(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能な物体の位置及び方位を求めるための方法であって、
ａ）前記物体が３次元での既知位置にあるときに、操作を開始するステップと、
ｂ）前記３次元における前記物体に関する１つ又は複数の静止基準フィーチャのロケーションを１つ又は複数のセンサで検知することにより、前記静止基準フィーチャから前記物体の変位を決定するステップと、
ｃ）前記物体を新たな位置に移動するステップと、
ｄ）前記物体の新たな位置において、前記物体に対する前記静止基準フィーチャの新たなロケーションの検知によって、前記静止基準フィーチャから前記物体の変位を決定するステップであって、前記静止基準フィーチャが前記センサの検知領域外、または１つ又は複数の新たな静止基準フィーチャが前記検知領域内にあるとき、前記物体の前記新たな静止基準フィーチャのロケーションの検知によって、前記新たな静止基準フィーチャから前記物体の方位の変位を決定するステップと、
ｅ）前記物体の変位と既知位置から、前記物体の新たな位置を決定するステップと、
ｆ）前記物体が予め決められた位置になるまで、前記ステップ（ｃ）からステップ（ｅ）を繰り返すステップと
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記静止基準フィーチャのロケーションが、光反射率に基づき、前記センサによって検知されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記静止基準フィーチャが、自然のまま又は人為的な３次元構造の一部分であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記新たな静止基準フィーチャが、前記自然のまま又は人為的な３次元構造の一部分であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記新たな静止基準フィーチャが、新たな自然のまま又は人為的な３次元構造の一部分であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
経路に沿ってビークルを移動させるための駆動手段と、
少なくとも前記ビークルに関する選択された視野であるボリュームと、ロケーションの事前の情報なしに３次元における前記ビークルに関する１つ又は複数の静止基準ポイントのロケーション情報とを検知するために、前記ビークル上で既知方位及び位置に取り付けられた１つまたは複数のセンサと、
該センサによって検知された情報を処理する処理手段であって、該処理手段が、前記ビークルの変位及びその前に決定された前記ビークルの位置と、３次元における前記ビークルの現在位置とから定まる前記静止基準ポイントから前記ビークルの変位を決定するもので、その前に決定された前記ビークルの位置が、その前に検知された前記静止基準ポイント及びその前に決定された前記ビークルの位置から定まる前記ビークルの変位に基づいて決定されるものである
ことを特徴とするビークル。
【請求項７】
前記処理手段が、決定された前記ビークルの現在位置に基づいて前記駆動手段を操作するための制御信号を生成することを特徴とする請求項６に記載のビークル。
【請求項８】
前記静止基準ポイントのロケーションが、光反射率に基づき、前記センサによって検知されることを特徴とする請求項６又は７に記載のビークル。
【請求項９】
その前に検知された前記１つ又は複数の静止基準ポイントが、自然のまま又は人為的な３次元構造の一部分であることを特徴とする請求項６,７又は８に記載のビークル。
【請求項１０】
前記静止基準ポイントが、前記自然のまま又は人為的な３次元構造の一部分であることを特徴とする請求項９に記載のビークル。
【請求項１１】
前記静止基準ポイントが、新たな自然のまま又は人為的な３次元構造の一部分であることを特徴とする請求項９に記載のビークル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、環境内、具体的には環境のフィーチャ（feature）が十分に制御されない、または事前定義されない環境、しかしそれに限定されない環境内の物体の位置を検知して追跡する方法及びビークルに関する。
【０００２】
（背景技術）
事前にわかっている、またはわかっていない環境内で作業を行うために、環境内を移動しなければならない、または環境を通って移動しなければならない機械類、例えば採鉱機器を制御するシステムは、機械類の周囲に対する機械類の絶対的なまたは真の位置および向きの知識を有しなければならない。制御の要素が人操作者によって、かつ自律的動作に関して実行される被制御動作のいくつかの例では、制御システムは、機械類の絶対的なまたは真の位置および向き、ならびに機械類が動作する周囲に対する機械類の完全な関係を求めるための手段を備えていなければならない。
【０００３】
環境は、自然のまま又は人為的なフィーチャから構成されている場合があり、複雑である、すなわち規則的な構造をほとんど有しないか、または全く有しない場合がある。さらに、周囲にあるいくつかのフィーチャが、近傍にある他のフィーチャに対して動いている場合がある。
【０００４】
所定の環境内で人為的なフィーチャを使用することによって機械がナビゲートする（その位置を求め、その位置を制御する）ことを可能にする多くの方法が開示されている。例えば、Ｈａｇｅｎｂｕｃｈの米国特許第４８３１５３９号明細書は、所定の位置に位置された特異なサインポストを使用してビークル（ｖｅｈｉｃｌｅ）の位置を識別するためのシステムを開示している。Ｈｙｙｐｐａの米国特許第４８１１２２８号明細書およびＲｏｂｅｒｔｓの米国特許第５３６７４５８号明細書は、位置情報を提供するためにビークルによっていくつかの方法で識別される所定のターゲット、またはサインポストデバイス（ｓｉｇｎｐｏｓｔ ｄｅｖｉｃｅ）を活用する。
【０００５】
Ｅｖａｎｓ，Ｊｒ．他の米国特許第５０５１９０６号明細書は、再起反射シーリングフィーチャ（ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｅｉｌｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅ）のイメージから、廊下などの環境内でのビークルの向きおよび位置の割出しを可能にする装置および方法を開示する。
【０００６】
それらの出願では、これらのシステムは、機械の動作前に環境を決定することが必要であり、さらに多くの場合に、所定の環境内部の機械の位置を求めるために使用される人為的なフィーチャを設置することが必要であることにより、本来的に制限される。例えば、倉庫環境内では、予想されていないフィーチャがない十分に制御された環境を提供することが可能になる場合がある。しかしこれは、物体の形状および位置が本来的に変化する状態にある、露天採鉱や坑内採鉱などの変化する環境でははるかに困難である。
【０００７】
慣性ナビゲーションシステムを使用して機械がナビゲートすることを可能にする他の方法が開示されている。慣性ナビゲーションシステムの動作は通常、基準フレーム、例えば地球の自転および公転に関する仮定に基づいている。ナビゲーションシステムによって求められる加速度の二重積分はしばしば、慣性ナビゲーションシステムによって求められる計算された位置での受け入れることができないドリフトを生じる。また、繰り返される加速度の変化、および繰り返されるある点に関する運動は、次の位置アセスメントがあらかじめ求められた値に基づいているとき、慣性システム内で累積エラーを発生する傾向がある。
【０００８】
Ｌｏｆｇｒｅｎ他の米国特許第４６２６９９５号明細書は、コンピュータが、ビークルに取り付けられたカメラを介して単一光源のデカルト座標を求める配置構成を開示する。この配置構成は、光源の高さおよびセンサの高さがあらかじめ求められていることを必要とする。Ｈｏｌｍｑｕｉｓｔの米国特許第４８５８１３２号明細書は、コンピュータが、ビークルに取り付けられたカメラを介して複合光源の方位を求め、光の要素間の見掛けのスペーシングから方位および距離を求めるシステムを開示する。
【０００９】
米国特許第５４８３４５５号明細書は、ベース基準フレームに関して定義済み位置に位置されたターゲットを検出して、ターゲットに対するビークルの位置を求める配置構成を開示する。ベース基準フレームに対するビークルの位置は、既知のターゲットに対するビークルの位置から求められる。
【００１０】
従来技術では、レーザスキャナを使用して、固定基準点の定義されたセットに対する既知の経路上の位置を求めることができることが開示されている。一実施形態では、レーザまたは光トランスミッタが、放出された光をトランスミッタと共に位置されたセンサに向けて戻すための反射器からなる特徴的なフィーチャが位置されたボリュームを走査する。従来技術はまた、フィーチャ間でナビゲートする目的でのみ、自然のままのフィーチャに対する位置を求めて、２次元平面内でのそのようなフィーチャの位置を記憶するためにレーザスキャナを使用することが開示されている。
【００１１】
また、従来技術では、トンネルなど制約された環境内で機器を２次元的に位置決めするために、スキャニングレーザ距離計を使用することが開示されている。ウォールファロイング（ｗａｌｌ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ）と呼ばれるそのような技法は、障害物検出、および壁や他の障害物などの固定フィーチャとの衝突の回避のために使用される。また、そのような技法を使用して、慣性ナビゲーションシステム（ＩＮＳ）を定期的にリセットすることによって、既知のローカル環境に関するデータを、ＩＮＳなどの推測ナビゲーションシステムからのデータと融合する。Ｓｃｈｅｄｉｎｇ  Ｓ．、Ｎｅｂｏｔ  Ｅ．、Ｓｔｅｖｅｎｓ  Ｍ．、Ｄｕｒｒａｎｔ−Ｗｈｙｔｅ  Ｈ．、Ｒｏｂｅｒｔｓ  Ｊ．、Ｃｏｒｋｅ  Ｐ．、Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ  Ｊ．、Ｃｏｏｋ  Ｂ著「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  Ｉｎ  Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ  Ｇｕｉｄａｎｃｅ」ＩＥＥＥ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ  １９９７年を参照のこと。
【００１２】
「Ａｎ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ  ｉｎ  Ｇｕｉｄａｎｃｅ  ａｎｄ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｎ  Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  Ｒｏｂｏｔ  Ｖｅｈｉｃｌｅ」Ｂｉａｎｃｈｅ  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ７，Ｎｏ２，１９９１年４月で は、構造化オフィスまたは工場環境内部で自走的（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｌｙ）に動作するように設計された実験ビークルが論じられている。開示されたデバイスは、路程測定および操舵角度ベースの主要システムを使用し、レーザ距離計を使用して、環境の所定の２Ｄマップおよび遠隔的に生成された経路プランに関してこれを補正する。
【００１３】
機械がその環境内にあるフィーチャとの衝突を避けること、障害物回避、すなわちその位置を求め、フィーチャとの接触を回避する形でそれらのフィーチャに対する位置を制御することを可能にする方法も開示されている。例えば、Ｇｕｌｄｎｅｒの米国特許第５７５８２９８号明細書が、移動ロボット、またはマニピュレータ用の自動式ナビゲーションシステムを開示する。この特許の記述では、全ての動作が、ロボット座標システムでのローカルナビゲーションレベルで行われる。Ｅｖａｎｓ，Ｊｒ．他の米国特許第４９５４９６２号明細書は、ビジョンシステムからデータを入力し、そこからロボットの前にある環境の構成に関するデータを推測するロボットのナビゲーション制御システムを開示し、それによりロボットが、その環境内にある障害物またはフィーチャと衝突することなく所望の点にナビゲートできるようにする。
【００１４】
障害物回避または衝突回避システムは、定義された環境内部の機械の真の位置および向きを求め、追跡するためには必要でなく、したがって衝突を避けるという非常に狭い意味以外ではナビゲーションおよびガイダンスに使用することができない。
【００１５】
複数の方法が、所定のまたは設置された基準点などの方法、格納されたローカル環境のマップ、ＧＰＳ（全地球測位システム）やローカル無線ナビゲーションシステム、慣性ナビゲーションシステムなどのシステムなどインフラストラクチャの使用を含むことが開示されている。これら全ての方法が、瞬時環境と一体である、または瞬時環境の外部にある場合があり、かつ存在しなければならない、または設置されなければならないインフラストラクチャを使用する。
【００１６】
本発明の目的は、機械が、拡張された領域にわたって動作し、その領域内での真のロケーションを知り、基準フィーチャの所定の基準フレームまたはネットワークの使用を必要とせず、かつＩＮＳもしくはＧＰＳ、または同様の検知配置構成に依拠しないことを可能にするロケーションおよびナビゲーションシステムを提供することである。
【００１７】
（発明の概要）
第１の態様によれば、本発明は、移動可能な物体の位置を求めるための方法であって、
移動可能な物体の位置及び方位を求めるための方法であって、
ａ）前記物体が３次元での既知位置にあるときに、操作を開始するステップと、
ｂ）前記３次元における前記物体に関する１つ又は複数の静止基準フィーチャのロケーションを１つ又は複数のセンサで検知することにより、前記静止基準フィーチャから前記物体の変位を決定するステップと、
ｃ）前記物体を新たな位置に移動するステップと、
ｄ）前記物体の新たな位置において、前記物体に対する前記静止基準フィーチャの新たなロケーションの検知によって、前記静止基準フィーチャから前記物体の変位を決定するステップであって、前記静止基準フィーチャが前記センサの検知領域外、または１つ又は複数の新たな静止基準フィーチャが前記検知領域内にあるとき、前記物体の前記新たな静止基準フィーチャのロケーションの検知によって、前記新たな静止基準フィーチャから前記物体の方位の変位を決定するステップと、
ｅ）前記物体の変位と既知位置から、前記物体の新たな位置を決定するステップと、
ｆ）前記物体が予め決められた位置になるまで、前記ステップ（ｃ）からステップ（ｅ）を繰り返すステップと
を含む方法を提供する。
【００１８】
好都合には、センサに対する物体の３Ｄ空間内の真の相対位置の測定値を提供する、さらに、センサによって収集された空間情報と共に登録される（カメライメージ中で獲得される、または目で見られる）視野内の物体の光反射率の測定値を提供することができる３Ｄイメージングセンサが、移動可能な物体上に所定の（既知の）向きおよび位置に取りつけられる。基準ロケーションは、定義表面など自然のままのフィーチャの一部を形成する、かつ／またはそのようなフィーチャ、および３Ｄ物体を定義するフィーチャを有する人工物を定義することができる。
【００１９】
他の態様によれば、本発明は、
経路に沿ってビークルを移動させるための駆動手段と、
少なくとも前記ビークルに関する選択された視野であるボリュームと、ロケーションの事前の情報なしに３次元における前記ビークルに関する１つ又は複数の静止基準ポイントのロケーション情報とを検知するために、前記ビークル上で既知方位及び位置に取り付けられた１つまたは複数のセンサと、
該センサによって検知された情報を処理する処理手段であって、該処理手段が、前記ビークルの変位及びその前に決定された前記ビークルの位置と、３次元における前記ビークルの現在位置とから定まる前記静止基準ポイントから前記ビークルの変位を決定するもので、その前に決定された前記ビークルの位置が、その前に検知された前記静止基準ポイント及びその前に決定された前記ビークルの位置から定まる前記ビークルの変位に基づいて決定されるものである
ことを特徴とする自走式ビークルを提供する。
【００２０】
本発明はさらに、本発明を実施することを可能にされた装置、および本発明の方法を使用して１組の自走式ビークルを制御するためのシステムを含む。
【００２１】
本発明は、ある時間にわたって３次元でのセンサの位置を追跡するために、既知の基準または固定フィーチャに対する３次元でのセンサの位置の知識を使用するための方法に関する。センサは、センサに関連するフィールド内の物体に対する距離および方位の測定値である３次元でのデータを生成する。すなわち、センサは、「３次元イメージングシステム」である。そのデータを使用して、センサの周囲にある固定フィーチャに対するセンサの位置を求める。３次元での１つまたは複数の固定物体に対するセンサの位置の知識が、センサのローカル位置を完全に求める。動きを測定するためには、固定物体または１組の物体に対するセンサの位置がある時間に３次元で知られていなければならず、次いで第２の時間で求められなければならない。次いで、物体の動きが、２つの位置間の差から直接求められる。センサの動きは、センサの位置の変化の連続的な割出しによって追跡することができる。センサは、ビークルや他の機械類などの機器に取り付け、機器の動きを追跡するために使用することができる。
【００２２】
センサの動きは、ガイダンス用の特定の基準点を提供するための自然のままのフィーチャまたは人為的なフィーチャに対する位置の変化から求めることができる。センサとセンサ環境内のフィーチャとの３次元空間関係は、センサを追跡するために使用される重要なデータであり、所定のマップまたは外部基準システムでない。固定点または１組の固定点に対する位置の変化を求めることができる。ある期間にわたるセンサの運動全体は、連続する時間でセンサの位置を求めることによって求めることができる。既知のまたは所定の位置からスタートするとき、特定の時間でのセンサの真の位置は、スタート位置の知識およびその時間までのスタート位置からのセンサの動きの知識から求めることができる。
【００２３】
固定物体または連続する固定物体を使用して、連続する時間で移動しているセンサの位置を求め、スタートした既知の位置に対する移動しているセンサの絶対位置は、これらの各時間で求めることができ、それにより移動しているセンサが追跡される。したがって、アルゴリズムを実行するために３次元センサシステムおよび処理システムを取り付けられた物体、例えばビークルは、スタート位置の知識および３次元での動きの知識を使用してセンサを搬送する物体の３次元での位置を追跡することができる。物体は、適切な３次元センサおよび処理システムを取りつけられると、ＧＰＳ（全地球測位システム）で使用される無線波の伝送など物体に対する情報の伝送、または慣性ガイダンスシステムで使用される速度または加速度など物体の動きの検知要素を必要とせずに、動きを追跡し、スタート点に対する位置を求めることができる。センサによって獲得される３次元情報は、空間測定値からなり、データのスケーリング（ｓｃａｌｉｎｇ）を実施しない。したがって、フィーチャの表現は、視野内の物体の位置および構造に関する情報を直接提供する。
【００２４】
本発明は、動きを追跡するもので、したがって既知のスタート位置からナビゲートするために、周囲に対する又は固定されていることがわかっている検知されるフィーチャに対する３次元位置の知識を使用する手段である。相対３次元位置の知識は、３次元イメージングシステムを使用して得られる。
【００２５】
物体は、例えば、記述されるロケーション方法がナビゲーション用に使用される自走式ビークルであってよい。基準ロケーションは定義済み要素の全部または一部であってよく、このとき環境がよく定義されている。しかし、それらは、その後の動きの後にフィーチャを突き止めることができることを保証するために、いくつかの基準に従って、ビークル上に提供される命令セット（ソフトウェア）によって同様に求めることができる。
【００２６】
検知配置構成は、センサに対する点の絶対位置または変位を直接示すことを可能にする適切なセンサであってよい。物体上のセンサの配置構成がわかっているとき、検知配置構成は、基準フィーチャの向きが物体の向きの変化に伴って変化するときに、物体の向きまたは姿勢に関するデータを提供することもできる。
【００２７】
本発明の配置構成の重要な利点は、環境を十分に定義する、または注意深くプロットされた基準点と適合させる必要がないことであることを理解されたい。本発明の方法は、単に、移動の基準点として適切な固定フィーチャまたは固定フィーチャの一部を選択する。点の所定のロケーションに言及することに依拠せず、したがって従来技術で必要とされるような入念なセットアップ配置構成が必要でない。
【００２８】
本発明は、ロケーションが上のように感知され、適切な方向、加速度および速度の割出しがソフトウェア命令に従って行われるナビゲーションの方法を含むことを理解されたい。多くのそのような提案が従来技術で記述されている。これは、重要であり、従来技術とは異なる、根底にあるロケーションスキームである。ナビゲーションシステムでは、ビークルが、３次元で定義され、好都合にはスタート位置またはいくつかの認められた基準点に対する所期の移動先またはウェイポイントを与えられている。
【００２９】
本発明の配置構成は、ＩＮＳまたは他の位置決めシステムと共に使用して、位置推定を洗練し、位置を推定する両手段の精度または信頼性を高めることができる。本発明の配置構成は、衝突回避または障害物回避システムと組み合わせて、または協働させて、複数の機能を提供することができる。
【００３０】
採鉱などの環境を考えると、本発明の利点が明らかになる。採鉱では、ビークルが進むフロアは、滑らかさ、勾配、または表面組成が均一でない。平面である動作表面に関する仮定に依拠する技法は、動作可能でなくなる。操舵角度またはホイール回転に基づく感知は不正確であり、窪みおよびホイールスピンが、進まれた見掛けの距離を変える。また、採鉱環境では、深さのロケーションが２次元ロケーションと同じくらい重要であることがあり、したがって平面にわたるターゲットの高さに基づく距離推定に依拠する技法は効果的でない。
【００３１】
採鉱などの環境では、環境からの材料の採取の性質により、環境の形状が定期的に変わる。スピレージ（ｓｐｉｌｌａｇｅ）、新たな作業などにより、異質のフィーチャが追加されることがある環境でもある。したがって、本発明の配置構成は、入念な事前マッピングを必要としないため、そのような環境に理想的に適する。
【００３２】
従来技術は、動きの決定に関して一連の単眼（カメラ）イメージを使用することを開示しているが、センサの視野の３次元空間内にある物体の位置および向きを求め、それにより３次元でのセンサの位置の変化を求め、センサの実際の位置を追跡することを可能にするために、３次元全てにおいて複数３次元イメージ中の（自然のまま又は人為的なものであってよい）フィーチャの合致を使用することは開示されていない。
【００３３】
位置を求める知られている手段には、超音波センサや他の距離測定デバイスなどのデバイス、またはビデオカメラなどの２次元イメージングシステムがある。これらのデバイスは、１次元または２次元の情報を直接提供する。３次元での情報の獲得には、２つ以上のセンサからのデータが必要であり、場合により、複数のセンサからのデータの大規模な計算が必要である。３次元イメージングシステムは、そのようなセンサまたは処理装置の組合せからなっていてよく、または３次元レーザ距離測定スキャニングシステムなど専用の３次元センサであってもよい。例えば、２次元イメージングシステムは、フィーチャ間の角度関係に関する情報を直接提供するのみであり、スケールは提供しないが、３次元情報を間接的に提供する場合がある。２次元イメージングシステムを使用して３次元情報を得るためには通常、大量の計算が必要である。位置割出しは、地上ランドマークや星など既知の基準に対する位置の測定に基づく、または慣性ナビゲーションシステムにおけるように既知の位置からの動きの決定に基づく。位置は、３つの成分からなる。これらは、デカルト基準フレームにおける、または地球の表面上でのｘ、ｙ、ｚ座標であってよく、ジオイド（ｇｅｏｉｄ）に関する緯度、経度、および高度であってもよい。多くの適用例では、既知の基準に対する位置の１つの成分のみを求めることができる。この成分は、三角測量を使用するマップからのナビゲーションに使用される基準位置に対する方位、または基準が既知の軌道内の衛星である全地球測位システムで使用される基準までの距離あってよい。指定の基準に対する相対位置の成分１つのみが知られているとき、物体の位置の完全な割出しには、いくつかの基準位置に関するこの成分の知識が必要である。例えば、マップおよびコンパスによってナビゲーションする時、２つの方位を使用して物体の位置を求める。３つの方位を使用して、物体の位置の割出しの精度を高める。マップおよびコンパスによってナビゲーションする時、コンパス方位およびマップの組合せが、３次元での位置の推定を提供する。基準位置に対する位置の３つの成分全てがわかっているとき、物体の位置は、測定エラーによって課せられるいくつかの制限範囲内で完全に求められる。３次元イメージングシステムは、センサの視野内の物体の３つの位置成分全ての知識を提供し、したがってセンサの視野内にある物体のセンサに対する位置を完全に求める。
【００３４】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明の動作を特定の実装形態に関して説明するが、多くの代替実装形態が可能であることを理解されたい。
【００３５】
例示の追跡システムの動作は以下のようである。典型的には、センサシステムが、図１に示される電動ビークル（物体）２０と、ビークルの頂部に取り付けられたセンサ１０とを含む。一実施形態では、ビークル２０は、本体２２およびトラック２３を有する。しかし実際には、任意の他の構成および移動の手段を有していてもよい。センサ１０は、ビークルの近傍にある任意のフィーチャ３０の３次元でのイメージを提供する。このとき、イメージ中の固定物体３０上の任意の点に対する、センサ１０を搬送する物体２０の位置の割出しが容易に行われる。センサを搬送する物体の動きを求めるために、物体の近傍にある任意のフィーチャ３０の真の位置を知る必要はない。認識されたフィーチャ３０は、固定されており、物体２０が移動する時間中に移動しなければ十分である（図３および４参照）。２つ以上のイメージのシーケンスでは、物体の近傍にあるフィーチャ３０に対するセンサ１０を搬送する物体２０の３次元での位置が、シーケンス中の各イメージごとに求められる。したがって、これらの位置が、近傍にある固定物体に対するセンサを搬送する物体の動きの測定を可能にする。センサ１０を搬送する物体が移動すると、新たな固定物体がセンサの近傍に進入することになり、それを使用して、センサを搬送する物体の動きの進行中の測定値を提供することができる。図２Ｂは、センサ１０の「視野」がボリューム５０によって定義された状態での物体２０およびセンサ１０の図を提供する。コンピュータなどのデータ処理システム２１を使用して、各３次元イメージ中の類似するフィーチャを合致させる。センサ１０に対する類似するフィーチャの位置の識別を使用して、センサに対するそのフィーチャの変位を測定する。使用中、フィーチャ３０を含むボリューム４０の３次元「イメージ」が２つの別々の時間に得られ、フィーチャイメージ３１および３２を生成する。これらのイメージが比較され、位置決めすべきフィーチャが決定されたイメージ内部での変位またはオフセット３３を識別することによって、３次元イメージ中のフィーチャの変位が求められる。このようにして、３次元構造物および３次元構造物に対するセンサの位置の知識を使用して、固定物体のランダムなセットに対する動きを求める。
【００３６】
３次元イメージ中のフィーチャに対する位置を求めるためには、イメージ中でフィーチャ３０を識別しなければならない。フィーチャが対称軸を有する場合、フィーチャに対するセンサの位置、および向きの変化の割出しが完全でなくなる。対称性を有するフィーチャに対するセンサの向きおよび位置を完全に求めるためには、いくつかのフィーチャが必要とされ、例えば円柱形ポールに対するセンサの向きおよび位置は、その位置および向きを完全に求めるためにセンサ１０が２つのポールを見ることを必要とする。２つ以上のイメージのシーケンスでは、各イメージ中で１つまたは複数の同じフィーチャを認識（すなわち検出および識別）しなければならず、かつセンサに対するそれらの位置および向きを求めなければならない。コンピュータまたはデジタル信号処理装置２１を使用して、センサ１０によって得られたデータを処理し、イメージのシーケンス中で物体２０の位置を求めるために使用されるフィーチャを識別する。いくつかの方法を使用して、イメージ中のフィーチャを識別し、異なるイメージ中のフィーチャを合致させることができる。これらの方法は、エリアベース（ａｒｅａ ｂａｓｅ）手法、エッジベース（ｅｄｇｅ ｂａｓｅ）手法、フィーチャベース（ｆｅａｔｕｒｅ ｂａｓｅ）手法、モデルベース（ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅ）手法、および多重レベル（ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ）または階層的（ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ）手法を含み、不一致の最小二乗尺度の最小化や、相関の程度を求めるためのデバイス（相関器）を使用した２つのフィーチャ間の相関の程度の割出しなどの合致方法に基づいていてよい。これらの方法は、空間データのみで動作することができ、またはいくつかのタイプの３Ｄイメージングセンサによって獲得される空間データと光データの組合せで動作することができる。位置がわかっている人工フィーチャの場合、センサ１０を搬送するビークル２０の真の位置は、センサ１０が人工フィーチャを「見る」ことができるときはいつでも３次元イメージデータから完全に求められる。好ましい実施形態では、移動している物体を追跡するプロセスが図６Ａおよび６Ｂに示されている。ステージ４００で、物体が既知の位置にあるとき、３次元での物体２０の位置を求めることによってシステムが開始される。これは、例えば単に物体のロケーションの既知の座標を処理装置に手動でロードすることによって行うことができる。ステップ４１０で、システムは、１つまたは複数の固定フィーチャ３０の３次元ロケーションを示すデータをセンサ１０を介して得る。次いで、得られたデータを物体２０の処理装置２１が処理して、１つまたは複数の固定フィーチャ３０に対する物体２０の３次元位置を求める。ステップ４２０で、物体２０が新たなロケーションに移動する。ステップ４３０は、物体２０に対する（１つまたは複数の）既知の固定フィーチャの（１つまたは複数の）新たな３次元ロケーションを示す新たなデータを得ることを含む。次いでステップ４４０でこのデータを使用して、処理装置２１が、予め知られているロケーションからの３次元での物体２０の変位を求める。次いでステップ４５０で、前のロケーションの座標および上で計算された変位の知識から、物体��新たなロケーションに関する実３次元座標を求めることができる。
【００３７】
ステップ４６０で、処理装置２１は、ある所定の条件が満たされているかどうか確認する。所定の条件は、例えば移動先ロケーションであってよい。条件が満たされている（例えば、物体２０がその移動先に到達している）場合、処理装置２１は、制御信号を生成して物体２０を停止させる。条件が満たされていない場合、プロセスが要素４０２に続き、図６Ｂのステップ４７０に進む。
【００３８】
ステップ４７０で、センサ１０は、既知の固定基準フィーチャの新たな３次元ロケーションを示す追加のデータを得る。ステップ４３０で得られたデータが依然として使用に適している場合にはこのステップを行う必要がないことに留意されたい。例えば、物体が再び動いた後、ステップ４３０で使用された１つまたは複数のフィーチャが物体２０の新たなロケーションから見えない場合、新たなより適切な基準点を選択するためにステップ４７０が行われる。選択される基準点は新たな構造物である必要はない。既存の構造物のより見やすいフィーチャ、または既存の構造物の延長部であってよい。
【００３９】
ステップ４８０で、プロセッサ２１は、物体２０が移動したために見えてきた新たなフィーチャまたは構造物のデータを得るように選ぶこともできる。このステップが選択される場合、ステップ４９０で、物体２０に対する新たなフィーチャの３次元ロケーションを示す適切なデータがセンサ１０を介して得られる。
【００４０】
ステップ４８０の結果がＮＯである場合、すなわち見やすい新たなフィーチャが存在しない場合、処理装置２１は、接合要素４０３へスキップし、ステップ４９０を省略する。
【００４１】
要素４０３から、処理装置２１は要素４０１に進み、図６Ａのステップ４２０にループして戻り、物体２０を移動させてシーケンスを繰り返す。このループは、ステップ４６０で所定の条件が満たされて、物体２０が停止するまで繰り返される。
【００４２】
センサ１０および処理装置２１を使用して、この単純なプロセスに基づくいくつかの方法で物体間の関係を求め、センサを搬送する物体の位置を推定する。例えば、複数の物体を使用することができる。センサ視野内の物体を比較して、これらの物体の互いに対する関係を求め、それによりそれらが互いに対して動いているかどうかを求め、移動している物体を位置の推定から取り除くことができる。
【００４３】
より単純な実施形態は、２次元でのセンサの視野内の物体７０、７１、７２の、センサに対する実空間位置を記述する情報を獲得する空間位置および向きセンサ６０を使用することによって実現することができる（図５参照）。この実施形態では、センサ６０が平面８０内の空間データを獲得し、環境内のフィーチャ７０、７１、７２に対するセンサの位置が、測定平面内部で求められる。次いで、環境内のフィーチャに対する移動が、測定平面、例えば水上艇の場合、海または海洋の表面内の位置の変化によって特徴付けられる。２次元で動きを推定するための方法は、前述した３次元で動きを推定するために使用される方法と類似しているが、測定平面によって含まれない空間位置成分の使用をなくする。センサ６０は、回転させ（６１）、反復して使用し、それにより回転平面内でフィーチャまでの（１つまたは複数の）距離を測定するレーザ距離計やレーダシステムなどのレーザ距離測定システムであってよい。次いで、距離が測定された時間に距離計が向けられていた方向の知識により、測定平面内のフィーチャの位置が完全に求まる。図４は、２次元での本発明の動作を示す。
【００４４】
本発明の重要な側面は、ナビゲートするために真の３Ｄイメージの特徴を使用することである。レーザスキャナによって求められる平面内の位置、イメージングシステムによって求められる角度位置などの２次元データ、距離や方位などの１次元データ、および単一点に対する方位角および仰角と方位を組み合わせた距離などの単一点３次元データを使用して、３次元でナビゲートすることはできない。
【００４５】
センサから３次元データが獲得されると、対象空間内のセンサの位置が完全に求められ、したがってこれが、センサの位置を求めるためにマップまたは他のセンサの知識など追加の知識と共に使用しなければならない１次元および２次元センサから、３次元センサシステムを差別化する。３次元システムでは、センサの位置の変化を３次元で容易に追跡することができ、センサの真の位置の知識が維持される。ビークルなどの物体にセンサが取り付けられており、ビークル上のセンサの位置がわかっており、ビークルに対するセンサの向きがわかっている場合、ビークルの位置がわかり、それを追跡することができる。追跡は、人為的なフィーチャを使用することなく、または選択された人為的または自然のままのフィーチャの位置を知る必要なく３次元で行うことができる。
【００４６】
この実施形態は、レーザベースの距離測定実施形態の使用に関して主に論じている。しかし本発明の概念を実施するために、多数の代替３Ｄイメージングシステムを使用することができ、そのうちのいくつかを以下に簡単に論じる。
【００４７】
（３Ｄイメージを生成する代替方法）
３Ｄイメージングに関して２つの主な方法が採用される。
【００４８】
スキャニング距離測定デバイスを含めた複数の点に対する距離および向きの測定、および
複数の点に対する三角測量。
【００４９】
さらに、３Ｄイメージは、以下の方法によって生成することができる。
【００５０】
距離ゲートイメージング
モアレ技法
ホログラフィ干渉法
アダプティブ合焦システム（ａｄａｐｔｉｖｅ ｆｏｃｕｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）
イメージ焦点ボケからの距離の推定
これらをそれぞれ以下に論じる。
【００５１】
（スキャニング距離測定デバイス）
距離測定デバイスが向けられた対象空間内の点までの距離を記録することによって、スキャニング距離測定デバイスを使用して３次元イメージが獲得される。距離測定デバイスが対象空間にわたって走査され、センサの位置および向きがわかっている点のグリッドにわたって距離が記録されると、距離マップが生成され、次いでそれが３次元イメージに容易に変換される。３次元イメージを生成するために対象空間にわたって走査されるレーザ距離計の使用は、何度も実証されている。超音波またはレーダ距離計を使用して、同様のイメージを生成することができる。
【００５２】
（三角測量システム）
三角測量システムは、対象空間内の点に対する３次元での方向を求めることをそれぞれが可能にするセンサの２つの構成要素を有することを必要とする。センサの各構成要素の位置および向きがわかっており、センサの各構成要素に関して点に対する角度方向がわかっているため、点の空間内での位置が簡単に求められ、それにより３次元イメージを提供する。三角測量は、パッシブ三角測量およびアクティブ三角測量という技法にさらに分けることができる。
【００５３】
パッシブ三角測量は、測定システムの構成要素が２つ以上のカメラである、または１つのカメラが２つ以上のイメージを撮影する航空写真測量法や地上写真測量法などの技法を包含する。各イメージ中の点が合致され、合致された点の各イメージ中の位置から、空間位置が求められる。２つのテレビジョンカメラを使用する高速システムおよびイメージ処理システムは時々、立体視として分類される。
【００５４】
アクティブ三角測量は、光ストライプが対象空間内に投影され、別の位置からカメラまたは同様のセンサによって見られる構造化光イメージングなどの技法を包含した。場合により、２つのカメラが使用される。光ストライプの投影の方向と、１つまたは複数のカメラの位置および向きとの知識が、光を反射する任意の点の空間内での位置の計算を可能にする。アクティブ三角測量の別の形態は、対象空間にわたって走査される光のスポットの使用を含む。
【００５５】
（距離ゲートイメージング）
距離ゲートイメージングは、制御された光源を用いて照射されたシーンの一連のイメージを得ることによって達成される。光源は非常に短い持続期間を有し、オンとオフで切り替えられる。光源がオンに切り替えられるたびに、可変遅延後の非常に短時間のシーンのイメージが得られる。それにより、この周期中に光を反射する、したがってカメラから既知の距離の所にあるシーン中のフィーチャが、イメージを生成する。この形態の一連のイメージを獲得することによって、シーンの距離マップが得られる。センサの位置および向きがわかっており、各イメージごとにフィーチャの角度方向がわかっているため、距離マップが３次元イメージに変換される。
【００５６】
（モアレ技法）
モアレパターンは、低空間周波数の干渉パターンである。干渉パターンが対象空間内に投影され、表面深さ情報が、対象空間内の観察された干渉パターンとして実施される位相情報に符号化され、そこから回復される。
【００５７】
（ホログラフィ）
ホログラフィ干渉計は、コヒーレント放射を使用して干渉パターンを生成する。光放射が使用されるとき、光検出器を使用して反射された放射を検出し、干渉パターンの構造から３次元イメージを構成する。干渉法は、レーダシステムに典型的に使用される波長の放射を用いて実施することができる。
【００５８】
（アダプティブ合焦）
イメージングシステムの合焦を達成するために必要な光学構成を使用して、対象空間内のフィーチャまでの距離を推測することができる。焦点を変え、合焦条件、例えば合焦を達成するために必要な光学構成を記録することによって、フィーチャに焦点が合ったときに対象空間内でのフィーチャまでの距離がマップされる。このデータは、距離ゲートイメージングシステムにおける距離およびイメージデータと同様に取り扱われて、３次元イメージを生成する。
【００５９】
（イメージ焦点ボケからの距離の推定）
イメージングシステムの焦点ボケの度合を使用して、対象空間内のフィーチャまでの距離を推測することができる。物体までの距離の推定は、カメラの光学構成、すなわち最良の合焦が達成される距離が、小さな深さのフィールドを伴って獲得されるイメージに及ぼす効果をモデル化することによって達成される。距離情報は、前記点での焦点ボケの度合を推定することによってイメージ中の様々な点の距離を計算することにより、焦点ぼけしたイメージから回復することができる。これらの方法は、例えばＲａｊａｇｏｐａｌａｎ  Ａ．Ｎ．著「Ｃｈａｕｄｈｕｒｉ  Ｓｐａｃｅ  Ｖａｒｉａｎｔ  Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  Ｔｏ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｏｆ  Ｄｅｐｔｈ  Ｆｒｏｍ  Ｄｅｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｍａｇｅｓ」Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｖｉｓｉｏｎ  ａｎｄ  Ｉｍａｇｅ  Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｖｏｌ６８，Ｎｏ２、１９９７年１２月で論じられている。
【００６０】
他の代替３Ｄイメージング技法を採用して本発明を実施することができることは明らかである。例えば、Ｂｅｓｌ，Ｐ．Ｊ．著「Ａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒａｎｇｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒｓ」Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｖｉｓｉｏｎ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｖｏｌ１、１９８８年で論じられているものである。
【００６１】
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたことを理解されたい。特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内で多くの変形および修正が可能である。
【図面の簡単な説明】
次に、本発明の位置実施形態を、添付図面を参照して説明する。
【図１】本発明の一実施態様によるビークルおよびセンサを示す図である。
【図２Ａ】ビークルまたは他の適切な物体上に設置したときのセンサを示す図である。
【図２Ｂ】３次元での典型的なセンサの視野を示す図である。
【図３】適切なセンサシステムが、ある時間に、固定物体に対する位置をどのように求めるかを示す図である。
【図４】後の時間に固定物体に対する位置をセンサがどのように求めることがあるか、かつセンサ、したがってセンサを搬送する物体の動きが、２つの別個の時間での位置の測定値からどのように求められるかを示す図である。
【図５】平面内での２次元位置を求めるための２次元でのセンサの動作を示す図である。
【図６Ａ】本発明の方法に関するステップの流れ図である。
【図６Ｂ】本発明の方法に関するステップの流れ図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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