(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】対象点に電磁波の送信部を設け、既知の座標に配置され且つ前記送信部が送信した電磁波を受信する複数の受信部を更に設け、複数の受信部のうち任意の二つの受信部により構成される受信部対で送信部より送信される電磁波を受信し、一つの受信部対について送信部〜第一の受信部の距離と送信部〜第二の受信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信部対についてそれぞれ同様に算出し、複数の受信部の既知の座標と複数の受信部対それぞれの伝播行路距離差より送信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
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を送信する送信部と、
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送信部が送信した電磁波を受信する複数の受信部と、
前記複数の受信部のうちの任意の二つの受信部からなる受信部対を複数有し、該受信部対に含まれる受信部で受信した電磁波に基づいて、前記送信部から該受信部対の第一の受信部までの距離と前記送信部から該受信部対の第二の受信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、
前記複数の受信部の既知の座標と、前記複数の受信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、に基づいて前記送信部の座標を算出する送信部座標算出部と、
を具備することを特徴とする座標測定装置。
【請求項２】
前記送信部は前記複数の受信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】
前記電磁波は変調が施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。
【請求項４】
前記変調の変調波は周期関数であることを特徴とする請求項３に記載の座標測定装置。
【請求項５】
前記変調の変調波は非周期関数であることを特徴とする請求項３に記載の座標測定装置。
【請求項６】
前記変調は振幅変調であることを特徴とする請求項４または請求項５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電磁波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】
空間座標（特に三次元座標）の座標値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）など様々な方式がある。しかし、これらの方式には一長一短があり、安価で使いやすく且つ精度が高いものは製品化されていない。
上述の方式のうち電波式のものは比較的扱いやすいため、本願発明者は電波を用いた座標測定装置についての発明（特願２０１２−２２７９０９）をした。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０８１２３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
（精度問題）
電波の使用は電波法などの関連法令により厳しく規制されており、使用可能な周波数帯・帯域幅・出力などに制限がある。よって計算理論上は実現可能であっても実際の運用では精度を担保するために必要な電波を送信することが出来ない場合がある。あるいは、電波暗室内などの電波法の適用が無い環境で使用する必要が生じる。
【０００５】
（時間問題）
ＧＰＳ受信機を用いた測量装置などではミリメートル単位の精度で座標測定が可能なものもあるが、ＧＰＳ衛星からの信号を長時間にわたり連続して受信する必要があるため、使いやすいものとは言えない。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決ために成されたものであり、高い精度で且つ短時間で測定が可能な座標測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の座標測定装置は、
「電磁波を送信する送信部と、任意の空間座標系において既知の座標に配置され且つ送信部が送信した電磁波を受信する複数の受信部と、複数の受信部のうちの任意の二つの受信部からなる受信部対を複数有し、受信部対に含まれる受信部で受信した電磁波に基づいて、送信部から受信部対の第一の受信部までの距離と送信部から受信部対の第二の受信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、複数の受信部の既知の座標と、複数の受信部対についてそれぞれ算出された伝播行路距離差と、に基づいて送信部の座標を算出する送信部座標算出部と、を具備すること」
ことを特徴としている。
この特徴により、いわゆる電波以外の電磁波を用いて座標測定装置を実現することができ、本発明を適用する製品の使用に応じた電磁波の波長を選択することが可能となり、結果として座標測定精度の担保が実現する。
【０００８】
また、本発明の座標測定装置は、
「送信部は複数の受信部とは別体に設けられている」
ことを特徴としている。
この特徴により、レーダー方式（座標測定の対象に対して電磁波を照射してその反射波を受信するもの）では無い座標測定の対象が直接波を受信あるいは送信する方式による座標測定が可能となる。レーダー方式での反射による損失が無いため、結果として座標測定精度が向上する。
【０００９】
更に、本発明の座標測定装置は、
「電磁波は変調を施されている」
ことを特徴としている。
この特徴により、送信部が送信する電磁波を搬送波とし、この搬送波に変調を施すことにより伝播行路距離差を求めることが出来るので、座標測定が可能となる。
【００１０】
加えて、本発明の座標測定装置は、
「変調の変調波は周期関数である」
ことを特徴としている。
この特徴により、既知の周期で連続して変調された電磁波を受信できるので、座標精度が向上する。
【００１１】
また、本発明の座標測定装置は、
「変調の変調波は非周期関数である」
ことを特徴としている。
この特徴により、外来ノイズに対しての耐性が向上し、座標精度を高めることが可能となる。
【００１２】
更に、本発明の座標測定装置は、
「変調は振幅変調である」
ことを特徴としている。
この特徴により、簡便な回路を以って変調を施すことが可能となるため、装置のコストを下げることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により高精度・短時間での座標測定が実現可能となり、精度問題および時間問題が解決できる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。
【００１５】
本発明の説明の前に、特許文献１（特願２０１２−２２７９０９）で示される従来の技術について説明する。
特許文献１は、
「座標測定対象点に無線波を送信する送信部を設け、既知の座標にある複数の受信部で無線波を受信し、受信した無線波信号に基づいて送信部と受信部の距離の差（伝播行路距離差）をそれぞれの受信部について求め、この複数の伝播行路距離差に基づいて複数の双曲面を想定し、その交点が座標測定対象点である。」
ことを要旨としている。
本発明と特許文献１は伝播行路距離差を求める方法において異なる。伝播行路距離差を求めた以降の処理については同じであり、これについては本発明では触れない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の概要を示す図である。
【図２】本発明の信号処理を示す図である。
【実施例】
【００１７】
図１は、本発明の概要を示す図である。
図１右側の筆記具様の装置（計測モジュール）は、座標測定を行う対象点を指し示す先端部を有し、加えて発光点Ｔに示す部位より光を発する。上述の電磁波はこの光を意味する。なお、これ以降で座標測定のために発光点Ｔから発せられる光を照射光と称する。
図１左側の複数の突起のある箱様の装置（基準モジュール）は、一連の座標測定を行う際に位置・姿勢を固定して使用するものであり、複数の突起はそれぞれ受光部であり、受光部Ｐ・Ｑ・Ｒ・Ｓがある。
発光点Ｔより発せられた照射光は、受光部Ｐ・Ｑ・Ｒ・Ｓに到達して受光され、基準モジュールは受光した照射光に基づいて発光点Ｔの座標を算出する。
発光点Ｔと計測モジュールの先端（座標測定対象点）とは同一の点ではないが、計測モジュール内に姿勢を検知するセンサーなどを設けることにより、発光点Ｔの座標から計測モジュールの先端の座標を算出することは可能である。
【００１８】
座標測定を行う者はこの計測モジュールを手に持ち、先端が測定対象点に接するようにして、計測開始を指令するボタンを押下する。ボタン押下により発光点Ｔより照射光が発せられ、受光部Ｐ・Ｑ・Ｒ・Ｓに照射光が到達し、到達した照射光に基づいて発光点Ｔの座標値を算出する。この座標値は基準モジュールの設置された方向・姿勢によって決定される局地的かつ一時的な座標系における座標値であるため、同様にして他の測定対象点について得られた座標値と比較して相対的に使用（２点間の距離測定、３角形の面積測定など）する。また、緯度経度など他の座標系との関連付けがなされていれば絶対座標系の座標値に変換して使用することも可能である。
より高度な計測方法については特開２０１４−１９９２５５号（特願２０１４−０５０７３７）公報に開示された方法を用いても良い。
【００１９】
続いて、図２に基づいて上述の伝播行路距離差を求める原理について説明する。
発光点Ｔより発せられる照射光は、特定波長の電磁波であり、本発明では光（可視光線・紫外線・赤外線）のうち赤色レーザー光を例として説明する。
計測モジュールの発光点Ｔから発せられる照射光は、赤色レーザー光（波長６００ｎｍ：周波数５００ＴＨｚ）を基準にし、発光強度（＝振幅）を３０ＭＨｚの正弦波で変調を施したものである。赤色レーザー光を搬送波として考えると、変調波である正弦波の周波数３０ＭＨｚは十分に小さい値であり（約１６６万分の１）、変調によるスペクトラム拡大は殆ど無視することができ、受光部で復調する上で問題を生じる可能性が殆ど無い。また３０ＭＨｚという周波数は安価な部品で十分安定して生成可能なものでもある。
【００２０】
図２において、照射光は左側より到達する。受光部Ｐで受光した照射光の振幅変動波形を取出すことで変調波である３０ＭＨｚの正弦波を抽出する。以降この抽出した３０ＭＨｚ正弦波のことを抽出信号と称する。
これに対し、局部発振器において２９．９９９ＭＨｚ（３０ＭＨｚ−１ｋＨｚ）の正弦波を生成する。以降この局部発振器によって生成された２９．９９９ＭＨｚの正弦波を局発信号と称する。
抽出信号と局発信号を混合して混合信号を生成する。混合信号には両信号の周波数の和と差の成分が重畳した状態となる。本実施例では３０．０００±２９．９９９ＭＨｚであるので、５９．９９９ＭＨｚと１ｋＨｚとなる。
混合信号をバンドパスフィルターで濾過して１ｋＨｚ成分のみを抽出する。以降この１ｋＨｚ成分に相当するものを低差信号と称する。
受光部Ｑ・Ｒ・Ｓについても同様に低差信号を抽出する。
なお、局部発振器は１つであり、各受光部の抽出信号に混合される局発信号は同一の位相となるよう回路を調整する。
【００２１】
受光部Ｐ・Ｑ・Ｒ・Ｓそれぞれの低差信号をＡ／Ｄ（アナログディジタル）変換してディジタル値とし、これをマイクロコントローラー（ＣＰＵ）が読取る。
この信号処理の流れにおいて、各受光部の抽出信号は同じ周波数（３０ＭＨｚ）ではあるものの、伝播行路距離差が存在するため位相に差異が生じる。この位相の差異は混合信号や低差信号にも波及する。結果、抽出信号での位相差（＝角度）はそのまま低差信号での位相差（＝角度）となって現れるため、各受光部の低差信号に対してＦＦＴ解析を行って低差信号の周波数（本実施例では１ｋＨｚ）における位相差を求められれば、以下の式で伝播行路距離差を求めることができる。
Ｄ＝（ｃ／ｆ）ｘ（φ／２π）
Ｄ：伝播行路距離差［ｍ］
ｃ：光速［ｍ／ｓ］
ｆ：振幅変調周波数［１／ｓ］
φ：位相差［ｒａｄ］
【００２２】
本来、伝播行路距離差を得るためには照射光の到達時間差を精緻に計測する必要があった。ところが、本発明の方式によると伝播行路距離差を「照射光を振幅変調する正弦波の周波数における位相差」として抽出し、さらに局発信号混合を経て「低い周波数における位相差」へと変換し、結果として安価な組込みＣＰＵでも演算可能な処理へと簡便化することが可能となった。
更に、この伝播行路距離差Ｄに基づいて特許文献１（特開２０１４−０８１２３２）の段落００２３以降に記載の計算を行うことで座標値を算出することができる。
【００２３】
ここまで、正弦波を変調波とした振幅変調を照射光に施した実施例を説明してきたが、本発明はこれに限定されない。伝播行路距離差を時間差以外の方法で検出できれば実施例以外のものを適用することも可能である。
例えば、照射光の振幅を正弦波で変調する際に変調波の周波数を更に掃引しても良い。或いは、照射光の振幅を正弦波で変調する際の変調波を複数の周波数の正弦波を重畳するようにしても良い。
加えて、変調波を正弦波以外の周期関数としても良い。
更には、変調波を非周期関数としても良い。
【００２４】
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】
【００２５】
安価に量産可能な計測モジュールおよび基準モジュールを用いて特定箇所の座標測定を簡便に行うことができるという高い経済性と広い応用可能性などの効果を有している。
【符号の説明】
【００２６】
符号無し。
【図１】
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【図２】
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