JP2013117392A - Positioning system, positioning method and program - Google Patents

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文宏 井上
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positioning system that can measure on a real-time basis the position and direction of a moving body by using a simpler device than a total station.SOLUTION: A positioning system 10 that measures the position and direction of a pile driver 1 comprises: a plurality of targets 30 installed on the pile driver 1 with preset positional relationships to a prescribed reference point installed on the pile driver 1 and having preset positional relationships to one another; and an LRF 20 that acquires positional information on a plurality of measurement points on the surface of each of the targets 30 by optically scanning the surface of each of the targets 30. On the basis of the positional information on the plurality of measurement points on the surface of each of the targets 30 acquired by the LRF 20, the central position of each of the targets 30 is estimated, and the position and direction of the pile driver 1 are estimated on the basis of the estimated central positions of the plurality of targets 30 and the preset positional relationships.

Description

本発明は、移動体の位置及び向きを計測する測位システム、測位方法、及びプログラムに関する。   The present invention relates to a positioning system, a positioning method, and a program for measuring the position and orientation of a moving body.

杭の打設施工をリアルタイムで打設位置を計測しながら行うためのシステムとして、追尾機能を有するトータルステーションとGPSとを使用したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のシステムでは、洋上クレーンで吊られた杭に複数の反射体を設置し、洋上に浮かべた複数のトータルステーションで視準して杭の中心位置を算出し、トータルステーションの位置をGPSで計測してその計測結果に基づいて杭の中心位置を補正する。   A system using a total station and a GPS having a tracking function is known as a system for performing pile placement work while measuring the placement position in real time (see, for example, Patent Document 1). In the system described in Patent Document 1, a plurality of reflectors are installed on a pile suspended by an offshore crane, and the center position of the pile is calculated by collimating with a plurality of total stations floating on the ocean. And measure the center position of the pile based on the measurement result.

また、レーザ光を走査することにより、被計測体上の複数の計測点までの距離を計測するレーザレンジファインダ(光走査式測距装置)が知られている(例えば、特許文献2参照)。   Further, there is known a laser range finder (optical scanning distance measuring device) that measures distances to a plurality of measurement points on a measurement object by scanning laser light (see, for example, Patent Document 2).

特開2008―14877号公報JP 2008-14877 A 特開2007−225434号公報JP 2007-225434 A

特許文献1に記載のシステムでは、トータルステーションの計測精度は杭の打設位置の要求精度に対して十分に高いものの、GPSの計測精度は十分ではないことから、杭の打設位置の要求精度を満足できない可能性がある。また、トータルステーションやGPSは高額であることから、高コストなシステムになる。   In the system described in Patent Document 1, although the measurement accuracy of the total station is sufficiently higher than the required accuracy of the pile placement position, the measurement accuracy of the GPS is not sufficient, so the required accuracy of the pile placement position is reduced. You may not be satisfied. Moreover, since the total station and GPS are expensive, it becomes a high-cost system.

また、上述のレーザレンジファインダは、被計測体の表面の複数の計測点までの距離を計測したり、被計測体のプロファイルデータを取得したりといった用途はあるものの、円柱状の杭の中心軸等の被計測体の輪郭に対する特徴点の位置を計測するという用途では使用されていない。   In addition, the laser range finder described above is used for measuring the distance to a plurality of measurement points on the surface of the measurement object or obtaining profile data of the measurement object, but the central axis of the columnar pile It is not used for the purpose of measuring the position of the feature point with respect to the contour of the measured object.

本発明は、上記事情に鑑み、トータルステーションやGPSと比して簡易な計測装置を用いて、リアルタイムで移動体の位置及び向きを計測できる測位システム、測位方法、及びプログラムを提供するものである。   In view of the above circumstances, the present invention provides a positioning system, a positioning method, and a program that can measure the position and orientation of a moving object in real time using a simpler measuring device than a total station or GPS.

上記課題を解決するために、本発明に係る測位システムは、移動体の位置及び向きを計測する測位システムであって、前記移動体に設定された所定の基準点に対して既定の位置関係をもって、且つ互いに既定の位置関係をもって前記移動体に設置された複数の被計測体と、各被計測体の表面を光で走査することにより各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報を取得する光走査式測距装置と、前記光走査式測距装置により取得された各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報に基づいて、各被計測体の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を推定する第1測位部と、前記第1測位部により推定された前記複数の被計測体の前記所定点の位置と、前記複数の被計測体と前記所定の基準点との既定の位置関係と、前記複数の被計測体の互いの既定の位置関係とに基づいて、前記基準点の位置と、前記移動体の前記基準点を中心とする回転方向の位置とを算出し、前記基準点の位置に基づいて前記移動体の位置を推定し、前記回転方向の位置に基づいて前記移動体の向きを推定する第2測位部と、を備える。   In order to solve the above problems, a positioning system according to the present invention is a positioning system that measures the position and orientation of a moving object, and has a predetermined positional relationship with respect to a predetermined reference point set on the moving object. In addition, a plurality of measurement objects installed on the movable body with a predetermined positional relationship with each other, and position information of a plurality of measurement points on the surface of each measurement object by scanning the surface of each measurement object with light An optical scanning distance measuring device for obtaining the contour of each measured object based on positional information of a plurality of measurement points on the surface of each measured object acquired by the optical scanning distance measuring device. A first positioning unit that estimates a position of a predetermined point in a predetermined positional relationship; positions of the predetermined points of the plurality of measured objects estimated by the first positioning unit; the plurality of measured objects; A default positional relationship with a given reference point; The position of the reference point and the position of the moving body in the rotation direction around the reference point are calculated based on the predetermined positional relationship between the plurality of measured objects, and the position of the reference point And a second positioning unit that estimates the position of the moving body based on the position of the moving body and estimates the direction of the moving body based on the position in the rotational direction.

前記測位システムにおいて、4個以上の前記被計測体が前記移動体に設置され、少なくとも1個の前記被計測体が必ず前記光走査式測距装置の死角領域に位置するように設置されてもよく、前記第2測位部は、前記第1測位部により推定された2個の前記被計測体の前記所定点の位置と、前記2個の被計測体と前記所定の基準点との既定の位置関係と、前記2個の被計測体の互いの既定の位置関係とに基づいて、前記基準点の位置と、前記移動体の前記基準点を中心とする回転方向の位置とを算出してもよい。   In the positioning system, four or more objects to be measured may be installed on the moving body, and at least one object to be measured may be installed in a blind spot area of the optical scanning rangefinder. The second positioning unit may include a predetermined position of the predetermined points of the two measured objects estimated by the first positioning unit, and the predetermined positions of the two measured objects and the predetermined reference point. Based on the positional relationship and the predetermined positional relationship between the two objects to be measured, the position of the reference point and the position of the moving body in the rotation direction around the reference point are calculated. Also good.

前記測位システムにおいて、3個以上の前記被計測体が前記移動体に設置され、全ての前記被計測体が常に前記光走査式測距装置の死角領域に位置することがないように設置されてもよく、前記第2測位部は、前記第1測位部により推定された3個の前記被計測体の前記所定点の位置と、前記3個の被計測体と前記所定の基準点との既定の位置関係と、前記3個の被計測体の互いの既定の位置関係とに基づいて、前記基準点の位置と、前記移動体の前記基準点を中心とする回転方向の位置とを算出してもよい。   In the positioning system, three or more objects to be measured are installed on the moving body, and all the objects to be measured are installed so that they are not always located in the blind spot area of the optical scanning rangefinder. The second positioning unit may be a predetermined position of the predetermined points of the three measured objects estimated by the first positioning unit, and the predetermined positions of the three measured objects and the predetermined reference point. And the position of the reference point and the position of the movable body in the rotational direction centered on the reference point are calculated based on the positional relationship of the three measured objects and the predetermined positional relationship of the three measured objects. May be.

前記測位システムにおいて、前記複数の被計測体は、相互の距離が全て異なるように前記移動体に設置されてもよい。   In the positioning system, the plurality of objects to be measured may be installed on the moving body so that their mutual distances are all different.

前記測位システムにおいて、前記被計測体は円柱体で、前記所定点は、前記円柱体の中心軸上の点であってもよく、前記第1測位部は、最小二乗法又は最尤法を用いて、前記複数の計測点の位置を近似した円の方程式を求め、求めた円の方程式に基づいて、前記中心軸上の点の位置を推定してもよい。   In the positioning system, the measured object may be a cylindrical body, and the predetermined point may be a point on a central axis of the cylindrical body, and the first positioning unit uses a least square method or a maximum likelihood method. Then, an equation of a circle that approximates the positions of the plurality of measurement points may be obtained, and the position of the point on the central axis may be estimated based on the obtained equation of the circle.

また、本発明に係る測位システムは、移動体の位置及び向きを計測する測位方法であって、複数の被計測体を、前記移動体に設定した所定の基準点に対して既定の位置関係を有し、且つ互いに既定の位置関係を有するように前記移動体に設置するステップと、光走査式測距装置により各被計測体の表面を光で走査することで各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報を取得するステップと、前記光走査式測距装置により取得した各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報に基づいて、各被計測体の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を推定するステップと、推定された前記複数の被計測体の前記所定点の位置と、前記複数の被計測体と前記所定の基準点との既定の位置関係と、前記複数の被計測体の互いの既定の位置関係とに基づいて、前記基準点の位置と、前記移動体の前記基準点を中心とする回転方向の位置とを算出し、前記基準点の位置に基づいて前記移動体の位置を推定し、前記回転方向の位置に基づいて前記移動体の向きを推定するステップと、を備える。   Further, the positioning system according to the present invention is a positioning method for measuring the position and orientation of a moving body, wherein a plurality of measured bodies have a predetermined positional relationship with respect to a predetermined reference point set on the moving body. And having a predetermined positional relationship with each other on the surface of each measured object by scanning the surface of each measured object with light by an optical scanning distance measuring device. A step of acquiring position information of a plurality of measurement points and a contour of each measurement object based on the position information of the plurality of measurement points on the surface of each measurement object acquired by the optical scanning distance measuring device. Estimating a position of a predetermined point having a predetermined positional relationship, a predetermined position of the predetermined point of the plurality of measured objects, and a predetermined number of the plurality of measured objects and the predetermined reference point The positional relationship and each other of the plurality of measured objects The position of the reference point and the position of the moving body in the rotation direction around the reference point are calculated based on a fixed positional relationship, and the position of the moving body is calculated based on the position of the reference point. Estimating, and estimating the direction of the moving body based on the position in the rotation direction.

また、本発明に係るプログラムは、移動体に設定された所定の基準点に対して既定の位置関係をもって、且つ互いに既定の位置関係をもって前記移動体に設置された複数の被計測体と、各被計測体の表面を光で走査することにより各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報を取得する光走査式測距装置とを備え、前記移動体の位置及び向きを計測する測位システムに含まれるコンピュータに実行させるプログラムであって、前記光走査式測距装置により取得された各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報に基づいて、各被計測体の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を推定する手順と、推定された前記複数の被計測体の前記所定点の位置と、前記複数の被計測体と前記所定の基準点との既定の位置関係と、前記複数の被計測体の互いの既定の位置関係とに基づいて、前記基準点の位置と、前記移動体の前記基準点を中心とする回転方向の位置とを算出し、前記基準点の位置に基づいて前記移動体の位置を推定し、前記回転方向の位置に基づいて前記移動体の向きを推定する手順と、を前記コンピュータに実行させる。   Further, the program according to the present invention includes a plurality of measured objects installed on the moving body with a predetermined positional relationship with respect to a predetermined reference point set on the moving body, and each with a predetermined positional relationship with each other, An optical scanning distance measuring device that acquires position information of a plurality of measurement points on the surface of each measurement object by scanning the surface of the measurement object with light, and measures the position and orientation of the moving object A program to be executed by a computer included in the positioning system, the contour of each measurement object based on positional information of a plurality of measurement points on the surface of each measurement object acquired by the optical scanning distance measuring device A position of a predetermined point in a predetermined positional relationship, a position of the estimated predetermined points of the plurality of measured objects, and a plurality of measured objects and the predetermined reference point With the default position Based on the predetermined positional relationship between the plurality of objects to be measured, the position of the reference point and the position of the moving body in the rotation direction around the reference point are calculated, and the position of the reference point And estimating the position of the moving body based on the position of the moving body and estimating the direction of the moving body based on the position in the rotational direction.

本発明によれば、トータルステーションやGPSと比して簡易な計測装置を用いて、リアルタイムで移動体の位置及び向きを計測できる。   According to the present invention, it is possible to measure the position and orientation of a moving body in real time using a simple measuring device as compared with a total station or GPS.

一実施形態に係る測位システムの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the positioning system which concerns on one Embodiment. 測位システムの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of a positioning system. 各ターゲットの中心位置を算出する処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the process which calculates the center position of each target. (A)は、カルマンフィルタによるノイズ除去を行っていない場合における円周面の片側のプロファイルの検出結果を示すグラフである。(B)は、カルマンフィルタによるノイズ除去を行った場合における円周面の片側のプロファイルの検出結果を示すグラフである。(A) is a graph which shows the detection result of the profile of the one side of the circumferential surface in case the noise removal by a Kalman filter is not performed. (B) is a graph which shows the detection result of the profile of the one side of the circumferential surface at the time of performing the noise removal by a Kalman filter. 一定距離法の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the constant distance method. 最小二乗法と最尤法とを用いて、クラスタの全データから円周面の中心位置を推定する方法の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the method of estimating the center position of the circumferential surface from all the data of a cluster using the least squares method and the maximum likelihood method. LRFにより取得されたデータから、ターゲットの中心位置を推定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having estimated the center position of the target from the data acquired by LRF. LRFによりレーザ光を10回走査して取得すると共にノイズ成分を除去したデータから、ターゲットの中心位置を推定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having estimated the center position of the target from the data which scanned and acquired the laser beam by LRF 10 times, and removed the noise component. 杭打ち機の位置及び向きを計測する原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle which measures the position and direction of a pile driver. 杭打ち機の位置及び向きを計測する原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle which measures the position and direction of a pile driver. 杭打ち機の位置及び向きを計測する原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle which measures the position and direction of a pile driver. 杭打ち機の位置及び向きを計測する原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle which measures the position and direction of a pile driver. 杭打ち機の位置及び向きを計測する処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the process which measures the position and direction of a pile driver. X−Y座標を極座標に変換する方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method to convert XY coordinate to a polar coordinate. 他の実施形態に係る測位システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the positioning system which concerns on other embodiment. 杭打ち機の位置及び向きを計測する処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the process which measures the position and direction of a pile driver. (A)は、他の実施形態に係る測位システムを示す側面図であり、(B)は、(A)のB−B矢視図である。(A) is a side view which shows the positioning system which concerns on other embodiment, (B) is a BB arrow line view of (A). レーザポインタを用いて、鉛直軸の位置の初期設定や校正を行っている状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which is performing the initial setting and calibration of the position of a vertical axis using a laser pointer. (A)は、回転台が停止した状態でLRFがレーザ光を1回走査した場合におけるターゲットの円周面上の計測点を示す図である。また、(B)は、本実施形態に係る高精度計測を実施した場合におけるターゲットの円周面上の計測点を示す図である。(A) is a figure which shows the measurement point on the circumferential surface of a target in case LRF scans a laser beam once in the state where the turntable stopped. Moreover, (B) is a figure which shows the measurement point on the circumferential surface of the target at the time of implementing the high precision measurement which concerns on this embodiment. (A)は、回転台を停止させた状態でLRFにレーザ光を10回走査させることにより取得した円周面上の計測点のデータから、ターゲットの中心位置を推定した結果を示すグラフである。また、(B)は、回転台を回転させながらLRFにレーザ光を10回走査させることにより取得した円周面上の計測点のデータから、ターゲットの中心位置を推定した結果を示すグラフである。(A) is a graph which shows the result of having estimated the center position of the target from the data of the measurement point on the circumferential surface acquired by making LRF scan a laser beam 10 times in the state which stopped the turntable. . Further, (B) is a graph showing the result of estimating the center position of the target from the data of the measurement points on the circumferential surface acquired by scanning the LRF with the laser beam 10 times while rotating the turntable. .

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図1は、一実施形態に係る測位システム10の構成を示す図である。この図に示すように、測位システム10は、杭打ち機1の位置及び向き(鉛直軸周りの回転方向の位置)を計測するためのシステムであり、レーザレンジファインダ(以下、LRFという)20と、杭打ち機1に設置された4個のターゲット30とを備えている。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a positioning system 10 according to an embodiment. As shown in this figure, the positioning system 10 is a system for measuring the position and orientation of the pile driving machine 1 (position in the rotational direction around the vertical axis), and a laser range finder (hereinafter referred to as LRF) 20 and The four targets 30 installed in the pile driving machine 1 are provided.

LRF20は、レーザ距離計を鉛直軸20Aの周りに回転させることによりレーザ光を水平方向に走査して、上記鉛直軸20Aから被計測体の輪郭上の複数の計測点までの距離を計測する水平ラインスキャンタイプの1軸の光走査式測距装置である。ここで、レーザ光の走査とは、レーザ光の射出角度を順次変化させることにより、レーザ光で受光面を所定方向に順次なぞることである。LRF20は、所定角度(例えば、0.25°)回転される毎に光源からレーザ光を射出し、反射されたレーザ光を受光部が受光して、鉛直軸20Aから被計測体の輪郭上の計測点までの距離を計測する。   The LRF 20 scans the laser beam in the horizontal direction by rotating the laser distance meter around the vertical axis 20A, and measures the distance from the vertical axis 20A to a plurality of measurement points on the contour of the measured object. This is a line scan type single-axis optical scanning rangefinder. Here, the scanning of the laser beam is to sequentially trace the light receiving surface with the laser beam in a predetermined direction by sequentially changing the emission angle of the laser beam. The LRF 20 emits laser light from the light source every time it is rotated by a predetermined angle (for example, 0.25 °), and the light receiving unit receives the reflected laser light, and the contour of the measurement object is received from the vertical axis 20A. Measure the distance to the measurement point.

3個のターゲット30は、杭打ち機1の機体上に設置されている。この3個のターゲット30は、半径rの円柱体であり、水準器36が取り付けられた軸体34の一端部に支持されている。ターゲット30と軸体34とは、それぞれの中心軸30E、34Aが同一直線上で並ぶように配されている。水準器36は、軸体34の姿勢が鉛直か否かを確認するための機器である。また、残りの1個のターゲット30は、半径rの円柱体であり、杭と同軸状に配置されている。   Three targets 30 are installed on the body of the pile driving machine 1. The three targets 30 are cylindrical bodies having a radius r, and are supported by one end of a shaft body 34 to which a level 36 is attached. The target 30 and the shaft body 34 are arranged so that the respective central axes 30E and 34A are aligned on the same straight line. The level 36 is a device for confirming whether or not the posture of the shaft body 34 is vertical. The remaining one target 30 is a cylindrical body having a radius r and is arranged coaxially with the pile.

また、ターゲット30の円周面30Fは、レーザ光の乱反射を抑制するべく低輝度仕上げされている。これにより、鉛直軸20Aから円周面30F上の計測点までの距離を計測する際のノイズを低減できる。また、円周面30Fの色は、レーザ光の反射率を考慮して、黒等の暗色ではなく、白等の明色である。   Further, the circumferential surface 30F of the target 30 is finished with a low luminance so as to suppress irregular reflection of laser light. Thereby, the noise at the time of measuring the distance from the vertical axis 20A to the measurement point on the circumferential surface 30F can be reduced. Further, the color of the circumferential surface 30F is not a dark color such as black but a light color such as white in consideration of the reflectance of the laser beam.

図2は、測位システム10の機能ブロック図である。この図に示すように、測位システム10は、LRF20に無線LANや通信ケーブル等により接続された計算処理用のコンピュータ12と、杭打ち機1の操縦室に設置され、杭打ち機1の位置及び向き並びに杭の打設位置Pが表示されるモニタ18とを備えている。このコンピュータ12は、計算処理用のプログラムを記憶した不揮発性メモリ等の記憶部14と、当該プログラムを揮発性メモリ等に読み出して計算処理を実行する情報処理部(CPU)40と、LRF20からの距離情報を入力する入力部(入力インターフェース)16とを備える。   FIG. 2 is a functional block diagram of the positioning system 10. As shown in this figure, the positioning system 10 is installed in the cockpit of the pile driver 1 and a computer 12 for calculation processing connected to the LRF 20 by a wireless LAN or a communication cable. And a monitor 18 on which the direction and the driving position P of the pile are displayed. The computer 12 includes a storage unit 14 such as a non-volatile memory that stores a calculation processing program, an information processing unit (CPU) 40 that reads the program into a volatile memory and executes the calculation process, and an LRF 20 And an input unit (input interface) 16 for inputting distance information.

情報処理部40は、各ターゲット30の中心位置を算出する第1測位部41と、複数のターゲット30の中心位置に基づいて杭打ち機1の位置及び向き(鉛直軸周りの回転方向の位置)を算出する第2測位部401と、杭打ち機1の位置及び向きを、モニタ18に表示させる表示制御部402を備えている。上記プログラムは、情報処理部40の各部の機能を実現させる。第1測位部41は、分別部42と、クラスタリング部44と、ノイズ除去部46と、推定部48と、判定部49とを備える。   The information processing unit 40 calculates the center position of each target 30 and the position and orientation of the pile driving machine 1 based on the center positions of the plurality of targets 30 (position in the rotational direction around the vertical axis). And a display control unit 402 that displays on the monitor 18 the position and orientation of the pile driving machine 1. The above program realizes the function of each unit of the information processing unit 40. The first positioning unit 41 includes a classification unit 42, a clustering unit 44, a noise removal unit 46, an estimation unit 48, and a determination unit 49.

図3は、各ターゲット30の中心位置を算出する処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示すように、入力部16が、LRF20から距離情報を取得すると(ステップ1)、分別部42が、LRF20から距離情報が送信された計測点のうち、前景領域としての円周面30F上の計測点と、背景領域としての円周面30Fの周辺領域における計測点とを背景差分法により分別する(ステップ2)。   FIG. 3 is a flowchart for explaining the process of calculating the center position of each target 30. As shown in this flowchart, when the input unit 16 acquires distance information from the LRF 20 (step 1), the classification unit 42 has a circumferential surface 30F as a foreground region among the measurement points to which the distance information is transmitted from the LRF 20. The upper measurement points and the measurement points in the peripheral region of the circumferential surface 30F as the background region are sorted by the background difference method (step 2).

また、クラスタリング部44は、分別部42により前景領域に属すると判断された計測点に対して、最短距離法を用いてユーグリッド距離に基づいたクラスタリングを行う(ステップ3)。   In addition, the clustering unit 44 performs clustering based on the Eugrid distance using the shortest distance method on the measurement points determined to belong to the foreground area by the classification unit 42 (step 3).

また、ノイズ除去部46は、カルマンフィルタを用いて、クラスタリング部44によりクラスタリングされた多数の計測点のデータに含まれるノイズ成分を除去する(ステップ4)。なお、当該ノイズ成分の除去方法の詳細については後述する。   Moreover, the noise removal part 46 removes the noise component contained in the data of many measurement points clustered by the clustering part 44 using a Kalman filter (step 4). The details of the noise component removal method will be described later.

また、推定部48は、一定距離法や最小二条法や最尤法等の推定手法を用いて、クラスタリング部44によりクラスタリングされノイズ除去部46によりノイズ成分を除去された多数の計測点から、ターゲット30の中心位置を推定する(ステップ5)。なお、推定部48による中心位置の推定は、予め入力されたターゲット30の円周面30Fのプロファイルデータに基づいて最小二乗法等の推定手法を用いて行われるものであり、ニュートン法による繰り返し計算によって収束値を得るものである。なお、推定部48による中心位置の推定については、詳細に後述する。   Further, the estimation unit 48 uses an estimation method such as a constant distance method, a minimum two-row method, a maximum likelihood method, or the like, from a large number of measurement points clustered by the clustering unit 44 and noise components removed by the noise removal unit 46. The center position of 30 is estimated (step 5). The estimation of the center position by the estimation unit 48 is performed using an estimation method such as the least square method based on the profile data of the circumferential surface 30F of the target 30 input in advance, and is repeatedly calculated by the Newton method. Is used to obtain a convergence value. The estimation of the center position by the estimation unit 48 will be described later in detail.

また、判定部49は、推定部48がニュートン法による繰り返し計算によって算出した値が、収束値未満になっているか否かを判定し、収束値未満であれば中心点を確定し、収束値以上であれば再度計算を繰り返す(ステップ6、7)。   Further, the determination unit 49 determines whether the value calculated by the iterative calculation by the Newton method by the estimation unit 48 is less than the convergence value. If the value is less than the convergence value, the center point is determined. If so, the calculation is repeated again (steps 6 and 7).

図4(A)は、カルマンフィルタによるノイズ除去を行っていない場合における円周面30Fの片側のプロファイルの検出結果を示すグラフである。また、図4(B)は、カルマンフィルタによるノイズ除去を行った場合における円周面30Fのプロファイルの片側の検出結果を示すグラフである。   FIG. 4A is a graph showing a detection result of a profile on one side of the circumferential surface 30F when noise removal by the Kalman filter is not performed. FIG. 4B is a graph showing the detection result on one side of the profile of the circumferential surface 30F when noise removal by the Kalman filter is performed.

ここで、円周面30Fの片側の円弧部の両端で反射された鏡面成分の光は、LRF20まで戻らず、当該円弧部の両端で反射された乱反射成分の光のみが、LRF20に戻る。このため、LRF20が検出する反射光の信号雑音比(S/N比)が高くなる。従って、カルマンフィルタによるノイズ除去を行っていない場合には、円周面30F上の多数の計測点までの距離の検出精度が悪化し、図4(A)に示すように、円周面30Fの円弧部の両端の形状が崩れる。   Here, the light of the specular component reflected at both ends of the arc portion on one side of the circumferential surface 30F does not return to the LRF 20, but only the light of the irregular reflection component reflected at both ends of the arc portion returns to the LRF 20. For this reason, the signal noise ratio (S / N ratio) of the reflected light detected by the LRF 20 is increased. Therefore, when noise removal by the Kalman filter is not performed, the detection accuracy of distances to a large number of measurement points on the circumferential surface 30F deteriorates, and as shown in FIG. 4A, the circular arc of the circumferential surface 30F. The shape of both ends of the part collapses.

そこで、反射光強度フィルタをカルマンフィルタとして用い、反射光強度が所定値より低いデータをノイズ成分として除去した。これにより、円周面30F上の多数の計測点までの距離の計測精度を向上でき、図4(B)に示すように、円周面30Fの円弧部の両端の形状の崩れを抑制でき、より正確な円周面30Fのプロファイルデータを得ることができる。   Therefore, the reflected light intensity filter is used as a Kalman filter, and data having a reflected light intensity lower than a predetermined value is removed as a noise component. Thereby, the measurement accuracy of the distance to a large number of measurement points on the circumferential surface 30F can be improved, and as shown in FIG. 4 (B), the collapse of the shape of both ends of the arc portion of the circumferential surface 30F can be suppressed, More accurate profile data of the circumferential surface 30F can be obtained.

次に、推定部48によるターゲット30の中心位置の推定方法の詳細について説明する。
まず、一定距離法について説明する。図5は、一定距離法の原理を示す図である。このグラフに示すように、一定距離法では、クラスタリング部44によりクラスタリングされた多数の計測点(図中黒丸で示す)の中心(クラスタ中心)の位置(xcl,ycl)を求める。そして、鉛直軸20Aとクラスタ中心とを結ぶ直線Lに沿ってクラスタ中心から鉛直軸20Aの反対側へ距離dだけずらした位置を、円周面30Fの中心点(xobj,yobj)とみなす。
Next, details of the estimation method of the center position of the target 30 by the estimation unit 48 will be described.
First, the constant distance method will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating the principle of the constant distance method. As shown in this graph, in the constant distance method, the positions (x cl , y cl ) of the centers (cluster centers) of many measurement points (indicated by black circles in the figure) clustered by the clustering unit 44 are obtained. A position shifted by a distance d from the cluster center to the opposite side of the vertical axis 20A along the straight line L connecting the vertical axis 20A and the cluster center is regarded as the center point (x obj , y obj ) of the circumferential surface 30F. .

ここで、LRF20の計測精度を理由として、LRF20の計測データに基づいて導出されるクラスタ中心点(xcl,ycl)は、円周面30Fの中心と一致しない。そこで、円周面30Fの半径rに基づいて上述のパラメータdを定め、鉛直軸20Aとクラスタ中心とを結ぶ直線Lに沿ってクラスタ中心から鉛直軸20Aの反対側へ距離dだけずらした位置を、円周面30Fの中心点(xobj,yobj)とみなしている。 Here, because of the measurement accuracy of the LRF 20, the cluster center point (x cl , y cl ) derived based on the measurement data of the LRF 20 does not coincide with the center of the circumferential surface 30F. Therefore, the above-mentioned parameter d is determined based on the radius r of the circumferential surface 30F, and the position shifted by the distance d from the cluster center to the opposite side of the vertical axis 20A along the straight line L connecting the vertical axis 20A and the cluster center. , The center point (x obj , y obj ) of the circumferential surface 30F.

円周面30Fの中心点(xobj,yobj)は、下記(式1)で表される。なお、βは、鉛直軸20Aとクラスタ中心とを結ぶ直線LとX軸(但しx≧0)との角度である。
The center point (x obj , y obj ) of the circumferential surface 30F is represented by the following (formula 1). Β is an angle between the straight line L connecting the vertical axis 20A and the cluster center and the X axis (where x ≧ 0).

ここで、一定距離法は、既知である被計測体の輪郭のプロファイルに応じてパラメータdを設定して被計測体の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点(以下、特徴点と称する)を推定するという手法であり、様々な形状の被計測物の特徴点を推定できるという利便性を有する。しかし、一定距離法は、クラスタ中心のデータとパラメータdとに基づき、被計測体の特徴点のおおよその位置を推定するという手法である。このため、一定距離法は、推定の精度の面では、クラスタの全てのデータを利用して被計測体の特徴点を推定する、最小二乗法や最尤法等の手法と比して劣る。   Here, in the constant distance method, a parameter d is set in accordance with a known contour profile of the measured object, and a predetermined point (hereinafter referred to as a feature point) having a predetermined positional relationship with the contour of the measured object. ), And has the convenience of being able to estimate feature points of various shapes of objects to be measured. However, the constant distance method is a method of estimating the approximate position of the feature point of the measured object based on the cluster center data and the parameter d. For this reason, the fixed distance method is inferior to the methods such as the least square method and the maximum likelihood method in which the feature points of the measurement object are estimated using all data of the cluster in terms of estimation accuracy.

そこで、図6に示すように、最小二乗法と最尤法とを用いて、クラスタの全データ(x,y),α=1,…,Nから円周面30Fの中心位置を推定する。ここで、円周面30Fの計測領域である円弧部のプロファイルを数式化すると、下記(式2)で表される円の方程式になる。このため、クラスタの全データ(x,y),α=1,…,Nから円の方程式のパラメータ(a,b,r)を推定する。なお、a,bは、それぞれターゲット30の中心点の2次元平面におけるX座標、Y座標であり、rは、ターゲット30の半径である。
Therefore, as shown in FIG. 6, the center position of the circumferential surface 30F is estimated from all the cluster data (x a , y a ), α = 1,..., N using the least square method and the maximum likelihood method. To do. Here, when the profile of the circular arc part, which is the measurement region of the circumferential surface 30F, is mathematically expressed, a circular equation represented by the following (Expression 2) is obtained. Therefore, the parameters (a, b, r) of the circle equation are estimated from all the data (x a , y a ), α = 1,. Here, a and b are the X coordinate and Y coordinate in the two-dimensional plane of the center point of the target 30, respectively, and r is the radius of the target 30.

まず、最小二乗法について説明する。
円の最小二乗法は、下記(式3)で表される誤差の二乗和JLSを最小化するパラメータa,b,rを推定する手法である。
First, the least square method will be described.
The circle least square method is a method for estimating parameters a, b, and r that minimize the square sum of errors J LS expressed by the following (Equation 3).

ここで、本実施形態では、ターゲット30の半径rが既知であるため、推定するパラメータはa,bの2つとなり、上記(式3)は下記(式4)で表される非線形方程式となる。
In this embodiment, since the radius r of the target 30 is known, there are two parameters to be estimated, a and b, and the above (Equation 3) is a nonlinear equation represented by the following (Equation 4). .

そこで、非線形方程式の反復解法としてニュートン・ラフソン法を用いて、パラメータa、bを推定する。その際、ニュートン・ラフソン法の初期値uの設定が重要となるが、本実施形態では、上記(式1)で表される一定距離法の推定値(xobj,yobj)をニュートン・ラフソン法の初期値uに設定する。 Therefore, the parameters a and b are estimated using the Newton-Raphson method as an iterative solution of the nonlinear equation. At this time, the setting of the initial value u 0 of the Newton-Raphson method is important. In this embodiment, the constant distance method estimated values (x obj , y obj ) represented by (Equation 1) are used as Newton · Set to the initial value u 0 of the Raphson method.

ニュートン・ラフソン法の手順として、まず、初期値uを代入した関数JLS(u)を2次近似した下に凸の曲面の最小値を与える点u=(a,b)を求める。次のステップでは、この点uを代入した関数JLS(u)を2次近似した曲面の最小値uを求める。そして、最終的にこれをuiが収束するまで繰り返す。uiが収束すれば、そのuiがJLS(u)の最小値を与える点である。 As a procedure of the Newton-Raphson method, first, a point u 1 = (a 1 , b 1 ) that gives a minimum value of a convex surface under quadratic approximation of a function J LS (u 0 ) substituted with an initial value u 0 Ask for. In the next step, the minimum value u 2 of the curved surface obtained by quadratic approximation of the function J LS (u 1 ) substituted with this point u 1 is obtained. Finally, this is repeated until u i converges. If u i converges, that u i gives the minimum value of J LS (u).

i=(ai,bi)を代入した関数JLS(ai,bi)を2次近似した下に凸の曲面の最小値ui+1=(ai+1,bi+1)は下記(式5)で表される。
The minimum value u i + 1 = (a i + 1 , b i + 1 ) of the downwardly convex curved surface obtained by quadratic approximation of the function J LS (a i , b i ) substituted with u i = (a i , b i ) 5).

ここで上記(式5)の右辺の1次微分を含む勾配gLS,iは、下記(式6)(式7)で表される。
Here, the gradient g LS, i including the first-order derivative on the right side of (Expression 5) is expressed by the following (Expression 6) and (Expression 7).

また、上記(式5)の右辺の2次微分を含むヘッセ行列HLS,iは、下記(式8)(式9)(式10)で表される。
The Hessian matrix HLS, i including the second derivative on the right side of (Expression 5) is expressed by the following (Expression 8), (Expression 9), and (Expression 10).

即ち、ニュートン・ラフソン法を用いた半径rが既知の円の最小二乗法の手順では、最初のステップにおいて、初期値u=(a,b)を上記(式5)〜(式10)に代入し、ヘッセ行列の初期値HLS,0と勾配の初期値gLS,0とを算出し、関数JLS(u)を2次近似した下に凸の曲面の最小値を与える点u=(a,b)を算出する。そして、次のステップでは、u=(a,b)を上記(式5)〜(式10)に代入し、ヘッセ行列HLS,1と勾配gLS,1とを算出し、関数JLS(u)を2次近似した下に凸の曲面の最小値を与える点u=(a,b)を算出する。そして、このステップを、最終的にuiが収束するまで繰り返す。 That is, in the procedure of the least square method of a circle having a known radius r using the Newton-Raphson method, in the first step, the initial value u 0 = (a 0 , b 0 ) is set to the above (formula 5) to (formula 10). ), The initial value H LS, 0 of the Hessian matrix and the initial value g LS, 0 of the gradient are calculated, and the minimum value of the convex curved surface is given by quadratic approximation of the function J LS (u 0 ). The point u 1 = (a 1 , b 1 ) is calculated. In the next step, u 1 = (a 1 , b 1 ) is substituted into the above (formula 5) to (formula 10), the Hessian matrix H LS, 1 and the gradient g LS, 1 are calculated, and the function A point u 2 = (a 2 , b 2 ) that gives the minimum value of the convexly curved surface obtained by quadratic approximation of J LS (u 1 ) is calculated. This step is repeated until u i finally converges.

次に、最尤法について説明する。
円の最尤法は、下記(式11)で表されるJMLを最小化するパラメータa,b,rを推定する手法である。
Next, the maximum likelihood method will be described.
The maximum likelihood method of a circle is a method for estimating parameters a, b, and r that minimize J ML represented by the following (formula 11).

ここで、本実施形態では、ターゲット30の半径rが既知であるため、推定するパラメータはa,bの2つとなり、上記(式11)は下記(式12)で表される非線形方程式となる。
Here, in this embodiment, since the radius r of the target 30 is known, the parameters to be estimated are two parameters a and b, and the above (formula 11) is a nonlinear equation expressed by the following (formula 12). .

そこで、最小二乗法の場合と同様、非線形方程式の反復解法としてニュートン・ラフソン法を用いて、パラメータa、bを推定する。その際、上記(式1)で表される一定距離法の推定値(xobj,yobj)をニュートン・ラフソン法の初期値uに設定する。 Therefore, as in the case of the least square method, the parameters a and b are estimated using the Newton-Raphson method as an iterative solution of the nonlinear equation. At that time, the estimated value (x obj , y obj ) of the constant distance method expressed by the above (formula 1) is set to the initial value u 0 of the Newton-Raphson method.

ニュートン・ラフソン法の手順として、まず、初期値uを代入した関数JML(u)を2次近似した下の凸の曲面の最小値を与える点u=(a,b)を求める。次のステップでは、この点uを代入した関数JML(u)を2次近似した曲面の最小値uを求める。そして、最終的にこれをuiが収束するまで繰り返す。uiが収束すれば、そのuiがJLS(u)の最小値を与える点である。 As a procedure of the Newton-Raphson method, first, a point u 1 = (a 1 , b 1 ) that gives a minimum value of a lower convex curved surface obtained by quadratic approximation of a function J ML (u 0 ) substituted with an initial value u 0 Ask for. In the next step, the minimum value u 2 of the curved surface obtained by quadratic approximation of the function J ML (u 1 ) substituted with this point u 1 is obtained. Finally, this is repeated until u i converges. If u i converges, that u i gives the minimum value of J LS (u).

ここで、上記(式12)は、分子が2乗和であり、分母も(xα−a)+(yα−b)であるため、下に凸の関数である。従って、ui=(ai,bi)を代入した関数JML(ai,bi)を2次近似した曲面の最小値ui+1=(ai+1,bi+1)は下記(式13)で表される。
Here, the (formula 12), the molecule is the sum of squares, since the denominator is also (x α -a) 2 + ( y α -b) 2, which is a function of the convex downward. Therefore, the minimum value u i + 1 = (a i + 1 , b i + 1 ) of the curved surface obtained by quadratic approximation of the function J ML (a i , b i ) substituted with u i = (a i , b i ) is expressed by the following (formula 13). It is represented by

ここで上記(式13)の勾配gML,iは、下記(式14)(式15)で表される。
Here, the gradient g ML, i in the above (Expression 13) is expressed by the following (Expression 14) and (Expression 15).

但し、A(ai,bi)は下記(式16)で表される。
However, A (a i , b i ) is expressed by the following (formula 16).

また、上記(式13)のヘッセ行列HML,iは、下記(式17)(式18)(式19)で表される。
Further, the Hessian matrix H ML, i in the above (Expression 13) is expressed by the following (Expression 17), (Expression 18), and (Expression 19).

即ち、ニュートン・ラフソン法を用いた半径rが既知の円の最尤法の手順では、最初のステップにおいて、初期値u=(a,b)を上記(式13)〜(式19)に代入し、ヘッセ行列の初期値HLS,0と勾配の初期値gLS,0とを算出し、関数JLS(u)を2次近似した下に凸の曲面の最小値を与える点u=(a,b)を算出する。そして、次のステップでは、u=(a,b)を上記(式13)〜(式19)に代入し、ヘッセ行列HML,1と勾配gML,1とを算出し、関数JLS(u)を2次近似した下に凸の曲面の最小値を与える点u=(a,b)を算出する。そして、このステップを、最終的にuiが収束するまで繰り返す。 That is, in the maximum likelihood method of a circle having a known radius r using the Newton-Raphson method, in the first step, the initial value u 0 = (a 0 , b 0 ) is changed to the above (formula 13) to (formula 19). ), The initial value H LS, 0 of the Hessian matrix and the initial value g LS, 0 of the gradient are calculated, and the minimum value of the convex curved surface is given by quadratic approximation of the function J LS (u 0 ). The point u 1 = (a 1 , b 1 ) is calculated. In the next step, u 1 = (a 1 , b 1 ) is substituted into the above (formula 13) to (formula 19), the Hessian matrix H ML, 1 and the gradient g ML, 1 are calculated, and the function A point u 2 = (a 2 , b 2 ) that gives the minimum value of the convexly curved surface obtained by quadratic approximation of J LS (u 1 ) is calculated. This step is repeated until u i finally converges.

図7は、上述の3つの解析方法を用いて、LRF20により取得されたデータから、ターゲット30の中心位置を推定した結果を示すグラフである。このグラフにおいて、一定距離法を用いた推定結果は実線で示し、最小二乗法を用いた推定結果は破線で示し、最尤法を用いた推定結果は鎖線で示している。また、横軸は鉛直軸20Aからターゲット30の中心軸30Eまでの距離(mm)であり、縦軸は推定された中心位置の誤差(mm)である。   FIG. 7 is a graph showing the result of estimating the center position of the target 30 from the data acquired by the LRF 20 using the three analysis methods described above. In this graph, the estimation result using the constant distance method is indicated by a solid line, the estimation result using the least square method is indicated by a broken line, and the estimation result using the maximum likelihood method is indicated by a chain line. The horizontal axis represents the distance (mm) from the vertical axis 20A to the center axis 30E of the target 30, and the vertical axis represents the estimated center position error (mm).

本実験では、屋外でLRF20を用いて半径r=250mmのターゲット30の円周面30Fに対してレーザ光を1回走査することにより、円周面30F上の計測点のデータ(x,y),α=1,…,Nを取得し、取得した全データからターゲット30の中心位置を推定した。また、本実験では、赤外光に対しても反射率が高い白色の画用紙を円周面30Fに貼り付けた。また、本実験では、ノイズ除去部46のカルマンフィルタをOFFにしており、多数の計測点のデータは、反射光強度が所定値より小さいノイズ成分を含んでいる。 In this experiment, the laser beam is scanned once with respect to the circumferential surface 30F of the target 30 having a radius r = 250 mm using the LRF 20, and data (x a , y) on the circumferential surface 30F is scanned. a ), α = 1,..., N were acquired, and the center position of the target 30 was estimated from all the acquired data. In this experiment, white drawing paper having a high reflectance with respect to infrared light was attached to the circumferential surface 30F. In this experiment, the Kalman filter of the noise removing unit 46 is turned off, and the data of many measurement points includes a noise component whose reflected light intensity is smaller than a predetermined value.

図7のグラフに示すように、最小二乗法と最尤法とを用いてターゲット30の中心位置を推定した結果が、一定距離法を用いてターゲット30の中心位置を推定した結果と比して良好であった。また、ターゲット30の中心位置が鉛直軸20Aから30m先に位置する場合において、最小二乗法による推定値の誤差が約3.5cm、最尤法による推定値の誤差が約2.5cmであった。   As shown in the graph of FIG. 7, the result of estimating the center position of the target 30 using the least square method and the maximum likelihood method is compared with the result of estimating the center position of the target 30 using the constant distance method. It was good. Further, when the center position of the target 30 is located 30 m away from the vertical axis 20A, the error of the estimated value by the least square method is about 3.5 cm, and the error of the estimated value by the maximum likelihood method is about 2.5 cm. .

ここで、本実施形態では、ターゲット30の半径rが既知であることから、最小二乗法と最尤法とを用いて推定するパラメータは、a、bの2つに減っている。これにより、ターゲット30の中心位置を推定する精度が向上されている。   Here, in the present embodiment, since the radius r of the target 30 is known, the parameters estimated using the least square method and the maximum likelihood method are reduced to two, a and b. Thereby, the precision which estimates the center position of the target 30 is improved.

図8は、上述の実験とは異なる条件で行った実験の結果を示すグラフである。本実験において上述の実験と異なる点は、LRF20によりターゲット30の円周面30Fに対してレーザ光を10回走査した点と、ノイズ除去部46のカルマンフィルタをONにして多数の計測点のデータから反射光強度が所定値より小さいノイズ成分を除去した点とである。   FIG. 8 is a graph showing the results of an experiment conducted under conditions different from the above experiment. This experiment differs from the above-described experiment in that the laser beam is scanned 10 times with respect to the circumferential surface 30F of the target 30 by the LRF 20 and the data of a large number of measurement points by turning on the Kalman filter of the noise removing unit 46. This is a point where a noise component having a reflected light intensity smaller than a predetermined value is removed.

図8のグラフに示すように、最小二乗法と最尤法とを用いてターゲット30の中心位置を推定した値は、鉛直軸20Aから計測点までの距離と比例関係にあり、図7のグラフに示す推定値と比して安定していることがわかる。   As shown in the graph of FIG. 8, the value obtained by estimating the center position of the target 30 using the least square method and the maximum likelihood method is proportional to the distance from the vertical axis 20A to the measurement point. It can be seen that it is more stable than the estimated value shown in.

これは、レーザ光を1回のみ走査して取得されたデータからターゲット30の中心位置を推定した場合には、推定結果に及ぶノイズの影響が大きくなるのに対し、レーザ光を複数回走査して取得されたデータからターゲット30の中心位置を推定した場合には、ノイズに対してロバストな推定が可能であるためと考えられる。また、反射強度フィルタとしてのカルマンフィルタを用いたことにより、図4(B)に示すように、円周面30Fの円弧部の両端の形状の崩れを抑制でき、より正確な円周面30Fのプロファイルデータを得ることができるためと考えられる。   This is because, when the center position of the target 30 is estimated from data obtained by scanning the laser beam only once, the influence of noise on the estimation result is increased, whereas the laser beam is scanned a plurality of times. This is because when the center position of the target 30 is estimated from the acquired data, robust estimation against noise is possible. Further, by using the Kalman filter as the reflection intensity filter, as shown in FIG. 4B, it is possible to suppress the collapse of the shape of both ends of the circular arc portion of the circumferential surface 30F, and more accurate profile of the circumferential surface 30F. This is probably because the data can be obtained.

以上説明したように、本実施形態に係る測位システム10によれば、トータルステーションと比して低価であるLRF20を用いてターゲット30の中心位置を計測できる。また、本実施形態に係る測位システム10によれば、LRF20のレーザ光の走査範囲内に存するターゲット30であればその中心位置を計測できる。これにより、リアルタイムでターゲット30の中心位置を計測することができ、また、移動するターゲット30の中心位置を計測することもでき、さらには、LRF20によるレーザ光の一連の走査中に、複数のターゲット30の中心位置を計測することもできる。   As described above, according to the positioning system 10 according to the present embodiment, the center position of the target 30 can be measured using the LRF 20 that is less expensive than the total station. Further, according to the positioning system 10 according to the present embodiment, the center position of the target 30 can be measured if it is within the scanning range of the laser beam of the LRF 20. As a result, the center position of the target 30 can be measured in real time, the center position of the moving target 30 can be measured, and a plurality of targets can be measured during a series of laser beam scans by the LRF 20. It is also possible to measure 30 center positions.

図9〜図12は、杭打ち機1の位置及び向きを計測する原理を説明するための図である。これらの図に示すように、4個のターゲット30A〜30Dを杭打ち機1の所定位置に設置する。ターゲット30Aは、杭打ち機1の前方に杭と同軸状に設置し、ターゲット30Bは、杭打ち機1の左側部に設置する。また、ターゲット30Cは、杭打ち機1の右側部に設置し、ターゲット30Dは、杭打ち機1の右後部に設置する。   9-12 is a figure for demonstrating the principle which measures the position and direction of the pile driving machine 1. FIG. As shown in these drawings, four targets 30 </ b> A to 30 </ b> D are installed at predetermined positions of the pile driving machine 1. The target 30 </ b> A is installed coaxially with the pile in front of the pile driving machine 1, and the target 30 </ b> B is installed on the left side of the pile driving machine 1. The target 30 </ b> C is installed on the right side of the pile driving machine 1, and the target 30 </ b> D is installed on the right rear part of the pile driving machine 1.

ここで、4個のターゲット30A〜30Dは、予め相対的な位置関係を決めて設置されている。即ち、所定の基準点O(本実施形態では、平面視にて略矩形状の杭打ち機1の機体の4角の点とターゲット30Aの中心点とからなる五角形の図心)を原点とする各ターゲット30A〜30Dの位置座標と、ターゲット30A〜30Dの相互間の距離とを予め設定している。そして、これらのデータが、コンピュータ12の記憶部14(図2参照)に記憶されており、第2測位部401はこれらのデータに基づいて処理を行う。   Here, the four targets 30 </ b> A to 30 </ b> D are installed with a relative positional relationship determined in advance. That is, a predetermined reference point O (in this embodiment, a pentagonal centroid composed of the four points of the body of the substantially rectangular pile driving machine 1 in plan view and the center point of the target 30A) is the origin. The position coordinates of the targets 30A to 30D and the distance between the targets 30A to 30D are set in advance. And these data are memorize | stored in the memory | storage part 14 (refer FIG. 2) of the computer 12, and the 2nd positioning part 401 processes based on these data.

また、ターゲット30A〜30Dは、杭打ち機1の全高よりも低い高さに設置されており、ターゲット30A〜30Dの何れか1個は、LRF20のレーザ光Lが杭打ち機1で遮られて位置を検出できない死角領域に位置する。例えば、図中実線で示すように、杭打ち機1の前部がLRF20と対向してターゲット30Aを真ん中に置いてその両側にターゲット30B,30Dが位置する状態では、ターゲット30Cが死角領域に位置する。また、図中鎖線で示すように、杭打ち機1の右側部がLRF20と対向してターゲット30Dを真ん中に置いてその両側にターゲット30A,30Dが位置する状態では、ターゲット30Bが死角領域に位置する。   Further, the targets 30A to 30D are installed at a height lower than the total height of the pile driving machine 1, and any one of the targets 30A to 30D has the laser beam L of the LRF 20 blocked by the pile driving machine 1. Located in a blind spot area where the position cannot be detected. For example, as shown by a solid line in the figure, in the state where the front portion of the pile driving machine 1 faces the LRF 20 and the target 30A is placed in the middle and the targets 30B and 30D are positioned on both sides thereof, the target 30C is positioned in the blind spot region. To do. Further, as shown by a chain line in the figure, when the target 30D is placed in the middle with the right side of the pile driving machine 1 facing the LRF 20 and the targets 30A and 30D are positioned on both sides thereof, the target 30B is positioned in the blind spot region. To do.

杭打ち機1の位置及び向きを計測する際には、LRF20のレーザ光Lを図中反時計周り方向に走査させる。このため、杭打ち機1が図9に示す状態にあるときは、ターゲット30B,30A,30Dの中心位置が、30B→30A→30Dの順序で検出される。また、杭打ち機1が図10に示す状態にあるときは、ターゲット30A,30D,30Cの中心位置が、30A→30D→30Cの順序で検出される。   When measuring the position and orientation of the pile driving machine 1, the laser beam L of the LRF 20 is scanned in the counterclockwise direction in the figure. For this reason, when the pile driving machine 1 is in the state shown in FIG. 9, the center positions of the targets 30B, 30A, and 30D are detected in the order of 30B → 30A → 30D. When the pile driving machine 1 is in the state shown in FIG. 10, the center positions of the targets 30A, 30D, and 30C are detected in the order of 30A → 30D → 30C.

また、ターゲット30A〜30Dの相互間の距離LAB,LAC,LAD,LBC,LBD,LCDは、相互に異なる大きさに設定されている。これにより、ターゲット30A〜30Dの中心点の位置座標からターゲット30A〜30Dの相互間の距離LAB,LAC,LAD,LBC,LBD,LCDを算出すれば、その距離に対応する2個のターゲット30を判別することができる。 Further, the distances L AB , L AC , L AD , L BC , L BD , and L CD between the targets 30A to 30D are set to different sizes. Accordingly, if the distances L AB , L AC , L AD , L BC , L BD , and L CD between the targets 30A to 30D are calculated from the position coordinates of the center points of the targets 30A to 30D, the distances correspond to the distances. Two targets 30 can be discriminated.

ここで、2個のターゲット30のLRF20を中心とした反時計回り方向の位置が入れ替わる場合、何れか一方のターゲット30は、LRF20の死角領域に位置する。例えば、図9に示すように、LRF20を中心とした反時計回り方向にターゲット30B、ターゲット30Aの順序で並んでいたものが、図10に示すようにその順序が逆になった場合には、ターゲット30BがLRF20の死角領域に位置する。即ち、LRF20で検出される2個のターゲット30のLRF20を中心とした反時計回り方向の位置関係は決まっている。このため、当該位置関係に基づいて、LRF20で検出された2個のターゲット30を判別することができる。   Here, when the positions of the two targets 30 in the counterclockwise direction around the LRF 20 are interchanged, one of the targets 30 is located in the blind spot region of the LRF 20. For example, as shown in FIG. 9, when the target 30 </ b> B and the target 30 </ b> A are arranged in the counterclockwise direction around the LRF 20, as shown in FIG. 10, the order is reversed. The target 30B is located in the blind spot area of the LRF 20. That is, the positional relationship of the two targets 30 detected by the LRF 20 in the counterclockwise direction around the LRF 20 is determined. For this reason, two targets 30 detected by the LRF 20 can be discriminated based on the positional relationship.

なお、距離LAB,LAC,LAD,LBC,LBD,LCDの測定値には誤差が生じるところ、この誤差により距離LAB,LAC,LAD,LBC,LBD,LCDの相対的な大小関係が変わることがないように、この誤差よりも距離LAB,LAC,LAD,LBC,LBD,LCDの各々の差が大きくなるように、これらの各距離を設定している。 The distance L AB, L AC, L AD , L BC, L BD, where the error occurs in the measured value of L CD, the distance L AB, L AC this error, L AD, L BC, L BD, L In order not to change the relative magnitude relationship of CD , each of these distances L AB , L AC , L AD , L BC , L BD , and L CD are larger than this error. The distance is set.

また、図11に示すように、杭打ち機1の位置及び向きを計測する際には、計測領域に設定された座標系(原点O(0,0))における基準点Oの位置座標(XP1,YP1)を計測し、基準点O(XP1,YP1)を原点とする極座標系におけるターゲット30Aの中心点A(XA1,YA1)の角度(以下、偏角という)θを計測する。ここで、偏角θは、基準点Oとターゲット30Aの中心点Aとを結ぶ直線のX軸に対する角度である。 Further, as shown in FIG. 11, when measuring the position and orientation of the pile driving machine 1, the position coordinates of the reference point O in the coordinate system (origin O 0 (0, 0)) set in the measurement region ( X P1 , Y P1 ) is measured, and the angle (hereinafter referred to as declination) θ of the center point A (X A1 , Y A1 ) of the target 30A in the polar coordinate system with the reference point O (X P1 , Y P1 ) as the origin Measure. Here, the deflection angle θ is an angle with respect to the X axis of a straight line connecting the reference point O and the center point A of the target 30A.

ここで、図12に示すように、2個のターゲット30がLRF20に対して前後に重なる場合があるが、その場合には、LRF20は、重なった2個のターゲット30のうちの前方のものと、その左側のターゲット30とを検出する。   Here, as shown in FIG. 12, the two targets 30 may overlap with the LRF 20 in the front-rear direction. In this case, the LRF 20 is the front one of the two overlapping targets 30. The target 30 on the left side is detected.

図13は、杭打ち機1の位置及び向きを計測する処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示すように、まず、LRF20でレーザ光を走査し、ターゲット30A〜30Dの何れか2個の中心点の位置座標を検出する(ステップ11)。この際、第1測位部41は、レーザ光を反時計回り方向に走査するLRF20により1、2番目に検出されたターゲット30の中心点の位置座標を算出する。例えば、図9に示す状態では、ターゲット30B,30Aの中心点の位置座標が算出され、図10に示す状態では、ターゲット30A,30Dの中心点の位置座標が算出される。   FIG. 13 is a flowchart for explaining the process of measuring the position and orientation of the pile driving machine 1. As shown in this flowchart, first, the laser beam is scanned by the LRF 20, and the position coordinates of any two center points of the targets 30A to 30D are detected (step 11). At this time, the first positioning unit 41 calculates the position coordinates of the center point of the target 30 detected first and second by the LRF 20 that scans the laser beam counterclockwise. For example, in the state shown in FIG. 9, the position coordinates of the center points of the targets 30B and 30A are calculated, and in the state shown in FIG. 10, the position coordinates of the center points of the targets 30A and 30D are calculated.

次に、第2測位部401が、第1測位部41により算出された2個のターゲット30の中心点間距離を算出し(ステップ12)、記憶部14に記憶されている既知のデータLAB,LAC,LAD,LBC,LBD,LCDと比較して、対応する2個のターゲット30を判別する(ステップ13)。例えば、図9に示す状態では、既知のデータとしてLABが抽出され、ターゲット30B,30Aが判別される。また、図10に示す状態では、既知のデータとしてLADが抽出され、ターゲット30A,30Dが判別される。 Next, the second positioning unit 401 calculates the distance between the center points of the two targets 30 calculated by the first positioning unit 41 (step 12), and the known data L AB stored in the storage unit 14 , L AC , L AD , L BC , L BD , and L CD are compared to determine the corresponding two targets 30 (step 13). For example, in the state shown in FIG. 9, LAB is extracted as known data, and the targets 30B and 30A are determined. In the state shown in FIG. 10, LAD is extracted as known data, and the targets 30A and 30D are determined.

ここで、上述したように、LRF20で検出された2個のターゲット30のLRF20を中心とした反時計回り方向の位置関係は決まっており、この位置関係が記憶部14に記憶されている。そして、第2測位部401は、記憶部14に記憶されているターゲット30A〜30Dの位置関係の情報に基づいて、LRF20で検出された2個のターゲット30を判別する。   Here, as described above, the positional relationship of the two targets 30 detected by the LRF 20 in the counterclockwise direction around the LRF 20 is determined, and this positional relationship is stored in the storage unit 14. And the 2nd positioning part 401 discriminate | determines the two targets 30 detected by LRF20 based on the positional relationship information of the targets 30A-30D memorize | stored in the memory | storage part 14. FIG.

次に、第2測位部401は、2個のターゲット30の中心点の位置から基準点Oの位置座標(XP1,YP1)を算出する(ステップ14)。ここで、各ターゲット30と基準点Oとの位置関係は予め決められてその情報が記憶部14に記憶されており、第2測位部401は、各ターゲット30と基準点Oとの位置関係の情報に基づいて、基準点Oの位置座標(XP1,YP1)を算出する。 Next, the second positioning unit 401 calculates the position coordinates (X P1 , Y P1 ) of the reference point O from the positions of the center points of the two targets 30 (step 14). Here, the positional relationship between each target 30 and the reference point O is determined in advance and the information is stored in the storage unit 14, and the second positioning unit 401 determines the positional relationship between each target 30 and the reference point O. Based on the information, the position coordinates (X P1 , Y P1 ) of the reference point O are calculated.

次に、図14に示すように、第2測位部401は、原点をO(0,0)とするX−Y座標を、基準点Oが原点O(0,0)に一致する極座標に変換する(ステップ15)。そして、第2測位部401は、2個のターゲット30の中心点の位置からターゲット30Aの中心点Aの位置座標(XA1−XP1,YA1−YP1 )を算出し、下記式20に基づいて、ターゲット30Aの中心点Aの偏角θを算出する(ステップ16)。
Next, as shown in FIG. 14, the polar second positioning part 401, the X-Y coordinates origin and O 0 (0,0), the reference point O is coincident with the origin O 0 (0,0) (Step 15). Then, the second positioning unit 401 calculates the position coordinates (X A1 −X P1 , Y A1 −Y P1 ) of the center point A of the target 30A from the positions of the center points of the two targets 30, and Based on this, the deflection angle θ of the center point A of the target 30A is calculated (step 16).

ここで、第2測位部401は、ターゲット30Aの中心点Aが上記極座標の第2〜4象限に位置する場合には、上記式20のθをそれぞれ、−θ、π−θ、π+θに変換して偏角θを算出する。なお、第2測位部401は、XA1−XP1≧0,YA1−YP1>0の場合に中心点Aが第1象限に位置すると判定し、XA1−XP1<0,YA1−YP1≧0の場合に中心点Aが第2象限に位置すると判定する。また、第2測位部401は、XA1−XP1≦0,YA1−YP1<0の場合に中心点Aが第3象限に位置すると判定し、XA1−XP1>0,YA1−YP1≦0の場合に中心点Aが第4象限に位置すると判定する。 Here, when the center point A of the target 30A is located in the second to fourth quadrants of the polar coordinates, the second positioning unit 401 converts θ in the equation 20 into −θ, π−θ, and π + θ, respectively. To calculate the deflection angle θ. The second positioning unit 401 determines that the center point A is located in the first quadrant when X A1 −X P1 ≧ 0 and Y A1 −Y P1 > 0, and X A1 −X P1 <0, Y A1. When −Y P1 ≧ 0, it is determined that the center point A is located in the second quadrant. In addition, the second positioning unit 401 determines that the center point A is located in the third quadrant when X A1 −X P1 ≦ 0 and Y A1 −Y P1 <0, and X A1 −X P1 > 0, Y A1. When −Y P1 ≦ 0, it is determined that the center point A is located in the fourth quadrant.

次に、表示制御部402が、第2測位部401により算出された基準点Oの位置座標及びターゲット30Aの偏角θに基づいて、杭打ち機1の位置及び向きをモニタ18に表示させる(ステップ17)。ここで、杭の打設位置Pの情報が予め、コンピュータ12の記憶部14(図2参照)に記憶されており、表示制御部402は、杭打ち機1の位置及び向きと共に杭の打設位置Pをモニタ18に表示させる(図2参照)。なお、杭打ち機1が打設位置Pに近づいたことを音や音声で知らせるようにしてもよい。例えば、杭打ち機1が打設位置Pに近づくほど音の周波数が上がったり、距離を音声で知らせたりしてもよい。   Next, the display control unit 402 displays the position and orientation of the pile driving machine 1 on the monitor 18 based on the position coordinates of the reference point O calculated by the second positioning unit 401 and the deflection angle θ of the target 30A ( Step 17). Here, information on the driving position P of the pile is stored in advance in the storage unit 14 (see FIG. 2) of the computer 12, and the display control unit 402 sets the driving of the pile together with the position and orientation of the pile driving machine 1. The position P is displayed on the monitor 18 (see FIG. 2). In addition, you may make it notify with a sound or a voice that the pile driving machine 1 approached the placement position P. FIG. For example, the frequency of the sound may increase as the pile driving machine 1 approaches the placement position P, or the distance may be notified by voice.

以上のステップ11〜17が繰り返し実行されることにより、モニタ18に表示された杭打ち機1の位置及び向きがリアルタイムで更新されることで、杭打ち機1のオペレータは、リアルタイムで杭打ち機1の位置や向きを確認しながら、杭を所定の打設位置まで移動させることができる。   By repeatedly executing the above steps 11 to 17, the position and orientation of the pile driving machine 1 displayed on the monitor 18 are updated in real time, so that the operator of the pile driving machine 1 can execute the pile driving machine in real time. While confirming the position and orientation of 1, the pile can be moved to a predetermined placement position.

図15は、他の実施形態に係る測位システム100の構成を示す図である。この測位システム100は、LRF20と、杭打ち機1に設置された4個のターゲット30とを備えている。ここで、LRF20及び4個のターゲット30は、杭打ち機1の全高よりも高い位置に設置されており、4個のターゲット30がLRF20の死角領域に位置することはない。   FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of a positioning system 100 according to another embodiment. The positioning system 100 includes an LRF 20 and four targets 30 installed in the pile driving machine 1. Here, the LRF 20 and the four targets 30 are installed at a position higher than the overall height of the pile driving machine 1, and the four targets 30 are not located in the blind spot area of the LRF 20.

ここで、本実施形態では2個のターゲット30のLRF20を中心とした反時計回り方向の位置関係が入れ替わる場合があり、この場合、4個のターゲット30のうちの特定の2個のターゲット30を検出したことは判別できるものの、その2個のターゲット30の各々が何れのターゲット30であるのかは判別できない。例えば、図9に示す状態と図10に示す状態とでは、ターゲット30A,30Bの上記位置関係が入れ替わるため、検出した2個のターゲットがターゲット30A,30Bであることは判別できるものの、そのうちのどちらがターゲット30Aであるのかは判別できない。   Here, in the present embodiment, the positional relationship of the two targets 30 in the counterclockwise direction around the LRF 20 may be switched, and in this case, the specific two targets 30 out of the four targets 30 are replaced. Although it can be determined that it has been detected, it cannot be determined which target 30 each of the two targets 30 is. For example, in the state shown in FIG. 9 and the state shown in FIG. 10, since the positional relationship between the targets 30A and 30B is switched, it can be determined that the two detected targets are the targets 30A and 30B. It cannot be determined whether the target is the target 30A.

そのため、3個のターゲット30については位置関係が決まっていることから、3個のターゲット30の中心点の位置を検出して当該3個のターゲット30の中心点間距離を算出し、3個のターゲット30の中心点間距離から3個のターゲット30を判別する。   Therefore, since the positional relationship is determined for the three targets 30, the position of the center point of the three targets 30 is detected, the distance between the center points of the three targets 30 is calculated, Three targets 30 are determined from the distance between the center points of the targets 30.

図16は、本実施形態における杭打ち機1の位置及び向きを計測する処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示すように、まず、LRF20でレーザ光を走査し、第1測位部41にターゲット30A〜30Dの何れか3個の中心位置を算出させる(ステップ101)。ここで、第1測位部41は、レーザ光を反時計回り方向に走査するLRF20により1〜3番目に検出されたターゲット30の中心位置を算出する。例えば、図9に示す状態では、ターゲット30B,30A,30Cの中心位置が算出され、図10に示す状態では、ターゲット30A,30D,30Bの中心位置が算出される。   FIG. 16 is a flowchart for explaining processing for measuring the position and orientation of the pile driving machine 1 in the present embodiment. As shown in this flowchart, first, laser light is scanned by the LRF 20, and the first positioning unit 41 calculates any three central positions of the targets 30A to 30D (step 101). Here, the first positioning unit 41 calculates the center position of the target 30 that is first to third detected by the LRF 20 that scans the laser light counterclockwise. For example, in the state shown in FIG. 9, the center positions of the targets 30B, 30A, and 30C are calculated, and in the state shown in FIG. 10, the center positions of the targets 30A, 30D, and 30B are calculated.

次に、第2測位部401が、第1測位部41により算出された3個のターゲット30の中心点間距離を算出し(ステップ102)、記憶部14に記憶されている既知のデータLAB,LAC,LAD,LBC,LBD,LCDと比較して、対応する3個のターゲット30を判別する(ステップ103)。例えば、図9に示す状態では、既知のデータとしてLAB,LBC,LACが抽出され、ターゲット30B,30A,30Cが判別される。また、図10に示す状態では、既知のデータとしてLAD,LAB,LBDが抽出され、ターゲット30A,30D,30Bが判別される。 Next, the second positioning unit 401 calculates the distance between the center points of the three targets 30 calculated by the first positioning unit 41 (step 102), and the known data L AB stored in the storage unit 14 , L AC , L AD , L BC , L BD , and L CD are compared to determine the corresponding three targets 30 (step 103). For example, in the state shown in FIG. 9, L AB , L BC , and L AC are extracted as known data, and the targets 30B, 30A, and 30C are determined. In the state shown in FIG. 10, L AD , L AB , and L BD are extracted as known data, and the targets 30A, 30D, and 30B are determined.

次に、第2測位部401は、3個のターゲット30の中心点の位置から基準点Oの位置座標(XP1,YP1)を算出する(ステップ104)。ここで、各ターゲット30と基準点Oとの位置関係は予め決められてその情報が記憶部14に記憶されており、第2測位部401は、各ターゲット30と基準点Oとの位置関係の情報に基づいて、基準点Oの位置座標(XP1,YP1)を算出する。 Next, the second positioning unit 401 calculates the position coordinates (X P1 , Y P1 ) of the reference point O from the positions of the center points of the three targets 30 (step 104). Here, the positional relationship between each target 30 and the reference point O is determined in advance and the information is stored in the storage unit 14, and the second positioning unit 401 determines the positional relationship between each target 30 and the reference point O. Based on the information, the position coordinates (X P1 , Y P1 ) of the reference point O are calculated.

次に、図14に示すように、第2測位部401は、基準点Oが原点O(0,0)に一致する極座標に変換する(ステップ105)。そして、第2測位部401は、3個のターゲット30の中心点の位置からターゲット30Aの中心点Aの位置座標(XA1−XP1,YA1−YP1 )を算出し、上記式20に基づいて、ターゲット30Aの中心点Aの偏角θを算出する(ステップ106)。なお、上記実施形態と同様、第2測位部401は、中心点Aが位置する象限に応じてθを変換する。 Next, as shown in FIG. 14, the second positioning unit 401 converts the reference point O into polar coordinates that coincide with the origin O 0 (0, 0) (step 105). Then, the second positioning unit 401 calculates the position coordinates (X A1 -X P1 , Y A1 -Y P1 ) of the center point A of the target 30A from the positions of the center points of the three targets 30, and Based on this, the deflection angle θ of the center point A of the target 30A is calculated (step 106). As in the above embodiment, the second positioning unit 401 converts θ according to the quadrant where the center point A is located.

次に、表示制御部402が、第2測位部401により算出された基準点Oの位置座標及びターゲット30Aの偏角θに基づいて、杭打ち機1の位置及び向きをモニタ18に表示させる(ステップ107)。   Next, the display control unit 402 displays the position and orientation of the pile driving machine 1 on the monitor 18 based on the position coordinates of the reference point O calculated by the second positioning unit 401 and the deflection angle θ of the target 30A ( Step 107).

以上のステップ101〜107が繰り返し実行されることにより、モニタ18に表示された杭打ち機1の位置及び向きがリアルタイムで更新されることで、杭打ち機1のオペレータは、リアルタイムで杭打ち機1の位置や向きを確認しながら、杭を所定の打設位置まで移動させることができる。   By repeatedly executing the above steps 101 to 107, the position and orientation of the pile driving machine 1 displayed on the monitor 18 are updated in real time, so that the operator of the pile driving machine 1 can execute the pile driving machine in real time. While confirming the position and orientation of 1, the pile can be moved to a predetermined placement position.

図17(A)は、他の実施形態に係る測位システム100を示す側面図であり、図17(B)は、図17(A)のB−B矢視図である。これらの図に示すように、測位システム100は、LRF20と、LRF20を鉛直軸20Aの周りに回転自在に支持し、回転駆動する回転台50と、回転台50を鉛直軸20Aの周りに及び水平軸の周りに回転自在に支持する調整台60と、調整台60を支持する三脚70と、三脚70に支持された日除けカバー72と、LRF20の上部に取り付けられたレーザポインタ80とを備えている。   FIG. 17 (A) is a side view showing a positioning system 100 according to another embodiment, and FIG. 17 (B) is a view taken along the line BB in FIG. 17 (A). As shown in these drawings, the positioning system 100 includes an LRF 20, a turntable 50 that rotatably supports the LRF 20 around the vertical axis 20A, and a rotary base 50 that rotates and rotates the turntable 50 around the vertical axis 20A. An adjustment base 60 that is rotatably supported around the shaft, a tripod 70 that supports the adjustment base 60, an awning cover 72 that is supported by the tripod 70, and a laser pointer 80 that is attached to the top of the LRF 20 are provided. .

日除けカバー72は、回転台50と調整台60との間に挟み込まれた底板72Aと、LRF20の背面側に配された側板72Bと、LRF20の上側に配された天板72Cとが一体で形成されてなる。この日除けカバー72の天板72Cは、LRF20、レーザポインタ80への日光の直射を防いでいる。   The awning cover 72 is integrally formed with a bottom plate 72A sandwiched between the rotary table 50 and the adjustment table 60, a side plate 72B disposed on the back side of the LRF 20, and a top plate 72C disposed on the upper side of the LRF 20. Being done. The top plate 72 </ b> C of the sunshade cover 72 prevents direct sunlight from being applied to the LRF 20 and the laser pointer 80.

回転台50は、底板72A上に設置された駆動部52と、駆動部52により鉛直軸20A周りに回転自在に支持されると共に回転駆動される回転テーブル54とを備えている。回転テーブル54上には、LRF20が設置されており、回転テーブル54とLRF20とが一体となって鉛直軸20Aの周りに回転する。   The turntable 50 includes a drive unit 52 installed on the bottom plate 72A, and a turntable 54 that is rotatably supported by the drive unit 52 around the vertical axis 20A and is driven to rotate. The LRF 20 is installed on the rotary table 54, and the rotary table 54 and the LRF 20 are integrally rotated around the vertical axis 20A.

調整台60は、パンチルト台であり、鉛直軸20Aの周りに360°回転可能、水平軸の周りにも回転可能であり、回転台50とLRF20とレーザポインタ80との鉛直軸20A周りの角度、及び水平軸周りの角度を調整可能である。また、レーザポインタ80は、LRF20が走査方向の中央部に射出するレーザ光Lfに対して平行に、基準位置検出用のレーザ光Lpを射出する。即ち、調整台60を鉛直軸20Aの周りに回転させることにより、レーザポインタ80が射出するレーザ光Lpの光軸と、LRF20によるレーザ光Lfの走査範囲とを、鉛直軸20Aの周りに調整できる。また、調整台60を水平軸の周りに回転させることにより、レーザポインタ80が射出するレーザ光LpとLRF20が射出するレーザ光Lfを水平軸の周りに調整できる。   The adjustment table 60 is a pan / tilt table, can rotate 360 ° around the vertical axis 20A, can also rotate around the horizontal axis, and the angle of the rotary table 50, the LRF 20 and the laser pointer 80 around the vertical axis 20A, And the angle around the horizontal axis is adjustable. The laser pointer 80 emits a laser beam Lp for detecting a reference position in parallel with the laser beam Lf emitted from the LRF 20 to the central portion in the scanning direction. That is, by rotating the adjustment base 60 around the vertical axis 20A, the optical axis of the laser light Lp emitted by the laser pointer 80 and the scanning range of the laser light Lf by the LRF 20 can be adjusted around the vertical axis 20A. . Further, by rotating the adjustment base 60 around the horizontal axis, the laser light Lp emitted from the laser pointer 80 and the laser light Lf emitted from the LRF 20 can be adjusted around the horizontal axis.

図18は、レーザポインタ80を用いて、鉛直軸20Aの設置位置や設置角度の初期設定や校正を行っている状態を示す斜視図である。この図に示すように、所定の基準位置に再帰性反射材82が前面に取り付けられたターゲット84を設置し、レーザポインタ80から再帰性反射材に向けてレーザ光Lpを射出させる。再帰性反射材82は、入射光を光源の方向に反射する性質を有する。この再帰性反射材82で反射されたレーザ光Lpの輝度に応じて、LRF20のターゲット84に対する相対位置を検出し、三脚70の位置を調整したり、調整台60によりLRF20のパン角度及びチルト角度を調整したりする。   FIG. 18 is a perspective view showing a state in which the initial setting and calibration of the installation position and installation angle of the vertical axis 20 </ b> A are performed using the laser pointer 80. As shown in this figure, a target 84 having a retroreflecting material 82 attached to the front surface is set at a predetermined reference position, and laser light Lp is emitted from a laser pointer 80 toward the retroreflecting material. The retroreflecting material 82 has a property of reflecting incident light in the direction of the light source. The relative position of the LRF 20 with respect to the target 84 is detected according to the luminance of the laser light Lp reflected by the retroreflecting material 82, the position of the tripod 70 is adjusted, and the pan angle and tilt angle of the LRF 20 are adjusted by the adjustment table 60. To adjust.

図19(A)は、回転台50が停止した状態でLRF20がレーザ光を1回走査した場合におけるターゲット30の円周面30F上の計測点を示す図である。この図に「+」でプロットしたように、円周面30F上の計測点は、LRF20の角度分解能θ°に応じた間隔を空けて離散する。 FIG. 19A is a diagram illustrating measurement points on the circumferential surface 30F of the target 30 when the LRF 20 scans the laser beam once with the rotary table 50 stopped. As plotted with “+” in this figure, the measurement points on the circumferential surface 30F are discrete with an interval corresponding to the angular resolution θ f ° of the LRF 20.

図19(B)は、回転台50を回転させながらLRF20がレーザ光を複数回走査した場合におけるターゲット30の円周面30F上の計測点を示す図である。この計測では、LRF20がレーザ光を複数回走査し、その間、駆動部52が、レーザ光が1回走査される毎に、LRF20の角度分解能θ°(例えば、0.25°)よりも微小な角度θ°(例えば、0.015°)ずつ、回転テーブル54を回転させる。これにより、図19(B)に示すように、LRF20の角度分解能θ°よりも高分解能であるデータを取得でき、より正確な円周面30Fのプロファイルデータを取得できる。従って、ターゲット30の中心位置の推定をより高精度に行うことができる。 FIG. 19B is a diagram illustrating measurement points on the circumferential surface 30F of the target 30 when the LRF 20 scans the laser beam a plurality of times while rotating the turntable 50. FIG. In this measurement, the LRF 20 scans the laser beam a plurality of times, and during that time, the drive unit 52 is smaller than the angular resolution θ f ° (for example, 0.25 °) of the LRF 20 every time the laser beam is scanned once. The rotary table 54 is rotated by an angle θ t ° (for example, 0.015 °). Thereby, as shown in FIG. 19B, data having a higher resolution than the angular resolution θ f ° of the LRF 20 can be acquired, and more accurate profile data of the circumferential surface 30F can be acquired. Therefore, the center position of the target 30 can be estimated with higher accuracy.

図20(A)は、回転台50を停止させた状態でLRF20にレーザ光を10回走査させることにより取得した円周面30F上の計測点のデータから、ターゲット30の中心位置を推定した結果を示すグラフである。また、図20(B)は、回転台50を回転させながらLRF20にレーザ光を10回走査させることにより取得した円周面30F上の計測点のデータから、ターゲット30の中心位置を推定した結果を示すグラフである。これらのグラフにおいて、一定距離法を用いた推定結果は実線で示し、最小二乗法を用いた推定結果は破線で示し、最尤法を用いた推定結果は鎖線で示している。また、横軸は鉛直軸20Aからターゲット30の中心軸30Eまでの距離(mm)であり、縦軸は推定されたターゲット30の中心位置の誤差(mm)である。   FIG. 20A shows the result of estimating the center position of the target 30 from the data of the measurement points on the circumferential surface 30F acquired by causing the LRF 20 to scan the laser beam 10 times while the turntable 50 is stopped. It is a graph which shows. FIG. 20B shows the result of estimating the center position of the target 30 from the data of the measurement points on the circumferential surface 30F acquired by causing the LRF 20 to scan the laser beam 10 times while rotating the turntable 50. It is a graph which shows. In these graphs, estimation results using the constant distance method are indicated by solid lines, estimation results using the least square method are indicated by broken lines, and estimation results using the maximum likelihood method are indicated by chain lines. The horizontal axis is the distance (mm) from the vertical axis 20A to the center axis 30E of the target 30, and the vertical axis is the estimated error (mm) of the center position of the target 30.

図20(A)のグラフに示すように、回転台50を停止させた状態でLRF20にレーザ光を10回走査させることにより取得した円周面30F上の計測点のデータから、最小二乗法と最尤法とにより、ターゲット30の中心位置を推定した場合における誤差の平均値は、15.3mmであった。一方、図20(B)のグラフに示すように、回転台50を回転させながらLRF20にレーザ光を10回走査させることにより取得した円周面30F上の計測点のデータから、最小二乗法と最尤法とにより、ターゲット30の中心位置を推定した場合における誤差の平均値は、8.3mmであった。これにより、本実施形態に係る円周面30F上の計測点のデータの取得方法を用いた場合、ターゲット30の中心位置をより高精度に推定できることがわかる。   As shown in the graph of FIG. 20A, from the data of the measurement points on the circumferential surface 30F obtained by causing the LRF 20 to scan the laser beam 10 times while the turntable 50 is stopped, The average error when the center position of the target 30 was estimated by the maximum likelihood method was 15.3 mm. On the other hand, as shown in the graph of FIG. 20B, from the data of the measurement points on the circumferential surface 30F obtained by causing the LRF 20 to scan the laser beam 10 times while rotating the turntable 50, the least square method and The average value of errors when the center position of the target 30 was estimated by the maximum likelihood method was 8.3 mm. Thus, it can be seen that the center position of the target 30 can be estimated with higher accuracy when the method for acquiring data of measurement points on the circumferential surface 30F according to the present embodiment is used.

なお、上記実施形態では、被計測体を、円柱体であり上記特徴点が中心軸30Eであるターゲット30とした。しかし、例えば、断面が多角形の角柱体や角錐体であり特徴点がその中心軸であるものや、球体であり特徴点が中心点であるもの、直方体や立方体であり特徴点がその中心点であるもの等、輪郭上の計測点から特徴点を推定可能であるものであれば、被計測体として採用可能である。   In the embodiment described above, the measurement target is the target 30 that is a cylindrical body and the feature point is the central axis 30E. However, for example, a polygonal prism or pyramid with a cross-section and a feature point as its central axis, a sphere and a feature point as its center point, a cuboid or cube, and a feature point as its center point As long as the feature point can be estimated from the measurement point on the contour, such as the above, it can be adopted as the measurement object.

また、被計測体としての円柱体の断面は真円には限られず楕円でもよく、最小二乗法又は最尤法を用いて、複数の計測点の位置を近似した円の方程式は、上述した半径rの真円の方程式には限られず楕円の方程式であってもよい。また、解析方法は、上記実施形態で挙げた一定距離法、最小二乗法、及び最尤法に限られるものではない。   In addition, the cross section of the cylindrical body as the measurement target is not limited to a perfect circle, but may be an ellipse. The equation of a circle that approximates the positions of a plurality of measurement points using the least square method or the maximum likelihood method is the radius described above. The equation for a perfect circle of r is not limited to an elliptic equation. The analysis method is not limited to the constant distance method, the least square method, and the maximum likelihood method described in the above embodiment.

また、杭打ち機1の位置及び向きを計測する測位システム10、100を例に挙げて本発明を説明したが、掘削機やクレーン等の他の移動体の位置及び向きを計測する測位システムにも本発明を適用できる。   Moreover, although the present invention has been described by taking the positioning systems 10 and 100 that measure the position and orientation of the pile driving machine 1 as an example, the positioning system that measures the position and orientation of other moving bodies such as an excavator and a crane can be used. The present invention can also be applied.

1 杭打ち機(移動体)、10 測位システム、12 コンピュータ、14 記憶部、16 入力部、18 モニタ、20 LRF、20A 鉛直軸、30(30A〜30D) ターゲット(被計測体)、30E 中心軸、30F 円周面、34 軸体、34A 中心軸、36 水準器、40 情報処理部、41 第1測位部、42 分別部、44 クラスタリング部、46 ノイズ除去部、48 推定部、49 判定部、50 回転台、52 駆動部、54 回転テーブル、60 調整台、70 三脚、72 日除けカバー、72A 底板、72B 側板、72C 天板、80 レーザポインタ、82 再帰性反射材、84 ターゲット、100 測位システム、401 第2測位部、402 表示制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pile driver (moving body), 10 positioning system, 12 computer, 14 memory | storage part, 16 input part, 18 monitor, 20 LRF, 20A vertical axis, 30 (30A-30D) Target (measuring object), 30E Central axis , 30F circumferential surface, 34 shaft body, 34A central axis, 36 level, 40 information processing section, 41 first positioning section, 42 classification section, 44 clustering section, 46 noise removal section, 48 estimation section, 49 determination section, 50 rotary table, 52 drive unit, 54 rotary table, 60 adjustment table, 70 tripod, 72 sun protection cover, 72A bottom plate, 72B side plate, 72C top plate, 80 laser pointer, 82 retroreflective material, 84 target, 100 positioning system, 401 2nd positioning part, 402 Display control part

Claims (7)

移動体の位置及び向きを計測する測位システムであって、
前記移動体に設定された所定の基準点に対して既定の位置関係をもって、且つ互いに既定の位置関係をもって前記移動体に設置された複数の被計測体と、
各被計測体の表面を光で走査することにより各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報を取得する光走査式測距装置と、
前記光走査式測距装置により取得された各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報に基づいて、各被計測体の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を推定する第1測位部と、
前記第1測位部により推定された前記複数の被計測体の前記所定点の位置と、前記複数の被計測体と前記所定の基準点との既定の位置関係と、前記複数の被計測体の互いの既定の位置関係とに基づいて、前記基準点の位置と、前記移動体の前記基準点を中心とする回転方向の位置とを算出し、前記基準点の位置に基づいて前記移動体の位置を推定し、前記回転方向の位置に基づいて前記移動体の向きを推定する第2測位部と、
を備える測位システム。
A positioning system that measures the position and orientation of a moving object,
A plurality of measured objects installed in the movable body with a predetermined positional relationship with respect to a predetermined reference point set in the movable body, and with a predetermined positional relationship with each other;
An optical scanning distance measuring device that acquires position information of a plurality of measurement points on the surface of each measurement object by scanning the surface of each measurement object with light;
Based on the position information of a plurality of measurement points on the surface of each measurement object acquired by the optical scanning distance measuring device, the position of a predetermined point having a predetermined positional relationship with the contour of each measurement object is determined. A first positioning unit to be estimated;
The positions of the predetermined points of the plurality of measured objects estimated by the first positioning unit, a predetermined positional relationship between the plurality of measured objects and the predetermined reference points, and the plurality of measured objects Based on each other's predetermined positional relationship, the position of the reference point and the position of the moving body in the rotation direction around the reference point are calculated, and the position of the moving body is calculated based on the position of the reference point. A second positioning unit that estimates a position and estimates a direction of the moving body based on a position in the rotation direction;
Positioning system with
4個以上の前記被計測体が前記移動体に設置され、1個の前記被計測体が必ず前記光走査式測距装置の死角領域に位置するように設置され、
前記第2測位部は、前記第1測位部により推定された2個の前記被計測体の前記所定点の位置と、前記2個の被計測体と前記所定の基準点との既定の位置関係と、前記2個の被計測体の互いの既定の位置関係とに基づいて、前記基準点の位置と、前記移動体の前記基準点を中心とする回転方向の位置とを算出する請求項1に記載の測位システム。
Four or more objects to be measured are installed on the moving body, and one object to be measured is installed so that it is always located in a blind spot area of the optical scanning distance measuring device,
The second positioning unit has a predetermined positional relationship between the positions of the predetermined points of the two measured objects estimated by the first positioning unit and the two measured objects and the predetermined reference point. The position of the reference point and the position of the moving body in the rotation direction around the reference point are calculated based on the predetermined positional relationship between the two measured objects. The positioning system described in.
3個以上の前記被計測体が前記移動体に設置され、全ての前記被計測体が常に前記光走査式測距装置の死角領域に位置することがないように設置され、
前記第2測位部は、前記第1測位部により推定された3個の前記被計測体の前記所定点の位置と、前記3個の被計測体と前記所定の基準点との既定の位置関係と、前記3個の被計測体の互いの既定の位置関係とに基づいて、前記基準点の位置と、前記移動体の前記基準点を中心とする回転方向の位置とを算出する請求項1に記載の測位システム。
Three or more objects to be measured are installed on the movable body, and all the objects to be measured are installed so that they are not always located in the blind spot area of the optical scanning rangefinder,
The second positioning unit has a predetermined positional relationship between the positions of the predetermined points of the three measured objects estimated by the first positioning unit and the three measured objects and the predetermined reference point. The position of the reference point and the position of the moving body in the rotation direction around the reference point are calculated based on the predetermined positional relationship between the three measured objects. The positioning system described in.
前記複数の被計測体は、相互の距離が全て異なるように前記移動体に設置されている請求項1から請求項3までの何れか1項に記載の測位システム。   The positioning system according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of objects to be measured are installed on the moving body so that their mutual distances are all different. 前記被計測体は円柱体であり、前記所定点は、前記円柱体の中心軸上の点であり、
前記第1測位部は、最小二乗法又は最尤法を用いて、前記複数の計測点の位置を近似した円の方程式を求め、求めた円の方程式に基づいて、前記中心軸上の点の位置を推定する請求項1から請求項4までの何れか1項に記載の測位システム。
The object to be measured is a cylindrical body, and the predetermined point is a point on a central axis of the cylindrical body,
The first positioning unit uses a least square method or a maximum likelihood method to obtain a circle equation that approximates the positions of the plurality of measurement points, and based on the obtained circle equation, calculates the point on the central axis. The positioning system according to any one of claims 1 to 4, wherein the position is estimated.
移動体の位置及び向きを計測する測位方法であって、
複数の被計測体を、前記移動体に設定した所定の基準点に対して既定の位置関係を有し、且つ互いに既定の位置関係を有するように前記移動体に設置するステップと、
光走査式測距装置により各被計測体の表面を光で走査することで各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報を取得するステップと、
前記光走査式測距装置により取得した各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報に基づいて、各被計測体の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を推定するステップと、
推定された前記複数の被計測体の前記所定点の位置と、前記複数の被計測体と前記所定の基準点との既定の位置関係と、前記複数の被計測体の互いの既定の位置関係とに基づいて、前記基準点の位置と、前記移動体の前記基準点を中心とする回転方向の位置とを算出し、前記基準点の位置に基づいて前記移動体の位置を推定し、前記回転方向の位置に基づいて前記移動体の向きを推定するステップと、
を備える測位方法。
A positioning method for measuring the position and orientation of a moving object,
Installing a plurality of objects to be measured on the moving body so as to have a predetermined positional relationship with respect to a predetermined reference point set on the moving body and have a predetermined positional relationship with each other;
Acquiring the positional information of a plurality of measurement points on the surface of each measured object by scanning the surface of each measured object with light by an optical scanning distance measuring device;
Based on position information of a plurality of measurement points on the surface of each measurement object acquired by the optical scanning distance measuring device, the position of a predetermined point having a predetermined positional relationship with the contour of each measurement object is estimated. And steps to
The estimated position of the predetermined points of the plurality of measured objects, the predetermined positional relationship between the plurality of measured objects and the predetermined reference point, and the predetermined positional relationship between the plurality of measured objects. And calculating the position of the reference point and the position of the moving body in the rotation direction around the reference point, estimating the position of the mobile object based on the position of the reference point, Estimating the direction of the moving body based on the position in the rotational direction;
A positioning method comprising:
移動体に設定された所定の基準点に対して既定の位置関係をもって、且つ互いに既定の位置関係をもって前記移動体に設置された複数の被計測体と、各被計測体の表面を光で走査することにより各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報を取得する光走査式測距装置とを備え、前記移動体の位置及び向きを計測する測位システムに含まれるコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記光走査式測距装置により取得された各被計測体の表面上における複数の計測点の位置情報に基づいて、各被計測体の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を推定する手順と、
推定された前記複数の被計測体の前記所定点の位置と、前記複数の被計測体と前記所定の基準点との既定の位置関係と、前記複数の被計測体の互いの既定の位置関係とに基づいて、前記基準点の位置と、前記移動体の前記基準点を中心とする回転方向の位置とを算出し、前記基準点の位置に基づいて前記移動体の位置を推定し、前記回転方向の位置に基づいて前記移動体の向きを推定する手順と、
を前記コンピュータに実行させるプログラム。
A plurality of measured objects installed on the movable body with a predetermined positional relationship with respect to a predetermined reference point set on the movable body and with a predetermined positional relationship with each other, and the surface of each measured body are scanned with light. And an optical scanning distance measuring device that acquires position information of a plurality of measurement points on the surface of each measured object, and causes a computer included in the positioning system to measure the position and orientation of the moving object to execute the computer. A program,
Based on the position information of a plurality of measurement points on the surface of each measurement object acquired by the optical scanning distance measuring device, the position of a predetermined point having a predetermined positional relationship with the contour of each measurement object is determined. The estimation procedure;
The estimated position of the predetermined points of the plurality of measured objects, the predetermined positional relationship between the plurality of measured objects and the predetermined reference point, and the predetermined positional relationship between the plurality of measured objects. And calculating the position of the reference point and the position of the moving body in the rotation direction around the reference point, estimating the position of the mobile object based on the position of the reference point, A procedure for estimating the direction of the moving body based on the position in the rotation direction;
A program for causing the computer to execute.
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