JP6747811B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、線路周辺の構造物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置に関する。

従来、線路のレール上を走行しながら線路周辺の構造物の三次元形状の測定を行う三次元形状測定装置がある（例えば特許文献１を参照）。かかる三次元形状測定装置は、駅、トンネル、橋梁などの構造物内のレール上を走行することで、プラットホーム、トンネル壁面、橋桁などの三次元形状を測定して、これら構造物の保守管理または改修の際に役立てることができる。

三次元形状の測定は、例えばレーザスキャナなどの測定器により行われる。測定器は、既知の方向へ光線を照射し、構造物の表面で反射して戻ってきた光を受光することで、既知の方向の構造物の表面までの距離を算出できる。測定器は、レールに沿って移動し、さらに光線の照射方向を進行方向と交差する面に沿って周期的に且つ高速に回転させながら、自己の位置の測定と上述した距離の算出とを連続的に行う。光線の照射方向を１周期分回転させたときに生じる光の照射点が進む方向をスキャン方向と呼び、一周期分の光線を連ねた面をスキャン面と呼ぶ。このような測定処理により、構造物表面のスキャン方向に沿った各点の位置データが、レールに沿った移動方向に一定間隔で連なった三次元形状データを取得できる。

特開平０５−１６４５１９号公報

レーザスキャナなど、反射光を受信して構造物の形状を測定する測定器では、光線が構造物の表面で乱反射或いは多重反射して戻ってくると、誤った測定がなされることがある。よって、このような現象が低減されるように光線の照射方向を設定するのがよい。
線路周辺の構造物について検討したところ、線路周辺の構造物には、線路に平行な面や線路と直交する方向の段差が比較的多くあることが分かった。このため、測定器の光線の照射方向は、線路が延びる方向に対して斜めの方向に設定するのが良いと考えられた。一方、構造物に斜めから光線を照射して形状測定する場合、斜めから見て影となる部分の形状測定ができないなど、精密な形状測定が阻害されることがある。このため、構造物に対して一方の側とその逆側との二方向から光線を照射して測定を行うことで、両側からの精密な形状測定ができると考えられた。

しかしながら、測定器にスキャン面の異なる２系統の形状測定を並列的に処理する機能を追加するには、測定器がより大型化したり、測定器の製造コストが高くなるなどの課題が生じる。
本発明の目的は、測定器に特別な機能の追加を行わなくても、線路周辺の構造物の精密な形状測定を行うことのできる三次元形状測定装置を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するため、
レール上を移動可能な台車と、
前記台車の移動方向の一方と逆方とにそれぞれ設けられ、レール上を走行する動力車と
連結可能な第１連結部および第２連結部と、
進行方向に対して、垂直から−１５°〜＋１５°の範囲を除く、斜めのスキャン面に沿って順次光線を照射し、周囲の構造物の形状を測定する測定器と、
前記台車に固定されて前記測定器が搭載される載置台と、
を備え、
前記載置台は、前記測定器の前後の向きを変更可能な回転テーブルを有することを特徴としている。

この構成によれば、動力車を第１連結部に連結して台車を一方に移動させる往路と、動力車を第２連結部に連結して台車を逆方に移動させる復路とで、載置台の回転テーブルにより測定器を転回させて前後の向きを容易に変更できる。よって、往路と復路とで同一の構造物に対してスキャン面の異なる２系統の測定を行うことができ、これにより構造物の精密な形状測定を行うことができる。

ここで、前記載置台は、さらに前記測定器を昇降可能な昇降手段を有する構成とするとよい。
この構成によれば、プラットホームなど測定器と高低差の小さい構造物がある場合に、昇降手段により測定器の配置を高くして、構造物と測定器との高低差を大きくすることができる。測定器と構造物とが近すぎると測定精度が低下することがあるが、高低差を大きくすることで測定器と構造物との距離を適宜伸ばして高精度な測定が可能となる。また、地上又はプラットホーム上などの光線の届く距離を延ばして広範囲な形状測定が可能となる。

また、本発明の三次元形状測定装置は、
前記測定器に含まれて周囲を撮影する撮影部と、
周囲を照らす照明と、
前記台車の移動方向の一方と他方とにそれぞれ設けられ前記照明を着脱可能な少なくとも２組の照明取付部と、
を更に備えているとよい。
この構成によれば、測定器が誤った形状測定を行った場合、例えば跨線橋があるはずの場所で、跨線橋が測定されていないとか、測定はされているが明らかにおかしな形状をとらえているような場合でも、撮影部が撮影した画像により、この誤りを後から確認することができる。また、照明により夜間においても撮影が可能となり、さらに、往路と復路とで動力車の連結位置が変わった場合にも、これに適応させて照明の位置および向きを変更することができる。

さらに、前記測定器のスキャン面は、前記台車、前記載置台及び前記回転テーブルと干渉しないようにするとよい。
さらに、前記測定器のスキャン面は、前記台車の進行方向に向かって前方ほど高くなる傾斜面であるとよい。
この構成によれば、線路周辺の構造物に対して斜めの方向から光線を照射して形状測定を行うことができ、且つ、動力車が台車を引っ張ってレール上を走行する際に、測定器のスキャン面に動力車が干渉するのを回避できる。

また、本発明の三次元形状測定装置は、
アンテナが取り付け可能なアンテナ取付台と、
前記回転テーブルに一端が固定され、他端が前記台車より前記移動方向の一方、且つ、前記測定器の中央より上方へ張り出した位置で前記アンテナ取付台を支える支持アームと、
をさらに備えているとよい。
この構成によれば、離れた箇所にアンテナ（例えば測位用の補助アンテナなど）の設置が必要な測定器を用いる場合でも、このようなアンテナを、動力車と干渉せず、且つ、測定器のスキャン面と干渉しないように設置することができる。

本発明によれば、測定器に特別な機能の追加を行わなくても、線路周辺の構造物の精密な形状測定を行うことができるという効果が得られる。

本発明の実施の形態に係る三次元形状測定装置と動力車とを連結した構成を示す側面図である。 実施の形態に係る三次元形状測定装置を往路で使用するときの状態を示す斜視図である。 実施の形態に係る三次元形状測定装置を復路で使用するときの状態を示す斜視図である。 測定工程中の転回動作を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る三次元形状測定装置と動力車とを連結した構成を示す側面図である。図２は、実施の形態に係る三次元形状測定装置を往路で使用するときの状態を示す斜視図である。図３は、実施の形態に係る三次元形状測定装置を復路で使用するときの状態を示す斜視図である。
本実施の形態の三次元形状測定装置１は、レールＲ上を移動しながら線路周囲の構造物の三次元形状を測定する装置である。三次元形状測定装置１は、動力車１００に牽引されてレールＲ上を移動する。動力車１００は、４つの車輪１１２、原動機１１０、ならびに前照灯１１４を備えたレールバイク（「原動機付軌道自転車」とも呼ばれる）である。

三次元形状測定装置１は、レールＲ上を移動可能な台車１０、測定器２０、台車１０に固定されて測定器２０が搭載される載置台３０、照明４０、アンテナ取付台４５およびその支持アーム４６、並びに動力車１００が連結可能な連結部５１、５２を有する。
台車１０は、２本のレールＲ上を２つの車輪１１により走行する二輪台車である。台車１０には、展開と格納が可能な複数の脚部１３が設けられている。複数の脚部１３は、先端が地上に接するよう展開されたときに台車１０を停止した状態で支えることができ、先端が地上から離れるように格納されたときに、台車１０を移動可能とする。脚部１３は、例えば固定ネジＰ３を緩めることで展開と格納との状態の切り替えが可能となり、固定ネジＰ３を締めることで状態が保持される。

連結部５１、５２は、台車１０の移動方向に沿った一方の側と逆側とにそれぞれ設けられている。第１連結部５１に動力車１００が連結されて牽引されることで、台車１０は順方向Ａに移動することになり、他方の第２連結部５２に動力車１００が連結されて牽引されることで、台車１０は逆方向Ｂに移動することになる。
載置台３０は、台車１０に固定される固定フレーム３１と、昇降移動可能に固定フレーム３１に支持される昇降フレーム３２と、前後の向きを変更可能に昇降フレーム３２に支持される回転フレーム３３とを有している。

固定フレーム３１は、昇降フレーム３２を上下移動可能にガイドしながら昇降フレーム３２を支持する。固定フレーム３１のガイド構成と昇降フレーム３２とが、本発明に係る昇降手段の一例に相当する。固定フレーム３１にはピン孔３１ａが設けられる一方、昇降フレーム３２には多段のピン孔３２ａが設けられている。固定ピンＰ１が固定フレーム３１のピン孔３１ａと昇降フレーム３２の何れかの段のピン孔３２ａとに貫通するように留められることで、昇降フレーム３２が高さ調整可能に固定フレーム３１に固定される。固定フレーム３１には昇降フレーム３２を係止可能なロック機構およびその固定レバー３１ｂが設けられており、固定レバー３１ｂを操作することで昇降フレーム３２を固定フレーム３１に強固に固定することができる。昇降フレーム３２には、高さ調整時に作業者が昇降フレーム３２を持ち上げたり降下させたりするための取手３２ｄが設けられている。

昇降フレーム３２の上部には、円周形状の回転レール３２ｆが設けられている。一方、回転フレーム３３の下部には、円周形状の回転スライダー３３ｄが設けられて回転レール３２ｆに案内されている。回転スライダー３３ｄが回転レール３２ｆに沿って移動することで、回転フレーム３３が回転して前後の向きを変更できる。回転フレーム３３には、昇降フレーム３２に止着可能な固定アングル３３ｂが設けられている。回転フレーム３３の向きを変更したら、固定ネジＰ２を用いて固定アングル３３ｂを昇降フレーム３２に止着することで、回転フレーム３３の向きが固定される。上記の回転レール３２ｆと、回転スライダー３３ｄを含んだ回転フレーム３３とにより、本発明に係る回転テーブルの一例が構成される。
回転フレーム３３には測定器２０とアンテナ取付台４５が固定される。

アンテナ取付台４５には、例えば補助用のＧＰＳアンテナが取り付けられる。測定器２０は、自らに備わるＧＰＳアンテナで自己の測位を行い、さらに補助用のＧＰＳアンテナが受信した信号により、補正処理を行うことで、自己の位置の高精度な計測を行う。支持アーム４６は、一端が回転フレーム３３に固定され、他端がアンテナ取付台４５に固定される。支持アーム４６は、測定器２０よりも台車１０の移動方向の一方および上方に張り出し、これにより、アンテナ取付台４５は、測定器２０の中央より高い位置で、動力車１００の上方に配置される。
なお、アンテナ取付台４５は回転フレーム３３から取外し可能である。測定器２０に補助用アンテナなどの取付けが不要な場合には、アンテナ取付台４５を取り外して使用すればよい。

測定器２０は、例えば三次元レーザスキャナであり、構造物の表面へ光線を照射して反射光を受光することで、構造物の表面までの距離を測定する。また、測定器２０は、ＧＰＳ等の測位システムを利用して自己の絶対位置を計測する。測定器２０は、このような距離の算出処理と自己の絶対位置の計測とを、レールＲに沿って移動し、且つ光線の照射方向を進行方向と交差する方向に高速で回転させながら、連続的に行う。これにより、構造物の表面上の各点の位置データが集約された三次元形状データを取得する。
測定器２０のスキャン面（光線の照射方向を１周期分回転させたときの光線を連ねた面）は、台車１０の進行方向に進むほど高くなる傾斜面Ｓ１になるよう設定されている。測定器２０の光線の出射部は、図１の中心軸Ｏを中心に回転し、傾斜面Ｓ１に沿った方向に光線を出射する。光線の１周期分の照射方向は、図２と図３の矢印線に示すように、測定器２０の光の出射位置を中心として傾斜面Ｓ１に沿って広がる放射方向となる。

測定器２０には、さらに、光線の反射による測定にエラーがあった場合に、このエラーを後から確認できるように、外界を撮影する撮影部が設けられている。撮影部は、図示を省略するが、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）などの撮像素子を有し、測定器２０の外界を広範囲に撮影し、撮影画像を画像データとして記録する。記録された画像データは後から読み出すことができ、別途に表示装置を用いて撮影画像を表示出力することができる。
照明４０は、三次元形状測定装置１の後方を照らすものである。照明４０は、夜間又は照明の無いトンネル内でも、測定器２０の撮影部が後方を撮影可能とするために設けられている。前方は、動力車１００の前照灯１１４により照らされて撮影可能となる。固定フレーム３１の前部と後部とには、照明４０を取り付け可能な照明取付部３１ｃが設けられている。

＜測定工程説明＞
測定の準備工程において、作業者は、三次元形状測定装置１をレールＲに設置して動力車１００と連結する。測定対象が図１のＡ方向にある場合、この方向を向いて前方に動力車１００を配置し、後方に三次元形状測定装置１を配置し、一方の連結部５１を介して互いを連結する。測定器２０の向きは、光線の照射方向を表わす傾斜面Ｓ１が前方ほど高くなる向きとする。このとき、アンテナ取付台４５は前方に配置される。照明４０は載置台３０の後部に後方を向くように固定する。
また、測定準備の段階において、測定器２０と同程度の高さの構造物がある場合に、作業者は、構造物と測定器２０との高低差が大きくなるように、昇降フレーム３２の高さ位置を調整する。高さ位置の変更は、取手３２ｄを持って複数の作業者により昇降フレーム３２を持ち上げ又は下げることで行われる。固定ピンＰ１を抜き、固定レバー３１ｂを解除することで、昇降フレーム３２が昇降可能となり、固定ピンＰ１を差して、固定レバー３１ｂを締めることで、昇降フレーム３２を固定できる。

図４には、測定工程中の転回動作を説明する図を示す。
準備工程を終えたら、往路の形状測定工程へ移行する（図４（ａ）を参照）。この工程において、先ず、作業者は、測定器２０の測定動作を開始させるとともに、動力車１００を運転してＡ方向に進行する。そして、そのまま計測対象の構造物を通過するところまで移動する。この間、測定器２０は、自らの位置を計測しながら、傾斜面Ｓ１に沿って光線の照射方向を高速に回転させながら、構造物に光線が照射された各点までの距離を連続的に計算する。これにより、構造物を傾斜面Ｓ１の傾斜方向から見たときの各点の位置データの集合を得ることができる。

往路の形状測定工程を終えたら、動力車１００と三次元形状測定装置１の向きを変更する工程に移行する（図４（ｂ）、（ｃ）を参照）。この工程では、まず、作業者は、動力車１００と三次元形状測定装置１との連結を解き、図４（ｂ）に示すように、動力車１００を前後逆向きにし、且つ、三次元形状測定装置１の反対側の位置へ移動させる。動力車１００は比較的に軽く、作業者が持ち上げて移動し向きを変えることができる。連結を解く際には、脚部１３を展開して、脚部１３により台車１０を支持させる。これにより、連結が解かれても、三次元形状測定装置１が大きく傾いたりレールＲに沿って移動したりしない。

続いて、作業者は、図４（ｃ）に示すように、連結部５２を介して動力車１００と三次元形状測定装置１を再度連結し、載置台３０の回転フレーム３３を回転させて、測定器２０の前後の向きを変更する。この変更により、アンテナ取付台４５の位置と向きも変更する。転回の作業は、回転フレーム３３と昇降フレーム３２とを固定している固定アングル３３ｂのネジを外し、複数の作業者により測定器２０と回転フレーム３３とを転回させることで行われる。転回を終えたら、固定アングル３３ｂをネジで固定することで、回転フレーム３３が昇降フレームに固定される。さらに、作業者は、照明４０の取付け位置と向きとを往路のときとは逆側に変更する。脚部１３は、再度の連結が完了した後、或いは、測定器２０や照明４０の転回作業が完了した後に、格納する。これにより、三次元形状測定装置１が移動可能となる。

測定器２０は非常に重いため、台車１０と測定器２０とを共に持ち上げて向きを変更するのは難しいが、上記の転回工程によれば、比較的に容易に測定器２０の向きを変更させることができる。
転回工程を終えたら、復路の形状測定工程に移行する。この工程において、作業者は、測定器２０の測定動作を開始させるとともに、動力車１００を運転してＢ方向に進行する。そして、そのまま計測対象の構造物を通過するところまで移動する。この間、測定器２０は、自らの位置を計測しながら、向きが逆転した傾斜面Ｓ１に沿って光線の照射方向を高速に回転させながら、構造物に光線が照射された各点までの距離を連続的に計算する。これにより、構造物を往路のときと逆の傾斜方向から見たときの各点の位置データの集合を得ることができる。

以上のように、この実施の形態の三次元形状測定装置１によれば、構造物を往路と復路とで互いに逆の傾斜方向から光線を照射したときの各点の位置データの集合を得ることができる。これにより、構造物の精密な形状測定結果が得られる。
さらに、この実施の形態の三次元形状測定装置１によれば、プラットホームなど測定器２０と高低差の小さい構造物がある場合に、測定器２０の高さ方向の配置を調整して、構造物と測定器２０との高低差を大きくすることができる。測定器２０と構造物とが近すぎると測定精度が低下することがあるが、高低差を大きくすることで測定器２０と構造物との距離を適宜伸ばして高精度な測定が可能となる。また、地上又はプラットホーム上などの光線の届く距離を延ばして広範囲な形状測定が可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限られるものではない。例えば、測定器を回転する機構、昇降する機構、照明の位置と向きを変更する構造などは、周知の様々な機構を適用してもよい。また、人力により測定器の回転や昇降を行う構成の代わりに、モータなどの動力を用いる構成を採用してもよい。また、三次元形状測定装置の台車を二輪台車として説明したが四輪台車などとしてもよい。その他、実施の形態で示した細部構造等は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 三次元形状測定装置
１０ 台車
１１ 車輪
１３ 脚部
２０ 測定器
３０ 載置台
３１ 固定フレーム
３１ｃ 照明取付部
３２ 昇降フレーム（昇降手段）
３２ｆ 回転レール（回転テーブル）
３３ 回転フレーム（回転テーブル）
４０ 照明
４５ アンテナ取付台
４６ 支持アーム
５１ 連結部（第１連結部）
５２ 連結部（第２連結部）
１００ 動力車
１１０ 原動機
１１２ 車輪
１１４ 前照灯

Claims (5)

1. レール上を移動可能な台車と、
   前記台車の移動方向の一方と逆方とにそれぞれ設けられ、レール上を走行する動力車と連結可能な第１連結部および第２連結部と、
   進行方向に対して、垂直から−１５°〜＋１５°の範囲を除く、斜めのスキャン面に沿って順次光線を照射し、周囲の構造物の形状を測定する測定器と、
   前記台車に固定されて前記測定器が搭載される載置台と、
   を備え、
   前記載置台は、前記測定器の前後の向きを変更可能な回転テーブルを有することを特徴とする三次元形状測定装置。
2. 前記載置台は、さらに前記測定器を昇降可能な昇降手段を有することを特徴とする請求項１記載の三次元形状測定装置。
3. 前記測定器に含まれて周囲を撮影する撮影部と、
   周囲を照らす照明と、
   前記台車の移動方向の一方と他方とにそれぞれ設けられ前記照明を着脱可能な少なくとも２組の照明取付部と、
   を更に備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状測定装置。
4. 前記測定器のスキャン面が、前記台車、前記載置台及び前記回転テーブルと干渉しないことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の三次元形状測定装置。
5. アンテナが取り付け可能なアンテナ取付台と、
   前記回転テーブルに一端が固定され、他端が前記台車より前記移動方向の一方、且つ、前記測定器の中央より上方へ張り出した位置で前記アンテナ取付台を支える支持アームと、
   をさらに備えていることを特徴とする請求項４記載の三次元形状測定装置。

Images