JP7160187B2 - 位置管理装置、位置管理方法及びプログラム - Google Patents

位置管理装置、位置管理方法及びプログラム Download PDF

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Description

本開示は、位置管理装置、位置管理システム、位置管理方法及びプログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体に関する。
ドローンを物流に利用するなど、ドローンを活用した様々なサービスの提案が近年行なわれている。物流拠点や人口密集地などのように、ドローンなどの航空機が密集する可能性がある場所では、航空機の位置を適切に管理する必要がある。
これに関して、非特許文献１は、ヘリコプタを着陸地点まで誘導するシステムについて開示している。このシステムでは、ヘリコプタに設けられたマーカを赤外線カメラにより検出することにより、ヘリコプタの機体の特定の箇所（具体的にはマーカ付近に設けられたリフレクタ）に対し、距離を測定するためのレーザーを射出する。これにより、ヘリコプタの機体の特定の箇所（リフレクタ）までの距離が測定される。この技術によれば、ヘリコプタの位置を把握することができる。
山下尚之、他４名、「特集論文 ＳＨ－６０Ｋ哨戒ヘリコプタの開発」、三菱重工技報、三菱重工業株式会社、２００５年１２月、Ｖｏｌ．４２、Ｎｏ．５、ｐ．２０８－２１１
非特許文献１に開示された技術では、移動物体に対し、マーカ及びリフレクタといった目印を取り付ける必要がある。また、この目印が見えないような向きで移動物体が移動している場合、飛行物体の位置を把握することができない。
本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであり、移動物体に目印を設けることなく、移動物体の位置を把握することができる位置管理装置、位置管理システム、位置管理方法及びプログラムを提供することを目的とする。
本開示の第１の態様にかかる位置管理装置は、
移動物体の複数箇所の距離を単位時間毎に測定し、前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得するセンサと、
第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択するペア選択手段と、
前記ペア選択手段により選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記移動物体の位置を推定する位置推定手段と
を有し、
前記ペア選択手段は、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する。
本開示の第２の態様にかかる位置管理システムは、
航空機と、位置管理装置とを備え、
前記位置管理装置は、
前記航空機の複数箇所の距離を単位時間毎に測定し、前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得するセンサと、
第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択するペア選択手段と、
前記ペア選択手段により選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記航空機の位置を推定する位置推定手段と
を有し、
前記ペア選択手段は、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する。
本開示の第３の態様にかかる位置管理方法では、
移動物体の複数箇所の距離を単位時間毎にセンサにより測定し、
前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得し、
第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択し、
選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記移動物体の位置を推定し、
前記座標のペアの選択において、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する。
本開示の第４の態様にかかるプログラムは、
移動物体の複数箇所の距離を単位時間毎に測定し、前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得するセンサによって第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択するペア選択ステップと、
選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記移動物体の位置を推定する位置推定ステップと
をコンピュータに実行させ、
前記ペア選択ステップでは、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する。
本開示によれば、移動物体に目印を設けることなく、移動物体の位置を把握することができる位置管理装置、位置管理システム、位置管理方法及びプログラムを提供することができる。
実施形態の概要にかかる位置管理装置の構成の一例を示すブロック図である。 実施形態１にかかる位置管理システムの構成の一例を示す模式図である。 センサにより得られる座標について示す図である。 センサのビームの射出について説明する模式図である。 ビームの走査軌道の一例を示す模式図である。 センサのビームの射出について説明する模式図である。 制御部のハードウェア構成の一例を示す模式図である。 実施形態１にかかる位置管理装置の動作の一例を示すフローチャートである。 ペア選択部の動作の一例を示すフローチャートである。 実施形態１にかかる位置管理システムの挙動をシミュレーションした際の位置合わせ処理の精度を示すグラフである。 実施形態２にかかる位置管理装置の構成の一例を示す模式図である。 実施形態２にかかる位置管理装置の動作の一例を示すフローチャートである。
説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
＜実施形態の概要＞
実施形態の詳細を説明する前に、まず、実施形態の概要について説明する。図１は、実施形態の概要にかかる位置管理装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、位置管理装置１は、センサ２と、ペア選択部３と、位置推定部４とを有し、移動物体の位置を管理する。なお、移動物体は、例えば、航空機（飛行物体）であるが、これに限られない。例えば、移動物体は、陸上を移動する物体であってもよい。
センサ２は、移動物体の複数箇所の距離を単位時間毎に測定し、当該複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを単位時間毎に取得する。例えば、センサ２は、ビームを射出し、物体により反射したビームがセンサ２に届くまでの時間により物体までの距離を測定するＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）装置である。
ペア選択部３は、第１の点群データと第２の点群データとの間で、座標のペアを選択する。なお、第１の点群データは、センサ２により第１の時点で取得された点群データであり、第２の点群データは、この第１の時点よりも上記単位時間だけ前である第２の時点で、センサ２により取得された点群データである。ここで、ペア選択部３は、次のようにペアを選択する。すなわち、ペア選択部３は、第１の点群データに属する第１の点の方向と、第２の点群データに属する第２の点の方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、第１の点と第２の点をペアとすることにより、座標のペアを選択する。なお、第１の点の方向とは、より詳細には、第１の点のセンサ２から見た方向を言い、第２の点の方向とは、第２の点のセンサ２から見た方向を言う。
位置推定部４は、ペア選択部３により選択されたペアの両座標を互いに対応させて、第１の点群データと第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、移動物体の位置を推定する。
位置管理装置１では、移動物体の任意の箇所の距離を測定して得られる点群データを用いて、移動物体の位置が推定される。このため、移動物体に目印を設けることなく、移動物体の位置を把握することができる。また、位置管理装置１によれば、方向が近い点同士を対応させて位置合わせ処理が行なわれる。このため、任意の点同士（例えばランダムに選択された点同士）を対応させて位置合わせ処理を行なう場合よりも、点群データの位置合わせ処理を適切に行なうことができる。すなわち、移動物体の位置をより適切に推定することができる。
次に、実施形態の詳細について説明する。
＜実施形態１＞
図２は、実施形態１にかかる位置管理システム１０の構成の一例を示す模式図である。位置管理システム１０は、図１に示すように、移動物体の具体例である航空機２００と、位置管理装置１００とを備える。なお、図１では、航空機２００が１台のみ図示されているが、航空機２００が複数あってもよい。
航空機２００は、例えば、ドローンなどの無人航空機が挙げられるが、ヘリコプタなどの有人航空機であってもよい。航空機２００は、飛行制御部２０１を有している。飛行制御部２０１は、航空機の飛行を制御する。特に、本実施の形態では、飛行制御部２０１は、位置管理装置１００の後述する通知部１２４からの通知に従って飛行を制御する。
位置管理装置１００は、図１の位置管理装置１に相当する。本実施の形態では、位置管理装置１００は、図２に示すように、センサ１１０と、制御部１２０とを有する。
センサ１１０は、図１のセンサ２に相当する。本実施形態では、センサ１１０は、ＬｉＤＡＲ装置であり、距離を測定するためのビームを射出する。センサ１１０は、射出したビームが空間を飛行している航空機２００の機体により反射しセンサ１１０に戻るまでの時間を測定することにより航空機２００までの距離を測定する。ビームは、様々な方向に、周期的に射出される。これにより、センサ１１０は、航空機２００の複数箇所の距離を単位時間毎に測定し、当該複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを単位時間毎に取得する。
図３は、センサ１１０により得られる座標について示す図である。センサ１１０は、図３に示すように３次元空間に対し、射出方向５０でビームを射出する。図３において、原点はセンサ１１０の位置を示し、点ｐは、射出方向５０で射出されたビームが反射した位置を示している。なお、射出方向５０は、水平成分の角度（方位角）φと、垂直成分の角度（仰俯角）θとにより表わされる。センサ１１０は、射出方向５０でビームを射出した際の点ｐまでの距離ｄを測定する。これにより、センサ１１０は、射出方向５０と距離ｄとにより一意に定まる点ｐの座標を取得する。
図４は、本実施の形態におけるセンサ１１０のビームの射出について説明する模式図である。センサ１１０は、所定の射出範囲５１内において、ビーム５２を射出する。
図５は、ビーム５２の走査軌道の一例を示す模式図である。図５において、横軸はビーム５２が射出される方位角を示し、縦軸はビーム５２が射出される仰俯角を示す。射出範囲５１は、方位角及び仰俯角により範囲が特定される。センサ１１０は、周期ｔで、周期的に所定の走査軌道を描くようビーム５２を射出する。図５において、射出範囲５１内に実線で示される走査軌道５３は、ｋ周期目のビーム５２の走査軌道を示し、射出範囲５１内に破線で示される走査軌道５４は、（ｋ－１）周期目のビーム５２の走査軌道を示している。ただし、ｋは２以上の整数である。図５に示すように、走査軌道５３及び５４は、それぞれ、所定の射出範囲５１（例えば円形範囲）の全体にわたった幾何学パターンである。このように、センサ１１０は、所定の射出範囲５１の全体にわたった幾何学パターンの走査軌道に従って周期的に走査する。なお、図４及び図５において、射出範囲５１は、円形であるが、円形に限らず、任意の他の形状であってもよい。また、図５に示した例では、周期毎に、走査軌道の位置（幾何学パターンの位置）が方位角－仰俯角平面上において所定の角度だけ回転するようにずれているが、走査軌道の位置は一定であってもよい。また、図５に示した走査軌道５３及び５４の幾何学パターンは、一例であり、任意の他の幾何学パターンが用いられてもよい。
以下の説明では、図４及び図５を用いて説明したセンサ１１０について、空間限定型ＬｉＤＡＲ装置と称すことがある。なお、センサ１１０は、必ずしも空間限定型ＬｉＤＡＲ装置でなくてもよい。センサ１１０は、例えば、図６に示すようなＬｉＤＡＲ装置であってもよい。図６に示したセンサ１１０は、３次元空間に対し、ｎ本（ただし、ｎは１以上の整数）のビーム５５＿１、５５＿２、・・・、５５＿ｎを射出する。なお、ｎ本のビームは、仰俯角が異なっている。そして、センサ１１０は、センサ１１０が回転することにより、全方位に対して、周期ｔで、周期的にビーム５５＿１、５５＿２、・・・、５５＿ｎを射出する。以下の説明では、図６を用いて説明したセンサ１１０について、全方位型ＬｉＤＡＲ装置と称すこととする。
次に、位置管理装置１００の制御部１２０について説明する。制御部１２０は、図２に示したように、ペア選択部１２１と、位置推定部１２２と、経路判定部１２３と、通知部１２４とを有する。
ペア選択部１２１は、図１のペア選択部３に相当する。センサ１１０によって、周期ｔ毎に、すなわち、単位時間毎に、点群データが取得される。ペア選択部１２１は、センサ１１０によりｋ周期目に取得された点群データ（第１の点群データ）と（ｋ－１）周期目に取得された点群データ（第２の点群データ）との間で、座標のペアを選択する。つまり、ｋ周期目に取得された点群データに含まれる座標（点ｐ）と、ｋ－１周期目に取得された点群データに含まれる座標（点ｐ）とからなるペアを決定する。ペア選択部１２１は、所定の条件を満たす１以上のペアを選択する。ペア選択部１２１の処理の詳細については、フローチャートを参照しつつ後述する。
位置推定部１２２は、図１の位置推定部４に相当する。航空機２００は、所定の形状及び大きさを有する物体であるため、当該航空機２００の表面のいずれの箇所を測定点として距離を測定するかにより、測定結果として得られる距離にばらつきが生じる。このため、位置推定部１２２は、次のようにして航空機２００の位置を推定する。位置推定部１２２は、ペア選択部１２１により選択されたペアの両座標を互いに対応させて、ｋ周期目に取得された点群データと、（ｋ－１）周期目に取得された点群データとの位置合わせ処理を行なって、航空機２００の位置を推定する。位置合わせ処理は、レジストレーション（registration）処理とも呼ばれる。
位置推定部１２２は、点群データの位置合わせ処理において、公知のアルゴリズムを用いる。具体的には、例えば、そのようなアルゴリズムとして、ＩＣＰ(Iterative Closest Point)又はＮＤＴ(Normal Distributions Transform)などが用いられてもよい。位置合わせ処理では、一方の点群データの座標と他方の点群データの座標とを互いに対応させて、点同士が近づくように、すなわち点同士の距離が小さくなるように、両点群データの対応関係を特定する。これにより、位置合わせ処理により、一方の点群データをどのように移動させ、かつ、どのように回転させれば他方の点群データと一致するかを表わすパラメータが得られる。より具体的には、一方の点群データを他方の点群データと一致するよう変換するための回転行列及び平行移動行列のパラメータが得られる。
位置合わせ処理ではこのようなパラメータが得られるため、位置合わせ処理を行なうことで、航空機２００の（ｋ－１）周期目の時点での位置から、ｋ周期目の時点での位置への変位が特定できる。このため、航空機２００の現在の位置（ｋ周期目の時点での位置）を特定できる。なお、位置推定部１２２は、航空機２００の初期位置（１周期目の時点での位置）を、例えば、点群データの重心を算出することにより推定する。そして、位置推定部１２２は、ｋ周期目（ｋ＞２）の時点の航空機２００の位置を、ｋ－１周期目の時点の航空機２００の位置と、位置合わせ結果で得られる位置の変位とから推定する。
経路判定部１２３は、位置推定部１２２により推定された航空機２００の位置の推移から、航空機２００の今後の経路を予測する。すなわち、経路判定部１２３は、位置推定部１２２により推定された航空機２００の位置の推移から算出される現在の移動方向及び速度が継続した場合の今後の経路を予測する。そして、経路判定部１２３は、航空機２００の予測される経路が適切であるか否かを判定する。
なお、経路判定部１２３は、任意の予め定められた判定基準に従って、経路が適切であるか否かを判定すればよい。例えば、経路判定部１２３は、航空機２００の経路が予め指定した経路とは異なる場合、航空機２００の経路が適切ではないと判定してもよい。また、例えば、経路判定部１２３は、航空機２００の経路が他の航空機の経路を妨害する場合、航空機２００の経路が適切ではないと判定してもよい。この場合、他の航空機の経路を把握するために、他の航空機の位置及び移動方向が上述した方法で同様に推定されてもよいし、他の航空機の経路を示す経路データを位置管理装置１００が記憶していてもよい。
通知部１２４は、経路判定部１２３により航空機２００の経路が適切でないと判定された場合、移動方向の変更を航空機２００に通知する。なお、通知部１２４は、移動方向の変更に代えて、又は、移動方向の変更とともに、速度の変更を航空機２００に通知してもよい。通知部１２４は、適切な移動方向又は速度を通知してもよい。
ところで、センサ１１０が、距離を測定するために射出するビームの射出方向は、所定の方位角及び仰俯角に限られる。したがって、点群データを取得するためには、航空機２００は、ビームが照射されるよう飛行することが好ましい。このため、通知部１２４は、センサ１１０が距離を測定するために射出するビームが当たるように移動方向を航空機２００に通知してもよい。このようにすることで、適切に航空機２００についての点群データを得ることができる。
次に、制御部１２０のハードウェア構成の一例について説明する。図７は、制御部１２０のハードウェア構成の一例を示す模式図である。
図７に示すように、制御部１２０は、ネットワークインタフェース１５０、メモリ１５１、及びプロセッサ１５２を含む。
ネットワークインタフェース１５０は、航空機２００などの他の装置と通信するために使用される。通知部１２４は、ネットワークインタフェース１５０を用いて、有線又は無線により航空機２００と通信する。
メモリ１５１は、例えば、揮発性メモリ及び不揮発性メモリの組み合わせによって構成される。メモリ１５１は、プロセッサ１５２により実行される、１以上の命令を含むソフトウェア（コンピュータプログラム）などを格納するために使用される。
プロセッサ１５２は、メモリ１５１からソフトウェア（コンピュータプログラム）を読み出して実行することで、制御部１２０の処理を行う。プロセッサ１５２は、例えば、マイクロプロセッサ、ＭＰＵ(Micro Processor Unit)、又はＣＰＵ(Central Processing Unit)などであってもよい。プロセッサ１５２は、複数のプロセッサを含んでもよい。
このように、制御部１２０は、コンピュータとしての機能を備えている。なお、航空機２００も同様に、ハードウェア構成を有していてもよい。すなわち、上述した飛行制御部２０１の処理が、プロセッサによるプログラムの実行により実現されてもよい。
また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
次に、位置管理装置１００の動作の流れについて説明する。図８は、位置管理装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。また、図９は、ペア選択部１２１の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図８及び図９に沿って、位置管理装置１００の動作について説明する。
位置管理装置１００は、周期的に、ステップＳ１０からステップＳ１５までの処理を繰り返す。換言すると、位置管理装置１００は、周期ｔ毎に、すなわち、単位時間毎に、以下の処理を繰り返す。
ステップＳ１０において、センサ１１０が、点群データを取得する。
次に、ステップＳ１１において、ペア選択部１２１が、最新の点群データと、１周期前に取得された点群データとの間で、座標のペアを選択する。
次に、ステップＳ１２において、位置推定部１２２が、ステップＳ１１で選択されたペアの両座標を互いに対応させて位置合わせ処理を行い、航空機２００の位置を推定する。
次に、ステップＳ１３において、経路判定部１２３は、航空機２００の今後の経路を予測し、予測された経路が適切であるか否かを判定する。経路が不適切である場合（ステップＳ１４でＮｏ）、処理はステップＳ１５へ移行する。これに対し、経路が適切である場合（ステップＳ１４でＹｅｓ）、ステップＳ１５はスキップされる。
ステップＳ１５では、通知部１２４が、移動方向の変更を航空機２００に通知する。これに対し、航空機２００の飛行制御部２０１は、通知に基づいて移動方向を変更する。
次に、ペア選択部１２１によるペアの選択（ステップＳ１１）について、具体的に説明する。ペア選択部１２１は、上述した通り、ｋ周期目に取得された点群データである第１の点群データと、ｋ－１周期目に取得された点群データである第２の点群データとの間で、点（座標）のペアを選択する。以下、ペア選択部１２１の処理の詳細について図９に沿って説明する。
ステップＳ１１０において、ペア選択部１２１は、一方が第１の点であり、他方が第２の点であり、かつ、センサ１１０から見た両点の方向の差が所定の閾値Ｔｈ１（第１の閾値）以下である２つの点同士をペアの候補とする。ここで、第１の点とは、第１の点群データに属する点（座標）であり、第２の点とは、第２の点群データに属する点（座標）である。ペア選択部１２１は、この条件を満たす全ての２点をペアの候補とする。このため、同一の第１の点又は同一の第２の点に対し、複数のペアの候補が発生してもよい。例えば、ペアの候補として、（ｐ１，ｐ’１）、（ｐ１，ｐ’２）、（ｐ２，ｐ’２）などが発生してもよい。ここで、ｐ１及びｐ２はｋ周期目の点群データに属する点であり、ｐ’１及びｐ’２は（ｋ－１）周期目の点群データに属する点である。
なお、センサ１１０が、各周期において、ビームの射出方向が同じである場合、センサ１１０から見た両点の方向の差がゼロである２点が存在しうる。しかし、センサ１１０が、図５に示したように、周期毎に、ビームの射出方向がずれる場合には、センサ１１０から見た両点の方向の差がゼロである２点は得られない。ペア選択部１２１は、方向の差が閾値Ｔｈ１以下であることを条件とすることで、近接した方向にある２点を抽出している。
次に、ステップＳ１１１において、ペア選択部１２１は、ステップＳ１１０で抽出された全てのペアの候補について、２点の距離の差を算出する。すなわち、ペア選択部１２１は、各ペアの候補において、ペアを構成する一方の点のセンサ１１０からの距離と他方の点のセンサ１１０からの距離の差を算出する。
次に、ステップＳ１１２において、ペア選択部１２１は、同一の点に対し、複数のペアの候補が発生している場合、ステップＳ１１１で算出した距離の差が最小であるもの以外をペアの候補から除外する。すなわち、ペア選択部１２１は、同一の点に対し、複数のペアの候補が発生している場合、距離の差が最小であるペアの候補のみを残す。上述した例では、点ｐ１に対し、（ｐ１，ｐ’１）、（ｐ１，ｐ’２）という２つのペアの候補が発生しているため、距離の差に基づいて、いずれかのペアの候補のみが残ることとなる。
このようにペア選択部１２１は、同一の第１の点に対し、センサ１１０から見た方向の差が第１の閾値以下である第２の点が複数ある場合、第１の点のセンサ１１０からの距離と第２の点の前記センサ１１０からの距離の差が最小である第２の点をペアの候補とする。同様に、ペア選択部１２１は、同一の第２の点に対し、センサ１１０から見た方向の差が第１の閾値以下である第１の点が複数ある場合、第１の点のセンサ１１０からの距離と第２の点のセンサ１１０からの距離の差が最小である第１の点をペアの候補とする。このようにすることにより、同一の点に対するペアを高々１つにすることができるため、第１の点群データと第２の点群データの対応を適切に決定することができる。
ところで、測定対象の物体の形状によっては、ビームの射出方向が少し異なるだけで測定される距離が大きく異なることがある。例えば、立体的な物体の形状の端の部分で、そのような事象が発生する。位置合わせ処理では、一方の点群データの点と他方の点群データの点とを近づけるようにパラメータの値が決定される。このため、距離が大きく異なる２点を位置合わせ処理に用いると、当該２点が位置合わせ結果に対し大きく影響を与えてしまうため、適切な位置合わせ結果が得られない恐れがある。そこで、本実施の形態では、適切な位置合わせ結果が得られるよう以下の処理を行なう。
ステップＳ１１３において、ペア選択部１２１は、残っているペアの候補に対し、ステップＳ１１１において算出された距離の差が所定の閾値Ｔｈ２（第２の閾値）以下であるか否かを判定する。
ペア選択部１２１は、所定の閾値Ｔｈ２を超えるペアの候補を除外し（ステップＳ１１５）、閾値Ｔｈ２以下であるペアの候補を正規のペアとする（ステップＳ１１４）。このようにして、ペア選択部１２１は、第１の点群データ及び第２の点群データから座標のペアを選択する。
ペア選択部１２１は、ステップＳ１１３で得られた１以上の正規のペアを、位置推定部１２２に出力する。これに対し、図８のステップＳ１２において、位置推定部１２２は次のように位置合わせ処理を行なう。位置推定部１２２は、ｋ周期目に取得された点群データと、（ｋ－１）周期目に取得された点群データのうち、ペア選択部１２１により選択された正規のペアを構成する点の座標を用いて、これらの点が互いに近づくように位置合わせ処理を行なう。
このように、ペア選択部１２１は、第１の点の方向と第２の点の方向との差が第１の閾値以下であり、かつ、第１の点の距離と第２の点の距離との差が第２の閾値以下である場合、これらの点をペアとすることにより、座標のペアを選択する。
なお、上述したフローチャートでは、ステップ１１０において、ペア選択部１２１は、同一の点に対し、複数のペアの候補が発生することを許容したが、ペア選択部１２１は、複数のペアの候補が発生することを許容しなくてもよい。すなわち、同一の点に対し、最大で１個のペアの候補が発生するようにしてもよい。この場合、ペア選択部１２１は、例えば、ステップＳ１１０において、方向の差が所定の閾値Ｔｈ１以下である第１の点及び第２の点の組み合わせのうち、方向の差が最小である組み合わせのみをペアの候補とする。なお、この場合、同一の点に対し、複数のペアの候補は発生しないため、上述したステップＳ１１２の処理は省略される。
また、上述したフローチャートでは、ステップＳ１１３において、距離の差に基づいて、ペアの候補を除外しているが、必ずしも、そのような除外が行なわれなくてもよい。すなわち、ステップＳ１１３が省略されてもよい。しかしながら、より精度良く位置合わせ処理を行なうためには、ステップＳ１１３の処理が行なわれることが好ましい。
また、センサ１１０からビームは放射状に射出されるため、航空機２００がセンサ１１０から遠いほど、航空機２００に当たるビームの密度は低下する。すなわち、航空機２００がセンサ１１０に遠いほど、測定点の密度は下がる。このため、航空機２００が遠いほど、測定点の間隔も大きくなる。つまり、センサ１１０からどれだけ離れている航空機２００を測定するかによって、測定条件（航空機２００の表面上の測定間隔）が異なる。このため、ペアの妥当性を判定するための閾値である、距離の差についての閾値Ｔｈ２として、固定的な値を用いることは好ましくない。
そこで、本実施の形態では、測定条件に応じた閾値を設定するために、ペア選択部１２１は、第１の点のセンサ１１０からの距離と第２の点のセンサ１１０からの距離との差についての統計値に基づいて閾値Ｔｈ２の値を設定する。具体的には、周期毎に、ステップＳ１１３において、ペア選択部１２１は、ステップＳ１１１で算出された距離の差の全てについての分布から標準偏差ｓを算出する。そして、ペア選択部１２１は、算出された標準偏差ｓと予め定められた係数αの積を閾値Ｔｈ２の値に設定する。係数αの値は、一定の値であり、例えば、所定の整数値である。本実施の形態では、このように、ペア選択部１２１は、周期毎に、閾値Ｔｈ２の値を算出するが、閾値Ｔｈ２として固定的な値、すなわち、一定値が用いられてもよい。
図１０は、位置管理システム１０の挙動をシミュレーションした際の位置合わせ処理の精度を示すグラフである。このシミュレーションでは、航空機２００を模した３次元モデルを仮想空間内で飛行させるとともに、センサ１１０の測定動作をシミュレーションしている。そして、このシミュレーションにより得られる点群データに対し、上述したペアの選択処理、及び、位置合わせ処理を行なっている。横軸は、センサ１１０から航空機２００までの距離を示す。縦軸は、位置合わせ処理結果の誤差を示す。より詳細には、縦軸は、位置合わせ結果として得られたパラメータを用いて位置合わせ対象の一方の点群データを変換して得られる点群データと、位置合わせ対象の他方の点群データとの座標の誤差の平均を示している。なお、図１０に示した例では、航空機２００が毎秒５メートルでセンサ１１０に近づき、センサ１１０が５０ミリ秒毎の周期で点群データを取得している。図１０に示されるように、本シミュレーションによれば、距離が８０メートル付近で、平均誤差が１０センチメートル未満という高い精度で位置合わせが行なわれている。
以上、実施の形態１について説明した。航空機２００の位置を適切に管理するためには、距離の測定周期（周期ｔ）は、短時間（例えば、５０ミリ秒程度）である必要がある。この場合、各周期における航空機２００に対する測定点の数が限られてしまう。すなわち、得られる、ある時点における航空機２００に対応する点群データのデータ数（点数）が限られてしまう。このため、単純に、既存の位置合わせ処理のアルゴリズムを用いた場合、十分な精度の位置合わせ結果が得られない恐れがある。これに対し、本実施の形態では、ペア選択部１２１により、近づけるべき点のペアを指定した上で、位置合わせ処理が行なわれるため、少ないデータ数であっても、精度よく位置合わせ処理が行なわれる。このため、航空機２００の位置を適切に管理することができる。特に、本実施形態によれば、航空機２００に目印を設けることなく、航空機２００の位置を把握することができる。
＜実施形態２＞
次に、実施形態２について説明する。本実施形態では、位置管理装置は、複数の航空機２００の位置を適切に管理する。本実施の形態における位置管理システムは、位置管理装置１００が位置管理装置１０１に置き換わった点で、実施形態１にかかる位置管理システム１０と異なる。
図１１は、実施形態２にかかる位置管理装置１０１の構成の一例を示す模式図である。位置管理装置１０１は、制御部１２０がクラスタリング部１２５をさらに有する点で、実施形態１の位置管理装置１００と異なっている。以下の説明では、実施形態１と重複する説明は適宜省略する。
クラスタリング部１２５は、周期毎に、センサ１１０から得られた点群データに対しクラスタリング処理をしてクラスタを生成する。なお、クラスタリング部１２５は、公知の任意のクラスタリングアルゴリズム（例えば、ユークリッドクラスタリング）を用いてクラスタを生成する。これにより、航空機２００毎の点群データのクラスタが得られる。
本実施の形態では、ペア選択部１２１は、クラスタ毎に、ペアの選択処理を行なう。また、本実施形態では、位置推定部１２２は、クラスタ毎に、位置合わせ処理及び位置の推定を行なう。すなわち、位置推定部１２２は、クラスタ毎に第１の点群データと第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、各航空機２００の位置を推定する。これにより、航空機２００毎の位置を管理することができる。
また、本実施形態では、ペア選択部１２１は、クラスタ毎に、第１の点のセンサ１１０からの距離と第２の点のセンサ１１０からの距離との差についての統計値（標準偏差ｓ）に基づいて閾値Ｔｈ２の値を設定する。つまり、標準偏差ｓが、クラスタ毎に算出され、クラスタ毎に、閾値Ｔｈ２の値が設定される。このように、ペア選択部１２１は、３次元空間に存在する全ての点群データの分布から統計値を算出するのではなく、クラスタ毎の点群データの分布から統計値を算出する。このため、閾値Ｔｈ２の値を適切に設定することができる。
図１２は、位置管理装置１０１の動作の一例を示すフローチャートである。図１２に示したフローチャートは、ステップＳ１０とステップＳ１１の間にステップＳ２０が追加されている点で、図８に示したフローチャートと異なる。位置管理装置１０１は、周期的に、図１２で示したステップの処理を繰り返す。換言すると、位置管理装置１００は、周期ｔ毎に、すなわち、単位時間毎に、図１２で示したステップの処理を繰り返す。
図１２に示すように、本実施形態では、ステップＳ１０の後、処理は、ステップＳ２０へ移行する。ステップＳ２０では、クラスタリング部１２５が、クラスタリング処理行い、点群データのクラスタを生成する。ステップＳ２０の後、処理はステップＳ１１へ移行する。以降、実施形態１と同様の処理が行なわれる。ただし、上述した通り、ペア選択部１２１は、クラスタ毎に、ペアの選択及び閾値Ｔｈ２の値を設定し、位置推定部１２２は、クラスタ毎に位置合わせ処理を実行する。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）
移動物体の複数箇所の距離を単位時間毎に測定し、前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得するセンサと、
第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択するペア選択手段と、
前記ペア選択手段により選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記移動物体の位置を推定する位置推定手段と
を有し、
前記ペア選択手段は、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する
位置管理装置。
（付記２）
前記ペア選択手段は、前記第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下であり、かつ、前記第１の点の前記センサからの距離と前記第２の点の前記センサからの距離との差が所定の第２の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する
付記１に記載の位置管理装置。
（付記３）
前記ペア選択手段は、前記第１の点の前記センサからの距離と前記第２の点の前記センサからの距離との差についての統計値に基づいて前記第２の閾値の値を設定する
付記２に記載の位置管理装置。
（付記４）
前記点群データに対しクラスタリング処理をしてクラスタを生成するクラスタリング手段をさらに有し、
前記位置推定手段は、前記クラスタ毎に前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なう
付記１乃至３のいずれか１項に記載の位置管理装置。
（付記５）
前記点群データに対しクラスタリング処理をしてクラスタを生成するクラスタリング手段をさらに有し、
前記ペア選択手段は、前記クラスタ毎に前記統計値に基づいて前記第２の閾値の値を設定し、
前記位置推定手段は、前記クラスタ毎に前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なう
付記３に記載の位置管理装置。
（付記６）
前記ペア選択手段は、同一の前記第１の点に対し、前記センサから見た方向の差が前記第１の閾値以下である前記第２の点が複数ある場合、前記第１の点の前記センサからの距離と前記第２の点の前記センサからの距離の差が最小である前記第２の点をペアの候補とし、同一の前記第２の点に対し、前記センサから見た方向の差が前記第１の閾値以下である前記第１の点が複数ある場合、前記第１の点の前記センサからの距離と前記第２の点の前記センサからの距離の差が最小である前記第１の点をペアの候補とする
付記１乃至５のいずれか１項に記載の位置管理装置。
（付記７）
前記位置推定手段により推定された前記移動物体の位置の推移から予測される前記移動物体の経路が適切であるか否かを判定する経路判定手段
をさらに有する付記１乃至６のいずれか１項に記載の位置管理装置。
（付記８）
前記経路判定手段により前記移動物体の経路が適切でないと判定された場合、移動方向又は速度の変更を前記移動物体に通知する通知手段
をさらに有する付記７に記載の位置管理装置。
（付記９）
前記通知手段は、前記センサが距離を測定するために射出するビームが当たるように移動方向を前記移動物体に通知する
付記８に記載の位置管理装置。
（付記１０）
航空機と、位置管理装置とを備え、
前記位置管理装置は、
前記航空機の複数箇所の距離を単位時間毎に測定し、前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得するセンサと、
第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択するペア選択手段と、
前記ペア選択手段により選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記航空機の位置を推定する位置推定手段と
を有し、
前記ペア選択手段は、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する
位置管理システム。
（付記１１）
前記位置管理装置は、
前記位置推定手段により推定された前記航空機の位置の推移から予測される前記航空機の経路が適切であるか否かを判定する経路判定手段と、
前記経路判定手段により前記航空機の経路が適切でないと判定された場合、移動方向又は速度の変更を前記航空機に通知する通知手段と
をさらに有し、
前記航空機は、前記通知手段からの通知に従って飛行を制御する飛行制御手段を有する
付記１０に記載の位置管理システム。
（付記１２）
移動物体の複数箇所の距離を単位時間毎にセンサにより測定し、
前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得し、
第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択し、
選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記移動物体の位置を推定し、
前記座標のペアの選択において、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する
位置管理方法。
（付記１３）
移動物体の複数箇所の距離を単位時間毎に測定し、前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得するセンサによって第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択するペア選択ステップと、
選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記移動物体の位置を推定する位置推定ステップと
をコンピュータに実行させ、
前記ペア選択ステップでは、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する
プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。
１ 位置管理装置
２ センサ
３ ペア選択部
４ 位置推定部
１０ 位置管理システム
５０ 射出方向
５１ 射出範囲
５２ ビーム
５３ 走査軌道
５４ 走査軌道
５５ ビーム
１００ 位置管理装置
１０１ 位置管理装置
１１０ センサ
１２０ 制御部
１２１ ペア選択部
１２２ 位置推定部
１２３ 経路判定部
１２４ 通知部
１２５ クラスタリング部
１５０ ネットワークインタフェース
１５１ メモリ
１５２ プロセッサ
２００ 航空機
２０１ 飛行制御部

Claims (10)

  1. 移動物体の複数箇所の距離を単位時間毎に測定し、前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得するセンサと、
    第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択するペア選択手段と、
    前記ペア選択手段により選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記移動物体の位置を推定する位置推定手段と
    を有し、
    前記ペア選択手段は、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する
    位置管理装置。
  2. 前記ペア選択手段は、前記第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下であり、かつ、前記第１の点の前記センサからの距離と前記第２の点の前記センサからの距離との差が所定の第２の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する
    請求項１に記載の位置管理装置。
  3. 前記ペア選択手段は、前記第１の点の前記センサからの距離と前記第２の点の前記センサからの距離との差についての統計値に基づいて前記第２の閾値の値を設定する
    請求項２に記載の位置管理装置。
  4. 前記点群データに対しクラスタリング処理をしてクラスタを生成するクラスタリング手段をさらに有し、
    前記位置推定手段は、前記クラスタ毎に前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なう
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置管理装置。
  5. 前記点群データに対しクラスタリング処理をしてクラスタを生成するクラスタリング手段をさらに有し、
    前記ペア選択手段は、前記クラスタ毎に前記統計値に基づいて前記第２の閾値の値を設定し、
    前記位置推定手段は、前記クラスタ毎に前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なう
    請求項３に記載の位置管理装置。
  6. 前記ペア選択手段は、同一の前記第１の点に対し、前記センサから見た方向の差が前記第１の閾値以下である前記第２の点が複数ある場合、前記第１の点の前記センサからの距離と前記第２の点の前記センサからの距離の差が最小である前記第２の点をペアの候補とし、同一の前記第２の点に対し、前記センサから見た方向の差が前記第１の閾値以下である前記第１の点が複数ある場合、前記第１の点の前記センサからの距離と前記第２の点の前記センサからの距離の差が最小である前記第１の点をペアの候補とする
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の位置管理装置。
  7. 前記位置推定手段により推定された前記移動物体の位置の推移から予測される前記移動物体の経路が適切であるか否かを判定する経路判定手段
    をさらに有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の位置管理装置。
  8. 前記経路判定手段により前記移動物体の経路が適切でないと判定された場合、移動方向又は速度の変更を前記移動物体に通知する通知手段
    をさらに有する請求項７に記載の位置管理装置。
  9. 移動物体の複数箇所の距離を単位時間毎にセンサにより測定し、
    前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得し、
    第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択し、
    選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記移動物体の位置を推定し、
    前記座標のペアの選択において、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する
    位置管理方法。
  10. 移動物体の複数箇所の距離を単位時間毎に測定し、前記複数箇所の空間上の座標を表わす点群データを前記単位時間毎に取得するセンサによって第１の時点で取得された前記点群データである第１の点群データと、前記第１の時点よりも前記単位時間だけ前である第２の時点で取得された前記点群データである第２の点群データとの間で、前記座標のペアを選択するペア選択ステップと、
    選択されたペアの両座標を互いに対応させて、前記第１の点群データと前記第２の点群データとの位置合わせ処理を行なうことにより、前記移動物体の位置を推定する位置推定ステップと
    をコンピュータに実行させ、
    前記ペア選択ステップでは、前記第１の点群データに属する第１の点の前記センサから見た方向と、前記第２の点群データに属する第２の点の前記センサから見た方向との差が所定の第１の閾値以下である場合、前記第１の点と前記第２の点をペアとすることにより、前記座標のペアを選択する
    プログラム。
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