JP2019090810A - 座標測定器におけるレトロリフレクタ取得 - Google Patents

Abstract

【解決手段】追跡装置は、光ビームを点灯してレトロリフレクタにロックオンしながら、あるいは、光ビームを消灯してターゲットカメラを使用して、追跡装置からの光ビームにレトロリフレクタを追従させるレトロ追従モードを含む。【選択図】図７

Description

関連技術の相互参照
本出願は、その全開示が参照により本明細書に組み込まれる、２０１７年１１月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／５８６４０１号の利益を主張するものである。

本開示は、座標測定器に関する。１組の座標測定器が、目標点に光ビームを送ることによってその点の３次元（３Ｄ）座標を測定する計器のクラスに属する。光ビームは点に直接当たり、または点と接しているレトロリフレクタターゲットに当たりうる。どちらの場合も、計器は、ターゲットまでの距離とターゲットに対する２つの角度を測定することによって目標点の座標を決定する。距離は、絶対距離計や干渉計などの距離測定器で測定される。角度は、角度エンコーダーなどの角度測定器で測定される。ビームは、ジンバル機構、検流計機構、または他の機構で向けられうる。

追跡装置とは、それが放射する１つまたは複数のビームでレトロリフレクタターゲットを追跡する特定のタイプの座標測定器であり、ビームはレーザー光源または非レーザー光源からの光を含みうる。追跡装置に密接に関連した座標測定器にはトータルステーションが含まれる。トータルステーションとは、測量用途で最もよく使用される３Ｄ測定器である。トータルステーションは、拡散性散乱ターゲットまたは再帰反射ターゲットの座標を測定するのに使用されうる。以下では、追跡装置という用語を、追跡装置およびトータルステーションを含み、レーザー光または非レーザー光を発する寸法測定器を含むように広義で使用する。

多くの場合、追跡装置はレトロリフレクタターゲットに光ビームを送る。レトロリフレクタターゲットの一般的なタイプが球状レトロリフレクタ（ＳＭＲ）であり、金属球内に埋め込まれたコーナーキューブレトロリフレクタを含む。コーナーキューブレトロリフレクタは、互いに垂直な３つの反射鏡を含む。その頂点は、３つの反射鏡の共通の交点であり、球の中心に位置する。このコーナーキューブが球内に配置されているために、頂点からＳＭＲ台の任意の表面までの垂直距離は、たとえＳＭＲが回転しても一定のままである。ゆえに、追跡装置は、表面上を移動する際のＳＭＲの位置を追従することによって表面の３Ｄ座標を測定することができる。言い換えれば、追跡装置は、表面の３Ｄ座標を完全に特徴付けるのに３自由度（１つの半径方向距離と２つの角度）だけを測定する。

あるタイプの追跡装置は絶対距離計（ＡＤＭ）なしで干渉計（ＩＦＭ）のみを含む。物体がこれらの追跡装置のうちの１つからの光ビームのパスを遮ると、ＩＦＭはその距離基準を失う。作業者はその場合、測定を続行する前に、レトロリフレクタを既知の場所まで追跡して基準距離にリセットしなければならない。この制限を回避する一方法が、追跡装置にＡＤＭを入れることである。ＡＤＭは全自動方式で距離を測定することができる。一部の追跡装置は、干渉計なしでＡＤＭのみを含む。

追跡装置からＳＭＲに光ビームを向けるには追跡装置内のジンバル機構が使用されうる。ＳＭＲによって再帰反射された光の一部は追跡装置に入り、位置検出器まで進む。追跡装置内の制御システムは、光ビームの中心をＳＭＲ上に保持するために、位置検出器上の光の位置を使用して追跡装置の機械軸の回転角を調整する。このようにして、追跡装置は移動するＳＭＲを追従（追跡）することができる。

追跡装置の機械軸には角度エンコーダーのような角度測定器が取り付けられている。追跡装置の１つの距離測定値と２つの角度測定値とは、ＳＭＲの３次元位置を特定するのに十分である。加えて、通常の３自由度ではなく、６自由度（６ＤＯＦ）を測定するために複数の追跡装置が利用可能であり、または提案されている。

追跡装置を使用する際に時として起こる難題が、作業者がレトロリフレクタに障害物の背後を通過させるとき、またはレトロリフレクタをその受光角の外部で回転させるときに光ビームの追跡を失うことである。これらの場合、ある動作モードでは、光ビームは追跡が失われた後に固定されたままになることがある。これに応答して、作業者は他の手段を使用してビームを再捕捉しなければならない。別の動作モードでは、追跡装置は、追跡装置に取り付けられたカメラで失われたレトロリフレクタを直ちに探し始める。しかしながら、この手法では、環境内に他のレトロリフレクタがある場合、追跡装置は光ビームを誤ったレトロリフレクタに向け直すことがある。

レトロリフレクタから反射された光を環境内の他の物体によって発生し、または反射された光と区別するために時として使用される手法は、追跡装置のターゲットカメラの周囲に点滅灯を設けて、代替のカメラ画像を差し引くことである。カメラとライトを適切なタイミングで用いれば、この手法はカメラ画像において点滅するレトロリフレクタ光を保持しつつ一定の背景光を除去するのに役立つ。しかしながら、ターゲットカメラの周囲の点滅灯は、追跡装置からの光ビームと組み合わされると、差し引かれるときに望ましくないカメラパターンを生じ、レトロリフレクタを取得する際に問題を生じる可能性がある。

追跡装置は一般にはそれらの意図された目的に適しているが、特に、レトロリフレクタターゲットへの迅速かつ柔軟なロックオンおよびその追跡、ならびに追跡装置ビームが誤ったレトロリフレクタに送られる状況からの回復において改善の必要が残っている。

本発明の一実施形態によれば、方法は、レトロ追従モードの追跡装置用の方法であって、追跡装置の光軸に沿って放射された光ビームが追跡装置の位置検出器によって検出されるかどうか判定するステップと、光ビームが位置検出器によって検出される場合、光ビームを位置検出器の帰線ポイント（retrace point）まで移動させることによってレトロリフレクタを追跡するステップと、光ビームが位置検出器によって検出されない場合、光ビームを消灯し、追跡装置の１つまたは複数のカメラによって取り込まれた第１の画像においてレトロリフレクタを識別しようと試み、第１の画像によってレトロリフレクタ取得基準が満たされるまで続けて光軸を識別されたレトロリフレクタの方へ向け、その後光ビームを点灯するステップと、を含む。

１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、光ビームが位置検出器内で検出されるが位置検出器の所定の領域内で検出されない場合、本方法は、光ビームが位置検出器の所定の領域内で検出されるまで探索パターンで光ビームを向け、その後レトロリフレクタを追跡するステップをさらに含む。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、探索パターンは螺旋探索パターンである。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、本方法は、点滅光を発生させるために１つまたは複数のカメラに近接した１つまたは複数の点滅光源を点灯するステップと、レトロリフレクタから１つまたは複数のカメラ上に点滅光を反射するステップと、をさらに含む。

１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、レトロリフレクタ取得基準は、一連の第１の画像におけるレトロリフレクタの、単位時間当たりの移動尺度に少なくとも一部は基づくものである。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、移動尺度は、角度、距離、および画素からなる群より選択される１つまたは複数の数量に少なくとも一部は基づくものである。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、レトロリフレクタ取得基準は、第１の画像におけるレトロリフレクタの位置に少なくとも一部は基づくものである。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、追跡装置は、ユーザーによって行われたジェスチャーに少なくとも一部は基づいてレトロ追従モードに設定される。

１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、ジェスチャーは、レトロリフレクタの空間移動を含む。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、レトロリフレクタの空間移動は、一連の第１の画像に取り込まれる。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、本方法は、レトロリフレクタが規定の時間間隔内に第１の画像において識別されない場合、光ビームを点灯するステップをさらに含む。

１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、本方法は、レトロリフレクタが第１の画像において識別されない場合、光軸を新しい方向に向けるステップをさらに含む。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、追跡装置は、作業者がプロセッサを含む装置に行った入力に少なくとも一部は基づいてレトロ追従モードに設定される。

１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、本方法は、追跡装置をレトロ・グラブ・モードに設定するステップと、レトロ・グラブ・モードの追跡装置について、光ビームを点灯するステップと、光ビームが、レトロリフレクタから反射して、位置検出器内で検出されるまで、光ビームを固定された方向に向けるステップと、位置検出器内で光ビームを受光した後、光ビームを、レトロリフレクタから反射して、レトロリフレクタの帰線ポイントに到達するように移動させるステップと、光ビームがレトロリフレクタから位置検出器上に反射されたことに応答して位置検出器によって生成された信号に少なくとも一部は基づいてレトロリフレクタを追跡するステップと、をさらに含む。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、レトロ・グラブ・モードは、ユーザーによって行われたジェスチャーで作動される。

１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、本方法は、追跡装置をユーザー追従モードに設定するステップと、ユーザー追従モードの追跡装置について、追跡装置の１つまたは複数のカメラの第１の画像においてユーザーを識別しようと試みるステップと、第１の画像においてユーザーが識別されると、ユーザーの移動を追従するように光軸を向けるステップと、をさらに含む。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、追跡装置は、ユーザーによって行われたジェスチャーに少なくとも一部は基づいてユーザー追従モードに設定される。１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、本方法は、追跡装置の光軸上で放射された光ビームが位置検出器によって検出されないと判断したことに応答して、レトロリフレクタに直接隣接して位置決めされた少なくとも１つの光マーカーを消灯するステップをさらに含む。

本発明の別の実施形態によれば、３次元（３Ｄ）測定システムは、光源と、位置検出器と、１つまたは複数のターゲットカメラと、追跡システムとを含む追跡装置であって、光源が追跡装置の光軸に沿って光ビームを放射するように動作し、位置検出器が位置検出器の表面の光の位置に少なくとも一部は基づいて電気信号を生成するように動作し、位置検出器が帰線ポイントを有し、追跡システムが光軸を向けるように動作する、追跡装置と、追跡装置に結合されたプロセッサであって、プロセッサ上で実行されると、追跡装置がレトロ追従モードにあるかどうか判定することと、レトロ追従モードの追跡装置について、追跡装置の光軸上で放射された光ビームが位置検出器によって検出されるかどうか判定することと、光ビームが位置検出器によって検出される場合、光ビームを帰線ポイントに到達するように移動させることによって追跡システムでレトロリフレクタを追跡することと、光ビームが位置検出器によって検出されない場合、光ビームを消灯し、１つまたは複数のターゲットカメラの第１の画像においてレトロリフレクタを識別しようと試み、第１の画像によってレトロリフレクタ取得基準が満たされるまで光軸をレトロリフレクタの方へ向け、その後光ビームを点灯することと、を含むコンピュータ命令を実行するように動作するプロセッサと、を含む。

１つもしくは複数の実施形態によれば、または代替形態において、プロセッサは、プロセッサ上で実行されると、光ビームが位置検出器内で検出されるが位置検出器の所定の領域内で検出されないと判断し、そう判断したことに応答して、光ビームが位置検出器の所定の領域内で検出されるまで探索パターンで光ビームを向け、その後レトロリフレクタを追跡することを含むコンピュータ命令を実行するようにさらに動作する。

本開示の実施形態の技術的効果には、追跡装置を用いた再帰反射ターゲットの追跡が含まれる。本開示の実施形態のさらなる技術的効果には、ユーザーによって行われたジェスチャーを使用したユーザーによる追跡装置の非接触制御がさらに含まれる。

上記の特徴および要素は、特に明示されない限り、非排他的に様々な組み合わせとして組み合わされてよい。これらの特徴および要素ならびにその動作は、以下の説明および添付の図面に照らせばより明らかになるであろう。ただし、以下の説明および図面は、本質的に例示および説明のためのものであり、限定を意図したものではないことを理解されたい。

次に図面を参照すると、例示的な実施形態が示されている。図示の実施形態は本開示の全範囲に関して限定的であると解釈されるべきではなく、要素は複数の図において同様の番号を付されている。

本発明の一実施形態による追跡装置およびレトロリフレクタターゲットの等角図である。

本発明の一実施形態による追跡装置の正面図である。

本発明の一実施形態によるペイロードアセンブリの正面図である。 本発明の一実施形態によるペイロードアセンブリの断面図である。

本発明の一実施形態による６自由度プローブの上面図である。 本発明の一実施形態による６自由度プローブの正面図である。

本発明の一実施形態による、カメラを囲むライトにＳＭＲを照明させている追跡装置の等角図である。

本発明の一実施形態による追跡装置に結合された電気的要素および計算要素を示す図である。

本発明の一実施形態によるレーザー追跡装置のレトロ追従モードの概念的要素を示すフローチャートである。

ユーザー追従モードの追跡装置と協働するユーザーの概略図である。

図１に追跡装置１０が示されている。概要で説明したように、追跡装置という用語は本明細書では、トータルステーションを含む広い意味である。光ビーム９０は、レーザー、スーパールミネセントダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、または他のタイプの平行光源から入射しうる。

図１の追跡装置１０は、出射光９０を出口開口７４を通してレトロリフレクタ９５に送り、レトロリフレクタ９５は平行パスに沿って戻り光９２として光を戻し、戻り光９２は出口開口７４を２回目に通過する。追跡装置は、ベースアセンブリ３０と、ヨークアセンブリ６０と、ペイロードアセンブリ７０とを含む。ペイロードアセンブリ７０の外側部分は、ペイロード・アセンブリ・カバー７２と、第１のターゲットカメラ７６と、第２のターゲットカメラ７８と、ペイロード表示灯８０とを含む。ターゲットカメラはロケータカメラとも呼ばれる。一実施形態では、表示灯８０は、見つかったターゲットを表示する所定の第１の色、例えば緑など、測定を表示する第２の所定の色、例えば赤など、およびユーザー定義可能な表示や６自由度表示のための他の所定の色、例えば青や黄色などを発光しうる。一実施形態では、ヨークアセンブリ６０の外側部分は、ヨークアセンブリカバー６２とヨーク表示灯６４とを含む。一実施形態では、ヨーク表示灯は、有利には、追跡装置から遠く離れたところで見える。ベースアセンブリ３０の外側部分は、ベースアセンブリカバー３２と、直径の異なるＳＭＲを保持するように動作する磁気ホームポジションネスト３４とを含む。一実施形態では、３つの磁気ホームポジションネスト３４が、直径１．５インチ、０．８７５インチ、および０．５インチのＳＭＲを受け入れる。マンドレル２０が任意選択で追跡装置１０の下部に取り付けられうる。

図２に、追跡装置１０の正面図を示す。ベースアセンブリ３０は、通常は作業領域に対して固定されており、例えば計器スタンドや工業用三脚に取り付けられている。ヨークアセンブリ６０は、立軸または垂直軸とも呼ばれる方位軸１２を中心に回転するが、追跡装置１０は一般に、上下逆さまに位置決めされることもあり、床に対して任意の角度まで回転されることもあることを理解されたい。ペイロードアセンブリ７０は、通過軸または水平軸とも呼ばれる天頂軸１４を中心に回転する。

図３Ａは、ペイロードアセンブリ７０およびヨークアセンブリ６０の上部分の正面図である。図３Ｂは、ペイロードアセンブリ７０内の光学素子を示す（図３Ａに示す）断面図Ｄ−Ｄである。ペイロードアセンブリ７０の中央部分に主に沿って配置された光学素子は、図３Ｂに示すように中央光学アセンブリ４００と呼ばれ、これは放射／コリメーターアセンブリ４１０と位置検出器アセンブリ４６０とを含む。中央光学アセンブリ４００の外側には、ＡＤＭモジュール４６５と６自由度カメラ４７０とがある。

コンバイナアセンブリ４５０は、放射／コリメーターアセンブリ４１０を位置検出器アセンブリ４６０と組み合わせるために使用され、また位置検出器スプリッタ４５４と６自由度スプリッタ４５６とからの異なる光ビームを組み合わせるためにも使用される。位置検出器アセンブリ４６０は、位置検出器回路基板５０６上に搭載された位置検出器４７８を含む。位置検出器４７８は、光を電気信号に変換し、光が位置検出器４７８の表面領域に当たる位置の決定を可能にする二次電気信号をさらに提供する検出器である。位置検出器の例には、横効果検出器、象限検出器、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）アレイ、および電荷結合検出器（ＣＣＤ）が含まれる。

位置検出器アセンブリ４６０は通常、出射光ビーム９０の中心またはほぼ中心を移動するレトロリフレクタ９５上に保持して、戻り光ビーム９２に出射光ビーム９０と同じパスを追従させるために使用される。制御システム（追跡システムとも呼ばれる）は、追跡装置モーターに、ビームを位置検出器の中心に向けて移動し続けるようにビームを向け、追跡装置１０を用いたレトロリフレクタ９５の追跡を可能にする。実際には、出射ビームが正確にレトロリフレクタを中心としているときに、戻りビームは位置検出器４７８の中心から少しずれることがある。出射ビームがレトロリフレクタを中心としているときの戻りビームの位置検出器上の位置を、位置検出器の帰線ポイントと呼ぶ。

一実施形態では、追跡装置１０は、６自由度カメラ４７０と６自由度プローブ４８０とを使用して６自由度プローブ４８０の６自由度を決定する６自由度追跡装置である。一実施形態では、６自由度プローブ４８０は、追跡装置１０からの光ビーム９０によって直接アクセスできない物体特徴をプローブチップ４１６で測定することができる触覚プローブ４１０を含む。言い換えると、６自由度プローブ４８０に結合されたレトロリフレクタ４４０は光ビーム９０の直接見通し線内にありうるが、プローブチップ４１６によって測定された物体特徴は視界から隠れている。他の実施形態では、触覚プローブ４１０は、６自由度ラインスキャナー、６自由度エリアスキャナー、６自由度インジケータ、６自由度センサ、６自由度プロジェクターなどの別のタイプの６自由度プローブで置き換えられる。そのような６自由度プローブの例が米国特許第９１５１８３０号明細書に記載されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

図４Ａ、図４Ｂに示す実施形態において、触覚プローブ４１０はスタイラス４１２とスタイラス延長部４１８とを含み、スタイラス４１２はプローブチップ４１６とステム４１４とをさらに含む。一実施形態では、触覚プローブ４１０は、ハンドルの役割を果たし、さらにレトロリフレクタ４４０およびライト４７２、４７３、４７４を取り囲むフレームハンドル４２０に結合されたねじ穴にねじ込まれる。一実施形態では、ライト４７２、４７３、４７４は６自由度カメラ４７０によって撮像され、そこからプローブ４８０の３つの方位角が決定される。一実施形態では、３つの方位角は、ピッチ角、ヨー角、およびロール角である。３つの並進自由度、例えば、ｘ、ｙ、ｚは、追跡装置でレトロリフレクタ４４０の位置を測定することによって得られる。３つの並進自由度と３つの回転自由度が組み合わさって６自由度が与えられ、これは６自由度プローブ４８０の幾何学形状と併せて、プローブチップ４１６の３Ｄ座標を決定するのに十分である。６自由度プローブ４８０は、カメラ４７０によるライト４７２、４７３、４７４の画像の取り込みと両立する。他の多くのタイプの６自由度プローブが可能である。図４Ａ、図４Ｂに示すプローブは１つの可能な方法を示しているにすぎない。さらに、いくつかの実施形態では、触覚プローブ４１０は、プロジェクターとカメラを使用して３Ｄ座標を測定する三角測量スキャナーで置き換えられる。

図５に示す実施形態では、１つまたは複数のターゲットカメラ７６、７８を使用して、環境内の１つまたは複数のレトロリフレクタ９５の位置を突き止める。カメラ７６、７８などの立体ターゲットカメラ対は、米国特許第８６７０１１４号明細書に記載されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。一実施形態では、光源７６Ｂ、７８Ｂは、カメラの光電性アレイ７６Ａ、７８Ａの近くに位置し、規則的間隔で周期的に点滅する。点滅灯７６Ｂ、７８Ｂはレトロリフレクタ９５を照明する。反射された光ビーム７７、７９はそれぞれ光電性アレイ７６Ａ、７８Ａまで進む。一実施形態では、光電性アレイ７６Ａ、７８Ａの画像取り込み速度は、レトロリフレクタ９５が交互の画像で明るい照明状態と薄暗い照明状態とに見えるように、ライト７６Ｂ、７８Ｂの点滅速度の半分に設定される。一実施形態では、薄暗く照明されたレトロリフレクタ画像が、明るく照明されたレトロリフレクタ画像から差し引かれて、照明レトロリフレクタごとの明るい画像スポットが得られる。しかしながら、光源７６Ｂ、７８Ｂからの光は、非再帰反射性物体から集中して反射されることはない。ゆえに、背景画像は差し引かれると、レトロリフレクタと比較して相対的に暗く見える。この点滅灯７６Ｂ、７８Ｂの使用により、環境内のレトロリフレクタの識別が非常に簡単になる。

一実施形態では、光源７６Ｂ、７８Ｂは、８５０ｎｍなどの近赤外線波長の光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。一実施形態では、図１に示す光ビーム９２は、赤色光に対応する６３５ｎｍなどの異なる波長を含む。一実施形態では、カメラ７６、７８は、光源７６Ｂ、７８Ｂによって発せられる波長と共に可視波長も受け入れることが望ましい。というのは、これにより、レトロリフレクタ９５やレトロリフレクタ４４０などのレトロリフレクタの位置で明るく明滅する光点をさらに示すカラー画像が提供されるからである。よって、この望ましい結果を達成するために、カメラ７６、７８は、戻りビーム９２からと点滅光源７６Ｂ、７８Ｂからとの光が組み合わさったものを受光しうる。場合によっては、レトロリフレクタを照明するために使用される光源のそのような組み合わせにより、光電性アレイ７６Ａ、７８Ａが受け取るレトロリフレクタの画像に歪みが生じうる。この問題を回避するために、一実施形態では、ターゲットカメラ７６、７８を使用して９５、４４０などのレトロリフレクタの位置を決定するときに、出射光ビーム９０を消灯する。

図６に、追跡装置内の計算構成要素として、または、おそらくはリンク６４４などのネットワークリンクによって、追跡装置のコンピューティングシステムに結合された外部計算構成要素として、追跡装置１０に結合されたコンピューティングシステム６００を示す。本明細書で使用するコンピューティングシステムという用語は、処理システムまたは単なるプロセッサと同じ意味を有すると解釈される。本明細書で使用するプロセッサという用語は、計算処理をサポートするために使用されるすべての構成要素を含むと解釈される。レジスタ、キャッシュ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、リモートストレージなどの記憶要素は、プロセッサの一部として含まれる。中央処理装置（ＣＰＵ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、および計算構成要素と記憶構成要素とを相互に接続するすべてのサポート電子回路などのデバイスも含まれる。計算要素および記憶要素が、おそらくはユーザーから情報を受け取るための入出力装置も、プロセッサの一部として含まれる。レーザー追跡装置１０に見られるいくつかの典型的な計算機能６１０が図６に示されている。一実施形態では、これらには、位置検出器処理６１２、方位角エンコーダー処理６１４、天頂エンコーダー処理６１６、表示灯処理６１８、絶対距離計（ＡＤＭ）処理６２０、ターゲットカメラ処理６２２、およびジェスチャー前処理６２６が含まれる。これは追跡装置内に含まれる処理機能の一部のリストにすぎない。追跡装置内の処理要素は、バス６３０を介して互いに、また外部コンピュータ６７０に接続されている。ネットワーク化コンピュータを含む外部コンピュータとの通信は、有線または無線の通信チャネルを介して行われうる。

一実施形態では、追跡装置は複数のモードのうちのいずれかで動作しうる。「レトロ追従」モードでは、追跡装置１０は一般に、レトロリフレクタ９５などのレトロリフレクタの移動を追従しようと試みる。追跡装置をレトロ追従モードで動作させるための方法７００が図７のフローチャートに示されている。要素７０２は、追跡装置がレトロ追従モードで動作しているかどうかを判定する。図６に関連して上述したように、この判定を行うためにプロセッサが使用されうる。要素７０４では、追跡装置の光軸に沿って放射された光ビームが追跡装置の位置検出器によって検出されるかどうかを判定する。そのような光ビームはビーム９０として放射され、図１に示すようにビーム９２の一部として位置検出器に戻される。光ビームが位置検出器によって検出された場合、要素７１６が実行され、その結果レトロリフレクタが追跡される。そのような追跡は、光ビームを位置検出器の帰線ポイントまで続けて移動させることによって達成される。

光ビームが要素７０４で位置検出器によって検出されない場合、要素７０６が実行され、光ビームが消灯される。要素７０８では、１つまたは複数のターゲットカメラによって取り込まれた第１の画像においてレトロリフレクタを識別しようと試みられる。レトロリフレクタが要素７１０で第１の画像において識別されると、要素７１２で第１の画像によってレトロリフレクタ取得基準が満たされるまで追跡装置の光軸がレトロリフレクタの方へ向けられ、その後要素７１４で光ビームが点灯される。追跡装置がまだレトロ追従モードにあるときに、光ビームが位置検出器内にあるかどうかをチェックするために制御が要素７０４に再び移る。光ビームが位置検出器内にある場合、制御が要素７１６に移り、そこで追跡が始まる。光ビームが位置検出器内にない場合、光ビームは要素７０６で再び消灯され、追跡装置は光軸をレトロリフレクタの方へ向け続ける。

レトロ追従モードの実施形態では、出射光ビーム９０がレトロリフレクタ９５によってビーム９２として反射され、位置検出器４７８によって受光された場合、追跡装置はその追跡システムのモーターを使用して出射ビーム９０をレトロリフレクタ９５の中心に向け、戻りビーム９２の反射ビームの中心を位置検出器４７８の帰線ポイントに合わせる。出射光ビーム９０がレトロリフレクタ９５によって反射されず、よって位置検出器４７８によって戻りビーム９２として検出されない場合には、出射光ビーム９０は消灯される。レトロリフレクタがターゲットカメラ７６、７８によって取り込まれた第１の画像に見られる場合、追跡システムは追跡装置の光軸をレトロリフレクタの方へ向け始める。レトロリフレクタが３つの互いに垂直な反射面を有するコーナーキューブレトロリフレクタである場合、光軸はレトロリフレクタの頂点に向けられる。本出願では、頂点という用語は一般的にレトロリフレクタの反射点を指すために使用される。球形（キャットアイ）レトロリフレクタなどのいくつかのタイプのレトロリフレクタには物理的な頂点がないが、頂点という用語は本明細書ではレトロリフレクタの一次反射点を指すのに使用されていることを理解されたい。

追跡装置の光軸は、光ビーム９２が追跡装置を出て追跡装置に戻る軸である。第１の画像におけるレトロリフレクタの位置は、追跡装置に対する空間内のレトロリフレクタ９５の位置の方向を示す。ターゲットカメラ７６、７８の光電性アレイ７６Ａ、７８Ａ上の位置は、カメラレンズ系の投影中心に対する物体の角度を示す。したがって、カメラ７６、７８の第１の画像上のレトロリフレクタ９５の位置は、カメラ７６、７８に対するレトロリフレクタ９５の角度を決定するのに使用されうる。一実施形態では、光電性アレイ７６Ａ、７８Ａ上のレトロリフレクタ９５の位置は、レトロリフレクタ９５を追跡装置の光軸上に配置するために追跡装置の光軸を向けるべき方向を決定するのに使用される。

レトロ追従モードでは、戻り光ビーム９２が位置検出器４７８によって検出されない場合、出射光ビーム９０は消灯される。追跡システムはその場合、追跡装置の光軸をレトロリフレクタの頂点に向ける。ビームは、レトロリフレクタ取得基準が満たされるまでレトロリフレクタの方へ向けられ、その後レトロリフレクタの頂点の方への光ビームの移動が停止される。複数のタイプのレトロリフレクタ取得基準が可能である。１つの可能なレトロリフレクタ取得基準は、カメラ７６、７８から取得された一連の第１の画像から決定される単位時間当たりの移動尺度に少なくとも一部は基づくものである。移動尺度は、角度、距離、および画素からなる群より選択される１つまたは複数の数量に少なくとも一部は基づくものであってよい。画素を単位として与えられた第１の画像におけるレトロリフレクタの位置の変化による移動は、追跡装置からの光ビームが移動するレトロリフレクタに追いつき、次いで追跡装置の光軸でレトロリフレクタの移動を追従するための方法を提供する。この場合、レトロリフレクタのスポットは、一連の取り込まれた第１の画像の各々において同じ画素位置に見られることになる。他の場合には、レトロリフレクタを追跡装置に対して静止状態に保持することが望ましいであろう。この場合、移動は、追跡装置空間で見られるレトロリフレクタの角度の変化に基づいて決定されうる。この場合、追跡装置の光軸は空間に固定された位置まで移動されるはずである。したがってこの場合には、レトロリフレクタ取得基準は、レトロリフレクタに対する光軸の安定性に基づくものであってよい。同様に、物体の左右（横）移動も角度単位ではなく距離単位で評価されうる。

あるいは、取得基準は、第１の画像におけるレトロリフレクタの位置に少なくとも一部は基づくものであってもよい。立体カメラ７６、７８の場合には、カメラは、追跡装置から所与の距離にあるレトロリフレクタに対して所与の位置に現れることになる。一般に、カメラによって取得された第１の画像内のレトロリフレクタの位置は、レトロリフレクタが追跡装置１０の光軸上またはほぼ光軸上にあるかどうかを判定するために使用されうる。加えて、様々な基準の集合によって取得基準の基礎が形成されてもよい。

レトロ追従モードでは、レトロリフレクタ取得基準が満たされたと判断されると、光ビームは再び点灯される。光ビームが位置検出器によって検出されない場合、追跡装置は光ビーム９０を再び消灯し、光軸をレトロリフレクタの方へ向け続ける。他方、光ビームが位置検出器によって検出された場合、追跡装置は光ビームを位置検出器の帰線ポイントの方へ移動させる。追跡装置は次いで、光ビームがレトロリフレクタから位置検出器上に反射されたことに応答してレトロリフレクタによって生成された信号に少なくとも一部は基づいてレトロリフレクタを追跡し続ける。

場合によっては、戻り光ビーム９２は位置検出器上にあるが位置検出器の所望のスポット（例えば所定の領域）の外側にある。戻り光ビーム９２が所望のスポット内にある場合、追跡システムは光ビーム９２を帰線ポイントまで直ちに駆動しうる。戻り光ビームが所望のスポットの外側にある場合、探索パターンを使用して、戻り光ビーム９２が帰線位置まで駆動されうる。例えば、探索パターンは、光ビームが所望のスポット内に駆動されるまで光ビームがまず常に拡大する螺旋として旋回する螺旋探索であってよく、その後光ビームは帰線位置まで駆動され、追跡が開始される。

起こりうる別の状況は、レトロリフレクタが追跡装置の１つまたは複数のカメラの視野の外側に位置することである。この状況では、ユーザーが追跡装置のターゲットカメラに現在のＦＯＶの外側にあるレトロリフレクタを探索させようとしうる。これは、追跡装置の光軸をその現在の角度とは異なる角度に変えることによって行われうる。例えば、追跡装置は、追跡装置を中心として４０度ずつ水平方向に回転し、その都度レトロリフレクタを探してもよい。

別の場合には、規定の時間間隔（追跡装置設定に含まれうる指定の時間量）内にターゲットカメラからどのレトロリフレクタも見えない場合、例えば、１０分以内にどのレトロリフレクタも見えない場合に、作業者がレトロ追従モードの追跡装置のために追跡装置からの光ビームを消灯させようとしうる。

一般的な状況は、ターゲットカメラ７６、７８などの１つまたは複数のターゲットカメラの視野内に複数のレトロリフレクタが位置している状況である。この状況では、ユーザーは追跡装置１０からの光ビーム９０にロックオンしていてよく、光ビームをレトロリフレクタにロックオンしたままでＳＭＲを持って歩くことによって部屋を横切って光ビーム９０を追跡している。例えば、レトロリフレクタが障害物の背後に移動されたり、ユーザーがレトロリフレクタをその受光角の外側に向けたりしたために、レトロリフレクタまでのビームパスが遮られた場合、レトロ追従モードで動作する追跡装置は、環境内の別のレトロリフレクタにロックオンしうる。この場合、光ビームは、ユーザーが望むものとは異なるレトロリフレクタに移動している。

一実施形態では、この問題はジェスチャーを使用することによって対処される。本明細書で使用する場合、「ジェスチャー」という用語は、追跡装置１０上の１つまたは複数のカメラの視野内でのユーザーの身体または身体の部分の移動または位置決めを含む。「ジェスチャー」という用語はまた、追跡装置１０上の１つまたは複数のカメラの視野内のレトロリフレクタ９５などのターゲットの移動または位置決めも含みうる。図８に概略的に示すジェスチャーの１タイプが、レトロリフレクタの空間ジェスチャー９７である。追跡装置設定がそのようなジェスチャーを受け取るように構成されている場合、作業者は、水平移動や垂直移動などの所定の空間ジェスチャーでレトロリフレクタを移動させることができる。レトロリフレクタの移動は、カメラ７６、７８などの１つまたは複数のターゲットカメラによって取得される一連の画像において観測されることになる。図６のジェスチャープリプロセッサ６２６などのプロセッサは、そのパターンを評価してジェスチャーに対応するコマンドまたは動作制御手順を決定する。作業者は、「このレトロリフレクタを照明する」というジェスチャーを与えて、光ビームを、それが現在ロックされているレトロリフレクタからユーザーが現在保持しているレトロリフレクタに移動させることができる。他の多くのタイプのジェスチャーが可能である。そのような追跡装置ジェスチャーの多くは米国特許第８５３７３７５号明細書に記載されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

追跡装置の別のモード、「ユーザー追従」モードでは、追跡装置１０は一般にユーザーの移動を追従しようと試みる。そのようなモードは、ジェスチャーによって、またはスマートフォンやリモコンなどのスマートデバイスの設定を変更することによって開始されうる。ユーザー追従モードが有用となる状況の一例が、ユーザーが測定を継続するために階段を上ろうとした状況である。１段目で、作業者は追跡装置をユーザー追従モードにするジェスチャーを与えることができる。ユーザーが階段を上がる際に、追跡装置はその場合、障害物８４０の背後にあるか、または階段を上るパス８３０に沿った位置８０５Ａから位置８０５Ｂまでのユーザーの移動を追従するようにレーザー光９０Ａを向けることになり、パス上でレーザー光９０Ｂはユーザーに当たったままになる。目的地に到達すると、ユーザーは別のジェスチャーを与えて、追跡装置からの光ビームをレトロリフレクタにロックオンさせることができる。

追跡装置の別の可能なモードは「レトログラブ」モードである。このモードでは、光ビームは固定された方向を指し、位置検出器が光ビームの中に入ったときにレトロリフレクタにロックオンするようにレトロリフレクタが光ビーム内に入るのを待つ。作業者が、ある場所から別の場所に移動する間、光ビームを所定位置に固定したままにしたい場合もあるので、これは往々にして有用なモードになりうる。レーザー追跡装置の他の多くのモードが可能であり、本明細書で提示するモードはいかなる点においても限定ではない。

モードを切り替える方法、またはモードをオンまたはオフにする方法は複数ある。１つの方法は、スマートフォン、リモコン、タブレット、コンピュータなどのスマートデバイスで所望のモードを選択することである。モードを切り替える別の方法は、ジェスチャーを使用することによるものである。

レトロ追従モードが、図４Ａおよび図４Ｂのプローブ４８０のレトロリフレクタ４４０などの６自由度プローブのレトロリフレクタを追従するために使用される場合、ライト４７２、４７３、４７４などの光点は、レトロ追従モードでレトロリフレクタを追従するときには、必要に応じて、消灯されうる。

本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明したが、本発明はそのような開示の実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、これまで説明されていないが、本発明の趣旨および範囲と対応する任意の数の変形、代替、置換または均等な構成を組み込むように本発明を変更することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含んでいてもよいことも理解されたい。したがって、本発明は、以上の説明によって限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims (20)

1. レトロ追従モードの追跡装置用の方法であって、前記追跡装置は、光ビームを放射および受光するように構成され、
   前記追跡装置の光軸に沿って放射された前記光ビームが前記追跡装置の位置検出器によって検出されるかどうかを判定するステップと、
   前記光ビームが前記位置検出器によって検出される場合、前記光ビームを前記位置検出器の帰線ポイントまで前記追跡装置で移動させることによってレトロリフレクタを追跡するステップと、
   前記光ビームが前記位置検出器によって検出されない場合、前記光ビームを消灯し、前記追跡装置の１つまたは複数のカメラによって取り込まれた第１の画像においてレトロリフレクタを識別しようと試み、かつ、前記第１の画像によってレトロリフレクタ取得基準が満たされるまで続けて前記光軸を前記識別されたレトロリフレクタの方へ向け、その後前記光ビームを点灯するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記光ビームが前記位置検出器内で検出されるが前記位置検出器の所定の領域内で検出されない場合、前記光ビームが前記位置検出器の前記所定の領域内で検出されるまで探索パターンで前記光ビームを向け、その後、前記レトロリフレクタを追跡するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記探索パターンは螺旋探索パターンである、請求項２に記載の方法。
4. 点滅光を発生させるために前記１つまたは複数のカメラに近接した１つまたは複数の点滅光源を点灯するステップと、
   前記レトロリフレクタから前記１つまたは複数のカメラ上に前記点滅光を反射するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記レトロリフレクタ取得基準は、一連の前記第１の画像における前記レトロリフレクタの単位時間当たりの移動尺度に少なくとも部分的に基づく、請求項１に記載の方法。
6. 前記移動尺度は、角度、距離および画素からなる群より選択される１つまたは複数の数量に少なくとも部分的に基づく、請求項５に記載の方法。
7. 前記レトロリフレクタ取得基準は、前記第１の画像における前記レトロリフレクタの位置に少なくとも部分的に基づく、請求項１に記載の方法。
8. 前記追跡装置は、ユーザーによって行われたジェスチャーに少なくとも部分的に基づいて前記レトロ追従モードに設定される、請求項１に記載の方法。
9. 前記ジェスチャーは、前記レトロリフレクタの空間移動を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記レトロリフレクタの前記空間移動は、一連の前記第１の画像に取り込まれる、請求項９に記載の方法。
11. 前記レトロリフレクタが規定の時間間隔内に前記第１の画像において識別されない場合、前記光ビームを点灯するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記レトロリフレクタが前記第１の画像において識別されない場合、前記光軸を新しい方向に向けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 作業者がプロセッサを含む装置に行った入力に少なくとも部分的に基づいて、前記追跡装置は前記レトロ追従モードに設定される、請求項１に記載の方法。
14. 前記追跡装置をレトロ・グラブ・モードに設定するステップと、
    前記レトロ・グラブ・モードの前記追跡装置について、
    前記光ビームを点灯するステップと、
    前記光ビームが、前記レトロリフレクタから反射されて、前記位置検出器内で検出されるまで、前記光ビームを固定された方向に向けるステップと、
    前記位置検出器内で前記光ビームを受光した後、前記光ビームを、前記レトロリフレクタから反射されて、前記レトロリフレクタの帰線ポイントに到達するように移動させるステップと、
    前記光ビームが前記レトロリフレクタから前記位置検出器上に反射されたことに応答して前記位置検出器によって生成された信号に少なくとも部分的に基づいて、前記レトロリフレクタを追跡するステップと、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記レトロ・グラブ・モードは、ユーザーによって行われたジェスチャーで作動される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記追跡装置をユーザー追従モードに設定するステップと、
    前記ユーザー追従モードの前記追跡装置について、
    前記追跡装置の前記１つまたは複数のカメラの前記第１の画像においてユーザーを識別しようと試みるステップと、
    前記第１の画像において前記ユーザーが識別されると、前記ユーザーの移動に追従するように前記光軸を向けるステップと、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記追跡装置は、ユーザーによって行われたジェスチャーに少なくとも部分的に基づいて前記ユーザー追従モードに設定される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記追跡装置の前記光軸上に放射された前記光ビームが前記位置検出器によって検出されないと判断したことに応答して、前記レトロリフレクタに直接隣接して位置決めされた少なくとも１つの光マーカーを消灯するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
19. 光源と、位置検出器と、１つまたは複数のターゲットカメラと、追跡システムとを含む追跡装置であって、前記光源は前記追跡装置の光軸に沿って光ビームを放射するように動作し、前記位置検出器は前記位置検出器の表面の光の位置に少なくとも部分的に基づいて電気信号を生成するように動作し、前記位置検出器は帰線ポイントを有し、前記追跡システムは前記光軸を向けるように動作する、追跡装置と、
    前記追跡装置に結合されたプロセッサであって、前記プロセッサ上で実行されると、
    前記追跡装置がレトロ追従モードにあるかどうか判定することと、
    前記レトロ追従モードの前記追跡装置に関して、
    前記追跡装置の前記光軸上で放射された前記光ビームが前記位置検出器によって検出されるかどうか判定することと、
    前記光ビームが前記位置検出器によって検出される場合、前記光ビームを前記帰線ポイントに到達するよう移動させることによって前記追跡システムでレトロリフレクタを追跡することと、
    前記光ビームが前記位置検出器によって検出されない場合、前記光ビームを消灯し、前記１つまたは複数のターゲットカメラの第１の画像において前記レトロリフレクタを識別し、前記第１の画像によってレトロリフレクタ取得基準が満たされるまで前記光軸を前記レトロリフレクタの方へ向け、その後、前記光ビームを点灯することと、
    を含むコンピュータ命令を実行するように動作するプロセッサと、
    を備える、３次元（３Ｄ）測定システム。
20. 前記プロセッサは、前記プロセッサ上で実行されると、前記光ビームが、前記位置検出器内で検出されるが前記位置検出器の所定の領域内で検出されないと判断し、そのように判断したことに応答して、前記光ビームが前記位置検出器の前記所定の領域内で検出されるまで探索パターンで前記光ビームを向け、その後、前記レトロリフレクタを追跡することを含むコンピュータ命令を実行するようにさらに動作する、請求項１９に記載の３Ｄ測定システム。