JP2018036151A

JP2018036151A - ランドマークを用いた測位方法

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Publication number: JP2018036151A
Application number: JP2016169627A
Authority: JP
Inventors: 敏成田中; Toshishige Tanaka
Original assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Current assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: JP7015506B2

Abstract

【課題】ＧＰＳ等の既存の測位方法が利用できない環境下であっても移動体の現在の位置を測定することができる測位方法を提供する。【解決手段】移動体は、移動体の移動に伴って移動体の周辺環境の情報を連続的に取得する周辺環境情報取得手段、自己の方位を取得する方位取得手段並びに周辺環境との相対運動情報を取得する相対運動情報取得手段を備え、任意の時刻に特徴点が２つ取得できた場合に周辺環境情報取得手段によって得られたそれぞれの特徴点からの距離及び方位を用いて自己位置の測位を行う第１の測位手段と、特徴点が１つ取得できた場合に特徴点からの距離と方位取得手段によって得られた自己の方位によって自己位置を推定する第２の測位手段と、特徴点が取得できなかった場合に相対運動情報取得手段によって得られた相対運動情報と前回の測定結果から自己位置を推定する第３の測位手段を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、移動体の現在の位置を測定する測位方法に関し、特に、ランドマークを用いた測位方法に関するものである。

移動体の現在の位置を測定する測位方法は、種々の方法が知られているが、例えば、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）を用いた測位により自己位置を測定する測位方法が知られている。

また、特許文献１に記載されているように、ＧＰＳを用いた測位方法であっても、測位衛星からの送信波が受信できない状況となった場合に、慣性装置などから得られた情報により、自己位置を補正することで自己位置の推定精度を向上させた測位方法が知られている。なお、自己位置の推定方法は、レーダにより得られたＤＢＳ（ＤｏｐｐｌｅｒＢｅａｍＳｈａｒｐｅｎｉｎｇ）画像から特徴点を取得し、当該取得した特徴点と予め得られたＳＡＲ（ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ）マップとの関係性を相互参照することで、ＳＡＲマップ上の対応する既知のランドマークの位置情報と既知のランドマークに対応するＤＢＳ画像上で得られた特徴点までの距離情報を用いて、自己位置を推定している。

特開２０１４−１７４０７０号公報

しかしながら、上述した従来の測位方法は、橋脚や桟橋に移動体が潜り込んだ場合や、室内を移動する場合には、ＧＰＳ等を用いた測位方法が利用できない環境下では、移動体の位置が常に不明となることから安全かつ確実に移動体を誘導することは大きな困難を伴うという問題があった。また、移動体が何らかの作業を伴う場合には、作業位置の管理ができない状況となることから、移動体の利活用にとっても致命的な問題となる。このような問題は上述したＧＰＳを用いた測位方法が利用できない環境下での機械化の導入の大きな妨げとなっている。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ＧＰＳ等の既存の測位方法が利用できない環境下であっても移動体の現在の位置を測定することができる測位方法を提供することを目的とする。

本発明に係る測位方法は、移動体の自己位置の測位を地図情報に含まれるランドマーク情報を用いて行う測位方法であって、前記移動体の移動に伴って前記移動体の周辺環境の情報を連続的に取得する周辺環境情報取得手段と、該周辺環境情報取得手段によって任意の時刻に取得した周辺環境情報から１又は２以上の特徴点を抽出する特徴点抽出手段と、前記特徴点と予め取得された前記地図情報に含まれる前記ランドマーク情報を対応させるランドマーク取得手段とを備え、前記移動体は、前記周辺環境情報取得手段、自己の方位を取得する方位取得手段並びに周辺環境との相対運動情報を取得する相対運動情報取得手段を備え、前記任意の時刻に前記特徴点が２つ取得できた場合に前記周辺環境情報取得手段によって得られたそれぞれの特徴点からの距離及び方位を用いて自己位置の測位を行う第１の測位手段と、前記特徴点が１つ取得できた場合に前記特徴点からの距離と前記方位取得手段によって得られた自己の方位によって自己位置を推定する第２の測位手段と、前記特徴点が取得できなかった場合に前記相対運動情報取得手段によって得られた相対運動情報と前回の測定結果から自己位置を推定する第３の測位手段を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る測位方法において、前記第１の測位手段、前記第２の測位手段及び前記第３の測位手段を、前記任意の時刻に取得された特徴点の数に応じて切り替える切替手段を備えると好適である。

また、本発明に係る測位方法において、前記第２の測位手段及び前記第３の測位手段によって推定された自己の位置情報は、前記第１の測位手段が実行された場合に自己の測位情報に補正されると好適である。

また、本発明に係る測位方法において、前記移動体の初期位置を取得する初期位置取得手段を備えると好適である。

上記発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

本発明に係る測位方法は、特徴点と予め取得された地図情報に含まれるランドマーク情報を対応させるランドマーク取得手段とを備え、移動体は、周辺環境情報取得手段、自己の方位を取得する方位取得手段並びに周辺環境との相対運動情報を取得する相対運動情報取得手段を備え、任意の時刻に特徴点が２つ取得できた場合に周辺環境情報取得手段によって得られたそれぞれの特徴点からの距離及び方位を用いて自己位置の測位を行う第１の測位手段と、特徴点が１つ取得できた場合に特徴点からの距離と方位取得手段によって得られた自己の方位によって自己位置を推定する第２の測位手段と、特徴点が取得できなかった場合に相対運動情報取得手段によって得られた相対運動情報と前回の測定結果から自己位置を推定する第３の測位手段を備えるので、ＧＰＳ等の既存の測位方法が利用できない環境下においても有効性の極めて高い移動体の測位を行うことができる。

本発明の実施形態に係る測位方法の概要を説明するための図。本発明の実施形態に係る測位方法のフロー図。本発明の実施形態に係る移動体の概要を説明するための図。自己位置の推定方法の概要を説明する図。第１の測位手段のフロー図。第２の測位手段のフロー図。第３の測位手段のフロー図。第３の測位手段の概要を説明する図。本発明の実施形態に係る移動体の測位方法を説明するための図。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る測位方法の概要を説明するための図であり、図２は、本発明の実施形態に係る測位方法のフロー図であり、図３は、本発明の実施形態に係る移動体の概要を説明するための図であり、図４は、自己位置の推定方法の概要を説明する図であり、図５は、第１の測位手段のフロー図であり、図６は、第２の測位手段のフロー図であり、図７は、第３の測位手段のフロー図であり、図８は、第３の測位手段の概要を説明する図であり、図９は、本発明の実施形態に係る移動体の測位方法を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態に係る測位方法は、ＧＰＳ等の測位技術を利用することができない環境下、例えば桟橋などの構造物１の下面を移動体１０が移動しながら測定や観測などの作業を行う場合に、杭２０等の周辺環境の測定結果を用いて該移動体の位置を測位する測位方法として用いられると好適である。

図２に示すように、本実施形態に係る測位方法は、移動体１０の移動に伴って移動体１０の周辺環境の情報を連続的に取得する周辺環境情報取得手段と、該周辺環境情報取得手段によって任意の時刻に取得した周辺環境情報から１又は２以上の特徴点を抽出する特徴点抽出手段と、特徴点と予め取得された地図情報に含まれるランドマーク情報を対応させるランドマーク取得手段とを備え、移動体１０は、周辺環境情報取得手段、自己の方位を取得する方位取得手段並びに周辺環境との相対運動情報を取得する相対運動情報取得手段を備え、任意の時刻に特徴点が２つ取得できた場合に周辺環境情報取得手段によって得られたそれぞれの特徴点からの距離及び方位を用いて自己位置の測位を行う第１の測位手段と、特徴点が１つ取得できた場合に特徴点からの距離と方位取得手段によって得られた自己の方位によって自己位置を推定する第２の測位手段と、特徴点が取得できなかった場合に相対運動情報取得手段によって得られた相対運動情報と前回の測定結果から自己位置を推定する第３の測位手段を備える。

図３に示すように、移動体１０には、周辺環境情報取得手段１１、自己の方位を取得する方位取得手段１２及び相対運動情報取得手段１３を備えている。

周辺環境情報取得手段１１は、図４に示すように、移動体１０の周辺環境の情報を取得することができればどのような構成でも構わないが、例えば、ＬＲＦ（レーザレンジファインダ）のような側域センサを用いると好適である。ＬＲＦは、レーザを発振して当該レーザを移動体１０の周辺に照射し、その反射の度合いで周辺環境の情報を取得・測定出来る光学機器である。なお、周辺環境情報取得手段１１は、移動体１０から２方向に向けてレーザ等を照射することで図４に示すように周辺環境を走査することができる。

方位取得手段１２は、自己の方位を取得することができればどのような構成でも構わないが、例えば、ジャイロセンサを用いると好適である。また、相対運動情報取得手段１３は、桟橋等の測定対象の下面や海底面を画像処理するためのカメラを備えている。

また、図２に示すように、本実施形態に係る測位方法は、ループ判定によって当該測位が初回であると判定された場合には、移動体１０の初期位置を取得する初期位置取得手段を備えている。この初期位置取得手段は、通常、桟橋等の測定対象へ移動させる前に行われることから、移動体１０が未だ測定対象の下面に入っておらず、ＧＰＳ等の位置情報を利用することができるため、ＧＰＳから位置情報を取得することで実行されても構わない。また、ＧＰＳから位置情報を取得することに替えて、地図情報における移動体１０の初期位置を手入力するように構成しても構わない。

次に、図４を参照して特徴点抽出手段及びランドマーク取得手段について説明を行う。特徴点抽出手段は、周辺環境情報取得手段１１によって得られた走査結果３１から障害物を選定して当該選定された障害物を特徴点３２として観測する。なお、周辺環境の走査は移動体１０の移動に伴って連続的に行われており、特徴点３２の観測は、任意の時刻に取得された周辺環境の情報を時系列に取得している。

ランドマーク取得手段は、杭などの障害物の位置情報であるランドマーク情報３３が含まれる地図情報３０と、周辺環境情報取得手段１１によって得られた走査結果３１を相関処理等を行ってマッチングすることで、地図情報３０に走査結果３１をマッピングして行う。その結果、特徴点３２とランドマーク情報３３とを対応させている。

切替手段１４は、周辺環境情報取得手段１１で得られた任意の時刻に取得された特徴点３２の数に応じて第１の測位手段、第２の測位手段及び第３の測位手段のいずれの測位手段を切り替えている。具体的には、特徴点３２が２以上取得された場合には、第１の測位手段に切り替え、特徴点３２が１つ取得された場合には、第２の測位手段に切り替え、特徴点３２が取得できなかった場合には、第３の測位手段に切り替える。

図５に示すように、第１の測位手段は、所謂灯台方式を用いて測位を行っており、具体的には、得られた特徴点３２から移動体１０に近いものから順に２点の特徴点を選定し、特徴点３２のうち直近の１点の観測方位（移動体１０から見た直近の特徴点の方位）とその点から移動体１０までを結ぶ線分の長さ（特徴点３２から移動体１０までの距離）を求めておく。また、移動体の座標系（以下、Ｒ座標系という）におけるＸ軸と前出の２点の特徴点を結ぶ線分とのなす角を算出しておく。

次に、世界座標系（以下、Ｗ座標系という）における移動体１０の絶対方位の算出を行う。具体的には、Ｗ座標系における特徴点３２から移動体１０までを結ぶ線分の方位角から上述したように算出した線分のなす角との差を求めることで、Ｗ座標系に対してＲ座標系のなす角を算出して移動体１０の絶対方位を算出する。

次に、Ｒ座標系からＷ座標系へ変換することで、Ｗ座標系における移動体１０の位置を算出する。具体的には、既に算出したＷ座標系に対してＲ座標系のなす角（移動体１０の絶対方位）と、直近の特徴点との相対位置から移動体１０の絶対位置を逆算することで移動体１０の位置を算出する。

このように、第１の測位手段は、Ｒ座標系における特徴点３２の位置から自己の位置情報を算出することができるので測位の誤差が少なく、連続的に特徴点を観測し測位を継続した場合であっても原理的に累積誤差はゼロである。

図６に示すように、第２の測位手段は、特徴点３２が１つ取得された場合に、方位取得手段１２から移動体１０の推定方位を取得する。次に、Ｗ座標系における移動体１０の絶対方位の算出を行う。具体的には、方位取得手段１２からＷ座標系に対するＲ座標系のなす角を算出し、当該Ｗ座標系に対するＲ座標系のなす角からＷ座標系における移動体１０の絶対方位を算出する。なお、方位取得手段１２がジャイロのよう相対方位を出力する装置である場合には、特徴点が１点以下となった時点の絶対方位を推定方位の初期値として保持しておき、ここで取得する相対方位を保持していた推定方位の初期値に加算して移動体１０の方位を推定する。

次に、Ｒ座標系からＷ座標系へ変換することで、Ｗ座標系における移動体１０の推定位置を算出する。具体的には、既に算出したＷ座標系に対してＲ座標系のなす角（移動体１０の絶対方位）と、直近の特徴点との相対位置から移動体１０の絶対位置を逆算して移動体１０の位置を推定する。

このように、第２の測位手段は、特徴点が１つのみ得られた場合であっても、方位取得手段１２によって推定方位を取得することができるので、第１の測位手段と同様に直近の特徴点の相対位置から自己位置を推定することができる。

図７に示すように、第３の測位手段は、特徴点が全く得られない場合に第２の測位手段と同様に方位取得手段１２から移動体１０の推定方位を取得し、Ｗ座標系における移動体１０の絶対方位の算出を行う。また、特徴点が全く得られなかった時点の絶対位置を推定位置の初期値として保持しておく。

次に、移動体１０の絶対位置を慣性航法や周辺環境に対する相対運動情報等を利用したデッドレコニングによる推定位置に切り替える。相対運動情報取得手段は、ドップラーベロシティーログやオドメトリーあるいは図８に示すように、移動体１０に備えられたカメラから得られた画像にオプティカルフローを利用した画像処理を行うことなどで移動体１０の並進速度及び旋回速度の推定を行い、周辺環境との相対運動情報を取得する。オプティカルフローは、連続的にカメラで取得した画像の中で物体（桟橋等の床板下部等）の動きをベクトルで表したものであり、このベクトルから移動体１０の並進速度及び旋回速度を算出する。この結果、得られた並進速度及び旋回速度などの周辺環境に対する相対運動情報を累積し、この累積値を保持していた推定位置の初期値に加算して移動体１０の位置を推定する。

その後、測位データの更新を行う。測位データの更新は、Ｗ座標系で保持しているデータベース内の全ランドマーク座標をＲ座標系に変換することでＲ座標系のランドマークデータベースを更新する。

また、第１の測位手段が実行された場合に、第２の測位手段又は第３の測位手段によって得られた推定方位と推定位置を現在の絶対方位と絶対位置で更新することで、自己の測位情報に補正される。推定方位と推定位置は通常、レートや相対速度などの観測値の累積値であることから累積誤差を含んでいるため、この補正によって当該累積誤差を解消して測位の精度を高めることができる。

次に、図９を参照して、本実施形態に係る移動体１０の測位方法について詳述する。上述したように、移動体１０は特徴点３２の観測を行い、任意の時刻に取得された周辺環境の情報として時系列に取得している。即ち、図９の測位ステップＴ〜Ｔ＋２に示すような観測を連続的に行っている。なお、以下の説明においては、地図情報としてＷ座標系におけるランドマークが（１）〜（４）まで包含される例について説明を行う。

まず、測位ステップＴでは、特徴点３２を２点以上観測しているので、上述した第１の測位手段によって移動体１０の測位を行うと共に、特徴点３２とランドマーク座標とを照合することで、Ｗ座標系におけるランドマークを照合している。つまり、観測された特徴点３２とＷ座標系のランドマーク（１）〜（３）が照合される。

次に、測位ステップＴから微小時間後に行われた測位ステップＴ＋１では、特徴点３２を２点観測している。この２点が前回の測位ステップＴの照合結果と重複するランドマーク（１）及び（２）であるため、測位ステップＴで照合したランドマーク（１）及び（２）と測位ステップＴ＋１で観測したランドマーク（１）及び（２）が同一であると推定されて測位ステップＴ＋１でのランドマーク（１）及び（２）の追跡を行うことができる。

次に、測位ステップＴ＋１と測位ステップＴ＋２のように、重複するランドマークが存在しない場合について説明を行う。本実施形態に係る測位方法では、測位ステップＴ＋１で未検出であったランドマーク（３）及び（４）について各測位ステップにおいて地図情報を介して地図上におけるランドマーク同士の幾何学的な位置関係を推定している。したがって、測位ステップＴ＋２においては、観測した特徴点３２をランドマーク（３）及び（４）と照合することが可能となり、ランドマーク（１）〜（４）の追跡を行うことができる。

このように、本実施形態に係る測位方法は、各測位ステップにおいて、地図情報の全てのランドマークの位置を推定しているので、直前の測位ステップにおいて照合に成功したランドマーク以外のランドマークについても追跡することができ、広範囲な測位を実現することができる。即ち、本実施形態に係る測位方法は、複数存在するランドマークをハンドオーバーしながら渡り歩くような測位を行うことで、広範囲測位を実現している。

このように、本実施形態に係る測位方法によれば、ＧＰＳ等の測位技術が利用できない環境下であっても、ランドマーク情報を含む地図情報を備えていれば、測位が可能となり、ＧＰＳ等の測位技術が利用できない環境下であっても、多くの作業に対して機械化を図ることができる。

また、本実施形態に係る測位方法によれば、あらかじめ設置されたランドマークの位置に対するランドマーク情報を有する地図情報を有しており、ランドマーク同士の幾何学的な位置関係でランドマークの位置を区別しているので、個々のランドマーク同士を区別するための特徴を別途用意することなく、測位を行うことが可能となる。

さらに、本実施形態に係る測位方法によれば、利用可能なランドマークの数に応じて第１から第３の測位手段を切り替えるので、得られた情報から柔軟に測位方法を変更することが可能となり、また、利用できるランドマークの数が減少した場合であっても他の上方によってこれを補うことができるので、より柔軟に測位を行うことができる。

なお、以上説明した本実施形態に係る測位方法は、例えば、桟橋の床板面を相対運動情報取得手段で撮影しながら画像処理を行った場合について説明を行ったが、相対運動情報取得手段が撮影する対象は床板面に限らず、例えば、海底面などを撮影しながら画像処理を行っても構わない。また、本実施形態に係る測位方法を実行するプログラムを計算機に読み込ませて実施することができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０移動体、１１周辺環境情報取得手段、１２方位取得手段、１３相対運動情報取得手段、２０杭、３０地図情報、３１走査結果、３２特徴点、３３ランドマーク情報。

Claims

移動体の自己位置の測位を地図情報に含まれるランドマーク情報を用いて行う測位方法であって、
前記移動体の移動に伴って前記移動体の周辺環境の情報を連続的に取得する周辺環境情報取得手段と、
該周辺環境情報取得手段によって任意の時刻に取得した周辺環境情報から１又は２以上の特徴点を抽出する特徴点抽出手段と、
前記特徴点と予め取得された前記地図情報に含まれる前記ランドマーク情報を対応させるランドマーク取得手段とを備え、
前記移動体は、前記周辺環境情報取得手段、自己の方位を取得する方位取得手段並びに周辺環境との相対運動情報を取得する相対運動情報取得手段を備え、
前記任意の時刻に前記特徴点が２つ取得できた場合に前記周辺環境情報取得手段によって得られたそれぞれの特徴点からの距離及び方位を用いて自己位置の測位を行う第１の測位手段と、前記特徴点が１つ取得できた場合に前記特徴点からの距離と前記方位取得手段によって得られた自己の方位によって自己位置を推定する第２の測位手段と、前記特徴点が取得できなかった場合に前記相対運動情報取得手段によって得られた相対運動情報と前回の測定結果から自己位置を推定する第３の測位手段を備えることを特徴とする測位方法。
請求項１に記載の測位方法において、
前記第１の測位手段、前記第２の測位手段及び前記第３の測位手段を、前記任意の時刻に取得された特徴点の数に応じて切り替える切替手段を備えることを特徴とする測位方法。
請求項１又は２に記載の測位方法において、
前記第２の測位手段及び前記第３の測位手段によって推定された自己の位置情報は、前記第１の測位手段が実行された場合に自己の測位情報に補正されることを特徴とする測位方法。
請求項１から３のいずれか１項に記載の測位方法において、
前記移動体の初期位置を取得する初期位置取得手段を備えることを特徴とする測位方法。