JP2642288B2

JP2642288B2 - シールド機の自動測量方法

Info

Publication number: JP2642288B2
Application number: JP4314048A
Authority: JP
Inventors: 竜郎佐藤; 学柴田; 亮水谷
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1992-10-29
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JPH06137069A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールドトンネル工事
において、掘進動作中のシールド機の位置を自動的に測
定する自動測量方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】昨今、シールド機を用いた地下トンネル
が盛んに構築されているが、このような地下トンネルを
構築する際には、掘進動作中のシールド機の位置を正確
に測量する必要がある。掘進動作中のシールド機の位置
を測定する方法としては、（１）掘進動作前に測定され
た位置を記憶しておき、この位置を基準としてシールド
機に搭載されたジャイロコンパス、傾斜計、ストローク
計の計測値により、相対移動量を演算する方法。（２）
光波測距測角儀を既設トンネル内に設置し、シールド機
に設置した光学ターゲットを測定して、光学ターゲット
の位置を絶対位置として定め、光学ターゲットのシール
ド機への取付位置関係およびシールド機に搭載されたジ
ャイロコンパス、傾斜計の計測値および光学ターゲット
の位置から、シールド機の位置を演算する方法。（３）
シールド機に搭載されたジャイロコンパス、傾斜計の代
わりに、レーザ光式姿勢角度検出器を用いる方法。
（４）前述した方法を併用する方法等がある。このよう
な方法によれば、トンネルの直線部と曲線部ともに計測
可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら（１）の
相対移動量を演算する方法では、基準となる掘進開始前
のシールド機の位置を適切な間隔で実測して補正しなけ
れば計測誤差が累積するという問題がある。（２）また
は（３）の光波測距測角儀、レーザ等を利用する方法で
は、トンネル曲線部の掘進において、光波またはレーザ
等の光路遮断が生じるため、測定器の盛り替え（測定器
の位置を替えること）を行わなければならず、この盛り
替え作業には高い精度が要求され、盛り替え作業自体が
簡単ではなく、長時間を要する。

【０００４】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、計測誤差の累積が
発生せず、盛り替え作業が簡単で短時間で終了し、しか
も盛り替え精度を要求せず、トンネルの直線部および曲
線部でシールド機の位置を自動的に測定できるシールド
機の自動測量方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために本発明は、（ａ）第１の基台に設置された第１の
２台の撮像手段からなる第１の検出器の位置を測定する
工程と、（ｂ）前記第１の２台の撮像手段により、シー
ルド機に設けられたターゲットを撮像し、撮像されたタ
ーゲットを画像処理して前記ターゲットの位置を求める
工程と、（ｃ）第２の基台に設置された第２の２台の撮
像手段からなる第２の検出器を、前記第１の検出器の第
１の２台の撮像手段で撮像して、前記第２の２台の撮像
手段の位置を測定する工程と、（ｄ）前記第２の２台の
撮像手段により前記ターゲットを撮像し、撮像されたタ
ーゲットを画像処理して前記ターゲットの位置を求める
工程と、を具備し、前記第１の検出器と前記第２の検出
器と入れ替えつつ（ｃ）、（ｄ）の工程を繰り返すこと
を特徴とし、前記（ｂ）および（ｄ）の工程は、２台の
撮像手段のうちいずれかがターゲットを撮像できなくな
った時、撮像可能な位置になるまで基台を回転させ、基
台の回転量より回転後の２台の撮像手段の位置を求め、
回転後の２台の撮像手段の位置を基準として前記シール
ド機に設けられたターゲットを撮像し、ターゲットの位
置を求める工程を含む進行中のシールド機の自動測量方
法である。

【０００６】

【作用】本発明では、回転可能な基台に設置された２台
の撮像手段からなる検出器の位置を測定し、２台の撮像
手段により、シールド機に設けられたターゲットを撮像
し、撮像されたターゲットを画像処理してターゲットの
位置を求める。盛り替えを行う場合、別の検出器を設置
し、元の検出器で別の検出器の位置を測定し、別の検出
器でターゲットの位置を測定する。元の検出器と別の検
出器を入れ替えつつターゲットの測定を行う。

【０００７】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は、本実施例で用いられる検出器１ａ
の斜視図であり、図２は検出器１ａの平面図である。こ
の検出器１ａは、固定軸２にモータ３、エンコーダ５が
取付けられる。固定軸２の下端には図示しない三脚ある
いはトンネル側壁への取付用治具が設けられる。モータ
３の回転軸７に基台９が固設される。モータ３は図示し
ない旋回コントローラにより制御され、基台９を回転さ
せる。エンコーダ５は基台９の旋回角を測定する。基台
９にＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂが固設される。図２に
示されるようにＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂのカメラ中
心軸は一定距離前方で交差されるようにＣＣＤカメラ１
１ａ、１１ｂが基台９に固設される。ＣＣＤカメラ１１
ａ、１１ｂはターゲット等を撮像するものであり、ＣＣ
Ｄカメラ１１ａ、１１ｂで撮像された画像は、図示しな
い画像処理装置に送られ画像処理され、図３に示すよう
なディスプレイ１３ａ、１３ｂで表示される。

【０００８】図３は、ＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂによ
り撮像されたターゲットのディスプレイ１３ａ、１３ｂ
上の位置を示すものである。すなわちＣＣＤカメラ１１
ａで撮像された画像は、ディスプレイ１３ａに表示さ
れ、ＣＣＤカメラ１１ｂで撮像された画像は、ディスプ
レイ１３ｂに表示される。

【０００９】次に２台のＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂに
よりターゲットの位置を測定する原理について説明す
る。図４から図９はこの測定原理の説明図である。ま
ず、ターゲットＰの位置座標（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）のう
ち、（ｘｐ，ｙｐ）を求める。

【００１０】図４、５、６、７は、ＣＣＤカメラ１１
ａ、１１ｂとターゲットＰを含む空間の平面図である。
図４においてＡ、ＢはＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂの位
置を示し、Ｐはターゲット、Ｃは一定距離前方での撮像
面（基準面）における画面中心点、ＥＮＤは一定距離前
方での撮像面（基準面）におけるディスプレイ１３ａの
画面端、Ｌは基準面のＡ点からの距離、Ｎ（ｄｏｔ）は
基準面におけるディスプレイ１３ａの画面中心点Ｃから
画面端ＥＮＤまでの画素数、ＤはＣ・ＥＮＤ間の実測距
離を示す。

【００１１】ここで、ターゲットＰがＡＰの線上にある
場合、画像で得られるターゲットＰの位置は、Ａ点から
の距離に関わらず画面中心点ＣからＫ１（ｄｏｔ）の位
置である。

【００１２】したがって、直線ＡＣと直線ＡＰのなす角
度θ１は、 θ１＝ｔａｎ^-1（Ｄ・Ｋ１／（Ｌ・Ｎ））同様に、直線ＢＣと直線ＢＰのなす角度θ２は、 θ２＝ｔａｎ^-1（Ｄ・Ｋ２／（Ｌ・Ｎ））となる。

【００１３】図５において、ベクトルＡＢの単位ベクト
ルｎ１を求めると、｜ＡＢ｜＝Ｒ＝｛（ｘｂ−ｘａ）²＋（ｙｂ−ｙａ）²｝^1/2 ベクトルｎ１＝（１／Ｒ）・（ｘｂ−ｘａ，ｙｂ−ｙａ）となる。

【００１４】ベクトルＡＥは単位ベクトルｎ１をα＋θ
１だけ時計回りに回転させ、Ｌ倍したものである。ベク
トルＡＥの単位ベクトルをベクトルｎ２（ｘ１，ｙ１）
とすると、ｘ１＝ｎ１（ｘ）・ｃｏｓ（α＋θ１）＋ｎ１（ｙ）・ｓｉｎ（α＋θ１）ｙ１＝−ｎ１（ｘ）・ｓｉｎ（α＋θ１）＋ｎ１（ｙ）・ｃｏｓ（α＋θ１）よって、Ｅ（ｘｅ，ｙｅ）は、ｘｅ＝ｘａ＋Ｌ・ｘ１＝ｘａ＋（Ｌ／Ｒ）・｛（ｘｂ−ｘａ）・ｃｏｓ（α＋θ１）＋（ｙｂ−ｙａ）・ｓｉｎ（α＋θ１）｝ｙｅ＝ｙａ＋Ｌ・ｙ１＝ｙａ＋（Ｌ／Ｒ）・｛−（ｘｂ−ｘａ）・ｓｉｎ（α＋θ１）＋（ｙｂ−ｙａ）・ｃｏｓ（α＋θ１）｝となる。

【００１５】また、直線ＡＥの方程式は、ｙ＝｛（ｘ−ｘａ）・（ｙｅ−ｙａ）／（ｘｅ−ｘａ）｝＋ｙａで与えられる。

【００１６】同様に図６において、ベクトルＢＡの単位
ベクトルｍ１は、｜ＢＡ｜＝Ｒ＝｛（ｘｂ−ｘａ）²＋（ｙｂ−ｙａ）²｝^1/2 ベクトルｍ１＝（１／Ｒ）・（ｘｂ−ｘａ，ｙｂ−ｙａ）ベクトルＢＦは単位ベクトルｍ１をβ＋θ２だけ反時計
回りに回転させ、Ｌ倍したものである。

【００１７】ベクトルＢＦの単位ベクトルをベクトルｍ
２（ｘ２，ｙ２）とすると、ｘ２＝ｍ１（ｘ）・ｃｏｓ（β＋θ２）−ｍ１（ｙ）・ｓｉｎ（β＋θ２）ｙ２＝ｍ１（ｘ）・ｓｉｎ（β＋θ２）＋ｍ１（ｙ）・ｃｏｓ（β＋θ２）よって、Ｆ（ｘｆ、ｙｆ）は、ｘｆ＝ｘｂ＋Ｌ・ｘ２＝ｘｂ＋（Ｌ／Ｒ）・｛（ｘａ−ｘｂ）・ｃｏｓ（β＋θ２） −（ｙａ−ｙｂ）・ｓｉｎ（β＋θ２）｝ｙｆ＝ｙｂ＋Ｌ・ｙ２＝ｙｂ＋（Ｌ／Ｒ）・｛（ｘａ−ｘｂ）・ｓｉｎ（β＋θ２）＋（ｙａ−ｙｂ）・ｃｏｓ（β＋θ２）｝となる。

【００１８】また、直線ＢＦの方程式は、ｙ＝｛（ｘ−ｘｂ）（ｙｆ−ｙｂ）／（ｘｆ−ｘｂ）｝＋ｙｂで与えられる。

【００１９】したがって、ターゲットＰの位置座標Ｐ
（ｘｐ，ｙｐ）は、直線ＡＥと直線ＢＦの交点であるか
ら、次式を解くことで求められる。

【００２０】｛（ｘ−ｘａ）・（ｙｅ−ｙａ）／（ｘｅ−ｘａ）｝＋ｙａ＝｛（ｘ−ｘｂ）（ｙｆ−ｙｂ）／（ｘｆ−ｘｂ）｝＋ｙｂただし、ｘｅ＝ｘａ＋Ｌ・ｘ１＝ｘａ＋（Ｌ／Ｒ）・｛（ｘｂ−ｘａ）・ｃｏｓ（α＋θ１）＋（ｙｂ−ｙａ）・ｓｉｎ（α＋θ１）｝ｙｅ＝ｙａ＋Ｌ・ｙ１＝ｙａ＋（Ｌ／Ｒ）・｛−（ｘｂ−ｘａ）・ｓｉｎ（α＋θ１）＋（ｙｂ−ｙａ）・ｃｏｓ（α＋θ１）｝ｘｆ＝ｘｂ＋Ｌ・ｘ２＝ｘｂ＋（Ｌ／Ｒ）・｛（ｘａ−ｘｂ）・ｃｏｓ（β＋θ２） −（ｙａ−ｙｂ）・ｓｉｎ（β＋θ２）｝ｙｆ＝ｙｂ＋Ｌ・ｙ２＝ｙｂ＋（Ｌ／Ｒ）・｛（ｘａ−ｘｂ）・ｓｉｎ（β＋θ２）＋（ｙａ−ｙｂ）・ｃｏｓ（β＋θ２）｝次にターゲットＰの鉛直座標ｚｐを求める。図８、９は
ＣＣＤカメラ１１ａとターゲットを含む空間の側面図で
ある。図８、図９において、Ｌは基準面のＡ点からの距
離、Ｎ１（ｄｏｔ）は画面中心点Ｃから画面端ＥＮＤ１
までの画素数、Ｄ１はＣ・ＥＮＤ１間の実測距離であ
る。このときターゲットＰがＡＰの線上にある場合、画
面で得られるＰ点の位置は、Ａ点からの距離に関わらず
ＣからＫ３（ｄｏｔ）の位置である。

【００２１】したがって、直線ＡＣと直線ＡＰのなす角
度φは、 φ＝ｔａｎ^-1（Ｄ１・Ｋ３／（Ｌ・Ｎ１））となる。

【００２２】図９において、Ａ点からＰ点までの水平距
離Ｌ１は、Ｌ１＝｛（ｘｐ−ｘａ）²＋（ｙｐ−ｙａ）²｝^1/2 で与えられるから、ターゲットＰの位置座標Ｐ（ｚｐ）
は、ｚｐ＝ｚａ＋Ｌ１・ｔａｎ（φ）（ただし、ｚａ＝ｚ
ｃとする）で求められる。

【００２３】このようにディスプレイ１３ａ、１３ｂ上
のターゲットＰの位置を基にしてターゲットＰの座標
（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）が求められる。

【００２４】次にシールド機２３の位置を測定する手順
について述べる。図１０はトンネル２１の水平断面模式
図である。図中２３はシールド機を表わし、シールド機
２３にＬＥＤあるいは電球等からなる発光ターゲット２
５が設けられる。なお、外乱光の影響を受ける場合、Ｃ
ＣＤカメラ１１ａ、１１ｂにフィルタを取付ける。

【００２５】まず検出器１ａをＴ１の場所に設置し、Ｃ
ＣＤカメラ１１ａ、１１ｂの位置を一般の測量方法によ
って求める。そしてＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂにより
掘進中のシールド機２３のターゲット２５を撮像して前
述した手順にしたがってターゲット２５の位置（すなわ
ち、進行中のシールド機２３の位置）を測定する。

【００２６】２台のＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂのう
ち、いずれかがターゲット２５を撮像できなくなった場
合には、旋回コントローラ（図示せず）によりモータ３
を駆動させ、ＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂが撮像可能な
位置になるまで基台９を回転させる。エンコーダ５によ
り基台９の回転量が測定されるので、回転後のＣＣＤカ
メラ１１ａ、１１ｂの位置が求められる。回転後のＣＣ
Ｄカメラ１１ａ、１１ｂの位置を基準点として、ＣＣＤ
カメラ１１ａ、１１ｂにより掘進中のシールド機２３の
ターゲット２５を撮像して、ターゲット２５の位置を測
定する。

【００２７】さらにシールド機２３が進行してＣＣＤカ
メラ１１ａ、１１ｂでターゲット２５を撮像することが
できなくなった場合には、検出器の盛り替えを行う。す
なわちＴ２の場所に別の検出器１ｂを設置する。この検
出器１ｂは図１に示す検出器１ａと同一の構成を有し、
ＣＣＤカメラ３１ａ、３１ｂを有する。ＣＣＤカメラ１
１ａ、１１ｂでＣＣＤカメラ３１ａを撮像して前述した
手順にしたがってＣＣＤカメラ３１ａの位置を求める。
またＣＣＤカメラ１１ａ、１１ｂでＣＣＤカメラ３１ｂ
を撮像して前述した手順にしたがってＣＣＤカメラ３１
ｂの位置を求める。このようにして盛り替え後のＣＣＤ
カメラ３１ａ、３１ｂの位置が基準点として求められ
る。そしてＣＣＤカメラ３１ａ、３１ｂによりターゲッ
ト２５を撮像しシールド機２３の位置を測定する。

【００２８】このようにシールド機２３の掘進にしたが
って検出器１ａ、１ｂを交互にいれ替えて、盛り替えを
行いつつシールド機２３の位置を測定する。

【００２９】したがって、本実施例では計測誤差の累積
が発生せず、盛り替え作業が簡単で短時間で終了し、し
かも盛り替え精度を要求せず、トンネルの直線部および
曲線部でシールド機の位置を自動的に測定できる。

【００３０】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明によ
れば、計測誤差の累積が発生せず、盛り替え作業が簡単
で短時間で終了し、しかも盛り替え精度を要求せず、ト
ンネルの直線部および曲線部でシールド機の位置を自動
的に測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】検出器の斜視図

【図２】検出器の平面図

【図３】ディスプレイ１３ａ、１３ｂ上の画像を示す
図

【図４】ＣＣＤカメラによるターゲットの位置を測定
する場合の説明図

【図５】ＣＣＤカメラによるターゲットの位置を測定
する場合の説明図

【図６】ＣＣＤカメラによるターゲットの位置を測定
する場合の説明図

【図７】ＣＣＤカメラによるターゲットの位置を測定
する場合の説明図

【図８】ＣＣＤカメラによるターゲットの位置を測定
する場合の説明図

【図９】ＣＣＤカメラによるターゲットの位置を測定
する場合の説明図

【図１０】トンネル２１の水平断面模式図

【符号の説明】１ａ、１ｂ………検出器２………固定軸３………モータ５………エンコーダ７………回転軸９………基台１１ａ、１１ｂ、３１ａ、３１ｂ………ＣＣＤカメラ２１………トンネル２３………シールド機２５………ターゲット

フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−108910（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−182517（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−18110（ＪＰ，Ａ) 特開平４−279813（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−125515（ＪＰ，Ａ) 特公平３−79646（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）第１の基台に設置された第１の２
台の撮像手段からなる第１の検出器の位置を測定する工
程と、（ｂ）前記第１の２台の撮像手段により、シール
ド機に設けられたターゲットを撮像し、撮像されたター
ゲットを画像処理して前記ターゲットの位置を求める工
程と、（ｃ）第２の基台に設置された第２の２台の撮像
手段からなる第２の検出器を、前記第１の検出器の第１
の２台の撮像手段で撮像して、前記第２の２台の撮像手
段の位置を測定する工程と、（ｄ）前記第２の２台の撮
像手段により前記ターゲットを撮像し、撮像されたター
ゲットを画像処理して前記ターゲットの位置を求める工
程と、を具備し、前記第１の検出器と前記第２の検出器と入れ
替えつつ（ｃ）、（ｄ）の工程を繰り返すことを特徴と
し、前記（ｂ）および（ｄ）の工程は、２台の撮像手段のう
ちいずれかがターゲットを撮像できなくなった時、撮像
可能な位置になるまで基台を回転させ、基台の回転量よ
り回転後の２台の撮像手段の位置を求め、回転後の２台
の撮像手段の位置を基準として前記シールド機に設けら
れたターゲットを撮像し、ターゲットの位置を求める工
程を含む進行中のシールド機の自動測量方法。