(57)【要約】【課題】精密なナビゲーションを実施できるナビゲーション・システムを提供する。【解決手段】ナビゲーション・システムは、複数のナビゲーション・センサを備え、複数のナビゲーション・センサのそれぞれは、剛体の複数の状態（剛体状態）のうちの少なくとも１つについてのデータを提供するように構成され、それによって複数の剛体状態のそれぞれについてのデータが複数のナビゲーション・センサのうちの１または複数のものによって提供されるようにし、複数のナビゲーションセンサのうちの１つがステレオ・ビジョン・センサであり、また、ナビゲーション・システムは、複数のナビゲーション・センサに結合された処理装置を備え、処理装置は、複数の剛体状態のそれぞれについてのデータを統合して、複数の剛体状態のそれぞれについての組合せ状態推定を得るように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナビゲーション・システム（１００）であって、
複数のナビゲーション・センサ（１０４、１０６、１１２、１１４）であって、それぞれのナビゲーション・センサが、複数の剛体状態のうちの少なくとも１つについてのデータを提供するように構成され、前記複数の剛体状態のそれぞれについてのデータが、前記複数のナビゲーション・センサのうちの１または複数のものによって提供されるものであり、前記複数のナビゲーション・センサのうちの１つがステレオ・ビジョン・センサ（１０４）である、複数のナビゲーション・センサと、
前記複数のナビゲーション・センサ（１０４、１０６、１１２、１１４）に結合された処理装置（１０２）であって、前記複数の剛体状態のそれぞれについての前記データを統合して、前記複数の剛体状態のそれぞれについての組合せ状態推定を得るように構成された処理装置（１０２）と
を備えるナビゲーション・システム。
【請求項２】
請求項１に記載のナビゲーション・システム（１００）であって、前記処理装置（１０２）が更に、前記複数のナビゲーション・センサ（１０４、１０６、１１２、１１４）のうちの少なくとも１つからの遅延した状態推定を用いて前記組合せ状態推定を更新するように構成される、ナビゲーション・システム。
【請求項３】
請求項１に記載のナビゲーション・システム（１００）であって、前記処理装置（１０２）が、前記複数の剛体状態のそれぞれについての前記データを統合するために、カルマン・フィルタおよび相補フィルタのうちの１つを使用するように構成される、ナビゲーション・システム。
【請求項４】
請求項１に記載のナビゲーション・システム（１００）であって、前記複数のナビゲーション・センサ（１０４、１０６、１１２、１１４）は、ＲＡＤＡＲセンサ（１０６）、ＬＡＤＡＲセンサ（１１２）、および慣性測定ユニット（１１４）のうち少なくとも１つを更に備える、ナビゲーション・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ融合ナビゲーション（ｓｅｎｓｏｒ  ｆｕｓｅｄ  ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、参照により本明細書に組み込まれ、本明細書で「１３０７０出願」と呼ぶ、２００７年２月１２日出願の「Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｓｅｎｓｏｒｓ（視覚センサを用いた、動きの推定のためのシステムおよび方法）」という名称の同時係属の米国特許出願第１１／６７３８９３号、代理人ドケット番号Ｈ００１３０７０−５６０７に関する。
【０００３】
多くの誘導、制御、およびナビゲーション（ＧＮＣ：Ｇｕｉｄａｎｃｅ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）の応用例は閉ループ・システムであり、サブシステム（例えば、誘導サブシステム、制御サブシステム、ナビゲーション・サブシステム）のうちの１つによって引き起こされる不正確性が、他のサブシステムの適切な設計によって調整（修正）される。しかしながら、精密なナビゲーションが必要となる状況が生じる。例えば、飛行体の精密な着陸は精密なナビゲーションを必要とする。地上および地球の周りでは、精密なナビゲーションは、通常、全地球測位システム（ＧＰＳ）センサを用いて行うことができる。
【０００４】
しかしながら、ＧＰＳ信号は常に使用可能であるわけではない。例えば、ＧＰＳは、他の天体への精密な着陸中には使用可能ではない。ＧＰＳがない場合、宇宙機や惑星／月着陸船のリアル・タイムの精密な位置の突止めが著しく困難となる。更に、宇宙空間の静的物体の状態を判定することのできる精度および感知方法は、移動物体の状態では著しく変化する。精密な着陸に対する厳しい要件により、ナビゲーション・システムに対する性能要件が厳しくなる。更に、地球上および地球の周りでも、ＧＰＳ信号が使用可能ではない状況が生じる可能性がある。例えば、大きな峡谷や高い建物の付近を通るビークル（vehicle、輸送手段）がそうである。ＧＰＳ信号が使用可能でないとき、精密なナビゲーションはより困難となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上記の問題を克服し、精密なナビゲーションを実施することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、ナビゲーション・システムが提供される。ナビゲーション・システムは、複数のナビゲーション・センサを備え、複数のナビゲーション・センサのそれぞれは、剛体の複数の状態（剛体状態）のうちの少なくとも１つについてのデータを提供するように構成され、それによって複数の剛体状態のそれぞれについてのデータが複数のナビゲーション・センサのうちの１つまたは複数のものによって提供されるようにし、複数のナビゲーションセンサのうちの１つがステレオ・ビジョン・センサであり、また、ナビゲーション・システムは、複数のナビゲーション・センサに結合された処理装置を備え、処理装置は、複数の剛体状態のそれぞれについてのデータを統合して、複数の剛体状態のそれぞれについての組合せ状態推定を得るように構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下の詳細な説明では、本書の一部を形成し、本発明を実施することのできる特定の例示的な実施形態が例として示される添付の図面を参照する。こうした実施形態は当業者が本発明を実施することが可能となるように十分詳細に説明されており、また、他の実施形態を使用できること、ならびに本発明の範囲から逸脱することなく論理的、機械的、および電気的な変更を行えることを理解されたい。示される例示的な方法は、更なるステップを含み得ることや少ないステップを含み得ること、そして、より大きな処理スキームにおいて実施できることを理解されたい。更に、図面や明細書で提示される方法を、個々のステップを実施することのできる順序を限定するものとして解釈すべきではない。従って、以下の詳細な説明は限定的な意味に理解すべきではない。
【０００８】
本発明の実施形態は、全地球測位システム（ＧＰＳ）信号を使用せずに精密なナビゲーションを可能にする。具体的には、本発明の実施形態は、複数のセンサからの状態推定を統合して、ビークルの状態の精密な推定を得る。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態によるナビゲーション・システム１００を示す高レベル・ブロック図である。ナビゲーション・システム１００は、複数のナビゲーション・センサに結合された処理装置１０２を含む。限定はしないが、自動車、航空機、無人航空機、宇宙機、月着陸船、宇宙探査機などを含む様々なビークルで、ナビゲーション・システム１００を使用することができる。図１では、ナビゲーション・センサは、ビジョン・センサ１０４、ＲＡＤＡＲセンサ１０６、ＬＡＤＡＲセンサ１１２、および慣性測定ユニット１１４を含む。しかしながら、本発明の実施形態がそのように限定されるべきではないことを理解されたい。
【００１０】
ビジョン・センサ１０４をオプティカル・フロー（optical flow）・ベースのビジョン・センサおよび／またはイメージ登録（シーン・マッチング（scene matching））ベースのビジョン・センサ（vision sensor）として実装することができる。オプティカル・フロー・ベースのビジョン・センサは、イメージ内のオブジェクトの運動を、イメージ内の輝度パターンの運きを追跡することによって推定する。言い換えれば、輝度パターン（例えば、建物などの物体を表すパターン）の移動が、その輝度パターンによって表される物体に相対してのビークルの運動を示す。例えば、特定の速度で左向きに移動する輝度パターンは、その輝度パターンによって表されるオブジェクトに対するビークルの右向きの移動速度を示す。イメージ登録ベースのビジョン・センサは、相異なる（様々な）イメージを１つの座標系に変換して、様々なイメージ中の特徴の位置を比較するようにする。様々なイメージにおけるの特徴の位置の差が、ビークルの運動を示す。
【００１１】
無線検出および測距（ＲＡＤＡＲ：Ｒａｄｉｏ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）センサ１０６は、当業者には周知のように、電波を使用して、ＲＡＤＡＲセンサ１０６の範囲内のオブジェクト（物）の見かけの運動を検出する。ＲＡＤＡＲセンサ１０６によって検出されるオブジェクトの見かけの運動は、システム１００の相対運動を示す。同様に、レーザ検出および測距（ＬＡＤＡＲ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）センサ１１２（光検出および測距（Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）即ちＬＩＤＡＲとも呼ばれる）は、電磁波を使用して、ＬＡＤＡＲセンサ１１２の範囲内のオブジェクトの見かけの運動を検出する。しかしながら、ＬＡＤＡＲセンサ１１２は、ＲＡＤＡＲセンサ１０６よりも短い波長を使用する。具体的には、ＬＡＤＡＲセンサ１１２は、紫外波、可視波、または近赤外波を使用して運動を検出する。ＬＡＤＡＲセンサ１１２の動作は当業者には周知であり、本明細書ではこれ以上議論しない。
【００１２】
慣性測定ユニット（ＩＭＵ）１１４は、当業者には周知のように、アクセラレータおよびジャイロスコープを使用して、３つの直交座標軸の周りの回転加速度と並進加速度とを測定する。ＲＡＤＡＲセンサ１０６、ＬＡＤＡＲセンサ１１２、ビジョン・センサ１０４、およびＩＭＵ１１４のそれぞれは、複数の剛体ビークル状態のうちの少なくとも１つについての状態推定データを提供する。複数の剛体状態がビークルの運動を定義する。具体的には、この実施形態では１２の剛体状態が使用される。使用される１２の剛体状態は、３つの直交座標軸に沿う３つの並進速度と、３つの座標軸についての回転速度と、３つの線形位置（３つの座標軸のそれぞれについて１つ）と、３つの姿勢（例えば、偏揺れ（ヨー）、ピッチ、およびロール）とを含む。例えば、ビジョン・センサ１０４は姿勢変化および位置変化のみを提供するのに対して、ＲＡＤＡＲセンサ１０６は速度情報を提供することができる。
【００１３】
上記で論じた各センサは短所と長所を有する。例えば、オプティカル・フロー・ベースのビジョン・センサは、カメラによって見られているシーンについて行われる仮定に難点があり、例えば、広大な田舎の土地に対して設計された光学フロー・ベースのセンサは、都市部の都市峡谷（ｕｒｂａｎ  ｃａｎｙｏｎ）で試験した場合には、容易に障害が発生し得る。しかしながら、オプティカル・フロー・ベースのビジョン・センサは、ＩＭＵ１１４よりもドリフトの難点が少ない。また、ＲＡＤＡＲセンサ１０６は、その長手方向の機体軸に沿った速度については良好な推定を提供することができるが、それは、入射波が地表面で反射されるときだけである。従って、各センサは、明確な動作領域や明確な障害領域を有する。本発明の実施形態は、各センサのそれぞれの動作領域で各センサの利点を活用することを可能にする。
【００１４】
具体的には、処理装置１０２は、各センサの長所を活用するために各センサからの状態推定を組み合わせるように構成される。処理装置１０２は、１２の剛体状態のそれぞれについての状態推定を受け取る。各センサは、１２の剛体状態のうちの少なくとも１つについての状態推定を提供するので、処理装置１０２は、１２の剛体状態のうちの少なくとも１つについて、１つより多い状態推定を受け取る（即ち、１２の剛体状態のうちの少なくとも１つについては冗長な状態推定が存在する）。例えば、ＩＭＵ１１４とＲＡＤＡＲセンサ１０６の双方とも並進速度の推定を提供する。実際、ある実施形態では、１２の剛体状態のそれぞれについて、複数の状態の推定が受信される。処理装置１０２は、１２の剛体状態のそれぞれについて受け取ったそれぞれの状態推定を組み合わせて、１２の「組合せ状態推定」を得る。それぞれの剛体状態についての状態推定が、各センサの周知の利点を使用するような方式で組み合わされる。
【００１５】
例えば、この実施形態では、処理装置１０２は、カルマン・フィルタを使用して状態推定を組み合わせるように構成される。カルマン・フィルタの一般的な動作は当業者には周知であるが、この実施形態で使用されるカルマン・フィルタは、ビジョン・センサ１０４から受け取った状態推定の遅延を考慮するように変更される。例えば、それぞれの剛体状態についてのカルマン・フィルタからの組合せ推定は、時刻Ｔ１と関連付けられる。処理装置１０２は、後の時刻Ｔ２にビジョン・センサ１０４から受け取った遅延した状態推定（遅延状態推定）を、対応する「組合せ推定」、この例では時刻Ｔ１についての組合せ推定と、関連付ける。カルマン・フィルタは、時刻Ｔ２で受け取った遅延状態推定を、時刻Ｔ１についての組合せ推定へ組み込むように、構成される。次いで、組合せ推定に対する変化が、時刻Ｔ１の後に得られる任意の組合せ推定へ前向きに伝播される。
【００１６】
更に、或る実施形態では、カルマン・フィルタの代わりに相補フィルタが使用される。相補フィルタの一般的な動作は当業者には周知である。しかし、相補フィルタを使用する本発明の実施形態では、相補フィルタは、ビジョン・センサ１０４から状態推定を受け取る際の遅延を調整するように構成される。例えば、そのような或る実施形態では、相補フィルタは、測定のための時間の長さ（短いまたは長い）や周囲の環境などのような様々な基準に基づいて、冗長の状態推定を選択的に組み合わせるように、構成される。言い換えれば、様々なセンサの利点を活用することができるように、何れのセンサの状態推定が使用されるかは、様々な基準に依存する。
【００１７】
例えば、ＩＭＵ１１４は短い時間期間では正確であるが、長い時間期間では正確性は低下し、その一方で、ビジョン・センサ１０４は、長い時間期間ではＩＭＵ１１４よりも正確であるが、状態の結果を処理するためにかかる時間が長い。従って、短い時間期間についてはＩＭＵデータに依存し、長い時間期間についてはビジョン・センサ１０４に依存するように、相補フィルタを構成することができる（何が「短い時間期間」を定義するかは、ＩＭＵの精度によって決定され、また、それを使用中のシステムに依存する）。更に、処理装置１０２は、相補フィルタの組合せ状態推定を格納し、それを時刻と関連付ける。状態推定がビジョン・センサ１０４から受信されると、処理装置１０２は、相補フィルタを使用して、ビジョン・センサ１０４の状態推定を、対応する組合せ推定に組み込み、上記のように、変化を前向きに伝播させる。
【００１８】
処理装置１０２は、複数のセンサからの状態推定の組合せ処理などのような、様々なプロセス・タスクと、計算と、システム１００の動作で使用される信号および他のデータの生成とを行うための命令を使用する。命令は、ソフトウェア、ファームウェア、アナログまたはデジタル・エレクトロニクス、あるいは任意のコンピュータ可読命令で実装することができる。こうした命令は、典型的には、コンピュータ可読の命令やデータ構造の格納に使用される任意の適切なコンピュータ可読媒体に格納される。そのようなコンピュータ可読媒体は、汎用または特殊目的のコンピュータやプロセッサ、あるいは任意のプログラム可能論理デバイスでアクセスすることのできる、入手可能な任意の媒体でよい。
【００１９】
適切なコンピュータ可読媒体は、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ・メモリ・デバイスなどの半導体メモリ・デバイスと、内蔵ハード・ディスク、取外し可能ディスク（例えばフロッピィ・ディスク）などの磁気ディスクと、磁気光学ディスクと、ＣＤ、ＤＶＤまたは他の光記憶ディスクと、不揮発性ＲＯＭ、ＲＡＭ、および他の同様の媒体とを含む不揮発性メモリ・デバイスを含むことができる。上記の何れも、特別に設計された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）で補足することができ、また、ＡＳＩＣに組み込むこともできる。情報がネットワークまたは別の通信接続（ハードワイヤード、ワイヤレス、あるいはハードワイヤードやワイヤレスの組合せ）を介してコンピュータに転送または提供される場合、コンピュータは、適切に、その接続をコンピュータ可読媒体として認識する。従って、そのような任意の接続は、コンピュータ可読媒体と適切に呼ばれる。上記のものの組合せもコンピュータ可読媒体の範囲内に含まれる。
【００２０】
動作の際に、ビジョン・センサ１０４、ＲＡＤＡＲセンサ１０６、ＬＡＤＡＲセンサ１１２、慣性測定ユニット１１４のそれぞれは、１２の剛体状態のうちの少なくとも１つについての状態推定を得る。処理装置１０２は、各センサから状態推定を受け取り、それらの状態推定を組み合わせて、組合せ状態推定を得る。更に、ある実施形態では、処理装置１０２は、各センサからデータを受け取り、各センサから受け取ったデータに基づいて状態推定を計算する。次いで、処理装置１０２は、計算した状態推定を組み合わせて、組合せ状態推定とする。処理装置１０２は各センサの長所を使用するために状態推定を組み合わせるので、組合せ状態推定は個々の状態推定よりも向上する。更に、処理装置１０２は、ある実施形態では、ビジョン・センサ１０４から遅延した状態推定（遅延状態推定）を受信すると、組合せ状態推定を格納および更新するように構成される。ある実施形態では、ビジョン・センサ１０４から遅延状態推定が受信されるが、他の実施形態では、他のナビゲーション・センサからの遅延状態推定を使用することもできる。そのような実施形態では、処理装置１０２は、１または複数の他のナビゲーション・センサからの遅延状態推定が受信されると、組合せ状態推定を格納および更新するように構成される。
【００２１】
オプションとして、ある実施形態では、組合せ推定がディスプレイ・エレメント１０８に表示される。例えば、システム１００を使用する航空機は、ディスプレイ・エレメント１０８を使用して、ビークルが地図上のどこに位置するかを航空機のパイロットに表示することができる。別の実施形態では、処理装置１０２は、組合せ推定を使用して、プログラムされた宛先へ到達するために取る必要な措置を決定する。そのような実施形態では、処理装置１０２は制御信号を生成し、その制御信号は、１または複数の運動アクチュエータ１１０へ送られ、ビークルの動きが制御される。例えば、処理装置１０２は、無人航空機（ＵＡＶ）のピッチ、偏揺れ（ヨー）、スラストなどを制御するためのＵＡＶ内の運動アクチュエータ（例えばスロットル、ウイング・フラップなど）へ送られる制御信号に基づいて、ＵＡＶの飛行を制御することができる。特に、ある実施形態では処理装置１０２が制御信号を生成するが、他の実施形態では、他の方式で制御信号を生成することができる。例えば、ある実施形態では、１または複数の第２処理装置が、処理装置１０２で計算された組合せ推定に基づいて制御信号を生成する。
【００２２】
図２は、本発明の一実施形態による、ビークルをナビゲートする方法２００を示す流れ図である。方法２００は、上記のシステム１００などのような運動推定システムで使用することができる。具体的には、ある実施形態では、方法２００は、処理装置（処理装置１０２など）により使用されるコンピュータ可読媒体で実装される。２０２では、複数の状態推定が複数のナビゲーション・センサから得られる。具体的には、複数の剛体状態のうちの少なくとも１つについての状態推定が、複数のナビゲーション・センサのそれぞれから得られる。従って、複数の剛体状態のうちの少なくとも１つについて、冗長な状態推定が存在する。
【００２３】
剛体状態は、上述のようにビークルの運動を定義する。この実施形態では、１２の剛体状態が使用される。しかしながら、他の実施形態では、任意の適切な数の剛体状態を使用できることを理解されたい。更に、この実施形態では、ナビゲーション・センサのうちの１つがビジョン・センサを含む。複数のセンサのうちの他のナビゲーション・センサは、限定はしないが、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、ＬＡＤＡＲセンサ、およびＲＡＤＡＲセンサを含むことができる。
【００２４】
２０４で、処理装置は、受け取った状態推定を統合する。具体的には、処理装置は、それぞれの剛体状態についての冗長な状態推定を統合して、１２の組合せ推定を得る。ある実施形態では、処理装置は、カルマン・フィルタを使用して状態推定を統合する。他の実施形態では、処理装置は、相補フィルタを使用して状態推定を統合する。
【００２５】
２０６で、組合せ状態推定が評価され、ビークルの運動が求められる。例えば、組合せ推定を評価することにより、３つの座標軸に沿うビークルの線形的な位置と、ビークルのピッチ、ヨー、およびロールとが求められる。２０８では、組合せ推定が、上述のように、ビジョン・センサから受け取った対応する遅延状態推定を用いて更新される。
【００２６】
２１０で、組合せ推定を更新する際に行われた変更が、時間において前向きに伝播される。例えば、時刻Ｔ１で行われた測定に対応する、時刻Ｔ２で受け取った遅延状態推定が使用されて、時刻Ｔ１についての対応する組合せ推定が更新される。次いで、時刻Ｔ１の後で得られた組合せ推定が、その変更を用いて更新され、時刻Ｔ１についての組合せ推定に対しての変更が反映される。変更を前向きに伝播させることが重要となる一つの状況は、現在の状態推定（例えば位置）が前の状態推定に依存するときに生じる（例えば、現在位置は、前の位置から移動した距離に基づいて求められる）。
【００２７】
方法２００は限定ではなく例として提供されることを理解されたい。具体的には、方法２００の各ステップを、個々のステップを実施することのできる順序を限定するように解釈すべきではない。例えば、ある実施形態では、２０６で組合せ推定を評価する前に、２０８で組合せ推定が遅延ビジョン・センサ推定で更新され、２１０で変更が時間において前向きに伝播される。
【００２８】
本明細書では特定の実施形態を示し説明したが、示した特定の実施形態の代わりに、同じ目的を達成するように計算された任意の構成を代用できることを、当業者は理解されよう。本願は、本発明の任意の応用および変形を包含するものとする。従って、明らかに、本発明は特許請求の範囲およびその均等物によって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるナビゲーション・システムを示す高レベル・ブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による、ビークルをナビゲートする方法を示す流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
2008249688000001.pdf