JP6253932B2 - 方向検出装置及び測量システム - Google Patents

Description

本発明は、光源方向を検出する方向検出装置及び該方向検出装置を具備する測量システムに関するものである。

近年、測定対象物としてコーナキューブを用い、追尾機能を有する測量機でコーナキューブを追尾させ、コーナキューブの位置を測定するケースが増えている。

この場合、測量機本体とコーナキューブとの間の距離を正確に測定する為には、コーナキューブが測定点の鉛直上に位置する必要がある。通常、コーナキューブは支柱の上部に設けられており、作業者が支柱の下端を測定点に設置し、支柱を鉛直に支持している。又、支柱が鉛直に支持できる様、支柱には気泡管が設けられ、作業者は気泡管により支柱が鉛直であるかどうかを確認する様になっている。

この場合、支柱が鉛直状態に支持されるかどうかは、作業者の熟練度に左右され、更に支柱が長くなった場合等では誤差も大きくなるという問題があった。

特開平８−３０４０７２号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、作業者の熟練度に頼ることなく対象物の位置を検出できる方向検出装置及び該方向検出装置を用いた測量システムを提供するものである。

本発明は、支柱の下端から既知の位置に設けられた方向検出装置であって、該方向検出装置は、前記支柱の軸心と直交する光軸を有する撮像装置と、該撮像装置からの画像に基づき所要の演算を行う演算処理部とを具備し、前記撮像装置は方向を検出すべき対象物を含む様に画像を取得し、前記演算処理部は、前記画像中の前記対象物の位置と前記撮像装置の光軸の関係から前記対象物の方向と傾きを算出し、検出する方向検出装置に係るものである。

又本発明は、前記対象物は追尾光を発する測量機であり、前記方向検出装置は再帰反射体を具備し、前記演算処理部は、前記再帰反射体に向けて発せられる前記追尾光の光源の方向を検出する方向検出装置に係るものである。

又本発明は、前記追尾光は、所定の時間間隔で発せられる光パルスから構成され、前記方向検出装置は、タイミングパルス検出部を有し、該タイミングパルス検出部は前記追尾光を検出し、検出結果に基づきタイミングパルスを生成し、前記撮像装置は該タイミングパルスと同期して画像を取得する方向検出装置に係るものである。

又本発明は、前記追尾光は光軸を中心に回転する偏光光であり、又該偏光光の基準偏光方向に対応する基準光パルスを有し、前記方向検出装置は前記追尾光の偏光方向を検出する偏光検出部を有し、該偏光検出部は前記基準光パルス検出時の前記追尾光の偏光方向を検出し、検出した偏光方向に基づき前記方向検出装置の傾きを検出する方向検出装置に係るものである。

又本発明は、前記撮像装置、前記タイミングパルス検出部、前記偏光検出部を複数組具備し、全周方向の任意の位置の対象物の方向を検出可能とした方向検出装置に係るものである。

又本発明は、測量機と測定点指示装置とを具備する測量システムであって、前記測定点指示装置は下端で測定点を示す支柱と、該支柱の下端から既知の位置に設けられた再帰反射体と、該再帰反射体と平行な光軸を有する前記方向検出装置とを具備し、該方向検出装置は前記測量機の方向を検出する測量システムに係るものである。

更に又本発明は、前記測量機は、追尾光発生部を有し、該追尾光発生部は光軸を中心に回転する偏光光の追尾光を照射し、該追尾光は、所定の時間間隔で発せられる光パルスと前記偏光光の基準偏光方向に対応して発せられる基準光パルスとから構成され、前記方向検出装置は、タイミングパルス検出部を有し、該タイミングパルス検出部は前記追尾光を検出し、検出結果に基づきタイミングパルスを生成し、前記撮像装置は、該タイミングパルスと同期して画像を取得し、前記方向検出装置は、前記追尾光の偏光方向を検出する偏光検出部を有し、該偏光検出部は前記基準光パルス検出時の前記追尾光の偏光方向を検出し、検出した偏光方向に基づき前記測定点指示装置の傾きを検出する測量システムに係るものである。

本発明によれば、支柱の下端から既知の位置に設けられた方向検出装置であって、該方向検出装置は、前記支柱の軸心と直交する光軸を有する撮像装置と、該撮像装置からの画像に基づき所要の演算を行う演算処理部とを具備し、前記撮像装置は方向を検出すべき対象物を含む様に画像を取得し、前記演算処理部は、前記画像中の前記対象物の位置と前記撮像装置の光軸の関係から前記対象物の方向と傾きを算出し、検出するので、前記方向検出装置に傾斜センサ等を設けることなく画像上から容易に対象物の方向を検出することができる。

又本発明によれば、前記対象物は追尾光を発する測量機であり、前記方向検出装置は再帰反射体を具備し、前記演算処理部は、前記再帰反射体に向けて発せられる前記追尾光の光源の方向を検出するので、前記方向検出装置側で測量機の方向が判別できるので、該方向検出装置を容易に測量機の方向に合わせることができる。

又本発明によれば、前記追尾光は、所定の時間間隔で発せられる光パルスから構成され、前記方向検出装置は、タイミングパルス検出部を有し、該タイミングパルス検出部は前記追尾光を検出し、検出結果に基づきタイミングパルスを生成し、前記撮像装置は該タイミングパルスと同期して画像を取得するので、前記方向検出装置側にタイミング発生器等を設ける必要がなく、又前記追尾光と前記方向検出装置の作動を容易に同期させることができる。

又本発明によれば、前記追尾光は光軸を中心に回転する偏光光であり、又該偏光光の基準偏光方向に対応する基準光パルスを有し、前記方向検出装置は前記追尾光の偏光方向を検出する偏光検出部を有し、該偏光検出部は前記基準光パルス検出時の前記追尾光の偏光方向を検出し、検出した偏光方向に基づき前記方向検出装置の傾きを検出するので、前記方向検出装置側に傾斜センサ等を設けることなく、簡単に而も作業者の熟練度にも左右されることなく、前記方向検出装置の傾きを検出することができる。

又本発明によれば、測量機と測定点指示装置とを具備する測量システムであって、前記測定点指示装置は下端で測定点を示す支柱と、該支柱の下端から既知の位置に設けられた再帰反射体と、該再帰反射体と平行な光軸を有する前記方向検出装置とを具備し、該方向検出装置は前記測量機の方向を検出するので、該方向検出装置側で測量機の方向を検出でき作業性が向上する。

更に又本発明によれば、前記測量機は、追尾光発生部を有し、該追尾光発生部は光軸を中心に回転する偏光光の追尾光を照射し、該追尾光は、所定の時間間隔で発せられる光パルスと前記偏光光の基準偏光方向に対応して発せられる基準光パルスとから構成され、前記方向検出装置は、タイミングパルス検出部を有し、該タイミングパルス検出部は前記追尾光を検出し、検出結果に基づきタイミングパルスを生成し、前記撮像装置は、該タイミングパルスと同期して画像を取得し、前記方向検出装置は、前記追尾光の偏光方向を検出する偏光検出部を有し、該偏光検出部は前記基準光パルス検出時の前記追尾光の偏光方向を検出し、検出した偏光方向に基づき前記測定点指示装置の傾きを検出するので、前記測定点指示装置側に傾斜センサを設ける必要がなく、又作業者の熟練度によらず、正確に前記測定点指示装置の傾きを測定できるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例の概略図である。 本実施例の概略構成図である。 撮像装置で取得した画像の一例を示す図である。 （Ａ）は追尾光に基づき生成するタイミングパルス、（Ｂ）は測定点指示装置で検出する検出光量とタイミングパルスとの関係を示す図である。 本実施例で、測定点指示装置を変更した場合の応用例を示す概略図である。 本実施例を用いた測定方法の例を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の実施例の概要を説明する。

図１中、１は追尾機能を有する測量機、例えばトータルステーションであり、既知の位置に設けられる。２は方向検出装置を備えた測定点指示装置である。

前記測量機１は、追尾光３を発し、前記測定点指示装置２で反射された反射追尾光を検出して追尾し、更に測定を行う様になっている。前記追尾光３は、所定時間間隔で光パルスが連続的に発せられるパルスビームとなっている。又、前記測量機１は測距光を発し、前記測定点指示装置２で反射された反射測距光を検出して前記測定点指示装置２迄の距離を測定する。

前記測定点指示装置２は、測定対象物である再帰反射体、例えばコーナキューブ４を備え、又方向検出装置５を備えている。

前記コーナキューブ４は支柱６の所要位置に設けられ、前記コーナキューブ４は前記支柱６の下端から既知の位置となっている。

前記方向検出装置５は、前記コーナキューブ４の近傍に設けられ、前記測量機１からの前記追尾光３を受光する様構成され、又前記追尾光３を受光する場合に、前記コーナキューブ４と干渉しない様に設けられている。又、前記方向検出装置５は、前記支柱６の下端から既知の位置となっていると共に前記コーナキューブ４に対して既知の位置となっている。

図２を参照して、前記測量機１に設けられた追尾光発生部７、回転偏光部８及び前記測定点指示装置２に設けられた前記方向検出装置５を説明する。

前記追尾光発生部７は、上記した様に、追尾光３として連続した光パルスで構成されるパルスビームを照射する。前記回転偏光部８は、前記追尾光３の光軸上に配置された回転偏光板９を有し、該回転偏光板９を所定の定速度で回転する構成となっている。従って、前記追尾光発生部７から発せられた前記追尾光３は前記回転偏光板９を透過することで、一方向に偏光された偏光パルスビームとなり、更に前記回転偏光板９の回転で偏光方向が回転する。以下の説明では、偏光パルスビームの偏光方向が回転することを、前記追尾光３の光軸が回転すると定義する。

前記方向検出装置５は、偏光検出部１１、タイミングパルス検出部１２、撮像装置１３、演算処理部１４、記憶部１５、信号処理部１６を具備している。

前記偏光検出部１１は静止偏光板１８を有し、又該静止偏光板１８を透過した前記追尾光３を受光する受光センサ１９を具備し、該受光センサ１９からの受光信号（以下、偏光検出信号）は、前記信号処理部１６に入力され、該信号処理部１６で増幅、Ａ／Ｄ変換等、所要の信号処理がなされて前記演算処理部１４に入力される。ここで、前記静止偏光板１８は、前記測定点指示装置２の姿勢に対して所定の偏光方向を有している。例えば、偏光方向が前記支柱６の軸心と平行に設定され、前記測定点指示装置２が鉛直に立てられると、前記静止偏光板１８の偏光方向も鉛直となる。

前記タイミングパルス検出部１２は、前記追尾光３を受光し、該追尾光３の光パルスに基づきタイミング信号を生成し、タイミング信号は前記撮像装置１３に入力されると共に前記信号処理部１６を経て、前記演算処理部１４に入力される。

前記撮像装置１３は、前記支柱６と直交する光軸を有し、該支柱６が鉛直に立設されると、前記撮像装置１３の光軸は水平となる様に設定されている。又、前記撮像装置１３は方向を検出すべき対象物が存在する方向に光軸が向けられ、該対象物の画像を取得する。本実施例では対象物は前記測量機１であり、前記撮像装置１３は前記測量機１の画像を取得し、デジタル画像信号として前記演算処理部１４に出力する。

前記記憶部１５には前記撮像装置１３で取得した画像信号が格納され、又前記信号処理部１６で処理された前記偏光検出部１１からの偏光検出信号が格納される。

又、前記記憶部１５には、画像信号を処理する画像処理プログラム、前記偏光検出部１１からの信号に基づき、前記測定点指示装置２の傾斜角を演算する角度検出プログラム等が格納されている。

以下、光源方向を検出する作用について、図１、図３を参照して説明する。

図３は、前記撮像装置１３で取得した画像２１を示している。

該画像２１中、クロスする１点鎖線２２は、前記画像２１の座標系Ｑを示しており、前記１点鎖線２２の交点（座標の原点Ｏ）は、前記撮像装置１３の光軸と合致する。又、前記画像２１中の１′は、前記測量機１の測量機像を示している。又、前記画像２１中、１点鎖線２３の交点は、前記測量機１の光軸を示している。尚、座標系Ｑは画角との関係で原点Ｏを中心とした概ね極座標系を意味する。

前記撮像装置１３の光軸と前記測量機１の光軸とが合致すると、前記画像２１上では前記１点鎖線２２の交点と前記１点鎖線２３の交点とが合致する。

前記測定点指示装置２が前記測量機１に対して離反する様に傾斜（後側に傾く）すると、前記偏光検出部１１中の前記測量機像１′は前記画像２１の下方に現れ、前記測定点指示装置２が前記測量機１に向って左方向に向くと、前記測量機像１′は前記画像２１の右側に現れる。即ち、前記座標系Ｑに現れる前記測量機像１′の位置（前記測量機１の光軸の位置）によって、前記測定点指示装置２の方向角が分る。

従って、図３の状態では、前記測定点指示装置２が後側に傾き、且つ左方向を向いた状態を示している。又、前記極座標系Ｑに於ける、前記１点鎖線２２の交点の位置と前記１点鎖線２３の交点の位置とのずれ量から前記１点鎖線２３の交点方向角を求めることができる。

次に、前記測定点指示装置２の傾きを求める場合について説明する。

前記追尾光３を照射した状態で、前記回転偏光板９を回転させると、一方向に偏光し、更に光軸が回転する追尾光３が照射される。

該追尾光３を前記静止偏光板１８を介して前記受光センサ１９で受光すると、光量がサインカーブ状に変化する偏光検出信号が得られれる。更に、前記回転偏光板９の１回転で２サイクルのサインカーブが得られる。

上記した様に、前記追尾光３は、所定の時間間隔で発せられた光パルスで構成されている。前記タイミングパルス検出部１２は前記追尾光３を受光し、光パルスに基づきタイミング信号を生成する。図４（Ａ）は、前記タイミングパルス検出部１２から出力されるタイミング信号２４を表している。

前記回転偏光板９が定速で回転し、前記追尾光３の光パルスが一定時間間隔で発せられることから、光パルスの時間間隔は前記回転偏光板９の回転角度に対応し、各光パルスは前記回転偏光板９の回転位置を示す。又、光パルスの内、前記回転偏光板９の基準位置（基準回転位置）に発せられる光パルス（以下、基準光パルスと称す）を他の光パルスと識別できる様に変更する。例えば、基準光パルスのパルス幅を他の光パルスのパルス幅より広くする。或は、基準光パルスの前後の光パルスについて発光時間間隔を小さくする等である。

前記回転偏光板９の基準位置は、鉛直（或は水平）に対して任意の角度に設定できる。例えば、前記回転偏光板９の基準位置を、該回転偏光板９の偏光方向が鉛直、即ち位相が０゜となる様に設定する。この場合、前記測定点指示装置２で検出する前記追尾光３の光量が最大となった時に、前記測定点指示装置２は鉛直の状態に支持されたことになる。

図４に於いて、基準光パルスを他の光パルスに対してパルス幅を広くしたものであり、図４（Ａ）中、太く示されているタイミング信号が、基準位置で発せられた光パルスに基づき検出された基準タイミング信号２４′である。

図４（Ｂ）は、前記タイミング信号２４と前記追尾光３の検出光量との関係を示しており、前記回転偏光板９の回転に伴い、前記受光センサ１９で受光される光パルスの光量は変化する。従って、前記受光センサ１９から出力される偏光検出信号は、前記回転偏光板９と前記静止偏光板１８の偏光方向が同一（位相が同じ）の場合に、最大光量となり、位相が９０゜異なる状態で最小光量となる。光量変化による包絡線のサインカーブ２５は前記回転偏光板９の１回転に対して２周期現れ、基準位置で発せられる光パルス（図４（Ｂ）中太線で示される）は、２周期に１度現れる。

図４（Ｂ）に示す偏光検出信号では、前記基準タイミング信号２４′に対して２番目の信号の信号値（光量）が最大となっている。従って、２番目のタイミング信号２４の時に前記静止偏光板１８の位相と前記回転偏光板９の位相が合致したことになり、前記静止偏光板１８は前記回転偏光板９に対して、タイミング信号２４の２つ分だけ、位相がずれていることになる。この位相差を求めることにより、前記測定点指示装置２の傾きが求められる。又、サインカーブは２周期である為、どちらの周期かは分らない。この場合、簡易な加速度センサを設けることで、判断することが可能となる。

図５は、前記測定点指示装置２の変更例を示している。

該測定点指示装置２に用いられた再帰反射体は、全周の任意の方向から入射する光を再帰反射する様構成された全周プリズム３５となっている。

又、方向検出装置５は前記全周プリズム３５の上面に設けられ、４組の偏光検出部１１とタイミングパルス検出部１２、撮像装置１３（図２参照）を有している。

前記方向検出装置５は、互いに直交する４面を有し、各面にそれぞれ前記偏光検出部１１と前記タイミングパルス検出部１２、前記撮像装置１３が設けられており、全周方向の任意の方向からの追尾光３を検出し、又撮像できる様になっている。

又、測定の最初は、全ての前記タイミングパルス検出部１２で追尾光３の検出を行い、追尾光３を検出した後は、追尾光３を検出したタイミングパルス検出部１２及び該タイミングパルス検出部１２と一体となった偏光検出部１１、撮像装置１３が作動する様に構成される。

又、前記撮像装置１３で測量機１を撮像する場合、前記追尾光３は光パルスの連続したビームであるので、光パルスが発光した時のみ撮像する様に、前記撮像装置１３の撮像を制御する。例えば、光パルスの発光時間より僅かに長く前記撮像装置１３のシャッタを開く、或は光パルスから得られるタイミング信号に基づき、該タイミング信号に同期させてシャッタを開く等する。光パルスが発光しているときだけ測量機１を撮影することで、周囲から入射する光（背景光）の光量を減じることができ、光パルスと背景光との比（Ｓ／Ｎ）を大きくすることができ、測定精度を向上させることができる。

図６は、本発明の実施例の応用例を示している。

上記した様に、本実施例では、測定点を測定するのに、前記測定点指示装置２は鉛直である必要がないので、前記測定点指示装置２はどの様な姿勢でも、正確に測定点を測定できる。従って、構造物３６の隅、側面、天井等種々の位置を測定することができる。

又、前記測量機１、前記測定点指示装置２に通信装置を設け、更に前記測量機１、前記測定点指示装置２と通信可能なデータ収集装置３７を用意し、前記測量機１、前記測定点指示装置２で得られたデータを前記データ収集装置３７で収集する様にしてもよい。

１ 測量機
２ 測定点指示装置
３ 追尾光
４ コーナキューブ
５ 方向検出装置
６ 支柱
７ 追尾光発生部
８ 回転偏光部
９ 回転偏光板
１１ 偏光検出部
１２ タイミングパルス検出部
１３ 撮像装置
１４ 演算処理部
１５ 記憶部
１６ 信号処理部
２４ タイミング信号
２４′ 基準タイミング信号

Claims (6)

1. 支柱の下端から既知の位置に設けられた方向検出装置であって、該方向検出装置は、前記支柱の軸心と直交する光軸を有する撮像装置と、該撮像装置からの画像に基づき所要の演算を行う演算処理部と、再帰反射体と、偏光検出部とを具備し、
   前記撮像装置は方向を検出すべき測量機を含む様に画像を取得し、
   前記演算処理部は、前記画像中の前記測量機の位置と前記撮像装置の光軸の関係から前記測量機の方向を算出し、検出し、
   前記測量機は前記再帰反射体を追尾する追尾光を発し、前記演算処理部は、前記再帰反射体に向けて発せられる前記追尾光の光源の方向を検出し、
   前記追尾光は光軸を中心に回転する偏光光であり、又該偏光光の基準偏光方向に対応する基準光パルスを有し、
   前記偏光検出部は前記基準光パルス検出時の前記追尾光の偏光方向を検出し、検出した偏光方向に基づき前記方向検出装置の傾きを検出する
   ことを特徴とする方向検出装置。
2. 支柱の下端から既知の位置に設けられた方向検出装置であって、該方向検出装置は、前記支柱の軸心と直交する光軸を有する撮像装置と、該撮像装置からの画像に基づき所要の演算を行う演算処理部と、再帰反射体と、タイミングパルス検出部とを具備し、
   前記撮像装置は方向を検出すべき測量機を含む様に画像を取得し、
   前記演算処理部は、前記画像中の前記測量機の位置と前記撮像装置の光軸の関係から前記測量機の方向を算出し、検出し、
   前記測量機は前記再帰反射体を追尾する追尾光を発し、前記演算処理部は、前記再帰反射体に向けて発せられる前記追尾光の光源の方向を検出し、
   前記追尾光は、所定の時間間隔で発せられる光パルスから構成され、前記タイミングパルス検出部は前記追尾光を検出し、検出結果に基づきタイミングパルスを生成し、前記撮像装置は該タイミングパルスと同期して画像を取得することを特徴とする方向検出装置。
3. 前記追尾光は、所定の時間間隔で発せられる光パルスから構成され、前記方向検出装置は、タイミングパルス検出部を有し、該タイミングパルス検出部は前記追尾光を検出し、検出結果に基づきタイミングパルスを生成し、前記撮像装置は該タイミングパルスと同期して画像を取得する請求項１の方向検出装置。
4. 前記追尾光は光軸を中心に回転する偏光光であり、又該偏光光の基準偏光方向に対応する基準光パルスを有し、前記方向検出装置は前記追尾光の偏光方向を検出する偏光検出部を有し、該偏光検出部は前記基準光パルス検出時の前記追尾光の偏光方向を検出し、検出した偏光方向に基づき前記方向検出装置の傾きを検出する請求項２の方向検出装置。
5. 前記撮像装置、前記タイミングパルス検出部、前記偏光検出部を複数組具備し、全周方向の任意の位置の測量機の方向を検出可能とした請求項３又は請求項４の方向検出装置。
6. 測量機と測定点指示装置とを具備する測量システムであって、前記測定点指示装置は下端で測定点を示す支柱と、該支柱の下端から既知の位置に設けられた再帰反射体と、該再帰反射体と平行な光軸を有する請求項１〜請求項５のいずれかに記載の方向検出装置とを具備し、該方向検出装置は前記測量機の方向を検出することを特徴とする測量システム。

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