JPH08285633A - 飛行体の対地移動距離・対地速度・３次元位置計測装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 運動の自由性の高い飛行体に適用される装置
及び方法であって、飛行体の対地移動距離、対地速度、
３次元位置を極めて高精度かつリアルタイムに計測・算
出できる装置及び方法を提供することを目的とする。 【構成】 飛行体に取り付けられ、地面若しくは地面に
おける構造物を撮影するためのＣＣＤカメラと、前記Ｃ
ＣＤカメラを垂直方向及び水平方向に固定若しくは安定
させるジャイロスタビライザと、前記ＣＣＤカメラと被
写体までの距離を計測する手段と、前記計測距離を基に
撮影画像の倍率を変換する手段と、前記ＣＣＤカメラに
より順次撮影して得られた２つの撮像パターンをマッチ
ングさせる相関演算手段と、前記相関演算手段により得
られた値を基に、撮影画像のずれ量を計算し、この画像
のずれ量と、画像の変換倍率及び撮影間隔（時間）か
ら、飛行体の３次元位置、対地移動距離、及び対地移動
速度を演算する手段と、を有する飛行体の対地移動距離
・対地速度・３次元位置計測装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、飛行体に搭載され、飛
行体の対地移動距離、対地速度、及び３次元位置を高精
度で計測する装置及び方法に関し、特にジャイロスタビ
ライザを介して飛行体に取り付けられたＣＣＤカメラに
よって、時間を隔てて撮影された２つの撮像パターンを
マッチングさせることによってその相関をとり、その撮
影画像のずれの量、画像の変換倍率、撮影間隔（時間）
から、飛行体の対地移動距離、対地速度、３次元位置を
瞬時に計測する装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】飛行体の速度計測装置としては、従来か
ら対気速度計が一般に用いられている。また、飛行体の
３次元位置、速度、移動距離を計測する手段としては、
慣性航法装置（ＩＮＳ）や、人工衛星を利用した地球測
位システム（ＧＰＳ）といった技術が知られている。

【０００３】一方、陸上の移動体については、タイヤの
回転数から移動距離や速度を求めるというような、いわ
ゆる接触方式のものが主流であったが、近年では、ＣＣ
Ｄカメラを用いて、撮影画像を処理することによって、
非接触で移動体の移動距離や速度を計測するという方法
が広く採用されるようになってきている。

【０００４】特に、無人の移動体について、予め入力し
ておいたプログラムに従って任意の軌道上を自動走行さ
せる場合や、遠隔操作を行う場合は、その移動体の現在
位置、移動距離、移動速度を正確かつリアルタイムで把
握する必要がある。このようなことから、空間フィルタ
ー法や、相関法といった方法による速度、距離計測技術
が多数開示されている（実開昭６３−４８１５５号、実
開平３−９３７７２号、特開平４−３３２８６６号、特
開平５−４５１７４号、特開平５−２４９１２５号、特
開平５−３１２５１５号、特開平５−３１２５８７号
等）。

【０００５】これらのうち、相関法による速度計測方法
の一例を示すと、まず、ＣＣＤカメラにより撮影され
た、目標又は情景を含む大きさＭ画素×Ｎ画素の画像を
参照画像Ｐ（ｍ、ｎ）とし、所定時間（Δｔ）経過後に
同様の方法で撮影し、得られた画像から、大きさＫ画素
×Ｌ画素の被相関画像を抽出して、これを参照画像Ｐに
おいて２次元的に走査させ、次式に示す相関係数Ｃ
（ｋ、ｌ）を算出する。

【０００６】

【数１】

【０００７】そして、この相関係数が最大値となる位置
を求めることにより逐次移動体の位置を検出し、撮影間
隔（Δｔ）から、移動体の速度を演算するというもので
ある。これらの方法によれば、タイヤの空転による誤差
というような、それまでの問題は解決され、高精度かつ
リアルタイムで移動距離や速度を計測することが可能と
なっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】飛行体の速度計測装置
として最も一般的な対気速度計は、相対風の速度や気圧
に大きな影響を受けるため、低速で飛行する場合には信
頼性に欠けるという欠点がある。また、ヘリコプターの
ように機体周囲の気流の変動が大きい場合には、大幅な
誤差が生じてしまうという問題がある。

【０００９】慣性航法装置は、時間の経過とともに誤差
が大きくなるという欠点がある。

【００１０】ＧＰＳは、人工衛星を利用して移動体の２
次元あるいは３次元位置を求めることができるという技
術であり、この位置データを利用すれば移動体の移動距
離や速度を算出することも可能である。しかし、現在の
ところ、一般に開放されている測位信号を利用した場
合、端末での測位精度は２０〜１００メートルといわれ
ているため、短距離飛行の場合は誤差が大きくなるとい
う問題がある。即ち、長距離飛行で、直線運動に近い大
型ジェット機等に利用する場合は有用であるが、主とし
て短距離飛行に利用され、機敏な動きを得意とするヘリ
コプター等に適用する場合、その有用性は極めて限定さ
れたものとなる。

【００１１】ところで、飛行体についても、任意の軌道
上を予め入力されたプログラムに従って自動飛行させた
り、遠隔操作を行うことができれば、産業上広く応用す
ることができ、極めて有用である。例えば、無人のヘリ
コプターを農薬散布や航空写真の撮影に用いたり、山林
や高層ビルにおける火災の消火活動に利用することも考
えられる。このような場合、飛行体の移動距離、速度等
を正確に把握することが不可欠となるが、上述したよう
な、従来から飛行体に用いられている手段ではその目的
を十分に達成することができず、より高い精度の計測手
段が望まれる。

【００１２】一方、陸上の移動体に広く採用されている
ＣＣＤカメラを利用した非接触方式の速度計測技術は、
極めて高精度で速度等の計測が可能であるため、これを
飛行体に適用することができれば上記問題は解決され
る。しかし、現在のところ飛行体の速度等の計測手段と
しては用いられていない。

【００１３】その理由としては、次のようなことが考え
られる。即ち、前記の空間フィルター法は、ＣＣＤカメ
ラと撮影対象物との距離が一定であることが条件となる
ため、高度変化によって被写体との距離が一定しない飛
行体への応用は非常に困難である。

【００１４】また、前記の相関法による移動距離・速度
計測技術は、撮像の相関（マッチング）に多くの計算量
を要し、特に飛行体のように運動が３次元で、その自由
度が大きくなると、比較される一方の撮像を他方の撮像
に重ね合わせるために、逐次変位、縮小、拡大させる必
要が生ずる。このため計算量は膨大なものとなり、リア
ルタイムに移動距離や速度を算出するためには、高速処
理が可能な演算手段が必要となる。しかし、演算手段に
高速処理が可能なものを望めば、いきおい大型にならざ
るを得ず、移動体（特に小型の飛行体）搭載型として
は、不適当である。

【００１５】本発明は、かかる現状に鑑みなされたもの
であって、運動の自由性の高い飛行体に適用される装置
及び方法であって、飛行体の対地移動距離、対地速度、
３次元位置を極めて高精度かつリアルタイムに計測・算
出できる装置及び方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による飛行体の対地移動距離、対地速度、３
次元位置を計測する装置及び方法は、地面等を撮影する
ＣＣＤカメラと、前記ＣＣＤカメラと被写体までの距離
を計測する手段と、計測距離に応じて撮像の倍率を変換
する手段と、前記ＣＣＤカメラにより時間を隔てて撮影
された二つの撮像の相関をとることによって撮像のずれ
量を計算する手段と、前記諸手段により得られたデータ
を基礎に飛行体の対地移動距離、対地速度、３次元位置
を計測、演算する手段と、前記ＣＣＤカメラのレンズが
常に機体の真下方向を向くように、かつ、撮像が常に一
定の方位に従うよう、カメラ本体を水平方向、垂直方向
に固定させるジャイロスタビライザとを有することを特
徴としている。

【００１７】

【作用】地表等の撮影と同時に、精密距離計でカメラか
ら被写体までの距離を計測し、その計測値を基礎とし
て、撮影画像が実物に対して一定の縮尺となるよう倍率
を変換して撮像パターンをメモリに格納し、所定時間経
過後、再び同様の方法で撮影、計測を行い、得られた撮
像パターンを既に格納されている先行撮像パターンと同
一の縮尺に変換して格納する。

【００１８】ここで、一定の縮尺となるよう倍率を変換
するとは、例えば、撮影画像の１画素分の距離を現実の
距離に換算すると１メートルとなるような縮尺に画像の
スケールを統一することをいう。

【００１９】従って、高度が変化することによって、カ
メラと被写体までの距離に変化が生じても、先行撮像パ
ターンと後続撮像パターンとを重ね合わせる際、一方を
縮小又は拡大させながらマッチングを行い、その相関の
最大値を求めるという必要はない。

【００２０】また、カメラはジャイロスタビライザによ
って常に水平方向、垂直方向に固定されているため、機
体の傾きや進路の変更等の影響を受けず、カメラは常に
機体の鉛直下方向を撮影することができ、かつ、常に一
定の方位に従った撮像を得ることができる。

【００２１】ここで、一定の方位に従った撮像とは、例
えば、撮像をモニター画面に表示した場合、モニター表
示部の上方が下方に対して常に真北の関係となるように
方位が統一されている撮像をいう。

【００２２】従って、機体が傾き、又は進路が変更され
ても、一方の撮像パターンを変位させながらマッチング
を行って、その相関の最大値を求めるという必要はな
い。

【００２３】このように、対比される撮像パターンは、
縮尺及び方位が統一されているため、高度が変化した場
合、機体が傾いた場合、又は、進路を変更した場合で
も、相関をとる際には、得られた撮像パターンの一方を
変位・縮小・拡大させる必要が全くないため、計算量も
少なくて済み、汎用の演算手段で十分高速なマッチング
が可能となり、リアルタイムで高精度の速度等を計測す
ることができる。

【００２４】

【実施例】図面を参照しながら本発明による飛行体の対
地移動距離・対地速度・３次元位置計測装置及び方法を
以下、説明する。図１は、本発明の概念図の一例であ
る。本実施例による速度等の計測の流れを簡単に説明す
ると、まず、ジャイロスタビライザによって水平方向及
び垂直方向に固定されたＣＣＤカメラ３により撮影され
た画像を、距離計６によって計測された距離に基づい
て、倍率変換手段７によって倍率を変換し、先行撮像パ
ターンとしてメモリ８に格納する。次いで、所定時間経
過後に、前記と同様の方法によって撮影、計測、変換さ
れた、後続撮像パターンをメモリ９に格納する。相関演
算手段１１により、メモリ８及び９より先行及び後続撮
像パターンを読み込み、両者の相関をとり、その結果を
メモリ１０に格納する。速度等演算手段１２によって、
メモリ１０から前記相関のデータを読み込み、先行撮像
パターンと後続撮像パターンの画像のずれ量を算出し、
この値と撮像パターンの変換倍率から、飛行体の３次元
位置及び対地移動距離を演算する。また、この対地移動
距離と撮影間隔から、飛行体の対地速度を算出する、と
いうものである。

【００２５】図２は、ヘリコプターに本発明を取り付け
た状態を示した図であり、図３は、本発明に用いられる
ジャイロスタビライザの一例である。図４は、図３のジ
ャイロスタビライザを下方からみた図である。図２及び
図３において、１は本発明に用いられるジャイロスタビ
ライザのジンバルである。このジンバルの自由度は３以
上であることが望ましい。２はジャイロスタビライザの
安定化プラットホームである。安定化プラットホーム
は、３軸以上のジャイロによるものが望ましい。３はＣ
ＣＤカメラである。本実施例においては、ＣＣＤカメラ
３の本体及び距離計６が安定化プラットホーム２に内蔵
されており、レンズ部分のみが安定化プラットホームの
下面から突出するようになっている。尚、安定化プラッ
トホーム２を支えるジンバルの軸５は、ＣＣＤカメラ及
び距離計取付後の安定化プラットホームの重心を支持す
るようになっている。

【００２６】図５は最初の撮影によって得られた先行撮
像パターン１７の例である。図６は所定時間（Δｔ）経
過後の後続撮像パターン１６を示したものである。これ
らの例では、いずれも図の上方が北、図の下方が南とい
う方向に統一されており、図５及び図６には、南北に延
びる道路１３と東西に延びる道路１４が直交している風
景及びＬ字型の建物１５が撮影されている。尚、両図中
の点Ｐ_W は、撮像の中心の画素の位置を示している。

【００２７】また、図５、図６ともに、撮影後一定の縮
尺となるよう、前記倍率変換手段７によって倍率が変換
された上で、それぞれ前記メモリ８及び９に格納された
ものである。この倍率の変換は、カメラから地面までの
距離を精密距離計６で逐次測定することにより得られた
値に基づいて行う。

【００２８】図８は、本実施例における撮像の画素の配
列を示した図である。画素数は、水平方向にＭ個、垂直
方向にＮ個で、ここでは左下角の画素をＰ₁ とし、その
座標を（１、１）とし、Ｐ₁ の右隣をＰ₂ とし、その座
標を（２、１）とし、右上角の画素をＰ_MNとし、その座
標を（Ｍ、Ｎ）とする。

【００２９】撮像の相関は、相関演算手段１１により行
われるが、例えば以下のようにして行う。まず、メモリ
９より後続撮像パターン１６を取り出し、この後続撮像
パターン１６の中から、図７に示されているような参照
パターンＡを抽出する。Ａは、後続撮像パターン１６の
中心の画素Ｐ_W をその中心として、撮像パターン１６の
１／ｘ² の大きさで切り取ったもので、その画素数は、
水平方向にＭ／ｘ個、垂直方向にＮ／ｘ個である。ま
た、縮尺は後続撮像パターン１６と同じである。本実施
例においては、参照パターンＡには、南北に延びる道路
１３と東西に延びる道路１４の一部、及びＬ字型の建物
１５の映像が含まれている。

【００３０】次に、メモリ８から先行撮像パターン１７
を取り出し、先行撮像パターン１７の中の任意の画素Ｐ
を中心とする、参照パターンＡと同じ大きさの被参照パ
ターンＢを抽出する。続いて、ＡとＢを重ね合わせて、
対応する各画素毎に相関をとる。

【００３１】相関値は、例えば、対応する各画素の値が
同じであれば１とし、値が異なれば０として、全ての画
素間の相関をとった後、得られた値を加算して、相関値
Ｃとして画素Ｐの座標の値とともにメモリ１０に格納す
る。

【００３２】この相関を先行撮像パターン１７の中の任
意の画素ＰをＰ₁ とした場合からＰ_MNとした場合まで、
即ち、Ｐ₁ を中心とした被参照パターンＢ₁ から、Ｐ_MN
を中心とした被参照パターンＢ_MNまでのＭ×Ｎ個の被参
照パターンＢの全てとＡとの相関をとり、得られた相関
値Ｃ₁ からＣ_MNまでのＭ×Ｎ個の値をメモリ１０に格納
する。

【００３３】その結果、先行撮像パターン１７の中の画
素Ｐ_Y を中心とする被参照パターンＢ_Y との相関値Ｃ_Y
がＣ₁ からＣ_MNまでのうちで最大となった場合、速度等
演算手段１２によって、メモリ１０からＣ_Y とともに格
納されている画素Ｐ_Y の座標の値を取り出し、この座標
と、先行撮像パターン１７の中心の画素Ｐ_W の座標との
ずれ量を計算する。

【００３４】図９は、図５及び図６に示されているよう
な先行及び後続の撮像パターン１７及び１６が得られた
という前記実施例において、相関の最大値Ｃ_Y の基礎と
なる被参照パターンＢ_Y とその中心の画素Ｐ_Y の位置を
示した図である。

【００３５】ここで、例えば、先行撮像パターン１７の
中心の画素Ｐ_W の座標からの画素Ｐ_Y の座標のずれ量
が、Ｐ_W から上方に３０画素分、右方に４０画素分であ
った場合、移動体は、先行撮像パターン１７の撮影時に
おける移動体の位置を起点として、北方に３０画素分、
東方に４０画素分移動したことになる。この「北方に３
０画素、東方に４０画素」という位置データに、後述す
る１画素分の現実の距離Ｚを乗ずることによって、所定
時間（撮影間隔：Δｔ）経過後の移動体の２次元位置を
算出することができる。

【００３６】更に、距離計６によって計測された地表ま
での距離は、移動体の高度の位置データとして利用でき
るので、これらを総合して、移動体の３次元位置として
把握することが可能となる。

【００３７】１画素分の現実の距離Ｚは、カメラの視角
と、カメラから地面までの距離、撮影時に変換した撮像
の倍率から求めることができる。例えば、垂直方向のカ
メラの視角がＲ、垂直方向のカメラの画素数がＮ個、カ
メラから地面までの距離がＳメートル、変換倍率がＫ倍
であった場合、１画素分の現実の距離Ｚは、次式に示す
通りとなる。

【００３８】

【数２】

【００３９】移動体の直線移動距離は、図９の例におい
ては、画面上では５０画素分移動したことになるので、
５０×Ｚメートルを現実の移動距離として算出すること
ができる。

【００４０】更に、これを所定時間（撮影間隔：Δｔ）
で除算することによって、飛行体の速度が求められる。

【００４１】そして、これらを連続して行うことによっ
て、移動体の軌跡を移動速度とともに把握することが可
能となる。尚、連続して行う場合は、最初の速度等の演
算が終了した後、メモリ９に格納されている後続撮像パ
ターンをメモリ８に複写することによってこれを先行撮
像パターンとし、所定時間経過後、再び撮影された画像
を後続撮像パターンとしてメモリ９に格納することによ
って効率化することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による飛行
体の対地移動距離・対地速度・３次元位置計測装置及び
方法によれば、機体が傾いた場合、進路を変更した場
合、機体の高度が変化した場合でも、撮像パターンを高
速にマッチングすることができ、きわめて高精度な３次
元位置・対地移動距離・対地速度等をリアルタイムで算
出・測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念図である。

【図２】本発明の取付状態の一例である。

【図３】本発明のジャイロスタビライザの一例である。

【図４】図３のジャイロスタビライザを下方からみた図
である。

【図５】先行撮像パターンの一例である。

【図６】後続撮像パターンの一例である。

【図８】画素の配列を示した図である。

【符号の説明】

１…ジャイロスタビライザのジンバル ２…ジャイロスタビライザの安定化プラットホーム ３…ＣＣＤカメラ ５…ジンバルの軸 ６…距離計 ７…倍率変換手段 ８〜１０…メモリ １１…相関演算手段 １２…速度等演算手段 Ａ…参照パターン Ｂ…被参照パターン

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【手続補正書】

【提出日】平成７年１２月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念図である。

【図２】本発明の取付状態の一例である。

【図３】本発明のジャイロスタビライザの一例である。

【図４】図３のジャイロスタビライザを下方からみた図
である。

【図５】先行撮像パターンの一例である。

【図６】後続撮像パターンの一例である。

【図７】後続撮像パターンより抽出された、参照パター
ンの一例である。

【図８】画素の配列を示した図である。

【図９】被参照パターンと先行撮像パターンの中心の画
素の位置を示した図である。

【符号の説明】 １…ジャイロスタビライザのジンバル ２…ジャイロスタビライザの安定化プラットホーム ３…ＣＣＤカメラ ５…ジンバルの軸 ６…距離計 ７…倍率変換手段 ８〜１０…メモリ １１…相関演算手段 １２…速度等演算手段 Ａ…参照パターン Ｂ…被参照パターン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 飛行体に取り付けられ、地面若しくは地
   面における構造物を撮影するためのＣＣＤカメラと、 前記ＣＣＤカメラを垂直方向及び水平方向に固定若しく
   は安定させるジャイロスタビライザと、 前記ＣＣＤカメラと被写体までの距離を計測する手段
   と、 前記計測距離を基に撮影画像の倍率を変換する手段と、 前記ＣＣＤカメラにより順次撮影して得られた２つの撮
   像パターンをマッチングさせる相関演算手段と、 前記相関演算手段により得られた値を基に、撮影画像の
   ずれ量を計算し、この画像のずれ量と、画像の変換倍率
   及び撮影間隔（時間）から、飛行体の３次元位置、対地
   移動距離、及び対地移動速度を演算する手段と、 を有する飛行体の対地移動距離・対地速度・３次元位置
   計測装置。
2. 【請求項２】 ジャイロスタビライザを介して飛行体に
   取り付けられたＣＣＤカメラによって地面若しくは地面
   における構造物を撮影し、 同時にＣＣＤカメラから被写体までの距離を距離計によ
   って計測し、 前記計測距離値に従って、前記撮影画像を、倍率変換手
   段によって、所定の縮尺となるよう、その倍率を変換し
   てメモリに格納し、 所定時間経過後、前記と同様に撮影、測距、変換、及び
   格納を行い、 前記手段により格納された２つの撮影画像の相関をとる
   ことによって、画像のずれ量を検出し、 前記画像のずれ量及び画像の変換倍率から飛行体の対地
   移動距離、対地速度、３次元位置を計測する方法。