JP6770876B2

JP6770876B2 - 測量機

Info

Publication number: JP6770876B2
Application number: JP2016222425A
Authority: JP
Inventors: 聡弥延; 熊谷　薫; 薫熊谷
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2036-11-15
Also published as: US20180137650A1; US10262435B2; EP3321630B1; EP3321630A1; JP2018080968A

Description

本発明は、自動追尾機能を有する測量機に関する。

測量機、例えばモータドライブトータルステーションは、移動するターゲットを自動で追尾する機能を備えている。この測量機には、追尾光を照射する発光部とその反射光を受光する受光部が設けられ、点灯画像と消灯画像を取得してその差分を取り、望遠鏡の視軸からの隔たりが一定値以内に収まる位置をターゲット位置として検出する（特許文献１）。

上記の追尾機能の性能評価は、回転運動や往復運動をさせることが可能な工具にターゲットを取り付けて、ターゲットの動きを測量機に追尾させることで行うか、測量機を回転および傾斜可能なテーブルに載せて動作させ、固定したターゲットを追尾させることで行われている。

特開２００９−３００３８６号公報

しかし、上記の性能評価では、ターゲットを動かすための工具や測量機を動かすためのテーブルなど、いずれにしても、測量機以外に、一定の動作をさせるための大型な装置が必要であった。

本発明の目的は、測量機以外の装置を用いなくても、追尾性能を評価することのできる測量機を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の測量機は、ターゲットの位置を撮影画像から検出する追尾部と、仮想的なターゲットの位置を作成する仮想ターゲット位置算出部と、前記仮想ターゲット位置算出部で作成した前記仮想的なターゲットの位置を前記追尾部で捉えたように変換する仮想追尾部と、前記仮想追尾部の出力を前記追尾部の出力と同等に扱い、水平軸および鉛直軸の回転動作を決定する追尾演算部と、前記追尾演算部の出力から制御信号を生成するモータ制御部と、前記モータ制御部の前記制御信号を受けて、前記水平軸および前記鉛直軸を回転させるモータと、前記水平軸および前記鉛直軸の回転量を検出するエンコーダと、を備える。

上記態様において、前記仮想ターゲット位置算出部は、極座標または三次元座標で前記仮想的なターゲットの位置を更新し、前記仮想追尾部は、予め設定された望遠鏡の仮想視野に前記仮想的なターゲットが存在する場合は、前記仮想視野の中心から前記仮想的なターゲットまでのずれを計算するのも好ましい。

上記態様において、前記仮想追尾部は、前記追尾部と前記仮想追尾部の制御周期のずれを補正するために、前記仮想追尾部の出力したデータの時系列データテーブルを作成し、前記追尾演算部に、前記時系列データのなかから前記追尾部のデータ取得時と一致するデータを出力するのも好ましい。

上記態様において、前記仮想ターゲット位置算出部は、前記仮想的なターゲットの動作パターンとして、少なくとも、前記仮想的なターゲットが水平方向に往復運動するパターン、前記仮想的なターゲットが傾斜して往復運動するパターン、前記仮想的なターゲットが長時間回転するパターン、前記仮想的なターゲットが所定の振動を有するパターンのいずれか一つを作成するのも好ましい。

本発明の測量機によれば、測量機以外の装置を用いなくても、追尾性能を評価することができる。

本形態に係る測量機の概略縦断面図である。本形態に係る測量機の制御ブロック図である。本形態に係る測量機の仮想追尾に係る制御ブロック図である。本形態に係る仮想追尾部の処理を説明するためのイメージ図である。本形態に係る追尾部と仮想追尾部のタイミングチャート図である。本形態に係る測量機の仮想追尾の制御フローチャートである。

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、本形態に係る測量機の概略縦断面図である。符号１が測量機である。測量機１は、整準部３の上に設けられた基盤部４と、基盤部４上を鉛直軸６周りに水平回転する托架部７と、托架部７に水平軸１１周りに鉛直回転する望遠鏡９と、を有する。托架部７の水平回転と望遠鏡９の鉛直回転の協働により、測距光及び追尾光がターゲットに照射される。

鉛直軸６の下端部には水平回転用のモータ５が設けられ、上端部には水平角検出用のエンコーダ２１が設けられている。水平軸１１の一方の端部には鉛直回転用のモータ１２が設けられ、他方の端部には鉛直角検出用のエンコーダ２２が設けられている。エンコーダ２１，２２は、アブソリュートエンコーダまたはインクリメンタルエンコーダである。

図２は、本形態に係る測量機１の制御ブロック図である。測量機１は、測距部３１と、追尾部３２と、マイクロコントローラ２３と、上述のモータ５，１２と、上述のエンコーダ２１，２２とを有する。測距部３１は、測距光として赤外パルスレーザ光をターゲット１０に送光する。そして、ターゲット１０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３２は、発光部３２１から追尾光として測距光とは異なる波長の赤外レーザ光を出力する。追尾光は追尾光学系３２３を介してターゲット１０に送光され、ターゲット反射して再び追尾光学系３２３を介して受光部３２２に入射する。受光部３２２は、例えばＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ等のイメージセンサである。受光部３２２では、追尾光を含む風景画像（点灯画像）と追尾光を除いた風景画像（消灯画像）を取得する。受光部３２２で撮られた両画像は、画像処理装置３２４に送られ、画像の差分が求められる。差分を求めることにより、ターゲット１０の像の中心が求められる。画像処理装置３２４は、画像上で、望遠鏡９の視野中心とターゲット１０の中心との隔たり（ΔＨ，ΔＶ）を求め、マイクロコントローラ２３に出力する。

マイクロコントローラ２３は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したものであり、托架部７に収容されている（図１）。マイクロコントローラ２３は、追尾演算部３３と、モータ制御部３４と、後に詳述する仮想ターゲット位置算出部３５および仮想追尾部３６を有する。

追尾演算部３３は、追尾部３２の出力（ΔＨ，ΔＶ）から、モータ５，１２の回転動作を決定する。モータ制御部３４は、追尾演算部３３の出力から、モータ５，１２の制御信号を生成する。制御信号を受けたモータ５，１２は、鉛直軸６及び／又は水平軸１１をそれぞれ追尾部３２からの出力（ΔＨ，ΔＶ）に相当する位置まで回転させる。エンコーダ２１，２２は、それぞれ鉛直軸６，水平軸１１の回転角を検出し、モータ制御部３４へフィードバックさせる。測量機１では、望遠鏡９の視野中心とターゲット１０の中心との隔たりが一定値以内に収まる位置がターゲット１０の位置として検出されるまで、自動追尾が行われる。

さらに、測量機１は、仮想追尾機能を有する。図３は、本形態に係る測量機１の仮想追尾に係る制御ブロック図である。

仮想ターゲット位置算出部３５は、極座標（Ｄｔ，Ｖｔ，Ｈｔ）または三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で、仮想ターゲット１０´の位置を作成し、時々刻々と更新する。

仮想追尾部３６には、図４に示すように、予め、極座標（Ｄｔ，Ｖｔ，Ｈｔ）または三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で、望遠鏡９の仮想視野４１が設定されている。仮想追尾部３６は、まず、仮想ターゲット１０´の水平角及び鉛直角と、仮想視野角を調べ、仮想視野４１内に仮想ターゲット１０´が存在するか否かを調べる。仮想視野４１内に仮想ターゲット１０´が存在する場合は、仮想視野４１の中心４２から仮想ターゲット１０´の中心までの水平方向のずれ（ΔＨ）および鉛直方向のずれ（ΔＶ）を求めて、追尾演算部３３に出力する。このように、仮想追尾部３６は、仮想ターゲット位置算出部３５で作成した仮想的なターゲットの位置を追尾部３２で捉えたように空間的に変換する。

ここで、好ましくは、仮想追尾部３６は、実際の追尾部３２と仮想追尾部３６との分解能・遅れの特性を考慮し、時間的な変換も行う。図５は、本形態に係る追尾部３２と仮想追尾部３６のタイミングチャート図である。

追尾部３２の発光部３２１の発光パルス出力は、例えば発光時間が４［ｍｓｅｃ］、消灯時間が４［ｍｓｅｃ］で行われており、このため追尾部３２の制御周期は８［ｍｓｅｃ］となっている。受光部３２２では、発光時間の平均的な位置で点灯画像が撮られるので、つまり、ターゲット１０の位置は発光時間のうち２［ｍｓｅｃ］の位置で検出されたかのように取得される。この２［ｍｓｅｃ］が、受光部３２２の遅れとなる。追尾部３２では、８［ｍｓｅｃ］で一セットとなるため、８［ｍｓｅｃ］に一回、望遠鏡９の視野中心とターゲット１０の中心との隔たり（ΔＨ，ΔＶ）を追尾演算部３３に出力する。

一方、仮想追尾部３６は、ソフトウェア上の処理であるため、データはマイクロコントローラ２３のＣＰＵの性能に応じて取得可能である。ＣＰＵの制御周期が例えば１［ｍｓｅｃ］であるとすると、仮想追尾部３６は、仮想視野４１の中心４２と仮想ターゲット１０´の中心との隔たり（ΔＨ，ΔＶ）を、１［ｍｓｅｃ］ごとに追尾演算部３３に出力することができる。

ここで、追尾部３２と仮想追尾部３６の分解能の違いを補正するために、仮想追尾部３６は、出力したデータの時系列データテーブル５１（図５）を作成する。時系列データテーブル５１に示すデータｄ１，ｄ２，ｄ３…，ｄ８は、それぞれ図５に示す仮想追尾部３６の制御周期Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３…，Ｔ８で得られた出力データ（ΔＨ，ΔＶ）である。この例では、仮想追尾部３６は、追尾演算部３３に対し、最新のデータｄ８ではなく、追尾部３２のデータ取得時と一致する、６［ｍｓｅｃ］分過去のデータ、データｄ２を、出力する。このように、仮想追尾部３６のデータを実際の追尾部３２の制御周期と等しく出力すれば、仮想追尾部３６は実際の追尾部３２の動きを正確に再現することができる。

追尾演算部３３は、仮想追尾部３６からの出力（ΔＨ，ΔＶ）を、実際の追尾部３２と同等に扱い、モータ５，１２の回転動作を決定する。モータ制御部３４は、追尾演算部３３の出力から、モータ５，１２の制御信号を生成する。制御信号を受けたモータ５，１２は、鉛直軸６及び／又は水平軸１１をそれぞれ仮想追尾部３６からの出力分（ΔＨ，ΔＶ）に相当する位置まで回転させる。エンコーダ２１，２２は、それぞれ鉛直軸６，水平軸１１の回転角を検出し、モータ制御部３４へフィードバックさせる。測量機１では、仮想視野４１の中心と仮想ターゲット１０´の中心との隔たりが一定値以内に収まる位置が仮想ターゲット１０´の位置として検出されるまで、仮想的に自動追尾が行われる。

図６は、本形態に係る測量機１の仮想追尾の制御フローチャートである。

まず、ステップＳ１で、仮想ターゲット位置算出部３５は、スタート時の望遠鏡９が向いている方向をエンコーダ２１，２２から検出し、ターゲット１０の設置予定距離を入力等から取得して、仮想ターゲット１０´の初期位置を決定する。

次に、ステップＳ２で、仮想ターゲット位置算出部３５は、仮想ターゲット１０´を移動させ、仮想位置を更新する。仮想追尾部３６は、仮想ターゲット１０´を仮想追尾する。

次に、ステップＳ３で、仮想追尾部３６は、出力したデータの時系列データテーブル５１を作成する。

次に、ステップＳ４で、仮想追尾部３６は、追尾部３２との分解能・遅れの特性を補正する。

次に、ステップＳ５で、追尾演算部３３は、モータ５，１２の回転動作（モータ５，１２の目標位置・目標速度）を算出する。

次に、ステップＳ６で、モータ制御部３４は、モータ５，１２の現在位置および現在速度から、制御信号を生成する。

次に、ステップＳ７で、エンコーダ２１，２２は、鉛直軸６，水平軸１１の回転角を取得する。

次に、ステップＳ８で、追尾演算部３３は、追尾が終了したか判断する。終了していない場合は、ステップＳ２に戻る。終了した場合は、仮想追尾を停止する。なお、上記のステップＳ４は、仮想追尾の制御フローに必須の要素とはしないが、行うと好ましい。

なお、ステップＳ２における仮想ターゲット１０´の動作パターンは、予めプログラムが組まれていてよく、作業者がパターンを任意に選択できるものとする。パターン例を次に示す。

パターン１は、測量機１の視軸方向の先（例えば極座標Ｄｔ＝１０ｍ）に仮想ターゲット１０´を設置し、仮想ターゲット１０´を（例えばモータパルス１０Ｈｚで）水平方向に往復運動させる（極座標Ｈｔを変更する）パターンである。パターン１は、従来の工具を用いた追尾性能の評価を模したパターンである。

パターン２は、測量機１の視軸方向の先（例えば極座標Ｄｔ＝１０ｍ）に仮想ターゲット１０´を設置し、仮想ターゲット１０´の水平角または鉛直角を（例えばモータパルス１０Ｈｚで）増減させる（極座標ＨｔまたはＶｔを変更する）パターンである。パターン２は、従来のテーブルを用いた追尾性能の評価を模したパターンである。

パターン３は、測量機１の視軸方向の先（例えば三次元座標Ｙ＝１０ｍ）に仮想ターゲット１０´を設置し、仮想ターゲット１０´を（例えばモータパルス１０Ｈｚで）長時間、所定の角速度で等速回転させる（三次元座標Ｘ，Ｚを変更する）パターンである。パターン３は、ある回転盤にターゲット１０を固定し、回転盤を長時間、所定の角速度で等速回転させる連続使用評価を模したパターンである。

パターン４は、仮想ターゲット１０´に、（例えば三次元座標のＺ方向に）所定の振動を与えるパターンである。このパターンによれば、ターゲット１０が重機に搭載された場合の追尾性能を評価できる。

本形態の測量機１によれば、仮想ターゲット位置算出部３５により仮想的なターゲットの動きが算出され、仮想追尾部３６によりあたかも追尾部３２でターゲットを捉えたかのような処理が行われるので、測量機１の内部で追尾性能を評価することができる。このため、従来の追尾性能の評価のために用いられていた、ターゲットを動かすための工具や測量機を動かすためのテーブルなど、大型な装置が不要となる。

さらに、本形態の測量機１によれば、追尾性能の評価は測量機１単体で行うことができるので、追尾性能の評価のための施設を用意する必要がなくなる。このため、測量現場や営業所など、工場以外の任意の場所で追尾性能を評価することができる。特に、極寒・極暑環境での追尾性能の評価では、測量機１単体をその環境に置けばよいため、施設環境の整備が今までよりも容易になる。また、本形態の測量機１は、仮想追尾部３６のセンサスペックを変更すれば、開発中の追尾センのサ性能シミュレーションにも利用することができる。

以上、本発明の好ましい測量機について、実施の形態を述べたが、当業者の知識に基づいて改変さ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測量機
５水平回転モータ
６鉛直軸
９望遠鏡
１０ターゲット
１１水平軸
１２鉛直回転モータ
２１水平角検出エンコーダ
２２鉛直角検出エンコーダ
２３マイクロコントローラ
３２追尾部
３３追尾演算部
３４モータ制御部
３５仮想ターゲット位置算出部
３６仮想追尾部
４１仮想視野
４２仮想視野の中心
５１時系列データテーブル

Claims

ターゲットの位置を撮影画像から検出する追尾部と、
仮想的なターゲットの位置を作成する仮想ターゲット位置算出部と、
前記仮想ターゲット位置算出部で作成した前記仮想的なターゲットの位置を前記追尾部で捉えたように変換する仮想追尾部と、
前記仮想追尾部の出力を前記追尾部の出力と同等に扱い、水平軸および鉛直軸の回転動作を決定する追尾演算部と、
前記追尾演算部の出力から制御信号を生成するモータ制御部と、
前記モータ制御部の前記制御信号を受けて、前記水平軸および前記鉛直軸を回転させるモータと、
前記水平軸および前記鉛直軸の回転量を検出するエンコーダと、
を備え、
前記仮想追尾部は、前記追尾部と前記仮想追尾部の制御周期のずれを補正するために、前記仮想追尾部の出力したデータの時系列データテーブルを作成し、前記追尾演算部に、前記時系列データのなかから前記追尾部のデータ取得時と一致するデータを出力することを特徴とする測量機。
前記仮想ターゲット位置算出部は、極座標または三次元座標で前記仮想的なターゲットの位置を更新し、
前記仮想追尾部は、予め設定された望遠鏡の仮想視野に前記仮想的なターゲットが存在する場合は、前記仮想視野の中心から前記仮想的なターゲットまでのずれを計算する請求項１に記載の測量機。
前記仮想ターゲット位置算出部は、前記仮想的なターゲットの動作パターンとして、少なくとも、前記仮想的なターゲットが水平方向に往復運動するパターン、前記仮想的なターゲットが傾斜して往復運動するパターン、前記仮想的なターゲットが長時間回転するパターン、前記仮想的なターゲットが所定の振動を有するパターンのいずれか一つを作成する請求項１または２に記載の測量機。