JP4463162B2 - 三次元形状計測装置の基準座標取込方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＭレーザレーダ装置を用いて計測対象物を三次元計測する際に測定の基準座標となるツーリングボールの中心位置座標を取り込む三次元形状計測装置の基準座標取込方法に関する。

レーザ光を利用して物体（計測対象物）までの距離を計測する装置として、ＦＭレーザレーダ装置が知られている。この装置は、周波数が時間とともに変化するＦＭレーザ光を発生して計測対象物に照射し、反射レーザ光と既知の伝播遅延時間を有する参照ＦＭレーザ光とを混合してビート信号を得、このビート信号の周波数から計測対象物までの距離を算定するように構成されている。

このようなＦＭレーザレーダ装置を用いて計測対象物の三次元形状を計測するためには、測定対象物までの距離に加えてレーザ光が発射される水平方向の水平角度と垂直方向の垂直角度とを同時に取り込んで計測対象物における測定点の極座標位置を求めている。レーザ光の照射角度を水平方向と垂直方向に一定角度だけ変化させて、それぞれの測定点の極座標データから測定対象物の形状を求める。このような三次元形状計測装置は下記の特許文献１、２等に記載されている。

このような三次元形状計測装置は、比較的広い面積、長い距離を計測できる特徴を有しているため、例えば自動車ボディの所定領域表面が規定の曲面状態であるかを検査するのに適している。

しかし、新幹線車両のように、広くて長い距離の側面ボディや前面形状の複雑な曲面を三次元形状計測する場合には、ＦＭレーザレーダ装置を一箇所に設置して全面を測定することは困難である。新幹線車両の両端部では、レーザ光が測定面に対して鋭角で照射されるので反射光を得られなくなる。そこで、測定面を所定範囲に分割して分割範囲ごとにＦＭレーザレーダ装置の設置位置を移してそれぞれを計測し、分割撮像した画面を合成する方法が採られている。

分割撮像した画面を合成するために、合成の基準となる基準位置にツーリングボール（目標金属球）を配置し、ＦＭレーザレーダ装置のそれぞれの設置位置でツーリングボールの座標を正確に計測して、ＦＭレーザレーダ装置によって異なる設置位置で計測した計測データの座標を変換している。ツーリングボールは径が２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。

ツーリングボールの座標計測は、ツーリングボールの中心とレーザ光の光軸と一致させるために、レーザ光の光軸が撮像画面の中心に一致するように設定されているＣＣＤカメラでツーリングボールを撮像し、作業者はツーリングボールが撮像画面の中心にくるように撮像画面を見ながら反射鏡の角度を調整して行っている。ツーリングボールが撮像画面の中心に位置し、ツーリングボールの中心にレーザ光が正確に投光された時の反射鏡の水平角、垂直角及びツーリングボールまでの距離を取り込んで、これを基準座標としている。

特開平１０−８２８５８号公報 特開２００４−４５２６１号公報

従来技術は、作業者がツーリングボールの撮像画面を見ながら反射鏡の角度を調整して行っている。しかし、ツーリングボールを撮像画面の中心にくるようにする反射鏡の角度調整はツーリングボールまでの距離が異なると、ＣＣＤカメラの画像上のズレ量が反射鏡の調整角度と１対１に対応しないので長時間を要するという問題点を有する。特に、ツーリングボールの位置が反射鏡から遠く離れている場合には、反射鏡の操作角度が小さくても撮像画面でツーリングボール位置が大きく変化するので微調整に長時間を要するようになる。

本発明の目的は、ツーリングボールの中心を撮像画面中心に一致させるレーザ光の光軸調整作業を効率良く行うことができる三次元形状計測装置の基準座標取込み方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、三次元形状計測装置の基準座標取込方法であって、前記三次元形状計測装置は、水平方向と垂直方向に回動し、ツーリングボールを配置した計測対象物に対しレーザ光を三次元照射する反射鏡と、前記計測対象物を撮像した撮像画面の中心が前記レーザ光の光軸と一致している撮像装置を備え、前記ツーリングボールが前記撮像画面の任意の位置に映っている第１の位置において、前記ツーリングボールを撮像し、前記反射鏡を所定角度だけ水平方向と垂直方向に変化させた第２の位置において前記ツーリングボールを撮像し、前記第１の位置における撮像画面と、前記第２の位置における撮像画面の両撮像画面における前記ツーリングボール画像中心と撮像画面中心の位置偏差を計測し、前記両撮像画面における前記ツーリングボール画像中心の位置偏差と、前記反射鏡の前記第１の位置における水平角と垂直角、及び前記第２の位置における水平角と垂直角に基づき、前記ツーリングボール画像中心が前記撮像画面中心に一致する前記反射鏡の調整水平角と調整垂直角を演算により求め、前記反射鏡を前記調整水平角と前記調整垂直角だけ変化させて前記ツーリングボール画像中心が前記撮像画面の中心に一致するよう調整し、前記ツーリングボール画像中心と前記撮像画面の中心が一致するよう調整した状態で前記ツーリングボールまでの距離を計測し、該状態における前記反射鏡の水平角と垂直角及び前記計測距離を前記ツーリングボールの位置を基準座標として取込むようにしたことを特徴とする三次元形状計測装置の基準座標取込方法を提供する。

また、本発明は、前記第１の位置におけるツーリングボール画像中心座標を（α１、β１）、前記反射鏡の水平角を（Ａｚ１）、垂直角を（Ｅｌ１）、前記第２の位置におけるツーリングボール画像中心座標を（α２、β２）、前記反射鏡の水平角を（Ａｚ２）、垂直角を（Ｅｌ２）としたときに、前記調整水平角（Ａｚ３）と調整垂直角（Ｅｌ３）を下式の演算により求めるようにしたことを特徴とする三次元形状計測装置の基準座標取込方法を提供する。

本発明は反射鏡の水平角と垂直角を所定角度だけ異ならせてツーリングボールを撮像した両撮像画面におけるツーリングボール画像中心と撮像画面中心の位置偏差を計測してツーリングボール画像中心を撮像画面中心に一致させているので、ツーリングボールの基準座標の取込みを短時間で行え作業効率を向上させることができる。

三次元形状計測装置はツーリングボールを配置した計測対象物に対しレーザ光を三次元照射する反射鏡と、計測対象物からの反射レーザ光により撮像した撮像画面中心がレーザ光の光軸と一致している撮像装置を備えている。反射鏡を所定角度だけ水平方向と垂直方向に変化させてツーリングボールを撮像する。反射鏡の水平角と垂直角の変化前と変化後に撮像装置で撮像した両撮像画面におけるツーリングボール画像中心と撮像画面中心の位置偏差を計測する。両撮像画面における位置偏差と反射鏡の変化前と変化後における水平角と垂直角に基づきツーリングボール画像中心が撮像画面中心に一致する前記反射鏡の調整水平角と調整垂直角を演算により求め、反射鏡を調整水平角と調整垂直角だけ変化させてツーリングボールまでの基準距離を計測する。ツーリングボール画像中心が撮像画面中心に一致した反射鏡の水平角と垂直角及び基準距離をツーリングボールの基準座標として取込むようにする。

図１に本発明の一実施例を示す。

図１において、ＦＭレーザレーダ装置１は上部に第１の反射鏡３を設置したスキャンヘッド２を備えている。スキャンヘッド２は図示しない駆動系により水平方向と垂直方向に回動される。スキャンヘッド２の水平方向の回転角度（水平角Ａｚ）と垂直方向の回転角度（垂直角Ｅｌ）は図示しない角度センサにより精度良く測定される。

反射鏡３はスキャンヘッド２に設けられており、水平方向と垂直方向に自在に回動できる。スキャンヘッド２の回転角は反射鏡３の回転角度になる。ＦＭレーザレーダ装置１には第２の反射鏡４、第３の反射鏡５、干渉器６、レーザ発生器７及びＣＣＤカメラ８が設置されている。第３の反射鏡５はハーフミラーで、一部の光を透過させ、残りの光を反射する。

ＣＣＤカメラ８で撮像した撮像画面は画像処理装置９で処理されパソコン１０に表示される。ＣＣＤカメラ８は計測対象物を撮像した撮像画面中心がレーザ光の光軸と一致している。ＴＢは測定の基準点となるツーリングボールである。

この構成において、レーザ発生器７から発生したレーザ光の一部は干渉器６に入射、大部分は第３の反射鏡５を透過し、実線で示すレーザ光Ｌａのように第１の反射鏡３で反射され、測定対象物（図示の例ではツーリングボールＴＢ）に照射される。測定対象物に照射されたレーザ光Ｌａは反射し、点線で示すように反射レーザ光Ｌｈとして第１の反射鏡３、第３の反射鏡５を経て干渉器６に到達する。干渉器６は反射レーザ光Ｌｈとレーザ発生器７からハーフミラー５により直接干渉器6に至る基準レーザ光と混合しビード信号を生成する。このビード信号の周波数を基にして反射鏡３から測定対象物までの距離が求められる。このような動作は良く知られているので詳細説明を省略する。

なお、ＦＭレーザレーダ装置１は高精度に構成されおり、計測誤差を最小とするために計測の際は振動等によってスキャンヘッド２が水平方向及び垂直方向に動かないようになっている。

さて、このようにして測定対象物を三次元形状計測する際に、本発明では次のようにしてツーリングボール中心の位置座標を取込むようにしている。

図２にツーリングボール中心位置座標を取込むフローチャートを示す。

ツーリングボールＴＢの計測開始にあたり、まずＦＭレーザレーダ装置１を所定位置に設置し、スキャンヘッド２をツーリングボールＴＢの方向に向けＣＣＤカメラ８の撮像画面にボールＴＢが映るようにセットする。本発明ではこの状態を反射鏡３の角度変化前と称している。

画像処理装置９はステップＳ１においてこの時の反射鏡３の水平角Ａｚ１、垂直角Ｅｌ１を取込む。もし、ＦＭレーザレーダ装置１をセットした状態でツーリングボールＴＢが画面に入っていない場合は、反射鏡３の位置を操作して、画面内にツーリングボールＴＢが映るように調整する。

このときの状態は図３（ａ）に示す画像Ａに対応している。画像処理装置９はステップＳ２でツーリングボールＴＢの中心位置座標α１，β１を測定する。位置座標α１，β１は、撮像画面中心ＬＲからの水平方向と垂直方向の位置偏差となる。

図３（ａ）に示す画像Ａは、反射鏡３が第1の位置（水平角Ａｚ１、垂直角Ｅｌ１）にある場合のＣＣＤカメラ８の画像である。反射鏡３のレーザ光の光軸は、画面中心ＬＲに一致するよう予め設定されている。しかし、反射鏡３がツーリングボールＴＢに正確に正対していないので、ツーリングボールＴＢが画面中心ＬＲからずれて第１象限に表示される。

ツーリングボールＴＢの位置座標α１、β１は、座標軸から水平方向と垂直方向の画素数を計数して求められる。なお、ツーリングボールＴＢの位置座標α１、β１は、ツーリングボールＴＢの輪郭から中心を求めても良いが、画面上で中心位置をマウスでクリックすることにより中心位置を特定するようにすることもできる。
次にステップＳ３において反射鏡３を所定角度変化させた状態でツーリングボールを撮像する。図３（ｂ）に示す画像Ｂは、反射鏡３を所定角度だけ変化させ第２の位置（水平角Ａｚ２、垂直角Ｅｌ２）での撮像した画面を示している。

画像Ｂでは、反射鏡３の角度変位によってツーリングボールＴＢが第３象限に移動している。画像処理装置９はステップＳ４でツーリングボールＴＢの中位置心座標α２，β２を前述の方法によって測定する。画像処理装置９はステップＳ５においてステップＳ２とステップＳ４で測定した画面上のボール位置座標（α１、β１）（α２、β２）と反射鏡３の角度（水平角と垂直角）（Ａｚ１、Ｅｌ１）（Ａｚ２、Ｅｌ２）から式１、式２によりツーリングボールＴＢを画面中心ＬＲに一致させるために必要な反射鏡３の調整水平角Ａｚ３と調整垂直角Ｅｌ３を求める。

ステップＳ６では演算で求めた式１、式２の調整水平角Ａｚ３、調整垂直角Ｅｌ３だけ反射鏡３を調整して設定する。反射鏡３（スキャンヘッド２）の駆動調整はパソコン１０で駆動系を制御して行われる。ステップＳ６からステップＳ７に移行してツーリングボールＴＢを撮像し、画像処理装置９がツーリングボールＴＢの中心位置座標（α３，β３）を測定する。図３（ｃ）に示す画像Ｃは、反射鏡３を演算した調整角度（Ａｚ３、Ｅｌ３）に調整設定して撮像した画面であり、ツーリングボールＴＢが画面中心ＬＲに非常に近い位置にある状態を示している。

画像処理装置９はステップＳ８でボールＴＢの位置座標（α３，β３）と画面中心ＬＲとの位置偏差が許容出来るしきい値よりも小さいか確認し、許容範囲内にあればステップＳ９でレーザ光を照射してツーリングボールＴＢまでの距離Ｒａを計測する。距離Ｒａが計測されると、ステップＳ１０においてツーリングボールＴＢの中心位置座標（ＡＺ３，Ｅｌ３，Ｒａ）が基準座標として取込まれる。
次に、式１、式２によって演算された調整水平角Ａｚ３、調整垂直角Ｅｌ３に調整設定するとツーリングボールＴＢの中心にレーザ光を照射できる理由を説明する。

式１の右辺は、図３（ａ）の第1の反射鏡位置から図３（ｂ）の第２の反射鏡位置への座標変化を表したもので、分子（Ａｚ２―Ａｚ１）はα軸（水平方向）の変化分に対応する反射鏡３の水平角変化分、分母（α２―α１）は画像の座標変化分を示す。したがって、分子を分母で除した値にα２を乗ずることにより調整水平角Ａｚ３が算出できる。

同様に、式２の右辺は、分子（Ｅｌ２―Ｅｌ１）がβ軸の変化分に対応する反射鏡３の垂直角変化分、分母（β２―β１）は画像の座標変化分を示す。したがって、分子を分母で除した値にβ２を乗ずることにより調整垂直角Ｅｌ３が算出できる。

本発明ではツーリングボールＴＢと画面中心ＬＲの位置偏差α３，β３をしきい値と比較している。式１、式２は、距離Ｒａが比較的短い場合には小さい誤差で調整角度Ａｚ３、Ｅｌ３を求められるが、長い距離のときは誤差が大きくなるので、移動時の誤差を収斂させるため所定のしきい値（許容値）を設定している。

ステップＳ８で位置偏差α３，β３がしきい値以上のときは、ステップＳ１１で第２の位置での位置偏差（α２，β２）と第３の位置での位置偏差（α３，β３）を式１、式２に代入してステップＳ５において再度演算する。以下、位置偏差α３，β３がしきい値より小さくなるまで同様な演算を繰り返すことにより、図３（ｃ）に示す画像Ｃのように、ツーリングボールＴＢの画像が画面中心ＬＲに一致する。この一致をもってステップＳ９でのツーリングボールＴＢの距離計測が行われる。

このようにしてツーリングボールの基準座標を取込むのであるが、本発明は反射鏡の水平角と垂直角を所定角度だけ異ならせてツーリングボールを撮像した両撮像画面におけるツーリングボール画像中心と撮像画面中心の位置偏差を計測してツーリングボール画像中心を撮像画面中心に一致させているので、ツーリングボールの基準座標の取込みを短時間で行え作業効率を向上させることができる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の説明図である。

符号の説明

１…ＦＭレーザレーダ装置、２…スキャンヘッド、３…第１の反射鏡、４…第２の反射鏡、５…第３の反射鏡、６…干渉器、７…レーザ発生装置、８…ＣＣＤカメラ（撮像装置）、９…画像処理装置、１０…計測制御用パソコン、ＴＢ…ツーリングボール、Ａｚ…水平角度、Ｅｌ…垂直角度、Ｒａ…距離。

Claims (2)

1. 三次元形状計測装置の基準座標取込方法であって、
   前記三次元形状計測装置は、水平方向と垂直方向に回動し、ツーリングボールを配置した計測対象物に対しレーザ光を三次元照射する反射鏡と、前記計測対象物を撮像した撮像画面の中心が前記レーザ光の光軸と一致している撮像装置を備え、
   前記ツーリングボールが前記撮像画面の任意の位置に映っている第１の位置において、前記ツーリングボールを撮像し、
   前記反射鏡を所定角度だけ水平方向と垂直方向に変化させた第２の位置において前記ツーリングボールを撮像し、
   前記第１の位置における撮像画面と、前記第２の位置における撮像画面の両撮像画面における前記ツーリングボール画像中心と撮像画面中心の位置偏差を計測し、
   前記両撮像画面における前記ツーリングボール画像中心の位置偏差と、前記反射鏡の前記第１の位置における水平角と垂直角、及び前記第２の位置における水平角と垂直角に基づき、前記ツーリングボール画像中心が前記撮像画面中心に一致する前記反射鏡の調整水平角と調整垂直角を演算により求め、
   前記反射鏡を前記調整水平角と前記調整垂直角だけ変化させて前記ツーリングボール画像中心が前記撮像画面の中心に一致するよう調整し、
   前記ツーリングボール画像中心と前記撮像画面の中心が一致するよう調整した状態で前記ツーリングボールまでの距離を計測し、該状態における前記反射鏡の水平角と垂直角及び前記計測距離を前記ツーリングボールの位置を基準座標として取込むようにしたこと
   を特徴とする三次元形状計測装置の基準座標取込方法。
2. 請求項１において、前記第１の位置におけるツーリングボール画像中心座標を（α１、β１）、前記反射鏡の水平角を（Ａｚ１）、垂直角を（Ｅｌ１）、
   前記第２の位置におけるツーリングボール画像中心座標を（α２、β２）、前記反射鏡の水平角を（Ａｚ２）、垂直角を（Ｅｌ２）
   としたときに、前記調整水平角（Ａｚ３）と調整垂直角（Ｅｌ３）を下式の演算により求めるようにしたことを特徴とする三次元形状計測装置の基準座標取込方法。
   

   

   

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