JP7372108B2

JP7372108B2 - 傾斜検出装置及び測量装置

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Publication number: JP7372108B2
Application number: JP2019189590A
Authority: JP
Inventors: 文夫大友; 信幸西田; 薫熊谷
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: US11940274B2; JP2021063761A; US20210116241A1

Description

本発明は加速度センサを用いた傾斜検出装置、該傾斜検出装置を具備する測量装置に関するものである。

測定装置等、精密装置では装置の整準の為、或は装置の傾斜を測定する為に傾斜検出装置が設けられる。

高精度の水平、微小な傾斜を検出する傾斜検出装置として自由液面の傾斜、或は液体に封入した気泡の動きを利用したチルトセンサ、或は動的な傾斜を高応答性で検出する加速度センサ等がある。

チルトセンサは高精度の水平を検出するが応答性が悪く、動的な装置には使用することが難しかった。又、加速度センサは高応答性が保証されるが、環境変化（温度、気圧、湿度等）や経時変化によるドリフトが問題となり、安定性に欠けるという問題があった。

そこで本出願人は、特許第６５４１３６５号に於いて、チルトセンサと加速度センサを具備し、高応答性を保証しつつ、高精度に傾斜角を検出可能な姿勢検出装置を実現した。

該姿勢検出装置は真の水平又は鉛直を求めるのに工場内に於いて基準水平又は鉛直コリメータ等で確認していた。

特許第６５４１３６５号公報特開２０１６－１５１４２３号公報特開２０１７－９０２４４号公報特開２０１７－１０６８１３号公報特開２０１８－２８４６４号公報

本発明は、キャリブレーションを実行可能な傾斜検出装置及び該傾斜検出装置を備えた測量装置を提供するものである。

本発明は、外フレームの内部に内フレームが設けられ、該内フレームの内部に水平からの傾斜を検出する傾斜センサを有する傾斜検出ユニットが設けられ、前記内フレームは前記外フレームに第１軸を介して回転自在に支持され、前記傾斜検出ユニットは前記第１軸と直交する第２軸を介して前記内フレームに回転自在に支持され、前記第１軸に前記外フレームと前記内フレーム間の回転角を検出する第１エンコーダが設けられ、前記第２軸に前記内フレームと前記傾斜検出ユニット間の回転角を検出する第２エンコーダが設けられ、各軸をそれぞれ回転させる様、各軸にそれぞれ設けたモータと、前記傾斜センサからの検出結果に基づき前記各モータをそれぞれ駆動制御する演算処理部とを具備し、該演算処理部は、前記傾斜センサが傾斜を検出して発する信号に基づき該傾斜センサが水平を検出する様、前記各モータを駆動し、前記傾斜センサが水平を検出した時の前記第１、第２エンコーダの出力に基づき前記外フレームの傾斜を演算する様構成され、前記演算処理部は、傾斜検出装置の静止状態で前記第１軸、第２軸に関して、それぞれのエンコーダの出力に基づき前記傾斜検出ユニットを少なくとも一回１８０゜反転させ、反転前後の前記傾斜センサが出力する検出信号に基づき前記傾斜センサのキャリブレーションを実行する様構成された傾斜検出装置に係るものである。

又本発明は、前記傾斜センサは加速度センサである傾斜検出装置に係るものである。

又本発明は、前記演算処理部は、前記傾斜検出装置の静止状態で前記第１軸、第２軸の少なくとも一方の軸に関して、該一方の軸のエンコーダの出力に基づき前記傾斜検出ユニットを９０゜回転させ、更に他方の軸に対して前記傾斜検出ユニットを１８０゜反転させ、反転前後の前記傾斜センサが出力する検出信号に基づき前記傾斜センサのキャリブレーションを実行する様構成された傾斜検出装置に係るものである。

又本発明は、前記演算処理部は、前記傾斜検出装置の静止状態で前記傾斜検出ユニットを、ａ）前記第１軸を中心に９０゜回転し、ｂ）次に第２軸を中心に９０°回転し、ｃ）次に第１軸を中心に９０゜回転し、ｄ）次に第２軸を中心に９０゜回転し、ｅ）次に第１軸を中心に９０゜回転し、ｆ）次に第２軸を中心に９０°回転し、ｇ）次に第１軸を中心に９０°回転し、ｈ）次に第２軸を中心に９０°回転し、前記傾斜検出ユニットを各軸に関し同方向に９０゜ずつ回転する過程で前記第１軸、第２軸について前記傾斜検出ユニットがそれぞれ１８０゜反転する前後の前記傾斜センサの検出信号に基づき前記第１軸、第２軸の前記傾斜センサのキャリブレーションを実行し、又前記第１軸、第２軸に直交する第３軸について１８０゜反転する前後の前記傾斜センサの検出信号に基づき前記第３軸についてのキャリブレーションを実行する様構成した傾斜検出装置に係るものである。

又本発明は、前記演算処理部は、前記傾斜検出ユニットを微動し、微動状態で得られる前記傾斜センサの検出結果と前記第１エンコーダ、前記第２エンコーダの検出結果に基づき前記傾斜センサの検出感度のキャリブレーションを行う様構成された傾斜検出装置に係るものである。

更に又本発明は、測量装置は光波距離測定を行う測距部と、測距光軸を偏向し、測距光を測定点に視準させる光軸偏向部と、測距光軸の視準方向を検出する測定方向検出部と、上記のいずれかの傾斜検出装置と、演算制御部とを具備し、該演算制御部は、前記測距部の測距結果と、前記測定方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元座標を取得し、又前記傾斜検出装置の検出結果に基づき水平に対する３次元座標に変換する様構成された測量装置に係るものである。

本発明によれば、外フレームの内部に内フレームが設けられ、該内フレームの内部に水平からの傾斜を検出する傾斜センサを有する傾斜検出ユニットが設けられ、前記内フレームは前記外フレームに第１軸を介して回転自在に支持され、前記傾斜検出ユニットは前記第１軸と直交する第２軸を介して前記内フレームに回転自在に支持され、前記第１軸に前記外フレームと前記内フレーム間の回転角を検出する第１エンコーダが設けられ、前記第２軸に前記内フレームと前記傾斜検出ユニット間の回転角を検出する第２エンコーダが設けられ、各軸をそれぞれ回転させる様、各軸にそれぞれ設けたモータと、前記傾斜センサからの検出結果に基づき前記各モータをそれぞれ駆動制御する演算処理部とを具備し、該演算処理部は、前記傾斜センサが傾斜を検出して発する信号に基づき該傾斜センサが水平を検出する様、前記各モータを駆動し、前記傾斜センサが水平を検出した時の前記第１、第２エンコーダの出力に基づき前記外フレームの傾斜を演算する様構成され、前記演算処理部は、傾斜検出装置の静止状態で前記第１軸、第２軸に関して、それぞれのエンコーダの出力に基づき前記傾斜検出ユニットを少なくとも一回１８０゜反転させ、反転前後の前記傾斜センサが出力する検出信号に基づき前記傾斜センサのキャリブレーションを実行する様構成されたので、簡単な工程を取入れることで容易に傾斜検出装置のキャリブレーションが行え、又測定途中でのキャリブレーションの実行を可能とする。

又本発明によれば、測量装置は光波距離測定を行う測距部と、測距光軸を偏向し、測距光を測定点に視準させる光軸偏向部と、測距光軸の視準方向を検出する測定方向検出部と、上記のいずれかの傾斜検出装置と、演算制御部とを具備し、該演算制御部は、前記測距部の測距結果と、前記測定方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元座標を取得し、又前記傾斜検出装置の検出結果に基づき水平に対する３次元座標に変換する様構成されたので、簡単な工程を取入れることで容易に傾斜検出装置のキャリブレーションが行え、又測定途中でのキャリブレーションの実行を可能とし、高精度の傾斜検出装置を備えた測量装置を提供するという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る傾斜検出装置を示す概略平面図である。該傾斜検出装置の概略構成図である。該傾斜検出装置に於ける傾斜センサの模式図である。（Ａ）（Ｂ）は傾斜センサのＸＹの２軸のキャリブレーションの説明図である。該キャリブレーションの流れを示す線図である。（Ａ）（Ｂ）は傾斜センサのＺ軸のキャリブレーションの説明図である。（Ａ）～（Ｉ）は、傾斜センサのＸＹＺの３軸のキャリブレーションを一連の流れの過程で実視する場合の説明図である。該キャリブレーションの流れを示す線図である。本実施例に係る測量装置の全体斜視図である。該測量装置の正面図である。該測量装置の概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１、図２は、本発明の実施例に係る傾斜検出装置の概略図である。

図１は本発明の実施例に係る傾斜検出装置１を示す概略平面図であり、図２は該実施例に係る傾斜検出装置１の概略構成図である。尚、以下の説明では、便宜上傾斜検出装置１の上下、左右は図中での上下左右としている。

矩形枠形状の外フレーム２の内部に矩形枠形状の内フレーム３が設けられ、該内フレーム３の内部に傾斜検出ユニット４が設けられる。

又、前記傾斜検出装置１が傾斜を検出すべき装置に設けられる場合は、装置の傾斜を反映するフレーム等、構造部材に前記外フレーム２が取付けられる。

前記内フレーム３の上面、下面から第１軸５，５が突設され、該第１軸５，５は前記外フレーム２に設けられた軸受６，６を介して前記外フレーム２に回転自在に支持されている。前記第１軸５，５は第１軸心を有し、前記内フレーム３は前記第１軸５，５を中心に３６０゜回転自在となっている。

前記傾斜検出ユニット４には第２軸７が設けられ、該第２軸７の両端部は、前記内フレーム３に設けられた軸受８，８に回転自在に嵌合する。前記傾斜検出ユニット４は前記第２軸７を介して前記内フレーム３に回転自在に支持される。前記第２軸７は前記第１軸心と直交する第２軸心を有し、前記傾斜検出ユニット４は前記第２軸７を中心に３６０゜回転自在となっている。

而して、前記傾斜検出ユニット４は前記外フレーム２に対して２軸方向に回転自在に支持されており、前記内フレーム３を回転自在に支持する機構、前記傾斜検出ユニット４を回転自在に支持する機構はジンバル機構を構成する。而して、前記傾斜検出ユニット４は前記外フレーム２に対してジンバル機構を介して支持され、更に前記内フレーム３の回転を制約する機構は存在していないので、前記傾斜検出ユニット４は前記外フレーム２に対して全方向に自在に回転し得る様になっている。

前記第１軸５，５の一方、例えば下側の第１軸５には第１被動ギア９が嵌着され、該第１被動ギア９には第１駆動ギア１０が噛合している。又、前記外フレーム２の下面には第１モータ１１が設けられ、前記第１駆動ギア１０は前記第１モータ１１の出力軸に嵌着されている。

前記第１軸５，５の他方には第１エンコーダ１２が設けられ、該第１エンコーダ１２は前記内フレーム３の前記外フレーム２に対する横方向の回転角を検出する様に構成されている。

前記第２軸７の一端部には、第２被動ギア１４が嵌着され、該第２被動ギア１４には第２駆動ギア１５が噛合している。又、前記内フレーム３の側面（図示では左側面）には第２モータ１６が設けられ、前記第２駆動ギア１５は前記第２モータ１６の出力軸に嵌着されている。

前記第２軸７の他端部には第２エンコーダ１７が設けられ、該第２エンコーダ１７は前記内フレーム３に対する前記傾斜検出ユニット４の縦方向の回転角を検出する様に構成されている。

前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７は、演算処理部１９に電気的に接続されている。

前記傾斜検出ユニット４は、傾斜センサ２１を有しており、該傾斜センサ２１は、前記演算処理部１９に電気的に接続されている。

前記傾斜センサ２１は傾斜を検出するものであり、例えば加速度センサである。又、加速度センサは直交する水平２軸の傾斜及び鉛直方向の１軸の傾斜、計３軸方向の傾斜を検出する様になっている。ここで、水平２軸とは、図１に於ける前記第１軸５と前記第２軸７であり、前記第１軸５を中心とする回転（傾斜）をピッチング、前記第２軸７を中心とする回転（傾斜）をローリングとする。

前記傾斜検出装置１について、図２により更に説明する。

前記傾斜検出装置１は、前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７、前記傾斜センサ２１、前記演算処理部１９、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６の他に、更に記憶部２３、入出力制御部２４を具備している。

前記演算処理部１９としては本実施例に特化されたＣＰＵ、或は汎用性ＣＰＵ、埋込みＣＰＵ、マイクロプロセッサ等が用いられる。又、前記記憶部２３としてはＲＡＭ、ＲＯＭ、ＦｌａｓｈＲＯＭ、ＤＲＡＭ等の半導体メモリが用いられる。

前記記憶部２３には、前記外フレーム２に対する前記傾斜検出ユニット４の傾斜を検出の為の演算プログラム、前記傾斜センサ２１のドリフトを較正するドリフト較正プログラム、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６を駆動制御する為のプログラム等のプログラムが格納され、又演算データ（即ち、検出した傾斜角データ）等のデータ類が格納される。

前記入出力制御部２４は、前記演算処理部１９から出力される制御指令に基づき前記第１モータ１１、前記第２モータ１６を駆動し、前記演算処理部１９で演算した傾斜角データを出力する。

前記傾斜センサ２１は、水平に対する傾斜、水平２軸に関する傾斜方向を検出すると共に、各軸５，７を中心とする回転方向（ピッチング、ローリング）の傾斜をそれぞれ検出する。又、ピッチングは前記第１エンコーダ１２が検出する回転方向（傾斜方向）、ローリングは前記第２エンコーダ１７が検出する回転方向（傾斜方向）となっている。

前記演算処理部１９は、前記傾斜センサ２１からの検出結果に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に該傾斜角、傾斜方向に相当する前記第１エンコーダ１２の回転角、前記第２エンコーダ１７の回転角を演算する。

尚、前記傾斜検出装置１は、前記外フレーム２が水平に設置された場合に、前記傾斜センサ２１が水平を検出する様に設定され、更に前記第１エンコーダ１２の出力、前記第２エンコーダ１７の出力が共に基準位置（回転角０゜）を示す様に設定される。

以下、前記傾斜検出装置１の作用について説明する。

前記第１エンコーダ１２の出力、前記第２エンコーダ１７の出力が共に基準位置（回転角０゜）を示す状態から、前記傾斜検出装置１（前記外フレーム２）が水平に対して傾斜すると、前記外フレーム２と前記内フレーム３とは前記第１モータ１１、前記第１駆動ギア１０と前記第１被動ギア９を介して連結され、前記内フレーム３と前記傾斜検出ユニット４とは前記第２モータ１６、前記第２駆動ギア１５、前記第２被動ギア１４を介して連結状態、即ち回転が拘束された状態にあるので、前記傾斜検出ユニット４と前記外フレーム２とは一体に傾斜し、前記傾斜センサ２１が傾斜に応じた信号を出力する。

前記演算処理部１９は、前記傾斜センサ２１からの信号に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に演算結果に基づき傾斜角、傾斜方向を０にする為の、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６の回転量を演算し、前記入出力制御部２４を介して前記第１モータ１１、前記第２モータ１６をそれぞれ演算された回転量分だけ回転させる駆動指令を発する。

前記第１モータ１１、前記第２モータ１６の駆動により、演算された傾斜角、傾斜方向の逆に傾斜する様、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６が駆動され、モータの駆動量（回転角）は前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７によって検出され、回転角が前記演算結果となったところで前記第１モータ１１、前記第２モータ１６の駆動が停止される。

更に、前記傾斜センサ２１が水平を検出する様、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６の回転が微調整される。

この状態では、前記外フレーム２が傾斜した状態で、前記傾斜検出ユニット４が水平に制御される。

従って、前記傾斜検出ユニット４を水平とする為に、前記第１モータ１１、前記第２モータ１６により、前記内フレーム３、前記傾斜検出ユニット４を傾斜させた傾斜角、傾斜方向は、前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７で検出した回転角に基づき求められる。

前記演算処理部１９は、前記傾斜センサ２１が水平を検出した時の、前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７の検出結果に基づき前記傾斜検出装置１の傾斜角、傾斜方向を演算する。この演算結果が、前記傾斜検出装置１の傾斜後の姿勢を示す。

而して、前記演算処理部１９は水平に対する前記外フレーム２の傾斜角、傾斜方向を前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７の検出結果に基づき求めることができ、更に水平に対して前記外フレーム２を所定の傾斜角、傾斜方向に設定する場合は、前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７の検出結果に基づき実行することができる。

即ち、前記傾斜センサ２１と前記外フレーム２との関係は、前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７の検出結果に基づき管理することができる。

前記演算処理部１９は、前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７で検出した回転角に基づき演算した傾斜角、傾斜方向を前記傾斜検出装置１の検出信号（傾斜角データ）として外部に出力する。

更に、前記傾斜センサ２１の検出信号をリアルタイムで前記演算処理部１９にフィードバックし、前記傾斜センサ２１の水平を維持する様に前記第１モータ１１、前記第２モータ１６を制御すれば、前記外フレーム２の動的な傾斜変化をリアルタイムで検出することができる。而して、該傾斜検出装置１が設けられた装置の傾斜が検出される。

更に、リアルタイムで傾斜変化を検出することで、前記傾斜センサ２１は常時、水平（傾斜角０）近傍での使用となり、前記傾斜センサ２１の検出感度の直線性の影響を無視でき、或は無視できる程度に軽減できる。又、前記演算処理部１９が前記傾斜センサ２１からの検出結果に基づき前記傾斜検出装置１の静止状態を判断し、後述するキャリブレーションを実行する様にすれば、前記傾斜センサ２１の安定性も保証することができる。

上記した様に、前記傾斜センサ２１は、環境変化（温度、気圧、湿度等）や経時変化によるドリフトが生じる。

本実施例では所定時間間隔で、ドリフト成分を補正或は除去するキャリブレーションを実行することで、傾斜センサの精度、安定性を向上させている。

ドリフト成分除去のキャリブレーションについて以下説明する。

図３は、図１に於ける前記傾斜検出ユニット４を抽出し、模式化した図である。

図３中、Ｘ軸は前記第１軸５に相当し、Ｙ軸は前記第２軸７に相当し、Ｘ軸、Ｙ軸を含む平面に対して垂直な軸をＺ軸とする。又、Ｘ軸を中心とする回転はピッチングであり、Ｙ軸を中心とする回転はローリングとする。又、前記傾斜センサ２１中に示されるｘ，ｙ，ｚの矢印は傾斜センサ２１の向きを示す。

本実施例では、Ｘ軸、Ｙ軸にそれぞれモータ及びエンコーダが連結されているので、傾斜検出ユニット４をＸ軸、Ｙ軸に関してそれぞれ強制的に、且つ正確に１８０゜回転させることができる。

図４（Ａ）は、キャリブレーション開始時を示し、その時の傾斜角を測定する。

次に、Ｘ軸を中心に１８０゜ピッチングし、更にＹ軸を中心に１８０゜ローリングすると、前記傾斜検出ユニット４の前後、左右が反転し、Ｘ軸、Ｙ軸の方向もそれぞれ１８０゜反転する。以下、Ｘ軸、Ｙ軸のいずれか一方の反転を一軸反転又はＸ軸反転、Ｙ軸反転と称し、Ｘ軸、Ｙ軸共に反転する場合を２軸反転と称する。

図４（Ａ）の状態から、２軸反転した状態が図４（Ｂ）に示されている。

１８０゜ピッチングし、更に１８０゜ローリングすると２軸反転する。２軸反転させる前と後の傾斜角の差を取るとオフセット（長期ドリフト成分）が除去された傾斜角差が得られる。

この２軸反転前後の傾斜角差は実際の傾斜角の倍角となる。従って２軸反転して得られた傾斜角差の１／２が実際の傾斜角である。

更に、ピッチングとローリングをそれぞれ１８０°回転すると、元の姿勢に戻る（ピッチングとローリングがそれぞれ３６０°回転）。

従って、ピッチングとローリングの１８０°回転を繰返して行い、２軸反転前後の傾斜角差の１／２を求めることで、長期的なドリフト成分を常に除去でき、正確な傾斜角を求めることができる。

更に、傾斜角度の変化があった場合（前記外フレーム２の傾斜に変化があった場合）にも、常に傾斜センサがゼロ又は略ゼロになる様にモータ駆動されているので、傾斜角度の変化にも追従する。

図５は、ピッチングとローリングの１８０°回転を繰返す状態を示す線図である。

尚、ピッチングとローリングの周期Ｔは、使用される加速度センサが持つドリフト特性、及び前記傾斜検出装置１が設けられる装置が要求する精度によって決定される。例えば、加速度センサのドリフトが問題にならない時間、例えば１０秒以内等である。

即ち、設定した周期Ｔで生じる傾斜センサ２１のドリフト（誤差）が、装置が要求する許容誤差を超えない様に設定される。

又、キャリブレーションが実行される場合は、少なくとも１周期内で（好ましくは複数周期内で）は傾斜角の変動がない等、前記傾斜検出装置１は安定している状態が求められる。

キャリブレーションは、前記演算処理部１９が前記傾斜センサ２１からの信号に基づき前記傾斜検出装置１の静止状態を判断して実行してもよく、或は前記傾斜検出装置１の使用者の判断でキャリブレーションを実行してもよい。

又、キャリブレーションの他の方法として、反転測定の前後の角度の平均（ＡとＢの平均値）を取ることで傾斜センサの０点オフセット値を求め、該オフセット値を記憶してもよい。記憶された０点オフセット値を用いて常に傾斜センサの出力に対して０点オフセット補正することで、傾斜測定の度に反転を行わなくても正確な傾斜角を測定することができる。

又、前記演算処理部１９が前記第１モータ１１、前記第２モータ１６を介して前記傾斜検出ユニット４を微動し、前記傾斜センサ２１（傾斜検出ユニット４）を微動し、微動状態を前記傾斜センサ２１と前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７によって検出し、前記傾斜センサ２１の出力を前記第１エンコーダ１２、前記第２エンコーダ１７の検出結果に基づき値付けすることで、前記傾斜センサ２１の検出感度のキャリブレーションを行うこともできる。

上記実施例では、Ｘ軸、Ｙ軸に関するキャリブレーションを説明したが、Ｚ軸に関しても同様な方法でキャリブレーションを実施できる。又、Ｘ軸、Ｙ軸についてそれぞれ個別に１８０゜反転させ、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれ個別にキャリブレーションしてもよい。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）はその一例を示している。

図６（Ａ）は図３で示す状態から、Ｙ軸を中心に９０゜右回転した状態を示している。

この状態では、Ｚ軸は水平となり、Ｚ軸の水平状態を前記傾斜センサ２１が検出可能となる。図６（Ｂ）は図６（Ａ）で示す状態から、更にＹ軸を中心に１８０゜右回転した状態を示している。この１８０゜の回転でＺ軸が反転するので、上述したと同様に前記傾斜センサ２１のＺ軸に関するキャリブレーションが行える。

尚、Ｘ軸を中心に９０゜回転し、更にＸ軸を中心に１８０゜同方向に回転した場合も同様に前記傾斜センサ２１のＺ軸に関するキャリブレーションが行えることは言う迄もない。

又、Ｘ軸、Ｙ軸とＺ軸に関するキャリブレーションは同じ頻度で行う必要はなく、例えばＸ軸、Ｙ軸について２回キャリブレーションを行い、Ｚ軸については１回キャリブレーションを行う等キャリブレーションの頻度を変えてもよい。頻度の設定については、装置が要求する許容誤差、前記傾斜センサ２１の安定性を考慮して設定してもよい。

上記説明では、Ｘ軸、Ｙ軸に関するキャリブレーションとＺ軸に関するキャリブレーションを個別に実施する場合を説明したが、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に関するキャリブレーションを一連の操作で連続して実行することも可能である。

図７（Ａ）～図７（Ｉ）、及び図８を参照して説明する。

図７（Ａ）は、定常状態を示している。図７（Ａ）の定常状態から前記傾斜センサ２１をＸ軸を中心に９０゜左回転すると図７（Ｂ）の状態となり、更にＹ軸を中心に９０゜右回転すると図７（Ｃ）の状態となり、更にＸ軸を中心に９０゜左回転（合計１８０゜左回転）すると図７（Ｄ）の状態となり、更にＹ軸を中心に９０゜右回転（合計１８０゜右回転）すると図７（Ｅ）の状態となり、更にＸ軸を中心に９０゜左回転（合計２７０゜左回転）すると図７（Ｆ）の状態となり、更にＹ軸を中心に９０゜右回転（合計２７０゜右回転）すると図７（Ｇ）の状態となり、更にＸ軸を中心に９０゜左回転（合計３６０゜左回転）すると図７（Ｈ）の状態となり、更にＹ軸を中心に９０゜右回転（合計３６０゜右回転）すると図７（Ｉ）の状態となる。

Ｘ軸、Ｙ軸共に一方向に３６０゜回転することで、元の状態（図７（Ａ）で示す定常状態）に復帰する。

Ｘ軸、Ｙ軸共に９０゜ずつ順次回転する過程で、図７（Ｅ）の状態は前記傾斜センサ２１の向きがｘ，ｙ共に、図７（Ａ）の状態に対して１８０゜反転する。従って、前記傾斜センサ２１の図７（Ａ）の状態と図７（Ｅ）の状態での検出結果を用いて、ｘ，ｙ方向のキャリブレーションが可能となる。（図８参照）

又、図７（Ｄ）の状態と図７（Ｈ）の状態では前記傾斜センサ２１のｚ方向が水平で且つ逆向きとなっている。従って、図７（Ｄ）の状態と図７（Ｈ）の状態での検出結果を用いて、ｚ方向のキャリブレーションが可能となる。（図８参照）

而して、前記傾斜センサ２１をＸ軸、Ｙ軸について交互に９０゜ずつ回転することで、継続して傾斜センサ２１のｘ，ｙ，ｚの３方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）でキャリブレーションが可能である。

尚、回転の方法については種々考えられるものであり、傾斜センサ２１のｘ，ｙ，ｚそれぞれについて水平方向で且つ反転した２つの姿勢が得られればよい。

図９～図１１に於いて、本実施例に係る傾斜検出装置１を具備した測量装置システム３１を説明する。図９中、Ｏは光軸が偏向されていない状態での測距光軸を示し、この時の測距光軸２８を基準光軸Ｏとする。

前記測量装置システム３１は、主に支持装置としての三脚３２、測量装置３３、該測量装置３３の支持部である設置台ユニット３４を有している。

該設置台ユニット３４は前記三脚３２の上端に取付けられ、前記測量装置３３は前記設置台ユニット３４によって上下方向、左右方向にそれぞれ回転可能に支持される。

図１０に示される様に、前記設置台ユニット３４は、前記三脚３２の上端に固定される台座３５、該台座３５に固定して取付けられる水平基盤３６、該水平基盤３６に水平方向に回転可能に設けられる托架部３７を有している。該托架部３７に前記測量装置３３が鉛直方向に回転可能に取付けられる。

前記托架部３７の下面からは、水平回転軸３８が突設され、該水平回転軸３８は軸受（図示せず）を介して前記水平基盤３６に回転自在に嵌合している。前記托架部３７は、前記水平回転軸３８を中心に水平方向に回転自在となっている。

又、該水平回転軸３８と前記水平基盤３６との間には、水平角（前記水平回転軸３８を中心とした回転方向の角度）を検出する水平角検出器３９（例えばエンコーダ）が設けられ、該水平角検出器３９によって前記托架部３７の前記水平基盤３６に対する水平方向の相対回転角が検出される様になっている。

前記水平基盤３６には水平回転ギア４１が前記水平回転軸３８と同心に固定され、該水平回転ギア４１には水平ピニオンギア４２が噛合している。前記托架部３７には、水平モータ４３が設けられ、前記水平ピニオンギア４２は前記水平モータ４３の出力軸に固着されている。

該水平モータ４３の駆動により、前記水平ピニオンギア４２が回転し、該水平ピニオンギア４２が前記水平回転ギア４１の回りを公転する。前記水平ピニオンギア４２の公転により、前記托架部３７と前記測量装置３３とが前記水平回転軸３８を中心に一体に回転する。而して、前記水平モータ４３によって、前記測量装置３３が水平方向に回転される。

該測量装置３３は、鉛直回転軸４４を介して前記托架部３７に支持され、前記測量装置３３は前記鉛直回転軸４４を中心に鉛直方向に回転自在となっている。

前記鉛直回転軸４４の一端には、鉛直回転ギア４５が嵌合、固着され、該鉛直回転ギア４５にはピニオンギア４６が噛合している。該ピニオンギア４６は前記托架部３７に設けられた鉛直モータ４７の出力軸に固着されている。該鉛直モータ４７が駆動されることで、前記ピニオンギア４６が回転され、更に前記鉛直回転ギア４５、前記鉛直回転軸４４を介して前記測量装置３３が鉛直方向に回転される。

又、前記鉛直回転軸４４と前記托架部３７との間には、鉛直角（前記鉛直回転軸４４を中心とした回転方向の角度）を検出する鉛直角検出器４８（例えばエンコーダ）が設けられている。該鉛直角検出器４８により、前記測量装置３３の前記托架部３７に対する鉛直方向の相対回転角が検出される。

前記水平モータ４３、前記鉛直モータ４７は、第１モータドライバ５７（後述）によって駆動され、該第１モータドライバ５７を介し、制御部としての演算制御部５４（後述）によって所要のタイミングで所要の回転量となる様に駆動制御される。

前記水平モータ４３の回転量（即ち、前記托架部３７の水平角）は、前記水平角検出器３９によって検出される。前記鉛直モータ４７の回転量（即ち、前記測量装置３３の鉛直角）は、前記鉛直角検出器４８によって検出される。

而して、前記測量装置３３の水平角、鉛直角はそれぞれ、前記水平角検出器３９、前記鉛直角検出器４８によって検出され、検出結果はそれぞれ前記演算制御部５４に入力される。尚、前記水平モータ４３と前記鉛直モータ４７とによって回転駆動部が構成される。

前記水平角検出器３９と前記鉛直角検出器４８とにより、前記測量装置３３の鉛直回転角及び水平回転角を検出する角度検出部、即ち方向角検出部が構成される。

図１１により前記測量装置３３について更に説明する。

該測量装置３３は、主に、測距部５１、追尾部５２、測定方向撮像部５３、前記演算制御部５４、本体記憶部５５、前記傾斜検出装置１、測定方向検出部５６、前記第１モータドライバ５７、第２モータドライバ５８、画像処理部５９、表示部６０、光軸偏向部６１を具備している。これらは筐体６２に収納され、一体化されている。

又、前記傾斜検出装置１の前記外フレーム２は、前記筐体６２に固定されるか、或は該筐体６２に固定された構造部材に固定され、前記筐体６２即ち前記測量装置３３と一体となっている。

前記演算制御部５４としては本実施例に特化されたＣＰＵ、或は汎用性ＣＰＵ、埋込みＣＰＵ、マイクロプロセッサ等が用いられる。又、前記本体記憶部５５としてはＲＡＭ、ＲＯＭ、ＦｌａｓｈＲＯＭ、ＤＲＡＭ等の半導体メモリ、ＨＤＤ等の磁気記録メモリ、ＣＤＲＯＭ等の光学記録メモリが用いられる。又前記演算制御部５４の一部の機能を前記演算処理部１９として割当ててもよい。

前記本体記憶部５５には、本実施例を実行する為のプログラム、例えば測距プログラム、追尾プログラム、画像処理プログラム、光軸偏向制御プログラム、前記傾斜検出装置１のキャリブレーションを実行する為のプログラム等の種々のプログラムが格納されている。前記演算制御部５４は、格納された前記プログラムを展開し、実行する。又、前記本体記憶部５５には、測定データ、画像データ等の種々のデータが格納される。

前記演算制御部５４は、前記第２モータドライバ５８を介して前記光軸偏向部６１を制御する。更に前記光軸偏向部６１を介して測距光軸２８の偏向を制御し、前記測距部５１、前記追尾部５２の統合制御、測距、撮像、追尾の同期制御等を行う。

前記傾斜検出装置１は、前記測量装置３３の水平又は鉛直に対する傾斜を検出し、検出結果は前記演算制御部５４に入力される。又前記傾斜検出装置１として、傾斜を検出するセンサとしては例えば加速度センサが用いられており、該加速度センサは所定時間間隔で、或は連続的にキャリブレーションが実行される。従って、前記傾斜検出装置１は検出精度が維持されている。

前記追尾部５２の光軸はミラー６５，６６によって偏向され、前記測距部５１の光軸と合致する。以下、合致した光軸を測距光軸２８とする。

該測距光軸２８上に前記光軸偏向部６１が配設される。該光軸偏向部６１の中心を透過する真直な光軸は、前記基準光軸Ｏとなっている。該基準光軸Ｏは、前記光軸偏向部６１によって偏向されなかった時の前記測距光軸２８と合致する。

尚、前記光軸偏向部６１としては、特許文献２、特許文献３、特許文献４に開示されたものを使用することができる。

以下、該光軸偏向部６１について略述する。

該光軸偏向部６１は、光学プリズムで構成された一対のディスクプリズム７１，７２を具備する。該ディスクプリズム７１，７２は、それぞれ同径の円板形であり、前記測距光軸２８上に該測距光軸２８と直交して同心に配置され、所定間隔で平行に配置されている。前記ディスクプリズム７１，７２はそれぞれ前記基準光軸Ｏを中心に回転可能に設けられており、各ディスクプリズム７１，７２はそれぞれモータによって個別に且つ独立して回転される様構成され、モータは前記第２モータドライバ５８によって駆動され、該第２モータドライバ５８を介して前記ディスクプリズム７１，７２の回転角、回転方向、回転速度等が前記演算制御部５４によって制御される様構成されている。而して、前記ディスクプリズム７１，７２の回転を制御することで、前記基準光軸Ｏを基準として０°から最大偏角（例えば±２０°）迄の任意の角度に前記測距光軸２８を偏向することができる。

前記測距部５１は、光波距離計としての機能を有し、測距光６７を測定点、或は測定対象に射出し、測定点、或は測定対象からの反射測距光６８を受光し、測距光の往復時間に基づき光波距離測定を実行する。

又、前記光軸偏向部６１により前記測距光軸２８を偏向することで、測定点への視準、測定点の変更が行われる。

前記光軸偏向部６１による前記測距光軸２８の変更により、前記基準光軸Ｏを固定した状態で（即ち、前記測量装置３３を固定した状態で）前記光軸偏向部６１の変更範囲内の測定が可能となる。

更に、前記測距光６７を連続して照射しつつ、前記ディスクプリズム７１，７２を連続的に駆動し、連続的に偏向することで、前記測距光６７を所定のパターンで２次元スキャンさせることができる。又、前記測距光６７をパルス発光させ、パルス光毎の測距を行うことで、スキャン軌跡に沿った点群データを取得することができる。

前記測定方向検出部５６は、前記ディスクプリズム７１，７２のそれぞれの回転角を検出し、前記測距光軸２８の測定方向（視準方向）、即ち前記基準光軸Ｏに対する前記測距光軸２８の偏向角、偏向方向をリアルタイムで検出する。従って、測距時の前記基準光軸Ｏに対する前記測距光軸２８の角度、方向が検出（測角）できる。

測定方向検出結果（測角結果）は、測距結果に関連付けられて前記演算制御部５４に入力され、該演算制御部５４は測距結果、測角結果とを関連付けて前記本体記憶部５５に格納する。

前記追尾部５２を作動させることで、移動する測定対象を追尾しつつ、測定対象の測定を行うことができる。

前記追尾部５２は、前記測距光軸２８と同光軸で追尾光を射出し、測定対象からの反射追尾光を追尾部の受光素子（図示せず）で受光し、反射追尾光の受光素子上の基準位置との偏差を求め、前記演算制御部５４が該偏差を０とする様、前記光軸偏向部６１による前記測距光軸２８の偏向を制御することで追尾が実行される。

又、前記測距部５１は追尾動作と平行して測距を行うことで、移動中の測定対象についてリアルタイムで測定を行うことができる。

前記測定方向撮像部５３は前記基準光軸Ｏと既知の関係、即ち、前記測定方向撮像部５３の撮像光軸７５は前記基準光軸Ｏと平行で光軸間の距離が既知となっている。又、前記測定方向撮像部５３は、前記光軸偏向部６１の最大偏角（例えば±２０°）よりも大きい画角、例えば５０°～６０°の画角を有するカメラであり、前記光軸偏向部６１による最大偏向範囲を含む画像データを取得する。又、前記測定方向撮像部５３は、動画像、又は連続画像が取得可能である。

前記測定方向撮像部５３の撮像素子は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、前記撮像光軸７５を原点とした座標系での画素座標を有し、該画素座標によって画像素子上での位置が特定される。更に、前記撮像光軸７５と、前記追尾光軸、基準光軸Ｏとは既知の関係となっている。

前記画像処理部５９は、前記測定方向撮像部５３で取得した画像データについて、エッジ抽出処理、特徴点の抽出、測定対象の検出、画像トラッキング処理、画像マッチング等の画像処理を行い、又画像データから濃淡画像を作成する。

前記表示部６０は、前記測定方向撮像部５３により取得した画像を表示し、測定状態、測定結果等を表示する。尚、前記表示部６０をタッチパネルとして操作部と兼用してもよい。

以下、本実施例に係る測量装置システム３１をトータルステーションとして使用する場合の作用について説明する。

前記測量装置３３を前記三脚３２を介して既知点（３次元座標が既知の点）に設置する。

前記測量装置３３は前記傾斜検出装置１を有している。該傾斜検出装置１により、前記測量装置３３の水平に対する設置姿勢（傾き）を検出できる。この為、前記測量装置３３の整準作動は必要ない。測定結果を、検出された傾きで補正することで、正確な測定結果が得られる。

前記基準光軸Ｏを測定対象（測定点）に向ける。

前記基準光軸Ｏを測定対象（測定点）に向ける方法としては、前記測距光軸２８を前記基準光軸Ｏに合致させ、即ち、前記光軸偏向部６１で前記測距光軸２８を偏向させない状態で、前記基準光軸Ｏを測定対象に視準させる。視準した状態は、前記測定方向撮像部５３が取得した画像が前記表示部６０に表示され、作業者が画像から確認することができる。

前記測量装置３３を固定した状態で前記光軸偏向部６１を作動させ、前記測距光軸２８を偏向させ最終的に測定点に視準させる。この時の、前記基準光軸Ｏに対する偏角、偏角の方向は前記ディスクプリズム７１，７２の回転角に基づき前記測定方向検出部５６によって検出される。

前記測距光軸２８が測定点に視準された時点で測距が行われ、測距時の前記測距光軸２８の方向角が、前記水平角検出器３９、前記鉛直角検出器４８、前記測定方向検出部５６の検出結果に基づき演算され、測距値と方向角とで測定点の３次元座標が測定される。

尚、前記測量装置３３が水平に対して傾斜している場合は、傾斜角が前記傾斜検出装置１によって検出され、前記測定された３次元座標が前記傾斜角に基づき補正される。

測定点が複数ある場合は、順次前記測距光軸２８が測定点に視準され、測定が実行される。測定点の測定結果は、測定点と関連付けられて前記記憶部２３に格納される。

又、前記測量装置３３の静止状態で前記傾斜検出装置１に対して、所定時間間隔でキャリブレーションが実行され、前記傾斜検出装置１の前記傾斜センサ２１のドリフトが修正される。

上記した測定作動は、静止した測定点を視準して１点、１点測定し、３次元座標を求めている。

次に、測設等、測定対象を追尾しつつ測定を実行する場合について説明する。ここで、測定対象はプリズム等、再帰反射性の光学部材であり、測定対象により測定点が示される。

前記追尾部５２は、追尾光を射出し、光学部材からの反射光を受光し、受光結果に基づき追尾を行う。尚、前述した様に、追尾光軸は前記測距光軸２８と合致しているので、前記測距部５１も光学部材からの反射測距光を受光しており、光学部材の移動中リアルタイムで光学部材（測定対象）の測定が行われる。

追尾中の前記測距光軸２８の測定対象への追尾は、先ず前記光軸偏向部６１によって実行される。測定対象の移動範囲が前記光軸偏向部６１の偏向範囲内である場合は、前記測量装置３３自体の向きは固定でもよい。

或は、先ず前記光軸偏向部６１により前記測距光軸２８を偏向して測定対象を視準し、視準した状態を維持したまま、前記基準光軸Ｏと前記測距光軸２８間の偏角、偏向方向が０となる様、前記水平モータ４３、前記鉛直モータ４７を駆動し、前記測量装置３３本体を回転させてもよい。

前記基準光軸Ｏと前記測距光軸２８間の偏角、偏向方向が０となる様、前記水平モータ４３、前記鉛直モータ４７を駆動制御することで、前記光軸偏向部６１の偏向範囲を超えた広い範囲での追尾が可能となる。

追尾動作に於ける、前記測距光軸２８の偏向は、前記ディスクプリズム７１、前記ディスクプリズム７２それぞれの回転によって生ぜられ、前記ディスクプリズム７１，７２は小型、軽量であり、モータによって高速に、又、高応答性で回転されることが可能である。従って、追尾動作の応答性の向上、追尾速度の高速化が可能であり、高速で移動する測定対象に対して追従性が向上する。

又、追尾動作中も前記傾斜検出装置１により傾斜が検出されており、該傾斜検出装置１が傾斜を検出すれば、検出結果により前記測量装置３３による測定結果はリアルタイムで補正される。

尚、測定対象の移動が遅い場合は、即ち、前記測量装置３３が前記測定対象の移動に追従可能な場合は、前記基準光軸Ｏと前記測距光軸２８とが合致した状態で追尾が行われる。

上記実施例では、前記測量装置３３を前記三脚３２に固定した場合を説明したが、前記測量装置３３単体を作業者が保持、携帯し、測定点の測定を行うことができる。

作業者が携帯した状態では、前記測量装置３３の姿勢は不安定であり、測定点に向けられた前記測距光軸２８もブレるが、前記光軸偏向部６１によって高速で前記測距光軸２８を偏向させ、測定点の追尾が可能であるので、手ブレがあった状態でも前記測距光軸２８を正確に測定点に向けることができ、精度の高い測定の実行が可能である。更に、前記測量装置３３の傾斜（姿勢）は前記傾斜検出装置１によってリアルタイムで検出され、該傾斜検出装置１の検出結果に基づき前記光軸偏向部６１が前記演算制御部５４によって制御されることは言う迄もない。

更に、作業者が前記測量装置３３を携帯した状態でも測定対象の追尾が可能である。

又、上記説明では、測量装置システム３１をトータルステーションとして説明したが、前記光軸偏向部６１のディスクプリズム７１，７２をそれぞれ連続的に回転し、更に回転速度、回転方向をそれぞれ個別に制御することで任意のパターンで前記測距光軸２８を走査することができ、更に、スキャン中パルス光毎に測距を行えば、スキャン軌跡に沿って点群データを取得でき、前記測量装置３３をレーザスキャナとしても使用することができる。

上記した様に、前記ディスクプリズム７１と前記ディスクプリズム７２の回転を個別に制御することで種々の２次元のスキャンパターン、方法を実現することができる。

尚、上記説明では実施例に係る傾斜検出装置１を測量装置３３に設けた場合を説明したが、傾斜を測定する傾斜検出装置１単体として実施してもよい。

又、上記傾斜検出装置を搭載する測定装置は、図９～図１１に示した装置に限らず、一般的なトータルステーションや３Ｄレーザスキャナでもよい。

１傾斜検出装置
２外フレーム
３内フレーム
４傾斜検出ユニット
１１第１モータ
１２第１エンコーダ
１６第２モータ
１７第２エンコーダ
１９演算処理部
２１傾斜センサ
２３記憶部
２４入出力制御部
２８測距光軸
３１測量装置システム
３３測量装置
３４設置台ユニット
３９水平角検出器
４３水平モータ
４７鉛直モータ
４８鉛直角検出器
５１測距部
５２追尾部
５３測定方向撮像部
５４演算制御部
５５本体記憶部
６１光軸偏向部

Claims

外フレームの内部に内フレームが設けられ、該内フレームの内部に水平からの傾斜を検出する傾斜センサを有する傾斜検出ユニットが設けられ、前記内フレームは前記外フレームに第１軸を介して回転自在に支持され、前記傾斜検出ユニットは前記第１軸と直交する第２軸を介して前記内フレームに回転自在に支持され、前記第１軸に前記外フレームと前記内フレーム間の回転角を検出する第１エンコーダが設けられ、前記第２軸に前記内フレームと前記傾斜検出ユニット間の回転角を検出する第２エンコーダが設けられ、各軸をそれぞれ回転させる様、各軸にそれぞれ設けたモータと、前記傾斜センサからの検出結果に基づき前記各モータをそれぞれ駆動制御する演算処理部とを具備し、
該演算処理部は、前記傾斜センサが傾斜を検出して発する信号に基づき該傾斜センサが水平を検出する様、前記各モータの駆動量を演算し、前記第１エンコーダ、前記第２エンコーダの検出結果に基づき前記各モータを演算された駆動量となる様駆動し、前記傾斜センサが水平を検出した時の前記第１、第２エンコーダの出力に基づき前記外フレームの傾斜をリアルタイムで演算する様構成され、
前記演算処理部は、前記傾斜センサからの検出結果に基づき傾斜検出装置の静止状態を判断し、前記第１軸、第２軸に関して、前記各モータを駆動し、それぞれのエンコーダの検出結果に基づき前記傾斜検出ユニットを少なくとも一回１８０゜反転させ、反転前後の前記傾斜センサが出力する検出信号に基づき反転前後の傾斜角の差の１／２を傾斜角として求め、ドリフト成分を除去するキャリブレーションを実行する様構成された傾斜検出装置。
前記傾斜センサは加速度センサである請求項１に記載の傾斜検出装置。
前記演算処理部は、前記傾斜検出装置の外フレームの静止状態で前記第１軸、第２軸の少なくとも一方の軸に関して、該一方の軸のエンコーダの出力に基づき前記傾斜検出ユニットを９０゜回転させ、更に他方の軸に対して前記傾斜検出ユニットを１８０゜反転させ、反転前後の前記傾斜センサが出力する検出信号に基づき前記傾斜センサのキャリブレーションを実行する様構成された請求項２に記載の傾斜検出装置。
前記演算処理部は、前記傾斜検出装置の外フレームの静止状態で前記傾斜検出ユニットを、ａ）前記第１軸を中心に９０゜回転し、ｂ）次に第２軸を中心に９０°回転し、ｃ）次に第１軸を中心に９０゜回転し、ｄ）次に第２軸を中心に９０゜回転し、ｅ）次に第１軸を中心に９０゜回転し、ｆ）次に第２軸を中心に９０°回転し、ｇ）次に第１軸を中心に９０°回転し、ｈ）次に第２軸を中心に９０°回転し、前記傾斜検出ユニットを各軸に関し同方向に９０゜ずつ回転する過程で前記第１軸、第２軸について前記傾斜検出ユニットがそれぞれ１８０゜反転する前後の前記傾斜センサの検出信号に基づき前記第１軸、第２軸の前記傾斜センサのキャリブレーションを実行し、又前記第１軸、第２軸に直交する第３軸について１８０゜反転する前後の前記傾斜センサの検出信号に基づき前記第３軸についてのキャリブレーションを実行する様構成した請求項２に記載の傾斜検出装置。
測量装置は光波距離測定を行う測距部と、測距光軸を偏向し、測距光を測定点に視準させる光軸偏向部と、測距光軸の視準方向を検出する測定方向検出部と、請求項１～請求項４のいずれかの傾斜検出装置と、演算制御部とを具備し、該演算制御部は、前記測距部の測距結果と、前記測定方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元座標を取得し、又前記傾斜検出装置の検出結果に基づき水平に対する３次元座標に変換する様構成された測量装置。