WO2018055861A1

WO2018055861A1 - 移動体制御装置および移動体制御システム

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Publication number: WO2018055861A1
Application number: PCT/JP2017/023521
Authority: WO
Inventors: 大介松家
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2018-03-29
Also published as: JP2020003830A

Abstract

移動体が空間を自由に動く場合でも、移動体と制御装置間の光通信を可能とする技術を提供する。　本発明の移動体制御装置および移動体制御システムは、カメラと、光源と、を有し、前記カメラの視野内で移動体に信号光線を照射することで、上述の課題を解決する。

Description

移動体制御装置および移動体制御システム

　本発明は、移動体の制御に関し、特に光を用いた移動体の制御装置および制御システムに関する。

　移動体と、その移動体を制御する制御装置間の通信手段として、電波を用いる方法が一般的である。そして、制御装置側で移動体の位置や姿勢情報を取得するために、移動体側で持つ慣性装置やＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）装置により得られた情報を、制御装置側に電波で送信することで、移動体を制御できる。しかしながら、周囲の電波環境や第三者の妨害行為により、移動体との通信が途絶した場合、移動体は制御不能となる恐れがある。

　移動体と、その移動体を制御する制御装置間の通信手段として、光を用いる方法（以下、光通信）がある。光通信に関する技術として、特許文献１、２が挙げられる。特許文献１には、固定された軌道上を走行する台車と地上側のそれぞれに通信制御装置を設け、予め入力された走行パターンに基づいて、二つの通信制御装置のビーム方向を常に対向するように制御する技術が開示されている。特許文献２には、人工衛星や航空機等の移動体相互間の通信または地上局と移動体間の通信のために設けられた光空間通信装置において、相手局からのレーザビームを精粗協調制御系で捕捉し、通信を開始する技術が開示されている。

　一方、光通信を用いないで移動体を制御する技術が、特許文献３、４に開示されている。特許文献３には、移動体制御装置側に設けられた光波距離計とカメラにより、アンテナを介して無線により制御される移動体の位置を測定する移動体制御装置が開示されている。特許文献４には、有線通信または無線通信で接続された移動体に再帰反射体を設けた追尾式レーザ装置が開示されている。

特開２００２－２５８９４５号公報特開平０７－３０７７０３号公報特開平０７－１４０２２５号公報特開２０１４－２２４７９０号公報

　特許文献１に開示の技術は、台車が固定された軌道上を入力された走行パターンで走行することが前提であり、走行パターンが予め判っている際には有効な技術である。しかしながら、特許文献１に開示の技術では、軌道や予め入力された走行パターンを外れる等の任意の走行パターンには対応できない。

　特許文献２に開示の技術では、移動体と移動体、または地上局と移動体のそれぞれで精粗協調制御系による相手局からのレーザビームの捕捉を行う。人工衛星や航空機等の大型の移動体であれば、特許文献２に開示されるような精粗協調制御系を有する光空間通信装置を移動体に持たせることも可能であるが、移動体に搭載する機器はより小型で軽量なものが望まれる。また、人工衛星や航空機では軌道の予測も可能であるが、軌道の予測が無い状態では、相手局からのレーザビームの捕捉は困難になる。

　特許文献３に開示の技術では、移動体への制御信号を送信する手段はアンテナを介した無線通信によるものであり、特許文献３には無線通信の妨害等の無線通信に関する課題の開示は無い。特許文献４においても、無線通信は有線通信よりも移動体の移動範囲の制限が無いという利点のみが開示されており、無線通信の妨害等の無線通信に関する課題の開示は無い。

　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、移動体が空間を自由に動く場合でも、移動体と制御装置間の光通信を可能とする技術を提供することを目的とする。

　本発明の移動体制御装置および移動体制御システムは、カメラと、光源と、を有し、前記カメラの視野内で移動体に信号光線を照射することで、上述の課題を解決する。

　本発明によれば、移動体が空間を自由に動く場合でも、移動体と制御装置間の光通信が可能になる。ひいては、電波環境が悪い状態においても、移動体の制御が可能になる。

実施例１の移動体制御装置と移動体のブロック図である。実施例１のコントローラの構成を示す図である。実施例１のガルバノ角度指令値生成部の構成を示す図である。実施例１のカメラ１１０で得られる画像データ１３を示す図である。実施例２の移動体の構成を示す図である。実施例２のコントローラ２７０の構成を示す図である。実施例３の移動体と移動体制御装置のブロック図である。実施例３のコントローラ３７０の構成を示す図である。実施例１の移動体制御装置および移動体制御システムを示す図である。三次元空間でのカメラとカメラで撮像される画像の関係を示す図である。ｙｚ平面から見た、カメラ、スクリーン、および移動体を示す図である。追従誤差の評価結果を示す図である。

　以下、本発明の各実施例を説明する。以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数の実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

　図９に、本発明の実施例である移動体制御装置９０１および移動体である飛行体９０２をさらに含む移動体制御システムを示す。また、図１に、本実施例のブロック図を示す。図１では、飛行体９０２を下面側から見た図で示している。一方、図９では、飛行体９０２を側面側から見た図で示している。

　図１および図９に示すように、本実施例に係る移動体制御装置９０１は、カメラ１１０と、光源であるレーザ光源１２０と、を有し、破線９０６ａと破線９０６ｂの間の領域であるカメラ１１０の視野内で、移動体である飛行体９０２に信号光線９０４を照射することを特徴とする。本実施例では、信号光線９０４はレーザ光源１２０を強度変調して生成される。

　図１に示すように、移動体制御装置９０１は、カメラ１１０と、レーザ光源１２０と、レーザ光源１２０からのレーザの光量を調節するレーザ光量調節器１３０と、スプリッタ１４０と、信号光線９０４およびカメラ１１０の視野を偏向する二次元ガルバノスキャナ１９０と、コントローラ２０２と、を備える。偏向器である二次元ガルバノスキャナ１９０は、先端に設けられている偏向ミラー１５１ａを第１方向に揺動するガルバノメータスキャナ１５０ａと、先端に設けられている偏向ミラー１５１ｂを第２方向に揺動するガルバノメータスキャナ１５０ｂと、ガルバノメータスキャナ１５０ａを駆動するガルバノ駆動部１６０ａと、ガルバノメータスキャナ１５０ｂを駆動するガルバノ駆動部１６０ｂと、を有する。ここで、本実施例では偏向ミラー１５１ａを揺動する第１方向と偏向ミラー１５１ｂを揺動する第２方向は直交している。移動体制御装置９０１は、さらにコントローラ２０２に接続されているストレージ１８０を有する。レーザ光源１２０には、例えば、波長６３５ｎｍの半導体レーザ、またはＨｅ－Ｎｅレーザを用いることができる。

　図１に示すように、飛行体９０２の下面には、コントローラ２０２で行う画像処理による飛行体９０２の位置情報および姿勢情報の算出用の４つのマーカ２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄが表面に描かれており、４つのマーカ２００ａ～２００ｄの中心に信号光線９０４を検出するためのフォトダイオード２１０が設けられている。フォトダイオード２１０の受光面の大きさは、例えば１１ｍｍ×１１ｍｍである。本実施例では、マーカ２００ａとマーカ２００ｃとの間の距離と、マーカ２００ｂとマーカ２００ｄとの間の距離を等しくする。また、マーカ２００ａとマーカ２００ｃを結ぶ線分と、マーカ２００ｂとマーカ２００ｄを結ぶ線分が互いの中央で直交するよう、マーカ２００ａ～２００ｄを配置する。図９に示すように、飛行体９０２の上面には、マーカ２００ａの上方にプロペラ９０３ａが、マーカ２００ｂの上方にプロペラ９０３ｂが、それぞれ設けられている。図９では省略しているが、飛行体９０２の上面には、さらに、マーカ２００ｃの上方にプロペラ９０３ｃが、マーカ２００ｄの上方にプロペラ９０３ｄが、それぞれ設けられている。飛行体９０２は、信号光線９０４に含まれる制御信号に基づいて、プロペラ９０３ａ～９０３ｄを駆動して飛行する。各マーカ２００ａ～２００ｄとフォトダイオード２１０の位置関係の情報は、ストレージ１８０に保存しておく。

　移動体制御装置９０１では、図１に示すように、スプリッタ１４０を用いてカメラ１１０とレーザ光源１２０の光軸を一致させている。したがって、カメラ１１０で撮影した画像の中心の位置に信号光線９０４が照射される。このように、カメラ１１０の光軸に沿って信号光線９０４を照射する構成とすることで、それぞれの光軸が互いに異なる場合に必要な補間計算が不要になり、後述するコントローラ２０２でのガルバノスキャナへの角度指令値生成の計算を簡易にできる。また、偏向手段として一般的なパン・チルト方式（カメラの台座が水平方向と仰角方向に回転するもの）ではなく、上述のように一対の反射ミラーを揺動モータによって駆動して偏向角度を変えるガルバノスキャナとすることで、高速かつ高精度な偏向が可能になる。

　次に、本実施例に係る移動体制御装置９０１の移動体追尾動作について説明する。コントローラ２０２には、カメラ１１０により得られる飛行体９０２の像を含む画像データ１３が入力される。コントローラ２０２は、後述する手段によって各ガルバノスキャナへの角度指令１６ａ、１６ｂを生成し、角度指令１６ａをガルバノ駆動部１６０ａに、角度指令１６ｂをガルバノ駆動部１６０ｂに、それぞれ送信する。ガルバノ駆動部１６０ａは、角度指令１６ａに応じた電流１７ａがガルバノスキャナ１５０ａに流れるように印加電圧を調整して出力する。また、ガルバノ駆動部１６０ｂは、角度指令１６ｂに応じた電流１７ｂがガルバノスキャナ１５０ｂに流れるように印加電圧を調整して出力する。これにより、移動体制御装置９０１は、カメラ１１０の光軸を、移動体である飛行体９０２の中心に配置されているフォトダイオード２１０に向ける。この際、カメラ１１０の光軸に沿って信号光線９０４が照射される構成になっているので、カメラ１１０から得られる画像データ１３での像の中心に対応する位置に信号光線９０４が照射される。したがって、フォトダイオード２１０に信号光線９０４が照射される。

　次に、本実施例に係る移動体制御装置９０１の通信動作について説明する。コントローラ２０２で飛行体９０２を追尾中と判定された場合、コントローラ２０２は、上位制御装置１８１から飛行体９０２へ送信される送信データ１０に基づき、通信パルス１４を生成する。レーザ光量調整器１３０は、通信パルス１４に対応する電流１５がレーザ光源１２０に流れるよう、レーザ光源１２０への印加電圧を調整する。その結果、レーザ光源１２０からパルス状のレーザ光である信号光線９０４が、飛行体９０２のフォトダイオード２１０に向けて照射される。飛行体９０２側では、フォトダイオード２１０が、受光した信号光線９０４に応じた電圧４０を移動体駆動コントローラ２２０へ出力する。移動体駆動コントローラ２２０で、受信したパルス状の電圧４０から送信データ１０を復号することで、移動体制御装置９０１と飛行体９０２との間の通信が成立する。送信データ１０には、例えば、飛行体９０２の識別情報、移動体制御装置９０１の識別情報、飛行体９０２への移動指令の情報、および飛行体９０２が有する特定の機能（搭載カメラなど）への指令の情報が含まれる。また、コントローラ２０２は、二次元ガルバノスキャナ１９０への指令値およびカメラ１１０の取得画像に基づいて、飛行体９０２の移動体制御装置９０１に対する相対位置の情報および飛行体９０２の姿勢の情報を含む移動体位置・姿勢情報３０を、上位制御装置１８１へ出力する。

　続いて、移動体制御装置９０１の各部の詳細な構成と動作について説明する。図２は、コントローラ２０２の構成を示す図である。コントローラ２０２は、ガルバノ角度指令値生成部１７０ａ、追尾状態判定部１７０ｂ、移動体位置・姿勢算出部１７０ｃ、および通信用パルス列生成部１７０ｄを有する。

　図３に、ガルバノ角度指令値生成部１７０ａの構成図を示す。ガルバノ角度指令値生成部１７０ａは、画像データ１３から光軸のずれ量を導出する光軸ずれ量算出部１７１と、二次元ガルバノスキャナ１９０で偏向する各軸の一つ前の角度指令値を記憶するメモリ１７２ａおよびメモリ１７２ｂと、各軸のサーボ系の外乱圧縮特性や安定性を向上させるサーボ補償器１７３ａおよびサーボ補償器１７３ｂと、を有する。

　カメラ１１０で取得される画像データ１３の一例を、図４に示す。ガルバノスキャナ１５０ａの走査方向は紙面左右で右側を正とする方向（以下、ｘ軸方向）で、ガルバノスキャナ１５０ｂの走査方向は紙面上下で上を正とする方向（以下、ｙ方向）とする。画像データ１３には飛行体９０２の像が含まれており、画像データ１３はマーカ２００ａ～２００ｄが像に含まれる条件で撮像される。ここで、画像データ１３上に設けられた追尾判定円４０１は、フォトダイオード２１０が信号光線９０４を所定のレベル以上で受信できる範囲を示す。追尾判定円４０１の中心は、画像データの二次元座標系（以下、スクリーン座標系）の原点Ｓ（０，０）である。飛行体９０２の中心であるフォトダイオード２１０が追尾判定円４０１内にあるように追尾をすることで、移動体制御装置９０１と飛行体９０２の間で通信が可能となる。また、画像データ１３のマーカ２００ａ～２００ｄの像から、移動体である飛行体９０２の位置の情報および姿勢の情報が得られる。

　ここで、光軸ずれ量の算出方法を説明する。図４に示すように、取得した画像で、一点鎖線で示したマーカ２００ａとマーカ２００ｃを結ぶ線分２０１ａと、二点鎖線で示したマーカ２００ｂとマーカ２００ｄを結ぶ線分２０１ｂの交点である移動体中心座標２１をＱ（ｑ_ｘ，ｑ_ｙ）とすると、カメラ座標系での原点Ｏから移動体を結ぶ軸と光軸の、画像上のずれ量はｘ軸方向にｑ_ｘ、ｙ軸方向にｑ_ｙとなる。光軸ずれ量算出部１７１では、画像データ１３から各マーカ２００ａ～２００ｄを抽出し、移動体中心座標２１であるＱ（ｑ_ｘ，ｑ_ｙ）を算出して追尾状態判定部１７０ｂに出力し、移動体中心座標２１からｘ軸での光軸ずれ量３１ａおよびｙ軸での光軸ずれ量３１ｂを算出する。算出された光軸ずれ量３１ａは、メモリ１７２ａに貯えられたひとつ前の角度指令値３２ａと合算され、サーボ補償器１７３ａを経て角度指令値１６ａとなる。同様に、算出された光軸ずれ量３１ｂは、メモリ１７２ｂに貯えられたひとつ前の角度指令値３２ｂと合算され、サーボ補償器１７３ｂを経て角度指令値１６ｂとなる。サーボ補償器１７３ａ、１７３ｂは、ＰＩＤ制御で角度指令値１６ａ、１６ｂを出力する。以上により、画像データ１３から角度指令値１６ａ、１６ｂが算出される。

　次に、追尾状態判定部１７０ｂについて説明する。追尾状態判定部１７０ｂは、ガルバノ角度指令値生成部１７０ａから送信される移動体中心座標２１が、図４に示す追尾判定円４０１内に入っている場合に、追尾状態信号２２を移動体位置・姿勢算出部１７０ｃおよび通信用パルス列生成部１７０ｄに送る。

　移動体位置・姿勢算出部１７０ｃについて説明する。移動体位置・姿勢算出部１７０ｃでは、追尾状態信号２２を受け取っている間は、画像データ１３および角度指令値１６ａ、１６ｂから、移動体である飛行体９０２の位置の情報および姿勢の情報を含む移動体位置・姿勢情報３０を算出し、出力する。移動体位置・姿勢情報３０の算出方法について、以下に説明する。

　三次元空間でのカメラとカメラで撮像される画像の関係は、図１０に示すとおり三次元で表現されるカメラ座標系と、二次元で表現されるスクリーン座標系を用いて表現できる。カメラ座標系とスクリーン座標系のｘ、ｙ軸とその向きは同一であり、ここでは図１０のように定義する。カメラ座標系の原点Ｏからスクリーン座標系中心の点Ｓに向かう方向をｚ軸の正方向とする。ここで、カメラ座標系での点Ｏと点Ｓのｘ、ｙ座標は同一であり、カメラ座標系での点Ｏと点Ｓのｚ座標の差（＝距離）は使用されるカメラおよびレンズの特性により一意に決定される事前に与えられる変数である。ここでは、点Ｏと点Ｓのｚ座標の差をｆとする。なお、カメラおよびレンズの特性により生じる像の歪みについては、説明を簡単にするために無視する。

　図１０に示すように、移動体座標系は三次元で与えられ、ここでは各マーカ２００ａ～２００ｄの移動体座標系での座標をＭａ、Ｍｂ、Ｍｃ、Ｍｄとし、スクリーン座標系に投影されたそれぞれの座標をＭａ’、Ｍｂ’、Ｍｃ’、Ｍｄ’とする。前述のとおり、本実施例では移動体の中心であるフォトダイオード２１０から、４つのマーカ２００ａ～２００ｄを同じ距離だけ離し、かつマーカ２００ａとマーカ２００ｂの間の距離、マーカ２００ｂとマーカ２００ｃの間の距離、マーカ２００ｃとマーカ２００ｄの間の距離、およびマーカ２００ｄとマーカ２００ａの間の距離が等しくなるようにしているため、線分ＭａＭｂ、線分ＭｂＭｃ、線分ＭｃＭｄ、および線分ＭｄＭａの長さは等しく、線分ＭａＭｂと線分ＭｃＭｄは平行であり、また線分ＭｂＭｃと線分ＭｄＭａも平行である。

　ここで、カメラ座標系から移動体座標系への回転行列Ｒ_{ＣＭ－ＭＯ}の算出方法について説明する。なお、本説明ではスクリーン座標系の各点のｚ座標を事前に与えられるパラメータであるｆと与え、三次元座標へ拡張する。まず、点Ｍａ’、点Ｍｂ’、およびカメラ座標系の原点Ｏを通る平面Ｍａ’Ｍｂ’Ｏを求める。このとき、線分ＭａＭｂも平面Ｍａ’Ｍｂ’Ｏ内に存在する。次に、平面Ｍａ’Ｍｂ’Ｏの法線ベクトルｌを求める。線分ＭａＭｂに平行な線分ＭｃＭｄに関しても同様にして、平面Ｍｃ’Ｍｄ’Ｏと、平面Ｍｃ’Ｍｄ’Ｏの法線ベクトルｍと、を求める。ここで、線分ＭａＭｂと線分ＭｃＭｄは平行であるため、その方向ベクトルは同一である。つまり、法線ベクトルｌと法線ベクトルｍの外積として計算されるベクトルは、線分ＭａＭｂおよび線分ＭｃＭｄのカメラ座標系における方向ベクトルとなり、この方向ベクトルの単位ベクトルをｅｕ（ｅｕ_ｘ、ｅｕ_ｙ、ｅｕ_ｚ）と定義する。もう一組の線分ＭｂＭｃ、線分ＭｄＭａに関しても同様の計算を行い、線分ＭｂＭｃおよび線分ＭｄＭａのカメラ座標系における方向ベクトルの単位ベクトルｅｖ（ｅｖ_ｘ、ｅｖ_ｙ、ｅｖ_ｚ）を得る。理想的には、単位ベクトルｅｕと単位ベクトルｅｖは直交し、単位ベクトルｅｕと単位ベクトルｅｖの外積ｅｗを求めることで、カメラ座標系から見た移動体の姿勢を表す３つの単位ベクトルｅｕ（ｅｕ_ｘ、ｅｕ_ｙ、ｅｕ_ｚ）、ｅｖ（ｅｖ_ｘ、ｅｖ_ｙ、ｅｖ_ｚ）、ｅｗ（ｅｗ_ｘ、ｅｗ_ｙ、ｅｗ_ｚ）が得られる。これらの単位ベクトルを用いて、回転行列Ｒ_{ＣＭ－ＭＯ}は次式で表わされる。

　回転行列Ｒ_{ＣＭ－ＭＯ}に移動体の座標系で表された点の座標を右からかけると、カメラ座標系で見た座標へと変換できる。

　次に、カメラ座標系における移動体の中心Ｍｏの算出方法について説明する。ここでは、移動体がカメラ座標系に対してｘ軸周りに回転した場合について、図１１を用いて説明する。図１１はｙｚ平面から見た、カメラ、スクリーン、および移動体を示す図である。なお、ｙ軸周りに回転した場合、ｚ軸周りに回転した場合、または複数の軸周りに回転した場合の考え方も相違ない。

　追尾状態にある移動体において、カメラ座標系から見た移動体の中心Ｍｏのｘ座標およびｙ座標はともに０であり、ｚ座標がカメラ座標の原点Ｏから移動体の中心Ｍｏまでの距離ｄｏとなる。移動体座標系における各マーカ位置は既知であるため、先の求めた回転行列Ｒ_{ＣＭ－ＭＯ}に移動体座標系であらわされる各マーカ座標を代入することで、カメラ座標における各マーカ座標のｘ座標およびｙ座標が得られる。なお、得られるｚ座標は、カメラ座標系における移動体の中心Ｍｏの位置からのｚ方向の差分を示す。

　図１１の点Ｍａはマーカ２００ａをカメラ座標系で表し、同様に点Ｍｂはマーカ２００ｂをカメラ座標系で表したものである。図１１の点Ｍａ’’は点Ｍａをスクリーン座標系に平行な平面に投影した点であるが、両者のｘ座標およびｙ座標は同一である。同様に、点Ｍｂ’’と点Ｍｂのｘ座標およびｙ座標は同一である。そのため、カメラ座標系の原点Ｏから移動体の中心Ｍｏまでの距離ｄｏは、点Ｍａの座標（ａ_x、ａ_ｙ、ａ_ｚ）、点Ｍａ’の座標（ａ_x’、ａ_ｙ’、ａ_ｚ’）、点Ｍｂの座標（ｂ_x、ｂ_ｙ、ｂ_ｚ）、および点Ｍｂ’の座標（ｂ_x’、ｂ_ｙ’、ｂ_ｚ’）を用いて次式で算出可能である。

　以上のように求められる回転行列Ｒ_{ＣＭ－ＭＯ}から、移動体のロール・ピッチ・ヨー成分を算出可能であり、距離ｄｏからカメラから移動体までの距離、すなわち移動体制御装置から移動体までの距離を算出することができる。

　本実施例ではカメラ１１０の光軸を二次元ガルバノスキャナ１９０で偏向しており、カメラ座標系は偏向角度に応じて変化する。そのため、移動体制御装置９０１のワールド座標系から見た飛行体９０２の位置情報および姿勢情報を得るために、上述のように移動体座標系からカメラ座標系へと座標変換した後に、角度指令値１６ａおよび角度指令値１６ｂに基づいてカメラ座標系からワールド座標系への変換行列を算出し、算出した変換行列を用いてさらにもう一回座標変換する。

　ここで、回転行列Ｒ_{ＣＭ－ＭＯ}および距離から、移動体の座標系からカメラ座標系への座標変換行列は、次式となる。

　座標変換行列Ｓ_{ＣＭ－ＭＯ}は、回転行列成分（１～３列目、１～３行目）と原点情報（４列目、１～３行目）を有する。

　本実施例では、カメラ１１０の光軸を二次元ガルバノスキャナ１９０で偏向しており、カメラ座標系は偏向角度に応じて変化する。そのため、角度指令値１６ａとしてｘ軸方向にθ、角度指令値１６ｂとしてｙ軸方向にφだけ回転移動すると、グローバル座標系からカメラ座標系への回転行列Ｒ_{ＣＭ－ＧＬ}は次式で表わせる。

　ここで、グローバル座標系とカメラ座標系の原点は同一とみなせるので、グローバル座標系からカメラ座標系への座標変換行列Ｓ_{ＣＭ－ＧＬ}は、次式で表わせる。

　以上をまとめると、移動体の座標系をグローバル座標系に変換する行列Ｓ_{ＧＬ－ＭＯ}は、次式で表わせる。

　グローバル座標系で見た移動体の中心位置Ｍｏは、Ｓ_{ＧＬ－ＭＯ}の原点情報に対応し、移動体の姿勢はＳ_{ＧＬ－ＭＯ}の回転行列として表現できる。以上により、移動体位置・姿勢算出部１７０ｃは、移動体である飛行体９０２の位置の情報および姿勢の情報を含む移動体位置・姿勢情報３０を算出する。

　通信用パルス列生成部１７０ｄについて説明する。通信用パルス列生成部１７０ｄは、追尾状態信号２２を受信している間、送信データ１０に基づき通信パルス１４を生成し、出力する。本実施例では、送信データをバイナリ形式に変換し、二進数表記に置き換えた上で、レーザ光を周期的にオンオフすることで、データを符号化した信号光線９０４が実現される。

　具体的には、「Ａ１２」という文字列を送信する場合に、まずＡＳＣＩＩ文字コードに従い、「０ｘ４１」「０ｘ３１」「０ｘ３２」と変換し、それぞれの二進数表現「０１０００００１」「００１１０００１」「００１１００１０」とする。そして、０．１ｍｓ周期で符号に従ってレーザ光のオンオフの強度変調を行うことで、送信データが重畳した信号光線９０４となる。飛行体９０２での復号では、レーザ光検出素子であるフォトダイオード２１０より得られる電圧値を、設定電圧で二値化してパルス状とした信号に対して逆の手順で行うことで、送信されたデータと同じ受信データを得ることができる。

　本実施例によれば、移動体である飛行体９０２が空間を自由に動いた場合でも、移動体と制御装置間の光通信が可能となる。ひいては、電波環境が悪い状態においても、移動体の制御が可能になる。例えば、飛行体９０２が他の飛行体を捕える目的で追跡する場合のように、軌道の予測が難しく、かつ妨害電波が想定される場合であっても、移動体である飛行体９０２を制御できる。

　本実施例では、追尾状態となった後に移動体の位置の情報および姿勢の情報を算出する手順としたが、追尾前から算出を開始してもよい。また、本実施例ではスプリッタにより、カメラとレーザ光源の光軸を同一としている。そのため、反射：透過の割合が５０：５０であるスプリッタの場合、レーザ光によってスプリッタ自体がレーザ光の波長で光り、取得画像におけるノイズとなり、マーカの抽出精度に悪影響を及ぼす。本現象を回避するためには、カメラ１１０の主要な感度波長域外にレーザ光源１２０の波長を設定することが有効である。カメラ１１０の主要な感度波長域外にレーザ光源１２０の波長を設定するには、スプリッタ１４０とカメラ１１０のＣＣＤなどの撮像素子の間に、レーザ光源１２０の発振波長の光の透過を防ぐフィルタを挿入するか、または、カメラ１１０のＣＣＤなどの撮像素子の感度波長域とは異なる発振波長を有するレーザ光源１２０とすることができる。レーザ光源１２０の発振波長の光の透過を防ぐフィルタとしては、例えば、レーザ光源１２０の発振波長の光を吸収するロングパスフィルタを使うことができる。

　本実施例の移動体制御装置および移動体制御システムによる光通信を実証するために、移動体制御装置と、飛行体９０２を模擬した移動体と、を準備して試験した。模擬移動体には、マーカ２００ａ～２００ｄに対応させて４つの発光ダイオード（ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）を配置した。マーカ２００ａとマーカ２００ｃに対応するＬＥＤ間の距離は約３０ｃｍとした。移動体制御装置のレーザ光源には波長６３５ｎｍの光源を用い、レーザ光の強度を変調して信号光線とし、ガルバノユニットで信号光線とカメラの光軸を偏向させつつ、８９バイトの文字データを送信した。模擬移動体には、１１ｍｍ×１１ｍｍの受光面を有するフォトダイオードを設け、移動体制御装置からの信号光線を受光した。模擬移動体と移動体制御装置との間を２．５ｍ離し、模擬移動体を前後、左右、および上下方向に最高速度７５ｍｍ／秒で、ストローク８０ｍｍで往復運動させ、模擬移動体上での信号光線によるレーザスポットの位置ずれ量を追従誤差として、移動体制御装置の模擬移動体の動きに対する追従誤差を評価した。

　追従誤差の評価結果を図１２に示す。図１２の評価結果の縦軸は追従誤差で、横軸は時間である。実線のプロットは水平方向の追従誤差で、点線のプロットは、垂直方向の追従誤差である。追従誤差は最大でも１．２１ｍｍであり、優れた追従特性が得られた。また、移動体制御装置と模擬移動体の通信レートは、１ｋｂｐｓを達成できた。

　本実施例に係る移動体は、発光体を備えることを特徴とし、移動体制御装置のカメラで移動体の発光状態を捉えることで、移動体から移動体制御装置への通信が可能であることを特徴とする。ここでは、移動体でのデータ受信状態を一つの発光体を用いて移動体制御装置に知らせる例を説明する。

　図５は、本実施例に係る移動体である飛行体５０１のブロック図である。飛行体５０１は、図１に示す移動体である飛行体９０２とは、発光体２４０と、発光体制御部２３０と、をさらに有する点が異なる。本実施例では、飛行体５０１が備える発光体として発光ダイオード（ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）を用いている。実施例１の試験では、マーカ２００ａ～２００ｄをＬＥＤとする例を示したが、本実施例の飛行体５０１では、飛行体５０１の下面に、マーカ２００ａ～２００ｄとは異なる位置に別途ＬＥＤを設けて、別途設けたＬＥＤを明滅させることで、飛行体５０１のデータ受信状態を移動体制御装置に送信する。

　本実施例の移動体５０１では、移動体制御装置より照射されるパルス状のレーザ光である信号光線９０４をフォトダイオード２１０で受光すると、照射された信号光線９０４に応じて電圧４０を出力し、移動体駆動コントローラ２２０に信号として送信する。移動体駆動コントローラ２２０では、受信したパルス状の電圧を受信データとして復号化する。このとき、送信する送信データで２バイト毎にパリティビット（単位データ内に含まれる「１」の個数が偶数であれば１、奇数であれば０とするデータの誤りを検出するビット）を付加し、パリティチェックを行う。パリティチェック結果がＯＫの場合、受信データは真であるとして移動体で使用し、通信状態信号４１を発光体制御部２３０に送る。発光体制御部２３０は、通信状態信号４１を受信できた場合には発光体２４０に電圧４２を印加し、発光体を発光させる。一方、通信状態信号４１が受信できない場合、すなわちパリティチェック結果がＮＧの場合には、発光体制御部２３０は、発光体２４０を消灯する。

　次に、本実施例での移動体制御装置の動作について、図６を用いて説明する。図６は、本実施例での移動体制御装置に備わるコントローラ２７０を示しており、実施例１の図２のコントローラ２０２と比較して、画像データ１３からＬＥＤの状態を確認するＬＥＤ状態検出部１７０ｅを持つ点が異なる。なお、移動体追尾動作は実施例１と同様のため、説明を省略し、以下、コントローラ２７０の通信動作を説明する。

　本実施例に係る通信動作では、送信データで２バイト毎に移動体の受信状態を確認し、受信ＮＧの場合は同じデータを再度送信することを特徴とする。ＬＥＤ状態検出部１７０ｅは、画像データ１３からＬＥＤの点灯状態を検出し、ＬＥＤが点灯していれば正常受信信号２３を通信用パルス列生成部１７０ｄに送信する。通信用パルス列生成部２７０ｄは、追尾状態信号２２と正常受信信号２３を受けている場合には、送信データ１０に基づき通信パルス１４を２バイト毎に生成するが、追尾状態信号２２のみ受けている場合は同じ２バイトの通信パルス１４を送り続ける。なお、送信データ１０を符号化する方法は、通信用パルス生成部１７０ｄと同様である。

　本実施例によれば、移動体でのデータ受信を確認した後に次のデータを送信できるため、高品質な通信が可能となる。ここでは、移動体でのデータ受信状態を、単一の発光体を用いて移動体制御装置に知らせる例を説明したが、複数の発光体を用いて移動体から移動体制御装置へデータ転送することもできる。移動体から移動体制御装置に送信可能なデータ量は、カメラのフレームレートに依存するので、データ転送速度を向上させるには、発光体の明滅の速度を上げるのではなく、複数の発光体を用いる方法が有効である。

　本実施例に係る移動体制御装置は、ズームレンズにより移動体の像をより鮮明に取得可能であることを特徴とする。図７に、本実施例に係る移動体および移動体制御装置のブロック図を示す。

　本実施例の移動体制御装置７０１は、実施例１の移動体制御装置９０１とは、電動ズームレンズ１８０を持つ点、およびコントローラ３７０の構造が異なる。コントローラ３７０から電動ズームレンズ１８０へは光学倍率指令１８が出力される。

　固定倍率カメラでは、移動体が非常に遠くに存在する場合、移動体は撮像画像に小さく写るだけとなり、そのため移動体の位置・姿勢情報の算出精度が劣化し、移動体の追尾性能も低下する。そこで本実施例では、カメラ１１０とビームスプリッタの間にズームレンズを置き、撮像画像に写る移動体の大きさに合わせて電動ズームレンズの光学倍率を変更することで、撮像画像に写る移動体の大きさを一定以上とする。なお、移動体追尾に必要な、光学倍率とカメラパラメータの関係の情報は、ストレージ１８０に予め保存しておく。

　次に、本実施例に係る移動体制御装置７０１の移動体追尾動作について説明する。図８は、本実施例に係るコントローラ３７０の構成を示す。実施例１のコントローラ２０２とは、ガルバノ角度指令値生成部１７０ａに代わりガルバノ角度・光学倍率指令生成部３７０ａとなる点が異なる。ガルバノ角度・光学倍率指令生成部３７０ａでは、画像データ１３からガルバノ角度指令１６ａ、ガルバノ角度指令１６ｂ、および光学倍率指令１８を生成する。ここで、光学倍率指令１８の生成方法を説明する。画像平面での基準マーカ間距離範囲を予め設定（本例では２５０±５０画素）しておく。取得した画像が図４に示す像である場合、まず対向するマーカ間距離（２００ａ－２００ｃ間および２００ｂ－２００ｄ間）の平均値を算出する。ここで現在の光学倍率指令が１．０倍、算出結果が１００であったとすると、光学倍率指令１８は基準マーカ間距離設定値に従って２．５倍となる。基準距離範囲に幅を持たせている理由として、ガルバノスキャナの動きに対してズームレンズの指令追従性は悪く、頻繁に動かすことで追尾精度を低下する恐れがあるからである。以上の過程を経て、光学倍率指令１８は作成される。

　移動体位置・姿勢算出部３７０ｃは、ガルバノ角度指令値生成部１７０ｃとは、光学倍率指令１８を受け取り、光学倍率指令１８に応じたカメラパラメータを用いて移動体の位置・姿勢情報３０を算出する点が異なる。

　本実施例によれば、移動体制御装置からの距離が遠くなっても移動体により確実にデータを送信することが可能となる。なお、本実施例ではズームレンズをスプリッタとカメラ間に配置したが、偏向手段（ガルバノスキャナ）とスプリッタ間に配置してもよい。

　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。例えば、本実施例では移動体を飛行体としたが、他には走行体または浮体が想定される。

１１０…カメラ、１２０…レーザ光源、１４０…スプリッタ、１９０…二次元ガルバノスキャナ、９０１…移動体制御装置、９０２…飛行体、９０４…信号光線。

Claims

　カメラと、
　光源と、を有し、
　前記カメラの視野内で移動体に信号光線を照射することを特徴とする移動体制御装置。
　請求項１に記載の移動体制御装置において、
　前記カメラの光軸に沿って、前記信号光線を照射することを特徴とする移動体制御装置。
　請求項２に記載の移動体制御装置において、
　光偏向器を有し、
　前記カメラの視野内での前記移動体の位置に応じて、前記視野および前記信号光線を前記光偏向器で振ることを特徴とする移動体制御装置。
　請求項３に記載の移動体制御装置において、
　前記光偏向器はガルバノミラーであることを特徴とする移動体制御装置。
　請求項１に記載の移動体制御装置において、
　前記光源の発光波長は、前記カメラの主感度波長域外であることを特徴とする移動体制御装置。
　請求項１に記載の移動体制御装置において、
　前記光源はレーザ光源であり、前記信号光線は前記レーザ光源の強度変調によって生成されることを特徴とする移動体制御装置。
　カメラと、
　光源と、
　移動体と、を有し、
　前記カメラの視野内で前記移動体に信号光線を照射することを特徴とする移動体制御システム。
　請求項７に記載の移動体制御システムにおいて、
　前記移動体は、発光素子を有し、前記信号光線の受信状態に応じて前記発光素子を光らせることを特徴とする移動体制御システム。
　請求項７に記載の移動体制御システムにおいて、
　前記移動体は、複数のマーカを有し、
　前記カメラの視野内での前記複数のマーカの位置情報に基づいて、前記移動体の姿勢情報を算出することを特徴とする移動体制御システム。
　請求項９に記載の移動体制御システムにおいて、
　ズームレンズを備え、
　前記カメラの視野内での前記複数のマーカの位置情報に基づいて、光学倍率を変更することを特徴とする移動体制御システム。
　請求項９に記載の移動体制御システムにおいて、
　前記カメラの光軸に沿って、前記信号光線を照射することを特徴とする移動体制御システム。
　請求項１１に記載の移動体制御システムにおいて、
　前記カメラの光軸および前記信号光線の向きを変える光偏向器を有し、
　前記カメラの視野内での前記複数のマーカの位置情報に基づいて、前記光偏向器を制御することを特徴とする移動体制御システム。