JP2022067500A - Survey system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、小型無人飛行体(UAV:Unmanned Air Vehicle)の位置と方位を測定する為の測量システムに関するものである。 The present invention relates to a surveying system for measuring the position and orientation of a small unmanned aerial vehicle (UAV: Unmanned Air Vehicle).
近年、UAV(Unmanned Air Vehicle:小型無人飛行体)の進歩に伴い、UAVに各種装置を搭載して遠隔操作により、或はUAVを自律飛行させ、所要の作業が行われている。例えば、UAVに写真測量用カメラ、レーザスキャナを搭載し、上空から下方の測定、或は人の立入れない場所での測定が行われる。 In recent years, with the progress of UAV (Unmanned Air Vehicle: small unmanned aerial vehicle), various devices are mounted on the UAV and the required work is performed by remote control or autonomous flight of the UAV. For example, a UAV is equipped with a photogrammetric camera and a laser scanner, and measurements are taken from the sky to below, or in a place where no one can enter.
UAVの位置測定では、トータルステーション等の測量装置により、UAVに設けられた再帰反射性を有するターゲットを追尾しつつUAVの位置を測定する。或は、UAVにGPSを搭載し、該GPSによりUAVの位置を測定する。尚、UAVを屋内で飛行させる場合、GPS信号を受信できない。この場合、UAVに内蔵したIMU(Inertial Measurement Unit:慣性計測装置)の検出結果と、最後に測定されたUAVの位置に基づき、UAVの自己位置が推定される。 In the position measurement of the UAV, the position of the UAV is measured while tracking the target having the retroreflective property provided in the UAV by a surveying device such as a total station. Alternatively, a GPS is mounted on the UAV, and the position of the UAV is measured by the GPS. When the UAV is flown indoors, GPS signals cannot be received. In this case, the self-position of the UAV is estimated based on the detection result of the IMU (Inertial Measurement Unit) built in the UAV and the position of the last measured UAV.
UAVにレーザスキャナを搭載し、該レーザスキャナで測定を行う場合、UAVの向きや傾きが既知である必要がある。然し乍ら、トータルステーションでUAVの位置を測定する場合も、GPSによりUAVの位置を測定する場合も、UAVの向きや傾きを測定することが困難である。 When a laser scanner is mounted on a UAV and measurement is performed with the laser scanner, it is necessary that the orientation and inclination of the UAV are known. However, it is difficult to measure the direction and inclination of the UAV both when measuring the position of the UAV with a total station and when measuring the position of the UAV with GPS.
従って、UAVの向きや傾斜を求める為には、UAVに別途方位計や傾斜検出器を設ける必要がある。この為、UAVの重量が増大すると共に、構成が複雑化するという問題があった。 Therefore, in order to obtain the direction and inclination of the UAV, it is necessary to separately provide an azimuth meter and an inclination detector on the UAV. Therefore, there is a problem that the weight of the UAV increases and the configuration becomes complicated.
本発明は、飛行体に別途計測器を設けることなく飛行体の位置と姿勢の測定が可能な測量システムを提供するものである。 The present invention provides a surveying system capable of measuring the position and attitude of a flying object without separately providing a measuring instrument on the flying object.
本発明は、遠隔操縦可能であり、飛行体と着地ユニットとを有する飛行装置と、前記飛行体の位置測定が可能な位置測定装置と、前記飛行体の飛行を制御し、前記飛行装置及び前記位置測定装置と無線通信可能な遠隔操縦機とを有する測量システムであって、前記飛行体は、周面に設けられた複数のカメラと、所定の位置に設けられた測定器と、下面に形成された半球状の収納部と、該収納部内に赤外光を射出可能な赤外線センサと、制御装置とを有し、前記着地ユニットは、スタンドと、該スタンドで鉛直に支持されたシャフトと、該シャフトの上端に設けられ、基準位置と基準方向を有するトラックボールとを有し、前記遠隔操縦機は、前記飛行体を前記トラックボールへと降下させ、該トラックボールが前記収納部に収納された状態で、前記制御装置は前記トラックボールで反射された赤外光に基づき、前記トラックボールの基準位置と基準方向に対する前記飛行体の姿勢を演算する様に構成された測量システムに係るものである。 The present invention comprises a flight device that can be remotely controlled and has a flying object and a landing unit, a position measuring device capable of measuring the position of the flying object, and the flying device and the above-mentioned flying device that controls the flight of the flying object. It is a surveying system having a position measuring device and a remote control device capable of wireless communication, and the flying object is formed on a plurality of cameras provided on the peripheral surface, a measuring instrument provided at a predetermined position, and a lower surface thereof. It has a hemispherical storage part, an infrared sensor capable of emitting infrared light in the storage part, and a control device, and the landing unit includes a stand, a shaft vertically supported by the stand, and a shaft. It has a trackball provided at the upper end of the shaft and having a reference position and a reference direction, the remote controller lowers the flying object onto the trackball, and the trackball is stored in the storage portion. In this state, the control device relates to a measuring system configured to calculate the attitude of the flying object with respect to the reference position and the reference direction of the trackball based on the infrared light reflected by the trackball. be.
又本発明は、前記飛行体の下面に円錐台状の凹部が形成され、該凹部の上端に前記収納部が形成され、前記飛行体は、降下時に前記凹部の傾斜と前記トラックボールとの接触により誘導され、前記収納部に前記トラックボールが収納される様構成された測量システムに係るものである。 Further, in the present invention, a truncated cone-shaped recess is formed on the lower surface of the flying object, the accommodating portion is formed on the upper end of the recess, and the flying object is in contact with the inclination of the recess and the trackball when descending. The present invention relates to a surveying system that is guided by the above-mentioned storage unit and is configured to store the trackball in the storage unit.
又本発明は、前記測定器は1軸のレーザスキャナであり、該レーザスキャナは走査鏡を介して測距光を1次元にスキャン可能に構成され、前記制御装置は前記走査鏡の回転と、該走査鏡と直行する方向に回転する前記飛行体の回転との協動により、前記測距光を3次元に回転照射し、全周の点群データを取得する様構成された測量システムに係るものである。 Further, in the present invention, the measuring instrument is a uniaxial laser scanner, the laser scanner is configured to be able to scan distance measuring light one-dimensionally through a scanning mirror, and the control device is configured to rotate the scanning mirror. The present invention relates to a surveying system configured to irradiate the distance measuring light three-dimensionally in cooperation with the rotation of the flying object rotating in a direction perpendicular to the scanning mirror and acquire point group data around the entire circumference. It is a thing.
又本発明は、前記測定器はレーザスキャナであり、該レーザスキャナは基盤部と、該基盤部に対して水平回転可能に設けられた本体部と、該本体部に対して鉛直回転可能に設けられた走査鏡とを有し、該走査鏡は測距光を1次元にスキャン可能に構成され、前記制御装置は前記本体部の回転と前記走査鏡の回転との協動により、前記測距光を3次元に回転照射し、全周の点群データを取得する様構成された測量システムに係るものである。 Further, in the present invention, the measuring instrument is a laser scanner, and the laser scanner is provided with a base portion, a main body portion provided so as to be horizontally rotatable with respect to the base portion, and vertically rotatable with respect to the main body portion. The scanning mirror is configured to be able to scan the distance measuring light in one dimension, and the control device has the distance measuring by the cooperation between the rotation of the main body and the rotation of the scanning mirror. It relates to a measuring system configured to rotate and irradiate light in three dimensions and acquire point group data around the entire circumference.
又本発明は、前記位置測定装置はトータルステーションであり、前記飛行体の下面に全周プリズムが設けられ、前記位置測定装置は前記全周プリズムを追尾しつつ測距及び測角を行い、前記遠隔操縦機は前記位置測定装置の測定結果及び前記レーザスキャナで取得した点群データに基づき、前記位置測定装置を基準とした点群データを演算する様構成された測量システムに係るものである。 Further, in the present invention, the position measuring device is a total station, an all-around prism is provided on the lower surface of the flying object, and the position measuring device performs distance measurement and angle measurement while tracking the all-around prism, and the remote measurement. The pilot is related to a surveying system configured to calculate point group data based on the position measuring device based on the measurement result of the position measuring device and the point group data acquired by the laser scanner.
又本発明は、前記位置測定装置はGPS装置であり、前記遠隔操縦機は前記位置測定装置の測定結果及び前記レーザスキャナで取得した点群データに基づき、前記位置測定装置を基準とした点群データを演算する様構成された測量システムに係るものである。 Further, in the present invention, the position measuring device is a GPS device, and the remote controller is a point cloud based on the position measuring device based on the measurement result of the position measuring device and the point cloud data acquired by the laser scanner. It relates to a measurement system configured to calculate data.
更に又本発明は、前記制御装置は、前記カメラに動画像又は連続画像を取得させ、時間的に隣接する画像中でそれぞれ同一の特徴点を抽出し、該特徴点間の位置偏差を演算し、該位置偏差に基づき、先の画像取得時に対する後の画像取得時の前記飛行体の傾斜角、方位角、移動量を演算する様構成された測量システムに係るものである。 Furthermore, in the present invention, the control device causes the camera to acquire a moving image or a continuous image, extracts the same feature points in temporally adjacent images, and calculates a position deviation between the feature points. The present invention relates to a surveying system configured to calculate the tilt angle, azimuth angle, and movement amount of the flying object at the time of later image acquisition with respect to the time of the previous image acquisition based on the position deviation.
本発明によれば、遠隔操縦可能であり、飛行体と着地ユニットとを有する飛行装置と、前記飛行体の位置測定が可能な位置測定装置と、前記飛行体の飛行を制御し、前記飛行装置及び前記位置測定装置と無線通信可能な遠隔操縦機とを有する測量システムであって、前記飛行体は、周面に設けられた複数のカメラと、所定の位置に設けられた測定器と、下面に形成された半球状の収納部と、該収納部内に赤外光を射出可能な赤外線センサと、制御装置とを有し、前記着地ユニットは、スタンドと、該スタンドで鉛直に支持されたシャフトと、該シャフトの上端に設けられ、基準位置と基準方向を有するトラックボールとを有し、前記遠隔操縦機は、前記飛行体を前記トラックボールへと降下させ、該トラックボールが前記収納部に収納された状態で、前記制御装置は前記トラックボールで反射された赤外光に基づき、前記トラックボールの基準位置と基準方向に対する前記飛行体の姿勢を演算する様に構成されたので、前記飛行体に方位計や傾斜検出器等の計測器を別途設ける必要がないので、前記飛行体の軽量化、小型化を図ることができるという優れた効果を発揮する。 According to the present invention, a flight device that can be remotely controlled and has a flying object and a landing unit, a position measuring device capable of measuring the position of the flying object, and the flying device that controls the flight of the flying object. And a measuring system having a remote control device capable of wireless communication with the position measuring device, the flying object includes a plurality of cameras provided on the peripheral surface, a measuring instrument provided at a predetermined position, and a lower surface thereof. It has a hemispherical storage part formed in the storage part, an infrared sensor capable of emitting infrared light in the storage part, and a control device, and the landing unit is a stand and a shaft vertically supported by the stand. And a trackball provided at the upper end of the shaft and having a reference position and a reference direction, the remote controller lowers the flying object onto the trackball, and the trackball is placed in the storage portion. In the retracted state, the control device is configured to calculate the attitude of the flying object with respect to the reference position and the reference direction of the trackball based on the infrared light reflected by the trackball. Since it is not necessary to separately provide a measuring instrument such as an azimuth meter or an inclination detector on the body, the excellent effect of being able to reduce the weight and size of the flying object is exhibited.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
先ず、図1に於いて、本実施例に係る測量システムについて説明する。 First, the surveying system according to this embodiment will be described with reference to FIG.
測量システム1は、主に飛行装置(UAV)2、トータルステーション(TS)等の位置測定装置3、遠隔操縦機4から構成される。
The
前記飛行装置2は、主に飛行体5と、該飛行体5を着地させる為の自立可能な着地ユニット(後述)と、前記飛行体5の上面に設けられ、測距光を回転照射する測定器としてのレーザスキャナ6と、前記飛行体5の下面に設けられた再帰反射体としての全周プリズム7と、前記飛行体5の周面に複数(例えば4個)設けられた飛行体カメラ8と、前記遠隔操縦機4との間で通信を行う飛行体通信部9とを具備している。尚、前記飛行体5には基準位置が設定されている。該基準位置は、例えば前記飛行体5の機械中心であり、基準位置と前記レーザスキャナ6の光学中心(測距光の射出位置)と、前記全周プリズム7の光学中心と、各飛行体カメラ8の光学中心との位置関係は、それぞれ既知となっている。又、前記飛行体5と、前記レーザスキャナ6と、前記全周プリズム7と、各飛行体カメラ8とは、それぞれ一体化されている。
The
前記レーザスキャナ6は、パルス発光又はバースト発光されたレーザ光線を測距光として射出し、走査鏡(後述)を介して所定の測定対象物に照射する。又、測定対象物で反射された測距光(反射測距光)が前記レーザスキャナ6に受光され、往復時間及び光速に基づき測定対象物迄の距離が測定される。又、前記走査鏡を回転させることで、測距光は、前記飛行体5の鉛直軸心を含む平面内で1次元に回転照射される。
The
前記全周プリズム7は、該全周プリズム7の下方全範囲から入射される光を再帰反射する光学特性を有している。尚、前記全周プリズム7に代えて、反射シールを全周に貼設した部材を前記飛行体5の下面に設けてもよい。
The all-
各飛行体カメラ8は、隣接する飛行体カメラ8同士の画像が所定量オーバラップする様、各飛行体カメラ8の画角、数、配置等が決定される。又、各飛行体カメラ8の撮像光軸は、例えば前記飛行体5の基準位置と直交し、基準位置で交差する様設定される。更に、前記飛行体カメラ8の撮像中心と基準位置との関係は既知となっている。
In each
前記位置測定装置3は、既知の3次元座標を有する点に設けられている。該位置測定装置3は、追尾機能を有し、前記全周プリズム7を追尾しつつ、該全周プリズム7の3次元座標を測定する。又、前記位置測定装置3は、前記遠隔操縦機4と無線通信が可能であり、前記位置測定装置3が測定した3次元座標は、座標データとして前記遠隔操縦機4に入力される。
The
前記遠隔操縦機4は、例えばスマートフォンやタブレット等の携帯端末、或は該携帯端末に入力装置が接続又は一体化された装置となっている。前記遠隔操縦機は、演算機能を有する演算装置、データ、プログラムを格納する記憶部、更に端末通信部(後述)を有している。前記遠隔操縦機4は、前記端末通信部と前記飛行体通信部9との間で前記飛行装置2との無線通信が可能であり、又前記端末通信部と前記位置測定装置3の通信部との間で該位置測定装置3との無線通信が可能となっている。更に、前記遠隔操縦機4は、前記飛行装置2の飛行を遠隔操作し、前記レーザスキャナ6による測距作動も遠隔操作可能となっている。
The
次に、図2、図3に於いて、前記飛行装置2について説明する。
Next, the
飛行体5は、放射状に延出する複数で且つ偶数のプロペラフレーム11(図示では11a~11d)を有し、該プロペラフレーム11の先端にプロペラユニットが設けられる。該プロペラユニットは、前記プロペラフレーム11の先端に取付けられたプロペラモータ12(図示では12a~12d)と、該プロペラモータ12の出力軸に取付けられたプロペラ13(図示では13a~13d)により構成される。
The flying
前記飛行体5は、下面に形成された円錐台状の凹部14を有している。又、該凹部14の上面には半球状の収納部15が形成されている。該収納部15の内周面には、該収納部15内に赤外光を射出し、受光する為の赤外線センサ16が設けられている。
The flying
着地ユニット17は、4本の脚部により四角錐状に立設されたスタンド18と、該スタンド18に支持されるシャフト19と、該シャフト19の上端に設けられたトラックボール21とを具備している。
The
前記スタンド18は、下部に設けられた下側支持部18aと、上端部に設けられた上側支持部18bの2点で前記シャフト19を支持可能となっている。又、前記上側支持部18bは、保持した前記シャフト19を偏心可能となっている。従って、前記スタンド18は、前記下側支持部18aを支点として前記上側支持部18bにより前記シャフト19を偏心させることで、該シャフト19の傾斜を調整でき、該シャフト19を所望の姿勢で保持可能となっている。
The
該シャフト19は、例えば気泡管(図示せず)を有している。該気泡管を参照しつつ、前記上側支持部18bにより前記シャフト19を偏心させることで、該シャフト19を鉛直姿勢とすることができる。即ち、前記気泡管と前記上側支持部18bとで前記シャフト19の整準部が構成される。尚、前記スタンド18は、一般的な三脚であってもよい。三脚の場合も、気泡管等を介して前記シャフト19を偏心させ、該シャフト19を鉛直姿勢とできる様構成される。
The
前記トラックボール21は、前記シャフト19の上端に固着された球状の物体であり、全周面に亘って赤外光を反射可能となっている。又、前記トラックボール21は、それぞれパターンが異なる微細なドットが形成されていると共に、基準位置と基準方向(ゼロ位置とゼロ方向)が設定されている。更に、前記トラックボール21は、前記収納部15に収納可能であり、且つ該収納部15内で摺動可能となっている。
The
前記トラックボール21が前記収納部15内に収納された状態で、前記赤外線センサ16が前記トラックボール21の所定のドットからの反射光を検出することで、前記飛行体5の基準方向に対する方位角、水平に対する傾斜角及び傾斜方向が検出可能となる。従って、前記赤外線センサ16と前記トラックボール21とは前記飛行装置2の姿勢検出部を構成する。
The
該姿勢検出部は、図4に示される様に、前記飛行体5の水平方向の回転角(方位角)は360°検出可能であり、該飛行体5の傾斜角は、鉛直状態から前記凹部14の下縁が前記シャフト19に接触する迄検出可能である。例えば、姿勢検出部は、鉛直を0°として±135°程度、即ち270°程度の範囲迄前記飛行体5の傾斜角を検出可能となっている。
As shown in FIG. 4, the attitude detecting unit can detect the horizontal rotation angle (azimuth) of the flying
次に、図5を参照して、前記飛行装置2の制御系について説明する。
Next, the control system of the
前記飛行体5は、制御装置22を内蔵している。該制御装置22は、主に演算制御部23、記憶部24、撮像制御部25、飛行制御部26、プロペラモータドライバ部27、スキャナ制御部29、センサ制御部31、前記飛行体通信部9とを具備している。
The flying
尚、本実施例では、前記スキャナ制御部29が前記制御装置22に含まれているが、別構成としてもよい。例えば、前記レーザスキャナ6内に前記スキャナ制御部29を設け、前記飛行体通信部9を介して前記飛行体5を前記レーザスキャナ6との間で制御信号の授受を行ってもよい。
In this embodiment, the
前記飛行体カメラ8(図示では8a~8d)の撮影は、前記撮像制御部25によって制御される。前記飛行体カメラ8によって撮影された画像は、画像データとして前記撮像制御部25に入力される。
The shooting of the flying object camera 8 (8a to 8d in the figure) is controlled by the image
前記飛行体カメラ8としてはデジタルカメラが設けられ、静止画像が撮影できると共に、動画像、又は連続する画像を構成するフレーム画像を取得可能となっている。又、撮像素子として、画素の集合体であるCCD、CMOSセンサ等が設けられ、各画素は撮像素子内での位置が特定できる様になっている。例えば、前記飛行体カメラ8の光軸が撮像素子を通過する点を原点とする直行座標によって、各画素の位置が特定される。各画素は、受光信号と共に画素座標を前記撮像制御部25に出力する。
The flying
前記記憶部24には、プログラム格納部とデータ格納部とが形成される。前記プログラム格納部には、前記飛行体カメラ8の撮影を制御する為の撮影プログラム、画像データから特徴点を抽出する為の特徴点抽出プログラム、時間的に隣接する画像データに於いて同一の特徴点間の位置偏差を演算する位置偏差演算プログラム、前記プロペラモータ12を駆動制御する為の飛行制御プログラム、前記レーザスキャナ6による測距作動を制御する測距プログラム、前記赤外線センサ16の検出結果に基づき前記飛行体5の傾きと方位(姿勢)を演算する姿勢検出プログラム、取得したデータを前記遠隔操縦機4に送信し、又該遠隔操縦機4からの飛行指令や撮像指令を受信する為の通信プログラム等のプログラムが格納されている。
A program storage unit and a data storage unit are formed in the
前記データ格納部には、前記飛行体カメラ8で取得した静止画像データや動画像データ、前記遠隔操縦機4から送信された前記位置測定装置3で測定した前記飛行装置2の位置データ、特徴点間の位置偏差に基づき演算した前記飛行装置の移動距離、移動方向データ、前記姿勢検出部により検出された前記飛行体5の傾斜角データ及び方位角データ、更に前記静止画像データ、前記動画像データを取得した時の時間、位置データ等が格納される。
In the data storage unit, still image data and moving image data acquired by the flying
前記撮像制御部25は、前記演算制御部23から発せられる制御信号に基づき、前記飛行体カメラ8a~8dの撮像に関する制御を行う。又、前記飛行体カメラ8a~8dは、前記遠隔操縦機4からの制御信号、或は前記レーザスキャナ6から発せられる測距光の射出タイミング等に基づき前記撮像制御部25によって同期制御される。
The image
前記スキャナ制御部29は、前記レーザスキャナ6の駆動を制御する。即ち、前記スキャナ制御部29は、測距光の発光間隔、走査鏡32の回転速度等を制御し、該走査鏡32を介して前記測距光を回転照射する。即ち、前記スキャナ制御部29は、前記レーザスキャナ6から照射される測距光の点群間隔、点群密度を制御する。又、反射測距光の受光結果は前記走査鏡32の回転角と関連づけられて前記演算制御部23に入力され、測距が実行される。
The
前記センサ制御部31は、前記赤外線センサ16から射出される赤外光の射出及び停止を制御する。又、前記収納部15に収納された前記トラックボール21で反射された赤外光は前記赤外線センサ16に受光され、受光信号が前記センサ制御部31に出力される。
該センサ制御部31は、受光信号に基づき、前記トラックボール21のどのドットで反射されたかを判断する様になっている。更に、前記演算制御部23は、前記センサ制御部31の判断結果に基づき、前記飛行体5の傾斜及び方位を演算する。
The
The
尚、赤外光は、前記赤外線センサ16から常時射出されていてもよい。又、前記収納部15に接触式のセンサを設け、該センサと前記トラックボール21との接触に基づき前記赤外線センサ16が赤外光を射出してもよい。或は、前記飛行体5に下方を撮影するカメラを設け、画像中に前記トラックボール21を検出した時点で前記赤外線センサ16が赤外光を射出する様にしてもよい。
Infrared light may be constantly emitted from the
前記飛行体通信部9は、前記遠隔操縦機4で前記飛行体5が遠隔操作される場合に、前記遠隔操縦機4からの操縦信号を受信し、該操縦信号を前記演算制御部23に入力する。或は、各飛行体カメラ8で撮影した各画像データと撮影位置を関連付けると共に、前記遠隔操縦機4に送信する等の機能を有する。
When the
前記演算制御部23は、前記記憶部24に格納された各種プログラムに基づき、測定対象物を測距光で走査(測定)する為の各種制御を実行する。又、前記演算制御部23は、前記操縦信号や隣接する画像データ間の特徴点の位置偏差に基づき、飛行に関する制御信号を演算し、前記飛行制御部26に出力する。
The
前記飛行制御部26は、飛行に関する制御信号に基づき、前記プロペラモータドライバ部27を介して前記プロペラモータ12を所要の状態に駆動する。
The
次に、図6を参照して、前記位置測定装置3について説明する。
Next, the
該位置測定装置3は、主に測定制御装置34、望遠鏡部35(図1参照)測距部36、水平角検出器37、鉛直角検出器38、水平回転駆動部39、鉛直回転駆動部41、広角カメラ42、望遠カメラ43等を具備している。
The
前記望遠鏡部35は、測定対象物を視準するものである。前記測距部36は、前記望遠鏡部35を介して測距光を射出し、更に前記望遠鏡部35を介して前記測定対象物からの反射光を受光し、測距を行うものである。即ち、前記測距部36は光波距離計としての機能を有する。又、前記望遠鏡部35は、前記広角カメラ42と望遠カメラ43とを内蔵している。前記広角カメラ42は広画角、例えば30°を有し、前記望遠カメラ43は前記広角カメラ42よりも狭い画角、例えば5°を有している。尚、前記広角カメラ42の光軸と前記望遠カメラ43の光軸は、それぞれ前記測距光の光軸と平行であり、各光軸間の距離は既知となっている。又は、前記広角カメラ42の光軸、前記望遠カメラ43の光軸、測距光の光軸はそれぞれ合致している。
The
更に、前記測距部36は、プリズム測定を実行しつつ前記測定対象物(前記全周プリズム7)の追尾が可能である。該測定対象物の追尾を行なう際には、前記望遠鏡部35を介して、前記測距光と同軸で追尾光が射出される。或は、前記広角カメラ42と前記望遠カメラ43のうちいずれかにて前記測定対象物を捉え、該測定対象物が常に前記カメラの画像中心に位置する様、前記水平回転駆動部39と前記鉛直回転駆動部41を制御してもよい。
Further, the ranging
前記水平角検出器37は、前記望遠鏡部35の視準方向の内、水平角を検出する。又、前記鉛直角検出器38は、前記望遠鏡部35の視準方向の内、鉛直角を検出する。前記水平角検出器37、前記鉛直角検出器38の検出結果は、前記測定制御装置34に入力される。
The
該測定制御装置34は、主に測距制御部44、測定演算処理部45、測定記憶部46、測定通信部47、モータ駆動制御部48、撮像制御部49等を有する。
The
前記測距制御部44は、前記測定演算処理部45からの制御信号に基づき、前記測距部36による前記全周プリズム7の測距動作を制御する。又、前記測定記憶部46には、前記全周プリズム7の測距を行う為の測定プログラム、該全周プリズム7の追尾を行う為の追尾プログラム、前記広角カメラ42と前記望遠カメラ43の撮像を行う為の撮像プログラム、前記飛行装置2及び前記遠隔操縦機4と通信を行う為の通信プログラム等のプログラムが格納されている。又、前記測定記憶部46には、前記全周プリズム7の測定結果(測距結果、測角結果)が格納される。
The distance measuring
前記測定通信部47は、前記全周プリズム7を測定した結果(該全周プリズム7の斜距離、水平角、鉛直角)をリアルタイムで前記遠隔操縦機4に送信する。
The
前記モータ駆動制御部48は、前記全周プリズム7に前記望遠鏡部35を視準させる為に、或は前記全周プリズム7を追尾させる為に、前記水平回転駆動部39、前記鉛直回転駆動部41を制御し、前記望遠鏡部35を水平方向に、或は鉛直方向に回転させる。
The motor
前記撮像制御部49は、前記広角カメラ42と前記望遠カメラ43の撮像を制御する。尚、前記位置測定装置3が前記全周プリズム7を追尾している状態では、前記飛行体5は常に前記広角カメラ42と前記望遠カメラ43で取得される画像内に位置する様になっている。
The image
前記位置測定装置3は、前記全周プリズム7を追尾しつつ測距し、測距結果と前記水平角検出器37、前記鉛直角検出器38の検出結果に基づき、前記全周プリズム7の3次元座標をリアルタイムで測定する。
The
図7は、前記遠隔操縦機4の概略構成、及び前記飛行装置2と前記位置測定装置3と前記遠隔操縦機4の関連を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of the
前記遠隔操縦機4は、演算機能を有する端末演算処理部51、端末記憶部52、端末通信部53、操作部54、表示部55を有している。
The
前記端末演算処理部51は、クロック信号発生部を有し、前記飛行装置2から受信した画像データ、座標データ等をそれぞれクロック信号に関連付ける。又、前記端末演算処理部51は、受信した各種データを前記クロック信号に基づき時系列のデータとして処理し、前記端末記憶部52に保存する。
The terminal
該端末記憶部52には、前記飛行装置2や前記位置測定装置3と通信を行う為の通信プログラム、前記位置測定装置3の設置位置の3次元座標に基づき、前記全周プリズム7の3次元座標を演算する為のプログラム、該全周プリズム7の3次元座標や前記飛行装置2から受信した測定結果等に基づき測定点(測定対象物)の3次元座標を演算する為のプログラム、操作画面や測定結果、各カメラで取得された画像等を表示する為の表示プログラム、タッチパネル等を介して指示を入力する為の操作プログラム等のプログラムが格納される。
The
前記端末通信部53は、前記飛行装置2との間、前記位置測定装置3との間で通信を行う。又、前記操作部54は前記表示部55と一体に設けられたコントローラのボタン等を介して各種指示を入力し、前記飛行体5の操作を行う。
The
前記表示部55は、前記飛行体カメラ8で取得された飛行体カメラ画像、前記広角カメラ42で取得された広角カメラ画像、前記望遠カメラ43で取得された望遠カメラ画像、前記位置測定装置3で取得された測定結果を示す測定結果画面等が表示される。
The
尚、前記表示部55の全てをタッチパネルとしてもよい。該表示部55が全てタッチパネルである場合には、前記操作部54を省略してもよい。この場合、前記表示部55には前記飛行体5を操作する為の操作パネルが設けられる。
All of the
次に、前記測量システム1を用いた測定について説明する。尚、以下では、屋内等、GNSS装置が使用できない場合を示している。
Next, the measurement using the
先ず、前記着地ユニット17を測定対象物近傍の任意の位置に設置する。又、整準部(図示せず)により、前記シャフト19を鉛直に整準する。更に、基準方位(例えば北)に前記トラックボール21の基準方向を合わせるか、或は基準方位に対する前記トラックボール21の基準方向の相対方位角を演算する。尚、基準方向の設定は、前記スタンド18や前記シャフト19に方位計を設け、該方位計に基づき行ってもよいし、作業者が手に持った方位計に基づき行ってもよい。
First, the
次に、前記飛行体カメラ8により撮影を開始した後、前記遠隔操縦機4を介して、前記飛行体5を飛行させる。この時、前記遠隔操縦機4の操作パネルを介して前記飛行体5を手動で操作してもよいし、予め設定された飛行プログラムに基づき前記飛行体5を自動で飛行させてもよい。
Next, after shooting is started by the flying
前記飛行体5は、方位計や傾斜検出器を有していない為、飛行中の前記飛行体5の傾斜や方位を直接検出することができない。本実施例では、前記飛行体カメラ8a~8dにより360°全周の動画像又は連続画像を取得している。
Since the flying
前記飛行体5の飛行中、前記撮像制御部25は各飛行体カメラ8a~8d毎に、図8(A)、図8(B)に示される様な、飛行体カメラ画像56を連続して取得する。
During the flight of the flying
前記演算制御部23は、建造物や鉄骨の角、或は特徴的な輝度等から前記飛行体カメラ画像56毎に、又前記飛行体カメラ画像56毎に特徴点57を抽出する。又、前記演算制御部23は、同一の前記飛行体カメラ8により取得された、時間的に隣接する前記飛行体カメラ画像56を比較する。
The
前記演算制御部23は、時間的に隣接する2枚の前記飛行体カメラ画像56に基づき、同一の前記特徴点57の前記飛行体カメラ画像56中での位置偏差を演算する。又、前記演算制御部23は、同様に他の前記飛行体カメラ8で取得した前記飛行体カメラ画像56についても、前記特徴点57の前記飛行体カメラ画像56中での位置偏差を演算する。
The
各画素の撮像素子内の位置は特定可能である。従って、各飛行体カメラ8について、時間的に隣接する前記飛行体カメラ画像56中の前記特徴点57の位置を比較することで、先の前記飛行体カメラ画像56を取得した時点に対する、後の前記飛行体カメラ画像56を取得した時点の前記飛行体5の傾斜角、方位角、移動量を演算することができる。
The position of each pixel in the image sensor can be specified. Therefore, for each flying
前記演算制御部23は、順次演算した前記飛行体5の傾斜角、方位角、移動量に基づき、前記飛行体5の姿勢や飛行状態を制御する(オプティカルフロー)。
The
該飛行体5を前記着地ユニット17上まで移動させると、前記演算制御部23は、前記飛行体5を前記トラックボール21上に降下させる。尚、前記飛行体5の降下動作は、前記遠隔操縦機4を介して手動で行ってもよい。或は、前記飛行体5の下方を撮影するカメラを設け、該カメラの画像に基づき自動で前記飛行体5を降下させてもよい。
When the flying
前記凹部14は、円錐台形状となっている。従って、前記凹部14内に前記トラックボール21が侵入した際には、前記飛行体5の水平方向の位置が前記凹部14の斜面に対する前記トラックボール21の摺動により誘導され、前記収納部15内に前記トラックボール21が収納される。該トラックボール21が前記収納部15に収納されることで、前記飛行体5の降下処理が完了する。
The
降下処理の完了後、前記演算制御部23は、前記記憶部24に格納されたプログラムに基づき前記センサ制御部31に所定の処理を実行させる。該センサ制御部31は、例えば接触式センサ(図示せず)と前記トラックボール21との接触に基づき前記赤外線センサ16を駆動させ、該赤外線センサ16から赤外光を射出させる。該赤外線センサ16は、前記トラックボール21で反射させた赤外光を受光し、前記センサ制御部31に受光信号を出力する。
After the descent process is completed, the
前記演算制御部23は、前記センサ制御部31が受信した受光信号に基づき、前記飛行体5の基準位置及び基準方向に対する方位角、水平に対する傾斜角及び傾斜方向を演算する。即ち、前記演算制御部23は、前記飛行体5の姿勢を演算する。
The
前記演算制御部23は、測距光が測定対象物に照射される様、前記飛行体5を水平方向に回転させると共に、前記レーザスキャナ6の前記走査鏡32を駆動させ、測距光で測定対象物を操作(スキャン)する。又、前記演算制御部23は、パルス光毎、バースト光毎に測距を実行し、前記飛行体5の姿勢と前記走査鏡32の回転角と測距結果に基づき前記着地ユニット17の設置位置を基準とした3次元座標を演算する。これにより、測距光の軌跡に沿った点群データが取得される。
The
更に、測距光を回転照射させつつ、前記プロペラモータドライバ部27に前記プロペラモータ12を駆動させ、前記飛行体5を水平方向に回転させることで、前記トラックボール21を基準とする全周の点群データを演算できる。この時の水平方向の回転角は、前記トラックボール21で反射された赤外光の受光結果に基づき演算される。演算された点群データは、前記飛行体通信部9及び前記端末通信部53を介して前記遠隔操縦機4に送信される。
Further, the propeller
尚、前記飛行装置2による測定中も、前記位置測定装置3による前記全周プリズム7の追尾が実行されており、前記位置測定装置3の設置位置を基準とした前記全周プリズム7の測距、測角(測定)結果がリアルタイムで取得されている。又、前記位置測定装置3で取得された測定結果は、前記測定通信部47及び前記端末通信部53を介して前記遠隔操縦機4に送信される。
Even during the measurement by the
前記端末演算処理部51は、前記飛行装置2による測定結果及び前記位置測定装置3による測定結果に基づき、前記位置測定装置3の設置位置を基準とした測定対象物の点群データを演算する。
The terminal
他にも前記着地ユニット17が設置されている場合は、前記飛行体5を再度飛行させ、次の前記着地ユニット17に降下させ、上記と同様の処理にて測定対象物の点群データを取得する。他の前記着地ユニット17が存在しない場合には、前記飛行体5を回収し、前記測量システム1を用いた測定を終了する。
If the
上述の様に、第1の実施例では、前記着地ユニット17に対して前記飛行体5を降下させ、前記収納部15内に前記トラックボール21を収納することで、前記飛行体5の方位、傾斜、傾斜方向が演算可能となっている。従って、該飛行体5に方位計や傾斜検出器、IMU等の計測器を別途設ける必要がないので、前記飛行体5の軽量化、小型化を図ることができる。
As described above, in the first embodiment, the flying
又、前記収納部15は、円錐状の前記凹部14の上端に形成されている。従って、該凹部14の傾斜と前記トラックボール21との接触により前記飛行体5の水平方向の位置を誘導可能であるので、厳密な位置合せが不要となり、作業性を向上させることができる。
Further, the
又、前記トラックボール21により、前記飛行体5の方位が検出可能であるので、1軸の前記レーザスキャナ6から発せられる測距光の射出方向(水平角)を検出することができる。従って、前記飛行体5に3次元データを取得する測定器として、前記レーザスキャナ6を設けることができ、該レーザスキャナ6により遠隔操作で遠方の測定対象物を近距離からスキャンすることができる。
Further, since the direction of the flying
又、前記プロペラモータ12を駆動させることで、前記飛行体5を水平方向に回転可能であるので、前記走査鏡32の回転と、該走査鏡32の回転方向と直行する方向の前記飛行体5の回転との協動により、任意の方向に測距光を照射することができる。従って、3次元の範囲の点群データを取得する場合であっても、前記飛行体5に搭載するのは1軸のレーザスキャナでよいので、軽量化及び制作コストの低減を図ることができる。
Further, since the flying
又、飛行中には、前記飛行体5に設けられた複数の前記飛行体カメラ8による前記飛行体カメラ画像56に基づき、時間的に隣接する前記飛行体カメラ画像56間での相対的な移動量、方位角、傾斜角を演算することができる、従って、飛行中の姿勢の制御、障害物に対する衝突回避等を行うことができ、飛行安定性を向上させることができる。
Further, during flight, relative movement between the temporally adjacent flying
次に、図9に於いて、本発明の第2の実施例について説明する。尚、図9中、図3中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 9, those equivalent to those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
第1の実施例では、飛行体の上面にレーザスキャナが固定的に設けられ、該レーザスキャナは走査鏡のみが可動する構成となっていた。一方で、第2の実施例では、レーザスキャナが2軸に回転可能な構成となっている。又、第2の実施例では、飛行体カメラがレーザスキャナに設けられている。 In the first embodiment, a laser scanner is fixedly provided on the upper surface of the flying object, and the laser scanner has a configuration in which only a scanning mirror can move. On the other hand, in the second embodiment, the laser scanner is configured to be rotatable in two axes. Further, in the second embodiment, the flying object camera is provided in the laser scanner.
レーザスキャナ58は、飛行体5の上面に固定的に設けられた基盤部59と、該基盤部59上に設けられ、該基盤部59に対して水平回転可能に設けられた本体部61とを有している。又、前記本体部61には凹部62が形成され、該凹部62に前記本体部61に対して鉛直回転可能な走査鏡63が設けられている。更に、前記本体部61の前記凹部62が開口する2側面(前面及び後面)には、それぞれ複数の飛行体カメラ64が設けられている。その他の構成については、第1の実施例と同様である。
The
第2の実施例では、前記本体部61の前面と後面の所定位置にそれぞれ4つの飛行体カメラ64a~64bが設けられている。該飛行体カメラ64a~64bで取得された画像は、それぞれ所定量オーバラップする様になっており、各画像により360°全周の画像が取得可能となっている。尚、前記飛行体カメラ64の数や配置は、360°全周の画像が取得できれば他の数、他の配置でもよいのは言う迄もない。
In the second embodiment, four flying
前記本体部61の回転軸心は、前記飛行体5の鉛直軸心と合致する。即ち、前記本体部61の回転軸と前記走査鏡63の回転軸とは直交する。従って、前記レーザスキャナ58は、前記本体部61の回転と前記走査鏡63の回転との協動により、全周の点群データを取得可能となっている。
The rotation axis of the
第2の実施例では、前記飛行体5の降下処理完了後、前記本体部61を回転させると共に、前記走査鏡63を回転させ、着地ユニット(図2参照)の設置位置を基準とする全周の点群データを演算することができる。更に、位置測定装置3(図1参照)により全周プリズム7を追尾しつつ測定することで、前記飛行体5の方位と前記位置測定装置3の測定結果に基づき、前記位置測定装置3の設置位置を基準とした測定対象物の点群データを取得できる。
In the second embodiment, after the descent processing of the flying
尚、前記レーザスキャナ58による測定中、振動により前記飛行体カメラ64がトラックボール21に対して相対回転する場合がある。この場合は、前記トラックボール21で反射された赤外光と、前記本体部61の回転角に基づき、前記レーザスキャナ63の方位角を演算することができる。
During the measurement by the
第2の実施例では、前記本体部61と前記走査鏡63とがそれぞれ回転可能となっている。従って、安定して全周の点群データを取得可能となり、測定精度を向上させることができる。
In the second embodiment, the
尚、第1及び第2の実施例では、既知の位置に前記位置測定装置3を設置し、前記飛行体5に前記全周プリズム7を設け、前記位置測定装置3により前記全周プリズム7を追尾させつつ測定することで、前記飛行体5の位置を測定しているが、この構成に限られるものではない。例えば、前記飛行装置2を屋外で使用する場合には、前記飛行体5に位置測定装置としてのGNSS装置を設け、該GNSS装置により前記飛行体5の位置を測定してもよい。GNSS装置を用いる場合には、GNSS装置が検出した位置に基づき飛行制御が実行される。
In the first and second embodiments, the
尚、第1及び第2の実施例では、前記飛行体5の周面に4つの前記飛行体カメラ8a~8dを設けているが、前記飛行体5の下面に前記トラックボール21を撮影可能な飛行体カメラを更に追加してもよい。該飛行体カメラを追加することで、前記飛行体5の降下処理を自動で行うことができる。
In the first and second embodiments, the four flying
又、前記飛行体5に気圧センサを設けてもよい。該気圧センサにより前記飛行体5の高度が検出できるので、該飛行体5のホバリングが可能となり、飛行制御の安定性を向上させることができる。
Further, the barometric pressure sensor may be provided on the flying
又、第1及び第2の実施例では、1軸又は2軸の前記レーザスキャナ6を使用しているが、測定器はレーザスキャナに限られるものではない。例えば、ガルバノミラーや2軸MEMSミラー、オプティカルフェースドアレイ、液晶ビームステアリング、レズレープリズム等、種々の偏向手段により1軸方向又は2軸方向に測距光を走査(スキャン)する構成であってもよい。
Further, in the first and second embodiments, the one-axis or two-
又、第1の実施例及び第2の実施例では、位置測定装置3としてトータルステーションを用いているが、位置測定装置はトータルステーションに限られるものではない。測定対象物を追尾可能且つ位置を測定可能な装置、例えばレーザスキャナやトラッカー等も位置測定装置として使用可能である。
Further, in the first embodiment and the second embodiment, the total station is used as the
又、前記着地ユニット17を設ける位置は任意であり、水平方向の位置合せは不要であるので、設置作業が容易となり、作業性を向上させることができる。
Further, since the position where the
更に、前記着地ユニット17を複数用意し、所望の測定対象物毎に前記着地ユニット17を設置すると、前記飛行体5を着地ユニット17間で順次飛行、降下させるだけでよいので、作業時間を短縮でき、作業性を向上させることができる。
Further, if a plurality of the
1 測量システム
2 飛行装置
3 位置測定装置
4 遠隔操縦機
5 飛行体
6 レーザスキャナ
7 全周プリズム
8 飛行体カメラ
15 収納部
16 赤外線センサ
17 着地ユニット
19 シャフト
21 トラックボール
22 制御装置
23 演算制御部
25 撮像制御部
26 飛行制御部
29 スキャナ制御部
31 センサ制御部
56 飛行体カメラ画像
57 特徴点
1
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