JP6767107B2 - 角度検出装置及び測量装置 - Google Patents

Description

本発明は、アブソリュートエンコーダを用いて、高速度に角度検出を可能とした角度検出装置及び該角度検出装置を備えた測量装置に関するものである。

測量装置として、例えばトータルステーション、レーザスキャナがある。トータルステーションに於いては、測定点に測距光を照射し、測定点の測距、測角を実行し、測定点の３次元データを取得する。又、レーザスキャナに於いては、測距光としてパルス光を照射し、等速で鉛直方向に回転走査しつつ、水平方向に回転走査し、所定範囲或は測定対象物について、３次元の点群データを取得する。

通常、トータルステーションでは、測角（水平角の測定、鉛直角の測定）にはアブソリュートエンコーダが用いられている。アブソリュートエンコーダは、角度検出用のパターン（目盛パターン）を有し、絶対角を測定できると共に安価である。又、アブソリュートエンコーダは、高精度、高信頼性で角度測定が可能であるが、検出速度が遅いという特性があり、高速で回転しつつ測定を行うレーザスキャナには用いられていない。

又、通常レーザスキャナには、インクリメンタルエンコーダが用いられている。インクリメンタルエンコーダは所要角度ピッチで角度信号を発し、角度信号をカウントすることで、角度を検出する。インクリメンタルエンコーダは、高速で角度検出が可能であるが、角度信号自体の分解能は低いので、信号処理によって分解能を高める必要がある。

特開昭６０−１５７０１４号公報 特開２０１２−９３２４５号公報

本発明は、アブソリュートエンコーダを用いて、高速度で角度検出ができる様にした角度検出装置及び該角度検出装置を備えた測量装置を提供するものである。

本発明は、等速回転する回転部に設けられたアブソリュートエンコーダと、クロック信号発生部と、カウンタ回路と、角度演算部と、トリガ信号発生部とを具備し、角度トリガ信号が所定時間間隔で前記アブソリュートエンコーダ及び前記カウンタ回路に入力され、前記アブソリュートエンコーダは各角度トリガ信号毎の回転角度を前記角度演算部に入力し、前記回転部の回転角度を検出する為の回転角測定トリガ信号が前記カウンタ回路に入力されることで、該カウンタ回路は前記角度トリガ信号が入力された時点からのクロックカウント数を前記角度演算部に出力し、該角度演算部は前記アブソリュートエンコーダからの回転角度と前記クロックカウント数に基づき前記回転部の回転角度を検出する様構成した角度検出装置に係るものである。

又本発明は、前記回転部が停止状態、或は該回転部の回転速度が前記アブソリュートエンコーダの角度検出応答速度より遅い回転速度である場合は、該アブソリュートエンコーダが検出する回転角度を前記回転部の回転角度とする角度検出装置に係るものである。

更に又本発明は、測距光をパルス発光し、照射する投光部と、反射測距光を受光して受光信号を発する受光部と、該受光部からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記測距光を水平方向に偏向し、等速で水平方向、鉛直方向に回転され、前記測距光を回転照射する回転偏向部と、該回転偏向部の回転角度を検出する前記角度検出装置と、前記測距部、前記回転偏向部を制御し、前記測距光を走査し、前記受光部からの受光信号に基づき測定点の３次元データを演算する演算制御部とを具備する測量装置に係るものである。

本発明によれば、等速回転する回転部に設けられたアブソリュートエンコーダと、クロック信号発生部と、カウンタ回路と、角度演算部と、トリガ信号発生部とを具備し、角度トリガ信号が所定時間間隔で前記アブソリュートエンコーダ及び前記カウンタ回路に入力され、前記アブソリュートエンコーダは各角度トリガ信号毎の回転角度を前記角度演算部に入力し、前記回転部の回転角度を検出する為の回転角測定トリガ信号が前記カウンタ回路に入力されることで、該カウンタ回路は前記角度トリガ信号が入力された時点からのクロックカウント数を前記角度演算部に出力し、該角度演算部は前記アブソリュートエンコーダからの回転角度と前記クロックカウント数に基づき前記回転部の回転角度を検出する様構成したので、アブソリュートエンコーダの角度検出応答速度よりも高速で、回転部が回転する場合でも、回転角度の検出が可能である。

又本発明によれば、測距光をパルス発光し、照射する投光部と、反射測距光を受光して受光信号を発する受光部と、該受光部からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記測距光を水平方向に偏向し、等速で水平方向、鉛直方向に回転され、前記測距光を回転照射する回転偏向部と、該回転偏向部の回転角度を検出する前記角度検出装置と、前記測距部、前記回転偏向部を制御し、前記測距光を走査し、前記受光部からの受光信号に基づき測定点の３次元データを演算する演算制御部とを具備するので、高速な回転部を有し、高速で所定範囲を走査して点群データを取得する場合に於いても、アブソリュートエンコーダの使用を可能としたという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係るレーザスキャナの断面図である。 測定装置本体の概略構成図である。 角度検出装置の概略構成図である。 該角度検出装置に於ける角度測定の説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、レーザスキャナの一例について説明する。

レーザスキャナ１は、三脚（図示せず）等の支持装置を介して既知点に設置される。又、該レーザスキャナ１は、測定装置本体２、整準部３を有し、該整準部３は前記測定装置本体２を水平状態に整準することが可能である。

該測定装置本体２は、本体ケース５と該本体ケース５の上部を覆う上ケース６を有している。該上ケース６は全周がガラス等の透明体となっており、該透明体を通して、測距光の照射が可能となっている。

前記本体ケース５の上面に凹部を形成する受座７が設けられ、該受座７を鉛直方向に貫通する鏡筒８が設けられる。該鏡筒８は水平方向に広がるフランジ９を有し、該フランジ９を介して前記受座７に固定される。

前記鏡筒８の上端部には軸受１１を介して回転部１２が設けられ、該回転部１２は前記鏡筒８の軸心１０を中心に回転自在となっている。前記回転部１２の上面には、ミラーホルダ（図示せず）を介して偏向ミラー１３が設けられている。該偏向ミラー１３は、前記軸心１０に対して傾斜しており、又前記回転部１２と一体に回転する様になっている。

該回転部１２、前記偏向ミラー１３は、後述する測距光を偏向し、更に回転照射する回転偏向部を構成する。

前記回転部１２と前記受座７との間には前記回転部１２の水平回転角度を検出する角度検出器としての水平角エンコーダ１４が設けられる。該水平角エンコーダ１４として、アブソリュートエンコーダが用いられる。

該水平角エンコーダ１４は前記回転部１２に設けられた目盛円盤１５と前記受座７の周壁面に設けられた検出部１６とを有する。

前記目盛円盤１５は透明円板に角度目盛用のパターンが印刷等の方法で設けられたものである。角度目盛用のパターンとしては、例えばバーコードであり、基準位置からの絶対角度が読取り可能となっている。

前記検出部１６は発光素子とイメージセンサとから構成されている。発光素子は照明光を発し、イメージセンサは、前記目盛円盤１５を透過した照明光をパターン画像として取得する。イメージセンサで取得したパターン画像を読取ることで角度が検出され、イメージセンサからは角度読取り信号が発せられる。

この角度読取り信号に基づき、前記目盛円盤１５の基準位置からの回転角度（絶対角度）、即ち前記回転部１２の基準位置からの回転角度が検出される。

該回転部１２の上端には前記本体ケース５の上面と対峙する回転円板１８が設けられ、該回転円板１８と前記本体ケース５上面間に、前記軸心１０を中心としたリング状の水平モータ１９が設けられ、該水平モータ１９によって前記回転部１２は等速で水平回転される様になっている。

前記偏向ミラー１３は水平軸（図示せず）を介して鉛直方向に回転可能に支持されている。又、前記偏向ミラー１３は前記水平軸を介して鉛直モータ２０（後述、図２参照）によって等速回転され、更に前記偏向ミラー１３の鉛直回転角度は、前記水平軸の回転を介し鉛直角エンコーダ３３（後述、図２参照）によって検出される様になっている。該鉛直角エンコーダ３３は、前記水平角エンコーダ１４と同様、アブソリュートエンコーダとなっている。

前記鏡筒８の内部に対物レンズ２１が設けられ、該対物レンズ２１の光軸２２は前記軸心１０と合致している。前記対物レンズ２１の下方で、前記光軸２２の光軸上に波長分離光学部材であるダイクロイックミラー２３が設けられる。該ダイクロイックミラー２３は、自然光を透過し、測距光（後述）を反射する反射面を有し、該ダイクロイックミラー２３の透過光軸上には撮像素子２４が設けられ、前記対物レンズ２１、前記ダイクロイックミラー２３、前記撮像素子２４は撮像部３０を構成する。

前記鏡筒８の側面に、又前記ダイクロイックミラー２３の反射光軸２９上に測距部２５が設けられる。該測距部２５について説明する。

前記反射光軸２９上に孔明きミラー２６が設けられ、該孔明きミラー２６を透過した反射光軸２９上に発光部２７が設けられ、前記孔明きミラー２６に対向して測距受光素子２８が設けられる。

前記発光部２７は、測距光として、可視光、又は不可視光、好ましくは不可視光のレーザ光線をパルス発光する。発せられたパルス光の測距光３１は、前記孔明きミラー２６の孔を通過し、前記ダイクロイックミラー２３によって反射され、前記光軸２２上に偏向される。前記測距光３１は、更に前記偏向ミラー１３によって水平方向に偏向され、測定対象物に照射される。

該測定対象物からの反射測距光３１ａは、前記偏向ミラー１３で前記光軸２２と平行となる様に偏向され、更に前記ダイクロイックミラー２３、前記孔明きミラー２６で反射され、前記測距受光素子２８によって受光される。該測距受光素子２８が発する受光信号に基づき、各光パルス毎に測距が行われる。

前記偏向ミラー１３、前記対物レンズ２１、前記ダイクロイックミラー２３、前記孔明きミラー２６等は、光学系３２を構成する。更に、前記発光部２７、前記ダイクロイックミラー２３、前記対物レンズ２１、前記偏向ミラー１３は投光部を構成し、又該偏向ミラー１３、前記対物レンズ２１、前記ダイクロイックミラー２３、前記測距受光素子２８は受光部を構成する。

尚、図１中、３５は演算制御部を示している。

図２を参照して、前記測定装置本体２の概略構成を説明する。

該測定装置本体２は、主に前記水平モータ１９、前記撮像部３０、前記測距部２５、前記発光部２７、前記演算制御部３５、角度測定部３６、記憶部３７、操作部３８等から構成されている。

更に、前記演算制御部３５は、クロック信号発生部４１、トリガ信号発生部４２、角度演算部４３、カウンタ回路４４を含んでいる。前記角度測定部３６は、前記水平角エンコーダ１４、前記鉛直角エンコーダ３３を含み、前記測距光３１の照射方向（方向角）を検出する。

前記記憶部３７は、プログラム格納領域、データ格納領域を有し、前記プログラム格納領域には、前記測定装置本体２に一連の測定作動を実行させる為の測距プログラム、前記撮像素子２４から発せられる信号を画像信号に処理し、画像データとして前記記憶部３７に格納する画像処理プログラム、前記角度測定部３６から入力される角度信号に基づき回転角度を演算する測角プログラム等のプログラムが格納されている。

前記演算制御部３５は、前記測距プログラム、前記測角プログラム等のプログラムに基づき、前記水平モータ１９の等速回転制御、前記鉛直モータ２０の等速回転制御、前記発光部２７のパルス発光制御を行い、前記測距受光素子２８の受光信号に基づき距離を演算し、前記撮像素子２４による撮像の制御、前記水平角エンコーダ１４、前記鉛直角エンコーダ３３からの信号による回転角度の検出の制御、測角等を行う。

次に、上記レーザスキャナ１による測定作動について説明する。

前記操作部３８により測定範囲を設定する。測定範囲が設定された後、測距作動が実行される。又、前記演算制御部３５により、前記水平モータ１９、前記鉛直モータ２０がそれぞれ所定の速度で等速回転される。

前記演算制御部３５より前記測距部２５に対して測距の為の制御信号が発せられる。前記発光部２７が駆動され、パルス光の前記測距光３１が発せられる。該測距光３１が前記光学系３２、前記偏向ミラー１３を介して射出される。

測定対象物で反射された前記反射測距光３１ａを、前記偏向ミラー１３、前記光学系３２を介して受光し、受光を検出して測定対象物迄の距離を算出する（測距）。又、受光検出時に於ける方向角（水平角、鉛直角）を、前記角度測定部３６からの信号に基づき演算する（測角）。従って、算出した距離、照射方向の角度を測定することで測定点の３次元座標が取得できる。

更に、パルス発光させつつ、前記水平モータ１９によって、前記回転部１２を等速で水平回転させ、更に前記鉛直モータ２０によって、前記偏向ミラー１３を等速で鉛直方向に回転させる。パルス光が測定範囲に走査される。パルス光毎に、距離のデータ、方向角を測定することで、測距、測角データを有する点群データを取得できる。

次に、高速で水平角、鉛直角を測定する場合について、図３、図４を参照して説明する。

前記角度測定部３６は、前記水平角エンコーダ１４から出力される信号により水平角を検出し、前記鉛直角エンコーダ３３から出力される信号によって鉛直角を検出する。尚、前記水平角エンコーダ１４、前記鉛直角エンコーダ３３は同様の構成であり、又同様の処理で角度を検出するので、以下は、高速回転する前記偏向ミラー１３の鉛直回転角度を検出する前記鉛直角エンコーダ３３について説明する。

該鉛直角エンコーダ３３は、回転側に設けられた目盛円盤１５と、固定側に設けられた検出部１６とを有する。

該検出部１６は照明光を発する発光素子５１と、前記目盛円盤１５に対峙して設けられた走査盤５２と、イメージセンサ５３とを有する。前記走査盤５２には、前記目盛円盤１５のパターンを角度として読取る為のパターンが設けられている。前記イメージセンサ５３は、前記目盛円盤１５、前記走査盤５２を透過した照明光をパターン画像として受光する様になっている。

以下、高速回転時の角度検出について説明する。尚、前記偏向ミラー１３は等速回転する様制御されている。

前記トリガ信号発生部４２から前記測距部２５に、制御信号５５が入力され、前記測距部２５からは前記偏向ミラー１３を経て前記測距光３１が照射され、前記測距部２５は測定対象物で反射された、前記反射測距光３１ａを受光して測距を行う。

又、前記トリガ信号発生部４２から、所定時間間隔（等時間間隔）で角度検出用の角度トリガ信号５６が前記鉛直角エンコーダ３３に入力される。

該鉛直角エンコーダ３３は、前記角度トリガ信号５６が入力される度に前記発光素子５１を発光させ、前記イメージセンサ５３により前記角度トリガ信号５６入力時のパターン画像を取得し、角度検出部４５に出力する。該角度検出部４５はパターン画像より、回転角度を検出する。パターン画像より得られる角度は、基準位置（例えば、前記操作部３８で設定した基準位置）からの絶対角度となる。

従って、前記目盛円盤１５が等速回転し、前記角度トリガ信号５６が等時間間隔で入力されると、前記角度検出部４５で検出する回転角度は、等角度間隔で得られる。又、前記角度トリガ信号５６が発せられる時間間隔を、前記角度検出部４５が角度検出する速度より大きく設定しておけば、前記目盛円盤１５が高速回転していても、角度検出は支障なく実行される。

前記角度検出部４５で検出された角度は、主検出角度５７として前記角度演算部４３に入力される。尚、前記角度検出部４５の機能を前記角度演算部４３に実行させ、前記角度検出部４５は省略してもよい。

次に、前記クロック信号発生部４１から発生されるクロック信号が前記カウンタ回路４４に入力され、クロック信号がカウントされる。前記トリガ信号発生部４２から前記角度トリガ信号５６が前記カウンタ回路４４に入力され、前記角度トリガ信号５６が入力される度にカウント値がリセットされる。

又、前記測距部２５からは、前記反射測距光３１ａを受光した時点に発せられる受光検出信号５８が前記カウンタ回路４４に入力される。

該カウンタ回路４４は、前記受光検出信号５８が入力された時点迄のクロック信号のカウント数をカウント信号５９として前記角度演算部４３に入力する。該角度演算部４３は、前記角度検出部４５からの前記主検出角度５７と前記カウント信号５９とにより測距時（前記反射測距光３１ａ受光時）の回転角度を演算する。尚、前記角度検出部４５から出力される前記主検出角度５７は、前記受光検出信号５８が入力される前後が保存されていればよく、前記受光検出信号５８が入力されない場合は、順次消去してもよい。

該受光検出信号５８は、受光時の回転角度を検出する為の信号であり、回転角測定トリガ信号としての機能を有する。

図４を参照して、更に説明する。

前記角度トリガ信号５６が発せられた時刻をｔi とし、次に該角度トリガ信号５６が発せられた時刻をｔi+1 とする。又、前記受光検出信号５８が発せられる時刻をｔj とし、ｔj はｔi とｔi+1 との間に発せられたとする（ｔi ＜ｔj ＜ｔi+1 ）。

又、時刻ｔi での主検出角度をφi 、時刻ｔi+1 での主検出角度をφ（ｔi+1 ）、測距時の角度をθとする。

時刻ｔi から前記受光検出信号５８が発せられる迄の時間は、クロック信号のカウント数で取得でき、該クロック信号のカウント数から時刻ｔj を演算できる。

時刻ｔi での主検出角度φi と時刻ｔi+1 での主検出角度φ（ｔi+1 ）は、前記角度検出部４５によって検出される。更に、等速回転であるので、時刻ｔj （測距時）からの回転角度は、主検出角度φi と主検出角度φ（ｔi+1 ）との差を時間で案分することで得られる。

従って、測距時の回転角度θは、
θ＝［（ｔj −ｔi ）／（（ｔi+1 ）−ｔi ）］×（φ（i+1 ）−φi ）＋φi で得られる。

而して、前記鉛直角エンコーダ３３自体の検出速度が遅くとも、高速回転時の回転角度の測定が可能となり、レーザスキャナとして高速で回転しつつ点群データの取得を可能とする。

次に、高速回転していない場合、即ち、アブソリュートエンコーダの角度検出速度より遅い回転速度（アブソリュートエンコーダの角度検出応答速度より遅い回転速度）の場合、或は停止して測定点の測定を行う場合の回転角度の測定は、前記水平角エンコーダ１４、前記鉛直角エンコーダ３３の検出速度は問題とならないので、アブソリュートエンコーダの通常の角度検出作動でよい。即ち、前記イメージセンサ５３からの画像信号に基づき、高精度の測定が行える。

本実施例では、アブソリュートエンコーダを用いて複雑な信号処理を行うことなく、クロック信号をカウントするだけの簡単な処理で高精度の回転角度検出を行うことができる。

又、本発明の角度検出装置は、測量装置だけでなく、等速回転する機器の角度検出装置として使用できることは言う迄もない。

１ レーザスキャナ
２ 測定装置本体
１２ 回転部
１３ 偏向ミラー
１４ 水平角エンコーダ
１６ 検出部
１９ 水平モータ
２０ 鉛直モータ
２４ 撮像素子
２５ 測距部
２７ 発光部
２８ 測距受光素子
３３ 鉛直角エンコーダ
３５ 演算制御部
３６ 角度測定部
４１ クロック信号発生部
４２ トリガ信号発生部
４３ 角度演算部
４４ カウンタ回路
４５ 角度検出部
５１ 発光素子
５２ 走査盤
５５ 制御信号
５６ 角度トリガ信号
５７ 主検出角度
５８ 受光検出信号
５９ カウント信号

Claims (3)

1. 等速回転する回転部に設けられたアブソリュートエンコーダと、クロック信号発生部と、カウンタ回路と、角度演算部と、トリガ信号発生部とを具備し、
   該トリガ信号発生部から発せられた角度トリガ信号が所定時間間隔で前記アブソリュートエンコーダ及び前記カウンタ回路に入力され、
   前記アブソリュートエンコーダは各角度トリガ信号毎の回転角度を主検出角度として前記角度演算部に入力し、
   前記カウンタ回路は前記角度トリガ信号が入力される度にクロックカウント数をリセットし、
   前記回転部の回転角度を検出する為の回転角測定トリガ信号が前記カウンタ回路に入力されることで、該カウンタ回路は前記角度トリガ信号が入力された時点から前記回転角測定トリガ信号が入力される迄のクロックカウント数を前記角度演算部に出力し、
   該角度演算部は前記回転角測定トリガ信号が入力された時点の前後の前記アブソリュートエンコーダからの主検出角度を保存し、
   該主検出角度と前記クロックカウント数に基づき前記回転部の回転角度を検出し、
   前記回転角測定トリガ信号が入力されない場合は、順次保存した前記主検出角度を消去する様構成した角度検出装置。
2. 前記回転部が停止状態、或は該回転部の回転速度が前記アブソリュートエンコーダの角度検出応答速度より遅い回転速度である場合は、該アブソリュートエンコーダが検出する主検出角度を前記回転部の回転角度とする請求項１に記載の角度検出装置。
3. 測距光をパルス発光し、照射する投光部と、反射測距光を受光して受光信号を発すると共に前記反射測距光を受光した時点に前記回転角測定トリガ信号を発する受光部と、該受光部からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記測距光を水平方向に偏向し、等速で水平方向、鉛直方向に回転され、前記測距光を回転照射する回転偏向部と、該回転偏向部の回転角度を検出する請求項１に記載の角度検出装置と、前記測距部、前記回転偏向部を制御し、前記測距光を走査し、前記受光部からの受光信号に基づき測定点の３次元データを演算する演算制御部とを具備する測量装置。

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