(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動中の移動体の姿勢を決定する方法であって、
前記移動体に搭載された位置計測手段によって、移動中に２回以上、移動体位置を計測し、
前記移動体に搭載された画像取得手段によって、移動中に、太陽を含む画像を取得するとともに、画像を取得した画像取得時刻を取得し、
計測された２以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を算出し、
計測された前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの該移動体の位置である画像取得位置を求め、
前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、
前記移動体の姿勢に合わせた座標軸であって、前記画像取得位置を原点とし、該移動体の進行方向をｙｎ軸とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求め、
水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対  座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求め、
前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差を算出し、さらに前記任意座標軸のうち前記ｙｎ軸を前記移動方位に合わせて決定した前記任意座標軸に基づいて、前記移動体の姿勢を算出することを特徴とする移動体姿勢の決定方法。
【請求項２】
請求項１記載の移動体姿勢の決定方法において、
位置計測手段によって、移動体位置を計測するとともに、その計測時刻を取得し、
計測された前記移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を算出することを特徴とする移動体姿勢の決定方法。
【請求項３】
移動中の移動体の姿勢を決定するプログラムであって、
前記移動体に搭載された位置計測手段によって移動中に計測された、２以上の移動体位置を読み込む機能と、
前記移動体に搭載された画像取得手段によって移動中に取得された太陽を含む画像と、画像を取得した画像取得時刻と、を読み込む機能と、
前記２以上の移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を算出する機能と、
前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの該移動体の位置である画像取得位置を求める機能と、
前記画像の輝度に基づいて、画像中における太陽位置を抽出する機能と、
前記移動体の姿勢に合わせた座標軸であって、前記画像取得位置を原点とし、該移動体の進行方向をｙｎ軸とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求める機能と、
水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求める機能と、
前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差を算出し、さらに前記任意座標軸のうち前記ｙｎ軸を前記移動方位に合わせて決定した前記任意座標軸に基づいて、前記移動体の姿勢を算出する機能と、をコンピュータに実行させることを特徴とする移動体姿勢の決定プログラム。
【請求項４】
請求項３記載の移動体姿勢の決定プログラムにおいて、
位置計測手段によって移動中に計測された計測時刻を、読み込む機能と、
移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を求める機能と、をコンピュータに実行させることを特徴とする移動体姿勢の決定プログラム。
【請求項５】
移動中の移動体の姿勢を決定する装置であって、
前記移動体に搭載され、移動中に太陽を含む画像を取得し、その画像を取得した  画像取得時刻を取得し得る、画像取得手段と、
前記移動体に搭載され、移動中に移動体位置を計測し得る、位置計測手段と、
前記画像と、前記画像取得時刻と、前記移動体位置と、を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段から、前記画像と前記画像取得時刻と前記移動体位置と、を読み込んで演算処理を行う演算処理手段と、を備え、
前記演算処理手段は、
２以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を計算するとともに、前記画像を取得したときの該移動体の位置である画像取得位置を計算し、
前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、
前記移動体の姿勢に合わせた座標軸であって、前記画像取得位置を原点とし、該移動体の進行方向をｙｎ軸とする任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを計算し、
水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを計算し、
前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差を算出し、さらに前記任意座標軸のうち前記ｙｎ軸を前記移動方位に合わせて決定した前記任意座標軸に基づいて、前記移動体の姿勢を計算することを特徴とする移動体姿勢の決定装置。
【請求項６】
請求項５記載の移動体姿勢の決定装置において、
位置計測手段は、計測された計測時刻を取得し、
記憶手段は、前記計測時刻を記憶し、
演算処理手段は、記憶手段から前記計測時刻を読み込んで、移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を計算することを特徴とする移動体姿勢の決定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、空中を移動する航空機、路上を移動する自動車、軌道上を移動する列車、海上を移動する船舶、といった移動体の姿勢を決定する方法、プログラム、装置に関するものであり、より具体的には、移動中に測位と画像取得を行い、これらの結果を基に移動中の移動体姿勢を決定する方法、プログラム、装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
移動体が移動している間、移動体の姿勢は変化し、その姿勢を検出する技術は、様々な分野で取り入れられている。例えば航空機や船舶では、移動中の姿勢がその航路や安定性に影響するため、移動中に自身の姿勢を検知し把握することがある。あるいは、輸送する物によっては移動体の姿勢を制御する必要があり、そのため移動中の移動体姿勢を把握する場合がある。とくに、空中写真測量やレーザー計測（図７）など航空機によって計測を実施する場合には、撮影方向やレーザーの照射方向が極めて重要であり、計測時の航空機姿勢は必ず取得される。
【０００３】
飛行中の航空機の姿勢を取得するためには、特許文献１で示されるように、通常はＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）とＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）が用いられる。しかしながら、ＩＭＵは高価である上に、航空機に搭載するにあたっては耐衝撃機構を要するなど、採用するためには多大な費用を要する。また、ＧＰＳとＩＭＵの組み合わせによる方法では、一般的に移動体姿勢の算出が後処理となり、移動中リアルタイムで姿勢を取得してそれを姿勢制御などに反映させることはできない。
【０００４】
そこで特許文献２では、ＩＭＵに代えて、磁気センサと重力加速度センサを利用して姿勢角の情報を取得する方法等を提案している。また、本願発明で着目している「太陽を含む画像を利用する」という技術については、特許文献３で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４５７４１
【特許文献２】特開２００４−２６４０２８
【特許文献３】特開２０１０−１７３５４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで示した特許文献１は、前述のとおりＧＰＳとＩＭＵの組み合わせにより姿勢情報を取得する方法であり、移動体姿勢の算出は後処理となって移動中のリアルタイム処理ができない、採用に当たって多大な費用を要する、といった問題を抱えている。引用文献２は、ＩＭＵを用いないため引用文献１のような問題はないものの、磁気センサと重力加速度センサを用いる方法では、ＧＰＳとＩＭＵを組み合わせた場合に比べると取得する精度は劣り、空中写真測量やレーザー計測などを行うにあたっては採用し難い技術である。引用文献３は、本願同様「太陽を含む画像を利用する」という点に着目しているが、車両用の空気調和装置を制御するためのものであり、移動体の姿勢を決定するためのものではない。
【０００７】
本願発明の課題は前記問題を解決するものであり、採用に当たって掛かる費用を軽減し、且つ高い精度で移動体姿勢を決定することのできる方法、プログラム、及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
移動体姿勢の決定方法は、移動中の移動体の姿勢を決定する方法であって、前記移動体に搭載された位置計測手段によって、移動中に２回以上、移動体位置を計測し、前記移動体に搭載された画像取得手段によって、移動中に、太陽を含む画像を取得するとともに、画像を取得した画像取得時刻を取得し、計測された２以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を算出し、計測された前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を求め、前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とし、前記算出された移動体の移動方位に基づく任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求め、水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求め、前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差に基づいて、移動体の姿勢を算出する方法である。
【０００９】
この場合、位置計測手段によって、移動体位置を計測するとともに、その計測時刻を取得し、計測された前記移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を算出することもできる。
【００１０】
移動体姿勢の決定プログラムは、移動中の移動体の姿勢を決定するプログラムであって、前記移動体に搭載された位置計測手段によって移動中に計測された、２以上の移動体位置を読み込む機能と、前記移動体に搭載された画像取得手段によって移動中に取得された太陽を含む画像と、画像を取得した画像取得時刻と、を読み込む機能と、前記２以上の移動体位置に基づいて、移動体の移動方位を算出する機能と、前記移動体位置に基づいて、画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を求める機能と、前記画像の輝度に基づいて、画像中における太陽位置を抽出する機能と、移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とし、前記算出された移動体の移動方位に基づく任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを求める機能と、水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを求める機能と、前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差に基づいて、移動体の姿勢を算出する機能と、をコンピュータに実行させるものである。
【００１１】
この場合、位置計測手段によって移動中に計測された計測時刻を、読み込む機能と、移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を求める機能と、をコンピュータに実行させることもできる。
【００１２】
移動体姿勢の決定装置は、移動中の移動体の姿勢を決定する装置であって、前記移動体に搭載され、移動中に太陽を含む画像を取得し、その画像を取得した画像取得時刻を取得し得る、画像取得手段と、前記移動体に搭載され、移動中に移動体位置を計測し得る、位置計測手段と、前記画像と、前記画像取得時刻と、前記移動体位置と、を記憶する記憶手段と、前記記憶手段から、前記画像と前記画像取得時刻と前記移動体位置と、を読み込んで演算処理を行う演算処理手段と、を備え、前記演算処理手段は、２以上の前記移動体位置に基づいて、前記移動体の移動方位を計算するとともに、前記画像を取得したときの移動体の位置である画像取得位置を計算し、前記画像の輝度に基づいて画像中における太陽位置を抽出し、移動体の姿勢に合わせた座標軸であって前記画像取得位置を原点とし、前記算出された移動体の移動方位に基づく任意座標系を設けるとともに、前記画像中の太陽位置に基づいて、当該任意座標系の原点から太陽に向かう計測ベクトルを計算し、水平面と鉛直軸からなる座標軸であって前記画像取得位置を原点とする絶対座標系を設けるとともに、前記画像取得位置と前記画像取得時刻に基づいて、当該絶対座標系の原点から太陽に向かう基準ベクトルを計算し、前記計測ベクトルと基準ベクトルとを合わせるとともに、前記任意座標軸と絶対座標軸の角度差と、前記算出された移動体の移動方位と、移動体の姿勢を計算するものである。
【００１３】
この場合、位置計測手段は、計測された計測時刻を取得し、記憶手段は、前記計測時刻を記憶し、演算処理手段は、記憶手段から前記計測時刻を読み込んで、移動体位置と、その計測時刻及び画像取得時刻と、に基づいて、画像取得位置を計算することもできる。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明の移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置には、次のような効果がある。
（１）ＩＭＵを必要とせず、ＧＰＳやカメラなど比較的廉価な製品で構成できるので、掛かる費用を軽減することができる。
（２）ＧＰＳとカメラなど少ない設備を搭載するだけなので、比較的容易に設置することができる。
（３）磁気センサなどに比べ、高い精度で移動体姿勢を取得することができる。
（４）移動中リアルタイムで移動体姿勢を取得できるので、移動しながら姿勢制御を行うことができる。
（５）複雑な演算処理を必要としないので、容易かつ迅速に結果を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】移動体１が移動している状態を示す説明図。
【図２】本願発明を実施するために利用される構成要素を示すブロック図。
【図３】移動体の姿勢に合わせた座標系である任意座標系を示す説明図。
【図４】（ａ）は任意座標系において画像取得位置から太陽を見たときの太陽の角度を示すモデル図、（ｂ）は画像中における太陽位置を示す説明図。
【図５】（ａ）は任意座標系における計測ベクトルを表すモデル図、（ｂ）は絶対座標系における基準ベクトルを表すモデル図。
【図６】（ａ）は任意座標系のｘ軸−ｙ軸をｚ軸回りにκ’だけ回転させた図、（ｂ）は任意座標系のｙ軸−ｚ軸をｘ軸回りにφ’だけ回転させた図、（ｃ）は任意座標系のｚ軸−ｘ軸をｙ軸回りにω’だけ回転させた図。
【図７】航空機によるレーザー計測を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本願発明の移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置の実施形態の例を図に基づいて説明する。
【００１７】
（概 要）
図１は、移動体１が移動している状態を示す説明図である。本願発明は、図１に示すように移動中の移動体１における姿勢を決定するものであって、移動中に自位置（移動体１自身の位置）を計測するとともに、太陽Ｓ（図１）を含む画像を取得し、自位置の座標と取得した画像によって移動中の姿勢を決定するものである。具体的には、移動中に計測した座標から移動体１の移動している方向（方位）を算出し、取得した画像中の太陽位置から任意座標系（移動体１の姿勢に合わせた座標系）における太陽方位・高度を求め、さらに緯度、経度、日時から絶対座標系（水平面と鉛直軸からなる座標系）における太陽方位・高度を求め、任意座標系と絶対座標系におけるそれぞれの太陽方位・高度を合わせた結果、両座標系に生じる座標軸の角度差と、移動体１の移動方向（方位）と、に基づいて移動体１の姿勢を決定するものである。
【００１８】
移動体１とは、図１に示すような空中を移動する航空機に限らず、路上を移動する自動車、軌道上を移動する列車、海上を移動する船舶、といった移動し得る全てのものを意味する語であるが、便宜上ここでは移動体１を航空機として説明する。
【００１９】
図２は、本願発明を実施するために利用される構成要素を示すブロック図である。この図に示すように、位置計測手段２、画像取得手段３、記憶手段４、演算処理手段５が用いられ、これらは移動中であっても安定するように移動体１に設置される。
【００２０】
図３は、移動体１の姿勢に合わせた座標系である「任意座標系」を示す説明図である。この図に示すように任意座標系は、移動体１の（進行方向に対する）左右方向にｘｎ軸、移動体１の進行方向にｙｎ軸、移動体１の上下方向にｚｎ軸が設けられており、移動体１の姿勢に合わせてその向きを変えるものである。そして、各座標軸の傾きが移動体１の姿勢を決定する。この姿勢は、具体的には、水平面であって東向きをＸａ軸、水平面であって北向きをＹａ軸、鉛直上向きをＺａ軸、とする「絶対座標系」に対する傾きから求められるものであり、Ｘａ軸回りの回転角（ｙｎ軸とＹａ軸あるいはｚｎ軸とＺａ軸の傾き）をピッチ、Ｙａ軸回りの回転角（ｚｎ軸とＺａ軸あるいはｘｎ軸とＸａ軸の傾き）をロール、Ｚａ軸回りの回転角（ｙｎ軸とＹａ軸あるいはｘｎ軸とＸａ軸の傾き）をヨー、とする３つの要素から決定されるのが姿勢である。
【００２１】
以下、構成要素ごとに詳細に説明する。
【００２２】
（位置計測手段）
位置計測手段２は、移動中の移動体１の位置を計測するものであり、ＧＰＳを利用することも出来る。ＧＰＳとしては、単独測位法のほかＲＴＫ−ＯＴＦやＤＧＰＳなどの方法も採用することもできる。位置計測手段２として単独測位ＧＰＳを利用した場合、図２に示すように、位置計測手段２はアンテナ部２ａとレシーバ部２ｂで構成される。
【００２３】
ＧＰＳは、複数の衛星からの信号を受信することによって位置を特定するシステムであり、自身（位置計測手段２）の位置を特定するとともに、計測を実施した時刻（以下、「計測時刻」という。）も取得することができる。ここで計測される位置は、数学座標系や世界測地系など通常利用される座標系におけるもの（あるいは緯度、経度、標高で表されるもの）であり、図１では第１の地点Ｐ１で計測した位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）と、移動後の第２の地点Ｐ２で計測した位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）を示している。また、ＧＰＳによれば比較的短い間隔で計測することが可能で、例えば１秒間に１回（１Ｈｚ）といった間隔で計測することができる。
【００２４】
（画像取得手段）
画像取得手段３は、太陽Ｓを含む画像を取得するものであり、デジタルカメラやデジタルビデオを利用することができる。画像取得手段３に用いられるレンズは広角のもの（望ましくは画角１２０〜１８０°のもの）が適し、超広角レンズや円周魚眼レンズを採用したいわゆる天頂カメラを採用することが望ましい。また画像取得手段３としてデジタルカメラやデジタルビデオを利用する場合、取得される画像の画素数が３００万〜１，０００万程度、フレームレートが１５〜３０ｆｐｓ程度のものとすることが望ましいが、もちろんこのような規格に限定されるものではない。
【００２５】
画像取得手段３は太陽Ｓを含む画像を取得する必要があることから、画像取得手段３のレンズ部分に減光フィルタ６を設置することもできる。減光フィルタ６を設置することで、太陽Ｓの外形をより確実に取得することができる。なお減光フィルタ６としては、減光率１，０００〜１０，０００程度の減光黒色フィルタを採用することが可能で、気象条件によって減光率を適宜選択するとより望ましい。
【００２６】
画像取得手段３によって画像を取得した時刻（以下、「画像取得時刻」という。）は、別途用意した計器で計測することもできるが、画像取得の直前あるいは直後に行われた位置計測手段２による計測時刻を採用することも可能であり、より望ましくは、フレームレート（例えば１５〜３０ｆｐｓ）に基づいて計算により求めるとよい。
【００２７】
画像取得手段３は、位置計測手段２のアンテナ部２ａとともにプラットフォーム７に固定したうえで移動体１に搭載（設置）することができる（図２）。この場合、画像取得手段３とアンテナ部２ａは接近してプラットフォーム７に固定されることが望ましい。また、画像取得手段３や位置計測手段２は、移動体１の任意の位置に設置することができるが、画像取得手段３については太陽Ｓの画像を取得しやすい位置に設置することが望ましい。例えば移動体１が航空機の場合、画像取得手段３は航空機の上部に設置することができる。
【００２８】
（記憶手段）
記憶手段４は、位置計測手段２によって計測された移動体１の位置情報（移動体位置データ）と、画像取得手段３によって取得した画像情報（画像データ）とを記憶するものである。なお、移動体位置データはその計測時刻情報（計測時刻データ）と紐づいて記憶され、画像データはその画像取得時刻情報（画像取得時刻データ）と紐づいて記憶されることが望ましく、これらを関連付けるデータベースを記憶手段４に構築することもできる。
【００２９】
（演算処理手段）
演算処理手段５は、移動体１の姿勢を決定するための一連の演算処理を行うものであり、具体的には、この演算処理を実行するためのプログラムを格納するＲＡＭ（他の記憶媒体でも可）や、当該プログラムを実行するＣＰＵなどを搭載したコンピュータ（電子計算機）である。このプログラムを実行する際には、記憶手段４に記憶された移動体位置データ、計測時刻データ、画像データ、画像取得時刻データが、記憶手段４から読み込まれ、これらを利用して計算処理が実行される。
【００３０】
（任意座標系）
前述したとおり、ここでいう任意座標系とは、移動体１の姿勢に合わせた座標系のことであり、図２や図３に示すようにそれぞれ直交する、ｘｎ軸（移動体１の左右方向）、ｙｎ軸（移動体１の進行方向）、ｚｎ軸（移動体１の上下方向）、で表される。また、任意座標系の原点（ｘｎ軸、ｙｎ軸、ｚｎ軸が交わる点）は、画像取得手段３で画像を取得した位置（以下、「画像取得位置」という。）、つまり画像取得手段３の設置位置に設けられる。このように、任意座標系の原点は移動体１とともに移動し、各座標軸は移動体１の姿勢に合わせてその向きを変えるものであり、後述する絶対座標系から見るとこれらは変化するもので、任意座標系はいわば相対的な座標系である。
【００３１】
（計測ベクトル）
図４（ａ）は任意座標系において画像取得位置（座標原点Ｏ）から太陽Ｓを見たときの太陽Ｓの角度θを示すモデル図であり、図４（ｂ）は画像中における太陽位置を示す説明図である。移動中の移動体１の姿勢が未知であれば、移動体１上では水平面を認識することができず、太陽Ｓの高度（水平面となす角）を把握することができない。よって移動体１上で太陽Ｓの仰角を把握するには、原点と太陽Ｓを結ぶ直線と、任意座標系のｙｎ軸−ｚｎ軸からなる平面と、挟角を求めることとなる。この挟角を求める手段は種々あるが、ここでは図４（ａ）に示すように、原点と太陽Ｓを結ぶ直線と、任意座標系のｚｎ軸との挟角θを求める手段を例に説明する。
【００３２】
広角レンズを用いた天頂カメラ等で撮像すると、図４（ｂ）のような円形の画像が取得される。このように取得可能範囲が円形となることから、この円（最外端の円）はイメージサークルと呼ばれる。図４（ｂ）に示すイメージサークル内には、挟角θの大きさに応じた補助円が描かれており、つまり中心点（座標原点Ｏ）から離れる補助円ほど挟角θが大きいことがわかる。図４（ｂ）では、イメージサークルの半径ｒと挟角θの積ｒ・θを半径として補助円が描かれる等距離射影を採用している。この手法によれば補助円の大きさがθに比例しているため、直感的でわかりやすいという特長がある。なお、補助円を描く方法としては、等距離射影に限らず、２ｒ・ｓｉｎ（θ／２）で与えられる半径で補助円が描かれる等立体角射影や、ｒ・ｓｉｎ（θ）で与えられる半径で補助円が描かれる正射影などを採用することもできる。
【００３３】
画像内に収められた太陽Ｓは、他と比べるとその輝度が著しく高いため簡単に識別することができる。すなわち、従来の画像認識技術を利用すれば、容易に画像中の太陽を抽出することができる。なお、この輝度として明度を用いることができるが、画像中の太陽を識別することができれば、いわゆる色の３属性のうちの彩度や色相を用いることも、もちろんこれらを組み合わせて用いることもできる。
【００３４】
画像中における太陽の抽出は、演算処理手段５によって行われる。また、演算処理手段５は、抽出した太陽の外形（輪郭）からその重心（図心）位置を計算によって求め、この太陽の重心位置と、画像中の中心点（座標原点Ｏ）との距離から挟角θを求める。さらに演算処理手段５は、図４（ｂ）に示すように、中心点（座標原点Ｏ）と太陽の重心位置とを結ぶ直線と、任意座標系のｙｎ軸との挟角δを求める。このように太陽Ｓを含む画像から、原点Ｏ（すなわち画像取得位置）を基準とした、任意座標系のｙｎ軸と太陽との挟角δ、前述の挟角θから任意座標系のｘｎ軸−ｙｎ軸面との挟角（π／２−θ）、をそれぞれ求めることができるので、任意座標系における太陽Ｓの方向を特定することができる。
【００３５】
図５（ａ）は、任意座標系における計測ベクトルＶｍを表すモデル図である。この計測ベクトルＶｍは、画像から求められた挟角δ及び挟角θ（あるいはπ／２−θ）によって、任意座標系における太陽Ｓの方向を表したもので、任意座標系の原点Ｏを起点とし、太陽Ｓを終点としたベクトルである。取得した画像に基づいて求められるベクトルなので、計測ベクトルＶｍとした。図５（ａ）に示すように、任意座標系のｘｎ軸，ｙｎ軸，ｚｎ軸と、計測ベクトルＶｍとがなす角は、それぞれαｍ，βｍ，γｍであり、便宜上これらの余弦を方向余弦と呼ぶ。すなわち、ｘｎ軸の方向余弦はｃｏｓ（αｍ）であり、ｙｎ軸の方向余弦はｃｏｓ（βｍ）であり、ｚｎ軸の方向余弦はｃｏｓ（γｍ）である。便宜上、ｘｎ軸の方向余弦ｃｏｓ（αｍ）をＬｍ、ｙｎ軸の方向余弦ｃｏｓ（βｍ）をＭｍ、ｚｎ軸の方向余弦ｃｏｓ（γｍ）をＮｍとする。
【００３６】
（絶対座標系）
前述したとおり、ここでいう絶対座標系とは、水平面と鉛直軸からなるものであり、詳しくは、水平面を構成するＸａ軸とＹａ軸、鉛直軸であるＺａ軸の３軸で構成される。なお、Ｘａ軸は東西方向であって東向きを正、Ｙａ軸は南北方向であって北向きを正、Ｚａ軸は上向きを正としている。この絶対座標系も、任意座標系と同様、その原点（Ｘａ軸、Ｙａ軸、Ｚａが交わる点）は、画像取得手段３で画像を取得した位置である「画像取得位置」に設けられ、すなわち位置計測手段２によって取得された移動体１の位置情報（座標や、緯度・経度・標高）が原点Ｏとされる。このように絶対座標系の原点は移動体１とともに移動するものの、各座標軸は移動体１の姿勢にかかわらず常に一定（東西方向、南北方向、鉛直方向）である。
【００３７】
（基準ベクトル）
地球が自転し、太陽の周囲を公転していることを考えれば、日時と位置（緯度・経度や座標）を与えれば、その位置における太陽高度とその方位は理論上計算によって求めることができる。この算出式は、種々のものが公知であり、以下にその一例を示す。
【００３８】
任意の緯度φ、経度λの地点における任意の日時の太陽方位ψ、高度η、は次式により求められる。なお、この計算は、演算処理手段５によって行われる。
Ａ．元旦からの通し日数ｄｎに基づいて定めるθｏ
θｏ＝２π（ｄｎ−１）／３６５
Ｂ．求める日の太陽赤緯δ
δ＝０．００６９１８−０．３９９９１２ｃｏｓ（θｏ）＋０．０７０２５７ｓｉｎ（θｏ）−０．００６７５８ｃｏｓ（２θｏ）＋０．０００９０７ｓｉｎ（２θｏ）−０．００２６９７ｃｏｓ（３θｏ）＋０．００１４８０ｓｉｎ（３θｏ）
Ｃ．地心太陽距離ｒ／ｒ＊
ｒ／ｒ＊＝１／｛１．０００１１０＋０．０３４２２１ｃｏｓ（θｏ）＋０．００１２８０ｓｉｎ（θｏ）＋０．０００７１９ｃｏｓ（２θｏ）＋０．００００７７ｓｉｎ（２θｏ）｝０．５
Ｄ．均時差Ｅｑ
Ｅｑ＝０．００００７５＋０．００１８６８ｃｏｓ（θｏ）−０．０３２０７７ｓｉｎ（θｏ）−０．０１４６１５ｃｏｓ（２θｏ）−０．０４０８４９ｓｉｎ（２θｏ）
Ｅ．太陽の時角ｈ
ｈ＝（ＪＳＴ−１２）π／１２＋標準子午線からの経度差＋均時差（Ｅｑ）
ただし、ＪＳＴ：日本標準時間
Ｆ．太陽方位ψ
ψ＝ａｒｃｓｉｎ｛ｓｉｎ（φ）ｓｉｎ（δ）＋ｃｏｓ（φ）ｃｏｓ（δ）ｃｏｓ（ｈ）｝
Ｇ．太陽高度η
η＝ａｒｃｔａｎ［ｃｏｓ（φ）ｃｏｓ（δ）ｓｉｎ（ｈ）／｛ｓｉｎ（φ）ｓｉｎ（α）−ｓｉｎ（δ）｝］
【００３９】
太陽方位・高度を求めるための計算は、演算処理手段５によって行われる。ここでいう太陽高度とは、絶対座標系の原点と太陽Ｓを結ぶ直線と、水平面（すなわち絶対座標系のＸａ軸−Ｙａ軸からなる平面）との間の挟角である。また、太陽方位とは、絶対座標系の原点と太陽Ｓを結ぶ直線と、北方向（すなわち絶対座標系のＹａ軸の正方向）との間の挟角である。なお、厳密には高度（標高）によって太陽高度の値は変化するが、地球から太陽までの距離を考えると、高度による影響は極めて微小なので、ここでは無視することができる。
【００４０】
ここで計算上必要な条件値は、日時と位置である。日（月日）については、当然ながら計測を行った日であり、時刻については、位置計測手段２によって取得された「計測時刻」を用いることができる。また位置については、同じく位置計測手段２によって取得された移動体１の位置情報を採用することができる。
【００４１】
図５（ｂ）は、絶対座標系における基準ベクトルＶｃを表すモデル図である。この基準ベクトルＶｃは、計算上求められた太陽方位・高度によって、絶対座標系における太陽Ｓの方向を表したもので、絶対座標系の原点Ｏを起点とし、太陽Ｓを終点としたベクトルである。図５（ｂ）に示すように、絶対座標系のＸａ軸，Ｙａ軸，Ｚａ軸と、基準ベクトルＶｃとがなす角は、それぞれαｃ，βｃ，γｃであり、便宜上これらの余弦を方向余弦と呼ぶ。すなわち、Ｘａ軸の方向余弦はｃｏｓ（αｃ）であり、Ｙａ軸の方向余弦はｃｏｓ（βｃ）であり、Ｚａ軸の方向余弦はｃｏｓ（γｃ）である。便宜上、Ｘａ軸の方向余弦ｃｏｓ（αｃ）をＬｃ、Ｙａ軸の方向余弦ｃｏｓ（βｃ）をＭｃ、Ｚａ軸の方向余弦ｃｏｓ（γｃ）をＮｃとする。
【００４２】
（移動体の方位）
図１に示すように、移動している移動体１の方位は、位置計測手段２で計測した位置情報から算出することができる。具体的には、図１で示す第１の地点Ｐ１で計測した位置情報（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）と、移動後の第２の地点Ｐ２で計測した位置情報（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）を用いて移動体１の進行方向の方位を計算する。なお、位置計測手段２で取得される座標は、任意座標系のものでも、絶対座標系のものでもなく、数学座標系や世界測地系など通常利用される座標系におけるものである。よって、位置情報のうち平面座標である（Ｘ１，Ｙ１）と（Ｘ２，Ｙ２）を用いれば、水平面上での２点間の方位を求めることができる。このように、移動中の２点で位置情報を取得すればその間の進行方向を方位として表すことができるが、２点に限らず、３点以上取得して移動中の方位を計算することもできる。この方位計算は、演算処理手段５によって行われる。
【００４３】
（画像取得位置）
前述したとおり、画像取得位置とは、画像取得手段３で画像を取得した位置であり、画像取得した時点における画像取得手段３の設置位置である。画像取得位置は、演算処理手段５によって算出され、位置計測手段２で計測した位置情報に基づいて計算される。具体的には、記憶手段４から画像取得時刻データを読み込むとともに、画像取得時刻の前後の計測時刻データを読み込み、さらにこれらの計測時刻に計測された位置情報（移動体位置データ）を読み込んで、画像取得時刻における位置情報すなわち画像取得位置を計算する。なお厳密には、ここで計算されるのは位置計測手段２（アンテナ部２ａ）の位置であるが、画像取得手段３とアンテナ部２ａは十分接近しているので、これらの離隔は無視することができる。
【００４４】
なお画像取得位置は、上記計算によって求める手法に代えて、画像取得時刻の直近の計測時刻データと移動体位置データを読み込み、これを便宜的に、画像取得時刻における位置情報すなわち画像取得位置とすることもできる。
【００４５】
（姿勢の決定）
計測ベクトルＶｍと基準ベクトルＶｃは、両者とも画像取得位置から太陽Ｓまで結ぶベクトルなので、本来ならば一致するはずであるが、図５（ａ）（ｂ）に示すように、任意座標系で表される計測ベクトルＶｍと、絶対座標系で表される基準ベクトルＶｃとは、それぞれ方向が異なっている。これは、移動体１の姿勢に起因するためである。つまり、移動体１の姿勢に対応する任意座標系の各座標軸が、絶対座標系の各座標軸に対して傾いているためであり、換言すれば、任意座標系における計測ベクトルＶｍの方向余弦Ｌｍ，Ｍｍ，Ｎｍと、絶対座標系における基準ベクトルＶｃの方向余弦Ｌｃ，Ｍｃ，Ｎｃが、異なるためである。
【００４６】
任意座標系の各座標軸と、絶対座標系の各座標軸との、ズレ（角度差）を求めれば、任意座標系の各座標軸の傾き、すなわち移動体１の姿勢を求めることができる。任意座標系と絶対座標系との各座標軸の角度差を求める解法については、様々な手法があるが、ここでは以下の手法を例示して説明する。
【００４７】
図５（ａ）に示す任意座標系の原点と、図５（ｂ）に示す絶対座標系の原点を重ね、その上で、任意座標系のｘｎ軸，ｙｎ軸，ｚｎ軸をそれぞれ回転させながら計測ベクトルＶｍと基準ベクトルＶｃの方向をあわせる。このときｘｎ軸，ｙｎ軸，ｚｎ軸を回転させた量（角度）を算出し、これらの回転量に基づいて移動体１の姿勢を求める。
【００４８】
任意座標系のｘｎ軸，ｙｎ軸，ｚｎ軸をそれぞれ回転させながら計測ベクトルＶｍと基準ベクトルＶｃの方向をあわせる具体的な手順を、図６（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。なお、図６（ａ）は任意座標系のｘ軸−ｙ軸をｚ軸回りにκ’だけ回転させた図で、図６（ｂ）は任意座標系のｙ軸−ｚ軸をｘ軸回りにφ’だけ回転させた図で、図６（ｃ）は任意座標系のｚ軸−ｘ軸をｙ軸回りにω’だけ回転させた図である。
【００４９】
まず図６（ａ）に示すように、任意座標系のｘｎ０軸−ｙｎ０軸を、ｚｎ０軸回りにκ’だけ回転させる。このとき、最初の任意座標系ｘｎ０軸−ｙｎ０軸−ｚｎ０軸における計測ベクトルＶｍの方向余弦をＬｍ０，Ｍｍ０，Ｎｍ０とすると、ｚｎ０軸回りに回転させた後の計測ベクトルＶｍの方向余弦Ｌｍ１，Ｍｍ１，Ｎｍ１は次式で与えられる。
Ｌｍ１＝Ｌｍ０・ｃｏｓκ’−Ｍｍ０・ｓｉｎκ’
Ｍｍ１＝Ｌｍ０・ｓｉｎκ’＋Ｍｍ０・ｃｏｓκ’
Ｎｍ１＝Ｎｍ０
【００５０】
次に図６（ｂ）に示すように、任意座標系のｙｎ１軸−ｚｎ０軸を、ｘｎ１軸回りにφ’だけ回転させる。このとき、ｘｎ１軸回りに回転させた後の計測ベクトルＶｍの方向余弦Ｌｍ２，Ｍｍ２，Ｎｍ２は次式で与えられる。
Ｌｍ２＝Ｌｍ１
Ｍｍ２＝Ｍｍ１・ｃｏｓφ’−Ｎｍ１・ｓｉｎφ’
Ｎｍ２＝Ｍｍ１・ｓｉｎφ’＋Ｎｍ１・ｃｏｓφ’
【００５１】
最後に図６（ｃ）に示すように、任意座標系のｚｎ１軸−ｘｎ１軸を、ｙｎ２軸回りにω’だけ回転させる。このとき、ｙｎ２軸回りに回転させた後の計測ベクトルＶｍの方向余弦Ｌｍ３，Ｍｍ３，Ｎｍ３は次式で与えられる。
Ｌｍ３＝Ｌｍ２・ｃｏｓω’−Ｎｍ２・ｓｉｎω’
Ｍｍ３＝Ｍｍ２
Ｎｍ３＝Ｌｍ２・ｓｉｎω’＋Ｎｍ２・ｃｏｓω’
【００５２】
すなわち、Ｌｍ３，Ｍｍ３，Ｎｍ３を、Ｌｍ０，Ｍｍ０，Ｎｍ０で表すと次式のとおりとなる。
Ｌｍ３＝［Ｌｍ０・ｃｏｓκ’−Ｍｍ０・ｓｉｎκ’］・ｃｏｓω’−［（Ｌｍ０・ｓｉｎκ’＋Ｍｍ０・ｃｏｓκ’）・ｓｉｎφ’＋Ｎｍ０・ｃｏｓφ’］・ｓｉｎω’
Ｍｍ３＝［Ｌｍ０・ｓｉｎκ’＋Ｍｍ０・ｃｏｓκ’］・ｃｏｓφ’−Ｎｍ０・ｓｉｎφ’
Ｎｍ３＝［Ｌｍ０・ｃｏｓκ’−Ｍｍ０・ｓｉｎκ’］・ｓｉｎω’＋［（Ｌｍ０・ｓｉｎκ’＋Ｍｍ０・ｃｏｓκ’）・ｓｉｎφ’＋Ｎｍ０・ｃｏｓφ’］・ｃｏｓω’
【００５３】
図６（ｃ）で、回転後の任意座標系ｘｎ２軸−ｙｎ２−ｚｎ２軸における計測ベクトルＶｍのＬｍ３，Ｍｍ３，Ｎｍ３と、絶対座標系における基準ベクトルＶｃの方向余弦Ｌｃ，Ｍｃ，Ｎｃを一致させて得られる解κ’，φ’，ω’が、すなわち任意座標系と絶対座標系との各座標軸の角度差である。そして、絶対座標系のＸａ軸からκ’だけ回転させたものをｘｎ軸、Ｙａ軸からφ’だけ回転させたものをｙｎ軸、Ｚａ軸からω’だけ回転させたものをｚｎ軸とする。ｙｎ軸の方向（水平面に投影した方向）を、移動体１の移動中に２点以上計測した位置情報から求めた方位に合わせて、ｘｎ軸−ｙｎ軸−ｚｎ軸を決定する。ここで決定されたｘｎ軸−ｙｎ軸−ｚｎ軸と、移動体１の方位κ、ｙｎ軸と水平面（絶対座標系のＸａ軸−Ｙａ軸からなる平面）との角度φ、ｚｎ軸と水平面との角度ω、に基づいて移動体１の姿勢が求められる。
【００５４】
（応用例）
上記のとおり決定された移動体１の姿勢は、空中写真測量やレーザー計測など航空機によって計測を実施する場合に、撮影方向やレーザーの照射方向を把握する際に用いることができるほか、図２に示すように、外部出力端子８を設け、リアルタイムで外部装置を制御することもできる。ここで外部装置とは、例えば移動体１の運行姿勢を制御する装置であり、あるいは移動体１に積載した荷物等の姿勢を制御する装置などである。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
被写地物の移動体姿勢の決定方法、移動体姿勢の決定プログラム、及び移動体姿勢の決定装置は、航空機や船舶の運航制御や、航空写真測量やレーザー計測などの計測作業、その他、水平姿勢を維持する必要のある薬品等の輸送など、様々な分野で応用可能な発明である。
【符号の説明】
【００５６】
１     移動体
２     位置計測手段
２ａ   （位置計測手段の）アンテナ部
２ｂ   （位置計測手段の）レシーバ部
３     画像取得手段
４     記憶手段
５     演算処理手段
６     減光フィルタ
７     プラットフォーム
８     外部出力端子
Ｓ     太陽
Ｘａ   （絶対座標系の）ｘ軸
Ｙａ   （絶対座標系の）ｙ軸
Ｚａ   （絶対座標系の）ｘ軸
ｘｎ   （任意座標系の）ｘ軸
ｙｎ   （任意座標系の）ｙ軸
ｚｎ   （任意座標系の）ｘ軸
Ｖｃ   基準ベクトル
Ｌｃ   （基準ベクトルとＸａ軸の）方向余弦
Ｍｃ   （基準ベクトルとＹａ軸の）方向余弦
Ｎｃ   （基準ベクトルとＺａ軸の）方向余弦
Ｖｍ   計測ベクトル
Ｌｍ   （計測ベクトルとｘｎ軸の）方向余弦
Ｍｍ   （計測ベクトルとｙｎ軸の）方向余弦
Ｎｍ   （計測ベクトルとｚｎ軸の）方向余弦
【図１】
0005761554.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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