JP2019138739A - 位置計測装置及び位置計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】姿勢制御機構を取り付けることなく対象物の位置を正確に計測可能な位置計測装置及び位置計測方法を提供する。【解決手段】移動体と、前記移動体に搭載され、対象物を撮像する撮像装置と、前記移動体の姿勢が互いに鏡映対称の関係にある第１の姿勢と第２の姿勢とにおいて、前記対象物が前記撮像装置の撮像範囲の中心にあるときの前記移動体の位置情報をそれぞれ取得する位置取得部と、前記位置取得部で取得された前記第１の姿勢及び前記第２の姿勢の前記移動体の位置情報に基づいて、前記対象物の位置情報を算出する位置算出部と、を備えることを特徴とする位置計測装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、位置計測装置及び位置計測方法に関する。

撮像装置が搭載された移動体（気球やヘリコプタ）を用いて上空から当該移動体の鉛直下方にある対象物の位置を計測する位置計測方法が提案されている。この位置計測方法は、移動体の鉛直下方を撮像した撮像画像（撮像範囲）の中心に対象物があるときの当該移動体の位置を対象物の位置とすることで、対象物の位置を計測する方法である。

ただし、撮像画像の中心に対象物があっても、移動体に対する撮像装置の取り付け位置のズレや移動体の姿勢のズレにより、実際には当該移動体の鉛直下方には対象物が存在しない場合があり、移動体の位置と対象物の位置とが異なる場合がある。

この問題を解決するため、下記特許文献１には、移動体に対する撮像装置の取り付け位置のズレや移動体の姿勢のズレを補正すべく、撮像装置の姿勢を制御する姿勢制御機構を移動体に取り付けることが開示されている。

特開２００７−２４０４３５号公報

上記姿勢制御機構は気球やヘリコプタ等の大型の移動体に対して取り付けることは可能である。しかしながら、ドローンなどの小型の移動体に対しては姿勢制御機構を取り付けるスペースを確保できず、上記姿勢制御機構を取り付けることができない場合がある。その結果、小型の移動体を用いる場合には、対象物の位置を正確に計測することができない場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、姿勢制御機構を取り付けることなく対象物の位置を正確に計測可能な位置計測装置及び位置計測方法を提供することである。

本発明の一態様は、移動体と、前記移動体に搭載され、対象物を撮像する撮像装置と、前記移動体の姿勢が互いに鏡映対称の関係にある第１の姿勢と第２の姿勢とにおいて、前記対象物が前記撮像装置の撮像範囲の中心にあるときの前記移動体の位置情報をそれぞれ取得する位置取得部と、前記位置取得部で取得された前記第１の姿勢及び前記第２の姿勢の前記移動体の位置情報に基づいて、前記対象物の位置情報を算出する位置算出部と、を備えることを特徴とする位置計測装置である。

本発明の一態様は、上述の位置計測装置であって、前記位置算出部は、前記位置取得部で取得された前記第１の姿勢及び前記第２の姿勢の前記移動体の位置情報の平均値を、前記対象物の位置情報とする。

本発明の一態様は、上述の位置計測装置であって、前記第１の姿勢と前記第２の姿勢とは、姿勢角が同一であり、且つ方位角が互いに１８０°異なる。

本発明の一態様は、上述の位置計測装置であって、前記撮像装置は、前記移動体の下方を撮影する。

本発明の一態様は、対象物を撮像する撮像装置が搭載された移動体を用いて対象物の位置情報を計測する位置計測方法であって、前記移動体の姿勢が互いに鏡映対称の関係にある第１の姿勢と第２の姿勢とにおいて、前記対象物が前記撮像装置の撮像範囲の中心にあるときの前記移動体の位置情報をそれぞれ取得する位置取得ステップと、前記位置取得部で取得された前記第１の姿勢及び前記第２の姿勢の前記移動体の位置情報に基づいて、前記対象物の位置情報を算出する位置算出ステップと、を含むことを特徴とする位置計測方法である。

以上説明したように、本発明によれば、姿勢制御機構を取り付けることなく対象物の位置を正確に計測することができる。

本発明の一実施形態に係る位置計測装置Ａの概略構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る制御装置４のブロック図である。 本発明の一実施形態に係る第１の姿勢と第２の姿勢とを示す図である。 本発明の一実施形態に係る制御部１１における対象物位置計測モードの動作のフロー図である。 従来における対象物の位置計測方法の問題点を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態に係る位置計測装置を、図面を用いて説明する。

本発明の一実施形態に係る位置計測装置は、撮像装置が搭載された移動体を用いて対象物の位置を計測する装置である。本実施形態では、移動体がドローンである場合について説明するが、本発明はこれに限定されない。例えば、移動体は、ドローン以外の無人航空機（ＵＡＶ：Unmanned Aerial Vehicle）、気球、飛行機、ヘリコプター等のいかなる飛行物体であってもよいし、自律型無人潜水機（ＡＵＶ：Autonomous Underwater Vehicle）や遠隔操作無人探査機(ＲＯＶ：Remotely Operated Vehicle)等の水中無人機であってもよい。また、上記移動体は、有人であってもよいし、無人であってもよい。

図１は、本発明の一実施形態に係る位置計測装置Ａの概略構成の一例を示す図である。
図１に示すように、位置計測装置Ａは、撮像装置１及びドローン２を備える。

撮像装置１は、ドローン２に搭載されている。具体的には、撮像装置１は、ドローン２の機体の下部に固定されており、ドローン２の下方に存在する物体（対象物）を撮像する。この対象物とは、例えば、地上に存在する構造物、人、及び動植物を含む。この撮像装置１は、ドローン２と電気的に接続されている。なお、撮像装置１は、ドローン２に対して取り外し可能な構成であってもよいし、一体に構成されてもよい。

ドローン２は、複数のロータユニット３及び制御装置４を備える。

各ロータユニット３は、ロータ５及びモータ６を備える。
ロータ５は、例えば、プロペラである。各ロータユニット３のロータ５は、それぞれ同一平面上に設けられている。

モータ６は、ロータ５に接続されており、制御装置４の制御によって回転することで、ロータ５を回転駆動させる。モータ６は、制御装置４によって回転数（回転速度）が制御される。

制御装置４は、モータ６の回転を制御することで、ドローン２を上空で移動したり、所定の位置で飛行姿勢を維持（ホバリング）したりすることができる。

具体的には、制御装置４は、各ロータユニット３のモータ６の回転数を略同一とすることで、ドローン２を上昇させる揚力を発生させ、ドローン２の機体を水平姿勢に維持することができる。また、制御装置４は、各ロータユニット３のモータ６の回転数を独立して制御して、ドローン２の機体を傾けることで、当該機体を前後又は左右に移動させることができる。

また、制御装置４は、撮像装置１が対象物を撮像した撮像画像に基づいて、当該対象物の位置を計測する。
以下に、本発明の一実施形態に係る制御装置４の構成について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る制御装置４のブロック図である。

図２に示すように、制御装置４は、自己位置取得部７、姿勢検出部８、方位検出部９、駆動部１０、及び制御部１１を備える。

自己位置取得部７は、ドローン２の現在位置の情報（以下、「位置情報」という。）を取得する。例えば、自己位置取得部７は、ＧＰＳ（Global Positioning System）を用いることで、ドローン２の位置情報をグローバル座標（Ｘ，Ｙ）で取得する。自己位置取得部７は、取得したドローン２の位置情報を制御部１１に出力する。例えば、Ｘ座標は緯度を示し、Ｙ座標は経度を示す。

姿勢検出部８は、ドローン２における現在の飛行姿勢の情報（以下、「飛行姿勢情報」という。）を取得する。例えば、ドローン２の飛行姿勢情報とは、水平面に対する傾きを示す情報であって、いわゆる姿勢角である。例えば、姿勢検出部８は、ジャイロセンサである。なお、飛行姿勢情報は、ロール角、ピッチ角、及びヨー角により表されてもよい。姿勢検出部８は、ドローン２の飛行姿勢情報を制御部１１に出力する。

方位検出部９は、方位の情報（以下、「方位情報」という。）を検出する。例えば、方位検出部９は、地磁気を検出し、その検出した地磁気に基づいて、方位情報を検出する。そして、方位検出部９は、検出した方位情報を制御部１１に出力する。

駆動部１０は、制御部１１からの駆動信号に基づいて、各モータ６を独立して回転駆動させる。すなわち、駆動部１０は、制御部１１からの駆動信号に基づいて、各モータ６の回転数を制御する。

制御部１１は、姿勢検出部８からの飛行姿勢情報に基づいて、ドローン２を任意の飛行姿勢で安定させながら、ドローン２を飛行させることができる。すなわち、制御部１１は、姿勢検出部８からの飛行姿勢情報に基づいて、ドローン２を任意の飛行姿勢で安定させるように各モータ６の回転数を制御するための駆動信号を駆動部１０に出力する。

制御部１１は、自己位置取得部７からの位置情報と、方位検出部９からの方位情報とに基づいて、ドローン２の走行方向を認識可能であり、予め設定されて飛行ルートや目的地への自律飛行が可能である。

制御部１１は、撮像装置１が対象物を撮像した撮像画像に基づいて、当該対象物の位置を計測する対象物位置計測モードを有する。以下に、本発明に係る制御部１１の対象物位置計測モードの動作を実行するための機能部について、説明する。

制御部１１は、対象物認識部１１０、移動制御部１１１、対象物位置取得部１１２、及び対象物位置算出部１１３を備える。なお、対象物位置取得部１１２は、本発明の「位置取得部」の一例である。また、対象物位置算出部１１３は、本発明の「位置算出部」の一例である。

対象物認識部１１０は、撮像装置１が対象物を撮像した撮像画像を一定周期ごとに取得する。そして、対象物認識部１１０は、取得した撮像画像において、対象物の位置を認識する。そして、対象物認識部１１０は、取得した撮像画像における対象物の位置を一定周期ごとに移動制御部１１１に出力する。

移動制御部１１１は、対象物位置計測モードにおいて、ドローン２を所定の飛行姿勢に制御しながら対象物の上空を飛行させる。この所定の飛行姿勢とは、ドローン２の飛行姿勢が互いに鏡映対称の関係にある第１の姿勢及び第２の姿勢である。図３は、第１の姿勢及び第２の姿勢を示す図である。図３に示すように、第１の姿勢及び第２の姿勢は、鉛直方向に平行な面を鏡映面とした場合において、互いに鏡映対称の関係にある飛行姿勢である。換言すれば、第１の姿勢及び第２の姿勢は、姿勢角が同一であり、且つ方位角が互いに１８０°異なる飛行姿勢である。

移動制御部１１１は、ドローン２の飛行姿勢を第１の姿勢に制御しながらドローン２を飛行させる第１の飛行制御と、ドローン２の飛行姿勢を第２の姿勢に制御しながらドローン２を飛行させる第２の飛行制御と、を順に実行する。より具体的には、移動制御部１１１は、対象物認識部１１０からの撮像画像における対象物の位置を一定周期ごとに取得する。そして、移動制御部１１１は、第１の飛行制御として、ドローン２の飛行姿勢を第１の姿勢に制御しながら、対象物の位置が撮像画像（撮像範囲）の中心になるように各モータ６の駆動を制御する。次に、移動制御部１１１は、第２の飛行制御として、ドローン２の飛行姿勢を第２の姿勢に制御しながら、対象物の位置が撮像画像（撮像範囲）の中心になるように各モータ６の駆動を制御する。

対象物位置取得部１１２は、ドローン２の飛行姿勢が第１の姿勢である場合において（第１の飛行制御中において）、対象物が撮像装置１の撮像画像（撮像範囲）Ｐ_１の中心にあるときのドローン２の位置情報（以下、「第１の位置情報」という。）（Ｘ_１，Ｙ_１）を自己位置取得部７から取得する。
また、対象物位置取得部１１２は、ドローン２の飛行姿勢が第２の姿勢である場合において（第２の飛行制御中において）、対象物が撮像装置１の撮像画像（撮像範囲）Ｐ２の中心にあるときのドローン２の位置情報（以下、「第２の位置情報」という。）（Ｘ_２，Ｙ_２）を自己位置取得部７から取得する。

対象物位置取得部１１２は、第１の位置情報及び第２の位置情報を対象物位置算出部１１３に出力する。

対象物位置算出部１１３は、第１の位置情報及び第２の位置情報の平均値を算出し、その算出した平均値を対象物の位置とする。具体的には、第１の位置情報が（Ｘ_１，Ｙ_１）、第２の位置情報が（Ｘ_２，Ｙ_２）、である場合には、対象物位置算出部１１３は、対象物の位置を（（Ｘ_１＋Ｘ_２）／２_，（Ｙ_１＋Ｙ_２）／２）とする。これにより、対象物位置算出部１１３は、従来の姿勢制御機構を用いることなく、対象物の位置を正確に計測することができる。

次に、本発明に係る制御部１１における対象物位置計測モードの動作の流れについて、説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る制御部１１における対象物位置計測モードの動作のフロー図である。

制御部１１は、姿勢検出部８からの飛行姿勢情報に基づいて、ドローン２の飛行姿勢を第１の姿勢に制御しながら対象物の上空において当該ドローン２を飛行させる。より具体的には、制御部１１は、ドローン２の飛行姿勢を第１の姿勢に制御しながら、対象物の位置が撮像画像の中心になるように各モータ６の駆動を制御する第１の飛行制御を実行する（ステップＳ１０１）。

制御部１１は、第１の飛行制御を実行しながら、対象物の位置が撮像画像（撮像範囲）の中心位置を含む所定の範囲内に存在するか否かを判定する（ステップＳ１０２）。制御部１１は、第１の飛行制御を実行しながら、対象物の位置が撮像画像の中心を含む所定の範囲内に存在すると判定した場合には、ドローン２の位置情報を第１の位置情報（Ｘ_１，Ｙ_１）として自己位置取得部７から取得する（ステップＳ１０３）。
一方、制御部１１は、ステップＳ１０２において、対象物の位置が撮像画像（撮像範囲）の中心位置を含む所定の範囲内に存在しないと判定した場合には、第１の飛行制御を継続する。

制御部１１は、第１の位置情報を取得した場合には、第２の飛行制御を実行する。すなわち、制御部１１は、ドローン２の飛行姿勢を第１の姿勢と鏡映対称の関係にある第２の姿勢に制御しながら、対象物の位置が撮像画像の中心になるように各モータ６の駆動を制御する（ステップＳ１０４）。

制御部１１は、第２の飛行制御を実行しながら、対象物の位置が撮像画像（撮像範囲）の中心位置を含む所定の範囲内に存在するか否かを判定する（ステップＳ１０５）。制御部１１は、第２の飛行制御を実行しながら、対象物の位置が撮像画像の中心を含む所定の範囲内に存在すると判定した場合には、ドローン２の位置情報を第２の位置情報（Ｘ_２，Ｙ_２）として自己位置取得部７から取得する（ステップＳ１０６）。
一方、制御部１１は、ステップＳ１０５において、対象物の位置が撮像画像（撮像範囲）の中心位置を含む所定の範囲内に存在しないと判定した場合には、第２の飛行制御を継続する。

制御部１１は、第１の位置情報（Ｘ_１，Ｙ_１）及び第２の位置情報（Ｘ_２，Ｙ_２）の各座標の平均値を算出し、その算出した平均値（（Ｘ_１＋Ｘ_２）／２_，（Ｙ_１＋Ｙ_２）／２）を対象物の位置する（ステップＳ１０７）。

次に、本実施形態に係る作用効果について説明する。
図５は、従来における対象物の位置計測方法の問題点を説明する図である。従来の位置計測方法では、ドローンの鉛直下方を撮像装置で撮像し、その撮像画像の中心に対象物があるときのドローンの位置を対象物の位置とすることで、当該対象物の位置を計測する。

しかしながら、ドローンの位置が対象物の位置となるのは、ドローンの鉛直下方を撮影できるように撮像装置がドローンに取り付けられている理想的な場合だけであって、実際には、図５（ａ）に示すように、ドローンに対する撮像装置の取り付け位置にズレが生じる。また、ドローンへの外乱（突風等）が有る場合には、図５（ｂ）に示すように、ドローンを所定の姿勢角に制御しながらドローンの鉛直下方にある対象物を撮影する必要がある。したがって、ドローンへの外乱（突風等）が有る場合には、ドローンの姿勢が水平状態からずれてしまう。

このように、従来の位置計測方法では、ドローンに対する撮像装置の取り付け位置のズレやドローンの姿勢のズレが発生してしまい、撮像画像の中心に対象物があっても、実際には当該ドローンの鉛直下方には対象物が存在しない場合がある。その結果、ドローンの位置と対象物の位置とが異なり、正確に対象物の位置を計測することができない場合がある。

一方、本実施形態に係る位置計測方法では、ドローン２の姿勢が互いに鏡映対称の関係にある第１の姿勢と第２の姿勢とにおいて、対象物が撮像装置１の撮像範囲の中心にあるときのドローン２の位置情報をそれぞれ取得する。そして、第１の姿勢及び第２の姿勢において得られたドローン２の各位置情報に基づいて、対象物の位置情報を算出する。これにより、本実施形態では、ドローン２に対する撮像装置１の取り付け位置のズレやドローン２の姿勢のズレを打ち消すことができ、対象物の位置情報を正確に計測することができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

（変形例１）上記実施形態では、位置計測装置Ａは、ドローン２の下方に存在する対象物の位置を計測したが、本発明はこれに限定されない。例えば、位置計測装置Ａは、ドローン２の上方に存在する対象物の位置を計測してもよいし、ドローン２の左右方向の対象物の位置を計測してもよい。したがって、上方に存在する対象物の位置を計測するには、撮像装置１は、ドローン２の上方に存在する対象物を撮像可能に当該ドローン２に取り付け、左右方向に存在する対象物の位置を計測するには、撮像装置１は、ドローン２の左右方向に存在する対象物を撮像可能に当該ドローン２に取り付けられる。

（変形例２）上記実施形態では、対象物の位置としてグルーバル座標のＸ座標及びＹ座標の二つの座標について求めたが、本発明はこれに限定されない。例えば、対象物の位置としてＸ座標及びＹ座標のうち、少なくともいずれかの座標を求めればよい。

（変形例３）上記実施形態では、制御装置４における対象物位置計測モードの開始又は終了をドローン２の遠隔操作装置から制御してもよい。この遠隔操作装置は、ユーザにより操作されるものであり、制御装置４と無線通信することで、情報を送受する。したがって、ユーザは遠隔操作装置を操作することで、対象物位置計測モードの開始又は終了を制御することができる。

（変形例４）上記実施形態では、対象物位置取得部１１２及び対象物位置算出部１１３が制御装置４に設けられている場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、対象物位置取得部１１２及び対象物位置算出部１１３、又は対象物位置算出部１１３が上記遠隔操作装置やユーザの通信端末に設けられてもよい。

（変形例５）上記実施形態では、対象物の位置をリアルタイムで計測したが、本発明はこれに限定されない。例えば、制御装置４は、対象物位置計測モードにおける第１の姿勢と第２の姿勢とのそれぞれにおいて、撮像装置１からの撮像画像と、自己位置取得部７からのドローン２の位置情報とを関連づけて、一定周期ごとに自装置内の記憶部に格納する。そして、制御装置４は、自装置内の記憶部に格納されている撮像装置１からの撮像画像と、自己位置取得部７からのドローン２の位置情報とから、第１の情報と第２の情報とを抽出して対象物の位置を求めてもよい。また、制御装置４は、対象物位置計測モードにおける第１の姿勢と第２の姿勢とのそれぞれにおいて、撮像装置１からの撮像画像と、自己位置取得部７からのドローン２の位置情報とを関連づけて、上記遠隔操作装置やユーザの通信端末に送信してもよい。その場合には、上記遠隔操作装置やユーザの通信端末において、自己位置取得部７からのドローン２の位置情報とから、第１の情報と第２の情報とを抽出して対象物の位置を求める。

以上、説明したように、本発明の一実施形態に係る位置計測装置Ａは、撮像装置１を搭載した移動体（例えば、無人航空機や水中無人機）を用いて対象物の位置を計測する装置である。そして、位置計測装置Ａは、移動体の姿勢が互いに鏡映対称の関係にある第１の姿勢と第２の姿勢とにおいて、その対象物が撮像装置１の撮像範囲の中心にあるときの移動体の位置情報をそれぞれ取得する対象物位置取得部１１２と、対象物位置取得部１１２で取得された第１の姿勢及び第２の姿勢の移動体の位置情報に基づいて、対象物の位置情報を算出する対象物位置算出部と、を備える。

この構成によれば、大型の移動体に対しては勿論のこと、ドローンなどの小型の移動体に対しても姿勢制御機構を取り付けることなく、対象物の位置を正確に計測することができる。

Ａ 位置計測装置
１ 撮像装置
２ ドローン（移動体）
３ ロータユニット
４ 制御装置
１１ 制御部
１１０ 対象物認識部
１１１ 移動制御部
１１２ 対象物位置取得部（位置取得部）
１１３ 対象物位置算出部（位置算出部）

Claims (5)

1. 移動体と、
   前記移動体に搭載され、対象物を撮像する撮像装置と、
   前記移動体の姿勢が互いに鏡映対称の関係にある第１の姿勢と第２の姿勢とにおいて、前記対象物が前記撮像装置の撮像範囲の中心にあるときの前記移動体の位置情報をそれぞれ取得する位置取得部と、
   前記位置取得部で取得された前記第１の姿勢及び前記第２の姿勢の前記移動体の位置情報に基づいて、前記対象物の位置情報を算出する位置算出部と、
   を備えることを特徴とする位置計測装置。
2. 前記位置算出部は、前記位置取得部で取得された前記第１の姿勢及び前記第２の姿勢の前記移動体の位置情報の平均値を、前記対象物の位置情報とすることを特徴とする、請求項１に記載の位置計測装置。
3. 前記第１の姿勢と前記第２の姿勢とは、姿勢角が同一であり、且つ方位角が互いに１８０°異なることを特徴とする、請求項１又は２に記載の位置計測装置。
4. 前記撮像装置は、前記移動体の下方を撮影することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の位置計測装置。
5. 対象物を撮像する撮像装置が搭載された移動体を用いて対象物の位置情報を計測する位置計測方法であって、
   前記移動体の姿勢が互いに鏡映対称の関係にある第１の姿勢と第２の姿勢とにおいて、前記対象物が前記撮像装置の撮像範囲の中心にあるときの前記移動体の位置情報をそれぞれ取得する位置取得ステップと、
   前記位置取得ステップで取得された前記第１の姿勢及び前記第２の姿勢の前記移動体の位置情報に基づいて、前記対象物の位置情報を算出する位置算出ステップと、
   を含むことを特徴とする位置計測方法。

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