JP7630980B2 - Information processing device, information processing method, and program - Google Patents
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Description
本発明は、移動体の位置姿勢の取得技術に関する。 The present invention relates to a technology for acquiring the position and orientation of a moving object.
工場や物流倉庫において無人搬送車(Automated Guided Vehicle(AGV))のような自律車両が用いられている。また、こうした自律車両の位置姿勢の推定を行う方法として、カメラやLiDAR(Laser Imaging Detection and Ranging)をセンサーとして使用し、車両周囲の環境を計測した結果から時間ごとの位置姿勢差分を取得する方法が知られている。また、環境地図データとの比較によって位置姿勢値を算出する等の方法が知られている。 Autonomous vehicles such as automated guided vehicles (AGVs) are used in factories and logistics warehouses. A known method for estimating the position and orientation of such autonomous vehicles is to use a camera or LiDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) as a sensor to obtain the time-based position and orientation difference from the results of measuring the environment around the vehicle. Another known method is to calculate the position and orientation value by comparing it with environmental map data.
移動体がセンサーから得た情報に基づいて、移動体が走行する環境に存在する物体の形状や位置を示す環境情報を作成する際に、移動体と周囲物体との相対位置の取得精度が移動体の振動に起因して低下することがある。特許文献1では、移動体に加わった加速度の計測値と加速度として想定されていた値の差分に基づいて、センサー計測値の信頼性を決定し、信頼性の低い時刻のセンサー情報を取り除く技術が開示されている。
When a moving body creates environmental information indicating the shape and position of objects in the environment in which the moving body travels, based on information obtained from a sensor, the accuracy of obtaining the relative position between the moving body and surrounding objects can decrease due to vibrations of the moving body.
しかしながら、特許文献1に記載された方法では、該当のセンサー情報を位置姿勢計測に用いる場合、信頼性の低い時刻において位置姿勢計測の精度が低下、あるいは計測が途切れる問題があった。
However, in the method described in
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、移動体の位置姿勢を安定して得る情報処理装置を提供することを目的とする。また、その方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and aims to provide an information processing device that can stably obtain the position and orientation of a moving object. It also aims to provide a method and program for doing so.
本発明に係る情報処理装置は以下の構成を有する。即ち、移動体に搭載されたセンサーからの入力情報を取得する入力情報取得手段と、前記移動体が受ける振動の大きさと方向を含む振動情報を取得する振動情報取得手段と、前記センサーが閾値を超える大きさの振動を受けている場合に、前記入力情報取得手段で取得した前記入力情報を、前記振動情報を用いて補正した補正後の入力情報に基づいて、前記移動体の位置姿勢を取得する位置姿勢取得手段とを有する。 The information processing device according to the present invention has the following configuration: an input information acquiring means for acquiring input information from a sensor mounted on a moving body, a vibration information acquiring means for acquiring vibration information including the magnitude and direction of vibration received by the moving body, and a position and orientation acquiring means for acquiring the position and orientation of the moving body based on corrected input information obtained by correcting the input information acquired by the input information acquiring means using the vibration information when the sensor is subjected to vibration of a magnitude exceeding a threshold value.
本発明によれば、移動体の位置姿勢を安定して得ることが可能となる。 The present invention makes it possible to stably obtain the position and orientation of a moving object.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の実施の形態は本発明の特許請求の範囲を限定するものではなく、また以下の実施の形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明を構成する上で必須のものとは限らない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the drawings. Note that the following embodiments do not limit the scope of the present invention, and not all of the combinations of features described in the following embodiments are necessarily essential to the present invention.
[第1の実施形態]
以下、本発明に係る第1の実施形態の移動体システム、位置姿勢計測システム、情報処理装置、情報処理方法、コンピュータープログラムについて図面を参照して詳細に説明する。
[First embodiment]
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A moving body system, a position and orientation measurement system, an information processing device, an information processing method, and a computer program according to a first embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第1の実施形態では、センサーとしてカメラ(撮像センサ―)を搭載した移動体が環境内を移動し、移動体の位置姿勢推定を行う例について説明する。ここで環境とはセンサーが移動した領域とその周囲の三次元空間であり、位置姿勢とは三次元の位置情報と3自由度の姿勢情報を組み合わせた6自由度の値である。以降の説明では環境の鉛直方向をz軸とし、移動体は基本的にxy平面上を走行するものとする。 In the first embodiment, an example will be described in which a mobile object equipped with a camera (imaging sensor) as a sensor moves within an environment, and the position and orientation of the mobile object are estimated. Here, the environment refers to the area in which the sensor moves and the three-dimensional space around it, and the position and orientation are values of six degrees of freedom that combine three-dimensional position information and orientation information of three degrees of freedom. In the following explanation, the vertical direction of the environment is the z-axis, and the mobile object basically travels on an xy plane.
本実施形態では、移動体に加わった衝撃や振動によってカメラ画像にぶれが生じ、カメラ画像の特徴点追跡による位置姿勢の計測精度が低下することを課題としている。情報処理装置が衝撃や振動の大きさと方向に応じた画像補正を実施することで安定して位置姿勢計測を実現する。 In this embodiment, the problem is that camera images are blurred by shocks or vibrations applied to a moving object, resulting in a decrease in the accuracy of measuring the position and orientation by tracking feature points in the camera image. The information processing device performs image correction according to the magnitude and direction of the shock or vibration, thereby achieving stable position and orientation measurement.
(移動体システム、位置姿勢計測システムおよび情報処理装置の構成)
図1は、本実施形態に係る移動体システム101の構成の一例を示す図である。移動体システム101は、情報処理装置103、カメラ104、を含む位置姿勢計測システム102、通信部105、制御装置106、車輪部107から構成される。
(Configurations of the moving body system, position and orientation measurement system, and information processing device)
1 is a diagram showing an example of the configuration of a
情報処理装置103はカメラ104から入力される入力情報を元に移動体の位置姿勢推定を行う。また、移動体の自律移動時は制御装置106への移動指示を行う。情報処理装置103の構成の詳細については後述する。
The
カメラ104は移動体システム101上に固定され、グレースケールの輝度画像を連続的に取得可能なカメラである。例えば、ステレオカメラである。説明の簡便のため、カメラの焦点距離や画角等の内部パラメータは既知であり、画像の歪曲は存在しないか補正された状態で画像が出力されるものとする。またカメラ104は、例えば、秒間30回のフレームレートで撮影を行う。
The
通信部105はユーザーから移動体システム601の移動・回転や、情報処理装置103が行う位置姿勢計測処理の開始、終了等に関する指示を受け取る。
The
制御装置106は情報処理装置103や通信部105の指示に基づいて車輪部107を駆動し、移動体システム101を移動・転回させる。
The
車輪部107は一部または全部が動力と連動した複数のタイヤである。
The
(情報処理装置の構成)
情報処理装置103は一般的な組み込み用PC機器の機能を備えており、CPU111、ROM112、RAM113、HDDやSSD等の記憶部114、USB等の汎用I/F115およびシステムバス116で構成される。
(Configuration of information processing device)
The
CPU111は、RAM113をワークメモリとして、ROM112、記憶部114等に格納されたオペレーティングシステム(OS)や各種コンピュータープログラムを実行し、システムバス116を介して各部を制御する。例えばCPU111が実行するプログラムには、後述する処理を実行するためのプログラムが含まれる。
The
また、情報処理装置103には汎用I/F115を通じて位置姿勢計測用のセンサー(本実施形態ではカメラ104)や、通信部105、制御装置106が接続されている。
In addition, a sensor for measuring position and orientation (
(情報処理装置の機能構成)
以下、本実施形態に係る情報処理装置の機能的な構成について説明する。以下に示す各部の処理は、ROM112等からコンピュータープログラムをRAM113上に読み込んだ後、CPU111によって該プログラムを実行することによってソフトウェアとして実施される。機能構成の一部ないし全部をASICやFPGAなどのハードウェアとして構成してもよい。
(Functional configuration of information processing device)
The functional configuration of the information processing device according to this embodiment will be described below. The processing of each unit described below is implemented as software by loading a computer program from the
図2は、情報処理装置103の機能的な構成を示すブロック図である。
Figure 2 is a block diagram showing the functional configuration of the
センサー入力情報取得部201は、汎用I/F115を通じ、位置姿勢計測用のセンサー(本実施形態ではカメラ104)からセンサー情報を取得する。本実施形態では、画像情報を取得する。
The sensor input
衝撃振動情報取得部202は、汎用I/F115を通じて取得したセンサー情報等に基づき、移動体システム101に加わった衝撃や振動の情報を取得する。
The shock and vibration
位置姿勢取得部203は、センサー入力情報取得部201が取得したセンサー情報と、衝撃振動情報取得部202が取得した衝撃や振動の情報に基づき、センサー情報の取得時刻における移動体システム101の位置姿勢を算出する。算出された位置姿勢情報は、制御装置106に出力し、移動体システム101の自動運転制御に用いる。あるいは、位置姿勢情報を不図示の表示装置に出力し、UI上での移動体システムの現在位置の表示等に用いることができる。センサー入力情報取得部201が取得したセンサー情報を外部装置に通信部105を介して送信し、外部装置で算出した位置姿勢を、通信部105を介して位置姿勢取得部205で取得することも可能である。
The position and
(位置姿勢計測処理)
次に、本実施形態の情報処理装置を使用した情報処理方法に係る、位置姿勢計測処理について図3~図6を参照し説明する。図3および以降に示すフローチャートが表す処理は、CPU111がROM112または記憶部114に記憶されるプログラムを読出し情報の演算または加工、各ハードウェアの制御を行うことで実現される。なお、各フローチャートに示すステップの一部ないし全部をASICやFPGAなどのハードウェアで実現してもよい。
(Position and orientation measurement processing)
Next, a position and orientation measurement process according to an information processing method using the information processing device of this embodiment will be described with reference to Fig. 3 to Fig. 6. The process shown in Fig. 3 and the flowcharts thereafter is realized by the
図3は、本実施形態における位置姿勢計測処理の流れを示すフローチャートである。 Figure 3 is a flowchart showing the flow of position and orientation measurement processing in this embodiment.
ステップS301では情報処理装置103の初期化を行う。情報処理装置は移動体システム101の現在の位置を環境中の原点、現在の姿勢を所定の方向(例えばY軸正方向)として初期の位置姿勢を設定する。また、センサー入力情報取得部201が各センサー(本実施形態ではカメラ104)から最初のセンサー情報を取得し、ステップS302の初回実行時に取得する「前の時刻のセンサー情報」としてワークメモリ上に保持する。
In step S301, the
続くステップS302からステップS304の処理は、ユーザー等により位置姿勢計測の終了が指示されるまで繰り返し実行される。以降の説明では、1回のステップS302からステップS304までの一連の処理を、ある時刻tの処理として説明する。ここでtは整数値であり、一連の処理を1回実施するごとに1増加する。また、時刻t=1までは平坦な面を走行していた移動体システム101が、時刻t=2において衝撃で各センサーの姿勢が大きく上方向に振られた状況を想定して説明する。衝撃の具体的な状況としては、移動体が歩道などの段差に乗り上げた状況、石や枝などの障害物をタイヤで踏んだ状況、石畳などから断続的な振動を受けている状況が考えられる。
The subsequent processing from step S302 to step S304 is repeated until an instruction to end position and orientation measurement is given by the user or the like. In the following explanation, one series of processing from step S302 to step S304 will be explained as processing at a certain time t. Here, t is an integer value, and increases by 1 each time a series of processing is performed. In addition, the following explanation assumes a situation in which the
ステップS302では、センサー入力情報取得部201が各センサーから最新のセンサー情報を取得する。また、ワークメモリ上に保持された1つ前の時刻のセンサー情報を取得する。
In step S302, the sensor input
ステップS303では、衝撃振動情報取得部202が移動体システム101に加わった衝撃や振動の情報を取得する。ステップS303の処理の詳細については後述する。
In step S303, the shock and vibration
ステップS304では、位置姿勢取得部203が移動体システム101の位置姿勢を算出する。ステップS304の処理の詳細については後述する。
In step S304, the position and
ステップS305は、位置姿勢計測処理を終了するか否かの分岐である。ユーザーの指示等により位置姿勢計測を終了する場合、処理を終了する。そうでない場合、ステップS302に戻り次の時刻の処理を行う。 Step S305 is a step where it is determined whether or not to end the position and orientation measurement process. If the position and orientation measurement is to be ended due to a user instruction or the like, the process ends. If not, the process returns to step S302 and the next processing is performed.
(衝撃振動情報取得処理の詳細)
次に、S303に示した衝撃振動情報取得処理の詳細について説明する。本実施形態では、カメラ104で取得された画像データに基づき移動体システム101が受けた衝撃や振動の大きさと方向を解析する。図4は、本実施形態における衝撃振動情報取得処理の流れを示すフローチャートである。
(Details of shock vibration information acquisition process)
Next, the shock and vibration information acquisition process shown in S303 will be described in detail. In this embodiment, the magnitude and direction of the shock or vibration received by the
ステップ401では、衝撃振動情報取得部202が、ステップS302で取得した最新および1つ前の時刻のセンサー情報のそれぞれから、カメラ104で取得された画像データを取得する。
In step S401, the impact vibration
ステップS402では、衝撃振動情報取得部202が、ステップS401で取得した2枚の画像の間で特徴点の検出と追跡を行い、追跡に成功した特徴点のモーションベクトルを取得する。
In step S402, the impact vibration
図5(a)は、時刻t=1に取得した画像と、その1つ前の時刻(t=0)の画像との間での特徴点追跡の結果を図示したものである。図中の罰点は追跡に成功した特徴点、罰点に付随する矢印は前の時刻からの特徴点の移動量(モーションベクトル)を示している。 Figure 5 (a) shows the results of feature point tracking between an image captured at time t=1 and the image captured just before that (t=0). The penalty points in the figure indicate feature points that were successfully tracked, and the arrows accompanying the penalty points indicate the amount of movement (motion vector) of the feature point from the previous time.
また、図5(b)は、次の時刻t=2に取得した画像と、その1つ前の時刻(t=1)の画像との間での特徴点追跡の結果を図示したものである。時刻t=2では、撮影時にカメラ104に衝撃が加わった結果、画像が縦方向にぶれを生じている。また、画像にぶれが生じた結果、図5(a)では追跡に成功していた特徴点のうち、一部の特徴点の追跡に失敗している。
Figure 5(b) illustrates the results of tracking feature points between the image captured at the next time t=2 and the image captured at the previous time (t=1). At time t=2, the image is blurred vertically as a result of an impact being applied to the
また、図5(c)は、時刻t=2に取得した画像の画像ぶれを補正した上で、時刻(t=1)の画像との間での特徴点追跡の結果を図示したものである。 Figure 5 (c) shows the results of tracking feature points between the image taken at time t=2 and the image taken at time (t=1) after image blurring has been corrected.
ステップS403では、衝撃振動情報取得部202が、ステップS402で取得したモーションベクトル群と、1つ前の時刻に算出したモーションベクトル群を比較し、移動体システム101に加わった衝撃の大きさと方向を解析する。具体的には、双方の時刻で追跡に成功した特徴点のモーションベクトルの差分ベクトルを算出し、その平均ベクトルを、該当時刻における衝撃ベクトル(衝撃の大きさと方向)として取得する。
In step S403, the impact vibration
(位置姿勢算出処理の詳細)
次に、S304に示した位置姿勢算出処理の詳細について説明する。本実施形態では、カメラ104で取得された画像データに基づき移動体システム101の位置姿勢を算出する。カメラ104は移動体システム101上に固定されており、その相対的な位置姿勢は既知でありRAM113に保持され、カメラ104の位置姿勢値と移動体システム101の位置姿勢値は相互に変換可能である。説明の簡便のため、以降の説明ではカメラ104と移動体システム101の位置姿勢値は同一であるものとする。
(Details of Position and Orientation Calculation Processing)
Next, the position and orientation calculation process shown in S304 will be described in detail. In this embodiment, the position and orientation of the
図6は、本実施形態における位置姿勢算出処理の流れを示すフローチャートである。 Figure 6 is a flowchart showing the flow of the position and orientation calculation process in this embodiment.
ステップS601は、位置姿勢算出にあたり画像ぶれ補正が必要か否かの分岐である。ここでは、ステップS403で取得した衝撃ベクトルの大きさが事前に設定された閾値以上である場合、画像の補正が必要であると判断し、ステップS602の処理へ進む。衝撃ベクトルの大きさの閾値は、移動体が坂道を上るときやカーブを曲がるときには画像の補正は不要と判断されるように設定する。画像の補正が不要な場合、処理はS604へ進む。ここで判定の方法は衝撃ベクトルの大きさに限定されず、例えば追跡に成功した特徴点の数または割合が閾値以下である場合に画像の補正を必要とするような判定を行うことも可能である。 Step S601 is a branch to determine whether image blur correction is required for position and orientation calculation. Here, if the magnitude of the impact vector acquired in step S403 is equal to or greater than a preset threshold, it is determined that image correction is required, and processing proceeds to step S602. The threshold for the magnitude of the impact vector is set so that it is determined that image correction is not required when the moving object is going up a slope or turning a curve. If image correction is not required, processing proceeds to S604. The method of determination here is not limited to the magnitude of the impact vector, and it is also possible to determine that image correction is required, for example, if the number or percentage of successfully tracked feature points is equal to or less than a threshold.
ステップS602では、衝撃振動情報取得部202が、ステップS403で取得した衝撃ベクトルに基づき、最新の画像に対し画像ぶれの回復処理を行う。具体的には、まず取得した衝撃ベクトルを画像の縦方向成分と横方向成分とに分解し、各々の方向の成分の大きさを算出する。続いて、既知の2次元フーリエ変換を用いて画像を空間周波数成分に変換する。その後、各空間周波数について、縦方向の周波数と衝撃ベクトルの縦方向成分の大きさとを入力とする、予め用意した2次元ルックアップテーブルに基づいて回復係数を取得し、それを積算する。これにより、縦方向の振動に起因するぼけによって低減した周波数成分の回復を行う。横方向についても同様に周波数成分の回復を行う。最後に、周波数成分を回復した空間周波数成分画像に2次元逆フーリエ変換を行い、周波数成分を回復した輝度画像を取得する。
In step S602, the shock vibration
ステップS603では、位置姿勢取得部203がステップS602で補正後の画像を使用して、再度、2つの画像間の特徴点の検出と追跡処理を行う。
In step S603, the position and
ステップS604では、位置姿勢取得部203が移動体システム101の現在位置姿勢の更新を行う。具体的には、位置姿勢取得部203は画像の補正が実施された場合は、ステップS603で、そうでない場合はステップS402での特徴点検出結果に基づき、移動体システム101の前時刻との位置姿勢差分を算出する。位置姿勢差分の算出は、具体的には、既知のバンドル調整処理を用いて行う。これは、特徴点追跡に成功した少なくとも8点以上の特徴点について、その空間中での三次元座標を仮定し、双方の画像への再投影結果と画像上での特徴点の検出位置の差(再投影誤差)が小さくなるように画像間の相対位置姿勢と特徴点の三次元座標を最適化する処理である。その際、ステレオカメラによるステレオ距離計測や過去の特徴点追跡結果から特徴点の三次元座標の推測が可能な場合は、それを三次元座標の初期値や固定値として用いることができる。
In step S604, the position and
ステップS605では、位置姿勢取得部203は前の時刻の位置姿勢にステップS604で算出した位置姿勢差分を加算し、最新の時刻の位置姿勢値を算出する。
In step S605, the position and
以上の処理により、位置姿勢計測に用いるカメラに衝撃が加わった場合においても、位置姿勢計測を安定して継続することができる。 The above process allows position and orientation measurement to continue stably even if the camera used for position and orientation measurement is subjected to an impact.
[第2の実施形態]
第1の実施形態では、位置姿勢計測用のセンサーとしてカメラを単体で使用し、カメラ画像から取得された衝撃情報に応じた位置姿勢計測処理を行う例について説明した。本実施形態では、複数のセンサーを組み合わせて位置姿勢計測処理を行う例について説明する。
Second Embodiment
In the first embodiment, an example was described in which a camera is used alone as a sensor for measuring position and orientation, and position and orientation measurement processing is performed according to impact information acquired from a camera image. In the present embodiment, an example will be described in which position and orientation measurement processing is performed by combining a plurality of sensors.
本実施形態では、位置姿勢計測用のセンサーとして、カメラに加えIMUやタイヤの駆動量を用いた位置姿勢計測を行う。これらの複数の計測方法は、その原理に応じて振動や衝撃に対する耐性が異なる。 In this embodiment, position and orientation measurement is performed using a camera, an IMU, and tire drive amount as sensors for position and orientation measurement. These multiple measurement methods have different resistance to vibration and impact depending on their principles.
例えばある種のIMUに用いられる静電容量式の加速度センサーは、想定以上の強い加速度や継続的な振動が加わった場合に精度が低下する。タイヤの駆動量を積分して移動量を求める方法は、平面上の移動を仮定するため地面の凹凸によって精度が低下し、特に段差などの縦方向の衝撃によってタイヤが浮いて空転した場合には正しい移動量の算出が困難になる。また、横方向の強い衝撃によってタイヤがスリップした場合にも正しい移動量の算出が困難になるが、このとき、衝撃の強さと移動量の推定精度の低下度合いの関係は、縦方向と横方向で差が生じる。カメラは第一の実施形態で説明したように画像ぶれが発生するものの、衝撃や振動の影響を直接受けるような機械的構造を持たないため、相対的には振動や衝撃に強いセンサーと言える。 For example, the accuracy of a capacitance-type acceleration sensor used in some types of IMU decreases when it is subjected to stronger acceleration or continuous vibration than expected. The method of calculating the amount of movement by integrating the amount of tire drive assumes movement on a flat surface, so the accuracy decreases due to unevenness of the ground, and it becomes difficult to calculate the correct amount of movement, especially when the tire floats and spins due to a vertical impact such as a step. It is also difficult to calculate the correct amount of movement when the tire slips due to a strong lateral impact, but in this case, the relationship between the strength of the impact and the degree of decrease in the accuracy of the estimation of the amount of movement differs between the vertical and horizontal directions. Although the camera generates image blur as described in the first embodiment, it does not have a mechanical structure that is directly affected by impacts and vibrations, so it can be said to be a sensor that is relatively resistant to vibration and impacts.
本実施形態では、振動や衝撃の発生状況に応じて位置姿勢計測精度が高いと推定されるセンサーの寄与度を相対的に高く設定し、複数のセンサーによる位置姿勢計測の結果を寄与度に応じて合成することにより、高精度な位置姿勢計測を実現する。 In this embodiment, the contribution of sensors that are estimated to have high position and orientation measurement accuracy depending on the occurrence of vibration or impact is set relatively high, and the results of position and orientation measurement by multiple sensors are combined according to their contribution, thereby achieving highly accurate position and orientation measurement.
(移動体システム、位置姿勢計測システムの構成)
図7は、本実施形態に係る移動体システム701の構成の一例を示す図である。本実施形態の位置姿勢計測システム702は、情報処理装置103、カメラ104、IMU704で構成されている。情報処理装置103のハードウェア構成、およびカメラ104については第一の実施形態と同様であるため、説明を省略する。本実施形態では、カメラ104、制御装置106、IMU704の3つが位置姿勢計測用のセンサーとして機能する。
(Configuration of moving body system and position and orientation measurement system)
7 is a diagram showing an example of the configuration of a
IMU704は移動体システム701上に固定された慣性センサーである。IMU704はカメラ104と同様に、汎用I/F115を通じて情報処理装置103に接続されている。IMU704は移動体システム701に加わる三次元の加速度と角速度を取得する。一方で閾値以上の強い加速度が加わった場合には加速度と角速度の取得精度が低下する特性を持つ。
The
説明の簡便のため、IMU704は移動体システム701の中心に取り付けられているものとし、以降の説明では移動体システム701の位置姿勢や加速度・角速度と、IMU704の位置姿勢や加速度・角速度は同一であるものとする。
For ease of explanation, it is assumed that the
また、カメラ104とIMU704はともに移動体システム701上に固定されており、その相対的な位置姿勢は既知であり、RAM113に保持されている。従って、カメラ104の位置姿勢情報とIMU704の位置姿勢情報(すなわち、移動体システム701の位置姿勢情報)は相互に変換が可能である。説明の簡便のため、以降の説明では、カメラ104を用いて計測された位置姿勢情報は、IMU704の位置姿勢情報に変換済みの値を示しているものとする。
In addition, both the
本実施形態に係る情報処理装置103の機能構成についても、図2に示した第1の実施形態の構成と同様のため、その詳細な説明は省略する。また、位置姿勢計測処理の基本的な流れ及び、衝撃振動情報取得処理の詳細についても、図3および図4に示した第1の実施形態と同様のため、その詳細な説明は省略する。
The functional configuration of the
(位置姿勢算出処理の詳細)
以下、本実施形態における、S304に示した位置姿勢算出処理の詳細について説明する。本実施形態では、カメラ104、制御装置106、IMU704から取得されたデータに基づき移動体システム701の位置姿勢を算出する。
(Details of Position and Orientation Calculation Processing)
The position and orientation calculation process in step S304 in this embodiment is described in detail below. In this embodiment, the position and orientation of the
図8は、本実施形態における位置姿勢算出処理の流れを示すフローチャートである。また、ステップS801からステップS803の処理は、各センサーについて同期的に並列実行される処理である。 Figure 8 is a flowchart showing the flow of the position and orientation calculation process in this embodiment. Furthermore, the processes from step S801 to step S803 are executed synchronously in parallel for each sensor.
ステップS801では、位置姿勢取得部203が第一の実施形態と同様に、カメラ104に基づく前の時刻との位置姿勢差分値を算出する。この処理は、第一の実施形態で説明したステップS601からS604の処理と同様であるため、詳細な説明を省略する。
In step S801, the position and
ステップS802では、位置姿勢取得部203が、カメラ104が1つ前の画像を取得してから最新の画像を取得するまでの間に得られた加速度と角速度の値を積分し、IMUに基づく位置姿勢差分値を算出する。
In step S802, the position and
ステップS803では、位置姿勢取得部203が、カメラ104が1つ前の画像を取得してから最新の画像を取得するまでの間に得られたタイヤの駆動量を積分し、タイヤの駆動量に基づいた位置姿勢差分値を算出する。この位置姿勢差分値は、移動体システム101が平面上を走行している仮定で算出される。従ってこの位置姿勢差分値は床など平面に相当するxy平面上での移動ベクトルと、平面に垂直なz軸に対する回転量とで構成される。
In step S803, the position and
ステップS804では、位置姿勢取得部203が、各センサーに基づいて算出された位置姿勢差分値を合成する際に使用する各センサーの寄与度を決定する。寄与度の算出は、衝撃振動情報取得部203によって算出された衝撃ベクトルに基づいて決定される。具体的には、取得した衝撃ベクトルを画像の縦方向成分と横方向成分とに分解し、各々の方向の成分の大きさと、事前にセンサーごとに設定された算出方法に基づいて寄与度の値を決定する。
In step S804, the position and
各センサーの寄与度の算出方法は、各軸の衝撃や振動の大きさを引数とした所定の関数を使用する。本実施形態では、カメラ104は他のセンサーより振動や衝撃に強いと考えられることから、位置姿勢計測の基準となるセンサーとし、カメラ104の寄与度は固定で1とする。
The contribution of each sensor is calculated using a predetermined function with the magnitude of the impact or vibration on each axis as an argument. In this embodiment, the
IMU704は、カメラ104の画像から取得される振動や衝撃の方向とは無関係に、所定の強さ以上の加速度が加わった場合に精度が低下する。従って、IMU704の寄与度は衝撃ベクトルの大きさのみを参照し、衝撃ベクトルの大きさが閾値α1以下では寄与度1、閾値α2以上では寄与度0、閾値α1とα2の間では線形に減少するような関数を使用する。閾値α1とα2は使用するIMUの耐振動性能に応じて定義した値である。 The accuracy of IMU704 decreases when an acceleration of a certain strength or greater is applied, regardless of the direction of the vibration or impact obtained from the image of camera104. Therefore, the contribution of IMU704 refers only to the magnitude of the impact vector, and uses a function such that the contribution is 1 when the magnitude of the impact vector is below threshold α1, 0 when it is above threshold α2, and decreases linearly between thresholds α1 and α2. The thresholds α1 and α2 are values defined according to the vibration resistance performance of the IMU used.
タイヤの駆動量に基づく位置姿勢差分計測は、衝撃ベクトルの縦方向成分と横方向成分のそれぞれについて寄与度を算出し、それを積算する方法をとる。縦方向については、地面の凹凸によって精度が低下し、特に衝撃によってタイヤが空転した場合に大きく精度が低下する。そのため、衝撃ベクトルの縦方向成分が0である場合には寄与度1とし、閾値β1以上である場合は寄与度0とし、0と閾値βの間では線形に減少するような関数を使用する。閾値βは、移動体システム101に垂直方向に重力加速度1G相当の衝撃が加わった場合の衝撃ベクトルの縦方向成分の大きさとして定義した値である。
The position and orientation difference measurement based on the tire drive amount calculates the contribution rate for each of the vertical and horizontal components of the impact vector and adds them up. For the vertical direction, accuracy decreases due to unevenness of the ground, and accuracy decreases significantly especially when the impact causes the tires to spin. For this reason, a function is used in which the contribution rate is 1 when the vertical component of the impact vector is 0, and 0 when it is equal to or greater than threshold value β1, and the contribution rate decreases linearly between 0 and threshold value β. Threshold value β is a value defined as the magnitude of the vertical component of the impact vector when an impact equivalent to gravitational acceleration 1G is applied to the
横方向については、タイヤがスリップしない範囲での衝撃は駆動量に基づく位置姿勢計測に大きな悪影響を生じないと考えられる一方、スリップが生じた場合は正確な位置姿勢差分の算出は不可能となる。そのため、衝撃ベクトルの横方向成分が閾値γ未満の場合は寄与度を1とし、閾値γ以上の場合は0とする。閾値γは、タイヤと想定される地面との間の摩擦係数に基づいて定義した値である。 In the lateral direction, impacts that do not cause the tire to slip are thought to have no significant adverse effect on position and orientation measurement based on the drive amount, but if slippage occurs, accurate calculation of the position and orientation difference becomes impossible. Therefore, if the lateral component of the impact vector is less than the threshold γ, the contribution is set to 1, and if it is equal to or greater than the threshold γ, it is set to 0. The threshold γ is a value defined based on the assumed coefficient of friction between the tire and the ground.
ステップS805では、位置姿勢取得部203が、ステップS801からS803で算出した各センサーに基づく位置姿勢差分値と、ステップS804で算出した各センサーの寄与度に基づき、移動体システム701の位置姿勢差分値を算出する。基本的には、各センサーで算出した位置姿勢差分をx、y、z軸の位置差分とx軸、y軸、z軸に対する回転量に分離し、各々について各センサーの寄与度を重み値とした加重平均値を算出する。ここで、タイヤの駆動量に基づいた位置姿勢差分値はz軸方向の位置差分とx軸、y軸に対する回転量の情報を持たないため、それらの重みは0として扱う。
In step S805, the position and
ステップS806では、位置姿勢取得部203は前の時刻の位置姿勢にステップS805で算出した位置姿勢差分を加算し、最新の時刻の位置姿勢値を算出し、位置姿勢を決定する。
In step S806, the position and
以上の処理により、複数のセンサーを組み合わせて位置姿勢計測処理を行う場合においても、衝撃や振動による精度の低下を抑制して位置姿勢計測を安定して行うことができる。 By performing the above processing, even when performing position and orientation measurement processing by combining multiple sensors, it is possible to suppress deterioration of accuracy due to shocks and vibrations and perform stable position and orientation measurement.
[変形例]
第一の実施形態ではカメラを使用した位置姿勢計測方法として、複数の画像の特徴点追跡結果から算出した位置姿勢差分を初期位置姿勢値に加算していく方法を例にとり説明したが、カメラを使用した位置姿勢計測方法はこれに限定されない。例えばSLAM(Simultaneous Localization and Mapping)やSVO(Semi-Direct Monocular Visual Odometry)といった既知の位置姿勢計測方法を利用しても良い。
[Modification]
In the first embodiment, a method of adding a position and orientation difference calculated from the feature point tracking results of a plurality of images to an initial position and orientation value is described as an example of a position and orientation measurement method using a camera, but the position and orientation measurement method using a camera is not limited to this. For example, a known position and orientation measurement method such as SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) or SVO (Semi-Direct Monocular Visual Odometry) may be used.
SLAMを用いる場合について、具体的に説明する。移動体システムは、環境の地図情報として、カメラを載せた移動体が走行する環境における物体の形状特徴を示す3次元点群の情報を保持する。3次元点群の情報は、画像特徴点の世界座標における3次元座標のことである。環境に存在する物体の形状を撮像した画像をもとに、あらかじめ環境の地図情報が生成され、記憶装置に保持されている。位置姿勢取得部203は、入力画像と地図情報とに基づいて、入力画像上の特徴点(形状を示すエッジ特徴)の位置と、入力画像を撮像したときのカメラの位置姿勢を用いて地図上の特徴点を入力画像上に投影したときの位置の差(再投影誤差)を最小化する。これによりカメラの位置姿勢を推定する。
A specific example of using SLAM will be described. The mobile system holds, as map information of the environment, 3D point cloud information indicating the shape features of objects in the environment in which the mobile body carrying the camera travels. The 3D point cloud information is the 3D coordinates in world coordinates of image feature points. Map information of the environment is generated in advance based on an image capturing the shapes of objects existing in the environment and is stored in a storage device. Based on the input image and map information, the position and
また、それらの手法を用いて位置姿勢計測と同時に移動体周囲の環境地図を作成するような環境地図作成システムについても、本発明の範疇である。 The scope of this invention also includes environmental map creation systems that use these techniques to create an environmental map of the surroundings of a moving object at the same time as measuring its position and orientation.
第二の実施形態ではカメラ、IMU、タイヤ駆動量のそれぞれのセンサーに基づく位置姿勢計測を行い、その結果を振動衝撃情報に基づいて合成する方法を説明したが、使用可能なセンサーはこれらに限定されない。例えばセンサーにLiDAR(Laser Imaging Detection and Ranging)を追加したり、一部を置き換えたりしても良い。一般にミラー回転式のLiDARは機械的な回転機構を持つため衝撃によって精度が低下し易く、振動や衝撃の発生時はカメラより低い寄与度を設定するのが良い。一方でMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)式のLiDARは機械的な機構を持たず。カメラのような画像ぶれが小さいため、強い衝撃に対してはカメラより高い寄与度を設定する。 In the second embodiment, a method was described in which position and orientation measurements were performed based on the respective sensors of the camera, IMU, and tire drive amount, and the results were synthesized based on vibration and impact information, but the sensors that can be used are not limited to these. For example, LiDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) may be added to the sensor or some may be replaced. In general, mirror rotation type LiDAR has a mechanical rotation mechanism, so its accuracy is easily reduced by impact, and it is better to set a lower contribution level than the camera when vibration or impact occurs. On the other hand, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type LiDAR does not have a mechanical mechanism. Since image blurring like a camera is small, a higher contribution level than the camera is set for strong impacts.
あるいは、GNSS(Global Navigation Satellite System)により取得した位置情報を利用したり、移動体の外に設置されたカメラ等のセンサーで移動体システムを観測した結果から算出した位置姿勢値を使用しても良い。例えば、走行中の移動体システムを捉えた監視カメラの映像をサーバーマシン上で処理し、映像中で画像認識された移動体システムの位置姿勢情報算出し、通信部を通じて移動体システムに伝達する方法が考えられる。 Alternatively, position information obtained by GNSS (Global Navigation Satellite System) may be used, or position and orientation values calculated from the results of observing the mobile system with a sensor such as a camera installed outside the mobile body may be used. For example, a method is conceivable in which video from a surveillance camera capturing the mobile system while it is moving is processed on a server machine, and the position and orientation information of the mobile system recognized in the video is calculated and transmitted to the mobile system via a communication unit.
第二の実施形態では所定の数式に基づいて各センサーの寄与度の算出を行った。しかしながら、寄与度の算出方法はこれに限らず、取得した振動や衝撃の情報から推定される位置姿勢計測精度が高いセンサーに相対的に高い寄与度を設定する方法であれば良い。例えば衝撃ベクトルの縦方向成分と横方向成分の大きさを入力とした二次元ルックアップテーブルを使用しても良い。あるいは該当の時刻に取得された衝撃ベクトルのみでなく、直近の各時刻における衝撃ベクトルの履歴に基づいて寄与度を決定してもよい。 In the second embodiment, the contribution of each sensor was calculated based on a predetermined formula. However, the method of calculating the contribution is not limited to this, and any method may be used as long as it sets a relatively high contribution to a sensor with high position and orientation measurement accuracy estimated from the acquired vibration and impact information. For example, a two-dimensional lookup table may be used in which the magnitudes of the vertical and horizontal components of the impact vector are input. Alternatively, the contribution may be determined based not only on the impact vector acquired at the relevant time, but also on the history of impact vectors at each recent time.
あるいは、振動や衝撃の情報以外の情報を加味して寄与度を決定しても良い。例えば、タイヤの駆動量やGNSSに基づく位置姿勢計測は理想状態においても他のセンサーより相対的に精度が低いと考え、寄与度をより低く設定する処理を行っても良い。あるいは、前輪後輪を持つような車両ではステアリング操作中にタイヤに一定の滑りが発生することから、移動体をカーブさせる制御を行っている間はタイヤの駆動量に基づく位置姿勢計測の寄与度を下げる処理を行っても良い。 Alternatively, the degree of contribution may be determined by taking into account information other than vibration and impact information. For example, the degree of contribution may be set lower by considering that the accuracy of tire drive amount and position and orientation measurement based on GNSS is relatively lower than other sensors even in ideal conditions. Alternatively, in a vehicle with front and rear wheels, a certain amount of tire slippage occurs during steering operation, so that the degree of contribution of position and orientation measurement based on tire drive amount may be reduced while control is being performed to turn the moving body.
第一の実施形態および第二の実施形態では衝撃振動取得手段としてカメラ画像の特徴点追跡結果を利用したが、本発明に利用可能な衝撃振動取得手段はこれに限定されない。また、第一の実施形態および第二の実施形態では衝撃や振動の大きさに加えて方向を2軸で取得したが、衝撃や振動の方向の取得は必須ではなく、また取得する場合の形式もこれに限定されない。例えばIMUから加速度の値を3軸で取得しても良い。あるいは、衝撃や振動の大きさのみを取得しても良い。 In the first and second embodiments, the results of tracking feature points in a camera image are used as a means for acquiring shock vibration, but the means for acquiring shock vibration that can be used in the present invention are not limited to this. Also, in the first and second embodiments, in addition to the magnitude of the shock or vibration, the direction is acquired in two axes, but acquiring the direction of the shock or vibration is not essential, and the format in which it is acquired is also not limited to this. For example, acceleration values may be acquired in three axes from the IMU. Alternatively, only the magnitude of the shock or vibration may be acquired.
また、衝撃や振動情報の取得は移動体システム上のセンサーの情報以外を利用しても良い。例えば、走行中の移動体システムを観測可能な位置から捉えた監視カメラなどの外部装置の映像をサーバーマシン上で処理し、映像中で画像認識された移動体システムの揺動具合を解析し、通信部を通じて移動体システムに伝達しても良い。振動具合は、映像を解析して得られる特徴点を追跡することにより得られる。特徴点の追跡方法は、ステップS402で説明した方法を用いることができる。あるいは、情報処理装置上に記憶された電子的な地図データから、位置姿勢情報に紐づいて予測される振動や衝撃の大きさを取得しても良い。具体的には、地図上に記録された段差や悪路の位置情報を取得し、その箇所では所定の大きさの衝撃や振動が発生するものとして位置姿勢計測を行う。 In addition, shock and vibration information may be obtained using information other than that of a sensor on the mobile system. For example, video of an external device such as a security camera capturing a moving mobile system from a position where the mobile system can be observed may be processed on a server machine, and the degree of shaking of the mobile system recognized in the video may be analyzed and transmitted to the mobile system via a communication unit. The degree of vibration may be obtained by tracking feature points obtained by analyzing the video. The method of tracking the feature points may be the method described in step S402. Alternatively, the magnitude of vibration or impact predicted in accordance with position and orientation information may be obtained from electronic map data stored on an information processing device. Specifically, position information of steps and rough roads recorded on a map is obtained, and position and orientation measurement is performed assuming that a predetermined magnitude of shock or vibration will occur at that location.
第一の実施形態のように画像に対しぶれ補正処理を行う場合で、3軸の衝撃や振動の情報を取得した場合、3軸の情報を画像平面上に投影して2軸の衝撃や振動の情報に変換することで、第一の実施形態と同様にぶれ補正処理を実施することができる。あるいは衝撃や振動の大きさのみの情報を取得した場合、画像上の方向の区別をせずにぶれ補正処理を行う。 When performing blur correction processing on an image as in the first embodiment, if three-axis shock or vibration information is acquired, the three-axis information can be projected onto the image plane and converted into two-axis shock or vibration information, allowing blur correction processing to be performed in the same manner as in the first embodiment. Alternatively, if only information on the magnitude of the shock or vibration is acquired, blur correction processing is performed without distinguishing between directions on the image.
また第二の実施形態のように振動や衝撃の情報に応じて各センサーの寄与度の設定を行う場合では、取得した振動や衝撃の情報の軸数に応じた関数やルックアップテーブルを使用して寄与度を算出して良い。あるいはより少ない軸数に変換した振動や衝撃の情報に基づいて寄与度を算出して良い。 When the contribution of each sensor is set according to vibration or impact information as in the second embodiment, the contribution may be calculated using a function or lookup table according to the number of axes of the acquired vibration or impact information. Alternatively, the contribution may be calculated based on vibration or impact information converted into a smaller number of axes.
第一の実施形態および第二の実施形態では車輪部として複数のタイヤを具備した移動体システムを例にとり説明したが、移動体システムの車輪部はこれに限定されない。例えばマルチコプターのような飛行物体であっても良いし、複数の脚部を持つ歩行型の移動体であってもよい。また、ユーザーが搭乗し直接操作できるような有人の移動体であっても良い。さらには、事前に設定したルート上を自律走行する機能を備えた移動体であってもよい。 In the first and second embodiments, a mobile body system having multiple tires as the wheel portion has been described as an example, but the wheel portion of the mobile body system is not limited to this. For example, the mobile body system may be a flying object such as a multicopter, or a walking mobile body with multiple legs. It may also be a manned mobile body that a user can board and directly operate. It may also be a mobile body equipped with the function of autonomously traveling on a pre-set route.
本発明は、上述の実施例の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピューターにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention can also be realized by supplying a program that realizes one or more of the functions of the above-mentioned embodiments to a system or device via a network or storage medium, and having one or more processors in the computer of the system or device read and execute the program. It can also be realized by a circuit (e.g., an ASIC) that realizes one or more functions.
101 移動体システム
102 位置姿勢計測システム
103 情報処理装置
104 カメラ
105 通信部
106 制御装置
107 車輪部
201 センサー入力情報取得部
202 衝撃振動情報取得部
203 位置姿勢取得部
REFERENCE SIGNS
Claims (10)
前記移動体の振動によって前記センサーが受ける振動の大きさと方向を含む振動情報を取得する振動情報取得手段と、
前記センサーが閾値を超える大きさの振動を受けている場合に、前記入力情報取得手段で取得した前記入力情報を、前記振動情報を用いて補正した補正後の入力情報に基づいて、前記移動体の位置姿勢を取得する位置姿勢取得手段と、を有することを特徴とする情報処理装置。 An input information acquisition means for acquiring input information from a sensor mounted on the moving object;
a vibration information acquiring means for acquiring vibration information including a magnitude and a direction of vibration received by the sensor due to vibration of the moving body;
and a position and orientation acquisition means for acquiring a position and orientation of the moving body based on corrected input information obtained by correcting the input information acquired by the input information acquisition means using the vibration information when the sensor is subjected to vibration exceeding a threshold value .
前記移動体の振動によって前記センサーが受ける振動の大きさと方向を含む振動情報を取得する振動情報取得手段と、
前記振動情報を用いて補正した補正後の入力情報に基づいて、前記移動体の位置姿勢を取得する位置姿勢取得手段と、を有し、
前記振動情報取得手段は、前記移動体を観測可能な外部装置が撮像した前記移動体の画像情報から得られる特徴点を追跡することにより、前記振動情報を取得することを特徴とする情報処理装置。 An input information acquisition means for acquiring input information from a sensor mounted on the moving object;
a vibration information acquiring means for acquiring vibration information including a magnitude and a direction of vibration received by the sensor due to vibration of the moving body;
a position and orientation acquisition means for acquiring a position and orientation of the moving object based on input information corrected by using the vibration information,
The information processing device, characterized in that the vibration information acquisition means acquires the vibration information by tracking feature points obtained from image information of the moving object captured by an external device capable of observing the moving object.
前記移動体の振動によって前記センサーが受ける振動の大きさと方向を含む振動情報を取得する振動情報取得手段と、
前記振動情報を用いて補正した補正後の入力情報に基づいて、前記移動体の位置姿勢を取得する位置姿勢取得手段と、を有し、
前記入力情報取得手段は、前記移動体に搭載された撮像センサーから画像情報を取得し、
前記振動情報取得手段は、前記画像情報から得られる特徴点を追跡することにより、前記振動情報を取得することを特徴とする情報処理装置 An input information acquisition means for acquiring input information from a sensor mounted on the moving object;
a vibration information acquiring means for acquiring vibration information including a magnitude and a direction of vibration received by the sensor due to vibration of the moving body;
a position and orientation acquisition means for acquiring a position and orientation of the moving object based on input information corrected by using the vibration information,
the input information acquisition means acquires image information from an image sensor mounted on the moving object;
the vibration information acquiring means acquires the vibration information by tracking feature points obtained from the image information.
前記振動情報取得手段は、前記地図情報に含まれる環境の情報に基づいて、前記振動情報を取得することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の情報処理装置。 The mobile device further includes a means for acquiring map information of an environment in which the mobile object moves,
5. The information processing apparatus according to claim 1 , wherein the vibration information acquisition means acquires the vibration information based on environmental information included in the map information.
前記移動体が受ける振動の大きさと方向を含む振動情報を取得する振動情報取得手段と、
前記振動情報に基づいて、前記入力情報それぞれを用いて取得した前記移動体の位置姿勢に重みを付けて前記移動体の位置姿勢を決定する位置姿勢決定手段と、を有することを特徴とする情報処理装置。 An input information acquisition means for acquiring input information from each of a plurality of sensors mounted on the moving object;
a vibration information acquiring means for acquiring vibration information including a magnitude and a direction of the vibration received by the moving body;
and a position and orientation determining means for determining a position and orientation of the moving body by weighting the position and orientation of the moving body acquired using each of the input information based on the vibration information.
前記移動体の振動によって前記センサーが受ける振動の大きさと方向を含む振動情報を取得する振動情報取得工程と、
前記センサーが閾値を超える大きさの振動を受けている場合に、前記入力情報取得工程で取得した前記入力情報を、前記振動情報を用いて補正した補正後の入力情報に基づいて、前記移動体の位置姿勢を取得する位置姿勢取得工程と、を有することを特徴とする情報処理方法。 An input information acquisition step of acquiring input information from a sensor mounted on the moving object;
a vibration information acquiring step of acquiring vibration information including a magnitude and a direction of vibration received by the sensor due to vibration of the moving body;
and a position and orientation acquisition step of acquiring a position and orientation of the moving body based on corrected input information obtained by correcting the input information acquired in the input information acquisition step using the vibration information when the sensor is subjected to vibration exceeding a threshold value .
前記移動体の振動によって前記センサーが受ける振動の大きさと方向を含む振動情報を取得する振動情報取得工程と、
前記振動情報に基づいて、前記入力情報それぞれを用いて取得した前記移動体の位置姿勢に重みを付けて前記移動体の位置姿勢を決定する位置姿勢決定工程と、を有することを特徴とする情報処理方法。 An input information acquisition step of acquiring input information from each of a plurality of sensors mounted on the moving object;
a vibration information acquiring step of acquiring vibration information including a magnitude and a direction of vibration received by the sensor due to vibration of the moving body;
and a position and orientation determination step of determining a position and orientation of the moving body by weighting the position and orientation of the moving body obtained using each of the input information based on the vibration information.
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