説明

イメージ拡張型の慣性航行システム(IAINS)および方法

輸送手段(10)上に搭載されたイメージ拡張型の慣性航行システム(LAWS)は、航行状態ベクトルを推定するように構成された慣性航行システム(INS)と、イメージャーの視野(x,y,z)を通過する地形特徴に関連するピクセル信号を出力するように構成されたイメージャー(12)とを含む。システム(IAINS)は、慣性航行システム(INS)とイメージャー(12)とに動作可能に接続された処理装置をさらに含む。処理装置は、特徴ピクセル信号に関連する所与の画像フレームに対して、イメージャーからイメージャーの視野を通過する1つまたは複数の地形特徴の中心までの距離を感知するように構成される。処理装置はまた、地形特徴がイメージャーの視野を通過するにつれて、各地形特徴を追跡するようにも構成される。処理装置はさらに、追跡された地形特徴に関する慣性航行システム(INS)の計算されたNED(前、右、下)座標位置情報に基づき、慣性航行システム(INS)の航行状態ベクトルを更新するように構成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、その開示が参照により本明細書に組み込まれている、2004年6月2日に出願された、米国仮出願第60/576,037号の35U.S.C.§119(e)に基づく優先権の利益を主張するものである。
【0002】
本開示は輸送手段(vehicle)を航行させるためのシステムおよび方法に関する。特に、本開示は輸送手段用のイメージ拡張型(image−augmented)の慣性航行システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0003】
疎結合な慣性航行システム(INS)の一般的な方法は、車体の航行状態ベクトル(ナビゲーション状態ベクトル、navigation state vector)の推定値を決定するために2つのステップを実行する:すなわち、(1)感知された加速度(sensed accelerations)および車体速度の数値(またはその他の)積分法による航行状態ベクトルの伝搬、および(2)外部支援ソース(external aiding sources)を用いた航行状態ベクトルへの更新(または修正)である。外部支援ソースは1つまたは複数の幅広いソースであってよく、最も一般的なものは、例えば、米国の全地球測位システム(GPS)などの衛星ベースの航行システムである。そのようなINSソリューションは、その輸送手段が地上、空中、宇宙、または海のいずれを進む輸送手段であっても、輸送手段の航行に用いられる。しかし時には、GPSなどの外部支援ソースは様々な理由から利用不可能になる場合がある。例えば、GPSは妨害を受ける場合があり、または位置によって利用不可能になる場合がある。
【0004】
GPSなどの外部支援ソースの利用不可能性を克服する1つの可能な方法は、画像処理による伝統的な航行法を含む。画像処理による伝統的な航行法は、知られている保存された画像に関して新たに検出された画像の位置を登録する。そのような奏功する地理的登録では、画像位置の前、右、および下(North,East,and Down)(NED)の座標はINSから得られた航行状態ベクトルを更新するための外部支援ソースとして用いられてよい。しかし、リアルタイムの地理的登録は非常に演算処理装置(CPU)に負荷がかかるため、そのような画像ベースの地理的登録は、通常、非常に強力なCPUを必要とする。非常に強力なCPUを使用することは、ひどく高価である可能性があり、または一定のアプリケーションに利用不可能な空き領域が必要になる可能性がある。
【0005】
前述の欠点の結果として、GPSなどのNED外部支援ソースが利用不可能になる状態においてさえ、そのようなシステムを搭載する輸送手段が継続的な航行ソリューションを得ることを可能にする航行システムを提供することが望ましい場合がある。さらに、強力なCPUを必要としない航行システムを提供することが望ましい場合がある。
【特許文献1】米国仮出願第60/576,037号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
1つまたは複数の前述の欠点を克服する要望が存在する可能性がある。開示された例示的なシステムおよび方法は、1つまたは複数の前述の欠点を満たすことを探求する可能性がある。現在開示されたシステムおよび方法は1つまたは複数の前述の欠点を回避する可能性があるが、開示されたシステムおよび方法のいくつかの態様は、必ずしもこれら欠点を回避しない可能性があることを理解されたい。
【課題を解決するための手段】
【0007】
次の説明で、いくつかの態様および実施形態が明らかになるであろう。本発明は、広義では、これらの態様および実施形態の1つまたは複数の特徴を持たずに実施されることが可能である点を理解されたい。これらの態様および実施形態は単に例示的である点を理解されたい。
【0008】
一態様では、本明細書で具体化されかつ広く説明されるように、本発明は、航行状態ベクトルを推定するように構成された慣性航行システムと、イメージャーの視野を通過する地形特徴に関連するピクセル信号を出力するように構成されたイメージャーとを含むイメージ拡張型の慣性航行システムを含む。システムは、慣性航行システムとイメージャーとに動作可能に接続された処理装置をさらに含む。処理装置は、ピクセル信号に基づき、所与の画像フレームに対して、イメージャーからイメージャーの視野を通過する1つまたは複数の地形特徴の中心までの距離を決定するように構成される。処理装置はまた、地形特徴がイメージャーの視野を通過するにつれて、第1の画像フレームから第2の画像フレームまでの各地形特徴を追跡し、各追跡された地形特徴のNED座標位置情報を計算するようにも構成される。処理装置はさらに、計算されたNED座標位置情報に基づき、慣性航行システムの航行状態ベクトルを更新するように構成される。
【0009】
別の態様によれば、輸送手段はイメージ拡張型の慣性航行システムを含む。システムは、航行状態ベクトルを推定するように構成された慣性航行システムと、イメージャーの視野を通過する地形特徴に関連するピクセル信号を出力するように構成されたイメージャーとを含む。システムは、慣性航行システムとイメージャーとに動作可能に接続された処理装置をさらに含む。処理装置は、ピクセル信号に基づき、所与の画像フレームに対して、イメージャーからイメージャーの視野を通過する1つまたは複数の地形特徴の中心までの距離を決定するように構成される。処理装置はまた、地形特徴がイメージャーの視野を通過するにつれて、第1の画像フレームから第2の画像フレームまでの各地形特徴を追跡し、各追跡された地形特徴のNED座標位置情報を計算するようにも構成される。処理装置はさらに、計算されたNED座標位置情報に基づき、慣性航行システムの航行状態ベクトルを更新するように構成される。
【0010】
さらに別の態様によれば、輸送手段に関連する慣性航行システムの航行状態ベクトルの更新方法は、所与の画像フレームに対して、輸送手段に関連するイメージャーからイメージャーの視野を通過する1つまたは複数の地形特徴の中心までの距離を決定することを含む。方法は、地形特徴がイメージャーの視野を通過するにつれて、第1の画像フレームから第2の画像フレームまでの各地形特徴を追跡することをさらに含む。方法はまた、追跡された地形特徴の各々に関するNED座標位置情報を計算し、計算されたNED座標位置情報に基づき、慣性航行システムの航行状態ベクトルを更新することも含む。
【0011】
上記の構造的構成および手順上の構成の他に、本発明は以下に説明されるそれらの構成など、いくつかのその他の構成を含んでよい。前述の説明および次の説明は両方とも例示的である点を理解されたい。
【0012】
添付の図面は本明細書に組み込まれ、かつ本明細書の一部を構成する。図面は本発明の例示的な実施形態を示し、説明とともに、本発明のいくつかの原理を説明するのに役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
ここで、本発明のいくつかの可能な例示的実施形態を詳細に参照する。その実施例は添付の図面で例示される。可能な限り、図面および説明では、同じ部品または類似部品を示すために同じ参照番号が用いられる。
【0014】
例示的なイメージ拡張型の慣性航行システム(IAINS)は、NED外部支援ソースが利用不可能になることのある状態においてさえ、そのようなIAINSを搭載する輸送手段が継続的な航行ソリューションを得ることを可能にする画像化ペイロード(imaging payload)を有するINSを含む。
【0015】
図1に概略的に示されるように、例えば、飛行機などのホスト輸送手段(host vehicle)10はイメージャー12を搭載する。イメージャー12は、例えば、カメラ、ライダ、レーダ、または当業者に知られているその他の類似装置であってよい。イメージャー12はCPUを含んでよく、またはCPUはイメージャー12から離れて配置されてもよい。イメージャー12は画像化されることになる現場(例えば、輸送手段10がその上を飛行する地形の特徴)の方向に照準が定められる。輸送手段10とINS軸(x,y,z)に関して、イメージャー12の向きに何ら制約は存在しない。そのような方向は固定されてもよく、または輸送手段10とINS軸に関して常にイメージャー12の方向とオフセットとが判明している限り、リアルタイムで変更してもよい。
【0016】
輸送手段10が地形の上を移動するにつれて、イメージャー12は地上の現場を観察し、その現場の投影された画像はイメージャー12の画像平面の全域に渡って移動する。話を簡単にするために、図1は輸送手段10とINSz−軸にちょうど一致するものとしてイメージャー12の視野方向を示す。この場合、輸送手段10とINS軸とは位置合わせされた軸系(aligned axes systems)を有するが、これは必須ではない。
【0017】
例示的なイメージ拡張型の慣性航行システムによれば、この構想は2つの可能性を組み合わせる:すなわち、(1)INSシステムの可能性、および(2)外部支援ソースの可能性である。この組合せは、(a)画像座標の形で画像情報のピクセル・アレイ、(b)イメージャー12(例えば、レーダ、ライダ、ビデオ、またはその他の画像化システム)からピクセルによって表された特徴の地上位置までの相対的距離を表す関連範囲値、および(c)イメージャー12が画像を進むにつれて、この特徴の自動追跡を含むデータを提供する。いくつかの実施形態によるイメージ拡張型の航行システムは最低限の画像処理能力を必要とし、したがって強力なCPUを不要にする。実際に、いくつかの実施形態によれば、画像平面内で高コントラストの特徴を識別し、識別された特徴がイメージャー12の視野を進むにつれて、フレームからフレームまで識別された特徴を追跡すれば十分である可能性がある。
【0018】
例えば、イメージ拡張型の慣性航行システム関連航行外部支援ソースは、次の方法で航行状態ベクトルの更新のために用いられる。
【0019】
A.NED座標外部支援ソースが利用可能である時、
1.NED座標外部支援ソースはGPSであってよい、または
2.INSのNED座標位置の形で情報を提供する、画像、地上ベースのレーダ、またはその他の任意の外部支援ソース内の陸標の自動認識による地理的登録。INS航行状態ベクトルに対するこの直接的なNED座標更新は、そのような外部支援ソース更新が利用可能になるときはいつでも起こる。
【0020】
B.外部支援ソース内の新たな特徴が画像内で追跡され始めると、新たに識別された特徴の第1の受信後直ちに、この新たな第i番目の追跡された特徴のNED座標位置Xo(N,E,D)はタグ付けされ、イメージャー12の視野を離れるまで凍結される。これは、INSに関する画像方向およびオフセットによって、現在知られているINSの位置から、実際の特徴とイメージャー12との間の範囲を投影することによって実現されてもよい。
【0021】
C.新たな画像が利用可能になり、すべての追跡された特徴に関して新たな情報を提供する場合、
1.追跡された特徴のすべては、すでに少なくとも1画像フレームだけ古くなければならず、各特徴はXo(N,E,D)によって定義される初期NED位置を有する。
2.新たな画像が利用可能になるにつれて、次の方程式に基づき、現在追跡された特徴の各々を参照したINS相対的位置の新たな画像に基づくNED座標位置推定値を決定する。
X(t)=Xo(N,E,D)+CR(t)
式中、CR(t)は、INSに関するイメージャー方向およびオフセットによって投影された範囲を表す。
3.INSに対するNED位置更新として、各特徴X(t)に関して計算されたINSのNED位置推定値の各々を用いる。
【0022】
本開示の構造および方法に様々な修正および変更を行うことが可能であることは、当業者には明らかであろう。したがって、本開示は本明細書で議論された実施例に限定されないことを理解されたい。むしろ、本開示は修正形態および変更形態を網羅することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】例示的なイメージ拡張型の慣性航行システムを含む、NED座標システム内で方向づけられた輸送手段の概略図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
航行状態ベクトルを推定するように構成された慣性航行システムと、
複数の画像フレーム全体に渡ってイメージャーの視野を通過する地形特徴に関連するピクセル信号を出力するように構成されたイメージャーと、
前記慣性航行システムと前記イメージャーとに動作可能に接続された処理装置であって、
前記ピクセル信号に基づき、所与の画像フレームに対して、前記イメージャーから前記イメージャーの前記視野を通過する1つまたは複数の前記地形特徴の中心までの距離を感知し、
前記地形特徴は前記イメージャーの前記視野内にとどまると同時に、前記地形特徴を含む第1の画像フレームから、任意のその後の画像フレームまで各地形特徴を追跡し、
各追跡された地形特徴の第1のタグ付けされた座標に関して、前記慣性航行システムのNED座標位置情報を計算し、
前記計算された慣性航行システム位置情報に基づき、前記慣性航行システムの前記航行状態ベクトルを更新する
ように構成された処理装置と
を含むイメージ拡張型の慣性航行システム。
【請求項2】
前記処理装置は、新たな地形特徴が前記イメージャーの前記視野内を通過するにつれて、前記イメージャーと前記新たな地形特徴との間の距離を決定し、前記慣性航行システムの現在知られている位置に基づき、前記新たな地形特徴と前記イメージャーとの間の距離を予測することにより、前記新たな地形特徴を追跡するように構成された、請求項1に記載のシステム。
【請求項3】
前記処理装置は、前記新たな地形特徴が前記イメージャーの前記視野に初めて入る時に、前記現在の慣性航行システム位置、前記新たな地形特徴までの距離、前記慣性航行システムに関する前記イメージャーの方向およびオフセットに基づき、前記新たな地形特徴に関するNED座標位置情報を決定し、タグ付けするように構成された、請求項1に記載のシステム。
【請求項4】
請求項1に記載のシステムを含む輸送手段。
【請求項5】
輸送手段に関連する慣性航行システムの航行状態ベクトルを更新する方法であって、
所与の画像フレームに対して、前記輸送手段に関連するイメージャーから、前記イメージャーの視野を通過する1つまたは複数の地形特徴の中心までの距離を感知することと、
前記地形特徴が前記イメージャーの前記視野を通過するにつれて、第1の画像フレームからその後の画像フレームまで各地形特徴を追跡することと、
前記追跡された地形特徴の各々に関してNED座標位置情報を計算することと、
前記計算されたNED座標位置情報に基づき、前記慣性航行システムの前記航行状態ベクトルを更新することと
を含む方法。
【請求項6】
新たな地形特徴が前記イメージャーの前記視野内を通過するにつれて、前記イメージャーと前記新たな地形特徴との間の距離を決定し、前記慣性航行システムの現在の知られている位置に基づき、前記新たな地形特徴と前記イメージャーとの間の距離を予測することにより、前記新たな地形特徴を追跡することをさらに含む、請求項5に記載の方法。
【請求項7】
新たな地形特徴が前記イメージャーの前記視野に初めて入る時に、現在の慣性航行システム位置、前記新たな地形特徴までの距離、前記慣性航行システムに関する前記イメージャーの方向およびオフセットに基づき、前記新たな地形特徴に関するNED座標位置情報を決定し、タグ付けすることをさらに含む、請求項5に記載の方法。

【図1】
image rotate


【公表番号】特表2008−501955(P2008−501955A)
【公表日】平成20年1月24日(2008.1.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−515576(P2007−515576)
【出願日】平成17年6月2日(2005.6.2)
【国際出願番号】PCT/US2005/019411
【国際公開番号】WO2005/119178
【国際公開日】平成17年12月15日(2005.12.15)
【出願人】(506400306)アテナ テクノロジーズ,インコーポレーテッド (4)
【Fターム(参考)】