JP2016109508A - 構造物解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】構造物全体を計測する時間を大幅に短縮することが可能となると共に、構造物を視覚的、直感的に評価することが可能な構造物解析システムを提供する。
【解決手段】構造物解析システム１００は、構造物の振動に係る計測データと、構造物の画像データとを同一の光軸で取得するレーザードップラー振動計システムと、鉛直軸を中心に回動するステージ部６０と、ステージ部６０上で水平軸を中心に回動するフレーム部７０とからなり、フレーム部７０にレーザードップラー振動計システムが搭載される電動雲台５０と、レーザードップラー振動計システムに対してデータ取得指令を発し、レーザードップラー振動計システムで取得された計測データと、画像データとが入力されると共に、パーソナルコンピューター９０は、電動雲台５０を順次駆動しつつ、レーザードップラー振動計部から計測データと、画像データとを取得する。
【選択図】図１

Description

本発明は、橋梁などの構造物をレーザードップラー振動計システムによって振動周波数、振動強度、固有振動周波数、変位などを計測するとともに、クラックなどの変状の点検を行い得る構造物解析システムに関する。

従来、レーザードップラー振動計システムを用いて、橋梁などの構造物の振動特性や変位を計測し、当該構造物の振動特性や変位を把握して、当該構造物の健全度を評価することが行われている。

例えば、特許文献１（特開２００８−２８１４２２号公報）には、レーザー光を利用した構造物の振動特性の非接触計測装置に、ペイント弾を着弾させ再帰性反射塗料を付着させることによる非接触計測対象面の形成装置を具備することを特徴とする構造物の振動特性の非接触計測システムが開示されている。
特開２００８−２８１４２２号公報

上記のような従来のレーザードップラー振動計システムによって、橋梁などの巨大な構造物全体を計測するためには、複数の振動計測対象点を測定する必要があり、多大な計測時間を要する、という問題があった。

また、レーザードップラー振動計システムによって、構造物を計測したとしても、当該構造物を視覚的、直感的に評価することができない、という問題があった。

上記のような問題を解決するために、本発明に係る構造物解析システムは、構造物の振動に係る計測データと、構造物の画像データとを同一の光軸で取得するレーザードップラー振動計部と、鉛直軸を中心に回動するステージと、前記ステージ上で水平軸を中心に回動するフレームとからなり、前記フレームに前記レーザードップラー振動計部が搭載される電動雲台と、前記レーザードップラー振動計部に対してデータ取得指令を発し、前記レーザードップラー振動計部で取得された計測データと、画像データとが入力されると共に、前記電動雲台に対する制御指令を出力する情報処理部と、からなり、前記情報処理部は、前記電動雲台を順次駆動しつつ、前記レーザードップラー振動計部から計測データと、画像データとを取得することを特徴とする。

また、本発明に係る構造物解析システムは、前記情報処理部が、画像データを繋ぎ合わせることを特徴とする。

また、本発明に係る構造物解析システムは、前記情報処理部が、繋ぎ合わせられた画像データから、変状データを抽出することを特徴とする。

また、本発明に係る構造物解析システムは、前記情報処理部が、繋ぎ合わせられた画像データと、計測データとを重畳することを特徴とする。

また、本発明に係る構造物解析システムは、前記情報処理部が、繋ぎ合わせられた画像データと、変状データとを重畳することを特徴とする。

また、本発明に係る構造物解析システムは、前記情報処理部が、既知点から前記レーザードップラー振動計部の位置を演算することを特徴とする。

本発明の構造物解析システムは、レーザードップラー振動計部が搭載された前記電動雲台を順次駆動しつつ、前記レーザードップラー振動計部から計測データと、画像データとを取得する構成となっており、本発明の構造物解析システムによれば、巨大な構造物全体を計測する時間を大幅に短縮することが可能となると共に、構造物を視覚的、直感的に評価することが可能となる。

本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００の模式的斜視図である。 本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００のブロック図である。 本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００の電動雲台５０の正面図である。 本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００のセッティングに用いる基準ターゲット２００を示す図である。 計測ヘッド部１３と距離計３０の配置関係と、基準ターゲット２００の寸法とを説明する図である。 本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００の計測準備手順のフロー図である。 本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００の計測準備手順の様子を模式的に示す図である。 パラメーターセット（ｒ，θ，φ）の取得方法を説明するフロー図である。 本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００による本計測のフロー図である。 本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００の本計測の様子を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００によるデータ処理のフロー図である。 本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００によるデータ出力例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００の模式的斜視図であり、図２は本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００のブロック図である。また、図３は本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００の電動雲台５０の正面図である。

レーザードップラー振動計システム１０は、カメラ（不図示）内蔵のレーザードップラー振動計システムであり、構造物の振動に係る計測データと、構造物の画像データとを、計測開口部１５を介して同一の光軸で取得することができるものである。

レーザードップラー振動計システム１０は、計測ヘッド部１３と、計測ヘッド部１３で所得された計測データと画像データを解析して、パーソナルコンピューター９０などに送信する解析部１７と、から構成されている。解析部１７から出力される、構造物の振動に係る計測データとしては、少なくとも、構造物の振動周波数、振動強度、固有振動周波数、変位が含まれている。

上記のようなレーザードップラー振動計システム１０としては、例えば、Ｐｏｌｙｔｅｃ社製ＲＳＶ−１５０などを用いることができる。

レーザードップラー振動計システム１０は、パーソナルコンピューター９０と通信可能に接続されており、パーソナルコンピューター９０からのデータ取得指令に応じて、構造物の振動周波数、振動強度、固有振動周波数、変位などの計測データと、構造物の画像データとを取得して、パーソナルコンピューター９０に送信する。

本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００では、汎用のパーソナルコンピューター９０を情報処理装置として用いているが、データ処理機能を有するものであれば、本発明に係る構造物解析システム１００に用い得る情報処理装置としてはその他のものでよい。また、汎用のパーソナルコンピューター９０に代え、専用の情報処理回路などを用いることもできる。

レーザードップラー振動計システム１０の計測ヘッド部１３は、電動雲台５０に搭載されている。電動雲台５０は、不図示のモーターやギアなどからなる駆動機構により、鉛直軸６３を中心として回動するステージ部６０を有している。このステージ部６０の水平面内での回転角度を、水平回転角度θとして定義する。

また、ステージ部６０上には、２つの立設部６５が設けられており、２つの立設部６５の間には水平軸７３を中心として回動するフレーム部７０が設けられている。フレーム部７０の垂直面内での回転角度を、垂直回転角度φとして定義する。

電動雲台５０は、パーソナルコンピューター９０と通信可能に接続されており、パーソナルコンピューター９０からの駆動指令に基づいて、水平回転角度θ、及び、垂直回転角度φを調整することができるようになっている。これにより、フレーム部７０に搭載されている計測ヘッド部１３の計測開口部１５を任意の方向に向けることができるようになっている。

また、ステージ部６０及びフレーム部７０には不図示のロータリエンコーダーが設けられており、水平回転角度θ及び垂直回転角度φに係る情報を、パーソナルコンピューター９０にフィードバックすることができるようになっている。

フレーム部７０には、距離計３０も取り付けられている。この距離計３０は、計測開口部３５から出射されたレーザー光（不図示）が計測対象物にあたり、反射された光を再び計測開口部３５側で受光することで、距離を計測する。

ここで、計測開口部３５で、出射される前記レーザー光の方向と、計測ヘッド部１３における計測のための構成の光軸の方向とは平行とされている。したがって、距離計３０は、レーザードップラー振動計システム１０で計測される構造物における点との間の距離を計測するようになっている。（ただし、後述するように、厳密には、距離計３０は、レーザードップラー振動計システム１０で計測される構造物における計測点と距離ｄ離れた点と、距離計３０との間の距離を計測する。）距離計３０で計測される距離データｒは、パーソナルコンピューター９０に送信されて、データ処理に利用される。

フレーム部７０には加速度計４０が取り付けられており、電動雲台５０自体の振動状況をこの加速度計４０によりモニターすることができるようになっている。加速度計４０で取得される加速度データは、パーソナルコンピューター９０に送信されるようになっている。パーソナルコンピューター９０側では、加速度計４０により所得されるデータに応じて、レーザードップラー振動計システム１０でデータ取得するタイミングを図ったり、或
いは、レーザードップラー振動計システム１０で取得されるデータの補正を行ったりすることが可能となる。

次に、以上のように構成される構造物解析システム１００によって、構造物Ｓに係るデータを取得する際のセッティングについて説明する。図４は本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００のセッティングに用いる基準ターゲット２００を示す図であり、図４（Ａ）は第１の態様の基準ターゲット２００であり、図４（Ｂ）は第２の態様の基準ターゲット２００である。両者は、画像認識用ターゲット２５０の模様が相違しており、その他の点では一致している。

基準ターゲット２００は、鉛直軸部材２０５を有している。基準ターゲット２００は、鉛直軸部材２０５が不図示の基台などに取り付けられて、構造物解析システム１００の電動雲台５０における計測ヘッド部１３が設置された位置（自己位置）を割り出すためのターゲットとして用いられる。鉛直軸部材２０５には、略Ｕ字状をなしている支持部材２１０が取り付けられており、この支持部材２１０には、支持部材２１０の２つの端部で、水平軸部材２１５が渡されるようにして設けられている。水平軸部材２１５には、反射面２３０が取り付けられている。反射面２３０は、距離計３０から出射されるレーザー光（不図示）を反射することを想定している。

また、反射面２３０の下方には延設部２４０が設けられており、この延設部２４０に画像認識用ターゲット２５０が取り付けられている。この画像認識用ターゲット２５０は、レーザードップラー振動計システム１０のカメラ機能により撮影され、パーソナルコンピューター９０に送信されることが想定されている。パーソナルコンピューター９０における画像認識技術で、画像認識用ターゲット２５０が認識しやすいように、画像認識用ターゲット２５０は、白と黒とで色分けされている。

ここで、基準ターゲット２００における反射面２３０の中心と、画像認識用ターゲット２５０の中心との間の距離はｄとされている。この距離ｄは、計測ヘッド部１３の計測開口部１５の中心と、距離計３０の計測開口部３５の中心との間の距離に対応している。図５は計測ヘッド部１３と距離計３０の配置関係と、基準ターゲット２００の寸法とを説明する図である。

上記のように、反射面２３０の中心と、画像認識用ターゲット２５０の中心との間の距離ｄが決められているので、より正確に、基準ターゲット２００に基づいて、電動雲台５０に搭載される計測ヘッド部１３の自己位置を求めることが可能となる。

また、本発明に係る構造物解析システム１００においては、上記のような基準ターゲット２００を用いて、適宜簡便に構造物解析システム１００の電動雲台５０を設置することが可能であり、高価なシステム一式を、解析対象である構造物近傍に常時設置する必要がなく、コストを節約することができる。

次に、構造物解析システム１００の電動雲台５０を設置した後の計測準備について説明する。図６は本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００の計測準備手順のフロー図である。なお、このフロー図はパーソナルコンピューター９０によってのみ実行されるものではない。

また、図７は本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００の計測準備手順の様子を模式的に示す図である。本実施形態では、構造物解析システム１００によって、橋梁などの構造物Ｓの解析を行うことを前提として、以下説明を進める。また、（ｘ_o1，ｙ_o1，ｚ_o1）、（ｘ_o2，ｙ_o2，ｚ_o2）、（ｘ_o3，ｙ_o3，ｚ_o3）の３つの位置座標については、既
知であるものとする。

図６の計測準備フロー図におけるステップＳ１０１では、基準ターゲット２００の画像認識用ターゲット２５０の中心が、既知の位置座標（例えば、（ｘ_o1，ｙ_o1，ｚ_o1））にくるように、基準ターゲット２００をセットする。なお、基準ターゲット２００をセットする際には、別途トータルステーションなどで既知の位置座標を特定する。

続いて、ステップＳ１０２においては、画像認識用ターゲット２５０を計測ヘッド部１３でとらえて、そのときの距離計３０で計測される距離データｒ、電動雲台５０における水平回転角度θ、垂直回転角度φのパラメーターセット（ｒ，θ、φ）を取得する。

このときの方法について、図８のフロー図を参照して説明する。図８はパラメーターセット（ｒ，θ，φ）の取得方法を説明するフロー図である。

ステップＳ２０１では、電動雲台５０に対して、水平回転角度θ、垂直回転角度φの駆動指令を、適当なθ、φとなるように調整する。なお、適当なθ、φとは、画像認識用ターゲット２５０が、レーザードップラー振動計システム１０のカメラ機能の視野内となるようなθ、φのことである。

続く、ステップＳ２０２においては、レーザードップラー振動計システム１０の計測ヘッド部１３によって、画像データを取得する。

ステップＳ２０３では、画像認識用ターゲット２５０の中央が画像データの中央と一致するか否かが判定される。このときの判定結果がＹＥＳであれば、計測ヘッド部１３の計測開口部１５が画像認識用ターゲット２５０を適切な姿勢で狙っていることとなるので、ステップＳ２０４に進み、距離計３０の距離データｒを取得し、記憶し、また、ステップＳ２０５では、そのときのθ、φを記憶し、ステップＳ２０６に進み、処理を終了する。

ステップＳ２０３における判定結果がＮＯであれば、ステップＳ２０１に戻り、再度、適当なθ、φとなるように電動雲台５０の姿勢を調整する。なお、このとき、画像データの画像解析に基づいて、適切なθ、φを決定するようにしてもよい。

さて、図６のフロー図に戻って、ステップＳ１０３においては、３つの既知点についてパラメーターセット（ｒ，θ、φ）を取得する処理が実行されたかが判定される。この判定がＮＯであれば、ステップＳ１０１に戻り、他の既知点にも基準ターゲット２００をセットし、ステップＳ１０２で、他の既知点についてもパラメーターセット（ｒ，θ、φ）を取得する処理を実行する。

一方、ステップＳ１０３における判定がＹＥＳであれば、
既知点（ｘ_o1，ｙ_o1，ｚ_o1）に対応するパラメーター（ｒ_o1，θ_o1、φ_o1）
既知点（ｘ_o2，ｙ_o2，ｚ_o2）に対応するパラメーター（ｒ_o2，θ_o2、φ_o2）
既知点（ｘ_o3，ｙ_o3，ｚ_o3）に対応するパラメーター（ｒ_o3，θ_o3、φ_o3）
を得たことになるので、ステップＳ１０４に進み、計測ヘッド部１３の自己位置（ｘ_o，
ｙ_o，ｚ_o）を演算により求める。

ステップＳ１０５で処理を終了する。

次に、以上のような計測準備を行った後には、構造物解析システム１００による本計測を実行する。図９は本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００による本計測のフロー図である。また、図１０は本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００の本計
測の様子を模式的に示す図である。なお、以下のフロー図では、サフィックスのｎは今回分の処理、ｎ＋１は次回分の処理程度の意味で用いている。

まず、本計測を行うに当たっては、計測ヘッド部１３で所得される画像データが第１画角となるように、適切に電動雲台５０を調整する。本発明に係る構造物解析システム１００では、電動雲台５０によって計測ヘッド部１３を順次駆動していき、「第１画角」でのデータ取得→「第２画角」でのデータ取得→「第３画角」でのデータ取得→「第４画角」でのデータ取得→・・・・・という工程を繰り返して、構造物Ｓに係るデータ取得を行うものである。

このように、本発明に係る構造物解析システム１００では、電動雲台５０を用いて、巨大な構造物Ｓ全体を計測する時間を大幅に短縮することを可能としている。

ステップＳ３００で本計測の処理が開始されると、ステップＳ３０１では、加速度計４０から取得されるデータが所定値以下であるか否かが判定される。本発明に係る構造物解析システム１００では、上記に説明したように電動雲台５０を駆動させた後に、データ取得を行う。電動雲台５０を駆動させた後には、不図示の駆動機構の振動が電動雲台５０に残っていることが考えられる。そこで、ステップＳ３０１による判定がＹＥＳとなった場合に、計測データを取得するようにする。

ステップＳ３０１による判定がＹＥＳとなったときには、ステップＳ３０２に進み、当該加速度計４０の加速度データを記憶しておく。これは、このような加速度データが、レーザードップラー振動計システム１０の計測データの補正に用い得る可能性があるからである。

ステップＳ３０３では、レーザードップラー振動計システム１０に対しデータ取得する指令を発し、ステップＳ３０４では、レーザードップラー振動計システム１０から取得された計測データ（振動周波数、振動強度、固有振動周波数、変位）、画像データ、画像中央の（ｒ_n，θ_n、φ_n）記憶する。

ステップＳ３０５では、自己位置を参照し、（ｒ_n，θ_n、φ_n）を（ｘ_n，ｙ_n、ｚ_n）に変換して、記憶する。

ステップＳ３０６では、対象構造物Ｓの全画角が撮影済みであるか否かが判定され、ＹＥＳであればステップＳ３１０に進み処理を終了し、ＮＯであればステップＳ３０７に進む。

ステップＳ３０７では、今回の（ｘ_n，ｙ_n、ｚ_n）から、次に計測・撮影する画角の（
ｘ_n+1，ｙ_n+1、ｚ_n+1）を決定する。このような画角の決定に際しては、今回の画角と、
次回の画角とが多少オーバーラップするようにしてもよい。また、このような画角の決定には、適当な画像処理ソフトウエアを用いることができる。

ステップＳ３０８では、ステップＳ３０７で決定された、次に撮影する画角に対応する（θ_n+1，φ_n+1）を演算し、続く、ステップＳ３０９においては、演算された（θ_n+1，
φ_n+1）に基づいて、電動雲台５０を駆動制御し、再びステップＳ３０１に戻る。

以上のような本発明に係る構造物解析システム１００の本計測では、それぞれの画角に対して、計測データ（振動周波数、振動強度、固有振動周波数、変位）、画像データ、画像中央の計測点における位置座標表（ｘ，ｙ、ｚ）、これに対応する（ｒ，θ、φ）のパラメーターセットを得ることとなる
次に、以上のような本計測によって取得されたデータのデータ処理について説明する。図１１は本発明の実施形態に係る構造物解析システム１００によるデータ処理のフロー図である。

図１１において、ステップＳ４００でデータ処理されると、続く、ステップＳ４０１においては、撮影した全画角の画像データを繋ぎ合わせる画像処理を実行する。

次のステップＳ４０２では、ステップＳ４０１で繋ぎ合わされた画像から、画像認識技術に基づいて、クラックなどの変状データを抽出する。

ステップＳ４０３では、計測データ（ここでは、振動周波数を例にとるが、振動周波数、振動強度、固有振動周波数、変位のいずれでも可）を全画角の画像データに重畳していく。例えば、振動周波数の大きさに応じて、色分けして表示を行うような場合、１画角に対して、１計測データが取得されているため、１画角に対して、１つの色が重畳されることとなる。

また、次のステップＳ４０４では、抽出された変状データを全画角の画像データに重畳する。このような変状データが画像データに重畳されることで、計測データと変状データとの関係を視覚的、直感的に把握することが可能となる。

続くステップＳ４０５では、上記のように、計測データと変状データとが重畳された画像データをパーソナルコンピューター９０の表示手段に表示したり、或いは、パーソナルコンピューター９０に接続されるプリンター（不図示）から印刷したり、といった出力処理を実行し、ステップＳ４０６で、処理を終了する。

図１２は、ステップＳ４０５によって、出力されるデータ出力例である。本例では、振動周波数の大きさによって、色分け表示された画像データが出力されるようにしている。しかしながら、振動周波数などの計測データを、画像データ中に重畳して表示する方法としては、本例の色分けに限らず、等高線によって表示したり、濃淡によって表示したり、グラフによって表示したり、ポリゴンによって表示したりすることもできる。

以上、本発明の構造物解析システム１００は、レーザードップラー振動計システム１０が搭載された前記電動雲台５０を順次駆動しつつ、前記レーザードップラー振動計システム１０から計測データと、画像データとを取得する構成となっており、本発明の構造物解析システム１００によれば、巨大な構造物全体を計測する時間を大幅に短縮することが可能となると共に、構造物を視覚的、直感的に評価することが可能となる。

１０・・・レーザードップラー振動計システム
１３・・・計測ヘッド部
１５・・・計測開口部
１７・・・解析部
３０・・・距離計
３５・・・計測開口部
４０・・・加速度計
５０・・・電動雲台
６０・・・ステージ部
６３・・・鉛直軸
６５・・・立設部
７０・・・フレーム部
７３・・・水平軸
９０・・・パーソナルコンピューター
１００・・・構造物解析システム
２００・・・基準ターゲット
２０５・・・鉛直軸部材
２１０・・・支持部材
２１５・・・水平軸部材
２３０・・・反射面
２４０・・・延設部
２５０・・・画像認識用ターゲット
Ｓ・・・構造物

Claims (6)

1. 構造物の振動に係る計測データと、構造物の画像データとを同一の光軸で取得するレーザードップラー振動計部と、
   鉛直軸を中心に回動するステージと、前記ステージ上で水平軸を中心に回動するフレームとからなり、前記フレームに前記レーザードップラー振動計部が搭載される電動雲台と、前記レーザードップラー振動計部に対してデータ取得指令を発し、前記レーザードップラー振動計部で取得された計測データと、画像データとが入力されると共に、前記電動雲台に対する制御指令を出力する情報処理部と、からなり、
   前記情報処理部は、前記電動雲台を順次駆動しつつ、前記レーザードップラー振動計部から計測データと、画像データとを取得することを特徴とする構造物解析システム。
2. 前記情報処理部が、画像データを繋ぎ合わせることを特徴とする請求項１に記載の構造物解析システム。
3. 前記情報処理部が、繋ぎ合わせられた画像データから、変状データを抽出することを特徴とする請求項２に記載の構造物解析システム。
4. 前記情報処理部が、繋ぎ合わせられた画像データと、計測データとを重畳することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の構造物解析システム。
5. 前記情報処理部が、繋ぎ合わせられた画像データと、変状データとを重畳することを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の構造物解析システム。
6. 前記情報処理部が、既知点から前記レーザードップラー振動計部の位置を演算することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の構造物解析システム。

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