JP6761715B2

JP6761715B2 - 測量装置

Info

Publication number: JP6761715B2
Application number: JP2016189365A
Authority: JP
Inventors: 信幸西田
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2036-09-28
Also published as: JP2018054408A

Description

本発明は、測定対象物の三次元形状を測定するのに用いられるスキャナを搭載した測量装置に関する。

近年、測定対象物の三次元形状を測定するために、広範囲に複数設置されたターゲットの位置を検出できる三次元レーザスキャナ（以下、スキャナ）が利用されている。スキャナは、測定対象物を含む所定の測定エリアにパルスレーザを走査し、パルス毎の反射光を受光して距離測定を行うとともに、測距時のパルスレーザの方向から水平角，鉛直角を測定して、三次元点群データを取得する（例えば特許文献１）。

これに対し、出願人は、図１０に示すように、光波距離計（測量機２）とスキャナ２２を組み合わせ、まずスキャナ２２によるスキャニングでターゲットの概略位置を抽出し、測量機２で各ターゲットの概略位置を測距，測角することで、広範囲に複数設置されたターゲット９−１，９−２，９−３，…９−ｎの位置を、短時間かつ高精度に測定することのできる測量装置１について出願した。

特開２００８−８２７８２号

図１０の測量装置１の構成では、スキャナ２２は、内部に有する回動ミラー３３（破線で示す）を、一軸（水平軸Ｒ−Ｒ）周りに一定角速度で高速回転させて鉛直方向を走査するとともに、スキャナ２２自体は、測量機２の水平回転機構を利用して、鉛直軸Ｈ−Ｈを中心に一定角速度で水平回転することで、鉛直および水平方向をスキャニングする。図１０には、図１０の測量装置１の構成で得られる水平方向の点群データが模式的に示されている。なお、符号５はある時間のスキャナ２２の光軸を示し、符号１０はその時の測定点（照射点）を示し、符号ＳＬはスキャンラインを示している。

しかし、この構成では、スキャナ２２自体は、鉛直軸Ｈ−Ｈを中心として、即ち鉛直方向をスキャナの極方向として、水平方向に回転するため、得られる三次元点群データの点密度は、図７に示すように、天頂および天底に偏っていた。

本発明は、従来技術の問題に鑑みて、スキャナで得られる三次元点群データの点密度の高いエリアを、即ちスキャナの極方向を、水平方向に向けるように構成された測量装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の測量装置は、鉛直軸を中心に水平回転する筐体と、前記筐体に支承されて水平軸を中心に鉛直回転する望遠鏡と、を有する測量機と、少なくとも一軸周りに回動する回動部によってスキャン光を走査し、点群データを取得するスキャナと、を備え、前記スキャナは、前記測量機の前記水平軸と平行な方向にスキャナ自体の回転軸が配置される。

上記態様において、前記スキャナ自体の回転軸は、前記水平軸と一致するように構成されるのも好ましい。

上記態様において、前記スキャナ自体の回転軸は、水平方向に延長された前記水平軸で形成されるのも好ましい。

本発明の測量装置によれば、スキャナ装置で得られる三次元点群データの点密度の高いエリアを、測定対象物に向けることができる。

実施の形態に係る測量装置の外観斜視図である。実施の形態に係る測量装置の右側面図である。実施の形態に係る測量装置の縦断面図である。（ａ）実施の形態に係る測量装置の構成ブロック図，（ｂ）スキャナの構成ブロック図である。実施の形態に係る測量装置で得られる点群データの測定点分布を示した図である。実施の形態に係る測量装置で得られる点群データの測定点分布を示した図である。従来の測量装置で得られる点群データの測定点分布を示した図である。変形例１に係る測量装置の模式図である。変形例２に係る測量装置の模式図である。従来のある測量装置の外観斜視図である。

次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は実施の形態に係る測量装置の外観斜視図、図２は実施の形態に係る測量装置の右側面図、図３は実施の形態に係る測量装置の縦断面図である。図１に示すように、本形態の測量装置１は、測量機２と、スキャナ２２を有する。図１の符号５はある時間のスキャナ２２の光軸を示し、符号１０はその時の測定点を示し、符号ＳＬはスキャンラインを示している。

測量機２は、いわゆるモータドライブトータルステーションであり、三脚を用いて既知の点に据え付けられている。測量機２は、図２に示すように、下方から、整準部の上に設けられた基盤部２ｃと、該基盤部２ｃ上を、鉛直軸６（図３）周りに回転する筐体２ｂと、筐体２ｂの中央で、水平軸７（図３）周りに回転する望遠鏡２ａと、を有する。図１に示す符号Ａ６は、鉛直軸６の中心線を延長した鉛直方向を、符号Ａ７は、水平軸７の中心線を延長した水平方向を示したものである。

図４（ａ）は実施の形態に係る測量装置の構成ブロック図，図４（ｂ）はスキャナの構成ブロック図である。図４（ａ）に示すように、測量装置１は、水平角検出器１１と、鉛直角検出器１２と、水平回転駆動部１３と、鉛直回転駆動部１４と、表示操作部１５と、演算制御部１７と、追尾部１８と、測距部１９と、記憶部２０と、スキャナ２２とを備える。

水平回転駆動部１３と鉛直回転駆動部１４は、モータである。水平回転駆動部１３は、基盤部２ｃに設けられ、鉛直軸６を駆動する。鉛直回転駆動部１４は、筐体２ｂに設けられ、水平軸７を駆動する。測量機２では、筐体２ｂの水平回転と望遠鏡２ａの鉛直回転の協働により、望遠鏡２ａから測距光（または追尾光）が出射される。水平角検出器１１と鉛直角検出器１２は、ロータリエンコーダである。図３に示すように、水平角検出器１１は鉛直軸６に対して設けられ、筐体２ｂの水平方向の回転角を検出する。鉛直角検出器１２は水平軸７に対して設けられ、望遠鏡２ａの鉛直方向の回転角を検出する。表示操作部１５は、図２に示すように、基盤部２ｃの前面に設けられた測量装置１のインターフェースであり、測定作業の指令・設定や作業状況および測定結果の確認などが行える。なお、図２の符号１５´は、副表示操作部であり、測量装置１の前後何れからも操作が可能となるように設けられている。

測距部１９および追尾部１８は、望遠鏡２ａに設けられている。測距部１９は、測距光として赤外パルスレーザ光をターゲット９−ｎに送光する。そして、ターゲット９−ｎからの反射光を例えばフォトダイオード等の受光部で受光し、測距信号に変換する。追尾部１８は、追尾光として測距光とは異なる波長の赤外レーザ光を送光する。そして、イメージセンサ等の受光部で追尾光を含む風景画像と追尾光を除いた風景画像を取得する。演算制御部１７では、両画像の差分からターゲット９−ｎの位置を検出し、常に望遠鏡２ａがターゲット９−ｎの方向を向くように自動で追尾する。

演算制御部１７は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したマイクロコントローラであり、筐体２ｂに設けられ、後述するスキャナ２２の演算制御部３５と電気的に接続されている。演算制御部１７は、回転駆動部１３,１４を制御し、追尾部１８による自動追尾を行い、測距信号の出力を対比処理することで自動視準を行う。また、送光から受光までに光波が発振した回数に基づいて，ターゲット９−ｎの距離を測定し、水平角検出器１１と鉛直角検出器１２の値から、ターゲット９−ｎの角度を測定して、各ターゲットのＸ座標，Ｙ座標，Ｚ座標を測定する。記憶部２０は、例えばハードディスクドライブであり、上記演算制御のためのプログラムが格納されており、取得した測定データが記憶される。

スキャナ２２は、三次元レーザスキャナであり、図１に示すように、測量機２の右側面に設けられている。スキャナ２２は、図３に示すように、本体部２２ａと、本体部２２ａの上部に設けられた回転照射部２２ｂを有する。

ここで、図３に示すように、測量機２の水平軸７は、鉛直角検出器１２が設けられた側の端部が、筐体２ｂのケーシングを貫通して、水平方向に延長されている。水平軸７の延長部の端部には、回転基盤８が設けられている。そして、スキャナ２２は、本体部２２ａおよび回転照射部２ｂ全体のケーシング中心が水平軸７上となるように、回転基盤８に固着されている。このため、スキャナ２２自体は、水平軸７を中心に鉛直方向に回動可能となっている。

また、スキャナ２２は、図４（ｂ）に示すように、ミラー回転角検出器３１、ミラー回転駆動部３２、回動ミラー３３、演算制御部３５、記憶部３６、測距部３７、撮像部３８を有する。

回動ミラー３３は、回転照射部２２ｂに配置され、ミラー回転駆動部３２に駆動されて、ミラー回転軸Ｒ（図３）周りに、角速度一定で高速回転するように構成されている。また、ミラー面が水平方向Ａ７に向けられ、ミラー回転軸Ｒが水平方向Ａ７上となるように配置されている（図３）。回動ミラー３３は、ミラー回転角検出器３１はロータリエンコーダであり、ミラー回転駆動部３２が設けられていない側のミラー回転軸Ｒの端部に設けられ、回動ミラー３３の鉛直回転角を検出する。

測距部３７および撮像部３８は、本体部２２ａに配置された鏡筒３９（図３）に含まれている。測距部３７は、スキャン光として赤外パルスレーザ光を送光し、フォトダイオード等で受光する。撮像部３８は、イメージセンサであり、測距部３７のスキャン光から光路分割した光軸を原点としてＸ-Ｙ座標を想定し、測定対象物の画像データを取得する。該画像データは、テクスチャマッピング等の技術により、点群データに合成可能である。なお、撮像部３８は必須の構成としなくてもよい。

演算制御部３５は、マイクロコントローラであり、本体部２２ａに配置され、測量機２の演算制御部１７と電気的に接続されている。演算制御部３５は、ミラー回転駆動部３２を制御し、レーザパルスが往復する時間を計測することで，測定点１０までの距離を求める。また、ミラー回転角検出器３１から測定点１０の鉛直角を測定し、測量機２の水平角検出器１１から、測定点１０の水平角を測定する。このとき、測定点１０の水平角は、予め把握されている測量機２の視準方向とスキャナ２２のスキャン光軸５の方向との角度差分を補正して、測定する。そして、測定点１０の距離，水平角，及び鉛直角から、点群データを得る。記憶部３６は、例えばハードディスクドライブであり、上記演算制御のためのプログラムが格納されており、取得した点群データおよび画像データが記憶される。

以上の構成を有する測量装置１を用いれば、スキャナ２２を、測量機２の望遠鏡２ａの鉛直回転と連動して回転させることができるので、スキャナ２２自体を、水平方向Ａ７を中心に回転させることができる。即ち、スキャナ２２自体の回転軸（スキャナの極方向）を、水平方向に向けることができる。

なお、スキャナの極方向とは、本明細書では以下のように捉えている。スキャナは、回動ミラーの回転による一軸スキャンを、スキャナ自体の回転によって面に展開し、球状にデータを取得する。そのため、スキャナの測定点は、地球儀で言うところの緯度と経度の交点と同じような分布となる。よって、点群データを一定面積で切り取ると、スキャナ自体の回転軸の方向（地球儀で言うところの北極と南極を結ぶ方向、以下これをスキャナの極方向とする）の点密度は、赤道付近の点密度よりも高くなる。

本形態では、スキャナ２２の極方向が水平方向Ａ７を向いているため、スキャナ２２で得られる点群データの点密度は、図１に模式的に示したように、測定対象物のある水平方向で最も高く得られるようになる。

一例として、図５および図６は実施の形態に係る測量装置１で得られる点群データの測定点分布を示した図である。図７は比較例であり、従来の測量装置で得られる点群データの測定点分布を示した図である。図５は、本形態の測量装置１で、測量機２を水平方向に９０度ずつずらし停止させるとともに、各々の方向で、スキャナ２２自体を望遠鏡２ａの回転を利用して鉛直回転させた場合の測定点分布をシミュレーションしたものである。図６は、本形態の測量装置１で、スキャナ２２自体を、望遠鏡２ａを高速に鉛直回転させた場合の測定点分布をシミュレーションしたものである。図７は図１０の従来の構成の測量装置１で、スキャナ２２自体を、筐体２ｂを低速で水平回転させた場合の測定点分布をシミュレーションしたものである。

本形態の測量装置１で得られた測定点分布図５および図６は、図７のものよりも、水平方向に点が多くあることが分かる。特に、図６からは、測定点が全体的に分布し、点密度の偏りが低減されていることが分かる。なお、図５と図６の測定は本形態の測量装置１による実施の一例であり、例えば図５の測定では、４５度ピッチや６０度ピッチでの測定も可能である。

また、測量装置１では、スキャナ２２自体の回転軸は、測量機２の望遠鏡２ａの水平軸７そのものであり、スキャナ２２自体の水平方向の回転は測量機２の鉛直軸６を利用して行われるので、スキャナ２２の測定において、測量機２に用いられる高精度な角度検出器１１，１２の値を利用することができる。このため、スキャナ２２の測定精度が向上する。また、測量機２の水平軸７がスキャナ２２自体の回転軸として兼用されているので、スキャナ２２自体のための鉛直回転駆動部や鉛直角検出器を設けるのを省くことができる。このため、スキャナ２２の構成をシンプルにすることができる。

上記実施の形態の好適な変形例を挙げる。

図８は変形例１に係る測量装置の模式図である。上記の実施形態では、スキャナ２２自体の回転軸は、測量機２の望遠鏡２ａの水平軸７そのものである。一方、変形例１では、スキャナ２２にスキャナ自体の回転軸２２ｃが設けられ、スキャナ自体の回転軸２２ｃと水平軸７が軸心を合わせて連結されている。スキャナ自体の回転軸２２ｃは、例えば、スキャナ自体の回転軸２２ｃとその回転駆動部を収容する第２の本体部２２ｄを設け、第２の本体部２２ｄのケーシングの中心を水平軸７上に置くことで配置できる。上記の変形例であっても、スキャナ２２の点群データの点密度が高いエリアを、水平方向に向けることができる。また、測量機２とスキャナ２２を別工程で作成し、最終工程でドッキングさせることができるので、設計思想が容易になる。

図９は変形例２に係る測量装置の模式図である。変形例２では、スキャナ自体の回転軸２２ｃと水平軸７の軸心はずらされており、スキャナ自体の回転軸２２ｃは、第２の本体部２２ｄを介して、水平軸７（水平方向７Ａ）と平行となるように、望遠鏡２ａの側面と固定されている。スキャナ２２自体は、筐体２ｂと干渉しない範囲で鉛直回転することができる。上記の変形例であっても、スキャナ２２の点群データの点密度が高いエリアを、水平方向に向けることができる。

以上、本発明の好ましい測量装置について、実施の形態および変形例を述べたが、各形態および各変形を当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

１測量装置
２測量機
２ａ望遠鏡
２ｂ筐体
６鉛直軸
Ａ６鉛直方向
７水平軸
Ａ７水平方向
２２スキャナ
２２ｃスキャナ自体の回転軸
３３回動ミラー（回動部）
Ｒミラー回転軸

Claims

鉛直軸を中心に水平回転する筐体と、前記筐体に支承されて水平軸を中心に鉛直回転する望遠鏡と、を有する測量機と、
少なくとも一軸周りに回動する回動部によってスキャン光を走査し、点群データを取得するスキャナと、を備え、
前記スキャナは、前記測量機の前記水平軸と平行な方向にスキャナ自体の回転軸が配置されることを特徴とする測量装置。
前記スキャナ自体の回転軸は、前記水平軸と一致するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の測量装置。
前記スキャナ自体の回転軸は、水平方向に延長された前記水平軸で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の測量装置。