JP2609518B2 - 移動機械上に配置されたレンズのフィールド上の位置判断装置 - Google Patents

移動機械上に配置されたレンズのフィールド上の位置判断装置

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JP2609518B2
JP2609518B2 JP61047506A JP4750686A JP2609518B2 JP 2609518 B2 JP2609518 B2 JP 2609518B2 JP 61047506 A JP61047506 A JP 61047506A JP 4750686 A JP4750686 A JP 4750686A JP 2609518 B2 JP2609518 B2 JP 2609518B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、フィールド上を移動する移動機械上に配置
された広角レンズのフィールド上の位置判断装置に関
し、この装置により決定された広角レンズの位置データ
はそのまま移動機械の位置に対応するものであるから、
このデータは、移動機械の速度と合わせて、移動機械の
移動方向の変更や速度の制御に有効に利用されうるもの
である。
〔従来の技術〕
一般的に、移動可能な機械（以下移動機械ということ
とする）は、オペレータの制御を必要とする移動機械
と、ある程度セルフコントロールが可能な移動機械とに
分けることができる。近年のコンピュータ技術の急速な
発展に伴って、ロボットと呼ばれることの多いセルフコ
ントロールが可能な移動機械の開発に対する興味と設計
活動が増大している。
セルフコントロールが可能な移動機械の制御システム
が、障害のある環境を通って正確にこの移動機械を案内
するためには、この制御システムが、障害物に対する移
動機械の位置と速度とを確かめることができなくてはな
らないことは自明である。換言すれば、制御システム
は、移動機械の作業する地形及び環境の特徴に反応でき
なくてはならない。
そのための方法としては、制御システムが容易に探知
可能な参照点を含んでいる確定された環境に移動機械の
運動を制限する方法がある。例えば、移動機械が近づい
た時に信号を供給する作業地域内に埋設されている制御
ワイヤによって、移動機械の運動の範囲を制限する人工
境界を確定して、移動機械の運動を制限することができ
る。同様に、作業環境内に埋設されているワイヤを追跡
するように移動機械の設計を行なうこともできる。この
ような装置は米国特許第4,180,964号に開示されてい
る。これらの両方の方法により作動する移動機械は公知
であり、今日広く使用されている。
別の従来技術は、電流の通じた参照点を含んでいる確
定された環境を必要としない。代わりに、この方法は、
制御システムにとって認識可能な固定された参照物体に
対する移動機械の位置を制御システムが判別することの
できる装置を提供する。カメラと基準目標とを使用し
て、数人の従来技術の研究者がこの方法を可能とした。
移動機械にとりつけられている装置の運動により生じ
た、既知の寸法及び外形を持つ目標の寸法及び視差上の
見かけの変化から、移動機械の位置の算出が可能であ
る、ということがこの方法の前提である。例えば、水平
方向及び垂直方向に向いている対角線を有しているダイ
ヤモンド形状のマークを使用する装置がある。この方法
では、移動機械にとりつけられているカメラレンズのマ
ークと同じ高さに保持されていて、カメラの光軸はマー
クの中心に向いている。カメラ及び移動機械の位置は、
目標についての受けとった像の見かけの寸法と外形を、
実際の寸法と外形から三角関数の計算により求められ
る。
別の方法としては、目標の位置をカメラの位置に関連
づけさせる３つの位置パラメータ（すなわち、距離、高
さ及び方位角度）の少なくとも１つを直接的に発生する
マーク（垂直円と水平円とを有している球）を使用する
方法がある。このマークの外形は、カメラの光軸に沿っ
て中心を見た時に形状が変じないようなものである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記の移動機械の現在位置を決定するための従来の技
術にはいくつかの制限がある。確定された環境による方
法では、回転式スキャン等を必要とする、高価で高エネ
ルギーを消費するビーコンの敷設が必要である。これら
の方法は物理的地形（例えば角又は丘）によっても制限
される。参照マークを使用する方法では、常にマークに
カメラレンズの焦点を合わせておく必要があるか、又
は、環境のスキャンを行なう必要がある。その上、これ
らの方法では、カメラと参照マークとを同一高さに保持
する必要がある。従って、本発明の目的は、このような
制限を避ける装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕 フィールド上を移動する移動機械上に配置され、周囲
から受けた映像を投影するための視界方位角度がほぼ36
0度の広角度レンズと、このレンズにより投影された映
像を表示する電気信号を発生するための手段と、上記電
気信号から二個の認識可能の参照物体の方位角度を求め
ると共に、この方位角度と上記二個の認識可能の参照物
体の実際の間隔から、上記レンズの上記参照物体からの
距離を決定する手段と、上記レンズと上記電気信号発生
手段とを支持している揺動可能のジンバルと、上記レン
ズと上記電気信号発生手段との方向を探知するためのセ
ンサからなる方向探知手段と、上記方向探知手段が、レ
ンズと信号発生手段の方向が予め決められた方向である
と探知した時、上記の電気信号を選択的にサンプリング
するための手段とから移動機械上に配置されたレンズの
フィールド上の位置を判断する装置を構成する。
〔作 用〕
既知の間隔を有する二個の参照物体の映像を視界方位
角度がほぼ360度の広角度レンズ投影し、この投影され
た二個の参照物体の方位角度を求める一方、これと、前
期既知の間隔とから、広角度レンズつまりは、それが設
けられた移動機械、のフィールド上の位置を決定する。
〔発明の概要〕
本発明の実施態様を詳細に説明する前に、本発明の概
要を予め設定しておく。
本発明は、移動機械の電子制御システムに利用できる
位置判断装置を提供する。この装置は可視光を受けてこ
の可視光を電気信号に変換し、この電子信号が装置の一
手段によって解釈されて装置つまりは移動機械の位置が
確かめられる。可視光は半球状の「魚眼」レンズを通っ
て装置に入る。魚眼レンズは、360度の方位視界と180度
の高さ視界とを有している。従って、魚眼レンズはこの
レンズが向いている方向にある半球全体の映像を受け
る。
魚眼レンズの出口側から出る光は、魚眼レンズの入口
側から受けられた半球映像の２種類の寸法表示を含んで
いる。魚眼レンズを出る光は電子カメラの受容体上に投
影される。必要な場合には、光ビームの直径がカメラ受
容体に適合するように、魚眼レンズと固体カメラとの間
に従来の対物レンズのはさみ込むことができる。
魚眼レンズとカメラ受容体との間にシャッター機構が
挿入されている。この装置はレベルディテクターも使用
する。魚眼レンズは、電子カメラ、シャッター機構、レ
ベルディテクター及び光学対物レンズはすべて２段階の
自由ジンバル取付台にとりつけられている。ジンバル取
付台は魚眼レンズを含むカメラ装置を垂直方向に保持
し、レベルディテクターはこのような方向を示す信号を
提供する。シャッター機構は、カメラ装置が垂直方向に
向いている時にのみ開く。こようにして、感知装置の適
切な方向が保持され、ぼんやりした像のできることを防
ぐことができる。
この知覚装置は下記のように作動する。制御システム
コンピューターから位置最新化要求を受けると、レベル
ディテクターによりジンバル位置の読みとりが行なわれ
る。魚眼レンズの光軸が例えば垂直の時にはシャッター
が開き、電子カメラにより像が受けられ、この像がディ
ジタル化される。次いで、移動機械の作動している環境
内での装置つまりそれは支持している移動機械の、認識
可能な既知の参照目標に対する位置を判断するために像
処理が行なわれる。
〔本発明が基づく原理〕
本発明は、ある程度、魚眼レンズの光学特性で説明で
きる。すべての広角レンズと同様に、魚眼レンズは広範
囲のすべての特徴を捕える２次元像を作成可能である。
しかし、この像は、実際の光景から非常にゆがめられて
いる。すなわち、二次元像での物体の相対位置が実際の
ものと非常に異なっている。
魚眼レンズにより生じるゆがみを調べると、２つの大
きな特徴のあることがわかる。特徴としては、空間内の
物体の実際の位置と、魚眼レンズにより作成される像内
の物体の位置との関係がある。
第１の特徴としては、レンズから一定位置における物
体の高さと、この物体により作成される像の、像界の中
心からの距離との関係である。この特徴は第１図に図示
されている。魚眼レンズ１の光軸は垂直であり、レンズ
により作成される二次元像界２が図示されている。参照
物21,22がレンズ１の光軸から距離Ｌの位置にある。像
界２内の物体像21′,22′は、夫々、参照物体21,22の像
である。この構成では、注意深く観察すると、参照物体
の頂角ｅとこの物体の像の像界２の中心からの距離との
間に線状関係があることがわかる。この場合に、頂角ｅ
は、光軸と、レンズベースと参照物体とを結ぶ線により
形成されるものをいう。言い換えれば、像界２の中心か
ら物体像21′,22′までの距離の差は、物体21,22の高さ
の差により生じる頂角に比例する。
第２の重要なゆがみ特性としては、レンズの周囲にあ
る参照物体の相対位置と、これらの参照物体により作成
される像の像界内での相対位置との関係である。この関
係も第１図に図示されている。参照物体4,5を備えた参
照目標３が図示されている。参照目標３により反射され
た、又はこの目標から出た光が、魚眼レンズ１により受
けられる半球光景の一部としてこのレンズ１に入る。魚
眼レンズ１はこの半球光景を円形の２次元像界２に変形
させる。魚眼レンズの光軸が垂直方向に保持されていれ
ば、円形の像界２の真中に位置する像は、魚眼レンズの
垂直方向上方に位置する物体により生じる。
像界２の中心点から半径方向に伸びる放射線6,7が、
参照物体4,5により作成される投影像４′,5′の中心を
横切る。この構造を観察すると、一定距離ｒでは、線6,
7間にはさまえる角度ｃ′は、常に、魚眼レンズの中心
から半径方向に伸びていて参照物体4,5を通る線a,b間に
はさまれる角度ｃに等しい。垂直にとりつけられている
魚眼レンズのこのような特徴により、レンズによって作
成された２次元像から有用な情報を得ることができる。
とりわけ、参照物体4,5間の距離Ｄが知られている場合
には、線6,7間の角度を測定することによって距離ｒを
知ることができる。距離を求める方法は下記の式に示さ
れている。
式（１）は次のように示すことができる。
この式は次のように書き換えることができる。
又は、 sin2c/2を加減すると、 となり、これは次のように単純化できる。
これは次のように書き換えることができる。
第１図から、 式（８）より、 と変形されるが、ここでsin2c/2（１−cos2c）であるこ
とから、 となり、更にsin2c＋cos2c＝１であることから、 式（10）から、参照目標に対するレンズの距離は目標
幅Ｄと方位角度ｃとにより定められることがわかる。例
えば、目標幅Ｄが81cm（32インチ）で、方位角度ｃが３
゜の場合には、レンズ距離ａは1554cm（51フィート）で
ある。目標幅Ｄが同じで角度ｃが30゜の場合には、レン
ズ距離は152cm（約５フィート）である。目標幅Ｄが同
じく81cm（32インチ）で角度ｃが１゜の場合には、レン
ズ距離は4632cm（約152フィート）である。このように
して像界２からの電気信号を処理することによって、魚
眼レンズの中心点と、魚眼レンズにより受けられる光の
半球内のいずれの参照物体との距離を定めることができ
る。
本発明は、魚眼レンズとカメラ装置との光軸が上方を
向いている時には、移動機械の制御システムに対して有
用な電気信号を送る。この位置に保持されている場合に
は、魚眼レンズによりカメラの受容体表面上に投影され
る像を利用して、光軸から半径方向に伸び、レンズ周囲
の環境内の２個の参照物体を通る線間の方位角度を容易
に定めることができる。すなわち、参照物体の高さに無
関係に、魚眼レンズによりカメラ受容体上に投影される
像界内の物体像の相対位置によって、環境内の参照物体
に対する方位角度を容易に求めることができる。従っ
て、像界内に２個の認識可能な参照物体が認められ、こ
れらの物体間の実際の距離が制御システムに知らされれ
ば、これらの物体に対するレンズの位置を算出すること
ができる。
〔実施態様〕
以上のような原理が第２図に図示されている装置に使
用されている。第２図は本発明のセンサ装置の一実施例
を示している。この装置は魚眼レンズ８、レベルディテ
クタ９、２段階の自由ジンバル取付台10、電子カメラ11
及び縮小レンズ／シャッター装置12とから構成されてい
る。
第２図に図示されている如くに、カメラ装置19全体及
びジンバル取付台10とはフレーム13により支承されてい
る。フレーム13はいかなる形状、構造にしても良い。こ
のフレーム13にピボットロッド14,15がとりつけられて
いる。これらのロッド14,15はフレーム13に回動可能に
とりつけられていて、カメラ装置19全体が、ピボットロ
ッド14,15を通って伸びている軸Ｚに平行な線を中心と
して回動できる。
ピボットロッド14,15は、ピボットロッド17,18を支承
している装置16にとりつけられている。この装置16はい
かなる形状でも良く、図示されている如くに円形である
必要はない。装置16にとりつけられているピボットロッ
ド17,18は、魚眼レンズ８、縮小レンズ／シャッター装
置12、レベルティテクタ９及び電子カメラ11から成るカ
メラ装置19にとりつけられている。ピボットロッド17,1
8はカメラ装置19の重心よりも上方の箇所でこのカメラ
装置19にとりつけられているので、カメラ装置19はピボ
ットロッド17,18を通って伸びているＸ軸に平行な線周
囲で回動可能である。このようにして、フレーム13とジ
ンバル取付台10とが組み合って、カメラ装置19を、常
に、魚眼レンズ８の光軸を垂直に維持する方向に保持す
ることができる。
上述した如くに、カメラ装置19は、魚眼レンズ８と、
縮小レンズ／シャッター装置12と、レベルディテクタ９
と、電子カメラ11とから成る。魚眼レンズ８は縮小レン
ズ／シャッター装置12にしっかりととりつけられてい
る。この縮小レンズ／シャッター装置12は、レベルディ
テクタ９に反応する従来のシャッターを有している。魚
眼レンズ８の光軸が正しい垂直方向に向いている時にの
みシャッターが開かれ、視覚像が電子カメラ11の受容体
上に投影される。縮小レンズ／シャッター装置12は縮小
光学レンズを有していても良い。この縮小レンズの目的
は、従来の電子カメラ11の受容体域の大きさに適合する
ように、魚眼レンズ８により電子カメラ11に向かって投
影される像の寸法を調整することである。縮小レンズ／
シャッター装置12は固体カメラ11にしっかりととりつけ
られている。同様に、レベルディテクタ９は適切な位置
でカメラ装置19にとりつけられている。このようにし
て、魚眼レンズ８、レベルディテクタ９、電子カメラ11
及び縮小レンズ／シャッター装置12が組み合って剛性の
カメラ装置19を形成しており、これらの構成部材がすべ
て一体となってジンバル取付台10内で運動する。
ロボット制御の手段として、本発明は次に示すように
作動する。フレーム13は第３図に示されている芝刈り機
の如き移動機械にとりつけられている。この移動機械は
その運動に指示を与えるコンピュータ制御システム23を
有している。このコンピュータ制御システムは、制御ロ
ジックを行なうようにプログラムされている。この制御
ロジックに基づいて、可動機の駆動機構が、いかなる時
にも、この機械の作動環境内での位置及び運動に応じて
作業を行なう。このような制御を行なうためには、制御
システム23が作業環境内でしばしばその位置と速度とを
再評価して、制御ロジックが駆動機構の作業を変更する
必要があるか否かを定めることが必要である。このたび
たびの再評価のために必要な知覚入力は、本発明により
電子カメラ11により発生される電気信号の形状で提供さ
れる。
所定の間隔で制御システム23が縮小レンズ／シャッタ
ー装置12に組み込まれているレベルディテクタ９及びシ
ャッター機構に信号を送り、電子カメラ11からの電気信
号を受ける用意ができる。実際の環境内で可動ロボット
として有効に作動するためには、情報に対するこの周期
的要求は非常にひん繁であり、１秒間に数回というもの
である。
このような信号を受けとるとレベルディテクタ９がカ
メラ装置19の方向を評価する。カメラ装置19が垂直方向
に向いている時には、レベルディテクタ９がシャッター
機構に信号を送ってこれを短時間開放させる。この状態
で、電子カメラ11が、魚眼レンズ８の上方及び周囲に位
置している物体の半球を示す像を受ける。上述、及び第
１図に図示されている如くに、電子カメラ11の受容体上
に投影される像は、カメラ装置19のその環境内での制御
システム23により認識可能な物体に対する位置を判断す
る。
カメラ11が第１図に示されている像界２を表示する電
気信号を発生する。電気信号は制御システム23により処
理され、シャッターの開いた時点での草刈り機のその作
業領域内での位置が決定される。
〔発明の応用例〕
制御システム27が、この情報を、位置を決定したそれ
以前の時点における芝刈り機の既知の位置と比較する。
この情報により、制御システムがロボットの通過したお
およその通路を算出し、この通路に沿っての草刈り機の
瞬間速度を計算する。
この制御ロジックを実行するために制御システム23に
対して必要な情報をオペレータがトレーニングモードを
使用してこのシステム23に供給する。トレーニングモー
ド中に、オペレータはロボットに指示を与え、公知の無
線制御教示コントローラを使用して重大な障害物を指示
する。自動モード中では、ロボットがある草刈り手法を
選択、実行する。センサ群が環境の変化を知らせ、障害
物を避けたり、位置を訂正したり、地形の変化に応じた
り、見えない障害物を避けたりということが行なわれ
る。
いくつかの草刈り手法をとることができる。ストリッ
プ（細長）手法は、野原の一番長い長さに沿って草刈り
機が前後に移動することから成る。野原の端部で180度
の回転が行なわれて、次のストリップにとりかかる。周
界手法は、周辺の輪郭を描き、領域を次第に減らしてい
って最終的に野原全体の草を刈ることから成る。セクタ
ー手法は、野原をセクターに分け、ストリップ又は周界
手法を使用して各セクターの草刈りを行なうことから成
る。これらの手法を組み合わせることもできる。例え
ば、オペレータはトレーニングモードで野原の周辺と主
たる障害物との輪郭づけを行ない、コンピュータに野原
のセクター分けを行なわせ、セクターの優先順位を決め
させ、各セクターをストリップパターンを使用して刈る
ことができる。いずれの手法を使用しても、２種類の方
法で障害物を避けることができる。トレーニングモード
中では、オペレータが、障害物の外周に沿って草刈り機
に指示を与えることによって障害物の位置を知らせる。
こうして湖や大きな花壇の周囲を草刈りを行なうことが
できる。自動モード中では、ソナー技術を使用して木の
如き小さな障害物を自動的に避けることができる。こう
して、トレーニング中にオペレータが多数の小さな障害
物の位置を求める必要性を軽減することができる。自動
モード中には、接触センサは、草刈り機が大きな岩又は
木の如き障害物間にはまり込むことも防ぐ。
制御システム23により算出された位置及び速度情報
を、現存の地形上の障害物及び計画された進行シーケン
スに関する制御システムのメモリとを組み合わせて、環
境内で必要、適切な作業を行なうように、制御システム
23が草刈り機の駆動機構に指示を与えるようにすること
ができる。
本発明は可視の光線に適用可能であるが、本発明の方
法は、全方向の広角度レンズにより作像可能な赤外線、
紫外線及び他の電磁放射線にも適用できる。
〔発明の効果〕
以上詳述したように、本発明によれば視界方位角度が
ほぼ360度の広角度レンズを用いることにより、移動体
の移動制御に必要な位置データが、参照物体に対してカ
メラを常に方向づけしたり、同一高さに保持する必要な
く得られることになる。更に本発明の装置では、高エネ
ルギーを消費するワイヤ等の敷設や、それに対応する回
転式スキャン機構等を必要としないから安価に装置を製
作することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の装置の半球レンズに関する光学構造
の概略図、第２図は本発明の好適な実施例の斜視図、第
３図は本発明を利用している草刈り機の概略側面図であ
る。 １……魚眼レンズ、２……二次元像界、３……対象目
標、4,5,21,22……参照物体、８……魚眼レンズ、９…
…レベルディテクタ、10……ジンバル取付台、11……電
子カメラ、12……縮小レンズ／シャッター装置、14,15,
17,18……ピボットロッド。

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】フィールド上を移動する移動機械上に配置
    され、周囲から受けた映像を投影するための視界方位角
    度がほぼ360度の広角度レンズと； このレンズにより投影された映像を表示する電気信号を
    発生するための手段と； 上記電気信号から二個の認識可能な参照物体の方位角度
    を求めると共に、この方位角度と上記二個の認識可能の
    参照物体の実際の間隔から、上記レンズの上記参照物体
    からの距離を決定する手段と； 上記レンズと上記電気信号発生手段とを支持している揺
    動可能のジンバルと； 上記レンズと上記電気信号発生手段との方向を探知する
    ためのセンサからなる方向探知手段と； 上記方向探知手段が、レンズと信号発生手段の方向が予
    め決められた方向であると探知した時、上記の電気信号
    を選択的にサンプリングするための手段とを有してい
    る、 移動機械上に配置されたレンズのフィールド上の位置判
    断装置。
  2. 【請求項２】上記の信号発生手段が電子カメラから成る
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のフィー
    ルド上の位置判断装置。
  3. 【請求項３】上記の選択サンプリング手段が、上記の方
    向探知手段に反応するため上記のレンズと信号発生手段
    との間に位置していて、上記のレンズと信号発生手段の
    方向が予め決められた方向である時にのみ、上記の投影
    像を信号発生手段に到達させるシャッター機構から成る
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のフィー
    ルド上の位置判断装置。
  4. 【請求項４】上記の選択サンプリング手段が、上記の方
    向探知手段に反応するため上記のレンズと信号発生手段
    との間に位置していて、上記のレンズと信号発生手段の
    方向が予め決められた方向である時にのみ、上記の投影
    像を信号発生手段に到達させるシャッター機構から成る
    ことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載のフィー
    ルド上の位置判断装置。
  5. 【請求項５】上記の広角度レンズが、視界方位角度が約
    360度、視界高さ角度が約180度の半球魚眼レンズから成
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のフィ
    ールド上の位置判断装置。
  6. 【請求項６】上記の信号発生手段が電子カメラから成る
    ことを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載のフィー
    ルド上の位置判断装置。
  7. 【請求項７】上記の選択サンプリング手段が、上記の方
    向探知手段に反応するため上記のレンズと信号発生手段
    との間に位置していて、上記のレンズと信号発生手段の
    方向が予め決められた方向である時にのみ、上記の投影
    像を信号発生手段に到達させるシャッター機構から成る
    ことを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載のフィー
    ルド上の位置判断装置。
  8. 【請求項８】上記の選択サンプリング手段が、上記の方
    向探知手段に反応するため上記のレンズと信号発生手段
    との間に位置していて、上記のレンズと信号発生手段の
    方向が予め決められた方向である時にのみ、上記の投影
    像を信号発生手段に到達させるシャッター機構から成る
    ことを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載のフィー
    ルド上の位置判断装置。
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