JP2022052135A - ターゲットの方向取得装置、制御システム、測量装置をターゲットの方向に指向させる方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】極力新たなハードウェアを必要とせずに測量装置の側でターゲットの方向を検知できる技術を得る。【解決手段】レーザースキャナ１００から見た反射プリズム４００の方向を取得するターゲットの方向取得方法であって、ＧＮＳＳ位置測定装置を備えたスマートフォン２００により測位した反射プリズム４００の位置と、ＧＮＳＳ位置測定装置を備えたスマートフォン１５０により測位したレーザースキャナ１００の位置とに基づき、レーザースキャナ１００から見た反射プリズム４００の方向を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、測量装置の制御に関する。

測量の現場において、特定の地点の座標を定めたい場合がある。この場合、その位置にターゲット（例えば、反射プリズム）を配置し、測量装置でターゲットの測位が行われる。ここで、測量装置は自動で稼働させ、ターゲットを作業員が手に持って移動しつつ、ターゲットの測位を行う方法がある。

この方法において、測量装置をターゲットの方向に振り向かせたい（指向させたい）場合がある。この問題に対応する技術として、特許文献１～３に記載された技術が公知である。

日本国特許第４６４８０２５号公報 日本国特許第４１７７７６５号公報 日本国特許第４１７７７８４号公報

特許文献１～３に記載された技術は、専用のハードウェアを利用するので、コスト増となる。このような背景において、本発明は、極力新たなハードウェアを必要とせずに測量装置の側でターゲットの方向を検知できる技術の提供を目的とする。

本発明は、測量装置から見たターゲットの方向を取得するターゲットの方向取得装置であって、第１のＧＮＳＳ位置測定装置による前記ターゲットの測位データと前記測量装置の位置データに基づき、前記測量装置から見た前記ターゲットの方向の取得を行うターゲットの方向取得装置である。

本発明は、上記のターゲットの方向取得装置と、前記測量装置から見た前記ターゲットの前記方向に基づき、前記測量装置を回転させ、前記測量装置を前記ターゲットの方向に指向させる制御を行う制御装置とを含む制御システムとして把握することもできる。

本発明は、測量装置から見たターゲットの方向を取得するターゲットの方向取得方法であって、前記測量装置の位置を測位機能付きの第１のスマートフォンで測位するステップと、前記ターゲットの位置を測位機能付きの第２のスマートフォンで測位するステップと、前記第１のスマートフォンで測位した前記測量装置の位置と第２のスマートフォンで測位した前記ターゲットの位置とに基づいて、前記測量装置から見た前記ターゲットの方向を算出するステップとを有するターゲットの方向取得方法として把握することもできる。

上記の発明において、前記２のスマートフォン測位は、前記第１のスマートフォンによる遠隔操作により行われる態様が挙げられる。

本発明において、前記第２のスマートフォンは方位センサを備え、前記測量装置の向きと前記第２のスマートフォンの向きの関係は既知であり、前記方位センサの出力に基づき、前記測量装置から見た前記ターゲットの方向と前記測量装置の向きとの関係が求められる態様が挙げられる。本発明において、前記１のスマートフォンのディスプレイに前記測量装置から見た前記ターゲットの方向を示す表示が行われる態様が挙げられる。

本発明は、測量装置から見たターゲットの方向を取得するターゲットの方向取得方法であって、第１のＧＮＳＳ位置測定装置による前記ターゲットの測位データと前記測量装置の位置データに基づき、前記測量装置から見た前記ターゲットの方向の取得を行うターゲットの方向取得方法として把握することもできる。

本発明は、測量装置から見たターゲットの方向を取得する演算をコンピュータに実行させるプログラムであって、コンピュータに第１のＧＮＳＳ位置測定装置による前記ターゲットの測位データと前記測量装置の位置データに基づき、前記測量装置から見た前記ターゲットの方向を算出させる処理を実行させるプログラムとして把握することもできる。

本発明によれば、極力新たなハードウェアを必要とせずに測量装置の側でターゲットの方向を検知できる技術が得られる。

実施形態の概要図である。 測量装置から見た反射プリズムの方向の関係を示す原理図である。 レーザースキャナのブロック図である。 処理サーバのブロック図である。 処理の手順の一例を示すフローチャートである。

１．概要
図１に実施形態の概要を示す。この技術では、スマートフォン１５０と２００のＧＮＳＳ測位機能を用いて、測量装置であるレーザースキャナ１００をターゲットである反射プリズム４００の方向に指向させる。

すなわち、スマートフォン１５０によりレーザースキャナ１００の位置（第１の位置）を測定する。また、スマートフォン２００を用いて、反射プリズム４００の位置（第２の位置）を測定する。第１の位置と第２の位置が判ることで、第１の位置から見た第２の位置の方向が判る。この方向にレーザースキャナ１００を回転させることで、レーザースキャナ１００を反射プリズム４００に指向させる。

２．原理
図２には、鉛直上方から見た幾何関係が示されている。この場合、スマートフォン１５０の位置とスマートフォン２００の位置が測位されることで、スマートフォン１５０からスマートフォン２００に向かうベクトルＶ１が求まる。なお、位置を記述する座標系は、絶対座標系（グローバル座標系）が用いられる。絶対座標系は、ＧＮＳＳで利用される座標系である。

スマートフォン１５０の位置をレーザースキャナ１００の位置と見なし、スマートフォン２００の位置を反射プリズム４００の位置と見なすと、ベクトルＶ１は、レーザースキャナ１００から見た反射プリズム４００の方向を示すベクトルとなる。

ベクトルＶ２は、レーザースキャナ１００の正面の方向を示すベクトルである。この場合、ベクトルＶ１とバクトルＶ２の関係から、レーザースキャナ１００の正面の方向に対するスマートフォン４００（反射プリズム４００）の方向の角度θが求まる。

ここで、角度θ＝０となるようにレーザースキャナ１００を回転させることで、レーザースキャナ１００を反射プリズム４００の方向に向けることができる。なお、ベクトルＶ２の方向を取得する方法としては、（１）スマートフォン１５０の方位センサから取得、（２）レーザースキャナ１００に方位センサを具備させ、そこから取得、（３）レーザースキャナ１００の設置時に基準方位を取得しておき、本体部１０３の回転角から算出、といった方法がある。

３．構成の詳細
（レーザースキャナ側の構成）
図１に示すように、レーザースキャナ１００は、三脚１０１、三脚に支持された基台１０２、水平回転が可能な状態で基台１０２上に保持された本体部１０３、本体部１０３に配置され、本体部１０３に対して鉛直回転が可能な光学系１０４を有している。

レーザースキャナ１００は、作業員３００が手にする操作端末である無線コントローラ１１０により遠隔操作が可能である。操作端末として、スマートフォンやタブレットＰＣを利用する形態も可能である。

光学系１０４を鉛直回転させながら、光学系１０４から測距用のレーザー光をパルス放射することで、鉛直面におけるレーザースキャンが行われる。また同時に本体部１０３を水平回転させることで、天球面に対するレーザースキャンが行われる。

レーザースキャナ１００の本体部１０３には、アダプタを用いてスマートフォン１５０が固定されている。本体部１０３は、水平回転するが、スマートフォン１５０も本体部１０３と一体となって水平回転する。

スマートフォン１５０は、市販されている汎用品であり、磁気センサを利用した方位センサ（磁気コンパス）と、ＧＰＳ衛星に代表される航法衛星からの航法信号に基づく測位機能を有するＧＮＳＳ位置測定装置を備えている。スマートフォン１５０により、レーザースキャナ１００の位置と水平方向における方位が計測される。

スマートフォン１５０は、スマートフォン２００による遠隔操作が可能とされている。この遠隔操作は、市販されているスマートフォンの遠隔操作用アプリケーションソフトを用いて実現されている。

図３は、レーザースキャナ１００のブロック図である。レーザースキャナ１００は、レーザースキャナ部１１１、水平回転制御部１１２、通信装置１１３を備えている。

レーザースキャナ部１１１は、上述したレーザースキャンに係る制御および処理を行う。水平回転制御部１１２は、基台１０２に対する本体部１０３の水平回転を制御する。

通信装置１１３は、外部との通信を行う。ここでは、無線ＬＡＮの規格を利用した通信を行う。この例では、通信装置１１３を用いて、作業員３００が手にする無線コントローラ１１０との間で通信を行う。この例では、無線コントローラ１１０による遠隔操作により、レーザースキャナ１００の動作に係る操作が可能とされている。

測量装置としてはトータルステーションやレーザースキャナ付きトータルステーションが利用できる。測量装置（レーザースキャナ１００）がＧＮＳＳ位置測定装置や方位センサを備える形態も可能である。

（キャリブレーションについて）
動作開始時の初期状態において、レーザースキャナ１００の正面の方向とスマートフォン１５０の水平方向における向きとの関係を定めるキャリブレーション処理を行っておく。ここで、スマートフォン１５０の水平方向における向きは、スマートフォン１５０が備える方位センサにより計測される。この処理により、レーザースキャナ１００の向きとスマートフォン１５０の向きの関係が既知となる。

（反射プリズム側の構成）
反射プリズム４００は、測量用の反射プリズムであり、入射した光線を１８０°反転させた方向に反射する。ターゲットとなる反射プリズム４００は、支持棒４１０の上端に固定されている。支持棒４１０は、作業員３００が手に持って持ち運ばれ、測位を行う地点に設置される。支持棒４１０には、アダプタを介してスマートフォン２００が固定されている。スマートフォン２００は、ＧＮＳＳを利用した測位機能および通信機能を備えている。

（処理サーバの構成）
図４は、処理サーバ５００のブロック図である。処理サーバ５００は、位置データ取得部５０１、測量装置の方向データ取得部５０２、ターゲット方向算出部５０３を備える。処理サーバ５００は、コンピュータであり、ＣＰＵ、メモリ、ハードディスク装置、各種の入出力インターフェースを有している。スマートフォン２００は、インターネット回線を介して処理サーバ５００との間でデータ通信を行うことができる。

処理サーバ５００を構成するコンピュータには、図４に示す機能部を実現するためのアプリケーションソフトウェアがインストールされ、図４に示す処理サーバ５００がソフトウェア的に実現されている。処理サーバ５００の一部または全部を専用の電子回路で構成することも可能である。例えば、ＦＰＧＡを用いて、処理サーバ５００の一部または全部を構成することも可能である。

位置データ取得部５０１は、スマートフォン１５０とスマートフォン２００の位置データを取得する。

測量装置の方向データ取得部５０２は、レーザースキャナ１００の正面の方向の算出に必要なデータを取得する。ここでは、スマートフォン１５０の方位センサの計測データと、レーザースキャナ１００の動作開始時における正面の方向とスマートフォン１５０の水平方向における向きとの関係および方位センサの計測値データの初期値が測量装置の方向データとして測量装置の方向データ取得部５０２で取得される。

キャリブレーションが行われた初期の状態から本体部１０３が回転すると、スマートフォン１５０も回転し、水平方向におけるその向きが変化する。この変化は、スマートフォン１５０が内蔵した方位センサの計測値の変化（初期値からの変化）から読み取ることができる。よって、レーザースキャナ１００の動作開始時における正面の方向とスマートフォン１５０の水平方向における向きとの関係、および方位センサの初期値を把握しておくことで、本体部１０３の初期状態からの回転角、すなわちレーザースキャナ１００の正面の方向の変化を知ることができ、レーザースキャナ１００の正面の方向を示すベクトルＶ２を得ることができる。

例えば、初期値でレーザースキャナ１００の正面の方向が方位３０°であるとする。そして、スマートフォン１５０の方位センサに基づく初期値に対する水平回転変化分が鉛直上方から見て時計回り方向で６０°であったとする。この場合、初期値３０°から更に６０°時計回り方向に回転したことになるので、レーザースキャナ１００の正面の方向は方位９０°となる。

ターゲット方向算出部５０３は、スマートフォン１５０と２００の位置、およびレーザースキャナ１００の正面の方向に基づき、図２の原理により、レーザースキャナ１００から見て、反射プリズム４００がレーザースキャナ１００の正面を基準としてどの方向に見えるのかを算出する。具体的には、図２のべクトルＶ１とベクトルＶ２の関係を算出する。

すなわち、スマートフォン１５０と２００の位置が判ることで、ベクトルＶ１が得られ、測量装置の方向データ取得部５０２が取得したデータにより、ベクトルＶ２が得られる。そして、ベクトルＶ１とベクトルＶ２を比較することで、図２の関係が得られ、レーザースキャナ１００（スマートフォン１５０）から見て、反射プリズム４００（スマートフォン２００）がレーザースキャナ１００の正面を基準としてどの方向に見えるのかが算出される。この処理がターゲット方向算出部５０３で行われる。

４．処理の手順の一例
以下、処理サーバ５００で行われる処理の手順の一例を示す。図５は、処理を実行するためのフローチャートの一例である。図５の処理を実行するためのプログラムは、処理サーバ５００を構成するコンピュータの記憶装置（半導体メモリやハードディスク装置）に記憶され、当該コンピュータのＣＰＵにより実行される。このプログラムを適当な記憶媒体に記憶する形態も可能である。

ここでは、スマートフォン２００と反射プリズム４００の位置は同じと見なす。また、スマートフォン１５０とレーザースキャナ１００の位置も同じと見なす。

作業に先立ち、レーザースキャナ１００の動作開始時（動作初期時）における正面の方向とスマートフォン１５０の向きとの関係を定めるキャリブレーション処理を行っておく。

ここでは、作業員３００が反射プリズム４００を保持した状態で測位を行いたい地点におり、その状態でレーザースキャナ１００を自分の方向（反射プリズム４００の方向）に向けたい場合を想定する。

この状態において、作業員３００は、スマートフォン２００を操作し、スマートフォン２００による測位、およびスマートフォン１５０による測位と方位データの取得を指示する。

この指示の結果得られたスマートフォン２００の位置のデータ、およびスマートフォン１５０の位置のデータは、処理サーバ５００で取得される（ステップＳ１０１）。

また、方位の計測を指示されたスマートフォン１５０は、内蔵する方位センサにより方位を計測すると共に、この方位のデータと、予め取得したレーザースキャナ１００の正面の方向とスマートフォン１５０の向きとの関係、更に方位センサの初期値のデータをスマートフォン２００経由で処理サーバ５００に送る。これらのデータは、レーザースキャナ１００の方向データとして、処理サーバ５００で取得される（ステップＳ１０２）。

そして、処理サーバ５００は、ステップＳ１０１とステップＳ１０２で得たデータに基づき、図２の関係を算出し、レーザースキャナ１００（スマートフォン１５０）から見たスマートフォン２００（反射プリズム５００）の方向を算出する（ステップＳ１０３）。

次に、ステップＳ１０３の結果がスマートフォン２００に送られ、スマートフォン２００のディスプレイ上に表示される。例えば、図２の幾何関係がスマートフォン２００のディスプレイ上に表示される。

この表示を見て、作業員３００は、無線コントローラ１１０を操作し、θ＝０となるようにレーザースキャナ１００を水平回転させ、レーザースキャナ１００の正面をスマートフォン２００（反射プリズム４００）の方向に向ける（ステップＳ１０４）。スマートフォン２００や処理サーバ５００から、ステップＳ１０４の処理の実行を指示する形態も可能である。

この状態で、特定の範囲（例えば、水平角で±１０°）の範囲でレーザースキャンが行われ、反射プリズム４００の測位が行われる。

５．優位性
処理サーバ５００を用意する必要はあるが、ソフトウェアの用意だけで済み、後は既存のハードウェアを利用して発明を実施できる。

本実施形態では、２点の位置の比較による第１の点（スマートフォン１５０）から見た第２の点（スマートフォン２００）の方向の算出を行うので、測位データに同じ誤差が含まれている場合、誤差が相殺される。そのため、ＧＮＳＳを用いた測位データに誤差が含まれていてもよい。よって、安価なＧＮＳＳ位置測定装置であるスマートフォンを利用して発明を実現することができる。

６．その他
処理サーバ５００の機能をＰＣで実現し、このＰＣを作業員３００が携帯する形態も可能である。また、スマートフォン２００の代わりに、タブレット型ＰＣを用いることもできる。この場合、タブレット型ＰＣの演算能力に余裕があれば、処理サーバ５００の機能を当該タブレット型ＰＣで行う形態も可能である。処理サーバ５００の機能をレーザースキャナ１００が備えた構成も可能である。この場合、レーザースキャナ１００が処理サーバ５００の機能を有するコンピュータを備える。

レーザースキャナ１００の側で、自身が向いている方向を把握している場合、ベクトルＶ１の情報をレーザースキャナ１００に与えることで、レーザースキャナ１００を反射プリズム４００の方向に指向させることができる。

レーザースキャナ１００の正面の方向を、キャリブレーション時の初期値と本体部１０３の水平回転角のデータから算出することもできる。この場合、処理サーバ５００は、本体部１０３の水平回転角のデータを水平回転制御１１２から取得する。

７．他の実施形態
測量装置（例えば、レーザースキャナ１００）の位置と姿勢（向き）が既知の場合がある。例えば、測量装置を既知点に据えた場合や設置後に測位を行い既知の機械点とした場合がこれに当たる。

以下、この場合の一例を説明する。例えば、図１の場合を想定する。この場合、レーザースキャナ１００の位置と姿勢は既知であるとする。レーザースキャナ１００の位置と姿勢のデータは、初期データとしてレーザースキャナ１００に記憶されている。姿勢は、レーザースキャナ１００内のエンコーダーの計測値と方位の関係として記憶されている。

この場合、スマートフォン１５０は必須でない。この例では、レーザースキャナ１００は、スマートフォン２００と通信が可能であり、またレーザースキャナ１００は、スマートフォン２００により操作が可能とされている。

以下、作業員３００がスマートフォン２００を操作して、レーザースキャナ１００を反射プリズム４００の方向に指向させる処理の手順の一例を説明する。

この場合、まずスマートフォン２００を用いて、レーザースキャナ１００の位置と指向方向（正面の方向）のデータを取得する。このデータとスマートフォン２００自身の位置情報がスマートフォン２００から処理サーバ５００に送信される。

処理サーバ５００は、図２の原理により、レーザースキャナ１００から見た反射プリズム４００の方向、および角度θを算出する。この段階で、反射プリズム４００（スマートフォン２００）の位置、レーザースキャナ１００の位置、レーザースキャナ１００の正面の方向は判っている。よって、ベクトルＶ１、およびベクトルＶ１とＶ２の関係が求まり、θが算出できる。

図２の幾何関係のデータは、処理サーバ５００からスマートフォン２００に送信される。作業員３００は、スマートフォン２００を操作し、図２の幾何関係に基づき、レーザースキャナ１００を水平方向に角度θで回転させ、レーザースキャナ１００を反射プリズム４００に正対させる。

１００…レーザースキャナ、１０１…三脚、１０２…基台、１０３…本体部、１０４…光学系、１１０…無線コントローラ、１５０…スマートフォン、２００…スマートフォン、３００…作業員、４００…反射プリズム、４１０…支持棒、５００…処理サーバ。

Claims (8)

1. 測量装置から見たターゲットの方向を取得するターゲットの方向取得装置であって、
   第１のＧＮＳＳ位置測定装置による前記ターゲットの測位データと前記測量装置の位置データに基づき、前記測量装置から見た前記ターゲットの方向の取得を行うターゲットの方向取得装置。
2. 請求項１に記載のターゲットの方向取得装置と、
   前記測量装置から見た前記ターゲットの前記方向に基づき、前記測量装置を回転させ、前記測量装置を前記ターゲットの方向に指向させる制御を行う制御装置と
   を含む制御システム。
3. 測量装置から見たターゲットの方向を取得するターゲットの方向取得方法であって、
   前記測量装置の位置を測位機能付きの第１のスマートフォンで測位するステップと、
   前記ターゲットの位置を測位機能付きの第２のスマートフォンで測位するステップと、
   前記第１のスマートフォンで測位した前記測量装置の位置と第２のスマートフォンで測位した前記ターゲットの位置とに基づいて、前記測量装置から見た前記ターゲットの方向を算出するステップと
   を有するターゲットの方向取得方法。
4. 前記２のスマートフォン測位は、前記第１のスマートフォンによる遠隔操作により行われる請求項３に記載のターゲットの方向取得方向。
5. 前記第２のスマートフォンは方位センサを備え、
   前記測量装置の向きと前記第２のスマートフォンの向きの関係は既知であり、
   前記方位センサの出力に基づき、前記測量装置から見た前記ターゲットの方向と前記測量装置の向きとの関係が求められる請求項３または４に記載のターゲットの方向取得方法。
6. 前記１のスマートフォンのディスプレイに前記測量装置から見た前記ターゲットの方向を示す表示が行われる請求項３～５のいずれか一項に記載のターゲットの方向取得方法。
7. 測量装置から見たターゲットの方向を取得するターゲットの方向取得方法であって、
   第１のＧＮＳＳ位置測定装置による前記ターゲットの測位データと前記測量装置の位置データに基づき、前記測量装置から見た前記ターゲットの方向の取得を行うターゲットの方向取得方法。
8. 測量装置から見たターゲットの方向を取得する演算をコンピュータに実行させるプログラムであって、
   コンピュータに
   第１のＧＮＳＳ位置測定装置による前記ターゲットの測位データと前記測量装置の位置データに基づき、前記測量装置から見た前記ターゲットの方向を算出させる処理を実行させるプログラム。
   
   

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