JP2019144119A - 三次元レーザー光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の三次元レーザー光走査装置を用いた測量では、作業の目的である点群データ取得の前に基準点の直上に三次元レーザー光走査装置が位置するよう設置する必要があり、工数がかかるという問題があった。【解決手段】三次元レーザー光走査装置より直下が走査可能となるような構造とし、基準点と三次元レーザー光走査装置との相対位置関係を点群データより把握できるようにする。さらに、三次元レーザー光走査装置の位置調整を制御可能とし、基準点の直上に三次元レーザー光走査装置が位置することが可能となるようにする。【選択図】なし

Description

本発明は、三次元レーザー光走査装置を用いた測量に関するものである。

以前より、レーザー光測距を行う装置のレーザー光を三次元空間へ照射し装置の周囲に存在する物体の形状を点群データとして取得する試みがなされてきた。
点群データとは、一般に特定の物体の三次元形状を複数の点の集合として表現した際の各点の三次元座標値データ群のことである。本発明においては、三次元レーザー光走査装置の周囲に存在する物体の形状について表現したものとする。また各点の三次元座標値は、三次元レーザー光走査装置を基準とする座標系における具体的な座標値か、あるいは三次元レーザー光走査装置が測定した装置内の直接的なデータであって「具体的な座標値を算出するために必要な情報」である。

現在、このような三次元レーザー光走査装置を測量の現場で使用することが増えてきた。
測量の対象である箇所は前述の「周囲に存在する物体」として三次元レーザー光走査装置に認識されるので、精度よく点群データが取得できれば複数の測量対象を短時間で座標測定できるため、作業の効率向上手段として期待されている。

本来、測量では予め座標が精度よく得られている箇所を基準点とし、そこからの距離・水平角度・垂直角度を測定する。そのため、基準点の直上に測量装置としての三次元レーザー光走査装置が位置するようにするため、基準点に覆いかぶさるように三脚などの架空支持体を仮設し、その上に三次元レーザー光走査装置を載置する。
この際、基準点の鉛直線上に三次元レーザー光走査装置の光学的な中心が位置するようにしなくてはならない。この作業のことを求心という。求心は精度が要求されるため熟練した技量をもつ作業員が必要とされる。また、求心をより効率良く行うため、先行技術１（特開2006-046920）のような「測量装置とは別に附加された求心専用の光学照準による調整機構」や先行技術２（特開平11-030521）のような「ビデオモニター方式の求心ガイド」が知られている。
くわえて、三次元レーザー光走査装置の水平回転面が実際の水平面と一致するように調整する作業も必要である。この作業のことを整準という。求心と同様に整準にも熟練した技量が必要である。実際の作業では求心と整準は同時に行うことが多い。

特開２００６−０４６９２０ 特開平１１−０３０５２１

（求心整準作業時間問題）
前述のような先行技術の場合、求心や整準のための附加装置が無い場合に比べれば作業性は向上するものの、それでも求心や整準の作業には時間がかかり、測量全体の作業時間を増大させる原因となっていた。

（コスト問題）
また、前述のような先行技術の場合、測量の本質である三次元レーザー光走査装置とは別の求心や整準のための専用装置が必要とされており、コストが増大する要因となっている。
前述の作業時間の増大も間接的にはコスト増大につながっている。

（求心整準確認頻度問題）
くわえて、三次元レーザー光走査装置やトータルステーションなどの測量装置を架空支持体（三脚など）に載置して使用する場合、求心や整準後に測量装置の位置が不本意に変化する可能性がある。
一般に測量は堅固な地質の上で行われることは稀であり、軟弱な地面であることが多い。結果、三脚などの架空支持体を仮設した後に振動・強風・作業員の不注意などを原因として設置状況が変化してしまうことがある（経時変化）。このようなことが一連の測量作業中に発覚した場合には、それまでに取得したデータを破棄して再度測量をせざるを得ない。また、このようなことを回避するためには、求心や整準を一連の測量作業中において断続的に行うことになるが、求心や整準を頻繁に行えば測量作業が遅延するので、求心や整準の経時変化回避と作業時間との間には二律背反の関係があった。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、簡便な構造と安価な調整機構を採用することにより、求心や整準の作業を効率的に行い、かつ求心や整準を行った後の経時変化を回避すること、を目的としている。

上述の問題を解決すべく本発明が成された。

本発明の三次元レーザー光走査装置は、
「レーザー光を発光して受光することによって実現されるレーザー光測距を行うレーザー光測距装置と、レーザー光測距装置が発光して受光するレーザー光の光路を偏向させる反射鏡と、反射鏡の光路を偏向させる方向を変化させる反射鏡駆動装置と、レーザー光測距装置と反射鏡駆動装置とを制御する制御装置と、を備える三次元レーザー光走査装置であって、
三次元レーザー光走査装置は、直下方向へのレーザー光測距が可能な構造であり、さらに、一定の地上高に位置させるための支持体の上に載置されており、
支持体は、三次元レーザー光走査装置のレーザー光の直下への光路が妨げられないよう通光部が設けられている」ことを特徴としている。
また、本発明の三次元レーザー光走査装置は、
「上述の三次元レーザー光走査装置であって、
さらに、水平方向位置調整部、水平面傾斜調整部、を備え、
制御装置が、水平方向位置調整部と水平面傾斜調整部とを制御し、
三次元レーザー光走査装置の直下にある対象物との相対位置関係が調整可能である」ことを特徴としている。

これら特徴により、本発明の三次元レーザー光走査装置は、点群データの一部に基準点の座標を含ませることが可能となり、求心や整準の作業を行わなくても計測した点群データと基準点との相対位置関係を把握することができる。また、三次元レーザー光走査装置の光学中心を基準点の鉛直線直上に位置させてかつ走査装置の水平回転面を水平になるように自動的に制御可能とすることができる。

結果として、本発明を適用した三次元レーザー光走査装置は、簡便な構造設計によって求心や整準の作業を効率良く行うことができる。

本発明により、前述の求心整準作業時間問題やコスト問題や求心整準確認頻度問題を解決することができる。

以下、本発明の詳細を説明する。

まず、本発明装置の前提である三次元レーザー光走査装置について説明する。

三次元レーザー光走査装置（３Ｄレーザースキャナーともいう）は、前述の通り、走査装置の周囲に存在する物体の形状を点群データとして取得するものであり、大きく分けて「レーザー光測距装置」と「反射鏡駆動装置」によって構成される。

レーザー光測距装置は、レーザー光を使って直線距離を計測する機能を持つ装置である。
レーザー光が発光され、直線距離を測定する対象物にこのレーザー光が照射され、対象物で反射されたレーザー光を受光し、発光されたレーザー光と受光されたレーザー光とを比較することで直線距離を導出する。直線距離を導出する方法は複数あるが、本発明では特定の方法に限定されず、レーザー光によって直線距離が測定できればどの方式でも良い。
本発明にて「測距」という言葉は「レーザー光を使って直線距離を測定する」ことを意味する。

反射鏡駆動装置は、前述のレーザー光の向きを変える（偏向）機能を持つ装置である。
レーザー光測距装置は直線距離を測定する機能を持つだけであり、反射鏡駆動装置と組み合わせて光走査装置の周囲へ立体的にレーザー光測距装置のレーザー光を照射させることができる。
反射鏡駆動装置は、反射鏡を以ってレーザー光を任意の方向へ照射するようにする装置であるとも言える。また対象物で反射したレーザー光を受光する際にも反射鏡が用いられる。すなわち、反射鏡は往路光（レーザー光測距装置から対象物へ向かうレーザー光）と復路光（対象物で反射してレーザー光測距装置へ戻るレーザー光）の両方が通過する。
より具体的には、例えば、「平板反射鏡」「平板反射鏡を水平方向および垂直方向の２軸で回転可能な機構」「２軸回転を行うモーター」「平板反射鏡の向いている方向を検出するセンサー」、などで構成される。

仮に、本発明の三次元レーザー光走査装置がとある局地座標系の原点に設置されているとし、反射鏡は水平方向および垂直方向にそれぞれ回転可能であり、この反射鏡で反射させることでレーザー光測距装置のレーザー光を局地座標系の原点を中心に全球方向へ照射可能であるとする。
この時、レーザー光測距装置による測距によりレーザー光が照射された周囲の物体のとある点までの直線距離ｒを得ることができる。また、この時の反射鏡の回転角度を前述のセンサーより得ることができるので、原点を基準としたレーザー光が照射された方向として水平角θと垂直角φを得ることができる。
端的には、このｒとθとφが点群データを構成する１つの点の座標値となる。

反射鏡を水平方向と垂直方向に回転をさせながらレーザー光測距装置で測距を連続して行うことによってｒθφの組み合わせのデータを次々と得ることができる。
制御装置がθとφの関係性を一定のパターンとなるように反射鏡駆動装置を制御しつつレーザー光測距装置を制御することで周囲の全方向に対しムラ無く点群データを得ることが可能となる。

ところで、前述で「全球方向へ照射可能」としたが、実際にはこのようにはならない。
三次元レーザー光走査装置を実際に製作すると、装置全体を構築する上で何かしらの部材によって構成要素を支持しなくてはならないため、現実には重力方向に対して何かしらの構造物が存在することになる。従来の三次元レーザー光走査装置では、前述のミラーを水平軸および垂直軸の２軸で合成回転させるため、回転中心には中心軸や反射鏡駆動装置の実例となるモーターなどが配置されることになる。このことは、従来の三次元レーザー光走査装置では足元付近へ測距用のレーザー光を偏向させる目的に適していないということを意味する。

また、測量の現場で使用する三脚などの支持構造体の存在も、足元付近への測距用レーザー光照射を阻害する要因となっている。前述の通り、三次元レーザー光走査装置を測量の現場で使用する場合、ある程度の距離に対して測距用レーザー光を照射する必要があるため、一定以上の地上高に三次元レーザー光走査装置を設置させることになる。三脚が幾何学的に安定な形状となる正三角形を形成するとした場合、三次元レーザー光走査装置の直下から３０度くらいは測距不能な領域となる。

このように、従来の三次元レーザー光走査装置は、それ自身が足元付近への測距に適していない上に、一定の地上高に設置するための三脚などの支持構造体が存在することも合わさり、三次元レーザー光走査装置を測量現場で使用することに対して暗黙の障壁を作り出していたのである。

一方で、本発明の三次元レーザー光走査装置では、直下方向へ測距用のレーザー光を通過させることができるような通光部を設けることを特徴とする。
前述の通り、従来の走査装置の水平面の回転軸線上にはモーターなど何かしらの構成要素が組込まれている。これに対し本発明の走査装置は、例えば、「水平面の回転を行うモーターを中空軸モーターにする」「通光用の孔を設ける」などして、反射鏡で偏向されたレーザー光が直下方向へは通過できるようにする。
同様に支持構造体も三次元レーザー光走査装置が載置された箇所の中心部付近の一部に通光用の孔を設けるなどして、三次元レーザー光走査装置の直下方向への測距光を妨げないようにする。
孔以外の方法として、プリズムなどの光学部品を複数用いて光路のバイパスを設けても良い。

上述のような特徴を持つ本発明の三次元レーザー光走査装置（および支持構造体）を、基準点に覆いかぶさるようにし概ね基準点の直上に走査装置の光学中心が位置するように設置する。基準点は、測量現場などで予め精密な座標が判っている点であり、ここにマーカーと呼ばれる特別な用具を置く。マーカーは例えば板状で白黒の市松模様を施してあったり黒地に白丸であったりなどの複数種類のものが存在し、測量現場の状況に応じて適宜選択する。
次に、本発明の三次元レーザー光走査装置の電源を入れ、補正ありでの三次元レーザー光走査の実行を指示する。
三次元レーザー光走査を行った後に点群データが得られる。この得られた点群データの中から基準点に相当する位置に置かれているマーカーを検出する。基準点と三次元レーザー光走査装置との相対的な位置関係は点群データで既知となり、三次元レーザー光走査装置が内蔵する重力センサー（コンペンセーターなど）で鉛直方向のズレも検出できるため、この得られた点群データ全体を「基準点直上の任意の高さの水平面」を基準とした座標系に変換することができる。

このようにして求心作業を行うこと無く、基準点直上の位置と水平面を基準とした座標系での点群データを取得することができる。
なお、前述の経時変化（三脚などの架空支持体を仮設した後に振動・強風・作業員の不注意などを原因として設置状況が変化してしまうこと）が生じた場合、三次元レーザー光走査装置から見た基準点の座標が移動するという現象になって現れるため、予め定めた閾値以上の基準点座標移動が認められた場合には、警告を発するなどの対応が可能となる。
同様に、重力センサー（コンペンセーターなど）で検出する鉛直の方向が予め定めた閾値以上にズレが認められた場合にも、警告を発するなどの対応が可能となる。

次に、異なる実施の形態を説明する。
実施例１では、本発明の三次元レーザー光走査装置の直下に基準点が走査できるように設置すれば求心は不要である旨の説明をした。
しかしながら、トータルステーションなどの従来の測量機器を置換えて使用するものとしてみた場合の三次元レーザー光走査装置に、従来の制約が課されることがある。
具体的には、測量作業前に支持構造体（三脚など）の基準面の水平度を調整すること（整準）である。実施例１で説明した通り、実用の上では整準作業を行う必要は無いが、測量実務の規則として整準が求められることもあるため、より進歩した発明を実施例２にて説明する。

本発明の三次元レーザー光走査装置に対し更に水平方向位置調整部と水平面傾斜調整部を設ける。
水平方向位置調整部とは、支持構造体とその上に載置される本発明の三次元レーザー光走査装置との位置関係を水平面上において調整する装置機構である。例えばモーターとウォームギアーなどで構成される。
水平面傾斜調整部とは、支持構造体とその上に載置される本発明の三次元レーザー光走査装置との位置関係を相対的に調整し、本発明の三次元レーザー光走査装置の水平回転面を実際の水平面と一致するようにする装置機構である。例えば、３つのアクチュエーターで三点支持構造を形成する。

上述のような特徴を持つ本発明の三次元レーザー光走査装置（および支持構造体）を、基準点に覆いかぶさるようにし概ね基準点の直上に走査装置の光学中心が位置するように設置する。基準点は、測量現場などで予め精密な座標が判っている点であり、実施例１と同様に、ここにマーカーを置く。
次に、本発明の三次元レーザー光走査装置の電源を入れ、「求心整準補正ありでの三次元レーザー光走査の実行」を指示する。

制御装置は内蔵する重力センサー（コンペンセーターなど）で重力方向を検出し、本発明の三次元レーザー光走査装置が水平面に対してどの程度傾斜しているかを算出する。制御装置は前述の水平面傾斜調整部を制御して走査装置が水平になるようにする。
その後、三次元レーザー光走査を行い、点群データが得られる。この得られた点群データの中から基準点に相当する位置に置かれているマーカーを検出する。
三次元レーザー光走査装置の局地的な座標系における「検出された基準点」の座標値が、水平面において一致しない場合がある。例えば、走査装置の局地的な座標系が直交座標系であり、重力方向をＺ軸、南北方向をＹ軸、東西方向をＸ軸、とした場合、基準点の座標がＸ軸Ｙ軸において０とならないことを意味する（Ｚ軸は所定の地上高の分だけ相違する）。

この検出された基準点の座標値であるＸおよびＹの値が０となるよう、制御装置は前述の水平方向位置調整部を制御し、走査装置が水平（Ｘ軸およびＹ軸）方向に移動する。
再度三次元レーザー光走査を行うとマーカーの座標のＸおよびＹの値が０となり、走査装置が基準点の直上に位置したことになる。
この時得られた点群データは、「走査装置の水平回転面が水平」であり「走査装置の光学中心が基準点の鉛直線上の直上」にある状態で得られたことになる。
よって、従来の測量実務の規則に則った状態にて三次元レーザー光走査装置で点群データを得ることが可能となる。

なお、前述の経時変化（三脚などの架空支持体を仮設した後に振動・強風・作業員の不注意などを原因として設置状況が変化してしまうこと）が生じた場合、三次元レーザー光走査装置から見た基準点の座標が移動するという現象になって現れるため、所定の閾値以上に基準点座標が移動した認められた場合には一旦測量を停止して、改めて、水平面傾斜調整部を制御して走査装置が水平になるようにし、水平方向位置調整部を制御して走査装置が基準点の鉛直線上の直上に位置するようにする。
同様に、重力センサー（コンペンセーターなど）で検出する鉛直の方向が予め定めた閾値以上にズレが認められた場合にも一旦測量を停止し、改めて、水平面傾斜調整部を制御して走査装置が水平になるようにし、水平方向位置調整部を制御して走査装置が基準点の鉛直線上の直上に位置するようにする。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。

量産可能な三次元レーザー光走査装置に対して簡便な工夫を施すことにより、測量基準点に基づく測量を簡便にかつ高精度・低コストで実現でき、作業自動化システムへの適用が可能などの効果を有している。

図面無しのため省略

Claims (2)

1. レーザー光を発光して受光することによって実現されるレーザー光測距を行うレーザー光測距装置と、
   前記レーザー光測距装置が発光して受光するレーザー光の光路を偏向させる反射鏡と、
   前記反射鏡の前記光路を偏向させる方向を変化させる反射鏡駆動装置と、
   前記レーザー光測距装置と前記反射鏡駆動装置とを制御する制御装置と、
   を備える三次元レーザー光走査装置であって、
   前記三次元レーザー光走査装置は、直下方向へのレーザー光測距が可能な構造であり、さらに、一定の地上高に位置させるための支持体の上に載置されており、
   前記支持体は、前記三次元レーザー光走査装置のレーザー光の直下への光路が妨げられないよう
   通光部が設けられている
   ことを特徴とする三次元レーザー光走査装置。
2. 請求項１に記載の三次元レーザー光走査装置であって、
   さらに、水平方向位置調整部、水平面傾斜調整部、を備え、
   前記制御装置が、さらに前記水平方向位置調整部と前記水平面傾斜調整部とを制御し、
   三次元レーザー光走査装置の直下にある対象物との相対位置関係が調整可能である
   ことを特徴とする三次元レーザー光走査装置。