(57)【要約】【課題】本発明の課題は、軌道上の衛星残滓などの位置と運動を、衝突の危険性の少ない安全な距離をおいて非接触に大きな演算負担や制約を受けることなく計測することが出来、それにより対象物の捕獲などのための接近方法などの方策を選定することが可能となるシステムを提供することにある。【解決手段】本発明の運動計測装置は、衛星等上の平面内で多角形の頂点位置に配置され、平面に垂直で互いに平行な光軸を有する３式以上の撮像装置系と演算装置から構成される装置であって、各撮像装置において同時に撮像された対象物画像の輪郭を抽出する手段と、抽出した輪郭の各撮像装置間での三角測量原理によって輪郭の３次元位置計測を行う手段と、輪郭を形成する各点への位置ベクトルの加算平均の時間平均値と、この値から輪郭を形成する各点への位置ベクトルの時間変化を連続的に取得し、対象物の本装置に対する回転運動と回転中心位置および並進運動を算出する演算手段とを備える。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面内で多角形の頂点位置に配置され、平面に垂直で互いに平行な光軸を有する３式以上の撮像装置系と演算装置から構成される装置であって、各撮像装置において同期信号により同時に撮像された対象物画像の輪郭を抽出する手段と、抽出した輪郭の各撮像装置間でのステレオ対応づけによる三角測量原理によって輪郭の３次元位置計測を行う手段と、輪郭を形成する各点への位置ベクトルの加算平均の時間平均値と、この値から輪郭を形成する各点への位置ベクトルの時間変化を連続的に取得し、対象物の本装置に対する回転運動と回転中心位置および並進運動を算出する演算手段とを備えた運動計測装置。
【請求項２】
平面に垂直で互いに平行な光軸を有する３式以上の撮像装置系に換え、平行でない光軸を有する撮像装置系と、傾斜した光軸に対する撮像情報を平行な光軸での撮像情報に座標変換する座標変換処理手段とを備えた請求項１に記載の運動計測装置。
【請求項３】
位置ベクトルの加算平均の時間平均値と、この値から輪郭を形成する各点への位置ベクトルの不連続的な変化を検知する手段と、該不連続的な変化を検知したときは連続的な取得データから切り替え時のデータを排除する手段を備え、対象物の運動に伴い、対象物を撮像した画像の輪郭を形成する部位の切り替わりが生じたときの運動の誤計測を防止することを特徴とする請求項１または２に記載の運動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対運動を行う対象物を光学的に捉え、その位置と動きを計測する装置に関し、特に衛星残滓などの軌道上の物体の位置および運動を軌道上の他の宇宙航行体（以下衛星等という。）上から計測するのに適した装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
衛星とのランデブや衛星残滓などの捕獲においては、対象との相対位置や運動を計測するため、レーザレーダのように複雑な構成のセンサが必要であり、さらに対象物モデルとのマッチングやオプティカルフローによって運動を計測せざるを得なかった。また、計算機に高い耐放射線性能が要求される宇宙空間の軌道上においては、画像全面についてのステレオ処理やモデルマッチング、オプティカルフローのために必要な大きな量の演算を処理することが必要とされ、それが大きな負担／制約となっていた。
【０００３】
因みに特許文献１には、光学ヘッド部を小型化、軽量化して衛星内に配置することにより、構成部の自由度を向上し、ドッキングメカニズムなどの干渉を回避することを課題とし、図６に示すように光学ヘッド部１０１から送出された光信号を受信して電気信号に変換する電子回路部１０２とをチェイサ衛星１１０とターゲット衛星１１１の人工衛星に有する人工衛星搭載用のレーザレーダシステムであって、ターゲット衛星１１０に貼り付けたリフレクタ１０３と、チェイサ衛星１１１には、リフレクタ１０３に向けてレーザ光を照射する光送信部１０４と、リフレクタ１０３よりの反射光を入力として、距離および反射方向であるターゲートにおけるターゲット衛星１１０の相対位置を検出する測距処理部１０８，測角処理部１０９と、光学ヘッド１０１と電子回路部１０２とを連結する光ファイバ１１５とを備えるようにした人工衛星搭載用のレーザレーダシステムおよびレーザレーダが開示されている。
このシステムから分かるように光送信部１０４からターゲット衛星１１１にレーザビームを照射するため走査ミラーをはじめとする多数の光学機器を配備する必要があり、システムそのものが大がかりなものとなる。また、上記のシステムではターゲット衛星１１１にはリフレクタ１０３が取り付けられていなければならないなどの制約がある。受光した反射光を基に距離と角度を演算によって割り出す測距処理、測角処理も厄介であるし、なによりもシステムが大がかりとなるためそれぞれの機器に対して耐放射線形態や耐真空形態をとる必要から、信頼度の低下やコストが高くなるといった問題を伴う。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１３２９３３号公報
発明の名称「人工衛星搭載用のレーザレーダシステムおよびレーザレーダ」
平成１０年（１９９８）５月２２日公開
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、軌道上の衛星残滓などの位置と運動を、衝突の危険性の少ない安全な距離をおいて非接触に大きな演算負担や制約を受けることなく計測することが出来、それにより対象物の捕獲などのための接近方法などの方策を選定することが可能となるシステムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の運動計測装置は、衛星等上の平面内で多角形の頂点位置に配置され、平面に垂直で互いに平行な光軸を有する３式以上の撮像装置系と演算装置から構成される装置であって、各撮像装置において同期信号により同時に撮像された対象物画像の輪郭を抽出する手段と、抽出した輪郭の各撮像装置間でのステレオ対応づけによる三角測量原理によって輪郭の３次元位置計測を行う手段と、輪郭を形成する各点への位置ベクトルの加算平均の時間平均値と、この値から輪郭を形成する各点への位置ベクトルの時間変化を連続的に取得し、対象物の本装置に対する回転運動と回転中心位置および並進運動を算出する演算手段とを備えるものである。
また、本発明の運動計測装置は、対象物の運動に伴い、対象物を撮像した画像の輪郭を形成する部位の切り替えの必要が生じたときに誤計測を防止するため、前記位置ベクトルの加算平均の時間平均値と、この値から輪郭を形成する各点への位置ベクトルの不連続的な変化によってこれを検知する手段を備えることにより、検知したときには連続的な取得データから切り替え時のデータを排除することにより、切り替えによる運動の誤計測を防止する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の装置は、図１に示したように衛星等宇宙航行体上の平面内で多角形の頂点位置に配置され、平面に平行でない光軸を有する３式以上の撮像装置系１０と演算装置２０から構成される。撮像装置系１０の各々の撮像装置（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、…）には、例えばＣＣＤ素子の２次元配列アレー素子を用いたＣＣＤカメラが用いられ、ある瞬間の静止画像を連続的に取得することができる。典型的な撮像装置の配置としては、図２のＡに示すように直角三角形やＢに示すような長方形の頂点位置に撮像装置を配設する形態が考えられる。各撮像装置の光軸は、配置した平面に鉛直な方向とし、各々を平行とすることが望ましい。しかし、衛星等の構造上や他の機器設置条件で平行に設置できない場合にも傾斜した光軸に対する撮像情報を平行な光軸での撮像情報に座標変換する座標変換処理機能を付加することにより本計測方式を適用させることができる。また、各撮像装置の結像用のレンズは焦点距離などを同一仕様とすることが演算量の最小化のためには望ましいが、これも拡大率の変換演算機能を付加することにより本計測方式を適用させることができる。
【０００８】
演算装置２０からの同期信号および撮像指令に基づいて各撮像装置において同時に撮像された２次元画像情報（３０：以後フレームデータと称する）を演算装置２０に転送し、演算装置２０において各々の撮像装置、例えば１０ａ  によって得られたフレームデータ３０ａ  の画像処理を行い、対象物６０の像の背景からの抽出およびその輪郭３１ａ  の抽出を行う。輪郭は、撮像装置１０の画素配列分布を分解能とした点の行・列座標データとして得ることができる。このため、被写体である対象物を捉えたフレームデータの各行には、対象物６０の像の右輪郭点と左輪郭点が存在し、図３のＡに示すように例えば、フレームデータすなわち画素配列における行の方向に沿って配置された２台の撮像装置で得られた画像上では、対象物６０上の同一の点の像は、フレームデータの同一の行（エピポーラ線）３２の上に存在することになる。このため、先にフレームデータ３０ａ  上で抽出された左輪郭点および右輪郭点は、同様に抽出された撮像装置１０ｂ  のフレームデータ３０ｂ  上での左輪郭点と右輪郭点に対応づけられる。今この対応づけられた輪郭を６１とすると、輪郭点６１のフレーム画像上の位置情報３３ａ，３３ｂを基にして、三角測量の原理により対象物の輪郭点６１から各撮像装置１０ａ，１０ｂの設置された平面に直交して下ろした点までの距離ｍおよびその点と両撮像装置の結像面におけるレンズ中心３５ａ，３５ｂまでの距離ｄ１，ｄ２が算出できる。すなわち、両撮像装置におけるレンズ中心位置３５ａ，３５ｂと輪郭点６１の位置情報３３ａ，３３ｂとからレンズ系の倍率等を補正して図３のＢに示すように該対象物の輪郭点６１の光学軸とのなす角θ１とθ２を算出することができ、その値と既知の値である両撮像装置におけるレンズ中心３５ａ，３５ｂ間の距離ｄとから上記の輪郭点６１から各撮像装置１０ａ，１０ｂの設置された平面間での距離ｍと両撮像装置におけるレンズ中心３５ａ，３５ｂまでの距離ｄ１，ｄ２が算出できる。ステレオ処理は、図２のＡのように撮像装置が直角三角形の頂点位置に配置されたシステムの場合、対象物の左右の輪郭点については、水平方向に配置された２台（１０ａ、１０ｂ）のフレームデータを用いて行われ、対象物の上下の輪郭点については、上下方向に配置された２台（１０ａ、１０ｃ）のフレームデータを用いて行われる。
【０００９】
本発明における輪郭抽出、ステレオ演算、運動速度算出も含めた基本的な処理の例を図４に示すフローチャートにより説明する。同時点で撮られた各撮像装置のフレームデータから、上記のようにして計測された本発明の装置を搭載した衛星等に対する対象物の輪郭の三次元的な位置情報は、衛星等と対象物の相対的な運動に伴って時々刻々変化する。このため、図４に示したように、時間を置いて時系列的な測定を行うことにより、その変化（差分）から相対的な運動を求めることができる。ステップ１で各撮像装置で同時に対象物画像を撮像し輪郭の抽出を行う。これは各撮像装置１０ａ，１０ｂ‥‥で撮像したフレーム画像毎に実行する作業で、まず、フレーム画像情報３０ａ，３０ｂ‥‥中から対象物画像３１ａ，３１ｂ‥‥を背景画像と分離する必要があり、そのためにカラー画像の特定色域抽出を行う。この画像情報を微分処理して輪郭抽出を行うがこれは対象物画像の輪郭だけでなく対象物画像の内部輝度変化をも強調してしまう。また輪郭が常にきれいに抽出できるとは限らず、場合によっては一部が抽出できないこともある。そこで、この画像情報に対し所謂膨張・収縮処理と呼ばれる画像処理を適用する。すなわち、強調された画像を中心にしてそのピクセル情報を周辺ピクセルに拡大させてゆき輪郭線の不連続部を連結させ、しかる後輪郭線を元の太さに戻すと共に輪郭内のノイズ情報を消去する処理を施す。こうして輪郭線によって閉ループ化された対象物画像は２値化処理が施され、得られた対象物画像３１ａ，３１ｂ‥‥は２値化された形態となる。ステップ２で水平方向に配置された撮像装置のフレーム画像における左右の輪郭点位置情報をステレオ対応させつつ、左右輪郭点の衛星に対する相対位置情報Ｘｉを各点について算出し、左右輪郭点列位置情報として記憶蓄積する。ステップ３では上下方に向配置された撮像装置のフレーム画像における上下の輪郭点位置情報をステレオ対応させつつ、上下輪郭点の衛星に対する相対位置情報Ｘｉを各点について算出し、上下輪郭点列位置情報として記憶蓄積する。ステップ４ですべての輪郭点について位置情報Ｘｉを総合（ΣＸｉ／ｎ）して総重心位置Ｘｃを算出する。ステップ５では算出された総重心位置Ｘｃから各輪郭点までの位置ベクトルｒｉ（ｔ）をＸｉ（ｔ）−Ｘｃ（ｔ）の演算によって求める。ここで得た位置ベクトルｒｉ（ｔ）を時系列的に蓄積しておく。ステップ６では過去情報との比較により輪郭点列位置ベクトルｒｉ（ｔ）の変化を算出する。一定間隔で連続した計測結果の総重心位置Ｘｃの変化速度の時間平均値Ｖｃは（Ｘｃ（ｔ）−Ｘｃ（０））／ｔによって算出され、これは計測対象との相対的な並進速度Ｖと概ね一致する。例えば、間隔を置いた時刻ｔと時刻ｔ−１における左右のカメラを用いた輪郭計測結果の３次元点列データＸｅ（ｔ）と、Ｘｅ（ｔ−１）より画像フレーム上で同じ行にある点同士を対応づけて、その差から速度Ｖｅｉ（ｔ）は（Ｘｅｉ（ｔ）−Ｘｅｉ（ｔ−１））によって求められる。ステップ７では各輪郭点列位置ベクトル情報を基に上記のような演算を行い、対象物の衛星に対する相対的な回転・並進運動を算出する。
【００１０】
次に、対象物の回転運動に伴い画像の輪郭を構成していた部位が突然変わる現象について考察する。例えば、直方体型の対象物を計測する場合においては、その回転に伴い、１／４回転の周期で輪郭の切り替え現象が生じる。すなわち、フレーム画像の輪郭を構成する対象物上の辺が視野から隠れ（又は画像内に取り込まれ）、代わって他の辺が輪郭を構成するようになる。このため、ステップ７で算出する速度情報Ｖｅｉ（ｔ）は図５に示したように変化する。すなわち輪郭切り替えがなく同じ辺が輪郭を維持している間はその値が一定となっているが、輪郭切り替えがなされる時点では値が大きく変化している。この期間の値は速度情報を示しておらず、誤計測を避けるためにデータとして取り込まないように処理することが望ましい。連続的な計測結果において、輪郭点の３次元位置や運動速度の突変をチェックし、その前後のＶｅｉ（ｔ）の計測データを除外することにより、輪郭切り替えによる誤計測を避けることができる。この不適正データの除去処理をステップ８において実行するとともに、適正データを基に回転・並進運動速度の平均および変化傾向の算出を行なう。因みに各輪郭点のみかけの移動速度の回転運動成分Ｖｒｉ（ｔ）はＶｅｉ（ｔ）−Ｖｃの演算により求められる。各輪郭点について回転運動量ωｉ（ｔ）は次式のベクトル積の演算で求める。
ωｉ（ｔ）＝ｒｉ（ｔ）×Ｖｒｉ（ｔ）
ここでｒｉ（ｔ）は輪郭点列位置ベクトル，Ｖｒｉ（ｔ）は移動速度の回転運動成分これを全ての輪郭点について平均（Σωｉ（ｔ）／ｎ）することにより対象物の回転運動量ωｈ（ｔ）を求める。これが、対象物の回転運動のみかけの水平回転成分に相当する。上下のカメラ画像より計測した輪郭点列についても同様の処理を行うことにより、対象物の回転運動のみかけの上下回転成分ωｖ（ｔ）を求める。みかけの水平回転成分ωｈ（ｔ）とみかけの上下回転成分ωｖ（ｔ）のベクトル和から次式のように対象物の回転運動ω（ｔ）が求められる。
ω（ｔ）＝ωｈ（ｔ）＋ωｖ（ｔ）
こうして求めた対象物の回転角速度ベクトルω（ｔ）は、短時間の時間平均により精度が向上する。また、その長時間の変化を見ることにより、回転軸のセントロイド運動も計測することが出来る。回転中心の位置Ｘ０（ｔ）  はΣ（Ｘｉ（ｔ）−Ｖｅｉ（ｔ））／ｎより求められる。
以上が一連の計測ステップであるが、本発明では所定時間間隔でこの一連の計測ステップを順次繰り返して実行する。画像上での輪郭抽出処理は、図４に示し説明したものが基本的な処理であるが、同様の抽出結果が得られれば、必ずしも図４に示した抽出処理に拘る必要はなく、適宜のバリエーションを採ることが可能である。
【００１１】
【発明の効果】
本発明の運動計測装置は、平面内で多角形の頂点位置に配置され、平面に垂直で互いに平行な光軸を有する３式以上の撮像装置系と演算装置から構成される装置であって、各撮像装置において同期信号により同時に撮像された対象物画像の輪郭を抽出する手段と、抽出した輪郭の各撮像装置間でのステレオ対応づけによる三角測量原理によって輪郭の３次元位置計測を行う手段と、輪郭を形成する各点への位置ベクトルの加算平均の時間平均値と、この値から輪郭を形成する各点への位置ベクトルの時間変化を連続的に取得し、対象物の本装置に対する回転運動と回転中心位置および並進運動を算出する演算手段とを備えたものであるから、対象物を一定時間以上計測することにより、地球周回軌道上などの宇宙で非接触で本計測装置に対する対象物の位置と運動を計測することができる。そして本発明の装置は球体のように姿勢を特徴づける形状的な特徴を持たないものを除くあらゆる形状の対象物に適用可能である。
本発明の装置によって、初期の目的である軌道上の衛星残滓などの位置と運動を、衝突の危険性の少ない安全な距離をおいて非接触に大きな演算負担や制約を受けることなく計測することが出来、それにより対象物の捕獲などのための接近方法などの方策を選定することが可能となるシステムを提供することができた。
【００１２】
また、平面に垂直で互いに平行な光軸を有する３式以上の撮像装置系に換え、平行でない光軸を有する撮像装置系と、傾斜した光軸に対する撮像情報を平行な光軸での撮像情報に座標変換する座標変換処理手段とを備えた請求項１に記載の運動計測装置は、衛星等の構造上や他の機器設置条件で平行に設置できない場合にも請求項１に記載の運動計測装置と同様に対象物を一定時間以上計測することによって、地球周回軌道上などの宇宙で非接触で本計測装置に対する対象物の位置と運動を計測することができ。
【００１３】
また、位置ベクトルの加算平均の時間平均値と、この値から輪郭を形成する各点への位置ベクトルの不連続的な変化を検知する手段と、該不連続的な変化を検知したときは連続的な取得データから切り替え時のデータを排除する手段を付加した本発明の運動計測装置は、対象物の運動に伴い、対象物を撮像した画像の輪郭を形成する部位の切り替わりが生じたときの運動の誤計測を防止し、正しい運動計測を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】衛星等宇宙航行体上の平面内で多角形の頂点位置に配置され、平面に平行でない光軸を有する３式以上の撮像装置系１０と演算装置２０から構成される本発明の装置の基本構成図である。
【図２】本発明における典型的な撮像装置の配置例を示した図である。
【図３】対象物の輪郭位置を三角測量の原理により検出することを示す図である。
【図４】本発明装置の動作手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の装置が検出する輪郭点の見かけの運動速度の変化例を示すグラフである。
【図６】レーザレーダを用いた従来の装置の例を示す図である。
【符号の説明】
１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）  撮像装置    ３３ａ，３３ｂ  輪郭点の画像上の位置情報
２０  演算装置                        ３５ａ，３５ｂ  画像のレンズ中心位置
３０（３０ａ，３０ｂ）  フレームデータ        ５０  衛星等
３１（３１ａ，３１ｂ）  対象物画像            ６０  対象物
３２  エピポーラ線                    ６１  着目輪郭点
【図１】
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【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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