JP2020020747A - レーザスキャナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】レーザスキャナの概略機械点座標と概略方位角とを自動で演算するレーザスキャナシステムを提供する。【解決手段】移動局１９を有し３次元点群データを取得するレーザスキャナ１と、少なくとも３つの固定局とを有するレーザスキャナシステムであって、レーザスキャナは、レーザスキャナの水平回転軸心７ａ上の機械点から既知の位置にオフセットされた移動局と、レーザスキャナの相対水平角を検出する水平角検出部１１と、レーザスキャナの水平回転を制御する演算制御部２１からなり、固定局は、移動局に発信したパルスを受信し、移動局との距離を測定し、演算制御部は、各固定局で形成される２次元の固定局座標系を演算し、レーザスキャナを機械点を中心に３６０°水平回転させつつ、所定角度毎に各固定局を中心とし、各固定局と移動局との距離を半径とする少なくとも３つの円の交点の座標を移動局の測位結果として演算する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザスキャナにより複数の地点から点群データを取得し、又複数の点群データを同一の座標系の点群データとして統合するレーザスキャナシステムに関するものである。

測量装置として、トータルステーションや３次元レーザスキャナがある。トータルステーションは、測定対象点の測定を行う場合に用いられる。３次元レーザスキャナは、測定対象物の形状を３次元座標を有する無数の点の集まり、即ち３次元点群データとして取得する。

３次元レーザスキャナにより３次元点群データを取得する際、特に建物の内部では、部屋の形状や柱等の障害物により、１箇所からの測定では部屋全体の３次元点群データを取得できない場合がある。この場合、複数箇所で３次元点群データを取得し、得られた複数の３次元点群データを結合（レジストレーション）することで、部屋全体の３次元点群データを取得している。

従来では、建物の内部に複数枚のターゲットシートを貼設し、３次元点群データの中からターゲットシートを検出し、対応するターゲットシートを介して点群データ間を関連付けることで３次元点群データ同士のレジストレーションを行っていた。

又、レジストレーションを自動で行う方法として、特許文献１に示されるＩＣＰ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｃｌｏｓｅｓｔ Ｐｏｉｎｔ）アルゴリズムを用いる方法がある。ＩＣＰアルゴリズムでは、レーザスキャナの概略の機械点（レーザスキャナの座標系の原点）座標と概略の方位角を初期値として必要とする。

然し乍ら、従来では、レーザスキャナの概略機械点座標と概略方位角とを自動で演算する方法がなかった。この為、複数の３次元点群データ間で機械点と方位角とを概略一致させる為の処理は、作業者が手動で行う必要があった。

米国特許第５７１５１６６号明細書 特開２０１６−１６１４１１号公報

本発明は、レーザスキャナの概略機械点座標と概略方位角とを自動で演算するレーザスキャナシステムを提供するものである。

本発明は、移動局を有し、３次元点群データを取得するレーザスキャナと、少なくとも３つの固定局とを有するレーザスキャナシステムであって、前記レーザスキャナは、該レーザスキャナの水平回転軸心上の機械点から既知の位置にオフセットされた移動局と、前記レーザスキャナの相対水平角を検出する水平角検出部と、前記レーザスキャナの水平回転を制御する演算制御部とを具備し、前記固定局は、前記移動局にパルスを発信し、該移動局からのパルスを受信することで該移動局との距離を測定可能であり、前記演算制御部は、各固定局で形成される２次元の固定局座標系を演算し、前記レーザスキャナを前記機械点を中心に３６０°水平回転させつつ、所定角度毎に各固定局を中心とし、各固定局と前記移動局との距離を半径とする少なくとも３つの円の交点の座標を前記移動局の測位結果として演算し、３６０°分の各測位結果を平均して前記固定局座標系での概略機械点座標を演算するレーザスキャナシステムに係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、前記移動局の測位結果に基づき、前記機械点と前記移動局を結ぶ直線と前記固定局座標系の基準軸とが成す概略回転角と、前記水平角検出部で検出される相対水平角とを対応付け、前記概略回転角が０°となる時の前記相対水平角を概略方位角として演算するレーザスキャナシステムに係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、演算された前記概略機械点座標と前記概略方位角とを初期値として、前記レーザスキャナで取得された複数の３次元点群データを結合させるレーザスキャナシステムに係るものである。

又本発明は、前記各固定局は、既知の３次元座標を有するレーザスキャナシステムに係るものである。

又本発明は、前記固定局は他の固定局との距離を測定可能であり、前記演算制御部は、前記固定局のうちの２つの前記固定局座標系での位置を設定し、前記２つの固定局を中心とし、残りの固定局との距離を半径とする少なくとも２つの円が交差する少なくとも２点に基づき前記残りの固定局の２つの候補位置を演算し、各候補位置で前記移動局の測位結果の軌跡をそれぞれ取得し、托架部の回転方向と合致する回転方向で取得される軌跡を有する前記候補位置を前記残りの固定局の設置位置として決定するレーザスキャナシステムに係るものである。

又本発明は、前記概略機械点座標と前記概略方位角の演算後、前記固定局のうちの１つと前記移動局とを移動させ、前記演算制御部が再度概略機械点座標と前記概略方位角を演算するレーザスキャナシステムに係るものである。

又本発明は、前記移動局と少なくとも１つの前記固定局にそれぞれ気圧センサが設けられ、前記演算制御部は、各気圧センサの検出結果に基づき前記固定局に対する前記移動局の相対的な高さを演算し、演算した高さに基づき３次元の概略機械点座標を演算するレーザスキャナシステムに係るものである。

更に又本発明は、前記各固定局はそれぞれ固定局装置に設けられ、該固定局装置は前記レーザスキャナにより３次元座標を測定可能なターゲットを具備するレーザスキャナシステムに係るものである。

本発明によれば、移動局を有し、３次元点群データを取得するレーザスキャナと、少なくとも３つの固定局とを有するレーザスキャナシステムであって、前記レーザスキャナは、該レーザスキャナの水平回転軸心上の機械点から既知の位置にオフセットされた移動局と、前記レーザスキャナの相対水平角を検出する水平角検出部と、前記レーザスキャナの水平回転を制御する演算制御部とを具備し、前記固定局は、前記移動局にパルスを発信し、該移動局からのパルスを受信することで該移動局との距離を測定可能であり、前記演算制御部は、各固定局で形成される２次元の固定局座標系を演算し、前記レーザスキャナを前記機械点を中心に３６０°水平回転させつつ、所定角度毎に各固定局を中心とし、各固定局と前記移動局との距離を半径とする少なくとも３つの円の交点の座標を前記移動局の測位結果として演算し、３６０°分の各測位結果を平均して前記固定局座標系での概略機械点座標を演算するので、前記移動局を前記機械点と同心に設けて測位した場合よりも誤差を低減することができ、概略機械点座標の測位精度を向上させることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係るレーザスキャナを示す正断面図である。 本発明の第１の実施例に係る移動局の測位を説明する説明図である。 前記移動局を回転させつつ測位した場合の測位結果の軌跡を示す説明図である。 測位結果の平均値との差分を演算し、前記軌跡の中心を原点とした場合を示す説明図である。 前記移動局を回転させつつ測位した際の、相対水平角と概略回転角との関係を示す説明図である。 本発明の第２の実施例に係る固定局の候補位置を示す説明図である。 各候補位置で移動局を測位した際の、軌跡が取得される方向の違いを示す説明図である。 本発明の第３の実施例に係る移動局と固定局を移動させた場合を示す説明図である。 本発明の第４の実施例に係る固定局装置を示す正面図である。 本発明の第５の実施例に係るレーザスキャナを示す正断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の第１の実施例に係るレーザスキャナについて説明する。

レーザスキャナ１は、図示しない三脚に取付けられた整準部２と、該整準部２に設けられたスキャナ本体３とを有している。

前記整準部２は整準ネジ４を有し、該整準ネジ４により前記スキャナ本体３の整準を行う。

前記スキャナ本体３は、固定部５と、托架部６と、水平回転軸７と、水平回転軸受８と、水平回転駆動部としての水平回転モータ９と、水平角検出部としての水平角エンコーダ１１と、鉛直回転軸１２と、鉛直回転軸受１３と、鉛直回転駆動部としての鉛直回転モータ１４と、鉛直角検出部としての鉛直角エンコーダ１５と、鉛直回転部である走査鏡１６と、操作部と表示部とを兼用する操作パネル１７と、アンテナ１８と、移動局１９と、演算制御部２１と、記憶部２２と、光波距離計（ＥＤＭ）として構成される距離測定部２３等を具備している。

前記水平回転軸受８は前記固定部５に固定される。前記水平回転軸７は鉛直な軸心７ａを有し、前記水平回転軸７は前記水平回転軸受８に回転自在に支持される。又、前記托架部６は前記水平回転軸７に支持され、前記托架部６は水平方向に前記水平回転軸７と一体に回転する様になっている。

前記水平回転軸受８と前記托架部６との間には前記水平回転モータ９が設けられ、該水平回転モータ９は前記演算制御部２１により制御される。該演算制御部２１は、前記水平回転モータ９により、前記軸心７ａを中心に前記托架部６を回転させる。

前記托架部６の前記固定部５に対する相対回転角は、前記水平角エンコーダ１１によって検出される。該水平角エンコーダ１１からの検出信号は、前記演算制御部２１に入力され、該演算制御部２１により水平角データが演算される。前記演算制御部２１は、前記水平角データに基づき、前記水平回転モータ９に対するフィードバック制御を行う。

又、前記托架部６には、水平な軸心１２ａを有する前記鉛直回転軸１２が設けられている。該鉛直回転軸１２は、前記鉛直回転軸受１３を介して回転自在となっている。尚、前記軸心７ａと前記軸心１２ａの交点が、測距光の射出位置であり、前記スキャナ本体３の座標系の原点（機械点）となっている。

前記托架部６には、凹部２０が形成されている。前記鉛直回転軸１２は、一端部が前記凹部２０内に延出している。前記一端部に前記走査鏡１６が固着され、該走査鏡１６は前記凹部２０に収納されている。又、前記鉛直回転軸１２の他端部には、前記鉛直角エンコーダ１５が設けられている。

前記鉛直回転軸１２に前記鉛直回転モータ１４が設けられ、該鉛直回転モータ１４は前記演算制御部２１に制御される。該演算制御部２１は、前記鉛直回転モータ１４により前記鉛直回転軸１２を回転させ、前記走査鏡１６は前記軸心１２ａを中心に回転される。

前記走査鏡１６の回転角は、前記鉛直角エンコーダ１５によって検出され、検出信号は前記演算制御部２１に入力される。該演算制御部２１は、検出信号に基づき前記走査鏡１６の鉛直角データを演算し、該鉛直角データに基づき前記鉛直回転モータ１４に対するフィードバック制御を行う。

前記アンテナ１８は、前記托架部６の上面に設けられている。前記アンテナ１８は、例えばＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）等の無線通信により、後述する固定局との間で電磁波等のパルスの送受信やデータの授受が可能となっている。又、前記アンテナ１８は、前記軸心７ａと前記軸心１２ａに対してオフセットされ、前記軸心７ａに対する距離と前記軸心１２ａに対する距離とがそれぞれ既知となっている。即ち、機械点に対する前記アンテナ１８のオフセット量は既知となっている。

前記移動局１９は、前記アンテナ１８と接続されている。前記移動局１９は、前記アンテナ１８を介して固定局（後述）から発せられた電磁パルスを受信し、更に受信したパルスに対応したパルスを前記固定局に発信する機能を有している。又、前記移動局１９は、前記固定局にパルスを発信し、該固定局からのパルスを受信し、該固定局迄の距離を測定する機能を有している。更に、前記移動局１９は、前記固定局で測定された前記移動局１９迄の距離データを受信する機能を有している。

前記演算制御部２１としては、マイクロプロセッサ汎用ＣＰＵ、或は本装置に特化したＣＰＵが用いられる。前記演算制御部２１で演算された水平角データ、鉛直角データや測距結果、前記移動局１９と固定局との間の距離データ、前記固定局の座標、後述する前記移動局１９の概略座標及び概略方向等は、前記記憶部２２に保存される。水平角データ、鉛直角データや測距結果、前記移動局１９と固定局との間の距離データ、前記固定局の座標、後述する前記移動局１９の概略座標及び概略方向等が保存された前記記憶部２２の一部は、前記托架部６に対して着脱可能であってもよく、或は図示しない通信手段を介して外部記憶装置や外部データ処理装置にデータを送出可能としてもよい。

又、前記記憶部２２としては、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュＲＯＭ、ＤＲＡＭの様な半導体装置、ＨＤＤの様な磁気装置、ＣＤＲＯＭの様な光学装置等の装置が適宜用いられる。

前記記憶部２２には、測定点の測距、測角を行う為のプログラム、前記水平回転モータ９、前記鉛直回転モータ１４を駆動させる為のプログラム、前記固定局に対する前記移動局１９の概略座標を演算する為のプログラム、該移動局１９の概略方向を演算する為のプログラム、複数の３次元点群データをレジストレーションする為のプログラム等のプログラムが保存されている。前記演算制御部２１は、前記記憶部２２に保存された各プログラムに基づき、本発明の実施例に係る各種処理を実行する。

前記操作パネル１７は、例えばタッチパネルであり、測距の指示や測定条件、例えば測定点間隔の変更等を行う操作部と、測距結果等を表示する表示部とを兼用している。

前記距離測定部２３は、パルス光又はバースト光の測距光を射出可能となっている。前記距離測定部２３は、測距光を射出し、測定対象物の測定点からの反射測距光を受光する。測距光の射出タイミングと、反射測距光の受光タイミングは、それぞれ前記演算制御部２１に入力される。尚、バースト光については、特許文献２に開示されている。

前記レーザスキャナ１により測定を行う場合について説明する。

前記距離測定部２３から射出された測距光は、前記走査鏡１６に入射する。この時、測距光の光軸は前記軸心１２ａと合致しており、測距光は前記走査鏡１６によって直角に偏向される。該走査鏡１６が前記軸心１２ａを中心に回転することで、測距光は前記軸心１２ａと直交し、且つ軸心７ａを含む平面内で回転（走査）される。前記走査鏡１６で反射された測距光は、測定対象物の所定の測定点に照射され、測定対象物が走査される。測定点で反射された反射測距光は、前記走査鏡１６で直角に反射され、前記距離測定部２３に受光される。

前記演算制御部２１は、測距光の射出タイミングと、反射測距光の受光タイミングとの時間差（即ち、パルス光の往復時間）と光速とに基づき、測距光の１パルス毎に測距を実行する（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）。又、前記演算制御部２１は、測距光の射出タイミング、即ちパルス間隔を変更可能となっている。

尚、前記距離測定部２３に内部参照光光学系を設け、内部参照光の受光タイミングと、反射測距光の受光タイミングとの時間差により測距を行うことで、より高精度な測距が可能となる。

又、前記托架部６と前記走査鏡１６とがそれぞれ定速で回転し、該走査鏡１６の鉛直方向の回転と、前記托架部６の水平方向の回転との共同により、測距光が２次元に走査される。又、パルス光毎の測距により距離データ（斜距離）が得られ、各パルス光毎に前記鉛直角エンコーダ１５、前記水平角エンコーダ１１により鉛直角、水平角を検出することで、鉛直角データ、水平角データが取得できる。鉛直角データ、水平角データ、距離データとにより、測定対象物の３次元の点群データ（位置情報）が取得できる。

測定対象物が複雑な形状の場合、或は測定範囲に死角が存在する場合には、前記レーザスキャナ１の設置位置を変更して複数の３次元点群データを取得する必要がある。更に、取得した複数の３次元点群データを関連付けて結合させる必要もある。前記レーザスキャナ１により得られた複数の３次元点群データを結合（レジストレーション）させる為の方法として、特許文献１に示される様な、ＩＣＰ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｃｌｏｓｅｓｔ Ｐｏｉｎｔ）アルゴリズムを用いたレジストレーションがある。

ＩＣＰアルゴリズムは、複数の３次元点群データを自動でレジストレーションする為のアルゴリズムである。ＩＣＰアルゴリズムを用いることで、建物内部に多数のターゲットシートを貼設することなく複数の３次元点群データのレジストレーションを行うことができる。

一方で、ＩＣＰアルゴリズムを用いたレジストレーションでは、前記レーザスキャナ１の概略機械点座標と概略方位とを初期値としてＩＣＰアルゴリズムに与える必要がある。従って、ＩＣＰアルゴリズムを用いる為には、前記レーザスキャナ１の概略機械点座標と概略方位とを予め測定しておく必要がある。

以下、図２を参照し、前記レーザスキャナ１の概略機械点の位置測定（測位）方法について説明する。尚、以下の説明では、設置面は平坦であり、前記レーザスキャナ１の設置位置に拘わらず、機械点の高さは変化しないものとする。

本実施例では、第１固定局２４、第２固定局２５、第３固定局２６は、それぞれ前記レーザスキャナ１から離れた既知の位置に設置され、既知の座標を有している。又、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６は、各固定局間の距離も既知となっている。従って、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６の位置は、例えば前記第１固定局２４を原点とする２次元の座標系（固定局座標系）で表すことができる。

又、本実施例では、超広帯域無線（ＵＷＢ：Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）を用いた前記レーザスキャナ１の局所測位（測位）が行われる。ＵＷＢを用いた測位では、１つの移動局に対して少なくとも３つの固定局を必要とする。本実施例では、前記移動局１９が内蔵された前記レーザスキャナ１に対し、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６が用いられる。

ＵＷＢを用いた測位では、距離測定を実行する局（例えば前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６）から距離測定対象となる局（例えば前記移動局１９）に対してナノ秒オーダーの非常に短いパルスを発信する。又、前記移動局１９は、受信したパルスに対応したパルスを前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６に対して発信する。前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６は、それぞれパルスを発信してから受信する迄の時間とパルスの伝搬速度、即ち光速とに基づき、前記移動局１９迄の距離を測定する。

尚、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６は、例えば時間差を持って前記移動局１９にパルスを発信する。該移動局１９は、時間差に基づき前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６を区別する。或は、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６は、識別信号と共に前記移動局１９にパルスを発信してもよい。該移動局１９は、識別信号に基づき前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６を区別する。この場合、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６から発信されるパルスは同時でもよい。

尚、前記移動局１９は、パルスを受信し、所定の応答時間が経過した後、パルスを発信する様になっている。従って、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６と前記移動局１９との間の距離はそれぞれ以下の式で表すことができる。

Ｄ＝Ｃ×｛（Ｔｔｏｔａｌ−Ｔｒｅｓｐｏｎｓｅ）／２｝

上記式に於いて、Ｄは固定局と移動局との距離を示している。又、Ｃは光速を示している。又、Ｔｔｏｔａｌは固定局がパルスを発信してから受信する迄の時間を示している。更に、Ｔｒｅｓｐｏｎｓｅは移動局がパルスを受信してから発信する迄の応答時間を示している。

尚、上記では、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６を距離測定を実行する局とし、前記移動局１９を距離測定対象となる局としているが、該移動局１９を距離測定を実行する局とし、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６を距離測定対象となる局としてもよい。

前記レーザスキャナ１が任意の位置に設置されると、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６から発せられたパルスがそれぞれ前記アンテナ１８を介して前記移動局１９に受信される。又、該移動局１９は、前記アンテナ１８を介して前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６にそれぞれ受信したパルスに対応するパルスを発信する。

前記第１固定局２４は、前記移動局１９に対するパルスの往復時間と光速とに基づき、該移動局１９と前記第１固定局２４との間の距離ｄ１を演算する。前記第２固定局２５は、前記移動局１９に対するパルスの往復時間と光速とに基づき、該移動局１９と前記第２固定局２５との間の距離ｄ２を演算する。前記第３固定局２６は、前記移動局１９に対するパルスの往復時間と光速とに基づき、該移動局１９と前記第３固定局２６との間の距離ｄ３を演算する。

前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６で演算された距離データは、前記アンテナ１８を介して前記移動局１９に受信され、前記演算制御部２１に入力される。尚、ここで演算されたｄ１〜ｄ３は、それぞれ１０ｃｍ程度の誤差を含んでいる。

この時、前記アンテナ１８は、前記第１固定局２４を中心とした半径ｄ１の円の円周上に位置する。又、前記アンテナ１８は、前記第２固定局２５を中心とした半径ｄ２の円の円周上に位置する。更に、前記アンテナ１８は、前記第３固定局２６を中心とした半径ｄ３の円の円周上に位置する。

従って、前記アンテナ１８は、前記第１固定局２４を中心とした半径ｄ１の円と、前記第２固定局２５を中心とした半径ｄ２の円と、前記第３固定局２６を中心とした半径ｄ３の円の交点に位置すると見なすことができる。

前記演算制御部２１は、前記第１固定局２４の座標と距離ｄ１とに基づき円Ａを演算し、前記第２固定局２５の座標と距離ｄ２とに基づき円Ｂを演算し、前記第３固定局２６の座標と距離ｄ３とに基づき円Ｃを演算する。従って、前記演算制御部２１は、円Ａと円Ｂと円Ｃとに基づき、例えば前記第１固定局２４を原点とする固定局座標系に於ける前記アンテナ１８の座標が演算できる。

尚、上記の処理により演算されるのは前記アンテナ１８の座標であるが、以下の説明では該アンテナ１８の座標は前記移動局１９の座標であるものとしている。

図２は、該第１固定局２４を原点とする固定局座標系に於いて、前記第１固定局２４がＸ，Ｙ＝０ｍ，０ｍに配置され、前記第２固定局２５がＸ，Ｙ＝１０ｍ，０ｍに配置され、前記第３固定局２６がＸ，Ｙ＝０ｍ，１０ｍに配置された場合を示している。

又、測定の結果、前記移動局１９と各固定局２４〜２６との間の距離（ｄ１，ｄ２，ｄ３）がそれぞれ７．０７１ｍであった場合、円Ａと円Ｂと円Ｃとの交点の座標は、Ｘ，Ｙ＝５ｍ，５ｍとなる。

従って、図２の例では、前記演算制御部２１は、演算された前記移動局１９の座標と、機械点に対する前記アンテナ１８のオフセット量と、各固定局２４〜２６の既知の座標とに基づき前記レーザスキャナ１の概略機械点の位置を演算することができる。

然し乍ら、ＵＷＢを用いた測位では、測定結果に１ｍ程度の誤差を生じる場合がある。本実施例では、前記アンテナ１８が前記軸心７ａに対して既知の位置にオフセットされていることを利用し、概略機械点の測定精度の向上を図っている。

具体的には、前記托架部６を前記軸心７ａを中心に３６０°水平回転させつつ、所定角度毎に前記移動局１９の測位を行う。ここで得られる前記移動局１９の測位結果の軌跡は、前記軸心７ａを中心とした概略円状となる。

従って、各測位結果に基づき、前記演算制御部２１はＸ座標、Ｙ座標についてそれぞれ平均値を演算することで、前記托架部６の水平回転中心を求めることができる。即ち、Ｘ座標の平均値が前記軸心７ａのＸ座標、Ｙ座標の平均値が前記軸心７ａのＹ座標となり、ＵＷＢによる測位よりも精度を向上させた概略機械点座標の測定を行うことができる。

図３は、前記托架部６を３６０°水平回転させつつ、３°回転させる毎に、前記移動局１９の測位を行った場合の、該移動局１９の座標の軌跡２７を示している。ここで得られた各測位結果は、前記固定部５に対する前記托架部６の相対水平角（前記水平角エンコーダ１１の検出結果）と関連付けられて前記記憶部２２に保存される。

又、前記軌跡２７の各測位結果について、Ｘ座標とＸ座標の平均値との差分を演算し、Ｙ座標とＹ座標の平均値との差分を演算する。これにより、図４に示される様な、固定局座標系の原点（前記第１固定局２４の位置）を中心とする前記移動局１９が回転した場合の座標の軌跡２８を得ることができる。

尚、本実施例で測位された概略機械点座標は、３０ｃｍ程度の誤差を含む場合があるが、１ｍ以内であれば問題なくＩＣＰアルゴリズムの初期値として用いることができる。

次に、前記レーザスキャナ１の概略方位の演算方法について説明する。

前記レーザスキャナ１の方位を求める際には、例えば前記軸心７ａと前記アンテナ１８とを結んだ直線が、Ｘ軸と平行且つ前記アンテナ１８が正側に位置する状態を、水平０°方向の概略方位角として設定する。

或は、固定局座標系の原点を中心とする前記軌跡２８を演算した場合には、前記アンテナ１８が正の前記Ｘ軸上に位置する状態を、水平０°方向の概略方位角として設定する。

前記軸心７ａと前記アンテナ１８とを結んだ直線と、Ｘ軸又はＸ軸と平行な直線（基準軸）との成す角度（概略回転角）は、機械点のＸ−Ｙ座標と前記移動局１９の測位結果（Ｘ−Ｙ座標）とに基づき、アークタンジェントにより演算することができる。演算された概略回転角は、前記移動局１９のＸ−Ｙ座標と関連付けられて前記記憶部２２に保存される。

ここで、前記水平角エンコーダ１１により検出された相対水平角は、前記移動局１９の各測位結果（Ｘ−Ｙ座標）と関連付けられている。従って、前記移動局１９のＸ−Ｙ座標に基づき、概略回転角と、相対水平角とを対応付けることができる。

図５は、概略回転角を縦軸、相対水平角を横軸とし、概略回転角と相対水平角とを対応付けたグラフを示している。図５に示される様に、相対水平角が約３００°の時に、前記概略回転角が０°となっている。即ち、相対水平角が約３００°である方向を、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６で形成された座標系（固定局座標系）に対する前記レーザスキャナ１の水平０°方向の概略方位角として演算することができる。

尚、本実施例で演算された概略方位角は、例えば±２０°程度の誤差を含む場合があるが、±３０°以内であれば問題なくＩＣＰアルゴリズムの初期値として用いることができる。

前記レーザスキャナ１を他の位置に移動させた場合も、上記と同様の処理により前記レーザスキャナ１の概略機械点座標と概略方位角を演算することができる。

ＩＣＰアルゴリズムにより複数の３次元点群データをレジストレーションさせる際には、各地点で演算した前記レーザスキャナ１の概略機械点座標と概略方位角とを初期値としてＩＣＰアルゴリズムに入力する。これにより、前記演算制御部２１がＩＣＰアルゴリズムを用いて自動で、且つ確実に複数の３次元点群データのレジストレーションを行うことができる。

上述の様に、第１の実施例では、前記アンテナ１８を機械点に対して既知の値でオフセットして設けている。又、前記托架部６を３６０°水平回転させつつ、所定角度毎に前記移動局１９を測位し、各測位結果のＸ座標とＹ座標をそれぞれ平均した平均値を概略機械点座標として演算している。

従って、前記アンテナ１８を機械点と同心に設け、ＵＷＢで概略機械点座標を自動で測位した場合よりも誤差を低減することができ、概略機械点座標の測位精度を向上させることができる。

又、第１の実施例では、測位した概略機械点座標に基づき、概略回転角と相対水平角との対応付けを行っている。従って、別途方位計等を設けることなく、固定局座標系に対する水平０°方向の概略方位角を自動で演算することができる。

又、第１の実施例では、複数の３次元点群データを取得した各地点でそれぞれ概略機械点座標と概略方位角を演算し、演算した概略機械点座標と概略方位角とを初期値として、ＩＣＰアルゴリズムにより複数の３次元点群データのレジストレーションを自動で行っている。

従って、レジストレーションを行なう際に、作業者が手動で３次元点群データの方向等を合わせる必要がなく、又建物内部にターゲットシートを貼設する必要がないので、作業時間の短縮、作業効率の向上を図ることができる。

更に、第１の実施例では、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６と前記移動局１９との距離に基づき、概略機械点座標を演算し、概略機械点座標に基づき概略方位角を演算し、概略機械点座標と概略方位角とに基づきレジストレーションを行っている。

従って、トンネル内等、ＧＮＳＳ装置による測位が行えない様な場所であっても、複数の３次元点群データのレジストレーションを行うことができる。

尚、第１の実施例では、全周分の各測位結果のＸ座標とＹ座標をそれぞれ平均した平均値を概略機械点座標としている。一方で、前記軸心７ａと前記アンテナ１８との水平距離は既知であるので、該水平距離を半径とする円を全周分の各測位結果の軌跡にフィッティングさせ、フィッティングさせた円の中心を概略機械点座標として演算してもよい。

又、第１の実施例では、３つの固定局２４〜２６を用いて前記移動局１９の測位を行っているが、固定局は４つ以上であってもよい。例えば、４つの固定局を用いる場合、各固定局と前記移動局１９との距離をそれぞれ求め、各固定局を中心とし前記移動局１９との距離を半径とする４つの円を演算し、４つの円の交点を前記移動局１９の設置位置として演算する。固定局が５つ以上の場合も同様である。

次に、図６、図７に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図６、図７中、図２中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。又、第２の実施例に於いても、設置面は平坦であり、レーザスキャナ１の設置位置に拘わらず、機械点の高さは変化しないものとする。

第１の実施例では、第１固定局２４、第２固定局２５、第３固定局２６がそれぞれ既知の点に設置されていたが、第２の実施例では、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６がそれぞれ未知の点に設置されている。

前記第１固定局２４は前記第２固定局２５及び前記第３固定局２６との距離を求め、前記第２固定局２５は前記第１固定局２４及び前記第３固定局２６との距離を求め、前記第３固定局２６は前記第１固定局２４及び前記第２固定局２５との距離を求める。

例えば、図６は、前記第１固定局２４と前記第２固定局２５との距離が１０ｍであり、前記第１固定局２４と前記第３固定局２６との距離が１０ｍであり、前記第２固定局２５と前記第３固定局２６との距離が１４．１４ｍであった場合を示している。

更に、図６は、各固定局２４〜２６で形成される座標系（固定局座標系）に於いて、前記第１固定局２４が原点（０ｍ，０ｍ）に位置し、前記第３固定局２６が正側のＹ軸上（０ｍ，１０ｍ）に位置する様固定局座標系を設定した場合を示している。

上記の設定の場合、前記第２固定局２５は前記第１固定局２４を中心とした半径１０ｍの円Ｄと、前記第３固定局２６を中心とした半径１４．１４ｍの円Ｅとが交差する２点（候補位置２５ａ，２５ｂ）のいずれかに位置する。即ち、前記第２固定局２５は、Ｙ軸（前記第１固定局２４と前記第３固定局２６を結ぶ直線）に関して対称なＸ軸上の２点のいずれかに位置する。

然し乍ら、演算制御部２１は、正側のＸ軸上と負側のＸ軸上の２つの第２固定局２５の前記候補位置２５ａ，２５ｂのうち、どちらが正しい配置なのかどうかを判断することができない。

図７に示される様に、この状態で任意の位置に移動局１９を設置した場合、該移動局１９の位置の候補として、正側と負側にＹ軸に関して対称な２点（候補位置１９ａ，１９ｂ）が存在することとなる。前記移動局１９についても、前記演算制御部２１は、正側に位置する前記移動局１９（前記候補位置１９ａ）と負側に位置する前記移動局１９（前記候補位置１９ｂ）のうち、どちらが正しい配置なのかどうかを判断することができない。

第２の実施例では、前記移動局１９と前記第２固定局２５の位置が不明な状態で、托架部６（図１参照）を軸心７ａ（図１参照）を中心に３６０°水平回転させつつ、所定角度毎に前記移動局１９の測位を行う。

前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６により得られる前記移動局１９の軌跡２７は、前記第２固定局２５が正側に位置するか負側に位置するかで回転方向が逆となる（図７中２７ａ，２７ｂ）。例えば、前記候補位置１９ａに位置する前記移動局１９では軌跡２７ａが時計回りで得られ、前記候補位置１９ｂに位置する前記移動局１９では軌跡２７ｂが反時計回りで得られる。

前記演算制御部２１は、前記托架部６の回転方向と、前記軌跡２７ａ，２７ｂの回転方向とを比較し、前記托架部６の回転方向と合致する回転方向の軌跡を正しい前記軌跡２７として判断することができる。例えば、前記演算制御部２１は、前記托架部６が時計回りで回転していた場合には、前記軌跡２７ａが正しい軌跡であると判断することができる。

前記軌跡２７ａが正しい軌跡と判断されることで、前記演算制御部２１は、図７中前記候補位置１９ａと前記候補位置２５ａとが前記移動局１９と前記第２固定局２５の正しい配置であると判断することができる。従って、前記第２固定局２５の配置が特定され、固定局座標系での前記移動局１９の位置（座標）を特定することができる。

前記移動局１９、前記第２固定局２５の位置を特定した後は、第１の実施例と同様の処理により、前記レーザスキャナ１の概略機械点座標と概略方位角を演算する。即ち、ＩＣＰアルゴリズム初期値として概略機械点座標と概略方位角を入力し、複数の３次元点群データのレジストレーションを自動で実行させる。

第２の実施例では、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６を既知点に設けることなく、前記レーザスキャナ１の概略機械点座標、概略方位角を演算することができる。

従って、前記移動局１９、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６の設置位置は全て任意でよいので、事前に設置点の座標を取得する必要がなく、更に前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６と設置点との位置合せも不要となり、作業性を更に向上させることができる。

尚、第２の実施例では、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６を全て座標が不明な未知点に設置している。然し乍ら、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６の一部を既知点に設置し、残部の固定局の位置を第２の実施例の方法により特定してもよい。

又、第２の実施例では、３つの固定局２４〜２６を用いて前記移動局１９の測位を行っているが、固定局は４つ以上であってもよい。固定局を４つ設ける場合も、２つの固定局の固定局座標系での位置を設定する。次に、位置を設定した固定局を中心とし、他の２つの固定局迄の距離を半径とする２つの円を、位置を設定した固定局毎に演算する。即ち、位置を設定した固定局を中心とした円を２つずつ演算する。

上記の場合、同一の固定局迄の距離を半径とした円同士の交点が２つずつ存在するので、他の２つの固定局の候補位置は４点となる。但し、固定局座標系での他の２つの固定局間の距離と、測定した他の２つの固定局間の距離とが一致する組合わせは２通りしかない。従って、候補位置の組合わせは、３つの固定局の場合と同様に２通りとなる。固定局が５つ以上の場合も同様である。

次に、図８に於いて、本発明の第３の実施例について説明する。尚、図８中、図２中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。又、第３の実施例に於いても、設置面は平坦であり、レーザスキャナ１の設置位置に拘わらず、機械点の高さは変化しないものとする。

３次元点群データ同士のレジストレーションでは、前記レーザスキャナ１の設置位置を移動させつつ、複数地点で３次元点群データを取得する必要がある。ＵＷＢを用いた測位に於いて、高精度に移動局１９の測位を行う為には、３つの固定局２４，２５，２６で形成される三角形内に前記移動局１９が位置するのが望ましい。

然し乍ら、前記レーザスキャナ１を移動させた際には、前記三角形の外に前記移動局１９が配置される場合がある。この場合、該移動局１９の測位精度を維持する為、前記三角形内に前記移動局１９が位置する様、第１固定局２４、第２固定局２５、第３固定局２６を配置し直す必要がある。

図８は、図２に示される第１の実施例の配置から、前記第１固定局２４と前記移動局１９を移動させた状態を示している。即ち、前記第１固定局２４を第１の位置２４αから第２の位置２４βへと移動させ、前記移動局１９を第１の位置１９αから第２の位置１９βへと移動させた状態を示している。

前記第１固定局２４を既知の点（前記第２の位置２４β）に移動させた場合には、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６で形成される三角形内の任意の位置（前記第２の位置１９β）に、前記移動局１９を移動させる。該移動局１９については、第１の実施例と同様の処理により、概略機械点座標と概略方位角を演算できる。

又、前記第１固定局２４を未知の点に移動させた場合には、第２の実施例と同様の処理により、前記第２の位置２４βに位置する前記第１固定局２４の位置を特定し、前記第２の位置１９βに位置する前記移動局１９の概略機械点座標と概略方位角を演算する。

ここで演算される概略機械点座標と概略方位角は、共に固定局座標系での概略機械点座標と概略方位角となる。従って、前記第１の位置１９αと前記第２の位置１９βで得られる前記移動局１９の概略機械点座標と概略方位角は、同一座標系での値となるので、確実に自動で３次元点群データ同士のレジストレーションを行うことができる。

次に、図９に於いて、本発明の第４の実施例について説明する。

図９は、固定局装置３１を示している。尚、第１固定局２４が用いられる固定局装置、第２固定局２５が用いられる固定局装置、第３固定局２６が用いられる固定局装置はそれぞれ同一の構成であるので、以下では前記第１固定局２４が用いられる前記固定局装置３１について説明する。

該固定局装置３１は、アンテナ３２と、該アンテナ３２に接続された前記第１固定局２４と、前記アンテナ３２に対して既知の位置に設けられたターゲット３３と、マグネット等金属製の構造物に対して着脱可能な構成を有する固定部３４とが一体化された構造となっている。

第４の実施例では、前記固定局装置３１が前記ターゲット３３を有することで、前記レーザスキャナ１、或はトータルステーション等の他の測量装置による前記固定局装置３１の測定が可能となる。従って、測量装置により前記第１固定局２４に座標を与えることが可能となり、該第１固定局２４の座標取得が容易となるので、作業効率を向上させることができる。

尚、前記ターゲット３３としては、再帰反射性を有する物体、例えば３６０°プリズム、１素子プリズム、反射シート、チェッカーターゲット、スフィア等が適用可能である。

又、前記固定部３４を電磁石とし、スイッチのＯＮ／ＯＦＦの切替えにより構造物に対して着脱させる構成とするのが望ましい。又、前記固定部３４は、基盤部等測量装置に対して着脱可能な構成としてもよい。

又、前記ターゲット３３は、前記移動局１９が設けられた前記レーザスキャナ１により測定してもよいし、トータルステーションやレーザスキャナ等の測量装置を別途設け、該測量装置により前記ターゲット３３を測定してもよい。

更に、該ターゲット３３を測定することで、前記第１固定局２４の３次元座標、即ち高さも測定できるので、測位が行われる設置面が平坦ではない場合にも適用可能となる。

次に、図１０に於いて、本発明の第５の実施例について説明する。尚、図１０中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第５の実施例では、スキャナ本体３に気圧センサ３５を別途設けている。該気圧センサ３５は、１０ｃｍ単位で高さを測定可能な構成となっている。他の構成については第１の実施例のレーザスキャナ１と同様である。又、図示はしないが、第１固定局２４、第２固定局２５、第３固定局２６の少なくとも１つに気圧センサが設けられているものとする。

第１の実施例〜第３の実施例では、前記レーザスキャナ１の設置面が平坦であり、機械点の高さが変化しない場合の測位について説明している。例えば、建物の同一フロア内で取得された３次元点群データのレジストレーション行う場合は、基本的に設置面は平坦であるので、第１の実施例〜第３の実施例をそのまま適用可能である。

一方で、階段部分の様な、前記移動局１９と前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６を全て平坦な設置面に設置するのが困難な場合もある。この場合、平坦面に設置した前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６に加え、異なる高さの設置面に設置された固定局を別途設けることで、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６の高さ（Ｚ座標）を求めることが可能である。

然し乍ら、高さを高精度に求める為には、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６と別途設ける固定局との間に遮蔽物がないことが条件となる。更に、高さを高精度に求める為には、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６と別途設ける固定局の高さの差を大きくする必要があり、実施が困難である。

第５の実施例では、演算制御部２１は、前記気圧センサ３５で検出された気圧と、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６のうちの少なくとも１つに設けられた気圧センサで検出された気圧との差に基づき、固定局に対する前記移動局１９の相対的な高さを演算することができる。即ち、固定局に対する前記移動局１９の相対Ｚ座標を演算し、測位の際にＺ座標として用いることができる。

従って、設置面が平坦ではなく、前記移動局１９と前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６とが同一平面上に設置されていない場合であっても、前記移動局の測位が可能となる。

尚、気圧センサは、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６にそれぞれ設けてもよい。気圧センサがそれぞれ設けられることで、前記第１固定局２４、前記第２固定局２５、前記第３固定局２６にそれぞれＺ座標を与えることができ、前記移動局の測位精度を向上させることができる。

１ レーザスキャナ
３ スキャナ本体
５ 固定部
６ 托架部
７ 水平回転軸
１１ 水平角エンコーダ
１２ 鉛直回転軸
１５ 鉛直角エンコーダ
１６ 走査鏡
１８ アンテナ
１９ 移動局
２１ 演算制御部
２２ 記憶部
２３ 距離測定部
２４ 第１固定局
２５ 第２固定局
２６ 第３固定局
３１ 固定局装置
３３ ターゲット
３５ 気圧センサ

Claims (8)

1. 移動局を有し、３次元点群データを取得するレーザスキャナと、少なくとも３つの固定局とを有するレーザスキャナシステムであって、前記レーザスキャナは、該レーザスキャナの水平回転軸心上の機械点から既知の位置にオフセットされた移動局と、前記レーザスキャナの相対水平角を検出する水平角検出部と、前記レーザスキャナの水平回転を制御する演算制御部とを具備し、前記固定局は、前記移動局にパルスを発信し、該移動局からのパルスを受信することで該移動局との距離を測定可能であり、前記演算制御部は、各固定局で形成される２次元の固定局座標系を演算し、前記レーザスキャナを前記機械点を中心に３６０°水平回転させつつ、所定角度毎に各固定局を中心とし、各固定局と前記移動局との距離を半径とする少なくとも３つの円の交点の座標を前記移動局の測位結果として演算し、３６０°分の各測位結果を平均して前記固定局座標系での概略機械点座標を演算するレーザスキャナシステム。
2. 前記演算制御部は、前記移動局の測位結果に基づき、前記機械点と前記移動局を結ぶ直線と前記固定局座標系の基準軸とが成す概略回転角と、前記水平角検出部で検出される相対水平角とを対応付け、前記概略回転角が０°となる時の前記相対水平角を概略方位角として演算する請求項１に記載のレーザスキャナシステム。
3. 前記演算制御部は、演算された前記概略機械点座標と前記概略方位角とを初期値として、前記レーザスキャナで取得された複数の３次元点群データを結合させる請求項２に記載のレーザスキャナシステム。
4. 前記各固定局は、既知の３次元座標を有する請求項３に記載のレーザスキャナシステム。
5. 前記固定局は他の固定局との距離を測定可能であり、前記演算制御部は、前記固定局のうちの２つの前記固定局座標系での位置を設定し、前記２つの固定局を中心とし、残りの固定局との距離を半径とする少なくとも２つの円が交差する少なくとも２点に基づき前記残りの固定局の２つの候補位置を演算し、各候補位置で前記移動局の測位結果の軌跡をそれぞれ取得し、托架部の回転方向と合致する回転方向で取得される軌跡を有する前記候補位置を前記残りの固定局の設置位置として決定する請求項３に記載のレーザスキャナシステム。
6. 前記概略機械点座標と前記概略方位角の演算後、前記固定局のうちの１つと前記移動局とを移動させ、前記演算制御部が再度概略機械点座標と前記概略方位角を演算する請求項４又は請求項５に記載のレーザスキャナシステム。
7. 前記移動局と少なくとも１つの前記固定局にそれぞれ気圧センサが設けられ、前記演算制御部は、各気圧センサの検出結果に基づき前記固定局に対する前記移動局の相対的な高さを演算し、演算した高さに基づき３次元の概略機械点座標を演算する請求項４〜請求項６のうちのいずれか１項に記載のレーザスキャナシステム。
8. 前記各固定局はそれぞれ固定局装置に設けられ、該固定局装置は前記レーザスキャナにより３次元座標を測定可能なターゲットを具備する請求項１〜請求項７のうちいずれか１項に記載のレーザスキャナシステム。