JP3027609B2 - 幾何学的配列の測定方法及び装置 - Google Patents

幾何学的配列の測定方法及び装置

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JP3027609B2
JP3027609B2 JP7500500A JP50050094A JP3027609B2 JP 3027609 B2 JP3027609 B2 JP 3027609B2 JP 7500500 A JP7500500 A JP 7500500A JP 50050094 A JP50050094 A JP 50050094A JP 3027609 B2 JP3027609 B2 JP 3027609B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、所定数の対象物の相互の相対的位置及び／
又は方向を決定する方法に関する。
本出願は、ノルウェー国特許第165046号、第164946
号、及び第169799号、並びに特願第913994号の発明者に
より説明された諸発明の更なる発展を説明する。
ノルウェー国特許第165046号は、角度測定用に校正さ
れた２台の高解像度電子光学カメラによるシステム、こ
の校正の方法、このカメラに基づいた幾何学的配列の測
定用システム、並びにこのシステムの応用を説明する。
ノルウェー国特許第164946号は、面上に光点のパター
ンを投影し、かつ光電式センサーの使用によりこれら光
点の座標を測定することにより面上の点を測定するシス
テムを説明する。
ノルウェー国特許第169799号は、電気光学式カメラの
使用により測定される表面上の点を作るための器具を説
明する。
ノルウェー国特願第913994号は、１台の電気光学式カ
メラ、並びに光源又は反射点の取り付けられた器具の使
用により空間座標を測定するシステムを説明する。
ノルウェー国特許第165046号に説明されたシステムで
は、個別の各点を同時に２台のカメラで記録することに
関する限定がある。このため、両方のカメラへの方向に
おける自由な同時観察の必要がある。更に、このシステ
ムは、座標測定の開始以前におけるそれぞれ手順に従っ
たカメラの位置の測定値を基礎とする。システムの精度
は、基本的にはセンサーの解像度により決定される。こ
のことは、精度が大きく限定されることを意味する。
ノルウェー国特願第913994号に説明されたシステム
は、本質的に空間的な方向が高精度で決定される経緯儀
として作用する。更に、測定器までの距離は中位の精度
で測定される。これは、独立システムであるために、距
離測定の精度を限定し、これは可能な応用の数が限られ
ることを意味する。
光源を有するフローブ用具の使用は、例えば、WO−Ａ
−91/16598に開示されている。
本願は、 −カメラの台数、 −カメラが方向測定用に校正されているか否か、 −測定点にマークするために使用される方法、 −測定経過中、カメラを置く場所とその数、 −選定された座標システムへの測定に関して使用される
方法 の諸項目に関して完全な融通性を与える座標測定用の方
法及び手段の更なる発展を説明する。
問題の測定作業、並びに所要精度のような問題、及び
視界の制限のような外部的制限に関してシステム及び方
法を最適にするための完全な融通性の更なる発展が達成
される。
このシステムは、応用に関して、経緯儀及び通常の写
真測量法のような現在の技術、並びに機械的な座標測定
機と競合する。
座標測定機は待ち運びができずかつ測定体積が限定さ
れるため、極めて限られた機能しかない。大型の機械は
非常に高価であり、精度が低く、更に安定性及び温度管
理を要するため専用の部屋が必要である。
経緯儀は、オペレーター依存性（通常の装置ではオペ
レーターが経緯儀の視準用望遠鏡を通して測定点に狙い
をつける）、時間の多くかかる測定、及び測定点と装置
との間の自由視野に対する余りにも強い要求に関係する
大きな制限がある。更に、経緯儀は正確に水平を出さな
ければならない。
通常の写真測量法は、フィルム式カメラの使用に限定
される。測定点は、標的と呼ばれる反射する測定要素を
対象物に取り付けることによりマーク付けされる。この
方法は、標的の使用によるマーク付けなしでは、穴、平
面、球、線などのような幾何学的な対象物の測定ができ
ない。
経緯儀測定又は通常の写真測量に基づく空間座標の測
定は反復法により行われる。両測定方法とも２次元的で
あり、即ち、これらは測定点に向かう方向を与えるだけ
である。反復計算に対する初期値として、多数の測定点
についての推定空間座標が必要である。ノルウェー国特
許第913994号に説明されたシステムは、現在の方法に関
する同様な計算のための十分に正確な初期値を与える空
間座標を与える。
図１はカメラ及びカメラのセンサー上の光点の像を示
す。
図２は２台のカメラの共通点の像からの座標決定の原
理を示す。
図３は全測定システムの形状を示す。
ノルウェー国特許第165046号は、CCDカメラによる完
全に自動化されかつ正確に校正された角度センサーを説
明する。かかるカメラ１は、図１に示されるように、カ
メラハウス２、レンズユニット３、及び２次元のセンサ
ーマトリックス４を備える。レンズユニットは標準の球
面光学系を有する対物レンズである。角度センサーは、
点灯光源である点又は点灯光源により照射された点に向
かう方向を測定するために開発された。これは、測定点
の確実な認識を与え、従って完全自動使用を可能とし、
同時に極めて大きな信号対雑音比を与える。更に、角度
センサーの校正の正確な手順の使用により高い精度が確
保される。これはノルウェー国特許第165046号に説明さ
れる。
測定原理が図２に示される。多数の点５の座標が空間
座標システムＸ、Ｙ、Ｚに関して決定されるであろう。
これは、２台以上のカメラ４を同じ座標システムに関し
て任意かつ既知の位置及び方向に置くことによりなされ
る。点５に対する空間座標は、図1Bに示されたようなレ
ンズユニットの投影中心７を通るその投影６を記録する
ことにより決定される。この投影は、図２に示されるよ
うに、カメラに固定された座標システムに関する点の像
の座標ｘ、ｙとして記録される。未知の空間座標の計算
は、カメラの数に対する投影の方程式の設定に基づく。
この計算は、カメラの位置及び方向の決定を含むことも
でき、同時に有り得るレンズの歪みの修正のためのパラ
メーターを含むこともできる。このことは、未校正カメ
ラでも使用し得ることを意味する。２×ｎ個の観測値が
計算に含まれるため（ｎはカメラ位置の数である）、計
算に導入された追加の各点は同時に決定すべき３個の追
加の未知座標Ｘ、Ｙ、Ｚを与える。方程式のシステムに
正確な尺度情報を与えるために、この計算には、２個の
点の間の少なくも１個の既知の距離が必要である。
計算方法は冗長情報が使用される最小誤差法（最小二
乗（least quares）法）による。必要な数学的基盤はエ
ッチ・エム・カラマ（H.M.Karama）著、ノントポグラフ
ィック・フォトグラメトリイ（Non−topographic photo
grammetry）２版、1987、ページ37−55に見いだされ
る。
一般に、未知パラメーターの数が増加すると、追加の
点又は追加のカメラ／カメラ位置のような同様に増加し
た観測数が必要である。
図３は、１台又は複数台のカメラ１、８、並びにデー
タプロセッサー10、カメラ制御ユニット11及び光源制御
ユニット12を備えたシステム制御ユニット９による空間
的な幾何学的配列の測定用システムを示す。このシステ
ムは、点を作るための別々の光源に以下のものを取り付
けることができる。
−既知の分離距離の多数の発光ダイオードを備えた基準
バー14。
−ライトペン15。これはノルウェー国特許第169799号に
説明されたような交換式の器具を持つことのできるスウ
ェーデン国特許第456454号に説明されたプローブ用具で
ある。
−発光ダイオード及び／又はレーザー16。発光ダイオー
ドは複数のカメラ位置により撮像される測定野の中に永
久的に取り付けられる。レーザーは測定対象物上に静止
光点を投影するために使用される。発光ダイオード／レ
ーザーは接続ユニット17を経てシステムに接続される。
−ランプ19により照射される反射点18。
光源の駆動と制御とは制御ユニット12によりなされ、
最適の信号対雑音比を確保しかつカメラ制御ユニット11
を経て複数のカメラを同期させる。
システムのデータプロセッサー10はカメラからの測定
データの解析を行う。データ処理は、主として次のもの
よりなる。
−信号対雑音比を最適にするための撮像時間と露光時間
の制御、 −個々の光源、即ちその光源に対応した像内の点の同
定、 −像の情報からの個々の各光源への空間的方向の計算、 −プローブ用具（ライトペン）に対する空間座標の計
算。
使用者はオペレーター端末13を経てシステムと情報交
換をする。
計算方法は、カメラからの観察に加えて、計算された
空間座標に正確な尺度を与えるために１個以上の既知の
距離を必要とする。これは、空間的にデザインされた基
準バー14の使用により、又は既知の空間距離を有する複
数の点の測定により達成することができる。基準バーの
長さ又は既知の距離は、端末13において操作者によりこ
れを入力することができる。
本発明は、 −測定体の寸法、 −測定体への接近性、 −座標システムの定義、 −要求精度、 −測定のための使用可能時間、 −繰返し制御の周波数、 −異なった形式のカメラ及び方向測定用装置の組合せ に関する種々の測定上の問題を解決する高度の融通性を
得るために、１種以上の光源又は照射された反射点と組
み合わせて１台以上のカメラを使用することを提案す
る。
本発明の特徴は特許請求項、及び付属図面を参照した
本発明の非限定的な使用例についての以下の説明におい
て説明される。
図４はプローブ用具「ライトペン」使用の更に発展し
た原理を示す。
図５は補助基準点のネットワークの確立方法と測定方
法を示す。
図６は多数の補助基準点に基づく多数の幾何学的な対
象物の測定を示す。
図７は可搬式の基準構造／パレットによる応用を示
す。
図８は基準構造に基づく永久的測定ステーションを示
す。
上述されかつ図２に示された計算方法は、多数の異な
ったカメラ位置から同一点を見る可能性に基づく。一般
に、発光ダイオードからの直接光により作られた光源、
或いは反射材料又は投影されたレーザー光点からの反射
のような間接的に作られた光源は、「一方の側」からだ
け見ることができる。観察方向が均一に分布されれば、
計算方法における最適な精度が達成される。これはライ
トペンにより達成される。
ノルウェー特願第913994号より知られたライトペン15
は、本文においては、ライトペンの接触点への方向だけ
が記録されて座標決定に使用されるような異なった使用
方法で使われる。ライトペンの使用原理は図４に示され
る。ライトペンは、発光ダイオード５に対応した多数の
像の点６としてセンサーに記録される。ライトペンへの
方向は接触点20と関連付けられるべきである。これはセ
ンサーの像の点21に対応する。センサーは光源の像だけ
を記録し、これが事実上の像の点となるであろう。像の
点21の像座標は、各光源に対する記録された画像座標、
並びにプローブに固定されたローカル座標システムにお
ける光源５と接触点20との相互位置の知識から計算され
るであろう。計算方法はノルウェー国特許第913994号に
さらに説明されている。
もしライトペンの接触点が一定位置に保たれるなら
ば、ライトペン自体を、問題の種々のカメラ位置に狙い
を付けるように回転させることができる。従って、これ
は計算方法のための所要の幾何学的配列を与える。ライ
トペンが多数の発光ダイオードを有するという事実によ
り、１個の発光ダイオードの場合より良好な精度で接触
点の投影を判定する。
図５は、対象物22の幾何学的配列を判定するための本
システムの使用を示す。図５に大文字Ａ−Ｃで示された
多数の点の位置又は幾何学的な対象物（穴、平面、円柱
など）の位置は、カメラの解像度、測定体の大きさ、そ
の接近可能性などに関連して高精度に決定される。この
方法は、測定体の総てに多数の補助基準点（図において
小文字ａ−ｕの添字で示される）を分布させることに依
存する。これらは、発光ダイオード、投影されたレーザ
ー光点、反射点又はライトペンで接触し得るマーク点と
することができる。種々のカメラ位置に対してカメラセ
ンサーにこれらの点の投影を記録することにより、図２
を参照して上述されたように、全部の点の相互位置を計
算するためのデータが得られる。計算は、 −カメラ又はカメラ位置の数、 −各カメラ位置において観察される点の数（決定すべき
カメラパラメーターの数に応じた最少数が必要であ
る）、 −個別の点の各についての観測数、 に関して融通性がある。
一般に、各カメラ位置における観測（点）の数を増加
でき、またカメラ位置の数を増加できれば精度が改良さ
れる。１台のカメラ又は複数台のカメラを使用すること
ができる。もしカメラがレンズの撮像特性に関して校正
されない場合は、できるだけ少数台の別々のカメラを使
用することが有利である。
これに反して、測定を迅速に行うことが必要である場
合は、データの取得は、一定位置における校正済みカメ
ラの多数台の使用及びできるだけ少数の位置と点の使用
により効率的にすることがでる。
対象物に固定された座標システムに関連して、１個以
上の座標軸に沿って幾つかの座標値が既知であることに
より、又は計算された位置に決められた値を最もよく適
合させることによりその座標システムを定めている前記
幾つかの点が必要である。
図６は対象物に固定された座標システムに関して既知
の多数の点からの出発、及びこれに続く１台以上のカメ
ラによる対象物の内側又は外側の追加の点を測定する方
法を示す。もし、文字ａ−ｕで示されたような点のネッ
トワークを利用できるならば、２台のカメラ１、８だけ
を使用し、対象領域以内を見るようにこれらを置くこと
が可能である。まず、対象物に固定された座標システム
に関するカメラの位置及び方向が、既知の点ａ、ｂ、ｃ
の投影の記録により決定される。座標システムＸ、Ｙに
関するこれらの点の座標は、図５を参照して上述された
測定から知られる。この方法は、高精度の迅速な測定を
与える。
この方法の応用が図7a、ｂに示され、例として、図8
a、ｂに示されたような車体の生産ラインにおける溶接
ステーションを説明する。車体の下方部品はジグ24に取
り付けられ、車体の側方部品はジグ23により定位置に保
持される。ジクへの車体の取付けはステアリングピンと
クランプ機構27の使用により行われる。これらは、溶接
工程中、種々の構成要素の各の位置を制御しかつ組み立
てられた車体の正しい形状を確保するために正確な位置
になければならない。個別対象物の各の制御は、ステー
ション全体の上方に多数の固定補助基準点を分布させる
ことにより、上述の方法（図６）によって効率的に行わ
れる。別の状況が図7aに示され、この場合は、補助基準
点ａ−ｕは、測定が行われるときにステーション内に動
き得る可搬式のジグ24に取り付けられる。このような事
例においては、このジグの位置は、固定ステーション内
にジグを保持するステーションの主基準点25、26（例え
ばステアリングピン）により管理される。対象物に固定
された座標システムに関する２台のカメラ１、８の位置
及び方向は、既知の点ａ−ｕに向かう方向の記録により
まず決定される。この方法の利点は、全生産ライン内の
各個別ステーションが一定かつ既知の幾何学的配列の１
個のジグによることであり、このため、特殊で正確な幾
何学的配列が総て生産ラインに沿って確保される。従っ
て、生産ラインを通しての失敗の伝搬は最小に保たれ
る。更に、個々のステーションの各において点の広範囲
なネットワークを持つことは必要でない。
図９は同じ原理の別な利用を示す。この事例では、基
準の点は静止的に構造28に取り付けられ、一方、測定す
べき対象物29はこの構造内に送り込まれる。例えば、こ
の方法は、溶接ステーション内に構成要素を輸送するた
めの輸送可能なジグに基礎をおいた生産ラインにおいて
適用することができる。通常、これらのジグの管理は固
定の測定ステーションにおいて行うことができる。
図10はこの例を示し、これでは、対象物30は、基準点
が床の上又は周囲のジグにある測定ステーションに持ち
込まれた航空機である。
図３に示されたようなそれ自体公知のシステムは、こ
れが上述の方法を行うためには、これをデータプロセッ
サー10、カメラ制御ユニット11及び光源制御ユニット12
に関して拡張しなければならない。本明細書において
は、これらのユニットは、 −異なった形式及び台数のカメラ、 −異なった形式及び台数の光源及び補助具、 −使用されるカメラ及び光源の形状及び計算に含まれる
べき既知情報の形式（局部座標システム内の定められた
座標値又は点間の所与の距離）に依存した異なった計算
方法、 を考えことが必要である。
幾つかの応用例が以上説明された。しかし、同じ方法
及び同じシステムで多くの別の異なった対象物を測定で
きるので、これらは例示だけのものと考えるべきであ
る。これは、自動車、飛行機又はその他の機械工業にお
ける大型及び小型の対象物を含む。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−203905（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−248819（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（Ａ）少なくとも２つのカメラを提供する
    こと、 （Ｂ）プローブ用具を提供すること、 （Ｃ）該カメラの選択されたものに決定された位置を基
    礎に相互の相対的な対象物の選択されたものの位置を決
    定し、これによって、該対象物の少なくとも１つの位置
    が、 （ｉ）対象物の少なくとも１つの点に接触するように該
    プローブ用具を保持し、 （ii）該カメラの少なくとも２つを使用して該プローブ
    用具から測定データを得ること によって決定されることを を含む、所定数の対象物の相互の相対的な位置及び／又
    は方向を決定する方法において、 （Ｄ）活動光源形態の新測定点と、プローブ用具を使用
    する測定点又は反射点と、位置を物理的な点に関連付け
    できる幾何学的対象物又は存在点からなる補助基準点の
    ネットワークを提供すること、 （Ｅ）任意に選択した複数の場所に位置付けられたカメ
    ラの少なくとも１つを使用することによって、相互の相
    対的なネットワークにおける点の選択された幾つかの位
    置を決定し、該光源及び光反射点の位置が、該カメラ内
    のセンサーに画像の形態で記録され、該画像点が、カメ
    ラ固定座標システムに関する座標の形態で表示され、該
    物理学的点と関連付けることができる、該幾何学的対象
    物又は点の位置が、該点に接触する該プローブ用具を保
    持することによって記録され、該反射点又はプローブ用
    具光源の観察された画像を基礎に、該カメラのセンサー
    上の接触点画像を計算し、任意の空間座標システムに関
    する個々の点の位置が、バンドル調整を基礎に計算され
    ること、 （Ｆ）上記工程（Ｅ）において決定された該ネットワー
    ク点の位置を使用することによって、該カメラの選択さ
    れたものの位置及び方向を決定すること、及び （Ｇ）上記工程（Ｆ）において決定された位置のすくな
    くとも２つの該カメラを使用して、上記工程（Ｃ）を実
    行すること を含むことを特徴とする所定数の対象物の相互の相対的
    な位置及び／又は方向を決定する方法。
  2. 【請求項２】該プローブ用具が、接触点を有し、上記工
    程（Ｃ）（ｉ）が、該プローブ用具の接触点が対象物の
    点に接触した状態を保持することを含む請求項１の方
    法。
  3. 【請求項３】対象物を含む測定領域内に少なくとも１つ
    の基準バーを位置付け、該基準バーからスケール情報を
    得ることを含む請求項１の方法。
  4. 【請求項４】該ネットワーク点の少なくとも幾つかが、
    光源であり、位置を決定する上記工程（Ｅ）が該ネット
    ワーク点の光源の幾つかの位置を決定することを含む請
    求項１の方法。
  5. 【請求項５】該ネットワークの点の少なくとも１つの位
    置が、該プローブ用具を使用して決定される請求項１の
    方法。
  6. 【請求項６】該プローブ用具が光源を有する請求項１の
    方法。
  7. 【請求項７】該光源が活性光源及び受動光源から選択さ
    れたものでる請求項４の方法。
  8. 【請求項８】該活性光源が、固定光源、投射光源、照明
    反射器から選択されたものである請求項７の方法。
  9. 【請求項９】該ネットワークが、既知の相互分離距離を
    有する少なくとも２つの点を含み、これら２つの点が正
    しい長さ目盛りを決定するために使用される請求項１の
    方法。
  10. 【請求項１０】該ネットワークの観察点を基礎に該カメ
    ラの少なくとも１つの光学的特性を決定することを含む
    請求項１の方法。
  11. 【請求項１１】該ネットワークの点の幾つかの位置が座
    標システムを規定する請求項１の方法。
  12. 【請求項１２】工程（Ｇ）が、該座標システムに関する
    対象物の各々の位置を決定する請求項１の方法。
  13. 【請求項１３】該ネットワークが、所定容積内において
    確立されており、対象物がそれらの位置を決定する工程
    の前に上記容積内に運ばれる請求項１の方法。
  14. 【請求項１４】該対象物が製造乃至生産ラインにおける
    ステーション内に部分を配置及び／又は保持するために
    使用される請求項１の方法。
  15. 【請求項１５】該ネットワークが、該可動対象物上に確
    立され、該可動対象物が工程（Ｇ）の前に上記ステーシ
    ョン内に移動せしめされる請求項14の方法。
  16. 【請求項１６】該ネットワークが該可動対象物上に確立
    され、該可動対象物が生産ラインにおける複数のステー
    ションの各々に移動せしめられ、しかる後、上記ステー
    ションの各々において工程（Ｇ）が実行される請求項１
    の方法。
  17. 【請求項１７】規定された座標システムに体して作動せ
    しめられ、該ネットワークの点の最少３つが、該規定さ
    れた座標システムに対して既知のそれらの座標あたいの
    少なくとも１つを有し、少なくとも６個の座標値が既知
    であり、分配されて、３つの値が規定された座標システ
    ムの１つの座標軸に対して規定され、２つの値が該規定
    座標システムの第２の座標軸に対して規定され、１つの
    値が規定された座標システムの第３の軸に対して規定さ
    れ、この規定された座標システムに対する幾何学的対象
    物及び他の点の位置及び方向が、既知の座標値を使用す
    る請求項１の方法。
  18. 【請求項１８】該対象物が、幾何学的対象物、例えば、
    平面、線、穴、円筒、球及び／又はロボットアーム及び
    産業生産装置を含む組み合わせ対象物を含む請求項１〜
    17のいずれか１つの方法。
JP7500500A 1993-05-24 1994-05-24 幾何学的配列の測定方法及び装置 Expired - Lifetime JP3027609B2 (ja)

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