(57)【要約】【課題】無人航空機を物理的に固定することなく、対象を計測することができる測定装置、測定方法及び測定プログラムを提供すること。【解決手段】自律移動可能な測定装置１は、測定装置１の位置を示す位置情報を生成する位置情報生成手段と、測定対象の表面にレーザー光を照射するレーザー距離計と、位置情報と、レーザー距離計によるレーザー光の照射結果によって、測定対象における所定の３以上の点の基準座標を測定する基準座標測定手段と、基準座標に基づいて、測定対象を測定するために測定装置１が移動する基準となる移動基準位置を算出する移動基準位置算出手段と、移動基準位置に測定装置１を維持するための位置維持手段と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自律移動可能な測定装置であって、
前記測定装置の位置を示す位置情報を生成する位置情報生成手段と、
前記測定対象の表面にレーザー光を照射するレーザー距離計と、
前記位置情報と、前記レーザー距離計による前記レーザー光の照射結果によって、前記測定対象における所定の３以上の点の基準座標を測定する基準座標測定手段と、
前記基準座標に基づいて、前記測定対象を測定するために前記測定装置が移動する基準となる移動基準位置を算出する移動基準位置算出手段と、
前記移動基準位置に前記測定装置を維持するための位置維持手段と、
を有する測定装置。
【請求項２】
前記測定装置が前記移動基準位置を外れた場合の位置ずれを記録する位置ずれ記録手段と、
前記レーザー距離計によって取得した測定結果を、前記位置ずれを参照して補正する補正手段と、
を有する請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記測定対象の画像を取得する画像取得手段と、
前記画像に含まれる物体を認識する物体認識手段と、
を有し、
前記レーザー距離計は、前記物体認識手段によって前記測定対象であると認識した物体に、前記レーザー光を照射するように構成されている請求項１または請求項２のいずれかに記載の測定装置。
【請求項４】
前記物体認識手段は、深層学習（ディープラーニング）によって生成された特徴データを参照する請求項３に記載の測定装置。
【請求項５】
自律移動可能な測定装置が実施する測定方法であって、
前記測定装置の位置を示す位置情報を生成する位置情報生成ステップと、
前記位置情報と、前記測定対象の表面にレーザー光を照射するレーザー距離計による前記レーザー光の照射結果によって、前記測定対象における所定の３以上の点の基準座標を測定する基準座標測定ステップと、
前記基準座標に基づいて、前記測定対象を測定するために前記測定装置が移動する基準となる移動基準位置を算出する移動基準位置算出ステップと、
前記移動基準位置に前記測定装置を維持するための位置維持ステップと、
を含む測定方法。
【請求項６】
測定装置を制御するコンピュータを、
前記測定装置の位置を示す位置情報を生成する位置情報生成手段、
前記測定対象の表面にレーザー光を照射するレーザー距離計、
前記位置情報と、前記レーザー距離計による前記レーザー光の照射結果によって、前記測定対象における所定の３以上の点の基準座標を測定する基準座標測定手段、
前記基準座標に基づいて、前記測定対象を測定するために前記測定装置が移動する基準となる移動基準位置を算出する移動基準位置算出手段、及び、
前記移動基準位置に前記測定装置を維持するための位置維持手段、
として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置、測定方法及び測定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、無人航空機（マルチコプター）にレーザースキャナーを搭載して、マルチコプターを構造物の一部に固定したうえで、対象物の点群データを取得する技術が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６―１０７８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の技術においては、マルチコプターの位置ずれを防止するために、マルチコプターを構造物の一部に固定する必要があるが、レーザースキャナーで測定する位置に適した位置にマルチコプターを固定することができない場合もある。
【０００５】
本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、無人航空機を物理的に固定することなく、対象を計測することができる測定装置、測定方法及び測定プログラムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第一の発明は、自律移動可能な測定装置であって、前記測定装置の位置を示す位置情報を生成する位置情報生成手段と、前記測定対象の表面にレーザー光を照射するレーザー距離計と、前記位置情報と、前記レーザー距離計による前記レーザー光の照射結果によって、前記測定対象における所定の３以上の点の基準座標を測定する基準座標測定手段と、前記基準座標に基づいて、前記測定対象を測定するために前記測定装置が移動する基準となる移動基準位置を算出する移動基準位置算出手段と、前記移動基準位置に前記測定装置を維持するための位置維持手段と、を有する測定装置である。
【０００７】
第一の発明の構成によれば、レーザー距離計によって、測定対象の表面にレーザー光を照射して表面状態を計測することに加えて、測定装置が測定のために移動する移動基準位置を算出し、測定装置の位置をその基準位置に維持することができる。すなわち、無人航空機を物理的に固定することなく、対象を計測することができる。
【０００８】
第二の発明は、第一の発明の構成において、前記測定装置が前記基準位置を外れた場合の位置ずれを記録する位置ずれ記録手段と、前記レーザー距離計によって取得した測定結果を、前記位置ずれを参照して補正する補正手段と、を有する測定装置である。
【０００９】
第三の発明は、第一または第二のいずれかの発明の構成において、前記測定対象の画像を取得する画像取得手段と、前記画像に含まれる物体を認識する物体認識手段と、を有し、前記レーザー距離計は、前記物体認識手段によって前記測定対象であると認識した物体に、前記レーザー光を照射するように構成されている測定装置である。
【００１０】
第三の発明の構成によれば、前記レーザー光を前記測定対象以外の空間に照射する可能性を低減することができる。
【００１１】
第四の発明は、第三の発明の構成において、前記物体認識手段は、深層学習（ディープラーニング）によって生成された特徴データを参照する測定装置である。
【００１２】
第五の発明は、自律移動可能な測定装置が実施する測定方法であって、前記測定装置の位置を示す位置情報を生成する位置情報生成ステップと、前記位置情報と、前記測定対象の表面にレーザー光を照射するレーザー距離計による前記レーザー光の照射結果によって、前記測定対象における所定の３以上の点の基準座標を測定する基準座標測定ステップと、前記基準座標に基づいて、前記測定対象を測定するために前記測定装置が移動する基準となる移動基準位置を算出する移動基準位置算出ステップと、前記移動基準位置に前記測定装置を維持するための位置維持ステップと、
を含む測定方法である。
【００１３】
第六の発明は、測定装置を制御するコンピュータを、前記測定装置の位置を示す位置情報を生成する位置情報生成手段、前記測定対象の表面にレーザー光を照射するレーザー距離計、前記位置情報と、前記レーザー距離計による前記レーザー光の照射結果によって、前記測定対象における所定の３以上の点の基準座標を測定する基準座標測定手段、前記基準座標に基づいて、前記測定対象を測定するために前記測定装置が移動する基準となる移動基準位置を算出する移動基準位置算出手段、及び、前記移動基準位置に前記測定装置を維持するための位置維持手段、として機能させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、無人航空機を物理的に固定することなく、対象を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態の概略を示す図である。
【図２】本発明の実施形態の概略を示す図である。
【図３】本発明の実施形態の概略を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の概略を示す図である。
【図５】本発明の実施形態の測定対象を示す図である。
【図６】本発明の実施形態において取得するデータを示す概略図である。
【図７】本発明の実施形態の機能ブロックを示す概略図である。
【図８】本発明の実施形態のフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。
【００１７】
＜第一の実施形態＞
図１の無人飛行体１（以下、「無人機１」という。）は、いわゆる、ドローン、あるいは、マルチコプターであり、複数の回転翼を有する。無人機１は測定装置の一例である。無人機１は、本体３及び４つの回転翼５を有する。各回転翼５は、それぞれ、モーター（図示せず）に接続されている。本体３には、無人機１の各部を制御するコンピュータ、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した測位装置、自律飛行制御装置、加速度センサー及びジャイロセンサー等の慣性センサー、磁気センサー、気圧センサー、バッテリー等が配置されている。また、本体３には、カメラ７が接続されている。カメラ７は、デジタル画像を撮像するデジタルカメラ、あるいは、ビデオカメラ等である。また、本体３には、レーザー距離計９が接続されている。レーザー距離計９は、レーザーレンジ、あるいは、レーザースキャナーである。無人機１は、通信装置によって、基地局５０（図７参照）と通信可能になっている。
【００１８】
無人機１は、風車１００の羽根部１０６の表面を測定するものとして、以下、説明する。風車１００の主な構成は、中心軸部１０２、支柱１０４、３枚の羽根部１０６である。支柱１０４の基部は目標位置の一例であり、羽根部１０６は、測定対象の一例である。
【００１９】
無人機１は、ＧＰＳを使用した測位装置及び慣性センサーによって、無人機１自体の位置を継続的に測定している。
【００２０】
無人機１は、カメラ７で取得した画像中の風車１００を認識すると、風車１００に向かってレーザー距離計９からレーザー光を照射する。無人機１は、無人機１自体の位置と、風車１００に対してレーザー光を照射した結果に基づいて、風車１００の輪郭を認識する。風車１００の輪郭を認識するためのレーザー光の照射は、例えば、無人機１が所定の空間位置でホバリングしつつ、レーザー距離計９の方向を変えて風車１００の方向を照射することで行う。レーザー光は、風車１００に当たると反射してレーザー距離計９に帰ってくる。これに対して、レーザー光が、風車１００に当たらない場合には、レーザー距離計９に帰ってこない、あるいは、レーザー距離計９に帰ってきても、風車１００に当たって反射した場合の反射光とは明らかに異なる。このため、レーザー距離計９から照射され、風車１００に当たって反射して帰ってくるレーザー光によって、風車１００の輪郭を認識することができる。そして、無人機１は、レーザー距離計９によって、風車１００における所定の３点以上の点について、精密にその座標（以下、「基準座標」という。）を算出する。本実施形態においては、風車１００の３つの羽根部１０６の先端部１０６ａの座標を精密に測定する。基準座標は、後に説明する作業基準面や移動基準面の基準になる座標である。無人機１は、精密に座標を測定するために、例えば、各先端部１０６ａの近傍に移動して、各先端部１０６ａの座標を計測する。あるいは、無人機１は、異なる３つの位置から、各先端部１０６ａをそれぞれ測定して、そのデータに基づいて、各先端部１０６ａの座標を計測する。なお、レーザー距離計９は、レーザーの発信部と受信部を有し、発信部から出たレーザービームが測定対象に反射して帰ってくるまでの時間や、反射して帰ってきたときの位相を利用して、測定対象との距離を測定するようになっている。
【００２１】
無人機１は、３枚の羽根部１０６の先端部１０６ａの座標を含む面（以下、「作業基準面」という。）を算出し、図２及び３に示すように、その面と平行であり、所定距離ｄ１だけ乖離した面（以下、「移動基準面」という。）Ａを示す情報を生成する。移動基準面Ａは、移動基準位置の一例である。無人機１は、図４に示すように、無人機１の所定の部分（例えば、中心部分を貫く中心軸１ａ）を常に移動基準面Ａ内に維持させつつ、カメラ７の光軸及びレーザー距離計９によるレーザーの照射方向が移動基準面Ａに垂直になるように無人機１の姿勢を制御しつつ、レーザー距離計９によって、各羽根部１０６の表面形状を測定するようになっている。
【００２２】
無人機１は、図５に示すように、羽根部１０６を複数の小領域Ｐに分割して、作業用座標を作成する。そして、無人機１は、図６に示すように、小領域Ｐごとに表面を測定し、測定データを保存するようになっている。各小領域Ｐは、例えば、横軸をａ，ｂ，ｃ・・・、縦軸を１，２，３・・・とする座標で示される。測定データは、カメラ７で取得した各小領域Ｐの画像α１等、レーザー距離計９で取得した距離データβ１等、及び、計測した時刻γ１等である。距離データβ１等は、各小領域Ｐについての複数の距離データからなる。
【００２３】
図７に示すように、無人機１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）１０、記憶部１２、無線通信部１４、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）部１６、慣性センサー部１８、画像処理部２０、駆動制御部２２、測定制御部２４、及び、電源部２６を有する。
【００２４】
無線通信部１４によって、無人機１は基地局５０と通信可能になっている。基地局５０は、無人機１の離陸及び着陸を監視及び管理する管理装置の一例であり、適宜、飛行に関する指示を与えるようになっている。
【００２５】
ＧＰＳ部１６と慣性センサー部１８によって、無人機１は機体の位置を測定することができる。ＧＰＳ部１６は、基本的に、３つ以上のＧＰＳ衛星からの電波を受信して無人飛行体１の位置を計測する。慣性センサー部１８は、例えば、加速度センサー、ジャイロセンサー及び磁気センサーによって、出発点からの無人機１の移動を積算して、無人機１の位置を計測する。また、慣性センサー部１８によって、無人機１の向きを認識し、さらに、無人機１の姿勢の変化を感知することができ、駆動制御部２２によって、無人機１の姿勢を制御することができる。
【００２６】
画像処理部２０によって、無人機１は、カメラ７を作動させて画像を取得することができる。
【００２７】
駆動制御部２２によって、無人機１は、各回転翼５の作動を制御するようになっている。
【００２８】
測定制御部２４によって、無人機１は、レーザー距離計９を作動させて距離データを取得することができる。
【００２９】
電源部２６は、例えば、交換可能な可充電電池であり、無人機１の各部に電力を供給するようになっている。
【００３０】
記憶部１２には、出発点から目的位置まで自律飛行するための飛行計画を示すデータ等の無人飛行に必要な各種データ及びプログラムや、以下の各プログラムが格納されている。
【００３１】
記憶部１２には、位置情報生成プログラム、自律移動プログラム、画像取得プログラム、物体認識プログラム、輪郭認識プログラム、基準座標測定プログラム、作業基準面生成プログラム、移動基準面生成プログラム、位置維持プログラム、及び、測定プログラムが格納されている。
【００３２】
ＣＰＵ１０及び位置情報生成プログラムは、位置情報生成手段の一例である。位置情報は、無人機１自体の位置を示す情報である。無人機１は、ＧＰＳ部１６と慣性センサー部１８によって無人機１の絶対位置、向きや姿勢を示す情報を継続的に生成し、保持している。
【００３３】
ＣＰＵ１０及び自律移動プログラムは、自律移動手段の一例である。無人機１は、例えば、基地局５０から、測定対象である風車１００の座標を示す座標情報を受信すると、記憶部１２に格納された風車１００近傍の地形や構造物の位置を参照し、風車１００へ向かって、自律移動するようになっている。
【００３４】
ＣＰＵ１０及び画像取得プログラムは、画像処理部２０を作動させて、測定対象の画像を取得するための画像取得手段の一例である。無人機１は、例えば、風車１００の近傍に至ったと判断した場合に、風車１００の全体画像を取得する。風車１００の近傍とは、例えば、風車１００の座標から水平距離で１００メートル（ｍ）以内である。
【００３５】
ＣＰＵ１０及び物体認識プログラムは、物体認識手段の一例である。物体認識プログラムは、深層学習（ディープラーニング）によって生成された特徴データを参照するようになっており、取得した画像に含まれる物体の特徴を識別して、物体を認識できるようになっている。なお、深層学習（ディープラーニング）とは、多層構造のニューラルネットワークの機械学習であり、画像認識の分野が有力な活用分野の一つである。
【００３６】
無人機１は、風車の羽根の形状を示す特徴データを有しており、風車１００が風車であることを認識することができるようになっている。
【００３７】
ＣＰＵ１０及び輪郭認識プログラムは、輪郭認識手段の一例である。無人機１は、輪郭認識プログラムによって、風車１００の方向のレーザー光を照射し、帰って来たレーザー光を分析して、風車１００の輪郭を認識するようになっている。
【００３８】
ＣＰＵ１０及び基準座標測定プログラムは、基準座標測定手段の一例である。無人機１は、レーザー距離計９によって、風車１００において所定の基準によって３点以上を選択し、各座標を測定する。風車の場合には、例えば、支柱１０４は除き、３点を結ぶ面積が最も大きくなる３点という基準によって、３つの羽根部１０６の先端部１０６ａを選択し、それらの座標を測定する。無人機１は、各先端部１０６ａの座標を精密に測定するために、例えば、各先端部１０６ａの近傍に移動して、各先端部１０６ａの座標を計測する。あるいは、無人機１は、異なる３つの位置から、各先端部１０６ａをそれぞれ測定して、そのデータに基づいて、各先端部１０６ａの座標を計測する。
【００３９】
ＣＰＵ１０及び作業基準面生成プログラムは、作業基準位置生成手段の一例である。無人機１は、作業基準面生成プログラムによって、３つの先端部１０６ａの座標を含む面（作業基準面）を算出する。作業基準面は、無人機１が実施する作業の基準となる面である。
【００４０】
ＣＰＵ１０及び移動基準面生成プログラムは、移動基準位置生成手段の一例である。無人機１は、移動基準面生成プログラムによって、上述の作業基準面から所定の距離ｄ１だけ乖離して、測定対象である風車１００の表面を測定するために無人機１が移動する移動基準位置を示す移動基準面Ａを生成する。
【００４１】
ＣＰＵ１０及び位置維持プログラムは、位置維持手段の一例である。無人機１は、位置維持プログラムによって、中心軸１ａが移動基準面Ａに含まれるように機体の位置を維持するようになっている。また、無人機１は、位置維持プログラムによって、カメラ７の光軸とレーザー距離計９のレーザー光の照射方向が、移動基準面Ａと垂直になるように制御している。無人機１の中心軸１ａが移動基準面Ａから外れる位置ずれを起こした場合には、無人機１は、中心軸１ａが移動基準面Ａに含まれるように、駆動制御部２２によって無人機１の位置を補正する。また、無人機１の姿勢が、移動基準面Ａと垂直の姿勢とずれる姿勢ずれを起こした場合には、垂直な姿勢に戻すように、無人機１の姿勢を補正する。上記の位置ずれ及び姿勢ずれの程度や方向を示す情報は、時刻を示す情報とともに、記憶部１２に格納される。
【００４２】
ＣＰＵ１０及び測定プログラムは、測定手段の一例である。無人機１は、測定プログラムによって、小領域Ｐごとにカメラ７によって、羽根部１０６の表面の画像を取得し、レーザー距離計９によって、距離データを取得する。そして、それらの測定データ（図６参照）を、記憶部１２に格納する。
【００４３】
以下、無人機１の動作を図８及び図９のフローチャートで説明する。無人機１は、無人機１自体の位置を示す位置情報を生成しつつ、風車１００の座標に自律移動する。そして、目標近傍に到達したか否かを判断し（ステップＳＴ１）、目標近傍に到達したと判断した場合には、カメラ７を作動させて画像を取得する（ステップＳＴ２）。続いて、無人機１は、取得した画像中に測定対象である風車１００を認識し（ステップＳＴ３）、風車１００に対してレーザー光を照射して、移動基準面Ａを算出する（ステップＳＴ４）。
【００４４】
ステップＳＴ４の詳細を図９のステップＳＴ４１乃至ステップＳＴ４４として説明する。無人機１は、レーザー光を使用して風車１００の輪郭を認識し（ステップＳＴ４１）、レーザー光を使用して３つの羽根部１０６の先端部１０６ａの座標である基準座標を測定する（ステップＳＴ４２）。続いて、無人機１は、３つの先端部１０６ａを結ぶ面である作業基準面を算出し（ステップＳＴ４３）、作業基準面から所定の距離だけ乖離した移動基準面Ａを算出する（ステップＳＴ４４）。
【００４５】
続いて、無人機１は、作業用座標（図５参照）を生成する（図８のステップＳＴ５）。無人機１は、移動基準面Ａにその中心軸１ａを含むように位置を制御し、カメラ７の光軸及びレーザー距離計９のレーザー光の照射方向と移動基準面Ａが垂直になるように姿勢制御しつつ、各羽根部１０６の小領域ごとに画像取得及び距離計測からなるデータ取得を行う（ステップＳＴ６）。続いて、無人機１は、一つの羽根部１０６の全座標（全小領域）のデータ取得が完了したか否かを判断し（ステップＳＴ７）、完了していれば、次の測定対象があるか否かを判断し（ステップＳＴ８）、次の測定対象がある場合には、ステップＳＴ５乃至ステップＳＴ７を実施する。ステップＳＴ８において、次の測定対象がない場合には、作業を完了し、基地局５０に帰還する。
【００４６】
＜第二の実施形態＞
第二の実施形態が、第一の実施形態と異なる点は、無人機１は、位置ずれや姿勢ずれを生じた場合には、対応する測定データを補正する点である。無人機１は、位置ずれや姿勢ずれを生じた場合に、それらの程度や方向を示す情報は、時刻を示す情報とともに、記憶部１２に格納しているから、その情報を使用して、測定データを補正するようになっている。
＜第三の実施形態＞
第三の実施形態が、第一の実施形態と異なる点は、無人機１は、位置ずれや姿勢ずれを生じた場合には、位置ずれや姿勢ずれを修正したうえで、位置ずれや姿勢ずれを生じた状態で取得した測定データに対応する測定対象の位置について、改めて、測定データを取得する点である。
【００４７】
上述の実施形態においては、無人機１の記憶部１２に、位置情報生成プログラム、自律移動プログラム、画像取得プログラム、物体認識プログラム、輪郭認識プログラム、基準座標測定プログラム、作業基準面生成プログラム、移動基準面生成プログラム、位置維持プログラム、及び、測定プログラムが格納されている態様を説明したが、物体認識プログラム、輪郭認識プログラム、基準座標測定プログラム、作業基準面生成プログラム、移動基準面生成プログラムのうち一部または全部を基地局５０のサーバ内の記憶部に格納し、基地局５０で処理した結果を無人機１に送信することによって、無人機１を制御するように構成してもよい。この場合、無人機１の記憶部１２は、基地局５０からの指示を処理する処理プログラムを格納すれば足りる。
【００４８】
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  無人飛行体（無人機）
１０  ＣＰＵ
１２  記憶部
１４  無線通信部
１６  ＧＰＳ部
１８  慣性センサー部
２０  画像処理部
２２  駆動制御部
２４  測定制御部
２６  電源部
【図１】
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【図２】
2018072206.tif 000004
【図３】
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【図４】
2018072206.tif 000006
【図５】
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【図６】
2018072206.tif 000008
【図７】
2018072206.tif 000009
【図８】
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【図９】
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