(57)【要約】【課題】物体の位置姿勢を高精度に決定することのできる安価な位置姿勢決定装置を提供する。【解決手段】計測モジュール１４は、対象物体の外形を表す形状データを取得する形状センサ２６と、衛星信号受信機２８と、姿勢センサ３０と、演算処理装置３６と、データ記憶装置３８とを有し、演算処理装置３６は、形状センサ２６が取得した対象物体の形状データと、データ記憶装置３８内に予め格納された対象物体の３次元形状データベースとをマッチング処理により照合し、形状センサ２６からの対象物体の相対的な位置および姿勢を取得するとともに、この相対的な位置および姿勢と、衛星信号受信機２８および姿勢センサ３０により取得した絶対座標系における自身の位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における対象物体の位置および姿勢を算出するようにする。【選択図】図１
2017227463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物体の位置および姿勢を決定する装置であって、
対象物体から離れた位置に設けられる装置本体と、装置本体に搭載された計測モジュールとを備え、
計測モジュールは、対象物体の外形を表す形状データを取得する形状センサと、衛星からの信号を受信して絶対座標系における自身の位置を取得する衛星信号受信機と、自身の姿勢を取得する姿勢センサと、演算処理装置と、データ記憶装置とを有し、
演算処理装置は、形状センサが取得した対象物体の形状データと、データ記憶装置内に予め格納された対象物体の３次元形状に関する３次元形状データベースとをマッチング処理により照合し、形状センサからの対象物体の相対的な位置および姿勢を取得するとともに、この相対的な位置および姿勢と、衛星信号受信機および姿勢センサにより取得した絶対座標系における自身の位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における対象物体の位置および姿勢を算出し、これを位置および姿勢として決定することを特徴とする位置姿勢決定装置。
【請求項２】
計測モジュールは、演算処理装置により算出した絶対座標系における対象物体および自身の位置および姿勢に関するデータを、外部の端末に送信可能な無線通信機をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の位置姿勢決定装置。
【請求項３】
対象物体に対する形状センサの位置を変更する位置変更手段、および、対象物体に対する形状センサの方角、ピッチ角、ロール角の少なくとも１つを変更する姿勢角変更手段の少なくとも一方をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の位置姿勢決定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば建設現場における揚重物などの物体の位置姿勢を自動的に決定することのできる位置姿勢決定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、建設現場における揚重物の高度をある定点から計測する技術として、例えばワイヤの巻き数を計測する揚程計を用いるもの、ステレオカメラを用いるもの、レーザを用いるものなどが知られている。また、揚重物の姿勢計測については、上記の機器ではステレオカメラや全方位レーザ測距計で計測可能である。
【０００３】
一方、離れた場所にある対象物の位置を測量する装置として、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ：全地球測位システム）を利用したものが知られている（例えば特許文献１〜４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０４２号公報
【特許文献２】特開２０１６−６１６４９号公報
【特許文献３】特開平１０−２８２２１２号公報
【特許文献４】特開平７−１２８０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の揚程計、ステレオカメラあるいは全方位レーザ測距計を用いて揚重物の位置姿勢を計測する技術では、精度やコストの問題が存在する。例えば、揚程計を用いる場合、その精度はワイヤ巻取り時の半径に依存するため一般的に不十分である。また、ステレオカメラを用いる場合、作業時の光学条件の変化により精度が著しく悪化することがあり、また全ての条件で結果を最適化するためのパラメータ較正も容易ではない。また、全方位レーザ測距計は一般的に非常に高価である。
【０００６】
こうしたことから、揚重物のような物体の位置姿勢を高精度に計測して自動的に決定することのできる安価な装置の開発が求められていた。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、揚重物のような物体の位置姿勢を高精度に決定することのできる安価な位置姿勢決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】
【０００８】
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る位置姿勢決定装置は、対象物体の位置および姿勢を決定する装置であって、対象物体から離れた位置に設けられる装置本体と、装置本体に搭載された計測モジュールとを備え、計測モジュールは、対象物体の外形を表す形状データを取得する形状センサと、衛星からの信号を受信して絶対座標系における自身の位置を取得する衛星信号受信機と、自身の姿勢を取得する姿勢センサと、演算処理装置と、データ記憶装置とを有し、演算処理装置は、形状センサが取得した対象物体の形状データと、データ記憶装置内に予め格納された対象物体の３次元形状に関する３次元形状データベースとをマッチング処理により照合し、形状センサからの対象物体の相対的な位置および姿勢を取得するとともに、この相対的な位置および姿勢と、衛星信号受信機および姿勢センサにより取得した絶対座標系における自身の位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における対象物体の位置および姿勢を算出し、これを位置および姿勢として決定することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置は、上述した発明において、計測モジュールは、演算処理装置により算出した絶対座標系における対象物体および自身の位置および姿勢に関するデータを、外部の端末に送信可能な無線通信機をさらに有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置は、上述した発明において、対象物体に対する形状センサの位置を変更する位置変更手段、および、対象物体に対する形状センサの方角、ピッチ角、ロール角の少なくとも１つを変更する姿勢角変更手段の少なくとも一方をさらに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る位置姿勢決定装置によれば、対象物体の位置および姿勢を決定する装置であって、対象物体から離れた位置に設けられる装置本体と、装置本体に搭載された計測モジュールとを備え、計測モジュールは、対象物体の外形を表す形状データを取得する形状センサと、衛星からの信号を受信して絶対座標系における自身の位置を取得する衛星信号受信機と、自身の姿勢を取得する姿勢センサと、演算処理装置と、データ記憶装置とを有し、演算処理装置は、形状センサが取得した対象物体の形状データと、データ記憶装置内に予め格納された対象物体の３次元形状に関する３次元形状データベースとをマッチング処理により照合し、形状センサからの対象物体の相対的な位置および姿勢を取得するとともに、この相対的な位置および姿勢と、衛星信号受信機および姿勢センサにより取得した絶対座標系における自身の位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における対象物体の位置および姿勢を算出し、これを位置および姿勢として決定するので、揚重物のような対象物体の絶対的な位置姿勢を高精度に自動的に決定することができるという効果を奏する。また、形状センサとして、例えば比較的低価格な測域センサなどを使用することができるため、安価な位置姿勢決定装置を提供することができるという効果を奏する。
【００１２】
また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置によれば、計測モジュールは、演算処理装置により算出した絶対座標系における対象物体および自身の位置および姿勢に関するデータを、外部の端末に送信可能な無線通信機をさらに有するので、無線通信機を介して対象物体および計測モジュールの絶対座標系における位置および姿勢に関するデータを外部の端末へ送信することができる。この場合、データを受信した外部の端末は、例えばＢＩＭシステムの表示画面上にリアルタイムに対象物体としての揚重物や計測モジュールの位置姿勢を３次元モデルとして表示することが可能である。このため、ユーザは、この表示を見ながら揚重物や位置姿勢決定装置の遠隔操作等をより簡便に行うことができるという効果を奏する。
【００１３】
また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置によれば、対象物体に対する形状センサの位置を変更する位置変更手段、および、対象物体に対する形状センサの方角、ピッチ角、ロール角の少なくとも１つを変更する姿勢角変更手段の少なくとも一方をさらに備えるので、対象物体の形状データを取得する取得位置や取得角度を自由に変更することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係る位置姿勢決定装置の実施の形態を示す概略側断面図である。
【図２】図２は、本発明に係る位置姿勢決定装置の実施の形態を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る位置姿勢決定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
図１に示すように、本発明に係る位置姿勢決定装置１０は、対象物体としての揚重物の位置および姿勢を決定する装置であって、揚重物から離れた位置に設けられる装置本体１２と、装置本体１２に搭載された計測モジュール１４とを備える。
【００１７】
装置本体１２は、計測モジュール１４を上面に実装する例えば四角形の平板部１６と、平板部１６を支持する支柱部１８と、支柱部１８を支持する基台部２０とからなる。平板部１６はその下面中央において、支柱部１８の上端に設けられた関節部２２に回動自在に固定されている。平板部１６の向きは、関節部２２に設けられた図示しない球面モータの駆動によって任意の方向に変更可能となっている。また、基台部２０の下面には複数の車輪２４が設けられており、図示しない走行モータと操舵機構により駆動と操舵が可能となっている。このため、位置姿勢決定装置１０は床面上を任意の方向に移動可能である。
【００１８】
なお、上記の球面モータ、走行モータ、操舵機構は、位置姿勢決定装置１０から離れた位置より無線または有線通信回線等を通じて遠隔操作可能に構成されており、平面部１６の向きと位置姿勢決定装置１０の位置は、遠隔操作できるようになっている。したがって、上記の関節部２２や車輪２４は、揚重物に対する後述の測域センサ２６の位置および姿勢角を変更する位置変更手段、姿勢角変更手段として機能する。
【００１９】
計測モジュール１４は、形状センサとしての測域センサ２６と、衛星信号受信機としての２つのＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍ：全地球測位システム）受信機２８と、姿勢センサとしてのＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ：慣性計測装置）３０と、無線通信機３２と、処理系３４とを有している。
【００２０】
測域センサ２６は、揚重物の外形を表す３次元形状データを取得するためのものであり、本実施の形態では平板部１６の中央位置に配置される。この測域センサ２６は、例えばラインレーザースキャナなどの走査型の光波距離計で構成することができる。本実施の形態の測域センサ２６は、受光面からレーザを走査して揚重物などの障害物に当たって跳ね返った光を検出して自身からの距離を計測することにより、揚重物の３次元形状データを取得して処理系３４へ出力するようになっている。
【００２１】
ＧＮＳＳ受信機２８は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）衛星などのＧＮＳＳ衛星からの信号を受信して、絶対座標系（グローバル座標系）における自身の現在位置を取得するためのものであり、本実施の形態では平板部１６の周縁に複数個配置される。このＧＮＳＳ受信機２８は、ＧＮＳＳ衛星から受信したデータに基づいて３次元座標を解析し、自身の３次元座標を測量して処理系３４へ出力するようになっている。なお、平板部１６に複数のＧＮＳＳ受信機２８を配置することで、平板部１６の向きも計測することができ、またノイズの影響も取り除くことができる。
【００２２】
ＩＭＵ３０は、自身が配置される平板部１６の姿勢を表す傾斜データを取得するためのものである。このＩＭＵ３０は、それぞれ３軸の加速度および角速度を検出する加速度センサおよびジャイロスコープを備えている。加速度センサは、自身が配置される平板部１６の前後方向（図１の紙面に垂直な方向）、横方向（図１の左右方向）および鉛直方向の加速度を検出することで、平板部１６の傾斜角を算出する。また、ジャイロスコープは、前後軸周りのロールレート、横軸周りのピッチレートおよび鉛直軸周りのヨーレートを検出する。ＩＭＵ３０は、検出した姿勢に関するデータを処理系３４へ出力するようになっている。
【００２３】
無線通信機３２は、位置姿勢決定装置１０から離れた外部の端末に、処理系３４により算出した絶対座標系における揚重物および自身の現在位置および姿勢に関するデータを送信するためのものである。
【００２４】
処理系３４は、演算処理装置３６と、データ記憶装置３８とを含んで構成されている。演算処理装置３６は、種々の演算処理を行う装置であり、例えばＣＰＵを有するコンピュータにより構成される。データ記憶装置３８は、位置姿勢決定の対象物体である既知の揚重物の３次元形状に関する３次元形状データベースを格納したものであり、例えばメモリなどから構成される。
【００２５】
演算処理装置３６は、測域センサ２６から揚重物の形状データを一定の時間間隔で取得し、この形状データと、データ記憶装置３８内の３次元形状データベースとをマッチングアルゴリズム処理により照合し、測域センサ２６からの揚重物の相対的な現在位置および姿勢を取得する処理を行う。この処理によって、揚重物の相対的な現在位置および姿勢を表す３次元座標が取得される。さらに、演算処理装置３６は、取得した揚重物の相対的な現在位置および姿勢と、ＧＮＳＳ受信機２８およびＩＭＵ３０から一定の時間間隔で取得した絶対座標系における自身の現在位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における揚重物の現在位置および姿勢を算出し、これを揚重物の現在位置および姿勢を表す３次元座標として決定する処理を行う。
【００２６】
上記の構成の動作および作用について説明する。
図２に示すように、建設現場においてワイヤＢで吊り下げられた揚重物Ａの周辺に、複数台（例えば２台）の位置姿勢決定装置１０を配置する。なお、位置姿勢決定装置１０の配置台数は１台でも３台以上でもよいが、台数が多いほど位置姿勢の決定精度は高くなる反面、機器コストが増すことに留意する。また、各位置姿勢決定装置１０は、揚重物Ａの形状を取得可能であればいかなる場所に配置してもよいが、揚重物Ａの基準座標について９０°毎に配置するのが決定精度を確保する上で好ましい。
【００２７】
次に、揚重物Ａが計測モジュール１４の測域センサ２６の走査範囲Ｓに入るように、平板部１６の向きを遠隔操作等により調整する。続いて、測域センサ２６を稼働させ、ラインスキャンを行って揚重物Ａの３次元形状データを取得する。
【００２８】
すると、演算処理装置３６が測域センサ２６で取得した揚重物Ａの形状データと、データ記憶装置３８内の３次元形状データベースとをマッチングアルゴリズム処理により照合し、測域センサ２６からの揚重物Ａの相対的な現在位置および姿勢を取得する。さらに、ＧＮＳＳ受信機２８およびＩＭＵ３０により取得した絶対座標系における自身の現在位置および姿勢に基づいて、絶対座標系における揚重物Ａの現在位置および姿勢を算出し、これを揚重物Ａの現在位置および姿勢として決定する。
【００２９】
このように、本実施の形態によれば、比較的低価格な測域センサ２６、ＧＮＳＳ受信機２８、ＩＭＵ３０を組み合わせて計測モジュール１４を構成し、これを搭載した安価な位置姿勢決定装置１０を揚重物Ａの形状を取得可能な位置に配置することにより、計測モジュール１４自身の位置姿勢を正確に得ることができる。また、測域センサ２６のラインスキャンにより取得した揚重物Ａの形状データと３次元形状データベースとのマッチング処理を行うことで、揚重物Ａの絶対的な位置姿勢を高精度に自動的に決定することができる。
【００３０】
上記の実施の形態において、各無線通信機３２を介して揚重物Ａおよび各計測モジュール１４の絶対座標系における現在位置および姿勢に関するデータを外部の端末へ送信してもよい。この場合、データを受信した外部の端末は、例えばＢＩＭ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）システムの表示画面上にリアルタイムに揚重物Ａや各計測モジュール１４の位置姿勢を３次元モデルとして表示することができる。ユーザは、この表示を見ながら、揚重物Ａの揚重操作や、各位置姿勢決定装置１０の位置や平板部１６の向きなどの遠隔操作をより簡便に行うことができる。
【００３１】
また、上述したように、本実施の形態の平板部１６は関節部２２によって向きを自在に変更可能であり、位置姿勢決定装置１０は車輪２４によって床面上を自由に移動可能である。揚重物Ａに対する計測モジュール１４の向きや位置を変えることで、揚重物Ａの形状データを取得する取得位置や取得角度を自由に変更できる。このため、揚重作業中の揚重物Ａの高さに応じて位置や角度を変更して使用したり、位置姿勢決定装置１０を建設現場内の他の場所に移動して別の揚重物に対して使用することが可能である。
【００３２】
なお、上記の実施の形態において、位置姿勢決定装置１０の装置本体１２が車輪２４を有する構成について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば車輪２４を有さないで移動不能な構造であってもよい。
【００３３】
また、上記の実施の形態においては、形状センサが測域センサ２６で構成される場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、揚重物のような対象物体の形状データを取得可能なセンサであればいかなるセンサであってもよく、例えば画像センサや３次元レーザー測域センサを用いてもよい。このようにしても上記と同様の作用効果を奏することができる。
【００３４】
以上説明したように、本発明に係る位置姿勢決定装置によれば、対象物体の位置および姿勢を決定する装置であって、対象物体から離れた位置に設けられる装置本体と、装置本体に搭載された計測モジュールとを備え、計測モジュールは、対象物体の外形を表す形状データを取得する形状センサと、衛星からの信号を受信して絶対座標系における自身の位置を取得する衛星信号受信機と、自身の姿勢を取得する姿勢センサと、演算処理装置と、データ記憶装置とを有し、演算処理装置は、形状センサが取得した対象物体の形状データと、データ記憶装置内に予め格納された対象物体の３次元形状に関する３次元形状データベースとをマッチング処理により照合し、形状センサからの対象物体の相対的な位置および姿勢を取得するとともに、この相対的な位置および姿勢と、衛星信号受信機および姿勢センサにより取得した絶対座標系における自身の位置および姿勢とに基づいて、絶対座標系における対象物体の位置および姿勢を算出し、これを位置および姿勢として決定するので、揚重物のような対象物体の絶対的な位置姿勢を高精度に自動的に決定することができるという効果を奏する。また、形状センサとして、例えば比較的低価格な測域センサなどを使用することができるため、安価な位置姿勢決定装置を提供することができる。
【００３５】
また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置によれば、計測モジュールは、演算処理装置により算出した絶対座標系における対象物体および自身の位置および姿勢に関するデータを、外部の端末に送信可能な無線通信機をさらに有するので、無線通信機を介して対象物体および計測モジュールの絶対座標系における位置および姿勢に関するデータを外部の端末へ送信することができる。この場合、データを受信した外部の端末は、例えばＢＩＭシステムの表示画面上にリアルタイムに対象物体としての揚重物や計測モジュールの位置姿勢を３次元モデルとして表示することが可能である。このため、ユーザは、この表示を見ながら揚重物や位置姿勢決定装置の遠隔操作等をより簡便に行うことができる。
【００３６】
また、本発明に係る他の位置姿勢決定装置によれば、対象物体に対する形状センサの位置を変更する位置変更手段、および、対象物体に対する形状センサの方角、ピッチ角、ロール角の少なくとも１つを変更する姿勢角変更手段の少なくとも一方をさらに備えるので、対象物体の形状データを取得する取得位置や取得角度を自由に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明に係る位置姿勢決定装置は、建設現場における揚重物などの対象物体の位置姿勢を決定するのに有用であり、特に、その位置姿勢を安価で高精度に決定するのに適している。
【符号の説明】
【００３８】
１０  位置姿勢決定装置
１２  装置本体
１４  計測モジュール
１６  平板部
１８  支柱部
２０  基台部
２２  関節部
２４  車輪
２６  測域センサ（形状センサ）
２８  ＧＮＳＳ受信機（衛星信号受信機）
３０  ＩＭＵ（姿勢センサ）
３２  無線通信機
３４  処理系
３６  演算処理装置
３８  データ記憶装置
Ａ  揚重物
Ｂ  ワイヤ
Ｓ  走査線
【図１】
2017227463.tif 000003
【図２】
2017227463.tif 000004