JPH07190773A - Optical three-dimensional position detecting device - Google Patents

Optical three-dimensional position detecting device

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JPH07190773A
JPH07190773A JP35392393A JP35392393A JPH07190773A JP H07190773 A JPH07190773 A JP H07190773A JP 35392393 A JP35392393 A JP 35392393A JP 35392393 A JP35392393 A JP 35392393A JP H07190773 A JPH07190773 A JP H07190773A
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JP
Japan
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light
elevation angle
return
optical
dimensional position
Prior art date
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Pending
Application number
JP35392393A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuji Ogawa
保二 小川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wacom Co Ltd
Original Assignee
Wacom Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to JP35392393A priority Critical patent/JPH07190773A/en
Publication of JPH07190773A publication Critical patent/JPH07190773A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To simplify a structure and reduce production cost by computing the vertical elevation angle of a measurement object on the basis of the photographed image of converged return light, a rectilinear distance on the basis a return time and the horizontal deflection angle of the object on the basis of timing to receive the return light, respectively. CONSTITUTION:Projection light 1 emitted from an LED 2 through a projector lens 4 is reversibly reflected from the reflecting prism 101 of a position indicator 100, and the return light 7 is converged at a position 6. The light 7 is received with the image pick-up element 9 of an elevation angle detecting section, and an elevation angle operation means performs an image analysis for the picked up image, thereby computing a vertical elevation angle. Also, a distance detecting section has each means for modulation, comparison and distance calculation, and modulates the projection light 1 in terms of a time, on the basis of the prescribed reference signal. Thereafter, the light 7 is received with a light receiving element 11, and a comparison is made between an outputted electrical signal and a reference signal in terms of a phase, thereby finding a return time. A rectilinear distance is calculated on the basis of the return time. Also, the scanning means of a deflection angle detecting section, or a stepping motor 12 angularly scans the light 1 along a horizontal direction in such state as crossing the prism 101, and calculates a horizontal deflection angle on the basis of timing for receiving the light 7.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は主として土木現場や建築
現場等で使用される測量の為の光学式3次元位置検出装
置や、ロボット制御等に使用される光学式3次元位置検
出装置に関する。特に、被測定体の3次元位置を人手を
介する事なしに自動で検出する方式に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical three-dimensional position detecting device for surveying, which is mainly used in civil engineering sites and construction sites, and an optical three-dimensional position detecting device used for robot control. In particular, the present invention relates to a method for automatically detecting the three-dimensional position of a measured object without manual intervention.

【0002】[0002]

【従来の技術】3次元測定が可能な光学式位置検出装置
としては追尾式トータルステーションが従来から知られ
ている。トータルステーションは基本的に、光波測距儀
とトランシットを一体に組み込んだ構造を有している。
光波測距儀は遠隔の測定点に配置されたポール等の位置
指示器に設けられた反射鏡を標的として光学的に直線距
離を測定する。又、トランシットは同じく位置指示器の
垂直仰角及び水平偏角を測定する。直線距離、垂直仰
角、水平偏角により測定点の3次元位置情報が求められ
る。追尾式トータルステーションには、さらにスキャナ
とモータが組み込まれている。スキャナはトータルステ
ーション本体に組み込まれたレーザ光源からのビームを
垂直方向及び水平方向に沿って2次元的にスキャニング
し、自動的に位置指示器の反射鏡を検出する。この検出
結果に基いて一対の仰角モータ及び偏角モータを駆動し
位置指示器に対する追尾動作を行なう。
2. Description of the Related Art A tracking type total station is conventionally known as an optical position detecting device capable of three-dimensional measurement. The total station basically has a structure in which a light-wave rangefinder and a transit are integrated together.
The optical distance measuring device optically measures a linear distance by using a reflecting mirror provided on a position indicator such as a pole arranged at a remote measuring point as a target. Transit also measures the vertical elevation and horizontal declination of the pointing device. Three-dimensional position information of the measurement point is obtained from the linear distance, vertical elevation angle, and horizontal declination. The tracking total station also has a built-in scanner and motor. The scanner two-dimensionally scans the beam from the laser light source incorporated in the main body of the total station along the vertical direction and the horizontal direction, and automatically detects the reflector of the position indicator. Based on this detection result, the pair of elevation angle motors and declination motors are driven to perform the tracking operation for the position indicator.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来の追尾式トータル
ステーションはレーザスキャン機構と、一対の水平偏向
用及び垂直偏向用モータを含む為、大変複雑且つ高価な
構造となっており、極めて便利な位置検出装置でありな
がら、一般的に普及されていないのが現状である。又、
追尾式トータルステーションでは、標的を見失った時や
新たな標的を設定する場合にサーチ時間が長くかかると
いう問題がある。レーザビームを用いた標的のスキャニ
ングは水平方向及び垂直方向に沿って2次元的に行なわ
れる為、サーチには乗算的時間がかかり長時間を要す
る。さらに、従来の追尾式トータルステーションは単独
の位置指示器を追尾しながら位置計測を行なうものであ
り、複数の位置指示器を同時に測定する事ができないと
いう本質的な問題がある。
Since the conventional tracking type total station includes a laser scanning mechanism and a pair of horizontal deflection and vertical deflection motors, it has a very complicated and expensive structure and is extremely convenient for position detection. Although it is a device, it is currently not widely used. or,
The tracking type total station has a problem that it takes a long search time when a target is lost or a new target is set. Since the scanning of the target using the laser beam is performed two-dimensionally along the horizontal direction and the vertical direction, the search takes a multiplicative time and requires a long time. Furthermore, the conventional tracking type total station has a fundamental problem that it cannot measure a plurality of position indicators at the same time because the position measurement is performed while tracking a single position indicator.

【0004】上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明
の第一の目的は、構造が簡単で一般的な普及が可能な価
格帯の光学式3次元位置検出装置を提供する事である。
本発明の第二の目的は、任意に設定された標的に対して
高速サーチを可能とし、これによりロボットの制御等も
実現可能な光学式3次元位置検出装置を提供する事であ
る。本発明の第三の目的は、複数の位置指示器を同時に
測定可能な光学式3次元位置検出装置を提供し、単独の
操作者が同時に異なる場所の測量を行なったり、複数の
ロボットの位置検出を可能ならしめる事である。
In view of the above-mentioned problems of the conventional technique, a first object of the present invention is to provide an optical three-dimensional position detecting device having a simple structure and a general price range.
A second object of the present invention is to provide an optical three-dimensional position detecting device that enables high-speed search for a target that has been set arbitrarily, and can thereby realize robot control and the like. A third object of the present invention is to provide an optical three-dimensional position detecting device capable of simultaneously measuring a plurality of position pointing devices, so that a single operator can simultaneously measure different locations or detect the positions of a plurality of robots. Is to be possible.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決し本発明の目的を達成する為に以下の手段を講
じた。即ち、本発明にかかる光学式3次元位置検出装置
は発光手段とレンズ手段を備えている。発光手段は反射
面を有する被測定体に投光を放射する一方、レンズ手段
は該反射面から逆進反射された戻り光を集光する。又、
仰角検出部、偏角検出部及び距離検出部とを備えてお
り、集光された戻り光に基いて被測定体の垂直仰角、水
平偏角及び直線距離を夫々求める。本発明の特徴事項と
して、前記仰角検出部は該集光された戻り光を受光する
多分割撮像面を備えた撮像素子と、得られた撮像を画像
解析して垂直仰角を算出する仰角演算手段とを含んでい
る。又、前記距離検出部は該投光を所定の基準信号に基
いて時間変調する変調手段と、該集光された戻り光を受
光して対応する電気信号を出力する受光素子と、該基準
信号と該電気信号を位相比較し戻り時間を求める比較手
段と、該戻り時間に基いて直線距離を算出する距離演算
手段とを含んでいる。さらに、前記偏角検出部は被測定
体の反射面を横切る様に該投光を水平方向に角走査する
走査手段と、該角走査中逆進反射した戻り光の受光タイ
ミングに基いて水平偏角を算出する偏角演算手段とを含
んでいる。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above-mentioned problems of the prior art and achieve the object of the present invention, the following means were taken. That is, the optical three-dimensional position detecting device according to the present invention includes the light emitting means and the lens means. The light emitting means emits light to the object to be measured having a reflecting surface, while the lens means collects the return light reflected backward from the reflecting surface. or,
The elevation angle detection unit, the declination angle detection unit, and the distance detection unit are provided, and the vertical elevation angle, the horizontal declination angle, and the linear distance of the measured object are obtained based on the collected return light. As a feature of the present invention, the elevation angle detecting section includes an image pickup element having a multi-divided image pickup surface for receiving the condensed return light, and an elevation angle calculation means for image-analyzing the obtained image pickup to calculate a vertical elevation angle. Includes and. Further, the distance detecting unit modulates the projected light with time based on a predetermined reference signal, a light receiving element that receives the collected return light and outputs a corresponding electric signal, and the reference signal. And a comparison means for phase-comparing the electric signals to obtain a return time, and a distance calculation means for calculating a linear distance based on the return time. Further, the declination detector detects a horizontal deviation based on scanning means for angularly scanning the projected light in a horizontal direction so as to traverse the reflection surface of the object to be measured, and the light reception timing of the return light reflected backward during the angular scanning. And a declination calculation means for calculating the angle.

【0006】本発明にかかる光学式3次元位置検出装置
は、好ましくはビームスプリット手段を含んでおり、該
レンズ手段により集光された戻り光を二分割して該撮像
素子と該受光素子の両者に分配する。又、前記偏角演算
手段は該受光素子から出力された電気信号に応じて戻り
光の受光タイミングを検知し、該受光タイミングにおけ
る投光の角走査量を読み取って水平偏角を求める様にし
ている。この偏角演算手段は、投光の角走査中複数の被
測定体から逐次逆進反射した戻り光の受光タイミングに
基いて、個々の被測定体の水平偏角を算出する事ができ
る。本発明の一態様によれば、前記偏角検出部は角走査
により求められた水平偏角に基いて該投光を被測定体に
選択指向させる一方、前記仰角検出部及び距離検出部は
選択指向中に当該被測定体の垂直仰角及び直線距離を検
出する様にしている。この場合、仰角演算手段、距離演
算手段及び偏角演算手段はマイクロコンピュータにより
構成されており、所定のシーケンスプログラムに従って
3次元位置測定を実行する事が可能になる。なお、場合
によっては反射面を有する位置指示器を別途備えてお
り、被測定体として所望の測定点にセットされる。但
し、本発明はこれに限られるものではなく反射面を備え
たあらゆる種類の物体を被測定体として3次元位置検出
を行なう事が可能である。
The optical three-dimensional position detecting apparatus according to the present invention preferably includes a beam splitting means, and the return light condensed by the lens means is divided into two parts, that is, both the image pickup element and the light receiving element. Distribute to. Further, the deviation angle calculation means detects the light reception timing of the return light in accordance with the electric signal output from the light receiving element, and reads the angular scanning amount of the light projection at the light reception timing to obtain the horizontal deviation angle. There is. The deviation angle calculating means can calculate the horizontal deviation angle of each of the measured objects based on the light reception timing of the return light that is sequentially backward-reflected from the plurality of measured objects during the angular scanning of the projection. According to one aspect of the present invention, the declination detection unit selectively directs the light projection to the object to be measured based on the horizontal declination obtained by angular scanning, while the elevation angle detection unit and the distance detection unit select. The vertical elevation angle and the linear distance of the object to be measured are detected during pointing. In this case, the elevation angle calculation means, the distance calculation means, and the declination angle calculation means are constituted by a microcomputer, and it becomes possible to execute three-dimensional position measurement according to a predetermined sequence program. In some cases, a position indicator having a reflecting surface is additionally provided, and the object to be measured is set at a desired measurement point. However, the present invention is not limited to this, and it is possible to perform three-dimensional position detection by using any kind of object having a reflecting surface as the measured object.

【0007】[0007]

【作用】本発明によれば、垂直仰角検出については多分
割撮像面を備えたCCD等の撮像素子を用いて電子的に
行ない、垂直方向のスキャニングを不要としている。
又、直線距離検出についてはCCD等の撮像素子とは別
に、フォトダイオード等の受光素子を用意している。C
CD等は蓄積型であり応答速度が遅いのに対し、フォト
ダイオード等の受光素子は高速応答性に優れているので
直線距離検出に用いられる。これら撮像素子と受光素子
は例えばビームスプリッタ等を用いて光学的に同じ位置
に配置し、集光レンズや受光路の共用化を図っている。
この2つの手段を講じて構造の簡素化と製品コストの低
減化を図っている。同時に従来の2次元スキャニングに
代えて水平方向のみの1次元スキャニングになる為高速
サーチが実現する。水平偏角検出については、水平方向
に沿って投光を角走査させ、その時の戻り光の受光タイ
ミングを応答時間の短い前記受光素子により検出してい
る。この検出動作を角走査中順に繰り返す事により複数
の位置指示器を同時計測する事が可能になる。
According to the present invention, vertical elevation angle detection is performed electronically using an image pickup device such as a CCD having a multi-divided image pickup surface, and vertical scanning is unnecessary.
In addition, for linear distance detection, a light receiving element such as a photodiode is prepared separately from an image pickup element such as a CCD. C
While a CD or the like is a storage type and has a slow response speed, a light receiving element such as a photodiode is excellent in high-speed response and thus is used for linear distance detection. The image pickup element and the light receiving element are optically arranged at the same position by using, for example, a beam splitter or the like, and the condensing lens and the light receiving path are shared.
By taking these two measures, the structure is simplified and the product cost is reduced. At the same time, the conventional two-dimensional scanning is replaced by one-dimensional scanning only in the horizontal direction, which realizes high-speed search. For horizontal declination detection, light projection is angularly scanned along the horizontal direction, and the light reception timing of return light at that time is detected by the light receiving element having a short response time. By repeating this detection operation in order during angular scanning, it is possible to simultaneously measure a plurality of position indicators.

【0008】[0008]

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図1は本発明にかかる光学式3次元位
置検出装置の全体構成を示す模式図である。本装置は被
測定体の3次元位置検出を行なうものである。ここで
は、被測定体としてポール形状を有する位置指示器10
0を対象にしている。この位置指示器100は測量を行
なう場合所望の測定点に予め単独もしくは複数本セット
されるものである。位置指示器100は反射面を備えて
おり、本例では反射プリズム101を埋込んでいる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of an optical three-dimensional position detecting device according to the present invention. This device is for detecting the three-dimensional position of the object to be measured. Here, the position indicator 10 having a pole shape as the measured object is used.
0 is targeted. This position indicator 100 is preliminarily set at a desired measurement point or a plurality of points at the time of surveying. The position indicator 100 has a reflecting surface, and in this example, the reflecting prism 101 is embedded.

【0009】一方、本装置の本体部は発光手段を備えて
おり、位置指示器100に投光1を放射する。本例では
発光手段は発光ダイオード2から構成されており、本体
部の上側鏡筒3に収納されている。投光レンズ4を介し
て発光ダイオード2から放射される投光1は鉛直方向に
引き延ばされた縦長のスポット形状を有している。この
スポット形状は垂直方向の測定範囲をカバーできる様に
予め設定されており、投光1の一部は必ず反射プリズム
101により逆進反射される様になっている。本例では
縦長のスポット形状を有する投光1を放射する為、発光
ダイオード2は鉛直方向に配列したリニアアレイを用い
ている。なおこれに代えて投光レンズ4にシリンドリカ
ルレンズを組み合わせ、縦長のスポット形状を得る様に
しても良い。
On the other hand, the main body of this apparatus is provided with a light emitting means, and emits a light projection 1 to the position indicator 100. In this example, the light emitting means is composed of the light emitting diode 2 and is housed in the upper barrel 3 of the main body. The light projection 1 emitted from the light emitting diode 2 via the light projection lens 4 has a vertically long spot shape elongated in the vertical direction. This spot shape is preset so as to cover the measurement range in the vertical direction, and a part of the projected light 1 is always reflected backward by the reflection prism 101. In this example, since the light projection 1 having a vertically long spot shape is emitted, the light emitting diode 2 uses a linear array arranged in the vertical direction. Instead of this, a cylindrical lens may be combined with the light projecting lens 4 to obtain a vertically long spot shape.

【0010】下側鏡筒5には集光レンズ6が組み込まれ
ており、反射プリズム101から逆進反射された戻り光
7を集光するレンズ手段を構成している。なお集光レン
ズ6の全面にはフィルタ8が装着されている。
A condenser lens 6 is incorporated in the lower lens barrel 5, and constitutes a lens means for condensing the return light 7 backward-reflected from the reflection prism 101. A filter 8 is attached to the entire surface of the condenser lens 6.

【0011】本装置はさらに仰角検出部、偏角検出部及
び距離検出部を備えおり、位置指示器100の垂直仰
角、水平偏角及び直線距離を夫々求める事ができ光学的
に3次元位置検出が行なえる。仰角検出部は集光された
戻り光7を受光する撮像素子9と、得られた撮像を画像
解析して垂直仰角を算出する仰角演算手段とを含んでい
る。なお仰角演算手段はコントローラ10に含まれてい
る。撮像素子9は少なくとも鉛直方向に沿って多分割撮
像面を備えており、本例ではCCDリニアイメージセン
サを用いている。又、距離検出部は投光1を所定の基準
信号に基いて時間変調する変調手段と、集光された戻り
光7を受光して対応する電気信号を出力する受光素子1
1と、該基準信号と該電気信号を位相比較し戻り時間を
求める比較手段と、該戻り時間に基いて直線距離を算出
する距離演算手段とを有している。本例では受光素子1
1は高速応答性に優れたフォトダイオードを用いてい
る。なお上述した変調手段、比較手段及び距離演算手段
はコントローラ10に含まれている。さらに前記偏角検
出部は、位置指示器100の反射プリズム101を横切
る様に投光1を水平方向に角走査する走査手段と、角走
査中逆進反射した戻り光7の受光タイミングに基いて水
平偏角を算出する偏角演算手段とを有している。本例で
はこの走査手段はステッピングモータ12からなりター
ンテーブル13内に収納されている。このターンテーブ
ルは三脚台14の上に回動可能に載置されている。ステ
ッピングモータ12は垂直軸15を中心として前述した
上側鏡筒3及び下側鏡筒5を一体的に回転駆動し、投光
1を水平方向に沿って角的に走査する。これにより戻り
光7も同時に受光する事が可能になる。本例ではステッ
ピングモータ12を用いて機械的に投光1をスキャニン
グしているが、本発明はこれに限られるものではない。
例えばガルバノミラー等を用いて投光1を高速スキャニ
ングする事もできる。本発明では投光1を垂直方向及び
水平方向に沿って2次元的にスキャニングする必要はな
く、1個のステッピングモータ12を用いて水平方向に
のみスキャニングすれば良い。これにより、位置指示器
100のサーチ時間が短縮できる。なお偏角演算手段は
コントローラ10に含まれている。
The present apparatus further comprises an elevation angle detection unit, a declination angle detection unit, and a distance detection unit. The vertical elevation angle, the horizontal declination angle, and the straight line distance of the position indicator 100 can be obtained respectively, and the three-dimensional position is optically detected. Can be done. The elevation angle detection unit includes an image sensor 9 that receives the collected return light 7, and an elevation angle calculator that analyzes the obtained image to calculate a vertical elevation angle. The elevation angle calculating means is included in the controller 10. The image pickup element 9 has a multi-divided image pickup surface at least along the vertical direction, and in this example, a CCD linear image sensor is used. Further, the distance detecting section is a modulation means for time-modulating the light projection 1 based on a predetermined reference signal, and a light receiving element 1 for receiving the condensed return light 7 and outputting a corresponding electric signal.
1, a comparison means for phase-comparing the reference signal and the electric signal to obtain a return time, and a distance calculation means for calculating a linear distance based on the return time. In this example, the light receiving element 1
1 uses a photodiode excellent in high-speed response. The above-mentioned modulation means, comparison means, and distance calculation means are included in the controller 10. Further, the deviation angle detection unit is based on the scanning means for angularly scanning the light projection 1 in the horizontal direction so as to traverse the reflection prism 101 of the position indicator 100, and the light reception timing of the return light 7 reflected backward during the angular scanning. And a declination calculation means for calculating a horizontal declination. In this example, this scanning means comprises a stepping motor 12 and is housed in a turntable 13. This turntable is rotatably mounted on the tripod base 14. The stepping motor 12 integrally drives the above-described upper lens barrel 3 and lower lens barrel 5 about the vertical axis 15 to scan the light projection 1 angularly along the horizontal direction. This makes it possible to receive the return light 7 at the same time. In this example, the stepping motor 12 is used to mechanically scan the light projection 1, but the present invention is not limited to this.
For example, the projection 1 can be scanned at high speed by using a galvanometer mirror or the like. In the present invention, it is not necessary to scan the light projection 1 two-dimensionally along the vertical direction and the horizontal direction, and it suffices to scan only the horizontal direction by using one stepping motor 12. Thereby, the search time of the position indicator 100 can be shortened. The declination calculation means is included in the controller 10.

【0012】本実施例では下側鏡筒5内にビームスプリ
ッタ16が組み込まれており、レンズ6により集光され
た戻り光7を二分割して、撮像素子9と受光素子11の
両者に分配している。又ビームスプリッタ16と受光素
子11の間にスリット板17が介在している。ビームス
プリッタ16を用いる事により距離検出部と仰角検出部
は集光レンズ6や下側鏡筒5を共有できる為部品点数の
削減につながる。さらに、コントローラ10に含まれる
偏角演算手段は、受光素子11から出力された電気信号
に応じて戻り光7の受光タイミングを検知し、受光タイ
ミングにおける投光1の角走査量(ステッピングモータ
12の回転量)を読み取って水平偏角を求める。この偏
角演算手段は投光1の角走査中複数の位置指示器100
から逐次逆進反射された戻り光7の受光タイミングに基
いて、個々の位置指示器100の水平偏角を算出する事
ができる。この場合、偏角検出部は角走査により求めら
れた水平偏角に基いて投光1を位置指示器100に選択
指向させる一方、前記仰角検出部及び距離検出部は選択
指向中に当該位置指示器100の垂直仰角及び直線距離
を検出する事ができる。この様にして、複数の位置指示
器100に対して逐次3次元位置を検出する事が可能に
なる。
In this embodiment, a beam splitter 16 is incorporated in the lower lens barrel 5, and the return light 7 condensed by the lens 6 is divided into two and divided into both the image pickup element 9 and the light receiving element 11. is doing. Further, a slit plate 17 is interposed between the beam splitter 16 and the light receiving element 11. By using the beam splitter 16, the distance detection unit and the elevation angle detection unit can share the condenser lens 6 and the lower lens barrel 5, which leads to a reduction in the number of parts. Further, the declination calculation means included in the controller 10 detects the light reception timing of the return light 7 according to the electric signal output from the light receiving element 11, and the angular scanning amount of the light projection 1 at the light reception timing (of the stepping motor 12). Rotation amount) is read to obtain the horizontal declination. This declination calculation means is used for a plurality of position indicators 100 during angular scanning of the light projection 1.
It is possible to calculate the horizontal deflection angle of each position indicator 100 based on the light reception timing of the return light 7 that is sequentially reflected backward. In this case, the declination detection unit selectively directs the light projection 1 to the position indicator 100 based on the horizontal declination obtained by angular scanning, while the elevation angle detection unit and the distance detection unit indicate the position during the selective pointing. The vertical elevation angle and the straight line distance of the vessel 100 can be detected. In this way, it becomes possible to successively detect the three-dimensional position for the plurality of position indicators 100.

【0013】図2は、図1に示した光学式3次元位置検
出装置の光学構成を示す模式図である。下側鏡筒5を入
射口方向から見た状態を表わしている。ビームスプリッ
タ16の背後には撮像素子9が配置しており、鉛直方向
に配列した多分割撮像面31を備えている。レンズ6を
介して集光された戻り光7はこの多分割撮像面31上に
スポット像を結ぶ。このスポット像を画像解析しその位
置を求める事により位置指示器100の垂直偏角を検出
できる。即ち、鉛直方向に沿ったスポット像の座標位置
と垂直仰角は比例的な関係にある。この撮像素子9とし
ては前述した様にCCDリニアイメージセンサが用いら
れる。一般に水平偏角範囲に比べ垂直仰角範囲は狭い
為、CCDリニアイメージセンサにより実用上十分な分
解能で垂直仰角を測定する事が可能である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an optical configuration of the optical three-dimensional position detecting device shown in FIG. The state where the lower lens barrel 5 is viewed from the direction of the entrance is shown. The image pickup device 9 is arranged behind the beam splitter 16 and has a multi-divided image pickup surface 31 arranged in the vertical direction. The return light 7 condensed through the lens 6 forms a spot image on the multi-division image pickup surface 31. The vertical declination of the position indicator 100 can be detected by image-analyzing this spot image and determining its position. That is, the coordinate position of the spot image along the vertical direction and the vertical elevation angle are in a proportional relationship. As the image pickup device 9, the CCD linear image sensor is used as described above. Since the vertical elevation angle range is generally narrower than the horizontal declination angle range, it is possible to measure the vertical elevation angle with a practically sufficient resolution by a CCD linear image sensor.

【0014】ビームスプリッタ16の下部にはスリット
板17を介して受光素子11が配置している。スリット
板17に形成されたスリット32は水平方向に関し多分
割撮像面31と整合している。投光1を水平方向に沿っ
て角走査すると、集光された戻り光7のスポット像は多
分割撮像面31を横切る様に移動する。丁度スポット像
が多分割撮像面31に整合した時、スリット32を通過
する分割戻り光の量がピークに達する。受光素子11は
高速応答性のフォトダイオード等からなり、戻り光のピ
ークをリアルタイムで検出でき、角走査中における戻り
光の受光タイミングを特定できる。この受光タイミング
に応じて角走査量を読み取る事により水平偏角が求めら
れる。なおこの受光素子11は直線距離検出にも用いら
れる。この様に、本発明では蓄積効果を有する撮像素子
9と高速応答性を有する受光素子11を巧みに使い分け
る事により、簡便な構成で3次元位置測定を可能にして
いる。
A light receiving element 11 is arranged below the beam splitter 16 via a slit plate 17. The slit 32 formed in the slit plate 17 is aligned with the multi-division image pickup surface 31 in the horizontal direction. When the projected light 1 is angularly scanned in the horizontal direction, the spot image of the collected return light 7 moves so as to cross the multi-division image pickup surface 31. When the spot image is exactly aligned with the multi-division image pickup surface 31, the amount of the split return light passing through the slit 32 reaches a peak. The light receiving element 11 is composed of a photodiode or the like having a high-speed response, can detect the peak of return light in real time, and can specify the light reception timing of the return light during angular scanning. The horizontal deflection angle is obtained by reading the angular scanning amount according to the light receiving timing. The light receiving element 11 is also used for linear distance detection. As described above, in the present invention, three-dimensional position measurement is possible with a simple configuration by skillfully using the image pickup device 9 having the storage effect and the light receiving device 11 having the high-speed response.

【0015】図3は、図1に示した光学式3次元位置検
出装置の電気的な構成を示すブロック図であり、特にコ
ントローラ10の具体的な構成を表わしている。マイク
ロコンピュータ51を備えており、前述した距離演算手
段52、偏角演算手段53、仰角演算手段54をソフト
ウェア的に構成している。これら演算手段52〜54に
より算出された直線距離、水平偏角及び垂直仰角の各デ
ータはコンピュータインターフェース55を介して外部
のコンピュータシステムに転送される。
FIG. 3 is a block diagram showing the electrical construction of the optical three-dimensional position detecting apparatus shown in FIG. 1, and particularly shows the concrete construction of the controller 10. A microcomputer 51 is provided, and the distance calculation means 52, the deflection angle calculation means 53, and the elevation angle calculation means 54 described above are configured by software. The data of the straight line distance, the horizontal declination angle, and the vertical elevation angle calculated by the computing means 52 to 54 are transferred to an external computer system via the computer interface 55.

【0016】撮像素子9は集光された戻り光を受光する
多分割撮像面を備えており、得られた撮像を画像入力回
路56及びA/Dコンバータ57を介してマイクロコン
ピュータ51に供給する。仰角演算手段54は入力され
た撮像を画像解析して垂直仰角を算出する。
The image pickup device 9 has a multi-divided image pickup surface for receiving the condensed return light, and supplies the obtained image pickup to the microcomputer 51 via the image input circuit 56 and the A / D converter 57. The elevation angle calculation means 54 analyzes the image of the input image and calculates the vertical elevation angle.

【0017】コントローラ10は基準発振器58を備え
ており所定の基準信号STDを発生する。発光ダイオー
ド2は駆動アンプ59を介して基準発振器58に接続さ
れており、該基準信号STDに基いて時間変調された投
光を放射する。即ち基準発振器58及び駆動アンプ59
が変調手段を構成する。一方受光素子11は集光された
戻り光を受光して対応する電気信号ELCをアンプ60
を介し出力する。位相比較器61は比較手段を構成して
おり、基準信号STDと電気信号ELCを位相比較し戻
り時間を求める。この戻り時間はマイクロコンピュータ
51に入力され、距離演算手段52は入力された戻り時
間に基いて直線距離を算出する。即ち、戻り時間と直線
距離は比例関係にある。
The controller 10 includes a reference oscillator 58 and generates a predetermined reference signal STD. The light emitting diode 2 is connected to a reference oscillator 58 via a drive amplifier 59, and emits time-modulated light projection based on the reference signal STD. That is, the reference oscillator 58 and the drive amplifier 59
Constitute the modulation means. On the other hand, the light receiving element 11 receives the collected return light and amplifies the corresponding electric signal ELC by the amplifier 60.
Output via. The phase comparator 61 constitutes a comparison means, and compares the reference signal STD and the electric signal ELC in phase to obtain a return time. This return time is input to the microcomputer 51, and the distance calculation means 52 calculates the linear distance based on the input return time. That is, the return time and the linear distance are in a proportional relationship.

【0018】さらに受光素子11から出力された電気信
号ELCはA/Dコンバータ62を介してマイクロコン
ピュータ51に入力される。偏角演算手段53は入力さ
れた電気信号ELCに応じて戻り光の受光タイミングを
検出し、該受光タイミングにおける投光の角走査量を読
み取って水平偏角を求める。この際、マイクロコンピュ
ータ51はモータ制御器63を介してステッピングモー
タ12を駆動し投光を角走査している。マイクロコンピ
ュータ51はステッピングモータの回転量を記憶してお
り、偏角演算手段53は検出した受光タイミングに応じ
て記憶された回転量を読み取り、水平偏角を求めてい
る。
Further, the electric signal ELC output from the light receiving element 11 is input to the microcomputer 51 via the A / D converter 62. The declination calculation means 53 detects the light reception timing of the return light according to the input electric signal ELC, reads the angular scanning amount of the light projection at the light reception timing, and obtains the horizontal declination. At this time, the microcomputer 51 drives the stepping motor 12 via the motor controller 63 to angularly scan the projected light. The microcomputer 51 stores the rotation amount of the stepping motor, and the declination calculation means 53 reads the stored rotation amount according to the detected light receiving timing to obtain the horizontal declination.

【0019】最後に図4のフローチャートを参照して、
図3に示したマイクロコンピュータ51の動作を詳細に
説明する。装置を起動した後、先ず最初にステップS1
でステッピングモータを高速回転し、投光を水平方向に
沿って角走査する。次にステップS2で、フォトダイオ
ードから出力された電気信号のピーク値を検出したかど
うかを判断する。この判断はピーク値が検出されるまで
持続的に行なわれる。ピーク値が検出された場合にはス
テップS3に進む。このステップでは、ピーク値を検出
した時点におけるステッピングモータの回転角度θを読
み取り、水平偏角として記憶する。次にステップS4に
進みピーク値検出直後ステッピングモータの回転を停止
する。この時機構部の慣性等により停止位置は記憶され
た水平偏角を若干オーバーシュートする。そこでステッ
プS5に進み、ステッピングモータを逆回転制御し、投
光を水平偏角θに指向させる。次にステップS6に進
み、CCDリニアイメージセンサの画像を読み込み、撮
像されたスポットの位置から、反射プリズムへの垂直仰
角φを演算する。さらにステップS7で、位相比較器の
出力を処理し、直線距離Dを求める。最後にステップS
8において、コンピュータインターフェースを介し、演
算された水平偏角θ、垂直仰角φ、直線距離Dをコンピ
ュータシステムへ送出する。この後、再びステップS1
に戻り投光の角走査を再実行する。以上に説明した3次
元位置検出動作は、マイクロコンピュータ51にローデ
ィングされたシーケンスプログラムに従って実行され
る。シーケンスプログラムを適宜選択する事により所望
の手順で3次元位置の測定を行なう事が可能である。例
えば、投光の角走査中複数の位置指示器から逐次逆進反
射した戻り光の受光タイミングに基いて、個々の位置指
示器の水平偏角を順次算出する事もできる。この場合、
複数の位置指示器の水平偏角を先に全て求めた後、次に
投光を各位置指示器に対して選択的に指向させ、距離検
出及び仰角検出を行なう様にする事ができる。
Finally, referring to the flow chart of FIG.
The operation of the microcomputer 51 shown in FIG. 3 will be described in detail. After starting the device, first of all, step S1
The stepping motor is rotated at high speed, and the light projection is angularly scanned in the horizontal direction. Next, in step S2, it is determined whether or not the peak value of the electric signal output from the photodiode has been detected. This judgment is continuously made until the peak value is detected. When the peak value is detected, the process proceeds to step S3. In this step, the rotation angle θ of the stepping motor at the time when the peak value is detected is read and stored as a horizontal deviation angle. Next, in step S4, the rotation of the stepping motor is stopped immediately after the peak value is detected. At this time, the stop position slightly overshoots the stored horizontal declination angle due to the inertia of the mechanical section and the like. Therefore, the process proceeds to step S5, in which the stepping motor is reversely rotated to direct the light projection to the horizontal deflection angle θ. Next, in step S6, the image of the CCD linear image sensor is read, and the vertical elevation angle φ to the reflecting prism is calculated from the position of the imaged spot. Further, in step S7, the output of the phase comparator is processed to obtain the linear distance D. Finally step S
At 8, the calculated horizontal declination θ, vertical elevation φ, and linear distance D are sent to the computer system via the computer interface. After this, again step S1
Return to and re-execute the angular scanning of light projection. The three-dimensional position detecting operation described above is executed according to the sequence program loaded in the microcomputer 51. It is possible to measure the three-dimensional position in a desired procedure by appropriately selecting the sequence program. For example, the horizontal deflection angle of each position indicator can be sequentially calculated based on the light reception timing of the return light that is sequentially back-reflected from the plurality of position indicators during the angular scanning of light projection. in this case,
After the horizontal deflection angles of the plurality of position indicators are all obtained first, the light projection can be selectively directed to each position indicator to detect the distance and the elevation angle.

【0020】[0020]

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、C
CDリニアイメージセンサ等の撮像素子を用いて仰角検
出を電子的に行なう事により、光学式3次元位置検出装
置の構造が簡略化され、且つサーチ速度の高速化が図れ
るという効果がある。ビームスプリッタを用いて戻り光
を二分割し、仰角検出用の撮像素子と距離検出用の受光
素子の両者に分配している。これにより、集光レンズや
光学鏡筒の共有化が図れ、構造が簡素になるとともに製
造コストが低減化できるという効果がある。サーチ速度
の高速化により、測量分野以外にもロボット制御等の位
置検出に適用する事が可能になるという効果がある。投
光を水平方向に沿って角走査し、その時発生する戻り光
のピークを応答時間の短い受光素子で検出し、これを回
転方向に順に繰り返す事により複数の位置指示器の連続
計測が可能になるという効果が得られる。
As described above, according to the present invention, C
Electronically detecting the elevation angle using an image pickup device such as a CD linear image sensor has the effects of simplifying the structure of the optical three-dimensional position detecting device and increasing the search speed. The beam splitter is used to split the returned light into two parts, which are distributed to both the image pickup device for elevation angle detection and the light receiving device for distance detection. As a result, the condensing lens and the optical barrel can be shared, the structure is simplified, and the manufacturing cost can be reduced. By increasing the search speed, there is an effect that it can be applied to position detection such as robot control in addition to the field of surveying. By angularly scanning the light emission in the horizontal direction, detecting the peak of the return light generated at that time with a light receiving element with a short response time, and repeating this in order in the rotation direction enables continuous measurement of multiple position indicators. The effect of becoming

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明にかかる光学式3次元位置検出装置の全
体構成を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an optical three-dimensional position detection device according to the present invention.

【図2】図1に示した光学式3次元位置検出装置の光学
構成を示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing an optical configuration of the optical three-dimensional position detecting device shown in FIG.

【図3】図1に示した光学式3次元位置検出装置の電気
的な構成を示すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the optical three-dimensional position detection device shown in FIG.

【図4】図1に示した光学式3次元位置検出装置の動作
説明に供するフローチャートである。
4 is a flowchart for explaining the operation of the optical three-dimensional position detecting device shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 投光 2 発光ダイオード 3 上側鏡筒 5 下側鏡筒 6 集光レンズ 7 戻り光 9 撮像素子 10 コントローラ 11 受光素子 12 ステッピングモータ 13 ターンテーブル 16 ビームスプリッタ 17 スリット板 31 多分割撮像面 32 スリット 51 マイクロコンピュータ 52 距離演算手段 53 偏角演算手段 54 仰角演算手段 58 基準発振器 61 位相比較器 63 モータ制御器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light projection 2 Light emitting diode 3 Upper lens barrel 5 Lower lens barrel 6 Condensing lens 7 Return light 9 Imaging device 10 Controller 11 Light receiving device 12 Stepping motor 13 Turntable 16 Beam splitter 17 Slit plate 31 Multi-division imaging surface 32 Slit 51 Microcomputer 52 Distance calculating means 53 Declination calculating means 54 Elevation angle calculating means 58 Reference oscillator 61 Phase comparator 63 Motor controller

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 反射面を有する被測定体に投光を放射す
る発光手段と、該反射面から逆進反射された戻り光を集
光するレンズ手段と、集光された該戻り光に基いて被測
定体の垂直仰角、水平偏角及び直線距離を夫々求める仰
角検出部、偏角検出部及び距離検出部とを備えた光学式
3次元位置検出装置であって、 前記仰角検出部は、該集光された戻り光を受光する多分
割撮像面を備えた撮像素子と、得られた撮像を画像解析
して垂直仰角を算出する仰角演算手段とを含んでおり、 前記距離検出部は、該投光を所定の基準信号に基いて時
間変調する変調手段と、該集光された戻り光を受光して
対応する電気信号を出力する受光素子と、該基準信号と
該電気信号を位相比較し戻り時間を求める比較手段と、
該戻り時間に基いて直線距離を算出する距離演算手段と
を含んでおり、 前記偏角検出部は、被測定体の反射面を横切る様に該投
光を水平方向に角走査する走査手段と、該角走査中逆進
反射した戻り光の受光タイミングに基いて水平偏角を算
出する偏角演算手段とを含んでいる事を特徴とする光学
式3次元位置検出装置。
1. A light emitting means for emitting light to an object to be measured having a reflecting surface, a lens means for collecting return light backwardly reflected from the reflecting surface, and a base for the returning light collected. And an optical three-dimensional position detection device including an elevation angle detection unit, a declination detection unit, and a distance detection unit that respectively obtain a vertical elevation angle, a horizontal declination angle, and a linear distance of a measured object, wherein the elevation angle detection unit is An image pickup device having a multi-divided image pickup surface for receiving the collected return light, and an elevation angle calculation means for image-analyzing the obtained image pickup to calculate a vertical elevation angle, the distance detecting section, Modulation means for time-modulating the light projection based on a predetermined reference signal, a light receiving element for receiving the collected return light and outputting a corresponding electric signal, and a phase comparison between the reference signal and the electric signal And a comparison means to obtain the return time,
A deviation calculating unit that calculates a linear distance based on the return time, the deviation angle detecting unit includes a scanning unit that horizontally scans the light projection so as to traverse the reflection surface of the measured object. An optical three-dimensional position detecting device comprising: a deviation angle calculating means for calculating a horizontal deviation angle based on the light reception timing of the return light reflected backward during the angular scanning.
【請求項2】 ビームスプリット手段を含んでおり、該
レンズ手段により集光された該戻り光をに二分割して該
撮像素子と該受光素子の両者に分配する事を特徴とする
請求項1記載の光学式3次元位置検出装置。
2. A beam splitting means is included, and the return light condensed by the lens means is divided into two and is divided into both the image pickup element and the light receiving element. The described optical three-dimensional position detection device.
【請求項3】 前記偏角演算手段は、該受光素子から出
力された電気信号に応じて戻り光の受光タイミングを検
知し、該受光タイミングにおける該投光の角走査量を読
み取って水平偏角を求める事を特徴とする請求項1記載
の光学式3次元位置検出装置。
3. The horizontal deviation angle detecting means detects the light reception timing of return light in accordance with an electric signal output from the light receiving element, reads the angular scanning amount of the light projection at the light reception timing, The optical three-dimensional position detecting device according to claim 1, wherein
【請求項4】 前記偏角演算手段は、投光の角走査中複
数の被測定体から逐次逆進反射した戻り光の受光タイミ
ングに基いて個々の被測定体の水平偏角を算出する事を
特徴とする請求項1記載の光学式3次元位置検出装置。
4. The declination calculation means calculates the horizontal declination of each of the measured objects based on the light reception timing of the return light that is sequentially back-reflected from the plurality of measured objects during the angular scanning of the projection. The optical three-dimensional position detecting device according to claim 1, wherein
【請求項5】 前記偏角検出部は角走査により求められ
た水平偏角に基いて該投光を被測定体に選択指向させる
一方、前記仰角検出部及び前記距離検出部は選択指向中
に当該被測定体の垂直仰角及び直線距離を検出する事を
特徴とする請求項1又は4記載の光学式3次元位置検出
装置。
5. The deflection angle detection unit selectively directs the light projection to the object to be measured based on the horizontal deflection angle obtained by angular scanning, while the elevation angle detection unit and the distance detection unit are selectively directed. The optical three-dimensional position detecting device according to claim 1 or 4, which detects a vertical elevation angle and a linear distance of the object to be measured.
【請求項6】 前記仰角演算手段、距離演算手段及び偏
角演算手段は、マイクロコンピュータにより構成されて
いる事を特徴とする請求項1記載の光学式3次元位置検
出装置。
6. The optical three-dimensional position detecting device according to claim 1, wherein the elevation angle calculating means, the distance calculating means and the declination calculating means are constituted by a microcomputer.
【請求項7】 反射面を有する位置指示器を別途備えて
おり、被測定体として所望の測定点にセットされる事を
特徴とする請求項1又は4記載の光学式3次元位置検出
装置。
7. The optical three-dimensional position detecting device according to claim 1, further comprising a position indicator having a reflecting surface, which is set at a desired measuring point as the object to be measured.
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