JPH06347365A - ３次元軌跡計測型船舶試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 モデル船の重心位置及び姿勢角を高精度で計
測する信頼性の大きい３次元軌跡計測型船舶試験装置を
提供する。 【構成】 対象モデル船３に取付けた単数又は複数の位
置計測ターゲット２−１，２−２，２−３を撮像する２
台のテレビカメラ１−１，１−２と、上記各ターゲット
の画像上での位置を検出するためのターゲット画像検出
手段５−１，５−２と、計測ターゲットの位置から３次
元座標を演算する３次元座標演算手段６から出力される
計測結果に基づきモデル船の重心位置と姿勢角を演算す
る位置姿勢演算手段６−１の出力する重心位置に基づき
後記する台車４−１，４−２を駆動を制御する台車制御
手段７−１，７−２と、同台車制御手段の出力信号に基
づき同モデル船を追尾する２台の台車４−１，４−２の
位置を計測するための位置センサ４−１，４−２とを具
えたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、船舶試験装置の軌跡計
測及び台車制御機構、特に、３次元軌跡計測型船舶試験
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】波浪中での船舶の挙動を解析するには、
従来、実際の船舶を縮小したモデル船を作成し、造波装
置により波を発生させることのできる試験水槽内を航行
させ、その挙動を計測，解析することによりなされてい
る。従来の船舶試験装置では、モデル船の挙動を計測す
るために、図７に示すように、試験水槽８の上に、図示
した世界座標系のＹ方向に移動可能な第１の台車４−１
を設置し、第１の台車４−１の下に第１の台車４−１に
対して直交的に移動可能な第２の台車４−２を設置して
いる。第２の台車４−２にはテレビカメラ１が下向きに
取り付けられており、モデル船３に取り付けた計測ター
ゲット２を撮像する。計測ターゲット２は周囲の明るさ
より、十分明るい発光ダイオードのような発光型にすれ
ば、容易に検出可能である。テレビカメラ１の出力する
画像はターゲット画像検出手段５に入力され、計測ター
ゲット２の画像上での位置が検出される。ターゲット画
像検出手段５の出力は台車制御手段７に入力され、モデ
ル船３を追尾するように第１，第２の台車４−１，４−
２をそれぞれ駆動する。このような装置において、モデ
ル船３の軌跡を計測するためには、まず、図８に示すよ
うに、テレビカメラ１の破線で示すカメラ視野内にモデ
ル船３に取り付けた計測ターゲット２が納まるように撮
像する。このようにして撮像された画像の一例は、図９
に示すように、ターゲット２の画像がターゲット画像検
出手段５に入力され、計測ターゲット位置Ｐが検出され
る。台車制御手段７では、ターゲット画像検出手段５の
出力する計測ターゲット位置Ｐと、テレビカメラ１を設
置することにより固定的に決定される画像中心位置Ｐｃ
とのずれ量を求め、そのずれ量に応じた分だけ、第１，
第２の台車４−１，４−２を駆動する。以上の操作によ
り、第１，第２の台車４−１，４−２は計測ターゲット
２の画像上での位置Ｐが画像９の画像中心位置Ｐｃと一
致するように制御されることになり、この第１，第２の
台車４−１，４−２を制御するために出力される台車制
御手段７のデータを記録すれば、このデータが軌道軌跡
となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術では、第１，第２の台車の制御データの
みで軌跡計測を行っているため、試験水槽の水平面上の
２次元的な移動軌跡しか計測できず、波の高さ方向の軌
跡は計測できない。それ故、実際のモデル船の同軌跡は
波の高さによる３次元的な移動軌跡を示すため、正確な
挙動解析ができないといった課題があった。また、モデ
ル船の重心位置と計測ターゲットの位置が一致すること
はなく、モデル船の重心位置が変化せず、モデル船が波
に揺られて計測ターゲットの位置のみが変化するような
場合、実際のモデル船の位置は変化していないにもかか
わらず、計測ターゲットの位置のみが変化し、第１，第
２の台車はその振れ量に応じて、振動してしまうといっ
た問題がある。

【０００４】本発明はこのような事情に鑑みて提案され
たもので、モデル船の重心位置及び姿勢角を高精度で計
測する信頼性の大きい３次元軌跡計測型船舶試験装置を
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そのために本発明は、波
浪中で船舶の挙動を検討、試験及び確認するための船舶
試験装置において、対象となるモデル船に取付けた単数
又は複数の位置計測ターゲットと、同ターゲットを撮像
するための２台のテレビカメラと、上記各テレビカメラ
に撮像されたそれぞれのターゲットの画像上での位置を
検出するためのターゲット画像検出手段と、検出された
上記各テレビカメラの画像上の計測ターゲットの位置か
ら３次元座標を演算する３次元座標演算手段と、同３次
元座標演算手段から出力される計測結果に基づきモデル
船の重心位置と姿勢角を演算する位置姿勢演算手段と、
同位置姿勢演算手段の出力する重心位置に基づき後記す
る台車を駆動するため信号を出力する台車制御手段と、
同台車制御手段の出力信号に基づき同モデル船を追尾す
るように水平面上を直交して移動可能な２台の台車と、
同台車の位置を計測するための２台の位置センサと、同
位置センサと上記各テレビカメラの同期を取るための同
期信号発生器とを具え、同モデル船の移動軌跡とその姿
勢角を３次元的に計測し、その３次元計測結果に基づい
て上記２台の台車を制御することを特徴とする。

【０００６】

【作用】このような構成によれば、２台のテレビカメラ
はモデル船に取り付けた計測ターゲットを撮像し、ター
ゲット画像検出手段は、それぞれ画像上でのターゲット
の位置を検出する。３次元座標演算手段では、ターゲッ
ト画像検出装置から出力される２台のテレビカメラの画
像上での計測ターゲットの位置から、三角測量の原理に
基づき、計測ターゲットのカメラ座標系での３次元座標
を計算する。計測ターゲットの３次元座標が計算される
と、位置姿勢演算手段ではその３次元座標、又は、そこ
から求められるモデル船の重心位置のデータと姿勢角を
演算，出力する。台車制御手段は位置姿勢演算手段の出
力する重心位置に基づきモデル船を追尾するように第
１，第２の台車を駆動するためのデータを出力する。台
車の実際の位置は位置センサにより計測される。このと
き、モデル船の重心位置を用いると、モデル船そのもの
の移動を検出できることになるため、台車が振動するよ
うなことは起こらない。複数の計測用ターゲットの３次
元位置を計測することにより、これらの位置関係から、
モデル船の３軸周りの姿勢角も検出可能である。また、
同期信号発生器により、位置センサとテレビカメラの撮
像タイミングの同期が取られているため、これらの出力
するデータは時間的なずれがなく、単純に加算可能であ
る。以上の結果、台車の位置データと、逐次計測される
計測ターゲットの３次元座標から、モデル船の３次元的
な移動軌跡が計測可能となる。

【０００７】

【実施例】本発明の一実施例を図面について説明する
と、図１はその全体系統図、図２は図１におけるテレビ
カメラの設置状態を示す側面図、図３は図１において計
測ターゲットが１つのときの台車制御要領を示す斜視
図、図４は計測ターゲットを３つにするときの計測ター
ゲットの設置状態を示す斜視図、図５は図４の３点の計
測ターゲットの位置からモデル船の重心位置を求める要
領を示す説明図、図６はモデル船の重心位置を回転中心
とする回転運動を示す説明図である。

【０００８】上図において、図７と同一の符号はそれぞ
れ同図と同一の機器，部材を示し、まず、図１におい
て、試験水槽８の上部には、図示した世界座標系のＹ方
向に移動可能な第１の台車４−１が設置され、第１の台
車４−１の下部にはそれに直交的に移動可能な第２の台
車４−２が設置される。第１の台車４−１の世界座標系
での位置は、第１の位置センサ４−３で検出され、第１
のセンサアンプ４−５から得られる。同様に、第２の台
車４−２の位置は、第２の位置センサ４−４で検出さ
れ、第２のセンサアンプ４−６から得られる。第２の台
車４−２には、モデル船３に取り付けた計測ターゲット
２を撮像するための第１，第２のテレビカメラ１−１，
１−２が共通の視野を持つように設置される。

【０００９】ここで、第１，第２のテレビカメラ１−
１，１−２と、第１，第２の位置センサ４−３，４−４
はすべて、同期信号発生器２０からの同期信号が入力さ
れており、全く同一の時刻に撮像，計測が行える。第
１，第２のテレビカメラ１−１，１−２の出力する画像
はそれぞれ第１，第２のターゲット画像検出手段５−
１，５−２に入力され、撮像されている計測ターゲット
２の画像上の位置を検出する。計測ターゲット２を周囲
の明るさより、十分明るい発光ダイオードのような発光
型にすれば、検出は容易に簡単である。

【００１０】第１，第２のターゲット画像検出手段５−
１，５−２の出力する画像上での計測ターゲット２の位
置は３次元座標演算手段６に入力され、三角測量の原理
に基づき、計測ターゲット２のカメラ座標系での３次元
座標を計算する。３次元座標演算手段６の出力する計測
ターゲット２の３次元座標は位置姿勢演算手段６−１に
入力される。位置姿勢演算手段６−１では、計測ターゲ
ット２が１つの場合は、入力されたデータをそのまま出
力するが、後述するように、計測ターゲット２を複数
（本実施例では３つ）用いた場合は、これらの３次元位
置から演算されるモデル船３の重心位置と姿勢角を演算
する。位置姿勢演算手段６−１の出力である３次元座標
の内、ｘ座標は第２の第１，第２の制御手段７−２に入
力され、また、ｙ座標は第１の台車制御手段７−１に入
力されて、第１，第２の台車制御手段７−１，７−２
は、それぞれの入力に応じて第１，第２の台車４−１，
４−２を駆動するための制御データを決定し、出力す
る。第１，第２の台車４−１，４−２はそれぞれ第１，
第２の台車制御手段７−１，７−２の出力するデータに
より、モデル船３を追尾するように移動する。第１，第
２のセンサアンプ４−５，４−６及び位置姿勢演算手段
６−１の出力は軌跡演算手段１０に入力され、モデル船
の３次元移動軌跡が計算される。

【００１１】このような装置において、モデル船３の３
次元移動軌跡は下記の要領で計測される。まず、最も簡
単な場合として、計測ターゲット２が１個のときについ
て説明すると、図２に示すように、モデル船３に計測タ
ーゲット２を設置する。第１，第２のテレビカメラ１−
１，１−２は破線で示すカメラ視野が共通の領域を持つ
ように設置し、その共通視野内に計測ターゲット２が入
るように撮像する。第１，第２のテレビカメラ１−１，
１−２の出力する画像信号は、それぞれ第１，第２のタ
ーゲット画像検出手段５−１，５−２（図１）に入力さ
れ、ターゲット画像検出手段５−１，５−２では、計測
ターゲット２の画像上での位置が検出される。

【００１２】この処理は、計測ターゲット２が周囲の環
境より十分に明るい場合は、計測ターゲット２のみが抽
出されるような閾値で二値化し、“Ｈ”の領域の重心位
置を検出することにより実現される。また、周囲環境よ
り十分明るくない場合は、パターンマッチング等の画像
処理技術を用いて抽出可能である。ここで、第１，第２
のテレビカメラ１−１，１−２にはその設置位置にずれ
があるため、それぞれのテレビカメラ１−１，１−２に
撮像される計測ターゲット２の画像上での位置には視差
が存在する。

【００１３】３次元座標演算手段６（図１）では、第
１，第２のテレビカメラ１−１，１−２を設置した時点
で決定されるテレビカメラ１−１，１−２の３次元空間
での位置や姿勢等の設置状況を予め設定しておけば、三
角測量の原理に基づいて図３に示すような計測ターゲッ
ト２のカメラ座標系での３次元位置を計算する。ここ
で、カメラ座標系の原点は、２台のテレビカメラ１−
１，１−２の共通視野の中心に一致させ、高さ方向をｚ
軸，第１の台車４−１の可動方向をｙ軸、第２の台車４
−２の可動方向をｘ軸とするように定める。位置姿勢演
算手段６−１は、計測ターゲット２が１つであるので、
入力された３次元座標をそのまま出力する。第２の台車
制御手段７−２（図１）は計測された３次元座標のｘ座
標に基づいて第２の台車４−２を駆動し、第１の台車制
御手段７−１はｙ座業に基づき第１の台車４−１を駆動
して、モデル船３を追尾するように制御される。このと
きの、第１の台車４−１の位置は第１の位置センサ４−
３により検出され、その値は第１のセンサアンプ４−５
から得られる。また同時に、第２の台車４−２の位置は
第２の位置センサ４−４により検出され、その値は第２
のセンサアンプ４−６から得られる。最終的に、２台の
センサアンプ４−５，４−６から得られる台車４−１，
４−２の位置データと、位置姿勢演算手段６−１の出力
する３次元座標を加えれば、モデル船３の３次元的な移
動軌跡が求められる。

【００１４】しかしながら、上記の計測ターゲット２を
１つだけ用いる方法では、モデル船３がその重心位置を
回転中心とする回転運動を行った場合、２台の台車４−
１，４−２が振動的に駆動されてしまう。そこで、図４
に示すように、計測ターゲットを３つにすることで、上
記の点は解決される。すなわち、同図において、第１，
第２，第３の計測ターゲット２−１，２−２，２−３は
その３点により構成される三角形の重心Ｐｇがモデル船
の重心位置ｇの鉛直方向に高さｈだけ上方に来るように
し、水平面上に設置される。ここでは、簡単のために高
さ方向にｈだけの変位を考えたが、計測ターゲットの重
心位置Ｐｇとモデル船の重心位置ｇの位置関係が明らか
であれば、任意の位置に設置しても問題ない。また、各
計測ターゲット２−１，２−２，２−３ではすべて同時
に２台のテレビカメラ１−１，１−２により撮像可能な
ように、共通視野内に存在する。

【００１５】同一視野内に３つの計測ターゲット２−
１，２−２，２−３が存在する場合、ターゲット画像検
出手段５−１，５−２は、以下のようにしてそれぞれの
計測ターゲット２−１，２−２，２−３を検出する。も
っとも簡単には、３つの計測ターゲット２−１，２−
２，２−３を順次点滅させ、テレビカメラの１枚の画像
中には、常に１つの計測ターゲットしか撮像されないよ
うにして、計測ターゲットが１つの場合と同様にして検
出する。又は、３つの計測ターゲット２−１，２−２，
２−３は常に点灯させ、画像の中心を交点とするように
画像を分割し、各領域ごとに計測ターゲットを検出す
る。さらに、３つの計測ターゲット２−１，２−２，２
−３をそれぞれ異なる波長のターゲットとし、２台のテ
レビカメラ１−１，１−２をカラーカメラにして、撮像
された画像の色情報を用いて検出する方法等が考えられ
る。２台のテレビカメラ１−１，１−２において、３つ
の計測ターゲット２−１，２−２，２−３の画像上での
位置が検出されると、それぞれ、３次元座標演算手段６
により３次元座標が検出される。

【００１６】次に位置姿勢手段６−１では、以下のよう
にして、モデル船３の重心位置ｇを計算する。いま、図
５に示すように、第１の計測ターゲット２−１の位置を
Ｐ１とし、第２の計測ターゲット２−２の位置をＰ２，
第３の計測ターゲット２−３の位置をＰ３とする。この
とき、計測ターゲットの重心位置Ｐｇは次式で示され
る。 Ｐｇ＝（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）／３

【００１７】また、モデル船３の垂直ベクトルｖはＰ１
を原点とするＰ２とＰ３の外積を正規化したものとな
り、次式で示される。 ｖ＝ｕ／｜ｕ｜ ここで、ｕ＝（Ｐ２−Ｐ１）×（Ｐ３−Ｐ１） したがって、モデル船３の重心位置ｇは次式で表され
る。 ｇ＝Ｐｇ−ｈｖ また、モデル船３の姿勢角（図１に示すように、ｘ軸周
りの回転角をα、ｙ軸周りをβ、ｚ軸周りをθとする）
は、３つの計測ターゲット２−１，２−２，２−３の位
置関係から計算可能である。

【００１８】このモデル船３の重心位置ｇのｘ座標が第
２の台車制御手段７−２に入力されて、第２の台車制御
手段７−２は第２の台車４−２を駆動する。また、同じ
くｙ座標が第１の台車制御手段７−１に入力されて、第
１の台車制御手段７−１は第１の台車４−１を駆動す
る。駆動に当たっては、カメラ座標系は上述のように２
台のテレビカメラ１−１，１−２の共通視野の中心に一
致させてあるので、最も簡単には、ｘ及びｙ座標に比例
した移動を行うようにすればよい。

【００１９】第１及び第２の台車４−１，４−２の移動
量はそれぞれ第１の位置センサ４−３及び第２の位置セ
ンサ４−４により検出され、それぞれ、第１のセンサア
ンプ４−５及び第２のセンサアンプ４−６から読み取り
可能である。このように、２台の台車４−１，４−２を
制御すると、図６に示すようなモデル船３の重心位置ｇ
を回転中心とするような回転運動が起こっても、計測タ
ーゲット２−１，２−２，２−３の位置は変化するが、
重心位置ｇは変化しないため、２台の台車４−１，４−
２が振動的に駆動されることがなくなり、安定した制御
が行える。

【００２０】最終的に、軌跡演算手段１−０において、
第１のセンサアンプ４−５から得られる第１の台車４−
１の位置データと、第２のセンサアンプ４−６から得ら
れる第２の台車４−２の位置データと、位置姿勢演算手
段６−１の出力する３次元座標を加えれば、モデル船３
の３次元的な移動軌跡が求められる。また、３点による
計測であるため、モデル船３の移動軌跡が姿勢角も含め
たベクトルとして計測することができ、挙動の解析が更
に高精度になる。このとき、２台のテレビカメラ１−
１，１−２と２台の位置センサ４−３，４−４は同期信
号発生器２−０の出力する同期信号により、時間的に同
期されているため、上記のように単純に加算するだけで
よい。

【００２１】

【発明の効果】このような装置によれば、モデル船の移
動軌跡が３次元的に、かつ、姿勢角も含めて計測するこ
とができ、さらに、台車が振動的な挙動を示すこともな
くなるため、船舶試験装置における挙動解析の精度向上
が図られ、台車の制御も安定するため、機械的な疲労に
よるトラブルも減少し、装置の信頼性が向上する等、産
業上の利用効果は極めて大きい。

【００２２】要するに本発明によれば、波浪中で船舶の
挙動を検討、試験及び確認するための船舶試験装置にお
いて、対象となるモデル船に取付けた単数又は複数の位
置計測ターゲットと、同ターゲットを撮像するための２
台のテレビカメラと、上記各テレビカメラに撮像された
それぞれのターゲットの画像上での位置を検出するため
のターゲット画像検出手段と、検出された上記各テレビ
カメラの画像上の計測ターゲットの位置から３次元座標
を演算する３次元座標演算手段と、同３次元座標演算手
段から出力される計測結果に基づきモデル船の重心位置
と姿勢角を演算する位置姿勢演算手段と、同位置姿勢演
算手段の出力する重心位置に基づき後記する台車を駆動
するため信号を出力する台車制御手段と、同台車制御手
段の出力信号に基づき同モデル船を追尾するように水平
面上を直交して移動可能な２台の台車と、同台車の位置
を計測するための２台の位置センサと、同位置センサと
上記各テレビカメラの同期を取るための同期信号発生器
とを具え、同モデル船の移動軌跡とその姿勢角を３次元
的に計測し、その３次元計測結果に基づいて上記２台の
台車を制御することにより、モデル船の重心位置及び姿
勢角を高精度で計測する信頼性の大きい３次元軌跡計測
型船舶試験装置を得るから、本発明は産業上極めて有益
なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す全体系統図である。

【図２】図１におけるテレビカメラの設置状態を示す側
面図である。

【図３】図１において、計測ターゲットが１つのときの
台車制御要領を説明するための斜視図である。

【図４】本実施例の計測ターゲットを３つにするときの
計測ターゲットの設置状態を示す斜視図である。

【図５】図４の３点の計測ターゲットの位置からモデル
船の重心位置を求める手法を示す説明図である。

【図６】モデル船の重心位置を回転中心とする回転運動
を示す説明図である。

【図７】従来の船舶試験装置を示す全体系統図である。

【図８】図７におけるテレビカメラの設置状態を示す側
面図である。

【図９】図８における台車制御要領を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ テレビカメラ １−１ 第１のテレビカメラ １−２ 第２のテレビカメラ ２ ターゲット ２−０ 同期信号発生器 ２−１，２−２，２−３ 計測ターゲット ３ モデル船 ４−１ 第１の台車 ４−２ 第２の台車 ４−３ 第１の位置センサ ４−４ 第２の位置センサ ４−５ 第１のセンサアンプ ４−６ 第２のセンサアンプ ５ ターゲット画像検出手段 ５−１ 第１のターゲット画像検出手段 ５−２ 第２のターゲット画像検出手段 ６ ３次元座標演算手段 ６−１ 位置姿勢演算手段 ７ 台車制御手段 ７−１ 第１の台車制御手段 ７−２ 第２の台車制御手段 ８ 試験水槽 ９ 画像 １０ 軌跡演算手段 Ｐ 計測ターゲット位置 Ｐ₁ 第１の計測ターゲットの位置 Ｐ₂ 第２の計測ターゲットの位置 Ｐ₃ 第３の計測ターゲットの位置 Ｐ_c 画像中心位置 Ｐ_g ３ヶのターゲットのなす三角形の重心 ｇ モデル船の重心 ｈ ターゲットの高さ ｖ モデル船の垂直ベクトル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 波浪中で船舶の挙動を検討、試験及び確
   認するための船舶試験装置において、対象となるモデル
   船に取付けた単数又は複数の位置計測ターゲットと、同
   ターゲットを撮像するための２台のテレビカメラと、上
   記各テレビカメラに撮像されたそれぞれのターゲットの
   画像上での位置を検出するためのターゲット画像検出手
   段と、検出された上記各テレビカメラの画像上の計測タ
   ーゲットの位置から３次元座標を演算する３次元座標演
   算手段と、同３次元座標演算手段から出力される計測結
   果に基づきモデル船の重心位置と姿勢角を演算する位置
   姿勢演算手段と、同位置姿勢演算手段の出力する重心位
   置に基づき後記する台車を駆動するため信号を出力する
   台車制御手段と、同台車制御手段の出力信号に基づき同
   モデル船を追尾するように水平面上を直交して移動可能
   な２台の台車と、同台車の位置を計測するための２台の
   位置センサと、同位置センサと上記各テレビカメラの同
   期を取るための同期信号発生器とを具え、同モデル船の
   移動軌跡とその姿勢角を３次元的に計測し、その３次元
   計測結果に基づいて上記２台の台車を制御することを特
   徴とする３次元軌跡計測型船舶試験装置。