(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を計測して前記被計測物を目標位置まで移動させる方法であって、
光走査式測距装置を用いて、測距光を前記被計測物の表面上で走査することにより前記被計測物の表面上における複数の計測点の位置情報を取得する情報取得ステップと、
前記情報取得ステップで取得した前記複数の計測点の位置情報に基づいて、前記所定点の位置を推定する推定ステップと、
前記推定ステップで位置を推定された前記所定点の座標と、前記目標位置の座標とを表示部に表示させ、前記表示部において前記所定点の座標が前記目標位置の座標に近づくように、前記被計測物を前記目標位置まで移動させる移動ステップと
を備える被計測物の移動方法。
【請求項２】
前記被計測物は円柱体であり、前記所定点は、前記円柱体の中心軸上の点であり、
前記推定ステップにおいて、最小二乗法又は最尤法を用いて、前記複数の計測点の位置を近似した円の方程式を求め、求めた円の方程式に基づいて、前記中心軸上の点の位置を推定する請求項１に記載の被計測物の移動方法。
【請求項３】
前記円柱体は、建設用の構造材である請求項２に記載の被計測物の移動方法。
【請求項４】
前記情報取得ステップにおいて、前記光走査式測距装置を、１走査毎に前記光走査式測距装置の分解能未満のピッチで走査方向に回転させる請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の被計測物の移動方法。
【請求項５】
前記情報取得ステップにおいて、複数の前記光走査式測距装置から、前記複数の計測点の位置情報を取得する請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の被計測物の移動方法。
【請求項６】
前記被計測物は円柱体であり、前記所定点は、前記円柱体の中心軸上の点であり、
前記円柱体を軸体の一端部にそれぞれの中心軸が同一直線上で並ぶように支持し、
前記移動ステップでは、前記軸体を、鉛直の姿勢でその先端が前記目標位置を指示する位置まで移動させる請求項１に記載の被計測物の移動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を計測して前記被計測物を目標位置まで移動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビルやマンション等の施工の際、杭の打設位置の計測が必要であり、その計測には、トランシット（光波測量器）やトランシットによる測量を自動化したトータルステーション（例えば、特許文献１参照）等が使用されている。トランシットでは、測距儀から計測点に設置した反射プリズムに向けて光波が発射され、反射プリズムで反射された光波の発信回数に基づいて計測点までの距離が算出される。
【０００３】
また、レーザ光を走査することにより、被計測物上の複数の計測点までの距離を計測するレーザレンジファインダ（光走査式測距装置）が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８―１４８７７号公報
【特許文献２】特開２００７−２２５４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のトータルステーションは計測精度が高いという利点はあるものの、高価であるという不利な点がある。また、反射プリズムが測距儀に向いていないときには位置計測を実施できず、リアルタイムで位置計測を実施できない時間ができる等といった不利な点もある。
【０００６】
また、上述のレーザレンジファインダは、被計測物の表面の複数の計測点までの距離を計測したり、被計測部のプロファイルデータを取得したりといった用途はあるものの、円柱状の杭の中心軸等の被計測物の輪郭に対する特徴点の位置を計測するという用途では使用されていない。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、トータルステーションと比して簡易な計測装置を用いて、リアルタイムで被計測物の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を計測できる位置計測方法、位置計測システム、及びプログラムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る被計測物の移動方法は、被計測物の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を計測して前記被計測物を目標位置まで移動させる方法であって、光走査式測距装置を用いて、測距光を前記被計測物の表面上で走査することにより前記被計測物の表面上における複数の計測点の位置情報を取得する情報取得ステップと、前記情報取得ステップで取得した前記複数の計測点の位置情報に基づいて、前記所定点の位置を推定する推定ステップと、前記推定ステップで位置を推定された前記所定点の座標と、前記目標位置の座標とを表示部に表示させ、前記表示部において前記所定点の座標が前記目標位置の座標に近づくように、前記被計測物を前記目標位置まで移動させる移動ステップとを備える。
【０００９】
上記被計測物の移動方法において、前記被計測物は円柱体であってもよく、前記所定点は、前記円柱体の中心軸上の点であってもよく、前記推定ステップにおいて、最小二乗法又は最尤法を用いて、前記複数の計測点の位置を近似した円の方程式を求め、求めた円の方程式に基づいて、前記中心軸上の点の位置を推定してもよい。
【００１０】
また、上記被計測物の移動方法において、前記円柱体は、建設用の構造材であってもよい。また、上記被計測物の移動方法は、前記情報取得ステップにおいて、前記光走査式測距装置を、１走査毎に前記光走査式測距装置の分解能未満のピッチで走査方向に回転させてもよい。さらに、上記被計測物の移動方法は、前記情報取得ステップにおいて、複数の前記光走査式測距装置から、前記複数の計測点の位置情報を取得してもよい。
【００１１】
また、上記被計測物の移動方法において、前記被計測物は円柱体であってもよく、前記所定点は、前記円柱体の中心軸上の点であってもよい。また、前記円柱体を軸体の一端部にそれぞれの中心軸が同一直線上で並ぶように支持してもよく、前記移動ステップでは、前記軸体を、鉛直の姿勢でその先端が前記目標位置を指示する位置まで移動させてもよい。
【００１２】
上記位置計測システムにおいて、前記被計測物は円柱体であってもよく、前記所定点は、前記円柱体の中心軸上の点であってもよく、前記推定手段は、最小二乗法又は最尤法を用いて、前記複数の計測点の位置を近似した円の方程式を求め、求めた円の方程式に基づいて、前記中心点の位置を推定してもよい。
【００１３】
また、上記課題を解決するために、本発明に係るプログラムは、被計測物の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を計測する位置計測システムに、光走査式測距装置により、測距光が前記被計測物の表面上で走査されることにより得られた前記被計測物の表面上における複数の計測点の位置情報を取得する情報取得機能と、前記情報取得手段が取得した前記複数の計測点の位置情報に基づいて、前記所定点の位置を推定する推定機能と、を実現させるためのプログラムである。
【００１４】
上記プログラムにおいて、前記被計測物は円柱体であってもよく、前記所定点は、前記円柱体の中心軸上の点であってもよく、前記推定機能は、最小二乗法又は最尤法を用いて、前記複数の計測点の位置を近似した円の方程式を求め、求めた円の方程式に基づいて、前記中心軸上の点の位置を推定する機能であってもよい。
【発明の効果】
【００１５】
上記位置計測方法、位置計測システム、及びプログラムによれば、トータルステーションと比して簡易な計測装置を用いて、リアルタイムで計測対象物の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点の位置を計測できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態に係る位置計測システムの構成を示す斜視図である。
【図２】位置計測システムの情報処理部の概略構成を示すブロック図である。
【図３】プログラムによりコンピュータの各部の機能が実現されて行われる処理を説明するためのフローチャートである。
【図４】（Ａ）は、カルマンフィルタによるノイズ除去を行っていない場合における円周面の片側のプロファイルの検出結果を示すグラフである。（Ｂ）は、カルマンフィルタによるノイズ除去を行った場合における円周面の片側のプロファイルの検出結果を示すグラフである。
【図５】一定距離法の原理を示す図である。
【図６】最小二乗法と最尤法とを用いて、クラスタの全データから円周面の中心位置を推定する方法の原理を示す図である。
【図７】ＬＲＦにより取得されたデータから、ターゲットの中心位置を推定した結果を示すグラフである。
【図８】ＬＲＦによりレーザ光を１０回走査して取得すると共にノイズ成分を除去したデータから、ターゲットの中心位置を推定した結果を示すグラフである。
【図９】（Ａ）は、他の実施形態に係る位置計測システムを示す側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【図１０】レーザポインタを用いて、鉛直軸の位置の初期設定や校正を行っている状態を示す斜視図である。
【図１１】（Ａ）は、回転台が停止した状態でＬＲＦがレーザ光を１回走査した場合におけるターゲットの円周面上の計測点を示す図である。また、（Ｂ）は、本実施形態に係る高精度計測を実施した場合におけるターゲットの円周面上の計測点を示す図である。
【図１２】（Ａ）は、回転台を停止させた状態でＬＲＦにレーザ光を１０回走査させることにより取得した円周面上の計測点のデータから、ターゲットの中心位置を推定した結果を示すグラフである。また、（Ｂ）は、回転台を回転させながらＬＲＦにレーザ光を１０回走査させることにより取得した円周面上の計測点のデータから、ターゲットの中心位置を推定した結果を示すグラフである。
【図１３】位置計測システムを用いた位置計測の一実施例を示す斜視図である。
【図１４】ターゲットの移動軌跡をリアルタイムで表示する表示システムを示す図である。
【図１５】プログラムによりコンピュータ及び端末の各部の機能が実現されて行われる処理を説明するためのフローチャートである。
【図１６】位置計測システムを用いた一実施例を示す斜視図である。
【図１７】位置計測システム及び表示システムを、建設現場における杭芯の位置の計測に用いた実施例を示す斜視図である。
【図１８】杭芯の位置調整を自動化した自動位置調整システムの概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る位置計測システム１０の構成を示す斜視図である。この図に示すように、位置計測システム１０は、レーザレンジファインダ（以下、ＬＲＦという）２０と、ターゲット３０とを備えている。
【００１８】
ＬＲＦ２０は、レーザ距離計を鉛直軸２０Ａの周りに回転させることによりレーザ光（測距光）を水平方向に走査して、上記鉛直軸２０Ａから被計測物の輪郭上の複数の計測点までの距離を計測する水平ラインスキャンタイプの１軸の光走査式測距装置である。ここで、レーザ光の走査とは、レーザ光の射出角度を順次変化させることにより、レーザ光で受光面を所定方向に順次なぞることである。ＬＲＦ２０は、所定角度（例えば、０．２５°）回転される毎に光源からレーザ光を射出し、反射されたレーザ光を受光部が受光して、鉛直軸２０Ａから被計測物の輪郭上の計測点までの距離を計測する。
【００１９】
ターゲット３０は、半径ｒの円柱体であり、水準器３６が取り付けられた軸体３４の一端部に支持されている。ターゲット３０と軸体３４とは、それぞれの中心軸３０Ａ、３４Ａが同一直線上で並ぶように配されている。軸体３４の他端部は、円錐形状に形成されて先端が尖っており、この尖った先端が目標位置を指示する。水準器３６は、軸体３４の姿勢が鉛直か否かを確認するための機器である。
【００２０】
また、ターゲット３０の円周面３０Ｂは、レーザ光の乱反射を抑制するべく低輝度仕上げされている。これにより、鉛直軸２０Ａから円周面３０Ｂ上の計測点までの距離を計測する際のノイズを低減できる。また、円周面３０Ｂの色は、レーザ光の反射率を考慮して、黒等の暗色ではなく、白等の明色である。
【００２１】
図２は、位置計測システム１０のハードウェア構成を示す図である。この図に示すように、位置計測システム１０は、ＬＲＦ２０に無線ＬＡＮや通信ケーブル等により接続された計算処理用のコンピュータ１２を備えている。このコンピュータ１２は、計算処理用のプログラムを記憶した不揮発性メモリ等の記憶部１４と、当該プログラムを揮発性メモリ等に読み出して計算処理を実行する情報処理部（ＣＰＵ）４０と、ＬＲＦ２０からの距離情報を入力する入力部（入力インターフェース）１６とを備える。
【００２２】
情報処理部４０は、分別部４２と、クラスタリング部４４と、ノイズ除去部４６と、推定部４８と、判定部４９とを備える。上記プログラムは、分別部４２の分別機能、クラスタリング部４４のクラスタリング機能、ノイズ除去部４６のノイズ除去機能、推定部４８の推定機能、及び判定部４９の判定機能を実現させる。
【００２３】
図３は、プログラムによりコンピュータ１２の各部の機能が実現されて行われる処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示すように、入力部１６が、ＬＲＦ２０から距離情報を取得すると（ステップ１）、分別部４２が、ＬＲＦ２０から距離情報が送信された計測点のうち、前景領域としての円周面３０Ｂ上の計測点と、背景領域としての円周面３０Ｂの周辺領域における計測点とを背景差分法により分別する（ステップ２）。
【００２４】
また、クラスタリング部４４は、分別部４２により前景領域に属すると判断された計測点に対して、最短距離法を用いてユーグリッド距離に基づいたクラスタリングを行う（ステップ３）。
【００２５】
また、ノイズ除去部４６は、カルマンフィルタを用いて、クラスタリング部４４によりクラスタリングされた多数の計測点のデータに含まれるノイズ成分を除去する（ステップ４）。なお、当該ノイズ成分の除去方法の詳細については後述する。
【００２６】
また、推定部４８は、一定距離法や最小二条法や最尤法等の推定手法を用いて、クラスタリング部４４によりクラスタリングされノイズ除去部４６によりノイズ成分を除去された多数の計測点から、ターゲット３０の中心位置を推定する（ステップ５）。なお、推定部４８による中心位置の推定は、予め入力されたターゲット３０の円周面３０Ｂのプロファイルデータに基づいて最小二乗法等の推定手法を用いて行われるものであり、ニュートン法による繰り返し計算によって収束値を得るものである。なお、推定部４８による中心位置の推定については、詳細に後述する。
【００２７】
また、判定部４９は、推定部４８がニュートン法による繰り返し計算によって算出した値が、収束値未満になっているか否かを判定し、収束値未満であれば中心位置を確定し、収束値以上であれば再度計算を繰り返す（ステップ６、７）。
【００２８】
図４（Ａ）は、カルマンフィルタによるノイズ除去を行っていない場合における円周面３０Ｂの片側のプロファイルの検出結果を示すグラフである。また、図４（Ｂ）は、カルマンフィルタによるノイズ除去を行った場合における円周面３０Ｂのプロファイルの片側の検出結果を示すグラフである。
【００２９】
ここで、円周面３０Ｂの片側の円弧部の両端で反射された鏡面成分の光は、ＬＲＦ２０まで戻らず、当該円弧部の両端で反射された乱反射成分の光のみが、ＬＲＦ２０に戻る。このため、ＬＲＦ２０が検出する反射光の信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）が高くなる。従って、カルマンフィルタによるノイズ除去を行っていない場合には、円周面３０Ｂ上の多数の計測点までの距離の検出精度が悪化し、図４（Ａ）に示すように、円周面３０Ｂの円弧部の両端の形状が崩れる。
【００３０】
そこで、反射光強度フィルタをカルマンフィルタとして用い、反射光強度が所定値より低いデータをノイズ成分として除去した。これにより、円周面３０Ｂ上の多数の計測点までの距離の計測精度を向上でき、図４（Ｂ）に示すように、円周面３０Ｂの円弧部の両端の形状の崩れを抑制でき、より正確な円周面３０Ｂのプロファイルデータを得ることができる。
【００３１】
次に、推定部４８によるターゲット３０の中心位置の推定方法の詳細について説明する。
まず、一定距離法について説明する。図５は、一定距離法の原理を示す図である。このグラフに示すように、一定距離法では、クラスタリング部４４によりクラスタリングされた多数の計測点（図中黒丸で示す）の中心（クラスタ中心）の位置（ｘｃｌ，ｙｃｌ）を求める。そして、鉛直軸２０Ａとクラスタ中心とを結ぶ直線Ｌに沿ってクラスタ中心から鉛直軸２０Ａの反対側へ距離ｄだけずらした位置を、円周面３０Ｂの中心位置（ｘｏｂｊ，ｙｏｂｊ）とみなす。
【００３２】
ここで、ＬＲＦ２０の計測精度を理由として、ＬＲＦ２０の計測データに基づいて導出されるクラスタ中心点（ｘｃｌ，ｙｃｌ）は、円周面３０Ｂの中心と一致しない。そこで、円周面３０Ｂの半径ｒに基づいて上述のパラメータｄを定め、鉛直軸２０Ａとクラスタ中心とを結ぶ直線Ｌに沿ってクラスタ中心から鉛直軸２０Ａの反対側へ距離ｄだけずらした位置を、円周面３０Ｂの中心点（ｘｏｂｊ，ｙｏｂｊ）とみなしている。
【００３３】
円周面３０Ｂの中心点（ｘｏｂｊ，ｙｏｂｊ）は、下記（式１）で表される。なお、βは、鉛直軸２０Ａとクラスタ中心とを結ぶ直線ＬとＸ軸（但しｘ≧０）との角度である。
0005610384.tif 000002
【００３４】
ここで、一定距離法は、既知である被計測物の輪郭のプロファイルに応じてパラメータｄを設定して被計測物の輪郭に対して所定の位置関係にある所定点（以下、特徴点と称する）を推定するという手法であり、様々な形状の被計測物の特徴点を推定できるという利便性を有する。しかし、一定距離法は、クラスタ中心のデータとパラメータｄとに基づき、被計測物の特徴点のおおよその位置を推定するという手法である。このため、一定距離法は、推定の精度の面では、クラスタの全てのデータを利用して被計測物の特徴点を推定する、最小二乗法や最尤法等の手法と比して劣る。
【００３５】
そこで、図６に示すように、最小二乗法と最尤法とを用いて、クラスタの全データ（ｘａ，ｙａ），α＝１，…，Ｎから円周面３２Ｂの中心位置を推定する。ここで、円周面３０Ｂの計測領域である円弧部のプロファイルを数式化すると、下記（式２）で表される円の方程式になる。このため、クラスタの全データ（ｘａ，ｙａ），α＝１，…，Ｎから円の方程式のパラメータ（ａ，ｂ，ｒ）を推定する。なお、ａ，ｂは、それぞれターゲット３０の中心位置の２次元平面におけるＸ座標、Ｙ座標であり、ｒは、ターゲット３０の半径である。
0005610384.tif 000003
【００３６】
まず、最小二乗法について説明する。
円の最小二乗法は、下記（式３）で表される誤差の二乗和ＪＬＳを最小化するパラメータａ，ｂ，ｒを推定する手法である。
0005610384.tif 000004
【００３７】
ここで、本実施形態では、ターゲット３０の半径ｒが既知であるため、推定するパラメータはａ，ｂの２つとなり、上記（式３）は下記（式４）で表される非線形方程式となる。
0005610384.tif 000005
【００３８】
そこで、非線形方程式の反復解法としてニュートン・ラフソン法を用いて、パラメータａ、ｂを推定する。その際、ニュートン・ラフソン法の初期値ｕ０の設定が重要となるが、本実施形態では、上記（式１）で表される一定距離法の推定値（ｘｏｂｊ，ｙｏｂｊ）をニュートン・ラフソン法の初期値ｕ０に設定する。
【００３９】
ニュートン・ラフソン法の手順として、まず、初期値ｕ０を代入した関数ＪＬＳ（ｕ０）を２次近似した下に凸の曲面の最小値を与える点ｕ１＝（ａ１，ｂ１）を求める。次のステップでは、この点ｕ１を代入した関数ＪＬＳ（ｕ１）を２次近似した曲面の最小値ｕ２を求める。そして、最終的にこれをｕｉが収束するまで繰り返す。ｕｉが収束すれば、そのｕｉがＪＬＳ（ｕ）の最小値を与える点である。
【００４０】
ｕｉ＝（ａi，ｂi）を代入した関数ＪＬＳ（ａｉ，ｂｉ）を２次近似した下に凸の曲面の最小値ｕｉ＋１＝（ａｉ＋１，ｂｉ＋１）は下記（式５）で表される。
0005610384.tif 000006
【００４１】
ここで上記（式５）の右辺の１次微分を含む勾配ｇＬＳ，ｉは、下記（式６）（式７）で表される。
0005610384.tif 000007
【００４２】
また、上記（式５）の右辺の２次微分を含むヘッセ行列ＨＬＳ，ｉは、下記（式８）（式９）（式１０）で表される。
0005610384.tif 000008
【００４３】
即ち、ニュートン・ラフソン法を用いた半径ｒが既知の円の最小二乗法の手順では、最初のステップにおいて、初期値ｕ０＝（ａ０，ｂ０）を上記（式５）〜（式１０）に代入し、ヘッセ行列の初期値ＨＬＳ，０と勾配の初期値ｇＬＳ，０とを算出し、関数ＪＬＳ（ｕ０）を２次近似した下に凸の曲面の最小値を与える点ｕ１＝（ａ１，ｂ１）を算出する。そして、次のステップでは、ｕ１＝（ａ１，ｂ１）を上記（式５）〜（式１０）に代入し、ヘッセ行列ＨＬＳ，１と勾配ｇＬＳ，１とを算出し、関数ＪＬＳ（ｕ１）を２次近似した下に凸の曲面の最小値を与える点ｕ２＝（ａ２，ｂ２）を算出する。そして、このステップを、最終的にｕｉが収束するまで繰り返す。
【００４４】
次に、最尤法について説明する。
円の最尤法は、下記（式１１）で表されるＪＭＬを最小化するパラメータａ，ｂ，ｒを推定する手法である。
0005610384.tif 000009
【００４５】
ここで、本実施形態では、ターゲット３０の半径ｒが既知であるため、推定するパラメータはａ，ｂの２つとなり、上記（式１１）は下記（式１２）で表される非線形方程式となる。
0005610384.tif 000010
【００４６】
そこで、最小二乗法の場合と同様、非線形方程式の反復解法としてニュートン・ラフソン法を用いて、パラメータａ、ｂを推定する。その際、上記（式１）で表される一定距離法の推定値（ｘｏｂｊ，ｙｏｂｊ）をニュートン・ラフソン法の初期値ｕ０に設定する。
【００４７】
ニュートン・ラフソン法の手順として、まず、初期値ｕ０を代入した関数ＪＭＬ（ｕ０）を２次近似した下の凸の曲面の最小値を与える点ｕ１＝（ａ１，ｂ１）を求める。次のステップでは、この点ｕ１を代入した関数ＪＭＬ（ｕ１）を２次近似した曲面の最小値ｕ２を求める。そして、最終的にこれをｕｉが収束するまで繰り返す。ｕｉが収束すれば、そのｕｉがＪＬＳ（ｕ）の最小値を与える点である。
【００４８】
ここで、上記（式１２）は、分子が２乗和であり、分母も（ｘα−ａ）２＋（ｙα−ｂ）２であるため、下に凸の関数である。従って、ｕｉ＝（ａｉ，ｂｉ）を代入した関数ＪＭＬ（ａｉ，ｂｉ）を２次近似した曲面の最小値ｕｉ＋１＝（ａｉ＋１，ｂｉ＋１）は下記（式１３）で表される。
0005610384.tif 000011
【００４９】
ここで上記（式１３）の勾配ｇＭＬ，ｉは、下記（式１４）（式１５）で表される。
0005610384.tif 000012
【００５０】
但し、Ａ（ａｉ，ｂｉ）は下記（式１６）で表される。
0005610384.tif 000013
【００５１】
また、上記（式１３）のヘッセ行列ＨＭＬ，ｉは、下記（式１７）（式１８）（式１９）で表される。
0005610384.tif 000014
【００５２】
即ち、ニュートン・ラフソン法を用いた半径ｒが既知の円の最尤法の手順では、最初のステップにおいて、初期値ｕ０＝（ａ０，ｂ０）を上記（式１３）〜（式１９）に代入し、ヘッセ行列の初期値ＨＬＳ，０と勾配の初期値ｇＬＳ，０とを算出し、関数ＪＬＳ（ｕ０）を２次近似した下に凸の曲面の最小値を与える点ｕ１＝（ａ１，ｂ１）を算出する。そして、次のステップでは、ｕ１＝（ａ１，ｂ１）を上記（式１３）〜（式１９）に代入し、ヘッセ行列ＨＭＬ，１と勾配ｇＭＬ，１とを算出し、関数ＪＬＳ（ｕ１）を２次近似した下に凸の曲面の最小値を与える点ｕ２＝（ａ２，ｂ２）を算出する。そして、このステップを、最終的にｕｉが収束するまで繰り返す。
【００５３】
図７は、上述の３つの解析方法を用いて、ＬＲＦ２０により取得されたデータから、ターゲット３０の中心位置を推定した結果を示すグラフである。このグラフにおいて、一定距離法を用いた推定結果は実線で示し、最小二乗法を用いた推定結果は破線で示し、最尤法を用いた推定結果は鎖線で示している。また、横軸は鉛直軸２０Ａからターゲット３０の中心軸３０Ａまでの距離（ｍｍ）であり、縦軸は推定された中心位置の誤差（ｍｍ）である。
【００５４】
本実験では、屋外でＬＲＦ２０を用いて半径ｒ＝２５０ｍｍのターゲット３０の円周面３０Ｂに対してレーザ光を１回走査することにより、円周面３０Ｂ上の計測点のデータ（ｘａ，ｙａ），α＝１，…，Ｎを取得し、取得した全データからターゲット３０の中心位置を推定した。また、本実験では、赤外光に対しても反射率が高い白色の画用紙を円周面３０Ｂに貼り付けた。また、本実験では、ノイズ除去部４６のカルマンフィルタをＯＦＦにしており、多数の計測点のデータは、反射光強度が所定値より小さいノイズ成分を含んでいる。
【００５５】
図７のグラフに示すように、最小二乗法と最尤法とを用いてターゲット３０の中心位置を推定した結果が、一定距離法を用いてターゲット３０の中心位置を推定した結果と比して良好であった。また、ターゲット３０の中心位置が鉛直軸２０Ａから３０ｍ先に位置する場合において、最小二乗法による推定値の誤差が約３．５ｃｍ、最尤法による推定値の誤差が約２．５ｃｍであった。
【００５６】
ここで、本実施形態では、ターゲット３０の半径ｒが既知であることから、最小二乗法と最尤法とを用いて推定するパラメータは、ａ、ｂの２つに減っている。これにより、ターゲット３０の中心位置を推定する精度が向上されている。
【００５７】
ところで、建築学会の指針によれば、マンションやビル等の建設現場において打設される杭の打設位置の精度は、杭の半径の４分の１且つ１００ｍｍ以内と定められている。これに対し、本実施形態に係る位置計測システム１０では、半径ｒが２５０ｍｍのターゲット３０の計測誤差を３．５ｃｍや２．５ｃｍに抑えることができることから、本実施形態に係る位置計測システム１０を杭芯の中心位置の計測に用いた場合には、計測誤差を十分に許容範囲内に抑えることができる。
【００５８】
図８は、上述の実験とは異なる条件で行った実験の結果を示すグラフである。本実験において上述の実験と異なる点は、ＬＲＦ２０によりターゲット３０の円周面３０Ｂに対してレーザ光を１０回走査した点と、ノイズ除去部４６のカルマンフィルタをＯＮにして多数の計測点のデータから反射光強度が所定値より小さいノイズ成分を除去した点とである。
【００５９】
図８のグラフに示すように、最小二乗法と最尤法とを用いてターゲット３０の中心位置を推定した値は、鉛直軸２０Ａから計測点までの距離と比例関係にあり、図７のグラフに示す推定値と比して安定していることがわかる。
【００６０】
これは、レーザ光を１回のみ走査して取得されたデータからターゲット３０の中心位置を推定した場合には、推定結果に及ぶノイズの影響が大きくなるのに対し、レーザ光を複数回走査して取得されたデータからターゲット３０の中心位置を推定した場合には、ノイズに対してロバストな推定が可能であるためと考えられる。また、反射強度フィルタとしてのカルマンフィルタを用いたことにより、図４（Ｂ）に示すように、円周面３０Ｂの円弧部の両端の形状の崩れを抑制でき、より正確な円周面３０Ｂのプロファイルデータを得ることができるためと考えられる。
【００６１】
以上、本実施形態に係る位置計測システム１０によれば、トータルステーションと比して低価であるＲＬＦ２０を用いてターゲット３０の中心位置を計測できる。また、本実施形態に係る位置計測システム１０によれば、ＲＬＦ２０のレーザ光の走査範囲内に存するターゲット３０であればその中心位置を計測できる。これにより、リアルタイムでターゲット３０の中心位置を計測することができ、また、移動するターゲット３０の中心位置を計測することもでき、さらには、ＲＬＦ２０によるレーザ光の一連の走査中に、複数のターゲット３０の中心位置を計測することもできる。
【００６２】
図９（Ａ）は、他の実施形態に係る位置計測システム１００を示す側面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。これらの図に示すように、位置計測システム１００は、ＬＲＦ２０と、ＬＲＦ２０を鉛直軸２０Ａの周りに回転自在に支持し、回転駆動する回転台５０と、回転台５０を鉛直軸２０Ａの周りに及び水平軸の周りに回転自在に支持する調整台６０と、調整台６０を支持する三脚７０と、三脚７０に支持された日除けカバー７２と、ＬＲＦ２０の上部に取り付けられたレーザポインタ８０とを備えている。
【００６３】
日除けカバー７２は、回転台５０と調整台６０との間に挟み込まれた底板７２Ａと、ＬＲＦ２０の背面側に配された側板７２Ｂと、ＬＲＦ２０の上側に配された天板７２Ｃとが一体で形成されてなる。この日除けカバー７２の天板７２Ｃは、ＬＲＦ２０、レーザポインタ８０への日光の直射を防いでいる。
【００６４】
回転台５０は、底板７２Ａ上に設置された駆動部５２と、駆動部５２により鉛直軸２０Ａ周りに回転自在に支持されると共に回転駆動される回転テーブル５４とを備えている。回転テーブル５２上には、ＬＲＦ２０が設置されており、回転テーブル５２とＬＲＦ２０とが一体となって鉛直軸２０Ａの周りに回転する。
【００６５】
調整台６０は、パンチルト台であり、鉛直軸２０Ａの周りに３６０°回転可能、水平軸の周りにも回転可能であり、回転台５０とＬＲＦ２０とレーザポインタ８０との鉛直軸２０Ａ周りの角度、及び水平軸周りの角度を調整可能である。また、レーザポインタ８０は、ＬＲＦ２０が走査方向の中央部に射出するレーザ光Ｌｆに対して平行に、基準位置検出用のレーザ光Ｌｐを射出する。即ち、調整台６０を鉛直軸２０Ａの周りに回転させることにより、レーザポインタ８０が射出するレーザ光Ｌｐの光軸と、ＬＲＦ２０によるレーザ光Ｌｆの走査範囲とを、鉛直軸２０Ａの周りに調整できる。また、調整台６０を水平軸の周りに回転させることにより、レーザポインタ８０が射出するレーザ光ＬｐとＬＲＦ２０が射出するレーザ光Ｌｆを水平軸の周りに調整できる。
【００６６】
図１０は、レーザポインタ８０を用いて、鉛直軸２０Ａの設置位置や設置角度の初期設定や校正を行っている状態を示す斜視図である。この図に示すように、所定の基準位置に再帰性反射材８２が前面に取り付けられたターゲット８４を設置し、レーザポインタ８０から再帰性反射材に向けてレーザ光Ｌｐを射出させる。再帰性反射材８２は、入射光を光源の方向に反射する性質を有する。この再帰性反射材８２で反射されたレーザ光Ｌｐの輝度に応じて、ＬＲＦ２０のターゲット８４に対する相対位置を検出し、三脚７０の位置を調整したり、調整台６０によりＬＲＦ２０のパン角度及びチルト角度を調整したりする。
【００６７】
図１１（Ａ）は、回転台５０が停止した状態でＬＲＦ２０がレーザ光を１回走査した場合におけるターゲット３０の円周面３０Ｂ上の計測点を示す図である。この図に「＋」でプロットしたように、円周面３０Ｂ上の計測点は、ＬＲＦ２０の角度分解能θｆ°に応じた間隔を空けて離散する。
【００６８】
図１１（Ｂ）は、回転台５０を回転させながらＬＲＦ２０がレーザ光を複数回走査した場合におけるターゲット３０の円周面３０Ｂ上の計測点を示す図である。この計測では、ＬＲＦ２０がレーザ光を複数回走査し、その間、駆動部５２が、レーザ光が１回走査される毎に、ＬＲＦ２０の角度分解能θｆ°（例えば、０．２５°）よりも微小な角度θｔ°（例えば、０．０１５°）ずつ、回転テーブル５４を回転させる。これにより、図１０（Ｂ）に示すように、ＬＲＦ２０の角度分解能θｆ°よりも高分解能であるデータを取得でき、より正確な円周面３０Ｂのプロファイルデータを取得できる。従って、ターゲット３０の中心位置の推定をより高精度に行うことができる。
【００６９】
図１２（Ａ）は、回転台５０を停止させた状態でＬＲＦ２０にレーザ光を１０回走査させることにより取得した円周面３０Ｂ上の計測点のデータから、ターゲット３０の中心位置を推定した結果を示すグラフである。また、図１２（Ｂ）は、回転台５０を回転させながらＬＲＦ２０にレーザ光を１０回走査させることにより取得した円周面３０Ｂ上の計測点のデータから、ターゲット３０の中心位置を推定した結果を示すグラフである。これらのグラフにおいて、一定距離法を用いた推定結果は実線で示し、最小二乗法を用いた推定結果は破線で示し、最尤法を用いた推定結果は鎖線で示している。また、横軸は鉛直軸２０Ａからターゲット３０の中心軸３０Ａまでの距離（ｍｍ）であり、縦軸は推定されたターゲット３０の中心位置の誤差（ｍｍ）である。
【００７０】
図１２（Ａ）のグラフに示すように、回転台５０を停止させた状態でＬＲＦ２０にレーザ光を１０回走査させることにより取得した円周面３０Ｂ上の計測点のデータから、最小二乗法と最尤法とにより、ターゲット３０の中心位置を推定した場合における誤差の平均値は、１５．３ｍｍであった。一方、図１２（Ｂ）のグラフに示すように、回転台５０を回転させながらレーザレンジファインダ２０にレーザ光を１０回走査させることにより取得した円周面３０Ｂ上の計測点のデータから、最小二乗法と最尤法とにより、ターゲット３０の中心位置を推定した場合における誤差の平均値は、８．３ｍｍであった。これにより、本実施形態に係る円周面３０Ｂ上の計測点のデータの取得方法を用いた場合、ターゲット３０の中心位置をより高精度に推定できることがわかる。
【００７１】
図１３は、位置計測システム１００を用いた位置計測の一実施例を示す斜視図である。この図に示すように、本実施例では、計測領域１０２において計測者により保持され移動されるターゲット３０の中心位置を、位置計測システム１００により計測する。計測者は、計測領域１０２において、ターゲット３０を、水準器３６を確認しながら中心軸３０Ａが垂直になるように保持して移動させる。その間、ＬＲＦ２０は、計測領域１０２内でレーザ光を走査し、鉛直軸２０Ａからターゲット３０の円周面３０Ｂ上の計測点までの距離を計測する。そして、情報処理部４０は、ＬＲＦ２０により計測された鉛直軸２０Ａから円周面３０Ｂ上の計測点までの距離から、ターゲット３０の中心位置を推定する演算を行う。
【００７２】
図１４は、ターゲット３０の移動軌跡をリアルタイムで表示する表示システム１１０を示す図である。この図に示すように、表示システム１１０は、計測者（ターゲット３０を持つ者）が保持する端末１２４に設けられ鉛直軸２０Ａを原点とする絶対座標を表示する表示部１２０と、推定部４８により推定演算されたターゲット３０の中心位置の座標を、表示部１２０に表示させる表示制御部１２２とを備えている。
【００７３】
また、コンピュータ１２の情報処理部４０は、推定部４８により推定され判定部４９により確定されたターゲット３０の中心位置を、表示部１２０に表示させるための計算処理を実行する表示計算処理部４７を備えている。また、コンピュータ１２は、表示計算処理部４７により計算処理された表示用データを、無線ＬＡＮ等の無線通信手段により表示制御部１２２に出力する出力部１８を備えている。
【００７４】
図１５は、プログラムにより情報処理部４０の各部の機能が実現されて行われる処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示すように、判定部４９によりターゲット３０の中心位置が確定されると（図３のステップ７）、表示計算処理部４７は、確定された位置情報を、表示部１２０における座標情報に変換する処理を実行する（ステップ１０）。次に、出力部１８は、表示計算処理部４７により変換された座標情報を表示制御部１２２に出力する（ステップ１１）。
【００７５】
次に、表示制御部１２２は、表示部１２０にターゲット３０の中心位置の座標を表示させ（ステップ１２）、ターゲット３０の中心位置から目標位置までのナビゲーション表示Ｎを表示させる（ステップ１３）。
【００７６】
ここで、推定部４８により推定演算されるターゲット３０の中心位置の座標は、ＬＲＦ２０の鉛直軸２０Ａに対する相対位置である。しかし、上述のレーザポインタ８０を用いた鉛直軸２０Ａの初期設定において、鉛直軸２０Ａを計測領域１０２に設定された絶対座標の原点に設定することにより、ターゲット３０の中心位置の座標を、絶対座標として表示部１２０に表示させることができる。
【００７７】
また、表示部１２０の絶対座標に表示されたターゲット３０の中心位置の座標は、ターゲット３０が移動した後も表示され続ける。これにより、表示部１２０の絶対座標には、ターゲット３０の中心位置の移動軌跡Ｔがリアルタイムで表示される。
【００７８】
また、表示部１２０には、ターゲット３０を移動させる目標位置の座標Ｇが表示され、目標位置までのナビゲーション表示Ｎが表示される。このため、計測者は、表示部１２０に表示されたターゲット３０の中心位置の座標が目標位置の座標Ｇに近づくようにターゲット３０を移動させることにより、ターゲット３０を目標位置まで移動させることができる。
【００７９】
ここで、ターゲット１００が計測領域１０２に複数存在する場合には、分別部４２により、前景領域としての近くに位置するターゲット３０上の計測点と、背景領域としての遠くに位置するターゲット３０上の計測点とを背景差分により分別できる。また、クラスタリング部４４により、分別部４２により前景領域と背景領域とに分別されたそれぞれの計測点に対して、最短距離法を用いてユーグリッド距離に基づいたクラスタリングを行うことができる。
【００８０】
従って、複数のターゲット３０を移動させ、ＬＲＦ２０によるレーザ光の一連の走査により、鉛直軸２０Ａから各ターゲット３０の円周面３０Ｂ上の計測点までの距離を計測することが可能であり、その計測データから、各ターゲット３０の中心位置を推定することが可能である。
【００８１】
図１６は、位置計測システム１００を用いた一実施例を示す斜視図である。この図に示すように、本実施例では、複数の位置計測システム１００を用いて、単一のターゲット３０の中心位置を計測する。各位置計測システム１００の鉛直軸２０Ａは、計測領域１０２に設定された絶対座標の原点（０，０）、所定の基準位置（ｘ，ｙ）、（ｘ，０）等に設定し、各位置計測システム１００のＬＲＦ２０により計測領域１０２内でレーザ光を走査する。
【００８２】
本実施例では、複数のＬＲＦ２０が、互いに異なる方向からターゲット３０に向けてレーザ光を射出するため、ＬＲＦ２０が単数である場合と比して、ターゲット３０の円周面３０Ｂ上の計測点が周方向に広がる。これにより、円弧ではなく円のプロファイルデータを取得でき、円のプロファイルデータからターゲット３０の中心位置を推定できるため、ターゲット３０の中心位置をより高精度に推定できる。
【００８３】
図１７は、位置計測システム１００及び表示システム１１０を、建設現場における杭１の中心（杭芯）２の位置の計測に用いた実施例を示す斜視図である。この図に示すように、マンションやビル等の建設現場では、杭１が、杭打設機３により保持されて目的位置まで移動された後に打設される。
【００８４】
ＬＲＦ２０は、建設現場から数メートル〜数十メートル離れた位置に設置され、計測領域としての建設現場内でレーザ光を走査し、鉛直軸２０Ａから杭１の円周面上の計測点までの距離を計測する。情報処理部４０は、ＬＲＦ２０により取得された距離情報から、杭芯２の位置を推定する。
【００８５】
また、表示部１２０は、杭打設機３の操縦室に設置され、杭打設機３の乗員により視認される。このため、杭打設機３の乗員は、リアルタイムで杭芯２の移動軌跡と目標位置とを確認しながら、杭芯２の位置を調整することができる。
【００８６】
また、杭１を打設する前には、オーガドリルやビット等の掘削機を用いて地盤を掘削するが、オーガドリルに同軸的に円柱状のターゲットを設け、位置計測システム１００により、当該ターゲットの中心位置を計測することによって、オーガドリルの回転軸の位置を計測することができる。
【００８７】
また、杭１を掘削された穴に打ち込む際には、穴の直径が杭１の直径よりも大きいことから、杭芯２の位置が穴内で動くが、位置計測システム１００により杭芯２の位置を計測できるため、杭１の打設状況をリアルタイムで確認することができる。
【００８８】
なお、本実施例では、位置計測システム１００により、杭芯２の位置を計測したが、構真柱の中心軸の位置を計測するため等、他の建設用の構造材の特徴点の位置を計測するために位置計測システム１００を用いてもよい。
【００８９】
図１８は、杭芯２の位置調整を自動化した自動位置調整システム２００の概略を示す図である。この図に示すように、自動位置調整システム２００は、ＬＲＦ２０と、コンピュータ１２と、杭芯２の位置の調整量及び調整方向を求め、該調整量及び調整方向に応じた駆動信号を、杭打設機３の制御部に送信する自動位置調整制御部２１０とを備えている。
【００９０】
自動位置調整制御部２１０は、受付部２１２と、演算部２１４とを備えている。受付部２１２は、杭芯２を打設する目標位置の座標情報を受け付ける。この目標位置の座標情報は、オペレータにより入力される。演算部２１４は、推定部４８により推定演算された杭芯２の位置の座標と、受付部２１２が受け付けた目標位置の座標との差から、杭芯２の位置の調整量及び調整方向を求める。そして、演算部２１４は、求めた調整量及び調整方向に応じた杭打設機３の駆動量及び駆動方向を求める。演算部２１４により演算された杭打設機３の駆動量及び駆動方向に応じた駆動信号は、杭打設機３の駆動制御部２１６へ送信される。これにより、杭打設機３に、自動で、杭芯２の位置を、オペレータにより指定された目標位置まで移動させることができる。
【００９１】
なお、上記実施形態では、被計測物を、円柱体であり上記特徴点が中心軸３０Ａであるターゲット３０とした。しかし、例えば、断面が多角形の角柱体や角錐体であり特徴点がその中心軸であるものや、球体であり特徴点が中心点であるもの、直方体や立方体であり特徴点がその中心点であるもの等、輪郭上の計測点から特徴点を推定可能であるものであれば、被計測物として採用可能である。
【００９２】
また、被計測物としての円柱体の断面は真円には限られず楕円でもよく、最小二乗法又は最尤法を用いて、複数の計測点の位置を近似した円の方程式は、上述した半径ｒの真円の方程式には限られず楕円の方程式であってもよい。また、解析方法は、上記実施形態で挙げた一定距離法、最小二乗法、及び最尤法に限られるものではない。
【符号の説明】
【００９３】
１  杭、２杭芯、３杭打設機、１０  位置計測システム、１２  コンピュータ、１４  記憶部、１６  入力部（情報取得手段）、１８  出力部、２０  ＬＲＦ（光走査式測距装置）、２０Ａ  鉛直軸、３０  ターゲット（被計測物）、３０Ａ  中心軸（所定点）、３０Ｂ  円周面（輪郭）、３４  軸体、３４Ａ  中心軸、３６  水準器、４０  情報処理部、４２  分別部（情報取得手段）、４４  クラスタリング部、４６  ノイズ除去部、４７  表示計算処理部、４８  推定部（推定手段）、４９  判定部、５０  回転台、５２  駆動部、５４  回転テーブル、６０  調整台、７０  三脚、７２  日除けカバー、７２Ａ  底板、７２Ｂ  側板、７２Ｃ  天板、８０  レーザポインタ、８２  再帰性反射材、８４  ターゲット、１００  位置計測システム、１０２  計測領域、１１０  表示システム、１２０  表示部、１２２  表示制御部、２１０  自動位置調整制御部、２１２  受付部、２１４  演算部、２１６  駆動制御部
【図１】
0005610384.tif 000015
【図２】
0005610384.tif 000016
【図３】
0005610384.tif 000017
【図５】
0005610384.tif 000018
【図６】
0005610384.tif 000019
【図７】
0005610384.tif 000020
【図８】
0005610384.tif 000021
【図９】
0005610384.tif 000022
【図１０】
0005610384.tif 000023
【図１２】
0005610384.tif 000024
【図１３】
0005610384.tif 000025
【図１４】
0005610384.tif 000026
【図１５】
0005610384.tif 000027
【図１６】
0005610384.tif 000028
【図１７】
0005610384.tif 000029
【図１８】
0005610384.tif 000030
【図４】
0005610384.tif 000031
【図１１】
0005610384.tif 000032