JPH03118413A - 移動体の変位測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 °〔産業上の利用分野〕 本発明は、シールド掘進機等の移動体の前進に伴う移動
のずれを測定する移動体の変位測定方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、シールド掘進機によるトンネル工事においては、
掘進機に掘進方向、横方向、上下方向及びピッチング、
ヨーイング、ローリングの６自由度があるため、掘進状
況を把握して掘進機の姿勢等を制御する必要がある。

そして、掘進状況の把握は、多くの場合、トランシット
を用いた測量により、掘進機の位置を測定して行われる
。

また、ジャイロスコープ等を用いて掘進機の姿勢角を測
定することも行われている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記トンネル工事により計画線に沿って正確に施工する
には、掘進機の位置、姿勢を頻繁に計測し、掘進機の現
在位置での目標方向に直角な横方向、縦方向のずれ（変
位）量を例えばシールドジヤツキによる移動間隔で細か
く測定して掘進機の前進を修正制御する必要がある。

しかし、前記トランシットを用いた測量から前記ずれ量
を測定する場合、測量に多大な労力１時間を要するため
、実際には１日数回程度しか測定できない。

しかも、とくに測定の難しい横方向のずれ量（以下横ず
れ量という）の測定には、高価なレーザトランシットを
用いる必要がある。

ま念、ジャイロスコープ等を用い念姿勢測定では、掘進
機の姿勢角の連続的な計測は行えるが。

ずれ量の測定は行えない。

すなわち、シールド掘進機を用いたトンネル工事におい
ては、従来、横ずれ量等の前進に伴うずれ量を簡単、安
価な手法で頻繁かつ正確に測定できない問題点がある。

そして、シールド掘進機以外の種々の移動体の場合にも
、前記と同様の問題点がある。

本発明は、安価な装置を用いた簡単な手法により前進に
伴う移動体の目標方向に直角な測定方向のずれ量を頻繁
かつ正確に測定することができる移動体の変位測定方法
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〕

前記目的を達成するために１本発明の移動体の変位測定
方法においては、目標方向に前進する移動体に撮像体を
固定して取付け、前記撮像体にょシ前記移動体の移動前
、後の後方のターゲット。

風景等の被写体を撮影するとともに、ジャイロスコープ
等により前記移動体の姿勢角を測定し、移動前の撮影画
像情報と前記姿勢角に基く撮影ずれを補正した移動後の
撮影画像情報との輝度分布の相互相関関数の演算により
、移動後の前記目標方向に直角な測定方向のずれ量を測
定する。

また、目標方向に前進する蜂動体に前記目標方向に直角
な測定方向に２台の撮像体を並列に固定して取付け、前
記両撮像体により前記移動体の移動前、後の後方のター
ゲット、風景等の被写体を撮影し、前記両撮像体それぞ
れの移動前、後の撮影画像情報の相互相関関数の演算に
より前記両撮像体の前記測定方向の画像移動量を算出し
、前記両画像移動量と前記両撮像体間の距離とから前記
移動体の姿勢角の変化に基く撮影ずれを算出し、前記両
撮像体のいずれか一方の移動前の撮影画像情報と前記撮
影ずれを補正した移動後の撮影画像情報との輝度分布の
相互相関関数の演算により、移動後の前記測定方向のず
れ量を測定する。

〔作　用〕

前記のように構成された本発明の測定方法の場合、請求
項■の構成においては、移動体をシールド掘進機とする
と、この掘進機の例えばシールドジヤツキによる移動毎
に、撮像体にょシ移動前。

後の後方轡の被写体が撮影されるとともにジャイロスコ
ープ等により掘進機の姿勢角が測量される。

そして、移動後の姿勢角の変化に基き移動後の撮影画像
情報の姿勢ずれに基く撮影ずれが補正される。

さらに、移動前の撮影画像情報と補正された移動後の撮
影画像情報との輝度分布の相互相関の演算により、両画
像情報の横方向又は縦方向のずれからずれ量が測定され
る。

そのため、撮像体を用いた安価な構成にょシ、トランシ
ットを用いた測量のような多大な労力。

時間を要することなく、簡単な手法で頻繁かつ正確にず
れ量の測定が行える。

また、請求項■の構成においては、前記のジャイロスコ
ープ等の測定を行う代わ夛に、２台の撮像体それぞれの
掘進前、後の撮影画像情報から姿勢角の変化が求められ
る。

そして、前記両撮像体のいずれか一方の移動前の撮影画
像情報と補正され念移動後の撮影画像情報との輝度分布
の相互相関の演算により、両画像情報の横方向又は縦方
向のずれからずれ量が測定される。

そのため、ジャイロスコープ等を用いない一層安価な構
成により、簡単な手法で頻繁かつ正確にずれ量の測定が
行える。

〔実施例〕

実施例について、第１図ないし第９図を参照して説明す
る。

（第１実施例） まず、第１実施例゛について、第１図ないし第５図を参
照して説明する。

第１図において、（１）はシールド掘進機、（２）は掘
進機（１）の前部に取付けられたカメラ、（３）は掘進
機（１）の後部に固定して取付けられたＣＣＤカメラ構
成の撮像体である。

（４）は掘進機（１）を後部から押して前進させる複数
のシールドジヤツキ、（６）は各ジヤツキ（４）の基台
となる複数のセグメントであり、掘進機（１）の前進に
伴って継足される。

（７）は掘進機（１）の後方のセグメント（６）に撮像
体（３）に対向するように取付けられたターゲットであ
り、横ずれ量を測定する際は例えばランダム間隔のバー
コード画像が撮像体（３）に対向する面に描かれている
。

そして、各ジヤツキ（４）は掘進機（１）の後面に例え
ば環状に配置され、各ジヤツキ（４）の押圧力とカッタ
（２）の回転とによυ掘進が行われる。

との掘進の量は各ジヤツキ（４）の伸長量で決まり、各
ジヤツキ（４）が限界まで伸長すると掘進が停止する。

そして、各ジヤツキ（４）が縮められるとともに各ジヤ
ツキ（４）のセグメント（６）が継足された後、各ジヤ
ツキ（４）が再び伸びて掘進が再開される。

以降、前記と同様の動作がくり返えされてトンネルが掘
り進まれる。

そして、各１回の掘進中に前述の６自由度を有する掘進
機（１）は種々の要因で位置、姿勢が変化し、前進方向
が目標方向からずれる。

また、撮像体（３）は例えば各１回の掘進の、前、後に
、後方のターゲット（７）を撮影する。

このとき、撮像体（３）は掘進機（１）の位置、姿勢に
応じて撮影の位置、姿勢が変わる。

そして、掘進の目標方向をＸ軸方向とすると。

この方向に直角なＹ軸方向については、その方向のずれ
量（横ずれ量）とヨーイングに基く姿勢変化が撮影に影
響し、Ｚ軸方向については、その方向のずれ量（以下縦
ずれ量という）とピッチングに基く姿勢変化が撮影に影
響する。

なお、トンネル工事においては、ローリングは極めて少
なく、しかも、ずれに影響しない。

つぎに、撮影画像情報に基くずれ量の測定方法につき、
従来は困難であった横ずれ量の測定によって以下に説明
する。

まず、前進によってＹ軸方向の移動とヨーイングのみが
生じるとし、かつ、撮像体（３）をＹ軸方向に画素を配
列した１次元ＣＣＤカメラとする。

この場合、撮像体（３）とターゲット（７）との位置関
係は第２図に示すようになる。

同図において、　（８）　、　（９）は撮像体（３）を
構成するレンズ、ＣＣＤＣＣセンサの撮像面を示す。

そして、ターゲット（７）のＸ軸上の点Ｏを座標原くと
し、レンズ（８）の位置、姿勢角（ヨー角）を（Ｘ。

Ｙ、θ）とすると、ターゲラ）　（７）上の原点Ｏから
Ｙ軸方向にｙだけ離れた点αが撮像面（９）に、咀αと
して撮影される。

このとき、レンズ（８）、撮像面（９）の距離、撮像面
（９）上の光軸から点αまでの距離をη、ξとすると、
咀α、α′の関係は次の（１）式で示される。

なお、δはＸ軸とレンズ（８）の中心を通る点αの撮影
光とのなす角を示す。

ξ＝７７ｔａ１１（θ−δ）＝ηｔａｏ［θ−１ａＯ−
１（（Ｙ−ｙ）／ｘ）］（１）式そして（１）式を変形
すると１位置Ｙについての次の（２）式が得られる。

ｙ　＝　ｙ　＋　ｖａｎ　（θ−ｔａｎ−１（ξ／η）
）Ｘ　　　　　　　　（２）式この（２）式に基き１点
αのターゲット（７）上での位置ｙ、撮影画像上での位
置ξ及びヨー角θが分かれば１位置Ｙが求まる。

一方、撮像体（３）が１次元ＣＣＤカメラの場合、その
ＣＣＤセンサ（１０は第３図に示すように、レンズ（８
）の光軸に直角な方向にｎ個のＣＣＤ素子Ｑυを配列し
て形成される。

そして、各ＣＣＤ素子Ｑηを左から順に亀、・・・　ｉ
。

・・・、ｎ番目の偶数個とし、素子幅をΔｂとすると。

旦２里　　番目の素子間を通る光軸からｎ番目の２ 素子中心までの距離、すなわち前記位置ξに相当する位
置ξｉは、次の（３）式で示される。

ξｉ＝Δｂｔｉ−７Δｂ−−；Δｂ＝Δｂ（ｉ−（ｎ＋
１）／２）　　（３）式そして、（２）式の位置ｙ、ξ
を一１番目の位置Ｖｉｓξｉとし、（２）式に（３）式
を代入して変形すると１次の（４）式が得られる。

この（４）式はヨー角θが既知であればｈ　　’　＊　
ｙｌを求めることによって位置Ｙが測定できることを示
している。

そして、掘進前、後の位置Ｙの差から横ずれ量ΔＹが求
まる。

ところで、ヨー角θの変化についてはジャイロスコープ
等の計測で求まシ、位置Ｘについても公知の直接又は間
接測定で求まる。

一方、ｉ、ｙｉについては、特殊な点光源ターゲットを
用いても求めることが極めて困難である。

そこで５本発明では掘進前、後の撮影画像情報の輝度分
布の相互相関関数の演算により、ｉの掘進前、後のずれ
量△ｉからΔＹを求める。

すなわち、第４図に示すようにレンズ（８）の掘進前、
後ノ位置、姿勢角をＰｏ（Ｘｏ、Ｙｏ、９ｏ）　、　Ｐ
ｔ（Ｘｔ　。

Ｙ１θ１）とすると、ターゲット（７）の各位置ｙｉの
明るさ（輝度）の分布ｆ（ｙｉ−Ｙ、θ、ｉ）はＣＣＤ
センサＱＯの各ＣＣＤ素子ａυの信−号分布から求まる
。

そして、説明を簡単にするため、掘進前のヨー角θＯ＝
０．距離η＝ηＯ（！−Ｌ、撮影倍率等に基く定数をに
１とすると、　　Ｐｏでの分布ｆｐｏ　（ｙｉ　−Ｙｏ
　、θｏ、ｉ）は次の（５）式で示される。

ｆｐｏ（ｙｉ　−Ｙｏ　、θｏ、１）＝−ｋｔ−ｔａｎ
（−ｔａｎ−’（Δｂ（ｉ−０，５ｎ−ｏ、５）／ηｏ
））ｘｏ　　（５）式また。掘進後の距離η＝唱とし、
撮影倍率等に基く定数をに２とすると、　　Ｐｚでの分
布ｆｐｔ　（ｙｉ−Ｙ＋　、θ１１）は次の（６）式で
示される。

’１”（）’１−Ｙｔ　　θ’ｓｉ）”−ｋｇ−ｂｅ（
θｔ−ｂｏ−’（Δｂ（ｉ　−０，５ｎ−０，５）／　
Ｖ’））Ｘｌ、（６）式そして、　（５）　、　（６）
式の分布ｆｐｏ　、　ｆｐｔは、定数ｋｔ、ｋｇ及びヨ
　−　角θ１により等倍率かつヨー　角の変化Δθ＝θ
ｌに基く撮影ずれを補正した分布となる。

ｊ（Ｄ両分布ｆｐｏ　、　ｆｐｔ　カ第４図ｔＤ　ｆｐ
ｏ（ｔ）　、　・、　ｆｐｏ（ｎ）。

ｆｐｌ（ｔ）　、・・・、　ｆｐｐ（ｎ）に示すように
一致するように５例えばｆｐｏを基準にしてｆｐｔをず
らすと、そのずらした量Δｉから横ずれ量ΔＹが求まる
。

そのため、掘進前、後の両撮影画像情報に基〈（５）　
、　（６）式の分布ｆｐｏ　、　ｆｐｓにつき、例えば
Σｆ　ｐｏ　ｆ　ｐｔの積和をｆｐｔのｉを１ずつずら
して求め、相互相関関数を演算する。

さらに、相互相関関数の最大値におけるｉの移動量をΔ
ｉとすると、とのΔｉに基き次の（７）式からΔＹが求
まる。

ΔＹ−Δｉ−Δｂ（Ｘｔ／（η＋−ｍθｔ））　　　　
（７）式そして、前記の各演算等は例えばマイクロコン
ピュータ処理により、第５図のフローチャートにしたが
って行われ、自動的に横ずれ量△Ｙが測定される。

このとき、前記最大値が正確に検出されるように、ター
ゲット（７）の画像は、Ｙ軸方向にランダム間隔で明暗
が生じる画像として、例えば撮影画角以上の縦縞のラン
ダム間隔のバーコード画像にすることが望ましい。

そして、測定されたヨー角θの変化Δθ及び横ずれ量Δ
Ｙに基く次の掘進の前進の制御がくり返され、トンネル
工事が横ずれを抑えて正確に施工される。

ところで、Ｚ軸方向の縦ずれ量についても、撮像体（３
）をＺ軸方向の１次７ｉ：ＣＣＤカメラとし、ヨー角θ
をピッチングに基く姿勢角φとすることにより、前記と
同様にして測定が行える。

そして、縦ずれ量を測定するときは、ターゲット（７）
の画像を２軸方向にランダム間隔で明暗が生じる画像１
例えば横縞のランダム間隔のバーコード画像にすること
が望ましい。

また、ターゲット（７）の位置は掘進が進むにしたがっ
て移動してもよい。

（第２実施例） 第２実施例について、第６図を参照して説明する。

この実施例においては、第１図の撮像体（３）の代わり
に第６図に示す２次元ＣＣＤセンサＱＯ’を有する市販
の２次元ＣＣＤカメラ構成の撮像体（３）′を設ける。

そして、センサＱＯ’の十字状にクロスしたＹ軸方向、
Ｚ軸方向の１画素列をそれぞれ１次元ＣＣＤセンサ（１
０ｙ）　、　（１０ｚ）とし、掘進前、後に例えばター
ゲット（７）を縦縞、桑縞に切換えて撮影する。

また、例えばジャイロスコープ、傾斜計によりθ、φそ
れぞれを計測して掘進に伴なう姿勢角の変化Δθ、△φ
を求める。

そして、掘進前、後のセンサ（ｌＯｙ）の撮影画像情報
と△θ、センサ（１０ｚ）の撮影画像情報とΔφに基き
、第１実施例の場合と同様にして横ずれ量△Ｙ。

縦ずれ量△Ｚを測定する。

この場合、市販のＣＣＤカメラを利用した１台の撮像体
（３）′により、両方向のずれ量が同時に測定できる。

（第３実施例） つぎに、第３実施例について、第７図及び第８図を参照
して説明する。

この実施例においては、姿勢角の変化△θもジャイロス
コープ等を用いることなく撮影画像情報から求めて横ず
れ量△Ｙを測定するため、第７図に示すように第１図の
掘進機（１）に撮像体（３）と同様の２台の撮像体（３
Ａ）、（３Ｂ）をＹ軸方向に並列に取付ける。

そして、撮像体（８Ａ）　、　（３Ｂ）により掘進前、
後に後方のターゲット（７）を撮影する。

このとき、第１実施例の場合と同様、掘進前のＰＯと掘
進後のＰｌとでは掘進機（１）の位置、姿勢に応じて撮
影方向が異なる。

そして、Ｐｏ、Ｐ＋のヨー角を０．θ【とし、両撮像体
（８Ａ）　、　（３Ｂ　）の間隔（距離）をｌｉｏとす
ると、撮像体（３Ａ）の掘進前、後の光軸とターゲット
（７）との交点間の距離△Ｅａ、撮像体（３Ｂ）の掘進
前、後の光軸とターゲット（７）との交、く間の距離Δ
ｌｂに基き、第７図からも明らかなように、掘進に伴な
うヨー角の変化△θ＝Ｏｔは次の（８）　、　（９）式
から求まる。

θ１＝朗−’　（ｇｏ／Ｉｔ　）　　　　　　（８）式
４１　＝　４０−Δ６ａ＋ΔＪｂ　　　　　　　　（９
）式また。前記Δｌａ　、　Δｌｂは撮像体（３Ａ）　
、　（３Ｂ）それぞれの掘進前、後の撮影画像情報のＹ
軸方向のずれから求まる。

そのため、撮像体（３Ａ）、（３Ｂ）それぞれの掘進前
。

後の撮影画像情報に基き、ヨー角θ＝Ｏとして前記（５
）　、　（６）式から分布ｆｐｏ　、　ｆｐ＋に相当す
る分布ｆｐＯａ　。

ｆｉ）ｌａ又は分布ｆｐｏｂ　、　ｆｐｔｂを求める。

さらに、撮像体（３Ａ）の分布ｆｐｏａ　、　ｆｐ＋ａ
の相互相関関数を演算し、その最大値を（７）式に代入
して△６ａを求める。

また、撮像体（３Ｂ）の分布ｆｐｏｂ　、　ｆｐｔｂの
相互相関関数を演算し、その最大値を（７）式に代入し
てΔｌｂを求める。

そして、△ｌ！ａ、Δｌｂを（９）式に代入してｉｔを
求め。

このｇｔを（８）式に代入してヨー角の変化θｌを撮影
すれとして算出する。

さらに、算出したθｌと例えば撮像体（３Ａ）の掘進前
、後の撮影画像情報とにより、第１実施例と同様の演算
を行って横ずれ量△Ｙを測定する。

ナオ、前記の各演算等は第８図のフローチャートにした
がって行われ、自動的に横ずれ量△Ｙが測定される。

そして、ヨー角θ及び横ずれ量ΔＹが共に撮影画像情報
から測定されるため、ジャイロスコープ等を用いる場合
より一層、安価かつ簡単に測定が行える。

（第４実施例） つぎに、第４実施例について、第９図を参照して説明す
る。

この実施例においては、第３実施例と同様にして横ずれ
量ΔＹとともに縦ずれ量ΔＺを測定するため、第９図に
示すように第７図の撮像体（３Ａ）　、　（３Ｂ）に相
当するＹ軸方向の撮像体（８Ａｙ）　、　（８Ｂｙ）と
Ｚ軸方向の撮像体（３Ａｚ）、（３Ｂｚ）とを第１図の
掘進機（１）ニ取付ける。

そして、撮像体（３Ａｙ）　、　（３Ｂｙ）の撮影画像
情報からΔθ及び横ずれ量ΔＹを測定し、撮像体（３Ａ
ｚ）、（８Ｂｚ）の撮影画像情報から△φ及び縦ずれ量
△Ｚを測定する。

ところで、前記各実施例ではシールド掘進機によるトン
ネル工事のずれ量を測定したが、シールド掘進機以外の
種々の移動体の前進に伴うずれ量の測定に適用できるの
は勿論である。

また、撮像体はＣＣＤ構成以外であってもよい。

さらに、ターゲットけ）を撮影する代わシに後方の風景
等を撮影してもよい。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されている次め、以
下に記載する効果を奏する。

移動体に取付けられた撮像体の移動前、後の後方のター
ゲット、風景等の被写体の撮影画像情報とジャイロスコ
ープ等で測定した姿勢角とに基き、画像情報の相互相関
関数の演算から測定方向のずれ量を測定したため、多大
な労力２時間を要することなく、安価かつ簡単な手法に
より頻繁かつ正確にずれ量を測定することができる。

また、移動体に２台の撮像体を取付け１両撮像体の移動
前、後の後方の被写体の撮影画像情報に基き１画像情報
の相互相関関数の演算から測定力向の姿勢角の便化を求
めてずれ量を測定したため、ジャイロスコープ等による
姿勢角の測定が不要になり、−層安価かつ簡単な手法で
ずれ量を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の移動体の変位測定方法の
第１実施例を示し、第１図はシールド掘進機の側面図、
第２図は撮影画像と被写体との位置説明図、第３図は撮
像体の拡大図、第４図は測定説明図、第５図は動作説明
用のフローチャート。 第６図は第２実施例の撮像体センサの正面図、第７図、
第８図は第３実施例の測定説明図、動作説明用のフロー
チャート、第９図は第４実施例の撮像体の配置説明図で
ある。 （１）・・・シールド掘進機、　（３）　、　（３ど、
　（８Ａ）、（８Ａｙ）（８Ａｚ）、（８Ｂ）、（３Ｂ
ｙ）、（３Ｂｚ）−・・撮像体、（７）　・・・ターゲ
ット。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）目標方向に前進する移動体に撮像体を固定して取
   付け、前記撮像体により前記移動体の移動前、後の後方
   のターゲット、風景等の被写体を撮影するとともに、ジ
   ャイロスコープ等により前記移動体の姿勢角を測定し、
   移動前の撮影画像情報と前記姿勢角の変化に基く撮影ず
   れを補正した移動後の撮影画像情報との輝度分布の相互
   相関関数の演算により、移動後の前記目標方向に直角な
   測定方向のずれ量を測定することを特徴とする移動体の
   変位測定方法。
2. （２）目標方向に前進する移動体に前記目標方向に直角
   な測定方向に２台の撮像体を並列に固定して取付け、前
   記両撮像体により前記移動体の移動前、後の後方のター
   ゲット、風景等の被写体を撮影し、前記両撮像体それぞ
   れの移動前、後の撮影画像情報の相互相関関数の演算に
   より前記両撮像体の前記測定方向の画像移動量を算出し
   、前記両画像移動量と前記両撮像体間の距離とから前記
   移動体の姿勢角の変化に基く撮影ずれを算出し、前記両
   撮像体のいずれか一方の移動前の撮影画像情報と前記撮
   影ずれを補正した移動後の撮影画像情報との輝度分布の
   相互相関関数の演算により、移動後の前記測定方向のず
   れ量を測定することを特徴とする移動体の変位測定方法
   。