JPH0283410A - 三次元位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザ光テレビカメラを使用して測定対象の
位置及び変位を測定する三次元位置計測装置に関するも
のである。

（従来の技術） 従来、測定対象である物体の位置を測定する装置として
、１台のテレビカメラを用いた位置検出器、２台のトラ
ンシットを用いた三次元設定装置等が知られている。

１台のテレビカメラを用いた位置検出器の原理を第５図
により説明する。

測定対象８が視界に入る向きにテレビカメラ３１を固定
配置し、テレビカメラ３１の照準軸ぶ上の点Ｏを基準点
に設定し、点Ｏを通り、照準軸ぶに垂直な平面上に、点
Ｏを原点とするＸＹ直交座標系を想定する。同時に、テ
レビカメラ３１の映像が写しだされる実際の空間中の点
Ｏに対応するテレビモニタ３２上の点Ｏを原点とするｘ
ｙ座標をテレビモニタ３２の画面上に定義する。

一方、走査演算手段３３は、一定の時間間隔でタイミン
グパルスを発生しており、テレビモニタ３２の画面上に
撮像された測定対象８の位置をライトベン、カーソル等
により指定すると、走査演算手段３３はテレビモニタ３
２の画面の走査線に沿って測定対象８と原点０間のパル
ス数をカウントシ、このパルス数に基きテレビモニタ３
２の画面上の測定対象８の座標位置（ｘ、ｙ）を算出す
る。

そして、この算出値に、パラメータ設定手段３５を用い
て点０とテレビカメラ３１との距離及びテレビカメラ３
１の倍率から予め設定されているパラメータを乗じ、測
定対象８の仮想ＸＹ平面内における位置が演算され、こ
の演算結果はテレビモニタ３２に表示される。

次に、２台のトランシットを用いた三次元設定装置の原
理を第６図により説明する。

先ず、第１．第２のトランシット４０ａ、４０ｂを任意
距離りだけ離れた位置に固定設定し、空間に第１のトラ
ンシット４０ａを原点Ｏとし、かつＸ−Ｚ平面に第２の
トランシット４０ｂが存在するように三次元座標系を想
定する。

次いで、各トランシット４０ａ、４０ｂにより測定対象
８の各水平角θａ、θｂ及び各高度角φａ、φｂを人の
目視により計測する。そして、予め求めておいた第２の
トランシット４０ｂに対する第１のトランシット４０ａ
の高度角φ０と、両トランシット４０ａ、４０ｂ間の距
離りと、上記θａ、θｂ、φａ、φｂから三角法原理に
基づき、測定対象８の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）をコンピュー
タ４１により演算して特定し、出力装置４２により演算
結果を出力する。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記各従来の装置には次のような問題がある。

（１，）１台のテレビカメラを用いた位置検出器の場合
： ■測定対象８は必ずしもＸＹ平面上を移動するとは限ら
ないにもかかわらず、その座標はＸＹ平面上の投影とし
て検出されるので、正確な検出は不可能である。

■テレビカメラによる撮像は周差を伴なってし、まう。

すなわち、第７図に示すように、テレビモニタ３２画面
の周囲付近に現われる測定対象８の画像が歪む。従って
、その周差を補正するための特別の回路等が必要となる
ほか、テレビカメラ３１と測定対象８間の距離り等によ
り補正値が逐次変動するため、正確な検出は極めて困難
である。

■さらに三次元測定の場合は、上記■の周差に対する補
正が更に複雑となる。

（２）２台のトランシットを用いた三次元設定装置の場
合： テレビモニタを使用しないため周差の問題は生じない反
面、２台のトランシット４０ａ、４０ｂに配置された作
業員が目視により各水平角θａ。

θｂ、各高度角φａ、φｂを調節し、各トランシット４
０ａ、４０ｂの照準軸を測定対象８に一致させて細かい
目盛りを読みとる作業を行ない、検出データを別途コン
ピュータに入力しなければならないため、リアルタイム
の位置特定は困難である。

従って、移動又は変形する測定対象８の位置を正確に特
定することは困難である。

そこで本発明者等は、先に、周差による測定誤差がなく
、測定対象の三次元座標による位置又は変位がリアルタ
イムで測定でき、かつ作業員１名あるいは無人の計測が
できる三次元位置計測装置を提案した（特願昭６３−１
５２３６６号）。

この先願に係る三次元位置計測装置においては、複数の
テレビカメラを所定の距離を隔てて設置し、これら角テ
レビカメラの照準軸上に測定対象を捕え、このときの各
テレビカメラの各基準照準軸からの水平・垂直方向の回
転角の変位と、角テレビカメラの位置に関するデータと
から、測定対象の三次元位置を求めている。

ところで、この先願に係る三次元位置計測装置で、各テ
レビカメラの照準に測定対象をとらえる操作は、テレビ
モニタの画面を参照しながら行なわれるため、晴天の昼
間等においては問題なく行われ、上記した種々の問題を
解決することができた。

しかし、視界の悪い夜間や、雨中あるいは霧中等での上
記操作は困難となり、さらに、ロケーションが複雑な場
合には測定対象の識別も困難となる。

しかも、テレビカメラは少なくとも２台は必要であり、
スペースが極狭い建築現場等においては、使用不しにく
いという問題もあった。

本発明は、以上の諸点をに鑑みてなされたもので、その
目的とするところは、昼夜を問わず、また晴天・雨天等
の天候、あるいはロケーションの粗・密等を問わず、し
かも極狭いスペース゛しかないような現場であっても、
高精度で測定対象の三次元位置をｎ１定し得る三次元位
置計測装置を提供するにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は上記目的を解決するために、本発明に係る
三次元位置計測装置では、レーザ光発射装置と、該レー
ザ光発射装置近傍部に設けられ、該レーザ光発射装置か
ら発射され測定対象で反射されたレーザ光を受けるテレ
ビカメラと、該テレビカメラの映像を撮像し、テレビカ
メラの照準軸を表示するテレビモニタと、前記各テレビ
カメラに設けられ、該テレビカメラを水平方向及び垂直
方向に回動させることにより前記照準軸を任意方向に向
けることが可能なテレビカメラ姿勢制御装置と、前記レ
ーザ光の発射とテレビカメラによる受光とから距離に相
当する信号を検出する手段と、予め設定されたテレビカ
メラの基準方向に対する前記水平方向及び垂直方向の回
転角に相当する各信号を検出する回転角検出手段と、三
次元空間に仮想座標系を設定する手段と、前記各信号か
ら前記仮想座標系における前記三次元空間に存在する測
定対象の座標を演算する手段とを設けた。

（作　用） 本発明においては、任意地点に原点Ｏが定義され、座標
軸方向が特定され、これらにより空間に球座標系、直交
座標系等各種の三次元座標系が想定される。この三次元
座標系にテレビカメラの座標が特定される。

そして、このテレビカメラ近傍部のレーザ光発射装置か
ら発射され、測定対象で反射されたレーザ光が、テレビ
モニタの画面が参照されつつ、テレビカメラで受光され
ている。

このときのレーザ光の発射と受光により距離に相当する
信号が検出される。

次に、テレビカメラの照準軸の任意の基準方向が定義さ
れ、照準軸が、手動又は自動操作によるテレビカメラ姿
勢制御装置の駆動により、テレビモニタの画面が参照さ
れつつ、測定対象に一致される。

このときの照準軸の基準方向からの水平角度変化と垂直
角度変化が回転角度検出手段により測定される。この測
定値と上記のレーザ光による距離とから、測定対象の三
次元座標がコンピュータにより演算される。

（実　施　例） 第１図は、本発明に係る三次元位置計測装置（以下、本
発明装置）の一実施例における各部の配置態様を示して
いる。

同図において、テレビカメラ１は、天部にレーザ光発射
装置２が配設されており、またその側部には姿勢制御装
置３が配設されている。そして、その姿勢制御装置３の
下部にはレーザ光の発射と受光による距離検出手段と、
回転角検出手段（以下、距離・回転角検出手段４）とが
それぞれ装着されている。

そして、テレビカメラ１にはズーム装置１ａが、レーザ
光発射装置２にはレーザ光絞り装置２ａがそれぞれ装着
されている。

このテレビカメラ１は、画像処理・処理画像演算装置５
を介してテレビカメラ１でとらえられた画像を撮像する
テレビモニタ６に接続されている。

さらに、この画像処理・処理画像演算装置５はコンピュ
ータ７に接続されており、そのコンピュータ７は出力モ
ニタ８を装備している。

また、上記の姿勢制御装置３及び距離・回転角検出手段
４もそれぞれコンピュータ７に接続されている。

上記の配置態様における本発明装置の機能を第２図のブ
ロック図により説明する。

同図に示すように、テレビカメラ１が接続された姿勢制
御装置３は、水平方向駆動手段３１と垂直方向駆動手段
３２とから構成されており、再駆動手段３１．３２を適
宜作動することによりテレビカメラ１を任意の方向へ旋
回できるようになっている。

また、上記水平、垂直方向駆動手段３１．３２は、上記
第１図の距離・回転角検出手段４のポテンショメータや
エンコーダ等の回転角を検出できる装置（ここではエン
コーダ４１．４２）にそれぞれ接続されている。そして
、これら両エンコーダ４１．４２が、水平、垂直方向駆
動手段３１゜３２から出力される水平、垂直方向回転角
信号を、それぞれコード化する役割をなしている。

一方、レーザ光発射装置２とテレビカメラ１とは、上記
第１図の距離・回転角検出手段４内の光波距離計、その
他適宜のレーザ光の発射と受光により距離を検出する距
離検出装置４０に接続されており、この距離検出装置４
０が距離検出信号をコード化する役割をなす。

なお、図示は省略するが、レーザ光発射装置２には、可
視光赤外光等の光源選択手段が内蔵されており、状況に
応じて適宜の光を発っせるようになっている。

また、上述した画像処理・処理画像演算装置５は、テレ
ビカメラ１からの画像データを受け、その処理を行い処
理信号をテレビモニタ６にそれぞれ出力する画像処理手
段５１と、そのテレビモニタ６からのデータに基づきＤ
Ｊ定対象９とテレビカメラ１の照準軸ぶとの偏差を測定
する位置偏差測定回路５２と、その位置偏差測定回路５
２の測定信号に基づき水平・垂直方向駆動手段３１．３
２に照準軸ぶが測定対象９に一致するよう制御信号を出
力する追従信号発生回路５３とから構成されている。

更に、距離検出装置４０．エンコーダ４１．４２からの
信号に基づき測定対象８の座標を演算する座標演算用マ
イクロコンピュータ７１、及び三次元座標系の種類、そ
の三次元座標の原点Ｏの位置に関するデータをマイクロ
コンピュータ７１に出力する座標設定手段７２にて、第
１図のコンピュータ７が構成されている。

なお、第２図においては、第１図の各部に対応する上記
各要素に加え、座標演算用マイクロコンピュータ７１に
接続されたプリンタ１１、及び座標演算用マイクロコン
ピュータ７１と座標設定手段７２に接続された入力装置
としてのキーボード１２が示されている。

以下に、上記実施例の作用を説明する。

先ず、空間に任意の三次元座標系を想定する。

本実施例においては、三次元座標系としてＸＹＺ直交座
標系を採用し、その座標系の原点Ｏの位置をテレビカメ
ラ１上にとり、Ｚ軸を鉛直方向に定めると共に、テレビ
カメラ１の照準軸ぶの基準方向りをＸ軸方向に定める（
第３図参照）。

更に、このＸＹＺ座標系をキーボード１２及び座標設定
手段７２により出力モニタ６の画面上に定義し、テレビ
カメラ１を原点Ｏの位置に表示する。

次いで、テレビカメラ１の視界を広角とし、概ね測定対
象９の方向に向ける。このとき、必要に応じてテレビカ
メラ１をズームアツプしてテレビモニタ６の画面上に測
定対象９が鮮明に撮像されるようにしておく。

一方、作業時の天候や時期、あるいはロケーションの状
況等に応じ、レーザ光発射装置２の光源を可視光又は赤
外光等の適宜のものに選択しておく。

なお、必要に応じてレーザ光を絞り、測定対象９の照準
点（予め反射テープ等を貼付しておく）に正確に照射さ
れるようにしておく。

次に、第４図のフローチャートに沿って作用を更に詳細
に説明する。

先ず、第４図において、レーザ光発射装置２から可視光
、あるいは赤外線等の指向性の高い光線を測定対象９に
照射し、テレビモニタ６で測定対象９をとらえる（ステ
ップ５１００）。次いで、位置偏差測定回路５２が、テ
レビモニタ６の画面上の測定対象９と、テレビモニタ６
の中心（照準線ぶに相当）とが一致するか否かを判断し
くステップ５１０１）、照準軸ぶが測定対象９と一致し
ないときは、位置偏差測定回路５２照準軸ぶと測定対象
″９との位置偏差を測定し、この位置偏差に応じた追従
信号を水平方向駆動手段３１並びに垂直方向駆動手段３
２に出力する（ステップ５１０２）。

この追従信号に基づき水平方向駆動手段３１、垂直方向
駆動手段３２が作動してテレビカメラ１の姿勢を制御し
、これにより照準軸ぶを測定対象９に合致させる（ステ
ップ５１０３）。

次いで、エンコーダ１４を介して基準方向に対するテレ
ビカメラ１のズレ（水平、垂直方向回転角θ、φ）を検
出する。そして、検出した各回転角θ、φに対応するコ
ード化信号を座標演算用マイクロコンピュータ７１に入
力する（ステップ５１０４）。

一方、レーザ光発射装置２からのレーザ光の発射と、測
定対象８表面での反射光のテレビカメラ１による受光と
により、テレビカメラ１と測定対象９の間の距離りを検
出する。

この距＃！Ｄに対応するコード化信号を座標演算用マイ
クロコンピュータ７１に出力する（ステップ５１０５）
。

座標演算用マイクロコンピュータ７１は、上記の各回転
角θ、φ及びテレビカメラ１と測定対象９の間の距離り
に基づき、測定対象９の位置（Ｘ。

ｙ、ｚ）を求める演算を行う。そして、必要に応じて測
定対象９の移動前の位置データを図示しない記憶素子か
ら読み出し、変位量ｊｘ、ａｙ、、ａＺの演算を行う（
ステップ５１０６）。

その後、演算結果をプリンタ１１によりプリントアウト
するか、出力モニタ８の画面上に表示する（ステップ５
１０７）。

また、照準軸ぶが測定対象９と一致するときはステップ
５１０２〜５１０４までは飛ばし、上記のステップ５１
０５に移る。

以上述べた測定対象９の三次元測定は、繰り返し行われ
、その測定結果はリアルタイムで出力モニタ８の画面上
に表示される。

そして、上記ステップ５１０７のｘ、ｙ、ｚの演算は、
例えば第３図から明らかなように、Ｘ　ｍ　Ｄ　ｃｏｓ
φｃｏｓθ　　　　　・・・・・・・・・・・・（１）
Ｙ　−Ｄ　ｃｏｓφｓ１ｎθ　　　　　・・・・・・・
・・・・・（２）Ｚ　＝　Ｄ　ｓｌｎφ　　　　　　　
　　　　−（３）となる。

なお、テレビカメラ姿勢制御装置３は通常、機械的手段
で作動するので、歯車のギア比、遊び等の関係から照準
軸ぶを測定対象９に完全に一致させることか困難である
場合が生じる。

この場合には、第２図の点線の矢線で示すように、位置
偏差測定回路５２からの信号を測定対象の座標を演算す
る手段７１に送るようにし、この座標演算手段７１では
、上記信号により算定される偏位を加算して測定対象の
座標を出力するようにする。

このように先ず、レーザ光により測定対象をテレビモニ
タにとらえた後に三次元測定操作に移動するため、雨中
、霧中あるいは夜間でも容易に測定操作が行える。また
、このレーザ光を利用して距離の検出をも行うため、測
定対象の三次元座標系での位置測定が容易である。

しかも、照準軸ぶが測定対象９に十分に近づいた段階で
走査演算による位置偏差測定がズームアツプにより行な
えるので、もはや周差の影響も少く、かつ、モニタ画面
を最大限利用したズームアツプをすることができるので
、より正確な測定ができる。

以上の実施例においては、テレビカメラが設置された箇
所を座標系の原点としたが、原点位置は全く任意にとる
ことができる。

また、三次元座標系としてＸＹＺ直交座標系で説明した
が、これを円筒座標系あるいは球面座標系としてもよい
し、また二次元座標系についても応用できる。

更に、上記実施例においては、テレビモニタ６の測定対
象と照準軸ぶとを一致させるための水平・垂直方向駆動
手段３１．３２の制御を位置偏差測定回路５２及び追従
信号発生回路５３を用いる自動操作により行っているが
、オペレータがテレビモニタを目視、参照してリモート
コントローラ等を用いた手動操作により行うこともでき
る。

（発明の効果） 本発明装置によれば、次のような効果を奏することがで
きる。

■レーザ光を利用して測定対象をテレビモニタにとらえ
るため、天候やロケーションの状況に左右されることな
く、また昼夜の区別なく、三次元位置測定が行える。

■測定対象の距離の測定をレーザ光を利用して行うため
、三次元位置測定はこのレーザ光発射装置と１このテレ
ビカメラを用いて行うことができ、スペースが極めて少
ない現場においても、容易に測定することができる。

■テ！・ビカメラ姿勢制御装置の駆動により、テレビカ
メラの照準軸を測定対象に一致させることとしたので、
テレビカメラによる？３１定に不可避のテレビモニタ上
の周差による誤差を解消することができる。

このため、測定対象の正確な位置を計測することができ
る。

■レーザ光とテレビカメラを用いているので、測定対象
の三次元的な移動又は変形を即座に把握することができ
、リアルタイムでの計測を実現できる。

■テレビモニタとテレビカメラ姿勢制御装置との間に位
置偏差ｎ１定回路および追従信号発生回路を接続すれば
、テレビモニタ上の測定対象と照準軸との偏差に基づい
てテレビカメラ姿勢制御装置が駆動されるので、複数の
作業員を必要とせず、１名の作業員あるいは無人での位
置計ｎ１を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例における各部の配置態様
を示す図、第２図は第１図の実施例を詳細に説明するた
めの機能ブロック、第３図は第１図の実施例におけるｎ
ｊ定対象の座標演算の原理を示す図、第４図は第１図の
実施例の作用を説明するためのフローチャート、第５図
はテレビカメラ１台を用いた従来技術の原理を説明する
図、第６図は２台のトランシットを用いた従来技術の原
理を説明する図、第７図はテレビモニタによる周差を説
明するための図である。 ５・・・・・・画像処理・処理画像演算装置７・・・・
・・コンピュータ ８・・・・・・出力モニタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光発射装置と、該レーザ光発射装置近傍部
   に設けられ、該レーザ光発射装置から発射され測定対象
   で反射されたレーザ光を受けるテレビカメラと、該テレ
   ビカメラの映像を撮像し、テレビカメラの照準軸を表示
   するテレビモニタと、前記各テレビカメラに設けられ、
   該テレビカメラを水平方向及び垂直方向に回動させるこ
   とにより前記照準軸を任意方向に向けることが可能なテ
   レビカメラ姿勢制御装置と、前記レーザ光の発射とテレ
   ビカメラによる受光とから距離に相当する信号を検出す
   る手段と、予め設定されたテレビカメラの基準方向に対
   する前記水平方向及び垂直方向の回転角に相当する各信
   号を検出する回転角検出手段と、三次元空間に仮想座標
   系を設定する手段と、前記各信号から前記仮想座標系に
   おける前記三次元空間に存在する測定対象の座標を演算
   する手段とからなることを特徴とする三次元位置計測装
   置。
2. （２）テレビモニタとテレビカメラ姿勢制御装置との間
   に位置偏差測定回路および追従信号発生回路を接続して
   なることを特徴とする請求項１記載の三次元位置計測装
   置。
3. （３）測定対象の座標を演算する手段が、位置偏差測定
   回路からの信号により算定される偏位を加算して出力す
   るものであることを特徴とする請求項２記載の三次元位
   置計測装置。