(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上座標系に固定されたレーザスキャナにより計測された測定対象物の点群位置データである基準点群位置データの取得を行う基準点群位置データ取得手段と、  
移動体に固定されたキャリブレーション対象レーザスキャナを用い、前記移動体を移動させながら前記測定対象物のレーザスキャンを行うことで得た比較用レーザスキャンデータの取得を行う比較用レーザスキャンデータ取得手段と、
地上座標系に固定されたトータルステーションにより計測された前記キャリブレーション対象レーザスキャナの前記移動時における軌跡に基づき、前記比較用レーザスキャンデータを前記基準点群位置データの座標系で捉えた比較用点群位置データを算出する比較用点群位置データ算出手段と、
前記基準点群位置データと前記比較用点群位置データの対応関係に基づき、前記キャリブレーション対象レーザスキャナの外部標定要素を算出する外部標定要素算出手段と
を有することを特徴とする点群位置データ処理システム。
【請求項２】
地上座標系に固定されたレーザスキャナにより計測された測定対象物の点群位置データである基準点群位置データの取得を行うステップと、  
移動体に固定されたキャリブレーション対象レーザスキャナを用い、前記移動体を移動させながら前記測定対象物のレーザスキャンを行うことで得た比較用レーザスキャンデータの取得を行うステップと、
地上座標系に固定されたトータルステーションにより計測された前記キャリブレーション対象レーザスキャナの前記移動時における軌跡に基づき、前記比較用レーザスキャンデータを前記基準点群位置データの座標系で捉えた比較用点群位置データを算出するステップと、
前記基準点群位置データと前記比較用点群位置データの対応関係に基づき、前記キャリブレーション対象レーザスキャナの外部標定要素を算出するステップと
を有することを特徴とする点群位置データ処理方法。
【請求項３】
コンピュータに読み取らせて実行させるプログラムであって、
コンピュータを
地上座標系に固定されたレーザスキャナにより計測された測定対象物の点群位置データである基準点群位置データの取得を行う基準点群位置データ取得手段と、  
移動体に固定されたキャリブレーション対象レーザスキャナを用い、前記移動体を移動させながら前記測定対象物のレーザスキャンを行うことで得た比較用レーザスキャンデータの取得を行う比較用レーザスキャンデータ取得手段と、
地上座標系に固定されたトータルステーションにより計測された前記キャリブレーション対象レーザスキャナの前記移動時における軌跡に基づき、前記比較用レーザスキャンデータを前記基準点群位置データの座標系で捉えた比較用点群位置データを算出する比較用点群位置データ算出手段と、
前記基準点群位置データと前記比較用点群位置データの対応関係に基づき、前記キャリブレーション対象レーザスキャナの外部標定要素を算出する外部標定要素算出手段と
して動作させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザスキャナのキャリブレーションを行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザスキャナは、測定対象物にレーザ光を照射し、その反射光に基づいて点群位置データを取得する。点群位置データは、点状に取得した測定点の三次元座標のデータを含んでおり、点群位置データに基づいて測定対象物の三次元モデル（例えば、三次元ＣＡＤデータ）を得ることができる。例えば、ＩＭＵ（慣性計測装置:Inertial Measurement Unit）とレーザスキャナを搭載した車両を走行させ、その際にＩＭＵで車両の位置・姿勢を計測しながら、レーザスキャナにより周囲の点群位置データを取得することで、走行経路周辺の三次元モデルを得ることができる（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−４０８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の技術においては、ＩＭＵに対するレーザスキャナの位置および姿勢（向き）に関する情報（外部標定要素）が予め既知であることが必要である。一般に、ＩＭＵとレーザスキャナが一体となった計測システムが製造され、製品として出荷する時にレーザスキャナの外部標定要素を求めるキャリブレーションが行われている。そして、レーザスキャナのキャリブレーションが行われた状態の上記計測システムが車両に搭載される。
【０００５】
しかしながら、ユーザ側の要望として、上記の計測システムの車両への取り付け時に、レーザスキャナをユーザが希望する位置や姿勢で取り付けたい場合がある。また、車両が当該計測システムの製造側が想定していない車種や構造の場合、レーザスキャナの位置や姿勢を当該車両に合わせて変更する必要が生じる。
【０００６】
このような場合、車両にレーザスキャナを搭載した状態で当該レーザスキャナのキャリブレーションを行う必要がある。しかしながら、キャリブレーションには、煩雑な手順が必要であり、より簡便な方法でキャリブレーションが行える技術が求められる。このような背景において、本発明は、レーザスキャナのキャリブレーションを効率よく行える技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、地上座標系に固定されたレーザスキャナにより計測された測定対象物の点群位置データである基準点群位置データの取得を行う基準点群位置データ取得手段と、移動体に固定されたキャリブレーション対象レーザスキャナを用い、前記移動体を移動させながら前記測定対象物のレーザスキャンを行うことで得た比較用レーザスキャンデータの取得を行う比較用レーザスキャンデータ取得手段と、地上座標系に固定されたトータルステーションにより計測された前記キャリブレーション対象レーザスキャナの前記移動時における軌跡に基づき、前記比較用レーザスキャンデータを前記基準点群位置データの座標系で捉えた比較用点群位置データを算出する比較用点群位置データ算出手段と、前記基準点群位置データと前記比較用点群位置データの対応関係に基づき、前記キャリブレーション対象レーザスキャナの外部標定要素を算出する外部標定要素算出手段とを有することを特徴とする点群位置データ処理システムである。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、地上座標系に固定されたレーザスキャナにより計測された測定対象物の点群位置データである基準点群位置データの取得を行うステップと、移動体に固定されたキャリブレーション対象レーザスキャナを用い、前記移動体を移動させながら前記測定対象物のレーザスキャンを行うことで得た比較用レーザスキャンデータの取得を行うステップと、地上座標系に固定されたトータルステーションにより計測された前記キャリブレーション対象レーザスキャナの前記移動時における軌跡に基づき、前記比較用レーザスキャンデータを前記基準点群位置データの座標系で捉えた比較用点群位置データを算出するステップと、前記基準点群位置データと前記比較用点群位置データの対応関係に基づき、前記キャリブレーション対象レーザスキャナの外部標定要素を算出するステップとを有することを特徴とする点群位置データ処理方法である。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、コンピュータに読み取らせて実行させるプログラムであって、コンピュータを地上座標系に固定されたレーザスキャナにより計測された測定対象物の点群位置データである基準点群位置データの取得を行う基準点群位置データ取得手段と、  移動体に固定されたキャリブレーション対象レーザスキャナを用い、前記移動体を移動させながら前記測定対象物のレーザスキャンを行うことで得た比較用レーザスキャンデータの取得を行う比較用レーザスキャンデータ取得手段と、地上座標系に固定されたトータルステーションにより計測された前記キャリブレーション対象レーザスキャナの前記移動時における軌跡に基づき、前記比較用レーザスキャンデータを前記基準点群位置データの座標系で捉えた比較用点群位置データを算出する比較用点群位置データ算出手段と、前記基準点群位置データと前記比較用点群位置データの対応関係に基づき、前記キャリブレーション対象レーザスキャナの外部標定要素を算出する外部標定要素算出手段として動作させることを特徴とするプログラムである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、レーザスキャナのキャリブレーションを効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の概念図である。
【図２】演算部のブロック図である。
【図３】移動しながら取得したスキャンデータ間の座標系の関係を示す関係図である。
【図４】外部標定要素を求める処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】実施形態における処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（構成）
図１には、キャリブレーションが行われる現場の状態が概念的に示されている。本実施形態では、車両１００に取り付けたレーザスキャナ１１５の外部標定要素を求める。ここでは、レーザスキャナ１１５の外部標定要素としてＩＭＵユニット１１４に対する位置と姿勢を用いる。なお、レーザスキャナ１１５の外部標定要素として、計測システム１１０に対する位置と姿勢、あるいは車両１００に対する位置と姿勢を用いることもできる。
【００１４】
車両１００には、計測システム１１０が取り付けられている。計測システム１１０は、基台上にＧＮＳＳユニット１１１、全周カメラ１１２、固定指向カメラ１１３、ＩＭＵユニット１１４、および演算部１２０を配置した構造を有している。
【００１５】
ＧＮＳＳユニット１１１は、ＧＰＳ衛星等の航法衛星からの航法信号を受信し、自身の位置情報と校正された高精度の時刻情報（航法衛星から提供される測定の基準となる時刻の情報）を出力する。全周カメラ１１２は、周囲３６０°を動画撮影する。固定指向カメラ１１３は、特定の方向に向けられ、その方向の動画撮影を行う。ＩＭＵユニット１１４は、慣性計測装置であり、加速度を検出し、自身の位置の変化、向きの変化を計測する。
【００１６】
全周カメラ１１２、固定指向カメラ１１３、ＩＭＵユニット１１４、および演算部１２０には、ＧＮＳＳユニット１１１から同期信号が提供され、各装置は同期して動作する。なお、同期信号を発生する発振器を用意し、この発振器からの信号を基準同期信号として用いることもできる。また、ＩＭＵユニット１１４は、予め地上座標系上で校正されている。地上座標系というのは、地上に固定された絶対座標系であり、ＧＮＳＳにより測位される地上での位置を記述する３次元直交座標系である。また、ＩＭＵユニット１１４は、ＧＮＳＳユニット１１１から得られる位置情報と時刻情報に基づき特定のタイミングで校正される。
【００１７】
計測システム１１０の車両１００に対する位置と姿勢、計測システム１１０上におけるＩＭＵユニット１１４の位置と姿勢、ＩＭＵユニット１１４に対するＧＮＳＳユニット１１１の位置（アンテナ部分の位置）、ＩＭＵユニット１１４に対する全周カメラ１１２および固定指向カメラ１１３の位置と姿勢は予め測定され、その情報は演算部１２０内のメモリに記憶されている。
【００１８】
車両１００の前部には、キャリブレーション対象レーザスキャナであるレーザスキャナ１１５が固定されている。レーザスキャナ１１５は、レーザ光を線状に走査しながら測定対象物に対して照射し、その反射光を検出することで、測定対象物の点群位置データを取得する。車両１００を走行させながらレーザスキャナ１１５によるレーザスキャンを行うことで、レーザスキャナ１１５が向けられている方向における点群位置データが取得される。点群位置データは、多数の点の三次元座標のデータにより構成される。点群位置データによれば、三次元座標を特定した点の集合により測定対象物の外形がデータ化される。
【００１９】
レーザスキャナ１１５は、ユーザにより車両の希望する位置に希望する向き（姿勢）で取り付けられている。このため、車両に取り付けられた段階におけるレーザスキャナ１１５の外部標定要素は明確でない。
【００２０】
演算部１２０は、コンピュータとして機能するハードウェアであり、ＣＰＵ、メモリ、各種インタフェース、その他必要な電子回路を備えている。演算部１２０は、図２に示す各機能部を備えたハードウェアとして捉えることができる。なお、図２に示す各機能部は、ソフトウェア的に構成されていてもよいし、その一または複数が専用のハードウェアで構成されていてもよい。また、演算部１２０の機能、および各機能部の機能を実行するためのプログラムは、演算部１２０内のメモリに記憶されている。なお、当該プログラムを外部の記憶媒体に記憶させ、そこから提供する形態も可能である。
【００２１】
演算部１２０は、データ受付部１２１、軌跡算出部１２２、比較用点群位置データ算出部１２３、および外部標定要素算出部１２４を備えている。データ受付部１２１は、図１のレーザスキャナ１１５が測定したレーザスキャンデータ、基準レーザスキャナ１４１が測定した基準点群位置データ、トータルステーション１４２が測定した車両１００の軌跡（走行経路）に係るデータ、その他演算部１２０で取り扱うデータを外部から受け付ける。データ受付部１２１におけるデータの受け付けは、無線通信や有線通信を用いて行われる。
【００２２】
基準レーザスキャナ１４１は、外部標定要素を得た状態でキャリブレーション用コース１３０周辺の測定対象物（例えば、ビル１３１）の点群位置データを基準点群位置データとして取得する。ここで、基準点群位置データを得るためのスキャン範囲は、キャリブレーションを行うレーザスキャナ１１５のスキャン範囲と重複するように設定される。例えば、基準点群位置データとして、キャリブレーションコース１３０の脇に建築されたビル１３１の点群位置データが取得される。基準点群位置データは、適当な位置を原点とする３次元直交座標系において記述されている。ここでは、基準点群位置データの座標系として、地上座標系を用いる。
【００２３】
トータルステーション１４２は、地上座標系上での外部標定要素を得た状態でキャリブレーション用コース１３０を走行する車両１００の軌跡を測定する。トータルステーション１４２は、測定対象物にレーザ光を照射し、その反射光を検出することで、自身から測定対象物までの距離と方位を測定する。トータルステーションの外部標定要素を予め取得した状態で上記の測定を行うことで、測定対象物の位置を測定できる。また、この位置の測定を刻々と行うことで、移動する測定対象物の地上座標系上での軌跡を測定することができる。トータルステーション１４２には、ＧＮＳＳユニット１４３から航法衛星より得た同期信号が入力され、トータルステーション１４２は、車両１００の側で用いられる時刻と同期して動作する。なお、車両１００の位置として、ＩＭＵユニット１１４の位置が採用される。
【００２４】
軌跡算出部１２２は、車両１００が走行した地上座標系上における軌跡を算出する。車両１００の軌跡の算出は、車両側の機器と同期して動作するトータルステーション１４２から得た車両１００の位置情報に基づいて行われる。すなわち、トータルステーション１４２からは、各時刻における車両１００の位置のデータが得られるが、この位置のデータを追跡することで、車両１００の軌跡が得られる。この処理が軌跡算出部１２２において行われる。
【００２５】
軌跡算出部１２２で行われる処理としては、ＩＭＵユニット１１４およびＧＮＳＳユニット１１１の出力と外部の機器の出力とに基づいて車両１００の軌跡を算出する処理も可能である。この場合、外部の機器の出力を軌跡算出部１２２に取り込み、この取り込んだ情報とＩＭＵ情報やＧＮＳＳ情報を統合的に処理することで、車両１００の軌跡が算出される。
【００２６】
また、移動する車両から撮影した動画像から、当該車両の移動経路（軌跡）を求める処理を軌跡算出部１２２において行ってもよい。この技術に関しては、例えば特開２０１３−１８６８１６号公報に記載されている。この場合、全周カメラ１１２や固定指向カメラ１１３が撮影した画像を用いて車両１００の刻々と変化する位置（すなわち、車両１００の軌跡）を算出する処理が軌跡算出部１２２において行われる。
【００２７】
車両の軌跡は、基準点群位置データを記述する地上座標系で記述される。例えば、トータルステーション１４２を用いて車両１００の軌跡を測定した場合、トータルステーション１４２の外部標定要素は取得されているので、車両１００の軌跡を基準点群位置データと同じ地上座標系で記述することができる。
【００２８】
また、ＩＭＵユニット１１４を用いて車両１００の軌跡を求めた場合も、ＩＭＵユニット１１４は、地上座標系上で校正されているので、車両１００の軌跡を基準点群位置データと同じ地上座標系で記述することができる。
【００２９】
また、全周カメラ１１２や固定指向カメラ１１３が撮影した画像を用いて車両１００の軌跡を算出する場合も、その初期値が地上座標系において校正されていれば、車両１００の軌跡を基準点群位置データと同じ地上座標系で記述することができる。
【００３０】
比較用点群位置データ算出部１２３は、レーザスキャナ１１５が取得した比較用レーザスキャンデータに基づき比較用点群位置データを算出する。比較用レーザスキャンデータというのは、レーザスキャナ１１５のキャリブレーション（外部標定要素を求める処理）のために行われるレーザスキャンのデータことである。比較用レーザスキャンデータは、車両１００をキャリブレーション用コース１３０で走行させつつ取得される。よって、レーザスキャナ１１５から得られるスキャンデータのそれぞれは、原点（視点）が異なり、当該スキャンデータは、同一の座標系で記述されていない。
【００３１】
ところで、キャリブレーション用コース１３０における車両１００の軌跡は、軌跡算出部１２２により算出されるので、上述したレーザスキャナ１１５のスキャンデータそれぞれの原点（視点）の位置と姿勢の相互関係は計算できる。よって、車両１００の軌跡のデータに基づき、比較用レーザスキャンデータそれぞれを特定の座標系で記述し直すことで比較用点群位置データを得ることができる。この処理が比較用点群位置データ算出部１２３において行われる。
【００３２】
例えば、キャリブレーション用コース１３０において車両１００を走行させ、その際にレーザスキャナ１１５によりビル１３１のレーザスキャンを行い、ビル１３１に係るスキャンデータを得る。このスキャンデータが比較用レーザスキャンデータとなる。そして、このビル１３１に係る比較用レーザスキャンデータに基づき、基準点群位置データと同じ座標系（地上座標系）で記述したビル１３１の点群位置データを比較用点群位置データとして得る。
【００３３】
以下、比較用点群位置データ算出部１２３において行われる処理について説明する。比較用レーザスキャンデータは、移動しながらのレーザスキャンによって取得される。そのため、レーザスキャナ１１５が得た比較用レーザスキャンデータの原点（視点）は、刻々と移動している。図３には、比較用レーザスキャンデータＰ１とＰ２が位置関係を誇張した状態で示されている。図３には、まず点Ｐ１のスキャン点が取得され、その後でＰ２のスキャン点が取得され、その際にレーザスキャナ１１５はＯ１からＯ２に移動した場合が示されている。
【００３４】
図３に示すように、比較用レーザスキャンデータでは、位置Ｏ１において得たスキャン点Ｐ１、位置Ｏ２において得たスキャン点Ｐ２といった関係がある。ここで、Ｏ１とＯ２は異なる位置であるので、２つのスキャン点を記述する座標系１と座標系２は、同じではない。
【００３５】
そこで、以下の原理により、Ｐ１とＰ２の座標系を統合する。まず、比較用スキャンデータを得る過程における車両１００の地上座標系上における軌跡を取得する。車両１００の地上座標系上における軌跡は、例えば、外部標定要素が既知であるトータルステーション１４２に車両を自動追尾させることで得られる。車両１００の軌跡から、各時刻における車両１００の位置と向き（姿勢）が判明する。
【００３６】
他方において、レーザスキャナ１１５には、基準となる時刻がＧＮＳＳユニット１１１から供給されているので、比較用レーザスキャンデータでは、各スキャン点とそのスキャン点が得られた時刻とは関連付けされている。例えば、図３の場合でいうと、点Ｐ１の座標データと点Ｐ１が得られた時刻とが関連付けされたものが比較用レーザスキャンデータには含まれている。
【００３７】
車両１００は、点Ｏ１と点Ｏ２を通過しており、またトータルステーション１４２にはＧＮＳＳユニット１４３から基準となる時刻が供給されているので、時刻を手掛かりに車両１００の軌跡のデータから図３の座標系１と座標系２の相対的な関係（位置の関係と向きの関係）が判る。すなわち、時刻ｔ１におけるＯ１の位置および座標系１の向きと、時刻ｔ２におけるＯ２の位置および座標系２の向きとの関係が車両１００の軌跡から判る。
【００３８】
ここで、各時刻における車両の位置と向きは、上述した車両１００の軌跡から判るから、レーザスキャナ１１５の外部標定要素の補正量（推定される誤差量）を設定することで、誤差（キャリブレーション誤差）を含んだ形ではあるが、座標系１と座標系２を地上座標系に変換し、Ｐ１とＰ２を地上座標系上で記述することができる。こうして、Ｐ１とＰ２の座標系を統合し、Ｐ１およびＰ２の座標を地上座標系上で記述することができる。
【００３９】
上記は、比較用レーザスキャンデータが、Ｐ１とＰ２の２つの場合であるが、さらにＰ３，Ｐ４，Ｐ５・・・と比較用レーザスキャンデータが増えていった場合も車両１００の軌跡から各スキャンデータ取得時の車両１００の位置と姿勢が判るので、各スキャンデータを地上座標系上で記述することができる。こうして、比較用レーザスキャンデータを地上座標系上で記述した比較用点群位置データが得られる。なお、上述したように、レーザスキャナ１１５の外部標定要素（ＩＭＵユニット１１４に対する位置と姿勢）は未知であるので、比較用点群位置データでは、その分の誤差が含まれている。
【００４０】
以下、比較用点群位置データの具体的な一例を示す。数１には、地上座標系で記述したi番目の比較用点群位置データＰmms(i)が示されている。この場合、下記数１の処理が比較用点群位置データ算出部１２３において行われる。
【００４１】
【数１】
0006442193.tif 000002
【００４２】
レーザスキャナ１１５の座標系の一例として、図３の座標系１や座標系２が挙げられる。
【００４３】
外部標定要素算出部１２４は、基準点群位置データと比較用点群位置データとの対応関係を調べ、この対応関係が特定の条件を満たす条件に基づきレーザスキャナ１１５の外部標定要素（ＩＭＵユニット１１４に対する位置と姿勢）を算出する。
【００４４】
以下、外部標定要素算出部１２４で行われる処理ついて説明する。この例では、基準点群位置データのスキャン範囲と比較用点群位置データのスキャン範囲とが重複するようにスキャンが行われる。例えば、基準点群位置データのスキャン範囲と比較用点群位置データのスキャン範囲とにビル１３１が含まれるようにスキャンが行われる。
【００４５】
ここで、未知なのは、レーザスキャナ１１５の外部標定要素、すなわちＩＭＵユニット１１４に対するレーザスキャナ１１５の位置と姿勢である。しかしながら、数１に示すように、誤差を含む形で外部標定要素を仮設定できる。
【００４６】
この仮設定値の真値からの誤差が大きければ、基準点群位置データと比較用点群位置データとのマッチングの誤差は大きく、この仮設定値が真値に近づけば、基準点群位置データと比較用点群位置データとのマッチングの誤差は小さくなる。逆にいうと、基準点群位置データと比較用点群位置データとのマッチングの誤差が小さくなると、レーザスキャナ１１５の外部標定要素の仮設定値は、真値に近くなる。
【００４７】
ここでは、レーザスキャナ１１５の外部標定要素を未知パラメータとし、この未知パラメータを動かして収束条件を探索する。収束条件としては、未知パラメータが収束した状態、マッチング誤差が最少となる状態、マッチング誤差が閾値以下となる状態、これら状態の複数の組み合わせが挙げられる。
【００４８】
例えば、基準点群位置データと比較用点群位置データとのマッチングの誤差が大きいと、未知パラメータであるレーザスキャナ１１５の外部標定要素の仮設定値はなかなか収束しない。他方において、未知パラメータが収束し特定の値として安定した状態では、基準点群位置データと比較用点群位置データとのマッチングの誤差が小さく、未知パラメータが真値に近くなる。このことを利用して、収束した段階の外部標定要素を真値として採用することができる。
【００４９】
以下、具体例を説明する。図４には、外部標定要素算出部１２４で行われる処理の一例が示されている。処理が開始されると、基準レーザスキャナ１４１が測定したｎ点の基準点群位置データであるＰstatic(1...n)を取得する（ステップＳ４０１）。
【００５０】
次に、レーザスキャナ１１５が取得した比較用レーザスキャンデータに基づき、それを地上座標系で記述した数１で示されるｍ点の比較用点群位置データＰmms(i)を取得する（ステップＳ４０２）。
【００５１】
次に、後述する観測方程式に各点の観測値が収納されたか否か、が判定され（ステップＳ４０３）、観測方程式に各点の観測値が収納されていれば、ステップＳ４０７に進み、そうでなければステップＳ４０４に進む。
【００５２】
ステップＳ４０４では、基準点群位置データと比較用点群位置データとのマッチング誤差を評価する観測方程式を取得する。以下、観測方程式について説明する。
【００５３】
まず、基準点群位置データの点(Ｐstatic(j))の最近傍ある比較用点群位置データの点をＰmms(i)（数１から算出）とすると、マッチング誤差ΔＰは、下記数２で示される。
【００５４】
【数２】
0006442193.tif 000003
【００５５】
ここで、ΔＰは、点同士(point-to-point)あるいはＰstatic(j)の法線ベクトルに沿った残差(point-to-plane)として算出する。
【００５６】
この段階で未知なのは、レーザスキャナ１１５の外部標定要素（ＩＭＵユニット１１４に対する位置と姿勢）である。そこで、未知パラメータとして、Posscanner,Attscannerの初期値からの補正量をδPosscanner,δAttscannerとすると、下記数３が成立する。数３において、[]Tは転置、Jはヤコビ行列である。
【００５７】
【数３】
0006442193.tif 000004
【００５８】
ここで、Posscanner,Attscannerの初期値は、車両１００上のレーザスキャナ１１５が取り付けられた大凡の位置と姿勢に基づいて設定される。この初期値の設定方法としては、ユーザが入力する方法、複数用意された大凡の値の組の中の一つをユーザが選択する方法、別のカメラ等でレーザスキャナ１１５を撮影し、画像解析により大凡の値を推定する方法等が挙げられる。この初期値は、誤差を含んでいてよいので、大凡の値であってよい。
【００５９】
ここで、b=ΔP、A=J、x=[δPosscanner,δAttscanner]Tとすると、下記数４が得られる。
【００６０】
【数４】
0006442193.tif 000005
【００６１】
数４が基準点群位置データと比較用点群位置データとのマッチング誤差を評価する観測方程式となる（ステップＳ４０４）。
【００６２】
数４の観測方程式を立てたら、この観測方程式に観測値を格納する（ステップＳ４０５，ステップＳ４０６）。
【００６３】
各点の観測値が数４の観測方程式に格納されると、ステップＳ４０３からステップＳ４０７に進む。ステップＳ４０７では、下記の手順により正規方程式(後述の数６)を得る。まず、数４にAの転置行列ATを左から掛けて数５を得る。
【００６４】
【数５】
0006442193.tif 000006
【００６５】
数５にATAの逆行列(ATA)-1を左から掛けて数６（正規方程式）を得る。
【００６６】
【数６】
0006442193.tif 000007
【００６７】
数６から、初期値からの補正量であるδPosscanner,δAttscannerの最小二乗解が得られる（ステップＳ４０８）。
【００６８】
そして、収束条件が満たされていれば処理を終了し、収束条件が満たされていなければ、ステップＳ４１０に進む。収束条件としては、マッチング誤差ΔＰが予め定めた閾値以下となった段階やマッチング誤差ΔＰがそれ以上小さくならなくなった段階(最小となった段階）が挙げられる。また、補正量が特定の値に収束した段階を収束条件として採用することもできる。
【００６９】
ステップＳ４１０では、ステップＳ４０８で得られたδPosscannerとδAttscannerを新たな補正量として初期値であるPosscannerとAttscannerに加味し、その値を用いて再び比較用点群位置データＰmms(1...m)を生成する（ステップＳ４０２）。そして、再度ステップＳ４０３以下の処理が実行される。
【００７０】
すなわち、ステップＳ４１０からステップＳ４０２以下の処理では、δPosscannerとδAttscannerを修正することで、比較用点群位置データ(Ｐmms(1...m))を修正し、再度の基準点群位置データ(Ｐstatic(1...n))とのマッチングを探索する処理が行われる。この処理のループを収束条件が満たされるまで行うことで、より真値に近い補正量(δPosscanner,δAttscanner)）を得ることができる。
【００７１】
Posscanner,Attscannerの初期値からの補正量δPosscanner,δAttscannerが求められることで、レーザスキャナ１１５の外部標定要素、すなわちＩＭＵユニット１１４に対するレーザスキャナ１１５の位置と姿勢が求められる。こうして、未知であった車両１００におけるレーザスキャナ１１５の外部標定要素が得られる。
【００７２】
なお、未知パラメータは上記の例えに限らない。Posscanner,Attscannerも未知パラメータに含めてもかまわないし、スキャナ固有のキャリブレーション誤差(軸の倒れや測距誤差など)を含めて解くことも可能である。
【００７３】
図示省略されているが、演算部１２０は、ＧＮＳＳユニット１１１、全周カメラ１１２、固定指向カメラ１１３、ＩＭＵユニット１１４、レーザスキャナ１１５が得た情報を統合的に処理し、車両１００が走行した周囲環境の３次元データを得る機能を有している。この３次元データを用いることで、車両１００が走行した環境の３次元モデルを作成することができる。
【００７４】
（処理の一例）
以下、レーザスキャナ１１５の外部標定要素を求める処理の一例について説明する。図５は、処理の概要を示すフローチャートである。まず、計測システム１１０およびレーザスキャナ１１５を取り付けた車両１００を用意する。この段階において、計測システム１１０上のＧＮＳＳユニット１１１の位置、全周カメラ１１２と固定指向カメラ１１３の外部標定要素、およびＩＭＵユニット１１４の位置と姿勢は、調べられており、既知となっている。また、レーザスキャナ１１５は、車両１００上のユーザが希望する位置に取り付けられており、その大凡の位置と姿勢は既知であるが、正確な外部標定要素（ＩＭＵユニット１１４に対する位置と姿勢）は判っていない。
【００７５】
車両１００を用意したら、キャリブレーション用コース１３０を設定する（ステップＳ１０１）。キャリブレーション用コース１３０としては、直線状のコースであり、周辺に点群位置データの対象となり易いビル１３１などの構造物が存在している場所が選択される。
【００７６】
キャリブレーション用コース１３０を設定したら、固定型の基準レーザスキャナ１４１をキャリブレーション用コース１３０の近くに設置し、その外部標定用要素を取得する。そして、基準レーザスキャナ１４１を用いてキャリブレーション用コース１３０周辺の点群位置データを基準点群位置データとして取得する（ステップＳ１０２）。この例において、基準レーザスキャナ１４１は、ビル１３１に対してレーザスキャンを行いビル１３１の点群位置データを基準点群位置データとして取得する。
【００７７】
次に、キャリブレーション用コース１０１において車両１００を走行させる。その際、搭載したレーザスキャナ１１５によるレーザスキャニングを行い、比較用レーザスキャンデータを得る（ステップＳ１０３）。このレーザスキャニングは、基準点群位置データとスキャン範囲が重なるように行う。この例では、車両１００を走行させた状態でレーザスキャナ１１５によってビル１３１のレーザスキャニングを行い、ビル１３１を測定対象とした比較用レーザスキャンデータを得る。
【００７８】
また、ステップＳ１０３におけるキャリブレーション用コース１３０における車両１００の走行時の軌跡をトータルステーション１４２によって測定する（ステップＳ１０４）。この車両１００の軌跡の取得は、ＩＭＵユニット１２０を用いた方法等、他の手法によって行ってもよい。
【００７９】
次に、ステップＳ１０４において得た車両１００のキャリブレーション用コース１３０における軌跡と、車両１００がキャリブレーション用コース１３０を走行中にレーザスキャナ１１５が得た比較用レーザスキャンデータに基づき、比較用点群位置データを算出する（ステップＳ１０５）。この処理は、比較用点群位置データ算出部１２３において行われる。この処理では、前述した数１で示されるような、移動しながら得た比較用レーザスキャンデータを地上座標系（基準点群位置データの座標系）で記述するための演算が行われる。
【００８０】
次に、基準レーザスキャナ１４１が得た基準点群位置データとレーザスキャナ１１５が得た比較用レーザスキャンデータに基づく比較用点群位置データとのマッチングを行い、収束条件を用いてレーザスキャナ１１５の外部標定要素を算出する（ステップＳ１０６）。この処理によって、レーザスキャナ１１５のＩＭＵユニット１１４に対する位置と姿勢が求まる。この処理は、外部標定要素算出部１２４において図４に示す手順によって実行される。
【００８１】
本実施形態によれば、レーザスキャナ１１５の設置位置や姿勢が未知の場合であっても、車両１００をキャリブレーション用コース１３０で走らせつつレーザスキャナ１１５によるレーザスキャンを行うことで、レーザスキャナ１１５の外部標定要素を求めることができる。例えば、レーザスキャナ１１５がユーザにより取り付けられた場合やレーザスキャナ１１５の位置や姿勢が変更された場合であっても簡便な方法でレーザスキャナ１１５の外部標定要素を求めることができる。
【００８２】
（その他）
図５の演算部１２０の機能部の一または複数を別のハードウェアとし、それらを適当な通信手段で接続し、システムとして動作させてもよい。例えば、演算部１２０の機能の一部を実行する外部機器（パーソナルコンピュータや専用のコンピュータ）を演算部１２０に接続し、演算部１２０の機能の一部を当該外部機器で行う構成が可能である。
【００８３】
図１には、基準点群位置データを取得する機器として、基準レーザスキャナ１４１を用いる例が示されているが、基準点群位置データは、ステレオ撮影した画像から特徴点を抽出することで得てもよい。この場合、ステレオ写真カメラを用いてキャリブレーション用コース周辺の撮影を行ってステレオ画像データを得、このステレオ画像データを画像解析することで、画像中から特徴点を抽出し、更に抽出した特徴点の三次元座標をステレオ写真測量の原理により算出することで基準点群位置データを得る。
【００８４】
軌道等を用いてキャリブレーション用コース１３０を固定してもよい。こうすることで、キャリブレーション用コース１３０における車両１００の軌跡をより高精度に取得することができる。
【００８５】
近年、車両周囲の三次元情報を取得し、車両の自動運転や運転の補助を行う技術が知られている。この技術にレーザスキャナを用いる場合に、本発明を利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、レーザスキャナの外部標定要素を求める技術に利用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１００…車両、１１０…計測システム、１１１…ＧＮＳＳユニット、１１２…全周カメラ、１１３…固定指向カメラ、１１４…ＩＭＵユニット、１１５…レーザスキャナ、１３０…キャリブレーション用コース、１３１…ビル、１４１…基準レーザスキャナ、１４２…トータルステーション、１４３…ＧＮＳＳユニット。
【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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