JP4295737B2 - Excavator, excavation system and excavation method - Google Patents
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Description
本発明は、掘削機並びに掘削システム、及び掘削方法に係り、特に画像処理を用いて切羽面の状態を把握して掘削を行う掘削機並びに掘削システム、及び掘削方法に関する。 The present invention relates to an excavator, an excavation system, and an excavation method, and more particularly, to an excavator, an excavation system, and an excavation method that perform excavation by grasping the state of a face surface using image processing.
トンネルを掘削する機械は、大別すると2種類のものを挙げることができる。全断面トンネル掘進機(トンネルボーリングマシン)と呼ばれる機械と、アームを操作して掘削を行う掘削機(以下単に掘削機という)である。
前記トンネルボーリングマシンは、高速掘進が可能であること、安全性が高く、円形断面であり余堀も殆どなく力学的に安定であること、及び切羽面に人が近づくことが無いため安全であること等の長所が知られている。しかし、断層破砕帯・軟弱層における掘削ではトラブルが発生しやすいこと、機械が大掛かりで工費がかさむこと、断面形状が円形に限定されること等の理由から、距離の短いトンネルや、地表から比較的浅い箇所に掘られるトンネルの掘削には使用される機会が少ない。
There are two types of machines for excavating tunnels. A machine called a full-section tunnel boring machine (tunnel boring machine) and an excavator (hereinafter simply referred to as an excavator) that performs excavation by operating an arm.
The tunnel boring machine is safe because it is capable of high-speed excavation, is highly safe, has a circular cross-section, is hardly mechanically stable, and is mechanically stable, and does not allow people to approach the face. The advantages are known. However, because excavation in the fault fracture zone and soft layer is likely to cause troubles, the machine is large and the construction cost is high, and the cross-sectional shape is limited to a circle, etc. There are few opportunities for excavation of tunnels that are dug in shallow areas.
一方、前記掘削機は、トンネルボーリングマシンに比べ小型であり、工費も安く抑えられ、トンネルの断面形状は、切羽面の掘削を行うアームの操作次第でバリエーションを増やすことができるため、距離の短いトンネル等の掘削に多く用いられる。しかし、トンネルボーリングマシンが切羽面の全面を一度に掘削することに比べ、掘削機はアームによって切羽面を部分的に掘削するため、掘進の効率は低い。また、作業者が乗車して操作を行うため、作業者が切羽面へ近づくこととなり、安全性についてもトンネルボーリングマシンの方が高い。 On the other hand, the excavator is smaller than the tunnel boring machine, and the construction cost is reduced, and the cross-sectional shape of the tunnel can be increased depending on the operation of the arm that excavates the face, so the distance is short. It is often used for excavating tunnels. However, compared to the tunnel boring machine excavating the entire face at once, the excavator partially excavates the face with the arm, so the efficiency of the excavation is low. In addition, since the operator gets on and operates, the operator approaches the face and the tunnel boring machine is higher in terms of safety.
掘削機を用いてトンネル掘削を行う上での安全性を高める方法として、切羽面と離れた位置で掘削機を遠隔操作することが特許文献1に示されている。特許文献1に記載されている方法は、遠隔操作可能に構成された掘削機の機体にステレオ撮影可能なカメラを備える。そして、前記カメラによって得られた2つの画像をステレオマッチングすることで得られる3次元画像と、トンネル設計用の3次元CADデータとを重ね合わせ、重ね合わせた画像データを表示手段に表示する。この後、作業者は前記表示手段に表示された画像データを参照して掘削機のアームを操作してトンネルの掘削を行う。
特許文献1に開示された方法であれば、作業者はトンネルの切羽面を実際に目視しなくとも、その凹凸形状や掘削方向を把握することができる。このため、遠隔地で無人の掘削機を操作することによってトンネル掘削を進めることが可能となると考えられる。しかし、ステレオマッチングによって得られる3次元画像だけでは正確な距離情報を得ることができないため、実際に遠隔操作を行う場合には熟練度を必要とする。また、掘削機が3次元CADデータ上の何処に位置しているかを把握しなければならない。このため、掘削機の周囲には予め複数のターゲットを設け、それぞれのターゲットの座標点を把握し、これらの座標点から掘削機までの距離に基づく位置決め作業等を必要とする。よって、掘削機の周囲には常に座標位置が把握されたターゲットを複数配置しておく必要があり、作業効率が低下する。
If it is the method disclosed by
本発明では、掘削を予定するトンネルの切羽面の状態を効率良く正確に把握することができ、トンネルの掘削を行うにあたり熟練度を必要とせず、掘削作業を安全に行うことができる掘削機並びに掘削システム、及び掘削方法を提供することを目的とする。 In the present invention, an excavator capable of efficiently and accurately grasping the state of the face of the tunnel to be excavated, capable of safely performing excavation work without requiring skill in excavating the tunnel, and An object is to provide a drilling system and a drilling method.
上記の目的を達成するための本発明に係る掘削機は、レーザ光を用いて測距を行って計測対象面の3次元画像データを取得する3次元画像情報取得装置を備え、前記3次元画像情報取得装置を介して取得した3次元画像データに基づいて掘削箇所を特定し、掘削を行う掘削機であって、前記3次元画像情報取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、前記光学ユニットには、取得する3次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an excavator according to the present invention includes a three-dimensional image information acquisition device that acquires a three-dimensional image data of a measurement target surface by performing distance measurement using a laser beam. An excavator that identifies excavation points based on 3D image data acquired via an information acquisition device and performs excavation, the 3D image information acquisition device comprising: a laser beam irradiation unit that irradiates a laser beam; Of the irradiated laser light, an optical unit that receives the laser light that is reflected by the measurement target surface and a phase difference between the laser light emitted from the laser light irradiation unit and the laser light received by the optical unit A radar circuit unit for indexing, and the optical unit includes a reflecting surface according to a different pattern selected for each pixel constituting three-dimensional image data to be acquired. Configured, characterized by comprising a spatial light modulator to direct the laser beam to the light receiving portion.
また、上記目的を達成するための本発明に係る掘削システムは、レーザ光を用いて測距を行って計測対象面の3次元画像データを取得する3次元画像情報取得装置を備え、前記3次元画像情報取得装置を介して取得した3次元画像データに基づいて掘削箇所を特定し、掘削を行う掘削機と、前記掘削機の動作を操作あるいは監視する操作・監視手段とを備える掘削システムであって、前記3次元画像情報取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、前記レーザ光照射ユニットは拡散型のレーザを照射するレンズを備え、前記光学ユニットには、取得する3次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする。
In addition, an excavation system according to the present invention for achieving the above object includes a three-dimensional image information acquisition device that acquires a three-dimensional image data of a measurement target surface by performing distance measurement using a laser beam, An excavation system comprising an excavator that identifies a excavation site based on three-dimensional image data acquired via an image information acquisition device and performs excavation; and an operation / monitoring unit that operates or monitors the operation of the excavator. The three-dimensional image information acquisition apparatus includes: a laser beam irradiation unit that irradiates laser light; an optical unit that receives laser light reflected from a measurement target surface among the irradiated laser beams; and the laser A radar circuit unit for determining a phase difference between the laser light emitted from the light irradiation unit and the laser light received by the optical unit; Includes a lens for irradiating a diffusion laser, and the optical unit has a reflecting surface according to a different pattern selected for each pixel constituting the acquired three-dimensional image data, and guides the laser light to the light receiving unit. A spatial modulator is provided.
また、上記目的を達成するための掘削方法は、レーザ光を照射して計測対象面に反射したレーザ光を受光して前記計測対象面までの距離データを取得し、レーザの照射範囲に設定された画素毎に前記距離データを当てはめて3次元画像データを作成し、前記3次元画像データに基づいて計測対象面における掘削箇所を特定し、前記掘削箇所に掘削手段を移動させて計測対象面の掘削を行う掘削方法において、到来したレーザ光は取得する画像データの画素毎に定められたそれぞれ異なるパターンに従って反射面を形成する空間変調器に反射させて受光することを特徴とする。 Further, the excavation method for achieving the above object is to set the laser irradiation range by receiving the laser light and receiving the laser light reflected on the measurement target surface and acquiring the distance data to the measurement target surface. The three-dimensional image data is created by applying the distance data to each pixel, the excavation point on the measurement target surface is specified based on the three-dimensional image data, and the excavation means is moved to the excavation point to move the measurement target surface. In an excavation method for excavation, incoming laser light is reflected and received by a spatial modulator that forms a reflection surface according to different patterns determined for each pixel of image data to be acquired.
また、上記のような特徴を持つ掘削方法において、前記掘削箇所の特定は、前記計測対象面までの距離データに基づく平均距離と、画素毎の距離データとを比較することによって定めると良い。
さらに、掘削は、計測対象面の3次元画像データに従って、凹凸箇所が3次元画像データを構成する画素単位の距離データの平均値に対し、予め定めた閾値の範囲内となるように進めると良い。
In the excavation method having the characteristics as described above, the excavation location may be specified by comparing an average distance based on distance data to the measurement target surface and distance data for each pixel.
Further, the excavation may be performed in accordance with the 3D image data of the measurement target surface so that the uneven portion is within a predetermined threshold range with respect to the average value of the distance data in pixel units constituting the 3D image data. .
上記本発明の掘削機並びに掘削システム及び掘削方法では、レーザ光により計測対象面までの距離を計測して3次元画像データを得るため、掘削を予定するトンネルの切羽面の凹凸状態を正確に把握することができる。また、受光部へレーザ光を導く空間変調器の反射面を画素毎に定められたパターンに従って形成するため、前記パターンに対応した画素を特定し、距離データをあてはめるだけで3次元画像データが得られるため、画像データ作成処理が早い。また、照射するレーザ光を拡散型としたことにより、レーザ光の照射角度を画素毎に変化させる必要が無くなる。また、照射された拡散レーザ光を、複数の反射体によって反射させて受光部へ導くことにより、拡散レーザ光であっても、十分な強度の光を得ることができる。 In the excavator, the excavation system, and the excavation method of the present invention, since the three-dimensional image data is obtained by measuring the distance to the measurement target surface with the laser beam, the uneven state of the face surface of the tunnel to be excavated can be accurately grasped. can do. Further, since the reflection surface of the spatial modulator that guides the laser beam to the light receiving portion is formed according to a pattern determined for each pixel, three-dimensional image data can be obtained simply by specifying a pixel corresponding to the pattern and applying distance data. Therefore, the image data creation process is fast. In addition, since the laser beam to be irradiated is a diffusion type, it is not necessary to change the irradiation angle of the laser beam for each pixel. Also, by irradiating the irradiated diffused laser light with a plurality of reflectors and guiding it to the light receiving unit, light with sufficient intensity can be obtained even with the diffused laser light.
さらに、切羽面の凹凸が均等、あるいは一定範囲内に収まるように掘削を進めることにより、切羽面が力学的に安定する。
また、掘削作業を自動化することにより、熟練度を必要とせずにトンネルを掘削することが可能となる。また、本発明の掘削システムによれば、作業者が切羽面に接近することが無いため、作業における安全性が高い。
Furthermore, by proceeding with excavation so that the unevenness of the face surface is uniform or within a certain range, the face surface is mechanically stabilized.
In addition, by automating excavation work, it becomes possible to excavate a tunnel without requiring skill. Moreover, according to the excavation system of this invention, since an operator does not approach a face face, the safety | security in an operation | work is high.
以下、本発明の掘削機及び掘削システムに係る実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る好適な実施形態の一部を示すものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものでは無い。 Hereinafter, embodiments of the excavator and the excavation system of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, embodiment shown below shows a part of suitable embodiment which concerns on this invention, and this invention is not limited to the following embodiment.
図1は、本発明の掘削機及び掘削システムに係る実施形態の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の掘削システム10は、トンネルの掘削を行う掘削機12と、前記掘削機12を操作あるいは監視する操作・監視手段14とを基本構成とする。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an embodiment according to the excavator and excavation system of the present invention. The excavation system 10 of this embodiment has a basic configuration of an
前記掘削機12は、掘削するトンネルの切羽面(図中では計測対象面)における凹凸形状を3次元画像情報として取得する3次元画像情報取得装置(以下、3次元レーザレーダという)16と、掘削機12自体を動作させる駆動制御装置70と、前記3次元レーダレーダ16と前記駆動制御装置70及び前記操作・監視手段14との間での制御信号の処理を担う信号処理装置(以下、コンピュータという)80と、前記駆動制御装置70によって制御されて切羽面の掘削を行う掘削手段74、及び掘削機12を移動させるための移動手段72とを備える。
The
前記3次元レーザレーダ16は、レーザ光照射ユニット20と、光学ユニット30、及びレーダ回路ユニット50とを有する。
前記レーザ光照射ユニット20は、掘削対象とされるトンネルの切羽面に対してレーザ光を照射するユニットである。具体的には、レーザダイオード及びミラー等から構成されるレーザ発振器と前記レーザダイオードにレーダ回路ユニット50から出力された信号を与えて動作させるドライバとから成るレーザ出力部24と、前記レーザ出力部24から出力されたレーザ光を拡散させる光学レンズ22とを有する。本実施形態では照射するレーザ光を拡散するため、光学レンズ22には例えば両凸レンズを用いれば良い。
The three-
The laser
前記光学ユニット30は、前記レーザ光照射ユニット20によって照射されたレーザ光のうち、照射対象であるトンネルの切羽面に反射して到来したレーザ光を受光するユニットである。具体的には、光学レンズ32、プリズム33、マイクロミラーアレイ空間変調器(以下、空間変調器という)34、光検出器(光電変換器)40等を備え、到来した反射光(レーザ光)を受光するユニットである。また、一般に、レーザ測距に用いられる光学ユニット30には、光学レンズ32の前段に、出力したレーザ光の周波数帯域の光をのみを透過させるバンドパスフィルタ(不図示)が備えられる。
The
前記光学レンズ32は、前記バンドパスフィルタを透過して到来したレーザ光を集光してプリズム33へ導く。プリズム33は入射されたレーザ光の進路を変更し、空間変調器34のマイクロミラー34a(図2参照)へ導くと共に、前記マイクロミラー34aによって適正に反射されたレーザ光を光検出器40へと導く。空間変調器34は、平面上に配列された複数のマイクロミラー(反射体)34を有するものである。例えば図2のように配列されたマイクロミラーアレイでは、個々のマイクロミラー34aの反射面を所定の向き(方向)へ傾けることで、プリズム33によって導かれたレーザ光を適正な方向(光検出器40の受光面)へ反射させる。空間変調器34には、前記マイクロミラー34aの動作を個々に制御するマイクロミラー制御回路36が接続されており、マイクロミラー制御回路36には、マイクロミラー34aを制御するタイミングを図るタイミングコントローラ38が設けられる。タイミングコントローラ38は、コンピュータ80から出力される制御信号を受け、当該制御信号に従ってマイクロミラー34aの制御を行う。このような制御部を有する空間変調器のマイクロミラー34aは、制御によりONとなった場合(図2においてはAの状態)に、その反射面を所定の向きへ傾け、制御が行われない状態(OFF状態:図2においてはBの状態)においては、反射面をONと反対側へ傾ける。このため、OFF状態のマイクロミラー34aに入射したレーザ光は、適正な方向へと反射されず、光検出器40に受光され無い。
The optical lens 32 collects the laser beam that has passed through the band-pass filter and guides it to the prism 33. The prism 33 changes the path of the incident laser light, guides it to the
マイクロミラーアレイ34aのON/OFFのパターン制御は、所望する3次元画像の画素数に対応させた複数のパターンが選択される。本実施形態のマイクロミラーアレイ34aのON/OFFパターンは、拡散されたレーザ光を効率良く集光するために、各パターンにおいて50%程度のマイクロミラー34aがON状態となるようにすると良い。これにより、受光される信号のSN比が向上し、詳細を後述するレーダ回路ユニット50における増幅や検波等の処理時に、ノイズに埋もれてしまうことが少なくなる。
For pattern control of ON / OFF of the
前記マイクロミラーアレイ34aのON/OFFパターンの制御には、アダマール行列を用いたアダマール変換を利用すると良い。パターン制御にアダマール行列を用いた場合、各パターンを逆変換することにより対応する画素の位置を特定することができるため、3次元画像を作成する際の演算処理が容易となる。このため、レーザ光を用いた計測面の走査から3次元画像作成までの一連の処理の高速化を図ることができる。なお、マイクロミラーアレイの制御にアダマール行列を利用する場合、マイクロミラーアレイはマトリックス状に配置されることとなる。
For controlling the ON / OFF pattern of the
上記のように、空間変調器34にマイクロミラーアレイを備えることで、拡散レーザを用いた場合であっても、光検出器40に十分な光強度のレーザ光を入射することができる。また、測距用のレーザとして拡散レーザを採用することにより、スポットレーザのように照射角度を変えるという処理が少なく、或いは処理自体が必要なくなる。このため、レーザの照射角度を変化させるための機構や制御回路が不要となり、装置の小型化を図ることが可能となる。また、マイクロミラーアレイの制御パターンにアダマール行列を利用することにより、距離データを得た画素毎の配列を求める演算処理が容易となるため、データ取得から3次元画像作成までの処理速度が向上する。
As described above, by providing the
前記レーダ回路ユニット50は、前記レーザ光照射ユニット20へ出力信号を供給すると共に、当該出力信号と同一の信号を受光側の参照信号として与え、当該参照信号と前記光学ユニット30によって検出された信号との位相差を取り出すユニットである。具体的には、高周波発振器(RF(Radio Frequency)発振器)52と、パワースプリッタ54,68と、RFアンプ56,66と、ハイブリッド58と、ミキサ60(60a,60b)と、ローパスフィルタ(LPF)62(62a,62b)と、A/Dコンバータ64とを有する回路である。
The
前記RF発振器52は、単一の周波数の信号を発振する。前記パワースプリッタ54は、前記RF発振器52から出力された信号を前記レーザ光照射ユニット20へ供給する信号と、受光側の参照信号とに分割し、同一信号を2方向へ出力する。レーザ光照射ユニット20への供給信号として出力された信号は、RFアンプ56へ入力され、増幅された後、レーザ光照射ユニット20へ入力される。
The RF oscillator 52 oscillates a signal having a single frequency. The
一方、受光側の参照信号として出力された信号は、90°ハイブリッド58に入力され、位相が90°ずれた同一周波数の2つの信号(0°と−90°)に分割されて、それぞれミキサ60に入力される。それぞれのミキサ60には、90°ハイブリッド58からの出力信号の他に、前記光検出器40によって入力される受光信号がRFアンプ66、パワースプリッタ68を介して入力される構成となっている。2つの信号が入力されたそれぞれのミキサ60からは、中間周波数信号(IF(Intermediate Frequency)信号)が出力される。ミキサ60から出力されたIF信号(和分:高周波と差分:低周波)は、LPF62を通過する。LPF62を通過した差分の信号は、A/Dコンバータ64へ入力される。A/Dコンバータ64には、前記LPF62からの信号の他、光学ユニット30のタイミングコントローラ38からの空間変調器34の制御信号が入力される。入力された2つの信号は、それぞれデジタル信号に変換されて、コンピュータ80へ出力される。
On the other hand, the signal output as the reference signal on the light receiving side is input to the 90 °
上述のようにしてコンピュータ80へ取り込まれた複素数データの実数部と虚数部をマイクロミラーアレイの制御パターンに用いたアダマール行列に従って個別に逆変換する。これにより各画素毎の複素数データが得られる。これらのデータから振幅と位相を求める。このうちの位相データから計測対象面である切羽面までの距離が算出される。このようにして3次元画像データを作成する。
作成した3次元画像データは、操作・監視手段へ送信し、監視モニタに出力される。
The real part and the imaginary part of the complex data fetched into the
The created three-dimensional image data is transmitted to the operation / monitoring means and output to the monitoring monitor.
前記駆動制御装置70は、前記コンピュータ80からの駆動制御信号を受けることにより、掘削機12に備えられた掘削手段74や、移動手段72等を動作させる駆動信号を、各駆動用モータ(不図示)等に送る装置である。
前記掘削手段74は、トンネルの切羽面を掘削するためのカッタやドリル、ピック等を備えるヘッド74bと、前記ヘッド74bを所定位置に移動させるためのアーム74aとを基本構成とする。また、前記移動手段72は、ローラやキャタピラ等によって構成されるもので良い。
The
The excavation means 74 has a basic configuration including a
コンピュータ80が駆動制御装置70へ信号を出力するにあたっては、次のような処理が行われる。まず、画素単位で計測した切羽面までの距離に基づいて、切羽面までの平均距離L(図3参照)を算出する。次に、画素毎の距離データと前記平均距離Lとを比較する。なお、比較は減算によって行えば良い。
When the
コンピュータ80には、前記平均距離Lから特定の距離(L1)だけ掘削機12側へシフトさせる距離を閾値として記憶されており、比較結果が閾値L1の範囲外であった場合、該当箇所は特異点として特定掘削箇所に設定される。例えば前記平均距離Lのデータから特定の画素に与えられた距離データを減算した結果L2が、前記閾値L1よりも大きい場合、その画素は特定掘削箇所に設定される。
The
この後、掘削機12から所定の距離(例えば閾値として定めた距離)L1に仮想平面aを設定し、当該仮想平面a上に特定掘削箇所の3次元データを合成し、操作・監視手段14の監視モニタに表示する(図4参照)。
その後、特定掘削箇所のうち、与えられた距離データが小さい画素が存在するエリアから掘削を行うように、前記駆動制御装置70に制御信号を出力する(図5参照)。
Thereafter, sets the virtual plane a from excavator 12 (distance defined as for example a threshold) L 1 a predetermined distance, to synthesize three-dimensional data for a particular excavation point on the virtual planes a, operation and monitoring means 14 (See FIG. 4).
After that, a control signal is output to the
一方、図6に示すようにL2がいずれもL1より小さく特定掘削箇所が存在しないと判定した場合には、切羽面の全体掘削する旨の制御信号を駆動制御装置70へ出力する。この場合、切羽面の掘削量を定めるために、前記平均距離Lよりも所定距離延長した位置(例えばL3だけ延長した位置)に仮想平面bを設定し、当該仮想平面bまで掘削を行うようにする。
そして、所定範囲の掘削が終了した場合、コンピュータ80は再度切羽面の3次元計測を行うか、移動手段72により掘削機12を移動させる旨の信号を前記駆動制御装置70へ出力する。
On the other hand, when the L 2 as shown in FIG. 6 is determined that any particular drilling portion does not exist less than L 1 outputs a control signal to the effect that the whole drilling working face surface to the
When the excavation within the predetermined range is completed, the
このような処理に従って切羽面の掘削を行うことにより、切羽面の凹凸を均等あるいは一定範囲内に抑えることができる。このため、切羽面の特定箇所に過度の荷重が加わることが無く、力学的に安定な状態で掘削を行うことができる。
前記操作・監視手段14は、前記掘削機12に備えられたコンピュータ80と無線或いは有線で接続されており、掘削時に作成された3次元画像データを参照可能な監視モニタや、掘削開始或いは停止等の基本操作信号を送信するための基本操作信号送信手段を備えている。
By excavating the face according to such a process, the unevenness of the face can be kept uniform or within a certain range. For this reason, an excessive load is not added to the specific location of the face, and excavation can be performed in a mechanically stable state.
The operation / monitoring unit 14 is connected to a
このような構成の掘削システム10によれば、トンネル掘削に際し、作業員が切羽面に接近することが無いため、安全性が高い。また、切羽面の3次元画像データを得るための処理速度が速いため、掘削作業を円滑に行うことができ、作業効率が良い。また、光学ユニット30の空間変調器34にマイクロミラーアレイを採用したことにより、ガルバノミラーやポリゴンミラーを採用するものに比べて装置を小型化することができる。さらに、レーザ光照射ユニット20から照射されるレーザ光を拡散させているため、安全性が高い。
According to the excavation system 10 having such a configuration, when tunnel excavation, the worker does not approach the face surface, so that safety is high. In addition, since the processing speed for obtaining the three-dimensional image data of the face is fast, excavation work can be performed smoothly and work efficiency is good. In addition, since the micromirror array is used for the
上記構成の掘削システム10では、次のような手順に従ってトンネル切羽面の掘削が行われる。
まず、作業者によって操作・監視手段14に入力された指令に従って、掘削を行う切羽面全体の3次元計測を行う(ステップ100)。
In the excavation system 10 having the above configuration, the tunnel face is excavated according to the following procedure.
First, in accordance with a command input to the operation / monitoring means 14 by an operator, three-dimensional measurement of the entire face face to be excavated is performed (step 100).
切羽面の3次元計測を終えた後、切羽面について計測を行った画素数と画素毎に得られた距離データとから、掘削機12(3次元レーザレーダ16)から切羽面までの平均距離Lを算出する(ステップ110)。
掘削機から切羽面までの平均距離を算出した後、画素毎に取得した距離データと、前記平均距離Lのデータとを比較する(ステップ120)。
画素毎の距離データと平均距離データとを比較した結果が、予め記憶された閾値L1の範囲外となる距離データを有する画素が存在する場合、該当箇所を特定掘削箇所として抽出する(ステップ130)。
After finishing the three-dimensional measurement of the face, the average distance L from the excavator 12 (three-dimensional laser radar 16) to the face from the number of pixels measured for the face and the distance data obtained for each pixel. Is calculated (step 110).
After calculating the average distance from the excavator to the face, the distance data acquired for each pixel is compared with the data of the average distance L (step 120).
Result of comparing the distance data and the average distance data for each pixel, if the pixel having the distance data to be pre-stored range of threshold L 1 is present, to extract the corresponding portion as a specific drilling point (step 130 ).
その後、切羽面までの距離が均等な仮想平面aを定める。仮想平面aは、例えば平均距離Lから前記閾値L1としてコンピュータ80に記憶された距離だけ掘削機12側へシフトさせた位置に設定すれば良い。特定掘削箇所が存在する場合において、前記仮想平面aを設定すると、図4に示すように、特定掘削箇所が仮想平面aから突出した状態で表される(ステップ140)。
Thereafter, a virtual plane a having a uniform distance to the face is defined. Virtual plane a may for example may be set from the average distance L at a position shifted by the
そして、コンピュータ80は掘削機12の駆動制御装置70に信号を送り、アーム74a及びヘッド74bを動作させ、前記特定掘削箇所を掘削する。特定掘削箇所の掘削は、少なくとも前記仮想平面aまで行うようにすると良い(ステップ150)。
Then, the
特定掘削箇所の掘削が終了した後、例えばトンネル掘削用に作成されたCADデータと、掘削対象となった切羽面の位置とを比較し、予定されている掘削が終了したかどうかを判定する(ステップ170)。ここで、掘削が終了したと判定された場合は、トンネルの掘削作業は終了する。 After the excavation of the specific excavation point is completed, for example, the CAD data created for tunnel excavation is compared with the position of the face surface to be excavated to determine whether the planned excavation has been completed ( Step 170). Here, when it is determined that excavation has ended, the excavation work of the tunnel ends.
一方、予定されている掘削が終了していないと判定された場合は、ステップ100にフィードバックし、再び切羽面の3次元計測を行う。
なお、ステップ130で特定掘削箇所の抽出を試みた結果、ステップ140において特定掘削箇所が存在しないと判定された場合(例えば図5参照)には、ステップ160へ進み、切羽面全体の掘削を行う。この場合においても、切羽面に対して仮想平面を設定するが、当該ステップにおいて設定される仮想平面は、前記切羽面までの平均距離Lよりも所定距離(L3)延長した位置に設定すると良い。仮想平面bをこのように設定することで、トンネル掘削を効率良く行うことができるからである。そして、切羽面の掘削が終了した後、ステップ170へ進み、掘削が終了したか否かの判定が成される。
On the other hand, if it is determined that the planned excavation has not ended, the process is fed back to step 100 and the face surface is three-dimensionally measured again.
As a result of the extraction of the specific excavation site in step 130, if it is determined in step 140 that there is no specific excavation site (see, for example, FIG. 5), the process proceeds to step 160 and the entire face is excavated. . Even in this case, a virtual plane is set for the face, but the virtual plane set in this step may be set at a position extended by a predetermined distance (L 3 ) from the average distance L to the face. . This is because the tunnel excavation can be efficiently performed by setting the virtual plane b in this way. Then, after the excavation of the face has been completed, the routine proceeds to step 170, where it is determined whether or not the excavation has been completed.
なお、ステップ160において仮想平面を設定する場合の延長量は、掘削対象となる切羽面の土質の違いや、掘削手段の違い等を考慮して設定される。土質については、予め調査することにより概略情報を取得するようにしても良いし、掘削機にセンサ等を取り付けることで、適宜検査を行いながら情報を得るようにしても良い。 It should be noted that the extension amount when the virtual plane is set in step 160 is set in consideration of the difference in soil quality of the face to be excavated, the difference in excavation means, and the like. About soil quality, you may make it acquire outline information by investigating beforehand, and may obtain information, attaching a sensor etc. to an excavator and performing an inspection suitably.
上記実施形態では、レーザ光照射ユニット20から照射するレーザ光は1つとしているが、掘削するトンネルが暗く、光検出器で十分な光度を得られない場合には、複数のレーザ光を照射するようにしても良い。この場合、レーザ光の照射位置の違いから受光時のレーザ光の位相差の特定が困難になり、作成される3次元画像が歪む場合がある。これを防止するため、照射するレーザ光を複数にする場合には、レーザ光毎に識別信号を重畳させると良い。これにより、レーザ光毎の照射源のズレを特定することが可能となり、作成される3次元画像は正常なものとなる。なお、レーザ光に識別信号を重畳させた場合には、レーダ回路ユニット50や、コンピュータ80で復調処理を行い、到来したレーザ光の照射源を特定する必要がある。前記識別信号としては、PN(Pseudo Noise:擬似ノイズ)信号等であれば良い。
In the above embodiment, the number of laser beams emitted from the laser
また、上記実施形態では、操作・監視手段14は、主に監視のみを行う手段として記載した。しかしながら、監視モニタに表示される3次元画像を参照しながら作業者が掘削機12を操作するようにしても良い。この場合、掘削機12には、別途2次元撮影用のカメラ等を搭載し、監視モニタには3次元画像の他、2次元映像を表示するようにしても良い。
In the above embodiment, the operation / monitoring unit 14 is described as a unit that mainly performs monitoring. However, the operator may operate the
また、上記実施形態では、空間変調器としてマイクロミラーを採用する旨記載したが、電気的制御が可能であれば、パターンにしたがって表面状態を部分的に変化させるハーフミラーのようなものであっても良い。例えば液晶技術を応用することが考えられる。 In the above embodiment, it is described that a micromirror is employed as the spatial modulator. However, if electrical control is possible, the micromirror is a half mirror that partially changes the surface state according to a pattern. Also good. For example, it is conceivable to apply liquid crystal technology.
10………掘削システム、12………掘削機、14………操作・監視手段、16………3次元画像情報取得装置(3次元レーザレーダ)、20………レーザ光照射ユニット、22………光学レンズ、24………レーザ出力部、30………光学ユニット、32………光学レンズ、33………プリズム、34………マイクロミラー空間変調器(空間変調器)、36………マイクロミラー制御回路、38………タイミングコントローラ、40………光検出器、50………レーダ回路ユニット、52………高周波発振器(RF発振器)、54………パワースプリッタ、56………RFアンプ、58………90°ハイブリッド、60(60a,60b)………ミキサ、62(62a,62b)………ローパスフィルタ(LPF)、64………A/Dコンバータ、66………RFアンプ、68………パワースプリッタ、70………駆動制御装置、72………移動手段、74………掘削手段、80………コンピュータ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ......... Excavation system, 12 ......... Excavator, 14 ......... Operation and monitoring means, 16 ......... 3D image information acquisition device (3D laser radar), 20 ......... Laser light irradiation unit, 22 ..... optical lens, 24 ..... laser output unit, 30 ........ optical unit, 32 .... optical lens, 33 ..... prism, 34 ..... micromirror spatial modulator (spatial modulator), 36. ............
Claims (5)
前記3次元画像情報取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、
照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、
前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、
前記光学ユニットには、取得する3次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする掘削機。 A three-dimensional image information acquisition device that acquires a three-dimensional image data of a measurement target surface by performing distance measurement using a laser beam is provided, and excavation is performed based on the three-dimensional image data acquired through the three-dimensional image information acquisition device. An excavator that identifies a location and performs excavation,
The three-dimensional image information acquisition apparatus includes a laser beam irradiation unit that irradiates a laser beam,
Of the irradiated laser light, an optical unit that receives the laser light that is reflected by the measurement target surface, and
A radar circuit unit that calculates a phase difference between the laser beam irradiated from the laser beam irradiation unit and the laser beam received by the optical unit;
The optical unit is provided with a spatial modulator that forms a reflection surface according to different patterns selected for each pixel constituting three-dimensional image data to be acquired and guides laser light to a light receiving unit. Machine.
前記3次元画像情報取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、
照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、
前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、
前記レーザ光照射ユニットは拡散型のレーザを照射するレンズを備え、
前記光学ユニットには、取得する3次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする掘削システム。 A three-dimensional image information acquisition device that obtains three-dimensional image data of a measurement target surface by performing distance measurement using a laser beam, and excavation based on the three-dimensional image data acquired through the three-dimensional image information acquisition device An excavation system comprising an excavator for identifying a location and excavating, and an operation / monitoring means for operating or monitoring the operation of the excavator,
The three-dimensional image information acquisition apparatus includes a laser beam irradiation unit that irradiates a laser beam,
Of the irradiated laser light, an optical unit that receives the laser light that is reflected by the measurement target surface, and
A radar circuit unit that calculates a phase difference between the laser beam irradiated from the laser beam irradiation unit and the laser beam received by the optical unit;
The laser light irradiation unit includes a lens for irradiating a diffusion type laser,
The optical unit is provided with a spatial modulator that forms a reflection surface according to different patterns selected for each pixel constituting three-dimensional image data to be acquired and guides laser light to a light receiving unit. system.
レーザの照射範囲に設定された画素毎に前記距離データを当てはめて3次元画像データを作成し、
前記3次元画像データに基づいて計測対象面における掘削箇所を特定し、
前記掘削箇所に掘削手段を移動させて計測対象面の掘削を行う掘削方法において、
到来したレーザ光は取得する画像データの画素毎に定められたそれぞれ異なるパターンに従って反射面を形成する空間変調器に反射させて受光することを特徴とする掘削方法。 Receives laser light reflected on the measurement target surface by irradiating the laser light and obtains distance data to the measurement target surface,
3D image data is created by applying the distance data for each pixel set in the laser irradiation range,
Identify the excavation point on the measurement target surface based on the three-dimensional image data,
In the excavation method for excavating the measurement target surface by moving the excavation means to the excavation point,
An excavation method characterized in that incoming laser light is reflected and received by a spatial modulator that forms a reflecting surface in accordance with different patterns determined for each pixel of image data to be acquired.
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