特許 6454573 トータルステーションを用いた測定方法および段差算出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6454573

(24)【登録日】2018年12月21日

(45)【発行日】2019年1月16日

(54)【発明の名称】トータルステーションを用いた測定方法および段差算出装置

(51)【国際特許分類】

   G01C 15/00 20060101AFI20190107BHJP

【ＦＩ】

   G01C15/00 103A

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-53238(P2015-53238)

(22)【出願日】2015年3月17日

(65)【公開番号】特開2016-173296(P2016-173296A)

(43)【公開日】2016年9月29日

【審査請求日】2017年12月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000206211

【氏名又は名称】大成建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】近藤 高弘

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０７６０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３４９５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８５１３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２２１０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１３７８７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０９０１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３２９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０３９５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２７２４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０６３８６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １５／００

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物の表面に形成された第一平面と第二平面との高低差を測定するトータルステーションを用いた測定方法であって、
前記第一平面上で３点以上の測点をトータルステーションにより測定する工程と、
前記第二平面上で３点以上の測点をトータルステーションにより測定する工程と、
前記第一平面上の３点以上の測点の座標値を式１の行列に対応させた後、当該行列から最小二乗法により当該第一平面の三次元平面方程式（式２）を算出する工程と、
前記第二平面上の３点以上の測点の座標値を式１の行列に対応させた後、当該行列から最小二乗法により当該第二平面の三次元平面方程式（式３）を算出する工程と、
前記第一平面上の測点と前記第二平面上の測点との中間点の座標を前記第一平面および前記第二平面の中央部になるように定める工程と、
前記第一平面の三次元平面方程式および前記第二平面の三次元平面方程式を利用した式４および式５により、前記中間点から前記第一平面に至る垂線と当該第一平面との交点の座標値を算出するとともに、前記中間点から前記第二平面に至る垂線と当該第二平面との交点の座標値を算出する工程と、
式４と式５から算出した交点座標同士の距離を式６を利用して算出することで、前記第一平面および前記第二平面間の距離を算出する工程と、を備えることを特徴とする、トータルステーションを用いた測定方法。

【数1】

【請求項2】

前記第一平面上および前記第二平面上の測点の数が、それぞれ４点以上であることを特徴とする、請求項１に記載のトータルステーションを用いた測定方法。

【請求項3】

測定対象物の表面に形成された第一平面と第二平面との高低差を算出する段差算出装置であって、
前記第一平面上で測定された３点以上の測点の座標値を式１の行列に対応させた後、当該行列から最小二乗法により当該第一平面の三次元平面方程式（式２）を算出する手段と、
前記第二平面上で測定された３点以上の測点の座標値を式１の行列に対応させた後、当該行列から最小二乗法により当該第二平面の三次元平面方程式（式３）を算出する手段と、
前記第一平面上の測点と前記第二平面上の測点との中間点の座標を前記第一平面および前記第二平面の中央部になるように定め、前記第一平面の三次元平面方程式および前記第二平面の三次元平面方程式を利用した式４および式５により、前記中間点から前記第一平面に至る垂線と当該第一平面との交点の座標値を算出するとともに、前記中間点から前記第二平面に至る垂線と当該第二平面との交点の座標値を算出して、式４と式５から算出した交点座標同士の距離を式６を利用して算出することで前記第一平面および前記第二平面間の距離を算出する手段と、を備えることを特徴とする、段差算出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トータルステーションを用いた測定方法および段差算出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

外壁に使用する壁ボード等では、美観性や機能性の見地から表面に凹凸を形成する場合がある。製品の凹凸の品質管理は、ノギス等の測定器具を利用して計測するのが一般的である。ところが、測定対象物が大型の場合には、測定の足場を設置する必要があることや、測点の数が多いことなどにより、作業に手間がかかる等の問題があった。

【0003】

一方、特許文献１には、測定対象物を複数台のＣＣＤカメラにより撮影し、取得した画像データを処理することにより測定対象物の３次元形状を計測する出来形管理方法が開示されている。
また、凹凸の測定をノンプリズム式トータルステーションにより行えば、足場等を要することなく、非接触で測定をすることが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００−２９０９３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところが、特許文献１に記載の出来形管理方法は、ドットの集合体であるカメラの撮影画像を使用しているため、凹凸が１ｍｍ程度の測定対象物の品質管理を高精度に行うことができなかった。
また、トータルステーションを利用する方法も、測距精度が±（１＋２ｐｐｍ×距離）ｍｍ程度である場合、凹凸が１ｍｍ程度の測定対象物の品質管理を高精度に行うことができない。

【0006】

このような観点から、本発明は、トータルステーションの能力（測距精度）に限定されることなく、段差測定を簡易かつ高精度に行うことを可能としたトータルステーションを用いた測定方法および段差算出装置を提案することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するために、本発明のトータルステーションを用いた測定方法は、測定対象物の表面に形成された第一平面と第二平面との高低差を測定するトータルステーションを用いた測定方法であって、 前記第一平面上で３点以上の測点をトータルステーションにより測定する工程と、前記第二平面上で３点以上の測点をトータルステーションにより測定する工程と、前記第一平面上の３点以上の測点の座標値を式１の行列に対応させた後、当該行列から最小二乗法により当該第一平面の三次元平面方程式を算出する工程と、前記第二平面上の３点以上の測点の座標値を式１の行列に対応させた後、当該行列から最小二乗法により当該第二平面の三次元平面方程式を算出する工程と、前記第一平面上の測点と前記第二平面上の測点との中間点の座標を前記第一平面および前記第二平面の中央部になるように定める工程と、前記第一平面の三次元平面方程式および前記第二平面の三次元平面方程式を利用した式により、前記中間点から前記第一平面に至る垂線と当該第一平面との交点の座標値を算出するとともに、前記中間点から前記第二平面に至る垂線と当該第二平面との交点の座標値を算出する工程と、交点座標同士の距離を算出することで、前記第一平面および前記第二平面間の距離を算出する工程とを備えることを特徴としている。

【0008】

また、本発明の段差算出装置は、測定対象物の表面に形成された第一平面と第二平面との高低差を算出するものであって、前記第一平面上で測定された３点以上の測点の座標値を式１の行列に対応させた後、当該行列から最小二乗法により当該第一平面の三次元平面方程式を算出する手段と、前記第二平面上で測定された３点以上の測点の座標値を式１の行列に対応させた後、当該行列から最小二乗法により当該第二平面の三次元平面方程式を算出する手段と、前記第一平面上の測点と前記第二平面上の測点との中間点の座標を前記第一平面および前記第二平面の中央部になるように定め、前記第一平面の三次元平面方程式および前記第二平面の三次元平面方程式を利用した式により、前記中間点から前記第一平面に至る垂線と当該第一平面との交点の座標値を算出するとともに、前記中間点から前記第二平面に至る垂線と当該第二平面との交点の座標値を算出して、算出した交点座標同士の距離を算出することで前記第一平面および前記第二平面間の距離を算出する手段と、を備えることを特徴としている。

【0009】

かかるトータルステーションを用いた測定方法および段差算出装置によれば、計測器の測定精度以上の精度による段差測定が可能となる。複数の測点を利用することで、測定誤差が修正された２つの平面を算出することが可能となり、ひいては、二つの平面の高低差を高精度に算出することができる。
また、トータルステーションを利用して非接触で計測を行うため、測点が多数であっても、効率的に作業を行うことができる。

【0010】

前記第一平面上および前記第二平面上の測点の数を４点以上とすれば、単純平面を想定する測点が３点の場合に比べて、誤差を最小とした仮想平面を想定することが可能となる。すなわち、段差のある上面と下面との仮想面間を測定点（計測位置）からの距離を計算することで、高精度な段差測定が可能となる。

【発明の効果】

【0011】

本発明のトータルステーションを用いた測定方法および段差算出装置によれば、段差測定を簡易かつ高精度に実施することを可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態の壁ボードの測定状況を模式的に示す斜視図である。

【図2】図１の壁ボードの一部を示す拡大斜視図である。

【図3】測点数と段差の計算値とを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本実施形態では、図１および図２に示すように、表面に凹凸を有する板状の壁ボード２に対し、ノンプリズム式トータルステーション１および段差算出装置により凹凸の配置や形状の品質検査を行う場合について説明する。
本実施形態では、壁ボード２の表面に形成された凹部平面３（第一平面）と凸部平面４（第二平面）との高低差を測定する。
本実施形態のトータルステーションを用いた測定方法は、凹部平面測定工程と、凸部平面測定工程と、凹部平面算出工程と、凸部平面算出工程と、段差算出工程とを備えている。

【0014】

凹部平面測定工程は、凹部平面３上の測点（実測点）ＴＧ_Ａをトータルステーション１により測定する工程である。
なお、凹部平面３上の測点ＴＧ_Ａの数は３点以上であれば限定されるものではないが、本実施形態では４点以上測定する。

【0015】

測定結果は、トータルステーション１から段差算出装置へ出力され、段差算出装置の記憶部に記憶される。なお、段差算出装置は、いわゆるコンピュータからなり、記憶部、演算部および出力部を備えている。
段差算出装置の記憶部に実測点ＴＧ_Ａのデータが記憶されると、演算部の座標値演算手段が起動する。
座標値演算手段は、式１〜３を利用して、直交座標値に変換する。実測点ＴＧ_Ａの直交座標値は、記憶部に記憶される。
Ｘ＝Ｌ×ｓｉｎ（Ｖ）×ｃｏｓ（Ｈ） ・・・式１
Ｙ＝Ｌ×ｓｉｎ（Ｖ）×ｓｉｎ（Ｈ） ・・・式２
Ｚ＝Ｌ×ｃｏｓ（Ｖ） ・・・式３

【0016】

凸部平面測定工程は、凸部平面４上の測点（実測点）ＴＧ_Ｂをトータルステーション１により測定する工程である。
なお、凸部平面４上の測点ＴＧ_Ｂの数は３点以上であれば限定されるものではないが本実施形態では４点以上測定する。
測定結果は、トータルステーション１から段差算出装置へ出力され、段差算出装置の記憶部に記憶される。
段差算出装置の記憶部に実測点ＴＧ_Ｂのデータが記憶されると、演算部の座標値演算手段が起動する。
座標値演算手段は、式１〜３を利用して、直交座標値に変換する。測点ＴＧ_Ｂの直交座標値は、記憶部に記憶される。

【0017】

凹部平面算出工程は、凹部平面３上の実測点ＴＧ_Ａの計測値から凹部平面３の三次元平面方程式を算出する工程である。
凹部平面算出工程は、第一平面算出手段により実行される。
第一平面算出手段は、まず、記憶部の中から直交座標値に変換した凹部平面３上の実測点ＴＧ_Ａの座標値（ｘ_Ａ１，ｙ_Ａ１，ｚ_Ａ１）、（ｘ_Ａ２，ｙ_Ａ２，ｚ_Ａ２）、（ｘ_Ａ３，ｙ_Ａ３，ｚ_Ａ３）、…を読み出し、式４の行列に対応させる演算を行う。

【0018】

【数1】

【0019】

次に、第一平面算出手段は、式４の行列から最小二乗法による三次元平面方程式を導き出す。
最小二乗法の計算（式５）で、平面方程式の上数項が決定されるため、凹部平面３の三次元平面方程式（式６）が求まる。凹部平面３の三次元平面方程式は、記憶部に記憶される。

【0020】

【数2】

【0021】

凸部平面算出工程は、凸部平面４上の実測点ＴＧ_Ｂの計測値から凸部平面４の三次元平面方程式を算出する工程である。
突部平面算出工程は、第二平面算出手段により実行される。
第二平面算出手段は、まず、直交座標値に変換した凸部平面４上の実測点ＴＧ_Ｂの座標値（ｘ_Ｂ１，ｙ_Ｂ１，ｚ_Ｂ１）、（ｘ_Ｂ２，ｙ_Ｂ２，ｚ_Ｂ２）、（ｘ_Ｂ３，ｙ_Ｂ３，ｚ_Ｂ３）、…を記憶部から読み出し、式４の行列に対応させた後、最小二乗法の計算（式５）で、平面方程式の定数項を決定させ、凸部平面４の三次元平面方程式（式７）を算出する。凸部平面４の三次元平面方程式は、記憶部に記憶される。

【0022】

【数3】

【0023】

段差算出工程は、凹部平面３と凸部平面４との離間距離（段差）を算出する工程である。
記憶部に凹部平面３の三次元平面方程式および凸部平面４の三次元平面方程式が記憶されると段差算出手段が起動する。
段差記憶手段は、凹部平面３の三次元平面方程式および凸部平面４の三次元平面方程式を利用して、凹部平面３と凸部平面４との離間距離を算出する。
段差記憶手段は、まず、凹部平面３および凸部平面４で測定した実測点ＴＧ_Ａ，ＴＧ_Ｂの中間点Ｐの座標（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ）を両平面３，４の中央部になるように任意に定める。

【0024】

次に、段差算出手段は、中間点Ｐから凹部平面３に至る垂線と凹部平面３との交点の座標値（ｘ^１_ｃ，ｙ^１_ｃ，ｚ^１_ｃ）を算出するとともに、中間点Ｐから凸部平面４に至る垂線と凸部平面４との交点の座標値（ｘ^２_ｃ，ｙ^２_ｃ，ｚ^２_ｃ）を算出する。

【0025】

【数4】

【0026】

そして、段差算出手段は、式８，９から算出した交点座標値同士の距離Ｌ_１２を、式１０を利用して算出する。これにより、２つの仮想平面間の段差（＝Ｌ_１２≒凹部平面３と凸部平面４との離間距離（段差））が求まる。段差（Ｌ_１２）は、は記憶部に記憶されるとともに、出力部（例えば、モニターやプリンター）に出力される。

【0027】

【数5】

【0028】

なお、凹部平面３と凸部平面４の段差は、中間点Ｐから凹部平面３と凸部平面４への垂線長により算出してもよい。
中間点から凹部平面３への垂線長ｈ１は、式１１により算出する。また、中間点Ｐから凸部平面４への垂線長ｈ２は式１２により算出する。
そして、段差ｈは、ｈ１とｈ２の合計となる（式１３）。段差ｈは記憶部に記憶されるとともに、出力部（例えば、モニターやプリンター）に出力される。

【0029】

【数6】

【0030】

本実施形態のトータルステーションを用いた測定方法によれば、トータルステーション１の測定精度以上の精度による段差測定が可能となる。
これは、複数の測点を利用することで、測定誤差が修正された２つの平面３，４を算出することが可能となり、ひいては、二つの平面３，４の高低差を高精度に算出することができるためである。
また、トータルステーション１を利用して非接触で計測を行うため、測点ＴＧが多数であっても、効率的に作業を行うことができる。

【0031】

以下、本実施形態のトータルステーションを用いた測定方法による段差測定の精度について、参考として実施した、ノギスによる実測値と比較した検証試験結果を示す。
本検証では、測点が３点、４点、５点および６点の場合について、それぞれ３回ずつ（Ａ〜Ｃ）測定し、凹部平面３と凸部平面４との段差を算出した。

【0032】

計算結果を図３に示す。なお、トータルステーション１には、測距精度が測定距離１０ｍに対して±１ｍｍ程度のものを使用した。
図３に示すように、測点が３点の場合には、パターンＡ，Ｂでノギスの実測値と１ｍｍ程度、パターンＣで０．６ｍｍ程度の差が出た。したがって、測点が３点以上であれば、トータルステーションの測定精度以上の精度による段差測定が可能である。

【0033】

測点が４点の場合は、パターンＡ〜Ｃのいずれの場合であっても、ノギスの実測値との差が０．９ｍｍ以下であった。
また、測点が５点および６点の場合は、ノギスの実測値との差が０．３ｍｍ以下であった。
したがって、測点の数を４〜６点、より好ましくは５〜６点とすれば、より高精度の測定することが可能である結果となった。

【0034】

以上、本発明の実施形態について説明したが本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
前記実施形態では、段差算出装置を利用して測定対象物（壁ボード）の表面に形成された凹凸の段差を算出する場合について説明したが、段差の算出する手段は限定されるものではない。例えば、表計算ソフトを利用して算出してもよい。

【0035】

前記実施形態では、壁ボードの表面に形成された凹凸の段差を測定する場合について説明したが、本発明のトータルステーションの用いた測定方法が適用可能な測定対象物は壁ボードに限定されるものではなく、あらゆる構造物に採用することができる。例えば、法面等であってもよい。
また、前記実施形態では、壁ボードの表面に矩形状の凹部が形成されている場合について説明したが、壁ボードの凹部または凸部の形状は限定されるものではない。

【0036】

トータルステーションの設置個所は、壁ボード（測点）に対して傾斜していてもよい。例えば、トータルステーションは、壁ボードの重心から延びる垂線の延長線上に配置されていてもよい。また、トータルステーションは、壁ボードの外形状から延びる延長線上よりも外れた位置に配置されていてもよい。

【符号の説明】

【0037】

１ 基準点
２ 壁ボード（測定対象物）
３ 凹部平面（第一平面）
４ 凸部平面（第二平面）
ＴＧ 設計測点
ＴＳ トータルステーションの設置点

【図1】

【図2】

【図3】