JP2016109556A - Shape measurement system and shape measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状計測システムに関する。 The present invention relates to a shape measurement system.
水中にある物体の形状を計測する技術としては、超音波センサや光学カメラ、レーザ等を用いて原子炉内の構造物の3次元形状計測を行うシステムが知られている。 As a technique for measuring the shape of an object in water, a system for measuring a three-dimensional shape of a structure in a nuclear reactor using an ultrasonic sensor, an optical camera, a laser, or the like is known.
特許文献1には、カメラを移動しながら撮影した画像列だけを用いて、カメラ運動と物体の3次元形状を高精度かつ効率よく復元するシステムが記載されている。 Patent Document 1 describes a system that restores camera motion and the three-dimensional shape of an object with high accuracy and efficiency using only an image sequence taken while moving the camera.
カメラの画像列だけから、物体の3次元形状を計測すると、液中の明るさが不足する場合等に計測の誤差が大きくなる。 If the three-dimensional shape of an object is measured only from the image sequence of the camera, the measurement error increases when the brightness in the liquid is insufficient.
上記課題を解決するために、本発明の一態様である形状計測システムは、液体中を移動する液中移動体と、前記液中移動体と通信する制御装置と、を備える。前記液中移動体は、前記制御装置からの指示に基づいて前記液中移動体の推力を発生させる駆動部と、前記液中移動体の移動を検出し、前記検出された移動を示す移動検出情報を繰り返し生成する移動検出部と、前記液中移動体に対して予め定められた方向の平面内の特定範囲へ信号を放射し、前記信号が前記液体中の物体の表面で反射することに応じて、前記反射した信号を検出し、前記検出された信号を示す信号検出情報を繰り返し生成する信号計測部と、を含む。前記制御装置は、前記駆動部に対して前記指示を与えることにより、前記液中移動体を移動させ、前記移動検出情報及び前記信号検出情報の少なくとも何れかに基づいて、前記液中移動体の位置及び方向を示す姿勢データを繰り返し算出することにより、複数の姿勢データを算出し、前記信号検出情報に基づいて、前記特定範囲内の前記反射の位置の分布を示す2次元形状データを繰り返し算出することにより、複数の2次元形状データを算出し、前記複数の姿勢データに基づいて、前記複数の2次元形状データを3次元座標系に夫々変換し、変換された複数の2次元形状データを合成することにより、3次元空間内の前記反射の位置の分布を示す3次元形状データを算出する。 In order to solve the above problems, a shape measurement system according to an aspect of the present invention includes a submerged moving body that moves in a liquid and a control device that communicates with the submerged moving body. The submerged moving body detects a movement of the driving unit that generates a thrust of the submerged moving body based on an instruction from the control device, and a movement detection that indicates the detected movement. A movement detection unit that repeatedly generates information, and a signal is emitted to a specific range in a plane in a predetermined direction with respect to the moving body in liquid, and the signal is reflected on the surface of the object in the liquid And a signal measuring unit that detects the reflected signal and repeatedly generates signal detection information indicating the detected signal. The control device moves the submerged moving body by giving the instruction to the driving unit, and based on at least one of the movement detection information and the signal detection information, A plurality of posture data are calculated by repeatedly calculating the posture data indicating the position and direction, and the two-dimensional shape data indicating the distribution of the position of the reflection within the specific range is repeatedly calculated based on the signal detection information. By calculating a plurality of two-dimensional shape data, converting the plurality of two-dimensional shape data into a three-dimensional coordinate system based on the plurality of posture data, respectively, By combining, three-dimensional shape data indicating the distribution of the reflection positions in the three-dimensional space is calculated.
液中の明るさが不足する場合の、液中の物体の3次元形状の計測精度を向上させることができる。 When the brightness in the liquid is insufficient, the measurement accuracy of the three-dimensional shape of the object in the liquid can be improved.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
ここでは、本発明に係る形状計測システムの一例である水中堆積物調査システムについて説明する。 Here, an underwater sediment investigation system which is an example of a shape measurement system according to the present invention will be described.
図1は、本発明の実施の形態に係る水中堆積物調査システムの構成を示す。 FIG. 1 shows a configuration of an underwater sediment investigation system according to an embodiment of the present invention.
この図に示す水槽1には水が張られている。その底部に堆積物2があり、その形状や存在位置は未知である。本実施の形態の水中堆積物調査システムは、3次元的に移動可能な水中移動体(液中移動体)3と、ケーブル4を介して水中移動体3に接続された制御装置5と、この制御装置5に接続され、水中移動体3により撮影された画像を表示するとともに水中移動体3の位置や姿勢、堆積物2の3次元形状等を表示する表示装置6と、制御装置5に接続され、水中移動体3を操作可能な操作装置80とを含む。制御装置5と水中移動体3は、ケーブル4による有線通信の代わりに、無線通信を行ってもよい。
The water tank 1 shown in this figure is filled with water. There is a
図2は、水中移動体の構成を示す。 FIG. 2 shows the configuration of the underwater vehicle.
以降、水中移動体3の座標系は、水中移動体3の本体3aにおける垂直下向き(水中移動体3の高さ方向下向き)がZ軸正方向である右手座標系を定義して説明する。具体的には、本体3aの右方向(紙面に向かって図2中の奥方向)がX軸正方向であり、前方向(図2中の左方向)がY軸正方向であり、下方向(図2中の下方向)がZ軸正方向である。X軸、Y軸、及びZ軸は互いに直交している。
Hereinafter, the coordinate system of the underwater moving
この図において、水中移動体3は、本体3aの前面側(Y方向)に設けられ移動中に周囲の環境を繰り返し撮影する前方カメラ7と、前方カメラ7により撮影された前方画像を取得する画像取込部8とを含む。また、水中移動体3は、本体3aの上面側(−Z方向)、後面側(−Y方向)、及び左側面側(−X方向)にそれぞれ設けられた3つのスラスタ(推進機構)16を含む。3つのスラスタ16は、それぞれ、スクリューと、スクリューを正回転又は逆回転に駆動するモータとを含む。スラスタ16は、水中移動体3に対して上下方向(Z方向)の推力、前後方向(Y方向)の推力、及び左右方向(X方向)の推力をそれぞれ与える。すなわち、このスラスタ16により、水中移動体3は水で満たされた3次元空間を自在に移動可能となっている。
In this figure, the underwater moving
水中移動体3は、水中移動体3に作用する水圧を繰り返し検出する圧力センサ(垂直位置検出器)15と、水中移動体3の姿勢(姿勢角)を繰り返し検出するための慣性センサ部(姿勢角検出器)10と、本体3aの下部(下面)に取り付けられた形状計測器14とを含む。形状計測器14は、照射範囲(特定範囲)14a内に信号を照射(放射)する。照射範囲14aは、XZ平面内で形状計測器14のZ方向へ扇状に広がる。その角度は、形状計測器14のZ方向を中心に、−X方向と+X方向の夫々へ所定の偏角θxまで広がる範囲である。形状計測器14は、照射範囲14aにおける計測対象(堆積物2の表面)のZ方向の位置を繰り返し計測する。
The
圧力センサ15で検出された圧力は、水槽1内における水中移動体3の垂直位置(Z座標、深度)の検出に用いられる。また、慣性センサ部10は、X軸、Y軸、及びZ軸周りの角速度をそれぞれ検出する3軸ジャイロ(角速度検出器)11と、X軸及びY軸周りの角度(傾斜角)を検出する傾斜計(傾斜角検出器)13と、Z軸周りの角度(方位角)を検出する地磁気センサ(方位角検出器)12を有している。これらの検出値は水中移動体3の姿勢角の検出に用いられる。
The pressure detected by the
水中移動体3は、信号伝送部9を含む。圧力センサ15、慣性センサ部10(3軸ジャイロ11、傾斜計13、地磁気センサ12)、及び形状計測器14(形状計測用カメラ17、ラインレーザ18)により検出された検出信号と、画像取込部8からの前方画像は、信号伝送部9及びケーブル4を介して制御装置5へ出力されている。そして、制御装置5は、検出信号等に基づいて水中移動体3の位置姿勢、計測対象の3次元形状を算出し、この算出した水中移動体3の位置姿勢、計測対象の3次元形状データを表示装置6に表示させる。また、制御装置5は、前方画像を表示装置6に表示させる。また、制御装置5は、操作装置80からの操作信号と、水中移動体3の姿勢とに基づいて、スラスタ16を駆動制御する制御信号を生成し、この生成した制御信号をケーブル4及び信号伝送部9を介してスラスタ16に出力している。
The
圧力センサ15は、水中移動体3の底面から外部に露出したセンサ部を有しており、当該センサ部に作用する水圧を検出することで圧力を検出している。なお、圧力センサ15の設置の有無は、センサ部を外部から視認することで容易に確認できる。
The
図3は、形状計測器の構成を示す。 FIG. 3 shows the configuration of the shape measuring instrument.
形状計測器14は、水中移動体3から照射範囲14a内の計測対象までの相対距離を示す形状画像を繰り返し生成する。形状計測器14は、形状計測用カメラ17と、ラインレーザ(シートレーザ)18とを含む。ラインレーザ18は、X方向に延びるスリットを有し、スリットを介して照射範囲14aに広がるレーザを照射する。ラインレーザ18から照射範囲14aに照射されたレーザは、堆積物2の表面で反射して散乱することにより、照射範囲14aに像18aを形成する。形状計測用カメラ17は、像18aを撮影することにより、形状画像を生成する。様々な形状の堆積物2の表面におけるラインレーザ18の像18aが形状計測用カメラ17の視野17a内に位置するように、ラインレーザ18の位置、姿勢、偏角θx等は予め調整される。
The
形状計測器14は、XZ平面内の照射範囲14a内にレーザを照射することができる。これにより、堆積物2の表面と照射範囲14aの交線上に、像18aが形成される。また、像18aが曲線となることにより、形状計測器14は、照射範囲14a内の堆積物2の表面の高さの分布を形状画像として取得することができる。
The
操作装置80は、ユーザによる操作に基づいて、水中移動体3の進行方向の指示を制御装置5へ出力する。操作装置80は例えば、進行方向に対応するボタンやレバー等を含んでもよい。
The
制御装置5は、コンピュータであり、ハードウェアとして、各種プログラムを実行するための演算手段としての演算処理装置(例えば、CPU)と、当該プログラムをはじめ各種データを記憶するための記憶手段としての記憶装置(例えば、ROM、RAMおよびフラッシュメモリ等の半導体メモリや、ハードディスクドライブ等の磁気記憶装置)と、各装置と水中移動体3に係る各センサ等へのデータ及び指示等の入出力制御を行うための入出力装置とを含む。
The
次に、制御装置5の詳細を説明する。
Next, details of the
図4は、制御装置の機能ブロック図である。 FIG. 4 is a functional block diagram of the control device.
この図に示すように、制御装置5は、3軸ジャイロ11により計測される角速度信号に基づきX軸、Y軸、及びZ軸周りの角速度をそれぞれ算出する角速度算出部19と、傾斜計13により計測される角度信号に基づきX軸及びY軸周りの傾斜角をそれぞれ算出するとともに、地磁気センサ12により計測される角度信号に基づきZ軸周りの方位角を算出する角度算出部20と、これら算出された角速度、傾斜角、及び方位角に基づき水中移動体3の姿勢角(3軸周りの姿勢角)を算出する姿勢角算出部21として機能する。また、制御装置5は、圧力センサ15により計測される圧力信号に基づき水中における水中移動体3の深度、すなわち垂直位置を算出する垂直位置算出部22としても機能する。そして、形状計測用カメラ17で撮影された形状画像に基づき計測対象の2次元断面形状を算出する形状算出部23としても機能する。さらに、制御装置5は、姿勢角算出部21と垂直位置算出部22と形状算出部23から出力される結果から、計測対象の3次元形状を算出する3次元形状生成部24としても機能する。さらに、制御装置5は、姿勢角算出部21から出力される姿勢角と、操作装置80から出力される操作信号とに基づいて、三つのスラスタ16の制御信号を算出する姿勢制御部81としても機能する。さらに、制御装置5は、3次元形状生成部24の処理に応じて、ラインレーザ18の照射の開始と停止を制御する照射制御部82としても機能する。さらに、制御装置5は、前方カメラ7から出力される前方画像を取得する画像情報取得部25としても機能する。さらに、制御装置5は、3次元形状生成部24により算出される3次元形状データや、画像情報取得部25から出力される映像等に基づく表示画面を生成し、表示画面を表示装置6に表示させる表示制御部83としても機能する。
As shown in this figure, the
なお、水中移動体3の構造によりX軸周りの姿勢角とY軸周りの姿勢角とが安定する場合、姿勢制御部81は、姿勢角算出部21から出力される姿勢角を用いなくてもよい。
When the posture angle around the X axis and the posture angle around the Y axis are stable due to the structure of the
次に制御装置5による処理の内容について説明する。
Next, the contents of processing by the
図5は、堆積物形状生成処理を表すPAD(Problem Analysis Diagram)図である。 FIG. 5 is a PAD (Problem Analysis Diagram) diagram showing the deposit shape generation process.
この図において、制御装置5の3次元形状生成部24は、まずステップ26で、操作装置80又は記憶装置から水中移動体3の初期位置・初期姿勢角を取得する。そして、制御装置5は、ステップ27に進み、操作装置80における水中移動体3の操作開始とともに堆積物形状生成処理に移る。この堆積物形状生成処理において、制御装置5は、姿勢角算出処理(ステップ28)と、垂直位置算出処理(ステップ29)と、構造物形状算出処理(ステップ30)と、移動体位置推定処理(ステップ31)と、形状データ位置合わせ処理(ステップ32)とを繰り返し行い、その都度、ステップ28,29,30,31,32で夫々算出される姿勢角、垂直位置、構造物形状データ、移動体位置、位置合わせ後の形状データを記憶装置へ保存し(ステップ33)、保存されたデータから表示画面を生成し、表示画面を表示装置6に表示させる表示処理を行う(ステップ92)。以下、各処理の詳細を説明する。
In this figure, the three-dimensional
(1)姿勢角算出処理(前述のステップ28)
(1) Attitude angle calculation processing (
図6は、姿勢角算出処理を表すPAD図である。 FIG. 6 is a PAD diagram showing the attitude angle calculation process.
姿勢角算出処理において、角速度算出部19は、まず、3軸ジャイロ11の角速度信号を取り込み、角度算出部20は、傾斜計13及び地磁気センサ12の角度信号を取り込む(ステップ34)。
In the posture angle calculation process, the angular velocity calculation unit 19 first captures the angular velocity signal of the three-
そして、角速度算出部19は、ステップ35に進み、3軸ジャイロ11の角速度信号から各軸(X軸、Y軸、Z軸)周りの角速度を算出する角速度算出処理に移る。本実施の形態の3軸ジャイロ11は、静電浮上型ジャイロであり、一定の3軸ジャイロ基準電圧に角速度に比例する増減値を加えた正の電圧値を出力する。そのため、まずステップ36において、3軸ジャイロ11の各軸(X軸、Y軸、Z軸)周りの角速度信号に対し3軸ジャイロ基準電圧を減じるジャイロ基本処理を行う。3軸ジャイロ基準電圧は、通常、3軸ジャイロ11の固有スペックとして示されている。本実施の形態の角速度算出部19は、ジャイロ基本処理として、角速度信号が入力されないときの電圧値を予め計測し、その電圧値を平均化することにより得られる値を基準電圧として用いる。その後、角速度算出部19は、ステップ37に進んで、電圧−角速度換算係数を乗じて各軸周りの角速度を算出する。電圧−角速度換算係数は、3軸ジャイロ11の固有のスペックとして示される一定値である。
Then, the angular velocity calculation unit 19 proceeds to step 35 and proceeds to an angular velocity calculation process for calculating an angular velocity around each axis (X axis, Y axis, Z axis) from the angular velocity signal of the
ステップ35の角速度算出処理が終了すると、角度算出部20は、ステップ38に進み、傾斜計13の角度信号から各軸(X軸、Y軸)周りの傾斜角を算出する傾斜角算出処理に移る。本実施の形態の傾斜計13は、封入された電解液の液面変化(X軸及びY軸周りの傾斜角)を電圧変化に変換して出力する。そのため、まずステップ39において、角度算出部20は、各軸(X軸、Y軸)周りの角度信号から傾斜計基準電圧を減じる傾斜角基本処理を行う。ここでの傾斜計基準電圧は、傾斜計13の固有スペックとして示される一定の電圧値である。その後、ステップ40に進んで、傾斜角換算係数を乗じて各軸周りの傾斜角を算出する。傾斜角換算係数は、傾斜計13の固有スペックとして示される一定値である。
When the angular velocity calculation process of
ステップ38の傾斜角算出処理が終了すると、角度算出部20は、ステップ41に進み、地磁気センサ12の角度信号からZ軸周りの方位角を算出する方位角算出処理に移る。本実施の形態の地磁気センサ12は、X軸方向及びY軸方向に感度を有するホール素子で捉えた磁力を出力する。そのため、まずステップ42において、角度算出部20は、X軸及びY軸の地磁気信号から一定の地磁気基準電圧を減じ、ゲインを乗じる地磁気センサ基本処理を行う。ここで、地磁気基準電圧及びゲインは、地磁気センサ12を使用する環境により異なるため、使用される地磁気の領域で予め計測された値が記憶されている。その後、角度算出部20は、ステップ43に進んで、地磁気センサ基本処理により得られたX軸方向及びY軸方向の地磁気信号Mx,Myを用い、下記の式(1)によりZ軸周りの方位角θmを算出する。
When the tilt angle calculation process at
ステップ41の方位角算出処理が終了すると、姿勢角算出部21は、ステップ44に進み、上述したX軸、Y軸、及びZ軸周りの角速度、X軸及びY軸周りの傾斜角、Z軸周りの方位角をカルマンフィルタに入力することにより、水中移動体3の3軸周りの姿勢角の最適値を推定する。その後、姿勢角算出部21は、ステップ45に進んで、推定した水中移動体3の姿勢角を記憶装置に記憶する。このステップ45の手順が終了すると姿勢角算出処理が終了する。
When the azimuth calculation processing in
姿勢角算出処理によれば、制御装置5は、慣性センサ部10の出力に基づいて、水中移動体3の方向を示す姿勢角を算出することができる。また、制御装置5は、角速度と傾斜角と方位角とに基づいて姿勢角を算出することにより、姿勢角の精度を向上させることができる。また、制御装置5は、姿勢角を用いて、水中移動体3の座標系を水槽1の座標系に変換することができる。
According to the attitude angle calculation process, the
姿勢制御部81は、操作装置80の出力に基づいて、スラスタ16を制御することにより、水中移動体3を移動させる。更に、姿勢制御部81は、X軸及びY軸周りの姿勢角に基づいてスラスタ16の制御信号を算出することにより、水中移動体3を水平に保つ。これにより、ラインレーザ18により形成される照射範囲14aを、水平面に対して垂直に保ち、形状計測用カメラ17による形状画像の精度と、形状画像による計測精度とを向上させることができる。
The
(2)垂直位置算出処理(前述のステップ29) (2) Vertical position calculation process (step 29 described above)
図7は、垂直位置算出処理を表すPAD図である。 FIG. 7 is a PAD showing the vertical position calculation process.
垂直位置算出処理において、垂直位置算出部22は、まず、下記の式(2)に基づいて圧力Pを算出する。ここで垂直位置算出部22は、まず、ステップ46において圧力センサ15の圧力信号(検出電圧)を取り込む。そして、垂直位置算出部22は、ステップ47に進んで、検出電圧Vpから圧力基準電圧Vp_baseを減じ、さらに圧力換算係数Kv_pを乗じて圧力Pを算出する。圧力基準電圧Vp_baseは、圧力センサ15の固有スペックとして示される一定の電圧値である。圧力換算係数Kv_pは、圧力センサ15の固有スペックとして示される一定値である。
In the vertical position calculation process, the vertical position calculation unit 22 first calculates the pressure P based on the following equation (2). Here, the vertical position calculation unit 22 first takes in the pressure signal (detection voltage) of the
次に、垂直位置算出部22は、ステップ48に進んで、算出した圧力Pと水槽1内の液体の密度ρと重力加速度gとを用い、下記の式(3)により水中移動体3の深度Hを算出する。そして、垂直位置算出部22は、算出した深度Hを水槽1の水位Lから減ずることにより、水中移動体3の垂直位置(水槽1の底部からの高さ)を算出する。水位Lは、操作装置80等から制御装置5へ予め設定される。
Next, the vertical position calculation unit 22 proceeds to step 48 and uses the calculated pressure P, the density ρ of the liquid in the water tank 1 and the gravitational acceleration g, and the depth of the underwater moving
その後、垂直位置算出部22は、ステップ49に進んで、算出した水中移動体3の垂直位置を記憶装置に記憶する。このステップ49の手順が終了すると垂直位置算出処理が終了する。
Thereafter, the vertical position calculation unit 22 proceeds to step 49 and stores the calculated vertical position of the underwater moving
垂直位置算出処理によれば、制御装置5は、圧力センサ1510の出力に基づいて、液面からの水中移動体3までの深さを算出することができる。また、制御装置5は、深さを用いて、水中移動体3の座標系を水槽1の座標系に変換することができる。
According to the vertical position calculation process, the
(3)構造物形状算出処理(前述のステップ30) (3) Structure shape calculation process (step 30 described above)
図8は、構造物形状算出処理を表すPAD図である。 FIG. 8 is a PAD diagram showing the structure shape calculation process.
なお、以降で説明する例において、形状計測用カメラ17により出力される形状画像のサイズは640×480[pixel]とする。構造物形状算出処理において、形状算出部23は、まず、形状計測用カメラ17の形状画像を取り込む(ステップ50)。その後、形状算出部23は、ステップ51において形状画像のノイズ除去(例えば、平均化フィルタ)、ステップ52において2値化処理、ステップ53においてクラスタリングを行い、形状画像中に写るラインレーザ18のレーザ像を抽出する。そして、ステップ54において形状算出部23は、ステップ53のクラスタリング後の形状画像において、レーザ像を形成している画素それぞれの画像座標を取得し、距離へと換算する。このステップ54で形状算出部23は、形状計測器14から計測対象までの相対距離Mと形状計測用カメラ17の中心軸からの角度θ(走査角度)を算出する。その後のステップ55において形状算出部23は、光断面法に基づく下記の式(4)を用いて、ステップ54で算出したデータから、ラインレーザ18の投影面上において構造物の表面(外形)が位置する座標値L(xL,yL)を算出する。
In the example described below, the size of the shape image output from the
図9は、形状画像と形状データを示す。 FIG. 9 shows a shape image and shape data.
この図の左側の列に配置された形状画像64、65、66は夫々、時刻t−1、時刻t、時刻t+1に撮影された形状が像である。形状画像64、65、66は、レーザ像64a、65a、66aを夫々示す。レーザ像64a、65a、66aの夫々は、計測対象と照射範囲14aとの交線上に形成される。
The
この図の右側の列に配置された形状データ67、68、69は夫々、時刻t−1、時刻t、時刻t+1の形状データである。形状データ67、68、69の夫々において、横軸はX軸であり、縦軸はZ軸である。形状データ67、68、69は夫々、画像64、65、66に対する構造物形状算出処理により得られる。形状データ67、68、69は夫々、レーザ像64a、65a、66aの形状を示す。即ち、形状データ67、68、69の夫々は、ラインレーザ18の下方でX方向に亘る計測対象の高さの分布を示す。
The
(4)移動体位置推定処理(前述のステップ31) (4) Moving object position estimation process (step 31 described above)
図10は、移動体位置推定処理を表すPAD図である。 FIG. 10 is a PAD diagram showing the mobile object position estimation process.
移動体位置推定処理が開始すると、形状算出部23は、まずステップ57において形状計測用カメラ17の形状画像を取り込む。そして、形状算出部23は、ステップ58において形状画像のノイズ除去(例えば、平均化フィルタ)、ステップ59において輪郭抽出、ステップ60において特徴量抽出、ステップ61において画像相関処理、ステップ62において水平方向の移動量を算出する。
When the moving body position estimation process starts, the
ここで、各処理について詳細を説明する。形状算出部23は、まず、ステップ59の輪郭抽出処理において、取得された形状画像を2値化処理した後、例えば輝度情報をもとに、形状画像中の物体等の輪郭を輪郭画像として抽出する。また、形状算出部23は、ステップ60の特徴量抽出処理において、ステップ59で生成された輪郭画像中で、特徴(例えば、構造物の形状)を抽出する。そして、形状算出部23は、ステップ61の画像相関処理において、時刻tの輪郭画像中で、時刻t−1において登録した特徴を探索し、時刻t−1から時刻tに亘る輪郭画像上の特徴のシフト量を算出する。その後、形状算出部23は、ステップ62において、シフト量に距離への換算係数Kを乗ずることにより、水中移動体3の水平方向の移動量を算出する。その後、形状算出部23は、ステップ63で移動量を記憶装置に保存し、一連の移動体位置推定処理を終了する。
Here, details of each process will be described. The
移動体位置推定処理によれば、制御装置5は、形状計測用カメラ17により連続して撮影された形状画像を用いて、水中移動体3の水平移動量を算出することができる。これにより、水中移動体3は、水平移動量を計測するための別のセンサを含む必要がなく、水中移動体3の寸法、重量、コストを抑えることができる。
According to the moving body position estimation process, the
(5)形状データ位置合わせ処理(前述のステップ32) (5) Shape data alignment processing (step 32 described above)
ステップ32の形状データ位置合わせ処理において3次元形状生成部24は、まずステップ28の姿勢角算出処理で算出された水中移動体3の姿勢角と、ステップ29の垂直位置算出処理で算出された垂直位置と、ステップ30の構造物形状算出処理で算出された計測対象の2次元形状データと、ステップ31の移動体位置推定処理で推定された水中移動体3の移動量とを読み込む。そして、3次元形状生成部24は、複数の2次元形状データの座標値を、姿勢角、垂直位置、移動量をもとに、水槽1の座標系(Xt、Yt、Zt)へ座標変換し、座標変換された複数の2次元形状データを合成することにより、3次元形状データを生成する。
In the shape data alignment process in step 32, the three-dimensional
図11は、3次元形状データを示す。 FIG. 11 shows three-dimensional shape data.
この図は、水槽1の座標系(Xt、Yt、Zt)における3次元形状データ91を示す。また、この図は、3次元形状データ91との比較のため、堆積物2の形状を示す。水中移動体3は、時刻t−1、t、t+1に亘って堆積物2の上方を水平に移動しながら、形状データ67、68、69を夫々計測する。その後、3次元形状生成部24は、形状データ位置合わせ処理により、水中移動体2の位置及び姿勢に基づいて形状データ67、68、69の座標を変換して合成することにより、3次元形状データ91を生成する。この図では、説明のため形状データを表す点群が粗く示されているが、実際の処理では形状データを密に取得するため、計測対象の3次元形状がより詳細に再現できる。
This figure shows the three-
(6)表示処理(前述のステップ92)
(6) Display processing (
表示処理において、表示制御部83は、3次元形状生成部24や画像情報取得部25等の出力に基づいて表示画面を生成し、表示画面を表示装置6に表示させる。
In the display process, the
図12は、表示画面を示す。 FIG. 12 shows a display screen.
この図に示す表示画面70は、位置座標表示部71と、前方カメラ映像表示部93と、形状計測用カメラ映像表示部72と、堆積物3次元形状表示部73と、を含む。位置座標表示部71は、水槽1の座標系(Xt、Yt、Zt)における水中移動体3の現在位置として、制御装置5の記憶装置から読み込まれた水中移動体3の垂直位置(Zt座標)と、移動量を積算した水平位置(Xt座標、Yt座標)とを表示する。前方カメラ映像表示部93は、前方カメラ7により撮影された映像を表示する。形状計測用カメラ映像表示部72は、形状計測用カメラ17により撮影された映像を表示する。この映像は、レーザ像72aを含む。また、堆積物3次元形状表示部73は、3次元形状データ91を表示する。
The
この表示画面によれば、水中堆積物調査システムのユーザは、水中移動体3の位置を見ながら、操作装置80を操作することができる。また、水中堆積物調査システムのユーザは、前方カメラ7により撮影された水中移動体3の前方の映像を見ながら、操作装置80を操作することができる。また、水中堆積物調査システムのユーザは、形状計測用カメラ17により撮影された水中移動体3の下方の映像を見ながら、操作装置80を操作することができる。水中堆積物調査システムのユーザは、複数の時刻で計測された2次元形状データを合成することにより得られた3次元形状データ91を見ながら、操作装置80を操作することができる。
According to this display screen, the user of the underwater sediment investigation system can operate the
3次元形状生成部24は、形状データ位置合わせ処理の度に、新たな形状データを3次元形状データ91へ追加する。なお、3次元形状生成部24に対し、形状データの数の上限値が予め設定されてもよい。この場合、3次元形状生成部24は、3次元形状データ91に含まれる形状データの数が上限値を超える場合に3次元形状データ91の中から最も古い形状データを選択し、選択された形状データを3次元形状データ91から削除してもよい。
The three-dimensional
本実施の形態によれば、形状計測システムは、形状計測器が移動する場合でも形状データの位置合わせが可能となる。そのため、水中移動体を操作しながら広範囲の調査(堆積物の形状計測)が可能となる。また、形状計測システムは、屋内のプール内の堆積物2等、水中での明るさが不足する場合において、堆積物2の表面にラインレーザを照射することにより、形状の計測精度を向上させることができる。
According to the present embodiment, the shape measurement system can align the shape data even when the shape measuring instrument moves. Therefore, a wide range of investigations (sediment shape measurement) can be performed while operating the underwater vehicle. In addition, the shape measurement system can improve the shape measurement accuracy by irradiating the surface of the
以下、変形例について説明する。 Hereinafter, modified examples will be described.
形状計測器14は、ラインレーザ18の代わりに超音波送波器を含み、形状計測用カメラ17の代わりに超音波受波器を含んでもよい。この場合、形状算出部23は、狭指向性の超音波である超音波ビームを超音波送波器に送波させ、計測対象による反射波を超音波受波器に受波させ、送波から受波の遅延に基づいて、計測対象までの距離を計測する。形状算出部23は、超音波ビームの方向を照射範囲14aに亘って走査し、距離の計測を繰り返すことにより、前述の形状データを算出することができる。この形状計測システムは、水槽1に溜められている液体が、濁った水である場合や、透明度の低い液体である場合に、精度を向上させることができる。超音波ビームの走査は、モータを用いる機械的走査であってもよいし、振動子アレイを用いる電子的走査であってもよい。
The
また、形状計測器14は、ラインレーザ18及び形状計測用カメラ17の代わりに二次元レーザスキャナを含んでもよい。二次元レーザスキャナは、レーザレンジファインダを照射範囲14aに亘って走査する。レーザレンジファインダは、狭指向性のレーザ光であるレーザビームを照射し、計測対象による反射光を検出することにより、計測対象までの距離を計測する。二次元レーザスキャナは、レーザビームを照射範囲14aに亘って走査し、距離の計測を繰り返すことにより、前述の形状データを算出することができる。この形状計測システムは、レーザレンジファインダを用いることにより、さらに精度を向上させることができる。
Further, the
また、ラインレーザ18と形状計測用カメラ17がY方向等、Z方向以外の方向に向いていてもよい。また、形状計測用カメラ17と前方カメラ7が一つのカメラであってもよい。
Further, the
また、慣性センサ部10は、X軸、Y軸、及びZ軸方向の加速度センサを含んでいてもよい。この場合、制御装置5は、加速度センサにより計測された加速度に基づいて、水中移動体3の移動量を算出してもよい。
The
本発明の表現のための用語について説明する。駆動部は、スラスタ16を含んでもよい。移動検出部は、慣性センサ部10及び圧力センサ15の何れかを含んでもよい。信号計測部は、形状計測器14を含んでもよい。移動検出情報は、慣性センサ部10及び圧力センサ15の何れかの出力を含んでもよい。信号検出情報は、形状計測器14の出力を含んでもよい。姿勢データは、姿勢角、垂直位置、及び移動量の何れかを含んでもよい。2次元形状データは、形状データ67、68、69を含んでもよい。3次元形状データは、3次元形状データ91を含んでもよい。カメラは、形状計測用カメラ17を含んでもよい。
Terms for the expression of the present invention will be described. The drive unit may include a
3…水中移動体、5…制御装置、6…表示装置、10…慣性センサ部、11…3軸ジャイロ、13…傾斜計、12…地磁気センサ、14…形状計測器、15…圧力センサ、16…スラスタ、17…形状計測用カメラ、18…ラインレーザ、19…角速度算出部、20…角度算出部、21…姿勢角算出部、22…垂直位置算出部、23…形状算出部、24…3次元形状生成部、25…画像情報取得部、80…操作装置
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記液中移動体と通信する制御装置と、
を備え、
前記液中移動体は、
前記制御装置からの指示に基づいて前記液中移動体の推力を発生させる駆動部と、
前記液中移動体の移動を検出し、前記検出された移動を示す移動検出情報を繰り返し生成する移動検出部と、
前記液中移動体に対して予め定められた方向の平面内の特定範囲へ信号を放射し、前記信号が前記液体中の物体の表面で反射することに応じて、前記反射した信号を検出し、前記検出された信号を示す信号検出情報を繰り返し生成する信号計測部と、
を含み、
前記制御装置は、
前記駆動部に対して前記指示を与えることにより、前記液中移動体を移動させ、
前記移動検出情報及び前記信号検出情報の少なくとも何れかに基づいて、前記液中移動体の位置及び方向を示す姿勢データを繰り返し算出することにより、複数の姿勢データを算出し、
前記信号検出情報に基づいて、前記特定範囲内の前記反射の位置の分布を示す2次元形状データを繰り返し算出することにより、複数の2次元形状データを算出し、
前記複数の姿勢データに基づいて、前記複数の2次元形状データを3次元座標系に夫々変換し、変換された複数の2次元形状データを合成することにより、3次元空間内の前記反射の位置の分布を示す3次元形状データを算出する、
形状計測システム。 A submerged moving body that moves in the liquid;
A control device that communicates with the submerged mobile;
With
The submerged moving body is:
A drive unit that generates thrust of the submerged moving body based on an instruction from the control device;
A movement detection unit that detects movement of the submerged moving body and repeatedly generates movement detection information indicating the detected movement;
A signal is emitted to a specific range within a plane in a predetermined direction with respect to the moving body in liquid, and the reflected signal is detected in response to reflection of the signal on the surface of the object in the liquid. A signal measuring unit that repeatedly generates signal detection information indicating the detected signal;
Including
The controller is
By moving the submerged moving body by giving the instruction to the driving unit,
Based on at least one of the movement detection information and the signal detection information, repeatedly calculating posture data indicating the position and direction of the moving body in liquid, thereby calculating a plurality of posture data,
Based on the signal detection information, by repeatedly calculating the two-dimensional shape data indicating the distribution of the position of the reflection within the specific range, a plurality of two-dimensional shape data is calculated,
Based on the plurality of posture data, the plurality of two-dimensional shape data is converted into a three-dimensional coordinate system, respectively, and the converted plurality of two-dimensional shape data is synthesized, thereby the position of the reflection in the three-dimensional space. Calculating three-dimensional shape data indicating the distribution of
Shape measurement system.
請求項1に記載の形状計測システム。 The control device causes the display device to display the three-dimensional shape data.
The shape measurement system according to claim 1.
前記移動検出情報は、前記角速度と傾斜角と方位角との少なくとも何れかを示し、
前記制御装置は、前記移動検出情報に基づいて前記液中移動体の方向を算出し、前記方向に基づいて前記姿勢データを算出する、
請求項2に記載の形状計測システム。 The movement detection unit includes a rotation detection sensor that detects rotation of the submerged moving body,
The movement detection information indicates at least one of the angular velocity, an inclination angle, and an azimuth angle,
The control device calculates a direction of the moving body in liquid based on the movement detection information, and calculates the posture data based on the direction.
The shape measurement system according to claim 2.
請求項3に記載の形状計測システム。 The control device calculates the instruction based on the calculated direction, thereby keeping the moving body in liquid horizontal and keeping the specific range perpendicular to a horizontal plane.
The shape measurement system according to claim 3.
前記移動検出情報は、前記圧力を示し、
前記制御装置は、前記移動検出情報に基づいて、液面からの前記液中移動体までの深さを算出し、前記深さに基づいて前記姿勢データを算出する、
請求項4に記載の形状計測システム。 The movement detection unit includes a pressure sensor that measures a pressure received from the liquid,
The movement detection information indicates the pressure,
The control device calculates a depth from the liquid surface to the moving body in liquid based on the movement detection information, and calculates the posture data based on the depth.
The shape measurement system according to claim 4.
前記特定範囲へレーザ光を放射するラインレーザと、
前記表面を撮影するカメラと、
を含み、
前記信号検出情報は、前記カメラにより撮影された画像であり、
前記制御装置は、前記画像から前記表面における前記レーザ光の像を検出し、前記像に基づいて前記2次元形状データを算出する、
請求項5に記載の形状計測システム。 The signal measuring unit is
A line laser that emits laser light to the specific range;
A camera for photographing the surface;
Including
The signal detection information is an image taken by the camera,
The controller detects an image of the laser beam on the surface from the image, and calculates the two-dimensional shape data based on the image;
The shape measurement system according to claim 5.
前記制御装置は、前記複数の画像に基づいて、前記姿勢データを算出する、
請求項6に記載の形状計測システム。 The camera generates a plurality of images by repeating the shooting,
The control device calculates the posture data based on the plurality of images.
The shape measurement system according to claim 6.
超音波ビームを放射し、前記特定範囲内で前記超音波ビームを走査する超音波送波器と、
前記表面で反射した超音波を検出する超音波受波器と、
を含み、
前記信号検出情報は、前記走査の位置に対し、前記放射された超音波に対する前記検出された超音波の遅延を示す、
請求項5に記載の形状計測システム。 The signal measuring unit is
An ultrasonic transmitter that emits an ultrasonic beam and scans the ultrasonic beam within the specific range;
An ultrasonic receiver for detecting ultrasonic waves reflected from the surface;
Including
The signal detection information indicates a delay of the detected ultrasound with respect to the emitted ultrasound with respect to the position of the scan;
The shape measurement system according to claim 5.
前記信号検出情報は、前記走査の位置に対し、前記放射されたレーザ光に対する前記検出されたレーザ光の遅延を示す、
請求項5に記載の形状計測システム。 The signal measuring unit is a laser scanner that emits laser light, scans the laser light within the specific range, and detects laser light reflected by the surface;
The signal detection information indicates a delay of the detected laser beam with respect to the emitted laser beam with respect to the position of the scan;
The shape measurement system according to claim 5.
前記制御装置が、前記移動検出情報及び前記信号検出情報の何れかに基づいて、前記液中移動体の位置及び方向を示す姿勢データを繰り返し算出することにより、複数の姿勢データを算出し、
前記制御装置が、前記信号検出情報に基づいて、前記特定範囲内の前記反射の位置の分布を示す2次元形状データを繰り返し算出することにより、複数の2次元形状データを算出し、
前記制御装置が、前記複数の姿勢データに基づいて、前記複数の2次元形状データを3次元座標系に夫々変換し、変換された複数の2次元形状データを合成することにより、3次元空間内の前記反射の位置の分布を示す3次元形状データを算出する、
ことを備える形状計測方法。
A submerged moving body that moves in the liquid, and generates a thrust of the submerged moving body based on an instruction from the control device, detects the movement of the submerged moving body, and detects the detected movement. The movement detection information shown is repeatedly generated, a signal is radiated to a specific range in a plane in a predetermined direction with respect to the moving body in liquid, and the signal is reflected by the surface of the object in the liquid And a controller that communicates with the submerged moving body controls the driving unit with respect to the submerged moving body that detects the reflected signal and repeatedly generates signal detection information indicating the detected signal. By moving the moving body in liquid,
The control device repeatedly calculates posture data indicating the position and direction of the submerged moving body based on either the movement detection information or the signal detection information, thereby calculating a plurality of posture data,
The controller calculates a plurality of two-dimensional shape data by repeatedly calculating the two-dimensional shape data indicating the distribution of the position of the reflection within the specific range based on the signal detection information,
The control device converts each of the plurality of two-dimensional shape data into a three-dimensional coordinate system based on the plurality of posture data, and synthesizes the plurality of converted two-dimensional shape data. Calculating three-dimensional shape data indicating the distribution of the reflection positions of
A shape measuring method comprising the above.
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