JP5365960B2 - 三次元２点間距離簡易計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、任意に指定した空間２点間距離を計測するための三次元２点間距離簡易計測装置に関する。

一般に、建屋などにおける既設の天井配管設備の吊下げ支持機構を、耐震補強などのために、後付け作業で取り付けるような場合、配管の両側にて天井から一対の吊棒を吊下げ、この吊下げられている一対の吊棒に水平に配管支え梁を渡しかけることになる。また、耐震バックチェック用配管サポートなどの干渉状況を確認するために寸法計測作業が行われることがある。このとき、同時に計測状況を撮影し、後での確認作業に用いるようにしている。このような作業は、周辺設備が既に設置されているために、後付け作業となり、製作図ではこの支持機構の構成部材の寸法は不明である。したがって、この支え梁の寸法割り出しのために吊棒に連結する２点間の距離を求めることが必要になる。このような作業は高所作業となるとともに、既設の設備機器が存在するため狭隘部における作業となる。このため、従来から、足場組みすることなく、遠隔から簡易に２点間距離を求めることが要請されている。

このような問題は、上記した治具の後付け作業のみならず、いろいろな場面で生じる。例えば、特許文献１には、間隔をへだてて対向した一対のスタブ間にブレースを取り付けるに際して、ブレース寸法を決めるために一対のスタブの端面間距離を求める技術が開示されている。これは一対のスタブの端部に複数の光反射器を取り付け、所定箇所に設置した光波測距測角儀によって、その三次元座標原点と、一対のスタブの各端部の光反射器との間における距離、天頂角、方位角を測定し、これらの測定値に基づいてスタブ端縁の複数個所間の距離、端縁形状を演算し、この演算結果に基づいてブレースを加工し、適正な形態で接続できるようにしたものである。また、特許文献２では、見通しのきかない２点間の距離を測定するための技術が開示され、これには各測定点までの距離と俯仰角および方位角を測定し、その測定結果に基づいて２つの測定点間の距離を演算するようにしている。

したがって、この種の三次元空間における２点間距離を計測する場合、光波やレーザを用いた測距手段によって目標点に置かれたそれぞれのターゲットを指標して距離を測定し、更に、方位角、鉛直角を計測して、データを持ち帰り、あるいは現場にて、別途に準備したコンピュータにデータを入力して、上記２点間の距離を算出するようにしているのが一般的である。

特開昭５８−１３７７０３号公報 特開平７−５５９３８号公報

しかし、従来の三次元計測装置においては、装置の計測原点を基準とした測定点との相対的な空間座標を計測することはできるが、それらを任意に指定した２点間の距離を簡易的に計測できるツールはない。また、一般的に三次元計測装置は、重量物が多いので、装置本体の持ち運びを主とした三次元計測の用途には適していない。また、作業現場の確認のために行われる計測状況を撮影することが行われるが、これは作業者がカメラにより日付とともに撮影しているが、机上でのデータ整理時には計測データと撮影データとは人的作業で紐付けして、データ同士の照合を行っているため、後の整理作業に非常に手間取っていた。

そこで、本発明は、任意に指定した空間２点間距離を計測するツールを装置コントローラに組み込み、また、三次元計測に必要最低限な装置構成とすることで軽量化しつつ、簡易・直接的に２点間距離を計測表示できるようにした三次元２点間距離簡易計測装置を提供することを目的とする。更に、計測する際に計測点にレーザ距離計のレーザスポットを的確に照準させることができるようにすることを目的とする。加えて、計測・撮像したと同時に画像データ、計測した測定点の空間座標データ、２点間寸法データの一元化システムを構築し、データ整理作業時間の効率化を図ることができる三次元２点間距離簡易計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る三次元２点間距離簡易計測装置の基本構成は、測定点までの直線距離を計測するレーザ距離計、これを２軸回りに駆動させる自動雲台からなり、これらのコントロール、また、計測した情報から任意の２点間距離を計算するソフトが組み込まれた演算部が備えられたコントローラを有するものとする。更に、三次元２点間距離計測装置に小型カメラを取付け、ズーム機能によりコントローラ画面上に映し出した計測点を決定する際の誤差を小さくするようにすればよい。加えて、計測した計測点の空間座標データ、計算された２点間距離データを一元化するデータベースを組み込むようにすればよい。

すなわち、本発明に係る三次元２点間距離簡易計測装置の基本構成は、測定点までの直線距離を計測するレーザ距離計、これを２軸回りに駆動させる自動雲台からなり、これらのコントロール、また、計測した情報から任意の２点間距離を計算するソフトが組み込まれた演算部が備えられたコントローラからなる。

より具体的には、本発明に係る三次元２点間距離簡易計測装置は、レーザ距離計と、このレーザ距離計を搭載し水平・起伏動作のための２制御軸を有する雲台と、前記雲台を操作して搭載されたレーザ距離計によるレーザスポット位置を制御する駆動コントローラとを有し、前記コントローラには前記レーザ距離計の２つの計測点の各々の計測距離信号と前記雲台の制御軸角度信号を入力して２つの計測点間の距離を演算する演算手段と、この演算手段の演算結果を表示する表示手段を設けたことを特徴とする。

また、前記コントローラの演算手段は、雲台駆動原点とレーザ距離計原点との座標変換をなすことにより、計測点の三次元座標を算出することにより相対座標を用いた２点間距離を演算するように構成すればよい。

また、本発明に係る三次元２点間距離簡易計測装置は、レーザ距離計と、このレーザ距離計を搭載し水平・起伏動作のための２制御軸を有する雲台と、前記雲台を操作して搭載されたレーザ距離計によるレーザスポット位置を制御する駆動コントローラとを有し、前記コントローラには前記レーザ距離計の２つの計測点の各々の計測距離信号と前記雲台の制御軸角度信号を入力して２つの計測点間の距離を演算する演算手段と、この演算手段の演算結果を表示する表示手段を設けるとともに、前記雲台には前記レーザ距離計の光軸と平行な光軸を有して計測点領域を撮像するカメラを設け、当該カメラによる撮像画像を前記表示手段に表示可能としたことを特徴とする。

また、前記演算部は、前記表示手段に表示された前記撮像画像に対して、当該撮像画像取得時に照射されたレーザスポットを選択することで当該レーザスポット照射位置を原点とした２次元座標系を割り当て、原点と前記雲台の制御角度との相関を求め、前記撮像画像内において任意の計測点を選択されることで前記計測点の２次元座標を取得し、前記原点における前記雲台の制御角度と撮像時における前記カメラの倍率、撮像画像の画角、原点の２次元座標、および前記計測点の２次元座標から、前記レーザ距離計により照射されるレーザスポットを前記選択された計測点近傍に移動させるために必要とされる前記雲台の制御角度を算出し、前記雲台に制御信号を出力して前記レーザスポットを前記計測点に漸近させる半自動位置合わせプログラムを備えるようにする。

また、前記コントローラには、前記計測点に漸近させた前記レーザスポットを前記計測点に一致させるために雲台を制御するためのライブ映像を前記表示手段に表示する機能を備えるようにする。

また、前記コントローラには計測点の空間座標データ、演算した２点間距離データとともに計測と同時に撮影した画像データを一元化して保存するデータ記憶手段を設けるようにすればよい。

また、前記コントローラには計測点の空間座標データ、演算した２点間距離データを撮影した画像データにおける計測点に紐付けて保存するデータ記憶手段を設けるようにすればよい。
さらに、前記カメラはズーム機能を有し、前記コントローラの表示手段にレーザスポットの照射位置を拡大表示可能とすることが望ましい。

上記構成により、本願発明では、レーザ距離計を雲台に搭載し、コントローラによって初期化を行った後、雲台の制御軸を駆動し、水平移動、俯仰角移動を行ってレーザ距離計のレーザスポットを計測点に向けて、雲台の制御角度、直線距離計による計測データを求めることができる。コントローラは計測データを取り込み、２つの計測点の距離を算出して表示手段に表示することができる。雲台原点と距離計の原点との間で座標変換することで、計測点の三次元座標を算出し、相対座標を用いた２点間距離を同時に表示することができる。

雲台にレーザ距離計を搭載して、雲台のコントローラにより操作するとともに、このコントローラにて２点間距離を計算して表示する構成であるため、極めて簡易小型な構成とすることができ、軽量化、小型化が実現でき、既設建屋における狭隘部への持込移動と、高所に計測点が存在しても極めて簡易に２点間距離を求めることができる。本装置により、従来、簡易的に計測できなかった空間２点間距離を計算でき、２点間距離をその場で計測・表示することができる。また、計測対象が高所・狭隘部であっても計測装置の設置位置によらず計測することができ、更にスキルレスで任意の２点を少ない作業時間で計測が可能である。

また、雲台を自動制御してレーザスポットを計測点に漸近させるようにしたことで、レーザスポットの空間的な移動状態を確認しながらの計測点の位置あわせという作業の幅を少なくすることができる。これによりレーザスポットの位置合わせ時間の短縮を図ることができる。また、表示手段にライブ映像を表示して手動による計測点とレーザスポットとの位置合わせを可能としたことで、ライブ映像を拡大して位置合わせ作業を行うことが可能となる。このため、位置合わせの精度が向上する。

また、計測装置に小型カメラを取付け、ズーム機能によりコントローラ画面上に映し出した計測点を決定する際の誤差を小さくすることができるので、簡易ながら高い計測精度を持たせることができる。コントローラには計測点の空間座標データ、演算した２点間距離データとともに計測と同時に撮影した画像データを一元化して保存することができるので、データ整理作業時間の効率を図ることができる。

また、コントローラに計測点の空間座標データ、演算した２点間距離データを撮影した画像データにおける計測点に紐付けて保存するデータ記憶手段を設けたことにより、データを整理する際の効率化を図ることができる。

本発明に関連する第１の実施形態に係る三次元２点間距離簡易計測装置の使用状態説明略図である。 本発明に関連する第１の実施形態に係る計測装置を簡略化して示した模式的な構成図である。 同計測装置本体の側面図である。 同計測装置本体の正面図である。 本発明に関連する第１の実施形態に係る計測装置の制御ブロック図である。 本発明に関連する第１の実施形態に係る計測装置の制御フローである。 本発明に関連する第１の実施形態に係るコントローラの画面表示構成図である。 本発明に関連する第２の実施形態に係る計測装置を簡略化して示した模式的な構成図である。 本発明に関連する第２の実施形態に係る計測装置の制御ブロック図である。 本発明に関連する第２の実施形態に係る計測装置の制御フローである。 本発明に関連する第２の実施形態に係るコントローラの画面表示構成図である。 本発明の実施形態に係る計測装置の制御ブロック図である。 撮像画像に対して２次元座標系を付与した場合の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る計測装置の制御フローである。 本発明の実施形態に係るコントローラにおける撮像時の画面表示構成図である。 本発明の実施形態に係るコントローラにおける２次元座標登録時の画面表示構成図である。 本発明の実施形態に係るコントローラにおけるライブ映像切り換え時の画面表示構成図である。 本発明の実施形態に係るコントローラにおける自動位置合わせ制御実行時の画面表示構成図である。 本発明の実施形態に係るコントローラにおける手動位置合わせ実行時の画面表示構成図である。 本発明の実施形態に係るコントローラにおける自動位置合わせ実行後の計測点拡大時の画面表示構成図である。 本発明の実施形態に係るコントローラにおける手動位置合わせ実行時の画面表示構成図である。 本発明の実施形態に係るコントローラにおける２点間距離計測終了時の画面表示構成図である。 撮像画像を含む計測関連データをＣＳＶ形式で保存したファイルの例を示す図である。

以下に、本発明に係る三次元２点間距離簡易計測装置の具体的実施の形態を、図面を参照しつつ、詳細に説明する。なお、実施形態は一つの事例に過ぎない。本願発明の趣旨を変更しない限り任意に変更可能であり、実施形態には限定されない。

図１は本発明に関連する実施形態に係る三次元２点間距離簡易計測装置（以下、単に計測装置という）１０の使用状態説明略図であり、図２は同計測装置１０を簡略化して示した模式的な構成図、図３、４は計測装置本体の側面図と正面図である。

図示のように、実施形態に係る計測装置１０は、三脚などの架台（図示せず）に搭載される雲台１２と、この雲台１２に搭載されるレーザ距離計１４を備えている。雲台１２は２つの互いに直交する水平制御軸１６、垂直制御軸１８を有し、上段のマウントプレート２０に搭載されたレーザ距離計１４を各制御軸１６、１８の回りに回転させることで起伏動作並びに水平動作を行えるようにしている。制御軸１６、１８はステッピングモータ１６Ｍ、１８Ｍなどの駆動源により動作されるようになっており、後述するコントローラによるステッピングモータ１６Ｍ、１８Ｍの制御操作で前記レーザ距離計１４の向きを任意に変更できる電動雲台として構成されている。当然ながら、水平制御軸１６の回りに回転させてレーザ距離計１４の起伏動作を、垂直制御軸１８の回りに回転させて水平動作を行わせることができる。このような電動雲台には一般的な市販品を用いればよく、実施形態の場合は、株式会社アルゴ社製のコンピュータコントロール雲台ＰＴＵシリーズを利用している。

一方、前記レーザ距離計１４は、公知の測距器であって、内蔵するレーザ発光源からレーザ光を照射するレーザポインタ型の距離計であり、計測点Ｐｎにレーザスポットを一致させ、反射レーザ光を受光するまでの時間から直線距離を計測するものである。実施形態のレーザ距離計１４には市販品の乾電池駆動型のハンディタイプレーザ距離計１４を用いており、具体的には、株式会社村上技研産業社製のディストクラシック５ａを用いている。もちろん、直線距離を測定し、計測結果を出力できる小型のレーザ距離計であればこれに限られるものではない。

一方、雲台１２にレーザ距離計１４をマウントした状態で、２つの計測点Ｐｎ（Ｐ１、Ｐ２）までの距離を測定し、これらの２点間距離を表示させる小型操作端末としてのコントローラ２２が設けられている。このコントローラ２２はレーザ距離計１４による計測距離ｌｎ（ｌ１、１２）のデータを入力するとともに、雲台１２の各制御軸１６、１８の回転角θを回転角センサ１６Ｓ、１８Ｓから入力する演算部２４が設けられ、この演算部２４に組み込まれたプログラムにより計測２点間距離Ｌを算出するようにしている。この演算結果はコントローラ２２の表示部２６に出力され、図７に示すように、第１計測点Ｐ1の計測データ、第２計測点Ｐ２の計測データ、および演算結果としての２点間距離Ｌを数値表示するようにしている。

また、前記コントローラ２２は、基本的に雲台１２の操作を主体とし、雲台１２の各制御軸１６、１８の初期位置からの回転角θを表示できるようになっている。このため、コントローラ２２には雲台操作部２８が設けられ、雲台１２のステッピングモータ１６Ｍ、１８Ｍを駆動制御できるようにしている。具体的には上下動作のための上下ボタンと水平回転のための左右ボタンによって構成されている（図７参照）。

したがって、コントローラ２２は、雲台１２の駆動制御によりレーザ距離計１４のレーザスポットを２つの計測点Ｐ１、Ｐ２に向けて、それぞれの直線距離ｌ１、ｌ２の計測データを取り込み、同時に雲台１２の制御軸１６、１８の回転角θのデータを取り込み、ピタゴラスの定理に基づく２点間距離を演算して表示する機能を有している。

ところで、上記レーザ距離計１４は雲台１２のマウントプレート２０に搭載されて固定設置されるが、このとき、雲台１２を操作してレーザスポットを計測点Ｐｎに当てることにより計測点Ｐｎまでの直線距離は、レーザ距離計１４の光源を原点とした値となる。しかし、レーザスポットの移動は雲台１２で行うため、レーザ距離計１４の座標原点Ｏ１４と雲台１２の座標原点Ｏ１２との間に距離ｌｍの隔たりがある。このため、座標変換を行う必要がある。

いま、図２に示すように、レーザ距離計１４の光源を原点Ｏ１４とする直交座標を（ｘ，ｙ，ｚ）、雲台１２の回転中心を原点Ｏ１２とする直交座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とし、Ｚ軸まわりの回転角θｎ１（第１計測点θ１１、第２計測点θ２１）、Ｘ軸回りの回転角θｎ２（第１計測点θ１２、第２計測点θ２２）としたとき、各三次元座標は次のようになる。
（１）レーザ距離計１４を原点とする測定点Ｐ１、Ｐ２の座標
（２）自動雲台１２の回転中心を原点とするレーザ距離計１２の原点座標
（３）自動雲台１２の回転中心を原点とする測定点Ｐ１、Ｐ２の座標

したがって、測定点Ｐ１、Ｐ２の２点間距離Ｌは、次のようになる。
前記コントローラ２２の演算部２４は、上記数式にしたがって測定した直線距離ｌと回転角センサ１６Ｓ、１８Ｓから出力された角度θとを用いて２点間の距離を算出するプログラムを有している。

前記コントローラ２２の演算部２４は、上記数式にしたがって測定した直線距離ｌと回転角センサ１６Ｓ、１８Ｓから出力された角度θとを用いて２点間の距離を算出するプログラムを有している。

コントローラ２２の制御ブロックを図５に示す。図示のように、演算部２４には機器制御プログラムと２点間距離算出プログラムが格納されている。雲台操作部２８による操作によって制御信号がターミナル３０を介して雲台１２に送られ、搭載されているレーザ距離計１４の向きを任意に調整するようにしている。また、雲台１２の制御軸１６，１８の回転角θは、やはりターミナル３０を介して入力され、演算部２４に格納された２点間距離算出プログラムに取り込まれる。また、レーザ距離計１４には機器制御プログラムにより計測指令信号が出力されるようになっており、計測された距離データは２点間距離算出プログラムに取り込まれる。距離データと角度データが入力されることにより、上述した数式に基づいてプログラムは２点間距離Ｌを演算し、これを表示部２６にて表示するようになっている。

図６は実施形態に係る計測装置１０の作動順序のフローを示している。図示のように、最初に雲台１２の初期化が行われる（ステップ１００）。これにより初期位置での基準角度が設定される。次いで雲台操作部２８により方向指示を出力し（ステップ１１０）、レーザ距離計１４のレーザスポットを第１の計測点Ｐ１に合わせる。計測点Ｐ１にスポットが一致したら計測ボタンを押し（ステップ１２０）、１点目の座標を取り込む（ステップ１３０）。同様に、第２の計測点Ｐ２に対して方向指示を出し（ステップ１４０）、レーザ距離計１４のレーザスポットを第２の計測点Ｐ２に合わせる。計測点Ｐ２にスポットが一致したら計測ボタンを押し（ステップ１５０）、２点目の座標を取り込む（ステップ１６０）。演算部２４は取り込まれたデータを基に２点間距離Ｌを算出し（ステップ１７０）、表示部２６に直接距離表示をなすのである（ステップ１８０）。

図７に表示部２６による画面表示例を示す。この表示部２６では、簡易に計測結果が理解できるように、第１計測点Ｐ１の座標情報表示欄３２を左上欄に、第２計測点Ｐ２の座標情報表示欄３４を左上欄に示し、また、現在計測中の距離情報欄３６を中段に表示している。そして、下段部には演算結果である２点間距離表示欄３８を大きく示し、その左方に雲台操作部２８を配置している。また、その右方にはレーザ距離計１４の起動・停止ボタン４０と、雲台１２の移動速度の調整ボタン４２を配置している。このように構成することで、２点間距離を計測操作時に同時に確認することができるものとなっている。

このような実施形態によれば、電動雲台１２の初期座標を合わせ、小型操作端末のコントローラ２２を用い、電動雲台１２を動作させて、レーザ距離計を第１計測点Ｐ１、と第２計測点Ｐ２のそれぞれに合わせ、雲台１２の原点Ｏ１２から計測点Ｐ１、Ｐ２までの直線距離を計測する。そして、各計測点Ｐ１、Ｐ２における角度情報と、直線距離情報を各計測点の一時記録スペースに格納する。そして、格納した数値から第１計測点のＸ１、Ｙ１、Ｚ１座標と、第２計測点のＸ２、Ｙ２、Ｚ２座標を算出、算出した各座標を用い、２点間距離算出プログラムによって２点間の距離を小型操作端末上に表示することができる。したがって、この実施形態に係る三次元２点間距離簡易計測装置１０によれば、計測作業工数の低減と、高所部位計測の簡易化、省力化を図ることができる効果が得られる。

次に、本発明に関連する第２実施形態について説明する。この第２実施形態に係る計測装置１０Ａは外観的には、前述した関連実施形態に係る計測装置１０にカメラ５０を搭載したものである。図１および図８に示すように、前記雲台１２に前記レーザ距離計１４の光軸と平行な光軸を有して計測点領域を撮像するカメラ５０を設け、当該カメラ５０による撮像画像をコントローラ２２Ａの表示部２６Ａに表示可能としたものである。カメラ５０はズーム機能を有し、前記表示部２６Ａにレーザスポットの照射位置を拡大表示できるようにしている。このカメラ５０の撮像・ズーム操作は前記コントローラ２２にカメラ操作領域を設ければよいが、カメラ５０にて単独に操作するようにしてよい。コントローラ２２にカメラ５０の撮像した画像を取り込んで処理する画像入力部５２が設けられており、入力した画像を演算部２４に出力するものとしている。撮像画像は画像表示処理部５４を介して表示部２６Ａに出力し、画面表示させる。

また、演算部２４には、計測点の空間座標データ、演算した２点間距離データとともに計測と同時に撮像した画像データを一元化して保存するデータ記憶手段５６（図９参照）が接続され、各データを紐付けして格納保存するようにしている。データ保存フォームとしては、計測点番号、座標データ、２点間寸法データ、画像データ、タイムスタンプなどのデータを表形式で保存するようにすれば良い。

本実施形態に係る計測装置１０Ａにおけるコントローラ２２Ａの制御ブロックを図９に示す。図示のように、直線距離の計測値と制御角度の計測値に基づいて２点間距離を算出表示するまでの処理ブロックは第１実施形態と同じである。この第２実施形態では、特に、カメラ５０による画像処理のための手段が付帯している。カメラ５０により撮像された画像は、コントローラ２２Ａに設けた画像入力部５２を介して演算部２４に入力され、画像表示処理部５４を介して表示部２６に表示させ、必要に応じてズームアップして計測点を拡大表示させ、画像を見ながらレーザスポットを計測点に一致させるようにしている。確定したデータはデータ記憶手段５６に出力し、データベースとして、後のデータ整理作業に利用する。

図１０は実施形態に係る計測装置１０Ａの作動順序のフローを示している。図示のように、最初に雲台１２の初期化、雲台操作部２８により方向指示を出力し、レーザ距離計１４のレーザスポットを第１の計測点Ｐ1に合わせる（ステップ１００−１１０）。概略合わせた状態でカメラ５０による撮影映像をズームアップして拡大表示させ（ステップ１１５）、レーザスポットを微動操作に切り替え、微調整を行うようにする。計測点Ｐ１にスポットが一致したら計測ボタンを押し（ステップ１２０）、１点目の座標を取り込む（ステップ１３０）。同様に、第２の計測点Ｐ２に対して方向指示を出し（ステップ１４０）、カメラズームアップにより表示部２６に計測領域を拡大表示させ（ステップ１４５）、レーザ距離計１４のレーザスポットを第２の計測点Ｐ２に合わせる。計測点Ｐ２にスポットが一致したら計測ボタンを押し（ステップ１５０）、２点目の座標を取り込む（ステップ１６０）。演算部２４は取り込まれたデータを基に２点間距離Ｌを算出し（ステップ１７０）、カメラ５０にて撮像し（ステップ１７５）、算出データ並びに計測点座標データ、及び計測状況を画像データとして記憶手段５６に取り込むとともに、表示部２６Ａに直接距離表示をなすのである（ステップ１８０）。

図１１に表示部２６による画面表示例を示す。この表示部２６Ａでは、第１計測点Ｐ１の座標情報表示欄３２と、第２計測点Ｐ２の座標情報表示欄３４を右側に配置し、その下部に演算結果である２点間距離表示欄３８を表示するようにしている。更にその下部領域に雲台操作部２８を配置している。また、左方の領域にカメラ５０による撮影映像の表示欄５８を設け、画像を見ながらレーザスポットを計測点Ｐnに合わせることができるようになっている。このように構成することで、２点間距離を計測操作時に同時に確認することができるものとなっている。

このような実施形態によれば、カメラ５０による撮影映像を見ながらレーザ距離計のレーザスポットを第１計測点Ｐ１、と第２計測点Ｐ２のそれぞれに合わせ、雲台１２の原点Ｏ１２から計測点Ｐ１、Ｐ２までの直線距離を計測する。そして、各計測点Ｐ１、Ｐ２における角度情報と、直線距離情報を各計測点の一時記録スペースに格納する。そして、格納した数値から第１計測点のＸ１、Ｙ１、Ｚ１座標と、第２計測点のＸ２、Ｙ２、Ｚ２座標を算出、算出した各座標を用い、２点間距離算出プログラムによって２点間の距離を小型操作端末上に表示することができるとともに、計測・撮像したと同時に画像データ、計測した測定点の空間座標データ、２点間寸法データの一元化システムを構築し、データ整理作業時間の効率を図ることができる効果が得られる。

次に、本発明に係る実施形態について説明する。この実施形態に係る計測装置は外観的には、前述した第２の関連実施形態に係る計測装置と同様である。すなわち雲台にレーザ距離計の光軸と平行な光軸を有して計測点領域を撮像するカメラを設け、当該カメラによる撮像画像をコントローラの表示部に表示可能としたものである。よってその外観に関しては図８を援用すると共に、その構成を同一とする部分には図面に同一番号を付して詳細な説明は省略することとする。ここで、本実施形態に係る計測装置１０Ｂ（図１２参照）は、カメラ５０による撮像画像に基づいて雲台１２の回転を制御し、レーザ距離計１４のレーザスポットを半自動で計測点に移動させることを可能とする点を特徴とする。この機能を実現するために、図１２に示すように演算部２４には半自動位置合わせプログラムを備える構成とした。

半自動位置合わせプログラムとは、２次元座標系割り当て機能、計測点登録機能、及び雲台制御角算出機能を有するプログラムである。ここで、２次元座標系割り当て機能とは、レーザ距離計１４から照射されたレーザのスポット（レーザスポット）を撮像範囲に含む状態でカメラ５０により撮像された画像に対し、レーザスポットの照射位置を選択することで、これを原点とした２次元座標系を割り当てる機能である。また、計測点登録機能とは、撮像された画像上において、任意に選択される計測点の２次元座標を登録する機能である。さらに、雲台制御角算出機能とは、原点をレーザスポット照射位置とした際における雲台１２の制御角と登録された計測点の２次元座標、撮像画像の画角、および撮像時におけるカメラ５０の倍率に基づいて、レーザスポットを計測点近傍に移動させるための雲台１２の制御角度を算出する機能である。

例えば撮像画像に対して図１３に示すように２次元座標系を割り当てた場合、Ｘ軸（横軸）およびＹ軸（縦軸）の単位目盛りはそれぞれ、１／撮像画像のピクセル数で表すことができる。すなわち、横方向のピクセル数をｍ_ｍａｘ、縦方向のピクセル数をｎ_ｍａｘとした場合にはそれぞれ、１／ｍ_ｍａｘ、１／ｎ_ｍａｘで表すことができる。ここで、原点Ｏであるレーザスポット照射位置の２次元座標は（０，０）となり、雲台１２の水平軸および垂直軸の制御角度はθ_ｘ０，θ_ｙ０となる。そして任意に選択した第１の計測点Ｐ_１の２次元座標を（ｍ_１，ｎ_１）、雲台１２の制御角度をθ_ｘ１，θ_ｙ１とし、第２の計測点Ｐ_２の２次元座標を（ｍ_２，ｎ_２）、雲台１２の制御角度をθ_ｘ２，θ_ｙ２とする。
この場合、原点Ｏから第１の計測点Ｐ_１近傍までレーザスポットを移動させるための雲台１２の制御角Δθ_ｘ，Δθ_ｙはそれぞれ、
で求めることができる。ここで、ｋは撮像時におけるカメラ５０の倍率であり、Ａ、Ｂはそれぞれ撮像画像における横方向画角（視野角）と縦方向画角（視野角）である。なお、倍率ｋは撮像時の設定により決定され、画角Ａ、Ｂはそれぞれ使用する光学センサの撮像面（ＣＣＤ）の寸法や画像を撮像面に投射するレンズの焦点距離、およびレンズの歪み度合いにより決定されるため、いずれも撮像に使用する機材の選定、設定により決定されるパラメータである。

次に、手動操作により第１の計測点Ｐ_１の３次元座標の取得が完了すると、実際に計測点Ｐ_１にレーザスポットを一致させた際の雲台１２の制御角θ_ｘ１，θ_ｙ１を得ることができる。このことより、第１の計測点Ｐ_１から第２の計測点Ｐ_２近傍までレーザスポットを移動させるための雲台１２の制御角Δθ_ｘ１，Δθ_ｙ１はそれぞれ、
で求めることができる。

第２の計測点Ｐ_２近傍にレーザスポットを移動させた後は手動操作によりレーザスポットを第２の計測点Ｐ_２に一致させ、第２の計測点Ｐ_２における３次元座標を取得することで、２点間距離の算出を行うことが可能となる。なお、２点間距離の算出に関しては、上述した第１、第２の実施形態と同様な手法で行えば良い。

本実施形態に係る計測装置におけるコントローラ２２Ｂの制御ブロックを図１２に示す。本実施形態においても、直線距離の計測値と制御角度の計測値に基づいて２点間距離を算出表示するための処理ブロックは第１実施形態と同じである。この実施形態では、特に、カメラ５０により撮像された画像を計測点の選択に利用するための半自動位置合わせプログラムが、演算部２４に記憶されている。カメラ５０により撮像された画像は、コントローラ２２Ｂに設けた画像入力部５２を解して演算部２４に入力される。入力された画像は、画像表示処理部５４を介して表示部２６Ｂ（図１５参照）に表示される。表示部２６Ｂに表示された画像に対して表示部２６Ｂを介してレーザスポット照射位置が入力されると、半自動位置合わせプログラムは画像に対してレーザスポット照射位置を原点とした２次元座標系を割り当て、画像表示処理部５４を介して表示部２６Ｂに表示させる。表示部２６Ｂに表示された画像に対して計測点の選択が成されると、上述した数式５〜８に基づいて、レーザスポットを計測点近傍に移動させるための雲台１２の制御角度が算出され、機器制御プログラムへと送られ、算出された制御角度に従って雲台１２が制御され、レーザ距離計１４の向きが調整される。レーザ距離計１４の向きが調整されることによりレーザスポットが、画像上で選択された計測点に漸近した後、表示部２６Ｂ上にはライブ映像（撮影映像）が表示され、必要に応じてズームアップして計測点近傍を拡大表示させる。拡大表示させたライブ映像を見ながら雲台操作部２８を介して雲台１２の制御角度を調整し、レーザスポットを計測点に一致させ、実際の計測点を確定し、距離データを取得する。取得した距離データは、カメラ５０により撮像した画像データと紐付けられた上でデータ記憶手段に記憶され、後のデータ整理作業に利用される。

図１４は実施形態に係る計測装置１０Ｂの作動順序のフローを示している。図示のように、最初に雲台１２の初期化が行われる（ステップ１００）。これにより初期位置での基準角度が設定される。次いで必要に応じてカメラ５０のズーム調整を行い、撮像範囲のズームアップあるいはズームダウンを行う（ステップ１０５）。その後、雲台操作部２８により方向指示を出力し、カメラ５０による撮像範囲に複数の計測点の全てが含まれるように位置合わせを行い（ステップ１１０）、撮像する（ステップ１２０）。

表示部２６Ｂに表示された撮像画像上に映し出されたレーザスポット照射位置を選択し、レーザスポットの位置を登録する（ステップ１３０）。レーザスポットの位置登録により表示部２６Ｂに表示された画像上に付加された２次元座標系上において、第１の計測点（計測点１）Ｐ_１を選択することで第１の計測点Ｐ_１の２次元座標を登録し（ステップ１４０）、次いで第２の計測点（計測点２）Ｐ_２の２次元座標を同様に登録する（ステップ１５０）。

表示部２６Ｂに表示された撮像画像上で選択した第１の計測点Ｐ_１の登録情報を呼び出し、２次元座標系に基づく雲台１２の自動制御によりレーザ距離計１４の向きを変え、レーザスポットを実空間上の第１の計測点Ｐ_１に漸近させる（ステップ１６０）。雲台１２の自動制御完了後、表示部２６Ｂにはライブ映像が表示されるため、必要に応じてこれをズームアップ、またはズームダウンする（ステップ１６５）。雲台操作部２８により方向支持を出力することで、表示部２６Ｂに表示されたライブ映像上に写し出されるレーザスポットを第１の計測点Ｐ_１に一致させる（ステップ１７０）。第１の計測点Ｐ_１にレーザスポットを一致させた後に表示部２６Ｂ上に描かれた計測ボタンを押し（ステップ１８０）、第１の計測点Ｐ_１の３次元座標とステップ１４０において選択した撮像画像上の第１の計測点Ｐ_１とを紐付けし、計測情報として登録する（ステップ１９０）。

次に、ステップ１５０において表示部２６Ｂに表示された画像上で選択した第２の計測点Ｐ_２の登録情報を呼び出し、２次元座標系に基づく雲台１２の自動制御によりレーザ距離計１４の向きを変え、レーザスポットを実空間上の第２の計測点Ｐ_２に漸近させる（ステップ２００）。雲台１２の自動制御完了後、表示部２６Ｂにはライブ映像が表示されるため、必要に応じてこれをズームアップ、またはズームダウンする（ステップ２０５）。雲台操作部２８により方向指示を出力することで、表示部２６Ｂに表示されたライブ映像上に写し出されるレーザスポットを第２の計測点Ｐ_２に一致させる（ステップ２１０）。第２の計測点Ｐ_２にレーザスポットを一致させた後に計測ボタンを押し（ステップ２２０）、第２の計測点Ｐ_２の３次元座標とステップ１５０において選択した撮像画像上の第２の計測点Ｐ_２の２次元座標とを紐付けし、計測情報として登録する（ステップ２３０）。

２点間距離計測の対象となる第１の計測点Ｐ_１の計測情報を取り込み（ステップ２４０）、次いで第２の計測点Ｐ_２の計測情報を取り込む（ステップ２５０）。演算部２４は、取り込まれたデータを基に２点間距離Ｌを算出し（ステップ２６０）、ステップ１２０での撮像画像と共に、算出された２点間距離Ｌを表示する（ステップ２７０）。さらに必要に応じて、計測日時、計測者、コメント、その他各計測点の３次元情報等の計測関連情報と画像を一元化し、これをＣＳＶ形式のファイルとして出力する（ステップ２８０）。

図１５〜図２３は、コントローラ２２Ｂにおける表示部２６Ｂに表示される画像である。図１５はステップ１２０における撮像時の表示部２６Ｂの様子を示す図である。本実施形態に係る計測装置１０Ｂでは、表示部２６Ｂにタッチパネルを採用し、画面右側に雲台操作部２８、倍率操作部６０、撮影指示部６２、および進行指示部６４を配置し、雲台操作部２８等の左側に撮像画像を表示する撮影画像表示欄５８を配置する構成を採っている。

図１６は、図１５において撮像を修了し、進行指示部６４である「次へ」を選択した際に表示部２６Ｂに表示される画面であり、撮影画像表示欄５８の下側に計測点として登録するための複数の計測点登録部６８ａ〜６８ｆが配置されている。第１の計測点Ｐ_１の２次元座標を選択する場合には例えば、計測点登録部６８ａである「Ｐ１」ボタンを選択し、その後に撮像画像上の任意の点を第１の計測点Ｐ_１として選択する（例えば白丸で示した点）。次に第２の計測点Ｐ_２を画面上で選択する場合には例えば、計測点登録部６８ｂである「Ｐ２」ボタンを選択し、その後に撮像画像上の任意の点を第２の計測点Ｐ_２として選択する（例えば黒丸で示した点）。撮像画面上における計測点の選択（登録）が終了した場合には、進行指示部６４である「計測モードへ」のボタンを選択する。なお、撮像をやり直したい場合には、同じく進行指示部６４である「戻る」ボタンを選択し、本ステップで登録した計測点の２次元座標を知りたい場合には、結果出力部６６として「結果出力」ボタンを選択すれば良い。

図１６に示す画面において「計測モードへ」ボタンを選択した場合、図１７に示す画面へ切り替わる。ここで撮影画像表示欄５８に映し出されるのは、静止画像ではなくライブ映像となる。雲台操作部２８の下部には、計測指示部７０としての「計測」ボタンが表示される。「計測」ボタンは、ライブ画面上に映し出されたレーザスポットが照射された部位の３次元座標の計測を行うためのボタンである。この画面上において、撮像画像上で計測点を登録した計測点登録部６８（６８ａ〜６８ｆ）を選択することで、制御信号が雲台１２に送られて雲台１２が自動制御され、ライブ画面上に映し出されるレーザスポットが計測点に漸近する。例えばボタン「Ｐ１」を選択した場合には、図１８に示すように、レーザスポットが移動する。

図１８上において計測点（第１の計測点Ｐ_１）が確認し辛い場合には、倍率操作部６０における「拡大」ボタンを選択することにより映像がズームアップされる。ズームアップされた映像に基づいて雲台制御部２８を構成する方向キーを選択し、レーザスポットを任意の計測点（第１の計測点Ｐ_１）に一致させる。図１９に示すように、拡大、移動により第１の計測点Ｐ_１にレーザスポットを一致させた後、「計測」ボタンを選択することにより第１の計測点Ｐ_１における３次元座標が取得される。

同様にして第２の計測点Ｐ_２について「Ｐ２」ボタンを選択することでレーザスポットを漸近させ（図２０参照）、方向キーの操作により図２１に示すようにレーザスポットを第２の計測点Ｐ_２に一致させる。第２の計測点Ｐ_２にレーザスポットを一致させた後に「計測」ボタンを選択することで、第２の計測点Ｐ_２における３次元座標が取得される。

それぞれの計測点における３次元座標を取得した後には、図２２に示すように撮影画像表示欄５８にはステップ１２０における撮像画像、撮影画像表示欄の下には計測点登録部６８ａ〜６８ｆ、撮影画像表示欄５８の右側には２点間距離表示欄３８が表示される。また、本実施形態では、２点間距離表示欄３８の下に、２点間距離表示欄３８に表示されている距離が、登録された複数の計測点のうちのどの２点間距離であるかを示す寸法表示欄７２を配置した。

さらに、図２２に示す表示部２６Ｂ上において結果出力部６６としての「ファイル出力」ボタンを選択することで、図２３に示すように、２点間距離を書き込んだ撮像画像、計測者、計測日時、その他の計測関連情報を一元化してＣＳＶ形式としたファイルが表示される。

このように、本実施形態に係る計測装置１０Ｂによれば、計測者が撮像時にレーザスポットの照射位置を選択して２次元座標系の原点を定めるようにしたため、レーザ距離計１４とカメラ５０との光軸を一致させる補正を行う手間、設置環境によるズレの補正値特定といった高度な制御を不要とすることができる。また、半自動位置合わせの後に手動による計測点の位置合わせを行い、計測点における３次元座標の登録を行うため、常に第１点目の計測点における３次元座標（空間座標）と雲台の制御角度との関係を求めた上で次の計測点への移動制御角の計算を行うといった制御が成される。このため、登録した計測点から次の計測点への移動に際し、数を重ねる毎にズレ角が大きくなっていってしまうという事が無い。

また、計測関連データと画像データとを一元化したＣＳＶ形式のファイルとして記録することにより、データ整理作業の効率化が期待できる。また、本実施形態に係る計測装置１０Ｂによれば、撮像画像（２次元画像）上にて登録した各計測点の３次元情報を２次元画像に関連付けて記録しているため、記録ファイル上において任意に選択した２つの計測点間の距離を撮像画像上に反映させて表示することが可能となる。

また、上記実施形態では表示部２６Ｂにはタッチパネルを採用し、表示部２６上において各種操作を行う旨記載したが、別途も受けた操作キーや、マウス等により選択、操作を行うようにしても良い。また、実施形態では、雲台の自動制御は原点Ｏから第１の計測点Ｐ_１近傍へレーザスポットを移動させた後、手動で第１の計測点Ｐ_１にレーザスポットを合わせ込み、その後第１の計測点Ｐ_１から第２の計測点Ｐ_２近傍へ向けてレーザスポットを移動させるように記載した。しかしながら、第１の計測点Ｐ１においてレーザスポットの合わせ込み、３次元座標の計測を行った後、「Ｐ２」ボタンが選択された場合に、原点Ｏに原点復帰させた上で原点Ｏを基準としてレーザスポットをＰ_２近傍へ移動させるようにしても良い。

本願発明は建設工事などへの適用が可能である。

１０、１０Ａ、１０Ｂ………三次元２点間距離簡易計測装置、１２………雲台、１４………レーザ距離計、１６………水平制御軸、１６Ｍ………ステッピングモータ、１６Ｓ………回転角センサ、１８………垂直制御軸、１８Ｍ………ステッピングモータ、１８Ｓ………回転角センサ、２０………マウントプレート、２２、２２Ａ、２２Ｂ………コントローラ、２４………演算部、２６、２６Ａ、２６Ｂ………表示部、２８………雲台操作部、３０………ターミナル、３２………第１座標情報表示欄、３４………第２座標情報表示欄、３６………距離情報欄、３８………２点間距離表示欄、４０………レーザ起動・停止ボタン、４２………雲台移動速度調整ボタン、５０………カメラ、５２………画像入力部、５４………画像表示処理部、５６………データ記憶手段、５８………撮影画像表示欄、６０………倍率操作部、６２………撮影指示部、６４………進行指示部、６６………結果出力部、６８（６８ａ〜６８ｆ）………計測点登録部、７０………計測指示部、７２………寸法表示欄。

Claims (7)

1. レーザ距離計と、このレーザ距離計を搭載し水平・起伏動作のための２制御軸を有する雲台と、前記雲台を操作して搭載されたレーザ距離計によるレーザスポット照射位置を制御する駆動コントローラとを有し、前記駆動コントローラには前記レーザ距離計の２つの計測点の各々の計測距離信号と前記雲台の制御軸角度信号を入力して２つの計測点間の距離を演算する演算手段と、この演算手段の演算結果を表示する表示手段を設けるとともに、前記雲台には前記レーザ距離計の光軸と平行な光軸を有して計測点領域を撮像するカメラを設け、当該カメラによる撮像画像を前記表示手段に表示可能とした三次元２点間距離簡易計測装置であって、
   前記演算手段は、前記カメラにより、前記２つの計測点が撮像範囲に含まれるように撮像されて前記表示手段に表示された前記撮像画像に対して、当該撮像画像取得時に照射されたレーザスポットを選択することで当該レーザスポット照射位置を原点とした２次元座標系を割り当てる２次元座標系割り当て機能と、
   前記撮像画像上で各計測点を順次選択することで、前記撮像画像上に付加された２次元座標系上における計測点の座標をそれぞれ対応する番号に登録する計測点登録機能と、を有し、
   前記表示画面上で任意の番号が選択された場合に、前記雲台を自動制御して、前記レーザスポット照射位置を実空間上において、前記番号に登録された計測点に漸近させる半自動位置合わせプログラムを備えることを特徴とする記載の三次元２点間距離簡易計測装置。
2. 前記半自動位置合わせプログラムにおけるレーザスポット照射位置の漸近制御は、前記原点における前記雲台の制御角度と撮像時における前記カメラの倍率、撮像画像の画角、前記原点の２次元座標、および登録された前記計測点の２次元座標から、前記レーザスポット照射位置を前記選択された番号に対応する２次元座標位置に移動させるために必要とされる前記雲台の制御角度を算出し、前記雲台に制御信号を出力する雲台制御角算出機能により成されることを特徴とする請求項１に記載の三次元２点間距離簡易計測装置。
3. 前記コントローラには、前記計測点に漸近させた前記レーザスポット照射位置を前記計測点に一致させるために雲台を制御するためのライブ映像を前記表示手段に表示する機能を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元２点間距離簡易計測装置。
4. 前記コントローラには計測点の空間座標データ、演算した２点間距離データとともに計測と同時に撮影した画像データを一元化して保存するデータ記憶手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の三次元２点間距離簡易計測装置。
5. 前記コントローラには計測点の空間座標データ、演算した２点間距離データを撮影した画像データにおける計測点に紐付けて保存するデータ記憶手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の三次元２点間距離簡易計測装置。
6. 前記データ記憶手段に保存されるデータには、前記画像データに紐付けられたデータの他に、計測関連情報が一元化されることを特徴とする請求項５に記載の三次元２点間距離簡易計測装置。
7. 前記カメラはズーム機能を有し、前記コントローラの表示手段にレーザスポットの照射位置を拡大表示可能としてなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の三次元２点間距離簡易計測装置。