JP6179502B2

JP6179502B2 - マルチコプタを用いた３次元形状計測方法および装置

Info

Publication number: JP6179502B2
Application number: JP2014247527A
Authority: JP
Inventors: 典子小澤; 亀崎　俊一; 俊一亀崎
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-12-08
Also published as: JP2016107843A

Description

本発明は、飛行体を用いた３次元形状計測方法および装置に関し、特に、複数のプロペラを備えたマルチコプタに搭載したレーザースキャナーによって上空から対象物の点群データを取得し３次元形状を計測する、マルチコプタを用いた３次元形状計測方法および装置に関するものである。

広範囲での３次元形状計測、例えば、地形調査などを行うには、ステレオ写真測量および／またはレーザースキャナーを用いた点群データの取得を行う。ステレオ写真測量は、異なる位置に設置したカメラから撮影された２枚以上の対象物の画像から、共通する点の各画素を選び、各画素の対応関係を求め、三角測量の原理で各対応点位置での３次元座標を算出し、点群データを取得する。また、レーザースキャナーを用いた点群データ取得では、対象物にレーザー光をスキャニングし、対象物からの反射波によって対象物までの距離を認識し、物体表面を細かな点群データとして取得する。

そして、計測手段であるカメラやレーザースキャナーを、車や飛行体等の移動手段に搭載し、移動しながら広範囲の撮影や計測を実施し、高速で３次元形状計測を実現している。移動手段としての飛行体は、無人飛行機、中でも特に、ヘリコプタの一種であり、複数のプロペラ（回転翼、ロータとも呼ぶ）を持つマルチコプタが安価で入手できるようになり、操作性も向上したことから普及が進んでいる。

特許文献１には、飛行機等から取得したレーザースキャナー点群データとステレオ写真から精度の高い３次元形状モデルを構築する方法が開示されている。また、特許文献２には、既に取得されている対象物の３次元形状を出発点として、形状データが未取得の部分を認識し、未取得部分を撮影するように指示することで、効率よく３次元形状を求める方法が開示されている。

また、地形調査ほど広範囲ではないものの、工場などで対象物の３次元形状計測を行う場合には、ポールやクレーンにカメラやレーザースキャナーを設置して上空から撮影や計測する方法が知られている。

特開２００３−３２３６４０号公報特開２００６−２４１６１号公報

特許文献１や特許文献２に開示の技術では、取得されたレーザースキャンデータや撮影された画像データを如何に高精度で効率良く扱うかについて提案されている。しかしながら、レーザースキャナーを用いる方法では、文字通りレーザーをスキャンさせて、点群データを取得するわけで、一般にスキャンが完了するまでには数分から数十分の時間が必要となる。

このスキャンにかかる時間は、レーザースキャナーをどこかに固定してデータ取得ができる場合には問題にならないものの、上空からのデータ取得が必要な場合には飛行体からのデータ取得となり、スキャン中に飛行体の位置が変動、すなわち、レーザースキャナーの位置が変動するため、精度の良い点群データ取得ができないという問題がある。

一般的に、飛行体としてのマルチコプタでは、慣性計測装置IMU(Inertial Measurement Unit)による姿勢制御と全地球測位網GPS( Global Positioning System)による位置制御が適用されており、操縦者の技量に依存していた以前の操作に比べて割合簡単に利用可能になっている。

しかしながら、マルチコプタのGPSによる位置制御は、産業用と言われるものであっても、空中での静止状態を意味するホバリングの精度として、垂直: ±0.5m 、水平: ±1.5m程度であり、スキャン中にレーザースキャナーの位置がこの程度変動すると考えられる。通常、レーザースキャナーではスキャン間隔を細かく設定した場合には、得られる点群密度が上がるので測定精度は向上するものの、より長いスキャン時間を要するため、飛行体の位置のずれ、すなわちレーザースキャナーの位置変動がある場合には点群データの取得誤差が大きくなる可能性がある。

また、ポールやクレーンなどにレーザースキャナーを固定して設置する方法では、レーザースキャナーの位置変動がなく、精度よくスキャンすることが可能になる。しかしながら、レーザースキャナーへの電源供給方法として、バッテリーを積んだ場合には充電や交換が必要になり、また有線給電の場合には高所からのケーブルの取り回しが必要となる。このように、バッテリーのメンテナンスまたはケーブルの取り回しのために頻繁に高所を行き来しするのは管理上負担が大きく、上空からの広範囲の３次元計測には不向きである。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、複数のプロペラを備えたマルチコプタに搭載したレーザースキャナーによって精度よく上空から対象物の点群データを取得し３次元形状を計測する、マルチコプタを用いた３次元形状計測方法および装置を提供することを課題とする。

［１］複数のプロペラを備えたマルチコプタに搭載したレーザースキャナーによって上空から対象物の点群データを取得し３次元形状を計測する、マルチコプタを用いた３次元形状計測方法であって、
対象物を上空から望むことができる所定の構造物の近くまで、前記マルチコプタを飛行させてホバリング状態とし、前記マルチコプタに取り付けられたグリッパーを遠隔操作で開閉して、前記マルチコプタを前記構造物の一部に固定したのち、前記レーザースキャナー対象物の点群データを取得することを特徴とするマルチコプタを用いた３次元形状計測方法。

［２］複数のプロペラを備えたマルチコプタに搭載したレーザースキャナーによって上空から対象物の点群データを取得し３次元形状を計測する、マルチコプタを用いた３次元形状計測装置であって、
前記マルチコプタに取り付けられ、対象物を上空から望むことができる所定の構造物の近くまで前記マルチコプタを飛行させてホバリング状態で、遠隔操作で開閉することによって前記マルチコプタを前記構造物の一部に固定するグリッパーを具備することを特徴とするマルチコプタを用いた３次元形状計測装置。

本発明は、複数のプロペラを備えたマルチコプタに搭載したレーザースキャナーによって上空から対象物の点群データを取得するにあたって、マルチコプタに取り付けられたグリッパーでマルチコプタを上空の構造物の一部に固定しレーザースキャンするようにしたので、精度良く対象物の点群データおよび３次元形状を計測できるようになった。

本発明を実施するための装置構成の一例を示す図である。本発明におけるマルチコプタのグリップ部を示す図である。本発明におけるマルチコプタがパイプにグリップし静止した状態を示す図である。マルチコプタを用いた３次元形状計測方法の処理フロー例を示す図である。平面と計測点までの距離データ（(a)比較例、(b)本発明）を示す図である。

工場などの限られた空間といった比較的広範囲にある対象物の３次元形状計測を行うために、複数のプロペラを備えたマルチコプタに搭載したレーザースキャナーによって上空から対象物の点群データを精度よく取得する方法について検討し、本発明に想到した。

マルチコプタによる計測で誤差を生む原因は、マルチコプタの位置や姿勢が安定しないことであるから、マルチコプタを静止させることが必要であると考えた。そこで、工場内構造物の一部にマルチコプタを固定するために、マルチコプタに構造物の一部をグリップする（つかむ）機能を有するグリッパーを設けて、工場内の高所につかまった後にマルチコプタのプロペラの回転を止めた状態で、レーザースキャナーによって上空から対象物の点群データ取得を実施すれば良いと考えた。

図１は、本発明を実施するための装置構成の一例を示す図である。また、図２は、本発明におけるマルチコプタのグリップ部を示す図である。図中、(a)はグリッパー開放時、(b)はグリッパー閉鎖時をそれぞれ示す。さらに、図３は、本発明におけるマルチコプタがパイプにグリップし静止した状態を示す図である。図中の符号１はマルチコプタ、２はフレーム、３はプロペラ、４はスキッド、５は制御装置、６はＧＰＳアンテナ、７はレーザースキャナー、８はグリッパー、および９はパイプをそれぞれ表す。

マルチコプタ１には、フレーム２の先端にプロペラ３が取り付けられている。図１ではプロペラを4枚持つクワッドコプタを示しているが、６枚や８枚であっても良い。そして、マルチコプタ１の下方には、着陸用の足であるスキッド4が取り付けられている。

そして、マルチコプタ１には、3軸のジャイロと3方向の加速度計により、機体の姿勢と方位を計測・制御する、IMU（慣性計測装置）（図示せず）が搭載されている。また、GPSアンテナ6により経度・緯度を計測し、機体の位置制御が行われ、高度については気圧計（図示せず）により計測・制御される。その他として、障害物との距離を検出する測域センサなどを搭載するようにしても良い。

バッテリー（（図示せず）を含めこれらの計測制御器の配置位置は変更可能であるが、図１および３では機体の下方に制御装置5として収納している。ただし、GPSアンテナ6については、位置信号を捕捉しやすくするために機体の上方に取り付けてある。レーザースキャナー7は、機体の下方に取り付け、一般にはジンバル（図示せず）に載せてレーザースキャナーの対象物に対する向き（チルト、ロール）を制御する。

そして、マルチコプタのグリッパー8は、図３に示すパイプ９にマルチコプタ１をぶら下げて固定すべく機体の上部に設置しているが、設置箇所は、マルチコプタ１を固定するパイプ９の状況などにより適宜変更可能である。グリッパー８は、地上側のコントローラ（図示せず）からサーボモータ等（図示せず）を操作して閉じたり開いたりすることができる。図２の(a)にはグリッパーが開いた状態を、図２の(b)にはグリッパーが閉じた状態をそれぞれ示す。

マルチコプタ１を離陸させ、工場内の高所でグリップできる場所、例えばパイプ９に到達したらグリッパー８を閉じて固定した状態にする。図３は、本発明におけるマルチコプタがパイプにグリップし固定した様子を示している。

グリッパー８は離陸時に開放していても良いし、閉じた状態で離陸して、所定の場所に到着したときに開放してから閉じるようにしても良い。また、グリップする場所は既存設備の一部であっても良いし、専用のポールを設置しても良い。

このように構造物にグリップしマルチコプタの姿勢を静止した状態で、レーザースキャナーの測定を実施することで、レーザースキャナーの位置が変動せず誤差の少ない点群データが得られる。また、グリップした状態ではプロペラの回転を止めることができるため、機体のバッテリーの消耗を防ぐことができ、より多くの計測時間を稼ぐことができる。また、スキャン点を細かくすることによって、計測精度の向上も図ることができる。

図４は、マルチコプタを用いた３次元形状計測方法の処理フロー例を示す図である。先ず、Step01にて、対象物を上空から望むことができるポールなどの所定の構造物の近くまで、マルチコプタを飛行させてホバリング状態とする。

次に、Step02にて、マルチコプタに取り付けられたグリッパーを地上側のコントローラ（図示せず）から遠隔操作で開閉して、マルチコプタを前記構造物の一部に固定しマルチコプタの姿勢を静止したのち、プロペラの回転を停止する。

そして、Step03にて、取り付けたレーザースキャナーにより上空から対象物までの点群データを取得する。さらに、Step04にて、レーザースキャナーまでの距離として取得した点群データを演算処理して、対象物の３次元形状データを得る。

計測終了後、再度プロペラを回転させ、姿勢を保った状態で、マルチコプタに取り付けられたグリッパーを地上側のコントローラ（図示せず）から遠隔操作で開閉して、構造物に固定していたマルチコプタを解除する（Step05）。そして、コントローラの操作もしくは自動にて、所定位置にマルチコプタを帰還飛行させて一連の処理を終了する（Step06）。

なお、以上の説明は、レーザースキャナーを用いた場合について行ってきたが、カメラを用いたステレオ写真でも同様に行うことができる。また、３次元形状を得るための演算は、上記のように測定と共に行っても良いし、飛行終了後にオフラインで実施するようにしても良い。

本発明の効果を確認するために、マルチコプタに搭載したレーザースキャナーによる計測を実施した。プロペラ枚数：８、フレーム長：1000mm、飛行制御：IMUとGPS、ホバリング精度：±0.5m、バッテリー：リチウムポリマー６セル、レーザースキャナー：位相差方式、レーザースキャナー用ジンバル：２軸、グリッパー把持力：200Ｎ、グリッパー開閉ストローク：280mm、および機体総重量：12kgのマルチコプタを用いて、地上に設置された幅1ｍ、長さ2ｍの平板を形状測定対象とした。

マルチコプタは離陸後、計測対象から20ｍ離れた位置にある煙突（高さ60m）の中間デッキ（高さ30m）にある手すりに到達しグリップした後、プロペラの回転を停止し、計測対象を幅方向にスキャンした。これに対して、煙突の中間デッキ前でグリップせずにホバリングした状態で計測対象をスキャンしたものを比較例とした。レーザースキャナーのスキャン条件は、比較例と本発明で同じとした。

スキャンした点群データから平板のデータを選択し、最小２乗法により平面フィッティングを行った。そして、求めた平面と計測点との距離を求め、その標準偏差を算出した。図５は、平面と計測点までの距離データ（(a)比較例、(b)本発明）を示す図である。それぞれの標準偏差の結果は、比較例では120.69mmに対して、本発明では1.89 mmであった。本発明では比較例に比べて、標準偏差の値が小さく、精度良く計測できたことが判った。

このように、本発明のグリップ機能でマルチコプタを上空で静止させることにより、レーザースキャナーで計測した点群データの精度が向上した。

１マルチコプタ
２フレーム
３プロペラ
４スキッド
５制御装置
６ＧＰＳアンテナ
７レーザースキャナー
８グリッパー
９パイプ

Claims

複数のプロペラを備えたマルチコプタに搭載したレーザースキャナーによって上空から対象物の点群データを取得し３次元形状を計測する、マルチコプタを用いた３次元形状計測方法であって、
対象物を上空から望むことができる所定の構造物の近くまで、前記マルチコプタを飛行させてホバリング状態とし、前記マルチコプタに取り付けられたグリッパーを遠隔操作で開閉して、前記マルチコプタを前記構造物の一部に固定したのち、前記マルチコプタのプロペラの回転を停止した状態で、前記レーザースキャナー対象物の点群データを取得することを特徴とするマルチコプタを用いた３次元形状計測方法。
複数のプロペラを備えたマルチコプタに搭載したレーザースキャナーによって上空から対象物の点群データを取得し３次元形状を計測する、マルチコプタを用いた３次元形状計測装置であって、
前記マルチコプタに取り付けられ、対象物を上空から望むことができる所定の構造物の近くまで前記マルチコプタを飛行させてホバリング状態で、遠隔操作で開閉することによってプロペラの回転を停止させた前記マルチコプタを前記構造物の一部に固定するグリッパーを具備することを特徴とするマルチコプタを用いた３次元形状計測装置。