JP6986706B2

JP6986706B2 - 水上移動体制御装置

Info

Publication number: JP6986706B2
Application number: JP2018008671A
Authority: JP
Inventors: 剣一水野; 修谷口; 直行武居
Original assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd; Tokyo Metropolitan Public University Corp
Current assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd; Tokyo Metropolitan Public University Corp
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2038-01-23
Also published as: JP2019127089A

Description

本発明は、主に桟橋や橋脚等の保守点検作業や補修作業等に使用される水上移動体を制御する水上移動体制御装置に関する。

従来、桟橋等の港湾構造物では、小型船や作業用筏等の水上移動体に作業員が搭乗し、点検作業や補修作業を行っている。

この水上移動体による作業は、波浪や潮流によって水上移動体が安定しないことから、例えば、桟橋を支持する杭にロープ等を巻き付けて水上移動体を固定した状態とし、その状態で作業が行われている。

しかしながら、水上移動体を杭等に固定する作業は、一人で行うことが困難なうえ、移動を伴う作業の場合、移動毎に杭等への固定作業と離脱作業とを繰り返す必要があり煩雑であった。

そこで、近年では、ＧＮＳＳを用いて水上移動体の位置を測定し、その位置情報に基づいてスラスタを制御し、水上移動体を所定の位置に維持するようにしたものも開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１４−２４４２１号公報

しかしながら、上述の如き従来の技術では、桟橋の上部工下に侵入して作業を行うことが多く、構造物に電波が遮断されて位置の測定が困難な場合が多いという問題があった。

そこで、本発明は、このような従来の問題に鑑み、桟橋や橋梁下などにおいても好適に位置を特定でき、所定の位置を維持することができる水上移動体制御装置の提供を目的としてなされたものである。

上述の如き従来の問題を解決するための請求項1に記載の発明の特徴は、複数の推進手段を備えた水上移動体が所定の位置を維持するための水上移動体制御装置において、前記水上移動体に設置されたカメラと、該カメラによって撮影された画像の特徴量を算出するそれぞれアルゴリズムの異なる複数の特徴量算出手段と、該各特徴量算出手段によって算出された特徴量に基づき処理変換行列を算出し、該処理変換行列によって前記水上移動体の移動量及び回転量を算出する変換処理手段と、該変換処理手段によって算出された移動量及び回転量に基づいて前記複数の推進手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、該各特徴量算出手段によって算出された特徴量に基づき算出された前記水上移動体の移動量又は回転量の最も近い値の差が所定範囲内に属するかを判定する判定部と、該所定範囲内に属する二つの移動量及び回転量の平均値を算出する制御値確定部とを備え、該移動量と回転量の平均値に基づき前記複数の推進手段を制御し、前記水上移動体が前記所定の位置が維持されるようにしたことにある。

請求項２に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、前記カメラを水平方向及び上下方向に回転可能に支持するジンバル機構と、該ジンバル機構を制御するジンバル制御手段と、前記カメラの揺動を検知する揺動検知手段とを備え、前記カメラの向きが所望の方向に自動的に維持されるようにしていることにある。

請求項３に記載の発明の特徴は、複数の推進手段を備えた水上移動体を所定の位置に維持するための水上移動体の制御方法において、前記水上移動体に設置されたカメラによって撮影された画像の特徴量をそれぞれアルゴリズムの異なる複数の特徴量算出手段によって算出し、該算出された特徴量に基づき処理変換行列を算出し、該処理変換行列によって前記水上移動体の移動量及び回転量を算出した後、該各特徴量算出手段によって算出された特徴量に基づき算出された前記水上移動体の移動量又は回転量の最も近い値の差が所定範囲内に属するかを判定するとともに、該所定範囲内に属する二つの移動量及び回転量の平均値を算出し、該移動量と回転量の平均値に基づき前記水上移動体を制御し、前記水上移動体を前記所定の位置に維持することにある。

本発明に係る水上移動体制御装置は、請求項１に記載の構成を具備することによって、桟橋下などのように電波が遮断される状況においても所定の位置（静止位置）を正確に特定し、かつ、その位置からの移動量及び回転量を正確に把握することができ、その情報に基づき推進手段を制御することによって、所定の位置に水上移動体を維持することができる。

また、本発明において、請求項２に記載の構成を具備することによって、波浪などによる揺れによる画像の回転（ロール、チルト）を除外し、より正確な制御が可能となる。

また、本発明において、請求項３に記載の構成を具備することによって、桟橋下などのように電波が遮断される状況においても所定の位置（静止位置）を正確に特定し、かつ、その位置からの移動量及び回転量を正確に把握することができ、その情報に基づき推進手段を制御することによって、所定の位置に水上移動体を維持することができる。

（ａ）本発明に係る水上移動体制御装置を備えた水上移動体の一例を示す平面図、（ｂ）は同正面図、（ｃ）は同底面図である。同上の制御装置の概略を示すブロック図である。同上の水上移動体の使用態様を示す側面図である。同上の制御装置による制御方法の過程を示すフローチャートである。

次に、本発明に係る水上移動体制御装置の実施態様を図１〜図４に示した実施例に基づいて説明する。図中符号１は水上移動体、符号２は水面、符号３は桟橋等の構造物である。

水上移動体１は、平面視円形状の船体４と、船底に取り付けられた複数の推進手段５，５…とを備え、制御装置によって各推進手段５，５…を制御することにより所定の位置を維持できるようになっている。尚、図中符号６は、推進手段５，５…及び制御装置用の電源である。

水上移動体１は、水上に安定した状態で浮かべられる平面視円形状に形成され、特に図示しないが、移動用の船外機を備え、自由に移動できるようになっている。

推進手段５，５…は、例えば、回転により推進力を発生させる推進用プロペラを備えたスラスタであって、船体４に対し時計回りの推進力発生する一対のスラスタと、反時計回りの推進力を発生させる一対のスラスタとが互いに９０度位置を違えて配置されている。

各推進手段５は、制御装置によって回転、停止、出力が各々独立して制御されるようになっている。

制御装置は、水上移動体に設置されたカメラ７と、カメラ７によって撮影された画像の特徴量を算出するそれぞれアルゴリズムの異なる複数の特徴量算出手段８ａ〜８ｃと、各特徴量算出手段８ａ〜８ｃによって算出された特徴量に基づき処理変換行列を算出し、処理変換行列によって水上移動体１の移動量ΔＸ，ΔＹ及び回転量Δｒを算出する変換処理手段９と、変換処理手段９によって算出された移動量ΔＸ，ΔＹ及び回転量Δｒに基づいて水上移動体１を制御する制御手段１０とを備え、水上移動体１が所定の位置を維持するようにしている。

カメラ７は、光軸を所定の方向に向けてジンバルユニット１１を介して船体４に設置されている。

ジンバルユニット１１は、図１に示すように、カメラ７を水平方向及び上下方向に回転可能に支持するジンバル機構と、ジンバル機構を制御するジンバル制御手段と、カメラ７の揺動を検知する図示しないセンサからなる揺動検知手段とを備え、カメラ７の向きが所望の方向に自動的に維持されるようになっている。

特徴量算出手段８ａ〜８ｃ、変換処理手段９及び制御手段１０は、図２に示すように、コンピュータ機器１２によって構成され、各種プログラムを実行することによって、制御に必要な過程が順次実行されるようになっている。

特徴量算出手段８ａ〜８ｃは、ＯＲＢ、ＢＲＩＳＫ、ＫＡＺＥ、Ａ−ＫＡＺＥ等の異なるアルゴリズムからなる画像処理手法の中から３手法を適宜選択して使用し、カメラ７で撮像した画像において各特徴量算出手段８ａ〜８ｃによりそれぞれ特徴点を抽出し、その特徴点の特徴量を制御開始から随時算出し、記録するようになっている。

変換処理手段９は、各特徴量算出手段８ａ〜８ｃによって算出された特徴量の３以上の対応点を用いてホモグラフィー行列（処理変換行列）Ｈを算出する。

具体的には、初期画像上の任意の座標を（Ｘ１，Ｙ１，１）、移動画像上の座標を（Ｘ２，Ｙ２，１）とすると、両座標には以下のような関係となる。

尚、ｓはホモグラフィー行列のスケールリングに基づく係数、Ｈはホモグラフィー行列である。

そして、初期画像上の任意の３点ａ、ｂ、ｃの座標を（Ｘ1a，Ｙ1a）、（Ｘ1b，Ｙ1b）、（Ｘ1c，Ｙ1c）とし、その３点の移動画像上の座標を（Ｘ2a，Ｙ2a）、（Ｘ2b，Ｙ2b）、（Ｘ2c，Ｙ2c）とすると、例えば、両座標は以下の式で表される。

このため、以下の式の逆行列が得られれば、Ｈを算出することができる。

また、ホモグラフィー行列Ｈは、以下の式で表される。

尚、ｈ１１、ｈ１２、ｈ２１、ｈ２２は回転項、ｈ１３、ｈ２３は移動項、ｈ３１、ｈ３２は台形状変換項である。

よって、座標変換の結果が分かれば、数式１及び２に基づいてホモグラフィー行列が算出され、変換処理手段９は、ホモグラフィー行列Ｈが定まれば、水上移動体１の移動量ΔＸ、ΔＹを以下の式によって求める。

尚、ａは解像度に基づく係数である。

また、水上移動体の回転量Δｒは、次式によって求められる。

制御手段１０は、各特徴量算出手段８ａ〜８ｃによって算出された特徴量に基づき算出された水上移動体１の移動量ΔＸ、ΔＹの最も近い値の差が所定範囲内に属するかを判定する判定部と、所定範囲内に属する二つの移動量及び回転量の平均値を算出する制御値確定部とを備え、判定部において所定範囲内であると判断した場合には、移動量と回転量の平均値に基づき水上移動体を制御し、範囲外であると判断した場合には、制御を行わず、再度画像を取得するようになっている。

次に、このような制御装置を使用した水上移動体の制御方法について説明する。

先ず、水上移動体１を移動させ、図２に示すように、桟橋等の構造物３下に移動し、作業を行う所定の位置において停船させ、その位置において、桟橋等の構造物３の下面３ｂにカメラ７を向けて撮影を開始する。

その際、カメラ７がジンバルユニット１１によって支持されているので、波浪等による揺れの影響を排除し、水上移動体１の移動にともなう画像の変化のみを撮像できるようになっている。

制御装置は、各ＯＲＢ、ＢＲＩＳＫ、ＫＡＺＥ、Ａ−ＫＡＺＥ等の三種のそれぞれ異なるアルゴリズムからなる特徴量算出手段８ａ〜８ｃによって所定の位置（初期位置）における特徴点を抽出し、その特徴量をそれぞれ算出し、記録する（ｓ４）。

また、制御装置は、随時撮影された画像に基づいてＯＲＢ、ＢＲＩＳＫ、ＫＡＺＥ、Ａ−ＫＡＺＥ等の三種のそれぞれ異なるアルゴリズムからなる特徴量算出手段８ａ〜８ｃによって特徴点を抽出し、その特徴量をそれぞれ算出する（ｓ５）。

さらに、上記式１〜４を用いて、初期位置における特徴量及びその後に撮影された画像に基づく特徴量によってホモグラフィー行列を算出し（ｓ６）、このホモグラフィー行列によって移動量ΔＸ及びΔＹ、回転量Δｒを算出する（ｓ７）。

そして、制御手段１０は、それぞれ異なる３つの特徴量算出手段８ａ〜８ｃで算出された移動量ΔＸ及びΔＹを判定部で比較し（ｓ８）、３つのうちの値の近い二つ手法の結果の差が所定の範囲（例えば、１ｃｍ）以内である場合には、誤差が少ないものとして所定範囲内の移動量ΔＸ及びΔＹ、回転量Δｒの平均値を算出し（ｓ９）、その平均値に基づいて推進手段５，５…を制御し、水上移動体をもとの位置に復帰させる（ｓ１０）。

一方、３つのうちの値の近い二つ手法の結果の差が所定の範囲（例えば、１ｃｍ）より大きい場合には、誤差が大きいと判断し、新たに画像を取得し、その画像に基づいてＯＲＢ、ＢＲＩＳＫ、ＫＡＺＥ、Ａ−ＫＡＺＥ等の三種のそれぞれ異なるアルゴリズムからなる特徴量算出手段８ａ〜８ｃによって特徴点を抽出し、その特徴量をそれぞれ算出し、上記ｓ５〜ｓ８の作業を繰り返す。

このように構成された水上移動体制御装置は、ｓ５〜ｓ１０の過程を繰り返すことによって、画像処理による誤差を排除し、正確に初期位置からの移動量を把握し、それに基づいて水上移動体を制御するので、正確に所定の位置に水上移動体を維持することができる。

また、水上移動体１を移動させた際には、移動させた位置においてｓ３〜ｓ１０の過程を繰り返す。

尚、特徴量算出手段８ａ〜８ｃは、上述したＯＲＢ、ＢＲＩＳＫ、ＫＡＺＥ、Ａ−ＫＡＺＥに限定されるものではなく、その他のアルゴリズムに基づいた特徴量算出手段８ａ〜８ｃを用いてもよく、また、使用する特徴量算出手段８ａ〜８ｃは、３つに限定されず、それ以上の複数の特徴量算出手段８ａ〜８ｃを用いてもよい。

また、上述の実施例では、船体４として円形ボートを使用した例について説明したが、船体４の態様は、これに限定されず、一般的なボートや筏等であってもよい。

１水上移動体
２水面
３構造物（桟橋）
４船体
５推進手段（スラスタ）
６電源
７カメラ
８ａ〜８ｃ特徴量算出手段
９変換処理手段
１０制御手段
１１ジンバルユニット
１２コンピュータ機器

Claims

複数の推進手段を備えた水上移動体が所定の位置を維持するための水上移動体制御装置において、
前記水上移動体に設置されたカメラと、
該カメラによって撮影された画像の特徴量を算出するそれぞれアルゴリズムの異なる複数の特徴量算出手段と、
該各特徴量算出手段によって算出された特徴量に基づき処理変換行列を算出し、該処理変換行列によって前記水上移動体の移動量及び回転量を算出する変換処理手段と、
該変換処理手段によって算出された移動量及び回転量に基づいて前記複数の推進手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、該各特徴量算出手段によって算出された特徴量に基づき算出された前記水上移動体の移動量又は回転量の最も近い値の差が所定範囲内に属するかを判定する判定部と、該所定範囲内に属する二つの移動量及び回転量の平均値を算出する制御値確定部とを備え、該移動量と回転量の平均値に基づき前記複数の推進手段を制御し、前記水上移動体が前記所定の位置が維持されるようにしたことを特徴とする水上移動体制御装置。
前記カメラを水平方向及び上下方向に回転可能に支持するジンバル機構と、該ジンバル機構を制御するジンバル制御手段と、前記カメラの揺動を検知する揺動検知手段とを備え、前記カメラの向きが所望の方向に自動的に維持されるようにしている請求項１に記載の水上移動体制御装置。
複数の推進手段を備えた水上移動体を所定の位置に維持するための水上移動体の制御方法において、
前記水上移動体に設置されたカメラによって撮影された画像の特徴量をそれぞれアルゴリズムの異なる複数の特徴量算出手段によって算出し、
該算出された特徴量に基づき処理変換行列を算出し、該処理変換行列によって前記水上移動体の移動量及び回転量を算出した後、
該各特徴量算出手段によって算出された特徴量に基づき算出された前記水上移動体の移動量又は回転量の最も近い値の差が所定範囲内に属するかを判定するとともに、該所定範囲内に属する二つの移動量及び回転量の平均値を算出し、該移動量と回転量の平均値に基づき前記複数の推進手段を制御し、前記水上移動体を前記所定の位置に維持することを特徴とする水上移動体の制御方法。