WO2024162327A1 - 面計測器、面計測システムおよび計測方法 - Google Patents

面計測器、面計測システムおよび計測方法 Download PDF

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WO2024162327A1 PCT/JP2024/002809 JP2024002809W WO2024162327A1 WO 2024162327 A1 WO2024162327 A1 WO 2024162327A1 JP 2024002809 W JP2024002809 W JP 2024002809W WO 2024162327 A1 WO2024162327 A1 WO 2024162327A1
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measurement
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measurement surface
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徳康 桐生
信幸 西田
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Topcon Corp
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    • G01C7/02—Tracing profiles of land surfaces
    • G01C7/04—Tracing profiles of land surfaces involving a vehicle which moves along the profile to be traced

Definitions

  • the present invention relates to a surface measuring device and a measuring system that can accurately measure various types of surfaces, such as roads, exterior walls, ceilings, and other wall surfaces.
  • Patent Document 1 uses a measuring instrument equipped with a device for receiving laser light mounted on a cart, and the cart is driven along the road to obtain the unevenness of the road surface.
  • Patent Document 2 uses a measuring tool with a prism and a control rod attached to a base body with wheels, and while the surveying instrument measures the prism, an operator holds the control rod and moves the base body along the road to obtain the unevenness of the road surface.
  • Patent Document 1 a cart with four wheels is used, so on road surfaces with fine irregularities, for example, if an irregularity is located between the front and rear wheels, the irregularity cannot be measured accurately, and there are cases where the unevenness cannot be measured.
  • Patent Document 2 only two wheels are provided on the base body, and the prism is placed directly above the axle at a certain height from the contact point of the wheels, so when the operating stick held by the operator tilts, the prism also tilts, changing the distance between the contact point and the prism, and so there are cases where the unevenness cannot be measured accurately.
  • both Patent Documents 1 and 2 assume that the measurement surface is only the road surface, and do not assume walls, ceilings, etc.
  • This invention was made in consideration of such problems, and provides a surface measuring device, a surface measuring system, and a measuring method that can accurately measure various types of surfaces, including not only road surfaces, but also roads, exterior walls, and ceiling surfaces.
  • the surface measuring instrument of the first aspect of the present invention has a cylinder that is in contact with the measurement surface and has an outer peripheral side that can move along the measurement surface, a base to which the cylinder is attached, and a target that can obtain its own position information by remote measurement, and the target is configured to be positioned so that the center position of the position information is on the central axis of the cylinder.
  • measurements can be performed by moving the cylinder across the measurement surface. Measurements can be performed whether the measurement surface is a wall or ceiling surface, or a curved or inclined surface. Position information is always acquired on the central axis of the cylinder, and the distance from the measurement surface is always constant, allowing measurements to be performed without having to worry about the inclination of the base.
  • the cylinder is a wheel, has a rotatable mechanism in the center, and is rotatably attached to the base with the axis of rotation horizontal, the target is a retroreflector that reflects incident light in a direction opposite to the incident direction, the central position of the position information is the optical center of the target, and the target is arranged on the end face of the wheel with the optical center on the axis of rotation of the wheel.
  • the third aspect of the surface measuring instrument is the first or second aspect, in which the cylindrical body is configured to be self-supporting on the outer peripheral side surface.
  • This aspect stabilizes the movement of the substrate.
  • the cylinder is configured as a divided body in the first to third aspects.
  • a pair of cylinders is also included, and the movement of the base body is stabilized.
  • the first surface measurement system includes a cylindrical body having an outer peripheral side surface that is in contact with a measurement surface and is movable along the measurement surface, a base body to which the cylindrical body is attached, and a target capable of acquiring its own position information by remote measurement, the target being a surface measurement device arranged such that the center position of the position information is on the central axis of the cylindrical body; and a surveying instrument capable of measuring the distance and angle of the target, the surveying instrument being configured to measure the distance and angle of the target moving the surface measuring device along the measurement surface, obtain the position information of the target, and calculate shape data of the measurement surface.
  • the first measurement method includes a cylinder that is in contact with a measurement surface and has an outer peripheral side that can move along the measurement surface, a base to which the cylinder is attached, and a target whose own position information can be acquired by remote measurement, and the target uses a surface measuring device that is positioned so that the center position of the position information is on the central axis of the cylinder to acquire the position information of the target while moving the surface measuring device along the measurement surface, and the position information of the target is acquired by offsetting the radius of the cylinder in the direction of the measurement surface, thereby acquiring the position information of the measurement surface and calculating shape data of the measurement surface.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a surface measuring device and a surface measuring system according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a surface measuring instrument, in which Fig. 3(A) is a perspective view of the surface measuring instrument, and Fig. 3(B) is a side view of the surface measuring instrument.
  • 1 shows an embodiment of a surface measuring instrument.
  • 1 shows another embodiment of a surface measuring instrument.
  • 1 shows modified examples of a surface measuring device and a surface measuring system.
  • 1 shows a modified example of a surface measuring instrument.
  • 1 shows a modified example of a surface measuring instrument.
  • 1 shows a modified example of a surface measuring instrument.
  • the surface measuring system 1 is a diagram showing a schematic configuration of a surface measuring system 1 equipped with a surface measuring instrument 40 according to a preferred embodiment of the present invention, illustrating the operation at an inspection site.
  • the surface measuring system 1 according to this embodiment is a system capable of measuring the unevenness, shape, dimensions, etc. of a measurement surface WL, and is configured to include a surveying instrument 20 and a surface measuring instrument 40.
  • the surveying instrument 20 is a total station equipped with distance and angle measurement functions and a tracking function.
  • the surveying instrument 20 is installed on a tripod at the center of the reference point.
  • the surveying instrument 20 has a base section 2a mounted on a leveller, a support section 2b that rotates the base section 2a horizontally around a vertical axis V, and a telescope 2c that rotates vertically around a horizontal axis H in the center of the support section 2b.
  • the surface measuring device 40 has a base 43 attached to the tip of a control rod 41, and a target 42 that is the target for distance measurement, angle measurement, and tracking functions.
  • the base 43 has a pair of wheels 44 and is configured to be movable along the measurement surface WL.
  • the target 42 is mounted on the base 43 so that the distance between the center position of the target 42 and the measurement surface WL remains constant even when the base 43 moves.
  • the surveying instrument 20 automatically tracks the target 42 using its tracking function, and measures the distance and angle of the target 42 using its distance and angle measurement functions. From the distance to the target 42 and azimuth angle acquired by the measurement, the position information of the target 42 is acquired, and the unevenness and dimensions of the measurement surface WL are calculated.
  • the surveying instrument 20 is a motor-driven total station, and has a horizontal angle detector 21, a vertical angle detector 22, a horizontal rotation drive unit 23, a vertical rotation drive unit 24, a distance measurement unit 25, a tracking unit 26, a communication unit 27, a memory unit 28, and a surveying instrument control unit 29 to which all of these are connected.
  • the horizontal angle detector 21 and the vertical angle detector 22 are absolute or incremental encoders that have a rotating disk, slits, light-emitting diodes, and image sensors.
  • the horizontal angle detector 21 is provided on the rotating shaft of the support part 2b, and detects the horizontal angle of the support part 2b.
  • the vertical angle detector 22 is provided on the horizontal axis H of the telescope 2c, and detects the vertical angle of the telescope 2c.
  • the horizontal rotation drive unit 23 and the vertical rotation drive unit 24 are motors. Controlled by the survey instrument control unit 29, the horizontal rotation drive unit 23 moves the rotation shaft of the support unit 2b, and the vertical rotation drive unit 24 moves the rotation shaft of the telescope 2c. The orientation of the telescope 2c is changed by the cooperation of these two drive units.
  • the horizontal angle detector 21 and the vertical angle detector 22 implement an angle measurement function.
  • the horizontal rotation drive unit 23 and the vertical rotation drive unit 24 form the drive mechanism.
  • the distance measurement unit 25 has a light transmitting unit and a light receiving unit, collimates the target 42, emits distance measurement light such as infrared pulsed laser light to the target 42, receives the reflected light with the light receiving unit, and measures the distance from the phase of the distance measurement light and the internal reference light.
  • distance measurement light such as infrared pulsed laser light
  • the tracking unit 26 has a tracking light transmitting system that emits tracking light such as infrared laser light of a different wavelength from the distance measuring light, and a tracking light receiving system that has an image sensor such as a CCD sensor or CMOS sensor.
  • the survey instrument control unit 29 finds the center of the target image from the information acquired by the tracking unit 26, detects it as the target position, and automatically tracks the target so that the distance between the center of the target image and the center of the visual axis of the telescope 2c is within a certain value and the telescope 2c is always facing the direction of the target.
  • the communication unit 27 enables communication with an external network, for example, by connecting to the Internet using the Internet Protocol (TCP/IP) to send and receive information.
  • Information sent and received by the communication unit 27 includes, for example, the measurement results (distance and angle measurements) made by the surveying instrument 20 that are sent to an information processing device (not shown), and command signals received from a controller (not shown).
  • the survey instrument control unit 29 is, for example, a microcontroller having at least one processor (e.g., a CPU (Central Processing Unit)) and at least one memory (e.g., a DRAM (Dynamic Random Access Memory), SRAM (Static Random Access Memory) etc.) implemented on the board. Each control is executed by the processor according to the stored programs. As control, the survey instrument control unit 29 performs sending and receiving of information via the communication unit 27, driving of each rotation axis by the horizontal rotation drive unit 23 and the vertical rotation drive unit 24, distance measurement by the distance measurement unit 25, angle measurement by the horizontal angle detector 21 and the vertical angle detector 22, automatic tracking by the tracking unit 26, and calculation processing of the acquired measurement data.
  • the memory unit 28 is, for example, a storage medium such as a hard disk drive, and stores the acquired measurement data and calculation results.
  • FIG. 3 shows the surface measuring instrument 40.
  • Fig. 3(A) is a perspective view of the surface measuring instrument 40.
  • Fig. 3(B) is a side view of the surface measuring instrument.
  • the surface measuring device 40 has a control rod 41, a target 42, and a base 43.
  • a pair of wheels 44 are provided on both sides of the base 43 with their rotation axes (axles) aligned horizontally.
  • the wheels 44 have a rotatable mechanism (axle hole or axle) in the center.
  • the pair of wheels 44 allows the base 43 to move on the measurement surface WL.
  • the base 43 is attached to the tip of an operating rod 41 that controls the movement of the base 43.
  • the wheel 44 is a cylindrical body, and has an outer circumferential side that is in contact with the measurement surface WL and can move along the measurement surface WL.
  • the axis of rotation of the cylindrical wheel 44 is the central axis 44a of the wheel 44 (see FIG. 3A).
  • the wheel 44 is configured so that it can stand on its outer circumferential side even when placed alone. Therefore, the surface measuring device 40 placed on a horizontal surface will not tip over on its own.
  • the pair of wheels 44 may be configured as divided bodies of a cylindrical body, and it is sufficient that the pair of wheels 44 can stand on their outer circumferential side.
  • the wheel 44 is configured from a material that is unlikely to deform under a load of contact with the measurement surface WL, such as a hard synthetic resin material, metal material, or wood, rather than a material that is likely to deform under a load such as rubber material.
  • the pair of wheels 44 are rotatably supported on both sides of the base 43. Note that it is not essential that the wheels 44 are rotatably supported, and the wheels 44 may be fixed to the base 43 as long as the cylindrical wheels 44 can move smoothly along the measurement surface WL.
  • the target 42 is composed of a reflector such as a corner cube prism, and is a so-called omnidirectional prism, which is a retroreflector that retroreflects light incident from its entire circumference (360 degrees) in the opposite direction to the incident direction.
  • the target 42 is attached to the exposed end face of one of the wheels 44 so that the optical center C of the target 42 is on the rotation axis of the wheel 44.
  • one target 42 is attached only to one of the wheels 44, but two targets 42 may be attached to the outer end faces of each wheel 44.
  • the target 42 in this embodiment is integrated by assembling four prisms in a pyramid shape. This is not limited to this, and the number of prisms may be increased, and the target 42 may be integrated with multiple prisms so that measurements can be made from various directions.
  • the target 42 when the wheel 44 rotates, the target 42 also rotates with the wheel 44, but the distance between the grounding point of the wheel 44 and the optical center C is always kept constant. If the height from the horizontal plane to the optical center C when the wheel 44 is grounded on the horizontal plane is distance T, then when the wheel 44 is grounded on the measurement plane WL, the distance between the grounding point of the wheel 44 and the optical center C is always distance T. In this embodiment, distance T is the radius of the wheel 44.
  • Figures 4 to 6 show the surface measuring device 40 in use.
  • a pair of wheels 44 are rotatably mounted on the base 43, so the wheels 44 and base 43 can rotate relative to each other around the rotation axis (axle) of the wheels 44.
  • the wheels 44 can rotate around the rotation axis with respect to the base 43, and the base 43 and the operating rod 41 connected to the base 43 can rotate around the rotation axis of the wheels 44 while the wheels 44 remain in contact with the measurement surface WL.
  • the target 42 is placed on the rotation axis of a pair of wheels 44. Therefore, as long as the wheels 44 are in contact with the measurement surface WL, the distance between the contact points of the wheels 44 and the optical center C of the target 42 is always constant (distance T) regardless of the attitude of the base 43, even if the wheels 44 rotate and the base 43 moves, or even if the base 43 rotates around the rotation axis of the wheels 44.
  • the distance between the target 42 and the measurement surface WL will be constant (distance T) whether the surface measuring device 40 moves vertically or horizontally.
  • the wheels 44 can be rotated to move the base 43 along the measurement surface WL. Because the wheels 44 are cylindrical, the outer peripheral side of the wheels 44 can always contact the measurement surface WL.
  • the rotation axis of the wheels 44 i.e., the optical center C of the target 42, passes through a position offset by a distance T in the normal direction of the measurement surface WL at the contact point of the wheels 44.
  • the operator need only operate the operating rod 41 to move the base 43 while keeping the wheels 44 in contact with the measurement surface WL at all times, and there is no need to worry about the posture of the base 43.
  • the measurement surface WL is not limited to floors or road surfaces, and the shape can be measured using the surface measuring device 40 for vertical surfaces such as wall surfaces, inclined surfaces, ceiling surfaces, and even curved or bent surfaces. For example, as shown in Figures 6(A) and (B), measurements can be made without any problems even if the measurement surface WL is a wall surface that is uneven, or if the measurement surface WL is a ceiling surface that is a bent surface, and the operator only needs to move the base 43 with the wheels 44 along the measurement surface WL.
  • the surveying instrument 20 measures the distance and angle of the target 42, obtains the distance to the optical center C of the target 42 and the azimuth angle, and calculates the three-dimensional coordinates as position information of the optical center C based on the measured measurement data.
  • the surveying instrument 20 automatically tracks the target 42 while moving the base 43 along the measurement surface WL with the wheels 44, and measures the distance and angle as needed.
  • Position information of the wheels 44 moving along the measurement surface WL i.e., the position information of the optical center C, is continuously acquired.
  • the position information of the measurement surface WL can be acquired.
  • Example 1 As an example, a description will be given of measurement using the surface measuring system 1 when the measurement surface WL is a wall surface. Using a surface measuring device 40, shape data such as the uneven state, shape, and inclination of the measurement surface WL is obtained.
  • the surveying instrument 20 is placed at a reference point.
  • the reference point is preferably a known point, but it can be any point as long as there is no need to detect a location on the measurement surface WL that satisfies certain conditions and identify the position.
  • the operator holds the control rod 41, places the wheels 44 on the measurement surface WL, and rotates the wheels 44 to move the base 43 along the measurement surface WL.
  • the surveying instrument 20 tracks the target 42 and measures the distance and angle of the target 42 at any time.
  • coordinates PQ1 (x1, y1, z1), PQ2 (x2, y2, z2), PQ3 (x3, y3, z3)... of each point are calculated as position information of measurement points PP1, PP2, PP3... from continuously acquired measurement data.
  • Each coordinate is calculated as an absolute coordinate when the surveying instrument 20 is installed at a known point, and as a relative coordinate when it is installed at an arbitrary point.
  • the acquired data and calculation results are stored in the memory unit 28.
  • the survey instrument control unit 29 plots the calculated coordinates of each measurement point in coordinate space, connects the plotted points in the order they were obtained, and finds the virtual curve PL and a virtual surface to which the plotted points fit.
  • the point on the measurement surface WL is calculated, and shape data of the measurement surface WL can be calculated.
  • the worker When acquiring detailed surface shape data of the measurement surface WL, the worker first places the wheels 44 against the floor and the measurement surface WL, with the lower end of the measurement surface WL as the initial position. Next, the operator operates the operating rod 41 to rotate the wheels 44 while still in contact with the measurement surface WL, and move the base 43 upward to the upper end of the measurement surface WL. Once the base 43 has been moved to the upper end of the measurement surface WL, the base 43 is moved a predetermined distance to the side (left or right) while still in contact with the measurement surface WL, and then moved downward from the upper end to the lower end of the measurement surface WL. Once the wheels 44 are in contact with the floor and the base 43 has reached the lower end of the measurement surface WL, the wheels 44 are moved again a predetermined distance in the same lateral direction while still in contact with the measurement surface WL, and the above operation is repeated.
  • the surveying instrument 20 automatically tracks the target 42 and measures the distance and angle of the target 42 at a predetermined interval, for example, at time intervals of 0.1 to 1 second, or at distance intervals of 0.1 to 5 cm.
  • the three-dimensional coordinates of all acquired measurement points PP are calculated and plotted in coordinate space.
  • the obtained point cloud is offset point by point onto the measurement plane WL.
  • the offset direction of a certain measurement point PP is parallel to the virtual plane determined from the point cloud (on an orthogonal plane) and is the normal direction of an approximate straight line determined from points in a specified range before and after. This calculates two diametrically opposed directions, and which direction is selected manually or automatically.
  • a publicly known method can be used to determine surfaces and straight lines from the point cloud, so a description of this will be omitted.
  • Example 2 Another embodiment using the surface measuring system 1 and the surface measuring device 40 will be described with reference to FIG.
  • the surface measuring device 40 can measure wall surfaces, ceiling surfaces, and curved surfaces, so it can measure ceiling and floor surfaces continuously from the wall surfaces. By continuously measuring the inner circumference of an opening, it is also possible to measure the shape of the opening. For example, by measuring the shape of an opening in a wall into which a window frame will be fitted, or the shape of the inner frame of a building entrance, it is possible to check whether a window or door can be fitted in.
  • the opening G2 of the garage G1 shown in FIG. 8 is an entrance to the garage G1, and is an opening in the wall of the garage G1 that is provided for fitting a ready-made shutter (not shown).
  • the dimensions and inclination of the opening G2 can be measured by moving the surface measuring device 40 along the inner periphery of the opening G2, i.e., the left side surface G3, ceiling surface G4, and right side surface G5 that form the opening G2.
  • the surveying instrument 20 locks onto the target 42 and starts automatic tracking. While the surveying instrument 20 is automatically tracking the target 42, the operator performs the following operations with the control stick 41.
  • the wheels 44 are rotated while still in contact with the left side surface G3, and the base 43 is moved upward along the left side surface G3.
  • the base 43 is moved to the top end of the left side surface G3, and when the wheels 44 come into contact with the ceiling surface G4, the wheels 44 are then rotated along the ceiling surface G4 and moved towards the right side surface G5.
  • the wheels 44 come into contact with the right side surface G5 and the base 43 reaches the right side surface G5, this time the wheels 44 are moved downward along the right side surface G5 until they come into contact with the floor surface.
  • opening G2 is an entrance/exit, by measuring the three sides, the left side G3, the ceiling side G4, and the right side G5, the shape of opening G2 can be calculated without moving the base 43 to measure the other side, the floor. If the opening does not have the floor as one of its constituent surfaces, such as the inner frame of a window, the base 43 is moved with the wheels 44 along the inner surface until it returns to the initial position, and the entire circumference of the opening is measured.
  • the operator operates the control rod 41 to move the base 43 while moving the wheels 44 along the inner surface of the opening G2, causing the surveying instrument 20 to constantly measure distances and angles.
  • the optical center C passes through a virtual line PL2 which offsets the opening G2 inward by a distance T.
  • the survey instrument control unit 29 calculates the three-dimensional coordinates of all acquired measurement points, plots them in coordinate space, and connects them in order. Furthermore, by connecting the end points and start points of the plot points, a rectangular closed curve is formed in three-dimensional space.
  • the external data of the opening G2, i.e., the coordinates of the opening G2, the dimensions of each side of the opening G2, the inclination, the unevenness, and the distortion of the opening G2 are calculated.
  • the surface measurement system 1 may have an "inner frame measurement mode" as a mode for measuring the inner frame.
  • the surveying instrument control unit 29 performs a special calculation process. First, measurement of the left side surface G3 is started as the first measurement surface, and the base 43 is moved from the bottom end to the top end to measure. Next, the ceiling surface G4 is measured, and finally the right side surface G5 is measured. Using the surface to which the acquired point cloud fits as the reference surface, all point clouds belonging to the left side surface G3 are offset by a distance T to the left. The point clouds belonging to the ceiling surface G4 are offset vertically upward.
  • the point clouds belonging to the right side surface G5 are offset to the right.
  • the offset of all point clouds is performed on the reference surface.
  • Measurement modes are prepared for each type of measurement surface, such as a ceiling surface or a wall surface, such as a "road surface unevenness measurement mode". Depending on the measurement mode, the type of surface to be measured can be set in advance, and the offset direction of the measurement points is specified.
  • a ready-made shutter was fitted into the opening G2, but if the opening were to be fitted with, for example, a homemade door whose precise dimensions are unknown, the surveying instrument 20 could be used to track the target 42 and measure the distance and angle as needed, in the same manner as described above, while the base 43 is moved along the outer periphery of the door, making it possible to easily obtain shape data such as the door's outline, dimensions, and inclination.
  • FIG. 9 shows a surface measuring instrument 140 according to a modified example.
  • the surface measuring device 140 is a movable cart.
  • the surface measuring device 140 of this embodiment is capable of automatic travel, and is configured to be able to travel on the measurement surface WL by remote control travel or autonomous travel. Note that automatic travel is not essential, and there is no problem with manually traveling it using a control stick (not shown), and the automatic travel described below may be performed manually.
  • the surface measuring device 140 may also be configured as a car, and a driver may ride in it and drive it manually.
  • the surface measuring device 140 has a base 143, a pair of front wheels 144 and a pair of rear wheels 148 rotatably attached to the base 143, a drive unit M1 that drives the axles of the front wheels 144 to rotate, a steering unit M2 that controls the direction of the axles of the pair of front wheels 144, a bogie communication unit M3 that transmits and receives information wirelessly, and a bogie control unit M4 that controls the drive unit M1, steering unit M2, and bogie communication unit M3.
  • the front wheels 144 and rear wheels 148 are equivalent to the wheels 44.
  • the pair of front wheels 144 attached to the base 143 are driven to rotate by the drive unit M1, and their direction is controlled by the steering unit M2, so that the surface measuring device 140 moves on the measurement surface WL by itself.
  • a target 42 is fixed to the outer end face of the front wheel 144 so that its optical center C is on the rotation axis (axle) of the front wheel 144.
  • the surface measuring instrument 140 drives in a predetermined pattern (autonomous driving) by controlling the steering unit M2 and the drive unit M1 according to a program built into the bogie control unit M4.
  • the surface measuring instrument 140 can also be remotely operated (manual driving) by a controller (not shown).
  • the controller may be a dedicated operation terminal, or may be configured as software and operated from a smartphone or mobile computer with operation software installed.
  • the surface measuring instrument 140 is operated by receiving operation commands input to the controller via the bogie communication unit M3. Note that the bogie communication unit M3 is not essential, and the surface measuring instrument 140 may be configured to only drive autonomously in a programmed driving pattern without manual driving.
  • the measurement surface WL can be an inclined surface, a curved surface, an uneven surface, etc., and the shape is not important. It may be equipped with a suction mechanism such as a fan or a propulsion mechanism such as a propeller, and be configured to be able to move on wall surfaces and ceiling surfaces.
  • the method of measuring the measurement surface WL by the surface measurement system 1 using the surface measurement device 140 is the same as the measurement method using the surface measurement device 40, except that the movement of the surface measurement device 140 is not performed using the operating rod 41, but is performed by running the surface measurement device 140.
  • the surveying instrument 20 is placed at the reference point.
  • the surface measuring instrument 140 is placed at the initial position.
  • the surveying instrument 20 locks onto the target 42 and starts automatic tracking.
  • the surface measuring instrument 140 moves over the measurement surface WL by autonomous driving or manual driving. While automatically tracking the target 42, the surveying instrument 20 measures distance and angle at predetermined intervals as needed, and acquires measurement data at each measurement point.
  • the optical center C of the target 42 is located on the rotation axis of the front wheel 144 of the surface measuring device 140, even if the front wheel 144 rotates and the surface measuring device 140 moves, the distance from the measurement surface WL to the optical center C remains constant (distance T) regardless of the attitude of the surface measuring device 140. Since the front wheel 144 moves along the unevenness of the measurement surface WL, the unevenness of the measurement surface WL is calculated from the measurement data of the measurement points.
  • the direction of movement, the travel route, and the current location from the measurement data of the surveying instrument 20 may be fed back to the surface measuring instrument 140 via the carriage communication unit M3, so that the surface measuring instrument 140 can be configured to automatically move in a predetermined pattern.
  • the surface measuring instrument 140 may be configured to move in a zigzag pattern from one side edge of the measurement surface WL to the other side edge, so that the surface measuring instrument 140 can move comprehensively over the measurement surface WL.
  • a detection sensor may be mounted on the base 143, so that if an obstacle is detected while the surface measuring instrument 140 is moving, the obstacle can be detoured.
  • the target 42 which is the target for distance measurement, angle measurement, and tracking of the surveying instrument 20, is not limited to the above-mentioned form, and may be a target whose own position information can be obtained remotely, and may be disposed exposed to the outside such that position information can be obtained, such as on the outer end face of the wheel 44, so that the center of the obtained position information is on the rotation axis of the wheel 44.
  • the target 42 may be composed of multiple prisms P1.
  • the multiple prisms P1 are evenly arranged circumferentially on the outer end face of the wheel 44 so that the optical center C1 of each prism P1 is on the same circumference with the rotation axis of the wheel 44 as the center.
  • the distance measurement light of the surveying instrument 20 hits the multiple prisms P1 simultaneously, and the position of the center of gravity is calculated as the optical center C based on the average value.
  • the multiple prisms P1 are evenly arranged around the rotation axis of the wheel 44, so that the optical centers C are all on the rotation axis of the wheel 44 regardless of the number of prisms P1.
  • a reflective sheet P2 may be used for the target 42, or a resin prism assembly P3 may be used.
  • the reflective sheet P2 and the resin prism assembly P3 are configured in the form of a circular or rectangular sheet.
  • the reflective sheet P2 on the target 42 is equivalent to an optical target having multiple prisms, and the distance measurement light of the surveying instrument 20 hits multiple regression prisms simultaneously, and the measurement value is calculated from the average value.
  • the center of the shape of the reflective sheet P2 and the resin prism assembly P3 is the optical center C of the reflective sheet P2 and the resin prism assembly P3 as it is. For this reason, the reflective sheet P2 and the resin prism assembly P3 are attached to the outer end surface of the wheel 44 so that the center of the shape is on the rotation axis of the wheel 44.
  • the target 42 may be a marker or code such as an AR marker P4, a QR code (registered trademark) P5, or a barcode. These markers and codes are attached to the outer end surface of the wheel 44 so that the reading center position is on the rotation axis of the wheel 44.
  • a 3D scanner can be used as the surveying instrument 20, and a 3D scanner shape can be used as the target.
  • the 3D scanner shape can be, for example, a sphere, cube, half-sphere, cone, or other shape, and a predetermined position can be specified from the point cloud obtained by scanning the object. This predetermined position is set as the optical center C, and is positioned so as to be on the rotation axis of the wheel 44.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and the target may be disposed such that the center position of the acquired position information is on the center of rotation of the wheel 44 .
  • the operating rod 241 is supported rotatably relative to the base 43. Therefore, the worker can measure the posture of the wheels 44 and the base 43 in a state that is easy for the worker to work in. If the rotation axis of the operating rod 241 is parallel to the rotation axis of the wheels 44, it is easy for the worker to grasp the posture of the base 43, which is preferable.
  • the operating rods 341 and 441 are each equipped with a first joint that can rotate about the central axis of the operating rod and a second joint that can rotate perpendicular to the first joint.
  • the two joints allow the operating rods 341 and 441 to rotate about two orthogonal axes.
  • the operating rods 341 and 441 are supported by the base 43 so that one rotation axis is parallel to the rotation axis of the wheels 44. Since the operating rods can rotate about two axes, it is easy for the worker to operate them.
  • the operating rod 41 may also be connected to the base 43 by a structure that can expand and contract, such as a spring.
  • the operating rod 41 may also be configured to be expandable and contractible.
  • the surface measuring instrument 540 shown in FIG. 12(A) has only one wheel 44.
  • the target 42 is attached to the outer end face of one wheel 44, and the inner end face is rotatably supported on the side of the base 543.
  • the rod-shaped operating rod 541 is attached to the base 543 so that the extension of its central axis passes through the optical center C of the target 42. This allows the operator to perform work while recognizing the optical center C, i.e., the measurement point of the surface measuring instrument 540.
  • the base 543 and operating rod 541 may be integrated into one component.
  • the wheel 44 is clamped to the base 643 and rotatably supported inside the base 642. Therefore, it is not the outer end face of the wheel 44 that is exposed to the outside, but the side of the base 643.
  • the target 42 is fixed to the side of the base 642 so that the optical center C is on the rotation axis of the wheel 44. Whether the wheel 44 rotates in contact with the measurement surface WL or 643 rotates relatively on the rotation axis of the wheel 44, the optical center C of the target 42 is on the rotation axis of the wheel 44, and the distance from the measurement surface WL to the optical center C is kept constant (distance T). In this way, as long as the optical center C is always located on the rotation axis of the moving wheel 44, it does not matter where the target is fixed, and it is not limited to the wheel, but can be the base or a control stick.
  • the target 42 may be measured manually, and measurement data may be sparse.
  • the shape of the inner frame can be measured by manually measuring only the corners of the inner frame at the very least.

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Abstract

様々な態様の計測面を精度よく計測可能な面計測器(40)、面計測システム(1)、および計測方法に関する。計測面(WL)に接地し、かつ前記計測面(WL)に沿って移動可能な外周側面を有する円柱体(44)と、前記円柱体が取付けられる基体(43)と、遠隔からの計測により、自身の位置情報を取得されることが可能なターゲット(42)と、を有し、前記ターゲット(42)は、前記位置情報の中心位置が、前記円柱体の中心軸(44a)上となるように、前記円柱体の回転軸上に配置される面計測治具を提供する。円柱体が計測面に接して移動しても、計測面からターゲットの中心位置までの距離(T)は、常に一定を保つことから、計測面の凹凸状態や寸法などを精度よく容易に計測できる。

Description

面計測器、面計測システムおよび計測方法
　本願発明は、道路や外壁、天井面などの壁面などの様々な態様の計測面を精度よく計測可能な面計測器、および計測システムに関する。
　道路面などの凹凸状態を計測するため、様々な計測器が提案されている。例えば、特許文献１では、台車にレーザ光を受光する装置を積載した計測器を用いており、この台車を道路上に走行させることで、路面の凹凸状態を取得していた。特許文献２では、車輪が設けられた基体に、プリズムと操作棒が取付けられた計測治具を用いており、測量機にプリズムを測定させながら、作業者は操作棒を持って、基体を道路に沿って移動させることで、路面の凹凸状態を取得していた。
特許３８２９２２５号 特許５６６９３１５号
　しかし、特許文献１では、四つの車輪が設けられた台車を使用するため、例えば凹凸が細かい道路面では、前後の車輪間に凹凸が配置されると凹凸が計測されないなど、凹凸状態を精度よく計測することができない場合があった。また、特許文献２では、車輪は基体に二つだけ設けられており、プリズムは車輪の接地点から一定の高さの車軸の直上に配置されるため、作業者の持つ操作棒が傾くとプリズムも傾き、接地点とプリズムとの距離が変化するため、やはり凹凸状態を精度よく計測できない場合があった。さらに、特許文献１および特許文献２は、いずれも計測面は路面のみを想定しており、壁面や天井面などは想定されていない。
　本件は、このような問題に鑑みてなされたものであり、路面に限らず、道路や外壁、天井面など、様々な態様の計測面を精度よく計測可能な面計測器、面計測システム、および計測方法を提供する。
　上記問題を解決するため、本発明の第１の態様の面計測器においては、計測面に接地し、かつ前記計測面に沿って移動可能な外周側面を有する円柱体と、前記円柱体が取付けられる基体と、遠隔からの計測により、自身の位置情報を取得されることが可能なターゲットと、を有し、前記ターゲットは、前記位置情報の中心位置が、前記円柱体の中心軸上となるように、配置されるように構成した。
　この態様によれば、円柱体が計測面を移動することで計測を行うことができる。計測面が壁面や天井面であっても、湾曲面や傾斜面であっても計測可能である。位置情報の取得は常に円柱体の中心軸上で、計測面からの距離は常に一定となり、基体の傾きを気にせずに計測を行うことができる。
　第２態様の面計測器は、第１の態様において、前記円柱体は車輪であり、中央に回転自在な機構を有し、回転軸を水平にして、前記基体に回動可能に取り付けられ、前記ターゲットは、入射する光を、入射方向と反対の方向に再帰反射する再帰反射体であり、前記位置情報の中心位置は、前記ターゲットの光学中心であり、前記ターゲットは、前記光学中心が前記車輪の前記回転軸上となるようにして、前記車輪の端面に配置されるように構成した。この態様によれば、車輪で計測面を走る基体のターゲットを測距・測角することで、計測面を計測で、様々な態様の計測面を容易に計測できる。
　第３態様の面計測器は、第１または第２の態様において、前記円柱体は、前記外周側面で自立可能に構成されるものとした。
この態様によれば、基体の移動が安定する。
　第４態様の面計測器は、第１～第３の態様において、前記円柱体は分割体として構成されるものとした。一対の円柱体なども含まれ、基体の移動が安定する。
　第１の面計測システムにおいては、計測面に接地し、かつ前記計測面に沿って移動可能な外周側面を有する円柱体と、前記円柱体が取付けられる基体と、遠隔からの計測により、自身の位置情報を取得されることが可能なターゲットとを有し、前記ターゲットは、前記位置情報の中心位置が、前記円柱体の中心軸上となるように配置される面計測器と、
　前記ターゲットを測距・測角可能な測量機と、を備え、前記測量機は、前記計測面に沿って前記面計測器を移動するターゲットを測距・測角し、前記ターゲットの前記位置情報を取得して、前記計測面の形状データを算出するように構成した。
　第１の計測方法においては、計測面に接地し、かつ前記計測面に沿って移動可能な外周側面を有する円柱体と、前記円柱体が取付けられる基体と、遠隔からの計測により、自身の位置情報を取得されることが可能なターゲットとを有し、前記ターゲットは、前記位置情報の中心位置が、前記円柱体の中心軸上となるように配置される面計測器とを用いて、前記計測面に沿って前記面計測器を移動させながら、前記ターゲットの前記位置情報を取得し、前記ターゲットの前記位置情報を、前記計測面の方向に、前記円柱体の半径だけオフセットすることで、前記計測面の前記位置情報を取得し、前記計測面の形状データを算出する。
　以上の説明から明らかなように、様々な態様の計測面を精度よく計測可能な面計測器、面計測システム、および計測方法を提供できる。
本発明の好適な実施形態に係る面計測器、および面計測システムの概略構成を示す図である。 測量機のブロック図である。 面計測器を示す。図３（Ａ）は面計測器の斜視図である。図３（Ｂ）は面計測器の側面図である。 面計測器の使用状態を示す。 面計測器の使用状態を示す。 面計測器の使用状態を示す。 面計測器の実施例を示す。 面計測器の別の実施例を示す。 面計測器および面計測システムの変形例を示す。 面計測器の変形例を示す。 面計測器の変形例を示す。 面計測器の変形例を示す。
　以下、本発明の具体的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。また、以下の実施形態および変形例の説明において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
　（面計測システム）
　図１は、本発明の好適な実施形態である面計測器４０を備える面計測システム１の概要構成を示す図であり、検査現場での作業をイメージしている。本実施形態に係る面計測システム１は、計測面ＷＬの凹凸状態、形状、寸法などを計測可能なシステムであり、測量機２０および面計測器４０を含んで構成される。
　測量機２０は、測距・測角機能及び追尾機能を備えたトータルステーションである。測量機２０は、基準点中心上に三脚を用いて設置される。測量機２０は、整準器の上に設けられた基盤部２ａと、基盤部２ａを鉛直軸Ｖ回りに水平回転する托架部２ｂと、托架部２ｂの中央で水平軸Ｈ周りに鉛直回転する望遠鏡２ｃとを有する。
　面計測器４０は、操作棒４１の先端に取付けられた基体４３と、測距・測角機能及び追尾機能のターゲットであるターゲット４２を有する。基体４３は一対の車輪４４を備え、計測面ＷＬに沿って移動可能に構成される。基体４３が移動しても、ターゲット４２の中心位置と計測面ＷＬとの距離は一定となるように、ターゲット４２は基体４３に搭載されている。
　計測面ＷＬを計測の際には、作業者は操作棒４１を把持し、車輪４４を計測面ＷＬに当接させ、基体４３を計測面ＷＬに沿って移動させる。このとき、測量機２０は、追尾機能によりターゲット４２を自動追尾するとともに、測距・測角機能によりターゲット４２を測距・測角する。計測により取得された、ターゲット４２までの距離および方位角から、ターゲット４２の位置情報を取得し、計測面ＷＬの凹凸や寸法を算出する。
　（測量機）
　図２は、測量機２０の構成ブロック図である。測量機２０は、モータドライブトータルステーションであり、水平角検出器２１、鉛直角検出器２２、水平回転駆動部２３、鉛直回転駆動部２４、測距部２５、追尾部２６、通信部２７、記憶部２８、およびこれら全てが接続される測量機制御部２９を有する。
　水平角検出器２１と鉛直角検出器２２は、回転円盤、スリット、発光ダイオード、イメージセンサを有するアブソリュートエンコーダまたはインクリメンタルエンコーダである。水平角検出器２１は、托架部２ｂの回転軸に設けられ、托架部２ｂの水平角を検出する。鉛直角検出器２２は、望遠鏡２ｃの水平軸Ｈに設けられ、望遠鏡２ｃの鉛直角を検出する。
　水平回転駆動部２３と鉛直回転駆動部２４はモータである。測量機制御部２９に制御され、水平回転駆動部２３は托架部２ｂの回転軸を動かし、鉛直回転駆動部２４は、望遠鏡２ｃの回転軸を動かす。両駆動部の協働により、望遠鏡２ｃの向きが変更される。水平角検出器２１と鉛直角検出器２２とで、測角機能を実装している。水平回転駆動部２３および鉛直回転駆動部２４とで、駆動機構を構成する。
　測距部２５は、送光部と受光部を備え、ターゲット４２を視準して、例えば赤外パルスレーザ光等の測距光をターゲット４２に射出し、その反射光を受光部で受光し、測距光と内部参照光の位相から測距する。
　追尾部２６は、測距光とは異なる波長の赤外レーザ光などを追尾光として出射する追尾送光系と、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサを有する追尾受光系を有する。測量機制御部２９は、追尾部２６が取得した情報からターゲット像の中心を求め、ターゲット位置として検出し、ターゲット像の中心と望遠鏡２ｃの視軸中心からの隔たりが一定値以内に収まるように、常に望遠鏡２ｃがターゲットの方向を向くように、自動追尾する。
　通信部２７は、外部ネットワークとの通信を可能にするものであり、例えば、インターネットプロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）を用いてインターネットに接続し、情報の送受信を行う。通信部２７の送受信する情報は、例えば、図示しない情報処理装置に送信する測量機２０が測定（測距・測角）した測定結果や、図示しないコントローラから受信する命令信号などである。
　測量機制御部２９は、例えば、少なくとも１つのプロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit））、および少なくとも１つのメモリ（例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）など）を、基盤に実装したマイクロコントローラである。収納されたプログラムにより、プロセッサにて各制御が実行される。測量機制御部２９は、制御として、通信部２７を介した情報の送受信、水平回転駆動部２３および鉛直回転駆動部２４による各回転軸の駆動、測距部２５による測距、水平角検出器２１および鉛直角検出器２２による測角、追尾部２６による自動追尾、取得した計測データの演算処理などを行う。記憶部２８は、例えばハードディスクドライブなどの記憶媒体であり、取得した測定データや演算結果が記憶される。
　（面計測器）
　次に面計測器４０について説明する。図３は、面計測器４０を示す。図３（Ａ）が面計測器４０の斜視図である。図３（Ｂ）が面計測器の側面図である。
　面計測器４０は、操作棒４１、ターゲット４２、および基体４３を有する。
　基体４３の両側面には、回転軸（車軸）を水平にして、かつ回転軸を一致させて、一対の車輪４４が設けられている。車輪４４は中央に回転自在な機構（車軸孔または車軸）を有する。一対の車輪４４により、基体４３は計測面ＷＬを移動可能に構成される。基体４３の移動を操作する操作棒４１の先端に、基体４３が取付けられる。
　車輪４４は円柱体であり、計測面ＷＬに接地し、かつ計測面ＷＬに沿って移動可能な外周側面を有する。円柱体である車輪４４の回転軸が、車輪４４の中心軸４４ａである（図３Ａ参照）。車輪４４は単体でも外周側面で自立可能に構成される。このため、水平面に載置された面計測器４０が勝手に転倒することはない。一対の車輪４４が車軸を一致させて配置される場合、一対の車輪を円柱体の分割体として構成されてよく、一対の車輪４４の外周側面で自立可能であればよい。特に材質は指定しないが、計測面ＷＬとの接触での弾性変形による計測誤差を抑制するため、ゴム材などの負荷により変形が生じやすい部材ではなく、硬質の合成樹脂部材や金属部材、木材など、計測面ＷＬとの接触程度の負荷では変形が殆ど生じない部材で構成されると好ましい。
　一対の車輪４４は基体４３の両側面に回動可能に支持される。なお、車輪４４が回動可能に支持されることは必須ではなく、円柱体の車輪４４が計測面ＷＬに沿ってスムーズに移動可能であれば、車輪４４が基体４３に固定されていてもよい。
　ターゲット４２は、コーナーキューブプリズムなどの反射体で構成されており、いわゆる全方位プリズムで、その全周（３６０度）から入射する光を、その入射方向と反対の方向に再帰反射する再帰反射体である。ターゲット４２は、ターゲット４２の光学中心Ｃが、車輪４４の回転軸上となるようにして、一方の車輪４４の露出する端面に取付けられている。本実施形態においては、１つのターゲット４２が一方の車輪４４にのみ取付けられているが、２つのターゲット４２がそれぞれの車輪４４の外側端面に取付けられてもよい。また、本実施形態のターゲット４２は、４つのプリズムをピラミッド型に組付けて一体化されている。これに限られず、プリズムの数を増やしてもよく、ターゲット４２は様々な方向からの計測が可能なように、複数のプリズムを一体化したものでもよい。
　上記構成により、車輪４４が回転すると、ターゲット４２も車輪４４とともに回転するが、車輪４４の接地点と光学中心Ｃとの距離は、常に一定の距離を保つ。水平面に車輪４４を接地させたときの、水平面から光学中心Ｃまでの高さを距離Ｔとすると、計測面ＷＬに車輪４４が接地しているとき、車輪４４の接地点と光学中心Ｃとの距離は、常に距離Ｔとなる。本実施形態においては、距離Ｔは車輪４４の半径となる。
　図４～図６は、面計測器４０の使用状態を示す。一対の車輪４４が基体４３に回動可能に設けられていることから、車輪４４と基体４３は、車輪４４の回転軸（車軸）に対して、互いに相対的に回動可能となっている。車輪４４は基体４３に対して回転軸を中心にして回動可能であり、基体４３および基体４３に連結される操作棒４１は、車輪４４が計測面ＷＬに接地したまま、車輪４４の回転軸を中心として回動可能である。
　面計測器４０においては、一対の車輪４４の回転軸上にターゲット４２が配置されているため、車輪４４が計測面ＷＬに接地していれば、車輪４４が回転して基体４３が移動しても、基体４３が車輪４４の回転軸を中心として回転しても、基体４３の姿勢にかかわらず、車輪４４の接地点とターゲット４２の光学中心Ｃとの距離は常に一定（距離Ｔ）である。
　図４（Ａ）に示すように、車輪４４が計測面ＷＬに接したままの状態で、基体４３および操作棒４１が車輪４４の回転軸を中心にして回転し、鉛直位置から傾いても、車輪４４の接地点とターゲット４２の距離は変わることがなく、常に距離Ｔを保つ。また、図４（Ｂ）に示すように、一対の車輪４４が計測面ＷＬに接したまま、計測面ＷＬの垂直軸に対して面計測器４０が回転しても、車輪４４の接地点とターゲット４２の距離は変わることなく、常に距離Ｔを保つ。すなわち、面計測器４０が、面計測器４０の進行方向に対して、左右に向いてしまっても、車輪４４の接地点とターゲット４２との距離は、常に距離Ｔに保たれる。
　一対の車輪４４の外周側面が計測面ＷＬに対して接しているならば、面計測器４０が鉛直方向に移動しても、水平方向に移動しても、ターゲット４２と計測面ＷＬとの距離は一定（距離Ｔ）となる。
　また、図５に示すように、面計測器４０においては、車輪４４は基体４３に一対だけ設けられているため、計測面ＷＬが凹凸のある湾曲面であっても、車輪４４を回転させて基体４３を計測面ＷＬに沿って移動させることができる。車輪４４は円柱体であるため、車輪４４の外周側面は常に計測面ＷＬに接地することができる。車輪４４の回転軸、すなわちターゲット４２の光学中心Ｃは、車輪４４の接地点における計測面ＷＬの法線方向に、距離Ｔだけオフセットした位置を通過する。
　作業者は、車輪４４が常に計測面ＷＬに接するようにして、操作棒４１を操作して基体４３を移動させていればよく、基体４３の姿勢を気にする必要が無い。計測面ＷＬは、床面や路面にかぎらず、壁面などの鉛直面や傾斜面、天井面、また湾曲面や屈曲面などであっても、面計測器４０を用いて形状を計測することができる。例えば、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、計測面ＷＬが壁面、かつ凹凸のある面であっても、計測面ＷＬが天井面、かつ屈曲面であっても問題なく計測でき、作業者は車輪４４を計測面ＷＬに沿わせて基体４３を移動させるだけでよい。
　面計測システム１では、測量機２０によるターゲット４２の測距・測角を行い、ターゲット４２の光学中心Ｃまでの距離と方位角を取得し、計測した計測データに基づいて光学中心Ｃの位置情報として三次元座標を算出する。
　車輪４４の接地点とターゲット４２の光学中心Ｃとの距離が常に一定であることを利用して、車輪４４を計測面ＷＬに沿わせて基体４３を移動させながら、測量機２０でターゲット４２を自動追尾させ、随時測距・測角させる。計測面ＷＬを移動する車輪４４の位置情報、すなわち光学中心Ｃの位置情報を、連続して取得する。取得した位置情報を、計測面ＷＬに向かって距離Ｔだけオフセットすることで、計測面ＷＬの位置情報を取得することができる。
　（実施例１）
　一例として、計測面ＷＬが壁面である場合の、面計測システム１を用いた計測について説明する。面計測器４０を用いて、計測面ＷＬの凹凸状態や形状、傾斜などの形状データを取得する。
　図１に示すように、まず測量機２０を基準点に設置する。基準点は、好ましくは既知点であるが、計測面ＷＬ上の、ある条件を満たす箇所を検知して、位置を特定するする必要がなければ、任意点であっても問題ない。
　作業者は操作棒４１を把持して、計測面ＷＬに車輪４４を接地させ、車輪４４を回動させて基体４３を計測面ＷＬに沿って移動させる。このとき、測量機２０は、ターゲット４２を追尾するとともに、随時ターゲット４２の測距・測角を行う。
　図７に示すように、連続して取得される計測データから、計測点ＰＰ１，ＰＰ２，ＰＰ３…の位置情報として、各点の座標ＰＱ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、ＰＱ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２）、ＰＱ３（ｘ３，ｙ３，ｚ３）…が算出される。各座標は、測量機２０が既知点に設置された場合は、絶対座標で、任意点に設置された場合は、相対座標として算出される。取得されたデータや演算結果は、記憶部２８に保存される。
　測量機制御部２９は、算出した各計測点の座標を座標空間にプロットし、取得順にプロットされた点を結び、仮想曲線ＰＬや、プロット点がフィットする仮想面を求める。計測点ＰＰのプロット点を計測面ＷＬへ向かう方向へ距離Ｔだけオフセットすると、計測面ＷＬ上の点が算出され、計測面ＷＬの形状データを算出できる。
　計測面ＷＬの詳細な面形状データを取得する場合、作業者は、まず、計測面ＷＬの下端を初期位置として、床面および計測面ＷＬに車輪４４を当接させる。次に、操作棒４１を操作して、車輪４４を計測面ＷＬに当接させたまま回動させて、基体４３を上方に計測面ＷＬの上端まで移動させる。基体４３を計測面ＷＬの上端まで移動させ終えると、車輪４４を計測面ＷＬに当接させたまま、基体４３を側方（左方または右方）に所定距離だけ移動させ、今度は計測面ＷＬの上端から下端まで下方に移動させる。床面に車輪４４が当接し、基体４３を計測面ＷＬの下端まで到達させると、車輪４４を計測面ＷＬに当接させたまま、また所定距離だけ先ほどと同側方向に移動させ、上記操作を繰り返す。
　測量機２０は、ターゲット４２を自動追尾しながら、所定の間隔、例えば０．１～１秒ごとの時間間隔、または、例えば距離０．１ｃｍ～５ｃｍごとの距離間隔で、ターゲット４２の測距・測角を行う。
　取得したすべての計測点ＰＰの三次元座標を算出し、座標空間にプロットする。得られた点群を、点ごとに計測面ＷＬへオフセットする。ある計測点ＰＰのオフセット方向は、点群から求められる仮想面に平行で（直交面上）で、かつ、前後の所定の範囲の点から求められる近似直線の法線方向である。これで算出されるのは、正反対な２方向であり、どちらの方向であるかは、手動または自動で選択される。点群から面や直線を求める方法は、公知の方法を用いてよく、説明は省略する。算出され選択されたオフセット方向に距離Ｔだけオフセットすることで、計測面ＷＬ上の座標として取得できる。
　（実施例２）
　図８を用いて、面計測システム１および面計測器４０を用いた別の実施例を説明する。
　面計測器４０は、壁面や天井面、屈曲面も計測できることから、壁面から連続して天井面や床面も計測することができる。開口部の内周面を連続して計測することで、開口部の形状を計測することも可能である。例えば、窓枠を嵌め込むための壁面の開口部形状や、建物入り口の内枠形状を計測することで、窓や扉を嵌め込むことができるか否かを確認することができる。
　図８に示すガレージＧ１の開口部Ｇ２は、ガレージＧ１の出入り口であり、図示しない既成品のシャッターを嵌め込むために設けられた、ガレージＧ１の壁面の開口部である。開口部Ｇ２の内周面、すなわち開口部Ｇ２を形成する左側面Ｇ３、天井面Ｇ４，および右側面Ｇ５に沿って面計測器４０を移動させることで、開口部Ｇ２の寸法や傾きを計測することができる。
　まず、基準点に測量機２０を配置する。初期位置として面計測器４０を、左側面Ｇ３の下端部に配置するため、車輪４４を床面と左側面Ｇ３に当接させる。
　次に、測量機２０にターゲット４２をロックさせて、自動追尾を開始する。測量機２０にターゲット４２を自動追尾させたまま、作業者は、操作棒４１で以下の操作を行う。
　車輪４４を左側面Ｇ３に当接させたまま回転させ、基体４３を左側面Ｇ３に沿って上方へ移動させる。基体４３を左側面Ｇ３の上端まで移動させ、車輪４４が天井面Ｇ４に当接したら、今度は車輪４４を天井面Ｇ４に沿って回転させ、右側面Ｇ５に向かって移動させる。車輪４４が右側面Ｇ５に当接し、基体４３が右側面Ｇ５に到達したら、今度は、そのまま右側面Ｇ５に沿って、車輪４４が床面に当接するまで下方に移動させる。
　車輪４４の端面を開口部Ｇ２の端部に沿わせて配置し、開口部Ｇ２の端部を目印として車輪４４を回動させると、基体４３の移動が安定するため好ましい。
　基体４３が車輪４４に対して相対的に回動しても、ターゲット４２と車輪４４の接地点との距離は変わらないため、作業者は基体４３の姿勢や操作棒４１の傾きを気にせずに、基体４３を移動させることができる。
　開口部Ｇ２は出入り口であるため、左側面Ｇ３、天井面Ｇ４，右側面Ｇ５の三面を計測すれば、もう一面の床面は、基体４３を移動させて計測せずとも開口部Ｇ２の形状は算出することができる。窓の内枠など、開口部が床面を構成面に持たない場合、初期位置に戻るまで内周面に車輪４４を沿わせて基体４３を移動させて、開口部の全周を計測する。
　このように、測量機２０にターゲット４２を追尾させながら、作業者が操作棒４１を操作して、開口部Ｇ２の内周面に沿って車輪４４を沿わせながら基体４３を移動させ、測量機２０に常時測距・測角を行わせる。
　基体４３が開口部Ｇ２の内周面に沿って移動すると、光学中心Ｃは、開口部Ｇ２を内側に距離Ｔだけオフセットした仮想線ＰＬ２を通過する。測量機制御部２９は、取得した全ての計測点の三次元座標を算出し、座標空間にプロットして順に結ぶ。さらにプロット点の終点と始点を結ぶことで、三次元空間に矩形状の閉曲線が形成される。この矩形状の閉曲線およびプロット点を、全プロット点から形成される平面上で距離Ｔだけ閉曲線の外側にオフセットさせると、開口部Ｇ２の外形データ、すなわち、開口部Ｇ２の座標や開口部Ｇ２の各辺の寸法、傾き、凹凸状態や、開口部Ｇ２の歪みなどが算出される。
　面計測システム１は、内枠を計測するモードとして、「内枠計測モード」を備えてもよい。「内枠計測モード」が指定されると、計測面は矩形の内周面であると、測量機制御部２９は特別な演算処理を行う。まず、最初の計測面として左側面Ｇ３の計測をスタートして、下端から上端まで基体４３を移動させて計測する。次に、天井面Ｇ４を計測し、最後に右側面Ｇ５を計測する。取得された点群がフィットする面を基準面として、左側面Ｇ３に属する点群は、全て左方向へ距離Ｔだけオフセットする。天井面Ｇ４に属する点群は鉛直上方へオフセットする。右側面Ｇ５に属する点群は、右方向へオフセットする。全ての点群のオフセットは、基準面上で行われる。計測モードは、例えば「路面凹凸計測モード」など、天井面、壁面などの計測面の種類ごとに用意される。計測モードにより、どのような面を計測するかを事前に設定でき、計測点のオフセット方向が指定される。
　また、本実施形態においては、開口部Ｇ２に内嵌されるのは既製品のシャッターであったが、開口部に内嵌されるのが、例えば、精密な寸法が不明な自作の扉などであった場合、上記と同様にして、測量機２０でターゲット４２を追尾および随時測距・測角しながら、今度は扉の外周面に沿って基体４３を移動させることで、扉の外形や寸法、傾きなどの形状データを容易に取得することができる。
　（変形例１：面計測器）
　図９は、変形例に係る面計測器１４０を示す。
　面計測器１４０は、走行可能な台車である。本実施形態の面計測器１４０は、自動走行可能であり、遠隔操作による走行または自律的な走行により計測面ＷＬを走行可能に構成されている。なお、自動走行は必須ではなく、図示しない操作棒などにより、手動で走行させても問題なく、以下に説明する自動走行が手動で実施されてもよい。また、面計測器１４０を自動車として構成し、運転手が乗車して手動運転する構成でもよい。
　面計測器１４０は、基体１４３、基体１４３に回動自在に取付けられる一対の前輪１４４および一対の後輪１４８、前輪１４４の車軸を回転駆動する駆動部Ｍ１、一対の前輪１４４の車軸の向き制動する操舵部Ｍ２、無線で情報の送受信を行う台車通信部Ｍ３、および駆動部Ｍ１、操舵部Ｍ２、台車通信部Ｍ３を制御する台車制御部Ｍ４を有する。
　前輪１４４および後輪１４８は車輪４４と同等である。基体１４３に取付けられた一対の前輪１４４が、駆動部Ｍ１により回転駆動され、かつ操舵部Ｍ２に方向を操作されることで、面計測器１４０は自ら計測面ＷＬの上を移動する。
　前輪１４４の外側端面には、ターゲット４２が、その光学中心Ｃが前輪１４４の回転軸（車軸）上となるように固定されている。
　面計測器１４０は、台車制御部Ｍ４に内蔵されたプログラムに従って、操舵部Ｍ２および駆動部Ｍ１が制御されて、所定パターンの走行（自律走行）を行う。また、面計測器１４０は、図示しないコントローラにより遠隔操作（マニュアル走行）も可能となっている。コントローラは、専用の操作端末を用いてもよく、ソフトウェア的に構成されて、操作ソフトウェアがインストールされたスマートフォンやモバイルパソコンから操作されてもよい。面計測器１４０は、台車通信部Ｍ３を介してコントローラに入力された操作命令を受信して操作される。なお、台車通信部Ｍ３は必須ではなく、マニュアル走行はせずに、面計測器１４０がプログラムされた走行パターンで自律走行のみを行うように構成されてもよい。
　面計測器１４０が走行可能で、走行中に測量機２０が随時ターゲット４２を追尾および測距・測角が可能であれば、計測面ＷＬは、傾斜面、屈曲面、凹凸面などでもよく、形態は問われない。ファンなどによる吸着機構やプロペラなどの推進機構を備え、壁面や天井面も走行可能に構成されてもよい。
　面計測器１４０を用いた面計測システム１による計測面ＷＬの計測方法は、面計測器１４０の移動が、操作棒４１を用いた移動ではなく、面計測器１４０の走行である以外は、面計測器４０を用いた計測方法と同等となっている。
　すなわち、まず基準点に測量機２０が設置される。次に面計測器１４０が初期位置に配置される。測量機２０は、ターゲット４２をロックし、自動追尾を開始する。次に、面計測器１４０は、自律走行またはマニュアル走行により、計測面ＷＬの上を移動する。測量機２０は、ターゲット４２を自動追尾しながら、所定の間隔で、随時測距・測角を行い、各計測点における計測データを取得する。
　面計測器１４０の前輪１４４の回転軸上にターゲット４２の光学中心Ｃが配置されているため、前輪１４４が回転し、面計測器１４０が移動しても、面計測器１４０の姿勢にかかわらず、計測面ＷＬから光学中心Ｃまでの距離は一定（距離Ｔ）となる。計測面ＷＬの凹凸に沿って前輪１４４が移動するため、計測点の計測データから、計測面ＷＬの凹凸が算出される。
　面計測器１４０の走行中、測量機２０の計測データから移動方向や走行ルート、現在の所在地を、台車通信部Ｍ３を介して面計測器１４０にフィードバックして、所定のパターンで自動走行させるように構成させてもよい。例えば、計測面ＷＬの一方の側縁部から他方の側縁部までジグザグに走らせて、計測面ＷＬを網羅的に走行させることができる。基体１４３に検知センサを搭載して、面計測器１４０の走行時に障害物が検知された場合は、障害物を迂回するように構成してもよい。
　（変形例２：ターゲット）
　図１０は、ターゲット４２の変形例を示す。測量機２０の測距・測角および追尾のターゲットであるターゲット４２は、上記形態に限られず、遠隔から自身の位置情報が取得可能なターゲットであり、取得される位置情報の中心が、車輪４４の回転軸上となるように、車輪４４の外側端面など、位置情報が取得可能に外部に露出して配置されていればよい。
　例えば、図９（Ａ１）～図９（Ａ３）に示すように、ターゲット４２は、複数のプリズムＰ１で構成されてもよい。複数のプリズムＰ１は車輪４４の外側端面に、車輪４４の回転軸を中心として各プリズムＰ１の光学中心Ｃ１が、同一円周上となるように、周方向に均等配置される。測量機２０の測距光は、複数のプリズムＰ１に同時に当たり、その平均値によって重心の位置が光学中心Ｃとして算出される。上記形態のターゲットにおいては、複数のプリズムＰ１は、車輪４４の回転軸を中心に均等配置されることから、その光学中心Ｃは、プリズムＰ１の数によらず、すべて車輪４４の回転軸上となる。
　また、例えば、図１０（Ｂ１）および図１０（Ｂ２）に示すように、ターゲット４２に、反射シートＰ２を用いてもよく、また樹脂製プリズム集合体Ｐ３を用いてもよい。反射シートＰ２および樹脂製プリズム集合体Ｐ３は、円形や矩形のシート状に構成される。ターゲット４２に反射シートＰ２は、複数のプリズムを有する光学ターゲットと同等であり、測量機２０の測距光は、複数の回帰プリズムに同時に当たり、その平均値により、計測値が算出される。反射シートＰ２および樹脂製プリズム集合体Ｐ３では、その形状中心がそのまま反射シートＰ２や樹脂製プリズム集合体Ｐ３の光学中心Ｃとなる。このため、反射シートＰ２および樹脂製プリズム集合体Ｐ３は、その形状中心が車輪４４の回転軸上となるように、車輪４４の外側端面に貼付けられる。
　さらに、ターゲット４２には、図１０（Ｃ１）および図１０（Ｃ２）に示すように、ＡＲマーカＰ４、ＱＲコード（登録商標）Ｐ５やバーコードなどの、マーカやコードを用いてもよい。これらマーカやコードは、その読み取り中心位置が、車輪４４の回転軸上となるようにして、車輪４４の外側端面に貼付けられる。
　また、測量機２０として３Ｄスキャナを使用し、ターゲットとして３Ｄスキャナ用形状物を用いることができる。３Ｄスキャナ用形状物は、例えば球、立方体、半休、円錐体などの形状物を用いて、これをスキャンした点群から所定位置を特定する。この所定位置を光学中心Ｃとして、車輪４４の回転軸上となるように配置する。
上記態様に限られず、ターゲットは、取得される位置情報の中心位置が、車輪４４の回転中心上となるように配置されればよい。
　（変形例３：操作棒）
　図１１および図１２に面計測器４０の別の変形例を示す。
　図１１（Ａ）に示す面計測器２４０においては、操作棒２４１が、基体４３に対して回動可能に支持されている。このため、作業者は、車輪４４や基体４３の姿勢を自分の作業しやすい状態にして計測することができる。操作棒２４１の回転軸が、車輪４４の回転軸と平行であると、基体４３の姿勢を作業者が把握しやすく好ましい。図１１（Ｂ）に示す面計測器３４０および図１１（Ｃ）に示す面計測器４４０においては、それぞれ操作棒３４１，４４１は、操作棒の中心軸に対して回動可能な第１ジョイントおよび第１ジョイントに直交する回動可能な第２ジョイントを備えている。二つのジョイントにより、操作棒３４１，４４１は、直交２軸で回動可能である。操作棒３４１，４４１は、一方の回転軸が車輪４４の回転軸と平行となるようにして、基体４３に支持されている。操作棒が２軸に回動可能であるため、作業者が操作しやすい。
　また、操作棒４１は基体４３に、バネなどの伸縮自在な構造で接続されていてもよい。操作棒４１が伸縮自在に構成されてもよい。
　図１２（Ａ）に示す面計測器５４０は、１つの車輪４４だけを備える。１つの車輪４４は、外側端面にターゲット４２が取付けられ、内側端面側で、基体５４３の側面に回動可能に支持される。棒状の操作棒５４１は、その中心軸の延長がターゲット４２の光学中心Ｃを通過するようにして、基体５４３に取付けられる。このため、作業者は光学中心Ｃ、すなわち面計測器５４０の計測点を認識して作業を行うことができる。基体５４３と操作棒５４１を一体化して、１つの部品としてもよい。
　図１２（Ｂ）に示す面計測器６４０は、車輪４４が基体６４３に挟持されて、基体６４２の内側に回動可能に支持されている。そのため、外部に露出するのは車輪４４の外側端面でなく、基体６４３の側面である。ターゲット４２は、光学中心Ｃが車輪４４の回転軸上となるように、基体６４２の側面に固定されている。計測面ＷＬに接して車輪４４が回転しても、相対的に６４３が車輪４４の回転軸で回転しても、ターゲット４２の光学中心Ｃは車輪４４の回転軸上にあり、計測面ＷＬから光学中心Ｃまでの距離は一定（距離Ｔ）に保たれる。このように、移動する車輪４４の回転軸上に常に光学中心Ｃが配置されれば、ターゲットの固定場所はどこであっても問題なく、車輪に限られず、基体や操作棒でもよい。
　また、測量機２０により追尾によりターゲット４２を追尾することは必須ではなく、手動でターゲット４２を計測してもよく、計測データが疎であっても構わない。例えば、内枠の内周面を計測する場合、最低限、内枠の角部のみを手動で計測することで、内枠の形状を計測することができる。
　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。
１：面計測システム、２０：測量機、４０：面計測器、４２：ターゲット、４３：基体、４４：車輪（円柱体）、Ｃ：光学中心、ＷＬ：計測面

Claims (6)

  1. 　計測面に接地し、かつ前記計測面に沿って移動可能な外周側面を有する円柱体と、
    　前記円柱体が取付けられる基体と、
    　遠隔からの計測により、自身の位置情報を取得されることが可能なターゲットと、
    　を有し、
    　前記ターゲットは、前記位置情報の中心位置が、前記円柱体の中心軸上となるように、配置される、
    　ことを特徴とする面計測器。
  2. 　前記円柱体は車輪であり、中央に回転自在な機構を有し、回転軸を水平にして、前記基体に回動可能に取り付けられ、
    　前記ターゲットは、入射する光を、入射方向と反対の方向に再帰反射する再帰反射体であり、前記位置情報の中心位置は、前記ターゲットの光学中心であり、
    　前記ターゲットは、前記光学中心が前記車輪の前記回転軸上となるようにして、前記車輪の端面に配置される、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の面計測器。
  3. 　前記円柱体は、前記外周側面で自立可能に構成される、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の面計測器。
  4. 　前記円柱体は、分割体として構成される、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の面計測器。
  5. 　計測面に接地し、かつ前記計測面に沿って移動可能な外周側面を有する円柱体と、前記円柱体が取付けられる基体と、遠隔からの計測により、自身の位置情報を取得されることが可能なターゲットとを有し、前記ターゲットは、前記位置情報の中心位置が、前記円柱体の中心軸上となるように配置される面計測器と、
    　前記ターゲットを、測距・測角が可能な測量機と、
    　を備え、
    　前記測量機に、前記計測面に沿って配置される前記面計測器の前記ターゲットを測距・測角させて、前記ターゲットの前記位置情報を取得し、前記計測面の形状データを算出させる、
    　ことを特徴とする面計測システム。
  6. 　計測面に接地し、かつ前記計測面に沿って移動可能な外周側面を有する円柱体と、前記円柱体が取付けられる基体と、遠隔からの計測により、自身の位置情報を取得されることが可能なターゲットとを有し、前記ターゲットは、前記位置情報の中心位置が、前記円柱体の中心軸上となるように配置される面計測器と、
    　を用いて、
    　前記計測面に沿って前記面計測器を移動させながら、前記ターゲットの前記位置情報を取得し、
    　前記ターゲットの前記位置情報を、前記計測面の方向に、前記円柱体の半径だけオフセットすることで、前記計測面の前記位置情報を取得し、前記計測面の形状データを算出する、
    　ことを特徴とする計測方法。
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