JP2528735B2 - 管路の精密三次元位置検出方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、主として地中に埋設されている配管の三
次元位置（施工計画線からのずれ）を精密に求める方法
および装置に関するものである。

従来の技術 従来、地中に埋設されている配管の布線形状および埋
設位置の計測は、下記〜等の方式によって行われて
いた。

地中埋設物に流した誘導電流によって発生する交流
磁界を地上で検知する電磁誘導方式。

片側の管端よりレーザー等の直進性の高い光を発進
させ、もう片側でスクリーンによりその光を受け変位を
測定する光学的方式。

地上から高周波電波を発信し、エコー信号の伝播時
間から幾何学的に埋設位置を算出する地中レーダー方
式。

流体を封入したケーブルを配管内に移動させ、深度
により変化する当該流体圧をケーブルの先端部の圧力セ
ンサーで測定し、圧力変動から深度を測定する液体方
式。

管内自走車にジャイロを組み込み管内を走行させる
ことにより、配管を三次元的に計測するジャイロ方式。

管内自走車に折れ角計と傾斜計を組み込み管内を走
行させることにより、配管を三次元的に連続計測する折
れ角計方式。

発明が解決しようとする課題 しかしながら前記した〜の方式には下記のような
問題点があり、実用性に乏しかった。

すなわち、電磁誘導方式では、近傍金属体や大地の
影響で磁界が乱れると計測精度が悪くなる。

光学的方式では、管内の温度の部分によるばらつき
による光の屈折の影響で精度が悪くなり、また両管端の
変位しか測定できない。

地中レーダー方式では、道路舗装、土質の影響で検
出すべき信号に反射信号が重畳して計測精度が悪くな
る。

液体方式では、水平位置計測が不可能であり、かつ
計測手段が押し込み方式なので時間、労力を要し、連続
的な計測が困難である。

ジャイロ方式は、設備（装置）費用が高価であり、
移動中に計測するため、振動等の影響で精度が不十分で
ある。また管に段違いがある場合測定が困難である。

折れ角計方式は、管内壁の表面性状によっては誤差
が大きくなり、再現性に乏しい。また管に段違いがある
場合、測定が困難である。

この発明は、従来の前記〜の問題点を解決し、管
路の三次元位置を精度よく検出することが可能な管路の
精密三次元位置検出方法および装置を提案しようとする
ものである。

課題を解決するための手段 この発明は、隣接する２つの管の管軸に交差する、そ
れぞれ２つづつ、計４つの平面と２つの管の内壁の交点
によって作られる図形において任意の点の仮想質量をｍ
（一定）とし、それぞれの図形の三次元座標を計測しそ
の重心を求めることにより、２つの隣接する管のそれぞ
れの中心軸（管軸）の三次元方程式を求め、隣接する管
の相対的な折れ曲り角度の大きさ、折れ曲がり方位、段
違い量、段違い方位を幾何学的に算出し、それらをある
座標を基準に加算することにより、ある配管路の三次元
位置を求める方法を要旨とするものである。

また、この発明方法を実施するための装置としては、
管内を走行する管内走行体、該管内走行体の前部に位置
し計測を実施する測定部、および管外に設置され、管内
走行体の動作を制御し、管内走行体からの信号を処理す
る制御・信号処理部とからなり、管内走行体は走行用ロ
ーラ、管内固定脚、および姿勢制御用ローラを備え、測
定部は管内走行体に管軸方向に突設したモータ駆動され
る回転軸を中心にして管の円周方向に、複数個の測定足
と摺動足を介して管内壁に摺接しながら回転する測定竿
と、前記管内走行体の位置確認用撮像器を有し、前記測
定足は管内壁と測定竿との距離を測定する距離計を備
え、各距離計による計測値は回転角計により、前記回転
軸の回転角に対応して計測されるごとく構成され、制御
・信号処理部は前記測定足の距離計の計測値に基づいて
管路の三次元位置を演算して出力する機能を備えたもの
である。

作用 ある配管路の三次元位置すなわち施工計画線からのず
れは、隣接する管において、折れ曲がり角度の大きさ、
折れ曲り方位、段違い量、段違い方位を求め、それらを
ある座標を基準に加算することによって求められる。

そこで、２つの隣接する管においてそれぞれの中心軸
（管軸）の三次元方程式を求めれば、隣接する管の相対
的な折れ曲がり角度の大きさ、折れ曲り方位、段違い
量、段違い方位を幾何学的に算出できる。

したがって、この発明によれば、幾何学計測の為、
近傍金属体や大地、道路舗装、土質の影響が無いので精
度が高い、光学的方法を使用しないので温度変化の影
響を受けない、三次元計測が可能である、採取デー
タが単純で、設備が小さいので、時間、労力、設備（装
置）費用が少ない、ある折れ曲り部に停止して全円周
を計測するので、振動、管内壁の表面性状による外乱が
均され、その影響が少なくなり精度が高まる、管の段
違いの計測が可能である、という条件のもと、配管の三
次元位置を精度よく求めることができる。

実施例 管の中心軸の三次元方程式を求める方法について、第
４図、第５図を参照して説明する。

（Ｉ）重心の計算 管ｎの管軸1₁に交差する２つの平面をa₁、a₂とし、管
ｎ＋１の管軸1₂に交差する２つの平面をa₃、a₄とする。

a₁、a₂、a₃、a₄と管ｎ、ｎ＋１の内壁面との交点によ
って作られる図形をそれぞれB₁、B₂、B₃、B₄とする。

図形B₁、B₂、B₃、B₄において、任意の点の仮想質量を
ｍ（一定）とすると、ある座標系（α座標系とする）に
おいて、それぞれの重心は下記の式で求められる。

ただし、 M:総重量 （Xi、Yi、Zi）（ｉ＝１〜ｎ）：連続した閉じた曲線 よって、いま、（Xi、Yi、Zi）を連続して計測するこ
とにより、以下のそれぞれの重心を求めることができ
る。

B₁の重心は、G₁₁（X₁₁、Y₁₁、Z₁₁） B₂の重心は、G₁₂（X₁₂、Y₁₂、Z₁₂） B₃の重心は、G₁₃（X₁₃、Y₁₃、Z₁₃） B₄の重心は、G₁₄（X₁₄、Y₁₄、Z₁₄） ここで、G₁₁（X₁₁、Y₁₁、Z₁₁）およびG₁₂（X₁₂、
Y₁₂、Z₁₂）を通る直線が直線1₁、すなわち管ｎの管軸と
なる。また、G₁₃（X₁₃、Y₁₃、Z₁₃）およびG₁₄（X₁₄、Y
₁₄、Z₁₄）を通る直線が直線1₂、すなわち管ｎ＋１の管
軸となる。

（II）最大折れ曲り方位角（HKM）の求め方 第６図において、いま1₁に平行でG₁₃（X₁₃、Y₁₃、
Z₁₃）を通る直線をＺ軸とし、G₁₃を原点とする座標系
（β座標系とする）を考える。

前記α座標系での重心（G₁₁、G₁₂、G₁₃、G₁₄）をβ座
標系に変換すると、以下の通りとなる。

G₁₁→G₂₁（X₂₁、Y₂₁、Z₂₁） G₁₂→G₂₂（X₂₂、Y₂₂、Z₂₂） G₁₃→G₂₃（X₂₃、Y₂₃、Z₂₃） G₁₄→G₂₄（X₂₄、Y₂₄、Z₂₄） 最大折れ曲り方位角（HKM）は、1₂上のG₂₄（X₂₄、
Y₂₄、Z₂₄）をXY平面に投影した時、原点とこのG₂₄を投
影した点を結ぶ直線がＸ軸となす角である。

よって、 ただし、X₂₄−X₂₃＜０の時 となる。

（III）最大折れ曲り角（CKM）の求め方 第６図において、最大折れ曲り角（CKM）は、β座標
系においてＺ軸と1₂のG₂₄と原点とを結ぶ直線がなす角
である。

よって、 となる。

（IV）段違い量（DT）の求め方 第７図において、いま、1₁をＺ軸とし、1₁と管ｎの管
ｎ＋１側端面を含む平面との交点を原点とする座標系
（γ座標系とする）を考えると、前記α座標系での重心
G₁₁、G₁₂、G₁₃、G₁₄をγ座標系に変換すると、以下の通
りとなる。

G₁₁→G₃₁（X₃₁、Y₃₁、Z₃₁） G₁₂→G₃₂（X₃₂、Y₃₂、Z₃₂） G₁₃→G₃₃（X₃₃、Y₃₃、Z₃₃） G₁₄→G₃₄（X₃₄、Y₃₄、Z₃₄） ここで、G₃₃、G₃₄を通る直線がXY平面と交わる点Ｐ
（Xp、Yp）と原点を結んだ直線の長さが段違い量とな
る。

G₃₃（X₃₃、Y₃₃、Z₃₃）、G₃₄（X₃₄、Y₃₄、Z₃₄）を通る
直線の方程式は、以下の通りとなる。

よって、 となる。

よって、段違い量DTは、 （Ｖ）段違い方位角（DHKI）の求め方 第７図において、前記の点Ｐ（X_p、Y_p）と原点を結ん
だ直線がXY平面上でＸ軸となす角が段違い方位角とな
る。よって、段違い方位角は下記式によって求められ
る。

ただし、Xp＜０の時、 （VI）連続した配管軌跡の求め方 前記（Ｉ）〜（Ｖ）までの計算において、隣接する配
管どうしの相対位置関係が求まっているので、これらを
ある座標を基準に加算していくことにより配管の軌跡す
なわち管の施工計画線からのずれを求めることができ
る。

これらの結果は、また必要に応じて任意の座標系に変
換が可能である。例えば、測定時に傾斜計等により鉛直
方向を検出し、重力方向をＹ軸として結果を算出するの
も１つの例である。

次に、この発明方法を実施するための装置について説
明する。

第１図はこの発明の一実施例装置の全体構成を示す概
略図、第２図は同上装置における管内走行体を示す正面
図、第３図は同上管内走行体の右側面図である。

第１図において、（１−１）（１−２）は埋設管、
（２）はマンホール、（３）は走行体、（４）は測定
部、（５）は信号線、（６）は信号線巻取ドラム、
（７）は制御・信号処理部で、パーソナルコンピュータ
ー（８）、CRT（９）およびプリンター（10）から構成
される。

すなわち、この発明に係る装置は、管内を走行する管
内走行体（３）と該走行体の前部に位置し計測を行う測
定部（４）、および管外に設置され、管内走行体の動作
を制御し、管内走行体からの信号を処理し三次元位置を
演算して求め出力する制御・信号処理部（７）とから構
成されている。

管内走行体（３）は、第２図および第３図に拡大して
示すごとく、走行用車輪（３−１）と固定脚（３−２）
および姿勢制御用ローラ（３−３）にて管の中心を走
行、かつ所定の位置に固定可能となすとともに、走行中
に発生したローリングは姿勢制御用ローラ（３−３）に
て補正される。

測定部（４）は、走行体（３）に設置した回転角計
（４−２）付きモーター（Ｍ）の回転軸（４−１）に管
径方向に移動可能に取付けられた昇降板（４−３）、該
昇降板に圧縮ばねを介して管軸方向に取付けられ、ここ
では３個の距離計付測定足（４−５）（４−６）（４−
７）と２個の摺動足（４−８）（４−９）を有する測定
竿（４−４）、走行体の位置確認用テレビカメラ（４−
10）を備え、測定竿（４−４）が回転軸（４−１）を中
心にして管の円周方向に回転する機構となっている。

測定に際してはまず、位置確認用テレビカメラ（４−
10）の画像をCRT（９）で確認しながら走行用車輪（３
−１）により管内走行体（３）を所定の位置まで走行さ
せる。この時、収納されている姿勢制御用ローラ（３−
３）を突出させ、走行中に発生するローリングを補正す
る。走行体（３）が所定の位置に移動すると、固定脚
（３−２）および姿勢制御用ローラ（３−３）で管壁に
固定する。

次に、昇降板（４−３）を測定竿（４−４）に取付け
た測定足（４−５）（４−６）（４−７）および摺動足
（４−８）（４−９）が管内壁に接するまで管径方向に
移動させる。測定竿（４−４）は、圧縮ばね（図示せ
ず）により管径方向に押圧されているので、測定足およ
び摺動足は常に管内壁に接触した状態に保たれる。

したがって、測定竿（４−４）は、回転軸（４−１）
を中心にして管の円周方向に、３個の測定足（４−５）
（４−６）（４−７）と２個の摺動足（４−８）（４−
９）を介して、常に管内壁に接しながら回転する。

図面では、２個の摺動足（４−８）（４−９）とその
間に設置されている測定足（４−５）は常に管（１−
１）に接し、測定足（４−６）（４−７）は隣接する管
（１−２）に接している。

２個の摺動足（４−８）（４−９）は測定竿（４−
４）と管（１−１）の管内壁との距離を常に一定に保
つ。

測定足（４−５）は測定竿（４−４）と管（１−１）
の管内壁との距離を計測する。一方、摺動足（４−８）
（４−９）により測定竿と管内壁との距離は前記の通り
常に一定に保たれているので、測定足（４−５）は何等
かの原因により摺動足（４−８）（４−９）が管内壁か
ら離れてしまった場合（測定異常）を検知することがで
きる。

測定足（４−６）（４−７）は測定竿（４−４）と隣
接する管（１−２）の管内壁との距離を計測する。

３個の測定足の距離計による計測値は、回転角計（４
−２）により回転軸（４−１）の回転角に対応して計測
される。これらの計測値は信号線（５）によって、信号
線巻き取りドラム（６）を介して制御・信号処理部
（７）に入力され、パーソナルコンピューター（８）に
より当該配管路の三次元位置を求める前記計算が行わ
れ、パーソナルコンピューター（８）の画面およびプリ
ンター（10）に出力される。

第８図はこの発明装置による計測実験結果（左右方向
の変位）を示したものである。変位＝０は施工計画線を
表わす。

第８図の結果より、実際の管の軌跡と本発明装置によ
る計測結果は、非常に良く一致していることがわかる。

発明の効果 以上説明したごとく、この発明は次に記載する効果を
奏する。

幾何学計測のため、近傍金属体や大地、道路舗装、
土質の影響がないので測定精度が高い。

光学的方法を用いないので、温度変化の影響を受け
ない。

採取データが単純で、設備が小さいので時間、労
力、設備（装置）費用を多く必要としない。

配管の折れ曲り部に停止して全円周を計測するの
で、振動、管内壁の表面性状による外乱が均され、その
影響が少なくなり測定精度が高まる。

配管の段違いの計測が可能である。

したがって、この発明は近年急速に増加してきた推進
工法における施工精度の確保に大きく貢献するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法を実施するための装置の全体構成
例を示す概略図、第２図は同上装置における管内走行体
を示す正面図、第３図は同上管内走行体の右側側面図、
第４図および第５図はこの発明法における重心の算出方
法を示す説明図、第６図は同じけ最大折れ曲り方位角と
最大折れ曲り角の算出方法を示す説明図、第７図は同じ
く段違い方位角と段違い量の算出方法を示す説明図、第
８図はこの発明による計測実験結果を示す図である。 １−１、１−２……埋設管、３……走行体 ４……測定部、４−１……回転軸 ４−２……回転角計 ４−５、４−６、４−７……測定足 ４−８、４−９……摺動足 ７……制御・信号処理部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西尾 純一 東京都千代田区大手町１丁目１番３号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 大住 聡 東京都千代田区大手町１丁目１番３号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 中嶋 紀美雄 東京都千代田区大手町１丁目１番３号 住友金属工業株式会社内

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】隣接する２つの管の管軸に交差する、それ
   ぞれ２つずつ、計４つの平面と２つの管の内壁の交点に
   よって作られる図形において任意の点の仮想質量をｍ
   （一定）とし、それぞれの図形の三次元座標を計測しそ
   の重心を求めることにより、２つの隣接する管のそれぞ
   れの中心軸（管軸）の三次元方程式を求め、隣接する管
   の相対的な折れ曲り角度の大きさ、折れ曲り方位、段違
   い量、段違い方位を幾何学的に算出し、それらをある座
   標を基準に加算して求めることを特徴とする管路の精密
   三次元位置検出方法。
2. 【請求項２】管内を走行する管内走行体、該管内走行体
   の前部に位置し計測を実施する測定部、および管外に設
   置され、管内走行体の動作を制御し、管内走行体からの
   信号を処理する制御・信号処理部とからなり、管内走行
   体は走行用ローラ、管内固定脚、および姿勢制御用ロー
   ラを備え、測定部は管内走行体に管軸方向に突設したモ
   ータ駆動される回転軸を中心にして管の円周方向に、複
   数個の測定足と摺動足を介して管内壁に摺接しながら回
   転する測定竿と、前記管内走行体の位置確認用撮像器を
   有し、前記測定足は管内壁と測定竿との距離を測定する
   距離計を備え、各距離計による計測値は回転角計によ
   り、前記回転軸の回転角に対応して計測されるごとく構
   成され、制御・信号処理部は前記測定足の距離計の計測
   値に基づいて管路の三次元位置を演算して出力する機能
   を備えていることを特徴とする管路の三次元位置検出装
   置。