JP6708328B2 - Satellite positioning system and satellite positioning method - Google Patents
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Description
本発明は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を用いた測位、その中でも単独搬送波位相測位（ＰＰＰ）方式による衛星測位システム及び衛星測位方法に関する。 The present invention relates to positioning using a GNSS (Global Navigation Satellite System), and more particularly, to a satellite positioning system and a satellite positioning method using a single carrier phase positioning (PPP) method.
ＧＮＳＳを用いた測位には幾つかの方式が存在し、その中にＲＴＫ（Real-Time Kinematic）と呼ばれる方式がある。ＲＴＫ方式では、数センチメートル程度の精度でリアルタイムに移動体の測位が可能である。その一方で、ＲＴＫ方式では、このような利点を実現するために、移動体の他に基準局を設けることが必要となり、移動体はこの基準局との間でも信号をやりとりしなければならない。 There are several methods for positioning using GNSS, and among them, there is a method called RTK (Real-Time Kinematic). With the RTK method, it is possible to measure the position of a moving body in real time with an accuracy of about several centimeters. On the other hand, in the RTK system, in order to realize such an advantage, it is necessary to provide a reference station in addition to the mobile unit, and the mobile unit must also exchange signals with this reference station.
ＧＮＳＳを用いた測位の別の方式として、単独搬送波位相測位（ＰＰＰ:Precise Point Positioning）方式、およびＰＰＰ方式において搬送波位相バイアスの整数解を求めることで精度向上を図るＰＰＰ−ＡＲ（PPP Ambiguity Resolution）方式が知られている（本明細書では、両者を比較対照する場合を除いて、ＰＰＰ方式及びＰＰＰ−ＡＲ方式を含めて、ＰＰＰ方式という）。ＰＰＰ方式は、ＲＴＫ方式とは異なり、基準局が不要でありながら、ＲＴＫ方式と同程度の精度が実現できるという利点がある。その一方で、ＰＰＰ方式では、衛星軌道や衛星時計の誤差、および電離層や対流圏を通過することによる信号の遅延量や搬送波位相バイアスなど多数のパラメータを推定する初期化処理が必要となる。それによって、測位開始からパラメータの推定値が収束して実用的な測位精度が達成されるまでに数十分から１時間程度の時間がかかる。このため、例えば測量、土木作業、建設作業、農作業等にＰＰＰ方式を利用しようとする場合は、この初期化処理が終わるまでは作業を開始できないことが欠点とされていた。（非特許文献１〜３参照） As another method of positioning using GNSS, there is a single carrier phase positioning (PPP: Precise Point Positioning) method, and PPP-AR (PPP Ambiguity Resolution) for improving accuracy by obtaining an integer solution of carrier phase bias in the PPP method. A method is known (in the present specification, the PPP method is included, including the PPP method and the PPP-AR method, unless the two are compared and compared). Unlike the RTK method, the PPP method has an advantage that a reference station is not required, but accuracy similar to that of the RTK method can be realized. On the other hand, the PPP method requires an initialization process for estimating a number of parameters such as an error of a satellite orbit and a satellite clock, a signal delay amount due to passing through the ionosphere and the troposphere, and a carrier phase bias. As a result, it takes several tens of minutes to one hour from the start of positioning until the estimated values of the parameters converge and the practical positioning accuracy is achieved. For this reason, when using the PPP method for surveying, civil engineering work, construction work, agricultural work, etc., for example, it has been a drawback that the work cannot be started until the initialization process is completed. (See Non-Patent Documents 1 to 3)
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、地球上に設置されたマーカを利用して衛星測位における初期化処理にかかる時間を短縮することができるシステム及び方法、並びに、マーカの位置及び／又は姿勢を正確に測定し又は評価することができる方法を提供することを目的とする。また、マーカの姿勢誤差を判定するシステム又は方法も提供する。 The present invention has been made based on such circumstances, and a system and method capable of shortening the time required for initialization processing in satellite positioning using a marker installed on the earth, and a marker. It is an object to provide a method capable of accurately measuring or evaluating the position and/or posture. Also provided is a system or method for determining a pose error of a marker.
本発明に係る衛星測位システムは、
衛星測位部、マーカ検出部、及び演算部を有する移動体と、
予め地球固定座標系における位置及び姿勢が測定されているマーカと、を備え、
前記演算部は、前記マーカ検出部によって検出された前記マーカの位置及び姿勢に基づいて前記移動体の地球固定座標系における位置を算出し、
前記衛星測位部は、前記演算部が算出した前記移動体の位置に関する情報を受け取って、衛星測位処理を実行する。
The satellite positioning system according to the present invention,
A mobile unit having a satellite positioning unit, a marker detection unit, and a calculation unit;
A marker whose position and orientation in the earth fixed coordinate system are measured in advance,
The calculation unit calculates the position of the moving body in the earth fixed coordinate system based on the position and orientation of the marker detected by the marker detection unit,
The satellite positioning unit receives the information regarding the position of the moving body calculated by the calculation unit, and executes satellite positioning processing.
前記マーカ検出部は、前記マーカの画像を撮影する撮影装置を含むことができる。 The marker detection unit may include a photographing device that photographs an image of the marker.
また、本発明に係る衛星測位システムは、
衛星測位部、マーカ検出部、及び演算部を有する移動体と、
予め地球固定座標系における位置が測定されている複数のマーカと、を備え、
前記演算部は、前記マーカ検出部によって検出された前記複数のマーカの位置に基づいて前記移動体の地球固定座標系における位置を算出し、
前記衛星測位部は、前記演算部が算出した前記移動体の位置に関する情報を受け取って、衛星測位処理を実行する。
Further, the satellite positioning system according to the present invention,
A mobile unit having a satellite positioning unit, a marker detection unit, and a calculation unit;
A plurality of markers whose positions in the earth fixed coordinate system are measured in advance,
The calculation unit calculates the position of the moving body in the earth fixed coordinate system based on the positions of the plurality of markers detected by the marker detection unit,
The satellite positioning unit receives the information regarding the position of the moving body calculated by the calculation unit, and executes satellite positioning processing.
本発明に係る衛星測位方法は、
地球固定座標系におけるマーカの位置、又は前記マーカの姿勢を予め測定するステップと、
移動体に搭載されたマーカ検出部により前記マーカを検出し、それに基づいて移動体の地球固定座標系における位置を算出するステップと、
前記移動体の地球固定座標系における位置に関する情報を移動体に搭載された衛星測位部に供給し、衛星測位処理を実行するステップと、
を備える。
The satellite positioning method according to the present invention,
Measuring the position of the marker in the earth fixed coordinate system, or the posture of the marker in advance,
Detecting the marker by a marker detection unit mounted on the moving body, and calculating the position of the moving body in the earth fixed coordinate system based on the marker,
Supplying information on the position of the mobile unit in the earth fixed coordinate system to a satellite positioning unit mounted on the mobile unit, and performing satellite positioning processing;
Equipped with.
本発明に係るマーカの位置及び姿勢を測定する方法は、
衛星測位部、マーカ検出部、及び演算部を有する移動体によって、地上に固定されたマーカの位置及び姿勢を測定する方法であって、
前記移動体の地球固定座標系における位置を取得するステップと、
前記移動体を任意の経路で移動させるステップと、
前記移動体の移動中に、複数の地点のそれぞれにおいて、前記マーカ検出部により前記マーカを観測して前記マーカの前記マーカ検出部に対する相対位置及び相対姿勢を計測し、その計測結果に基づいて各観測地点における前記移動体の前記マーカに対する相対位置を算出するステップと、
前記各観測地点での、前記移動体の地球固定座標系における位置と、前記移動体の前記マーカに対する算出された相対位置を用いて、前記マーカの地球固定座標系における位置及び姿勢を推定するステップと、
を備える。
A method for measuring the position and orientation of a marker according to the present invention is
A method of measuring the position and orientation of a marker fixed on the ground by a moving body having a satellite positioning unit, a marker detection unit, and a calculation unit,
Obtaining the position of the moving body in the earth fixed coordinate system,
Moving the moving body along an arbitrary path,
During the movement of the moving body, at each of a plurality of points, the marker detection unit observes the marker to measure a relative position and a relative posture of the marker with respect to the marker detection unit, and based on the measurement result, Calculating a relative position of the moving body to the marker at an observation point,
Estimating the position and orientation of the marker in the earth fixed coordinate system using the position of the moving body in the earth fixed coordinate system at each of the observation points and the calculated relative position of the moving body with respect to the marker. When,
Equipped with.
ここで、前記各観測地点での、前記移動体の地球固定座標系における位置と、前記移動体の前記マーカに対する算出された相対位置との間の距離を算出し、前記各観測地点の全てにおける前記距離の総和に基づく評価関数を最小とするような前記マーカの地球固定座標系における位置及び姿勢を推定値とすることができる。 Here, at each of the observation points, the distance between the position of the moving body in the earth fixed coordinate system and the calculated relative position of the moving body with respect to the marker is calculated, and at each of the observation points. The position and orientation of the marker in the earth fixed coordinate system that minimizes the evaluation function based on the sum of the distances can be used as the estimated value.
さらに、本発明に係るマーカの位置及び姿勢を測定する方法は、
衛星測位部、マーカ検出部、及び演算部を有する移動体によって、地上に固定されたマーカの位置及び姿勢を測定する方法であって、
前記移動体の地球固定座標系における位置を取得するステップと、
前記マーカに対する任意の位置に複数の仮想マーカを設定するステップと、
前記移動体を任意の経路で移動させるステップと、
前記移動体の移動中に、複数の地点のそれぞれにおいて、前記マーカ検出部により前記マーカを観測して前記マーカの位置及び姿勢を計測し、その結果に基づいてそれぞれの地点において前記複数の仮想マーカの移動体に対する相対位置を算出し、各観測地点において算出された前記複数の仮想マーカの算出相対位置から前記複数の仮想マーカの地球固定座標系における位置を推定するステップと、
前記複数の仮想マーカの推定された位置から、前記マーカの位置及び姿勢を推定するステップと、
を備える。
Furthermore, the method for measuring the position and orientation of the marker according to the present invention,
A method of measuring the position and orientation of a marker fixed on the ground by a moving body having a satellite positioning unit, a marker detection unit, and a calculation unit,
Obtaining the position of the moving body in the earth fixed coordinate system,
Setting a plurality of virtual markers at arbitrary positions with respect to the marker,
Moving the moving body along an arbitrary path,
During the movement of the moving body, at each of a plurality of points, the marker detection unit observes the marker to measure the position and orientation of the marker, and based on the result, the plurality of virtual markers at each point. Calculating a relative position with respect to the moving body, and estimating the position in the earth fixed coordinate system of the plurality of virtual markers from the calculated relative position of the plurality of virtual markers calculated at each observation point,
Estimating the position and orientation of the marker from the estimated positions of the plurality of virtual markers;
Equipped with.
ここで、前記任意の経路は、前記マーカからみた遠位点と近位点とを結ぶ直線であり、前記複数の仮想マーカは、前記マーカとそれぞれの前記仮想マーカを結ぶ直線上で前記移動体から前記直線に下ろした垂線と前記直線との交点に位置するものとすることができる。 Here, the arbitrary path is a straight line connecting a distal point and a proximal point viewed from the marker, and the plurality of virtual markers are the moving body on a straight line connecting the marker and each of the virtual markers. Can be located at the intersection of the perpendicular line drawn from the above to the above straight line.
また、本発明に係るマーカの位置及び姿勢を評価する方法は、
衛星測位部、マーカ検出部、及び演算部を有する移動体によって、地上に固定されたマーカの位置及び姿勢を評価する方法であって、
地上に固定されたマーカの位置及び姿勢を、記憶部に予め記憶しておくステップと、
前記記憶部に予め記憶された前記マーカの位置及び姿勢と、請求項６又は７に記載の方法により測定された前記マーカの位置及び姿勢とを比較するステップと、
を備える。
Further, the method for evaluating the position and orientation of the marker according to the present invention is
A method for evaluating the position and orientation of a marker fixed on the ground by a moving body having a satellite positioning unit, a marker detection unit, and a calculation unit,
A step of pre-storing the position and orientation of the marker fixed on the ground in the storage unit;
Comparing the position and orientation of the marker previously stored in the storage unit with the position and orientation of the marker measured by the method according to claim 6 or 7,
Equipped with.
本発明に係る衛星測位システムは、
衛星測位部、マーカ検出部、及び演算部を有する移動体と、
予め地球固定座標系における位置及び姿勢が測定されているマーカと、を備え、
前記演算部は、前記マーカ検出部によって検出された前記マーカから前記移動体の位置を推定し、
前記衛星測位部は前記移動体の当該推定位置に関する情報を受け取って初期化を行い、前記演算部は、
当該初期化後に前記マーカ検出部が前記マーカを観測することによって前記マーカの位置を推定し、そのマーカの推定位置と予め前記移動体が保持している前記マーカの位置に関する情報を比較することによって、あらかじめ前記移動体が保持している前記マーカの姿勢に誤差があるか否かを判定する。
The satellite positioning system according to the present invention,
A mobile unit having a satellite positioning unit, a marker detection unit, and a calculation unit;
A marker whose position and orientation in the earth fixed coordinate system are measured in advance,
The calculation unit estimates the position of the moving body from the marker detected by the marker detection unit,
The satellite positioning unit receives information about the estimated position of the moving body and performs initialization, and the arithmetic unit:
After the initialization, the marker detection unit estimates the position of the marker by observing the marker, and compares the estimated position of the marker with information about the position of the marker held by the moving body in advance. , It is determined in advance whether or not there is an error in the posture of the marker held by the moving body.
本発明に係るマーカの姿勢誤差を判定する方法は、
衛星測位部、マーカ検出部、及び演算部を有する移動体によって、あらかじめ移動体が保持しているマーカの姿勢誤差を判定する方法であって、
予めマーカの位置及び姿勢を測定し、その結果を前記移動体の演算部が保持するステップと、
前記マーカ検出部が前記マーカを観測し、その結果から前記演算部が前記移動体の位置を推定するステップと、
前記衛星測位部が、前記移動体の当該推定位置に関する情報を受け取って初期化を行うステップと、
前記初期化の後に前記マーカ検出部が前記マーカを観測し、その結果に基づいて前記マーカの位置を推定するステップと、
前記演算部が、前記推定された前記マーカの位置を前記演算部が保持するマーカの位置と比較して、その比較結果に基づいてマーカの姿勢に誤差があるか否かを判定するステップと、
を備える。
The method of determining the attitude error of the marker according to the present invention is
A method of determining a posture error of a marker held in advance by a moving body having a satellite positioning section, a marker detecting section, and a computing section,
Measuring the position and orientation of the marker in advance, and holding the result by the computing unit of the moving body;
A step in which the marker detection unit observes the marker and the operation unit estimates the position of the moving body from the result;
A step in which the satellite positioning section receives information about the estimated position of the moving body and performs initialization;
After the initialization, the marker detection unit observes the marker, and estimates the position of the marker based on the result,
A step in which the arithmetic unit compares the estimated position of the marker with the position of the marker held by the arithmetic unit, and determines whether or not there is an error in the posture of the marker based on the comparison result;
Equipped with.
前記衛星測位部は、単独搬送波位相測位（ＰＰＰ）方式による衛星測位処理を実行するものとすることができる。 The satellite positioning unit may perform satellite positioning processing using a single carrier phase positioning (PPP) method.
測定及び／又は評価された前記マーカの地球固定座標系における位置及び姿勢の情報を、前記移動体と、前記移動体と異なる移動体との間で共有することができる。 Information on the position and orientation of the measured and/or evaluated marker in the earth fixed coordinate system can be shared between the mobile body and a mobile body different from the mobile body.
予め地球固定座標系における位置及び姿勢が測定されているマーカの位置及び姿勢、あるいは、予め地球固定座標系における位置が測定されている複数のマーカの位置を検出し、これに基づいて移動体の地球固定座標系における位置を算出し、その情報を用いて衛星測位処理を実行することにより、衛星測位における初期化処理にかかる時間を従来と比較して大幅に短縮することができる。 The position and orientation of the marker whose position and orientation in the earth-fixed coordinate system are measured in advance, or the position of a plurality of markers whose position in the earth-fixed coordinate system is measured in advance are detected, and the position of the moving body is detected based on this. By calculating the position in the earth fixed coordinate system and executing the satellite positioning process using the information, the time required for the initialization process in the satellite positioning can be significantly shortened compared to the conventional case.
また、前述の、地上に固定されたマーカの位置及び姿勢を測定する方法を実行することによっても、衛星測位における初期化処理にかかる時間を短縮することができる。 Also, by executing the above-described method of measuring the position and orientation of the marker fixed on the ground, the time required for the initialization processing in satellite positioning can be shortened.
さらに、地上に固定されたマーカの位置及び／又は姿勢を予め記憶しておき、前述の方法でマーカの位置及び／又は姿勢を測定し、両者を比較することによって、マーカの現在の位置及び／又は姿勢の正確さを評価することができる。 Furthermore, the position and/or orientation of the marker fixed on the ground is stored in advance, the position and/or orientation of the marker is measured by the above-mentioned method, and both are compared to obtain the current position and/or orientation of the marker. Alternatively, the accuracy of the posture can be evaluated.
以下に、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態によって限定的に解釈されるものではない。
なお、本明細書で言う「初期化」には、測位中断後の再初期化も含むものとする。すなわち、ＧＮＳＳアンテナと衛星との間に障害物が存在することなどにより衛星からの信号が受信できなくなった場合、その後に再び受信できるようになったとしても、測位を再開するためには中断時間に応じて初期化と同様の処理（再初期化）が必要になる場合があり、このような測位中断後の再初期化も含むものとする。
An embodiment of the present invention will be described below. The present invention is not limitedly interpreted by the following embodiments.
It should be noted that "initialization" referred to in this specification includes re-initialization after positioning interruption. That is, if a signal from the satellite cannot be received due to the presence of an obstacle between the GNSS antenna and the satellite, even if the signal can be received again after that, the interruption time is required to restart the positioning. The same process (re-initialization) as the initialization may be required depending on the above, and re-initialization after such positioning interruption is also included.
図１は、ＲＴＫ方式とＰＰＰ方式について、誤差の主な原因と、これらの誤差を低減するための処理の方法を比較対照した図である。図１には、測位衛星からの信号を受信する移動体として、建設現場で使用される車両が示されており、この車両に測位衛星からの信号を受信するＧＮＳＳアンテナが搭載されている。この他に、農業で使用される農業機械、測量現場で使用される測量機器、建設現場などで使用される建設機器などの移動体にも、測位衛星からの信号を受信するＧＮＳＳアンテナを搭載して、衛星測位を実行することができる。 FIG. 1 is a diagram comparing and contrasting main causes of errors and a processing method for reducing these errors in the RTK method and the PPP method. FIG. 1 shows a vehicle used at a construction site as a moving body that receives a signal from a positioning satellite, and this vehicle is equipped with a GNSS antenna that receives a signal from the positioning satellite. In addition to this, GNSS antennas that receive signals from positioning satellites are also installed in mobile bodies such as agricultural machinery used in agriculture, surveying equipment used in survey sites, and construction equipment used in construction sites. Thus, satellite positioning can be performed.
図１に示すように、衛星には高精度の時計が搭載されているが、その時計にも誤差が生じ、また衛星の軌道にも誤差が生じる。そして、測位衛星から発せられる信号は、移動体のＧＮＳＳアンテナに到達するまでに電離層及び対流圏を伝搬するが、その際に遅延を受け、この遅延による誤差も生じる。ＲＴＫ方式ではこのような誤差に対して、精密な位置が分かっている基準局を設置し、移動体と基準局の両方で少なくとも５つの測位衛星からの電波を受け、さらに移動体と基準局との間で信号のやりとりをすることで、このような誤差をキャンセルし、数センチメートル程度の精度を達成することができる。 As shown in FIG. 1, the satellite is equipped with a highly accurate clock, but the clock also has an error, and the orbit of the satellite also has an error. Then, the signal emitted from the positioning satellite propagates through the ionosphere and the troposphere by the time it reaches the GNSS antenna of the moving body, but at that time, it is delayed, and an error due to this delay also occurs. In the RTK system, a reference station whose precise position is known for such an error is installed, and both the mobile body and the reference station receive radio waves from at least five positioning satellites, and the mobile body and the reference station further receive radio waves. By exchanging signals, such an error can be canceled and an accuracy of several centimeters can be achieved.
一方、ＰＰＰ方式では、４つ以上の測位衛星から電波を受け、観測結果及びモデルを用い、衛星軌道や衛星時計の誤差、および電離層や対流圏を通過することによる信号の遅延量や搬送波位相バイアスなど多数のパラメータを推定する初期化処理を行う。初期化処理は、衛星測位を行おうとする移動体に搭載された演算装置によって行うことができる。かかる初期化処理が済めば、地球に固定された座標系（地球固定座標系という）の上での位置について、ＲＴＫと同程度の精度で推定することができる。このようにＰＰＰ方式では基準局及び基準局と移動体との間の通信手段は不要となるものの、初期化処理に数十分から１時間程度の時間がかかる。 On the other hand, the PPP method receives radio waves from four or more positioning satellites, uses observation results and models, and uses errors in satellite orbits and satellite clocks, signal delays due to passing through the ionosphere and troposphere, carrier phase bias, etc. An initialization process for estimating many parameters is performed. The initialization process can be performed by a computing device mounted on a mobile unit that attempts satellite positioning. After such initialization processing, the position on the coordinate system fixed to the earth (referred to as the earth fixed coordinate system) can be estimated with the same accuracy as the RTK. As described above, in the PPP method, the reference station and the communication means between the reference station and the mobile unit are unnecessary, but the initialization process takes several tens of minutes to one hour.
（実施形態１）
本実施形態では、ＰＰＰ方式における初期化処理にかかる時間を短縮するために、図２に符号２１１で示すような視覚マーカを設置する。視覚マーカ２１１は、必要に応じて支持台２１２に固定する。そして、設置した視覚マーカ２１１の位置及び姿勢を予め精密に測定しておく。ここで、視覚マーカの「位置」は、地球固定座標系の上での位置を指す。また、視覚マーカの「姿勢」は、地球固定座標系に対する視覚マーカに固定された座標系（以下必要に応じて「マーカ座標系」という）の姿勢として定義する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, in order to reduce the time required for the initialization process in the PPP method, a visual marker as indicated by reference numeral 211 in FIG. 2 is installed. The visual marker 211 is fixed to the support base 212 as needed. Then, the position and orientation of the installed visual marker 211 is precisely measured in advance. Here, the "position" of the visual marker refers to the position on the earth fixed coordinate system. The "posture" of the visual marker is defined as the posture of the coordinate system fixed to the visual marker with respect to the earth fixed coordinate system (hereinafter referred to as "marker coordinate system" as necessary).
予め測定された視覚マーカ２１１の位置及び姿勢は、図２に示す移動体２０１に搭載された演算装置に関連する記憶装置に視覚マーカ２１１のＩＤ番号と対応付けて記憶させておく。移動体２０１にはさらに、マーカ検出部としてのカメラ２０２及び測位衛星から信号を受信する衛星測位部の一部としてのＧＮＳＳアンテナ２０３が搭載されている。カメラ２０２とＧＮＳＳアンテナ２０３との相対的な位置関係は予め計測しておく。そして、移動体２０１を起動してその位置及び姿勢を迅速かつ精密に推定するために、カメラ２０２の視野に視覚マーカ２１１が入るように移動体２０１を移動させ、カメラ２０２で視覚マーカ２１１を撮影する。 The position and orientation of the visual marker 211 measured in advance are stored in a storage device associated with the arithmetic unit mounted on the moving body 201 shown in FIG. 2 in association with the ID number of the visual marker 211. The moving body 201 is further equipped with a camera 202 as a marker detection unit and a GNSS antenna 203 as a part of a satellite positioning unit that receives a signal from a positioning satellite. The relative positional relationship between the camera 202 and the GNSS antenna 203 is measured in advance. Then, in order to activate the moving body 201 and quickly and accurately estimate its position and orientation, the moving body 201 is moved so that the visual marker 211 enters the visual field of the camera 202, and the visual marker 211 is photographed by the camera 202. To do.
ここで、視覚マーカ２１１について説明する。本実施形態で使用する視覚マーカ２１１は、一例として、２次元平面上に所定の間隔で配置されたドットパターンの上に、２次元平面上に配列された多数のレンズからなるレンズアレイを配置・固定したものであり、ドットパターンのドット同士の間隔とレンズアレイのレンズ同士の間隔はわずかに異ならせてある。このような視覚マーカは、特許第５８４２２４８号公報に記載されており、同公報の図３７、図３８、図３９にこのような視覚マーカの具体的構造が示されている。 Here, the visual marker 211 will be described. As an example of the visual marker 211 used in this embodiment, a lens array including a large number of lenses arranged on a two-dimensional plane is arranged on a dot pattern arranged at a predetermined interval on the two-dimensional plane. The distance between the dots of the dot pattern and the distance between the lenses of the lens array are slightly different. Such a visual marker is described in Japanese Patent No. 5842248, and the specific structure of such a visual marker is shown in FIGS. 37, 38 and 39 of the publication.
上記特許公報の図３７に示されているように、２次元平面上に配列されたドットパターンの上に、レンズ同士の間隔がドットパターンの間隔とは異なるレンズアレイを配置すると、同公報の図３８に示されているように各レンズを通して拡大されて見えるドットパターンの位置は、ドットパターンとレンズ中心とのずれに応じて、元の位置からずれて見える。これを遠くから見ると、同公報の図３９に示されているように濃淡パターン（一つの大きな濃いパターン）として見える。この濃淡パターンの位置は、視覚マーカの法線とこれを見る視線との角度に応じて変化する。濃淡パターンが視覚マーカの中心にあるときは、視線の方向が視覚マーカの法線と一致しているが、視線の方向と視覚マーカの法線方向との角度の変化に応じて、濃淡パターンの位置が変化する。 As shown in FIG. 37 of the above patent publication, when a lens array in which the distance between lenses is different from the dot pattern distance is arranged on a dot pattern arranged on a two-dimensional plane, The position of the dot pattern that is enlarged and seen through each lens as shown at 38 appears to be displaced from the original position according to the displacement between the dot pattern and the center of the lens. When viewed from a distance, this appears as a light and shade pattern (one large dark pattern) as shown in FIG. 39 of the publication. The position of the grayscale pattern changes according to the angle between the normal line of the visual marker and the line of sight to see it. When the grayscale pattern is at the center of the visual marker, the direction of the line of sight matches the normal line of the visual marker, but the grayscale pattern changes according to the change in the angle between the direction of the visual line and the normal direction of the visual marker. The position changes.
上記特許公報の図３７に示された構造の視覚マーカは、全体としては平面状だが、視線の方向と視覚マーカの法線との間の角度の変化に対して濃淡パターンの位置が敏感に変化する。このため、平面状の視覚マーカに仮想的に奥行き情報を付加することができる。この平面状の視覚マーカを使用すると、特に視覚マーカの正面付近で高い精度で角度の変化を検出できる。視線の方向と視覚マーカの法線との間の角度と濃淡パターンの位置との関係は、予め測定し記憶させておく。 The visual marker having the structure shown in FIG. 37 of the above patent publication has a planar shape as a whole, but the position of the grayscale pattern changes sensitively to changes in the angle between the direction of the line of sight and the normal of the visual marker. To do. Therefore, the depth information can be virtually added to the planar visual marker. By using this planar visual marker, it is possible to detect a change in angle with high accuracy, particularly near the front of the visual marker. The relationship between the angle between the direction of the line of sight and the normal line of the visual marker and the position of the grayscale pattern is measured and stored in advance.
視覚マーカ２１１の正確な位置及び姿勢を予め精密に測定しておくことによって、この視覚マーカを移動体２０１に搭載されたカメラ２０２で撮影し、その画像を入力として移動体に搭載した演算装置上のプログラムによってカメラ２０２に対する視覚マーカ２１１の位置及び姿勢を算出することができる。この結果と、予め精密に測定し記憶させてある視覚マーカ２１１の位置及び姿勢のデータと、カメラ２０２とＧＮＳＳアンテナ２０３との相対的な位置関係とから、地球固定座標系におけるＧＮＳＳアンテナ２０３の位置及び姿勢を求めることができる。 By precisely measuring the accurate position and orientation of the visual marker 211 in advance, the visual marker is photographed by the camera 202 mounted on the moving body 201, and the image is input to the arithmetic unit mounted on the moving body. The position and orientation of the visual marker 211 with respect to the camera 202 can be calculated by the program The position of the GNSS antenna 203 in the earth-fixed coordinate system is determined from this result, the position and orientation data of the visual marker 211 that has been precisely measured and stored in advance, and the relative positional relationship between the camera 202 and the GNSS antenna 203. And the posture can be obtained.
こうして得られたＧＮＳＳアンテナ２０３の正確な位置及び姿勢の情報を、ＰＰＰ方式の測位パラメータの推定に利用する。前述のようにＰＰＰ方式の演算装置は、起動してから位置を高い精度で推定できるようになるまでには数十分から１時間程度の時間がかかるが、これはＧＮＳＳアンテナ２０３の初期の位置推定精度が高くない場合、位置を含めた測位パラメータの推定を行うにあたって十分な精度で推定値を求めるには多量の衛星信号を観測する必要があるためである。これに対し、視覚マーカを撮影して得られたＧＮＳＳアンテナ２０３の正確な位置の情報をＰＰＰ方式の演算プログラムに供給することによって、同程度の測位パラメータ推定精度を得るために必要な衛星信号の観測量を劇的に減らすことが可能となり、その結果、高い精度の位置推定ができるようになるまでの時間を、例えば数分程度までに短縮できることが確かめられた。 The information on the accurate position and orientation of the GNSS antenna 203 thus obtained is used for estimating the positioning parameters of the PPP method. As described above, it takes several tens of minutes to one hour or so for the PPP type computing device to be able to estimate the position with high accuracy after starting up. This is due to the initial position of the GNSS antenna 203. This is because if the estimation accuracy is not high, it is necessary to observe a large amount of satellite signals in order to obtain an estimated value with sufficient accuracy in estimating the positioning parameter including the position. On the other hand, by supplying the information on the accurate position of the GNSS antenna 203 obtained by photographing the visual marker to the calculation program of the PPP method, the satellite signal of the satellite signal necessary to obtain the same degree of positioning parameter estimation accuracy can be obtained. It has been confirmed that the amount of observations can be dramatically reduced, and as a result, the time required for highly accurate position estimation can be shortened to, for example, several minutes.
ここで、移動体２０１として農業分野の作業機械にカメラ２０２及びＧＮＳＳアンテナ２０３を搭載した場合を考えると、農場の入口付近などに設けられた支持台２１２に視覚マーカ２１１を設置し、その位置及び姿勢を予め精密に測定しておくことにより、作業機械を起動し、カメラ２０２で視覚マーカ２１１を撮影することによって、作業機械の起動後数分で、ＧＮＳＳアンテナ２０３の正確な位置を高精度に推定できるようになる。したがって、作業機械の起動から作業開始までの時間を大幅に短縮することができる。 Here, considering the case where the camera 202 and the GNSS antenna 203 are mounted on a work machine in the agricultural field as the mobile body 201, the visual marker 211 is installed on the support base 212 provided near the entrance of the farm, and the position and By accurately measuring the posture in advance, the work machine is started up, and the visual marker 211 is photographed by the camera 202, so that the accurate position of the GNSS antenna 203 can be accurately set within a few minutes after the work machine is started up. Be able to estimate. Therefore, the time from the start of the work machine to the start of work can be significantly shortened.
以上では、視覚マーカとして平面的なものを使用した。視覚マーカの他の例としては、例えば宇宙用途でしばしば用いられる３点マーカを使用することができる。３点マーカは、奥行き情報を求めるために、法線方向に伸びた棒状部材を有している。この棒状部材の先端と後端との視覚上の像のずれと棒状部材の長さから、その３点マーカの姿勢を推定できるというものである。宇宙ステーションなどには、外から宇宙ステーションの姿勢を求めるために、複数の３点マーカが設置されていることが多い。設置場所の要求が厳しくない状況においては、このような３点マーカを視覚マーカとして利用することができる。 In the above, a planar marker is used as the visual marker. As another example of the visual marker, for example, a three-point marker often used in space applications can be used. The three-point marker has a rod-shaped member extending in the normal direction to obtain depth information. The posture of the three-point marker can be estimated from the deviation of the visual image between the front end and the rear end of the rod-shaped member and the length of the rod-shaped member. A space station or the like is often provided with a plurality of three-point markers in order to obtain the attitude of the space station from the outside. Such a three-point marker can be used as a visual marker in a situation where the installation location is not so demanding.
本実施形態では、ＧＮＳＳを用いた衛星測位方式としてＰＰＰ方式を用いた場合について説明した。しかしながら、本実施形態は、基準局を不要とする方式であって初期化処理に時間を要する衛星測位方式であれば、ＰＰＰ方式には限られない。この点は、以下の各実施形態においても同様である。 In this embodiment, the case where the PPP method is used as the satellite positioning method using the GNSS has been described. However, the present embodiment is not limited to the PPP method as long as it is a method that does not require a reference station and is a satellite positioning method that requires time for initialization processing. This point is the same in each of the following embodiments.
（実施形態２）
実施形態１では、視覚マーカ２１１の位置及び姿勢を予め精密に測定しておくことが前提となる。視覚マーカ２１１の位置及び姿勢の測定には、測量機器を使う方法を始めとして、種々の方法が考えられるが、実施形態２では、位置を高精度に推定できるようになった移動体２０１を利用して、視覚マーカ２１１の位置及び姿勢を精密に測定する。既に述べたように、ＰＰＰ方式では、移動体２０１の位置を精密に推定できるようになるまでにはある程度の時間がかかるが、時間がかかっても位置を高精度に推定できるようになれば、次のようにして移動体２０１に搭載されたカメラ２０２を利用して、視覚マーカ２１１の精密な位置及び姿勢を測定することができる。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, it is premised that the position and orientation of the visual marker 211 is precisely measured in advance. Various methods are conceivable for measuring the position and orientation of the visual marker 211, such as a method using a surveying instrument. In the second embodiment, the moving body 201 that can estimate the position with high accuracy is used. Then, the position and orientation of the visual marker 211 are precisely measured. As described above, in the PPP method, it takes some time before the position of the moving body 201 can be accurately estimated, but if the position can be estimated with high accuracy even if it takes time, By using the camera 202 mounted on the moving body 201 as described below, the precise position and orientation of the visual marker 211 can be measured.
図３〜図９は、視覚マーカ２１１の位置及び姿勢を測定する方法を示した図である。図３に示すように、視覚マーカ２１１は右側にあり、カメラ２０２及びＧＮＳＳアンテナ２０３を搭載した移動体２０１は左側にある。移動体２０１と視覚マーカ２１１との距離は、一例として１０メートル程度とする。このとき、ＧＮＳＳアンテナ２０３の位置は、すでにＰＰＰ方式によって高精度に推定できる状態となっている。また、移動体には、例えば地磁気を利用して方位角を測定する機能を有する慣性計測装置（ＩＭＵ:Inertial Measurement Unit）を搭載しておき、これにより移動体の姿勢を推定することができるようになっている。この姿勢の精度は、角度にして数度程度あれば十分である。この移動体２０１の姿勢は、カメラ２０２に対するＧＮＳＳアンテナ２０３の位置を算出するために必要となる。さらに、例えば移動体２０１の遠位点と近位点とを結ぶ直線の垂直二等分線上に、直線に関して対称かつ直線からある程度離れた２つの地点にそれぞれ仮想マーカＡ及びＢを設定し、マーカ座標系における各仮想マーカの位置を記憶する。 3 to 9 are diagrams showing a method of measuring the position and orientation of the visual marker 211. As shown in FIG. 3, the visual marker 211 is on the right side, and the mobile body 201 equipped with the camera 202 and the GNSS antenna 203 is on the left side. The distance between the moving body 201 and the visual marker 211 is, for example, about 10 meters. At this time, the position of the GNSS antenna 203 can be estimated with high accuracy by the PPP method. In addition, for example, an inertial measurement unit (IMU: Inertial Measurement Unit) having a function of measuring an azimuth angle by using the earth's magnetism is mounted on the moving body so that the posture of the moving body can be estimated. It has become. It is sufficient for the accuracy of this posture to be several degrees in terms of angle. The attitude of the moving body 201 is necessary to calculate the position of the GNSS antenna 203 with respect to the camera 202. Further, for example, on the vertical bisector of a straight line connecting the distal point and the proximal point of the moving body 201, virtual markers A and B are set at two points that are symmetrical with respect to the straight line and are apart from the straight line to some extent, The position of each virtual marker in the coordinate system is stored.
その後、図４に示すように、遠位点から近位点に向けて移動体２０１の移動を開始する。移動を開始したら、カメラ２０２で視覚マーカ２１１を観測し、カメラ２０２に対する視覚マーカ２１１の相対位置及び姿勢を計測する。そして、図５に示すように、それぞれの観測地点において、最初に記憶したマーカ座標系における各仮想マーカＡ、Ｂの位置と、その観測地点において計測されたカメラ２０２に対する視覚マーカ２１１の相対位置・姿勢から、カメラ２０２に対する各仮想マーカＡ、Ｂの位置を求め、これをもとにカメラ２０２から各仮想マーカＡ、Ｂまでの距離を算出する。 Then, as shown in FIG. 4, the moving body 201 starts moving from the distal point toward the proximal point. When the movement starts, the camera 202 observes the visual marker 211, and the relative position and orientation of the visual marker 211 with respect to the camera 202 are measured. Then, as shown in FIG. 5, at each observation point, the positions of the virtual markers A and B in the marker coordinate system initially stored and the relative position of the visual marker 211 with respect to the camera 202 measured at that observation point. The position of each virtual marker A, B with respect to the camera 202 is obtained from the posture, and the distance from the camera 202 to each virtual marker A, B is calculated based on this position.
さらに、図６に示すように、地球固定座標系におけるカメラ位置（衛星測位及びＩＭＵによって計測）を中心として、図５で求めた各仮想マーカＡ、Ｂまでの距離を半径とする円、すなわち、各仮想マーカＡ、Ｂに対応して一つの観測地点ごとに２つの円を求める。このような観測動作を、図７に示すように、移動体２０１が遠位点から近位点まで移動する間に多数の観測地点（例えば１００地点）において実行する。すると、図８に示すように、各仮想マーカＡ、Ｂについて、観測地点の数に等しい数の円が得られ、それらの円の交点（図８中の星印）が地球固定座標系における各仮想マーカの推定位置となる。なお、ここでは便宜上、円の交点が仮想マーカの推定位置となるという幾何学的解釈に基づいて説明しているが、実際の計算においては、図５について説明した各観測地点から各仮想マーカまでの距離と、各観測地点の位置及び仮想マーカの推定位置から求められる距離との残差をもとに、最適化手法を用いて仮想マーカの推定位置を算出する。 Further, as shown in FIG. 6, a circle whose radius is the distance to each of the virtual markers A and B obtained in FIG. 5 with the camera position (measured by satellite positioning and IMU) in the earth fixed coordinate system as the center, that is, Two circles are obtained for each observation point corresponding to each virtual marker A, B. As shown in FIG. 7, such an observation operation is executed at a large number of observation points (for example, 100 points) while the moving body 201 moves from the distal point to the proximal point. Then, as shown in FIG. 8, for each of the virtual markers A and B, a number of circles equal to the number of observation points is obtained, and the intersections of these circles (stars in FIG. 8) are the points in the earth fixed coordinate system. It is the estimated position of the virtual marker. Note that, for convenience, the explanation is based on the geometrical interpretation that the intersection of circles is the estimated position of the virtual marker, but in the actual calculation, from each observation point described in FIG. 5 to each virtual marker. The estimated position of the virtual marker is calculated using an optimization method based on the residual difference between the distance of 1 and the distance obtained from the position of each observation point and the estimated position of the virtual marker.
このようにして求められた地球固定座標系における各仮想マーカＡ、Ｂの推定位置（図９中の星印）と、図３に関連して説明した予め設定した仮想マーカＡ、Ｂのマーカ座標系における位置から、図９に示すように、地球固定座標系における視覚マーカ２１１の位置及び姿勢（地球固定座標系に対するマーカ座標系の位置・姿勢）を算出する。 The estimated positions (stars in FIG. 9) of the virtual markers A and B in the earth fixed coordinate system obtained in this way, and the marker coordinates of the preset virtual markers A and B described with reference to FIG. As shown in FIG. 9, the position and orientation of the visual marker 211 in the earth fixed coordinate system (the position and orientation of the marker coordinate system with respect to the earth fixed coordinate system) are calculated from the position in the system.
このようにして視覚マーカ２１１の位置及び姿勢の精密な測定結果が得られたら、この結果を、実施形態１の視覚マーカ２１１の位置及び姿勢の情報として利用できることは直ちに理解されよう。 It is immediately understood that, when the precise measurement result of the position and orientation of the visual marker 211 is obtained in this way, the result can be used as the information of the position and orientation of the visual marker 211 of the first embodiment.
なお、仮想マーカを設定する位置は、上記のように遠位点と近位点とを結ぶ直線の垂直二等分線上とする以外にも、種々の設定の仕方が可能である。また、視覚マーカを観測しながら移動する移動体の走行経路も、上記のように遠位点と近位点を結ぶ直線には限られない。しかしながら、多数の観測地点での観測によって仮想マーカの位置を推定する際の誤差を最小にすることを考慮すると、仮想マーカの設置位置及び移動体の走行経路を上記のようにすることが有利となる。 The position of setting the virtual marker is not limited to the vertical bisector of the straight line connecting the distal point and the proximal point as described above, and various setting methods are possible. Further, the traveling route of the moving body that moves while observing the visual marker is not limited to the straight line connecting the distal point and the proximal point as described above. However, considering that the error in estimating the position of the virtual marker by observation at a large number of observation points is minimized, it is advantageous to set the installation position of the virtual marker and the traveling route of the moving body as described above. Become.
また、上記では、２次元平面上での例を示したが、仮想マーカの数を増やし、距離を半径とする円を球に変更することで、３次元空間への拡張も容易に可能である。 Also, although an example on a two-dimensional plane has been shown above, expansion to a three-dimensional space is easily possible by increasing the number of virtual markers and changing a circle having a radius as a radius to a sphere. ..
（実施形態３）
図１０〜１６は、視覚マーカ２１１の位置及び姿勢を測定する方法を示した図である。図１０に示すように、視覚マーカ２１１は、カメラ２０２及びＧＮＳＳアンテナ２０３を搭載した移動体２０１の前方にある。移動体２０１と視覚マーカ２１１との距離は、一例として１０メートル程度とする。このとき、ＧＮＳＳアンテナ２０３の位置は、すでにＰＰＰ方式によって高精度に推定できる状態となっている。この実施形態では、視覚マーカ２１１の地球固定座標系における正確な位置及び姿勢は未知であるが、以下で示す計算に用いるため、それぞれに仮の値を設定しておく。この仮の値は、真値にできるだけ近い値を設定する必要はなく、例えば、真値との誤差が位置にして１０ｍ程度であってもよく、姿勢にして１０度程度であってもよい。
(Embodiment 3)
10 to 16 are diagrams showing a method of measuring the position and orientation of the visual marker 211. As shown in FIG. 10, the visual marker 211 is in front of the moving body 201 equipped with the camera 202 and the GNSS antenna 203. The distance between the moving body 201 and the visual marker 211 is, for example, about 10 meters. At this time, the position of the GNSS antenna 203 can be estimated with high accuracy by the PPP method. In this embodiment, the exact position and orientation of the visual marker 211 in the earth-fixed coordinate system are unknown, but since they are used in the calculation described below, provisional values are set for each. It is not necessary to set the provisional value as close as possible to the true value, and for example, the error from the true value may be about 10 m in position or about 10 degrees in posture.
その後、視覚マーカ２１１に近づく方向に移動体２０１の移動を開始する。移動を開始したら、カメラ２０２で視覚マーカ２１１を観測し、カメラ２０２に対する視覚マーカ２１１の相対位置及び姿勢を計測する。そして、図１１に示すように、それぞれの観測地点において、その観測地点において計測されたカメラ２０２に対する視覚マーカ２１１の相対位置及び姿勢と、仮に設定された視覚マーカ２１１の地球固定座標系における位置及び姿勢から、ＧＮＳＳアンテナ２０３の地球固定座標系における推定位置を算出する。同時に、図１２に示すように、衛星測位によってＧＮＳＳアンテナ２０３の地球固定座標系における計測位置を計測する。その際、カメラ２０２が視覚マーカ２１１を撮影する時刻と、衛星測位によりＧＮＳＳアンテナ２０３の位置を計測する時刻は、同期が取れている必要がある。この撮影時刻と計測時刻との同期は、例えば、ＧＮＳＳ受信機からＧＰＳ時刻に同期して出力されるパルス信号を、外部トリガ入力機能を持ったカメラに入力し、ＧＰＳ時刻に同期してカメラのシャッターを切ることによって実現できる。 After that, the moving body 201 starts moving in a direction approaching the visual marker 211. When the movement starts, the camera 202 observes the visual marker 211, and the relative position and orientation of the visual marker 211 with respect to the camera 202 are measured. Then, as shown in FIG. 11, at each observation point, the relative position and orientation of the visual marker 211 with respect to the camera 202 measured at that observation point, and the position of the temporarily set visual marker 211 in the earth fixed coordinate system and An estimated position of the GNSS antenna 203 in the earth fixed coordinate system is calculated from the attitude. At the same time, as shown in FIG. 12, the measurement position of the GNSS antenna 203 in the earth fixed coordinate system is measured by satellite positioning. At that time, the time at which the camera 202 photographs the visual marker 211 and the time at which the position of the GNSS antenna 203 is measured by satellite positioning need to be synchronized. This shooting time and measurement time are synchronized with each other, for example, by inputting a pulse signal output from the GNSS receiver in synchronization with GPS time to a camera having an external trigger input function and synchronizing with GPS time. It can be realized by releasing the shutter.
こうして、移動体２０１の移動中に、１つの観測点につき、カメラ２０２と視覚マーカ２１１を利用して求められたＧＮＳＳアンテナ２０３の地球固定座標系における位置（図１３に「＋印（プラス印）」で示す）と、衛星測位を利用して求められたＧＮＳＳアンテナ２０３の地球固定座標系における位置（図１３に「○印（白丸印）」で示す）の、２通りの位置測定結果を得ることができる。 Thus, while the moving body 201 is moving, the position of the GNSS antenna 203 in the earth fixed coordinate system obtained by using the camera 202 and the visual marker 211 for one observation point (“+ (plus sign) in FIG. 13”. , And the position of the GNSS antenna 203 in the earth fixed coordinate system obtained by using satellite positioning (indicated by “○ (white circle)” in FIG. 13), two position measurement results are obtained. be able to.
このような観測動作を、図１４に示すように、移動体２０１が視覚マーカ２１１に対する遠位点から近位点まで移動する間に多数の観測地点（例えば１００地点）において実行する。すると、図１５に示すように、観測地点の数に等しい組のＧＮＳＳアンテナ２０３の地球固定座標系における位置測定結果が得られる。ここで、図１５中に＋印で示された、カメラ２０２と視覚マーカ２１１を利用して求められたＧＮＳＳアンテナ２０３の各観測地点での地球固定座標系における位置は、移動体２０１による観測開始前に仮に設定した視覚マーカ２１１の地球固定座標系における位置及び姿勢の値に応じて変化する。そこで、この＋印で示された位置の中心と、○印で示された衛星測位によって計測された位置の中心との差（図１６に矢印で示す）が、すべての観測地点についてなるべく小さくなるような視覚マーカ２１１の地球固定座標系における位置及び姿勢の値を求める。これにより、各観測地点における衛星測位の結果と最も整合する、視覚マーカ２１１の地球固定座標系における位置及び姿勢を推定することができる。 As shown in FIG. 14, such an observation operation is executed at many observation points (for example, 100 points) while the moving body 201 moves from the distal point to the proximal point with respect to the visual marker 211. Then, as shown in FIG. 15, the position measurement result in the earth fixed coordinate system of the GNSS antennas 203 of the set equal to the number of observation points is obtained. Here, the position in the earth fixed coordinate system at each observation point of the GNSS antenna 203, which is obtained by using the camera 202 and the visual marker 211, indicated by the + mark in FIG. It changes according to the value of the position and orientation of the visual marker 211 temporarily set in the earth fixed coordinate system. Therefore, the difference between the center of the position indicated by the + symbol and the center of the position measured by satellite positioning indicated by the O symbol (indicated by the arrow in FIG. 16) is as small as possible for all the observation points. Values of the position and orientation of the visual marker 211 in the earth fixed coordinate system are obtained. This makes it possible to estimate the position and orientation of the visual marker 211 in the earth-fixed coordinate system that best matches the satellite positioning result at each observation point.
このようにして、得られた視覚マーカ２１１の位置及び姿勢の精密な測定結果を、実施形態１における視覚マーカの位置及び姿勢の情報として利用できることは直ちに理解されるだろう。すなわち、本実施形態における視覚マーカ２１１の地球固定座標系における位置及び姿勢についての精密な測定結果を実施形態１において視覚マーカの測定結果からＧＮＳＳアンテナの位置を算出する際に用いることによって、ＰＰＰ方式での高い精度の位置推定ができるようになるまでの時間を大幅に短縮することができる。 It will be immediately understood that the precise measurement result of the position and orientation of the visual marker 211 thus obtained can be used as the information of the position and orientation of the visual marker in the first embodiment. That is, by using the precise measurement result of the position and orientation of the visual marker 211 in the earth fixed coordinate system in the present embodiment when calculating the position of the GNSS antenna from the measurement result of the visual marker in the first embodiment, the PPP method is used. It is possible to significantly reduce the time required for highly accurate position estimation in.
（実施形態４）
次に、実施形態４として、初期化時の測位誤差を低減する方法について説明する。まず、図１７に示すように、実施形態１に示した方法（以下「方法１」とする）と同様の方法によって、測位パラメータの推定を行う。このとき、視覚マーカ２１１は、その位置及び姿勢が本来あるべき正確な位置及び姿勢であるかどうかは分からないことが前提である。その後、図１８に示すように、推定された測位パラメータを用いて実施形態２に示した方法（以下「方法２」とする）により、地球固定座標系における視覚マーカ２１１の位置を推定する。
(Embodiment 4)
Next, as a fourth embodiment, a method of reducing the positioning error at the time of initialization will be described. First, as shown in FIG. 17, the positioning parameter is estimated by a method similar to the method described in the first embodiment (hereinafter referred to as “method 1”). At this time, it is premised that it is not known whether the position and orientation of the visual marker 211 is the correct position and orientation. Then, as shown in FIG. 18, the position of the visual marker 211 in the earth fixed coordinate system is estimated by the method shown in the second embodiment (hereinafter referred to as “method 2”) using the estimated positioning parameter.
このように推定された位置（Ｐとする）と、事前に測定した結果として記憶している視覚マーカの位置（Ｑとする）から、方法２において視覚マーカを計測している間の衛星測位誤差が一定であると仮定すると（このように仮定することは、想定している時間範囲内においては妥当である）、方法１による測位パラメータ推定時の推定誤差に起因する測位誤差を算出できる。図１９は、このことを模式的に示している。 A satellite positioning error during the measurement of the visual marker in Method 2 from the position thus estimated (P) and the position of the visual marker (Q) stored as a result of the measurement in advance. Assuming that is constant (this assumption is valid within the assumed time range), the positioning error due to the estimation error at the time of estimating the positioning parameter by the method 1 can be calculated. FIG. 19 schematically shows this.
そこで、位置Ｐと位置Ｑとの差から測位誤差を求め、図２０に示すように、これを補正量として初期位置を修正し、再び方法１による測位パラメータ推定を行えば、測位誤差を著しく低減することができる。さらに、測位誤差が低減された状態で方法２によって視覚マーカの位置及び姿勢の推定を行えば、測位開始から十分時間が経過していない段階でも、実施形態５で述べる視覚マーカの設置位置及び姿勢の評価が可能である。 Therefore, if the positioning error is obtained from the difference between the position P and the position Q, and the initial position is corrected using this as a correction amount as shown in FIG. 20, and the positioning parameter is estimated again by the method 1, the positioning error is significantly reduced. can do. Furthermore, if the position and orientation of the visual marker are estimated by Method 2 while the positioning error is reduced, the position and orientation of the visual marker described in the fifth embodiment will be described even when a sufficient time has not elapsed from the start of positioning. Can be evaluated.
（実施形態５）
次に、実施形態５について説明する。実施形態１では、視覚マーカ２１１の位置及び姿勢が高い精度で正確であることが求められるが、例えば地震などがあって地面の位置や方向が変化するなど、何らかの理由で視覚マーカ２１１の位置及び姿勢が変化することが起こり得る。このようなことが起こると、実施形態１で述べた作業機械の起動後数分でＧＮＳＳアンテナ２０３の正確な位置及び姿勢を高精度に推定する、ということができなくなる可能性がある。そこで、実施形態５では、既に位置及び姿勢が測定されている視覚マーカ２１１の、その位置及び姿勢の精度の評価を行う。
(Embodiment 5)
Next, a fifth embodiment will be described. In the first embodiment, the position and orientation of the visual marker 211 is required to be highly accurate and accurate. However, the position and orientation of the visual marker 211 may change for some reason, such as the position and direction of the ground changing due to an earthquake or the like. Changes in posture can occur. When such a situation occurs, it may not be possible to accurately estimate the accurate position and orientation of the GNSS antenna 203 within a few minutes after the work machine is started, as described in the first embodiment. Therefore, in the fifth embodiment, the accuracy of the position and orientation of the visual marker 211 whose position and orientation have already been measured is evaluated.
実施形態１で説明したように、ＰＰＰ方式では、ＧＮＳＳアンテナ２０３の位置推定の精度は、推定動作を一定時間以上継続すれば数センチメートル程度になる。例えば移動体２０１がその日の作業を終える頃には、この程度の推定精度が得られていると考えられる。これとは別に、例えば作業を終えて格納庫に戻る途中において、視覚マーカ２１１を撮影し、実施形態１で説明したようにその画像を入力として移動体に搭載した演算装置上のプログラムによってカメラ２０２に対する視覚マーカ２１１の位置及び姿勢を算出し、予め精密に測定し記憶させてある視覚マーカ２１１の位置及び姿勢のデータと、カメラ２０２とＧＮＳＳアンテナ２０３との相対的な位置関係とから、地球固定座標系におけるＧＮＳＳアンテナ２０３の位置及び姿勢を求める。 As described in the first embodiment, in the PPP method, the position estimation accuracy of the GNSS antenna 203 becomes about several centimeters if the estimation operation is continued for a certain time or longer. For example, it is considered that this degree of estimation accuracy is obtained by the time the moving body 201 finishes the work of the day. Separately from this, for example, during the process of returning to the hangar after finishing the work, the visual marker 211 is photographed, and as described in the first embodiment, the image is input to the camera 202 by the program on the arithmetic unit mounted on the moving body. The position and orientation of the visual marker 211 are calculated, and the position and orientation data of the visual marker 211 that has been precisely measured and stored in advance and the relative positional relationship between the camera 202 and the GNSS antenna 203 are used to fix the earth fixed coordinates. The position and orientation of the GNSS antenna 203 in the system are obtained.
こうして得られた２つの結果を比較することによって、視覚マーカ２１１が正しく設置されているかどうかを確認・評価できる。例えばこのとき両者の結果に相違があるとすれば、視覚マーカ２１１の位置及び姿勢に何らかの変化が生じたと考えられるので、必要に応じて、視覚マーカ２１１の位置及び姿勢を修正するか、あるいはここで得られた視覚マーカ２１１の位置及び姿勢を新たに記憶装置に記憶し、次回の作業開始時にこれを利用することができる。 By comparing the two results thus obtained, it is possible to confirm and evaluate whether or not the visual marker 211 is correctly installed. For example, if there is a difference between the two results at this time, it is considered that some change has occurred in the position and orientation of the visual marker 211. Therefore, if necessary, the position and orientation of the visual marker 211 should be corrected, or The position and orientation of the visual marker 211 obtained in step 3 can be newly stored in the storage device, and can be used at the start of the next work.
（実施形態６）
これまでは、１つの視覚マーカを用いた場合について説明した。しかしながら、地球固定座標系における位置のみを高精度に計測できるマーカが複数あれば、マーカの姿勢を高精度に計測することができなくても、実施形態１と同様に、ＧＮＳＳアンテナの初期位置情報を用いることで、測位開始から高い精度を得られるようになるまでに要する時間を短縮することができる。
(Embodiment 6)
So far, the case of using one visual marker has been described. However, if there are a plurality of markers that can measure only the position in the earth fixed coordinate system with high accuracy, even if the posture of the marker cannot be measured with high accuracy, the initial position information of the GNSS antenna is similar to the first embodiment. By using, it is possible to shorten the time required from the start of positioning until high accuracy is obtained.
一例として、既知の半径（例えば５０ｍｍ）を有する２本の円柱をマーカとして用い、これらをある程度離して（例えば５ｍ離して）鉛直に設置し、地球固定座標系における円柱中心位置を事前に計測しておく。そして、移動体にはマーカ検出部としてのレーザスキャナ及びＩＭＵを搭載する。ここで、レーザスキャナは、レーザ光線を発射し、対象物体で反射して戻ってくるまでの時間から対象物体までの距離を高精度に測定できるレーザ距離計のうちレーザ光線を放射状に走査させることができるものを用いる。 As an example, two cylinders having a known radius (for example, 50 mm) are used as markers, and these are installed vertically with some distance (for example, 5 m apart), and the center position of the cylinder in the earth fixed coordinate system is measured in advance. Keep it. A laser scanner and an IMU as a marker detection unit are mounted on the moving body. Here, the laser scanner emits a laser beam, and scans the laser beam radially among the laser rangefinders that can measure the distance to the target object from the time it takes for the laser beam to be reflected and returned by the target object with high accuracy. Use the one that can.
レーザスキャナで２本の円柱までの距離及びそれぞれの円柱を見込む角度を計測し、それらの結果をもとに三角測量の手法を用いて地球固定座標系におけるレーザスキャナの位置を算出する。移動体上でのレーザスキャナとＧＮＳＳアンテナの位置関係を事前に計測しておけば、地球固定座標系におけるレーザスキャナの位置及びＩＭＵによって得られる方位角から、地球固定座標系におけるＧＮＳＳアンテナの位置を算出することが可能となり、これを用いて実施形態１と同様に衛星測位の処理を実行することができる。 The laser scanner measures the distances to the two cylinders and the angles at which the cylinders are viewed, and based on the results, the position of the laser scanner in the earth fixed coordinate system is calculated using the triangulation method. If the positional relationship between the laser scanner and the GNSS antenna on the moving body is measured in advance, the position of the GNSS antenna in the earth fixed coordinate system can be calculated from the position of the laser scanner in the earth fixed coordinate system and the azimuth obtained by the IMU. The calculation can be performed, and the satellite positioning process can be executed by using the calculated value.
（実施形態７）
次に、実施形態７として、マーカ設置姿勢の誤差の検出について説明する。図２１に、その検出原理を示す。
(Embodiment 7)
Next, as Embodiment 7, detection of an error in the marker installation posture will be described. FIG. 21 shows the detection principle.
図２１の左側は、マーカ設置姿勢に誤差がない場合、すなわち、事前に計測し、システムが保持しているマーカ設置姿勢と実際のマーカ設置姿勢が一致している場合を示している。上側の枠内の線でつながれた●印は、マーカを観測することによって得られた移動体の推定位置であり、下側の枠内の線でつながれた★印は、衛星測位によって得られた移動体の推定位置である。先に述べた視覚マーカの位置及び姿勢を測定する方法により、各観測点における●印と★印がなるべく一致するようにフィッティングを行うことで、マーカが設置された推定位置を得ることができる。マーカ設置姿勢に誤差がない場合、この推定設置位置は、事前に計測しシステムが保持している設置位置とほぼ一致する。 The left side of FIG. 21 shows the case where there is no error in the marker installation posture, that is, the case where the marker installation posture measured in advance and held by the system matches the actual marker installation posture. The ● mark connected by the line in the upper frame is the estimated position of the moving body obtained by observing the marker, and the ★ mark connected by the line in the lower frame was obtained by satellite positioning. This is the estimated position of the moving body. By the above-described method of measuring the position and orientation of the visual marker, the estimated position where the marker is installed can be obtained by performing fitting so that the ● mark and the ★ mark at each observation point match as much as possible. If there is no error in the marker installation posture, this estimated installation position is almost the same as the installation position measured in advance and held by the system.
一方、図２１の右側は、マーカ設置姿勢に誤差がある場合を示している。最初の観測点においてマーカを観測することによって得られた移動体の推定位置は、マーカ設置姿勢の誤差の影響により、上側枠内の左端の●印のように、設置姿勢に誤差がない場合に比べてオフセット（補正）する。この推定位置情報を用いて衛星測位の初期化を行った場合、初期化完了後の衛星測位結果にも先のオフセットに相当する誤差が残る。なお、この誤差は時間の経過と共に徐々に低減するが、ここで考える時間範囲内では一定と見做して差し支えない。これらの測定結果を用いて先に述べたのと同様のフィッティングによりマーカが設置された推定位置を求めると、事前に計測しシステムが保持している設置位置とは一致せず、差が生じる。これはマーカの観測によって求められる移動体の推定位置の誤差量がマーカからの距離に応じて変化するのに対し、衛星測位によって求められる移動体の推定位置の誤差量はほぼ一定であることに起因する。 On the other hand, the right side of FIG. 21 shows a case where the marker installation posture has an error. The estimated position of the moving object obtained by observing the marker at the first observation point is when there is no error in the installation posture, such as the mark ● at the left end in the upper frame, due to the influence of the error in the marker installation posture. Offset (correction) in comparison. When the satellite positioning is initialized using this estimated position information, an error corresponding to the previous offset remains in the satellite positioning result after the initialization is completed. It should be noted that this error gradually decreases with the passage of time, but can be regarded as constant within the time range considered here. If the estimated position where the marker is installed is obtained by using the same fitting as described above using these measurement results, it does not match the installation position that is measured in advance and held by the system, and a difference occurs. This means that the error amount of the estimated position of the moving body obtained by observing the marker changes according to the distance from the marker, whereas the error amount of the estimated position of the moving body obtained by satellite positioning is almost constant. to cause.
よって、マーカの推定位置と、事前に計測しシステムが保持しているマーカの位置とが一致するか否かによって、マーカ設置姿勢に誤差があるかどうかを検出することができる。なお、この方法によって検出できるのはマーカの設置姿勢の誤差のみであり、マーカの設置位置の誤差は検出できない。しかし、設置状態のマーカが変位する場合、地殻変動などによる大域的変化という極端な場合を除けば、姿勢変化を伴わずにマーカが並進して位置のみが変化することは考えにくい。したがって、マーカに変位が生じたかどうかは、この方法によって十分に判定可能である。 Therefore, it is possible to detect whether or not there is an error in the marker installation posture depending on whether or not the estimated position of the marker and the position of the marker that is measured in advance and held by the system match. Note that this method can detect only the error in the installation posture of the marker, and cannot detect the error in the installation position of the marker. However, when the marker in the installed state is displaced, it is unlikely that the marker will translate and only the position will change without any posture change, except for the extreme case of a global change due to crustal movement or the like. Therefore, whether or not the marker has been displaced can be sufficiently determined by this method.
（実施形態８）
上述の各実施形態において、マーカの観測結果やマーカの設置位置及び姿勢の推定結果は、通信を利用して複数の移動体の間で共有することができる。これにより、例えばある移動体Ａが実施形態３で説明した方法で推定したマーカの設置位置及び姿勢の情報を、別の移動体Ｂと共有することによって、移動体Ｂは実施形態３で説明した方法による推定を自ら行わなくても、正確なマーカの設置位置及び姿勢の情報を利用することができる。
(Embodiment 8)
In each of the above-described embodiments, the observation result of the marker and the estimation result of the installation position and posture of the marker can be shared among a plurality of moving bodies by using communication. Thereby, for example, the moving body B is explained in the third embodiment by sharing the information of the installation position and the posture of the marker estimated by the moving body A by the method described in the third embodiment with another moving body B. Even if the estimation by the method is not performed by itself, it is possible to use accurate information on the installation position and orientation of the marker.
また、マーカの位置及び姿勢の情報は、２次元コードなどの手段によってマーカに付与されたＩＤと共に共有される。ＩＤ及び移動体の大まかな位置情報により、どこに設置されたマーカであるかを一意に決定することができる。 The information on the position and orientation of the marker is shared with the ID given to the marker by means such as a two-dimensional code. The location of the marker can be uniquely determined by the ID and the rough position information of the moving body.
（実施例）
次に、発明者らが実際に行った実験と、その結果について、実施例として説明する。図２２は、これまでに説明したいくつかの実施形態の内容と、それぞれの実施形態において、既知の情報が何で、推定の対象が何であるかを分かりやすく示してある。左右の図において（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は対応しており、また（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ上述の実施形態１、実施形態３、実施形態２にそれぞれ対応している。また、図２３は以下の説明で用いる座標系を示し、図２４は実験のために作製したシステムの構成を示し、図２５は作製したシステムを移動体に搭載して行った実験の方法を示している。なお、図２３に示した各記号の意味は図２７に示した。
(Example)
Next, the experiments actually conducted by the inventors and the results thereof will be described as examples. FIG. 22 clearly shows the contents of some of the embodiments described so far, and what is known information and what is the object of estimation in each embodiment. In the left and right drawings, (A), (B), and (C) correspond to each other, and (A), (B), and (C) correspond to the above-described Embodiment 1, Embodiment 3, and Embodiment 2, respectively. Each corresponds. 23 shows a coordinate system used in the following description, FIG. 24 shows a configuration of a system produced for an experiment, and FIG. 25 shows a method of an experiment performed by mounting the produced system on a moving body. ing. The meaning of each symbol shown in FIG. 23 is shown in FIG.
まず、図２２の（Ａ）に示した初期化実験について説明する。道路脇にマーカを設置し、地球固定座標系に対する位置及び姿勢を予め正確に計測した。以下は、位置及び姿勢の計測方法の一例である。まず、マーカを設置する地点（Ａ地点とする）と、マーカから１０ｍ離れた地点（地点Ｂとする）の地球固定座標系における位置を、後処理ＲＴＫなどの手段により正確に計測した。 First, the initialization experiment shown in FIG. 22A will be described. A marker was set up beside the road, and the position and attitude with respect to the earth fixed coordinate system were accurately measured beforehand. The following is an example of the position and orientation measuring method. First, the positions in the earth fixed coordinate system of the point where the marker is installed (point A) and the point 10 m away from the marker (point B) were accurately measured by means such as post-processing RTK.
次に、図２３に示すように、Ａ地点にマーカ座標系のｙ軸が鉛直方向と一致するようにマーカを設置し、Ｂ地点に光学中心がＢ地点の真上にくるようにカメラを設置した。そして、カメラでマーカを撮影し、画像中心にマーカの中心が一致するようカメラの高さと方位角を調整した。このとき、カメラの光軸はＡ地点とＢ地点を結ぶ線分と平行になっている。 Next, as shown in FIG. 23, a marker is installed at point A so that the y-axis of the marker coordinate system coincides with the vertical direction, and a camera is installed at point B so that the optical center is directly above point B. did. Then, the marker was photographed by the camera, and the height and azimuth of the camera were adjusted so that the center of the marker coincided with the center of the image. At this time, the optical axis of the camera is parallel to the line segment connecting the points A and B.
カメラに対するマーカの姿勢を計測することで、Ａ地点とＢ地点とを結ぶ線分に対するマーカの姿勢を得ることができる。これと、先に計測したＡ地点とＢ地点の地球固定座標系における位置から、マーカの地球固定座標系における姿勢を算出する。さらに、Ａ地点からマーカの中心までの高さを計測する。これと、先に計測したＡ地点の地球固定座標系における位置から、マーカの地球固定座標系における位置を算出する。 By measuring the posture of the marker with respect to the camera, the posture of the marker with respect to the line segment connecting the points A and B can be obtained. The attitude of the marker in the earth-fixed coordinate system is calculated from this and the positions of the points A and B previously measured in the earth-fixed coordinate system. Furthermore, the height from the point A to the center of the marker is measured. The position of the marker in the earth fixed coordinate system is calculated from this and the position of the point A measured in the earth fixed coordinate system previously measured.
なお、上記の実験において、リファレンス用に、後処理ＲＴＫを行うための基地局を道路脇に設置し、測位データを収集した。 In the above experiment, for reference, a base station for performing post-processing RTK was installed on the side of the road, and positioning data was collected.
移動体をマーカの手前からマーカに向けて前進させ、マーカから約１０ｍ離れた、マーカがカメラの視野に入る地点で移動体を停止させ、この地点をスタート地点とした。なお、この地点の位置は未知である。 The moving body was moved forward from the front of the marker toward the marker, and the moving body was stopped at a point about 10 m away from the marker where the marker was within the field of view of the camera, and this point was used as the starting point. The position of this point is unknown.
ここで、ＰＰＰによる衛星測位を開始し、併せて、マーカの計測を開始し、衛星の暦（軌道・時刻情報）を取得した。衛星の暦は、通常３０秒以内に取得できる。衛星の暦が取得できたら、マーカの計測結果を用いて下記の式
この式の各記号の意味ついては、図２３及び図２７を参照されたい。
Here, satellite positioning by PPP is started, and at the same time, marker measurement is started and satellite calendar (orbit/time information) is acquired. The satellite calendar can usually be acquired within 30 seconds. Once the satellite calendar can be obtained, use the marker measurement results to calculate the following formula.
See FIGS. 23 and 27 for the meaning of each symbol in this equation.
マーカの計測を終了したのち、測位開始から６０秒経過後、スタート地点から約２０ｍ離れた地点まで移動体を前進させながら、測位データを取得した。こうして取得したデータを、後処理ＲＴＫをリファレンスとして比較評価した。 After the measurement of the marker was completed, 60 seconds after the start of positioning, the positioning data was acquired while moving the moving body forward to a point about 20 m away from the start point. The data thus obtained were compared and evaluated using the post-treatment RTK as a reference.
図２６は、この比較結果を示した図である。図２６の左側はマーカを用いた初期化を行わなかった場合である。６０秒では十分に収束せず、１ｍを超える誤差が出ていることが分かる。これに対し、図２６の右側に示したマーカを用いて初期化を行った場合では、瞬時に収束して水平誤差３ｃｍ以内の精度が達成されていることが分かる。表１に、５回の試行実験での各試行における水平測位精度を示す。表１から分かるように、非常に高い精度が得られた。 FIG. 26 is a diagram showing the comparison result. The left side of FIG. 26 shows the case where the initialization using the marker is not performed. It can be seen that 60 seconds does not converge sufficiently and an error of more than 1 m is generated. On the other hand, when the initialization is performed using the marker shown on the right side of FIG. 26, it can be seen that the accuracy converges instantaneously and the accuracy within the horizontal error of 3 cm is achieved. Table 1 shows the horizontal positioning accuracy in each trial in five trial experiments. As can be seen from Table 1, very high accuracy was obtained.
次に、図２２の（Ｃ）に示した、マーカの設置位置及び姿勢の計測実験について説明する。上記（Ａ）の実験と同様に、移動体をスタート地点まで前進させ、ＰＰＰによる衛星測位及びマーカの計測を開始し、初期化を行う。（Ａ）の初期化の場合とは異なり、マーカの計測を継続したまま移動体の前進を開始する。マーカがカメラの視野から外れないように注意しながら、マーカの手前約１ｍの地点まで前進する。これにより、移動中に測位データ及び測位データに同期したマーカ計測データを取得することができる。 Next, the measurement experiment of the installation position and orientation of the marker shown in FIG. 22C will be described. Similar to the experiment of (A) above, the mobile body is advanced to the start point, satellite positioning by PPP and measurement of the marker are started, and initialization is performed. Unlike the case of the initialization of (A), the advance of the moving body is started while the marker measurement is continued. Carefully keep the marker out of the field of view of the camera and move forward to a point about 1 m before the marker. This makes it possible to acquire the positioning data and the marker measurement data synchronized with the positioning data while moving.
前述したマーカの設置位置及び姿勢の推定方法により、取得したデータと式１に基づいてマーカの位置及び姿勢を推定し、水平位置誤差７．２ｍｍ、方位角誤差０．０８１度という結果が得られた。 The position and orientation of the marker are estimated based on the acquired data and Equation 1 by the above-described method for estimating the installation position and orientation of the marker, and a horizontal position error of 7.2 mm and an azimuth angle error of 0.081 degrees are obtained. It was
次に、図２２の（Ｂ）に示した初期化結果の検証実験について説明する。マーカの設置姿勢（方位角）を人為的に０．１度から０．５度まで０．１度刻みで変化させ、それぞれについて設置位置及び姿勢の計測実験と同様の手順で測位データ及びマーカの計測データを取得し、マーカの設置位置を推定した。表２に、マーカ位置の推定量の差（初期化の際に用いたマーカ位置と推定位置との差）を示す。表２の結果から分かるように、位置の推定量に適切な閾値（例えば２０ｍｍ）を設け、これを超えた場合にはマーカの設置姿勢が変化したと推定し、この閾値以下であればマーカの設置姿勢に変化がないと推定することで、マーカの設置姿勢が変化したかどうかを検出することが可能であることが示される。 Next, a verification experiment of the initialization result shown in FIG. 22B will be described. The installation posture (azimuth) of the marker is artificially changed from 0.1 degrees to 0.5 degrees in 0.1 degree increments, and the positioning data and the marker are measured in the same procedure as the measurement experiment of the installation position and orientation for each. The measurement data was acquired and the marker installation position was estimated. Table 2 shows the difference in the estimated amount of the marker position (difference between the marker position used at initialization and the estimated position). As can be seen from the results in Table 2, an appropriate threshold value (for example, 20 mm) is set for the position estimation amount, and if the threshold value is exceeded, it is estimated that the installation posture of the marker has changed. It is shown that it is possible to detect whether the installation posture of the marker has changed by estimating that the installation posture has not changed.
（測位パラメータ推定方法）
ところで、測位パラメータの推定は、通常は逐次処理（フィルタ）によって行う。上記各実施例でも、パラメータの推定にはフィルタ（拡張カルマンフィルタ）を用いており、マーカの観測によって求められたＧＮＳＳアンテナの位置の推定値をフィルタの初期値として入力することで初期化している。しかし、測位パラメータの推定はフィルタ以外の方法によっても可能である。また、フィルタも含めて、マーカとの組み合わせによってさらにパラメータの推定精度の向上及び推定時間の短縮が期待できる。以下に、そのような推定方法の具体的な例を挙げる。なお、以下では、実施形態２に示したように、移動体が移動しながら衛星測位とマーカの観測とを同期して実行し、両方の観測データを得られるものとする。
(Positioning parameter estimation method)
By the way, the estimation of the positioning parameter is usually performed by a sequential process (filter). Also in each of the above-described embodiments, a filter (extended Kalman filter) is used for parameter estimation, and the estimated value of the position of the GNSS antenna obtained by observing the marker is input as the initial value of the filter for initialization. However, the positioning parameter can be estimated by a method other than the filter. In addition, it is expected that the accuracy of parameter estimation and the estimation time can be further shortened by combining with a marker including a filter. Below, the specific example of such an estimation method is given. In the following, as shown in the second embodiment, it is assumed that the satellite positioning and the marker observation are performed in synchronization while the mobile body is moving, and both observation data can be obtained.
第１の例は、フィルタを用いる場合である。カルマンフィルタやその派生手法において、マーカの観測によって得られた移動体の相対位置／速度や相対姿勢／角速度など情報をシステムのダイナミクスに取り込むなどにより、推定精度の向上を図ることができる。 The first example is the case of using a filter. In the Kalman filter or its derivative method, the accuracy of estimation can be improved by incorporating information such as the relative position/velocity or relative posture/angular velocity of the moving body obtained by observing the marker into the dynamics of the system.
第２の例は、バッチ処理によるものである。一定期間の衛星測位データとマーカ観測データとを一括して扱い、非線形最小二乗法などの手法によってパラメータを推定することができる。 The second example is by batch processing. It is possible to collectively handle the satellite positioning data and the marker observation data for a certain period, and to estimate the parameters by a method such as the nonlinear least square method.
第３の例は、ハイブリッド手法である。すなわち、フィルタとバッチ処理の両方の側面を持つ手法である。これは、ロボティクスの分野において、smoothing and mapping と呼ばれている手法に相当する。一定期間のデータを用いてバッチ的に推定を行うとともに、時間経過とともに対象とする期間をスライドさせて行くなどにより、精度の向上と計算負荷の軽減を図ることができる。 The third example is the hybrid approach. In other words, this is a method that has both aspects of filtering and batch processing. This corresponds to a method called smoothing and mapping in the field of robotics. It is possible to improve accuracy and reduce calculation load by performing batch estimation using data for a certain period and sliding a target period over time.
（実施形態４についての補足）
実施形態４に示した「マーカ設置姿勢誤差検出手法」を繰り返し実行することで、マーカの設置姿勢誤差がアンテナの位置推定に求められる許容範囲より大きい場合にも初期化を行うことが可能となる。また実施形態４の方法によってマーカ位置の推定量の差を求めることができる。この値は、理論上は、マーカ設置姿勢の誤差の増大に伴って単調増加する。そこで、マーカ位置の推定量の差から、マーカ設置姿勢の誤差（のおおよその値）を推定することが可能である。この推定された誤差分を、衛星測位の初期化を行う際に用いたマーカ設置姿勢に対して補正し、補正後のマーカ設置姿勢を用いて後処理計算により再度測位の初期化とマーカ設置姿勢の誤差の検出計算を行う。これは、測位データとマーカの観測データを同期して取得してあるため、後処理による計算が可能である。こうして求めたマーカ位置の推定量の差は、初回に求めた値よりも小さくなっていることが期待できる。このようなプロセスを繰り返すことによって、最終的にマーカの設置姿勢の誤差をアンテナ位置の推定に求められる許容範囲内に抑えることができる。
(Supplement to Embodiment 4)
By repeatedly executing the “marker installation attitude error detection method” described in the fourth embodiment, initialization can be performed even when the marker installation attitude error is larger than the allowable range required for antenna position estimation. .. Further, the difference in the estimated amount of the marker position can be obtained by the method of the fourth embodiment. This value theoretically increases monotonically with an increase in the error in the marker installation posture. Therefore, it is possible to estimate the error (approximate value) of the marker installation posture from the difference in the estimated amount of the marker position. The estimated error is corrected to the marker installation attitude used when initializing the satellite positioning, and the corrected marker installation attitude is used for post-processing calculation to re-initialize the positioning and the marker installation attitude. The error detection calculation is performed. Since the positioning data and the observation data of the marker are acquired in synchronization with each other, post-processing calculation is possible. It can be expected that the difference in the estimated amount of the marker position thus obtained is smaller than the value obtained at the first time. By repeating such a process, the error in the installation posture of the marker can be finally suppressed within the allowable range required for estimating the antenna position.
２０１ 移動体
２０２ カメラ
２０３ ＧＮＳＳアンテナ
２１１ 視覚マーカ
２１２ 支持台
201 moving body 202 camera 203 GNSS antenna 211 visual marker 212 support base
Claims (5)
予め地球固定座標系における位置及び姿勢が測定されているマーカと、を備え、
前記演算部は、前記マーカ検出部によって検出された前記マーカから前記移動体の位置を推定し、
前記衛星測位部は前記移動体の当該推定位置に関する情報を受け取って初期化を行い、
前記演算部は、当該初期化後に前記マーカ検出部が前記マーカを観測して得られた移動体の推定位置と、衛星測位によって得られた移動体の推定位置とをフィッティングすることにより前記マーカの位置を推定し、そのマーカの推定位置と予め前記移動体が保持している前記マーカの位置に関する情報を比較することによって、前記マーカの姿勢に誤差があるか否かを判定する、衛星測位システム。 A mobile unit having a satellite positioning unit, a marker detection unit, and a calculation unit;
A marker whose position and orientation in the earth fixed coordinate system are measured in advance,
The calculation unit estimates the position of the moving body from the marker detected by the marker detection unit,
The satellite positioning unit receives information about the estimated position of the moving body and performs initialization,
The calculation unit of the marker by fitting the estimated position of the mobile body obtained by observing the marker by the marker detection unit after the initialization and the estimated position of the mobile body obtained by satellite positioning. A satellite positioning system for estimating whether or not there is an error in the posture of the marker by estimating the position and comparing the estimated position of the marker with information about the position of the marker that is previously held by the moving body. ..
予めマーカの位置及び姿勢を測定し、その結果を前記移動体の演算部が保持するステップと、
前記マーカ検出部が前記マーカを観測し、その結果から前記演算部が前記移動体の位置を推定するステップと、
前記衛星測位部が、前記移動体の当該推定位置に関する情報を受け取って初期化を行うステップと、
前記演算部が、前記初期化の後に前記マーカ検出部が前記マーカを観測して得られた移動体の推定位置と、衛星測位によって得られた移動体の推定位置とをフィッティングすることにより前記マーカの位置を推定するステップと、
前記演算部が、前記推定された前記マーカの位置を前記演算部が保持するマーカの位置と比較して、その比較結果に基づいてマーカの姿勢に誤差があるか否かを判定するステップと、
を備える、マーカの姿勢に誤差があるか否かを判定する方法。 A method of determining whether or not there is an error in the posture of a marker by a moving body having a satellite positioning unit, a marker detection unit, and a calculation unit,
Measuring the position and orientation of the marker in advance, and holding the result by the computing unit of the moving body;
A step in which the marker detection section observes the marker and the operation section estimates the position of the moving body from the result;
The satellite positioning unit receives information about the estimated position of the moving body and performs initialization;
The marker is obtained by fitting the estimated position of the mobile body obtained by observing the marker by the marker detection unit after the initialization and the estimated position of the mobile body obtained by satellite positioning after the initialization. Estimating the position of
A step of comparing the position of the estimated marker with the position of the marker held by the calculating unit, and determining whether or not there is an error in the posture of the marker based on the comparison result;
And a method of determining whether or not there is an error in the posture of the marker.
Priority Applications (1)
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| PCT/JP2017/024469 WO2018008627A1 (en) | 2016-07-05 | 2017-07-04 | Satellite positioning system and satellite positioning method |
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