JP2016151423A - 姿勢検出装置及びデータ取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全姿勢での傾斜角の検出が可能な姿勢検出装置、及び姿勢検出装置を具備し、全姿勢でのデータの取得を可能としたデータ取得装置を提供する。
【解決手段】外フレーム５１に直交する２軸５４，５５を中心に回転自在に支持され、水平からの傾斜を検出する傾斜検出ユニット５６と、各軸にそれぞれ設けられたエンコーダ６２，６６と、各軸を回転させる様設けたモータ６１，６５と、傾斜検出ユニット５６からの検出結果に基づきモータを駆動制御する第１演算処理部６８とを具備し、第１演算処理部６８は外フレーム５１が傾斜した場合に、傾斜検出ユニット５６からの信号に基づき傾斜検出ユニット５６が水平を検出する様、モータ６１，６５を駆動し、傾斜検出ユニット５６が水平を検出した時のエンコーダ６２，６６の出力に基づき外フレーム５１の姿勢を演算する様構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測量装置、画像取得装置等、姿勢の検知が必要とされるデータ取得装置に設けられる姿勢検出装置及び該姿勢検出装置を具備したデータ取得装置に関するものである。

データ取得装置、例えば測量装置の姿勢、例えば水平に対する傾斜を検出するものとしてチルトセンサがある。チルトセンサでは高精度で水平を検出することができるが応答性が悪く安定する迄に数秒を要する。更に、チルトセンサでは測定範囲が小さく、大きな傾きは測ることができない。

又、高応答性で傾斜を検出可能なものとして加速度センサがある。検出はチルトセンサに比べ広範囲であるが、検出精度が悪く、水平等の絶対的な基準にするには、測量レベルには足りない。

又、従来の姿勢検出装置では、傾斜角を検出可能な範囲が限られており、装置が垂直となった場合、反転した場合等の全姿勢での、傾斜角の検出はできなかった。

本発明は斯かる実情に鑑み、全姿勢での傾斜角の検出が可能な姿勢検出装置、及び該姿勢検出装置を具備し、全姿勢でのデータの取得を可能としたデータ取得装置を提供するものである。

本発明は、外フレームに直交する２軸を中心に回転自在に支持され、水平からの傾斜を検出する傾斜検出ユニットと、各軸にそれぞれ設けられたエンコーダと、各軸を回転させる様設けたモータと、前記傾斜検出ユニットからの検出結果に基づき前記モータを駆動制御する第１演算処理部とを具備し、該第１演算処理部は前記外フレームが傾斜した場合に、前記傾斜検出ユニットからの信号に基づき該傾斜検出ユニットが水平を検出する様、前記モータを駆動し、前記傾斜検出ユニットが水平を検出した時の前記エンコーダの出力に基づき前記外フレームの姿勢を演算する様構成した姿勢検出装置に係るものである。

又本発明は、前記傾斜検出ユニットは高精度で水平を検出する第１傾斜センサと、該第１傾斜センサより高速応答且つ広範囲の傾斜を検出する第２傾斜センサとを具備し、該第２傾斜センサは前記第１傾斜センサが検出した水平からの傾斜を検出し、前記第１演算処理部は前記第２傾斜センサからの検出信号に基づき前記外フレームの姿勢を演算する様構成した姿勢検出装置に係るものである。

又本発明は、測距光を発する発光素子と、測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、反射測距光を受光し、受光信号を発生する受光素子と、該受光素子からの受光結果に基づき測距を行う測距部とを具備し、前記姿勢検出装置と、前記測距光の測距部射出光軸上に配設され、測距光の光軸を所要の偏角で、所要の方向に偏向する第１光軸偏向部と、受光光軸上に配設され、前記第１光軸偏向部と同一の偏角、方向で反射測距光を偏向する第２光軸偏向部と、前記第１光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部とを更に具備し、前記測距光は前記第１光軸偏向部を通して射出され、前記反射測距光は前記第２光軸偏向部を通して前記受光素子に受光される様構成され、前記測距部の測距結果、前記射出方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元データを取得し、該３次元データを前記姿勢検出装置が検出した結果に基づき補正する様構成したデータ取得装置に係るものである。

更に又本発明は、第２演算処理部と、前記測距部射出光軸と平行で既知の関係を有する撮像光軸を有する撮像装置とを更に具備し、前記第２演算処理部は前記測定装置で取得した測距結果と撮像装置で取得した画像とを関連付けて３次元データ付き画像を取得する様構成されたデータ取得装置に係るものである。

本発明によれば、外フレームに直交する２軸を中心に回転自在に支持され、水平からの傾斜を検出する傾斜検出ユニットと、各軸にそれぞれ設けられたエンコーダと、各軸を回転させる様設けたモータと、前記傾斜検出ユニットからの検出結果に基づき前記モータを駆動制御する第１演算処理部とを具備し、該第１演算処理部は前記外フレームが傾斜した場合に、前記傾斜検出ユニットからの信号に基づき該傾斜検出ユニットが水平を検出する様、前記モータを駆動し、前記傾斜検出ユニットが水平を検出した時の前記エンコーダの出力に基づき前記外フレームの姿勢を演算する様構成したので、傾斜検出ユニットの測定範囲を超えた傾斜の検出が可能であり、又全姿勢での姿勢検出が可能である。

又本発明によれば、前記傾斜検出ユニットは高精度で水平を検出する第１傾斜センサと、該第１傾斜センサより高速応答且つ広範囲の傾斜を検出する第２傾斜センサとを具備し、該第２傾斜センサは前記第１傾斜センサが検出した水平からの傾斜を検出し、前記第１演算処理部は前記第２傾斜センサからの検出信号に基づき前記外フレームの姿勢を演算する様構成したので、高速応答の姿勢検出が可能であり、姿勢変化の多い移動体への設置が可能であり、更に携帯した状態に於いても高精度な姿勢検出が可能である。

又本発明によれば、測距光を発する発光素子と、測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、反射測距光を受光し、受光信号を発生する受光素子と、該受光素子からの受光結果に基づき測距を行う測距部とを具備し、前記姿勢検出装置と、前記測距光の測距部射出光軸上に配設され、測距光の光軸を所要の偏角で、所要の方向に偏向する第１光軸偏向部と、受光光軸上に配設され、前記第１光軸偏向部と同一の偏角、方向で反射測距光を偏向する第２光軸偏向部と、前記第１光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部とを更に具備し、前記測距光は前記第１光軸偏向部を通して射出され、前記反射測距光は前記第２光軸偏向部を通して前記受光素子に受光される様構成され、前記測距部の測距結果、前記射出方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元データを取得し、該３次元データを前記姿勢検出装置が検出した結果に基づき補正する様構成したので、簡単な構成で、任意の測定点の姿勢補正された、高精度な３次元データ取得が可能となる。

更に又本発明によれば、第２演算処理部と、前記測距部射出光軸と平行で既知の関係を有する撮像光軸を有する撮像装置とを更に具備し、前記第２演算処理部は前記測定装置で取得した測距結果と撮像装置で取得した画像とを関連付けて３次元データ付き画像を取得する様構成されたので、データ取得の際に任意の測定点の姿勢補正された、高精度な３次元データ付き画像の取得が可能となるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る姿勢検出装置の概略図である。 該姿勢検出装置の概略構成図である。 本発明の実施例に係るデータ取得装置の概略図である。 図３のＡ矢視図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、第１、第２光軸偏向部の作用を示す説明図である。 取得画像と走査軌跡の関係を示す説明図である。 他の実施例の要部を示す概略図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１、図２は、本発明の実施例に係る姿勢検出装置１９の概略図である。

矩形枠形状の外フレーム５１の内部に矩形枠形状の内フレーム５３が設けられ、該内フレーム５３の内部に傾斜検出ユニット５６が設けられる。

前記内フレーム５３の上面、下面から鉛直軸５４，５４が突設され、該鉛直軸５４，５４は前記外フレーム５１に設けられた軸受５２，５２と回転自在に嵌合する。前記鉛直軸５４，５４は鉛直軸心を有し、前記内フレーム５３は前記鉛直軸５４，５４を中心に水平方向に３６０゜回転自在となっている。

前記傾斜検出ユニット５６は水平軸５５に支持され、該水平軸５５の両端部は、前記内フレーム５３に設けられた軸受５７，５７に回転自在に嵌合する。前記水平軸５５は前記鉛直軸心と直交する水平軸心を有し、前記傾斜検出ユニット５６は前記水平軸５５を中心に鉛直方向に３６０゜回転自在となっている。

而して、前記傾斜検出ユニット５６は前記外フレーム５１に対して２軸方向に回転自在に支持されており、前記内フレーム５３を回転自在に支持する機構、前記傾斜検出ユニット５６を回転自在に支持する機構はジンバル機構を構成する。而して、前記傾斜検出ユニット５６は前記外フレーム５１に対してジンバル機構を介して支持され、更に前記内フレーム５３の回転を制約する機構は存在していないので、前記傾斜検出ユニット５６は前記外フレーム５１に対して全方向に自在に回転し得る様になっている。

前記鉛直軸５４，５４の一方、例えば下側の鉛直軸５４には第１被動ギア５８が嵌着され、該第１被動ギア５８には第１駆動ギア５９が噛合している。又、前記外フレーム５１の下面には第１モータ６１が設けられ、前記第１駆動ギア５９は前記第１モータ６１の出力軸に嵌着されている。

前記鉛直軸５４，５４の他方には第１エンコーダ６２が設けられ、該第１エンコーダ６２は前記内フレーム５３の前記外フレーム５１に対する水平方向の回転角を検出する様に構成されている。

前記水平軸５５の一端部には、第２被動ギア６３が嵌着され、該第２被動ギア６３には第２駆動ギア６４が噛合している。又、前記内フレーム５３の側面（図示では左側面）には第２モータ６５が設けられ、前記第２駆動ギア６４は前記第２モータ６５の出力軸に嵌着されている。

前記水平軸５５の他端部には第２エンコーダ６６が設けられ、該第２エンコーダ６６は前記内フレーム５３に対する前記傾斜検出ユニット５６の鉛直方向の回転角を検出する様に構成されている。

前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６は、第１演算処理部６８に電気的に接続されている。

前記傾斜検出ユニット５６は、第１傾斜センサ７１、第２傾斜センサ７２を有しており、該第１傾斜センサ７１、該第２傾斜センサ７２は、前記第１演算処理部６８に電気的に接続されている。

前記姿勢検出装置１９について、図２により更に説明する。

前記姿勢検出装置１９は、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２、前記第１演算処理部６８、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の他に、更に記憶部７３、入出力制御部７４を具備している。

前記記憶部７３には、姿勢検出の為の演算プログラム等のプログラム、及び演算データ等のデータ類を格納している。

前記入出力制御部７４は、前記第１演算処理部６８から出力される制御指令に基づき前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を駆動し、前記第１演算処理部６８で演算した傾斜検出結果を出力する。

前記第１傾斜センサ７１は水平を高精度に検出するものであり、例えば水平液面に検出光を入射させ反射光の反射角度の変化で水平を検出する傾斜検出器、或は封入した気泡の位置変化で傾斜を検出する気泡管である。又、前記第２傾斜センサ７２は傾斜変化を高応答性で検出するものであり、例えば加速度センサである。

尚、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２のいずれも、前記第１エンコーダ６２が検出する回転方向（傾斜方向）、前記第２エンコーダ６６が検出する回転方向（傾斜方向）の２軸方向の傾斜を個別に検出可能となっている。

前記第１演算処理部６８は、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２からの検出結果に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に該傾斜角、傾斜方向に相当する前記第１エンコーダ６２の回転角、前記第２エンコーダ６６の回転角を演算する。

尚、前記姿勢検出装置１９は、前記外フレーム５１が水平に設置された場合に、前記第１傾斜センサ７１が水平を検出する様に設定され、更に前記第１エンコーダ６２の出力、前記第２エンコーダ６６の出力が共に基準位置（回転角０゜）を示す様に設定される。

以下、前記姿勢検出装置１９の作用について説明する。

先ず、高精度に傾斜を検出する場合について説明する。

高精度に傾斜を検出する場合としては、例えば前記姿勢検出装置１９が設置式の測量装置に設けられた場合である。

前記姿勢検出装置１９が傾斜すると、前記第１傾斜センサ７１が傾斜に応じた信号を出力する。

前記第１演算処理部６８は、前記第１傾斜センサ７１からの信号に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に演算結果に基づき傾斜角、傾斜方向を０にする為の、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の回転量を演算し、前記入出力制御部７４を介して前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を前記回転量駆動する駆動指令を発する。

前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の駆動により、演算された傾斜角、傾斜方向の逆に傾斜する様、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５が駆動され、モータの駆動量（回転角）は前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６によって検出され、回転角が前記演算結果となったところで前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の駆動が停止される。

更に、前記第１傾斜センサ７１が水平を検出する様、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の回転が微調整される。

この状態では、前記外フレーム５１が傾斜した状態で、前記傾斜検出ユニット５６が水平に制御される。

従って、前記傾斜検出ユニット５６を水平とする為に、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５により、前記内フレーム５３、前記傾斜検出ユニット５６を傾斜させた傾斜角、傾斜方向は、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６で検出した回転角に基づき求められる。

前記第１演算処理部６８は、前記第１傾斜センサ７１が水平を検出した時の、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６の検出結果に基づき前記姿勢検出装置１９の傾斜角、傾斜方向を演算する。この演算結果が、前記姿勢検出装置１９の傾斜後の姿勢を示す。

前記第１算処理部６８は、演算された傾斜角、傾斜方向を前記姿勢検出装置１９の検出信号として外部に出力する。

次に、前記姿勢検出装置１９が携帯される機器に装備され、携帯された状態でデータを取得する場合の、前記姿勢検出装置１９の作用について説明する。

携帯された状態では、前記姿勢検出装置１９の姿勢は刻々と変化する。従って、高応答性の前記第２傾斜センサ７２の検出結果に基づき、姿勢検出が行われる。

先ず、水平状態を前記第１傾斜センサ７１により検出し、その後の姿勢変化を高応答性の前記第２傾斜センサ７２により求め、該第２傾斜センサ７２からの検出結果に基づき姿勢検出をする様に制御すれば、前記姿勢検出装置１９の傾斜、傾斜方向をリアルタイムで検出することが可能となる。

更に、図１に示される構造のとおり、前記傾斜検出ユニット５６、前記内フレーム５３の回転を制約するものが無く、前記傾斜検出ユニット５６、前記内フレーム５３は共に３６０゜以上の回転が可能である。即ち、前記姿勢検出装置１９がどの様な姿勢となろうとも（例えば、前記姿勢検出装置１９の天地が逆になった場合でも）、全方向での姿勢検出が可能である。

従って、傾斜センサの測定範囲の制限が無く、広範囲、全姿勢での姿勢検出が可能である。

高応答性を要求する場合は、前記第２傾斜センサ７２の検出結果に基づき姿勢検出が行われるが、前記第２傾斜センサ７２は前記第１傾斜センサ７１に比べ検出精度が悪いのが一般的である。

本実施例では、高精度の前記第１傾斜センサ７１と高応答性の第２傾斜センサ７２を具備することで、前記第２傾斜センサ７２のみの検出結果に基づき高精度の姿勢検出が可能となる。

更に、前記第２傾斜センサ７２が検出した傾斜角に基づき、該傾斜角が０になる様にモータを駆動し、更に前記第１傾斜センサ７１が水平を検知する迄モータの駆動を継続する。前記第１傾斜センサ７１が水平を検知した時のエンコーダの値、即ち実際の傾斜角と前記第２傾斜センサ７２が検出した傾斜角との間で偏差を生じれば、該偏差に基づき前記第２傾斜センサ７２の傾斜角を較正することができる。

従って、予め、前記第２傾斜センサ７２の検出傾斜角と、前記第１傾斜センサ７１による水平検出とエンコーダの検出結果に基づき求めた傾斜角との関係を取得しておけば、前記第２傾斜センサ７２に検出された傾斜角の較正（キャリブレーション）をすることができ、前記第２傾斜センサ７２による高応答性での姿勢検出の精度を向上させることができる。

本発明に係る姿勢検出装置１９は種々の装置に適用できる。特に、装置の姿勢が安定していない、携帯タイプの装置に用いると有用である。

例えば、該姿勢検出装置１９を携帯型の画像取得装置に設けることで、撮像中の画像取得装置の傾きを検出でき、取得画像を水平姿勢に容易に変換できる。

次に、本発明に係る姿勢検出装置１９を具備した、データ取得装置の一例について、図３〜図７を参照して説明する。以下、データ取得装置の一例として、画像付きのデータ取得装置を示している。

図３中、１は測定装置、２は撮像装置、３は前記測定装置１と前記撮像装置２を収納するケースである。前記測定装置１、前記撮像装置２が一体となってデータ取得装置４を構成する。前記ケース３は、三脚に設置可能としてもよく、或は携帯（ハンドヘルド）可能としてもよい。

先ず、前記測定装置１について説明する。

該測定装置１は、測距光射出部５、受光部６、測距部７、第２演算処理部８、射出方向検出部９、表示部１０、前記姿勢検出装置１９を有する。

前記測距光射出部５は、測距部射出光軸１１を有し、該測距部射出光軸１１上に発光素子、例えばレーザダイオード（ＬＤ）１２が設けられ、更に、前記測距部射出光軸１１上に投光レンズ１３、第１光軸偏向部１４が配設されている。

更に、該第１光軸偏向部１４について説明する。

前記測距部射出光軸１１には、２個の第１光学プリズム１５ａ，１５ｂが設けられ、該第１光学プリズム１５ａ，１５ｂはそれぞれ前記測距部射出光軸１１を中心に独立して個別に回転可能に配設されている。該第１光学プリズム１５ａ，１５ｂは、後述する様に、前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂの回転方向、回転量、回転速度を制御することで、前記投光レンズ１３から射出された測距光の光軸を任意の方向に偏向する。

前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂの材質は、好ましくは光学ガラスであり、該第１光学プリズム１５ａ，１５ｂは同一の且つ既知の屈折率を有する様高精度に製作される。前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂが高精度に製作されることで、測距光が拡散することなく、所定方向に光束を偏向でき、更に光束断面の歪みの発生等を防止でき、精度の高い測距が可能となり、又遠距離測定も可能となる。

前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂの外形形状は、それぞれ前記測距部射出光軸１１を中心とする円形であり、前記第１光学プリズム１５ａの外周には第１リングギア１６ａが嵌設され、前記第１光学プリズム１５ｂの外周には第１リングギア１６ｂが嵌設されている。

前記第１リングギア１６ａには第１駆動ギア１７ａが噛合している。該第１駆動ギア１７ａは、第１モータ１８ａの出力軸に固着されている。同様に、前記第１リングギア１６ｂには第１駆動ギア１７ｂが噛合し、該第１駆動ギア１７ｂは、第１モータ１８ｂの出力軸に固着されている。前記第１モータ１８ａ，１８ｂは前記第２演算処理部８に電気的に接続されている。

前記第１モータ１８ａ，１８ｂは、回転角を検出することができるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量を検出する回転検出器、例えばエンコーダ等を用いて、モータの回転量を検出してもよい。

前記射出方向検出部９は、前記第１モータ１８ａ，１８ｂに入力する駆動パルスをカウントすることで前記第１モータ１８ａ，１８ｂの回転角を検出し、或はエンコーダからの信号に基づき前記第１モータ１８ａ，１８ｂの回転角を検出する。更に、前記射出方向検出部９は、前記第１モータ１８ａ，１８ｂの回転角に基づき、前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂの回転位置を演算し、前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂの屈折率と回転位置に基づき測距光の偏角、射出方向を演算し、演算結果は前記第２演算処理部８に入力される。

図３では前記第１駆動ギア１７ａ、前記第１モータ１８ａは、前記第１リングギア１６ａの上側に示されているが、実際には、後述する撮像装置２の視野と干渉しない位置、例えば図４に示される様に、前記第１駆動ギア１７ａ，１７ｂは前記第１リングギア１６ａ，１６ｂの側方に設けられる。

前記投光レンズ１３、前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂ等は射出光学系２０を構成する。

前記受光部６について説明する。該受光部６は、対象物からの反射測距光を受光する。前記受光部６は、受光光軸２１を有し、該受光光軸２１は前記測距部射出光軸１１と平行となっている。

前記受光光軸２１上に受光素子２２、例えばフォトダイオード（ＰＤ）が設けられ、該受光素子２２は反射測距光を受光し、受光信号を発生する。更に、前記受光光軸２１の対物側には、受光レンズ２３、第２光軸偏向部２４が配設されている。

該第２光軸偏向部２４は、前記受光光軸２１上に重なり合い、平行に配置された一対の第２光学プリズム２５ａ，２５ｂを有する。該第２光学プリズム２５ａ，２５ｂとしては、それぞれフレネルプリズムが用いられることが、装置を小型化する為に好ましい。

前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂとして用いられるフレネルプリズムは、平行に形成された多数のプリズム要素２６によって構成され、板形状を有する。各プリズム要素２６は同一の光学特性を有し、各プリズム要素２６は前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂと同一の屈折率及び偏角を有する。

前記フレネルプリズムは光学ガラスから製作してもよいが、光学プラスチック材料でモールド成形したものでもよい。光学プラスチック材料でモールド成形することで、安価なフレネルプリズムを製作できる。

前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂはそれぞれ前記受光光軸２１を中心に個別に回転可能に配設されている。前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂは、前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂと同様に前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂの回転方向、回転量、回転速度を制御することで、入射される反射測距光の光軸を任意の方向に偏向する。

前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂの外形形状は、それぞれ前記受光光軸２１を中心とする円形であり、反射測距光の広がりを考慮し、充分な光量を取得できる様、前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂの直径は前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂの直径より大きくなっている。

前記第２光学プリズム２５ａの外周には第２リングギア２７ａが嵌設され、前記第２光学プリズム２５ｂの外周には第２リングギア２７ｂが嵌設されている。

前記第２リングギア２７ａには第２駆動ギア２８ａが噛合し、該第２駆動ギア２８ａは第２モータ２９ａの出力軸に固着されている。前記第２リングギア２７ｂには第２駆動ギア２８ｂが噛合し、該第２駆動ギア２８ｂは第２モータ２９ｂの出力軸に固着されている。前記第２モータ２９ａ，２９ｂは前記第２演算処理部８に電気的に接続されている。

前記第２モータ２９ａ，２９ｂは、前記第１モータ１８ａ，１８ｂと同様、回転角を検出することができるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転検出器、例えばエンコーダ等を用いて、モータの回転量を検出してもよい。前記第２モータ２９ａ，２９ｂの回転量が検出され、前記第２演算処理部８により前記第１モータ１８ａ，１８ｂとの同期制御が行われる。

前記第２駆動ギア２８ａ，２８ｂ、前記第２モータ２９ａ，２９ｂは前記測距光射出部５と干渉しない位置、例えば前記第２リングギア２７ａ，２７ｂの下側に設けられている。

前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂ、前記受光レンズ２３等は受光光学系３０を構成する。

前記測距部７は、前記発光素子１２を制御し、測距光としてレーザ光線を発光させる。測定対象物から反射された反射測距光は前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂ、前記受光レンズ２３を介して入射し、前記受光素子２２に受光される。該受光素子２２は受光信号を前記測距部７に送出し、該測距部７は、前記受光素子２２からの受光信号に基づき測定点（測距光が照射された点）の測距を行う。

前記第２演算処理部８は、入出力制御部、演算器（ＣＰＵ）、記憶部等から構成され、該記憶部には測距作動を制御する測距プログラム、前記第１モータ１８ａ，１８ｂ、前記第２モータ２９ａ，２９ｂの駆動を制御する制御プログラム、前記表示部１０に画像データ、測距データ等を表示させる為の画像表示プログラム等のプログラムが格納され、更に前記記憶部には測距データ、画像データ等の測定結果が格納される。

前記姿勢検出装置１９は、前記測距部７の前記測距部射出光軸１１に対する姿勢、及び前記データ取得装置４の水平に対する姿勢（傾斜角、傾斜方向）を検知する。検出結果は、前記第２演算処理部８に入力される。

前記撮像装置２は、広角カメラ３５、狭角カメラ３６を有しており、前記広角カメラ３５は広画角、例えば３０゜を有し、前記狭角カメラ３６は前記広角カメラ３５より狭い画角、例えば５゜を有している。又、前記狭角カメラ３６の画角は、前記測距光射出部５による点群データ取得範囲（後述）と同等、又は若干大きいことが好ましい。

又、前記広角カメラ３５、前記狭角カメラ３６の撮像素子は、画素の集合体である、ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、各カメラの光軸を原点とした座標系で位置が特定される。

前記広角カメラ３５の光軸、前記狭角カメラ３６の光軸は共に前記測距部射出光軸１１と平行であり、更に前記広角カメラ３５の光軸、前記狭角カメラ３６の光軸と前記測距部射出光軸１１とは既知の関係となっている。

先ず、前記測定装置１による測定作動について、図５（Ａ）、図５（Ｂ）を参照して説明する。尚、図５（Ａ）では説明を簡略化する為、前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂについて、それぞれ単一のプリズムとして示している。又、図５（Ａ）で示される前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂ、前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂは最大の偏角が得られる状態となっている。又、最小の偏角は、前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂのいずれか一方、前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂのいずれか一方が１８０゜回転した位置であり、偏角は０゜となり、射出されるレーザ光線の光軸は前記測距部射出光軸１１と平行となる。

前記発光素子１２から測距光が発せられ、測距光は前記投光レンズ１３で平行光束とされ、前記第１光軸偏向部１４（前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂ）を透して測定対象物或は測定対象エリアに向けて射出される。ここで、前記第１光軸偏向部１４を通過することで、測距光は前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂによって所要の方向に偏向されて射出される。

測定対象物或は測定対象エリアで反射された反射測距光は、前記第２光軸偏向部２４を透して入射され、前記受光レンズ２３により前記受光素子２２に集光される。

前記反射測距光が前記第２光軸偏向部２４を通過することで、反射測距光の光軸は、前記受光光軸２１と合致する様に前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂによって偏向される（図５（Ａ））。

即ち、前記第１光軸偏向部１４と前記第２光軸偏向部２４が常に同じ偏角となる様に、前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂと前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂの回転位置、回転方向、回転速度が同期制御される。

具体的には、前記第１光学プリズム１５ａと前記第２光学プリズム２５ａとが常に同一方向に偏向する様に、前記第１モータ１８ａと前記第２モータ２９ａとが前記第２演算処理部８によって同期制御され、更に前記第１光学プリズム１５ｂと前記第２光学プリズム２５ｂとが常に同一方向に偏向する様に、前記第１モータ１８ｂと前記第２モータ２９ｂとが前記第２演算処理部８によって同期制御される。

更に、前記第１光学プリズム１５ａと前記第１光学プリズム１５ｂとの回転位置の組合わせにより、射出する測距光の偏向方向、偏向角を任意に偏向することができる。

又、前記第１光学プリズム１５ａと前記第１光学プリズム１５ｂとの位置関係を固定した状態で（前記第１光学プリズム１５ａと前記第１光学プリズム１５ｂとで得られる偏角を固定した状態で）、前記第１光学プリズム１５ａと前記第１光学プリズム１５ｂとを一体に回転することで、前記第１光軸偏向部１４を透過した測距光が描く軌跡は前記測距部射出光軸１１を中心とした円となる。

従って、前記発光素子１２よりレーザ光線を発光させつつ、前記第１光軸偏向部１４を回転させれば、測距光を円の軌跡で走査させることができる。

尚、この場合も、前記第２光軸偏向部２４は、前記第１光軸偏向部１４と同期して同方向に同速度で回転させることは言う迄もない。

次に、図５（Ｂ）は前記第１光学プリズム１５ａと前記第１光学プリズム１５ｂとを相対回転させた場合を示している。前記第１光学プリズム１５ａにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ａとし、前記第１光学プリズム１５ｂにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ｂとすると、前記第１光学プリズム１５ａ，１５ｂによる光軸の偏向は、第１光学プリズム１５ａ，１５ｂ間の角度差θとして、合成偏向Ｃとなる。

従って、角度差θを変化させる度に、前記第１光軸偏向部１４を１回転させれば、直線状に測距光を走査させることができる。

更に、図５（Ｃ）に示される様に、前記第１光学プリズム１５ａの回転速度に対して遅い回転速度で前記第１光学プリズム１５ｂを回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ測距光が回転されるので、測距光の走査軌跡は、スパイラル状となる。

更に又、前記第１光学プリズム１５ａ、前記第１光学プリズム１５ｂの回転方向、回転速度を個々に制御することで、測距光の走査軌跡を前記測距部射出光軸１１を中心とした放射方向（半径方向の走査）とし、或は水平、垂直方向とする等、種々の走査状態が得られる。

測定の態様としては、前記第１光軸偏向部１４、前記第２光軸偏向部２４を所要偏角毎に固定して測距を行うことで、特定の測定点についての測距を行うことができる。更に、前記第１光軸偏向部１４、前記第２光軸偏向部２４の偏角を偏向しつつ、測距を実行することで、即ち測距光を走査しつつ測距を実行することで点群データを取得することができる。

又、各測距光の射出方向角は、前記第１モータ１８ａ，１８ｂの回転角により検知でき、射出方向角と測距データとを関連付けることで、３次元の点群データを取得することができる。

更に、前記測距部射出光軸１１の水平に対する傾きは、前記姿勢検出装置１９によって検出することができ、該姿勢検出装置１９が検出した傾きに基づき前記点群データを補正し、高精度の点群データとすることができる。従って、前記データ取得装置４が整準機能を具備してなく、水平に設置できない場合でも、高精度の点群データを取得することができる。

次に、３次元データを取得すると共に画像データを取得することもできる。

上記した様に、前記撮像装置２は前記広角カメラ３５と前記狭角カメラ３６とを具備している。

前記広角カメラ３５は、主に観察用として使用され、前記広角カメラ３５で取得された広角画像は、前記表示部１０に表示される。

測定者は、前記表示部１０に表示された画像から、測定対象を探し、或は測定対象を選択する。

測定対象が選択されると、測定対象が前記狭角カメラ３６によって捕捉される様、前記データ取得装置４を向ける。前記狭角カメラ３６で取得された狭角画像は、前記表示部１０に表示される。表示方法としては、前記広角カメラ３５による広角画像の表示と前記狭角カメラ３６による狭角画像の表示とを切替えてもよく、或は前記表示部１０を分割し分割部分に前記狭角カメラ３６による狭角画像を表示し、或はウインドウを設け該ウインドウに表示してもよい。

前記狭角カメラ３６で取得された狭角画像は、前記測定装置１の測定範囲と一致、又は略一致しているので、測定者は視覚によって容易に測定範囲を特定できる。

又、前記測距部射出光軸１１と前記狭角カメラ３６の光軸は、平行であり、且つ両光軸は既知の関係であるので、前記第２演算処理部８は狭角カメラ３６による狭角画像上で画像中心と前記測距部射出光軸１１とを一致させることができる。更に、前記第２演算処理部８は、測距光の射出角を検出することで、射出角に基づき画像上に測定点を特定できる。従って、測定点の３次元データと狭角画像の関連付けは容易に行え、前記狭角カメラ３６で取得した狭角画像を３次元データ付きの画像とすることができる。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、前記狭角カメラ３６で取得した画像と、点群データ取得との関係を示している。尚、図６（Ａ）では、測距光が同心多重円状に走査された場合を示しており、図６（Ｂ）では、測距光が直線状に往復走査された場合を示している。図中、３７は走査軌跡を示しており、測定点は走査軌跡上に位置する。

更に、広範囲の測定を実行する場合は、前記広角カメラ３５で取得した広角画像を測定範囲とし、該広角画像に前記狭角カメラ３６により取得した狭角画像をパッチワークの様に填め込んでいくことで、無駄なく、或は未測定部分を残すことなく測定を実行することができる。

又、本実施例の前記データ取得装置４は、前記姿勢検出装置１９を具備している。

該姿勢検出装置１９は、水平に対する前記データ取得装置４の姿勢、即ち前記測距部射出光軸１１の傾斜角、傾斜方向を検出するものである。前記データ取得装置４が、三脚を介して設置される場合は、前記姿勢検出装置１９の検出結果に基づき、前記データ取得装置４が水平に設置され、該データ取得装置４が水平の状態で測定が行える。従って、前記データ取得装置４の傾斜を考慮して測定値を補正する等の補正作業が必要がなくなる。

前記データ取得装置４を携帯した状態（ハンドヘルドの状態）で使用する場合は、測定時の前記データ取得装置４の姿勢を前記姿勢検出装置１９により検出し、前記第２演算処理部８が検出された傾斜角、傾斜方向に基づき測定値を補正することで、手振れに近い状態でも、高精度に補正された測定が可能となる。

尚、上記実施例に於いて、前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂをフレネルプリズムとしたが、スペース的に余裕のある場合は、前記第２光学プリズム２５ａ，２５ｂをそれぞれ単一のプリズムによって構成してもよい。

図７は、他の実施例を示している。

該他の実施例では、前述の実施例に於ける前記第１光軸偏向部１４、前記第２光軸偏向部２４を光軸偏向部４０として一体化したものである。尚、図７中、図３中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

測距光射出部５の測距部射出光軸１１上に偏向光学部材としての第１反射鏡４１を設ける。更に、該第１反射鏡４１に対峙させ、且つ受光光軸２１上に偏向光学部材としての第２反射鏡４２を配設する。又、前記第１反射鏡４１、前記第２反射鏡４２は前記第１反射鏡４１、該第２反射鏡４２によって偏向された前記測距部射出光軸１１が受光部６の受光光軸２１と合致する様に位置関係が設定されている。前記第１反射鏡４１、前記第２反射鏡４２は、測距部射出光軸偏向部を構成する。

尚、前記第２反射鏡４２の大きさは、測距光を反射するに充分な大きさであればよく、測距光の光束径は小さいので、前記第２反射鏡４２によって遮断される反射測距光の光量は少なく、測距に影響を及すことはない。

前記光軸偏向部４０は、前記受光光軸２１上に平行に配設された円形状の組合わせ光学プリズム４３ａ，４３ｂを有する。

該組合わせ光学プリズム４３ａ，４３ｂは同様な構成であるので、以下は前記組合わせ光学プリズム４３ａについて説明する。

該組合わせ光学プリズム４３ａは第２光学プリズム２５ａと第１光学プリズム１５ａによって構成されている。

前記第２光学プリズム２５ａは多数のプリズム要素２６が形成されたフレネルプリズムであり、該フレネルプリズムの中央部は、前記プリズム要素２６が円状に欠けており該中央部には前記第１光学プリズム１５ａが設けられ、前記第２光学プリズム２５ａと前記第１光学プリズム１５ａとは一体化されている。又、前記第１光学プリズム１５ａと前記第２光学プリズム２５ａの前記プリズム要素２６の向きは合致されている。

前記第１光学プリズム１５ａと前記第２光学プリズム２５ａとは光学プラスチック材料とし、モールド成形により一体に成形してもよく、或は前記第２光学プリズム２５ａをモールド成形し、該第２光学プリズム２５ａに光学ガラスで製作したプリズム（第１光学プリズム１５ａ）を貼付けてもよい。

発光素子１２から発せられた測距光は、投光レンズ１３で平行光束とされ、前記第１反射鏡４１、前記第２反射鏡４２によって前記受光光軸２１に沿って照射される様に偏向される。

測距光が、前記組合わせ光学プリズム４３ａ，４３ｂの中央部、即ち第１光学プリズム１５ａ，１５ｂを通過することで、測距光は所要の方向、所要の角度に偏向され射出される。

又、測定対象物によって反射された反射測距光は、前記組合わせ光学プリズム４３ａ，４３ｂの第２光学プリズム２５ａ，２５ｂ部分を通過し、前記受光光軸２１と平行となる様に偏向され、受光素子２２に受光され、該受光素子２２の受光結果に基づき測距が行われる。

本他の実施例では、第１光軸偏向部１４が省略されるので、構造が更に簡略化される。

又、偏向部に用いられるモータは第２モータ２９ａ，２９ｂのみでよく、モータの制御も簡単になる。

如上の如く、本発明に係るデータ取得装置によれば、簡単な構成で点群データを容易に取得することができ、又、画像を同時に取得する場合は、撮像装置の光軸と測距光軸とは一致（又は平行で既知の関係）であるので、画像と点群データとの関連付けが容易に行え、簡便に３次元データ付き画像を取得することができる。

更に、本発明に係る姿勢検出装置を具備することで、傾斜の補正、修正が容易に行え、携帯状態での高精度のデータ取得が可能となる。更に、本発明に係る姿勢検出装置では、傾斜角の検出範囲の制限が無く、全方向、全姿勢を検出できるので、大きく姿勢が変る飛行体に設備された場合でも、正確に姿勢を検出でき、更に取得データの補正も容易である。

１ 測定装置
２ 撮像装置
３ ケース
４ データ取得装置
５ 測距光射出部
６ 受光部
７ 測距部
８ 第２演算処理部
９ 射出方向検出部
１０ 表示部
１１ 測距部射出光軸
１２ 発光素子
１４ 第１光軸偏向部
１５ａ，１５ｂ 第１光学プリズム
１８ａ，１８ｂ 第１モータ
１９ 姿勢検出装置
２０ 射出光学系
２１ 受光光軸
２２ 受光素子
２４ 第２光軸偏向部
２５ａ，２５ｂ 第２光学プリズム
２６ プリズム要素
２９ａ，２９ｂ 第２モータ
３０ 受光光学系
３５ 広角カメラ
３６ 狭角カメラ
４０ 光軸偏向部
４１ 第１反射鏡
４２ 第２反射鏡
４３ａ，４３ｂ 組合わせ光学プリズム
５１ 外フレーム
５３ 内フレーム
５６ 傾斜検出ユニット
６１ 第１モータ
６２ 第１エンコーダ
６５ 第２モータ
６６ 第２エンコーダ
７１ 第１傾斜センサ
７２ 第２傾斜センサ
７３ 記憶部
７４ 入出力制御部

Claims (4)

1. 外フレームに直交する２軸を中心に回転自在に支持され、水平からの傾斜を検出する傾斜検出ユニットと、各軸にそれぞれ設けられたエンコーダと、各軸を回転させる様設けたモータと、前記傾斜検出ユニットからの検出結果に基づき前記モータを駆動制御する第１演算処理部とを具備し、該第１演算処理部は前記外フレームが傾斜した場合に、前記傾斜検出ユニットからの信号に基づき該傾斜検出ユニットが水平を検出する様、前記モータを駆動し、前記傾斜検出ユニットが水平を検出した時の前記エンコーダの出力に基づき前記外フレームの姿勢を演算する様構成したことを特徴とする姿勢検出装置。
2. 前記傾斜検出ユニットは高精度で水平を検出する第１傾斜センサと、該第１傾斜センサより高速応答且つ広範囲の傾斜を検出する第２傾斜センサとを具備し、該第２傾斜センサは前記第１傾斜センサが検出した水平からの傾斜を検出し、前記第１演算処理部は前記第２傾斜センサからの検出信号に基づき前記外フレームの姿勢を演算する様構成した請求項１に記載の姿勢検出装置。
3. 測距光を発する発光素子と、測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、反射測距光を受光し、受光信号を発生する受光素子と、該受光素子からの受光結果に基づき測距を行う測距部とを具備し、請求項１又は請求項２に記載の姿勢検出装置と、前記測距光の測距部射出光軸上に配設され、測距光の光軸を所要の偏角で、所要の方向に偏向する第１光軸偏向部と、受光光軸上に配設され、前記第１光軸偏向部と同一の偏角、方向で反射測距光を偏向する第２光軸偏向部と、前記第１光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部とを更に具備し、前記測距光は前記第１光軸偏向部を通して射出され、前記反射測距光は前記第２光軸偏向部を通して前記受光素子に受光される様構成され、前記測距部の測距結果、前記射出方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元データを取得し、該３次元データを前記姿勢検出装置が検出した結果に基づき補正する様構成したことを特徴とするデータ取得装置。
4. 第２演算処理部と、前記測距部射出光軸と平行で既知の関係を有する撮像光軸を有する撮像装置とを更に具備し、前記第２演算処理部は前記測定装置で取得した測距結果と撮像装置で取得した画像とを関連付けて３次元データ付き画像を取得する様構成された請求項３に記載のデータ取得装置。