JPH0682467A

JPH0682467A - 高精度動態計測器

Info

Publication number: JPH0682467A
Application number: JP4262853A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiro Takeda; 田常広武; Yukio Fukui; 井幸男福; Yoshizo Hashimoto; 本佳三橋
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 1994-03-22
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: JPH0670636B2

Abstract

(57)【要約】【目的】テレビ技術を利用した従来の方式における優
れた操作性を維持しながら、測定域をクローズアップ撮
像することにより分解能を上げ、連続的に被測定物を追
跡することにより広範囲な測定を可能とし、しかも、撮
像系の歪みの影響を除くことにより、高精度な計測を広
範囲に実施可能にした高精度動態計測器を得る。【構成】測定対象の標識１が存在する測定域を異方向
から視野内に収め、広角撮影とクローズアップ撮影とに
切り換え可能な２台のテレビカメラTV₁,TV₂ を設置す
る。これらのテレビカメラの光軸上には、それぞれ、互
いに直交する方向にテレビカメラの光軸を移動させる回
転ミラー３ａ〜３ｄを有し、且つそれを高精度に回転駆
動する一対の高速・高精度ミラー制御器２ａ〜２ｄを配
置し、それらの高速・高精度ミラー制御器を駆動して回
転ミラーを振らせることにより標識の像を常にテレビカ
メラの視野の中心に保持するサーボ制御系を上記テレビ
カメラに接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、テレビカメラや半導体
位置検出器（ＰＳＤ）等の撮像系によってクローズアッ
プ撮影された高又は低輝度物体、あるいは特定の色の物
体等からなる標識の動きを、高精度に、しかも広範囲に
測定可能とする動態測定器に関するものであり、例え
ば、数ｍから数十ｍの範囲で動き回る人間の高精度動作
解析を通じて福祉機器の開発に有効に活用し、あるいは
１００ｍ程度離れた位置から建造物の組み上げを高精度
で検証し、建造物を容易に、且つ正確に建造可能にする
場合などに有効に利用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】既存の主な３次元位置計測法は、（１）
光のモアレ模様を利用する方法、（２）一様磁界中にお
いた直交するコイルの起動力を利用する方法、（３）写
真、映画などに写された測定点を人力でデジタイズして
入力する方法、（４）赤外発光ダイオード（ＬＥＤ）を
時分割発光させてその位置をＰＳＤを用いて順次測定す
る方法、（５）ＴＶ技術を応用して画面内の測定点を自
動追尾して計測する方法、に大別される。

【０００３】上記計測手法の相対性能を比較すると、表
１のようにまとめられる。同表中には、おおよその性能
を数値で示すと共に、評価を良い順に○、△、×で示し
た。これによれば、相対的に NO.４の方式が優れている
が、ＬＥＤの点灯と同期のためのケーブルが必要で、操
作性に難点がある。 NO.５の方式は、分解能、速度、計
測点のいずれにおいても十分な性能を持っているとは言
えないが、操作性が優れている。しかも、ＴＶ技術は、
高品位ＴＶの実用化期を迎え、近い将来、一段とその性
能が改善されることが期待される。

【０００４】

【表１】このように、上記既存の方式は、いずれも、特定の標識
の動きを高精度に、しかも、広範囲に操作性よく測定で
きることを要求される動態測定には満足できる性能を有
していない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、上記 NO.４及び NO.５の方式における利点のみを兼
備した動態計測器を得ることにあり、特に、テレビ技術
を利用した NO.５の方式における優れた操作性を維持し
ながら、測定域をクローズアップ撮像することにより分
解能を上げ、しかも、零位法に基づくサーボ制御系によ
り、撮像系の中心域のみを用いて撮像系の歪みの影響を
除き、さらに、高速、高精度のミラー制御により、高精
度な計測を広範囲に実施可能にした高精度動態計測器を
得ることを主眼とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の高精度動態計測器は、測定対象の標識が存在
する測定域を異方向から視野内に収め、クローズアップ
撮影可能な２台の撮像系を設置し、これらの撮像系の光
軸上には、それぞれ、互いに直交する方向に撮像系の光
軸を移動させる回転ミラーを有し、且つそれを高精度に
回転駆動する一対の高速・高精度ミラー制御器を配置
し、さらに、それらの高速・高精度ミラー制御器を駆動
して回転ミラーを振らせることにより標識の像を常に撮
像系の視野の中心に保持するところの零位法に基づくサ
ーボ制御系を上記撮像系に接続したことを特徴とするも
のである。

【０００７】

【作用】上記構成を有する高精度動態計測器によって、
標識の動きを測定するに際しては、先ず、撮像系により
被測定物上の標識を撮影し、その標識を測定系で捕捉し
た後、クローズアップ撮影を行う。そして、撮像系の光
軸上に置いたそれぞれ二つの高速・高精度ミラー制御器
で回転ミラーを回転駆動し、標識に追従して測定する
と、零位法に基づくサーボ制御により標識の像が撮像系
の画面の中心にくるので、その場合のミラーの角度を測
定することによって、標識の存在する方向が求まり、そ
れらの方向を示す二つの直線の交点を求めることによっ
て、優れた操作性を維持しながら、標識の３次元位置が
高精度に計測される。

【０００８】これにより、クローズアップ撮影したこと
による倍率分だけ分解能を上げることができ、そのた
め、分解能を上げた分だけミラーの回転角の精度を上げ
ねばならないが、本発明者らが先に開発（特願平４−１
０２１７２号）している高速・高精度の角度測定器など
を用いることにより、十分に高精度化することが可能で
ある。他方、零位法に基づく制御により撮像系の中心域
のみを用いて撮像系の歪みの影響を除き、さらに、高
速、高精度のミラー制御により、高精度な計測を広範囲
に実施することができる。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の高精度動態計測器を高精度
３次元位置計測システムとして利用する場合の基本的構
成を模式的に示すものである。同図の動態計測器は、数
ｍから数十ｍの範囲で動く人間その他の適宜物体上の標
識１の高精度動作解析を行うためのもので、その標識１
としては、被測定物体上の高又は低輝度物体、あるいは
特定の色の物体等が用いられ、また被測定物体上に適当
な標識となる部分がない場合には発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）を被測定物体上に付設して標識とする。

【００１０】上記標識１を検出するために、その標識が
移動する測定域（上下、左右４０°程度の画角の範囲）
を視野内に収める２台のテレビカメラTV₁,TV₂ を設置し
ている。このテレビカメラTV₁,TV₂ に代えて、ＰＳＤそ
の他の撮像系を用いることができる。なお、この実施例
の説明では、前記従来技術における NO.５の方式を改善
することを念頭に置いて説明するが、以下に説明する位
置検出を前記 NO.４のＰＳＤ方式に対しても同様に適用
することができる。その場合、照明等によるノイズ除去
が大きな問題になるが、より一層の高精度を期待するこ
とができる。

【００１１】これらのテレビカメラTV₁,TV₂ は、それぞ
れ、光軸上に配置した一対の高速・高精度ミラー制御器
２ａ，２ｂ及び２ｃ，２ｄにおける回転ミラー３ａ，３
ｂ及び３ｃ，３ｄを介して標識を撮影し、その際、例え
ば、広角撮影とクローズアップ撮影に切り換え可能にす
るなど、任意手段により全測定域と測定域の一部のクロ
ーズアップ撮影を可能にしたもので、広角撮影時に全測
定域を視野内に収め、また分解能を上げるためにその測
定域の一部をクローズアップ撮影する場合にも、それぞ
れの一対のミラー３ａ，３ｂ及び３ｃ，３ｄを回転させ
ることにより、全測定域をカバーして測定域中の任意の
一部を撮影可能にしたものである。

【００１２】２台のテレビカメラTV₁,TV₂ の光軸上に設
けた上記一対の高速・高精度ミラー制御器２ａ，２ｂ及
び２ｃ，２ｄは、それによって回転を制御される回転ミ
ラー３ａ，３ｂ及び３ｃ，３ｄの回転の軸線を、図２に
示すように、測定域において互いに直交する上下及び左
右方向にテレビカメラの光軸が移動するように配設して
いる。なお、図２中、Ｌはレンズ系を示している。そし
て、それらの高速・高精度ミラー制御器を駆動すること
により、標識１が前記測定域を動き回る時に、後述する
ように、その標識の像がテレビカメラTV₁,TV₂ の画面の
中心にくるように制御され、且つ標識１の移動に追従し
てその制御が行われる。

【００１３】上記高速・高精度ミラー制御器は、図３に
示すように、特殊形状のスリット５を通過した光を一次
元半導体位置検出器７を用いて検出することによりモー
タ８の回転角度を高精度に計測する角度測定器を備えて
いる。さらに具体的に説明すると、この角度測定のため
の装置としては、図示しない光源と、高速・高トルクの
モータ８によって回転駆動され、中心軸６からの距離ｒ
が回転角度θに比例する螺旋状のスリット５を設けた遮
蔽板４と、上記スリット５を通過した光の位置を計測す
る一次元半導体位置検出器７とを備えている。

【００１４】上記螺旋状スリット５は、ｒ＝ａθ（但
し、ａ：定数）によって与えられる位置に設けられるも
のであり、従って、遮蔽板４を回転すると、スリット５
に沿う直線上に投射してスリット５を通過する光の位置
は、一次元半導体位置検出器７上において、回転角度θ
に比例して変化するので、その位置によりモータ８の回
転角度が高精度に計測される。特に、半導体位置検出器
は、その分解能が極めて高く、安定しているため、上記
スリット５を通過した光の位置により、モータ８の高精
度な回転角度の計測が可能になる。

【００１５】また、上記角度測定器には、その計測デー
タを用いて上記モータ８を高速・高精度に制御する制御
器が接続されている。上記制御器は、初期値補償付きの
積分制御型最適追従制御器と呼ぶことができるもので、
図４に示すような構成を有し、その理論的根拠に関して
は、本発明者が、計測自動制御学会論文集第20巻第１号
「線形多入出力最適追従制御系の初期値補償器」におい
て詳述している。

【００１６】図４の積分制御型最適追従制御器は、基本
的には、設定入力ｒと出力ｙとの差ｅに対して定数Ｋ₂
を乗じる要素及びその結果に対して積分制御を施す積分
制御要素(Im/S)を備えた積分制御系と、制御対象の状態
変数ｘに対して定数Ｋ₁ を乗じてフィードバックするフ
ィードバック制御系とを備えている。さらに、これらの
制御系では、積分制御要素に初期値がある場合に好まし
くない制御動作があらわれるので、それを除去するため
の操作量の初期値補償を行うための補償制御系、即ち、
システムの起動時に操作量ｕの値をサンプリングして０
次ホールド回路にホールドさせ、その値（−Ｋ₁ ｘ(0)
＋ｚ(0) ）をフィードバックして上記積分制御系の出力
から減算することにより、上記初期値の影響をなくすよ
うにした補償制御系が付加されている。

【００１７】この補償制御系は、システムの起動もしく
は設定値の大巾な変化等により入力ｒの微分値が一定値
を越えたときに操作量ｕの値をサンプルし、その値をホ
ールドするような機能を持つ素子により実現することも
できる。また、過度に操作量ｕをサンプルホールドしな
いため、サンプラに不応素子を付加してもよい。従っ
て、上記積分制御型最適追従制御器において、操作量ｕ
は、制御対象の状態変数ｘに定数Ｋ₁ を乗じてフィード
バックした成分と、入力ｒと出力ｙの差ｅに定数Ｋ₂ を
乗じたものを積分制御した成分ｚと、入力ｒが大きく変
動したときに操作量ｕをサンプルホールドしてその値を
フィードバックした成分との加減算により構成される。

【００１８】ここで、定数Ｋ₁ ，Ｋ₂ は、操作量ｕの自
乗値、即ちエネルギをできるだけ小さく抑えつつ、出力
ｙが入力ｒにできるだけ速く追従できるように調整され
る。これらの定数Ｋ₁ ，Ｋ₂ は、上述したところからわ
かるように、２次形式評価関数を最小化して得られる
が、この方法によらずに定数Ｋ₁ ，Ｋ₂ を決定する方法
も可能である。しかし、その場合でも速応性を増すため
に定数Ｋ₁ ，Ｋ₂ を大きくすると、システム起動時に好
ましくない初期変動を起すので、上記初期値補償器は不
可欠である。

【００１９】前述した一次元半導体位置検出器７の測定
データを用い、上記積分制御型最適追従制御器によりモ
ータ８を制御すると、最適制御系を形成しているために
安定性にすぐれ、高速な制御が可能であると共に、入出
力端に直接積分制御器がついているため、オフセット零
が保証され、モータ８に標識１からの光を所要方向に反
射させるミラー３ａ〜３ｄを設けることにより、上記角
度測定データの精度を保証されたミラー制御器が実現で
きる。

【００２０】また、上記高精度動態計測器においては、
テレビカメラに接続して測定画像中の標識の位置を検出
するＸＹトラッカを備え、さらにその出力に基づいて高
速・高精度ミラー制御器を駆動して回転ミラーを振らせ
ることにより標識１の像を常にテレビカメラの視野の中
心に保持するところの零位法に基づくサーボ制御系を備
えている。この零位法に基づくサーボ系制御系により標
識を画面中心に捉えると、撮像系の中心域のみを用いて
撮像系の歪みを除き、高精度な計測を広範囲に実施する
ことが可能になる。

【００２１】図５は、零位法に基づく制御を説明するた
めのものである。即ち、標識１が動いてテレビ画面上で
白丸の点に動いた時、その白丸の位置を計測し、制御器
によって黒丸の点、即ち、測定原点（０，０）に移動す
るように、回転ミラーを回転させる。このとき、本発明
者らの提案にかかる図４のような積分制御型最適追従制
御系を用いると、位置誤差に直接積分器がついた構造に
なっているため、常にオフセットをセンサの誤差内に収
めることができ、また最適制御系を構成するので、安定
性に優れ、高速な制御系を設計することができる。

【００２２】上記構成を有する高精度動態計測器によっ
て、標識１の動きを測定するに際しては、先ず、テレビ
カメラTV₁,TV₂ により広角で被測定物上の標識１を撮影
し、その標識１を測定系で捕捉した後、テレビカメラTV
₁,TV₂ をクローズアップ撮影に切り換える。そして、テ
レビカメラTV₁,TV₂ の光軸上に置いたそれぞれ二つの高
速・高精度ミラー制御器２ａ〜２ｄで回転ミラー３ａ〜
３ｄを回転させ、零位法に基づくサーボ制御により、測
定域で動き回る標識１の像がテレビカメラTV₁,TV₂ の画
面の中心にくるようにするので、その場合のミラー３ａ
〜３ｄの角度を測定することにより、標識１の存在する
方向が求まり、それらの方向を示す二つの直線の交点を
求めることによって、標識１の３次元位置を計測するこ
とができる。

【００２３】上述したところにより、クローズアップ撮
影したことによる倍率分だけ分解能を上げることができ
る。そのため、分解能を上げた分だけミラーの回転角の
精度を上げねばならないが、本発明者らが開発した高速
・高精度の角度測定器を用いると、従来より１０倍程度
高精度であるため、十分な高精度化が可能である。他
方、上記クローズアップ撮影する分だけ標識の動きが速
くなるが、これはミラー制御器の速さでカバーすること
ができる。また、零位法に基づく制御により撮像系の中
心域のみを用いて撮像系の歪みの影響を除き、さらに、
高速、高精度のミラー制御により、高精度な計測を広範
囲に実施することができる。

【００２４】標準のテレビ装置では、位置測定が１／６
０秒ごとにしかできないため、高速制御するのに限界が
あるが、その問題を解決する方法としては種々のものが
知られている。例えば、その第１は、テレビの撮影速度
を上げることであり、技術的には何ら問題はない。第２
は、各社が採用している方法で、測定範囲を限定し、水
平復帰のわずかな時間に毎回限定した範囲の計測を行う
方法とか、シリンドリカルレンズを用いて上下方向及び
左右方向に像をつぶし、画面の数分の１の範囲だけを操
作することにより高速測定を行う方法などである。

【００２５】なお、標識をクローズアップ撮影すると、
それを視野内に捉えることが困難になり、計測の手間が
かかるので、広角で撮影する手段を別に用意し、セット
アップを完了した後クローズアップ撮影して、計測を開
始することが望ましい。

【００２６】次に、前記ミラー３ａ〜３ｄの角度の測定
データを計算機に取り込み、標識１の３次元位置座標を
計算する方法について説明する。図６に示したように、
測定系（Ｘ，Ｙ，Ｚ；Ｏ）の座標原点Ｏを測定範囲の中
央に置き、２台のテレビカメラの光学中心においた座標
系を (Ｘi,Ｙi,Ｚi;Ｏi)(i＝1,2)とする。ただし、Ｙ,
Ｙi は鉛直で上方の向きとする。さらに、線分 O₁O₂ の
中点における座標系を (Ｘ₃,Ｙ₃,Ｚ₃;Ｏ₃)と表わし、線
分O₁O₃＝線分O₂O₃＝ａ，線分O O₃＝ｂと表わす。

【００２７】いま、Ｏ₁,Ｏ₂ に置いた撮像面上で標識の
像の位置がｘ_i ，ｙ_i (i=1,2) となったとする。なお、
本システムでは、実際にはミラーが動いて常に標識が原
点に捉えられるが、標識が動きミラーを固定した場合を
考え、ミラーの角度から容易にｘ_i ，ｙ_i 求められる。
すると、次式が成立する。

【数１】

【００２８】座標系Ｏ₃ とＯi (i=1,2) 間の座標変換
は、Ｙi 軸に関する回転を考えればよく、次式で表され
る。

【数２】

【００２９】(3) 式を(1) 式へ代入して整理すると、

【数３】となる。２つの条件式をまとめると、

【数４】となる。よって、

【数５】を得る。また、ＯとＯ₃ の変換は容易に次式で得られ
る。

【数６】

【００３０】このように計算すれば、たとえ測定値に誤
差が含まれていて、２台の撮像系から推定された２本の
直線が交わらなくても、２本の直線の最小距離を与える
点が解として求まる。ところで、(9) 式は逆行列の計算
を含んでいるので、測定データの数が多いときには、計
算時間が長くなり、実用的でない場合もある。ここで、
(7) 式を具体的に書き下すと、

【数７】となる。

【００３１】よって、Ｆの要素をｆ_ijと表して、(11)式
の第１、第３番目の式を取り出すと、

【数８】を得るから、これより、

【数９】を得る。(13)式を(11)式の第２、第４番目の式へ代入し
平均をとると、次式となる。

【数１０】

【００３２】これは、三次元空間の直線を水平面に射影
した２直線の交点を式によって求め、次に残りの２式か
らＹ₃ を求めたことになる。(13),(14) 式によれば、
(9) 式よりも数分の１の計算量でが求められる。

【００３３】なお、以上においては、テレビカメラ等の
撮像系により回転ミラーを介して測定域を撮影するよう
にしているが、リレー光学系の焦点上に回転ミラーを置
いて回転させることにより、測定対象をさらに広範囲に
わたって追従して測定し、等価的に測定域を多数に分割
したことと同等の高精度測定が可能になる。

【００３４】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の高精度
動態計測器によれば、テレビ技術を利用した従来の方式
における優れた操作性を維持しながら、測定域を分割し
てクローズアップ撮像することにより分解能を上げ、し
かも、零位法に基づくサーボ制御系により、撮像系の中
心域のみを用いて撮像系の歪みの影響を除き、さらに、
高速、高精度のミラー制御により、高精度な計測を広範
囲に実施可能にした高精度動態計測器を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高精度動態計測器を高精度３次元位置
計測システムに適用した状態を示す模式的ブロック構成
図である。

【図２】図１における回転ミラーの回転軸の配設状態を
示す斜視図である。

【図３】高速・高精度ミラー制御器における角度測定器
の構成を示す正面図である。

【図４】初期値補償付きの積分制御型最適追従制御器の
動作説明用のブロック図である。

【図５】零位法に基づく制御を説明するための説明図で
ある。

【図６】標識の３次元位置座標の計算のための説明図で
ある。

【符号の説明】

１標識、２ａ〜２ｄ高速・高精度ミラー制御器、
３ａ〜３ｄ回転ミラー、TV₁,TV₂ テレビカメラ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象の標識が存在する測定域を異方向
から視野内に収め、クローズアップ撮影可能な２台の撮
像系を設置し、これらの撮像系の光軸上には、それぞ
れ、互いに直交する方向に撮像系の光軸を移動させる回
転ミラーを有し、且つそれを高精度に回転駆動する一対
の高速・高精度ミラー制御器を配置し、さらに、それら
の高速・高精度ミラー制御器を駆動して回転ミラーを振
らせることにより標識の像を常に撮像系の視野の中心に
保持するところの零位法に基づくサーボ制御系を上記撮
像系に接続したことを特徴とする高精度動態計測器。