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JP2017227463A - Position and attitude determination device - Google Patents

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JP2017227463A
JP2017227463A JP2016121864A JP2016121864A JP2017227463A JP 2017227463 A JP2017227463 A JP 2017227463A JP 2016121864 A JP2016121864 A JP 2016121864A JP 2016121864 A JP2016121864 A JP 2016121864A JP 2017227463 A JP2017227463 A JP 2017227463A
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Japan
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orientation
target object
shape
sensor
attitude
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JP2016121864A
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Japanese (ja)
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智博 鳴海
Tomohiro Narumi
智博 鳴海
青木 滋
Shigeru Aoki
滋 青木
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Shimizu Construction Co Ltd
Shimizu Corp
Original Assignee
Shimizu Construction Co Ltd
Shimizu Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive position and attitude determination device that highly accurately determines a position and an attitude of an object.SOLUTION: A measuring module 14 includes: a shape sensor 26 which acquires shape data expressing an external shape of a target object; a satellite signal receiver 28; an attitude sensor 30; an arithmetic processing unit 36; and a data storage unit 38. The arithmetic processing unit 36 collates the shape data of the target object acquired by the shape sensor 26 with a three-dimensional shape database of the target object stored in advance in the data storage unit 38, through matching processing, so as to acquire a relative position and attitude of the target object from the shape sensor 26, and further to calculate a position and an attitude of the target object in an absolute coordinate system on the basis of the relative position and attitude and an own position and attitude in the absolute coordinate system acquired by the satellite signal receiver 28 and the attitude sensor 30.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、例えば建設現場における揚重物などの物体の位置姿勢を自動的に決定することのできる位置姿勢決定装置に関するものである。   The present invention relates to a position and orientation determination apparatus that can automatically determine the position and orientation of an object such as a lifted object at a construction site.

従来、建設現場における揚重物の高度をある定点から計測する技術として、例えばワイヤの巻き数を計測する揚程計を用いるもの、ステレオカメラを用いるもの、レーザを用いるものなどが知られている。また、揚重物の姿勢計測については、上記の機器ではステレオカメラや全方位レーザ測距計で計測可能である。   Conventionally, as a technique for measuring the height of a lifted object at a construction site from a certain fixed point, for example, a technique using a lift meter that measures the number of turns of a wire, a technique using a stereo camera, a technique using a laser, and the like are known. In addition, the posture of the lifted object can be measured with a stereo camera or an omnidirectional laser rangefinder in the above-described device.

一方、離れた場所にある対象物の位置を測量する装置として、GPS(Global Positioning System:全地球測位システム)を利用したものが知られている(例えば特許文献1〜4を参照)。   On the other hand, as a device for measuring the position of an object at a distant place, a device using a GPS (Global Positioning System) is known (see, for example, Patent Documents 1 to 4).

特開2008−3042号公報JP 2008-3042 A 特開2016−61649号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-61649 特開平10−282212号公報JP-A-10-282212 特開平7−128057号公報JP-A-7-128057

しかしながら、上記の揚程計、ステレオカメラあるいは全方位レーザ測距計を用いて揚重物の位置姿勢を計測する技術では、精度やコストの問題が存在する。例えば、揚程計を用いる場合、その精度はワイヤ巻取り時の半径に依存するため一般的に不十分である。また、ステレオカメラを用いる場合、作業時の光学条件の変化により精度が著しく悪化することがあり、また全ての条件で結果を最適化するためのパラメータ較正も容易ではない。また、全方位レーザ測距計は一般的に非常に高価である。   However, the technique for measuring the position and orientation of the lifted object using the above-described lift meter, stereo camera, or omnidirectional laser rangefinder has problems of accuracy and cost. For example, when a lift gauge is used, its accuracy is generally insufficient because it depends on the radius when winding the wire. In addition, when a stereo camera is used, accuracy may be significantly deteriorated due to changes in optical conditions during work, and parameter calibration for optimizing results under all conditions is not easy. In addition, the omnidirectional laser rangefinder is generally very expensive.

こうしたことから、揚重物のような物体の位置姿勢を高精度に計測して自動的に決定することのできる安価な装置の開発が求められていた。   For this reason, there has been a demand for the development of an inexpensive device that can automatically determine the position and orientation of an object such as a lifted object with high accuracy.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、揚重物のような物体の位置姿勢を高精度に決定することのできる安価な位置姿勢決定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an inexpensive position and orientation determination apparatus that can determine the position and orientation of an object such as a lifted object with high accuracy.

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る位置姿勢決定装置は、対象物体の位置および姿勢を決定する装置であって、対象物体から離れた位置に設けられる装置本体と、装置本体に搭載された計測モジュールとを備え、計測モジュールは、対象物体の外形を表す形状データを取得する形状センサと、衛星からの信号を受信して絶対座標系における自身の位置を取得する衛星信号受信機と、自身の姿勢を取得する姿勢センサと、演算処理装置と、データ記憶装置とを有し、演算処理装置は、形状センサが取得した対象物体の形状データと、データ記憶装置内に予め格納された対象物体の3次元形状に関する3次元形状データベースとをマッチング処理により照合し、形状センサからの対象物体の相対的な位置および姿勢を取得するとともに、この相対的な位置および姿勢と、衛星信号受信機および姿勢センサにより取得した絶対座標系における自身の位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における対象物体の位置および姿勢を算出し、これを位置および姿勢として決定することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a position and orientation determination device according to the present invention is a device for determining the position and orientation of a target object, and a device main body provided at a position away from the target object; A measurement module mounted on the apparatus main body, and the measurement module acquires a shape sensor that acquires shape data representing the outer shape of the target object, and receives a signal from the satellite to acquire its position in the absolute coordinate system. A satellite signal receiver, an attitude sensor that acquires its own attitude, an arithmetic processing device, and a data storage device. The arithmetic processing device includes the shape data of the target object acquired by the shape sensor, and the data storage device. The three-dimensional shape database relating to the three-dimensional shape of the target object stored in advance is compared by matching processing, and the relative position and orientation of the target object from the shape sensor are obtained. And calculating the position and orientation of the target object in the absolute coordinate system based on this relative position and orientation, and the position and orientation of itself in the absolute coordinate system acquired by the satellite signal receiver and the orientation sensor, This is determined as a position and a posture.

また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置は、上述した発明において、計測モジュールは、演算処理装置により算出した絶対座標系における対象物体および自身の位置および姿勢に関するデータを、外部の端末に送信可能な無線通信機をさらに有することを特徴とする。   Further, in another position / orientation determination device according to the present invention, in the above-described invention, the measurement module transmits data on the target object and its position and orientation in the absolute coordinate system calculated by the arithmetic processing device to an external terminal. It further has a possible wireless communication device.

また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置は、上述した発明において、対象物体に対する形状センサの位置を変更する位置変更手段、および、対象物体に対する形状センサの方角、ピッチ角、ロール角の少なくとも1つを変更する姿勢角変更手段の少なくとも一方をさらに備えることを特徴とする。   Another position and orientation determination device according to the present invention is the position change means for changing the position of the shape sensor with respect to the target object, and at least one of the direction, pitch angle, and roll angle of the shape sensor with respect to the target object. It is characterized by further comprising at least one of posture angle changing means for changing one.

本発明に係る位置姿勢決定装置によれば、対象物体の位置および姿勢を決定する装置であって、対象物体から離れた位置に設けられる装置本体と、装置本体に搭載された計測モジュールとを備え、計測モジュールは、対象物体の外形を表す形状データを取得する形状センサと、衛星からの信号を受信して絶対座標系における自身の位置を取得する衛星信号受信機と、自身の姿勢を取得する姿勢センサと、演算処理装置と、データ記憶装置とを有し、演算処理装置は、形状センサが取得した対象物体の形状データと、データ記憶装置内に予め格納された対象物体の3次元形状に関する3次元形状データベースとをマッチング処理により照合し、形状センサからの対象物体の相対的な位置および姿勢を取得するとともに、この相対的な位置および姿勢と、衛星信号受信機および姿勢センサにより取得した絶対座標系における自身の位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における対象物体の位置および姿勢を算出し、これを位置および姿勢として決定するので、揚重物のような対象物体の絶対的な位置姿勢を高精度に自動的に決定することができるという効果を奏する。また、形状センサとして、例えば比較的低価格な測域センサなどを使用することができるため、安価な位置姿勢決定装置を提供することができるという効果を奏する。   According to the position and orientation determination apparatus according to the present invention, the apparatus determines the position and orientation of the target object, and includes an apparatus main body provided at a position away from the target object, and a measurement module mounted on the apparatus main body. The measurement module acquires a shape sensor that acquires shape data representing the outer shape of the target object, a satellite signal receiver that receives a signal from the satellite and acquires its position in an absolute coordinate system, and acquires its attitude. An attitude sensor, an arithmetic processing device, and a data storage device, the arithmetic processing device relates to the shape data of the target object acquired by the shape sensor and the three-dimensional shape of the target object stored in advance in the data storage device The three-dimensional shape database is collated by a matching process to obtain the relative position and orientation of the target object from the shape sensor, and the relative position and The position and orientation of the target object in the absolute coordinate system is calculated based on the position and the position and orientation of the object in the absolute coordinate system acquired by the satellite signal receiver and the attitude sensor, and this is determined as the position and orientation. The absolute position and orientation of a target object such as a lifted object can be automatically determined with high accuracy. Moreover, since a comparatively low price range sensor etc. can be used as a shape sensor, there exists an effect that an inexpensive position and orientation determination apparatus can be provided.

また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置によれば、計測モジュールは、演算処理装置により算出した絶対座標系における対象物体および自身の位置および姿勢に関するデータを、外部の端末に送信可能な無線通信機をさらに有するので、無線通信機を介して対象物体および計測モジュールの絶対座標系における位置および姿勢に関するデータを外部の端末へ送信することができる。この場合、データを受信した外部の端末は、例えばBIMシステムの表示画面上にリアルタイムに対象物体としての揚重物や計測モジュールの位置姿勢を3次元モデルとして表示することが可能である。このため、ユーザは、この表示を見ながら揚重物や位置姿勢決定装置の遠隔操作等をより簡便に行うことができるという効果を奏する。   In addition, according to another position and orientation determination device according to the present invention, the measurement module can wirelessly transmit data on the target object and its position and orientation in the absolute coordinate system calculated by the arithmetic processing device to an external terminal. Since the communication apparatus is further included, data on the position and orientation of the target object and the measurement module in the absolute coordinate system can be transmitted to an external terminal via the wireless communication apparatus. In this case, the external terminal that has received the data can display, for example, the lifted object as the target object and the position and orientation of the measurement module as a three-dimensional model on the display screen of the BIM system in real time. For this reason, there is an effect that the user can more easily perform the remote operation of the lifted object and the position / orientation determination device while viewing the display.

また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置によれば、対象物体に対する形状センサの位置を変更する位置変更手段、および、対象物体に対する形状センサの方角、ピッチ角、ロール角の少なくとも1つを変更する姿勢角変更手段の少なくとも一方をさらに備えるので、対象物体の形状データを取得する取得位置や取得角度を自由に変更することができるという効果を奏する。   Further, according to another position and orientation determination apparatus according to the present invention, at least one of position changing means for changing the position of the shape sensor with respect to the target object, and the direction, pitch angle, and roll angle of the shape sensor with respect to the target object is provided. Since at least one of the posture angle changing means to change is further provided, there is an effect that the acquisition position and the acquisition angle for acquiring the shape data of the target object can be freely changed.

図1は、本発明に係る位置姿勢決定装置の実施の形態を示す概略側断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional side view showing an embodiment of a position / orientation determination apparatus according to the present invention. 図2は、本発明に係る位置姿勢決定装置の実施の形態を示す概略斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view showing an embodiment of the position and orientation determination apparatus according to the present invention.

以下に、本発明に係る位置姿勢決定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of a position / orientation determination apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

図1に示すように、本発明に係る位置姿勢決定装置10は、対象物体としての揚重物の位置および姿勢を決定する装置であって、揚重物から離れた位置に設けられる装置本体12と、装置本体12に搭載された計測モジュール14とを備える。   As shown in FIG. 1, a position and orientation determination device 10 according to the present invention is a device that determines the position and orientation of a lifted object as a target object, and is a device main body 12 provided at a position away from the lifted object. And a measurement module 14 mounted on the apparatus main body 12.

装置本体12は、計測モジュール14を上面に実装する例えば四角形の平板部16と、平板部16を支持する支柱部18と、支柱部18を支持する基台部20とからなる。平板部16はその下面中央において、支柱部18の上端に設けられた関節部22に回動自在に固定されている。平板部16の向きは、関節部22に設けられた図示しない球面モータの駆動によって任意の方向に変更可能となっている。また、基台部20の下面には複数の車輪24が設けられており、図示しない走行モータと操舵機構により駆動と操舵が可能となっている。このため、位置姿勢決定装置10は床面上を任意の方向に移動可能である。   The apparatus main body 12 includes, for example, a rectangular flat plate portion 16 that mounts the measurement module 14 on the upper surface, a support column portion 18 that supports the flat plate portion 16, and a base unit 20 that supports the support column portion 18. The flat plate portion 16 is rotatably fixed to a joint portion 22 provided at the upper end of the column portion 18 at the center of the lower surface. The orientation of the flat plate portion 16 can be changed in an arbitrary direction by driving a spherical motor (not shown) provided in the joint portion 22. In addition, a plurality of wheels 24 are provided on the lower surface of the base unit 20 and can be driven and steered by a travel motor and a steering mechanism (not shown). For this reason, the position / orientation determination apparatus 10 can move in any direction on the floor surface.

なお、上記の球面モータ、走行モータ、操舵機構は、位置姿勢決定装置10から離れた位置より無線または有線通信回線等を通じて遠隔操作可能に構成されており、平面部16の向きと位置姿勢決定装置10の位置は、遠隔操作できるようになっている。したがって、上記の関節部22や車輪24は、揚重物に対する後述の測域センサ26の位置および姿勢角を変更する位置変更手段、姿勢角変更手段として機能する。   The spherical motor, the traveling motor, and the steering mechanism are configured to be remotely operable from a position away from the position / orientation determination apparatus 10 through a wireless or wired communication line. The position 10 can be remotely operated. Therefore, the joint portion 22 and the wheel 24 described above function as a position changing unit and a posture angle changing unit that change the position and posture angle of a range sensor 26 described later with respect to the lifted object.

計測モジュール14は、形状センサとしての測域センサ26と、衛星信号受信機としての2つのGNSS(Global Navigation Satellite System:全地球測位システム)受信機28と、姿勢センサとしてのIMU(Inertial Measurement Unit:慣性計測装置)30と、無線通信機32と、処理系34とを有している。   The measurement module 14 includes a range sensor 26 as a shape sensor, two GNSS (Global Navigation Satellite System) receivers 28 as satellite signal receivers, and an IMU (Internal Measurement Unit) as an attitude sensor: Inertial measuring device) 30, wireless communication device 32, and processing system 34.

測域センサ26は、揚重物の外形を表す3次元形状データを取得するためのものであり、本実施の形態では平板部16の中央位置に配置される。この測域センサ26は、例えばラインレーザースキャナなどの走査型の光波距離計で構成することができる。本実施の形態の測域センサ26は、受光面からレーザを走査して揚重物などの障害物に当たって跳ね返った光を検出して自身からの距離を計測することにより、揚重物の3次元形状データを取得して処理系34へ出力するようになっている。   The range sensor 26 is for acquiring three-dimensional shape data representing the outer shape of the lifted object, and is arranged at the center position of the flat plate portion 16 in the present embodiment. The range sensor 26 can be constituted by a scanning type lightwave distance meter such as a line laser scanner. The range sensor 26 of this embodiment scans a laser from the light receiving surface, detects light bounced off an obstacle such as a lifted object, and measures the distance from itself, thereby measuring the three-dimensional of the lifted object. Shape data is acquired and output to the processing system 34.

GNSS受信機28は、GPS(Global Positioning System)衛星などのGNSS衛星からの信号を受信して、絶対座標系(グローバル座標系)における自身の現在位置を取得するためのものであり、本実施の形態では平板部16の周縁に複数個配置される。このGNSS受信機28は、GNSS衛星から受信したデータに基づいて3次元座標を解析し、自身の3次元座標を測量して処理系34へ出力するようになっている。なお、平板部16に複数のGNSS受信機28を配置することで、平板部16の向きも計測することができ、またノイズの影響も取り除くことができる。   The GNSS receiver 28 is for receiving a signal from a GNSS satellite such as a GPS (Global Positioning System) satellite and acquiring its current position in an absolute coordinate system (global coordinate system). In the form, a plurality of flat plate portions 16 are arranged on the periphery. The GNSS receiver 28 analyzes three-dimensional coordinates based on data received from a GNSS satellite, measures its own three-dimensional coordinates, and outputs the measured three-dimensional coordinates to the processing system 34. Note that by arranging a plurality of GNSS receivers 28 on the flat plate portion 16, the orientation of the flat plate portion 16 can be measured, and the influence of noise can be removed.

IMU30は、自身が配置される平板部16の姿勢を表す傾斜データを取得するためのものである。このIMU30は、それぞれ3軸の加速度および角速度を検出する加速度センサおよびジャイロスコープを備えている。加速度センサは、自身が配置される平板部16の前後方向(図1の紙面に垂直な方向)、横方向(図1の左右方向)および鉛直方向の加速度を検出することで、平板部16の傾斜角を算出する。また、ジャイロスコープは、前後軸周りのロールレート、横軸周りのピッチレートおよび鉛直軸周りのヨーレートを検出する。IMU30は、検出した姿勢に関するデータを処理系34へ出力するようになっている。   The IMU 30 is for acquiring inclination data representing the attitude of the flat plate portion 16 on which the IMU 30 is arranged. The IMU 30 includes an acceleration sensor and a gyroscope that detect triaxial acceleration and angular velocity, respectively. The acceleration sensor detects accelerations in the front-rear direction (direction perpendicular to the plane of FIG. 1), the lateral direction (left-right direction in FIG. 1), and the vertical direction of the flat plate part 16 on which the acceleration sensor is arranged. The inclination angle is calculated. The gyroscope detects a roll rate around the front and rear axes, a pitch rate around the horizontal axis, and a yaw rate around the vertical axis. The IMU 30 outputs data relating to the detected posture to the processing system 34.

無線通信機32は、位置姿勢決定装置10から離れた外部の端末に、処理系34により算出した絶対座標系における揚重物および自身の現在位置および姿勢に関するデータを送信するためのものである。   The wireless communication device 32 is for transmitting data relating to the lifted object and its current position and posture in the absolute coordinate system calculated by the processing system 34 to an external terminal remote from the position and orientation determination device 10.

処理系34は、演算処理装置36と、データ記憶装置38とを含んで構成されている。演算処理装置36は、種々の演算処理を行う装置であり、例えばCPUを有するコンピュータにより構成される。データ記憶装置38は、位置姿勢決定の対象物体である既知の揚重物の3次元形状に関する3次元形状データベースを格納したものであり、例えばメモリなどから構成される。   The processing system 34 includes an arithmetic processing device 36 and a data storage device 38. The arithmetic processing device 36 is a device that performs various arithmetic processes, and is constituted by a computer having a CPU, for example. The data storage device 38 stores a three-dimensional shape database relating to the three-dimensional shape of a known lifted object that is a target object for position / orientation determination, and includes, for example, a memory.

演算処理装置36は、測域センサ26から揚重物の形状データを一定の時間間隔で取得し、この形状データと、データ記憶装置38内の3次元形状データベースとをマッチングアルゴリズム処理により照合し、測域センサ26からの揚重物の相対的な現在位置および姿勢を取得する処理を行う。この処理によって、揚重物の相対的な現在位置および姿勢を表す3次元座標が取得される。さらに、演算処理装置36は、取得した揚重物の相対的な現在位置および姿勢と、GNSS受信機28およびIMU30から一定の時間間隔で取得した絶対座標系における自身の現在位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における揚重物の現在位置および姿勢を算出し、これを揚重物の現在位置および姿勢を表す3次元座標として決定する処理を行う。   The arithmetic processing unit 36 obtains the shape data of the lifted object from the range sensor 26 at a constant time interval, and collates this shape data with the three-dimensional shape database in the data storage device 38, Processing for acquiring the relative current position and posture of the lifted object from the range sensor 26 is performed. By this process, three-dimensional coordinates representing the relative current position and posture of the lifted object are acquired. Further, the arithmetic processing unit 36 is based on the acquired relative current position and posture of the lifted object, and its current position and posture in the absolute coordinate system acquired from the GNSS receiver 28 and the IMU 30 at certain time intervals. Thus, the current position and orientation of the lifted object in the absolute coordinate system are calculated, and processing for determining this as three-dimensional coordinates representing the current position and orientation of the lifted object is performed.

上記の構成の動作および作用について説明する。
図2に示すように、建設現場においてワイヤBで吊り下げられた揚重物Aの周辺に、複数台(例えば2台)の位置姿勢決定装置10を配置する。なお、位置姿勢決定装置10の配置台数は1台でも3台以上でもよいが、台数が多いほど位置姿勢の決定精度は高くなる反面、機器コストが増すことに留意する。また、各位置姿勢決定装置10は、揚重物Aの形状を取得可能であればいかなる場所に配置してもよいが、揚重物Aの基準座標について90°毎に配置するのが決定精度を確保する上で好ましい。
The operation and action of the above configuration will be described.
As shown in FIG. 2, a plurality of (for example, two) position and orientation determination devices 10 are arranged around a lift A suspended by a wire B at a construction site. The number of position / orientation determination devices 10 may be one or three or more, but it should be noted that the greater the number, the higher the position / orientation determination accuracy, but the higher the equipment cost. Further, each position and orientation determination device 10 may be arranged at any location as long as the shape of the lifted object A can be acquired. However, the positioning accuracy is determined every 90 ° with respect to the reference coordinates of the lifted object A. It is preferable in securing the above.

次に、揚重物Aが計測モジュール14の測域センサ26の走査範囲Sに入るように、平板部16の向きを遠隔操作等により調整する。続いて、測域センサ26を稼働させ、ラインスキャンを行って揚重物Aの3次元形状データを取得する。   Next, the orientation of the flat plate portion 16 is adjusted by remote control or the like so that the lift A enters the scanning range S of the range sensor 26 of the measurement module 14. Subsequently, the range sensor 26 is operated and a line scan is performed to obtain the three-dimensional shape data of the lifted object A.

すると、演算処理装置36が測域センサ26で取得した揚重物Aの形状データと、データ記憶装置38内の3次元形状データベースとをマッチングアルゴリズム処理により照合し、測域センサ26からの揚重物Aの相対的な現在位置および姿勢を取得する。さらに、GNSS受信機28およびIMU30により取得した絶対座標系における自身の現在位置および姿勢に基づいて、絶対座標系における揚重物Aの現在位置および姿勢を算出し、これを揚重物Aの現在位置および姿勢として決定する。   Then, the arithmetic processing unit 36 collates the shape data of the lifted object A acquired by the range sensor 26 with the three-dimensional shape database in the data storage unit 38 by the matching algorithm processing, and the lift from the range sensor 26 The relative current position and posture of the object A are acquired. Further, based on the current position and posture of the absolute coordinate system acquired by the GNSS receiver 28 and the IMU 30, the current position and posture of the lift A in the absolute coordinate system are calculated, and this is calculated as the current position of the lift A. Determine as position and orientation.

このように、本実施の形態によれば、比較的低価格な測域センサ26、GNSS受信機28、IMU30を組み合わせて計測モジュール14を構成し、これを搭載した安価な位置姿勢決定装置10を揚重物Aの形状を取得可能な位置に配置することにより、計測モジュール14自身の位置姿勢を正確に得ることができる。また、測域センサ26のラインスキャンにより取得した揚重物Aの形状データと3次元形状データベースとのマッチング処理を行うことで、揚重物Aの絶対的な位置姿勢を高精度に自動的に決定することができる。   As described above, according to the present embodiment, the measurement module 14 is configured by combining the relatively low-priced range sensor 26, the GNSS receiver 28, and the IMU 30, and the inexpensive position and orientation determination device 10 equipped with the measurement module 14 is provided. By arranging the shape of the lifted object A at a position where it can be acquired, the position and orientation of the measurement module 14 itself can be obtained accurately. In addition, by performing a matching process between the shape data of the lifted object A acquired by the line scan of the range sensor 26 and the three-dimensional shape database, the absolute position and orientation of the lifted object A are automatically and accurately detected. Can be determined.

上記の実施の形態において、各無線通信機32を介して揚重物Aおよび各計測モジュール14の絶対座標系における現在位置および姿勢に関するデータを外部の端末へ送信してもよい。この場合、データを受信した外部の端末は、例えばBIM(Building Information Modeling)システムの表示画面上にリアルタイムに揚重物Aや各計測モジュール14の位置姿勢を3次元モデルとして表示することができる。ユーザは、この表示を見ながら、揚重物Aの揚重操作や、各位置姿勢決定装置10の位置や平板部16の向きなどの遠隔操作をより簡便に行うことができる。   In the above embodiment, data related to the current position and posture of the lifted object A and each measurement module 14 in the absolute coordinate system may be transmitted to an external terminal via each wireless communication device 32. In this case, the external terminal that has received the data can display the position and orientation of the lifted object A and each measurement module 14 as a three-dimensional model in real time on a display screen of a BIM (Building Information Modeling) system, for example. The user can more easily perform the remote operation such as the lifting operation of the lifted object A and the position of each position and orientation determination device 10 and the direction of the flat plate portion 16 while viewing this display.

また、上述したように、本実施の形態の平板部16は関節部22によって向きを自在に変更可能であり、位置姿勢決定装置10は車輪24によって床面上を自由に移動可能である。揚重物Aに対する計測モジュール14の向きや位置を変えることで、揚重物Aの形状データを取得する取得位置や取得角度を自由に変更できる。このため、揚重作業中の揚重物Aの高さに応じて位置や角度を変更して使用したり、位置姿勢決定装置10を建設現場内の他の場所に移動して別の揚重物に対して使用することが可能である。   Further, as described above, the orientation of the flat plate portion 16 of the present embodiment can be freely changed by the joint portion 22, and the position and orientation determination device 10 can be freely moved on the floor surface by the wheels 24. By changing the direction and position of the measurement module 14 with respect to the lifted object A, the acquisition position and the acquisition angle for acquiring the shape data of the lifted object A can be freely changed. For this reason, the position and angle are changed according to the height of the lifting object A during the lifting work, or the position / orientation determination device 10 is moved to another place in the construction site to obtain another lifting. It can be used for objects.

なお、上記の実施の形態において、位置姿勢決定装置10の装置本体12が車輪24を有する構成について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば車輪24を有さないで移動不能な構造であってもよい。   In addition, in said embodiment, although the apparatus main body 12 of the position and orientation determination apparatus 10 demonstrated the structure which has the wheel 24, this invention is not restricted to this, For example, it does not have the wheel 24 but cannot move. It may be a structure.

また、上記の実施の形態においては、形状センサが測域センサ26で構成される場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、揚重物のような対象物体の形状データを取得可能なセンサであればいかなるセンサであってもよく、例えば画像センサや3次元レーザー測域センサを用いてもよい。このようにしても上記と同様の作用効果を奏することができる。   In the above embodiment, the case where the shape sensor is configured by the range sensor 26 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the shape data of the target object such as a lifted object. Any sensor can be used as long as it can acquire the sensor, for example, an image sensor or a three-dimensional laser range sensor may be used. Even if it does in this way, there can exist an effect similar to the above.

以上説明したように、本発明に係る位置姿勢決定装置によれば、対象物体の位置および姿勢を決定する装置であって、対象物体から離れた位置に設けられる装置本体と、装置本体に搭載された計測モジュールとを備え、計測モジュールは、対象物体の外形を表す形状データを取得する形状センサと、衛星からの信号を受信して絶対座標系における自身の位置を取得する衛星信号受信機と、自身の姿勢を取得する姿勢センサと、演算処理装置と、データ記憶装置とを有し、演算処理装置は、形状センサが取得した対象物体の形状データと、データ記憶装置内に予め格納された対象物体の3次元形状に関する3次元形状データベースとをマッチング処理により照合し、形状センサからの対象物体の相対的な位置および姿勢を取得するとともに、この相対的な位置および姿勢と、衛星信号受信機および姿勢センサにより取得した絶対座標系における自身の位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における対象物体の位置および姿勢を算出し、これを位置および姿勢として決定するので、揚重物のような対象物体の絶対的な位置姿勢を高精度に自動的に決定することができるという効果を奏する。また、形状センサとして、例えば比較的低価格な測域センサなどを使用することができるため、安価な位置姿勢決定装置を提供することができる。   As described above, according to the position and orientation determination apparatus according to the present invention, the apparatus determines the position and orientation of the target object, the apparatus main body provided at a position away from the target object, and mounted on the apparatus main body. A measurement module, a shape sensor for acquiring shape data representing the outer shape of the target object, a satellite signal receiver for receiving a signal from a satellite and acquiring its position in an absolute coordinate system, It has a posture sensor that acquires its own posture, an arithmetic processing device, and a data storage device. The arithmetic processing device is a target object shape data acquired by the shape sensor and an object stored in advance in the data storage device. A matching process is performed against a three-dimensional shape database related to the three-dimensional shape of the object to obtain the relative position and orientation of the target object from the shape sensor. Based on the relative position and orientation and its own position and orientation in the absolute coordinate system acquired by the satellite signal receiver and the orientation sensor, the position and orientation of the target object in the absolute coordinate system are calculated, Since the posture is determined, the absolute position and posture of the target object such as a lifted object can be automatically determined with high accuracy. Moreover, since a comparatively inexpensive range sensor or the like can be used as the shape sensor, an inexpensive position and orientation determination device can be provided.

また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置によれば、計測モジュールは、演算処理装置により算出した絶対座標系における対象物体および自身の位置および姿勢に関するデータを、外部の端末に送信可能な無線通信機をさらに有するので、無線通信機を介して対象物体および計測モジュールの絶対座標系における位置および姿勢に関するデータを外部の端末へ送信することができる。この場合、データを受信した外部の端末は、例えばBIMシステムの表示画面上にリアルタイムに対象物体としての揚重物や計測モジュールの位置姿勢を3次元モデルとして表示することが可能である。このため、ユーザは、この表示を見ながら揚重物や位置姿勢決定装置の遠隔操作等をより簡便に行うことができる。   In addition, according to another position and orientation determination device according to the present invention, the measurement module can wirelessly transmit data on the target object and its position and orientation in the absolute coordinate system calculated by the arithmetic processing device to an external terminal. Since the communication apparatus is further included, data on the position and orientation of the target object and the measurement module in the absolute coordinate system can be transmitted to an external terminal via the wireless communication apparatus. In this case, the external terminal that has received the data can display, for example, the lifted object as the target object and the position and orientation of the measurement module as a three-dimensional model on the display screen of the BIM system in real time. For this reason, the user can perform the remote operation of the lifted object and the position / orientation determination device more easily while viewing this display.

また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置によれば、対象物体に対する形状センサの位置を変更する位置変更手段、および、対象物体に対する形状センサの方角、ピッチ角、ロール角の少なくとも1つを変更する姿勢角変更手段の少なくとも一方をさらに備えるので、対象物体の形状データを取得する取得位置や取得角度を自由に変更することができる。   Further, according to another position and orientation determination apparatus according to the present invention, at least one of position changing means for changing the position of the shape sensor with respect to the target object, and the direction, pitch angle, and roll angle of the shape sensor with respect to the target object is provided. Since at least one of the attitude angle changing means to change is further provided, the acquisition position and acquisition angle which acquire the shape data of a target object can be changed freely.

以上のように、本発明に係る位置姿勢決定装置は、建設現場における揚重物などの対象物体の位置姿勢を決定するのに有用であり、特に、その位置姿勢を安価で高精度に決定するのに適している。   As described above, the position / orientation determination apparatus according to the present invention is useful for determining the position / orientation of a target object such as a lifted object at a construction site, and in particular, determines the position / orientation at low cost and with high accuracy. Suitable for

10 位置姿勢決定装置
12 装置本体
14 計測モジュール
16 平板部
18 支柱部
20 基台部
22 関節部
24 車輪
26 測域センサ(形状センサ)
28 GNSS受信機(衛星信号受信機)
30 IMU(姿勢センサ)
32 無線通信機
34 処理系
36 演算処理装置
38 データ記憶装置
A 揚重物
B ワイヤ
S 走査線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Position and orientation determination apparatus 12 Apparatus main body 14 Measurement module 16 Flat plate part 18 Support | pillar part 20 Base part 22 Joint part 24 Wheel 26 Range sensor (shape sensor)
28 GNSS receiver (satellite signal receiver)
30 IMU (Attitude Sensor)
32 Wireless communication device 34 Processing system 36 Arithmetic processing device 38 Data storage device A Lifting object B Wire S Scanning line

Claims (3)

対象物体の位置および姿勢を決定する装置であって、
対象物体から離れた位置に設けられる装置本体と、装置本体に搭載された計測モジュールとを備え、
計測モジュールは、対象物体の外形を表す形状データを取得する形状センサと、衛星からの信号を受信して絶対座標系における自身の位置を取得する衛星信号受信機と、自身の姿勢を取得する姿勢センサと、演算処理装置と、データ記憶装置とを有し、
演算処理装置は、形状センサが取得した対象物体の形状データと、データ記憶装置内に予め格納された対象物体の3次元形状に関する3次元形状データベースとをマッチング処理により照合し、形状センサからの対象物体の相対的な位置および姿勢を取得するとともに、この相対的な位置および姿勢と、衛星信号受信機および姿勢センサにより取得した絶対座標系における自身の位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における対象物体の位置および姿勢を算出し、これを位置および姿勢として決定することを特徴とする位置姿勢決定装置。
An apparatus for determining the position and orientation of a target object,
A device main body provided at a position away from the target object, and a measurement module mounted on the device main body,
The measurement module includes a shape sensor that acquires shape data representing the outer shape of the target object, a satellite signal receiver that receives a signal from a satellite and acquires its position in an absolute coordinate system, and a posture that acquires its posture. A sensor, an arithmetic processing unit, and a data storage device;
The arithmetic processing device collates the shape data of the target object acquired by the shape sensor with a three-dimensional shape database related to the three-dimensional shape of the target object stored in advance in the data storage device, by matching processing. Obtain the relative position and orientation of the object, and based on the relative position and orientation and its own position and orientation in the absolute coordinate system obtained by the satellite signal receiver and the orientation sensor, A position and orientation determination apparatus characterized by calculating a position and orientation of a target object and determining the position and orientation as a position and orientation.
計測モジュールは、演算処理装置により算出した絶対座標系における対象物体および自身の位置および姿勢に関するデータを、外部の端末に送信可能な無線通信機をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の位置姿勢決定装置。   The measurement module further includes a wireless communication device capable of transmitting data on the target object and its position and orientation in the absolute coordinate system calculated by the arithmetic processing device to an external terminal. Position and orientation determination device. 対象物体に対する形状センサの位置を変更する位置変更手段、および、対象物体に対する形状センサの方角、ピッチ角、ロール角の少なくとも1つを変更する姿勢角変更手段の少なくとも一方をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の位置姿勢決定装置。   It further comprises at least one of position changing means for changing the position of the shape sensor with respect to the target object, and posture angle changing means for changing at least one of the direction, pitch angle and roll angle of the shape sensor with respect to the target object. The position and orientation determination device according to claim 1 or 2.
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