JPWO2016016959A1

JPWO2016016959A1 - 光学式速度計測装置および移動体

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Publication number: JPWO2016016959A1
Application number: JP2016537649A
Authority: JP
Inventors: 泰士上田; 亮介中村; 梓網野
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Filing date: 2014-07-30
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Abstract

車輪の無い移動体や車輪がスリップする移動体において、移動体の回転運動の影響を抑制しつつ自身の速度を精度良く推定可能な光学式速度計測装置等を提供することを目的とする。この課題を解決するための光学式速度計測装置は、移動体に備えられ，撮像平面が移動した際の各画素の移動量が画像内の位置によって異なるように走行面を撮像する撮像手段と、前記撮像部が時系列的に撮像した複数の画像から、所定の軸に対する各画素の移動量の変化を画素移動量勾配として求め、当該画素移動量勾配から前記移動体の速度を求めることを特徴とする。

Description

本発明は，光学式速度計測装置および移動体に関する。

移動体を適切に制御するためには、移動体の正確な速度を計測する必要がある。移動体の速度計測装置として，車輪の回転量を取得し、その回転量から算出された移動距離に基づいて速度を算出する速度計測装置がある。

しかし，前記の装置では，車輪を備えた移動体でしか利用できない。また，車輪を備えた移動体であっても，車輪がスリップするなどの影響によって正確な速度が計測できない場合ある。そこで、地面などを，デジタルカメラなどで連続的に撮像し、撮像画像内の画素の移動量を求めることで速度を算出する速度計測装置が知られている。

例えば，特許第５３０４０６４号（特許文献１）の請求項１に記載の速度計測装置は、「複数の画素を備えた撮像素子を有する撮像手段と，前記撮像素子で撮像された複数の画像情報が撮像された画素の、撮像素子上の位置である画像情報位置を検出する位置情報検出手段と、前記画素により撮像される範囲であり、かつ、進行方向における前記撮像手段からの距離に応じて大きさが異なる範囲を、撮像範囲として、前記画素ごとに算出する撮像範囲算出手段と、前記複数の画素にそれぞれ対応する複数の前記撮像範囲の大きさと、前記位置情報検出手段により検出された所定時間経過前後の前記画像情報位置とに基づいて、前記画像情報ごとに、該画像情報の最大移動距離Ｌ１および最小移動距離Ｌ２を算出する移動距離算出手段と、前記複数の画像情報のそれぞれについて、前記最大移動距離Ｌ１から最大移動速度Ｖ１を、前記最小移動距離Ｌ２から最小移動速度Ｖ２を算出し、前記複数の画像情報から算出された複数の前記最大移動速度Ｖ１のうちの最小値Ｖ１ｍｉｎと、複数の前記最小移動速度Ｖ２のうちの最大値Ｖ２ｍａｘとを算出し、算出した前記最小値Ｖ１ｍｉｎおよび最大値Ｖ２ｍａｘに基づいて、速度情報を算出する速度情報算出手段と、を備えること」を特徴とする。

特許第５３０４０６４号

多くの移動体は移動中に回転，振動をするため、移動体に備えられた撮像手段の撮像範囲は常に変化する。したがって、特許文献１の速度計測装置の撮像範囲算出手段は、移動中の撮像範囲を常に算出する必要がある。撮像範囲を常に算出するためには、センサによって移動体や撮像手段の姿勢を常に取得する。しかし、センサの測定値には一般的に誤差が含まれるため，撮像範囲の精度が低下し，速度計測装置の算出速度の精度も悪化する。したがって、移動体に備えられる速度計測装置は、速度計測結果に対し，移動体の回転運動の影響が少ないものが望ましい。

そこで本発明は、車輪の無い移動体や車輪がスリップする移動体において、移動体の回転運動の影響を抑制しつつ自身の速度を精度良く推定可能な光学式速度計測装置等を提供することを目的とする。

上記課題を解決する手段として，例えば，「移動体に備えられ，撮像平面が移動した際の各画素の移動量が画像内の位置によって異なるように走行面を撮像する撮像手段と、前記撮像部が時系列的に撮像した複数の画像から、所定の軸に対する各画素の移動量の変化を画素移動量勾配として求め、当該画素移動量勾配から前記移動体の速度を求める計算手段と、を有する」ことを特徴とする。

本発明によれば、車輪の無い移動体や車輪がスリップする移動体において、移動体の回転運動の影響を抑制しつつ自身の速度を精度良く推定可能な光学式速度計測装置等を提供することができる。

実施例１の装置の概要を説明する図である実施例１の装置の構成を説明する図である実施例１の座標系を説明する図である撮像装置のピッチ運動による画素移動量を示す図であるブロックマッチング方を説明する図である画素移動量ベクトル場の例であるブロックマッチングの探索領域の設置の仕方の例である実施例２の移動体の構成図である実施例２の移動体のシステム構成である制御手段の動作フローである速度計測手段切替時の速度を説明する図である

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、本発明の光学式速度計測装置の例を説明する。

まず，図１を用いて，本実施例の光学式速度計測装置の概略を説明し，詳細を後述する。前記装置は，例えば，撮像手段として，移動体に取り付けられたカメラを備える。前記カメラは，図１（ａ）に示すように，例えば，移動中に，斜め前方の路面を，所定の時間間隔で撮像する。撮像された複数の画像から，画像上の複数個所の画素の移動量のベクトル（以後，画素移動量ベクトルと呼ぶ）を算出すると，図１（ｂ）のように，画像内にて画素移動量ベクトルの分布（以後，画素移動量ベクトル場と呼ぶ）が現れる。多くの従来方法（例えば特許文献１）では，路面とカメラの位置関係を，キャリブレーションなどによって求めるか，一定であると仮定した上で，画素移動量をもとに路面に対するカメラの移動量を逆算している。しかし，前記方法では，カメラが回転振動するなどして正確に前記位置関係を取得できない場合，正確な速度を算出できなくなる。一方，本手法では，画素移動量の値そのものではなく，画素移動量ベクトル場の所定の直線上での勾配（以後，画素移動量勾配と呼ぶ）から速度を計算する。これによって，従来手法よりも，速度計算結果に対する前記位置関係の変化の影響が少なくなり，前記位置関係の変化が一定量以下であれば高精度で速度が計算可能である。例えば，図１（ｂ）の撮像画像内の列Ｌ上の画素移動量ベクトルに注目すると，列Ｌ上のｘ方向画素移動量は，図１（ｃ）に示すように，ある勾配を持ったグラフとなる。前記グラフの勾配は，速度に応じて変化する。例えば，速度ｖ１のときの勾配に対し，ｖ２＜ｖ１なる速度のときの勾配は，ｖ１のときの勾配よりも緩やかになる。また，速度はｖ１で，カメラが微少にピッチ回転した場合，グラフは，回転せずにｖ１で移動した場合とほぼ同じ勾配のまま平行移動する。詳細は後述するが，本発明では，前記勾配より，移動体の前後，左右方向への移動速度（以後，単に速度と呼ぶ）を求めることにより，移動体の回転運動の影響をほとんど受けることなく，速度を計算可能である。

図２は、本実施例の光学式速度計測装置１１の構成図の例である。前記装置１１は、外部環境の画像を撮像する撮像手段１１１と、計算の開始、終了などのトリガー信号や、速度計算に必要な情報，速度計算結果，ログ情報を送受信するための情報交換手段１１２を備え、撮像手段１１１から得た撮像画像と、情報交換手段１１２から得た情報は、速度を計算するための計算手段１１３へ伝えられる。計算手段１１３は、複数の撮像画像から、画像内の複数の画素の移動量を計算する画素移動量計算部１１３１と、前記計算部１１３１から得た複数の画素移動量から、画素移動量勾配を計算する、画素移動量勾配計算部１１３２と、前記計算部１１３２から得た画素移動量勾配から、移動体１２の速度を計算する、速度計算部１１３３を備える。計算手段１１３で計算した速度や，ログ情報などは、情報交換手段１１２を介して、外部へ伝達される。尚、計算手段１１３は具体的には、ＣＰＵとメモリとから構成され、メモリから読み出した各種プログラムをＣＰＵが実行することで実現される。図２では、ＣＰＵが実行する各種プログラムを、画素移動量計算部１１３１、画素移動量勾配計算部１１３２、速度計算部１１３３、のように機能ブロック図として表している。

以下、光学式速度計測装置１１の各構成について説明する。

撮像手段１１１は、複数の撮像素子を有し、各撮像素子の輝度値を測定する。例えば、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓ）やＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）カメラなどを好適に用いる。また，前記撮像手段１１１は、所定の周期（フレームレート）Ｆで撮像平面を撮像する。この際，撮像手段は，撮像平面が移動した際の各画素の移動量が，画像内の位置によって異なるように設置する。例えば，撮像手段を撮像平面に対して斜めに設置すれば，遠くの撮像平面ほど画素移動量は小さく，近くの撮像平面ほど画素移動量は大きくなる。あるいは，カメラレンズを工夫したり，反射鏡などを用いたり，複数のカメラを同期して用いたりして，撮像平面の異なる領域を同時に撮像しても良い。撮像手段のフレームレートは，画素移動量を算出可能な範囲において好適に設定する。例えば，移動体の速度が早い場合には，単位時間当たりの画素移動量も長いため，注目画素が，次の画像の外側へ移動（フレームアウト）し，前記画素の移動量が求められない場合がある。したがって，例えば，移動体の直前の速度や，平均速度が速いほど，フレームレートを速くする等が可能である。また，例えば，撮像手段の設置向きを，移動体の直前の速度や，平均速度が速いほど遠方を撮像するようにして，注目画素のフレームアウトを防ぐ方法もある。撮像手段１１１の撮像画像は，計算手段１１３へ入力される。

計算手段１１３は、例えば、プログラム又はファームウェアが格納されたＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）と、記憶部としてのＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）と、前記ＲＯＭに格納されたプログラムを実行するコントロールユニットを備える。コントロールユニットとしては、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）やＧＰＵ（ＧｒａｐｈｉｃｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）などを好適に用いる。計算手段１１３は，移動体の速度を計算し，情報交換手段１１２へ伝える。

情報交換手段１１２は，有線，または無線で信号を送受信する装置であり，各種デジタル・アナログＩＯ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）ポート，及びデバイスを好適に用いる。情報交換手段１１２を介して，例えばカメラの姿勢情報，移動体の目標速度，計算開始を示す信号などが計算手段１１３へ送信される。また，例えば，算出した速度や，各種装置のデバッグ情報，入力信号に対する応答信号などを装置１１の外部へ出力する。

以下に，速度計算方法を説明する。

説明に際し，図３に示す座標系を導入する。図３（ａ）に示すように，カメラは，光軸を走行面と平行にした向きを基準に，ピッチ角θで移動体に取り付けられているものとする。図３（ｂ）に示すように，ｙ軸は，走行面Ｇと平行に設置するものとする。座標原点は結像面Ｃとレンズ光軸の交点である。Ｆはレンズの焦点距離である。このとき，移動体が走行面に沿って移動した場合の画素移動量について説明する。

画素移動量は，結像面Ｃ上に投射された，走行面上の任意の点の移動量とみなせる。移動体が，走行面Ｇに沿って，回転することなく後方にΔＸ，右方向へΔＹ移動した場合，図３（ｃ）に示すように，走行面Ｇ上の任意の点Ｍ₀＝（ｘ，ｙ）は相対的に前方へΔＸ，左方向へΔＹ移動する。いま，走行面Ｇを数式１のようにおくと，Ｍ₀の結像面Ｃ上の投射点Ｍ_c0＝（ｘ_c，ｙ_c）は，数式２のようになる。

図３の状態において，走行面Ｇ上のＭ₀の移動量ΔＸ，ΔＹに対し，座標系での移動量をΔｘ，Δｙとすると，ΔｘはΔＸに比例し，ΔｙはΔＹに等しい。したがって，Δｘの比例定数をＣとすれば，移動量Ｍ_c0の，結像面Ｃ上での移動量Δｘ_ct，Δｙ_ctは数式３のようになる。

数式２を数式３に代入して整理すると，数式３の微分項はそれぞれ数式４のようになる。

走行面Ｇは，ｙ軸に平行なため，ｂ＝０である。ｂ＝０とし，数式４を数式３に代入して整理すると，数式５のようになる。

以上より，移動体が回転することなく移動した場合の画素移動量を示した。一方，カメラが，移動することなく，ロール方向にΔφ，ピッチ方向にΔθ，ヨー方向にΔψ回転したときの画素移動量Δｘ_cr，Δｙ_crは，次式のようになる。ただし，Δφ，Δθ，Δψは微少な値とする。

以上より，移動体が，回転しつつ移動した場合の画素移動量Δｘ_c，Δｙ_cは，数式５と数式６を足し合わせて，数式７のようになる。

次に，移動体の速度は，ｘ_c、ｙ_cを変数とみなしたときの、ｘ軸上の移動量ベクトル場の勾配と，ｙ軸上の移動量ベクトル場の勾配から推定できることを示す。

ｘ軸上では，ｙ_c＝０であるため，数式７は次式のようになる。

数式８のΔｘ_cの第二項は，ピッチ回転による画素移動量である。前記第二項のグラフの例を図４に示す。図４が示すように，ピッチ回転によるｘ方向の画素移動量Δｘ_crは，ｘ＝０，ｙ＝Δθｆを最小値としたほぼ左右対称なグラフとなる。したがって，前記グラフにおいて，ｘ＝０を中心とした２点が作る勾配は，常にほぼ０となる。一方，Δｘ_cの第一項は，頂点をｆ／ａに持ち，下に凸な二次関数であるため，ｆ／ａが０から離れていれば，ｘ＝０近傍では単調変化する。したがって，前記第一項と第二項の和は，ｘ＝０を中心に等距離にある２点を選べば，その２点間の勾配は，常に第一項のみの勾配とほぼ等しい。また，前記第一項の勾配は，明らかに画素移動量Δｘに比例する。したがって，移動体の既知の移動量に対するΔｘ_cの勾配を記録すれば，記録した前記勾配に基づいて，移動体の前進移動量が求まる。前記前進移動量を移動所要時間で除すことにより，移動体の前進速度が求まる。

また，ｙ軸上では，ｘ_c＝０であるため，数式７は次式のようになる。

数式９において，Δｘ_cの勾配は，−Δφである。したがって，ｙ軸上Δｘ_cの複数の点から勾配を求めればロール方向回転量Δφが求まる。求めたΔφから，ｘ_cΔφを計算し，数式８のΔｙ_cから差し引くと，数式１０となる。

数式１０より，Δｙ_cは，明らかに移動体の横方向移動量ΔＹに比例する。したがって，移動体の既知の移動量に対するΔｙ_cの勾配を記録すれば，記録した前記勾配に基づいて，移動体の横方向移動量が求まる。前記横方向移動量を移動所要時間で除すことにより，移動体の横方向速度が求まる。

以上より，移動体の移動量が，画素移動量の勾配を用いて計算可能であることを示した。なお，移動体に取り付けるカメラの向きがどのようであっても，カメラの光軸を通り走行面Ｇに垂直な平面と，結像面Ｃの、交線上の勾配と，カメラの光軸を通り前記交線と垂直な，結像面Ｃ上の直線上の勾配を用いることで，同様の計算が可能である。また，走行面Ｇの諸係数をカメラの姿勢より算出し，求めたΔＸ，ΔＹ，Δφを用いることで，例えば数式８などから移動体の回転量も算出可能である。

次に，計算手段１１３の内部構成要素について述べる。

画素移動量計算部１１３１は、撮像手段１１１から得た複数の撮像画像から、画像内の複数個所での画素移動量を計算する。本実施例では、画素移動量の計算方法として、ブロックマッチング法を用いる。

図５は、ブロックマッチング法を説明する図である。ブロックマッチング法では、まず，画像１において注目画素を中心とするブロックを決める。ブロックには，走行路面の濃淡や，小石など，その領域に固有なテクスチャが含まれるものとする。次に，画像１の直後に撮像した画像２に，適当な大きさの探索範囲をもうけ，ブロックと最も類似度の高い領域を探索する。本実施例では，類似度として，計算量が少ない差分二乗和を用いる。差分二乗和とは，ブロックと比較対象領域の輝度値の差の２乗の合計である。ブロック内のテクスチャと比較対象内のテクスチャが似ているほど，輝度値の差は少なくなるため，差分二乗和が最小となる領域が，ブロックと一致していると推定できる。差分二乗和Ｒを，次式に示す。

ここで，ｘ，ｙは，探索範囲内でのブロック位置を示す自然数で，画像の左上端部のピクセルを原点に，下方向をｘ軸，右方向をｙ軸とする。また，ブロックの横幅がｗピクセル，縦幅がｈピクセルのとき，ｘ’＝０，１，…，ｈ，ｙ’＝０，１，…，ｗである。探索領域内全域のｘ，ｙについてＲを計算し，Ｒを最小とするｘ，ｙが，画像２内でのブロック内に含まれる画素の移動先であると推定できる。以上を，画像内の異なる複数箇所におけるブロックについて計算することで，画像内の画素移動量ベクトル場を計算できる。なお，画素移動量ベクトル場の計算方法は上記に限定されるものではない。例えば，各点の明るさの空間的および時間的な勾配の間の関係を用いる勾配法を使用する方法や，画像内のエッジを検出し，異なる時間で撮像した複数の画像同士で前記エッジと一致するエッジを見つけることで，画素移動量を算出する方法などを用いても良い。

画素移動量勾配計算部１１３２は，画素移動量ベクトル場の勾配を計算する。図６に，画素移動量の例を示す。図６（ａ）は，路面上を移動する移動体に設けたＣＭＯＳカメラから撮像した，２枚の路面画像より，ブロックマッチング方によって算出した画素移動量ベクトル場である。撮像画像を，縦横一定間隔ごとの探索領域に分割し，全ての探索領域について，ｘ方向，ｙ方向への画素移動量を計算すると，同図のような画素移動量ベクトル場となる。図６（ｂ）は，画素移動量ベクトル場のｘ方向の画素移動量Δｘ_c，図６（ｃ）は，前記ベクトル場のｙ方向の画素移動量Δｙ_cを示したものである。移動量の単位はピクセルである。両図が示すとおり，前記ベクトル場の各成分は，ピクセル精度で単調変化しており，前記ベクトル場へ，曲面関数，または平面関数をフィッティングすることで，前記ベクトル場の任意の直線上の勾配を計算可能である。関数のフィッティング手法としては，例えば非特許文献（ＧＮＵＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＬｉｂｒａｒｙＲｅｆｅｒｅｎｃｅＭａｎｕａｌ（ｖ１．１２），ｐｐ４４６−４４８）に記載の重回帰分析（Ｍｕｌｔｉ−ｐａｒａｍｅｔｅｒＦｉｔｔｉｎｇ）などを好適に用いる。

なお，画素移動量ベクトル場を関数フィッティングする際は，画像全体での画素移動量ベクトルは必要ない。非特許文献１によれば，例えば，平面関数でフィッティングする場合は，最小３箇所の画素移動量ベクトルがあればよい。したがって，例えば，図７に示すような探索領域について画素移動量ベクトルを求め，撮像ノイズの少ない領域の画素移動量ベクトルのみを用いてフィッティングするなどの工夫により、計算速度を削減することが可能である。

速度計算部１１３３は前記画素移動量勾配から，すでに述べた速度計算方法によって速度を計算する。

なお，図４で示したとおり，カメラの回転によって，画素移動量そのものは影響を受ける。いかなる焦点距離のカメラであっても，ピッチ回転に対し，Δθｆ以上の画素移動量が生じる。これは，移動による画素移動量が小さい場合は，無視できない量となる。したがって，従来手法のように画素移動量そのものから速度を求める場合，カメラの姿勢測定センサに誤差があると，速度測定結果の誤差も大きくなることがわかる。一方，本発明の光学式速度計測装置は，回転振動の影響がほとんど無い。そして，例えば，車両などに固定した場合は，走行面からカメラまでの高さがほぼ一定で，カメラは，固定された向きを中心に回転振動するだけである。したがって，本発明の前記装置を用いれば，カメラ姿勢測定用のセンサを用いなくとも，正確な速度を測定可能である。また，本発明の前記装置を，飛行装置などに設置すると，撮像手段の地面に対する角度が大きく変化するため，姿勢測定センサが必要となる。その場合，回転量の誤差の影響が少ないため，例えば，誤差の大きい安価な姿勢測定センサを用いたとしても，正確な速度を測定可能である。

以上によって，速度計測結果に対し，移動体の回転運動の影響が少なく，車輪の無い移動体や，車輪がスリップする移動体の速度も正確に測定可能な速度計測装置を提供する。

次に、上記の光学式速度計測装置を備え，移動体の姿勢が変化したり，車輪がスリップ・空転したりしても，正確に自己速度を測定可能な移動体の例を示す。図１の光学式速度計測装置１１のうち、既に説明した図２に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図８を用いて，本実施例の光学式速度計測装置を備えた移動体２１の構造を説明する。図８（ａ）に示すように，前記移動体２１は，光学式速度計測装置１１と，光学式速度計測装置を走行面とおおよそ水平に保つための安定化手段２１１と，前後直列に２つの車輪を備え移動体を移動させるための走行手段２１２と，走行手段２１２の制御や，計測結果の処理を行う制御手段２１３と，移動体の姿勢を認識するための姿勢認識手段２１４と，外部装置との情報の入出力を行う，外部情報入出力手段２１５を備える。

図９を用いて，移動体２１のシステム構成を説明する。光学式速度計測装置１１からの速度計測結果と，安定化手段２１１のロール・ピッチ角情報と，走行手段２１２からの車輪回転速度と車輪操舵角と，姿勢認識手段２１４からの移動体の姿勢情報は，制御手段２１３へ送信される。また，制御手段２１３から前記装置１１には，車輪回転速度や，移動体の姿勢情報が送信され，光学式速度計測装置１１の速度計算に用いられる。制御手段２１３から安定化手段２１１には，光学式速度計測装置１１の姿勢をおおよそ水平に安定化するための，目標ピッチ・ロール角が送信される。制御手段２１３から走行手段２１２には，目標車輪回転速度や，目標車輪操舵角情報が送信される。外部情報入出力手段２１５は，人または自律制御コンピュータなどからの，移動体制御命令を受信し，移動体の現在速度や位置，路銀具情報などを外部へ送信する。

制御手段２１３は，内部に，走行制御部２１２１と，速度計測手段切替部２１２２と，キャリブレーション部２１２３を備える。走行制御部２１２１は，姿勢認識手段２１４からの移動体の姿勢情報や、走行手段２１２からの速度情報・移動方向情報を元に、移動体がロール方向へ転倒しないように制御したり，移動方向・速度などの制御を行う。速度計測手段切替部２１２２は，走行手段の車輪回転速度に応じて，速度測定結果が高精度になるように，速度計測手段を切り替える。キャリブレーション部２１２３は，光学式速度計測装置１１をキャリブレーションする。ここで，キャリブレーションとは，実施例１にて説明した，画素移動量ベクトル勾配と，他の速度計測手段による既知の速度と，前記速度を計測時の前記装置１１の地面からの距離との比率を求めることである。

図１０を用いて，制御手段２１３の動作について説明する。まず，装置を起動後，ステップＳ０１にて，走行信号を外部情報入出力手段２１５より受信すると，ステップＳ０２に進み，走行手段２１２を制御し，移動体２１を走行させる。つぎに，ステップＳ０３にて，車輪回転速度が所定の基準値Ｖ_k以下であれば，ステップＳ０４へ進み，Ｖ_k以下でなければステップＳ０５へ進む。ステップＳ０４では，走行手段２１２から得た車輪回転速度から，移動体の速度を計測する。ステップＳ０５では，キャリブレーション部２１２３によって，光学式速度計測装置１１をキャリブレーションする。また，ステップＳ１４では，ステップＳ０５で行ったキャリブレーション結果に基づいて光学式速度計測装置１１によって速度を測定する。ステップＳ０６で，外部情報入出力手段２１５から終了信号を受信するか，いずれかの構成要素からエラーによる終了信号を受信したりした場合は，移動体の動作を終了する。

図１１を用いて，速度計測手段切替部２１２２の，切替基準値Ｖ_kについて説明する。図１１は，横軸は移動体の速度，縦軸が速度の真値に対する速度計測結果の誤差の割合である。一般的に，車輪回転量による速度計測では，移動体の速度が上がるほど，車輪の変形やすべりが大きくなるため，誤差の割合が大きくなる。一方，光学式速度計測装置１１の誤差は，画素移動量が原理的にピクセル精度で計算されることに起因し，移動速度に依存せず常に一定量の誤差が現れる。例えば，常に誤差が時速１ｋｍ含まれる場合，時速１０ｋｍのときの誤差は１０％だが，時速１００ｋｍのときは１％となる。以上のように，車輪回転量による速度計測手段の誤差の割合と，光学式速度計測装置１１の誤差の割合は，速度に対して逆の変化をするため，図１１に示すように，誤差の割合が互いに逆転する速度Ｖ_kが存在する。そこで，Ｖ_kよりも移動体の速度が遅い場合は，車輪回転量による速度計測手段を，Ｖ_k以上の場合は光学式速度計測装置１１を用いることで，広範な速度領域において，精度良く速度を計測することが可能となる。

また，車輪回転量によって速度を計測しているときに，使用していない光学式速度計測装置をキャリブレーションすることで，移動体使用前に，キャリブレーションのためだけの動作を行う手間が省ける。

キャリブレーション結果から，速度を計算する方法を説明する。数式８より，画素移動量勾配は，速度に比例し，係数ｃに反比例する。係数ｃは，走行面Ｇと，座標系のｚ軸との切片である。また，係数ｃは，撮像手段１１１と走行面Ｇとの距離に比例する。以上より，速度は次式にように計算可能である。

上式で，ｃ’は，係数ｃか、または，係数ｃに比例する量であり，ｖ_xは前進方向の速度，ｖ_yは左方向への速度，ｐ_xはｘ方向の画素移動量勾配，ｐ_yはｙ方向の画素移動量勾配，Ｋ_x,Ｋ_yはキャリブレーションで求めた比例定数である。キャリブレーション時に記録した，既知の，ｘ方向速度ｖ_x0，ｙ方向速度ｖ_y0，係数ｃまたは係数ｃに比例する量ｃ₀’と，測定された、ｘ方向の画素移動量勾配ｐ_x0，ｙ方向の画素移動量勾配ｐ_y0より，前記比例定数Ｋ_x,Ｋ_yは，次式で求まる。

係数ｃは，例えば，姿勢認識手段による移動体２１の姿勢と，光学式速度測定装置１１の撮像手段１１１との幾何的関係から求めることができる。あるいは，係数ｃと比例する量としては，撮像手段１１１と走行面Ｇとの距離がある。前記距離は、移動体２１に具備したレーザーセンサや超音波センサなどのセンサを好適に用いて測定すればよい。

安定化手段２１１は，ピッチ，ロール方向に光学式速度計測装置１１の姿勢を制御することができ，制御手段２１３からの制御信号に基づいて，前記装置１１のロール角を走行面とおおよそ水平になるよう動作する。なお、速度計測のために安定化手段２１１は必ずしも必要ではないが、利用することによって、結像面のｘ軸とｙ軸上の画素移動量勾配を利用できるので、計算を簡略化することが可能となる。

走行手段２１２は，図８（ｂ）のように，前後の車輪を独立に操舵することができ，制御手段２１３からの制御信号に基づいて移動体を移動させる。ただし、本実施例では移動体の姿勢が走行中に変わる移動体の例として２輪機構の走行手段を用いているが、走行手段は本例に限ったものではない。移動体を変異させる手段であればあらゆる手段が用いてよい。例えば、３輪機構、４輪機構をはじめとした車輪や、クローラー、脚、ホバーを用いてもよい。または、走行手段の変わりに、例えば、プロペラ、翼、ジェット、パラシュートなどの飛行手段を用いてもよい。さらに、例えば、壁伝い、天井伝いに移動するためのレール機構、吸着機構などを用いてもよい。

制御手段２１３は，例えば、プログラム又はファームウェアが格納されたＲＯＭと、記憶部としてのＲＡＭと、前記ＲＯＭに格納されたプログラムを実行するコントロールユニットとしてＣＰＵを備える。

このように本実施例では、速度計測結果に対し，移動体の回転運動の影響が少なく，車輪の無い移動体や，車輪がスリップする移動体の速度も正確に測定可能な速度計算装置を提供することができる。さらに、この速度計算装置を備え、車輪のスリップや空転，車輪の有無にかかわらず，自身の速度を正確に推定可能な移動体を提供することができる。なお，撮像対象の平面は，地面に限らず，カメラとの位置関係の分かる平面であればあらゆる平面が対象となる。例えば，地面やビルの壁面，天井面，水面，机の天板などでもよい。とくに，車輪を用いずに移動する船舶や飛行体への適用が期待できる。

本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく，様々な変形例が含まれる。例えば，上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり，必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また，ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり，また，ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また，各実施例の構成の一部について，他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また，上記の各構成，機能，処理部，処理手段等は，それらの一部又は全部を，例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また，上記の各構成，機能等は，プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し，実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム，テーブル，ファイル等の情報は，メモリや，ハードディスク，ＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）等の記録装置，または，ＩＣカード，ＳＤカード，ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また，制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており，製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

また、上記実施例では移動体に設置した光学式速度計測装置について述べたが、前記装置を、例えば、固定された点に設置して、撮像対象物体の速度を計測することにも利用できる。例えば、液体表面や、シート状の物体、シート上に散布された物体などを撮像することにより、撮像対象物体の移動速度を計測できる。

また、前記装置の撮像装置によって、移動速度を観測したい物体を直接撮像するのではなく、外部に設置した撮像手段から映し出された画像モニタや、スクリーン映像などを、前記装置の撮像手段によって撮像するなど、間接的に撮像しても良い。

１１実施例１の光学式速度計測装置
１１１撮像手段
１１２情報交換手段
１１３計算手段
１１３１画像移動量計算部
１１３２画素移動量勾配計算部
１１３３速度計算部
２１実施例２の移動体
２１１安定化手段
２１２走行手段
２１２１走行制御部
２１２２速度計測手段切替部
２１２３キャリブレーション部
２１３制御手段
２１４姿勢認識手段
２１５外部情報入出力手段
ｘ_c カメラの撮像面上のｘ座標
ｙ_c カメラの撮像面上のｙ座標
Δｘ_c ｘ方向の画素移動量
Δｙ_c ｙ方向の画素移動量
Δｘ撮像対象のｘ方向の移動量
Δｙ撮像対象のｙ方向の移動量
ΔＸ撮像対象の前進方向への移動量
ΔＹ撮像対象の左方向への移動量

Claims

移動体に備えられ，撮像平面が移動した際の各画素の移動量が画像内の位置によって異なるように走行面を撮像する撮像手段と、
前記撮像部が時系列的に撮像した複数の画像から、所定の軸に対する各画素の移動量の変化を画素移動量勾配として求め、当該画素移動量勾配から前記移動体の速度を求める計算手段と、
を有する光学式速度計測装置。
請求項１の光学式速度計測装置において，
前記移動体の既知の移動量に対する前記画素移動量勾配を記憶し、
前記計算手段は、求めた前記画素移動量勾配と、既知の移動量に対する前記画素移動量勾配と、から前記移動体の速度を求めることを特徴とする光学式速度計測装置。
請求項１の光学式速度計測装置において，
前記撮像手段は、斜め方向から走行面を撮像することで、撮像平面が移動した際の各画素の移動量が画像内の位置によって異なるよう撮像することを特徴とする光学式速度計測装置。
請求項１の光学式速度計測装置において，
前記計算手段が求める前記画素移動量勾配とは、前記撮像手段の光軸を通り走行面に垂直な平面と、前記撮像手段の結像面と、の交線上の画素移動量の勾配，及び、前記撮像手段の光軸を通り前記交線とおよそ垂直な前記結像面上の直線上の画素移動量の勾配、であることを特徴とする光学式速度計測装置。
請求項１の光学式速度計測装置において，
前記計算手段が求める前記画素移動量勾配は，前記撮像手段の光軸と，前記撮像手段の結像面との交点を中心に対称な位置にある画素の移動量同士の変化量に基づいて計算することを特徴とする光学式速度計測装置。
自身の位置を変位させるための移動手段と，前記移動手段を制御するための制御手段と，を備える移動体において、
撮像平面が移動した際の各画素の移動量が画像内の位置によって異なるように走行面を撮像する撮像手段と、前記撮像部が時系列的に撮像した複数の画像から、所定の軸に対する各画素の移動量の変化を画素移動量勾配として求め、当該画素移動量勾配から前記移動体の速度を求める計算手段と、を有する光学式速度計測装置
を備える移動体。
請求項６に記載の移動体において、
前記光学式速度計測装置の撮像手段の姿勢を認識する姿勢認識手段、を備え、
前記計算手段は、前記姿勢認識手段により認識された姿勢情報を前記移動体の速度計測のキャリブレーションに用いることを特徴とする移動体。
請求項６に記載の移動体において、
前記制御手段は，前記移動体の速度に応じて，前記光学式速度計測装置と，走行面に接地した接地式速度計測装置と切替えることを特徴とする移動体。
請求項６に記載の移動体において、
前記光学式速度計測装置の測定誤差が，前記接地式速度計測装置の測定誤差と同程度になる速度以下の速度の場合には、前記接地式速度計測装置を用い、
前記光学式速度計測装置の測定誤差が，前記接地式速度計測装置の測定誤差と同程度になる速度以上の速度の場合には、前記光学式速度計測装置を用いることを特徴とする移動体。
請求項６において、
前記接地式速度計測装置の使用中に，前記光学式速度計測装置のキャリブレーションを行うことを特徴とする移動体。