KR20020097172A - 3차원 좌표 계측방법, 3차원 좌표 계측장치 및 대형구조물의 건조방법 - Google Patents

3차원 좌표 계측방법, 3차원 좌표 계측장치 및 대형구조물의 건조방법 Download PDF

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KR20020097172A
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닛폰 고칸 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 측정대상물체(7) 표면 위의 좌표를 측정할 타겟점(8a)까지의 거리를 측정하는 광파거리계(1a)와 광파거리계(1a)의 광축의 경사각도를 측정하는 측각계(1b)를 이용하여, 광파거리계(1a)의 광축을 측정대상물체(7) 표면 위의 타겟점(8a)에 맞춘 후의 측정거리와 측정각도로부터 이 타겟점(8a)의 좌표를 계측하는 3차원 좌표 계측방법에 있어서, 측정대상물체(7) 표면 전체의 복수의 타겟(8)을 촬영수단(5)으로 관찰하고, 얻어진 화상을 처리하여 이들 복수의 타겟점(8a)을 인식하고, 그 개략적인 3차원 좌표를 연산하는 좌표인식스텝과, 좌표인식스텝에 의해 인식된 타겟점(8a)의 하나가 소정의 시야범위 내에 들어가도록 광파거리계(1a)의 광축을 대략 맞추는 매크로 시준스텝과, 매크로 시준스텝에 의해 대략 맞춰진 광파거리계(1a)의 광축을 소정의 시야범위 내에서 타겟점(8a)의 하나에 일치하도록 맞추는 마이크로 시준스텝을 구비하는 3차원 좌표 계측방법이다.

Description

3차원 좌표 계측방법, 3차원 좌표 계측장치 및 대형 구조물의 건조방법{Method for Measuring Three- dimensional Coordinate, Apparatus Thereof and Method for Building Large Construction Therewith}
선박, 교량, 토목, 건축 등의 대형 구조물의 3차원 형상을 계측하려면, 트랜시트(transit)나 줄자, 추 등을 이용한 2차원적인 측정장치가 주로 이용되고 있다. 이것에 대하여 근래, 측량분야에서 발전해 온 삼각측량(三角測量)이나, 광파거리계(光波距離計)를 이용한 거리측정, 각도측정법에 의한 측량기를 이용한 3차원적인 측정장치에 의한 계측도 행해지게 되었다.
일례로서, 1대의 계측기로 계측대상물(측정 대상물체) 위의 임의의 점에 대한 3차원 좌표를 계측할 수 있는 3차원 좌표 계측시스템이, 상품명 「MONMOS」로서, 주식회사 소키아로부터 시판되고 있다. 이 시스템은, 미리 임의의 2점을 계측하여 3차원 좌표계를 설정한 후, 각 측정점에 설치된 반사타겟(타겟점을 포함한다)을 시준(視準)하여 수평각, 연직각(鉛直角), 거리측정의 3요소를 동시에 계측하고,좌표변환의 해석, 연산을 행하여 3차원 좌표를 구하는 것으로, 100m 떨어진 거리에서 ±1mm 이하의 높은 정밀도를 얻을 수 있다. 여기서, 반사타겟은, 어느 정도 크기를 갖는 반사면을 구비한 부재이다. 또한, 타겟점은 그 반사면 위에 마련된, 3차원 좌표 계측용 계측점이다. 또, 반사타겟은, 일정한 두께를 가지므로, 계측대상물 표면의 엄밀한 3차원 좌표를 얻기 위해, 계측치 및 반사타겟 크기·형상에 기초한 소정의 연산을 행하는 경우가 있다.
그러나, 상기 「MONMOS」를 포함하여 종래의 계측시스템에서는, 시준작업(視準作業)에 있어서 망원경의 초점맞추기나 반사타겟의 중심(타겟점)과 망원경의 십자선의 중심맞추기를 육안에 의해 행할 필요가 있기 때문에, 작업이 번잡하고 시준작업에 시간을 요하며, 또한 계측자의 인적 오차가 개입되기 쉽다. 즉, 인위적인 작업을 요하는 것이, 능률의 저하나 계측 정밀도의 저하를 초래하는 요인이 되었다. 여기서, 시준작업이라 함은, 망원경이나 촬영화면 등의 확대표시수단의 시야(視野) 내에 사출(寫出)된 계측점에 대하여, 거리계의 광축(光軸)을 맞추는 작업을 말한다.
이와 같은 결점을 해결하기 위해, 육안에 의한 시준작업을 자동화하는 기능을 갖게 한 라이카지오시스템주식회사의 상품명「TCA1100」시리즈나 주식회사 소키아의 상품명「CYBER MONMOS」가 시판되고 있다. 이들은 광파거리계의 광축과 동일 축에 CCD카메라 등의 촬영수단을 구비하고, 촬영수단에서 포착된 화상으로부터 반사타겟의 중심위치를 검출하며, 촬영수단의 중심위치와 반사타겟의 중심위치의 벗어난 양을 산출하고, 일치하지 않는 경우는 측각의(測角儀)를 벗어난 양에 대응하는 양만큼 모터에 의해 구동하여 일치시키도록 한 것이다. 이런 종류의 시스템은, 촬영수단을 갖는 비교적 좁은 시야범위 내에서 자동적인 시준(자동적인 마이크로 시준)을 실행하는 것이며, 마이크로 자동시준수단(自動視準手段)을 구비하고 있다고 할 수 있다.
또한, 이런 종류의 시스템에서는, 반사타겟의 위치, 측정 순서의 조건을 초기설정한 후, 촬영수단에서 포착된 반사타겟을 화상처리장치로 추출하고, 반사타겟의 중심과 촬영수단의 광축을 일치시키도록 촬영수단의 수평각, 연직각을 서보모터로 구동시켜 마이크로 자동시준하여, 계측이 행해진다. 또, 자동시준을 하기 위해서는, 반사타겟을 촬영수단의 시야 내로 넣을 필요가 있기 때문에, 마이크로 시준수단에 의해 넓은 범위에 걸친 복수의 계측점(타겟점)을 모두 자동시준하는 것은 곤란하다. 따라서, 이 시스템에서는, 반사타겟의 위치의 좌표가 이미 알려진 경우에는, 작업자가 설계데이타를 기초로 계측기로부터의 반사타겟의 위치의 좌표를 직접 입력하고, 알려지지 않은 경우에는 수동 또는 컨트롤러에 의해 촬영수단을 반사타겟을 향해, 촬영수단 시야 내에 들어가게 하는 작업을 반복하여 티칭(teaching)할 필요가 있다.
또한, 일본 특개평8-136218호 공보나 특개평9-14921호에서는, 계측대상물의 설계치수 또는 3차원 설계좌표를 기초로, 해석용 컴퓨터에 의해 반사타겟의 위치를 계측기로부터의 좌표로 변환하여 시준방향을 결정하고, 자동계측을 행하는 방법이 제안되어 있다.
그러나, 이러한 종류의 방법에는 다음과 같은 문제가 있었다.
즉, 반사타겟의 3차원 좌표가 알려지지 않은 경우에는, 각 측정점에 CCD카메라를 향하여 모니터 화면에 들어가게 하는 작업을 반복하여 티칭할 필요가 있으며, 복잡한 수작업을 수반하여 자동화의 이점을 기대할 수 없다.
또한, 3차원 좌표가 설계치수나 3차원 좌표로부터 이미 알려진 경우에도, 설계좌표계와 계측좌표계를 맞추는 작업을, 예컨대 해석용 컴퓨터로 좌표변환을 행하여도, 초기설정에 있어서 적어도 2점의 기준이 되는 반사타겟을 측정할 필요가 있으며, 수작업이라는 수고가 든다.
더욱이, 조립공정 등의 부재의 위치결정에 사용하는 경우에는, 측정점의 위치가 설계치수에 대하여, 촬영수단 시야 외로 벗어나는 경우가 대부분이며, 반사타겟 위치를 설계치로부터 산출하더라도, 시준시야 내에 반사타겟이 없고, 시야 외로 반사타겟의 탐색을 행하기 때문에 계측시간이 걸린다.
종래의 3차원 좌표 측정방법의 성능이 이와 같기 때문에, 이 방법을 조립공정, 예컨대 조선(造船)조립공정에 직접 이용하는 것은 곤란하다.
최근의 조선방법은, 블록공법이 주류이다. 도17에 도시된 바와 같이, 이 조선방법에서는, 우선 강판에 대해 절단·가열굴곡 등의 가공을 실시한다(가공공정). 또한, 가공된 강판을 용접조립하여 중소(中小)블록을 제조한다(소조립·중조립·선(先)조립 혹은 중소블록 제조공정이라 한다). 중소블록은 또한 조합되며, 용접되어 대(大)블록(입체블록이라고도 한다)이 된다(대조립, 혹은 대블록 제조공정이라 한다). 대블록은, 도크(dock) 내에서 조합되며(도크 내 조립공정이라 한다), 최종적인 선체가 된다.
상기의 조선방법에 있어서, 중소블록, 혹은 대블록의 조립 정밀도가 나쁘면, 다음 공정에서 수정할 필요가 있다. 여기에서 말하는 수정이라 함은, 조합하려는 블록 사이의 형상이 맞지 않을 때에, 어느 한쪽 또는 양쪽의 블록에서 용접된 강판 혹은 부재를 가스절단 등으로 일부 떼어내어, 양쪽의 블록 사이의 형상이 제대로 맞도록 수정한 후에, 강판 혹은 부재의 떼어낸 부분을 다시 붙이는 것을 말한다.
조선 프로세스에 있어서는, 강판이나 블록의 설치·용접작업이 큰 공수비율을 차지하기 때문에, 생산성의 향상에 있어서, 이들의 작업효율을 어떻게 올리는가가 가장 중요한 열쇠가 된다. 그런데, 블록의 형상 정밀도가 현재의 기술에서는 기껏해야 수십 mm 불과하기 때문에, 상기한 수정이 다수 발생하며, 이들이 작업효율 향상의 병목현상(bottle neck)이 되고 있다. 특히, 블록의 정밀도 불량은 공정을 거듭함에 따라 축적되기 때문에, 최종적인 도크 내 조립공정에서 수정이 발생하면, 수정작업이 그때까지의 공정에 비하여 수배 걸리며, 생산성에 심각한 영향을 주고 있었다. 이와 같이, 중소블록 제조공정 및 대블록 제조공정에서의 블록 형상의 정밀도 관리 수준의 향상이, 조선 프로세스에서 생산성 향상의 포인트이며, 블록의 형상 정밀도를 수십 mm에서 수 mm로 향상시킴으로써, 수정을 포함한 설치·용접공수가 전체로서 수십 % 절감될 수 있다라고 짐작되고 있다.
이에 대하여, 블록 형상 정밀도를 향상시키기 위해, 조립공정에서 형상을 측정하는 시도가 된 예는 있으나, 종래의 3차원 좌표 측정방법에서는 측정에 시간이 너무 걸려 과대한 측정부하가 발생하기 때문에, 시험의 영역을 벗어나지 못하고, 공법으로서는 성립하고 있지 않다.
본 발명은, 선박, 교량, 토목, 건축 등의 대형 구조물 및 이들의 구성부재 등의 3차원 좌표를 계측하기 위한 3차원 좌표 계측방법, 3차원 좌표 계측장치 및 이들을 이용한 대형 구조물의 건조방법에 관한 것이다.
도1은, 실시예1에 따른 대형 구조물의 3차원 좌표 계측장치의 개략 구성을설명하는 도면이다.
도2는, 도1의 3차원 좌표 계측장치의 기본구성을 도시한 블록도이다.
도3은, 매크로 자동시준용 TV카메라로 검출한 타겟점의 수평각도와 광파거리계로부터 타겟점까지의 수평각도의 관계를 나타낸 도면이다.
도4는, 매크로 시준용 TV카메라로 검출한 타겟점의 수평각도와 광파거리계로부터 타겟점까지의 수평각도의 오차범위를 설명하는 도면이다.
도5는, 실시예1에서의 3차원 좌표의 계측순서를 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도6은, 실시예1에서 마이크로 자동시준이 가능한 측량기를 이용한 때의 구성을 도시한 블록도이다.
도7은, 실시예2에 따른 대형 구조물의 3차원 좌표 계측장치의 개략구성을 설명하는 도면이다.
도8은, 도7의 3차원 좌표 계측장치의 기본 구성을 도시한 블록도이다.
도9는, 2대의 매크로 자동시준용 TV카메라로 인식한 타겟점의 위치와 광파거리계로부터 타겟점까지의 수평각도와의 관계를 나타낸 도면이다.
도10은, 2대의 매크로 자동시준용 TV카메라로 인식한 타겟점의 위치와 광파거리계로부터 타겟점까지의 연직각도와의 관계를 나타낸 도면이다.
도11은, 2대의 매크로 자동시준용 TV카메라로 인식한 타겟점의 위치와 광파거리계로부터 타겟점까지의 수평각도와의 관계를 나타낸 도면이다.
도12는, 실시예2에서의 3차원 좌표의 계측순서를 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도13은, 실시예2에서 마이크로 자동시준이 가능한 측량기를 이용한 때의 구성을 도시한 블록도이다.
도14는, 실시예3에 따른 대형 구조물의 건조방법의 개략공정을 도시한 도면이다.
도15는, 중소블록의 정밀도를 계측하여 조립 시뮬레이션(simulation)한 모습을 도시한 도면이다.
도16은, 대블록 제조공정에 있어서, 블록 위치·자세를 실시간(real time) 측정하면서 조립해 가는 모습을 도시한 도면이다.
도17은, 블록공법에 의한 조선방법의 전체 공정을 도시한 도면이다.
본 발명은 상기 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 그 제1의 목적은, 반사타겟 위치의 좌표 등을 알 수 없는 경우에도 인적 작업을 거의 필요로 하지 않고, 대형 구조물에 대하여도 그 3차원 좌표를 단시간에 높은 정밀도로, 또 실질적으로 자동 계측할 수 있는 3차원 좌표 계측방법 및 3차원 좌표 계측장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 부재에 설치된 복수의 반사타겟의 위치를 인적 작업을 거의 필요로 하지 않고, 단시간에 높은 정밀도로 자동 계측하며, 이 계측결과를 이용하여 높은 효율로 또는 높은 정밀도로 부재를 조립할 수 있는 대형 구조물의 건조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 제1 목적은, 측정대상물체 표면 위의 좌표를 측정할 타겟점까지의 직선거리를 측정하는 광파거리계와 상기 광파거리계의 광축의 경사각도를 측정하는 측각계(測角計)를 이용하여, 상기 광파거리계의 광축을 측정대상물체 표면 위의 타겟점에 맞춘 후의 측정거리와 측정각도로부터 상기 타겟점의 3차원 좌표를 계측하는 3차원 좌표 계측방법에 있어서, 상기 측정대상물체 표면 전체의 복수 타겟을 촬영수단으로 관찰하고, 얻어진 화상을 처리하여 상기 측정대상물체 표면 위의 복수의 타겟점을 인식하며, 그 개략적인 3차원 좌표를 연산하는 좌표인식스텝과, 상기 좌표인식스텝에 의해 인식된 타겟점 중 하나가 소정의 시야범위 내에 들어가도록 상기 광파거리계의 광축을 대략 맞추는 매크로 시준스텝과, 상기 매크로 시준스텝에 의해 대략 맞춰진 상기 광파거리계의 광축을 상기 소정의 시야범위 내에서 상기 타겟점 중 하나에 일치하도록 맞추는 마이크로 시준스텝을 구비하는 것을 특징으로하는 3차원 좌표 계측방법에 의하여 달성된다.
또한, 본 발명은, 측정대상물체 표면 위의 좌표를 측정할 타겟점까지의 직선거리를 측정하는 광파거리계와, 상기 광파거리계를 탑재하고, 다른 2축을 중심으로 회동(回動)함으로써 상기 광파거리계의 광축을 가변하는 광축 구동기구와, 상기 광파거리계의 광축 각도를 측정하는 광축 각도측정계와, 상기 광파거리계의 광축을, 상기 광축 구동기구를 이용하여, 상기 측정대상물체 표면 위의 하나의 타겟점에 대하여, 소정 시야 내에서 타겟점에 맞추는 마이크로 자동시준기구와, 상기 측정대상물체 표면 전체의 복수의 타겟을 관찰하는 촬영기와, 상기 촬영기에 의해 얻어진 화상을 처리하여 상기 측정대상물체 표면 위의 복수의 타겟점을 인식하고, 그 개략적인 3차원 좌표를 연산하는 매크로 위치인식섹션과, 상기 매크로 위치인식섹션에 의해 인식된 타겟점의 1점이 상기 마이크로 자동시준기구의 상기 소정 시야 내에 들어가도록, 상기 광파거리계의 광축을 대략 맞추는 매크로 자동시준기구와, 상기 매크로 자동시준기구에 의해 상기 측정대상물체 위의 어느 하나의 타겟에 대하여, 상기 소정 시야 내에 대략 맞춰진 상기 광파거리계의 광축을, 상기 마이크로 자동시준기구에 의해 상기 타겟점에 맞추는 시준제어섹션과, 상기 시준제어섹션에서 맞춰진 상기 타겟점에 대하여, 상기 광파거리계 및 상기 광축 각도측정계의 측정결과에 기초하여 상기 타겟점의 3차원 좌표를 연산하는 좌표연산섹션을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치에 의해 실현된다.
본 발명의 다른 목적은, 1종류 이상의 제1 부재를 복수 조립하여 제2 부재를 제조하고, 또한 1종류 이상의 상기 제2 부재를 복수 조립하여 제3 부재를 제조하며, 이하 동일하게 1종류 이상의 제n 부재를 복수 조립하여 제(n+1) 부재를 제조하고, 중간적 또는 최종적인 구조물을 제조하는 대형 구조물의 건조방법에 있어서, 상기 제n 부재 위의 복수의 좌표를 측정할 타겟점에 대응하는 각 3차원 좌표를 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보에 기초하여 연산함으로써, 상기 제n 부재 각각의 실제 형상을 자동계측하는 계측스텝과, 상기 계측스텝에서 계측된 실제 형상에 기초하여, 제(n+1) 부재의 조립정밀도를 평가하고, 상기 제(n+1) 부재의 조립에 사용 가능한 제n 부재만을 상기 제(n+1) 부재의 조립에 사용하도록 지시하는 평가스텝을 구비하고, 또한, 상기 계측스텝이, 상기 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보를 취득하기 위하여, 제n 부재 위에 복수 설치된 타겟점을 구비한 타겟을 촬영수단으로 관찰하고, 얻어진 화상을 처리하여 상기 제n 부재 위의 복수의 타겟점에 대한 개략적인 3차원 좌표를 인식하는 좌표인식스텝과, 상기 좌표인식스텝에 의해 인식된 어느 타겟점이 소정의 시야범위 내에 들어가도록, 상기 개략적인 3차원 좌표에 기초하여 상기 광파거리계의 광축을 대략 맞추는 매크로 시준스텝과, 상기 매크로 시준스텝에 의해 대략 맞춰진 상기 광파거리계의 광축을, 상기 어느 타겟점에 일치하도록 맞추는 마이크로 시준스텝과, 상기 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보를 상기 모든 타겟점에 대하여 취득하기까지 상기 매크로 시준스텝 및 상기 마이크로 시준스텝을 반복하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 건조방법에 의해 달성된다.
본 발명의 특징은, 측정대상물을 광범위하게 촬영함으로써, 복수의 타겟의 각 개략좌표를 한번에 연산하고, 이 개략좌표를 이용하여 매크로 자동시준을 각 타겟점에 대하여 차례로 실행한다는 점에 있다. 또, 본 명세서에서 말하는 매크로 자동시준이라 함은, 마이크로 자동시준수단에 의한 마이크로 자동시준의 실행 가능한 위치까지, 광파거리계의 광축을 타겟점으로 접근시키는 것을 말한다.
더욱 상세하게는, 본 발명에 의하면, 측정대상물체 표면 위의 복수의 타겟을 1방향 또는 적어도 2방향에서 촬영하고, 촬영하여 얻어진 화상을 처리함으로써, 측정대상물체 표면 위의 복수의 타겟을 인식하며, 그 매크로 좌표를 연산할 수 있다. 그리고, 이 인식결과에 기초하여, 광파거리계의 광축을 각 타겟 중 1개 내지 복수개를 향해, 마이크로 자동시준의 시야범위 내에 대략 맞추는 매크로 자동시준을 행하고, 계속하여 광파거리계의 광축을 타겟의 중심(타겟점)에 맞추는 마이크로 자동시준을 행하도록 하는 것이므로, 타겟점의 위치를 모르는 경우에도, 인적 작업을 거의 요하지 않고 자동시준을 행할 수 있다. 따라서, 측정대상물체에 설치된 복수의 타겟점의 위치의 좌표 및 측정대상물체의 전체 형상을 고속으로 거의 무인(無人)으로 계측하는 것이 가능하게 되고, 대형 구조물에 대해서도 그 3차원 좌표를 단시간에 높은 정밀도로, 그리고 실질적으로 자동 계측하는 것이 가능하게 된다.
여기서, 본 발명의 바람직한 실시예로는 다음과 같은 것을 들 수 있다.
(1) 좌표인식스텝에 의해 인식된 각 타겟점 전체의 3차원 좌표를 자동계측하기까지 매크로 시준스텝과 마이크로 시준스텝이 반복된다.
(2) 촬영수단은, 그 광축이 광파거리계의 광축과 불일치한 것을 적어도 포함하는, 1개 이상의 촬영장치로 이루어진다.
(3) 촬영수단은, 측정대상물체 표면 전체의 복수 타겟을 적어도 2방향에서 관찰한다.
(4) 좌표인식스텝은, 2개 이상의 촬영장치에 의해 얻어진 2개 이상의 화상을 이용하여, 삼각측량방법에 기초해서 측정대상물체 표면 위의 복수의 타겟점을 인식하고, 그 개략적인 3차원 좌표를 연산한다.
(5) 좌표인식스텝은, 삼각측량방법에 의해 스테레오 입체시(立體視)를 이용한다.
실시예1
도1은, 본 실시예1에 따른 대형 구조물의 3차원 좌표 계측장치의 개략구성을 설명하는 도면이며, 도2는 도1의 3차원 좌표 계측장치의 기본구성을 도시한 블록도이다.
도1에 있어서, 1은 거리·각도측정계, 2는 광축구동수단으로서의 수평회전 구동모터, 3은 광축 구동수단으로서의 연직회전 구동모터, 4는 후술하는 광파거리계와 동일 축 위에 설치된 마이크로 자동시준용 TV카메라, 5는 측정대상물체(7) 전체를 시야로 하는 촬영수단으로서의 매크로 위치인식용 TV카메라, 6은 마이크로 자동시준수단, 매크로 위치인식수단, 마이크로 자동시준수단, 시준제어수단, 및 3차원 좌표 측정수단으로서의 화상처리·제어용 퍼스널 컴퓨터, 7은 측정대상물체, 8은 측정대상물체(7) 표면 위의 타겟점에 설치된 타겟, 14는 3차원 좌표 계측장치이다.
도2에 도시된 바와 같이, 거리·각도측정계(1)는, 측정대상물체(7) 표면 위에 설치된 타겟점(8a)까지의 직선거리를 계측 가능한 광파거리계(1a)와, 광파거리계(1a)의 광축의 수평각도와 연직각도를 측정하는 측각계(1b)로 구성되어 있다. 광파거리계(1a)의 광축은, 수평회전 구동모터(2)와 연직회전 구동모터(3)에 의해, 수평과 연직의 2축의 임의의 방향으로 변위 가능하며, 화상처리·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)로부터의 각도 설정에 의해 구동된다. 측정대상물체(7) 표면 위의 측정점에 설치된 타겟(8)은, 반사프리즘 또는 반사시트이며, 3차원 좌표 계측장치(14)에 설치된 조명광원(미도시)으로부터 발사된 광파를 계측장치에 반사한다.
또, 반사프리즘이나 반사시트는, 직경 25- 100mm(Φ50mm 정도가 많다)이지만, 본 명세서에서 타겟점(8a)은 반사프리즘이나 반사시트의 중심점(0.5- 1.0mm 정도)을 나타낸다. 또한, 반사프리즘이나 반사시트를 타겟(8)이라 한다.
마이크로 자동시준용 TV카메라(4)는, 시야 내에 1개의 타겟점(8a)이 들어가도록, 예컨대 1.5°의 시야각을 가지며, 포착된 타겟점(8a)의 화상신호를 화상처리·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)에 출력한다. 화상처리·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)에서는, 타겟점(8a)의 중심위치를 화상처리에 의해 산출하고, 광파거리계(1a)와 동일 축의 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야중심과 타겟(8)의 중심과의 어긋남이 없도록, 모터(2, 3)를 구동할 양을 산출한다. 그리고, 이 산출치를 모터(2, 3)에 설정하여, 타겟(8)의 중심이 광파거리계(1a)의 광축과 일치하도록 맞추는 마이크로 자동시준을 실행한다.
매크로 위치인식용 TV카메라(5)는, 측정대상물체(7) 표면 전체의 복수의 타겟(8)을 관찰할 수 있도록 시야각이 설정되며, 1대의 TV카메라(5)에서 포착된 화상을 화상처리·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)에 출력한다.
화상처리·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)는, 입력된 화상에 기초하여 화상처리를 행하고, 매크로 위치인식용 TV카메라(5)로 포착된 화상에서 타겟점(8a)의 위치를 산출하며, 매크로 위치인식을 한다. 측정대상물체(7) 전체를 시야로 하는 매크로 위치인식용 TV카메라(5)와 광파거리계(1a)의 광축과의 상대위치는, 제작시에 이미 구해 놓으므로써, 매크로 위치인식용 TV카메라(5)에서 검출된 타겟점(8a)의 위치를기초로, 광파거리계(1a)로부터의 수평각과 연직각을 산출할 수 있다. 또한, 화상처리·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)에서는, 각 타겟점(8a)에 대하여 산출된 수평각과 수직각을 구동모터(2, 3)로 설정하고, 광파거리계(1a)를 타겟점(8a)의 방향을 향하여, 마이크로 시준용 TV카메라(4)의 시야 내에 1개의 타겟점(8a)을 넣을 수 있다.
마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야에 1개의 타겟점(8a)을 넣은 후, 마이크로 자동시준에 의해 타겟(8)의 중심과 광파거리계(1a)의 광축을 맞추어 일치시킨 다음, 광파거리계(1a)에서 타겟점(8a)까지의 직선거리를, 측각계(1b)로 광파거리계(1a)의 수평각도와 연직각도를 측정하고, 타겟점(8a)의 3차원 위치를 자동적으로 계측한다.
측정대상물체(7) 전체를 시야로 하는 매크로 위치인식용 TV카메라(5)에서 인식한 타겟(8)의 위치를 기초로, 광파거리계(1a)로부터 타겟점(8a)까지의 수평각도와 연직각도를 산출하는 방법을, 도3을 이용하여 설명한다. 여기서, TV카메라(5)의 광축은, 연직방향으로는 광파거리계(1a)의 회전축 중심에 대하여 같은 높이에서 수평으로 설치되며, 수평방향으로는 광파거리계(1a)의 회전축 중심에 대하여 거리 d 만큼 떨어진 위치에, 수평회전 기준축과 평행하게 설치된다. 또한, TV카메라(5)는 회전구동모터로 각도를 바꾸지 않고 고정 설치된다.
광파거리계(1a)로부터 타겟점(8a)으로의 연직각도는, 연직 높이가 같기 때문에 TV카메라(5)의 시야에 있어 타겟점(8a)의 수직각도 그대로 좋으며, 수평각도만을 TV카메라(5)에서 검출한 후에 변환하는 처리가 필요하게 된다.
도3에 도시된 바와 같이, 타겟점(8a)이, 광파거리계(1a)로부터 거리 L, 수평방향으로 w의 위치에 있는 경우는, 광파거리계(1a)로부터의 수평각도 α, TV카메라(5)의 시야 내에서의 수평각도 β는, 수학식1과 2로 표현된다.
tan(α) = w / L
tan(β) = (w - d) / L
따라서, 수학식 1, 2로부터, α는 수학식 3으로 표현된다.
α= tan-1[tan(β) + d / L]
그러나, 수학식 3에서 L은 TV카메라(5)에서 계측할 수 없는 값으로, 미지수이기 때문에, 본 실시예에서는 α를 결정하기 위해, 도4에 도시된 바와 같이, 측정대상물체(7)와 광파거리계(1a)에 가장 가까운 타겟점(8a)까지의 거리 L1, 가장 먼 타겟점(8a)까지의 거리 L2의 중간치 L0를 수학식 3에 대입하여, 수학식 4로부터 α를 산출하였다.
타겟점(8a)까지의 실제 거리는 측정대상물체(7)와의 최소거리 L1에서 최대거리 L2까지 변화하므로, 도4에 도시된 바와 같이, 실질적으로 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야범위와 거의 같은 정도의 각도오차(13)가 생기고, 타겟점(8a)의 중간치 L0로 산출한 각도와의 오차 Δα는, 수학식 5, 6으로부터 구해진 수학식 7, 8이 된다.
α= tan-1[tan(β) + d / L0]
α1 = tan-1[tan(β) + d / L1]
α2 = tan-1[tan(β) + d / L2]
tan(α) - tan(α2) = tan(α2 + Δα2) - tan(α2) = d(1 / L0 - 1 / L2)
tan(α1) - tan(α) = tan(α1) - tan( α1+ Δα1) = d(1 / L1 - 1 / L0)
측정대상물체(7)의 크기로부터, L1 = 10m, L2 = 30m일 때, 광파거리계(1a)와 매크로 위치인식용 TV카메라(5)와의 간격 d를 150mm로 하면, α, α1, α2가 어떠한 각도를 이룬 경우의 오차의 최대치가 Δα1 = 0.43°, Δα2 = 0.15°가 되며, 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야각이, 예컨대 1.5°이하인 때, 그 범위 내로 오차를 둘 수 있어, 마이크로 자동시준이 가능하게 된다.
본 실시예와 같이, L1, L2, d를 선택함으로써, 매크로 위치인식용 TV카메라(5)에서 검출된 타겟점(8a)의 수평각도로부터, 광파거리계(1a)에서 타겟점(8a)으로의 수평각도를 결정할 수 있으며, 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야 내에 타겟점(8a)을 넣을 수 있고, 타겟점(8a)의 중심과 광파거리계(1a)의광축을 일치시키는 것이 가능하다.
도5는, 본 실시예에서의 3차원 좌표의 계측순서를 설명하기 위한 플로우챠트이다. 우선, 매크로 위치인식용 TV카메라(5)의 시야에, 측정대상물체(7) 표면에 설치된 모든 타겟점(8a)이 들어가도록 3차원 좌표 계측장치를 설치한다.
계속하여, 매크로 위치인식용 TV카메라(5)에서 포착된 모든 타겟점(8a)에 대하여 TV카메라(5)의 화상으로부터 타겟점(8a)의 수평각도와 수직각도를 산출한 후, 광파거리계(1a)에서의 수평각도와 연직각도로 변환하는 매크로 위치인식을 행한다. 그리고, 매크로 위치인식된 복수의 타겟점(8a)은, 예컨대 매크로 위치인식용 TV카메라(5)에서 포착된 화상의 좌상(左上)에서 우하(右下)의 순서로, 화상처리 ·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)로부터 차례로, 수평각도와 연직각도를 구동모터(2, 3)에 설정하고, 모터를 구동시켜, 광파거리계(1a)를 타겟(8)의 방향을 향해, 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야 내에 타겟점(8a)이 들어가도록 매크로 자동시준을 한다. 그리고, 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야 내에 있는 타겟(8)에 대하여, 광파거리계(1a)의 광축과 타겟(8)의 중심을 맞춘다.
광파거리계(1a)의 광축과 타겟(8)의 중심이 일치한 후, 광파거리계(1a)로 타겟점(8a)까지의 직선거리와, 측각계(1b)로 광파거리계(1a)의 광축의 수평각도와 연직각도를 측정하고, 타겟점(8a)의 3차원 좌표를 연산하여 구한다. 1개의 타겟점(8a)에 대하여 계측이 완료된 후, 다음 타겟점(8a)에 대하여 같은 작업을 행하고, 모든 타겟점(8a)의 계측을 행하여 전체 형상을 계측한다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 측정대상물체(7) 표면 전체의 복수의타겟점(8a)을 매크로 위치인식용 TV카메라(5)에 의해 1방향에서 관찰함으로써, 타겟점(8a)의 매크로 위치를 인식하고, 수평회전 구동모터(2)와 연직회전 구동모터(3)를 구동시켜 광파거리계(1a)의 광축을 타겟점(8a)의 1점 내지 복수점을 향하게 하고, 마이크로 자동시준의 시야범위 내에 대략 맞추는 매크로 자동시준을 행할 수 있다.
그리고, 매크로 자동시준을 행할 수 있기 때문에, 인위적 작업을 거의 필요로 하지 않으며, 마이크로 자동시준으로 광파거리계(1a)의 광축을 타겟(8)의 중심에 맞출 수 있다. 이 상태에서 광파거리계(1a)와 측각계(1b)에 의해 타겟점(8a)까지의 거리와 수평각도와 연직각도를 측정하고, 타겟점(8a)의 3차원 좌표를 연산함으로써, 측정대상물체(7)에 설치된 복수의 타겟점(8a)의 좌표 및 측정대상물체(7)의 전체 형상을 실질적으로 고속이면서 무인으로 계측하는 것이 가능하다.
실시예2
도7은, 본 실시예2에 따른 대형 구조물의 3차원 좌표 계측장치의 개략구성을 설명하는 도면이며, 도8은 도7의 3차원 좌표 계측장치(21)의 기본구성을 도시하는 블록도이다. 또, 상기 도1 및 도2와 동일한 부분에는 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예2가 이미 설명한 실시예1과 다른 점은, 2대의 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)를 설치하는 데 있다. 즉, 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)를 사이에 두고 2대의 매크로 자동시준용 TV카메라(5a, 5b)가 설치되어 있다. 각 매크로 자동시준용 TV카메라(5a, 5b)는, 측정대상물체(7) 표면 전체의 복수의 타겟점(8a)을 관찰할 수 있도록 시야각이 설정되어 있으며, 각각의 TV카메라(5a, 5b)에서 포착된 화상을 화상처리 ·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)에 출력한다. 화상처리 ·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)는, 입력된 2개의 화상에 기초하여 화상처리를 행하고, 실시예1과 마찬가지로, 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)에서 포착된 화상에서 타겟점(8a)의 위치를 산출하며, 매크로 위치인식을 한다.
측정대상물체(7) 전체를 시야로 하는 2대의 TV카메라(5a, 5b)와 광파거리계(1a)의 광축과의 상대위치는, 제작시에 미리 구해 놓으므로써, 2대의 TV카메라(5a, 5b)에서 검출된 타겟점(8a)의 위치를 기초로, 광파거리계(1a)로부터의 수평각도와 연직각도를 산출할 수 있다.
마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야에 1개의 타겟점(8a)을 넣은 후, 마이크로 자동시준에 의해 타겟(8)의 중심과 광파거리계의 광축을 맞추어 일치시킨 후, 광파거리계(1a)로 타겟점(8a)까지의 직선거리를, 측각계(1b)로 광파거리계의 수평각도와 연직각도를 측정하고, 타겟점(8a)의 3차원 위치를 자동적으로 계측한다.
측정대상물체(7) 전체를 시야로 하는 2대의 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)에서 인식한 타겟(8)의 위치로부터 광파거리계(1a)에서 타겟점(8a)까지의 수평각도와 연직각도를 산출하는 방법을 도9, 도10으로 설명한다. 여기서, 도9는 수평면 내에 있어서 광파거리계(1a), 2대의 TV카메라(5a, 5b), 타겟점(8a)의 위치관계를 도시하고 있다. 도10은 연직방향에 있어서 광파거리계(1a), 2대의 TV카메라(5a, 5b), 타겟(8)(타겟점(8a))의 위치관계를 도시하고 있다. 2대의 TV카메라(5a, 5b)의광축은, 광파거리계(1a)의 광축에 대하여, 수평방향으로는 각각 d1, d2 만큼 떨어져 위치하고 있다. 또한, 연직방향으로는, h 만큼 떨어져 위치하고 있다. 또한, 2대의 TV카메라(5a, 5b)는, 회전구동모터(2, 3)로 각도를 바꾸지 않고, 고정 설치되어 있다. 2대의 TV카메라(5a, 5b)는, 스테레오 입체시에 기초하여, 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)로부터 타겟점(8a)까지의 위치를 계측하고, 타겟점(8a)까지의 거리 L을 산출한다.
거리 L이 산출됨으로써, 광파거리계(1a)로부터의 수평각도 α, 2대의 TV카메라(5a, 5b)로부터의 시야 내에서의 수평각도 β, γ의 관계는, 수학식 9, 10으로 표현된다.
L [tan(α) - tan(β)] = d1
L [tan(γ) - tan(α)] = d2
수학식 9, 10으로부터, α는 수학식 11로 표현된다.
α= tan-1{[d1 tan(α) + d2 tan(β)] / (d1 + d2)}
또한, 연직방향에서의 광파거리계(1a)로부터의 타겟각도 θ는, 수학식 12로 표현된다.
θ = tan-1[tan(Φ) + h / L]
구해진 수평각도 α와, 연직각도 θ를 화상처리 ·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)로부터 회전구동모터(2, 3)에 설정함으로써, 광파거리계(1a)를 타겟점(8a)의 방향을 향하게 하고, 1개의 타겟점(8a)을 마이크로 시준용 TV카메라(4)의 시야 내에 넣을 수 있다.
또한, 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)의 광축이, 연직방향으로는 광파거리계(1a)의 회전축 중심에 대하여 같은 높이에서 수평으로 설치되며, 수평방향으로는 광파거리계(1a)의 회전축 중심에 대하여 좌우로 거리d 만큼 떨어진 위치에 수평회전 기준축과 평행하게 설치되는 경우에 대하여, 도11에 기초하여 설명한다. 이때, 2대의 TV카메라(5a, 5b)는, 회전구동모터(2,3)로 각도를 바꾸지 않고, 고정 설치되어 있다.
광파거리계(1a)로부터 타겟점(8a)으로의 연직각도는, 연직 높이가 같기 때문에, 2대의 TV카메라(5a, 5b)의 촬영시야에 있어서 타겟점(8a)의 연직각도는 그대로 좋으며, 수평각도만을 2대의 TV카메라(5a, 5b)로부터 검출한 후 변환하는 처리가 필요하게 된다.
도11에 도시된 바와 같이, 타겟점(8a)이 광파거리계(1a)로부터 거리 L, 수평방향으로 w의 위치에 있는 경우, 광파거리계(1a)로부터의 수평각도 α, 2대의 TV카메라(5a, 5b)의 각각에서의 시야 내에서의 수평각도 β,γ는, 수학식 13, 14, 15로 표현된다.
tan(α) = w / L
tan(β) = (w - d) / L
tan(γ) = (w + d) / L
수학식 13, 14, 15로부터, α는 수학식 16으로 표현된다.
또한, 연직방향 θ는 수학식 17로 표현된다.
α= tan-1{[tan(α) + tan(β)] / 2}
θ = Φ
여기에서 구해진 수평각도 α와, 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)에서 검출한 타겟점(8a)의 연직각도 θ= Φ를, 화상처리 ·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)로부터 회전구동모터(2,3)에 설정함으로써, 광파거리계(1a)를 타겟점(8a)의 방향을 향하게 하고, 하나의 타겟점(8a)을 마이크로 시준용 TV카메라(4)의 시야 내에 넣을 수 있다.
이 경우는, 상기와 달리, 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)에서 계측되는 타겟점(8a)까지의 거리정보는 필요하지 않으며, 매크로 위치인식용 TV카메라(5a,5b)에서 타겟점(8a)의 방향으로의 각도로부터 결정된다.
또, 타겟점(8a)을 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야에 들어가게 하기 위해, 2대의 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)에서의 검출각도 분해능이, 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야각보다 높을 필요가 있다. 예컨대, 측정대상물체(7)의 크기가 30m이며, 10m의 거리에서 계측할 때에는, 매크로 시준용 TV카메라(5a, 5b)의 화소수가 가로 512 화소 x 세로 480 화소이면, 각도분해능이 0.14°이고, 마이크로 시준용 TV카메라(4)의 시야각이, 예컨대 1.5°인 경우에는, 충분히 작고, 검출성능에는 문제가 없다.
이와 같이, 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)를 2대 이상 사용함으로써, 측정대상물체(7)의 크기가 크거나, 각 타겟점(8a)이 설치되는 거리범위가 길어도, 마이크로 시준용 TV카메라(4)의 시야 내에 정밀도 좋고 확실하게 들어가게 하는 것이 가능하다.
여기에서는 매크로 위치인식을 하기 위한 TV카메라(5a, 5b)는 2대이며, 광파거리계(1a)의 광축의 회전축 중심과 같은 높이에 설치하였지만, 높이가 같게 설치할 수 없는 경우에는, 1대 더 수직방향으로, 광파거리계(1a)의 광축을 중심으로 하여 설치함으로써, 수직방향의 방위각도 결정할 수 있다.
도12는, 본 실시예에서의 3차원 좌표 계측수단을 설명하기 위한 플로우챠트이다. 우선, 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)의 시야 내에, 측정대상물체(7) 표면에 설치된 모든 타겟점(8a)이 들어가도록, 3차원 좌표 계측장치를 설치한다.
계속하여, 매크로 위치인식용 2대의 TV카메라(5a, 5b)에서 포착된 모든 타겟점(8a)에 대하여, TV카메라(5a, 5b) 각각의 화상으로부터 타겟점(8a)의 수평각도와 수직각도를 산출한 후, 광파거리계(1a)로부터의 수평각도와 연직각도로 변환하는 매크로 위치인식을 행한다. 그리고, 매크로 위치인식된 복수의 타겟점(8a)은, 예컨대 2대의 TV카메라(5a, 5b)의 좌상에서 우하의 순서로, 화상처리 ·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)로부터 차례로, 수평각도와 연직각도를 구동모터(2,3)에 설정하고, 구동모터(2,3)을 구동시켜, 광파거리계(1a)를 타겟점(8a)의 방향을 향하게 하고, 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야 내에 타겟점(8a)을 들어가도록 매크로 자동시준을 한다. 그리고, 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야 내에 있는 타겟점(8a)에 대하여, 광파거리계(1a)의 광축과 타겟(8)의 중심을 맞춘다.
광파거리계(1a)의 광축과 타겟(8)의 중심이 일치된 후, 광파거리계(1a)에서 타겟점(8a)까지의 직선거리와, 측각계(1b)로 광파거리계(1a)의 광축의 수평각도와 연직각도를 측정하고, 타겟점(8a)의 3차원 좌표를 연산하여 구한다. 1개의 타겟점(8a)에 대하여 계측이 완료된 후, 다음 타겟점(8a)에 대하여 같은 작업을 행하고, 전체 타겟점(8a)에 대하여 계측을 행하여 전체 형상을 계측한다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 측정대상물체(7) 표면 전체의 복수의 타겟점(8a)에 대해, 2대의 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)에 의해 2방향에서 관찰함으로써, 타겟점(8a)의 매크로 위치를 인식하고, 수평회전 구동모터(2)와 연직회전 구동모터(3)를 구동시켜, 광파거리계(1a)의 광축을 타겟점(8a)의 1점 내지 복수점을 향해, 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)의 시야범위 내에 대략 맞추는 매크로 자동시준을 행할 수 있다.
따라서, 앞서의 실시예1과 마찬가지로, 인위적인 작업을 거의 필요로 하지 않고, 마이크로 자동시준용 TV카메라(4)로 광파거리계(1a)의 광축을 타겟(8)의 중심에 맞출 수 있으며, 이 상태에서 거리·각도측정계(1)에 의해 타겟점(8a)을 측정하여 그 3차원 좌표를 연산함으로써, 측정대상물체(7)에 설치된 복수의 타겟점(8a)의 좌표 및 측정대상물체(7)의 전체 형상을 실질적으로 고속이면서 무인으로 계측하는 것이 가능하게 된다.
또한, 매크로 위치인식용 TV카메라(5a, 5b)를 2대 이상 사용함으로써, 측정대상물체(7)의 크기가 크거나, 각 타겟점(8a)이 설치되는 거리범위가, 예컨대 10- 30m에 대하여 5- 50m로 넓어져도, 각 타겟점(8a)의 매크로 위치를, 정밀도 좋게 실질적으로 마이크로 시준용 TV카메라(4)의 시야 내에 들어가게 할 수 있다. 또한, 마이크로 시준의 정밀도를 올리기 위하여, 마이크로 시준용 TV카메라(4)의 시야를 좁게 한 경우에도, 문제없이 대응 가능한 것은 물론이다.
실시예3
도14는, 본 실시예3에 따른 대형 구조물의 건조방법의 개략공정을 도시한 도면이다.
이 대형 구조물의 건조방법은, 실시예1 또는 실시예2의 3차원 좌표 계측장치를 이용하며, 그 3차원 좌표 계측장치에 대하여는 설명을 생략한다. 또한, 본 실시예의 대형 구조물의 건조방법은, 도17에 도시한 블록공법에 의한 조선방법의 경우를 예로서 설명한다.
도14에 도시된 바와 같이, 이 조선방법에서는, 중소블록 제조공정에 있어서,3차원 좌표 계측장치에 의해 그 중소블록의 형상이나 치수 등을 고속이면서 높은 정밀도로 계측하고, 그 형상 데이타를 목표치 연산계산기(31)에 입력한다.
도15는, 중소블록의 형상을 계측하고 목표치 연산계산기에 입력·처리하는 모습을 도시한 도면이다.
대블록의 제조에 필요한 모든 중소블록의 형상 데이타가 입력되면, 목표치 연산계산기(31)는, 정밀도정보를 포함한 각 중소블록의 형상 데이타와, 대블록 제조공정에서 목표로 하는 CAD 형상정보에 기초하여, 각 중소블록을 어떠한 위치와 자세로 배치하면, 목표로 하는 대블록 형상에 가장 근접한 조립을 할 수 있는가를 계산한다. 이 결과로서, 대블록 조립에 있어서 각 중소블록 위의 위치결정 포인트의 위치결정 목표치가 출력된다. 또, 대블록 제조를 위해서, 정밀도 부족이라고 판단된 중소블록에 대하여는 목표치 연산계산기(31)에 의해 그 내용이 출력되며, 상기 중소블록은 수정되게 된다.
위치결정 포인트의 위치결정 목표치는, 위치결정 계산기(32)에 입력되며, 대블록 제조공정이 실행된다.
도16은, 대블록 제조공정에 있어서, 블록의 위치와 자세를 실시간 측정하면서 조립해가는 모습을 도시한 도면이다.
도14 내지 도16에 도시된 바와 같이, 중소블록 등의 위치결정 포인트에 마련된 복수의 타겟(8)이 실시간 측정되며, 각 블록의 위치와 자세가 타겟의 위치정보로서 자동적으로 단시간에 계측된다. 이 계측치는, 위치결정 계산기(32)에 입력되며, 각 위치결정 포인트의 위치결정 목표치와 비교되어 크레인 조작을 위한지시치(다음의 위치결정)가 출력된다. 이 크레인 지시출력에 기초하여, 다음의 크레인 조작이 실행되고, 중소블록의 위치와 자세가 변경된다.
이 위치·자세 변경에 수반하여, 다시 각 블록의 위치결정 포인트의 위치측정이 실시간으로 실행되어 앞서의 처리가 반복된다. 또, 각 위치결정 포인트의 위치가, 위치결정 목표치에 대하여 미리 설정된 어느 일정 오차범위 내에 든 경우에는, CAD 형상에 일치하고 있는 것으로 되며 조립은 종료한다. 즉, 본 실시예의 방법에서는, 블록 위치·자세를 실시간으로 자동계측하고, 그 블록의 위치·자세를 목표치와 비교하면서 수정해 감으로써, 각 블록이 가상적인 CAD형상에 맞춰진다.
또, 여기에서는 위치결정 계산기(32)는 크레인 조작의 지시출력 또는 크레인 조작을 위한 위치정보를 출력하고, 그 후의 작동 조작에 의해 크레인을 움직이는 경우를 상정하고 있다. 그러나, 본 발명은 이 경우에 한정되지 않는다. 예컨대, 위치결정 계산기(32)의 출력정보를 크레인 제어장치에 직접 입력하고, 계측치와 목표치가 자동적으로 일치하도록 제어를 실행하여도 좋다. 또한, 본 실시예에서는, 컴퓨터(6)와, 계산기(31)와, 위치결정 계산기(32)가 별개의 계산기로 되는 경우를 설명하였지만, 이들 계산기가 갖는 기능은, 1 또는 2 이상의 계산기에 의해 적절하게 구성하여도 좋다.
이상에서, 본 실시예에서는, 부재에 설치된 복수의 반사타겟의 위치를 단시간에 높은 정밀도로 자동계측하고, 그 계측 결과를 이용하여 높은 효율로, 그리고 높은 정밀도로 부재를 조립할 수 있다.
또, 본 실시예에서는, 블록 위치·자세를 위치결정 포인트(타겟 설치점)의위치로서 실시간으로 자동 계측하고, 그 위치를 위치결정 목표치와 비교하면서 맞춰 감으로써, 형상을 제어하고, 블록제작을 해가는 것(형상 피드백이라 한다)을, 대블록 제조공정에 대하여 적용하고 있다. 이에 따라, 대블록의 제조시간을 대폭 단축할 수 있다. 이 형상 피드백은, 중소블록 제조공정이나 도크 내 조립공정에도 적용 가능하다.
또한, 블록의 형상을 높은 정밀도로 계측하여 두면, 다음 공정에서의 수정을 감소시키고, 조선공정 전체의 효율화에 공헌한다. 이것은 중소블록 제조공정- 대블록 제조공정 사이 뿐만 아니라, 여러 종류의 공정 사이에서 적용할 수 있다.
또, 본 실시예에서는, 상기 기술을 조선방법에 적용하는 경우를 설명하였지만, 본 발명은 토목, 건축 등의 여러 대형 구조물의 건조방법에 적용할 수 있다. 선박의 경우는, 측정대상물체(7)가 블록이었지만, 건조방법의 적용대상에 따라 블록은 부재나 부품 등으로 적절히 변경된다.
본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니다. 상기 각 실시예에서는, 마이크로 자동시준을 위하여, 광파거리계(1a)의 광축과 동일한 축에 매크로 위치인식용 TV카메라(5, 5a, 5b)를 설치하고, 매크로 위치인식용 TV카메라(5, 5a, 5b)에서 포착된 화상으로부터 화상처리를 하여 각 타겟(8)의 중심위치를 검출하도록 하였지만, 각 타겟(8)의 중심위치를 검출이 가능한 2차원 위치 검출장치인 PSD를 사용하여, 각 타겟(8)의 중심위치를 검출하도록 하여도 좋다.
또, 매크로 위치인식용 TV카메라(5, 5a, 5b)의 시야범위가 측정대상물체(7) 전체에 대하여 좁고, 측정대상물체(7)를 한번에 볼 수 없는 경우에는, 매크로 위치인식용 TV카메라(5, 5a, 5b)를, 광축 구동수단(2,3)에 탑재하여, 광축 구동수단(2,3)의 회전에 의해 시야범위를 이동시켜, 매크로 위치인식용 TV카메라(5, 5a, 5b)의 수평방향, 혹은 연직방향의 시야를 넓게 함으로써, 측정대상물체(7) 표면 전체의 각 타겟점(8a)의 계측이 가능하게 된다.
또한, 상기 각 실시예에서는, 화상처리 ·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)로, 광파거리계(1a)와 동일 축에 설치된 매크로 위치인식용 TV카메라(5, 5a, 5b)의 화상신호의 화상처리와 모터구동을 행하였지만, 도6 및 도13에 도시된 바와 같이, 화상처리부를 구비한 자동시준이 가능한 측량기(total station)(10)를 이용하고, 화상처리 ·제어용 퍼스널 컴퓨터(6)로부터, 측량기(10)에 실장된 제어용 CPU(12)에 명령(command) 등으로 지령을 함으로써, 마이크로 자동시준과 구동모터의 제어를 실현하도록 하여도 좋다.

Claims (24)

  1. 측정대상물체 표면 위의 좌표를 측정할 타겟점까지의 직선거리를 측정하는 광파거리계와 상기 광파거리계의 광축의 경사각도를 측정하는 측각계를 이용하여, 상기 광파거리계의 광축을 측정대상물체 표면 위의 타겟점에 맞춘 후의 측정거리와 측정각도로부터 상기 타겟점의 3차원 좌표를 계측하는 3차원 좌표 계측방법에 있어서,
    상기 측정대상물체 표면 전체의 복수 타겟을 촬영수단으로 관찰하고, 얻어진 화상을 처리하여 상기 측정대상물체 표면 위의 복수의 타겟점을 인식하며, 그 개략적인 3차원 좌표를 연산하는 좌표인식스텝과,
    상기 좌표인식스텝에 의해 인식된 타겟점 중 하나가 소정의 시야범위 내에 들어가도록 상기 광파거리계의 광축을 대략 맞추는 매크로 시준스텝과,
    상기 매크로 시준스텝에 의해 대략 맞춰진 상기 광파거리계의 광축을 상기 소정의 시야범위 내에서 상기 타겟점 중 하나에 일치하도록 맞추는 마이크로 시준스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측방법.
  2. 제1항에 있어서,
    좌표인식스텝에 의해 인식된 각 타겟점 전체의 3차원 좌표를 자동계측하기까지 매크로 시준스텝과 마이크로 시준스텝을 반복하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측방법.
  3. 제1항에 있어서,
    촬영수단은, 그 광축이 광파거리계의 광축과 불일치한 것을 적어도 포함하는, 1 이상의 촬영장치로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측방법.
  4. 제3항에 있어서,
    촬영수단은, 측정대상물체 표면 전체의 복수 타겟을 적어도 2방향에서 관찰하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측방법.
  5. 제4항에 있어서,
    좌표인식스텝은, 2개 이상의 촬영장치에 의해 얻어진 2개 이상의 화상을 이용하여, 삼각측량방법에 기초해서, 측정대상물체 표면 위의 복수의 타겟점을 인식하고, 그 개략적인 3차원 좌표를 연산하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측방법.
  6. 제5항에 있어서,
    좌표인식스텝은, 삼각측량방법에 스테레오 입체시(立體視)를 이용하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측방법.
  7. 측정대상물체 표면 위의 좌표를 측정할 타겟까지의 직선거리를 측정하는 광파거리계와,
    상기 광파거리계의 광축 방향을 수평방향 및 연직방향으로 가변하는 광축 구동수단과,
    상기 광파거리계의 광축의 수평각도 및 연직각도를 측정하는 광축 각도측정수단과,
    상기 광파거리계의 광축을, 상기 광축 구동수단을 이용하여 상기 측정대상물체 표면 위의 1점의 타겟점 근방인 소정 시야 내에서 타겟점에 맞추는 마이크로 자동시준수단과,
    상기 측정대상물체 표면 전체의 복수의 타겟을 1방향에서 관찰하는 촬영수단과,
    상기 촬영수단에 의해 얻어진 화상을 처리하여 상기 측정대상물체 표면 위의 복수의 타겟점을 인식하고, 그 개략적인 3차원 좌표를 연산하는 매크로 위치인식수단과,
    상기 매크로 위치인식수단에 의해 인식된 타겟점의 1점이 상기 마이크로 자동시준수단의 상기 소정 시야 내에 들어가도록, 상기 광파거리계의 광축을 대략 맞추는 매크로 자동시준수단을 구비하고,
    상기 매크로 자동시준수단에 의해 상기 측정대상물체 위의 어느 1점의 타겟점의 근방에 상기 광파거리계의 광축을 대략 맞추고, 계속하여 상기 마이크로 자동시준수단을 이용하여 상기 광파거리계의 광축을 상기 타겟점에 맞추며, 그 후 상기 광파거리계 및 상기 광축 각도측정수단의 측정결과에 기초하여 상기 타겟점의 3차원 좌표를 연산하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측방법.
  8. 측정대상물체 표면 위의 좌표를 측정할 타겟점까지의 직선거리를 측정하는 광파거리계와,
    상기 광파거리계를 탑재하고, 다른 2축을 중심으로 회동함으로써 상기 광파거리계의 광축을 가변하는 광축 구동기구와,
    상기 광파거리계의 광축 각도를 측정하는 광축 각도측정계와,
    상기 광파거리계의 광축을, 상기 광축 구동기구를 이용하여, 상기 측정대상물체 표면 위의 하나의 타겟점에 대하여, 소정 시야 내에서 타겟점에 맞추는 마이크로 자동시준기구와,
    상기 측정대상물체 표면 전체의 복수의 타겟을 관찰하는 촬영기와,
    상기 촬영기에 의해 얻어진 화상을 처리하여 상기 측정대상물체 표면 위의 복수의 타겟점을 인식하고, 그 개략적인 3차원 좌표를 연산하는 매크로 위치인식수단과,
    상기 매크로 위치인식수단에 의해 인식된 타겟점의 1점이 상기 마이크로 자동시준기구의 상기 소정 시야 내에 들어가도록, 상기 광파거리계의 광축을 대략 맞추는 매크로 자동시준기구와,
    상기 매크로 자동시준기구에 의해 상기 측정대상물체 위의 어느 하나의 타겟점에 대하여, 상기 소정 시야 내에 대략 맞춰진 상기 광파거리계의 광축을, 상기 마이크로 자동시준기구에 의해 상기 타겟점에 맞추는 시준제어수단과,
    상기 시준제어수단으로 맞춰진 상기 타겟점에 대하여, 상기 광파거리계 및 상기 광축 각도측정계의 측정결과에 기초하여 상기 타겟점의 3차원 좌표를 연산하는 좌표연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  9. 제8항에 있어서,
    매크로 위치인식수단에 의해 인식된 각 타겟점 전체의 3차원 좌표를 자동계측하기까지, 상기 매크로 자동시준기구- 상기시준제어수단에 의한 처리를 반복한 후, 상기 좌표연산수단에 의해 처리를 행하거나 또는 상기 매크로 자동시준기구- 상기 시준제어수단- 상기 좌표연산수단에 의한 처리를 반복하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  10. 제8항에 있어서,
    촬영기는, 그 광축이 광파거리계의 광축과 불일치한 것을 적어도 포함한, 1개 이상의 촬영카메라로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 촬영기는, 측정대상물체 표면 전체의 복수의 타겟을 적어도 2방향에서 관찰하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 매크로 위치인식수단은, 스테레오 입체시의 방법에 기초하여 복수의 타겟점을 인식하고, 그 개략적인 3차원 좌표를 연산하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  13. 제8항에 있어서,
    매크로 자동시준기구는, 타겟점의 대략적인 3차원 좌표와, 측정대상물체 표면의 타겟을 관찰하는 찰영기의 광축과 광파거리계의 광축과의 위치관계로부터, 상기 타겟의 개략적인 방향을 상기 광파거리계로부터의 방향으로 변환하여, 상기 광파거리계의 광축을 상기 타겟점의 방향으로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  14. 제8항에 있어서,
    촬영기는, 광축 구동기구에 있어 2축 중 수평 회동부분에 탑재되며, 광파거리계와 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  15. 제14항에 있어서,
    촬영기는, 수직방향의 소정 높이에 고정되며, 측정대상물체 표면 전체의 복수의 타겟이 1방향에서 관찰되는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  16. 제11항에 있어서,
    촬영기는, 광축 구동기구에 있어 2축 중 수평 회동부분에 탑재되며, 광파거리계와 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  17. 제16항에 있어서,
    촬영기는, 수직방향의 동일 높이에서, 수평 회동축으로부터의 수평방향 거리가 같은 위치에 고정된 적어도 1쌍의 촬영기에 의해 측정대상물체 표면 전체의 복수의 타겟이 2방향에서 관찰되는 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  18. 측정대상물체 표면 위의 복수의 좌표를 측정할 타겟점에 대응하는 각 3차원 좌표를, 상기 각 타겟점에 대한 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보에 기초하여 연산하는 3차원 좌표 계측장치에 있어서,
    상기 측정대상물체 위에 복수 설치된 상기 타겟점을 갖는 타겟을 관찰하는 촬영기와,
    상기 촬영기로 얻어진 화상을 처리하여 상기 측정대상물체 위의 복수의 타겟점을 인식하고, 개략적인 3차원 좌표를 연산하는 매크로 위치인식수단과,
    상기 매크로 위치인식수단에 의해 인식된 어느 타겟점이 소정의 시야범위 내에 들어가도록, 상기 개략적인 3차원 좌표에 기초하여 상기 광파거리계의 광축을 대략 맞추는 매크로 자동시준기구와,
    상기 매크로 자동시준기구에 의해 대략 맞춰진 상기 광파거리계의 광축을, 소정의 시야범위 내에서 상기 어느 타겟점에 일치하도록 맞추는 마이크로 자동시준기구와,
    상기 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보를 상기 모든 타겟점에 대하여 취득하기까지, 상기 매크로 자동시준기구 및 마이크로 자동시준기구의 처리를 반복시키는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 좌표 계측장치.
  19. 1종류 이상의 제1 부재를 복수 조립하여 제2 부재를 제조하고, 또한 1종류 이상의 상기 제2 부재를 복수 조립하여 제3 부재를 제조하며, 이하 동일하게 1종류 이상의 제n 부재를 복수 조립하여 제(n+1) 부재를 제조하고, 중간적 또는 최종적인 구조물을 제조하는 대형 구조물의 건조방법에 있어서,
    상기 제n 부재 위의 복수의 좌표를 측정할 타겟점에 대응하는 각 3차원 좌표를 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보에 기초하여 연산함으로써, 상기 제n 부재 각각의 실제 형상을 자동계측하는 계측스텝과,
    상기 계측스텝에서 계측된 실제 형상에 기초하여, 제(n+1) 부재의 조립정밀도를 평가하고, 상기 제(n+1) 부재의 조립에 사용 가능한 제n 부재만을 상기 제(n+1) 부재의 조립에 사용하도록 지시하는 평가스텝을 구비하고,
    또한, 상기 계측스텝이, 상기 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보를 취득하기 위하여,
    제n 부재 위에 복수 설치된 타겟점을 구비한 타겟을 촬영수단으로 관찰하고, 얻어진 화상을 처리하여 상기 제n 부재 위의 복수의 타겟점에 대한 개략적인 3차원 좌표를 인식하는 좌표인식스텝과,
    상기 좌표인식스텝에 의해 인식된 어느 타겟점이 소정의 시야범위 내에 들어가도록, 상기 개략적인 3차원 좌표에 기초하여 상기 광파거리계의 광축을 대략 맞추는 매크로 시준스텝과,
    상기 매크로 시준스텝에 의해 대략 맞춰진 상기 광파거리계의 광축을, 상기 어느 타겟점에 일치하도록 맞추는 마이크로 시준스텝과,
    상기 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보를 상기 모든 타겟점에 대하여 취득하기까지 상기 매크로 시준스텝 및 상기 마이크로 시준스텝을 반복하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 건조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 촬영수단은, 그 광축이 광파거리계의 광축과 불일치한 것을 적어도 포함하는, 1개 이상의 촬영카메라로 이루어진 대형 구조물의 건조방법.
  21. 제19항에 있어서,
    대형 구조물이 선박, 교량, 토목, 건축물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 건조방법.
  22. 1종류 이상의 부재를 복수 조립하여 중간적 또는 최종적인 구조물을 제조하는 대형 구조물의 건조방법에 있어서,
    상기 건조물을 조립할 때의 각 부재의 위치결정 목표치를 부여하는 목표결정스텝과,
    상기 구조물의 조립시에, 상기 부재 위의 복수의 타겟점에 대응하는 각 3차원 좌표를 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보에 기초하여 연산함으로써, 상기 부재의 타겟점을 자동계측하는 계측스텝과.
    상기 타겟점의 3차원 좌표와 상기 위치결정 목표치와의 비교 결과에 기초하여, 타겟점의 새로운 3차원 좌표가 위치결정 목표치에 일치하거나 또는 접근하도록, 그 부재의 위치를 수정하는 부재 수정스텝을 구비하고,
    또한, 상기 계측스텝이 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보를 취득하기 위하여,
    부재 위의 복수의 타겟점을 구비하는 타겟을 촬영수단으로 관찰하고, 얻어진 화상을 처리하여 상기 부재 위의 복수의 타겟점을 인식하고, 개략적인 3차원 좌표를 연산하는 좌표인식스텝과,
    상기 좌표인식스텝에 의해 인식된 어느 타겟점이 소정의 시준범위 내에 들어가도록, 상기 개략적인 3차원 좌표에 기초하여 상기 광파거리계의 광축을 대략 맞추는 매크로 시준스텝과,
    상기 매크로 시준스텝에 의해 대략 맞춰진 상기 광파거리계의 광축을, 상기 어느 타겟점에 일치하도록 맞추는 마이크로 시준스텝과,
    상기 광파거리계의 거리계측치 및 그 광축의 각도정보를 상기 모든 타겟점에 대하여 취득하기까지, 상기 매크로 시준스텝 및 상기 마이크로 시준스텝을 반복하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 건조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 촬영수단은, 그 광축이 광파거리계의 광축과 불일치한 것을 적어도 포함한, 1개 이상의 촬영카메라로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 건조방법.
  24. 제22항에 있어서,
    대형 구조물이 선박, 교량, 토목, 건축물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대형 구조물의 건조방법.
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