CN110850430A - 激光扫描系统 - Google Patents

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Abstract

具有移动站的激光扫描器计算由至少三个固定站形成的二维的固定站坐标系，使前述激光扫描器以机械点为中心水平旋转360°，并且以每个既定角度计算以各前述固定站为中心、以该各固定站与前述移动站的距离为半径的至少三个圆的交点的坐标作为前述移动站的测位结果，将与360°对应的各测位结果平均来计算前述固定站坐标系的概略机械点坐标。

Description

激光扫描系统
技术领域
本发明涉及通过激光扫描器从多个地点取得点群数据且将多个点群数据作为同一坐标系的点群数据综合的激光扫描系统。
背景技术
作为测量装置，有全站仪、三维激光扫描器。全站仪用于进行测定对象点的测定的情况。三维激光扫描器将测定对象物的形状作为具有三维坐标的无数个点的集合、即三维点群数据取得。
借助三维激光扫描器取得三维点群数据时，特别是在建筑物的内部，有时由于房间的形状、柱等障碍物而不能通过从一个部位的测定来取得房间整体的三维点群数据。该情况下，通过在多个部位取得三维点群数据，将所得到的多个三维点群数据结合(登记)，来取得房间整体的三维点群数据。
以往，在建筑物的内部粘设多张目标片，从三维点群数据中检测目标片，经由对应的目标片在点群数据间建立关联，由此进行三维点群数据彼此的登记。
此外，作为自动进行登记的方法，有使用美国专利第5715166号说明书所示的ICP(Iterative Closest Point)算法的方法。根据ICP算法，需要将激光扫描器的概略的机械点(激光扫描器的坐标系的原点)坐标和概略的方位角作为初始值。
但是，以往，没有将激光扫描器的概略机械点坐标和概略方位角自动计算的方法。因此，用于在多个三维点群数据间使机械点和方位角大致一致的处理需要作业者通过手动进行。
发明内容
本发明的目的在于，提供自动地计算激光扫描器的概略机械点坐标和概略方位角的激光扫描系统。
为了实现上述目的，本发明的激光扫描系统具有激光扫描器和至少三个固定站，前述激光扫描器具有移动站，取得三维点群数据，其特征在于，前述激光扫描器具备移动站、水平角检测部、计算控制部，前述移动站被从该激光扫描器的水平旋转轴心上的机械点向已知的位置偏移，前述水平角检测部检测前述激光扫描器的相对水平角，前述计算控制部控制前述激光扫描器的水平旋转，前述固定站向前述移动站发送脉冲，接收来自该移动站的脉冲，由此能够测定与该移动站的距离，前述计算控制部计算由各前述固定站形成的二维的固定站坐标系，使前述激光扫描器以前述机械点为中心水平旋转360°，且以每个既定角度计算以各前述固定站为中心、以该各固定站和前述移动站的距离为半径的至少三个圆的交点的坐标作为前述移动站的测位结果，将对应于360°的各测位结果平均，计算前述固定站坐标系的概略机械点坐标。
此外，在优选的技术方案的激光扫描系统中，前述计算控制部基于前述移动站的测位结果，将连结前述机械点和前述移动站的直线与前述固定站坐标系的基准轴所成的概略旋转角、由前述水平角检测部检测的前述相对水平角建立对应关系，计算前述概略旋转角为0°时的前述相对水平角作为概略方位角。
此外，在优选的技术方案的激光扫描系统中，前述计算控制部将计算的前述概略机械点坐标和前述概略方位角作为初始值，使由前述激光扫描器取得的多个三维点群数据结合。
此外，在优选的技术方案的激光扫描系统中，各前述固定站具有已知的三维坐标。
此外，在优选的技术方案的激光扫描系统中，前述固定站能够测定与其他固定站的距离，前述计算控制部设定前述固定站中的两个前述固定站坐标系中的位置，基于以两个前述固定站为中心、以与余下的固定站的距离为半径的至少两个圆交叉的至少两点计算前述余下的固定站的两个候补位置，在各候补位置分别取得前述移动站的测位结果的轨迹，将具有以与托架部的旋转方向一致的旋转方向取得的轨迹的前述候补位置确定为前述余下的固定站的设置位置。
此外，在优选的技术方案的激光扫描系统中，在前述概略机械点坐标和前述概略方位角的计算后，使前述固定站中的一个与前述移动站移动，前述计算控制部再次计算概略机械点坐标和前述概略方位角。
此外，在优选的技术方案的激光扫描系统中，在前述移动站和至少一个前述固定站分别设置气压传感器，前述计算控制部基于各前述气压传感器的检测结果计算前述移动站相对于前述固定站的相对的高度，基于计算的高度计算三维的概略机械点坐标。
更而，此外，在优选的技术方案的激光扫描系统中，各前述固定站分别设置于固定站装置，该固定站装置具备能够借助前述激光扫描器测定三维坐标的目标。
根据本发明，本发明的激光扫描系统具有激光扫描器和至少三个固定站，前述激光扫描器具有移动站，取得三维点群数据，其特征在于，前述激光扫描器具备移动站、水平角检测部、计算控制部，前述移动站被从该激光扫描器的水平旋转轴心上的机械点向已知的位置偏移，前述水平角检测部检测前述激光扫描器的相对水平角，前述计算控制部控制前述激光扫描器的水平旋转，前述固定站向前述移动站发送脉冲，接收来自该移动站的脉冲，由此能够测定与该移动站的距离，前述计算控制部计算由各前述固定站形成的二维的固定站坐标系，使前述激光扫描器以前述机械点为中心水平旋转360°，且以每个既定角度计算以各前述固定站为中心、以该各固定站和前述移动站的距离为半径的至少三个圆的交点的坐标作为前述移动站的测位结果，将与360°对应的各测位结果平均，计算前述固定站坐标系的概略机械点坐标，所以与将前述移动站与前述机械点同心地设置来测位的情况相比能够减少误差，能够使概略机械点坐标的测位精度提高。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施例的激光扫描器的正剖视图。
图2是说明本发明的第1实施例的移动站的测位的说明图。
图3是表示使前述移动站旋转且测位的情况的测位结果的轨迹的说明图。
图4是表示计算与测位结果的平均值的差值而将前述轨迹的中心作为原点的情况的说明图。
图5是表示使前述移动站旋转且测位时的相对水平角和概略旋转角的关系的说明图。
图6是表示本发明的第2实施例的固定站的候补位置的说明图。
图7是表示在各候补位置将移动站测位时的取得轨迹的方向的不同的说明图。
图8是表示使本发明的第3实施例的移动站和固定站移动的情况的说明图。
图9是表示本发明的第4的实施例的固定站装置的主视图。
图10是表示本发明的第5的实施例的激光扫描器的正剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施例。
首先，在图1中，对本发明的第1实施例的激光扫描器进行说明。
激光扫描器1具有安装于图中未示出的三脚架的校准部2、设置于该校准部2的扫描器主体3。
前述校准部2具有校准螺纹件4，借助该校准螺纹件4进行前述扫描器主体3的校准。
前述扫描器主体3具备固定部5、托架部6、水平旋转轴7、水平旋转轴承8、作为水平旋转驱动部的水平旋转马达9、作为水平角检测部的水平角编码器11、铅垂旋转轴12、铅垂旋转轴承13、作为铅垂旋转驱动部的铅垂旋转马达14、作为铅垂角检测部的铅垂角编码器15、铅垂旋转部即扫描镜16、兼用为操作部和显示部的操作面板17、天线18、移动站19、计算控制部21、储存部22、构成为光波距离计(EDM)的距离测定部23等。
前述水平旋转轴承8固定于前述固定部5。前述水平旋转轴7具有铅垂的轴心7a，前述水平旋转轴7被旋转自如地支承于前述水平旋转轴承8。此外，前述托架部6被支承于前述水平旋转轴7，前述托架部6在水平方向上与前述水平旋转轴7一体地旋转。
在前述水平旋转轴承8和前述托架部6之间设置有前述水平旋转马达9，该水平旋转马达9被前述计算控制部21控制。该计算控制部21借助前述水平旋转马达9以前述轴心7a为中心使前述托架部6旋转。
前述托架部6相对于前述固定部5的相对旋转角被前述水平角编码器11检测。来自该水平角编码器11的检测信号被向前述计算控制部21输入，由该计算控制部21计算水平角数据。前述计算控制部21基于前述水平角数据进行相对于前述水平旋转马达9的反馈控制。
此外，在前述托架部6设置有具有水平的轴心12a的前述铅垂旋转轴12。该铅垂旋转轴12经由前述铅垂旋转轴承13旋转自如。另外，前述轴心7a和前述轴心12a的交点为测距光的射出位置，为前述扫描器主体3的坐标系的原点(机械点)。
在前述托架部6形成有凹部20。前述铅垂旋转轴12的一端部向前述凹部20内伸出。在前述一端部固接有前述扫描镜16，该扫描镜16被收纳于前述凹部20。此外，在前述铅垂旋转轴12的另一端部设置有前述铅垂角编码器15。
在前述铅垂旋转轴12设置有前述铅垂旋转马达14，该铅垂旋转马达14被前述计算控制部21控制。该计算控制部21借助前述铅垂旋转马达14使前述铅垂旋转轴12旋转，前述扫描镜16以前述轴心12a为中心旋转。
前述扫描镜16的旋转角被前述铅垂角编码器15检测，检测信号被向前述计算控制部21输入。该计算控制部21基于检测信号计算前述扫描镜16的铅垂角数据，基于该铅垂角数据进行相对于前述铅垂旋转马达14的反馈控制。
前述天线18被设置于前述托架部6的上表面。前述天线18例如能够通过UWB(UltraWide Band)等无线通信与后述的固定站之间进行电磁波等脉冲的接收发送、数据的传递。此外，前述天线18相对于前述轴心7a和前述轴心12a偏移，相对于前述轴心7a的距离和相对于前述轴心12a的距离分别是已知的。即，前述天线18相对于机械点的偏移量是已知的。
前述移动站19与前述天线18连接。前述移动站19具有如下功能：经由前述天线18接收从固定站(后述)发出的电磁脉冲，进而将与接收的脉冲对应的脉冲向前述固定站发送。此外，前述移动站19具有如下功能：向前述固定站发送脉冲，接收来自该固定站的脉冲，测定距该固定站的距离。进而，前述移动站19具有如下功能：接收由前述固定站测定的距前述移动站19的距离数据。
作为前述计算控制部21，使用微处理器通用CPU或本装置专用的CPU。由前述计算控制部21计算的水平角数据、铅垂角数据、测距结果、前述移动站19和固定站之间的距离数据、前述固定站的坐标、后述的前述移动站19的概略坐标及概略方向等被保存于前述储存部22。保存有水平角数据、铅垂角数据、测距结果、前述移动站19和固定站之间的距离数据、前述固定站的坐标、后述的前述移动站19的概略坐标及概略方向等的前述储存部22的一部分可以是相对于前述托架部6能够装卸，或也可以是能够经由图中未示出的通信机构向外部储存装置、外部数据处理装置送出数据。
此外，作为前述储存部22，能够适当使用随机存储器、只读存储器、闪速存储器、动态随机存储器的半导体装置、硬盘驱动器那样的磁装置、光驱那样的光学装置等装置。
在前述储存部22保存有用于进行测定点的测距、测角的程序、用于使前述水平旋转马达9、前述铅垂旋转马达14驱动的程序、用于计算前述移动站19相对于前述固定站的概略坐标的程序、用于计算该移动站19的概略方向的程序、用于登记多个三维点群数据的程序等程序。前述计算控制部21基于保存于前述储存部22的各程序执行本发明的实施例的各种处理。
前述操作面板17例如是触控面板，兼用作进行测距的指示、测定条件、例如测定点间隔的改变等的操作部、显示测距结果等的显示部。
前述距离测定部23能够射出脉冲光或突发光的测距光。前述距离测定部23射出测距光，接受来自测定对象物的测定点的反射测距光。测距光的射出时机和反射测距光的接受时机被分别输入前述计算控制部21。另外，关于突发光，被公开于日本特开2016-161411号公报。
对由前述激光扫描器1进行测定的情况进行说明。
从前述距离测定部23射出的测距光向前述扫描镜16入射。此时，测距光的光轴与前述轴心12a一致，测距光被前述扫描镜16以直角偏转。该扫描镜16以前述轴心12a为中心旋转，由此，测距光与前述轴心12a正交，且被在包括轴心7a的平面内旋转(扫描)。被前述扫描镜16反射的测距光被向测定对象物的既定的测定点照射，测定对象物被扫描。被测定点反射的反射测距光被前述扫描镜16以直角反射，被前述距离测定部23接受。
前述计算控制部21基于测距光的射出时机和反射测距光的接受时机的时间差(即脉冲光的往返时间)和光速，针对测距光的每一个脉冲执行测距(飞行时间)。此外，前述计算控制部21能够改变测距光的射出时机，即能够改变脉冲间隔。
另外，在前述距离测定部23设置内部参照光光学系统，通过内部参照光的接受时机和反射测距光的接受时机的时间差进行测距，由此能够进行更高精度的测距。
此外，前述托架部6和前述扫描镜16分别定速旋转，通过该扫描镜16的铅垂方向的旋转、前述托架部6的水平方向的旋转的协作，测距光被二维扫描。此外，根据每个脉冲光的测距得到距离数据(斜距离)，针对各个脉冲光借助前述铅垂角编码器15、前述水平角编码器11检测铅垂角、水平角，由此能够取得铅垂角数据、水平角数据。根据铅垂角数据、水平角数据、距离数据，能够取得测定对象物的三维的点群数据(位置信息)。
测定对象物为复杂的形状的情况或测定范围存在死角的情况下，需要改变前述激光扫描器1的设置位置来取得多个三维点群数据。进而，也需要将取得的多个三维点群数据建立关联来使其结合。作为用于使由前述激光扫描器1所得到的多个三维点群数据结合(登记)的方法，有使用美国专利第5715166号说明书所示的那样的ICP(Iterative ClosestPoint)算法的登记。
ICP算法是用于自动登记多个三维点群数据的算法。通过使用ICP算法，能够在不对建筑物内部粘设多个目标片的情况下进行多个三维点群数据的登记。
另一方面，使用ICP算法的登记中，需要将前述激光扫描器1的概略机械点坐标和概略方位作为初始值向ICP算法输入。因此，为了使用ICP算法，需要预先测定前述激光扫描器1的概略机械点坐标和概略方位。
以下，参照图2，对前述激光扫描器1的概略机械点的位置测定(测位)方法进行说明。另外，在以下的说明中，设置面平坦，与前述激光扫描器1的设置位置无关，机械点的高度不变化。
在本实施例中，第1固定站24、第2固定站25、第3固定站26分别设置于从前述激光扫描器1离开的已知的位置，具有已知的坐标。此外，前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26的各固定站间的距离也已知。因此，前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26的位置例如能够由以前述第1固定站24作为原点的二维的坐标系(固定站坐标系)表示。
此外，在本实施例中，进行使用超宽带无线(UWB：Ultra Wide Band)的前述激光扫描器1的局部测位(测位)。在使用UWB的测位中，对于一个移动站至少需要三个固定站。在本实施例中，相对于内置有前述移动站19的前述激光扫描器1，使用前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26。
在使用UWB的测位中，从执行距离测定的站(例如前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26)相对于作为距离测定对象的站(例如前述移动站19)发送纳秒单位的非常短的脉冲。此外，前述移动站19将与已接收的脉冲对应的脉冲相对于前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26发送。前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26基于从分别发送脉冲至接收的时间和脉冲的传搬速度即光速测定距前述移动站19的距离。
另外，前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26例如保持时间差地向前述移动站19发送脉冲。该移动站19基于时间差来将前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26区别。或者，前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26也可以与识别信号一同向前述移动站19发送脉冲。该移动站19基于识别信号将前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26区别。该情况下，也可以同时从前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26发送脉冲。
另外，前述移动站19接收脉冲，经过既定的应答时间后发送脉冲。因此，前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26和前述移动站19之间的距离能够分别由以下的式子表示。
D＝C×{(Ttotal-Tresponse)/2}
在上述式子中，D表示固定站和移动站的距离。此外，C表示光速。此外，Ttotal表示固定站从发送脉冲到接收的时间。进而，Tresponse表示移动站从接收脉冲到发送的应答时间。
另外，上述说明中，将前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26作为执行距离测定的站，将前述移动站19作为距离测定对象的站，但也可以是，将该移动站19作为执行距离测定的站，将前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26作为距离测定对象的站。
若前述激光扫描器1被设置于任意的位置，则从前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26发出的脉冲分别经由前述天线18被前述移动站19接收。此外，该移动站19经由前述天线18分别向前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26发送与接收的脉冲对应的脉冲。
前述第1固定站24基于相对于前述移动站19的脉冲的往返时间和光速计算该移动站19和前述第1固定站24之间的距离d1。前述第2固定站25基于相对于前述移动站19的脉冲的往返时间和光速计算该移动站19和前述第2固定站25之间的距离d2。前述第3固定站26基于相对于前述移动站19的脉冲的往返时间和光速计算该移动站19和前述第3固定站26之间的距离d3。
由前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26计算的距离数据经由前述天线18被前述移动站19接收，被向前述计算控制部21输入。另外，这里计算的d1~d3分别包括10cm左右的误差。
此时，前述天线18位于以前述第1固定站24为中心的半径d1的圆的圆周上。此外，前述天线18位于以前述第2固定站25为中心的半径d2的圆的圆周上。进而，前述天线18位于以前述第3固定站26为中心的半径d3的圆的圆周上。
因此，前述天线18能够看作位于以前述第1固定站24为中心的半径d1的圆、以前述第2固定站25为中心的半径d2的圆、以前述第3固定站26为中心的半径d3的圆的交点。
前述计算控制部21基于前述第1固定站24的坐标和距离d1计算圆A，基于前述第2固定站25的坐标和距离d2计算圆B，基于前述第3固定站26的坐标和距离d3计算圆C。因此，前述计算控制部21能够基于圆A、圆B、圆C计算例如在以前述第1固定站24为原点的固定站坐标系的前述天线18的坐标。
另外，通过上述的处理计算的是前述天线18的坐标，但以下的说明中该天线18的坐标也可以是前述移动站19的坐标。
图2表示在以该第1固定站24为原点的固定站坐标系中前述第1固定站24配置于X，Y＝0m，0m、前述第2固定站25配置于X，Y＝10m，0m、前述第3固定站26配置于X，Y＝0m，10m的情况。
此外，测定的结果为前述移动站19和各固定站24~26之间的距离(d1，d2，d3)分别为7.071m的情况下，圆A、圆B、圆C的交点的坐标为X，Y＝5m，5m。
因此，在图2的例子中，前述计算控制部21能够基于被计算的前述移动站19的坐标、相对于机械点的前述天线18的偏移量、各固定站24~26的已知的坐标计算前述激光扫描器1的概略机械点的位置。
但是，在使用UWB的测位中，有时在测定结果中产生1m左右的误差。在本实施例中，利用前述天线18相对于前述轴心7a向已知的位置偏移，实现概略机械点的测定精度的提高。
具体地，使前述托架部6以前述轴心7a为中心水平旋转360°，并且以每个既定角度进行前述移动站19的测位。这里所得到的前述移动站19的测位结果的轨迹为以前述轴心7a为中心的大致圆状。
因此，基于各测位结果，前述计算控制部21关于X坐标、Y坐标分别计算平均值，由此能够求出前述托架部6的水平旋转中心。即，能够进行X坐标的平均值为前述轴心7a的X坐标、Y坐标的平均值为前述轴心7a的Y坐标、与UWB的测位相比使精度提高的概略机械点坐标的测位。
图3表示使前述托架部6水平旋转360°并且每旋转3°进行前述移动站19的测位的情况下的该移动站19的坐标的轨迹27。这里所得到的各测位结果与前述托架部6相对于前述固定部5的相对水平角(前述水平角编码器11的检测结果)建立关联而被保存于前述储存部22。
此外，关于前述轨迹27的各测位结果，计算X坐标和X坐标的平均值的差值，计算Y坐标和Y坐标的平均值的差值。由此，能够得到图4所示那样的以固定站坐标系的原点(前述第1固定站24的位置)为中心的前述移动站19旋转的情况的坐标的轨迹28。
另外，本实施例的概略机械点坐标的测位结果有时包括30cm左右的误差。但是，1m以内的话没有问题，所以前述概略机械点坐标能够作为ICP算法的初始值使用。
接着，对前述激光扫描器1的概略方位的计算方法进行说明。
求出前述激光扫描器1的方位时，把例如将前述轴心7a和前述天线18连结的直线与X轴平行且前述天线18位于正侧的状态设定成水平0°方向的概略方位角。
或者，计算以固定站坐标系的原点为中心的前述轨迹28的情况下，将前述天线18位于正的前述X轴上的状态设定成水平0°方向的概略方位角。
连结前述轴心7a和前述天线18的直线、X轴或与X轴平行的直线(基准轴)所成的角度(概略旋转角)能够基于机械点的X-Y坐标和前述移动站19的测位结果(X-Y坐标)，通过反正切计算。计算的概略旋转角与前述移动站19的X-Y坐标建立关联而被保存于前述储存部22。
这里，由前述水平角编码器11检测的相对水平角与前述移动站19的各测位结果(X-Y坐标)建立关联。因此，基于前述移动站19的X-Y坐标，将概略旋转角、相对水平角建立对应关系。
图5表示以概略旋转角为纵轴、以相对水平角为横轴、将概略旋转角和相对水平角建立对应关系的图表。如图5所示，相对水平角为约300°时，前述概略旋转角为0°。即，能够将相对水平角为约300°的方向作为相对于由前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26形成的坐标系(固定站坐标系)的前述激光扫描器1的水平0°方向的概略方位角计算。
另外，本实施例中计算的概略方位角有时包括例如±20°左右的误差。但是，若为±30°以内则没有问题，所以前述概略方位角能够用作ICP算法的初始值。
使前述激光扫描器1向其他位置移动的情况下，也能够通过与上述相同的处理计算前述激光扫描器1的概略机械点坐标和概略方位角。
通过ICP算法登记多个三维点群数据时，将在各地点计算的前述激光扫描器1的概略机械点坐标和概略方位角作为初始值输入至ICP算法。由此，前述计算控制部21使用ICP算法自动且切实地进行多个三维点群数据的登记。
如上所述，在第1实施例中，设置成使前述天线18相对于机械点以已知的值偏移。此外，使前述托架部6水平旋转360°且以每个既定角度将前述移动站19测位，将把各测位结果的X坐标和Y坐标分别平均的平均值作为概略机械点坐标计算。
因此，将前述天线18设置成与机械点同心，与借助UWB将概略机械点坐标自动测位的情况相比能够进一步减少误差，能够使概略机械点坐标的测位精度提高。
此外，在第1实施例中，基于概略机械点坐标的测位结果，将概略旋转角和相对水平角建立对应关系。因此，无需另外设置方位计等，能够自动计算相对于固定站坐标系为水平0°方向的概略方位角。
此外，在第1实施例中，在取得多个三维点群数据的各地点分别计算概略机械点坐标和概略方位角，将计算的概略机械点坐标和概略方位角作为初始值，通过ICP算法自动进行多个三维点群数据的登记。
因此，进行登记时，无需作业者手动配合三维点群数据的方向等，此外，无需向建筑物内部粘设目标片，所以能够实现作业时间的缩短、作业效率的提高。
进而，在第1实施例中，基于前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26和前述移动站19的距离，计算概略机械点坐标，基于概略机械点坐标计算概略方位角，基于概略机械点坐标和概略方位角进行登记。
因此，在隧道内等基于GNSS装置的测位无法进行的场所，也能够进行多个三维点群数据的登记。
另外，在第1实施例中，将把整周的各测位结果的X坐标和Y坐标分别平均的平均值作为概略机械点坐标。另一方面，前述轴心7a和前述天线18的水平距离是已知的，所以也可以使以该水平距离作为半径的圆配合整周的各测位结果的轨迹，以配合的圆的中心作为概略机械点坐标计算。
此外，在第1实施例中，使用三个固定站24~26进行前述移动站19的测位，但固定站也可以是4个以上。例如，使用4个固定站的情况下，分别求出各固定站和前述移动站19的距离，计算以各固定站为中心将与前述移动站19的距离作为半径的4个圆，将4个圆的交点作为前述移动站19的设置位置计算。固定站为5个以上的情况也相同。
接着，在图6、图7中，对本发明的第2实施例进行说明。另外，在图6、图7中，对与图2中相同的部件标注相同的附图标记，省略其说明。此外，在第2实施例中，设置面也平坦，与激光扫描器1的设置位置无关，机械点的高度不变化。
在第1实施例中，第1固定站24、第2固定站25、第3固定站26分别设置于已知的点，但在第2实施例中，前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26分别设置于未知的点。
前述第1固定站24求出与前述第2固定站25及前述第3固定站26的距离，前述第2固定站25求出与前述第1固定站24及前述第3固定站26的距离，前述第3固定站26求出与前述第1固定站24及前述第2固定站25的距离。
例如，图6表示前述第1固定站24和前述第2固定站25的距离为10m，前述第1固定站24和前述第3固定站26的距离为10m，前述第2固定站25和前述第3固定站26的距离为14.14m的情况。
进而，图6表示以在各固定站24~26形成的坐标系(固定站坐标系)中前述第1固定站24位于原点(0m，0m)位置、前述第3固定站26位于正侧的Y轴上(0m，10m)的方式设定固定站坐标系的情况。
上述的设定的情况下，前述第2固定站25位于以前述第1固定站24为中心的半径10m的圆D、以前述第3固定站26为中心的半径14.14m的圆E交叉的两点(候补位置25a、25b)的某一个。即，前述第2固定站25位于关于Y轴(连结前述第1固定站24和前述第3固定站26的直线)对称的X轴上的两点的某一个。
但是，计算控制部21不能判断正侧的X轴上和负侧的X轴上的两个第2固定站25的前述候补位置25a、25b中的哪个是正确的配置。
如图7所示，该状态下在任意的位置设置移动站19的情况下，作为该移动站19的位置的候补，在正侧和负侧存在关于Y轴对称的两点(候补位置19a，19b)。关于前述移动站19，前述计算控制部21也不能判断位于正侧的前述移动站19(前述候补位置19a)和位于负侧的前述移动站19(前述候补位置19b)中的哪个是正确的配置。
在第2实施例中，在前述移动站19和前述第2固定站25的位置不明的状态下，使托架部6(参照图1)以轴心7a(参照图1)为中心水平旋转360°且以每个既定角度进行前述移动站19的测位。
由前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26所得到的前述移动站19的轨迹27由于前述第2固定站25位于正侧或位于负侧而旋转方向相反(图7中27a、27b)。例如，位于前述候补位置19a的前述移动站19中顺时针旋转地得到轨迹27a，在位于前述候补位置19b的前述移动站19中逆时针旋转地得到轨迹27b。
前述计算控制部21比较前述托架部6的旋转方向、前述轨迹27a、27b的旋转方向，能够将与前述托架部6的旋转方向一致的旋转方向的轨迹判断为正确的前述轨迹27。例如，前述计算控制部21在前述托架部6顺时针旋转的情况下，能够判断成前述轨迹27a为正确的轨迹。
前述轨迹27a被判断成正确的轨迹，由此，前述计算控制部21能够判断成图7中前述候补位置19a和前述候补位置25a是前述移动站19和前述第2固定站25的正确的配置。因此，前述第2固定站25的配置被特定，能够特定固定站坐标系的前述移动站19的位置(坐标)。
特定前述移动站19、前述第2固定站25的位置后通过与第1实施例相同的处理，计算前述激光扫描器1的概略机械点坐标和概略方位角。即，作为ICP算法初始值输入概略机械点坐标和概略方位角，自动执行多个三维点群数据的登记。
在第2实施例中，能够在不将前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26设为已知点的情况下，计算前述激光扫描器1的概略机械点坐标、概略方位角。
因此，前述移动站19、前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26的设置位置可以全部为任意的，所以无需事前取得设置点的坐标，也更不需要使前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26与设置点对位，能够使作业性进一步提高。
另外，在第2实施例中，将前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26全部设置成坐标不明的未知点。但是，也可以将前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26的一部分设置成已知点，将余下的固定站的位置通过第2实施例的方法特定。
此外，在第2实施例中，使用三个固定站24~26进行前述移动站19的测位，但固定站也可以是4个以上。设置四个固定站的情况下，也设定两个固定站的固定站坐标系的位置。接着，把以设定位置的固定站为中心、将距其他两个固定站的距离作为半径的两个圆针对设定位置的每个固定站计算。即，每两个地计算以设定位置的固定站为中心的圆。
上述情况下，以距相同的固定站的距离为半径的圆彼此的交点分别存在两个，所以其他两个固定站的候补位置为4点。但是，固定站坐标系的其他两个固定站间的距离、测定的其他两个固定站间的距离一致的组合仅有两组。因此，候补位置的组合在三个固定站的情况下也同样地为两组。在固定站为5个以上的情况下也相同。
接着，在图8中，对本发明的第3实施例进行说明。另外，在图8中，对与图2中相同的部件标注相同的附图标记而省略其说明。此外，在第3实施例中，设置面也平坦，与激光扫描器1的设置位置无关，机械点的高度不变化。
在三维点群数据彼此的登记中，需要使前述激光扫描器1的设置位置移动的同时在多个地点取得三维点群数据。在使用UWB的测位中，为了高精度地进行移动站19的测位，希望前述移动站19位于由三个固定站24、25、26形成的三角形内。
但是，使前述激光扫描器1移动时，有前述移动站19配置于前述三角形之外的情况。该情况下，为了维持该移动站19的测位精度，需要以前述移动站19位于前述三角形内的方式重新配置第1固定站24、第2固定站25、第3固定站26。
图8表示从图2所示的第1实施例的配置使前述第1固定站24和前述移动站19移动的状态。即，图8表示使前述第1固定站24从第1位置24α向第2位置24β移动、使前述移动站19从第1位置19α向第2位置19β移动的状态。
在使前述第1固定站24向已知的点(前述第2位置24β)移动的情况下，使前述移动站19向由前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26形成的三角形内的任意的位置(前述第2位置19β)移动。关于该移动站19，通过与第1实施例相同的处理，能够计算概略机械点坐标和概略方位角。
此外，在使前述第1固定站24向未知的点移动的情况下，通过与第2实施例相同的处理，将位于前述第2位置24β的前述第1固定站24的位置特定，计算位于前述第2位置19β的前述移动站19的概略机械点坐标和概略方位角。
这里计算的概略机械点坐标和概略方位角都是固定站坐标系中的概略机械点坐标和概略方位角。因此，在前述第1位置19α和前述第2位置19β所得到的前述移动站19的概略机械点坐标和概略方位角为同一坐标系中的值，使用能够切实地自动地进行三维点群数据彼此的登记。
接着，在图9中，对本发明的第4的实施例进行说明。
图9表示固定站装置31。另外，使用第1固定站24的固定站装置、使用第2固定站25的固定站装置、使用第3固定站26的固定站装置分别为相同的结构，所以以下对使用前述第1固定站24的前述固定站装置31进行说明。
该固定站装置31为天线32、连接于该天线32的前述第1固定站24、相对于前述天线32设置于已知的位置的目标33、具有相对于磁铁等金属制的构造物能够装卸的结构的固定部34被一体化的构造。
在第4的实施例中，前述固定站装置31具有前述目标33，由此，激光扫描器1或全站仪等其他测量装置的前述固定站装置31的测定成为可能。因此，借助测量装置对前述第1固定站24给予坐标成为可能，该第1固定站24的坐标取得变得容易，所以能够使作业效率提高。
另外，作为前述目标33，能够应用具有回归反射性的物体、例如360°棱镜、单元件棱镜（１素子プリズム）、反射片、检查目标（チェッカーターゲット）、球（スフィア）等。
此外，希望构成为将前述固定部34作为电磁铁而通过开关的接通/切断的切换来相对于构造物装卸。此外，前述固定部34也可以构成为相对于基盘部等测量装置能够装卸。
此外，前述目标33也可以由设置有前述移动站19的前述激光扫描器1测定，也可以另外设置全站仪、激光扫描器等测量装置，借助该测量装置测定前述目标33。
进而，通过测定该目标33，能够测定前述第1固定站24的三维坐标，即也能够测定高度，所以在进行测位的设置面不平坦的情况下也能够应用。
接着，在图10中，对本发明的第5的实施例进行说明。另外，在图10中，对与图1中相同的部件标注相同的附图标记而省略其说明。
在第5的实施例中，在扫描器主体3另外设置气压传感器35。该气压传感器35构成为能够以10cm单位测定高度。关于其他结构，与第1实施例的激光扫描器1相同。此外，虽未图示，但在第1固定站24、第2固定站25、第3固定站26的至少一个设置有气压传感器。
在第1实施例~第3实施例中，对前述激光扫描器1的设置面平坦而机械点的高度不变化的情况的测位进行说明。例如，进行建筑物的同一层内取得的三维点群数据的登记的情况下，基本上设置面平坦，所以能够原样应用第1实施例~第3实施例。
另一方面，也有将台阶部分那样的难以将前述移动站19与前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26全部设置于平坦且相同的设置面的情况。该情况下，除了设置于平坦面的前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26，另外设置在不同的高度的设置面设置的固定站。由此，能够求出前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26的高度(Z坐标)。
但是，为了高精度地求出高度，以前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26和另外设置的固定站之间没有遮挡物为条件。进而，为了高精度地求出高度，需要使前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26的高度与另外设置的固定站的高度的差较大，难以实施。
在第5的实施例中，计算控制部21基于由前述气压传感器35检测的气压、由设置于前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26的至少一个的气压传感器检测的气压的差，能够计算前述移动站19相对于固定站的相对的高度。即，能够计算前述移动站19相对于固定站的相对Z坐标，能够在测位时作为Z坐标使用。
因此，即使在设置面不平坦而前述移动站19未与前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26设置于同一平面上的情况下，也能够进行前述移动站的测位。
另外，气压传感器也可以分别设置于前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26。通过分别设置气压传感器，能够对于前述第1固定站24、前述第2固定站25、前述第3固定站26分别给予Z坐标，能够使前述移动站的测位精度提高。

Claims (18)

1.一种激光扫描系统，前述激光扫描系统具有激光扫描器和至少三个固定站，前述激光扫描器具有移动站，取得三维点群数据，其特征在于，
前述激光扫描器具备移动站、水平角检测部、计算控制部，
前述移动站被从该激光扫描器的水平旋转轴心上的机械点向已知的位置偏移，
前述水平角检测部检测前述激光扫描器的相对水平角，
前述计算控制部控制前述激光扫描器的水平旋转，
前述固定站向前述移动站发送脉冲，接收来自该移动站的脉冲，由此能够测定与该移动站的距离，
前述计算控制部计算由各前述固定站形成的二维的固定站坐标系，使前述激光扫描器以前述机械点为中心水平旋转360°，且以每个既定角度计算以各前述固定站为中心、以该各固定站和前述移动站的距离为半径的至少三个圆的交点的坐标作为前述移动站的测位结果，将对应于360°的各测位结果平均，计算前述固定站坐标系的概略机械点坐标。
2.根据权利要求1的激光扫描系统，其特征在于，
前述计算控制部基于前述移动站的测位结果，将连结前述机械点和前述移动站的直线与前述固定站坐标系的基准轴所成的概略旋转角、由前述水平角检测部检测的前述相对水平角建立对应关系，计算前述概略旋转角为0°时的前述相对水平角作为概略方位角。
3.根据权利要求2的激光扫描系统，其特征在于，
前述计算控制部将计算的前述概略机械点坐标和前述概略方位角作为初始值，使由前述激光扫描器取得的多个三维点群数据结合。
4.根据权利要求3的激光扫描系统，其特征在于，
各前述固定站具有已知的三维坐标。
5.根据权利要求3的激光扫描系统，其特征在于，
前述固定站能够测定与其他固定站的距离，前述计算控制部设定前述固定站中的两个的前述固定站坐标系中的位置，基于以两个前述固定站为中心、以与余下的固定站的距离为半径的至少两个圆交叉的至少两点计算前述余下的固定站的两个候补位置，在各候补位置分别取得前述移动站的测位结果的轨迹，将具有以与托架部的旋转方向一致的旋转方向取得的轨迹的前述候补位置确定为前述余下的固定站的设置位置。
6.根据权利要求4的激光扫描系统，其特征在于，
在前述概略机械点坐标和前述概略方位角的计算后，使前述固定站中的一个与前述移动站移动，前述计算控制部再次计算概略机械点坐标和前述概略方位角。
7.根据权利要求4的激光扫描系统，其特征在于，
在前述移动站和至少一个前述固定站分别设置气压传感器，前述计算控制部基于各前述气压传感器的检测结果计算前述移动站相对于前述固定站的相对的高度，基于计算的高度计算三维的概略机械点坐标。
8.根据权利要求1的激光扫描系统，其特征在于，
各前述固定站分别设置于固定站装置，该固定站装置具备能够借助前述激光扫描器测定三维坐标的目标。
9.根据权利要求5的激光扫描系统，其特征在于，
在前述概略机械点坐标和前述概略方位角的计算后，使前述固定站中的一个与前述移动站移动，前述计算控制部再次计算概略机械点坐标和前述概略方位角。
10.根据权利要求5的激光扫描系统，其特征在于，
在前述移动站和至少一个前述固定站分别设置气压传感器，前述计算控制部基于各前述气压传感器的检测结果计算前述移动站相对于前述固定站的相对的高度，基于计算的高度计算三维的概略机械点坐标。
11.根据权利要求6的激光扫描系统，其特征在于，
在前述移动站和至少一个前述固定站分别设置气压传感器，前述计算控制部基于各前述气压传感器的检测结果计算前述移动站相对于前述固定站的相对的高度，基于计算的高度计算三维的概略机械点坐标。
12.根据权利要求9的激光扫描系统，其特征在于，
在前述移动站和至少一个前述固定站分别设置气压传感器，前述计算控制部基于各前述气压传感器的检测结果计算前述移动站相对于前述固定站的相对的高度，基于计算的高度计算三维的概略机械点坐标。
13.根据权利要求2的激光扫描系统，其特征在于，
各前述固定站被分别设置于固定站装置，该固定站装置具备能够借助前述激光扫描器测定三维坐标的目标。
14.根据权利要求3的激光扫描系统，其特征在于，
各前述固定站被分别设置于固定站装置，该固定站装置具备能够借助前述激光扫描器测定三维坐标的目标。
15.根据权利要求4的激光扫描系统，其特征在于，
各前述固定站被分别设置于固定站装置，该固定站装置具备能够借助前述激光扫描器测定三维坐标的目标。
16.根据权利要求5的激光扫描系统，其特征在于，
各前述固定站被分别设置于固定站装置，该固定站装置具备能够借助前述激光扫描器测定三维坐标的目标。
17.根据权利要求6的激光扫描系统，其特征在于，
各前述固定站被分别设置于固定站装置，该固定站装置具备能够借助前述激光扫描器测定三维坐标的目标。
18.根据权利要求7的激光扫描系统，其特征在于，
各前述固定站被分别设置于固定站装置，该固定站装置具备能够借助前述激光扫描器测定三维坐标的目标。
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