特許 7178790 距離測定装置

(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】

(24)【登録日】2022-11-17

(45)【発行日】2022-11-28

(54)【発明の名称】距離測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01C 3/06 20060101AFI20221118BHJP

   G01S 17/42 20060101ALI20221118BHJP

   G01B 11/14 20060101ALI20221118BHJP

【ＦＩ】

G01C3/06 120Q

G01S17/42

G01C3/06 110Z

G01B11/14 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018066822

(22)【出願日】2018-03-30

(65)【公開番号】P2019178886

(43)【公開日】2019-10-17

【審査請求日】2021-03-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000104652

【氏名又は名称】キヤノン電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003133

【氏名又は名称】弁理士法人近島国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松岡 京

【審査官】信田 昌男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０９０４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０１－０７４５８２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平１１－１２０３６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２０２２１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ ３／０６

Ｇ０１Ｓ １７／４２

Ｇ０１Ｂ １１／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

距離測定装置であって、
本体と、
測定対象点までの距離を計測する距離計測部と、
前記本体の姿勢を検出する姿勢検出部と、
前記距離計測部による距離測定中の前記本体の変位を検出する変位検出部と
を備え、
前記距離計測部によって計測した任意の２点の測定対象点それぞれまでの距離と、前記姿勢検出部によって算出した前記距離計測部により第一の測定対象点までの距離を計測した時点における前記距離測定装置の姿勢である第一の姿勢と、前記姿勢検出部によって算出した前記距離計測部により第二の測定対象点までの距離を計測した時点における前記距離測定装置の姿勢である第二の姿勢と、前記変位検出部によって算出した前記第一の姿勢から前記第二の姿勢までの前記距離測定装置の変位量を用いて、前記２点間の距離を測定することを特徴とする距離測定装置。

【請求項2】

前記姿勢検出部は地磁気センサを含み、前記変位検出部は加速度センサを含むことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。

【請求項3】

距離測定装置であって、
本体と、
測定対象点までの距離を計測する距離計測部と、
地磁気センサを含み、前記本体の姿勢を検出する姿勢検出部と、
加速度センサを含み、前記距離計測部による距離測定中の前記本体の変位を検出する変位検出部と
を備え、
前記距離計測部は、第一の測定対象点までの距離と第二の測定対象点までの距離を計測し、
前記姿勢検出部は、前記第一の測定対象点までの距離を計測した時点における前記距離測定装置の姿勢である第一の姿勢と、前記第二の測定対象点までの距離を計測した時点における前記距離測定装置の姿勢である第二の姿勢とを前記地磁気センサを用いて算出し、
前記変位検出部は、前記第一の姿勢から前記第二の姿勢までの前記距離測定装置の変位量を、前記加速度センサを用いて算出し、
前記第一の測定対象点までの距離、前記第一の姿勢、前記第二の測定対象点までの距離、前記第二の姿勢、前記変位量を用いて、前記第一の測定対象点から前記第二の測定対象点までの距離を測定することを特徴とする距離測定装置。

【請求項4】

前記第一の測定対象点までの距離と前記第一の姿勢とから、前記本体から前記第一の測定対象点までのベクトル量である第１のベクトルを算出し、前記第二の測定対象点までの距離と前記第二の姿勢とから、前記本体から前記第二の測定対象点までのベクトル量である第２のベクトルを算出し、前記第１のベクトルと前記第２のベクトルと前記変位量を用いたベクトル演算によって前記第一の測定対象点から第二の測定対象点までの距離を測定することを特徴とする請求項３に記載の距離測定装置。

【請求項5】

距離測定装置を備えた距離測定システムであって、
測定対象点までの距離を計測する距離計測部と、
距離の測定時における前記距離計測部の姿勢を検出する姿勢検出部と、
前記距離計測部によって第一の測定対象点までの距離を計測してから、第二の測定対象点までの距離を計測する間の、前記距離計測部の変位量を検出する変位検出部と
を備え、
前記距離計測部によって測定した任意の２点の測定対象点までのそれぞれの距離と、前記姿勢検出部によって算出した前記距離計測部により第一の測定対象点までの距離を計測した時点における前記距離測定装置の姿勢である第一の姿勢と、前記姿勢検出部によって算出した前記距離計測部により第二の測定対象点までの距離を計測した時点における前記距離測定装置の姿勢である第二の姿勢と、前記変位検出部によって算出した前記第一の姿勢から前記第二の姿勢までの前記距離測定装置の変位量を用いて、前記２点間の距離を測定することを特徴とする距離測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー光を利用して対象物までの距離を測定する距離測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来からレーザー光を利用して、対象物までの直接距離を測定する距離測定装置が知られている。また本技術を応用して、任意の２点間距離を測定する技術や装置も知られている。特許文献１には、測定対象点へレーザー光を投射した上で、測定対象点が含まれる範囲の画像を撮像し、前記の画像内におけるレーザー光の位置情報にもとづいて対象物までの直接距離や２点間距離を算出する距離測定装置が開示されている。また、特許文献２には、レーザー光を偏向させて任意の２点間の距離を算出する測距装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－０９０４２２号公報

【文献】特開２０１２－０５８１２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、このような従来の距離測定装置は、装置を測定台に固定するなどした上で、あらかじめ決められた方向に離れた２点間の距離を測定するものであった。したがって、距離測定装置をユーザが手に持って使用するような測定を行いづらいという課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明にかかる距離測定装置は、上記を鑑み、
本体と、
測定対象点までの距離を計測する距離計測部と、
前記本体の姿勢を検出する姿勢検出部と、
前記距離計測部による距離測定中の前記本体の変位を検出する変位検出部と
を備え、
前記距離計測部によって計測した任意の２点の測定対象点それぞれまでの距離と、前記姿勢検出部によって算出した前記距離計測部により第一の測定対象点までの距離を計測した時点における前記距離測定装置の姿勢である第一の姿勢と、前記姿勢検出部によって算出した前記距離計測部により第二の測定対象点までの距離を計測した時点における前記距離測定装置の姿勢である第二の姿勢と、前記変位検出部によって算出した前記第一の姿勢から前記第二の姿勢までの前記距離測定装置の変位量を用いて、前記２点間の距離を測定することを特徴とする。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、任意の２点間距離を測定する際の誤差を低減し、測定精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の一実施形態に係る距離測定装置の斜視図。

【図2】本発明の一実施形態に係る距離測定装置の内部構成を示すブロック図。

【図3】本発明の一実施形態に係る距離測定装置の直接距離測定方法を示す図。

【図4】本発明の一実施形態に係る距離測定装置の各種センサ設置方法を示す図。

【図5】本発明の一実施形態に係る距離測定装置の姿勢検出方法の説明図。

【図6】本発明の一実施形態に係る距離測定装置の変位検出方法の説明図。

【図7】本発明の一実施形態に係る距離測定装置の２点間距離測定原理を示す図。

【図8】本発明の一実施形態に係る距離測定装置の２点間角度測定原理を示す図。

【図9】本発明の一実施形態に係る距離測定装置の２点間距離測定モードの動作フローチャート。

【図10】本発明の一実施形態に係る距離測定装置のスマートフォン向けアプリケーションの制御画面の一例。

【図11】本発明の一実施形態に係る距離測定装置のスマートフォンとの連携による２点間距離測定システムの一例。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

【0009】

（第１実施形態）
＜全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態にかかる距離測定装置１の外観を示す斜視図である。図１左側に距離測定装置１の正面側を、図１右側に距離測定装置１の背面側を示している。本体１０の天面部には、測定対象点に向けてレーザー光を投射する投射部２０と、測定対象点からの反射光を受光する受光部３０が設けられている。

【0010】

また、本体１０の正面部には距離測定の実行や各種設定の変更などを行う操作部４０と、測定結果や各種設定項目を表示する表示部５０が設けられている。本実施形態に係る距離測定装置１は、ユーザが手に持って使用することができるようになっており、距離測定装置１を手に持った状態で操作し易い位置に操作部４０が配置されている。

【0011】

また、本体１０の背面部には電池蓋６０があり、距離測定装置１内の各部へ電源を供給する電気回路である電源部６１と電池が内蔵されている。

【0012】

以下の説明では、距離測定方式として時間差方式を採用しているものとする。時間差方式とは、レーザー光の発光タイミングと、反射光の受光タイミングとの時間差から、測定対象点までの距離を算出する方式である。距離測定方式は必ずしも時間差方式である必要はなく、その他の測定方式としてよく知られている位相差方式や三角測距方式でも良い。

【0013】

＜内部構成＞
図２には、本発明の一実施形態に係る距離測定装置１の内部構成を示している。図２に示すように、投射部２０はレーザー光の光源となるレーザーダイオード２１と、前記のレーザー光を測定対象点に向けて平行に投射する投射レンズ２２と、レーザーダイオード２１の発光を制御するレーザードライバ２３から構成されている。

【0014】

レーザードライバ２３は、制御部７０内にある距離計測部７１からの発光制御信号を受けてレーザー光の出力を行う。またレーザードライバ２３は、レーザーダイオード２１の発光タイミング信号Ｓ１を出力するものとする。

【0015】

発光タイミング信号Ｓ１は、必ずしもレーザードライバ２３が出力する必要はなく、別の手段で出力できるように投射部２０を構成しても良い。たとえば、レーザーダイオード２１の発光を検出するための受光センサを別に設けて、その出力信号を発光タイミング信号Ｓ１としても良い。

【0016】

受光部３０は、測定対象点からの反射光を１点に集光する集光レンズ３１と、集光した反射光を検出して受光タイミング信号Ｓ２を出力する受光センサ３２と、受光タイミング信号Ｓ２を増幅する信号増幅部３３から構成されている。

【0017】

なお、受光タイミング信号Ｓ２の電圧レベルが、後述の時間差計測部８０の検出能力に対して十分に大きい場合は、信号増幅部３３を省略する構成としても良い。

【0018】

投射部２０からの発光タイミング信号Ｓ１、および受光部３０からの受光タイミング信号Ｓ２は、それぞれ時間差計測部８０へ入力される。この時間差計測部８０において、２つの信号Ｓ１、Ｓ２がそれぞれ入力されたタイミングを検出し、その時間差ΔＴを算出する。距離計測部７１は、時間差計測部８０からこの時間差ΔＴの情報を受け取り、距離の算出を行う。

【0019】

なお、時間差ΔＴは必ずしも時間差計測部８０で算出する必要はなく、時間差計測部８０では２つの信号Ｓ１、Ｓ２の入力時刻のみを出力し、その情報をもとに距離計測部７１で時間差ΔＴを算出する構成としても良い。

【0020】

距離測定装置１には、センサ部９０が設けられている。センサ部９０は、地磁気センサ９１と加速度センサ９２から構成されている。

【0021】

図２では、センサ部９０の構成を地磁気センサ９１と加速度センサ９２のみとして例示しているが、その他のセンサを設ける構成としても良い。たとえば、地磁気センサ９１と加速度センサ９２にそれぞれ温度特性がある場合には、温度センサを設置することで、温度変化による各種センサの出力データ校正を行う構成としても良い。また、任意のセンサを設け、その検出結果を表示部５０に表示しても良い。

【0022】

地磁気センサ９１では、地球により生じる磁界の大きさと方向を表すベクトルを検出する（以下、地磁気ベクトルと呼ぶ）。制御部７０は、通信インターフェースを介して地磁気センサ９１と接続されており、地磁気ベクトルをリアルタイムに取得することができる。

【0023】

加速度センサ９２では、装置に印加される重力と装置の移動に伴って発生する加速度の合成ベクトルを検出する。制御部７０は、通信インターフェースを介して加速度センサ９２と接続されており、装置に加わる重力と加速度の合成ベクトルをリアルタイムに取得することができる。

【0024】

図２では、制御部７０から地磁気センサ９１と加速度センサ９２に対して独立な通信ラインで接続しているが、地磁気センサ９１および加速度センサ９２として、同じ通信インターフェース仕様のセンサを採用して、通信ラインを共通化する構成としても良い。たとえば、ＩＩＣシリアル通信に対応の地磁気センサ９１および加速度センサ９２を採用して、それぞれのセンサに異なるアドレスを設定すれば、上記の共通化が可能である。これにより、制御部７０の通信インターフェース資源を節約することができる。

【0025】

地磁気センサ９１と加速度センサ９２を距離測定装置１内に配置する際、それぞれのセンサがもつ座表系ＸＹＺは、互いに一致するように配置しておくことが望ましい。詳細については後述するが、これにより後述の姿勢検出、変位検出を容易に行うことが可能である。

【0026】

制御部７０には、地磁気センサ９１と加速度センサ９２からの取得データをもとに、距離測定装置１の３次元空間における姿勢を検出する姿勢検出部７２と、距離測定装置１の３次元空間における変位量を検出する変位検出部７３が含まれる。また、距離計測部７１、姿勢検出部７２、および変位検出部７３の結果をもとに、３次元空間内の任意の２点間距離を算出する２点間距離算出部７４と、３次元空間内の任意の２点間がなす角度を算出する２点間角度算出部７５が含まれる。詳細な２点間距離の算出方法については後述する。

【0027】

＜直接距離測定＞
以下では、距離測定装置１から測定対象点までの直接距離の測定方法について説明する。距離計測部７１は、レーザードライバ２３に対して発光制御信号を出力する。レーザードライバ２３は発光制御信号を受け、レーザーダイオード２１の発光を行う。発光されたレーザー光は、投射レンズ２２を介して平行光となり、投射部２０から測定対象点に向けて出力される。また同時に、レーザードライバ２３はレーザーダイオード２１の発光タイミング信号Ｓ１を時間差計測部８０へ出力する。

【0028】

投射されたレーザー光は、測定対象点を反射して受光部３０へ入射する。受光部３０へ入射したレーザー光は、集光レンズ３１を介して、受光センサ３２の受光面上に集光される。受光センサ３２はレーザー光を検出して、受光タイミング信号Ｓ２を出力する。受光タイミング信号Ｓ２は、信号増幅部３３を介して増幅され、時間差計測部８０へ入力される。

【0029】

時間差計測部８０は、発光タイミング信号Ｓ１が入力された時刻ｔ_１と、受光タイミング信号Ｓ２が入力された時刻ｔ_２の時間差ΔＴ（＝ｔ_２－ｔ_１）を計測し、その結果を距離計測部７１へ出力する。この時間差ΔＴは、レーザーダイオード２１から照射されたレーザー光が受光センサ３２に到達するまでの飛行時間でもある。

【0030】

距離計測部７１は、時間差ΔＴの情報をもとに、距離測定装置１から測定対象点までの距離Ｄを算出する。一般に、測定距離Ｄはレーザー光の飛行時間ΔＴの半分でレーザー光が進む距離であり、光の速度をｃとすると、次式により求めることができる。

【数1】

【0031】

ただし、ここで距離Ｄは図３（ａ）に示すように、レーザーダイオード２１の発光面と受光センサ３２の受光面が、同一平面Ｐ上に存在するように配置されているものとし、この面Ｐから測定対象物上の測定対象点に至る距離である。

【0032】

レーザーダイオード２１の発光面と受光センサ３２の受光面が同一面上にない場合、また、距離測定の基準面Ｐを異なる別の基準面Ｐ′に採用する場合は、以下のように求める必要がある。すなわち、図３（ｂ）に示すように、基準面Ｐ′からレーザーダイオード２１の発光面までの距離をＤ_１、基準面Ｐ′から受光センサ３２の受光面までの距離をＤ_２として、次式により求めることができる。

【数2】

【0033】

一般に、回路上では信号の伝達に時間的な遅延が発生する。時間差計測部８０で計測される時間差ΔＴには、この遅延時間が含まれており、レーザー光の発光から受光までの正確な時間差を知るためには、ΔＴに対してこの遅延時間を補正する必要がある。すなわち、発光タイミング信号Ｓ１の回路上の遅延時間をΔｔ_１、受光タイミング信号Ｓ２の回路上の遅延時間をΔｔ_２とすると、時間差計測部８０が検出した時刻ｔ_１、ｔ_２と、レーザー光をレーザーダイオード２１が発光、受光センサ３２が受光した真の時刻ｔ_１′、ｔ_２′の間にはそれぞれ次の関係がある。

【数3】

【0034】

上記の関係から、レーザー光の発光から受光までの真の時間差ΔＴ′は、次式により求めることができる。

【数4】

【0035】

すなわち、前記の式２におけるΔＴを上記のΔＴ′で置き換えることにより、正確に距離を算出することが可能である。

【数5】

【0036】

式４からわかるように、発光タイミング信号Ｓ１の遅延時間Δｔ_１と、受光タイミング信号Ｓ２の遅延時間Δｔ_２が同じであれば、ΔＴとΔＴ′は等しくなる。すなわち、遅延時間Δｔ_１とΔｔ_２が同じになるように回路を構成することで、距離計測部７１の計算上で前記の遅延時間Δｔ_１、Δｔ_２を無視するようにしても良い。

【0037】

＜姿勢検出＞
以下では、距離測定装置１の姿勢を検出するために、姿勢検出部７２で行う処理内容についての一例を示す。数式を扱う上で、スカラー量とベクトル量を区別するために、ベクトル量については「ベクトル」と明記し、数式中においては太字で表す。

【0038】

距離測定装置１内における地磁気センサ９１と加速度センサ９２、それぞれがもつ座表系ＸＹＺは、図４に示すように、互いに方向が一致するように配置しているものとする。また、レーザー光の投射方向はＸ軸方向になるように配置しているものとする。また、距離測定装置１は３次元空間内で静止しており、加速度センサ９２は重力ベクトルのみを検出しているものとする。

【0039】

ただし、加速度センサ９２が重力ベクトルのみを検出していれば、距離測定装置１が必ずしも静止している必要はない。すなわち、距離測定装置１が等速直線運動をしている場合であれば、以下の姿勢検出方法を適用することができる。

【0040】

姿勢検出部７２は、通信インターフェースを介して、地磁気センサ９１から地磁気ベクトルを、加速度センサ９２から重力ベクトルを、それぞれ取得する。各センサから出力されるデータは、各センサが検出するベクトルの座標系ＸＹＺに対する座標成分である。以下では、この地磁気ベクトル、重力ベクトルを、それぞれ地磁気ベクトルＢ、重力ベクトルＧで表すことにする。

【0041】

座標系ＸＹＺは各センサ、ひいては距離測定装置１に固定された座標系であるため、距離測定装置１の姿勢変化に伴って、地表に対して動的な座標系である。そこで、各センサから得られる地磁気ベクトルＢと重力ベクトルＧを利用して、地表に対して静的な座標系を以下の手順で形成する。

【0042】

地磁気ベクトルＢと重力ベクトルＧは、地表で考えるかぎり常に一次独立の関係にある。しかし、地磁気は地表に対して伏角をもつため、地磁気ベクトルＢと重力ベクトルＧは互いに直交関係にはない。そこで図５（ａ）に示すように、重力ベクトルＧに垂直な平面Ｐ_Ｇを考え、その平面上への地磁気ベクトルＢの射影ベクトルから地磁気ベクトルＢ′を求める。この方法はグラム・シュミットの直交化法としても知られており、以下の式により求めることができる。

【数6】

【0043】

ここで、地磁気ベクトルＢの射影ベクトルを長さが１となるように正規化したものを地磁気ベクトルＢ′、重力ベクトルＧを長さが１となるように正規化したものを重力ベクトルＧ′としている。Ｂ・Ｇ′は地磁気ベクトルＢと重力ベクトルＧ′の内積を、｜Ｇ｜は重力ベクトルＧの絶対値を表す。上記の地磁気ベクトルＢ′は、地磁気ベクトルＢと地表に対して同じ方向を向き、かつ重力ベクトルＧと互いに直交関係にあるベクトルとなる。

【0044】

前記の地磁気ベクトルＢ′と重力ベクトルＧ′から、外積ベクトルＮを次のように定義する。

【数7】

【0045】

ここで、Ｇ′×Ｂ′は重力ベクトルＧ′と地磁気ベクトルＢ′との外積を表す。

【0046】

上記の手順で求めた重力ベクトルＧ′、地磁気ベクトルＢ′、外積ベクトルＮの３つのベクトルは、それぞれのベクトルの長さが１に正規化され、かつ互いに直交関係にあるベクトル群である。また、上記のベクトルＧ′、Ｂ′、Ｎは、地磁気ベクトルＢと重力ベクトルＧが地表に対して常に一定であるため、地表に対して静的なベクトル群である。そこで、上記のベクトルＧ′、Ｂ′、Ｎをそれぞれベクトルｅ_ｘ′、ｅ_ｙ′、ｅ_ｚ′と書き直し、それぞれが指す方向をＸ′軸、Ｙ′軸、Ｚ′軸とすると、座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′は右手系の直交座標系を形成する。この座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′を距離測定装置１の新たな基準座標系として採用する。

【0047】

上記の座標系の求め方は一例であり、この限りではない。たとえば、上記のベクトル群ｅ_ｘ′、ｅ_ｙ′、ｅ_ｚ′を空間回転したものを、新たな座標系として採用しても良い。また、必ずしも直交座標系である必要はなく、たとえば斜交座標系を採用しても良い。

【0048】

前述のように、レーザー光の投射方向は各センサのＸ軸方向になるように配置している。したがって図５（ｂ）のように、座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′におけるＸ軸方向の座標成分を求めれば、地表に対する装置の姿勢を知ることが可能である。

【0049】

以下では、座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′におけるＸ軸方向の座標成分の求め方について、一例を示す。センサ上の座標系ＸＹＺにおけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の単位ベクトルを、それぞれベクトルｅ_ｘ、ｅ_ｙ、ｅ_ｚとする。このとき、３次元空間内の任意のベクトルＲは座標系ＸＹＺにおいて、次のように表すことができる。

【数8】

【0050】

ここでＲ_ｘ、Ｒ_ｙ、Ｒ_ｚはそれぞれ、ベクトルＲのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の座標成分である。一方、ベクトルＲは座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′において、次のように表すことができる。

【数9】

【0051】

ここでＲ_ｘ′、Ｒ_ｙ′、Ｒ_ｚ′はそれぞれ、ベクトルＲのＸ′軸、Ｙ′軸、Ｚ′軸方向の座標成分である。上記の式８と式９は、３次元空間内の同じベクトルＲを表すため、それぞれの右辺を等式で置くことができる。

【数10】

【0052】

上式を行列形式で書き直すと、次のようになる。

【数11】

【0053】

ここで（ｅ_ｘ′ｅ_ｙ′ｅ_ｚ′）は、ベクトルｅ_ｘ′、ｅ_ｙ′、ｅ_ｚ′を列ベクトルにもつ行列を表す。式１１の左側から、行列（ｅ_ｘ′ｅ_ｙ′ｅ_ｚ′）の逆行列（ｅ_ｘ′ｅ_ｙ′ｅ_ｚ′）^－１を掛けると次式が得られる。

【数12】

【0054】

これは、座標系ＸＹＺから座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′への座標変換式である。すなわち、座標系ＸＹＺで表されたベクトルの座標成分を、座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′で表したい場合は、上式に基づいて変換を行えば良い。

【0055】

レーザー光の投射方向は座標系ＸＹＺのＸ軸方向であるため、式１２においてＲ_ｘ＝１、Ｒ_ｙ＝０、Ｒ_ｚ＝０とすれば、座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′におけるＸ軸方向の座標成分が求められる。

【0056】

以上説明した姿勢の検出方法、計算方法は一例であり、この限りではない。距離測定装置１の３次元空間における姿勢を、一意的に決定することができる構成、計算方法であれば良い。

【0057】

姿勢変化が仰角方向のみに限定される場合、すなわち、重力方向を軸として、その周りの回転方向の姿勢変化を無視できる場合は、加速度センサ９２から取得した重力ベクトルＧのみを使用して仰角方向の姿勢変化を検出することで、地磁気センサ９１を省略する構成としても良い。また、姿勢変化が仰角方向のみに限定されない場合であっても、地磁気センサ９１を用いずに、加速度センサ９２のみを用いて重力方向を軸とする回転方向以外の方向への姿勢変化のみを算出することによって、姿勢変化を検出しない場合に比べて後述する２点間距離の算出精度を向上することができる。

【0058】

＜変位検出＞
以下では、距離測定装置１の静止状態からの変位を検出するために、変位検出部７３で行う処理内容について説明する。本実施形態に係る距離測定装置１は、ユーザが手に持って使用することが可能である。また、後述する２点間の距離測定を行う際に、２点に対する直接距離測定を行う間に距離測定装置１が変位してしまうことがあり、特に距離測定装置１を手に持って使用する場合にそれが顕著となる。以下に説明する変位検出を行いその結果を用いることによって、２点間距離測定の精度を向上することができる。

【0059】

変位検出部７３は、図２に示すように、通信インターフェースを介して、地磁気センサ９１と加速度センサ９２から一定の時間間隔Δｔでそれぞれのデータを取得するものである。

【0060】

前述のように、加速度センサ９２から得られる情報は、図６（ａ）のようにセンサに印加される重力と加速度の合成ベクトルである。装置の変位を求めるためには、変位中に装置へ印加される加速度の時系列データが必要である。そのため、加速度センサ９２から得られる情報から重力成分を除去し、加速度成分のみを抽出する必要がある。

【0061】

以下では、加速度センサ９２から得られる情報から重力成分を除去し、加速度の時系列データを抽出する方法について一例を示す。なお、時刻ｔにおける重力ベクトルをＧ（ｔ）、加速度ベクトルをａ（ｔ）、加速度センサ９２から得られる重力と加速度の合成ベクトルをＭ（ｔ）、また、地磁気センサ９１から得られる地磁気ベクトルをＢ（ｔ）とする。

【0062】

時刻ｔ_０を、距離測定装置１が変位を始める直前の静止状態とする。このとき、加速度センサ９２には距離測定装置１の変位による加速度が印加されていないため、加速度センサ９２が検出する合成ベクトルＭ（ｔ_０）は重力ベクトルＧ（ｔ_０）に等しい。すなわち、次式が成り立つ。

【数13】

【0063】

この重力ベクトルＧ（ｔ_０）を変位検出部７３内に記憶しておく。また、時刻ｔ_０において地磁気センサ９１が検出した地磁気ベクトルＢ（ｔ_０）もあわせて変位検出部７３内に記憶しておく。

【0064】

ｔ_０からΔｔ秒後の時刻をｔ_１とする（ｔ_１＝ｔ_０＋Δｔ）。また、時刻ｔ_１には、距離測定装置１は変位を始めていたとする。このとき、加速度センサ９２には重力と加速度の両者が印加されており、その合成ベクトルＭ（ｔ_１）を検出する。時刻ｔ_１における加速度ベクトルａ（ｔ_１）は、このＭ（ｔ_１）と重力ベクトルＧ（ｔ_１）との差、すなわち、ａ（ｔ_１）＝Ｍ（ｔ_１）－Ｇ（ｔ_１）から求めることができる。しかし、重力ベクトルＧ（ｔ_１）は未知量である。そこで、Δｔを十分に短い時間とすると、装置の姿勢は時刻ｔ_０からほとんど変化していないと考えることができる。すなわち、重力ベクトルＧ（ｔ_１）はＧ（ｔ_０）に等しいとみなすことができ、加速度ベクトルａ（ｔ_１）は次式で表すことができる。

【数14】

【0065】

しかし、実際には時刻ｔ_１での装置の姿勢は時刻ｔ_０から変化しており、それにともなって時刻ｔ_１での重力ベクトルＧ（ｔ_１）は、Ｇ（ｔ_０）から変化していると考えられる。そこで、時刻ｔ_１での重力ベクトルＧ（ｔ_１）を地磁気ベクトルＢ（ｔ）の変化から予測する。

【0066】

地表において、地磁気と重力の方向関係は本実施形態においては常に一定である。すなわち、時刻ｔ_０からｔ_１の間における地磁気ベクトルＢ（ｔ）の方向変化がわかれば、重力の方向変化も一意的に決定することができる。そこで図６（ｂ）のように、地磁気ベクトルＢ（ｔ）と重力ベクトルＧ（ｔ）をそれぞれ、座標系ＸＹＺにもとづいた球座標表示で表すと、それぞれの天頂角θ_Ｂ（ｔ）、θ_Ｇ（ｔ）と方位角φ_Ｂ（ｔ）、φ_Ｇ（ｔ）は次式で表すことができる。

【数15】

【0067】

ここで、Ｂ_ｘ（ｔ）、Ｂ_ｙ（ｔ）、Ｂ_ｚ（ｔ）は座標系ＸＹＺにおける地磁気ベクトルＢ（ｔ）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の座標成分、また、Ｇ_ｘ（ｔ）、Ｇ_ｙ（ｔ）、Ｇ_ｚ（ｔ）は座標系ＸＹＺにおける地磁気ベクトルＧ（ｔ）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の座標成分である。

【0068】

地磁気ベクトルＢ（ｔ）の、時刻ｔ_０からｔ_１の間における方向変化Δθ_Ｂ０、Δφ_Ｂ０は、それぞれ次式により求めることができる。

【数16】

【0069】

これに伴って、重力ベクトルＧ（ｔ_０）も時刻ｔ_０からｔ_１の間に同様の方向変化を受けているはずである。すなわち、時刻ｔ_１での重力ベクトルの方向θ_Ｇ（ｔ_１）、φ_Ｇ（ｔ_１）は、それぞれ次式で表すことができる。

【数17】

【0070】

式１７から、重力ベクトルＧ（ｔ_１）の座標系ＸＹＺにおける各座標成分は、（式１５）の逆変換として次式により求めることができる。

【数18】

【0071】

ただし、ここで重力ベクトルＧ（ｔ）の大きさは｜Ｇ（ｔ）｜は、地表では常に一定であるとし、時刻ｔ_０から変化していないとした。上記手順で求めた加速度ベクトルａ（ｔ_１）と重力ベクトルＧ（ｔ_１）を、変位検出部７３内に記憶しておく。

【0072】

ｔ_１からさらにΔｔ秒後の時刻をｔ_２とする（ｔ_２＝ｔ_１＋Δｔ）。このとき、加速度センサ９２は、距離測定装置１に印加される重力と加速度の合成ベクトルＭ（ｔ_２）を検出する。ここで、再びΔｔが十分に短い時間であれば、装置の姿勢は時刻ｔ_１から大きく変化していないと考えることができ、重力ベクトルＧ（ｔ_２）はＧ（ｔ_１）に等しいとみなすことができる。すなわち、時刻ｔ_２に加速度センサ９２が検出した加速度ベクトルａ（ｔ_２）は次式で表すことができる。

【数19】

【0073】

また、地磁気ベクトルＢ（ｔ）の時刻ｔ_１からｔ_２の間における方向変化Δθ_Ｂ１、Δφ_Ｂ１から、時刻ｔ_２における重力ベクトルＧ（ｔ_２）は以下のように求められる。

【数20】

【0074】

上記手順で求めた加速度ベクトルａ（ｔ_２）と重力ベクトルＧ（ｔ_２）を、変位検出部７３内に記憶しておく。

【0075】

上記手順を時間間隔Δｔで繰り返すことにより、加速度ベクトルａ（ｔ）と重力ベクトルＧ（ｔ）の時系列データを得ることができる。一般に、時刻ｔ_ｎでの加速度ベクトルａ（ｔ_ｎ）、重力ベクトルＧ（ｔ_ｎ）は、以下のように表すことができる。

【数21】

【0076】

上記手順により得られた加速度ベクトルａ（ｔ_ｎ）の時系列データから、距離測定装置１の時刻ｔ_０からの変位を求める方法について、以下に一例を示す。一般に、加速度ベクトルａ（ｔ）と位置ベクトルｘ（ｔ）は以下の微分方程式を満たしており、これを解くことにより加速度ベクトルａ（ｔ）に起因する位置ベクトルｘ（ｔ）を求めることができる。

【数22】

【0077】

ここで、時刻ｔ_０では装置は静止していたため、初速度ベクトルは０である。また、静止状態からの相対的な変位を求めれば良いため、初期位置ベクトルについても０と置いて差し支えない。すなわち、速度ベクトルをｖ（ｔ）とすると、以下の初期条件をもとに式２２を解けば良い。

【数23】

【0078】

一般に、式２２を位置ベクトルｘ（ｔ）について解くためには、加速度ベクトルａ（ｔ）を時間ｔに関して２回積分を行う必要がある。しかし、いま得られている加速度ベクトルａ（ｔ_ｎ）の情報は、時間間隔Δｔの離散的な情報であるため、連続的な積分を実行することはできない。そこで、以下のように離散的な和によって解を求める。

【数24】

【0079】

ここでｔは変位終了の時刻であり、ｎは時刻ｔ_０からｔまでの時間を時間間隔Δｔで割った分割数である。式２４から得られた解ベクトルｘ（ｔ）が、求めるべき距離測定装置１についての静止状態からの変位である。以下、この解ベクトルｘ（ｔ）をΔｘと表すことにする。

【0080】

上記手順によって得られた変位ベクトルΔｘは、座標系ＸＹＺから見た変位である。これを地表に対して静的な座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′から見た変位に置き換えるためには、式１２によって、座標変換を行えば良い。すなわち、座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′から見た変位ベクトルをΔｘ′と表すと、次式により求めることができる。

【数25】

【0081】

上記の手順において、座標系ＸＹＺにおける変位ベクトルΔｘを計算してから、座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′への座標変換を行い、変位ベクトルΔｘ′を求めたが、変位ベクトルΔｘ′を求める方法はこの限りではない。たとえば、加速度ベクトルａ（ｔ_ｎ）について先に座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′への座標変換を行った上で、その積分（あるいは級数）計算を行っても良い。すなわち、座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′における加速度ベクトルと速度ベクトルを、それぞれａ′（ｔ_ｎ）、ｖ′（ｔ_ｎ）として、次式のように計算しても同様に変位ベクトルΔｘ′を求めることができる。

【数26】

【0082】

また、変位検出部７３は地磁気センサ９１、および加速度センサ９２から、一定の時間間隔Δｔでデータを読み取るとしたが、一定である必要はない。変位ベクトルｘ（ｔ）を求めるために十分に短い時間間隔であれば、Δｔの幅を任意に選んでも良い。この場合、時刻ｔ_０からの時間間隔Δｔ_ｉを時系列で変位検出部７３内に記憶しておき、式２４を以下のように変更して計算を行えば良い。

【数27】

【0083】

また上記手順において、任意の時刻における重力ベクトルＧ（ｔ）を予測するために、地磁気ベクトルＢ（ｔ）の時間的な方向変化を用いたが、予測方法はこの限りではない。たとえば、距離測定装置１にジャイロセンサを設けることで、装置の角加速度をあわせて取得し、その情報から重力ベクトルＧ（ｔ）の方向を予測する構成としても良い。

【0084】

＜２点間距離測定＞
以下では、前述の『直接距離測定』、『姿勢検出』、『変位検出』を応用して、３次元空間内の任意の２点間距離を算出するために、２点間距離算出部７４で行う処理内容について、図７をもとに説明する。測定対象となる３次元空間内の２点をそれぞれＡ点、Ｂ点とする。

【0085】

まず、距離測定装置１によってＡ点までの直接距離を測定する。このときの３次元空間における装置の位置をＯとする。Ｏ点からＡ点までの距離は『直接距離測定』で述べた方法によって測定することができる。また同時に、『姿勢検出』で述べた方法によって、地表に対して静的な座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′における装置の姿勢も検出することができる。これにより、Ｏ点からＡ点に向かうＡ点距離ベクトルｒ_Ａを求めることができる。

【0086】

次に、距離測定装置１によってＢ点までの直接距離を測定する。しかし、装置をＢ点の方向に向ける際、Ｂ点の測定基準位置は、先ほどＡ点を測定した時の基準位置Ｏから一般にずれている。このＯ点からのずれを、『変位検出』で述べた方法によって検出する。いま、装置の方向をＡ点からＢ点に向けたことにより、３次元空間における装置の位置がＯ点からＯ′点にずれたとすると、Ｏ点からＯ′点に向かうベクトルは、まさに『変位検出』で求めた変位ベクトルΔｘ′そのものである。

【0087】

ここで、装置の位置をＯ点、Ｏ’点としたが、実際には、『直接距離測定』を行う距離計測部７１の位置をＯ点、Ｏ’点とすることが好ましい。すなわち、変位検出としては、距離計測部７１の変位を検出することが望ましい。すなわち、『変位検出』を行う加速度センサ９２の位置と距離計測部７１とを、例えば距離測定装置１におけるＹ軸方向に重なる位置に隣接して配置することによって、距離計測部７１の変位を算出しても良い。また、距離測定装置１内における距離計測部７１と加速度センサ９２との相対的な位置に基づいて、加速度センサ９２が検出した変位から、距離計測部７１の変位を算出して用いても良い。

【0088】

上記を踏まえて、Ｏ′点からＢ点までの直接距離を測定する。Ｏ点からＡ点までの直接距離を測定したときと同様に、『直接距離測定』によってＯ′点からＢ点までの距離を、『姿勢検出』によって座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′における装置の姿勢をそれぞれ検出し、Ｏ′点からＢ点に向かうＢ点距離ベクトルｒ_Ｂを求める。

【0089】

上記で求めた３つのベクトルｒ_Ａ、Δｘ′、ｒ_Ｂを利用すると、図７から２点間距離ＡＢは次式により求められることがわかる。

【数28】

【0090】

式２７の計算は、各ベクトルの成分の和を求めてから絶対値をとっても良いし、ベクトルの内積を利用して、以下のように計算しても良い。

【数29】

【0091】

＜２点間角度測定＞
以下では、前述の『直接距離測定』、『姿勢検出』を応用して、３次元空間内の任意の２点をなす角度を算出するために、２点間角度算出部７５で行う処理内容について、図８をもとに説明する。測定対象となる３次元空間内の２点をそれぞれＡ点、Ｂ点とする。

【0092】

まず、距離測定装置１によってＡ点までの直接距離を測定する。このときの３次元空間における装置の位置をＯとする。座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′におけるＯ点からＡ点に向かうＡ点距離ベクトルｒ_Ａは、『２点間距離測定』で述べた方法と同様に求めることができる。

【0093】

次に、距離測定装置１によってＢ点までの直接距離を測定する。このときの装置の３次元空間内の位置をＯ′とする。座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′におけるＯ′点からＢ点に向かう距離ベクトルｒ_Ｂについても、上記と同様に求めることができる。

【0094】

上記で求めた２つのベクトルｒ_Ａ、ｒ_Ｂを利用すると、３次元空間において２つのベクトルｒ_Ａ、ｒ_Ｂがなす角度、すなわち、２直線ＯＡ、Ｏ’Ｂがなす角度θは、図８からベクトルの内積計算により、次のように求められることがわかる。

【数30】

【0095】

ここで、ｒ_Ａｘ、ｒ_Ａｙ、ｒ_Ａｚは距離ベクトルｒ_ＡのＸ′軸、Ｙ′軸、Ｚ′軸方向の座標成分、また、ｒ_Ｂｘ、ｒ_Ｂｙ、ｒ_Ｂｚは距離ベクトルｒ_ＢのＸ′軸、Ｙ′軸、Ｚ′軸方向の座標成分である。

【0096】

上記の説明において、装置をＡ点からＢ点に向ける際に伴う、測定基準位置の変位（Ｏ点からＯ′点に向かう変位ベクトルΔｘ′）を考慮しなかったが、『２点間距離測定』の場合と同様に、変位ベクトルΔｘ′を考慮に入れて、Ｏ点でのＯＡ、ＯＢがなす角度、あるいは、Ｏ′点でのＯ′Ａ、Ｏ′Ｂがなす角度を計算する仕様としても良い。このとき、Ｏ点でのＯＡ、ＯＢがなす角度θ_１を計算する場合はベクトルｒ_ＡとΔｘ′＋ｒ_Ｂの内積を、Ｏ′点でのＯ′Ａ、Ｏ′Ｂがなす角度θ_２を計算する場合はベクトルｒ_Ａ－Δｘ′とｒ_Ｂの内積を、式２９と同様の手順で計算すれば良い。

【0097】

＜動作モード：直接距離測定モード＞
以下、制御部７０によって制御される距離測定装置１の動作モードについて説明する。本実施形態に係る距離測定装置１は、動作モードの一例として直接距離測定モードを有する。

【0098】

制御部７０に対し、直接距離測定モードでの動作指示が、操作部４０に対する操作入力にもとづいて入力されると、制御部７０が距離測定装置１を直接距離測定モードに設定する。制御部７０は操作部４０からの操作入力にもとづいて、直接距離を測定するために以下の制御を行う。

【0099】

ユーザは距離測定装置１を測定対象点に向けて、操作部４０からレーザー光の投射指示を行う。制御部７０は前記の指示を受けて、投射部２０へ発光制御信号を出力し、投射部からレーザー光を測定対象点に向けて投射する。なお、この段階では直接距離の測定は行わないものとする。

【0100】

ユーザは測定対象点に映るレーザー光の照射点を確認しながら、真に測定したい位置を定める。その上で、操作部４０から直接距離の測定実行指示を行う。制御部７０は前記の指示を受けて、『直接距離測定』で述べた方法によって、測定対象点までの直接距離の測定を実行する。

【0101】

測定した直接距離の結果は、表示部５０へ表示することによって、ユーザへ通知する。ユーザは表示された結果を確認して、再度測定を行いたい場合はレーザー光の投射指示を、また、測定を終了したい場合は直接距離測定モードの終了指示を、操作部４０から行う。

【0102】

上記の説明において、直接距離の測定を「レーザー光の投射」と「距離の測定実行」の２段階のステップに分け、２段階の指示をユーザへ求めるようにしたが、この限りではない。たとえば、一定の時間間隔で「レーザー光の投射」と「距離の測定実行」を自動で繰り返すことで、連続的に直接距離の測定を行い、測定結果をリアルタイムに表示部５０に表示する仕様としても良い。

【0103】

また、「レーザー光の投射」と「距離の測定実行」の２段階のステップは、操作部４０の１つのスイッチによって指示するように構成しても良い。たとえば、スイッチを押し続けることで「レーザー光の投射」指示を行い、スイッチを離したタイミングで「距離の測定実行」指示を行う構成としても良い。これにより、レーザー光を常時投射し続けることがなくなり、ユーザや周囲の人の目にレーザー光を晒し続ける危険性を回避することができると共に、スイッチを押下する操作としては１度の操作で距離測定を実行することができ、操作性が向上する。

【0104】

また、「レーザー光の投射」を指示後、一定時間「距離の測定実行」が行われなかった場合、レーザー光の投射を停止する構成としても良い。これにより、上記と同様の危険性を回避できると同時に、レーザー光を投射し続けることによる電源部６１の電力消費を低減することができる。

【0105】

また、１回の「距離の測定実行」指示に対して、複数回の測定を実行し、その平均値を制御部７０内で算出して表示する構成としても良い。これにより、測定結果のバラつきを抑えることが可能である。また、この測定回数を操作部４０からの操作によって、設定できる構成としても良い。

【0106】

また、距離測定装置１にスピーカーやブザーなどの発音部を設ける構成としても良い。これにより、ユーザへの測定完了通知を表示部５０に表示するだけでなく、聴覚的に通知することで、ユーザは表示部５０を確認せずに測定完了を認識することができる。

【0107】

また、距離測定装置１にＬＥＤなどのランプを設ける構成としても良い。たとえば青色と赤色のＬＥＤを搭載することにより、測定が正常に完了すれば青色ＬＥＤを点灯、測定中に異常が発生すれば赤色ＬＥＤを点滅するなど、ユーザへの視認性を向上することができる。

【0108】

＜動作モード：２点間距離測定モード＞
本実施形態に係る距離測定装置１は、動作モードの一例として２点間距離測定モードを有する。本動作モードの測定方法は、前記の『２点間距離測定』に準ずる。

【0109】

制御部７０に対し、２点間距離測定モードでの動作指示が、操作部４０に対する操作入力にもとづいて入力されると、制御部７０が距離測定装置１を２点間距離測定モードに設定する。制御部７０は操作部４０からの操作入力にもとづいて、３次元空間における２点間距離を測定するために以下の制御を行う。

【0110】

ユーザは距離測定装置１を、１点目の測定対象点に向けて、直接距離測定モードと同様の手順により測定を行う。このとき、測定結果を表示部５０へ表示することによって、ユーザへ１点目の測定が完了したことを通知する。

【0111】

また、１点目の測定実行と同時に『変位検出』の機能を有効にし、１点目の測定位置からの、３次元空間における距離測定装置１の変位を検出する。

【0112】

ユーザは距離測定装置１を、２点目の測定対象点に向けて、直接距離測定モードと同様の手順により測定を行う。このとき、「レーザー光の投射」ステップ中は『変位検出』機能を継続して有効にしておき、「距離の測定実行」指示がなされたことに基づいて終了する。これにより、『２点間距離測定』で詳述した、Ｏ点からＯ′点までの変位ベクトルΔｘ′を正確に検出することができる。

【0113】

２点目の測定結果、および２点間距離の測定結果を、表示部５０へ表示することによって、ユーザへ測定が完了したことを通知する。ユーザは表示された結果を確認して、再度測定を行いたい場合は１点目の測定開始指示を、また、測定を終了したい場合は２点間距離測定モードの終了指示を、操作部４０から行う。

【0114】

本動作モードは、『変位検出』機能の有効／無効を、操作部４０から選択できる機能を有する。これにより、たとえばＯ点とＯ′点が一致することが保証されている場合などに、式２８における距離測定装置１の変位ベクトルΔｘ′を０とおくことができ、制御部７０での処理内容を軽減できる。このとき、式２９は以下の余弦定理へ帰着し、式３１のようになる。

【数31】

【0115】

上記の２点間距離測定モードについて、動作フローチャートを図９に示す。距離測定装置１に２点間距離測定モードが設定されると、ステップＦ１において、測定回数を数える測定カウンタＮを０に初期化し、操作部４０へレーザー投射指示が入力されるのを待機する（ステップＦ２）。

【0116】

操作部４０によってレーザー投射指示が入力されると、レーザー光の投射を実行し（ステップＦ３）、次にステップＦ４において、操作部４０へ距離測定実行指示が入力されるのを待機する。

【0117】

距離測定実行指示を受けると、測定カウンタＮをインクリメントする（ステップＦ５）。インクリメントした結果、Ｎが１の場合（１点目の測定の場合）は、変位検出を開始し（ステップＦ７）、地磁気センサ９１及び加速度センサ９２を用いて距離測定装置１の３次元空間における変位の検出を開始する。インクリメントした結果、Ｎが２の場合（２点目の測定の場合）は、変位検出機能を終了し（ステップＦ８）、ステップＦ７で変位検出を開始してからの変位量を算出する。

【0118】

そして、ステップＦ９において距離計測部７１によってＮ点目の距離測定を実行し、その測定結果を表示部５０へ表示する（ステップＦ１０）。このとき、距離計測部７１によって距離の計測を開始するのと同時に地磁気センサ９１を用いて距離計測部７１の姿勢を検出する。

【0119】

この時点で測定カウンタＮの値が２の場合、すなわち、２点間距離の対象となる２点の測定が完了した場合は、２点間距離の算出を行い（ステップＦ１２）、その結果も併せて表示部５０へ表示する（ステップＦ１３）。測定カウンタＮの値が１の場合、すなわち、まだ１点目の測定しか完了していない場合は、ステップＦ２へ戻り、２点目の測定サイクルの実行を待機する。ここで、上述したように、２点目の測定指示、すなわち本動作モードにおいてはレーザー投射指示が所定時間の間なされない場合には、２点間距離測定モードを終了するようにしても良い。

【0120】

ステップＦ１４において、操作部４０へ継続測定指示がない場合は、２点間距離測定モードを終了する。継続測定指示があった場合は、ステップＦ１へ戻り、上記のステップを繰り返す。なお、ステップＦ１４において、ステップＦ２に相当する操作部４０へのレーザー投射指示を受け付けたことを以って、継続測定指示があったと判定し、測定カウンタＮを初期化（ステップＳ１）し、そのままステップＦ３に進んでも良い。

【0121】

＜動作モード：２点間角度測定モード＞
本実施形態に係る距離測定装置１は、動作モードの一例として２点間角度測定モードを有する。本動作モードの測定方法は、上述した『２点間角度測定』に準ずる。

【0122】

制御部７０に対し、２点間角度測定モードでの動作指示が、操作部４０に対する操作入力にもとづいて入力されると、制御部７０が距離測定装置１を２点間角度測定モードに設定する。制御部７０は操作部４０からの操作入力にもとづいて、３次元空間における２点がなす角度を測定するために以下の制御を行う。

【0123】

測定手順は、基本的に２点間距離測定モードと同様である。すなわち、ユーザはまず、距離測定装置１を１点目の測定対象点に向けて測定を行い、距離測定装置１を２点目の測定対象点に向けて測定を行う。

【0124】

２点それぞれの測定結果、および２点間をなす角度の算出結果を、表示部５０へ表示することによって、ユーザへ測定が完了したことを通知する。ユーザは表示された結果を確認して、再度測定を行いたい場合は１点目の測定開始指示を、また、測定を終了したい場合は２点間角度測定モードの終了指示を、操作部４０から行う。

【0125】

本動作モードは、測定角度の対象を操作部４０から選択できる機能を有する。『２点間角度測定』において詳述したように、算出する角度の対象として、Ｏ点での直線ＯＡ、ＯＢがなす角度、Ｏ′点での直線Ｏ′Ａ、Ｏ′Ｂがなす角度、変位ベクトルΔｘ′を無視したｒ_Ａとｒ_Ｂの相対角度、が考えられる。これが選択できることにより、ユーザは所望の角度を測定することができる。なお、これらの角度を選択可能にしても良いし、すべてまたは一部を表示部５０に表示するようにしても良い。また、複数の算出角度を組み合わせた結果を表示しても良く、例えば平均値を表示しても良い。また、これらの場合、変位ベクトルΔｘ′が所定値を超える場合には、エラーを表示するようにしても良い。測定し直すことで変位ベクトルΔｘ′が所定値を下回るようにすることで、角度の算出精度を向上することができる。

【0126】

また本動作モードは、角度だけに限らず、図７に示すような３つのベクトルｒ_Ａ、Δｘ′、ｒ_Ｂで閉じた図形の任意の角度を測定できる構成としても良い。これにより、ユーザはｒ_Ａ、Δｘ′、ｒ_Ｂで閉じた図形において、知りたい角度部分を選択することにより、所望の角度を測定することができる。なお、表示部５０にこの閉じた図形自体を表示して、それぞれの角度の一部または全部を表示するようにしても良い。

【0127】

（第２実施形態）
＜外部機器からの自動制御の例＞
本実施形態においては、距離測定装置１に外部機器との通信機能を搭載可能にした場合の他の制御態様を以下に説明する。ここでの外部機器とは、ＰＣ、スマートフォン、タブレット端末、またシーケンサをはじめとした各種産業用電子機器などが挙げられる。以下の説明においては、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、それ以外の説明は省略する。

【0128】

この態様においては、距離測定装置１は内部構成として外部機器との通信インターフェース部を備え、制御部７０によって管理、制御される。この通信インターフェース部としては、ＵＳＢをはじめとした有線通信や、Ｗｉ－Ｆｉをはじめとした無線通信が含まれる。また通信プロトコルは、ＭＯＤＢＵＳ（登録商標）など産業用電子機器との接続手段として一般的なものを採用しても良いし、独自のプロトコルを作成して採用しても良い。

【0129】

制御部７０には、距離測定装置１の各種制御に対応したコマンド群が用意されるように構成しても良い。これにより、外部機器は所望の制御に対応した指示コマンドを距離測定装置１に送信することで、距離測定装置１の任意の制御が行えるように構成しても良い。たとえば、「直接距離の測定実行」や、「測定結果の読み出し」などの制御指示を用意しても良い。

【0130】

制御コマンドの一例を表１に示す。想定し得る制御の種類は、この限りではない。

【表1】

【0131】

ＰＣやスマートフォン、タブレット端末上から制御を行う場合は、各デバイス向けのアプリケーションを用意しても良い。たとえば、ｉＯＳ（登録商標）やＡｎｄｒｏｉｄ（登録商標） ＯＳに対応したスマートフォン向けのアプリケーションを用意し、スマートフォン上のタッチ操作から、Ｗｉ－Ｆｉ経由で前記の指示コマンドを送信し、距離測定装置１の各種制御を行う構成としても良い。

【0132】

距離測定装置１をスマートフォン２から操作した場合の様子と、スマートフォン２上で動作するアプリケーションの画面構成について、図１０に一例を示す。アプリケーションの画面構成は一例であり、この限りではない。

【0133】

図１０においては、スマートフォン２を用いて距離測定装置１を動作させて２点間距離測定モードでＡ点とＢ点との距離を測定し、その結果をスマートフォン２の表示画面上に表示した状態を示している。この表示画面上においては、距離測定装置１からＡ点までの距離とＢ点までの距離のそれぞれと、Ａ点とＢ点の２点間の距離を併記して表示するようにしている。

【0134】

＜外部機器との連携による２点間距離測定システム＞
上述した通信機能を利用して、外部機器と連携した場合の制御態様を以下に説明する。これまでの説明においては、距離測定装置１内に地磁気センサ９１や加速度センサ９２を設け、姿勢検出や変位検出、ひいては２点間距離測定などの各種測定を、距離測定装置１単体で行える構成としていた。

【0135】

ここでは、距離測定装置１内には地磁気センサ９１や加速度センサ９２を設けず、通信機能を介して、外部機器がもつ地磁気センサや加速度センサのデータを利用することで、２点間距離測定などの各種計算を行う構成について、図１１をもとに説明する。外部機器としてはスマートフォン、タブレット端末などが挙げられる。以下では、外部機器をスマートフォン２として説明する。

【0136】

図１１（ａ）に示すように、距離測定装置１とスマートフォン２は、固定部品３によって互いに連結されている。これにより、距離測定装置１とスマートフォン２は、３次元空間における互いの姿勢および位置関係を、常に一定に保つことができる。すなわち、スマートフォン２内の地磁気センサ、および加速度センサが検出するそれぞれのデータは、距離測定装置１内に各センサが設置されていた場合に検出するデータと同等である。なお、固定部品３は、距離測定装置１を構成する一部品と一体に構成されていても良い。固定の仕方としては、例えばスマートフォン２が有するコネクタに挿抜される接続子によって固定されるようにしても良く、その場合には、コネクタを介したデータの送受信が可能なように構成しても良い。

【0137】

スマートフォン２上ではアプリケーションが起動しており、自身がもつ地磁気センサ、および加速度センサからそれぞれの検出データを、リアルタイムで読み込んでいる。

【0138】

距離測定装置１は、地磁気センサと加速度センサのデータが必要なタイミングで、スマートフォン２に対して要求を出す。スマートフォン２はこの要求を受け、地磁気センサと加速度センサそれぞれの現在値を、通信インターフェースを介して距離測定装置１へ送信する。

【0139】

距離測定装置１は、スマートフォン２から地磁気センサ、および加速度センサのデータを受信し、そのデータを利用することで、姿勢検出や変位検出などの各種計算処理を行う。これにより、距離測定装置１に各種センサを設けることなしに、同様の機能を実現することができる。

【0140】

ただし、スマートフォン２内の加速度センサが検出する加速度ベクトルａ_Ｓ（ｔ）をもとに変位検出の計算を行うと、それはスマートフォン２本体の変位ベクトルΔｘ_ｓ′を求めることになる。それは一般に、距離測定装置１の変位ベクトルΔｘ′とは異なる。

【0141】

そこで、図１１（ａ）に示すように固定部品３によって連結した時の、距離測定装置１とスマートフォン２との相対的な位置を指し示す、座標系ＸＹＺにおける相対位置ベクトルｒ_ｓをパラメータとして設定できるように構成しておくと良い。これにより、スマートフォン２内の加速度センサでも、距離測定装置１の変位ベクトルΔｘ′を以下のように求めることができる。相対位置ベクトルｒ_ｓの設定としては、例えばスマートフォン２の機種ごとに予め設定されていても良い。その場合、例えばスマートフォン２上で動作するアプリケーション上で機種名を入力する、もしくはスマートフォン２内に記憶された機種情報を取得することによって相対位置ベクトルｒ_ｓを設定しても良い。スマートフォン２の機種ごとの相対位置ベクトルｒ_ｓについては、不図示のサーバに保存されたテーブルから取得するなどの方法を用いても良い。

【0142】

１点目と２点目それぞれの測定時において、ベクトルｒ_ｓの座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′における座標成分を座標変換により求め、それぞれｒ_ｓ１′、ｒ_ｓ２′とする。すると、図１１（ｂ）からわかるように、距離測定装置１の変位ベクトルΔｘ′は次式により算出することができる。

【数32】

【0143】

また上記の説明において、距離測定装置１側で姿勢検出や変位検出などの各種計算処理を行う構成としたが、この限りではない。たとえば、距離測定装置１はスマートフォン２からの要求を受けて距離測定を実行し、スマートフォン２はその結果を受け取ることで、スマートフォン２側で各種計算処理を行う構成としても良い。

【0144】

（第３実施形態）
本実施形態においては、第１実施形態もしくは第２実施形態と同様の構成であるが、２点間距離測定モードを実行した際の表示制御が異なる。以下の説明においては、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、それ以外の説明は省略する。

【0145】

本実施形態においては、操作部４０の操作によって、『水平距離測定モード』、もしくは『鉛直距離測定モード』を選択可能に構成されている。

【0146】

『水平距離測定モード』が選択された場合には、第１実施形態において説明した『２点間距離測定モード』において算出した２点間距離における水平成分、すなわちＸ’Ｙ’Ｚ’座標において地表と平行なＹ’Ｚ’平面上における距離もしくはＹ’軸方向やＺ’軸方向における距離を算出して表示する。但し、Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標で算出した３次元空間での距離などの他の距離と同時に表示部５０に表示することを妨げない。

【0147】

『鉛直距離測定モード』が選択された場合には、同様に、第１実施形態において説明した『２点間距離測定モード』において算出した２点間距離における鉛直成分、すなわちＸ’Ｙ’Ｚ’座標において地表と垂直なＸ’Ｙ’平面もしくはＹ’Ｚ’平面上における距離またはＸ’軸方向における距離を算出して表示する。但し、Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標で算出した３次元空間での距離などの他の距離と同時に表示部５０に表示することを妨げない。

【0148】

このように、『水平距離測定モード』、もしくは『鉛直距離測定モード』を選択可能に構成することで、ユーザが所望する平面上や軸上における距離を算出することができるため、測定対象点の物理的な形状などに関わらず、所望の距離を測定することができる。

【0149】

以上説明した実施形態においては、測定対象点までの距離を計測した時点で姿勢や変位検出を実行したが、必ずしも距離計測と同時に行わなくても良い。例えば、図９を用いて説明した方法によれば、レーザー光を投射して距離計測を開始するのと同時に姿勢検出を行ったが、レーザー光の投射直前や、レーザー光の投射後に受光して測定対象点までの距離を算出した後などに姿勢検出を行っても良い。

【0150】

同様に、変位検出においても、１点目の測定対象点までの距離計測を開始してから２点目の測定対象点までの距離計測を終了するまで計測し続けている例を説明したが、必ずしもこれに限られない。例えば、１点目の測定対象点までの距離計測を開始してから所定の時間経過や変位量の検出があったことを以って２点間距離算出に用いる変位検出を開始しても良い。また、２点目の距離計測が実行されるまでに所定のタイミングで間欠的に変位を検出しており、２点目の距離計測の実行指示がなされた時点から、所定の時間かサンプル数遡った時点からの変位量データを除いて、変位量を２点間距離算出に用いるようにしても良い。

【0151】

本発明は、以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0152】

１ 距離測定装置
２ スマートフォン
３ 固定部品
１０ 本体
２０ 投射部
２１ レーザーダイオード
２２ 投射レンズ
２３ レーザードライバ
３０ 受光部
３１ 集光レンズ
３２ 受光センサ
３３ 信号増幅部
４０ 操作部
５０ 表示部
６０ 電池蓋
６１ 電源部
７０ 制御部
７１ 距離計測部
７２ 姿勢検出部
７３ 変位検出部
７４ ２点間距離算出部
７５ ２点間角度算出部
８０ 時間差計測部
９０ センサ部
９１ 地磁気センサ
９２ 加速度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】