JPH0682467A - Movement measuring instrument with high accuracy - Google Patents

Movement measuring instrument with high accuracy

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JPH0682467A
JPH0682467A JP4262853A JP26285392A JPH0682467A JP H0682467 A JPH0682467 A JP H0682467A JP 4262853 A JP4262853 A JP 4262853A JP 26285392 A JP26285392 A JP 26285392A JP H0682467 A JPH0682467 A JP H0682467A
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accuracy
measurement
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image pickup
mirror
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Tsunehiro Takeda
田 常 広 武
Yukio Fukui
井 幸 男 福
Yoshizo Hashimoto
本 佳 三 橋
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Abstract

PURPOSE:To provide a high-accuracy movement measuring instrument whose resolution is enhanced by the close-up image pickup of a measuring range while maintaining excellent controllability available in conventional methods using television techniques and which enables measurement over a wide range by the continuous tracking of a subject for measurement and also enables measurement of high accuracy to be performed over a wide range by removal of the influence of distortion of image pickup systems. CONSTITUTION:Two television cameras TV1, TV2 which take into view in different directions a measuring range where a label 1 for measurement is present and which can be switched between wide-angle photographing and closeup photographing are installed. A pair of high-speed, high-accuracy mirror controllers 2a-2d, having rotating mirrors 3a-3d for moving the optical axes of the television cameras in ortogonally intersecting directions and driving the mirrors to rotate at high accuracy, are disposed on the optical axes of the television cameras. A servo control mechanism, which drives the high-speed, high-accuracy mirror controllers 2a-2d to oscillate the rotating mirrors 3a-3d so as to always hold the image of the label at the center of the visual field of each television camera, is connected to each television camera.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、テレビカメラや半導体
位置検出器(PSD)等の撮像系によってクローズアッ
プ撮影された高又は低輝度物体、あるいは特定の色の物
体等からなる標識の動きを、高精度に、しかも広範囲に
測定可能とする動態測定器に関するものであり、例え
ば、数mから数十mの範囲で動き回る人間の高精度動作
解析を通じて福祉機器の開発に有効に活用し、あるいは
100m程度離れた位置から建造物の組み上げを高精度
で検証し、建造物を容易に、且つ正確に建造可能にする
場合などに有効に利用できるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention detects the movement of a sign made of a high- or low-brightness object or an object of a specific color taken in close-up by an imaging system such as a television camera or a semiconductor position detector (PSD). The present invention relates to a dynamic measuring instrument capable of measuring with high accuracy and in a wide range, and for example, it is effectively utilized for the development of welfare equipment through highly accurate motion analysis of a human who moves around in a range of several meters to several tens of meters, or It can be effectively used when, for example, the assembling of a building is verified with high accuracy from a position about 100 m away, and the building can be built easily and accurately.

【0002】[0002]

【従来の技術】既存の主な3次元位置計測法は、(1)
光のモアレ模様を利用する方法、(2)一様磁界中にお
いた直交するコイルの起動力を利用する方法、(3)写
真、映画などに写された測定点を人力でデジタイズして
入力する方法、(4)赤外発光ダイオード(LED)を
時分割発光させてその位置をPSDを用いて順次測定す
る方法、(5)TV技術を応用して画面内の測定点を自
動追尾して計測する方法、に大別される。
2. Description of the Related Art The existing main three-dimensional position measuring method is (1)
Method of using the moire pattern of light, (2) Method of using the activating force of orthogonal coils placed in a uniform magnetic field, (3) Digitizing and inputting the measurement points shown in photographs, movies, etc. manually. Method, (4) Method of making infrared light emitting diode (LED) emit light in a time-division manner and sequentially measuring its position using PSD, (5) Applying TV technology to automatically track and measure measurement points on the screen There are two main methods.

【0003】上記計測手法の相対性能を比較すると、表
1のようにまとめられる。同表中には、おおよその性能
を数値で示すと共に、評価を良い順に○、△、×で示し
た。これによれば、相対的に NO.4の方式が優れている
が、LEDの点灯と同期のためのケーブルが必要で、操
作性に難点がある。 NO.5の方式は、分解能、速度、計
測点のいずれにおいても十分な性能を持っているとは言
えないが、操作性が優れている。しかも、TV技術は、
高品位TVの実用化期を迎え、近い将来、一段とその性
能が改善されることが期待される。
A comparison of the relative performances of the above measurement methods is summarized in Table 1. In the table, the approximate performance is shown by numerical values, and the evaluations are shown in order of goodness by ○, △, and ×. According to this, the method of No. 4 is relatively excellent, but a cable for lighting and synchronizing the LED is required, and there is a difficulty in operability. The method of No. 5 cannot be said to have sufficient performance in any of resolution, speed, and measurement point, but is excellent in operability. Moreover, TV technology is
It is expected that the performance will be further improved in the near future, as the high-definition TV comes into practical use.

【0004】[0004]

【表1】 このように、上記既存の方式は、いずれも、特定の標識
の動きを高精度に、しかも、広範囲に操作性よく測定で
きることを要求される動態測定には満足できる性能を有
していない。
[Table 1] As described above, none of the above-mentioned existing methods has satisfactory performance for the dynamic measurement required to measure the movement of a specific sign with high accuracy and in a wide range with good operability.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、上記 NO.4及び NO.5の方式における利点のみを兼
備した動態計測器を得ることにあり、特に、テレビ技術
を利用した NO.5の方式における優れた操作性を維持し
ながら、測定域をクローズアップ撮像することにより分
解能を上げ、しかも、零位法に基づくサーボ制御系によ
り、撮像系の中心域のみを用いて撮像系の歪みの影響を
除き、さらに、高速、高精度のミラー制御により、高精
度な計測を広範囲に実施可能にした高精度動態計測器を
得ることを主眼とするものである。
The technical problem of the present invention is to obtain a dynamic measuring instrument that has only the advantages of the methods of No. 4 and No. 5 described above. While maintaining the excellent operability in the method of 0.5, the resolution is increased by taking a close-up image of the measurement area, and the servo control system based on the null method uses only the central area of the imaging system. The main purpose of the present invention is to obtain a high-accuracy dynamic measuring instrument capable of performing high-accuracy measurement over a wide range by removing the influence of the distortion and further by controlling the mirror with high speed and high accuracy.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の高精度動態計測器は、測定対象の標識が存在
する測定域を異方向から視野内に収め、クローズアップ
撮影可能な2台の撮像系を設置し、これらの撮像系の光
軸上には、それぞれ、互いに直交する方向に撮像系の光
軸を移動させる回転ミラーを有し、且つそれを高精度に
回転駆動する一対の高速・高精度ミラー制御器を配置
し、さらに、それらの高速・高精度ミラー制御器を駆動
して回転ミラーを振らせることにより標識の像を常に撮
像系の視野の中心に保持するところの零位法に基づくサ
ーボ制御系を上記撮像系に接続したことを特徴とするも
のである。
A high-precision dynamic measuring instrument of the present invention for solving the above-mentioned problems is capable of taking a close-up image by placing a measurement region in which a marker to be measured is present in a field of view from a different direction. A pair of imaging systems are installed, and on each of the optical axes of these imaging systems, there are rotary mirrors that move the optical axes of the imaging systems in directions orthogonal to each other, and that rotate and drive them with high accuracy. The high-speed and high-accuracy mirror controllers are installed, and by driving these high-speed and high-accuracy mirror controllers to swing the rotating mirror, the image of the sign is always kept in the center of the visual field of the imaging system. A servo control system based on the null method is connected to the image pickup system.

【0007】[0007]

【作用】上記構成を有する高精度動態計測器によって、
標識の動きを測定するに際しては、先ず、撮像系により
被測定物上の標識を撮影し、その標識を測定系で捕捉し
た後、クローズアップ撮影を行う。そして、撮像系の光
軸上に置いたそれぞれ二つの高速・高精度ミラー制御器
で回転ミラーを回転駆動し、標識に追従して測定する
と、零位法に基づくサーボ制御により標識の像が撮像系
の画面の中心にくるので、その場合のミラーの角度を測
定することによって、標識の存在する方向が求まり、そ
れらの方向を示す二つの直線の交点を求めることによっ
て、優れた操作性を維持しながら、標識の3次元位置が
高精度に計測される。
[Operation] With the high-precision dynamic measuring instrument having the above-mentioned configuration,
In measuring the movement of the marker, first, the marker on the object to be measured is photographed by the imaging system, the marker is captured by the measuring system, and then close-up photographing is performed. Then, the rotary mirrors are rotationally driven by two high-speed and high-accuracy mirror controllers placed on the optical axis of the imaging system, and when the measurement is performed following the sign, the sign image is captured by servo control based on the null method. Since it comes to the center of the screen of the system, by measuring the angle of the mirror in that case, the direction in which the sign exists can be found, and the excellent operability is maintained by finding the intersection of the two straight lines indicating those directions. However, the three-dimensional position of the sign is measured with high accuracy.

【0008】これにより、クローズアップ撮影したこと
による倍率分だけ分解能を上げることができ、そのた
め、分解能を上げた分だけミラーの回転角の精度を上げ
ねばならないが、本発明者らが先に開発(特願平4−1
02172号)している高速・高精度の角度測定器など
を用いることにより、十分に高精度化することが可能で
ある。他方、零位法に基づく制御により撮像系の中心域
のみを用いて撮像系の歪みの影響を除き、さらに、高
速、高精度のミラー制御により、高精度な計測を広範囲
に実施することができる。
As a result, the resolution can be increased by the magnification due to the close-up photography. Therefore, the accuracy of the rotation angle of the mirror must be increased by the increased resolution, but the present inventors have previously developed it. (Japanese Patent Application No. 4-1
It is possible to achieve sufficiently high accuracy by using a high-speed and high-accuracy angle measuring device (No. 02172). On the other hand, the control based on the null method eliminates the influence of the distortion of the image pickup system by using only the central region of the image pickup system, and the high-speed, high-precision mirror control enables a wide range of high-precision measurement. .

【0009】[0009]

【実施例】図1は、本発明の高精度動態計測器を高精度
3次元位置計測システムとして利用する場合の基本的構
成を模式的に示すものである。同図の動態計測器は、数
mから数十mの範囲で動く人間その他の適宜物体上の標
識1の高精度動作解析を行うためのもので、その標識1
としては、被測定物体上の高又は低輝度物体、あるいは
特定の色の物体等が用いられ、また被測定物体上に適当
な標識となる部分がない場合には発光ダイオード(LE
D)を被測定物体上に付設して標識とする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 schematically shows the basic structure of the high-precision dynamic measuring device of the present invention when used as a high-precision three-dimensional position measuring system. The dynamic measuring device in the same figure is for performing highly accurate motion analysis of a sign 1 on a human or other appropriate object that moves within a range of several meters to several tens of meters.
As the high- or low-luminance object on the measured object, or an object of a specific color, a light-emitting diode (LE) is used when there is no suitable marker on the measured object.
D) is attached to the object to be measured and used as a marker.

【0010】上記標識1を検出するために、その標識が
移動する測定域(上下、左右40°程度の画角の範囲)
を視野内に収める2台のテレビカメラTV1,TV2 を設置し
ている。このテレビカメラTV1,TV2 に代えて、PSDそ
の他の撮像系を用いることができる。なお、この実施例
の説明では、前記従来技術における NO.5の方式を改善
することを念頭に置いて説明するが、以下に説明する位
置検出を前記 NO.4のPSD方式に対しても同様に適用
することができる。その場合、照明等によるノイズ除去
が大きな問題になるが、より一層の高精度を期待するこ
とができる。
In order to detect the mark 1, the measuring range in which the mark moves (the range of the angle of view of about 40 ° vertically and horizontally)
We have installed two TV cameras TV 1 and TV 2 that can fit within the field of view. Instead of the TV cameras TV 1 and TV 2 , a PSD or other imaging system can be used. It should be noted that, in the description of this embodiment, the description will be made with the idea of improving the method of No. 5 in the prior art described above, but the position detection described below is the same for the PSD method of No. 4. Can be applied to. In that case, noise removal due to illumination or the like becomes a big problem, but higher accuracy can be expected.

【0011】これらのテレビカメラTV1,TV2 は、それぞ
れ、光軸上に配置した一対の高速・高精度ミラー制御器
2a,2b及び2c,2dにおける回転ミラー3a,3
b及び3c,3dを介して標識を撮影し、その際、例え
ば、広角撮影とクローズアップ撮影に切り換え可能にす
るなど、任意手段により全測定域と測定域の一部のクロ
ーズアップ撮影を可能にしたもので、広角撮影時に全測
定域を視野内に収め、また分解能を上げるためにその測
定域の一部をクローズアップ撮影する場合にも、それぞ
れの一対のミラー3a,3b及び3c,3dを回転させ
ることにより、全測定域をカバーして測定域中の任意の
一部を撮影可能にしたものである。
These television cameras TV 1 and TV 2 respectively include rotating mirrors 3a and 3 in a pair of high-speed and high-accuracy mirror controllers 2a, 2b and 2c and 2d arranged on the optical axis.
The sign is photographed via b, 3c, and 3d, and at this time, it is possible to perform close-up photographing of the entire measurement range and a part of the measurement range by arbitrary means, for example, switching to wide-angle photography and close-up photography. When the wide-angle shooting is performed, the entire measurement area is included in the field of view, and when a close-up image is taken of a part of the measurement area in order to improve the resolution, the pair of mirrors 3a, 3b and 3c, 3d are used. By rotating, the entire measurement area is covered and an arbitrary part of the measurement area can be photographed.

【0012】2台のテレビカメラTV1,TV2 の光軸上に設
けた上記一対の高速・高精度ミラー制御器2a,2b及
び2c,2dは、それによって回転を制御される回転ミ
ラー3a,3b及び3c,3dの回転の軸線を、図2に
示すように、測定域において互いに直交する上下及び左
右方向にテレビカメラの光軸が移動するように配設して
いる。なお、図2中、Lはレンズ系を示している。そし
て、それらの高速・高精度ミラー制御器を駆動すること
により、標識1が前記測定域を動き回る時に、後述する
ように、その標識の像がテレビカメラTV1,TV2 の画面の
中心にくるように制御され、且つ標識1の移動に追従し
てその制御が行われる。
The pair of high-speed and high-accuracy mirror controllers 2a, 2b and 2c, 2d provided on the optical axes of the two TV cameras TV 1 , TV 2 are rotary mirrors 3a, 2b, 2c, 2d whose rotation is controlled. The axes of rotation of 3b, 3c, and 3d are arranged so that the optical axis of the television camera moves in the vertical and horizontal directions orthogonal to each other in the measurement range, as shown in FIG. In FIG. 2, L indicates a lens system. By driving these high-speed and high-accuracy mirror controllers, when the sign 1 moves around the measurement range, the image of the sign comes to the center of the screen of the TV cameras TV 1 and TV 2 as described later. Is controlled so as to follow the movement of the sign 1, and the control is performed.

【0013】上記高速・高精度ミラー制御器は、図3に
示すように、特殊形状のスリット5を通過した光を一次
元半導体位置検出器7を用いて検出することによりモー
タ8の回転角度を高精度に計測する角度測定器を備えて
いる。さらに具体的に説明すると、この角度測定のため
の装置としては、図示しない光源と、高速・高トルクの
モータ8によって回転駆動され、中心軸6からの距離r
が回転角度θに比例する螺旋状のスリット5を設けた遮
蔽板4と、上記スリット5を通過した光の位置を計測す
る一次元半導体位置検出器7とを備えている。
As shown in FIG. 3, the high-speed and high-accuracy mirror controller detects the light passing through the slit 5 having a special shape by using the one-dimensional semiconductor position detector 7 to determine the rotation angle of the motor 8. It is equipped with an angle measuring device that measures with high accuracy. More specifically, as an apparatus for measuring this angle, a light source (not shown) and a high-speed, high-torque motor 8 are rotationally driven, and a distance r from the central axis 6 is used.
Is provided with a shield plate 4 provided with a spiral slit 5 proportional to the rotation angle θ, and a one-dimensional semiconductor position detector 7 for measuring the position of light passing through the slit 5.

【0014】上記螺旋状スリット5は、r=aθ(但
し、a:定数)によって与えられる位置に設けられるも
のであり、従って、遮蔽板4を回転すると、スリット5
に沿う直線上に投射してスリット5を通過する光の位置
は、一次元半導体位置検出器7上において、回転角度θ
に比例して変化するので、その位置によりモータ8の回
転角度が高精度に計測される。特に、半導体位置検出器
は、その分解能が極めて高く、安定しているため、上記
スリット5を通過した光の位置により、モータ8の高精
度な回転角度の計測が可能になる。
The spiral slit 5 is provided at a position given by r = aθ (where a is a constant). Therefore, when the shield plate 4 is rotated, the slit 5 is formed.
On the one-dimensional semiconductor position detector 7, the position of the light projected on the straight line along the line and passing through the slit 5 is the rotation angle θ.
Since it changes in proportion to, the rotation angle of the motor 8 can be measured with high accuracy by the position. In particular, since the semiconductor position detector has extremely high resolution and is stable, it is possible to measure the rotation angle of the motor 8 with high accuracy based on the position of the light passing through the slit 5.

【0015】また、上記角度測定器には、その計測デー
タを用いて上記モータ8を高速・高精度に制御する制御
器が接続されている。上記制御器は、初期値補償付きの
積分制御型最適追従制御器と呼ぶことができるもので、
図4に示すような構成を有し、その理論的根拠に関して
は、本発明者が、計測自動制御学会論文集第20巻第1号
「線形多入出力最適追従制御系の初期値補償器」におい
て詳述している。
Further, a controller for controlling the motor 8 at high speed and with high accuracy using the measurement data is connected to the angle measuring device. The controller can be called an integral control type optimum tracking controller with initial value compensation,
The inventor has a configuration as shown in FIG. 4, and regarding the theoretical basis, the present inventor has proposed that the Institute of Instrument and Control Engineers, Volume 20, No. 1, “Initial Value Compensator for Linear Multiple Input / Output Optimal Tracking Control System”. In detail.

【0016】図4の積分制御型最適追従制御器は、基本
的には、設定入力rと出力yとの差eに対して定数K2
を乗じる要素及びその結果に対して積分制御を施す積分
制御要素(Im/S)を備えた積分制御系と、制御対象の状態
変数xに対して定数K1 を乗じてフィードバックするフ
ィードバック制御系とを備えている。さらに、これらの
制御系では、積分制御要素に初期値がある場合に好まし
くない制御動作があらわれるので、それを除去するため
の操作量の初期値補償を行うための補償制御系、即ち、
システムの起動時に操作量uの値をサンプリングして0
次ホールド回路にホールドさせ、その値(−K1 x(0)
+z(0) )をフィードバックして上記積分制御系の出力
から減算することにより、上記初期値の影響をなくすよ
うにした補償制御系が付加されている。
The integral control type optimum tracking controller of FIG. 4 basically has a constant K 2 with respect to the difference e between the set input r and the output y.
An integral control system having an integral control element (Im / S) for performing integral control on the element for multiplying by and the result, and a feedback control system for feeding back the state variable x to be controlled by a constant K 1 Is equipped with. Furthermore, in these control systems, since an undesired control operation appears when the integral control element has an initial value, a compensation control system for performing initial value compensation of the manipulated variable for eliminating it, that is,
When the system starts up, the value of the manipulated variable u is sampled to 0
Next hold circuit holds the value (-K 1 x (0)
A compensation control system is added to eliminate the influence of the initial value by feeding back + z (0)) and subtracting it from the output of the integral control system.

【0017】この補償制御系は、システムの起動もしく
は設定値の大巾な変化等により入力rの微分値が一定値
を越えたときに操作量uの値をサンプルし、その値をホ
ールドするような機能を持つ素子により実現することも
できる。また、過度に操作量uをサンプルホールドしな
いため、サンプラに不応素子を付加してもよい。従っ
て、上記積分制御型最適追従制御器において、操作量u
は、制御対象の状態変数xに定数K1 を乗じてフィード
バックした成分と、入力rと出力yの差eに定数K2
乗じたものを積分制御した成分zと、入力rが大きく変
動したときに操作量uをサンプルホールドしてその値を
フィードバックした成分との加減算により構成される。
This compensation control system samples the value of the manipulated variable u and holds the value when the differential value of the input r exceeds a certain value due to system startup or a large change in the set value. It can also be realized by an element having various functions. Further, since the operation amount u is not excessively sampled and held, a refractory element may be added to the sampler. Therefore, in the above-mentioned integral control type optimum tracking controller, the manipulated variable u
Is a component in which the state variable x to be controlled is multiplied by a constant K 1 and fed back, a component z in which the difference e between the input r and the output y is multiplied by a constant K 2 is subjected to integral control, and the input r fluctuates greatly. Sometimes, the operation amount u is sampled and held, and the value is fed back and added to and subtracted from the component.

【0018】ここで、定数K1 ,K2 は、操作量uの自
乗値、即ちエネルギをできるだけ小さく抑えつつ、出力
yが入力rにできるだけ速く追従できるように調整され
る。これらの定数K1 ,K2 は、上述したところからわ
かるように、2次形式評価関数を最小化して得られる
が、この方法によらずに定数K1 ,K2 を決定する方法
も可能である。しかし、その場合でも速応性を増すため
に定数K1 ,K2 を大きくすると、システム起動時に好
ましくない初期変動を起すので、上記初期値補償器は不
可欠である。
Here, the constants K 1 and K 2 are adjusted so that the output y can follow the input r as quickly as possible while keeping the square value of the manipulated variable u, that is, the energy as small as possible. As can be seen from the above, these constants K 1 and K 2 are obtained by minimizing the quadratic evaluation function, but a method of determining the constants K 1 and K 2 is also possible without this method. is there. However, even in that case, if the constants K 1 and K 2 are increased in order to increase the quick response, an undesired initial fluctuation will occur when the system is started, so the above initial value compensator is indispensable.

【0019】前述した一次元半導体位置検出器7の測定
データを用い、上記積分制御型最適追従制御器によりモ
ータ8を制御すると、最適制御系を形成しているために
安定性にすぐれ、高速な制御が可能であると共に、入出
力端に直接積分制御器がついているため、オフセット零
が保証され、モータ8に標識1からの光を所要方向に反
射させるミラー3a〜3dを設けることにより、上記角
度測定データの精度を保証されたミラー制御器が実現で
きる。
When the motor 8 is controlled by the integral control type optimum follow-up controller using the measurement data of the one-dimensional semiconductor position detector 7 described above, the stability is excellent and the speed is high because the optimum control system is formed. Since it is controllable and an integral controller is directly attached to the input and output ends, an offset of zero is guaranteed, and by providing the motor 8 with mirrors 3a to 3d for reflecting the light from the marker 1 in a required direction, It is possible to realize a mirror controller that guarantees the accuracy of angle measurement data.

【0020】また、上記高精度動態計測器においては、
テレビカメラに接続して測定画像中の標識の位置を検出
するXYトラッカを備え、さらにその出力に基づいて高
速・高精度ミラー制御器を駆動して回転ミラーを振らせ
ることにより標識1の像を常にテレビカメラの視野の中
心に保持するところの零位法に基づくサーボ制御系を備
えている。この零位法に基づくサーボ系制御系により標
識を画面中心に捉えると、撮像系の中心域のみを用いて
撮像系の歪みを除き、高精度な計測を広範囲に実施する
ことが可能になる。
Further, in the above-mentioned high precision dynamic measuring instrument,
It is equipped with an XY tracker that is connected to a TV camera to detect the position of the sign in the measurement image, and drives the high-speed and high-precision mirror controller based on the output of the XY tracker to swing the rotating mirror to display the image of sign 1. It is equipped with a servo control system based on the null method, which is always kept at the center of the field of view of the TV camera. When the marker is captured in the center of the screen by the servo system control system based on the null method, only the central region of the image pickup system can be used to remove the distortion of the image pickup system and high-precision measurement can be performed over a wide range.

【0021】図5は、零位法に基づく制御を説明するた
めのものである。即ち、標識1が動いてテレビ画面上で
白丸の点に動いた時、その白丸の位置を計測し、制御器
によって黒丸の点、即ち、測定原点(0,0)に移動す
るように、回転ミラーを回転させる。このとき、本発明
者らの提案にかかる図4のような積分制御型最適追従制
御系を用いると、位置誤差に直接積分器がついた構造に
なっているため、常にオフセットをセンサの誤差内に収
めることができ、また最適制御系を構成するので、安定
性に優れ、高速な制御系を設計することができる。
FIG. 5 is for explaining the control based on the null method. That is, when the marker 1 moves and moves to a white circle point on the TV screen, the position of the white circle is measured, and the controller rotates so as to move to the black circle point, that is, the measurement origin (0, 0). Rotate the mirror. At this time, when the integral control type optimum tracking control system as shown in FIG. 4 according to the present inventors is used, since the position error is directly attached to the integrator, the offset is always within the error of the sensor. Since an optimum control system can be configured, it is possible to design a control system with excellent stability and high speed.

【0022】上記構成を有する高精度動態計測器によっ
て、標識1の動きを測定するに際しては、先ず、テレビ
カメラTV1,TV2 により広角で被測定物上の標識1を撮影
し、その標識1を測定系で捕捉した後、テレビカメラTV
1,TV2 をクローズアップ撮影に切り換える。そして、テ
レビカメラTV1,TV2 の光軸上に置いたそれぞれ二つの高
速・高精度ミラー制御器2a〜2dで回転ミラー3a〜
3dを回転させ、零位法に基づくサーボ制御により、測
定域で動き回る標識1の像がテレビカメラTV1,TV2 の画
面の中心にくるようにするので、その場合のミラー3a
〜3dの角度を測定することにより、標識1の存在する
方向が求まり、それらの方向を示す二つの直線の交点を
求めることによって、標識1の3次元位置を計測するこ
とができる。
When the movement of the sign 1 is measured by the high-accuracy dynamic measuring device having the above structure, first, the sign 1 on the object to be measured is photographed by the TV cameras TV 1 and TV 2 at a wide angle, and the sign 1 is taken. TV camera TV after capturing the
1 , Switch TV 2 to close-up shooting. The rotary mirrors 3a to 2d are respectively provided with two high-speed and high-accuracy mirror controllers 2a to 2d placed on the optical axes of the TV cameras TV 1 and TV 2.
3d is rotated and the image of the sign 1 moving around in the measurement area is made to come to the center of the screens of the TV cameras TV 1 and TV 2 by the servo control based on the null method.
By measuring the angle of ~ 3d, the directions in which the sign 1 exists can be found, and the three-dimensional position of the sign 1 can be measured by finding the intersection of two straight lines indicating those directions.

【0023】上述したところにより、クローズアップ撮
影したことによる倍率分だけ分解能を上げることができ
る。そのため、分解能を上げた分だけミラーの回転角の
精度を上げねばならないが、本発明者らが開発した高速
・高精度の角度測定器を用いると、従来より10倍程度
高精度であるため、十分な高精度化が可能である。他
方、上記クローズアップ撮影する分だけ標識の動きが速
くなるが、これはミラー制御器の速さでカバーすること
ができる。また、零位法に基づく制御により撮像系の中
心域のみを用いて撮像系の歪みの影響を除き、さらに、
高速、高精度のミラー制御により、高精度な計測を広範
囲に実施することができる。
As described above, the resolution can be increased by the magnification due to the close-up photography. Therefore, the accuracy of the rotation angle of the mirror has to be increased by the amount corresponding to the increased resolution, but when the high-speed and high-accuracy angle measuring instrument developed by the present inventors is used, the accuracy is about 10 times higher than that of the conventional one. Sufficient high accuracy is possible. On the other hand, the movement of the sign becomes faster due to the close-up photographing, which can be covered by the speed of the mirror controller. In addition, the control based on the null method eliminates the influence of distortion of the imaging system by using only the central region of the imaging system,
High-speed, high-accuracy mirror control enables high-accuracy measurement to be performed over a wide range.

【0024】標準のテレビ装置では、位置測定が1/6
0秒ごとにしかできないため、高速制御するのに限界が
あるが、その問題を解決する方法としては種々のものが
知られている。例えば、その第1は、テレビの撮影速度
を上げることであり、技術的には何ら問題はない。第2
は、各社が採用している方法で、測定範囲を限定し、水
平復帰のわずかな時間に毎回限定した範囲の計測を行う
方法とか、シリンドリカルレンズを用いて上下方向及び
左右方向に像をつぶし、画面の数分の1の範囲だけを操
作することにより高速測定を行う方法などである。
With standard television equipment, position measurement is 1/6
Since it can be done only every 0 seconds, there is a limit to high-speed control, but various methods are known to solve the problem. For example, the first is to increase the shooting speed of the television, and there is no technical problem. Second
Is a method adopted by each company, limiting the measurement range, and measuring the limited range each time in a short time of horizontal recovery, or crushing the image vertically and horizontally using a cylindrical lens, For example, a method for performing high-speed measurement by operating only a fraction of the screen.

【0025】なお、標識をクローズアップ撮影すると、
それを視野内に捉えることが困難になり、計測の手間が
かかるので、広角で撮影する手段を別に用意し、セット
アップを完了した後クローズアップ撮影して、計測を開
始することが望ましい。
When the sign is photographed in close-up,
Since it becomes difficult to capture it in the field of view and it takes time and labor for measurement, it is desirable to separately prepare a means for photographing at a wide angle, perform close-up photographing after completing the setup, and start measurement.

【0026】次に、前記ミラー3a〜3dの角度の測定
データを計算機に取り込み、標識1の3次元位置座標を
計算する方法について説明する。図6に示したように、
測定系(X,Y,Z;O)の座標原点Oを測定範囲の中
央に置き、2台のテレビカメラの光学中心においた座標
系を (Xi,Yi,Zi;Oi)(i=1,2)とする。ただし、Y,
Yi は鉛直で上方の向きとする。さらに、線分 O1O2
中点における座標系を (X3,Y3,Z3;O3)と表わし、線
分O1O3=線分O2O3=a,線分O O3=bと表わす。
Next, a method of importing the measurement data of the angles of the mirrors 3a to 3d into a computer and calculating the three-dimensional position coordinates of the marker 1 will be described. As shown in FIG.
The coordinate origin O of the measurement system (X, Y, Z; O) is placed in the center of the measurement range, and the coordinate system with the optical centers of the two TV cameras is (Xi, Yi, Zi; Oi) (i = 1, 2) However, Y,
Yi is vertical and faces upward. Further, the coordinate system at the midpoint of the line segment O 1 O 2 is expressed as (X 3 , Y 3 , Z 3 ; O 3 ), and the line segment O 1 O 3 = line segment O 2 O 3 = a and the line segment OO It is expressed as 3 = b.

【0027】いま、O1,O2 に置いた撮像面上で標識の
像の位置がxi ,yi (i=1,2) となったとする。なお、
本システムでは、実際にはミラーが動いて常に標識が原
点に捉えられるが、標識が動きミラーを固定した場合を
考え、ミラーの角度から容易にxi ,yi 求められる。
すると、次式が成立する。
Now, suppose that the position of the image of the sign is x i , y i (i = 1, 2) on the image pickup surface placed on O 1 and O 2 . In addition,
In this system, the mirror actually moves and the sign is always captured at the origin. However, considering the case where the sign moves and the mirror is fixed, x i , y i can be easily obtained from the angle of the mirror.
Then, the following equation is established.

【数1】 [Equation 1]

【0028】座標系O3 とOi (i=1,2) 間の座標変換
は、Yi 軸に関する回転を考えればよく、次式で表され
る。
The coordinate conversion between the coordinate systems O 3 and Oi (i = 1,2) may be performed by considering rotation about the Yi axis, and is expressed by the following equation.

【数2】 [Equation 2]

【0029】(3) 式を(1) 式へ代入して整理すると、Substituting equation (3) into equation (1) and rearranging,

【数3】 となる。2つの条件式をまとめると、[Equation 3] Becomes To summarize the two conditional expressions,

【数4】 となる。よって、[Equation 4] Becomes Therefore,

【数5】 を得る。また、OとO3 の変換は容易に次式で得られ
る。
[Equation 5] To get Further, the conversion of O and O 3 can be easily obtained by the following equation.

【数6】 [Equation 6]

【0030】このように計算すれば、たとえ測定値に誤
差が含まれていて、2台の撮像系から推定された2本の
直線が交わらなくても、2本の直線の最小距離を与える
点が解として求まる。ところで、(9) 式は逆行列の計算
を含んでいるので、測定データの数が多いときには、計
算時間が長くなり、実用的でない場合もある。ここで、
(7) 式を具体的に書き下すと、
According to the above calculation, even if the measured value includes an error and the two straight lines estimated from the two image pickup systems do not intersect, the point giving the minimum distance between the two straight lines. Is obtained as a solution. By the way, since the equation (9) includes the calculation of the inverse matrix, when the number of measurement data is large, the calculation time becomes long and may not be practical. here,
When the formula (7) is written down concretely,

【数7】 となる。[Equation 7] Becomes

【0031】よって、Fの要素をfijと表して、(11)式
の第1、第3番目の式を取り出すと、
Therefore, when the element of F is represented by f ij and the first and third equations of equation (11) are extracted,

【数8】 を得るから、これより、[Equation 8] From this,

【数9】 を得る。(13)式を(11)式の第2、第4番目の式へ代入し
平均をとると、次式となる。
[Equation 9] To get Substituting equation (13) into the second and fourth equations of equation (11) and taking the average, the following equation is obtained.

【数10】 [Equation 10]

【0032】これは、三次元空間の直線を水平面に射影
した2直線の交点を式によって求め、次に残りの2式か
らY3 を求めたことになる。(13),(14) 式によれば、
(9) 式よりも数分の1の計算量でが求められる。
This means that the intersection of the two straight lines obtained by projecting the straight line in the three-dimensional space on the horizontal plane is obtained by the equation, and then Y 3 is obtained from the remaining two equations. According to equations (13) and (14),
It can be calculated with a fraction of the calculation amount of Eq. (9).

【0033】なお、以上においては、テレビカメラ等の
撮像系により回転ミラーを介して測定域を撮影するよう
にしているが、リレー光学系の焦点上に回転ミラーを置
いて回転させることにより、測定対象をさらに広範囲に
わたって追従して測定し、等価的に測定域を多数に分割
したことと同等の高精度測定が可能になる。
In the above, the image pickup system such as a television camera is used to photograph the measurement area through the rotating mirror. However, the measurement is performed by placing the rotating mirror on the focal point of the relay optical system and rotating it. The object can be measured by following over a wider range, and the high-precision measurement equivalent to dividing the measurement range into a large number becomes possible.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の高精度
動態計測器によれば、テレビ技術を利用した従来の方式
における優れた操作性を維持しながら、測定域を分割し
てクローズアップ撮像することにより分解能を上げ、し
かも、零位法に基づくサーボ制御系により、撮像系の中
心域のみを用いて撮像系の歪みの影響を除き、さらに、
高速、高精度のミラー制御により、高精度な計測を広範
囲に実施可能にした高精度動態計測器を得ることができ
る。
As described in detail above, according to the high-precision dynamic measuring instrument of the present invention, the measurement range is divided and closed while maintaining the excellent operability in the conventional system using the television technology. The resolution is increased by up-imaging, and the servo control system based on the null method eliminates the influence of distortion of the imaging system by using only the central region of the imaging system.
High-speed and high-accuracy mirror control makes it possible to obtain a high-accuracy dynamic measuring instrument capable of performing high-accuracy measurement over a wide range.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の高精度動態計測器を高精度3次元位置
計測システムに適用した状態を示す模式的ブロック構成
図である。
FIG. 1 is a schematic block configuration diagram showing a state in which a high-precision dynamic measuring device of the present invention is applied to a high-precision three-dimensional position measuring system.

【図2】図1における回転ミラーの回転軸の配設状態を
示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing an arrangement state of a rotary shaft of a rotary mirror in FIG.

【図3】高速・高精度ミラー制御器における角度測定器
の構成を示す正面図である。
FIG. 3 is a front view showing a configuration of an angle measuring device in a high-speed / high-accuracy mirror controller.

【図4】初期値補償付きの積分制御型最適追従制御器の
動作説明用のブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram for explaining the operation of an integral control type optimum tracking controller with initial value compensation.

【図5】零位法に基づく制御を説明するための説明図で
ある。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining control based on the null method.

【図6】標識の3次元位置座標の計算のための説明図で
ある。
FIG. 6 is an explanatory diagram for calculating three-dimensional position coordinates of a sign.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 標識、2a〜2d 高速・高精度ミラー制御器、
3a〜3d 回転ミラー、TV1,TV2 テレビカメラ。
1 sign, 2a ~ 2d high speed and high precision mirror controller,
3a-3d rotating mirror, TV 1 , TV 2 TV camera.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】測定対象の標識が存在する測定域を異方向
から視野内に収め、クローズアップ撮影可能な2台の撮
像系を設置し、これらの撮像系の光軸上には、それぞ
れ、互いに直交する方向に撮像系の光軸を移動させる回
転ミラーを有し、且つそれを高精度に回転駆動する一対
の高速・高精度ミラー制御器を配置し、さらに、それら
の高速・高精度ミラー制御器を駆動して回転ミラーを振
らせることにより標識の像を常に撮像系の視野の中心に
保持するところの零位法に基づくサーボ制御系を上記撮
像系に接続したことを特徴とする高精度動態計測器。
1. A measurement area in which a marker to be measured is present is included in a field of view from different directions, and two image pickup systems capable of close-up photographing are installed. It has a rotating mirror that moves the optical axis of the image pickup system in a direction orthogonal to each other, and a pair of high-speed and high-accuracy mirror controllers that rotate and drive it with high accuracy are arranged. A servo control system based on the null method, in which the controller is driven and the rotating mirror is shaken to keep the image of the sign at the center of the visual field of the image pickup system, is connected to the image pickup system. Precision dynamic measuring instrument.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE4018713A1 (en) * 1990-06-12 1991-12-19 Bosch Gmbh Robert WINDOW WIPER

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE4018713A1 (en) * 1990-06-12 1991-12-19 Bosch Gmbh Robert WINDOW WIPER
DE4018713C2 (en) * 1990-06-12 1999-06-10 Bosch Gmbh Robert Windshield wiper

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