JP2009523236A - レーザートラッカーを用いたトラッキング方法及び測定システム - Google Patents

Abstract

本発明による測定システムは、レーザートラッカー（１０）、反射体（１２）によりマーキングされた目標点、監視機器（１３）及び計算・制御ユニット（１４）を有する。レーザートラッカーは、測定光線（Ｍ）を出射して、その光線を反射体が反射し、そのことを、レーザートラッカー（１０）と反射体（１０）間の距離を求めるために利用している。監視機器は、測定光線（Ｍ）に対して相対的な既知の位置及び向きを有し、有利には、監視カメラである。測定システムは、測定光線（Ｍ）によって反射体（１２）を追跡するように構成されている。この場合、標準的なトラッキングモード（Ａ）では、反射体（１２）によって反射されて来た測定光線の検出から、測定光線（Ｍ）の向きを制御するための測定量を導き出す。測定光線が、反射体の方向を向いていない、即ち、反射体によって反射されず、そのためレーザートラッカーが、反射されて来る測定光線を検出することができない場合、システムは、測定光線（Ｍ）の向きを制御するための測定量を監視カメラ（１３）の画像（２０）から導き出す特殊なトラッキングモード（Ｍ）に切り換わる。

Description

本発明は、測定技術分野に該当し、当該の請求項の上位概念にもとづくレーザートラッカーを用いたトラッキング方法及び測定システムに関する。そのようなトラッキング方法は、レーザートラッカーの測定光線を用いて、目標点、特に、動く目標点を自動的に追跡する役割を果たす。レーザートラッカーを用いた測定システムは、その方法を実施するように構成されている。

動く目標点の位置を測定するためには、多くの場合所謂レーザートラッカーを用いる。レーザートラッカーという用語は、（以下の記述において、「測定光線」と称する）集束されたレーザー光線を用いて動作する少なくとも一つの距離計を備えた装置であると解釈する。測定光線の方向を、例えば、二つの軸の周りを回転可能なミラーを用いて、目標点に合わせるとともに、回転軸に組み込まれた角度計を用いて検出している。測定する目標点には、逆反射体（特に、直角プリズム又は互いに直交する三つのミラーの構成）が配備されており、この逆反射体は、そこに当たったレーザートラッカーの測定光線をレーザートラッカーの方に戻すように反射する。この場合、反射された測定光線は、測定光線が反射体のちょうど中心に当たった場合には、出射された測定光線と同軸に進み、測定光線が反射体の中心に当たらなかった場合には、それに対して平行にずれて進む。トラッカーの実施構成に応じて、送出したレーザー光と反射されて来たレーザー光の比較から、レーザートラッカーと目標点間の絶対的な距離及び／又はその距離の変化を推定している。角度計によって検出した角度と距離計によって検出した距離とから、トラッカーに対して相対的な反射体又は目標点の位置を計算している。

反射されて来た測定光線の一部は、通常ＰＳＤ（位置検出器）に案内される。反射されて来た測定光線がＰＳＤの感光面上に当たる位置から、出射した測定光線に対して相対的な反射されて来た測定光線の平行なずれを推定している。そのようにして検出した測定データは、反射されて来た測定光線の平行なずれを定義し、目標点が動いた場合に、測定光線が目標点を追跡（トラッキング）するように、測定光線の方向を制御するために使用される。即ち、測定光線を相応に変化させるか、或いは測定光線の方向を向いたミラーの方向を調整することによって、出射した測定光線と反射されて来た測定光線間の平行なずれを低減するか、或いは出来る限り小さくするように構成している。

出射した測定光線と反射されて来た測定光線間の平行なずれにもとづく測定光線の方向の制御では、確かに小さいが無視できない遅れが生じ、その遅れが、目標点が動いた場合に追跡することが可能な速度を制限することは明らかである。目標点が速く動く場合、測定光線は、その方向を相応に補正することができないうちに反射体上に当たってしまい、それによってトラッキングも位置測定も中断されることとなる。同じことが、トラッカーと目標点間に障害物が入り込んで、その結果測定光線が遮られる場合にも言える。レーザートラッカー又はレーザートラッカーの測定光線が反射体を「見失った」場合、操作員は、それに気付いて、トラッカーが相応に構成されている場合には、探索ルーチンを開始することができる。

目標点が再び「発見された」、即ち、測定光線が改めて反射体上に当たり、それによって反射されて来た場合には、直ちに目標点の位置の測定と測定光線による追跡を再び行うことができ、そのためには、距離測定を新たに開始しなければならない場合も有る。目標点の動きに対する制御が悪くなる程、並びに使用する反射体及び測定光線の直径が小さくなる程、前記のトラッキングの中断が頻繁に起こる。トラッカーが未だ全く目標点に調整されてない、測定プロセスの開始時にも、通常前記のトラッキングの中断時と同じ状況が起こる。

前記のトラッキングの中断は、目標点が自動的に動く場合には、目標点の動きをレーザートラッカーのトラッキング能力に精確に適合させることによって、比較的容易に防止することができる。しかし、それは、目標点が手で持ち運ばれる測定システムでは、即ち、そこでは、目標点又は目標点が配置された物体が人によって動かされるので、著しく難しくなり、その結果トラッキングの中断は、完全に防止することができないだけでなく、比較的頻繁に起こる可能性が有る。それは、特に、反射体を載せた物体が、例えば、手で持ち運ばれる走査器具又は手で持ち運ばれるスキャナーである測定システムに当て嵌まり、その場合測定者が、走査器具又はスキャナーを測定する物体の周りに動かして、レーザートラッカーが、走査器具又はスキャナーの位置と向きを追跡して、ほぼ連続的に記録している。特に、そのようなシステムでは、上記のトラッキングの中断を自動的に、即ち、特に、測定者の介入無しに、迅速に解決することができることが望ましい。

レーザートラッカーに監視機器を配備することも知られている。そのようなカメラは、出来る限り大きな視角（例えば、全方向に±２０°）を有し、トラッカー上に配置されており、測定光線をカメラの画像上で検知された目標点の方向に向けることができるように構成されている。カメラの画像を観察している操作員は、測定光線をその目標点の方向に向けることを開始する際に、カメラが目標点を映す画像範囲を正しく表示するようにしている。

そこで、本発明の課題は、上述したトラッキングの中断を自動的に、かつ簡単な手法で解決することが可能であるトラッキング方法及びそのトラッキング方法のために構成されたレーザートラッカーを備えた測定システムを実現することである。

この課題は、特許請求の範囲に規定されている通りのトラッキング方法及びレーザートラッカーを備えた測定システムによって解決される。

本発明によるトラッキング方法は、二つのトラッキングモードを有し、レーザートラッカーの測定光線が目標点を「見失う」か、或いは目標点を「再び発見」した場合に、測定システムを一方のトラッキングモードから他方のトラッキングモードに切り換える。標準的な又は通常のトラッキングモードは、レーザートラッカーに関して周知の測定光線にもとづくトラッキングモードであり、即ち、そのモードでは、例えば、出射した測定光線と反射されて来た測定光線間の平行なずれを検出し、測定光線の方向を変更することによって、そのずれを低減することに努めるモードである。この標準的なトラッキングモードでは、トラッカーは、何時でも反射体が反射されて来た測定光線を検出して、目標点の位置を求めることが可能である。トラッカーが反射されて来た測定光線を検出することができない場合、本発明による測定システムが動作する特殊なトラッキングモードでは、レーザートラッカーに組み込まれた監視機器が収集したデータにもとづき測定光線の変更を制御する。この監視機器は、有利には、感光面（例えば、ＣＣＤ）と、監視機器に関して一般的な、例えば、全方向に±２０°の視角を監視カメラに提供する光学系とを備えた、画像データを供給するデジタル監視カメラである。しかし、監視機器は、例えば、位置データだけを供給する、同じ又は同様の光学系を備えたＰＳＤ（位置検出器）とすることもできる。監視機器が記録したデータから、反射体への方向を求め、測定光線の方向を相応に変更することによって、測定光線を反射体の方向に向けるようにしている。即ち、特殊なトラッキングモードは、反射されて来た測定光線を検出すること無しに動作し、特殊なトラッキングモードでは、トラッカーを用いて目標点の位置を求めることはできない。反射されて来た測定光線がトラッカーで検出されなくなった場合、直ちに特殊なトラッキングモードに切り換えられる。しかし、特殊なトラッキングモードでは、反射されて来た測定光線が検出されたか否かを繰り返し調べており、検出された場合には、直ちにシステムを再び通常のトラッキングモードに切り換えて、位置の測定を開始する。

本発明による測定システムは、目標点が監視機器の視野内に有るか、或いは監視機器が目標点に関するデータを供給することができる限り、かつレーザートラッカーが反射されて来た測定光線を検出しない限り、特殊なトラッキングモードで動作する。目標点が監視機器の視野の外に動いた場合、例えば、操作員がそれに気付いたり、自動的に探索ルーチンが作動されることとなる。

即ち、本発明による測定システムのレーザートラッカーには、監視機器が組み込まれている。その機器の測定光線に対して相対的な位置と向きは常に既知であり、監視機器が供給する測定データとこれらの監視機器の既知の位置及び向きとから、測定光線をほぼ目標点の方向に向けるための測定光線の方向の変化分を計算することができるようになっている。監視機器は、出来る限り大きな視角を有し、動かない形で、或いは測定光線の方向に向きを変えることが可能な形でレーザートラッカー上に配置することができる。

更に、本発明による測定システムは、監視機器の既知の位置及び向きと監視機器が供給するデータとから、測定光線を制御するための制御データを生成するとともに、反射されて来た測定光線が検出されたか否かに応じて、一方のトラッキングモードから他方のトラッキングモードに切り換わるように構成されている。場合によっては、監視機器が、自身の視野を照明するように構成されたり、目標点が、光を供給する追加手段（能動的な光源又は反射面）を備えており、その結果自身の位置が、監視機器によって検出することが可能であるとともに、場合によっては、識別することも可能である。

監視機器が収集したデータから目標点への方向を求めるために、それ自体が周知の方法を使用する。監視機器がカメラである場合、目標点は、カメラが撮影した画像上の特別な形又は色にもとづき識別することも可能であり、そうすることによって、撮影した多くの要素から検知して、自動的に選定することが可能であり、そのために、同じくそれ自体が周知の方法を使用することができる。目標点が一義的に識別することができず、多くの類似した要素がカメラの画像上に現れる場合、例えば、測定光線の最も近くに有る点を自動的に追跡するか、或いは操作員に入力要求を出して、可能性の有る目標点を選定させることができる。目標点から出て来る光が特定の波長を有し、監視機器がそれに対応したフィルターを備えている場合、ＰＳＤを備えた監視機器を用いて、同様に目標点を検知することが可能である。

添付図面に図示した実施例にもとづき、本発明によるトラッキング方法及びレーザートラッカーを備えた測定システムを詳しく説明する。

図１は、本発明によるトラッキング方法の実施例のブロック図であり、その方法の重要な工程だけを図示しており、この場合監視機器は監視カメラである。

システムの開始後に、かつシステムの部分を活性化させる、システムによって予め規定された開始ルーチン１が実行された後、開始時点に任意の方向を向いている可能性が有るレーザートラッカーの測定光線が任意の位置に有る目標点に当たるか否かを決定する、即ち、トラッカーが反射されて来た測定光線を検出したか否かを決定する（反射されて来た測定光線の検出に関する決定２）。検出しなかった場合、監視カメラの画像上において目標点を探索する。監視カメラの画像上に目標点が発見されなかった場合（目標点の画像に関する決定３）、例えば、探索ルーチン４を実行する。そのような探索ルーチンは周知である。例えば、本発明による測定システムで使用可能な探索ルーチンは、簡単なものとして、トラッカー又は少なくとも監視カメラの向きを予め設定されたパターンで変化させ、その際各方向に対応する監視カメラの画像上で目標点を発見することが可能であるか否かを絶えず調べること（決定３）である。そのような探索が、例えば、所定の時間の間又は完全なルーチンの経過後に不成功となった場合、場合によっては、操作員への相応の通報とともに、システムを停止することができる。監視カメラの画像上で目標点が発見された場合、直ちに測定システムは、特殊なトラッキングモードに切り換わる。その場合、監視カメラの画像上における目標点の画像の座標を検出して（画像の分析５）、その画像の座標と測定光線に対して相対的なカメラの既知の位置及び向きとにもとづき、測定光線を目標点の方向に向けるためには、どのように測定光線の方向を変更しなければならないかを決定するが、そのようなことは、目標点が動いている場合、開始時には大抵不可能である。そのため、測定光線の向きの相応の変更６後に、測定光線が反射体に当たるか否か、即ち、反射されて来た測定光線が検出されるか否かを調べる（決定２）。検出されなかった場合、システムは、特殊なトラッキングモードに留まる、即ち、測定光線の更なる方向調整を制御するための測定データを監視カメラの画像から更に取得する。それに対して、反射されて来た測定光線が検出された場合、システムは、例えば、出射した測定光線と反射されて来た測定光線間の平行なずれの計測から、測定光線の向きを制御するための測定データを取得する周知の標準的なトラッキングモードに切り換わる。当該の測定データは、例えば、反射されて来た測定光線の一部の光路内に配置されたＰＳＤによって供給される。このモードでは、目標点の位置の計測も起動される。反射されて来た測定光線がもはや検出されなくなった場合（決定２）、直ちにシステムは、再び特殊なトラッキングモードに切り換わる。

図１では、標準的なトラッキングモードの主要な工程が、符号Ａで表示された破線で囲まれており、特殊なトラッキングモードの主要な工程が、符号Ｂで表示された一点鎖線で囲まれている。

監視カメラが供給するデータにもとづく測定光線の方向調整の精度が、十分な確度で測定光線を目標点に当てるのに十分でない場合、或いは目標点が非常に速く動いていると考えられる場合、監視カメラのデータにもとづく測定光線の調整に続いて、所謂トラッカーが反射されて来た測定光線を検出しないかを渦巻状探索で行うのが有利である。そのような探索ルーチンでは、当初設定されていた方向の周りを渦巻状に測定光線を動かす。

システムがその時点で動作しているモードを操作員又は測定者が常に読み取ることができるように、測定システムを構成するのが有利である。

図２は、本発明によるレーザートラッカーを備えた測定システムを非常に模式的な手法で図示している。レーザートラッカー１０は、周知の手法で測定光線Ｍを送出しており、その方向は、例えば、二つの互いに直交する軸の周りにミラーを相応に回転させることによって調整することが可能であるとともに、基準方向に対して相対的な水平及び垂直の角度に関する角度計を用いて、検出することが可能である。更に、測定光線は、トラッカーと目標点間の距離を測定する役割を果たす。測定システムは、レーザートラッカー１０に追加して、反射体１２でマーキングされた目標点、監視機器１３及び計算・制御ユニット１３を備えている。

監視機器１３は、一点鎖線で模式的に図示された出来る限り広い視角と同じく一点鎖線で図示された光軸Ｏとを有する。測定光線Ｍに対して相対的な監視機器の位置及び向きは、システムには常に既知としなければならない。監視機器１３が目標点上の反射体１２を検出することができるように、反射体自体を照明するか、或いはその位置を検出可能な部材でマーキングしなければならない。反射体自体又は反射性のマーキング部材の照明は、例えば、監視機器の領域内の照明手段１５を用いて実現される。しかし、反射体の位置をマーキングするために、照明手段１６を反射体１２の領域内に配備することもできる。反射体１２の領域内の反射性のマーキング手段又は照明手段１６は、有利には、多数のマーキング点の配置構成として構成され、その結果監視機器として機能する監視カメラの画像内のこの配置構成の特定の幾何学的な形状にもとづき、目標点を記録することが可能であるだけでなく、識別することも可能である。反射体１２が、そのようなマーキング点の配置構成内において精確に定義された位置を有する場合、即ち、例えば、光心に配置されてい場合には、監視カメラで撮影した画像上で反射体自体ではなく、そのような配置構成を見ることができれば、或いは監視機器内のＰＳＤによって記録することができれば、それで十分である。

図２に図示されている測定システムは、明らかに、測定光線Ｍが反射体１２に当たらない、即ち、レーザートラッカー１０が反射されて来た測定光線を検出することができない状態に有る。しかし、反射体１２は、監視機器１３の視角内に有り、その結果特殊なトラッキングモードでのトラッキングが可能である。図２の左上には、図示されている瞬間に監視機器として機能する監視カメラ１３が記録した画像２０も描かれている。この画像上には、反射体が見える（照明手段と一緒の画像１２’）。反射体の画像１２’の画像の座標は、カメラの光軸Ｏに対して相対的なカメラから反射体への方向を定義している。その画像の座標から、測定光線に対して相対的な監視カメラ１３又はその光軸Ｏの既知の位置及び向きを用いて、測定光線を反射体に当てるためには、どの方向に測定光線の向きを変更しなければならないかを決定することができる。

監視機器１３の光軸Ｏが常に測定光線と一致する、或いは常に測定光線に対して平行の方向を向いている場合、即ち、監視機器の向きが、測定光線の向きと固定的に関連付けられている場合、測定光線の方向調整に関する制御量の計算は比較的簡単である。監視機器１３の光軸Ｏと測定光線Ｍの向きが互いに関連付けられていない場合、測定量の計算は負担がかかり、場合によっては、トラッカー１０と反射体１２間の距離に依存し、その場合には、その距離も同じく既知でなければならない。その距離は、例えば、監視機器１３の光学系から、少なくとも近似値として供給することができるか、或いはトラッカーによって測定された最新の距離を使用することができる。

監視機器の光学的な構成に応じて、この機器の内部条件を測定光線の制御に必要なデータの計算に取り込むこともできる。

測定光線の瞬間的な向きに依存して傾斜される、監視機器１３の光軸Ｏと測定光線Ｍの構成は、例えば、監視機器１３が測定光線Ｍと共にトラッカーの垂直軸（固定軸）の周りを回転することができるが、トラッカーの水平軸（傾斜軸）の周りを回転することができない構成を有する。本発明による測定システムの有利な実施構成では、例えば、測定光線の方向に向けられた、そのためにトラッカー１０の二つの軸に周りに回転可能な部分の上に監視機器を配置することによって、或いは監視機器１３の前に、光軸を測定光線と同軸又は平行な方向に向けるための光学系を接続することによって、監視機器１３又はその光軸Ｏを測定光線Ｍの向きと関連付けている。

既に前述した通り、反射体１２は、その監視カメラ１３が撮影した画像２０上の画像１２’にもとづき識別することが可能なように構成するのが有利である。それは、例えば、能動的な光点１６又は例えば、トラッカーの方向から照明された反射性のマーキング点を反射体１２の周りに配置することによって実現される。その配置構成は、場合によっては、監視カメラの方向から反射体上に当たる光が無い時に反射体１２自体が映し出されない場合でも、監視カメラ１３の画像２０上に出現する。反射体１２が前記の配置構成の光心内に置かれている場合には、その配置構成の画像から、その画像の座標を簡単な手法で求めることができる。

図２は、計算・制御ユニット１４とその監視カメラ１３及びレーザートラッカー１０と接続された（破線で表示された）データ線とを図示しており、このデータ線を介して、制御及び読出コマンドが、計算・制御ユニットからトラッカー１０及び監視機器１３に伝送され、測定データが、その逆方向に伝送される。当然のことながら、計算・制御ユニット１４の少なくとも一部をトラッカー１０及び／又は監視機器に統合することが可能であるとともに、それらの機器と計算・制御ユニット間のデータをワイヤレスで伝送することも可能である。

本発明によるトラッキング方法の実施例の簡略化したブロック図 本発明によるレーザートラッカーを備えた測定システムの実施例の構成図

Claims (15)

1. レーザートラッカー（１０）の測定光線（Ｍ）が反射体（１２）を備えた目標点を追跡するトラッキング方法であって、標準的なトラッキングモード（Ａ）では、測定光線（Ｍ）の向きを制御するための測定量が、反射体（１２）から反射されて来た測定光線の検出から導き出される方法において、
   特殊なトラッキングモード（Ｂ）では、測定光線（Ｍ）の向きを制御するための測定量は、監視機器（１３）が記録したデータから導き出され、測定光線（Ｍ）に対して相対的な監視機器（１３）の位置及び向きが既知であり、特殊なトラッキングモード（Ｂ）は、反射体（１２）から反射されて来る測定光線が検出されない場合に起動されることを特徴とする方法。
2. トラッカー（１０）が、反射されて来る測定光線を検出しない場合に、直ちに自動的に特殊なトラッキングモード（Ｂ）に切り換えられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 特殊なトラッキングモード（Ｂ）では、トラッカー（１０）が、反射されて来る測定光線の検出を監視していることと、
   反射されて来る測定光線を検出した場合、直ちに自動的に標準的なトラッキングモード（Ａ）に切り換えられることと、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 特殊なトラッキングモード（Ｂ）における測定光線（Ｍ）の向きを制御するための測定量は、監視機器（１３）が記録したデータから求めた目標点への方向と、監視機器（１３）の既知の位置及び向きとにもとづき計算されることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
5. 監視機器（１３）が監視カメラであることと、
   監視カメラが記録するデータが画像の座標であることと、
   監視カメラが、更に、当該の目標点をも識別することと、
   を特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 監視カメラ（１３）の画像（２０）上の目標点が、反射体（１２）の周りに配置された多くの光点（１６）又は反射性のマーキング部材の画像にもとづき識別されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 当該の画像の座標が、反射体（１２）の周りに配置された光点（１６）又はマーキング部材の画像の光心を求めることによって決定されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 監視機器（１３）の光軸（Ｏ）の向きが、測定光線（Ｍ）の向きと固定的に関連付けられていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
9. レーザートラッカー（１０）、反射体（１２）を備えた目標点及び計算・制御ユニット（１４）を有する測定システムであって、その測定システムでは、標準的なトラッキングモード（Ａ）において、レーザートラッカー（１０）によって出射された測定光線（Ｍ）が反射体（１２）を追跡し、計算・制御ユニット（１４）が、反射体（１２）から反射されて来た測定光線の検出にもとづき当該の測定光線（Ｍ）の向きを制御するように構成されている測定システムにおいて、
   この測定システムが、更に、測定光線（Ｍ）に対して相対的な既知の位置及び向きに配置された監視機器（１３）を有することと、
   計算・制御ユニット（１４）は、更に、特殊なトラッキングモード（Ｂ）において、監視機器（１３）が生成したデータと、監視機器（１３）の既知の位置及び向きとにもとづき測定光線（Ｍ）の向きを制御するように構成されていることと、
   を特徴とする測定システム。
10. 監視機器（１３）が、監視カメラであるか、或いは位置検出器（ＰＳＤ）を備えていることを特徴とする請求項９に記載の測定システム。
11. 監視機器（１３）は、レーザートラッカーの光軸（Ｏ）の向きが測定光線（Ｍ）の向きと関連付けられている形でレーザートラッカー（１０）上に配置されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の測定システム。
12. 監視機器（１３）は、レーザートラッカーの光軸（Ｏ）が常に測定光線（Ｍ）と同軸又は平行に延びる形でレーザートラッカー（１０）上に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の測定システム。
13. 当該の目標点が、手で持ち運ばれる走査器具又はスキャナー上に配置されていることを特徴とする請求項９から１２までのいずれか一つに記載の測定システム。
14. 目標点に配置された反射体（１２）の周りに、多くの光点（１６）又は反射性のマーキング部材が配置されていることと、
    計算・制御ユニット（１４）又は監視機器（１３）が、光点（１６）又はマーキング部材の配置構成から反射体（１２）の方向を求めるように構成されていることを特徴とする請求項９から１３までのいずれか一つに記載の測定システム。
15. 監視機器（１３）が、当該の目標点を識別するように構成されていることを特徴とする請求項９から１４までのいずれか一つに記載の測定システム。

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