JP6151902B2 - 写真計測用カメラ及び航空写真装置 - Google Patents

Description

本発明は小型飛行体に設けられる写真計測用カメラ及び該写真計測用カメラを備えた航空写真装置に関するものである。

近年、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ：無人飛行体）の進歩に伴い、ＵＡＶに写真計測用カメラを搭載し、ＵＡＶを用いた上空からの監視、観察が可能となった。

例えば、農作物の観察を行う場合、広範囲の包括観察と特定された場所の局部観察が必要である。写真計測用カメラを搭載したＵＡＶにより包括観察を行う場合、包括観察は農作物全体の観察であり、所定の高度に維持して撮影が行われ、局部観察は病状等の観察を行う観察であり、低空飛行で対象物に対して接近した状態で行われなければならない。

この為、ＵＡＶと農作物とが接触する可能性がある。ＵＡＶと観察対象物との接触を避けるには、農作物とＵＡＶとの距離を測定しつつ飛行するのが望まれるが、距離測定は農作物の先端に対して実行される必要があり、又農作物の揺れ等も考慮しなければならない。

又、農作物の観察では成長調査の用途があり、成長状態を観察するには、農作物の高さを測定する必要がある。更に、再観察を行い、成長状態の比較を行うには、測定対象が同一である必要があり、測定対象の正確な位置情報も必要となる。

従来の航空写真を用いた監視、観察は、包括観察が一般的であり、局部観察、或は再観察の為の、特定箇所の正確な位置情報を取得することは行われていなかった。

特開平８−２８５５８８号公報 特開２０１０−３８８２２号公報 特開２００６−１０３７６号公報 特開２００６−１８５４９号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、包括観察を行うと共に局部観察を行い、或は包括観察を行うと共に特定箇所の正確な位置情報の取得を可能とした写真計測用カメラ又は航空写真装置を提供するものである。

本発明は、ジンバルを介して任意の方向に傾斜自在に支持されたシャフトフレームと、該シャフトフレームの上端に設けられたＧＰＳアンテナを有するＧＰＳ装置と、前記シャフトフレームの下端に設けられると共に前記ＧＰＳアンテナと既知の関係に設けられた撮像部と、該撮像部の撮像を制御する制御装置とを有し、前記撮像部は、主カメラと、該主カメラと既知の位置にあり、該主カメラの光軸と平行な光軸を有する一対のカメラからなるステレオカメラとを有し、前記主カメラ及び前記ステレオカメラの光軸が常に鉛直となる様に前記シャフトフレームに支持され、前記制御装置は前記主カメラにより測定対象の観察画像を取得すると共に前記ステレオカメラにより、ステレオ画像を取得し、該ステレオ画像に基づき測定対象迄の距離を測定すると共に前記ＧＰＳ装置により測定位置を取得する様構成した写真計測用カメラに係るものである。

又本発明は、前記主カメラ及び前記ステレオカメラは一体的に設けられると共に水平軸心を中心に又前記シャフトフレームの軸心を中心に回転可能に前記シャフトフレームに設けられ、前記主カメラ及び前記ステレオカメラは水平方向、高低方向の２方向に一体的に回転可能に構成された写真計測用カメラに係るものである。

又本発明は、前記シャフトフレームは伸縮可能な副シャフトを有し、前記主カメラ、前記ステレオカメラは前記副シャフトに設けられた写真計測用カメラに係るものである。

又本発明は、前記ジンバルにアタッチメント機能を付加し、該ジンバルを介して他の装置に追加設置可能とした写真計測用カメラに係るものである。

又本発明は、写真装置本体の光軸と鉛直線との角度を検出する傾斜センサを更に具備し、前記制御装置は前記傾斜センサの検出結果に基づき撮像時の撮像位置を補正する写真計測用カメラに係るものである。

又本発明は、飛行体と、上記いずれかの写真計測用カメラとを具備する航空写真装置であって、前記飛行体は、中心部に配置された主フレームと、該主フレームにプロペラフレームを介して設けられた所定数のプロペラユニットとを具備し、前記写真計測用カメラは前記主フレームに、該主フレームの中心を上下に貫通する様に設けられると共に前記写真計測用カメラに作用する重力で該写真計測用カメラの光軸が鉛直方向に向く様に設定された航空写真装置に係るものである。

又本発明は、写真装置本体は、方位センサ、ジャイロユニット及び前記方位センサ、前記ジャイロユニットからの信号に基づき前記プロペラユニットを制御する飛行制御部を具備し、前記飛行体は自律飛行可能に構成された航空写真装置に係るものである。

本発明によれば、ジンバルを介して任意の方向に傾斜自在に支持されたシャフトフレームと、該シャフトフレームの上端に設けられたＧＰＳアンテナを有するＧＰＳ装置と、前記シャフトフレームの下端に設けられると共に前記ＧＰＳアンテナと既知の関係に設けられた撮像部と、該撮像部の撮像を制御する制御装置とを有し、前記撮像部は、主カメラと、該主カメラと既知の位置にあり、該主カメラの光軸と平行な光軸を有する一対のカメラからなるステレオカメラとを有し、前記主カメラ及び前記ステレオカメラの光軸が常に鉛直となる様に前記シャフトフレームに支持され、前記制御装置は前記主カメラにより測定対象の観察画像を取得すると共に前記ステレオカメラにより、ステレオ画像を取得し、該ステレオ画像に基づき測定対象迄の距離を測定すると共に前記ＧＰＳ装置により測定位置を取得する様構成したので、前記ＧＰＳアンテナと前記撮像部とが機械的に固定され、更に既知の関係が保たれ、前記ＧＰＳ装置により取得した位置情報に基づき撮像位置が直ちに特定できる。

又本発明によれば、前記主カメラ及び前記ステレオカメラは一体的に設けられると共に水平軸心を中心に又前記シャフトフレームの軸心を中心に回転可能に前記シャフトフレームに設けられ、前記主カメラ及び前記ステレオカメラは水平方向、高低方向の２方向に一体的に回転可能に構成されたので、同一地点で、方向の異なる画像を容易に取得できる。

又本発明によれば、前記シャフトフレームは伸縮可能な副シャフトを有し、前記主カメラ、前記ステレオカメラは前記副シャフトに設けられたので、高さの異なる画像を写真計測用カメラの位置を変えることなく容易に取得することができる。

又本発明によれば、前記ジンバルにアタッチメント機能を付加し、該ジンバルを介して他の装置に追加設置可能としたので、既存の装置に追加設備することが容易である。

又本発明によれば、写真装置本体の光軸と鉛直線との角度を検出する傾斜センサを更に具備し、前記制御装置は前記傾斜センサの検出結果に基づき撮像時の撮像位置を補正するので、前記写真装置本体が外力で傾斜した場合にも撮影位置の補正ができる。

又本発明によれば、飛行体と、上記いずれかの写真計測用カメラとを具備する航空写真装置であって、前記飛行体は、中心部に配置された主フレームと、該主フレームにプロペラフレームを介して設けられた所定数のプロペラユニットとを具備し、前記写真計測用カメラは前記主フレームに、該主フレームの中心を上下に貫通する様に設けられると共に前記写真計測用カメラに作用する重力で該写真計測用カメラの光軸が鉛直方向に向く様に設定されたので、測定対象との位置を測定しつつ、容易に航空写真計測が行える画像を取得することができる。

又本発明によれば、写真装置本体は、方位センサ、ジャイロユニット及び前記方位センサ、前記ジャイロユニットからの信号に基づき前記プロペラユニットを制御する飛行制御部を具備し、前記飛行体は自律飛行可能に構成されたので、任意の範囲で容易に航空写真計測が行える画像を取得することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る航空写真装置の概略を示す斜視説明図である。 同前航空写真装置の概略断面図である。 該航空写真装置の概略の構成を示すブロック図である。 （Ａ）は本実施例に於いて飛行体が傾いた状態での飛行体と写真計測用カメラとの関係を示す説明図であり、（Ｂ）は従来例に於いて飛行体が傾いた状態での飛行体と写真計測用カメラとの関係を示す説明図である。 前記航空写真装置による農作物の局部観察の状態を示す説明図であり、（Ａ）は低空での局部観察の図、（Ｂ）は写真計測用カメラのみ降下させ、水平方向からの局部観察の図、（Ｃ）は距離測定結果を画像に重合せて表示した場合の図である。 航空写真計測の原理を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１、図２は写真計測用カメラを搭載した航空写真装置を示している。

図１、図２中、１は飛行体、２は該飛行体１に搭載された写真計測用カメラを示している。

先ず、前記飛行体１について説明する。

該飛行体１は機体３を有し、該機体３は放射状に延出する複数で且つ偶数のプロペラフレーム４を有し、各プロペラフレーム４の先端にプロペラユニットが設けられる。該プロペラユニットは、前記プロペラフレーム４の先端に取付けられたプロペラモータ５と、該プロペラモータ５の出力軸に取付けられたプロペラ６により構成される。前記プロペラモータ５により前記プロペラ６が回転され、前記飛行体１が飛行する様になっている。

前記機体３は中心に、中空円筒状の主フレーム７を有し、該主フレーム７の上端には外方に向って延出する外フランジ８、下端には中心に向って延出する内フランジ９が設けられている。該内フランジ９の中心部には、円形の孔１０が形成される。

前記プロペラフレーム４は棒状であり、前記主フレーム７の軸心と直交する平面内に配設され、水平方向に等角度間隔で所定数（少なくとも４本、好ましくは８本、図示では８本（４ａ〜４ｈ）を示している）設けられている。前記プロペラフレーム４の内端部は、前記主フレーム７を貫通すると共に前記外フランジ８に固着されている。

前記主フレーム７を上下に貫通する様に、写真計測用カメラ２が設けられ、該写真計測用カメラ２は前記主フレーム７に対し、任意の方向に揺動自在となっている。

以下、写真計測用カメラ２について説明する。

前記写真計測用カメラ２は、上下に延出し、伸縮可能なシャフトフレーム１１と該シャフトフレーム１１の上端に設けられたＧＰＳアンテナ１２、前記シャフトフレーム１１の下端に設けられた撮像部２４を有している。

前記シャフトフレーム１１は前記孔１０を貫通し、前記シャフトフレーム１１の軸心は前記主フレーム７の軸心と同心である。前記内フランジ９に防振部材１５を介してジンバル１４が設けられる。該ジンバル１４は、前記孔１０と同心であり、前記シャフトフレーム１１は前記ジンバル１４を介して前記主フレーム７に支持される。

前記ジンバル１４は直交する２方向の揺動軸１６ａ，１６ｂを有し、前記シャフトフレーム１１を直交する２方向（即ち、任意な方向）に揺動自在に支持される。前記防振部材１５は、前記プロペラモータ５、前記プロペラ６が回転した際の振動を吸収し、振動が前記シャフトフレーム１１に伝達されない様にしている。

前記ジンバル１４の下方に配置された写真装置本体１３が、前記シャフトフレーム１１に設けられる。前記写真装置本体１３は主に、制御装置１９、撮像部２４及びＧＰＳ受信器２５から構成される。

前記シャフトフレーム１１の前記ジンバル１４より下方の所要位置、例えば前記写真装置本体１３の下端に、カメラ姿勢駆動部４１が設けられる。

前記シャフトフレーム１１は、下方に向って伸縮する副シャフト１１′を有し、前記撮像部２４は前記副シャフト１１′の下端に設けられている。

前記カメラ姿勢駆動部４１は、前記副シャフト１１′を伸縮（昇降）させると共に、該副シャフト１１′を該副シャフト１１′の軸心を中心に回転させる様構成されている。

前記撮像部２４は静止画像、動画像を取得可能な主カメラ３０とステレオカメラ３１を有する。後述する様に、該ステレオカメラ３１は距離測定手段として機能する。

前記副シャフト１１′の下端にはカメラフレーム４２が固定され、該カメラフレーム４２に水平な軸４３を介して前記主カメラ３０が回転可能に設けられる。前記軸４３の両端部は前記カメラフレーム４２より更に延出し、前記軸４３の両端にそれぞれ静止画を撮影する副カメラ４４，４５が設けられている。該副カメラ４４，４５の性能は同一又は同等であると共に、両光軸は平行であり、又両光軸間の距離は既知となっている。該副カメラ４４，４５は前記ステレオカメラ３１を構成する。

前記主カメラ３０の光軸と、前記副カメラ４４，４５の光軸とは平行であり、前記主カメラ３０の光軸と、前記副カメラ４４，４５の光軸及び前記軸４３の軸心との関係は既知となっており、好ましくは、前記主カメラ３０，前記副カメラ４４，４５の光軸、及び前記軸４３は同一平面内に存在する。又、前記副カメラ４４，４５の両光軸は、前記主カメラ３０の光軸に対して対称な位置となっている。

前記主カメラ３０、前記副カメラ４４，４５は、前記軸４３を介して一体化され、該軸４３を中心に一体に回転可能に支持されている。該軸４３は、前記カメラ姿勢駆動部４１によって水平軸心を中心に回転され、前記主カメラ３０、前記副カメラ４４，４５は、前記カメラ姿勢駆動部４１によって前記軸４３を介して一体的に回転可能となっている。

従って、前記主カメラ３０、前記副カメラ４４，４５は、前記カメラ姿勢駆動部４１によって前記軸４３を中心に高低方向に回転され、前記副シャフト１１′を中心に水平方向に回転され、前記副シャフト１１′の軸心方向に移動され、３軸方向に姿勢が制御される構成となっている。

又、前記カメラ姿勢駆動部４１には、前記副シャフト１１′の上下方向の変位を検出する上下変位検出器４６（図３参照）、前記副シャフト１１′の水平回転角を検出する水平角度検出器４７（図３参照）及び前記軸４３の高低角を検出する高低角検出器４８（図３参照）が設けられている。前記上下変位検出器４６、前記水平角度検出器４７、前記高低角検出器４８の検出信号は、それぞれ前記制御装置１９に送出される。

前記写真装置本体１３、前記カメラ姿勢駆動部４１は、バランスウェイトとして機能し、前記写真計測用カメラ２に外力が作用しない状態では、前記シャフトフレーム１１は鉛直な状態となる。

又、該シャフトフレーム１１が鉛直な状態で、前記主カメラ３０を該主カメラ３０の光軸が鉛直となる様に該主カメラ３０の位置を決定すると、前記主カメラ３０の光軸と前記シャフトフレーム１１の軸心とは平行になり、又好ましくは前記主カメラ３０の光軸と前記シャフトフレーム１１の軸心とは合致する様になっている。尚、前記主カメラ３０の光軸と前記シャフトフレーム１１の軸心とが平行となる場合は、前記光軸と前記シャフトフレーム１１の軸心との距離、離反する方向が既知である等、両者の関係は既知となっている。

前記プロペラフレーム４と前記シャフトフレーム１１との間には、ダンパバネ１７が掛渡されている。該ダンパバネ１７は少なくとも３、好ましくは４本設けられ、前記ダンパバネ１７は前記揺動軸１６ａと平行に延出する前記プロペラフレーム４，４及び前記揺動軸１６ｂと平行に延出する前記プロペラフレーム４，４と前記シャフトフレーム１１との間にそれぞれ設けられることが好ましい。

又、４本の前記ダンパバネ１７は、それぞれ前記シャフトフレーム１１と前記プロペラフレーム４間に張力を作用させており、前記飛行体１が水平姿勢（前記プロペラフレーム４が水平な状態）で、張力のバランスにより前記シャフトフレーム１１が鉛直状態を保つ様に設定されている。又、前記ダンパバネ１７の張力、バネ定数は小さく設定されており、前記機体３が傾いた場合に、前記写真装置本体１３に作用する重力で前記シャフトフレーム１１が鉛直方向に向く様になっている。

前記写真計測用カメラ２の所要位置、例えば図２に示される様に、前記写真装置本体１３の上面に傾斜センサ３７が設けられる。該傾斜センサ３７は、前記シャフトフレーム１１が鉛直に対して傾斜した場合、鉛直線と前記シャフトフレーム１１の軸心との角度を検出するものであり、該傾斜センサ３７の検出結果は前記制御装置１９に送出される。

尚、前記ダンパバネ１７は、前記シャフトフレーム１１を鉛直な状態に付勢する付勢手段であり、前記シャフトフレーム１１が揺動、振動した場合に、迅速に鉛直状態に復帰させるものであり、振動を減衰させるものである。又、付勢手段としては、上記したダンパバネ１７の他に前記ジンバル１４の揺動軸１６ａ，１６ｂが回転した場合に、復帰方向に回転させる捩りコイルバネとしてもよい。

前記写真装置本体１３の概略を、図３を参照して説明する。

前記写真装置本体１３は、主に前記制御装置１９、前記撮像部２４、前記ＧＰＳ受信器２５から構成される。又、該ＧＰＳ受信器２５及び前記ＧＰＳアンテナ１２によって高精度なＧＰＳ装置２５′が構成される。

又、前記制御装置１９は、主に制御演算部２０、クロック信号発生部２１、記憶部２２、撮像制御部２３、飛行制御部２６、方位センサ２７、ジャイロユニット２８、無線通信部２９、測定部３８、カメラ姿勢制御部４９を具備する。

前記撮像部２４は、主カメラ３０、ステレオカメラ３１を有し、該ステレオカメラ３１は前記副カメラ４４，４５によって構成される。

前記主カメラ３０は、撮像素子として画素（ピクセル）の集合体であるＣＣＤ或は、ＣＭＯＳセンサ等を有し、静止画及び動画を撮像可能であり、取得した画像はデジタル信号の画像データとして出力可能である。

前記ステレオカメラ３１（前記副カメラ４４，４５）は、撮像素子としてＣＣＤ或は、ＣＭＯＳセンサ等を有し、静止画を撮像可能であり、取得した画像はデジタル信号の画像データとして出力可能である。前記副カメラ４４，４５の光軸間距離は既知であり、又前記主カメラ３０との位置関係も既知となっている。

前記シャフトフレーム１１は前記ジンバル１４と、前記写真装置本体１３及び前記カメラ姿勢駆動部４１に作用する重力によって、前記飛行体１の姿勢に拘らず常に鉛直となる。従って、前記撮像部２４の姿勢が設定されると、設定された姿勢が常に維持される。例えば、前記撮像部２４の光軸が鉛直になる様に、該撮像部２４の姿勢が設定されると、前記飛行体１の姿勢に拘らず前記撮像部２４の光軸は、常に鉛直となる。

尚、前記主カメラ３０に静止画カメラと前記動画カメラとを兼用させたが、静止画カメラと前記動画カメラとを個別に設けてもよい。

前記記憶部２２には、プログラム格納部とデータ格納部とが形成され、プログラム格納部には前記主カメラ３０、前記ステレオカメラ３１の撮像を制御する為の撮像プログラム、前記プロペラモータ５を駆動制御する為、又自律飛行する為の飛行制御プログラム、前記ステレオカメラ３１よって測距を行う為の測定プログラム、前記撮像部２４の姿勢を制御する為の姿勢制御プログラム、取得したデータを遠隔操作装置（図示せず）に送信し、又該遠隔操作装置からの飛行指令等を受信する為の通信プログラム、前記撮像部２４で取得したデータを処理して格納する為のデータ処理プログラム、飛行計画プログラム等のプログラムが格納されている。

前記データ格納部には、前記撮像部２４で取得した画像データ、前記ＧＰＳ装置２５′（前記ＧＰＳアンテナ１２及び前記ＧＰＳ受信器２５）によって取得した絶対座標（地表座標）、前記主カメラ３０で取得した静止画像データ、前記ステレオカメラ３１で取得したステレオ画像データ、ステレオ画像に基づき距離測定した測定データ等が格納される。

前記制御演算部２０は、前記記憶部２２に格納されたプログラムに基づき、飛行、画像取得、測定する為に必要な制御、演算を実行する。

前記撮像制御部２３は、前記主カメラ３０、前記ステレオカメラ３１の撮像に関する制御を行う。前記主カメラ３０により任意の時に静止画、動画を撮像可能であり、又前記主カメラ３０と前記ステレオカメラ３１とは前記クロック信号発生部２１から発せられるクロック信号に基づき同期制御される。

前記ＧＰＳ装置２５′は飛行体１の絶対座標を高精度に測定する。尚、高精度なＧＰＳ装置２５′としては、後処理キネマティックＧＰＳ若しくはリアルタイムキネマティックＧＰＳ（ＲＴＫ−ＧＰＳ）が用いられるのが好ましい。ＲＴＫ−ＧＰＳは、高精度の測定が可能であり、該ＲＴＫ−ＧＰＳ装置の測定精度は、地表で数ｃｍとなっている。

前記方位センサ２７、前記ジャイロユニット２８は前記主フレーム７に設けられ、前記方位センサ２７は前記飛行体１の向きを検出し、前記ジャイロユニット２８は前記飛行体１の飛行状態での姿勢を検出する。

前記主カメラ３０はデジタルカメラであり、静止画像を取得し、或は連続画像（動画像）を取得する。前記ステレオカメラ３１（前記副カメラ４４，４５）はそれぞれデジタルカメラであり、いずれも画像データとしてデジタル画像データを出力する。前記主カメラ３０で取得された画像、前記ステレオカメラ３１で取得された画像は、時間、位置データと関連付けて前記記憶部２２に格納される。

前記無線通信部２９は、図示しない無線操縦機で飛行体１の飛行が遠隔操作される場合に、操縦信号を受信し、或は前記撮像部２４で撮像した画像データ、測定データ、画像を取得した位置データ等を地上側の基地局（図示せず）に送信する等の機能を有する。

尚、前記ＧＰＳアンテナ１２の基準位置（信号を受信する位置）と前記主カメラ３０及び前記ステレオカメラ３１の基準位置（例えば受光素子の中心）とは既知の関係となっている。又、前記ＧＰＳアンテナ１２の基準位置と前記主カメラ３０、前記ステレオカメラ３１の基準位置との関係は、前記写真計測用カメラ２を製作する際のＧＰＳアンテナ１２と主カメラ３０、ステレオカメラ３１の機械的な位置関係から既知としてもよく、或は製作後画像を取得し、画像上から位置関係を既知としてもよい。

尚、前記ジンバル１４にアタッチメント機能を付加し、該ジンバル１４を介して他の部位、他の装置に取付け可能とすれば、市販の飛行体１に写真計測用カメラ２を追加設置することもできる。

以下、本実施例に係る航空写真装置の作動について説明する。

前記飛行体１の飛行を制御する場合、２つのプロペラモータ５を１組としてプロペラの駆動を制御する。例えば、プロペラモータ５ａ，５ｂ、プロペラモータ５ｃ，５ｄ、プロペラモータ５ｅ，５ｆ、プロペラモータ５ｇ，５ｈをそれぞれ１組として、プロペラ６ａ，６ｂ、プロペラ６ｃ，６ｄ、プロペラ６ｅ，６ｆ、プロペラ６ｇ，６ｈの回転駆動を個別に制御する。

例えば、前記プロペラモータ５ａ〜５ｈを均等に駆動し、前記プロペラ６ａ〜６ｈの回転による推力を同じに制御すれば、前記飛行体１は垂直に上昇する。

又、水平方向に飛行（移動）させる場合、例えば図４（Ａ）に示される様に、図中左方に移動させる場合は、前記プロペラモータ５ｅ，５ｆを増速回転させ、前記プロペラ６ｅ，６ｆの推力を、前記プロペラ６ａ，６ｂより増大させると、前記飛行体１が傾斜し、推力は斜め下方に作用するので、水平分力が発生して前記飛行体１が水平方向に移動する。

又、撮影を開始した状態は、前記飛行体１は高高度で飛行し、包括観察の為の撮影が行われる。又、前記飛行体１の位置は、前記ＧＰＳ装置２５′によって測定される。又、包括観察の状態では前記飛行体１の高さ位置も前記ＧＰＳ装置２５′で取得したものが用いられる。

測定の初期状態では前記撮像部２４の光軸は鉛直に維持される。即ち、前記カメラ姿勢制御部４９により前記カメラ姿勢駆動部４１が駆動され、前記撮像部２４の光軸（前記主カメラ３０、前記ステレオカメラ３１の光軸）が鉛直となる様に、前記軸４３が回転される。前記撮像部２４の光軸の鉛直は、該軸４３の回転を介して前記高低角検出器４８によって検出される。又、前記撮像部２４の水平角も０゜となる様に、前記副シャフト１１′を回転させ、設定する。尚、水平角０゜の状態とは、例えば、前記軸４３の軸心が進行方向に対して直交している状態とする。

前記飛行体１が傾斜した状態でも、前記写真装置本体１３に作用する重力によって前記シャフトフレーム１１は鉛直を維持する。従って、前記主カメラ３０、前記ステレオカメラ３１の光軸も鉛直状態を維持し、前記主カメラ３０、前記ステレオカメラ３１は鉛直下方の画像を取得する。

即ち、前記飛行体１が水平であっても、傾斜していても、前記ＧＰＳ装置２５′で測定した絶対座標（地上座標）をそのまま（補正等する必要がなく）前記主カメラ３０、前記ステレオカメラ３１の位置とすることができる。

更に、前記主カメラ３０、前記ステレオカメラ３１と前記ＧＰＳアンテナ１２とは前記シャフトフレーム１１によって固定的（リジッド）に連結され、前記主カメラ３０、前記ステレオカメラ３１の光軸と、前記シャフトフレーム１１の軸心との位置関係は既知であるので、前記ＧＰＳ装置２５′によって測定した絶対座標は、直ちに前記主カメラ３０、前記ステレオカメラ３１の位置データとすることができる。

更に、飛行中に風が吹き風力が前記写真装置本体１３に作用する等、該写真装置本体１３に水平方向の外力が作用した場合、或は飛行体１が増速、減速した場合等、前記写真装置本体１３に水平方向の加速度が作用した場合、或は前記飛行体１の姿勢が急激に変化し、前記ジンバル１４が追従しなかった場合には、前記シャフトフレーム１１が鉛直線に対して傾斜する。これらの場合、前記シャフトフレーム１１の鉛直線に対する傾斜角が前記傾斜センサ３７によって検出される。前記制御演算部２０は前記傾斜センサ３７の検出結果に基づき前記撮像部２４の光軸の傾斜角を求め、該傾斜角と前記ＧＰＳ装置２５′の測定結果（高さ位置）に基づき前記ＧＰＳ装置２５′の測定した絶対座標を補正することができる。

次に、図４（Ｂ）は、従来の方法で撮像部２４を支持した状態を参考として示している。

従来の方法では、飛行体１に写真計測用カメラ２が固定され、該写真計測用カメラ２にジンバル１４を介して写真装置本体１３が設けられている。

この為、前記飛行体１が傾くと、ＧＰＳアンテナ１２の中心と前記写真装置本体１３の中心とは、水平方向にＤのずれが生じる。このずれを補正するには、前記飛行体１の傾斜角、傾斜方向を検出する必要があり、而も、傾斜は推進状態、風の影響等で刻々と変化するので、補正することが極めて煩雑となり、又高精度に補正することが難しい。

又、飛行体１が傾斜した場合、前記写真装置本体１３に重力が作用し、前記飛行体１には水平方向への復元力が作用する。従って、前記プロペラモータ５には、水平方向の推進力に加えて、復元力に打勝つ為の、推力が必要となり、プロペラモータ５の負担が増加する。本実施例では、飛行体１が傾斜した状態でも、復元力は作用しないので、プロペラモータ５の負担は増加せず、又消費電力も少なくなる。

前記飛行体１の飛行中、前記主カメラ３０により観察の為に、動画像が取得され、或は所定時間間隔で静止画像が取得される。又、前記ＧＰＳ装置２５′により位置情報が取得され、動画像、静止画像と位置情報が関連付けられて前記記憶部２２に格納される。尚、遠隔操作されている場合は、前記動画像、前記静止画像は地上基地に前記無線通信部２９を介して送信され、地上基地では前記動画像、又は前記静止画像がモニタに表示されることで、測定対象（例えば、農作物）の包括観察が行える。

尚、前記飛行体１を飛行計画に沿って飛行させ、該飛行体１が地上基地に戻った後、前記記憶部２２に記録されたデータに基づき、前記動画像、前記静止画像をモニタに表示させ、農作物の包括観察を行ってもよい。

次に、図５（Ａ）、図５（Ｂ）により、局部観察をする場合を説明する。

尚、図５（Ａ）、図５（Ｂ）中、５１は前記飛行体１が着陸した場合に、該飛行体１を支持する脚部であり、５２は農作物である。

農作物５２の発育状態等について、より正確な情報を取得する場合には、前記飛行体１を降下させ、農作物５２に前記撮像部２４を接近させた状態で農作物５２の画像を取得する必要がある。

局部観察をする場合には、前記主カメラ３０で画像を取得すると同時に、該主カメラ３０と同期して前記副カメラ４４，４５により画像を取得し、該副カメラ４４，４５で取得した画像に基づき写真計測を行う。

写真計測について、図６を参照して概略を説明する。

光軸が鉛直な状態で既知の位置Ｏ１，Ｏ２で静止画像４０−１，４０−２を取得する。測定点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、静止画像４０−１中、ｐ（ｘ１，ｙ１）として現れ、静止画像４０−２中、ｐ（ｘ２，ｙ２）として現れる。尚、図中、ｆは焦点距離であり、Ｂは位置Ｏ１，Ｏ２間の距離（基線長）を示す。前記位置Ｏ１，Ｏ２の３次元座標が分れば、幾何学的関係から測定点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が求められる。

本実施例では、基線長Ｂは前記副カメラ４４，４５の光軸間の距離であり、又、位置Ｏ１，Ｏ２の３次元座標は、前記ＧＰＳ装置２５′の測定結果と、前記ＧＰＳアンテナ１２と前記副カメラ４４，４５との位置関係に基づき算出できる。従って、前記測定点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出することができる。

前記測定点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、前記ＧＰＳ装置２５′の測定精度と比較し、特に高さについては、高精度となっている。

写真計測により、前記飛行体１と農作物５２との距離を高精度に測定することができ、測定結果に基づき前記飛行体１を飛行させることで、農作物５２に接近した飛行が可能となる（図５（Ａ）参照）。農作物５２に接近した位置での前記主カメラ３０による画像の取得により、農作物５２の詳細な発育状況を観察することができる。

又、障害物との干渉を避けて、より近い位置で農作物５２の画像を取得する場合は、前記カメラ姿勢駆動部４１を駆動して前記副シャフト１１′を下方に延出する（図５（Ｂ））。農作物５２は風等の影響で揺れ、先端位置が変化し、前記主カメラ３０を農作物５２に接近させた場合に、農作物５２が前記主カメラ３０に接触する可能性があるが、前記副シャフト１１′を延出させた状態では、農作物５２と前記飛行体１との接触は避けられるので、飛行に大きな影響は及さない。

更に、前記カメラ姿勢駆動部４１を駆動し、前記軸４３を中心に前記主カメラ３０、副カメラ４４，４５を回転させ、光軸を水平として、農作物５２を横から撮影することが可能である（図５（Ｂ））。

例えば、前記飛行体１を畦道又は畝と畝との間の上方に静止（ホバリング）させ、畦道又は畝と畝との間に前記主カメラ３０を降下させ、農作物５２を横から撮影してもよい。

横から撮影することで、上方からでは撮像できない画像（例えば、葉の裏側の画像）が取得でき、農作物５２の発育状態、或は健康状態が観察できる。又、前記ステレオカメラ３１により農作物５２を横から撮影し、ステレオ画像を取得することで、農作物５２の地表からの高さが測定でき、より精度の高い発育状態を把握することができる。

尚、観察地点の位置（地表座標）は、前記ＧＰＳ装置２５′によって測定されるので、画像と観察地点の位置とを関連付けて記録することで、同一地点の農作物５２について所定期間経過後の再観察が可能となり、農作物５２の経時的な発育状態が観察可能となる。

又、前記主カメラ３０で取得した静止画像、動画像を前記無線通信部２９を介して地上基地に送信することで、地上基地でのリアルタイムでの観察が可能となる。更に、前記ステレオカメラ３１を、モニタ用カメラとして使用し、前記副カメラ４４，４５からの画像に基づき３Ｄ画像を作成し、３Ｄ画像によるモニタリングを可能としてもよい。３Ｄ画像によるモニタリングにより、農作物５２に対する遠近感が得られ、前記飛行体１の操作性が向上する。尚、３Ｄ画像によるモニタリングを行う場合、前記副カメラ４４，４５の光軸間の距離を人の目の間隔（視差）に合致させることで、３Ｄ画像から得られる感覚と作業者の目視での感覚とをマッチングさせることができる。

尚、前記主カメラ３０を前記カメラフレーム４２に対して着脱可能とし、観察用途に応じて、交換可能としてもよい。

例えば、前記主カメラ３０を高精細カメラとし、緻密な画像に基づき正確な発育状態、健康状態が観察できる様にしてもよく、或は前記主カメラ３０をスペクトルメータとし、スペクトルデータを取得し、波長分析から正確な発育状態、健康状態が観察できる様にしてもよい。

又、異なる方向の農作物５２を観察する場合は、前記カメラ姿勢駆動部４１により前記副シャフト１１′を回転させ、鉛直軸心を中心に前記撮像部２４を回転させる。前記飛行体１を回転させずに、同位置で異なる方向を観察できるので、前記飛行体１の飛行制御が簡単である。

又、図５（Ｃ）に示す様に、画像中に前記ステレオカメラ３１で測定した距離を画像に重合せ表示する様にしてもよい。又、距離が重合せられた画像が地上基地に送信され、測定対象と測定距離が表示されることで、飛行体１の操作性、操作の正確さが向上する。

１ 飛行体
２ 写真計測用カメラ
３ 機体
５ プロペラモータ
６ プロペラ
７ 主フレーム
１１ シャフトフレーム
１２ ＧＰＳアンテナ
１３ 写真装置本体
１４ ジンバル
１５ 防振部材
１７ ダンパバネ
１９ 制御装置
２１ クロック信号発生部
２２ 記憶部
２３ 撮像制御部
２４ 撮像部
２５ ＧＰＳ受信器
２６ 飛行制御部
２７ 方位センサ
２８ ジャイロユニット
２９ 無線通信部
３０ 主カメラ
３１ ステレオカメラ
３７ 傾斜センサ
４１ カメラ姿勢駆動部
４９ カメラ姿勢制御部

Claims (7)

1. ジンバルを介して任意の方向に傾斜自在に支持された上下に延出する棒状のシャフトフレームと、該シャフトフレームの上端に設けられたＧＰＳアンテナを有するＧＰＳ装置と、前記シャフトフレームの下端に設けられると共に前記ＧＰＳアンテナと既知の関係に設けられた撮像部と、該撮像部の撮像を制御する制御装置とを有し、前記撮像部と前記制御装置は前記シャフトフレームが重力により鉛直となる為のバランスウェイトとして機能し、前記撮像部は、主カメラと、該主カメラと既知の位置にあり、該主カメラの光軸と平行な光軸を有する一対のカメラからなるステレオカメラとを有し、前記主カメラ及び前記ステレオカメラの姿勢が設定可能であり、前記主カメラ及び前記ステレオカメラの設定された姿勢が前記シャフトフレームに対して常に維持される様に該シャフトフレームに支持され、前記制御装置は前記主カメラにより測定対象の観察画像を取得すると共に前記ステレオカメラにより、ステレオ画像を取得し、該ステレオ画像に基づき測定対象迄の距離を測定すると共に前記ＧＰＳ装置により測定位置を取得する様構成したことを特徴とする写真計測用カメラ。
2. 前記主カメラ及び前記ステレオカメラは一体的に設けられると共に前記シャフトフレームの軸心と直交する軸心を中心に又前記シャフトフレームの軸心を中心に回転可能に前記シャフトフレームに設けられ、前記主カメラ及び前記ステレオカメラは前記シャフトフレームに対して水平方向、高低方向の２方向に一体的に回転可能に構成された請求項１の写真計測用カメラ。
3. 前記シャフトフレームは伸縮可能な副シャフトを有し、前記主カメラ、前記ステレオカメラは前記副シャフトに設けられた請求項２の写真計測用カメラ。
4. 前記ジンバルにアタッチメント機能を付加し、該ジンバルを介して他の装置に追加設置可能とした請求項１〜請求項３の内いずれかの写真計測用カメラ。
5. 写真装置本体の光軸と鉛直線との角度を検出する傾斜センサを更に具備し、前記制御装置は前記傾斜センサの検出結果に基づき撮像時の撮像位置を補正する請求項１〜請求項４の内いずれかの写真計測用カメラ。
6. 飛行体と、請求項１〜請求項５の内いずれかの写真計測用カメラとを具備する航空写真装置であって、前記飛行体は、中心部に配置された主フレームと、該主フレームにプロペラフレームを介して設けられた所定数のプロペラユニットとを具備し、前記写真計測用カメラは前記主フレームに、該主フレームの中心を上下に貫通する様に設けられると共に前記写真計測用カメラに作用する重力で該写真計測用カメラの光軸が鉛直方向に向く様に設定されたことを特徴とする航空写真装置。
7. 写真装置本体は、方位センサ、ジャイロユニット及び前記方位センサ、前記ジャイロユニットからの信号に基づき前記プロペラユニットを制御する飛行制御部を具備し、前記飛行体は自律飛行可能に構成された請求項６の航空写真装置。

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