JP2018194479A

JP2018194479A - 反射ターゲット

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Publication number: JP2018194479A
Application number: JP2017099409A
Authority: JP
Inventors: 加藤　登; Noboru Kato; 登加藤
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2037-05-19
Also published as: JP7341632B2; JP2022136216A

Abstract

【課題】反射プリズムの開口を、トータルステーションのレーザー光出射口と正しく正対させることが可能となり、計測対象物の位置座標を正確に計測することが可能な反射ターゲット１００を提供する。【解決手段】本発明に係る反射ターゲット１００１は、追尾機能を有するトータルステーション１０から射出されるレーザー光を受光する開口１３２を有し、前記開口から入射したレーザー光を反射するプリズム１３０と、前記開口１３２を任意の方向に向けさせるように前記プリズム１３０の姿勢を変更させるプリズム姿勢変更機構部１０８と、前記トータルステーション１０によって計測される前記プリズム１３０の反射点Ｃの座標と、前記トータルステーションの基準点の座標と、を結ぶ線分上に、前記開口の中心の座標Ｓが配されるように、前記プリズム姿勢変更機構部１０８に対して制御指令を出力する制御部と、を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、建設工事現場などにおいて、トータルステーションなどから出射されるレーザー光を反射する反射ターゲットに関する。

建設工事現場において、トータルステーションなどからレーザー光を出射して計測対象物からの反射光を基に、当該計測対象物までの距離と方向を計測することで、計測対象物の位置座標を取得する技術が知られている。このようなトータルステーションを用いた計測においては、計測対象物にはプリズムなどの反射ターゲットが取り付けられる。また、トータルステーションには、このような反射ターゲットを自動的に追尾する機能を有するものが知られている。

例えば、特許文献１（特開２００８−１２１２１９号公報）には、建設現場において、鋼管杭を打設する工事を行う際に、鋼管杭を杭リーダーにより支持し、打設位置を自動追尾しながら打設するシステムが開示されている。
特開２００８−１２１２１９号公報

ここで、従来の反射ターゲット１００の問題点について説明する。図８は従来の反射ターゲット１００の課題を説明する図であり、例として、反射ターゲット１００が取り付け部材９０によって柱状の計測対象物に取り付けられている様子を模式的に示している。図８において、反射ターゲット１００は模式的に示されている。また、図８中、点線はトータルステーション１０からのレーザー光の出射方向を示しており、反射プリズム１３０によるレーザー光の反射を示すものではない。

トータルステーション１０は、反射ターゲット１００に設けられた反射プリズム１３０に向けてレーザー光を出射し、反射プリズム１３０からの反射光を受光することで、反射プリズム１３０の方位（水平角、鉛直角）を計測すると共に、反射プリズム１３０との間の距離も計測する。トータルステーション１０は既知の座標に設置されることで、当該既知の座標と、計測された方位（水平角、鉛直角）データと、距離データとから、反射プリズム１３０の反射点Ｃ（反射プリズム１３０の基準位置）の位置座標を算出する。さらに、反射点Ｃから反射プリズム１３０が取り付けられている計測対象物の位置座標が算出される。

反射点Ｃから反射プリズム１３０が取り付けられている反射ターゲット１００の位置座標や計測対象物の位置座標を正確に算出するためには、トータルステーション１０のレーザー光出射口（不図示）と、反射プリズム１３０の開口１３２とが正対している必要がある。

図８（Ａ）は反射ターゲット１００における反射プリズム１３０の向きの調整が正しくなされていない状態を示している。すなわち、トータルステーション１０のレーザー光出射口（不図示）と、反射プリズム１３０の開口１３２とが正しく正対していない状態を示している。このとき、トータルステーション１０は反射プリズム１３０を追尾し、反射プリズム１３０の反射点Ｃを算出することができるが、この反射点Ｃに基づいて、反射ターゲット１００の位置座標を算出したとしても、その算出値は正確ではない。

一方、図８（Ｂ）は反射ターゲット１００における反射プリズム１３０の向きが正しく調整されている状態を示している。図８（Ｂ）は、トータルステーション１０のレーザー光出射口（不図示）と、反射プリズム１３０の開口１３２とが正しく正対している状態を示している。このとき、反射プリズム１３０の反射点Ｃと、反射ターゲット１００の位置関係は規定通りとなり、トータルステーション１０によって算出される反射点Ｃに基づいて、反射ターゲット１００の位置座標を正確に算出することができることとなる。

このように、トータルステーション１０の反射ターゲット１００においては、正確な位置座標の計測のために、反射プリズム１３０の開口１３２をレーザー光出射口（不図示）と正しく正対させなければならないが、従来の反射ターゲット１００には、そのように反射プリズム１３０の姿勢を変更させることができず、計測した位置座標には誤差が含まれることがあり、問題であった。

この発明は、上記課題を解決するものであって、本発明に係る反射ターゲットは、追尾機能を有するトータルステーションから射出されるレーザー光を受光する開口を有し、前記開口から入射したレーザー光を反射するプリズムと、前記開口を任意の方向に向けさせるように前記プリズムの姿勢を変更させるプリズム姿勢変更機構部と、前記トータルステーションによって計測される前記プリズムの反射点の座標と、前記トータルステーションの基準点の座標と、を結ぶ線分上に、前記開口の中心の座標が配されるように、前記プリズム姿勢変更機構部に対して制御指令を出力する制御部と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る反射ターゲットは、基台と、前記基台に対して回転する第１ブラケットと、前記第１ブラケットを駆動する第１回転駆動部と、前記第１ブラケットに対して回転する第２ブラケットと、前記第２ブラケットを駆動する第２回転駆動部と、前記第２ブラケットに取り付けられ、追尾機能を有するトータルステーションから射出されるレーザー光を受光する開口を有し、前記開口から入射したレーザー光を反射するプリズムと、前記トータルステーションによって計測される前記プリズムの反射点の座標と、前記トータルステーションの基準点の座標と、を結ぶ線分上に、前記開口の中心の座標が配されるように、前記第１回転駆動部に対して第１回転制御指令を出力し、前記第２回転駆動部に対して第２回転制御指令を出力する制御部と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る反射ターゲットは、前記制御部は、前記トータルステーションによって計測される前記プリズムの反射点の座標と、前記トータルステーションの基準点の座標とに基づいて、前記第１回転指令及び前記第２回転指令を算出することを特徴とする。

また、本発明に係る反射ターゲットは、前記基台の姿勢を検知する姿勢検知部を有し、前記制御部は、前記姿勢検知部による検知情報と、前記トータルステーションによって計測される前記プリズムの反射点の座標と、前記トータルステーションの基準点の座標とに基づいて、前記第１回転指令及び前記第２回転指令を算出することを特徴とする。

本発明に係る反射ターゲットは、前記トータルステーションによって計測される前記プリズムの反射点の座標と、前記トータルステーションの基準点の座標と、を結ぶ線分上に、前記開口の中心の座標が配されるように、プリズム姿勢変更機構部に対して制御指令を出力するので、このような反射ターゲットによれば、反射プリズムの開口を、トータルステーションのレーザー光出射口と正しく正対させることが可能となり、計測対象物の位置座標を正確に計測することが可能となる。

本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１の斜視図である。本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１のシステム構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１の動作例を示す図である。本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１の利用方法を説明する図である。本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１の利用方法を説明する図である。本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１の利用方法を説明する図である。本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１による反射プリズム１３０の姿勢制御を説明する図である。従来の反射ターゲット１００の課題を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１の斜視図である。また、図２は本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１のシステム構成を示すブロック図である。

本発明に係る反射ターゲット１００は、反射プリズム１３０が装着され、計測対象位置に取り付けられて用いられるものである。反射ターゲット１００は、内部に反射プリズム１３０を収容可能なプリズム収容胴部１３１を有している。プリズム収容胴部１３１の先端側には、光の入射口である反射プリズム１３０の開口１３２が設けられている。

反射ターゲット１００に設けられている反射プリズム１３０には、例えば、トータルステーション１０によって出射されたレーザー光が入射される。反射プリズム１３０の開口１３２に入射された光は、反射プリズム１３０内で、入射光と平行な反射光とされ、反射プリズム１３０から出射される。入射光が反射光として折り返される仮想の点を、反射プリズム１３０の反射点Ｃとして定義する。この反射点Ｃは、トータルステーション１０が反射プリズム１３０の位置座標を計測する際の基準点となる。また、反射プリズム１３０の開口１３２の中心をＳとして定義する。

本発明に係る反射ターゲット１００においては、反射プリズム１３０の姿勢を変更することで、反射プリズム１３０の開口１３２が、常に、トータルステーション１０のレーザー光出射口（不図示）と正しく正対するようにしている。このような反射プリズム１３０の姿勢を変更するためのプリズム姿勢変更機構部１０８と称する。

以下、本実施形態に係る反射ターゲット１００においては、基台１０５に対して、第１軸１１１を中心に回転する第１ブラケット１１５と、第１ブラケット１１５に対して、第２軸１２１を中心に回転し、反射プリズム１３０が取り付けられている第２ブラケット１２５と、からなるプリズム姿勢変更機構部１０８を例に挙げ説明を行うが、反射プリズム１３０の開口１３２を任意の方向に向けさせるように反射プリズム１３０の姿勢を変更させることを可能とする構成であれば、その他の任意の構成を用いることができる。

本発明に係る反射ターゲット１００の基台１０５は、反射ターゲット１００を計測対象物に取り付ける際の部材として機能する。また、基台１０５の中には、制御部１５０などを構成する電子回路や、この電子回路に給電を行うバッテリーなどがパッケージングされている。

ここで、基台１０５の中には、基台１０５自体の姿勢を検知する姿勢検知部１６０が設けられていることが好ましい。姿勢検知部１６０としては、ジャイロセンサーと加速度センサーと地磁気センサーを組み合わせたセンサーなどを利用することができる。

姿勢検知部１６０により、基台１０５が計測対象物に対して、どのような姿勢で取り付けられているかを把握することができる。姿勢検知部１６０で検知される姿勢情報は、制御部１５０に入力される。

制御部１５０は、姿勢検知部１６０より得られる姿勢情報に基づいて、第１ブラケット１１５の回転角と、第２ブラケット１２５の回転角と決定することで、反射プリズム１３０の開口１３２を所望とする方向に向けさせるように反射プリズム１３０の姿勢を変更させることが可能となる。

ただし、上記のような姿勢検知部１６０は、必須の構成要件ではない。例えば、計測対象物に対して必ず定まった姿勢で反射ターゲット１００が取り付けられるような用途であれば、姿勢検知部１６０は不要である。

さて、上記のような基台１０５からは第１回転駆動部１１０が延在するように設けられている。第１回転駆動部１１０内には、第１モーター１１２と、第１モーター１１２の回転軸（不図示）の回転角度を検出する第１エンコーダー１１３とが設けられている。本発明に係る反射ターゲット１００においては、第１エンコーダー１１３によって検出される第１モーター１１２の回転角度によって、第１モーター１１２を高い精度で回転制御する。

第１モーター１１２に対する制御指令θ₁は、制御部１５０から出力されると共に、第１エンコーダー１１３によって検出される第１モーター１１２の回転角度データは、制御部１５０に入力されることで、第１モーター１１２の回転制御が実行される。

ここで、制御部１５０は、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理装置である。

第１モーター１１２の回転軸（不図示）には、第１ブラケット１１５が取り付けられており、第１モーター１１２の回転に伴い、θ₁＝０のホームポジションから任意の回転角で、第１軸１１１を中心として第１ブラケット１１５が回転するようになっている。

また、第１ブラケット１１の一端には、第２回転駆動部１２０が設けられている。第２回転駆動部１２０内には、第２モーター１２２と、第２モーター１２２の回転軸（不図示）の回転角度を検出す第２エンコーダー１２３とが設けられている。本発明に係る反射ターゲット１００においては、第２エンコーダー１２３によって検出される第２モーター１２２の回転角度によって、第２モーター１２２を高い精度で回転制御する。

第２モーター１２２に対する制御指令θ₂は、制御部１５０から出力されると共に、第２エンコーダー１２３によって検出される第２モーター１２２の回転角度データは、制御部１５０に入力されることで、第２モーター１２２の回転制御が実行される。

第２モーター１２２の回転軸（不図示）には、第２ブラケット１２５が取り付けられており、第２モーター１２２の回転に伴い、θ₂＝０のホームポジションから任意の回転角で、第２軸１２１を中心として第２ブラケット１２５が回転するようになっている。

なお、反射プリズム１３０の反射点Ｃは、第１軸１１１と第２軸１２１の交点に配されるように設定されると、種々の演算が簡単となり好ましいが、このことは必須の要件ではない。

第２ブラケット１２５には、反射プリズム１３０が取り付けられており、本発明に係る反射ターゲット１００においては、第１ブラケット１１５及び第２ブラケット１２５が回転することで、反射プリズム１３０の開口１３２を所望とする任意の方向に向けさせるように反射プリズム１３０の姿勢を変更させることが可能となる。

例えば、制御部１５０から、第１モーター１１２に対する第１の回転制御指令θ₁＝φが出力され、第２モーター１２２に対する第２の回転制御指令θ₂＝ψが出力されることで、反射ターゲット１００においては、反射プリズム１３０の姿勢を図３に示すようなものとすることができる。

本発明に係る反射ターゲット１００においては、書き換え可能な記憶部１８０が、制御部１５０とデータ通信可能に設けられている。このような記憶部１８０には、少なくとも、トータルステーション１０の測定の際の基準点となる座標である測定中心Ｔの座標を記憶させておく。

また、本発明に係る反射ターゲット１００においては、外部の機器と通信を行う通信部１７０が設けられている。通信部１７０は、外部の機器から受信したデータを制御部１５０に転送すると共に、制御部１５０から転送されたデータを外部の機器に送信する。ここで、外部の機器としては、トータルステーション１０にデータ通信可能に接続されているデータ転送装置２０想定している。このデータ転送装置２０においては、データ処理部２５がトータルステーション１０から計測データを受領すると、これを通信部２７から無線によって送信する構成となっている。反射ターゲット１００における通信部１７０では、データ転送装置２０の通信部２７から送信されるトータルステーション１０の計測データを受信する。

なお、通信部１７０は有線によるもの無線によるもののいずれも用いることができるが、無線によるものの方がより利便性が高い。

以上のように構成される本発明に係る反射ターゲット１００の利用方法について説明する。図４乃至図６は本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１の利用方法を説明する図である。図４乃至図６では計測対象物を、吊り上げて上昇させつつ計測対象物の位置座標（反射点Ｃから所定量オフセットした計測対象物における所定点の位置座標）をトータルステーション１０で計測することを想定している。

なお、トータルステーション１０としては、一般的な計測機能に加え、他の外部機器と通信を行い得る通信機能と、反射プリズム１３０を自動的に追尾する追尾機能と、を少なくとも有するものを用いる。

上記のような計測においては、まず、取り付け部材９０を用いて、計測対象物に対して反射ターゲット１００を取り付けるようにする。（図４参照）
続いて、図５に示すように、手動で反射ターゲット１００の反射プリズム１３０を、トータルステーション１０に向けた上で、トータルステーション１０による反射プリズム１３０の自動追尾を開始する。反射プリズム１３０を手動でトータルステーション１０に向ける際は、だいたいの方向で良く、正確である必要はない。要は、トータルステーション１０によって、反射プリズム１３０が捕捉可能に反射プリズム１３０の向きが設定されていればよい。

さて、上記のような設定がされた上で、図６に示すように計測対象物を吊り上げていく。このとき、トータルステーション１０は反射プリズム１３０を自動追尾すると共に、計測した反射プリズム１３０の反射点Ｃに係る情報を、反射ターゲット１００に対して送信する。

このとき、本発明に係る反射ターゲット１００が、反射プリズム１３０の姿勢をどのように変更していくのかを、図７を参照して説明する。図７は本発明の実施形態に係る反射ターゲット１００１による反射プリズム１３０の姿勢制御を説明する図である。反射ターゲット１００については、反射プリズム１３０を抜き出して、模式的に示している。

図７において、トータルステーション１０の基準点の座標（ｘ_t，ｙ_t，ｚ_t）は既知点であり、当該座標情報については反射ターゲット１００の記憶部１８０に記憶されており、制御部１５０によって参照されるようになっている。

一方、計測対象物の上昇に伴い、上昇する反射プリズム１３０の反射点Ｃの座標（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c）は、時々刻々トータルステーション１０によって計測され、通信部１７０を介して制御部１５０が取得する。

制御部１５０では、トータルステーション１０によって計測される反射プリズム１３０の反射点Ｃの座標（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c）と、トータルステーション１０の基準点Ｔの座標（ｘ_t，ｙ_t，ｚ_t）と、を結ぶ線分上に、開口中心Ｓの座標（ｘ_s，ｙ_s，ｚ_s）が配されるように、第１回転駆動部１１０に対して第１回転制御指令θ₁を出力し、第２回転駆動部１２０に対して第２回転制御指令θ₂を出力する。

本発明に係る反射ターゲット１００においては、制御部１５０が上記のような反射プリズム１３０の姿勢制御を行うことで、反射プリズム１３０の開口１３２を、トータルステーション１０のレーザー光出射口と正しく正対させることが可能となり、計測対象物の位置座標を正確に計測することが可能となる。

なお、本実施形態においては、反射ターゲット１００の制御部１５０で種々の演算を行うような構成としているが、このような演算の一部は、トータルステーション１０側の演算手段（不図示）で行うようにしてもよい。

また、本実施形態では、吊り上げることで上昇する計測対象物に反射ターゲット１００を取り付けた例に基づいて説明を行ったが、本発明に係る反射ターゲット１００はどのような計測対象物にも適用できる。計測対象物は静止するものであっても、移動するものであっても良い。

移動する計測対象物として、例えば、工場内の搬送車などの移動体に本発明に係る反射ターゲット１００を取り付けることで、当該移動体の位置を正確に計測し、位置データのログを残すことができるようになる。

また、本発明に係る反射ターゲット１００をロボットアームなどに取り付け、当該ロボットアームの位置を計測することにより、当該ロボットアームの制御をより正確に行うことなどが可能となる。

以上、本発明に係る反射ターゲット１００は、トータルステーション１０によって計測される前記プリズムの反射点Ｃの座標と、トータルステーション１０の基準点Ｔの座標と、を結ぶ線分上に、開口の中心Ｓの座標が配されるように、プリズム姿勢変更機構部１０８に対して制御指令を出力するので、このような反射ターゲット１００によれば、反射プリズム１３０の開口１３２を、トータルステーション１０のレーザー光出射口と正しく正対させることが可能となり、計測対象物の位置座標を正確に計測することが可能となる。

１０・・・トータルステーション
２０・・・データ転送装置
２５・・・データ処理部
２７・・・通信部
９０・・・取り付け部材
１００・・・反射ターゲット
１０５・・・基台
１０８・・・プリズム姿勢変更機構部
１１０・・・第１回転駆動部
１１１・・・第１軸
１１２・・・第１モーター
１１３・・・第１エンコーダー
１１５・・・第１ブラケット
１２０・・・第２回転駆動部
１２１・・・第２軸
１２２・・・第２モーター
１２３・・・第２エンコーダー
１２５・・・第２ブラケット
１３０・・・反射プリズム
１３１・・・プリズム収容胴部
１３２・・・開口
１５０・・・制御部
１６０・・・姿勢検知部
１７０・・・通信部
１８０・・・記憶部
Ｃ・・・反射点
Ｓ・・・開口中心
Ｔ・・・測定中心（トータルステーション基準点）

Claims

追尾機能を有するトータルステーションから射出されるレーザー光を受光する開口を有し、前記開口から入射したレーザー光を反射するプリズムと、
前記開口を任意の方向に向けさせるように前記プリズムの姿勢を変更させるプリズム姿勢変更機構部と、
前記トータルステーションによって計測される前記プリズムの反射点の座標と、前記トータルステーションの基準点の座標と、を結ぶ線分上に、前記開口の中心の座標が配されるように、前記プリズム姿勢変更機構部に対して制御指令を出力する制御部と、
を有することを特徴とする反射ターゲット。
基台と、
前記基台に対して回転する第１ブラケットと、
前記第１ブラケットを駆動する第１回転駆動部と、
前記第１ブラケットに対して回転する第２ブラケットと、
前記第２ブラケットを駆動する第２回転駆動部と、
前記第２ブラケットに取り付けられ、追尾機能を有するトータルステーションから射出されるレーザー光を受光する開口を有し、前記開口から入射したレーザー光を反射するプリズムと、
前記トータルステーションによって計測される前記プリズムの反射点の座標と、前記トータルステーションの基準点の座標と、を結ぶ線分上に、前記開口の中心の座標が配されるように、前記第１回転駆動部に対して第１回転制御指令を出力し、前記第２回転駆動部に対して第２回転制御指令を出力する制御部と、
を有することを特徴とする反射ターゲット。
前記制御部は、
前記トータルステーションによって計測される前記プリズムの反射点の座標と、前記トータルステーションの基準点の座標とに基づいて、前記第１回転指令及び前記第２回転指令を算出することを特徴とする請求項２に記載の反射ターゲット。
前記基台の姿勢を検知する姿勢検知部を有し、
前記制御部は、前記姿勢検知部による検知情報と、前記トータルステーションによって計測される前記プリズムの反射点の座標と、前記トータルステーションの基準点の座標とに基づいて、前記第１回転指令及び前記第２回転指令を算出することを特徴とする請求項２に記載の反射ターゲット。