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JP2020056746A - 角度検出システム - Google Patents

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Abstract

【課題】遠隔でも正確に測定対象物の角度を測定することができる角度検出システムを提供する。【解決手段】角度検出システム１００は、ターゲットユニット１０と測量部２０とエンコーダパターン読取部５０と演算制御部７０とを備える測量機ＴＳを備え、エンコーダパターン読取部５０は、焦点距離を変更可能な撮像部５１,５６を備え、演算制御部７０は、反射ターゲット１１の距離および角度を算出する距離角度演算部７３と、距離に応じて撮像倍率を設定する撮像倍率設定部７４と、エンコーダパターンの切取領域を設定する切取範囲調整部７５と、エンコーダパターンの画像が、パターンテンプレートと一致するかどうかを照合し、エンコーダパターンの識別が失敗した場合に、撮像倍率を高めて再度読込を行うエンコーダパターン識別判定部７６と、識別されたエンコーダパターンの画像に基づいてエンコーダパターン読取角を算出する読取角演算部７７とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、角度検出システムに関し、より詳細には、測量機を検出器とする角度検出システムに関する。
従来角度を測定する角度検出装置としてロータリエンコーダが知られている。（例えば、特許文献１参照）。従来ロータリエンコーダでは、内蔵された回転円盤に、グレイコードや、Ｍ系列コードの規則に従った、スリット等の目盛、いわゆる、エンコーダパターン、を設け、発光部からスリットに照射した光の像をイメージセンサ等で受光し、撮像素子により得られた像から回転円盤における角度位置を演算する。
このような角度検出装置は、円盤に対して同軸に接続された入力軸の回転の変位に対応する角度位置を測定する。このため発光部、撮像素子、これらを制御する制御部を備える検出器を測定対象物本体に取り付けなければならなかった。
特開平０５−１７２５８８号公報
しかし、測量の現場では、遠隔にある測定対象物の角度を測定したい場合がある。そこで、本件特許出願人は、図３に示すものと同様の、測定対象物の中心軸周りの周方向の角度を示す、白黒または直交する２方向の偏光成分を遮蔽する偏光フィルタで形成されたバーコードパターンであるエンコーダパターンを備えるエンコーダパターン部を角度測定対象物に取り付けて、前記エンコーダパターンの示す角度コードを、カメラまたはスキャナ等のエンコーダパターン読取部で読み取り、その結果より得られるパターンに基づいて、読取角を演算する角度検出システムを提案し、特許出願をした（特願２０１８−１４４７８４）。
従来のロータリエンコーダでは、装置内に配置された円盤を装置内に配置された光源で照射し、装置内に配置された撮像素子により受光するため、正確なスリットパターンの読み取りが容易である。
一方、上記で提案した角度検出システムでは、まず、エンコーダパターン周辺の風景画像を取得し、そのなかから認識されたエンコーダパターン１３Ｂの領域を矩形に切り出して、切り出した画像または受光光量分布のデータをビットパターンに変換し、予め記憶部に記憶したビットパターンと角度との相関と対比することにより、エンコーダパターンの基準方向ＲＤに対する周方向の角度を演算する。
このため、測量機からエンコーダパターンまでの距離が長かったり、屋外の環境が良好でない場合（例えば、暗かったり、ゴミやホコリなど正確な読み取りを阻害するようなものが存在する場合）などに、エンコーダパターンの読み取りを正確に行えない場合があるという問題があった。
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、遠隔でも正確に測定対象物の角度を測定することができる角度検出システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の１つの態様に係る角度検出システムは、反射ターゲットと、ターゲットユニットの中心軸周りの周方向の角度を示すエンコーダパターンとを備えるターゲットユニット、および前記反射ターゲットを測距および測角する測量部と、前記エンコーダパターンを含む画像を取得し、前記画像から前記エンコーダパターンの領域を切り取って、画素列を読み込むことによりビットパターンを読取るエンコーダパターン読取部と、表示部と、演算制御部とを備える測量機を備える角度検出システムであって、前記エンコーダパターン読取部は、焦点距離を変更可能な少なくとも１つの撮像部を備え、前記演算制御部は、前記測距および測角結果に基づいて前記反射ターゲットの距離および角度を算出する距離角度演算部と、前記距離に応じて、前記撮像部の撮像倍率を設定する撮像倍率設定部と、前記表示部に表示した前記画像を用いて、前記エンコーダパターンの切取領域を設定可能にした切取範囲調整部と取得した前記エンコーダパターンの画像が、予め記憶部に記憶された、エンコーダパターンのパターンテンプレートとを照合することにより、エンコーダパターンの識別の成否を判断し、エンコーダパターンの識別が失敗した場合に、撮像倍率を高めて再度読込を行うことを特徴とするエンコーダパターン識別判定部と、識別されたエンコーダパターンの画像に基づいてエンコーダパターン読取角θEを算出する読取角演算部とを備えることを特徴とする。
上記態様において、前記エンコーダパターン読取部は、焦点距離を変更可能な第１の撮像部と、前記第１の撮像部よりも狭角な画角を有し、焦点距離を変更可能な第２の撮像部とを備え、前記撮像倍率設定部は、前記距離に応じて前記第１の撮像部と、前記第２の撮像部とを切り替えることも好ましい。
また、上記態様において、前記切取範囲調整部は、前記表示部に前記反射ターゲットの中心位置を表示し、切取領域を示す矩形の枠の１つの頂点および水平方向の中央を合致させて、切取領域を設定することができるようになっていることも好ましい。
また、上記態様において、前記エンコーダパターン識別判定部は、取得した前記エンコーダパターンの画像が、予め記憶部に記憶された、エンコーダパターンのパターンテンプレートと照合することにより、エンコーダパターンの識別の成否を判断し、エンコーダパターンの識別が失敗した場合に、照明用発光部を点灯させて、再度画像の取得を行うことことも好ましい。
また、本発明の別の態様に係る角度検出システムは、反射ターゲットと、ターゲットユニットの中心軸周りの周方向の角度を示すエンコーダパターンとを備えるターゲットユニットと、前記反射ターゲットを測距および測角する測量部と、スキャン光を出射して、前記エンコーダパターンからの反射光を受光して受光光量分布として取得してビットパターンを読み取るエンコーダパターン読取部と、表示部と、演算制御部を備えるスキャナ装置を備える角度検出システムであって、前記演算制御部は、前記測距および測角結果に基づいて前記反射ターゲットの距離および角度を算出するターゲットスキャン実行部と、前記距離に応じて、前記スキャナ装置のスキャン速度を設定する撮像倍率設定部と、前記エンコーダパターンの受光光量分布と、予め記憶部に記憶された、エンコーダパターンのパターンテンプレートとを照合することにより、エンコーダパターンの識別が成否を判断し、エンコーダパターンの読込が失敗した場合に、スキャン速度を減じて再度読込を行うことを特徴とするエンコーダパターン識別判定部と、識別されたエンコーダパターンの受光光量分布に基づいてエンコーダパターン読取角θEを算出する読取角演算部とを備えることを特徴とする。
上記の態様に係る角度検出システムによれば、遠隔でも正確にエンコーダパターンを読み取ることができるので、遠隔でも正確に測定対象物の角度を測定することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る角度検出システムの概略構成図である。 同形態の角度検出システムの構成ブロック図である。 同形態の角度検出システムに係るエンコーダパターン部の拡大図である。 同形態の角度検出システムの光学系の構成を説明する図である。 同形態の角度検出システムによる角度検出処理の手順を示すフローチャートである。 同形態の角度検出システムの角度検出処理における、画像切取範囲の調整を説明する図である。 同形態の角度検出システムにおけるエンコーダ読取角の読み取りを説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係る角度検出システムの構成ブロック図である。 同形態に係る角度検出処理の手順を示すフローチャートである。
本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態の説明において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、各図において、説明の便宜上構成部品は適宜拡大して模式的に示しており、実際の比率を反映したものではない。
１． 第１の実施の形態
１−１． 角度検出システムの構成
第１の実施の形態に係る角度検出システム１００の構成を図１〜４を参照しながら説明する。角度検出システム１００は、ターゲットユニット１０と、測量機ＴＳをと備える。
１−２． ターゲットユニットの構成
ターゲットユニット１０は、反射ターゲット１１としてのプリズムを支持する支持部材１２と、該支持部材１２に取り付けられるエンコーダパターン部１３とを備える。
反射ターゲット１１は、例えば、複数の三角錐状のプリズムを放射状に組み合わせて構成された、いわゆる全方位プリズムであり、その全周（３６０°）から入射する光を、その入射方向と反対の方向に反射する。すなわち、反射ターゲット１１は、測量機ＴＳからの測距光を、測量機ＴＳに向けて反射する。しかし、反射ターゲット１１は、全方位プリズムに限定されず、測量用に用いられる通常のプリズムを使用してもよい。
支持部材１２は、一定の長さをもって延びており、その一端に、その中心軸Ａが、反射ターゲット１１の中心Ｏを通るように、反射ターゲット１１を固定支持している。
支持部材１２の他端は、目的に応じて種々の形状に構成することができる。例えば、ポール状に延びて、石突として施工面に当接されていてもよい。また、別の例として、図１に示すように、整準台９０に取り付け可能に構成されていてもよい。
エンコーダパターン部１３は、短尺円柱形状のベース１３Ａの側周面に、エンコーダパターン１３Ｂを設けることにより構成されている。ベース１３Ａは、支持部材１２の中心軸Ａと同軸になるように、例えば、支持部材の外周に形成されたねじ部（図示せず）と、ベース１３Ａの中心に形成されたねじ穴（図示せず）を螺合させる等の手段により、支持部材１２と反射ターゲット１１の間に固定されている。このように、エンコーダパターン部１３は、支持部材１２を介して、測定対象物である距離測定器１４に取り付けられている。
図３（ａ），（ｂ）に示すように、角度情報部１３１は、例えば、白地に、幅ｗ１を有する狭幅の黒の縦線１３１ａと、幅ｗ２を有する広幅の黒の縦線１３１ｂとを、縦線１３１ａを「０」、縦線１３１ｂを「１」として、Ｍ系列の循環乱数コードを生成するように、等ピッチｐで配置したバーコード状のパターンである。エンコーダパターン１３Ｂは、エンコーダパターン部１３の中心から基準点ＲＰへの方向（以下、「エンコーダパターンの基準方向」という。）ＲＤを０°として、測量機ＴＳにより読み取ったパターンから算出される角度（以下、「エンコーダパターンの読取角」という。）θＥが、エンコーダパターン１３Ｂの基準方向ＲＤから、支持部材１２の中心軸Ａ回りの時計回りの周方向の絶対角度と対応するように構成されている。
角度情報部１３１は、ビット数を変更することにより、所望の分解能を実現可能に構成されている。
なお、ビットパターンは、Ｍ系列コードに限らず、グレイコード、純２進バイナリコードなどのビットパターンを用いることができ、これらは、公知の手法により生成することができる。しかし、Ｍ系列コードを用いると、トラック数を増やさずにビット数を増大することができ、簡単な構成で、高い分解能を実現することができるため有利である。
幅情報部１３２は、所定の高さｈ１を有する黒色帯１３２ａと、同高の白色帯１３２ｂとを備える。黒色帯１３２ａと白色帯１３２ｂとはそれぞれ、エンコーダパターン部１３の周方向の全周に亘り延びている。
エンコーダパターン１３Ｂは、模様を形成するために用いられる種々の公知の手法によりエンコーダパターン部１３に設けることができる。例えば、エンコーダパターン１３Ｂを、インクジェット印刷などの一般的な印刷等の手法により白い紙に印刷し、これをベース１３Ａの側周面に貼付することにより設けてもよい。このような手法によれば、極めて安価かつ簡便な方法でエンコーダパターン部１３を形成することができる。また、エンコーダパターン１３Ｂを、樹脂製のベース１３Ａに直接印刷することにより設けてもよい。また、エンコーダパターン１３Ｂを、金属製のベース１３Ａに、塗装または蒸着等の手法により設けてもよい。
なお、図示の例では、幅情報部１３２は角度情報部１３１の上方に隣接して配置されている。しかし、角度情報部１３１と幅情報部１３２の位置関係は、これに限定されない。
また、エンコーダパターン部１３は、反射ターゲット１１の下方に隣接して配置されている。しかし、エンコーダパターン部１３と反射ターゲット１１との位置関係は、これに限定されない。エンコーダパターン部１３が反射ターゲット１１の中心Ｏを通る支持部材１２の中心軸Ａと同軸となるように配置されていれば、他の配置であってもよい。また、エンコーダパターン部１３と反射ターゲット１１との位置関係は、既知とされ、予め測量機ＴＳの記憶部６３に記憶されている。
１−３． 測量機の構成
本実施の形態における測量機ＴＳは、トータルステーションである。図２に示す通り、測量機ＴＳは、測距部２１および測角部２８を備える測量部２０、自動視準部３０、エンコーダパターン読取部５０、水平回転駆動部６１，鉛直回転駆動部６２，記憶部６３，入力部６４，表示部６５，および演算制御部７０を備える。
また、測量機ＴＳは、図１に示すように、測量機ＴＳは、外観上、整準台９０に着脱可能に取り付けられる基盤部２と、基盤部２に軸Ｈ−Ｈ回りに３６０°水平回転可能に設けられた托架部４と、托架部４の凹部に、軸Ｖ−Ｖ回りに鉛直回転可能に設けられた望遠鏡６とを備える。
基盤部２には、水平回転駆動部６１、および水平に回転させる軸Ｈ−Ｈ回りの回転角を検出する水平角検出器が収容されている。
托架部４には、鉛直角検出器、鉛直回転駆動部６２、記憶部６３、および演算制御部７０が収容されている。托架部４の外部には、入力部６４および表示部６５が設けられている。
望遠鏡６は、第１の望遠鏡部６ａおよび第２の望遠鏡部６ｂを備える。第１の望遠鏡部６ａには、第１の撮像部５１が配置され、第２の望遠鏡部６ｂには、測距部２１、自動視準部３０、および第２の撮像部５６が配置されている。
測距部２１では、図４に示すように、ＬＥＤ等の発光素子を備える測距光発光部２２から出射された測距光が、偏向ミラー２３、反射プリズム２４、対物レンズ２５を介して反射ターゲット１１に向けて出射され、反射ターゲット１１からの反射光を、対物レンズ２５、ダイクロイックミラー２６を介してアバランシェフォトダイオード等の受光素子を備える測距光受光部２７で受光して、反射ターゲット１１を測距する。
測角部２８は、水平角検出器および鉛直角検出器を備える。水平角検出器および鉛直角検出器は、それぞれ例えばロータリエンコーダであり、水平回転駆動部６１および鉛直回転駆動部６２でそれぞれ駆動される托架部４および望遠鏡６の回転軸周りの回転角度を検出し、測距光軸の水平角および鉛直角を求める。
測距部２１、測角部２８は、測量機ＴＳの要部である測量部２０を形成している。
自動視準部３０は、視準光発光部３１、偏向ミラー３２，受光素子３３、ビームスプリッタ３４等を備える。視準光発光部３１で発光した視準光を偏向ミラー３２、測距部２１と共通の反射プリズム２４、および対物レンズ２５を介して、反射ターゲット１１に送光し、反射光を受光素子３３で受光する。受光素子３３は、視準光発光部３１を発光させたときの画像と消灯させたときの画像とを交互に撮像し続ける。
エンコーダパターン読取部５０は、ズーム機能を有する広角カメラとして機能する第１の撮像部５１と、ズーム機能を有する狭角カメラとして機能する第２の撮像部５６とを備える。また、エンコーダパターン読取部５０は、予め記憶された、ターゲットユニット１１の中心Ｏとエンコーダパターン部１３との位置関係およびエンコーダパターン部１３の寸法に基づいて、反射ターゲット１１を含むエンコーダパターン部１３周辺の風景画像を取得する。
第１の撮像部５１は、第１の撮像素子５２、合焦レンズ５３、対物レンズ５４を備え、
対物レンズ５４から入射する光を第１の撮像素子５２上に結像し、標準レンズよりも画角の広い写真画像を取得する。第１の撮像部５１は、合焦レンズ５３を光軸方向に前後に移動することにより、焦点距離を変更することができる。
第２の撮像部５６は、第２の撮像素子５７、合焦レンズ５８等を備え、測距部２１と共通の対物レンズ２５から入射する光の一部を、ビームスプリッタ３４を介して、第２の撮像素子５７上に結像し、第１の撮像素子５２よりも画角の狭い写真画像を取得する。第２の撮像部５６は、合焦レンズ５８を光軸方向に前後に移動することにより、焦点距離を変更することができる。
水平回転駆動部６１、および鉛直回転駆動部６２は例えばサーボモータであり、それぞれ、水平に回転させる軸Ｈ−Ｈおよび鉛直に回転させる軸Ｖ−Ｖ上に設けられている。それぞれ、演算制御部７０に制御されて、托架部４を水平回転させ、望遠鏡６を鉛直回転させる。
記憶部６３は、例えばＲＯＭおよびＲＡＭを備える。記憶部６３は、測定に必要な計算プログラム、各種制御プログラムを格納するしている。また、エンコーダパターンの識別のためのサーチモデルのテンプレートパターンや、反射ターゲット１１とエンコーダパターン部との位置関係、エンコーダパターンのビットパターンと角度の相関等のエンコーダパターンの読み取りに必要な各種情報、設定等が格納されている。プログラム等は、必要に応じて、各機能部等により読み出される。また、必要な情報が適宜、記憶され、入力部６４による、入力情報も適宜記憶される。
また、記憶部６３は、例えばメモリカード、ＵＳＢメモリ等を備え、測定により得られた、測距、測角データ、エンコーダパターンを読み取った画像データ、演算により得られた測定点座標および読取角データおよび方向角データを記憶する。記憶部６３は、固定して設けられていてもよく、取り外し可能に設けられていてもよい。
入力部６４は、例えば、操作ボタンである。作業者は、入力部６４に、測量機ＴＳに実行させるための指令を入力したり、設定の選択を行ったりすることができる。
表示部６５は、例えば、液晶ディスプレイであり、演算制御部７０の指令に応じて測定結果、演算結果等種々の情報を表示する。また、入力部６４より、作業者が入力を行うための設定情報や作業者により入力された指令を表示する。
なお、入力部６４と表示部６５は、一体的に構成されたタッチパネルディスプレイでもよい。
照明用発光部６６は、第１の撮像部５１、第２の撮像部５６により測定対象の画像情報を取得する際に、照明光として発光するものであり、この照明用発光部６６としては、杭打ち作業に一般的に利用されているいわゆるガイドライトを利用することができる。
演算制御部７０は、たとえばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ・Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ・Ｕｎｉｔ）である。演算制御部７０上述した測量機の各構成要素と電気的に接続されている。各構成要素を制御して、測定等、測量機ＴＳの機能の発揮に必要な各処理を行い、測量部２０、自動視準部３０、エンコーダパターン読取部５０、入力部６４からのデータまたは信号が入力される。
また、演算制御部７０は、機能部として、ターゲット探索部７１，自動視準制御部７２，距離角度演算部７３、撮像倍率設定部７４、切取範囲調整部７５、エンコーダパターン識別判定部７６、読取角演算部７７を備える。
ターゲット探索部７１は、例えば特開２０１６−１３８８０２号公報に記載されているように、所定の探索範囲内で所定の探索ルートに従い、測角部２８からの情報を得つつ、水平回転駆動部６１および鉛直回転駆動部６２を制御して、ターゲットユニット１０の反射ターゲット１１の探索動を行う。反射ターゲット１１の探索ルートのパターン（サーチパターン）としては、望遠鏡視野の中心（視準軸）の位置から外側に向けた渦巻き状としたものや、左右方向に往復動しつつ次第に上下方向の一方から他方に向けて移動させたり、上下方向に往復動しつつ次第に左右方向の一方から他方に向けて移動させたりする等、種々の態様をとることができる。
また、ターゲット探索部７１は、望遠鏡視野内（撮像範囲）に反射ターゲット１１の一部でも入ると、視準光発光部３１を発光させたときの画像と消灯させたときの画像を交互に撮像し続けている受光素子３３からの情報に基づき、その２画像の差分画像処理による反射ターゲット１１の明暗差から反射ターゲット１１のみを抽出することにより反射ターゲット１１の存在を判断し、ターゲット探索部７１に基づく探索動を停止する。
自動視準制御部７２は、自動視準部３０を制御し、受光素子３３からの情報に基づき、反射ターゲット中心の視準軸からの水平偏差及び垂直偏差を算出し、それら偏差を水平回転駆動部６１および鉛直回転駆動部６２の駆動によりなくし、これにより、視準軸と、反射ターゲット１１の中心Ｏとを一致させる。
距離角度演算部７３は、測距光受光部２７からの情報（測距光発光部２２から図示しない参照光学系を介して測距光受光部２７へ入射される参照光、および測距光受光部２７に入射される反射測距光）に基づき、反射測距光と参照光との位相差を算出し、それに基づいて反射ターゲット１１までの距離を演算し、測角部で得られる、測角データに基づき、反射ターゲットの角度を演算子、演算結果を記憶部６３に保存する。
撮像倍率設定部７４は、距離角度演算部７３により算出された反射ターゲット１１までの水平距離に基づいて、第１の撮像部５１、第２の撮像部５６の何れを使用するかを判断し、それぞれの撮像部における最適な倍率を選択し、選択した倍率による撮像を行う。このようにすることで、広角カメラ（第１の撮像部５１）または狭角カメラ（第２の撮像部５６）の性質を有効に利用し、画像上におけるエンコーダパターン１３Ｂの寸法を適切なものとすることができる。
切取範囲調整部７５は、画像の切り取り範囲を調整するために、表示部に、カメラ画像に切り替えるための表示をし、作業者により、例えば「Enter」キーの押し下げにより切り替えの確認がなされると、表示部６５の画像がカメラで撮像されたエンコーダパターン１３Ｂの画像に切り替わる。
エンコーダパターン識別判定部７６は、第１の撮像部５１で画像を取得して、その画像に基づいて、反射ターゲット１１近傍のエンコーダパターン１３Ｂを検出する。具体的には、反射ターゲット１１とエンコーダパターン１３Ｂの相対位置が既知の場合（例えば、ターゲットユニット１０が地面に対して鉛直で、反射ターゲット１１の下○○mmの位置にエンコーダパターン１３Ｂとの位置関係が、には、距離値から演算される画像上での反射ターゲット１１とエンコーダパターン１３Ｂの距離値を利用して、エンコーダパターン１３Ｂの位置を計算し、その位置から、公知のパターンサーチ等の手法により、予め記憶されているエンコーダパターン１３Ｂのテンプレートパターンと一致する情報を探索して検出し、識別が成功したかどうかを判断する。
あるいは、支持部材１２が傾いていて、反射ターゲット１１と、エンコーダパターン１３Ｂとの相対位置が既知でない場合には、反射ターゲット１１の中心Ｏから放射的に探索し、エンコーダパターン１３Ｂのサーチモデルのテンプレートパターンと一致する情報を探索して識別する。このようにすることで、画像情報から適切にエンコーダパターンを識別することができる。
読取角演算部７７は、エンコーダパターン１３Ｂの読込結果から、エンコーダパターン１３Ｂの０°を示す基準方向ＲＤに対する測量機の視準光軸（周方向の角度）を演算する。詳細は、後述する。
１−４． 角度検出方法
以下、本実施の形態に係る、角度検出システム１００を用いる角度検出方法を、図５を参照しながら説明する。
処理を開始すると、ステップＳ１０１で、ターゲット探索部７１がターゲットの探索を行う。ターゲットが検出されたら、ステップＳ１０２で、自動視準部が、自動視準を行い、視準軸と、反射ターゲット１１の中心Ｏとを一致させる。
次に、ステップＳ１０３で、測量部２０が、測距および測角を行い、距離角度演算部７３が反射ターゲット１１の距離データおよび角度データを演算する。
次に、ステップＳ１０４で、撮像倍率設定部７４が、ステップＳ１０３で取得した測距データに基づいて、広角カメラである第１の撮像部５１と、狭角カメラである第２の撮像部５６の何れを使用するかを判断する。
測量機ＴＳから反射ターゲット１１までの距離が所定の基準値以上である場合、ステップＳ１０５に進み、第２の撮像部５６を選択する。距離が所定の基準値よりも小さい場合、ステップＳ１０６に進み、第１の撮像部５１を選択する。ついで、ステップＳ１０７で、撮像倍率設定部７４は、反射ターゲット１１の測距データに基づいて、第１の撮像部５１または第２の撮像部５６のズーム倍率を設定し、ステップＳ１０８で、設定した倍率によるズーム画像の取得を行う。
次に、ステップＳ１０９では、切取範囲調整部７５が、表示部６５の表示を、測定画面から、カメラ画像に切替える選択ボタンを表示し、作業者が選択ボタンを押し下げることにより、表示部６５は、画面表示を、図６に示すようなカメラ画像に切り替える。
次に、ステップＳ１１０では、表示部６５には、例えば図６（ａ）に示すように、エンコーダパターン部１３周辺の画像、切取範囲の枠８１、および測距測角により求められた反射ターゲットの中心Ｏが表示される。枠８１は、エンコーダパターン部１３の側面形状と相似形の矩形部８１ａと、矩形部８１ａの水平方向の中心を示す中心線８１ｂとを備える。矩形部８１ａは、ターゲットユニット１０までの距離に応じてその寸法が設定されており、例えば、距離５ｍの場合を基準として、１ｍではその０．５倍；１０ｍではその２倍；１５ｍではその３倍；２０ｍではその４倍となるように、記憶部６３に対応表が記憶されており、反射ターゲット１１の測距データに基づいて設定されるようになっている。また、予め記憶された、反射ターゲット１１の中心Ｏとエンコーダパターン部１３との位置関係に基づいて、画像における枠８１とエンコーダパターン部１３の水平方向のずれを調整可能としてもよい。
ここで、図６（ｂ）に示すように、画面上において、矩形部８１ａの右上８１ｃとエンコーダパターン部１３側面の右上の点Ｒ、および矩形部８１aの中心線８１ｂと反射ターゲットの中心Ｏとが一致するように、枠８１の大きさを調整する。具体的には、矢印キーおよび「Ｅｎｔｅｒ」で大きさを手動で調整できるように構成されていてもよい。また、入力部６４と表示部６５とがタッチディスプレイで構成されている場合には、枠８１を指でピンチすることにより調整できるように構成されていてもよい。あるいは、カメラ画像の位置情報に基づいて、矩形部８１ａの右上８１ｃとエンコーダパターン部１３側面の右上の点Ｒ、および矩形部８１ａの中心線８１ｂと反射ターゲットの中心Ｏを自動的に一致するように構成してもよい。
上記構成によれば、作業者が、切取範囲を画面上で確認しながら、的確に選択できるので、エンコーダパターン１３Ｂを正確に読み取ることができ、読取角演算の精度を高めることができる。また、入力部６４と表示部６５とがタッチディスプレイで構成し、画面をピンチすることにより設定可能とすれば、作業者は感覚的に設定することができるので、操作が容易となる。また、特に、反射ターゲットの中心座標を用いて、確実にエンコーダパターンの中央を把握することができるので、エンコーダパターンの解読においての誤差を低減することができ、有利である。
次に、ステップＳ１１１で、切取範囲調整部７５が、ズーム画像より枠８１に相当する範囲を切り取る。次に、ステップＳ１１２で、エンコーダパターン識別判定部７６が、エンコーダパターンの読み込みを行い、読み込んだ画像情報が、予め記憶部６３に記憶されたパターン識別コードと一致するか否かを判断する。
ステップＳ１１２において、画像が、予め記憶部６３に記憶されたテンプレートパターン（パターン識別コード）と一致しない場合（Ｎｏ）、ステップＳ１１３に進みこの判断が３度目かどうかを判断する。ここで、３度目ではない場合（１度目の場合，Ｎｏ）、ステップＳ１１４に進み、この判断が２度目かどうかを判断する。２度目ではない場合（１度目の場合、Ｎｏ）、ステップＳ１１５に進み、ズーム倍率を２倍にしてステップＳ１０８に戻り再度画像を取得し、ステップＳ１１２で一致するまで、最大３回ステップＳ１０８〜Ｓ１１２を行う。
そして２度目のステップＳ１１２でも一致しない場合（２度目の場合，Ｎｏ）、ステップＳ１１４でＹｅｓとなり、ステップＳ１１６で照明用発光部６６を点灯し、再度画像を取得し、ステップＳ１０８〜Ｓ１１２を行う。このようにすると、エンコーダパターン１３Ｂの白黒のコントラストが強調され、識別の確実性が増大する。
さらに３度目のステップＳ１１２でも一致しない場合には、ステップＳ１１３でＹｅｓとなり、ステップＳ１１７で、エンコーダパターン識別判定部７６は表示部６５にエラー表示を表示して処理を終了する。
上記構成によれば、例えば距離、ゴミやホコリの影響および周囲環境（明るさなど）の影響により、エンコーダパターン１３Ｂの読込が失敗した場合にも、エンコーダパターン１３Ｂの識別ができるまで最大３回、読取用画像の取得を繰り返すので、エンコーダパターンの確実な識別が可能となる。さらにその繰り返しにおいて、２倍ズームおよび２倍ズーム＋照明光というように条件を変更しながら繰り返しを行うため、異なる原因による識別の失敗にも対応することができ有利である。
次に、ステップＳ１１８において、は、ステップＳ１１２で読み込んだエンコーダパターン１３Ｂの画像を、エンコーダパターンの周方向に線状に読込む。例えば、図７（ａ）に示すように、Ｉ〜Ｖの位置で線状に読込み、画素値に変換する。画素値は、暗い（黒い）と値が小さくなり、明るい（白い）と値が大きくなる。このため、Ｉ〜Ｖの各位置における読込みの結果（以下、「画素列Ｉ〜Ｖ」という。）は、例えば、図７（ｂ）のように表すことができる。
読込間隔は、例えば、図７（ａ）に示すように、予め、ステップで得られるエンコーダパターン１３Ｂの画像および、エンコーダパターン１３Ｂに関する既知の情報から、画像における幅情報部１３２の黒色帯１３２ａおよび白色帯１３２ｂの高さｈ１（図３（ｂ））および縦線１３１ａ，１３１ｂの高さｈ２（図３（ｂ））を概算で算出し、読込み間隔が、高さｈ１よりも小さく、かつ高さｈ２の１／２よりも短い間隔ｈ３に設定することが好ましい。このようにすれば、角度情報部１３１および幅情報部１３２を確実に捕捉することができる。
次に、ステップＳ１１９では、ステップＳ１１８の読込み結果から、幅情報部１３２の読取り結果を抽出する。具体的には、所定のしきい値よりも小さな画素値となる部分を黒色部分と判断し、所定のしきい値よりも大きな画素値となる部分を白色部分と判断して、黒色部分と白色部分の少なくとも一方が、一定の長さ連続している画素列を幅情報部１３２の読み取り結果と判断する。
この結果、図７（ｂ）において、画素列Ｉ，ＩＩが幅情報部１３２に相当することがわかる。そして、検出されたエンコーダパターン１３Ｂの幅（エンコーダパターン部１３の直径）Ｌから、Ｌを２等分する位置を、エンコーダパターン１３Ｂの中心位置Ａを特定する。幅情報部１３２を備えると、例えば、エンコーダパターン部１３の背景が、黒色または白色で、エンコーダパターン１３Ｂと、背景との境界が不明瞭な場合であっても、少なくとも一方の帯が検出できれば、エンコーダパターン１３Ｂの中心位置を正確に求めることができる。
次に、ステップＳ１２０では、ステップＳ１１８の直線状の読み込み結果から、画素列間の相関を算出し、相関性が所定の値よりも高いものを、角度情報部１３１の読取り結果として抽出する。
図７（ｂ）の例では、画素列ＩＩＩ〜Ｖは、画素値のパターンが高い相関性をしめす。したがって、画素列ＩＩＩ〜Ｖが角度情報部１３１の読込み結果である。
次に、抽出した画素列ＩＩＩ〜Ｖの画素値を垂直方向に加算して平均値を算出する。その結果が所定のしきい値よりも小さな場合を黒色部分と判断し、各黒色部分の幅を求める。次に、求めた幅の値が、狭幅、広幅のいずれに該当するかを判断し、狭幅のものをビット「０」すなわち縦線１３１ａ、広幅のものをビット「１」すなわち縦線１３１ｂとして読み取る。このように、複数の画素列から、平均値として画素値を算出すると、例えば、画素列ＩＶのように位置のずれた画素列が生じたとしても、位置のずれの影響を低減し、読取り精度を向上することができる。数回測定の加算平均による抽出も同様とする。
なお、エンコーダパターン部１３が円柱状であるため、縦線幅ｗ１，ｗ２およびピッチｐが、中心から遠ざかるにつれて、実際の幅よりも狭く観察される。例えば、図３（ａ）において、中央付近の広幅の縦線１３１ｂ１は、その幅ｗ２ａが、図３（ｂ）に示す展開図における広幅の縦線１３１ｂの幅（実際の幅）ｗ２とほぼ等しい幅で観察される。一方、中央部から最も遠い広幅の縦線１３１ｂ２は、その幅ｗ２ｂが、実際の幅ｗ２よりも狭く観察される。幅ｗ１およびピッチｐについても同様である。したがって、幅ｗ１およびｗ２は、配置によって観察される幅が変化するという影響を考慮して幅ｗ１と幅ｗ２の変化の範囲が重複しないように設定されていることが好ましい。
次に、ステップＳ１２１で、読取角演算部７７が、ステップＳ１１９において求めたエンコーダパターン１３Ｂの中心位置Ａを中央として左右に延びる所定幅Ｒの領域のビットパターンを、記憶部６３に記憶されたビットパターンと角度との相関と対比することにより、エンコーダパターン１３Ｂの基準方向ＲＤに対する周方向の角度、すなわち、エンコーダパターン読取角θＥを演算して処理を終了する。
２． 第２の実施の形態
２−１． 全体の構成
図８に示す通り、第２の実施の形態に係る角度検出システム２００は、第１の実施の形態と同一のターゲットユニット１０と、スキャナ装置Ｓとを備える。
２−２． スキャナ装置の構成
スキャナ装置Ｓは、いわゆるレーザスキャナであり、測距部２１０、測角部２４０，走査部２３０、エンコーダパターン読取部２２０、鉛直回転駆動部２３２、鉛直角検出器２４１、水平角検出器２４２、水平回転駆動部２５１、記憶部２５２、表示部２５３、操作部２５４、撮像部２５５、照明用発光部２５６、演算制御部２６０および外部記憶装置２４３備える。
また、スキャナ装置Ｓは、図示しないが、測量機ＴＳと略同様に三脚に取り付けられる整準台を介して設置され、基盤部と、基盤部に鉛直軸回りに３６０°水平回転可能に設けられた托架部と、托架部の凹部に水平軸回りに鉛直回転可能に設けられた望遠鏡部とを備える。
基盤部には、例えばモータである水平回転駆動部２５１および鉛直軸回りの回転角を検出する水平角検出器２４２が収納されている。水平回転駆動部２５１は、鉛直軸を中心に托架部を回転し、水平角検出器２４２は、托架部の鉛直軸周りの基盤部に対する回転角を検出し、検出信号を演算制御部に出力する。
托架部には、例えばモータである鉛直回転駆動部２３２、鉛直角検出器２４１、記憶部２５２および演算制御部２６０が設けられている。また、表示部２５３および操作部２５４は托架部の外部に設けられている。
鉛直回転駆動部２３２は、水平軸上に設けられ、鉛直回転駆動部２３２の回転により、望遠鏡部が鉛直方向に全周回転されるように構成されている。鉛直角検出器２４１は、例えばロータリエンコーダである。鉛直角検出器２４１は、水平軸上に設けられ、水平軸の回りの回転角を検出し、検出信号を演算制御部２６０に出力する。
望遠鏡部には、測距部２１０およびエンコーダパターン読取部２２０が収容されている。望遠鏡部の内部には、回動ミラー２３１を備える鏡筒（図示せず）が設けられており、この鏡筒を水平に回転させる軸は、托架部を水平に回転させる軸と同軸である。鏡筒は、望遠鏡部に適宜の手段で取り付けられている。
測距部は、測距光送光部、測距光受光部、ビームスプリッタ（図示せず）、測距光用ミラー、測距光用集光レンズおよび回動ミラー２３１等を有する公知の構成を有する。
発光素子は、例えば半導体レーザ等であり、測距光としてパルスレーザ光線を出射する。出射された測距光は、測距光用ミラーで反射され、さらに回動ミラー２３１によって反射されて測定対象物に照射される。また、回動ミラー２３１は、両面ミラーであり、鉛直回転駆動部２３２により駆動され水平軸周りに回転する。したがって、回動ミラー２３１と鉛直回転駆動部２３２により測距光を走査する走査部２３０を構成している。
ついで、測定対象物により再帰反射された測距光は、回動ミラー２３１、測距光用ミラー及び測距光用集光レンズを経て、測距光受光部に入射する。測距光受光部は、例えばフォトダイオードなどの受光素子である。また、測距光受光部には、先述のビームスプリッタにより分割された測距光の一部が内部参照光（図示せず）として入射するようになっており、反射測距光および内部参照光に基づいて、演算制御部２６０により、照射点までの距離を求める。
回動ミラー２３１の鉛直方向の回転と、前記托架部の水平方向の回転との協働により、測距光が２次元に走査される。測距部２１０によりパルス光毎の測距データが取得され、鉛直角検出器２４１および水平角検出器２４２によりパルス光ごとの測角データが取得される。
一方、エンコーダパターン読取部２２０は、図示しない読取光送光部、読取光受光部、読取光用ミラーおよび読取光用集光レンズを有する読取光用送受光光学系を備える。読取光送光部は、発光素子（図示せず）を備え、測距光とは異なる波長の光線、例えば可視光等をエンコーダパターン読取光として出射する。出射されたエンコーダパターン読取光は、読取光用ミラーによって反射される。さらに回動ミラー２３１によって反射されてエンコーダパターン１３Ｂに照射される。読取光を反射するのは、回動ミラー２３１の測距光３を反射する面の裏面である。
ついで、エンコーダパターン１３Ｂで反射された読取光は、回動ミラー２３１、読取光用ミラーおよび読取光用集光レンズを経て、読取光受光部に入射する。読取光受光部は、例えば、アバランシェフォトダイオードなどの受光素子である。読取光受光部に入力された受光信号は、受光光量分布として演算制御部２６０に出力される。
記憶部２５２は、例えばＲＯＭおよびＲＡＭを備える。記憶部６３は、測定に必要な計算プログラム、各種制御プログラムを格納している。また、エンコーダパターンの検出のためのサーチモデルのテンプレートパターンやエンコーダパターンのビットパターンと角度の相関等のエンコーダパターンの読み取りに必要な各種情報、設定等が格納されている。プログラム等は、必要に応じて、各機能部等により読み出される。また、必要な情報を適宜、記憶し、操作部２５４による、操作情報も適宜記憶する。
表示部２５３は、例えば液晶ディスプレイ等であり、演算制御部２６０により得られた作業状況データや測定結果等を表示する。操作部２５４は、タッチディスプレイや操作キー等であり、スキャナ装置に対する動作指令の入力を行う。
演算制御部２６０は、例えばＣＰＵである。演算制御部２６０は、スキャナ装置Ｓの他の構成部材と電気的に接続されている。
また、演算制御部２６０は、機能部として、ターゲット探索部２６１、ターゲットスキャン実行部２６２，スキャン速度設定部２６３、エンコーダパターン識別判定部２６４、および読取角演算部２６５を備える。
ターゲット探索部２６１は、特開２０１４−０８５１３４号公報に記載の方法と同様にして、撮像部２５５を用いて、照明用発光部２５６で照明した画像と、照明していない画像とを取得し、両画像に基づいて差分画像を取得し、差分画像および差分画像から検出される複数波長の反射光の検出強度に基づき反射ターゲット１１の中心を探索する。
ターゲットスキャン実行部２６２は、反射ターゲット１１の近傍を、反射ターゲット１１の周辺の範囲に対して、集中的に測距光を照射して測距・測角を実行し、測距・測角データから、反射ターゲットの測定座標を算出する。
スキャン速度設定部２６３は、ターゲットスキャン結果の測距データに基づいて、予め設定されたスキャン速度に設定する。スキャン速度と測距データは表形式などで、記憶部２５２に予め記憶されている。
エンコーダパターン識別判定部２６４、設定された速度でスキャンして得られた受光光量分布よりエンコーダパターンの識別が成功したかどうかを予め記憶したエンコーダパターンのパターンテンプレートと一致しているどうかで判断する。
読取角演算部２６５は、識別に成功したエンコーダパターン１３Ｂの受光光量分布から、エンコーダパターン１３Ｂの０°を示す基準方向ＲＤに対するスキャナ装置Ｓの視準光軸（周方向の角度）を演算する。
撮像部２５５は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサであり、上述の通り、ターゲット探索において、照明した画像と、照明していない画像を取得して、その差分を求めるために用いる。
照明用発光部２５６は、撮像部２５５により測定対象の画像情報を取得する際、および、に、照明光として発光するものであり、杭打ち作業に一般的に利用されているいわゆるガイドライトを利用することができる。
外部記憶装置２４３は、例えばメモリカード、ハードディスクドライブ、ＵＳＢメモリ等であり、演算制御部２６０に、固定的に設けられていてもよく、取り外し可能に設けられていてもよい。また、外部記憶装置２４３は、反射ターゲット測定データ、点群データ、測角データ、エンコーダパターン読取データ等を格納している。
２−３． 角度検出方法
以下、本実施の形態に係る、角度検出システム１００を用いる角度検出方法を、図９を参照しながら説明する。
処理を開始すると、ステップＳ２０１で、ターゲット探索部２６１がターゲットの探索を行う。ターゲットが検出されたら、ステップＳ２０２で、ターゲットスキャン実行部２６２がターゲットスキャンを行い、反射ターゲット１１の中心座標の距離および角度を算出する。
次に、ステップＳ２０３で、スキャン速度設定部２６３が、ステップＳ２０２の反射ターゲット１１の距離データに基づいて、記憶部２５２に記憶された距離に応じたスキャナ速度の設定に従って、スキャン速度を設置する。
次に、ステップＳ２０４で、設定されたスキャン速度で、エンコーダパターン１３Ｂにスキャン光を走査し、反射スキャン光を受光して、受光光量分布を取得する。
次にステップＳ２０５で、エンコーダパターン識別判定部２６４が、取得した受光光量分布が、予め記憶されているエンコーダパターンのパターンテンプレートと合致するかどうかを照合し、一致した場合をエンコーダパターンの識別成功として、判断する。
一致しない場合、ステップＳ２０６に進み、この判断（失敗）が１回目の場合、ステップＳ２０７でスキャン速度を１／２として、ステップＳ２０４〜Ｓ２０５を繰り返す。２回目に失敗をした場合には、ステップＳ２０８に進みエラー表示を表示部２５３に表示して、処理を終了する。
その後ステップＳ１１９〜Ｓ１２１と同様に、Ｓ２０９〜Ｓ２１１では、幅情報部と、角度情報部の抽出を行い、角度情報部から読み取ったビットパターンを、記憶部に予め記憶されたビットパターンと角度の相関とを対比することにより、エンコーダパターンの基準方向ＲＤに対する、周方向の角度θEを求めることができる。Ｓ２１１〜Ｓ２１３におけるデータ処理は、受け取るデータ形式が、第１の実施の形態では画素列であるのに対し、Ｓ２０９〜Ｓ２１１が受光光量分布である点で異なるが、概略同様の方法によるので詳細な説明は省略する。
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み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。
１０ ターゲットユニット
１１ 反射ターゲット
１３Ｂ エンコーダパターン
２０ 測量部
３０ 自動視準部
５０ エンコーダパターン読取部
５１ 第１の撮像部
５６ 第２の撮像部
６５ 表示部
６６ 照明用発光部
７０ 演算制御部
７３ 距離角度演算部
７４ 撮像倍率設定部
７５ 切取範囲調整部
７６ エンコーダパターン識別判定部
７７ 読取角演算部
８１ 枠
８１ａ 矩形部
８１ｂ 中心線

Claims (5)

  1. 反射ターゲットと、ターゲットユニットの中心軸周りの周方向の角度を示すエンコーダパターンとを備えるターゲットユニット、および
    前記反射ターゲットを測距および測角する測量部と、前記エンコーダパターンを含む画像を取得し、前記画像から前記エンコーダパターンの領域を切り取って、画素列を読み込むことによりビットパターンを読取るエンコーダパターン読取部と、表示部と、演算制御部とを備える測量機
    を備える角度検出システムであって、
    前記エンコーダパターン読取部は、焦点距離を変更可能な少なくとも１つの撮像部を備え、
    前記演算制御部は、
    前記測距および測角結果に基づいて前記反射ターゲットの距離および角度を算出する距離角度演算部と、
    前記距離に応じて、前記撮像部の撮像倍率を設定する撮像倍率設定部と、
    前記表示部に表示した前記画像を用いて、前記エンコーダパターンの切取領域を設定可能にした切取範囲調整部と
    取得した前記エンコーダパターンの画像が、予め記憶部に記憶された、エンコーダパターンのパターンテンプレートとを照合することにより、エンコーダパターンの識別の成否を判断し、エンコーダパターンの識別が失敗した場合に、撮像倍率を高めて再度読込を行うことを特徴とするエンコーダパターン識別判定部と、
    識別されたエンコーダパターンの画像に基づいてエンコーダパターン読取角θEを算出する読取角演算部とを備えることを特徴とする角度検出システム。
  2. 前記エンコーダパターン読取部は、焦点距離を変更可能な第１の撮像部と、前記第１の撮像部よりも狭角な画角を有し、焦点距離を変更可能な第２の撮像部とを備え、前記撮像倍率設定部は、前記距離に応じて前記第１の撮像部と、前記第２の撮像部とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の角度検出システム。
  3. 前記切取範囲調整部は、前記表示部に前記反射ターゲットの中心位置を表示し、切取領域を示す矩形の枠の１つの頂点および水平方向の中央を合致させて、切取領域を設定することができるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の角度検出システム。
  4. 前記エンコーダパターン識別判定部は、取得した前記エンコーダパターンの画像が、予め記憶部に記憶された、エンコーダパターンのパターンテンプレートと照合することにより、エンコーダパターンの識別の成否を判断し、エンコーダパターンの識別が失敗した場合に、照明用発光部を点灯させて、再度画像の取得を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の角度検出システム。
  5. 反射ターゲットと、ターゲットユニットの中心軸周りの周方向の角度を示すエンコーダパターンとを備えるターゲットユニットと、
    前記反射ターゲットを測距および測角する測量部と、スキャン光を出射して、前記エンコーダパターンからの反射光を受光して受光光量分布として取得してビットパターンを読み取るエンコーダパターン読取部と、表示部と、演算制御部を備えるスキャナ装置を備える角度検出システムであって、
    前記演算制御部は、
    前記測距および測角結果に基づいて前記反射ターゲットの距離および角度を算出するターゲットスキャン実行部と、
    前記距離に応じて、前記スキャナ装置のスキャン速度を設定する撮像倍率設定部と、
    前記エンコーダパターンの受光光量分布と、予め記憶部に記憶された、エンコーダパターンのパターンテンプレートとを照合することにより、エンコーダパターンの識別が成否を判断し、エンコーダパターンの読込が失敗した場合に、スキャン速度を減じて再度読込を行うことを特徴とするエンコーダパターン識別判定部と、
    識別されたエンコーダパターンの受光光量分布に基づいてエンコーダパターン読取角θEを算出する読取角演算部とを備えることを特徴とする角度検出システム。
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