CN114323016A - 测量*** - Google Patents

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Abstract

一种测量***，具有：具有飞行器的飞行装置；能够进行所述飞行器的位置测定的位置测定装置；以及控制所述飞行器的飞行并且能够与所述飞行装置以及所述位置测定装置进行无线通信的远程操纵机，所述飞行器被构成为具有：具有基准位置和基准方向的轨迹球；从该轨迹球向下方延伸并且在任意的方向上倾斜自由地被支承的轴；能够向所述轨迹球射出红外光的红外线传感器；以及基于由所述轨迹球反射的红外光运算相对于所述轨迹球的基准位置和基准方向的所述飞行器的姿势的控制装置。

Description

测量***
背景技术
本发明涉及用于对小型无人飞行器（UAV：Unmanned Air Vehicle）的位置和方位进行测定的测量***。
近年，伴随着UAV（Unmanned Air Vehicle：小型无人飞行器）的进步，在UAV中装载各种装置来对UAV进行远程操作或者使UAV自主飞行，进行所需的作业。例如，在UAV中装载照片测量用相机、激光扫描仪，从上空进行下方的测定或人不能进入的场所中的测定。
在UAV的位置测定中，利用全站仪等测量装置，一边对设置于UAV的具有逆向反射性的目标进行追踪一边测定UAV的位置。或者，在UAV中装载GPS，利用该GPS测定UAV的位置。再有，在使UAV在屋内飞行的情况下，不能接收GPS信号。在该情况下，基于内置于UAV的IMU（Inertial Measurement Unit：惯性测量装置）的检测结果以及最后测定的UAV的位置估计UAV的自己位置。
在UAV中装载激光扫描仪并且用该激光扫描仪进行测定的情况下，需要已知UAV的朝向或倾斜度。然而，不管是在用全站仪测定UAV的位置的情况下，还是在利用GPS测定UAV的位置的情况下，都难以测定UAV的朝向或倾斜度。
因此，为了求取UAV的朝向或倾斜度，需要在UAV另外设置方位计或倾斜检测器。因此，存在UAV的重量增大并且构成复杂化这样的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在飞行器中不另外设置测量器的情况下进行飞行器的位置和姿势的测定的测量***。
为了达成上述目的，本发明所涉及的测量***具有：飞行装置，能够远程操纵并且具有飞行器；位置测定装置，能够进行所述飞行器的位置测定；以及远程操纵机，控制所述飞行器的飞行，能够与所述飞行装置以及所述位置测定装置进行无线通信，其中，所述飞行器具有：设置在周面的多个相机；轨迹球，滑移旋转自由地支承于所述飞行器，具有基准位置和基准方向；轴，从该轨迹球向下方延伸，经由该轨迹球在任意的方向上倾斜自由地被支承；红外线传感器，能够向所述轨迹球射出红外光；以及控制装置，所述控制装置被构成为基于由所述轨迹球反射的红外光运算相对于所述轨迹球的基准位置和基准方向的所述飞行器的姿势。
此外，在优选实施例所涉及的测量***中，在所述轴设置有使该轴以轴心为中心进行旋转的多个辅助推进器单元，利用该辅助推进器单元使所述轴和所述轨迹球相对于所述飞行器进行相对旋转。
此外，在优选实施例所涉及的测量***中，在所述轨迹球内置有单轴的激光扫描仪，在所述轨迹球的与所述轴相向的位置处形成有凹部，所述激光扫描仪被构成为能够经由设置在所述凹部的扫描镜使测距光在一维进行扫描，所述控制装置被构成为利用所述扫描镜的旋转与所述轨迹球的旋转的协作使测距光在三维进行旋转照射，利用二维的扫描取得点云数据。
此外，在优选实施例所涉及的测量***中，在所述轴的下端设置有单轴的激光扫描仪，该激光扫描仪被构成为能够经由扫描镜使测距光在一维扫描进行，所述控制装置被构成为利用所述扫描镜的旋转与所述轨迹球的旋转的协作使测距光在三维进行旋转照射，利用二维的扫描取得点云数据。
此外，在优选实施例所涉及的测量***中，所述位置测定装置是全站仪，在所述飞行器的下表面设置有全周棱镜，所述位置测定装置一边追踪所述全周棱镜一边进行测距和测角，所述远程操纵机被构成为基于所述位置测定装置的测定结果和由所述激光扫描仪取得的点云数据运算以所述位置测定装置为基准的点云数据。
此外，在优选实施例所涉及的测量***中，所述位置测定装置是全站仪，在所述激光扫描仪的下表面设置有全周棱镜，所述位置测定装置一边追踪所述全周棱镜一边进行测距和测角，所述远程操纵机被构成为基于所述位置测定装置的测定结果以及由所述激光扫描仪取得的点云数据运算以所述位置测定装置为基准的点云数据。
此外，在优选实施例所涉及的测量***中，所述位置测定装置是GPS装置，所述远程操纵机被构成为基于所述位置测定装置的测定结果以及由所述激光扫描仪取得的点云数据运算以所述位置测定装置为基准的点云数据。
进而，此外，在优选实施例所涉及的测量***中，所述控制装置被构成为使所述相机取得活动图像或连续图像，在时间上邻接的图像中分别提取相同的特征点，运算该特征点间的位置偏差，基于该位置偏差运算相对于先前的图像取得时的随后的图像取得时的所述飞行器的倾斜角、方位角、移动量。
根据本发明，根据本发明，一种测量***，具有：飞行装置，能够远程操纵并且具有飞行器；位置测定装置，能够进行所述飞行器的位置测定；以及远程操纵机，控制所述飞行器的飞行，能够与所述飞行装置以及所述位置测定装置进行无线通信，其中，所述飞行器具有：多个相机，设置在周面；轨迹球，滑移旋转自由地支承于所述飞行器，具有基准位置和基准方向；轴，从该轨迹球向下方延伸，经由该轨迹球在任意的方向上倾斜自由地被支承；红外线传感器，能够向所述轨迹球射出红外光；以及控制装置，所述控制装置被构成为基于由所述轨迹球反射的红外光运算相对于所述轨迹球的基准位置和基准方向的所述飞行器的姿势，因此，由于不需要在所述飞行器中另外设置方位计或倾斜检测器等测量器，所以，能够谋求所述飞行器的轻量化、小型化。
附图说明
图1是本发明的第一实施例所涉及的测量***的结构图。
图2（A）、图2（B）是本发明的第一实施例所涉及的飞行器的纵截面图。
图3是所述飞行器的平面图。
图4是示出飞行装置的控制***的结构图。
图5是示出本发明的第一实施例所涉及的位置测定装置的控制***的结构图。
图6是示出本发明的第一实施例所涉及的远程操纵机的概略结构和飞行装置、位置测定装置、远程操纵机的关联的结构图。
图7（A）、图7（B）是示出由飞行器相机取得的飞行器相机图像和从该飞行器相机图像提取的特征点的说明图。
图8是本发明的第二实施例所涉及的飞行器的纵截面图。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边说明本发明的实施例。
首先，在图1中，说明本发明的第一实施例所涉及的测量***。
测量***1主要由飞行装置（UAV）2、全站仪（TS）等位置测定装置3、远程操纵机4构成。
所述飞行装置2主要具备：飞行器5；以贯通该飞行器5的方式铅直设置的轴6；设置在该轴6的上端并且被所述飞行器5支承的轨迹球7；设置于该轨迹球7的激光扫描仪8；设置在所述轴6的下端的作为逆向反射器的全周棱镜9；在所述飞行器5的周面设置多个（例如4个）的飞行器相机11；在与所述远程操纵机4之间进行通信的飞行器通信部12（后述）。再有，所述激光扫描仪8与所述轨迹球7一体化。
再有，在所述飞行器5中设定基准位置。该基准位置例如是所述飞行器5的机械中心，是所述轴6的揺动中心，为所述轨迹球7的中心。此外，所述激光扫描仪8的光学中心（测距光的射出位置）、所述全周棱镜9的光学中心、所述基准位置分别位于所述轴6的轴心上。进而，所述基准位置、所述激光扫描仪8的光学中心、所述全周棱镜9的光学中心的位置关系（距离）分别是已知的。
所述轨迹球7是在所述轴6的上端处固定的球状的物体，可遍及全周面反射红外光。此外，在所述轨迹球7中，形成了图案分别不同的微细的点，并且设定了基准位置和基准方向（零位置和零方向）。进而，所述轨迹球7在下部被收纳的状态下滑移旋转自由地支承于所述飞行器5的上表面。因此，所述轨迹球7作为用于将所述轴6维持为铅直姿势的云台机构发挥作用。
所述轴6是从所述轨迹球7向下方延伸的棒状的构件，该轴6本身的重量和所述全周棱镜9作为平衡重发挥作用。因此，不管所述飞行器5的姿势如何，所述轴6经由所述轨迹球7维持铅直姿势。再有，在所述轴6的姿势不稳定的情况下，也可以另外追加平衡重。
所述激光扫描仪8内置于所述轨迹球7而被一体化。在该轨迹球7的上端部即与所述轴6相向的位置处形成了缝隙状的凹部13。在该凹部13内设置有扫描镜（后述），该扫描镜能以与所述轴6的轴心正交的旋转轴为中心进行旋转。此外，所述激光扫描仪8射出脉冲发光或突发发光的激光光线作为测距光，经由所述扫描镜照射到规定的测定对象物。由测定对象物反射的测距光（反射测距光）被所述激光扫描仪8光接收，基于往返时间以及光速测定到测定对象物为止的距离。
此外，使所述扫描镜旋转，由此，测距光通过所述凹部13内，在包含所述轴6的轴心（铅直轴心）的平面内在一维进行照射。再有，所述凹部13的形状可以是底面在相对于所述轴6的轴心正交的方向上延伸的大致长方体形状。或者，所述凹部13的底面可以是以不遮挡测距光的方式从中心朝向外侧向下方倾斜的形状。
所述全周棱镜9具有对从该全周棱镜9的下方整个范围入射的光进行逆向反射的光学特性。再有，代替所述全周棱镜9，也可以在所述飞行器5的下表面设置全周贴设了反射密封件的构件。
所述飞行器相机11以邻接的飞行器相机11彼此的图像重叠规定量的方式决定各飞行器相机11的视角、数量、配置等。此外，各飞行器相机11的摄像光轴例如被设定为与所述飞行器5的基准位置正交并且在基准位置交叉。进而，所述飞行器相机11的摄像中心和基准位置的关系是已知的。
所述位置测定装置3被设置在具有已知的三维坐标的点。该位置测定装置3具有追踪功能，一边对所述全周棱镜9进行追踪一边测定该全周棱镜9的三维坐标。此外，所述位置测定装置3能够与所述远程操纵机4进行无线通信，所述位置测定装置3测定的三维坐标作为坐标数据被输入到所述远程操纵机4。
所述远程操纵机4为例如智能电话或平板电脑等便携式终端或输入装置与该便携式终端连接或一体化的装置。所述远程操纵机4具有：具有运算功能的运算装置、储存数据、程序的存储部、以及终端通信部（后述）。所述远程操纵机4能够在所述终端通信部和所述飞行器通信部12之间进行与所述飞行装置2的无线通信，此外，能够在所述终端通信部和所述位置测定装置3的通信部之间进行与该位置测定装置3的无线通信。进而，所述远程操纵机4对所述飞行装置2的飞行进行远程操作，利用所述激光扫描仪8进行的测距工作也能够远程操作。
接着，在图2、图3中，说明所述飞行装置2。
飞行器5具有呈放射状延伸的多个且偶数个推进器框架14（在图示中，14a～14d），在该推进器框架14的前端设置有推进器单元。该推进器单元由安装在所述推进器框架14的推进器电动机15（在图示中，15a～15d）以及安装于该推进器电动机15的输出轴的推进器16（在图示中，16a～16d）构成。
所述飞行器5具有下侧框架17和上侧框架18。在所述下侧框架17中，在中心部形成有上下贯通的孔19，所述轴6插通于该孔19。此外，在所述下侧框架17设置有呈放射状延伸的所述推进器框架14a～14d。
此外，以覆盖所述孔19的方式在所述下侧框架17的上表面形成有所述上侧框架18。所述上侧框架18为中空的圆台形状，在上表面形成有收纳孔21。
该收纳孔21是具有与所述轨迹球7同等的曲率的球曲面的贯通孔，利用所述收纳孔21旋转自由地保持所述轨迹球7。在保持该轨迹球7的状态下，所述轴6插通于所述收纳孔21，通过所述上侧框架18的内部，经由所述孔19向下方延伸。所述轨迹球7由于所述轴6等的重量而稳定地保持于所述收纳孔21。
此外，在所述上侧框架18中内置有例如向所述收纳孔21***出红外光的红外线传感器22。关于该红外线传感器22，在所述轨迹球7保持于所述收纳孔21的状态下，所述红外线传感器22检测来自所述轨迹球7的规定的点的反射光，由此，能够检测所述飞行器5的相对于基准方向的方位角、相对于水平的倾斜角和倾斜方向。因此，所述红外线传感器22和所述轨迹球7构成所述飞行装置2的姿势检测部。
该姿势检测部能够360°检测所述飞行器5的水平方向的旋转角（方位角）。此外，所述姿势检测部能够检测所述飞行器5的倾斜角，直到以所述轨迹球7为中心，所述轴6与所述孔19的边缘相接触。
此外，在所述轴6的所述全周棱镜9和所述下侧框架17之间设置有辅助推进器单元23。该辅助推进器单元23由呈放射状延伸的多个辅助推进器框架24（在图示中，24a、24b）、安装在该辅助推进器框架24的前端的辅助推进器电动机25（在图示中，25a、25b）、以及安装在辅助推进器电动机25的输出轴的辅助推进器26（在图示中，26a、26b）构成。
所述辅助推进器26的旋转轴相对于所述辅助推进器框架24的轴心正交。因此，驱动所述辅助推进器电动机25，使所述辅助推进器26旋转，由此，仅所述轴6以所述轴6的轴心为中心进行水平旋转。即，利用所述辅助推进器26使所述轴6相对于所述飞行器5进行相对旋转。
接着，参照图4来说明所述飞行装置2的控制***。
所述飞行器5内置有控制装置27。该控制装置27主要具备运算控制部28、存储部29、摄像控制部31、飞行控制部32、推进器电动机驱动器部33、辅助推进器电动机驱动器部34、扫描仪控制部35、传感器控制部36、以及所述飞行器通信部12。
再有，在本实施例中，所述扫描仪控制部35被包含于所述控制装置27，但是，也可以采用其他结构。例如，可以在所述激光扫描仪8内设置所述扫描仪控制部35，经由所述飞行器通信部12在所述飞行器5与所述激光扫描仪8之间进行控制信号的授受。
所述飞行器相机11（在图示中，11a～11d）的拍摄由所述摄像控制部31控制。由所述飞行器相机11拍摄的图像作为图像数据被输入到所述摄像控制部31。
设置数码相机作为所述飞行器相机11，能够拍摄静止图像，并且能够取得活动图像或构成连续的图像的帧图像。此外，设置作为像素的集合体的CCD、CMOS传感器等作为摄像元件，能够确定各像素在摄像元件内的位置。例如，利用将所述飞行器相机11的光轴通过摄像元件的点作为原点的正交坐标来确定各像素的位置。各像素将光接收信号以及像素坐标输出到所述摄像控制部31。
在所述存储部29中形成有程序储存部和数据储存部。在所述程序储存部中储存：用于控制所述飞行器相机11的拍摄的拍摄程序、用于从图像数据提取特征点的特征点提取程序、对时间上邻接的图像数据中相同的特征点之间的位置偏差进行运算的位置偏差运算程序、用于对所述推进器电动机15进行驱动控制的飞行控制程序、对利用所述激光扫描仪8的测距工作进行控制的测距程序、基于所述红外线传感器22的检测结果对所述飞行器5的倾斜、倾斜方向和方位（姿势）进行运算的姿势检测程序、用于将所取得的数据发送到所述远程操纵机4并且接收来自该远程操纵机4的飞行指令或摄像指令的通信程序等程序。
在所述数据储存部中储存：由所述飞行器相机11取得的静止图像数据或活动图像数据、从所述远程操纵机4发送的由所述位置测定装置3测定的所述飞行装置2的位置数据、基于特征点之间的位置偏差而运算的所述飞行装置2的移动距离、移动方向数据、由所述姿势检测部检测的所述飞行器5的倾斜角数据和方位角数据、以及取得所述静止图像数据、所述活动图像数据时的时间、位置数据等。
所述摄像控制部31基于从所述运算控制部28发出的控制信号进行与所述飞行器相机11a～11d的摄像相关的控制。此外，利用所述摄像控制部31基于来自所述远程操纵机4的控制信号或从所述激光扫描仪8发出的测距光的射出定时等对所述飞行器相机11a～11d进行同步控制。
所述扫描仪控制部35控制所述激光扫描仪8的驱动。即，所述扫描仪控制部35控制测距光的发光间隔、扫描镜30的旋转速度等，经由该扫描镜30使所述测距光旋转照射。即，所述扫描仪控制部35控制从所述激光扫描仪8照射的测距光的点云间隔、点云密度。此外，反射测距光的光接收结果与所述扫描镜30的旋转角相关联地被输入到所述运算控制部28，执行测距。
所述传感器控制部36控制从所述红外线传感器22射出的红外光的射出和停止。此外，由收纳于所述收纳孔21的所述轨迹球7所反射的红外光被所述红外线传感器22光接收，光接收信号被输出到所述传感器控制部36。该传感器控制部36基于光接收信号判断所述红外光由所述轨迹球7的哪个点反射。进而，所述运算控制部28基于所述传感器控制部36的判断结果运算所述轨迹球7相对于所述飞行器5的相对的倾斜和旋转。即，所述运算控制部28运算所述飞行器5的倾斜度和方位。
再有，红外光既可以总是从所述红外线传感器22射出，也可以仅在所述飞行器5飞行的期间从所述红外线传感器22射出。
所述飞行器通信部12在由所述远程操纵机4对所述飞行器5进行远程操作的情况下，接收来自所述远程操纵机4的操纵信号，将该操纵信号输入到所述运算控制部28。或者，该运算控制部28具有将由各飞行器相机11拍摄的各图像数据与拍摄位置相关联并且发送到所述远程操纵机4等的功能。
所述运算控制部28基于在所述存储部29中储存的各种程序执行用于利用测距光对测定对象物进行扫描（测定）的各种控制。此外，所述运算控制部28基于所述操纵信号或邻接的图像数据间的特征点的位置偏差运算与飞行相关的控制信号并输出到所述飞行控制部32。
所述飞行控制部32基于与飞行相关的控制信号，经由所述推进器电动机驱动器部33将所述推进器电动机15驱动为所需的状态，经由所述辅助推进器电动机驱动器部34将所述辅助推进器电动机25驱动为所需的状态。
接着，参照图5来说明所述位置测定装置3。
该位置测定装置3主要具备测定控制装置37、望远镜部38（参照图1）、测距部39、水平角检测器41、铅直角检测器42、水平旋转驱动部43、铅直旋转驱动部44、广角相机45、长焦相机46等。
所述望远镜部38对测定对象物进行瞄准。所述测距部39经由所述望远镜部38射出测距光，进而，经由所述望远镜部38对来自所述测定对象物的反射测距光进行光接收，进行测距。即，所述测距部39具有作为光波距离计的功能。此外，所述望远镜部38内置有所述广角相机45和所述长焦相机46。所述广角相机45具有广视角，例如30°，所述长焦相机46具有比所述广角相机45窄的视角，例如5°。再有，所述广角相机45的光轴和所述长焦相机46的光轴分别与所述测距光的光轴平行，各光轴间的距离是已知的。或者，所述广角相机45的光轴、所述长焦相机46的光轴、测距光的光轴分别重合。
进而，所述测距部39能够一边执行棱镜测定一边进行所述测定对象物（所述全周棱镜9）的追踪。在进行该测定对象物的追踪时，经由所述望远镜部38，与所述测距光同轴地射出追踪光。或者，可以控制所述水平旋转驱动部43和所述铅直旋转驱动部44，以使得由所述广角相机45和所述长焦相机46中的任一个捕获所述测定对象物且该测定对象物始终位于所述相机的图像中心。
所述水平角检测器41检测所述望远镜部38的瞄准方向上的水平角。此外，所述铅直角检测器42检测所述望远镜部38的瞄准方向上的铅直角。所述水平角检测器41、所述铅直角检测器42的检测结果被输入到所述测定控制装置37。
该测定控制装置37主要具有测距控制部47、测定运算处理部48、测定存储部49、测定通信部51、电动机驱动控制部52、摄像控制部53等。
所述测距控制部47基于来自所述测定运算处理部48的控制信号控制由所述测距部39进行的所述全周棱镜9的测距动作。此外，在所述测定存储部49中储存：用于进行所述全周棱镜9的测距的测定程序、用于进行该全周棱镜9的追踪的追踪程序、用于进行所述广角相机45和所述长焦相机46的摄像的摄像程序、用于与所述飞行装置2和所述远程操纵机4进行通信的通信程序等程序。此外，在所述测定存储部49中储存所述全周棱镜9的测定结果（测距结果、测角结果）。
所述测定通信部51将测定所述全周棱镜9的结果（该全周棱镜9的斜距、水平角、铅直角）实时发送到所述远程操纵机4。
所述电动机驱动控制部52控制所述水平旋转驱动部43、所述铅直旋转驱动部44，使所述望远镜部38在水平方向或铅直方向上旋转，以便使所述望远镜部38瞄准所述全周棱镜9或对所述全周棱镜9进行追踪。
所述摄像控制部53控制所述广角相机45和所述长焦相机46的摄像。再有，在所述位置测定装置3追踪所述全周棱镜9的状态下，所述飞行器5总是位于由所述广角相机45和所述长焦相机46取得的图像内。
所述位置测定装置3一边对所述全周棱镜9进行追踪一边进行测距，基于测距结果以及所述水平角检测器41、所述铅直角检测器42的检测结果实时地测定所述全周棱镜9的三维坐标。
图6是示出所述远程操纵机4的概略结构以及所述飞行装置2、所述位置测定装置3、所述远程操纵机4的关联的图。
所述远程操纵机4具有：具有运算功能的终端运算处理部54、终端存储部55、终端通信部56、操作部57、显示部58。
所述终端运算处理部54具有时钟信号发生部，将从所述飞行装置2接收的图像数据、坐标数据等分别与时钟信号相关联。此外，所述终端运算处理部54基于所述时钟信号，将所接收的各种数据作为时间序列的数据进行处理，保存在所述终端存储部55中。
在该终端存储部55中储存：用于与所述飞行装置2或所述位置测定装置3进行通信的通信程序、用于基于所述位置测定装置3的设置位置的三维坐标来运算所述全周棱镜9的三维坐标的运算程序、用于基于该全周棱镜9的三维坐标或从所述飞行装置2接收的测定结果等来运算测定点（测定对象物）的三维坐标的运算程序、用于显示操作画面或测定结果、由各相机取得的图像等的显示程序、用于经由触摸面板等输入指示的操作程序等程序。
所述终端通信部56在与所述飞行装置2之间、与所述位置测定装置3之间进行通信。此外，所述操作部57经由与所述显示部58一体地设置的控制器的按钮等输入各种指示，进行所述飞行器5的操作。
所述显示部58显示由所述飞行器相机11取得的飞行器相机图像、由所述广角相机45取得的广角相机图像、由所述长焦相机46取得的长焦相机图像、示出由所述位置测定装置3取得的测定结果的测定结果画面等。
再有，可以使所述显示部58的全部为触摸面板。在该显示部58全部是触摸面板的情况下，可以省略所述操作部57。在该情况下，在所述显示部58设置有用于操作所述飞行器5的操作面板。
接着，对使用了所述测量***1的测定进行说明。再有，以下，示出了屋内等不能使用GNSS装置的情况。
首先，基于方位计，使所述轨迹球7的基准方向对准基准方位（例如北）或者运算所述轨迹球7的基准方向相对于基准方位的相对方位角。再有，方位计既可以设置在所述位置测定装置3等设置于所述飞行器5的飞行开始位置的装置，也可以另外由作业者手持。基于所述方位计，在所述飞行器5的飞行开始位置处进行所述轨迹球7的基准方向的设定。此外，利用各飞行器相机11开始活动图像或连续图像的取得，取得飞行开始前的所述飞行器相机图像59。
接着，经由所述远程操纵机4使所述飞行器5飞行。此时，既可以经由所述远程操纵机4的操作面板手动地操作所述飞行器5，也可以使所述飞行器5基于预先设定的飞行程序自动地飞行。
在所述飞行器5的飞行中，不管该飞行器5的姿势如何，所述轴6由于重力的作用总是维持为铅直，所述轨迹球7伴随着所述飞行器5的姿势变化而在所述收纳孔21内滑移。此外，在所述飞行器5的飞行中，所述红外线传感器22总是射出红外光，对由所述轨迹球7反射的红外光进行光接收。所述运算控制部28基于所述传感器控制部36接收的来自所述红外线传感器22的光接收信号，运算所述飞行器5与所述轨迹球7的相对旋转角。即，所述运算控制部28总是运算所述飞行器5的倾斜角和倾斜方向。此外，运算结果总是经由所述飞行器通信部12和所述终端通信部56发送到所述远程操纵机4。
另一方面，所述飞行器5不具有方位计，在该飞行器5旋转时，所述轴6也一体地旋转，因此，不能直接检测飞行中的所述飞行器5的方位。在本实施例中，由所述飞行器相机11a～11d取得360°全周的活动图像或连续图像。
在所述飞行器5的飞行中，所述摄像控制部31按各飞行器相机11a～11d的每个连续地取得如图7（A）、图7（B）所示那样的飞行器相机图像59。
所述运算控制部28从建筑物或钢架的角、或者特征的亮度等按每个所述飞行器相机图像59提取特征点61。
所述运算控制部28基于时间上邻接的2个所述飞行器相机图像59运算相同的所述特征点61在所述飞行器相机图像59中的位置偏差。此外，所述运算控制部28同样地也针对由其他的所述飞行器相机11取得的所述飞行器相机图像59，运算所述特征点61在所述飞行器相机图像59中的位置偏差。
能够确定各像素在摄像元件内的位置。因此，针对各飞行器相机11，通过比较时间上邻接的所述飞行器相机图像59中的所述特征点61的位置，从而能够运算相对于取得先前的所述飞行器相机图像59的时间点的、取得随后的所述飞行器相机图像59的时间点的所述飞行器5的倾斜角、方位角、移动量。
将在飞行开始前取得的所述飞行器相机图像59作为基准，依次执行上述的所述飞行器5的倾斜角、方位角、移动量的运算。
再有，在此运算的倾斜角也可以用于基于由所述轨迹球7反射的红外光运算的倾斜角的校正。此外，在所述飞行器5的飞行中存在如下的情况：所述轨迹球7的位置由于风等而偏离，该轨迹球7相对于所述飞行器5进行相对旋转。在该情况下，能够根据基于所述飞行器相机图像59的所述飞行器5的方位角、以及所述轨迹球7的相对旋转角运算该激光扫描仪8的方位角。
所述运算控制部28基于依次运算的所述飞行器5的倾斜角、方位角、移动量对所述飞行器5的姿势或飞行状态进行控制（光流）。
当该飞行器5接近规定的测定对象物时，所述运算控制部28基于在所述存储部29中储存的程序执行针对测定对象物的测定处理。首先，所述运算控制部28基于从所述轨迹球7反射的红外光运算测定开始时的所述飞行器5的姿势即倾斜角和倾斜方向。
此外，所述运算控制部28以测距光照射到测定对象物的方式使所述辅助推进器26旋转，并且，驱动所述激光扫描仪8的所述扫描镜30，利用测距光对测定对象物进行扫描（scan）。此外，运算控制部28按每个脉冲光、每个突发光执行测距，基于所述飞行器5的姿势、所述扫描镜30的旋转角、以及测距结果运算将所述飞行器5的基准位置作为基准的三维坐标。由此，取得沿着测距光的轨迹的点云数据。
进而，一边使测距光旋转照射，一边使所述辅助推进器电动机驱动器部34对所述辅助推进器电动机25进行驱动，使所述激光扫描仪8（所述轨迹球7）与所述轴6一体地旋转，由此，能够运算将所述飞行器5的基准位置作为基准的全周的点云数据。基于由所述轨迹球7反射的红外光的光接收结果运算此时的水平方向的旋转角。所运算的点云数据经由所述飞行器通信部12和所述终端通信部56被发送到所述远程操纵机4。
再有，在由所述飞行装置2进行的测定中，也执行由所述位置测定装置3进行的所述全周棱镜9的追踪，实时地取得将所述位置测定装置3的设置位置作为基准的所述全周棱镜9的测定（测距、测角）结果。此外，由所述位置测定装置3取得的测定结果经由所述测定通信部51和所述终端通信部56被发送到所述远程操纵机4。
所述终端运算处理部54基于由所述飞行装置2得到的测定结果和由所述位置测定装置3得到的测定结果运算将所述位置测定装置3的设置位置作为基准的测定对象物的点云数据。
在还存在其他测定对象物的情况下，使所述飞行器5再次飞行到下一个测定对象物的附近，以与上述同样的处理取得测定对象物的点云数据。在不存在其他测定对象物的情况下，回收所述飞行器5，结束使用了所述测量***1的测定。
如上述那样，在第一实施例中，设置在所述轴6的上端并且滑移旋转自由地支承于所述飞行器5的轨迹球7、作为配重的所述轴6、所述全周棱镜9作为用于使所述轴6维持铅直姿势的云台机构发挥作用。此外，由所述轨迹球7和设置于所述飞行器5的所述红外线传感器22构成用于检测所述飞行器5的姿势的姿势检测部。
因此，由于不需要在所述飞行器5中另外设置方位计或倾斜检测器等测量器，所以能够谋求所述飞行器5的轻量化、小型化。
此外，由于能够利用所述轨迹球7检测所述飞行器5的方位角，所以能够检测从单轴的所述激光扫描仪8发出的测距光的射出方向（水平角）。因此，能够在所述飞行器5中设置所述激光扫描仪8来作为取得三维数据的测定器，能够利用该激光扫描仪8通过远程操作从近距离扫描远方的测定对象物。
此外，由于将所述激光扫描仪8内置于所述轨迹球7且一体化，所以不需要在所述飞行器5中另外设置激光扫描仪，能够谋求所述飞行器的轻量化、小型化。
此外，由于能够通过驱动所述辅助推进器电动机25来使所述轴6和所述轨迹球7相对于所述飞行器5在水平方向上相对旋转，所以能够利用所述扫描镜30的铅直旋转与所述轨迹球7的水平旋转的协作向任意的方向照射测距光。因此，即使在取得三维的范围的点云数据的情况下，在所述飞行器5装载的是单轴的激光扫描仪即可，因此，能够谋求轻量化和制制作本的减少。
此外，在飞行中，能够基于由设置于所述飞行器5的多个所述飞行器相机11得到的所述飞行器相机图像59运算时间上邻接的所述飞行器相机图像59间的相对的移动量、方位角、倾斜角。因此，能够进行飞行中的姿势的控制、针对障碍物的碰撞回避等，能够提高飞行稳定性。
再有，在第一实施例中，在所述飞行器5的周面设置了4个所述飞行器相机11a～11d，但是，也可以在所述飞行器5的上表面进一步追加能够拍摄所述轨迹球7（所述凹部13和所述扫描镜30）的飞行器相机。通过追加该飞行器相机，从而能够利用图像处理运算所述轨迹球7相对于所述飞行器5的相对旋转角。
接着，在图8中，说明本发明的第二实施例。再有，在图8中，对与图2（A）、图2（B）中同等的部分标注相同符号，省略其说明。
在第一实施例中，激光扫描仪内置于轨迹球，使激光扫描仪和轨迹球一体化。另一方面，在第二实施例中，相对于轨迹球，另外设置激光扫描仪。
在轴6的上端设置轨迹球62。此外，在所述轴6的下端设置激光扫描仪63。该激光扫描仪63具有下端开放的倒凹字状的框架64、以及在形成于该框架64的凹部65内设置的扫描镜66。该扫描镜66能够以与所述轴6的轴心正交的旋转轴为中心进行旋转。
此外，在所述框架64的一个侧框下表面（在图示中，右侧的侧框的下表面）设置有全周棱镜9。再有，所述激光扫描仪63的光学中心（测距光的射出位置）与所述全周棱镜9的光学中心的位置关系是已知的。关于其他结构，与第一实施例相同。
在第二实施例中，所述轨迹球62、所述轴6、所述激光扫描仪63以及所述全周棱镜9也作为云台机构发挥作用，因此，所述轴6总是维持为铅直姿势。此外，在飞行器5倾斜时，运算控制部28（参照图4）基于由所述轨迹球62反射的红外光运算所述轨迹球62相对于所述飞行器5的相对旋转角即相对于水平的倾斜角和倾斜方向。
此外，当所述飞行器5接近测定对象物时，使所述扫描镜66旋转，并且，利用辅助推进器26a、26b使所述激光扫描仪63与所述轴6一体地旋转，由此，能够运算将所述飞行器5的基准位置作为基准的全周的点云数据。进而，利用位置测定装置3（参照图1）一边对所述全周棱镜9进行追踪一边进行测定，由此，能够利用所述位置测定装置3取得将所述位置测定装置3的设置位置作为基准的测定对象物的点云数据。
在第二实施例中，所述激光扫描仪63作为与所述轨迹球62不同的构件而被设置在所述轴6的下端。因此，所述激光扫描仪63也作为云台机构的平衡重发挥作用，因此，能够提高所述轴6的姿势的稳定性。
再有，在第二实施例中，可以在所述飞行器5的下表面进一步追加能够拍摄所述激光扫描仪63的飞行器相机。通过追加该飞行器相机，运算控制部28能够利用图像处理运算所述轨迹球63相对于所述飞行器5的相对旋转角。
此外，也可以在所述飞行器5中设置气压传感器。能够利用该气压传感器检测所述飞行器5的高度，因此，能够实现该飞行器5的悬停，能够提高飞行控制的稳定性。
再有，在第一和第二实施例中，在已知的位置设置所述位置测定装置3，在所述飞行器5设置所述全周棱镜9，利用所述位置测定装置3一边对所述全周棱镜9进行追踪一边进行测定，由此，测定所述飞行器5的位置，但是，不限于该结构。例如，在户外使用所述飞行装置2的情况下，可以在所述飞行器5设置作为位置测定装置的GNSS装置，利用该GNSS装置测定所述飞行器5的位置。在使用GNSS装置的情况下，基于GNSS装置所检测的位置执行飞行控制。
此外，在第一实施例和第二实施例中，使用全站仪作为位置测定装置3，但是，位置测定装置不限于全站仪。能够追踪测定对象物且能够测定位置的装置例如激光扫描仪或追踪器等也能够用作位置测定装置。
此外，在第一实施例和第二实施例中使用了单轴的激光扫描仪，但是，测定器不限于单轴的激光扫描仪。例如，可以使用双轴的激光扫描仪在两个轴方向进行扫描。或者，可以是利用电流镜或双轴MEMS镜、光面阵列、液晶光束转向、里斯利棱镜等各种偏转装置在一个轴方向或两个轴方向上扫描测距光的结构。

Claims (20)

1.一种测量***，具有：飞行装置，能够远程操纵并且具有飞行器；位置测定装置，能够进行所述飞行器的位置测定；以及远程操纵机，控制所述飞行器的飞行，能够与所述飞行装置以及所述位置测定装置进行无线通信，其中，
所述飞行器具有：
设置在周面的多个相机；
轨迹球，滑移旋转自由地支承于所述飞行器，具有基准位置和基准方向；
轴，从该轨迹球向下方延伸，经由该轨迹球在任意的方向上倾斜自由地被支承；
红外线传感器，能够向所述轨迹球射出红外光；以及
控制装置，
所述控制装置被构成为基于由所述轨迹球反射的红外光运算相对于所述轨迹球的基准位置和基准方向的所述飞行器的姿势。
2.根据权利要求1所述的测量***，其中，在所述轴设置有使该轴以轴心为中心进行旋转的多个辅助推进器单元，利用该辅助推进器单元使所述轴和所述轨迹球相对于所述飞行器进行相对旋转。
3.根据权利要求1所述的测量***，其中，在所述轨迹球内置有单轴的激光扫描仪，在所述轨迹球的与所述轴相向的位置处形成有凹部，所述激光扫描仪被构成为能够经由设置在所述凹部的扫描镜使测距光在一维进行扫描，所述控制装置被构成为利用所述扫描镜的旋转与所述轨迹球的旋转的协作使测距光在三维进行旋转照射，利用二维的扫描取得点云数据。
4.根据权利要求1所述的测量***，其中，在所述轴的下端设置有单轴的激光扫描仪，该激光扫描仪被构成为能够经由扫描镜使测距光在一维扫描进行，所述控制装置被构成为利用所述扫描镜的旋转与所述轨迹球的旋转的协作使测距光在三维进行旋转照射，利用二维的扫描取得点云数据。
5.根据权利要求3所述的测量***，其中，所述位置测定装置是全站仪，在所述飞行器的下表面设置有全周棱镜，所述位置测定装置一边追踪所述全周棱镜一边进行测距和测角，所述远程操纵机被构成为基于所述位置测定装置的测定结果和由所述激光扫描仪取得的点云数据运算以所述位置测定装置为基准的点云数据。
6.根据权利要求4所述的测量***，其中，所述位置测定装置是全站仪，在所述激光扫描仪的下表面设置有全周棱镜，所述位置测定装置一边追踪所述全周棱镜一边进行测距和测角，所述远程操纵机被构成为基于所述位置测定装置的测定结果以及由所述激光扫描仪取得的点云数据运算以所述位置测定装置为基准的点云数据。
7.根据权利要求3所述的测量***，其中，所述位置测定装置是GPS装置，所述远程操纵机被构成为基于所述位置测定装置的测定结果以及由所述激光扫描仪取得的点云数据运算以所述位置测定装置为基准的点云数据。
8.根据权利要求1所述的测量***，其中，所述控制装置被构成为使所述相机取得活动图像或连续图像，在时间上邻接的图像中分别提取相同的特征点，运算该特征点间的位置偏差，基于该位置偏差运算相对于先前的图像取得时的随后的图像取得时的所述飞行器的倾斜角、方位角、移动量。
9.根据权利要求2所述的测量***，其中，在所述轨迹球内置有单轴的激光扫描仪，在所述轨迹球的与所述轴相向的位置处形成有凹部，所述激光扫描仪被构成为能够经由设置在所述凹部的扫描镜使测距光在一维进行扫描，所述控制装置被构成为利用所述扫描镜的旋转与所述轨迹球的旋转的协作使测距光在三维进行旋转照射，利用二维的扫描取得点云数据。
10.根据权利要求2所述的测量***，其中，在所述轴的下端设置有单轴的激光扫描仪，该激光扫描仪被构成为能够经由扫描镜使测距光在一维进行扫描，所述控制装置被构成为利用所述扫描镜的旋转与所述轨迹球的旋转的协作使测距光在三维进行旋转照射，利用二维的扫描取得点云数据。
11.根据权利要求9所述的测量***，其中，所述位置测定装置是全站仪，在所述飞行器的下表面设置有全周棱镜，所述位置测定装置一边追踪所述全周棱镜一边进行测距和测角，所述远程操纵机被构成为基于所述位置测定装置的测定结果和由所述激光扫描仪取得的点云数据运算以所述位置测定装置为基准的点云数据。
12.根据权利要求10所述的测量***，其中，所述位置测定装置是全站仪，在所述激光扫描仪的下表面设置有全周棱镜，所述位置测定装置一边追踪所述全周棱镜一边进行测距和测角，所述远程操纵机被构成为基于所述位置测定装置的测定结果和由所述激光扫描仪取得的点云数据运算以所述位置测定装置为基准的点云数据。
13.根据权利要求9所述的测量***，其中，所述位置测定装置是GPS装置，所述远程操纵机被构成为基于所述位置测定装置的测定结果和由所述激光扫描仪取得的点云数据运算以所述位置测定装置为基准的点云数据。
14.根据权利要求2所述的测量***，其中，所述控制装置被构成为使所述相机取得活动图像或连续图像，在时间上邻接的图像中分别提取相同的特征点，运算该特征点间的位置偏差，基于该位置偏差运算相对于先前的图像取得时的随后的图像取得时的所述飞行器（5）的倾斜角、方位角、移动量。
15.根据权利要求3所述的测量***，其中，所述控制装置被构成为使所述相机取得活动图像或连续图像，在时间上邻接的图像中分别提取相同的特征点，运算该特征点间的位置偏差，基于该位置偏差运算相对于先前的图像取得时的随后的图像取得时的所述飞行器的倾斜角、方位角、移动量。
16.根据权利要求4所述的测量***，其中，所述控制装置被构成为使所述相机取得活动图像或连续图像，在时间上邻接的图像中分别提取相同的特征点，运算该特征点间的位置偏差，基于该位置偏差运算相对于先前的图像取得时的随后的图像取得时的所述飞行器的倾斜角、方位角、移动量。
17.根据权利要求5所述的测量***，其中，所述控制装置被构成为使所述相机取得活动图像或连续图像，在时间上邻接的图像中分别提取相同的特征点，运算该特征点间的位置偏差，基于该位置偏差运算相对于先前的图像取得时的随后的图像取得时的所述飞行器的倾斜角、方位角、移动量。
18.根据权利要求6所述的测量***，其中，所述控制装置被构成为使所述相机取得活动图像或连续图像，在时间上邻接的图像中分别提取相同的特征点，运算该特征点间的位置偏差，基于该位置偏差运算相对于先前的图像取得时的随后的图像取得时的所述飞行器的倾斜角、方位角、移动量。
19.根据权利要求7所述的测量***，其中，所述控制装置被构成为使所述相机取得活动图像或连续图像，在时间上邻接的图像中分别提取相同的特征点，运算该特征点间的位置偏差，基于该位置偏差运算相对于先前的图像取得时的随后的图像取得时的所述飞行器的倾斜角、方位角、移动量。
20.根据权利要求9所述的测量***，其中，所述控制装置被构成为使所述相机取得活动图像或连续图像，在时间上邻接的图像中分别提取相同的特征点，运算该特征点间的位置偏差，基于该位置偏差运算相对于先前的图像取得时的随后的图像取得时的所述飞行器的倾斜角、方位角、移动量。
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