JP7355484B2 - ３次元測量装置および３次元測量方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置および３次元測量方法に関する。

例えば車両などの移動体に搭載され、トンネルなどの測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置がある。このような３次元測量装置は、例えば測距および測角を行うトータルステーションやＧＰＳ（Global Positioning System）などを用いて車両の位置情報および姿勢情報を取得し、測定対象物の３次元データを算出する。しかし、車両が例えばトンネル内などの電波の届きにくい場所を走行しているときには、ＧＰＳを使用することができないという問題がある。

これに対して、特許文献１には、移動体に取り付けられた距離情報取得部と、距離情報取得部の位置情報を取得する位置情報取得部と、距離情報取得部の第１の姿勢情報を取得する慣性情報取得部と、撮像領域を撮像する画像情報取得部と、計算部と、備えた三次元形状計測装置が開示されている。特許文献１に記載の三次元形状計測装置の計算部は、位置情報、第１の姿勢情報、及び複数の撮像画像を解析して取得した距離情報取得部の第２の姿勢情報に基づいて、距離情報取得部の絶対位置情報及び絶対姿勢情報を計算し、絶対位置情報及び絶対姿勢情報に基づいて、距離情報取得部で取得した複数の距離情報を座標変換して計測対象の三次元形状情報を取得する。

特開２０１７－２０９７２号公報

しかし、特許文献１に記載された三次元形状計測装置では、位置情報取得部は移動体から離れた位置に設置されており、位置情報取得部の計測用ターゲットとしての位置取得部は移動体に搭載されている。そして、位置情報取得部が取得した位置取得部（計測用ターゲット）の位置情報は、無線通信モデムを介して計算部に送信される。このように、特許文献１に記載された三次元形状計測装置では、種々の装置が移動体に搭載される。そして、計測用ターゲットの位置情報は、無線通信モデムを介して計算部に送信される。そのため、三次元形状計測装置が大掛かりになったり、各種装置の設定が煩雑になったり、各装置同士の間における補正などにより誤差が生じやすくなったりするという問題がある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、構造を簡易化することができるとともに、高い精度の３次元データを安定的に取得することができる３次元測量装置および３次元測量方法を提供することを目的とする。

前記課題は、本発明によれば、測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置であって、移動体と、前記移動体から離れた既知点に設置された計測用ターゲットと、前記移動体に固定され、前記計測用ターゲットに第１測距光を照射し、前記第１測距光が前記計測用ターゲットで反射した第１反射測距光と第１内部参照光とに基づいて前記計測用ターゲットまでの距離を測定するとともに前記第１測距光の照射方向を検出する視準測距ユニットと、前記視準測距ユニットと一体で設けられるとともに前記視準測距ユニットに対して回転自在に設けられ、前記測定対象物に第２測距光を照射し、前記第２測距光が前記測定対象物で反射した第２反射測距光と第２内部参照光とに基づいて前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記第２測距光の照射方向を検出するスキャナユニットと、前記視準測距ユニットおよび前記スキャナユニットの少なくともいずれかに設けられた制御演算部と、を備え、前記視準測距ユニットは、前記計測用ターゲットを視準し前記第１測距光を照射する望遠鏡部と、前記望遠鏡部を鉛直軸心を中心に水平回転させる第１水平駆動モータと、前記望遠鏡部の第１水平角を検出する第１水平角検出器と、前記望遠鏡部を水平軸心を中心に鉛直回転させる第１鉛直駆動モータと、前記望遠鏡部の第１鉛直角を検出する第１鉛直角検出器と、を有し、前記スキャナユニットは、前記第２測距光を水平軸心に交差する面内で回転照射させる走査鏡と、前記走査鏡を鉛直軸心を中心に水平回転させる第２水平駆動モータと、前記走査鏡の第２水平角を検出する第２水平角検出器と、前記走査鏡を水平軸心を中心に鉛直回転させる第２鉛直駆動モータと、前記走査鏡の第２鉛直角を検出する第２鉛直角検出器と、を有し、前記制御演算部は、前記視準測距ユニットから前記計測用ターゲットまでの距離を測定する第１距離測定部と、前記スキャナユニットから前記測定対象物までの距離を測定する第２距離測定部と、を有し、前記第１距離測定部により測定された距離と、前記第１水平角検出器により検出された前記第１水平角と、前記第１鉛直角検出器により検出された前記第１鉛直角と、に基づいて前記視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出し、前記計測中心の座標と、前記視準測距ユニットに対する前記スキャナユニットの外部標定要素と、前記第２距離測定部により測定された距離と、前記第２水平角検出器により検出された前記第２水平角と、前記第２鉛直角検出器により検出された前記第２鉛直角と、に基づいて前記測定対象物の座標値を算出することを特徴とする３次元測量装置により解決される。

前記構成によれば、計測用ターゲットまでの距離を測定するとともに第１測距光の照射方向を検出する視準測距ユニットは、移動体に固定されている。また、測定対象物までの距離を測定するとともに第２測距光の照射方向を検出するスキャナユニットは、視準測距ユニットと一体で設けられるとともに視準測距ユニットに対して回転自在に設けられている。つまり、視準測距ユニットおよびスキャナユニットは、一体的に移動体に固定され、移動体ともに移動する。そのため、例えば視準測距ユニットとスキャナユニットとの間で互いに信号（情報）の送受信を無線で行う無線通信モデムなどは不要である。これにより、本発明の３次元測量装置は、３次元測量装置が備える装置や機器の数を抑えることができ、３次元測量装置の構造を簡易化することができる。また、３次元測量装置が備える装置や機器の設定が煩雑になることを抑えることができる。

また、制御演算部は、視準測距ユニットから計測用ターゲットまでの距離と、望遠鏡部の第１水平角と、望遠鏡部の第１鉛直角と、に基づいて視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出し、計測中心の座標と、視準測距ユニットに対するスキャナユニットの外部標定要素と、スキャナユニットから測定対象物までの距離と、走査鏡の第２水平角と、走査鏡の第２鉛直角と、に基づいて測定対象物の座標値を算出する。ここで、スキャナユニットは、視準測距ユニットと一体で設けられるとともに視準測距ユニットに対して回転自在に設けられている。そのため、移動体の姿勢が変化した場合であっても、視準測距ユニットは計測用ターゲットをより確実に視準し視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出できるとともに、スキャナユニットは視準測距ユニットに対して回転し所望の方向において測定対象物をスキャンすることができる。これにより、本発明の３次元測量装置は、測定誤差が生ずることを抑え、高い精度の３次元データを安定的に取得することができる。

好ましくは、前記制御演算部は、前記第２水平駆動モータおよび前記第２鉛直駆動モータを制御し、前記移動体の移動方向に対して垂直な面内で前記第２測距光を前記走査鏡により回転照射させることを特徴とする。

前記構成によれば、制御演算部が第２水平回転駆動部および第２鉛直回転駆動部を制御することにより、走査鏡は、移動体の移動方向に対して垂直な面内で第２測距光を回転照射する。そのため、例えばトンネルなどのように、測定対象物が長手方向に延びた形状や構造を有する場合において、スキャナユニットは、長手方向（移動体の移動方向）に対して垂直な面内で第２測距光を回転照射し、高い精度の３次元データを安定的に取得することができる。

好ましくは、前記移動体は、方位を検知する方位センサを有し、前記視準測距ユニットは、重力に対する傾きを計測する傾斜計を有し、前記制御演算部は、前記方位センサにより検知された前記方位と、前記移動体に対する前記視準測距ユニットの外部標定要素と、前記傾斜計により計測された前記視準測距ユニットの傾斜角と、にさらに基づいて前記計測中心の座標値を算出し、前記方位センサにより検知された前記方位と、前記傾斜計により計測された前記視準測距ユニットの傾斜角と、にさらに基づいて前記測定対象物の座標値を算出することを特徴とする。

前記構成によれば、３次元測量装置は、グローバル座標系における測定対象物の座標値を取得することができる。

前記課題は、本発明によれば、測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置が実行する３次元測量方法であって、移動体から離れた既知点に設置された計測用ターゲットを視準し第１測距光を照射して前記計測用ターゲットまでの距離を測定する第１距離測定部により測定された距離と、望遠鏡部が鉛直軸心を中心に水平回転したときの前記望遠鏡部の第１水平角と、前記望遠部が水平軸心を中心に鉛直回転したときの前記望遠鏡部の第１鉛直角と、に基づいて前記移動体に固定された視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出するステップと、前記計測中心の座標と、前記視準測距ユニットと一体で設けられるとともに前記視準測距ユニットに対して回転自在に設けられたスキャナユニットの前記視準測距ユニットに対する外部標定要素と、第２測距光を照射して測定対象物までの距離を測定する第２距離測定部により測定された距離と、前記第２測距光を水平軸心に交差する面内で回転照射させる走査鏡が鉛直軸心を中心に水平回転したときの前記走査鏡の第２水平角と、前記走査鏡が水平軸心を中心に鉛直回転したときの前記走査鏡の第２鉛直角と、に基づいて前記測定対象物の座標値を算出するステップと、を備えたことを特徴とする３次元測量方法により解決される。

前記構成によれば、本発明の３次元測量方法は、移動体に固定された視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出するステップを備える。本ステップでは、計測用ターゲットを視準し第１測距光を照射して計測用ターゲットまでの距離を測定する第１距離測定部により測定された距離と、第１距離測定部を内蔵する望遠鏡部が鉛直軸心を中心に水平回転したときの望遠鏡部の第１水平角と、望遠部が水平軸心を中心に鉛直回転したときの望遠鏡部の第１鉛直角と、に基づいて視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出する。また、本発明の３次元測量方法は、視準測距ユニットと一体で設けられるとともに視準測距ユニットに対して回転自在に設けられたスキャナユニットにより、測定対象物の座標値を算出する。本ステップでは、計測中心の座標と、視準測距ユニットに対するスキャナユニットの外部標定要素と、第２測距光を照射して測定対象物までの距離を測定する第２距離測定部により測定された距離と、第２測距光を水平軸心に交差する面内で回転照射させる走査鏡が鉛直軸心を中心に水平回転したときの走査鏡の第２水平角と、走査鏡が水平軸心を中心に鉛直回転したときの走査鏡の第２鉛直角と、に基づいて測定対象物の座標値を算出する。本発明の３次元測量方法によれば、視準測距ユニットおよびスキャナユニットは、一体的に移動体に固定され、移動体ともに移動する。そのため、例えば視準測距ユニットとスキャナユニットとの間で互いに信号（情報）の送受信を無線で行う無線通信モデムなどは不要である。これにより、本発明の３次元測量方法では、３次元測量装置が備える装置や機器の数を抑えることができ、３次元測量装置の構造を簡易化することができる。また、３次元測量装置が備える装置や機器の設定が煩雑になることを抑えることができる。

また、移動体の姿勢が変化した場合であっても、視準測距ユニットは計測用ターゲットをより確実に視準し視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出できるとともに、スキャナユニットは視準測距ユニットに対して回転し所望の方向において測定対象物をスキャンすることができる。これにより、本発明の３次元測量方法によれば、測定誤差が生ずることを抑え、高い精度の３次元データを安定的に取得することができる。

本発明によれば、構造を簡易化することができるとともに、高い精度の３次元データを安定的に取得することができる３次元測量装置および３次元測量方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る３次元測量装置を表す斜視図である。 本実施形態の視準測距ユニットおよびスキャナユニットの構造系を主として説明するブロック図である。 本実施形態の視準測距ユニットおよびスキャナユニットの制御系を主として説明するブロック図である。 本発明の実施形態に係る３次元測量方法を説明するフローチャートである。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る３次元測量装置を表す斜視図である。
本実施形態に係る３次元測量装置２は、移動体３と、視準測距ユニット４と、スキャナユニット５と、計測用ターゲット６と、を備え、例えば構造物などの測定対象物７の３次元データを取得する。測定対象物７としては、例えば図１に表したようなトンネルなどが挙げられる。ただし、測定対象物７は、トンネルだけには限定されない。

移動体３は、視準測距ユニット４およびスキャナユニット５を搭載し、移動可能とされている。移動体３は、車輪３１を有し、視準測距ユニット４およびスキャナユニット５を搭載した状態でトンネルなどの測定対象物７に沿って移動する移動手段として機能する。移動体３としては、例えば台車や自動車などが挙げられる。移動体３は、方位センサ３２を有する。方位センサ３２としては、ジャイロセンサ、加速度センサ、磁気コンパス、および車輪３１に取り付けられたエンコーダの少なくともいずれかが挙げられる。あるいは、方位センサ３２は、３軸ジャイロセンサなどの角速度センサと、３方向加速度センサと、を有する慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）であってもよい。制御演算部４６（図３参照）は、移動体３の方位センサ３２から送信された信号（情報）に基づいてデッドレコニング等により移動体３の方位を計測することができる。

視準測距ユニット４は、例えばトータルステーションなどと呼ばれ、移動体３に固定されている。視準測距ユニット４は、計測用ターゲット６に第１測距光４５５（図３参照）を照射し、第１測距光４５５が計測用ターゲット６で反射した第１反射測距光４５６（図３参照）と第１内部参照光（図示せず）とに基づいて計測用ターゲット６までの距離を測定するとともに、第１測距光４５５の照射方向を検出する。つまり、視準測距ユニット４は、測距および測角を行う機器である。視準測距ユニット４の詳細については、後述する。

スキャナユニット５は、視準測距ユニット４と一体で設けられ、視準測距ユニット４に対して回転自在に設けられている。スキャナユニット５は、測定対象物７に第２測距光５６５（図３参照）を照射し、第２測距光５６５が測定対象物７で反射した第２反射測距光５６６（図３参照）と第２内部参照光（図示せず）とに基づいて測定対象物７までの距離を測定するとともに、第２測距光５６５の照射方向を検出する。スキャナユニット５は、視準測距ユニット４と同様に、測距および測角を行う機器である。スキャナユニット５の詳細については、後述する。

計測用ターゲット６は、移動体３から離れた既知点に設置されている。計測用ターゲット６としては、例えばプリズムなどが挙げられる。計測用ターゲット６として用いられるプリズムは、特には限定されず、例えば全周プリズムや球状プリズムや面状プリズムなどである。計測用ターゲット６は、既知点に設置されていればよく、測定対象物７がトンネルなどの構造物である場合において構造物の内部に設置されていてもよく、構造物の外部に設置されていてもよい。

図２は、本実施形態の視準測距ユニットおよびスキャナユニットの構造系を主として説明するブロック図である。
図３は、本実施形態の視準測距ユニットおよびスキャナユニットの制御系を主として説明するブロック図である。

本実施形態の視準測距ユニット４は、整準部４１と、第１托架部４２と、第１水平回転部４３と、第１鉛直回転部４４と、望遠鏡部４５と、制御演算部４６と、操作表示部４７と、基盤部４８と、傾斜計４９と、を有する。視準測距ユニット４は、計測用ターゲット６を自動的に探す自動追尾機能を有する。移動体３に対する視準測距ユニット４の外部標定要素は、予め設定されており既知である。

制御演算部４６は、演算部４６１と、第１距離測定部４６２と、第１水平回転駆動部４６３と、第１鉛直回転駆動部４６４と、第２距離測定部４６５と、第２水平回転駆動部４６６と、第２鉛直回転駆動部４６７と、記憶部４６８と、画像処理部４６９と、を有する。演算部４６１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などであり、操作表示部４７の操作入力部４７２から送信された信号（指令）に基づいて、プログラムの起動や、信号の制御処理や、演算や、操作表示部４７の表示部４７１などの駆動制御などを実行する。すなわち、演算部４６１は、３次元測量装置２の全体の制御を行うとともに、測量条件や、測定結果（測距結果および測角結果）や、画像処理された結果（視準範囲の画像）などを表示部４７１に表示させる。

第１距離測定部４６２、第１水平回転駆動部４６３、第１鉛直回転駆動部４６４、第２距離測定部４６５、第２水平回転駆動部４６６、第２鉛直回転駆動部４６７、および画像処理部４６９は、記憶部４６８に格納（記憶）されているプログラムを演算部４６１が実行することにより実現される。なお、第１距離測定部４６２、第１水平回転駆動部４６３、第１鉛直回転駆動部４６４、第２距離測定部４６５、第２水平回転駆動部４６６、第２鉛直回転駆動部４６７、および画像処理部４６９は、ハードウェアによって実現されてもよく、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせによって実現されてもよい。

記憶部４６８には、例えば、測定のためのシーケンスプログラムや、画像処理のための画像処理プログラムや、演算プログラムなどが格納されている。記憶部４６８としては、例えば、３次元測量装置２に内蔵された半導体メモリなどが挙げられる。あるいは、記憶部４６８としては、３次元測量装置２に接続可能なＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＲＡＭ（Random access memory）、ＲＯＭ（Read only memory）、ハードディスク、メモリカードなどの種々の記憶媒体が挙げられる。

整準部４１は、三脚（図示せず）に取付けられる部分であり、例えば３つの調整螺子４１１を有する。整準部４１の整準は、例えば計測用ターゲット６が設置された既知点において、第１托架部４２に設けられた傾斜センサ（図示せず）が水平を検出するように調整螺子４１１が調整されることにより行われる。すなわち、第１托架部４２は、例えば計測用ターゲット６が設置された既知点において、調整螺子４１１による整準が行われることで水平に維持される。

第１水平回転部４３は、第１水平回転軸４３１と、軸受４３２と、第１水平駆動モータ４３３と、第１水平角検出器（例えばエンコーダ）４３４と、を有する。第１水平回転軸４３１は、鉛直に延びた第１鉛直軸心４３６を有し、軸受４３２を介して基盤部４８に回転自在に支持されている。第１托架部４２は、第１水平回転軸４３１に支持され、第１水平駆動モータ４３３から伝達された駆動力により第１鉛直軸心４３６を中心として水平方向に第１水平回転軸４３１と一体的に回転する。

基盤部４８に対する第１水平回転軸４３１の回転角（すなわち第１托架部４２の回転角）は、第１水平角検出器４３４によって検出される。第１水平角検出器４３４の検出結果（第１水平角）は、演算部４６１に入力される。第１水平駆動モータ４３３の駆動は、第１水平角検出器４３４の検出結果に基づいて第１水平回転駆動部４６３により制御される。第１水平角検出器４３４により検出される水平角は、本発明の「第１水平角」に相当する。

第１鉛直回転部４４は、第１鉛直回転軸４４１と、軸受４４２と、第１鉛直駆動モータ４４３と、第１鉛直角検出器（例えばエンコーダ）４４４と、を有する。第１鉛直回転軸４４１は、水平に延びた第１水平軸心４４６を有し、軸受４４２を介して第１托架部４２に回転自在に支持されている。第１鉛直回転軸４４１の一方の端部は、第１托架部４２の間隙部４２１に突出している。望遠鏡部４５は、第１托架部４２の間隙部４２１に突出した第１鉛直回転軸４４１の一方の端部に支持され、第１鉛直駆動モータ４４３から伝達された駆動力により第１水平軸心４４６を中心として鉛直方向に第１鉛直回転軸４４１と一体的に回転する。

第１鉛直角検出器４４４は、第１鉛直回転軸４４１の他方の端部に設けられている。第１托架部４２に対する第１鉛直回転軸４４１の回転角（すなわち望遠鏡部４５の回転角）は、第１鉛直角検出器４４４により検出される。第１鉛直角検出器４４４の検出結果（第１鉛直角）は、演算部４６１に入力される。第１鉛直駆動モータ４４３の駆動は、第１鉛直角検出器４４４の検出結果に基づいて第１鉛直回転駆動部４６４により制御される。第１鉛直角検出器４４４により検出される鉛直角は、本発明の「第１鉛直角」に相当する。

望遠鏡部４５は、前述したように、第１鉛直回転軸４４１に支持され、第１鉛直駆動モータ４４３から伝達された駆動力により第１水平軸心４４６を中心として鉛直方向に回転する。望遠鏡部４５は、視準望遠鏡４５８を有し、計測用ターゲット６を視準して第１測距光４５５を照射する。具体的に説明すると、望遠鏡部４５は、第１測距発光部４５１と、第１測距受光部４５２と、視準受光部４５３と、を有する。

第１測距発光部４５１は、第１距離測定部４６２により駆動制御される。第１測距発光部４５１は、望遠鏡部４５の内部に設けられ、例えばレーザ光などの第１測距光４５５を第１水平軸心４４６に直交する方向に射出する。第１測距発光部４５１から射出された第１測距光４５５は、計測用ターゲット６に照射される。計測用ターゲット６で反射した第１反射測距光４５６は、望遠鏡部４５の内部に設けられた第１測距受光部４５２において受光される。第１測距受光部４５２は、受光した第１反射測距光４５６による明暗（受光結果）を電子信号（受光信号）に変換し、受光信号を第１距離測定部４６２に送信する。また、第１測距受光部４５２は、参照光光学部（図示せず）から導かれた内部参照光（図示せず）を受光し電気信号に変換して、第１距離測定部４６２に送信する。

第１距離測定部４６２は、第１測距受光部４５２から送信された受光信号に基づいて計測用ターゲット６までの距離を演算する。すなわち、第１反射測距光４５６および内部参照光は、第１反射測距光電気信号および内部参照光電気信号のそれぞれに変換され、第１距離測定部４６２に送られる。計測用ターゲット６までの距離は、第１反射測距光電気信号と内部参照光電気信号との間の時間的間隔の差に基づいて測定される。第１距離測定部４６２の演算結果は、演算部（ＣＰＵ）４６１に入力される。

演算部４６１は、測定した計測用ターゲット６までの距離と、第１鉛直角検出器４４４により検出された鉛直角と、第１水平角検出器４３４により検出された水平角と、に基づいて、計測用ターゲット６の座標値を算出する。言い換えれば、計測用ターゲット６は移動体３から離れた既知点に設置されているため、演算部４６１は、測定した計測用ターゲット６までの距離と、第１鉛直角検出器４４４により検出された鉛直角と、第１水平角検出器４３４により検出された水平角と、に基づいて、視準測距ユニット４の計測中心の座標値を算出する。

視準受光部４５３は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などのイメージセンサであり、第１反射測距光４５６の波長域とは異なる波長域の反射視準光４５７を受光する。反射視準光４５７は、第１反射測距光４５６の波長域とは異なる波長域を有する光であって、計測用ターゲット６で反射した光である。すなわち、視準受光部４５３は、計測用ターゲット６で反射した反射視準光４５７を受光し、計測用ターゲット６の画像を受光する。反射視準光４５７としては、例えば自然光や赤外光などが挙げられる。但し、反射視準光４５７は、これだけには限定されない。反射視準光４５７は、望遠鏡部４５の内部に設けられた視準受光部４５３において受光される。視準受光部４５３は、反射視準光４５７による明暗（受光結果）を電子信号（画像信号）に変換し、画像信号を画像処理部４６９に送信する。

画像処理部４６９は、視準受光部４５３から送信された画像信号の画像処理を実行し、画像データ信号として演算部４６１に送信する。演算部４６１は、画像処理部４６９から送信された画像データ信号に基づいて演算を実行し、望遠鏡部４５による視準範囲の画像を操作表示部４７の表示部４７１に表示させる制御を実行する。

傾斜計４９は、重力に対する視準測距ユニット４の傾き（傾斜角）を計測する。傾斜計４９の計測結果は、演算部４６１に入力される。

本実施形態のスキャナユニット５は、第２托架部５２と、第２水平回転部５３と、第２鉛直回転部５４と、走査鏡５５と、第２測距発光部５６と、第２測距受光部５７と、を有する。視準測距ユニット４に対するスキャナユニット５の外部標定要素は、予め設定されており既知である。

第２水平回転部５３は、第２水平回転軸５３１と、軸受５３２と、第２水平駆動モータ５３３と、第２水平角検出器（例えばエンコーダ）５３４と、を有する。第２水平回転軸５３１は、鉛直に延びた第２鉛直軸心５３６を有し、軸受５３２を介して第２托架部５２に回転自在に支持されている。第２水平回転軸５３１の一方の端部は、視準測距ユニット４の第１托架部４２に接続されている。第２托架部５２は、第２水平回転軸５３１に支持され、第２水平駆動モータ５３３から伝達された駆動力により第２鉛直軸心５３６を中心として水平方向に第２水平回転軸５３１と一体的に回転する。

第２鉛直軸心５３６は、第１鉛直軸心４３６と平行である。本実施形態に係る３次元測量装置２では、第１鉛直軸心４３６および第２鉛直軸心５３６は、互いに同一直線上に存在する。ただし、第１鉛直軸心４３６および第２鉛直軸心５３６は、互いに同一直線上に存在することには限定されない。第１鉛直軸心４３６と第２鉛直軸心５３６との間の距離は、既知である。すなわち、第１鉛直軸心４３６に対する第２鉛直軸心５３６の位置は、既知である。

第２水平角検出器５３４は、第２水平回転軸５３１の他方の端部に設けられている。第１托架部４２に対する第２水平回転軸５３１の回転角（すなわち第２托架部５２の回転角）は、第２水平角検出器５３４により検出される。第２水平角検出器５３４の検出結果（第２水平角）は、演算部４６１に入力される。第２水平駆動モータ５３３の駆動は、第２水平角検出器５３４の検出結果に基づいて第２水平回転駆動部４６６により制御される。第２水平角検出器５３４に検出される水平角は、本発明の「第２水平角」に相当する。

第２鉛直回転部５４は、第２鉛直回転軸５４１と、軸受５４２と、第２鉛直駆動モータ５４３と、第２鉛直角検出器（例えばエンコーダ）５４４と、を有する。第２鉛直回転軸５４１は、水平に延びた第２水平軸心５４６を有し、軸受５４２を介して第２托架部５２に回転自在に支持されている。第２鉛直回転軸５４１の一方の端部は、第２托架部５２の凹部５２１に突出している。走査鏡５５は、第２托架部５２の凹部５２１に突出した第２鉛直回転軸５４１の一方の端部に支持され、第２鉛直駆動モータ５４３から伝達された駆動力により第２水平軸心５４６を中心として鉛直方向に第２鉛直回転軸５４１と一体的に回転する。

第２鉛直角検出器５４４は、第２鉛直回転軸５４１の他方の端部に設けられている。第２托架部５２に対する第２鉛直回転軸５４１の回転角（すなわち走査鏡５５の回転角）は、第２鉛直角検出器５４４により検出される。第２鉛直角検出器５４４の検出結果（第２鉛直角）は、演算部４６１に入力される。第２鉛直駆動モータ５４３の駆動は、第２鉛直角検出器５４４の検出結果に基づいて第２鉛直回転駆動部４６７により制御される。第２鉛直角検出器５４４により検出される鉛直角は、本発明の「第２鉛直角」に相当する。

第２水平軸心５４６は、第１水平軸心４４６と平行である。第１水平軸心４４６と第２水平軸心５４６との間の距離は、既知である。すなわち、第１水平軸心４４６に対する第２水平軸心５４６の位置は、既知である。

走査鏡５５は、偏向光学部材であり、水平方向から入射した第２測距光５６５を直角に反射する。すなわち、走査鏡５５は、水平方向から入射した第２測距光５６５を第２水平軸心５４６に直交する方向に反射する。走査鏡５５は、前述したように、第２鉛直回転軸５４１に支持され、第２鉛直駆動モータ５４３から伝達された駆動力により第２水平軸心５４６を中心として鉛直方向に回転する。これにより、走査鏡５５は、第２測距光５６５を第２水平軸心５４６に交差（具体的には直交）する面内で回転照射させる。また、走査鏡５５は、測定対象物７で反射され走査鏡５５に入射した第２反射測距光５６６を第２測距受光部５７に向かって反射する。すなわち、走査鏡５５は、測定対象物７で反射され走査鏡５５に入射した第２反射測距光５６６を第２水平軸心５４６に平行な方向に反射する。

図２に表したように、第２測距発光部５６は、発光素子５６１と、対物レンズ等を含む投光光学部５６２と、を有し、第２距離測定部４６５により駆動制御される。発光素子５６１は、例えば半導体レーザ等であり、投光光学部５６２を介して第１測距光５６５を第２水平軸心５４６に合致する光軸上に射出する。第１測距光５６５は、不可視光としての赤外光のパルスレーザ光線である。発光素子５６１は、第２距離測定部４６５に制御され、所要の光強度や所要のパルス間隔などを含む所要の状態でパルス光を発光する。

図２に表したように、第２測距受光部５７は、受光素子５７１と、集光レンズなどを含む受光光学部５７２と、を有する。受光素子５７１は、第２測距光５６５が測定対象物７で反射した第２反射測距光５６６であって、走査鏡５５で反射し受光光学部５７２を透過した第２反射測距光５６６を受光する。受光素子５７１は、受光した第２反射測距光５６６による明暗（受光結果）を電子信号（受光信号）に変換し、受光信号を第２距離測定部４６５に送信する。また、受光素子５７１は、参照光光学部（図示せず）から導かれた内部参照光（図示せず）を受光し電気信号に変換して、第２距離測定部４６５に送信する。

第２距離測定部４６５は、第２測距受光部５７（具体的には受光素子５７１）から送信された受光信号に基づいて測定対象物７までの距離を演算する。すなわち、第２反射測距光５６６および内部参照光は、第２反射測距光電気信号および内部参照光電気信号のそれぞれに変換され、第２距離測定部４６５に送られる。測定対象物７までの距離は、第２反射測距光電気信号と内部参照光電気信号との間の時間的間隔の差に基づいて測定される。第２距離測定部４６５の演算結果は、演算部４６１に入力される。

演算部４６１は、測定した測定対象物７までの距離と、第２鉛直角検出器５４４により検出された鉛直角と、第２水平角検出器５３４により検出された水平角と、に基づいて、測定対象物７の座標値を算出する。また、演算部４６１は、パルス光毎の測定対象物７の座標値を記録することで、測定範囲全域に関する点群データ、あるいは測定対象物７に関する点群データを得ることができる。

次に、本実施形態に係る３次元測量装置２の動作、および本実施形態に係る３次元測量装置２が実行する３次元測量方法を、図面を参照して説明する。
図４は、本発明の実施形態に係る３次元測量方法を説明するフローチャートである。

まず、ステップＳ１１において、作業者は、移動体３上に視準測距ユニット４およびスキャナユニット５を設置し固定する。このとき、移動体３に対する視準測距ユニット４の外部標定要素は、予め設定されて既知となる。また、図１に関して前述したように、スキャナユニット５は、視準測距ユニット４と一体で設けられ、視準測距ユニット４に対して回転自在に設けられる。このとき、視準測距ユニット４に対するスキャナユニット５の外部標定要素は、予め設定されており既知である。

続いて、ステップＳ１２において、作業者は、既知点上に計測用ターゲット６（図４ではプリズム）を設置する。既知点は、移動体３から離れた位置であり、構造物（例えばトンネル）の内部に設置されていてもよく、構造物の外部に設置されていてもよい。

続いて、ステップＳ１３において、視準測距ユニット４は、移動体３の移動開始位置（スタート位置）において、例えば後方交会法などにより視準測距ユニット４の位置および方位を決める。すなわち、演算部４６１は、視準測距ユニット４から計測用ターゲット６までの距離と、第１鉛直角検出器４４４により検出された鉛直角と、第１水平角検出器４３４により検出された水平角と、に基づいて、視準測距ユニット４の計測中心の座標値を算出する。また、演算部４６１は、移動体３の方位センサ３２から送信された信号に基づいて、デッドレコニング等により移動体３の方位を算出するとともに視準測距ユニット４の方位を算出する。

続いて、ステップＳ１４において、視準測距ユニット４は、既知点上に設置された計測用ターゲット６を視準し、ロック（トラッキング）する。すなわち、視準測距ユニット４は、視準測距ユニット４の自動追尾機能を利用して、計測用ターゲット６を自動的に視準する。

続いて、ステップＳ１５において、演算部４６１は、スキャナユニット５を起動させ、スキャナユニット５によるスキャンを開始する。すなわち、演算部４６１は、スキャナユニット５から測定対象物７までの距離と、第２鉛直角検出器５４４により検出された鉛直角と、第２水平角検出器５３４により検出された水平角と、を取得する。このとき、演算部４６１は、第２水平回転駆動部４６６を介して第２水平駆動モータ５３３を制御し、第２鉛直回転駆動部４６７を介して第２鉛直駆動モータ５４３を制御し、移動体３の移動方向に対して垂直な面内で第２測距光５６５を走査鏡５５により回転照射させる。移動体３の移動方向は、任意の異なる時刻間における移動体３の方位の変化と、移動体３に対する視準測距ユニット４の外部標定要素と、任意の異なる時刻間における視準測距ユニット４の計測中心の座標値の変化と、に基づいて演算部４６１により算出される。

続いて、ステップＳ１６において、作業者は、移動体３を移動させる。例えば、作業者は、移動体３としての台車のハンドルを把持し、トンネルなどの測定対象物７に沿って移動体３（台車）を移動させる。あるいは、例えば、作業者は、移動体３として自動車を運転し、トンネルなどの測定対象物７に沿って移動体３（自動車）を移動させる。

続いて、ステップＳ１７において、演算部４６１は、移動体３の方位センサ３２から送信された信号に基づいて、デッドレコニング等により移動体３の方位を算出する。

続いて、ステップＳ１８において、演算部４６１は、視準測距ユニット４から計測用ターゲット６までの距離と、第１鉛直角検出器４４４により検出された鉛直角と、第１水平角検出器４３４により検出された水平角と、を取得する。このとき、演算部４６１は、視準測距ユニット４の計測中心の座標値を算出してもよい。このときに、演算部４６１により算出される視準測距ユニット４の計測中心の座標値は、ローカル座標系における座標値である。また、演算部４６１は、傾斜計４９により送信された信号に基づいて、重力に対する視準測距ユニット４の傾き（傾斜角）を取得する。ステップＳ１８は、本発明の３次元測量方法における「視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出するステップ」の一例に相当する。

続いて、ステップＳ１９において、演算部４６１は、移動体３に対する視準測距ユニット４の外部標定要素と、第１水平角検出器４３４により検出された水平角と、に基づいて、視準測距ユニット４から計測用ターゲット６に向かう方向の方位を算出する。すなわち、演算部４６１は、移動体３の方位センサ３２から送信された信号に基づいて、移動体３の方位を算出するとともに視準測距ユニット４の方位を算出する。

続いて、ステップＳ２０において、演算部４６１は、ステップＳ１８において取得された距離（第１距離）、鉛直角（第１鉛直角）、水平角（第１水平角）および傾斜角と、移動体３に対する視準測距ユニット４の外部標定要素と、ステップＳ１９において算出された方位と、に基づいて視準測距ユニット４の計測中心の座標値（位置）を算出する。このときに、演算部４６１により算出される視準測距ユニット４の計測中心の座標値は、グローバル座標系における座標値である。ステップＳ２０は、本発明の３次元測量方法における「視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出するステップ」の一例に相当する。

続いて、ステップＳ２１において、演算部４６１は、スキャナユニット５から測定対象物７までの距離と、第２鉛直角検出器５４４により検出された鉛直角と、第２水平角検出器５３４により検出された水平角と、視準測距ユニット４に対するスキャナユニット５の外部標定要素と、発光素子５６１が第２測距光５６５を発光した時刻（スキャン発光時刻）における視準測距ユニット４の計測中心の座標値（位置）、視準測距ユニット４の方位、および視準測距ユニット４の傾き（傾斜角）と、に基づいて測定対象物７の測定点の座標値（位置）を算出する。すなわち、演算部４６１は、ステップＳ１５において取得された距離（第２距離）、鉛直角（第２鉛直角）および水平角（第２水平角）と、視準測距ユニット４に対するスキャナユニット５の外部標定要素と、スキャン発光時刻における視準測距ユニット４の座標値（位置）、方位および傾斜角と、に基づいて測定対象物７の測定点の座標値（位置）を算出する。このときに、演算部４６１により算出される測定対象物７の測定点の座標値は、グローバル座標系における座標値である。ステップＳ２１は、本発明の３次元測量方法における「測定対象物の座標値を算出するステップ」の一例に相当する。

本実施形態に係る３次元測量装置２および３次元測量方法によれば、視準測距ユニット４は、移動体３に固定されている。また、スキャナユニット５は、視準測距ユニット４と一体で設けられるとともに視準測距ユニット４に対して回転自在に設けられている。つまり、視準測距ユニット４およびスキャナユニット５は、一体的に移動体３に固定され、移動体３ともに移動する。そのため、例えば視準測距ユニット４とスキャナユニット５との間で互いに信号（情報）の送受信を無線で行う無線通信モデムなどは不要である。これにより、３次元測量装置２は、３次元測量装置２が備える装置や機器の数を抑えることができ、３次元測量装置２の構造を簡易化することができる。また、３次元測量装置２が備える装置や機器の設定が煩雑になることを抑えることができる。

また、スキャナユニット５は、視準測距ユニット４と一体で設けられるとともに視準測距ユニット４に対して回転自在に設けられている。そのため、移動体３の姿勢が変化した場合であっても、視準測距ユニット４は計測用ターゲット６をより確実に視準し視準測距ユニット４の計測中心の座標値を算出できるとともに、スキャナユニット５は視準測距ユニット４に対して回転し所望の方向において測定対象物７をスキャンすることができる。これにより、３次元測量装置２は、測定誤差が生ずることを抑え、高い精度の３次元データを安定的に取得することができる。

また、ステップＳ１５において、演算部４６１は、移動体３の移動方向に対して垂直な面内で第２測距光５６５を走査鏡５５により回転照射させる制御を実行する。これにより、例えばトンネルなどのように、測定対象物７が長手方向に延びた形状や構造を有する場合において、スキャナユニット５は、長手方向（移動体３の移動方向）に対して垂直な面内で第２測距光５６５を回転照射し、高い精度の３次元データを安定的に取得することができる。

また、演算部４６１は、方位センサ３２により検知された方位と、傾斜計４９により計測された視準測距ユニット４の傾斜角と、に基づいて視準測距ユニット４の計測中心の座標値および測定対象物７の測定点の座標値を算出する。そのため、３次元測量装置２は、グローバル座標系における視準測距ユニット４の座標値（位置）および測定対象物７の座標値（位置）を取得することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。

２・・・３次元測量装置、 ３・・・移動体、 ４・・・視準測距ユニット、 ５・・・スキャナユニット、 ６・・・計測用ターゲット、 ７・・・測定対象物、 ３１・・・車輪、 ３２・・・方位センサ、 ４１・・・整準部、 ４２・・・第１托架部、 ４３・・・第１水平回転部、 ４４・・・第１鉛直回転部、 ４５・・・望遠鏡部、 ４６・・・制御演算部、 ４７・・・操作表示部、 ４８・・・基盤部、 ４９・・・傾斜計、 ５２・・・第２托架部、 ５３・・・第２水平回転部、 ５４・・・第２鉛直回転部、 ５５・・・走査鏡、 ５６・・・第２測距発光部、 ５７・・・第２測距受光部、 ４１１・・・調整螺子、 ４２１・・・間隙部、 ４３１・・・第１水平回転軸、 ４３２・・・軸受、 ４３３・・・第１水平駆動モータ、 ４３４・・・第１水平角検出器、 ４３６・・・第１鉛直軸心、 ４４１・・・第１鉛直回転軸、 ４４２・・・軸受、 ４４３・・・第１鉛直駆動モータ、 ４４４・・・第１鉛直角検出器、 ４４６・・・第１水平軸心、 ４５１・・・第１測距発光部、 ４５２・・・第１測距受光部、 ４５３・・・視準受光部、 ４５５・・・第１測距光、 ４５６・・・第１反射測距光、 ４５７・・・反射視準光、 ４５８・・・視準望遠鏡、 ４６１・・・演算部、 ４６２・・・第１距離測定部、 ４６３・・・第１水平回転駆動部、 ４６４・・・第１鉛直回転駆動部、 ４６５・・・第２距離測定部、 ４６６・・・第２水平回転駆動部、 ４６７・・・第２鉛直回転駆動部、 ４６８・・・記憶部、 ４６９・・・画像処理部、 ４７１・・・表示部、 ４７２・・・操作入力部、 ５２１・・・凹部、 ５３１・・・第２水平回転軸、 ５３２・・・軸受、 ５３３・・・第２水平駆動モータ、 ５３４・・・第２水平角検出器、 ５３６・・・第２鉛直軸心、 ５４１・・・第２鉛直回転軸、 ５４２・・・軸受、 ５４３・・・第２鉛直駆動モータ、 ５４４・・・第２鉛直角検出器、 ５４６・・・第２水平軸心、 ５６１・・・発光素子、 ５６２・・・投光光学部、 ５６５・・・第２測距光、 ５６６・・・第２反射測距光、 ５７１・・・受光素子、 ５７２・・・受光光学部

Claims (3)

1. 測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置であって、
   方位を検知する方位センサを有し前記測定対象物に沿って移動する移動体と、
   前記移動体から離れた既知点に設置されるとともに前記測定対象物の位置とは異なる位置に設置された計測用ターゲットと、
   重力に対する傾きを計測する傾斜計を有し前記移動体に固定され、前記計測用ターゲットに第１測距光を照射し、前記第１測距光が前記計測用ターゲットで反射した第１反射測距光と第１内部参照光とに基づいて前記計測用ターゲットまでの距離を測定するとともに前記第１測距光の照射方向を検出する視準測距ユニットと、
   前記視準測距ユニットと一体で設けられるとともに前記視準測距ユニットに対して回転自在に設けられ、前記測定対象物に第２測距光を照射し、前記第２測距光が前記測定対象物で反射した第２反射測距光と第２内部参照光とに基づいて前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記第２測距光の照射方向を検出するスキャナユニットと、
   前記視準測距ユニットおよび前記スキャナユニットの少なくともいずれかに設けられた制御演算部と、
   を備え、
   前記視準測距ユニットは、
   前記計測用ターゲットを視準し前記第１測距光を照射する望遠鏡部と、
   前記望遠鏡部を鉛直軸心を中心に水平回転させる第１水平駆動モータと、
   前記望遠鏡部の第１水平角を検出する第１水平角検出器と、
   前記望遠鏡部を水平軸心を中心に鉛直回転させる第１鉛直駆動モータと、
   前記望遠鏡部の第１鉛直角を検出する第１鉛直角検出器と、
   を有し、
   前記スキャナユニットは、
   前記第２測距光を水平軸心に交差する面内で回転照射させる走査鏡と、
   前記走査鏡を鉛直軸心を中心に水平回転させる第２水平駆動モータと、
   前記走査鏡の第２水平角を検出する第２水平角検出器と、
   前記走査鏡を水平軸心を中心に鉛直回転させる第２鉛直駆動モータと、
   前記走査鏡の第２鉛直角を検出する第２鉛直角検出器と、
   を有し、
   前記制御演算部は、
   前記視準測距ユニットから前記計測用ターゲットまでの距離を測定する第１距離測定部と、
   前記スキャナユニットから前記測定対象物までの距離を測定する第２距離測定部と、
   を有し、前記第１距離測定部により測定された距離と、前記第１水平角検出器により検出された前記第１水平角と、前記第１鉛直角検出器により検出された前記第１鉛直角と、前記方位センサから送信された信号に基づいて算出された前記視準測距ユニットの方位と、予め設定され既知となっている前記移動体に対する前記視準測距ユニットの外部標定要素と、前記傾斜計により計測された前記視準測距ユニットの傾斜角と、に基づいて前記計測用ターゲットの座標値を算出することにより前記視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出し、前記計測中心の座標と、予め設定され既知となっている前記視準測距ユニットに対する前記スキャナユニットの外部標定要素と、前記第２距離測定部により測定された距離と、前記第２水平角検出器により検出された前記第２水平角と、前記第２鉛直角検出器により検出された前記第２鉛直角と、前記方位センサから送信された信号に基づいて算出された前記視準測距ユニットの方位と、前記傾斜計により計測された前記視準測距ユニットの傾斜角と、に基づいて前記測定対象物の座標値を算出することを特徴とする３次元測量装置。
2. 前記制御演算部は、前記第２水平駆動モータおよび前記第２鉛直駆動モータを制御し、前記移動体の移動方向に対して垂直な面内で前記第２測距光を前記走査鏡により回転照射させることを特徴とする請求項１に記載の３次元測量装置。
3. 測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置が実行する３次元測量方法であって、
   前記測定対象物に沿って移動する移動体から離れた既知点に設置されるとともに前記測定対象物の位置とは異なる位置に設置された計測用ターゲットを視準し第１測距光を照射して前記計測用ターゲットまでの距離を測定する第１距離測定部により測定された距離と、望遠鏡部が鉛直軸心を中心に水平回転したときの前記望遠鏡部の第１水平角と、前記望遠鏡部が水平軸心を中心に鉛直回転したときの前記望遠鏡部の第１鉛直角と、前記移動体が有する方位センサから送信された信号に基づいて算出された視準測距ユニットの方位と、予め設定され既知となっている前記移動体に対する前記視準測距ユニットの外部標定要素と、前記視準測距ユニットが有する傾斜計により計測された前記視準測距ユニットの傾斜角と、に基づいて前記計測用ターゲットの座標値を算出することにより前記移動体に固定された前記視準測距ユニットの計測中心の座標値を算出するステップと、
   前記計測中心の座標と、前記視準測距ユニットと一体で設けられるとともに前記視準測距ユニットに対して回転自在に設けられたスキャナユニットの前記視準測距ユニットに対する外部標定要素であって予め設定され既知となっている外部標定要素と、第２測距光を照射して前記測定対象物までの距離を測定する第２距離測定部により測定された距離と、前記第２測距光を水平軸心に交差する面内で回転照射させる走査鏡が鉛直軸心を中心に水平回転したときの前記走査鏡の第２水平角と、前記走査鏡が水平軸心を中心に鉛直回転したときの前記走査鏡の第２鉛直角と、前記方位センサから送信された信号に基づいて算出された前記視準測距ユニットの方位と、前記傾斜計により計測された前記視準測距ユニットの傾斜角と、に基づいて前記測定対象物の座標値を算出するステップと、
   を備えたことを特徴とする３次元測量方法。
   
   

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