JP6823482B2 - 三次元位置計測システム，三次元位置計測方法，および計測モジュール - Google Patents

Description

本発明は、測定点の三次元位置を計測するためのシステム，三次元位置計測方法，および計測モジュールに関する。

測量、計測、またはＢＩＭ（Building Information Modeling）の分野では、測距および測角を行う測量機と再帰反射型のプリズムを利用して、測定点の三次元位置を計測する。ただし、プリズムには所要の大きさがあることから、測定点に直接プリズムの光学的な反射点を設置することができない。このため、一般的には、プリズムを指示棒に固定する手法が採られている。

詳細には、指示棒の先端を測定点に設置し、指示棒に測定点から既知の固定長だけずらした位置にプリズムを固定し、気泡管等を使用して指示棒の鉛直状態を確保してプリズムの三次元位置計測を行い、この計測値に対し、上記の固定長分だけ鉛直下方に移動して測定点の三次元位置を計算する。しかし、この手法は、部屋の角など、指示棒を傾斜させなければならない場合には使用できなかった。

これに対し、測定点から指示棒が傾斜した状態であっても計測が行えるシステムはある。特許文献１には、指示棒上に、既知の長さ分だけ離間させた二点にプリズムを固定して、二点のプリズムに対し測定し、二点の三次元位置から測定点の位置を計算できるシステムが開示されている。

特許第３７３５４２２号

しかし、特許文献１の構成では、二点のプリズムを同時に測定することができないため、二点の測定中は指示棒（プリズム）を静止させるという作業制約があった。

本発明は、前記問題を解決するため、計測モジュールが傾斜した状態であっても、特段の作業制約なく計測が行える三次元位置計測システム，三次元位置計測方法，および計測モジュール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、本発明の三次元位置計測システムは、ターゲットと全球カメラと三軸加速度センサを有し、前記ターゲット, 前記全球カメラ，および測定点の位置関係が把握可能な計測モジュールと、前記ターゲット方向に光を出射する光出射部と前記ターゲットまでの測距および測角を行う測定部を有する測量機と、を備えることを特徴とする。

上記計測システムにおいて、ある態様では、前記ターゲットと前記全球カメラを直線上に配置し、前記測定点は距離計または長さが既知の指示棒により前記直線から既知の方向に配置されるのも好ましい。

上記態様の計測システムにおいて、（ａ）前記測定部で前記ターゲットを測距測角して、測量機−ターゲットベクトルを算出し、（ｂ）前記光出射部から前記ターゲットへ光を出射し、前記全球カメラの画像に映った出射光の位置から、カメラ−測量機方向ベクトルを算出し、（ｃ）前記（ｂ）のカメラ−測量機方向ベクトルと前記三軸加速度センサから得た鉛直下方向ベクトルから、ターゲット−測定点方向ベクトルを算出し、（ｄ）前記ターゲット，全球カメラ，測定点の位置関係と前記（ｃ）のターゲット−測定点方向ベクトルから、ターゲット−測定点ベクトルを算出し、（ｅ）前記（ａ）および（ｄ）のベクトルを合成して、前記測定点の三次元位置を計測するのも好ましい。

上記計測システムにおいて、別の態様では、前記ターゲットと前記全球カメラを直線上に配置し、この直線に対して既知の方向に光を出射し，前記計測モジュールに対する位置関係が予め把握されたポインタをさらに備えるのも好ましい。

上記別の態様の計測システムにおいて、（ｆ）前記測定部で前記ターゲットを測距測角して、測量機−ターゲットベクトルを算出し、（ｇ）前記光出射部から前記ターゲットへ光を出射し、前記全球カメラの画像に映った出射光の位置から、カメラ−測量機方向ベクトルを算出し、（ｈ）前記（ｇ）のカメラ−測量機方向ベクトルと前記三軸加速度センサから得た鉛直下方向ベクトルから、ターゲット−ポインタ方向ベクトルを算出し、（ｉ）前記（ｈ）のターゲット−ポインタ方向ベクトルと前記既知の方向から得た前記ポインタの発光方向ベクトルと、前記全球カメラの画像に映った前記ポインタの光の位置から得たカメラ−測定点方向ベクトルと、前記ポインタの位置関係から、測定点までの距離を算出し、（ｊ）前記ターゲット，全球カメラ，およびポインタの位置関係と前記（ｈ）のターゲット−ポインタ方向ベクトルから、ターゲット−ポインタベクトルを算出し、（ｋ）前記（ｉ）の発光方向ベクトルと距離から、ポインタ-測定点ベクトルを算出し、（ｌ）前記（ｆ），（ｊ），および（ｋ）のベクトルを合成して、前記測定点の三次元位置を計測するのも好ましい。

上記計測システムにおいて、更に別の態様では、前記ターゲットと前記全球カメラを直線上に配置し、この直線に対して既知の方向にスキャナ基準軸を向け，前記計測モジュールに対する位置関係が予め把握されたスキャナをさらに備えるのも好ましい。

上記の更なる別の態様の計測システムにおいて、（ｍ）前記測定部で前記ターゲットを測距測角して、測量機−ターゲットベクトルを算出し、（ｎ）前記光出射部から前記ターゲットへ光を出射し、前記全球カメラの画像に映った出射光の位置から、カメラ−測量機方向ベクトルを算出し、（ｏ）前記三軸加速度センサから鉛直下方向ベクトルを取得し、（ｐ）前記（ｎ）のカメラ−測量機方向ベクトルと前記（ｏ）の鉛直下方向ベクトル、および前記ターゲット，前記全球カメラ，前記スキャナの光の出射点の位置関係と、前記全球カメラ座標上での前記スキャナ基準軸の方向は相対的に固定であることから、プリズム−出射点ベクトルを算出し、（ｑ）前記スキャナによる測距と偏向方向から、出射点−スキャン点ベクトルを、各スキャン点に対して算出し、（ｒ）前記（ｍ），前記（ｐ），および前記（ｑ）のベクトルを合成して、前記スキャナの各スキャン点の三次元位置を計測するのも好ましい。

本発明によれば、計測モジュールの姿勢を気にすることなく、測定点の三次元位置を計測することができる。

第１の実施の形態に係る計測システムの外観斜視図である。 上記計測システムの制御ブロック図である。 第１の実施の形態に係る三次元位置計測フロー図である。 上記フローのイメージ図である。 全球カメラの画像を例示した図である。 第３の実施の形態に係る計測システムの外観斜視図である。 第３の実施の形態に係る三次元位置計測フロー図である。 上記フローのイメージ図である。 第４の実施の形態に係る計測システムの外観斜視図である。 第４の実施の形態に係る計測システムの制御ブロック図である。 第４の実施の形態に用いられるジンバルチルトの水平断面図である。 第４の実施の形態に用いられるフレネルプリズムスキャナの構成概略図である。 第４の実施の形態での全球カメラの画像を例示した図である。 第４の実施の形態に係る三次元位置計測フロー図である。 上記フローのイメージ図である。

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。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施の形態に係る計測システムの外観斜視図である。図１における符号１が、本形態に係る三次元位置計測システム（以下、単に計測システムとする）である。計測システム１は、外観上は、測量機２と、計測モジュール４を有する。

測量機２は、三脚を用いて既知の点に据え付けられており、下方から、整準部、整準部の上に設けられた基盤部、該基盤部上を水平回転する托架部２ｂと、托架部２ｂの中央で鉛直回転する望遠鏡２ａとを有する。符号Ｘは測定点を示している。計測モジュール４は、作業者により携帯され、測定点Ｘの付近で使用される。計測モジュール４は、外観上は、筐体５と、ターゲットであるプリズム３５と、全球カメラ３６と、指示棒８を有する。

図２は計測システム１の制御ブロック図である。

測量機２は、モータドライブトータルステーションであり、図２に示すように、水平角検出器１１、鉛直角検出器１２、水平回転駆動部１３、鉛直回転駆動部１４、表示部１５、操作部１６、演算制御部１７、追尾部１８、測定部２０、記憶部２１、および通信部２２を備える。水平角検出器１１、鉛直角検出器１２、水平回転駆動部１３、鉛直回転駆動部１４、演算制御部１７、記憶部２１、および通信部２２は托架部２ｂに収容され、表示部１５と操作部１６は托架部２ｂの外部に設けられている。追尾部１８および測定部２０は、望遠鏡２ａに収容されている。

水平回転駆動部１３と鉛直回転駆動部１４はモータであり、演算制御部１７に制御されて、それぞれ水平回転軸と鉛直回転軸を駆動する。測量機２では、托架部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。

表示部１５と操作部１６は、計測システム１のインターフェースであり、計測作業の指令・設定や作業状況および計測結果の確認などが行える。

水平角検出器１１と鉛直角検出器１２は、回転円盤、スリット、発光ダイオード、イメージセンサを有する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。水平角検出器１１は上記水平回転軸に対して設けられ托架部２ｂの水平方向の回転角を検出する。鉛直角検出器１２は上記鉛直回転軸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。

追尾部１８は、測距光とは異なる波長の赤外レーザ等を追尾光として出射する追尾光送光部と、イメージセンサ（例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ）を有する追尾光受光部とを有する。追尾部１８は、追尾光受光部において、プリズム３５で反射した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。両画像は、演算制御部１７に送られる。演算制御部１７では、両画像の差分からプリズム３５の像の中心を求め、像の中心と望遠鏡２ａの視軸中心からの隔たりが一定値以内に収まる位置をプリズム３５の位置として検出し、常に望遠鏡２ａがプリズム３５の方向を向くように自動で追尾を行う。本形態では、追尾部１８が光出射部である。

測定部２０は、測距光送光部と測距光受光部を備え、例えば赤外レーザ等の測距光をプリズム３５に射出しその反射光を受光する。そして、プリズム３５を捕捉し、自動視準が完了するとプリズム３５までの測距と測角を行う。図１の符号３は、測距光または追尾光の光軸を示している。

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、回転駆動部１３,１４の駆動制御、測定部２０および追尾部１８の発光制御、ターゲットの自動追尾、自動視準、測距および測角を行い、測定データを得る。記憶部２１は、例えばハードディスクドライブであり、上記演算処理のためのプログラムが格納されている。また、取得した測定データはここに記憶される。

通信部２２は、計測モジュール４側の通信部３１（後述）との間で無線通信が可能であり、演算制御部１７の制御下において記憶部２１に記憶された測定データを送信し、通信部３１から計測値を受信する。

一方、計測モジュール４は、通信部３１、演算制御部３２、記憶部３３、加速度センサ３４、プリズム３５、および全球カメラ３６を備える。

プリズム３５は、例えば複数の三角錐状のプリズムが放射状に組合わされて形成された３６０度プリズムであり、何れの方向（３６０度方向）から入射した光を再帰反射する。

全球カメラ３６は、いわゆる３６０度カメラであり、第１カメラ３６ａと第２カメラ３６ｂを有し、各カメラ３６ａ，３６ｂの画像を合成することで全方向を一度に撮像可能である。

加速度センサ３４は、三軸加速度センサであり、計測モジュール４のｚ軸方向が鉛直方向からどの程度ずれているか検出できる。

通信部３１は、測量機２側の通信部２２から測定データを受信し、計測モジュール４で計測した三次元位置を通信部２２へ送信する。演算制御部３２は、マイクロコントローラであり、後述する測定点Ｘの三次元位置の計測を行う。記憶部３３は、例えばハードディスクドライブであり、上記三次元位置の計測のための計算プログラムが格納されている。また、撮像した画像データはここに記憶される。

計測モジュール４は、以上の要素を有するとともに、次の配置を有する。加速度センサ３４，通信部３１，演算制御部３２，および記憶部３３は、筐体５に収容されている。図１に示すように、プリズム３５は、筐体５の上面に固定される。全球カメラ３６は、各カメラ３６ａ，３６ｂがそれぞれ筐体５の対向する側面に現れるように筐体５に収容される。指示棒８は、筐体５の下面に垂直に固定され、計測時は先端が測定点Ｘに設置される。 さらに、プリズム３５の中心と全球カメラ３６の中心（カメラ３６ａ，３６ｂ間の中心位置）は、同一の直線Ｌ１上となるように配置され、かつ、指示棒８の軸は直線Ｌ１と一致するように配置される。そして、指示棒８の長さｄ１、指示棒８の基端部から全球カメラ３６（カメラ中心）までの長さｄ２、全球カメラ３６（カメラ中心）からプリズム３５（プリズム中心）までの長さｄ３は予め既知としておく。

以上の計測システム１を使用すれば、次の手法から測定点Ｘの三次元位置を計測することができる。図３は第１の実施の形態に係る三次元位置計測フロー図、図４は上記フローのイメージ図、図５は全球カメラ３６の画像を例示した図である。図５に示すように、全球カメラ３６は水平方向に−１８０°〜１８０°、鉛直方向に−９０°〜９０°の視野を持つ。ここに映る像の位置は、全球カメラ３６の視野によるローカル座標系（図１のＣｘ，Ｃｙ，Ｃｚ）で得られる。このカメラ座標（Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ）は、鉛直下方向ベクトル（Ｚ方向）が重力方向に設定されている測量機２のＴＳ座標（図１のＸ，Ｙ，Ｚ）とは異なっている。以下のステップでは、カメラ座標かＴＳ座標かを明記しながら説明する。

図３に示すように、まず、ステップＳ１１で、計測モジュール４の指示棒８を測定点Ｘに設置し、測量機２でプリズム３５の自動追尾を開始する。

次に、ステップＳ１２で、測量機２の演算制御部１７は、自動追尾した位置において、測定部２０でプリズム３５を測距・測角し、プリズム３５の三次元位置を計測する。そして、プリズム３５の三次元位置より、測量機２からプリズム３５へのベクトル，ＴＳ−Ｐベクトル４４（ＴＳ座標）を算出する（図４参照）。

次に、ステップＳ１３で、計測モジュール４の演算制御部３２は、全球カメラ３６が撮影した画像に映る追尾光の像の位置を測定する。追尾光の像は、例えば図５の符号６１で表すように映る。

次に、ステップＳ１４で、演算制御部３２は、ステップＳ１３で得た追尾光の像６１の位置から全球カメラ３６の水平方向傾斜角および鉛直方向傾斜角を求め、この二つの傾斜角から、全球カメラ３６から測量機２への方向ベクトル，Ｃａ−ＴＳ方向ベクトル４１（カメラ座標）を算出する（図４参照）。なお、方向ベクトルとは大きさを持たない向き情報のみを有するベクトルである。

次に、ステップＳ1５で、加速度センサ３４で得た三軸の値から、鉛直下方向ベクトル４２（カメラ座標）を測定する。

次に、ステップＳ1６で、演算制御部３２は、ステップＳ１４のＣａ−ＴＳ方向ベクトル４１を逆ベクトルのＴＳ−Ｃａ方向ベクトル４１´（カメラ座標）に直し、計測モジュール４と測量機２の距離は全球カメラ３６とプリズム３５の間の距離ｄ３に対して十分に遠いことから、ＴＳ−Ｃａ方向ベクトル４１´（カメラ座標）とステップＳ１２で得たＴＳ−Ｐベクトル４４（ＴＳ座標）の方向ベクトルが一致すると仮定して（全球カメラ３６がプリズム３５と同じ位置にあると仮定して）、ＴＳ座標に合わせる。同時に、鉛直下方向ベクトル４２をＴＳ座標のＺ方向に合わせ、カメラ座標上での指示棒８の方向は相対的に固定であることから、プリズム３５から測定点Ｘへの方向ベクトル，Ｐ-Ｘ方向ベクトル４３（ＴＳ座標）を算出する。

次に、ステップＳ１７で、演算制御部３２は、指示棒８の長さｄ１、指示棒８の基端部から全球カメラ３６までの長さｄ２、および全球カメラ３６からプリズム３５までの長さｄ３と、ステップＳ１６で得たＰ-Ｘ方向ベクトル４３から、プリズム３５から測定点Ｘへのベクトル，Ｐ-Ｘベクトル４５（ＴＳ座標）を算出する。

最後に、ステップＳ１８で、演算制御部３２は、ステップＳ１２のＴＳ−Ｐベクトル４４（ＴＳ座標）とステップＳ１７のＰ-Ｘベクトル４５（ＴＳ座標）を合成し、測量機２から測定点Ｘへのベクトル，ＴＳ-Ｘベクトル４６（ＴＳ座標）を求めることで、測定点Ｘの三次元位置を計測する。

以上、第１の実施形態によれば、プリズム３５を有する計測モジュール４に全球カメラ３６と加速度センサ３４を備えたことで、計測モジュール４の姿勢方向（Ｐ-Ｘ方向ベクトル４３）を知ることができる。このため、プリズム３５の三次元位置から、Ｐ-Ｘ方向ベクトル４３の方向に、固定長（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）だけ移動させることで、測定点Ｘを自動で計測することができる。

従って、作業者が指示棒８で測定点Ｘを指すことができれば、計測モジュール４が傾斜した状態であっても、特段の作業制約なく計測が行える。

また、プリズム３５の近傍に全球カメラ３６を配置していることと、測量機２は常にプリズム３５を追尾することから、追尾光は常に全球カメラ３６に映りこむ。このため、全球カメラ３６では、追尾光を検出するのに十分な光量が確保される。また、計測システム１は、測量機２から全方位に亘って光を出す必要が無い。

なお、上記では、計測モジュール４と測量機２の距離は全球カメラ３６とプリズム３５の間の距離ｄ３に対して十分に遠いとして、近似を使用して測定点Ｘの三次元位置を求めているが、この点を補正するのも好ましい。補正の一例を説明する。全球カメラ３６とプリズム３５の距離ｄ３は既知であるので、全球カメラ３６の位置はＴＳ座標で求められる。補正のステップでは、これを仮計算とし、仮計算での全球カメラ３６の座標（ＴＳ座標）から、測量機２から全球カメラ３６へのベクトル，ＴＳ−Ｃａベクトル（ＴＳ座標）を算出する。そして、上記ステップＳ１６のＴＳ−Ｃａ方向ベクトル４１´（カメラ座標）を、ＴＳ−Ｃａベクトル（ＴＳ座標）に置き換えると同時に、鉛直下方向ベクトル４２をＴＳ座標上で合わせ、全球カメラ３６から測定点Ｘへの方向ベクトル，Ｃａ−Ｘ方向ベクトル（ＴＳ座標）を算出する。このＣａ−Ｘ方向ベクトル（ＴＳ座標）と指示棒８の長さｄ１、指示棒８の基端部から全球カメラ３６までの長さｄ２から、全球カメラ３６から測定点Ｘへのベクトル，Ｃａ−Ｘベクトル（ＴＳ座標）を算出する。そして、ＴＳ−Ｃａベクトル（ＴＳ座標）とＣａ−Ｘベクトル（ＴＳ座標）を合成し、測定点Ｘの三次元位置を再計算する。これにより、三次元位置計測の精度を上げることができる。

（第２の実施の形態）
以下、第１の実施形態と同一の要素については同一の符号を用いて説明を割愛する。第１の実施形態では、指示棒８を用いているが、第２の実施形態ではこれに代えて、計測モジュール４が小型の距離計を備える。この距離計は、筐体５に収容され、モジュール側測定部とレーザポインタを有する。モジュール側測定部は、レーザ光をパルス発振する送光部とその受光部を有し、レーザ光を受光するまでの時間差と光速により、測定点までの距離を測定するノンプリズム測距が可能なものとする。レーザポインタは、例えば可視色のレーザ光を直線的に発生するものとする。例えばモジュール側測定部の光軸は直線Ｌ１と一致させ、レーザポインタの光軸も直線Ｌ１と略一致させる。但し、モジュール側測定部の光軸とレーザポインタの光軸は、直線Ｌ１に対して既知の方向にあればよい。これにより、図１の長さｄ１はモジュール側測定部で得た測距値により既知となるため、第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、作業者は、レーザポインタで測定点を指し示すだけでよいので、よりいっそう作業効率が向上する。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、指示棒８に代えて、ポインタ５１を備える。ポインタ５１は可視光レーザポインタである。ポインタ５１の光軸５２は、直線Ｌ１に対して既知の方向にあればよい。図６は第３の実施の形態に係る計測システムの外観斜視図である。ポインタ５１は、筐体５の下面に固定されている。図６では、ポインタ５１の光軸５２は、直線Ｌ１と直交し、計測モジュール４を上面視し第２カメラ３６ｂの方向を０°とした場合に時計回りに９０°の方向に向けて設定されている。ポインタ５１のレーザ発光部から全球カメラ３６（カメラ中心）までの長さｄ２は予め既知としておく。

第３の実施形態の計測システム１では、全球カメラ３６で撮像されたポインタ５１の光の位置から視差を利用してポインタ５１から測定点Ｘまでの距離ｄ１を測定し、測定点Ｘの三次元位置を計測する。

図７は第３の実施の形態に係る三次元位置計測フロー図、図８は上記フローのイメージ図である。

ステップＳ３１〜Ｓ３５は、第１の実施形態のステップＳ１１〜Ｓ１５と略同じである。第３の実施形態では、ステップＳ３６で、プリズム３５からポインタ５１への方向ベクトル，Ｐ-ＲＰ方向ベクトル４３´（ＴＳ座標）が求まる。

次のステップＳ３７で、ポインタの光軸５２の方向は既知であるから、計測モジュール４の演算制御部３２は、ステップＳ３６で得たＰ-ＲＰ方向ベクトル４３´（ＴＳ座標）からポインタ５１の発光方向ベクトル５４（ＴＳ座標）を算出する。

次に、ステップＳ３８で、演算制御部３２は、全球カメラ３６が撮影した画像に映るポインタ５１の像の位置を測定し、全球カメラ３６からレーザ光の照射点（測定点Ｘ）への方向ベクトル，Ｃａ-Ｘ方向ベクトル５３（カメラ座標）を算出する。

次に、ステップＳ３９で、演算制御部３２は、鉛直下方向ベクトル４２をＴＳ座標のＺ方向に合わせ、ステップＳ３７のＣａ-Ｘ方向ベクトル５３（カメラ座標）をＴＳ座標に直す。そして、Ｃａ-Ｘ方向ベクトル５３（ＴＳ座標），ステップＳ３７の発光方向ベクトル５４（ＴＳ座標）、および既知の長さｄ２から、ポインタ５１から測定点Ｘまでの距離ｄ１を算出する。

次に、ステップＳ４０で、演算制御部３２は、既知の長さｄ２，ｄ３と、ステップＳ３６で得たＰ-ＲＰ方向ベクトル４３´から、プリズム３５からポインタ５１へのベクトル，Ｐ-ＲＰベクトル５５（ＴＳ座標）を算出する。

次に、ステップＳ４１で、演算制御部３２は、ステップＳ３９で得た測定点Ｘまでの距離ｄ１とステップＳ３７の発光方向ベクトル５４（ＴＳ座標）から、ポインタ５１から測定点Ｘへのベクトル，ＲＰ-Ｘベクトル５６（ＴＳ座標）を算出する。

最後に、ステップＳ４２で、演算制御部３２は、ステップＳ３２のＴＳ−Ｐベクトル４４（ＴＳ座標）、ステップＳ４０のＰ-ＲＰベクトル５５（ＴＳ座標）、およびステップＳ４１のＲＰ-Ｘベクトル５６（ＴＳ座標）を合成し、測量機２から測定点Ｘへのベクトル，ＴＳ-Ｘベクトル４６（ＴＳ座標）を求めることで、測定点Ｘの三次元位置を計測する。

以上、第３の実施形態によれば、距離計ではなくポインタ５１を使用するため、より安価な構成で、第２の実施形態と同等の効果を得ることができる。なお、全球カメラ３６で、ポインタ５１発光時の画像と非発光時の画像の差分をとって、レーザポインタの照射点を求めてもよい。

（第４の実施の形態）
第４の実施形態は、第２の実施形態をベースにし、第２の実施形態の小型距離計に代えて、計測モジュール４にスキャナ６２を備える。図９は第４の実施の形態に係る計測システム１の外観斜視図、図１０は第４の実施の形態に係る計測システム１の制御ブロック図である。

第４の実施形態の計測モジュール４は、通信部３１、演算制御部３２、記憶部３３、加速度センサ３４、プリズム３５、および全球カメラ３６（第１カメラ３６ａ，第２カメラ３６ｂ）を備え、さらにスキャナ６２を備える。第４の実施形態では、検出精度向上のためジンバルチルトを用いるのが好適であるので、加速度センサ３４としてジンバルチルト６３を備えた構成で説明する。本明細書で、ジンバルチルト６３は加速度センサ３４に含まれる。

図１１は第４の実施の形態に用いられるジンバルチルト６３の水平断面図である。ジンバルチルト６３は、傾斜検出器６１０、該傾斜検出器６１０を載せた基台６１１、該基台６１１を一対の第２水平軸６１２で鉛直回転可能に支承する内フレーム６１３、該内フレーム６１３を一対の第１水平軸６１４で鉛直回転可能に支承する外フレーム６１５（筐体５がこれを兼ねる）、上記第１水平軸６１４に設けられた第１エンコーダ６１６、上記第２水平軸６１２に設けられた第２エンコーダ６１７、および傾斜角演算部６１８を有する。

傾斜検出器６１０は、水平を高精度に検出するものであり、例えば水平液面に検出光を入射させ反射光の反射角度の変化で水平を検出するチルトセンサ、或は封入した気泡の位置変化で傾斜を検出する気泡管である。傾斜角演算部６１８は、傾斜検出器６１０の検出結果に基づき、傾斜角と傾斜方向を演算し、更に該傾斜角および傾斜方向に相当する第１エンコーダ６１６の回転角と第２エンコーダ６１７の回転角を演算する。演算された第１エンコーダ６１６の回転角と第２エンコーダ６１７の回転角を合成することで、水平に対する筐体５の傾斜角、傾斜方向（相対傾斜角）が演算される。

このように、ジンバルチルト６３は、傾斜検出器６１０をジンバル機構によって水平を保つように支持した上で、第１エンコーダ６１６と第２エンコーダ６１７の回転角を用いて筐体５の正確な傾斜角および傾斜方向を求めるので、精度よく、鉛直下方向ベクトル４２（図１５参照）を求めることができる。

次に、スキャナ６２は、例えば筐体５の下面に取り付けられる（図９参照）。スキャナ６２には、距離画像センサが収容されている。距離画像センサは、フレネルプリズムスキャナ６４が好適である。この他、ＴＯＦ方式などの一般的な距離画像センサであってもよい。

図１２は第４の実施の形態に用いられるフレネルプリズムスキャナ６４の構成概略図である。フレネルプリズムスキャナ６４は、送光部６４１、受光部６４２、測距部６４３、スキャン演算部６４４を有する。送光部６４１は、発光素子６４５と、一対の円形プリズム６４６ａ,６４６ｂを備える。円形プリズム６４６ａ,６４６ｂは、送光光軸を中心に対向し、それぞれ独立に回転可能に構成されている。受光部６４２は、受光素子６４７と、一対のフレネルプリズム６４８ａ,６４８ｂを備える。フレネルプリズム６４８ａ,６４８ｂは、受光光軸を中心に対向し、それぞれ独立に回転可能に構成されている。なお、符号６４９は撮像装置である。

測距部６４３は、発光素子６４５を制御し、スキャン測距光を出射する。受光素子６４７は、反射したスキャン光を受光する。スキャン演算部６４４は、受光素子６４７からの受光信号に基づき点群データ（スキャン点の距離と角度）を取得する。ここで、円形プリズム６４６ａ,６４６ｂの回転方向、回転量、回転速度をスキャン演算部６４４で制御することで、発光素子６４５から送光されたスキャン測距光の光軸は任意の方向に偏向される。同様に、フレネルプリズム６４８ａ,６４８ｂの回転方向、回転量、回転速度をスキャン演算部６４４で制御することで、反射したスキャン光の光軸は任意の方向に偏向される。従って、円形プリズム６４６ａ,６４６ｂの位置関係を固定した状態で、円形プリズム６４６ａ,６４６ｂを一体回転すると、スキャナ基準軸６５（図９参照）を中心として、スキャン測距光を円状に走査させることができる（図９にスキャンエリアの例を符号６６、複数あるスキャン点の一を符号６７として示す）。

フレネルプリズムスキャナ６４の光の出射点６４ａ（図９参照）から全球カメラ３６（カメラ中心）までの長さｄ２、全球カメラ３６（カメラ中心）からプリズム３５（プリズム中心）までの長さｄ３は予め既知としておく。スキャナ６２は、出射点６４ａに至るまでは平行光で、出射点６４ａから光が偏向するように構成されている。

図１３は、第４の実施形態での全球カメラ３６の画像を例示した図である。図９に示すように、全球カメラ３６とスキャナ６２は一体であるので、スキャナ基準軸６５は、カメラのローカル座標系で相対的に固定位置となる。なお、図１３には、Ｔｓ-Ｃａ方向ベクトル４１´（図４参照）の位置を符号６８で、追尾光の位置を符号６９で、鉛直下方向ベクトル４２（図４参照）の位置を符号７０で、それぞれ例示している。

図１４は第４の実施の形態に係る三次元位置計測フロー図、図１５は上記フローのイメージ図である。

第１の実施形態と同様に、まずステップＳ４１で測量機２の自動追尾を開始し、ステップＳ４２でＴＳ−Ｐベクトル４４（ＴＳ座標）を算出し、ステップＳ４３〜４４で、Ｃａ−ＴＳ方向ベクトル４１（カメラ座標）を算出し、ステップＳ４５で、鉛直下方向ベクトル４２（カメラ座標）を測定する。

次に、ステップＳ４６で、第１の実施形態と同様の近似を利用して、Ｔｓ−Ｃａ方向ベクトル４１´をＴＳ座標に合わせ、同時に、鉛直下方向ベクトル４２をＴＳ座標のＺ方向に合わせる。

次に、ステップＳ４７で、カメラ座標上でのスキャナ基準軸６５の方向は相対的に固定であること、長さｄ２、長さｄ３から、プリズム３５からフレネルプリズム６４の光の出射点６４ａへのベクトル，Ｐ−ＥＰベクトル１４５（ＴＳ座標）を算出する。

次に、ステップＳ４８で、フレネルプリズム６４による測距と偏向方向から、光の出射点６４ａからスキャン点６７へのベクトル，ＥＰ−ＳＰベクトル１４６（ＴＳ座標）が、各スキャン点６７に対して求まる。

最後に、ステップＳ４９で、演算制御部３２は、ステップＳ４２のＴＳ−Ｐベクトル４４（ＴＳ座標）と、ステップＳ４７のＰ−ＥＰベクトル１４５（ＴＳ座標）と、ステップＳ４８のＥＰ−ＳＰベクトル１４６（ＴＳ座標）を合成し、各スキャン点６７の三次元位置を計測する。

以上、第４の実施形態によれば、測量機２からの追尾光が届く範囲内であれば、スキャナ６２で走査したエリアの三次元点群データを、自動で取得することができる。

なお、図９では、スキャナ基準軸６５は、プリズム３５の中心と全球カメラ３６の中心を通る直線Ｌ１と一致させている。但し、スキャナ基準軸６５は、直線Ｌ１に対して既知の方向にあればよい。また、第４の実施形態のスキャナ６２を、第３の実施形態の計測モジュール４に適用してもよい。この場合、スキャナ基準軸６５は、全球カメラ３６のカメラ画像の中心に相対的に固定となる。

次に、上記実施形態の好適な変形例について述べる。

（変形例１）
上記第１および第２の実施形態では、ステップＳ１７で、プリズム３５から測定点ＸへのＰ-Ｘベクトルを求めているが、全球カメラ３６から長さｄ３分、Ｐ-Ｘ方向ベクトル４３の逆方向に戻った位置がプリズム３５であるとして、全球カメラ３６から測定点Ｘへのベクトルを求めてもよい。第３の実施形態のステップＳ４０についても同様のことが言える。第４の実施形態でも同様のことが言える。

（変形例２）
上記第１〜第３の実施形態において、測量機２本体に対して位置関係を既知としたガイドライトをさらに備え（例えば托架部２ｂの上面の既知の位置に固定）、全球カメラ３６で撮像される光を追尾光からガイドライト光に変更してもよい。即ち、測量機２の光出射部は、追尾光に限らず、他の光であってもよい。第４の実施形態でも同様のことが言える。

なお、上記全ての形態について、計測システム１の計測モジュール４の各要素および要素の配置は、例示したものに限定されない。プリズム３５（ターゲット）には、３６０度方向から入射した光を再帰反射するものであれば何が採用されてよい。全球カメラ３６には、全方向を一度に撮像可能なものであれば何が採用されてよい。筐体５の形状も図示のものに限らず変形してよい。また、プリズム３５と全球カメラ３６は、同一直線上にあるのがコンパクトで好ましいが、予めその配置の位置関係を既知にしておけば、同一直線上でなく、オフセットさせて配置されていてもよい。また、測定点Ｘに関しては、第３の実施形態で例示したように、計測モジュール４に対する位置関係（方向、距離）が既知となるような構成が採られればよい。

以上、計測システム１について、実施の形態および変形例を述べたが、これら以外にも、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 三次元位置計測システム
２ 測量機
４ 計測モジュール
Ｘ 測定点
８ 指示棒
１８ 追尾部（光出射部）
２０ 測定部
３４ 三軸加速度センサ
３５ プリズム（ターゲット）
３６ 全球カメラ
４１ Ｃａ−ＴＳ方向ベクトル（カメラ−測量機方向ベクトル）
４２ 鉛直下方向ベクトル
４３ Ｐ-Ｘ方向ベクトル（ターゲット−測定点方向ベクトル）
４４ ＴＳ−Ｐベクトル（測量機−ターゲットベクトル）
４５ Ｐ-Ｘベクトル（ターゲット−測定点ベクトル）
４６ ＴＳ-Ｘベクトル（測量機−測定点ベクトル）
５１ ポインタ
４３´ Ｐ-ＲＰ方向ベクトル（ターゲット−ポインタ方向ベクトル）
５３ Ｃａ-Ｘ方向ベクトル （カメラ−測定点方向ベクトル）
５４ 発光方向ベクトル
５５ Ｐ-ＲＰベクトル（ターゲット−ポインタベクトル）
５６ ＲＰ-Ｘベクトル（ポインタ-測定点ベクトル）
６２ スキャナ
６４ａ スキャナの光の出射点
６５ スキャナ基準軸
６７ スキャン点
１４５ Ｐ−ＥＰベクトル（プリズム−出射点ベクトル）
１４６ ＥＰ−ＳＰベクトル（出射点−スキャン点ベクトル）

Claims (7)

1. ターゲットと全球カメラと三軸加速度センサと演算制御部と通信部を有し、前記ターゲット, 前記全球カメラ，および測定点の位置関係が把握可能な計測モジュールと、
   前記ターゲット方向に光を出射する光出射部と前記ターゲットまでの測距および測角を行う測定部と通信部を有する測量機と、
   を備えた三次元位置計測システムであって、
   前記ターゲットと前記全球カメラは直線上に配置され、前記測定点は距離計または長さが既知の指示棒により前記直線から既知の方向に配置され、
   前記演算制御部は、前記測量機と通信して、
   （ａ）前記測定部で前記ターゲットを測距測角し、測量機−ターゲットベクトルを算出し、
   （ｂ）前記光出射部から前記ターゲットへ光を出射し、前記全球カメラの画像に映った出射光の位置から、カメラ−測量機方向ベクトルを算出し、
   （ｃ）前記（ｂ）のカメラ−測量機方向ベクトルと前記三軸加速度センサから得た鉛直下方向ベクトルから、ターゲット−測定点方向ベクトルを算出し、
   （ｄ）前記ターゲット，全球カメラ，測定点の位置関係と前記（ｃ）のターゲット−測定点方向ベクトルから、ターゲット−測定点ベクトルを算出し、
   （ｅ）前記（ａ）および（ｄ）のベクトルを合成して、前記測定点の三次元位置を計測する
   ことを特徴とする三次元位置計測システム。
   
2. ターゲットと全球カメラと三軸加速度センサを有し、前記ターゲット, 前記全球カメラ，および測定点の位置関係が把握可能な計測モジュールと、前記ターゲット方向に光を出射する光出射部と前記ターゲットまでの測距および測角を行う測定部を有する測量機と、を備え、前記ターゲットと前記全球カメラは直線上に配置され、前記測定点は距離計または長さが既知の指示棒により前記直線から既知の方向に配置された三次元位置計測システムにおいて、
   （ａ）前記測定部で前記ターゲットを測距測角して、測量機−ターゲットベクトルを算出し、
   （ｂ）前記光出射部から前記ターゲットへ光を出射し、前記全球カメラの画像に映った出射光の位置から、カメラ−測量機方向ベクトルを算出し、
   （ｃ）前記（ｂ）のカメラ−測量機方向ベクトルと前記三軸加速度センサから得た鉛直下方向ベクトルから、ターゲット−測定点方向ベクトルを算出し、
   （ｄ）前記ターゲット，全球カメラ，測定点の位置関係と前記（ｃ）のターゲット−測定点方向ベクトルから、ターゲット−測定点ベクトルを算出し、
   （ｅ）前記（ａ）および（ｄ）のベクトルを合成して、前記測定点の三次元位置を計測する
   ことを特徴とする三次元位置計測方法。
   
3. ターゲットと全球カメラと三軸加速度センサと演算制御部と通信部を有し、前記ターゲット, 前記全球カメラ，および測定点の位置関係が把握可能な計測モジュールと、
   前記ターゲット方向に光を出射する光出射部と前記ターゲットまでの測距および測角を行う測定部と通信部を有する測量機と、
   を備えた三次元位置計測システムであって、
   前記ターゲットと前記全球カメラは直線上に配置され、
   前記直線に対して既知の方向に光を出射し，前記計測モジュールに対する位置関係が予め把握されたポインタをさらに備え、
   前記演算制御部は、前記測量機と通信して、
   （ｆ）前記測定部で前記ターゲットを測距測角して、測量機−ターゲットベクトルを算出し、
   （ｇ）前記光出射部から前記ターゲットへ光を出射し、前記全球カメラの画像に映った出射光の位置から、カメラ−測量機方向ベクトルを算出し、
   （ｈ）前記（ｇ）のカメラ−測量機方向ベクトルと前記三軸加速度センサから得た鉛直下方向ベクトルから、ターゲット−ポインタ方向ベクトルを算出し、
   （ｉ）前記（ｈ）のターゲット−ポインタ方向ベクトルと前記既知の方向から得た前記ポインタの発光方向ベクトルと、前記全球カメラの画像に映った前記ポインタの光の位置から得たカメラ−測定点方向ベクトルと、前記ポインタの位置関係から、測定点までの距離を算出し、
   （ｊ）前記ターゲット，全球カメラ，およびポインタの位置関係と前記（ｈ）のターゲット−ポインタ方向ベクトルから、ターゲット−ポインタベクトルを算出し、
   （ｋ）前記（ｉ）の発光方向ベクトルと距離から、ポインタ-測定点ベクトルを算出し、
   （ｌ）前記（ｆ），（ｊ），および（ｋ）のベクトルを合成して、前記測定点の三次元位置を計測する
   ことを特徴とする三次元位置計測システム。
   
4. ターゲットと全球カメラと三軸加速度センサを有し、前記ターゲット, 前記全球カメラ，および測定点の位置関係が把握可能な計測モジュールと、前記ターゲット方向に光を出射する光出射部と前記ターゲットまでの測距および測角を行う測定部を有する測量機と、を備え、前記ターゲットと前記全球カメラは直線上に配置され、前記直線に対して既知の方向に光を出射し，前記計測モジュールに対する位置関係が予め把握されたポインタをさらに備えた三次元位置計測システムにおいて、
   （ｆ）前記測定部で前記ターゲットを測距測角して、測量機−ターゲットベクトルを算出し、
   （ｇ）前記光出射部から前記ターゲットへ光を出射し、前記全球カメラの画像に映った出射光の位置から、カメラ−測量機方向ベクトルを算出し、
   （ｈ）前記（ｇ）のカメラ−測量機方向ベクトルと前記三軸加速度センサから得た鉛直下方向ベクトルから、ターゲット−ポインタ方向ベクトルを算出し、
   （ｉ）前記（ｈ）のターゲット−ポインタ方向ベクトルと前記既知の方向から得た前記ポインタの発光方向ベクトルと、前記全球カメラの画像に映った前記ポインタの光の位置から得たカメラ−測定点方向ベクトルと、前記ポインタの位置関係から、測定点までの距離を算出し、
   （ｊ）前記ターゲット，全球カメラ，およびポインタの位置関係と前記（ｈ）のターゲット−ポインタ方向ベクトルから、ターゲット−ポインタベクトルを算出し、
   （ｋ）前記（ｉ）の発光方向ベクトルと距離から、ポインタ-測定点ベクトルを算出し、
   （ｌ）前記（ｆ），（ｊ），および（ｋ）のベクトルを合成して、前記測定点の三次元位置を計測する
   ことを特徴とする三次元位置計測方法。
   
5. ターゲットと全球カメラと三軸加速度センサを有し、前記ターゲット, 前記全球カメラ，および測定点の位置関係が把握可能な計測モジュールと、
   前記ターゲット方向に光を出射する光出射部と前記ターゲットまでの測距および測角を行う測定部を有する測量機と、を備え、
   前記ターゲットと前記全球カメラを直線上に配置し、この直線に対して既知の方向にスキャナ基準軸を向け，前記計測モジュールに対する位置関係が予め把握されたスキャナをさらに備えることを特徴とする三次元位置計測システム。
   
6. ターゲットと全球カメラと三軸加速度センサと演算制御部と通信部を有し、前記ターゲット, 前記全球カメラ，および測定点の位置関係が把握可能な計測モジュールと、
   前記ターゲット方向に光を出射する光出射部と前記ターゲットまでの測距および測角を行う測定部と通信部を有する測量機と、
   を備えた三次元位置計測システムであって、
   前記ターゲットと前記全球カメラは直線上に配置され、
   前記直線に対して既知の方向にスキャナ基準軸を向け，前記計測モジュールに対する位置関係が予め把握されたスキャナをさらに備え、
   前記演算制御部は、前記測量機と通信して、
   （ｍ）前記測定部で前記ターゲットを測距測角して、測量機−ターゲットベクトルを算出し、
   （ｎ）前記光出射部から前記ターゲットへ光を出射し、前記全球カメラの画像に映った出射光の位置から、カメラ−測量機方向ベクトルを算出し、
   （ｏ）前記三軸加速度センサから鉛直下方向ベクトルを取得し、
   （ｐ）前記（ｎ）のカメラ−測量機方向ベクトルと前記（ｏ）の鉛直下方向ベクトル、および前記ターゲット，前記全球カメラ，前記スキャナの光の出射点の位置関係と、前記全球カメラ座標上での前記スキャナ基準軸の方向は相対的に固定であることから、プリズム−出射点ベクトルを算出し、
   （ｑ）前記スキャナによる測距と偏向方向から、出射点−スキャン点ベクトルを、各スキャン点に対して算出し、
   （ｒ）前記（ｍ），前記（ｐ），および前記（ｑ）のベクトルを合成して、前記スキャナの各スキャン点の三次元位置を計測する
   ことを特徴とする三次元位置計測システム。
   
7. ターゲットと全球カメラと三軸加速度センサを有し、前記ターゲット, 前記全球カメラ，および測定点の位置関係が把握可能な計測モジュールと、前記ターゲット方向に光を出射する光出射部と前記ターゲットまでの測距および測角を行う測定部を有する測量機と、を備え、前記ターゲットと前記全球カメラは直線上に配置され、前記直線に対して既知の方向にスキャナ基準軸を向け，前記計測モジュールに対する位置関係が予め把握されたスキャナをさらに備えた三次元位置計測システムにおいて、
   （ｍ）前記測定部で前記ターゲットを測距測角して、測量機−ターゲットベクトルを算出し、
   （ｎ）前記光出射部から前記ターゲットへ光を出射し、前記全球カメラの画像に映った出射光の位置から、カメラ−測量機方向ベクトルを算出し、
   （ｏ）前記三軸加速度センサから鉛直下方向ベクトルを取得し、
   （ｐ）前記（ｎ）のカメラ−測量機方向ベクトルと前記（ｏ）の鉛直下方向ベクトル、および前記ターゲット，前記全球カメラ，前記スキャナの光の出射点の位置関係と、前記全球カメラ座標上での前記スキャナ基準軸の方向は相対的に固定であることから、プリズム−出射点ベクトルを算出し、
   （ｑ）前記スキャナによる測距と偏向方向から、出射点−スキャン点ベクトルを、各スキャン点に対して算出し、
   （ｒ）前記（ｍ），前記（ｐ），および前記（ｑ）のベクトルを合成して、前記スキャナの各スキャン点の三次元位置を計測する
   ことを特徴とするスキャン方法。