JP2019184534A

JP2019184534A - 移動体に収容した被搬送物の体積測定システム

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Publication number: JP2019184534A
Application number: JP2018078851A
Authority: JP
Inventors: 森田　泰司; Taiji Morita; 泰司森田
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2038-04-17
Also published as: JP7093668B2

Abstract

【課題】移動する被搬送物に対し、安価な構成でより精度の高い体積測定を可能とすること。【解決手段】測定地点を通過する移動体に収容した被搬送物の体積を測定する、体積測定システムであって、ラインレーザ１０からのレーザー光１１によって被搬送物Ａおよび移動体Ｂに描かれた輪郭線Ａ１を、ラインレーザ１０の照射方向と異なる角度からデジタルカメラ２０で撮影し、この撮影データ２０から生成した見かけの断面図と、解析装置３０で予め登録してある移動体Ｂの形状データとを照合して被搬送物Ａの位置を特定する。その後、見かけの断面図からなる三次元データを用いて移動体Ｂの容積から加減処理を行って被搬送物Ａの体積を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、測定地点との間を相対移動する移動体に収容した被搬送物の体積を測定するための体積測定システムに関する。

シールド工法、山岳工法、推進工法、土工事などの建設工事において、土量を測定するための方法として、以下の特許文献に記載の発明が知られている。
特許文献１には、シールド掘進機によって掘削された土砂の体積を測定するための測定装置であり、土砂の重量測定を行う重量測定部と、掘削土砂の比重を測定する比重測定部と、測定された重量および比重に基づき、掘削体積を演算する排土量管理部と、を含んだ測定装置が開示されている。
特許文献２には、土運船の土倉に積載した土砂に対して、レーザービ−ムで三次元のスキャニングを行ない、レーザービ−ムのスキャニング角と土砂の表面までの距離とを測定するレーザー測定器と、前記レーザー測定器による測定値に対して土運船の動揺に起因する測定誤差の補正手段と、土砂の土量の演算手段とを設けた土運船の土量測定装置が開示されている。

特開平０９−１２５８８０号公報特開２００１−３０４８１３号公報

しかし、上記特許文献に記載の装置では、以下の課題が残されている。
（１）特許文献１に記載の測定装置では、土砂を積載する積載部全てに重量センサを設けなければならず、各センサの保守管理が大変である。
（２）特許文献１のように、積載部に重量センサを設けた場合、ベルトコンベアから落下する土の衝撃や、土を均一に積み込むための揺動作業などによって、積載部が絶えず振動するため、重量センサによる計測値が安定しない。よって、安定した計測値を得るためには、作業を中断し、積載部が静止した状態で重量測定を行わなければならない。
（３）特許文献２に記載の土量測定装置では、レーザー測定器による三次元スキャニングの処理時間を要するため、移動体の測定には不向きである。

よって、本願発明は、移動する被搬送物に対し、精度の高い体積測定を可能とする手段の提供を目的とする。

上記課題を解決すべくなされた本願の第１発明は、測定地点を通過する移動体に収容した被搬送物の体積を測定する、体積測定システムであって、前記移動体および被搬送物に対して上方からレーザー光を照射する、ラインレーザと、前記レーザー光を照射した前記移動体および被搬送物に対して、前記ラインレーザの照射方向と異なる角度から撮影を行う、デジタルカメラと、前記デジタルカメラの撮影データと、予め登録してある前記移動体の形状データと、を用いて前記被搬送物の体積を算出する、解析装置と、を備え、前記デジタルカメラは、前記レーザー光によって描かれた前記移動体および被搬送物の輪郭線が映った撮影データを連続生成し、前記解析装置は、前記撮影データから生成する見かけの断面図と前記移動体の形状データとの照合によって前記移動体の前端と後端を検出することで、前記被搬送物の体積算出区間の始端と終端を特定し、前記体積算出区間の範囲内の見かけの断面図を用いて、前記被搬送物の体積を算出することを特徴とする。
また、本願の第２発明は、前記第１発明において、前記解析装置が、予め前記形状データに登録、または前記形状データから求めた前記移動体の容積に対し、前記被搬送物の輪郭線が前記移動体の満杯時の境界線よりも上方にある領域の体積値を加算する処理、および、前記被搬送物の輪郭線が前記境界線よりも下方にある領域の体積値を減算する処理でもって、前記被搬送物の体積を算出することを特徴とする。
また、本願の第３発明は、前記第１発明または第２発明において、前記輪郭線を、前記ラインレーザの照射方向と異なる角度で、かつ、それぞれ異なる場所から撮影するように、複数の前記デジタルカメラを設け、前記解析装置は、前記複数のデジタルカメラからそれぞれ取得する撮影データから主たる画像データを選択し、前記主たる画像データで不足する輪郭線を、その余の画像データから補完することを特徴とする。
また、本願の第４発明は、前記第１発明乃至第３発明のうち何れか１つの発明において、前記被搬送物が掘削土砂であることを特徴とする。

本願発明によれば、以下に記載する効果を奏する。
（１）簡単な構成でありながら、搬送中の掘削土砂の体積を高い精度で測定することができる。
デジタルカメラの撮影データから、被搬送物の収容空間（体積算出区間）を特定できるため、レーザー測定器による三次元スキャンによる測定よりも高速に体積を測定することができる。
（２）速度センサを必要としない。
被搬送物の体積測定のために、移動体の移動速度を検出するためのセンサを設ける必要が無い。よってセンサの設置や保守に要するコストを節約できる。
（３）体積値の計算を高速に実行できる。
予め登録しておく移動体の形状データから算出可能な移動体の体積値に加減処理を行うよう構成することで、より高速に体積を測定することができる。
（４）輪郭線の補完が可能となる。
複数のデジタルカメラでそれぞれ輪郭線を撮影することで、輪郭線を補完した見かけの断面図を生成することができる。

実施例１に係る体積測定システムの概略構成図。予め登録する移動体の形状データを示すイメージ図。見かけの断面図を生成する際のイメージ図。体積算出区間を特定する際のイメージ図（１）。体積算出区間を特定する際のイメージ図（２）。体積算出区間を特定する際のイメージ図（３）。体積算出区間を特定する際のイメージ図（４）。被搬送物の体積を算出する際のイメージ図。実施例２に係る体積測定システムの概略構成図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。

＜１＞全体構成（図１）
本発明に係る体積測定システムは、ラインレーザ１０と、デジタルカメラ２０と、解析装置３０と、を少なくとも備える。
そして、本発明に係る体積測定システムは、移動体Ｂの移動路の途上に設置し、通過する移動体Ｂに収容した被搬送物Ａの体積をほぼリアルタイムに測定する機能を有する。
以下、各要素の詳細について説明する。

＜２＞被搬送物（図１）
被搬送物Ａは、本発明において体積の測定対象となる要素である。
本実施例では、被搬送物Ａとして、シールド工法、山岳工法、推進工法、土工事などの建設工事において発生する掘削土砂を想定している。

＜３＞移動体（図１）
移動体Ｂは、本発明において被搬送物Ａを収容して運搬するための要素である。
本発明の移動体Ｂには、ズリ鋼車、ダンプトラック、トロッコなど、被搬送物Ａの収容や搬送に用いる公知の装置を想定し、移動体Ｂの形状、大きさ、構造などは特段限定しない。
本実施例では、移動体Ｂとして上部から被搬送物Ａを投入可能な収容空間Ｂ１を設けているトロッコを用いている。

＜４＞ラインレーザ（図１）
ラインレーザ１０は、該ラインレーザ１０との間で相対移動する移動体Ｂに対し、レーザー光１１を照射することで、移動体Ｂおよび該移動体Ｂに積載した被搬送物Ａの表面に輪郭線Ａ１を描くための装置である。
本実施例では、ラインレーザ１０を、移動体Ｂの移動路の上方に設けており、ラインレーザ１０から照射するレーザー光１１が下方の移動体Ｂに向くように配置している。
レーザー光１１は、常に照射する態様としても良いし、後述するデジタルカメラ２０の撮影時にのみ照射する態様としてもよい。

＜４．１＞レーザー光の照射方向
レーザー光１１の照射方向θ１は、移動体Ｂの移動方向を０°（１８０°）としたとき、０°＜θ１＜１８０°の範囲で適宜決定することができる。
なお、本実施例では、レーザー光１１の照射方向θ１を９０°に設定している。これは、移動体Ｂと、各移動体Ｂ間の隙間との間で輪郭線Ａ１の落差を顕著に現すことで、後述する照合作業の精度を高められるからである。

＜５＞デジタルカメラ（図１）
デジタルカメラ２０は、前記ラインレーザ１０によって被搬送物Ａの表面に描かれた輪郭線Ａ１を撮影するための装置である。
本発明におけるデジタルカメラ２０は、静止画を取得可能な装置であればよく、ビデオカメラを除外するものではない。
また、本発明ではデジタルカメラ２０の画素数が多ければ大きいほど、画像解析の精度が向上する点で好ましいが、解析時間も長くなるため、適切な範囲で決めれば良い。

＜５．１＞撮影方法
デジタルカメラ２０は、移動する移動体Ｂに対し同じ位置で撮影を繰り返して、移動体Ｂおよび被搬送物Ａに描かれる輪郭線Ａ１を撮影した撮影データ２１を連続生成する。

＜５．２＞撮影方向
デジタルカメラ２０の撮影方向（θ２）は、先のレーザー光の照射方向θ１と同様、移動体Ｂの移動方向を０°（１８０°）としたとき、０°＜θ２＜１８０°の範囲であって、且つ前記θ１とは異なる角度とする。
両者の角度を異なるようにすることで、後述する解析装置３０でもって、デジタルカメラ２０の撮影データ２１から前記レーザー光１１の照射位置で９０°方向に切断した状態の見かけの断面図２２を計算によって求めることができる。

＜６＞解析装置（図１）
解析装置３０は、被搬送物Ａの体積を計測するための装置である。
解析装置３０は、前記デジタルカメラ２０で撮影した撮影データ２１と、予め登録してある移動体Ｂの形状データに基づいて、被搬送物Ａの体積を算出する。
本発明において、解析装置３０はＰＣなどの情報処理装置を用いることができる。
本実施例では、解析装置３０を、少なくとも、登録手段３１、光切断手段３２、および演算手段３３の３つの手段を有するよう構成している。各手段はソフトウェアおよびハードウェアを適宜組み合わせることで実現することができる。
以下、各手段の詳細について説明する。

＜６．１＞登録手段（図１）
登録手段３１は、少なくとも、移動体Ｂの形状データを予め登録しておくための手段である。
移動体Ｂの形状データには、移動体Ｂの外形および収容空間Ｂ１のそれぞれについて長さ、幅、高さや、移動体Ｂに対する収容空間Ｂ１の位置、容積などが含まれる。
その他、登録手段３１には、必要に応じて被搬送物Ａの比重などのデータを登録しておいてもよい。

＜６．２＞光切断手段（図１）
光切断手段３２は、少なくとも、デジタルカメラ２０から取得した撮影データ２１から、見かけの断面図２２を生成するための手段である。
光切断手段３２は、デジタルカメラ２０による輪郭線Ａ１の撮影データ２１に対し、ラインレーザ１０の照射方向θ１と、デジタルカメラ２０の撮影方向θ２とを用いて計算を行うことにより記レーザー光１１の照射位置で９０°方向に切断した状態の見かけの断面図２２を生成することができる。

＜６．３＞演算手段（図１）
演算手段３３は、光切断手段３２から取得した見かけの断面図２２、および前記登録手段３１から取得した移動体Ｂの形状データを用いて被搬送物Ａの体積を算出するための手段である。
演算手段３３による、被搬送物Ａの体積の算出方法には種々の方法を採用することができ、そのうちの一部については、後述する測定例の欄で説明する。

＜７＞測定例
以下、図２〜４を参照しながら、測定方法の一例について説明する。

＜７．１＞形状データの登録（図２）
まず、登録手段３１では、計測対象の移動体Ｂの形状データを事前登録しておく。
例えば、図２に示すように、移動体Ｂの外形および収容空間Ｂ１が何れも長方体状であるとした場合、登録手段３１は、移動体Ｂの形状データとして、移動体Ｂの外形および収容空間Ｂ１の長さ（Ｌ_１，Ｌ_２）、奥行き（Ｄ_１，Ｄ_２）、高さ（Ｈ_１，Ｈ_２）や、移動体Ｂのあおりの厚さ（Ｔ_１，Ｔ_２）、収容空間Ｂ１の容積（Ｖ＝Ｌ_２×Ｄ_２×Ｈ_２）などを登録しておけばよい。

＜７．２＞見かけの断面図の生成処理（図３）
次に、光切断手段３２は、デジタルカメラ２０から送られる撮影データ２１から、被搬送物Ａを切断した見かけの断面図２２を生成する。
図３（ａ）に示す撮影データ２１は、ラインレーザ１０からのレーザー光によって描かれた被搬送物Ａの輪郭線Ａ１をデジタルカメラ２０で撮影した画像である。
この撮影データ２１を、鉛直方向に対するラインレーザ１０の角度やデジタルカメラ２０の角度に基づいて適宜画像処理を施して、図３（ｂ）に示す見かけの断面図２２を生成する。

＜７．３＞体積算出区間の特定（図４Ａ〜図４Ｄ）
次に、演算手段３３は、各見かけの断面図２２を移動体Ｂの形状データと照合していき、被搬送物Ａの体積算出に用いる区間（体積算出区間）を特定する。
本実施例では、まず移動体Ｂの前端位置と後端位置を検出することで、体積算出区間を特定している。
移動体Ｂを検出する方法としては、見かけの断面図２２中の輪郭線Ａ１の表示の有無や、輪郭線Ａ１の高さが極端に変化した段階を検出する方法が考えられる。
以下、図４Ａ〜図４Ｄを参照しながら、移動体の検出方法の一例について説明する。

＜７．３．１＞移動体以外にレーザー光が照射されている段階（図４Ａ）
図４Ａ（ａ）では、ラインレーザ１０のレーザー光１１が移動体Ｂ同士を繋いでいる連結部分に照射されており、デジタルカメラ２０では移動体Ｂが影となって、輪郭線Ａ１を撮影できない。そのため、図４Ａ（ｂ）に示す見かけの断面図２２では、レーザー光１１による輪郭線Ａ１が表示されない状態となっている。
このように、見かけの断面図２２に輪郭線Ａ１が表示されない状態は、移動体Ｂが通過中ではないものとして移動体Ｂの前端位置Ｂ２の開始の検出処理を継続する。

＜７．３．２＞移動体の前端にレーザー光が照射されている段階（図４Ｂ）
図４Ｂ（ａ）では、レーザー光１１が移動体Ｂの前端位置Ｂ２に照射されている。このとき、図４Ｂ（ｂ）に示す見かけの断面図２２は、輪郭線Ａ１が、移動体Ｂの前端位置Ｂ２の高さで一直線状に表示されている。
この見かけの断面図２２に描かれる輪郭線Ａ１の位置が、前記登録手段３１に予め登録してある移動体Ｂの形状データの高さと一致した場合には、レーザー光１１が移動体Ｂの前端位置Ｂ２に照射したと判断することができる。

＜７．３．３＞被搬送物にレーザー光が照射されている段階（図４Ｃ）
図４Ｃ（ａ）では、レーザー光１１が移動体Ｂに積載している被搬送物Ｂに照射されている。このとき、図４Ｃ（ｂ）に示す見かけの断面図２２は、被搬送物Ｂの表面に描かれた輪郭線Ａ１が表示されている。（なお、図４Ｃ（ｂ）では、被搬送物Ｂの幅方向の高さは一定としている。）
この被搬送物Ｂにレーザー光１１を照射している状態の撮影枚数が多ければ多いほど、後述する被搬送物Ａの体積測定の精度は高くなる。
また、この区間内において移動体Ｂの移動速度が等速であれば、被搬送物Ａの体積測定の精度はより高くなる。

＜７．３．４＞移動体の後端にレーザー光が照射されている段階（図４Ｄ）
図４Ｄ（ａ）では、レーザー光１１が移動体Ｂの後端位置Ｂ３に照射されている。このとき、図４Ｄ（ｂ）に示す見かけの断面図２２は、輪郭線Ａ１が、移動体Ｂの後端位置Ｂ３の高さで一直線状に表示されている。
この見かけの断面図２２に描かれる輪郭線Ａ１の位置が、前記登録手段３１に予め登録してある移動体Ｂの形状データの高さと一致した場合には、レーザー光１１が移動体Ｂの後端位置Ｂ３に照射したと推定することができる。

＜７．３．５＞移動体以外にレーザー光が照射されている段階（図４Ａ）
移動体Ｂの移動が進み、再度図４Ａに示す、レーザー光１１による輪郭線Ａ１が表示されない状態となった際には、移動体Ｂが通過したことを検出して、前記［４］による後端位置Ｂ３の推定を確定すればよい。

＜７．３．６＞まとめ
このように、演算手段３３は、上記［１］〜［５］の検出作業を繰り返して各移動体Ｂの前端位置Ｂ２および後端位置Ｂ３を検出することで、該移動体Ｂの収容空間Ｂ１における体積算出区間の始端および終端の位置を割り出すことができる。

＜７．３．７＞その他の特定例
なお、図４Ｂや図４Ｄではデジタルカメラ２０による撮影タイミングが、レーザー光１１が前端位置Ｂ２や後端位置Ｂ３を照射している時と重なっているが、本発明は、上記タイミングに限定されるものではなく、見かけの断面図２２において輪郭線Ａ１の表示の有無が切り替わった状態を単純に体積算出区間の始端または終端として特定してもよい。
また、演算手段３３は、前端位置Ｂ２や後端位置Ｂ３をリアルタイムに検出しても良いし、デジタルカメラ２０による撮影データが一定枚数蓄積した段階で、体積算出区間を特定してもよい。

＜７．４＞体積の算出処理（図５）
最後に、演算手段３３は、被搬送物Ａの体積算出区間の範囲内にある見かけの断面図２２を用いて、被搬送物Ａの体積を算出する。
図５（ａ）は、見かけの断面図２２から生成した三次元データ２３のイメージ図である。
この三次元データ２３は、輪郭線Ａ１によって移動体Ｂのあおり部分と、被搬送物Ａの外表面が描かれた状態である。
この状態で、予め解析装置３０に登録してある形状データ、または前記形状データから求めた移動体Ｂの容積Ｖに対し、前記体積算出区間Ｂ１１内における、被搬送物Ａの輪郭線Ａ１が移動体Ｂの満杯時の境界線よりも上方にある領域（加算領域Ｖ１）の体積値の加算処理（図５（ｂ））と、被搬送物Ａの輪郭線Ａ１が境界線よりも下方にある領域（減算領域Ｖ２）の体積値の減算処理（図５（ｃ））と、の両方を行えば、被搬送物Ａの体積値Ｖ’（Ｖ＋Ｖ１−Ｖ２）を割り出すことができる。

＜８＞その他
上記したとおり、本発明では、移動体Ｂの移動速度を検出するセンサを必須とすることなく、被搬送物Ａの体積を算出することができる。
これは、見かけの断面図２２と移動体Ｂの形状データとの照合によって、移動体Ｂや被搬送物Ａの位置を特定できるためである。
よって、被搬送物Ａの開始位置と終了位置までの間の区間の見かけの断面図２２の枚数は、移動体Ｂの移動速度によって変わることとなるが、これは体積算出処理の精度を変動させるに過ぎない。
また、移動体Ｂの移動速度が等速を必須とするものではないが、等速に近ければ近いほど、体積算出精度は向上する。

図６を参照しながら、本発明の第２実施例に係る体積測定システムについて説明する。
本発明に係る体積測定システムは、デジタルカメラ２０を少なくとも二台以上設けておいてもよい。
図６に示すように、本実施例では、デジタルカメラ２０を二台設けておき、各デジタルカメラ２０の撮影方向を、前記ラインレーザ１０の照射方向と異なる位置かつその他のデジタルカメラ２０とも異なる角度から撮影するよう構成している。
これは、一方のデジタルカメラ２０による撮影データ２１において、被搬送物Ａに含まれる大きな礫ａなどによって生じる死角領域Ｃの存在によって輪郭線Ａ１が撮影でき無かった場合に、その他のデジタルカメラ２０による撮影データ２１でもって、補完を行うためである。

１０：ラインレーザ
１１：レーザー光
２０：デジタルカメラ
２１：撮影データ
２２：見かけの断面図
２３：三次元データ
３０：解析装置
３１：登録手段
３２：光切断手段
３３：演算手段
Ａ：被搬送物
ａ：礫
Ａ１：輪郭線
Ｂ：移動体
Ｂ１：収容空間
Ｂ２：前端位置
Ｂ３：後端位置
Ｃ：死角領域
Ｖ１：加算領域
Ｖ２：減算領域

Claims

測定地点を通過する移動体に収容した被搬送物の体積を測定する、体積測定システムであって、
前記移動体および被搬送物に対して上方からレーザー光を照射する、ラインレーザと、
前記レーザー光を照射した前記移動体および被搬送物に対して、前記ラインレーザの照射方向と異なる角度から撮影を行う、デジタルカメラと、
前記デジタルカメラの撮影データと、予め登録してある前記移動体の形状データと、を用いて前記被搬送物の体積を算出する、解析装置と、を備え、
前記デジタルカメラは、前記レーザー光によって描かれた前記移動体および被搬送物の輪郭線が映った撮影データを連続生成し、
前記解析装置は、
前記撮影データから生成する見かけの断面図と前記移動体の形状データとの照合によって前記移動体の前端と後端を検出することで、前記被搬送物の体積算出区間の始端と終端を特定し、
前記体積算出区間の範囲内の見かけの断面図を用いて、前記被搬送物の体積を算出することを特徴とする、
体積測定システム。
前記解析装置が、
予め前記形状データに登録、または前記形状データから求めた前記移動体の容積に対し、
前記被搬送物の輪郭線が前記移動体の満杯時の境界線よりも上方にある領域の体積値を加算する処理、および、前記被搬送物の輪郭線が前記境界線よりも下方にある領域の体積値を減算する処理でもって、前記被搬送物の体積を算出することを特徴とする、
請求項１に記載の体積測定システム。
前記輪郭線を、前記ラインレーザの照射方向と異なる角度で、かつ、それぞれ異なる場所から撮影するように、複数の前記デジタルカメラを設け、
前記解析装置は、前記複数のデジタルカメラからそれぞれ取得する撮影データから主たる画像データを選択し、前記主たる画像データで不足する輪郭線を、その余の画像データから補完することを特徴とする、
請求項１または２に記載の体積測定システム。
前記被搬送物が掘削土砂である、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の体積測定システム。