JP2011073885A - 移動体の位置・速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速に移動する移動体の位置及び速度を検出することができる移動体の位置・速度検出装置を得る。
【解決手段】移動体７２に搭載され、移動体の運動を制御する制御部７３に接続されて、移動体を制御するための位置及び速度を検出する位置・速度検出装置７０であって、移動体周辺に存在する静止した静止構造物７１に光を照射する光源７４と、静止構造物の表面画像を撮影する第１のカメラ７５及び第２のカメラ７６と、移動体が静止している場合には第１のカメラ及び第２のカメラの撮影範囲が少なくとも一部オーバーラップするように設置されたハーフミラー７７と、第１のカメラ及び第２のカメラの画像データにより移動体の位置及び速度を検出する画像処理部７９とを備えており、第１のカメラと第２のカメラの画像取り込み開始時間が異なる。
【選択図】図１

Description

この発明は、レールに沿って移動する移動体の位置・速度検出装置に関するものである。

従来、移動体の位置及び速度検出装置は、ガイドレールに光を照射する光源と、ガイドレールの表面を撮像するカメラ、カメラによって撮影された先行するレール表面画像と新しい画像から移動体の移動量を計算処理する処理部を備えるものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２７４７６５号公報（［０００７］〜［００１７］、図１）

しかし、従来のような移動体の位置及び速度検出装置では、カメラのフレームレートはＣＣＤラインカメラで１kHz程度であり、２次元カメラの場合さらに低くなる。移動体の高速化に伴い、上記フレームレートでは先行画像と新しい画像でオーバーラップする部分が無くなり、位置検出ができないという問題点があった。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、高速に移動する移動体の位置及び速度を検出することができる移動体の位置・速度検出装置を得ることを目的としている。

この発明に係る移動体の位置・速度検出装置は、移動体に搭載され、移動体の運動を制御する制御部に接続されて、移動体を制御するための位置及び速度を検出する位置・速度検出装置であって、移動体周辺に存在する静止した静止構造物に光を照射する光源と、静止構造物の表面画像を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラと、移動体が静止している場合には第１のカメラ及び第２のカメラの撮影範囲が少なくとも一部オーバーラップするように設置されたハーフミラーと、第１のカメラ及び第２のカメラの画像データにより移動体の位置及び速度を検出する画像処理部とを備えており、第１のカメラと第２のカメラの画像取り込み開始時間が異なるものである。

この発明によれば、２つのカメラ画像のオーバーラップ部分より移動体の位置・速度を検出することにより、カメラのフレームレートに依存しない、高速な移動体の位置・速度検出が可能となる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。

図１はこの発明の実施例１における移動体の位置・速度検出装置の構成を示す模式図である。 図２はカメラの取り込みタイミングを説明するための模式図である。 図３はテンプレートマッチング方法を示す図である。 図４はこの発明の実施例２における移動体の位置・速度検出装置のテンプレートマッチング方法を示す図である。 図５はこの発明の実施例２におけるテンプレートマッチング方法を示す図である。 図６はこの発明の実施例３における移動体の位置・速度検出装置の構成を示す模式図である。 図７はこの発明の実施例４における移動体の位置・速度検出装置の構成を示す模式図である。 図８はこの発明の実施例５における移動体の位置・速度検出装置の構成を示す模式図である。 図９はこの発明の実施例６における移動体の位置・速度検出装置の構成を示す模式図である。

この発明をより詳細に説明するために、添付の図面に従ってこれを説明する。

図１はこの発明の実施例１における移動体の位置・速度検出装置の構成を示す模式図、図２はカメラの取り込みタイミングを説明するための模式図、図３はテンプレートマッチング方法を示す図である。
位置及び速度検出装置（以下、位置・速度検出装置という）７０は、静止構造物であるレール７１に沿った方向（ｘ方向）に移動する移動体７２に搭載され、また、制御部７３は位置・速度検出装置７０の位置・速度検出信号を元に移動体７２の運行制御を行っている。
位置・速度検出装置７０は、光源７４を備え、光源７４はレール７１の表面に光を照射するように配置されている。光源７４としてはＬＥＤやレーザダイオード、ランプなどを用いることができる。位置・速度検出装置７０内に設けられた第１のカメラ７５及び第２のカメラ７６はそれぞれハーフミラー７７を介してレール７１の表面を撮影するように配置されており、また、移動体７２が静止している場合は、両者の撮影範囲が一部あるいは全て共通であるように配置されている。カメラ駆動部７８はそれぞれのカメラ７５、７６の撮影開始タイミングを制御し、２つのカメラ７５、７６の取り込み開始時間をずらすことで、例えば移動体７２が図１５のｘ正方向に移動している場合、第１のカメラ７５は第１画像、第２のカメラ７６は第２画像を撮影し、撮影範囲として両者が一部オーバーラップするように構成する。画像処理部７９は、両者の画像データのオーバーラップ部分から移動体７２の位置・速度を検出し、制御部７３に検出信号を送出する。

次にカメラ撮影開始タイミングの詳細について述べる。図２にカメラ駆動部７８が発生させる撮影開始タイミングのタイミングチャートと、第１のカメラ７５及び第２のカメラ７６の撮像範囲を示す。第１のカメラ７５の取り込み開始時間をＴａ、第２のカメラ７６の取り込み開始時間をＴｂとし、二つの取り込み開始時間の差ｔ１（Ｔｂ−Ｔａ）をカメラのフレームレートｔ２よりも短い時間に設定している。従って、移動体７２の移動速度が大きい場合でも、図２に示すように、第１画像の取得範囲と第２画像の取得範囲との間でオーバーラップ部分が存在するようになる。また、カメラの露光時間τは、カメラに備わる電子的乃至は機械的なシャッターを時間τの間開放することによって実現される。もしくは、シャッターは常に開放しておき、光源７４をパルス点灯させ、その点灯時間を露光時間τと等しくしてもよい。

次に図３を用いて画像処理部７９における位置・速度検出方法の詳細について述べる。第１のカメラ７５により撮影された第１画像の濃淡度分布のうち、中心部分の一部を切り取った濃淡度分布を第１画像のテンプレートとする。次に第２のカメラ７６によって撮影された第２の画像の濃淡度分布に対して、上記第１画像のテンプレートを用いてテンプレートマッチングを行い、両者の画像間における移動量Δｘを計算する。以上により時間ｔ１の間における移動量Δｘが測定でき、移動体７２の移動速度ｖはΔｘ／ｔ１により計算される。また、速度ｖは、カメラのフレームレート時間ｔ２ごとに測定されるため、移動体７２の移動量はｖ＊ｔ２を積算することにより測定することが可能である。
このような位置・速度検出装置７０においては、２つのカメラ７５、７６を備え、両者の撮影開始タイミングに時間差を持たせることで、カメラのフレームレートよりも短い時間差で２枚の画像を取得することが可能となり、移動体７２の移動速度が大きい場合でも、２枚の画像の間にオーバーラップ部分が存在するようになる。従って、移動体７２の移動速度が高速である場合でも移動体の位置及び速度検出が可能となる。

この実施例１において、移動体の例としてレールに沿って移動する移動体を用いたが、例えば自動車のようなレールを使用しない移動体に対しても同様の効果を得ることができる。
また、本実施例１において、カメラ７５、７６で撮影する画像としてレール７１の表面を用いたが、移動体７２周辺に存在する静止構造物、例えばレールを敷設した床面や地面、エレベータであれば昇降路の壁や柱、自動車であれば道路、地面や風景を用いても同様の効果を得ることができる。

また、図１において、第１のカメラ７５及び第２のカメラ７６はｘ方向に画素が並んだラインセンサを用いることができるが、２次元のエリアセンサを用いてもよい。この場合、図４に示すように、第１のカメラ７５で撮影した第１画像から取得するテンプレートとして２次元の濃淡度分布を用い、第２のカメラ７６で撮影した第２画像の濃淡度分布に対して２次元のテンプレートマッチングを行う。テンプレートマッチングの結果、両者の画像間におけるレール７１に沿った移動方向（ｘ方向）の移動量Δｘを測定することができる。また、移動体７２がΔｘに移動する間に、移動体７２の振動によってレール７１が敷設された方向に垂直な方向（ｙ方向）にΔｙ移動した場合でも、レール７１に沿った移動方向の移動量を測定することができる。
もしくは、第１のカメラ７５を１次元のエリアセンサ、第２のカメラ７６を２次元のエリアセンサとしてもよい。この場合、図５に示すように、１次元の画像をテンプレートとして使用し、２次元の第２画像に対して２次元的なテンプレートマッチングを行うことで、ｙ方向に移動体７２が移動していても、Δｘを測定することができる。

以上に述べた構成によれば、移動体７２の振動や横揺れなどによってレール７１に垂直な方向に位置変動しながらレールに沿って移動している場合でも、レールに沿った移動方向の移動量を測定することが可能となる。また、レールに沿って移動しない、例えば自動車のような移動体については、２次元的な移動量を測定することが可能となる。

図６はこの発明の実施例３における移動体の位置・速度検出装置の構成を示す模式図である。
図６は図１と異なり、移動体７２の移動方向（ｘ方向）に垂直な断面で切断した図である。位置・速度検出装置７０は、第１のカメラ７５及び第２のカメラ７６が１次元のラインセンサを備え、レール７１に垂直な方向（ｙ方向）に画像をぼかして撮影するためのシリンドリカルレンズ８０を備えている。
ｙ方向に画像をぼかすことで、ｙ方向について平均化された濃度値を持つ画像として撮影することができる。したがって、移動体７２の振動や横揺れなどによってｙ方向に位置変動しても、第１のカメラ７５及び第２のカメラ７６による画像の間にオーバーラップする部分が存在するため、両者の画像をテンプレートマッチングすることにより、レール７１に沿った移動方向（ｘ方向）の移動量を測定することができる。
このように、第１のカメラ７５及び第２のカメラ７６を１次元のラインセンサとし、シリンドリカルレンズ８０によってレール７１に垂直な方向に画像をぼかして撮影することにより、移動体７２の振動によってレール７１に垂直な方向に位置変動しながらレール７１に沿って移動している場合でもレール７１に沿った移動方向の移動量を測定することが可能となる。また、１次元画像間のテンプレートマッチングを行うため、２次元に比べて少ない計算時間で移動量を測定することが可能となる。
さらに、図６において、光源７４としてＬＥＤのような有限の放射角を持つ光源を使用した場合、レンズ８１を用いて集光してもよい。
このような構成によれば、光源７４の放射光を効率よく使用することができる。

図７はこの発明の実施例４における移動体の位置・速度検出装置の構成を示す模式図である。
位置・速度検出装置７０は、ハーフミラー７７とレール７１の間の物体側にテレセントリックなレンズ８２を備えたものである。
物体側にテレセントリックなレンズ８２を設置することにより、物体側にテレセントリックな光学系が形成される。したがって、移動体７３の揺れや振動によりレンズ８２とレール７１の間隔が変動しても、光学系の倍率は常に一定であり、第１のカメラ７５及び第２のカメラ７６による画像の常に倍率は等しくなるため、安定したテンプレートマッチングを行うことができる。
このように、物体側にテレセントリックなレンズ８２をレール７１とハーフミラー７７の間に設けることで、レールとセンサの間の間隔が変動しても、安定した位置・速度の検出が可能となる。

図８はこの発明の実施例５における移動体の位置・速度検出装置の構成を示す模式図である。
位置・速度検出装置７０は、光源７４に対する第１のカメラ７５及び第２のカメラ７６の位置が、ハーフミラー７７を介して、レール７１の表面について正反射の位置となるように配置されるものである。従って、光源７４からの光が、効率よく第１のカメラ７５及び第２のカメラ７６に入射する。
このように、光源とカメラをレール表面について正反射の位置に配置することで、光源の放射光を効率よく使用することができる。

図９はこの発明の実施例６における移動体の位置・速度検出装置の構成を示す模式図である。
位置・速度検出装置７０において、光源７４、ハーフミラー７７、第１のカメラ７５、第２のカメラ７６及び画像処理部７９を用いて画像のテンプレートマッチングを行い、単位時間あたりの移動距離を測定する方法は実施例１と同様である。この実施例１２における位置・速度検出装置７０は、さらに、レール７１の継ぎ目８３を検出するレール継ぎ目検出部８４を設けている。移動体７２が移動するレール７１は所定の長さの単位レールを繋いで構成されており、単位レール間には必ず継ぎ目８３が存在する。レール継ぎ目検出部８４は、この継ぎ目８３を光学的乃至は磁気的などの方式により検出し、検出信号を出力するものである。

次に、上記継ぎ目検出部８４を用いた位置検出方法について述べる。単位レール長さごとに存在する各レールの継ぎ目８３の位置はレール７１の敷設時決定される。各々の継ぎ目８３の位置を位置データとして継ぎ目位置記憶部８４に記憶させておく。位置・速度演算部８５では、画像処理部７９において実施例１と同様の方法で測定された移動体の単位時間あたりの移動量を常に受け取る。単位時間あたりの移動量は速度信号として、制御部７３へと信号出力される。また、単位時間あたりの移動量を積算し、積算量を移動体７２の位置信号として制御部７３へと出力する。ただし、レール継ぎ目検出部８４より継ぎ目検出信号が入力された場合は、継ぎ目位置記憶部８６に記憶されている位置データを用いて位置データをリセットし、継ぎ目８３の位置を位置信号として出力する。リセット後はリセット時の位置データをもとに、画像処理部７９の信号を積算し、積算量を移動体７２の位置信号として出力する。従って、位置・速度検出装置７０の位置検出信号は、常にレール７１の継ぎ目８３に基づいた基準位置でリセットされた値であるため、積算による累積誤差が無くなり正確な位置検出が可能となる。
上記実施例６では単位レールのレール継ぎ目８３を検出するレール継ぎ目検出部８４について述べたが、レール継ぎ目８３の代わりに、単位レールを繋ぎとめるボルトを用いてリセットを行っても同様の効果が得られる。
このように、レールの継ぎ目やボルトを用いて移動体の位置をリセットする基準センサを設けることで、累積誤差の少ない正確な位置検出を行うことができる。

以上のように、この発明に係る移動体の位置及び速度検出装置は、高速に移動する移動体の位置及び速度を検出することができる。

７０ 位置・速度検出装置、７１ レール（静止構造物）、７２ 移動体、７３ 制御部、７４ 光源、７５ 第１のカメラ、７６ 第２のカメラ、７７ ハーフミラー、７８ カメラ駆動部、７９ 画像処理部、８０ シリンドリカルレンズ、８１ レンズ、８２ テレセントリックなレンズ、８３ レール継ぎ目、８４ 継ぎ目検出部、８５ 位置・速度出力部、８６ 継ぎ目位置記憶部。

Claims (9)

1. 移動体に搭載され、移動体の運動を制御する制御部に接続されて、移動体を制御するための位置及び速度を検出する位置・速度検出装置であって、
   移動体周辺に存在する静止した静止構造物に光を照射する光源と、
   上記静止構造物の表面画像を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラと、
   移動体が静止している場合には上記第１のカメラ及び第２のカメラの撮影範囲が少なくとも一部オーバーラップするように設置されたハーフミラーと、
   第１のカメラ及び第２のカメラの画像データにより移動体の位置及び速度を検出する画像処理部とを備えており、
   第１のカメラと第２のカメラの画像取り込み開始時間が異なることを特徴とする移動体の位置・速度検出装置。
2. 第１のカメラ及び第２のカメラが２次元のエリアセンサであることを特徴とする請求項１記載の移動体の位置・速度検出装置。
3. 第１のカメラが１次元ラインカメラであり、
   第２のカメラが２次元のエリアカメラであることを特徴とする請求項１記載の移動体の位置・速度検出装置。
4. 第１のカメラ及び第２のカメラが１次元ラインカメラであることを特徴とする請求項１記載の移動体の位置・速度検出装置。
5. カメラにおいて撮影している面内において、移動体の移動方向に垂直な方向に画像をぼかして撮影するためのレンズを、静止構造物とカメラとの間に配置することを特徴とする請求項１記載の移動体の位置・速度検出装置。
6. 光源の放射光は有限の放射角を持ち、
   光源と静止構造物との間にレンズを配置し、
   レンズは放射光を集光することを特徴とする請求項１記載の移動体の位置・速度検出装置。
7. 静止構造物とカメラの間にレンズを配置し、
   レンズは物体側に対してテレセントリックな光学系を形成していることを特徴とする請求項１記載の移動体の位置・速度検出装置。
8. 光源が、第１のカメラ及び第２のカメラに対して、静止構造物表面に正反射の位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の移動体の位置・速度検出装置。
9. 移動体はレールに沿って移動する移動体であり、
   レールは所定の長さの単位レールを繋ぐことによって構成され、
   レールの繋ぎ目に存在する繋ぎ目構造物を検出する継ぎ目検出センサと、
   繋ぎ目構造物の位置をあらかじめ記憶させた継ぎ目位置記憶部と、
   移動体の位置及び速度を出力し、継ぎ目検出センサの出力と継ぎ目位置記憶部の位置データをもとに移動体の位置をリセットする位置・速度出力部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の移動体の位置・速度検出装置。

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