姿勢檢測裝置以及數(shù)據(jù)取得裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及姿勢檢測裝置以及數(shù)據(jù)取得裝置。具備：傾斜檢測單元，以與外框正交的2個軸為中心旋轉(zhuǎn)自由地被支承，檢測從水平的傾斜；編碼器，分別設(shè)置在各軸；電動機，設(shè)置為使各軸旋轉(zhuǎn)；以及第一運算處理部，基于來自所述傾斜檢測單元的檢測結(jié)果來驅(qū)動控制所述電動機，該第一運算處理部構(gòu)成為在所述外框傾斜的情況下基于來自所述傾斜檢測單元的信號驅(qū)動所述電動機以使得該傾斜檢測單元檢測水平，并且基于所述傾斜檢測單元檢測到水平時的所述編碼器的輸出來運算所述外框的姿勢。
【專利說明】
姿勢檢測裝置以及數(shù)據(jù)取得裝置
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及設(shè)置于測量裝置、圖像取得裝置等需要姿勢的感測的數(shù)據(jù)取得裝置的姿勢檢測裝置以及具備該姿勢檢測裝置的數(shù)據(jù)取得裝置。
[0002]作為數(shù)據(jù)取得裝置例如檢測測量裝置的姿勢例如相對于水平的傾斜的數(shù)據(jù)取得裝置，存在傾斜傳感器。通過傾斜傳感器，能夠高精度地檢測水平，但是，響應(yīng)性差，到穩(wěn)定為止需要數(shù)秒。進而，在傾斜傳感器中，測定范圍小，而不能測量大的傾斜。
[0003]此外，作為高響應(yīng)性且能夠檢測傾斜的數(shù)據(jù)取得裝置，存在加速度傳感器。與傾斜傳感器相比，檢測是廣范圍的，但是，檢測精度差，對于作為水平等絕對的基準而言，在測量級別方面不足。
[0004]此外，在以往的姿勢檢測裝置中，能夠檢測傾斜角的范圍有限，而不能進行裝置變?yōu)榇怪钡那闆r、反轉(zhuǎn)的情況等全部姿勢下的、傾斜角的檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供能夠進行全部姿勢下的傾斜角的檢測的姿勢檢測裝置、以及具備該姿勢檢測裝置并能夠?qū)崿F(xiàn)全部姿勢下的數(shù)據(jù)的取得的數(shù)據(jù)取得裝置。
[0006]為了達成上述目的，本發(fā)明的姿勢檢測裝置具備:傾斜檢測單元，以與外框正交的2個軸為中心旋轉(zhuǎn)自由地被支承，檢測從水平的傾斜;編碼器，分別設(shè)置在各軸；電動機，設(shè)置為使各軸旋轉(zhuǎn)；以及第一運算處理部，基于來自所述傾斜檢測單元的檢測結(jié)果來驅(qū)動控制所述電動機，該第一運算處理部構(gòu)成為在所述外框傾斜的情況下基于來自所述傾斜檢測單元的信號驅(qū)動所述電動機以使得該傾斜檢測單元檢測水平，并且基于所述傾斜檢測單元檢測到水平時的所述編碼器的輸出來運算所述外框的姿勢。
[0007]此外在本發(fā)明的姿勢檢測裝置中，所述傾斜檢測單元具備:第一傾斜傳感器，以高精度檢測水平；以及第二傾斜傳感器，檢測比該第一傾斜傳感器高速響應(yīng)且廣范圍的傾斜，該第二傾斜傳感器檢測從所述第一傾斜傳感器所檢測的水平的傾斜，所述第一運算處理部構(gòu)成為基于來自所述第二傾斜傳感器的檢測信號來運算所述外框的姿勢。
[0008]此外本發(fā)明的數(shù)據(jù)取得裝置具備:發(fā)光元件，發(fā)出測距光;測距光射出部，射出測距光;光接收部，對反射測距光進行光接收;光接收元件，對反射測距光進行光接收，產(chǎn)生光接收信號；以及測距部，基于來自該光接收元件的光接收結(jié)果來進行測距，還具備:所述姿勢檢測裝置;第一光軸偏向部，配設(shè)在所述測距光的測距部射出光軸上，使測距光的光軸以所需要的偏角偏向所需要的方向；第二光軸偏向部，配設(shè)在光接收光軸上，以與所述第一光軸偏向部相同的偏角、方向偏向反射測距光;射出方向檢測部，檢測由所述第一光軸偏向部造成的偏角、偏向方向，被構(gòu)成為所述測距光通過所述第一光軸偏向部而射出并且所述反射測距光通過所述第二光軸偏向部而被所述光接收元件光接收，并且構(gòu)成為基于所述測距部的測距結(jié)果、所述射出方向檢測部的檢測結(jié)果來取得測定點的三維數(shù)據(jù)并基于所述姿勢檢測裝置所檢測的結(jié)果來校正該三維數(shù)據(jù)。
[0009]進而此外本發(fā)明的數(shù)據(jù)取得裝置還具備:第二運算處理部；以及拍攝裝置，具有拍攝光軸，所述拍攝光軸與所述測距部射出光軸平行且具有已知的關(guān)系，所述第二運算處理部被構(gòu)成為將由所述測定裝置取得的測距結(jié)果與由拍攝裝置取得的圖像相關(guān)聯(lián)來取得帶三維數(shù)據(jù)圖像。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，具備:傾斜檢測單元，以與外框正交的2個軸為中心旋轉(zhuǎn)自由地被支承，檢測從水平的傾斜;編碼器，分別設(shè)置在各軸；電動機，設(shè)置為使各軸旋轉(zhuǎn)；以及第一運算處理部，基于來自所述傾斜檢測單元的檢測結(jié)果來驅(qū)動控制所述電動機，該第一運算處理部構(gòu)成為在所述外框傾斜的情況下基于來自所述傾斜檢測單元的信號驅(qū)動所述電動機以使得該傾斜檢測單元檢測水平，并且基于所述傾斜檢測單元檢測到水平時的所述編碼器的輸出來運算所述外框的姿勢，因此，能夠進行超過傾斜檢測單元的測定范圍的傾斜的檢測，此外能夠進行全部姿勢下的姿勢檢測。
[0011 ]此外根據(jù)本發(fā)明，所述傾斜檢測單元具備:第一傾斜傳感器，以高精度檢測水平；以及第二傾斜傳感器，檢測比該第一傾斜傳感器高速響應(yīng)且廣范圍的傾斜，該第二傾斜傳感器檢測從所述第一傾斜傳感器所檢測的水平的傾斜，所述第一運算處理部構(gòu)成為基于來自所述第二傾斜傳感器的檢測信號來運算所述外框的姿勢，因此，能夠進行高速響應(yīng)的姿勢檢測，能夠進行向姿勢變化多的移動體的設(shè)置，進而即使在攜帶的狀態(tài)下也能夠進行高精度的姿勢檢測。
[0012]此外根據(jù)本發(fā)明，具備:發(fā)光元件，發(fā)出測距光;測距光射出部，射出測距光;光接收部，對反射測距光進行光接收;光接收元件，對反射測距光進行光接收，產(chǎn)生光接收信號；以及測距部，基于來自該光接收元件的光接收結(jié)果來進行測距，還具備:所述姿勢檢測裝置;第一光軸偏向部，配設(shè)在所述測距光的測距部射出光軸上，使測距光的光軸以所需要的偏角偏向所需要的方向；第二光軸偏向部，配設(shè)在光接收光軸上，以與所述第一光軸偏向部相同的偏角、方向偏向反射測距光;射出方向檢測部，檢測由所述第一光軸偏向部造成的偏角、偏向方向，被構(gòu)成為所述測距光通過所述第一光軸偏向部而射出并且所述反射測距光通過所述第二光軸偏向部而被所述光接收元件光接收，并且構(gòu)成為基于所述測距部的測距結(jié)果、所述射出方向檢測部的檢測結(jié)果來取得測定點的三維數(shù)據(jù)并基于所述姿勢檢測裝置所檢測的結(jié)果來校正該三維數(shù)據(jù)，因此，能夠通過簡單的結(jié)構(gòu)進行任意的測定點的姿勢校正的、高精度的三維數(shù)據(jù)取得。
[0013]進而此外根據(jù)本發(fā)明，還具備:第二運算處理部；以及拍攝裝置，具有拍攝光軸，所述拍攝光軸與所述測距部射出光軸平行且具有已知的關(guān)系，所述第二運算處理部被構(gòu)成為將由所述測定裝置取得的測距結(jié)果與由拍攝裝置取得的圖像相關(guān)聯(lián)來取得帶三維數(shù)據(jù)圖像，因此，能夠在數(shù)據(jù)取得時進行任意的測定點的姿勢校正的、高精度的帶三維數(shù)據(jù)圖像的取得。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的實施例的姿勢檢測裝置的概略圖。
[0015]圖2是該姿勢檢測裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖3是本發(fā)明的實施例的數(shù)據(jù)取得裝置的概略圖。
[0017]圖4是圖3的A向視圖。
[0018]圖5A、圖5B、圖5C是示出第一、第二光軸偏向部的作用的說明圖。
[0019]圖6是示出取得圖像和掃描軌跡的關(guān)系的說明圖。
[0020]圖7是示出其他的實施例的主要部分的概略圖。
【具體實施方式】
[0021 ]以下，參照附圖并說明本發(fā)明的實施例。
[0022]圖1、圖2是本發(fā)明的實施例的姿勢檢測裝置19的概略圖。
[0023]在矩形框形狀的外框51的內(nèi)部設(shè)置有矩形框形狀的內(nèi)框53，在該內(nèi)框53的內(nèi)部設(shè)置有傾斜檢測單元56。
[0024]從前述內(nèi)框53的上表面、下表面突出設(shè)置有鉛直軸54、54，該鉛直軸54、54與設(shè)置在前述外框51的軸承52、52旋轉(zhuǎn)自由地嵌合。前述鉛直軸54、54具有鉛直軸心，前述內(nèi)框53以前述鉛直軸54、54為中心而360°旋轉(zhuǎn)自由。
[0025]前述傾斜檢測單元56被水平軸55支承，該水平軸55的兩端部旋轉(zhuǎn)自由地嵌合于設(shè)置在前述內(nèi)框53的軸承57、57。前述水平軸55具有與前述鉛直軸心正交的水平軸心，前述傾斜檢測單元56以前述水平軸55為中心而360°旋轉(zhuǎn)自由。
[0026]而且，前述傾斜檢測單元56相對于前述外框51在2個軸方向上旋轉(zhuǎn)自由地被支承，旋轉(zhuǎn)自由地支承前述內(nèi)框53的機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)自由地支承前述傾斜檢測單元56的機構(gòu)構(gòu)成平衡(gimbal)機構(gòu)。而且，前述傾斜檢測單元56相對于前述外框51經(jīng)由平衡機構(gòu)而被支承，進而，由于不存在制約前述內(nèi)框53的旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)，所以前述傾斜檢測單元56能相對于前述外框51在全部方向上自由地旋轉(zhuǎn)。
[0027]第一被動齒輪58嵌入固定于前述鉛直軸54、54的一個例如下側(cè)的鉛直軸54，第一驅(qū)動齒輪59嗤合于該第一被動齒輪58。此外，在前述外框51的下表面設(shè)置有第一電動機61，前述第一驅(qū)動齒輪59嵌入固定于前述第一電動機61的輸出軸。
[0028]在前述鉛直軸54、54的另一個設(shè)置有第一編碼器62，該第一編碼器62被構(gòu)成為檢測前述內(nèi)框53相對于前述外框51的水平方向的旋轉(zhuǎn)角。
[0029]第二被動齒輪63嵌入固定于前述水平軸55的一端部，第二驅(qū)動齒輪64嚙合于該第二被動齒輪63。此外，在前述內(nèi)框53的側(cè)面(在圖示中，左側(cè)面)設(shè)置有第二電動機65，前述第二驅(qū)動齒輪64嵌入固定于前述第二電動機65的輸出軸。
[0030]在前述水平軸55的另一端部設(shè)置有第二編碼器66，該第二編碼器66被構(gòu)成為檢測前述傾斜檢測單元56相對于前述內(nèi)框53的鉛直方向的旋轉(zhuǎn)角。
[0031 ] 前述第一編碼器62、前述第二編碼器66電連接于第一運算處理部68。
[0032]前述傾斜檢測單元56具有第一傾斜傳感器71、第二傾斜傳感器72，該第一傾斜傳感器71、該第二傾斜傳感器72電連接于前述第一運算處理部68。
[0033]通過圖2進一步說明前述姿勢檢測裝置19。
[0034]前述姿勢檢測裝置19除了具備前述第一編碼器62、前述第二編碼器66、前述第一傾斜傳感器71、前述第二傾斜傳感器72、前述第一運算處理部68、前述第一電動機61、前述第二電動機65之外，還具備存儲部73、輸入輸出控制部74。
[0035]在前述存儲部73中儲存姿勢檢測用的運算程序等程序、以及運算數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)類。
[0036]前述輸入輸出控制部74基于從前述第一運算處理部68輸出的控制指令來驅(qū)動前述第一電動機61、前述第二電動機65，并輸出由前述第一運算處理部68運算的傾斜檢測結(jié)果O
[0037]前述第一傾斜傳感器71高精度地檢測水平，例如為使檢測光入射到水平液面并通過反射光的反射角度的變化檢測水平的傾斜檢測器、或者通過封入的氣泡的位置變化檢測傾斜的氣泡管。此外，前述第二傾斜傳感器72高響應(yīng)性地檢測傾斜變化，例如為加速度傳感器。
[0038]再有，前述第一傾斜傳感器71、前述第二傾斜傳感器72的任一個均能夠個別地檢測前述第一編碼器62檢測的旋轉(zhuǎn)方向(傾斜方向)、前述第二編碼器66檢測的旋轉(zhuǎn)方向(傾斜方向)的2個軸方向的傾斜。
[0039]前述第一運算處理部68基于來自前述第一傾斜傳感器71、前述第二傾斜傳感器72的檢測結(jié)果來運算傾斜角、傾斜方向，進而運算相當于該傾斜角、傾斜方向的前述第一編碼器62的旋轉(zhuǎn)角、前述第二編碼器66的旋轉(zhuǎn)角。
[0040]再有，前述姿勢檢測裝置19被設(shè)定為在前述外框51被水平設(shè)置的情況下前述第一傾斜傳感器71檢測水平，進而被設(shè)定為前述第一編碼器62的輸出、前述第二編碼器66的輸出均示出基準位置(旋轉(zhuǎn)角0°)。
[0041 ]以下，對前述姿勢檢測裝置19的作用進行說明。
[0042]首先，對高精度地檢測傾斜的情況進行說明。
[0043]作為高精度地檢測傾斜的情況，例如是前述姿勢檢測裝置19被設(shè)置于設(shè)置式的測量裝置的情況。
[0044]當前述姿勢檢測裝置19傾斜時，前述第一傾斜傳感器71輸出與傾斜對應(yīng)的信號。
[0045]前述第一運算處理部68基于來自前述第一傾斜傳感器71的信號來運算傾斜角、傾斜方向，進而基于運算結(jié)果來運算用于使傾斜角、傾斜方向為O的前述第一電動機61、前述第二電動機65的旋轉(zhuǎn)量，經(jīng)由前述輸入輸出控制部74發(fā)出使前述第一電動機61、前述第二電動機65進行前述旋轉(zhuǎn)量驅(qū)動的驅(qū)動指令。
[0046]以通過前述第一電動機61、前述第二電動機65的驅(qū)動向所運算的傾斜角、傾斜方向的相反傾斜的方式驅(qū)動前述第一電動機61、前述第二電動機65，電動機的驅(qū)動量(旋轉(zhuǎn)角)被前述第一編碼器62、前述第二編碼器66檢測，在旋轉(zhuǎn)角變?yōu)榍笆鲞\算結(jié)果時，停止前述第一電動機61、前述第二電動機65的驅(qū)動。
[0047]進而，前述第一電動機61、前述第二電動機65的旋轉(zhuǎn)被微調(diào)整，以使得前述第一傾斜傳感器71檢測水平。
[0048]在該狀態(tài)下，在前述外框51傾斜的狀態(tài)下，前述傾斜檢測單元56被控制為水平。
[0049]因此，為了使前述傾斜檢測單元56為水平而通過前述第一電動機61、前述第二電動機65使前述內(nèi)框53、前述傾斜檢測單元56傾斜的傾斜角、傾斜方向基于由前述第一編碼器62、前述第二編碼器66檢測的旋轉(zhuǎn)角來求取。
[0050]前述第一運算處理部68基于前述第一傾斜傳感器71檢測到水平時的前述第一編碼器62、前述第二編碼器66的檢測結(jié)果來運算前述姿勢檢測裝置19的傾斜角、傾斜方向。該運算結(jié)果示出前述姿勢檢測裝置19的傾斜后的姿勢。
[0051]前述第一運算處理部68將所運算的傾斜角、傾斜方向作為前述姿勢檢測裝置19的檢測信號向外部輸出。
[0052]接著，對前述姿勢檢測裝置19裝備于被攜帶的設(shè)備并在被攜帶的狀態(tài)下取得數(shù)據(jù)的情況下的、前述姿勢檢測裝置19的作用進行說明。
[0053]在被攜帶的狀態(tài)下，前述姿勢檢測裝置19的姿勢時刻發(fā)生變化。因此，基于高響應(yīng)性的前述第二傾斜傳感器72的檢測結(jié)果來進行姿勢檢測。
[0054]首先，只要進行控制以使得通過前述第一傾斜傳感器71檢測水平狀態(tài)，通過高響應(yīng)性的前述第二傾斜傳感器72求取之后的姿勢變化，基于來自該第二傾斜傳感器72的檢測結(jié)果進行姿勢檢測，就能夠?qū)崟r地檢測前述姿勢檢測裝置19的傾斜、傾斜方向。
[0055]進而，如圖1所示的構(gòu)造那樣，沒有對前述傾斜檢測單元56、前述內(nèi)框53的旋轉(zhuǎn)進行制約的部分，前述傾斜檢測單元5 6、前述內(nèi)框5 3均能夠進行3 6 O °以上的旋轉(zhuǎn)。即，無論前述姿勢檢測裝置19變?yōu)槭裁礃拥淖藙?例如，即使在前述姿勢檢測裝置19的上下相反的情況下)，也能夠進行全部方向上的姿勢檢測。
[0056]因此，沒有傾斜傳感器的測定范圍的限制，能夠進行廣范圍、全部姿勢下的姿勢檢測。
[0057]在要求高響應(yīng)性的情況下，基于前述第二傾斜傳感器72的檢測結(jié)果來進行姿勢檢測，但是，前述第二傾斜傳感器72與前述第一傾斜傳感器71相比，檢測精度差是一般性的。
[0058]在本實施例中，通過具備高精度的前述第一傾斜傳感器71和高響應(yīng)性的第二傾斜傳感器72，從而能夠基于僅前述第二傾斜傳感器72的檢測結(jié)果來進行高精度的姿勢檢測。
[0059]進而，基于前述第二傾斜傳感器72所檢測的傾斜角，以該傾斜角變?yōu)镺的方式驅(qū)動電動機，進而到前述第一傾斜傳感器71感測水平為止繼續(xù)電動機的驅(qū)動。如果在前述第一傾斜傳感器71感測到水平時的編碼器的值即實際的傾斜角與前述第二傾斜傳感器72所檢測的傾斜角之間產(chǎn)生偏差，則能夠基于該偏差來校準前述第二傾斜傳感器72的傾斜角。
[0060]因此，如果預先取得前述第二傾斜傳感器72的檢測傾斜角與基于由前述第一傾斜傳感器71進行的水平檢測和編碼器的檢測結(jié)果所求取的傾斜角的關(guān)系，則能夠進行前述第二傾斜傳感器72所檢測的傾斜角的校準(calibrat1n)，從而能夠提高由前述第二傾斜傳感器72進行的以高響應(yīng)性的姿勢檢測的精度。
[0061]本發(fā)明的姿勢檢測裝置19能夠應(yīng)用于各種裝置。特別地，當在裝置的姿勢不穩(wěn)定的攜帶類型的裝置中使用時是有用的。
[0062]例如，通過在攜帶型的圖像取得裝置設(shè)置該姿勢檢測裝置19，從而能夠檢測拍攝中的圖像取得裝置的傾斜，而能夠容易地將取得圖像變換為水平姿勢。
[0063]接著，參照圖3?圖7對具備本發(fā)明的姿勢檢測裝置19的數(shù)據(jù)取得裝置的一個例子進行說明。以下，作為數(shù)據(jù)取得裝置的一個例子，示出了帶圖像數(shù)據(jù)取得裝置。
[0064]在圖3中，I是測定裝置，2是拍攝裝置，3是收納前述測定裝置I和前述拍攝裝置2的殼體。前述測定裝置1、前述拍攝裝置2成為一體而構(gòu)成數(shù)據(jù)取得裝置4。前述殼體3既可以設(shè)置于三腳架，或者也可以為可攜帶(手持)。
[0065]首先，對前述測定裝置I進行說明。
[0066]該測定裝置I具有測距光射出部5、光接收部6、測距部7、第二運算處理部8、射出方向檢測部9、顯示部10以及姿勢檢測裝置19。
[0067]前述測距光射出部5具有測距部射出光軸11，在該測距部射出光軸11上設(shè)置有發(fā)光元件，例如激光二極管(LD)12，進而，在前述測距部射出光軸11上配設(shè)有照明透鏡13、第一光軸偏向部14。
[0068]進而，對該第一光軸偏向部14進行說明。
[0069]在前述測距部射出光軸11設(shè)置有2個第一光學棱鏡15a、15b，該第一光學棱鏡15a、15b分別被配設(shè)為能夠以前述測距部射出光軸11為中心獨立地個別地旋轉(zhuǎn)。關(guān)于該第一光學棱鏡15a、15b，如后述那樣，通過控制前述第一光學棱鏡15a、15b的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)量、旋轉(zhuǎn)速度，從而使從前述照明透鏡13射出的測距光的光軸偏向任意的方向。
[0070]前述第一光學棱鏡15a、15b的材質(zhì)優(yōu)選為光學玻璃，該第一光學棱鏡15a、15b被高精度地制作為具有相同且已知的折射率。高精度地制作前述第一光學棱鏡15a、15b，由此，測距光不會擴散，能夠使光束偏向規(guī)定方向，進而能夠防止光束截面的變形的發(fā)生等，能夠進行精度高的測距，此外也能夠進行遠距離測定。
[0071]前述第一光學棱鏡15a、15b的外形形狀分別為以前述測距部射出光軸11為中心的圓形，在前述第一光學棱鏡15a的外周嵌入設(shè)置有第一環(huán)形齒輪16a，在前述第一光學棱鏡15b的外周嵌入設(shè)置有第一環(huán)形齒輪16b。
[0072]第一驅(qū)動齒輪17a嚙合于前述第一環(huán)形齒輪16a。該第一驅(qū)動齒輪17a固定于第一電動機18a的輸出軸。同樣地，第一驅(qū)動齒輪17b嗤合于前述第一環(huán)形齒輪16b，該第一驅(qū)動齒輪17b固定于第一電動機18b的輸出軸。前述第一電動機18a、18b電連接于前述第二運算處理部8。
[0073]關(guān)于前述第一電動機18a、18b，使用能夠檢測旋轉(zhuǎn)角的電動機或者進行與驅(qū)動輸入值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的電動機，例如脈沖電動機?；蛘?，也可以使用檢測電動機的旋轉(zhuǎn)量的旋轉(zhuǎn)檢測器例如編碼器等來檢測電動機的旋轉(zhuǎn)量。
[0074]前述射出方向檢測部9對輸入到前述第一電動機18a、18b的驅(qū)動脈沖進行計數(shù)，由此，檢測前述第一電動機18a、18b的旋轉(zhuǎn)角，或者基于來自編碼器的信號來檢測前述第一電動機18a、18b的旋轉(zhuǎn)角。進而，前述射出方向檢測部9基于前述第一電動機18a、18b的旋轉(zhuǎn)角來運算前述第一光學棱鏡15a、15b的旋轉(zhuǎn)位置，基于前述第一光學棱鏡15a、15b的折射率和旋轉(zhuǎn)位置來運算測距光的偏角、射出方向，運算結(jié)果被輸入到前述第二運算處理部8。
[0075]在圖3中，前述第一驅(qū)動齒輪17a、前述第一電動機18a被示出在前述第一環(huán)形齒輪16a的上側(cè)，但是，實際上，前述第一驅(qū)動齒輪17a、17b設(shè)置在不與后述的拍攝裝置2的視野干擾的位置，例如如圖4所示那樣，設(shè)置在前述第一環(huán)形齒輪16a、16b的側(cè)方。
[0076]前述照明透鏡13、前述第一光學棱鏡15a、15b等構(gòu)成射出光學系統(tǒng)20。
[0077]對前述光接收部6進行說明。該光接收部6對來自對象物的反射測距光進行光接收。前述光接收部6具有光接收光軸21，該光接收光軸21與前述測距部射出光軸11平行。
[0078]在前述光接收光軸21上設(shè)置有光接收元件22，例如光電二極管(PD)，該光接收元件22對反射測距光進行光接收，產(chǎn)生光接收信號。進而，在前述光接收光軸21的對物側(cè)配設(shè)有光接收透鏡23、第二光軸偏向部24。
[0079]該第二光軸偏向部24具有重合于前述光接收光軸21上并且平行配置的一對第二光學棱鏡25a、25b。作為該第二光學棱鏡25a、25b，為了使裝置小型化，分別使用菲涅耳棱鏡是優(yōu)選的。
[0080]被用作前述第二光學棱鏡25a、25b的菲涅耳棱鏡由平行形成的許多棱鏡器件26構(gòu)成，具有板形狀。各棱鏡器件26具有相同的光學特性，各棱鏡器件26具有與前述第一光學棱鏡15a、15b相同的折射率和偏角。
[0081]前述菲涅耳棱鏡可以由光學玻璃制作，但是，也可以通過光學塑料材料鑄模成型。通過光學塑料材料鑄模成型，由此，能夠制作便宜的菲涅耳棱鏡。
[0082]前述第二光學棱鏡25a、25b分別被配設(shè)為能夠以前述光接收光軸21為中心個別地旋轉(zhuǎn)。關(guān)于前述第二光學棱鏡25a、25b，與前述第一光學棱鏡15a、15b同樣地，通過控制前述第二光學棱鏡25a、25b的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)量、旋轉(zhuǎn)速度，從而使入射的反射測距光的光軸偏向任意的方向。
[0083]前述第二光學棱鏡25a、25b的外形形狀分別為以前述光接收光軸21為中心的圓形，考慮反射測距光的擴展，為了能夠取得充分的光量，前述第二光學棱鏡25a、25b的直徑比前述第一光學棱鏡15a、15b的直徑大。
[0084]在前述第二光學棱鏡25a的外周嵌入設(shè)置有第二環(huán)形齒輪27a，在前述第二光學棱鏡25b的外周嵌入設(shè)置有第二環(huán)形齒輪27b。
[0085]第二驅(qū)動齒輪28a嚙合于前述第二環(huán)形齒輪27a，該第二驅(qū)動齒輪28a固定于第二電動機29a的輸出軸。第二驅(qū)動齒輪28b嚙合于前述第二環(huán)形齒輪27b，該第二驅(qū)動齒輪28b固定于第二電動機29b的輸出軸。前述第二電動機29a、29b電連接于前述第二運算處理部8。
[0086]前述第二電動機29a、29b與前述第一電動機18a、18b同樣，使用能夠檢測旋轉(zhuǎn)角的電動機或者進行與驅(qū)動輸入值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的電動機，例如脈沖電動機。或者，也可以使用檢測電動機的旋轉(zhuǎn)量(旋轉(zhuǎn)角)的旋轉(zhuǎn)檢測器例如編碼器等來檢測電動機的旋轉(zhuǎn)量。檢測前述第二電動機29a、29b的旋轉(zhuǎn)量，通過前述第二運算處理部8來進行與前述第一電動機18a、18b的同步控制。
[0087]前述第二驅(qū)動齒輪28a、28b、前述第二電動機29a、29b設(shè)置在不與前述測距光射出部5干擾的位置，例如前述第二環(huán)形齒輪27a、27b的下側(cè)。
[0088]前述第二光學棱鏡25a、25b、前述光接收透鏡23等構(gòu)成光接收光學系統(tǒng)30。
[0089]前述測距部7控制前述發(fā)光元件12來發(fā)光激光光線以作為測距光。從測定對象物反射的反射測距光經(jīng)由前述第二光學棱鏡25a、25b、前述光接收透鏡23而入射，被前述光接收元件22光接收。該光接收元件22將光接收信號送出到前述測距部7，該測距部7基于來自前述光接收元件22的光接收信號來進行測定點(測距光被照射的點)的測距。
[0090]前述第二運算處理部8由輸入輸出控制部、運算器(CPU)、存儲部等構(gòu)成，在該存儲部中儲存控制測距工作的測距程序;控制前述第一電動機18a、18b、前述第二電動機29a、29b的驅(qū)動的控制程序；用于使前述顯示部10顯示圖像數(shù)據(jù)、測距數(shù)據(jù)等的圖像顯示程序等程序，進而在前述存儲部中儲存測距數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等測定結(jié)果。
[0091]前述姿勢檢測裝置19感測前述測距部7相對于前述測距部射出光軸11的姿勢、以及前述數(shù)據(jù)取得裝置4相對于水平的姿勢(傾斜角、傾斜方向)。檢測結(jié)果被輸入到前述第二運算處理部8。
[0092]前述拍攝裝置2具有廣角攝像機35、窄角攝像機36，前述廣角攝像機35具有廣視場角，例如30°，前述窄角攝像機36具有比前述廣角攝像機35窄的視場角，例如5°。此外，前述窄角攝像機36的視場角優(yōu)選為與前述測距光射出部5的點群數(shù)據(jù)取得范圍(后述)同等或者比其稍大。
[0093]此外，前述廣角攝像機35、前述窄角攝像機36的拍攝元件是作為像素的集合體的CCD、CM0S傳感器，能夠確定各像素在圖像元素上的位置。例如，各像素的位置通過以各攝像機的光軸為原點的座標系而確定。
[0094]前述廣角攝像機35的光軸、前述窄角攝像機36的光軸均與前述測距部射出光軸11平行，進而前述廣角攝像機35的光軸、前述窄角攝像機36的光軸與前述測距部射出光軸11為已知的關(guān)系。
[0095]首先，參照圖5A、圖5B來說明由前述測定裝置I進行的測定工作。再有，在圖5A中，為了簡略化說明，關(guān)于前述第二光學棱鏡25a、25b，分別不出為單一的棱鏡。此外，圖5A中所不的前述第一光學棱鏡15a、15b、前述第二光學棱鏡25a、25b為得到最大的偏角的狀態(tài)。此夕卜，最小的偏角為前述第一光學棱鏡15a、15b的任一個、前述第二光學棱鏡25a、25b的任一個進行了 180°旋轉(zhuǎn)的位置，偏角為0°，射出的激光光線的光軸與前述測距部射出光軸11平行。
[0096]從前述發(fā)光元件12發(fā)出測距光，測距光被前述照明透鏡13做成平行光束，透射前述第一光軸偏向部14(前述第一光學棱鏡15a、15b)朝向測定對象物或者測定對象區(qū)域射出。在此，通過前述第一光軸偏向部14，由此，測距光通過前述第一光學棱鏡15a、15b而偏向所需要的方向并射出。
[0097]被測定對象物或者測定對象區(qū)域反射的反射測距光透射前述第二光軸偏向部24而入射，通過前述光接收透鏡23聚光到前述光接收元件22。
[0098]前述反射測距光通過前述第二光軸偏向部24，由此，反射測距光的光軸被前述第二光學棱鏡25a、25b偏向，以使得與前述光接收光軸21—致(圖5A)。
[0099]S卩，同步控制前述第一光學棱鏡15a、15b和前述第二光學棱鏡25a、25b的旋轉(zhuǎn)位置、旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度，以使得前述第一光軸偏向部14和前述第二光軸偏向部24總是為相同的偏角。
[0100]具體而言，通過前述第二運算處理部8同步控制前述第一電動機18a和前述第二電動機29a，以使得前述第一光學棱鏡15a和前述第二光學棱鏡25a總是偏向同一方向。進而，通過前述第二運算處理部8同步控制前述第一電動機18b和前述第二電動機29b，以使得前述第一光學棱鏡15b和前述第二光學棱鏡25b總是偏向同一方向。
[0101]進而，能夠通過前述第一光學棱鏡15a和前述第一光學棱鏡15b的旋轉(zhuǎn)位置的組合來任意地偏向射出的測距光的偏向方向、偏向角。
[0102]此外，在固定了前述第一光學棱鏡15a和前述第一光學棱鏡15b的位置關(guān)系的狀態(tài)下(在固定了通過前述第一光學棱鏡15a和前述第一光學棱鏡15b得到的偏角的狀態(tài)下)，前述第一光學棱鏡15a和前述第一光學棱鏡15b—體地旋轉(zhuǎn)，由此，透過前述第一光軸偏向部14的測距光所描繪的軌跡為以前述測距部射出光軸11為中心的圓。
[0103]因而，只要通過前述發(fā)光元件12發(fā)光激光光線并使前述第一光軸偏向部14旋轉(zhuǎn)，就能夠使測距光按圓的軌跡掃描。
[0104]再有，在該情況下，當然也使前述第二光軸偏向部24與前述第一光軸偏向部14同步地在相同方向上以相同速度旋轉(zhuǎn)。
[0?05]接著，圖5B不出了使前述第一光學棱鏡15a和前述第一光學棱鏡15b相對旋轉(zhuǎn)的情況。當將通過前述第一光學棱鏡15a偏向的光軸的偏向方向作為偏向A、將通過前述第一光學棱鏡15b偏向的光軸的偏向方向作為偏向B時，由前述第一光學棱鏡15a、15b造成的光軸的偏向作為第一光學棱鏡15a、15b間的角度差Θ，成為合成偏向C。
[0106]因而，每當使角度差Θ變化時，只要使前述第一光軸偏向部14進行I次旋轉(zhuǎn)，就能夠使測距光呈直線狀地掃描。
[0107]進而，如圖5C所示那樣，如果以相對于前述第一光學棱鏡15a的旋轉(zhuǎn)速度慢的旋轉(zhuǎn)速度使前述第一光學棱鏡15b旋轉(zhuǎn)，則角度差Θ逐漸增大并且測距光旋轉(zhuǎn)，因此，測距光的掃描軌跡成為螺旋狀。
[0108]進而此外，各個地控制前述第一光學棱鏡15a、前述第一光學棱鏡15b的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度，由此，得到使測距光的掃描軌跡為以前述測距部射出光軸11為中心的放射方向(半徑方向的掃描)或者為水平、垂直方向等各種掃描狀態(tài)。
[0109]作為測定的方式，通過按照每個所需要偏角固定前述第一光軸偏向部14、前述第二光軸偏向部24來進行測距，從而能夠進行關(guān)于特定的測定點的測距。進而，通過一邊使前述第一光軸偏向部14、前述第二光軸偏向部24的偏角偏向一邊執(zhí)行測距，即，通過一邊掃描測距光一邊執(zhí)行測距，從而能夠取得點群數(shù)據(jù)。
[0110]此外，各測距光的射出方向角能夠通過前述第一電動機18a、18b的旋轉(zhuǎn)角來感測，通過將射出方向角與測距數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，從而能夠取得三維的點群數(shù)據(jù)。
[0111]進而，前述測距部射出光軸11相對于水平的傾斜能夠通過前述姿勢檢測裝置19檢測，能夠基于該姿勢檢測裝置19所檢測的傾斜來校正前述點群數(shù)據(jù)，以做成高精度的點群數(shù)據(jù)。因此，即使在前述數(shù)據(jù)取得裝置4不具備調(diào)平功能而不能水平地設(shè)置的情況下，也能夠取得高精度的點群數(shù)據(jù)。
[0112]接著，取得三維數(shù)據(jù)，并且也能夠取得圖像數(shù)據(jù)。
[0113]如上述那樣，前述拍攝裝置2具備前述廣角攝像機35和前述窄角攝像機36。
[0114]前述廣角攝像機35主要作為觀察用而使用，由前述廣角攝像機35取得的廣角圖像顯示于前述顯示部10。
[0115]測定者從顯示于前述顯示部10的圖像尋找測定對象，或者選擇測定對象。
[0116]當測定對象被選擇時，以使得測定對象被前述窄角攝像機36捕捉的方式定向前述數(shù)據(jù)取得裝置4。由前述窄角攝像機36取得的窄角圖像顯示于前述顯示部10。作為顯示方法，可以切換由前述廣角攝像機35進行的廣角圖像的顯示和由前述窄角攝像機36進行的窄角圖像的顯示?；蛘呖梢苑指钋笆鲲@示部10來在分割部分中顯示由前述窄角攝像機36得到的窄角圖像，或者設(shè)置窗口來在該窗口中顯示。
[0117]由前述窄角攝像機36取得的窄角圖像與前述測定裝置I的測定范圍一致或者大致一致，因此，測定者能夠通過視覺來容易地確定測定范圍。
[0118]此外，前述測距部射出光軸11與前述窄角攝像機36的光軸平行，并且兩個光軸為已知的關(guān)系，因此，前述第二運算處理部8能夠在由窄角攝像機36得到的窄角圖像上使圖像中心與前述測距部射出光軸11 一致。進而，前述第二運算處理部8檢測測距光的射出角，由此，能夠基于射出角來在圖像上確定測定點。因而，能容易進行測定點的三維數(shù)據(jù)與窄角圖像的相關(guān)聯(lián)，能夠?qū)⒂汕笆稣菙z像機36取得的窄角圖像作為帶三維數(shù)據(jù)的圖像。
[0119]圖6A、圖6B示出了由前述窄角攝像機36取得的圖像與點群數(shù)據(jù)取得的關(guān)系。再有，在圖6A中，示出了測距光呈同心多重圓狀地掃描的情況，在圖6B中，示出了測距光呈直線狀地往復掃描的情況。在圖中，37示出掃描軌跡，測定點位于掃描軌跡上。
[0120]進而，在執(zhí)行廣范圍的測定的情況下，將由前述廣角攝像機35取得的廣角圖像作為測定范圍，在該廣角圖像中以拼綴物的方式填入由前述窄角攝像機36取得的窄角圖像，由此，能夠不浪費或者不殘留未測定部分地執(zhí)行測定。
[0121]此外，本實施例的前述數(shù)據(jù)取得裝置4具備前述姿勢檢測裝置19。
[0122]該姿勢檢測裝置19檢測前述數(shù)據(jù)取得裝置4相對于水平的姿勢，即前述測距部射出光軸11的傾斜角、傾斜方向。在前述數(shù)據(jù)取得裝置4經(jīng)由三腳架而設(shè)置的情況下，基于前述姿勢檢測裝置19的檢測結(jié)果，前述數(shù)據(jù)取得裝置4被水平地設(shè)置，能在該數(shù)據(jù)取得裝置4為水平的狀態(tài)下進行測定。因而，不需要考慮前述數(shù)據(jù)取得裝置4的傾斜來校正測定值等的校正作業(yè)。
[0123]在攜帶前述數(shù)據(jù)取得裝置4的狀態(tài)(手持的狀態(tài))下使用的情況下，通過前述姿勢檢測裝置19檢測測定時的前述數(shù)據(jù)取得裝置4的姿勢，前述第二運算處理部8基于所檢測的傾斜角、傾斜方向來校正測定值，由此，即使在接近抖動的狀態(tài)下，也能夠進行高精度地校正的測定。
[0124]再有，在上述實施例中，雖然使前述第二光學棱鏡25a、25b為菲涅耳棱鏡，但是，在空間上存在富余的情況下，也可以分別由單一的棱鏡構(gòu)成前述第二光學棱鏡25a、25b。
[0125]圖7示出了其他的實施例。
[0126]在該其他的實施例中，將前述的實施例中的前述第一光軸偏向部14、前述第二光軸偏向部24作為光軸偏向部40而一體化。再有，在圖7中，對與圖3中所示的部分同等的部分標注相同附圖標記。
[0127]在測距光射出部5的測距部射出光軸11上設(shè)置作為偏向光學構(gòu)件的第一反射鏡41。進而，與該第一反射鏡41對峙地并且在光接收光軸21上配設(shè)作為偏向光學構(gòu)件的第二反射鏡42。此外，關(guān)于前述第一反射鏡41、前述第二反射鏡42，以通過前述第一反射鏡41、該第二反射鏡42偏向的前述測距部射出光軸11與光接收部6的光接收光軸21 —致的方式設(shè)定位置關(guān)系。前述第一反射鏡41、前述第二反射鏡42構(gòu)成測距部射出光軸偏向部。
[0128]再有，前述第二反射鏡42的大小為對于反射測距光充分的大小即可，測距光的光束直徑很小，因此，由前述第二反射鏡42遮斷的反射測距光的光量很少，不會對測距造成影響。
[0129]前述光軸偏向部40具有在前述光接收光軸21上平行配設(shè)的圓形狀的組合光學棱鏡43a、43b。
[Ο?Ο] 該組合光學棱鏡43a、43b為同樣的結(jié)構(gòu)，因此，以下對前述組合光學棱鏡43a進行說明。
[0131 ] 該組合光學棱鏡43a由第二光學棱鏡25a和第一光學棱鏡15a構(gòu)成。
[0132]前述第二光學棱鏡25a為形成有許多棱鏡器件26的菲涅耳棱鏡，在該菲涅耳棱鏡的中央部，前述棱鏡器件26呈圓狀地欠缺，在該中央部設(shè)置前述第一光學棱鏡15a，前述第二光學棱鏡25a與前述第一光學棱鏡15a被一體化。此外，使前述第一光學棱鏡15a和前述第二光學棱鏡25a的前述棱鏡器件26的方向一致。
[0133]前述第一光學棱鏡15a和前述第二光學棱鏡25a為光學塑料材料，既可以通過鑄模成型而一體地成型，或者也可以對前述第二光學棱鏡25a鑄模成型并將通過光學玻璃制作的棱鏡(前述第一光學棱鏡15a)貼附于該第二光學棱鏡25a。
[0134]從發(fā)光元件12發(fā)出的測距光被照明透鏡13做成平行光束，通過前述第一反射鏡41、前述第二反射鏡42以沿著前述光接收光軸21照射的方式偏向。
[0135]測距光通過前述組合光學棱鏡43a、43b的中央部即第一光學棱鏡15a、15b，由此，測距光偏向所需要的方向、所需要的角度而射出。
[0136]此外，被測定對象物反射的反射測距光通過前述組合光學棱鏡43a、43b的第二光學棱鏡25a、25b部分，被偏向為與前述光接收光軸21平行，被光接收元件22光接收，基于該光接收元件22的光接收結(jié)果來進行測距。
[0137]在本其他的實施例中，省略第一光軸偏向部14，因此，構(gòu)造進一步簡略化。
[0138]此外，在偏向部中使用的電動機僅為第二電動機29a、29b即可，電動機的控制也變得簡單。
[0139]如上所述，根據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)取得裝置，能夠通過簡單的結(jié)構(gòu)來容易地取得點群數(shù)據(jù)。此外，在同時取得圖像的情況下，拍攝裝置的光軸與測距光軸一致(或者是平行且已知的關(guān)系)，因此，能容易進行圖像和點群數(shù)據(jù)的相關(guān)聯(lián)，能夠簡便地取得帶三維數(shù)據(jù)圖像。
[0140]進而，通過具備本發(fā)明的姿勢檢測裝置，從而能容易地進行傾斜的校正、修正，能夠進行攜帶狀態(tài)下的高精度的數(shù)據(jù)取得。進而，在本發(fā)明的姿勢檢測裝置中，沒有傾斜角的檢測范圍的限制，能夠檢測全部方向、全部姿勢，因此，即使在被裝備于姿勢較大地變化的飛行體的情況下，也能夠正確地檢測姿勢，進而取得數(shù)據(jù)的校正也是容易的。
【主權(quán)項】
1.一種姿勢檢測裝置，其中，具備: 傾斜檢測單元，以與外框正交的2個軸為中心旋轉(zhuǎn)自由地被支承，檢測從水平的傾斜； 編碼器，分別設(shè)置在各軸； 電動機，設(shè)置為使各軸旋轉(zhuǎn)；以及 第一運算處理部，基于來自所述傾斜檢測單元的檢測結(jié)果來驅(qū)動控制所述電動機，該第一運算處理部構(gòu)成為在所述外框傾斜的情況下基于來自所述傾斜檢測單元的信號驅(qū)動所述電動機以使得該傾斜檢測單元檢測水平，并且基于所述傾斜檢測單元檢測到水平時的所述編碼器的輸出來運算所述外框的姿勢。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的姿勢檢測裝置，其中，所述傾斜檢測單元具備: 第一傾斜傳感器，以高精度檢測水平；以及 第二傾斜傳感器，檢測比該第一傾斜傳感器高速響應(yīng)且廣范圍的傾斜， 該第二傾斜傳感器檢測從所述第一傾斜傳感器所檢測的水平的傾斜，所述第一運算處理部構(gòu)成為基于來自所述第二傾斜傳感器的檢測信號來運算所述外框的姿勢。3.一種數(shù)據(jù)取得裝置，其中，具備: 發(fā)光元件，發(fā)出測距光； 測距光射出部，射出所述測距光； 光接收部，對反射測距光進行光接收； 光接收元件，對所述反射測距光進行光接收，產(chǎn)生光接收信號；以及 測距部，基于來自該光接收元件的光接收結(jié)果來進行測距， 還具備: 權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的姿勢檢測裝置； 第一光軸偏向部，配設(shè)在所述測距光的射出光軸上，使所述測距光的光軸以所需要的偏角偏向所需要的方向； 第二光軸偏向部，配設(shè)在光接收光軸上，以與所述第一光軸偏向部相同的偏角、相同的方向偏向所述反射測距光； 射出方向檢測部，檢測由所述第一光軸偏向部造成的偏角、偏向方向， 被構(gòu)成為所述測距光通過所述第一光軸偏向部而射出并且所述反射測距光通過所述第二光軸偏向部而被所述光接收元件光接收，并且構(gòu)成為基于所述測距部的測距結(jié)果、所述射出方向檢測部的檢測結(jié)果來取得測定點的三維數(shù)據(jù)并基于所述姿勢檢測裝置所檢測的結(jié)果來校正該三維數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)據(jù)取得裝置，其中，還具備: 第二運算處理部；以及 拍攝裝置，具有拍攝光軸，所述拍攝光軸與所述射出光軸平行且具有已知的關(guān)系，所述第二運算處理部被構(gòu)成為將由所述測距部取得的測距結(jié)果與由所述拍攝裝置取得的圖像相關(guān)聯(lián)來取得帶三維數(shù)據(jù)圖像。
【文檔編號】G01C9/00GK105890578SQ201610086901
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月16日
【發(fā)明人】大友文夫, 熊谷薰, 大佛毅, 大佛一毅
【申請人】株式會社拓普康