JP2007309899A - 非接触式振動・変位計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象物が遠隔であっても容易且つ確実に計測対象物の振動を計測可能な非接触式振動・変位計測装置を提供する。
【解決手段】非接触式振動・変位計測装置Ｍは、計測対象領域に対して照準を定めるレンズ部１１と、計測対象領域にレーザ光を照射する照射部１２と、レーザ光の反射光を受光する受光部１３と、を備える光学系１５と、光学系１５を駆動する駆動部２０と、レンズ部１１によって計測対象領域に照準が定められた時の駆動部２０の制御情報を記憶する記憶部２５と、駆動部２０の制御情報に基づいて照射部１２から照射されるレーザ光の照準を定める照準位置規定部と、照準位置規定部により定められた照準にレーザ光を照射し、計測対象領域の振動又は変位によって生じる反射光の出力の変化を検出する検出部と、反射光の出力の変化に基づいて計測対象領域の変位状態又は振動状態を解析する振動解析部３０と、を具備する。
【選択図】図２

Description

本願は、建設物など計測対象物の振動を非接触で計測する非接触振動・変位計測装置に関する。

従来から建設や産業機械などの分野では、建設物や機械の部材など計測対象物の振動・変位を計測し、当該計測対象物の振動・変位状況を把握して、その計測対象物物全体の剛性や健全性を評価することがある。

例えば、振動を計測する技術として、計測対象物に直接、振動センサを取り付けて振動を計測する接触式の振動センサがある。

一方、非接触で振動を計測する方法として、レーザを用いてドップラ効果により振動を測定する装置がある（特許文献１）。

特許文献１の振動計測方法は、レーザ光を発振し測定対象物に照射し、反射光と発振光を混合させることで、振動により発生し反射光に含まれたドップラ周波数を検出し、振動周波数を測定するものである。

特開平１０−９９４３号公報

しかしながら、計測対象物に振動センサを直接取り付けて計測する場合、計測対象物によっては、取り付け作業が困難な場合がある。また、計測対象物に対して計測すべき計測個所が複数の場合には、計測個所毎にセンサを取り付ける作業が必要となり、これを同時にコンピュータなどで自動計測する場合には、コンピュータまでの配線などが必要であるばかりでなく、増幅器などの装置などが必要となり、計測装置導入にかかるコストが高価にならざるを得ない。

一方、計測個所が高所であるなど振動センサの取り付け作業が困難な場合には、例えば、レーザードップラー型速度計などの非接触式の測定器を用いて計測することが可能であるが、当該測定器と計測個所との距離が遠い場合には、レーザ光を当該計測個所に正確に照射することが困難である。

特に、計測対象物が屋外の場合、計測対象物へのレーザ光の位置確認が極めて困難であって、照射位置の確認や調整が昼間では出来ないなどの問題がある。

また、複数の計測個所を対象として自動的に計測するには計測個所ごとに測定器が必要となることから計測装置導入にかかるコストが高価となるとともに、実現が困難である。

このように、構造物や機械の部材など計測対象物の振動状況を把握してその剛性や健全性を把握する社会的ニーズは高いにもかかわらず、従来の計測手法では、計測方法の困難さや計測装置導入にかかるコストが高価となるなど障害となっている。

本願は上記各問題点の解決を課題の一例として為されたもので、計測対象物が遠隔であっても容易且つ確実に計測対象物の振動を計測可能な非接触振動・変位計測装置を提供す
ることを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の非接触式振動・変位計測装置（Ｍ）は、計測対象領域に対して照準を定めるレンズ部（１１）と、前記計測対象領域にレーザ光を照射する照射部（１２）と、前記レーザ光の反射光を受光する受光部（１３）と、を備える光学系（１５）と、前記光学系を駆動する駆動部（２０）と、前記レンズ部によって前記計測対象領域に照準が定められた時の前記駆動部の制御情報を記憶する記憶部（２５）と、前記駆動部の制御情報に基づいて前記照射部から照射されるレーザ光の照準を定める照準位置規定部と、前記照準位置規定部により定められた照準に前記レーザ光を照射し、前記計測対象領域の振動又は変位によって生じる前記反射光の出力の変化を検出する検出部と、当該反射光の出力の変化に基づいて前記計測対象領域の変位状態又は振動状態を解析する振動解析部（３０）と、を具備することを特徴とする。

また、請求項２に記載の非接触式振動・変位計測装置は、請求項１に記載の振動計測装置であって、前記計測対象領域が複数存在する場合において、前記レンズ部によって照準が定められた順に前記駆動部の制御情報が順次記憶され、前記計測対象領域毎に前記レーザ光の照準が定められ、前記計測対象領域毎に前記定められた照準にレーザ光を照射して前記計測対象領域毎の変位状態又は振動状態が解析されることを特徴とする。

また、請求項３に記載の非接触式振動・変位計測装置は、請求項１、又は２に記載の振動計測装置において、前記照準位置規定部は、前記レーザ光の照射方向を変位させて、前記駆動部の制御情報に基づいて定められる照準の周辺に前記レーザ光を照射し、前記レーザ光の反射光の出力の変化を検出して、前記反射光の出力が最大時における駆動部の制御情報を前記レーザ光の照準として定めることを特徴とする。

また、請求項４に記載の非接触式振動・変位計測装置は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の振動計測装置において、前記計測対象領域の振動状態を監視する管理端末（４０）と、前記振動解析部によって得られた解析値が予め定められた閾値を超えたか否かを判断する判断部と、前記判断した結果、前記解析値が閾値を超えている場合は、前記管理端末に前記判断した結果を送信する送信部（３５）と、を更に具備することを特徴とする。

また、請求項５に記載の非接触式振動・変位計測装置は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の振動計測装置において、前記管理端末が通信回線を介して接続されていることを特徴とする。

また、請求項６に記載の非接触式振動・変位計測装置は、請求項１乃至５に記載の非接触式振動・変位計測装置を用いて、構造物における少なくとも４点以上の計測点を測定する場合に、当該非接触式振動・変位計測装置を設置して当該計測点を計測後、前記非接触式振動・変位計測装置を移動した際に、前記移動前の非接触式振動・変位計測装置によって計測されたすべての計測点の３次元座標を取得する第１の座標点取得手段と、前記移動後に前記計測点の中から少なくとも３点の計測点を選択し、移動後の前記非接触式振動・変位計測装置の設置位置における当該計測点の３次元座標を取得する第２の座標点取得手段と、前記第１及び第２の座標点取得手段により取得された３次元座標に基づいて、移動前の前記非接触式振動・変位計測装置の設置位置に対する移動後の前記非接触式振動・変位計測装置の設置位置における他の計測点の３次元座標を算出し、すべての計測点の３次元座標を取得する第３の座標点取得手段と、を具備することを特徴とする。

以下、本願の最良の実施形態について、図１乃至図５を用いて詳細に説明する。図１は非接触式振動・変位計測装置の計測状態を示す概略図、図２は非接触式振動・変位計測装置の構成図、図３は計測対象物の最適計測位置を特定する際の説明図、図４及び図５は非接触式振動・変位計測装置の動作を示すフローチャート図である。

なお、以下に説明する実施の形態は、一実施例として、橋梁２を計測対象物として適用した場合の実施形態を示すものであるが、この実施形態に限定されるものではなく、たとえば、建築物や構造物、産業機械、遺跡など振動状況を把握したい物体などに適用することも可能である。なお、以下に示す計測対象領域とは、計測をすべき領域を意味するものであり、当該領域は、計測すべき計測対象領域の計測点の１点を含む周辺部である。

本実施形態の非接触式振動・変位計測装置（以下、「振動・変位計測装置Ｍ」と称する。）は、図１に示すように、橋梁２を見渡せる位置に固定して設置され、遠隔地から非接触で橋梁２における所定の計測対象領域（例えば、Ａ〜Ｃ）の振動・変位を計測するものである。また、当該振動・計測装置Ｍは、当該計測対象領域の振動・変位状態に基づいて現状の橋梁２全体の振動・変位状態を解析又は将来の橋梁２の振動・変位状態を予測するものである。

振動・変位計測装置Ｍは、図２に示すように、橋梁２の計測対象領域（たとえば、図１のＡ〜Ｃ）に対して照準を定めるレンズ部１１と、当該計測対象領域に対してレーザ光を照射する照射部１２と、計測対象領域から反射されたレーザ光を反射光として受光する受光部１３と、を備える光学系１５と、当該光学系１５を上下左右方向に回転駆動する駆動部２０と、光学系１５を用いて計測対象領域に照準が定められたときの駆動部２０の制御情報を記憶する記憶部として機能するメモリ２５と、反射光の光量の変化に基づいて計測対象領域の振動・変位状態を解析するとともに、橋梁２全体の振動・変位状態を解析する振動解析部３０と、解析した結果を所定の管理端末４０に送信する送信部を含み管理端末４０と相互に情報を送受信する通信部３５と、を備えている。なお、各部は、図示しないシステム制御部により統括制御される。

レンズ部１１は、所定のレンズ郡（例えば、対物レンズ、焦点調節レンズ、接眼レンズなど）からなる望遠鏡であり、計測対象領域の例えば中心点を視準するものである。

照射部１２は、例えば、レーザダイオードが用いられ、所定の電流でレーザ光を発光するものである。一方、受光部１３は、例えば、フォトダイオードが用いられ、照射部１２により照射されたレーザ光の反射光を受光するものである。

図示しないが、前記光学系１５は一体的に設けられており、当該光学系１５の下部に取り付けられる駆動部２０を介して、上下左右に自由に回転駆動されるようになっている。また、当該駆動部２０を回転駆動することによってレンズ部１１及び照射部１２は、橋梁２の計測対象領域に対してそれぞれ照準を定めることが可能となっている。この駆動部２０は、システム制御部からの指示により、計測対象領域にレンズ部１１又は照射部１２から照射されるレーザ光の照準を定める際に駆動される。

当該駆動部２０は、図示しないが、例えば、光学系１５が一体的に取り付けられる台座と、当該台座に設けられた所定の歯車列と、当該歯車列に連結されたモータと、を備えて構成され、システム制御部によりモータが回転制御されることにより、歯車列を介して台座が左右又は上下方向に回転駆動するようになっている。これにより、台座に取り付けられる光学系１５も上下左右方向に回転駆動するようになっている。

メモリ２５は、光学系１５によって計測対象領域に照準が定められた時の駆動部２０の制御情報が記憶される。当該駆動部２０の制御情報とは、例えば、モータの回転角情報で
あり、水平方向の角度と垂直方向の角度を含んで構成される。なお、計測すべき計測対象領域が複数存在する場合には、メモリ２５には、それぞれの計測対象領域に対する駆動部２０の制御情報が順次記憶される。なお、制御情報は、水平方向の角度と垂直方向の角度から算出される計測対象領域の計測点の３次元座標であっても構わない。

振動解析部３０は、受光部１３によって受光された反射光の光量の変化を検出するとともに、照射部１２によって照射されたレーザ光の計測対象領域への到達時間などから計測対象領域までの距離を算出する。また、当該距離や反射光の光量の変化に基づいて橋梁２の計測対象領域における振動・変位を解析するとともに、振幅、周波数、速度又は加速度などの解析データを算出する。そして、これらの解析データを基に、現状の橋梁２全体の振動・変位状態を解析する。また、当該解析結果に基づいて将来の橋梁２の振動・変位状態を予測する。

また、例えば、振動解析部３０は、解析データに基づいて計測対象領域の振動・変位状態を数値化し、当該数値化された解析値Ｘと予め定められた閾値Ｙとを比較し、当該解析値Ｘが閾値Ｙを超えているか否かを判断する。そして、解析値Ｘが閾値Ｙを超えていれば、計測対象領域の振動状態が危険であると判断される。

通信部３５は、管理端末４０と通信回線網を介して接続され、例えば、振動解析部３０により解析された結果（例えば、計測対象領域が危険であるか否かの判断結果）を逐次送信するようになっている。当該通信回線網は、有線、無線を問わずどのような形態であっても構わない。なお、管理端末４０は、どこに配置しても構わないが、遠隔地に配置することによって、遠隔地であっても橋梁２の振動状態を把握することができる。

システム制御部は、主として演算機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）、作業用ＲＡＭ、及び各種データやプログラムを記憶するＲＯＭを備えて構成されている。当該ＣＰＵが、例えばＲＯＭに記憶された各種プログラムを実行することにより、各部を制御するとともに振動・変位計測装置Ｍ全体を統括制御する。

具体的には、本実施形態では、システム制御部は、レンズ部１１により計測対象領域に照準が定められた時の駆動部２０の制御情報に基づいて照射部１２から照射されるレーザ光の照射方向が定められるようになっている。具体的には、システム制御部は、レンズ部１１により計測対象領域に照準が定められた時の駆動部２０の制御情報が予め定められた補正値によって補正され、当該補正された駆動部２０の制御情報に基づいて駆動部２０を制御し、照射部１２から照射されるレーザ光の計測対象領域に対する照準が定められるようになっている。

また、システム制御部は、図３に示すように、計測対象領域のある１点にレーザ光の照準が定められたら、予め定められた範囲で駆動部２０を上下左右方向に回転駆動させて、照射部１２を回転駆動し、照準が定められた１点の周辺にレーザ光の照射方向を変位させて照射し、受光部２２によって反射光を受光するようになっている。そして、振動解析部３０によって反射光の光量の変化を検出し、当該反射光の光量が最大になった時の駆動部２０の制御情報（以下、「駆動部２０の最適制御情報」と称する。）がメモリ２５に記憶されるようになっている。そして、システム制御部は、計測対象領域の計測を行う際には、当該駆動部２０の最適制御情報で駆動部２０を制御し、レーザ光を計測対象領域に照射させるようになっている。すなわち、当該駆動部２０の最適制御情報を照射部１２から照射られるレーザ光の照準として定めるようになっている。

このように構成された振動・変位計測装置Ｍにおいて、システム制御部は、レンズ部１１によって計測対象領域を視準した際の駆動部２０の制御情報に基づいて、予め定められた補正
値によって補正され、当該補正された駆動部２０の制御情報に基づいて当該駆動部２０を上下左右に制御しつつ、照射部１２によって計測対象領域にレーザ光を照射し、受光部１３によって受光したレーザ光の反射光の光量の出力変化を検出し、反射光の光量の出力が最大の時の駆動部２０の最適制御情報をメモリ２５に記憶する。また、システム制御部は、当該メモリ２５に記憶された駆動部２０の最適制御情報に基づいて駆動部２０を制御し、光学系１５からレーザ光を照射して振動・変位計測を行うようになっている。さらに、システム制御部は、前記駆動部２０の最適制御情報に基づいて駆動部２０を制御した時の反射光の光量の出力変化等から計測対象領域の振動・変位解析を行うとともに、橋梁２全体の振動・変位解析を行うようになっている。

このようにすれば、計測対象領域に対してレーザ光を照射した時にその反射光が最大に出力される位置にレーザ光を照射できるので、例えば、橋梁２の吊橋部分などの線材など照準を定めるのが困難な場所であっても、的確に照射したレーザ光の反射光を受光できるので、橋梁２の計測対象領域における振動の変位（振動状態）をより確実に計測し、計測対象領域における振動・変位解析を行うことが可能となる。

次いで、振動・変位計測装置Ｍの計測動作の一例について、図４及び図５を用いて説明する。まず、計測対象物に対する計測を始めるにあたり、初期設定を行う必要がある。また、計測対象物の計測対象領域は、利用者によって予め定められる。

以下に初期設定の動作について、図４を用いて説明する。

まず、ステップＳ１０１では、システム制御部は、利用者によって、駆動部２０が制御されて、計測対象領域に対してレンズ部１１の照準が定められ、当該照準が定められた時の駆動部２０の制御情報を取得し、当該取得した駆動部２０の制御情報をメモリ２５に記憶する。

次いで、ステップＳ１０２では、システム制御部は、照準が変更されたか否かが判断される。この判断が肯定されれば、次のステップＳ１０３に進み、否定されれば、ステップＳ１０１に戻り、照準が変更された時の駆動部２０の制御情報を取得し、当該取得した駆動部２０の制御情報をメモリ２５に順次記憶する。

次いで、ステップＳ１０３では、システム制御部は、メモリ２５に記憶された駆動部２０の制御情報を予め定められた補正値で補正し、当該補正した駆動部２０の制御情報に基づいて駆動部２０を制御し、照射部１２からレーザ光を照射させる。

次いで、ステップＳ１０４では、システム制御部は、レーザ光の照準を予め定められた補正値（例えば、駆動部２０の回転角度を上下左右に２度ずつ変化させるなど）で変え、当該レーザ光の照射方向を変位させてレーザ光を照射させた時の反射光の光量を検出する。

次いで、ステップＳ１０５では、システム制御部は、反射光の光量が最大時の駆動部２０の最適制御情報を取得し、メモリ２５に記憶する。なお、計測対象領域が複数存在する場合には、それぞれの計測対象領域毎にレーザ光を照射させたときの反射光の光量が最大時の駆動部２０の最適制御情報を順次取得し、メモリ２５に順次記憶する。

これにより、計測すべき計測対象領域においてレーザ光を照射すべき最適な照射位置としてのレーザ光の照準が駆動部２０の最適制御情報により特定される。以下の計測動作においてレーザ光の照準は、当該初期設定で特定された駆動部２０の最適制御情報に基づいて駆動部が制御されて、定められるようになっている。

以下に本実施形態の振動・変位計測装置Ｍの計測動作について図５を用いて説明する。

まず、ステップＳ２０１では、システム制御部は、初期設定により記憶された駆動部１６の最適制御情報に基づいて駆動部２０を制御し、照射部からレーザ光を照射させて、受光部１３により当該レーザ光の反射光を受光する。

次いで、ステップＳ２０２では、システム制御部は、振動解析部によって、受光したレーザ光の反射光を時系列で検出し、反射光の光量の出力変化を検出する。また、システム制御部は、当該レーザ光の反射光に基づいて振動・変位計測装置Ｍから計測対象領域までの距離情報を算出する。

次いで、ステップＳ２０３では、システム制御部は、振動解析部３０によって、時系列で入力されるレーザ光の反射光の光量の出力変化に基づいて橋梁２の計測対象領域に振動が発生しているか否かが判断され、肯定されれば、ステップＳ２０４に進み、振動の状態を数値化して解析値Ｘを得て（ステップＳ２０４）、ステップＳ２０５に進む。また、この判断が否定されれば、ステップＳ２０１に戻り、処理を続行する。

次いで、ステップＳ２０５では、解析値Ｘが予め定められた閾値Ｙを超えるか否かが判断され、肯定されれば、ステップＳ２０６に進み、管理端末４０に解析結果を通知する。当該解析結果は、解析値Ｘが閾値Ｙをどれくらい超えるか否かによって危険度を段階的に通知するようにしても良いし、単に、閾値Ｙを超えた旨と、解析値Ｘの値を通知するものであってもよい。また、当該判断が否定された場合には、ステップＳ２０１に戻り処理を続行する。

次いで、ステップＳ２０７に進み、計測処理を終了するか否かが判断され、肯定されれば処理を終了し、否定されればステップＳ２０１に戻り処理を続行する。

なお、解析結果を逐次管理端末４０に送信するようにしても構わない。このようすれば、計測対象物を容易に監視できるとともに、危険度を事前に把握することが可能となる。

本実施形態によれば、計測対象物（橋梁２）における計測対象領域が遠隔であっても計測結果が遠隔地に設けられた管理端末に送信されるので、遠隔地であっても計測対象領域の振動状態を把握することが可能となる。よって、計測対象物に何らかの異常があっても迅速にその後の処理に対応できる。

また、計測対象領域のある１点にレーザ光の照準が利用者によって合わせられた後に、当該照準が合わせられた１点の周辺にレーザ光を照射し、その反射光の光量が最大の時の駆動部の制御情報を計測対象領域に対するレーザ光の照準として定めるため、レーザ光を照射すべき最適な計測対象領域にレーザ光を照射して計測を行える。また、レーザ光が計測対象領域の最適な位置に照射されるので、計測対象領域の変化をより確実に監視又は計測することが可能となる。また、複数の計測対象領域を計測する場合であっても、容易に計測することが可能となる。

次に、上記に示す振動・変位計測装置Ｍを設置して所定の計測点を計測後、当該振動・変位計測装置Ｍを移動した場合の測定手法について説明する。

従来、構造物の振動や変位状態を非接触で測定する場合には、当該構造物の計測対象領域において計測点を設定するとともに、当該計測点から離間させて振動・変位計測装置Ｍを設置して、当該計測点の３次元座標を取得した後、当該３次元座標に基づいて測定を行う。しかしながら、その後、当該振動・変位計測装置Ｍを移動させて、再度、構造物の振動や変位状態を測定する場合には、当該移動前に設定した計測点の３次元座標を再度計測する必要が生じる。このような場合、計測点が多くなるほど、当該計測点の３次元座標を再計測する必要があるため、時間的ロスが生じるとともに作業者への負担も増加し非効率となる。

このような場合において、本実施形態の測定手法は、移動前の振動・変位計測装置Ｍの位置（以下、「初期位置」と称する。）で取得されたすべての計測点の３次元座標を利用して行うものである。なお、本実施形態では、計測点が少なくとも４点以上設定されているものとする。

本実施形態の測定手法は、具体的には、振動・変位計測装置Ｍを移動後、当該振動・変位計測装置Ｍの位置（以下、「移動位置」と称する。）において移動前に設定した計測点のうちから少なくとも３点を選択し、当該３点について３次元座標を再計測して、当該移動位置にて計測した３点の３次元座標と初期位置で計測したすべての計測点の３次元座標から、振動・変位計測装置Ｍの位置及び姿勢を同定し、移動位置にて計測していない他の計測点の３次元座標を算出することによって、移動前に設定したすべての計測点の３次元座標を取得し、この３次元座標に基づいて構造物の振動や変位状態を測定するようになっている。なお、計測点を選択する場合において、選択した計測点が３点である時には、当該振動・変位計測装置Ｍとそれぞれの計測点を結ぶ線が同一線上に重ならないように計測点を選択する。

また、上記測定手法を用いるために、本実施形態の振動・変位計測装置Ｍは、移動前の振動・変位計測装置Ｍによって計測されたすべての計測点の３次元座標を取得する第１の座標点取得部と、前記移動後に前記計測点の中から少なくとも３点の計測点を選択し、移動後の前記振動・変位計測装置Ｍの設置位置における当該計測点の３次元座標を取得する第２の座標点取得部と、前記第１及び第２の座標点取得部により取得された３次元座標に基づいて、移動前の前記振動・変位計測装置Ｍの設置位置に対する移動後の前記振動・変位計測装置Ｍの設置位置における他の計測点の３次元座標を算出し、すべての計測点の３次元座標を取得する第３の座標点取得部と、を備えている。また、第１〜第３の座標点取得部は、本願の第１〜第３の座標点取得手段として機能する。なお、当該第１〜第３の座標点取得部により取得された３次元座標の情報は例えば、メモリ２５に記憶されるようになっている。そして、図示しないシステム制御部によって、第３の座標点取得部により取得された３次元座標の情報に基づいて駆動部２０が制御され、照射部１２からレーザが照射されるようになっている。

このように、振動・変位計測装置Ｍを初期の位置から移動した場合において、計測点を少なくとも３点計測すれば、他の計測点の３次元座標を算出することが可能となり、初期位置において計測したすべての計測点の３次元座標を取得することが可能となる。よって、移動した位置において、すべての計測点の座標を再度、計測する必要がなくなるため、時間的ロスも少なくできるとともに、作業者の負担も軽減でき、効率が良い。

以下に、振動・変位計測装置Ｍを設置して複数の計測点を計測後、当該振動・変位計測装置Ｍを移動した時の計測点の取得手法に係る基本概念ついて説明する。

図６に示すように、まず、例えば、計測領域Ｓにおいて計測点Ｘ_ｉ（ｉ＝１，２、３・・・、ｎ）を設定する。次に、移動前の振動・変位計測装置Ｍの設置位置Ｂ１において、世界座標系としての３次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を設定する。次に、移動後の振動・変位計測装置Ｍの設置位置Ｂ２において、局所座標系としての３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）を設定する。なお、世界座標系のＸ方向は、振動・変位計測装置Ｍの水平角及び鉛直角が０度のときにレーザの照射方向とし、局所座標系のｘ方向は、振動・変位計測装置Ｍの水平角及び鉛直角が０度のときにレーザの照射方向とする。

１〜ｎ個の各計測点について、上記世界座標系と局所座標系の間には、下記式（１）が成立する。

なお、式（１）において、Ｘ_ｉ＝[Ｘ_i1 Ｘ_i2 Ｘ_i3]^Tは、世界座標系における計測点の３次元座標、ｘ_ｉ＝[ｘ_i1 ｘ_i2 ｘ_i3]^Tは、局所座標系における計測点の３次元座標、Ｔ＝[Ｔ₁ Ｔ₂ Ｔ₃]^Tは、世界座標系における局所座標系の原点位置、[Ｒ]は世界座標系に対する局所座標系の回転行列である。

ここで、まず、Ｘ軸についてω回転させ、Ｙ軸についてφ回転させ、Ｚ軸についてκ回転させ、世界座標系に対する回転行列［Ｒ］をオイラー角により表現すると、下記式（２）のように表せる。

また、振動・変位計測装置Ｍは、測距と測角を同時に行うので、各座標系における各計測店の３次元座標が極座標として得られる。当該関係式を式（３）に示す。

また、式（１）における未知数（Ｔ₁ Ｔ₂ Ｔ₃ ω φ κ）は６個であり、式（１）における式の数は３個である。よって、計測点が３点以上あれば、（式の数）＞（未知数の数）となるため、最小二乗法により、未知数を決定することが可能となる。

次に、式（１）に含まれる未知数を最小二乗法により最確値として求めるために、式（１）を式（４）のように表す。

ここで、ｉ＝１、２、・・・・、ｎ及びｊ＝１、２、３であり、

である。ただし、Ｒ_j1、Ｒ_j2、Ｒ_j3は、式（２）で与えられる回転行列［Ｒ］の各成分である。

式（１）における測定値をＸ_ijとして、近似値Ｘ´_ijと補正量ΔＸ_ijにより次式（６）のように表す。

式（１）における未知数の最確値を近似値と補正量により次式（７）のように表す。

式（１）に含まれる関数ｆ_ijは、未知数に関する非線形方程式であるため、最小二乗法により定式化するに当たり、近似値の回りでテイラー展開を行い、二次以上の項を無視することで線形化し次式（８）のように表す。

ここで、左辺は測定量の補正量であり、測定量と近似値の差である。

次に、式（８）を各計測点について整理すると、次式（１０）のように表せる。

ここで、ｉ＝１、２、・・・、ｎ及びｊ＝１、２、３とすると、

測定値Ｘ_iが等精度であり、かつＸ_iの測定に誤差がないとすると、未知数Ｐの最確値Ｐ₀が以下の式（１４）のように求まる。

未知数の補正量Ｐ₀が求まった後は、近似値を補正して、再度、Ｐ₀を求めて、これをＰ₀の変化がなくなるまで、繰り返しによる収束計算を行い、未知数を決定すればよい。

次に、本実施形態の測定手法を適用した実施例について説明する。

本実施形態における振動・変位計測装置Ｍを移動した時の計測点の測定手法の妥当性を検証するため、屋内において、図７に示すように、計測点（ＩＤ）を６点（Ｇ〜Ｌ）設置し、実験を行った。なお、本実験では、計測点Ｇ〜Ｉを基準点とし、上記計算式を用いて、計測点Ｊ〜Ｌを求めることとした。なお、計測点Ｊ〜Ｌの三次元座標の同定値と計測値の比較を表１に示し、表１を座標値の誤差として比較したものを表２に示す。

まず、振動・変位計測装置Ｍを初期位置（Ｅ）に設置して、６点の計測点の三次元座標を取得した。

次に、振動・変位計測装置Ｍを移動し、当該移動後の位置（Ｆ）で、基準点の三次元座標を取得し、当該振動・変位計測装置Ｍの位置及び姿勢を同定した。

その結果、表１及び表２に示すように、測角誤差は３秒、測距誤差は３ｍ±２ｐｐｍであり、本手法の妥当性が検証された。

このように、計測点が少なくとも４点存在し、振動・変位計測装置Ｍを初期位置（Ｅ）から移動後の位置（Ｆ）に移動した場合において、計測点を少なくとも３点計測すれば、他の計測点の３次元座標を算出することが可能となり、初期位置において計測したすべての計測点の３次元座標を取得することが可能となる。よって、移動後の位置（Ｆ）において、すべての計測点の座標を再度、計測する必要がなくなるため、時間的ロスも少なくできるとともに、作業者の負担も軽減でき、効率が良い。

なお、本実施形態は一形態であって、この形態に限定されるものではない。

振動・変位計測装置の計測状態を示す概略図である。 振動・変位計測装置の構成図である。 計測対象領域を特定する際の説明図である。 振動・変位計測装置の動作の一例を示し、初期動作を示すフローチャート図である。 振動・変位計測装置の動作の一例を示し、計測動作を示すフローチャート図である。 振動・変位計測装置を移動した場合の計測点の取得手法の説明図である。 振動・変位計測装置による実験例を示す概略図である。

符号の説明

Ｍ 振動・変位計測装置
１１ レンズ部
１２ 照射部
１３ 受光部
１５ 光学系
２０ 駆動部
２５ メモリ
３０ 振動解析部
３５ 通信部
４０ 管理端末

Claims (6)

1. 計測対象領域に対して照準を定めるレンズ部と、
   前記計測対象領域にレーザ光を照射する照射部と、
   前記レーザ光の反射光を受光する受光部と、
   を備える光学系と、
   前記光学系を駆動する駆動部と、
   前記レンズ部によって前記計測対象領域に照準が定められた時の前記駆動部の制御情報を記憶する記憶部と、
   前記駆動部の制御情報に基づいて前記照射部から照射されるレーザ光の照準を定める照準位置規定部と、
   前記照準位置規定部により定められた照準に前記レーザ光を照射し、前記計測対象領域の振動又は変位によって生じる前記反射光の出力の変化を検出する検出部と、
   当該反射光の出力の変化に基づいて前記計測対象領域の変位状態又は振動状態を解析する振動解析部と、
   を具備することを特徴とする非接触式振動・変位計測装置。
2. 前記計測対象領域が複数存在する場合において、
   前記レンズ部によって照準が定められた順に前記駆動部の制御情報が順次記憶され、
   前記計測対象領域毎に前記レーザ光の照準が定められ、
   前記計測対象領域毎に前記定められた照準にレーザ光を照射して前記計測対象領域毎の変位状態又は振動状態が解析されることを特徴とする請求項１に記載の非接触式振動・変位計測装置。
3. 前記照準位置規定部は、
   前記レーザ光の照射方向を変位させて、前記駆動部の制御情報に基づいて定められる照準の周辺に前記レーザ光を照射し、前記レーザ光の反射光の出力の変化を検出して、前記反射光の出力が最大時における駆動部の制御情報を前記レーザ光の照準として定めることを特徴とする請求項１、又は２に記載の非接触式振動・変位計測装置。
4. 前記計測対象領域の振動状態を監視する管理端末と、
   前記振動解析部によって得られた解析値が予め定められた閾値を超えたか否かを判断する判断部と、
   前記判断した結果、前記解析値が閾値を超えている場合は、前記管理端末に前記判断した結果を送信する送信部と、
   を更に具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の非接触式振動・変位計測装置。
5. 前記管理端末が通信回線を介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の非接触式振動・変位計測装置。
6. 請求項１乃至５に記載の非接触式振動・変位計測装置を用いて、構造物における少なくとも４点以上の計測点を測定する場合に、当該非接触式振動・変位計測装置を設置して当該計測点を計測後、前記非接触式振動・変位計測装置を移動した際に、
   前記移動前の非接触式振動・変位計測装置によって計測されたすべての計測点の３次元座標を取得する第１の座標点取得手段と、
   前記移動後に前記計測点の中から少なくとも３点の計測点を選択し、移動後の前記非接触式振動・変位計測装置の設置位置における当該計測点の３次元座標を取得する第２の座標点取得手段と、
   前記第１及び第２の座標点取得手段により取得された３次元座標に基づいて、移動前の
   前記非接触式振動・変位計測装置の設置位置に対する移動後の前記非接触式振動・変位計測装置の設置位置における他の計測点の３次元座標を算出し、すべての計測点の３次元座標を取得する第３の座標点取得手段と、
   を具備することを特徴とする非接触式振動・変位計測装置。

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