JPWO2019193642A1 - 無人航空機用の自己位置推定装置及び自己位置推定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
自律制御装置を備えた無人航空機においては、Visual SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)等を利用して生成した3次元地図データに基づいて無人航空機の位置(高度)を推定することができる。
また、無人航空機においては、特許文献1に記載されるように、光源を備えて無人航空機を制御するものも開発されている。
この点、無人航空機の周辺環境を撮影する際に、照明が十分に出射されないと、露光量の不足やコントラストの低下に繋がる。また、撮影するシーンが影を含む場合がある。この場合も、影の領域は、露光量不足となりコントラストが低下する。一方、影ではない領域は、飽和露光量に達してしまい、コントラストが低下することもある。ドローンの影がドローンと共に移動すると、特徴点を移動させることになり、これは、VSLAMなどの位置推定アルゴリズムに有害なものとなる。
例えば、図7のように、対象物に影(図の斜線領域)ができている場合には、影の領域を別の特徴を有する領域として認識することになり、精度よく対象物の特徴点を認識できない状況が生じ得る。このように対象物に影ができてしまう状況は、対象物に大きな段差が存在する場合や、光源が複数ある環境や、屋外で太陽光と対象物との間に他の物体が存在することなどの場合にも起こり易い。
図1は、本発明の一実施形態による無人航空機(マルチコプタ)1の外観図である。
図2は、図1の無人航空機(マルチコプタ)1の下面図である。
図3は、図1及び図2の無人航空機1のハードウェア構成図である。無人航空機1の本体部2は、飛行制御装置(フライトコントローラ)11と、送受信機12と、センサ13と、スピードコントローラ(ESC:Electric Speed Controller)14と、バッテリ電源(図示せず)と、を備える。
自己位置推定部32は、ローカルセンサ7を収集センサとして用いて取得された無人航空機1の周囲にある物体の画像データの点群データに基づいて無人航空機1の自己位置を推定する。自己位置推定部32が推定する自己位置は、無人航空機1周囲の物体に対する無人航空機1の相対位置である。本実施形態では、自己位置推定部32は、SLAM技術を利用して無人航空機1の自己位置を推定する。SLAM技術は、既知の技術であるため説明は省略するが、ローカルセンサ7を用いて周囲にある物体認識を行い、該物体認識結果に基づいて自己位置推定と地図作成とを同時に行うものである。
自己位置推定部32は、カメラ等の撮像装置を用いて画像を取得し、取得した画像における物体の位置又は表面上の点を特徴点して抽出し、抽出したパターンと作成されたマップ(又は取得した点群)のパターンをマッチングさせる。
自己位置推定部32は、作成されたマップとレーザ光源を用いて取得された点群データとの一致度により自己位置推定を行う。自己位置推定部32は、無人航空機1が十分な点群データを収集した場合に、無人航空機1の相対高度を推定して出力するように構成される。
図2に示される通り、光源8は、望ましくは、地表付近の状況を把握できるように無人飛行機の底面側から下向きに取り付けられる。ただし、光源は、地表付近に向けて照射できるように構成されていればよく、無人航空機の他の位置に取り付けられていてもよい。
- 光源の帯域に対応する集光センサ・フィルタ(他の光源の遮断)
SLAMなどのマシンビジョンアルゴリズムは、カメラで視認可能な特徴部のほとんどは固定されており、動かないという前提で処理されることが望ましい。光源が対象物に対してカメラの背後にある場合には、無人航空機自身の影がマシンビジョンシステムによって視認され得ることになる。この影は、特徴点の主要なソースであることが多いが、当該影は、無人飛行機と共に移動することになり、当該影の特徴部は、固定されないことになる。このことは、マシンビジョンの性能を低下させる。
また、光源が所定のパターンで点滅する光の場合、対象物からの反射光は、撮像側で順次、動画像として撮像され、集光センサは、光源が所定のパターンで点滅していることに伴って動画像の一連の画像内で光の強度(例えば、画像内のグレースケール値)が上下している箇所を感知するように構成される。このように構成された光源及び集光センサにより、光の強度が上下している画像内の箇所を検知し、その光の画角や大きさ等から反射点の位置を推定することが可能となり、環境光から放出され、その後、対象物から反射された光の影響を低減してVSLAMによる無人航空機の位置推定を行うことができる。
青色レーザ光源などの特定帯域のレーザ光源について、上述の通り、電流を調整することによって照明の強度を可変なものとして照射され、一連の画像を様々な光源の強度で取得できるようにすることは有用である。すなわち、そのような構成にすることにより、非常に広範囲の明るさで特徴点を抽出できるようになる。このことは、対象物について段差などが存在してカメラから様々な距離の表面が存在するとき、カメラから遠い表面を照射することは、カメラから近い表面より高い光出力を必要とするので有用である。例えば、段差が存在する対象物に対して、1回目の撮像で光源を相対的に弱い光とすることにより、近距離の領域の画像データを取得し、2回目の撮像で光源を相対的に強い光とすることにより、遠距離の領域の画像データを取得するように光源及び収集センサを構成することができる。したがって、収集センサを高ダイナミックレンジに対応すると共に可変なダイナミックレンジとし、様々な照射レベルで一連の画像を取得することによって、各表面からの特徴部が抽出され得る。
上述の通り、光源は、複数の帯域を照射できる光源(マルチスペクトル)とすることができる。一方、この場合、カメラ(集光センサ・フィルタ)は、対応する帯域のそれぞれを検知できるものとすることにより、対象物に対して複数の独立した画像情報を取得することができる。
以下に、上述の構成に基づく無人航空機の位置推定のための動作について、一実施例として、地面を光源により照射し、その反射波を画像データとして取得して、無人航空機の位置を推定するフローについて説明する。
光源のレーザは、例えば、波長が420nmの青色レーザであるとする。光源の設定は、制御部により、必要に応じて、光源の照射光の発光強度の調整と共に位置及び照射方向を調整することができる。
なお、S300の相対位置の推定に関して、上述の通り、青色レーザ光などの特定の帯域の光の反射波を収集した対象物の画像データを用いることに加えて、太陽光などの環境光の反射波を別個に収集した対象物の画像データを更に用いるように構成してもよい。すなわち、例えば、特定の帯域の光を光源として取得した画像データを用いたVSLAM等の位置推定処理と、環境光等を用いて取得した別の画像データを用いたVSLAM等の位置推定処理とをそれぞれ独立して行い、それぞれの信頼度に重み付けして最終的に位置推定を行うようにしてもよい。このような構成を採用することにより、上述の影等の影響がないような撮像条件では従来の画像データを用いたVSLAMによる位置推定を用いることも可能となり、環境光を含む全帯域対応の既存のSLAMと組み合わせて位置推定することが可能となる。
次に、複数の帯域を照射できる光源と、対応する帯域のそれぞれを検知できる集光センサ・フィルタにより、対象物に対して複数の独立した画像情報を取得する場合について説明する。
2 本体部
3 モータ
4 ロータ(回転翼)
5 アーム
6 着陸脚
7 ローカルセンサ
11 飛行制御装置
12 送受信機
13 センサ
14 スピードコントローラ(ESC)
21 プロセッサ
22 記憶装置
23 通信用IF
24 センサ用IF
25 信号変換回路
31 環境取得部
32 自己位置推定部
40 レーザ光源
41 蛍光体リフレクタ
42 拡散器
Claims (16)
- 無人航空機の周囲にある対象物を照射するための光源と、
前記対象物からの反射光を画像データとして取得する集光センサと、
前記集光センサにより取得された画像データを用いて無人飛行機の前記対象物に対する相対位置を推定する位置推定部と
を備えた無人飛行機用の自己位置推定装置であって、
前記光源は、環境光と区別可能な光を放出するレーザと、前記レーザからの光を拡散するための拡散器とを有しており、
前記集光センサは、前記対象物からの反射光に対して前記環境光と区別可能な光を感知するように構成された無人飛行機用の自己位置推定装置。 - 前記レーザの発光強度、位置及び方向の少なくとも1つを調整する光源制御部を更に備えた請求項1に記載の自己位置推定装置。
- 前記環境光と区別可能な光は、所定の帯域の光であり、
前記集光センサは、前記所定の帯域の光を感知するように構成された請求項1又は2に記載の自己位置推定装置。 - 前記所定の帯域は、複数の帯域を有しており、前記集光センサは、前記複数の帯域の信号の各々を感知するように構成される請求項3に記載の自己位置推定装置。
- 前記光源は、前記複数の帯域の各々が異なる強度の光を照射できるように構成されており、前記集光センサは、前記対象物との距離に応じてどの帯域の光を感知するかを選択できるように構成される請求項4に記載の自己位置推定装置。
- 前記集光センサは、画素毎又は画像内の所定の領域毎に、どの帯域の光を感知するかを選択できるように構成される請求項5に記載の自己位置推定装置。
- 前記拡散器は、広角レンズを備える請求項1から6のいずれか1つに記載の自己位置推定装置。
- 前記拡散器は、前記広角レンズの周囲部から投影される光が中心部から投影される光よりも明るいように放射される光を成形するように構成される請求項7に記載の自己位置推定装置。
- 前記光源は、更に、前記拡散器の前段に、コヒーレントなレーザをインコヒーレントなスペクトルに変換する蛍光体リフレクタを備える請求項1から8のいずれか1つに記載の自己位置推定装置。
- 前記自己位置推定装置により推定された前記無人航空機の前記対象物に対する相対位置と、前記無人航空機の速度とを用いて前記無人航空機の飛行を制御する、請求項1から9のいずれか1つに記載の無人飛行機。
- 光源として用いられるレーザから環境光と区別可能な光を放出するステップと、
放出された前記光を拡散して無人航空機の周囲にある対象物に照射するステップと、
前記対象物からの反射光を集光して画像データを取得するステップと、
取得された前記画像データを用いて無人飛行機の前記対象物に対する相対位置を推定するステップと、を備え、
前記画像データを取得するステップは、前記対象物からの反射光に対して前記環境光と区別可能な光を感知することにより前記画像データを取得する方法。 - 光源の発光強度、位置及び方向の少なくとも1つを設定するステップを更に備え、
設定された前記光源を用いて、前記放出するステップと、前記対象物に照射するステップと、前記画像データを取得するステップと、前記推定するステップを行う、請求項11に記載の方法。 - 前記環境光と区別可能な光は、所定の帯域の光であり、
前記画像データを取得するステップは、前記所定の帯域の光を感知することにより前記画像データを取得する、請求項11又は12に記載の方法。 - 前記所定の帯域は、複数の帯域を有しており、前記画像データを取得するステップは、前記複数の帯域の信号の各々を感知する、請求項13に記載の方法。
- 前記照射するステップは、前記複数の帯域の各々が異なる強度の光を照射し、
前記画像データを取得するステップは、前記対象物との距離に応じてどの帯域の光を感知するかを選択するステップを更に備えている、請求項14に記載の方法。 - 前記画像データを取得するステップは、画素毎又は画像内の所定の領域毎に、どの帯域の光を感知するかを選択するステップを更に備えている、請求項15に記載の方法。
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