JP6326237B2

JP6326237B2 - 測定システム

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Publication number: JP6326237B2
Application number: JP2014017618A
Authority: JP
Inventors: 大友　文夫; 文夫大友; 熊谷　薫; 薫熊谷; 大佛　一毅; 一毅大佛; 大谷　仁志; 仁志大谷
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Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2018-05-16
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Description

本発明は小型無人飛行体（ＵＡＶ：ＵｎｍａｎｎｅｄＡｉｒＶｅｈｉｃｌｅ）を用いて構造物等の測定を行う測定システムに関するものである。

近年、ＵＡＶ（ＵｎｍａｎｎｅｄＡｉｒＶｅｈｉｃｌｅ：小型無人飛行体）の進歩に伴い、ＵＡＶに各種装置を搭載しＵＡＶを遠隔操作して、或はＵＡＶを自動飛行させ、所要の作業が行われている。例えばＵＡＶに写真測量用カメラ、スキャナを搭載し、上空から下方の測定、或は人の立入れない場所での測定が行われる。又、ＵＡＶ自体の位置測定には、ＵＡＶにＧＰＳを搭載し、該ＧＰＳによりＵＡＶの位置が測定される。

ところが、ダムや建物の側面、橋梁の下では、人工衛星からの電波を受信できず、ＵＡＶの位置測定ができない。この為、ＵＡＶの遠隔操作ができない、或はＵＡＶによる測定ができないという問題があった。

特開平８−２８５５８８号公報特開２０１０−３８８２２号公報特開２００６−１０３７６号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、人工衛星からの電波を受信できない環境でも、ＵＡＶの遠隔操作及び自動飛行を可能とし、而も、写真測量用カメラ、スキャナ、スペクトルカメラを搭載したＵＡＶでは測定できない場所、環境でも建物、ダム等の構築物の測定を可能とした測定システムを提供するものである。

本発明は、ＧＰＳ装置及び測定装置を搭載し遠隔操縦可能な飛行装置と、測距、測角、追尾が可能であり、任意の位置に設置された位置測定装置と、飛行体の飛行を制御する地上基地と、該地上基地とデータの授受を行い、前記飛行装置と無線通信可能な遠隔操縦機と、前記飛行装置又は前記地上基地に設けられた制御装置とを有する測定システムであって、前記飛行装置は、測定対象としての再帰反射体を具備し、前記位置測定装置は前記再帰反射体を追尾し、測距、測角を行う様構成され、前記飛行装置は飛行中少なくとも２点で前記ＧＰＳ装置によりＧＰＳ座標を取得し、前記位置測定装置は設置地点から前記飛行装置の前記２点の位置を測定し、前記制御装置の内のいずれかは、２点の前記ＧＰＳ座標と前記位置測定装置による測距結果及び測角結果に基づき該位置測定装置の設置地点の絶対座標又はＧＰＳ座標を求める様構成された測定システムに係るものである。

又本発明は、前記制御装置は、前記絶対座標又は前記ＧＰＳ座標に基づき前記飛行装置の飛行を制御する測定システムに係るものである。

又本発明は、前記測定装置は測定対象物の形状を測定する形状測定装置であり、前記制御装置は、測定位置で前記形状測定装置により取得した測定対象物の形状と、前記位置測定装置の測定結果を変換して得られた前記測定位置の絶対座標又は前記ＧＰＳ装置により取得されたＧＰＳ座標に基づき前記測定対象物の形状の座標を取得する測定システムに係るものである。

又本発明は、前記測定装置がカメラであり、前記制御装置は、少なくとも飛行中の２点で前記カメラにより取得した測定対象物の画像と、前記位置測定装置の測定結果を変換して得られた前記２点の絶対座標又はＧＰＳ座標又は前記ＧＰＳ装置で取得した前記２点の絶対座標又はＧＰＳ座標に基づき測定対象物の写真測量を行う測定システムに係るものである。

又本発明は、前記位置測定装置は複数の任意地点に設置され、前記制御装置は前記位置測定装置の各設置地点の絶対座標又はＧＰＳ座標を取得し、各設置地点から前記位置測定装置により測定し、取得した測定結果をそれぞれ絶対座標又はＧＰＳ座標に変換し、各設置地点から測定し得られた測定結果を統合する測定システムに係るものである。

更に又本発明は、前記飛行装置の前記測定装置は前記位置測定装置の死角範囲を測定し、前記位置測定装置は前記飛行装置の飛行不能範囲又は前記ＧＰＳ装置による位置測定不能範囲を測定し、前記制御装置は前記位置測定装置の測定結果をＧＰＳ座標又は絶対座標に変換し、前記飛行装置の測定装置で測定した結果と前記位置測定装置で測定した結果とを統合する測定システムに係るものである。

本発明によれば、ＧＰＳ装置及び測定装置を搭載し遠隔操縦可能な飛行装置と、測距、測角、追尾が可能であり、任意の位置に設置された位置測定装置と、飛行体の飛行を制御する地上基地と、該地上基地とデータの授受を行い、前記飛行装置と無線通信可能な遠隔操縦機と、前記飛行装置又は前記地上基地に設けられた制御装置とを有する測定システムであって、前記飛行装置は、測定対象としての再帰反射体を具備し、前記位置測定装置は前記再帰反射体を追尾し、測距、測角を行う様構成され、前記飛行装置は飛行中少なくとも２点で前記ＧＰＳ装置によりＧＰＳ座標を取得し、前記位置測定装置は設置地点から前記飛行装置の前記２点の位置を測定し、前記制御装置の内のいずれかは、２点の前記ＧＰＳ座標と前記位置測定装置による測距結果及び測角結果に基づき該位置測定装置の設置地点の絶対座標又はＧＰＳ座標を求める様構成されたので、前記位置測定装置の設置位置の絶対座標又はＧＰＳ座標を取得できない、取得しにくい場所での測定が容易となる。

又本発明によれば、前記制御装置は、前記絶対座標又は前記ＧＰＳ座標に基づき前記飛行装置の飛行を制御するので、前記ＧＰＳ装置での位置測定ができない場合は、前記位置測定装置の測定結果で、又該位置測定装置による前記飛行装置の位置測定ができない場合は、前記ＧＰＳ装置の位置測定結果で前記飛行装置の遠隔操縦が行え、測定環境の制約がなくなる。

又本発明によれば、前記測定装置は測定対象物の形状を測定する形状測定装置であり、前記制御装置は、測定位置で前記形状測定装置により取得した測定対象物の形状と、前記位置測定装置の測定結果を変換して得られた前記測定位置の絶対座標又は前記ＧＰＳ装置により取得されたＧＰＳ座標に基づき前記測定対象物の形状の座標を取得するので、形状の複雑な、或は大型の測定対象物の形状を測定できる。

又本発明によれば、前記測定装置がカメラであり、前記制御装置は、少なくとも飛行中の２点で前記カメラにより取得した測定対象物の画像と、前記位置測定装置の測定結果を変換して得られた前記２点の絶対座標又はＧＰＳ座標又は前記ＧＰＳ装置で取得した前記２点の絶対座標又はＧＰＳ座標に基づき測定対象物の写真測量を行うので、前記ＧＰＳ装置での位置測定ができない場所でも前記飛行装置を用いた写真測量を行うことができる。

更に又本発明によれば、前記位置測定装置は複数の任意地点に設置され、前記制御装置は前記位置測定装置の各設置地点の絶対座標又はＧＰＳ座標を取得し、各設置地点から前記位置測定装置により測定し、取得した測定結果をそれぞれ絶対座標又はＧＰＳ座標に変換し、各設置地点から測定し得られた測定結果を統合するので、複雑な土地での測定、複雑な形状の測定対象物の測定を容易に可能とする等の優れた効果を発揮する。

本実施例に係る測定システムを示す構成図である。（Ａ）は本実施例に係る飛行装置の斜視図、（Ｂ）は方向角センサの一例を示す斜視図である。前記飛行装置の断面図である。該飛行装置の制御系の構成図である。本実施例に係る位置測定装置の一例を示す概略構成図である。本実施例に係る地上基地の概略構成、及び飛行装置、位置測定装置、地上基地、遠隔操縦機の関連を示す図である。本実施例に於ける位置測定装置の設置位置の測定を示すフローチャートである。本実施例に於ける飛行装置の誘導を示すフローチャートである。本実施例に於ける飛行装置の誘導、飛行装置及び位置測定装置による測定を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本実施例に係る測定システムを説明する。

測定システム１は、主に各１台の飛行装置（ＵＡＶ）２、位置測定装置３、地上基地４、遠隔操縦機５から構成される。尚、図１では、前記位置測定装置３としてトータルステーション（ＴＳ）が用いられた場合を示している。

前記飛行装置２は、主に飛行体１５（後述）と、該飛行体１５にジンバル機構を介して鉛直に支持された支持部材としてのシャフト６と、該シャフト６の下端に設けられた撮像装置としてのカメラ７と、前記シャフト６の上端に設けられたＧＰＳ装置８と、前記シャフト６の下端に設けられた再帰反射体としてのプリズム９と、該プリズム９と一体に設けられ、前記カメラ７の光軸と既知の関係で設けられた方向角センサ１０と、前記地上基地４との間で通信を行う飛行体通信部１１とを具備している。

ここで、前記飛行装置２について、基準位置が設定され、該基準位置と前記カメラ７、前記ＧＰＳ装置８、前記プリズム９との関係は既知となっている。尚、前記飛行装置２の基準位置としては、例えば、前記カメラ７の画像素子（図示せず）の中心位置等とする。

尚、前記カメラ７は水平な軸を介して中心に回転可能に支持され、前記カメラ７の光軸は前記シャフト６の軸心と平行な平面内を回転する様になっている。又、前記カメラ７の回転範囲は、少なくとも前記カメラ７の光軸が鉛直の位置から水平な位置迄の範囲を含む。

前記シャフト６は前記ジンバル機構により、該シャフト６の軸心が鉛直となる様に支持されるので、前記カメラ７の光軸が鉛直となる場合は、該カメラ７の光軸と前記シャフト６の軸心とは合致する。

前記プリズム９の光軸も前記シャフト６の軸心と平行になる様に設けられており、鉛直となる様に設定され、更に前記プリズム９と前記カメラ７との位置関係も既知となっている。尚、前記カメラ７、該カメラ７及び前記プリズム９の光軸が鉛直になる様支持されればよく、前記シャフト６の軸心は必ずしも鉛直でなくてもよい。

前記プリズム９は下方に向けて設けられ、該プリズム９は下方全範囲から入射される光を再帰反射する光学特性を有している。又、前記プリズム９の代りに反射シールを前記シャフト６の所定位置に設けてもよい。

前記ＧＰＳ装置８が測定する位置は、前記シャフト６の軸心上に存在し、且つ前記ＧＰＳ装置８が測定する位置は、前記カメラ７に対して既知となっている。

前記方向角センサ１０は、前記飛行装置２の向きを検出する。前記方向角センサ１０としては、例えば以下のものがある。

周囲に円周所要等分した位置に受光センサ３０が設けられ、それぞれの受光センサ３０は、前記位置測定装置３から発せられる測距光、或は追尾光を受光可能であり、どの受光センサ３０が測距光、或は追尾光を検知したかを判断することで、測距光、或は追尾光に対する向き（即ち、前記位置測定装置３に対する向き）を検出する様になっている。

前記位置測定装置３は任意の位置に設置され、更に該位置測定装置３が水平となる様に整準される。該位置測定装置３は、ノンプリズム測定（プリズム、再帰反射体を用いない測定）及びプリズム測定（プリズム、再帰反射体を測定対象とする測定）による距離測定が可能であると共に水平角、鉛直角が測定可能である。

ノンプリズム測定は、前記位置測定装置３の設置位置を基準として、予定した範囲をノンプリズム測定可能である。

又、前記位置測定装置３は追尾機能を有し、プリズム測定している状態では、前記位置測定装置３は、前記飛行装置２の飛行中、前記プリズム９を追尾しつつ、該プリズム９の前記位置測定装置３の設置位置を基準とした３次元座標（斜距離（ｓｌｏｐｅｄｉｓｔａｎｃｅ）、水平角、鉛直角）を測定する。尚、前記位置測定装置３として、トータルステーション（ＴＳ）が用いられているが、追尾機能を有し、斜距離、水平角、鉛直角が測定できれば、ＴＳに限定されるものではない。

前記位置測定装置３は前記地上基地４と有線或は無線により電気的に接続され、測定された３次元座標は座標データとして前記地上基地４に入力される。

前記位置測定装置３の設置位置（絶対座標）は、以下の方法により測定できる。

該位置測定装置３による飛行中の前記飛行装置２の位置を測定し、更に前記ＧＰＳ装置８により前記飛行装置２の２箇所の位置座標を測定し、前記位置測定装置３で取得した測定結果、前記ＧＰＳ装置８で取得した位置座標（ＧＰＳ座標）に基づき、後方交会法により、前記位置測定装置３の設置位置（ＧＰＳ座標）が測定される。更に、ＧＰＳ座標を座標変換することで絶対座標が求められる。従って、ＧＰＳ座標を求めれば、前記位置測定装置３の絶対座標を求めることができ、該位置測定装置３が測定した３次元座標は、絶対座標に変換でき、前記位置測定装置３の設置位置を基準としてノンプリズム測定した結果も、絶対座標に変換できる。

更に又、前記位置測定装置３により前記プリズム９（即ち、前記飛行装置２）を追尾し、測定した前記プリズム９の３次元座標（即ち、前記飛行装置２の３次元座標）も、同様にＧＰＳ座標、更に絶対座標に変換できる。従って、前記位置測定装置３により測定した前記飛行装置２の位置座標を、前記地上基地４から前記飛行装置２にリアルタイムで送信することで、前記位置測定装置３が測定した位置座標に基づき前記飛行装置２を飛行させることができる。尚、以下の説明では前記位置測定装置３の測定結果をＧＰＳ座標系に変換したものもＧＰＳ座標と称す。

前記地上基地４は、例えばＰＣであり、演算機能を有する演算装置、データ、プログラムを格納する記憶部、更に基地通信部を有し、該基地通信部は前記位置測定装置３、前記遠隔操縦機５と通信可能であり、該遠隔操縦機５は前記飛行体通信部１１との間で無線通信が可能となっている。又、前記地上基地４は、ノンプリズム測定の結果に基づき飛行安全範囲を設定し、該飛行安全範囲内で前記飛行装置２が遠隔操作される様、前記遠隔操縦機５に飛行範囲に関する制御データを送信する。

前記遠隔操縦機５は、前記飛行装置２の飛行を遠隔操作するものであり、前記地上基地４より飛行範囲に関する飛行範囲制限データが送信された場合は、前記遠隔操縦機５から送信される飛行制御信号は飛行範囲制限データの制限を受け、前記飛行装置２が前記飛行安全範囲内を飛行する様に制御する。又、前記カメラ７、該カメラ７のシャッタを遠隔操作可能となっている。

尚、前記飛行装置２は後述する様に、制御装置を具備しているので、該制御装置に飛行計画データを設定することで、前記位置測定装置３からの位置データ、又は前記ＧＰＳ装置８が測定した位置データに基づき前記飛行装置２は自律飛行することも可能である。

次に、図２、図３に於いて、前記飛行装置２について説明する。

前記飛行体１５は、放射状に延出する複数で且つ偶数のプロペラフレーム１７を有し、各プロペラフレーム１７の先端にプロペラユニットが設けられる。該プロペラユニットは、前記プロペラフレーム１７の先端に取付けられたプロペラモータ１８と、該プロペラモータ１８の出力軸に取付けられたプロペラ１９（図示では１９ａ〜１９ｈ）により構成される。前記プロペラモータ１８により前記プロペラ１９が回転され、前記飛行体１５が飛行する様になっている。

前記飛行体１５は中心に、中空円筒状の主フレーム２１を有し、該主フレーム２１の上端には外方に向って延出する外フランジ２２、下端には中心に向って延出する内フランジ２３が設けられている。該内フランジ２３の中心部には、円形の孔２４が形成される。

前記プロペラフレーム１７は棒状であり、前記主フレーム２１の軸心と直交する平面内に配設され、水平方向に等角度間隔で所定数（少なくとも４本、好ましくは８本、図示では８本（１７ａ〜１７ｈ）を示している）設けられている。前記プロペラフレーム１７の内端部は、前記主フレーム２１を貫通すると共に前記外フランジ２２に固着されている。

前記主フレーム２１を上下に貫通する様に前記シャフト６が設けられ、該シャフト６はジンバル２５により鉛直となる様に支持され、該ジンバル２５は防振部材２６を介して前記内フランジ２３に設けられている。

前記ジンバル２５は直交する２方向の揺動軸２７ａ，２７ｂを有し、前記ジンバル２５は前記シャフト６を直交する２方向に揺動自在に支持する。前記防振部材２６は、前記プロペラモータ１８、前記プロペラ１９が回転した際の振動を吸収し、振動が前記シャフト６に伝達されない様にしている。

傾斜センサ２８は前記シャフト６の下端に設けられ、前記飛行体１５の飛行状態の変化により生じる前記シャフト６の傾きを検出する。又、前記傾斜センサ２８は前記シャフト６が鉛直に対して傾斜した場合、鉛直線と前記シャフト６の軸心との角度を検出するものであり、前記傾斜センサ２８の検出結果は後述する制御装置３５（図４参照）に送出される。

前記方向角センサ１０が前記主フレーム２１の所要位置に設けられる。前記方向角センサ１０は前記飛行体１５の向きを検出する。該飛行体１５の向きとしては、例えば、前記位置測定装置３が設置された方向を基準とした飛行体の向きである。又、本実施例では、前記方向角センサ１０としては、図２（Ｂ）に示されるものが用いられている。尚、前記方向角センサ１０として方位センサが用いられてもよい。

本実施例では、前記方向角センサ１０が前記プリズム９と一体に設けられた場合を示している。図２（Ｂ）を参照して略述すると、円筒状に形成したセンサケース２９の外周面に沿って受光センサ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが設けられている。該受光センサ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは円周を４等分した位置に配設され、各受光センサ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは前記位置測定装置３から発せられる測距光或は追尾光を受光した場合に、受光信号を発する様に構成されている。又、どの位置の前記受光センサ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが測距光或は追尾光を受光しているか判断することで、前記飛行装置２の前記位置測定装置３に対する方向が検出される。

前記シャフト６の下端には制御ボックス３１が設けられる。該制御ボックス３１の内部には、前記制御装置３５が収納されている。前記制御ボックス３１の下面にはカメラホルダ３２が設けられ、該カメラホルダ３２に水平軸３３を介して前記カメラ７が設けられている。該カメラ７は前記水平軸３３を中心に回転可能であり、該水平軸３３を介して前記カメラ７を回転する撮像方向変更モータ（図示せず）が設けられている。尚、前記カメラ７の基準姿勢は光軸が鉛直であり、前記撮像方向変更モータは前記制御装置３５の指令に従って前記カメラ７を鉛直に対して所要角度回転する。図２（Ａ）では、分り易い様に、前記カメラ７の光軸は水平となっている。

前記カメラホルダ３２の下面には支持部材３４を介して前記方向角センサ１０が設けられ、更に該方向角センサ１０の下面に該方向角センサ１０と一体的に前記プリズム９が設けられている。

前記シャフト６の上端には、前記ＧＰＳ装置８が設けられている。該ＧＰＳ装置８の中心（該ＧＰＳ装置８の基準位置）は前記シャフト６の軸心と一致しており、又前記プリズム９の光軸は前記シャフト６の軸心と平行となっている。

前記制御ボックス３１、前記カメラホルダ３２、前記カメラ７、前記プリズム９等は、バランスウェイトとして機能し、前記シャフト６に外力が作用しない状態、即ち、フリーの状態では、前記シャフト６は鉛直な状態となる様に前記制御ボックス３１、前記カメラホルダ３２、前記カメラ７、前記プリズム９の重量バランスが設定されている。

前記制御ボックス３１、前記カメラホルダ３２、前記カメラ７、前記プリズム９等の、バランスウェイト機能で、前記シャフト６を鉛直に充分保持できる場合は、設けなくてもよいが、前記シャフト６を鉛直姿勢に安定に保持する為、該シャフト６が急激に傾斜した場合（前記飛行体１５の姿勢が急激に変化した場合）に、迅速に鉛直状態に復帰できる様、バランス補助部材を設けてもよい。

以下の例では、バランス補助部材としてダンパバネ１６を設けた場合を説明する。

前記プロペラフレーム１７と前記シャフト６との間には、前記ダンパバネ１６が掛渡される。該ダンパバネ１６は少なくとも３本、好ましくは４本設けられ、前記ダンパバネ１６は前記揺動軸２７ａ，２７ｂと平行に延出する前記プロペラフレーム１７と前記シャフト６との間に設けられることが好ましい。

又、４本の前記ダンパバネ１６は、それぞれ前記シャフト６と前記プロペラフレーム１７間に張力を作用させており、前記飛行体１５が水平姿勢（前記プロペラフレーム１７が水平な状態）で、張力のバランスにより前記シャフト６が鉛直状態を保つ様に設定されている。又、前記ダンパバネ１６の張力、バネ定数は小さく設定されており、前記飛行体１５が傾いた場合に、重力の作用で前記シャフト６が鉛直方向に向く様になっている。

前記ダンパバネ１６は、前記シャフト６を鉛直な状態に付勢する付勢手段であり、前記シャフト６が揺動、振動した場合に、迅速に鉛直状態に復帰させるものであり、振動を減衰させるものである。又、付勢手段としては、上記したダンパバネ１６の他に前記ジンバル２５の前記揺動軸２７ａ，２７ｂが回転した場合に、復帰方向に回転させる捩りコイルバネとしてもよい。

前記飛行装置２の制御系を、図４を参照して説明する。

前記制御ボックス３１の内部に前記制御装置３５が収納される。

該制御装置３５は、主に制御演算部３６、クロック信号発生部３７、記憶部３８、撮像制御部３９、飛行制御部４１、ジャイロユニット４２、モータドライバ部４３、前記飛行体通信部１１を具備している。

前記カメラ７の撮影は、前記撮像制御部３９によって制御され、又前記カメラ７によって撮影された画像は、画像データとして前記撮像制御部３９に入力される。

前記カメラ７としてはデジタルカメラが用いられ、静止画像が撮影できると共に動画像も撮影できる様になっている。又、撮像素子として、画素の集合体であるＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等が用いられ、各画素は撮像素子内での位置が特定できる様になっている。例えば、撮像素子のカメラの光軸が通過する点を原点とする直交座標によって各画素の位置が特定される。

上記した様に、前記カメラ７の光軸は、前記シャフト６の軸心と合致しており、前記プリズム９の光軸は前記シャフト６の軸心と平行となっている。又、前記プリズム９の光軸と前記カメラ７の光軸とは既知の位置関係となっている。

前記記憶部３８には、プログラム格納部とデータ格納部とが形成される。該プログラム格納部には前記カメラ７の撮影を制御する為の撮影プログラム、前記プロペラモータ１８を駆動制御する為の飛行制御プログラム、取得したデータを前記地上基地４に送信し、又前記遠隔操縦機５からの飛行指令等を受信する為の通信プログラム、前記カメラ７で取得したデータを処理して格納する為のデータ処理プログラム、動画像を用いてトラッキングする為の画像トラッキングプログラム等のプログラムが格納されている。

前記データ格納部には、自律飛行が実行される為の飛行計画データ、前記カメラ７で取得した静止画像データ、動画像データ、飛行中に測定された前記飛行装置２の位置データ、前記遠隔操縦機５から送信された前記位置測定装置３で測定した前記飛行装置２の位置データ、更に前記静止画像データ、前記動画像データを取得した時の時間、位置データ等が格納される。

前記撮像制御部３９は、前記制御演算部３６から発せられる制御信号に基づき前記カメラ７の撮像に関する制御を行う。制御の態様としては、測定対象物に応じたカメラ角度の選定、前記カメラ７の撮像の制御、動画像を取得中、所定時間間隔で静止画像を取得する制御等であり、又前記カメラ７については前記クロック信号発生部３７から発せられるクロック信号に基づき撮影時期が制御され、或は同期制御される。

前記方向角センサ１０は前記飛行体１５の向きを検出し、検出結果を前記制御演算部３６に入力し、前記ジャイロユニット４２は前記飛行体１５の飛行状態での姿勢を検出し、検出結果を前記制御演算部３６に入力する。

前記飛行体通信部１１は、前記遠隔操縦機５で前記飛行体１５の飛行が遠隔操作される場合に、前記遠隔操縦機５からの操縦信号を受信し、該操縦信号を前記制御演算部３６に入力する。或は、前記カメラ７で撮影した画像データを、撮影した時刻と共に地上側の前記地上基地４に送信する等の機能を有する。

前記制御演算部３６は、前記位置測定装置３で測定した位置座標をＧＰＳ座標に変換し、前記飛行装置２のＧＰＳ座標として取得し、更に前記ＧＰＳ装置８で測定した前記飛行装置２のＧＰＳ座標を取得する。得られたＧＰＳ座標と前記遠隔操縦機５から送信される飛行コマンドに基づき飛行制御信号を演算し、或は前記記憶部３８に格納された飛行計画データと前記ＧＰＳ座標に基づき飛行制御信号を演算し、前記飛行制御部４１に出力する。

前記位置測定装置３の測定結果に基づき得られるＧＰＳ座標及び前記ＧＰＳ装置８で測定したＧＰＳ座標のどちらを利用するかについては、原則として取得できたＧＰＳ座標が利用される。例えば、前記飛行装置２と前記位置測定装置３との間に障害物が存在して前記位置測定装置３により前記飛行装置２の追尾ができない場合は、前記位置測定装置３からの位置データがなくなるので、前記ＧＰＳ装置８により測定した位置座標が用いられる。又、建物等で人工衛星からの電波が遮断される様な環境では、前記位置測定装置３の測定結果に基づき得られるＧＰＳ座標が利用される。尚、前記飛行装置２を飛行させる位置情報として、ＧＰＳ座標から求めた絶対座標を用いてもよい。

尚、前記位置測定装置３からの測定結果、前記ＧＰＳ装置８による測定結果の両方が得られる場合は、予め利用する優先順位を定めてもよい。尚、測定精度は前記位置測定装置３の方がよいので、精度を優先する場合は、前記位置測定装置３による測定結果を優先することが好ましい。

又、前記制御演算部３６は、前記記憶部３８に格納された所要のプログラムに基づき画像取得する為に必要な制御を実行する。

前記飛行制御部４１は、前記制御演算部３６から飛行制御信号が入力されると、該飛行制御信号に基づき前記モータドライバ部４３を介して前記プロペラモータ１８を所要の状態に駆動する。

図５を参照して前記位置測定装置３について説明する。

該位置測定装置３は、主に位置測定制御装置４５、望遠鏡部４６（図１参照）、測距部４７、水平角検出器４８、鉛直角検出器４９、鉛直回転駆動部５１、水平回転駆動部５２等を具備する。

前記望遠鏡部４６は測定対象物を視準するものであり、前記測距部４７は前記望遠鏡部４６を介して測距光を射出し、更に前記望遠鏡部４６を介して前記測定対象物からの反射光を受光し、測距を行うものである。又、前記測距部４７は、測定モードとしてノンプリズム測定モード、プリズム測定モード、更にプリズム測定を行いつつ前記測定対象物（プリズム）を追尾する追尾測定モードの３モードを有し、３モードのいずれかで前記測定対象物迄の距離を測定可能となっている。尚、追尾測定モードでは、前記測距光の他に前記望遠鏡部４６を介して追尾光が射出される。

前記水平角検出器４８は、前記望遠鏡部４６の視準方向の内、水平角を検出し、又前記鉛直角検出器４９は前記望遠鏡部４６の視準方向の内、鉛直角を検出する。前記水平角検出器４８、前記鉛直角検出器４９の検出結果は、前記位置測定制御装置４５に入力される。

該位置測定制御装置４５は、主に演算処理部５５、測距制御部５６、位置測定記憶部５７、位置測定通信部５８、モータ駆動制御部５９等を有する。

前記位置測定記憶部５７には、ノンプリズム測定モード、プリズム測定モード、追尾測定モードの各モードにより測距を行う為の測定プログラム、前記飛行装置２及び前記地上基地４と通信を行う為の通信プログラム等のプログラム等が格納され、又測定対象物の測定結果（測距、測角）を格納する様になっている。

前記測距制御部５６は、前記演算処理部５５からの測定モード選択指令に基づき、前記測距部４７をノンプリズム測定モード、プリズム測定モード、追尾測定モードのいずれのモードで測定を実行するかを決定し、決定されたモードに従って前記測距制御部５６を制御する。ここで、ノンプリズム測定モードでは、前記位置測定装置３はビル等の構築物を測定対象物として測定を実行し、追尾測定モードでは測定対象物が前記プリズム９となり、前記飛行装置２を追尾しつつ該飛行装置２の位置を測定する。

前記モータ駆動制御部５９は、測定対象物に前記望遠鏡部４６を視準させる為に、或は測定対象物を追尾させる為に前記鉛直回転駆動部５１、前記水平回転駆動部５２を制御し、前記望遠鏡部４６を鉛直方向に、或は水平方向に回転させる。

前記位置測定通信部５８は、追尾測定モードで測定対象物（前記プリズム９）を測定した結果（前記プリズム９の斜距離、鉛直角、水平角）をリアルタイムで前記地上基地４に送信する。

図６は、該地上基地４の概略構成、及び前記飛行装置２、前記位置測定装置３、前記地上基地４、前記遠隔操縦機５の関連を示す図である。

前記地上基地４は、演算機能を有する演算処理装置６１、基地記憶部６２、更に基地通信部６３を有する。

前記演算処理装置６１は、前記クロック信号発生部を有し、前記遠隔操縦機５を介して受信した画像データ、シャッタ時刻データ、座標データをそれぞれクロック信号に関連付け、該クロック信号に基づき時系列のデータとして処理し、前記基地記憶部６２に保存する。

前記基地記憶部６２には、インターネット等から得られる地図情報に基づき飛行範囲を設定する等の飛行計画を作成する飛行計画作成プログラム、前記飛行計画と前記位置測定装置３によって得られる事前測定データとに基づき前記飛行装置２の飛行安全範囲を演算する飛行範囲演算プログラム、前記飛行安全範囲に基づき飛行制御データを作成し、更に前記飛行装置２の飛行を制御する為の飛行制御プログラム、写真測量に必要な演算プログラム、前記遠隔操縦機５と前記位置測定装置３間でデータ通信を行う通信プログラム、前記飛行装置２から送信される２位置以上の該飛行装置２のＧＰＳ座標に基づき、前記位置測定装置３の設置位置のＧＰＳ座標を演算するプログラム、前記位置測定装置３の測定結果（前記プリズム９の斜距離、鉛直角、水平角）を、前記位置測定装置３の設置位置のＧＰＳ座標に基づきＧＰＳ座標に変換するプログラム等の各種プログラムが格納される。

尚、前記位置測定装置３の測定結果を、該位置測定装置３の設置位置のＧＰＳ座標に基づきＧＰＳ座標に変換する作業については、前記位置測定装置３の測定結果をそのまま前記飛行装置２に送信し、該飛行装置２の前記制御装置３５で実行させてもよい。

更に前記飛行装置２で取得した画像、前記位置測定装置３で測定した測定データ（座標データ）、画像を取得した時の時間、位置座標等の各種データが前記基地記憶部６２に保存される。

前記基地通信部６３は、前記地上基地４と前記遠隔操縦機５との間で有線通信或は無線通信を行う。

以下、本測定システムの作用について説明する。

先ず、図７を参照して任意の位置に設置した前記位置測定装置３の位置（ＧＰＳ座標又は絶対座標）を取得する作用について説明する。

前記飛行装置２を前記遠隔操縦機５により手動操縦で飛行させる。尚、飛行計画が予め設定されている場合は、飛行計画に基づき自動操縦により前記飛行装置２を飛行させてもよい。該飛行装置２の飛行の開始と同時に、前記位置測定装置３による追尾を実行する。

ＳＴＥＰ：０１前記飛行装置２の飛行中の所要位置をポイントＰ１とし、前記ＧＰＳ装置８により前記ポイントＰ１のＧＰＳ座標Ａ１を取得する。取得された該ＧＰＳ座標Ａ１は、前記遠隔操縦機５を経て前記地上基地４に送信される。

ＳＴＥＰ：０２前記位置測定装置３により、前記飛行装置２が前記ポイントＰ１に位置する時の前記プリズム９の位置（即ち、前記飛行装置２の基準位置、該飛行装置２の位置とする）を測定し、前記位置測定装置３により、前記ポイントＰ１のＴＳ座標Ｂ１を取得する。尚、前記ＧＰＳ装置８による座標取得と前記位置測定装置３による座標取得が同時刻となる様に、前記地上基地４により座標取得タイミングが同期制御される。

前記位置測定装置３で取得された前記ＴＳ座標Ｂ１は、前記地上基地４に送信される。前記ＧＰＳ装置８で取得された前記ＧＰＳ座標Ａ１、前記位置測定装置３で取得された前記ＴＳ座標Ｂ１は、それぞれ取得された時間に関連付けられ、前記基地記憶部６２に格納される。

ＳＴＥＰ：０３前記飛行装置２が他の所要位置ポイントＰ２に移動する。ここで移動距離は、ポイントＰ１とポイントＰ２の座標に基づき演算され、移動距離の長さは、前記飛行装置２の飛行高度、及び測定で要求される精度が考慮されて決定される。

ＳＴＥＰ：０４前記ＧＰＳ装置８により前記ポイントＰ２のＧＰＳ座標Ａ２を取得する。取得された該ＧＰＳ座標Ａ２は、前記遠隔操縦機５を経て前記地上基地４に送信される。

ＳＴＥＰ：０５前記位置測定装置３により、前記飛行装置２が前記ポイントＰ２に位置する時の前記飛行装置２の位置を測定し、前記ポイントＰ２のＴＳ座標Ｂ２を取得する。前記ＧＰＳ座標Ａ２の取得、前記ＴＳ座標Ｂ２の取得について、同期制御されることは言う迄もない。

ＳＴＥＰ：０６前記ポイントＰ１と前記位置測定装置３の設置位置との相対位置、及び前記ポイントＰ２と前記位置測定装置３の設置位置との相対位置が前記ＴＳ座標Ｂ１、前記ＴＳ座標Ｂ２として測定され、前記ポイントＰ１と前記ポイントＰ２のＧＰＳ座標が前記ＧＰＳ座標Ａ１、前記ＧＰＳ座標Ａ２として測定されるので、後方交会法により前記位置測定装置３の設置位置のＧＰＳ座標が算出される。

前記位置測定装置３の設置位置のＧＰＳ座標が求められることから、前記位置測定装置３で測定した前記飛行装置２のＴＳ座標は、ＧＰＳ座標に変換することができる。従って、前記ＧＰＳ装置８で取得される位置情報と同様に、前記位置測定装置３で測定した前記飛行装置２の位置情報に基づき前記飛行装置２の飛行を制御することができる。

上記した様に、前記飛行装置２の位置情報は前記ＧＰＳ装置８によっても、或は前記位置測定装置３によっても取得することができる。

図４、図８を参照して、前記飛行装置２の誘導作用について説明する。

上記した様に、任意に設置した前記位置測定装置３の設置位置（ＧＰＳ座標）が求められることで、前記位置測定装置３による前記飛行装置２の位置測定に基づく該飛行装置２の遠隔操縦が可能となる。

前記飛行装置２による測定を行う場合、目視による遠隔操縦で前記飛行装置２を操縦し、更に測定者の判断で適宜写真撮影を行うこともできる。

又、予め飛行計画或は測定計画を前記飛行装置２、前記地上基地４に設定し、前記飛行計画或は前記測定計画に基づき測定を実行してもよい。

以下の説明は、飛行計画が設定された場合であり、又該飛行計画が前記飛行装置２に設定された場合である。

ＳＴＥＰ：２１前記制御演算部３６が前記記憶部３８に格納された飛行計画から目標位置座標（目標位置）を読込み、前記飛行装置２の現在の位置情報を取得する。

ＳＴＥＰ：２２取得した位置情報が、ＧＰＳ座標であるかＴＳ座標であるかが判断される。尚、前記ＧＰＳ座標及び前記ＴＳ座標の両方が取得できる場合は、予め優先順位を設定しておく。例えば、前記ＧＰＳ装置８からの位置情報を優先すると設定する。

ＳＴＥＰ：２３前記ＧＰＳ装置８からの位置情報がなく、前記位置測定装置３からの位置情報が取得できる場合は、ＴＳ座標をＧＰＳ座標に変換する。前記ＧＰＳ装置８からの位置情報が取得できる場合は、前記ＧＰＳ座標がそのまま現在位置情報として取得される。

ＳＴＥＰ：２４目標位置と現在位置とを比較し、偏差を求め、偏差が０となる様に前記飛行制御部４１に制御信号を発し、該飛行制御部４１は該制御信号に基づき前記モータドライバ部４３を介して前記プロペラモータ１８の駆動を制御する。

ＳＴＥＰ：２５目標位置と現在位置とが一致したかどうか、即ち偏差が０又は許容範囲となった場合、前記カメラ７による撮影等所要の作業が実行される。所要の作業が完了すると、次の目標位置が読込まれ、ＳＴＥＰ：２１〜ＳＴＥＰ：２５が繰返される。

又、ＳＴＥＰ：２５で目標位置と現在位置とが一致しないと判断された場合、更にＳＴＥＰ：２２〜ＳＴＥＰ：２５が繰返される。

図９を参照して、上記誘導作用を用いた測定について説明する。尚、図中、Ｌ１で示すラインの上方は、前記ＧＰＳ装置８が人工衛星の電波を受信できる空間（前記ＧＰＳ装置８による位置情報が取得できる空間７２）であり、ラインＬ１の下方は、前記ＧＰＳ装置８による位置情報が取得できない空間７３を示している。又、図９では、写真測量が主として実行される場合を示している。写真測量が実行される場合は、前記カメラ７の向き（方向）が必要となるので、前記方向角センサ１０で得られた信号が利用される。

更に、測定対象物（建物）に接近して、或は障害物が存在する空間を飛行させる場合、飛行の安全を確保する為、障害物検知センサ６９で得られる信号が利用される。該障害物検知センサ６９は、例えば超音波センサであり、前記飛行装置２と測定対象物或は障害物との間の距離を検出し、前記制御演算部３６は障害物との間の距離が所定の距離以下とならない様に飛行を制御する。

尚、図９に於いて、Ｐ１〜Ｐ６は、飛行計画で設定された目標位置を示し、Ｐ１〜Ｐ４は前記飛行装置２が前記空間７２を飛行し、前記ＧＰＳ装置８が利用できる点である。又、Ｐ５、Ｐ６は前記飛行装置２が前記空間７３を飛行し、前記ＧＰＳ装置８が利用できない点である。

又、前記位置測定装置３は、最初設置位置Ｓ１に設置され、次に設置位置Ｓ２に設置された状態を示している。前記設置位置Ｓ１、前記設置位置Ｓ２については、いずれも、上述した様に、ＳＴＥＰ：０１〜ＳＴＥＰ：０６を実行して、ＧＰＳ座標が取得される。

前記飛行装置２が前記空間７２を飛行している間は、前記ＧＰＳ装置８による位置座標（ＧＰＳ座標）が取得でき、該ＧＰＳ装置８から得られる位置情報に基づき前記飛行装置２の飛行が制御される。前記飛行装置２がＰ１〜Ｐ４に誘導され、Ｐ１〜Ｐ４でそれぞれ写真を取得し、取得された写真と、Ｐ１〜Ｐ４の位置情報に基づき写真測量がなされる。

尚、前記位置測定装置３で測定した位置情報が得られる場合は、該位置測定装置３で測定した位置情報の方が精度が高いので、前記位置測定装置３による位置情報に基づき前記飛行装置２の飛行を制御することで測定精度が向上する。

前記飛行装置２が前記空間７３を飛行する場合は、前記ＧＰＳ装置８が利用できない状況である。例えば、建物の側壁に沿って写真撮影し、建物で人工衛星からの電波が遮断される様な場合である。

前記飛行装置２が前記空間７３を飛行する場合は、前記位置測定装置３で測定した位置情報に基づき飛行装置２の飛行が制御され、更にＰ５、Ｐ６の位置座標が前記飛行装置２によって測定される。

又、前記位置測定装置３を一箇所に設置した状態では死角が生じる場合があり、死角の範囲は該位置測定装置３による測定ができない。本実施例では、該位置測定装置３を測定状況に応じて任意の位置に移動することができる。上記した様に、移動後の前記設置位置Ｓ２のＧＰＳ座標も、容易に測定できるので、前記設置位置Ｓ１で取得した測定データ、前記設置位置Ｓ２で取得した測定データはいずれも、ＧＰＳ座標系、更に絶対座標系とすることができ、相互のデータの関連付けも容易に行える。

本実施例の測定システムによれば、種々の測定態様で測定を実行できる。
［測定態様１］
写真測量を主とする場合は、前記位置測定装置３は前記飛行装置２の位置を測定し、該飛行装置２の飛行を制御する為の位置情報取得手段として機能する。

測定態様１では、前記ＧＰＳ装置８及び前記位置測定装置３から位置情報を取得できる場合は、設定した優先順位に従って位置情報を取得し、飛行計画で設定した位置で測定用の写真を取得する。

ここで、前記位置測定装置３により位置情報が取得できない場合としては、建物の屋上を測定する等、前記飛行装置２が前記位置測定装置３の死角に入った場合等であり、前記ＧＰＳ装置８で位置情報が取得できない場合としては、建物の壁面、或は橋梁の下等を測定する場合であり、人工衛星からの電波が届かない場所等である。尚、建物の壁面等を写真撮影する場合は、前記カメラ７を回転し、光軸を水平とする等の制御をすることは言う迄もない。

又、補助的に、前記飛行装置２が飛行できない場所を測定する場合、狭小な空間、或は屋根等がある場所では、前記位置測定装置３により直接測定対象物を測定する。
［測定態様２］
前記位置測定装置３による測定を主とする場合、前記飛行装置２は、前記位置測定装置３の設置場所のＧＰＳ座標又は絶対座標を測定する手段として用いられる。

上記した様に、前記位置測定装置３を任意の位置に設置し、前記飛行装置２を飛行させ、前記ＧＰＳ装置８により２点のＧＰＳ座標を取得し、更に該２点に於ける前記飛行装置２の位置を前記位置測定装置３で測定することで、前記位置測定装置３の設置位置のＧＰＳ座標、更に絶対座標が取得できる。

従って、前記位置測定装置３で測定対象物を測定することで、該測定対象物のＧＰＳ座標又は絶対座標が取得できる。更に、前記位置測定装置３を視準できる位置であれば、任意に設置位置を変更可能であるので、建物の裏側等一点に設置した場合に取得できない測定結果が得られる。

更に、前記位置測定装置３の設置位置を変更した場合でも、ＧＰＳ座標、又は絶対座標が測定できるので、全ての測定データの関連付けを容易に行える。
［測定態様３］
測定精度を重視する場合、前記位置測定装置３の設置位置のＧＰＳ座標を取得した後は、測定対象物の測定を前記位置測定装置３によって行い、該位置測定装置３によって測定できない場所、部位、例えば建物の屋上、測定対象物との間に障害物が存在する等の状態では、前記飛行装置２により写真測量を実行する。この時、前記飛行装置２の飛行を制御する為の位置情報は、前記位置測定装置３によって取得する。
［測定態様４］
複数の位置測定装置３を用いて広範囲に、或は複雑な場所で測定する場合、或は複雑な形状の測定対象物（建築物）を測定する場合、測定に最も適した場所に複数台前記位置測定装置３を設置し、それぞれの設置位置から測定を実行し、又前記位置測定装置３の設置位置のＧＰＳ座標を前記飛行装置２の前記ＧＰＳ装置８を用いて測定する。

本実施例によれば、前記飛行装置２の前記ＧＰＳ装置８を用いて、任意の位置でのＧＰＳ座標を取得できるので、前記位置測定装置３の設置位置の絶対座標又はＧＰＳ座標を取得できない、取得しにくい場所での測定が容易となる。又、前記位置測定装置３の測定結果をＧＰＳ座標に変換できるので、前記位置測定装置３を複数の場所で設置し、測定した結果を容易に統合でき、又写真測量で得られた測定結果と前記位置測定装置３で測定した測定結果との統合も容易に行える。

上記実施例では、前記飛行装置２による測定として写真測量を行ったが、他の測定装置を前記飛行装置２に搭載してもよい。例えば、形状測定装置としてレーザスキャナを搭載して測定対象物の点群データを取得する様にしてもよく、或は地質の調査、作物の生長状態を調査する為のスペクトルカメラを搭載してもよい。

１測定システム
２飛行装置
３位置測定装置
４地上基地
５遠隔操縦機
７カメラ
８ＧＰＳ装置
９プリズム
１０方向角センサ
１１飛行体通信部
１５飛行体
３０受光センサ
３６制御演算部
３７クロック信号発生部
３８記憶部
３９撮像制御部
４１飛行制御部
４５位置測定制御装置
４７測距部
５６測距制御部
５７位置測定記憶部
５８位置測定通信部
６１演算処理装置
６２基地記憶部
６３基地通信部

Claims

ＧＰＳ装置及び測定装置を搭載し遠隔操縦可能な飛行装置と、測距、測角、追尾が可能であり、任意の位置に設置された位置測定装置と、飛行体の飛行を制御する地上基地と、該地上基地とデータの授受を行い、前記飛行装置と無線通信可能な遠隔操縦機と、前記飛行装置及び前記地上基地に設けられた制御装置とを有する測定システムであって、
前記飛行装置は、測定対象としての再帰反射体を具備し、
前記位置測定装置は前記再帰反射体を追尾し、測距、測角を行う様構成され、
前記飛行装置は飛行中少なくとも２点で前記ＧＰＳ装置によりＧＰＳ座標を取得し、
前記位置測定装置は設置地点から前記飛行装置の前記２点の位置を測定し、
前記制御装置の内のいずれかは、２点の前記ＧＰＳ座標と前記位置測定装置による測距結果及び測角結果に基づき該位置測定装置の設置地点の絶対座標又はＧＰＳ座標を求める様構成され、
前記飛行装置の前記測定装置は前記位置測定装置の死角範囲を測定し、前記位置測定装置は前記飛行装置の飛行不能範囲又は前記ＧＰＳ装置による位置測定不能範囲を測定し、前記制御装置は前記位置測定装置の測定結果をＧＰＳ座標又は絶対座標に変換し、前記飛行装置の測定装置で測定した結果と前記位置測定装置で測定した結果とを統合する様構成されたことを特徴とする測定システム。
前記制御装置は、前記絶対座標又は前記ＧＰＳ座標に基づき前記飛行装置の飛行を制御する請求項１の測定システム。
前記測定装置は測定対象物の形状を測定する形状測定装置であり、前記制御装置は、測定位置で前記形状測定装置により取得した測定対象物の形状と、前記位置測定装置の測定結果を変換して得られた前記測定位置の絶対座標又は前記ＧＰＳ装置により取得されたＧＰＳ座標に基づき前記測定対象物の形状の座標を取得する請求項２の測定システム。
前記測定装置がカメラであり、前記制御装置は、少なくとも飛行中の２点で前記カメラにより取得した測定対象物の画像と、前記位置測定装置の測定結果を変換して得られた前記２点の絶対座標又はＧＰＳ座標又は前記ＧＰＳ装置で取得した前記２点の絶対座標又はＧＰＳ座標に基づき測定対象物の写真測量を行う請求項２の測定システム。
前記位置測定装置は複数の任意地点に設置され、前記制御装置は前記位置測定装置の各設置地点の絶対座標又はＧＰＳ座標を取得し、各設置地点から前記位置測定装置により測定し、取得した測定結果をそれぞれ絶対座標又はＧＰＳ座標に変換し、各設置地点から測定し得られた測定結果を統合する請求項１の測定システム。