CN105823471B

CN105823471B - 三维位置计测系统

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Publication number: CN105823471B
Application number: CN201510778472.4A
Authority: CN
Inventors: 西田信幸; 熊谷薰
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2035-11-13
Also published as: US9739610B2; CN105823471A; US20160216110A1; DE102016200877A1

Abstract

提供一种三维位置计测系统，即使在使指示棒从测定点倾斜的状态下也能进行计测。具备设置于测定点(X)的指示棒(4)；固定于从测定点在指示棒的轴向(PP)上偏移已知的第一定长(L1)的位置的棱镜(3)；具有解析图形(41)，并将解析图形固定于在与指示棒的轴向垂直的面上向指示棒的轴向前后从棱镜偏移已知的第二定长(L2)的位置的倾斜壳体(5)；以及具有图像摄像部(22)、以及测距部(20)及测角部(11、12)的测量机(2)，根据棱镜的三维位置、根据摄像倾斜壳体而得到的图像所得到的指示棒的倾斜方向(A)、以及第一定长，计测测定点的三维位置。

Description

三维位置计测系统

技术领域

本发明涉及用于计测测定点的三维位置的系统，尤其涉及使用在从测定点偏移已知的定长后的位置固定有棱镜的指示棒来计测测定点的三维位置的系统。

背景技术

在测量、计测、或者BIM(Building Information Modeling)的领域中，一般利用进行测距以及测角的测量机以及回归反射型的棱镜，计测测定点的三维位置。但是，由于棱镜具有所需要的大小，所以，不能对测定点直接设置棱镜的光学的反射点。因此，一般采用将棱镜固定于指示棒(或者指示台)的方法。

详细地，将指示棒的前端设置于测定点，将棱镜固定于在指示棒上从测定点偏移已知的定长后的位置，使用气泡管等并确保指示棒的铅垂状态来进行棱镜的三维位置计测，相对该计测值，向铅垂下方移动上述的定长量并对测定点的三维位置进行运算。但是，该方法在房屋的角等必须使指示棒倾斜的情况下不能使用。

对此，具有即使在从测定点使指示棒倾斜的状态下也能进行计测的三维位置计测系统。例如在专利文献1中，在指示棒上，在离开已知的长度量的2个点固定反射棱镜，相对2个点的棱镜进行测定，根据2个点的三维位置对测定点的位置进行运算。另外，在专利文献2中，指示棒具备入射角传感器以及倾斜传感器，利用这些传感器的值对测定点的位置进行运算。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3735422号

专利文献2：日本特开2010－223754号公报

但是，在专利文献1的构成中，由于不能同时对2个点进行测定，因此，2个点的测定中具有使棱镜静止的操作限制。另外，在棱镜位于远距离时，具有必须离开2个棱镜间的距离等的缺陷。在专利文献2的构成中，需要搭载新的传感器的搭载，价格昂贵。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种三维位置计测系统，即使在从测定点使指示棒倾斜的状态下，也能够没有特殊的操作限制而进行计测。

为了达成上述目的，在本发明的某方式涉及的三维位置计测系统中，具备：指示棒，设置于测定点；棱镜，固定于从上述测定点在上述指示棒的轴向上偏移已知的第一定长的位置；倾斜壳体，具有解析图形，并将上述解析图形固定于在垂直于上述指示棒的轴向的面上向上述指示棒的轴向前后从上述棱镜偏移已知的第二定长的位置；以及测量机，具有进行到上述棱镜的测距的测距部及进行测角的测角部、以及图像摄像部，根据上述棱镜的三维位置、上述指示棒的倾斜方向、以及上述第一定长，计测上述测定点的三维位置，上述棱镜的三维位置是用上述测距部及上述测角部所得到的，上述指示棒的倾斜方向是根据使用上述图像摄像部摄像上述倾斜壳体而得到的图像所得到的。

或者，在某方式涉及的三维位置计测系统中，具备：指示棒，设置于测定点；棱镜，固定于从上述测定点在上述指示棒的轴向上偏移已知的第一定长的位置；倾斜壳体，具有解析图形，并将上述解析图形固定于在垂直于上述指示棒的轴向的面上向上述指示棒的轴向前后从上述棱镜偏移已知的第二定长的位置；以及测量机，具备进行到上述棱镜的测距的测距部及进行测角的测角部、对上述棱镜的周围风景进行摄影的图像摄像部、以及对上述棱镜进行摄影的棱镜摄像部，使用上述棱镜摄像部对上述棱镜进行摄像，对上述棱镜进行照准，并根据上述棱镜的三维位置、上述指示棒的倾斜方向、以及上述第一定长，计测上述测定点的三维位置，上述棱镜的三维位置是用上述测距部及上述测角部所得到的，上述指示棒的倾斜方向是根据使用上述图像摄像部摄像上述倾斜壳体而得到的图像所得到的。

在上述方式中还可以是，上述三维位置计测系统用上述测距部及上述测角部取得上述棱镜的棱镜中心的三维位置，对摄像上述倾斜壳体而得到的图像进行解析并计算出上述解析图形的图形中心，根据上述图像上的上述图形中心和上述棱镜中心计算出上述倾斜壳体的位置方向，计算出在上述倾斜壳体的位置方向上距上述棱镜中心的三维位置的距离成为上述第二定长的点即上述图形中心的三维位置，从上述棱镜中心的三维位置，向沿通过上述图形中心的三维位置和上述棱镜中心的三维位置的直线的方向移动上述第1的定长量，计测上述测定点的三维位置。

在上述方式的三维位置计测系统中所使用的指示棒还可以是，在从上述测定点在上述指示棒的轴向上偏移已知的第一定长的位置上固定有棱镜，并形成有倾斜壳体，该倾斜壳体具有解析图形，并将上述解析图形固定于在垂直于上述指示棒的轴向的面上向上述指示棒的轴向前后从上述棱镜偏移已知的第二定长的位置。

为了达成上述目的，本发明的某方式涉及的三维位置计测方法使用指示棒、棱镜、倾斜壳体、以及测量机执行以下工序，其中，上述指示棒设置于测定点；上述棱镜固定于从上述测定点在上述指示棒的轴向上偏移已知的第一定长的位置；上述倾斜壳体具有解析图形，并将上述解析图形固定于在垂直于上述指示棒的轴向的面上向上述指示棒的轴向前后从上述棱镜偏移已知的第二定长的位置；上述测量机具有进行到上述棱镜的测距的测距部及进行测角的测角部、以及图像摄像部，上述三维位置计测方法具有：棱镜位置取得工序，用上述测距部及上述测角部取得上述棱镜的棱镜中心的三维位置；图形中心计算工序，对摄像上述倾斜壳体而得到的图像进行解析并计算出上述解析图形的图形中心；模型位置计算工序，根据上述图像上的上述图形中心和上述棱镜中心计算出上述倾斜壳体的位置方向；图形中心位置计算工序，计算出在上述倾斜壳体的位置方向上距上述棱镜中心的三维位置的距离成为上述第二定长的点即上述图形中心的三维位置；以及测定点计测工序，从上述棱镜中心的三维位置，向沿通过上述图形中心的三维位置和上述棱镜中心的三维位置的直线的方向移动上述第一定长量，计测上述测定点的三维位置。

或者，在某方式涉及的三维位置计测系统中，具备：指示棒，设置于测定点；目标，固定于从上述测定点在上述指示棒的轴向上偏移已知的第一定长的位置；倾斜壳体，具有解析图形，并将上述解析图形固定于在垂直于上述指示棒的轴向的面上向上述指示棒的轴向前后从上述目标偏移已知的第二定长的位置；以及测量机，具有进行到上述目标的测距的测距部及进行测角的测角部、以及图像摄像部，对摄像上述倾斜壳体以及上述目标所得到的图像进行解析并计算出上述解析图形的图形中心以及上述目标的目标中心，用上述测距部及上述测角部取得上述目标中心的三维位置，根据上述图像上的上述图形中心和上述目标中心计算出上述倾斜壳体的位置方向，计算出在上述倾斜壳体的位置方向上距上述目标中心的三维位置的距离成为上述第二定长的点即上述图形中心的三维位置，从上述目标中心的三维位置，向沿通过上述图形中心的三维位置和上述目标中心的三维位置的直线的方向移动上述第一定长量，计测上述测定点的三维位置。

或者，在某方式涉及的三维位置计测系统中，具备：棱镜，固定于从测定点偏移已知的第一定长的位置；倾斜壳体，具备解析图形，并将上述解析图形固定于与连结上述测定点和上述棱镜的棱镜中心的线垂直的面且向与上述第一定长相同方向前后从上述棱镜偏移已知的第二定长的位置；以及测量机，具有进行到上述棱镜的测距的测距部及进行测角的测角部、以及图像摄像部，用上述测距部及上述测角部取得上述棱镜中心的三维位置，对摄像上述倾斜壳体而得到的图像进行解析并计算出上述解析图形的图形中心，根据上述图像上的上述图形中心和上述棱镜中心，计算出上述倾斜壳体的位置方向，计算出在上述倾斜壳体的位置方向上距上述棱镜中心的三维位置的距离成为上述第二定长的点即上述图形中心的三维位置，从上述棱镜中心的三维位置，向沿通过上述图形中心的三维位置和上述棱镜中心的三维位置的直线的方向移动上述第一定长量，计测上述测定点的三维位置。

发明效果

根据本发明，即使指示棒倾斜，只要将指示棒的前端设置于测定点，就能够计测测定点的三维位置。

附图说明

图1是表示本实施方式涉及的三维位置计测系统的整体构成的立体图。

图2是表示测量机的内部构成的框图。

图3是表示本实施方式涉及的指示棒的构成的右方立体图。

图4是同指示棒的计测状态的俯视图。

图5是从测量机观察到的指示棒的图，(a)是表示指示棒的轴向与视线方向一致时的状态的图，(b)是表示指示棒的轴向从视线方向偏移时的状态的图。

图6是三维位置计测系统的计测流程图，(a)是基本形式的流程，

(b)是进行自动追踪的情况的流程。

图7是计算三维位置的流程图。

图8是目视图像的例子。

图9是计测方法的图像试图。

图10是解析图形的变形例。

图11是倾斜壳体的变形例。

图12是倾斜壳体的变形例。

图13是倾斜壳体的变形例。

图14是计算图13的变形例涉及的三维位置的流程图。

图15是目视图像的例子。

图16是目视图像的例子。

图17是图13的变形例涉及的计测方法的图像试图。

图18是表示本实施的第二实施方式涉及的指示棒的构成的右方立体图。

图19是表示第二实施方式涉及的测量机的内部构成的框图。

图20是第2实施方式涉及的三维位置计测系统的计测流程图，(a)是基本形式的流程，(b)是进行自动追踪的情况的流程。

图21是表示第三实施方式涉及的构成的右方立体图。

符号说明

1三维位置计测系统

2测量机

3棱镜

4指示棒

5倾斜壳体

11水平角检测器(测角部)

12铅垂角检测器(测角部)

17运算控制部

20EDM(测距部)

21棱镜摄像部

22图像摄像部

41解析图形

44图形宽度

Kc图形中心

Pc棱镜中心

L1第一定长

L2第二定长

具体实施方式

随后，参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。

(系统整体)

图1是表示本实施方式涉及的三维位置计测系统的整体构成的立体图。三维位置计测系统1具备测量机2、棱镜3、指示棒4、以及倾斜壳体5。指示棒4将前端设置于测定点X而被使用。测量机2使用三脚6而被安设在已知的点。另外，箭头e表示测量机2的视线方向。

(测量机)

测量机2是能够自动追踪的电机驱动全站仪。图2是表示测量机2的内部构成的框图。

测量机2具备水平角检测器11、铅垂角检测器12、倾斜传感器13、操作部14、水平旋转驱动部15、铅垂旋转驱动部16、运算控制部17、存储部18、通信部19、EDM20、棱镜摄像部21、图像摄像部22、显示部23、扫描部24、以及第二图像摄像部25。

EDM(光波测距仪)20是对棱镜3进行照准并射出红外激光等测距光，进行到棱镜3的测距的测距部。扫描部24射出与测距光不同波长的红外激光等扫描光，对棱镜3进行探索扫描。水平旋转驱动部15以及铅垂旋转驱动部16是将收纳了EDM20的箱体在水平方向以及铅垂方向上旋转驱动的电动机。水平角检测器11以及铅垂角检测器12是回转式编码器，该水平角检测器11以及铅垂角检测器12是分别求出收纳了EDM20的箱体的水平方向以及铅垂方向的旋转角度，并求出照准光轴的水平角以及铅垂角的测角部。倾斜传感器13被使用于对EDM20的箱体的倾斜进行检测并水平地校平。

在存储部18中储存有用于控制EDM20并进行测距测角的程序、用于基于从操作部14输入的信号而对水平旋转驱动部15以及铅垂旋转驱动部16进行驱动的程序、用于控制通信的程序、用于棱镜3的自动照准、自动追踪的程序、后述的图像处理程序、用于后述的计算测定点X的三维位置的运算程序等各种程序。根据操作部14，能进行上述程序所需要的各种操作。运算控制部17执行上述程序等，进行各种运算以及各种控制。通信部19从外部无线机等接收指示信号。运算控制部17在从外部被指示的情况下，将EDM20在测定点的方向上旋转驱动，还进行自动追踪的开始/停止等。显示部23对各种显示、计测值等进行显示。

棱镜摄像部21以及图像摄像部22是输出图像信号的图像传感器，例如CCD、CMOS传感器等，由像素(Pixel)的集合体构成。图像摄像部22对棱镜3的周围风景(还包括棱镜3在内的风景)进行摄影。棱镜摄像部21构成为，设有仅供扫描光的波长通过的滤波器，并且通过接受由棱镜3反射的来自扫描部24的扫描光，从而仅对棱镜3适当地进行摄影。第二图像摄像部25是任意的构成要素，是比图像摄像部22更广角的构成要素。用途在后叙述。

另外，上述内容是测量机2的构成的一个例子，可以进行基于本领域技术人员的知识的改变。

(指示棒)

图3是表示本实施方式涉及的指示棒4的构成的右方立体图，图4是图3的指示棒4的计测状态的俯视图。指示棒4具备棒状的支承体31、棱镜3、以及倾斜壳体5。

支承体31的前端形成为蘑菇根(对应日语：石突き)状，计测时前端设置于测定点X。支承体31的素材并没有特别地限定，但是，例如金属等具备适度的刚性和轻量性的素材是优选的。在支承体31的另一方的端部固定有棱镜3。

棱镜3以在指示棒4(支承体31)的轴向PP上配置棱镜3的中心(下面，棱镜中心Pc)的方式被固定。另外，棱镜中心Pc严格来说，设为棱镜3的漂浮点。在此，漂浮点称为即使棱镜3相对测量机2倾斜也能够看上去不动的设想的点。从棱镜中心Pc到支承体31的前端(测定点X)的长度以已知的距离被固定(下面，将该距离设为第一定长L1)。在本方式中，棱镜3除了角形棱镜之外，能够采用能够相对入射光射出平行的反射光且目标中心能够图像解析的构件，还能够使用回归性的反射片等。

(倾斜壳体)

如图3以及图4所示，倾斜壳体5具备用于解析的解析图形41、以及支承解析图形41的壳体42。

解析图形41在相对指示棒4的轴向PP垂直的面上，在沿指示棒4的轴向PP的方向从棱镜中心Pc向前方偏移已知的距离(第二定长L2)的位置上被固定。另外，关于前后方向的记述，在轴向PP上，将测定点X侧设为后方。解析图形41在本方式中作为具有图形宽度44的正圆而被形成。

但是，解析图形41是通过图像解析能求出解析图形41的中心(后述的图形中心Kc)的形状时，还可以是任意的形状。解析图形41的变形例在后叙述(图10)。

壳体42在前方具有开口部43，该壳体42是前面形成有解析图形41的圆柱状的中空体，并在其中收纳棱镜3。壳体42被支承体31固定。

但是，壳体42是能够将解析图形41固定于棱镜3的前后的构件时，也可以不设为与解析图形41大致一致的形状。

另外，解析图形41在划定(对应日语：画成する)出开口部43的壳体42的前面形成，但是，无需用与壳体42相同素材来形成，以印刷、粘贴等方式形成图像处理上的明暗差有利的配色，例如白黑色等也是优选的。另外，解析图形41还可以形成于壳体42的外周或者内周。棱镜3以及倾斜壳体5可以利用粘接/螺丝紧固/凹凸卡合/熔融等优选的固定方式被固定。

随后，图5是从测量机2观察到指示棒4的图，(a)是表示指示棒4的轴向PP与视线方向e一致时的状态的图，(b)表示指示棒4的轴向PP从视线方向e偏移时的状态的图。

测量机2的视线方向e与指示棒4的轴向PP一致的情况如(a)所示，棱镜3位于解析图形41的图形中心Kc且能够看到该棱镜3。另一方面，视线方向e与指示棒4的轴向PP不一致的情况如(b)所示，棱镜3不位于图形中心Kc并向与视线的移动方向相反的方向移动且能够看到该棱镜3。

倾斜壳体5相应于与视线方向e的倾斜角，与图形中心Kc相对的棱镜3(棱镜中心Pc)的位置发生变化。因此，通过对解析图形41进行摄影并进行图像解析，得知倾斜壳体5相对于视线方向的位置方向。随后，在得知解析图形41从棱镜中心Pc离开了多少距离(第二定长L2)时，能够解析指示棒4的倾斜方向。详细地，能够根据随后的方法计测测定点X的三维位置。

(计测方法)

首先，根据计测的概要进行说明。图6是三维位置计测系统1的计测流程图，(a)是基本形式的流程，(b)是进行自动追踪的情况的流程。

基本如(a)所示，首先在步骤S11中，用扫描部24对棱镜3进行探索扫描。随后，在步骤S12中，根据使用棱镜摄像部21仅对棱镜3摄影后的图像，判断棱镜3是否已能够自动照准。在不能照准的情况下，返回到步骤S11。在能够照准的情况下，移动到步骤S13，对棱镜3进行测距测角，计测棱镜3的三维位置。随后，移动到步骤S14，用图像摄像部22对倾斜壳体5进行摄影。另外，步骤S13和S14还可以同时进行。随后，移动到步骤S15，计算测定点X的三维位置。随后，移动到步骤S16，在显示部23显示测定点X并结束。

进行自动追踪的情况如(b)所示，首先在步骤S21中，对棱镜3进行探索扫描，在步骤S22中，根据使用棱镜摄像部21仅对棱镜3进行摄影后的图像，判断棱镜3是否已能够锁定(照准)，之后，步骤S23～S26与步骤S13～S16相同。在步骤S27中，在指示了自动追踪的停止的情况下，进入步骤S28并停止追踪。在没有停止的指示的情况下，返回到步骤S22，继续追踪。

(三维位置的计算方法)

随后，对本实施方式中的图6的步骤S15或者S25中的计算测定点X的三维位置的方法进行说明。图7是计算三维位置的流程图。图8以及图9是用于对图7的流程的说明进行补充的图，图8是目视图像的例子，图9是计算方法的图像试图。

首先，在步骤S111中，根据用图像摄像部22摄影到的目视图像，对解析图形41的图形中心Kc进行图像解析(参照图8)。

随后，在步骤S112中，从存储部18读出用EDM20得到的棱镜3的测距值、以及用水平角检测器11以及铅垂角检测器12得到的棱镜3的测角值。

随后，在步骤S113中，求出图像上的棱镜中心Pc的位置和图形中心Kc的水平方向偏移量Xc及铅垂方向偏移量Yc(参照图8)。另外，棱镜3被棱镜摄像部21摄影但没有被图像摄像部22映出的情况较多。但是，棱镜中心Pc的三维位置明确地已知，因此，在预先对棱镜3进行了照准时，只要将棱镜中心Pc在图像摄像部22的目视图像上位于哪个点的内容注册到存储部18中即可。进而，根据偏移量Xc以及Yc，求出倾斜壳体5(图形中心Kc)的位置方向(方向向量B)(参照图9)。另外，所谓方向向量是只具有不带大小的朝向信息的向量。

随后，在步骤S114中，对将棱镜中心Pc设为中心且将第二定长L2设为半径的球S进行运算，求出球S与方向向量B的交点。该交点的位置信息是图形中心Kc的三维位置。进而，求出从图形中心Kc(三维位置)和棱镜中心Pc(三维位置)通过的直线(方向向量A)(参照图9)。方向向量A是指示棒4的倾斜方向。

随后，在步骤S115中，根据棱镜中心Pc的位置(三维位置)，向方向向量A的方向移动第一定长L1，求出测定点X的三维位置。

(效果)

以上，在本实施方式的三维位置计测系统1中，通过倾斜壳体5将解析图形41在轴向PP上从棱镜3(棱镜中心Pc)向前后偏移已知量(第二定长L2)地进行配置，因此，将图形中心Kc与棱镜中心Pc连结的线(方向向量A)与指示棒4的轴向PP一致。因此，从到棱镜中心Pc的棱镜向量P(参照图9)沿方向向量A的方向移动第一定长L1，从而，能够计测测定点X。

另外，图6的步骤S11～S13或者S21～23即使使用以图像摄像部22得到的图像进行照准，也能够实施本发明。在该情况下，还可以根据不使用扫描部24的特定波长而使用连续频谱的照明光所摄像到的图像进行照准。

但是，与图像摄像部22分别单独地设置棱镜摄像部21，S11～S13或者S21～23使用以扫描部24和棱镜摄像部21得到的仅对棱镜3进行摄像后的图像进行照准，从而，能够更可靠地进行棱镜3的自动照准，能够更准确地解析棱镜3的位置，因此，由于能够以更高精度地得到上述的步骤S115中的棱镜中心Pc的三维位置，所以是优选地。

通过本实施方式，操作者使指示棒4的前端触碰到测定点X，即使指示棒4倾斜，也不用进行校平棱镜3等的调整，能够计测测定点X的三维位置，因此，操作效率提高。另外，如图5(b)所示，若与自动追踪功能组合，则棱镜追踪时实时地计算出棱镜3的测距测角值和图形中心Kc，更新测定点X的位置，所以，操作者仅将指示棒4与想测定的点逐个地触碰就能进行连续的计测，操作效率进一步提高。

另外，无需为了测定指示棒4的倾斜而设置新的传感器且价格低廉。另外，以高精度地求出的棱镜位置作为基准，根据解析图形41的解析值计算出测定点X，因此，与利用传感器值相比，是进一步的高精度。

另外，本方式的三维位置计测系统1相对与以往的指示棒，仅变更设置棱镜3的位置并追加倾斜壳体5即可。倾斜壳体5能够由解析图形41和指示该解析图形41的壳体42简单地形成，因此，是非常价格低廉的。

另外，本实施方式的三维位置计测系统1能容易地进行倾斜角的灵敏度设计。在加长第二定长L2的距离时，能够较大地看到相对来自视线方向e的倾斜角的图像上的棱镜3的移动量。即，仅变更倾斜壳体5的长度(第二定长L2)，就能够容易地进行倾斜角的灵敏度设计。因此，还优选地构成为准备远距离测距用、中距离测距用、近距离测距用的倾斜壳体5，根据用途能够进行更换。

另外，来自视线方向e的倾斜角过大时，图像解析产生误差的可能性变高，但是，本实施方式的三维位置计测系统1在倾斜角过大时，不能够通过壳体42对棱镜3进行照准，因此，图6的步骤S12或者S22以后不进行动作，计测被中止，因此，能够防止误测定。

(变形例)

下面，图10～图13是本实施方式的变形例。

图10是解析图形41的变形例。(a)所示的解析图形是椭圆的解析图形41之中的一部分欠缺(对应日语：欠落)后的图形。即使在该情况下，也能根据平行线的中点求出图形中心Kc。(b)所示的解析图形是设为矩形的图形。即使在该情况下，也能够根据对角线的交点求出图形中心Kc。(c)所示的解析图形41是设为平行的两直线的图形。即使在该情况下，也能够根据对角线的交点、垂直平分线的中点等求出图形中心Kc。

图11是关于倾斜壳体5的位置的变形例。在该例子中，倾斜壳体5形成于棱镜3的后方。即在该例子中，解析图形41在相对指示棒4的轴向PP垂直的面上，在沿指示棒4的轴向PP的方向从棱镜中心Pc向后方偏移已知的距离(第二定长L2)的位置上被固定。即使设为该构成，也能够使用图7所示的方式，相同地计测测定点X。

图12是在图3的倾斜壳体5的背面设置照明装置8的变形例。照明装置8可以是任意的方式，但是例如图示所示，构成为在箱体内收纳LED芯片以及电子基板，使用外部开关根据需要能够进行ON/OFF。通过在倾斜壳体5的背面设置照明装置8，由此即使是在暗的场所的计测，也能够对解析图形41进行摄影，因此，对夜间等的计测时是有效的。

图13是对倾斜壳体5的位置的其他的变形例。在该例子中，倾斜壳体5不是形成在指示棒4的轴向PP上，而形成于棱镜3的周围。解析图形41位于相对指示棒4的轴向PP垂直的面，在指示棒4的轴向PP的前后偏移第二定长L2的位置时，也可以不位于指示棒4的轴向PP上。在设为该构成的情况下，需要在壳体42的内部，在解析图形41的中心的位置形成能够用图像摄像部22进行摄像的标识Q。标识Q优选以例如白黑图形等对比度大的素材形成。

在该方式中，壳体42还可以利用具有透光性的素材来形成，以使标识Q容易被摄像。更优选的是，与利用透明的素材、钻孔进行采光的方式相比，使用对于摄像难以投影其他影的半透明的素材整周地形成是优选的，例如丙烯酸树脂等是合适的。

在图13所示的方式中，解析图形41不位于指示棒4的轴向PP上，因此，能够使用随后的方法计测测定点X。图14是计算三维位置的流程图。图15～图17是用于对图14的流程的说明进行补充的图，图15以及图16是目视图像的例子，图17是计算方法的图像试图。

首先，在步骤S211中，根据用图像摄像部22摄影到的目视图像，对解析图形41的图形中心Kc进行图像解析(参照图15)。

随后，在步骤S212中，从存储部18读出用EDM20得到的棱镜3的三维位置(棱镜中心Pc的测距值以及测角值)。

随后，在步骤S213中，求出图像上的棱镜中心Pc的位置和图形中心Kc的水平方向偏移量Xc及铅垂方向偏移量Yc(参照图15)，根据偏移量Xc以及Yc，求出倾斜壳体5的位置方向(方向向量B)(参照图17)。

随后，在步骤S214中，根据用图像摄像部22摄影到的目视图像，对标识Q的标识中心Km进行图像解析(参照图16)。

随后，在步骤S215中，求出图像上的标识中心Km和图形中心Kc的水平方向偏移量Xd及铅垂方向偏移量Yd，求出从图形中心Kc到标识中心Km的标识半径r(参照图16)。

随后，在步骤S216中，对解析图形41的长边半径R进行图像解析(参照图16)。

随后，在步骤S217中，利用函数f(r/R)＝θ，求出从测量机2的视线方向观察到的倾斜壳体5的水平方向倾斜角θx及铅垂方向倾斜角θy(参照图17)。倾斜壳体5相应于与视线方向的倾斜角，相对解析图形41的标识Q的位置发生变化，因此，与视线方向的倾斜角的变化能够利用与从图形中心Kc到标识中心Km的标识半径r相对的函数来建立对应关系。该函数的一个例子在日本专利公开公报2014－102246号中被记载。

随后，在步骤S218中，利用方向向量B、倾斜角θx及倾斜角θy，求出从测量机2的视线方向观察大的倾斜壳体5的法线方向(方向向量A)(参照图17)。方向向量A是指示棒4的倾斜方向。

随后，在步骤S219中，根据棱镜中心Pc的位置(三维位置)，沿方向向量A的方向移动第一定长L，求出测定点X的三维位置。

在该变形例中，将倾斜壳体5的解析图形41设置于相对指示棒4的轴向PP垂直的面上，因此，利用倾斜壳体5的解析所得到的方向向量A与指示棒4的轴方向PP一致。因此，从到棱镜中心Pc的棱镜向量P(参照图17)沿方向向量A的方向移动第一定长L1，从而，能够计测测定点X。

即使在该变形例中，也与上述实施例相同地，即使指示棒4倾斜，只要将指示棒4的前端设置于测定点X就能够计测测定点X的三维位置。另外，无需为了测定指示棒4的倾斜而设置新的传感器且价格低廉。另外，相对于以往的指示棒，仅变更设置棱镜3的位置并追加倾斜壳体5即可，因此，能够简单地形成，是非常价格低廉的。另外，利用壳体42的长度(第二定长L2)能容易地进行倾斜角的灵敏度设计。另外，在该方式中，不会被倾斜壳体5的尺寸影响，能够交换成不同大小的棱镜3。

(第二实施方式)

(系统整体)

第二实施方式在不将棱镜3设为必要构成这点上与上述的实施方式不同。

(指示棒)

图18是表示第二实施方式涉及的指示棒4的构成的右方立体图。指示棒4具备棒状的支承体31、以及倾斜壳体5。支承体31与上述实施方式相同地前端设置于测定点X。

在支承体31的另一方的端部，在棱镜3的位置代替棱镜3而形成有能够用图像摄像部22进行摄像的标识T。即，标识T从测定点X离开第一定长L1地被固定。标识T可以形成于任意的支承构件，例如形成于垂直地固定于支承体31的板32等。即使在本方式中，标识T优选地使用例如白黑图形等对比度大的素材来形成。

倾斜壳体5形成为将标识T收纳于其中。解析图形41位于相对指示棒4的轴向PP垂直的面上，在沿指示棒4的轴向PP的方向从标识T向前方向偏移第二定长L2的位置上通过壳体42而被固定。壳体42可以使用上述的板32等进行支承固定。即，在第二实施方式中，将标识T作为目标进行照准，对标识T进行非棱镜测距，由此，计测测定点X的三维位置。

(测量机)

图19是表示第二实施方式涉及的测量机2′的内部构成的框图。本方式也可以使用在上述实施方式使用的测量机2，也可以是用随后的构成的测量机2′，在图像摄像部22为高精度时能够实施。在图19的测量机2′中，为了对棱镜3进行照准(追踪)所设置的EDM20、棱镜摄像部21、以及扫描部24不是必要的构成，只要具有非棱镜测距部20′即可。非棱镜测距部20′是射出光束细的激光光等测距光，进行到棱镜以外的目标的测距的测距部。在本方式中，目标是标识T，到标识T的照准(追踪)通过图像摄像部22的摄像中的图形匹配等的公知的图像处理来进行。

(计测方法)

对第二实施方式涉及的计测的概要进行说明。图20是第二实施方式涉及的三维位置计测系统的计测流程图，(a)是基本形式的流程，(b)是进行自动追踪的情况的流程。基本如(a)所示，首先在步骤S31中，使用图像摄像部22对倾斜壳体5进行摄影。随后，在步骤S32中，根据使用图像摄像部22所摄影到的图像，对标识T进行图像解析，判断是否已能够对目标进行自动照准。在不能照准的情况下，返回到步骤S31。在能够照准的情况下，移动到步骤S33，对标识T进行测距测角，计测标识T的三维位置。随后，移动到步骤S34，计算测定点X的三维位置。随后，移动到步骤S35，在显示部23显示测定点X并结束。在进行自动追踪的情况下，如(b)所示，首先在步骤S41中，使用图像摄像部22对倾斜壳体5进行摄影。随后，在步骤S42中，判断是否已能够对成为目标的标识T进行锁定(自动照准)，在能够进行锁定(自动照准)的情况下，移动到步骤S43，对标识T进行测距测角。其他的步骤S44～47与图6的步骤S25～S28相同。

(三维位置的计算方法)

图20的步骤S34或者S44中的计算测定点X的三维位置的方法在将上述实施方式的“三维位置的计算方法”中，将棱镜3称为标识T，将棱镜中心Pc置换成标识T的标识中心Tc时，能够与(图7的流程)相同地进行。

(效果)

以上，在第二实施方式中，通过将对上述的实施方式的棱镜3进行照准(追踪)并进行棱镜测距的工序置换成对倾斜壳体5的标识T进行照准(追踪)并进行非棱镜测距的工序，从而，即使没有棱镜3，也能够与上述的实施方式相同地计测测定点X的三维位置。

(变形例)

即使在第二实施方式中，也可以按照图10，对解析图形41进行变形。在本方式中，为了适当地进行标识T的照准，标记例如设成与倾斜壳体5的标识Q不同颜色的、如QR码(注册商标)那样的条形码是合适的。另外，还可以按照图11，解析图形41在相对指示棒4的轴向PP垂直的面上，在从标识T向后方偏移第二定长L2的位置上被固定。另外，还可以按照图12，在倾斜壳体5的背面设置照明装置8。另外，还可以按照图13，将倾斜壳体5的位置偏置于标识T的周围的位置。即使在该情况下，标识T也可以标记设成与倾斜壳体5的标识Q不同颜色的、如QR码(注册商标)那样的条形码等，以便容易地被照准等，这样是合适的。

(第三实施方式)

(系统整体)

第三实施方式在不将棒(支承体31)设为必要构成这点上与上述的实施方式不同。图21是表示第三实施方式涉及的构成的右方立体图。优选地，测量机2可以是图2的测量机，棱镜3是使用棱镜摄像部21所摄像的棱镜。第三实施方式中没有支承体31，具备棱镜3、以及倾斜壳体5。

(效果)

即，在没有支承体31，在从测定点X偏置第一定长L1后的位置配置棱镜3(棱镜中心Pc)，将倾斜壳体5的解析图形41设置于相对将测定点X与棱镜中心Pc连结的线垂直的面，并在向与第一定长L1相同方向前后从棱镜中心Pc偏置第二定长L2后的位置进行配置时，能够使用与图7的流程相同的方法，计测测定点X的三维位置。该方式例如图21所示，相对于与在某箱体60内内置某种传感器61后的装置相对，不能通过箱体60将棱镜3置于传感器61的附近的情况是有效的。第一定长L1只要利用该装置的机械附图等来求出即可。另外，在第3的实施方式中，即使按照第二实施方式，变成成代替棱镜3而对标识T进行非棱镜测距的构成，也能够计测测定点X的三维位置。

另外，作为上述实施方式以及变形例所涉及的其他的变形，由于在近距离计测时，在图像摄像部22的视野内可能无法映出棱镜3以及解析图形41，因此，还可以在测量机2设置更广角的第二图像摄像部25。另外，通过在指示棒4的支承体31的前端设置标记笔，从而，能够在现场残留在操作时测定出的轨跡。另外，描绘出的轨跡(测定点X)作为数据被实时地记录，因此，还能够取得利用运算控制部17所描绘出的速度等信息。另外，指示棒4的长度可以构成为准确地得知是第一定长L1和/或第二定长L2，并且以被定位方式能够自由地伸缩。

以上，关于本发明的三维位置计测系统，对实施方式以及变形例进行了叙述，但其是本发明的一个例子，基于本领域技术人员的知识能够与各方式以及各变形例进行组合，那样的方式也包括在本发明的范围内。

Claims

1.一种三维位置计测系统，用于计测测定点的三维位置，其特征在于，具备：

指示棒，设置于测定点；

棱镜，固定于从上述测定点在上述指示棒的轴向上偏移已知的第一定长的位置；

倾斜壳体，具有解析图形，并将上述解析图形固定于在垂直于上述指示棒的轴向的面上向上述指示棒的轴向前后从上述棱镜偏移已知的第二定长的位置；以及

测量机，具有进行到上述棱镜的测距的测距部及进行测角的测角部、以及图像摄像部，

根据上述棱镜的三维位置、上述指示棒的倾斜方向、以及上述第一定长，计测上述测定点的三维位置，上述棱镜的三维位置是用上述测距部及上述测角部所得到的，上述指示棒的倾斜方向是根据使用上述图像摄像部摄像上述倾斜壳体而得到的图像所得到的。

2.一种三维位置计测系统，用于计测测定点的三维位置，其特征在于，具备：

指示棒，设置于测定点；

测量机，具备进行到上述棱镜的测距的测距部及进行测角的测角部、对上述棱镜的周围风景进行摄影的图像摄像部、以及对上述棱镜进行摄影的棱镜摄像部，

使用上述棱镜摄像部对上述棱镜进行摄像，对上述棱镜进行照准，并根据上述棱镜的三维位置、上述指示棒的倾斜方向、以及上述第一定长，计测上述测定点的三维位置，上述棱镜的三维位置是用上述测距部及上述测角部所得到的，上述指示棒的倾斜方向是根据使用上述图像摄像部摄像上述倾斜壳体而得到的图像所得到的。

3.如权利要求1或2所述的三维位置计测系统，其特征在于，

上述三维位置计测系统用上述测距部及上述测角部取得上述棱镜的棱镜中心的三维位置，

上述三维位置计测系统对摄像上述倾斜壳体而得到的图像进行解析并计算出上述解析图形的图形中心，

上述三维位置计测系统根据上述图像上的上述图形中心和上述棱镜中心计算出上述倾斜壳体的位置方向，

上述三维位置计测系统计算出在上述倾斜壳体的位置方向上距上述棱镜中心的三维位置的距离成为上述第二定长的点即上述图形中心的三维位置，

上述三维位置计测系统从上述棱镜中心的三维位置，向沿通过上述图形中心的三维位置和上述棱镜中心的三维位置的直线的方向移动上述第一定长量，计测上述测定点的三维位置。

4.一种指示棒，该指示棒是在如权利要求1～3中任一项所述的三维位置计测系统中所使用的指示棒，

上述指示棒在从上述测定点在上述指示棒的轴向上偏移已知的第一定长的位置上固定有棱镜，

上述指示棒形成有倾斜壳体，该倾斜壳体具有解析图形，并将上述解析图形固定于在垂直于上述指示棒的轴向的面上向上述指示棒的轴向前后从上述棱镜偏移已知的第二定长的位置。

5.一种三维位置计测方法，用于计测测定点的三维位置，其特征在于，

上述三维位置计测方法使用指示棒、棱镜、倾斜壳体、以及测量机执行以下工序，其中，

上述指示棒设置于测定点；

上述棱镜固定于从上述测定点在上述指示棒的轴向上偏移已知的第一定长的位置；

上述倾斜壳体具有解析图形，并将上述解析图形固定于在垂直于上述指示棒的轴向的面上向上述指示棒的轴向前后从上述棱镜偏移已知的第二定长的位置；

上述测量机具有进行到上述棱镜的测距的测距部及进行测角的测角部、以及图像摄像部，

上述三维位置计测方法具有：

棱镜位置取得工序，用上述测距部及上述测角部取得上述棱镜的棱镜中心的三维位置；

图形中心计算工序，对摄像上述倾斜壳体而得到的图像进行解析并计算出上述解析图形的图形中心；

模型位置计算工序，根据上述图像上的上述图形中心和上述棱镜中心计算出上述倾斜壳体的位置方向；

图形中心位置计算工序，计算出在上述倾斜壳体的位置方向上距上述棱镜中心的三维位置的距离成为上述第二定长的点即上述图形中心的三维位置；以及

测定点计测工序，从上述棱镜中心的三维位置，向沿通过上述图形中心的三维位置和上述棱镜中心的三维位置的直线的方向移动上述第一定长量，计测上述测定点的三维位置。

6.一种三维位置计测系统，用于计测测定点的三维位置，其特征在于，具备：

指示棒，设置于测定点；

目标，固定于从上述测定点在上述指示棒的轴向上偏移已知的第一定长的位置；

倾斜壳体，具有解析图形，并将上述解析图形固定于在垂直于上述指示棒的轴向的面上向上述指示棒的轴向前后从上述目标偏移已知的第二定长的位置；以及

测量机，具有进行到上述目标的测距的测距部及进行测角的测角部、以及图像摄像部，

对摄像上述倾斜壳体以及上述目标所得到的图像进行解析并计算出上述解析图形的图形中心以及上述目标的目标中心，

用上述测距部及上述测角部取得上述目标中心的三维位置，

根据上述图像上的上述图形中心和上述目标中心计算出上述倾斜壳体的位置方向，

计算出在上述倾斜壳体的位置方向上距上述目标中心的三维位置的距离成为上述第二定长的点即上述图形中心的三维位置，

从上述目标中心的三维位置，向沿通过上述图形中心的三维位置和上述目标中心的三维位置的直线的方向移动上述第一定长量，计测上述测定点的三维位置。

7.一种三维位置计测系统，用于计测测定点的三维位置，其特征在于，具备：

棱镜，固定于从测定点偏移已知的第一定长的位置；

倾斜壳体，具备解析图形，并将上述解析图形固定于与连结上述测定点和上述棱镜的棱镜中心的线垂直的面且向与上述第一定长相同方向前后从上述棱镜偏移已知的第二定长的位置；以及

用上述测距部及上述测角部取得上述棱镜中心的三维位置，

对摄像上述倾斜壳体而得到的图像进行解析并计算出上述解析图形的图形中心，

根据上述图像上的上述图形中心和上述棱镜中心，计算出上述倾斜壳体的位置方向，

计算出在上述倾斜壳体的位置方向上距上述棱镜中心的三维位置的距离成为上述第二定长的点即上述图形中心的三维位置，

从上述棱镜中心的三维位置，向沿通过上述图形中心的三维位置和上述棱镜中心的三维位置的直线的方向移动上述第一定长量，计测上述测定点的三维位置。