(57)【要約】【課題】任意の点を原点とする空間座標系において、対象点の空間座標を簡便な装置構成と方法で測定する。【解決手段】対象点に光の発光部を設け、既知の座標に配置され且つ前記発光部が発光した光を受光する複数の受光部を設け、複数の受光部のうちの任意の二つの受光部により構成される受光部対で発光部より発光される光を受光し、一つの受光部対について発光部〜第一の受光部の距離と発光部〜第二の受光部の距離の差である伝播行路距離差を算出し、伝播行路距離差を複数の受光部対についてそれぞれ同様に算出し、複数の受光部の既知の座標と複数の受光部対それぞれの伝播行路距離差より発光部の座標を算出することで対象点の座標を測定する。【選択図】図１
2016161363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発光する発光部と、
任意の空間座標系において既知の座標に配置され且つ前記発光部が発光した光を受光する複数の受光部と、
前記複数の受光部のうちの任意の二つの受光部からなる受光部対を複数有し、該受光部対に含まれる受光部で受光した光に基づいて、前記発光部から該受光部対の第一の受光部までの距離と前記発光部から該受光部対の第二の受光部までの距離との差である伝播行路距離差を算出する伝播行路距離差算出部と、
前記複数の受光部の既知の座標と、前記複数の受光部対についてそれぞれ算出された前記伝播行路距離差と、に基づいて前記発光部の座標を算出する発光部座標算出部と、
を具備することを特徴とする座標測定装置。
【請求項２】
前記発光部は前記複数の受光部とは別体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の座標測定装置。
【請求項３】
前記光は、特定の周波数の正弦波で振幅変調されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の座標測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、任意の箇所を原点とする座標系において光によって対象点の座標を測定する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三次元座標を得る手段としては、光学式・超音波式・電波式・機械式・磁気式・ＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）などの様々な方式がある。しかし、どの方式にも一長一短があり、安価で使いやすく且つ精度が良い方式が実用化されておらず、製品としても存在しない。
【０００３】
住宅などの建設業界の基礎工事測量分野では、測量対象点を反射プリズムが装着された指示器（ポールなど）で指し示し、本体内蔵のカメラから得られる画像を解析することでその反射プリズムを追尾しレーザー計測により得られる距離情報と内蔵された２軸のサーボモーターそれぞれから得られる角度情報から三次元座標を導出する製品がある。
【０００４】
しかしながら、同方式では、極めて高性能なエンコーダーが必要となるためコストが高額となってしまう。また、計測においては、上記の通りモーターを使って計測点指示器を追尾する必要があるので追尾可能な範囲内で指示器を移動せざるをえず使い勝手が悪い。加えて、複数箇所を複数人で同時計測することも不可能である。
【０００５】
そこで本願発明者はこれらの問題を解決すべく発明を成し、特願２０１２−２２７９０９（特開２０１４−０８１２３２）「無線による座標測定装置」を出願した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−０８１２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術は無線を使用するものである。無線は障害物の影響が軽微であり三次元座標測定を行う上では好適な手段の一つであるが、どの周波数帯であっても混信や高調波などのノイズの影響があり、またマルチパスといった問題があり、運用するフィールドに制限を設ける必要があり、汎用性が低下してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで上述の諸問題を解決すべく本発明が成された。
本発明による座標測定装置は、
「光を発光する発光部と、
任意の空間座標系において既知の座標に配置され且つ発光部が発光した光を受光する複数の受光部と、
複数の受光部のうちの任意の二つの受光部からなる受光部対を複数有し、受光部対に含まれる受光部で受光した光に基づいて、発光部から受光部対の第一の受光部までの距離と発光部から受光部対の第二の受光部までの距離との差である伝播行路距離差を算出する伝播行路距離差算出部と、
複数の受光部の既知の座標と、複数の受光部対についてそれぞれ算出された伝播行路距離差と、に基づいて発光部の座標を算出する発光部座標算出部と、
を具備する」
ことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の座標測定装置の発光部は、
「発光部は複数の受光部とは別体に設けられている」
ことを特徴としている。
【００１０】
更に、本発明の座標測定装置は、
「光は、特定の周波数の正弦波で振幅変調されている」
ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、特定の周波数の正弦波で振幅変調されている光によって三次元座標測定が可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明の前に、本明細書内で共通の事項について説明する。
本発明において、発光部が発光する光は可視光・赤外線・紫外線・エックス線などであり、座標とは特に断りの無い限り立体（三次元）空間の直交座標系の座標を意味するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の概念を示す図である。
【図２】受光部の構造を示す図である。
【図３】受光部対で受光した光の信号波形と局部発振器の発振波形との合成を示す図である。
【実施例】
【００１４】
図１は、本発明の基本的な概念を示している。
基準モジュールは、一連の座標測定を行う間は移動させないよう扱うものであり、仮想座標系の原点（もしくは特定の座標）と看做すことができる。基準モジュールには複数の受光部があり、図１では５つの受光部としてあるが、特にこれに限定されない。
仮想座標系は、仮に、左右水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸、奥行水平方向をＺ軸、としている。
計測モジュールは、座標を計測したい点を指し示す計測点指示部、光を発光する発光部、座標計測を行った結果を表示する計測結果表示部から構成される。使用者はこの計測モジュールを持って移動し、座標計測を行いたい点を測定点指示部で指し示すようにし、図示しない計測開始スイッチを押下することにより計測を開始するよう計測モジュールに指示する。仮想座標系における座標計測の結果は計測結果表示部に表示される。
【００１５】
図２は、基準モジュールの受光部の構造について示している。
まず、計測モジュールの発光部より光が発光される。図２では、例として１ＧＨｚの正弦波で振幅変調された光としているが、もちろんこれに限定される理由は無い。また、自明ながら、計測モジュール内には図示していない１ＧＨｚの局部発振器を具備している。
基準モジュールには受光部が５つあり、それぞれ受光部Ｒ１〜Ｒ５としている。
各受光部Ｒ１〜Ｒ５では計測モジュールの発光部より発光された光をそれぞれ受光する。
【００１６】
各受光部Ｒ１〜Ｒ５で受光された光は電気信号に変換され、振幅変調に用いられた信号成分（本実施例では１ＧＨｚ正弦波）が抽出されて、ミキサーへ入力される。
基準モジュール内には１．００００１ＧＨｚ（＝１ＧＨｚ＋１０ｋＨｚ）のクロック（局部発振器）を具備しており、この局部発振器が生成した正弦波信号を受光部Ｒ１〜Ｒ５で受光した１ＧＨｚ正弦波信号に対し各ミキサーにて混合する。尚、図中では局部発振器からミキサーまでの線路長が全て異なっているが、実際には各ミキサー全てに同じタイミングで信号が到達するよう回路を調整してある。
各ミキサーで混合された信号はＡ／Ｄ（アナログ−ディジタル）変換器を通してマイコンに読取られる。マイコンでは読み取った信号をデータとして処理する。
【００１７】
図３は、ミキサーで１ＧＨｚの正弦波と１．００００１ＧＨｚ（＝１ＧＨｚ＋１０ｋＨｚ）の正弦波を混合した際の波形について示している。
周波数の近い２つの正弦波を混合すると、周波数差を周期として振幅が変動する信号（所謂「うねり」）となる。周波数差は１０ｋＨｚなので、うねりの周波数は１０ｋＨｚとなる。前述のマイコンは、この振幅変動の包絡線を検出し、その波形を解析する。
以下、前述の先行技術文献（特願２０１２−２２７９０９／特開２０１４−０８１２３２）に基づき、共通点については参照のみで扱い、異なる点を中心に説明する。
【００１８】
先行技術の要旨は、４つの受信部対を想定し、受信部対の２つの受信部それぞれと送信部との距離の差を算出し、４つの受信部対の距離差を以って送信部の三次元座標を求める、というものである。
４つの受信部対を構成するためにコスト低減を踏まえて４つの受信部を三角錐状に配置する方式を採用したが、本発明ではより計測精度を高めるために５つの受光部を四角錐状に配置する方式とした。
まず、前述の通り、ミキサーで混合された信号は１０ｋＨｚのうなりを持つものとなり、この信号の包絡線波形に対してマイコンでＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を施すことにより、包絡線の周波数とミキサーに混合した２つの信号の位相差を求めることができる。
【００１９】
この際、発光部が発光する光の振幅変調をする正弦波の周波数をｆ、光速をｃ、ミキサーに混合する信号のうち基準となる信号の位相値をθ１、もう片方の信号の位相値をθｎ、発光部とθ１の信号を受光する受光部の距離をｄ１、発光部とθｎの信号を受光する受光部の距離をｄｎ、とした場合、距離差Ｄｍ＝ｄｎ―ｄ１は次の式で算出できる（ｍ＝１〜４となる）。
なお、以降の数式で多用する添え字ｎとｍについては以下の通りである。
ｎは、複数の受光部のうちの特定の１つを示す数字であり、本実施例では受光部が５つあるので、ｎは１〜５の範囲となる。
このうち、ｎ＝１の受光部を中心的に扱い、ｎ＝１以外の受光部（ｎ＝２〜５）との組み合わせで受光部対を構成することとする。すなわち、受光部をＲｎと表記すると、受光部対は「Ｒ１対Ｒ２」「Ｒ１対Ｒ３」「Ｒ１対Ｒ４」「Ｒ１対Ｒ５」の４つが存在することになる。受光部対のこれらの４通り組み合わせをｍで示す。例えば「Ｒ１対Ｒ２」はｍ＝１である。受光部が５つある場合、ｍは１〜４の範囲となる。ｍを用いた違う書き方をすると、受光部対「Ｒ１対Ｒ（ｍ＋１）」を示しているという意味でもある。
【００２０】
【数１】
2016161363.tif 000003
【００２１】
このことより、発光部が発光する光の振幅変調をする正弦波の周波数ｆと基準モジュール内の局部発振器の周波数（＝ミキサーで混合した際のうねり周波数を決定する）が既知であれば、「発光部と受光部対のうちの片方の受光部との距離」と「発光部と受光部対のうちのもう片方の受光部との距離」の差Ｄがわかるのである。
他の受光部の信号との関係性についても同じことがいえるので、発光部を基準として受光部Ｒ１〜Ｒ５相互の距離差も同様に求まることになる。
【００２２】
先行技術では４つの受信部で４つの受信部対を構成していたが、本発明では５つの受光部で４つの受光部対を構成するようにしたため、先行技術文献の式４に該当する部分は以下のようになる。
【００２３】
【数２】
2016161363.tif 000004
【００２４】
ここまでの内容に基づき、距離差Ｄｍから発光部の座標を求める方法を説明する。
発光部ｌの座標をｌ（ｘ，ｙ，ｚ）とする。
受光部Ｒ１〜Ｒ５の座標は既知でありこれをＲｎ（ｘ，ｙ，ｚ）とする（ｎ＝１〜５）。
受光部Ｒｎと発光部ｌとの直線距離をｄｎとする（ｎ＝１〜５）。
ｄ１とｄ２〜ｄ４の差（距離差）をｒｍとする（ｍ＝１〜４）。
受光部Ｒ１とＲｎの間に生じる既知の回路上の遅延要因を距離に換算したものをＡｍ（ｍ＝１〜４）とする。
ミキサー出力波形をＡ／Ｄ変換しＦＦＴを施して得られた位相値をθｎとする（ｎ＝１〜５）。
【００２５】
この時、
Ｔ１＝Ｄ１−Ａ１
Ｔ２＝Ｄ２−Ａ２
Ｔ３＝Ｄ３−Ａ３
Ｔ４＝Ｄ４−Ａ４
とすると、
中間変数としてＣ・Ｘ・Ｙ・Ｚを以下のように定義できる。
【００２６】
【数３】
2016161363.tif 000005
【００２７】
【数４】
2016161363.tif 000006
【００２８】
【数５】
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【００２９】
上述の中間変数を元に発光部の座標ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）は以下の式により求まる。
【００３０】
【数６】
2016161363.tif 000008
【００３１】
このようにして、５つの受光部の既知の座標と、各受光部より構成される受光部対それぞれにおいて測定された伝播行路距離差と、を数式に代入することで発光部の座標を求めることが可能となる。
【００３２】
図１の計測モジュールにおいて、三次元座標測定の対象になるのは発光部の存在する部位となるが、計測モジュール内に加速度センサーなどを設けて重力方向に対する姿勢を取得するようにすれば、発光部から計測点指示部までの距離は既知であるので、計測点指示部の座標も算出することが可能となる。
【００３３】
更に、計測は基準モジュール側で行うが、計測結果は計測モジュール側へ通信手段をもって通知しても良い。図２に示してある例ではＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を用いて計測した結果を計測モジュールへ送信している。
【００３４】
以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
量産可能な発光部および受光部を用いて特定箇所の座標測定を簡便に行うことができ、寸法測定や測量などの作業の効率を向上させるなどの効果を有している。
【図１】
2016161363.tif 000009
【図２】
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【図３】
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