JP2010223754A - 三次元位置計測及び位置決めシステム - Google Patents

Abstract

【課題】狭隘部での計測と短時間での計測を可能にし、物陰にある点の座標を間接的に計測できる三次元計測システムを提供する。レーザースポットを参照せずプリズムの計測により墨出し位置を決定する位置決めシステムを提供する。
【解決手段】三次元計測システムは、三次元計測器と、基準認識用ターゲットと、入射角センサと傾斜センサと指示点とを有するポインターと、データ送受信用コンピュータとを備える。ポインター上の指示点を計測する目標点に接触させることにより、指示点の三次元座標を計測する。三次元位置決めシステムは、フレーム上にプリズムとスライダとマーキング手段とを搭載したマーキング装置と、データ送受信用コンピュータとを備え、コンピュータに墨出し点の座標を入力し、三次元計測器に目標点を指示して三次元計測器からレーザーをマーキング装置へと照射させ、所定の位置に墨出しさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、土木・建設などの各種工事現場等における位置計測、及び墨出しといわれる位置決め作業を実施するためのシステムに関する。

建設現場等における位置計測及び位置決め作業は、レーザー照射機能を有し、望遠鏡等による視準方向を自動制御可能な三次元計測器（トータルステーションとして市販されているもの）を用いることで、測定精度の向上と作業の効率化が図られている。

従来の三次元計測システムでは、例えば位置計測用のターゲットを持つ作業者と、遠隔地にいて三次元計測器の望遠鏡等で視準する測定者との２人の作業者を必要とし、ターゲットの位置が目標位置に合致するまで計測を繰り返す必要があり、ターゲットの移動・据付け等に多くの時間を必要とし、作業量が増加していた。三次元計測器はレーザーが直接届く位置でないと計測できないから、陰になる部分が多い機械室やパイプシャフトなど狭隘部での計測は困難であった。

他の手法として、２つのプリズムを包含する指示棒を用いてそれらの座標から棒の先端座標を算出する方法がある。これも、計測に時間を要し、手ぶれにより精度が低下する難点がある。精度を向上させるために、プリズム間距離を広げると、指示棒が長くなって操作が面倒になる。また、一人で作業するにはプリズムを交互に認識しなければならないが、手ぶれが生じて計測が困難になるなどの欠点がある。

特開平７−１３４０２９「位置測量方法」では、目標位置となる追尾ターゲット上にレーザー発振器を搭載し、測定点上の自動追尾型位置センサが追尾ターゲットを自動探索して位置データをワイヤレス送信し、さらにレーザー発振器から鉛直下方にマーキング用のレーザー光を照射する。この方法では、ターゲット位置のフィードバックによる微調整が必要となる。

特開２００７−５１９１０「レーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法および位置決め方法」では、光路可視化モジュール内で２方向から照射したレーザー光の光路の交点を基準点とし、基準点から鉛直下方の位置を三次元的に特定して座標位置または墨出し位置としている。トータルステーションと呼ばれる測量機でターゲットプリズムを自動追尾することも記載されている。

特開２００７−１１８１６５「墨位置記録装置」では、三次元計測器により提示されたマークポイントの位置に対してマーキングロボットによりマーキングを行う。マーキングロボットのスタンプ先端からレーザー光線が照射され、スタンプポイントをマークポイントに一致させてマーキングを行う。

前述したように、従来の三次元計測器での位置計測は、三次元計測器により直接視準でき、レーザーが直接届く地点でなければ計測できないという弱点があった。また、位置決め作業では、床や壁、天井など位置決めをする対象物の建築誤差によって、レーザー照射点と目標点にずれを生じる可能性があった。

本発明の第１の目的は、狭隘部での計測を可能にする三次元計測システムを提供することにある。
本発明の第２の目的は、短時間での計測を可能にしかつ手ぶれの影響を低減することが可能な三次元計測システムを提供することにある。
本発明の第３の目的は、一人の作業者でも計測が可能な三次元計測システムを提供することにある。
本発明の第４の目的は、三次元計測器では直接視準できない物陰にある点の座標を間接的に計測するためのポインターを有する三次元計測システムを提供することにある。
本発明の第５の目的は、床や壁・天井などに照射されたレーザースポットの形成誤差を補正するためのマーキング装置を有する三次元位置決めシステムを提供することにある。

前述した課題を解決するため、本発明はその第１の態様において、各種工事において三次元の目標点を計測するためのシステムであって、レーザーを照射し視準した点の三次元座標を計測してデータを送受信することができる三次元計測器と、当該三次元計測器の設置位置を特定するための基準認識用ターゲットと、レーザーを受光しその入射角を計測する入射角センサとレーザー受光軸まわりの回転角を計測する傾斜センサと目標点に接触させる指示点とを有するポインターと、前記三次元計測器及び前記ポインターからの計測データを受信して前記ポインターの指示点の座標を計算しデータを送受信することができるホストコンピュータとを備え、前記ポインター上の指示点を計測する目標点に接触させることにより、指示点の三次元座標を計測する三次元計測システムを提供する。

前述した課題を解決するため、本発明はその第２の態様において、各種工事において三次元の目標点を位置決めし墨出しするためのシステムであって、レーザーを照射し視準した点の三次元座標を計測してデータを送受信することができる三次元計測器と、当該三次元計測器の設置位置を特定するための基準認識用ターゲットと、フレーム上にプリズムとスライダとマーキング手段とが搭載され、前記三次元計測器による前記プリズムの位置計測結果をもとに前記スライダの位置を調節し、所定の位置にマーキングすることができるマーキング装置と、前記三次元計測器及び前記マーキング装置からの計測データを受信して前記マーキング装置に指示データを送受信することができるホストコンピュータとを備え、ホストコンピュータに墨出し点の座標を入力し、前記三次元計測器に目標点を指示して前記三次元計測器からレーザーを前記マーキング装置へと照射させ、所定の位置に墨出しさせる三次元位置決めシステムを提供する。

好適な態様として、ポインターの入射角センサは、ピンホールと２次元位置検出デバイスとを有する。

さらに好適な態様として、マーキング装置は受光するレーザー光の軸と平行になるように向きが調節可能になっている。

さらに好適な態様として、マーキング装置の前記スライダは、当該マーキング装置の長手方向軸線に沿って移動可能で移動距離を表す目盛りが付されている。

本発明による三次元位置計測及び位置決めシステムによれば、
（１）三次元計測器の移動を必要としないので狭隘部でも計測が可能になる
（２）１点計測のため短時間で計測ができ、手ぶれの影響を低減できる
（３）一人での作業が可能になる
（４）間接的な計測なので、測定対象点が物陰にあってもポインターの指示点をあてれば位置を計測できる
（５）指示棒の小型化が可能である
（６）三次元計測器を設置すれば、それ以降簡単に高精度な墨出しができる
（７）調整量を直接指示することにより瞬時にかつ手動で十分な精度の調整が可能である
（８）レーザースポットを参照せず、プリズムの計測により墨出し位置を決定するので、スポット延伸の影響を受けない、等の利点が得られる。

本発明による三次元位置計測及び位置決めシステムの概略斜視図。 ポインターの斜視図。 ポインター制御システムのブロック図。 マーキング装置の三面図。 入射角センサの断面図。 入射角センサの角度計測原理図。 入射角センサ用キャリブレーション装置の正面図。 角度βのキャリブレーションデータを表すグラフ。 座標系の設定を表す斜視図。 傾斜センサの計測角を表す斜視図。 α，β，γによる変換を表す斜視図。 本発明による計測システムの流れ図。 三次元計測器による位置指示を示す断面図。 マーキング装置を使用した位置指示を示す断面図。 スライダの斜視図。 マーキング装置の向きの調整を表す平面図。 本発明による位置決めシステムの流れ図。

図１は本発明により三次元位置計測及び位置決めを行うための概略プロセスを表しており、図１Ａは三次元計測器１０を所定の位置に設置し、基準認識用ターゲット１６とホストコンピュータ１８を用いてその設置位置を計測するプロセスの外観図、図１Ｂは三次元計測器１０とポインター１２を用いて位置計測を行うプロセスの外観図、図１Ｃは三次元計測器１０とマーキング装置１４を用いて所定の位置に墨出しを行うプロセスの好適な態様を表している。

三次元計測器１０は一般にトータルステーションと呼ばれて市販されているものが利用できる。望遠鏡で視準した点の三次元座標を、光波距離計及び水平・垂直方向の角度計測により計測することができる。また、視準線に一致したレーザー光を照射し、水平・垂直角を自動制御することで、任意の方向にレーザーを照射することができる。さらにプリズムを自動で探索・視準する機能を有する。

ホストコンピュータ１８では、オペレータとのインターフェース、三次元計測器の無線による制御、ポインターとの無線通信（操作コマンドおよび計測データの送受信）、および計測データを用いた演算を行う。

基準認識用ターゲット１６は、現場に設置した絶対座標系における三次元計測器の設置位置を計測するために、現場の基準点や基準線に設置するターゲットである。本発明では整準機能を有する自立型プリズムを使用する。設置位置の計測方法は、前述した特許文献にも記載されているように、従来から知られている技術である。

図２に示すポインター１２は、レーザー光２０を受光しその入射角を計測する入射角センサ３０及びポインターのレーザー軸まわりの回転角を計測するための傾斜センサ２５を有し、それらの出力及び三次元計測器による計測データを用いて指示点の座標を計測することができる。入射角センサ３０は、ピンホール２９と２次元位置検出デバイス３２（例えばＰＳＤ，ＣＣＤ，ＣＭＯＳなど）により構成され、ピンホール２９を通過したレーザーが照射される位置からレーザーの入射角度を計測する。

図２に示すポインター１２はさらに、作業者が把持するためのグリップ２１、先端の指示点２２、プリズムサーチボタン（振り向きボタン）２３、計測ボタン２４、受光確認ランプ２６、無線通信用モデム２７、プリズム２８、回路・電池収納箱３１を包含している。

図３はポインター制御システムを表しており、図２の装置に加えて、傾斜センサ２５とマイクロコンピュータ３４が含まれている。

作業者（オペレータ）はグリップ２１を把持し、指示点２２を計測する点にあてて使用する。図３に示されている傾斜センサ２５は、回転軸まわりに全周計測（３６０°）が可能で、図２における回路・電池収納箱３１内に入射角センサ３０の法線と回転軸が平行になるように設置されている。

図４に示すマーキング装置１４は、装置の長手方向に沿って印字された目盛（スケール）４６に沿って移動可能なスライダ４０を有する。このマーキング装置１４をレーザー照射位置に設置し、装置前面の縦方向スリット５０及びスライダ４０に設置された受光板（反射板）５１を用いてマーキング装置１４をレーザー軸方向にあわせる。ここで縦方向スリット５０は、レーザーを受光してスリット光とし、スライダの反射板で受光し、装置の向きを調整するのに利用される。そして、三次元計測器１０によりプリズム４１の位置を計測することで、プリズム４１から目標位置までの軸方向距離を算出し、スライダ４０の位置を手動でレール４５の軸方向に調整して適切な位置にマーキング（墨出し）する。

図４に示すマーキング装置１４は、さらに位置指示針４２、マーキング穴４３、レベル調整ねじ４４，４８、水準器４７を包含し、これらは支持フレーム４９上に搭載されている。

ポインター１２による位置計測は次のようにして実行する。
（１）入射角センサの構成と計測原理
図５にポインター１２に含まれる入射角センサ３０の断面図を、図６に入射角センサ３０による角度計測原理図を示す。図５のように、入射角センサ３０はピンホール３６と２次元位置検出素子３２から構成される。図６のようにピンホール３６にレーザー２０が照射されると、ピンホール３６を通過したレーザー２０がスポットＳとして２次元位置検出デバイス受光面に照射され、２次元位置検出デバイスの出力としてＳの座標（ｘ_p，ｙ_p ）が計測される。αはレーザーの入射方向を示す角度であり、以下の式で求められる。

βは入射角センサ３０の法線方向に対するレーザー２０の入射角を示し、図７に示すような入射角センサ用キャリブレーション装置６０を用いて求められたβの換算式により算出される。すなわち、図７によりレーザー２０の入射角βに対するセンサ出力ｒ（式１）を計測し、図８に示すように横軸をｒ（ｍｍ）、縦軸をβ（度）とするグラフにプロットしたデータを最小二乗法で近似することによりβの換算式を得る。

図７の入射角センサ用キャリブレーション装置６０は、さらにレーザー光源６１、光軸調整機構６２、レーザー光源固定具６３、回転機構６４、水平ステージ６５、連結具６６、回転機構６７を包含している。

（２）指示点の座標計測の原理
図９に示すように、三次元計測器１０の設置位置を原点とする座標系をΣ₁ 、ポインター１２のピンホールＰ₀ を原点とする座標系をΣ₂ とする。Σ₁ におけるポインターの指示点Ｐの座標は三次元計測器１０により計測されるＰ₀ の座標とレーザーに対するポインターの姿勢を用いて計測することができる。ポインターの姿勢を表すパラメータは、レーザーの入射方向α、入射角度β及びレーザー軸周りの回転角γである。αとβは入射角センサにより計測することができる。γは傾斜センサで計測するが、γはα，β及びレーザーの垂直方向の照射角度θに依存するので、センサにより直接求めることができない。そのため、γは傾斜センサの出力Ψとα，β，θにより求める。

図１０に示すように、傾斜センサ２５の出力Ψは、Σ₁ における重力方向のベクトルＧ₀ （→上付き）を入射角センサの受光面に正投射したベクトルＧ（→上付き）と、傾斜センサの計測基準方向（鉛直方向）ベクトルＭ（→上付き）のなす角に等しいので、次式が成り立つ。

変換前の傾斜センサ２５の計測基準方向はΣ₂ のｘ軸と一致するので、ベクトルＭ（→上付き）はｍ（→上付き）＝［１，０，０］^T を以下に示す手順で変換することで得られる。以下の各式においてＣθはＣｏｓθ，ＳθはＳｉｎθをそれぞれ表す。
１）Σ₂ のｚ軸周りにγ回転する。

２）α，βにより変換する
図１１に示すように、αとβによる変換はΣ₂ におけるベクトルω（→上付き）＝［Ｓ（α−γ），Ｃ（α−γ），０］^T の周りにβ回転することと同義であり、以下の式で変換される。

３）Σ₁ においてＹ軸周りにθ回転する

ベクトルＧ（→上付き）はΣ₁ における重力方向ベクトルＧ₀ （→上付き）＝［０，０，−１］^T を、入射角センサ受光面に正射影する行列Ｑで変換することにより得られる。入射角センサ受光面の方向余弦をｎ（→上付き）＝［ｎ₁ ，ｎ₂ ，ｎ₃ ］^T とすると、行列Ｑは次式で表される。

変換前の方向余弦は、Σ₂ におけるｚ軸方向と等しく、ｎ₀ （→上付き）＝［０，０，１］^T と表され、これを上記と同様にα，β，γ及びθで変換すると次式のようになる。

これより、ベクトルＧ（→上付き）は以下のように表される。

式５及び式８を式１に代入して得られる式に、α，β，θ及びΨを代入することにより、γを求めることができる。

α，β，γ及び三次元計測器により計測されるＬ，φ，θを用いて、ポインター指示点ＰのΣ₁ における座標を求める。図９のように、ポインター１２の長さをｌ（小文字のエル）、ポインター軸のＰ₀ からの厚さ方向のオフセットをｄとすると、変換前のＰはΣ₂ においてＰ［０，ｌ，ｄ］と表される。式３，式４と同様の変換によりＰはＰ’に変換される。

さらに、Ｌ，φ，θ及びΣ₁ におけるＰ₀ の座標［Ｘ_T ，Ｙ_T ，Ｚ_T ］^T を用いて、次式により、点Ｐ’はΣ₁ 上の点Ｐ_T に変換される。

最後に、現場に設定した絶対座標系Σ₀ におけるΣ₁ の座標［Ｘ₁ ，Ｙ₁ ，Ｚ₁ ］^T 及びＺ₀ 軸周りの回転角ρによって、次式を用いてＰ_T をΣ₀ 上の点Ｐ_Gに変換する。

ここで、［Ｘ₁ ，Ｙ₁ ，Ｚ₁ ］^T 及びρは、三次元計測器を現場に設置した際に、基準認識用ターゲットを用いて、現場の基準点を参照することにより求められる値である。

（３）計測の手順は図１２の流れ図の矢印方向に従って行われる。
ステップ７０：開始
ステップ７１：計測点を指示する
ステップ７２：振り向きボタン（プリズムサーチボタン）を押す
ステップ７３：プリズムを探す
ステップ７４：レーザーを照射する
ステップ７５：ポインターの姿勢を調節しレーザーを入射角センサのピンホールにあてる
ステップ７６：計測ボタンを押す
ステップ７７：三次元計測器、ポインターが各計算パラメータを計測する
ステップ７８：指示点の座標を計算し、表示する
ステップ７９：計測データを記録する
ステップ８０：終了。

マーキング装置１４による墨出しの原理と手順は以下のようになる。
（１）計測の原理
例として床面への墨出しを取り上げる。三次元計測器１０は、システムに入力された現場の絶対座標系Σ₀ 上の目標点Ｐに対して、三次元計測器１０の座標系Σ₁ の原点座標及びＺ軸周りの回転角を用いてΣ₁ の点に変換し、それを極座標で表すことによって水平角φと高度角θを求め、その方向にレーザーを照射する。

しかし、図１３に示すように、三次元計測器１０の設置位置と目標点Ｐに高低差Δｈが存在すると、目標点Ｐまでの水平距離Ｌ_d からΔＬだけずれた位置Ｐ’にレーザーが照射される。そこで、図１４に示すように、マーキング装置１４をレーザー照射点に設置し、三次元計測器１０によりプリズムまでの水平距離Ｌ₀を計測し、プリズムから目標点Ｐまでの水平距離Ｌ₁ を求める。マーキング装置１４のスライダ４０（図４）をレール４５に沿ってＬ₁ だけ移動することにより、目標点Ｐにマーキングすることができる。その際、マーキング装置１４の軸方向がレーザーの軸方向と平行になっている必要がある。

図１５に示すように、スライダ４０と一体化したレーザー反射板４９には鉛直線５３が記してあり、図１６に示すように、マーキング装置１４を設置する際に装置を整準するとともにレーザーをスリット５０にあて、スリット５０を通過したレーザー光が反射板４９の鉛直線５３と重なるように矢印方向に装置の向きを調整する。ここで、図１６ではスリットを表示するため、プリズムを省略している。

（２）墨出しの手順は図１７の流れ図の矢印方向に従って行われる。
ステップ９０：開始
ステップ９１：墨出し点の座標を入力する
ステップ９２：目標点にレーザーを照射する
ステップ９３：マーキング装置を設置し整準及び向きの調整をする
ステップ９４：計測ボタンを押す
ステップ９５：プリズムを計測する
ステップ９６：目標点までの距離を表示する
ステップ９７：スライダの位置を調整する
ステップ９８：マーキングする
ステップ９９：終了。

以上詳細に説明した如く、本発明による三次元位置計測及び位置決めシステムによれば、三次元計測器の移動を必要としないので狭隘部でも計測が可能になる、１点計測のため短時間で計測ができ手ぶれの影響を低減できる、一人での作業が可能になる、間接的な計測なので測定対象点が物陰にあってもポインターの指示点をあてれば位置を計測できる、指示棒の小型化が可能である、三次元計測器を設置すればそれ以降簡単に高精度な墨出しができる、調整量を直接指示することにより瞬時にかつ手動で十分な精度の調整が可能である、レーザースポットを参照せずプリズムの計測により墨出し位置を決定するのでスポット延伸の影響を受けない、などの多くの利点が得られ、その技術的価値には極めて顕著なものがある。

１０ 三次元計測器 １２ ポインター
１４ マーキング装置 １６ ターゲット
１８ ホストコンピュータ ２０ レーザー光
２２ 指示点 ２５ 傾斜センサ
２８ プリズム ３０ 入射角センサ
３２ ２次元位置検出デバイス ３６ ピンホール
４０ スライダ ４５ レール
４６ 目盛 ４９ フレーム
５０ スリット ５１ 反射板

Claims (5)

1. 各種工事において三次元の目標点を計測するためのシステムであって、
   レーザーを照射し視準した点の三次元座標を計測してデータを送受信することができる三次元計測器と、
   当該三次元計測器の設置位置を特定するための基準認識用ターゲットと、
   レーザーを受光しその入射角を計測する入射角センサとレーザー受光軸まわりの回転角を計測する傾斜センサと目標点に接触させる指示点とを有するポインターと、
   前記三次元計測器及び前記ポインターからの計測データを受信して前記ポインターの指示点の座標を計算しデータを送受信することができるホストコンピュータとを備え、
   前記ポインター上の指示点を計測する目標点に接触させることにより、指示点の三次元座標を計測することを特徴とする三次元計測システム。
2. 前記ポインターの入射角センサは、ピンホールと２次元位置検出デバイスとを有する請求項１記載の三次元計測システム。
3. 各種工事において三次元の目標点を位置決めし墨出しするためのシステムであって、
   レーザーを照射し視準した点の三次元座標を計測してデータを送受信することができる三次元計測器と、
   当該三次元計測器の設置位置を特定するための基準認識用ターゲットと、
   フレーム上にプリズムとスライダとマーキング手段とが搭載され、前記三次元計測器による前記プリズムの位置計測結果をもとに前記スライダの位置を調節し、所定の位置にマーキングすることができるマーキング装置と、
   前記三次元計測器及び前記マーキング装置からの計測データを受信して前記マーキング装置に指示データを送受信することができるホストコンピュータとを備え、
   ホストコンピュータに墨出し点の座標を入力し、前記三次元計測器に目標点を指示して前記三次元計測器からレーザーを前記マーキング装置へと照射させ、所定の位置に墨出しさせることを特徴とする三次元位置決めシステム。
4. 前記マーキング装置は受光するレーザー光の軸と平行になるように向きが調節可能になっている請求項３記載の三次元位置決めシステム。
5. 前記マーキング装置の前記スライダは、当該マーキング装置の長手方向に沿って移動可能で移動距離を表す目盛りが付されている請求項３記載の三次元位置決めシステム。

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