JP2007506109A - 携帯型測定装置の空間位置の決定方法とシステム - Google Patents

Abstract

【課題】測定装置（４ｂ）の実際の位置及び／又は実際の方位に関する。
【解決手段】レーザー光線で走査される空間セグメント（５’）上の少なくとも二つの参照ポイント（２ｂ’）がその間の距離と、傾斜角に関して検出され測定される。測定装置（４ｂ）の実際の位置は、検出可能で距離と傾斜角とに関連付けて設けられた前記参照ポイント（２ｂ’）の既知の位置より算出することができる。参照ポイントの検出、監視、測定は測定装置（４ｂ）によって自動的に行われる。前記測定装置（４ｂ）と参照ポイント（２ｂ’）と関連して特に統合された構成部材とは、局所位置決め及び／又は方位測定システムを構成する。本発明に係る方法と対応する装置は、他の測定システムでは接近できない領域においてさえも、測定が問題なく自動的に実行されることを可能にする。
【選択図】図４

Description

本発明は、請求項１記載の携帯型測定装置の空間位置の決定方法と、その位置決め誤差への本方法の使用と、請求項１４記載の慣性センサに基づく方位測定装置と、請求項１５の序文記載の携帯型測定装置と、請求項２７記載の局所的位置測定システムと、請求項２９記載の前記方法の使用とに関する。

多数の測地分野において、測地用装置の位置及び／又は方位測定のための方法とシステムが用いられている。かかるシステムにより測定された位置から、前記位置とリンクし、その測定装置の空間的な方位も知っておく必要のある複数の測定が通常は更に続けて実行される。これらの分野にとって、空間の絶対位置を明確に立証するために、前記携帯型測定装置の6度の自由度が測定されなければならない。従って、問題は、２つの独立して達成される基礎的な課題としての前記位置と方位の測定からなり、しかしこれらは、多数の応用分野に連関して実行される必要がある。従って、通常は携帯型測定装置の位置と方位の両方が必要である。

位置測定システムの例としてグローバル位置システムがあり、例えば現在設立されているものでは、ＧＰＳ，ＧＬＯＮＡＳＳ，又は欧州のガリレオシステム等がある。これらのシステムにおいては、衛星信号を可能な限り妨害されないようにして受信することに基づいている。しかし、障害物によって妨害されるおそれがあり、従って用途が限定される。前記障害物の直近では、信号の受信はこの障害物の影響によって制限され、又は全く受信できなくなるおそれがあり、その場合には、このシステムは利用できない。特に建物の室内において、これらの制限があり、位置決めのために要求される複数の衛星からの信号の受信は、不可能となる。別の問題としては、前記グローバル位置システムは位置測定に必要な精度を常時提供する訳ではないことであって、例えば参照ステーションを使用したり、より長時間測定する等の追加の努力が必要となる。

前記システムを使用した測定装置の方位の測定は、例えば二台の受信アンテナを使用することで可能である。もし前記装置の軸に対するアンテナの基線の位置が既知であれば、測定装置の向きを決定することができる。それでもまだ未測定の前記装置の軸回りの回転を決定するために、傾斜センサを利用することができる。

別の例としては、経緯儀又はタキメーターを用いた反射器軸受け装置がある。前記タキメーターを用いた測量装置までの方向と距離の測定によって、もしタキメーターの位置が既知であれば、前記装置の位置も決定することができる。自動目標物検出と目標物追跡の組み合わせによって、準連続位置測定ができる。この測定の準備段階として、前記二つの構成部品間にビジュアルリンクを張る。例えばこのリンクが延びたり、視野内の建物によって切断された場合には、位置測定は失敗する。さらに、一度にただ一台の装置のみがモーター付きタキメーターによって追跡可能であるため、例えば建物のある場所に多数の車両があった場合には、多数のタキメータ−が必要になる。多数のタキメーターを使用して可視領域内で切れ目無しに測量すべき全領域を実質的にカバーすることは、装置コストと人件費とを考慮すると、一般的に非実用的である。さらに、このような解決策は、複雑なシステムを要し、測定プロセス制御のために常時のコミュニケーションを要求する。

すべての条件下で必要な精度で現在の装置の位置としての実際の位置を得るために、参照対象物又は参照ポイントとしての位置が判っている対象物に対するその装置自身の位置の測定に基づく方法が知られている。この方法の例としては、古典的な三角測量法がある。もしこの目的に適した測量装置又は位置決め装置の実際の位置を参照ポイントの情報から導出することを目的とするのであれば、参照ポイントは予め設定され、十分な精度で測量されていなければならない。

実際の位置の測定が、参照ポイントの測定によって連続的に行われ、そこから装置本体の位置又は実際の位置について決定することができる。多くの場合、測量装置は距離を測定する能力のみ有しているか、又は角度測定においては、要求される周期又は速度を達成することができない。これらの場合において、前記位置測定は、距離測定装置単体で行う必要がある。このため、多数の位置が既知のポイントまでの距離が測定されて、実際の位置の測定が、既知の例えば写真測量法によって可能となる。相関法又は相関計算がこの一つの例である。要求されるポイントの数は、位置自身の数と、意図する測定精度とに依存する。しかし一般的に、特に好ましい構成である場合を別にして、少なくとも３から４点は必要である。角度をさらに考慮に入れると、例えば、水平面に対する角度を更に検出することによって、ポイントの数は2まで減少することができる。

各場合において実際に必要であるポイントの数は、既知のポイントの数とあいまいさを減少させる限定条件とに依存する。各参照ポイントに対する三点距離測定の場合、測定すべき実際の位置が反射される平面が、既知の三位置で定義される。二つの取り得る位置が解として生成されるが、しかし、一つの位置が一般的に当然の理由、例えばその位置が地表より下にくる、又は追加の情報、例えば単純な磁気コンパスでわかる北と南の区別などによって除外される。もし好ましい幾何学条件を満たしていれば、三つの既知のポイントによって明確な測定が可能である。例えば、調査対象の位置が、二つの既知のポイントを接続した線上にある場合である。

位置から離れて、原理的には、構造の空間的方位もまた測地装置を用いてその構造の二点から三点を測定することによって、測定することができる。但し、二点のみの測定では五度の自由度しか測定することはできない。しかし、携帯型装置の空間的寸法のせいで、このような測定は実用的では無い。

実際の位置を測定するための基礎的に既知の可能性にもかかわらず、先行技術の測地装置を用いた手順は、常時測定の中断を要求するその測定装置のせいで、さらに手におえないほど複雑である。特に、連続移動を連続的に測定することは不可能であり、他のタイプの位置決めシステムの誤差補正のために本原理に従って実際の位置の測定に使用することさえ不可能である。

米国特許Ｎｏ．５、４６７、２７３には、広い平面上を移動して、既知の反射ポイントを参照することによって位置と方位をするためのロボットシステムが開示されている。このために、ロボット・システムは、縦軸回りに可動で、参照ポイントまでの距離と角度を測定するテレメーターを備えたスキャナシステムを使用し、そこから実際の位置を決定する。

しかしながら平面上の動作の制限により、位置と向きの決定はここでそれほど複雑でなく、また直接三次元の問題に適用することはできない。そのうえ、このタイプのロボット・システムを制御するために必要な精度は測地学の応用分野の精度よりかなり低い。

測定に要求される参照ポイントの数と所定の精度とが特に関連する。その数は特に初期セットアップや前記ポイントの測量時にはなるべく少なくすべきである。必要とする参照ポイント数を最小にするために、セットアップの幾何学的配置と測定すべき変数の慎重な選択が要求される。

本発明の目的は、高度に横断した地形や部屋の内部であっても、携帯型測定装置の実際の位置と向きとを測定する方法と、装置と、システムとを提供することである。

もう一つの本発明の目的は、必要な測定間の期間を短縮することである。

もう一つの本発明の目的は、空間的位置を測定するために必要なエレクトロニクスが所定位置にある装置に伴って連続移動し、従ってその設計が実質的にユーザーの数から独立した、局所的な位置決めと方位決めシステムを提供することである。

実際の位置と実際の方位の測定精度の向上が、もう一つの本発明の目的である。

もう一つの本発明の目的は、実際の位置と方位を測定するための装置を簡略化し、小型化することである。

もう一つの本発明の目的は、参照ポイントの自動識別と自動測量を可能とすることである。

もう一つの本発明の目的は、定義した開始と終了ポイント間の処理ポイントの自動測定と自動照合を可能とすることである。

もう一つの本発明の目的は、他の動作原理に基づいた位置決めと方位決めシステムの測定の、好ましくはバックグラウンドで行われる連続的な補正を可能にする方法又は携帯型測定装置又は位置決めと方位決めシステムを提供することである。

これらの目的は、本発明の請求項１、１４、１５、２７、２９に記載の特徴によってそれぞれ、又は従属請求項記載の特徴によって達成される。

本発明は、測地装置の使用に関連した実際の位置の測定方法及び位置決め装置又はシステムに関する。

この目的のために、前記方法の第一ステップにおいて、検出可能な多数の参照ポイントが設定され、測量される。この多数の参照ポイントは、少なくとも２以上の参照ポイントが使用される領域における各ポイントから検出可能なように選択される。前記参照ポイントのポイントの測量は、測量技術分野で一般的に知られた方法、例えばトータルポジショニングシステム又はグローバルポジショニングシステム又は空中写真測量法で行われる。もし参照ポイントが閉じた部屋にある場合でも、例えば、多数の既知の位置からの記録された同一参照ポイントまでの距離や他の情報、例えば角度測定等を用いた、携帯型テレメーターによって測量可能である。原理的に、既に測定済みの三角法のポイントも参照ポイントとして選択可能である。しかし本発明によれば、前記参照ポイントは、位置決めデバイスの設置された場所である特定の開始ポイントに対しても測量可能である。

参照ポイントを検出可能とするために、参照ポイントは、特別に設計された構成部材によって定義される。例えば三角プリズム、反射フォイルや他の測量分野で慣習的な反射部材といった協働する目標物をこの目的に使用することができる。球状の構成部材を使用することで、参照ポイントの正確な測定及び種々の方向からの良好な検出性能を得ることができる。前記構成部材は、例えば球又は半球又は４分の１球の反射面で構わない。その形状と表面反射率によって、入射レーザー光線は、すべての入射方向に対し、等しく後方へ反射される。半径が固定されているので、定義ポイントまでの距離は正確に算出できる。さらに、球状部材の球表面の反射の重心によって、参照ポイントの位置もまた、角度測定のために十分な制度を持って、決定することができる。

例えば大きな建設現場の区域における比較的長時間の使用に関連して、多数の参照ポイントを設定することで、ほとんどの領域から目視可能であり、この局所位置決めシステムの基礎がある既知の位置のネットワークを定義することができ、また相対的に長期間使用することのメリットとして、大いに骨を折れば、これを測定することもできる。

本発明に係る位置決め装置は、少なくとも一つのレーザー光源を有する。出射とそれに続く表面での反射の後に、このレーザー光線は再び受光部によって検出され、評価され、位相測定又はパルス走行時間測定に基づいて距離測定が実行される。このような装置は、例えばEP０、７３８、８９９B1に開示されている。本発明で使用することのできる距離測定のもう一つの原理は、WO２００４／０７４７７３に記載されている。

前記レーザー光線は、走査時に少なくとも一つの空間セグメントを越えてガイドされる。 その空間セグメントと、検出された空間セグメントの多数の参照ポイントと方位は、距離測定の目的のために、少なくとも二つの参照ポイントが一つの空間セグメントに位置するか、又は、一つの参照ポイントが二つの空間セグメントの一つに位置するように互いに合わせる必要がある。具体的に選択された実施例に依存して、異なる走査が空間セグメントとして選択可能である。従って、スキャナーの制御部材として例えば逆回転プリズムを使用した場合には、円形に走査又は検出された空間セグメントのバラ飾り模様の走査が可能となる。

もし空間セグメントが領域を通過し空間セグメントに進入または存在する参照ポイントが検出され、同定され、測量された場合、前記参照ポイントは原理的に検出可能である。さらに、複数の空間セグメントの独立した走査のための構成部材の使用によって、一以上の参照ポイントを追跡することが可能である。これは、空間セグメントが常に参照ポイントに位置合わせされ、連続した参照ポイントの同定が検証無しで、又は検証に制限されることなく可能であることを意味する。

前記参照ポイントは、その反射率に基づいてバックグラウンドと識別することが可能であり、その位置は、単に反射光線の強度変化から測定することができる。出射方向と最大強度とをリンクさせることで、位置情報としての参照ポイントまでの距離と方向の両方を導出することが可能である。

しかし、都合の良いことに、画像記録や画像処理法を使用することもできる。この場合、距離とリンクした画像が付加的に位置決め装置によって記録される。これらは、検出された視野域の完全な画像で構成しても、例えば参照ポイントが局在した画像の部分や断面であっても良く、位置情報は画像内の位置から導出される。CCDやCMOSカメラと共に、好適な光学部材で補完された広角内視鏡形状にも、装置内に小型形状にも集積することができる多数の好適なセンサを、画像の記録のために利用することができる。前記測定距離は、例えば二つの識別された参照ポイント間の画素の数に基づいて導出される角度からなる位置情報で調整される。

前記距離又は各角度と関連付けられた距離から、測定装置の参照軸に対する光線の放射軸のデータを用いて、実際の空間位置と方位とを得ることができる。この情報を導出するために、写真測量法と画像処理法いう一般的に知られた方法を使用することができる。画像と距離情報の関連性は、個々のポイントの連続的な測量において多数のメリットを有する。検出は、画像装置の配置と同時又はそれから短時間内に行われるので、調整の問題は回避される。さらに、空間配置検出又は連続測定が、実際の位置や方位の連続測定に使用可能な追加の情報を提供する。

平面内の位置を測定する既知の方法と比較して、数学的により複雑な詳細が三次元問題の場合に発生する。

二次元の場合において、回転位置は単独の角度で記載され、対応する角度グループＳＯ（２）は、交換可能であり、（グループ操作としての複雑な乗法で）単位円Ｓ¹と同形である。

三次元の場合、回転位置は非交換性の三次元ＬｉｅグループＳＯ（３）にあるポイントで記載され、特に三次元単位球Ｓ³と位相同形でない三次元マニホールドとして実質的により複雑なトポロジーを有する。

参照ポイントの識別と、位置決め装置によって記録された位置情報の特定の参照ポイントとの関連付けは、種々の方法で実行できる。最初に、他の参照ポイントをさらに参照すること無く検出された参照ポイントを一義的に特定することができるように参照ポイントを定義する構成要素は識別可能にすることができる。このために、例えばバーコードのように記録された画像で検出して、評価することができるコードを付けるか、または特に、構成部材の物理的性質を設計することが可能である。物理的性質のそのような設計例としては、反射球上の回折構造の重ね合わせがある。しかしまた、そのスペクトル反射率で一義的に設計することが可能である。もしそのような方法で設計された構成部材が二波長レーザー光線によって検出される場合、構成部材の識別は典型的な反射強度に基づいて行うことができる。

しかしながら、さらに、部材相互の配置をも考慮に入れることによって、正に個別に設計しない構成部材を使用する可能性を提供する画像処理方法である。すべてのの空間的な位置が既知であるので、個々のポイントの識別を可能にするために、検出された画像から得られる互いに対する参照ポイントの位置を利用することができる。このために、少しの参照ポイントと互いに対する位置関係とから明確に位置との協調ができるなら、メリットがある。良好な識別を確保するために、少しの部分的に検出されたものしかなかった場合であっても、参照ポイントは推計学的に分配されるか、又は例えば数学のM系列などのように特有の配列形状に置き換えられることが可能である。

空間セグメントで検出された参照ポイントの識別のために、例えば既知の開始位置からの変化を登録する慣性のセンサなどのような位置測定のためのさらなる構成部材が測定装置として使用される場合に、この情報も任意に方位又は傾斜測定と共に使用することができる。

もし少ない数の基準点だけが使用されているか、限られた領域だけにそれらを設定するか、又は取り付けることが可能であるか、又は好都合であるなら、参照ポイントの自動検出のための粗い検索を使用することができて、その検索は測定装置の位置あわせをユーザーに提案し、又は空間セグメントの検出に適した測定装置の構成部材を位置あわせして、ユーザとの通信は全く必要でないようにする。

前記測定装置の位置測定に加えて、位置あわせや方位測定を実行することが可能なように、参照ポイントの測定と前記装置の明確な軸と間でリンクを作る必要がある。この観点から、ベクトル量形式における参照ポイントへの方向もまた、前記測定装置に加えて必要である。前記ベクトル量は、例えば位置測定に用いられる傾斜測定から導出することが可能である。

しかし代替的に、または追加的に、走査システムの構成部材の位置も測定可能であり、従って参照ポイントの検出と測量において、前記装置の軸に対する測定光線の方向は既知である。このために必要な量は、一つのパラメータにまで減らすことができる。例えば、走査が既知であれば、その時の出射又は入射方向は
測定時間から決定できるように、時間の関数として構成することができる。従って、位置と方位の測定としての空間的な位置の測定は原則として追加の、装置内部の量の測定だけを要求する。

本発明に係る測定装置は、一般的な測地用装置又はその統合化した装置として使用可能な測定用機能を更に備えることができる。例えば、更にレーザーテレメータや本発明においては既に存する距離測定機能を集積することで、建築部門で測量に利用可能なように携帯型測定装置を設計することができる。そのような実施例によって、測定ごとの別個の位置測定や位置情報の保存を必要とせず、建物における距離の測定を可能にする。測定された方向に関連した距離は、自動的に測定時に推量される距離を用いてベクトル量に変換され、それから保存され、又は転送される。更に、追加の測定も同時に実行することができる。

前記実施例はまた、参照ポイントの初期設定と測量を実行するために使用することができる。このため、少なくとも使用され又は測量される領域の部分領域から見ることができ、適切な構成部材によって検出可能な位置に参照ポイントは設定される。以下において、参照ポイントの位置は、既知の初期位置から角度と距離を記録することによって測量される。もし角度測定機能が利用できない場合、それに代えて純粋に複数の既知の位置からの距離測定を参照ポイントの位置を導出するために利用することもできる。

本発明に係るもう一つの使用は、異なった方法で作動する位置決めと方位の計測システムの組み合わせから成る。このもう一つのシステムにはサポート機能があっても、又はそれ自身によって支持されても構わない。例えば回転や直線加速度を測定する慣性センサには、測定した実際の位置の真の位置からのずれに通じるドリフトが頻繁に生じる。本発明に係る位置決めシステムは、本発明に係る実際の位置の測定ごとに一定の時間間隔でずれを補正する適切な補正機能を提供する。一方で、本発明に係る実行ステップ間の期間は、慣性センサによる位置測定で支持することができる。その上、参照ポイント検出の一時的な損失は、さらなる位置決めシステムで埋めることができるので、参照ポイントの数が減らすことができ、及び／又は測定可能な領域を簡単に拡張することができる。従って、ハイブリッド形式で設計された前記位置決め装置も、参照ポイントへのビジュアルリンクの短期の損失を補償することが可能であり、使用する領域は一般的にサイズを増加し、前記装置はその使用に関しより堅牢に作ることができる。同様の考え方が方位測定装置に関し適用可能である。

その構成部材や小さな光線の断面積と同様に測量装置の寸法に基づいて、高精度で安定した位置決めをすることが重要である。有利なことに、光源と、光源ガイドと、制御及び評価のすべての構成部材は、共通の基板に設けることができる。設置要件と設置に必要な要件に関して特に安定し、かつ構成部材やトータルシステムの形態の光学的構造要素や部分は、ＤＥ１９５３３４２６Ａ１やＥＰ１１２７２８７Ｂ１に記載されている。ＷＯ９９／２６７５４と出願時には未公開であった欧州特許出願Ｎｏ．０２０２６６４８には、小型化された構造の部品を半田によって基板に固定する好適な方法が記載されている。特に光学部材の高精度調整に関し、支持基板上への小型構造化された部品の固定に関する好適な方法が、例えば出願時には未公開であった欧州特許出願番号０２０２６６５０に記載されている。

本明細書において、用語「位置決め装置」、「方位測定装置」又は「携帯型測定装置」とは、常に一般的に測定装置または測量や例えば配管工事スタッフの機械ガイド、建設機械の位置や方向の測定等に関連して用いられる装置を意味するものとして理解するものとする。全体的に、本発明は空間的参照を有するデータの測定や照合のための位置及び／又は方位の測定のための方法と装置に関する。特に、測量装置はここでは携帯型テレメーターとセオドライトと電子角度測定を備えたタキメーターとしてのいわゆるトータルステーションと電子光学的テレメーターとの意味で理解されるものとする。同様に、本発明は同様な機能を有する専門的な装置、例えば軍事目標のサークル又は工業的な構造やプロセスや機械の位置決めや、ガイドにおける使用に好適である。

本発明に係る方法と本発明に係る携帯型測定装置又は本発明に係る局所的位置決めと方位測定システムは、以下に概略を示す図面に現された実施例を用いてより詳細に記載される。

図１に本発明に係る建設機械の位置合わせのための第一ステップを一例として示す。測地測量器としてのトータルステーション１によって、建設現場の隣接する建物に設けられた参照ポイント２ａが測量され、それらの空間位置が測定される。参照ポイント２ａを高架位置に設定することで、前記建設現場の大部分から見通し良く、見つけられやすくなる。トータルステーション１の位置は、本方法の初期位置として既知である。原理的に、参照ポイント２ａの位置測定は、しかしまた、他の装置や方法によっても成立する。特に、参照ポイントの位置測定は、既知の初期位置に本発明に係る位置決め装置を置くことによって、本発明に係る方法によって実行可能である。もし何処であれ置かれた位置がわかれば、参照ポイントは検出可能であり、本発明の方法において用いることができる。

図２に、例として概略的に、建設機械３の位置合わせのための本発明に係る方法の第二と第三ステップを示す。一般的に角度と距離を測定して、少なくとも２つの参照ポイント２ａ’を有する、空間セグメント５を検出する位置決め装置４ａが、建設機械３上に設けられている。もし空間セグメント５が２以下の参照ポイント２ａ’しか備えていなかった場合、検出された空間セグメント５のサイズ又は方位を変更することが必要となる。単に距離のみに基づく局所的な位置合わせシステムにとっては、しかし、少なくとも３つの参照ポイント２ａ’が空間セグメント５の中に存在することが検出されることと、それらの前記位置決め装置４ａまでの距離が測定されることとが必要である。実際の位置は、これら測定値から導出される。

本発明に係る他の現場における使用時の前記初期状況について、図３に建物の内部での使用例として示す。参照ポイント２ｂは、測量作業を始める前から部屋の壁に設けられており、これらの位置を測量する。これは、例えば傾斜計、方位計と共に、測定装置としての携帯型遠隔測定器を用いて実行することができる。この遠隔測定器によって、前記参照ポイント２ｂの位置が、斜度や方位や距離の測定によって既知の初期位置から連続的に導き出される。

図４に建物内部の部屋の位置測定のための本発明に係る方法のその後のステップを示す。本発明に係る測定装置４ｂは、少なくとも２つの参照ポイント２ｂ’が検出される空間セグメント5’を検出する。空間セグメント５’において検出され走査される２つの参照ポイント２ｂ’は、測定装置４ｂによって距離と傾斜角度に関し測量される。しかし、実際の位置及び／又は実際の方位を測定するために、変数の代替の値を用いることができる。例えば、図２に示す単なる距離測定に基づき、少なくとも３参照ポイントの距離を測量する方法である。測定装置４ｂの実際の位置は、参照ポイント２ｂ’の絶対位置を考慮して、位置情報としての距離と傾斜角から決定することがでる。以下の場合も同様に、図は単に概略図であって、図示された対象物の寸法関係は、一定の比例関係があるものとして取り扱ってはならない。

図５に位置情報の自動検出と導出における走査例を示す。前記空間セグメント５’は、レーザービームの走査６によって可能な限りしっかりと検出される。比較的大きな空間セグメントを走査するためには、一般に二軸回りの走査が有効である。本例においては、レーザービームは、円形断面で、空間セグメント５’越しにバラ飾り模様の走査６内を円錐状の検出領域にガイドされ、前記走査６に用いられる前記装置構成要素の位置が検出される。レーザービームが空間セグメント５’にある参照ポイント２ｂ’の一つに当ると、高強度の反射が発生し、例えば、フィルタ又はしきい値を有する反射の検出によって参照ポイント２ｂ’の検出に用いられる。走査６のパラメータとそのコースが時間の関数として既知であるから、もし走査６が空間セグメント５’の移動と比較して急速であった場合、互いの参照ポイント２b’間の位置は、時間の関数としての受光した反射光の位置から決定することが可能である。

図６（ａ）（ｂ）は、本発明に係る方法に適した走査を示す図である。図６（ａ）は、完全に検出された円形の低次のカバレージを備えた空間セグメントのもう一つのバラ飾り模様の走査6’を示す。しかし、本発明に拠れば、別な形状の走査６’’も使用可能である。例えば、例えば７画素からなるマトリックスと対応した長方形の空間セグメントがジグザグ走査６’’によって埋められることができる。もし既知の走査であれば、パラメーターとして、例えば時間、又は走査プロセスのすべての動作を駆動する共通の駆動モーターの軸の位置で構成することも可能である。

図７（ａ）（ｂ）は、位置情報の自動検出と導出における二つの空間セグメントを使用する実施例を示す。

第二の実施例において、測定装置４ｃは参照ポイント２ｂを追跡するために別々に形成された二つの追跡装置を有する。二台の追跡装置は、それぞれ独立に検出可能な参照ポイント２ｂ’が含まれる空間セグメント５’’を探索する。参照ポイント２b’の検出後、後者は継続して追跡され、従って空間セグメント５’’は、継続して再調整された参照ポイント２b’と協働する。図７（ａ）と７（ｂ）とに示される測定装置４ｃの位置が異なっているのにも関らず、同一の参照ポイント２ｂ’が常に検出されるので、参照ポイントの交換や新たな識別は不要である。

図８に、可動測定装置が位置情報と第一と第二参照ポイント２ｂ’とから実際の位置ＡＰを導出する可能性の数学的条件を示す。実際の位置ＡＰにある位置決め装置から、傾斜角αに係る第一距離Ａと、傾斜角βに係る第二距離Ｂとから、両参照ポイント２ｂ’までが測定される。これらの量を知れば、実際の距離ＡＰが、前記二つの参照ポイント２ｂ’を通る垂直面の反射を別にすれば、明確に導き出すことができる。代替的に、第二距離Ｂの代わりに、二つの参照ポイント間の角度γを測定するか、又は記録された画像から前記角度を導出することも可能でる。これらの値からも、同様に反射の影響を除けば、実際の位置を導き出すことができる。もし更に装置の軸と成す角度も判れば、測定装置の方位も測定することができる。

図９は、もう一つの位置又は方位測定装置と組み合わせた本発明に係る方法の使用を示す。参照ポイントへの測定を行う第一位置から初めて、前記測定装置は、軌道Ｔに沿って移動する。前記測定装置は、別の位置又は方位測定装置であるところの慣性センサを備え、それらセンサは連続的に位置又は位置合わせ測定を実行する。本発明によれば、ドリフト効果によって、第一の補間経路ＩＰ１に沿った見かけの位置又は位置合わせが示され、それによって第一の実際の位置ＡＰ１の測定又は実際の方位の測定によって、ある時間間隔をおいて進行が再度訂正される。本発明によれば、軌道の通過中に、時間間隔をおいて、第二補間経路ＩＰ２と、第三補間経路ＩＰ３に沿った見かけ位置又は方位の進行が第二の実際の位置ＡＰ２と第三の実際の位置ＡＰ３とによって連続的に訂正される。二つの方法の組み合わせにより、本発明の方法に係る装置の間の何れかの位置が導出され、参照ポイントを備えない領域が克服され、又は慣性センサに基づく装置の訂正が行われる。付け加えると、使用する領域の拡大と、取扱いの簡易化が上記組み合わせで実現される。

図１０（ａ）（ｂ）は、本発明に係る測定装置の第一と第二実施例を示す図である。

図１０（ａ）に示す第一実施例としての前記測定装置4ｂは、データと制御命令入力のためのキー１０をその上に備えたハウジング８を有する。表示領域１１に、測定結果が表示される。レーザー光線の出射と空間セグメントの検出は、測定装置4ｂ上の光線を透過するフード９を通して行われる。前記フード9の湾曲のおかげで、測定装置4ｂの両側部に位置する立体角領域も検出することが可能である。

図１０（ｂ）に、測定装置4ｃの第二実施例を示す。ハウジング８やデータと制御命令を入力するためのキー１０や表示領域１１に付け加えて、測定装置4ｃはそれぞれ光線を透過し、空間セグメントの検出が可能な二枚のフード９’を備える。放射と検出は、参照ポイントの自動目標追跡が可能な軌道によって制御される。

図１１は、本発明に係るハイジング８とその中に集積された構成要素を備えた測定装置４ｂの第一実施例の構成部材を示す図である。データと制御命令を入出力するためのキー１０と表示領域１１がハウジング８上に存在する。レーザー放射Ｌは、第一光線原１２から放射され、反射部材１３によって制御部材であるところの一対の回転自在のプリズム１４上にガイドされる。一対の回転自在のプリズム１４によって、レーザー放射Ｌがミラー１５に当る時の角度が周期的に変化するため、フード９を通って測定装置４ｂから放射されるレーザービームＬがバラ飾り模様に走査される。放射に用いられる前記構成部材の位置は、現実の位置を導出するために連続的に検出することができる。特に参照ポイントにおいて目標物によって反射されたレーザー光線は、同じビーム経路を通って光源１２へフィードバックされ、そこには、この場合距離測定のための受信機が集積された構造になっている。

検出範囲ＥＢ内にある参照ポイントで反射された光線は、さらに内視鏡１６の形状をした光学システムを経由して、画像記録部材としてのカメラ１７にガイドされる。カメラ１７によって、参照ポイントの検出と同定が画像処理法を用いて距離測定と同時に可能となった。特に、ここでは二つの参照ポイント間に存在する画素数を数えることで角度測定が可能となった。

制御とデータ処理のために、本発明に係る前記測定装置４ｂは、検出可能な参照ポイントの自動検出用で、かつ参照ポイントの位置情報から測定装置４ｂの実際の位置と方位とを導出するための参照ポイントと位置構成部材との位置情報の導出用測定部を備えたコンピュータ装置２０を有する。

任意で、前記測定装置は慣性センサ２１を有することができる。

測量装置として、同時に機能を発揮するために、測定装置４ｂはテレメーターと同様の第二光源１８を有することができ、それによって記録すべき複数の目標物までの距離測定を可能にする。測定装置４ｂと従来のテレメーターとを組み合わせることによって、距離情報と実際の位置又は方位との間の自動リンクが可能になり、従って測量プロセス全体を単純化でき、加速化できる。

もちろん、図示したものは、装置と方法の実施例の例示に過ぎない。従って、図１０で用いられた構成部材は、別の構成であってもよく、別の順序であっても良い。付け加えると、例えば回折効果を有するものなどの光学部材、同様な効果や機能を有し、一般的にレーザー物理やレーザー技術で使用される構成部材の付加や代替等は当業者の実施範囲内である。図１０において、必要な電子制御、位置測定や部品や部材の供給は、自明であるとしてここでは図示しない。

図１２は、処理位置BPを設定するための本発明に係る方法の本発明に係る使用を説明する図である。位置決め装置としての本発明に係る測定装置４ｄの第３の実施例を用いて、開始位置ＳＰと終了位置ＥＰとが、ここでは例として角板２２として表されるところの、処理すべきワークピース上にそれぞれ設定される。ワークピースを処理する例としては、壁にハンマーでくぎを打ち付けたり、ドリルで穴を開けたりする。測定装置４ｄの側面に設けられ、マーク穴を有したストリップ２３によって、処理位置ＢＰは角板２２上にマークすることができる。従って、マーク穴を取り去って、各測定装置４ｄから位置測定の参照ポイントまでを算出可能である。開始ポイントＳＰと終了ポイントＥＰとで定義される距離は、測定装置４ｄのコンピュータ部によって所定のセクションに分割される。これらセクションは、等距離であっても、より複雑なパターンによって定義されても良い。測定装置４ｄは実質的に角板２２を越えてガイドされ、それぞれ表示部が所定処理位置ＥＰの一つに到着したことを示す。これは、次の処理ステップのためにマークしておくことができる。上記応用では、測定装置４ｄはコンピュータのマウスに類似したローラーやスライドセグメントを備えることができる。

図１３は、前記可動測定装置の空間位置を導出するため基礎的な数学的関係を示す図である。

位置測定における位置の測定のために、記録すべき測定値の選択に関し、原理上、最小３の変数が可能である。

１．二ポイントの参照ポイントへの距離の測定と、参照ポイントの一つの仰角の測定。

２．二ポイントの参照ポイントの一つまでの距離と仰角の測定と、前記二参照ポイント間の角度の測定。

どちらの場合にも、二ポイントの参照ポイントはどちらかがもう一方の垂直上方にあってはいけない。また、これらの場合、位置に対する二つの解法があり、即ち、二参照ポイントを含み、水平平面と垂直な平面と対称を成す場合である。

この両義性は、原理的に種々の方法で除去可能であり、例えば方向計や、コンパスであって、高精度のコンパスである必要は無く、又はセットアップに関する演繹的知識による。 従って、例えば参照ポイントが壁上にあって対称物が壁を通して測定不可能な場合、又は、はじめに対称面のどちら上に対象物があるかを知っていて、次に探索して対称面を通過することができる。

参照ポイントに対し一定の距離と仰角を有するポイントは、このように円の中心である参照ポイントの球形の緯度の上に位置し、距離が半径となる。

３．両参照ポイントの仰角の測定と、参照ポイントの一つまでの距離の測定。

ここでも、二ポイントの参照ポイントは一方の垂直上方に他方が来てはならない。また、距離の測定される参照ポイントは、対象物と同じ（垂直方向の）高さに位置してはならない。なぜなら、さもなければ緯度の円上のすべてのポイントに対する参照ポイントの仰角がゼロで、距離が測定できないからである。好ましくは、再び位置に関する二つの対称的解法がある。

測地応用のために十分な精度を得るために、両方の参照ポイントを測定することにはメリットがある。この方法は、冗長性によってより高精度となる。しかし、二ポイントの参照ポイントのうち一つの距離と仰角とを測定し、二参照ポイント間の角度を測定することは、中間にある角度を測定することになるため、ハードウエアがより複雑なものとなる。

以下に、二つの参照ポイント（位置ベクトルｘ₁、ｘ₂）までの距離ρ₁、ρ₂と第一の参照ポイントの仰角α₁を測定する最小のケースにおいて３次元位置ｄがどのように導出されるかについて説明する。ベクトルｄ、ｘ₁、ｘ₂で定義される三角形が、一般的な三次元の位置測定での開始ポイントとしての役目を果たす。図１３に、この三角形が形成する平面を示す。

前記三角形の高さｈ＞０と、符号付切片ｙは、以下の式に従い平面幾何学を用いて計算される。

図１３においてはｙ＜０であり、高さが三角形の内部にある場合ｙ＞０となる。

測定した距離を使用した後も適切であるすべての位置ｄは、もはやｘ₂−ｘ₁の面と垂直な面上の円上に置かれ、その中心は垂直と半径ｈの基礎である。この円を簡単な方法で解析的に記述するために、以下に正規直交系三面体を導入する。

ここで、ｘはベクトル積を表し、ｅ₃は測量座標系の垂直基本ベクトルである。ベクトル

は従って水平ベクトルである。まだなお適切である前記円上の位置ベクトルｄは、従って以下のように表現することができる。

ここで角度(は、未だ未知のパラメータであり、測定したα₁から決定しなければならない。以下の式は正しい。

ベクトルの三番目の要素は上付き文字の３で記載されている。等式（３）とともに以下の式も成立する。

ここで、一般的に角度(に２つの解が与えられる。式（５）の解は、例えば数の上で与えることができる。もしこれらで（３）を置換した場合に、二つの位置を取ることが可能である。等式（５）はまた、明示的に解くことができ、以下の形となる。

ここで

である。もし

であれば、以下の式は正しい。

このシステムの等式の解は以下に与えられる。

以下の式における置換は、式（９）の符号の上二つ又は下二つの選択であり、従って２つの解が存在する。

よって、位置ベクトルｄの明確な計算のために、等式（１）、（２）、（７）、（９）と（３）が連続的に用いられる。

位置と位置合わせとの並列測定のために、６度の自由度を測定する必要がある。以下の式では、ベクトル要素は上付き文字で記載され、ここで

はｉ番目の参照ポイントへの方向ベクトルを、また

で定義される平面上の突出ｅ₃は、斜度センサで測定され、以下の式で表される。

ここで

は、固定された正規直交の三面体であって、

は、対象物に対して固定された正規直交の三面体である。以下の関係もまた、成立する。

もし、傾斜度が傾斜センサによって測定されれば、例えば以下の式の位置ｄと

そして以下の式の回転位置Ｅと

が以下の等式で算出できる。

ここで、Ｉは指数量であって、｜Ｉ｜は測定に用いられる参照ポイントの数である。

等式（１１）の代わりに、以下の等式を用いることもできる。

もし傾斜センサを使わずに測定する場合、以下の等式を用いることができる。

図において使用された方法のステップや、建物、装置は、単に概略的に示されている。特に、サイズの関係や画像処理の詳細、参照ポイントの測量は、図から定量的に読み取るものではない。各ポイントは、より複雑な構造の参照ポイントやポイント検出可能な要素部材の例示として示されている。

建設機械を位置合わせするための本発明に係る方法の第一ステップを示す実施例の図である。 建設機械を位置合わせするための本発明に係る方法の第二と第三ステップを示す実施例の図である。 本発明に係る方法を使用するための建物の室内における初期状況である。 ただ一つの空間セグメントの検出による、建物の室内の位置測定のための本発明に係る方法の第二と第三ステップを示す実施例の図である。 第一と第二の参照ポイントに関する位置情報の自動検出と導出における走査例を示す図である。 （ａ）（ｂ）本発明に係る方法に適した走査を示す図である。 （ａ）（ｂ）互いに独立な二つの空間セグメントの検出による、建物室内の位置測定のための本発明に係る方法の第二と第三ステップを示す別の実施例の図である。 位置情報と第一と第二参照ポイントから移動可能な測定装置の実際の位置と方位とを導出するための数学的な条件を示す図である。 別の位置又は方位測定装置と組み合わせた本発明に係る方法の使用を示す図である。 （ａ）（ｂ）本発明に係る測定装置の第一と第二実施例を示す図である。 本発明に係る測定装置の第一実施例の構成要素を示す図である。 処置位置を設定するための本発明に係る測定装置の第三実施例を用いた本発明に係る方法の使用を示す図である。 前記可動測定装置の空間位置を導出するため基礎的な数学的関係を示す図である。

Claims (29)

1. 少なくとも二以上の多数の検出可能な参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）と、
   レーザー光線（Ｌ）によって前記参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）を検出し測定する携帯型測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）と
   からなる携帯型測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）によって空間位置（AP、AP1、AP2、AP３）を測定するための方法であって、
   少なくとも一つの既知の初期位置からの参照ポイント（2ａ、2ａ’、2ｂ、2ｂ’）を測量することによる参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）位置を導出するステップと、
   測定機器（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が測定した以下の多数の参照ポイントから少なくとも一つの第一と一つの第二参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）までの相対的位置情報の自動検出と導出ステップと、
   ここで多数の参照ポイントとは、レーザー光線（Ｌ）によって自動的に走査される走査範囲（６、６’、６’’）にある少なくとも一つの空間セグメント（５、５’、５’’）と、検出された第一と第二の参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）と
   少なくとも以下の測定対象の測定によって導出された第一と第二参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）に関する位置情報であって、
   その位置情報とは、少なくとも測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）と第一参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）との間の距離（Ａ）と、
   測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）と第二参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）との距離ル（B）及び／又は第一と第二参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）の成す角度（γ）と、
   第一又は第二参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）への傾斜角（α、β）又は
   少なくとも一つの第三リファレンス（２ａ’、２ｂ’）までの距離であって、
   次のステップは、前記位置情報と、少なくとも前記第一と第二参照ポイント（２a'、２b'）とから、測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）の実際の位置（ＡＰ、ＡＰ１、ＡＰ２、ＡＰ３）を導出するステップとからなる方法であって、
   前記複数のステップはそれぞれが繰り返すことができ、または複数組み合わせて繰り返すことができる方法。
2. 前記位置情報の自動検出と導出が、少なくとも
   前記測定装置の傾斜及び／又は
   前記レーザー光線の出射方向を
   間接的又は直接的に測定して、測定装置の実際の向きを導出することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記出射方向が定義された軌道を構成することによって測定されることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 第一と第二の参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）が、それら自身の前記レーザー光線（Ｌ）の反射率に基づいて、参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）を設定するための共同の目標物を使用することによって検出されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１記載の方法。
5. 前記自動検出において、特に参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）と連携して個体コード又は個別の物理的特性によって、好ましくはスペクトル感度に基づいて、参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）が互いに区別されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１記載の方法。
6. 前記位置情報の自動検出及び導出において、画像の記録を利用することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１記載の方法。
7. 前記第一及び／又は第二参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）が画像処理法を用いて検出されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 少なくとも検出された第一と第二参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）に関する前記位置情報が、画像処理法を用いて導出されることを特徴とする請求項６又は７記載の方法。
9. 前記捜査範囲（６、６’、６’’）を、バラ飾り模様状又はジグザグ状に走査することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１記載の方法。
10. 前記自動検出において、前記参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）の少なくとも一つを、自動で追跡することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１記載の方法。
11. 少なくとも前記検出された第一と第二参照ポイント（２ａ’、２ｂ’）に関する位置情報及び／又は位置合わせ情報が、同時に導出されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１記載の方法。
12. 前記実際の位置（AP、AP1、AP2、AP３）及び／又は実際の方位を補間するための慣性センサ（２１）によって、前記実際の位置（AP、AP1、AP2、AP３）及び／又は実際の方位をさらに導出することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１記載の方法。
13. 前記距離が、位相測定、パルス走行時間測定、閾値を決めたパルス走行時間測定、高周波サンプリングによるパルス走行時間測定のうち一つの方法によって測定されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１記載の方法。
14. 慣性センサ（２１）に基づいて位置及び／又は方位測定装置のドリフト効果によるずれを補正するための請求項１ないし１３のいずれか１記載の方法の使用。
15. レーザー光線（Ｌ）の少なくとも一つの光源（１２）と、
    検出可能となった参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）の自動検出のためと、参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）の位置情報の導出のための距離計としてのレーザー光線（Ｌ）の受光部と、からなる少なくとも一つの測定部であって、オプションで参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）の位置の導出にも適した測定部と
    からなる装置であって、
    前記レーザー光線（Ｌ）を用いて少なくとも一つの空間セグメント（５、５’、５’’）を自動的に走査できるように設計された、前記レーザー光線（Ｌ）の出射方向を変えるための少なくとも一つの制御部（１４）と、
    前記参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）の位置情報から測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）の実際の位置（ＡＰ、ＡＰ１、ＡＰ２、ＡＰ３）を導出するための位置決め部と
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１記載の方法のための装置。
16. 前記測定部が、
    二つの参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）間と、
    一つの参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）と水平との間と、及び／又は
    測定装置と水平との間と
    のそれぞれの角度（α、β、γ）を測定するように構成されることを特徴とする請求項１５記載の携帯型測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
17. 前記測定部が測定装置の軸に対するレーザー光線の出射方向を測定するように構成されることを特徴とする請求項１５又は１６記載の測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
18. 慣性センサを備えたことを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれか１記載の測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
19. 前記制御部（１４）が、回転可能なプリズム又はミラーを有するスキャナを構成することを特徴とする請求項１５ないし１８のいずれか１記載の測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
20. 前記測定部が、好ましくは広角の、ＣＣＤ又はＣＭＯＳカメラからなる画像記録部（１７）を有することを特徴とする請求項１５ないし１９のいずれか１記載の測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
21. 前記測定部が、内視鏡（１６）を構成する同軸光学システムからなる走査検出部を有することを特徴とする請求項１５ないし２０のいずれか１記載の測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
22. テレメータを更に備えることを特徴とする請求項１５ないし２１のいずれか１記載の測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
23. 前記制御部（１４）が空間セグメント（５、５’、５’’）の広がりを変数とするように構成されることを特徴とする請求項１５ないし２２のいずれか１記載の測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
24. 少なくとも二つの空間セグメント（５’’）が互いに独立して二つの軌跡の上を走査できるように前記制御部（１４）が構成されることを特徴とする請求項１５ないし２３のいずれか１記載の測定装置（４ｃ）。
25. 測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が所定の位置にあることを確認するための表示装置を備えたことを特徴とする請求項１５ないし２４のいずれか１記載の測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
26. その間において処理位置（ＢＰ）を所定の仕組みによって自動的に導出できるような開始位置（ＳＰ）と終了位置（ＥＰ）とを設定することで所定の位置を導出するためのコンピュータ部を備えたことを特徴とする請求項２５記載の測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）。
27. 請求項１５ないし１６記載の測定装置（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）と、検出可能な参照ポイント（２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’）を設定するための少なくとも二つの反射器とを備えた局部位置測定システム。
28. 前記反射器の少なくとも一つが、
    ガラス全球、又は半球か
    再帰反射性フォイルか
    三角プリズムか
    のうちの一つの形状を備えた符号化された又はスペクトル選択性のある部材であることを特徴とする請求項２７記載の局部位置測定システム。
29. 開始位置としての実際の第一位置と終了位置としての実際の第二位置が前記方法によって規定され、
    前記開始位置と終了位置との間で、処理された位置が所定の仕組みによって自動的に導出されて、想定された処理された位置を前記方法によって検証することが可能となる
    ことを特徴とする、処理した位置のマーキングのための請求項１ないし１３のいずれか１記載の方法の使用。

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