JPH03282203A - ターゲット及びこれを用いた三次元位置姿勢計測システム - Google Patents
ターゲット及びこれを用いた三次元位置姿勢計測システムInfo
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- JPH03282203A JPH03282203A JP2086123A JP8612390A JPH03282203A JP H03282203 A JPH03282203 A JP H03282203A JP 2086123 A JP2086123 A JP 2086123A JP 8612390 A JP8612390 A JP 8612390A JP H03282203 A JPH03282203 A JP H03282203A
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/244—Spacecraft control systems
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B64G1/32—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using earth's magnetic field
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- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/36—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors
- B64G1/366—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors using magnetometers
-
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- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G3/00—Observing or tracking cosmonautic vehicles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/87—Combinations of systems using electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/875—Combinations of systems using electromagnetic waves other than radio waves for determining attitude
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野コ
本発明は例えば宇宙機が宇宙基地や他の宇宙機にランデ
ブ・トッキングする際に、他宇宙機の自宇宙機に対する
三次元の相対位置姿勢を計測する技術に関するものであ
る。
ブ・トッキングする際に、他宇宙機の自宇宙機に対する
三次元の相対位置姿勢を計測する技術に関するものであ
る。
［従来の技術］
第９図は例えば第２回宇宙用人工知能／ロツホト／オー
トメーションシンポジウム講演集ＳＡ Ｉ ＲＡＳ８８
８１３ Ｐ５１〜５４ （Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ
Ａｒｔ、１ｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔ。
トメーションシンポジウム講演集ＳＡ Ｉ ＲＡＳ８８
８１３ Ｐ５１〜５４ （Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ
Ａｒｔ、１ｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔ。
ｅｌｌｉｇｅｎｃｅ、 Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａ
ｕＬｏｍａｔ、ｉｏｎ １ｎ ５ｐａｃｅａｐｐｌｉｃ
ａｔｉｏｎ １９８８．講演番号Ｂ１−３）に示された
従来の三次元位置姿勢計測用ターゲットを示す↑４視図
であり、第１０図Ｃよ同じく三次元位置姿勢計測ンステ
ムの構成を示す説明図である。
ｕＬｏｍａｔ、ｉｏｎ １ｎ ５ｐａｃｅａｐｐｌｉｃ
ａｔｉｏｎ １９８８．講演番号Ｂ１−３）に示された
従来の三次元位置姿勢計測用ターゲットを示す↑４視図
であり、第１０図Ｃよ同じく三次元位置姿勢計測ンステ
ムの構成を示す説明図である。
第９図において、（１）は平板、（２ａ）、（２ｂ）、
（２ｃ）。
（２ｃ）。
（２ｄ）はこの平板（１）上に長方形をなすように配置
されたマーク、（４１）は長方形に配置されたマーク（
２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）の対角線交点、
（４２）は対角線交点（４１）から平板（１）に垂直に
立てたボール、（４３）はボール（４２）の頂点に取り
付けられたマークてあり、これらで三次元位置姿勢計測
用ターゲット（９）が構成される。
されたマーク、（４１）は長方形に配置されたマーク（
２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）の対角線交点、
（４２）は対角線交点（４１）から平板（１）に垂直に
立てたボール、（４３）はボール（４２）の頂点に取り
付けられたマークてあり、これらで三次元位置姿勢計測
用ターゲット（９）が構成される。
ざらに第１Ｏ図において、（８）は測定対象、（９）は
測定対象（８）に取り付けられた三次元位置姿勢計測用
ターゲット、（ｌｏａ）、（１０ｂ）、（ｌｏｃ）はタ
ーゲット上に仮想的に設けたターゲット座標系座標軸、
（１１）は観測点、（１２）は観測点（１１）上に仮想
的に設けた基準座標系、（１２ａ） 、 （１２ｂ）
、 （１２ｃ）は基準座標系（１２）を構成する座標軸
、（４４）は観測点（１１）上に取り付けたＴＶカメラ
、（４５）はＴＶカメラ（４４）の出力から同期信号を
分離する同期信号分離回路、（４６）は同期信号分離回
路（４５）の出力を人力とするカウンタ回路、（４７）
はカウンタ回路（４６）の出力を一時的に記憶しておく
バッフ７メモリ、（２６）はバッファメモリ（４７）の
内容を参照し決められたプログラムによって演算処理を
行う演算処理回路を示す。
測定対象（８）に取り付けられた三次元位置姿勢計測用
ターゲット、（ｌｏａ）、（１０ｂ）、（ｌｏｃ）はタ
ーゲット上に仮想的に設けたターゲット座標系座標軸、
（１１）は観測点、（１２）は観測点（１１）上に仮想
的に設けた基準座標系、（１２ａ） 、 （１２ｂ）
、 （１２ｃ）は基準座標系（１２）を構成する座標軸
、（４４）は観測点（１１）上に取り付けたＴＶカメラ
、（４５）はＴＶカメラ（４４）の出力から同期信号を
分離する同期信号分離回路、（４６）は同期信号分離回
路（４５）の出力を人力とするカウンタ回路、（４７）
はカウンタ回路（４６）の出力を一時的に記憶しておく
バッフ７メモリ、（２６）はバッファメモリ（４７）の
内容を参照し決められたプログラムによって演算処理を
行う演算処理回路を示す。
次に動作について説明する。測定対象（８）にターゲッ
ト（９）を取り付けて、観測点（１１）からＴＶカメラ
（４４）でターゲットを観測すると第１１図の説明図に
示すような画像を得ることができる。図において、（２
０ａ）は平板（１）上のマーク（２ａ）、（２０ｂ）は
同じくマーク（２ｂ）、（２０ｃ）は同じくマーク（２
Ｃ）、（２０ｄ ）は同じくマーク（２ｄ）、（４８）
は同じくマーク（４３）に対応する像で、（４９）は同
じく交点（４１）に対応する点である。ＴＶカメラ（４
４）の出力を同期信号分離回路（４５）に入力し同期信
号と画像信号を分離する。この画像信号から輝度の高い
点、即ちマークのｆｌｌ（２０ａ）、（２０ｂ）、（２
０ｃ）、（２０ｄ）を図示しないマーク検出回路で検出
する。この検出されたマーク像の画像内での位置を同期
信号分離回路（４５）で得られた同期信号を利用し、カ
ウンタ（４６）を用いて算出する。次にその原理につい
て説明する。同期信号分離回路（４５）から得られる同
期信号は垂直同期信号と水平同期信号とて構成されてい
る。このためこの検出されたマークの画像内での水平方
向の位置は、水平同期信号からの詩情をカウンタ（４６
）でカウントすることによって算出することができ、垂
直方向の位置は垂直同期信号からの水平同期信号数を同
じくカウンタ（４６）でカウントすることによって算出
できる。カウンタ（４６）でカウントされた値はバッフ
ァメモリに記憶される。演算処理回路（２６）はこのバ
ッファメモリ（４７）にアクセスし、その値を用いてあ
らかじめプログラムされたソフトウェアに従って三次元
位置姿勢を算出する。
ト（９）を取り付けて、観測点（１１）からＴＶカメラ
（４４）でターゲットを観測すると第１１図の説明図に
示すような画像を得ることができる。図において、（２
０ａ）は平板（１）上のマーク（２ａ）、（２０ｂ）は
同じくマーク（２ｂ）、（２０ｃ）は同じくマーク（２
Ｃ）、（２０ｄ ）は同じくマーク（２ｄ）、（４８）
は同じくマーク（４３）に対応する像で、（４９）は同
じく交点（４１）に対応する点である。ＴＶカメラ（４
４）の出力を同期信号分離回路（４５）に入力し同期信
号と画像信号を分離する。この画像信号から輝度の高い
点、即ちマークのｆｌｌ（２０ａ）、（２０ｂ）、（２
０ｃ）、（２０ｄ）を図示しないマーク検出回路で検出
する。この検出されたマーク像の画像内での位置を同期
信号分離回路（４５）で得られた同期信号を利用し、カ
ウンタ（４６）を用いて算出する。次にその原理につい
て説明する。同期信号分離回路（４５）から得られる同
期信号は垂直同期信号と水平同期信号とて構成されてい
る。このためこの検出されたマークの画像内での水平方
向の位置は、水平同期信号からの詩情をカウンタ（４６
）でカウントすることによって算出することができ、垂
直方向の位置は垂直同期信号からの水平同期信号数を同
じくカウンタ（４６）でカウントすることによって算出
できる。カウンタ（４６）でカウントされた値はバッフ
ァメモリに記憶される。演算処理回路（２６）はこのバ
ッファメモリ（４７）にアクセスし、その値を用いてあ
らかじめプログラムされたソフトウェアに従って三次元
位置姿勢を算出する。
次にＴＶカメラ（４４）で得られた第１１図に示す画像
から測定対象（８）の観測点（１１）に対する三次元の
相対的な位置姿勢を計測する原理について説明する。相
対位置姿勢は ターゲット座標系座標軸（１０ａ）、（
１０ｂ）、（１０ｃ）の基準座標系（【２）に対する位
置３成分とと姿勢角３成分で表すことができる。
から測定対象（８）の観測点（１１）に対する三次元の
相対的な位置姿勢を計測する原理について説明する。相
対位置姿勢は ターゲット座標系座標軸（１０ａ）、（
１０ｂ）、（１０ｃ）の基準座標系（【２）に対する位
置３成分とと姿勢角３成分で表すことができる。
一般に、三次元空間において同−平面玉にある４点の幾
何学的な位置関係が既知の場合、透視変換によって４点
の対応点が得られると、透視の逆変換から４点の３次元
位置が一意に決定されることが明らかにされている（島
端＝「投影変換の逆変換に関する２、３の考察」、電子
通信学会画像工学研究会資料 Ｉ Ｅ、 ７９−１５
． １９７９年）。さらにこの原理を用いて、長方形の
頂点に配置された４つのマークをターゲットとする三次
元位置姿勢計測システムが発表されている（６井ら：「
３次元位置・姿勢センサとロボットへの応用」、計測自
動制御学会論文集Ｖｏ１．２１．Ｎｏ、４．１９８５年
）。
何学的な位置関係が既知の場合、透視変換によって４点
の対応点が得られると、透視の逆変換から４点の３次元
位置が一意に決定されることが明らかにされている（島
端＝「投影変換の逆変換に関する２、３の考察」、電子
通信学会画像工学研究会資料 Ｉ Ｅ、 ７９−１５
． １９７９年）。さらにこの原理を用いて、長方形の
頂点に配置された４つのマークをターゲットとする三次
元位置姿勢計測システムが発表されている（６井ら：「
３次元位置・姿勢センサとロボットへの応用」、計測自
動制御学会論文集Ｖｏ１．２１．Ｎｏ、４．１９８５年
）。
基準座標（１２）上に置かれたＴＶカメラ（４４）によ
って得られるターゲット（９）の画像内の像（２０ａ）
。
って得られるターゲット（９）の画像内の像（２０ａ）
。
（２０ｂ）、（２０ｃ）、（２０ｄ）は平板（１）上の
マーク（２ａ）。
マーク（２ａ）。
（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）の透視変換された対応点
に相当するため、画像内の像（２０ａ）、（２０ｂ）、
（２０ｃ）、（２０ｄ）のそれぞれの像重心を算出すれ
ば、ターゲット座標系座標軸（ｌｏａ）、（１０ｂ）、
（ＩＯｃ）の、基準座標（１２）に対する相対的な位置
４？勢を得ることができ、測定対象の三次元位置姿勢を
計測することができる。
に相当するため、画像内の像（２０ａ）、（２０ｂ）、
（２０ｃ）、（２０ｄ）のそれぞれの像重心を算出すれ
ば、ターゲット座標系座標軸（ｌｏａ）、（１０ｂ）、
（ＩＯｃ）の、基準座標（１２）に対する相対的な位置
４？勢を得ることができ、測定対象の三次元位置姿勢を
計測することができる。
さらにボール（４２）の頂点に取り付けられたマーク（
４３）に対応する像（４８）と対角線交点（４１）に対
応する点く４９）の画像上での長さは姿勢角の変化に応
して感度良く変化するので、この性質を利用して高精度
な姿勢角の計測を行っている。
４３）に対応する像（４８）と対角線交点（４１）に対
応する点く４９）の画像上での長さは姿勢角の変化に応
して感度良く変化するので、この性質を利用して高精度
な姿勢角の計測を行っている。
［発明が解決しようとする課題］
従来のターゲットは以上のように構成されていたので、
姿勢角の計測精度を向上させるにはボール（４２）を長
くしなけれはならず、ボールによってマークが隠れてし
まって計測不能になったり、ボールがドツキング時に観
測例の宇宙機に衝突する危険性があるなどの問題があっ
た。また、これらの問題を回避するためにボールを短く
すると十分な姿勢角の計測精度が得られないという問題
点があった。
姿勢角の計測精度を向上させるにはボール（４２）を長
くしなけれはならず、ボールによってマークが隠れてし
まって計測不能になったり、ボールがドツキング時に観
測例の宇宙機に衝突する危険性があるなどの問題があっ
た。また、これらの問題を回避するためにボールを短く
すると十分な姿勢角の計測精度が得られないという問題
点があった。
本発明は上記のようなｍ８点を解消するためになされた
もので、姿勢角の計測精度を著しく向上できるとともに
、ドツキング時に宇宙機にボールなどの突起物が衝突す
る危険性を排除できるターゲットを得ることを目的とし
ており、さらにこのターゲットに適した三次元位置姿勢
計測システムを提供することを目的とする。
もので、姿勢角の計測精度を著しく向上できるとともに
、ドツキング時に宇宙機にボールなどの突起物が衝突す
る危険性を排除できるターゲットを得ることを目的とし
ており、さらにこのターゲットに適した三次元位置姿勢
計測システムを提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］
本発明のターゲットは、同一平面上の４点以上の位置を
示すマーク、及び球面状の反射面を有する球面反射体を
有するもので、この球面反射体をその曲率中心が上記マ
ークで規定される平面上に位置しないように配設したも
のである。なお、この明細書における平面は仮想平面を
も含むものである。
示すマーク、及び球面状の反射面を有する球面反射体を
有するもので、この球面反射体をその曲率中心が上記マ
ークで規定される平面上に位置しないように配設したも
のである。なお、この明細書における平面は仮想平面を
も含むものである。
また本発明の三次元位置姿勢計測システムは、上記ター
ゲットを測定対象に取り付け、上記ターゲットに光を照
射してマーク及び球面反射体に輝点を生じさせ、このと
きの上記ターゲットの画像を得て、得られた画像から輝
度の高い部分を検出して各々の重心を求め、その画像内
の水平方向と垂直方向の位置を算出し、得られた値から
測定対象の三次元位置と姿勢角を計測するシステムであ
る。
ゲットを測定対象に取り付け、上記ターゲットに光を照
射してマーク及び球面反射体に輝点を生じさせ、このと
きの上記ターゲットの画像を得て、得られた画像から輝
度の高い部分を検出して各々の重心を求め、その画像内
の水平方向と垂直方向の位置を算出し、得られた値から
測定対象の三次元位置と姿勢角を計測するシステムであ
る。
［作用］
本発明におけろターゲットは、同一平面上の４点以上の
位置を示すマークとその曲率中心が上記平面にない球面
反射体から構成されており、球面反射体においては上記
曲率中心を通る光のみが検出可能で上記曲率中心位置が
位置指標として動作し、各位置指標を三次元的に配設し
たのと等価となるので、従来例のような計測やドツキン
グの妨げとなるような突起物を設ける必要がない。さら
に球面反射体の曲率半径が大きいほど姿勢角の計測精度
が良くなるため、計測の高精度化が容易である。
位置を示すマークとその曲率中心が上記平面にない球面
反射体から構成されており、球面反射体においては上記
曲率中心を通る光のみが検出可能で上記曲率中心位置が
位置指標として動作し、各位置指標を三次元的に配設し
たのと等価となるので、従来例のような計測やドツキン
グの妨げとなるような突起物を設ける必要がない。さら
に球面反射体の曲率半径が大きいほど姿勢角の計測精度
が良くなるため、計測の高精度化が容易である。
また、本発明の三次元位置姿勢計測システムでは、光を
照射する手段、例えば光源を有しているので、ターゲッ
トのマークと球面反射体によって輝度の高い輝点を発生
させることが可能となり、背景からのマークと輝点の抽
出が容易である。
照射する手段、例えば光源を有しているので、ターゲッ
トのマークと球面反射体によって輝度の高い輝点を発生
させることが可能となり、背景からのマークと輝点の抽
出が容易である。
［実施例］
以下、本発明の実施例を図について説明する。
第１図（ａ）（ｂ）は各々本発明の一実施例のターゲッ
トの構成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面
図である。図において、（１）はターゲット基板、（２
）は同一平面上の４点の位置を示すマークで、この場合
は平らなターゲット基板（１）に取り付けられた４個の
コーナーキューブリフレクタ（２ａ）。
トの構成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面
図である。図において、（１）はターゲット基板、（２
）は同一平面上の４点の位置を示すマークで、この場合
は平らなターゲット基板（１）に取り付けられた４個の
コーナーキューブリフレクタ（２ａ）。
（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）からなる。（３）はター
ゲット基板（１）に配置した球面反射体で、この場合は
凹面鏡である。次にマーク、即ちコーナーキューブリフ
レクタ（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）及び凹
面鏡（３）の配置について第２図（ａ）の正面説明図、
同図（ｂ）の断面説明区によって説明する。仮想平面（
４）上で、かつ中心を（５）とする仮想円の円周上の４
等分割点に相当する点（６ａ）、（６ｂ）、（６ｃ）、
（６ｄ）にコーナーキューブリフレクタ（２ａ）、（２
ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）をそれぞれ配置する。凹面鏡
（３）はその曲率中心（７）が、仮想円の中心（５）か
ら平面（４）に垂直に立てた仮想法線上で、しかも平面
（４）上にないところにくるように配置する。
ゲット基板（１）に配置した球面反射体で、この場合は
凹面鏡である。次にマーク、即ちコーナーキューブリフ
レクタ（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）及び凹
面鏡（３）の配置について第２図（ａ）の正面説明図、
同図（ｂ）の断面説明区によって説明する。仮想平面（
４）上で、かつ中心を（５）とする仮想円の円周上の４
等分割点に相当する点（６ａ）、（６ｂ）、（６ｃ）、
（６ｄ）にコーナーキューブリフレクタ（２ａ）、（２
ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）をそれぞれ配置する。凹面鏡
（３）はその曲率中心（７）が、仮想円の中心（５）か
ら平面（４）に垂直に立てた仮想法線上で、しかも平面
（４）上にないところにくるように配置する。
次に、このターゲットを用いた本発明の一実施例の三次
元位置姿勢計測システムの構成について第３図の説明図
で説明する。図において、（８）は測定対象、（９）は
測定対象（８）に取り付けられた三次元位置姿勢計測用
ターゲット、（１ｏａ） 、 （１０ｂ） 。
元位置姿勢計測システムの構成について第３図の説明図
で説明する。図において、（８）は測定対象、（９）は
測定対象（８）に取り付けられた三次元位置姿勢計測用
ターゲット、（１ｏａ） 、 （１０ｂ） 。
（ｌｏｃ）はターゲット上に仮想的に設けたターゲット
座標系座標軸、（１１）は観測点、（１２ａ） 、 （
１２ｂ） 。
座標系座標軸、（１１）は観測点、（１２ａ） 、 （
１２ｂ） 。
（＋２ｃ）は観測点（ＩＩ）上に仮想的に設けた基準座
標系座標軸、（１３）は観測点（１２）上に取り付けら
れたターゲットの画像を得るためのセンサヘッド、（１
４）はそのセンサヘッド（１３）を構成する半導体レー
ザーからなる光源、（■５）は同じくハーフミラ−（１
６）は同しくレンズ群で、この場合光源（１４）、ハー
フミラ−（１５）、レンズ群（１６）で光照射手段を構
成している。（１７）は同じくセンサヘッド（１３）を
構成する結像手段であるレンズ群、（１８）は同じく撮
像手段である固体撮像素子、（１９）はそのセンサヘッ
ド（１３）で得られた画像、 （２０ａ）、（２０ｂ
）、（２０ｃ）。
標系座標軸、（１３）は観測点（１２）上に取り付けら
れたターゲットの画像を得るためのセンサヘッド、（１
４）はそのセンサヘッド（１３）を構成する半導体レー
ザーからなる光源、（■５）は同じくハーフミラ−（１
６）は同しくレンズ群で、この場合光源（１４）、ハー
フミラ−（１５）、レンズ群（１６）で光照射手段を構
成している。（１７）は同じくセンサヘッド（１３）を
構成する結像手段であるレンズ群、（１８）は同じく撮
像手段である固体撮像素子、（１９）はそのセンサヘッ
ド（１３）で得られた画像、 （２０ａ）、（２０ｂ
）、（２０ｃ）。
（２０ｄ）は画像内にマークのコーナーキューブリフレ
クタ（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）によって
生じた輝点の像、（２１）は凹面鏡（３）によって生し
た輝点の像、（２２）は仮想円の中心（５）に対応した
画像内の位置で、（２３）は画像（１９）からコーナー
キューブリフレクタ輝点像（２０ａ）、（２０ｂ）、（
２０ｃ）、（２０ｄ）及び凹面鏡輝点像（２１）を抽出
する輝点像抽出手段であるターゲット抽出回路、（２４
）はターゲット抽出回路（２３）で抽出された像（２０
ａ）、（２０ｂ）、（２０ｃ）、（２０ｄ）、（２１）
のそれぞれの像重心の画像（１９）内での水平位置及び
垂直位置を抽出するための像重心座標値検出手段である
重心位置検出回路、（２５）は測定対象（８）の運動と
ともに変化する輝点（２０ａ） 、 （２０ｂ） 、
（２０ｃ） 。
クタ（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）によって
生じた輝点の像、（２１）は凹面鏡（３）によって生し
た輝点の像、（２２）は仮想円の中心（５）に対応した
画像内の位置で、（２３）は画像（１９）からコーナー
キューブリフレクタ輝点像（２０ａ）、（２０ｂ）、（
２０ｃ）、（２０ｄ）及び凹面鏡輝点像（２１）を抽出
する輝点像抽出手段であるターゲット抽出回路、（２４
）はターゲット抽出回路（２３）で抽出された像（２０
ａ）、（２０ｂ）、（２０ｃ）、（２０ｄ）、（２１）
のそれぞれの像重心の画像（１９）内での水平位置及び
垂直位置を抽出するための像重心座標値検出手段である
重心位置検出回路、（２５）は測定対象（８）の運動と
ともに変化する輝点（２０ａ） 、 （２０ｂ） 、
（２０ｃ） 。
（２０ｄ）、（２１）を刻々と追尾するターゲット追尾
回路、（２６）は重心位置検出回路（２４）で得られた
値をもとにして決められたプログラムによって演算処理
を行う演算処理手段である演算処理回路を示す。
回路、（２６）は重心位置検出回路（２４）で得られた
値をもとにして決められたプログラムによって演算処理
を行う演算処理手段である演算処理回路を示す。
次に動作について第４図で説明する。第４図はこの三次
元位置姿勢測定システムのセンサヘッド（１３）とター
ゲット（９〉の断面を示して測定原理を示す説明図であ
る。図においてセンサヘッド（１３）の光ｒＪ（１４）
が光を発生すると、ハーフミラ−（１５）及びレンズ群
（１６）に導かれてターゲット（９）に拡散する光（２
８）を照射する。コーナーキューブリフレクタ（２ａ）
、（２ｃ）は 入射光（２９）、（３０）に平行に光を
反射し、反射光はセンサヘッド（１３）のレンズ群（１
７）によって固体撮像素子（１８）に結像して輝点を生
じ、画像（１９）内で輝点（２０ａ）、（２０ｃ）とし
て検出される。また、鏡の入射光と反射光の関係から、
凹面鏡（３）の曲率中心（７）を通って凹面鏡（３）に
入射する光（３１）は凹面鏡（３）によって反射され、
再び曲率中心（７）を通ってセンサヘッド（１３）に入
射する。凹面鏡反射光ではこの光のみが固体撮像素子（
１８）上に輝点を生しるので、画像（１９）内における
凹面鏡（３）の輝点（２１）は凹面鏡（３〉の曲率中心
（７）の位置に対応する。即ち、曲率中心（７）に印、
位置指標を配したものと等価な画像が得られる。このよ
うにセンサヘッド（１３）から得られる画像（１９）内
の輝点（２０ａ）、（２０ｂ）、（２０ｃ）、（２０ｄ
）は、同一平面（４）上にあるマークのコーナーキュー
ブリフレクタに対応し、輝点（２１）は凹面鏡（３）の
曲率中心（７）の位置に対応している。
元位置姿勢測定システムのセンサヘッド（１３）とター
ゲット（９〉の断面を示して測定原理を示す説明図であ
る。図においてセンサヘッド（１３）の光ｒＪ（１４）
が光を発生すると、ハーフミラ−（１５）及びレンズ群
（１６）に導かれてターゲット（９）に拡散する光（２
８）を照射する。コーナーキューブリフレクタ（２ａ）
、（２ｃ）は 入射光（２９）、（３０）に平行に光を
反射し、反射光はセンサヘッド（１３）のレンズ群（１
７）によって固体撮像素子（１８）に結像して輝点を生
じ、画像（１９）内で輝点（２０ａ）、（２０ｃ）とし
て検出される。また、鏡の入射光と反射光の関係から、
凹面鏡（３）の曲率中心（７）を通って凹面鏡（３）に
入射する光（３１）は凹面鏡（３）によって反射され、
再び曲率中心（７）を通ってセンサヘッド（１３）に入
射する。凹面鏡反射光ではこの光のみが固体撮像素子（
１８）上に輝点を生しるので、画像（１９）内における
凹面鏡（３）の輝点（２１）は凹面鏡（３〉の曲率中心
（７）の位置に対応する。即ち、曲率中心（７）に印、
位置指標を配したものと等価な画像が得られる。このよ
うにセンサヘッド（１３）から得られる画像（１９）内
の輝点（２０ａ）、（２０ｂ）、（２０ｃ）、（２０ｄ
）は、同一平面（４）上にあるマークのコーナーキュー
ブリフレクタに対応し、輝点（２１）は凹面鏡（３）の
曲率中心（７）の位置に対応している。
これら５点（２０ａ）、（２０ｂ）、（２０ｃ）、（２
０ｄ）、（２１）の画像内の位置を用いれは従来例と同
しように三次元位置姿勢を計測することが可能である。
０ｄ）、（２１）の画像内の位置を用いれは従来例と同
しように三次元位置姿勢を計測することが可能である。
また、ターゲット追尾回路（２５）によって、−度ター
ゲットを抽出した後は常に高速に輝点（２０ａ）。
ゲットを抽出した後は常に高速に輝点（２０ａ）。
（２０ｂ）、（２０ｃ）、（２０ｄ）及び（２１）を検
出することが可能である。
出することが可能である。
このように、この実施例のターゲットは、従来例のよう
な突起物がないので、突起物によってマークが隠れて計
測不能になったり、他の物体に衝突するなとの問題を生
じない。さらに、球面反射体である凹面鏡の曲率半径が
大きくなるほど姿勢角の計測精度は高くなるので、計測
の高精度化は極めて容易である。
な突起物がないので、突起物によってマークが隠れて計
測不能になったり、他の物体に衝突するなとの問題を生
じない。さらに、球面反射体である凹面鏡の曲率半径が
大きくなるほど姿勢角の計測精度は高くなるので、計測
の高精度化は極めて容易である。
また、三次元位置姿勢計測システムは、そのセンサヘッ
ドに光源を用い、ターゲットには光の反射体を用いてい
るので、マークや凹面鏡内の輝点を背景から分離するこ
とが容易で、計測精度を向上できる。さらに、対象物の
姿勢が大きく変化して凹面鏡内部に輝点が生しない場合
が発生しても、平面上に配置された他の４個のコーナー
キューブリフレクタからなるマークから対象物の姿勢角
を計測することができ、冗長性を有する信頼性の高い計
測を実現できる。
ドに光源を用い、ターゲットには光の反射体を用いてい
るので、マークや凹面鏡内の輝点を背景から分離するこ
とが容易で、計測精度を向上できる。さらに、対象物の
姿勢が大きく変化して凹面鏡内部に輝点が生しない場合
が発生しても、平面上に配置された他の４個のコーナー
キューブリフレクタからなるマークから対象物の姿勢角
を計測することができ、冗長性を有する信頼性の高い計
測を実現できる。
なお、上記実施例のターゲットではマークとしてコーナ
ーキューブリフレクタを４個用い、同一平面上の４点の
位置を示す場合について説明したが、マークが示す平面
上の位置は４点以上であればよく、その配置も同一円周
の４等分割でなくてもよい。また、球面反射体との位置
関係も実施例のものにこだわらない。例えば第５図（ａ
）の正面図、同図（ｂ）の断面図に示すように、マーク
としてコーナーキューブリフレクタを５個配置してター
ゲット基板（１）の法線まわりの姿勢角を一意に求めら
れるようにしたものでもよい。また、第６図（ａ）の正
面図、同図（ｂ）の断面図に示すようにマークのコーナ
ーキューブリフレクタ（２ａ）、（２ｂ）。
ーキューブリフレクタを４個用い、同一平面上の４点の
位置を示す場合について説明したが、マークが示す平面
上の位置は４点以上であればよく、その配置も同一円周
の４等分割でなくてもよい。また、球面反射体との位置
関係も実施例のものにこだわらない。例えば第５図（ａ
）の正面図、同図（ｂ）の断面図に示すように、マーク
としてコーナーキューブリフレクタを５個配置してター
ゲット基板（１）の法線まわりの姿勢角を一意に求めら
れるようにしたものでもよい。また、第６図（ａ）の正
面図、同図（ｂ）の断面図に示すようにマークのコーナ
ーキューブリフレクタ（２ａ）、（２ｂ）。
（２ｃ）、（２ｄ）を球面反射体の凹面鏡（３）球面に
配置してもよい。さらに第７図（ａ）の正面図、同図（
ｂ）の断面図に示すようにマークとしてコーナーキュー
ブリフレクタを８個用い、その内の４ｍ（２ｆ）。
配置してもよい。さらに第７図（ａ）の正面図、同図（
ｂ）の断面図に示すようにマークとしてコーナーキュー
ブリフレクタを８個用い、その内の４ｍ（２ｆ）。
（２ｇ）、（２ｈ）、（２ｉ）を球面反射体（３）内に
配置して、測定対ｔ（８）が測定点（１１）に接近して
もセンサヘッド（３）の視野内に４個のコーナーキュー
ブリフレクタが入るようにしてもよい。
配置して、測定対ｔ（８）が測定点（１１）に接近して
もセンサヘッド（３）の視野内に４個のコーナーキュー
ブリフレクタが入るようにしてもよい。
また、上記実施例では球面反射体（３）として凹面鏡を
用いたが、第８図（ａ）の正面図、同図（ｂ）の断面図
に示したように凸面鏡としてもよく、材質もガラスの鏡
、金属、あるいはＣＦＲＰても良い。
用いたが、第８図（ａ）の正面図、同図（ｂ）の断面図
に示したように凸面鏡としてもよく、材質もガラスの鏡
、金属、あるいはＣＦＲＰても良い。
さらに、上記実施例ではマーク（２）としてコーナーキ
ューブリフレクタを用いたが、他に同様のものとしてキ
ャッツアイでもよく、さらには凹面鏡、凸面鏡、ＬＥＤ
のような自ら光を発するものでもよく、ペイントで描い
たものでもよく、光を帰すものであればよい。
ューブリフレクタを用いたが、他に同様のものとしてキ
ャッツアイでもよく、さらには凹面鏡、凸面鏡、ＬＥＤ
のような自ら光を発するものでもよく、ペイントで描い
たものでもよく、光を帰すものであればよい。
そして、上記実施例ではセンサヘッド（１３）を単数用
いた場合を示したが、センサヘッド（１３）の数は２個
以上でもよく、この場合センサヘラ）”（＋３）１個の
視野に５個すべての輝点が収まらなくてもよく、ターゲ
ット（９）を観測する視野を分割してそれぞれのセンサ
ヘッド（１３）で計測を行ってもよい。
いた場合を示したが、センサヘッド（１３）の数は２個
以上でもよく、この場合センサヘラ）”（＋３）１個の
視野に５個すべての輝点が収まらなくてもよく、ターゲ
ット（９）を観測する視野を分割してそれぞれのセンサ
ヘッド（１３）で計測を行ってもよい。
また、センサヘッド（１３）の光源（１４）として半導
体レーザーを用いたが、他に同様のものとしてＬＥＤ、
白熱ランプ、ハロゲンランプでもよい。
体レーザーを用いたが、他に同様のものとしてＬＥＤ、
白熱ランプ、ハロゲンランプでもよい。
また、上記実施例では宇宙における用途について説明し
たが、ロボットの手先運動計測などの他の産業用の三次
元位置姿勢計測用のターゲット及びシステムとしても有
効で、上記実施例と同様の効果を奏する。
たが、ロボットの手先運動計測などの他の産業用の三次
元位置姿勢計測用のターゲット及びシステムとしても有
効で、上記実施例と同様の効果を奏する。
さらに、上記実施例ではターゲット検出に光を利用して
いるが、例えばマークおよび球面反射体を電磁波を反射
するものとして、他の電磁波を照射して検出するように
しても同様の効果を奏する。
いるが、例えばマークおよび球面反射体を電磁波を反射
するものとして、他の電磁波を照射して検出するように
しても同様の効果を奏する。
また、マークは電磁波を出すものでもよい。
［発明の効果］
以上のように、本発明によれば三次元位置姿勢計測用の
ターゲットを同一平面上の４点以上の位置を示すマーク
及び曲率中心が上記平面から離隔して配設される球面反
射体から構成したので、突起物がなく、突起物によって
マークが隠れて計測不能になったり、他の物体に衝突す
るなとの危険性を排除できる。さらに、球面反射体の曲
率半径が大きくなるほど姿勢角の計測精度は高くなるの
で、容易に計測精度を向上できる。
ターゲットを同一平面上の４点以上の位置を示すマーク
及び曲率中心が上記平面から離隔して配設される球面反
射体から構成したので、突起物がなく、突起物によって
マークが隠れて計測不能になったり、他の物体に衝突す
るなとの危険性を排除できる。さらに、球面反射体の曲
率半径が大きくなるほど姿勢角の計測精度は高くなるの
で、容易に計測精度を向上できる。
また、本発明の三次元位置姿勢計測システムは上記ター
ゲットに適するもので、測定対象にターゲットを取着し
、上記ターゲットに光を照射する手段を有しており、マ
ークや球面反射体内の輝点を背景から分離することが容
易で、計測精度を向上できる。
ゲットに適するもので、測定対象にターゲットを取着し
、上記ターゲットに光を照射する手段を有しており、マ
ークや球面反射体内の輝点を背景から分離することが容
易で、計測精度を向上できる。
第１図（ａ）（ｂ）は本発明の一実施例によるターゲッ
トの構成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面
図、第２図（ａＸｂ）は同ターゲットのマークと球面反
射体の配置を説明するもので、（ａ）は正面説明図、（
ｂ）は断面説明図、第３図は本発明の一実施例による三
次元位置姿勢計測システムの構成を示す説明図、第４図
は同三次元位置姿勢計測システムの動作原理を示す図、
第５図〜第８図は各々本発明による他の実施例のターゲ
ットの構成を下すもので、各［Ｊ（ａ）は正面図、各図
（ｂ）は断面図、第９図は従来のターゲットの構成を示
す斜視図、第１θ図は従来の三次元位置姿勢計測システ
ムの構成を示す説明図、第１１図は従来の三次元位置姿
勢計測システムの動作を説明する説明図である。 図において、（１）はターゲット基板、（２）はマーク
で、（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）はマーク
を構成するコーナーキューブリフレクタ、（３）は球面
反射体、（９）はターゲット、（１３）はセンサヘッド
、（１４）は光照射手段を構成する光源、（１６）は光
照射手段を構成するレンズ群、（１７）は結像手段であ
るレンズ群、（１８）は撮像手段である固体撮像素子、
（２３）は輝点像抽出手段であるターゲット検出回路、
（２４）は像重心座標値検出手段である重心位置検出回
路、（２５）はターゲット追尾回路、（２６）は演算処
理手段である演算処理回路である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
トの構成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面
図、第２図（ａＸｂ）は同ターゲットのマークと球面反
射体の配置を説明するもので、（ａ）は正面説明図、（
ｂ）は断面説明図、第３図は本発明の一実施例による三
次元位置姿勢計測システムの構成を示す説明図、第４図
は同三次元位置姿勢計測システムの動作原理を示す図、
第５図〜第８図は各々本発明による他の実施例のターゲ
ットの構成を下すもので、各［Ｊ（ａ）は正面図、各図
（ｂ）は断面図、第９図は従来のターゲットの構成を示
す斜視図、第１θ図は従来の三次元位置姿勢計測システ
ムの構成を示す説明図、第１１図は従来の三次元位置姿
勢計測システムの動作を説明する説明図である。 図において、（１）はターゲット基板、（２）はマーク
で、（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）、（２ｄ）はマーク
を構成するコーナーキューブリフレクタ、（３）は球面
反射体、（９）はターゲット、（１３）はセンサヘッド
、（１４）は光照射手段を構成する光源、（１６）は光
照射手段を構成するレンズ群、（１７）は結像手段であ
るレンズ群、（１８）は撮像手段である固体撮像素子、
（２３）は輝点像抽出手段であるターゲット検出回路、
（２４）は像重心座標値検出手段である重心位置検出回
路、（２５）はターゲット追尾回路、（２６）は演算処
理手段である演算処理回路である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
Claims (2)
- （１）同一平面上の４点以上の位置を示すマーク、及び
曲率中心が上記平面から離隔して配設される球面反射体
からなり、測定対象の位置姿勢を検出するために上記測
定対象に取着される三次元位置姿勢計測用ターゲット - （２）測定対象に取着する請求項１記載のターゲット、
このターゲットに光を照射する手段、上記ターゲットの
画像を得る結像手段及び撮像手段、上記画像から上記タ
ーゲットのマークの像と球面反射体によって生じる輝点
の像を抽出する手段、上記マーク像と輝点像のそれぞれ
の像重心の座標値を検出する手段、及び上記像重心の座
標値から測定対象の三次元位置姿勢を計算により求める
演算処理手段を備える三次元位置姿勢計測システム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2086123A JP2564963B2 (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | ターゲット及びこれを用いた三次元位置姿勢計測システム |
| US07/673,195 US5207003A (en) | 1990-03-29 | 1991-03-21 | Target and system for three-dimensionally measuring position and attitude using said target |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2086123A JP2564963B2 (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | ターゲット及びこれを用いた三次元位置姿勢計測システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03282203A true JPH03282203A (ja) | 1991-12-12 |
| JP2564963B2 JP2564963B2 (ja) | 1996-12-18 |
Family
ID=13877929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2086123A Expired - Fee Related JP2564963B2 (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | ターゲット及びこれを用いた三次元位置姿勢計測システム |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5207003A (ja) |
| JP (1) | JP2564963B2 (ja) |
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| JP2008209189A (ja) * | 2007-02-26 | 2008-09-11 | Hitachi Ltd | 水中移動装置の位置測定システム |
| JP2010066190A (ja) * | 2008-09-12 | 2010-03-25 | Toshio Waki | レーザ位置決め反射装置 |
| JP2014089095A (ja) * | 2012-10-30 | 2014-05-15 | Fujitsu Ltd | 移動体の姿勢検出方法及び移動体の姿勢検出装置並びに部品組立装置 |
| CN104807404A (zh) * | 2015-04-23 | 2015-07-29 | 北京建筑大学 | 一种多用途球形测量装置与自动提取算法 |
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| JPH0820511B2 (ja) * | 1993-04-19 | 1996-03-04 | 日本電気株式会社 | 相対方位測定装置 |
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| FR2993371B1 (fr) * | 2012-07-13 | 2014-08-15 | Thales Sa | Systeme optique de mesure d'orientation et de position sans formation d'image a source ponctuelle et masque |
| FR3006759B1 (fr) * | 2013-06-07 | 2015-06-05 | Thales Sa | Systeme optique de mesure d'orientation et de position a source ponctuelle, masque central, capteur matriciel photosensible et coin de cube |
| DE102017210166A1 (de) | 2017-06-19 | 2018-12-20 | eumetron GmbH | System und Verfahren zur Positionierungsmessung |
| CN111397581B (zh) * | 2020-02-27 | 2022-01-18 | 清华大学 | 基于红外led点阵的视觉定位靶标及靶标测量场 |
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