JP5145013B2 - 測量機 - Google Patents

Description

本発明は振動により測定光軸にズレが生じた場合に、測定光軸のズレを補正して高精度で且つ迅速な測定を可能とする測量機に関するものである。

測量機は、測距光学系の測定光軸を測定対象物に向け、測距、水平角、鉛直角の測定を行っている。又、追尾機能を有する測量機では、回動部分を有し、測定対象物の移動に追従して回動部を回転させ、測定光軸を測定対象物に向け、測定対象物についての測定を行うことができる様になっている。

測量機が設置される場合は、測量機の鉛直軸が重力方向と一致する様に整準されるが、整準作動は測量機に具備されているチルトセンサを用いて行われる。測量は、測量機が整準された状態で実施される。

ところで、測量機が正確に基準状態に整準されたとしても、前記回動部の駆動停止により微小量ではあるが、姿勢を崩すことがある。又駆動中は、駆動部の慣性力により、微小量の角度誤差が生じている。動的に測定を行う場合、その誤差が測定値に影響することになる。或は外部からの振動等、後発的な理由で測量機の整準状態にズレを生じることがある。整準状態がズレた状態では、測定値に誤差が含まれ、正確な測定ができなくなってしまう。

従って、従来より測量機の整準状態にズレ、例えば装置に傾きを生じた場合、傾きを検出し、検出した結果を基に測定結果を補正することが行われている。

従来の測量機に於ける傾きの検出は、測量機が整準用として具備する気泡管タイプ、液面の傾斜を検出するタイプのチルトセンサ、傾斜センサを用いて高精度に検出している。

チルトセンサは、測量機の傾斜を高精度に検出することができるが、検出に要する時間が長く、追尾動作が実行される等で、回動部を駆動し、停止した直後は、停止時の振動により、チルトセンサからの信号は安定せず、正確な傾斜検出はできず、振動がなくなり、又チルトセンサが安定する迄暫く待たなければならない。更に、動作中は測定誤差が生じてしまう。

又、測量機に外部からの振動、例えば測量機が設置されたすぐ傍の道路を自動車が通過することで受ける振動に対しては、チルトセンサは応答性が遅く、正確に反応しない為、チルトセンサからの検出信号に対して時間的に平均処理を行い、平均的な傾きを求め、平均処理した傾きを基に測定値の補正を行っている。

この為、測定データのバラツキが振動により大きくなってしまう。

又、測量機として、パルス測距光を回動部を介して高速で回転照射し、測定対象物の位置を測定するものがあり、この種の測量機ではモータ、回動部の駆動停止に起因して、大きな慣性力が作用し、常に測量機の姿勢が変化している。この為、上記したチルトセンサでは応答性が遅く、姿勢の変化を正確に検出することができなく、高精度な補正を行うことはできないという問題があった。

尚、チルトセンサを用いて、傾斜を検出して機械の傾きを補正する測量機としては、特許文献１〜特許文献３に示されるものがあり、位置測定用のレーザ光線を回転照射して測定対象物の位置を測定する測量機としては、特許文献４、特許文献５に示されるものがある。

特開平６−３４７２７１号公報

特開平８−４３０９８号公報

特開２００６−７８４１６号公報

特開２００４−２１２０５８号公報

特開２００７−１７０９０２号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、測量機を整準した後の、後発的原因で測量機の設置姿勢が変化したとしても、又、駆動部が動作中に於いても、姿勢変化を高速度で検出し、高精度の測定を可能とする測量機を提供するものである。

本発明は、水平角を検出する水平角検出器と、高低角を検出する高低角検出器と、水平２方向の測量機本体部の姿勢変位を検出する動的変位検出手段と、演算部とを具備し、前記動的変位検出手段は前記測量機本体部の基準姿勢に対する変位を検出し、前記演算部は、前記動的変位検出手段が検出した動的変位に対応する水平角、高低角を演算し、演算した水平角、高低角に基づき前記水平角検出器、前記高低角検出器で得られた水平角、高低角を補正する様構成した測量機に係るものである。

又本発明は、前記動的変位検出手段は、前記測量機本体部に設けられた２組の撮像ユニットを具備し、該２組の撮像ユニットの光軸は水平面内で直交する様に配設され、前記演算部は、各撮像ユニットにより時間変化前後の２つの画像データを取得し、該２つの画像データの比較から前記測量機本体部の動的変位を求めると共に動的変位に対応する水平角、高低角を演算し、演算した水平角、高低角に基づき前記水平角検出器、前記高低角検出器で得られた水平角、高低角を補正する様構成した測量機に係るものである。

又本発明は、前記撮像ユニットが具備し、画像データを出力する受光素子は、構成する画素が座標位置を有し、所要の受光面積を有する画像検出素子である測量機に係り、又前記撮像ユニットが具備し、画像データを出力する受光素子は、直交する２つのラインセンサである測量機に係り、又比較する前記２つの画像データは、受光素子上で設定した２つの直交するライン上のデータである測量機に係り、更に又前記動的変位検出手段は、加速度センサである測量機に係るものである。

本発明によれば、水平角を検出する水平角検出器と、高低角を検出する高低角検出器と、水平２方向の測量機本体部の姿勢変位を検出する動的変位検出手段と、演算部とを具備し、前記動的変位検出手段は前記測量機本体部の基準姿勢に対する変位を検出し、前記演算部は、前記動的変位検出手段が検出した動的変位に対応する水平角、高低角を演算し、演算した水平角、高低角に基づき前記水平角検出器、前記高低角検出器で得られた水平角、高低角を補正する様構成したので、振動及び自らの駆動による姿勢誤差により動的変位があった場合も、変位分に相当する水平角、高低角を補正し、振動の影響を排除した高精度の高低角、水平角の測定が可能となるという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、図１〜図３に於いて本発明が実施される測量機の一例について説明する。尚、図１で示される測量機は、例えば、３次元測定機であり、測距光を回転照射し、測定対象物から反射された測距光を受光して測距、高低角（仰角）、水平角の測定を行うものである。

測量機１は、三脚２を介して設置され、又前記測量機１は該測量機１の中心軸が鉛直に合致し、又既知点３を通過する様に姿勢が設定される。

前記測量機１は、主に整準部４、該整準部４上に設置される測量機本体部５、該測量機本体部５の上部に回転自在に設けられた回転照射部６を具備している。

前記整準部４は、前記測量機本体部５を例えば３点で支持し、該測量機本体部５は支持された１点を中心に自在に傾斜可能であり、他の２の支持点はそれぞれアクチュエータ（モータ）により高さ位置が調整可能であり、アクチュエータによる２つの支持点高さ位置を調整することで、前記測量機本体部５を２方向に傾斜可能となっている。

該測量機本体部５の内部には、該測量機本体部５の傾斜を検出するチルトセンサ７が設けられ、該チルトセンサ７の検出結果を基に前記整準部４は、前記測量機本体部５の中心軸を鉛直に合致する様に該測量機本体部５を整準する。

又、該測量機本体部５の内部には、投光部２５（図３参照）、受光部２６（図３参照）を具備する測距部８、回転駆動部９、姿勢検出装置１０、制御部１１等が設けられている。

前記投光部２５は発光源、鉛直な光軸１２を有する投光光学系を含み、測距光１４を測定対象物（例えばプリズム）２７に向けて射出する。前記受光部２６は、受光素子、受光光学系を含み、前記測定対象物２７で反射された測距光を受光検出する。前記測距部８は、前記受光部２６が受光した反射測距光に基づき前記測定対象物２７についての距離測定、高低角の測定を行う。

前記回転駆動部９は、投光光学系の一部を成す、前記回転照射部６を水平方向に定速回転させるものであり、又回転角検出手段、例えば水平角を検出する水平角エンコーダ２８（図３参照）、高低角エンコーダ２９（図３参照）を具備し、前記回転角検出手段は前記回転照射部６から照射される測距光の方向を検出し、検出結果は前記制御部１１に送出される。前記回転照射部６は、前記投光部の光軸１２を中心に回転する様になっており、偏向光学部材、例えばミラー１３を具備している。該ミラー１３は前記光軸１２上に配設され、水平軸心を中心に回転可能に支持されている。該光軸１２上に射出された測距光１４は前記ミラー１３により水平方向に偏向され照射される様になっている。又、前記回転照射部６が回転されることで、前記測距光１４は水平方向にスキャンされ、前記ミラー１３が回転されることで、前記測距光１４は上下方向にスキャンされる様になっている。

前記制御部１１は、前記整準部４、前記測距部８、前記回転駆動部９を制御し、前記測量機本体部５の整準作動の制御を行い、前記測距部８を制御して測距光の射出を行い、前記測定対象物２７からの反射光を受光して、該測定対象物２７迄の測距を実行し、又前記回転角検出手段の検出結果を基に前記測定対象物２７の水平角、高低角の測定を行う。

前記姿勢検出装置１０は、振動に起因する前記測量機本体部５の動的変位を検出するものであり、２組の撮像ユニット１６，１７を具備し、該２組の撮像ユニット１６，１７は同一の構成であり、該２組の撮像ユニット１６，１７の光軸は水平であると共に直交する方向に向く様に設定されている。例えば、前記撮像ユニット１６の光軸１８は、Ｘ軸方向に向けられ、前記撮像ユニット１７の光軸１９はＹ軸方向に向けられる。

前記撮像ユニット１６について説明する。尚、前記撮像ユニット１７は前記撮像ユニット１６と同様であるので説明を省略する。

前記撮像ユニット１６は、前記光軸１８上に配置された結像レンズ２１と受光素子２２を具備し、前記結像レンズ２１は前記測量機１周囲の景色を前記受光素子２２上に結像する。又、該受光素子２２は面積を有し、多数の画素の集合体からなる画像検出素子である、例えば、ＣＣＤであり、各画素は、前記受光素子２２上で前記光軸１８を原点とする座標系で特定される位置を有する。尚、前記撮像ユニット１７は前記撮像ユニット１６と同様に結像レンズ２３、受光素子２４を具備している。

前記結像レンズ２１と前記受光素子２２の受光面迄の距離が既知であり、従って、画素の位置が特定されると、特定された画素についての画角が求められる。

前記受光素子２２からの受光信号は、各画素毎に、又各画素の座標信号と共に前記制御部１１に送出される様になっている。

図３は、本発明に係る測量機に於ける制御系の概略構成を示している。

前記制御部１１は、主に水平角、高低角演算部３１、主演算部３２、記憶部３３、画像解析部３４、測距演算部３５、傾斜解析部３６、駆動制御部３７を具備し、測定の状態、測定結果等は表示部３８に表示される様になっている。

前記記憶部３３は、半導体メモリ、ＨＤＤ等であり、該記憶部３３には、前記測量機１に測距を実行させる為のシーケンスプログラム、前記受光素子２２、前記受光素子２４からの画像信号を基に水平角のズレ、高低角のズレを求める画像処理プログラム、演算された水平角のズレ、高低角のズレに基づき測定結果を補正する補正演算プログラム等が格納され、更に、測定された測距データ、検出された水平角、高低角、水平角のズレ、高低角のズレ等のデータが保存される様になっている。

前記水平角エンコーダ２８、前記高低角エンコーダ２９によって検出された水平角、高低角はそれぞれ前記水平角、高低角演算部３１に入力され、該水平角、高低角演算部３１で高低角、水平角が演算され、演算結果は前記主演算部３２に入力される様になっている。

前記撮像ユニット１６、前記撮像ユニット１７で撮像した結果は、前記受光素子２２、前記受光素子２４からの受光信号として、前記画像解析部３４に送出され、該画像解析部３４に於いて画像のブレが検出され、又画像のブレに基づき、水平角のズレ（即ちＸ方向のズレ）、高低角のズレ（即ちＹ方向のズレ）がそれぞれ演算され、演算された水平角のズレ、高低角のズレは前記主演算部３２に送出される。

前記チルトセンサ７からの検出結果は、前記傾斜解析部３６を介して前記主演算部３２に入力され、該主演算部３２は前記駆動制御部３７を介して前記整準部４を駆動制御して整準を行う。

以下、図４、図５を参照して作用について説明する。

先ず、前記駆動制御部３７を介して前記整準部４が駆動され、整準が実行される。

前記測量機本体部５の傾きは、前記チルトセンサ７によって検出され、検出結果は前記傾斜解析部３６に入力される。該傾斜解析部３６では、どの方向に、どれだけ傾斜しているかが判断され、傾斜判断結果は前記主演算部３２に入力される。該主演算部３２では、傾斜判断結果に基づき前記駆動制御部３７を介して前記整準部４を駆動し、前記チルトセンサ７が水平を検出する様に前記整準部４を制御する。

前記測量機本体部５が整準され、前記光軸１２が鉛直となると、前記撮像ユニット１６、前記撮像ユニット１７によりＸ方向、Ｙ方向の景色が撮像される。撮像結果は、基準画像（図４（Ａ）、図４（Ｂ））として前記記憶部３３に保存される。

前記回転照射部６が回転駆動され、前記測距部８が駆動され、測定が開始される。測距で得られた距離データは前記記憶部３３に保存される。前記回転照射部６の回転により振動が発生し、前記測量機本体部５が振動により動的変位を生じる。

測定中、前記撮像ユニット１６、前記撮像ユニット１７による景色の撮像が継続され、画像データは前記記憶部３３に保存される。尚、画像データの取得は、前記測距部８による測定と同期して行われ、距離データと画像データは関連付けられている。

振動により、前記測量機本体部５に機械的な変位が生じると、該測量機本体部５の変位は、前記撮像ユニット１６、前記撮像ユニット１７で撮像した画像のズレとなって現れる。図５（Ａ）は、水平方向に変位を生じた場合の前記撮像ユニット１６による撮像画像を示しており、図５（Ａ）中、実線で示される像がＸ基準画像４１、破線で示す像が振動があった場合のＸ変位画像４２を示している。前記Ｘ基準画像４１の画像データ、前記Ｘ変位画像４２の画像データはそれぞれ前記画像解析部３４に送出され、該画像解析部３４で前記Ｘ基準画像４１と前記Ｘ変位画像４２とに基づき、前記測量機本体部５の水平方向の変位量が求められる。

画像上の前記Ｘ基準画像４１と前記Ｘ変位画像４２間のズレ、即ち、前記受光素子２２上での画像のズレを画素の数として求めれば、画角の変化を求めることができ、変化した画角より、前記測量機本体部５の水平方向の変位量が求められる。前記画像のズレは刻々と変化する一瞬の変位、即ち動的変位を表している。

尚、前記三脚２、前記測量機本体部５自体は充分な剛性を有しており、振動により、前記光軸１２を中心とした捩り変位、該光軸１２の倒れは生じないものとする。

又、図５（Ｂ）は、鉛直方向に変位を生じた場合の、前記撮像ユニット１７による撮像画像を示しており、図５（Ｂ）中、実線で示される像がＹ基準画像４３、破線で示す像が振動があった場合のＹ変位画像４４を示している。

同様にして、前記Ｙ基準画像４３と前記Ｙ変位画像４４により前記受光素子２４上で、鉛直方向の変位が求められる。

尚、水平、鉛直の２方向に変位した場合は、水平変位成分、鉛直変位成分を求め、合成することで、変位方向、変位量が求められる。

画像上での変位を求めるには、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示される様に、簡便な方法が用いられてもよい。図６（Ａ）、図６（Ｂ）では変位を求める方法として、画像上に鉛直ライン４５ａ，４５ｂ、及び水平ライン４６ａ，４６ｂを設定し、両ライン上での画像間の変位を求めている。尚、画像の比較を容易とする為、画像をエッジ処理等してもよい。

尚、鉛直ライン４５、水平ライン４６に特定して画像データを比較する方法を採用する場合は、前記受光素子２２、前記受光素子２４はラインセンサであってもよい。

前記画像解析部３４で得られた変位量は、前記主演算部３２に送出され、該主演算部３２は、測距結果を得られた変位量によって、前記水平角エンコーダ２８で得られた水平角、前記高低角エンコーダ２９で得られた高低角を補正する。補正によって、測距結果に対する振動の影響が除去され、測定精度が向上する。

尚、基準画像を１つ前のフレームの画像データとし、フレーム間の画像のブレを基に変位量を求める様にしてもよい。

尚、高低角を検出する手段については、前記高低角エンコーダ２９に限らず、特許文献４に示される様に、少なくとも１つが既知の傾斜角で傾いている少なくとも３つのファンビームを定速で回転照射し、３つのファンビームを受光素子で受光した場合の時間差に基づき高低角を検出するものであってもよい。

図７により、画像に基づき変位量を求める場合を具体的に説明する。

図７（Ａ）は、図６（Ａ）での鉛直ライン４５ａでのＸ基準画像４１とＸ変位画像４２とを示し、図７（Ｂ）は、図６（Ａ）での水平ライン４６ａでのＸ基準画像４１とＸ変位画像４２とを示している。

又、図７（Ｃ）は、図６（Ｂ）での鉛直ライン４５ｂでのＹ基準画像４３とＹ変位画像４４とを示し、図７（Ｄ）は、図６（Ｂ）での水平ライン４６ｂでのＹ基準画像４３とＹ変位画像４４とを示している。

前記受光素子２２上では、図７（Ａ）により、前記Ｘ変位画像４２が上方に６画素ズレ、図７（Ｂ）により、前記Ｘ変位画像４２が右方向に３画素ズレていることが分る。

又、前記受光素子２４上では、図７（Ｃ）により、上下方向にはズレがなく、図７（Ｄ）により、右方向に３画素ズレていることが分る。

この時、前記撮像ユニット１６、前記撮像ユニット１７はそれぞれ無限遠にピント調整されている為、それぞれ、画像光学系の高低角の傾きを表し、左右方向は、それぞれの画像の水平回転方向のズレを表す。従って、基本的には、前記受光素子２２と前記受光素子２４での画像のズレ量は一致する。ズレ量に対応する画素数を求めることで、画角に応じた角度に換算することができる。

例えば、前記受光素子２２、前記受光素子２４の画角対角が１°、６４０ピクセル（画素）×４８０ピクセルのサイズであると、１ピクセルの画角は、
１／（√（６４０×６４０＋４８０×４８０））＝０．００１２５°＝４．５′′
となる。

従って、水平方向に４．５×３＝１３．５′′
Ｘ軸高低角で、４．５×６＝２７′′
Ｙ軸方向で０°傾いたことが分る。

上記した様に、測量機本体部５が振動によりどの様な傾きとなっているか、１フレーム毎に、或は測定データ毎に検出することができる。この傾きを利用して、仰角、水平角を補正することができる。

尚、画像処理を設定したラインではなく、１フレーム分、或は１フレームの所要範囲の画像について処理した場合は、処理速度は低下するが、情報量が多くなり、分解能が上昇し、精度が向上する。

又、ラインで画像処理する場合と、面積で画像処理する場合とを併用し、測定状況に応じて処理方法を選択してもよい。

又、前記受光素子２２、前記受光素子２４上で設定したラインのみの画素信号に基づき、ズレ量を検出すれば、処理データ量が少なく、高速で演算することができる。

尚、上記した様に、前記受光素子２２、前記受光素子２４をラインセンサとすれば、更に処理の高速化が図れ、又コストの低減が図れる。

尚、上記実施の形態では、振動による変位を２方向で取得した画像に基づき求めたが、変位を求める手段としては、加速度センサを用い、検出結果を積分して変位を求める様にしてもよい。

図８は、本発明がトータルステーションに実施された場合を示しており、図８中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

本体部５は、整準部４、基台部４８、回転照射部６から構成され、前記基台部４８にはチルトセンサ７、制御部１１、姿勢検出装置１０等が収納されている。又、前記回転照射部６は前記基台部４８に鉛直軸心４７を中心に回転可能に設けられ、前記回転照射部６は水平回転駆動部９ａによって水平方向に回転される。

又、前記回転照射部６は水平軸心を中心に回転可能な鏡筒部４９を有し、該鏡筒部４９は測距光学系、測距光発光部、受光部等から成る測距部（図示せず）を収納している。前記鏡筒部４９は鉛直回転駆動部９ｂによって高低方向に回転される様になっている。而して、前記水平回転駆動部９ａ、前記鉛直回転駆動部９ｂによって、前記鏡筒部４９が測定対象物に向けられる。

本実施の形態に於いても、前記姿勢検出装置１０によりＸ軸方向、Ｙ軸方向の２方向の画像を取得し、画像の動的変位を求め、得られた変位で仰角、水平角を補正し、又測距結果を補正することで高精度の測定が行える。

又、本発明が実施される測量機としては、上記した３次元位置測定装置であっても、トータルステーションであっても、或は追尾機能を有する測量機であっても、高速でミラーを駆動して物体の３次元形状を測定するスキャナであってもよく、要は振動源を有する測量機に於ける水平角、高低角の補正に実施される。

本発明の実施の形態に係る測量機の概略を示す説明図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 本発明の実施の形態に係る測量機の制御ブロック図である。 （Ａ）（Ｂ）は、該測量機に用いられた撮像ユニットで撮像したＸ方向、Ｙ方向の画像を示す説明図である。 （Ａ）（Ｂ）は、該測量機で振動があった場合の撮像ユニットで撮像したＸ方向、Ｙ方向の画像を示す説明図である。 （Ａ）（Ｂ）は、Ｘ方向、Ｙ方向の画像を基にズレ量を検出する場合の説明図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、画像中で特定したライン上での画像信号でズレ量を検出する場合の説明図である。 本発明が実施される他の測量機の概略を示す説明図である。

符号の説明

１ 測量機
４ 整準部
５ 測量機本体部
６ 回転照射部
７ チルトセンサ
８ 測距部
９ 回転駆動部
１０ 姿勢検出装置
１１ 制御部
１２ 光軸
１３ ミラー
１４ 測距光
１６ 撮像ユニット
１７ 撮像ユニット
２１ 結像レンズ
２２ 受光素子
２３ 結像レンズ
２４ 受光素子
２５ 投光部
２６ 受光部
２７ 測定対象物
２８ 水平角エンコーダ
２９ 高低角エンコーダ
３１ 水平角、高低角演算部
３２ 主演算部
３３ 記憶部
３４ 画像解析部
３５ 測距演算部
３６ 傾斜解析部
３７ 駆動制御部
３８ 表示部
４１ Ｘ基準画像
４２ Ｘ変位画像
４３ Ｙ基準画像
４４ Ｙ変位画像

Claims (4)

1. 水平角を検出する水平角検出器と、高低角を検出する高低角検出器と、水平２方向の測量機本体部の姿勢変位を検出する動的変位検出手段と、演算部とを具備し、前記動的変位検出手段は、前記測量機本体部に設けられた２組の撮像ユニットを具備し、該２組の撮像ユニットの光軸は水平面内で直交する様に配設され、前記演算部は、各撮像ユニットにより時間変化前後の２つの画像データを取得し、該２つの画像データの比較から前記測量機本体部の動的変位を求めると共に動的変位に対応する水平角、高低角を演算し、演算した水平角、高低角に基づき前記水平角検出器、前記高低角検出器で得られた水平角、高低角を補正する様構成したことを特徴とする測量機。
2. 前記撮像ユニットが具備し、画像データを出力する受光素子は、構成する画素が座標位置を有し、所要の受光面積を有する画像検出素子である請求項１の測量機。
3. 前記撮像ユニットが具備し、画像データを出力する受光素子は、直交する２つのラインセンサである請求項１又は請求項２の測量機。
4. 比較する前記２つの画像データは、受光素子上で設定した２つの直交するライン上のデータである請求項１又は請求項３の測量機。

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