JP2016526673A - 移動可能な対象物体の場所を追跡するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、Tは4×4の同次変換行列を表し、R、I、及びCの下付き/上付き文字は、基準、初期、現在の場所をそれぞれ表す。
図10は、計器座標システム{A}の原点から、計器の目標点軸に実質的に沿って関心点Pへ延伸する位置ベクトルAPを示し、対象物体座標系{B}の原点から、関心点Pへ延伸する位置ベクトルBPを示す。
図10を参照すると、計器座標系622における点Pの座標が、パン(すなわち、点Pに対するベクトルAPの図10におけるパン角度634)、チルト(点Pに対するベクトルAPの図10におけるチルト角度636)、及び距離(図10における点Pに対するベクトルAPに沿った距離)の球座標である場合に、計器座標系622における球座標として表される点Pの位置は、計器618の順運動学に対する以下の方程式から、計器座標系622内のX、Y、Zデカルト座標における点Pの位置に関連する。すなわち、
ここで、計器座標系622において、パン(アジマス)はZ軸周りの回転であり、チルト(仰角)はY軸周りの回転である。
計器座標系622におけるデカルト座標(X、Y、Z)として表される点Pの位置は、計器618の逆運動学に対する以下の方程式から、計器座標系622における球座標(パン、チルト、距離)として表される点Pの位置に関連することに留意せよ。すなわち、
一実施態様では、対象物体座標系616内の([X、Y、Z、1]Tの形における列ベクトルとして表される)位置BPは、方程式から計器座標系622内の(また、[X、Y、Z、1]Tの形における列ベクトルである)位置APから計算される。すなわち、
ここで、Tは較正行列である。一実施例では、較正行列は、以下の形を有する4×4の同次変換行列である。すなわち、
計器座標系622における位置APは、以下の方程式から較正行列の逆行列を使用して、対象物体座標系616における位置BPから計算され得る。すなわち、
変換行列B ATは、以下のように計算される。較正点に対するベクトルの方向及び長さが既知である状況に対して、較正点の最小数は3であり、それらは一直線上にないと想定する。基本的な3つの点の技術は以下の通りである。すなわち、
ここで、図11から図13を参照すると、
→VA12は、点PA1からPA2へ延伸する、座標系Aにおけるベクトルである。
→VA13は、点PA1からPA3へ延伸する、座標系Aにおけるベクトルである。
→VB12は、点PB1からPB2へ延伸する、座標系Aにおけるベクトルである。
→VB13は、点PB1からPB3へ延伸する、座標系Aにおけるベクトルである。
→nA及び→nBは、ベクトルの外積から生成される法線である。
→k1及び→k2は、回転の軸である。
θ1及びθ2は、それぞれ、軸→k1及び→k2周りの回転角度である。
R1、R2、及びR3は、3×3の対称回転行列である。かつ、
(当業者に既知であり、例えば、Prentice Hall Professional Technical Referenceによって2004年の7月に出版された、John J Craigによる「Introduction to Robotics Mechanics and Control」第3版において説明される)f1()は、以下で説明される軸‐角度の規定から3×3の回転行列を生成する関数である。すなわち、
方程式(2)の変換行列におけるX、Y、及びZは、初期的な位置から現在の位置への対称物体座標系の原点の位置における差異に基づいて計算される。
4×4の同次較正行列B ATのみが、対象物体に対する指示計器の任意の位置に対して一度計算され、B ATは、その後、座標系A(計器座標系622)からの任意の数のベクトルを座標系B(対象物体座標系616)へ変換するために使用され得ることに留意せよ。逆較正行列A BTが、較正行列B ATの逆行列を計算することによって計算され得、又は方程式内のベクトルの順序をスイッチングすることによって直接的に計算され得ることにもまた留意せよ。
Claims (20)
- 対象物体に、既知のパターンで配置された少なくとも3つのアクティブ標的マーカーが装備された場合に、基準座標系内で前記対象物体の現在の場所を決定するための方法であって、
(a)前記基準座標系に対するカメラの場所を規定するステップ、
(b)前記カメラが前記対象物体の中心を狙い、前記アクティブ標的マーカーが起動されていない間に、画像を取得するステップ、
(c)前記カメラが前記対象物体の中心を狙い、前記アクティブ標的マーカーの1以上が起動されている間に、1以上の画像を取得するステップ、
(d)前記画像を処理して、前記アクティブ標的マーカーの全てが起動されていなかった間に取得された前記画像と、前記アクティブ標的マーカーの1以上が起動されていた間に取得された画像との間の差異を表す差異画像を計算するステップ、
(e)それぞれのアクティブ標的マーカーに対応する前記差異画像内の前記差異に対するそれぞれの平均画素座標を計算するステップ、
(f)それぞれのアクティブ標的マーカーに対して、少なくとも、前記対象物体が前記カメラの画像視野内の中心に置かれたときのパン及びチルト角度、及び前記それぞれの平均画素座標と前記画像の中心の画素座標との間の差異の関数であるそれぞれのパン及びチルト角度によって規定された方向に、レーザー測距器を向け、レーザービームを送信するステップ、
(g)それぞれのアクティブ標的マーカーに対して、それぞれのレーザービームの送信に後続してそれぞれの距離、パン及びチルトデータを取得するステップ、
(h)測定された前記距離、パン及びチルトデータに基づいて、前記基準座標系内の前記アクティブ標的マーカーに対応するそれぞれの点の座標を計算するステップ、並びに
(i)点の座標が測定されたデータから計算されたところの前記それぞれの点のそれぞれの位置を、前記既知のパターン内に配置されたそれぞれの点のそれぞれの位置と比較して、前記基準座標系に関して規定された前記対象物体の現在の位置及び方向を決定するステップを含む、方法。 - ステップ(c)は、少なくとも3つのアクティブ標的マーカーが起動されている間に、1つの画像を取得することを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(c)は、第1、第2、及び第3のアクティブ標的マーカーが次々に起動されている間に、それぞれの画像を取得することを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(d)は、
前記差異に基づいて前記アクティブ標的マーカーに対応する個別の領域を含むように前記差異画像を分割すること、及び
前記アクティブ標的マーカーに対応する各々の個別の領域のそれぞれの重心に対する前記差異画像内のそれぞれの平均画素座標を計算することを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記点の間の相対的な距離に基づいて点パターンを測定すること、及び
測定された点パターンと既知の点パターンとの間の差異に基づいて、前記基準座標系内の前記対象物体の前記場所を表す第1の変換行列を計算することを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。 - 前記既知の点パターンは、非対称である、請求項5に記載の方法。
- 前記対象物体を初期的な場所に配置すること、
前記基準座標系に対する前記対象物体の前記初期的な場所を表す第2の変換行列を計算すること、
前記対象物体を前記初期的な場所から現在の場所に移動させること、
前記第2の変換行列の逆行列を計算すること、及び
前記第1の変換行列と前記第2の変換行列の前記逆行列との積を計算することを更に含み、前記積は、前記対象物体の前記初期的な場所に対する前記対象物体の前記現在の場所を表す第3の変換行列である、請求項5又は6に記載の方法。 - 前記初期的な場所から前記現在の場所への移動の間に、前記対象物体の増分動作に応じてエンコーダパルスを生成することを更に含む、請求項7に記載の方法。
- パンチルト機構、
前記パンチルト機構に設置されたカメラ及びレーザー測距器、
少なくとも3つのアクティブ標的マーカーが装備された対象物体、並びに
前記カメラ、前記レーザー測距器、及び前記パンチルト機構を制御するための第1のソフトウェア、前記カメラによって取得された画像を処理するための第2のソフトウェア、及び前記対象物体の動作と前記少なくとも3つのアクティブ標的マーカーの状態とを制御するための第3のソフトウェアがプログラムされたコンピュータシステムを備える、場所追跡システム。 - 前記第1のソフトウェアは、前記パンチルト機構に前記カメラを前記対象物体に向けさせるように指示命令し、前記カメラに前記対象物体の画像を取得させるように指示命令するためのルーチンを含み、
前記第2のソフトウェアは、取得された画像を処理して、前記アクティブ標的マーカーが起動されていなかった間に取得された画像と、前記アクティブ標的マーカーの1以上が起動されていた間に取得された各々の画像との間の差異を表す差異画像を計算するためのルーチンを含み、かつ
前記第3のソフトウェアは、前記アクティブ標的マーカーの前記状態を制御するためのルーチンを含む、請求項9に記載のシステム。 - 前記対象物体は、履帯自動車を含む、請求項9又は10に記載のシステム。
- 前記履帯自動車は、ホロノミックな動作の履帯自動車である、請求項11に記載のシステム。
- 前記履帯自動車の増分動作を追跡するための手段を更に備える、請求項12に記載のシステム。
- 前記対象物体は、ロボットアームのベースを備える、請求項9又は10に記載のシステム。
- パンチルト機構、
前記パンチルト機構に設置されたカメラ及びレーザー測距器、
既知のパターンで配置された少なくとも3つのアクティブ標的マーカーが装備された対象物体、及び
コンピュータシステムであって、
前記パンチルト機構のパン及びチルト角度を調整して、前記カメラが、前記カメラの画像視野内で前記アクティブ標的マーカーを有する前記対象物体の中心を狙うようにする動作、
前記カメラが前記対象物体の中心を狙い、かつ前記アクティブ標的マーカーが起動されていない間に、画像を取得するように前記カメラに指示命令する動作、
前記カメラが前記対象物体の中心を狙い、かつ前記アクティブ標的マーカーの1以上が起動されている間に、1以上の画像を取得するように前記カメラに指示命令する動作、
前記画像を処理して、前記アクティブ標的マーカーの全てが起動されていなかった間に取得された画像と、前記アクティブ標的マーカーの1以上が起動されていた間に取得されたそれぞれの画像との間の差異を表す差異画像を計算する動作、
それぞれのアクティブ標的マーカーに対応する前記差異画像内の前記差異に対するそれぞれの平均画素座標を計算する動作、
それぞれのアクティブ標的マーカーに対して、少なくとも、前記対象物体が前記カメラの画像視野内の中心に置かれたときのパン及びチルト角度、及び前記それぞれの平均画素座標とインジケータ画像の中心の画素座標との間の差異の関数であるそれぞれのパン及びチルト角度において向けられた、それぞれのレーザービームを送信させるように前記レーザー測距器に指示命令する動作、
それぞれのアクティブ標的マーカーに対して、それぞれのレーザービームの送信に後続してそれぞれのパンチルトデータを取得させるように前記パンチルト機構に指示命令し、それぞれのレーザービームの送信に後続してそれぞれの距離データを取得させるように前記レーザー測距器に指示命令する動作、及び
測定された距離、パン及びチルトデータに基づいて、基準座標系内の前記アクティブ標的マーカーに対応するそれぞれの点の座標を計算する動作、並びに
点の座標が測定されたデータから計算されたところの前記それぞれの点のそれぞれの位置を、前記既知のパターン内に配置されたそれぞれの点のそれぞれの位置と比較して、前記基準座標系に関して規定された前記対象物体の現在の位置及び方向を決定する動作を実行するようにプログラムされた、コンピュータシステムを備える、場所追跡システム。 - 前記アクティブ標的マーカーは、発光ダイオードである、請求項15に記載のシステム。
- 前記コンピュータシステムは、
前記点の間の相対的な距離に基づいて点パターンを測定する動作、及び
前記測定された点パターンと既知の点パターンとの間の差異に基づいて、前記基準座標系内の前記対象物体の前記場所を表す第1の変換行列を計算する動作を実行するように更にプログラムされている、請求項15又は16に記載のシステム。 - 前記対象物体は、履帯自動車を含む、請求項15から17のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記履帯自動車は、ホロノミックな動作の履帯自動車であり、前記システムは、前記履帯自動車の増分動作を追跡するための手段を更に備える、請求項18に記載のシステム。
- 前記対象物体は、ロボットアームのベースを備える、請求項15から17のいずれか一項に記載のシステム。
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