(57)【要約】【課題】障害物によって測定波が遮られる場合であっても、三次元的な位置を正しく測定すること。【解決手段】本発明の三次元座標測定装置１は、電波を送信する変位体としての送信装置１１と、この電波を受信する静止体としての受信装置１２とを備える。そして、受信装置１２に複数の受信部対を有する受信部３１で伝搬行路距離差により送信装置１１の座標を算出し、受信装置１２が移動したときは、移動情報に基づいて、座標が判明している位置を再度計測して、計測した座標変化に基づいて受信装置１２の座標を補正する。【選択図】  図１
2016035453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止体と変位体とを有する三次元空間座標測定装置において、
前記静止体から前記変位体へ、または前記変位体から前記静止体へ、座標測定を目的とする物理作用が伝達され、
前記静止体は、
一連の測定作業の間、測定が行われる三次元空間座標系における特定座標に固定され、
特定の手順に従うことにより前記固定されている特定座標を変更可能である、
ことを特徴とする三次元空間座標測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の三次元空間座標測定装置において、
前記変位体であり、電波又は光又は超音波を送信する送信装置と、
前記静止体であり、前記送信装置が送信した電波又は光又は超音波を受信する複数の受信部と、
前記複数の受信部のうち、任意の少なくとも二つの受信部からなる受信部対を複数有し、前記受信部対に含まれる受信部で受信した電波又は光又は超音波に基づいて、前記送信装置から前記受信部対の第一の受信部までの距離と前記送信装置から前記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、
前記複数の受信部対についてそれぞれ算出された前記伝播行路距離差に基づいて前記送信装置の座標を算出する送信装置座標算出部と、
前記受信部が移動したときに、その移動が行われたことを示す移動情報に基づいて、既に座標が判明している位置を再度計測し、その再度の計測により求められる前記受信部の座標変化から移動補正値を算出する移動補正値算出部と、
前記移動補正値算出部により算出された移動補正値に基づいて、前記受信部の移動前または移動後のいずれかの座標を補正する移動補正部と、
を有することを特徴とする三次元空間座標測定装置。
【請求項３】
請求項２記載の三次元空間座標測定装置において、
前記移動補正値算出部は、前記受信部の移動後に測定された前記送信装置の座標に前記移動補正値を加算する、
ことを特徴とする三次元座標測定装置。
【請求項４】
請求項２記載の三次元空間座標測定装置において、
前記移動補正値算出部は、前記受信部の移動前に測定された前記送信装置の座標から前記移動補正値を減算する、
ことを特徴とする三次元座標測定装置。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか１項に記載の三次元空間座標測定装置において、
前記移動情報は、スイッチ手段の押下により前記送信装置から送信される、
ことを特徴とする三次元座標測定装置。
【請求項６】
請求項２から５のいずれか１項に記載の三次元空間座標測定装置において、
前記送信装置と前記移動補正値算出部とは別体に設けられていて、前記移動情報は、前記移動補正値算出部と同一の筐体に設けられているスイッチ手段の押下により前記移動補正値算出部に送信される、
ことを特徴とする三次元座標測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元空間座標測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モーションセンシング技術を用いて、空間座標を数値データとして、連続して取得することで、三次元空間座標の測定に利用する、という技術がある。かかる技術には、無線を用いたり、その他、音波、光、磁気式、機械式等、各種の方式があるが、その中には、たとえば特許文献１に開示のものがある。特許文献１では、車載用途のレーダ向けに比較的高い分解能を有する技術について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３５７６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示の技術を用いて三次元空間座標の測定で利用しようとする場合、測定対象となる複数の対象点でレーダから送信される電磁波を確実に反射してレーダ受信部へ電磁波を戻さねばならない。そのため、測定すべき対象物と測定装置との間に障害物が存在し、その障害物によりレーダが遮断される場合には、対象物の三次元空間座標を測定することができなかった。
【０００５】
一方、特許文献１の方式ではなく、受信部を測定対象物から離れた位置に設置し、受信部とは別体の送信装置を、測定対象物に接触させて、三次元空間座標を測定することが検討されている。このような場合でも、受信部と送信装置との間に、障害物が存在する場合には、その障害物によって、電磁波や音波等の測定波が遮られ、正しい測定ができない死角が発生する、という問題がある。
【０００６】
本発明は、このような背景の下に行われたものであって、その目的とするところは、障害物によって測定波が遮られる場合であっても、三次元的な位置を正しく測定することが可能な三次元空間座標測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、静止体と変位体とを有しており、静止体から変位体へ、または変位体から静止体へ、座標測定を目的とする物理作用が伝達され、静止体は、一連の測定作業の間、測定が行われる三次元空間座標系における特定座標に固定され、特定の手順に従うことにより固定されている特定座標が変更可能である三次元空間座標測定装置である。
【０００８】
本発明は、更に具体的には、変位体であり電波を送信する送信装置と、静止体であり送信装置が送信した電波又は光又は超音波を受信する複数の受信部と、複数の受信部のうち、任意の少なくとも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波又は光又は超音波に基づいて、送信装置から受信部対の第一の受信部までの距離と送信装置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、複数の受信部対についてそれぞれ算出された伝播行路距離差に基づいて送信装置の座標を算出する送信装置座標算出部と、受信部が移動したときに、その移動が行われたことを示す移動情報に基づいて、既に座標が判明している位置を再度計測し、その再度の計測により求められる受信部の座標変化から移動補正値を算出する移動補正値算出部と、移動補正値算出部により算出された移動補正値に基づいて、受信部の移動前または移動後のいずれかの座標を補正する移動補正部と、を有する三次元空間座標測定装置である。
【０００９】
たとえば、移動補正値算出部は、受信部の移動後に測定された送信装置の座標に移動補正値を加算するようにする。あるいは、移動補正値算出部は、受信部の移動前に測定された送信装置の座標から移動補正値を減算するようにしてもよい。
【００１０】
また、移動情報は、スイッチ手段の押下により送信装置から送信されるようにすることが好ましい。
【００１１】
または、送信装置と移動補正値算出部とは別体に設けられていて、移動情報は、移動補正値算出部と同一の筐体に設けられているスイッチ手段の押下により移動補正値算出部に送信されるようにしてもよい。
【００１２】
また、電波あるいは光は、ビート信号が重畳された正弦波であることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、三次元空間座標測定装置において、障害物によって測定波が遮られる場合であっても、三次元的な位置を正しく測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る三次元空間座標測定装置の全体構成図である。
【図２】図１の三次元空間座標測定装置のうち送信装置の構成例を示す図である。
【図３】送信装置から送信される電波の掃引の例を示す図である。
【図４】図１の三次元座標測定装置の要部ブロック構成図である。
【図５】複数の受信部による送信装置の位置特定のイメージを示す図である。
【図６】式（１２）を満たす曲面と受信部との配置を示す図である。
【図７】図１の送信装置および受信部のうち主として伝播行路距離差算出部の具体的な構成例を示す図である。
【図８】受信部対で受信した電波、電波を合成した合成波およびビート信号を示す図である。
【図９】図１の送信装置の動作を示すフローチャートである。
【図１０】図１の受信装置の動作を示すフローチャートである。
【図１１】図１の三次元空間座標測定装置により机の寸法を測定する様子を示す図であり送信装置と受信装置との間に障害物が介在する例を示す図である。
【図１２】図１１の測定において受信部を移動させて測定を行う様子を示す図である。
【図１３】図７の移動補正部による座標情報の補正の概念を説明する図であり、受信装置の移動後の座標に補正値を加算する例を示す図である。
【図１４】図７の移動補正部による座標情報の補正の概念を説明する図であり、受信装置の移動前の座標から補正値を減算する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を詳細に説明する前に、本明細書内で使用する用語についてここで定義する。
【００１６】
静止体とは、本発明の三次元空間座標測定装置のうち一連の測定動作の間は移動させずにおくものである。静止体を設置した領域附近に局地座標系を一時的に想定し、後述の変位体がこの局地座標系においてどのような座標値を持つかを、静止体と変位体との相対的な位置関係に基づいて取得する、というのが座標測定の概要である。一時的な局地座標系は静止体の位置と向きにより決定付けられる。
【００１７】
たとえば、とある三角形の土地の面積を求めるような場合、この土地近傍に静止体を設置し、三角形の頂点３つについて座標測定を行い、この３つの座標値に基づいて面積を演算により求めることができる。このような一連の測定動作（例えば上述のような面積の算出）が完了する前に静止体を移動させてしまうと局地座標系が狂ってしまうので、通常は静止体は固定したままにしておく。
【００１８】
変位体とは、本発明の三次元空間座標測定装置のうち座標測定を行いたい点を指し示す機能を持つものである。上述の説明の通り、特定の物理量を算出する目的で座標測定が必要となる点を指定するので、測定者はこれを手に持つなどして移動させる。
【００１９】
物理作用とは、本発明の三次元空間座標測定装置の静止体から変位体へ、または逆に変位体から静止体へ伝達が行われるものであり、座標測定を目的とするものである。具体的には、電波や光などの電磁波、超音波などであるが、特定のものである必要は無い。要するに、静止体と変位体の間には物理的な作用が働くことにより相対的な位置関係が判るということである。物理作用の伝達の方向は、「静止体から変位体」か「変位体から静止体」のどちらかであるが、座標測定の精度向上や機器の汎用性を高める上で両方向とすることも可能である。
【００２０】
「特定の手順」とは、上述の一連の測定動作を行っているとき、座標測定をしようとした点が何かしらの理由で測定が出来ない死角となってしまった場合に、静止体を移動することで死角を解消する際に行う変位体もしくは静止体での処理のことである。
【００２１】
たとえば、静止体を移動させる前に局地座標系での任意の点を「静止体移動用の識別用の点」として変位体に認識（＝座標測定）させ、その後に静止体を移動させる。この移動により局地座標系は静止体の移動前後で整合しなくなるが、先の識別用の点を変位体で指し示し、この状態で「先程測定した識別用の点と同じ点を現在指し示している」旨の指示を変位体に出すことで、静止体移動前に測定した座標値を静止体移動後の局地座標系に変換する。これにより死角などによる座標測定不能を回避することができる。上述の例のような手続のことが「特定の手順」である。
【００２２】
本発明の実施の形態に係る三次元空間座標測定装置１について図面を参照しながら説明する。なお、以下では、三次元空間座標測定装置１を簡略化して座標測定装置１と記す。
【００２３】
＜座標測定装置１の構成について＞
座標測定装置１は、図１に示すように、送信装置１１と、受信装置１２とを有している。測定者が受信装置１２を測定対象物から離れた位置に設置し、送信装置１１を測定対象物に接触させることで、送信装置１１と受信装置１２間において所定の電波が送受信されることによって、測定対象物の三次元空間座標を測定することができる。
【００２４】
図２は、送信装置１１の内部の構成例を示している。送信装置１１は、アンテナ２１、電波生成部２２、再送信モードスイッチ２３、インターフェース部２４，２６、計測スイッチ２５、制御部２７、およびメモリ２８を有している。送信装置１１は、測定対象物に接触して計測スイッチ２５が押下されたとき、または再送信モードスイッチ２３が操作されたとき、所定の電波を送信する。
【００２５】
アンテナ２１は、電波を空間に放射する。電波生成部２２は、図示しない発振器、増幅器、周波数逓倍器、フィルタ、変調器等を備え、アンテナ２１から送信される電波を生成する。
【００２６】
再送信モードスイッチ２３は、たとえば送信装置１１の筐体に設けられている。この再送信モードスイッチ２３が、たとえば測定者の指で押下されると、インターフェース部２４を介して、再送信モードスイッチ２３が押下された旨を示す信号が、制御部２７に送信される。
【００２７】
計測スイッチ２５は、たとえば、送信装置１１の先端部に設けられている。計測スイッチ２５が、たとえば測定者が測定対象物に接触させることで押下されると、インターフェース部２６を介して、計測スイッチ２５が押下されたことを示す信号が、制御部２７に送信される。
【００２８】
制御部２７は、メモリ２８に記憶されている所定の処理プログラム２８ａを実行することで、送信装置１１における各種の制御を行う。たとえば制御部２７は、計測スイッチ２５が押圧されたとき、メモリ２８に記憶されている図３に示す掃引パターン情報２８ｂに基づいて、電波生成部２２を制御して、正弦波を掃引を施しながら電波として送信させる。本実施例において掃引とは、正弦波を時間の経過と共に一定のパターンに基づいて周波数を変化させることである。本実施例では基本周波数を中心にして予め定められた周波数幅の範囲内で時間の経過に伴って送信する電波の周波数を変化させることをいう。
【００２９】
掃引パターン情報２８ｂには、発信開始時刻（タイミング）、掃引時間、発信終了時刻（タイミング）、基本周波数、掃引時間に応じた周波数を示す情報が含まれている。なお、掃引パターン情報２８ｂでは、既知である掃引正弦波の基本周波数と掃引時間と掃引周波数幅とが適宜設定された掃引パターンが複数存在するものとし、制御部２７は、その複数の掃引パターンから掃引パターンを切替えることを可能としてもよい。
【００３０】
あるいは、掃引パターン切替手段（図示せず）を設けて外部からの指示で掃引パターンの切替えが可能としてもよい。外部からの指示としては、有線ではＲＳ−２３２ＣやＩ２ＣやＵＳＢ（登録商標）などが、無線ではＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＺｉｇＢｅｅ（登録商標）などが好適である。
【００３１】
さらには、掃引パターンそのものを変更するために掃引パターン変更手段（図示せず）を設けて外部からの指示で掃引パターンの変更が可能としてもよい。外部からの指示としては掃引パターン切替手段と同様に、有線ではＲＳ−２３２ＣやＩ２ＣやＵＳＢ（登録商標）などが、無線ではＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＺｉｇＢｅｅ（登録商標）などが好適である。
【００３２】
ここで、本実施の形態では、アンテナ２１から放射された電波は、正弦波であり、この正弦波が特定周波数を中心として掃引が施されているものを「掃引正弦波」という。また、以下の説明においては、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。
【００３３】
制御部２７は、また、再送信モードスイッチ２３が押下されたとき、電波生成部２２を制御して、その旨を示す信号を生成させて、アンテナ２１を介して送信される。このとき生成される信号は、座標位置計測用の信号と区別するために、たとえば、座標位置計測用の信号とは周波数を異なるものとしたり、あるいは、周波数は同じでも変調を異なるものとする。
【００３４】
次に、図４を参照して受信装置１２について説明する。受信装置１２は、４つの受信部３１ａ〜３１ｄ、伝播行路距離差算出部３２、送信装置座標算出部３３、送信装置座標記憶部３４、移動補正値算出部３５および移動補正部３６を有している。受信装置１２は、送信装置１１から送信されてきた電波に基づいて、測定対象物の三次元空間座標を計算する。受信装置１２が最初に置かれる位置が座標位置測定の基準点となる位置になる。なお、図４に示す送信装置１１の構成では、インターフェース部２５，２６、制御部５、およびメモリ２８の図示が省略されている。
【００３５】
受信部３１ａ〜３１ｄは、送信装置１１が送信した電波をそれぞれ受信する。また、受信部３１ａ〜３１ｄは、それぞれ、アンテナ４１ａ〜４１ｄおよび受信器４２ａ〜４２ｄを有する。以下の説明では、受信部３１ａ〜３１ｄ、アンテナ４１ａ〜４１ｄ、および受信器４２ａ〜４２ｄをここに区別して説明する必要がない場合には、単に、受信部３１、アンテナ４１、および受信器４２と称する。
【００３６】
また、２つの受信部３１の対を受信部対と称する。４つの受信部３１ａ〜３１ｄが設けられているので、受信部３１ａと受信部３１ｂ、受信部３１ａと受信部３１ｃ、受信部３１ａと受信部３１ｄ、受信部３１ｂと受信部３１ｃ、受信部３１ｂと受信部３１ｄ、受信部３１ｃと受信部３１ｄが、受信部対となり、この例の場合、６つの受信部対が存在する。
【００３７】
なお、図４の例で、４つの受信部３１ａ〜３１ｄが設けられているが、受信部３１をさらに設けることもできる。またここでは、２つの受信部３１を受信部対とするが、３つ以上の受信部３１を１つのまとまり（受信部群）とすることもできる。
【００３８】
伝播行路距離差算出部３２は、図５に示すように、各受信部３１と送信装置１１との距離に差が生じることから、受信部対毎に、受信部対を構成する一方の受信部３１と他方の受信部３１でそれぞれ受信した電波に基づいて、送信装置１１と一方の受信部３１の距離と送信装置１１と他方の受信部３１の距離との差である伝播行路距離差を算出する。なお、伝播行路距離差の算出方法の詳細については後述する。
【００３９】
送信装置座標算出部３３は、受信装置１２の位置を座標位置測定の基準点として、受信部３１についてそれぞれ算出された伝播行路距離差に基づいて送信装置１１の座標を算出し、送信装置座標記憶部３４に記憶させる。
【００４０】
送信装置１１の座標算出方法の概略（詳細は後述する）を説明する。送信装置１１と２つの受信部３１について伝播行路距離差が一定の値になる座標（三次元座標系上の曲面）は、送信装置１１の座標の解の候補群となる。図６のメッシュで表現されている曲面は、送信装置１１と２つの受信部３１ａ（図中、Ｐ）と３１Ｂ（図中、Ｑ）について伝播行路距離差（ＴＰ間とＴＱ間の距離差）が一定の値になる曲面である。送信装置座標算出部３３は、６つの組合せの受信部対についてこの曲面を求め、それらが交わる点を送信装置１１の位置として算出する。なおこれは送信装置座標算出部３３が１つの伝播行路距離差算出部３２に対して６つの受信部対を適宜切替えて接続できるような構成であってもよいし（図４）、６つの受信部対それぞれに専用の伝播行路距離差算出部３２を設けておいてその算出結果を全て同時に送信装置座標算出部３３に接続しておいてもよい。
【００４１】
送信装置座標算出部３３には６つの受信部対についての伝播行路距離差が入力され、既知である４つの受信部３１ａ（Ｐ），３１ｂ（Ｑ），３１ｃ（Ｒ），３１ｄ（Ｓ）の座標と６つの受信部対についての伝播行路距離差値を元に、後述する式（１８）〜式（３２）を用いて送信装置１１（Ｔ）の座標を算出することができる。
【００４２】
なお、図４では受信部３１ａ〜３１ｄからなる受信部対と伝播行路距離差算出部３２とが一体であることを示しているが、これに限定されない。また図に明示していないが送信装置座標算出部３３は受信部対や伝播行路距離差算出部３２とは互いに一体であっても別体であっても構わない。
【００４３】
移動補正値算出部３５は、後述する理由で、測定対象物を測定する際に受信装置１２（受信部３１）が移動されたとき、その移動直前の位置で送信装置座標算出部３３により算出された所定の座標と、移動後に再度電波を受信して、その移動後の位置で送信装置座標算出部３３により算出された座標とに基づいて、移動補正値を算出する。
【００４４】
移動補正部３６は、移動補正値算出部３５により算出された移動補正値に基づいて、受信部３１の移動後に送信装置１１で測定された座標を補正する。それにより、受信部３１の移動前に測定された送信装置１１の座標との整合性を取ることが可能となる。本実施の形態では、移動補正値は、受信部３１の移動の前後の三次元の位置差であり、それを受信部３１の移動後に測定された送信装置１１の座標に加算している。すなわち移動後の位置を、移動前の座標に合わせる処理が行われる。
【００４５】
なお、移動後に受信部３１の基準位置となる座標を補正するようにしてもよい。この場合も、受信部３１の移動後に測定された送信装置１１の座標に移動補正値を加算するのと実質的には同じこととなる。
【００４６】
移動後に受信部３１の基準位置となる座標を補正する場合、既に測定した送信装置１１の各測定点の座標を補正して、受信装置１２の移動後に測定された送信装置１１の座標を、移動補正値で補正しないものとする。既に測定した送信装置１１の各測定点の座標を補正する場合、その後の送信装置１１での測定結果は、そのまま用いることができる。この場合、移動補正部３６は、移動補正値算出部３５での移動補正値の測定結果に基づいて、既に測定した送信装置１１の各測定点の座標を補正する。
【００４７】
＜伝播行路距離差算出部３２の構成の詳細について＞
図７を参照して、伝播行路距離差算出部３２の構成について説明する。図７には、伝播行路距離差算出部３２の構成のうち、受信部対（受信部３１ａ，３１ｂ）に対応する構成が示されている。なお、他の受信部対（受信部３１ｃ，３１ｄ）についても同様なので説明は省略する。
【００４８】
伝播行路距離差算出部３２は、受信部対（受信部３１ａ，３１ｂ）に対応して、合波器５１ａ，５１ｂ、パワーディテクタ５２ａ，５２ｂ、低周波アンプ５３ａ，５３ｂ、Ａ／Ｄ変換器５４ａ、５４ｂ、ビート周波数算出部５５、および距離差算出部５６を有する。
【００４９】
受信部３１ａで受信した電波と受信部３１ｂで受信した電波は、合波器５１ａで合波されて合成波となる。合波器５１ａで合波された合成波の強度がパワーディテクタ５２ａで検出される。パワーディテクタ５２ａの検出結果は、合成波の包絡線波形になり、これは低周波のアナログ信号である。この合成波の包絡線波形であるアナログ信号は、低周波アンプ５３ａで増幅される。低周波アンプ５３ａで増幅された合成波の包絡線波形は、Ａ／Ｄ変換器５４ａでデジタル信号に変換され、ビート周波数算出部５５に供給される。
【００５０】
受信部３１ｂで受信した電波と受信部３１ａで受信した電波は、合波器５１ｂにおいて、合波器５１ａにおける合成波の合波より位相が９０度遅れて合成される。合波器５１ｂで合波された合成波の強度がパワーディテクタ５２ｂで検出される。パワーディテクタ５２ｂの検出結果は、合成波の包絡線波形になり、これは低周波のアナログ信号である。この合成波の包絡線波形であるアナログ信号は、低周波アンプ５３ｂで増幅される。低周波アンプ５３ｂで増幅された合成波の包絡線波形は、Ａ／Ｄ変換器５４ｂでデジタル信号に変換され、ビート周波数算出部５５に供給される。
【００５１】
ビート周波数算出部５５は、Ａ／Ｄ変換器５４ａおよびＡ／Ｄ変換器５４ｂでアナログ信号からデジタル信号に変換された信号に基づいて、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）による周波数解析ビート周波数を算出する。なお、合波器５１ａ、パワーディテクタ５２ａ、低周波アンプ５３ａ、Ａ／Ｄ変換器５４ａで生成された信号よりビート信号を生成することも可能であるが、この例の場合、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）による周波数解析を行ってビート信号の周波数を求めることから、そのＦＦＴの精度を向上させるため、位相が９０度ずれた信号を利用している。
【００５２】
距離差算出部５６は、ビート周波数算出部５５から出力されたビート周波数に基づいて距離差を算出する。この距離差算出部５６は、上述のビート信号周波数を、後述する式（１）に代入することで伝播行路距離差を得る。なお、掃引正弦波の掃引時間と掃引周波数幅は既知である。
【００５３】
図８は、上から、受信部３１ａにより受信される電波、受信部３１ｂにより受信される電波、合波器５１ａにより生成される合成波、ビート周波数算出部５５により算出されたビート信号の例を示している。
【００５４】
送信装置１１から送信された電波は、受信部３１ａ，３１ｂにて受信されるが（図７）、このとき、「送信装置１１から受信部３１ａへの距離」と「送信装置１１から受信部３１ｂへの距離」に差があると、この距離差を光速で除算して得られる時間分だけ電波の到達に時間差を生じることになる。ここで、送信装置１１から送信される電波は掃引された正弦波である。したがって、受信部３１ａと受信部３１ｂで受信した電波を合波器５１ａで合成すると、受信部３１ａと受信部３１ｂへ電波が到達した時間の差に相当する分だけ掃引が行われており、その分の周波数がずれた掃引正弦波の合成となる。すなわち、合波器５１ａ，５１ｂで合成の結果、合成前の２波の周波数の差を周期として振幅が変動するビートが観測される。なおビート信号の周波数をビート周波数と呼ぶ。
【００５５】
＜送信装置１１の座標算出方法の原理＞
次に、送信装置座標算出部３３における送信装置１１の座標算出方法の原理について説明する。
【数１】
2016035453.tif 000003
【００５６】
上記式（１）により、「送信装置１１〜受信部３１ａの距離」と「送信装置１１〜受信部３１ｂの距離」との差である距離差ｄは合成波のビート周波数が判れば決定できる。このｄのことを伝播行路距離差とする。
【００５７】
また、図５に示すような送信装置１１、受信部３１ａ、受信部３１ｂの空間座標において、図６に示すように、この座標に基づいて距離差ｄである曲面が決定でき、送信装置１１はこの曲面上のどこかに位置していることとなる。
【００５８】
掃引正弦波を送信する送信装置１１の空間座標を測定するためには、さらに複数の受信部対を用いて距離差を算出して複数の曲面を決定し、それら全ての曲面が交わる点が送信装置１１の存在する座標であることになる。
【００５９】
以下に４つの受信部３１ａ〜３１ｄによる送信装置１１の座標測定方法の詳細を記す。
【００６０】
三次元座標系の原点を任意の点に設定し、送信装置１１をＴで表し、受信部３１ａをＱ、受信部３１ｂをＰ、受信部３１ｃをＳ、受信部３１ｄをＲで表し、未知の座標に存在している送信装置１１の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、また既知である各受信部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの三次元座標をそれぞれ（□.ｘ，□.ｙ，□.ｚ）（□にはＰ、Ｑ、Ｒ、Ｓが入る）としたとき、送信装置１１と各受信部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄとの距離を表す式は次の式（２）〜式（５）の通りとなる。
【００６１】
【数２】
2016035453.tif 000004
【００６２】
また、式（６）〜式（１１）により、送信装置１１と各受信部３１との距離の差を次のように定義する。
【００６３】
【数３】
2016035453.tif 000005
【００６４】
４つの受信部３１には６つの受信部対の組合せが存在する。そのため、６つの受信部対と送信装置１１との間に次の式（１２）〜式（１７）の６つの関係式を導くことが出来る。
【００６５】
【数４】
2016035453.tif 000006
【００６６】
参考までに、ＴＱＰ．ｄについての式（１２）を満たすｘｙｚを三次元座標上にプロットしたものが図６のメッシュで表現されている曲面部である。このように送信装置１１と２つの受信部３１（この場合はＰとＱ）について伝播行路距離差（ＴＱＰ．ｄ：ＴＰ間とＴＱ間の距離差）が一定の値になる座標は、三次元座標系上では図６のメッシュによって表現されるような曲面となり、この曲面は送信装置１１の座標の解の候補群である。前述の通り、送信装置１１（Ｔ）はこのメッシュの曲面のどこかに位置していることになる。
【００６７】
上記のような曲面が複数交わる点を求めるということは、送信装置１１（Ｔ）の座標であるｘｙｚそれぞれについての式を式（２）〜式（１７）に基づいて求めることである。得られた式に「４つの受信部３１ａ（Ｐ），３１ｂ（Ｑ）、３１ｃ（Ｒ）、３１ｄ（Ｓ）の座標」と「６つの受信部対それぞれについての伝播行路距離差」を代入することによってｘｙｚが決定する。なお、式を表記する便宜のために、Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３、Ｃ１〜Ｃ３、Ｄ１〜Ｄ３というものを式（１８）〜式（２９）のように定義し、これを用いて送信装置１１（Ｔ）の座標ｘｙｚを表したものが式（３０）〜式（３２）である。
【００６８】
【数５】
2016035453.tif 000007
【００６９】
【数６】
2016035453.tif 000008
【００７０】
【数７】
2016035453.tif 000009
【００７１】
【数８】
2016035453.tif 000010
【００７２】
【数９】
2016035453.tif 000011
【００７３】
【数１０】
2016035453.tif 000012
【００７４】
このようにして、４つの受信部３１ａ（Ｐ），３１ｂ（Ｑ），３１ｃ（Ｒ），３１ｄ（Ｓ）の既知の座標と、６つの受信部対それぞれにおいて測定された伝播行路距離差と、を式（１８）〜式（３２）に代入することで送信装置１１（Ｔ）の座標が求まる。なお、受信部３１ａ（Ｐ），３１ｂ（Ｑ），３１ｃ（Ｒ），３１ｄ（Ｓ）の座標は、たとえば図６にあるような三角錐形状であると三次元座標系の座標を求める上で好適であるが、これに限定されない。
【００７５】
なお、送信装置１１から送信される正弦波を掃引させる理由について説明する。送信装置１１より送信された電波が受信部対それぞれの受信部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに時間差をもって到達する。単純に考えるとこの時間差を計測すれば計測された時間に光速を乗じることで伝播行路距離差を求めることが理論上は可能である。
【００７６】
しかしながら、同一の送信装置１１より送信された電波を受信部対で受信する場合、伝播行路距離差は受信部対のそれぞれの受信部３１ａ〜３１ｄの直線距離以上にはならない。しかしながら光速は１ｍを約３．３ｎｓｅｃで進むため、受信部対のそれぞれの受信部３１ａ〜３１ｄで受信した電波の到達時間差を計測するためにはｎｓｅｃオーダーのレンジで時間差を計測する必要が生じる。この計測を実現するためには高価な部品が必要となり経済性に反する上、高精度な計測を行うことは現実的に難易度が高い。
【００７７】
それに対し、送信装置１１より送信される電波を掃引正弦波とすることで、伝播行路距離差の測定を「難易度の高い微小時間測定」から「難易度の低い比較的低い周波数のビート信号の周波数測定」に置換えることができる。その結果として、本実施の形態のような簡便な装置構成と技術で伝播行路距離差の測定を実現可能となる。加えて、掃引正弦波の掃引時間と掃引周波数幅の設定を変更することによって、「受信部対の直線距離」や「送信装置１１から受信部３１までの想定される距離のレンジ」や「測定精度」などの条件に適合させて送信装置１１の座標測定を行うことが可能となる。
【００７８】
＜座標測定装置１の測定方法について＞
次に、送信装置１１の制御部２７の動作を図９のフローチャートに示す。図９のＳＴＡＲＴの条件は、送信装置１１の電源スイッチ（不図示）がＯＮ状態であるという条件である。なお、図９のフローチャートにおけるＳＴＡＲＴからＥＮＤまでの処理は１周期分の処理であり、１周期分の処理が終了（ＥＮＤ）したときにＳＴＡＲＴの条件が満たされていれば処理は再度開始される。
【００７９】
ステップＳ１において、制御部２７は、計測スイッチ２５がＯＮ（押下）か否かを判定する。ステップＳ１において、計測スイッチ２５がＯＮであると判定されると、処理は、ステップＳ２に進む。一方、ステップＳ１において、計測スイッチがＯＮでないと判定されると、処理は、ステップＳ１を繰り返す。
【００８０】
ステップＳ２において、制御部２７は、電波生成部２２に掃引パターン情報２８ｂに基づく電波を生成させ、アンテナ２１から電波を送信させる。ステップＳ２の処理が完了すると、処理は、ステップＳ３に進む。
【００８１】
ステップＳ３において、制御部２７は、再送信モードスイッチ２３がＯＮ（押下）か否かを判定する。ステップＳ３において、再送信モードスイッチ２３がＯＮであると判定されると、処理は、ステップＳ４に進む。一方、ステップＳ３において、再送信モードスイッチがＯＮでないと判定されると、処理は、ステップＳ１に戻る。
【００８２】
ステップＳ４において、制御部２７は、電波生成部２２に再送信通知のための電波を生成させ、アンテナ２１から再送信通知のための電波を送信する。ステップＳ４の処理が完了すると、１周期分の処理を終了する（ＥＮＤ）。
【００８３】
次に、受信装置１２の動作を図１０のフローチャートに示す。図１０のＳＴＡＲＴの条件は、受信装置１２の電源スイッチ（不図示）がＯＮ状態であるという条件である。なお、図１０のフローチャートにおけるＳＴＡＲＴからＥＮＤまでの処理は１周期分の処理であり、１周期分の処理が終了（ＥＮＤ）したときにＳＴＡＲＴの条件が満たされていれば処理は再度開始される。
【００８４】
ステップＳ１０において、伝播行路距離差算出部３２は、送信装置１１からの電波を受信したか否かを判定する。ステップＳ１０において、送信装置１１からの電波を受信したと判定されると、処理は、ステップＳ１１に進む。一方、ステップＳ１０において、送信装置１１からの電波を受信していないと判定されると、処理は、ステップＳ１０を繰り返す。
【００８５】
ステップＳ１１において、伝播行路距離差算出部３２は、送信装置１１の伝播行路距離差を算出し、処理は、ステップＳ１２に進む。
【００８６】
ステップＳ１２において、送信装置座標算出部３３は、送信装置１１の座標を算出し、送信装置座標記憶部３４は、送信装置座標算出部３３が算出した送信装置１１の座標を記憶すると、処理は、ステップＳ１３に進む。
【００８７】
ステップＳ１３において、移動補正値算出部３５は、再送信通知が有るか否かを判定する。ステップＳ１３において、再送信通知が有ると判定されると、処理は、ステップＳ１４に進む。一方、ステップＳ１３において、再送信通知が無いと判定されると、処理は、ステップＳ１０に戻る。
【００８８】
ステップＳ１４において、移動補正値算出部３５は、直前に算出した送信装置１１の座標を送信装置座標記憶部３４から読み出し、処理は、ステップＳ１５に進む。
【００８９】
ステップＳ１５において、移動補正値算出部３５は、送信装置座標算出部３３が送信装置１１の座標を算出したか否かを判定する。ステップＳ１５において、送信装置１１の座標が算出されたと判定されると、処理は、ステップＳ１６に進む。一方、ステップＳ１５において、送信装置１１の座標が算出されていないと判定されると、処理は、ステップＳ１５を繰り返す。
【００９０】
ステップＳ１６において、移動補正値算出部３５は、ステップＳ１４で送信装置座標記憶部３４から読み出した送信装置１１の座標とステップＳ１５で送信装置座標算出部３３が算出した送信装置１１の座標との差分を移動補正値として算出し、処理は、ステップＳ１７に進む。
【００９１】
ステップＳ１７において、移動補正値算出部３５は、送信装置座標記憶部３４に記憶されている送信装置１１の座標情報のうち再送信通知を受信した後の送信装置１１の座標に移動補正値を加算する処理を開始する。
【００９２】
次に、図１１および図１２を参照して座標測定装置１を用いた測定方法についてより具体的に説明する。
【００９３】
図１１は、机９０の寸法を送信装置１１および受信装置１２を用いて測定する様子を示している。図１１に示すように、測定者が送信装置１１の計測スイッチ２７が机９０に当接させると（図９のステップＳ１）、送信装置１１は、受信装置１２から電波を送信し（図９のステップＳ２）、受信装置１２の４つの受信部３１ａ〜３１ｄが電波を受信する（図１０のステップＳ１０）。
【００９４】
図１１の例では、送信装置１１は最初に、机９０の上面の位置Ｐ１で電波を受信装置１２に送信し、それによって、受信装置１２では、送信装置座標算出部３３が算出した位置Ｐ１の座標情報を送信装置座標記憶部３４に記憶する（図１０のステップＳ１２）。以下、測定者は、机９０の上面の位置Ｐ２や机９０の下部の位置Ｐ３でも、同様に、送信装置１１がそれぞれ電波を送信し、受信装置１２では、送信装置座標算出部３３が算出したそれぞれ位置Ｐ２、位置Ｐ３の座標情報を送信装置座標記憶部３４に記憶する。
【００９５】
ところで、図１１に示すように、机９０の下部の位置Ｐ４では、送信装置１１が電波を受信装置１２に送信しようとしても、その電波は、机９０の上板が障害となり受信装置１２に到達しない。あるいは、電波は、受信装置１２に到達するものの、その到達した電波は、机９０の上板に反射した後、床面や壁面に反射した電波であり、測定誤差を多く含むものとなる。なお、送信装置１１と受信装置１２との間に障害物が介在することは、通常、机９０の寸法を計測中の測定者が目視によって認識することができる。
【００９６】
そこで、測定者は、図１２に示すように、受信装置１２の位置を移動させる、という動作を行って測定を行う。この移動した位置は、机９０の位置Ｐ４における送信装置１１の電波を受信装置１２が直接的かつ良好に受信することができると共に、位置Ｐ３でも送信装置１１の電波を受信装置１２が直接的かつ良好に受信することができる位置とする（障害物がない）。
【００９７】
その移動の後に、測定者は、送信装置１１の再送信モードスイッチ２３を押下する（図９のステップＳ５）。すると、制御部２７は、電波生成部２２に、モード切替信号を生成させる（図９のステップＳ６）。電波生成部２２で生成されたモード切替信号はアンテナ２１から送信される。そして、受信装置１２では、モード切替信号を受信する。このとき、移動補正値算出部３５は、モード切替信号を受信したと判定する（図１０のステップＳ１３のＹｅｓの場合に対応）。
【００９８】
なお、図１０において、移動補正値算出部３５がモード切替信号を受信していないと判定した場合（Ｎｏの場合）、ステップＳ１０の処理に戻る。
【００９９】
そして、受信装置１２では、モード切替信号が移動補正値算出部３５に入力される。すると、移動補正値算出部３５は、直前に算出した送信装置１１の座標を送信装置座標記憶部３４から読み出す（図１０のステップＳ１４）。
【０１００】
次に、測定者は、再送信モードスイッチ２３をＯＮ状態に操作する直前に計測した位置Ｐ３から再び送信装置１１の電波を送信する。このとき、移動補正値算出部３５は、送信装置座標算出部３３が送信装置１１の座標を算出したか否かを判定している状態となっている（図１０のステップＳ１５）。そのため、受信部３１で電波が受信されると（Ｙｅｓの場合）、次のステップＳ１６に進むが、電波が受信されないと、ステップＳ１５の処理を繰り返す。
【０１０１】
電波が受信されると、移動補正値算出部３５は、同じ位置Ｐ３の座標、すなわちモード切替信号を受け取った後に送信装置座標算出部３３から出力される座標情報と、モード切替信号の受信前に測定されて送信装置座標記憶部３４に記憶されている座標情報との差分を算出し、その差分を移動補正値とする（図１０のステップＳ１６）。そして、移動補正値算出部３５は、算出した移動補正値を移動補正部３６に出力する。
【０１０２】
そして、移動補正部３６は、移動補正値算出部３５が算出した移動補正値を以降計測する送信装置１１の座標に加算する（図１０のステップＳ１７）。それにより、受信装置１２が移動する前後の送信装置１１の座標の整合性が取られる。
【０１０３】
すなわち、図１２に示す場合には、送信装置１１は、机９０の下部の位置Ｐ４で電波を受信装置１２に送信し、その位置Ｐ４の座標情報が送信装置座標記憶部３４に記憶される。このときも、移動補正部３６は、位置Ｐ４で測定された送信装置１１の座標に、移動補正値を加算している。
【０１０４】
このようにして、測定者が受信装置１２の位置を移動した場合でも送信装置座標記憶部３４に記憶した送信装置１１の座標情報を移動に応じて補正することができる。
【０１０５】
図１３および図１４は、移動補正部３６による座標情報の補正の概念を示す図である。図１３に示すように、位置Ｐ３で移動補正値αが求められると、それ以降の位置Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６の座標の計測においては、実測値に移動補正値αが加算される。これにより受信装置１２の移動の前後で座標情報の整合が取られる。
【０１０６】
移動後の位置を、移動前の座標に合わせる場合、図１３に示したように移動補正値αが、移動後に求められた座標に加算されるが、移動後の受信部３１の位置を基準とする場合、図１４に示すように、位置Ｐ３で移動補正値αが求められると、それ以前の位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の座標情報から移動補正値αが減算される。これによっても受信装置１２の移動の前後で座標情報の整合が取られる。
【０１０７】
なお、図１３または図１４に示した座標情報の補正は、計測実施中に行ってもよいし、計測が終了してから行ってもよい。特に、図１４に示した補正方法は、送信装置座標記憶部３４の記憶内容を過去に遡るので、計測終了後に行うようにするとよい。
【０１０８】
このようにして、座標測定装置１は、測定中に測定者が受信装置１２を移動しても送信装置１１の座標を測定することができる。これによれば、送信装置１１からみて最適な位置に受信装置１２を移動させながら座標の測定ができる。すなわち、受信部３１は、送信装置１１からの電波を直接的に良好に受信することができる。このため、受信部３１は高感度である必要が無くなり低コスト化や小型化が可能となる。また、送信装置１１に必要な出力も大きい必要が無くなるため、送信装置１１のアンテナを小型化することが可能であり、電波生成部２２なども低コスト化が可能となる。さらに、受信部３１は、送信装置１１から送信される電波を受信する際に、送信装置１１からの電波を直接受信することができるので反射波などに影響されず座標の測定精度を高めることができる。
【０１０９】
＜変形例について＞
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、発明の要旨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。
【０１１０】
上述の実施の形態では、モード切替信号は、電波生成部２２を経てアンテナ２１から送信される電波としている。しかしながら、モード切替信号は、それ以外の信号であっても良い。たとえば、モード切替信号は、赤外線を利用した方式、他の光を利用した方式、電波を利用しつつも図４の周波数から外れた領域等を始めとした、他の方式としても良い。また、送信装置１１側からモード切替信号を送信する方式とはせずに、受信装置１２側でモード切替信号を発生させる方式としても良い。たとえば、受信装置１２を移動させる際に、その受信装置１２に設けられている所定のボタンを押すことで、モード切替信号を生じさせるようにしてもよい。
【０１１１】
上述の実施の形態では、再送信モードスイッチ２３がＯＮ状態に操作された後、送信装置座標記憶部３４に記憶されている直近の時刻に記憶された送信装置１１の座標の情報を読み出すと説明したが、このとき送信装置座標記憶部３４から読み出す送信装置１１の座標の情報は、測定者が任意に選択できるようにしてもよい。
【０１１２】
また、図１の構成では、送信装置１１は１つのみ示されている。しかしながら、受信部３１は、異なる周波数帯域を使用する複数の送信装置１１より送信された電波を弁別して扱うことができるよう、送信装置１１より送信された掃引正弦波を周波数帯域別に選択して受信が可能としてもよい。
【０１１３】
上述の実施の形態では、測定用の波として、電波を用いる例で説明したが、光（光波）あるいは、超音波（音波）を用いても同様に実施できる。光の場合は、上述の例と同様に低い周波数のビート信号を重畳した光を用いることができる。
【０１１４】
上述の実施の形態では、三次元空間座標の測定について説明したが、これを二次元平面座標の測定においても利用することができる。この場合には、受信部対は１対あればよい。
【符号の説明】
【０１１５】
１…座標測定装置、１１…送信装置、１２…受信装置、２３…再送信モードスイッチ、２５…計測スイッチ、３１…受信部、３２…伝播行路距離差算出部、３３…送信装置座標算出部、３５…移動補正値算出部、３６…移動補正部
【図１】
2016035453.tif 000013
【図２】
2016035453.tif 000014
【図３】
2016035453.tif 000015
【図４】
2016035453.tif 000016
【図５】
2016035453.tif 000017
【図６】
2016035453.tif 000018
【図７】
2016035453.tif 000019
【図８】
2016035453.tif 000020
【図９】
2016035453.tif 000021
【図１０】
2016035453.tif 000022
【図１１】
2016035453.tif 000023
【図１２】
2016035453.tif 000024
【図１３】
2016035453.tif 000025
【図１４】
2016035453.tif 000026