特開 2024-110069 計測面の形状データ取得方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024110069

(43)【公開日】2024-08-15

(54)【発明の名称】計測面の形状データ取得方法

(51)【国際特許分類】

   G01C 15/06 20060101AFI20240807BHJP

   G01C 15/00 20060101ALI20240807BHJP

【ＦＩ】

G01C15/06 T

G01C15/00 103Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023014417

(22)【出願日】2023-02-02

(71)【出願人】

【識別番号】000220343

【氏名又は名称】株式会社トプコン

(74)【代理人】

【識別番号】110004060

【氏名又は名称】弁理士法人あお葉国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100207642

【弁理士】

【氏名又は名称】簾内 里子

(74)【代理人】

【識別番号】100077986

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 太一

(74)【代理人】

【識別番号】100139745

【弁理士】

【氏名又は名称】丹波 真也

(74)【代理人】

【識別番号】100187182

【弁理士】

【氏名又は名称】川野 由希

(72)【発明者】

【氏名】西田 信幸

(72)【発明者】

【氏名】桐生 徳康

(57)【要約】

【課題】様々な態様の計測面を精度よく計測可能な面計測器、および面計測システムに関する。
【解決手段】計測面に沿って移動可能な基体、および、測量機により遠隔から自身の位置情報を取得されることが可能であり、かつ、前記基体が前記計測面に接しているとき、常に前記計測面から所定距離を保つように前記基体に取付けられるターゲットを用いて、前記計測面に沿って前記基体を移動させながら、前記測量機で前記ターゲットの位置情報を取得し、取得した前記ターゲットの位置情報を、前記計測面に向かって前記所定距離だけオフセットすることで、前記計測面の位置情報を取得する計測面の形状データ取得方法を提供する。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

計測面に沿って移動可能な基体、および、測量機により遠隔から自身の位置情報を取得されることが可能であり、かつ、前記基体が前記計測面に接しているとき、常に前記計測面から所定距離を保つように前記基体に取付けられるターゲットを用いて、前記計測面に沿って前記基体を移動させながら、前記測量機で前記ターゲットの位置情報を取得し、
取得した前記ターゲットの位置情報を、前記計測面に向かって前記所定距離だけオフセットすることで、前記計測面の位置情報を取得する、
を備えることを特徴とする計測面の形状データ取得方法。

【請求項2】

前記ターゲットの位置情報をオフセットする方向は、前記計測面の態様から自動的に決定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測面の形状データ取得方法。

【請求項3】

前記計測面の態様とは、前記計測面が開口部の内周面もしくは被計測物の外周面、または湾曲面である、
ことを特徴とする請求項２に記載の計測面の形状データ取得方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明は、壁面、天井面、壁面、内周面や外周面など、様々な態様の計測面の計測データの形状データ取得方法に関する。

【背景技術】

【0002】

道路面などの凹凸状態を計測するため、様々な計測器が提案されている。例えば、特許文献１では、台車にレーザ光を受光する装置を積載した計測器を用いており、この台車を道路上に走行させることで、路面の凹凸状態を取得していた。特許文献２では、車輪が設けられた基体に、プリズムと操作棒が取付けられた計測治具を用いており、測量機にプリズムを測定させながら、作業者は操作棒を持って、基体を道路に沿って移動させることで、路面の凹凸状態を取得していた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許３８２９２２５号

【特許文献2】特許５６６９３１５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１および特許文献２は、いずれも計測面は路面のみを想定しており、壁面、天井面、内周面、外周面などは想定されていない。

【0005】

本件は、このような問題に鑑みてなされたものであり、路面に限らず、壁面、天井面、内周面、外周面など、様々な態様の計測面の形状データを取得可能な方法に関する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記問題を解決するため、本発明の第１形態の形状データ取得方法は、計測面に沿って移動可能な基体、および、測量機により遠隔から自身の位置情報を取得されることが可能であり、かつ、前記基体が前記計測面に接しているとき、常に前記計測面から所定距離を保つように前記基体に取付けられるターゲットを用いて、前記計測面に沿って前記基体を移動させながら、前記測量機で前記ターゲットの位置情報を取得し、取得した前記ターゲットの位置情報を、前記計測面に向かって前記所定距離だけオフセットすることで、前記計測面の位置情報を取得するように構成した。

【0007】

この態様によれば、計測面に沿って移動するターゲットの位置情報を取得でき、位置データを基に形状データを算出できる。様々な態様の形状の計測面のデータを取得可能である。

【0008】

また、ある態様においては、前記ターゲットの位置情報をオフセットする方向は、前記計測面の態様から自動的に決定されるように構成した。

【0009】

また、ある態様においては、前記計測面の態様とは、前記計測面が開口部の内周面もしくは被計測物の外周面、または湾曲面であるように構成した。

【発明の効果】

【0010】

以上の説明から明らかなように、様々な態様の計測面の形状データを取得可能な方法に関する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】面計測システムの概略構成を示す図である。

【図2】測量機のブロック図である。

【図3】面計測器の一例を示す。図３（Ａ）は面計測器の斜視図である。図３（Ｂ）は面計測器の側面図である。

【図4】面計測器の使用状態を示す。

【図5】面計測器の使用状態を示す。

【図6】面計測器の使用状態を示す。

【図7】計測データ取得工程のフローチャートである。

【図8】面計測システムの実施例（鉛直面）を示す。

【図9】後処理演算工程のフローチャートである。

【図10】面計測システムの別の実施例（開口部形状）を示す。

【図11】オフセット方向を説明する説明図である。

【図12】面計測器の変形例である。

【図13】面計測器の別の変形例である。

【図14】計測システムの変形例である。図１３の面計測器の湾曲面での使用状態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の具体的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。また、以下の実施形態および変形例の説明において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

【0013】

（面計測システム）
本発明にかかる計測面の形状データを取得方法は、計測データ取得工程および後処理演算工程を有する。まず、データ取得工程として、面計測システム１を用いて、計測面ＷＬにかかる位置情報を取得する。面計測システム１は、計測面ＷＬが床面のみならず壁面や天井面であっても、計測面ＷＬにかかる位置情報を三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）として取得可能である。ついで、後処理演算工程として、面計測システム１で取得した位置情報を基に、計測面ＷＬの三次元座標を取得する。これにより計測面ＷＬの形状データ、例えば、寸法、傾き、凹凸状態などを算出する。

【0014】

最初に、面計測システム１について説明する。図１は、本発明の好適な実施形態である面計測器４０を備える面計測システム１の概略構成を示す図であり、計測現場での作業をイメージしている。

【0015】

面計測システム１は、測量機２０および面計測器４０を含んで構成される。測量機２０は、測距・測角機能及び追尾機能を備えたトータルステーションである。測量機２０は、基準点Ｏ中心上に三脚を用いて設置される。測量機２０は、整準器の上に設けられた基盤部２ａと、基盤部２ａを鉛直軸Ｖ回りに水平回転する托架部２ｂと、托架部２ｂの中央で水平軸Ｈ周りに鉛直回転する望遠鏡２ｃとを有する。

【0016】

面計測器４０は、操作棒４１の先端に取付けられた基体４３と、測距・測角機能及び追尾機能のターゲットであるターゲット４２を有する。基体４３は計測面ＷＬに沿って移動可能に構成される。基体４３が移動しても、ターゲット４２の光学中心Ｃと計測面ＷＬとの距離は一定となるように、ターゲット４２は基体４３に搭載されている。

【0017】

計測面ＷＬを計測の際には、作業者は操作棒４１を把持し、基体４３を計測面ＷＬに当接させながら、計測面ＷＬに沿って移動させる。測量機２０には、ターゲット４２を自動追尾させるとともに、随時、ターゲット４２を測距・測角させる。計測された距離および方位角から、接地点Ｐにおける光学中心Ｃ（以下、接地点Ｐにおける光学中心Ｃの位置、すなわち実際に計測されて位置情報を取得される点を実計測点ＰＰと称する）の三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を取得する。なお、接地点Ｐは、接地点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…と計測ごとに異なり、計測回数だけ存在するが、以下、全ての計測点をまとめて接地点Ｐと称する。実計測点ＰＰについても同様である。

【0018】

また、面計測システム１は、幾つかの計測モードを備えている。例えば、内枠や開口部の内周面を計測する「内周面計測モード」や被計測物の外周面を計測する「外周面計測モード」を備えている。「面凹凸計測モード」では、天井面／床面／左側面／右側面、また湾曲面形状を計測する「湾曲面計測モード」など、どのような面を計測するかを設定することができる。計測モードにより、どのような面を計測するかを事前に設定でき、実計測点ＰＰのオフセットされるべき方向が指定される。

【0019】

（測量機）
図２は、測量機２０の構成ブロック図である。測量機２０は、モータドライブトータルステーションであり、表示部１８、入力部１９、水平角検出器２１、鉛直角検出器２２、水平回転駆動部２３、鉛直回転駆動部２４、測距部２５、追尾部２６、通信部２７、記憶部２８、およびこれら全てが接続される測量機制御部２９を有する。

【0020】

水平角検出器２１と鉛直角検出器２２は、回転円盤、スリット、発光ダイオード、イメージセンサを有するアブソリュートエンコーダまたはインクリメンタルエンコーダである。水平角検出器２１は、托架部２ｂの回転軸に設けられ、托架部２ｂの水平角を検出する。鉛直角検出器２２は、望遠鏡２ｃの水平軸Ｈに設けられ、望遠鏡２ｃの鉛直角を検出する。

【0021】

水平回転駆動部２３と鉛直回転駆動部２４はモータである。測量機制御部２９に制御され、水平回転駆動部２３は托架部２ｂの回転軸を動かし、鉛直回転駆動部２４は、望遠鏡２ｃの回転軸を動かす。両駆動部の協働により、望遠鏡２ｃの向きが変更される。水平角検出器２１と鉛直角検出器２２とで、測角機能を実装している。水平回転駆動部２３および鉛直回転駆動部２４とで、駆動機構を構成する。

【0022】

測距部２５は、送光部と受光部を備え、ターゲット４２を視準して、例えば赤外パルスレーザ光等の測距光をターゲット４２に射出し、その反射光を受光部で受光し、測距光と内部参照光の位相から測距する。

【0023】

追尾部２６は、測距光とは異なる波長の赤外レーザ光などを追尾光として出射する追尾送光系と、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサを有する追尾受光系を有する。測量機制御部２９は、追尾部２６で取得した情報からターゲット像の中心を求め、ターゲット位置として検出し、ターゲット像の中心と望遠鏡２ｃの視軸中心からの隔たりが一定値以内に収まるように、常に望遠鏡２ｃがターゲットの方向を向くように、自動追尾する。

【0024】

通信部２７は、外部ネットワークとの通信を可能にするものであり、例えば、インターネットプロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）を用いてインターネットに接続し、情報の送受信を行う。通信部２７の送受信する情報は、例えば、図示しない情報処理装置に送信する測定データや、図示しないコントローラから受信する命令信号などである。

【0025】

測量機制御部２９は、例えば、少なくとも１つのプロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit））、および少なくとも１つのメモリ（例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）など）を、基盤に実装したマイクロコントローラである。収納されたプログラムにより、プロセッサにて各制御が実行される。測量機制御部２９は、制御として、通信部２７を介した情報の送受信、水平回転駆動部２３および鉛直回転駆動部２４による各回転軸の駆動、測距部２５による測距、水平角検出器２１および鉛直角検出器２２による測角、追尾部２６による自動追尾、取得した計測データの演算処理などを行う。

【0026】

後処理部２９１は、プログラムのサブルーチンなどのアプリケーションの一部として認識される。取得した三次元座標Ｑ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から、計測面ＷＬの三次元座標や形状データを算出するなど、取得したデータに対する演算処理を実施する。本実施形態においては、後処理部２９１は、測量機２０にソフトウェア的に組み込まれたが、タブレットやモバイルパソコンなどの別の演算処理装置に実装されてもよい。

【0027】

記憶部２８は、例えばハードディスクドライブなどの記憶媒体であり、演算処理プログラムや、取得した計測データや演算結果が収納される。

【0028】

表示部１８、入力部１９は、測量機２０のインターフェースである。入力部１９は、電源キー、数字キー、実行キーなどを有し、作業者が、測量機２０の操作や測量機２０に対する情報を入力できる。表示部１８は、液晶ディスプレイであり、タッチパネル式として、入力部１９と一体に構成されてもよい。

【0029】

（面計測器）
次に面計測器４０について説明する。図３は、面計測器４０を示す。図３（Ａ）が面計測器４０の斜視図である。図３（Ｂ）が面計測器の側面図である。

【0030】

面計測器４０は、操作棒４１、ターゲット４２、および基体４３を有する。

【0031】

基体４３の両側には、回転軸（車軸）を水平にして、かつ回転軸を一致させて、一対の車輪４４が設けられている。一対の車輪４４により、基体４３は計測面ＷＬを移動可能に構成される。基体４３の移動を操作する操作棒４１の先端に、基体４３が取付けられる。

【0032】

車輪４４は円柱体であり、計測面ＷＬに接地し、かつ計測面ＷＬに沿って移動可能な外周側面を有する。円柱体である車輪４４の車軸４４ａが車輪４４の中心軸であり回転軸である。車輪４４は単体でも外周側面で自立可能に構成される。このため、水平面に載置された面計測器４０が自立できずに転倒することはない。一対の車輪４４が車軸を一致させて配置される場合、一対の車輪４４を円柱体の分割体として構成しても構わず、一対の車輪４４で自立可能であればよい。特に材質は指定しないが、計測面ＷＬとの接触での弾性変形による計測誤差を抑制するため、ゴム材などの負荷により変形が生じやすい部材ではなく、硬質の合成樹脂部材や金属部材、木材など、計測面ＷＬとの接触程度では変形が殆ど生じない部材で構成されると好ましい。また、車輪４４は、円柱体に限られず、球面体であってもよい。

【0033】

一対の車輪４４は基体４３の両側面に回動可能に支持される。なお、車輪４４が回動可能に支持されることは必須ではなく、円柱体の車輪４４が計測面ＷＬに沿ってスムーズに移動可能であれば、車輪４４が基体４３に固定されてもよい。

【0034】

ターゲット４２は、コーナーキューブプリズムなどの再帰反射体で構成されており、本実施形態においては、いわゆる全方位プリズムで、その全周（３６０度）から入射する光を、その入射方向と反対の方向に再回帰反射する。ターゲット４２は、ターゲット４２の光学中心Ｃが、車輪４４の回転軸上となるようにして配置され、一方の車輪４４の露出する端面に取付けられている。本実施形態においては、１つのターゲット４２が一方の車輪４４にのみ取付けられているが、２つのターゲット４２がそれぞれの車輪４４の外側端面に取付けられてもよい。光学中心Ｃが車輪４４の回転軸上に配置されればよく、ターゲット４２が車輪４４に取付けられることは必須ではない。操作棒４１が、車輪４４を挟むようにして、その回転軸を車輪４４の回転軸に一致させて基体４３に回動可能に設けられ、この操作棒４１にターゲット４２が固定されてもよい。

【0035】

上記構成により、車輪４４が回転すると、ターゲット４２も車輪４４とともに回転するが、車輪４４の接地点と光学中心Ｃとの距離は、常に一定の距離を保つ。水平面に車輪４４を接地させたときの、水平面から光学中心Ｃまでの高さを距離Ｔとすると、計測面ＷＬに車輪４４が接地しているとき、車輪４４の接地点と光学中心Ｃとの距離は、常に距離Ｔとなる。本実施形態においては、距離Ｔは車輪４４の半径となる。

【0036】

図４～図６は、面計測器４０の使用状態を示す。一対の車輪４４が基体４３に回動可能に設けられていることから、車輪４４と基体４３は、車輪４４の回転軸（車軸４４ａ）に対して、互いに相対的に回動可能となっている。車輪４４は基体４３に対して回転軸を中心にして回動可能であり、基体４３およびこれに連結される操作棒４１は、車輪４４が計測面ＷＬに接地したまま、車輪４４の回転軸を中心として回動可能である。

【0037】

面計測器４０においては、一対の車輪４４の回転軸上にターゲット４２が配置されているため、車輪４４が計測面ＷＬに接地していれば、車輪４４が回転して基体４３が移動しても、基体４３が車輪４４の回転軸を中心として回転しても、基体４３の姿勢にかかわらず、車輪４４の接地点とターゲット４２の光学中心Ｃとの距離は常に一定（距離Ｔ）である。

【0038】

図４（Ａ）に示すように、車輪４４が計測面ＷＬに接したままの状態で、基体４３および操作棒４１が車輪４４の回転軸を中心にして回転し、鉛直位置から傾いても、車輪４４の接地点とターゲット４２の距離は変わることがなく、常に距離Ｔを保つ。また、図４（Ｂ）に示すように、一対の車輪４４が計測面ＷＬに接したまま、計測面ＷＬの垂直軸に対して面計測器４０が回転しても、車輪４４の接地点とターゲット４２の距離は変わることなく、常に距離Ｔを保つ。すなわち、面計測器４０が、面計測器４０の進行方向に対して、左右に向いてしまっても、車輪４４の接地点とターゲット４２との距離は、常に距離Ｔに保たれる。

【0039】

一対の車輪４４の外周側面が計測面ＷＬに対して接しているならば、面計測器４０が鉛直方向に移動しても、水平方向に移動しても、ターゲット４２と計測面ＷＬとの距離は一定（距離Ｔ）となる。

【0040】

また、図５に示すように、面計測器４０においては、計測面ＷＬが凹凸のある湾曲面であっても、車輪４４を回転させて基体４３を計測面ＷＬに沿って移動させることができる。

【0041】

作業者は、車輪４４が常に計測面ＷＬに接するようにして、操作棒４１を操作して基体４３を移動させていればよく、基体４３の姿勢を気にする必要が無い。計測面ＷＬは、床面や路面に限らず、壁面などの鉛直面や傾斜面、天井面、また湾曲面や屈曲面などであっても、面計測器４０を用いて形状を計測することができる。例えば、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、計測面ＷＬが壁面、かつ凹凸のある面であっても、計測面ＷＬが天井面、かつ屈曲面であっても問題なく計測でき、作業者は車輪４４を計測面ＷＬに沿わせて基体４３を移動させるだけでよい。

【0042】

（実施例１：鉛直面の計測方法）
次に、面計測システム１を用いた計測面ＷＬにかかる位置座標を取得する計測データ取得工程について説明する。図７は、計測データ取得工程のフローチャートである。一例として、図１および図８示すように、計測面ＷＬが壁面であった場合について説明する。

【0043】

まず、ステップＳ１０１で、測量機２０が基準点に設置される。基準点は、任意点でよい。基準点として任意点に設置した場合、計測データから算出される三次元座標データは任意点を原点としたローカル座標系となる。ローカル座標系を使用すると、基準点からの位置関係の把握が容易となり、距離感や計測面ＷＬのサイズ感を把握しやすくなり好ましい。測量機２０を既知点に設置してもよいが、計測データから算出される三次元座標データは絶対座標系となる。

【0044】

次に、ステップＳ１０２に移行し、面計測器４０を初期位置に配置する。作業者は、操作棒４１を把持して、計測面ＷＬに車輪４４を接地させる。鉛直面を計測する場合、計測面ＷＬの最下端で、床面と計測面ＷＬの両方に車輪４４を接地させると好ましい。

【0045】

次に、ステップＳ１０３に移行し、測量機２０の追尾部２６がターゲット４２をロックし、追尾が開始される。

【0046】

次に、ステップＳ１０４に移行し、測量機２０は、ロックしたターゲット４２の測距・測角を実施する。図８に示すように、計測される点は、計測面ＷＬ上の接地点Ｐではなく、接地点Ｐに車輪４４が接地としたときの光学中心Ｃである（実計測点ＰＰ）。測量機制御部２９は、計測された距離および方位角から、実計測点ＰＰの三次元座標を算出する。算出された実計測点ＰＰの三次元座標は記憶部２８に収納される。測距・測角は、例えば０．１秒～１秒ごとなど、所定の時間間隔で、随時実行される。所定の時間間隔だけでなく、移動距離を観測して、例えば０．１ｃｍ～１０ｃｍごとなど、所定の距離間隔で測距・測角を実行してもよい。

【0047】

次に、ステップＳ１０５に移行し、作業者は、操作棒４１を操作し、車輪４４を回転させて計測面ＷＬに沿って基体４３を移動させる。作業者の計測の目的により、所定のパターンで計測面ＷＬ上を移動させると好ましい。例えば、図１に示す計測面ＷＬの凹凸状態を検査する場合、初期位置から基体４３を上方に計測面ＷＬの上端まで移動させ、上端まで到達したら、車輪４４を計測面ＷＬに当接させたまま、基体４３を側方（左方または右方）に所定距離だけ移動させ、今度は計測面ＷＬの上端から下端まで下方に移動させる。

【0048】

次に、ステップＳ１０６で、面計測器４０を計測面ＷＬの終了位置まで移動させ終える、測量機２０は計測を停止し、終了する。

【0049】

（実施例１の後処理方法）
次に、このようにして取得した位置情報の後処理方法について説明する。面計測システム１で取得される三次元座標は、計測面ＷＬ上の座標ではなく、計測面ＷＬから距離Ｔだけ離れた実計測点ＰＰの三次元座標である。このため、実計測点ＰＰの三次元座標を、実際の計測面ＷＬ上へ向かって距離Ｔだけオフセットする座標変換を行う必要がある。

【0050】

図９は、後処理演算工程のフローチャートである。後処理演算工程として、後処理部２９１は、以下の演算処理を実施する。

【0051】

最初に、ステップＳ２０１で、面計測システム１で取得した実計測点ＰＰの三次元座標が、後処理部２９１に入力される。測量機２０が任意点に設置された場合、三次元座標ＰＱはローカル座標系となり、基準点の座標は原点（０，０，０）となる。

【0052】

次に、ステップＳ２０２で、後処理部２９１は、算出された実計測点ＰＰの三次元座標を座標空間にプロットする。

【0053】

次に、ステップＳ２０３で、実計測点ＰＰのオフセット方向を算出する。本実施例においては、全プロット点がフィットする面を算出し、この面に平行（直交面上）、かつ、プロット点の前後の所定範囲のデータから、算出された近似直線に直交方向となる。点群から面や近似直線を算出する方法は、周知の方法を用いてよく、説明は省略する。所定範囲は、所定の数の実計測点、または所定距離内の実計測点を示す。

【0054】

一例として図８に示すように、実計測点ＰＰｎの前後の複数の点から近似直線を算出し、この近似直線の法線方向（直交方向）を算出する。さらに全計測点から近似平面も算出する。近似平面に平行で（近似面に直交する平面上）、かつ、近似直線の法線方向という二つの条件を満たす方向として、方向Ａ１および方向Ｂ１が算出される。

【0055】

点群がプロットされた座標空間に、プロット点を順に結んだ線や、プロット点がフィットする面も形成される。座標空間は、表示部１８に表示される。

【0056】

次に、ステップＳ２０４で、オフセット方向を決定する。オフセット方向は、実計測点ＰＰがオフセットされる方向であり、ステップＳ２０３で算出された方向、かつ実計測点ＰＰから計測面ＷＬに向かう方向となる。図８に示すように、ステップＳ２０３で算出される方向は、１８０度異なる正反対な方向で二つ存在する（方向Ａ１および方向Ｂ１)。このため、どちらがオフセットするべき方向であるかを自動または手動で決定する必要がある。

【0057】

従来の面計測システムは、計測面を路面のみ想定しており、取得された形状データは、オフセットさせる必要がない、もしくは鉛直下方向へオフセットするだけだった。しかし、面計測システム１は、鉛直面や天井面も計測可能であるため、取得した点群の三次元座標データだけでは、オフセット方向を決定できない。例えば、計測面ＷＬが水平面である場合、実計測点ＰＰのみから算出される法線方向は鉛直な上下方向の２方向あり、いずれの方向がオフセット方向であるか、すなわち計測面ＷＬが天井面であるか床面であるかを、指定する必要がある。計測面ＷＬの態様や計測モードを入力部１９から入力する、測量機２０に備えられた図示しない撮像装置で取得した画像データから自動で判別するなど、手動または自動でオフセット方向を指定する。計測モードを指定した場合は、自動でオフセット方向が指定される。

【0058】

次に、ステップＳ２０５で、指定されたオフセット方向に、実計測点ＰＰを距離Ｔだけオフセットする座標変換を行う。実計測点ＰＰがステップＳ２０４で選択された方向へオフセットされ点は、おおむね実計測点ＰＰ計測時の接地点Ｐと略一致する。これにより計測面ＷＬ上の三次元座標が算出される。

【0059】

次に、ステップＳ２０６で、ステップＳ２０５で算出された三次元座標から、計測面ＷＬの形状データを算出する。例えば、計測面ＷＬの三次元形状、計測面ＷＬの寸法、外形、凹凸などを取得することができる。

【0060】

実計測点ＰＰをオフセットするべき方向の決定は、上記方法に限られない。例えば、測量機２０に搭載されたカメラやＣＤなど撮像装置を搭載し、計測時に計測面ＷＬを撮像し、取得された画像データから計測面ＷＬの形態や配置を検知し、オフセット方向を判断できるように構成してもよい。

【0061】

計測時に計測面ＷＬの態様を入力部１９から入力することで、オフセット方向を決定できる。オフセット方向の入力情報や、自動で判断された情報は、表示部１８に表示させると好ましい。また、オフセット方向の条件などは、結果の出力ファイルのヘッダに含まれると、作業者が計測条件を把握しやすく好ましい。

【0062】

（実施例２：内周面の計測方法）
面計測システム１および後処理部２９１を用いた別の実施例について説明する。面計測器４０は、壁面や天井面、屈曲面も計測できることから、壁面から連続して天井面や床面も計測することができる。面計測器４０で開口部の内周面を連続して計測することで、開口部の形状データを取得することも可能である。例えば、窓枠を嵌め込むための壁面の開口部形状や、建物入り口の内枠形状を計測することで、窓や扉を嵌め込むことができるか否かを確認することができる。このような内枠計測モードも、面計測システム１で選択できる。

【0063】

図１０に示すガレージＧ１の開口部Ｇ２は、ガレージＧ１の出入り口であり、図示しない既成品のシャッターを嵌め込むために設けられた、ガレージＧ１の壁面の開口部である。開口部Ｇ２の内周面、すなわち開口部Ｇ２を形成する左側面Ｇ３、天井面Ｇ４，および右側面Ｇ５に沿って面計測器４０を移動させることで、開口部Ｇ２の寸法や傾きを計測することができる。

【0064】

図１０に示す実施例により、面計測システム１を用いた開口部Ｇ２の内周面にかかる三次元座標を取得する計測データ取得工程を、図７のフローチャートに従って説明する。

【0065】

まず、ステップＳ１０１で、基準点に測量機２０を配置する。基準点は任意点でよい。

【0066】

次に、ステップ１０２で、初期位置として面計測器４０を、左側面Ｇ３の下端部に配置し、車輪４４を床面Ｇ６と左側面Ｇ３に当接させる。

【0067】

次に、ステップＳ１０３で、測量機２０にターゲット４２をロックさせて、追尾を開始する。

【0068】

次に、ステップＳ１０４で、測量機２０は、ロックしたターゲット４２の測距・測角を所定の間隔で実施する。計測したデータから、位置情報として実計測点ＰＰの三次元座標が算出される。

【0069】

次に、ステップＳ１０５に移行し、作業者は、操作棒４１で以下の操作を行う。まず車輪４４を左側面Ｇ３に当接させたまま回転させ、基体４３を左側面Ｇ３に沿って上方へ移動させる。基体４３を左側面Ｇ３の上端まで移動させ、車輪４４が天井面Ｇ４に当接したら、今度は車輪４４を天井面Ｇ４に沿って回転させ、右側面Ｇ５に向かって移動させる。車輪４４が右側面Ｇ５に当接し、基体４３が右側面Ｇ５に到達したら、今度は、そのまま右側面Ｇ５に沿って、車輪４４が床面Ｇ６に当接するまで下方に移動させる。

【0070】

次に、ステップＳ１０６で、面計測器４０を計測面ＷＬの終了位置である、右側面Ｇ５の下端まで移動させ終えると、測量機２０は計測を停止し、終了する。

【0071】

実計測点ＰＰは、略同一平面上にあると好ましい。車輪４４の端面を開口部Ｇ２の端部に沿わせて配置し、開口部Ｇ２の端部を目印として車輪４４を回動させると、基体４３の移動と計測位置が安定するため好ましい。

【0072】

基体４３が車輪４４に対して相対的に回動しても、ターゲット４２と車輪４４の接地点との距離は変わらないため、作業者は基体４３の姿勢や操作棒４１の傾きを気にせずに、基体４３を移動させることができる。

【0073】

開口部Ｇ２は出入り口であるため、左側面Ｇ３、天井面Ｇ４，右側面Ｇ５の三面を計測すれば、もう一面の床面Ｇ６は、基体４３を移動させて計測せずとも開口部Ｇ２の形状は算出することができる。窓の内枠など、開口部が床面を構成面に持たない場合、終了位置を初期位置と同一として、初期位置に戻るまで内周面に車輪４４を沿わせて基体４３を移動させて、開口部の全周を計測する。

【0074】

（実施例２の後処理工程）
次に、取得した開口部Ｇ２の内周面にかかる三次元座標の後処理演算工程について、図９のフローチャートを用いて説明する。

【0075】

最初に、ステップＳ２０１で、面計測システム１で取得した開口部Ｇ２にかかる実計測点ＰＰの三次元座標が、後処理部２９１に入力される。

【0076】

次に、ステップＳ２０２で、入力された実計測点ＰＰの三次元座標が、座標空間にプロットされる。

【0077】

次に、ステップＳ２０３で、プロット点（実計測点ＰＰ）からオフセット方向を算出する。座標空間でプロット点が順に結ばれ、終点と始点は自動で結ばれ、矩形の閉曲線が形成される。プロット点を結んだ形状が、単純な閉曲線である場合、計測面ＷＬは開口部の内周面、もしくは被計測物の外周面であると判断される。または、入力された計測モードにより内周面または外周面と判断されてもよい。

【0078】

本実施例のような内周面のオフセット方向は、全プロット点から算出される平面上で、かつ、プロット点の前後の所定範囲のデータから算出された近似直線に直交する方向（法線方向）となる。本実施例では、所定範囲を、各点が対応する面（左側面Ｇ３、天井面Ｇ４、右側面Ｇ５、床面Ｇ６）ごととしてもよい。構成面（左側面Ｇ３、天井面Ｇ４、右側面Ｇ５、床面Ｇ６）ごとに、１８０度異なる２方向が算出される。

【0079】

次に、ステップＳ２０４で、各実計測点ＰＰのオフセット方向を決定する。オフセット方向は、計測面へ向かう方向である。図１１に示すように、計測面ＷＬが開口部の内周面、もしくは被計測物の外周面である場合、プロット点で形成される閉曲線の外側方向または内側方向のどちらかとなる。

【0080】

本実施例では、計測面ＷＬが開口部Ｇ２の内周面であるため、プロット点を結んだ閉曲線の外側方向（図１１中の白色矢印の方向Ａ３，方向Ａ４，方向Ａ５，方向Ａ６）に距離Ｔだけオフセットする。仮に、計測面ＷＬが被計測部材の外周面であった場合、プロット点を結んだ閉曲線の内側方向（図１１中の白色矢印の方向Ｂ３，方向Ｂ４，方向Ｂ５，方向Ｂ６）にオフセットする。オフセット方向は全プロット点から形成される面上である

【0081】

上記閉曲線の外側方向および内側方向は、Ｓ２０３で算出された２つのオフセット方向のうち、前記閉曲線の重心点を基準として、重心点に近づく方向、または重心点から離れる方向として算出され、区別される。

【0082】

ステップＳ２０４の決定は、自動または手動で決定される。計測モードを選択した場合、オフセット方向は、計測面の種類（内周面／外周面）から自動で選択され、そうでない場合は、表示部１８に表示された選択肢から手動で作業者が選択する。

【0083】

次に、ステップＳ２０５で、指定されたオフセット方向に、各面の実計測点ＰＰを、距離Ｔだけオフセットする座標変換を行う。これにより、開口部Ｇ２の三次元座標を取得することができる。実計測点ＰＰのオフセットされた点は、実計測点ＰＰが計測されたときの接地点Ｐに略一致する。開口部Ｇ２の三次元座標から開口部Ｇ２の形状データを算出でき、開口部Ｇ２の各辺の寸法、傾き、凹凸などの形状データを取得することができる。

【0084】

本実施例においては、開口部Ｇ２に内嵌されるのは既製品のシャッターであったが、開口部に内嵌されるのが、例えば、精密な寸法が不明な自作の扉などであった場合、上記と同様にして、測量機２０でターゲット４２を追尾および随時測距・測角しながら、今度は扉の外周面に沿って基体４３を移動させることで、扉の外形や寸法、傾きなどの形状データを容易に取得することができる。この場合、オフセット方向は、実計測点ＰＰのフィットする面上、かつ、かつ、プロット点の前後の所定範囲のデータから算出された近似直線に直交する方向（法線方向）、かつ閉曲線の内側方向となる。

【0085】

オフセット方向の決定は、後処理工程に限られず、計測モードにより自動される、またはオフセット方向が手動で指定されることは、計測開始前の段階（ステップＳ１０３前）で設定されてもよい。

【0086】

（変形例１）
図１２に変形例を示す。図１２は、面計測器４０の変形例である。図１２（Ａ）に示す面計測器１４０は、板厚が一定の平板である基体１４３と、基体１４３の表面に固定されるターゲット４２と、基体１４３に回動自在に支持される操作棒４１を備える。基体１４３は車輪４４を備えておらず、面計測器１４０は基体１４３の背面を計測面ＷＬに沿わせて使用する。固定されたターゲット４２の光学中心Ｃと、基体１４３の背面との距離は距離Ｔである。基体１４３がその背面を計測面ＷＬに当接して計測面ＷＬ上を移動しても、計測面ＷＬと光学中心Ｃとの距離は、常に距離Ｔに保たれる。

【0087】

同様に、図１２（Ｂ）に示す面計測器２４０は、平板の基体２４３と、基体２４３の表面に固定されるターゲット４２と、基体１４３の表面に立設する柱２４６の天井面に回動自在に支持される操作棒４１を備える。ターゲット４２の光学中心Ｃと、基体２４３の背面との距離は距離Ｔである。基体２４３がその背面を計測面ＷＬに当接して計測面ＷＬ上を移動しても、計測面ＷＬと光学中心Ｃとの距離は、常に距離Ｔに保たれる。

【0088】

面計測器１４０および面計測器２４０は計測面ＷＬが平面のときのみ使用することができる。計測面ＷＬの表面凹凸は形状データとして取得できずないが、作業者は基体１４３、２４３を操作棒４１移動させるときの手の感触で、凹凸を検知できる。
このように、ターゲット４２は、位置情報が取得可能に外部に露出して、位置情報の取得位置が、計測面から一定の距離を保つように配置されていればよい。

【0089】

（変形例２）
図１３および図１４に別の変形例を示す。図１３は、面計測器４０の別の変形例である。図１３に示す面計測器３４０は、二つの車輪４４が回動可能に設けられた基体３４３を有する。二つの同形の車輪４４は、それぞれ回転軸（車軸４４ａ）が水平に、かつ平行となるように、並列に基体３４３設けられている。車輪は一対の前輪および一対の後輪として、４つの車輪が基体３４３に設けられてもよい。

【0090】

基体３４３には、操作棒４１、およびターゲット４２、および傾斜センサ３４７が取付けられている。操作棒４１は、回転軸４１ａを中心に回動可能に基体３４３に取り付けられている。操作棒４１の回転軸４１ａは、二つの車輪の車軸４４ａから等距離となる位置に、車軸４４ａと平行となるように構成されている。具体的には、二つの車軸４４ａを通過する円弧の中心点に操作棒４１の回転軸４１ａが配置される。さらに、操作棒４１の回転軸４１ａ上に光学中心Ｃが配置されるように、ターゲット４２が基体３４３の側面に取付けられている。

【0091】

傾斜センサ３４７は、二つの車軸４４ａと平行となる基体３４３の底面３４３ａに、二つの車軸４４ａから等距離となるように配置されている。傾斜センサ３４７は、ＩＭＵ（慣性計測装置）であり、３軸ジャイロと３軸加速度センサを有し、基体３４３の３軸方向（ロール・ピッチ・ヨー）の角速度と加速度を取得する。傾斜センサ３４７は、基体３４３の姿勢を検出する姿勢検出装置として機能する。傾斜センサ３４７は、ＩＭＵに限られず、少なくとも基体３４３の水平からの傾きを検知できればよい。

【0092】

操作棒４１の回転軸４１ａおよび光学中心Ｃは、車軸４４ａからの距離が常に一定（距離Ｔ１）に保たれる。加えて、車軸４４ａは、車輪４４の外周側面からの距離は常に一定（車輪４４の半径Ｒ）となる。このため、二つの車輪４４が計測面ＷＬに接地して回転するとき、回転軸４１ａおよび回転軸４１ａ上に配置された光学中心Ｃは、常に計測面ＷＬの法線上で、計測面ＷＬから距離Ｔ（距離Ｔ＝距離Ｔ１＋半径Ｒ）の位置にある。計測面ＷＬが湾曲面であっても、二つの車輪４４が接地して基体３４３が移動することができ、光学中心Ｃは常に計測面ＷＬの法線上で、かつ計測面ＷＬから距離Ｔの位置を保つ。面計測器３４０を用いることで、計測面ＷＬが湾曲面であっても精度の高い形状データを取得することが可能となる。

【0093】

図１４は面計測器３４０の使用状態を示す。図１４に示すように、計測面ＷＬ８は湾曲面である。計測面ＷＬ８が湾曲面であっても、二つの車輪４４を備える基体３４３は、計測面ＷＬ８に接しながら、計測面ＷＬ上を移動可能であり、光学中心Ｃは常に計測面ＷＬの法線方向に距離Ｔを通過する。計測面ＷＬ８上の車輪４４の接地する点は２点であり、本実施形態で算出される接地点Ｐは、二つの車軸４４ａを結ぶ中点の鉛直下方点であるとする。実計測点ＰＰは、おおむね算出された接地点Ｐを、底面３４３ａの法線方向に距離Ｔだけオフセットした点である。

【0094】

作業者は、操作棒４１を操作して、基体３４３の姿勢を気にすることなく、基体３４３を移動させて、計測させることができる。測量機２０による測距・測角は随時行われ、測距・測角時の傾斜センサ３４７の計測値は、図示しない通信装置により無線で測量機２０へ送られ、計測データから算出された実計測点ＰＰの三次元座標と共に記憶部２８に記憶される。

【0095】

面計測器３４０を用いることで、傾斜センサ３４７の値から、実計測点ＰＰごとにオフセットするべき方向を取得できる。実計測点ＰＰごとの精密なオフセット方向が取得でき、各実計測点ＰＰをオフセット方向へ距離Ｔだけオフセットすることで、接地点Ｐすなわち計測面ＷＬ上の精密な三次元座標を取得できる。

【0096】

また、測量機２０により追尾によりターゲット４２を追尾することは必須ではなく、手動でターゲット４２を計測してもよく、計測データが疎であっても構わない。例えば、内枠の内周面を計測する場合、最低限、内枠の角部のみを手動で計測することで、内枠の形状を計測することができる。

【0097】

以上、本発明の好ましい実施の形態について述べたが、上記の実施の形態は本発明の一例であり、これらを当業者の知識に基づいて組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。

【符号の説明】

【0098】

１ ：面計測システム
２０ ：測量機
４２ ：ターゲット
４３ ：基体
４４ ：車輪
Ｃ ：光学中心
Ｐ ：接地点
ＰＰ ：実計測点
Ｔ ：距離
ＷＬ ：計測面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】