JP6749191B2 - スキャナ装置および測量装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の三次元形状を測定するのに用いられるスキャナ装置および該スキャナ装置を搭載した測量装置に関する。

近年、測定対象物の三次元形状を測定するために、広範囲に複数設置されたターゲットの位置を検出できるスキャナ装置が利用されている。スキャナ装置は、送光部から測距光としてパルスレーザを送光し、これを回動ミラーによって測定対象物を含む所定の測定エリアに走査し、パルス毎の反射光を受光部で受光して距離測定を行うとともに、測距時のパルスレーザの方向から水平角，鉛直角を測定して、三次元点群データを取得する（例えば特許文献１）。

特開２００８−８２７８２号

図８は、従来のスキャナ装置の送光部の出力波形図である。図８に示すように、従来のスキャナ装置では、測距光が所定時間毎にパルス状（ＭＰ１，ＭＰ２）に発せられるため、一定間隔のスポット光の照射点が測距・測角される。しかし、スキャナ装置からの距離が遠くなると、測距光（スポット光）がターゲットを跨ぎ、ターゲットが大きくなければターゲットを検出できない場合があった。

本発明は、従来技術の問題に鑑みて、ターゲットとスキャナ装置との距離が遠くても、ターゲットを確実に検出することのできるスキャナ装置および該スキャナ装置を搭載した測量装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のスキャナ装置は、所定時間毎に測距光を送光しターゲットに反射した測距光を受光して測距する測距部と、少なくとも一軸回転軸周りに前記測距光を走査するための回動部と、前記回動部の回転角度を検出する角度検出部と、を備えるスキャナ装置であって、前記スキャナ装置は、前記測距が実行される間は、前記ターゲットを検出するためのターゲット検出光を送光し、受光した前記ターゲット検出光の受光光量から前記ターゲットを検出することを特徴とする。

本発明の別の態様のスキャナ装置は、所定時間毎に測距光を送光しターゲットに反射した測距光を受光して測距する測距部と、少なくとも一軸回転軸周りに前記測距光を走査するための回動部と、前記回動部の回転角度を検出する角度検出部と、を備えるスキャナ装置であって、前記スキャナ装置は、前記ターゲットを検出するためのターゲット検出光を継続的に送光し、前記測距が実行される時間には、前記測距光は前記ターゲット検出光に重畳されて送光され、受光した前記ターゲット検出光の受光光量から前記ターゲットを検出することを特徴とする。

上記態様において、前記スキャナ装置は、前記ターゲット検出光の受光光量が予め設定された閾値を超える部分の平均角度を求め、該平均角度の位置がターゲット中心であるとして、ターゲットの概略位置を検出するのも好ましい。

上記態様において、前記ターゲット検出光を変調し、変調光のみを受光するように構成するのも好ましい。

また、上記態様のいずれかに記載のスキャナ装置と、自動視準機能を備え、前記測距光とは別のＴＳ測距光を送光しターゲットに反射したＴＳ測距光を受光して、送光から受光までに光波が発振した回数に基づいて前記ターゲットまでの距離を測定し、筐体と望遠鏡の回転角から前記ターゲットの角度を測定する測量機と、を備え、 前記スキャナで前記ターゲット検出光の受光光量から検出された一以上のターゲットの概略位置を前記測量機で測距および測角する測量装置も好ましい。

本発明のスキャナ装置および測量装置によれば、ターゲットとスキャナ装置との距離が遠くても、ターゲットを確実に検出することができる。

第１の実施の形態に係るスキャナ装置の外観斜視図である。 第１の実施の形態に係るスキャナ装置の構成ブロック図である。 第１の実施の形態に係るスキャナ装置の送光部および受光部の出力波形図である。 第１の実施の形態に係るスキャナ装置を用いた測量方法のフローチャートである。 第２の実施の形態に係る測量装置の外観斜視図である。 第２の実施の形態に係る測量装置の構成ブロック図である。 変形例に係るスキャナ装置の送光部および受光部の出力波形図である。 従来のスキャナ装置の送光部の出力波形図である。

次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は第１の実施の形態に係るスキャナ装置の外観斜視図である。図１における符号１が、本形態に係るスキャナ装置である。

スキャナ装置１は、三次元レーザスキャナであり、三脚を用いて既知の点に据え付けられている。スキャナ装置１は、下方から、整準部１ａと、整準部１ａの上に設けられ水平方向回転軸Ｈ１-Ｈ１周りに回転する本体体１ｂと、本体体１ｂの上部に設けられた回転照射部１ｃと、を有する。

図２は第１の実施の形態に係るスキャナ装置１の構成ブロック図である。スキャナ装置１は、水平角検出部１１、鉛直角検出部１２、水平回転駆動部１３、鉛直回転駆動部１４、回動ミラー１５、演算制御部１６、記憶部１７、表示部１８、操作部１９、送光部２０、受光部２１、撮像部２２を有する。

本体部１ｂには、水平回転駆動部１３、水平角検出器１２、演算制御部１６、記憶部１７、表示部１８、操作部１９、送光部２０、受光部２１、撮像部２２が設けられている。回転照射部１ｃには、回動ミラー１５、鉛直回転駆動部１４、鉛直角検出部１２が設けられている。

回動ミラー３３は、鉛直回転駆動部３２に駆動されて、鉛直方向回転軸Ｖ１-Ｖ１（図１）周りに、一定角速度で高速回転する。また、回動ミラー３３は、図示しない鏡筒を介して、水平方向回転軸Ｈ１-Ｈ１（図１）上に配置されており、本体部１ｂと一体に水平回転する。

水平回転駆動部１３と鉛直回転駆動部１４はモータであり、演算制御部１６に制御されて、それぞれ水平方向回転軸Ｈ１−Ｈ１と鉛直方向回転軸Ｖ１-Ｖ１を駆動する。

水平角検出部１１と鉛直角検出部１２はロータリエンコーダである。水平角検出部１１は、本体部１ｂの水平回転角を検出する。鉛直角検出部１２は、回動ミラー３３の鉛直回転角を検出する。

表示部１８と操作部１９は、スキャン装置１のインターフェースであり、測定作業の指令・設定や作業状況および測定結果の確認などが行える。

送光部２０は、図示しない、発光素子と、可視光を透過し赤外光を反射するビームスプリッタを有する。発光素子は、赤外パルスレーザを発するレーザダイオードである。ビームスプリッタは、発光素子の光軸上に配置され、測距光軸と撮像光軸を分割する。

受光部２１は、例えばフォトダイオードなどの受光素子である。送光部２０からターゲットに送光され、ターゲット反射した上記パルスレーザは、回動ミラー１５，上記ビームスプリッタを介して、受光部２１に受光される。

撮像部２２は、多数の画素が平面状に配列されたイメージセンサであり、送光部２０から光路分割した光軸を原点としてＸ-Ｙ座標を想定し、測定対象物の画像データを取得する。

演算制御部１６は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したマイクロコントローラである。演算制御部１６は、操作部１９から、探索範囲の指定やスキャン開始の指示を受ける。また、送光部２０の発光を制御し、鉛直回転駆動部１２を制御して回動ミラー３３を回動するとともに、水平回転駆動部１３を駆動して、パルスレーザを鉛直方向および水平方向に走査する。送光部２０の発光制御については後述する。また、受光部２１の出力信号から、測距光が往復する時間を計測することで、照射点までの距離を求める。また、水平角検出部１１と鉛直角検出部１２の値から各照射点の角度を測定する。そして、各照射点の距離，水平角，及び鉛直角から、点群データを得る。また、撮像部２２が得た画像データを画像処理し、点群データに合成する。

記憶部１７は、例えばハードディスクドライブであり、上記演算制御のためのプログラムが格納されており、取得した点群データおよび画像データが記憶される。なお、送光部２０，受光部２１，演算制御部１６が「測距部」、回動ミラー１５が「回動部」、水平角検出部１１，鉛直角検出部１２，演算制御部１６が「角度検出部」である。

ここで、演算制御部１６は、送光部２０の発光制御を以下のように行う。

図３はスキャナ装置１の送光部２０および受光部２１の出力波形図である。図３に示すように、演算制御部１６は、発光素子の電流値制御により点灯時間幅一定の測距パルスＭＰ１，ＭＰ２，・・・（測距光６）を生成する。よって、測距光６は、一定間隔のスポット光として照射される。図１の符号６_１，６_２，６_３，６_４〜６_ｎは、上記測距光６の照射点を示している。

測距パルスＭＰ１，ＭＰ２は、それぞれターゲット反射して、受光部２１に入射する。受光パルスＲＰ１は測距パルスＭＰ１からΔｔ１遅れ、受光パルスＲＰ２は測距パルスＭＰ２からΔｔ２遅れる。この時間差に基づき、各照射点６_１，６_２の距離が測定される。

そして、演算制御部１６は、測距光６により測距が実行される間（測距パルスＭＰ１の発光後から測距パルスＭＰ２の発光前の間）は、発光素子を連続的に点灯させ、ターゲット検出光７を生成する。図１の符号８は、ターゲット検出光７の照射ラインを示している。符号９−ｎは、広範囲に複数設置されているターゲットのうちの１つを示している。送光部２０から送光されたターゲット検出光７は、ターゲット９−ｎに入射した場合反射され、ターゲット反射光１０となって受光部２１で受光される。演算制御部１６は、予め設定された受光光量閾値Ｔｈ１を基準に、ターゲット反射光９が閾値Ｔｈ１を超えるか否か判定し、閾値Ｔｈ１超となる部分の平均角度θ（平均位置）を求める。そして、平均角度θの位置がターゲット中心であると仮定して、仮定したターゲット中心の水平角，鉛直角をターゲットの概略位置として検出する。閾値Ｔｈ１は、ターゲット検出の誤認を防ぐために、例えばある有効飛距離に対し、その飛距離で得られると予想される光量を基に設定する。

次に、スキャナ装置１の基本動作について説明する。図４はスキャナ装置１を用いた測量方法のフローチャートである。

測定を開始すると、ステップＳ１に移行して、操作部１９から、スキャナ装置１の探索範囲が指定される。

次に、ステップＳ２に移行して、操作部１９からスキャン開始が指示される。

次に、ステップＳ３に移行して、スキャナ装置１は、ステップＳ１の探索範囲に測距光６とターゲット検出光７を走査する。この走査は、測距光６の発光，測距光６の受光，ターゲット検出光７の発光，ターゲット検出光７の受光を繰り返すとともに、回動ミラー１５で鉛直方向を走査した後、本体部１ｂが水平回転することを繰り返すことにより行われる。

次に、ステップＳ４に移行して、演算制御部１６は、ステップＳ１の探索範囲に対し探索が終了したかを判定する。終了していない場合はステップＳ３に戻る。

ステップＳ４が終了した場合は、ステップＳ５に移行して、演算制御部１６は、ターゲット検出光７の受光光量が閾値Ｔｈ１を超える部分の平均角度θを求め、一以上のターゲット９−ｎの概略位置を検出する。

次に、ステップＳ６に移行して、演算制御部１６は、ステップＳ５で検出した概略位置に対し、スキャン密度を上げてターゲットスキャンを行い、各ターゲット９−ｎの水平角，鉛直角，距離を測定する。

次に、ステップＳ７に移行して、ターゲット概略位置の全てを測定したか判定する。測定し終えてなければ、ステップＳ６へ戻る。全て測定し終えていれば、ステップＳ８に移行して、測定を終了する。

即ち、スキャナ装置１を用いれば、点群データ測定のためのスキャナの発光（測距光６）と並行して、ターゲットを検出するための発光（ターゲット検出光７）を行うことから、ターゲットとスキャナ装置１との距離が遠くても、ターゲット検出光７が、ターゲットを跨ぐことなく確実にターゲットを検出する。また、ターゲット検出光７の光源，光学系は、測距光６の光源，光学系と共用されているから、新たなデバイスを搭載することなく安価に実現することができる。また、ターゲットにプリズムや反射シートなど、再帰反射性の高いものを使用すれば、ターゲット検出光７の発光光量は抑えることができる。

次に、図５は第２の実施の形態に係る測量装置の外観斜視図である。図５における符号１００が、本形態に係る測量装置である。第２の実施形態では、第１の実施形態のスキャナ装置１を、測量機２に搭載している。以下、第１の実施形態と同一の要素については同一の符号を付して、記載を省略する。

測量機２は、いわゆるモータドライブトータルステーションであり、本形態では測量機２が三脚を用いて既知の点に据え付けられている。測量機２は、下方から、整準部と、整準部の上に設けられた基盤部と、該基盤部上を水平方向回転軸Ｈ２-Ｈ２周りに回転する筐体２ｂと、筐体２ｂの中央で鉛直方向回転軸Ｖ２-Ｖ２周りに回転する望遠鏡２ａと、を有する。

図６は第２の実施の形態に係る測量装置の構成ブロック図である。測量装置１００は、水平角検出部１１０と、鉛直角検出器１２０と、水平回転駆動部１３０と、鉛直回転駆動部１４０と、表示部１５０と、操作部１６０と、演算制御部１７０と、追尾部１８０と、測距部１９０と、記憶部２００と、スキャナ装置１とを備える。

水平回転駆動部１３０と鉛直回転駆動部１４０はモータであり、演算制御部１７０に制御されて、それぞれ水平方向回転軸Ｈ２−Ｈ２と鉛直方向回転軸Ｖ２-Ｖ２を駆動する。測量機２では、筐体２ｂの水平回転と望遠鏡２ａの鉛直回転の協働により、望遠鏡２ａから測距光（または追尾光）が出射される。

水平角検出部１１０と鉛直角検出部１２０は、ロータリエンコーダである。水平角検出部１１０は水平方向回転軸Ｈ２−Ｈ２に対して設けられ筐体２ｂの水平方向の回転角を検出する。鉛直角検出部１２０は鉛直方向回転軸Ｖ２-Ｖ２に対して設けられ望遠鏡２ａの鉛直方向の回転角を検出する。

表示部１５０と操作部１６０は、測量装置１００のインターフェースであり、測定作業の指令・設定や作業状況および測定結果の確認などが行える。

測距部１９０は、スキャナ装置１とは波長の異なるＴＳ測距光６´として赤外パルスレーザ光をターゲット９−ｎに送光する。そして、ターゲット９−ｎからの反射光を例えばフォトダイオード等の受光部で受光し、測距信号に変換する。

追尾部１８０は、追尾光としてＴＳ測距光６´とは異なる波長の赤外レーザ光を送光する。そして、イメージセンサ等の受光部で追尾光を含む風景画像と追尾光を除いた風景画像を取得する。演算制御部１７０では、両画像の差分からターゲット９−ｎの位置を検出し、常に望遠鏡２ａがターゲット９−ｎの方向を向くように自動で追尾する。

演算制御部１７０は、マイクロコントローラであり、回転駆動部１３０,１４０を制御し、追尾部１８０による自動追尾を行い、測距信号の出力を対比処理することで自動視準を行う。また、送光から受光までに光波が発振した回数に基づいて，ターゲット９−ｎの距離を測定し、水平角検出部１１０と鉛直角検出器１２の値から、ターゲット９−ｎの角度を測定して、各ターゲットのＸ座標，Ｙ座標，Ｚ座標を測定する。記憶部２０は、例えばハードディスクドライブであり、上記演算制御のためのプログラムが格納されており、取得した測定データが記憶される。

スキャナ装置１は、測量機２の望遠鏡２ａの上部に固定される。この他に、望遠鏡２ａの下部または側部、或いは表示部１５の下に配置されてもよい。本形態では、スキャナ装置１の水平回転は測量機２が担う。このため、本形態のスキャナ装置１には、整準部１ａ，本体部１ｂ，水平角検出部１１，水平回転駆動部１３は設けられておらず、回動ミラー３３は、水平方向回転軸Ｈ２-Ｈ２上に配置されている。また、スキャナ装置１の演算制御部１６は測量機２の演算制御部１７０と電気的に接続されており、測量機２の表示部１５０と操作部１６０が使用される。このため、本形態のスキャナ装置１には、表示部１８と操作部１９は設けられていない。

次に、測量装置１００の基本動作について、図４を引用して説明する。

測定を開始すると、ステップＳ１と同様に、測量機２の操作部１６０から、スキャナ装置１の探索範囲が指定される。

次に、ステップＳ２と同様に、測量機２の操作部１６０からスキャン開始が指示される。

次に、ステップＳ３と同様に、スキャナ装置１は、ステップＳ１の探索範囲に測距光６とターゲット検出光７を走査する。この走査は、測距光６の発光，測距光６の受光，ターゲット検出光７の発光，ターゲット検出光７の受光を繰り返すとともに、回動ミラー１５で鉛直方向を走査した後、測量機２の筐体２ｂが水平回転することを繰り返すことにより行われる。

次に、ステップＳ４と同様に、スキャナの演算制御部１６は、ステップＳ１の探索範囲に対し探索が終了したかを判定する。終了していない場合はステップＳ３に戻る。

ステップＳ４が終了した場合は、ステップＳ５と同様に、スキャナの演算制御部１６は、ターゲット検出光７の受光光量が閾値Ｔｈ１を超える部分の平均角度θを求め、一以上のターゲット９−ｎの概略位置を検出する。

次に、ステップＳ６において、スキャナの演算制御部１６は、ステップＳ５で検出した概略位置を測量機の演算制御部１７０に送信する。測量機の演算制御部１７０は、この情報を基に測量機２の望遠鏡２ａを上記概略位置に向け、ターゲット９-ｎを自動視準し、ＴＳ測距光６´を用いて、ターゲット９−ｎの水平角，鉛直角，距離を測定する。

次に、ステップＳ７において、測量機の演算制御部１７０は、ターゲット概略位置の全てを測定したか判定する。測定し終えてなければ、ステップＳ６へ戻る。全て測定し終えていれば、ステップＳ８に移行して、測定を終了する。

即ち、測量装置１００を用いれば、スキャナ装置１による点群データ測定と並行して、ターゲット検出光７がターゲットを検出するため、ターゲットと測量装置１００との距離が遠くても、ターゲット検出光７が、ターゲットを跨ぐことなく確実にターゲットを検出する。また、スキャナ装置１による高速回転でターゲット探索を行うことができ、スキャナ装置１が抽出したターゲット概略位置を測量機２によって自動で順次視準し測定することができるため、第１の実施形態による測定よりも、短時間で測定を終えることができる。

上記実施の形態の好適な変形例を挙げる。

図７は変形例に係るスキャナ装置１の送光部２０および受光部２１の出力波形図である。この変形例では、図７に示すように、演算制御部１６は、ターゲット検出光７を常時点灯し、送光するようにする。そして、測距光６により測距が実行される時間（測距パルスＭＰ１の発光時と測距パルスＭＰ２の発光時）は、測距光６はターゲット検出光７に重畳されて送光される。ターゲットの概略位置は、上記と同様に、ターゲット反射光１０の受光光量が閾値Ｔｈ１超となる部分の平均角度θを求めることで検出する。測距信号に対しては、測距用の別の閾値Ｔｈ２を設定し、受光パルスＲＰ１，ＲＰ２のうち閾値Ｔｈ２を超えた光量で距離解析を行う。

別の変形例を挙げる。ターゲット検出光７を、送光部２０において所定の変調周波数となるように変調し、受光部２１は測距信号から変調周波のみを検出するようにしてもよい。これにより、ノイズが減り、ターゲット検出の誤認をより低減することができる。

また別の変形例を挙げる。測量装置１００においては、スキャナの演算制御部１６を測量機の演算制御部１７０に統合して、全て測量機の演算制御部１７０で制御が行えるように構成してもよい。

以上、本発明の好ましい測量装置について、実施の形態および変形例を述べたが、各形態および各変形を当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

１ スキャナ装置
２ 測量機
６ 測距光
６_１〜６_ｎ 測距光の照射点
７ ターゲット検出光
８ ターゲット検出光の照射ライン
９−ｎ ターゲット
１１ 水平角検出部（角度検出部）
１２ 鉛直角検出部（角度検出部）
１５ 回動ミラー（回動部）
１６ 演算制御部（測距部）
２０ 送光部（測距部）
２１ 受光部（測距部）
Ｈ１-Ｈ１ スキャナの水平方向回転軸
Ｖ１-Ｖ１ スキャナの鉛直方向回転軸
Ｔｈ１ 閾値
１００ 測量装置
Ｈ２-Ｈ２ 測量機の水平方向回転軸
Ｖ２-Ｖ２ 測量機の鉛直方向回転軸

Claims (5)

1. 所定時間毎に測距光をパルス発光しターゲットに反射した測距光を受光して測距する測距部と、少なくとも一軸回転軸周りに前記測距光を走査するための回動部と、前記回動部の回転角度を検出する角度検出部と、を備えるスキャナ装置であって、
   前記スキャナ装置は、
   前記測距光を走査し、前記測距光のパルス発光と発光の間は、前記ターゲットを検出するために連続的に点灯させたターゲット検出光を送光し、受光した前記ターゲット検出光の受光光量から前記ターゲットの概略位置を検出し、
   前記概略位置に対して再度前記測距光を走査して、前記ターゲットを測定する
   ことを特徴とするスキャナ装置。
   
2. 所定時間毎に測距光をパルス発光しターゲットに反射した測距光を受光して測距する測距部と、少なくとも一軸回転軸周りに前記測距光を走査するための回動部と、 前記回動部の回転角度を検出する角度検出部と、を備えるスキャナ装置であって、
   前記スキャナ装置は、
   前記ターゲットを検出するために連続的に点灯させたターゲット検出光を継続的に送光し、前記測距光のパルス発光時は、前記測距光は前記ターゲット検出光に重畳されて送光され、受光した前記ターゲット検出光の受光光量から前記ターゲットの概略位置を検出し、
   前記概略位置に対して再度前記測距光を走査して、前記ターゲットを測定する
   ことを特徴とするスキャナ装置。
   
3. 前記スキャナ装置は、前記ターゲット検出光の受光光量が予め設定された閾値を超える部分の平均角度を求め、該平均角度の位置がターゲット中心であるとして、ターゲットの概略位置を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のスキャナ装置。
   
4. 前記ターゲット検出光を変調し、変調光のみを受光するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスキャナ装置。
   
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のスキャナ装置と、
   自動視準機能を備え、前記測距光とは別のＴＳ測距光を送光し前記ターゲットに反射したＴＳ測距光を受光して、送光から受光までに光波が発振した回数に基づいて前記ターゲットまでの距離を測定し、筐体と望遠鏡の回転角から前記ターゲットの角度を測定する測量機と、を備え、
   前記スキャナの前記測距光と前記ターゲット検出光で前記ターゲットの概略位置を検出し、
   前記概略位置に対して前記測量機の前記ＴＳ測距光で測距および測角し前記ターゲットを測定することを特徴とする測量装置。