(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道上作業機を対象機に対応して誘導する軌道上作業機の誘導システムにおいて、上記対象機を撮像するカメラを備え、地上運用設備から送られてくる対象機の特徴点に関する情報を初期値とし、上記カメラにより取得した対象機の画像と予め搭載された対象機ＣＡＤデータとを照合して対象機の方位及び相対位置を求め、この対象機の方位及び相対位置の情報に基づいて上記軌道上作業機を誘導することを特徴とする軌道上作業機の誘導システム。
【請求項２】
軌道上作業機を対象機に対応して誘導する軌道上作業機の誘導システムにおいて、上記軌道上作業機に搭載されて上記対象機を撮像するカメラと、このカメラにより撮像された画像を処理し、対象機に対する方位及び相対位置を求める画像処理装置と、この画像処理装置により求めた方位及び相対位置に基づいて軌道上作業機を誘導する誘導制御計算機と、地上運用設備と通信する送受信手段とを具備し、
上記画像処理装置は、上記地上運用設備から送られてくる対象機の特徴点に関する情報を初期値とし、上記カメラにより取得した対象機の画像と予め搭載された対象機ＣＡＤデータとを照合して対象機の方位及び相対位置を算出することを特徴とする軌道上作業機の誘導システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌道上作業機を対象機に対応して誘導する軌道上作業機の誘導システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、軌道上の作業機が対象に接近する場合の従来技術におけるシステム構成図である。図５において、１００はNAVSTAR、１１１は対象機、１２１は軌道上作業機１２１である。
【０００３】
従来技術においては、対象機１１１と軌道上作業機１２１との間の相対距離が数ｋｍの遠距離ではNAVSTAR１００を利用したＧＰＳにより相対位置を計算する。また、相対距離が数１００ｍの近距離では精度向上を目的として軌道上作業機１２１に搭載したレーザレーダ１２６により相対距離検出を行なっている。
【０００４】
上記対象機１１１には、ＧＰＳアンテナ１１２、ＧＰＳレシーバ１１３、通信装置１１４、通信用アンテナ１１５、リフレクタ１１６が搭載される。対象機１１１は、複数のNAVSTAR１００からの測位情報をＧＰＳアンテナ１１２及びＧＰＳレシーバ１１３により受信し、これを通信装置１１４及び通信用アンテナ１１５を介して軌道上作業機１２１に送信する。
【０００５】
一方、軌道上作業機１２１には、ＧＰＳアンテナ１２２、ＧＰＳレシーバ１２３、通信装置１２４、通信用アンテナ１２５、レーザレーダ１２６及び誘導制御計算機１２７が搭載される。上記軌道上作業機１２１は、通信用アンテナ１２５及び通信装置１２４により対象機１１１で受信したNAVSTAR１００の測位情報を受信し、誘導制御計算機１２７に入力する。この誘導制御計算機１２７は、軌道上作業機１２１に搭載されているＧＰＳアンテナ１２２及びＧＰＳレシーバ１２３で受信したNAVSTAR１００からの測位情報と、対象機１１１で受信されたNAVSTAR１００からの測位情報に基づいて対象機１１１と軌道上作業機１２１の相対位置を計算する。
【０００６】
そして、対象機１１１と軌道上作業機１２１との間の相対距離が数１００ｍの近距離では、軌道上作業機１２１に搭載したレーザレーダ１２６により対象機１１１に搭載のリフレクタ１１６にレーザ光を照射し、その反射光を利用して高精度の相対位置検出を実現している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように軌道上作業機１２１は、対象機１１１との間の相対距離が数ｋｍの遠距離ではＧＰＳアンテナ１２２及びＧＰＳレシーバ１２３で受信したNAVSTAR１００からの測位情報と、対象機１１１で受信されたNAVSTAR１００からの測位情報に基づいて対象機１１１との相対位置を求めることができ、また、対象機１１１との相対距離が数１００ｍの近距離ではレーザレーダ１２６により相対距離を求めることができる。
【０００８】
しかし、上記従来技術では、対象機１１１側にＧＰＳアンテナ１１２及びＧＰＳレシーバ１１３、リフレクタ１１６等を搭載する必要があり、故障衛星等の非協力的な対象機への接近時には適用できないという問題がある。
【０００９】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、軌道上の故障衛星等非協力的な対象機に対しても、対象機の検査、修理、軌道外投棄等のために確実に接近することができる軌道上作業機の誘導システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、軌道上作業機を対象機に対応して誘導する軌道上作業機の誘導システムにおいて、上記対象機を撮像するカメラを備え、地上運用設備から送られてくる対象機の特徴点に関する情報を初期値とし、上記カメラにより取得した対象機の画像と予め搭載された対象機ＣＡＤデータとを照合して対象機の方位及び相対位置を求め、この対象機の方位及び相対位置の情報に基づいて上記軌道上作業機を誘導することを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、軌道上作業機を対象機に対応して誘導する軌道上作業機の誘導システムにおいて、上記軌道上作業機に搭載されて上記対象機を撮像するカメラと、このカメラにより撮像された画像を処理し、対象機に対する方位及び相対位置を求める画像処理装置と、この画像処理装置により求めた方位及び相対位置に基づいて軌道上作業機を誘導する誘導制御計算機と、地上運用設備と通信する送受信手段とを具備し、上記画像処理装置は、上記地上運用設備から送られてくる対象機の特徴点に関する情報を初期値とし、上記カメラにより取得した対象機の画像と予め搭載された対象機ＣＡＤデータとを照合して対象機の方位及び相対位置を算出することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る軌道上作業機の誘導システムの構成図、図２は軌道上作業機における画像処理装置の機能ブロック図、図３は画像処理の説明図である。
【００１３】
本実施形態は、軌道上の故障衛星等の非協力的対象の検査、修理、軌道外投棄のため、これに接近、周回する必要のある軌道上作業機に適用する場合について示したものである。
【００１４】
図１において、２０１は対象機、２１１は軌道上作業機、２２１は地上局、２２２は地上運用設備である。
上記軌道上作業機２１１には、対象機２０１の画像を取得するためのカメラ２１２、対象機ＣＡＤデータ、カメラ取得画像と対象機ＣＡＤデータの照合により対象機２０１の方位及び相対位置を算出するための画像処理装置２１３、軌道（位置、速度）計算を実施する誘導制御計算機２１４、及び地上とデータの授受を行なう送受信機２１５及びアンテナ２１６が搭載される。
【００１５】
また、地上運用設備２２２は、地上クルー２２３とインタフェースする表示装置２２６及び操作装置２２７、対象機２０１の３次元ＣＡＤデータ２２４、軌道上作業機２１１と地上局２２１を経由してデータの授受を行なう送受信データ処理装置２２５から構成される。
【００１６】
次に上記実施形態の動作を説明する。まず第１に、軌道上作業機２１１に搭載されたカメラ２１２により対象機２０１を撮像し、その取得した画像を送受信機２１５、アンテナ２１６により地上局２２１にダウンリンクする。
地上局２２１は、これを地上運用設備２２２に伝送する。地上運用設備２２２は、送受信データ処理装置２２５でこれを受信して表示装置２２６により表示する。同時に、表示装置２２６には、対象機ＣＡＤデータ２２４をグラフィックス表示する。
【００１７】
一方、地上クルー２２３は、軌道上作業機２１１のカメラ２１２による取得画像上と対象機ＣＡＤデータ２２４のグラフィックス上で、マウス等を具備した操作装置２２７により、予め定義された対象機２０１上の特徴点のうち、カメラ画像上で対応する点を４組以上指定（ポインティング）する。地上クルー２２３によって指定された対応点のＣＡＤ上での識別子とカメラ画像上での座標値は、送受信データ処理装置２２５、及び地上局２２１を経由して軌道上作業機２１１にアップリンクされる。
【００１８】
軌道上作業機２１１では、地上局２２１を経由して送られてくるデータをアンテナ２１６及び送受信機２１５を経由して画像処理装置２１３に取り込む。
【００１９】
以下、この画像処理装置２１３の処理動作を図２に示す機能ブロック図、及び図３に示す動作説明図を参照して説明する。
地上局２２１からアップリンクされたＣＡＤ上での識別子（対象機固定座標系での座標値と一意に対応する）とそのカメラ画像での座標値から視線方向・相対位置算出処理手段３１８においてカメラ２１２、すなわち軌道上作業機２１１の視線方向（ω、φ、κ）及び相対位置（Ｘ0 、Ｙ0 、Ｚ0 ）を次のようにして算出する。
【００２０】
まず、対応点の組が６未満の場合について説明する。対象機上の地上クルー２２３によってポインティングされた特徴点Ｐj（Ｘj 、Ｙj 、Ｚj ）がすべて平面上にあると仮定したとき、軌道上作業機２１１のカメラ２１２で取得した対象機画像上の位置ｐj（ｘj 、ｙj ）の間には以下の［数１］、［数２］に示す射影変換の関係が成り立つ。４点以上の特徴点がポインティングされると、「ｂk :ｋ＝１〜８」の係数が求まり、カメラ２１２の視線方向と相対距離（位置）が求まる。
【００２１】
【数１】
0003664956.tif 000002
【００２２】
次に対応点の組が６以上の場合について説明する。図４は、対象機座標系において、軌道上作業機２１１のカメラ視点Ｃi による画像Ｉi 上の特徴点座標Ｐk の関係を示したものである。そして、対象機上の特徴点Ｐk と軌道上作業機２１１のカメラ２１２で取得された対象機画像上の対応する特徴点ｐk（ｘk ，ｙk ）の間には、下記に示す透視変換の関係がある。
【００２３】
【数２】
0003664956.tif 000003
【００２４】
そして、上記視線方向・相対位置算出処理手段３１８で算出された視線方向及び相対位置に基づき、誘導制御計算機２１４においてカメラ２１２による次（ΔＴ後）の画像取得時間での視線方向及び相対距離を軌道運動方程式に基づき推定（伝播）する。
【００２５】
上記推定された視線方向及び相対位置と図３（ａ）に示すオンボード対象機ＣＡＤデータ３１１から、２次元輪郭テンプレート作成手段（１）３１２において、テンプレートとする対象機２０１のカメラ画像を図４及び［数２］に示した式により図３（ｂ）に示すように生成する。この生成したテンプレートは相対距離誤差に相当する幅を有する線画とする。
【００２６】
一方、カメラ２１２で取得した図３（ｄ）に示す画像に対し、輪郭抽出手段３１６において、エッジ検出処理により図３（ｅ）に示すように対象機２０１の輪郭成分を抽出し、これを２値化する。
【００２７】
上記２次元輪郭テンプレート作成手段（１）３１２の出力線画に対し、テンプレート切り出し手段（１）３１３にて、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように縦及び横方向の周辺分布に基づいて対象を包絡する長方形のゲートＧ１を設定し、このゲートＧ１内の画像をテンプレート１０として切り出す。また、上記輪郭抽出手段３１６の出力画像に対しても、図３（ｅ）、（ｆ）に示すように対象画像切り出し手段３１７にて同様に対象画像を包絡するゲートＧ２を設定し、このゲートＧ２内の画像を切り出してこれを対象画像２０とする。
【００２８】
そして、画像マッチング手段（１）３１４において、図３（ｇ）に示すようにテンプレート切り出し手段（１）３１３及び対象画像切り出し手段３１７の出力である、テンプレート１０と対象画像２０の画素毎のＡＮＤ演算の総和により一致度を算出する。算出された一致度は、マッチング度判定手段（１）３１５において、予め設定された判定基準値と比較される。一致度が判定基準を越えない場合は、２次元輪郭テンプレート作成手段（１）３１２に戻り、視線方向を微小回転させ、テンプレート切り出し手段（１）３１３及び画像マッチング手段（１）３１４の処理を繰り返して実行する。マッチング度判定手段（１）３１５において、一致度が判定値を越えた場合は、相対位置の微調整に移行する。
【００２９】
すなわち、２次元輪郭テンプレート作成手段（２）３１２’において視線方向を固定し、相対位置をその誤差範囲内で動かして２次元輪郭テンプレート作成手段（１）３１２と同一の処理によりテンプレートを生成し、テンプレート切り出し手段（２）３１３’においてテンプレート切り出し手段（１）３１３と同一の処理によりテンプレート画像を切り出す。
【００３０】
次に画像マッチング手段（２）３１４’において、画像マッチング手段（１）３１４と同一の処理により、対象画像切り出し手段３１７により切り出された対象画像と画像マッチングを実施し、マッチング度判定手段（２）３１５’により一致度が最大となる相対距離を探索する。
【００３１】
そして、上記画像マッチング手段（１）３１４及び画像マッチング手段（２）３１４’で求めた対象機２０１に対する視線方向及び相対位置は、誘導制御計算機２１４に出力される。この誘導制御計算機２１４は、画像処理装置２１３で求めた対象機２０１に対する視線方向及び相対位置に基づいて軌道上作業機２１１を対象機２０１に接近するように誘導する。
【００３２】
上記のように軌道上作業機２１１は、１台のカメラ２１２により取得された対象機２０１の画像と予め搭載された対象機のＣＡＤデータ２２４を、図２に示す処理手順に従い照合することにより、対象の相対位置を自律的に算出する。
【００３３】
一方、地上運用設備２２２は、対象機ＣＡＤデータ２２４を装備し、軌道上作業機２１１からダウンリンクされるカメラ画像上で、予め対象機２０１のＣＡＤデータ上で定義された特徴点に対応する点を地上クルー２２３がポインティングする。この地上クルー２２３によるポインティング情報は、軌道上作業機２１１にアップリンクされ、画像処理装置２１３による自動での方位、相対位置算出の初期値として使われる。
【００３４】
従って、本発明によれば、軌道上の故障衛星等非協力的な対象機に対しても、相対位置を確実に検出して接近することができ、対象機の検査、修理、軌道外投棄等の処置を実行することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、軌道上作業機及び地上運用設備を備え、軌道上作業機は、地上運用設備から送られてくる対象機のＣＡＤデータ上で定義された特徴点に関する情報を画像処理装置による自動での方位、相対位置算出の初期値とし、１台のカメラにより取得した対象機の画像と予め搭載された対象機ＣＡＤデータを照合して対象機の方位及び相対位置を自律的に算出するようにしたので、軌道上の故障衛星等非協力的な対象機に対しても、相対位置を確実に検出して接近することができ、対象機の検査、修理、軌道外投棄等の処置を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るシステム構成図。
【図２】同実施形態における軌道上作業機における画像処理装置の機能ブロック図。
【図３】同実施形態における画像処理装置の動作を説明するための図。
【図４】同実施形態における軌道上作業機に搭載されるカメラの座標系を示す図。
【図５】従来の軌道上作業機が対象に接近する場合のシステム構成図。
【符号の説明】
２０１  対象機
２１１  軌道上作業機
２１２  カメラ
２１３  画像処理装置
２１４  誘導制御計算機
２１５  送受信機
２１６  アンテナ
２２１  地上局
２２２  地上運用設備
２２３  地上クルー
２２４  ３次元ＣＡＤデータ
２２５  送受信データ処理装置
２２６  表示装置
２２７  操作装置
【図１】
0003664956.tif 000004
【図２】
0003664956.tif 000005
【図３】
0003664956.tif 000006
【図４】
0003664956.tif 000007
【図５】
0003664956.tif 000008