(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行体の着陸地点を探索する着陸地点探索装置において、
観測範囲内の地表を行列状に分割した地表部分毎に、飛行体から地表部分までの距離を算出することにより、観測範囲内の地表の起伏状態を示す距離情報を生成する生成手段と、
前記生成手段により生成された距離情報において、互いに隣接した地表部分で、かつ、平坦な地表と見なせるほどに距離が近接した地表部分をグループ化し、当該グループ化された地表部分群を着陸候補地点として抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により着陸候補地点が抽出された場合、着陸地点を特定するために、前記距離情報に基づいて、着陸候補地点の地表状態を評価する評価手段と
を有することを特徴とする着陸地点探索装置。
【請求項２】
飛行体の着陸地点を探索する着陸地点探索装置において、
一対のカメラで地表を撮像したステレオ画像に基づいて、観測範囲内の地表を行列状に分割した地表部分毎に、飛行体から地表部分までの距離を算出することにより、観測範囲内の地表の起伏状態を示す距離情報を生成する生成手段と、
前記生成手段により生成された距離情報において、互いに隣接した地表部分で、かつ、平坦な地表と見なせるほどに距離が近接した地表部分をグループ化し、当該グループ化された地表部分群を着陸候補地点として抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により着陸候補地点が抽出された場合、着陸地点を特定するために、前記距離情報に基づいて、着陸候補地点の地表状態を評価する評価手段と
を有することを特徴とする着陸地点探索装置。
【請求項３】
前記生成手段は、ステレオマッチングにより、一画素単位の分解能を有するピクセルレベルの距離を地表部分毎に算出するとともに、ピクセルレベルの距離の分布に基づいて、一画素以下の分解能を有するサブピクセルレベルの距離を地表部分毎に算出し、
前記抽出手段は、ピクセルレベルの距離が同じ地表部分をグループ化することにより、着陸候補地点の抽出を行い、
前記評価手段は、サブピクセルレベルの距離情報を用いて、着陸候補地点の地表状態の評価を行うことを特徴とする請求項２に記載された着陸地点探索装置。
【請求項４】
前記抽出手段は、グループ化された地表部分群が飛行体の着陸に必要な面積を有する場合に、当該地表部分群を着陸候補地点として抽出することを特徴とする請求項１または２に記載された着陸地点探索装置。
【請求項５】
前記抽出手段は、グループ化された地表部分群の形状と面積とを考慮して、着陸候補地点を抽出することを特徴とする請求項１または２に記載された着陸地点探索装置。
【請求項６】
前記着陸候補地点内に所定値以上の高さを有する障害物が存在する場合、当該地点を着陸候補地点から除外する第１の障害物抽出手段をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載された着陸地点探索装置。
【請求項７】
前記着陸候補地点の周囲に飛行体の着陸の妨げとなる障害物が存在する場合、当該地点を着陸候補地点から除外する第２の障害物抽出手段をさらに有することを特徴とする請求項６に記載された着陸地点探索装置。
【請求項８】
前記第２の障害物抽出手段は、障害物の高さ、または、障害物と着陸候補地点との間隔の少なくとも一方を考慮して、当該障害物が着陸の妨げになるか否かを判断することを特徴とする請求項７に記載された着陸地点探索装置。
【請求項９】
前記評価手段は、着陸候補地点の平面性、平坦性、障害物の存在状況、傾斜の程度の少なくとも一つを定量的に評価することにより、着陸候補地点毎に、少なくとも一つの評価パラメータを算出することを特徴とする請求項１または２に記載された着陸地点探索装置。
【請求項１０】
前記評価手段は、前記評価パラメータとして、着陸候補地点の平面度を算出し、
前記平面度は、着陸候補地点内の地表を平行な二平面で挟んだ場合における当該平面間の間隔に相当することを特徴とする請求項９に記載された着陸地点探索装置。
【請求項１１】
前記評価手段は、前記評価パラメータとして、着陸候補地点の平面度を算出し、
前記平面度は、着陸候補地点内の最大距離値と最小距離値の差に相当することを特徴とする請求項９に記載された着陸地点探索装置。
【請求項１２】
前記評価手段は、前記評価パラメータとして、着陸候補地点の平坦度を算出し、
前記平坦度は、着陸候補地点における各距離と当該着陸候補地点内の距離平均値との差の自乗総和によって算出されることを特徴とする請求項９に記載された着陸地点探索装置。
【請求項１３】
前記評価手段は、前記評価パラメータとして、着陸候補地点の周囲障害評価値を算出し、
前記周囲障害評価値は、着陸候補地点の周囲に存在する障害物の高さ、または、当該障害物と着陸候補地点との間隔の少なくとも一方を考慮して、障害物の存在状態を定量的に評価した値であることを特徴とする請求項９に記載された着陸地点探索装置。
【請求項１４】
前記評価手段は、前記評価パラメータとして、着陸候補地点の傾斜度を算出し、
前記傾斜度は、観測範囲内の全体的な地表の近似平面と、着陸候補地点内の地表の近似平面とのなす角に相当することを特徴とする請求項９に記載された着陸地点探索装置。
【請求項１５】
前記評価手段における算出された前記評価パラメータに基づいて、着陸候補地点毎に着陸安全度を算出するとともに、前記着陸安全度を考慮して、着陸候補地点の中から着陸地点を決定する決定手段をさらに有することを特徴とする請求項９に記載された着陸地点探索装置。
【請求項１６】
前記決定手段は、前記評価手段により飛行体固有の仕様に応じて、前記評価パラメータのそれぞれを重み付けした上で、前記着陸安全度を算出することを特徴とする請求項１５に記載された着陸地点探索装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、月、惑星または地球等の地表状態をモニタリングして着陸地点を探索する着陸地点探索装置、それを用いた飛行体、および着陸地点評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平９−２８０８５６号公報には、ステレオ画像と投光ビームとを用いて、探査機の着陸可否の指標となる着陸目標地点の平面度を判定する技術が開示されている。具体的には、まず、探査機直下における互いに離れた複数の照射点に向けて、ビーム光を同時に照射するとともに、一対の観測カメラ（ステレオカメラ）で、ビーム光が照射されている地点を含む地表を撮像する。一対の撮像画像（ステレオ画像）において、照射点は周囲と比べて高輝度な輝点として映し出されるため、画像平面上の照射点位置を特定することができる。つぎに、ステレオ画像に映し出された輝点の位置的なずれ、すなわち視差から、三角測量の原理を用いて、実空間上の照射点位置を算出する。そして、実空間上の各照射点位置を含む平面の方程式を算出する。探査機を水平方向に移動させながら、同様の処理を繰り返すことにより、着陸目標地点を複数の平面の方程式で近似する。このようにして算出された各平面の法線方向を比較するとともに、各平面と着陸目標地点との間の距離を比較することにより、着陸目標地点の平面度を判定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術は、予め設定された着陸目標地点が着陸に適した地表状態にあるか否かを判定するものであって、地表をモニタリングして着陸に適した地表部分を探索するものではない。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、地表状態をモニタリングして着陸に適した地表部分を探索する新規な着陸地点探索装置を提供することである。
【０００５】
また、本発明の別の目的は、実際の地表状態に応じて着陸地点の設定・評価を行うことにより、飛行体の着陸安全性を確保することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、第１の発明に係る着陸地点探索装置では、観測範囲内の地表を行列状に分割し、分割された地表部分毎に飛行体から地表部分までの距離を算出する。これにより、観測範囲内における地表の全体的な起伏状態を示す距離情報を得ることができる。この距離情報において、互いに隣接した地表部分で、かつ、平坦な地表と見なせるほどに距離が近接した地表部分をグループ化する。このようにグループ化された平坦な地表部分群が所定の条件を具備する場合、その地点が着陸候補地点として抽出される。着陸候補地点が抽出された場合、距離情報に基づいて、着陸候補地点の地表状態（例えば、平面性、平坦性、傾斜の度合い、障害物の存在状況等）を個別に評価する。そして、その評価結果に基づいて、着陸候補地点の中から着陸地点が特定される。
【０００７】
また、第２の発明に係る着陸地点探索装置では、観測範囲内の地表を行列状に分割し、分割された地表部分毎に飛行体から地表部分までの距離を算出する。これにより、観測範囲内における地表の全体的な起伏状態を示す距離情報を得ることができる。この距離情報は、一対のカメラで地表を撮像したステレオ画像に基づいて算出される。したがって、分割された地表部分は、撮像画像を行列状に分割することにより得られる画素ブロックに相当する。この距離情報において、互いに隣接した地表部分で、かつ、平坦な地表と見なせるほどに距離が近接した地表部分をグループ化する。このようにグループ化された平坦な地表部分群が所定の条件を具備する場合、その地点が着陸候補地点として抽出される。着陸候補地点が抽出された場合、距離情報に基づいて、着陸候補地点の地表状態（例えば、平面性、平坦性、傾斜の度合い、障害物の存在状況等）を個別に評価する。そして、地表状況に関する評価結果に基づいて、着陸候補地点の中から着陸地点が特定される。
【０００８】
ここで、第２の発明において、ステレオマッチングによって、一画素単位の分解能を有するピクセルレベルの距離を地表部分毎に算出することが好ましく、算出されたピクセルレベルの距離の分布に基づいて、一画素以下の分解能を有するサブピクセルレベルの距離を地表部分毎に算出することが望ましい。この場合、ピクセルレベルの距離が同じ地表部分をグループ化し、その分解能相当の平坦な地表部分を着陸候補地点として抽出する。そして、サブピクセルレベルの距離情報を用いて着陸候補地点の評価を行えば、その分解能相当の微少な凹凸等を評価することができる。
【０００９】
一方、第１または第２の発明において、グループ化された地表部分群が飛行体の着陸に必要な面積を有する場合に、この地表部分群を着陸候補地点として抽出することが好ましい。また、グループ化された地表部分群の形状と面積とを考慮すれば、着陸に適した着陸候補地点を抽出することができる。
【００１０】
また、第１または第２の発明において、着陸に一層適した着陸候補地点を抽出するために、着陸候補地点内に所定値以上の高さを有する障害物が存在する場合、そのような地点を着陸候補地点から除外することが好ましい。
【００１１】
また、同様の観点から、着陸候補地点の周囲に飛行体の着陸の妨げとなる障害物が存在する場合には、そのような地点を着陸候補地点から除外することが望ましい。障害物が着陸の妨げになるか否かは、例えば、その障害物の高さ、または、その障害物と着陸候補地点との間隔の少なくとも一方を考慮することによって判断することができる。
【００１２】
さらに、第１または第２の発明において、着陸候補地点の平面性、平坦性、障害物の存在状況、傾斜の程度の少なくとも一つを定量的に評価することにより、着陸候補地点毎に、少なくとも一つの評価パラメータを算出することが好ましい。
【００１３】
例えば、この評価パラメータとして、平面度を算出してもよい。この平面度は、着陸候補地点内の地表を平行な二平面で挟んだ場合における両平面間の間隔として算出することができる。また、着陸候補地点内の最大距離値と最小距離値の差から平面度を算出してもよい。
【００１４】
また、上記評価パラメータとして、着陸候補地点の平坦度を算出してもよい。この平坦度は、着陸候補地点における各距離と当該着陸候補地点内の距離平均値との差の自乗総和によって算出することができる。
【００１５】
また、上記評価パラメータとして、着陸候補地点の周囲障害評価値を算出してもよい。この周囲障害評価値は、着陸候補地点の周囲に存在する障害物の高さ、または、当該障害物と着陸候補地点との間隔の少なくとも一方を考慮して、障害物の存在状態を定量的に評価した値である。
【００１６】
また、上記評価パラメータとして、着陸候補地点の傾斜度を算出してもよい。この傾斜度は、観測範囲内の全体的な地表の近似平面と、着陸候補地点内の地表の近似平面とのなす角より算出することができる。
【００１７】
上述した平面度、平坦度、傾斜度の少なくとも一つの評価パラメータに基づいて、着陸候補地点毎に着陸安全度を算出することが好ましい。着陸地点は、このようにして算出された各着陸候補地点の着陸安全度を考慮して、着陸候補地点の中から決定される。その際、飛行体特有の仕様に応じて、評価パラメータのそれぞれを重み付けした上で、着陸安全度を算出することが望ましい。
【００１８】
第３の発明は、着陸地点を探索することにより特定し、着陸地点へ向けて飛行する飛行体に関する。すなわち、ステレオ画像に基づいて、地表の起伏状態を示す距離情報を生成し、生成された距離情報に基づいて、所定値以上の面積を有する平坦面を着陸候補地点として抽出する。そして、それぞれの着陸候補地点内に存在する障害物を探索し、所定値以上の高さを有する障害物が存在する地点を着陸候補地点から除外する。そして、残された着陸候補地点のそれぞれについて、着陸安全度を算出し、この着陸安全度を考慮して、着陸候補地点の中から着陸地点を決定する。このようにして決定された着陸地点に向けた飛行体の飛行制御を行う。
【００１９】
ここで、第３の発明に係る飛行体は、上述した第１または第２の発明に係る着陸探索装置（およびそれに関する各構成）を用いることができる。
【００２０】
第４の発明は、飛行体の着陸地点を評価する着陸地点評価装置に関する。すなわち、着陸地点を含む観測範囲内の地表を行列状に分割した地表部分毎に、飛行体から地表部分までの距離を算出することにより、観測範囲内の地表の起伏状態を示す距離情報を生成する。そして、着陸地点への着陸可否を判定するために、生成された距離情報に基づいて、観測範囲内の地表の起伏状態を評価する。例えば、着陸地点に関する平面性、平坦性、障害物の存在状況、または傾斜の程度の少なくとも一つを定量的に評価することが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、月や惑星等を探索する探査機１の制御ブロック図である。この探査機１は、飛行制御部であるコントローラ２でスラスタ３を制御することにより、周回軌道上から地表の着陸目標地点に向けて誘導される。コントローラ２は、図示しないセンサ類から得られる探査機１の姿勢、高度、位置および速度といった各種情報に基づいて、探査機１の現在の飛行状況の特定、姿勢制御、位置制御等に関する演算を行う。なお、探査機１の高度を計測する高度計は、電波高度計を用いてもよいが、地表を撮像することにより得られるステレオ画像から算出することもできる（特開平11-230745号公報を参照）。探索装置４は、ステレオカメラ５で地表を撮像することにより得られるステレオ画像に基づいて、撮像された地表範囲（観測範囲）内において探査機１の着陸地点を探索する。
【００２２】
ステレオカメラ５は、一対のカメラ５ａ，５ｂを所定の間隔（カメラ基線長に相当）で配置した構成を有しており、探査機１の下方に取り付けられている。これらのカメラ５ａ，５ｂのシャッタースピードは可変であり、垂直方向が1300画素、水平方向が1030画素の撮像エリアを有する高解像度の白黒ＣＣＤ（イメージセンサ）が内蔵されている。一対のカメラ５ａ，５ｂの同期が取れている状態において、メインカメラ５ａから出力された基準画像信号とサブカメラ５ｂから出力された比較画像信号とは、探索装置４の前段部である画像入力部６に入力される。
【００２３】
画像入力部６は、ステレオカメラ５からのアナログ画像信号を所定の輝度階調（例えば、256階調のグレースケール）のデジタル画像信号にＡ／Ｄ変換する。これにより、メインカメラ５ａの出力信号から、1024×1024画素分のデジタル化された輝度データが基準画像データとして得られる。この基準画素の画像領域が地表の観測範囲に相当する。一方、サブカメラ５ｂの出力信号から、垂直画素数が基準画像と同一で、水平画素数が基準画像よりも大きな画像領域の輝度データが比較画像データとして得られる。なお、以下の説明では、基準画像と比較画像とを総称して、適宜「ステレオ画像」という。
【００２４】
例えば、カメラ基線長が2m、レンズ焦点距離が25mmとして、高度100mから地表を撮像する場合を考える。この場合、観測範囲が横26m×縦26m、１画素当たりの分解能が横0.03m×縦0.03m程度の画像データを得ることができる。また、高度500mから地表を撮像した場合、観測範囲は130m×130m、１画素当たりの分解能が0.1m×0.1m程度となる。さらに、高度1000mから地表を撮像した場合、観測範囲は260m×260m、１画素当たりの分解能が0.3m×0.3m程度となる。このような分解能を確保できれば地表状態を評価することができる。
【００２５】
また、画像入力部６において、ステレオカメラ５を構成するＣＣＤやレンズの特性に起因した輝度差の補正や画像歪み等の補正が行われる。地表の起伏状態（三次元的なプロファイル）を示す距離情報は、元画像情報であるステレオ画像に基づき生成されるが、光学系に起因した輝度差や歪み等が元画像に存在すると、ステレオ処理におけるミスマッチが生じやすい。そこで、ミスマッチングを低減して距離情報の精度を高めるために、ステレオマッチングに先立ち、元画像を補正する必要がある。具体的には、レンズの光軸中心近傍に対して、その周辺の輝度が低下しやすいというレンズ特性を電気的に補正する周辺光量補正が行われる。また、レンズの歪曲収差やＣＣＤの受光面のあおりに起因した画像の非線形な歪みも補正される。さらに、ステレオカメラ５の光学的なずれはアフィン変換によって等価的に補正される。線形変換であるアフィン変換をステレオ画像に施すことにより、ステレオマッチングを行う際の前提となる、ステレオ画像における水平線（エピポーラライン）の一致が保証される。なお、ステレオ画像のアフィン変換については、特開平10-307352号公報に詳述されているので、必要ならば参照されたい。このような処理を経て画像入力部６から出力されたステレオ画像データは、画像データメモリ７に格納される。
【００２６】
ステレオ処理部８は、画像データメモリ７に格納されたステレオ画像データを読み出し、１フレーム相当のステレオ画像に関する距離情報を算出する。この距離情報は、地表の観測範囲である基準画像領域（1024×1024画素）を、所定の小領域（例えば4×4画素の画素ブロック）に行列状に分割し、小領域毎の距離（視差）を算出したものである。
【００２７】
ステレオ処理部８は、図２に示すフローチャートにしたがって距離情報を生成する。まず、ステップ１において、平均値差分ステレオマッチングにより視差ｄが算出される。基準画像中の一の画素ブロックＰＢ1を対象とした場合、この相関元ブロックＰＢ1の輝度特性との相関が大きい相関先ブロックＰＢ2を比較画像中において特定する。ステレオ法の原理上、相関先ブロックＰＢ2は相関元ブロックＰＢ1と同一水平線（エピポーラライン）上に存在する。したがって、ステレオ処理部８は、エピポーラライン上の所定の探索範囲内に存在するすべての画素ブロックＰＢXについて相関元ブロックＰＢ1との相関を評価する。
【００２８】
図３に示す画素ブロックＰＢ1，ＰＢX間の相関関係は、下式によって定義されるシティブロック距離ＣＢによって評価することができる。ここで、ａn，（ｎ＝1,2・・・16）は、画素ブロックＰＢ1を構成する画素の輝度値であり、ＡＭはその画素ブロック全体の輝度平均値を示している。また、ｂn，ＳＭはそれぞれ、画素ブロックＰＢXを構成する画素の輝度値、輝度平均値を示している。さらに、Ｎは画素ブロックの面積であり、4×4画素の画素ブロックでは16となる。
【数１】
ＣＢ＝Σ|（ａn−ＡＭ）−（ｂn−ＳＭ）|
ＡＭ＝（Σａn）／Ｎ
ＳＭ＝（Σｂn）／Ｎ
【００２９】
上式からわかるように、２つの画素ブロックＰＢ1，ＰＢXの輝度特性が類似しているほどシティブロック距離ＣＢが小さくなり、輝度特性が同一の場合は0になる。このようにして、エピポーラライン上の探索対象ブロックＰＢX毎にシティブロック距離ＣＢを求め、基本的には、その値が最小となる画素ブロックＰＢ2を相関元ブロックＰＢ1の相関先として特定する（ステレオマッチング）。そして、相関元ブロックＰＢ1と相関先ブロックＰＢ2との間の水平方向のずれ量、すなわち視差ｄが、一画素単位の分解能（ピクセルレベル）で算出される。この視差ｄが、画素ブロックＰＢ1内に映し出された地表部分までの距離に相当する。なお、シティブロック距離ＣＢを算出するためのハード構成を含めたステレオマッチングの詳細については特開平5-114009号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。
【００３０】
ステップ１においてピクセルレベルの視差ｄが算出されると、それに続くステップ２において、一画素以下の分解能（サブピクセルレベル）の距離値、すなわち、サブピクセル値ｄsubが算出される。サブピクセル値ｄsubは、画素ブロックＰＢ2に隣接した複数の画素ブロックＰＢXのシティブロック距離ＣＢの分布に基づき算出され、サブピクセルレベルでシティブロック距離ＣＢが極小となる極小点の位置ｉsubに相当する。本実施形態では、要求される距離分解能と算出精度とを考慮して、1/8画素単位の分解能でサブピクセル値ｄsubを算出する。
【００３１】
図４は、エピポーラライン上における相関先ブロックＰＢ2近傍のシティブロック距離ＣＢの分布特性の一例である。ある相関元ブロックＰＢ1に関する相関先ブロックＰＢ2のｉ座標をｉminとし、その近傍におけるシティブロック距離ＣＢの値を丸印でプロットする。画素の面積が限りなく小さいと仮定した場合、シティブロック距離ＣＢは破線で示したように、極小点近傍において左右対称でかつ連続的に分布するという特性を有する。このような分布特性より、破線の極小点のｉ座標値は、ピクセルレベルで算出された座標値ｉminと異なることが多い。そこで、図５に示すように、座標値ｉminを基準とした左右の近似直線Ｌ1，Ｌ2に基づいて、サブピクセルレベルでの極小点ｐiを決定する。
【００３２】
具体的には、まず、下式に示したように２つの座標値ｉmin，ｉmin−1間におけるシティブロック距離ＣＢの変化量ΔＣＢ0を求める。これと同様に、２つの座標値ｉmin，ｉmin＋1間におけるシティブロック距離ＣＢの変化量ΔＣＢ1を求める。
【数２】
ΔＣＢ0＝ＣＢ[ｉmin−1]−ＣＢ[ｉmin]
ΔＣＢ1＝ＣＢ[ｉmin＋1]−ＣＢ[ｉmin]
【００３３】
つぎに、左右の変化量ΔＣＢ0，ΔＣＢ1とを比較する。シティブロック距離ＣＢが極小点ｐi周りで左右対称になる特性から、図５の例では、変化量が小さいｉminの右側に極小点が存在する。そこで、点ＣＢ[ｉmin]と点ＣＢ[ｉmin−1]とを結ぶ直線Ｌ1の傾きｍを算出するとともに、点ＣＢ[ｉmin＋1]を通り、傾きが−ｍとなる直線Ｌ2を算出する。そして、左右の直線Ｌ1，Ｌ2の交点を極小点ｐiとする。そして、この極小点ｐiのｉ座標ｉsubを、1/8画素単位で近似した値（-4/8〜4/8）が、サブピクセル値ｄsubとなる。例えば、高度100m換算において、距離画像の分解能が横0.12m×縦0.12m×奥行0.2m、その精度が±0.2m程度を確保することができる。なお、上述したサブピクセルの詳細な算出手順については、特開平10-307352号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。
【００３４】
ステップ２続くステップ３において、多数決フィルタによるフィルタリング処理が行われる。この処理を概略的に説明すると、まず、処理の対象となる画素ブロックを中心とした3×3個の画素ブロック群を抽出する。つぎに、この抽出された画素ブロック群が有する視差ｄの出現度数を重み付けしてヒストグラムを作成し、このヒストグラムから最大度数の視差を算出する。そして、算出された最大度数視差との関係において、処理対象の画素ブロックに係る視差が所定の条件を満たす場合、この視差を最大度数視差に置き換える。このようなフィルタリング処理を通じて、ステレオマッチングにおけるミスマッチに起因して算出された特異点を有効に除去するとともに、未算出視差の補完を行う。これにより、距離情報の信頼性の向上を図ることができる。なお、多数決フィルタの詳細な処理手順については、特開平11-248446号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。
【００３５】
以上のような一連の手順によって、基準画像中のすべての画素ブロックに関して視差ｄを算出することにより、連続した領域（画素ブロック）の集合である観測範囲内において視差ｄijが最大で256×256個算出される。探査機１からある地表部分までの距離は、その地表部分が映し出された画像平面上の座標（ｉ，ｊ）とその視差ｄijが特定されれば、周知の座標変換式より一意に特定される（例えば、特開平11-39597号公報を参照）。したがって、視差ｄijの全体的な分布特性は、基準画像に映し出された地表の起伏（岩石やクレーター等を含む）を示している。以下の説明において、元画像（基準画像）のｉ−ｊ座標系における視差（距離）の分布情報ｄijを「距離画像ｄij」または「距離情報ｄij」という。ステレオ処理部８において生成された距離画像データｄij（そのサブピクセル値ｄsubを含む）は、後段の距離データメモリ９に格納される。
【００３６】
探索処理部１０は、距離データメモリ９から１フレーム相当の距離画像ｄijを読み出し、このデータｄijに基づいて、探索機１の着陸に適した地点を探索する。すなわち、距離画像ｄijから特定される地表の起伏状態に基づき、平坦かつ障害物（または段差）が存在しない地表部分が着陸候補地点として抽出される。後述する所定の条件を具備する地表部分が複数存在する場合、観測範囲内において複数の着陸候補地点が抽出される。逆に、所定の条件を具備する地表部分が全く存在しない場合、着陸候補地点は抽出されない。
【００３７】
また、探索処理部１０は、抽出された着陸候補地点毎に、平面および平坦の度合い、周囲の障害物の存在状態、傾斜の程度等を定量的に評価し、それらを安全性の指標としてコントローラ２に対して通知する。コントローラ２は、これらの評価結果に基づいて、着陸候補地点の中から最終的な着陸地点を特定する。そして、スラスタ３を制御することにより、その地点に向けた飛行制御（着陸制御を含む）を行う。
【００３８】
以下、探索処理部１０で実行される着陸地点探索の具体的な手法について詳述する。図６は、着陸地点探索の概略的な手順を示すフローチャートである。探索処理部１０は、このフローチャートに示された処理を所定の間隔で繰り返し実行する。まず、ステップ１１において、距離データメモリ９に格納されている１フレーム相当の距離画像ｄijが探索処理部１０に読み込まれる。
【００３９】
つぎに、ステップ１２において、距離画像ｄijにより特定される地表の三次元的なプロファイルから、地表の平坦な領域である平坦面が抽出される。図７は、ステップ１２における平坦面抽出の詳細な手順を示すフローチャートである。また、図８は、平坦面Ｒおよび着陸候補地点ＬＰiの説明図である。
【００４０】
まず、ステップ２１において、互いに隣接した画素ブロックのうち、距離ｄが等しいもの同士をグループ化して、地表の平坦面を抽出する。ここで、「隣接した画素ブロック」とは、水平方向および垂直方向において隣接した画素ブロックをいい、斜め方向に隣接した画素ブロックは含まない。また、グループ化のみが目的であるため距離精度は比較的粗くてもよく、処理速度向上のために距離ｄはピクセルレベルのみを使用し、サブピクセル値ｄsubは使用しない。したがって、このステップ２１における平坦面の抽出では、サブピクセル値ｄsubに相当する微少な凹凸や比較的小さな岩石等は考慮されない。
【００４１】
グループ化された画素ブロック群の面積が所定の面積よりも大きい場合に、その画素ブロック群より構成される領域を平坦面Ｒとする。このようにして平坦面Ｒが抽出される毎に、それをラベルｉ（ｉ＝1,2,・・・）でラベリングしていくことで平坦面Ｒiを得る。着陸地点は平坦面Ｒi内に設定されるため、平坦面Ｒiが一つも抽出されない場合は、その距離画像ｄijに関して着陸地点は設定されない。例えば、図８に示す距離画像ｄij（一部のみを図示）において、平坦面Ｒiは破線で囲まれた領域として設定される。
【００４２】
ステップ２１に続くステップ２２において、平坦面Ｒi毎に下式に示す領域評価値ＲＨが算出される。
【数３】
ＲＨ＝|（縦幅最大値）−（横幅最大値）|／（面積）
【００４３】
領域評価値ＲＨは、平坦面Ｒiが着陸に適した形状を有しているかを示す指標であり、その値が0に近づくほど着陸に適した領域となる。具体的には、ある平坦面Ｒiの面積（画素ブロック群の数）が大きいほど、領域評価値ＲＨの値は0に近くなる。また、ある平坦面Ｒiの縦幅の最大値と横幅の最大値との差（絶対値）が小さいほど、換言すれば、平坦面Ｒiの形状が正方形に近くなるほど、領域評価値ＲＨの値は0に近くなる。図８に示した平坦面Ｒiの場合、面積は42、縦幅最大値Ｖmaxは7、横幅最大値Ｈmaxは7であるから、領域評価値ＲＨは0.024となる。なお、ここでは、着陸に適した平坦面の形状は正方形としているが、その形状は円形であってもよい。
【００４４】
このようにして、すべての平坦面Ｒiについて領域評価値ＲＨを算出する。そして、所定値ＲＨth以上の領域評価値ＲＨを有する平坦面Ｒiは、着陸に適した領域ではないと判断して除外する。
【００４５】
そして、ステップ２３において、残った平坦面Ｒから着陸候補地点ＬＰiが特定される。すなわち、平坦面Ｒ内において、探査機１の着陸に必要な面積を有する領域を当てはめ、その領域を再度ラベルｉ（ｉ＝1,2,・・・）を付与する。このようにしてラベリングされた領域を着陸候補地点ＬＰiとする。ある高度において探査機１の着陸に必要な地表領域が画素ブロック換算で5×5画素ブロック相当であるとすると、図８の例では、平坦面Ｒi内に２つの着陸候補地点ＬＰ1，ＬＰ2が抽出される。なお、着陸に必要な画素ブロック群の面積は探索機１の高度に応じて決定され、高度が低くなるほどその面積は大きくなる。
【００４６】
ステップ１２において、着陸地点の候補となる着陸候補地点ＬＰiが特定されると、続くステップ１３において、着陸候補地点ＬＰi毎に、その内外における障害物が抽出される。このステップ１３では、適宜、サブピクセル値ｄsubが使用される。サブピクセル値ｄsubを用いることにより、サブピクセル値ｄsubの分解能レベルの微少な凹凸や比較的小さな岩石等を障害物として検出することができる。図９は、ステップ１３における障害物抽出の詳細な手順を示すフローチャートである。
【００４７】
まず、ステップ３１において、着陸候補地点ＬＰi内に、着陸の妨げとなる障害物（サブピクセルレベルの微少な凹凸や岩石等）があるか否かが探索される。着陸候補地点ＬＰi内に所定のしきい値以上のサブピクセル値ｄsubが一つでも存在する場合、その着陸候補地点ＬＰiは削除される（ステップ３３）。このしきい値は、探査機１の着陸脚の長さ等を考慮した上で探査機１の高度に応じて設定される。
【００４８】
例えば、ある着陸候補地点ＬＰi内に存在する5×5個のサブピクセル値ｄsubが図１０に示す分布状態を有する場合、しきい値（例えば2/8）以上のサブピクセル値3/8が一つ存在する。したがって、この着陸候補地点ＬＰi内には探査機１の着陸を阻害する障害物が存在するものと判断して、この地点ＬＰiは着陸候補地点から削除される。
【００４９】
ステップ３１に続くステップ３２において、着陸候補地点ＬＰi外の障害物（大きなクレーター等）が探索される。探査機１が着陸地点に斜め方向から飛来するケースを考えた場合、周囲に高い障害物が存在すると、それが着陸の妨げになる。また、障害物の高さが同じだとしても、それが着陸候補地点ＬＰiに近くなるほど着陸の妨げになる。そこで、障害物の高さ、または、障害物と着陸候補地点との間隔の少なくとも一方を考慮して、着陸候補地点ＬＰiの着陸地点としての適性を評価する。
【００５０】
具体的には、着陸候補地点ＬＰiを中心とした周囲（例えば10m×10m相当）に存在する障害物を判定対象とし、その範囲内に所定のしきい値を越えるほど高い障害物が存在する場合は、その地点ＬＰiは着陸に適さないものと判断して除外する（ステップ３３）。しきい値は、着陸候補地点ＬＰiを中心として上方向に延在する逆四角錐形状の境界面として設定される（逆円錐形状でも可）。例えば、図１１に示すように、地表の断面における障害物の高さｄ'の分布を考える。ここで、障害物の高さｄ'は、距離画像ｄijから特定することができ、着陸候補地点ＬＰiの距離ｄ1から障害物の距離ｄ2を引いた値に相当する。また、断面でみた場合、しきい値を規定する逆四角錐形状の境界面は傾きｍ，−ｍを有する２つの直線Ｌ1，Ｌ2として表される。図示した距離分布では、着陸候補地点ＬＰiの左側の高さｄ'が直線Ｌ1を越えているため、この着陸候補地点ＬＰiは着陸に適さないものと判断される。
【００５１】
ステップ１３において、着陸に適さない着陸候補地点ＬＰiが除外されると、続くステップ１４において、残りの着陸候補地点ＬＰiに関して、着陸地点としての適正が評価される。先のステップ１３と同様に、このステップ１４においても、サブピクセル値ｄsubを適宜使用する。図１２は、ステップ１４の着陸候補地点評価の詳細な手順を示すフローチャートである。
【００５２】
まず、ステップ４１において、サブピクセル値ｄsubを考慮して、着陸候補地点ＬＰi毎に平面度ＰＬが算出される。平面度ＰＬは、着陸候補地点ＬＰiの全体的な起伏（サブピクセルレベルでの起伏）を定量的に示す評価値である。具体的には、図１３に示すように、平面度ＰＬは、着陸候補地点ＬＰi内の地表を平行な二平面１，２で挟んだ場合における平面間の距離として算出される。平面１，２が下式で表されるとすると、これらが平行な場合にはａ1／ａ2＝ｂ1／ｂ2＝ｃ1／ｃ2＝ｋ（ｋは定数）が成立する。
【数４】
平面１：  ａ1χ＋ｂ1ｙ＋ｃ1ｚ＝１
平面２：  ａ2χ＋ｂ2ｙ＋ｃ2ｚ＝１
【００５３】
平行な２つの平面間の距離に相当する平面度ＰＬは、下式によって算出される。
【数５】
0004448233.tif 000002
【００５４】
着陸候補地点ＬＰiが平面であるほど、平面度ＰＬの値は０に近づくため、着陸地点に適していると判断される。なお、簡易的には、着陸候補地点ＬＰi内における探査機１からの最大距離と最小距離との差を平面度ＰＬとしてもよい。
【００５５】
つぎに、ステップ４２において、サブピクセル値ｄsubを考慮して、着陸候補地点ＬＰi毎に平坦度ＦＬが算出される。平坦度ＦＬは、着陸候補地点ＬＰiの微少な凹凸の程度を定量的に示す評価値である。具体的には、平坦度ＦＬは、下式に示すように、着陸候補地点ＬＰi内の各距離ｄn（ｎは1〜25）とその着陸候補地点ＬＰi内の距離平均値ｄaveとの差の自乗総和として算出される。
【数６】
ＦＬ＝Σ（ｄn−ｄave）2
ｄave＝（Σｄn）／25
【００５６】
着陸候補地点ＬＰi内の凹凸が少ないほど、平坦度ＦＬの値は0に近づくため、着陸地点に適していると判断される。
【００５７】
そして、ステップ４３において、距離画像ｄijに基づき、その地点の周囲障害評価値ＣＨが算出される。周囲障害評価値ＣＨは、着陸候補地点ＬＰiの周囲、例えば、着陸候補地点ＬＰiを中心とした10m×10m相当の周辺領域における障害物の状態を定量的に示す評価値である。この評価値ＣＨは、図１４に示すように、着陸候補地点ＬＰiからｎ番目の障害物までの距離をＬn、その障害物の高さをｈnとすると下式から算出される。
【数７】
ＣＨ＝Σ（ｈn×Ｌn）
【００５８】
着陸候補地点ＬＰi周りに障害物がなければ、周辺障害評価値ＣＨの値は0となり、着陸地点に適した地点であると判断される。これに対して、着陸候補地点ＬＰiの周囲に存在する障害物が多いほど、着陸候補地点ＬＰiに近いほど、或いは障害物が高いほど、この評価値ＣＨの値は大きくなるため、着陸地点としての適正が低くなる。なお、本実施形態では、障害物の高さｈn、距離Ｌnの双方を評価パラメータとしているが、何れか一方のみであってもよい。また、障害評価値ＣＨの算出に際して、障害物の大きさ（面積）を考慮してもよい。
【００５９】
最後に、ステップ４４において、着陸候補地点ＬＰiの傾斜度ＳＬが算出される。傾斜度ＳＬは、着陸候補地点ＬＰiの傾斜の程度を定量的に示す評価値である。例えば、着陸候補地点ＬＰiにおける地表部分を平面近似するとともに、距離画像ｄijにより特定される地表全体を平面近似する。地表の平面近似の具体的な手法については、特開平11-230745号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。特定された２つの近似平面が上述した数式４で表されるとすると、下式より二平面のなす角θを求め、これを傾斜度ＳＬとする。
【数８】
0004448233.tif 000003
【００６０】
着陸候補地点ＬＰiの傾斜が地表全体の傾斜に近づくほど、傾斜度ＳＬの値は0に近くなり、着陸地点に適した地点と判断される。
【００６１】
着陸候補地点ＬＰi毎に算出された評価値ＰＬ，ＦＬ，ＣＨ，ＳＬは、探索処理部１０からコントローラ２に対して出力され（ステップ１５）、探索処理部１０における一連の処理が終了する。
【００６２】
コントローラ２は、これらの評価値ＰＬ，ＦＬ，ＣＨ，ＳＬに基づいて、探索候補ＬＰi毎に、下式から着陸安全度Ｓを算出する。同式において、α，β，γ，δは重み係数である。
【数９】
Ｓ＝ｆ（ＰＬ，ＦＬ，ＣＨ，ＳＬ）
＝α・ＰＬ＋β・ＦＬ＋γ・ＣＨ＋δ・ＳＬ
【００６３】
各重み係数の値は、探査機１固有の仕様（着陸可能な最大進入傾斜角、障害物の許容高等）を考慮した上で決定される。例えば、地表に対して垂直に近い状態で着陸制御可能な探査機１においては、着陸候補地点ＬＰiの周囲の障害物はあまり着陸の妨げにはならない。そこで、そのような仕様を有する探査機１については、周囲障害評価値ＣＨの重み係数γの値を小さく設定してもよい。また、地表の凹凸に対して高い着陸性能を有する探査機１については、平坦度ＦＬの重み係数β等を小さく設定してもよい。
【００６４】
コントローラ２は、着陸安全度Ｓを考慮して、着陸候補地点ＬＰiの中から着陸地点ＬＰを決定する。着陸地点ＬＰは、基本的には、着陸安全度Ｓが最小で、かつ所定値以下の着陸候補地点ＬＰiとすることができる。ただし、探査機１の飛行状態や燃料残存量、ミッション遂行における効率性等を総合的に勘案して、それ以外の着陸候補地点ＬＰiを着陸地点ＬＰとして選択してもよい。例えば、探査機１の燃料残存量が少ない場合は、着陸安全度Ｓが最小値でない着陸候補地点ＬＰiを着陸地点ＬＰとせざるを得ないケースもある。また、地表探索ミッションを行う場合には、目標地点になるべく近い着陸候補地点ＬＰiへの着陸が重視される。最終的な着陸地点が決定された場合、コントローラ２は、その実空間上の位置を特定し、その位置に向けた探査機１の飛行制御を行う。一方、着陸地点が特定できない場合は、着陸地点の探索処理を再度実行する。
【００６５】
上述した着陸地点探索装置においては、ステレオ画像から得られる距離画像ｄijに基づいて、地表の起伏状態をモニタリングしているので、地表の微少な凹凸を含めた地表状態を精度よく検出することができる。特に、本実施形態においては、サブピクセル演算により、１画素以下の分解能でサブピクセル値ｄsubを算出している。そのため、サブピクセルレベルの微少な凹凸も精度よく検出することができる。また、このような信頼性の高い距離情報ｄijに基づいて、平坦な地表を抽出し、地表状態を評価することにより、安全な着陸地点を特定している。したがって、着陸目標地点をシステム中に予め設定しなくても、実際の地表状態から着陸地点を設定することが可能となる。そして、このようにして設定された着陸地点に探査機１を着陸させることにより、着陸安全性を確保することができる。
【００６６】
また、上述した距離画像ｄijは、実際の地表状態を精度よく表現しているため、距離画像ｄijに基づいて着陸地点を精度よく探索することができる。すなわち、ステレオ画像に基づいて算出される距離ｄ（視差）は、撮像画像を行列状に分割することにより得られる画素ブロック毎に一つ算出される。このことを換言すれば、観測範囲内の地表を行列状に分割し、分割された地表部分毎に距離が連続的に算出されるということである。したがって、距離画像ｄijにおける画素ブロック単位の距離ｄの全体的な分布は、観測地表の連続的なプロファイルに相当する。
【００６７】
これに対して、従来技術では、観測地表のプロファイルを連続的に検出することはできないため、地表の検出精度の低下を招きやすいという問題がある。上述したように、従来技術では、地表計測のサンプルとして、地表に対して複数のビーム光を同時に照射することにより得られる離散的な照射点位置を用いている。したがって、隣接した照射点間の領域は非検出領域となるため、その領域に存在する障害物を検出することは困難である。
【００６８】
また、従来技術では、ビーム照射装置の装備によるシステム規模の拡大を招きやすく、ビーム照射点の輝度確保も容易ではない。また、同時に照射できるビームの本数にも限界があるという問題がある。これに対して、本実施形態に係る着陸地点探索装置では、ビーム照射装置を用いる必要がないので、このような問題は生じない。
【００６９】
なお、本実施形態では、ステレオカメラを用いて、観測地表の起伏状態を示す距離情報を生成している。ステレオカメラを用いた距離情報の生成は、本発明の好ましい一例ではあるものの、本発明はこれに限定されるものではなく、観測範囲内における地表の起伏状態を連続的に検出することができるセンサに広く適用することができる。例えば、ミリ波やレーザ波を用いたセンサ、或いはそれらを併用したセンサを用いて、観測範囲内を連続的にスキャンする。これにより、ステレオカメラを用いた場合と同様に、地表の起伏状態を示す距離情報を生成することができる。
【００７０】
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態は、着陸地点を探索する着陸地点探索装置に関するものであるのに対して、本実施形態は、予め指定された着陸地点の地表状態を評価する着陸地点評価装置に関する。この評価装置は、第１の実施形態と同様に、図１に示したシステム構成を有している。この場合、探索装置４は評価装置として機能し、探索処理部１０は評価処理部として機能する。
【００７１】
まず、ステレオカメラ５で着陸地点を含む所定の範囲（観測範囲）を撮像し、一連の処理を経て生成された距離情報が、距離データメモリ９に記憶される。この距離情報は、着陸地点を含む観測範囲における地表の起伏状態を示している。なお、上述したように、距離情報は、ステレオカメラの他にもミリ波やレーザ波を用いたセンサ等を利用して生成してもよい。
【００７２】
評価処理部として機能する探索処理部１０は、距離情報に基づいて、観測範囲内の地表の起伏状態を評価する。この起伏状態は、具体的には、上述した平面度ＰＬ、平坦度ＦＬ、周囲障害評価値ＣＨ、または傾斜度ＳＬの少なくとも一つを用いることで定量的に評価することができる。そして、探索処理部１０において算出された評価値ＰＬ，ＦＬ，ＣＨ，ＳＬは、コントローラ２に対して出力される。コントローラ２は、これらの評価値ＰＬ，ＦＬ，ＣＨ，ＳＬに基づいて、着陸地点の着陸安全度Ｓを求めることにより、その着陸地点への着陸可否を判断する。
【００７３】
このように、本実施形態に係る着陸地点評価装置を用いて、着陸地点の地表状態を評価すれば、その着陸地点の着陸適性を精度よく評価することができる。そして、着陸適性が高いと判断される着陸地点へ着陸すれば、飛行体の着陸安全性の向上を図ることが可能となる。
【００７４】
なお、第１および第２の実施形態は、月や惑星の探査機への適用例であるが、本発明は、このような探査機に限定されるものではなく、様々な飛行体に広く適用することができるのは当然である。
【００７５】
【発明の効果】
このように本発明では、観測範囲内の地表を行列状に分割し、分割された地表部分毎に飛行体から地表部分までの距離を算出している。これにより、観測範囲内の地表の起伏状態を精度よく反映した距離情報を得ることができる。そして、このような距離情報に基づいて、目標地点を探索すれば、着陸地点をシステム中に予め設定しなくとも、着陸に適した地点を特定することができる。一方、このような距離情報に基づいて、予め設定された目標地点に関する地表状態を評価すれば、この着陸地点の着陸適性を精度よく評価することができる。その結果、飛行体の着陸安全性の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】探査機の制御ブロック図
【図２】距離情報生成の手順を示すフローチャート
【図３】シティブロック距離ＣＢの算出手法の説明図
【図４】シティブロック距離ＣＢの分布特性の説明図
【図５】直線近似による一致点の算出手法の説明図
【図６】着陸地点探索の概略的な手順を示すフローチャート
【図７】平坦面抽出の詳細な手順を示すフローチャート
【図８】平坦面Ｒおよび着陸候補地点ＬＰiの説明図
【図９】障害物抽出の詳細な手順を示すフローチャート
【図１０】着陸候補地点ＬＰi内の障害物の分布図
【図１１】着陸候補地点ＬＰi外の障害物の分布図
【図１２】安全度算出の詳細な手順を示すフローチャート
【図１３】平面度ＰＬの説明図
【図１４】周囲障害評価値ＣＨの説明図
【符号の説明】
１  探査機、
２  コントローラ、
３  スラスタ、
４  探索装置、
５  ステレオカメラ、
６  画像入力部、
７  画像データメモリ、
８  ステレオ処理部、
９  距離データメモリ、
１０  探索処理部
【図１】
0004448233.tif 000004
【図２】
0004448233.tif 000005
【図３】
0004448233.tif 000006
【図４】
0004448233.tif 000007
【図５】
0004448233.tif 000008
【図６】
0004448233.tif 000009
【図７】
0004448233.tif 000010
【図８】
0004448233.tif 000011
【図９】
0004448233.tif 000012
【図１０】
0004448233.tif 000013
【図１１】
0004448233.tif 000014
【図１２】
0004448233.tif 000015
【図１３】
0004448233.tif 000016
【図１４】
0004448233.tif 000017