JP2774624B2 - 移動体用距離・姿勢測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業の利用分野） この発明は、例えば宇宙空間に構築されるマニピュレ
ータにテレビジョンカメラ（TVカメラ）、レザレーダ等
の撮像装置を搭載して、その撮像した画像より作業対象
物等の測定対象物との相互間の距離及び姿勢を測定する
のに用いられる移動体用距離・姿勢測定装置に関する。

（従来の技術） 最近、宇宙開発の分野においては、宇宙ステーション
等の有人宇宙計画が推進され、これにともない宇宙空間
に大形宇宙構造物を建設する計画が推進されている。こ
の大形宇宙構造物建設計画にあっては、構造物の取付け
・組立て作業用として、マニピュレータシステムの利用
が考えられている。そして、このようなマニピュレータ
システムにおいて要請されることは、特に、その安全性
と共に、正確な作業を簡便に行い得るように構成するこ
とである。この要請を満足するためには、マニピュレー
タに対する測定対象物、例えば作業対象の距離及び姿勢
を正確に把握する必要がある。

上記距離及び姿勢測定手段としては、例えばレーザ発
射装置をマニピュレータ側に設け、レーザ発射装置より
レーザ光を測定対象物に照射して、その反射光を、再び
マニピュレータ側に設けたCCD等の検出センサで検出す
ることにより、相互間の相対的距離及び姿勢を求める方
法が考えられている。

しかしながら、距離・姿勢測定手段では、重量の嵩む
レーザ発射装置や、光学系を備えなければ、正確な測定
が困難なために、重量が重くなるうえ、その構成が非常
に複雑となることにより、信頼性が低いという問題を有
していた。これら重量が重くなると共に、信頼性が低い
という点については、軽量化及び高信頼性の要求される
宇宙開発の分野において、特に大きな問題となる。

なお、係る事情は、宇宙用マニピュレータシステムに
限ることなく、重力環境で使用されるマニピュレータシ
ステムにおけるマニピュレータにおいても同様のもので
ある。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように、従来の距離・姿勢測定手段では、
信頼性が低いと共に、重量が重くなるという問題を有し
ていた。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、構成
簡易にして、軽量化の促進を図り得、且つ、高精度な測
定を実現し得るようにした移動体用距離・姿勢測定装置
を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は、測定対象物に設けられ、直角三角の３つ
の頂点に形成される第１乃至第３の被測定部及び前記直
角三角形の斜辺の中間点に前記頂点より突出して形成さ
れる第４の被測定部が配置された標的部材と、移動体に
設けられ、前記標的部材を撮像する撮像手段と、この撮
像手段で撮影した画像より前記第１乃至第４の被測定部
の画像を抽出する画像処理手段と、この画像処理手段で
抽出した画像より前記第１乃至第４の被測定部の各重心
を求めて相互間を結ぶベクトルを算出して、前記第１乃
至第３の被測定部のうち直角三角形の直角頂点の被測定
部及び第４の被測定部を検出し、それらと直角三角形の
斜辺の関係より傾き角を求めると共に、第４の被測定部
からの３本のベクトルの長さ比より傾き角を求め、これ
らの傾き角と前記直角頂点における被測定部からのベク
トルとより前記測定対象物と前記移動体との相対的姿勢
・距離を算出する演算手段とを備えて移動体用距離・姿
勢測定装置を構成したものである。

（作用） 上記構成によれば、標的部材に直角三角形の頂点に第
１乃至第３の被測定部及び直角三角形の斜辺の中間部に
第４の被測定部が設けられていることにより、移動体と
測定対象物との相対的距離及び姿勢は、標的部材を移動
体に設けた撮像手段で撮影して、その撮影した画像から
画像処理手段で標的部材の第１乃至第４の被測定部の画
像を抽出し、抽出した画像の第１乃至第４の被測定部に
おける重心を求めて各重心を結ぶベクトルを求め、この
ベクトルより第４の被測定部及び直角三角形の直角頂点
の被測定部を検出して、これらと直角三角形の斜辺の関
係から傾斜角を求めると共に、第４の被測定部からの３
本のベクトルより傾斜角を求め、これらの傾斜角と前記
第４の被測定部からのベクトルを基に算出される。これ
により、画像における第１乃至第４の被測定部の高精度
な検出と共に、正確な傾斜角の検出が実現される。従っ
て、移動体と測定対象物との相対的距離及び姿勢の高精
度な検出が比較的広範囲に亘って検出することができ
る。

（実施例） 以下、この発明の実施例について、図面を参照して詳
細に説明する。

第１図はこの発明の一実施例に係る移動体用距離・姿
勢測定装置を示すもので、マニピュレータ等の移動体10
と対向配置される測定対象物11にはこの発明の特徴とす
る標的部材12が設けられる。標的部材12は、第２図に示
すように平面状の板材12a上に第１乃至第３の被測定部1
3a〜13cが直角三角形の頂点位置に配設される。そし
て、直角三角形の斜辺上の第１及び第２の被測定部13a,
13bの中間部には第４の測定部13dが第１乃至第３の被測
定部13a〜13cより突出されて設けられる。これら第１乃
至第４の被測定部13a〜13dは、例えば標的部材12の平面
に比して可視光及びレーザ光に対して高い反射率を有す
るように設定される。

また、移動体10には撮像手段、例えばテレビジョンカ
メラ（以下、TVカメラと記す）14が搭載される。TVカメ
ラ14には画像処理部15が接続され、この画像処理部15に
は演算部16が接続される。画像処理部15は入力した画像
信号をしきい値による二値化等の処理を施して第３図に
示す如き標的部材12の第１乃至第４の被測定部13a〜13d
の画像17a〜17dを抽出して演算部16に出力する。演算部
16は入力した画像17a〜17dより第１乃至第４の被測定部
13a〜13dの各重心を、いわゆるセントロイド法等により
求めて重心を結ぶベクトルを算出し、後述するように移
動体10と測定対象物11との相対的距離及び姿勢を算出し
て、図示しない表示部に出力して表示する。

上記構成において、TVカメラ14で撮影した画像が画像
処理部15に入力されると、画像処理部15は第１乃至第４
の被測定部13a〜13dの画像17a〜17dを抽出して、その画
像データを演算部16に出力する。演算部16は、画像17a
〜17dのデータが入力されると、第３図に示すようにス
テップS1で演算を開始し、ステップS2で抽出した第１乃
至第４の被測定部13a〜13dの画像17a〜17dの各重心を上
述したように求めて、これら画像17a〜17dの重心を結ぶ
５本のベクトル（あるいは６本のベクトル）を算出し
て、ステップS3で、これらベクトルのうち第４の被測定
部13dを結ぶベクトルのうち方向の似た２本（あるいは
３本）を選択する。そして、ステップS4では、選択した
２本のベクトル（あるいは３本のベクトル）に連結され
ていない被測定部を直角三角形の直角頂点の第３の被測
定部13cと判定して、繋っている被測定部を斜辺上頂点
の第１及び第２の被比測定部13a,13bと判定し、その
後、ステップS5で第３の被測定部13c、斜辺上頂点の第
１及び第２の被測定部13a,13b及び斜辺の関係より、傾
き角を求める。次に、ステップS6では、第４の被測定部
13dからの２本のベクトルの長さの比から傾斜角を求
め、ステップS7でステップS5及びS6で求めた傾斜角と第
４の被測定部13dからの２本のベクトルとより相対的距
離及び姿勢を算出し、ステップS8で終了する。そして、
演算部16は算出した距離及び姿勢データを、上記表示部
（図示せず）に出力して表示させる。

なお、ステップS2で抽出される画像17a〜17dのうち第
４の被測定部13dの画像17dは、該第４の被測定部13dが
第１乃至第３の被測定部13a〜13cに比して突出して形成
されていることにより、相互間の相対的傾斜角に応じ
て、第３図（ａ）に示す如き直角三角形の斜辺上に位置
する場合と、例えば同図（ｂ）に示すように直角三角形
内に位置する如き斜辺上に位置しない場合がある。した
がって、ステップS2で算出されるベクトルの本数は、同
図（ａ）の状態で、第１乃至第４の被測定部13a〜13dを
結ぶ▲▼，▲▼，▲▼，▲▼，▲
▼の５本存在し、同図（ｂ）の状態で、▲▼，▲
▼，▲▼，▲▼，▲▼，▲▼′の６
本が存在することとなる。

このように、上記移動体用距離・姿勢測定装置は、直
角三角形の頂点に第１乃至第３の被測定部13a〜13cが配
設され、かつ直角三角形の斜辺の中間部に第４の被測定
部13dが配設された標的部材12を測定対象物11に設け、
この標的部材11を移動体10に設けたTVカメラ14で撮影し
て、その撮影した画像から標的部材12の第１乃至第４の
被測定部13a〜13dの画像17a〜17dを抽出し、抽出した画
像17a〜17dの重心を求めてこれら重心を結ぶベクトルか
ら第４の被測定部13d及び直角三角形の直角頂点の第３
の被測定部13cを検出して、これらと直角三角形の斜辺
の関係から傾斜角を求めると共に、第４の被測定部13d
からの３本のベクトルより傾斜角を求め、これらの傾斜
角と第４の被測定部13dからのベクトルを基に相対的距
離及び姿勢を算出するように構成した。これによれば、
画像より簡易にして、正確に第１乃至第４の被測定部13
a〜13dの配置位置が検出されると共に、正確な傾斜角の
測定が実現されるうえ、移動体10と測定対象物11との相
対的距離及び姿勢の高精度な測定が比較的広範囲に亘っ
て実施することができる。また、これによれば、従来の
ようなレーザ光発射装置及び反射光受光装置を備えたも
のに比して構成の簡略化が図れ、可及的に軽量化の促進
が実現される。

なお、この発明は移動体として、例えば宇宙航行体
や、地上における自動車等の各種のものに適用すること
も可能で、これらの移動体と目標物を測定対象物とし
て、相対的な距離及び姿勢を測定するように構成するこ
とが可能である。

よって、この発明は上記実施例に限ることなく、その
他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実
施し得ることは勿論のことである。

［発明の効果］ 以上詳述したように、この発明によれば、構成簡易に
して、軽量化の促進を図り得、且つ、高精度な測定を実
現し得るようにした移動体用距離・姿勢測定装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る移動体用距離・姿勢
測定装置を示した構成図、第２図は第１図の標的部材を
取り出して示した図、第３図は第１図は動作を説明する
ために示した図、第４図は第１図の演算部の動作を説明
するために示したフローチャートである。 10……移動体、11……測定対象物、12……標的部材、12
a……板材、13a〜13d……第１乃至第４の被測定部、14
……TVカメラ、15……画像処理部、16……演算部、17a
〜17d……画像。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定対象物に設けられ、直角三角の３つの
   頂点に形成される第１乃至第３の被測定部及び前記直角
   三角形の斜辺の中間点に前記頂点より突出して形成され
   る第４の被測定部が配置された標的部材と、 移動体に設けられ、前記標的部材を撮像する撮像手段
   と、 この撮像手段で撮影した画像より前記第１乃至第４の被
   測定部の画像を抽出する画像処理手段と、 この画像処理手段で抽出した画像より前記第１乃至第４
   の被測定部の各重心位置を求めて相互間を結ぶベクトル
   を算出して、前記第１乃至第３の被測定部のうち直角三
   角形の直角頂点の被測定部及び第４の被測定部を検出
   し、これらと直角三角形の斜辺の関係より傾き角を求め
   ると共に、第４の被測定部からの３本のベクトルの長さ
   比より傾き角を求め、これらの傾き角と前記直角頂点に
   おける被測定部からのベクトルとより前記測定対象物と
   前記移動体との相対的姿勢・距離を算出する演算手段と
   を具備したことを特徴とする移動体用距離・姿勢測定装
   置。