JP6423703B2

JP6423703B2 - 形状計測システムおよび形状計測方法

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Publication number: JP6423703B2
Application number: JP2014247236A
Authority: JP
Inventors: 亮介小林
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Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
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Description

本発明は、形状計測システムに関する。

水中にある物体の形状を計測する技術としては、超音波センサや光学カメラ、レーザ等を用いて原子炉内の構造物の３次元形状計測を行うシステムが知られている。

特許文献１には、カメラを移動しながら撮影した画像列だけを用いて、カメラ運動と物体の３次元形状を高精度かつ効率よく復元するシステムが記載されている。

特開２００６−２５２２７５号公報

カメラの画像列だけから、物体の３次元形状を計測すると、液中の明るさが不足する場合等に計測の誤差が大きくなる。

上記課題を解決するために、本発明の一態様である形状計測システムは、液体中を移動する液中移動体と、前記液中移動体と通信する制御装置と、を備える。前記液中移動体は、前記制御装置からの指示に基づいて前記液中移動体の推力を発生させる駆動部と、前記液中移動体の移動を検出し、前記検出された移動を示す移動検出情報を繰り返し生成する移動検出部と、前記液中移動体に対して予め定められた方向の平面内の特定範囲へ信号を放射し、前記信号が前記液体中の物体の表面で反射することに応じて、前記反射した信号を検出し、前記検出された信号を示す信号検出情報を繰り返し生成する信号計測部と、を含む。前記制御装置は、前記駆動部に対して前記指示を与えることにより、前記液中移動体を移動させ、前記移動検出情報及び前記信号検出情報の少なくとも何れかに基づいて、前記液中移動体の位置及び方向を示す姿勢データを繰り返し算出することにより、複数の姿勢データを算出し、前記信号検出情報に基づいて、前記特定範囲内の前記反射の位置の分布を示す２次元形状データを繰り返し算出することにより、複数の２次元形状データを算出し、前記複数の姿勢データに基づいて、前記複数の２次元形状データを３次元座標系に夫々変換し、変換された複数の２次元形状データを合成することにより、３次元空間内の前記反射の位置の分布を示す３次元形状データを算出する。

液中の明るさが不足する場合の、液中の物体の３次元形状の計測精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る水中堆積物調査システムの構成を示す。水中移動体の構成を示す。形状計測器の構成を示す。制御装置の機能ブロック図である。堆積物形状生成処理を表すＰＡＤ（Problem Analysis Diagram）図である。姿勢角算出処理を表すＰＡＤ図である。垂直位置算出処理を表すＰＡＤ図である。構造物形状算出処理を表すＰＡＤ図である。形状画像と形状データを示す。移動体位置推定処理を表すＰＡＤ図である。３次元形状データを示す。表示画面を示す。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

ここでは、本発明に係る形状計測システムの一例である水中堆積物調査システムについて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る水中堆積物調査システムの構成を示す。

この図に示す水槽１には水が張られている。その底部に堆積物２があり、その形状や存在位置は未知である。本実施の形態の水中堆積物調査システムは、３次元的に移動可能な水中移動体（液中移動体）３と、ケーブル４を介して水中移動体３に接続された制御装置５と、この制御装置５に接続され、水中移動体３により撮影された画像を表示するとともに水中移動体３の位置や姿勢、堆積物２の３次元形状等を表示する表示装置６と、制御装置５に接続され、水中移動体３を操作可能な操作装置８０とを含む。制御装置５と水中移動体３は、ケーブル４による有線通信の代わりに、無線通信を行ってもよい。

図２は、水中移動体の構成を示す。

以降、水中移動体３の座標系は、水中移動体３の本体３ａにおける垂直下向き（水中移動体３の高さ方向下向き）がＺ軸正方向である右手座標系を定義して説明する。具体的には、本体３ａの右方向（紙面に向かって図２中の奥方向）がＸ軸正方向であり、前方向（図２中の左方向）がＹ軸正方向であり、下方向（図２中の下方向）がＺ軸正方向である。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は互いに直交している。

この図において、水中移動体３は、本体３ａの前面側（Ｙ方向）に設けられ移動中に周囲の環境を繰り返し撮影する前方カメラ７と、前方カメラ７により撮影された前方画像を取得する画像取込部８とを含む。また、水中移動体３は、本体３ａの上面側（−Ｚ方向）、後面側（−Ｙ方向）、及び左側面側（−Ｘ方向）にそれぞれ設けられた３つのスラスタ（推進機構）１６を含む。３つのスラスタ１６は、それぞれ、スクリューと、スクリューを正回転又は逆回転に駆動するモータとを含む。スラスタ１６は、水中移動体３に対して上下方向（Ｚ方向）の推力、前後方向（Ｙ方向）の推力、及び左右方向（Ｘ方向）の推力をそれぞれ与える。すなわち、このスラスタ１６により、水中移動体３は水で満たされた３次元空間を自在に移動可能となっている。

水中移動体３は、水中移動体３に作用する水圧を繰り返し検出する圧力センサ（垂直位置検出器）１５と、水中移動体３の姿勢（姿勢角）を繰り返し検出するための慣性センサ部（姿勢角検出器）１０と、本体３ａの下部（下面）に取り付けられた形状計測器１４とを含む。形状計測器１４は、照射範囲（特定範囲）１４ａ内に信号を照射（放射）する。照射範囲１４ａは、ＸＺ平面内で形状計測器１４のＺ方向へ扇状に広がる。その角度は、形状計測器１４のＺ方向を中心に、−Ｘ方向と＋Ｘ方向の夫々へ所定の偏角θｘまで広がる範囲である。形状計測器１４は、照射範囲１４ａにおける計測対象（堆積物２の表面）のＺ方向の位置を繰り返し計測する。

圧力センサ１５で検出された圧力は、水槽１内における水中移動体３の垂直位置（Ｚ座標、深度）の検出に用いられる。また、慣性センサ部１０は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸周りの角速度をそれぞれ検出する３軸ジャイロ（角速度検出器）１１と、Ｘ軸及びＹ軸周りの角度（傾斜角）を検出する傾斜計（傾斜角検出器）１３と、Ｚ軸周りの角度（方位角）を検出する地磁気センサ（方位角検出器）１２を有している。これらの検出値は水中移動体３の姿勢角の検出に用いられる。

水中移動体３は、信号伝送部９を含む。圧力センサ１５、慣性センサ部１０（３軸ジャイロ１１、傾斜計１３、地磁気センサ１２）、及び形状計測器１４（形状計測用カメラ１７、ラインレーザ１８）により検出された検出信号と、画像取込部８からの前方画像は、信号伝送部９及びケーブル４を介して制御装置５へ出力されている。そして、制御装置５は、検出信号等に基づいて水中移動体３の位置姿勢、計測対象の３次元形状を算出し、この算出した水中移動体３の位置姿勢、計測対象の３次元形状データを表示装置６に表示させる。また、制御装置５は、前方画像を表示装置６に表示させる。また、制御装置５は、操作装置８０からの操作信号と、水中移動体３の姿勢とに基づいて、スラスタ１６を駆動制御する制御信号を生成し、この生成した制御信号をケーブル４及び信号伝送部９を介してスラスタ１６に出力している。

圧力センサ１５は、水中移動体３の底面から外部に露出したセンサ部を有しており、当該センサ部に作用する水圧を検出することで圧力を検出している。なお、圧力センサ１５の設置の有無は、センサ部を外部から視認することで容易に確認できる。

図３は、形状計測器の構成を示す。

形状計測器１４は、水中移動体３から照射範囲１４ａ内の計測対象までの相対距離を示す形状画像を繰り返し生成する。形状計測器１４は、形状計測用カメラ１７と、ラインレーザ（シートレーザ）１８とを含む。ラインレーザ１８は、Ｘ方向に延びるスリットを有し、スリットを介して照射範囲１４ａに広がるレーザを照射する。ラインレーザ１８から照射範囲１４ａに照射されたレーザは、堆積物２の表面で反射して散乱することにより、照射範囲１４ａに像１８ａを形成する。形状計測用カメラ１７は、像１８ａを撮影することにより、形状画像を生成する。様々な形状の堆積物２の表面におけるラインレーザ１８の像１８ａが形状計測用カメラ１７の視野１７ａ内に位置するように、ラインレーザ１８の位置、姿勢、偏角θｘ等は予め調整される。

形状計測器１４は、ＸＺ平面内の照射範囲１４ａ内にレーザを照射することができる。これにより、堆積物２の表面と照射範囲１４ａの交線上に、像１８ａが形成される。また、像１８ａが曲線となることにより、形状計測器１４は、照射範囲１４ａ内の堆積物２の表面の高さの分布を形状画像として取得することができる。

操作装置８０は、ユーザによる操作に基づいて、水中移動体３の進行方向の指示を制御装置５へ出力する。操作装置８０は例えば、進行方向に対応するボタンやレバー等を含んでもよい。

制御装置５は、コンピュータであり、ハードウェアとして、各種プログラムを実行するための演算手段としての演算処理装置（例えば、ＣＰＵ）と、当該プログラムをはじめ各種データを記憶するための記憶手段としての記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびフラッシュメモリ等の半導体メモリや、ハードディスクドライブ等の磁気記憶装置）と、各装置と水中移動体３に係る各センサ等へのデータ及び指示等の入出力制御を行うための入出力装置とを含む。

次に、制御装置５の詳細を説明する。

図４は、制御装置の機能ブロック図である。

この図に示すように、制御装置５は、３軸ジャイロ１１により計測される角速度信号に基づきＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸周りの角速度をそれぞれ算出する角速度算出部１９と、傾斜計１３により計測される角度信号に基づきＸ軸及びＹ軸周りの傾斜角をそれぞれ算出するとともに、地磁気センサ１２により計測される角度信号に基づきＺ軸周りの方位角を算出する角度算出部２０と、これら算出された角速度、傾斜角、及び方位角に基づき水中移動体３の姿勢角（３軸周りの姿勢角）を算出する姿勢角算出部２１として機能する。また、制御装置５は、圧力センサ１５により計測される圧力信号に基づき水中における水中移動体３の深度、すなわち垂直位置を算出する垂直位置算出部２２としても機能する。そして、形状計測用カメラ１７で撮影された形状画像に基づき計測対象の２次元断面形状を算出する形状算出部２３としても機能する。さらに、制御装置５は、姿勢角算出部２１と垂直位置算出部２２と形状算出部２３から出力される結果から、計測対象の３次元形状を算出する３次元形状生成部２４としても機能する。さらに、制御装置５は、姿勢角算出部２１から出力される姿勢角と、操作装置８０から出力される操作信号とに基づいて、三つのスラスタ１６の制御信号を算出する姿勢制御部８１としても機能する。さらに、制御装置５は、３次元形状生成部２４の処理に応じて、ラインレーザ１８の照射の開始と停止を制御する照射制御部８２としても機能する。さらに、制御装置５は、前方カメラ７から出力される前方画像を取得する画像情報取得部２５としても機能する。さらに、制御装置５は、３次元形状生成部２４により算出される３次元形状データや、画像情報取得部２５から出力される映像等に基づく表示画面を生成し、表示画面を表示装置６に表示させる表示制御部８３としても機能する。

なお、水中移動体３の構造によりＸ軸周りの姿勢角とＹ軸周りの姿勢角とが安定する場合、姿勢制御部８１は、姿勢角算出部２１から出力される姿勢角を用いなくてもよい。

次に制御装置５による処理の内容について説明する。

図５は、堆積物形状生成処理を表すＰＡＤ（Problem Analysis Diagram）図である。

この図において、制御装置５の３次元形状生成部２４は、まずステップ２６で、操作装置８０又は記憶装置から水中移動体３の初期位置・初期姿勢角を取得する。そして、制御装置５は、ステップ２７に進み、操作装置８０における水中移動体３の操作開始とともに堆積物形状生成処理に移る。この堆積物形状生成処理において、制御装置５は、姿勢角算出処理（ステップ２８）と、垂直位置算出処理（ステップ２９）と、構造物形状算出処理（ステップ３０）と、移動体位置推定処理（ステップ３１）と、形状データ位置合わせ処理（ステップ３２）とを繰り返し行い、その都度、ステップ２８，２９，３０，３１，３２で夫々算出される姿勢角、垂直位置、構造物形状データ、移動体位置、位置合わせ後の形状データを記憶装置へ保存し（ステップ３３）、保存されたデータから表示画面を生成し、表示画面を表示装置６に表示させる表示処理を行う（ステップ９２）。以下、各処理の詳細を説明する。

（１）姿勢角算出処理（前述のステップ２８）

図６は、姿勢角算出処理を表すＰＡＤ図である。

姿勢角算出処理において、角速度算出部１９は、まず、３軸ジャイロ１１の角速度信号を取り込み、角度算出部２０は、傾斜計１３及び地磁気センサ１２の角度信号を取り込む（ステップ３４）。

そして、角速度算出部１９は、ステップ３５に進み、３軸ジャイロ１１の角速度信号から各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）周りの角速度を算出する角速度算出処理に移る。本実施の形態の３軸ジャイロ１１は、静電浮上型ジャイロであり、一定の３軸ジャイロ基準電圧に角速度に比例する増減値を加えた正の電圧値を出力する。そのため、まずステップ３６において、３軸ジャイロ１１の各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）周りの角速度信号に対し３軸ジャイロ基準電圧を減じるジャイロ基本処理を行う。３軸ジャイロ基準電圧は、通常、３軸ジャイロ１１の固有スペックとして示されている。本実施の形態の角速度算出部１９は、ジャイロ基本処理として、角速度信号が入力されないときの電圧値を予め計測し、その電圧値を平均化することにより得られる値を基準電圧として用いる。その後、角速度算出部１９は、ステップ３７に進んで、電圧−角速度換算係数を乗じて各軸周りの角速度を算出する。電圧−角速度換算係数は、３軸ジャイロ１１の固有のスペックとして示される一定値である。

ステップ３５の角速度算出処理が終了すると、角度算出部２０は、ステップ３８に進み、傾斜計１３の角度信号から各軸（Ｘ軸、Ｙ軸）周りの傾斜角を算出する傾斜角算出処理に移る。本実施の形態の傾斜計１３は、封入された電解液の液面変化（Ｘ軸及びＹ軸周りの傾斜角）を電圧変化に変換して出力する。そのため、まずステップ３９において、角度算出部２０は、各軸（Ｘ軸、Ｙ軸）周りの角度信号から傾斜計基準電圧を減じる傾斜角基本処理を行う。ここでの傾斜計基準電圧は、傾斜計１３の固有スペックとして示される一定の電圧値である。その後、ステップ４０に進んで、傾斜角換算係数を乗じて各軸周りの傾斜角を算出する。傾斜角換算係数は、傾斜計１３の固有スペックとして示される一定値である。

ステップ３８の傾斜角算出処理が終了すると、角度算出部２０は、ステップ４１に進み、地磁気センサ１２の角度信号からＺ軸周りの方位角を算出する方位角算出処理に移る。本実施の形態の地磁気センサ１２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に感度を有するホール素子で捉えた磁力を出力する。そのため、まずステップ４２において、角度算出部２０は、Ｘ軸及びＹ軸の地磁気信号から一定の地磁気基準電圧を減じ、ゲインを乗じる地磁気センサ基本処理を行う。ここで、地磁気基準電圧及びゲインは、地磁気センサ１２を使用する環境により異なるため、使用される地磁気の領域で予め計測された値が記憶されている。その後、角度算出部２０は、ステップ４３に進んで、地磁気センサ基本処理により得られたＸ軸方向及びＹ軸方向の地磁気信号Ｍｘ，Ｍｙを用い、下記の式（１）によりＺ軸周りの方位角θｍを算出する。

ステップ４１の方位角算出処理が終了すると、姿勢角算出部２１は、ステップ４４に進み、上述したＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸周りの角速度、Ｘ軸及びＹ軸周りの傾斜角、Ｚ軸周りの方位角をカルマンフィルタに入力することにより、水中移動体３の３軸周りの姿勢角の最適値を推定する。その後、姿勢角算出部２１は、ステップ４５に進んで、推定した水中移動体３の姿勢角を記憶装置に記憶する。このステップ４５の手順が終了すると姿勢角算出処理が終了する。

姿勢角算出処理によれば、制御装置５は、慣性センサ部１０の出力に基づいて、水中移動体３の方向を示す姿勢角を算出することができる。また、制御装置５は、角速度と傾斜角と方位角とに基づいて姿勢角を算出することにより、姿勢角の精度を向上させることができる。また、制御装置５は、姿勢角を用いて、水中移動体３の座標系を水槽１の座標系に変換することができる。

姿勢制御部８１は、操作装置８０の出力に基づいて、スラスタ１６を制御することにより、水中移動体３を移動させる。更に、姿勢制御部８１は、Ｘ軸及びＹ軸周りの姿勢角に基づいてスラスタ１６の制御信号を算出することにより、水中移動体３を水平に保つ。これにより、ラインレーザ１８により形成される照射範囲１４ａを、水平面に対して垂直に保ち、形状計測用カメラ１７による形状画像の精度と、形状画像による計測精度とを向上させることができる。

（２）垂直位置算出処理（前述のステップ２９）

図７は、垂直位置算出処理を表すＰＡＤ図である。

垂直位置算出処理において、垂直位置算出部２２は、まず、下記の式（２）に基づいて圧力Ｐを算出する。ここで垂直位置算出部２２は、まず、ステップ４６において圧力センサ１５の圧力信号（検出電圧）を取り込む。そして、垂直位置算出部２２は、ステップ４７に進んで、検出電圧Ｖｐから圧力基準電圧Ｖｐ＿ｂａｓｅを減じ、さらに圧力換算係数Ｋｖ＿ｐを乗じて圧力Ｐを算出する。圧力基準電圧Ｖｐ＿ｂａｓｅは、圧力センサ１５の固有スペックとして示される一定の電圧値である。圧力換算係数Ｋｖ＿ｐは、圧力センサ１５の固有スペックとして示される一定値である。

次に、垂直位置算出部２２は、ステップ４８に進んで、算出した圧力Ｐと水槽１内の液体の密度ρと重力加速度ｇとを用い、下記の式（３）により水中移動体３の深度Ｈを算出する。そして、垂直位置算出部２２は、算出した深度Ｈを水槽１の水位Ｌから減ずることにより、水中移動体３の垂直位置（水槽１の底部からの高さ）を算出する。水位Ｌは、操作装置８０等から制御装置５へ予め設定される。

その後、垂直位置算出部２２は、ステップ４９に進んで、算出した水中移動体３の垂直位置を記憶装置に記憶する。このステップ４９の手順が終了すると垂直位置算出処理が終了する。

垂直位置算出処理によれば、制御装置５は、圧力センサ１５１０の出力に基づいて、液面からの水中移動体３までの深さを算出することができる。また、制御装置５は、深さを用いて、水中移動体３の座標系を水槽１の座標系に変換することができる。

（３）構造物形状算出処理（前述のステップ３０）

図８は、構造物形状算出処理を表すＰＡＤ図である。

なお、以降で説明する例において、形状計測用カメラ１７により出力される形状画像のサイズは６４０×４８０［ｐｉｘｅｌ］とする。構造物形状算出処理において、形状算出部２３は、まず、形状計測用カメラ１７の形状画像を取り込む（ステップ５０）。その後、形状算出部２３は、ステップ５１において形状画像のノイズ除去（例えば、平均化フィルタ）、ステップ５２において２値化処理、ステップ５３においてクラスタリングを行い、形状画像中に写るラインレーザ１８のレーザ像を抽出する。そして、ステップ５４において形状算出部２３は、ステップ５３のクラスタリング後の形状画像において、レーザ像を形成している画素それぞれの画像座標を取得し、距離へと換算する。このステップ５４で形状算出部２３は、形状計測器１４から計測対象までの相対距離Ｍと形状計測用カメラ１７の中心軸からの角度θ（走査角度）を算出する。その後のステップ５５において形状算出部２３は、光断面法に基づく下記の式（４）を用いて、ステップ５４で算出したデータから、ラインレーザ１８の投影面上において構造物の表面（外形）が位置する座標値Ｌ（ｘＬ，ｙＬ）を算出する。

図９は、形状画像と形状データを示す。

この図の左側の列に配置された形状画像６４、６５、６６は夫々、時刻ｔ−１、時刻ｔ、時刻ｔ＋１に撮影された形状が像である。形状画像６４、６５、６６は、レーザ像６４ａ、６５ａ、６６ａを夫々示す。レーザ像６４ａ、６５ａ、６６ａの夫々は、計測対象と照射範囲１４ａとの交線上に形成される。

この図の右側の列に配置された形状データ６７、６８、６９は夫々、時刻ｔ−１、時刻ｔ、時刻ｔ＋１の形状データである。形状データ６７、６８、６９の夫々において、横軸はＸ軸であり、縦軸はＺ軸である。形状データ６７、６８、６９は夫々、画像６４、６５、６６に対する構造物形状算出処理により得られる。形状データ６７、６８、６９は夫々、レーザ像６４ａ、６５ａ、６６ａの形状を示す。即ち、形状データ６７、６８、６９の夫々は、ラインレーザ１８の下方でＸ方向に亘る計測対象の高さの分布を示す。

（４）移動体位置推定処理（前述のステップ３１）

図１０は、移動体位置推定処理を表すＰＡＤ図である。

移動体位置推定処理が開始すると、形状算出部２３は、まずステップ５７において形状計測用カメラ１７の形状画像を取り込む。そして、形状算出部２３は、ステップ５８において形状画像のノイズ除去（例えば、平均化フィルタ）、ステップ５９において輪郭抽出、ステップ６０において特徴量抽出、ステップ６１において画像相関処理、ステップ６２において水平方向の移動量を算出する。

ここで、各処理について詳細を説明する。形状算出部２３は、まず、ステップ５９の輪郭抽出処理において、取得された形状画像を２値化処理した後、例えば輝度情報をもとに、形状画像中の物体等の輪郭を輪郭画像として抽出する。また、形状算出部２３は、ステップ６０の特徴量抽出処理において、ステップ５９で生成された輪郭画像中で、特徴（例えば、構造物の形状）を抽出する。そして、形状算出部２３は、ステップ６１の画像相関処理において、時刻ｔの輪郭画像中で、時刻ｔ−１において登録した特徴を探索し、時刻ｔ−１から時刻ｔに亘る輪郭画像上の特徴のシフト量を算出する。その後、形状算出部２３は、ステップ６２において、シフト量に距離への換算係数Ｋを乗ずることにより、水中移動体３の水平方向の移動量を算出する。その後、形状算出部２３は、ステップ６３で移動量を記憶装置に保存し、一連の移動体位置推定処理を終了する。

移動体位置推定処理によれば、制御装置５は、形状計測用カメラ１７により連続して撮影された形状画像を用いて、水中移動体３の水平移動量を算出することができる。これにより、水中移動体３は、水平移動量を計測するための別のセンサを含む必要がなく、水中移動体３の寸法、重量、コストを抑えることができる。

（５）形状データ位置合わせ処理（前述のステップ３２）

ステップ３２の形状データ位置合わせ処理において３次元形状生成部２４は、まずステップ２８の姿勢角算出処理で算出された水中移動体３の姿勢角と、ステップ２９の垂直位置算出処理で算出された垂直位置と、ステップ３０の構造物形状算出処理で算出された計測対象の２次元形状データと、ステップ３１の移動体位置推定処理で推定された水中移動体３の移動量とを読み込む。そして、３次元形状生成部２４は、複数の２次元形状データの座標値を、姿勢角、垂直位置、移動量をもとに、水槽１の座標系（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｔ）へ座標変換し、座標変換された複数の２次元形状データを合成することにより、３次元形状データを生成する。

図１１は、３次元形状データを示す。

この図は、水槽１の座標系（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｔ）における３次元形状データ９１を示す。また、この図は、３次元形状データ９１との比較のため、堆積物２の形状を示す。水中移動体３は、時刻ｔ−１、ｔ、ｔ＋１に亘って堆積物２の上方を水平に移動しながら、形状データ６７、６８、６９を夫々計測する。その後、３次元形状生成部２４は、形状データ位置合わせ処理により、水中移動体２の位置及び姿勢に基づいて形状データ６７、６８、６９の座標を変換して合成することにより、３次元形状データ９１を生成する。この図では、説明のため形状データを表す点群が粗く示されているが、実際の処理では形状データを密に取得するため、計測対象の３次元形状がより詳細に再現できる。

（６）表示処理（前述のステップ９２）

表示処理において、表示制御部８３は、３次元形状生成部２４や画像情報取得部２５等の出力に基づいて表示画面を生成し、表示画面を表示装置６に表示させる。

図１２は、表示画面を示す。

この図に示す表示画面７０は、位置座標表示部７１と、前方カメラ映像表示部９３と、形状計測用カメラ映像表示部７２と、堆積物３次元形状表示部７３と、を含む。位置座標表示部７１は、水槽１の座標系（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｔ）における水中移動体３の現在位置として、制御装置５の記憶装置から読み込まれた水中移動体３の垂直位置（Ｚｔ座標）と、移動量を積算した水平位置（Ｘｔ座標、Ｙｔ座標）とを表示する。前方カメラ映像表示部９３は、前方カメラ７により撮影された映像を表示する。形状計測用カメラ映像表示部７２は、形状計測用カメラ１７により撮影された映像を表示する。この映像は、レーザ像７２ａを含む。また、堆積物３次元形状表示部７３は、３次元形状データ９１を表示する。

この表示画面によれば、水中堆積物調査システムのユーザは、水中移動体３の位置を見ながら、操作装置８０を操作することができる。また、水中堆積物調査システムのユーザは、前方カメラ７により撮影された水中移動体３の前方の映像を見ながら、操作装置８０を操作することができる。また、水中堆積物調査システムのユーザは、形状計測用カメラ１７により撮影された水中移動体３の下方の映像を見ながら、操作装置８０を操作することができる。水中堆積物調査システムのユーザは、複数の時刻で計測された２次元形状データを合成することにより得られた３次元形状データ９１を見ながら、操作装置８０を操作することができる。

３次元形状生成部２４は、形状データ位置合わせ処理の度に、新たな形状データを３次元形状データ９１へ追加する。なお、３次元形状生成部２４に対し、形状データの数の上限値が予め設定されてもよい。この場合、３次元形状生成部２４は、３次元形状データ９１に含まれる形状データの数が上限値を超える場合に３次元形状データ９１の中から最も古い形状データを選択し、選択された形状データを３次元形状データ９１から削除してもよい。

本実施の形態によれば、形状計測システムは、形状計測器が移動する場合でも形状データの位置合わせが可能となる。そのため、水中移動体を操作しながら広範囲の調査（堆積物の形状計測）が可能となる。また、形状計測システムは、屋内のプール内の堆積物２等、水中での明るさが不足する場合において、堆積物２の表面にラインレーザを照射することにより、形状の計測精度を向上させることができる。

以下、変形例について説明する。

形状計測器１４は、ラインレーザ１８の代わりに超音波送波器を含み、形状計測用カメラ１７の代わりに超音波受波器を含んでもよい。この場合、形状算出部２３は、狭指向性の超音波である超音波ビームを超音波送波器に送波させ、計測対象による反射波を超音波受波器に受波させ、送波から受波の遅延に基づいて、計測対象までの距離を計測する。形状算出部２３は、超音波ビームの方向を照射範囲１４ａに亘って走査し、距離の計測を繰り返すことにより、前述の形状データを算出することができる。この形状計測システムは、水槽１に溜められている液体が、濁った水である場合や、透明度の低い液体である場合に、精度を向上させることができる。超音波ビームの走査は、モータを用いる機械的走査であってもよいし、振動子アレイを用いる電子的走査であってもよい。

また、形状計測器１４は、ラインレーザ１８及び形状計測用カメラ１７の代わりに二次元レーザスキャナを含んでもよい。二次元レーザスキャナは、レーザレンジファインダを照射範囲１４ａに亘って走査する。レーザレンジファインダは、狭指向性のレーザ光であるレーザビームを照射し、計測対象による反射光を検出することにより、計測対象までの距離を計測する。二次元レーザスキャナは、レーザビームを照射範囲１４ａに亘って走査し、距離の計測を繰り返すことにより、前述の形状データを算出することができる。この形状計測システムは、レーザレンジファインダを用いることにより、さらに精度を向上させることができる。

また、ラインレーザ１８と形状計測用カメラ１７がＹ方向等、Ｚ方向以外の方向に向いていてもよい。また、形状計測用カメラ１７と前方カメラ７が一つのカメラであってもよい。

また、慣性センサ部１０は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の加速度センサを含んでいてもよい。この場合、制御装置５は、加速度センサにより計測された加速度に基づいて、水中移動体３の移動量を算出してもよい。

本発明の表現のための用語について説明する。駆動部は、スラスタ１６を含んでもよい。移動検出部は、慣性センサ部１０及び圧力センサ１５の何れかを含んでもよい。信号計測部は、形状計測器１４を含んでもよい。移動検出情報は、慣性センサ部１０及び圧力センサ１５の何れかの出力を含んでもよい。信号検出情報は、形状計測器１４の出力を含んでもよい。姿勢データは、姿勢角、垂直位置、及び移動量の何れかを含んでもよい。２次元形状データは、形状データ６７、６８、６９を含んでもよい。３次元形状データは、３次元形状データ９１を含んでもよい。カメラは、形状計測用カメラ１７を含んでもよい。

３…水中移動体、５…制御装置、６…表示装置、１０…慣性センサ部、１１…３軸ジャイロ、１３…傾斜計、１２…地磁気センサ、１４…形状計測器、１５…圧力センサ、１６…スラスタ、１７…形状計測用カメラ、１８…ラインレーザ、１９…角速度算出部、２０…角度算出部、２１…姿勢角算出部、２２…垂直位置算出部、２３…形状算出部、２４…３次元形状生成部、２５…画像情報取得部、８０…操作装置

Claims

液体中を固定物に支持されていない状態で移動する液中移動体と、
前記液中移動体と通信する制御装置と、
を備え、
前記液中移動体は、
前記制御装置からの指示に基づいて前記液中移動体の推力を発生させる駆動部と、
前記液中移動体の移動を検出し、前記検出された移動を示す移動検出情報を繰り返し生成する移動検出部と、
前記液中移動体に対して予め定められた方向の平面内の特定範囲へ信号を放射し、前記信号が前記液体中の物体の表面で反射することに応じて、前記反射した信号を検出し、前記検出された信号を示す信号検出情報を繰り返し生成する信号計測部と、
を含み、
前記制御装置は、
前記駆動部に対して前記指示を与えることにより、前記液中移動体を移動させ、
前記移動検出情報及び前記信号検出情報の少なくとも何れかに基づいて、前記液中移動体の位置及び方向を示す姿勢データを繰り返し算出することにより、複数の姿勢データを算出し、
前記信号検出情報に基づいて、前記特定範囲内の前記反射の位置の分布を示す２次元形状データを繰り返し算出することにより、複数の２次元形状データを算出し、
前記複数の姿勢データに基づいて、前記複数の２次元形状データを３次元座標系に夫々変換し、変換された複数の２次元形状データを合成することにより、３次元空間内の前記反射の位置の分布を示す３次元形状データを算出する、
形状計測システム。
前記制御装置は、前記３次元形状データを表示装置に表示させる、
請求項１に記載の形状計測システム。
前記移動検出部は、前記液中移動体の回転を検出する回転検出センサを含み、
前記移動検出情報は、前記角速度と傾斜角と方位角との少なくとも何れかを示し、
前記制御装置は、前記移動検出情報に基づいて前記液中移動体の方向を算出し、前記方向に基づいて前記姿勢データを算出する、
請求項２に記載の形状計測システム。
前記制御装置は、前記算出された方向に基づいて前記指示を算出することにより、前記液中移動体を水平に保ち、前記特定範囲を水平面に対して垂直に保つ、
請求項３に記載の形状計測システム。
前記移動検出部は、前記液体から受ける圧力を計測する圧力センサを含み、
前記移動検出情報は、前記圧力を示し、
前記制御装置は、前記移動検出情報に基づいて、液面からの前記液中移動体までの深さを算出し、前記深さに基づいて前記姿勢データを算出する、
請求項４に記載の形状計測システム。
前記信号計測部は、
前記特定範囲へレーザ光を放射するラインレーザと、
前記表面を撮影するカメラと、
を含み、
前記信号検出情報は、前記カメラにより撮影された画像であり、
前記制御装置は、前記画像から前記表面における前記レーザ光の像を検出し、前記像に基づいて前記２次元形状データを算出する、
請求項５に記載の形状計測システム。
前記カメラは、前記撮影の繰り返しにより複数の画像を生成し、
前記制御装置は、前記複数の画像に基づいて、前記姿勢データを算出する、
請求項６に記載の形状計測システム。
前記信号計測部は、
超音波ビームを放射し、前記特定範囲内で前記超音波ビームを走査する超音波送波器と、
前記表面で反射した超音波を検出する超音波受波器と、
を含み、
前記信号検出情報は、前記走査における複数の位置に対し、前記放射された超音波に対する前記複数の位置における前記検出された超音波の遅延を示す、
請求項５に記載の形状計測システム。
前記信号計測部は、レーザ光を放射し、前記特定範囲内で前記レーザ光を走査し、前記表面で反射したレーザ光を検出するレーザスキャナであり、
前記信号検出情報は、前記走査における複数の位置に対し、前記放射されたレーザ光に対する前記複数の位置における前記検出されたレーザ光の遅延を示す、
請求項５に記載の形状計測システム。
液体中を固定物に支持されていない状態で移動する液中移動体であって、前記制御装置からの指示に基づいて前記液中移動体の推力を発生させ、前記液中移動体の移動を検出し、前記検出された移動を示す移動検出情報を繰り返し生成し、前記液中移動体に対して予め定められた方向の平面内の特定範囲へ信号を放射し、前記信号が前記液体中の物体の表面で反射することに応じて、前記反射した信号を検出し、前記検出された信号を示す信号検出情報を繰り返し生成する前記液中移動体に対し、前記液中移動体と通信する制御装置が、前記駆動部を制御することにより、前記液中移動体を移動させ、
前記制御装置が、前記移動検出情報及び前記信号検出情報の何れかに基づいて、前記液中移動体の位置及び方向を示す姿勢データを繰り返し算出することにより、複数の姿勢データを算出し、
前記制御装置が、前記信号検出情報に基づいて、前記特定範囲内の前記反射の位置の分布を示す２次元形状データを繰り返し算出することにより、複数の２次元形状データを算出し、
前記制御装置が、前記複数の姿勢データに基づいて、前記複数の２次元形状データを３次元座標系に夫々変換し、変換された複数の２次元形状データを合成することにより、３次元空間内の前記反射の位置の分布を示す３次元形状データを算出する、
ことを備える形状計測方法。