JP2017015563A

JP2017015563A - 管路計測装置及び管路計測方法

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Publication number: JP2017015563A
Application number: JP2015132624A
Authority: JP
Inventors: 諒一片山; Ryoichi Katayama
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-07-01
Also published as: JP6592696B2

Abstract

【課題】管路の形状の計測を簡易にしつつ高い計測精度を保つことを可能にする管路計測装置及び管路計測方法を提供する。
【解決手段】管路の形状を計測する管路計測装置は、三軸直線加速度センサ５及び三軸ジャイロセンサ６を有し且つ管路内を走行可能である管路走行体１０１と、管路走行体１０１の走行距離を計測する距離計と、三軸直線加速度センサ５及び三軸ジャイロセンサ６が検知する加速度及び角速度と距離計が計測する走行距離とから管路走行体１０１の位置を検出する演算装置とを備える。演算装置は、検出する管路走行体１０１の位置による軌跡と管路の形状との間における管路走行体１０１の長さに起因する誤差を、検出する管路走行体１０１の位置に対して補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、管路計測装置及び管路計測方法に関する。

布設管路の状態つまり形状を計測する方法が考案されている。
例えば、特許文献１には、加速度計及びジャイロスコープを有し且つ管路内を走行する慣性センサによる計測結果と、距離計によって計測される管路内の慣性センサの走行距離とを用いて、管路の変位量を計測する発明が記載されている。特許文献１では、予め曲がり状態が既知となっている少なくとも１つの剛体的な管路要素と、この少なくとも１つの剛体的な管路要素に接続された管路要素とから構成される管路を計測対象としている。上述のような慣性センサと距離計とを用いた計測方法では、ジャイロドリフトに起因する誤差が発生する。さらに、曲がりの大きい管路においては、曲がりの影響による誤差、つまりスケールファクタによる誤差が生じる。このため、少なくとも１つの剛体的な管路要素の既知の曲がり角度と、管路内を計測走行する慣性センサの計測結果とを比較することによって、計測走行中のジャイロドリフトレートとスケールファクタによる誤差との補正が行われている。

特許第３２０５１０１号公報

特許文献１に記載される管路の変位量を計測する方法では、管路における少なくとも一つの管路要素の曲がり角度、つまり傾斜角度が既知であることが必要になる。このため、上記の少なくとも一つの管路要素の傾斜角度の計測と、慣性センサ及び距離計による計測との２つの異なる計測方法を用いて計測を実施する必要があり、計測方法毎に計測装置を準備する必要もある。よって、計測に要する手間、労力及び費用が、大きくなるという問題がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、管路の形状の計測を簡易にしつつ高い計測精度を保つことを可能にする管路計測装置及び管路計測方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る管路計測装置は、管路の形状を計測する管路計測装置において、加速度センサ及びジャイロセンサを有し、管路内を走行可能である管路走行体と、管路走行体の走行距離を計測する距離計測部と、加速度センサ及びジャイロセンサが検知する加速度及び角速度と、距離計測部が計測する走行距離とから管路走行体の位置を検出する位置検出部とを備え、位置検出部は、検出する管路走行体の位置による軌跡と管路の形状との間における管路走行体の長さに起因する誤差を、検出する管路走行体の位置に対して補正する。
さらに、位置検出部は、上記誤差の補正では、管路走行体の方位角が変化することによって生じる管路走行体の位置による軌跡と管路の線形形状との間の誤差距離と、管路走行体のピッチ角が変化することによって生じる管路走行体の位置による軌跡と管路の線形形状との間の誤差距離とを算出して用いてよい。

また、本発明に係る管路計測方法は、管路の形状を計測する管路計測方法において、管路内を走行する管路走行体の加速度及び角速度を検知するステップと、管路内を走行する管路走行体の移動距離を計測するステップと、検知した加速度及び角速度と、計測した移動距離とから管路走行体の位置を検出するステップとを含み、管路走行体の位置を検出するステップでは、検出する管路走行体の位置による軌跡と管路の形状との間における管路走行体の長さに起因する誤差を補正する。
さらに、上記誤差の補正では、管路走行体の方位角が変化することによって生じる管路走行体の位置による軌跡と管路の線形形状との間の誤差距離と、管路走行体のピッチ角が変化することによって生じる管路走行体の位置による軌跡と管路の線形形状との間の誤差距離とを算出して用いてよい。

本発明に係る管路計測装置及び管路計測方法によれば、管路の形状の計測が簡易になり且つ高い計測精度を保つことが可能になる。

本発明の実施の形態に係る管路計測装置の管路走行体の概略的な断面側面図である。本発明の実施の形態に係る管路計測装置を用いた管路の計測状況を示す概略的な断面側面図である。管路走行体の位置の誤差補正の方法の例を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態に係る管路計測装置１００について添付図面に基づいて説明する。
まず、管路計測装置１００の構成を説明する。
図２を参照すると、本発明の実施の形態に係る管路計測装置１００は、管路Ａ内を走行可能な管路走行体１０１と、管路走行体１０１の走行距離を計測する距離計１０２とを備えている。ここで、距離計１０２は、距離計測部を構成し、エンコーダ等を含むことができる。

図１を参照すると、管路走行体１０１は、細長の有底円筒状の筐体１と、筐体１を走行させる車輪２及び３とを備えている。車輪は、筐体１の走行方向でもある長手方向に沿って間隔をあけて配置された前輪２と後輪３とによって構成されている。前輪２の中心と後輪３の中心との間の距離は、Ｌとなっている。
さらに、筐体１は、その前方先端にケーブル１１が接続されるように構成されている。管路走行体１０１は、ケーブル１１を介して押される又は引かれることによって、走行するように構成されている。

管路走行体１０１は、筐体１の内部に、三軸直線加速度センサ５と、三軸ジャイロセンサ６と、ＣＰＵ等の演算部７とを有している。さらに、管路走行体１０１は、筐体１の前方部に設けられた入出力端子８を有している。
三軸直線加速度センサ５は、円筒状の筐体１の長手方向に延在する円筒中心軸に沿うＸ軸方向の直線加速度と、Ｘ軸に垂直であり且つ円筒中心軸から車輪２及び３に向かうＺ軸方向の直線加速度と、Ｘ軸及びＺ軸に垂直なＹ軸方向の直線加速度とを検知する。
三軸ジャイロセンサ６は、Ｘ軸周りつまり筐体１のローリング方向の角速度であるロール角速度と、Ｙ軸周りつまり筐体１のピッチング方向の角速度であるピッチ角速度と、Ｚ軸周りつまり筐体１のヨー方向の角速度である方位角速度とを検知する。
演算部７は、三軸直線加速度センサ５及び三軸ジャイロセンサ６から検知情報を受け取るように構成されている。

演算部７は、三軸直線加速度センサ５から連続的に受け取る三軸方向の直線加速度と、三軸ジャイロセンサ６から連続的に受け取る三軸周りの角速度とから、筐体１の三軸周りの姿勢角を算出する。すなわち、演算部７によって、筐体１のロール角とピッチ角と方位角とが、算出される。例えば、上記算出では、ロール角速度、ピッチ角速度及び方位角速度からロール角、ピッチ角及び方位角を算出する際に、Ｘ軸方向直線加速度、Ｙ軸方向直線加速度及びＺ軸方向直線加速度を用いて、三軸方向それぞれの直線加速度が三軸ジャイロセンサ６の検知角速度に与えている誤差及びジャイロドリフトを補正する。

演算部７は、上述のようにして算出した筐体１のロール角とピッチ角と方位角とを、入出力端子８につながれた外部の装置に出力することができる。
また、演算部７は、入出力端子８につながれた外部の装置に対して、外部の装置から情報を受け取ることができる。

図２を参照すると、距離計１０２は、管路走行体１０１を走行させるために巻取器１０３によってケーブル１１を引き出したとき又は巻き取ったときのケーブル１１の引き出し量又は引き込み量、つまり管路走行体１０１の走行距離を、搭載するエンコーダ等によって計測する。距離計１０２は、その計測結果を外部のコンピュータ等の演算装置１０４に送るように構成されている。なお、巻取器１０３は、手動で動作するものであっても、電動式で動作するものであってもよい。
さらに、演算装置１０４は、ケーブル１１に内部又は外部に沿って延在する有線を介して、管路走行体１０１の入出力端子８に、情報の送受信ができるようにつながれる。
演算装置１０４は、管路走行体１０１の演算部７から受け取る筐体１のロール角とピッチ角と方位角と、距離計１０２から受け取る管路走行体１０１の走行距離とから、管路走行体１０１の位置及び走行軌跡を算出する。ここで、演算装置１０４は、位置検出部を構成している。

次に、管路計測装置１００を用いた管路の形状の計測方法を説明する。
図２を参照すると、管路計測装置１００を用いて、複数の管Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・・・、Ａｎ−１、Ａｎを一列に連結して構成される管路Ａの形状を計測する。
図１及び図２をあわせて参照すると、計測者が、筐体１の後輪３側から管Ａ１内に、管路走行体１０１を挿入する。
管路走行体１０１は、計測者がケーブル１１を介して押し込むことによって、管路Ａ内を管Ａｎに向かって走行させられる。管路走行体１０１の筐体１が管Ａｎの端部にあるストッパＡｎａに当接すると、計測者は、管路走行体１０１を停止させる。

次いで、演算装置１０４によって、管路走行体１０１の演算部７、三軸直線加速度センサ５及び三軸ジャイロセンサ６等の構成要素が起動されて計測を開始すると共に、ケーブル１１の距離計１０２が起動されて計測を開始する。
その後、巻取器１０３によって、ケーブル１１の巻き取りが開始される。
ケーブル１１が巻き取られることによって、管路走行体１０１が管路Ａ内を管Ａ１に向かって走行する。

走行過程において連続的に検知される三軸直線加速度センサ５からの三軸方向の直線加速度と三軸ジャイロセンサ６からの三軸周りの角加速度とに基づき、演算部７は、筐体１におけるロール角、ピッチ角及び方位角を算出する。演算部７は、算出したロール角、ピッチ角及び方位角からなる姿勢角を、演算装置１０４に送る。
また、距離計１０２は、稼働中の巻取器１０３によるケーブル１１の巻取量つまり管路走行体１０１の走行距離を検出し、演算装置１０４に送る。

演算装置１０４は、距離計１０２から受け取る走行距離情報からケーブル１１の軸方向での管路走行体１０１の速度を算出し、さらに、管路走行体１０１の演算部７から受け取る姿勢角情報を用いて、管路走行体１０１の速度をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に分解する。
そして、演算装置１０４は、連続的に算出する管路走行体１０１の速度のＸ軸成分、Ｙ軸成分及びＺ軸成分を時間積分して、管路走行体１０１の位置のＸ軸成分、Ｙ軸成分及びＺ軸成分を連続的に算出する。

さらに、演算装置１０４は、管路走行体１０１の位置のＸ軸成分、Ｙ軸成分及びＺ軸成分を算出する毎に、誤差計算を実施する。つまり、演算装置１０４は、管路走行体１０１が走行する管路Ａの実質的に全ての部位について、管路走行体１０１の位置の誤差計算を実施する。
具体的には、演算装置１０４は、算出した位置のＸ軸成分、Ｙ軸成分及びＺ軸成分のそれぞれから、下記のように位置のＸ軸成分の誤差Ｘ’、Ｙ軸成分の誤差Ｙ’及びＺ軸成分の誤差Ｚ’を減じる誤差計算を行い、補正後の位置のＸ軸成分であるＸ１、Ｙ軸成分であるＹ１及びＺ軸成分であるＺ１を算出する。

例えば、方位角が変化することによって生じる誤差距離は、以下のように求められる。
図３を参照すると、管Ａｍと管Ａｍ−１との継手部Ｊにおいて、管Ａｍ−１の軸方向は、管Ａｍの軸方向に対して、管路Ａ内を走行する管路走行体１０１の方位角の方向で角度φだけ傾斜している。よって、管Ａｍの線形ラインＬＬ_Ａｍと管Ａｍ−１の線形ラインＬＬ_Ａｍ−１とは、図３に実線で示すような形状となる。
一方、管路走行体１０１が、管Ａｍから管Ａｍ−１へと走行する場合、演算装置１０４が上記の誤差計算を実施せずに算出する場合の管路走行体１０１の位置による軌跡は、線形ラインＬＬ_Ａｍと、一点鎖線で示す線形ラインＬＬ_Ａｍ−１’とをたどることになる。管路走行体１０１の筐体１において、前輪２と後輪３との間に距離Ｌがあるため、走行する筐体１は、線形ラインＬＬ_Ａｍと線形ラインＬＬ_Ａｍ−１との形状を正確になぞる軌跡を描かない。このような軌跡を描く筐体１の動作が三軸直線加速度センサ５及び三軸ジャイロセンサ６の検知結果に影響を与えることによって、湾曲部分を有し且つ線形ラインＬＬ_Ａｍ−１から平行移動した部分を有する線形ラインＬＬ_Ａｍ−１’が、軌跡として算出されることになる。

走行中の管路走行体１０１の前輪２が継手部Ｊを通過した後に後輪３が継手部Ｊに位置するとき、前輪２は、線形ラインＬＬ_Ａｍ−１上の点Ｆ１に位置することになる。しかしながら、上記の誤差計算を伴わずに管路走行体１０１の位置が算出される場合、前輪２は、線形ラインＬＬ_Ａｍ−１’上の点Ｆ２に位置することになる。
よって、点Ｆ１と点Ｆ２との間の距離ａだけの距離誤差が生じる。

さらに、点Ｆ２から線形ラインＬＬ_Ａｍ−１上に垂線をおろしたときの交点を点Ｆ２’とし、点Ｆ２と点Ｆ２’との間の距離をａ’とすると、ａ≒ａ’とみなすことができる。
さらにまた、継手部Ｊと点Ｆ１との距離Ｌと、継手部Ｊと点Ｆ２’との距離Ｌ’とに関して、Ｌ≒Ｌ’とみなすこともできる。
そして、線分ＪＦ２が線形ラインＬＬ_Ａｍ−１に対してなす角度αと、線形ラインＬＬ_Ａｍ−１’が線形ラインＬＬ_Ａｍ−１に対してなす角度φとに関して、α＝φ／２とみなすことができる。
なお、角度φは、管路Ａ内で走行する管路走行体１０１の前輪２が継手部Ｊを通過した後に後輪３が継手部Ｊに位置するようになる過程での、筐体１の方位角の実際の変化角度である。角度φは、管Ａｍの軸方向に対する管Ａｍ−１の軸方向の傾斜角度と同等である。
角度αは、誤差計算を伴わない位置検出の場合において、管路走行体１０１の前輪２が継手部Ｊを通過した後に後輪３が継手部Ｊに位置するようになる過程での、筐体１の方位角の変化角度を、角度φから減じたものである。
従って、誤差距離ａ＝Ｌ×ｔａｎ（φ／２）となる。

演算装置１０４は、上述のようにして連続して算出したＸ１、Ｙ１及びＺ１を成分とする点をつなげて線形とし、演算装置１０４に接続されたディスプレイ１０５に、二次元又は三次元の線形図で表示する。上記線形図は、管路Ａ、つまり管Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・・・、Ａｎ−１、Ａｎのそれぞれの姿勢、長さ、曲がり等を反映したものとなる。

上述のような補正計算を行うことによって、管路走行体１０１の筐体１の前輪２と後輪３との間の距離Ｌ、つまり筐体１の長さに起因する筐体１の検出位置の軌跡と管路Ａの曲がりの形状との間の誤差を修正することができる。例えば、２つの管の間の継手部で比較的変化の大きい曲がりがある場合、筐体１は、継手部の曲がりよりも緩い曲がり形状を描くようにして、継手部を通過し、検出される筐体１の位置の軌跡も上記形状の影響を受けたものとなる。しかしながら、上述のような補正計算を行うことによって、演算装置１０４が算出する管路Ａの線形は、継手部の曲がりの形状を正確に反映したものとなる。

また、実施の形態に係る管路計測装置１００では、管路走行体１０１を管路Ａ内に挿入して管路Ａの所定の位置まで走行させた後、管路走行体１０１を管路Ａから引き出すだけで、管路Ａの形状の計測が可能である。さらに、管路計測装置１００では、上述のように管路Ａの形状の計測精度が高い。よって、管路計測装置１００は、管路Ａの形状の計測を簡易にしつつ高い計測精度を保つことを可能にする。

実施の形態に係る管路計測装置１００では、ケーブル１１に沿って延在する有線を介して管路走行体１０１と演算装置１０４との間で情報の送受信を行っていたが、これに限定されるものでなく、無線通信を利用してもよい。
実施の形態に係る管路計測装置１００では、ケーブル１１の巻取量から管路走行体１０１の走行距離を計測していたが、これに限定されるものでなく、エンコーダ等を用いて検出できる前輪２又は後輪３の回転数から管路走行体１０１の走行距離を検出してもよい。
実施の形態に係る管路計測装置１００では、管路走行体１０１は、外力が加えられることによって走行するように構成されていたが、これに限定されるものでなく、内蔵するモータ等によって自走するように構成されてもよい。

５三軸直線加速度センサ、６三軸ジャイロセンサ、１００管路計測装置、１０１管路走行体、１０２距離計（距離計測部）、１０４演算装置（位置検出部）、Ａ管路。

Claims

管路の形状を計測する管路計測装置において、
加速度センサ及びジャイロセンサを有し、管路内を走行可能である管路走行体と、
前記管路走行体の走行距離を計測する距離計測部と、
前記加速度センサ及び前記ジャイロセンサが検知する加速度及び角速度と、前記距離計測部が計測する走行距離とから前記管路走行体の位置を検出する位置検出部と
を備え、
前記位置検出部は、検出する前記管路走行体の位置による軌跡と前記管路の形状との間における前記管路走行体の長さに起因する誤差を、検出する前記管路走行体の位置に対して補正する管路計測装置。
前記位置検出部は、前記誤差の補正では、前記管路走行体の方位角が変化することによって生じる前記管路走行体の位置による軌跡と前記管路の線形形状との間の誤差距離と、前記管路走行体のピッチ角が変化することによって生じる前記管路走行体の位置による軌跡と前記管路の線形形状との間の誤差距離とを算出して用いる請求項１に記載の管路計測装置。
管路の形状を計測する管路計測方法において、
管路内を走行する管路走行体の加速度及び角速度を検知するステップと、
前記管路内を走行する前記管路走行体の移動距離を計測するステップと、
検知した前記加速度及び前記角速度と、計測した前記移動距離とから前記管路走行体の位置を検出するステップと
を含み、
前記管路走行体の位置を検出するステップでは、検出する前記管路走行体の位置による軌跡と前記管路の形状との間における前記管路走行体の長さに起因する誤差を補正する管路計測方法。
前記誤差の補正では、前記管路走行体の方位角が変化することによって生じる前記管路走行体の位置による軌跡と前記管路の線形形状との間の誤差距離と、前記管路走行体のピッチ角が変化することによって生じる前記管路走行体の位置による軌跡と前記管路の線形形状との間の誤差距離とを算出して用いる請求項３に記載の管路計測方法。