JP6734123B2 - 測定装置及び測量システム - Google Patents

Description

本発明は土木工事等に於ける施工面をリアルタイムで測定可能な測定装置及び測量システムに関するものである。

土木作業を実施する際には、施工面（土面）の高さが重要である。

土木作業、例えば、道路や造成地等の整地作業に於いて、移動体である建設用重機、例えば、ブルドーザ、ショベルカーによる盛土や切土の作業が行われるが、所定の状態に土木作業を実行する為には、土木作業の対象部位の土面の高さを知る必要がある。

従来、土木作業に用いられる位置測定装置としてＧＰＳ装置があり、ＧＰＳ装置がブルドーザに搭載される。ＧＰＳ装置により位置が測定され、更に、ＧＰＳ装置の搭載位置と作業具との機械的な位置関係から作業具の位置が測定される。作業者は作業具の位置を介して土面の高さを認知している。

この場合、測定される土面の高さは、作業具が接している箇所の位置であり、これから作業する前方の土面の高さ及び状態については、作業者が目視に基づき推定している。この為、作業には慎重さが要求され、作業効率の点で問題があった。特に、傾斜面に於いては推定が難しく、熟練も要求された。

又、上下水道の溝掘りや山部の切削、谷部の埋立てにはショベルカーが使われるが、これらの作業は施工中の土面の高さを確認しながら作業するものであり、重機作業とは別に施工位置近傍の測量が頻繁に行われていた。この為作業は、煩雑で作業性に問題があった。

特開２００７−１７１０４８号公報

本発明は、前方を含む施工面の高さをリアルタイムで測定可能とし、作業性を向上させる様にした測定装置及び測量システムを提供する。

本発明は、測定対象物を含む範囲の画像を取得する撮像部と、画像取得に同期して所定範囲を２次元スキャンし、測定する測距部と、演算制御部と前記撮像部の水平に対する傾斜角を検出する姿勢検出ユニットとを具備し、前記演算制御部は取得画像上で対応付けられるスキャン軌跡の各画素に測定結果、前記姿勢検出ユニットの検出結果を関連付ける測定装置に係るものである。

又本発明は、前記２次元スキャンは、閉ループである測定装置に係るものである。

又本発明は、前記姿勢検出ユニットが検出する傾斜角情報を基に、画素座標を鉛直基準の座標に変換し、前記スキャン軌跡に対応した画素のスキャン情報に基づき、水平距離、高さ情報を演算し、前記画素に付加する測定装置に係るものである。

又本発明は、前記スキャン情報が含む傾斜角情報に基づき取得した画像を水平面のオルソ画像に変換する測定装置に係るものである。

又本発明は、前記姿勢検出ユニットは、傾斜センサとしてチルトセンサと加速度センサとを具備し、前記姿勢検出ユニットからの出力は、チルトセンサと加速度センサとの対比データに基づき補正された加速度センサからの検出結果である測定装置に係るものである。

又本発明は、重機等の移動体に設けられた前記測定装置と、表示部を有する表示装置と、前記測定装置及び前記表示装置が設けられた測量システムであって、前記測定装置の基準光軸は、水平面に対して所定の角度で傾斜して設けられ、移動体の進行方向に対して所定の方向に向けられ、前記姿勢検出ユニットは前記基準光軸の傾斜角を検出し、前記測距部による測定結果が前記撮像部によって取得された画像に合成され、前記表示部に表示される様構成された測量システムに係るものである。

又本発明は、前記撮像部は連続画像を取得し、該連続画像を構成するフレーム画像に同期して前記測距部は所定範囲を２次元スキャンし、前記演算制御部は前記フレーム画像を時系列に合成する測量システムに係るものである。

又本発明は、前記フレーム画像を合成して得られる合成画像中のスキャン軌跡同士が交差する点の画素のスキャン情報を基に移動体の移動に伴う移動距離と高さの変化を演算する測量システムに係るものである。

又本発明は、前記姿勢検出ユニットは、傾斜センサとしてチルトセンサと加速度センサとを具備し、前記姿勢検出ユニットからの出力は、チルトセンサと加速度センサとの対比データに基づき補正された加速度センサからの検出結果である測量システムに係るものである。

更に又本発明は、土面の状況の認識を容易にする為の補助表記を画像上に重合させて表示する測量システムに係るものである。

本発明によれば、測定対象物を含む範囲の画像を取得する撮像部と、画像取得に同期して所定範囲を２次元スキャンし、測定する測距部と、演算制御部と前記撮像部の水平に対する傾斜角を検出する姿勢検出ユニットとを具備し、前記演算制御部は取得画像上で対応付けられるスキャン軌跡の各画素に測定結果、前記姿勢検出ユニットの検出結果を関連付けるので、取得した画像に測定対象物の測定結果がリアルタイムで合成され、画像に基づき測定対象物の３次元的現状の確認、推定がリアルタイムで行える。

又本発明によれば、重機等の移動体に設けられた前記測定装置と、表示部を有する表示装置と、前記測定装置及び前記表示装置が設けられた測量システムであって、前記測定装置の基準光軸は、水平面に対して所定の角度で傾斜して設けられ、移動体の進行方向に対して所定の方向に向けられ、前記姿勢検出ユニットは前記基準光軸の傾斜角を検出し、前記測距部による測定結果が前記撮像部によって取得された画像に合成され、前記表示部に表示される様構成されたので、作業中の状態をリアルタイムで確認、推定することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る測量システムの概略図である。 該測量システムに用いられる測定装置の一例を示す概略構成図である。 該測定装置に用いられる光軸偏向部の側面図である。 該光軸偏向部の正面図である。 前記測定装置に用いられる姿勢検出ユニットの平面図である。 該姿勢検出ユニットの正面図である。 該姿勢検出ユニットの概略構成図である。 前記測量システムに用いられる表示装置の概略構成図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は前記光軸偏向部の作用を示す説明図である。 前記測量システムに於ける基準座標系を示す図である。 該測量システムに於いて取得画像と円スキャンの対応を示す説明図である。 土面の測定部分で隆起があった場合の高さ測定を示す説明図である。 前記測量システムに於いてブルドーザが移動した場合、又測定装置の光軸の傾斜が変化した場合の測定を示す説明図である。 該測量システムに於ける測定のフローを示すフローチャートである。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、該測量システムで得られる画像であり、（Ａ）は測定開始時の画像、（Ｂ）（Ｃ）は移動後の画像を示す。 （Ａ）は該測量システムで得られる画像に高さの情報を記号で識別して表示させた図であり、（Ｂ）は補助表記を重合させた図を示している。 該測量システムに於いて測定装置が移動しない場合の閉スキャンの一例を示す図であり、（Ａ）は基準光軸を中心に花柄の様な一連の閉ループスキャンをした場合のスキャン軌跡を示す図、（Ｂ）は花柄の様な一連の閉ループスキャンを周期毎に順次スキャン位置を回転（ズラシ）させた場合のスキャン軌跡を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１では、本実施例に係る測量システムが重機の１つであるブルドーザ２に取付けられた場合を示している。図１中、３は作業具としての排土板であり、４は土面を示している。

前記測量システムは、視界の開けた位置、例えば運転室の上側に設けられた測定装置５と運転室に設けられた表示装置６を具備している。

前記測定装置５はアタッチメント７を介して取付けられ、又前記ブルドーザ２の機械基準点に対して既知の位置に設けられ、土面４からの高さが既知となっている。

前記測定装置５は基準光軸Ｏを有し、該基準光軸Ｏは水平に対して所定の傾斜角αで傾斜し、前記ブルドーザ２の前方に向けられている。前記アタッチメント７は、前記測定装置５を着脱可能とするものであり、更に前記傾斜角αを所望の値に設定可能とする。

前記測定装置５はレーザスキャナであり、前記基準光軸Ｏを中心に、βの偏角で回転スキャン（走査）し、点群データを取得可能となっている。又、前記測定装置５は撮像部１４（後述）を有し、該撮像部は前記基準光軸Ｏ方向の画像を取得する。前記撮像部は、前記基準光軸Ｏと同一又は平行の撮像光軸を有し、前記撮像部の画角は、レーザスキャナのスキャン範囲と同一又はそれ以上の大きさとなっている。

尚、前記傾斜角αの値及び回転スキャンの偏角βは、作業中の作業者の視野と対応する様に設定されるか、或は作業者が前方の土面４の状態を把握し、前記排土板３の操作に反映させることができる程度の前方範囲を含む様に設定される。

本実施例では、前記測定装置５により土面４の画像の取得と、土面４の３次元データの取得とをリアルタイムで行い、前記表示装置６により作業者に土面４の状況を告知することで、土木作業の確実性と作業性の向上を図る。

次に、前記測定装置５について図２、図３を参照して説明する。

前記測定装置５は、測距光射出部１１、受光部１２、測距演算部１３、撮像部１４、射出方向検出部１５、モータドライバ１６、姿勢検出ユニット１７、第１通信部１８、演算制御部１９、第１記憶部２０、撮像制御部２１を具備し、一体化されている。尚、前記測距光射出部１１、前記受光部１２、前記測距演算部１３等は測距部を構成する。

前記測距光射出部１１は射出光軸２６を有し、該射出光軸２６上に発光素子２７、例えばレーザダイオード（ＬＤ）が設けられている。又、前記射出光軸２６上に投光レンズ２８が設けられている。更に、前記射出光軸２６上に設けられた偏向光学部材としての第１反射鏡２９と、受光光軸３１（後述）上に設けられた偏向光学部材としての第２反射鏡３２とによって、前記射出光軸２６は、前記受光光軸３１と合致する様に偏向される。前記第１反射鏡２９と前記第２反射鏡３２とで射出光軸偏向部が構成される。

前記発光素子２７はパルスレーザ光線を発し、前記測距光射出部１１は、前記発光素子２７から発せられたパルスレーザ光線を測距光２２として射出する。

前記受光部１２について説明する。該受光部１２には、測定対象物（即ち測定点）からの反射測距光２３が入射する。前記受光部１２は、前記受光光軸３１を有し、該受光光軸３１には前記第１反射鏡２９、前記第２反射鏡３２によって偏向された前記射出光軸２６が合致する。

偏向された前記射出光軸２６上に、即ち前記受光光軸３１上に光軸偏向ユニット３５（後述）が配設される。該光軸偏向ユニット３５の中心を通過する真直な光軸は、前記基準光軸Ｏとなっている。該基準光軸Ｏは、前記光軸偏向ユニット３５によって偏向されなかった時の前記射出光軸２６又は前記受光光軸３１と合致する。

前記光軸偏向ユニット３５を通過し、入射した前記受光光軸３１上に結像レンズ３４が配設され、又受光素子３３、例えばフォトダイオード（ＰＤ）が設けられている。前記結像レンズ３４は、反射測距光２３を前記受光素子３３に結像する。該受光素子３３は前記反射測距光２３を受光し、受光信号を発生する。受光信号は、前記測距演算部１３に入力される。該測距演算部１３は、受光信号に基づき測定点迄の測距を行う。

図３、図４を参照して、前記光軸偏向ユニット３５について説明する。

前記光軸偏向ユニット３５は、一対の光学プリズム３６ａ，３６ｂから構成される。該光学プリズム３６ａ，３６ｂは、それぞれ円板状であり、前記受光光軸３１上に直交して配置され、重なり合い、平行に配置されている。前記光学プリズム３６ａ，３６ｂとして、それぞれフレネルプリズムが用いられることが、装置を小型化する為に好ましい。

前記光軸偏向ユニット３５の中央部は、測距光２２が透過し、射出される第１光軸偏向部である測距光偏向部３５ａとなっており、中央部を除く部分は反射測距光２３が透過し、入射する第２光軸偏向部である反射測距光偏向部３５ｂとなっている。

前記光学プリズム３６ａ，３６ｂとして用いられるフレネルプリズムは、それぞれ平行に形成されたプリズム要素３７ａ，３７ｂと多数のプリズム要素３８ａ，３８ｂによって構成され、円板形状を有する。前記光学プリズム３６ａ，３６ｂ及び各プリズム要素３７ａ，３７ｂ及びプリズム要素３８ａ，３８ｂは同一の光学特性を有する。

前記プリズム要素３７ａ，３７ｂは、前記測距光偏向部３５ａを構成し、前記プリズム要素３８ａ，３８ｂは前記反射測距光偏向部３５ｂを構成する。

前記フレネルプリズムは光学ガラスから製作してもよいが、光学プラスチック材料でモールド成形したものでもよい。光学プラスチック材料でモールド成形することで、安価なフレネルプリズムを製作できる。

前記光学プリズム３６ａ，３６ｂはそれぞれ前記受光光軸３１を中心に独立して個別に回転可能に配設されている。前記光学プリズム３６ａ，３６ｂは、回転方向、回転量、回転速度を独立して制御されることで、射出される測距光２２の射出光軸２６を任意の方向に偏向し、受光される反射測距光２３の前記受光光軸３１を前記射出光軸２６と平行に偏向する。

前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの外形形状は、それぞれ前記受光光軸３１を中心とする円形であり、反射測距光２３の広がりを考慮し、充分な光量を取得できる様、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの直径が設定されている。

前記光学プリズム３６ａの外周にはリングギア３９ａが嵌設され、前記光学プリズム３６ｂの外周にはリングギア３９ｂが嵌設されている。

前記リングギア３９ａには駆動ギア４１ａが噛合し、該駆動ギア４１ａはモータ４２ａの出力軸に固着されている。同様に、前記リングギア３９ｂには駆動ギア４１ｂが噛合し、該駆動ギア４１ｂはモータ４２ｂの出力軸に固着されている。前記モータ４２ａ，４２ｂは、前記モータドライバ１６に電気的に接続されている。

前記モータ４２ａ，４２ｂは、回転角を検出することができるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転角検出器、例えばエンコーダ等を用いてモータの回転量を検出してもよい。前記モータ４２ａ，４２ｂの回転量がそれぞれ検出され、前記モータドライバ１６により前記モータ４２ａ，４２ｂが個別に制御される。

前記駆動ギア４１ａ，４１ｂ、前記モータ４２ａ，４２ｂは、前記測距光射出部１１と干渉しない位置、例えば前記リングギア３９ａ，３９ｂの下側に設けられている。

前記投光レンズ２８、前記第１反射鏡２９、前記第２反射鏡３２、前記測距光偏向部３５ａ等は、投光光学系を構成し、前記反射測距光偏向部３５ｂ、前記結像レンズ３４等は受光光学系を構成する。

前記測距演算部１３は、前記発光素子２７を制御し、測距光としてパルスレーザ光線を発光させる。該測距光は、前記プリズム要素３７ａ，３７ｂ（前記測距光偏向部３５ａ）により、測定点に向う様前記射出光軸２６が偏向される。

測定対象物から反射された反射測距光２３は、前記プリズム要素３８ａ，３８ｂ（前記反射測距光偏向部３５ｂ）、前記結像レンズ３４を介して入射し、前記受光素子３３に受光される。該受光素子３３は、受光信号を前記測距演算部１３に送出し、該測距演算部１３は前記受光素子３３からの受光信号に基づき、パルス光毎に測定点（測距光が照射された点）の測距を行い、測距データは前記第１記憶部２０に格納される。而して、測距光２２をスキャンしつつ、パルス光毎に測距を行うことで点群データが取得できる。即ち、レーザスキャナとして機能する。

前記撮像部１４は、前記測定装置５の前記基準光軸Ｏと平行な撮像光軸４３を有し、例えば５０°の画角を有するカメラであり、前記測定装置５のスキャン範囲を含む画像データを取得する。前記撮像光軸４３と前記射出光軸２６及び前記基準光軸Ｏとの関係は既知となっている。前記撮像部１４は、動画像、又は連続画像が取得可能である。

前記撮像制御部２１は、前記撮像部１４の撮像を制御する。前記撮像制御部２１は、前記撮像部１４が前記動画像、又は連続画像を撮像する場合に、該動画像、又は連続画像を構成するフレーム画像を取得するタイミングと前記測定装置５で測距するタイミングとの同期を取っている。

前記撮像部１４の撮像素子４４は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、前記撮像光軸４３を原点とした座標系での画素座標を有し、該画素座標によって画像素子上での位置が特定される。

前記射出方向検出部１５は、前記モータ４２ａ，４２ｂに入力する駆動パルスをカウントすることで、前記モータ４２ａ，４２ｂの回転角を検出する。或は、エンコーダからの信号に基づき、前記モータ４２ａ，４２ｂの回転角を検出する。又、前記射出方向検出部１５は、前記モータ４２ａ，４２ｂの回転角に基づき、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの回転位置を演算する。更に、前記射出方向検出部１５は、該光学プリズム３６ａ，３６ｂの屈折率と回転位置に基づき、測距光の偏角、射出方向を演算し、演算結果は前記演算制御部１９に入力される。

前記第１記憶部２０には測定作動を制御する測距プログラム、前記モータドライバ１６に前記モータ４２ａ，４２ｂの駆動を制御させる為の制御プログラム、前記射出方向検出部１５からの射出方向の演算結果に基づき前記射出光軸２６の方向角（水平角、鉛直角）を演算する方向角演算プログラム、前記撮像部１４で取得した画像の合成、画像間のトラッキング等の画像処理を行う画像処理プログラム、前記表示装置６との間でデータ通信を行う通信プログラム等のプログラムが格納されている。更に、前記第１記憶部２０には、測距データ、画像データ等の測定結果が格納される。

前記演算制御部１９は、前記第１記憶部２０に格納されたプログラムに基づきモータの制御、方向角の演算、画像の合成、画像間のトラッキング、データ通信等の処理を実行する。

次に、図５〜図７を参照して、前記姿勢検出ユニット１７について説明する。

図５は、前記姿勢検出ユニット１７が水平に設置されている状態での平面図、図６は該姿勢検出ユニット１７の正面図を示している。該姿勢検出ユニット１７は任意の状態に設置しても、水平を検出することができる。

前記姿勢検出ユニット１７は、水平を検出する水平検出ユニット４８を具備し、該水平検出ユニット４８は、以下に説明される様に、ジンバル機構を介して水平に支持される構造となっている。

矩形枠形状の外フレーム５１の内部に矩形枠形状の内フレーム５３が設けられ、該内フレーム５３の内部に前記水平検出ユニット４８が設けられる。前記外フレーム５１は、前記測定装置５の筐体（図示せず）等の構造部材に固定される。

前記内フレーム５３の上面、下面（図５参照）から第１水平軸５４，５４が突設され、該第１水平軸５４，５４は前記外フレーム５１に設けられた軸受５２，５２と回転自在に嵌合する。前記第１水平軸５４，５４は水平方向に延出する第１水平軸心を有し、前記内フレーム５３は前記第１水平軸５４，５４を中心に鉛直方向に３６０゜回転自在となっている。

前記水平検出ユニット４８は第２水平軸５５に支持され、該第２水平軸５５の両端部は、前記内フレーム５３に設けられた軸受５７，５７に回転自在に嵌合する。前記第２水平軸５５は前記第１水平軸心と同一平面内で直交し、水平方向に延出する第２水平軸心を有し、前記水平検出ユニット４８は前記第２水平軸５５を中心に鉛直方向に３６０゜回転自在となっている。

而して、前記水平検出ユニット４８は前記外フレーム５１に対して２軸方向に回転自在に支持されており、前記内フレーム５３を回転自在に支持する機構、前記水平検出ユニット４８を回転自在に支持する機構はジンバル機構を構成する。而して、前記水平検出ユニット４８は前記外フレーム５１に対してジンバル機構を介して支持され、更に前記内フレーム５３の回転を制約する機構は存在していないので、前記水平検出ユニット４８は前記外フレーム５１に対して全方向に自在に回転し得る。

前記第１水平軸５４，５４の一方、例えば図５中、下側の該第１水平軸５４には第１被動ギア５８が嵌着され、該第１被動ギア５８には第１駆動ギア５９が噛合している。又、前記外フレーム５１の下面には第１モータ６１が設けられ、前記第１駆動ギア５９は前記第１モータ６１の出力軸に嵌着されている。

前記第１水平軸５４，５４の他方には第１エンコーダ６２が設けられ、該第１エンコーダ６２は前記内フレーム５３の前記外フレーム５１に対する第１の回転角（第１の傾斜角）を検出する様に構成されている。

前記第２水平軸５５の一端部には、第２被動ギア６３が嵌着され、該第２被動ギア６３には第２駆動ギア６４が噛合している。又、前記内フレーム５３の側面（図示では左側面）には第２モータ６５が設けられ、前記第２駆動ギア６４は前記第２モータ６５の出力軸に嵌着されている。

前記第２水平軸５５の他端部には第２エンコーダ６６が設けられ、該第２エンコーダ６６は前記内フレーム５３に対する前記水平検出ユニット４８の第２の回転角（第２の傾斜角）を検出する様に構成されている。

前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６は、傾斜角演算部６８（図７参照）に電気的に接続されている。

前記水平検出ユニット４８は、第１傾斜センサ７１、第２傾斜センサ７２を有しており、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２は、前記傾斜角演算部６８に電気的に接続されている。

前記姿勢検出ユニット１７について、図７により更に説明する。

前記姿勢検出ユニット１７は、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２、前記傾斜角演算部６８、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５の他に、更に第２記憶部７３、入出力制御部７４を具備している。

前記第２記憶部７３には、姿勢検出の為の演算プログラム、前記水平検出ユニット４８を水平となる様に前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を駆動する制御プログラム等のプログラムが格納される。又、前記第２記憶部７３には、対比データ及び演算データ等のデータ類が格納されている。前記対比データは、前記第１傾斜センサ７１の検出結果と前記第２傾斜センサ７２の検出結果との比較結果を示すデータテーブルである。

前記入出力制御部７４は、前記傾斜角演算部６８から出力される制御指令に基づき前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を駆動し、前記水平検出ユニット４８、前記内フレーム５３を傾動させ、前記水平検出ユニット４８が水平を検出する様に制御する。

前記第１傾斜センサ７１は水平を高精度に検出するものであり、例えば水平液面に検出光を入射させ反射光の反射角度の変化で水平を検出する傾斜検出器、或は封入した気泡の位置変化で傾斜を検出する気泡管である。又、前記第２傾斜センサ７２は傾斜変化を高応答性で検出するものであり、例えば加速度センサである。

尚、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２のいずれも、前記第１エンコーダ６２が検出する回転方向（傾斜方向）、前記第２エンコーダ６６が検出する回転方向（傾斜方向）の２軸方向の傾斜を個別に検出可能となっている。

前記傾斜角演算部６８は、前記第１傾斜センサ７１、前記第２傾斜センサ７２からの検出結果に基づき、傾斜角、傾斜方向を演算し、更に該傾斜角、傾斜方向に相当する前記第１エンコーダ６２の回転角、前記第２エンコーダ６６の回転角を演算する。

又、前記傾斜角演算部６８は、傾斜の変動が大きい時、傾斜の変化が早い時は、前記第２傾斜センサ７２からの信号に基づき、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を制御し、傾斜の変動が小さい時、傾斜の変化が緩やかな時、即ち前記第１傾斜センサ７１が追従可能な状態では、前記第１傾斜センサ７１からの信号に基づき前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を制御する。

又、前記第２傾斜センサ７２からの信号に基づき、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５を制御する時、前記傾斜角演算部６８は前記対比データに基づき前記第２傾斜センサ７２による検出結果を補正する。この補正により、前記第２傾斜センサ７２による検出結果を前記第１傾斜センサ７１の検出精度迄高めることができる。よって、前記姿勢検出ユニット１７による傾斜検出に於いて、高精度を維持しつつ高応答性を実現することができる。

演算された前記第１エンコーダ６２の回転角、前記第２エンコーダ６６の回転角を合成することで傾斜角、傾斜方向が演算される。該傾斜角、傾斜方向は、前記姿勢検出ユニット１７が取付けられている装置の、水平に対する傾斜角、傾斜方向（即ち、前記矩形枠形状の外フレーム５１の傾斜角、傾斜方向）に対応する。

而して、前記第１モータ６１、前記第２モータ６５、前記第１エンコーダ６２、前記第２エンコーダ６６、前記傾斜角演算部６８は相対傾斜角検出部を構成する。

尚、前記姿勢検出ユニット１７は、水平に設置された場合に（前記外フレーム５１が水平の状態で）、前記第１傾斜センサ７１が水平を検出する様に設定され、更に前記第１エンコーダ６２の出力、前記第２エンコーダ６６の出力が共に基準位置（回転角０゜）を示す様に設定される。

本実施例で前記測定装置５が前記ブルドーザ２に取付けられた状態では、前記水平検出ユニット４８（図５参照）が水平に維持され、前記姿勢検出ユニット１７は水平を検出すると共に前記測定装置５が進行方向に対して傾斜角αで傾斜していることを検出する。又、前記姿勢検出ユニット１７は水平を検出すると同時に鉛直を検出する。

図８を参照して前記表示装置６の概略について説明する。

該表示装置６は、主に、第２通信部７６、表示部７７、第３記憶部７８、演算処理部７９、操作部８０を具備している。

前記第２通信部７６は前記第１通信部１８との間で、有線、無線等所要の手段でデータ通信を行うものであり、前記演算制御部１９で演算された結果が送信され、或は前記撮像部１４で撮像された画像データ等が送信され、或は前記第１記憶部２０に蓄積されたデータが送信される。

前記第３記憶部７８には、通信プログラム、画像データを前記表示部７７に表示させる為のビデオプログラム、前記操作部８０からの入力操作をコマンド信号に変換する為のコマンド作成プログラム等のプログラムが格納され、更に前記第３記憶部７８には、データ格納領域が形成され、測距データ、画像データ等のデータが格納される。

前記演算処理部７９は、上記プログラムに従って、所要の演算、処理を実行する。

前記測定装置５の測定作動について説明する。

先ず、前記測定装置５による測定作動について、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）を参照して説明する。

尚、図９（Ａ）では説明を簡略化する為、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂについて、前記プリズム要素３７ａ，３７ｂと前記プリズム要素３８ａ，３８ｂとを分離して示している。又、図９（Ａ）で示される前記プリズム要素３７ａ，３７ｂ、前記プリズム要素３８ａ，３８ｂは最大の偏角が得られる状態となっている。又、最小の偏角は、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂのいずれか一方が１８０゜回転した位置であり、偏角は０゜となり、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂを経て射出されるレーザ光線の光軸（前記射出光軸２６）は前記基準光軸Ｏと合致する。

前記発光素子２７から測距光２２が発せられ、該測距光２２は前記投光レンズ２８で平行光束とされ、前記測距光偏向部３５ａ（前記プリズム要素３７ａ，３７ｂ）を透過して測定対象物或は測定対象エリアに向けて射出される。ここで、前記測距光偏向部３５ａを透過することで、測距光２２は前記プリズム要素３７ａ，３７ｂによって所要の方向に偏向されて射出される。

測定対象物或は測定対象エリアで反射された反射測距光２３は、前記反射測距光偏向部３５ｂ（前記プリズム要素３８ａ，３８ｂ）を透過して入射され、前記結像レンズ３４により前記受光素子３３に集光される。

前記反射測距光２３が前記反射測距光偏向部３５ｂを透過することで、前記反射測距光２３の光軸は、前記受光光軸３１と合致する様に前記プリズム要素３８ａ，３８ｂによって偏向される（図９（Ａ））。

前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとの回転位置の組合わせにより、射出する測距光２２の偏向方向、偏角を任意に変更することができる。前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとの回転位置が検出されることで、偏向方向、偏角が検出される。

又、前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとの位置関係を固定した状態で（即ち、前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとで得られる偏角を固定した状態で）、前記モータ４２ａ，４２ｂにより、前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとを一体に回転する。前記測距光偏向部３５ａを透過した測距光２２が描く軌跡は、前記光軸偏向ユニット３５の中心を頂点とし、前記基準光軸Ｏを中心とした、頂角βの円錐となる。従って、前記基準光軸Ｏに垂直な平面での前記測距光２２の照射点の軌跡は円となり、図１に示される様に、前記基準光軸Ｏに対して傾斜した土面上の軌跡は、進行方向に長軸を有する疑似楕円の形状となる。

従って、前記発光素子２７よりパルスレーザ光線を発光させつつ、前記光軸偏向ユニット３５を回転させれば、前記測距光２２を円又は疑似楕円の軌跡（以下まとめて、円の軌跡と称す）でスキャンさせることができる。

尚、前記反射測距光偏向部３５ｂは、前記測距光偏向部３５ａと一体に回転していることは言う迄もない。

次に、図９（Ｂ）は前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとを相対回転させた場合を示している。前記光学プリズム３６ａにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ａとし、前記光学プリズム３６ｂにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ｂとすると、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂによる光軸の偏向は、該光学プリズム３６ａ，３６ｂ間の角度差θとして、合成偏向Ｃとなる。

更に、図９（Ｃ）に示される様に、前記光学プリズム３６ａの回転速度に対して遅い回転速度で前記光学プリズム３６ｂを回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ測距光２２が回転されるので、測距光２２のスキャン軌跡は、スパイラル状となる。

更に又、前記光学プリズム３６ａ、前記光学プリズム３６ｂの回転方向、回転速度を個々に制御することで、測距光２２のスキャン軌跡を前記射出光軸２６を中心とした照射方向（半径方向のスキャン）とし、或は水平、垂直方向とする等、種々のスキャン状態が得られる。

前記測定装置５を固定した状態で、前記光学プリズム３６ａ、前記光学プリズム３６ｂの個々の回転の制御で、前記頂角２βの範囲で測距光２２のスキャンが可能であり、前記頂角２βの範囲で点群データの取得が可能である。

本実施例に於ける、前記測定装置５のスキャンの態様としては、前記光軸偏向ユニット３５（前記光学プリズム３６ａ，３６ｂ）による偏角を一定（既知の角度β）とし、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂを一体に回転し、２次元のスキャン（例えば、円スキャン）を行う。円スキャンの過程で光パルス毎に測距を行う。

尚、スキャンの態様は、円スキャンに限らない。上記した様に、前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂの回転の組合わせで、任意の２次元のスキャン態様が得られる。又、好ましいスキャン態様としては、２次元の閉ループスキャンが好ましいが、完全な閉ループスキャンである必要はない。後述する様に、閉ループが移動した際に、移動前後の閉ループスキャンで交点が得られればよい。

前記測距光２２をスキャンし、測距を行うと同時に、前記撮像部１４により連続画像を取得する。上記した様に、前記撮像制御部２１は、フレーム画像の取得と前記測定装置５によるスキャンとを同期制御する。フレーム画像の取得間隔より短い時間でスキャンの閉ループを完成させれば、１フレーム画像毎に１閉ループの測定結果が得られる。

又、スキャン中の各パルス測距光の射出方向角は、前記モータ４２ａ，４２ｂの回転角により検出でき、前記演算制御部１９は射出方向角と測距データとを関連付けることで、３次元の測距データとすることができる。

図１０、図１１を参照して本実施例に係る測量システムの作用について説明する。

図１０は、基準座標系を示す図である。

前記測定装置５の測距基準点Ｃを通過する鉛直線を鉛直軸Ｚとし、該鉛直軸Ｚが通過する点を原点とする基準水平面ＳR を設定する。該基準水平面ＳR は前記土面４の高さを測定する基準となるものであり、適宜な高さでよいが、例えば、前記ブルドーザ２の接地面を高さ０とする基準水平面ＳR を設定する。この場合、前記測定装置５の測距基準点Ｃの高さＨは、前記基準水平面ＳR に対する機械的な高さから求めることができる。又、前記基準水平面ＳR 面内で、前記ブルドーザ２の進行方向をＹ軸、進行方向に対して直交する方向をＸ軸とする２次元座標系（基準座標系）を設定する。尚、鉛直軸ＺとＹ軸、Ｘ軸によって３次元座標系が形成され、原点の座標はＸ0 ，Ｙ0 ，Ｚ0 で示される。

上記した様に、前記測定装置５は水平に対して傾斜角α傾斜した状態で設けられているので、前記測定装置５は前記鉛直軸Ｚに対しても角度（９０°−α）で傾斜している。

図１１は、取得された画像を示しており、基準光軸Ｏを原点とする画角の座標系Ｘ′−Ｙ′が設定される。従って測距光２２は前記基準光軸Ｏを中心にβの偏角で回転される。

図１２は、原点と土面４との関係を示すものである。前記基準光軸Ｏ上に測距光２２が射出された場合、土面４の照射点Ｐについて、前記測定装置５が照射点Ｐ迄の斜距離Ｌを測定する。

原点に対する照射点Ｐの高さΔｈは、Δｈ＝Ｈ−Ｌｓｉｎαであり、前記照射点Ｐ迄の水平距離Ｌn は、Ｌn ＝Ｌｃｏｓαとなる。又、基準水平面ＳR 内での照射点Ｐの座標は（０，Ｌｃｏｓα，０）となる。

測距光の偏角βは測定中、固定であり、又円スキャンの回転角ωは前記射出方向検出部１５によって検出され、前記基準光軸Ｏを基点とする方向角が前記射出方向検出部１５によって検出される。斜距離Ｌは前記測距演算部１３によって測定される。従って、前記演算制御部１９では、偏角、方向角、斜距離、前記姿勢検出ユニット１７が検出する傾斜角情報に基づき照射点Ｐの高さと水平距離が求められ、水平基準面ＳR でのＸ，Ｙ，Ｚ成分も求められる。

又、照射点Ｐに位置する画素に、座標値（位置情報）を関連付ければ、画素単位で位置情報を有する画像が取得できる。画素単位での位置情報は、前記第１記憶部２０に格納される。スキャン軌跡８５に対応した画素より表示画面内で大まかな左右前方距離を知ることができる。

次に、図１３を参照しつつ、前記ブルドーザ２が、整地作業をしつつ移動する状態での測定について説明する。

前記ブルドーザ２が移動する状態では、該ブルドーザ２は前後左右に傾斜することが考えられる。図１３では、ブルドーザ２がＡ地点からＢ地点に移動し、Ｂ地点では前方に倒れる様に傾斜している状態を示している。図１３中、８５ａはＡ地点でのスキャン軌跡、８５ｂはＢ地点でのスキャン軌跡を示す。

Ａ地点、Ｂ地点でそれぞれスキャンが行われ、それぞれのスキャンに沿った点群データが取得される。

前記姿勢検出ユニット１７は、広範囲で傾斜角を検出可能で、而も高応答性を有するので、Ａ，Ｂ地点での前記基準光軸Ｏの傾斜角を迅速に高精度で検出する。

前記基準光軸Ｏの傾斜角、方向角、斜距離Ｌに基づき水平距離が求められ、Ａ，Ｂ地点を基準とした座標位置が演算される。

本実施例では、２次元の、閉ループである円スキャンが行われており、２つのスキャン軌跡８５ａ，８５ｂはオーバラップし、且つ２点ａ，ｂで交差する。

２つの交差点に位置する画素は、Ａ地点で測定した位置情報と、Ｂ地点で測定した位置情報とを有する。

Ａ地点で測定した水平距離とＢ地点で測定した水平距離とは異なる筈であり、両者の水平距離の差が移動量Ｍとなる。従って、前記ブルドーザ２の移動量が分ると共に、移動量に基づき、Ｂ地点で測定した結果を基準座標系に変換することができる。

又、前記２つの交差点ａ，ｂの画素について測定した、Ａ地点で測定した高さと、Ｂ地点で測定した高さとが異なっていた場合、前記２つの交差点ａ，ｂの高さは同じであるので、高さの相違は、前記ブルドーザ２の高さの変化に他ならない。

１フレーム毎にスキャンを行い、２つの交差点ａ，ｂの画素について高さ測定を実行すると、整地後のブルドーザ２走行面の高さ変化を知ることができる。又、前記姿勢検出ユニット１７の傾斜測定結果を前記ブルドーザ２の移動と対応させて記録することで、平坦度、うねり、傾斜の状態について測定することができる。

而して、本実施例では、整地前の前記土面４について測定が行えると共に整地後の前記土面４の状態を知ることができる。

次に、図１４、図１５を参照して前記土面４の高さ測定と、測定結果の表示について説明する。

ＳＴＥＰ：０１ 前記第１通信部１８より、測定開始の指令、測定条件等測定に必要な情報を入力し、測定開始の指令を入力する。

前記表示装置６から前記測定装置５に測定開始の指令が発せられ、測定が開始される。

前記撮像部１４による連続画像の取得が開始され、フレーム画像の取得に同期してスキャンデータ（測距データ、スキャン方向角、測距タイミング）、前記姿勢検出ユニット１７による傾斜角データが取得される。ここで、スキャンデータ、傾斜角データは、各光パルス毎に取得される。

ＳＴＥＰ：０２ 各光パルス毎の測距タイミングでスキャン方向角に合致した画素に、その時の測距データと姿勢検出ユニット１７の傾斜角データが関連付けられる。又、スキャン軌跡に存在する全ての画素に測距データと傾斜角データが関連付けられる。

ＳＴＥＰ：０３ スキャン軌跡で対応付いた画素のスキャン位置が基準座標系で算出される。即ち、基準水平面ＳR 内にＸ軸、Ｙ軸座標系で、画素のスキャン位置が特定される。

ＳＴＥＰ：０４ ＳＴＥＰ：０１〜ＳＴＥＰ：０３を繰返しながら、時間的に隣接するフレーム画像を時系列に順次合成していく。１フレーム画像毎に閉ループスキャンが実行されているので、１フレーム画像には１つのスキャン軌跡８５ａが得られる（図１５（Ａ）参照）。

フレーム画像の合成の際、画像トラッキング（特許文献１参照）により、前フレーム画像（以下、第１フレーム画像）のスキャン軌跡（以下第１スキャン軌跡８５ａ）上の画素を次フレーム画像（以下、第２フレーム画像）中に特定し、第２フレーム画像中に前記第１スキャン軌跡８５ａを重ね合せる（図１５（Ｂ））。従って、第２フレーム画像中には第１スキャン軌跡８５ａ、第２スキャン軌跡８５ｂが得られる。

又、該第１スキャン軌跡８５ａ上の全ての画素には、スキャンデータ、傾斜角データが関連付けられており、この関連付けられたデータは、第１フレーム画像と第２フレーム画像とを合成した際に第２フレーム画像中の対応する画素に引継がせる。

前記第１スキャン軌跡８５ａ、前記第２スキャン軌跡８５ｂは閉ループ（図示では円ループ）となっているので、前記第１スキャン軌跡８５ａと前記第２スキャン軌跡８５ｂとには、交点ａ，ｂが生じる。

前記第１スキャン軌跡８５ａ、前記第２スキャン軌跡８５ｂは、それぞれ測距データを有している。従って、交点ａ，ｂそれぞれ２つの測距データを有しており、２つの測距データ間の相違は、前記ブルドーザ２の移動に起因するものとなる。

交点ａ，ｂのＸ，Ｙ座標の偏差は、前記ブルドーザ２の移動を示し、Ｚ座標の偏差は高さの偏差を示している。又、交点ａ，ｂの高さは、測定位置が変ったとしても変らないので、Ｚ座標の高さの偏差は、前記ブルドーザ２の設置面の高さ変位に対応する。

測定が順次繰返され、合成画像には、合成した数と同数のスキャン軌跡８５ａ，８５ｂ，８５ｃ，…が得られる（図１５（Ｂ）、図１５（Ｃ）参照）。

尚、図１５（Ｂ）、図１５（Ｃ）中、第１スキャン軌跡８５ａ、第２スキャン軌跡８５ｂの直径が大きくなっているのは、前記ブルドーザ２が移動することで、先に得られたスキャン軌跡８５ａ，８５ｂに前記測定装置５が接近し、先に得られた軌跡程大きく見えることによる。

ＳＴＥＰ：０５ 作業者が見易い表示モードを選択する。

ＳＴＥＰ：０６ 水平基準撮影画像モードが選択されると、前記姿勢検出ユニット１７の検出結果に基づき水平面のＸ軸を求め、得られたＸ軸が前記表示部７７（表示画面）のＸ′軸に合致する様回転させて表示する。水平面のＸ軸を表示画面のＸ′軸とすることで、作業者の感覚と一致し、視認性が向上する。

測定点の高さ表示は、測定点をドットで表わし、高さの度合いを色により表示してもよい。例えば、基準水平面ＳR より高い場合は暖色系で表わし、低い場合は寒色系で表わす等であり、或はドットの形状、色で高さを表わしてもよい。例えば図１６（Ａ）に示される様に、高さについて黒４角＜黒菱形＜黒丸＜白丸＜白菱形＜白４角（■＜◆＜●＜○＜◇＜□）とする等である。

更に、土面４の状況の認識を容易にする為、補助線８９を表示してもよい。例えば、図１６（Ｂ）に示す様に、遠近（奥行）の認識を容易にする為、所要間隔でラインを表示し、各ライン迄の水平距離（ｍ）を表示する等である。尚、認識を容易にする為の補助表記は、ドット、補助線、等高線等に限らず施工データを重合させた表示、更に補助線が土面より高さが低い範囲は消す（陰線処理）等種々考えられることは言う迄もない。

ＳＴＥＰ：０７ 正射画像モードが選択されると、取得された画像は、前記姿勢検出ユニット１７の検出結果に基づき射影変換により、水平面に正対したオルソ画像に変換して表示される。オルソ画像とすることで真上から見た画像になり、地図と同様の感覚で見ることができる。この場合、高さの表示の為、等高線が用いられてもよい。

上記説明は、重機が移動している場合について説明したが、重機が移動しないで作業する場合、例えばショベルカーで穴を掘削する場合等では、ショベルカー自体の移動速度よりは、土面の変化を監視測定することが重要である。

上記した様に、前記光学プリズム３６ａ、前記光学プリズム３６ｂの回転制御で任意のパターンのスキャンが得られる。

図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）を参照して説明する。

図１７（Ａ）はショベル８７の位置（掘削位置）に向け、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの回転速度を所定の比で定速回転させて花柄の様な一連（連続）の閉ループスキャン８８をした例を示している。

図１７（Ｂ）は、花柄の様な一連の閉ループスキャンを周期毎に順次スキャン位置を回転（ズラシ）させた場合を示しており、スキャンラインが所定角度ずれることで、スキャン密度が向上する。

又、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの回転速度比、回転方向を制御することで種々の態様でスキャンを実行できることは言う迄もない。

尚、上記説明では、１フレーム画像で１閉ループスキャンを実行する場合を説明したが、フレーム画像の取得とスキャンのタイミングを同期させることで、１閉ループスキャンが複数のフレーム画像に分割される様にしてもよい。この場合、低速でスキャンを行うことができ、重機の速度、作業の速度に見合ったスキャン速度とすることができる。

本実施例では、前記測定装置５による測定で、この測定では高精度の結果が得られるが、誤差が累積する可能性がある。従って、累積誤差を解消する為に、測量システムがＧＰＳ装置を具備してもよい。

ＧＰＳ装置による位置測定の精度は、前記測定装置５による測定誤差よりも大きいが、全ての測定値で、誤差の累積はない。従って、各光パルスの測定毎にＧＰＳ装置による位置測定結果（水平面での位置、高さ位置）を関連付けることで、前記測定装置５により累積誤差が生じた場合に、補正することができる。

尚、上記実施例では、前方の土面の状況を測定する様構成したが、側方、後方について測定装置の向きを設定することで、同様に測定することができる。更に複数台の測定装置を設けて前方、側方等を同時に測定する様にしてもよい。

２ ブルドーザ
３ 排土板
４ 土面
５ 測定装置
６ 表示装置
１１ 測距光射出部
１２ 受光部
１３ 測距演算部
１４ 撮像部
１５ 射出方向検出部
１７ 姿勢検出ユニット
１９ 演算制御部
２１ 撮像制御部
３５ 光軸偏向ユニット
３６ａ，３６ｂ 光学プリズム
３７ａ，３７ｂ プリズム要素
３８ａ，３８ｂ プリズム要素
４２ａ，４２ｂ モータ
４８ 水平検出ユニット
６１ 第１モータ
６２ 第１エンコーダ
６５ 第２モータ
６６ 第２エンコーダ
６８ 傾斜角演算部
７１ 第１傾斜センサ
７２ 第２傾斜センサ
７７ 表示部
７９ 演算処理部
８５ａ 第１スキャン軌跡

Claims (10)

1. 測定対象物を含む範囲の画像を取得する撮像部と、画像取得に同期して所定範囲を２次元スキャンし、測定する測距部と、演算制御部と前記撮像部の水平に対する傾斜角を検出する姿勢検出ユニットとを具備し、
   前記姿勢検出ユニットは、傾斜センサとしてチルトセンサと加速度センサとを具備し、前記姿勢検出ユニットからの出力は、チルトセンサと加速度センサとの対比データに基づき補正された加速度センサからの検出結果であり、
   前記演算制御部は取得画像上で対応付けられるスキャン軌跡の各画素に測定結果、前記姿勢検出ユニットの検出結果を関連付ける測定装置。
2. 前記２次元スキャンは、閉ループである請求項１の測定装置。
3. 前記姿勢検出ユニットが検出する傾斜角情報を基に、画素座標を鉛直基準の座標に変換し、前記スキャン軌跡に対応した画素のスキャン情報に基づき、水平距離、高さ情報を演算し、前記画素に付加する請求項１の測定装置。
4. 前記スキャン情報が含む傾斜角情報に基づき取得した画像を水平面のオルソ画像に変換する請求項３の測定装置。
5. 移動体に設けられた請求項１〜請求項４のいずれか１つの測定装置と、表示部を有する表示装置とを具備し、前記測定装置の基準光軸は、水平面に対して所定の角度で傾斜して設けられ、移動体の進行方向に対して所定の方向に向けられ、前記姿勢検出ユニットは前記基準光軸の傾斜角を検出し、前記測距部による測定結果が前記撮像部によって取得された画像に合成され、前記表示部に表示される様構成された測量システム。
6. 前記撮像部は連続画像を取得し、該連続画像を構成するフレーム画像に同期して前記測距部は所定範囲を２次元スキャンし、前記演算制御部は前記フレーム画像を時系列に合成する請求項５の測量システム。
7. 前記フレーム画像を合成して得られる合成画像中のスキャン軌跡同士が交差する点の画素のスキャン情報を基に移動体の移動に伴う移動距離と高さの変化を演算する請求項６の測量システム。
8. 土面の状況の認識を容易にする為の補助表記を画像上に重合させて表示する請求項５の測量システム。
9. 測定対象物を含む範囲の画像を取得する撮像部と、画像取得に同期して所定範囲を２次元スキャンし、測定する測距部と、演算制御部と前記撮像部の水平に対する傾斜角を検出する姿勢検出ユニットとを具備し、
   前記撮像部は連続画像を取得し、該連続画像を構成するフレーム画像に同期して前記測距部は所定範囲を２次元スキャンし、
   前記演算制御部は取得画像上で対応付けられるスキャン軌跡の各画素に測定結果、前記姿勢検出ユニットの検出結果を関連付け、
   前記演算制御部は前記フレーム画像を時系列に合成し、
   前記フレーム画像を合成して得られる合成画像中のスキャン軌跡同士が交差する点の画素のスキャン情報を基に移動体の移動に伴う移動距離と高さの変化を演算する様構成した測量システム。
10. 前記演算制御部は前記姿勢検出ユニットの傾斜測定結果を前記移動体の移動と対応させて記録し、土面の平坦度、うねり、傾斜の状態について測定する様構成した請求項９の測量システム。