JP2020125935A - 計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成において姿勢が既知でないセンサを用いてセンサ外部の座標系と関連づけた計測を行うセンサの傾斜を傾斜する。【解決手段】センサ素子を収容したセンサ１の前面、上面、下面、左側面、右側面に、相互に異なる色で発光する発光部１１を設ける。各センサ１を計測対象物に対して設置し、各センサ１の発光部１１を点灯し、カメラ２で撮影した画像中に現れる３以上の発光部１１の中心の配置パターンが表す、センサ１の同一平面上にない３点の位置関係からセンサ１のピッチ、ロール、ヨーの角度をセンサ１の傾きとして算出し、センサ１に対して固定された当該センサ１が検出する測定値の座標系と、センサ１外部の座標系とを対応づける。【選択図】図２

Description

本発明は、姿勢が既知でないセンサを用いてセンサ外部の座標系と関連づけた計測を行う技術に関するものである。

姿勢が既知でないセンサを用いてセンサ外部の座標系と関連づけた計測を行う技術としては、加速度センサに対して地磁気センサを固定し、地磁気センサを用いて実空間の鉛直方向/水平方向を検出して鉛直方向/水平方向と加速度センサの座標系とを対応づけることにより、加速度センサの姿勢に関わらずに、鉛直方向の加速度と水平方向の加速度の計測を行えるようにした技術が知られている（たとえば、特許文献１）。

特開２０１４-１３０１０７号公報

上述した技術によれば、センサを用いてセンサ外部の座標系と関連づけた計測を行うために、センサ毎に当該センサとは別種のセンサが必要となり、センサの構成の複雑化や大型化や高コスト化を招く。

そこで、本発明は、より簡易な構成において、姿勢が既知でないセンサを用いてセンサ外部の座標系と関連づけた計測を行うことを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、計測装置に接続したセンサを用いて計測を行う計測システムにカメラを備え、前記センサに、相互に異なる色で発光する同一平面上にない３以上の発光部を設け、前記計測装置は、当該計測装置に接続したセンサの発光部を点灯させ、前記カメラで撮影した画像中に現れる３以上の各色発光部の配置パターンから、前記センサの傾きを算定するセンサ姿勢算定手段を備えたものである。

このような計測システムは、前記センサ姿勢算定手段において、前記３以上の各色の発光部の配置パターンとして、前記カメラで撮影した画像中にある３以上の各色発光部の領域の中心を配置パターンとして用いてもよい。

また、前記センサを異なる方向を向いた３以上の面を備えた外形を有するものとし、前記３以上の発光部を、前記３以上の面の各々に配置してもよい。
また、前記センサを、直方体の外形を有するものとし、前記直方体の６つの面のうち、少なくとも５面に、相互に異なる色で発光する発光部を配置してもよい。
この場合には、前記センサ姿勢算定手段において、当該計測装置に接続したセンサの発光部を点灯し、前記カメラで撮影した画像中に２つの発光部のみが現れており、当該２つの発光部の領域の中心が水平方向にも垂直方向にも並んでいない場合にセンサのエラーを検出するようにしてもよい。

また、以上の計測システムは、前記センサを、当該センサに対して固定された座標系であるセンサ座標系で表される測定値を検出するものとし、前記計測装置に、前記センサが検出した測定値を、前記センサ姿勢算定手段が算定した前記センサの傾きを用いて、前記センサ座標系と異なる座標系で表した測定値に変換する座標系変換手段を備えるようにしてもよい。

また、以上の計測システムに、前記センサを複数備え、前記複数のセンサが各々接続される複数のチャンネルを備え、前記計測装置に、順次、前記各チャンネルについて、当該チャンネルに接続したセンサの発光部を所定の点灯パターンで点灯し、前記カメラで撮影した画像中に現れる前記点灯パターンを認識し、当該点灯パターンを認識した前記画像中の位置を、当該チャンネルに接続されたセンサに対応する前記画像中の位置として算定するセンサ位置算定手段を設けてよい。

または、以上の計測システムに、前記センサを複数備え、前記複数のセンサが各々接続される複数のチャンネルを備え、前記計測装置に、前記各チャンネルに接続したセンサの発光部を、当該チャンネルの識別を表す前記チャンネル毎に異なる点灯パターンで点灯し、前記カメラで撮影した画像中に現れる前記各点灯パターンを認識し、点灯パターンを認識した前記画像中の位置を、当該点灯パターンが識別を表すチャンネルに接続されたセンサに対応する前記画像中の位置として算定するセンサ位置算定手段を設けてよい。

以上のような計測システムによれば、各センサに発光部を設けて、各センサをカメラで撮影するだけの簡易な構成でセンサの傾きを検出して、センサの外部の座標系と関連づけた計測を行うことができる。

本発明によれば、より簡易な構成において、姿勢が既知でないセンサを用いてセンサ外部の座標系と関連づけた計測を行うことができる。

本発明の実施形態に係る計測システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るセンサを示す図である。 本発明の実施形態に係るセンサとカメラの配置例を示す図である。 本発明の実施形態に係るセンサ姿勢算出処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るセンサ姿勢算出の原理を示す図である。 本発明の実施形態に係る計測装置の表示例を示す図である。 本発明の実施形態に係るセンサの他の例を示す図である。

以下、本発明に係る計測システムの実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る計測システムの構成を示す。
図示するように、計測システムは、複数のセンサ１、カメラ２、各々センサを接続することができる複数のチャンネルを備えた計測装置３を備えている。
センサ１は、加速度センサや振動センサや磁気センサや指向性マイクなどの、測定量の１または複数の方向毎の大きさを測定値として検出するセンサであり、検出する測定量の方向は、センサ１に対して固定された座標系で検出する。

図２に、本実施形態に係るセンサ１の外観を示す。
ここで、図２ａはセンサ１の前面を表し、図２ｂはセンサ１の上面を表し、図２ｃはセンサ１の右側面を表し、図２ｄはセンサ１の左側面を表し、図２ｅはセンサ１の下面を表し、図２ｆはセンサ１の斜視図を表している。

図示するように、センサ１は直方体形状を有し、測定値を検出するセンサ素子を収容している。またセンサ１の後部には、センサ１を計測装置３に接続するためのケーブル４が連結されている。

また、センサ１の前面、上面、下面、左側面、右側面には、矩形の発光部１１が設けられており、各発光部１１は人間やカメラ２によって互いに異なる色と認識される波長または波長の組み合わせで発光する。例えば、センサ１の前面、上面、下面、左側面、右側面の発光部１１は、それぞれ、赤、青、緑、黄、シアンと人間やカメラ２によって認識される色で発光する。

このような発光部１１は、たとえば、長波長の光源、多波長の光源、異なる波長の複数の光源をセンサ１に収容し、センサ１の前面、上面、下面、左側面、右側面に、透過する波長が異なる、または、各波長の透過率の組み合わせが異なるカラーフィルタを、光源からの光が通過するように設けること等により構成することができる。また、このような発光部１１の光源としては、LED等を用いることができる。

また、発光部１１は、ケーブル４を介して計測装置３から点灯／消灯を行うことができる。
次に、計測時のセンサ１とカメラ２の配置例を図３に示す。
図示するように、試験者は、計測開始に先立って、複数のセンサ１を、計測対象物３００の表面または表面近くの異なる位置に配置する。また、カメラ２を、計測対象物３００と、撮影範囲内に配置した全てのセンサ１が含まれるように撮影する位置と向きに設置する。

試験者は、複数のセンサ１とカメラ２を配置し、各センサ１を計測装置３のチャンネルの各々に接続したならば、計測装置３にセンサ姿勢算出処理を行わせ、各センサ１の傾きを算出させる。

図４に、この計測装置３が行うセンサ姿勢算出処理の手順を示す。ここでチャンネル番号をｉとする。
図示するように、計測装置３は、センサ１を接続したチャンネルの数をｎとして、１からｎまでの各ｉについて、以下の処理を行う。
ｉ番目のチャンネルに接続されているセンサ１の発光部１１を点灯し（ステップ４０４）、カメラ２で撮影した画像中に高輝度領域として現れる発光部１１を認識し（ステップ４０６）、発光部１１を認識したならば、ｉ番目のチャンネルに接続されているセンサ１の発光部１１を消灯する（ステップ４０８）。

そして、認識した発光部１１の配置パターンから、ｉ番目のチャンネルに接続されているセンサ１の傾きを算出する（ステップ４１０）。
ここで、センサ１の傾きの算出は以下のように行う。
まず、認識した発光部１１の数が３未満であり、カメラ２が撮影した画像中に３つの発光部１１が現れていない場合にはセンサ１の傾きの算出を失敗とする。
また、認識した発光部１１の数が３であり、カメラ２が撮影した画像中に３つの発光部１１が現れている場合には、認識した３つの発光部１１の画像中の領域の色から、３つの発光部１１がセンサ１のどの面の発光部１１であるかを識別する。また、選定した３つの発光部１１の画像中の領域の中心を求め、３つの発光部１１について求めた３つの中心の配置パターンと、３つの発光部１１が位置するセンサ１の面から、センサ１の傾きを算出する。

例えば、図５ａに示すように、カメラ２が撮影した画像中にセンサ１の像が現れている場合には、まず、図５ｂに示すように、画像中の発光部１１の領域を抽出する。
また、発光部１１の発光色と発光部１１が位置するセンサ１の面との対応に従って、３つの発光部１１の領域の色より、画像中に現れた３つの発光部１１がセンサ１のどの面の発光部１１であるかを識別する。

また、図５ｃに示すように、３つの発光部１１について、画像中の発光部１１の領域のエッジを抽出して発光部１１の領域の頂点を求め、エッジ以外の頂点を結ぶ線である２つの対角線の交点を、発光部１１の領域の中心として算定する。または、画像中の発光部１１の領域の中心を、発光部１１の領域の中心として算定することもできる。

そして、図５ｄのように得られる発光部１１の各色の領域の中心の配置パターンは、センサ１の異なる３面上の既知の３点をカメラ２に投影した配置パターンとなり、この配置パターンが得られる、センサ１のピッチ、ロール、ヨーの角度は一義的に定まるので、この発光部１１の領域の中心の配置パターンより、センサ１の傾きのピッチ、ロール、ヨーの角度をセンサ１の傾きとして算出する。

具体的には、このセンサ１の傾きの算出は、次のように行う。
まず、画像中の３つの発光部１１の領域の色より、抽出した３つの発光部１１の領域に対応する現実の３つの発光部１１を特定する。そして、画像中の３つの発光部１１の中心の座標より、カメラ２に対する、特定した３つの発光部１１の中心の方向を算定する。すなわち、カメラ２で撮影した画像の各座標と、その座標に映り込む被写体のカメラ２に対する方向との関係は一義的に定まるので、当該関係に従って、３つの発光部１１の中心の画像中の座標から、現実の３つの発光部１１の中心のカメラ２に対する方向を求めることができる。

また、カメラ２に対して算定した方向にある３点であって、３点間の距離が、特定した現実の３つの発光部１１の中心間の距離と一致する３点の座標の組み合わせを算定する。そして、算定した３点の座標の各組み合わせが表すセンサ１の傾きのうち、特定した３つの発光部１１が配置された面がカメラ２の方向を向き、特定した３つの発光部１１の上下左右関係が画像中の上下左右関係と一致する傾きをセンサ１の傾きとして算定する。

ただし、センサ１の傾きの算出は、予め、発光部１１の各色の領域の中心の配置パターンと、センサの傾きとの対応を登録したテーブルを用意しておき、このテーブルに従って、図５ｄのように得られた発光部１１の各色の領域の中心の配置パターンからセンサの傾きを算出してもよい。

図４に戻り、以上のようにしてｉ番目のチャンネルに接続されているセンサ１の傾きの算出に成功したら（ステップ４１２）、算出したセンサ１の傾きをｉ番目のチャンネルに接続されているセンサ１の傾きとして登録する（ステップ４１４）。

一方、ｉ番目のチャンネルに接続されているセンサ１の傾きの算出に失敗した場合には、「不明」または「エラー」をｉ番目のチャンネルに接続されているセンサ１に対して登録する（ステップ４１６）。

ステップ４１６では、まず、カメラで撮影した画像中に２つの発光部１１が現れているかどうかを調べ、１つの発光部１１のみが現れている場合や発光部１１が現れていない場合には、「不明」をｉ番目のチャンネルに接続されているセンサ１に対して登録する。

一方、２つの発光部１１が現れている場合には、画像中において、２つの発光部１１の領域の中心が水平方向と垂直方向といずれか方向に並んでいるかどうかを調べ、並んでいる場合には、「不明」をｉ番目のチャンネルに接続されているセンサ１に対して登録する。２つの発光部１１の領域の中心が水平方向と垂直方向とのいずれの方向にも並んでいない場合には、センサ１に故障かセンサ１の発光部を遮蔽する物体があることを表す「エラー」をｉ番目のチャンネルに接続されているセンサ１に対して登録する。

ここで、２つの発光部１１の領域の中心が水平方向と垂直方向とのいずれの方向にも並んでいない場合に「エラー」を登録するのは、この場合、センサ１は、いずれかの面がカメラ２と正対している姿勢から２軸または３軸回りに回転しており、センサ１の３つの面がカメラ２方向を向いて、３以上の発光部１１がカメラ２によって撮影されなけらばならいからである。

そして、１からｎまでの各ｉについて、ステップ４０４からステップ４１６の処理が終了したら、センサ姿勢算出処理を終了する。
試験者は、以上のように計測装置３が行うセンサ姿勢算出処理を行わせたら、「不明」や「エラー」が登録されているチャンネルに接続されているセンサ１が存在する場合には、そのセンサ１の傾きを３以上の発光部１１がカメラ２に撮影されるように調整したり、「エラー」となった原因を取り除いた上で、再度、計測装置３にセンサ姿勢算出処理を実行させる。

「不明」や「エラー」が登録されているチャンネルに接続されているセンサ１が存在しなくなったら、計測対象物３００や環境の状態を計測用の状態に設定し計測装置３に計測の開始を指示する。

計測において、計測装置３は、各チャンネルから入力する、センサ１がセンサ１に対して固定された座標系で検出した測定値を、そのチャンネルに接続されているセンサ１の傾きとして登録されている傾きを用いて、測定量の所定の１または複数の方向毎の大きさを表す測定値に補正(座標変換）する。ここで、所定の１または複数の方向とは、実空間または計測対象物３００に対して固定された座標系の座標軸方向であり、例えば、実空間の鉛直方向や水平方向や、計測対象物３００の面と垂直な方向や平行な方向などを、この所定の１または複数の方向として設定することができる。

そして、計測装置３は、補正後の測定値の解析を行う。
図６は、計測装置３の解析結果の例を示しており、センサ１として加速度センサを用い、カメラ２で撮影した計測対象物３００の画像のレイヤ上に、振動の画像上の分布を表す輝度マップまたはカラーマップの画像のレイヤを重畳し表示している。輝度マップまたはカラーマップは、各センサ１で検出した加速度を補正して求めた計測対象物３００の面と垂直な方向の振動の大きさを、当該センサ１に対応する画像上の位置の振動の大きさとして、画像上の各位置の振動の大きさを、その位置の輝度またはカラーで表したものである。

以上、本発明の実施形態について説明した。
このように本実施形態によれば、各センサ１に発光部１１を設けて、各センサ１をカメラ２で撮影するだけの、簡易な構成でセンサ１の傾きを検出し、外部の座標系と関連づけた計測を行うことができる。

ところで、図４に示したセンサ姿勢算出処理では、ステップ４１０で、認識した発光部１１の数が３未満である場合にはセンサ１の傾きの算出を失敗としたが、これは、認識した発光部１１の数が２であり、画像中において、２つの発光部１１の領域の中心が水平方向と垂直方向といずれかの方向に並んでいる場合には、傾きの算出を失敗とせずに、画像中の２つの発光部１１の色と画像中の２つの発光部１１の領域の面積の比とからセンサ１の傾きを算出するようにしてもよい。すなわち、この場合には、センサ１は、カメラ２の上下方向または左右方向の１軸回りにのみ傾いており、傾きの方向は、２つの発光部１１の色より求まる。また、傾きの角度と、２つの発光部１１の領域の面積の比の関係は一義的に定まるので、当該関係に従って傾きの角度を求めることができる
また、実施形態では、図２に示したようにセンサ１の前面、上面、下面、左側面、右側面に矩形の発光部１１を設けたが、発光部１１の形状は矩形以外であってもよく、たとえば、図７に示すように、発光部１１として点状の発光部１１などを用いるようにしてよい。また、この場合、各発光部１１は、共通の光源を用いて発光するものとしてもよいし、それぞれ個別の光源を用いて発光するものとしてもよいし、LEDなどの光源を、そのまま発光部１１として用いるようにしてもよい。

また、実施形態では、図２に示したようにセンサ１の前面、上面、下面、左側面、右側面に発光部１１を設けたが、これは、上面、下面、左側面、右側面のうちの方向が相互に異なる３面を含む３面以上の任意の面に発光部１１を設けるようにしてもよい。

また、実施形態では、センサ１の形状が直方体である場合について示したが、センサ１の形状は任意であってよい。この場合には、センサ１上の、同一平面上にない３つの位置を含む複数の位置に、相互に異なる色で発光する発光部１１を設けるようにする。

また、実施形態において、計測装置３は、順次、各チャンネルに接続されたセンサ１の発光部１１を点灯し、前記カメラ２で撮影した画像中に現れる点灯位置を認識し、認識した前記画像中の点灯位置を、当該チャンネルに接続されたセンサ１に対応する前記画像中の位置として算定してもよい。また、計測装置３は、各チャンネルに接続されたセンサ１の発光部１１を相互に異なる点滅パターンで点灯し、前記カメラ２で撮影した画像中の各位置に現れる点滅パターンを認識し、点滅パターンを認識した前記画像中の位置を、当該点滅パターンで点灯したチャンネルに接続されたセンサ１に対応する前記画像中の位置として算定する処理を行ってもよい。

このようにすることにより、各センサ１の発光部１１を用いて、センサ１の姿勢に加え、センサ１に対応する画像中の位置も検出できる。また、各センサ１毎に発光部１１を点灯することで、画像上のセンサ１の検出領域が容易に判断できる。

なお、この場合、解析装置は、算出した各チャンネルのセンサ１の画像中の位置を、当該チャンネルの測定値の発生位置に対応する画像中の位置としたり、算出した各チャンネルのセンサ１の画像中の位置に映り込む実空間上の位置を当該チャンネルの測定値の発生位置として測定値の解析を行う。

また、実施形態において、計測装置３は、無入力や過大入力等の異常値が検出されたチャンネルのセンサ１の発光部１１をエラーを示す所定の点灯パターンで点灯する処理も行ってもよい。

１…センサ、２…カメラ、３…計測装置、４…ケーブル、１１…発光部、３００…計測対象物。

Claims (8)

1. 計測装置に接続したセンサを用いて計測を行う計測システムであって、
   カメラを備え、
   前記センサは、相互に異なる色で発光する同一平面上にない３以上の発光部を有し、
   前記計測装置は、当該計測装置に接続したセンサの発光部を点灯し、前記カメラで撮影した画像中に現れる３以上の各色の発光部の配置パターンから、前記センサの傾きを算定するセンサ姿勢算定手段を有することを特徴とする計測システム。
   
2. 請求項１記載の計測システムであって、
   前記センサ姿勢算定手段は、前記３以上の各色の発光部の配置パターンとして、前記カメラで撮影した画像中の３以上の各色の発光部の領域の中心の配置パターンを用いることを特徴とする計測システム。
   
3. 請求項１または２記載の計測システムであって、
   前記センサは異なる方向を向いた３以上の面を備えた外形を有し、前記３以上の発光部は、前記３以上の面の各々に配置されていることを特徴とする計測システム。
   
4. 請求項１または２記載の計測システムであって、
   前記センサは直方体の外形を有し、前記直方体の６つの面のうち、少なくとも５面に、相互に異なる色で発光する発光部が配置されていることを特徴とする計測システム。
   
5. 請求項４記載の計測システムであって、
   前記センサ姿勢算定手段は、当該計測装置に接続したセンサの発光部を点灯し、前記カメラで撮影した画像中に２つの発光部のみが現れており、当該２つの発光部の領域の中心が水平方向にも垂直方向にも並んでいない場合にセンサのエラーを検出することを特徴とする計測システム。
   
6. 請求項１、２、３、４または５記載の計測システムであって、
   前記センサは、当該センサに対して固定された座標系であるセンサ座標系で表される測定値を検出し、
   前記計測装置は、前記センサが検出した測定値を、前記センサ姿勢算定手段が算定した前記センサの傾きを用いて、前記センサ座標系と異なる座標系で表した測定値に変換する座標系変換手段を有することを特徴とする計測システム。
   
7. 請求項１、２、３、４、５または６記載の計測システムであって、
   前記センサを複数備え、
   前記計測装置は、前記複数のセンサが各々接続される複数のチャンネルを備え、
   前記計測装置は、順次、前記各チャンネルについて、当該チャンネルに接続したセンサの発光部を所定の点灯パターンで点灯し、前記カメラで撮影した画像中に現れる前記点灯パターンを認識し、当該点灯パターンを認識した前記画像中の位置を、当該チャンネルに接続されたセンサに対応する前記画像中の位置として算定するセンサ位置算定手段を有することを特徴とする計測システム。
   
8. 請求項１、２、３、４、５または６記載の計測システムであって、
   前記センサを複数備え、
   前記計測装置は、前記複数のセンサが各々接続される複数のチャンネルを備え、
   前記計測装置は、前記各チャンネルに接続したセンサの発光部を、当該チャンネルの識別を表す前記チャンネル毎に異なる点灯パターンで点灯し、前記カメラで撮影した画像中に現れる前記各点灯パターンを認識し、点灯パターンを認識した前記画像中の位置を、当該点灯パターンが識別を表すチャンネルに接続されたセンサに対応する前記画像中の位置として算定するセンサ位置算定手段を有することを特徴とする計測システム。