JPH09506164A - 空間測定復元システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ある環境の位置、向き、形状及び／又は操作特性を測定する空間測定復元システム及び方法である。該システムは、データ収集装置とモデル構築装置を備えている。そして、該データは、完成若しくは現状の環境のＣＡＤＤモデルに変換され得るか、さもなければ３次元における環境のマップを作成する。

Description

【発明の詳細な説明】 空間測定復元システム 発明の属する分野 本発明は空間測定復元システムに関し、物体及び／又は環境に関する位置上、 次元上及び／又は操作上の情報を測定し、記録する空間測定復元システムに関す るものである。 発明の背景 コンピュータ援用設計及び製図（ＣＡＤＤ）は、製造業や建設業を含む多くの 産業において、設計情報の処理、記録用の標準設計工具を備えている。このよう に、設計情報、例えば生産品や建設計画用の設計情報は、コンピュータ化された モデルに変換される。ＣＡＤＤモデルは、設計を構成する物体の位置、形状及び 向き、またそれらの相互関係及びそれらが内包される環境の正確な描写である。 ベリボー等の米国特許出願番号０７／５７０，２６８（１９９０年８月１７日 出願）、またドーンブッシュ等の米国特許出願番号０７／６３６，４５９（１９ ９０年１２月３１日出願）は、それらの内容が参考のためにここに取り入れられ ており、ＣＡＤＤモデルが、ある環境における特定点（points）を位置決めする ための携帯用位置センサー及び多数の基準端末（reference station）に接続し て使用されるシシテム及び方法を説明している。このベリボー等によって開示さ れたシステム及び方法では、例えば、自動車の実際の位置及び向き情報は、コン ピュータに送り戻され、ＣＡＤＤモデル上の自動車の所望の位置と比較され、そ して必要があれば、その自動車の位置は自動的に補正される。 あいにく、完成した環境は、設計や耐久力における誤差のような問題のため、 その設計とはしばしば異なる。かくして、このＣＡＤＤモデルは、それを基に構 成された環境をもう正確に表わしていないという問題がある。ＣＡＤＤモデルは 、ある環境の構成要素、例えば既成の生産品又は工業設備の「完成」又は「現状 」位置、形状及び向きのデータを記録するために使用され得たであろう。もし、 これらのデータが測定され得たならば。 発明の要旨 本発明は、環境を形成する物体の位置と向き（空間データ）と形状と操作特性 （記述データ）を復元するシステム及び方法を提供することにより、上記の問題 を解決するものである。このデータは、その後、完成又は現状の環境のＣＡＤＤ モデルに変換されてもよい。 本発明は、データ収集装置を含み、またモデル構築（building）装置を含んで もよい。かかるデータ収集装置は、物体の位置、向き、形状、またもし応用でき れば操作特性を、測定し、記録する。前記モデル構築装置は、これらの空間／記 述データをＣＡＤＤモデルに変換する。完成すれば、このＣＡＤＤモデルは、環 境内の全物体についての空間的関係及び説明の正確な描写である。モデル化され た環境は、その後コンピュータ・モニター又は他の出力装置により見ることが出 来る。 上記ベリボー等又はドーンブッシュ等に開示されたもののように、前記データ 収集装置は、位置決め及び測定システムを組み入れている。かかるデータ収集装 置は、また物体の形状を検出する形状センサーを含んでもよい。個別操作特性セ ンサー（separate operational characteristic sensor）も、温度や材料組成の ような特徴となる操作特性を測定するために含まれてもよく、それは、特定の物 体を類似形状の隣接する物体から識別する助けとなる。前記データ収集装置は、 ある環境にある何れか或いは全ての物体に関する形状、位置、向き及び操作デー タの何れか又は全てを収集する。 前記空間／記述データは、オンライン通信装置により同時に、或いは一旦記憶 された後で、モデル構築装置に転送される。 形状及び操作特性データにより、モデル構築装置は複数の物体を識別すること が出来る。この識別は、復元した記述データをソフトウェア目的ライブラリー内 に入っている物体の詳細な記述データと比較することで行なわれ得る。ソフトウ ェア目的ライブラリーは、特殊な環境内で要求される物体の幾つか又は全てに関 する記述データを含んでいるであろう。例えば、化学処理工場を含む環境に関し 、前記ソフトウェアライブラリーには、幾つものサイズや形状を持つパイプ、バ ルブ、ポンプ等の記述データがおそらく入っている。物体が識別されると、詳細 な 記述データは、前記データ収集装置によって提供される対応空間データを使用す るＣＡＤＤモデルの中に配置される。これにより、前記特殊な環境の詳細なＣＡ ＤＤモデルを提供するために、現場で要求されるデータ収集量が少なくなり、ま たそのようなモデルを作るのに必要な時間が縮小される。 前記データ収集装置の一実施例には、手持ちロッド（hand-held rod）が設け られている。接触センサーは、該ロッドの一端に取り付けられ、物体に適切に接 触させると検知する。形状センサー及び操作センサーも、前記ロッドに取り付け られている。この形状センサーは、例えばソナー（音波）を含んでもよく、一方 操作センサーは、例えば温度計を含んでもよい。これらセンサーにより、複数の 物体を識別するのに必要な記述データが提供される。物体の空間データを適切に 測定するために、前記ロッドの方位及び傾斜角を知ることも必要である。このた め、前記ロッドの傾斜角を測定するための傾斜センサーをロッド上に設けてもよ い。更に、軸回転データが、向きの測定に使用され得る。前記傾斜センサーが、 前記ロッドの軸回転を測定してもよい。複数位置決め受信機によって、該ロッド の方位と傾斜角の両方を測定できる。ロッド上で、複数の傾斜センサーと位置決 め受信機を組み合わせて使用することが出来る。 本発明の方法に関する一実施例によれば、操作者はデータ収集装置、例えば、 ロッドを持ち運び、その環境を形成する物体上に前記接触センサーを正しく配置 する。各物体の空間／記述データは測定され、記録される。その後、かかるデー タはモデル構築装置に転送される。受信された形状及び操作データは、複数の物 体を識別するために使用される。１つの物体が確認されると、その位置及び向き は、物体に関する記述データをＣＡＤＤモデルに入れるために利用される。これ らの工程は、現状の環境の中の関連する物体全てがＣＡＤＤモデルに置かれるま で繰り返される。 本発明に係るシステム及び方法のより簡単な変形例が描かれる。 例えば、操作者は、所定の位置にある物体の形状及び／又は操作特性（例えば１ ０″（インチ）パイプで高温）をモデル構築装置に直接入力出来ることが考えら れる。その後、位置と向きが前記データ収集装置により測定される。対応位置及 び向きデータがモデル構築装置に転送されると、その物体をＣＡＤＤモデルに入 れることが出来る。 図面の簡単な説明 本発明に係る上記見地は、添付図面に基づいて理解され得る。その図面中： 図１は、物体のデータを収集する本発明の実施例に従うデータ収集装置の概略 図である。 図２は、図１に示されるデータ収集装置を説明する概略図である。 図３は、本発明の一実施例に従うモデル構築装置を説明する概略図である。 図４は、本発明に従って、輪郭を描かれた外表面の測定用ホイール部品が取付 られた、図２に示されるデータ収集装置を説明する概略図である。 図５は、本発明に従うデータ収集装置の位置決め演算を説明する概略図である 。 図６は、図２に示されるデータ収集装置と連絡する位置決め及び測定システム を説明する概略図である。 発明の詳細な説明 本発明の一実施例に従う空間測定及び復元システムが図１に示されている。全 図中、同じ符号が同じものを示すために使用されている。 データ収集装置１００は、環境の”３次元マップ”を作るために、環境を形成 する複数の物体に関する空間／記述データを収集する。実時間位置測定システム が、下記でより詳細に説明されるように、データ収集装置１００に合体される。 このため、前記データ収集装置は１個以上の位置センサー１１０（図２に示す） を含む。 図２に示されるように、前記データ収集装置の一実施例は、操作者が手持ちす るのに適するロッド１０８を設けている。該ロッドは、もし継ぎ手の角回転が位 置及び向きデータを測定する時のためとみなされるならば、弾力性のある継ぎ手 を設け得ることが考えられる。操作者は、該ロッド１０８の先端をデータを集め るべき物体上に置く。物体３００上に置かれると、接触センサー１１２が引金と なり（is triggered）、それによりコンピュータ／データ記憶装置１２０を始動 させる。 該コンピュータ／データ記憶装置１２０は、好ましくは、図２に示されるケー ブルのような通信リンクを介して前記ロッドに接続される。或いは、このコンピ ュータ／データ記憶装置１２０は、ロッド自体に設けられてもよい。該コンピュ ータ／データ記憶装置１２０は、操作者がデータを入力し、位置決めシステム及 びセンサーを調整するためのインターフェイスとして機能する。操作者は、記述 データ（即ち、形状及び操作特性データ）及び空間データ（即ち、位置及び向き データ）を、通信リンク、例えば携帯用無線電話器（図示せず）を通した音声に よって、他の記憶及び／又はデータ操作用装置にデータを入力する他の操作者に 送ることも出来る。前記コンピュータ／データ記憶装置１２０は、物体自体の空 間データ及び／又は記述データを記憶する能力を備えることも考えられる。 前記コンピュータ／データ記憶装置１２０は、形状センサー１１４と操作セン サー１１８を選択的に駆動させる。該形状センサー１１４は、物体３００の外面 特性を識別するデータを提供するのに好適なタイプのものである。形状センサー １１４は、内面特性に関するデータを提供することもできる。一実施例において 、ソナー（音波）装置は前記形状センサー１１４として利用され得る。かかるソ ナー装置は、方向音声変換器（directional audio transducer）と受信機（図示 せず）を１つ以上備えてもよい。方向音声信号は、物体上の異なる点に向けられ 、それら点までの相対的距離を測定する。点までの距離が、その物体形状を表わ す。加えて、物体３００に物理的に接触している測深装置（図示せず）は、該物 体中に音を伝え、その結果反射する音を受信する。かくして、測深装置は、物体 を構成する物質の厚さをその接触点で測定する。また、かかる測深装置を接触セ ンサー１１２と合体させてもよい。 前記データ収集装置１００には操作特性センサー１１６を設けることもできる。 この操作特性センサー１１６は、物体３００の操作特性を１つ以上測定する。そ のような操作特性は、ある物体を類似形状の隣接する物体から識別するために利 用され得る。識別特性として利用され得る操作特性としては、例えば、温度、材 質構成、電流及び／又は色等がある。本発明に従う一実施例では、温度計が操作 特性センサー１１６として使用され、特有の操作温度又は温度範囲を有する物体 を識別する。他の実施例において、硬度試験装置が該操作特性センサー１１６と して利用され、特有な材質硬度又は材質硬度範囲を有する外部物質からなる物体 を識別する。更なる実施例において、磁束検知器が操作特性センサー１１６とし て利用され得、異なる電流を伝導している物体を識別する。他の実施例では、カ メラが該操作特性センサー１１６として使用され、色の異なる物体を識別する。 所望の操作特性や対応する操作特性センサーの何れもが、本発明のシステム及び 方法に関連して使用され得ることが理解されるべきである。 前記データ収集装置１００に、専門のデータが集まるのに好適な様々な専門部 品を取り付けてもよい。例えば、図４に示されるように、ホイール部品が、輪郭 外形全体のデータの収集を増加させるために利用され得る。 図５に示されるように、２個の位置センサー１１０がロッドの軸に沿って取り 付けられている。このように使用される２個の位置センサーは、データ収集装置 １００の先端（tip）１３０の位置を測定するために必要な最小限の情報を提供 する。本発明に従って、ロッド１０８と共に該位置センサー１１０の位置は、図 ６に示されるように、少なくとも２個の固定装置５００に関連して測定される。 各固定装置は、好ましくは、一定の角速度で回転する一組又は複数組の反転ビー ムを発生させる。かかる反転ビームは、上記引用のドーンブッシュ出願に見られ るように、複数回転ヘッドや戦略的に配置された反射面を利用して発生させるこ とができる。 各固定装置５００は、好適にはレーザを備えており、それは軸中心に反転する 少なくとも１本の第１のレーザビームと少なくとも１本の第２のレーザビームを 発生する。該第１のレーザビームは、回転軸から所定角度傾斜した所定の発散角 （即ち、広がり）を持つ。該第２のレーザビームは、第１のレーザビームと同じ 発散角を有し、また同じ傾斜を持ってもよいが、反対方向に回転する。 位置センサー１１０が前記２つのレーザビームによって交差される場合には、 水平角度は、第１及び第２のビームの交差時間の時差によって測定される。これ らの水平角度が３個の固定装置５００に知らされると、三面の交差点が測定され 、従って該位置センサー１１０の三次元位置が測定され得る。 或いは、もし前記固定装置５００が、それぞれ、２つの第１のレーザビームと １以上の第２のレーザビームを発生すれば、２個の固定装置のみが、データ収集 装置１００の位置センサー１１０の位置を測定するために必要とされる。 図５に示されるように、前記位置センサー１１０の位置が測定されれば、ロッ ドの先端位置は次のように決定される： Ｘ＝Ｌ／Ｄ（Ｘ2−Ｘ1）＋Ｘ2 Ｙ＝Ｌ／Ｄ（Ｙ2−Ｙ1）＋Ｙ1 Ｚ＝Ｌ／Ｄ（Ｚ2−Ｚ1）＋Ｚ1 もし物体上の同一直線上にない（non-collinear）３点の位置が分かれば、そ の物体の向きを測定できる。前記データ収集装置がある物体に接触すると、１点 の位置が、データ収集装置１００に設けられる位置決めシステムによって測定さ れる。追加の点の位置は、形状センサー１１４によって測定された形状データの 分析によって描かれる。それに基づいて位置データ及び形状データが得られる物 体上の位置の数が増えるにつれて、測定された向きの精度は高くなる。 位置、向き、形状及び操作特性データが測定されると、好適には、それらはコ ンピュータ／データ記憶装置１２０に直ちに記憶されるか、あるいは、図３に示 されるように、モデル構築装置２００に通信リンク１２０及び２２０を介して送 られる。該モデル構築装置２００は、現物体３００に関して入力される空間／記 述データを記憶する。該空間／記述データは、この物体を、先に記憶された物体 の詳細な記述データ（例えば、実際の設計データ）のリストから識別するために 利用される。 この詳細な記述データのリストは、好適には、モデル構築装置２００内に入っ ているソフトウェア目的ライブラリーの形態をとっている。わずかな距離は、一 般に入手可能な計測器や工具、例えば、カリパス（ノギス）、コンピュータ数値 制御された”ＣＮＣ”機械加工装置等を使用することにより、通常、正確に測定 され、精度よく再生され得る。しかし、慣例的には、物体の大きさや物体間の距 離が増大するに従って、これら大きくなる距離を早く正確に測定することが出来 なくなる。前記モデル構築装置２００の目的ライブラリーは、設計形状データや 製品形状データのようなわずかな寸法情報を含んでもよい。該情報は、手元での 作業に必要とされる最小限の精度に対して、正確であると見られている、或は正 確であると推定され得るものである。このように、前記モデル構築装置２００は 、 前記データ収集装置により提供される形状データを利用することが出来、物体３ ００に対応する目的ライブラリー内のデータファイルを識別する。 代わって、データ収集を行なう操作者が、該物体に関する識別コードを、コン ピュータ／データ記憶装置に、又はモデル構築装置２００に直接的に、入力する ことが出来る。このコードは、物体３００の形状データを分析する必要なく、適 切な記述データファイルを識別することとなる。該識別コードは、製品の部品番 号、設計構成部分番号、若しくは物体３００を独自に識別した何らかのコードで あってもよい。 物体の記述データが測定されると、モデル構築装置２００は、該記述データを データ収集装置１００によって出された位置及び向きデータに結合させる。 操作中、操作者は、前記データ収集装置１００を、空間／記述データ内の環境 を構成する物体上に規則正しく載置する。各物体に関する該空間／記述データは コンピュータ／データ記憶装置１２０によって記憶される。あるいは、該空間／ 記述データは、モデル構築装置２００に直接転送される。モデル構築装置２００ は空間／記述データを記憶し、記述データを目的ライブラリー内に含まれている 基準データに調和（match）させ、物体のＣＡＤＤ像を環境のＣＡＤＤモデル中 に配置する。 上記は実施例のためだけのものである。添付の請求項により明かなように本発 明の範囲内で、特にサイズ、形状及び部品の配置に関して変形が可能である。例 えば、位置反射装置若しくは位置応答装置（position-transponders）を、位置 センサー１１０の代わりに利用し得る。そこでは、位置及び測定システムは、レ ーザビームや無線ビームのような放射発光（radiation emissions）を集めるデ ータ収集装置１００内で使用されることとなる。 さらに、本発明はＣＡＤＤモデルを作成することに限定されるものではない。 また本発明のシステム及び方法は、例えば、ロボット化車両（robotic vehicles ）をそれらの環境内で航行させる航行システムにおいて利用され得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランバーグ・エリック・ジェイ アメリカ合衆国 24060 ヴァージニア州, ブラックスバーグ，ジャクソン・ストリー ト 143Ａ番 (72)発明者 プラット・ティモシー アメリカ合衆国 24060 ヴァージニア州, ブラックスバーグ，カトーバ・ロード 1292 (72)発明者 ドーンブッシュ・アンドリュー アメリカ合衆国 24060 ヴァージニア州, ブラックスバーグ，オーチャード・ストリ ート 825番，アパートメント エフ―３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．環境の位置、向き、形状及び操作特性の少なくとも１つを測定する空間測定 復元システムにおいて、 少なくとも１個の位置センサーを含み、該環境を構成する少なくとも１個の 物体に関するデータを収集する手段と、 前記データ収集手段により収集されたデータを、該環境の３次元マップを作 成するように処理する手段と、 を含む。 ２．請求項１に従うシステムにおいて、該データ処理手段は、環境のＣＡＤＤ模 型を作成するコンピュータである。 ３．請求項１に従うシステムにおいて、前記データ収集手段は、携帯可能である 。 ４．請求項３に従うシステムにおいて、前記データ収集手段は、少なくとも１つ の位置センサーをその上に設けたロッドを備えている。 ５．請求項１に従うシステムにおいて、前記データ収集手段は、形状センサーを 備えている。 ６．請求項５に従うシステムにおいて、前記形状センサーはソナー装置である。 ７．請求項１に従うシステムにおいて、前記データ収集装置は、操作特性センサ ーを備えている。 ８．請求項７に従うシステムにおいて、前記操作特性センサーは、温度計、硬度 試験器、磁束検知器及びカメラからなるグループから選択される。 ９．請求項４に従うシステムにおいて、前記ロッドは接触センサーを含む。 10．請求項１に従うシステムにおいて、前記データ処理手段は、コンピュータ作 業端末（ワークステーション）と通信装置を備えており、該データ処理手段は、 位置、向き、形状及び操作特性を前記通信手段によって受信し、これらのデータ を環境のコンピュータ化モデル中へ変換する。 11．請求項１に従うシステムにおいて、前記データ収集手段は多数の位置センサ ーを有する。 12．請求項１１に従うシステムにおいて、前記多数のセンサーは、少なくとも２ 個の固定装置に接続して作用し、該環境内の１点に相当する前記ロッドの端部 の位置を測定する。 13．請求項２に従うシステムにおいて、前記コンピュータは、公知の物体に関す る基準形状及び操作特性データを有する目的ライブラリーを備え、また前記デー タ収集手段により収集された形状及び操作特性データは、該基準形状及び操作特 性と比較され、未知の物体を識別する。 14．ある環境の位置、向き、形状 また操作特性のうち、少なくとも１つを測定 する方法であって、： 該環境を構成する物体に関する空間及び記述データを系統的に収集する工程 と、 該環境のマップを作成するように前記データを処理する工程と、 を含む。 15．請求項１４に従う方法であって、前記データを処理する工程は、 該データをモデル構築装置に記憶し、 形状及び操作特性データを、前記モデル構築装置の目的ライブラリー内に含 まれる基準データに、該環境内の物体を識別するように調和させ、そして ＣＡＤＤ像を該環境内の物体に対応するＣＡＤＤモデル中で作成する ことを含む。