JP5378259B2 - 電子レベル - Google Patents

Description

本発明は、電子レベル（電子式水準儀）に関し、さらに詳細には、ウェービング法によって２地点の高低差を測定することができる電子レベルに関する。

２地点の高低差を高精度に測定するには、円形気泡管を標尺に取り付けて、作業員が円形気泡管を見ながら標尺を鉛直に保持し、別の作業員がレベルで標尺の目盛を読むことによって行っている。一方、測量作業時には、円形気泡管を標尺にいちいち取り付ける必要があるうえ、下げ振り等を用いて円形気泡管の精度確認も必要となる等、煩わしい作業もあった。このため、図１に示したように、標尺２に円形気泡管を取り付けずに標尺２をレベル１に向かって前後に揺動させながら、作業員が標尺２の目盛の読み値の最小となるところを探して測定値とするウェービング法と呼ばれる測定方法も普通に行われている。

ところで、近年では、標尺の目盛を自動的に読める電子レベルも出現している。電子レベルとは、目盛としてバーコードが付された標尺を用いることによって、自動的に目盛を読めるようにしたレベルである。しかしながら、現在のところ、ウェービング法に対応できる電子レベルが無く、このことが電子レベルの普及に対する障害の１つになっていた。

このような状況に対して、下記特許文献１にウェービング法に対応できる電子レベルが開示されている。

図５に基づいて、下記特許文献１に開示された電子レベルについて説明する。この電子レベルは、標尺２の石突きを測定点に固定し、標尺２を電子レベルに向かって前後に揺動させながら、標尺２の像Ｓを二次元センサ１７上に投影する。そして、この像ＳをＹ軸と平行な走査線ＣＴに沿って走査すると、標尺２に描かれた目盛パターンに応じた信号波形Ｚが得られる。所定のサンプリング周期で信号波形Ｚを得ると、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したように信号波形Ｚが変化する。これらの信号波形Ｚから標尺２上の識別点Ｐの走査線ＣＴ上の位置が求まり、この識別点Ｐが走査線ＣＴ上で最も一方側（標尺２の高い方に対応する側）へ移動したとき、二次元センサ１７で捉えた標尺２の目盛パターンを図示しない画像メモリに記憶する。ここで、画像メモリに記憶された目盛パターンの画像を読むと、２地点の高低差を測定することができる。

特開平１１−３０５１７号公報

ところで、前記特許文献1に開示された電子レベルでは、ウェービング法を行うには、信号波形Ｚを得るサンプリング周期を充分に短くしないと、標尺が完全に鉛直になった瞬間の標尺２の画像が得られないため、誤差が出るという問題があった。しかし、二次元センサ１７上に投影された画像を処理するにはある程度の時間がかかるため、サンプリング周期を短くすることには限界があった。また、標尺２に描かれた目盛パターンは、似たような形状をしているため、標尺２上の識別点Ｐを見失って、測定に失敗することもあるという問題もあった。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、ウェービング法を用いても２地点の高低差を正確に測定できる電子レベルを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明の電子レベルは、前後に揺動させている標尺の目盛を所定周期で読んで高さ読取値を記憶する標尺読み込み手段と、該標尺読み込み手段で読み込んだ高さ読取値を時間に関する多項式で近似する近似関数決定手段と、該近似関数決定手段で近似した多項式の最小値を高さ測定値とする測定値算出手段とを備えた。

請求項２に係る発明の電子レベルは、前後に揺動させている標尺の目盛を読んで高さ読取値を記憶するとともに、そのときの時刻を記憶する標尺読み込み手段と、該標尺読み込み手段で読み込んだ高さ読取値を時間に関する多項式で近似する近似関数決定手段と、該近似関数決定手段で近似した多項式の最小値を高さ測定値とする測定値算出手段とを備えた。

請求項３に係る発明の電子レベルは、請求項１又は２に係る発明において、前記多項式を二次関数とした。

請求項４に係る発明の電子レベルは、請求項１、２又は３に係る発明において、前記高さ測定値を複数個得て平均値を算出する平均値算出手段を備えた。

請求項５に係る発明の電子レベルは、請求項４に係る発明において、前記高さ測定値の分散算出して、前記分散が所定値以上の場合は、前記平均値をエラーとする平均値判定手段を備えた。

請求項１に係る発明によれば、前後に揺動させている標尺の目盛を所定周期で読んで高さ読取値を記憶する標尺読み込み手段と、該標尺読み込み手段で読み込んだ高さ読取値を時間に関する多項式で近似する近似関数決定手段と、該近似関数決定手段で近似した多項式の最小値を高さ測定値とする測定値算出手段とを備えたから、標尺が完全に鉛直になった瞬間の高さ測定値が得られなくても、正確な高さ測定値が得られる。しかも、従来の電子レベルの内蔵ＣＰＵのプログラムを若干修正するだけの簡単な改造で済むので経済的である。

請求項２に係る発明によれば、前後に揺動させている標尺の目盛を読んで高さ読取値を記憶するとともに、そのときの時刻を記憶する標尺読み込み手段と、該標尺読み込み手段で読み込んだ高さ読取値を時間に関する多項式で近似する近似関数決定手段と、該近似関数決定手段で近似した多項式の最小値を高さ測定値とする測定値算出手段とを備えたから、請求項１に係る発明と同様な効果が得られる。

請求項３に係る発明によれば、さらに、前記多項式が二次関数とされたから、迅速に正確な高さ測定値が得られる。

請求項４に係る発明によれば、さらに、高さ測定値を複数個得て平均値を算出する平均値算出手段を備えるから、いっそう高精度の高さ測定値が得られる。

請求項５に係る発明によれば、さらに、前記高さ測定値の分散算出して、前記分散が所定値以上の場合は、前記平均値をエラーとする平均値判定手段を備えたから、分散が大きく信頼できない測定値を除くことができる。

ウェービング法と呼ばれる測定方法を説明する図である。 標尺の傾斜角と高さ読取値の関係を示すグラフである。 ウェービング法を用いたときの時間と高さ読取値の関係を示すグラフである。 本発明の電子レベルでウェービング法によって高さ測定をする手順の一例を説明するフローチャートである。 ウェービング法によって高さ測定できる従来の電子レベルを説明する図である。

以下、図１〜図４に基づいて、本発明の電子レベルの一実施例を説明する。電子レベルには、高さ測定とスタジア測定による距離測定を連続的かつ高速に行えるものがある。このような電子レベルにおいて、内蔵ＣＰＵのプログラムを若干改良すると、ウェービング法による測定が可能になる。

図１から分かるように、レベル１では、標尺２が鉛直であるときは正確な高さの読取値Ｌ０が得られるが、標尺２が傾斜角θを有しているときは、正確な高さより大きな読取値Ｌθが得られる。ただし、ＬθとＬ０間には次式が成立する。
Ｌθ＝Ｌ０／ｓｉｎθ （１）

（１）式から傾斜角θと高さ読取値Ｌθの関係をグラフにすると、図２に示したような曲線３が得られる。ここで、高さ読取値Ｌθの最小値４が最も正確な高さ測定値である。この曲線３は、正しくは（１）式で表されるが、高さ読取値Ｌθの最小値４付近に限れば二次関数のような多項式（有理整関数）で近似できる。もし、標尺２を一定の角速度で揺動させることができるとすれば、傾斜角θを時間に変えても同様な曲線が得られる。

そこで、標尺２を複数回揺動させて、時間ｔと高さ読取値Ｌθの関係をグラフにすると、図３に示すような曲線５が得られる。ここで、曲線５の谷の最小値付近７の３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の高さ読取値Ｌθを用いて、曲線５の谷の最小値付近７を二次関数で近似し、二次関数の最小値を求めると複数個の高さ測定値が得られる。そして、複数個の高さ測定値の平均を取れば、最も確からしい高さ測定値が得られる。ここで、二次関数の代わりに偶数次多項式（４次関数等）や三角関数を使うことも可能であるが、計算が複雑になって処理時間が長くなる割には精度の向上が期待できないので、本実施例では二次関数を用いた。

前述した最も確からしい高さ測定値を得る手順を、図４に示したフローチャートに基づいて、さらに詳細に説明する。

図１に示したように、電子レベル１と標尺２を設置して測定を開始する。測定を開始すると、ステップＳ１に進んで、標尺２側の作業員は標尺２の揺動を開始する。次に、ステップＳ２に進んで、電子レベル１は標尺２のバーコードの読み取りを多数回行って高さ読取値Ｌθを記憶するとともに、読み取った時刻ｔも記憶し、図３に示したような時刻ｔと高さ読取値Ｌθに関する曲線５を求める。

次に、ステップＳ３に進んで、曲線５の各谷の最小値付近７に関して、高さ測定値算出に用いるために適切な連続する３点Ｐ１（ｔ１，Ｌ１）、Ｐ２（ｔ２，Ｌ２）、Ｐ３（ｔ３，Ｌ３）を選んで、二次関数で近似する。ただし、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３のときの高さ読取値Ｌθが、それぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３である。

適切な連続する３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を選ぶには、次の（２）〜（４）の３式が満たされたときとする。
Ｌ1＞Ｌ２ かつ Ｌ２＜Ｌ３ （２）
Ｌ＜Ｌ１−Ｌ２＜Ｈ （３）
Ｌ＜Ｌ３−Ｌ２＜Ｈ （４）

ただし、Ｌは高さ読取値変化の最小制限値であり、Ｈは高さ読取値変化の最大制限値である。高さ読取値変化の最小制限値Ｌを設ける理由は、地面の振動や大気の揺らぎによる高さ読取値Ｌθのばらつきとウェービングによる高さ読取値Ｌθの変化を区別するためである。地面の振動や大気の揺らぎによる高さ読取値Ｌθのばらつきは、距離が遠いほど大きくなるため、高さ読取値変化の最小制限値Ｌは、距離に応じて変えるようにしている。

また、高さ読取値変化の最大制限値Ｈを設ける理由は、ウェービングが早過ぎる場合、イメージセンサの光蓄積時間の間に画像センサ上を標尺の像が動いてしまって、正確な高さ測定ができなくなる場合があるからである。ウェービングによる高さ読取値Ｌθの変化は、標尺２上の高さが高いほど大きくなるため、高さ読取値変化の最大制限値Ｈは、標尺２上の高さに応じて変えるようにしている。この他、内蔵ＣＰＵの演算速度に余裕があれば、前記（２）〜（４）式に次の（５）式及び（６）式の条件を付加してもよい。
ｔ２−ｔ１＜ΔＴ かつ ｔ３−ｔ２＜Δｔ （５）
｜（ｔ２−ｔ１）−（ｔ３−ｔ２）｜＜δｔ （６）

ただし、Δｔはデータ取得の時間間隔の最大制限値であり、δｔはデータ取得の時間間隔変化の最大制限値である。

ここで、所定時間が経過しても、最小値付近７の３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が決定できないときは、警報を発して、作業員にウェービングが不適切であるか、その他の不適切な測定環境が存在する旨の注意を促す。

ステップＳ３において、高さ測定値算出に用いるために適切な連続する３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が決定されたときは、ステップＳ４に進んで、３点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を通る曲線を二次関数で近似し、この二次関数の最小値を算出して、この最小値を高さ測定値として記憶する。次に、ステップＳ５に進んで、所定数以上の高さ測定値が得られたかどうか調べる。所定数以上の高さ測定値が得られていない場合は、ステップＳ２に戻って、所定数以上の高さ測定値が得られるまで、ステップＳ２〜Ｓ５を繰り返す。

所定数以上の高さ測定値が得られたときは、ステップＳ６に進んで、他の高さ測定値から大きくかけ離れた値で明らかに誤ったと判断できる高さ測定値を除いて、高さ測定値の平均値を求め、この高さ平均値を最も確からしい高さ測定値として表示する。この際、高さ測定値の分散も算出して、分散が所定値以上の場合は、測定値が信頼できないとして、警報を発するとともにエラー表示する。次に、ステップＳ７に進んで、測定終了を音声で報知する。そして、ステップＳ８に進んで、エラー表示がなければ、標尺２側の作業員は標尺２の揺動を止めて、この測定を終了し、次の測定点へ移動する。エラー表示があったときは、同じ標尺について再測定する。

この電子レベルでは、ウェービング法を用いても２地点の高低差を正確に測定でき、しかも、従来の電子レベルの内蔵ＣＰＵのプログラムを若干修正するだけの簡単な改造で済んで経済的である。

ところで、本発明は前記実施例に限るわけではなく、種々の変形が可能である。たとえば、前記実施例では、ステップＳ２で高さ読取値Ｌθと同時に時刻ｔも記憶したが、所定周期で高さ読取値Ｌθを取得していけば、時刻ｔを記憶する必要はない。

１ 電子レベル
２ 標尺
Ｌθ 標尺の傾斜角θのときの高さ読取値

Claims (5)

1. 前後に揺動させている標尺の目盛を所定周期で読んで高さ読取値を記憶する標尺読み込み手段と、該標尺読み込み手段で読み込んだ高さ読取値を時間に関する多項式で近似する近似関数決定手段と、該近似関数決定手段で近似した多項式の最小値を高さ測定値とする測定値算出手段とを備えた電子レベル。
2. 前後に揺動させている標尺の目盛を読んで高さ読取値を記憶するとともに、そのときの時刻を記憶する標尺読み込み手段と、該標尺読み込み手段で読み込んだ高さ読取値を時間に関する多項式で近似する近似関数決定手段と、該近似関数決定手段で近似した多項式の最小値を高さ測定値とする測定値算出手段とを備えた電子レベル。
3. 前記多項式が二次関数である請求項１又は２に記載の電子レベル。
4. 前記高さ測定値を複数個得て平均値を算出する平均値算出手段を備えた請求項１、２又は３に記載の電子レベル。
5. 前記高さ測定値の分散も算出して、前記分散が所定値以上の場合は、前記平均値をエラーとする平均値判定手段を備えた請求項４に記載の電子レベル。

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