A is a model diagram showing a measurement vector Vm in an arbitrary coordinate system. This measurement vector Vm represents the direction of the sun S in the arbitrary coordinate system by the included angle δ and the included angle θ (or π / 2−θ) obtained from the image, and starts from the origin O of the arbitrary coordinate system. And a vector with the sun S as the end point. Since it is a vector calculated | required based on the acquired image, it was set as measurement vector Vm. As shown in FIG. 5A, angles formed by the xn axis, yn axis, zn axis of the arbitrary coordinate system and the measurement vector Vm are αm, βm, and γm, respectively, and these cosines are defined as direction cosines for convenience. Call. That is, the direction cosine of the xn axis is cos (αm), the direction cosine of the yn axis is cos (βm), and the direction cosine of the zn axis is cos (γm). For convenience, it is assumed that the direction cosine cos (αm) of the xn axis is Lm, the direction cosine cos (βm) of the yn axis is Mm, and the direction cosine cos (γm) of the zn axis is Nm.

(絶対座標系)
前述したとおり、ここでいう絶対座標系とは、水平面と鉛直軸からなるものであり、詳しくは、水平面を構成するXa軸とYa軸、鉛直軸であるZa軸の3軸で構成される。なお、Xa軸は東西方向であって東向きを正、Ya軸は南北方向であって北向きを正、Za軸は上向きを正としている。この絶対座標系も、任意座標系と同様、その原点(Xa軸、Ya軸、Zaが交わる点)は、画像取得手段3で画像を取得した位置である「画像取得位置」に設けられ、すなわち位置計測手段2によって取得された移動体1の位置情報(座標や、緯度・経度・標高)が原点Oとされる。このように絶対座標系の原点は移動体1とともに移動するものの、各座標軸は移動体1の姿勢にかかわらず常に一定(東西方向、南北方向、鉛直方向)である。
(Absolute coordinate system)
As described above, the absolute coordinate system here is composed of a horizontal plane and a vertical axis, and more specifically, is composed of three axes: an Xa axis and a Ya axis that constitute the horizontal plane, and a Za axis that is the vertical axis. The Xa axis is the east-west direction and the east direction is positive, the Ya axis is the north-south direction and the north direction is positive, and the Za axis is the positive direction. As in the arbitrary coordinate system, this absolute coordinate system also has its origin (the point where the Xa axis, Ya axis, and Za intersect) at the “image acquisition position” that is the position at which the image acquisition unit 3 has acquired the image. The position information (coordinates, latitude / longitude / altitude) of the moving body 1 acquired by the position measuring means 2 is set as the origin O. Thus, although the origin of the absolute coordinate system moves together with the moving body 1, each coordinate axis is always constant (east-west direction, north-south direction, vertical direction) regardless of the posture of the moving body 1.

(基準ベクトル)
地球が自転し、太陽の周囲を公転していることを考えれば、日時と位置(緯度・経度や座標)を与えれば、その位置における太陽高度とその方位は理論上計算によって求めることができる。この算出式は、種々のものが公知であり、以下にその一例を示す。
(Reference vector)
Given that the earth is rotating and revolving around the sun, given the date and position (latitude, longitude, and coordinates), the solar altitude and its orientation at that position can be calculated theoretically. Various calculation formulas are known, and an example is shown below.

任意の緯度φ、経度λの地点における任意の日時の太陽方位ψ、高度η、は次式により求められる。なお、この計算は、演算処理手段5によって行われる。
A.元旦からの通し日数dnに基づいて定めるθo
θo=2π(dn−1)/365
B.求める日の太陽赤緯δ
δ=0.006918−0.399912cos(θo)+0.070257sin(θo)−0.006758cos(2θo)+0.000907sin(2θo)−0.002697cos(3θo)+0.001480sin(3θo)
C.地心太陽距離r/r*
r/r*=1/{1.000110+0.034221cos(θo)+0.001280sin(θo)+0.000719cos(2θo)+0.000077sin(2θo)}0.5
D.均時差Eq
Eq=0.000075+0.001868cos(θo)−0.032077sin(θo)−0.014615cos(2θo)−0.040849sin(2θo)
E.太陽の時角h
h=(JST−12)π/12+標準子午線からの経度差+均時差(Eq)
ただし、JST:日本標準時間
F.太陽方位ψ
ψ=arcsin{sin(φ)sin(δ)+cos(φ)cos(δ)cos(h)}
G.太陽高度η
η=arctan[cos(φ)cos(δ)sin(h)/{sin(φ)sin(α)−sin(δ)}]
The solar azimuth ψ and altitude η at an arbitrary date and time at an arbitrary latitude φ and longitude λ can be obtained by the following equations. This calculation is performed by the arithmetic processing means 5.
A. Θo determined based on the number of days dn from New Year's Day
θo = 2π (dn−1) / 365
B. Solar declination δ of the desired day
δ = 0.006918−0.399912 cos (θo) +0.070257 sin (θo) −0.006758 cos (2θo) +0.000907 sin (2θo) −0.002697 cos (3θo) +0.001480 sin (3θo)
C. Geocentric solar distance r / r *
r / r * = 1 / {1.0010010 + 0.03421 cos (θo) +0.001280 sin (θo) +0.000719 cos (2θo) + 0.000077sin (2θo)} 0.5
D. Time difference Eq
Eq = 0.000075 + 0.001868 cos (θo) −0.032077 sin (θo) −0.014615 cos (2θo) −0.040849 sin (2θo)
E. Sun hour angle h
h = (JST-12) π / 12 + longitude difference from standard meridian + equal time difference (Eq)
However, JST: Japan Standard Time Solar direction ψ
ψ = arcsin {sin (φ) sin (δ) + cos (φ) cos (δ) cos (h)}
G. Solar altitude η
η = arctan [cos (φ) cos (δ) sin (h) / {sin (φ) sin (α) −sin (δ)}]

太陽方位・高度を求めるための計算は、演算処理手段5によって行われる。ここでいう太陽高度とは、絶対座標系の原点と太陽Sを結ぶ直線と、水平面(すなわち絶対座標系のXa軸−Ya軸からなる平面)との間の挟角である。また、太陽方位とは、絶対座標系の原点と太陽Sを結ぶ直線と、北方向(すなわち絶対座標系のYa軸の正方向)との間の挟角である。なお、厳密には高度(標高)によって太陽高度の値は変化するが、地球から太陽までの距離を考えると、高度による影響は極めて微小なので、ここでは無視することができる。 Calculation for obtaining the sun direction and altitude is performed by the arithmetic processing means 5. The solar altitude here is an included angle between a straight line connecting the origin of the absolute coordinate system and the sun S and a horizontal plane (that is, a plane composed of the Xa axis-Ya axis of the absolute coordinate system). The sun direction is an included angle between a straight line connecting the origin of the absolute coordinate system and the sun S and the north direction (that is, the positive direction of the Ya axis of the absolute coordinate system). Strictly speaking, the value of the solar altitude changes depending on the altitude (altitude), but considering the distance from the earth to the sun, the influence of the altitude is extremely small and can be ignored here.

ここで計算上必要な条件値は、日時と位置である。日(月日)については、当然ながら計測を行った日であり、時刻については、位置計測手段2によって取得された「計測時刻」を用いることができる。また位置については、同じく位置計測手段2によって取得された移動体1の位置情報を採用することができる。   Here, the condition values necessary for calculation are date and position. Of course, the day (month and day) is the day when the measurement is performed, and the “measurement time” acquired by the position measuring means 2 can be used for the time. As for the position, the position information of the moving body 1 obtained by the position measuring means 2 can be used.

図5(b)は、絶対座標系における基準ベクトルVcを表すモデル図である。この基準ベクトルVcは、計算上求められた太陽方位・高度によって、絶対座標系における太陽Sの方向を表したもので、絶対座標系の原点Oを起点とし、太陽Sを終点としたベクトルである。図5(b)に示すように、絶対座標系のXa軸,Ya軸,Za軸と、基準ベクトルVcとがなす角は、それぞれαc,βc,γcであり、便宜上これらの余弦を方向余弦と呼ぶ。すなわち、Xa軸の方向余弦はcos(αc)であり、Ya軸の方向余弦はcos(βc)であり、Za軸の方向余弦はcos(γc)である。便宜上、Xa軸の方向余弦cos(αc)をLc、Ya軸の方向余弦cos(βc)をMc、Za軸の方向余弦cos(γc)をNcとする。   FIG. 5B is a model diagram showing the reference vector Vc in the absolute coordinate system. This reference vector Vc represents the direction of the sun S in the absolute coordinate system according to the calculated sun azimuth and altitude, and is a vector starting from the origin O of the absolute coordinate system and starting from the sun S. . As shown in FIG. 5 (b), the angles formed by the Xa axis, Ya axis, Za axis of the absolute coordinate system and the reference vector Vc are αc, βc, and γc, respectively. Call. That is, the direction cosine of the Xa axis is cos (αc), the direction cosine of the Ya axis is cos (βc), and the direction cosine of the Za axis is cos (γc). For convenience, the direction cosine cos (αc) of the Xa axis is Lc, the direction cosine cos (βc) of the Ya axis is Mc, and the direction cosine cos (γc) of the Za axis is Nc.

(移動体の方位)
図1に示すように、移動している移動体1の方位は、位置計測手段2で計測した位置情報から算出することができる。具体的には、図1で示す第1の地点P1で計測した位置情報(X1,Y1,Z1)と、移動後の第2の地点P2で計測した位置情報(X2,Y2,Z2)を用いて移動体1の進行方向の方位を計算する。なお、位置計測手段2で取得される座標は、任意座標系のものでも、絶対座標系のものでもなく、数学座標系や世界測地系など通常利用される座標系におけるものである。よって、位置情報のうち平面座標である(X1,Y1)と(X2,Y2)を用いれば、水平面上での2点間の方位を求めることができる。このように、移動中の2点で位置情報を取得すればその間の進行方向を方位として表すことができるが、2点に限らず、3点以上取得して移動中の方位を計算することもできる。この方位計算は、演算処理手段5によって行われる。
(Direction of moving body)
As shown in FIG. 1, the azimuth of the moving moving body 1 can be calculated from the position information measured by the position measuring means 2. Specifically, the position information (X1, Y1, Z1) measured at the first point P1 shown in FIG. 1 and the position information (X2, Y2, Z2) measured at the second point P2 after movement are used. Then, the direction of the moving body 1 is calculated. Note that the coordinates acquired by the position measuring means 2 are not in an arbitrary coordinate system or an absolute coordinate system, and are in a commonly used coordinate system such as a mathematical coordinate system or a world geodetic system. Therefore, if (X1, Y1) and (X2, Y2) which are plane coordinates among position information are used, the azimuth | direction between two points on a horizontal surface can be calculated | required. In this way, if position information is acquired at two moving points, the traveling direction between them can be expressed as a bearing. However, not only two points but also three or more points can be acquired to calculate a moving bearing. it can. This azimuth calculation is performed by the arithmetic processing means 5.

(画像取得位置)
前述したとおり、画像取得位置とは、画像取得手段3で画像を取得した位置であり、画像取得した時点における画像取得手段3の設置位置である。画像取得位置は、演算処理手段5によって算出され、位置計測手段2で計測した位置情報に基づいて計算される。具体的には、記憶手段4から画像取得時刻データを読み込むとともに、画像取得時刻の前後の計測時刻データを読み込み、さらにこれらの計測時刻に計測された位置情報(移動体位置データ)を読み込んで、画像取得時刻における位置情報すなわち画像取得位置を計算する。なお厳密には、ここで計算されるのは位置計測手段2(アンテナ部2a)の位置であるが、画像取得手段3とアンテナ部2aは十分接近しているので、これらの離隔は無視することができる。
(Image acquisition position)
As described above, the image acquisition position is a position at which an image is acquired by the image acquisition unit 3, and is an installation position of the image acquisition unit 3 at the time of image acquisition. The image acquisition position is calculated by the arithmetic processing unit 5 and is calculated based on the position information measured by the position measuring unit 2. Specifically, the image acquisition time data is read from the storage unit 4, the measurement time data before and after the image acquisition time is read, and the position information (moving body position data) measured at these measurement times is read, The position information at the image acquisition time, that is, the image acquisition position is calculated. Strictly speaking, what is calculated here is the position of the position measurement means 2 (antenna part 2a), but the image acquisition means 3 and the antenna part 2a are sufficiently close to each other, so these separations should be ignored. Can do.

なお画像取得位置は、上記計算によって求める手法に代えて、画像取得時刻の直近の計測時刻データと移動体位置データを読み込み、これを便宜的に、画像取得時刻における位置情報すなわち画像取得位置とすることもできる。   Note that the image acquisition position is read as the position information at the image acquisition time, that is, the image acquisition position for the sake of convenience, instead of the method obtained by the above calculation, by reading the measurement time data and the moving body position data immediately before the image acquisition time. You can also.

(姿勢の決定)
計測ベクトルVmと基準ベクトルVcは、両者とも画像取得位置から太陽Sまで結ぶベクトルなので、本来ならば一致するはずであるが、図5(a)(b)に示すように、任意座標系で表される計測ベクトルVmと、絶対座標系で表される基準ベクトルVcとは、それぞれ方向が異なっている。これは、移動体1の姿勢に起因するためである。つまり、移動体1の姿勢に対応する任意座標系の各座標軸が、絶対座標系の各座標軸に対して傾いているためであり、換言すれば、任意座標系における計測ベクトルVmの方向余弦Lm,Mm,Nmと、絶対座標系における基準ベクトルVcの方向余弦Lc,Mc,Ncが、異なるためである。
(Determination of posture)
The measurement vector Vm and the reference vector Vc are both vectors that connect from the image acquisition position to the sun S, and should be identical to each other. However, as shown in FIGS. The measured vector Vm and the reference vector Vc expressed in the absolute coordinate system have different directions. This is due to the posture of the moving body 1. That is, each coordinate axis of the arbitrary coordinate system corresponding to the posture of the moving body 1 is inclined with respect to each coordinate axis of the absolute coordinate system. In other words, the direction cosine Lm, This is because the direction cosines Lc, Mc, Nc of the reference vector Vc in the absolute coordinate system are different from Mm, Nm.

任意座標系の各座標軸と、絶対座標系の各座標軸との、ズレ(角度差)を求めれば、任意座標系の各座標軸の傾き、すなわち移動体1の姿勢を求めることができる。任意座標系と絶対座標系との各座標軸の角度差を求める解法については、様々な手法があるが、ここでは以下の手法を例示して説明する。   If the deviation (angle difference) between each coordinate axis of the arbitrary coordinate system and each coordinate axis of the absolute coordinate system is obtained, the inclination of each coordinate axis of the arbitrary coordinate system, that is, the posture of the moving body 1 can be obtained. There are various methods for solving the angle difference between the coordinate axes of the arbitrary coordinate system and the absolute coordinate system. Here, the following method is exemplified and described.

図5(a)に示す任意座標系の原点と、図5(b)に示す絶対座標系の原点を重ね、その上で、任意座標系のxn軸,yn軸,zn軸をそれぞれ回転させながら計測ベクトルVmと基準ベクトルVcの方向をあわせる。このときxn軸,yn軸,zn軸を回転させた量(角度)を算出し、これらの回転量に基づいて移動体1の姿勢を求める。   The origin of the arbitrary coordinate system shown in FIG. 5A is overlapped with the origin of the absolute coordinate system shown in FIG. 5B, and then the xn axis, yn axis, and zn axis of the arbitrary coordinate system are rotated. The directions of the measurement vector Vm and the reference vector Vc are matched. At this time, the amount (angle) obtained by rotating the xn axis, the yn axis, and the zn axis is calculated, and the posture of the moving body 1 is obtained based on these rotation amounts.

任意座標系のxn軸,yn軸,zn軸をそれぞれ回転させながら計測ベクトルVmと基準ベクトルVcの方向をあわせる具体的な手順を、図6(a)〜(c)に基づいて説明する。なお、図6(a)は任意座標系のx軸−y軸をz軸回りにκ’だけ回転させた図で、図6(b)は任意座標系のy軸−z軸をx軸回りにφ’だけ回転させた図で、図6(c)は任意座標系のz軸−x軸をy軸回りにω’だけ回転させた図である。   A specific procedure for aligning the directions of the measurement vector Vm and the reference vector Vc while rotating the xn axis, the yn axis, and the zn axis of the arbitrary coordinate system will be described with reference to FIGS. 6A is a diagram obtained by rotating the x-axis and y-axis of the arbitrary coordinate system by κ ′ about the z-axis, and FIG. 6B is the y-axis of the arbitrary coordinate system about the x-axis. FIG. 6C is a diagram in which the z axis-x axis of the arbitrary coordinate system is rotated by ω ′ around the y axis.

まず図6(a)に示すように、任意座標系のxn0軸−yn0軸を、zn0軸回りにκ’だけ回転させる。このとき、最初の任意座標系xn0軸−yn0軸−zn0軸における計測ベクトルVmの方向余弦をLm0,Mm0,Nm0とすると、zn0軸回りに回転させた後の計測ベクトルVmの方向余弦Lm1,Mm1,Nm1は次式で与えられる。
Lm1=Lm0・cosκ’−Mm0・sinκ’
Mm1=Lm0・sinκ’+Mm0・cosκ’
Nm1=Nm0
First, as shown in FIG. 6A, the xn0 axis-yn0 axis of the arbitrary coordinate system is rotated by κ ′ around the zn0 axis. At this time, if the direction cosine of the measurement vector Vm in the first arbitrary coordinate system xn0 axis-yn0 axis-zn0 axis is Lm0, Mm0, Nm0, the direction cosine Lm1, Mm1 of the measurement vector Vm after being rotated around the zn0 axis , Nm1 is given by the following equation.
Lm1 = Lm0 · cosκ′−Mm0 · sinκ ′
Mm1 = Lm0 · sinκ ′ + Mm0 · cosκ ′
Nm1 = Nm0

次に図6(b)に示すように、任意座標系のyn1軸−zn0軸を、xn1軸回りにφ’だけ回転させる。このとき、xn1軸回りに回転させた後の計測ベクトルVmの方向余弦Lm2,Mm2,Nm2は次式で与えられる。
Lm2=Lm1
Mm2=Mm1・cosφ’−Nm1・sinφ’
Nm2=Mm1・sinφ’+Nm1・cosφ’
Next, as shown in FIG. 6B, the yn1 axis-zn0 axis of the arbitrary coordinate system is rotated by φ ′ around the xn1 axis. At this time, direction cosines Lm2, Mm2, and Nm2 of the measurement vector Vm after being rotated around the xn1 axis are given by the following equations.
Lm2 = Lm1
Mm2 = Mm1 · cos φ′−Nm1 · sin φ ′
Nm2 = Mm1 · sinφ ′ + Nm1 · cosφ ′

最後に図6(c)に示すように、任意座標系のzn1軸−xn1軸を、yn2軸回りにω’だけ回転させる。このとき、yn2軸回りに回転させた後の計測ベクトルVmの方向余弦Lm3,Mm3,Nm3は次式で与えられる。
Lm3=Lm2・cosω’−Nm2・sinω’
Mm3=Mm2
Nm3=Lm2・sinω’+Nm2・cosω’
Finally, as shown in FIG. 6C, the zn1 axis-xn1 axis of the arbitrary coordinate system is rotated by ω ′ around the yn2 axis. At this time, the direction cosines Lm3, Mm3, and Nm3 of the measurement vector Vm after being rotated around the yn2 axis are given by the following equations.
Lm3 = Lm2 · cosω′−Nm2 · sinω ′
Mm3 = Mm2
Nm3 = Lm2 · sin ω ′ + Nm2 · cos ω ′

すなわち、Lm3,Mm3,Nm3を、Lm0,Mm0,Nm0で表すと次式のとおりとなる。
Lm3=[Lm0・cosκ’−Mm0・sinκ’]・cosω’−[(Lm0・sinκ’+Mm0・cosκ’)・sinφ’+Nm0・cosφ’]・sinω’
Mm3=[Lm0・sinκ’+Mm0・cosκ’]・cosφ’−Nm0・sinφ’
Nm3=[Lm0・cosκ’−Mm0・sinκ’]・sinω’+[(Lm0・sinκ’+Mm0・cosκ’)・sinφ’+Nm0・cosφ’]・cosω’
That is, when Lm3, Mm3, and Nm3 are represented by Lm0, Mm0, and Nm0, the following equation is obtained.
Lm3 = [Lm0 · cosκ′−Mm0 · sinκ ′] · cosω ′ − [(Lm0 · sinκ ′ + Mm0 · cosκ ′) · sinφ ′ + Nm0 · cosφ ′] · sinω ′
Mm3 = [Lm0 · sinκ ′ + Mm0 · cosκ ′] · cosφ′−Nm0 · sinφ ′
Nm3 = [Lm0 · cosκ′−Mm0 · sinκ ′] · sinω ′ + [(Lm0 · sinκ ′ + Mm0 · cosκ ′) · sinφ ′ + Nm0 · cosφ ′] · cosω ′

図6(c)で、回転後の任意座標系xn2軸−yn2−zn2軸における計測ベクトルVmのLm3,Mm3,Nm3と、絶対座標系における基準ベクトルVcの方向余弦Lc,Mc,Ncを一致させて得られる解κ’,φ’,ω’が、すなわち任意座標系と絶対座標系との各座標軸の角度差である。そして、絶対座標系のXa軸からκ’だけ回転させたものをxn軸、Ya軸からφ’だけ回転させたものをyn軸、Za軸からω’だけ回転させたものをzn軸とする。yn軸の方向(水平面に投影した方向)を、移動体1の移動中に2点以上計測した位置情報から求めた方位に合わせて、xn軸−yn軸−zn軸を決定する。ここで決定されたxn軸−yn軸−zn軸と、移動体1の方位κ、yn軸と水平面(絶対座標系のXa軸−Ya軸からなる平面)との角度φ、zn軸と水平面との角度ω、に基づいて移動体1の姿勢が求められる。 In FIG. 6C, Lm3, Mm3, Nm3 of the measurement vector Vm in the arbitrary coordinate system xn2 axis-yn2-zn2 axis after rotation and the direction cosines Lc, Mc, Nc of the reference vector Vc in the absolute coordinate system are matched. The solutions κ ′, φ ′, ω ′ obtained in this way, that is, the angle difference between the coordinate axes of the arbitrary coordinate system and the absolute coordinate system. Then, an axis rotated by κ ′ from the Xa axis of the absolute coordinate system is taken as an xn axis, an axis rotated by φ ′ from the Ya axis is taken as an yn axis, and an axis rotated by ω ′ from the Za axis is taken as a zn axis. The xn axis−yn axis−zn axis is determined by matching the direction of the yn axis (the direction projected on the horizontal plane) with the orientation obtained from the position information measured at two or more points during the movement of the moving body 1. Xn axis−yn axis−zn axis determined here, and the angle φ, zn axis, and horizontal plane between the azimuth κ and yn axis of the moving body 1 and the horizontal plane (plane consisting of Xa axis−Ya axis of the absolute coordinate system) Of the moving body 1 is obtained based on the angle ω.

(応用例)
上記のとおり決定された移動体1の姿勢は、空中写真測量やレーザー計測など航空機によって計測を実施する場合に、撮影方向やレーザーの照射方向を把握するに用いることができるほか、図2に示すように、外部出力端子8を設け、リアルタイムで外部装置を制御することもできる。ここで外部装置とは、例えば移動体1の運行姿勢を制御する装置であり、あるいは移動体1に積載した荷物等の姿勢を制御する装置などである。
(Application examples)
The orientation of the moving body 1 is determined as described above, when carrying out the measurement by the aircraft, such as aerial photogrammetry and laser measurement, in addition to be able to be used for grasping the irradiation direction of the photographing direction and the laser, Figure 2 As shown, an external output terminal 8 can be provided to control an external device in real time. Here, the external device is, for example, a device that controls the operation posture of the mobile body 1, or a device that controls the posture of a load loaded on the mobile body 1.

被写地物の移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置は、航空機や船舶の運航制御や、航空写真測量やレーザー計測などの計測作業、その他、水平姿勢を維持する必要のある薬品等の輸送など、様々な分野で応用可能な発明である。   The moving object attitude determination method, moving object attitude determination program, and moving object attitude determination device of the subject feature are used for aircraft and ship operation control, measurement work such as aerial photogrammetry and laser measurement, etc. This invention can be applied in various fields such as transportation of chemicals and the like that need to maintain their posture.

1 移動体
2 位置計測手段
2a (位置計測手段の)アンテナ部
2b (位置計測手段の)レシーバ部
3 画像取得手段
4 記憶手段
5 演算処理手段
6 減光フィルタ
7 プラットフォーム
8 外部出力端子
S 太陽
Xa (絶対座標系の)x軸
Ya (絶対座標系の)y軸
Za (絶対座標系の)x軸
xn (任意座標系の)x軸
yn (任意座標系の)y軸
zn (任意座標系の)x軸
Vc 基準ベクトル
Lc (基準ベクトルとXa軸の)方向余弦
Mc (基準ベクトルとYa軸の)方向余弦
Nc (基準ベクトルとZa軸の)方向余弦
Vm 計測ベクトル
Lm (計測ベクトルとxn軸の)方向余弦
Mm (計測ベクトルとyn軸の)方向余弦
Nm (計測ベクトルとzn軸の)方向余弦
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mobile body 2 Position measurement means 2a Antenna part 2b (of position measurement means) Receiver part 3b (of position measurement means) 3 Image acquisition means 4 Storage means 5 Arithmetic processing means 6 Neutral filter 7 Platform 8 External output terminal S Sun Xa ( X axis in absolute coordinate system Ya (in absolute coordinate system) y axis Za (in absolute coordinate system) x axis xn (in arbitrary coordinate system) x axis yn (in arbitrary coordinate system) y axis zn (in arbitrary coordinate system) x-axis Vc reference vector Lc (reference vector and Xa-axis) direction cosine Mc (reference vector and Ya-axis) direction cosine Nc (reference vector and Za-axis) direction cosine Vm measurement vector Lm (measurement vector and xn-axis) Direction cosine Mm Direction cosine (measurement vector and yn axis) Nm Direction cosine (measurement vector and zn axis)

Claims (6)

移動中の移動体の姿勢を決定する方法であって、
前記移動体に搭載された位置計測手段によって、移動中に2回以上、移動体位置を計測し、
前記移動体に搭載された画像取得手段によって、移動中に、太陽を含む画像を取得するとともに、画像を取得した画像取得時刻を取得し、
計測された2以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を算出し、
計測された前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を求め、
前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、
前記移動体の姿勢に合わせた座標軸であって、前記画像取得位置を原点とし、該移動体の進行方向をyn軸とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求め、
水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対 座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求め、
前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差を算出しさらに前記任意座標軸のうち前記yn軸を前記移動方位に合わせて決定した前記任意座標軸に基づいて、前記移動体の姿勢を算出することを特徴とする移動体姿勢の決定方法。
A method of determining the posture of a moving object that is moving,
By measuring the position of the moving body twice or more during movement by the position measuring means mounted on the moving body,
While acquiring the image including the sun during movement by the image acquisition means mounted on the moving body, acquire the image acquisition time when the image was acquired,
Based on the two or more measured positions of the moving body, the moving direction of the moving body is calculated,
Based on the measured said mobile location, it obtains the image acquisition position is a position of the moving body at the time of acquiring an image,
Extracting the sun position in the image based on the brightness of the image,
The coordinate axis is adapted to the posture of the moving body, the image acquisition position is the origin, and an arbitrary coordinate system is provided in which the traveling direction of the moving body is the yn axis, and based on the sun position in the image, Find the measurement vector from the origin of the arbitrary coordinate system toward the sun,
An absolute coordinate system having a coordinate plane composed of a horizontal plane and a vertical axis and having the image acquisition position as an origin is provided, and a reference vector directed from the origin of the absolute coordinate system to the sun based on the image acquisition position and the image acquisition time Seeking
Wherein with combining the measurement vector and the reference vector, calculates the angle difference of the arbitrary coordinate axis absolute coordinate, further based on the arbitrary coordinate axes the yn axis was determined according to the moving direction of said arbitrary coordinate axis, the A method for determining a posture of a moving body, comprising calculating the posture of the moving body.
請求項1記載の移動体姿勢の決定方法において、
位置計測手段によって、移動体位置を計測するとともに、その計測時刻を取得し、
計測された前記移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を算出することを特徴とする移動体姿勢の決定方法。
In the determination method of the mobile body posture of Claim 1,
The position measurement means measures the position of the moving body and acquires the measurement time,
A method of determining a mobile body posture, wherein an image acquisition position is calculated based on the measured mobile body position and the measurement time and image acquisition time.
移動中の移動体の姿勢を決定するプログラムであって、
前記移動体に搭載された位置計測手段によって移動中に計測された、2以上の移動体位置を読み込む機能と、
前記移動体に搭載された画像取得手段によって移動中に取得された太陽を含む画像と、画像を取得した画像取得時刻と、を読み込む機能と、
前記2以上の移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を算出する機能と、
前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を求める機能と、
前記画像の輝度に基づいて、画像中における太陽位置を抽出する機能と、
前記移動体の姿勢に合わせた座標軸であって、前記画像取得位置を原点とし、該移動体の進行方向をyn軸とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求める機能と、
水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求める機能と、
前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差を算出しさらに前記任意座標軸のうち前記yn軸を前記移動方位に合わせて決定した前記任意座標軸に基づいて、前記移動体の姿勢を算出する機能と、をコンピュータに実行させることを特徴とする移動体姿勢の決定プログラム。
A program for determining the posture of a moving moving object,
A function of reading two or more moving body positions measured during movement by the position measuring means mounted on the moving body;
A function of reading an image including the sun acquired during movement by the image acquisition means mounted on the moving body, and an image acquisition time when the image was acquired;
Based on the two or more mobile location, a function of calculating a moving direction of the movable body,
On the basis of the moving body position, the function of obtaining the image acquisition position is a position of the moving body at the time of acquiring an image,
A function of extracting the sun position in the image based on the brightness of the image;
The coordinate axis is adapted to the posture of the moving body, the image acquisition position is the origin, and an arbitrary coordinate system is provided in which the traveling direction of the moving body is the yn axis, and based on the sun position in the image, A function for obtaining a measurement vector from the origin of an arbitrary coordinate system toward the sun,
Provided is an absolute coordinate system that is a coordinate axis composed of a horizontal plane and a vertical axis and that has the image acquisition position as an origin, and a reference vector from the origin of the absolute coordinate system toward the sun based on the image acquisition position and the image acquisition time The function to ask for
Matching the measurement vector and the reference vector , calculating an angle difference between the arbitrary coordinate axis and the absolute coordinate axis, and further, based on the arbitrary coordinate axis determined according to the movement direction, the yn axis among the arbitrary coordinate axes, A program for determining a moving body posture, which causes a computer to execute a function of calculating the posture of the moving body.
請求項3記載の移動体姿勢の決定プログラムにおいて、
位置計測手段によって移動中に計測された計測時刻を、読み込む機能と、
移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を求める機能と、をコンピュータに実行させることを特徴とする移動体姿勢の決定プログラム。
In the moving body posture determination program according to claim 3,
A function to read the measurement time measured while moving by the position measurement means;
A program for determining a mobile body posture, which causes a computer to execute a function of obtaining an image acquisition position based on a mobile body position and a measurement time and an image acquisition time thereof.
移動中の移動体の姿勢を決定する装置であって、
前記移動体に搭載され、移動中に太陽を含む画像を取得し、その画像を取得した 画像取得時刻を取得し得る、画像取得手段と、
前記移動体に搭載され、移動中に移動体位置を計測し得る、位置計測手段と、
前記画像と、前記画像取得時刻と、前記移動体位置と、を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段から、前記画像と前記画像取得時刻と前記移動体位置と、を読み込んで演算処理を行う演算処理手段と、を備え、
前記演算処理手段は、
2以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を計算するとともに、前記画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を計算し、
前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、
前記移動体の姿勢に合わせた座標軸であって、前記画像取得位置を原点とし、該移動体の進行方向をyn軸とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを計算し、
水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを計算し、
前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差を算出しさらに前記任意座標軸のうち前記yn軸を前記移動方位に合わせて決定した前記任意座標軸に基づいて、前記移動体の姿勢を計算することを特徴とする移動体姿勢の決定装置。
An apparatus for determining the posture of a moving body that is moving,
An image acquisition means mounted on the moving body, capable of acquiring an image including the sun during movement, and acquiring an image acquisition time at which the image was acquired;
Position measuring means mounted on the moving body and capable of measuring the moving body position during movement;
Storage means for storing the image, the image acquisition time, and the moving body position;
Arithmetic processing means for reading the image, the image acquisition time, and the moving body position from the storage means and performing arithmetic processing;
The arithmetic processing means includes:
2 or more on the basis of the moving body position of, as well as calculating a moving direction of the movable body, and calculates the image obtaining positions is the position of the moving body at the time of acquiring the image,
Extracting the sun position in the image based on the brightness of the image,
The coordinate axis is adapted to the posture of the moving body, the image acquisition position is the origin, and an arbitrary coordinate system is provided in which the traveling direction of the moving body is the yn axis, and based on the sun position in the image, Calculate the measurement vector from the origin of the arbitrary coordinate system toward the sun,
Provided is an absolute coordinate system that is a coordinate axis composed of a horizontal plane and a vertical axis and that has the image acquisition position as an origin, and a reference vector from the origin of the absolute coordinate system toward the sun based on the image acquisition position and the image acquisition time Calculate
Wherein with combining the measurement vector and the reference vector, calculates the angle difference of the arbitrary coordinate axis absolute coordinate, further based on the arbitrary coordinate axes the yn axis was determined according to the moving direction of said arbitrary coordinate axis, the A moving body posture determining apparatus, characterized by calculating a posture of a moving body.
請求項5記載の移動体姿勢の決定装置において、
位置計測手段は、計測された計測時刻を取得し、
記憶手段は、前記計測時刻を記憶し、
演算処理手段は、記憶手段から前記計測時刻を読み込んで、移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を計算することを特徴とする移動体姿勢の決定装置。
In the moving body attitude | position determination apparatus of Claim 5,
The position measuring means acquires the measured measurement time,
The storage means stores the measurement time,
The arithmetic processing means reads the measurement time from the storage means, and calculates the image acquisition position based on the mobile object position and the measurement time and image acquisition time. .
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