JP7274856B2 - 位置検出システム、位置検出方法、角度検出方法、マーカー - Google Patents

Description

本発明の一側面は、位置検出システム、位置検出方法、角度検出方法、マーカーに関する。

従来、固定体に対して移動する移動体の位置を検出することが求められることがあった。例えば、特許文献１では、移動体としての飛行体が、固定体としての着地部に着地するために、飛行体と着地部との位置関係を正確に検出することが記載されている。特許文献１では、着地部に設けられたミリ波レーダー装置が飛行体を捕捉及び追尾する事で、両者の位置関係の検出がなされていた。

特開平１１－７２５５８号公報

しかしながら、災害による故障時やエネルギー供給がなくなった時には、着地部でミリ波レーダーのような電波を発することで、飛行体と着地部との間の位置関係を検出することができない。このように、固定体に対する移動体の位置検出、位置調整、角度検出等を容易に行うことが求められていた。

本発明の一形態に係る位置検出システムは、固定体に対して移動する移動体の位置を検出する位置検出システムであって、固定体及び移動体の一方に設けられる光源と、固定体及び移動体の一方に設けられる撮像部と、固定体及び移動体の他方に設けられるマーカーと、撮像部によって取得されたマーカーの画像の輝度に基づいて、固定体に対する移動体の位置を検出する位置検出部と、を備え、マーカーは、反射層と、反射層に設けられると共に主面を有する光制御層と、を備え、光制御層は、主面に対する入射角が所定の閾値以内である光を通過させる。

本発明の一形態に係る位置検出方法は、固定体に対して移動する移動体の位置を調整する位置検出方法であって、固定体及び移動体の一方に設けられる光源から、他方に設けられるマーカーへ光を出射する工程と、マーカーを含む画像を取得する工程と、取得されたマーカーの画像の輝度に基づいて、固定体に対する移動体の位置を検出する工程と、を備え、マーカーは、反射層と、反射層に設けられると共に主面を有する光制御層と、を備え、光制御層は、主面に対する入射角が所定の閾値以内である光を通過させる。

本発明の一形態に係る角度検出方法は、ターゲットに対する相対角度を検出する角度検出方法であって、ターゲットに設けられるマーカーに光源から光を出射する工程と、マーカーを含む画像を取得する工程と、取得されたマーカーの画像の輝度に基づいて、ターゲットに対する相対角度を検出する工程と、を備え、マーカーは、反射層と、反射層に設けられると共に主面を有する光制御層と、を備え、光制御層は、主面に対して所定の入射角を有する光を通過させる。

本発明の一形態に係るマーカーは、反射層と、反射層に設けられると共に主面を有する光制御層と、を備えるマーカーであって、光制御層は、主面に対する入射角が所定の閾値以内である光を通過させ、光制御層は、少なくとも二つの領域を有し、二つの領域の閾値は、互いに異なっており、反射層は、光制御層を通過した光を反射し、当該反射光の輝度がマーカーの位置検出に用いられる。

本発明の一形態によれば、固定体に対する移動体の位置検出、位置調整、角度検出等を容易に行うことができる。

本発明の実施形態に係る位置検出システムを示す概略構成図である。 位置検出システムのブロック構成を示すブロック図である。 図３（ａ）は、マーカーの斜視図を示し、図３（ｂ）は、撮像部の視野角と画像中のマーカーの輝度（輝度）との関係を示すグラフである。 各領域における光の入射角と反射との関係を説明するための図である。 図５（ａ）は、光制御層４の端面を示す図であり、図５（ｂ）は、光制御層４を厚み方向から見た図である。 変形例に係る光制御層を示す図である。 再帰性反射について説明するための図である。 マーカーの積層構造を示す図である。 マーカーの変形例を示す図である。 演算部の処理内容を示すフローチャートである。 演算部の処理内容を示すフローチャートである。 演算部の処理内容を示すフローチャートである。 演算部の処理内容を示すフローチャートである。 画像中のマーカーを示す図である。 変形例に係るマーカーを示す図である。 変形例に係る光制御層を示す図である。 変形例に係る光制御層を示す図である。 振動数・傾斜測定について説明するための図である。 振動数・傾斜測定について説明するための図である。 振動数・傾斜測定の手順を示すフローチャートである。 振動数・傾斜測定について説明するための図である。 マーカーの他の使用例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る位置検出システム１００を示す概略構成図である。図１に示すように、位置検出システム１００は、飛行体１（移動体）と、基地局２と、着地部ＡＰ（固定体）に設けられるマーカー３と、を備える。位置検出システム１００は、位置が固定された着地部ＡＰに対して移動する飛行体１の位置を検出すると共に、飛行体１を案内して位置調整を行うシステムである。検出される固定体に対する移動体の位置は、飛行体１と固定体との相対的な位置関係が把握できるものであればどの様な形態の情報であってもよい。

飛行体１は、ドローン等の無人の航空機である。飛行体１は、自立飛行が可能である。飛行体１は、本体部１０と、プロペラ部１１と、光源付きカメラ１２と、通信を行う情報の送受信部１３と、を備える。本体部１０は、飛行体１を構成するフレーム、外装、内部機構、電子機器等を備える。プロペラ部１１は、回転することで揚力や推力を発生する。

光源付きカメラ１２は、光を照射する光源１７と、画像を取得する撮像部１８と、が一体となった電子機器である。光源１７は、本体部１０から下方へ向かって光を照射する。撮像部１８は、光源１７の光が照射された箇所の画像を取得する。本実施形態では、光源１７は、着地時には、マーカー３へ光を照射する。また、撮像部１８は、光が照射されたマーカー３の画像を取得する。光源１７は、飛行体１の水平面と垂直な方向へ光を出射する。図４（ａ）に示すように、飛行体１の水平面ＦＰは、飛行体１の基準面であり、水平な地面に着地したときに、水平方向に広がる仮想面である。光源１７が出射する光の光軸Ｌ１は、水平面ＦＰと垂直をなす。また、撮像部１８の光軸Ｌ２も、水平面ＦＰと垂直をなす。

送受信部１３は、基地局２との間で無線で情報の送受信を行う。基地局２は、飛行体１が飛行し得るエリアに、各地に複数点在している。従って、送受信部１３は、飛行体１の最寄りの基地局２と通信を行う。

図２は、位置検出システム１００のブロック構成を示すブロック図である。図２に示すように、飛行体１は、上述の光源１７と、上述の撮像部１８と、上述の送受信部１３と、記憶部１９と、演算部２０と、を備える。記憶部１９は内蔵メモリ、外付けのメモリ等によって構成されており、各種情報を記憶している。

演算部２０は、飛行体１の各種演算を行う部分である。演算部２０は、プロセッサやメモリ等によって構成される。プロセッサは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算器である。メモリは、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶媒体である。演算部２０は、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。演算部２０は、画像取得部２１と、位置検出部２２と、位置調整部２３と、を備える。

画像取得部２１は、撮像部１８で撮像された画像を読み込むことによって画像を取得する。飛行体１が着地する時には、画像取得部２１は、マーカー３の画像を取得する。位置検出部２２は、撮像部１８で撮像されて画像取得部２１によって取得されたマーカー３の画像の輝度に基づいて、着地部ＡＰに対する飛行体１の位置を検出する。位置調整部２３は、位置検出部２２で検出された検出結果に基づいて、飛行体１の位置調整を行う。位置調整部２３は、着地部ＡＰの位置にて水平な姿勢にて着地できるように、飛行体１の案内を行う。そして、位置調整部２３は、位置及び姿勢が整った段階で、飛行体１を着地部ＡＰに着地させる。なお、位置検出部２２及び位置調整部２３の詳細な処理内容については、マーカー３の説明を行った後で説明する。

基地局２は、演算部３１と、記憶部３２と、入出力インターフェース３３と、を備える。演算部３１は、基地局２内での各種演算を行う部分である。記憶部３２は、各種情報を記憶している。入出力インターフェース３３は、キーボード、マウス、タッチパネルなどの情報入力機器と、ディスプレイやスピーカーなどの情報出力機器と、によって構成される。基地局２は、各所に点在する着地部ＡＰに設けられたマーカー３の情報を記憶部３２に記憶していてよい。例えば、基地局２は、飛行体１に対して、目的地となる着地部ＡＰの位置情報、及びそこに設けられたマーカー３の情報を送信してよい。また、基地局２は、演算部３１にて、飛行体１の演算部２０が行う処理の一部を行い、飛行体１に演算結果を送信してもよい。

次に、図３及び図４を参照して、本実施形態に係るマーカー３の詳細な構成について説明する。図３（ａ）は、マーカー３の斜視図を示している。図３（ｂ）は、撮像部１８の視野角と画像中のマーカー３の輝度（輝度）との関係を示すグラフである。図４は、各領域における光の入射角と反射との関係を説明するための図である。

図４に示すように、マーカー３は、光を反射する反射層５と、反射層５に設けられた光制御層４と、を備える。反射層５は、入射光を当該入射光の光路に沿って反射する再帰性反射を行う層である。再帰性反射についての詳細は、後述する。

光制御層４は、主面４ａに対する入射角が所定の閾値以内である光を通過させる層である。「入射角が所定の閾値以内である光を通過させる」とは、入射角が所定の範囲内の第１の光線について、所定の透過率以上で光を透過し、また、入射角が上記所定の範囲外の場合、所定の透過率以下で光を透過することを示す。また、光制御層４は、通過させることで反射層５で再帰性反射した反射光を主面４ａから出射する。これにより、撮像部１８は、光制御層４の画像として、当該反射光の輝度で示された画像を取得する。光制御層４は、少なくとも二つの領域Ｅ１，Ｅ２を有する。二つの領域Ｅ１，Ｅ２の閾値は、互いに異なっている。具体的には、図３（ａ）に示すように、水平方向に対してＸ軸、及びＹ軸を設定し、上下方向にＺ軸を設定した場合、マーカー３は、ＸＹ平面内に二行×二列の四つの区画を有する。このうち、Ｘ軸方向の負側でＹ軸方向の正側の区画は光制御層４の領域Ｅ１（第２象限ＱＤ２と称する場合もある）が設定され、Ｘ軸方向の正側でＹ軸方向の負側の区画は光制御層４の領域Ｅ１（第４象限ＱＤ４と称する場合もある）が設定される。Ｘ軸方向の負側でＹ軸方向の負側の区画は光制御層４の領域Ｅ２（第３象限ＱＤ３と称する場合もある）が設定され、Ｘ軸方向の正側でＹ軸方向の正側の区画は光制御層４の領域Ｅ２（第１象限ＱＤ１と称する場合もある）が設定される。

図４（ｂ）に示すように、光制御層４の領域Ｅ１は、主面４ａに垂直に入射する光を基準として、Ｙ軸方向における入射角（Ｘ軸方向から見たときの入射角）が閾値θ以内の光を通過させる。また、領域Ｅ１を通過する光の輝度は、主面４ａに垂直な光をピークとして、入射角が大きくなるに従って徐々に小さくなってゆく。光制御層４は、Ｙ軸方向における入射角が閾値θよりも大きい光を通過させることなく遮断する。一方、図４（ｃ）に示すように、光制御層４の領域Ｅ１は、Ｙ軸方向における入射角が閾値θ以下である限り、Ｘ軸方向における入射角（Ｙ軸方向から見たときの入射角）については特に制限なく、通過させる。図４（ｄ）に示すように、光制御層４の領域Ｅ２は、主面４ａに垂直に入射する光を基準として、Ｘ軸方向における入射角（Ｙ軸方向から見たときの入射角）が閾値θ以内の光を通過させる。また、領域Ｅ２を通過する光の輝度は、主面４ａに垂直な光をピークとして、入射角が大きくなるに従って徐々に小さくなってゆく。光制御層４は、Ｘ軸方向における入射角が閾値θよりも大きい光を通過させることなく遮断する。一方、図４（ａ）に示すように、光制御層４の領域Ｅ２は、Ｘ軸方向における入射角が閾値θ以下である限り、Ｙ軸方向における入射角（Ｘ軸方向から見たときの入射角）については特に制限なく、通過させる。なお、領域Ｅ１，Ｅ２のいずれにおいても、閾値θ以下の角度には、基準の０°の角度、すなわち主面４ａに対して垂直な角度が含まれるものとする。

上述のような関係を有するため、図３（ｂ）のグラフＧ１で示すように、撮像部１８で撮像された画像内における領域Ｅ１の輝度は、視野角（光源１７の光の入射角に等しい）が主面４ａに対して垂直な０°においてピークとなり、Ｙ軸方向における視野角が大きくなるほど徐々に低下し、閾値θより大きくなると、略０となる。一方、図３（ｂ）のグラフＧ２で示すように、画像内における領域Ｅ１の輝度は、Ｘ軸方向における視野角にかかわらず一定となる。なお、グラフＧ２の輝度は、グラフＧ１のピークに合わせられているが、Ｙ軸方向の視野角に対応する輝度にて略一定となる。また、図３（ｂ）のグラフＧ１で示すように、撮像部１８で撮像された画像内における領域Ｅ２の輝度は、視野角が主面４ａに対して垂直な０°においてピークとなり、Ｘ軸方向における視野角が大きくなるほど徐々に低下し、閾値θより大きくなると、略０となる。一方、図３（ｂ）のグラフＧ２で示すように、画像内における領域Ｅ２の輝度は、Ｙ軸方向における視野角にかかわらず一定となる。

次に、光制御層４の構成について、図５及び図６を参照して詳細に説明する。図５（ａ）は、光制御層４の端面を示す図であり、図５（ｂ）は、光制御層４を厚み方向から見た図である。光制御層４は、いわゆるルーバーフィルムと称される部材である。光制御層４は、透明性の高いポリマー樹脂等によって構成された透過部４Ａ内に、ルーバーと称される微小な非透過部４Ｂを組み込んだものである。非透過部４Ｂは、透過部４Ａ内に、面方向における一の方向（図５では上下方向であり、以降は「配列方向」と称する場合がある）に一定のピッチで設けられる。図５に示す形態では、非透過部４Ｂは、透過部４Ａの厚み方向の全域にわたって形成される。また、複数の非透過部４Ｂは、配列方向と直交する方向に沿って、互いに平行に延びる。

このような光制御層４は、入射する光のうち、非透過部４Ｂによって斜め方向の光を遮断する。すなわち、光制御層４の主面４ａに対して垂直、または小さい傾斜角度で入射した光（図中、Ｄ１で示す方向に進行する光）は、透過部４Ａ内を通過する。なお、透過部４Ａを通過した光は、主面４ｂの位置にて反射層５で反射する。一方、主面４ａに対して閾値より大きい角度を持って斜め方向に入射した光（図中、Ｄ２で示す方向に進行する光）は、非透過部４Ｂに遮られる。なお、主面４ａのうち、非透過部４Ｂの位置から入射しようとする光は、当該主面４ａの位置で遮られる。これにより、光制御層４は、透過部４Ａを透過する光の進行方向を所定の角度範囲に制御し、均一な輝度分布を与える機能を有している。

この光制御層４において透過部４Ａは、透明性の高いポリマー樹脂によって構成されてよい。ポリマー樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線等のエネルギー線硬化性樹脂等の各種の樹脂を使用することができ、その例としては、セルロースアセテートブチレート、トリアセチルセルロース等のセルロース樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリスチレン、ポリウレタン、塩化ビニル、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。

一方、非透過部４Ｂとしては、光を吸収もしくは反射することのできる遮光性物質から形成する。このような遮光性物質としては、例えば、（１）黒色、灰色等の暗色顔料や暗色染料、（２）アルミニウム、銀等の金属、（３） 暗色の金属酸化物、（４） 上記のポリマー樹脂に暗色顔料や暗色染料を含有させたもの等を用いることができる。

この光制御層４において、透過部４Ａの幅、すなわち非透過部４Ｂと非透過部４Ｂとの間のポリマー樹脂部の幅は、この光制御層４全体の光線透過率が低下しないように、非透過部４Ｂの幅よりも大きいことが好ましい。この透過部４Ａの幅は２０～５００μｍとしてよく、４０～２００μｍとしてよい。非透過部４Ｂの幅は、０．５～１００μｍとしてよく、１～５０μｍとしてよい。また、非透過部４Ｂの角度は通常０～４５°の範囲としてよい。なお、この非透過部４Ｂの角度とは、光制御層４の主面４ａに対する角度をいい、この主面４ａと直交する状態（図５に示す状態）を０度とする。

このような光制御層４は、例えば以下のようにして製造することができる。まず透過部４Ａとして用いるポリマーフィルムの一方の主面に、遮光性物質を含む層を積層し、ポリマーフィルム／遮光性物質からなる積層体を形成する。このような積層体を複数用意して、これらをさらに積層し、ポリマーフィルムと遮光性物質が交互に配列され、互いに固定された光制御層前駆体を形成する。次いでこの前駆体の主面と直交する方向、すなわち積層方向もしくは厚み方向に沿って、所定の厚さになるようにスライスする。これにより、光制御層４を完成させる。また、この光制御層４としては、「スリーエムジャパン(株)製の３Ｍ(商標) セキュリティ／プライバシーフィルター」等の市販品を用いることもできる。

なお、光制御層４の構成（及び製造方法）は、図５に示すものに限定されない。例えば、図６に示す光制御層４を採用してもよい。図６に示す光制御層４は、互いに平行に配列された複数の溝１４ａを有する光透過性のベース部材１４を準備し、当該溝１４ａに光吸収性の材料又は光反射性の材料を充填することで、構成される。この場合、非透過部４Ｂは、透過部４Ａの厚み方向における中途位置まで延びている。

次に、図７を参照して、反射層５について説明する。反射の中には、図７（ａ）に示すように、入射光が反射面で拡散する拡散反射と、図７（ｂ）に示すように、入射光が反射面に垂直な基準線に対して同じ角度で反対方向へ反射する鏡面反射と、図７（ｃ）に示すように、入射光の光路に沿って反射する再帰性反射が含まれる。本実施形態では、反射層５は、図７（ｃ）に示すような再帰性反射を行う部材によって構成される。再帰性反射を行う部材として、観測角０．２°、入射角５°の再帰反射係数が１５以上、好ましくは５０以上の部材が採用される。なお、再帰反射係数Ｒ｀は、「Ｒ｀＝Ｉ／Ｅｓ×Ａ」によって算出される。図７（ｄ）を参照して、「Ｉ」は、再帰反射面による観測角への光度である。「Ｅｓ」は、入射光の方向に垂直に置かれた再帰反射面が受ける照度である。「Ａ」は、再帰反射面が入射光を受ける面積である（試験片表面積）。なお、「Ｉ」は更に「Ｉ＝Ｅｒ×ｄ^２」と示される。「Ｅｒ」は、配置における受光器上の照度である。「ｄ」は、試験片表面中心及び受光基準面間の距離である。このような反射層５を構成する部材の材料として、スリーエムジャパン（株）製の「３Ｍ(商標)ダイヤモンドグレード(商標)反射シート、フレキシブルプリズム反射シート」などが採用される。

ただし、反射層５は、拡散反射や鏡面反射を行う部材であってもよい。また、反射層５に代えて、自身で発光する発光層を用いてもよい。

マーカー３の層構成として、より詳細には、図８に示すような構成を採用してよい。図８（ａ）では、光制御層４の主面４ａに保護層６が形成されている。また、光制御層４と反対側の反射層５の主面には、接着層７が形成されている。また、図８（ｂ）では、光制御層４は、電圧を付与されることによって、通過させる光の入射角の閾値を調整できる構成を有している。また、図８（ｃ）では、光制御層４と反射層５との間に、二次元コードやＩＤ等が記載されたプリント層８が形成されている。図８（ｃ）の例は、図９においてより詳細に示される。入射角（すなわち視野角）が垂直である場合は、図９（ｃ）に示すように、画像中でプリント層８に記載された内容を確認することができる。入射角が大きすぎる場合は、図９（ｂ）に示すように、画像中では、プリント層８に記載された内容を確認することができない。

飛行体１の位置検出部２２及び位置調整部２３は、上述のように構成されたマーカー３を用いて各種動作を行う。位置検出部２２は、画像中のマーカー３の各領域Ｅ１，Ｅ２の輝度の差に基づいて、飛行体１のマーカー３に対する位置を検出する。また、位置検出部２２は、飛行体１を移動させたときに、画像中のマーカー３の各領域Ｅ１，Ｅ２の輝度の変化の態様に基づいて、飛行体１のマーカー３に対する位置を検出する。位置検出部２２は、画像中の領域Ｅ１，Ｅ２の輝度の差が小さくなるように、飛行体１の位置調整を行う。領域Ｅ１，Ｅ２の輝度の差が大きい状態とは、マーカー３に対する飛行体１の位置が、Ｘ軸及びＹ軸の何れかの方向において大きくずれていることを意味する。よって、位置調整部２３が、領域Ｅ１，Ｅ２の輝度の差を小さくするように調整することで、飛行体１をマーカー３に近付けることができる。位置調整部２３は、画像中のマーカー３の輝度が最大値となるように、飛行体１の位置調整を行う。光源１７による入射角及び撮像部１８の視野角がマーカー３に対して垂直であるときに、画像中のマーカー３の輝度が最大値となる。よって、位置調整部２３は、マーカー３の輝度が最大値となるように位置調整することで、飛行体１をマーカー３の真上に位置させることができる。位置調整部２３は、マーカー３の輝度に基づいて、飛行体１を着地させるか否かを判定する。

次に、図１０～図１４を参照して、演算部２０の処理内容について説明する。図１０～図１３は、演算部２０の処理内容を示すフローチャートである。図１４は、画像中のマーカー３を示す図である。なお、画像及び飛行体１の動きの説明において「縦」「横」という語がでるが、「縦」が前述のマーカー３のＹ軸方向に対応し、「横」がマーカー３のＸ軸方向に対応する。

図１０に示すように、演算部２０は、飛行体１を目的位置に移動させる（ステップＳ１０）。次に、演算部２０は、光源１７を点灯させ、撮像部１８で画像の取り込みを行う（ステップＳ２０）。位置検出部２２は、画像中でマーカー３を認識できるか否かを判定することによって、飛行体１の高度を把握する（ステップＳ３０）。すなわち、位置検出部２２は、画像中のマーカー３が小さすぎて認識できないと判定した場合、飛行体１の高度が高すぎることを検出する。位置検出部２２は、画像中のマーカー３を認識できると判定した場合、飛行体１の高度が着地のための処理を行える高度であることを検出する。ステップＳ３０において、マーカー３を認識できないと判定された場合、位置調整部２３は、飛行体１の高度を若干下げるように案内を行う（ステップＳ４０）。その後、ステップＳ２０及びステップＳ３０の処理が繰り返される。

ステップＳ３０において、マーカー３を認識できると判定された場合、位置検出部２２は、マーカー３が画像の中心に存在しているか否かを判定することによって、飛行体１のマーカー３に対する位置を検出する（ステップＳ５０）。すなわち、位置検出部２２は、マーカー３が画像の中心にある場合、飛行体１が着地部ＡＰからずれていない位置にあることを検出でき、マーカー３が画像の中心にない場合、飛行体１が着地部ＡＰからずれた位置にあることを検出できる。ステップＳ５０において、マーカー３が画像の中心にないと判定された場合、位置調整部２３は、マーカー３が画像の中心に来るように飛行体１を移動させる（ステップＳ６０）。その後、演算部２０は光源１７を点灯させ、撮像部１８で画像の取り込みを行う（ステップＳ７０）。そして、ステップＳ５０の処理を繰り返す。ステップＳ５０において、マーカー３が画像の中心にあると判定された場合、図１１の「Ａ」へ移行する。

図１１に示すように、位置検出部２２は、マーカー３の縦・横が画像の垂直・水平に合っているか否かを判定することで、飛行体１の着地部ＡＰに対する回転方向のずれを検出する（ステップＳ８０）。図１４（ａ）に示すように、画像中でマーカー３の縦・横が斜めに写されている場合、位置検出部２２は、飛行体１が着地部ＡＰに対して回転方向にずれている位置にあることを検出できる。Ｓ８０において、マーカー３の縦・横が画像の垂直・水平に合っていないと判定された場合、位置調整部２３は、飛行体１の機体を回転させる（ステップＳ９０）。その後、演算部２０は光源１７を点灯させ、撮像部１８で画像の取り込みを行う（ステップＳ１００）。そして、ステップＳ８０の処理を繰り返す。ステップＳ８０において、マーカー３の縦・横が画像の垂直・水平に合っていると判定された場合（例えば、図１４（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す状態）、図１２の「Ｂ」へ移行する。

図１２に示すように、位置検出部２２は、画像中のマーカー３の各象限の輝度を計測する（ステップＳ１１０）。位置検出部２２は、領域Ｅ２で構成される「第１象限ＱＤ１＋第３象限ＱＤ３」の輝度と、領域Ｅ１で構成される「第２象限ＱＤ２＋第４象限ＱＤ４」の輝度とが等しいか否かを判定する（ステップＳ１２０）。これにより、位置検出部２２は、飛行体１がマーカー３の真上に位置しているか否かを検出することができる。すなわち、図１４（ｄ）に示すように、画像中で領域Ｅ１の輝度と領域Ｅ２の輝度とが等しくなるのは、光源１７の入射角及び撮像部１８の視野角がマーカー３の主面に対して縦及び横共に垂直になることで、領域Ｅ１の輝度及び領域Ｅ２の輝度が共に最大値となるときである。従って、位置検出部２２は、ステップＳ１２０での条件を判定することで、飛行体１がマーカー３の真上に位置しているか否かを判定できる。また、位置調整部２３は、飛行体１が着地可能な状態にあるか否かを判定できる。ステップＳ１２０において条件を満たすと判定された場合、位置調整部２３は、飛行体１が着地可能な状態にあると判定し、飛行体１の高度をゆっくりと下げるように制御を行う（ステップＳ１３０）。その後、飛行体１が着地し（ステップＳ１４０）、演算部２０の処理が終了する。一方、ステップＳ１２０において条件を満たさないと判定された場合、位置調整部２３は、飛行体１が着地可能な状態にないと判定し、図１３の「Ｃ」へ移行する。

図１３に示すように、位置検出部２２は、領域Ｅ２で構成される「第１象限ＱＤ１＋第３象限ＱＤ３」の輝度が、領域Ｅ１で構成される「第２象限ＱＤ２＋第４象限ＱＤ４」の輝度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１６０）。これにより、位置検出部２２は、飛行体１がマーカー３に対して縦方向にずれているのか、横方向にずれているのかを検出することができる。

図１４（ｂ）に示すように、第２領域の輝度が高い場合、ステップＳ１６０において条件を満たしていると判定される。このとき、位置検出部２２は、飛行体１がマーカー３に対して縦方向にずれた位置にあることを検出する。位置調整部２３は、飛行体１の機体を縦方向の一方側へ移動させる（ステップＳ１７０）。演算部２０は光源１７を点灯させ、撮像部１８で画像の取り込みを行う（ステップＳ１８０）。位置検出部２２は、「第２象限ＱＤ２＋第４象限ＱＤ４」の輝度が上昇したか否かを判定する（ステップＳ１９０）。飛行体１が縦方向のずれを低減する方向へ移動した場合、画像中の領域Ｅ１の輝度は上昇し、縦方向のずれを増加する方向へ移動した場合、画像中の領域Ｅ１の輝度は低下する。従って、位置検出部２２は、ステップＳ１９０の判定を行うことで、飛行体１が縦方向のずれを解消する位置にあるかを検出することができる。ステップＳ１９０において条件を満たすと判定された場合、図１２の「Ｂ」へ戻る。一方、ステップＳ１９０において条件を満たさないと判定された場合、位置調整部２３は、縦方向の他方側へ方向転換する（ステップＳ２００）。そして、当該方向に向かって移動するように、ステップＳ１７０から処理を繰り返す。

図１４（ｃ）に示すように、第１領域の輝度が高い場合、ステップＳ１６０において条件を満たしていないと判定される。このとき、位置検出部２２は、飛行体１がマーカー３に対して横方向にずれた位置にあることを検出する。位置調整部２３は、飛行体１の機体を横方向の一方側へ移動させる（ステップＳ２１０）。演算部２０は光源１７を点灯させ、撮像部１８で画像の取り込みを行う（ステップＳ２２０）。位置検出部２２は、「第１象限ＱＤ１＋第３象限ＱＤ３」の輝度が上昇したか否かを判定する（ステップＳ２３０）。飛行体１が横方向のずれを低減する方向へ移動した場合、画像中の領域Ｅ２の輝度は上昇し、横方向のずれを増加する方向へ移動した場合、画像中の領域Ｅ２の輝度は低下する。従って、位置検出部２２は、ステップＳ２３０の判定を行うことで、飛行体１が横方向のずれを解消する位置にあるかを検出することができる。ステップＳ２３０において条件を満たすと判定された場合、図１２の「Ｂ」へ戻る。一方、ステップＳ２３０において条件を満たさないと判定された場合、位置調整部２３は、横方向の他方側へ方向転換する（ステップＳ２４０）。そして、当該方向に向かって移動するように、ステップＳ２１０から処理を繰り返す。

以上の様に、図１３の処理を繰り返し行うことによって、飛行体１の縦方向及び横方向のずれが徐々に解消されてゆき、最終的には、飛行体１がマーカー３の真上に配置され、着地が行われる。

次に、本実施形態に係る位置検出システム１００、位置検出方法、マーカー３の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る位置検出システム１００は、着地部ＡＰに対して移動する飛行体１の位置を検出する位置検出システム１００であって、飛行体１に設けられる光源１７と、飛行体１に設けられる撮像部１８と、着地部ＡＰに設けられるマーカー３と、撮像部１８によって取得されたマーカー３の画像の輝度に基づいて、着地部ＡＰに対する飛行体１の位置を検出する位置検出部２２と、を備え、マーカー３は、反射層５と、反射層５に設けられると共に主面４ａを有する光制御層４と、を備え、光制御層４は、主面４ａに対する入射角が所定の閾値以内である光を通過させる。

この位置検出システム１００は、飛行体１に光源１７及び撮像部１８が設けられている。従って、光源１７が着地部ＡＰのマーカー３に光を出射し、撮像部１８が光を照射された状態のマーカー３の画像を取得できる。マーカー３は、反射層５と、反射層５に設けられた光制御層４と、を備えている。また、光制御層４は、主面４ａに対する入射角が所定の閾値以内である光を通過させる。光制御層４を通過した光は、反射層５で反射して撮像部１８の画像中に輝度として反映される。すなわち、飛行体１とマーカー３との位置ずれが大きい場合、光源１７からの光が光制御層４を通過しないため、画像中での光制御層４の輝度が低くなる。飛行体１とマーカー３との位置ずれが小さい場合、光源１７からの光が光制御層４を通過して反射層５で反射されるため、画像中での光制御層４の輝度が高くなる。位置検出部２２は、撮像部１８によって取得されたマーカー３の画像の輝度に基づいて、着地部ＡＰに対する飛行体１の位置を検出する。従って、位置検出部２２は、着地部ＡＰから特殊な電波などを受信することなく、画像中の光制御層の輝度を参照するだけで、容易に且つ正確に飛行体１の位置を検出できる。以上より、位置検出システム１００は、着地部ＡＰから特殊な電波を発する必要なく、飛行体１の位置を検出することができる。

位置検出システム１００は、撮像部１８によって取得されたマーカー３の画像の輝度に基づいて、飛行体１の位置調整を行う位置調整部２３を更に備える。上述のように、飛行体１とマーカー３の位置ずれが小さい場合、画像中の光制御層４の輝度が高くなる。従って、位置調整部２３は、画像中の光制御層４の輝度が上がるように飛行体１の位置調整を行えばよいので、容易に位置調整を行うことができる。

光制御層４は、少なくとも二つの領域Ｅ１，Ｅ２を有し、二つの領域Ｅ１，Ｅ２の閾値は、互いに異なっている。飛行体１とマーカー３との位置関係の変化によって、画像中での領域Ｅ１の見え方と、領域Ｅ２の見え方とが異なる場合がある。本実施形態では、位置検出部２２は、画像中の領域Ｅ１，Ｅ２の輝度に基づくことで、Ｘ軸方向における飛行体１の位置と、Ｙ軸方向における飛行体１の位置を両方検出することができる。位置検出部２２は、二つの領域Ｅ１，Ｅ２を用いることで、一種類の光制御層４を用いる場合に比して、飛行体１の位置をより詳細に検出することができる。

位置検出システム１００は、撮像部１８によって取得されたマーカー３の画像の輝度に基づいて、飛行体１の位置調整を行う位置調整部２３を更に備える。位置調整部２３は、画像中の二つの領域Ｅ１，Ｅ２の輝度の差が小さくなるように、飛行体１の位置調整を行う。この場合、位置調整部２３は、複雑な演算などを行う必要なく、画像中の領域Ｅ１，Ｅ２の輝度の差を小さくするというシンプルな処理にて、容易に位置調整を行うことができる。

位置検出システム１００は、撮像部１８によって取得されたマーカー３の画像の輝度に基づいて、飛行体１の位置調整を行う位置調整部２３を更に備える。位置調整部２３は、画像中のマーカー３の輝度が最大値となるように、飛行体１の位置調整を行う。この場合、位置調整部２３は、複雑な演算などを行う必要なく、画像中のマーカー３の輝度を最大値にするというシンプルな処理にて、容易に位置調整を行うことができる。

閾値以下の角度は、主面４ａに対して垂直な角度を含む。この場合、光源１７から主面４ａに垂直に光を照射したときも、画像中の光制御層４の輝度が高くなる。

移動体は飛行体１であり、光源１７は、飛行体１の水平面ＦＰと垂直な方向へ光を出射する。この場合、位置調整部２３は、飛行体１の水平面ＦＰとマーカー３の主面とが平行になるような位置調整を行い易くなる。

位置検出システム１００は、撮像部１８によって取得されたマーカー３の画像の輝度に基づいて、飛行体１の位置調整を行う位置調整部２３を更に備える。位置調整部２３は、マーカー３の輝度に基づいて、飛行中の飛行体１を着地させるか否かを判定する。この場合、位置調整部２３は、複雑な演算などを行う必要無く、画像中のマーカー３の輝度に基づいて、容易に着地の可否を判断することができる。

本実施形態に係る位置検出方法は、着地部ＡＰに対して移動する飛行体１の位置を調整する位置検出方法であって、飛行体１に設けられる光源１７から、着地部ＡＰに設けられるマーカー３へ光を出射する工程と、マーカー３を含む画像を取得する工程と、取得されたマーカー３の画像の輝度に基づいて、着地部ＡＰに対する飛行体１の位置を検出する工程と、を備え、マーカー３は、反射層５と、反射層５に設けられると共に主面４ａを有する光制御層４と、を備え、光制御層４は、主面４ａに対する入射角が所定の閾値以内である光を通過させる。

この位置検出方法によれば、上述の位置検出システム１００の位置調整部２３と同様の作用・効果を得ることができる。

マーカー３は、反射層５と、反射層５に設けられた光制御層４と、を備えるマーカー３であって、光制御層４は、主面４ａに対する入射角が所定の閾値以内である光を通過させ、光制御層４は、少なくとも二つの領域Ｅ１，Ｅ２を有し、二つの領域Ｅ１，Ｅ２の閾値は、互いに異なっており、反射層５は、光制御層４を通過した光を反射し、当該反射光の輝度がマーカー３の位置検出に用いられる。

このマーカー３によれば、当該マーカー３を着地部ＡＰに設け、飛行体１の位置検出及び位置調整を行うことで、上述の位置検出システム１００と同様の作用・効果を得ることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

マーカーの構造は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、図１５に示すような各種形態に係るマーカーを採用してもよい。図１５（ａ）に示すように、中央部に高反射率の反射領域５１を形成してよい。この場合、他の飛行体１が既に着地完了した場合、反射領域５１が画像中に写らない状態となる。従って、着地準備中の飛行体１は、他の飛行体１によってマーカー３が占められていることを把握できる。

図１５（ｂ）～（ｅ）に示すように、マーカー３は、各象限の位置関係を画像中で把握できる構造を有していてもよい。例えば、図１５（ｂ）のマーカー３は、隅部にアライメントマーク５２を有している。アライメントマーク５２は、高輝度領域の中に、部分的に低輝度領域を形成することによって設けられる。アライメントマーク５２は、第４象限ＱＤ４側の隅部には設けられておらず、他の三つの隅部には設けられている。図１５（ｃ）のマーカー３は、四方の縁部に低輝度領域５３を有し、第１象限ＱＤ１及び第２象限ＱＤ２の上側の低輝度領域５３縁部のみに、高輝度領域５４を有している。図１５（ｄ）のマーカー３は、領域Ｅ１と領域Ｅ２を交互に二行×三列のパターンで配置し、二行目で二列目の象限のみ、下方へずらした構成を有する。図１５（ｅ）のマーカー３は、第３象限ＱＤ３及び第４象限ＱＤ４を下方へ延びる長方形とした構造を有する。図１５（ｂ）～（ｅ）のマーカー３のように、画像中で各象限の位置関係を把握できる場合、位置検出部２２は、マーカー３の各象限に対して飛行体１がどのような位置にあるかを検出し易くなり、位置調整部２３は位置調整を行い易くなる。

図１５（ｆ）に示すマーカー３のように、横方向に真っ直ぐ延びる配列を有するルーバーフィルムによる領域Ｅ１及び縦方向に真っ直ぐ延びる配列を有するルーバーフィルムによる領域Ｅ２のみならず、斜め方向に延びる配列を有するルーバーフィルムによる領域Ｅ３，Ｅ４を有してよい。

また、図１６に示す光制御層４を採用してよい。この光制御層４は、ルーバーフィルムの配列の方向は同一でありながら、ピッチが異なる領域Ｅ１ａ、Ｅ１ｂ、Ｅ１ｃの三つの領域を有している。光を通過させる入射角の閾値は、領域Ｅ１ａ、Ｅ１ｂ、Ｅ１ｃの順で大きくなる。この場合、画像ＧＦ１～４に示すように、光源１７の入射角（撮像部１８の視野角）が大きくなるに従って、画像中の各領域の輝度の差が大きくなる。従って、位置検出部２２は、マーカー３に対して飛行体１がどの程度ずれているかを把握し易くなる。

また、図１７に示す光制御層６０を採用してよい。この光制御層６０は、図１７（ａ）に示すように、格子状のルーバーフィルムによって構成される。このような光制御層６０として、例えば特表２０１７－５２２５９８号に記載の部材が用いられる。図１７（ｂ）に示す光制御層６０では、反射輝度は同心円状の強度分布となり、中心に近いほど輝度が高くなる。例えば、位置調整部２３は、飛行体１を移動位置ＭＬ１に沿って直線移動させる。このとき、図１７（ｃ）のグラフＢＬ１のような反射輝度となるため、位置調整部２３は、反射輝度が最大となる位置を同定する。位置調整部２３は、当該位置から垂直方向に移動位置ＭＬ２に沿って飛行体１を直線移動させ、反射輝度が最大となる位置を同定する。これにより、飛行体１がマーカーの中央位置の真上に配置される。なお、移動位置ＭＬ１｀が中心から大きくずれた場合、図１７（ｃ）のグラフＢＬ１｀のように、変化が滑らかな反射輝度となる。その場合、位置調整部２３は、グラフＢＬ１｀両端エッジ部の立ち上がり位置の中点を輝度反射が最大となる位置とする。

また、本実施形態の位置検出システムは、振動数・傾斜測定に用いられてよい。図１８（ａ）に示すように、入射角θに設定された光源１７及び撮像部１８に対して、マーカー３が設けられた物体が傾くと（図１８（ｂ）、（ｃ）参照）、光制御層４のルーバー角度も変わるため、当該ルーバー角度に応じて、反射強度が変化する（図１８（ｄ）参照）。従って、位置検出システムが反射強度を連続的に計測することで、撮像部１８に対する物体の相対角度を検出でき、振動計測を行うことができる。すなわち、位置検出システムは、時系列の角度変化に基づいて、物体の振動を検出できる。なお、図中では再帰性反射シートは省略されている。

当該計測を行うためには、角度に対する反射強度変化が直線的であることが求められるので、所望の入射角で観測する必要がある。例えば入射角が０°では、傾き方向がどちらなのかが把握出来ないという問題がある。その対策として、図１９（ａ）に示すように、基準角θの傾きを持ったルーバー有するガイドシート６５を検出シート６６と近接した位置に配する。マーカー３としての検出シート６６と、入射角を設定するためのガイドシート６５とのそれぞれの反射光を分けるため、波長の異なる２種類の光源として、例えば可視光の光源１７ＡとＩＲ光の光源１７Ｂを用意する。また、可視光の撮像部１８ＡとＩＲ光の撮像部１８Ｂを用意する。各シートの表面には光を選択するためのフィルター（光吸収層）を付ける。図１９の例では、検出シート６６に可視光を吸収するフィルター６７を設け、可視光を照射する。そして、ガイドシート６５から最も反射強度が強くなる入射角を求め、撮像部１８及び光源１７を固定する。ガイドシート６５にＩＲ光を吸収するフィルター６８を設け、その状態で光源１７ＢからＩＲ光を照射し、ターゲットＴＧの傾斜または振動数を計測する（図１９（ｂ）参照）。

図２０を参照して位置検出システムによる振動数・傾斜測定の処理内容について説明する。まず、ターゲットＴＧを観察位置に移動させる（ステップＳ３００）。次に、図１９（ａ）に示すように、入射角を設定するための準備を行う（ステップＳ３１０）。次に、最大強度が同定できたか否かの判定を行う（ステップＳ３２０）。同定できない場合は、入射角を変更して（ステップＳ３３０）、ステップＳ３１０から処理を繰り返す。最大強度が同定できたら、各機器の観察距離を固定する（ステップＳ３４０）。次に、光源１７Ｂから検出シート６６へＩＲ光を照射し、撮像部１８で検出シート６６の画像を取り込む（ステップＳ３５０）。そして、反射光強度測定を行うことで、ターゲットＴＧの振動数・傾斜測定を行う（ステップＳ３６０）。

この角度検出方法は、ターゲットＴＧに対する（光源及び撮像部の）相対角度を検出する角度検出方法であって、ターゲットＴＧに設けられるマーカー３に光源１７Ｂから光を出射する工程と、マーカー３を含む画像を取得する工程と、取得されたマーカー３の画像の輝度に基づいて、ターゲットＴＧに対する相対角度を検出する工程と、を備え、マーカー３は、反射層５と、反射層５に設けられた光制御層４と、を備え、光制御層４は、主面４ａに対して所定の入射角を有する光を通過させる。

この角度検出方法によれば、特殊な電波を発するような機器を用いなくとも、ターゲットＴＧにマーカー３を設けて、それを撮影して観察するだけの簡単な作業にて、振動数・傾斜測定を行うことができる。

また、図２１に示すように、上述のような振動数・傾斜測定を二軸で測定可能としてもよい。ここでのマーカー３は、四つの象限ＱＤ１～ＱＤ４を有する。第２象限ＯＤ２及び第４象限ＱＤ４では、図１９のガイドシート６５と同様の角度θのルーバーが垂直方向に配置され、前面に青色のバンドパスフィルタ７１が設けられる。第１象限ＯＤ１及び第３象限ＱＤ３では、９０°のルーバーが水平方向に配置され、前面に赤色のバンドパスフィルタ７２が設けられる。図１９に示す１軸測定と同様に、ガイドシート６５を用いることで、垂直方向に対する所望の入射角を求める。この際、ガイドシート６５の前面には、ＩＲ光のみを透過させて可視光を吸収するフィルター７３を設ける。これにより、測定用の可視光の光源１７、赤色のバンドパスフィルタを設けた検出器１８Ｃ、及び青色のバンドパスフィルタを設けた検出器１８Ｄを角度θにて固定する。これにより、位置検出システムは、検出器１８Ｃ，１８Ｄによって各出力を測定することで、縦方向の傾斜角及び横方向の傾斜角を同時に測定することができる。

また、本実施形態の位置検出システムは、飛行体１が対象物にレーザー光を照射する際にも用いることができる。例えば、橋梁などの社会インフラの劣化進行の監視や地震などによる損傷を検出するためにセンサーを装着することが提案されているが、長期間センサーの電源をどのように供給するか課題となっていた。

これに対し、図２２（ｂ）に示すように、上述の実施形態のマーカー３の中心部に太陽電池８０を配置する。そして、図２２（ａ）に示すように、固定体である構造物ＳＴ（固定体）の所定位置に、マーカー３を設ける。そして、図１の実施形態で説明した飛行体１の着地の方法と同様の方法により、太陽電池８０と飛行体１の法線方向を同定する。次に飛行体１は、太陽電池８０の変換効率が高くなる波長のレーザー光をレーザー装置８１から照射して発電させ、太陽電池８０に接続されたセンサーに給電する。

上述の実施形態では、マーカーが着地部に設けられて光源及び撮像部が移動体に設けられていたが、マーカーが移動体に設けられて光源及び撮像部が着地部に設けられてよい。

１…飛行体（移動体）、３…マーカー、４，６０…光制御層、５…反射層、１７…光源、１８…撮像部、２２…位置検出部、２３…位置調整部、ＡＰ…着地部（固定体）、ＴＧ…ターゲット（固定体）、ＳＴ…構造物（固定体）、ＦＰ…水平面。

Claims (9)

1. 固定体に対して移動する移動体の位置を検出する位置検出システムであって、
   前記固定体及び前記移動体の一方に設けられる光源と、
   前記固定体及び前記移動体の一方に設けられる撮像部と、
   前記固定体及び前記移動体の他方に設けられるマーカーと、
   前記撮像部によって取得された前記マーカーの画像の輝度に基づいて、前記固定体に対する前記移動体の位置を検出する位置検出部と、を備え、
   前記マーカーは、反射層と、前記反射層に設けられると共に主面を有する光制御層と、を備え、
   前記光制御層は、前記主面に対する入射角が所定の閾値以内である光を通過させる、位置検出システム。
2. 前記撮像部によって取得された前記マーカーの画像の輝度に基づいて、前記移動体の位置調整を行う位置調整部を更に備える、請求項１に記載の位置検出システム。
3. 前記光制御層は、少なくとも二つの領域を有し、
   前記二つの領域の前記閾値は、互いに異なっている、請求項１又は２に記載の位置検出システム。
4. 前記撮像部によって取得された前記マーカーの画像の輝度に基づいて、前記移動体の位置調整を行う位置調整部を更に備え、
   前記位置調整部は、前記画像中の前記二つの領域の輝度の差が小さくなるように、前記移動体の位置調整を行う、請求項３に記載の位置検出システム。
5. 前記撮像部によって取得された前記マーカーの画像の輝度に基づいて、前記移動体の位置調整を行う位置調整部を更に備え、
   前記位置調整部は、前記画像中の前記マーカーの輝度が最大値となるように、前記移動体の位置調整を行う、請求項１～４の何れか一項に記載の位置検出システム。
6. 前記閾値以下の角度は、前記主面に対して垂直な角度を含む、請求項１～５の何れか一項に記載の位置検出システム。
7. 前記移動体は飛行体であり、前記光源は、前記飛行体の水平面と垂直な方向へ光を出射する、請求項１～６の何れか一項に記載の位置検出システム。
8. 前記撮像部によって取得された前記マーカーの画像の輝度に基づいて、前記移動体の位置調整を行う位置調整部を更に備え、
   前記位置調整部は、前記マーカーの輝度に基づいて、飛行中の前記移動体を着地させるか否かを判定する、請求項１～７の何れか一項に記載の位置検出システム。
9. 固定体に対して移動する移動体の位置を調整する位置検出方法であって、
   前記固定体及び前記移動体の一方に設けられる光源から、他方に設けられるマーカーへ光を出射する工程と、
   前記マーカーを含む画像を取得する工程と、
   取得された前記マーカーの画像の輝度に基づいて、前記固定体に対する前記移動体の位置を検出する工程と、を備え、
   前記マーカーは、反射層と、前記反射層に設けられると共に主面を有する光制御層と、を備え、
   前記光制御層は、前記主面に対する入射角が所定の閾値以内である光を通過させる、位置検出方法。

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