JPH05133715A - ターゲツトマーク、撮像装置、ならびにそれらを用いる相対位置および姿勢測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 たとえば宇宙空間において宇宙機が他の宇宙
構造体にランデブ・ドッキングする場合、光学的に相対
位置および姿勢の測定を行う。 【構成】 被検出物体には、ターゲットマーク２５を取
付け、このターゲットマークを同軸落射照明付き撮像装
置によって撮像し、２次元の画像を処理して、被検出物
体の３次元の位置および姿勢を測定する。ターゲットマ
ークは、回帰反射板３１の内部に識別し易い形状を有す
る領域を備え、その領域の背後に、周囲から遮光部材に
よって遮光された低反射部材３４を立体的に配置し、回
帰反射板というのは、光の照射された方向に光を反射す
る板であり、低反射部材は、黒色の艶消し塗装を施した
板である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直射日光などが照射さ
れる環境下で、被検出物の位置および姿勢を光学的に測
定するために用いられる被検出物に設置するターゲット
マークと、そのターゲットマークを撮像する撮像装置
と、さらにそれらを用いる相対位置および姿勢の測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】或る先行技術は図２１に示されている。
被検出物体１の平坦な表面２にはターゲットマーク３が
固定される。この被検出物体１に対向して物体４には、
撮像装置５が設けられる。撮像装置５は、連続照明を行
う光源８と、ハーフミラー９と、テレビカメラ１０とを
有し、いわゆる同軸落射照明付きテレビカメラである。
光源８は、光軸１１に沿って光を被検出物体１に向けて
照射する。ハーフミラー９は、この光軸１１上に設けら
れ、光源８からの光を透過して参照符１２で示されるよ
うに、その透過した光を被検出物体１に導き、被検出物
体１のターゲットマーク３から反射された反射光は、参
照符１３，１４で示されるように、屈曲して反射され
る。テレビカメラ１０は、ハーフミラー９からの光経路
１４で示される光を受光し、集束レンズ１５を介して電
荷蓄積素子（略称ＣＣＤ）などの撮像素子１６に結像す
る。

【０００３】図２２はターゲットマーク３の断面図であ
り、図２３はそのターゲットマーク３の正面図である。
これらの図面を参照して、ターゲットマーク３は、回帰
反射板１７とその背後に設けられる低反射板１８とを有
し、回帰反射板１７の背景となる低反射板１８とのコン
トラストの差をつけている。回帰反射板１７は、光の照
射された方向１２に、矢符１３のように光を反射する板
であり、低反射板１８は、黒色の艶消し塗装を施した板
であり、光の反射率が低い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような図２１〜図
２３に示される或る提案された技術では、太陽光などの
外乱光を参照符１９，２０で示されるように受けた場
合、テレビカメラ１０が捕らえる映像としては、回帰反
射板１７の輝度は上らず、一方、低反射板１８に照射さ
れた光２０は破線２１で示されるように乱反射されて、
その低反射板１８の輝度が上昇する。したがって太陽光
などの外乱光によって、ターゲットマーク３のコントラ
ストが著しく低下し、テレビカメラ１０によるターゲッ
トマーク３の識別に異常を来すことがある。

【０００５】この技術の他の問題は、ハーフミラー９を
用いているので、構造が複雑となり、しかも振動などに
よってハーフミラー９が破損するおそれがあるというこ
とである。したがって宇宙空間において用いられる宇宙
機などに、本発明が関連して実施されたとき、大きな加
速度によってハーフミラー９が破損するおそれが生じ
る。

【０００６】さらに他の問題は、光源８が連続照射を行
い、その光量は一定であり、したがって撮像装置５と被
検出物体１との距離が大きく変化する場合、遠距離では
光量が不足し、近距離では光量過多が生じ易い。また光
源８とテレビカメラ１０とは個別的に設けられており、
したがって装置が大形化し、重量が大きくなる。

【０００７】さらにこの技術では、光源８は前述のよう
に連続照明であり、テレビカメラ１０の露光時間は通
常、１／３０秒であって比較的長く、したがって動きの
速い被検出物体１の位置および姿勢の測定は、その被検
出物体１がぶれるので、困難である。

【０００８】本発明の目的は、コントラストが向上され
たターゲットマークを提供し、機械的強度が向上された
撮像装置を提供し、こうして被検出物体を正確に検出す
ることができるようにしたターゲットマーク、撮像装
置、ならびにそれらを用いる相対位置および姿勢測定装
置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、回帰反射板の
内部に識別し易い形状を有する領域を備え、その領域の
背後に、周囲から遮光部材によって遮光された低反射部
材を立体的に配置したことを特徴とするターゲットマー
クである。

【００１０】また本発明は、テレビカメラのレンズの周
囲に投光用の複数個の固体発光素子をリング状に配置し
たことを特徴とする照明付き撮像装置である。

【００１１】また本発明は、テレビカメラにシャッタを
設け、そのテレビカメラのシャッタが開いている露光期
間に同期して固体発光素子を点灯させる回路を持ったこ
とを特徴とする。

【００１２】また本発明は、固体発光素子を、半径が異
なる複数のリング状にグループ化し、各グループのリン
グ状に配置された固体発光素子を、グループ選択的に駆
動することを特徴とする。

【００１３】また本発明は、被検出物に設けられ、回帰
反射板の内部に識別し易い形状を有する領域を備え、そ
の領域の背後に、周囲から遮光部材によって遮光された
低反射部材を立体的に設置した少なくとも３つのターゲ
ットマークと、テレビカメラのレンズの周囲に投光用の
複数個の固体発光素子をリング状に配置した照明付き撮
像装置と、撮像装置からの２次元画像出力信号に応答し
て、被検出物の３次元の位置および姿勢を演算処理して
求める処理手段とを含むことを特徴とする相対位置およ
び姿勢測定装置である。

【００１４】

【作用】本発明に従うターゲットマークでは、回帰反射
板の内部の領域の背後には、遮光部材、たとえば金属製
有底筒体によって遮光された低反射部材を立体的に設置
し、この低反射部材というのは、たとえば黒色の艶消し
塗装を施した板などであり、したがって回帰反射板の背
景となる低反射部材には、撮像装置の同軸照明以外の太
陽光などの外乱光が照射されず、同軸照明以外の太陽光
などの外乱光に対しては、低反射部材は陰になる。した
がって太陽光などの外乱光が存在しても、ターゲットマ
ークのコントラストが低下するおそれはない。これによ
ってターゲットマークの撮像装置による正確な検出が可
能になる。

【００１５】さらに本発明の撮像装置に従えば、テレビ
カメラのレンズの周囲に、投光用の複数個の固体発光素
子、たとえば発光ダイオードをリング状に配置し、これ
によって固体発光素子の光軸とテレビカメラの光軸とを
ほぼ一致させることができ、同軸落射照明を行って撮像
することができる。そのため前述の図２１〜図２３に関
連して述べたハーフミラー９が不要となり、機械的強度
の向上を図ることができるとともに、構成の小形化を図
り軽量化を図ることができる。

【００１６】さらにこのリング状に配置した固体発光素
子を相互に半径の異なるグループに分けて、各グループ
を選択的に点灯駆動することによって、遠距離の被検出
物体の撮像時には、半径が大きいリング状の固体発光素
子のグループを点灯駆動して、遠距離における光量不足
を防ぎ、また近距離では半径が小さいリング状に配置さ
れた固体発光素子のグループを点灯駆動して、光量過多
を防ぐことができる。

【００１７】さらに本発明に従えば、テレビカメラには
電子シャツタなどのシャッタを設け、このシャッタが開
いている露光時間中に、固体発光素子を点灯させ、これ
によって固体発光素子の点灯期間をたとえば１／１００
０秒、点灯させて、短時間の露光を行うことができ、し
たがって被検出物体のぶれを防ぐことが可能となる。

【００１８】さらにこのような撮像装置による２次元の
画像を処理して、被検出物体の３次元の位置および姿勢
を演算処理して求めることができる。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の一実施例のターゲットマーク
２５の断面図であり、図２はそのターゲットマーク２５
の平面図である。このようなターゲットマーク２５と同
一の原理を有する後述の図９に関連して説明するターゲ
ットマーク２５ａは、図３に示されるように宇宙空間に
おけるチェイサと呼ばれる宇宙機２６と、ターゲットと
なる宇宙構造体である被検出物体２７とがドッキング手
段２８，２９によってランデブ・ドッキングをする際に
用いられる。このターゲットマーク２５は、被検出物体
２７に設けられ、同軸落射照明付き撮像装置３０は宇宙
機２６に設けられる。この撮像装置３０を用いてターゲ
ット２５を撮像しつつ、被検出物体２７の位置および姿
勢を正確に測定することができる。

【００２０】ターゲットマーク２５は、矩形の回帰反射
板３１の内部に、識別し易い形状、たとえばこの実施例
では円を有する領域３２を備え、この領域３２は穴とな
っている。この領域３２の背後（図１の下方）には、周
囲から遮光部材３３によって遮光された低反射部材３４
が立体的に設置される。遮光部材３３は底３５を有する
筒体であり、たとえばアルミニウムなどの遮光性材料か
ら成る。低反射部材３４は、黒色の艶消し塗装を施した
板または層であってもよく、光の反射率が低い。

【００２１】図４は回帰反射板３１の一部の拡大断面図
であり、図５はその回帰反射板３１の拡大した平面図で
ある。この回帰反射板３１では、ガラスビーズ３６が多
数個配置され、シート３７に部分的に埋込まれる。ガラ
スビーズ３６のシート３７に埋込まれた表面には、アル
ミニウム層３８が蒸着されている。したがって実線で示
される入射光３９は、ガラスビーズ３６内に入り、アル
ミニウム層３８で反射され、その反射光４０は、入射光
３９と平行に反射される。

【００２２】このような図１および図２に示されるター
ゲットマーク２５では、撮像装置３０の光軸と平行な入
射光３９が、高い反射率で反射光４０として反射され、
その反射光４０を撮像装置３０が受光することができ、
このとき参照符３９ａで示される光の低反射部材３４に
よる乱反射光４０ａは、わずかな光量だけ、撮像装置３
０によって受光されるだけであり、大きなコントラスト
が得られる。また参照符３９ｂで入射される太陽光など
の外乱光は、回帰反射板３１によって参照符４０ｂで示
されるように反射され、したがって前述の入射光３９お
よび反射光４０の方向にある撮像装置３０に反射光４０
ｂが導かれることはない。また外乱光の入射光３９ｂと
平行に、参照符３９ｃで示されるように、領域３２を経
て低反射部材３４によって反射された反射光４０ｃは、
前述の入射光３９および反射光４０の方向にある撮像装
置３０には導かれず、回帰反射板３１の陰となる。した
がって参照符３９ｂ，３９ｃで示されるような外乱光が
存在しても、撮像装置３０によるターゲットマーク２５
のコントラストが低下することはない。

【００２３】図６は本発明の他の実施例の回帰反射板３
１ａの一部の斜視図であり、図７ははその回帰反射板３
１ａの拡大した平面図である。この回帰反射板３１ａで
は、四角錐のプリズム１１が多数個隣接して配置された
構成を有する。入射光４２は、プリズム４１内に入り、
全反射して入射光４２と平行な反射光４３として導かれ
る。

【００２４】図８は、図４〜図７に示される各回帰反射
板３１の特性を示すグラフである。特性ライン４４は、
図４および図５に示される回帰反射板３１の特性を示
し、特性ライン４５は、図６および図７に示される回帰
反射板３１ａの特性を示す。反射光の光量は、入射角の
方向から観測した場合が最も多く、入射角から離れた方
向から観測した場合、反射光量が減少する。

【００２５】図９は、このような図１および図２に示さ
れるターゲットマーク２５と同一の原理を用いたターゲ
ットマーク２５ａの一部を切欠いて示す斜視図である。
このターゲットマーク２５ａは、回帰反射板４６に円形
の透孔領域が形成されてマークｍ１〜ｍ４が形成され、
このマークｍ１〜ｍ４の背後には、有底筒状の単一の遮
光部材４７が設けられ、この遮光部材４７内の遮光され
た空間の内周面には、低反射部材４８が設けられる。マ
ークｍ１〜ｍ４は相互に直交する直線４９，５０上に図
心を有し、それらの中心間の距離Ｄ１，Ｄ２は等しく
（Ｄ１＝Ｄ２）、回転角の検出を可能にするために、３
つのマークｍ１〜ｍ３の径は３０ｍｍφであり、残りの
１つのマークｍ４の径は２５ｍｍφとする。さらにこの
回帰反射板４６から離間してもう１つの回帰反射板５１
が設けられ、ここには透孔領域であるマークｍ５が形成
される。回帰反射板５１のマークｍ５の背後には、有底
直円筒状の遮光部材５２によって遮光された低反射部材
５３が設けられる。マークｍ５は各辺は２５ｍｍの正三
角形であり、これによって回転角を検出することができ
るとともに、残余のマークｍ１〜ｍ４との識別をするこ
とができる。遮光部材５２の内周面には、前述のように
低反射部材５３が全面にわたって形成されている。マー
クｍ５の図心は、直線４９，５０を含む平面から間隔Ｌ
をあけて、かつこれらの直線４９，５０の交点５４の直
上に配置される。

【００２６】図１０は、撮像装置３０の分解斜視図であ
る。この撮像装置３０は、同軸落射照明付き撮像装置で
あって、テレビカメラ５６のレンズ５７の周囲に、投光
用の複数個の固体発光素子５８がリング状に配置されて
構成される。

【００２７】図１１は、図１０に示される撮像装置３０
の正面図である。固体発光素子５８は、たとえば発光ダ
イオードであり、半径方向内方から外方に、この実施例
では４重のレンズ５７に同心のリング状に、固体発光素
子のグループ５８ａ〜５８ｄが形成される。図１１にお
いて参照符１〜１４は、各グループ５８ａ〜５８ｄに属
する固体発光素子を周方向に各グループ毎に示してい
る。

【００２８】図１２は、このような固体発光素子５８の
電気回路図である。直流電源６０からの電力によって、
各グループ５８ａ〜５８ｄ毎に直列に接続された固体発
光素子が、各グループ５８ａ〜５８ｄ毎に個別的に設け
られたスイッチ６１ａ〜６１ｄによって、撮像装置３０
とターゲットマーク２５ａとの距離を検出する手段の出
力に応答して、グループ選択的に点灯駆動される。スイ
ッチ６１ａ〜６１ｄのうちの１つが導通しているとき残
余の３つのスイッチは遮断している。中心寄りのグルー
プ５８ａの固体発光素子の点灯駆動は、撮像装置３０と
ターゲットマーク２５ａとの距離が近距離、たとえば３
０ｃｍ程度であるときに行われ、また外周寄りのグルー
プ５８ｂは、撮像装置３０とターゲットマーク２５ａと
の距離が最大５ｍ未満の遠距離であるときに行われる。
こうして各グループ５８ａ〜５８ｄ毎の選択的な発光ダ
イオード５８の点灯駆動によって、ターゲットマーク２
５ａが近距離ないし遠距離の範囲で、適切な露光光量を
得ることができ、遠距離での光量不足および近距離での
光量過多を防ぐことができる。発光ダイオード５８の外
周には保護筒６２が設けられる。

【００２９】図１３は、本発明の一実施例の光学的な相
対位置および姿勢の測定装置の電気的構成を示すブロッ
ク図である。テレビカメラ５６は、レンズ５７と、その
レンズ５７によって結像された２次元画像を電気信号に
変換する電荷蓄積素子６３を有する。この電荷蓄積素子
６３は平面状に形成され、カメラ制御回路６４によっ
て、その電荷蓄積素子６３の各セル毎の画像出力信号を
読取り、ライン６５から、ＮＴＳＣ方式の映像信号とし
て２値化処理回路６７に与える。マイクロコンピュータ
などによって実現される処理回路６８からの出力は、同
期コントローラ６９に与えられ、この同期コントローラ
６９の出力信号の１つは、図１４（１）に示される垂直
同期信号であって、カメラ制御回路６４に与えられる。
カメラ制御回路６４において、Ｗ１，Ｗ２は１フィール
ドの期間である１／６０秒であり、これによって１フレ
ームの周期Ｗ１２（＝Ｗ１＋Ｗ２）が構成される。電荷
蓄積素子６３は図１４（２）に示される露光タイミング
パルスに応答して電子シャッタを動作し、１フィールド
の期間Ｗ３において、電子シャッタを動作させて、レン
ズ５７を介するターゲットマーク２５ａの映像を受光す
る。こうして電荷蓄積素子６３にストアされた１画面の
映像は、図１４（３）に示される映像出力信号としてカ
メラ制御回路６４を経て前述のライン６５から２値化処
理回路６７に与えられる。同期コントローラ６９からの
出力はまた、カメラ制御回路６４を経て同期照明コント
ローラ７０に与えられる。同期照明コントローラ７０は
この垂直同期信号に応答して図１４（４）で示される遅
延パルスを発生し、これによって固体発光素子５８を、
図１４（５）の期間Ｗ４において点灯駆動される。この
期間Ｗ４は、前述の電子シャッタの開いている期間Ｗ３
の範囲内にある。Ｗ４は、たとえば１／１０００秒であ
ってもよく、こうして高速度で固体発光素子５８を点灯
駆動して、ぶれを生じないターゲットマーク２５ａの撮
像を行うことができる。

【００３０】２値化処理回路６７の出力は、ウインド重
心位置演算回路７１〜７５に与えられ、これによって各
マークｍ１〜ｍ５毎の映像を含むウインドのマークｍ１
〜ｍ５の重心位置の演算が行われる。各マークｍ１〜ｍ
５の重心位置を表す信号は、メインコントローラ６８に
与えられる。高速演算処理回路７６は、メインコントロ
ーラ６８に接続され、予め定められた演算をハードウエ
アを利用して高速に演算する。メインコントローラによ
って得られたターゲットマーク２５ａの３次元の位置お
よび姿勢は、ライン７７を介して重心コントローラ７８
から、宇宙機２６の誘導コントローラ７９に与えられ、
こうしてドッキング手段２８，２９の正確なランデブ・
ドッキングが達成される。

【００３１】図１５は、ターゲットマーク２５ａと、テ
レビカメラ５６との光学的な構成を簡略化して示す図で
ある。レンズ５７の焦点距離はＦで示される。ｘ軸まわ
りの回転角φは図１６で示され、ｙ，ｚ軸まわりの回転
角θ，ψを示すグラフである。図１６におけるｘｙ平面
の法線ベクトルのｙｚ平面への投影した角度φは、点
（ｘ１，ｙ１，ｚ１）に関連して数１で示される。

【００３２】

【数１】

【００３３】図１７を参照して、ｙｚ平面の法線ベクト
ルのｘｙ平面およびｘｚ平面への投影した角度θ，ψは
点（ｘｚ，ｙｚ，ｚｚ）に関して数２および数３によっ
て示される。

【００３４】

【数２】

【００３５】

【数３】

【００３６】ここでｆを関数とするとき、数４が成立す
る。

【００３７】

【数４】Ｘ１ｃ＝ｆ（Θ１） ここでＸ１ｃは電荷蓄積素子６３平面上のマークｍ１〜
ｍ５の位置を示し、Θ１は位置（ｘ，ｙ，ｚ，φ，θ，
ψ）を表す。

【００３８】図１８は電荷蓄積素子６３において得られ
た２次元画像の結像された状態を示し、この電荷蓄積素
子６３の２次元画像を処理して、被検出物体である宇宙
構造体２７のターゲットマーク２５ａの３次元の位置お
よび姿勢を、次のようにして求める。マークｍ１〜ｍ５
の電荷蓄積素子６３の平面上の像をｍ１ａ〜ｍ３ａと
し、マークｍ１〜ｍ３の距離をＤ１とし、マークｍ２〜
ｍ４の距離をＤ２とするとき、

【００３９】

【数５】Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄ であり、ｄｍａｘは、電荷蓄積素子６３の２次元画面上
のマーク像ｍ１ａ，ｍ３ａの距離をｄ１とし、マーク像
ｍ２ａ，ｍ４ａの距離をｄ２とするとき、２つの値ｄ
１，ｄ２の大きい方の値を示す。マーク像ｍ１ａ，ｍ３
ａを結ぶ直線８１とマーク像ｍ２ａ，ｍ４ａを結ぶ直線
８２の交点である図心８３のｙ，ｚ平面内の座標を（ｈ
ｃ，ｖｃ）とし、図１５に示されるようにレンズ５７と
交点５４との距離をｘとする。またマーク像ｍ１ａ，ｍ
３ａのＺ軸方向のずれ量をｐとし、図心８３とマーク像
ｍ５ａとのｙ軸方向のずれ量をｑとし、図心８３とマー
ク像ｍ５ａとのｚ軸方向のずれ量をｓとするとき、数６
〜数１０が成立する。

【００４０】

【数６】

【００４１】

【数７】

【００４２】

【数８】

【００４３】

【数９】

【００４４】

【数１０】

【００４５】したがってターゲットマーク２５ａの位置
および姿勢の近似式は数１１〜数１６で示されるとおり
である。

【００４６】

【数１１】

【００４７】

【数１２】

【００４８】

【数１３】

【００４９】

【数１４】ψ≒Ｋφ・ｐ

【００５０】

【数１５】θ≒Ｋθ・ｑ

【００５１】

【数１６】ψ≒Ｋψ・ｓ ここでＫφ，Ｋθ，Ｋψは、前述の数８〜数９にそれぞ
れ示されるとおりである。

【００５２】ターゲットマーク２５ａのさらに詳細な位
置および姿勢の連続的な算出手順を次に説明する。図１
９を参照して、前述のマークｍ１，ｍ３，ｍ５を、新た
な参照符ｍ２，ｍ３，ｍ１でそれぞれ示す。これらのマ
ークＭ１〜Ｍ３の取付位置は、数１７〜数１９で示され
るとおりである。

【００５３】

【数１７】

【００５４】

【数１８】

【００５５】

【数１９】

【００５６】ここで変換行列Ｔは、数２０で示されると
おりである。

【００５７】

【数２０】

【００５８】このとき各マークは以下になる。

【００５９】

【数２１】Ｍ１ａ＝Ｔ・Ｍ１

【００６０】

【数２２】Ｍ２ａ＝Ｔ・Ｍ２

【００６１】

【数２３】Ｍ３ａ＝Ｔ・Ｍ３ カメラ５６のパラメータ行列をＣとする。

【００６２】

【数２４】

【００６３】このとき、カメラ５６の座標Ｈｉ（ｉ＝１
〜３）は

【００６４】

【数２５】ＨＩ＝Ｃ・Ｍｉａ となる。

【００６５】ここで図２０は、角度α，β，γの関係を
示している。

【００６６】Ｈｉ（ｉ＝１〜３）より、ｘ０，ｙ０，ｚ
０，α，β，γを算出するには、Ｈｉを以下のように定
義する。

【００６７】

【数２６】 Ｈ１＝（Ｙ＋ΔＹ１，Ｚ１ΔＺ１，Ｘ＋ΔＸ１） Ｈ２＝（Ｙ＋ΔＹ ，Ｚ１ΔＺ ，Ｘ＋ΔＸ ） Ｈ３＝（Ｙ−ΔＹ ，Ｚ−ΔＺ ，Ｘ−ΔＸ ） ただし

【００６８】

【数２７】 Ｘ＝Ｃ４１ｘ０＋Ｃ４２ｙ０＋Ｃ４３ｚ０＋Ｃ４４ Ｙ＝Ｃ２１ｘ０＋Ｃ２２ｙ０＋Ｃ２３ｚ０＋Ｃ２４ Ｚ＝Ｃ３１ｘ０＋Ｃ３２ｙ０＋Ｃ３３ｚ０＋Ｃ３４

【００６９】

【数２８】 ΔY1＝（C21cosβcosγ＋C22（-cosβsinγ）＋C23sinβ）L1 ΔZ1＝（C31cosβcosγ＋C32（-cosβsinγ）＋C33sinβ）L1 ΔX1＝（C41cosβcosγ＋C42（-cosβsinγ）＋C43sinβ）L1 ΔY ＝（C21(cosγsinαsinβ＋cosαsinγ) ＋C22(cosαcosγ−sinαsinβsinγ)＋C23(-cosβsinα)）L2 ΔZ ＝（C31(cosγsinαsinβ＋cosαsinγ) ＋C32(cosαcosγ−sinαsinβsinγ)＋C33(-cosβsinα)）L2 ΔX ＝（C41(cosγsinαsinβ＋cosαsinγ) ＋C42(cosαcosγ−sinαsinβsinγ)＋C43(-cosβsinα)）L2 である。

【００７０】今Ｘ，Ｙ，Ｚ，αを算出する場合、β，γ
は既知（実際には前回の値を用いる）とすると、

【００７１】

【数２９】ΔＸ＝ΔＸｃ・cosα＋ΔＸｓ・sinα ΔＹ＝ΔＹｃ・cosα＋ΔＹｓ・sinα ΔＺ＝ΔＺｃ・cosα＋ΔＺｓ・sinα

【００７２】

【数３０】 ΔＸｃ＝（Ｃ４１ sinγ＋Ｃ４２ cosγ）Ｌ２ ΔＸｓ＝（Ｃ４１ cosγsinβ−Ｃ４２ sinβsinγ−Ｃ４３ cosβ）Ｌ２ ΔＹｃ＝（Ｃ２１ sinγ＋Ｃ２２ cosγ）Ｌ２ ΔＹｓ＝（Ｃ２１ cosγsinβ−Ｃ２２ sinβsinγ−Ｃ２３ cosβ）Ｌ２ ΔＺｃ＝（Ｃ３１ sinγ＋Ｃ３２ cosγ）Ｌ２ ΔＺｓ＝（Ｃ３１ cosγsinβ−Ｃ３２ sinβsinγ−Ｃ３３ cosβ）Ｌ２ である。

【００７３】このときＨ２，Ｈ３は

【００７４】

【数３１】

【００７５】となる。

【００７６】実際に撮像面に映る位置ｈ２，ｈ３は、

【００７７】

【数３２】

【００７８】である。

【００７９】

【数３３】ｈ２（ｘ＋Δｘ）＝Ｙ＋ΔＹ ｈ３（ｘ−Δｘ）＝Ｙ−ΔＹ ｖ２（ｘ＋Δｘ）＝Ｚ＋ΔＺ ｖ３（ｘ−Δｘ）＝Ｚ−ΔＺ 上下の引算より、ｙ，ｚが消去可能であり

【００８０】

【数３４】 （ｈ２−ｈ３）Ｘ＝２ΔＹ−（ｈ２＋ｈ３）ΔＸ （ｖ２−ｖ３）Ｘ＝２ΔＺ−（ｖ２＋ｖ３）ΔＸ となる。

【００８１】αを用いて書き直すと（式２９を用い
る）、

【００８２】

【数３５】 （ｈ２−ｈ３）Ｘ＝（２ΔＹｃ−（ｈ２＋ｈ３）ΔＸｃ）cosα ＋（２ΔＹｓ−（ｈ２＋ｈ３）ΔＸｓ）sinα （ｖ２−ｖ３）Ｘ＝（２ΔＺｃ−（ｖ２＋ｖ３）ΔＸｃ）cosα ＋（２ΔＺｓ−（ｖ２＋ｖ３）ΔＸｓ）sinα である。

【００８３】

【数３６】Ａ＝２ΔＹｃ−（ｈ２＋ｈ３）ΔＸｃ Ｂ＝２ΔＹｓ−（ｈ２＋ｈ３）ΔＸｓ Ｃ＝２ΔＺｃ−（ｖ２＋ｖ３）ΔＸｃ Ｄ＝２ΔＺｓ−（ｖ２＋ｖ３）ΔＸｓ とすると、

【００８４】

【数３７】（ｈ２−ｈ３）Ｘ＝Ａcosα＋Ｂsinα （ｖ２−ｖ３）Ｘ＝Ｃcosα＋Ｄsinα となる。よって

【００８５】

【数３８】

【００８６】で、αの算出が可能になる。

【００８７】

【数３９】

【００８８】数３３の上下の和をとると

【００８９】

【数４０】 ２Ｙ＝（ｈ２＋ｈ３）Ｘ＋（ｈ２−ｈ３）ΔＸ ２Ｚ＝（ｖ２＋ｖ３）Ｘ＋（ｖ２−ｖ３）ΔＸ ΔＸも算出可能であり、Ｙ，Ｚは上式より算出可能であ
る。

【００９０】β，γの算出について述べると、ｃｏｓ
β，ｃｏｓγを既知としてβ，γを求める。数２６にお
いて

【００９１】

【数４１】ΔＸ１＝ΔＸｃ＋ΔＸγsinγ＋ΔＸβsinβ ΔＹ１＝ΔＹｃ＋ΔＹγsinγ＋ΔＹβsinβ ΔＺ１＝ΔＺｃ＋ΔＺγsinγ＋ΔＺβsinβ であり、

【００９２】

【数４２】ｈ１（ｘ＋Δｘ１）＝Ｙ＋ΔＹ１ ｖ１（ｘ＋Δｘ１）＝Ｚ＋ΔＺ１ である。ただし

【００９３】

【数４３】ΔＸｃ＝ Ｌ１・Ｃ４１・cosβ・cosγ ΔＸγ＝−Ｌ１・Ｃ４２・cosβ ΔＸβ＝ Ｌ１・Ｃ４３

【００９４】

【数４４】ΔＹｃ＝ Ｌ１・Ｃ２１・cosβ・cosγ ΔＹγ＝−Ｌ１・Ｃ２２・cosβ ΔＹβ＝ Ｌ１・Ｃ２３

【００９５】

【数４５】ΔＺｃ＝ Ｌ１・Ｃ３１・cosβ・cosγ ΔＺγ＝−Ｌ１・Ｃ３２・cosβ ΔＺβ＝ Ｌ１・Ｃ３３である。数４２は

【００９６】

【数４６】 （ｈ１・ΔＸγ−ΔＹγ）sinγ＋（ｈ１・ΔＸβ−ΔＹβ）sinβ ＝Ｙ＋ΔＹｃ−ｈ１・Ｘ−ｈ１・ΔＸｃ （ｖ１・ΔＸγ−ΔＺγ）sinγ＋（ｖ１・ΔＸβ−ΔＺβ）sinβ ＝Ｚ＋ΔＺｃ−ｖ１・Ｘ−ｖ１・ΔＸｃ となりβγは算出可能となる。

【００９７】

【数４７】

【００９８】ただし

【００９９】

【数４８】Ａ＝ｈ１・ΔＸγ−ΔＹγ Ｂ＝ｈ１・γＸβ−ΔＹβ Ｃ＝ｖ１・ΔＸγ−ΔＺγ Ｄ＝ｖ１・γＸβ−ΔＺβ である。

【０１００】このようにしてターゲットマーク２５ａの
正確な位置および姿勢を演算処理して求めることができ
る。

【０１０１】

【発明の効果】以上のように本発明のターゲットマーク
によれば、回帰反射板の内部に、識別し易い形状を有す
る領域を備え、その領域の背後に、周囲から遮光部材に
よって遮光された低反射部材を立体的に配置するように
したので、その背景となる低反射部材に同軸落射照明以
外の太陽光などの外乱光が照射されず、したがって外乱
光に対しては低反射部材は陰になり、外乱光によるコン
トラストの低下を防ぐことができる。

【０１０２】また本発明の照明付き撮像装置によれば、
テレビカメラのレンズの周囲に、投光用の複数個の固体
発光素子をリング状に配置し、これによって同軸落射照
明を行うことができ、ハーフミラーなどを必要とせず、
機械的強度を向上し、また小形軽量化を図ることができ
るようになる。さらにこのリング状に配置した複数個の
固体発光素子を半径方向に複数のリング状にグループ化
して選択的に点灯駆動することによって、遠距離での光
量の不足および近距離での光量過多を防ぐことができ、
最適な露光を行うことが容易となる。

【０１０３】さらに本発明によれば、テレビカメラに電
子シャッタなどのシャッタを設け、そのシャッタが開い
ている露光時間に同期して固体発光素子を点灯させるよ
うにしたので、固体発光素子の点灯期間をたとえば１／
１０００秒として、高速度の撮像を行い、これによって
被検出物体のぶれを防ぐことができる。またこのように
固定発光素子はシャッタが開いている露光期間中にのみ
点灯駆動されるので、電力の消費を抑制することができ
る。

【０１０４】このようなターゲットマークおよび撮像装
置を備えることによって、テレビカメラの２次元の画像
を処理して被検出物体の３次元の位置および姿勢を正確
に測定することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のターゲットマーク２５の断
面図である。

【図２】ターゲットマーク２５の平面図である。

【図３】ターゲットマーク２５ａを備える宇宙構造体で
ある被検出物体２７と撮像装置３０を備える宇宙機２６
とを示す斜視図である。

【図４】本発明の一実施例の回帰反射板３０の断面図で
ある。

【図５】図４に示される回帰反射板３１の平面図であ
る。

【図６】本発明の他の実施例の回帰反射板３１ａの一部
の斜視図である。

【図７】図６に示される回帰反射板３１ａの平面図であ
る。

【図８】図４〜図７に示される各回帰反射板３１，３１
ａの特性を示すグラフである。

【図９】本発明の他の実施例のターゲットマーク２５ａ
の斜視図である。

【図１０】照明付き撮像装置３０の分解斜視図である。

【図１１】図１０に示される撮像装置３０の正面図であ
る。

【図１２】図１１に示される固体発光素子５８の電気的
構成を示す図である。

【図１３】本発明の一実施例の電気的構成を示すブロッ
ク図である。

【図１４】図１３に示される電気回路の動作を説明する
ための波形図である。

【図１５】本発明の一実施例の光学的構成を簡略化して
示す斜視図である。

【図１６】図１５に示される実施例のｘ軸まわりの回転
角φを示す図である。

【図１７】図１５に示されるｙ，ｚ軸まわりの回転角
φ，ψを示す図である。

【図１８】近似式による３次元位置および姿勢を算出す
ることを説明するための電荷蓄積素子６３に結像された
２次元画像を示す図である。

【図１９】ターゲットマーク２５ａの位置および姿勢を
正確に算出するための手段を説明するための座標系の図
である。

【図２０】角度α，β，γを説明するための座標系の図
である。

【図２１】先行技術の構成を簡略化して示す図である。

【図２２】先行技術のターゲットマーク３の断面図であ
る。

【図２３】図２２に示される先行技術のターゲットマー
ク３の平面図である。

【符号の説明】

２５，２５ａ ターゲットマーク ２６ 宇宙機 ２７ 被検出物体 ２８，２９ ドッキング手段 ３０ 照明付き撮像装置 ３１ 回帰反射板 ３２ 領域 ３３ 遮光部材 ３４ 低反射部材 ５７ レンズ ５８ 固体発光素子 ５８ａ〜５８ｄ 固体発光素子５８のグループ ６３ 電荷蓄積素子 ６４ カメラ制御回路 ６７ ２値化処理回路 ６８ メインコントローラ ６９ 同期コントローラ ７０ 同期照明コントローラ ７１〜７５ ウインド重心位置演算回路 ７６ 高速演算処理回路 ７８ 通信コントローラ ７９ 誘導コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平山 真明 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 坂田 隆司 岐阜県各務原市川崎町１番地 川崎重工業 株式会社岐阜工場内 (72)発明者 三石 格禎 岐阜県各務原市川崎町１番地 川崎重工業 株式会社岐阜工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回帰反射板の内部に識別し易い形状を有
   する領域を備え、その領域の背後に、周囲から遮光部材
   によって遮光された低反射部材を立体的に配置したこと
   を特徴とするターゲットマーク。
2. 【請求項２】 テレビカメラのレンズの周囲に投光用の
   複数個の固体発光素子をリング状に配置したことを特徴
   とする照明付き撮像装置。
3. 【請求項３】 テレビカメラにシャッタを設け、そのテ
   レビカメラのシャッタが開いている露光期間に同期して
   固体発光素子を点灯させる回路を持ったことを特徴とす
   る請求項２記載の照明付き撮像装置。
4. 【請求項４】 固体発光素子を、半径が異なる複数のリ
   ング状にグループ化し、各グループのリング状に配置さ
   れた固体発光素子を、グループ選択的に駆動することを
   特徴とする請求項２記載の照明付き撮像装置。
5. 【請求項５】 被検出物に設けられ、回帰反射板の内部
   に識別し易い形状を有する領域を備え、その領域の背後
   に、周囲から遮光部材によって遮光された低反射部材を
   立体的に設置した少なくとも３つのターゲットマーク
   と、 テレビカメラのレンズの周囲に投光用の複数個の固体発
   光素子をリング状に配置した照明付き撮像装置と、 撮像装置からの２次元画像出力信号に応答して、被検出
   物の３次元の位置および姿勢を演算処理して求める処理
   手段とを含むことを特徴とする相対位置および姿勢測定
   装置。