JP6759625B2

JP6759625B2 - 計測装置

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Publication number: JP6759625B2
Application number: JP2016034256A
Authority: JP
Inventors: 池田　雄一; 雄一池田; 肇坂上
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2036-02-25
Also published as: JP2017150977A

Description

本発明は、閉鎖空間の内側の対象物の表面の形状を計測する計測装置に関する。

特許文献１には、トンネルの軸方向に走行する台車の位置を計測するとともに、台車から出射するレーザー光線によりトンネルの内面を周方向に走査することによって周方向の変位を計測する技術が開示されている。この技術によれば、トンネルの内周面の形状を計測することができる。

特開２００２−１６８６１７号公報

ところで、特許文献１に記載の技術では、計測対象物たるトンネルにカーブが存在する場合でも、計測された形状は軸線が直線状の筒状となってしまうので、計測対象物の形状に関して汎用性が低かった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、様々な形状の対象物の表面形状を計測できるようにすることである。

上記課題を解決するために、本発明に係る計測装置は、閉鎖空間内の床面上において床面に沿って移動可能であるとともに向きを変更可能な移動体と、前記移動体に設けられ、前記閉鎖空間内の所定の原点を基準とした三次元的な絶対座標系における前記移動体の位置及び向きを周期的に計測する自己位置推定型の第一位置計測部と、前記移動体に設けられ、前記移動体の位置を原点とするとともに前記移動体の向きを基準とした三次元的な相対座標系における、前記閉鎖空間内の対象物の表面上の複数の計測点の三次元的な位置を順次計測する第二位置計測部と、前記第一位置計測部によって計測された前記移動体の位置及び向きに基づいて、前記第二位置計測部によって計測された複数の前記計測点の三次元的な位置を前記絶対座標系に座標変換する座標変換部と、を備え、前記第一位置計測部は、前記移動体に設けられ、レーザー光線を前記床面に平行な平面内で偏向させるように照射し、周囲の物体の表面を前記レーザー光線により走査することによって、前記レーザー光線の偏角を順次計測するとともに、前記レーザー光線の偏角毎に前記物体の表面までの距離を計測する第一レーザー計測器と、前記閉鎖空間に設置される物体の位置を表した地図データと、前記第一レーザー計測器によって計測された距離及び偏角とを照合することによって、前記絶対座標系における前記移動体の位置及び向きを推定する位置推定部と、を有し、前記第二位置計測部は、前記移動体に設けられ、第二レーザー光線を照射する方位角を所定角度変える毎に前記第二レーザー光線を鉛直面内で偏向させることによって前記第二レーザー光線を立体的に偏向させるように照射し、前記対象物の表面を前記第二レーザー光線により走査することによって、前記第二レーザー光線の方位角及び極角を順次計測するとともに、前記第二レーザー光線の方位角及び極角毎に前記計測点までの距離を計測する第二レーザー計測器と、前記第二レーザー計測器により計測された距離、方位角及び極角のセット毎に、前記第二レーザー計測器により計測された距離、方位角及び極角を、前記相対座標系としての直交座標系に変換して、前記計測点の位置を前記直交座標系で表す座標演算部と、有し、前記移動体が連続的又は断続的に移動し、前記第二レーザー計測器の鉛直面内での走査周期が前記第一位置計測部の計測周期に等しく、前記第二レーザー計測器が鉛直面内での１周期分の走査をする毎に前記第一位置計測部が１回の計測を行う。

以上の発明によれば、第一位置計測部が移動体の位置及び向きを計測し、第二位置計測部が移動体の位置及び向きを基準として対象物の表面上の計測点の位置を計測するので、移動体がどの位置にあっても、また対象物や閉鎖空間がどのような形状であっても、所定の原点を基準とした座標系により計測点の絶対的な位置を計測することができる。
また、第一位置計測部が自己位置推定型であるので、衛星通信できないような閉鎖空間であっても、また移動体の周囲に障害物があっても、移動体の位置及び向きを第一位置計測部により計測することができる。よって、計測した移動体の位置および向きに基づいて、第二位置計測部によって計測された計測点の位置を、所定の原点を基準とした座標系に座標変換することができる。

また、ＧＰＳによる位置計測技術を利用できない閉鎖空間であっても、また移動体の周囲に障害物があっても、移動体の位置及び向きを第一レーザー計測器及び位置推定部により推定することができる。

また、移動体の位置を原点とした直交座標系によって計測点の位置を表すことができるので、計測点の位置を所定の原点の座標系に座標変換する演算が容易になる。

本発明によれば、移動体の周囲に障害物があった場合でも、ＧＰＳによる位置計測技術を利用できない閉鎖空間内の様々な形状の対象物の表面形状を計測できる。

図１は、閉鎖空間内を移動する点群モデル作成装置を示した概略斜視図である。図２は、点群モデル作成装置によって設定される座標系を示した図面である。図３は、点群モデル作成装置の側面図である。図４は、点群モデル作成装置の平面図である。図５は、点群モデル作成装置のブロック図である。図６は、点群モデル作成工程の第一例を示したフローチャートである。図７は、点群モデル作成装置によって記録される走行台車の位置及び向きと計測点の位置とのデータ列を示した図面である。図８は、点群モデル作成工程の第二例を示したフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

１．点群モデル作成方法の概要
図１は、点群モデル作成装置（三次元形状計測装置）１０を使用して、点群モデルを作成する様子を示す。図１に示すように、現実の閉鎖空間１（例えば、トンネル、立坑、地盤の凹所、屋内空間、建物内空間、建造物内空間、構造物内空間、地下空間、部屋、貯水槽等）の内側で点群モデル作成装置１０の位置及び向きを変化させながら、閉鎖空間１の内側の対象物（例えば、閉鎖空間１の内壁面、天井面、床面、壁、仕切り、建材、建設機器、事務機器、配管、梁又は柱等）の表面上の各点（以下、計測点という。）の位置を点群モデル作成装置１０により計測して、対象物の表面を点群（point cloud）で表した点群モデルを作成する。なお、点群モデル作成装置１０の移動経路は直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。

閉鎖空間１は完全に閉じられた密閉空間である必要はなく、閉鎖空間１の外縁の一部が開放されていてもよく、例えば入り口、出口、ドア枠、窓枠又は坑口等がその開放部に相当する。図１では、閉鎖空間１の一例として、壁面２、床面３及び天井面（図示）によって包囲された部屋が示されている。その部屋には仕切り壁４が設けられているとともに、障害物（例えば建機）５が設置されている。
また、図１では、代表的な計測点として、壁面２の表面上の１つの計測点Ｐを示すが、点群モデル作成装置１０によって位置が計測される計測点は壁面２の表面上の点に限るわけではなく、閉鎖空間１内の対象物の表面上の各点である。

２．座標系
点群モデル作成装置１０によって計測される計測点の位置は、閉鎖空間１に設定されるワールド座標系（絶対座標系）Ｗにより表される。ワールド座標系Ｗは直交座標系であり、ワールド座標系Ｗの原点は所定位置に設定されており、ワールド座標系ＷのＸ軸とＹ軸とＺ軸が互いに直交し、Ｘ軸方向とＹ軸方向が水平方向であり、Ｚ軸方向が鉛直方向である。従って、点群モデル作成装置１０によって計測される計測点の位置はＸ座標とＹ座標とＺ座標からなり、計測点の位置のデータ列は対象物の表面の形状を表した点群モデルである。

詳細には後述するが、点群モデルの作成に際しては、点群モデル作成装置１０（特に後述の走行台車２０）の位置がワールド座標系Ｗで表されるように点群モデル作成装置１０自身により計測され、更に点群モデル作成装置１０の向きが点群モデル作成装置１０自身により計測された上で、計測点の位置が点群モデル作成装置１０の位置を原点としたローカル座標系（相対座標系）Ｌで表されるように計測される。そして、ワールド座標系Ｗにより表された点群モデル作成装置１０の位置及び向きに従って、計測点の位置をローカル座標系Ｌからワールド座標系Ｗに座標変換することで、計測点の位置をワールド座標系Ｗにより表す。

図２は、計測の際に点群モデル作成装置１０により設定されるワールド座標系Ｗ及びローカル座標系Ｌの説明図である。ローカル座標系Ｌとしては直交座標系と球座標系がある。ローカル座標系Ｌのｘ軸とｙ軸とｚ軸は互いに直交し、計測点の位置が直交座標系で表される場合には、計測点の位置はｘ座標とｙ座標とｚ座標からなる。また、計測点の位置が球座標系で表される場合には、計測点の位置は原点から計測点までの動径（距離）ｒとｘ軸からの方位角（偏角）θとｚ軸からの極角（偏角）φとからなる。直交座標系と球座標系の関係は次の通りである。

点群モデル作成装置１０はほぼ水平な床面に沿って移動するので、ローカル座標系Ｌの原点はワールド座標系ＷのＸＹ平面上にある。そのため、ローカル座標系Ｌの原点の位置をワールド座標系Ｗにより表すと、ローカル座標系Ｌの原点のＺ座標は定数である。例えば、床面のＺ座標が０である場合、ローカル座標系Ｌの原点のＺ座標は常に０である。また、点群モデル作成装置１０の移動に際して、点群モデル作成装置１０のロール（ｘ軸回りの回転）及びピッチ（ｙ軸回りの回転）が生じず、ヨー（ｚ軸回りの回転）が生じる。そのため、ローカル座標系Ｌのｚ軸がワールド座標系ＷのＺ軸に対して常に平行であり、点群モデル作成装置１０の向きはヨー角αで表される。

図１に示すように、点群モデル作成装置１０の前面１１が向いた方向がローカル座標系Ｌのｘ軸の正の方向であり、点群モデル作成装置１０の向きとは点群モデル作成装置１０の前面１１が向いた方向のことをいう。また、点群モデル作成装置１０の前面１１がワールド座標系ＷのＸ軸の正の方向を向いた状態、つまり、ローカル座標系Ｌのｘ軸がワールド座標系ＷのＸ軸と同一向きになった状態のヨー角αを０°と定める。このようにヨー角αを定義した場合、ワールド座標系Ｗとローカル座標系Ｌとの関係は次の通りであり、この座標変換式によって計測点の位置をローカル座標系Ｌからワールド座標系Ｗに変換する。

３．点群モデル作成装置について
図３〜図５を参照して、点群モデル作成装置１０について説明する。図３は点群モデル作成装置１０の側面図であり、図４は点群モデル作成装置１０の平面図であり、図５は点群モデル作成装置１０のブロック図である。

図３及び図４に示すように、点群モデル作成装置１０は、閉鎖空間１の床面３上を走行可能な走行台車（移動体）２０と、走行台車２０上に設置された例えばノートブック型のコンピュータシステム３０と、を備える。図５に示すように、コンピュータシステム３０は、演算処理装置３１、入力部３２、表示部３３及び記憶部３４等を備える。演算処理装置３１は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びハードウェアインタフェース等を有するコンピュータである。入力部３２は、スイッチ、キーボード、ポインティングデバイス等の入力装置である。表示部３３は、画面表示を行うディスプレイである。記憶部３４は、半導体メモリ又はハードディスクドライブ等からなる記憶装置である。

記憶部３４には、演算処理装置３１によって実行可能なプログラム３４ａが格納されている。演算処理装置３１がプログラム３４ａを実行することによって、演算処理装置３１の各種機能が実現される。また、記憶部３４には、演算処理装置３１によって読み取り可能な地図データ３４ｂが格納されている。地図データ３４ｂは閉鎖空間１の平面図又は間取り図を表すデータであり、閉鎖空間１の床面上に設置される物体（閉鎖空間１の内壁面、壁、仕切り、建材、建設機器、事務機器、配管、柱等）の位置から構成されている。地図データ３４ｂ中の物体の位置は、ワールド座標系ＷのＸ座標及びＹ座標により表されている。閉鎖空間１が施工中の建物、建造物又は構造物の内部空間である場合、地図データ３４ｂには建物、建造物又は構造物の設計図（例えばＣＡＤデータ、ＢＩＭデータ）を用いることができる。なお、地図データ３４ｂは、点群モデルの作成前に走行台車２０を移動しながら後述のレーザースキャナー４１により距離及び偏角を計測して、それらの計測結果に基づいて演算処理装置３１によって生成されたものでもよい。レーザースキャナー４１を用いて地図データ３４ｂを生成する技術は、『映像情報メディア学会誌 Vol.68, No.8, pp.J329-J334 (2014)』に開示されている。

また、点群モデル作成装置１０は第一位置計測部４０、第二位置計測部５０、記録部６０及び座標変換部７０を備える。第一位置計測部４０は、走行台車２０の位置を計測することにより走行台車２０の位置をワールド座標系Ｗで表すとともに、走行台車２０の向きを計測することにより走行台車の向きをヨー角αで表す。第二位置計測部５０は、走行台車２０の位置及び向きを基準として計測点の位置を計測することにより、計測点の位置をローカル座標系Ｌで表す。記録部６０は、第一位置計測部４０によって計測された走行台車２０の位置及び向きと第二位置計測部５０によって計測された計測点の位置とを対応付けて記憶部３４に記録する。座標変換部７０は、上述の式（２）に従って、記録部６０に記録された計測点の位置をローカル座標系Ｌからワールド座標系Ｗに変換する。
記録部６０及び座標変換部７０は、演算処理装置３１がプログラム３４ａを実行することによって実現される演算処理装置３１の機能である。

続いて、第一位置計測部４０及び第二位置計測部５０について説明する。
第一位置計測部４０は、追尾型の位置計測部（例えば、自動追尾トータルステーション）ではなく、自己位置推定型の光学式位置計測部であり、レーザースキャナー（第一レーザー計測器）４１及び位置推定部４２を有する。
第二位置計測部５０は三次元レーザースキャナー（第二レーザー計測器）５１及び座標演算部５６を有する。位置推定部４２及び座標演算部５６は、演算処理装置３１がプログラム３４ａを実行することによって実現される演算処理装置３１の機能である。

図３及び図４に示すように、レーザースキャナー４１は走行台車２０上に設置されている。レーザースキャナー４１は、レーザー光線を平面内で偏向させるように周囲の物体の表面を走査することによって、レーザー光線の偏角を順次計測するとともに、レーザー光線の偏角毎に物体までの距離を順次計測するものである。具体的には、レーザースキャナー４１は、変調するレーザー光線を水平な方向に照射するとともに、レーザースキャナー４１の周囲の物体の表面により反射されたレーザー光線を受光しつつ、レーザースキャナー４１を通る鉛直軸の回りにレーザー光線の照射向きを回転する。これにより、レーザースキャナー４１は、レーザー光線の照射の向きを表す偏角（例えば、ローカル座標系Ｌのｘ軸からの角度）を順次計測するとともに、レーザースキャナー４１の周囲の物体の表面におけるレーザー光線の反射箇所までの距離を偏角毎に計測する。そして、レーザースキャナー４１は、距離及び偏角を計測する毎に計測距離及び計測偏角を演算処理装置３１に出力する。

図５に示すように、位置推定部４２は、レーザースキャナー４１によって計測された距離及び偏角に基づく物体の表面の輪郭を地図データ３４ｂと照合し、走行台車２０の位置及び向きの推定（演算）をする。位置推定部４２によって推定された走行台車２０の位置はワールド座標系ＷのＸ座標及びＹ座標により表されたものであり、位置推定部４２によって推定された走行台車２０の向きはヨー角αにより表されたものである。ここで、位置推定部４２はレーザースキャナー４１の出力を監視しており、走行台車２０の位置及び向きを連続的（周期的）に推定する。なお、位置推定部４２の具体的な処理内容は、『映像情報メディア学会誌 Vol.68, No.8 , pp.J329-J334 (2014)』に開示されている。

図３及び図４に示すように、三次元レーザースキャナー５１は走行台車２０上に設置されている。三次元レーザースキャナー５１は、レーザー光線を立体的に偏向させるように照射し、対象物の表面をレーザー光線により走査することによって、レーザー光線の方位角θ及び極角φを順次計測するとともに、レーザー光線の方位角θ及び極角φ毎に計測点までの距離を計測する。

具体的には、三次元レーザースキャナー５１は二次元レーザースキャナー５２、回転駆動部５３及び方位角計測部５４を有する。二次元レーザースキャナー５２が回転駆動部５３の回転軸に連結され、方位角計測部５４が回転駆動部５３に設けられている。回転駆動部５３はモーター及びその制御回路等から構成されおり、二次元レーザースキャナー５２を通る鉛直軸回りに二次元レーザースキャナー５２を所定角度ずつ間欠的に回転駆動するものである。回転駆動部５３の回転軸がローカル座標系Ｌのｚ軸に相当する。方位角計測部５４はロータリーエンコーダー等から構成されており、回転駆動部５３による二次元レーザースキャナー５２の回転角を検出して、その検出結果を演算処理装置３１に出力する。

この二次元レーザースキャナー５２は、変調するレーザー光線を鉛直面に沿って照射するとともに、二次元レーザースキャナー５２の周囲の対象物の表面により反射されたレーザー光線を受光しつつ、回転駆動部５３の回転軸に直交する水平軸の回りにレーザー光線の照射向きを回転する。これにより、二次元レーザースキャナー５２は、レーザー光線の照射の向きを表す偏角を順次計測するとともに、二次元レーザースキャナー５２の周囲の対象物の表面におけるレーザー光線の反射箇所までの距離を偏角毎に計測する。そして、二次元レーザースキャナー５２は、距離及び偏角を計測する毎に計測距離及び計測偏角を演算処理装置３１に出力する。

以上のように方位角計測部５４により計測される回転角は方位角θに相当し、二次元レーザースキャナー５２により計測される距離が動径ｒに相当し、二次元レーザースキャナー５２により計測される偏角が極角φに相当する。計測された動径ｒと方位角θと極角φは、対象物の表面上の計測点の位置をローカル座標系Ｌ、特に球座標系により表したものである。

二次元レーザースキャナー５２の計測周期（サンプリングレート）は方位角計測部５４の計測周期に等しく、二次元レーザースキャナー５２による一点分の動径ｒ及び極角φの計測が方位角計測部５４による一点分の方位角θの計測に同期する。
また、二次元レーザースキャナー５２の走査期間は回転駆動部５３の間欠的な停止期間に同期している。すなわち、回転駆動部５３が間欠的に停止している間に、二次元レーザースキャナー５２が一周期分の走査をする。

図５に示すように、座標演算部５６は、対象物の表面上の計測点の位置を球座標系から直交座標系に変換するものである。つまり、座標演算部５６は、上述の式（１）に従って、二次元レーザースキャナー５２により計測された動径ｒ及び極角φと方位角θからローカル座標系Ｌのｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を演算するものである。ここで、座標演算部５６は二次元レーザースキャナー５２及び方位角計測部５４の出力を監視しており、対象物の表面上の計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を連続的（周期的）に演算する。

以上のように位置推定部４２によって推定された走行台車２０のＸ座標、Ｙ座標及びヨー角αは記録部６０によって記憶部３４に記録される。座標演算部５６によって計算された計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標も記録部６０によって記憶部３４に記録される。

４．点群モデル作成装置の動作及び点群モデル作成方法について（その１）
図６は、点群モデル作成工程の第一例を示したフローチャートである。
まず、走行台車２０を閉鎖空間１内の計測箇所に移動して、走行台車２０をその計測箇所に静止する（ステップＳ１）。
次に、第一位置計測部４０（レーザースキャナー４１及び位置推定部４２）によって走行台車２０のＸ座標、Ｙ座標及びヨー角αを計測する（ステップＳ２）。

次に、第二位置計測部５０（三次元レーザースキャナー５１及び座標演算部５６）によって複数の計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を計測点毎に順次計測し、１つの計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を計測する毎に記録部６０によってｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を互いに対応づけて記憶部３４に記録する（ステップＳ３）。この際、ステップＳ２において計測した走行台車２０のＸ座標、Ｙ座標及びヨー角αを計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標に対応づけて記憶部３４に記録する。こうすることで、図７に示すように、走行台車２０のＸ座標、Ｙ座標及びヨー角αと計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標とのデータ列が記録部６０に生成される。

ステップＳ３の計測を継続して、回転駆動部５３によって二次元レーザースキャナー５２がｚ軸周りに一周回転したら、再度（ステップＳ４：ＮＯ）、走行台車２０を閉鎖空間１内の別の計測箇所に移動し（ステップＳ１）、走行台車２０のＸ座標、Ｙ座標及びヨー角αを計測し（ステップＳ２）、各計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を計測する（ステップＳ３）。

以上のステップＳ１、ステップＳ２及びステップＳ３の工程を複数回繰り返し実行することによって、閉鎖空間１の内側の対象物の表面全体について計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を計測したら、その繰り返しを終了し（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ステップＳ５に移行する。

ステップＳ５では、記録部６０に記録された計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標をワールド座標系ＷのＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標に座標変換部７０によって変換し、変換後の計測点のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標を統合した上で、記憶部３４に記録する。計測点のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標のデータ列が点群モデルである。

５．点群モデル作成装置の動作及び点群モデル作成方法について（その２）
図８は、点群モデル作成工程の第二例を示したフローチャートである。ここで、二次元レーザースキャナー５２の走査周期が第一位置計測部４０（特に位置推定部４２）の計測周期に等しく、二次元レーザースキャナー５２が一周期分の走査をする毎に、第一位置計測部４０が一点分のＸ座標、Ｙ座標及びヨー角αを計測するものとする。

図８に示すように、走行台車２０を閉鎖空間１内で断続的又は連続的に移動する（ステップＳ１１）。
また、走行台車２０の移動中に、第一位置計測部４０（レーザースキャナー４１及び位置推定部４２）によって走行台車２０のＸ座標、Ｙ座標及びヨー角αを周期的に計測する（ステップＳ１２）。また、走行台車２０のＸ座標、Ｙ座標及びヨー角αの計測に同期して、二次元レーザースキャナー５２が走査するとともに方位角計測部５４が方位角を計測することにより、複数の計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標が座標演算部５６により順次演算される（ステップＳ１２）。そして、計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を計測する毎に、記録部６０によってｘ座標とｙ座標とｚ座標とＸ座標とＹ座標とヨー角αを互いに対応づけて記憶部３４に記録する（ステップＳ１２）。

以上のステップＳ１１及びステップＳ１２の工程を継続して実行することによって、走行台車２０のＸ座標、Ｙ座標及びヨー角αと計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標とのデータ列が記録部６０に生成される。そして、閉鎖空間１の内側の対象物の表面全体について計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を計測したら、計測を終了する。その後、記録部６０に記録された計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標をワールド座標系ＷのＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標に座標変換部７０によって変換して、変換後のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標を記憶部３４に記録する（ステップＳ１３）。計測点のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標のデータ列が点群モデルである。

なお、二次元レーザースキャナー５２の計測周期が第一位置計測部４０（特に位置推定部４２）の計測周期に等しく、二次元レーザースキャナー５２が一点分の動径ｒ及び極角φを計測する毎に、第一位置計測部４０が一点分のＸ座標、Ｙ座標及びヨー角αの計測をするものとしてもよい。

６．効果
以上説明した本発明の実施の形態によれば、点群モデル作成装置１０を用いることにより、以下の効果が得られる。

（１）ワールド座標系Ｗで表した走行台車２０の絶対的な位置及び向きを第一位置計測部４０によって計測し、ローカル座標系Ｌで表した計測点の相対的な位置を第二位置計測部５０によって計測したので、走行台車２０がどの位置にあっても、また対象物や閉鎖空間１がどのような形状であっても、計測点の絶対的な位置をワールド座標系Ｗで表すことができる。

（２）第一位置計測部４０がレーザースキャナー４１を用いた自己位置推定型の光学式位置計測部であるので、衛星通信・ＧＰＳ位置計測できないような環境、つまり閉鎖空間１でも走行台車２０の位置及び向きを計測することができる。また、走行台車２０の周囲に障害物があっても、走行台車２０の位置及び向きを計測することができる。

（３）第一位置計測部４０のサンプリングレートは自動追尾トータルステーションよりも高速であるので、走行台車２０の移動が速くても、走行台車２０の位置及び向きの計測精度が低下しにくい。

（４）第一位置計測部４０はそれだけで走行台車２０の位置及び向きを計測できるものである。そのため、向きの計測ができない自動追尾トータルステーションを用いた場合には、別途向き計測装置が必要であるのに対して、この点群モデル作成装置１０にはそのような向き計測装置が不要であるので、点群モデル作成装置１０のコストが低い。

（５）二次元レーザースキャナー５２のレーザー光線の照射範囲が限られている場合でも、走行台車２０の位置及び向きを変化させるので、広い範囲の表面形状を計測することができる。

７．変形例
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。例えば、以下のような実施の形態が考えられる。

（１）上記実施形態では、三次元レーザースキャナー５１によって計測された計測点の位置（動径ｒと方位角θと極角φ）が座標演算部５６により球座標系から直交座標系に変換された上で、計測点のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標が記録部６０により記憶部３４に記録されていた。それに対して、三次元レーザースキャナー５１によって計測された計測点の位置（動径ｒと方位角θと極角φ）が記録部６０により記憶部３４に記録されてもよい。この場合、球座標系で表された計測点の位置（動径ｒと方位角θと極角φ）が式（１）を式（２）に代入した式に従って座標変換部７０によってワールド座標系Ｗに変換され、計測点のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標が記憶部３４に記録される。

（２）上記実施形態では、走行台車２０の位置（Ｘ座標及びＹ座標）及び向き（ヨー角α）と計測点の位置（ｘ座標、ｙ座標及びｚ座標）とが記憶部３４に蓄積された上で、計測終了後に計測点の位置がローカル座標系Ｌからワールド座標系Ｗに変換されていた。それに対して、計測点の動径ｒ、方位角θ及び極角φが三次元レーザースキャナー５１によって計測される毎に、計測点の動径ｒ、方位角θ及び極角φが走行台車２０の位置及び向きに基づいてワールド座標系ＷのＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標に変換され、それが記憶部３４に記録されてもよい。

（３）上記実施形態では作業者が走行台車２０を移動したが、走行台車２０が自律走行するものでもよい。

１…閉鎖空間，１０…点群モデル作成装置（計測装置），２０…走行台車（移動体），４０…第一位置計測部，４１…レーザースキャナー（第一レーザー計測器），４２…位置推定部，５０…第二位置計測部，５１…三次元レーザースキャナー（第二レーサー計測器），５６…座標演算部，７０…座標変換部

Claims

閉鎖空間内の床面上において床面に沿って移動可能であるとともに向きを変更可能な移動体と、
前記移動体に設けられ、前記閉鎖空間内の所定の原点を基準とした三次元的な絶対座標系における前記移動体の位置及び向きを周期的に計測する自己位置推定型の第一位置計測部と、
前記移動体に設けられ、前記移動体の位置を原点とするとともに前記移動体の向きを基準とした三次元的な相対座標系における、前記閉鎖空間内の対象物の表面上の複数の計測点の三次元的な位置を順次計測する第二位置計測部と、
前記第一位置計測部によって計測された前記移動体の位置及び向きに基づいて、前記第二位置計測部によって計測された複数の前記計測点の三次元的な位置を前記絶対座標系に座標変換する座標変換部と、を備え、
前記第一位置計測部は、
前記移動体に設けられ、レーザー光線を前記床面に平行な平面内で偏向させるように照射し、周囲の物体の表面を前記レーザー光線により走査することによって、前記レーザー光線の偏角を順次計測するとともに、前記レーザー光線の偏角毎に前記物体の表面までの距離を計測する第一レーザー計測器と、
前記閉鎖空間に設置される物体の位置を表した地図データと、前記第一レーザー計測器によって計測された距離及び偏角とを照合することによって、前記絶対座標系における前記移動体の位置及び向きを推定する位置推定部と、を有し、
前記第二位置計測部は、
前記移動体に設けられ、第二レーザー光線を照射する方位角を所定角度変える毎に前記第二レーザー光線を鉛直面内で偏向させることによって前記第二レーザー光線を立体的に偏向させるように照射し、前記対象物の表面を前記第二レーザー光線により走査することによって、前記第二レーザー光線の方位角及び極角を順次計測するとともに、前記第二レーザー光線の方位角及び極角毎に前記計測点までの距離を計測する第二レーザー計測器と、
前記第二レーザー計測器により計測された距離、方位角及び極角のセット毎に、前記第二レーザー計測器により計測された距離、方位角及び極角を、前記相対座標系としての直交座標系に変換して、前記計測点の位置を前記直交座標系で表す座標演算部と、有し、
前記移動体が連続的又は断続的に移動し、
前記第二レーザー計測器の鉛直面内での走査周期が前記第一位置計測部の計測周期に等しく、前記第二レーザー計測器が鉛直面内での１周期分の走査をする毎に前記第一位置計測部が１回の計測を行う計測装置。