JP2529153B2 - 孔曲自動監視システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボーリングマシンを使
用する地層の穿孔作業において、孔曲、即ち、設定され
た孔の位置とあけられた孔の位置の間のずれ、の大きさ
及び方向を監視する孔曲自動監視システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】ボーリングマシンを使用する地層の穿孔
作業においては、穿孔方向を予め設定された方向に正確
に維持することが一般的に必要である。特に大口径穿孔
作業における先進孔（パイロット孔）の方向は、それに
よってその後の拡孔作業により形成される大口径の仕上
げ孔の方向が定まるため、設定された方向に正確に維持
されねばならない。

【０００３】従来、穿孔方向を設定された方向に正確に
維持するため、ボーリングマシンに方向修正機構を備え
た孔曲修正装置が、特公平１ー４１８００号公報により
知られる。この方向修正機構は、図８に示すように、ボ
ーリングマシンにおいて、中空の掘削部材６を取巻く係
止部材７を備える。係止部材７は、掘削部材６を取巻く
スリーブ１０、及びスリーブ１０を取巻き且つスリーブ
１０から剥離しないように取付けられる、割目を有する
カバー１１を有する。掘削部材６は、その先端に掘削用
ビット１３を取付可能であると共に、穿設された孔内に
伸長するロッドに取り付けられてロッドと一体的に回転
可能にされる。掘削部材６と係止部材７は、噛合クラッ
チ８により、掘削部材の正転時には掘削部材と一緒に回
転し、係止部材７を静止させたまま掘削部材を所定角度
（約９０度）だけ逆転させ掘削部材を押進すれば、噛合
クラッチ８の係合が外れ一体的な回転をしなくなる。掘
削部材６はローラベアリングを介し掘削部材上に取付け
られる環状衝合体９を備え、環状衝合体９は掘削部材に
対し回転可能とされるが軸方向には掘削部材に固着され
た斜面を有する。噛合クラッチ８を外して掘削部材６を
押進すると、環状衝合部材９の斜面が、スリーブ１０に
取付けられている突出部片１２と衝突し、突出部片１２
は、スリーブ１０の外面を越えて押出され、割目を有す
るカバー１１の対応する部分を押し開く。修正すべき孔
曲が発生したとき、突出部片１２を修正方向と反対の方
向に位置させ掘削部材６を押進すると、突出部片１２の
外側に位置するカバー１１の一部が押し出されて回転を
阻止され、そのまま掘削部材を回転させれば掘削用ビッ
ト１３が修正方向を指向し、孔曲の修正を行うことがで
きる。掘削用ビット１３は、図８に見られるようにばね
１４を介して掘削部材と結合されているので、孔曲測定
中も孔底から掘削用ビットが離れることがない。

【０００４】この特公平１ー４１８００号公報の孔曲修
正装置においては、掘削部材６中に発光ダイオード等に
より発光状態を維持しロッドの中空孔を通して観測でき
る目盛り付きの標的盤５を配置し、設定方向に沿うレー
ザー線をトランシット、セオドライト（theodolite;経
緯儀、トランシットと同様の構造で多機能を有するも
の）等の測定機器を通してこの標的盤５に投射し、測定
機器により標的盤５の目盛りとレーザー線の投影位置を
観測して孔曲の大きさ及び方向を視認し、孔曲の発生が
所定以上であることが判明すると、前記の方向修正機構
を利用して孔曲の修正を行うようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の特公平１ー
４１８００号公報の孔曲修正装置においては、前記のよ
うに、掘削部材６中の標的盤５の目盛りとレーザー線の
投影位置をセオドライト、トランシット等の測定機器に
より観測して孔曲の大きさ及び方向を視認し、孔曲の発
生を判別する作業を行っていた。掘削部材中の標的盤の
目盛りとレーザー線の投影位置を観測する測定機器は、
ボーリングマシン付近の騒音が大で空気の悪い場所に設
置されるため、その測定機器を使用する測定作業は、環
境が悪く疲労の大きい作業であった。また穿孔の精度を
高く保持するためには、タイムリーで的確な測定結果を
得ることが必要であり、測定作業は、熟練した作業員に
よらねばならなかった。

【０００６】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点を解決することであり、孔曲の測定作業の場所をボ
ーリングマシンから離間することを可能にし、測定作業
を機械化し、高度の熟練を要せずにタイムリーで的確な
測定結果を得ることができる孔曲自動監視システムを提
供することである。

【０００７】本発明の目的は、またボーリング作業に支
障を及ぼすことなく、計画された孔の位置と地層にあけ
られた孔の位置との間のずれの大きさ及び方向に関する
タイムリーで的確な情報を得ることができる孔曲自動監
視システムを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の孔曲自動監視シ
ステムは、ボーリングマシンに備えた方向修正機構の標
的盤をボーリングマシンの外方から撮影可能なテレビカ
メラ、テレビカメラから提供される画像信号及び標的盤
とテレビカメラの間の距離に対応する距離信号に基づ
き、設定された孔の位置と地層にあけられた孔の位置の
間のずれの大きさ及び方向を計算可能なコンピュータ、
及び計算された孔の曲がりの方向及び大きさを表示可能
な表示器を含む。方向修正機構は、掘削用ビットを先端
に備える掘削部材の外周に配置され孔の半径方向へ突出
可能な可動部材、及び掘削部材の中空部分に配置され駆
動ロッドの中空部分を介しボーリングマシンの外方から
観測可能な標的盤を備える。標的盤は、あけられた孔の
位置を表示する位置指標、及び位置指標から所定距離だ
け離間され可動部材に対応する方位を表示する角度指標
を備える。テレビカメラは、設定された孔軸とテレビカ
メラの視軸の間に所定の関係を維持して配置され、標的
盤の位置指標及び角度指標の位置及び大きさ、並びに設
定された孔の位置に関する情報を含む画像信号をコンピ
ュータに提供する。孔曲自動監視システムは、設定され
た孔の位置とあけられた孔の位置の間のずれの大きさが
所定値を越えるとき警報を発するものとすることができ
る。標的盤の位置指標及び角度指標は、明るさ又は大き
さの異なる発光ダイオードにより構成されプラネタリ光
点とすることができる。標的盤の位置指標は、あけられ
た孔の孔軸の位置を表示するセンタ光点とすることがで
きる。ボーリングマシンは、孔軸を設定するためトラン
シットを使用するものであり、テレビカメラは、このト
ランシットのレンズ倍率を利用し標的盤を撮影すること
ができるものとすることができる。好ましくは、テレビ
カメラは、セオドライト内部に、両者の視軸が一致する
ように固定される。コンピュータは、設定された孔軸の
座標と画像中心を一致させて所定の時間間隔で画像を取
り込み、取り込まれた画像の位置指標を構成するセンタ
光点を角度指標を構成するプランネタリ光点から識別
し、あけられた孔の中心を決定し、設定された孔軸から
のずれ量を計算する。

【０００９】

【実施例】図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明を実施する孔曲自動監視システムの全体
的な構成を示す概要図である。図１に示されるように、
孔曲自動監視システムは、ボーリングマシン２、ＴＶカ
メラ３０付電子セオドライト２８、コンピュータ４０、
第１モニタ５０、第２モニタ６０等を含む。ＴＶカメラ
付電子セオドライト２８は、テレビカメラ３０を内蔵し
たセオドライト（theodolite;経緯儀、トランシットと
同様の構造で多機能を有するもの）であり、例えば、株
式会社ニコン製ＴＶカメラ付電子セオドライトＴＶＮＥ
−１０Ｃである。ボーリングマシン２は、基台２２上に
配置される駆動部２６、駆動部２６から地層にあけられ
た孔２０中へ伸長する駆動用中空ロッド２４、中空ロッ
ド２４と掘削用ビット１３の間に配置される方向修正機
構３を有する。方向修正機構３は、標的盤５及び可動部
材１１を有する。掘削用ビット１３とテレビカメラ３０
の間の距離が、図示しないワイヤー式リニヤエンコーダ
により測定され、距離信号に変換されコンピュータ４０
に入力にされる。

【００１０】図１において、ＴＶカメラ付電子セオドラ
イト２８は、標的盤５の画像を取り込むことができるよ
うに、中空ロッド２４の中空部分を介し標的盤５を観察
することが可能であるように配置される。テレビカメラ
３０は、標的盤５の位置指標及び角度指標の位置及び大
きさ、並びに設定された孔の位置に対応する情報を含む
画像信号をコンピュータ４０に提供可能である。

【００１１】図２Ａは、図１の孔曲自動監視システムに
組み込まれる方向修正機構３の一部を断面で示す側面図
であり、図２Ｂは、図２Ａの端面図であり、ボーリング
用中空ロッド２４の最奥部５５に配置される標的盤５を
示す。標的盤５は、２個の発光ダイオードとそれらに電
力を供給するリチウム電池５６から成り、位置指標５１
は、発光ダイオードから成るセンタ光点５１により構成
され、角度指標５２は、同じく発光ダイオードから成る
プラネタリ光点５２により構成される。センタ光点５１
とプラネタリ光点５２は、１０ｍｍだけ離間される。両
指標の間の距離１０ｍｍは、孔軸のずれ量を計算する場
合の基準の長さとして使用される。プラネタリ光点５２
を構成する発光ダイオードは、後述するソフトウエアで
センタ光点５１と区別できるように、センタ光点５１よ
り明るくされる。各発光ダイオードの輝度は、明る過ぎ
ると画像にカメラの絞りの形による回折現象が現れるの
で、適当な値にすることが必要である。

【００１２】図１において、コンピュータ４０は、電源
３２、画像入力インターフェイス４２、第１モニタ５
０、第２モニタ６０、プリンタ４６等に連結され、内蔵
ハードディスク、フロッピーディスクレコーダ等を備え
る。テレビカメラ３０から提供される画像信号は、イメ
ージメモリボードを介しコンピュータ４０に送られる。
コンピュータ４０は、画像信号、及び標的盤５とテレビ
カメラの間の距離に対応する距離信号等に基づいて、設
定された孔の位置と地層にあけられた孔の位置の間のず
れの大きさ及び方向を計算する。計算された孔の曲がり
の方向及び大きさは、内蔵ハードディスクに記録され、
また第１モニタ５０の画面に表示される。第２モニタ６
０の画面には、テレビカメラが捕らえたリアルタイムの
画像が表示される。第１モニタ５０には、設定された孔
の位置とあけられた孔の位置の間のずれの大きさが所定
値を越えるとき警報を発する警報機を備えるものとする
ことができる。コンピュータは、設定された孔軸の座標
と画像中心を一致させて所定の時間間隔で画像を取り込
み、あけられた孔の中心を決定し、設定された孔軸から
のずれ量を計算する。

【００１３】本発明の実施例の孔曲自動監視システムに
おいては、画像入力インターフェイス用の機械語プログ
ラム、画像データを処理しあけられた孔の孔軸（掘削用
ビットの回転中心）と設定孔軸とのずれ量を計算するメ
インプログラム、ハードディスクに記録されたデータを
５インチフロッピーディスケットに転送するプログラ
ム、フロッピーの記録内容をプリンタに出力したり画面
にグラフとして出力するプログラムが使用される。

【００１４】図３は、本発明の孔曲自動監視システムの
中核をなすメインプログラムの大まかなフローチャート
である。図３を参照し、メインプログラムの画像処理過
程及び位置指標と設定孔軸とのずれ量を計算するアルゴ
リズムについて説明する。ステップ１００でプログラム
をスタートさせると、ステップ１１０「初期条件の設
定」では、設定孔軸の座標と画像の中心を一致させ、画
像取り込み時間間隔等を設定する。これらの設定条件の
初期値は、直接プログラムに書き込まれている。その他
に、発光ダイオードの明かりだけを検出するための基準
光度や画像上の光点を間をおいて検出するためのサーチ
間隔（画素間隔）、ロッドの本数などをキーボードから
入力する。この時点で、第２モニタの画面には標的盤の
映像が表示されている。

【００１５】ステップ１２０「４画面の入力」では、テ
レビカメラの画像を１秒間に４画面の割合で取り込む。
このとき第２モニタの画面は、画像静止（フリーズ）状
態になっている。ステップ１３０「各画面の光点検出」
では、各画面毎にセンタ光点及びプラネタリ光点を探
す。ステップ１４０「センタ光点の検出」では、センタ
光点とプラネタリ光点を識別する。また同時に、センタ
光点とプラネタリ光点の間の画素数を求める。第２モニ
タの画面は、標的盤のリアルタイム画像に変わる。

【００１６】ステップ１５０「最小自乗法によるビット
の回転中心の算出」では、４点のセンタ光点から掘削用
ビットの回転中心を最小自乗法で決定し、設定孔軸から
のずれ量を計算する。ステップ１６０「ビット回転数の
検出」では、以上の４画面のデータから掘削用ビットの
回転数を計算する。ステップ１７０「画素数単位から実
尺への変換」では、画素数で表していたずれ量を、セン
タ光点とプラネタリ光点の間の距離（１０ｍｍ）から実
長に換算する。このずれ量が、設定値、例えば、５ｍｍ
をこえた場合警報を画面に出す。

【００１７】ステップ１８０「第１モニタに結果を表
示」では、第１モニタ５０に計算したずれ量を表示す
る。ステップ１９０「ハードディスクへデータを出力」
では、ハードディスクに計算結果を記録する。ステップ
２００「次回の測定条件の更新」及びステップ２１０
「測定間隔の調整」では、求められたずれ量から、次の
画像入力に対する測定時間間隔や画像の光点を検出する
ための諸条件を更新する。その条件に基づき、再びステ
ップ１２０に戻り次の４画面の取り込みを行う。メイン
プログラムの停止は、ステップ２１０の後へステップ２
２０「ＳＴＯＰ」が割り込みされる。

【００１８】以上の流れにおいて、特にステップ１３０
「各画面の光点検出」、ステップ１４０「センタ光点の
検出」、及びステップ１５０「最小自乗法によるビット
の回転中心の算出」は、このプログラムの要であるの
で、以下に詳細に述べる。

【００１９】図４は、図３のメインプログラムの一部分
の詳細なフローチャートを示す。ステップ１２０「４画
面の入力」及びステップ１２１「４画面あるか」におい
てテレビカメラの画像を１秒間に４画面の割合で取り込
んだ後、図５に示すように発光ダイオードの光点検出が
行われる。

【００２０】図５の光点検出方法では、前回の掘削用ビ
ットの回転中心８０（初回だけは画面の中心）から設定
したサーチ間隔８１で左巻の渦巻き状に光点を探してい
く。渦巻き状の検索を採用するのは、走査線方式に比べ
演算時間が短いからである。光点が検出点８２で１つ見
つかると、これは図４のステップ１３１「光点を設定範
囲に検出したか？」のＹＥＳに該当し、ステップ１３２
「光点の中心を算出」に進み、その中心を図６に示す方
法によって求める。

【００２１】図６の光点中心を求める方法では、光点の
検出点８２から１画素ずつ左側と上下に数字１〜２１の
順に移動し、基準光度以上の最も左側の境界を見つけ、
次に同様に右側、上下に数字１〜１６の順に移動し、こ
の操作を繰り返し上下端、左右端を得る。図６の●が光
点内で、○が光点外である。左右端と上下端の中間値が
光点中心の座標である。

【００２２】このようにして最初の光点の中心が算出さ
れると、図４のステップ１３２「光点の中心の算出」が
済み、次に２個目の光点検出が、ステップ１３３を経
て、再びステップ１３０へ戻り行われる。２個目の光点
は、一定距離（１０ｍｍ）内に存在することがわかって
いるので、１個目の光点中心９０から同じように左巻の
渦巻き状にサーチ間隔８１で探す。

【００２３】以上のようにして、１画面に付き２個の光
点を求め、各光点の面積を左右端の間の長さと上下端の
間の長さの積として求め、面積の小さい方をセンタ光点
と判別（図４のステップ１３４）する。

【００２４】センタ光点とプラネタリ光点を判別するた
め、両者は明るさを違えてある。また両者の識別に光度
差ではなく面積を採用した理由は、イメージメモリボー
ド（フォトロン製ＦＤＭ９８−４）の光度の分解能が６
ビットと粗いためである。更に外側のプラネタリ光点の
発光ダイオードを明るくしたのは、プラネタリ光点の速
度が早く、画面を静止した時に残像を伴い面積が大きく
なることを考慮したためである。

【００２５】以上の手順で４画面について対の光点が見
つかる（図４のステップ１４１）と、各画面での両光点
の間の距離を求め（ステップ１４２）、その距離の４画
面分の平均値を「基準長さ」とする。図４ステップ１４
３において、４画面について求められた対の光点に関
し、面積だけでなく「基準長さ」も考慮して、センタ光
点とプラネタリ光点の確認を行っている。この理由は、
掘削中にプラネタリ光点が視界の境界に一部隠れてしま
った場合に、光点の面積の大小関係を誤ることを避ける
ためである。

【００２６】図７Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれプラネタリ光
点が視界の境界に一部隠れてしまう場合を例示する。図
７Ａにおいて、面積により光点１、２、３、４がセンタ
光点と判断されたとする。各センタ光点間の距離を測る
と、１、３、４は一定距離（「基準長さ」の８０％の
値）内に２個の光点があり、２は一定距離内に光点がな
い。この場合２と２’を交換（図４のステップ１４４）
する。その結果、１、２’、３、４とも一定距離内に３
個の光点を含むため、センタ光点が４個決まったと判断
する。図７Ｂでは、１、２は一定距離内に１個ずつ、
３、４は０個である。この場合も図７Ａの場合と同様に
３、４を３’、４’と入れ替えると正しくなる。図７Ｃ
では、１、２、３、４とも一定距離内に１個ずつしか光
点がない場合であり、すべてを交換し、１’、２’、
３’、４’について距離を測ると、一定距離内に１’、
２’は１個、３’、４’は、０個になる。そこでさらに
３’、４’を交換する（ステップ１４５）と、１’、
２’、３、４となり、それぞれ一定距離内に３個の光点
があり、正しいと判断される。このように光点の対同志
の読み替えを繰り返し、一定距離内に光点がない場合に
は、新たに画像の取り込み（ステップ１４６）を行う。
しかしながら、このような操作が必要な場合は、稀であ
り、多くの場合ははずれ量が大きくなった時点で削孔方
向の修正を行う。

【００２７】図４のステップ１５０「最小自乗法により
４光点を通る円の中心を算出する」においては、決定さ
れた４つのセンタ光点が同一円周上にあるものと仮定
し、最小自乗法により円近似を行い、その中心の座標を
求める。この座標がビットの回転中心と考える。その
際、最小自乗法で解が収束しない場合（ステップ１５
１）には、単純に４点の各座標の加算平均値をもって中
心の座標とする（ステップ１５２）。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の孔曲自動監
視システムは、孔曲の測定作業の場所をボーリングマシ
ンから離間することを可能にすると共に、測定作業を機
械化し、設定された孔の位置と地層にあけられた孔の位
置の間のずれの大きさ及び方向をコンピュータにより計
算し、高度の熟練を要せずにタイムリーで的確な測定結
果を得ることができる。

【００２９】本発明の孔曲自動監視システムは、従来の
ボーリングマシンによる掘削作業を変更することなく、
計画された孔の位置と地層にあけられた孔の位置との間
のずれの大きさ及び方向を機械的に測定することを可能
にし、孔曲修正作業をタイムリーに行うことを可能に
し、設定された通りの正確な孔を掘削することを可能に
する等の利点を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する孔曲自動監視システムの全体
的な構成を示す概要図。

【図２】図２Ａは孔曲自動監視システムに組み込まれる
方向修正機構の図解的側面図、図２Ｂは図２Ａの右方か
ら見た図解的端面図。

【図３】孔曲がり自動検出用プログラムのフローチャー
ト。

【図４】光点検出及びセンタ光点識別部のフローチャー
ト。

【図５】光点検出の方法の原理を示す概要図。

【図６】光点の中心を求める方法を示す概要図。

【図７】センタ光点を光点間距離により識別する例を示
し、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃはそれぞれセンタ光点と判
断された光点１、２、３、４の幾つかが基準長さにより
センタ光点でないとされる事例を示す概要図。

【図８】従来技術の方向修正機構を図解的に示す断面図
である。

【符号の説明】

２；ボーリングマシン、３；方向修正機構、５；標的
盤、６；掘削部材、７；係止部材、１１；カバー（可動
部材）、１３；掘削用ビット、２２；基台、２４；駆動
用中空ロッド、２６；駆動部、２８；ＴＶカメラ付電子
セオドライト、３２；電源、４０；コンピュータ、４
２；画像入力インターフェイス、４６；プリンタ、５
０；第１モニタ、５１；位置指標（センタ光点）、５
２；角度指標（プラネタリ光点）、５６；リチウム電
池、６０；第２モニタ、８１；サーチ間隔、８２；検出
点。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボーリングマシンに備えた方向修正機構
   の標的盤をボーリングマシンの外方から撮影可能なテレ
   ビカメラ、テレビカメラから提供される画像信号及び標
   的盤とテレビカメラの間の距離に対応する距離信号に基
   づき、設定された孔の位置と地層にあけられた孔の位置
   の間のずれの大きさ及び方向を計算可能なコンピュー
   タ、及び計算された孔の曲がりの方向及び大きさを表示
   可能な表示器から成る孔曲自動監視システムにして、 方向修正機構は、掘削用ビットを先端に備える掘削部材
   の外周に配置され孔の半径方向へ突出可能な可動部材、
   及び掘削部材の中空部分に配置され掘削部材と一緒に回
   転され且つ駆動ロッドの中空部分を介しボーリングマシ
   ンの外方から観測可能な標的盤を備え、 標的盤は、あけられた孔の位置を表示する位置指標、及
   び位置指標から所定距離だけ離間され前記可動部材に対
   応する方位を表示する角度指標を備え、 テレビカメラは、設定された孔軸とテレビカメラの視軸
   の間に所定の関係を維持するように配置され、標的盤の
   位置指標及び角度指標の位置及び大きさ、並びに設定さ
   れた孔の位置に関する情報を含む画像信号を提供するこ
   とを特徴とする孔曲自動監視システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のシステムにして、設定
   された孔の位置とあけられた孔の位置の間のずれの大き
   さが所定値を越えるとき警報を発することを特徴とする
   システム。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のシステムにし
   て、標的盤の位置指標及び角度指標は、明るさ又は大き
   さの異なる発光ダイオードにより構成されることを特徴
   とするシステム。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
   システムにして、標的盤の位置指標は、あけられた孔の
   孔軸の位置を表示するものであることを特徴とするシス
   テム。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
   システムにして、ボーリングマシンは、孔軸を設定する
   ためセオドライトを使用するものであり、テレビカメラ
   は、このセオドライトのレンズ倍率を利用し標的盤を撮
   影するものであることを特徴とするシステム。
6. 【請求項６】 請求項５に記載のシステムにして、テレ
   ビカメラは、セオドライト内部に、両者の視軸が一致す
   るように組み込み固定されたものであることを特徴とす
   るシステム。
7. 【請求項７】 請求項４に記載のシステムにして、コン
   ピュータは、設定された孔軸の座標と画像中心を一致さ
   せて所定の時間間隔で画像を取り込み、取り込まれた画
   像の位置指標に対応するセンタ光点を角度指標に対応す
   るプラネタリ光点から識別し、あけられた孔の孔軸を決
   定し、設定された孔軸からのあけられた孔の孔軸のずれ
   量を計算することを特徴とするシステム。