(57)【要約】  本発明は、受信器３’を備えた移動可能ユニットの位置および方位を測定する位置決めの方法に関する。受信器３’は、走査ユニット２’で検出され、その走査ユニット２’で、受信器３’に関する少なくとも距離および方向を測定する。走査ユニットで放射される放射線が、受信器３’で検出される。放射線の入射方向および受信器軸に関する放射線の入射方向が導出される。一方、受信器軸ＥＡに関わる入射放射線のオフセットが測定される。移動可能ユニットの位置および方位が、少なくとも位置情報としての、距離、受信器３’に関する方向、オフセット、および、入射方向から導出される。移動可能ユニットを光学接続ＯＶで任意に制御する。
2008533479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信器（３，３'，３"）を備える移動可能ユニットの位置および方位を、特に平面で、測定する姿勢測定方法で、
該受信器（３，３'，３"）の検出にレーザビームを走査する走査ユニット（２，２'，２''）を備え、
該走査ユニット（２，２'，２''）を、所定の位置の点に置くことが可能で、
該受信器（３，３'，３"）は、該レーザビームを受信し、該移動可能ユニット上に取り付け可能で、
該姿勢測定方法が、
該走査ユニット（２，２'，２''）で受信器（３，３'，３"）を検出し、
該走査ユニット（２，２'，２''）は、少なくとも該受信器（３，３'，３"）までの距離および方向を測定し、
距離は、特に、位相または走行時間の測定原理で測定する、
該受信器（３，３'，３"）で該レーザビームを検出し、受信器軸（ＥＡ）に対する該レーザビームの入射方向を測定し、
少なくとも該受信器（３，３'，３"）の距離、方向、および、入射方向の姿勢情報から、該移動可能ユニットの位置および方位を測定する、姿勢測定方法において、
該受信器（３，３'，３"）の入射瞳の該レーザビームの突き当たる点（ＡＰ）の位置を、該レーザビームの検出で測定する、ことを特徴とする姿勢測定方法。
【請求項２】
前記受信器（３，３'，３"）の方向を、前記突き当たる点（ＡＰ）の位置を考慮して、水平の受信角度および垂直の受信角度で測定する、ことを特徴とする請求項１記載の姿勢測定方法。
【請求項３】
前記移動可能ユニットの位置を測定する時に、前記突き当たる点（ＡＰ）の位置を考慮する、ことを特徴とする請求項１〜２の何れか１項記載の姿勢測定方法。
【請求項４】
平均値を、前記突き当たる点（ＡＰ）の位置および／または前記入射方向の複数の値から算出する、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の姿勢測定方法。
【請求項５】
傾斜測定を、前記移動可能ユニットの位置および方位の測定中に行う、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の姿勢測定方法。
【請求項６】
前記レーザビームを、偏光方向を持たせて放射し、該偏光方向を前記受信器（３，３'，３"）で検出し、該偏光方向に対する前記受信器（３，３'，３"）の姿勢を導出する、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の姿勢測定方法。
【請求項７】
前記受信器（３，３'，３"）および／または前記移動可能ユニットの姿勢の変化の制御を、前記入射方向に対し所定の方位を含み、特に、前記移動可能ユニットの位置および方位を、前記入射方向を制御ビームとして追跡、連続して変化させる、ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の姿勢測定方法。
【請求項８】
前記姿勢情報の少なくとも一部の送信を、
前記走査ユニット（２，２'，２"）から前記受信器（３，３'，３"）および／または前記移動可能ユニット、
前記受信器（３，３'，３"）および／または前記移動可能ユニットから前記走査ユニット（２，２'，２"）、
前記走査ユニット（２，２'，２"）から制御ユニット（４，４'，４"）、および／または
前記受信器（３，３'，３"）および／または前記移動可能ユニットから該制御ユニット（４，４'，４"）で、
特に、無線、赤外線、超音波、または、有線リンクで送信する、ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載の姿勢測定方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項記載の前記姿勢測定方法を実施する前記移動可能ユニットが、
支持部（１，１'，１''）と、
特に、該支持部が、駆動部を備え、
前記レーザビームを受信する前記受信器（３，３'，３"）と、を備え、
前記受信器（３，３'，３"）は、調整可能で、特に、該支持部（１，１'，１''）に対し、１つまたは２つの軸に回転可能で、
前記受信器（３，３'，３"）および該支持部（１，１'，１''）の形成および配置を、前記受信器軸に対し前記レーザビームの前記入射方向が検出可能に、および
該支持部（１，１'，１''）に対し前記受信器（３，３'，３"）の位置が、特に、少なくとも１つの角度センサで、検出可能にし、
前記受信器（３，３'，３"）の入射瞳内の前記レーザビームの前記突き当たる点（ＡＰ）の位置が測定できるように、前記受信器（３，３'，３"）を形成する、ことを特徴とする移動可能ユニット。
【請求項１０】
前記突き当たる点（ＡＰ）の位置を、前記レーザビームの入射角と共に検出するように、前記受信器（３，３'，３"）を形成する、ことを特徴とする請求項９記載の移動可能ユニット。
【請求項１１】
前記受信器（３，３'，３"）が、前記レーザビームに対し位置感受性そして放射線感受性の検出器を少なくとも１つ有する対物レンズを備え、該検出器を焦点面に設けている、ことを特徴とする請求項９〜１０の何れか１項記載の移動可能ユニット。
【請求項１２】
前記レーザビームに対し位置感受性そして放射線感受性の検出器（８ａ，８ｂ）を少なくとも２つ備えるビームスプリッタを、対物レンズ（６）の下流に設け、該検出器（８ａ，８ｂ）を、反対の位置に焦点を外すように配置する、ことを特徴とする請求項１１記載の移動可能ユニット。
【請求項１３】
傾斜計（５，５'）、特に２軸傾斜計を備えている、ことを特徴とする請求項９〜１２の何れか１項記載の移動可能ユニット。
【請求項１４】
前記レーザビームを反射する素子、特に、前記受信器（３，３'，３"）の反射部、好ましくは、受信光学システムの反射部を備えている、ことを特徴とする請求項９〜１３の何れか１項記載の移動可能ユニット。
【請求項１５】
前記受信器（３，３'，３"）を、偏光感受性に形成し、前記偏光方向に対し前記受信器（３，３'，３"）の姿勢を導出する、ことを特徴とする請求項９〜１４の何れか１項記載の移動可能ユニット。
【請求項１６】
表面の変更、特に、グランドにマーキングを形成する処理ユニットを備えている、ことを特徴とする請求項９〜１５の何れか１項記載の移動可能ユニット。
【請求項１７】
請求項１〜８の何れか１項記載の前記姿勢測定方法を実施する姿勢測定システムが、請求項９〜１６の何れか１項記載の前記移動可能ユニットおよび前記走査ユニット（２，２'，２''）と、
前記レーザビームを放射する放射線源と、
前記レーザビームを立体角で走査の動きを案内する制御素子と、
反射した前記レーザビームを受信し、前記レーザビームの反射位置の方向および距離を、特に走行時間または位相測定の原理で測定する検出素子と、
方向と距離を送信する通信手段と、を備え、
該制御素子を、走査の動きを自由に特定できるように形成している、ことを特徴とする姿勢測定システム。
【請求項１８】
プログラムコードを有するコンピュータプログラムを、機械読み出し可能な媒体に記憶させ、または、電磁波で実施させて、請求項１〜８記載の何れか１項記載の方法を実行し、特に、プログラムをコンピュータで実行する、ことを特徴とするコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、姿勢測定方法、移動可能ユニット、および、姿勢測定システムとコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの測地の応用で、使用する機器の姿勢測定、即ち、位置および／または方位測定に種々の方法およびシステムが、利用されている。システムを使用して測定した位置から、更に測定が行われる。この測定は、その位置に連結しており、一般には、測定機器の方位の情報も必要とする。原理的には、機器の方位は、２つ以上の点の位置測定からも導出できる。測定の用途には、絶対姿勢を確定するために、携帯型の測定機器で、６つの自由度の測定が必要である。少なくとも位置、つまり３つの自由度である。問題は、２つの測定物の位置および方位の測定の場合である。測定は、原理的には、互いに別々に行なうが、多くの用途に対して連結させて行なう必要がある。一般には、携帯型測定機器の位置および方位の双方が要求される。
【０００３】
測定物の姿勢を測定する方法およびシステムは、種々の用途で要求がある。測地の応用で、測定機器の姿勢情報が、測定でしばしば使用されるのは、例えば、測定機器をグランド（運動場）の座標系に組み込む場合である。この測定機器から、測定を更に行い、姿勢情報に連結させる。他の使用分野として、自動的な機械制御がある。この場合、走行中の運搬手段の姿勢が、制御の基本となる。動いている測定物の姿勢を確定する姿勢測定システムは、競技場のマーキングにも要求される。
【０００４】
位置測定で知られる方法またはシステムには、大域の位置測定システム、例えば、全地球測位システム（例、ＧＰＳ）がある。例えば、衛星受信が乱されていない場合、測定物の位置は、測定物のＧＰＳ送信器で測定できる。衛星の受信は、常に保障はされていない。例えば、家並みの間、競技場の中、建築物の溝の中、または、採鉱の中の場合である。測定物の方位の確定には、方位計が更に必要になる。ＧＰＳ信号から測定する位置データの精度は、しかしながら、特に、測定物の高さに制限があり、そして多くの用途には不十分である。さらにシステムは、動いている測定物には、一層不正確になり、または、測定が大変複雑になる。
【０００５】
使用されている他の方法として、タキメータまたはトータルステーションがある。特に、動いている測定物の位置測定にも、種々の実施形態が従来技術にあり、自動目標物捕捉および測量を行なっている。一般には、トータルステーションに対し独立に動く測定物の位置測定は、ただ１つだけ行われている。測定物の方位の測定には、さらに、例えば傾斜センサまたはコンパスを用いる。
【０００６】
他の地域的な位置決めシステムは、既知の位置の受動的な点(passive point)に基づいている。ＰＣＴ／ＥＰ２００４／０１０５７１は、測定機器の実際の位置を測定するシステムを開示している。この場合、レーザビームで走査する空間部分に位置する少なくとも２つの基準点を検出し、それらの距離および傾斜角を測定している。検出可能な基準点の既知の位置、および、整合させた距離と傾斜角から、測定機器の実際の位置を導出する。基準点の検出、トラッキングおよび測定を、測定機器で自動処理で行う。測定機器および基準点に整合させた特別に形成した素子で、地域的な位置および／または方位の測定システムを形成する。このシステムでは、基準点をレーザビームで積極的に走査し、照射しなければならない。このため、測定機器の受信器が非常に複雑な設計となる。
【０００７】
このタイプの位置測定では、基準点が既に存在しているか、又は、基準点を設ける必要がある。しかし、この前提条件は、しばしば広々とした地形、例えば、競技場または運動場には適さない。基準点にする反射体の直立およびその移動は、方法を複雑にする。
【０００８】
移動可能ユニットの姿勢を測定する他の方法は、第１のステップで、走査ユニット、好ましくはレーザスキャナの位置決めから成る。走査ユニットは、移動可能ユニットの測定に適した位置に配置している。この位置は、既知または前以て測定されている。走査ユニットの位置測定は、一般に知られている測量技術を使用して測定する。例えば、全測位システムまたは全地球測位システムを用いる。走査ユニットも、所定の開始点に対し配置し測定する必要がある。走査ユニットによる測定を、既知の地域または大域の座標の位置から行なう。
【０００９】
一般的なタイプの走査ユニットは、レーザビームまたはレーザパルスを照射する放射線源を備え、立体角で走査する。従来技術では、状況に応じた実施形態で、種々の走査の動作を空間部分に対して選択している。
【００１０】
走査を受けた空間部分にある測定された目標物は、走査ユニットに走査放射線を一部反射して戻す。反射された放射線を受信し評価する。評価は、測定した目標物までの距離、および、走査ユニットの軸と測定した目標物間の水平および／または垂直の角度に対して行なう。測定した目標物は、通常、その反射率から背景と区別できる。従って、目標物は、反射した放射線の強度の変化から簡単に識別できる。目標物の検出または自動測量には、さらなる手段が使用される。立体角の範囲の走査で検出で測定された目標物までの距離は、目標物で反射された放射線を介して走査ユニットで測定する。好ましくは、位相測定原理またはパルス走行時間測定原理で測定する。照射した放射線の角度情報と併せて、各々の突き当たる場所の空間位置が、走査ユニットに対して測定できる。
【００１１】
測定する角度は、特定の状況および所定の制約に依存する。例えば、測定を１つの平面で行う場合、平面内の角度または角度成分を測定するだけで十分である。一般的には、位置測定には、距離および２つの角度を必要とする。
【００１２】
測定した目標物または反射する測定した目標物を備えた測定物に関する位置情報は、レーザビームを空間領域に通過させ、走査ユニットで空間領域に位置する測定した目標物を検出、識別、そして測定して得る。空間部分の走査で、走査ユニットが、測定した目標物に整合する反射放射線を受信しない場合、次の空間部分を走査する。この目標物の探査は、例えば、自動目標物探査装置で行なう。
【００１３】
走査ユニットは、１つ以上の測定した目標物を走査する。発明によると、走査ユニットの測定した目標物は、受信器または受信器を備えた移動可能ユニット（測定物）である。先ず最初に、測定物は、走査ユニットで照射されたレーザビームを受信する。そして少なくとも部分的にレーザビームを反射する。次に、レーザビームまたはレーザビームの入射角に対して、その方位を測定する。これは種々の方法で実施できる。
【００１４】
一般的なタイプの姿勢測定システムの構成は、走査ユニット、受信器、および、制御ユニットから成る。受信光学システムの回転軸を基準面に垂直に、そして、走査ユニットの走査レーザビームを基準面に水平にする。基準面は、例えば表面である。最初の調整後、受信光学システムが、自動的に走査ユニットに向くのが好ましい。走査ユニットの目標物の探索も同様に自動的に行なう。受信光学システムの検出に、粗い探索走行を使用しても良い。この走行で、走査ユニットの構成部品を、受信光学システムの検出に適した方向に向ける。ユーザとの関わりが不要となる。
【００１５】
計算ユニットをシステムの外部構成部品として、例えばユーザが操作できる。しかし、走査ユニットまたは受信器に組み込んだ計算ユニットを備える実施形態も可能である。システムは、走査ユニットまたは受信器から、自動的に制御できる。
【００１６】
一般的なタイプの受信器は、通常、間接的または直接に、移動可能ユニットに所定の方法で接続され、そのユニットの姿勢を識別する。
【００１７】
測量するユニットは、例えば、建設機械、または、測量機器で、位置および方位の測定を行う。他の使用領域としてマーキング作業がある。建設工事および運動場でのマーキングである。この目的には、受信装置を、例えば、移動式マーキング装置に取り付け、マーキング装置で、線または２次元の図（例えば紋章、標識記号、文字などの塗被）を描き又は噴霧する。
【００１８】
ビーム軸に対する方位測定で、受信器または移動可能ユニットを、放射線の移動で制御が出来る。放射軸を、実質的に制御ビームにする。この目的に、制御ユニットはプログラムされ、ハードウェアは、放射軸からの受信器軸の偏差を、一定、低減、または、最小にする。従って、制御ビームの各々の変化は、受信器または移動可能ユニットの姿勢の補正となる。この連続した補正の継続で、移動可能ユニットが、移動する制御ビームに従う。
【００１９】
制御ビームを所定のパターンで案内することで、移動可能ユニットを、ピン先の精度で動かし、例えば、表面を処理ユニットで変えることができる。従って、所望の形の図を、地上でのベクトルグラフィックスとしてマーキングが出来る。これは、競技場での複雑なクラブの表象の形成を可能にする。
【００２０】
ＵＳ２００３／０４３３６２は、上記原理による６次元のレーザ目標物トラッキングシステムを開示している。走査ユニットであるトラッキング装置が、目標物の極座標を測定し、目標物または移動可能ユニットの受信器が、直交系に対する回転角を測定する。直交系(mathematical tripod)は、ビーム方向および偏光方向で規定される。これは、トラッキング装置または走査ビームが、移動可能ユニットの受信器の所定の点に突き当たることを想定している。不正確な照準は、測量する目標物である移動可能ユニットの極座標の直接の誤差になる。従って、走査ユニットの送信器のレーザビームを、受信光学システムの入射瞳に正確に当てる必要がある。この入射瞳が、小さいか又は遠く離れている場合、送信器を、非常に正確に照準を合わせなければならない。つまり「微調整照準リンク」で、光学接続を確立および維持し、外乱後にその接続を取り戻す必要がある。振動または乱気流で、接続する部品の送信器、媒介物または受信器が、互いに安定でない場合、特に問題が生じる。または構成部品の急激な動き、例えば、平坦でないグランド上の移動で光学接続が切れる場合、特に問題となる。問題または失敗の可能性が増加、または距離が増して増加し、最大の信頼性のある有効距離に制限もある。さらに要求される精度を得るために、システムの構成部品を、高い要求に合わせる必要がある。これは、特に方位およびトラッキングに用いる機械系で、遅延無しの正確な測定を行うことが要求される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、移動可能ユニットの位置および方位情報を測定する方法またはシステムを提供し、その方法は、簡単な設計および操作を可能とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
移動可能ユニットは、システムの構成部品間で、改良した光リンクを備えている。
【００２３】
移動可能ユニットは、環境の影響、例えば、気流または平坦でないグランドに対し、より広い範囲および／またはより頑丈性を備えている。
【００２４】
これらの目的は、請求項１，９，１７で達成できる。
【００２５】
本発明は、姿勢測定方法、移動可能ユニット、走査ユニット、および、これらの構成要素から成る姿勢測定システムに関する。方法は、走査システム、例えば、レーザスキャナによる移動可能ユニットの位置の測定に基づく。移動可能ユニットの方位の測定を、移動可能ユニットに設けた受信器の姿勢、即ち走査ユニットで放射される放射線のビーム軸に対する姿勢で測定する。ビーム軸および移動可能ユニットの支持部に対する受信器の姿勢の情報から、移動可能ユニットの方位を導出する。３次元の姿勢情報が、位置情報および方位情報から得られる。
【００２６】
本発明の姿勢測定システムまたは姿勢測定方法は、受信器または移動可能ユニットが、受信器軸に対するレーザビームのビームオフセットを測定する。これは、照準誤差としても解釈される。ここでは、２つの実在の変数ｗ1，ｗ3を測定する。この変数は、受信器の入射瞳内のレーザビームの突き当たる点の姿勢を記述する。これらの変数を、受信器またはそれを支持する移動可能ユニットの位置および回転位置の算出に考慮する。
【００２７】
入射瞳が、レーザビーム断面または突き当たる点に対して大きい場合、レーザビームは、その中である程度動かすことが出来、光リンクを失わずに“粗い指示リンク”ができる。この結果、トラッキングまたは走査ユニットの照準精度、および、受信器のトラッキングに対する要求が低減できる。
【００２８】
好ましくない条件、例えば、振動している送信器では、従来技術の方法は、絶えずリンクを失っている。本発明は、このリンクを維持するだけでなく、瞳の入射座標の測定および平均化し、不適切な振動または影響、例えば、乱気流を除去することも可能である。送信媒体である空気の屈折を本発明で持続的に観察し、それを定量的訂正に使用することも可能である。
【００２９】
本発明による設計は、構造的およびシステムの利点もある。従って、走査ユニットの仕様も緩和される。この設計で、走査ユニットの動作が緩慢に出来るので、複雑なモータまたは制御を必要とせず、低消費電力が実現できる。精度が増し、そして、走査ユニットが受信器へのリンクを失う頻度が低減する。これは、受信器が動いている又は突然揺れる場合に、特に有利である。例えば、平坦でないグランド（マークする競技場または建設現場）上を走行する台車に受信器を取り付けている場合である。大気の障害、特に、野外の適用または長い距離でリンクを失う。如何なる場合もこれを避けるか、または、リンクが切れてから、光リンクの回復を行なうか、または少なくとも加速させる。
【００３０】
本発明の受信器は、受信光学システム、光学センサおよび傾斜センサを備えている。受信光学システムは、好ましくは、レーザビームを受信および反射するように形成している。例えば、特別なコーティングをした対物レンズで行なう。走査レーザビームは、受信光学システムに突き当たり、光学センサ、例えば、光検出器、または、ＣＣＤの配列に投射される。センサ上の画像を基本にして、センサ、つまり、受信器または受信器軸に対するレーザビームの入射方向が測定できる。受信器軸に対するレーザビームの入射方向の測定で、走査ユニットと受信器間の少なくとも１つの第１の角度が確定される。しかし、一般には、２つの角度は、受信器の適切な設計で測定できる。欠けている第３の傾斜角は、例えば、傾斜センサで測定できる。２軸傾斜計は、豊富な情報を提供する。走査ユニットの位置情報に連結した傾斜情報は、受信器に関する姿勢情報となる。受信器の姿勢は、姿勢情報を計算ユニットに通信し、そのユニットで処理して測定する。通信は、例えば、有線または無線接続（無線または超音波送信）によるリンクを基本にして行なう。位置および方位情報を基本にして、受信器の姿勢またはそれに所定の幾何学的関係を備える測定物（例えば、移動可能ユニットである運搬手段）の姿勢を、計算ユニットで測定する。計算ユニットが、例えば、適切なソフトウェアを有するノートブックで、走査ユニットおよび受信器と外部で通信する。または、計算ユニットを、走査ユニットまたは受信器に組み込んでも良い。
【００３１】
レンズの下流に設けたビームスプリッタおよび２つの反対の位置に焦点を外した検出器を備えた受信器の設計で、ビームオフセットの測定も可能となる。ビームオフセットは、レーザ放射線の突き当たる点の受信器軸からの偏差で、２つの検出器の画素を基本にして測定する。
【００３２】
受信光学システム、光学センサ、傾斜センサまたは傾斜計を部品としての形成で、受信器を個々の部品を含む筐体を備える携帯型装置の形式にしても良い。しかし構成部品が、受信器を別の部品として形成することも可能である。傾斜計が、例えば、光学システムと関連させた偏光フィルタでも良く、放射した放射線の偏光方向に関連して姿勢測定を行う。
【００３３】
代わりに形成した受信器は、走査ユニットで改良した測量の追加反射素子を想定している。位置情報を、この反射素子に対する測定から得る。反射素子は、受信光学システムまたはその筐体に取り付けた反射体である。反射体は、例えば、三角プリズムまたは球面反射体、または、単に反射部、例えば、反射箔である。受信光学システムまたは筐体は、反射体またはその反射部に所定の方法で接続しても良い。
【００３４】
受信器の受信光学システムは、好ましくは、少なくとも１つの固定軸に回転可能である。一般的には、その軸は、受信光学システムの光軸に直交し、特に垂直にする。受信光学システムの軸は、走査ユニットの方向に、向きまたは合わせることが出来る。受信光学システムが回転または回転される角度（回転角）は、好ましくは、自動的に、例えば、角度センサで測定される。
【００３５】
本発明の姿勢測定の構成部品である受信器は、測定機能を備えても良い。測定機能で、測地機器として使用、または、その機器に一体化して使用できる。例えば、受信器の設計を、レーザ距離計を組み込んで、建設部門での携帯型測量に使用できる。
【００３６】
姿勢測定方法および姿勢測定システムを、構成部品と併せて、図を参照し、以下実施形態を詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、姿勢測定方法が基本とする幾何学的関係を示す。受信器３を移動可能ユニットの支持部１に取り付け、固定軸に回転可能にしている。固定軸は、光学軸に直交して向けている。明確にするために、図は、平面内で示し、水平線に対する傾斜を示していない。一般には、受信器３の垂直の調整の軸がある。走査ユニット２で、レーザビームを照射し、或る角度範囲を走査し、受信器３を検出し、距離を測定する。結果として、受信器３の突き当たる点または反射点までの距離および角度が確立され、受信器３の位置が測定される。放射線の入射方向が、受信器３で測定され、この方向に対する方位、即ち、走査ユニット２に対する方位が導出される。２つの系、走査ユニット２および受信器３が、２つの固定した右手座標系｛ｅ１，ｅ２，ｅ３｝および｛ｅ−１，ｅ−２，ｅ−３｝で記述できる。各々の第３のベクトルは、一例として示す状態では、ページの面に垂直に向いている。受信器３の空間的な広がり及びその構成部品の配置で、幾つかの変数を考慮し、モデル化で定める必要がある。
【００３８】
走査ユニット２が、距離ρ＞０および受信器３の突き当たる点までの第１の方向ベクトルν∈Ｒ3（‖ν‖＝１）を測定する。受信器３は、移動可能ユニットの支持部１に対する回転角β、および、突き当たる点から走査ユニット２のレーザ源までの第２の方向ベクトルω∈Ｒ3（‖ω‖＝１）を測定する。変位ベクトルｗの座標ｗ1，ｗ2，ｗ3は、測定から、較正または技術仕様から分かっている。図示しない成分ｗ3は、紙面に垂直である。これら変数の情報で、移動可能ユニット又はその支持部１の特定の点の姿勢が、受信器３の空間的広がりおよび配置を考慮して測定できる。同様に、この情報で、受信器３および移動可能ユニットの制御が可能となる。この特定の点が、第１の方向ベクトルνに対して位置または方向を合わせ、放射した放射線のビーム軸となる。ビーム軸をトラッキングするシステムが、この制御で可能となる。
【００３９】
図２は、一般的なタイプの姿勢測定システムの構成部品の実施形態の代表的な図を示す。移動可能ユニットは、支持部１およびそれに回転可能な受信器３を備えている。傾斜計５を受信器３または支持部１に組み込むことも可能である。受信器３またはその構成部品の１つを、走査ユニット２で検出し、測量をする。処理中は、受信器３および走査ユニット２は、光リンクＯＶで接触している。光リンクＯＶを介し、受信器３の位置および光リンクＯＶ、そして走査ユニット２に対する方位が測定できる。姿勢情報である受信器３の距離および方向そして入射方向は、一体化した制御ユニット内で、評価される。制御ユニットは、位置および方位測定に関わる受信器３または走査ユニット２に設けている。他方のシステムの構成要素で得られたデータは、受信器３および走査ユニット２間の通信リンクで一方に送信される。ある種の用途では、別の制御ユニット４も使用する。姿勢情報の各々の部分は、走査ユニット２と制御ユニット４間の通信リンクＫＶ２および受信器３と制御ユニット４間の通信リンクＫＶ３で送信される。そして受信器３および走査ユニット２は、制御ユニット４および通信リンクで制御される。
【００４０】
方向は、１つまたはそれ以上の角度またはその測定を意味し、存在する状況および制約に依存する。例えば、プラスチック製の競技場のような完全に平面の場合、存在する自由度は、その平面の方位および位置決めの制約で予め規定される。位置および方位の測定に必要な測定変数の数は、減少する。水平に十分に長いサイズの運搬手段を、支持部１として使用する場合、その運搬手段は、常に水平に成っている。２つの軸の傾斜測定は、不要となる。用語「方向測定」は、環境条件により、必要な変数の数の測定を含む。平面での運搬手段の場合、運搬手段の距離、方向、即ち極角、および、受信方向、即ち、受信した放射線の極角で、位置および方位の測定に十分である。さらに、支持部１に対する受信器３の方位も、制約で固定されている。上記の場合、支持部１に対する受信器３の動きが、垂直軸で十分である。従って、この場合も極角で、受信器３に対する支持部１の位置および方位の測定には十分である。
【００４１】
図３は、一般的なタイプの姿勢測定システムを示す。走査ユニット２’のレーザスキャナが、放射線、例えばレーザパルスを放射し、制御素子（図示せず）で制御され、スキャナを受信器３’に合わせる。点線の領域は、スキャナが走査する検出範囲ＥＢを表す。スキャナから出るレーザビームは、受信器３’の対物レンズに当たる。対物レンズは、放射される放射線に対して良好な反射率を備えた被覆でコーティングされ、検出素子（図示せず）に反射して戻す。既知の地域または大域の座標を走査ユニット２’の固定座標系｛ｅ１，ｅ２，ｅ３｝に指定する。レーザスキャナを座標系に調整し、レーザの回転軸を原点にする。この座標位置から、受信器３’への測定を行う。スキャナは、傾斜および垂直軸に回転可能である。放射されたレーザビームの放射方向は、自動的に、例えば角度センサで検出される。
【００４２】
支持部１’は、回転可能な受信器３’および２軸傾斜センサ５’を備えている。固定座標系｛ｅ−１，ｅ−２，ｅ−３｝の原点は、受信器３’の軸点に位置する。受信器３’は、少なくとも図の平面から指し示す軸に回転可能である。受信器３’の受信光学システムへの測定で、その座標系｛ｅ−１，ｅ−２，ｅ−３｝が、走査ユニット２’の座標と関連付けされる。レーザスキャナから受信器３’までの測定を、受信器上の対物レンズに対して行なう。先ず最初にレーザビームが対物レンズで受け取られ、レーザビームの方向および入射点が測定される。次に、レーザビームは、対物レンズからスキャナの検出素子（図示せず）に反射して戻り、検出素子は、走査ユニット２’と受信器３’間の距離を測定する。受信器３’の既知の幾何学的配置から、支持部１’まで距離または移動可能ユニットの各点までの距離も測定できる。
【００４３】
回転可能な受信器３’の回転角は、例えば角度センサで、自動的に測定され、または、積極的に制御ビームのトラッキングに設定される。勿論、受信器３’を別の軸に回転可能または傾斜可能に形成しても良い。受信器３’および走査ユニット２’で測定した値は、外部制御ユニット４’に送信される。
【００４４】
図４は、移動する受信器を備えた一般的なタイプの姿勢測定システムの模式図を示す。図３の記述同様に、受信器３’の距離および方向測定を、走査ユニット２’から行なう。中央に示す状態は、０°の放射角で、左および右側のビームは、それぞれ、０°方向に対して所定の放射角β'，β''となる。図３の受信器３’の検出および測量後、レーザビームが、角度β’で旋回すると、受信器３’を備えた支持部１’が、同様に右へ動き、受信器とレーザビーム間の現存する関係を維持する。距離を同一に保つ場合、円弧に沿う動きが行なわれる。ここに示す右側への直線移動は、走査ユニット２’と受信器３’間の距離を意味し、変位の増加に伴い増加する。同様のことが、角度β''または左側への動きにも適用される。図は、同様に示している。走行する特定の所望のプロフィールまたは軌跡に基づき、必要な制御コマンドが、走査ユニット２’と受信器３’で連続して形成される姿勢情報を基本にして形成される。受信器３’の位置の連続した測量および放射のビーム方向へのリンクで、案内、即ち“制御ビームに乗る”案内が行なわれる。
【００４５】
図５は、本発明の姿勢測定方法の原理を示し、従来技術と比較している。走査ユニット３ａから受信器３ａへの距離および方向測定で、従来技術のシステムでは、光リンクＯＶの正確な方位およびトラッキングを必要とする。ビーム軸を、受信器３ａの小さな入射瞳ＥＰに維持し、トラッキングの動きおよび方向の安定性に特別な要求を伴う。入射瞳ＥＰが小さいため、受信器軸にほぼ平行な入射が確保され、ビームオフセットおよび受信器３ａの空間的な広がりによる誤差が、無視できる。この方位が閾値を越えて変化し、これに伴いリンクが切れた場合、入射瞳ＥＰおよびビーム軸を互いに再設定し、互いに調整して光リンクＯＶを再度確立する必要がある。
【００４６】
本発明の受信器３’または姿勢測定システムの場合、大きな入射瞳または光学開口部を使用し、光リンクが、障害に強く、相互のトラッキング、走査ユニット２’および受信器３’の構成部品が簡単になり、要求が低減できる。寸法記入の為、次の測定も必要となる。レンズ６の位置または突き当たる点ＡＰ、または、受信器軸ＥＡに対する入射放射線のオフセットまたは受信器軸ＥＡに対するビーム断面の重心のオフセットとしてのビームオフセットがある。これは、レーザ放射線の入射方向に加えて必要となる。ここでは入射方向は、面内での入射角γで記述される。これら変数の測定および情報から、適当に大きなサイズの光学開口部が実現できる。
【００４７】
図６ａ〜ｃは、本発明のユニットの受信器の入射放射線の方向測定の実施形態の概略図を示す。実施例では、６０ｍｍの開口部を備えた非球面レンズ６、ビームスプリッタ７、および、２つの光電性の位置感受性検出器８ａ，８ｂを使用している。適切な検出器として、例えば、ラインセンサ、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラ、または位置感受性素子（ＰＳＤ）がある。図６ａで、破線９ｂは、入射ビームに対応し、軸に平行で、検出器の範囲の中央で画像となる。実線９ｃで示される下からの入射ビームは、検出器の範囲で、上方向または右側への画像のシフトになる。点線９ａで示される入射ビームは、検出器の範囲で、下方向または左側への画像のシフトになる。
【００４８】
この実施形態では、２つの検出器８ａ，８ｂを共に異なる方向で焦点を外している。例えば、検出器８ａは、焦点距離の外に有り、検出器８ｂは、レンズ６の焦点距離内にある。本発明では、入射方向および放射線の突き当たる点の位置のシフトまたはビームオフセット、即ち、図１の変位ベクトルｗの座標ｗ1，ｗ3が、この配置で測定できる。１つだけの座標を２つの検出器で検討する場合、入射方向の変化は、２つの検出器８ａ，８ｂ上で画素のシフトに現れ、対応する検出器座標の和の変化として現れる。しかし、ビーム位置のシフト、即ち、ビームオフセットは、検出座標間の差異の変化に現れる。２つの反対の位置に焦点を外した検出器８ａ，８ｂの使用は、入射方向およびビームオフセットの測定を、ビームの突き当たる点の位置のシフト、従って、４つの変数の測定を可能にする。
【００４９】
他方、入射方向だけを測定する場合、焦点面の１つの検出器の使用で十分に入射方向、つまり２つの変数が測定できる。このような受信光学システム又は受信器の電子機器の設計で、入射放射線の方向および位置偏差が容易に直接検出でき、そして状況に応じて、受信器軸がトラッキングできる。
【００５０】
ビームオフセットおよび入射角の同時測定が、２つの検出器８ａ，８ｂ上の画素の位置の情報から可能である。以下、図６ｂ，６ｃで詳細に説明する。
【００５１】
図６ｂは、受信器軸に対して異なるビームオフセットを備える２つの入射ビームを示している。２つの入射ビームは、同じ入射角を有している。レンズ６の上部の入射ビーム、一点鎖線９ｂ’で表示されたビームは、検出器８ａの中心画素になるが、検出器８ｂ上では上縁近傍の位置になる。レンズ６の下部の入射ビーム、二点鎖線９ｂ”で表示されるビームは、検出器８ａの右縁に位置する画素に到るが、検出器８ｂ上では中心に位置する。受信器軸に対する入射放射線のオフセットであるビームオフセットは、２つの画素の位置の情報から導出できる。突き当たる点のレンズ上部から下部へのシフトおよびビームオフセットの関連する変化が、画素の右または下方へのシフトになる。
【００５２】
一方、図６ｃは、３つの入射ビームを示し、一定のビームオフセットで、異なる入射角を備えている。再度、破線９ｂは、軸に平行な入射ビームを意味し、実線９ｃは、下からの入射ビームで、点線９ａは、上からの入射ビームを意味する。再度、２つの検出器８ａ，８ｂの特性的な画素の組合せを、各々の入射角と関連させている。斜め上方から斜め下方の入射角の変化は、画素を、検出器８ａ上で右に、および、検出器８ｂ上で上方にシフトさせる。図６ｂの動きと比較して、シフトは、同一方向の時計回りでなく、反対方向に起きる。
【００５３】
検出器８ａ，８ｂの各々の画素の位置およびそのシフトの情報から、ビームオフセットおよび入射角、その変化も含めて、測定できる。
【００５４】
原理的には、ユニットの受信器の光学システムの他の実施形態も可能である。例えば、球面レンズおよび適切に傾斜させた検出器の使用で、電子的に検討できる合成歪になる。
【００５５】
図７ａ〜ｄは、本発明の姿勢測定方法を使用した支持部としてのマーキング台車１”の制御の概略図を示す。競技場にマーキングを設ける状況を示している。図７ａで、マーキング台車１”は、受信光学システムの反射を基本とし、走査ユニット２”の探査動作で識別され、方向および距離が測定される。マーキングする線の明細は、遠隔に位置する制御ユニット４”に与えており、操作者が操作する。マーキング台車１”は、光リンクＯＶで、走査ユニット２”の放射に結び付けている。反則領域の片側を定める処理ラインＢＬのマーキングに、マーキング台車１”を、受信器軸で理論線ＳＬに案内する。この場合、理論線ＳＬは、処理ラインＢＬに対応していない。処理素子と受信器軸間の空間距離のため、正確なマーキングにはオフセットが必要である。マーキング台車１”の電子機器は、オフセットを制御する。到達する位置を特定する距離で、受信器軸は、放射した放射線の軸、光リンクＯＶと一致し、所定の偏差内に維持される。光リンクＯＶを変化させ、受信器軸で、マーキング台車１”を理論ラインＳＬ上で案内することが出来、マーキングが出来る。
【００５６】
図７ｂは、光リンクＯＶ、受信器軸および理論線ＳＬの一致を示している。受信器３”の受信器軸を、直接に、走査ユニット２”の放射のビーム軸に一致している。この特別な場合、受信器軸の照準は、同一で、マーキング台車１”は、図７ｃに示すように、直接に走査ユニット２”に向かい、マーキングを形成し、距離Ｄは、徐々に減少する。他の空間的な配置で、受信器３”の方向および距離Ｄの平行した変化になる。
【００５７】
図７ｄは、その場合を示している。マーキング台車１”が、反則領域の側をマークした後に、それに直角に走る隣接した線をマーキングする。この目的に、理論線ＳＬを連続して走査ユニットで変化させ、マーキング台車１”が、この変化を追随し、光リンクＯＶを維持する。さらに、マーキングを正確にするために、マーキング台車１”に対する受信器３”の位置も考慮する。塗布ユニットが、離れた点として位置しているためである。この幾何学的な条件で、受信器３”およびマーキング台車１”間の角度および距離が、連続して変化する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】姿勢測定方法が基本とする幾何学的関係を示す。
【図２】一般的なタイプの姿勢測定システムの構成部品の実施形態を模式図を示    す。
【図３】一般的なタイプの姿勢測定システムの模式図を示す。
【図４】移動する受信器を備えた一般的なタイプの姿勢測定システムの模式図を示す。
【図５】本発明の姿勢測定方法の模式図を示す。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、ユニットの受信器内での入射放射線の方向を測定する本発明の実施形態の模式図を示す。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、本発明による姿勢測定方法を用いたマーキング台車の制御の模式図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【国際調査報告】
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