JP2009543220A - 多次元空間の調査を自動的に実行する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

マスタステーションと、プロセッサと、１つ又は複数のターゲットとを備える方法及びシステムであって、上記システムのユーザが、建設現場の３次元グラフィカル表現を自動的に生成すると共に、そのグラフィカル表現の上に図面を重ね合わせることができるようにして、ユーザをプロセッサによって表示されている仮想空間内で案内する、方法及びシステム。
【選択図】図１

Description

本発明は、多次元空間のグラフィカル表現を自動的に生成するシステム及び方法に関する。

設計を概念から実現に具現化することは、特に建設業界に関する場合には難題である。建設業界では、建築家、計画者、技術者等には、構想を概念化し、この概念を、後に建設業者が現場で実現することができる設計図等の有形な形態に変えるという仕事が課される。実現すなわち建設工程は困難な作業である可能性があり、その成功は、当面の特定の計画に関連する図面又は設計文書に示されている寸法及び空間的関係を正確に再現する、建設業者の能力に大きく依存する。建設業者による、設計文書が指示するものを再現する際の誤りは、建設施工の共通する特徴であり、費用のかかる是正措置をもたらすことが多いものである。場合によっては、誤りは、建設が行われる現場の特徴が現実通りに認識されていないことによる。たとえば、改修すべき空間の設計に、ドアを特定の位置に配置することが必要であり、建設現場におけるその位置に対し、ドアが必要な正確な位置に柱があることが分かった場合、設計図面の費用のかかる再設計が必要となる可能性がある。費用のかかる改善策を行うことになる別の一般的な事件は、建設現場のレイアウトが不正確であることにより、設計の主な要素が間違った場所で建設されることになり、誤りが最終的に発見されたときの改修に費用がかかることになる場合である。

一般に、いかなる建設計画の成功も、設計において企図された空間的関係を現場で正確に再現することができるように、信頼することができる、優れた寸法管理に大きく依存する。寸法管理は、通常、建築家、職人（たとえば電気工、配管工、乾式壁取付業者）又は測量技師の分野である。通常の「現況調査（as built study）」すなわち測量作業は、現場を測定又は測量して、既存の状況、並びにベンチマーク、基準点、及び設計されたものを作り上げる際に設計業者が適当に方向を決めるために使用することができる他のモニュメントのレイアウトを確定することを含む。これらの作業を行う際に誤りが発生すると、上述したタイプの誤りが生じる。誤りは、不正確な測定又は「現況調査」によらず、杭等のモニュメント又はベンチマークが不注意で倒されるか、又は鉛筆で付けたマークが、現場において人又は機器の部品によって不注意で汚される場合等、モニュメントの不十分な管理による場合がある。このような状況において作業員が、鉛筆で付けたマーク又は杭を、その元の位置であったと考えられる位置に単純に再配置することはまったく珍しいことではないが、それは実際には元の位置ではない。こうなると、後にこのベンチマークを参照する場合はいつでも、このときすでに寸法管理が間違った場所で行われているが間違った場所にあることが知られていないという事実から誤りが発生する。さらに、このとき不正確な基準点を使用することから発生する誤りは、誤りがしばらくの間発見されない可能性があるという事実によりさらに悪化する可能性がある。

測定又は測量の誤りは、現場の調査に関するものであっても設計のレイアウトに関するものであっても、ベンチマーク及びモニュメントの正確な「現況検証（as built verification）」及び用心深い保護並びにそれらの頻繁な再検証から始めることによってしか回避することができない。実際には、この作業は極めて時間がかかり、大きな労働力を有し、通常、作業員が現場に頻繁に再訪し既存のベンチマーク及びモニュメントを手作業で検証するか、又は必要に応じて新たなベンチマーク及びモニュメントを手作業で設置することが必要になる可能性がある。

本発明は、多次元空間のＮ次元（Ｎは２以上の整数）グラフィカル表現を自動的に生成するシステム及び方法を提供する。

本発明のシステムを使用して多次元空間（たとえば３Ｄ空間）の自動調査を実行する方法は、多次元空間内におけるシステム機器から１つ又は複数の選択された基準点までの距離の測定と、多次元空間内におけるシステム機器からさまざまな既存の物体及び構造までの距離の測定とを含む。本発明のシステムは、これらの測定値を使用して、少なくとも一部が多次元空間内に位置するシステム機器によって為される測定に基づいて、多次元空間の図面（デジタルフォーマットであってもよい）又はグラフィカル表現を、リアルタイムで自動的に生成する。

さらに、調査されている多次元空間のグラフィカル表現をリアルタイムで作成することに加えて、本発明のシステムはまた、調査されている多次元空間の測定された位置に対するその構成要素（たとえばターゲット）のうちの１つの位置をリアルタイムに示すことも可能である。したがって、このような構成要素がシステムのユーザに取り付けられるか又はユーザによって所持されると、本方法及びシステムは、調査されている空間内において、又は調査されている空間に重ね合わされる仮想空間内においてユーザの位置を表示することにより、ユーザを空間内で案内することができる。

本発明の方法及びシステムによる多次元空間又は建設現場の自動レイアウトは、ベンチマーク及びターゲット等の基準点を使用して、多次元空間内に配置されるように指定された１つ又は複数の構造及び／又は物体の位置、場所及び方向を確立することを含む。通常、多次元空間の展開のための設計は、建設される多次元空間の物体及び／又は構造の間の空間的関係を正確に示す１つ又は複数の図面（たとえば、ＣＡＤすなわちコンピュータ支援設計の図面）として記憶される（memorialized）。設計は、グラフィカルに示される場合、特定の物理的特徴を有する仮想空間を表す。本発明のシステムのユーザによる多次元空間の自動レイアウトの実行中、システムは、設計図面を参照して、多次元空間内で自身の位置を確定し、次いで設計図面に含まれる選択された物体及び／又は構造が多次元空間に変換される際に、それらの正確な位置を指し示す。このように、本発明は、多次元空間内でユーザを単一点（又はエリア若しくはボリューム又は他のより高次元の領域）に案内することができ、それによりユーザは、多次元空間の境界において又はその中で建設される物体及び／又は構造の特定の位置決め、方向及び／又は配置を指定して、多次元空間内でマーキングを行うことができる。本発明の一実施形態では、ユーザは、本発明のシステムの機器を制御して、設計で指定されている構造及び／又は物体に対するマーキングを自動的に行うことができる。

本発明のシステムは、少なくとも１つのマスタステーションと、プロセッサと、１つ又は複数のターゲットとを含む構成要素を備える。本発明のシステムの構成要素は、互いに通信することにより、システムが多次元空間の自動調査及びレイアウトを実行することができるようにする。多次元空間の調査及び／又はレイアウト中、システムは、既知の又はすでに調査された物体及び／又は構造とユーザの物理的な現在位置とを含む多次元空間（たとえば３Ｄグラフィックス表現）を表示すること、同時に多次元空間内でユーザを効率的に案内すること、及びユーザに対し、ユーザが多次元空間のレイアウトを実行しているときにマーキングを行う場所をユーザに効率的に指示することにより、多次元空間内でユーザを案内することができる。さらに、本発明のシステムは、多次元空間描写に対するオーバレイとして仮想空間を表示することができる。このため、ユーザが多次元空間内で物理的に移動する際、本発明のシステムは、ユーザの位置を追跡し、当該位置をリアルタイムで実際の空間及び／又は仮想空間のグラフィカル表現内で表示することができる。ディスプレイは、マスタステーションの一部であってもプロセッサの一部であってもよく、又は両構成要素がディスプレイを有してもよい。

上記は、当業者が以下の本発明の詳細な説明をより理解することができるように、本発明の好ましい特徴をやや広範に概説したものである。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明のさらなる特徴を、以下に説明する。当業者は、開示されている概念及び特定の実施形態を、本発明の同じ目的を成し遂げるように他の装置を設計するか又は変更するための基礎として容易に使用することができ、且つ、このような他の装置は最も広い形態での本発明の精神及び範囲から逸脱しない、ということを理解するべきである。

ここで、本発明の好ましい実施形態を詳細に参照する。それらの実施形態の例は、添付図面に示されている。

本発明の方法のフローチャートを示す図である。 マスタステーション、ターゲット及びポータブルプロセッサを備える、本発明のシステムの第１の実施形態を示す図である。 ポータブルプロセッサからのコマンドに基づいて、マスタステーションからレーザビームを放射して位置をマークする第２の実施形態を示す図である。 マスタステーションが移動ロボットに対し、多次元空間内の表面上に可視マーキングを生成するよう指示する、本発明のシステムの第３の実施形態を示す図である。 マーキングが所望のパターンの投影ベクトルオーバレイである、第４の実施形態（図４の実施形態に類似する）を示す図である。 マーキングが３次元パターンをシミュレートする２次元投影である、第４の実施形態を示す図である。 マスタステーションが移動ロボットに対し、塗料を用いて地面に位置をマークするように指示する、第５の実施形態を示す図である。 マスタステーションが移動ロボットを、穴空け等のツーリング作業を行う位置に誘導する、第６の実施形態を示す図である。 マスタステーションが移動ロボットを、床の上で測定しマークすることができるロボットアームによって計測を行う位置に誘導する、第７の実施形態を示す図である。 壁にマーキングが行われる第７の実施形態を示す図である。 マスタステーションが、各々が異なるプロセッサと通信する複数のプリズムを追跡し、プロセッサが互いに通信する以外は、第１の実施形態に類似する第８の実施形態を示す図である。 ２つのレーザ測距ユニット（Ａ及びＢ）であって、各々が床からの垂直高さと他方の測距計からの距離との両方を測定することができるユニットの立面図である。 レーザ測距計及び回転プリズムの拡大図である。 位置三角測量のためのターゲットセンサをさらに示す、図１２の構成の平面図である。 距離測定値及び高さ測定値を提供するセンサ及び他の機器を備えるポールを使用する測距計を示す図である。 ３つのジャイロスコープ及び加速度計を備える慣性測定システムを有するポータブルプロセッサを示し、そのポータブルプロセッサの外側の等角図である。 ３つのジャイロスコープ及び加速度計を備える慣性測定システムを有するポータブルプロセッサを示し、プロセッサユニット内に配置されている本質的な構成要素を示す等角図である。

本発明は、多次元空間のＮ次元（Ｎは２以上の整数）グラフィカル表現の自動生成システム及び方法を提供する。説明を容易にし記述を明確にするために、本発明のシステム及び方法を、以下のような建設計画の文脈で説明する。すなわち、構造及び／又は物体が、多次元空間において互いに対して建造され、配置され、位置決めされ且つ方向付けられ、その多次元空間の特定の物理的特徴は、建築家及び／若しくは技術者又は他の建設専門家によって生成されるＣＡＤ（コンピュータ支援設計）図面等の図面に表現される。本発明の方法及びシステムは、建設計画の自動調査及び／又はレイアウトに限定されず、空間にすでに存在しているか又は空間に導入される物体及び／又は構造を使用する任意の多次元空間の再配置を包含する。

本発明のシステムを使用して多次元空間（たとえば３Ｄ空間）の自動調査を実行する方法は、多次元空間内におけるシステム機器から１つ又は複数の選択された基準点までの距離の測定と、多次元空間内におけるシステム機器からさまざまな既存の物体及び構造までの距離の測定とを含む。本発明のシステムは、これらの測定値を使用して、少なくとも一部が多次元空間内に位置するシステム機器によって為される測定に基づいて、多次元空間の図面（デジタルフォーマットであってもよい）又はグラフィカル表現を、リアルタイムで自動的に生成する。

さらに、調査されている多次元空間のグラフィカル表現をリアルタイムで作成することに加えて、本発明のシステムはまた、調査されている多次元空間の測定された位置に対するその構成要素（たとえばターゲット）のうちの１つの位置をリアルタイムに示すことも可能である。したがって、このような構成要素がシステムのユーザに取り付けられるか又はユーザによって所持されると、本方法及びシステムは、調査されている空間内において、又は調査されている空間に重ね合わされる仮想空間内においてユーザの位置を表示することにより、ユーザを空間内で案内することができる。

本発明の方法及びシステムによる多次元空間又は建設現場の自動レイアウトは、ベンチマーク及びターゲット等の基準点を使用して、多次元空間内に配置されるように指定された１つ又は複数の構造及び／又は物体の位置、場所及び方向を確立することを含む。通常、多次元空間の展開のための設計は、建設される多次元空間の物体及び／又は構造の間の空間的関係を正確に示す１つ又は複数の図面（たとえば、ＣＡＤすなわちコンピュータ支援設計図面）として記憶される。設計は、グラフィカルに示される場合、特定の物理的特徴を有する仮想空間を表す。本発明のシステムのユーザによる多次元空間の自動レイアウトの実行中、システムは、設計図面を参照して、多次元空間内で自身の位置を確定し、次いで設計図面に含まれる選択された物体及び／又は構造が多次元空間に変換される際に、それらの正確な位置を指し示す。このように、本発明は、多次元空間内でユーザを単一点（又はエリア若しくはボリューム又は他のより高次元の領域）に案内することができ、それによりユーザは、多次元空間の境界において又はその中で建設される物体及び／又は構造の特定の位置決め、方向及び／又は配置を指定して、多次元空間内でマーキングを行うことができる。本発明の一実施形態では、ユーザは、本発明のシステムの機器を制御して、設計で指定されている構造及び／又は物体に対するマーキングを自動的に行うことができる。

本発明のシステムは、少なくとも１つのマスタステーションと、プロセッサと、１つ又は複数のターゲットとを含む構成要素を備える。本発明のシステムの構成要素は、互いに通信することにより、システムが多次元空間の自動調査及びレイアウトを実行することができるようにする。多次元空間の調査及び／又はレイアウト中、システムは、既知の又はすでに調査された物体及び／又は構造とユーザの物理的な現在位置とを含む多次元空間（たとえば３Ｄグラフィックス表現）を表示すること、同時に多次元空間内でユーザを効率的に案内すること、及びユーザに対し、ユーザが多次元空間のレイアウトを実行しているときにマーキングを行う場所をユーザに効率的に指示することにより、多次元空間内でユーザを案内することができる。さらに、本発明のシステムは、多次元空間描写に対するオーバレイとして仮想空間を表示することができる。このため、ユーザが多次元空間内で物理的に移動する際、本発明のシステムは、ユーザの位置を追跡し、当該位置をリアルタイムで実際の空間及び／又は仮想空間のグラフィカル表現内で表示することができる。

本明細書を通して明確に示すように、タスクは、そのタスクを完了するために必要なステップのいくつか又はすべてが、本発明の方法により本発明のシステム機器によって実行されるときに、「自動的に」行われる。本明細書で説明するさまざまなタスクに対する最終ステップのいくつか又はすべては、内部に組み込まれているファームウェア及び／又はソフトウェアによって指示され得るシステム機器によって実行され、したがって、このようなタスクは自動的に実行される。

仮想空間は、建設現場の設計の境界、特定の物体及び／又は構造、多次元空間における互いに対する、且つ指定された確立されている基準点に対する物体及び／又は構造の位置決め及び方向、並びに定義された物体及び／又は構造の実際の物理的寸法を記述する情報（たとえばグラフィカル及び／又はテキスト）に基づいて示すことができる、多次元空間の視覚表現又は数学的表現である。設計を記憶する情報を、仮想情報と呼ぶ。仮想情報の一例は、建設計画に対し建築家又は技術者によって生成された図面（たとえば、２Ｄ又は３ＤのＣＡＤ（コンピュータ支援設計）図面）のセットである。以下、「建設現場」及び「多次元空間」という用語は同義で用いる。

本明細書で使用する場合、「調査」という用語は、ユーザ（好ましくは建築ナビゲータ（Architectural Navigator））が本発明の方法により本発明のシステムを使用して、建設現場において基準点及び他の指定された場所（たとえば、モニュメント、ベンチマーク）の位置を特定し、これらの指定された地点の間の距離を測定し、建設現場内の既存の構造及び／又は物体を識別し、既存の物体及び／又は構造の実際の物理的寸法を測定し、且つ建設現場内に位置する既存の物体及び／又は構造間の距離を測定することにより、建設現場の表現（たとえば、グラフィカル２Ｄ又は３ＤのＣＡＤ図面又は他のタイプの表現）をリアルタイムで、すなわち調査が為されている際に自動的に生成するプロセスを指す。基準点は、測定が最初に行われる地点として指定される建設現場内の特別に規定された地点又は位置である。基準点は、通常、設計者（たとえば、建築家、技術者）によって仮想情報において特定され、通常、多次元空間の現場の測量技師によって多次元空間においてマークされる。調査から生成される情報は、仮想情報の一部となり得る。

本明細書で使用する場合、「レイアウト」という用語は、設計及び／又は調査から生成される基準点及び仮想情報に基づいて、建設現場内における、特定の地点の正確な位置及び／又は物体及び構造の位置、方向及び配置をリアルタイムで自動的に識別するプロセスを指す。レイアウトプロセスはまた、正確な位置にレイアウトされている多次元空間内においてシステムのユーザを案内することを含んでもよい。したがって、正確な位置をユーザがマークすることができるか、又は本発明のユーザは、本発明のシステムの一部である機器を使用して、建設現場内の物体及び構造の位置を自動的にマークすることができる。

本発明のシステム及び方法により、ユーザは、建設現場（すなわち多次元空間）と仮想空間との間のマッピングを実行することにより、建設現場の調査及び／又はレイアウトを実行することができる。マッピングは、１つの空間において既知の点を指定し、別の空間において対応する点を計算するか又は確定することを指し、この場合、２つの空間の間に明確に規定された関係（たとえば数学的）がある。たとえば、レイアウト中に行われるように、本発明の方法が設計者の図面内の点に明確に規定された関係を適用することによって、多次元空間内の対応する点の位置を確定するか又は計算する場合、仮想空間から多次元空間へのマッピングが発生する。

本明細書で使用する場合、「建設現場」という用語は、物体及び構造の建造並びにそれらの互いに対する位置決め及び方向づけを行うことができる、画定された境界を有する任意の多次元空間を含むように理解される。すなわち、建設現場はまた、建設の一部又はすべてが行われた任意の多次元空間も含む。このため、「建設現場」及び「多次元空間」という用語を、以下では同義に使用する。

本発明の方法は、ベンチマーク、ターゲット及び／又は提供される基準等の基準点を使用することに関連するプロセスを自動化して、多次元空間の自動調査若しくは自動レイアウト又は両方を実行する。通常、建設現場での建設の開始に先立ち、測量技師により基準線及びベンチマークが提供される。これらの提供される基準は、通常、互いに垂直な２つの線であり、建設現場において職人（たとえば、大工、配管工、電気工）によって物体及び構造を位置決めし且つ／又は方向付けるための測定が開始される線として、測量技師によって確立されるｘ−ｙ座標系（一方がｘ軸であり他方がｙ軸である垂直線）を表す２次元平面を形成する。さらに、測量技師はまた、提供された基準線から測定される建設現場における特定の点である「ベンチマーク」を提供してもよく、それによりさらに職人が建設現場内で物体及び／又は構造を方向付けることができるようにする。ベンチマークは、通常、基準線に沿った任意の場所からずれた、建設現場内の既存の構造（たとえば柱）上に識別される点である。このため、たとえば、２次元空間の基準線が建設現場の床上に引かれる場合、ベンチマークは、２つの基準線のいずれかに沿った任意の場所から測定された点であってもよく、その場合、このような点は、この基準線によって形成されるｘ−ｙ平面内に存在してもよく、又は、第３の次元の３次元空間におけるｘ及びｙ両方に対して垂直なｚ軸に沿って存在してもよい。このように、ベンチマークは、Ｎ次元空間（Ｎは２以上の整数）内に存在する基準点である。
Ｉ．本発明の方法及びシステム
本発明の方法により、ユーザは、多次元空間内に、多次元空間の調査及び／又はレイアウト中に使用される追加の基準点であるターゲットを導入することができる。ターゲットは、追加の基準点を確立するために本発明のシステムに情報を（能動的に又は受動的に）送受信することができる、多次元空間を通して任意に配置された装置であるという点において、ベンチマークとは異なる。たとえば、ターゲットは、赤外線又は他の電磁信号（光、無線信号、レーザビーム）を反射して多次元空間内の基準点が本発明のシステムにより確立され文書化されることを可能にすることができる反射面を有する、比較的小型の正方形状の偏平な材料であってもよい。このようなターゲットを、本発明のシステムのユーザによって多次元空間内のさまざまな表面に取り付けることができ、それにより多次元空間の自動調査及び／又はレイアウトが可能になる。ターゲットの別の一例は建設空間内に配置されるポール上に位置するプリズムである。ターゲットは、固定されていても可動であってもよい。能動的なターゲットは、多次元空間内のその位置を示す信号を生成し本発明のシステムの他の機器に送信してもよい。受動的なターゲットは、本発明のシステムの他の構成要素又は機器から受け取るエネルギーを、多次元空間内の識別されたその位置に反映する。

図１を参照すると、本発明のシステムを使用して具現化される本発明の方法のフローチャートが示されている。本発明のシステムのさまざまな実施形態を、図２〜図１５に示す。図示するシステム実施形態では、本発明の方法を、プロセッサデバイス（たとえばラップトップコンピュータ）に存在するソフトウェアプログラムとして実装することができる。プロセッサデバイスは、ソフトウェアがシステムのさまざまな他のコンポーネントへのコマンドとして本発明の方法のステップを実行して、多次元空間の自動調査及び／又はレイアウトを実行する、任意のデバイスである。

以下、Ｔｈｅｏｃａｄ（ＳＭ）と呼ぶシステムソフトウェアを、ユーザが多次元空間のグラフィカル表現を生成することを可能にするＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）ソフトウェア等のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアの一部として実装することができる。ソフトウェアはまた、建設及び建築の市場内で容易に使用されるように構築されたグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）も有する。このように、Ｔｈｅｏｃａｄ（ＳＭ）は、ＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）内にシームレスに統合されることにより、このようなソフトウェアのグラフィック生成機能を利用することができる。Ｔｈｅｏｃａｄ（ＳＭ）を、それ自体のグラフィックスを生成することができるスタンドアロンソフトウェアパッケージとして実装することができる、ということが留意されるべきである。Ｔｈｅｏｃａｄ（ＳＭ）は、特定の位置特定、ナビゲーション、読取り及び書込みの建設タスクを迅速に実行するように適応されている。

Ｔｈｅｏｃａｄ（ＳＭ）を、ハンドヘルドコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ又はデスクトップコンピュータ若しくはマスタステーションモジュールと通信する（情報を送信するか又は情報を受信する）能力を有する他のプロセッサ内に配置することができる。情報は、マスタステーションモジュール又はプロセッサによって生成されるコマンド及び／又は応答であり得る。プロセッサは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、メインフレームコンピュータ、デスクトップコンピュータ、又はソフトウェアプログラムの形式の命令を実行することができ且つグラフィックスを表示するディスプレイを有する他の処理デバイスであってもよい。マスタステーションモジュールは、多次元空間内に配置される基準線、ベンチマーク及びターゲットの距離、角度及び他の位置を測定することができる、任意の既知のデバイスであってもよい。たとえば、図２に示すマスタステーションモジュールは、一般にトータルステーションとも呼ばれるデバイスであってもよく、１つの特定の適用可能なトータルステーションは、Ｌｅｉｃａ Ｇｅｏｓｙｓｔｅｍｓ Ｓｅｒｉｅｓ １２００ Ｍｏｄｅｌ ３であり得る。Ｌｅｉｃａ １２００トータルステーションは、３秒間内に±３／１６インチの精度で１０００フィート距離で位置特定を行うことができる。Ｌｅｉｃａ １２００ Ｓｅｒｉｅｓ Ｍｏｄｅｌ ３トータルステーションは、移動するプリズムを追跡することができ、そのため、プリズム及び他の反射性ターゲット等のターゲットまでの距離を測定するために任意の移動デバイスを追跡することができる。このため、システムソフトウェアは、距離測定、ナビゲーション及び文書化制御ソフトウェアとして機能することができる。システムソフトウェアは、マスタステーションにコマンドを送出し、且つマスタステーションから遠隔測定データを受け取る。システムソフトウェアは、マスタステーションファームウェアにコマンドを送出して、要求に応じて指定されたタスクを実行する（たとえば、指定された方向に曲がるか又は特定の角度位置まで下降若しくは上昇する、可視レーザポインタをオン又はオフにする、距離又は角度を測定する等）ように命令する。マスタステーションは、要求された機能を実行し、その後実行又は測定遠隔測定データをシステムソフトウェアに返送することによって応答する。ソフトウェア（たとえばＴｈｅｏＣＡＤ及びＡｕｔｏＣＡＤ）のすべてをプロセッサ若しくはマスタステーションに配置してもよく、又はソフトウェアの一部がプロセッサ及びマスタステーションの両方に存在してもよい、ということが留意されるべきである。

ここで図２を参照すると、三脚（１０７）、レーザ測距器１０４、最上部に位置する無線通信デバイス１０２（アンテナを含む）並びにコンピュータ及びユーザインタフェース１０６を有するマスタステーションモジュール１００（固定ロボット装置として示す）を備える本発明のシステムの第１実施形態が示されている。本システムは、プロセッサ１１４とプリズム１０８等の少なくとも１つのターゲットとをさらに備える。トータルステーションとして実装されるマスタステーションモジュールは、レーザ１０４を移動させてポール１１２上に位置するプリズム１０８を常に追跡するロボット装置である。ポール１１２は、図示するようにそれもまた端部の一方に無線通信デバイス１１０が配置されている以外は、測量技師のポールと同様である。トータルステーションはプリズムの位置を知っており、その位置は、マスタステーションモジュール１００によって通信デバイス１１０を介してプロセッサ１１４に通信される。通信デバイス１１０はプロセッサ１１４に結合されており、プロセッサ１１４により、マスタステーションモジュール１００（それ自体の通信デバイス１０２を有する）に情報を受信し且つ／又は送信するために使用される。通信デバイス１１０及び１０２は、プロトコルに従って互いと情報を交換することができる、いかなるタイプの無線通信デバイスであってもよい。プロトコルは、情報を送信し且つ／又は受信するデバイスにより情報がいかにフォーマットされ送信され、受信され、且つ解釈されるかを指示する規則のセットである。プロトコルは、既知のプロトコルであってもよく、又は本発明のシステムの製造業者によって設計されるプロトコルであってもよい。プリズムの位置の通信が中断されると、マスタステーションモジュール１００は、プリズムを見つけるためにパターン検索プログラムを設定する。プロセッサ１１４がポール１１２に取り付けられているため、建設現場内のプロセッサ１１４の位置を、マスタステーションモジュール１００が確定することができる。より詳細には、マスタステーションモジュール１００は、既知の三角測量の手続きを使用して建設現場内のその位置を確定することができる。したがって、マスタステーションモジュール１００はその位置及びプロセッサ１１４の相対位置を知っているため、建設現場内のプロセッサの位置を、マスタステーションモジュール１００によって確定することも可能である。このため、プロセッサ１１４は、ＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）及びＴｈｅｏＣＡＤ（ＳＭ）ソフトウェアを実行するポータブル処理デバイスとして示されており、デバイスは、現場の修正されたＣＡＤ図面（平面図及び立面図の両方）を表示する特別なソフトウェアがロードされており、建設現場の仮想マップを形成する。そのため、ここで、ハンドヘルドデバイスを、仮想マップの上のその位置に重ね合わせることができる。

再び図１を参照すると、本発明の方法は、通信デバイスが互いとの通信を確立するステップ１０を示す。図２のマスタステーションモジュール１００、ターゲット及びプロセッサ１１４に、通信デバイスが関連していてもよい。本発明のシステムの初期起動の（すなわち、システムが最初にＯＮされる）とき、種々の通信デバイス間のさまざまな通信リンクが確立される。任意の２つのデバイス間の通信リンクの確立には、デバイスがＯＮであること、及びデバイスが互いに通信することができることを確認することが必要である。さらに、デバイス間の通信は、互いの情報を正しく解釈することができるようなものである。通常、２つのデバイス間のハンドシェーキング手続きを使用して、２つのデバイス間のリンクが確立される。このように、リンクは、システムが採用しているプロトコルに従って効率的に通信する能力である。

本発明の方法のステップ１２において、さまざまな基準点が識別され位置が特定される。測量技師は通常、基準線及びベンチマークを提供する。さらに、建設現場に戦略的に配置されるターゲットもまた位置が特定され識別される。さらに、マスタステーションは、建設現場内で基準線又はベンチマーク又はターゲットに対して配置される。建設現場に利用可能な基準線がない場合もあり得る。そのような場合、ターゲットが基準点として使用され、それに対してマスタステーションが位置決めされる。ベンチマーク及び基準線を、多次元空間のＣＡＤ図面において識別してもよく、多次元空間では、上記図面はシステムのプロセッサ（たとえば図２のプロセッサ１１４）に格納されるか、又はシステムプロセッサにダウンロードされることが可能である。ターゲットは、ユーザにより建設現場内のさまざまな点に取り付けられるか又は付着され、そのため、それらの位置はユーザに既知であることは十分に推定される。マスタステーションとしてＬｅｉｃａモデル１２００トータルステーションが使用される場合、それは、プリズム等の特定のタイプのターゲットの位置を自動的に特定することができる。

本発明の方法のステップ１４において、Ｌｅｉｃａ Ｍｏｄｅｌ １２００トータルステーション（たとえば図２のマスタステーション１００）を使用してさまざまな基準点が測定される。特に、基準点からマスタステーションへの距離及び基準点のマスタステーションに対する角度（垂直及び水平）が、トータルステーションにおいて測定され格納される。トータルステーションは、この情報をプロセッサ（たとえば図２のプロセッサ１１４）に送信する。プラットフォームとしてＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）を使用するＴｈｅｏＣＡＤ（ＳＭ）の制御下にあるプロセッサ（図２のプロセッサ１１４等）は、上記情報を処理して、本発明の方法のステップ１６及びステップ１８につながる少なくとも２つの特定のタイプの情報を生成することができる。ＴｈｅｏＣＡＤ（ＳＭ）は、スタンドアロンソフトウェアとして使用されてもよく、それ自体の命令のセットを使用して、本発明の方法のステップ１６及びステップ１８において説明される情報を生成してもよい、ということが留意されるべきである。

本発明の方法のステップ１６において、ＴｈｅｏＣＡＤ（ＳＭ）ソフトウェアは、既知の三角測量のプロセスを通して、調査されている多次元空間内のマスタステーションの位置を計算する。少なくとも２つの基準点を使用して、マスタステーションの位置が確定される。プロセッサに存在するＴｈｅｏＣＡＤ及びＡｕｔｏＣＡＤソフトウェアは、少なくとも２つの基準点位置を使用してマスタステーションの実際の位置を確定し、上記位置をプロセッサのディスプレイに表示する。衛星信号がアクセス可能な建設現場では、本発明の方法は既知のＧＰＳ（全地球測位システム）を使用してマスタステーションの位置、したがってプロセッサの位置を確定することができる。

ステップ１８において、ＴｈｅｏＣＡＤ及びＡｕｔｏＣＡＤソフトウェアは、上述したように基準点が、位置が特定され、識別され、測定され、格納され、処理される際に、建設現場の３次元グラフィカル表現を生成することができる。さらに、ターゲットではないが非反射面である空間の他の基準点を使用して、３次元グラフィックスの生成に役立てることができる。（本発明のシステムを使用せずに）技術者又は建築家によって別個に生成される建設現場の格納されたＣＡＤ図面をプロセッサにダウンロードした後、マッピング操作を通して、本発明のシステムによって生成された建設現場の３次元グラフィカル表現と位置合せすることができる。マッピング操作は、１つの空間において既知の点を指定し、別の空間において対応する点を計算するか又は確定することであり、それらの２つの空間の間には明確に規定された関係（たとえば数学的）がある。２つの空間が位置合せされると、ユーザは、調査された空間と、建設現場の建築家によって別個に生成された空間との不一致を容易に見ることができる。各点が生成される際、点の間の接続もまた生成され、それにより、本発明のシステムは建設現場の３次元グラフィカル表現をリアルタイムに生成することができる。さらに、ユーザが保持しマスタステーションが追跡することができるプロセッサの位置もまた、生成されている空間と、たとえば建築家がＡｕｔｏＣＡＤを用いて別個に生成した重ね合わされた空間とを同時に表示することが可能である。このように、本発明のシステムのユーザは、本発明の方法を使用して上記システムを操作して、仮想空間をナビゲートし、且つ仮想空間の物体及び／又は構造の位置を表す実際の空間におけるマーキングを作成することができる。すなわち、本システムのユーザを、上記システムによってリアルタイムに案内して建設現場のレイアウトを実行することができる。
ＩＩ．本発明のシステムの他の実施形態
図３は、本発明のシステムの第２の実施形態を示し、そこでは、マスタステーションモジュール１００（たとえばＬｅｉｃａトータルステーション１２００シリーズモデル３）は、ターゲット１１８にそのレーザビーム１０９を向け、ターゲット１１８の位置は、ユーザ１１６がプロセッサ１１４に座標を入力することによって確定され、それらの座標がトータルステーションに無線で通信される。ユーザはプロセッサ１１４に対し、レーザに照明させたい位置を指示し、マスタステーションモジュールのレーザビームはその位置に向けられる。

図４は、第３の実施形態を示し、そこでは、マスタステーションモジュール１００が、サブステーション１２０が取り付けられている移動ロボット１２２に物理的に位置するプリズム１０８の位置を特定する。マスタステーションモジュール１００ステーションは、移動ロボットを、無線通信を介して特定の位置に誘導することができるソフトウェアを含む。移動体は「視覚がない（blind）」が、マスタステーションモジュール１００回路により、マスタステーションモジュール１００のコンピュータ１０６に存在するソフトウェアの制御下でナビゲートされる。移動ユニット１２２に取り付けられているサブステーション１２０は、マスタステーションモジュール１００と同様の動作を実行することができるが、モジュール１００の制御に基づく。移動ロボットはまた、無線通信デバイス１１０及びレーザ１１８も備える。そして、移動ロボットのレーザは、マスタステーションモジュール１００によって要求される任意の点位置に照明することができる。これは、マスタステーションモジュール１００が固定されており、位置によっては、マスタステーションモジュールが視線によって得ることができないため、有用である。

図５は、図４の第３の実施形態に類似する第４の実施形態を示すが、そこでは、移動ロボット１２２は、所望のパターン１２４に従ってそのレーザビーム１１１を迅速に移動させることにより表面上にグラフィックオーバレイを投影する。これは、構造材を配置する場所を建設作業員に指示することが望まれる場合に有用である。たとえば、１２インチパイプを垂直に置くことが望まれる場合、移動ロボットレーザは床又は水平面に１２インチ径円を投影する。

図６もまた、上述した第４の実施形態を示し、そこでは、表示されるパターンが３次元オーバレイ１２６の２次元投影である。

図７は、第５の実施形態を示し、そこでは、移動ロボット１２２が特定の位置座標に誘導され、塗料噴霧器機構１２８を使用して塗料又は染料により床にマークするように指示される。たとえば、ＣＡＤ図面の平面図全体をこのように床にペイントすることができる。

図８は、第６の実施形態を示し、移動ロボット１２２が特定の位置座標に誘導され、ドリルヘッド又はマーキングツール１３０を使用して床に穴を空ける等、いくつかのツーリング操作を実行するように指示される。

図９は、第７の実施形態を示し、移動ロボット１２２が計測測定を実行するように特定の位置座標に誘導される。移動ロボットは機械的アーム１３２を有し、それにはコンピュータ化測定、ポインティング又はマーキングデバイス１３３が取り付けられている。図は、このような計測が行われていることを示す。

図１０は、上述した第７の実施形態を示すが、計測が壁に行われている。

図１１は、第８の実施形態を示し、そこでは、マスタステーションモジュール１００ステーションが複数のポール（各々、図２の第１の実施形態に示すようなもの）と通信する。ユーザ１１６Ａ、１１６Ｂ及び１１６Ｃによって操作されるプロセッサ（１１４Ａ、１１４Ｂ及び１１４Ｃ）は、それぞれローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）において互いに通信する。ユーザ１１６Ｂはポールを有していないが、プロセッサ（１１４Ａ及び１１４Ｃ）と通信してプリズム１０８Ｃ及び１０８Ａの位置を特定することができる。ＬＡＮは、クライアント／サーバプロトコルか又はピア・ツー・ピアプロトコルのいずれかを有することができる。いずれの場合も、任意のハンドヘルドユニットの位置座標がすべての他のハンドヘルドユニットに対して既知である。

図１２〜図１４は、第９の実施形態を示す。この実施形態では、トータルステーションが採用されていない。代りに、ユーザ２１６が操作するプロセッサ２１４と通信することができる２つの固定レーザ測距器ユニット２２１Ａ及び２２１Ｂ（図１２、図１３及び図１４参照）が、レーザビーム２２３Ａ及び２２３Ｂを使用して地面からのそれらの垂直距離とそれらを隔てる距離とを測定する。図１２Ａに、測距器ユニットの詳細を示す。各測距器は、光センサ２１、回転プリズム２２、レーザ２３及び通信機器（図示せず）を有する。測距器ユニットは、それら自体の位置を符号化し、遠隔測距データをターゲットセンサに送出する。ターゲットセンサは、三角測量のために測距器ユニット（２２１Ａ及び２２１Ｂ）の各々までの距離とともに、形成された三角形の角度（Ａ及びＢ）を読み出すことができる。これを図１３に示す。図１４は、ポール自体を使用して測距器ユニットの高さを正確に測定する代替方法を示し、ポールの可動ユニット２３０にはレーザ２１５が取り付けられており、可動ユニット２３０の高さに沿ってセンサ２１７が取り付けられ、可動ユニット２３０の各端部にはミラー２１１、２１３が取り付けられている。センサが測距器２２１Ａのレーザビーム２１９を捕捉すると、基準を超える真の高さを、ポール上のセンサアレイの既知の位置を使用して測定することができる。可動ユニットは、プロセッサ２１４に情報を送信する通信装置を有してもよい。

図１５は、ポータブルプロセッサハンドヘルドユニットであって、３つのジャイロスコープ及び加速器を使用してその位置を測定するユニットを示す。ハンドヘルドユニットの他のデバイスとの通信は、無線周波数信号を使用して行われる。慣性誘導システムは、１つ又は複数のジャイロスコープと、ジャイロドリフトを補償する共振リングと、少なくとも１つの非常に高精度の可変容量加速度計とを備える、慣性測定ハードウェア及び／又は電子機器及び／又はソフトウェアと結合される、マルチプラットフォーム無線ハンドヘルドコンピュータ、ＰＤＡ、ラップトップ、タブレット等である。ユニットを初期化するために、操作者はまず、空間において制御点を参照しなければならない。

本発明を、詳細に且つその特定の実施形態を参照して説明したが、当業者には、その精神及び範囲から逸脱することなくさまざまな変形及び変更を行うことができる、ということが明らかとなろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内にある本発明の変更及び変形を包含することが意図されている。

Claims (1)

1. 多次元空間のＮ次元表現を、空間内の基準点に基づいて自動的に生成することであって、ユーザが、少なくとも一部が前記空間内に位置するシステムを使用して前記空間内でナビゲートされることが可能になり、ここで、Ｎは２以上の整数である、生成することを含む、方法。

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