JP5616949B2 - 三次元座標測定システム及び三次元座標測定方法 - Google Patents
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Description
こうして求めた対象物までの距離に基づき、火器の俯仰角度等を決定し射撃することで、対象物により正確に命中させることができる。
また、より正確な弾道計算を行いさらに命中精度を高めるためには、対象物との距離だけではなく対象物の三次元座標を得ることが望ましい。なお、対象物と観測点の三次元座標を得られれば、対象物と観測点との距離は計算により容易に求めることができる。
そして、対象物に照準手段を位置調整したときの、基準方角からの旋回角度を測定するとともに、水平面からの俯仰角度を測定するので、三次元地図情報上にプロットした点から、測定した旋回角度及び俯仰角度に基づいて仮想直線を引くことができ、三次元地図情報における地表面に対して仮想直線を延長したときに最初に交わる点を求めることができる。ここで、この点の三次元座標は対象物の現実の三次元座標であるので、このようにレーザを射出することなく対象物の三次元座標を得ることができる。
また、実測された三次元地図情報、旋回角度、及び俯仰角度に基づいて対象物の三次元座標を算出するので、得られる三次元座標の信頼性は高い。
この三次元座標測定システムは、ヘリコプター等から車両等の対象物Tを射撃するときの命中精度を高めるために、地表面上の対象物Tに係る三次元座標を地表面上から測定するものである。
本実施形態において、この対物位置測定装置10は実際に射撃する火器とは離れた場所に設置されている。
俯仰軸サーボモータ13は、視覚センサー11を俯仰可能に支持しており、後述する二軸ジンバル17を基準面として視覚センサー11を俯仰させる。
視覚センサー11を実際に俯仰させるときには、後述する演算ユニット30が俯仰軸サーボアンプ23を介して俯仰軸サーボモータ13を作動させて行う。
一方、俯仰軸サーボモータ13が作動しないときには視覚センサー11はその俯仰角度βで固定されている。
その回転軸は二軸ジンバル17に垂直となっている。
視覚センサー11を実際に旋回させるときには、演算ユニット30が旋回軸サーボアンプ22を介して旋回軸サーボモータ12を作動させて行う。
一方、旋回軸サーボモータ12が作動しないときには視覚センサー11はその旋回角度αで固定されている。
ここで、より正確には俯仰角度測定センサー15は二軸ジンバル17からの俯仰角度βを測定するものであるが、後述するように二軸ジンバル17は水平に保たれるようになっているので、二軸ジンバル17からの視覚センサー11の俯仰角度βを測定することで、水平面からの視覚センサー11の俯仰角度βを得ることができる。
旋回角度測定センサー14は、旋回軸サーボモータ12及び俯仰軸サーボモータ13によって対象物Tに視覚センサー11を向けるように位置調整したときの、車体基準軸37からの旋回角度γを測定する。また、基準方角(ここでは北)からの車体基準軸37の偏差角度δは方位計24により測定される。
そして、図3に示すように、二軸インクリノメータ18で測定された二軸ジンバル17の傾き(PITCH軸回転成分及びYAW軸回転成分)に基づいて、水平制御ユニット32は二軸ジンバル17が水平になるように、フィードバック回路29によりPITCH軸サーボアンプ25を介してPITCHサーボモータ26を駆動させるとともに、YAW軸サーボアンプ27を介してYAW軸サーボモータ28を駆動させる。
この後、再び二軸インクリノメータ18で二軸ジンバル17の傾きを測定し、PITCHサーボモータ26及びYAW軸サーボモータ28を駆動させるといった、二軸ジンバル17を水平に保つようにフィードバック制御を続けて行う。なお、対物位置測定装置10が地表面に設置されている場合には、一旦、二軸ジンバル17の水平を確保できれば二軸インクリノメータ18で常時二軸ジンバル17の傾きを監視する必要はない。
このフィードバック制御によって、図4に示すように、対物位置測定装置10全体を支持する基台20が水平になっていなくても、二軸ジンバル17は水平となる。
ここで、本当に必要な三次元座標というのは視覚センサー11の水平及び俯仰回転の中心位置の三次元座標であるが、位置検出器16ではその視覚センサー11の水平及び俯仰回転の中心位置の三次元座標を直接測定することができない。そこで、視覚センサー11の水平及び俯仰回転の中心位置と位置検出器16の位置との位置ずれが事前に測定しておき、測定された位置検出器16の三次元座標からその位置ずれ分だけパララックス補正(視差補正)することで、視覚センサー11の水平及び俯仰回転の中心位置の三次元座標を求める。
メモリ31は、制御プログラムや各構成要素で測定されたそれぞれの数値や三次元地図情報等を記憶する。ここで、三次元地図情報は、予め地表面上の各地点について測定された三次元座標から作成されるものである。この三次元地図情報は本システムのために特別に作成されたものでなくてもよく、対象物Tが現実に存在する地点の近辺の各緯度・経度における標高のデータを有していればよい。
まず、演算ユニット30は、照準線35のe−n平面への正射影dの長さをゼロに設定するとともに、そのdの微小増加量Δdを設定する(ステップS1(以下、「ステップ」という語を省略する))。e−n平面とは、地平座標におけるいわゆるx−y平面である。
なお、本実施形態においては、図7に示すように、対物位置測定装置10は地表面上に設置され対象物Tは対物位置測定装置10よりも高い位置にあるので、俯仰角度βは水平面から見上げた角度になる。
なお、地平座標と測地座標との関係は図9に示すようになっており、地平座標では観測点Gが原点であって、測地座標においては地球の重心を原点としている。
この交点の東方向成分(e座標)Etはdの東方向成分、北方向成分(n座標)Ntはdの北方向成分、高さ方向成分(u座標)Utはそのdにおける照準線35の値,すなわちUt=d・tanβ+Ugである。
この記憶された三次元座標T(Et,Nt,Ut)は、通信ユニット34を介して火器を有する機器・装置(例えばヘリコプター)に送られ、その三次元座標T(Et,Nt,Ut)に基づいて射撃が行われる。
そして、対象物Tに視覚センサー11を位置調整したときの、基準方角からの旋回角度αを測定するとともに、水平面からの俯仰角度βを測定するので、三次元地図情報上にプロットした点から、測定した旋回角度α及び俯仰角度βに基づいて照準線35(仮想直線)を引くことができ、三次元地図情報における地表面36に対して照準線35を延長したときに最初に交わる点を求めることができる。
ここで、この点の三次元座標は対象物Tの現実の三次元座標であるので、このようにレーザを射出することなく対象物Tの三次元座標を得ることができる。
このように所定時間間隔でその時々の対象物Tの三次元座標を求めて順次メモリ31に記憶させることで、対象物Tが移動していても弾が対象物Tに届くまでの対象物Tの移動量を予測することができるので、対象物Tへの命中精度が高くなる。
このように対物位置測定装置10をヘリコプターに搭載し、対物位置測定装置10が移動する場合には、二軸ジンバル17(対物位置測定装置10)の姿勢制御を常時行う必要がある。
また、水平制御ユニット32で視覚センサー11の姿勢を制御したが、これに限られるものではなく、演算ユニット30が水平制御ユニット32の役割を兼用してもよい。
この基準方角を測定する方位計24には、GPSコンパス、磁気コンパス、ジャイロコンパス等があるが、これらに限られるものではない。
また、位置検出器16は対物位置測定装置10に取付けられているとしたが、これに限られるものではなく、位置ずれの補正を行うことができれば対物位置測定装置10から離れていてもよい。
また、演算ユニット30は対物位置測定装置10とは一体であるとしたが、これに限られるものではなく、対物位置測定装置10とは別体でもよい。
11 視覚センサー(照準手段)
12 旋回軸サーボモータ(旋回手段)
13 俯仰軸サーボモータ(俯仰手段)
14 旋回角度測定センサー(旋回角度測定手段)
15 俯仰角度測定センサー(俯仰角度測定手段)
16 位置検出器(対物位置測定装置座標取得手段)
17 二軸ジンバル(支持手段)
18 二軸インクリノメータ
19 画像処理ユニット
20 基台
21 モニター
22 旋回軸サーボアンプ
23 俯仰軸サーボアンプ
24 方位計
25 PITCH軸サーボアンプ
26 PITCHサーボモータ
27 YAW軸サーボアンプ
28 YAW軸サーボモータ
29 フィードバック回路
30 演算ユニット(旋回手段,俯仰手段,仮想直線決定手段,交点座標取得手段,自動追尾手段)
31 メモリ(三次元地図記憶手段)
32 水平制御ユニット(姿勢制御手段)
33 ジョイスティック
34 通信ユニット
35 照準線(仮想直線)
36 三次元地図情報における地表面(標高データ)
37 車体基準軸(旋回軸)
38 レチクル
d 照準線のe−n平面への正射影
G 観測点
T 対象物
α 基準方角からの視覚センサーの旋回角度
β 水平面からの視覚センサーの俯仰角度
γ 車体基準軸からの視覚センサーの旋回角度
δ 基準方角からの車体基準軸の偏差角度
Claims (4)
- 地表面上の対象物に係る三次元座標を測定する三次元座標測定システムにおいて、
前記対象物に照準が合わせられる照準手段と、
前記照準手段を旋回可能な旋回手段と、
前記照準手段を俯仰可能な俯仰手段と、
前記旋回手段及び前記俯仰手段によって前記対象物に前記照準手段を位置調整したときの、基準方角からの旋回角度を測定する旋回角度測定手段と、
前記対象物に前記照準手段を位置調整したときの、水平面からの俯仰角度を測定する俯仰角度測定手段を有する対物位置測定装置を備えるとともに、
前記対物位置測定装置の三次元座標をGPSにより取得する対物位置測定装置座標取得手段と、
予め地表面上の各地点について測定された三次元座標から作成された三次元地図情報を記憶する三次元地図記憶手段と、
前記三次元地図情報上に、前記対物位置測定装置座標取得手段を介して取得した前記対物位置測定装置の三次元座標をプロットするとともに、そのプロットした点から、前記旋回角度測定手段及び前記俯仰角度測定手段を介して測定した前記旋回角度及び前記俯仰角度に基づいて仮想直線を引く仮想直線決定手段と、
前記三次元地図情報における地表面に対して前記仮想直線を延長したときに最初に交わる点の三次元座標を取得する交点座標取得手段を備え、
前記交点座標取得手段で取得した三次元座標を前記対象物の現実の三次元座標としてメモリに記憶させることを特徴とする三次元座標測定システム。 - 前記照準手段、前記旋回手段、及び前記俯仰手段を上載し支持する支持手段と、
前記支持手段を水平に維持する姿勢制御手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の三次元座標測定システム。 - 前記対象物の移動に対応し、前記旋回手段及び前記俯仰手段を制御して前記照準手段が前記対象物に照準を合わせ続ける自動追尾手段をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の三次元座標測定システム。
- 地表面上の対象物に係る三次元座標を測定する三次元座標測定方法において、
観測点の三次元座標を取得するとともに、
前記観測点と前記対象物との間には障害物が存在しないように前記対象物に照準を合わせたときの、基準方角からの旋回角度及び水平面からの俯仰角度を測定し、
予め地表面上の各地点について測定された三次元座標から作成された三次元地図情報上に、取得した前記観測点の三次元座標をプロットし、さらにそのプロットした点から、測定した前記旋回角度及び俯仰角度に基づいて仮想直線を引いて、前記三次元地図情報における地表面に対して前記仮想直線を延長したときに最初に交わる点の三次元座標を取得し、その三次元座標を前記対象物の現実の三次元座標とすることを特徴とする三次元座標測定方法。
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