(57)【要約】【課題】照度の低い環境において、コントラストが低い移動面上を移動する移動体の位置及び姿勢、並びにその移動面の形状を検出する。【解決手段】移動体及び移動面検出システム１は、移動体３と、移動体３上に配置された発光部４と、移動体３を俯瞰する位置に設けられたステレオカメラ５及び測距センサ６と、ステレオカメラ５及び測距センサ６の出力を処理する処理部７と、処理部７の出力を表示する表示部８とを備える。ステレオカメラ５は、発光部４のステレオ画像を撮像する。測距センサ６は、移動面に光を出射し、移動面で反射されて戻ってくる光の飛行時間に基づいて移動面を測距する。処理部７は、ステレオカメラ５が撮像したステレオ画像に基づいて移動体３の位置及び姿勢を検出するとともに、測距センサ６の出力に基づいて移動面の形状を検出し、移動体３の位置及び姿勢と、移動面の形状とを表示部８に表示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動面上を移動する移動体と、
前記移動体上に配置された３つ以上の点状光源を有する発光部と、
前記移動体を俯瞰する位置に設けられたステレオカメラ及び測距センサと、
前記ステレオカメラ及び測距センサの出力を処理する処理部と、
前記処理部の出力を表示する表示部とを備え、
前記ステレオカメラは、前記発光部のステレオ画像を撮像し、
前記測距センサは、移動面に光を出射し、移動面で反射されて戻ってくる光の飛行時間に基づいて移動面を測距し、
前記処理部は、前記ステレオカメラが撮像したステレオ画像に基づいて移動体の位置及び姿勢を検出するとともに、前記測距センサの出力に基づいて移動面の形状を検出し、移動体の位置及び姿勢と、移動面の形状とを前記表示部に表示することを特徴とする移動体及び移動面検出システム。
【請求項２】
前記点状光源の各々は、分光分布が互いに異なるとともに、前記測距センサが出射する光の波長と異なる波長域の光を出射することを特徴とする請求項１に記載の移動体及び移動面検出システム。
【請求項３】
前記移動体の移動を遠隔操作する操作部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の移動体及び移動面検出システム。
【請求項４】
前記移動体は、前記処理部が検出した移動体の位置及び姿勢並びに移動面の形状に基づいて自律移動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の移動体及び移動面検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット等の移動体の位置及び姿勢、並びにその移動体が移動する移動面の形状を検出するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、製油所において、原油を反応炉で水素化脱硫処理する精製が行われている。この処理には粒状の触媒が用いられている。図５に示されるように、反応炉２は、油が透過し、触媒が通り抜けない炉内床面２２を有する。炉内床面２２は、触媒が通り抜ける孔２３を有する。炉内床面２２上には、孔２３の周囲に安息角を成す残触媒２４の斜面が形成される。残触媒２４を反応炉２外に排出するため、反応炉２の上部開口から反応炉２内に梯子２５を仮設し、作業員が反応炉２内に入って残触媒２４の斜面を崩し、触媒を孔２３から排出する。排出された触媒は、回収され、再生される。
【０００３】
反応炉２内は、揮発油や水素など爆発や火災の危険性がある物質が存在する。爆発や火災を防止するため、作業時に反応炉２内に窒素を充満させ、無酸素状態にされる場合がある。また、反応炉２内は、薄暗く、粉塵が立ちこめており、視界が良くない。このように、反応炉２内の作業環境は、大変厳しい。反応炉２内の作業に先立って、残触媒２４を水漬け状態にする場合もある。この場合、反応炉２全体が水で満たされ、所定時間経過後に水抜きが行われる。これにより、反応炉２内が洗浄され、反応炉２内に残った触媒は、水を含んだ状態となる。触媒が水を含むと、爆発や火災が防止され、粉塵も低減される。また、酸素を反応炉２内に入れても触媒の発熱が抑えられるので、作業員の酸欠作業が回避される。しかし、水を含んだ触媒は、再生することができない。触媒は高価であるため、残触媒２４に水を散布すると、原油精製のコストが著しく増大する。
【０００４】
作業員を反応炉２内の過酷な作業から解放するため、無人作業のためのロボットの開発と導入が望まれている。このロボットは、残触媒２４から成る不安定な斜面上を移動するため、ロボットの位置だけでなく姿勢も検出する必要がある。また、ロボットの移動や作業に伴って移動面２１である斜面が変形するため、移動面２１の傾斜や凹凸等の形状を検出する必要がある。
【０００５】
移動するロボットは、可視光のビデオカメラを搭載し、搭載したビデオカメラが撮像した映像に基づいて周囲の状況や自己位置を把握することが一般的である。しかし、反応炉２内は照度が低く、残触媒２４から成る移動面２１はコントラストが極めて低いモノトーンであるため、ロボットに搭載したビデオカメラでは、ロボットの位置や移動面２１の形状を把握することが困難である。
【０００６】
移動する物体（移動体）に複数の発光ダイオードを設け、その発光ダイオードを３台の固定されたカメラで撮影し、撮影した画像に基づいて物体の位置及び姿勢を検出する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、反応炉２内は照度が低く、移動面２１がモノトーンであるため、このような装置で移動面２１を撮影しても、移動面２１の形状を検出することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−５０３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するものであり、照度の低い環境において、コントラストが低い移動面上を移動する移動体の位置及び姿勢、並びにその移動面の形状を検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の移動体及び移動面検出システムは、移動面上を移動する移動体と、前記移動体上に配置された３つ以上の点状光源を有する発光部と、前記移動体を俯瞰する位置に設けられたステレオカメラ及び測距センサと、前記ステレオカメラ及び測距センサの出力を処理する処理部と、前記処理部の出力を表示する表示部とを備え、前記ステレオカメラは、前記発光部のステレオ画像を撮像し、前記測距センサは、移動面に光を出射し、移動面で反射されて戻ってくる光の飛行時間に基づいて移動面を測距し、前記処理部は、前記ステレオカメラが撮像したステレオ画像に基づいて移動体の位置及び姿勢を検出するとともに、前記測距センサの出力に基づいて移動面の形状を検出し、移動体の位置及び姿勢と、移動面の形状とを前記表示部に表示することを特徴とする。
【００１０】
この移動体及び移動面検出システムにおいて、前記点状光源の各々は、分光分布が互いに異なるとともに、前記測距センサが出射する光の波長と異なる波長域の光を出射することが好ましい。
【００１１】
この移動体及び移動面検出システムにおいて、前記移動体の移動を遠隔操作する操作部を有することが好ましい。
【００１２】
この移動体及び移動面検出システムにおいて、前記移動体は、前記処理部が検出した移動体の位置及び姿勢並びに移動面の形状に基づいて自律移動することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発光する発光部のステレオ画像をステレオカメラが撮像するので、照度の低い環境においてもステレオ画像を撮像でき、そのステレオ画像に基づき、移動体の位置及び姿勢を検出することができる。測距センサが光の飛行時間に基づいて移動面を測距するので、移動面のコントラストが低くても、移動面の形状を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る移動体及び移動面検出システムのブロック構成図。
【図２】同システムが設けられた反応炉の断面図。
【図３】同システムにおける移動体の斜視図。
【図４】同システムにおける点状光源の位置の算出を説明する図。
【図５】従来の反応炉の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態に係る移動体及び移動面検出システム（以下、検出システムという）を図１乃至図４を参照して説明する。図１及び図２に示されるように、本実施形態では、検出システム１は、反応炉２において用いられる。検出システム１は、移動面２１上を移動する移動体３と、移動体３上に配置された発光部４と、ステレオカメラ５及び測距センサ６とを反応炉２内に備える。発光部４は、３つ以上の点状光源４１を有する。本実施形態では点状光源４１の数は、３つとしている。ステレオカメラ５及び測距センサ６は、移動体３を俯瞰する位置に設けられる。検出システム１は、処理部７と、表示部８とを反応炉２外に備える。処理部７は、ステレオカメラ５及び測距センサ６の出力を処理する。表示部８は、処理部７の出力を表示する。
【００１６】
ステレオカメラ５は、発光部４のステレオ画像を撮像する。測距センサ６は、移動面２１に光を出射し、移動面２１で反射されて戻ってくる光の飛行時間に基づいて移動面２１を測距する。処理部７は、ステレオカメラ４が撮像したステレオ画像に基づいて移動体３の位置及び姿勢を検出するとともに、測距センサ６の出力に基づいて移動面２１の形状を検出する。移動体３の姿勢とは、移動体３の３次元空間における向きであり、例えば、ヨー・ピッチ・ロールの角度で表される。移動面２１の形状は、移動面２１の傾斜及び凹凸、移動面２１の反応炉２壁面との境界等である。処理部７は、移動体３の位置及び姿勢と、移動面２１の形状とを表示部８に表示する。
【００１７】
反応炉２は、例えば、原油を水素化脱硫処理する炉である。反応炉２は、内部に粒状の触媒が充填される。反応炉２は、油が透過し、触媒が通り抜けない炉内床面２２を有する。炉内床面２２は、触媒が通り抜ける孔２３を有する。反応炉２内に充填されていた触媒は、孔２３から自然落下によって反応炉２外に排出される。炉内床面２２上には、孔２３の周囲に安息角を成す残触媒２４の斜面が形成される。この斜面が、移動体３の移動面２１である。移動面２１は、不安定であり、その上を移動体３が移動することによって形状が変化する。
【００１８】
移動体３は、残触媒２４を押しながら移動するロボットであり、図３に示されるように、本体３１と、本体３１の左右両側部に設けられたクローラ３２と、前部に設けられたブレード３３と、前照灯３４と、前方を監視するためのビデオカメラ３５とを有する。移動体３の上部は、保護枠３６によって保護されている。この移動体３は、本体３１に内蔵された駆動装置によってクローラ３２を駆動して移動し、前方に設けられたブレード３３で残触媒２４を押す。ブレード３３は、アクチュエータ３７によって上下に動かすことができる。ビデオカメラ３５によって撮影された監視映像は、反応炉２外に伝送され、表示部８に表示される。監視映像を表示部８とは別のディスプレイに表示してもよい。
【００１９】
発光部４は、３つの点状光源４１を２次元又は３次元的に配置したものであり、移動体３の位置及び姿勢を検出するためのマーカーとして機能する。点状光源４１の各々は、分光分布が互いに異なるとともに、測距センサ６が出射する光の波長と異なる波長域の光を出射する。本実施形態では、点状光源４１は、本体３１上の前中央、左後ろ、右後ろに配置され、それぞれ赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオードである。個々の点状光源４１は、発光の色によって識別される。点状光源４１の配置及び発光の色は、これに限定されない。
【００２０】
ステレオカメラ５は、１対のビデオカメラを有する（図２参照）。このビデオカメラは、点状光源４１が出射する光に感度を有し、測距センサ６が出射する光にはほとんど感度を有しない。ステレオカメラ５に、測距センサ６が出射する波長域の光を遮る赤外線カットフィルタを設けてもよい。ステレオカメラ５における１対のビデオカメラは、焦点距離、撮像面の形状及び大きさ、画素数等の仕様が同一であり、略平行等位に配置される。平行等位は、１対のビデオカメラの光軸を平行にして撮像面を同一平面上に並べるとともに、撮像面の横軸を一致させたカメラ配置である。各々のビデオカメラの光軸は、本実施形態では略鉛直下向きとされる。ステレオカメラ５が撮像したステレオ画像は、ディジタル信号として処理部７に入力される。
【００２１】
測距センサ６は、光を出射し、対象物で反射されて測距センサ６に戻ってくる光の飛行時間（TOF: Time of flight）を計測し、対象物までの距離を距離画像として出力するセンサであり、ＴＯＦカメラと呼ばれることもある（例えば、米国特許ＵＳ２０１１／００２５８４３号明細書参照）。測距センサ６は、反応炉２内の移動面２１全体を測距できる位置に設けられる（図２参照）。測距センサ６が出射する光は赤外線であり、点状光源４１が出射する可視光線とは波長域が異なる。
【００２２】
ステレオカメラ５及び測距センサ６は、フレーム５１に取り付けられる。フレーム５１は、チェーン５２等によって炉内床面２２より一定の高さに吊下される。この構成により、本実施形態では、ステレオカメラ５及び測距センサ６は、炉内床面２２より約２ｍ程度の高さに設けられる。
【００２３】
処理部７は、画像処理プログラム等が記憶されたメモリと、画像処理プログラム等を実行するＣＰＵ等を有する。処理部７における処理速度を高めるために、ＦＰＧＡ（Field Programmable Logic Gate Array）等から成る画像処理用のハードウェアを付加してもよい。ステレオカメラ５におけるビデオカメラの光軸が物理的に平行でない場合、処理部７は、ステレオ画像が平行等位の画像となるように画像処理によって補正する。また、処理部７は、ステレオカメラ５のレンズによる画角の歪み等を補正する。これらの補正をするため、市松模様のような単純でコントラストの強い模様を予め撮像し、それを補正用のデータとして処理部７内に保持している。処理部７は、補正後のステレオ画像と、ステレオカメラの光軸間隔及び焦点距離とに基づいて点状光源４１の空間位置を算出する。処理部７は、発光部４の少なくとも１つの点状光源４１の空間位置を算出することによって、移動体３の位置を検出し、３つの点状光源４１の各々の空間位置を算出することによって移動体３の姿勢を検出する。また、処理部７は、測距センサ６が出力する距離画像を処理し、反応炉２の壁面認識や、ケーブル等の不要物除去を行い、移動面２１の形状を検出する。処理部７は、反応炉２内の地図データを有しており、画像処理においてその地図データを参照している。
【００２４】
ここで、処理部７が空間位置を算出する原理を図４を参照して説明する（実吉敬二著「ステレオ法による立体画像認識の基礎と車載カメラへの応用」株式会社トリケップス発行、２００７年、参照）。右のビデオカメラ（以下、右カメラという）の右光軸ＡＲと、左のビデオカメラ（以下、左カメラという）の左光軸ＡＬとは、平行である。右カメラによる右撮像面ＳＲと、左カメラによる左撮像面ＳＬとは、同一平面上に位置する。右カメラの焦点ＦＲを原点とする実際の空間の座標系を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とする。右撮像面ＳＲにおける右光軸ＡＲとの交点を原点とした座標系を（ｘＲ，ｙＲ）とする。左撮像面ＳＬにおける左光軸ＡＬとの交点を原点とした座標系を（ｘＬ，ｙＬ）とする。Ｘ，ｘＲ，ｘＬの各軸は、左カメラの焦点ＦＬから右カメラの焦点ＦＲに向かう方向とする。ｙＬ＝ｙＲである。実際の空間の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の右撮像面ＳＲにおける投影点をｍＲ（ｘＲ，ｙＲ）、左撮像面ＳＬにおける投影点をｍＬ（ｘＬ，ｙＬ）とする。視差は、（ｘＬ−ｘＲ）である。焦点距離をｆ、ステレオカメラの光軸間隔をＢとする。このとき、Ｚ＝Ｂ・ｆ／（ｘＬ−ｘＲ）、Ｘ＝Ｚ・ｘＲ／ｆ、Ｙ＝Ｚ・ｙＲ／ｆであり、点Ｐの空間位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が算出される。
【００２５】
表示部８は、液晶ディスプレイ等の視覚表示装置であり、処理部７に接続される。処理部７は、移動体３の姿勢を表す画像と、移動面２１の形状を表す画像とを位置合わせして重ねて表示部８に表示させる。
【００２６】
検出システム１は、上記の構成に加えて、移動体３の移動を遠隔操作する操作部９を有する。操作部９は、操作入力を受け付けるキーボードやマウス等の入力装置と、操作入力に応じて移動体３の移動を制御するための制御信号を生成するＣＰＵ等を有し、表示部８の近くに設置される。処理部７のＣＰＵを操作部９のＣＰＵと兼用してもよい。操作部９は、ケーブル９１によって移動体３に接続される。操作部９が生成した制御信号は、ケーブル９１を介して移動体３に出力される。ケーブル９１は、移動体３を反応炉内に入れる際、移動体３を吊り下げる索体としても機能する。ケーブル９１を介して移動体３に動作エネルギーを供給してもよい。
【００２７】
移動体３は、測距センサ６が測距した移動面２１の形状並びに処理部７が検出した移動体３の位置及び姿勢に基づいて自律移動するように構成してもよい。このような移動体３は、自律移動ロボットであり、反応炉２内の地図データが予め記憶された記憶部を備え、この地図データを参照して移動面２１上を自律的に走行する。
【００２８】
上記のように構成された検出システム１において、反応炉２内に窒素を充満させてから、移動体３が反応炉２内に入れられる。移動体３の位置及び姿勢と、測距センサ６が検出した移動面２１の形状とが表示部８に表示される。移動体３の移動を遠隔操作する場合、作業員は、反応炉２外のオフィス内等にいて、表示部８の表示を見ながら操作部９を操作する。移動体３を自律移動させる場合、処理部７が検出した移動体３の位置及び姿勢並びに移動面２１の形状の情報は、ケーブル９１を介して移動体３に伝送される。移動体は、これらの情報に基づき、地図データを参照して自律移動する。移動体３は、ブレード３３で残触媒２４の斜面を崩しながら移動し、残触媒２４を孔２３から排出する。残触媒２４が排出されたことは、表示部８に表示される移動面２１の形状によって確認される。
【００２９】
本実施形態に係る検出システム１によれば、発光する発光部４のステレオ画像をステレオカメラ５が撮像するので、反応炉２内の照度の低い環境においてもステレオ画像を撮像でき、そのステレオ画像に基づき、移動体３の位置及び姿勢を検出することができる。測距センサ６が光の飛行時間に基づいて移動面を測距するので、移動面２１のコントラストが低くても、移動面２１の形状を検出することができる。また、移動体３の位置及び姿勢と、移動面２１の形状とが表示部８に表示されるので、移動面２１の形状に対する移動体３の位置及び姿勢を把握でき、移動体３の移動の制御が容易になる。
【００３０】
点状光源４１の各々は、分光分布が互いに異なる光（色が互いに異なる光）を出射するので、個々の点状光源４１を識別することができ、各々の点状光源４１の位置を検出することにより、移動体３の姿勢を検出することができる。また、点状光源４１は、測距センサが出射する光（赤外線）の波長と異なる波長域の光（可視光線）を出射するので、測距センサ６とステレオカメラ５の動作が相互に干渉しない。
【００３１】
移動体３の移動が遠隔操作されるので、厳しい環境から離れて移動体３を操作することができ、作業員は、過酷な作業から解放される。
【００３２】
移動体３を自律移動させる場合、作業が省力化される。
【００３３】
なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、検出システム１が用いられる対象は、反応炉２に限定されない。移動体３は、ブレード３３に替えて、ロボットアームや工具等を取り付けることにより、種々の作業に用いることができる。発光部４の点状光源４１の数を４つ以上としてもよい。これにより、一部の点状光源４１が出射する光が触媒等によって遮られても、３つの点状光源４１の発光がステレオカメラ５で撮像される確率が高まり、移動体３の姿勢を検出する確率が高まる。
【符号の説明】
【００３４】
１  移動体及び移動面検出システム
３  移動体
４  発光部
４１  点状光源
５  ステレオカメラ
６  測距センサ
７  処理部
８  表示部
９  操作部
【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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