JP5748566B2 - 三次元形状情報取得装置 - Google Patents

Description

本発明は、構造物等の測定対象の表面形状などの三次元形状情報等を非接触で計測して取得する技術に関する。

従来、測定対象の三次元形状情報を計測して取得する装置の一例として、例えば、定置式３Ｄスキャナ装置が知られている（特許文献１、図９等参照）。
このものは、ある固定点に３Ｄスキャナ装置を設置し、レーザ光を回転ミラーなどの光学要素を用いて放射して球状に走査し、測定対象に対する照射点の角度と距離を計測することにより、測定対象の三次元形状情報を取得するといったシステムである。

また、他の一例として、例えば、モービルマッピングシステムが知られており、このものは、自動車等の移動体に各種センサを搭載し、例えば、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、慣性航行装置、オドメトリ（車輪の回転センサ）により、自己位置を取得すると共に、これに関連付けてレーザ光による周囲の走査情報を三次元化して取得するといったシステムである（特許文献２、図１０等参照）。

特開２００４−１６３２００号公報 特開２０１０−２４９７０９号公報

しかしながら、定置式３Ｄスキャナには、例えば、以下のような問題がある。
（１）固定的な設置場所からレーザ光を回転ミラー等の光学要素を用いて放射して球状に走査し、測定対象である構造物の形状情報を取得するものであるため、測定対象である構造物への照射角度が測定部位によって異なることになる。このため、測定部位によって計測精度にばらつきが生じる。すなわち、測定対象である構造物に対して垂直にレーザー光を照射することが高い計測精度を得るうえで望ましいが、このことを、定置式３Ｄスキャナでは実現することができないといった実情がある。

（２）定置式３Ｄスキャナにおいては、固定的な設置場所からレーザ光を球状に放射することになるため、構造物表面までの距離に応じて計測データの疎密が生じるため、計測データの疎密の分布が激しくなるといった問題がある。
すなわち、レーザ光の単位時間当たりの照射角変化（ｄθ）は同一であるため、測定対象までの距離（Ｒ）により走査範囲（Ｒ・ｄθ）が決定されるため、測定対象までの距離が長いと走査密度が疎となり、測定対象までの距離が短いと走査密度が密となり、計測データにばらつきが生じ易くなるといったおそれがある。

（３）また、固定的な設置場所からレーザ光を球状に放射することになるため、レーザ光源と構造物との間に障害物があると、その障害物の裏側の構造物の形状を計測することができないといった問題がある。

（４）全球状に走査する必要があるため、設置場所での計測時間が長いといった問題がある。

（５）更に、狭隘な場所では、レーザ光源に近い場所と遠い場所との間で計測データの疎密の分布が激しくなるため、一定の計測精度を維持するためには、設置盛替（設置場所移動）を頻繁に行う必要があるといった問題がある。

また、モービルマッピングシステムには、以下のような問題がある。
（１）装置が大掛かりとなり、コストが嵩むといった欠点がある。
（２）ＧＰＳによる位置計測が困難な場所では、オドメトリのみの位置計測となるため、計測精度が低下するおそれがある。

なお、例えば建築工事やトンネル工事などにおいて、レーザスキャナなどを用いて建築物やトンネル内空面等の三次元形状変化を正確に取得することにより、出来形（例えば日々の形状変化量）などを正確に取得することができるため、工事の進捗具合やコストなどの正確な管理が可能となるなどその利用が期待されている。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ低コストな構成でありながら、短い計測時間で迅速に、広い範囲に亘って精度良く構造物等の測定対象の三次元形状情報を取得することができる三次元形状情報取得装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、
測定対象の三次元形状情報を取得する三次元形状情報取得装置であって、
移動可能な台車と、
当該台車に取り付けられレーザを利用して測定対象の二次元形状情報を取得する二次元形状情報取得手段と、
台車の位置情報を取得する台車位置情報取得手段と、
台車の姿勢情報を取得する台車姿勢情報取得手段と、
を備え、
台車位置情報と、二次元形状情報と、を関連付けると共に、台車姿勢情報に基づいて座標変換して測定対象の三次元形状情報を取得するものにおいて、
前記台車位置情報取得手段は、台車の基準位置に設置される一つの測定用ターゲットと、台車から離れて設置され前記測定用ターゲットまでの距離を測定する自動追尾機能付きのトータルステーションと、を含んで構成されると共に、
前記一つの測定用ターゲットは、前記基準位置から、該基準位置以外の別の参照位置までガイドレールに沿って台車上を移動可能に構成され、前記自動追尾機能付きのトータルステーションの自動追尾機能により、基準位置での測定後に、前記ガイドレールに沿って移動された参照位置の測定用ターゲットを、自動的に探して測定することにより、台車の初期ヨーイング角を把握することを特徴とする。

本発明において、前記測定用ターゲットは、全周プリズムであることを特徴とすることができる。

本発明は、簡単かつ低コストな構成でありながら、短い計測時間で迅速に、広い範囲に亘って精度良く構造物等の測定対象の三次元形状情報を取得することができる三次元形状情報取得装置を提供することができる。

本発明に係る一実施の形態の三次元形状測定（取得）装置の全体構成を概略的に示した側面図である。 同上実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置による測定対象の三次元形状情報の測定の様子を説明する斜視図である。 同上実施の形態に係る各座標系について説明するための斜視図である。 同上実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置においてトータルステーションに対する台車の姿勢情報の取得の様子を説明するための斜視図である。 同上実施の形態に係る２Ｄレーザスキャナによる形状センシングを説明するための説明図である。 同上実施の形態に係る２Ｄレーザスキャナの台車に対する取付姿勢を変更するための取付姿勢変更装置を説明するための図である。 同上実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置の利用態様の一例を模式的に示す側面図である。 同上実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置において利用されるソフトウェアについて説明するためのブロック図である。 （Ａ）は従来の定置式３Ｄスキャナの一例を示す図であり、（Ｂ）は従来の定置式３Ｄスキャナの他の一例を示す図である。 従来のモービルマッピングシステムの一例を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明に係る一実施の形態の三次元形状測定（取得）装置１の全体構成を概略的に示した図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１は、移動可能な台車２に計測ユニット１００が載置されて構成されると共に、計測ユニット１００には、台車２の姿勢情報を計測（取得）するためのジャイロ（３軸測定）１１０と、測定対象（構造物等）の二次元形状を計測するための２Ｄレーザスキャナ１２０或いはレーザ断面計測器１３０の少なくとも一つが備えられている。
ここで、ジャイロ（３軸測定）１１０が本発明に係る台車姿勢情報取得手段の一例に相当し、２Ｄレーザスキャナ１２０或いはレーザ断面計測器１３０が本発明に係る二次元形状情報取得手段の一例に相当する。

また、台車２にはパーソナルコンピュータＰＣが載置され、ジャイロ（３軸測定）１１０、２Ｄレーザスキャナ１２０、レーザ断面計測器１３０などからの情報が入力されるようになっている。

ジャイロ１１０としては、例えば光ファイバジャイロ（日本航空電子工業（ＪＡＥ）社製 ＪＣＳ７４０２）などを利用することができ、台車２延いては２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）の姿勢情報（ピッチング角、ローリング角、ヨ―イング角）に関する情報を取得するようになっている。

ここで、２Ｄレーザスキャナ１２０は、例えば、レーザによる計測対象物とセンサーの間をレーザパルスが往復する時間を計測することで距離を計測し、同時にレーザビームを発射した方向を計測することで、計測対象点の二次元座標情報を取得することができるように構成されている。なお、レーザビームの移動は、回転ミラーなどの光学要素を用いて、図５に例示したように、回転方向になされることができる。

２Ｄレーザスキャナ１２０としては、レーザレンジファインダ（ＳＩＣＫ社製 ＬＭＳ−１５１、エム・ティー・プリシジョン社製 ＬＤＭ３００（レーザ式簡易型建築限界測定器）など）を利用することができる。

レーザ断面計測器１３０は、レーザ距離計を３６０度回転させて、例えばトンネル壁面に沿って形状を連続的に計測し、これを一定時間間隔で行うことにより、長期間にわたるトンネル壁面の変形を、断面形状の変化で捉えることができるようにしたものである。

更に、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１の台車２には、後述するトータルステーション２００に対する台車２の相対位置を計測するための測定用ターゲットの一例である全周プリズム１４０が搭載されている。なお、全周プリズム１４０は、入射したレーザ光等を入射した方向へ反射させることができる光学要素である。

そして、所定距離離れた位置に設置したトータルステーション２００（ＴＳ：自動追尾機能付きのトータルステーション）により、この全周プリズム１４０を視準することで、台車２の正確な位置を取得するようになっている。
ここで、トータルステーション２００或いは台車２にＧＰＳが搭載される場合にはそのＧＰＳが、本発明に係る台車位置情報取得手段の一例に相当する。

トータルステーション２００からは、例えばトータルステーション２００自身がＧＰＳ情報を有する場合にはそのＧＰＳ情報を利用した自己位置情報、台車２（全周プリズム）の位置情報などが無線モデム２０１を介して送信され、台車２上の無線モデム１５０を介してＰＣに送られるようになっている。

なお、トータルステーションとは、光波、レーザ光などを用いて測定対象までの距離や角度などを計測する測定装置（光波測距儀）であり、例えば、作業者が単独作業可能なように、トータルステーション２００がプリズムやミラーなどの測定用ターゲットを自動的に探すような自動追尾機能付きのものを採用することができる。

ここで、トータルステーション２００としては、例えば、「ＴＯＰＣＯＮ社製 ＧＰＴ−９００５」や「ライカジオシステムズ社製 ＴＣＡ２００３」などを利用することができる。

このような構成の本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１では、図２に示すように、２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）により台車２の位置に応じて取得される測定対象（構造物など）の表面形状データ（二次元座標情報）と、トータルステーション２００及びジャイロ１１０から取得される台車２の位置情報及び姿勢情報と、を関連付けることで、測定対象（構造物など）の三次元形状情報を取得するようになっている。

図３は、本実施の形態における各座標系を説明するための斜視図である。
ここで、座標変換における形状データの取得原理について説明する。
２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）で計測した二次元形状データは、まずレーザスキャナ座標系（センサ座標系）（Σｓ）にて記録され、次に２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）を載置している台車２に対する２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）の取付位置・姿勢情報に基づいて台車座標系（Σｏ）に変換される。更に、測定対象である構造物の座標系である構造物座標系に対する位置・姿勢情報に基づいて、最終的に構造物座標系（ΣＩ）に変換されるようになっている。
このような座標変換技術は既知のものであり、例えば、「東急建設技術研究所報 Ｎｏ．３６ ２０１０」（平成２３年２月２８日発行）などの記載が参考となる。

ところで、トンネル内の工事現場などにおいて種々の方向へ移動される台車２は、トータルステーション２００に対して傾いた姿勢となっていることが多いため、そのままでは精度の高い計測を行うことができない。また、ジャイロ１１０により取得される台車２（延いては２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０））の姿勢のうち、初期ヨ―イング角については、トータルステーション２００に対する台車２の姿勢を把握することができなければ、正確な値を知ることができない。

このため、本実施の形態では、図４に示すように、基準位置（ＢＡＳＩＣ ＰＯＩＮＴ）Ｘにて全周プリズム１４０の位置情報をトータルステーション２００にて取得した後、台車２上の別の参照位置（ＲＥＦＥＲＥＮＣＥ ＰＯＩＮＴ）Ｙへ全周プリズム１４０を移動させ、その位置情報をトータルステーション２００により取得することで、トータルステーション２００に対する台車２の姿勢情報を取得するようになっている。

これにより、ジャイロ１１０により取得される台車２の初期ヨ―イング角についての正確な値の取得を可能にすると共に、正確な測定対象（構造物など）の三次元形状情報を取得することが可能となっている。初期ヨ―イング角さえ取得できれば、あとはジャイロ１１０によりヨーイング角を正確に取得することができる。

なお、全周プリズム１４０をガイドレール１４０Ａ上を作業者等が移動させることができるし、或いは電動モータその他の方法を利用して自動的に移動させるような構成を採用することもできる。
また、基準位置Ｘと、参照位置Ｙの双方に、全周プリズム１４０を設置した構成を採用することもできる。

ここで、本実施の形態では、トータルステーション２００の自動追尾機能を利用して、基準位置Ｘでの全周プリズム１４０の位置計測が終了した後、自動的に、参照位置Ｙにある全周プリズムを探すことができるようにしているので、作業者が全周プリズム１４０を手動によりガイドレール１４０Ａ上を参照位置Ｙまで移動させる場合であっても、トータルステーション２００が自動的に参照位置Ｙの全周プリズム１４０を探して計測するように動作するため、作業者は単独であっても、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１によって測定対象の三次元形状情報を取得することが可能となっている。

このようにして、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１では、２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）により取得された二次元形状情報、それに関連付けられた２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）の位置姿勢情報などに基づいて、ＰＣが各種演算を実行して、精度良く測定対象（構造物）の三次元形状情報を取得することができるようになっている。

なお、台車２に載置された無線モデム１５０や無線モデム２０１などを介して、計測現場から離れた管理センタ或いは作業現場事務所等のパーソナルコンピュータなどへも各種情報を送信可能であり、また、この無線モデム１５０や無線モデム２０１などを介して、管理センタ或いは作業現場事務所等のパーソナルコンピュータから、２Ｄレーザスキャナ１２０やレーザ断面計測器１３０の各種制御を遠隔操作等により行うことができるように構成することもできる。

ところで、本実施の形態において、情報通信装置としては、無線モデム１５０、２１０に限定されるものではなく、有線モデムを採用することも可能である。

図６は、２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）の台車２に対する取付姿勢を変更するための取付姿勢変更装置３００を説明するための図である。
この取付姿勢変更装置３００は、ヨーイング方向に回転可能なターンテーブル３０１と、ターンテーブル３０１にヨーイング方向と略直交する方向に回転可能に支持される回転フレーム３０２と、ターンテーブル３０１或いは回転フレーム３０２を台車２の前後左右方向に移動可能に支持するスライドガイド３０３などから構成されている。図６では、回転フレーム３０２に２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）が取り付けられている。

これにより、２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）を、台車２の進行方向、横方向、ピッチング方向、ローリング方向、ヨ―イング方向などに対してその取付位置を変更することができるため、台車２に対する２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）の取り付け姿勢をほぼ任意の姿勢に変更可能とすることができるため、最適な位置・姿勢により、測定対象の形状を測定することができる。

本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１は、例えば、図７に示すように、トンネル工事における掘削出来形の確認、トンネル切羽での余掘りの防止や支保工当取り確認などの際に利用することができる。これにより、トンネル工事の進度の把握や出来形を精度良く確認することができ、工事原価等の低減などに貢献可能である。
また、トンネル工事における一次覆工内空形状の把握を精度良く行うことができるため、二次覆工打設コンクリート量の検討や巻厚の確認などを精度良く行うことができるため、省力化、品質管理などに貢献することができる。

更に、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１は、図７に示したように、土木工事におけるインバート部（逆アーチ部）の掘削出来形の計測などにも利用することが可能となっている。また、締め固めシステムと併用することで、高さ管理（出来高管理）などを精度良く行うことに貢献することができる。

また、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１は、鉄道車両に対する建築限界などに対する計測などにも利用することができる。

図８は、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１において利用されるソフトウェアについて説明する図である。
図８に示したように、各センサには、それぞれ専用のドライバをプラグイン形式で準備しておくことによって、使用される個々のセンサが変更となった場合には、それぞれに対応したプラグインソフトウェアを準備するだけで、統合ソフトウェアに変更を加えることなく、様々なセンサを利用することが可能となっている。
例えば、トータルステーションの代わりにＧＰＳを使用する場合や、機種変更などに伴いレーザレンジファインダの後継機種を利用することなどを簡単に行うことが可能となる。

また、本実施の形態では、トータルステーション２００のデータ入力時刻を基準に、当該トータルステーション２００の保有する各種情報（トータルステーション２００の設置位置情報、台車２の位置姿勢情報など）と、当該トータルステーション２００の最近傍のジャイロ１１０の姿勢情報と、２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）の二次元形状データと、を相互に関連付け、座標変換の元データとしてこれらをカップリングするようにしたので、例えば計測現場から離れた管理センタ或いは作業現場事務所等のパーソナルコンピュータＰＣが複数の機器からデータを受信するような使用形態であっても、トータルステーション２００を特定すると、これに対応するジャイロ１１０及び２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）からの各種情報を自動的に特定することができるため、データの誤使用等を招くことなく、正確な三次元形状測定を行うことができる。

本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１によれば、計測ユニット１００が移動式であるため、レーザ光が測定対象に対して直角に近い状態で当たらないといった照射角度の問題や、測定対象までの距離の相違に起因する測定データ疎密の発生の問題を解消することができ、以って精度の高い三次元形状測定（取得）を行うことができる。

また、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１によれば、計測ユニット１００が移動式であるため、計測ユニット１００と構造物との間に障害物があっても、これを避けて計測することができるため、計測に死角が生じ難く、広い範囲に亘って抜けの無い精度の高い三次元形状測定（取得）を行うことができる。

また、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１によれば、２Ｄレーザスキャナ１２０（或いはレーザ断面計測器１３０）の取付位置や姿勢を変更可能に構成したので、測定対象に応じて自在に計測範囲を変更することができ、以って計測自由度を広げることができ、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１の使用範囲を広げることができる。

また、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１によれば、小型であるため、狭隘な場所や物陰などであっても、精度の高い三次元形状測定（取得）を行うことができる。

また、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１によれば、計測ユニット１００が移動式であるため、比較的広大な範囲であっても短時間で精度の高い三次元形状測定（取得）を行うことができる。例えば、４００ｍのトンネル内空面を計測する場合、設置作業を含んで定置式３Ｄスキャナは２日掛かる（作業者には、定置式３Ｄスキャナを設置しては計測し、計測したら移動させる、といった作業の繰り返しが必要となる）が、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１では１時間弱で済むため、大幅な作業時間の軽減延いては工期の短縮にも貢献することができる。

また、本実施の形態に係る三次元形状測定（取得）装置１によれば、プラグイン形式を採用しているため、使用可能なセンサが、特定のセンサ（ジャイロ、レーザスキャナなど）に限定されることがないため、汎用性が高く、ユーザーフレンドリーな三次元形状測定（取得）装置を提供することができる。

なお、本実施の形態では、台車を利用して説明したが、これに限定されるものではなく、計測ユニット１００を例えば電動カートや軽自動車等に載置したり、作業者が背負ったりするといった場合にも適用可能である。

以上で説明した本発明に係る実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

１ 三次元形状測定（取得）装置
２ 台車
１００ 計測ユニット
１１０ ジャイロ（３軸測定）
１２０ ２Ｄレーザスキャナ
１３０ レーザ断面計測器
１４０ 全周プリズム（測定用ターゲット）
１４０Ａ ガイドレール
１５０ 無線モデム
２００ トータルステーション
Ｘ 基準位置
Ｙ 参照位置

Claims (2)

1. 測定対象の三次元形状情報を取得する三次元形状情報取得装置であって、
   移動可能な台車と、
   当該台車に取り付けられレーザを利用して測定対象の二次元形状情報を取得する二次元形状情報取得手段と、
   台車の位置情報を取得する台車位置情報取得手段と、
   台車の姿勢情報を取得する台車姿勢情報取得手段と、
   を備え、
   台車位置情報と、二次元形状情報と、を関連付けると共に、台車姿勢情報に基づいて座標変換して測定対象の三次元形状情報を取得するものにおいて、
   前記台車位置情報取得手段は、台車の基準位置に設置される一つの測定用ターゲットと、台車から離れて設置され前記測定用ターゲットまでの距離を測定する自動追尾機能付きのトータルステーションと、を含んで構成されると共に、
   前記一つの測定用ターゲットは、前記基準位置から、該基準位置以外の別の参照位置までガイドレールに沿って台車上を移動可能に構成され、前記自動追尾機能付きのトータルステーションの自動追尾機能により、基準位置での測定後に、前記ガイドレールに沿って移動された参照位置の測定用ターゲットを、自動的に探して測定することにより、台車の初期ヨーイング角を把握することを特徴とする三次元形状情報取得装置。
2. 前記測定用ターゲットは、全周プリズムであることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状情報取得装置。