JPH06506297A - 空間位置決めシステム - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 空間位置決めシステム 発明の属する分野 本発明は空間位置決めシステムに関するものであり、更に詳細には、３個以上の 固定参照量システムと１１以上の可搬位置センサとを使用する、物体の３次元位 置を提供し、その物体の位置調整のためのフィードバックを備える空間位置決め システムに関する。

発明の背景 三角測量法はよく知られた位置決定方法である。三角測量法の基本的な前提は以 下のとおりである。即ち、３つの辺と３つの内角との合計６つの測定項目を有す る三角形が与えられていて、これら測定対象のうち３つが既知であるときには、 残りの３つの未知の測定項目は導びき出すことが可能であるということである。

再区画法もまたよく知られた位置決定方法である。再区画法は三角測量位蓋決め 法の特殊な応用である。再区画法の基本的な前提は以下のとおりである。即ち、 位置が既知である３つの点と位置が未知である１つの点とが与えられていて、３ つの位置が既知である点と１つの位置が未知である点とを結ぶ線同士のなす角も また既知であるときには、未知の１点の座標を計算できるということである。

「移動ロボットの位置決めシステムの設計と開発」と題された学位論文（セオド ア・スコツト・ラバポート著、１９８４年１２月発行）には、２つの位置決定方 法が開示されている。ラバボートの第１の方法（以下、　「方法１」という）は 再区画法と呼ばれる三角測量法の特殊な応用である。その位置決めシステムは３ つの既知の位置に置かれた光ビーコンと一定の角速度で回転する回転検出ヘッド とを利用する。その回転検出ヘッドは未知の位置にある移動ロボットに取り付け られる。３つの光ビーコンと回転検出ヘッドとの間を結ぶ線がなす角は、時間測 定を通じて決定される。水平に回転するヘッドに位置される光検出器が水平面を 走査する光検出器として光ビーコンを検出するたびに、コンピューターが時間測 定を行う。各ビーコンが光検出器を励起するたびに時間測定が得られる。

個々のビーコンの識別が位置の決定のために必要であり、これは各ビーコンに他 の２つのビーコンとは異なる変調をかけておくことにより達成される。かかる方 法１による典型的な移動ロボットと位置決めシステムが構築されている。±１０ ０ｍｍ以内の精度が「あいまいゾーン」以外では得られている。「あいまいゾー ン」とは、隣接するビーコンの相互角が３０６以下である領域と定義されている 。

ラバボートにより開示された第２の位置決め方法（以下、　「方法２」という） は、回転する光ビーコンが既知の位置に固定され、可搬の光検出器が移動ロボッ トに取り付けられるものである。

ラバボートにより開示された方法１及び方法２はいずれも、Ｘ＋　７位置決めシ ステムとしてのみ作動しつる。方法１は移動ロボット上の回転機構のタイミング を利用する。この回転機構は非常に安定な架台を必要とし、この架台は移動ロボ ットの動きを調節し水平面を保証するものであり、こうしてＺ軸が可変であるよ うな測定へのシステムの適用性を制限するのである。方法２にはｚ軸の制御が制 限されるという問題があり、また、固定局と可動局との時間の同期が明確には提 供されない。

ダイク氏によるアメリカ合衆国特許第４，７００．３０１号には、予め決められ たコース上を移動する自動的に操舵する農業用車両が開示されている。これを達 成するため、ダイクは車両の現在位置と動きの方向とを検知する手段を開示して いる。現在位置と方向とは、予め決められたコースと比較され、その差違を補償 するため操舵角が調整される。

更に詳しく言えば、ダイクは車両上の回転架台上に狭小な光ビームを発するレー ザーと光学的に配置された方向性光検出器を取り付けることも開示している。

車両が操作される場所の周辺の参照点には逆反射器が据え付けられている。レー ザー光が逆反射器に当たると、反射光が検出され当たった回数に一致する計数を コンピューターが記録する。この計数値により車両の位置が決定される。

更に、ダイクは、２箇所の参照点に設けた一定角速度で回転するレーザーを使用 して、そして第３の参照点に位置する車両に検出信号を伝達するための無線送信 器とすべての方向の光を使用して、車両の位置を決定できることが開示されてい る。反射光が検出されると、当たった回数に一致する計数をコンピューターが記 録する。この計数値により車両の位置が決定される。

ダイクが開示したのは、ｘ−ｙ面内での車両の位置のみを決定する方法である。

それによればｘ−ｙ面に垂直な軸、即ちＺ軸の位置は全く提供されない。更に、 この方法は、適用が比較的平坦な場所に限られるという弱点がある。

デヴイッドソン氏らによるアメリカ合衆国特許第４，８２０．０４１号は、測量 及び整地のための位置検知システムを開示している。そのシステムは２つのレー ザー参照部を含んでおり、それぞれがレーザービームの発射により測量しようと する範囲を定期的に掃引する。レーザービームが相手方の参照層に当たるたびに 、その参照層によりタイミング信号が無線で発せられる。よって、各参照層は互 いに他の参照層と視線で結ばれている必要があり、従ってすべての参照層は本質 的に同高度になければならない。そのシステムはまた、レーザービーム受光器と 無線受信機とプログラムされたコンピューターとを有する可搬の検知間を含んで いる。参照層に対する検知間のｘ−ｙ面内での相対位置は、検知したレーザービ ームと受信した無線信号との相互タイミングに基づき計算される。検知間の２軸 位置、即ち高度は、１つのレーザービームがレーザービーム受光器に当たった高 さに基づき決定される。

デヴイッドソンらにより開示されたシステムは、いくつかの問題を有している。

デヴイッドソンら自身もその特許のコラム２４で認めているように、そのような レーザー参照部を３個、必須要件として、カバーできる範囲を散着しシステムの 正確さのために必要とすることである。そのような３１１のレーザー参照部を適 正に配置して使用することにより、測定があいまいな域（内角が非常に小さくレ ーザービームの検知間における交点が直線に近づくような２つの参照層の間で発 生する）を排除できる。第３の参照層の結合は記載されておらず、デヴイッドソ ンらはいかにしてこれをなすのがタイミングデータを活性化するのに参照局間の 視線の必要性の観点からは開示していない。更に、デヴイッドソンらはいかにし て可搬検知局が個々の参照層がら来るレーザービームを識別するのか、これが位 置の計算に必要であるのに開示していない。かかる識別は、現実のシステムでは 最低限３つのレーザー参照部を要し、特に第３のレーザービームは、識別を大幅 に複雑にするので、やっかいな問題である。

デヴイッドソンらが開示している可搬検知局の４６１面線形配列配出器は、その ４個面綴形配列検出器を２軸沿いに上昇又は下降させる機構なくしてその線形配 列の長さへの縦方向の位置を制限している。加えるに、４個面線形配列検出器か らの情報を取り扱うために要求されるその電子回路は複雑である。４個面線形配 列検出器を有するデヴイッドソンらのシステムで達成できる縦方向の精度は、こ この線形配列検出素子の高さの関数であり、この高さは、レーザービームを検出 するのに受光感度が充分よい面を向ける必要から最低限の高さに制限される。そ のシステムの水平面（ｘ、ｙ）内の精度はデヴイッドソンらにより開示されてお り、４個面線形配列検出器の個々の検出器の、可搬の検知間の計算される実際の 中心位置からの距離により制限される。

更に、デヴイッドソンらが開示するシステムでは、各レーザービームをレーザー とそのレーザーに対応する参照光検出器とを含む特定の面内に配置する必要があ る。こうして、デヴイッドソンらが開示するシステムの測定精度は、大部分、可 搬の検知間の固定の参照層からの距離に依存することとなる。そして、全域に渡 って使用に耐える正確さを得るには２以上の多い参照層が必要となるような大き な非平坦面（たいていの建設現場はそうである）に対して、そのシステムをいか にして適用したのかは開示されていない。

更に言えば、デヴイッドソンらが開示する可搬の検知間のすべての座標（Ｘ＋ｙ ＋ｚ）の決定されうる範囲は、両方の回転するレーザービームが４側？Ｉｌｌ列 配列検出器に当たる面内に限定される。

発明の要旨 本発明は、最低３つ（好ましくは４つ）の固定参照部を利用して、１つ又は多数 の可搬の位置センサーの位置を決定する空間位置決めシステムを提供する。各固 定局は、レーザーとストロボ伝達機とを含むのが望ましい。レーザーは、予め決 定された発散と広がりとを有するレーザービームを発生し、広がりと垂直な方向 に一定の各速度で回転される。その広がりのあるレーザービームが回転中の特定 の点を通過するたびに、ストロボ伝達機がトリガされ、パルスが出力される・回 転中のこの点は、　「回転基準」と称される。　「回転基準」はこうして、池の 固定局とは無関係に、対応する固定局内に任意に選択された「発動」又は「トリ ガ」綴として定義される。ストロボ伝達機としては、光パルスを出力するタイプ のもの（光ストロボ伝達機）であってもよく、または、電波パルスを出力するタ イプのもの（電波ストロボ伝達機）であってもよい。

水平のものと垂直のものとの２種類の固定局があるのが好ましい。水平の固定局 においては、レーザービームは水平面内に回転される。垂直の固定局においては 、レーザービームは垂直面内に回転される。好ましくは、少なくとも３つの水平 の固定局と１つの垂直の固定局を用い、全領域に渡りｘ、ｙ、ｚの位置決めを確 実にするのがよい。

もう１つの空間位置決めシステムによれば、３つの固定局にて３次元の位置決め に適用でき、従来のシステムにおけるようなあいまい領域が発生する可能性もな い。固定局からの回転レーザービームによりカバーされるすべての点について、 単一の解が存在する。選択された軸は、測定される領域が固定局から出力される それぞれの広がりのあるレーザービームによりカバーされるような軸である。

可搬の位置センサーは、光検出器とコンピューターとディスプレーを備えるのが 好ましい。光検出器は、水平面内に位置される所定の厚さの平坦なディスクであ って、周辺縁部が光検出面でカバーされているものがのぞましい。レーザービー ムかストロボパルスかがあたると、検出器は電気的パルスを発生しコンピュータ ーに送る。光ストロボパルス伝達器のかわりに電波ストロボパルス伝達器が使用 されている場合、可搬の位置センサーには、電波ストロボパルスを受けたときに 電気的パルスを発生してコンピューターに送る電波受信器をも備える。いったん コンピューターが受け入れると、それぞれの固定局からの時間ラベルが付され、 記録された２つのストロボパルスと中間のレーザーパルスによりコンピューター は検出器の３次元位置を決定し、操作者が域内の位置を決定するためにディスプ レー上にその情報を提供する。可搬の位置センサーの水平面内の位置は、回転レ ーザービームの時間情報と水平固定局のストロボ信号とにより決定される。可搬 の位置センサーの垂直位置は、上記のように計算される固定局システムとの水平 距離を使用する三角法アルゴリズムと、回転レーザービームの時間情報により計 算される角度と、垂直の固定局システムからのストロボ信号とにより発生される 。

その情報は、機器のコントロールのための位置情報を提供する機械化された装置 の製作者に表示されることができ、または機器の自動コントロールのための自律 コントロールシステムに送られてもよい。

更に本発明は、水があまり濶っていなければ水面下の測量にも好適に使用される 。

こうして従来の技術では、単純な幾可近似しかできなかったのに対し、本発明の 空間位置決めシステムでは、放物線状や双曲線状のような複雑な形状をも地なら しや、フアプリケーションのような操作で創り出すことができる。

各固定局の回転基準は独立のものであり、即ち各回転基準は、その各別の局につ いて独自に決定されるものであり、また回転基準に対応する信号はその同じ固定 検出器で発生されるものであるから、多数の固定検出器は反対側の参照局のレー ザービームを整列される必要もなく、迅速にセットアツプすることができる。

更に固定局は、相互に同じ高度にある必要もない。

本発明では、ｘ、ｙ、ｚ位置の測定に水平の固定局からの広がりのあるレーザー ビームを使用して単一の解を提供し、２方向の変化（高さ）が大きい中でＸ。

ｙ位置を正確に決定しようとする。そこでは検出器の線状配列は要求されていな い。量水の垂直高さの要求はなく、簡単で平坦な環状の検出器が好ましいとされ る。これは可搬の位置センサーに、簡単なレーザー検出器を取り付けるためであ る。

本発明は、２次分の決定に単一の解を与える。その解は、垂直の固定局を使用し ている。垂直の固定局は、垂直面内で広がりのあるレーザービームを回転させて いる。広がりのあるビームが可搬の位置センサーに当り、独立の回転基準を通し て、ビームが当たった時刻の差と、回転基準とが水平面内の内角を提供する。ｘ −ｙ位置が水平の固定局について行なわれた測定により既知であるから、２次分 の決定は、ｘ−ｙ成分の決定と同一の比精度をもって行なうことができる。

環状検出器は、レーザービームが交錯するときにパルスを出力するものであり、 そのピークは一貫して可搬の位置センサーの中心を交差するレーザービームと対 応する。適度な感光性ある材料を、周辺縁部に配置した若干の厚みをもつ円板状 の検出器が理想的ではあるが、多数の側面又はファセットを有する多角形の検出 器を、円板状検出器の好適なかわりに用いてもよい。

本発明では、各固定局を単一の回転率で回転させることにより、可搬の位置セン サーにあたるレーザービームの発生元を識別する。こうしてコンピューターは、 特定の固定局からのレーザービーム又はストロボパルスが到着すると期待される ときに、　１時間のウィンドウ」を設定する。コンピューターは絶えず時間のウ ィンドウを調整して、可搬の位置センサーの動きと回転モーターの回転率のドリ フトとに追従する。或いはレーザービームは異なる比率での波長の変調により識 別されるものや、または、波長をかえたレーザーを使うことにより識別されるも のであってもよい。

一つの機器に多数の可搬検出器を用いることにより、位置と姿勢とを決定するこ ととしてもよく、こうすれば操縦者にはさらによい情報が提供される。特別に設 計された図示的、組織的、数値的情報が操作者に散着された生産効率性を許すた めに、また、複雑な操作を要求する配置測量の量をも制限するために提供される 。

本発明のもう一つのシステムによれば、各固定局は一組又は、多数の組の反対向 きに一定速度で回転するレーザービームの組を発生する。逆回転するレーザービ ームを発生させる方法としては、反射面を用いるやり方と、多数の回転ヘッドを 用いるやり方とがある。本発明では、この２つの方法について特定して説明する が、逆回転するレーザービームを発生する方法として、別に優れた手段があれば それによってもよい。

上８己実施例に具体的に示したように、逆回転レーザービームシステムにおいて は、各固定局がレーザーを備えるのが好ましい。そのレーザーは、１次レーザー ビームを発生し、それはある軸のまわりに一定の角速度で回転されるものである 。

１次レーザービームは、予め決定された発散角、または垂直軸から予め決定され た角度で傾斜する広がり角を有する。各固定局はまた、反射面をも有するのが好 ましく、これは１次レーザービームの回転面内に固定されるものである。１次レ ーザービームが回転してビームが反射面に当たると、２次レーザービームが発生 する。２次レーザービームは、１次レーザービームと等しい発散と、傾斜とを有 し、反対向きに回転する。或いは１次と２次との２つの回転するレーザービーム が逆向きに同期回転して使用されるものであってもよい。この場合、２次レーザ ービームは回転ヘッドから直接発生されるものであり、前記の場合のような１次 レーザービームを反射面で反射して発生される２次レーザービームに取ってかわ る。

１次と２次との２つのレーザービームが交差するどの点においても、水平面内角 は、１次レーザービームと２次レーザービームとがあたる時刻の差から決定され る。一旦、３つの固定局についてかかる水平面内角が既知となれば、この３つの 面で仕切られる内部の点と、そしてその点の３次元位置が決定される。

可搬の位置センサーは、光検知検出器（以後「検出器」という）と、コンピュー ターと、表示装置とを有するのが望ましい。この例では、検出器は好ましくは３ ６０″円錐レンズまたは「アクシコン」を有するのがよく、これは光検知検出器 に入ってくる光に対向するものである。検出器は更に、コリメータ、コンデンサ 、光フィルタと光検知器とを有してなるのが好ましく、これらはすべて−軸上に 配されるものである。

検出器は、レーザービームが当たると、電気的パルスを発生する。このパルスは コンピューターに送られる。コンピューターは受けた各パルスに時間ラベルを付 し、これはレーザービームが検出器に当たった時刻に対応する。いったんコンピ ューターが各固定局からの１次パルスと２次パルスを受け入れ、時間ラベルを付 し記録すると、検出器の３次元位置の決定が可能となり、その情報は表示装置を 介して操作者に提供され、または、対応する情報を自律機能を制御する別のコン ピューターへ直接転送してもよい。

更に別の例は、各々が２本の１次レーザービームを発生するように構成される固 定局（以下「デュアルビーム局」という）を２基有する。２つの１次レーザービ ームは、−軸のまわりに回転される。各ビームは特定面内に予め決められた発散 を有し、これらの面は垂直軸に対し、それぞれ異なる角度で傾斜している。２つ の１次レーザービームは幾分かの水平面内角をもって分離されており、これによ り２つの１次レーザービームが、空間中の特定点を通過する時刻の差が生じる０ 本例は前出の例で述べた反射面もまた、有している。反射面によりそれぞれ対応 する１次レーザービームと、等しい傾斜角を有し、しかし逆回転する２次レーザ ービームが発生される。

前出した先の例におけると同様、可搬の位置センサーへの水平面内角は、検出器 への１次レーザービームと対応する２次レーザービームとの到達時刻の差で決定 される。垂直角は２本の１次レーザービームが可搬の位置センサーに当たる時刻 の差より決定される。水平面内角と垂直角との双方が、各デュアルビーム局によ り決定されるので、デュアルビーム局は２基あれば、可搬の位置センサーの３次 元位置情報を提供できる。

更に別の空間位置決め装置は、たった１つのデュアルビーム局でもって、３つの 検出器を有する可搬の位置センサー（以下「ベースライン位置センサー」という ）の位置決めをする。３つの検出器は、−軸上に既知の距離間隔をもって配され 、ベースラインを形成する。ベースラインとの水平面内各と、３つの検出器の各 垂直角とは、前出の例におけると同様に決定される。

しかしながら、本例の方法ではペースラインーセンサーとデュアルビーム局との 距離は、各垂直角と検出器の既知の距離とを使用する逆再区画法によって、決定 することができる。こうして公知方法では未知の点を固定ベースラインから発見 するのに対し、本方法では垂直なベースラインの位置を既知の点から発見する。

水平面内角、垂直角、そしてベースライン位置センサーとデュアルビーム局との 距離が、その位置の３次元極座標をなす。極座標は容易に直角座標に変換できる 。

本発明の一つの重要な応用は、統合的な位置情報を３次元設計環境に使用するこ とである。図示表示の形での電子的なデータは、ここに開示する位置決めシステ ムにより提供される実際の位置情報とともに、統合されることができる。これに より、図示的な、組織的な、数値的な位置情報が、特定のユーザーのためにデザ インされたフォーマットにより、同時性をもってユーザーに出力されることが可 能となるものである。

本発明のもう一つの重要な応用は自動車両の案内である。１つの機器に多数の可 搬の位置センサーを使用することにより、姿勢（ピッチ（前後傾）、ロール（横 領）、ヨー（偏走））と、直角座標の位置情報が得られる。その情報をデザイン の電子データベースに統合すると、自動車両は、１次視システムを要さずして特 定の場所にて仕事をすることができる。むろん、誤って配置された期待されない 物体をさがすのに２次視システムを使用してもよい。ががる２次視システムによ るものでもよく、例えば音響ナビゲーションシステムや、低分解能カメラシステ ム等が考えられる。

図面の簡単な説明 本発明の上記の構成は、以下の添付図面に示される。

図ＩＡは、本発明に係る実施例における水平位置検知及び位置決めの概略図であ る。

図ＩＢは、本発明係る他の実施例における３次元位置検知及び位置決めの概略図 である。

図２は、本発明に係る実施例で、図ＩＡに示したものにおける、垂直位置検知及 び位置決めの概略図である。

図３は、図１及び図２に示す水平及び垂直位置検知及び位置決めを示すフローチ ャートである。

図４は、本発明のいずれの実施例にも係る水平固定局の例を示す側面図である。

図５は、水平固定局の別の実施例を示す側面図である。

図６は、水平固定局の別の実施例を示す側面図である。

図７は、本発明のいずれの実施例にも係る垂直固定局を示す側面図である。

図８は、本発明のいずれの実施例にも係る可搬の位置センサーを示す側面図であ る。

図９Ａないし９Ｄは、本発明のシステムを工事レイアウトに使用する場合の一面 表示を示す図である。

図１０Ａ及びＩＯＢは、本発明に係る装置操作者のための、典型的な表面画面を 示す図である。

図１１Ａ及びＩＩＢは、本発明に係る装置操作者のための、典型的な表面画面を 示す図である。

図１２Ａ及び１２Ｂは、本発明に係る装置操作者のための、典型的な表面画面を 示す図である。

図１３は、本発明に係るヨー制御装置の自動化環境を示す図である。

図１４は、本発明に係るヨー制御を備えた機域化切断ロボットを示す図である。

図１５は、本発明に係るピッチ、ロール及びヨー制御を備えた地ならし機を示す 図である。

図１６Ａは、本発明の実施例ら係る、逆回転ビームを有する固定局を３基使用す る３次元の位置検知及び位置決めを示す略図である。

図１６Ｂは、本発明の更に別の実施例に係る、ダブルレーザー参照局を示す概略 図である。

図１６Ｃは、本発明のもう一つの実施例に係る、ダブルレーザー固定局１基と、 ポータプルベースラインを使用する３次元の位置検知及び位置決めを示す概略図 である。

図１７は、本発明の図１６Ａないし１６Ｃに示したいずれの実施例にも使用され る、回転レーザービームと反射面との部分的平面図である。

図１８は、図１６Ａ及び１６Ｂに示した実施例に係る、デュアルビーム局の平面 図と２つの平面図とを示す。

図１９は、図１６Ａないし１６Ｃに示した実施例のいずれにも係る、反射面を有 する固定参照局を示す概略図である。

図２０は、図１６Ａないし１６ｃに示した実施例のいずれにも係る、反射面を有 する固定参照局を示す概略図である。

図２１は、本発明の図１６Ａないし１６Ｃに示した実施例に係る、検出器を備え た可搬の位置センサーを示す概略図である。

図２２は、図１６Ｃに示す実施例に係るベースライン位置センサの概略図である 。

図２３Ａ、２３Ｂ、そして２３Ｃは、本発明に係る別の実施例の反射面の平面図 である。

図２４は、図１６Ｃに示す実施例に係るベースライン位置センサを示す概略図で ある。

図２５は、本発明の別の実施例に係る検出器の断面図である。

図２６は、本発明の別の実施例に係る回転プラットフォームを示す概略図である 。

図２７は、本発明の別の実施例に係る回転プラットフォームを示す概略図である 。

発明の詳細な説明 本発明の第一実施例に係る水平位置決めのための、空間位置決めシステムを図Ｉ Ａに概略図で示す。そのシステムは、水平固定参照部（以下、　「固定局」とい う）を好ましくは３つ（１０Ａ、ＩＯＢ、ｌ０Ｃ１ただし、うち２つの局しか使 用されない）と、可搬の位置センサ４０を有している。説明を簡単にするため、 水平固定局１０Ａを、直角座標の（０，０１点に置いている。水平固定局１０Ｂ は、水平固定局１０ＢよりＸ軸に上、距離ｒ　Ｌ　Ｊを置いて位置し、従って水 平固定局１０Ｂの位置は、　（Ｌ、Ｏ）である。水平固定局１０Ｃは、別の既知 の点に位置する。各々の水平固定局の回転基準１１は、各対応する区域にランダ ムに位置される。可搬の位置センサー４０は、水平固定局１０ＡからＸ方向にｒ ＸＪＹ軸方向に「ｙＪなるランダムな位置にあり、従って可搬の位置センサー４ ０の位置は、　（ｘ、ｙ）である。各固定局の位置は、特定の位置に限られるも のでなく、３次元直角座標系内のどこかにあればよい。あいまい領域１５は、２ つの固定局１０を結ぶ１１１３と、可搬の位置センサー４０を結ぶ線とがなす内 角が小さく例えば５＠程度であるような領域に存在する。かかるあいまい領域１ ５内では、可搬の位置がｌ［１３に近づくにつれて、位置測定精度が不正確にな る。水平固定局１０が３つ可搬位置センサ４０の距離計算に使用される場合は、 あいまい領域１５は位置測定に影響しない。固定局の各ペアが、可搬位置センサ ４０に検知されたときには、ｘ−ｙ位置の情報を発生するからである。こうして 、固定局を３つ（３かも２をとる組合せの数である）のｘ−ｙ位置が得られる。

これら３つのＸ−Ｙ位置の平均値を実際のＸ−Ｙ位置とすることができる。ある いは、アルゴリズムで、どの固定局ベアの位置情報が最も正確であるかどうかを 、例えば内角に基づき決定してもよい。同様に、本発明に係る垂直位置決めのた めの空間位置決めシステムを図２に概略図で示す。垂直固定局１０Ｄが、位置（ ｘ’＋　ｙ’ｒ　Ｏ）に配電されている。可搬の位置センサ４０は、垂直固定局 １０Ｄから見て、水平面内距離［ｒＪそしてランダムな垂直距離ｒｚ、の位置に おかれている。

空間位置決めシステムの別の例が図ＩＢに示されている。かがる別の例では、３ つの固定局１０Ｅ、ＩＯＦそしてＩＯＧが水平面に回転されている。しかしなが ら各々広がりのあるビーム９４．９６そして９８は異なる面にそって傾けられて いる。各個固定の回転軸は他の固定局の回転軸と異なっており、レーザービーム ９４，９６そして９８の回転も異なる面上にあるので、このシステムは各固定局 の回転軸が傾斜していても作動する。広がりのある（発散のある）傾斜されたビ ーム９４．９６そして９８は、その場所の全領域を掃引する。用途によっては、 広がりのあるビーム９４，９６．９８は、その場所以外では遮断されるかまたは 消灯される。固定局１０Ｇは、図示するように回転かつ広がりのあるビーム９６ を発生している。広がりのあるビーム９４．９６は、垂直軸の周りに回転する傾 斜面上にある。各軸が他の軸に対し互いに６０″の間隔をもって回転するときに 、最適の精度が得られる。この例の空間位置決めシステムは、固定局１０Ｅ、１ ０Ｆ、ＩＯＧの広がりのあるビームにより可搬センサ４０の３次元位置情報を提 供する。

図４に示されるように、各水平固定局１０Ａ、１０Ｂ、ＩＯＣは、ハウジング１ ４内に、レーザー１２を有するのが好ましい。レーザー１２が発生したビームは 、円錐反射面１８を有するプリズム１６に導かれ、そして反射されかくして所定 の広がり角、即ち垂直方向の発散の量Φを有する反射レーザービームを発生する 。むろん本発明はプリズム１６や円錐反射面１８を使用するものに限定されるこ とはなく、広がり角Φを発生するのに他のいかなる好適な手段を用いてもよい。

反射面を有するプリズム１６は、ハウジング１４内に備えられるモーター１７に より回転される。モーターがそしてプリズムが非常に安定した回転率（角速度） をもって回転することが重要である。回転率の安定性は、位置決めシステムが得 られる測定精度を左右する。

プリズム、レーザーそしてモーターは、レーザー１２が発生するレーザーが直角 に反射され、もとのレーザービームに対して直交する面内で回転する反射ビーム をなすように配列されている。こうして、反射レーザービームの広がりは、プリ ズムの回転面に対し垂直となる。

ハウジング１４は、水平ベース２０に対し固定されるのが好ましい。公知の水平 出し機構、例えば泡水準器（図示せず）を使用して、回転面が水平に対し適切に 配置されていることを示すようにされている。水平ベース２０はまた回転面の配 置わ容易にするため調節脚２４を有するのが好ましい。図４に示す実施例では、 公知の調整できる三脚により、これをえている。

各水平固定局１０Ａ、ＩＯＢ、１０Ｃはまた、通信手段２６を有するのが好まし い。通信手段２６は、反射レーザービームが、詳しくは後述するように、回転基 準１１を交差するときに、活動しエネルギーパルスを伝達し、可搬位置センサの 位置の計算に必要な時間情報を提供する。図４に示す実施例では通信手段は、電 波ストロボ伝送器２８と、電波アンテナ３０とにより構成されている。或は通信 手段は、図５に示す実施例のように、光ストロボ伝送機３４により構成されても よく、又は例えばエネルギーパルスを配送できる同軸ケーブルや光フアイバーケ ーブルのように、望みの通信情報を出力しつる手段であれば何でもよい。通信手 段はまた、回転する一方向性のものであってもよい。図５に示すように、光スト ロボ伝送機３２は、全方向性の光ビームを発生し、それは可搬位置センサー４０ により受信可能である。図６には、一方向性光ビームを発する光ストロボ伝送機 ３２の例が示されている。かかる光ストロボ伝送機３２は、円錐反射面１８を有 するプリズム１６を備えており、従って反射ストロボ光ビームは縦方向に広がり 角βを有している。このビームは、水平方向にも発散成分を有しつる。かかる例 の光ストロボ伝送機３２のプリズム１６は、レーザーハウジング１４のプリズム １６よりもゆっくりと、又はより速く回転し従って一定の期間が過ぎればストロ ボは期待されるすべての方向にストロボを伝送することとなる。

図７には垂直固定局１０Ｄが示されている。垂直固定局は、図４に示す水平固定 局とよく似ているが、ビームの広がりの軸が、そして従ってプリズム１６が垂直 でなく水平に配向されている点で異なっており、従ってレーザービームは垂直面 内で回転する。こうして、反射レーザービームは水平方向に広がり角Ｔを有する こととなる。垂直固定局は、図７では電波ストロボ伝送機を通信手段として有し ているように描かれているが、光ストロボ伝送機等他のタイプの通信手段を使用 するものであってもよい。垂直固定局の回転基準１１は、ハウジング１４のレー ザー、プリズム、モータの水平出しに使用した、水準器によりＺ軸に配置される のが好ましいが、後述する時間差が使用されてもよい。

可搬の位置センサー４０は、図８に示すようにレーザービームと光ストロボパル スのいずれをも検知する多角形検出器４２を備えるのが好ましい。あるいは、理 想的にはこのセンサーは、適度な光感物質をその周線に塗布された平坦なディス クにより形成されてもよい。

多角形検出器４２は、例えばシリコン基板光検出器又は他の好適な光検出器のよ うな、個々の光検出器４４を多数個、多角形板状に形成したファセ・ソトの外周 のセンサー周縁に配置してなるものであってもよい。例えば日中屋外のように、 周囲が明るい状況下では、個々の光検出器４４の前面に光フイルタ−（図示せず ）を取り付けてもよい。しかしながら、邪魔な光が弱いとき例えば夜間屋外屋内 の閉鎖された状況等には、光フィルターは必要とされない。各光検出器４４番よ 、表面にレーザービームがあたると電気的パルスを発生する。この電気的ノ〜ル ス【よ、通信リンク４８を経由してコンピューター４６へ送られ、可搬位置セン サー４０の空間内の位置を決定するのに必要な情報の一部とされる。

可搬の位置センサー４０はまた、固定局１０Ａ、ＩＯＢ、ＩＯＣ，モして１０Ｄ が発生する電波信号を受信するためのアンテナ５０を備えるのが好ましｔｌ。先 に簡単に述べたように、固定局が発生する電波信号は、各固定局においてレーザ ービームがその個々の回転基準と交差する時刻に関する情報を伝達するものであ る。電波受信１１５２は、アンテナ５０と有効に協働して電波信号を受信したと きに、電気的パルスを発生する。この電気的パルスもまた、コンピュータ４６へ 送られ、可搬の位置センサーの位置を決定するのに必要な情報の一部とされるＯ 或は、光ストロボ伝送＠３４と３２とのいずれかが光ストロボパルスを伝送し、 多角形検出器４２に受信されるものであってもよい。この場合、多角形検出器４ ２の光検出器４４は光ストロボパルスを検知するやいなや電気的パルスを発生す るＯこれらの電気的パルスは、通信リンク４８を経由してコンピューター４６に 送られ、可搬の位置センサー４０の位置を決定するのに必要な情報の一部となる 。相互の識別を容易にするため光ストロボパルスは、その波長変調の振幅や、マ ルチパルスは、或は、パルスの持続時間を違えることにより、コード化されても よい。

コンピューター４６は、どんなタイプのものでもよいが、多角形検出器４２、あ るいは必要であれば電波受信機５０からの各電気的パルスに時間ラベルを割り当 てる。このシステムは、例えば光が各固定局のプリズム１６から可搬の位置セン サー４０に到達までに要する時間や、種々の部品の活性化時間により起こる遅延 等の時差を補正するべくキャリプレートされる。コンピュータは、いくつかの数 学的アルゴリズムにより、可搬の位置センサー４０の座標を算出する。可搬位置 センサー４０は、泡水準器５７を備えるレンジポール５５に取り付けられること ができる。こうしてコンピューター４６は、可搬位置センサー４０について計算 したＺ座標よりレンジポール５５の長さを減算することにより、垂直に立てられ たレンジポール５５の底位置を決定する。

計算された位置座標は、コンピュータ４６に接続される電子表示器５４に出力さ れるのが好ましい。表示器５４はＬＣＤやタッチスクリーンが望ましいが、池の いかなる表示装置であってもよい。コンピュータ４６にはまた、固定局の位置を 入力したりシステムキャリブレーションのような種々のソフトウェア的オプショ ンを指令するために、入力機５６も接続されるのが好ましいが、他のいかなる手 段であってもよい。タッチスクリーンモニターは、入力１１５６としても、表示 器５４としても使用できる。

この空間位置決めシステムは、キャリブレーションシーケンスを有し、コンピュ タ−４６により、有益な位置情報が算出される前はそれに従う。キャリブレーシ ョンシーケンスは、水平固定局１０Ａ、ＩＯＢ、ＩＯＣのＸ、ｙ座標、垂直固定 局１０ＤのＸｒ　Ｖｒ　Ｚ座標、そして各回転基準のオフセットキャリブレーシ ョン時間を決定する。キャリブレーションは、可搬位置センサー４０を３つの機 知の位置の点に続けて置くことにより必要なすべてのキャリブレーション情報を 算出する。オフセットキャリブレーション時間は、対応する時間ラベルに、水平 固定局（１０Ａ等）の回転基準１２をコンピュータが、加算もしくは減算したも のである。この時間により、時間ラベルは、位置計算のための、他の固定局（１ ０Ｂ又は１０Ｃ）を結ぶ１１１３に、回転レーザービームが一致する時に合わせ られる。固定局の各ペア（１０ＡとＩＯＢ、ＩＯＡと１０Ｃ等）に対応する時間 ラベルは、可搬の位置センサー４０の座標情報を算出するのに用いられる。

前記のように、固定局から放射されるレーザービームがその回転中の特定の点を 通過するたびに、ストロボ又は電波の伝送機がトリガされ、パルスが出力される 。回転中のこの点を「回転基準」と呼んでいる。各回転基準は、その固定局ごと に内的に発生される。可搬の位置センサー４０の位置（ｘ、ｙ＋　ｚ）は、各し −ザービームが、その回転基準から可搬の位置センサーまで回転される角度によ り決定される。これらの角度は、可搬の位置センサーにて測定されるレーザービ ームパルスとストロボパルスとの時間測定を通じて計算される。

操作については、水平の位置決めは、水平固定局１０Ａ、ＩＯＢ、ＩＯＣに頼る こととなる。これらの固定局は機知の位置に置かれている。　ストロボパルスの 出力をトリガする回転基準はランダムに置かれてよい。コンピュータ４６は、キ ヤリプレーションシーケニーンス中作動しており、可搬位置センサを３つの機知 の水平位置におくことと、ストロボ信号の到着時の時差を計算することをしてい る。この時差は、その固定局と、他とを結ぶ線上に位置される回転基準間の時間 差と等価である。垂直位置は、図２に示されるように可搬位置センサー４０の水 平位置と、垂直固定局１０Ｄに連係される時間情報との双方に頼る。

水平固定局１０Ａは、図３のフローチャートの前に置かれる一連の事象を説明す る例として使用される。この一連の事象は、固定局１０Ａから放射されるレーザ ービームが回転基準を横断し、ストロボパルスが出力されるときに開始する（点 ７０において）。ストロボパルスは、可搬の位置センサー４０に受信され、その 受信時刻即ち、そのパルスの時間ラベルがコンピュータ４６にストアされる（点 ７２において）。固定局１０Ａから放射されるレーザービームが、領域を掃引す ると、いつかは可搬の位置センサー４０にあたることになり、その当たった時即 ちその時間ラベルがコンピューター４６にストアされる（点７４において）。

レーザーが一回転すると再び回転基準を横断し、第二のストロボパルスがトリガ される（点７６において）。第二のストロボパルスは可搬の位置センサーに受信 され、その受信時刻が同様にコンピューター４６にストアされる（点７８におい て）。この一連の事象は、他の各固定局や、可搬の位置センサーについても起こ ることを強調しておく。

いったんコンピュータが必要なすべての時間ラベルを記録すると、レーザービー ムが可搬の位置センサーに当たる時間から、第一のストロボパルスの時間を引き 、更にその固定局のキャリブレーションオフセットを加え、これと第二のストロ ボパルスの時間との比に、３６０＠を掛けたものとして、各々の水平面内角が計 算される。これは次式に表される（点８ｏにおいて）そして、水平面内座標（ｘ ＋　ｙ）が、次の三角関係のアルゴリズムにより、計算される（点８２において ）。

Ｌ　ｘ　ｔａｎφｂ　ＬｘｔａｎφａＸｔａｎφｂいったん水平面が計算される と、可搬の位置センサーし垂直固定局１０Ｄとの間の水平面内距離が決定される （点８４において）。垂直角は、上記した水平面内角の式と同様の比計算でめる ことができる。

その式は、 である（点８６において）。そして垂直座標２が、次の三角形数のアルゴリズム により計算される（点８８において）。

ｚ＝ｒＸｓｉｎ（φｅ−９０１ 同様に、図ＩＢに示される他の空間位置決めシステムにおける、可搬の位置セン サ４０の位置をめる式を導き出すことができる。固定局１０Ｅ、ＩＯＦそしてＩ ＯＧの各位置をそれぞれ（０＋　０１Ｏｒ　１＋　（ｘ＋、　ｙ＋、ｚ＋）、そ して（Ｘ。＊　ｙａ、２９）と、仮定しレーザービームｒ　６１　ｒ　Ｉｎ　ｒ 　ｍの傾斜角（垂直軸から測定したものとする）をそれぞれ０’、８０”、６０ ”と仮定すると、可搬の位置センサー４０の位置は、次の式で表される。

Ｘ＋１ｉｌｌθ＋　ＸａＳ１ｎθｇ−ｙｒＣＯ８θ’　”　Ｖ　１ｃＯ８θ９− ｚ＋Ｊ３＋ｚ＊Ｊ３（ｓｉｎθｔ　−ｓｉｎθａ）　−ｔａｎθＰ　（ｃｏｓθ Ｔ　−Ｃｏｇθ＠）ｙ＝ｘ（ｔａｎθ＠） ｚ　＝　−［（ｘ−ｘ＋）ｓｉｎθｒ−（ｙ−ｙ＋）　ｃｏｓθｆコ　＋Ｚ＋上 記した空間位置決めシステムは、多数の用途に適用できる。更に使用者とのイン ターフェイスである表示器５４は、コーンピユータ−フェイスを介してＣＡＤの ようなグラフィカルデータベースとのデザイン情報のやりとりに使用できる。

こうして、この空間位置決めシステムの使用者は、２次元もしくは３次元のグラ フィックモデル中での自らの位置を、図示的に見ることができる。

ここに開示した空間位置決めシステムは、４００ｍに対し±５ｍｍ程度の測定精 度を実現し、かつ１秒あたり数回程度測定できることが、コンピューターシュミ レーションにより示されている。こうして本発明の位置決めシステムは高い測定 精度とリアルタイムな位置情報の提供が可能であるので、従来正確で迅速な位置 決めができなかった多数の用途に適用される。更に、本システムはグラフィカル データベースに接続され、モデル化されたグラフィカル環境にリアルタイムな位 置を提供できる。

３次元位置決めのための、別の空間位置決めシステムが、図１６Ａに概略図とし て示されている。そのシステムは好ましくは、３つの固定反射参照局（以下「反 射面」という１２１ＯＡそして２１０Ｃと、可搬の位置センサー２４０を有する 。

図１７に示すように、反射面は回転プリズム２２２の後ろに反射面２１１を備え ている。プリズム２２２は、ある軸を中心に回転する一本の１次レーザービーム （以下１１次ビームＪという）２１３を生成する。

図１９と図２０とに示すように、１次ビーム２１３は回転軸から角度βだけ傾け られた面内に、発散角φを有している。回転により、１次ビーム２１３が、反射 面２１１に当たると、２次レーザービーム２４４が生成される。反射されたレー ザービーム（以下「２次ビーム」という）２２４は、１次ビーム２１３と等しい 発散φ、及び傾斜βを有するが、逆向きに回転する。１次ビームと２次ビームと の両方が当たるどのような点２１５においても、その水平内角Ｘは２つのレーザ ービームが当たる時刻の差により決定される。この角度は、概略式１にして表ｔ １：１次ビーム（１３）が当たるときｔ２：２次ビーム（２４）が当たるときμ ：オフセット因子 Ｗ：回転レーザーのスピード（回転７秒）Ｘ″：固定参照量から可搬位置センサ ーに到る水平面内角度オフセットμは、プリズム２２２の回転中心から反射面ま での距離の関数である。

あるいは、反射面２１１は、図２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃに示すように湾曲したも のであってもよい。湾曲した反射面２１９を使うと走査角Ｓを増大することがで きる。走査角Ｓとは、１次レーザービーム２１３と、２次レーザービーム２２４ との両方によって掃引される水平面内角である。

図２３Ｂと２３Ｃとは、平面状反射面を使う場合より湾曲反射面を使う場合のほ うが走査角Ｓか′広いことを示している。

可搬位置センサー２４０は、図２１に示すようにレーザービームの存在を検知す るため３６０’レンズデイテクター２４２を備えるのが好ましいが、他の好適な 検知器であってもよい。３６０”レンズディテクター２４２は、図２５に示すよ うにアクシコン１００、コリメータ１０２、コンデンサ１０４、フィルタ１０６ 、そして光検知器１０８を一軸上に配してなるものがよい。アクシコン１００は 、水面上より上の入射角範囲内のいずれの方向からの光をも受けとめ、その光を コリメータ１０２へ導入する。コリメータ１０２は、アクシコン１００から入射 した光をその方向がディテクター軸９９に対して並行な方向に近づくように導く 。

そして、その光はコンデンサ１０４に入射し、ディテクター軸９９の近くに引き よせられる。かかる光学的配置により、光の入射方向に敏感な光フイルタ−１０ ６（例えば光バンドパスフィルター等）を、効率よく使用し、そして必要な光検 知器１０８の面サイズを小さくしている。レンズ（図示せず）は、光検知器１０ ８の直前にもおいてよく、こうすれば必要なサイズは更に削減される。

アクシコン１００の反射面１１１は、円錐面状、球面状、放物面状その他の好適 な形状であればよい。

コリメータ１０２の反射面１１３は、ディテクター２４２の軸９９に平行な光と なるような好ましい結果を得るべく、アクション１００の反射面１１１の形状を 補正する形状をしている。コリメータ１０２もまた、レンズシステムよりなるも のである。反射面１１１．１１３．１１５のいずれか又は全部は、内面反射によ るものであってもよい。

光検知器１０８は、表面にレーザービームがあたったときに電気的なパルスを発 生する。この電気的パルスは、通信リンク２４８を経由してコンピューター２４ ６へ送られ、可搬位置センサ２４０の位置を決定するのに必要な情報の一部とな る。

コンピューター２４６は、いかなるタイプのものであってもよく、ディテクター ２４２かも受け取った各電気的パルスに時間ラベルを割り当てる。可搬位置セン サ２４０は泡水準器２５７を備えるレンジポール２５５に取り付けられることが できる。かくして、コンピューター２４６は計算した可搬位置センサ２４０の２ 座標からレンジポール２５５の長さを減算することにより、垂直に立てられてい るレンジポール２５５の基部の位置を決定する。

計算された位置座標は、コンピューター２４６に接続されている電子表示器２５ ４に出力されるのが望ましい。コンピューター２４６には入力手段２５６もまた 接続されるのが望ましく、これにより、固定局の位置の入力や、後述するシステ ムキャリブレーション等、ソフトウェア的な種々のオプションを指定できるよう にできる。入力手段２５６としてはキーボードが好ましいが、他の手段であって もよい。

この位置決めシステムは固定局の位置決定のために実行されるキャリブレーショ ンシーケンスを有している。キャリブレーションシーケンスは固定局２１０Ａ。

２１０Ｂ、２１０Ｃのｘ、ｙ、ｚ座標及びピッチ、ロールを決定する。キャリブ レーションシーケンスは可搬位置センサ２４０を４つの既知の点に次々に置くこ とによって必要なすべてのキャリブレーション情報を発生する。ががる情報から 、各固定局のｘ、ｙ、ｚ座標及びピッチロールが計算されている。

本発明のもう一つの実施例によれば、図１６Ｂ及び図１８に示すように、３次元 測定ができるために、たった２つの固定参照局しか必要としない。固定参照局は 、回転プリズム２１２により２本の１次ビーム２９０．２９２が発生される点で 前述の反射量と異なる。この２本の１次ビームと反射面とを有するタイプの固定 参照局を「デュアルビーム局」２７０と呼ぶ。２本の１次ビーム２９０，２９２ は、図１８に示すように回転軸に対し、反対側に角度β、αだけ傾けられている 。２つのレーザービームは、水平面内方向にも角度γだけ隔てられており、空間 中の特定の点を通る時刻の差が生じる。ｌ　１次ビーム２９０．２９２は、それ ぞれ反射面２１１に当たると、２次ビーム２９４．２９６を発生する。

可搬の位置センサーにおける１個の検出器でデュアルビーム局からのビームの時 間の情報により、垂直角と水平角との両方が計算される。水平面内角Ｘは、いず れかの１次ビームと２次ビームとのベアを使って、前出の式で概略設定される。

垂直角■は、２つの１次ビーム２９１．２９２の通過時間の差から決定される。

垂直角Ｖは、概略式２により与えられる。

γ：　１次ビーム２９０．２９２の水平面の角度差Ｗ−回転率（回転７秒） ｔｏ：　１次ビーム２９０が、その点を通過するときｔ＠：１次ビーム２９２が 、その点を通過するときβ：　ビームの傾き 本発明に係る更に別の実施例によれば、図１６Ｃに示すように、３次元位置情報 を得るのにたった１つのデュアルビーム局と、可搬位置センサーしか要しない。

ここでは可搬位置センサー（以下「ベースライン位置センサー」という）１２０ は、図２２、図２４に示すように３つの検出器２４２を有する。検出器２４２は 、ベースライン位置センサー１２０の軸に沿って、距離りずつ離間されている。

３つの検出器２４２が、ベースラインをなす。水平面内角は、式１により計算さ れる。各検出器２４２の垂直角が式２により計算される。いったん各検出器２４ ２の垂直角が既知となれば、公知の逆再区角法により、ベースライン位置センサ ー１２０とデュアルビーム局２７０との水平距離が決定できる。

図２６１に示すように、反射量２１０Ａ、２１０Ｂそして２１０Ｃは、２つの逆 回転するレーザービームを有するシステムで置き換えることができる。１次ビー ム１５０は、図１６Ａに示した反射量２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃの１次ビー ム２１３と等価である。２次ビーム１５２は、図１６Ａに示した反射面の２次ビ ーム２１４と等価である。１次レーザービーム１５０と、２次レーザービーム１ ５２は、１つの軸を中心に一定の角速度で回転しているが別々の回転光学ヘヅド １５６により逆向きに回転されている。回転光学ヘッド１５６は、モーター伝達 システム１５４により回転される。

デュアルビーム局２７０は、図２７に示すような２組の逆回転するレーザービー ムを有するシステムで置き換えることができる。２本の１次ビーム１６０と１６ ２とは、図１６Ｂに示したデュアルビーム局２７０の１次ビーム２９０．２９２ の特徴をすべて備えている。２本の２次ビーム１６４と１６６とは、図１６Ｂに 示したデュアルビーム局２７０の２次ビーム２９４．２９６の特徴を全て備えて いる。回転光学ヘッド１５７は、それぞれレーザービームのペアを発射しながら 一定の角速度で逆向きに回転する。回転光学ヘッド１５７は、モーター伝達シス テム１５４により回転される。

本発明の典型的な応用例は、開示した位置決めシステムと、建設レイアウトの電 子的モデル表示との結合を含む。デザイン環境の電子データベースが、簡単な図 示技術により創成でき、また予め発生されている、建設用池や考慮中の対象物の ２次元又は３次元デザインモデルにより発生される。図９Ａ〜９Ｄには建設レイ アウトに使用する場合の表示器５４の種々の画面が表示されている。図９Ｂには 図９Ａ、９Ｃ１９Ｄにおける凡例が示されている。図９Ａには、据え付けようと する建設材料の計画図が示されており、ここでは設計材料は、コンクリートの骨 格であって用地内の希望の場所の、予め展開された電子モデル表示によれスクリ ーン上に図示されている。希望の位置と現在位置とは共に、電子モデル表示とし て、また数値座標として示されている。図９０は、正確な位置決めのためのズー ム視機能の可能性を示している。同時に繰作者は可搬位置センサー４０が希望の 位置にむけて移動されるのにつれて常時更新される、可搬位置センサー４０の現 在位置の座標を参照できる。更に、可搬位置センサーの現在位置と、希望の位置 との差も、表示され常時更新される。図９Ｄは、可搬位置センサーが希望の位置 に到達したときの表示器５４のスクリーンを示す。

本発明の別の応用は、地ならし機の位置決めである。図１ＯＡ、ＩＯＢに示すの は、その用地の適切な断面でみるグラフィカルデータベースモデル内に位置する 装置のエツジの現在位置を示す表示器５４の画面である。図１０Ｂが図１ＯＡの 凡例である。断面のグラフィカルデーベースは、本来の路盤と最終的に得ようと する設計路盤との両方を示している。図１１ＡとＩＩＢとは、最終的な設計路盤 に近づいたときの、舗装機の有効エツジを示している。図１ＯＡや図１１Ａに示 す画面が表示器５４にリアルタイムで示されるので、中央線や坂の杭うちが不要 となる。操作者はいつでも装置の刃先の中央線での必要な充填量やカット量を決 定することができる。装置の設計ピッチと実際のピッチとも示されている。図１ ２Ａは、隠れた障害物が、以前にその障害物を配置したときの電子モデル表示を 介して図解的に表示されているところを示す。図１２Ｂは、図１２Ａの凡例であ る。

空間位置決めシステムの使用者に同時に示される図示情報の量は、可搬位置セン サー４０の環境をモデリングするグラフィカルデータベース情報を図示的に提供 しうる能力のみにより制限される。

開示した位置システムはまた、成分の組立のモニタリングにも適用される。図１ ３は、銅帯の製造を示す。多数の位置センサー４０が、銅帯表面上の至るところ に配置されている。銅帯の向きは、固定局（図示せず）により、空間中に位置決 めされる。切断ロボット４３が、切断動作をしているときに、銅帯のいがなる動 きも測定され切断ロボットの正確さが緒持される。

切断ロボット４３は、図１４に詳しく示されている。その切断ロボットは、一対 の多角形検出器４２により案内される。この検出器の組は、ヨー測定機構４１を なす。このヨー測定機構により、ロボット４３のｘ−ｙ面内での方向の変化が、 モニタされる。装置の有効エツジ４９（ここでは、切断ツール）の位置は、切断 ロボットのアームの各可動リンクの角度と方向を測定して決定される。可動リン クの測定方法は、公知であり特に限定されないが、例えば、各回転ジヨイントに 回転エンコーダをつけるものがある。かかるエンコーダは、回転角度をコンビュ −タに伝え、これによりツールの幾何学的位置が計算される。コンピューターは 、ヨー測定機構４１からのヨー情報の解析をも行う。ジヨイント回転機構やヨー 機構からのデータは、公知の制御機構を介して、切断ロボットの動きを制御する 。

ヨー測定機構４１及びジヨイント回転機構の計算、そして切断ロボットの制御は 、連結された別々のコンピューターによって行なってもよく、一台のコンピュー ターで行なってもよい。

図１５は、ブルドーザ−のピッチ、ロール、ヨー測定機構４５を示す。これと同 様のピッチ、ロール、ヨー測定機構４５は、位置情報に加えピッチ、ロール、ヨ ー制御を必要とする、あらゆる装置、自走車両、ロボットに適用できる。ピッチ 、ロール、ヨー測定機構４５は３つの多角形検出器がブルドーザ−の固定部分に 取り付けられている。３つの検出器は、どんな方向に置かれてもよいが、３つの 検出器が一直線状をなすように配置されてはならない。ピッチ、ロール、ヨー測 定機構４５はコンピューター（図示せず）を有している。装置の有効エツジ４４ ９（この場合はブルドーザ−の刃先）の測定は上記した切断ロボットの場合のや り方や、公知の有効エツジをコントロールする流体圧アクチュエータやアームの 長さ測定するやり方など、はぼ同様のやり方で行なうことができる。

ブルドーザ−が自動運転される場合には、ブルドーザ−の案内は、前記した切断 ロボットの場合とほぼ同様のやり方で行なうことができる。ブルドーザ−が、操 作者により操作される場合には、図１０Ａに示したような表示画面が、操作者に 供され、位置情報が提供される。種々の他の応用や、池の装置にもほぼ同様の表 示が使用されている。

装置の有効エツジに直結する部位に取り付けることによって決定してもよい。

切断ロボット４３の場合、１個の多角形検出器を、切断ツール直上、既知の距離 に取り付けることができ、そうすれば切断作業の位置決めを適正に行なうことが できる。同様にブルドーザ−４８の場合、ブルドーザ−の刃先のトップエンドの 一端に２つの多角形検出器を配置し、これにより装置の有効エツジの位置を識別 することができる。他の多数の装置や応用にも、これと同じ配置を使用できる。

前記した装置制御は地上での製造作業環境や、屋外環境でのものであったが、本 発明は、他にも適用可能である。そのような応用の第１は、部品加工である。

部品加工では切断ツールの位置が固定され、加工される部品が動がされる。多角 形検出器のシステムを加工される部品に取り付けることができる。

有効加工部分の位置に対する加工される部品の座標系の位置指数は、常時更新さ れる。第２の応用は、本発明を耐水性にして、水面下位置の決定に使用するもの である。この水面下での使゛用については、第１に本システムでカバーしつる距 離を制約されることが考えられる。そして水のにごり具合が、かがる適用距離に 大きく影響するであろう。第３の応用は、宇宙空間での建造やドツキング操作で ある。

本発明に関する上記説明は、例示したのみである。添付する請求の範囲に示され る発明の要旨の範囲内で、変形がなされるものである。

ｎ ＦＩＧ、４　ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、６ Ｆ　Ｉ　Ｇ、７ ＦＩＧ、　９Ａ ＦＩＧ、９８ ＦＩＧ、　９Ｃ ＦＩＧ、９Ｄ ＦＩＧ、　ｌ０Ａ ＦＩＧ、　ＩＯＢ ＦＩＧ、　１１Ａ ＦＩＧ、　ＩＩＢ ＦＩＧ、ｌ２Ａ ＦＩＧ、１２Ｂ 国際調査報告 フロントページの続き Ｅ）、　ＣＡ、ＪＰ、　ＫＲ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．３次元直角座標内で移動する物体のその時点でのｘ−ｙ−ｚ位置を決定する 空間位置決めシステムであって、 少なくとも３つの固定参照局を有し、各々の固定参照局が発散のある回転するレ ーザービームを発射するとともにそのレーザービームが予め決められた回転基準 を通過する際に通信パルスを出力し、前記物体にセンサーが搭載されており、そ のセンサーは前記レーザービームを検出する検出手段を有し、その検出手段はレ ーザービームを検出したことを示すものであり、 前記通信パルスを受信するための通信パルス受信手段を有し、その通信パルス受 信手段は通信パルスを受信したことを示すものであり、前記検出手段が出力する 信号と前記通信パルス受信手段が出力する信号とに基づいて前記物体のその時点 でのｘ−ｙ−ｚ位置を決定する決定手段を有することを特徴とする。 ２．３次元直角座標内で移動する物体のその時点でのｘ−ｙ−ｚ位置を決定する 空間位置決めシステムであって、 少なくとも３つの固定参照局を有し、各々の固定参照局が回転するレーザービー ムを発射するとともにそのレーザービームが予め決められた回転基準を通過する 際に通信パルスを出力し、 前記物体にセンサーが搭載されており、そのセンサーは前記レーザービームを検 出する検出手段を有し、その検出手段はレーザービームを検出したことを示すも のであり、 前記通信パルスを受信するための通信パルス受信手段を有し、その通信パルス受 信手段は通信パルスを受信したことを示すものであり、前記検出手段が出力する 信号と前記通信パルス受信手段が出力する信号とに基づいて前記物体の位置を決 定する決定手段を有し、ここにおいて前記少なくとも３つの固定参照局は、少な くとも２つの水平固定参照局と少なくとも１つの垂直固定参照局とを含み、各々 のその水平局が垂直面内の発散を有し水平面内で回転されるレーザービームを発 射し、 その少なくとも１つの垂直面が水平面内の発散を有し垂直面内で回転されるレー ザービームを発射することを特徴とする。 ３．請求項２に記載のシステムにおいて、３つの水平固定参照局が使用されるこ とを特徴とする。 ４．請求項３に記載のシステムにおいて、１つの垂直固定参照局が使用されるこ とを特徴とする。 ５．請求項２に記載のシステムにおいて、前記検出手段が周縁に感光面を有する 円盤形状部材を含むことを特徴とする。 ６．請求項２に記載のシステムにおいて、前記検出手段が多数のファセットを有 する多角形部材を含み各ファセット上に感光要素が配されていることを特徴とす る。 ７．請求項４に記載のシステムにおいて、前記決定手段が各レーザービーム又は 各通信パルスの受信時刻に相当する時間ラベルを割り当てるとともに、前記決定 手段が前記物体の位置及びｘ−ｙ方向を、（１）対応する水平固定局と別の水平 固定局とを結ぶ線と対応する固定局と前記センサーとを結ぶ線とにより形成され る各水平固定局に対応する水平面内角を計算し、前記検出手段がレーザービーム を検出した時間から最初の通信パルスが受信された時間を引き時差を加えた時間 と、２番目の通信パルスが受信された時間から最初の通信パルスが受信された時 間を引いた時間との比をとりこれに３６０°を掛けることにより、そして、 （２）次式 ｘ＝Ｌ×ｔａｎφｂ／ｔａｎφｂ−ｔａｎφａ，ｙ＝Ｌ×ｔａｎφａ×ｔａｎφ ｂ／ｔａｎφｂ−ｔａｎφａを解くことにより決定することを特徴とする。 ８．請求項７に記載のシステムにおいて、前記決定手段が前記物体のｚ方向の位 置を、 （１）垂直面とその垂直固定局と前記センサーとを結ぶ線とにより形成される前 記垂直固定局に対応する垂直角を計算し、前記検出手段がレーザービームを検出 した時間から最初の通信パルスが受信された時間を引いた時間と、２番目の通信 パルスが受信された時間から最初の通信パルスが受信された時間を引いた時間と の比をとりこれに３６０°を掛けることにより、そして、（２）次式 ｚ＝ｒｘｓｉｎ（φｃ−９０°） を解くことにより決定することを特徴とする。 ９．請求項１に記載のシステムにおいて、前記物体の位置を表示する表示手段が 前記決定手段に接続されていることを特徴とする。 １０．請求項９に記載のシステムにおいて、操作者が前記決定手段に情報を入力 するための入力手段が前記決定手段に接続されていることを特徴とする。 １１．請求項１０に記載のシステムにおいて、前記表示手段と前記入力手段とが タッチスクリーンであることを特徴とする。 １２．請求項１に記載のシステムにおいて、３つの固定参照局が使用され、各々 のそれら固定局が発射するレーザービームが垂直軸の周りに回転されるとともに 、垂直軸から予め決められた角度だけ傾けられた面内に発散を有することを特徴 とする。 １３．請求項１に記載のシステムにおいて、３つの固定参照局が使用され、各々 のそれら固定局が発散のあるレーザービームを発射し、そのレーザービームが他 の固定局の回転軸とは異なる姿勢の軸の周りに回転されることを特徴とする。 １４．請求項１に記載のシステムにおいて、前記物体が建設現場での機械類に搭 載されていることを特徴とする。 １５．請求項１３に記載のシステムにおいて、前記機械類がブルドーザーである ことを特徴とする。 １６．請求項１３に記載のシステムにおいて、前記機械類が地ならし機であるこ とを特徴とする。 １７．３次元直角座標内で移動する物体のその時点でのｘ−ｙ−ｚ位置を決定す る空間位置決めシステムであって、 少なくとも３つの固定参照局を有し、各々の固定参照局が回転するレーザービー ムを発射するとともにそのレーザービームが予め決められた回転基準を通過する 際に通信パルスを出力し、 前記物体にセンサーが搭載されており、そのセンサーは前記レーザービームを検 出する検出手段を有し、その検出手段はレーザービームを検出したことを示すも のであり、 前記通信パルスを受信するための通信パルス受信手段を有し、その通信パルス受 信手段は通信パルスを受信したことを示すものであり、前記検出手段が出力する 信号と前記通信パルス受信手段が出力する信号とに基づいて前記物体の位置を決 定する決定手段を有し、ここにおいて前記物体は自走車両に搭載され、グラフィ カルデータベースからのデザイン情報が前記決定手段に入力され位置のマッチン グに基づく案内とされることを特徴とする。 １８．請求項１７に記載のシステムにおいて、グラフィカルデータベースからの デザイン情報が前記決定手段に入力され位置と方向とのマッチングに基づく案内 とされることを特徴とする。 １９．請求項１７に記載のシステムにおいて、グラフィカルデータベースからの デザイン情報が前記決定手段に入力されそして前記物体の実際の位置がその望み の位置と比較されることを特徴とする。 ２０．請求項１７に記載のシステムにおいて、そのシステムがその車両のピッチ 、ロール、ヨーの情報を提供することを特徴とする。 ２１．請求項１７に記載のシステムにおいて、そのシステムがその車両のヨーの 情報を提供することを特徴とする。 ２２．請求項１に記載のシステムにおいて、２次的な位置検知ユニットが供給さ れ、その２次的な位置検知ユニットが視覚機構を含むことを特徴とする。 ２３．請求項１に記載のシステムにおいて、前記通信手段が電波送出機を含むこ とを特徴とする。 ２４．請求項１に記載のシステムにおいて、前記通信手段が全方向性光ストロボ を含むことを特徴とする。 ２５．請求項１に記載のシステムにおいて、前記通信手段が回転する一方向性光 ストロボを含むことを特徴とする。 ２６．請求項１に記載のシステムにおいて、前記物体及び前記固定参照局が水面 下にあることを特徴とする。 ２７．請求項１に記載のシステムにおいて、前記決定手段が更にレーザービーム の発射源である個々の固定参照局を識別するレーザービーム識別手段を含むこと を特徴とする。 ２８．３次元直角座標内の物体のその時点でのｘ−ｙ−ｚ位置を決定する空間位 置決め及び測定システムであって、 少なくとも１つの固定参照局を有し、各々のその局が発散角φを有する１次レー ザービームを発射するとともに傾斜角βを有する軸の周りに回転され、その各局 が前記発散角φを有し前記の傾斜角βの前記の軸の周りに前記１次ビームとは逆 向きに回転する２次レーザービームを発生するための反射面を少なくとも１つ有 し、 前記物体に取り付けられた可搬位置センサーを有し、そのセンサーは前記１次レ ーザービームと反射レーザービームとを検出するとともにレーザービームの検出 を示す信号を発する検出手段を含み、そのセンサーはまたその検出手段に入射す る光を導くアタシコンを少なくとも１つ含み、前記検出手段から発せられる信号 に基づき前記物体の位置の決定を行う決定手段を有することを特徴とする。 ２９．請求項２８に記載のシステムにおいて、３つの固定参照局が使用されるこ とを特徴とする。 ３０．請求項２９に記載のシステムにおいて、前記決定手段は検出器による各１ 次又は反射レーザービームの検出に時間ラベルを付け各時間ラベルをメモリに蓄 えるコンピューターを含むことを特徴とする。 ３１．請求項３０に記載のシステムにおいて、前記決定手段は前記センサーの３ 次元位置を次式 （ｔ１−ｔ２／２＋Ｍ）×Ｗ／２π＝Ｘ°（式１）ｔ１は１次ビームが交差する 時刻（１３）ｔ２は２次ビームが交差する時刻（２４）μはオフセット因子 ｗは回転レーサーのスピード（回転数／秒）Ｘ°は固定参照局から可搬位置セン サに至る水平面内角により計算することを特徴とする。 ３２．請求項２８に記載のシステムにおいて、前記反射器が湾曲していることを 特徴とする。 ３３．請求項２８に記載のシステムにおいて、前記各参照局が２本の１次レーザ ービームを発射することを特徴とする。 ３４．請求項３３に記載のシステムにおいて、そのような参照局を２つ使用し、 前記決定手段は検出器による各１次又は反射レーザービームに時間ラベルを付し 各その時間ラベルをメモリに貯蔵するコンピューターを含み、そしてそのコンピ ュータは前記センサーの３次元位置を次式τ＝（ｒ−ｗ（２π）、（ｔＡ−ｔＢ ）／２）ｃｏｔβ（式２）τは垂直角 γは１次ビーム２９０、２９２角度差の水平面内角ｗは回転のスピード（回転数 ／秒） ｔＡは１次ビーム２９０がその点を通過する時ｔＢは１次ビーム２９２がその点 を通過する時βはビームの傾き により計算することを特徴とする。 ３５．請求項３３に記載のシステムにおいて、そのような参照局を１つ使用し、 前記センサーは入射する光を３つの対応する検出手段に導く３つのアタシコンを 含むことを特徴とする。 ３６．３次元直角座標糸内で空間中の相対的位置を決定する方法であって、発散 のある１次レーザービームを発射させその１次レーザービームを傾斜角βの軸の 周りに回転させ、 発散のある反射レーザービームを発生させその反対レーザービームを前記傾斜角 βの前記の軸の周り前記１次ビームとは反対向きにに回転させ、前記１次又は反 射レーザービームからの入射光をアタシコンレンズを経由して少なくとも１つの 光検知器に導き、 前記少なくとも１つの検知器から前記各レーザービームの検出に対応する信号を 出力させ、 前記少なくとも１つの検知器における前記各レーザービームの検出に時間ラベル を付し、 前記少なくとも１つの検知器からの出力信号に基づき空間中の相対的位置を計算 することを特徴とする。 ３７．３次元直角座標内の物体のその時点でのｘ−ｙ−ｚ位置を決定する空間位 置決め及び測定システムであって、 少なくとも１つの固定参照局を有し、各々のその参照局が少なくとも１つの発散 角φを有する１次放射ビームを発射するとともに傾斜角βを有する軸の周りに回 転され、その参照局はまた少なくとも１つの前記発散角φを有し前記の傾斜角β の前記の軸の周りに前記１次ビームとは逆向きに回転する２次放射ビームを発生 するための反射面を少なくとも１つ有し、前記物体に位置する可搬位置センサー を有し、そのセンサーは前記１次又は２次ビームを検出するとともにそのビーム の検出の時に信号を発生する検出手段を含み、 前記検出手段からの出力信号に基づき前記物体の位置を決定する決定手段を有す ることを特徴とする。 ３８．請求項３７に記載のシステムにおいて、前記センサーは入射する光を前記 検出手段に導くアタシコンを少なくとも１つ含むことを特徴とする。 ３９．請求項３７に記載のシステムにおいて、２本の１次ビームと２本の２次ビ ームとが発射されることを特徴とする。 ４０．請求項３７に記載のシステムにおいて、前記の局は前記少なくとも１つの ２次ビームを発生するための少なくとも１つの反射面を含むことを特徴とする。 ４１．請求項４０に記載のシステムにおいて、前記面が湾曲していることを特徴 とする。