(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の走行経路と並列に一定幅の案内部材を幅方向断面が水平に対し一定傾斜角度（傾斜角度が０度の場合を含む）となるように延在させ、車両上に光軸向きが走行経路と交差する同一平面上となる如く結合された一対の撮像機を前記案内部材が視野内となる結合角度で搭載し、前記撮像機画像の各々における前記案内部材の両端縁と前記平面との交点の二次元座標対を求め、前記交点の二次元座標対と前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とから前記案内部材に対する車両の位置を算出してなる車両の走行位置検出方法。
【請求項２】
請求項１の検出方法において、前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とを、前記車両に対する位置が既知の案内部材上の５つの部位で前記撮像機画像の各々における交点の二次元座標対を求めることにより較正してなる車両の走行位置検出方法。
【請求項３】
請求項１又は２の検出方法において、前記車両上の異なる部位にそれぞれ前記撮像機対を搭載し、前記撮像機画像の各々における前記交点の二次元座標対から前記案内部材に対する車両の前記各部位の位置を算出してなる車両の走行位置検出方法。
【請求項４】
車両の走行経路と並列に幅方向断面が水平に対し一定傾斜角度（傾斜角度が０度の場合を含む）となるように延在させた一定幅の案内部材、車両上に前記案内部材が視野内となる結合角度で搭載され且つ光軸向きが走行経路と交差する同一平面上となる如く結合された一対の撮像機、前記両撮像機画像を入力し且つ画像の各々における前記案内部材の両端縁と前記平面との交点の二次元座標対を求める画像処理手段、並びに前記交点の二次元座標対と前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とから前記案内部材に対する車両の位置を算出する演算手段を備えてなる車両の走行位置検出装置。
【請求項５】
請求項４の検出装置において、前記車両に対する位置が既知の案内部材上の５つの部位で前記撮像機画像の各々における交点の二次元座標対を求めることにより前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とを較正する手段を設けてなる車両の走行位置検出装置。
【請求項６】
請求項４又は５の検出装置において、前記車両上の異なる部位にそれぞれ前記撮像機対を搭載し、前記演算手段により前記案内部材に対する車両の前記各部位の位置を算出してなる車両の走行位置検出装置。
【請求項７】
走行経路と並列に幅方向断面が水平に対し一定傾斜角度（傾斜角度が０度の場合を含む）となるように延在させた一定幅の案内部材に対する該走行経路上の車両の位置を、車両上に前記案内部材が視野内となる結合角度で搭載され且つ光軸向きが走行経路と交差する同一平面上となる如く結合された一対の撮像機の画像により算出するため、コンピュータを、前記両撮像機画像を入力し且つ画像の各々における前記案内部材の両端縁と前記平面との交点の二次元座標対を求める画像処理手段、前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とを記憶する記憶手段、並びに前記交点の二次元座標対と前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とから前記案内部材に対する車両の位置を算出する演算手段として機能させる車両の走行位置検出プログラム。
【請求項８】
請求項７のプログラムにおいて、前記車両に対する位置が既知の案内部材上の５つの部位で前記撮像機画像の各々における交点の二次元座標対を求めることにより前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とを較正する手段を設けてなる車両の走行位置検出プログラム。
【請求項９】
請求項７又は８のプログラムにおいて、前記画像処理手段に前記車両上の異なる部位にそれぞれ搭載した前記撮像機対による画像を入力し、前記演算手段により前記案内部材に対する車両の前記各部位の位置を算出してなる車両の走行位置検出プログラム。
【請求項１０】
車両の走行経路と並列に一定幅の案内部材を幅方向断面が水平に対し一定傾斜角度（傾斜角度が０度の場合を含む）となるように延在させ、車両上に光軸向きが走行経路と交差する同一平面上となる如く結合された一対の撮像機を前記案内部材が視野内となる結合角度で搭載し、前記撮像機画像の各々における前記案内部材の両端縁と前記平面との交点の二次元座標対を求め、前記交点の二次元座標対と前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とから前記案内部材に対する車両の位置を算出し、前記車両の舵取り制御手段により走行時の前記案内部材と車両との水平間隔を一定に制御してなる車両の舵取り方法。
【請求項１１】
請求項１０の舵取り方法において、前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とを、前記車両に対する位置が既知の案内部材上の５つの部位で前記撮像機画像の各々における交点の二次元座標対を求めることにより較正してなる車両の舵取り方法。
【請求項１２】
請求項１０又は１１の舵取り方法において、前記案内部材と車両との水平間隔を、前記案内部材の両端縁の交点の中点と前記一対の撮像機の中点との間の水平距離としてなる車両の舵取り方法。
【請求項１３】
請求項１０から１２の何れかの舵取り方法において、前記車両上の異なる部位にそれぞれ前記撮像機対を搭載し、各撮像機対の画像における前記両端縁の二次元座標対から前記案内部材と車両の前記各部位との水平間隔を算出してなる車両の舵取り方法。
【請求項１４】
車両の走行経路と並列に幅方向断面が水平に対し一定傾斜角度（傾斜角度が０度の場合を含む）となるように延在させた一定幅の案内部材、車両上に前記案内部材が視野内となる結合角度で搭載され且つ光軸向きが走行経路と交差する同一平面上となる如く結合された一対の撮像機、前記両撮像機画像を入力し且つ画像の各々における前記案内部材の両端縁と前記平面との交点の二次元座標対を求める画像処理手段、前記交点の二次元座標対と前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とから前記案内部材と車両との水平間隔を算出する演算手段、並びに前記演算手段の出力が所定水平間隔となる如く車両の操舵を制御する舵取り制御手段を備えてなる車両の舵取り装置。
【請求項１５】
請求項１４の舵取り装置において、前記車両に対する位置が既知の案内部材上の５つの部位で前記撮像機画像の各々における交点の二次元座標対を求めることにより前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とを較正する手段を設けてなる車両の舵取り装置。
【請求項１６】
請求項１４又は１５の舵取り装置において、前記案内部材と車両との水平間隔を、前記案内部材の両端縁と前記平面との交点の中点から前記一対の撮像機の中点に至る水平距離としてなる車両の舵取り装置。
【請求項１７】
請求項１４から１６の何れかの舵取り装置において、前記撮像機と画像処理手段と演算手段と舵取り制御手段とを前記車両上の異なる部位にそれぞれ設けてなる車両の舵取り装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は車両の走行位置検出方法及び装置並びにプログラムに関し、とくに無軌条無人車両（以下、無人車両という場合がある。）の舵取りに適する走行位置検出方法及び装置並びにプログラムに関する。本発明は、とくにトンネルのシールド掘削工事等の劣悪環境下における無人車両の舵取りに有利に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、無人車両の走行誘導方式として、最も基本的な磁気誘導方式のほか、ガイド誘導方式、画像認識方式等が使われている。図１３は従来の無人車両32に対する磁気誘導方式の一例を示す。同図では、帯磁した誘導磁気テープ31を車両走行面上の所要の走行経路上に貼付け、車両32に搭載した磁気センサ35a〜35dによって車両32と誘導磁気テープ31との間の距離を検出し、車両32が走行経路上にあるか否かを求める。車両32が走行経路上にあるときは、コントローラ40によりＸ方向に車両32を直進させる。車両32が走行経路から外れたときは、磁気センサ35a〜35dと誘導磁気テープ31とが離隔して磁気センサ35a〜35dの出力に変化を生じるので、磁気センサ35a〜35dの出力変化をコントローラ40に加えて車両32が走行経路に戻るように車輪33a〜33dの操舵を制御する。
【０００３】
また図１４は、特開平8-258705号公報が開示するガイド誘導方式の一例、即ち走行経路の側方に設けた垂直側壁41をガイドとして無人車両32を走行させる方式を示す。同図（Ａ）に示す無人車両32は、一端が側壁41に接すると共に他端が略水平面方向に揺動自在となるよう車両32上の枢支点43a〜43dに連結されたガイドアーム38a〜38dと、ガイドアーム38a〜38dに連動して略水平面方向に揺動する誘導体ロッド39a〜39dと、車両32上の枢支点42a〜42dに連結したセンサ支持ロッド36a〜36dに支持され且つ誘導体ロッド39a〜39dによる磁界強度に対応した検出信号を発生する磁気センサ44a〜44dと、磁気センサ44a〜44dからの検出信号に基づき車両の走行位置と基準走行位置との偏差を算出し且つ該偏差を補償するように車輪33a〜33dの操舵を制御するコントローラ40とを有する。
【０００４】
図１４（Ｂ）に示すように、車両32が側壁41から所定距離を離てた基準走行位置でＸ方向に走行している場合は、センサ支持ロッド36aと誘導体ロッド39aとがＸ方向に対して平行な状態で互いに向きが一致している。図１４（Ｃ）に示すように車両32が側壁41に近付くと、ガイドアーム38aが枢支点43aを中心として時計回りに揺動する。これに伴い、誘導体ロッド39aが枢支点42aを中心として時計回りに揺動し、磁気センサ44aに対し角度を形成する。この結果、誘導体ロッド39aと磁気センサ44aとの距離が大きくなり、磁気センサ44aがその距離に対応した検出信号を出力する。コントローラ40は、このとき磁気センサ44aの出力に基づき車両32の走行位置と基準走行位置との偏差を算出し、偏差を補償すべく舵取り装置（図示せず）を駆動する。この結果、図１４（Ｄ）に示すように車輪33a、33bが時計方向に操作される。車輪33a、33bの動きに連動してセンサ支持ロッド36aが枢支点42aを中心として時計回りに揺動し、センサ支持ロッド36aと誘導体ロッド39aとの向きが再び一致する。これによりコントローラ40は車輪33a、33bの操作を停止する。
【０００５】
図１３に示す磁気誘導方式は、埃や水気に左右されず、優れた耐環境性を有する。しかし、磁気センサ35a〜35dを路面貼付けの誘導磁気テープ31の極近くに保持する必要があるため、誘導機構の構造が複雑であり操作が面倒である。また、走行経路上に砂利等の異物が存在する場合に磁気センサ35a〜35d等が損傷し易い問題点がある。実際のシールド掘削工事等のトンネル建設工事現場における走行経路は、掘削土等で汚れていたり岩石等の異物が転がっている場合がある。このような劣悪環境下にある走行経路では、損傷のおそれが小さく長期間安定して使用できる図１４に示すガイド誘導方式が有利である。
【０００６】
【発明が解決使用とする課題】
しかし、図１４に示すガイド誘導方式は、走行経路の側方に設けた垂直側壁41を必要とする問題点がある。シールドトンネルの断面形状は円形であることが多く、垂直側壁が存在しない場合がある。従ってシールドトンネル内で図示例のガイド誘導方式を使用する場合は、頑丈なガイド板等により付加的に垂直側壁を設置することが必要となる。このガイド板は無人車両の走行経路全長に亘って設置する必要があり、しかも車両の上下動で脱輪しない幅（高さ）が必要となるため、かなり大掛かりな設備となり取扱いも煩雑である。しかも前記ガイド板はトンネル掘進機の後方に設置されるものであり、掘進と共に移動する台車等の後方設備との干渉を避けるために掘進時の解体（取り外し）と掘進後の再設置（取り付け）とを繰り返す必要があるので、トンネル掘削工事の効率を低下させる要因となり得る。
【０００７】
そこで本発明の目的は、垂直側壁等の設備を要しない簡単な構成により車両の走行位置を検出する方法及び装置並びにプログラムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、走行経路に沿って案内ラインを設け、車両に搭載した撮像機による案内ラインの画像から車両の走行位置を検出する画像認識方式に注目した。案内ラインは垂直側壁等の構造物に比し設置・解体が容易である。但し、トンネル建設工事現場等では、車両の走行経路であるトンネル周壁底部には汚水や粉塵が堆積し易いので、案内ラインを車両の下方ではなくトンネル周壁底部以外の部位、即ち走行経路から水平方向に隔てた部位に設置することが望ましい。
【０００９】
走行経路から水平方向に距離y0だけ隔てた部位に走行経路と並列に案内ラインを設け、走行経路上の車両に搭載した撮像機４で走行位置を検出する場合の案内ラインと撮像機４との幾何学的関係を図７に示す。同図では、この場合トンネル周壁底部である走行経路をｘ軸とし、撮像機４の光軸4xを含む平面を走行経路との直交平面（ｙｚ面）とし、ｙｚ面と交差する案内ラインを点Ａ、撮像機４を点Ｃで示す。水平に対する光軸4xの傾き角度をθ（以下、撮像機４の光軸向きθということがある。）、撮像機４が案内ラインＡを見る視線と光軸4xとのなす角度をφとした場合、ｙｚ面上における点Ａと点Ｃとの間の水平距離y0・垂直距離z0には下記(1)式の関係が成立する。(1)式においてｆは撮像機４の焦点距離、ｐは撮像機画像上における点Ａの像の座標を示す。
【００１０】
(1)式から分かるように、図７において点Ａに対する点Ｃの位置（即ち案内ラインに対する車両の走行位置）を求めるためには、案内ラインと撮像機との間の水平距離y0又は垂直距離z0を計測する距離計等が別途必要である。本発明者は、案内ラインとして一定幅の案内部材、例えば案内テープを用いれば、距離計等を用いずに案内部材と撮像機との間の水平距離y0及び垂直距離z0が求まるとの知見を得、その知見に基づき本発明の完成に至った。
【００１１】
【数１】
0003932109.tif 000002
【００１２】
図２及び図９を参照するに、本発明による車両の走行位置検出方法は、車両２の走行経路１と並列に一定幅ｗの案内部材３を幅方向断面が水平に対し一定傾斜角度α（傾斜角度が０度の場合を含む。以下同じ。）となるように延在させ、車両２上に光軸向きθA、θBが走行経路１と交差する同一平面12（図３参照）上となる如く結合した一対の撮像機4A、4Bを案内部材３が視野内となる結合角度ηA、ηBで搭載し、撮像機4A、4Bの画像4gA、4gBの各々における案内部材３の両端縁A1、A2と前記平面12との交点（a1A、a2A）、（a1B、a2B）の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）（図６参照）を求め、その交点（a1A、a2A）、（a1B、a2B）の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）と両撮像機4A、4Bの結合角度ηA、ηBと案内部材３の幅ｗ及び傾斜角度αとから案内部材３に対する車両２の位置を算出してなるものである。
【００１３】
好ましくは、両撮像機4A、4Bの結合角度ηA、ηBと案内部材３の幅ｗ及び傾斜角度αとを、車両２に対する位置が既知の案内部材３上の５つの部位で撮像機4A、4Bの画像4gA、4gBの各々における交点（a1A、a2A）、（a1B、a2B）の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）を求めることにより較正する。
【００１４】
また、図５のブロック図を参照するに、本発明による車両の走行位置検出装置は、車両２の走行経路１と並列に幅方向断面が水平に対し一定傾斜角度αとなるように延在させた一定幅ｗの案内部材３、車両２上に案内部材３が視野内となる結合角度ηA、ηBで搭載され且つ光軸向きθA、θB（図９参照）が走行経路１と交差する同一平面12（図３参照）上となる如く結合された一対の撮像機4A、4B、両撮像機4A、4Bの画像4gA、4gBを入力し且つ画像4gA、4gBの各々における案内部材３の両端縁A1、A2と前記平面12との交点（a1A、a2A）、（a1B、a2B）の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）（図６参照）を求める画像処理手段16、並びに前記交点（a1A、a2A）、（a1B、a2B）の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）と両撮像機4A、4Bの結合角度ηA、ηBと案内部材３の幅ｗ及び傾斜角度αとから案内部材３に対する車両２の位置を算出する演算手段18を備えてなるものである。
【００１５】
好ましくは、車両２に対する位置が既知の案内部材３上の５つの部位で撮像機4A、4Bの画像4gA、4gBの各々における交点（a1A、a2A）、（a1B、a2B）の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）を求めることにより両撮像機4A、4Bの結合角度ηA、ηBと案内部材３の幅ｗ及び傾斜角度αとを較正する手段を設ける。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１及び３は、トンネル周壁底部を予定走行経路１として走行する無人車両２に本発明を適用した実施例の正面図及び側面図を示す。同図に示すように、車両２の車台５に撮像機４を光軸向きθが走行経路１と交差する平面12上となるように搭載する。図示例では撮像機４の光軸向きθを走行経路１と直角向きとしているが、光軸向きθは走行経路１と交差する平面12上にあれば足り図示例に限定されない。
【００１７】
また、一定幅ｗの案内部材３を、車両２の走行経路１と並列に一定傾斜角度αで延在させる。案内部材３の位置は、車両２の走行時の撮像機４の視野内に案内部材３が写り込むように選ぶ。案内部材３の位置は走行経路１の表面上に限らず、車両搭載の撮像機４の視野内であれば走行経路１近傍の固定構造物の表面等であってもよい。案内部材３の傾斜角度αは一定であれば足り、０度（水平平坦面上に延在させた場合）を含む任意の角度とすることができる。
【００１８】
案内部材３は、走行経路１の表面に使われていない色で撮像機感度の良い色（例えば赤色）とし、例えば安価で入手が容易な50mm幅の赤色ガムテープ（包装用粘着テープ）等とすることができる。この場合、撮像機４による案内部材３の画像を例えばカラー画像処理手段16で処理することにより、案内部材３と走行経路１とを比較的容易に識別することができる。必要に応じて、適当な照明灯９を設けて案内部材３を撮影することができる。
【００１９】
図４は、本発明による車両の走行位置検出装置のブロック図を示す。車両２に搭載した撮像機４の出力を、例えば車両２上に設置した制御盤15に入力する。制御盤15の一例は、同図に示すように、画像処理手段16と記憶手段17と演算手段18とを有するコンピュータである。例えば制御盤15内蔵のプログラムである画像処理手段16は、撮像機４による案内部材像3g（図６参照）を含む画像4gを入力し、画像4g上の座標系における案内部材３の両端縁A1、A2（図１参照）と平面12との交点像a1、a2の二次元座標対p1、p2を求める。例えば制御盤15内蔵のプログラムである演算手段18は、画像処理手段16が求めた二次元座標対p1、p2を入力し、二次元座標対p1、p2と撮像機４の光軸向きθと案内部材３の幅ｗ及び傾斜角度αとから案内部材３に対する車両２の位置を算出する。
【００２０】
画像処理手段16による交点像a1、a2の二次元座標対p1、p2の検出手法の一例を図６により説明する。図６は、画像処理手段16に接続したモニタ23の画面23aであり、符号3gは画面23a上における案内部材３の像を示す。モニタ画面23aは撮像機４の画像4gと対応する。図示例のモニタ画面23aでは、撮像機中心C0を原点とするｕｖ直交座標軸を想定し、座標軸ｕの方向を走行経路１の座標系のｘ軸方向（車両２の走行方向）と一致させ、座標軸ｖの方向を前記平面12と一致させている。この場合、交点像a1、a2（図示例では案内部材３の幅方向両端縁の像a1、a2）は座標軸ｖ上に現れる。画像処理手段16は、例えばｖ軸上の赤色の立ち上がりエッジを検出することにより、交点像a1、a2の二次元座標p1、p2を検出する。例えば、ｕ軸から交点像a1、a2までの距離（ｖ座標）として二次元座標対p1、p2を求める。交点像a1、a2のｖ座標は、モニタ画面23aを構成するディスプレイ上のピクセル値として表わすこともできる。
【００２１】
図示例では、モニタ画面23a上にｖ軸方向に延びる所定幅の２つの検出ウィンドウ24a、24bを設け、各検出ウィンドウ24a、24bにおいて案内部材像3gの両端縁の立ち上がりエッジ（a11、a21）、（a12、a22）の二次元座標を検出し、例えばa11及びa12の二次元座標の平均値として交点像a1の二次元座標p1を求め、a21及びa22の二次元座標の平均値として交点像a2の二次元座標p2を求めている。ただし、二次元座標対p1、p2の検出手法は図示例に限定されず、検出ウィンドウ24もモニタ画面23aの中央に１つあればよい。
【００２２】
次に、演算手段18による案内部材３に対する車両２の位置の算出手法を図８により説明する。図８は、撮像機４の光軸4xを含む平面12上における撮像機４と案内部材３との幾何学的関係を示す。車両２の走行方向を走行経路１の座標系におけるｘ軸とし、光軸4xを含む平面12を走行経路との直交平面（ｙｚ面）としている。平面12上の光軸4xを一点鎖線で示し、平面12と交差する撮像機４の位置を点Ｃ、平面12と案内部材３の両端縁との交点をA1、A2で表わす。
【００２３】
図８において、点Ｃを原点とした場合の交点A1の位置ベクトルを（y1,z1）、交点A2の位置ベクトルを（y2,z2）とすると、同図の幾何学的関係から以下の関係式(11)〜(14)が導かれる。式(11)〜(14)においてｆは撮像機４の焦点距離、Ｌは点Ｃと点A1との間隔を光軸4xへ投影した距離、θは水平に対する光軸4xの傾き角度（撮像機４の光軸向きθ）、αは水平に対する案内部材３の傾斜角度である。他方、y1とy2との間には式(15)の関係があるので、式(11)及び(13)を式(15)へ代入して整理することにより、距離Ｌを式(16)として表わすことができる。
【００２４】
例えば記憶手段17に撮像機４の光軸向きθ及び焦点距離ｆと案内部材３の幅ｗ及び傾斜角度αとを記憶し、画像処理手段16が検出した二次元座標対p1、p2と記憶手段17に記憶した光軸向きθ、焦点距離ｆ、部材幅ｗ及び傾斜角度αとを式(11)〜(14)及び式(16)へ代入することにより、点Ｃを原点とした場合の点A1、A2の位置ベクトル（y1,z1）、（y2,z2）、即ち案内部材３に対する車両２の位置が算出できる。所定焦点距離ｆの撮像機４を使用する場合は、撮像機４の光軸向きθと案内部材３の幅ｗ及び傾斜角度αとを予め求めて記憶手段17に記憶しておけばよい。
【００２５】
また、撮像機４の光軸向きθ、案内部材３の幅ｗ及び傾斜角度αがそれぞれ一定であるときは、式(11)と式(16)とから点Ｃと点A1との水平間隔y1を式(17)のように近似できる。従って、車両２の位置算出に必要な光軸向きθ、幅ｗ、傾斜角度αを式(17)のパラメータM11〜M17として記憶しておいてもよい。パラメータM11〜M17は、例えば初期処理において、撮像機４との間の水平間隔y1が既知である案内部材３上の７部位における交点像座標（p1、p2）を検出することにより較正（キャリブレーション）できる。パラメータM11〜M17を較正しておけば、画像処理手段16で検出された二次元座標対p1、p2から式(17)に基づき、案内部材３と車両２との水平間隔y1を算出できる。また同様に、式(18)のパラメータN11〜N17を較正して記憶しておけば、二次元座標対p1、p2から近似式(18)に基づき、案内部材３と車両２との垂直間隔z1を算出できる。
【００２６】
【数２】
0003932109.tif 000003
【００２７】
なお、トンネル周壁底部のように凹凸がある走行経路１上で車両２を走行させる場合は、車両２のローリングにより撮像機４の光軸向きθが変動する。図示例では、車両２のローリング角度Δθを計測する傾斜計10を設け、傾斜計10の出力角度Δθをローリング角度入力手段21経由で制御盤15の演算手段18に入力している（図４参照）。演算手段18は、光軸向きθに代えて、光軸向きθとローリング角度Δθとの和又は差（θ±Δθ）を前記式(11)〜(18)へ代入することにより、ローリングに応じた車両２と案内部材３との間の水平間隔y1及び垂直間隔z1を算出することができる。ローリング角度入力手段21の一例も制御盤15に内蔵のプログラムである。但し、傾斜計10及びローリング角度入力手段21は本発明に必須の構成要素ではなく、例えば平坦な走行経路１上で車両２を走行させる場合は省略できる。
【００２８】
図１０は、撮像機４として焦点距離ｆ＝６mmの1/3インチ24万画素のCCDカメラを用い、案内部材３を幅ｗ＝50mm・傾斜角度α＝20度とし、撮像機４の光軸向きθを15度、30度、45度、60度、75度としたときの二次元座標対（p1、p2）と水平間隔y1との関係を示すグラフの一例である。同グラフは、案内部材３の一方の端縁像a1の二次元座標p1をピクセル値240と仮定し、他方の端縁像a2の二次元座標p2に応じた水平間隔y1の変動を式(11)、(16)に基づき算出した結果を表わす。横軸が二次元座標p2、縦軸が水平間隔y1である。二次元座標p1をピクセル値240以外とした場合も同様のグラフが描ける。即ち同グラフから、案内部材３に対する車両２の水平位置を撮像機４による案内部材３の両端縁像の二次元座標対（p1、p2）から検出可能であること、車両２がローリングした場合も光軸向きθとローリング角度Δθとの和又は差（θ±Δθ）から車両２の水平位置が検出可能であることが確認できる。
【００２９】
図１１は、車両走行時の撮像機４による案内部材３の両端縁像の二次元座標対（p1、p2）から、案内部材３の両端縁の中点と走行車両２との間の水平間隔Ｄ（＝（y1＋y2）／２）を検出した実験結果を示す。本実験では、平坦な直進走行経路１に沿って敢えて蛇行させて案内部材３を貼り付け、走行経路１上を直進する車両２上の撮像機４により案内部材３の両端縁像の二次元座標対（p1、p2）を検出した。案内部材３の貼り付け位置と走行経路１上の走行位置との間の水平間隔D0は、本発明外の適当な装置により予め計測しておく。
【００３０】
同図（Ａ）のグラフは二次元座標対（p1、p2）の経時的変化を表わし、同図（Ｂ）のグラフは二次元座標対（p1、p2）から算出した水平間隔Ｄの経時的変化を表わす。また同図（Ｃ）のグラフは、予め計測した水平間隔D0と算出した水平間隔Ｄとの誤差の変化を示す。同図（Ｂ）及び（Ｃ）から、本発明により、走行車両２の案内部材３に対する水平間隔Ｄを誤差10mm以下の精度で検出できることが確認できた。また、案内部材３に対する車両２の垂直間隔についても誤差10mm以下の精度で検出できることを実験的に確認した。
【００３１】
本発明は、撮像機４の画像4g及び車両２のローリング角度のみに基づいて車両２と案内部材３との水平間隔y1及び垂直間隔z1、即ち案内部材３に対する車両２の位置を算出するので、構成が極めて簡単である。また、車両２の予定走行経路１と並列に一定傾斜角度αで貼り付けたガムテープ等を案内部材３とすることができ、ガイド誘導方式における垂直側壁等のような大掛かりな設備を必要としない。更に、案内部材３が識別可能である限り走行経路１上に岩石等の異物が存在する場合でも位置検出が可能であり、また異物により撮像機４等が損傷を受けるおそれも小さい。従って、シールド掘削工事現場等の劣悪環境下における無人車両２の誘導に対して有効に適用できる。なお、本発明は無人車両に限らず、有人車両にも適用可能であることは言うまでもない。
【００３３】
図１及び３は、以上説明した車両の走行位置検出方法を、例えばトンネルのシールド掘削工事等におけるセグメント７等の無人搬送車両の舵取りに適用した実施例である。図示例では、図１１を参照して上述したように、走行時の車両２と案内部材３の両端縁の中点との間の水平間隔Ｄ（＝（y1＋y2）／２）を制御盤15の演算手段18により算出し、算出した水平間隔Ｄを車両２の舵取り制御手段20へ出力し、制御手段20により走行時の水平間隔Ｄが一定となるように車両２の舵取り手段22を制御する。水平間隔Ｄに代えて、水平距離y1又は垂直距離z1が一定となるように舵取り手段22を制御してもよい。
【００３４】
図４は、演算手段18による水平間隔Ｄが所定水平間隔δとなる如く車両２の操舵を制御する舵取り制御手段20を設けた無人車両２の舵取り装置のブロック図を示す。図示例では、制御盤15に目標値δの入力手段26を設け、入力手段26経由で入力した目標値δを演算手段18へ入力し、演算手段18において水平間隔Ｄと目標値δとの偏差を算出し且つ偏差に対応する信号を通信ユニット19経由で舵取り制御手段20へ出力する。舵取り制御手段20は、偏差信号に応じて、水平間隔Ｄが目標値δとなるように、車両２の舵取り手段22を制御する。
【００３５】
好ましくは、図３に示すように、図４の舵取り装置を車両上の異なる部位、例えば前端部位と後端部位とにそれぞれ設ける。前端部位と後端部位とに舵取り装置を設け、各部位において走行時の車両２と案内部材３との水平間隔Ｄが目標値δとなるように操舵を制御することにより、車両２のピッチング及びヨーイングに拘わらず案内部材３に沿って車両２を誘導することができる。
【００３６】
図２は、両光軸向きθA、θBが走行経路１と交差する同一平面12上となる如く結合した一対の撮像機4A、4Bを車両２上に搭載し、一定幅ｗの案内部材３を両撮像機4A、4Bの視野内に入れ、両撮像機4A、4Bの画像4gA、4gBの各々における案内部材３の両端縁A1、A2と前記平面12との交点像（a1A、a2A）、（a1B、a2B）の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）から案内部材３に対する車両２の位置を算出する本発明の他の実施例を示す。一対の撮像機4A、4Bを用いることにより、車両２のローリングに拘わらず、一対の撮像機4A、4Bの画像4gA、4gBのみから案内部材３に対する車両２の位置を算出することが可能となる。即ち、上述した車両２のローリング角度Δθを計測する傾斜計10を省略できる。
【００３７】
図５は、図２の実施例で使用する走行位置検出装置のブロック図を示す。車両２に搭載した一対の撮像機4A、4Bの両画像4gA、4gBを制御盤15の画像処理手段16に入力し、画像処理手段16により両画像4gA、4gBの各々における案内部材３の両端縁と前記平面12との交点像（a1A、a2A）、（a1B、a2B）の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）を求める。画像処理手段16による二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）の検出手法は図６を参照して上述した方法と同様である。求めた二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）を演算手段18に入力し、演算手段18により二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）と両撮像機4A、4Bの結合角度ηA、ηB（図９参照）と案内部材３の一定幅ｗ及び傾斜角度αとから案内部材３に対する車両２の位置を算出する。
【００３８】
図５の演算手段18による車両位置の算出手法を図９により説明する。図９は、車両２に搭載した一対の撮像機4A、4Bの両光軸4xA、4xBを含む平面12上における撮像機4A、4Bと案内部材３との幾何学的関係を示す。図８と同様に同図においても車両２の走行方向をｘ軸とし、平面12を走行経路との直交平面（ｙｚ面）としているが、平面12は走行経路１との直交平面に限定されない。撮像機4A、4Bの光軸4xA、4xBを一点鎖線で示し、平面12と交差する撮像機4A、4Bの位置を点CA、CB、平面12と案内部材３の両端縁との交点をA1、A2で表わしている。
【００３９】
図９において、φ1A、φ2Aは撮像機4Aの光軸4xAと該撮像機4Aが交点A1、A2を見る視線との間の角度を表わし、φ1B、φ2Bは撮像機4Bの光軸4xBと該撮像機4Bが交点A1、A2を見る視線との間の角度を表わす。角度φ1A、φ2A、φ1B、φ2Bは何れも、撮像機4A、4Bの焦点距離ｆと撮像機画像4gA、4gB上の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）とから求めることができる。また、両撮像機4A、4Bの光軸向きθA、θBと両撮像機4A、4Bを結ぶ結合軸Ｋの水平に対する傾き角度θKから、結合軸Ｋに対する両撮像機4A、4Bの結合角度ηA、ηB（以下、撮像機４の結合角度ηということがある。）を下記式(21)、(22)のように表わすことができる。結合角度ηA、ηBは、車両２のローリング等に拘わらず、両撮像機4A、4Bの車両２上への搭載時に定まる一定の角度である。
【００４０】
図９の平面12における原点を案内部材３の両端縁A1、A2の中点M2とし、両撮像機4A、4Bの中点M1の位置ベクトルをｍ、両撮像機4A、4Bを結ぶ結合軸Ｋ上の単位ベクトルをｅ、両撮像機4A、4Bの間の距離を２×Ｇとすると、同図の幾何学的関係から、案内部材３の一方の端縁A1の位置ベクトルａを下記関係式(32)、(33)として導くことができる。式(32)、(33)においてＲ（φ）、Ｒ（η）はそれぞれ角度φ、ηの反時計回りの回転行列（式(31)参照）、k1、k2はスカラ定数を表わす。式(32)と式(33)との減算により式(34)が得られ、式(34)の行列式が０であることから関係式(35)、即ち関係式(36)、(37)が得られる。関係式(36)、(37)からスカラ定数k1を距離Ｇと角度φ1A、φ1B、ηA、ηBとの関係式(38)として求めることができる。
【００４１】
【数３】
0003932109.tif 000004
【００４２】
【数４】
0003932109.tif 000005
【００４３】
同様に、図９の幾何学的関係から、案内部材３の他方の端縁A2の位置ベクトル−ａを下記関係式(41)、(42)として導くことができる。式(41)、(42)においてk3、k4はスカラ定数を表わす。式(41)と式(42)との減算に基づき、前記と同様にして関係式(43)、(44)が得られ、関係式(43)、(44)からスカラ定数k3を距離Ｇと角度φ2A、φ2B、ηA、ηBの関係式(45)として求めることができる。
【００４４】
【数５】
0003932109.tif 000006
【００４５】
【数６】
0003932109.tif 000007
【００４６】
他方、式(32)と式(41)との減算から関係式(51)が得られ、式(51)への式(38)、(45)の代入により関係式(52)が得られる。式(52)から結合軸Ｋ上の単位ベクトルｅを、スラカ定数を含まない関係式(53)として求めることができる。式(53)におけるＮは、式(54)で定義されるスカラ定数を含まない行列である。また、式(32)は関係式(55)のように変形することができ、更に式(54)等に基づいて関係式(55)を変形することにより、両撮像機4A、4Bの中点M1の位置ベクトルｍを、案内部材３の端縁A1の位置ベクトルａと角度ηA、ηB、φ1A、φ2A、φ1B、φ2Bとの関係式 (56)として求めることができる。
【００４７】
端縁A1の位置ベクトルａは、案内部材３の一定幅ｗ及び傾斜角度αとにより定まる。また上述したように、角度φ1A、φ2A、φ1B、φ2Bは何れも撮像機画像4gA、4gB上の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）から求めることができる。従って式(56)に基づき、二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）と結合角度ηA、ηBと案内部材３の一定幅ｗ及び傾斜角度αとから、案内部材３の両端縁の中点M2に対する両撮像機4A、4Bの中点M1の位置ベクトルｍ、即ち案内部材３に対する車両２の位置を算出することができる。しかも、結合角度ηA、ηBは車両２上への搭載時に定まる一定角度であるから、式(56)は車両２のローリング角度に拘わらず案内部材３に対する車両２の位置が算出できることを示す。位置算出に必要な撮像機４の結合角度ηA、ηB、案内部材３の幅ｗ及び傾斜角度αは予め求めて記憶手段17に記憶しておけばよい。
【００４８】
また、式(56)から、例えば撮像機4Aによる交点像（a1A、a2A）の中点座標ｐA（＝（p1A＋p2A）／２）と位置ベクトルｍ＝（ｙ、ｚ）との間には近似式(61)が成り立つことが分かる。同様に、撮像機4Bによる交点像（a1B、a2B）の中点座標ｐB（＝（p1B＋p2B）／２）と位置ベクトルｍ＝（ｙ、ｚ）との間には近似式(62)が成り立つ。従って、車両２の位置算出に必要な撮像機４の結合角度ηA、ηB、及び案内部材３の幅ｗ及び傾斜角度αを式(61)及び(62)のパラメータMA1〜MA6及びMB1〜MB6として記憶しておいてもよい。
【００４９】
後述する式(66)及び式(67)から分かるように位置ベクトルｍを求めるためには、パラメータMA6に対するMA1〜MA5の比、MB6に対するMB1〜MB5の比が分かれば足りる。従って、近似式(61)及び(62)のパラメータMA1〜MA6及びMB1〜MB6は、例えば初期処理において、位置ベクトルｍが既知である案内部材３上の５つの部位に対する撮像機4A、4Bの画像4gA、4gB上における中点座標ｐA、ｐBを検出することにより較正（キャリブレーション）できる。
【００５０】
【数７】
0003932109.tif 000008
【００５１】
式(61)、(62)から式(63) 、(64)を導くことができ、式(63)、(64)を行列Ｍと考えることにより、位置ベクトルｍ＝（ｙ、ｚ）を式(66)、(67)に基づき算出することができる。式(66)、(67)におけるdetＭは式(65)で示す行列式である。即ち、パラメータMA1〜MA6及びMB1〜MB6を較正しておけば、画像処理手段16で検出された一対の撮像機4A、4Bによる案内部材の両端縁座標（p1A、p2A）、（p1B、p2B）、又は両端縁の中点座標ｐA、ｐBから式(66)、(67)に基づき、案内部材３に対する車両２の位置を算出できる。
【００５２】
図１２は、図５の走行位置検出装置により、案内部材３の両端縁の中点M2と両撮像機4A、4Bの中点M1との間の水平間隔Ｄ（位置ベクトルｍのｙ座標、図９参照）を検出した実験結果を示す。本実験においても、図１１の場合と同様に、平坦な直進走行経路１に沿って敢えて走行車両２との水平間隔Ｄが変化するように蛇行させて案内部材３を貼り付け、走行経路１上を直進する車両２上の一対の撮像機4A、4Bにより案内部材３の両端縁像の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）を検出した。
【００５３】
同図（Ａ）のグラフは二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）の経時的変化を表わし、同図（Ｂ）のグラフは二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）と式(56)とに基づき演算手段18により算出した水平間隔Ｄの経時的変化を表わす。同図（Ａ）では車両２がローリングした時も水平移動したときも同様に二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）が大きく変動しているのに対し、同図（Ｂ）では車両２のローリング時は水平間隔Ｄがほとんど変化せず、車両２の水平移動時だけ水平間隔Ｄが変化している。即ち本実験結果から、図５の走行位置検出装置により、車両２のローリングに拘わらず案内部材３に対する車両２の位置を精確に算出できることが確認できた。
こうして本発明の目的である「垂直側壁等の設備を要しない簡単な構成により車両の走行位置を検出する方法及び装置並びにプログラム」の提供を達成することができた。
【００５４】
以上の説明では車両２上に一対の撮像機4A、4Bを搭載しているが、車両２上の異なる部位に前記撮像機対4A、4Bを搭載することができる。この場合は、各撮像機対4A、4Bの画像における前記両端縁の二次元座標対（p1A、p2A）、（p1B、p2B）から、演算手段18により、車両２上の前記各搭載部位の案内部材３に対する位置をそれぞれ算出することができる。
【００５５】
図５は、上述した一対の撮像機4A、4Bによる車両２の走行位置検出装置と舵取り制御手段20とを組み合わせた無人車両の舵取り装置のブロック図を示す。図５の舵取り制御手段20は、図４の場合と同様に、演算手段18の出力する水平間隔Ｄが所定水平間隔δとなる如く車両２の操舵を制御するものである。また、車両上の異なる部位に上述した撮像機4A、4Bを複数対搭載し、車両２の各部位の水平間隔Ｄが所定水平間隔δとなるように車両２の操舵を制御することができる。例えば図３に示すように、図５の舵取り装置を車両上の前端部位と後端部位とにそれぞれ設け、各部位において走行時の車両２と案内部材３との水平間隔Ｄが目標値δとなるように操舵を制御することにより、車両２のローリング、ピッチング及びヨーイングに拘わらず案内部材３に沿って車両２を誘導することが可能となる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の車両走行位置検出方法及び装置並びにプログラムは、車両の走行経路と並列に一定幅の案内部材を幅方向断面が水平に対し一定傾斜角度となるように延在させ、車両上に光軸向きが走行経路と交差する同一平面上となる如く結合された一対の撮像機を案内部材が視野内となる結合角度で搭載し、撮像機画像の各々における案内部材の両端縁と前記平面との交点の二次元座標対を求め、前記交点の二次元座標対と前記両撮像機の結合角度と前記案内部材の幅及び傾斜角度とから案内部材に対する車両の位置を算出するので、次の顕著な効果を奏する。
【００５７】
（イ）ガイド誘導方式における垂直側壁等のような大掛かりな設備を必要としないので、垂直側壁等がないシールドトンネル内等にも容易に適用できる。
（ロ）予定走行経路と並列に一定傾斜角度で貼り付けたガムテープ等を案内部材とすることができるので、位置検出に要する手間と費用を大幅に低減できる。
（ハ）案内部材が識別可能である限り、走行経路上に岩石等が存在するような劣悪環境下でも車両の位置検出が可能である。
（ニ）撮像機の画像から案内部材に対する車両の位置を検出するので、距離計等を必要としない簡単な構成の装置とすることができる。
（ホ）一対の撮像機を用いることにより、車両のローリングに拘わらず、撮像機の画像のみにより案内部材に対する車両の位置を検出することが可能である。
（ヘ）案内部材に対する車両の位置に基づく操舵制御に有利に適用することができる。
（ト）例えば、車両の前端部位と後端部位とで案内部材に対する車両の位置に基づく操舵制御を行うことにより、車両のピッチング及びヨーイング拘わらず案内部材に沿った車両誘導が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明装置を取り付けた車両の一実施例の正面図である。
【図２】は、本発明装置を取り付けた車両の他の実施例の正面図である。
【図３】は、図１の実施例の側面図である。
【図４】は、図１の実施例のブロック図である。
【図５】は、図２の実施例のブロック図である。
【図６】は、本発明における撮像機画像と対応するモニタ画面の説明図である。
【図７】は、従来の画像に基づく位置検出方法の原理を示す説明図である。
【図８】は、図１の実施例による位置検出方法の原理を示す説明図である。
【図９】は、図２の実施例による位置検出方法の原理を示す説明図である。
【図１０】は、本発明による位置検出結果の一例を示す図である。
【図１１】は、本発明による無人車両舵取り結果の一例を示す図である。
【図１２】は、本発明による無人車両舵取り結果の他の例を示す図である。
【図１３】は、従来の無人車両の磁気誘導方式の説明図である。
【図１４】は、従来の無人車両のガイド誘導方式の説明図である。
【符号の説明】
１…走行経路            ２…無人車両
３…案内部材            ４…撮像機
4g…撮像機画像          4x…撮像機の光軸
５…車台                ６…車輪
７…セグメント          ８…支持部材
９…照明灯              10…傾斜計
15…制御盤（コンピュータ）
16…画像処理手段
17…記憶手段            18…演算手段
19…通信ユニット        20…舵取り制御手段
21…ローリング角度入力手段
22…舵取り手段
23…モニタ              23a…画面
24…検出ウィンドウ      26…目標値入力手段
31…誘導磁気テープ      32…無人車両
33…車輪                34…タイロッド
35…磁気センサ          36…センサ支持ロッド
37…連結ロッド          38…ガイドアーム
39…誘導体ロッド        40…コントローラ
41…垂直側壁            42…枢支点
43…枢支点              44…磁気センサ
A1、A2…案内部材の両端縁
a1、a2…案内部材の両端縁の交点像
p1、p2…案内部材の両端縁の交点像の二次元座標
Ｃ…撮像機位置
Ｄ…撮像機と案内部材との水平間隔
Ｋ…結合軸
M1…撮像機対の中点
M2…案内部材の両端縁の中点
【図１】
0003932109.tif 000009
【図２】
0003932109.tif 000010
【図３】
0003932109.tif 000011
【図４】
0003932109.tif 000012
【図５】
0003932109.tif 000013
【図６】
0003932109.tif 000014
【図７】
0003932109.tif 000015
【図８】
0003932109.tif 000016
【図９】
0003932109.tif 000017
【図１０】
0003932109.tif 000018
【図１１】
0003932109.tif 000019
【図１２】
0003932109.tif 000020
【図１３】
0003932109.tif 000021
【図１４】
0003932109.tif 000022