JP2023144420A - Construction support method for bar-shaped member, construction support system for bar-shaped member, and program - Google Patents

Construction support method for bar-shaped member, construction support system for bar-shaped member, and program Download PDF

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淳 山下
Atsushi Yamashita
一 淺間
Hajime Asama
桃子 速水
Momoko Hayami
卓也 伊賀上
Takuya Igaue
幹大 井倉
Mikihiro Igura
寛 樋口
Hiroshi Higuchi
ルイ笠原純ユネス
Kasahara Jun Younes Louhi
信博 谷口
Nobuhiro Taniguchi
哲 伊藤
Satoru Ito
健一 吉田
Kenichi Yoshida
弘之 森野
Hiroyuki Morino
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Obayashi Corp
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Obayashi Corp
University of Tokyo NUC
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Abstract

To efficiently and accurately specify the position and angle of an insertion hole for a rod-shaped member during tunnel construction.SOLUTION: A construction support method for a rod-shaped member 1 comprises steps of acquiring a photographed image of a wall surface 3 of the ground 2 into which the rod-shaped member 1 is to be inserted, detecting an insertion hole 5 already formed in the wall surface 3 as an elliptical area based on brightness information shown by the photographed image, and estimating the position and angle of the insertion hole 5 in the wall surface 3 based on the diameter and brightness information of the elliptical area shown by the photographed image corresponding to the elliptical area.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 2022年3月01日http://www.tc-iaip.org/dia/2022/Application for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act filed March 1, 2022 http://www. tc-iaip. org/dia/2022/

本発明は、棒状部材の施工支援方法、棒状部材の施工支援システム、及びプログラムに関するものであり、具体的には、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能とする技術に関する。 The present invention relates to a rod-shaped member construction support method, a rod-shaped member construction support system, and a program. Specifically, the present invention relates to a rod-shaped member construction support method, a rod-shaped member construction support system, and a program. Regarding technology that enables identification.

地山の自然な支保機能を利用したNATM(New Austrian Tunneling Method)工法は、新たな補助工法を適宜採用するなどして、従来の山岳トンネル以外にも適用範囲を広げつつある。
こうしたNATM工法では、地山の掘削や発破等で露出した壁面に、一次覆工のコンクリートを吹き付け、ロックボルトの打設と、二次覆工の覆工コンクリート打設を実施する。こうした施工を行うことで、地山と吹き付けコンクリートとを一体化させ、地山の保持力によってトンネル強度を高めることになる。
The NATM (New Austrian Tunneling Method) construction method, which utilizes the natural support function of the ground, is expanding its scope of application beyond traditional mountain tunnels by adopting new auxiliary construction methods as appropriate.
In this NATM construction method, concrete for the primary lining is sprayed onto the wall surface exposed by excavation or blasting of the ground, followed by placing rock bolts and concrete for the secondary lining. By carrying out such construction, the ground and shotcrete are integrated, and the strength of the tunnel is increased by the holding power of the ground.

こうしたロックボルト打設を含むトンネル工事の効率化を図る従来技術としては、例えば、切羽へのコンクリートの鏡吹きによって安全性を確保しつつ、工事作業者が鏡吹きされたコンクリート表面上でその地山状況を視認しながら施工作業を行うことが可能な切羽情報表示方法(特許文献1参照)などが提案されている。 Conventional techniques to improve the efficiency of tunnel construction, including the installation of rock bolts, include, for example, ensuring safety by mirror-blowing the concrete onto the face, while allowing construction workers to construct the ground on the mirror-blown concrete surface. A face information display method (see Patent Document 1) that allows construction work to be performed while visually confirming mountain conditions has been proposed.

この技術は、トンネル切羽の地山の露出面である第1の切羽面の全体を含む領域をデジタルカメラにて撮影する切羽撮影工程と、前記デジタルカメラにて撮影して得られた前記第1の切羽面の全体を含む領域の撮影画像データから前記第1の切羽面の画像部分のデータを切羽面画像データとして抽出し、当該切羽面画像データに基づき、少なくとも前記第1の切羽面の全体の実写画像である切羽面画像を含む切羽情報画像データを生成する切羽情報画像データ生成工程と、前記第1の切羽面にコンクリートを鏡吹きする鏡吹き工程と、前記鏡吹き後の前記コンクリート表面である第2の切羽面に、前記切羽情報画像データの示す画像である切羽情報画像のうち少なくとも前記切羽面画像を、前記第2の切羽面の形状およびサイズに一致させて前記第1の切羽面の実寸大で投影する切羽情報画像投影工程を含む方法にかかる。 This technology includes a face photographing step of photographing an area including the entire first face, which is an exposed surface of the ground of a tunnel face, with a digital camera, and a face photographing step of photographing an area including the entire first face, which is an exposed surface of the ground of the tunnel face, and the first face obtained by photographing with the digital camera. Data of an image portion of the first working face is extracted as working face image data from photographed image data of an area including the entire working face, and based on the said working face image data, at least the entire first working face is extracted. a face information image data generation step of generating face information image data including a face image that is a real image of the face, a mirror blowing step of mirror-blowing concrete on the first face, and the concrete surface after the mirror-blowing. The first working face is made to match the shape and size of the second working face by making at least the working face image, which is the image indicated by the working face information image data, match the shape and size of the second working face. The method includes a step of projecting a face information image in the actual size of the surface.

特開2022-1732号公報JP 2022-1732 Publication

上述のロックボルトの打設は、吹き付けコンクリートを通して壁面に削孔した孔(モルタル充填済み)に対し、ロックボルトを挿入する作業となる。こうしたロックボルトの挿入は、凹凸のある壁面から孔を見つける作業、ロックボルト先端を孔位置に合わせる作業、及びロックボルト全体を孔に挿入する作業に分かれている。
現在これらの作業は、作業員が孔周辺まで赴いて人力で行っている。しかし、粘性の高いモルタルの詰まった細長い孔に、長尺で重いロックボルトを挿入する必要があり、作業性や作業効率が良好とは言えない状況にある。
Driving the rock bolts described above involves inserting the rock bolts into holes (filled with mortar) drilled in the wall through shotcrete. Inserting such a lock bolt is divided into the work of finding a hole in an uneven wall surface, the work of aligning the tip of the lock bolt to the hole position, and the work of inserting the entire lock bolt into the hole.
Currently, these tasks are carried out manually by workers who go to the vicinity of the hole. However, it is necessary to insert a long, heavy rock bolt into a long, narrow hole filled with highly viscous mortar, which does not provide good workability or efficiency.

一方では、ロックボルト打設の一連の流れである、壁面での削孔、当該孔へのモルタル注入、及びロックボルト打設を、同一のアームを用いて機械化する手法も様々研究されている。こうした手法によれば、例えば、複数の削孔用削岩機を用いて削孔を行うと同時にロックボルト打設を行う、といった施工を行うため、施工の効率化を図ることができる。 On the other hand, various methods are being researched to mechanize the series of processes for driving rock bolts, including drilling holes in walls, injecting mortar into the holes, and driving rock bolts using the same arm. According to such a method, for example, a plurality of rock drilling machines are used to drill a hole and at the same time, a rock bolt is placed. Therefore, the efficiency of the construction can be improved.

しかしながら、正しい孔の位置や挿入角度を壁面上で効率良く自動特定するには至っておらず、ロックボルト先端と孔との位置合わせの自動化は困難なままである。そのため、正しい孔位置や挿入角度とのずれが生じたまま、ロックボルト打設を行うことで、孔中でのロックボルトの変形や破損につながるケースもあった。 However, it has not yet been possible to efficiently and automatically identify the correct hole position and insertion angle on a wall surface, and it remains difficult to automate the alignment of the tip of the lock bolt and the hole. Therefore, if the lock bolt is driven while the hole position and insertion angle are not correct, there are cases where the lock bolt is deformed or damaged in the hole.

そこで本発明は、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能とする技術の提供を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a technique that enables efficient and accurate identification of the position and angle of a rod-shaped member insertion hole during tunnel construction.

上記課題を解決する本発明の棒状部材の施工支援方法は、棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を取得する工程と、前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する工程と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する工程と、を含むことを特徴とする。
これによれば、導入コストが高くなりがちなビジュアルサーボ技術を用いた各種従来手法等と異なり、トンネル施工現場への導入が技術及びコストの両面で容易な単眼カメラを採用した手法にて、ロックボルト打設や装薬などの対象となる孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能となる。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。
The rod-shaped member construction support method of the present invention that solves the above-mentioned problems includes the steps of acquiring a photographed image of a wall surface into which a rod-shaped member is to be inserted; a step of detecting the hole as an elliptical region; and a step of estimating the position and angle of the insertion hole in the wall surface based on the diameter and brightness information of the elliptical region shown by the photographed image corresponding to the elliptical region. It is characterized by containing.
According to this, unlike various conventional methods using visual servo technology, which tend to be expensive to introduce, locking can be achieved using a method using a monocular camera that is easy to introduce to tunnel construction sites from both a technical and cost perspective. It becomes possible to efficiently and precisely specify the position and angle of a hole that is a target for bolting or charging. Further, it can be expected to have the effect of reducing the possibility of damage or deformation of the lock bolt etc. due to insertion into the hole.

なお、本発明における棒状部材の施工支援方法の、前記挿入孔である前記楕円領域を検出する工程において、前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する工程と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する工程を実行する、としてもよい。 In addition, in the step of detecting the elliptical area that is the insertion hole of the rod-shaped member construction support method of the present invention, the outline of each area in the photographed image is detected, and the detected outline is approximated to an elliptical shape. a step of converting each region into an elliptical region; and a step of identifying an elliptical region darker than other elliptical regions or a predetermined standard as the insertion hole based on the luminance information of each of the elliptical regions. You can also say "execute".

これによれば、トンネルの周壁面の撮影画像中に数多の楕円領域が含まれるとしても、精度良好にロックボルト等の挿入孔を特定することができる。ひいては、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。なお、この撮影画像は、1つの挿入孔のみが撮影対象となる条件下での撮影で得られたものを基本的には想定するが、楕円領域が所定基準より暗いものは挿入孔と特定できるため、特定対象の挿入孔の数に関して限定しない。上述の条件とは、具体的には、トンネルの周壁面に対する撮影装置の配置やレンズ方向、焦点距離、画角といった撮影条件が予め調整された環境に対応したものとなる。 According to this, even if many elliptical areas are included in the photographed image of the peripheral wall surface of the tunnel, the insertion hole for a rock bolt or the like can be specified with good accuracy. As a result, the position and angle of the rod-shaped member insertion hole during tunnel construction can be specified more efficiently and accurately. It is basically assumed that this photographed image was obtained under conditions in which only one insertion hole is photographed, but if the elliptical area is darker than a predetermined standard, it can be identified as an insertion hole. Therefore, there is no limitation on the number of insertion holes to be specified. Specifically, the above-mentioned conditions correspond to an environment in which photographing conditions such as the arrangement of the photographing device with respect to the peripheral wall of the tunnel, lens direction, focal length, and angle of view are adjusted in advance.

また、本発明における棒状部材の施工支援方法の、前記挿入孔の位置と角度を推定する工程において、前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径とに基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定する、としてもよい。 Further, in the step of estimating the position and angle of the insertion hole in the rod-shaped member construction support method of the present invention, the position of the insertion hole is specified based on the diameter of the elliptical area and the known diameter of the rod-shaped member. However, it may be determined that the insertion hole extends at an angle where the brightness becomes dark based on the change in brightness in the minor axis direction of the elliptical area.

これによれば、撮影装置の座標系からみた画像中の形状(孔に対応する楕円領域)と実際のトンネルの周壁面上の形状(実際の孔のもの)との間での相似関係を、既知の孔径をキーに適宜に踏まえることで、精度良好に孔位置の推定を行える。また、楕円領域における輝度のグラデーションと孔の延伸方向との関係性に基づき、当該孔の(トンネルの周壁面から地山内に向けた)角度を効率良く特定できる。すなわち、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。 According to this, the similarity relationship between the shape in the image (the elliptical area corresponding to the hole) seen from the coordinate system of the imaging device and the shape on the actual tunnel wall surface (the actual hole) is By appropriately using the known hole diameter as a key, the hole position can be estimated with good accuracy. Further, based on the relationship between the brightness gradation in the elliptical region and the extending direction of the hole, the angle of the hole (from the peripheral wall surface of the tunnel toward the inside of the ground) can be efficiently specified. That is, the position and angle of the insertion hole of the rod-shaped member during tunnel construction can be specified more efficiently and accurately.

また、本発明における棒状部材の施工支援方法にて、前記挿入孔の位置及び角度の情報を前記棒状部材の施工装置にセットする工程をさらに含む、としてもよい。 Further, the rod-shaped member construction support method of the present invention may further include a step of setting information on the position and angle of the insertion hole in the rod-shaped member construction device.

このように、挿入孔の位置や角度の情報を、例えば、コンピュータジャンボなどの施工装置にセットすることで、人力によらず、孔へのロックボルト等の挿入が可能となる。このことは、トンネル上部などの高所や危険個所での人手の作業を不要とし、作業員の各種負担やリスクが軽減される。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。ひいては、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。 In this way, by setting information on the position and angle of the insertion hole in a construction device such as a computer jumbo, it becomes possible to insert a lock bolt or the like into the hole without relying on human power. This eliminates the need for manual work at high or dangerous locations such as the upper part of tunnels, reducing various burdens and risks on workers. Further, it can be expected to have the effect of reducing the possibility of damage or deformation of the lock bolt etc. due to insertion into the hole. As a result, the position and angle of the rod-shaped member insertion hole during tunnel construction can be specified more efficiently and accurately.

また、本発明の棒状部材の施工支援システムは、棒状部材の挿入対象となる壁面を撮影する撮影装置と、前記撮影装置による撮影で得た撮影画像を取得し、当該撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理を実行する情報処理装置と、を含むことを特徴とする。 Further, the rod-shaped member construction support system of the present invention includes a photographing device that photographs a wall surface into which a rod-shaped member is to be inserted, and a photographed image obtained by photographing with the photographing device, and brightness information indicated by the photographed image is used. the position of the insertion hole on the wall based on the diameter and brightness information of the elliptical area shown by the photographed image corresponding to the elliptical area; and an information processing device that executes a process of estimating an angle.

これによれば、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能なシステムを提供できる。 According to this, it is possible to provide a system that can efficiently and accurately specify the position and angle of the insertion hole of the rod-shaped member during tunnel construction.

なお、本発明の棒状部材の施工支援システムにおいて、前記情報処理装置は、前記挿入孔である前記楕円領域を検出する処理において、前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する処理と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する処理を実行するものである、としてもよい。 In the rod-shaped member construction support system of the present invention, the information processing device detects the contour of each region in the captured image in the process of detecting the elliptical region that is the insertion hole, and detects the contour of each region in the photographed image. a process of converting each region into an elliptical region by approximating it to an elliptical shape, and inserting one of the elliptical regions that is darker than other elliptical regions or a predetermined standard based on the luminance information of each of the elliptical regions. It is also possible to perform processing to identify the hole.

これによれば、トンネルの周壁面の撮影画像中に数多の楕円領域が含まれるとしても、精度良好にロックボルト等の挿入孔を特定するシステムの提供が可能となる。ひいては、当該システムにより、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。なお、この撮影画像は、1つの挿入孔のみが撮影対象となる条件下での撮影で得られたものを基本的には想定するが、楕円領域が所定基準より暗いものは挿入孔と特定できるため、特定対象の挿入孔の数に関して限定しない。上述の条件とは、具体的には、トンネルの周壁面に対する撮影装置の配置やレンズ方向、焦点距離、画角といった撮影条件が予め調整された環境に対応したものとなる。 According to this, even if many elliptical areas are included in the photographed image of the peripheral wall surface of the tunnel, it is possible to provide a system that accurately identifies insertion holes for rock bolts and the like. In turn, this system allows the position and angle of the insertion hole for the rod-shaped member to be specified more efficiently and accurately during tunnel construction. It is basically assumed that this photographed image was obtained under conditions in which only one insertion hole is photographed, but if the elliptical area is darker than a predetermined standard, it can be identified as an insertion hole. Therefore, there is no limitation on the number of insertion holes to be specified. Specifically, the above-mentioned conditions correspond to an environment in which photographing conditions such as the arrangement of the photographing device with respect to the peripheral wall of the tunnel, lens direction, focal length, and angle of view are adjusted in advance.

なお、本発明の棒状部材の施工支援システムにおいて、前記情報処理装置は、前記挿入孔の位置と角度を推定する処理において、前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径とに基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定するものである、としてもよい。 In the rod-shaped member construction support system of the present invention, in the process of estimating the position and angle of the insertion hole, the information processing device estimates the position and angle of the insertion hole based on the diameter of the elliptical region and the known diameter of the rod-shaped member. The position of the insertion hole may be specified, and based on the change in brightness in the minor axis direction of the elliptical region, the insertion hole may be specified as extending at an angle where the brightness becomes dark.

これによれば、撮影装置の座標系からみた画像中の形状(孔に対応する楕円領域)と実際のトンネルの周壁面上の形状(実際の孔のもの)との間での相似関係を、既知の孔径をキーに適宜に踏まえることで、精度良好に孔位置の推定を行うシステムが提供できる。また、当該システムにより、楕円領域における輝度のグラデーションと孔の延伸方向との関係性に基づき、当該孔の(トンネルの周壁面から地山内に向けた)角度を効率良く特定できる。 According to this, the similarity relationship between the shape in the image (the elliptical area corresponding to the hole) seen from the coordinate system of the imaging device and the shape on the actual tunnel wall surface (the actual hole) is By appropriately considering the known hole diameter as a key, it is possible to provide a system that estimates the hole position with good accuracy. In addition, the system enables efficient identification of the angle of the hole (from the peripheral wall surface of the tunnel into the ground) based on the relationship between the brightness gradation in the elliptical region and the extending direction of the hole.

なお、本発明の棒状部材の施工支援システムにおいて、前記情報処理装置は、前記挿入孔の位置及び角度の情報を、前記棒状部材の施工装置にセットする処理をさらに実行するものである、としてもよい。 In the rod-shaped member construction support system of the present invention, the information processing device may further execute a process of setting information on the position and angle of the insertion hole in the rod-shaped member construction device. good.

このように、システムが、挿入孔の位置や角度の情報を、例えば、コンピュータジャンボなどの施工装置にセットすることで、人力によらず、孔へのロックボルト等の挿入が可能となる。このことは、トンネル上部などの高所や危険個所での人手の作業を不要とし、作業員の各種負担やリスクが軽減される。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。ひいては、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。 In this way, the system sets information on the position and angle of the insertion hole in a construction device such as a computer jumbo, thereby making it possible to insert a lock bolt or the like into the hole without manual effort. This eliminates the need for manual work at high or dangerous locations such as the upper part of tunnels, reducing various burdens and risks on workers. Further, it can be expected to have the effect of reducing the possibility of damage or deformation of the lock bolt etc. due to insertion into the hole. As a result, the position and angle of the rod-shaped member insertion hole during tunnel construction can be specified more efficiently and accurately.

また、本発明のプログラムは、情報処理装置において、棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を撮影装置から取得する処理と、前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理と、を実行させるものである。 Further, the program of the present invention includes, in an information processing device, a process of acquiring from a photographing device a photographed image of a wall surface into which a rod-shaped member is to be inserted; A process of detecting the hole as an elliptical area, and a process of estimating the position and angle of the insertion hole in the wall surface based on the diameter and brightness information of the elliptical area shown by the captured image corresponding to the elliptical area. It is what makes it happen.

これによれば、ロックボルト打設や装薬などの対象となる孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定する機能を情報処理システムに実装可能となる。また、こうした機能を備えた情報処理システムをコンピュータジャンボ等の施工装置と連携させることで、孔へのロックボルト挿入を適宜な精度で効率良く自動化可能となる。このことは、孔へのロックボルト等の挿入に伴い生じていたロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果にもつながりうる。 According to this, it becomes possible to implement in the information processing system a function of efficiently and accurately specifying the position and angle of a hole to be subjected to rock bolt driving, charging, etc. Furthermore, by linking an information processing system with such functions with construction equipment such as a computer jumbo, it becomes possible to efficiently automate the insertion of lock bolts into holes with appropriate precision. This can also lead to the effect of reducing the possibility of damage or deformation of the lock bolt or the like that occurs when the lock bolt or the like is inserted into the hole.

本発明によれば、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能となる。 According to the present invention, it is possible to efficiently and accurately specify the position and angle of the insertion hole of a rod-shaped member during tunnel construction.

本実施形態における施工支援方法の適用環境例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of an environment in which the construction support method according to the present embodiment is applied. 本実施形態における施工支援システムの全体構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of a construction support system according to the present embodiment. 本実施形態における情報処理装置のハードウェア構成例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of an information processing device according to an embodiment. FIG. 本実施形態における座標系及び各ベクトルの定義例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of the definition of a coordinate system and each vector in this embodiment. 本実施形態における施工支援方法のフロー例を示す図である。It is a figure showing an example of a flow of a construction support method in this embodiment. 本実施形態の撮影画像中における挿入孔内のグラデーションを示す図である。It is a figure showing the gradation in the insertion hole in the photographed image of this embodiment. 本実施形態における撮影位置を示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing the photographing position in this embodiment. 本実施形態における挿入孔の実例を示す図である。It is a figure showing an example of an insertion hole in this embodiment. 本実施形態におけるチェッカーボード撮影の様子を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing how checkerboard photography is performed in this embodiment. 本実施形態における挿入孔検出結果を示す図である。It is a figure which shows the insertion hole detection result in this embodiment. 本実施形態における楕円の短軸上の輝度状況(条件1)を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a brightness situation (condition 1) on the short axis of an ellipse in this embodiment. 本実施形態における楕円の短軸上の輝度状況(条件2)を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the brightness situation (condition 2) on the short axis of the ellipse in this embodiment.

<概要>
まず、本実施形態の棒状部材の施工支援方法を適用する環境や、技術の概要について説明する。図1で例示するように、棒状部材であるロックボルト1は、トンネル施工対象となる地山2において、トンネルの周壁面3に設けられた挿入孔5に打設される。この挿入孔5は、トンネルの周壁面3に施工された吹き付けコンクリート6を通して地山2に削孔されたものとなる。また、ロックボルト打設に先立ち、当該挿入孔5の内空には、モルタルが充填される。
<Summary>
First, an overview of the environment and technology to which the rod-shaped member construction support method of this embodiment is applied will be described. As illustrated in FIG. 1, a rock bolt 1, which is a rod-shaped member, is driven into an insertion hole 5 provided in a peripheral wall surface 3 of a tunnel in a ground 2 on which a tunnel is to be constructed. This insertion hole 5 is drilled into the ground 2 through shotcrete 6 applied to the peripheral wall surface 3 of the tunnel. Furthermore, prior to driving the lock bolt, the inner space of the insertion hole 5 is filled with mortar.

こうしたロックボルト1の打設は、上述のように削孔された挿入孔5(モルタル充填済み)に対し、ロックボルト1を挿入する作業となる。この作業は、従来であれば人力によって実施されていたが、本実施形態の施工支援方法を適用した環境下では、コンピュータジャンボ60などの施工装置によって、十分な精度で自動化可能である。 Driving the rock bolt 1 in this manner involves inserting the rock bolt 1 into the insertion hole 5 (filled with mortar) that has been drilled as described above. Conventionally, this work would have been performed manually, but in an environment where the construction support method of this embodiment is applied, it can be automated with sufficient accuracy using a construction device such as the computer jumbo 60.

つまり、施工装置との適宜な連携を図ることで、ロックボルト1の挿入作業を構成する、凹凸のあるトンネルの周壁面3から挿入孔5を見つける作業、ロックボルト1の先端を挿入孔5の開口位置に合わせる作業、及びロックボルト全体を挿入孔5に挿入する作業を自動化しうることとなる。
<システム構成>
以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図2は、本実施形態における棒状部材1の施工支援システム100(以下同様)の構成例を示す図である。
In other words, by appropriately coordinating with the construction equipment, the work of finding the insertion hole 5 from the uneven peripheral wall surface 3 of the tunnel, which constitutes the insertion work of the rock bolt 1, and the work of inserting the tip of the rock bolt 1 into the insertion hole 5. The work of adjusting the opening position and the work of inserting the entire lock bolt into the insertion hole 5 can be automated.
<System configuration>
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a construction support system 100 (the same applies hereinafter) for the rod-shaped member 1 in this embodiment.

本実施形態における棒状部材1の施工支援システム100は、トンネル施工時における、ロックボルト1など棒状部材の挿入孔5の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能とするシステムである。 The construction support system 100 for the rod-shaped member 1 in this embodiment is a system that can efficiently and accurately specify the position and angle of the insertion hole 5 of the rod-shaped member such as the rock bolt 1 during tunnel construction.

こうした施工支援システム100は、図2で例示するように、デジタルカメラ20、情報処理装置50、及びコンピュータジャンボ60のうち、少なくともデジタルカメラ20及び情報処理装置50から構成されている。 As illustrated in FIG. 2, the construction support system 100 includes at least the digital camera 20, the information processing device 50, and the computer jumbo 60.

このうちデジタルカメラ20は、一般的に市販されている単眼カメラであって、デプスカメラ等の特殊カメラユニットを採用する必要はない。ただし、トンネルの周壁面3の付近は湧水やモルタルの影響もあって、(厳重な防塵、防水機能等を有しない)一般的なデジタルカメラ20の取り付けには相応の配慮が必要となる。 Among these, the digital camera 20 is a monocular camera that is generally available on the market, and there is no need to employ a special camera unit such as a depth camera. However, since the vicinity of the peripheral wall surface 3 of the tunnel is affected by spring water and mortar, appropriate consideration is required when mounting a general digital camera 20 (which does not have strict dustproof or waterproof functions).

そのため、トンネルの周壁面3から5~10m離間した遠方からの撮影を行う必要がある。そこで、デジタルカメラ20に装着するレンズ21としては、種々の撮影条件に対応可能とするため、焦点距離が可変(例えば70~200mm)の可変焦点レンズを採用すると好適である。 Therefore, it is necessary to take pictures from a distance 5 to 10 meters away from the peripheral wall surface 3 of the tunnel. Therefore, as the lens 21 attached to the digital camera 20, it is preferable to use a variable focus lens with a variable focal length (for example, 70 to 200 mm) in order to be able to cope with various photographing conditions.

このデジタルカメラ20は、撮影データを格納・保持する記憶媒体22を有しており、この記憶媒体22で保持する撮影データ23を、例えばBluetooth(登録商標)などの近接無線通信手段24によって外部装置に配信可能である。本実施形態において、この撮影データの配信先となる外部装置は、情報処理装置50である。 This digital camera 20 has a storage medium 22 that stores and holds photographed data, and the photographed data 23 held in this storage medium 22 is transmitted to an external device via close proximity wireless communication means 24 such as Bluetooth (registered trademark). Delivery is possible. In this embodiment, the external device to which this imaging data is distributed is the information processing device 50.

勿論、デジタルカメラ20における撮影データを情報処理装置50に配信する手法としては、こうした無線/有線の通信手段に限定しない。 Of course, the method of distributing photographic data from the digital camera 20 to the information processing device 50 is not limited to such wireless/wired communication means.

トンネル坑内の環境や導入できる各種リソース等の影響で、無線/有線のいずれの通信手段も採用困難な場合、例えば、作業員がデジタルカメラ20の記憶媒体22を取り出し、これをリーダー25にセットすることで情報処理装置50に撮影データを読み取らせるといった手法を採用してもよい。なお、リーダー25は、情報処理装置50に適宜なインターフェイスで接続され、記憶媒体22との間でデータの読み書きが可能な装置である。 If it is difficult to use either wireless or wired communication means due to the environment inside the tunnel or the various resources that can be introduced, for example, a worker may take out the storage medium 22 of the digital camera 20 and set it on the reader 25. Alternatively, a method may be adopted in which the information processing device 50 is made to read the photographic data. Note that the reader 25 is a device that is connected to the information processing device 50 through a suitable interface and is capable of reading and writing data to and from the storage medium 22 .

また、情報処理装置50は、一般的なコンピュータ装置であって、図4で示すように、記憶装置51、メモリ53、演算装置54、入力装置55、出力装置56、及び通信装置57を有している。 The information processing device 50 is a general computer device, and includes a storage device 51, a memory 53, a calculation device 54, an input device 55, an output device 56, and a communication device 57, as shown in FIG. ing.

このうち記憶装置51は、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)といった不揮発性の記憶素子から構成され、処理に必要なプログラム52やデータ、或いは処理結果を格納するものとなる。 Among these, the storage device 51 is composed of a nonvolatile storage element such as an HDD (Hard Disk Drive) or an SSD (Solid State Drive), and stores programs 52 and data necessary for processing, or processing results.

なお、記憶装置51で保持するプログラム52は、本実施形態の施工支援システム100を構成する情報処理装置50として必要な機能を実装する為のプログラムである。そのためプログラム52は、後述する各式(式1~式10など)を用いた各種解析やコンピュータジャンボ60への設定処理等を行うアルゴリズムを実装したものとなる。 Note that the program 52 held in the storage device 51 is a program for implementing functions necessary for the information processing device 50 that constitutes the construction support system 100 of this embodiment. Therefore, the program 52 implements algorithms that perform various analyzes using various formulas (formulas 1 to 10, etc.) to be described later, settings for the computer jumbo 60, and the like.

また、メモリ53は、RAM(Random Access Memory)などの揮発性記憶素子で構成される。 Furthermore, the memory 53 is composed of a volatile storage element such as a RAM (Random Access Memory).

また、演算装置54は、記憶装置51に保持されるプログラム52をメモリ53に読み出すなどして実行し装置自体の統括制御を行なうとともに各種判定、演算及び制御処理を行なうCPU(Central Processing Unit)である。 Further, the arithmetic unit 54 is a CPU (Central Processing Unit) that executes the program 52 held in the storage device 51 by reading it out to the memory 53, performs overall control of the device itself, and performs various judgments, calculations, and control processing. be.

また、入力装置55は、ユーザからのキー入力や音声入力を受け付けるキーボード、マイク、マウスといった装置である。 The input device 55 is a device such as a keyboard, microphone, or mouse that receives key input and voice input from the user.

また、出力装置56は、演算装置54での処理データを表示するディスプレイやスピーカーといった装置である。 Further, the output device 56 is a device such as a display or a speaker that displays the data processed by the arithmetic device 54.

また、通信装置57は、デジタルカメラ20の近距離無線通信手段24や、適宜なネットワークを介したコンピュータジャンボ60と接続して通信処理を担うインターフェイスカード等を想定する。 Further, the communication device 57 is assumed to be the short-range wireless communication means 24 of the digital camera 20 or an interface card that connects to the computer jumbo 60 via an appropriate network and handles communication processing.

また、コンピュータジャンボ60は、トンネルの周壁面3における挿入孔5の削孔、当該挿入孔5へのモルタル注入、及び当該挿入孔5へのロックボルト1の打設を、同一のアームを用いて機械化する施工装置である。 Further, the computer jumbo 60 performs drilling of the insertion hole 5 in the peripheral wall surface 3 of the tunnel, injection of mortar into the insertion hole 5, and driving of the lock bolt 1 into the insertion hole 5 using the same arm. This is a mechanized construction device.

このコンピュータジャンボ60は、複数のアームと、その先端に備わる削岩機やロックボルトの把持ユニットなどといった機構に加えて、当該機構を制御する制御ユニット61と、外部装置との通信を担う通信ユニット62を備える。 This computer jumbo 60 includes a plurality of arms and mechanisms such as a rock jackhammer and a rock bolt gripping unit provided at the tips thereof, a control unit 61 that controls the mechanisms, and a communication unit that is responsible for communicating with external devices. 62.

コンピュータジャンボ60は、情報処理装置50から、挿入孔5の位置や角度に関する情報設定を受け付けて、制御ユニット61が、この情報設定の内容に応じてアームの移動や固定、削岩機の稼働/停止、ロックボルトの把持、挿入といった動作を自動実行する。
<撮影画像における孔検出>
以上から、本実施形態ではロックボルト1の打設専用機たるコンピュータジャンボ60による、ロックボルト打設作業の機械化を前提として、トンネルの周壁面3にある削孔済みの挿入孔5の位置および角度を、トンネルの周壁面3から所定距離以上の遠方からの、デジタルカメラ20による撮影により推定する技術について説明する。
The computer jumbo 60 receives information settings regarding the position and angle of the insertion hole 5 from the information processing device 50, and the control unit 61 moves and fixes the arm and operates/operates the rock drill according to the contents of the information settings. Automatically performs operations such as stopping, gripping, and inserting lock bolts.
<Hole detection in photographed images>
From the above, in this embodiment, the position and angle of the drilled insertion hole 5 in the peripheral wall surface 3 of the tunnel is assumed to be mechanized by the computer jumbo 60, which is a machine dedicated to driving the rock bolt 1. A technique for estimating by photographing with the digital camera 20 from a predetermined distance or more from the peripheral wall surface 3 of the tunnel will be described.

本実施形態においてロックボルト打設は、デジタルカメラ20のカメラ座標系内でロックボルト先端を、検出した挿入孔中心(以後、孔中心と称する)の画像座標(uc,vc)と一致させること、および、ロックボルト1の中心軸を挿入孔5の中心軸と一致させることにより実現できるものとする。よって、上述のカメラ座標系における孔中心の画像座標(uc,vc)および、挿入孔5の中心軸を計測することが求められる。 In this embodiment, lock bolt driving involves aligning the tip of the lock bolt within the camera coordinate system of the digital camera 20 with the image coordinates (uc, vc) of the detected insertion hole center (hereinafter referred to as hole center); This can be realized by aligning the center axis of the lock bolt 1 with the center axis of the insertion hole 5. Therefore, it is required to measure the image coordinates (uc, vc) of the hole center in the above camera coordinate system and the central axis of the insertion hole 5.

これらの前提のもと、デジタルカメラ20によるトンネルの周壁面3の撮影画像から、挿入孔5の検出を行い、検出した孔径と既知の孔径(挿入孔5に関して規定の孔径)とを用いて挿入孔5の位置および角度を推定する手法を以下に述べる。 Based on these assumptions, the insertion hole 5 is detected from the photographed image of the peripheral wall surface 3 of the tunnel by the digital camera 20, and the insertion hole 5 is inserted using the detected hole diameter and the known hole diameter (the prescribed hole diameter for the insertion hole 5). A method for estimating the position and angle of the hole 5 will be described below.

削孔した挿入孔5の直径は、削孔に用いるロッドの径に依存することから既知とし、削孔した挿入孔5はトンネルの周壁面3に対して垂直であって、トンネルの周壁面3上では真円に見えるとする。また本実施形態では、そうしたトンネルの周壁面3の撮影画像内には、挿入孔5が1つだけ含まれるよう、デジタルカメラ20での撮影範囲を予め設定している前提とする。ただし、撮影画像に含まれうる挿入孔の数について限定するものではない。楕円領域が所定基準より暗いものは挿入孔と特定できるため、特定対象の挿入孔の数に条件を設ける必要はない。 The diameter of the drilled insertion hole 5 is known because it depends on the diameter of the rod used for drilling, and the drilled insertion hole 5 is perpendicular to the peripheral wall surface 3 of the tunnel, and Assume that it looks like a perfect circle above. Further, in this embodiment, it is assumed that the photographing range of the digital camera 20 is set in advance so that only one insertion hole 5 is included in the photographed image of the peripheral wall surface 3 of such a tunnel. However, the number of insertion holes that can be included in a photographed image is not limited. Since an elliptical region darker than a predetermined standard can be identified as an insertion hole, there is no need to set a condition on the number of insertion holes to be identified.

ここで、撮影画像内の挿入孔5を特定する手順を、図5のフローに基づき以下に示す。なお、情報処理装置50は、デジタルカメラ20からトンネルの周壁面3の撮影画像のデータを取得し、これを処理対象として記憶装置51またはメモリ53で保持しているものとする。 Here, the procedure for specifying the insertion hole 5 in the photographed image will be described below based on the flow of FIG. 5. It is assumed that the information processing device 50 acquires data of a photographed image of the peripheral wall surface 3 of the tunnel from the digital camera 20, and stores this data in the storage device 51 or the memory 53 as a processing target.

そこで情報処理装置50は、既存のしきい値選定法(例えば、N. Otsu, "A threshold selection method from gray-level histograms, "IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, vol.9, no.1, pp.62-66,1979)を上述の撮影画像に適用して、2値化画像を作成する(s1)。
次に、情報処理装置50は、s1で得た2値化画像に対し、輪郭検出の処理(例えば、S. Suzuki and K. Abe, "Topological structural analysis of digitized binary images by border following," Computer Vision, Graphics, and Image Processing, vol.30, no.1, pp.32-46, 1985)を実行する(s2)。
Therefore, the information processing device 50 uses an existing threshold selection method (for example, N. Otsu, "A threshold selection method from gray-level histograms," IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, vol. 9, no. , pp. 62-66, 1979) to the above-mentioned photographed image to create a binarized image (s1).
Next, the information processing device 50 performs contour detection processing (for example, S. Suzuki and K. Abe, "Topological structural analysis of digitized binary images by border following," Computer Vision , Graphics, and Image Processing, vol.30, no.1, pp.32-46, 1985) (s2).

また、情報処理装置50は、s2で検出したすべての輪郭に対して楕円フィッティングを行い、そこで得た楕円の中から1つを挿入孔5として決定する(s3)。 Further, the information processing device 50 performs ellipse fitting on all the contours detected in s2, and determines one of the obtained ellipses as the insertion hole 5 (s3).

上述の楕円フィッティングは、次の手順で行うものとする。楕円の式の係数をa1、a2、a3、a4、a5と置くとき、最小2乗法より、式(1)のようにa-[a1、a2、a3、a4、a5]について最小化する。
[式1]
ここで、Nはj番目の輪郭を構成する点の総数とする。
The above-mentioned ellipse fitting shall be performed in the following steps. When the coefficients of the ellipse equation are set as a1, a2, a3, a4, and a5, a−[a1, a2, a3, a4, a5] T is minimized using the least squares method as shown in equation (1).
[Formula 1]
Here, N j is the total number of points forming the j-th contour.

よって、求める楕円の中心点(uc,vc)は、式(2)、式(3)、長軸のu軸からの角度θは式(4)と表される。
[式2]
[式3]
[式4]
また、複数の楕円の中からの挿入孔5の決定は、挿入孔5の内側つまり楕円領域が画像で暗く見えることを利用して行う。そのため情報処理装置50は、検出したすべての楕円について、それぞれの楕円内の輝度の平均値を算出する。次に情報処理装置50は、算出した輝度の平均値が最も低い楕円領域を挿入孔5だとして採用する。
<既知の孔径を使用した位置推定>
ここで、本実施形態で想定する座標系および各ベクトルの定義を図4に示す。想定する座標系としては、図4で示すように、画像座標系(u,v)、カメラ座標系(x,y,z)とする。また、上述のs3で決定した楕円の長軸の端点で、Z=S平面上にある点をx1、x2、Z=1平面上にある点をr1、r2とし、楕円の中心点をそれぞれ、Xc(Z=S平面上)、rc(Z=1平面上)とおく。
Therefore, the center point (uc, vc) of the ellipse to be sought is expressed by equations (2) and (3), and the angle θ of the major axis from the u axis is expressed by equation (4).
[Formula 2]
[Formula 3]
[Formula 4]
Further, the insertion hole 5 is determined from among the plurality of ellipses by utilizing the fact that the inside of the insertion hole 5, that is, the elliptical area, appears dark in the image. Therefore, the information processing device 50 calculates the average value of the brightness within each of the detected ellipses. Next, the information processing device 50 selects the elliptical region with the lowest calculated average brightness value as the insertion hole 5 .
<Position estimation using known hole diameter>
Here, FIG. 4 shows the coordinate system and the definition of each vector assumed in this embodiment. The assumed coordinate systems are an image coordinate system (u,v) and a camera coordinate system (x,y,z), as shown in FIG. Also, at the end points of the long axis of the ellipse determined in s3 above, the points on the Z=S plane are x1 and x2, the points on the Z=1 plane are r1 and r2, and the center point of the ellipse is, respectively. Let Xc (Z=on the S plane) and rc (Z=on the 1 plane).

このうち、楕円の中心点Xcを孔位置ベクトルとし、挿入孔5の中心軸と同軸で、挿入孔5の奥行方向のベクトルaを挿入孔5の方向ベクトルとする。 Among these, the center point Xc of the ellipse is taken as the hole position vector, and the vector a coaxial with the central axis of the insertion hole 5 and in the depth direction of the insertion hole 5 is taken as the direction vector of the insertion hole 5.

ここで、挿入孔5の直径は既知であるため、情報処理装置50は、画像内の挿入孔5の直径と実際の挿入孔5の直径との関係から、挿入孔5の孔位置ベクトルXcを求める(s4)。ここで、図4のように2つの平面上で対応する各楕円同士は相似関係であるから、式(5)、式(6)、式(7)の関係が成り立つ。
[式5]
[式6]
[式7]
また、上述の相似関係より、Zr=Sは式(8)で求められる。
[式8]
よって、情報処理装置50は、式(7)に式(8)を代入することで、孔位置べクトルXcを算出できる。
<孔の角度推定>
既に述べたように、トンネルの周壁面3に削孔した挿入孔5がトンネルの周壁面3に垂直であると、当該トンネルの周壁面3上で真円である。その場合、挿入孔5の形状はデジタルカメラ20による撮影角度によって異なる楕円形状になる。そこで情報処理装置50は、こうした条件を踏まえて、挿入孔5が地山2で延びる角度を推定する(s5)。なお、上述の挿入孔5が地山2で延びる角度とは、カメラ座標系内における挿入孔5の孔口の位置と孔軸の角度を意味する。
Here, since the diameter of the insertion hole 5 is known, the information processing device 50 calculates the hole position vector Xc of the insertion hole 5 from the relationship between the diameter of the insertion hole 5 in the image and the actual diameter of the insertion hole 5. Find (s4). Here, since corresponding ellipses on two planes have a similar relationship as shown in FIG. 4, the relationships of equations (5), (6), and (7) hold true.
[Formula 5]
[Formula 6]
[Formula 7]
Further, from the above-mentioned similarity relationship, Zr=S can be obtained by equation (8).
[Formula 8]
Therefore, the information processing device 50 can calculate the hole position vector Xc by substituting equation (8) into equation (7).
<Estimation of hole angle>
As already mentioned, when the insertion hole 5 drilled in the peripheral wall surface 3 of the tunnel is perpendicular to the peripheral wall surface 3 of the tunnel, it is a perfect circle on the peripheral wall surface 3 of the tunnel. In that case, the shape of the insertion hole 5 becomes an ellipse that varies depending on the photographing angle of the digital camera 20. Therefore, the information processing device 50 estimates the angle at which the insertion hole 5 extends in the ground 2 based on these conditions (s5). Note that the above-mentioned angle at which the insertion hole 5 extends in the ground 2 means the angle between the position of the opening of the insertion hole 5 and the hole axis in the camera coordinate system.

楕円(s3で挿入孔5として撮影画像中から特定しているもの)の長軸たるu軸からの角度θ(0deg≦θ≦180deg)、当該長軸を軸として楕円を回転させたとき、上述の撮影角度による形状変化により円になる(=円に見えるようになる)角度をφ(-90deg≦φ≦90deg)とすると、情報処理装置50は、挿入孔5の方向ベクトルaを、式(9)に基づき求める。
[式9]
ここで、Rはロドリゲスの公式を用いて法線と角度から算出した回転行列である。また、角度φは、上述の楕円の長軸の長さa、短軸の長さbを用いて式(10)のように求められる。
[式10]
ここで、角度φは回転方向によって正負の2通り考えられるため、角度推定のために一意に定める必要がある。トンネルの周壁面3に開いた挿入孔5を斜めから見た様子を図6に示す。
The angle θ (0deg≦θ≦180deg) from the u-axis, which is the long axis of the ellipse (specified from the photographed image as the insertion hole 5 in s3), when the ellipse is rotated around the long axis, the above-mentioned Assuming that the angle at which the shape becomes a circle (=looks like a circle) due to the change in shape due to the photographing angle is φ (-90deg≦φ≦90deg), the information processing device 50 calculates the direction vector a of the insertion hole 5 using the formula ( Determine based on 9).
[Formula 9]
Here, R is a rotation matrix calculated from the normal and the angle using Rodriguez's formula. Further, the angle φ is obtained as in equation (10) using the length a of the major axis and the length b of the minor axis of the ellipse.
[Formula 10]
Here, since the angle φ can be considered in two ways, positive or negative, depending on the direction of rotation, it is necessary to uniquely determine the angle for angle estimation. FIG. 6 shows an oblique view of the insertion hole 5 opened in the peripheral wall surface 3 of the tunnel.

図6で示すように挿入孔5を斜めから見た場合、挿入孔5は長軸の長さが孔直径である楕円となる。このとき、短軸の片側は孔内の壁が孔外の壁と連続していることから、明るく見えるのに対し、反対側は孔内に光が届かず暗く見えるため、グラデーションが生じる。 As shown in FIG. 6, when the insertion hole 5 is viewed obliquely, the insertion hole 5 has an elliptical shape with the length of the major axis equal to the hole diameter. At this time, on one side of the short axis, the wall inside the hole is continuous with the wall outside the hole, so it appears bright, whereas on the other side, light does not reach the inside of the hole and it appears dark, resulting in a gradation.

よって、楕円の短軸上のグラデーションのうち、暗い方に挿入孔5の方向ベクトルaが向いていると考えることにより、以下のように角度φを一意に定めることができる。 Therefore, by considering that the direction vector a of the insertion hole 5 is directed towards the darker side of the gradation on the short axis of the ellipse, the angle φ can be uniquely determined as follows.

まず情報処理装置50は、s3で特定している楕円の短軸上の画素の輝度情報(撮影画像のデータに付随している)を取得し、最小二乗法により1次の近似式を得る。ここで近似した近似式が示す、直線の傾きが正である場合、φは正であり、一方、当該直線の傾きが負である場合、φは負である。 First, the information processing device 50 acquires the luminance information of the pixels on the minor axis of the ellipse specified in s3 (attached to the data of the photographed image), and obtains a first-order approximation equation by the least squares method. If the slope of the straight line indicated by the approximate expression approximated here is positive, φ is positive, and on the other hand, if the slope of the straight line is negative, φ is negative.

情報処理装置50は、こうして得た、トンネルの周壁面3における挿入孔5の位置と角度の情報を、通信装置57を介してコンピュータジャンボ60に送信し、当該コンピュータジャンボ60に設定する(s6)。コンピュータジャンボ60は、こうした情報を通信ユニット62によって受信し、これを制御ユニット61に受け渡す。制御ユニット61は、これをアームや削岩機等の機構の制御情報としてセットし、トンネルの周壁面3における挿入孔5への孔口にロックボルト1の先端を導き、そのまま適宜な角度にて孔内への挿入を実行することとなる。
<実験条件>
本実施形態の施工支援方法の有効性を検証するため、施工中のトンネルにて実験を行った。各条件時のデジタルカメラ20と挿入孔5の位置関係を図7に、また、計測した挿入孔5を図8に示す。なお、図7で示すように、トンネルの周壁面3における直径47mmの挿入孔5に対し、45deg、90degの位置からデジタルカメラ20による撮影を行った。
The information processing device 50 transmits the thus obtained information on the position and angle of the insertion hole 5 in the peripheral wall surface 3 of the tunnel to the computer jumbo 60 via the communication device 57, and sets it in the computer jumbo 60 (s6). . Computer jumbo 60 receives such information via communication unit 62 and passes it on to control unit 61 . The control unit 61 sets this as control information for mechanisms such as arms and rock drills, guides the tip of the rock bolt 1 to the opening of the insertion hole 5 in the peripheral wall surface 3 of the tunnel, and inserts it at an appropriate angle. Insertion into the hole will be performed.
<Experimental conditions>
In order to verify the effectiveness of the construction support method of this embodiment, an experiment was conducted in a tunnel under construction. FIG. 7 shows the positional relationship between the digital camera 20 and the insertion hole 5 under each condition, and FIG. 8 shows the measured insertion hole 5. As shown in FIG. 7, images were taken using the digital camera 20 from positions of 45 degrees and 90 degrees with respect to the insertion hole 5 having a diameter of 47 mm in the peripheral wall surface 3 of the tunnel.

また、既に述べた前提に基づき、ロックボルト1の挿入孔5は、必ずデジタルカメラ20の画角内に1つのみ収まる条件で実験を行った。 Furthermore, based on the above-mentioned premise, the experiment was conducted under the condition that only one insertion hole 5 for the lock bolt 1 would fall within the angle of view of the digital camera 20.

なお、実験結果の真値を得るため、各条件において図9のように、挿入孔5の中心にチェッカーボード70の原点を合わせて複数回撮影を行っている。撮影結果からチェッカーボード70の位置と方向を推定し、それぞれの撮影画像から算出した孔位置ベクトルおよび挿入孔5の方向ベクトルを平均して真値とした。
<実験結果>
本実施形態における手法を用いて挿入孔5の検出を行った様子を図10に示す。取得した撮影画像に対して輪郭検出を行い、楕円フィッティングを行ったうえで、楕円領域の輝度の平均が最も暗いものを挿入孔5として検出した。その結果、すべての条件において、正しい挿入孔5を検出できることが確認できた。
In order to obtain the true value of the experimental results, images were taken multiple times under each condition with the origin of the checkerboard 70 aligned with the center of the insertion hole 5, as shown in FIG. The position and direction of the checkerboard 70 were estimated from the photographed images, and the hole position vector and the direction vector of the insertion hole 5 calculated from each photographed image were averaged to obtain the true value.
<Experiment results>
FIG. 10 shows how the insertion hole 5 is detected using the method in this embodiment. After contour detection was performed on the acquired photographic image and ellipse fitting was performed, the ellipse region with the darkest average brightness was detected as the insertion hole 5. As a result, it was confirmed that the correct insertion hole 5 could be detected under all conditions.

条件1において検出した楕円の短軸上の輝度、およびその1次近似を図11に、条件2において検出した楕円の短軸上の輝度、およびその1次近似を図12に示す。 The brightness on the short axis of the ellipse detected under condition 1 and its first-order approximation are shown in FIG. 11, and the brightness on the short axis of the ellipse detected under condition 2 and its first-order approximation are shown in FIG.

図11及び図12より、挿入孔5として検出した楕円の短軸上において、輝度のグラデーションが生じていることがわかる。また、輝度に対して最小二乗法を用いて1次近似した直線の傾きから、図11に示した条件1の角度φが正であり、図12に示した条件2の角度φが負であると推定できた。 It can be seen from FIGS. 11 and 12 that a brightness gradation occurs on the short axis of the ellipse detected as the insertion hole 5. Also, from the slope of the straight line obtained by first-order approximation of the luminance using the least squares method, the angle φ of condition 1 shown in FIG. 11 is positive, and the angle φ of condition 2 shown in FIG. 12 is negative. It was estimated that

こうした挿入孔5の検出結果を用いて推定した距離とチェッカーボード画像から算出した距離の値の誤差を表1に示す。
[表1]
ここから、挿入孔5の検出結果を用いて推定した孔位置ベクトルのうち、ロックボルト1の打設に重要と考えられるx成分の誤差は±20mmに収まっている。一方、y成分の誤差は目標より大きくなってしまったことがわかる。これは、挿入孔5の検出を行った際に、孔口の加工形状が理想的でなかったことから輪郭が大きく検出されてしまったことに起因すると考えられる。
Table 1 shows the error between the distance estimated using the detection results of the insertion hole 5 and the distance calculated from the checkerboard image.
[Table 1]
From this, among the hole position vectors estimated using the detection results of the insertion holes 5, the error of the x component, which is considered important for driving the lock bolt 1, is within ±20 mm. On the other hand, it can be seen that the error in the y component has become larger than the target. This is considered to be due to the fact that when the insertion hole 5 was detected, the contour was detected to be large because the machined shape of the hole opening was not ideal.

また、ロックボルト1の打設では使用しないz成分の誤差は、輪郭検出結果に大きく依存することから大きくなったと考えられる。 Furthermore, it is considered that the error in the z component, which is not used in driving the rock bolt 1, becomes large because it largely depends on the contour detection result.

また、挿入孔5の検出結果を用いて推定した挿入孔5の方向ベクトルの値とチェッカーボード画像から算出した挿入孔5の方向ベクトルの誤差を表2に示す。
[表2]
このように、挿入孔5の方向ベクトルの推定値と真値にも誤差が生じた。原因として、計測した挿入孔5はトンネルの周壁面3に対して垂直ではなく、切羽面5上の挿入孔5の形状が真円ではなかったことが挙げられる。
Further, Table 2 shows the value of the direction vector of the insertion hole 5 estimated using the detection result of the insertion hole 5 and the error between the direction vector of the insertion hole 5 calculated from the checkerboard image.
[Table 2]
In this way, an error also occurred between the estimated value and the true value of the direction vector of the insertion hole 5. The cause is that the measured insertion hole 5 was not perpendicular to the peripheral wall surface 3 of the tunnel, and the shape of the insertion hole 5 on the face surface 5 was not a perfect circle.

上の結果のように、孔位置ベクトルの各成分および挿入孔5の方向ベクトルに誤差は生じたものの、挿入孔5の方向を特定することに成功した。 As shown in the above results, although errors occurred in each component of the hole position vector and the direction vector of the insertion hole 5, the direction of the insertion hole 5 was successfully identified.

以上、本実施形態によれば、トンネル施工時における、ロックボルトや装薬など棒状部材の挿入対象となる孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能となる。また、こうした孔の位置や角度の情報を、例えば、コンピュータジャンボなどの施工装置にセットすることで、人力によらず、孔へのロックボルト等の挿入が可能となる。このことは、トンネル上部などの高所や危険個所での人手の作業を不要とし、作業員の各種負担やリスクが軽減される。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。 As described above, according to the present embodiment, the position and angle of a hole into which a rod-shaped member such as a rock bolt or a charge is inserted can be efficiently and precisely specified during tunnel construction. Further, by setting information on the position and angle of the hole in a construction device such as a computer jumbo, it becomes possible to insert a lock bolt or the like into the hole without relying on human power. This eliminates the need for manual work at high or dangerous locations such as the upper part of tunnels, reducing various burdens and risks on workers. Further, it can be expected to have the effect of reducing the possibility of damage or deformation of the lock bolt etc. due to insertion into the hole.

本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。 Although the embodiments of the present invention have been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited thereto, and various changes can be made without departing from the gist thereof.

1 ロックボルト(棒状部材)
2 地山
3 トンネルの周壁面(壁面)
5 (ロックボルトの)挿入孔
20 デジタルカメラ(撮影装置)
21 レンズ
22 記憶媒体
23 撮影データ
24 近距離無線通信手段
25 リーダー
50 情報処理装置
51 記憶装置
52 プログラム
53 メモリ
54 演算装置
55 入力装置
56 出力装置
57 通信装置
60 コンピュータジャンボ(棒状部材の施工装置)
61 制御ユニット
62 通信ユニット
100 施工支援システム
1 Lock bolt (rod-shaped member)
2 Ground 3 Peripheral wall surface of tunnel (wall surface)
5 (Rock bolt) insertion hole 20 Digital camera (photographing device)
21 Lens 22 Storage medium 23 Shooting data 24 Short-range wireless communication means 25 Reader 50 Information processing device 51 Storage device 52 Program 53 Memory 54 Arithmetic device 55 Input device 56 Output device 57 Communication device 60 Computer jumbo (rod-shaped member construction device)
61 Control unit 62 Communication unit 100 Construction support system

Claims (9)

棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を取得する工程と、
前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する工程と、
前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する工程と、
を含むことを特徴とする棒状部材の施工支援方法。
a step of acquiring a photographed image of a wall surface into which a rod-shaped member is to be inserted;
Detecting an insertion hole already formed in the wall surface as an elliptical area based on brightness information shown by the captured image;
estimating the position and angle of the insertion hole in the wall surface based on the diameter and brightness information of the elliptical area shown by the captured image corresponding to the elliptical area;
A method for supporting construction of a rod-shaped member, the method comprising:
前記挿入孔である前記楕円領域を検出する工程において、
前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する工程と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する工程を実行する、
ことを特徴とする請求項1に記載の棒状部材の施工支援方法。
In the step of detecting the elliptical area that is the insertion hole,
detecting the contour of each region in the photographed image, approximating the detected contour to an elliptical shape to convert each region into an elliptical region; Among them, performing a step of identifying another elliptical area or one darker than a predetermined standard as the insertion hole;
The method for supporting construction of a rod-shaped member according to claim 1.
前記挿入孔の位置と角度を推定する工程において、
前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径に基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の棒状部材の施工支援方法。
In the step of estimating the position and angle of the insertion hole,
The position of the insertion hole is specified based on the diameter of the elliptical area and the known diameter of the rod-shaped member, and based on the change in brightness in the short axis direction of the elliptical area, the insertion hole is located at an angle where the brightness becomes dark. identify that it is extending,
The method for supporting construction of a rod-shaped member according to claim 1.
前記挿入孔の位置及び角度の情報を前記棒状部材の施工装置にセットする工程をさらに含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の棒状部材の施工支援方法。
further comprising the step of setting information on the position and angle of the insertion hole in the rod-shaped member construction device;
The method for supporting construction of a rod-shaped member according to claim 1.
棒状部材の挿入対象となる壁面を撮影する撮影装置と、
前記撮影装置による撮影で得た撮影画像を取得し、当該撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理を実行する情報処理装置と、
を含むことを特徴とする棒状部材の施工支援システム。
a photographing device for photographing a wall surface into which the rod-shaped member is inserted;
A process of acquiring a photographed image obtained by photographing with the photographing device, and detecting the insertion hole already formed in the wall surface as an elliptical area based on brightness information shown by the photographed image, and the photographed image corresponding to the elliptical area. an information processing device that executes a process of estimating the position and angle of the insertion hole in the wall surface based on the diameter and brightness information of the elliptical area indicated by;
A construction support system for rod-shaped members, comprising:
前記情報処理装置は、
前記挿入孔である前記楕円領域を検出する処理において、
前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する処理と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する処理を実行するものである、
ことを特徴とする請求項5に記載の棒状部材の施工支援システム。
The information processing device includes:
In the process of detecting the elliptical area that is the insertion hole,
A process of detecting the outline of each area in the photographed image, approximating the detected outline to an elliptical shape and converting each area into an elliptical area, and converting the elliptical area based on the luminance information of each of the elliptical areas. Among them, a process is performed to identify another elliptical area or one darker than a predetermined standard as the insertion hole.
The construction support system for a rod-shaped member according to claim 5.
前記情報処理装置は、
前記挿入孔の位置と角度を推定する処理において、
前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径に基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定するものである、
ことを特徴とする請求項5に記載の棒状部材の施工支援システム。
The information processing device includes:
In the process of estimating the position and angle of the insertion hole,
The position of the insertion hole is specified based on the diameter of the elliptical area and the known diameter of the rod-shaped member, and based on the change in brightness in the short axis direction of the elliptical area, the insertion hole is located at an angle where the brightness becomes dark. It is identified as extending,
The construction support system for a rod-shaped member according to claim 5.
前記情報処理装置は、
前記挿入孔の位置及び角度の情報を、前記棒状部材の施工装置にセットする処理をさらに実行するものである、
ことを特徴とする請求項5に記載の棒状部材の施工支援システム。
The information processing device includes:
further performing a process of setting information on the position and angle of the insertion hole in the rod-shaped member construction device;
The construction support system for a rod-shaped member according to claim 5.
情報処理装置において、
棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を撮影装置から取得する処理と、
前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、
前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理と、
を実行させるプログラム。
In an information processing device,
a process of acquiring from a photographing device a photographed image of a wall surface into which a rod-shaped member is to be inserted;
a process of detecting an insertion hole already formed in the wall surface as an elliptical area based on brightness information indicated by the photographed image;
A process of estimating the position and angle of the insertion hole in the wall surface based on the diameter and brightness information of the elliptical area indicated by the photographed image corresponding to the elliptical area;
A program to run.
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