JP7138549B2 - コンクリート吹付ガイダンスシステム - Google Patents
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Description
本発明は、トンネル壁面へのコンクリート吹付作業の進捗状況を作業者に提示するガイダンスシステムに関する。
通常の吹付作業においては、作業者が、吹付位置直下で吹付ロボットを操作することにより作業をしているが、作業環境及び作業者の安全確保の観点から、作業位置から離れた場所で吹付ロボットを操作する遠隔操作技術が開発されている。
遠隔作業の場合には、トンネル内に設置されるモニター室のような、吹付位置より離れた場所で、例えば、吹付機に設けられたカメラの映像を見ながら、吹付ロボットのコントローラを操作していた（例えば、特許文献１参照）。
遠隔作業の場合には、トンネル内に設置されるモニター室のような、吹付位置より離れた場所で、例えば、吹付機に設けられたカメラの映像を見ながら、吹付ロボットのコントローラを操作していた（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、カメラの映像のみでは、吹付ノズルの方向や吹付壁との距離等が把握しづらいため、無駄にコンクリートを消費することになる。
特に、無支保工区間では、後方のトータルステーションの切羽管理レーザーから投影される赤色ポイントを目安に吹付作業を行うが、安全量を見込む必要があるため、作業員の感覚で多めに吹付をすることになり、その結果、吹付材料が必要以上に多くなってしまうといった問題点があった。また、遠隔操作では、赤色ポイントが映像では見難いためことから、吹付自体が難しかった。
特に、無支保工区間では、後方のトータルステーションの切羽管理レーザーから投影される赤色ポイントを目安に吹付作業を行うが、安全量を見込む必要があるため、作業員の感覚で多めに吹付をすることになり、その結果、吹付材料が必要以上に多くなってしまうといった問題点があった。また、遠隔操作では、赤色ポイントが映像では見難いためことから、吹付自体が難しかった。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、吹付ノズルの軌跡などの、トンネル壁面へのコンクリート吹付作業の進捗状況の情報を作業者に提示することのできるコンクリート吹付ガイダンスシステムを提供することを目的とする。
本発明は、コンクリート吹付機の吹付ノズルブームに装着された吹付ノズルに取付けられて、吹付ノズルのコンクリートの吹付方向にレーザ光を照射するレーザ装置と、前記コンクリート吹付機に取付けられた複数台のカメラと、前記複数台のカメラのうちの少なくとも２台のカメラでステレオ撮影された、前記レーザ光のトンネル壁面への照射部を含む画像から、前記照射部の位置の３次元座標を算出する照射位置算出手段と、予め作成しておいた設計図面のトンネル壁面、もしくは、コンクリートの吹付前に、レーザースキャナーや写真測量等で測量したトンネル壁面を複数のメッシュに分割した吹付面メッシュモデルを作成するメッシュモデル作成手段と、前記照射部の位置を前記吹付面メッシュモデルのメッシュ上に表示した画像を表示する表示手段と、を備えることを特徴とする。
これにより、吹付の途中であっても、コンクリートの吹付状態を把握できるので、コンクリートの吹付作業を効率よく行うことができる。
また、照射部の位置だけでなく、照射部の軌跡である吹付軌跡を吹付面メッシュモデルのメッシュ上に表示した画像についても表示するようにしたので、コンクリートの吹付状態を精度よく把握できる。
これにより、吹付の途中であっても、コンクリートの吹付状態を把握できるので、コンクリートの吹付作業を効率よく行うことができる。
また、照射部の位置だけでなく、照射部の軌跡である吹付軌跡を吹付面メッシュモデルのメッシュ上に表示した画像についても表示するようにしたので、コンクリートの吹付状態を精度よく把握できる。
また、前記吹付ノズルの先端部と根元部とを含む、前記吹付ノズルの先端部と根元部との間の所定の位置であるノズル位置に配置されて標定点となるマークと、前記複数台のカメラのうちの２台のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記ノズル位置の３次元座標を算出する手段とを設け、前記表示手段に、前記算出されたノズル位置を表示するようにしたので、吹付ノズルの位置を確実に把握することができる。
また、前記吹付ノズルの先端部と根元部に配置される標定点となるマークと、前記複数台のカメラのうちの２台のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記吹付ノズルの先端部と根元部の３次元座標をそれぞれ算出する手段と、前記先端部と根元部の３次元座標とから前記吹付ノズルの傾斜角度を算出する手段とを設け、前記表示手段に、前記算出された吹付ノズルの先端部の位置もしくは根元部の位置と前記吹付ノズルの傾斜角度とを表示するようにしたので、吹付ノズルの位置と吹付ノズルの方向との両方を確実に把握することができる。
なお、吹付ノズルの先端部とは吹付ノズルの中心よりも吹付ノズルの開口部側を指し、根元部とは吹付ノズルの中心よりも開口部側と反対側の端部側を指すものとする。
また、前記吹付ノズルの先端部と根元部に配置される標定点となるマークと、前記複数台のカメラのうちの２台のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記吹付ノズルの先端部と根元部の３次元座標をそれぞれ算出する手段と、前記先端部と根元部の３次元座標とから前記吹付ノズルの傾斜角度を算出する手段とを設け、前記表示手段に、前記算出された吹付ノズルの先端部の位置もしくは根元部の位置と前記吹付ノズルの傾斜角度とを表示するようにしたので、吹付ノズルの位置と吹付ノズルの方向との両方を確実に把握することができる。
なお、吹付ノズルの先端部とは吹付ノズルの中心よりも吹付ノズルの開口部側を指し、根元部とは吹付ノズルの中心よりも開口部側と反対側の端部側を指すものとする。
また、本発明は、前記吹付ノズルから噴出するコンクリートの形状を、前記吹付ノズルの内部に頂点を有し、前記吹付ノズルの開口部を通る円錐状とした噴射モデルを作成するとともに、前記照射部の位置と、前記ノズル位置、前記先端部の位置、もしくは、前記根元部の位置とから吹付ノズルと前記トンネル壁面との距離である吹付距離を算出し、前記算出された吹付距離、前記吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、前記吹付ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率と、前記噴射モデルとを用いて、前記照射部の位置におけるコンクリートの吹付け厚さを推定する吹付け厚さ推定手段を備えたことを特徴とする。
これにより、吹付の途中であっても、吹付け厚さを精度よく推定できる。
また、前記トンネル壁面の同一箇所に複数回コンクリートを吹付けるとともに、複数回目のコンクリート吹付時における前記照射部の３次元座標と、前記照射部が投影されるメッシュの中心点の３次元座標、もしくは、前記照射部をメッシュに投影した点の３次元座標とから、前記同一箇所のコンクリートの吹付け厚さを推定すれば、コンクリートの吹付け厚さを容易に推定することができる。
また、前記トンネル壁面の同一箇所に複数回コンクリートを吹付けるとともに、１回目のコンクリート吹付時における前記照射部の３次元座標と、ｎ回目のコンクリート吹付時における前記照射部の３次元座標とから、前記同一箇所のコンクリートの吹付け厚さを推定するようにしてもよい。
これにより、吹付の途中であっても、吹付け厚さを精度よく推定できる。
また、前記トンネル壁面の同一箇所に複数回コンクリートを吹付けるとともに、複数回目のコンクリート吹付時における前記照射部の３次元座標と、前記照射部が投影されるメッシュの中心点の３次元座標、もしくは、前記照射部をメッシュに投影した点の３次元座標とから、前記同一箇所のコンクリートの吹付け厚さを推定すれば、コンクリートの吹付け厚さを容易に推定することができる。
また、前記トンネル壁面の同一箇所に複数回コンクリートを吹付けるとともに、１回目のコンクリート吹付時における前記照射部の３次元座標と、ｎ回目のコンクリート吹付時における前記照射部の３次元座標とから、前記同一箇所のコンクリートの吹付け厚さを推定するようにしてもよい。
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。この明細書において、コンクリートは、モルタルや吹付材料も含むものとする。
図１は、コンクリート吹付ガイダンスシステム（以下、ガイダンスシステム１という）を示す図で、ガイダンスシステム１は、吹付機２に設置される、バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２と、本体側カメラＣ２１～Ｃ２４と、エレクタ側カメラＣ３１～Ｃ３４と、ノズル側レーザ装置Ｌ１と、遠隔操作室１０に配置される、吹付位置算出手段１１と、ノズル位置算出手段１２と、メッシュモデル作成手段１３と、吹付軌跡作成手段１４と、吹付形状モデル作成手段１５と、吹付状態推定手段１６と、表示手段１７と、記憶手段１８と、トータルステーション４に設置される切羽管理レーザ装置Ｌ２と、を備える。
吹付位置算出手段１１～吹付状態推定手段１６までの各手段と記憶手段１８とは、例えば、コンピュータのソフトウェア、及び、ＲＡＭ等のメモリーから構成され、表示手段１７は、表示画面１７Ｇを備えたディスプレイやウェラブル端末などにより構成される。
吹付位置算出手段１１～記憶手段１８までの各手段を、以下、ガイダンスシステム１の演算表示部という。
吹付機２は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、トンネル３の切羽３１のコンクリートの吹付けが完了していない区間Ｌkの後方（切羽３１とは反対側）に配置されて、トンネル壁面３２（トンネル側壁３２ａと天羽３２ｂ）に吹付コンクリートを吹付ける。なお、同図の符号３Ｃは吹付コンクリート、符号３Ｈは支保工である。
トータルステーション４は、切羽３１に赤色のレーザ光を照射する切羽管理レーザ装置Ｌ２やレーザ距離計Ｌ３の他に、図示しない、切羽監視用カメラ、３Ｄスキャナーなどの切羽３１を監視する監視装置を備えた計測器で、吹付機２の後方で、切羽３１から所定の距離離れた天羽３２ｂ等に設置される。
また、遠隔操作室１０は、トンネル３内もしくは坑外などの吹付機２から離れた箇所に設置される。遠隔操作室１０には、吹付機２を遠隔操作する吹付機制御装置１０Ａや、支保工番号や支保パターンなどのトンネルパターンデータを備え、切羽管理レーザ装置Ｌ２などの監視装置を制御する切羽管理レーザシステム１０Ｂなどが配置されている。
吹付位置算出手段１１～吹付状態推定手段１６までの各手段と記憶手段１８とは、例えば、コンピュータのソフトウェア、及び、ＲＡＭ等のメモリーから構成され、表示手段１７は、表示画面１７Ｇを備えたディスプレイやウェラブル端末などにより構成される。
吹付位置算出手段１１～記憶手段１８までの各手段を、以下、ガイダンスシステム１の演算表示部という。
吹付機２は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、トンネル３の切羽３１のコンクリートの吹付けが完了していない区間Ｌkの後方（切羽３１とは反対側）に配置されて、トンネル壁面３２（トンネル側壁３２ａと天羽３２ｂ）に吹付コンクリートを吹付ける。なお、同図の符号３Ｃは吹付コンクリート、符号３Ｈは支保工である。
トータルステーション４は、切羽３１に赤色のレーザ光を照射する切羽管理レーザ装置Ｌ２やレーザ距離計Ｌ３の他に、図示しない、切羽監視用カメラ、３Ｄスキャナーなどの切羽３１を監視する監視装置を備えた計測器で、吹付機２の後方で、切羽３１から所定の距離離れた天羽３２ｂ等に設置される。
また、遠隔操作室１０は、トンネル３内もしくは坑外などの吹付機２から離れた箇所に設置される。遠隔操作室１０には、吹付機２を遠隔操作する吹付機制御装置１０Ａや、支保工番号や支保パターンなどのトンネルパターンデータを備え、切羽管理レーザ装置Ｌ２などの監視装置を制御する切羽管理レーザシステム１０Ｂなどが配置されている。
図３は、吹付機２を示す図で、同図の左方向を前方（切羽方向）、右方向を後方、同図の上下方向を上下方向、図面に垂直な方向を左右方向とする。
吹付機２は、走行機構２０ａやアウトトリガー機構２０ｂなどを備えた吹付機本体（以下、本体２０という）と、先端側に図示しないコンクリート圧送装置に接続された吹付ノズル５が搭載された吹付ノズルブームとしての吹付ロボット２１と、バケット２２ｂを支持する左右一対のバケットブーム２２と、支保工の組み立てるための左右一対のエレクタブーム２３とを備える。
吹付ノズル５の側面側には、ノズル側レーザ装置Ｌ１が、レーザの照射方向が吹付ノズル５の延長方向であるコンクリートの吹付方向と一致するように、設置されている。本例では、ノズル側レーザ装置Ｌ１のレーザ光を切羽管理レーザ装置Ｌ２のレーザ光と区別するため、ノズル側レーザ装置Ｌ１のレーザ光を緑色とした。
また、左右一対のバケットブーム２２のバケット２２ｂの前方下端部には、バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２がそれぞれ設置され、本体２０の前面の上下左右には、本体側カメラＣ２１～Ｃ２４がそれぞれ設置され、左右一対のエレクタブーム２３の第１アーム２３ａの先端側と第２アーム２３ｂの中央側には、エレクタ側カメラＣ３１～Ｃ３４がそれぞれ設置される。
吹付機２は、走行機構２０ａやアウトトリガー機構２０ｂなどを備えた吹付機本体（以下、本体２０という）と、先端側に図示しないコンクリート圧送装置に接続された吹付ノズル５が搭載された吹付ノズルブームとしての吹付ロボット２１と、バケット２２ｂを支持する左右一対のバケットブーム２２と、支保工の組み立てるための左右一対のエレクタブーム２３とを備える。
吹付ノズル５の側面側には、ノズル側レーザ装置Ｌ１が、レーザの照射方向が吹付ノズル５の延長方向であるコンクリートの吹付方向と一致するように、設置されている。本例では、ノズル側レーザ装置Ｌ１のレーザ光を切羽管理レーザ装置Ｌ２のレーザ光と区別するため、ノズル側レーザ装置Ｌ１のレーザ光を緑色とした。
また、左右一対のバケットブーム２２のバケット２２ｂの前方下端部には、バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２がそれぞれ設置され、本体２０の前面の上下左右には、本体側カメラＣ２１～Ｃ２４がそれぞれ設置され、左右一対のエレクタブーム２３の第１アーム２３ａの先端側と第２アーム２３ｂの中央側には、エレクタ側カメラＣ３１～Ｃ３４がそれぞれ設置される。
図４（ａ），（ｂ）は、吹付ロボット２１を示す縦断面図と平面図で、同図のＸ軸方向がトンネルの軸方向（前後方向）、Ｙ軸方向がトンネル幅方向（左右方向）、Ｚ軸方向が上下方向である。
吹付ロボット２１は、本体２０の取付部２０Ｔ側に位置する第１のアーム２１１と、図示しない切羽側に位置する第２のアーム２１２と、第１及び第２のアーム２１１，２１２をそれぞれ伸縮させる第１及び第２のスライド機構２１３，２１４と、第１及び第２のアーム２１１，２１２をそれぞれ水平面内及び垂直面内で回転させる第１及び第２の回転機構２１５，２１６と、第２のアーム２１２の先端に設置された吹付ノズル設置部２１７と、吹付ノズル設置部２１７を水平面内及び垂直面内で回転させる吹付ノズル回転機構２１８と、を備え、吹付ノズル設置部２１７を上下、左右に回転させるととともに、前後（第１及び第２のアーム２１１，２１２の延長方向）移動させることで、吹付ノズル５の位置と吹付コンクリートの吹付方向とを設定する。
但し、吹付ロボット２１は、全ての構成が上記と同一である必要はなく、一部省略されたり、組み合わせが変わる場合もあり、これらを包括して「吹付ロボット」と称する。
吹付ロボット２１は、本体２０の取付部２０Ｔ側に位置する第１のアーム２１１と、図示しない切羽側に位置する第２のアーム２１２と、第１及び第２のアーム２１１，２１２をそれぞれ伸縮させる第１及び第２のスライド機構２１３，２１４と、第１及び第２のアーム２１１，２１２をそれぞれ水平面内及び垂直面内で回転させる第１及び第２の回転機構２１５，２１６と、第２のアーム２１２の先端に設置された吹付ノズル設置部２１７と、吹付ノズル設置部２１７を水平面内及び垂直面内で回転させる吹付ノズル回転機構２１８と、を備え、吹付ノズル設置部２１７を上下、左右に回転させるととともに、前後（第１及び第２のアーム２１１，２１２の延長方向）移動させることで、吹付ノズル５の位置と吹付コンクリートの吹付方向とを設定する。
但し、吹付ロボット２１は、全ての構成が上記と同一である必要はなく、一部省略されたり、組み合わせが変わる場合もあり、これらを包括して「吹付ロボット」と称する。
次に、カメラＣ１１，Ｃ１２～Ｃ３３，Ｃ３４の動作について説明する。
バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２、本体側カメラＣ２１，Ｃ２２及びＣ２３，Ｃ２４、エレクタ側カメラＣ３１，Ｃ３２及びＣ３３，Ｃ３４は、それぞれ、後述する標定点となるマークとしての標定点ラベルＡ～Ｄと、緑色レーザ光の照射部Ｇとを撮影する。緑色レーザ光の照射部Ｇとコンクリートの吹付位置（厳密には、コンクリートが吹付けられた領域の中心）とはほぼ一致する。
図５（ａ）は、標定点ラベルＡ～Ｄの設置箇所及びノズル側レーザ装置Ｌ１からの緑色レーザ光の照射部Ｇとの関係を示す図で、標定点ラベルＡは吹付ノズルの先端部に設置され、標定点ラベルＢは吹付ノズルの根元側に設置される。
また、標定点ラベルＣと標定点ラベルＤとは、吹付が完了したトンネル壁面３２の切羽３１側の左右（以下、吹付完了壁部という）の任意の場所にそれぞれ不動点として設置される。
図５（ｂ）は、２台のカメラＣ１１，Ｃ１２でステレオ撮影した画像（ステレオ画像）の一例を示す模式図で、カメラＣ１１の画像とカメラＣ１２の画像には、それぞれ、緑色レーザ光の照射部Ｇと標定点ラベルＡとが映っている。
バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２、本体側カメラＣ２１，Ｃ２２及びＣ２３，Ｃ２４、エレクタ側カメラＣ３１，Ｃ３２及びＣ３３，Ｃ３４は、それぞれ、後述する標定点となるマークとしての標定点ラベルＡ～Ｄと、緑色レーザ光の照射部Ｇとを撮影する。緑色レーザ光の照射部Ｇとコンクリートの吹付位置（厳密には、コンクリートが吹付けられた領域の中心）とはほぼ一致する。
図５（ａ）は、標定点ラベルＡ～Ｄの設置箇所及びノズル側レーザ装置Ｌ１からの緑色レーザ光の照射部Ｇとの関係を示す図で、標定点ラベルＡは吹付ノズルの先端部に設置され、標定点ラベルＢは吹付ノズルの根元側に設置される。
また、標定点ラベルＣと標定点ラベルＤとは、吹付が完了したトンネル壁面３２の切羽３１側の左右（以下、吹付完了壁部という）の任意の場所にそれぞれ不動点として設置される。
図５（ｂ）は、２台のカメラＣ１１，Ｃ１２でステレオ撮影した画像（ステレオ画像）の一例を示す模式図で、カメラＣ１１の画像とカメラＣ１２の画像には、それぞれ、緑色レーザ光の照射部Ｇと標定点ラベルＡとが映っている。
吹付位置算出手段１１は、図５（ｂ）に示すような、ステレオ撮影された２枚の画像から、トンネル壁面３２に照射された緑色レーザ光の照射部Ｇの位置である、コンクリートの吹付位置の３次元座標を算出する。以下、コンクリートの吹付位置の符号を、緑色レーザ光の照射部と同じＧとする。すなわち、吹付位置算出手段１１は、本発明の照射位置算出手段に相当する手段である。
なお、ステレオ画像は、必ずしも、Ｃ１１，Ｃ１２などのカメラ対の画像である必要はなく、例えば、標定点ラベルＡ，Ｂがよく映っている２台以上のカメラの画像、標定点ラベルＣがよく映っている２台以上のカメラの画像、標定点ラベルＤがよく映っている２台以上のカメラの画像などを用いればよい。
ノズル位置算出手段１２は、図５（ｂ）に示した、ステレオ撮影された２枚の画像から、標定点ラベルＡ，Ｂの位置である、吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標と、吹付完了壁部の標定点ラベルＣと標定点ラベルＤの３次元座標とを算出するとともに、この算出された標定点ラベルＡ，Ｂの３次元座標を、算出した標定点ラベルＣ，Ｄの３次元座標と、トンネルパターンデータベース１８ｄに保存されている、設計掘削断面形状ＸＹＺのデータの基準点、もしくは、トータルステーションの設置位置を原点とした標定点ラベルＣ，Ｄの３次元座標とを用いて、上記したトンネル３内の基準点を原点とした３次元座標に変換する。
なお、設計掘削断面形状ＸＹＺのデータに代えて、レーザースキャナーや写真測量等で測量して算出した掘削断面形状である実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’のデータを用いてもよい。
ノズル位置算出手段１２では、この算出された吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標から、吹付ノズル５の傾きを算出するとともに、吹付ノズル５の根元側の３次元座標と、記憶手段１８のトンネルパターンデータベース１８ｄに保存されている設計掘削断面形状ＸＹＺのデータ、もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’のデータとから、吹付ノズル５の根元側の位置と切羽３１との距離である切羽距離Ｄx、及び、トンネル壁面３２との距離である壁面距離Ｄwを算出する（図１０のノズル位置画像ＰCを参照）。
なお、後述するように、予め車体位置の３次元座標は求めてあるので、吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標は、トンネル３内の基準点を原点とした座標に変換されているものとする。
また、切羽距離Ｄx、及び、壁面距離Ｄwを算出する基準となる吹付ノズル５の位置としては、吹付ノズル５の根元部ではなく、先端部としてもよく、根元部と先端部の中間点としてもよい。
図６（ａ），（ｂ）に示すように、吹付ノズル５（５ｐ～５ｓ）の傾きとは、切羽３１の面に平行な断面Ｋにおけるトンネル幅方向（Ｙ軸方向）と、吹付ノズル５の断面Ｋへの正射影とのなす角（切羽面内角θ）と、吹付ノズルの軸方向と断面Ｋとのなす角（切羽仰角φ）を指す。
同図に示すように、吹付ノズル５の軸方向の延長方向とトンネル壁面３２とが交わる点がコンクリートの吹付位置Ｇとなる。
図６（ｃ），（ｄ）に示すように、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面３２とのなす角度を吹付角度αとすると、吹付角度αは、吹付ノズル５（５ａ，５ｂ）の長さ方向とコンクリートの吹付位置Ｇにおけるトンネル壁面３２の接平面ＳG（以下、トンネル壁面３２という場合もある）との成す角度に等しい。なお、吹付角度αは、コンクリートの吹付方向と吹付位置Ｇとを通る接線ＬGとのなす角度としても求められる。α＝９０°の時に、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面３２とが直交する。
すなわち、吹付ノズル５ａのように、吹付角度αが９０°であれば、トンネル壁面３２に垂直にコンクリートを吹付けることができるが、吹付ノズル５ｂのように、吹付角度αが９０°でない場合には、トンネル壁面３２に垂直にコンクリートを吹付けることができない。
なお、接平面ＳGと接線ＬGについても、上記のトンネルパターンデータベース１８ｄに保存されている設計掘削断面形状ＸＹＺ（もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’）のデータから求めることができる。
トンネル壁面３２の断面形状が掘削方向（Ｘ方向；（ａ）図の紙面に垂直な方向）で同一で、断面Ｋが天羽３２ｂを通る半径ｒの円弧である場合は、図６（ａ），（ｂ）に示した白ヌキの吹付ノズル５ｐのように、円弧の中心をＯとしたとき、方向が原点Ｏと吹付位置Ｇとを結ぶ方向（ＯＧ方向）でかつφ＝０°であれば、吹付ノズル５の吹付方向がトンネル壁面３２に直交するが、吹付ノズル５ｑのように、吹付方向がＯＧの方向であっても、φが０°でなければ、吹付ノズル５の吹付方向はトンネル壁面３２には直交しない。
なお、トンネル壁面３２がトンネル幅方向に垂直な箇所では、吹付ノズル５ｓのように、吹付方向がトンネル幅方向であれば、α＝９０°となることはいうまでもない。
なお、ステレオ画像は、必ずしも、Ｃ１１，Ｃ１２などのカメラ対の画像である必要はなく、例えば、標定点ラベルＡ，Ｂがよく映っている２台以上のカメラの画像、標定点ラベルＣがよく映っている２台以上のカメラの画像、標定点ラベルＤがよく映っている２台以上のカメラの画像などを用いればよい。
ノズル位置算出手段１２は、図５（ｂ）に示した、ステレオ撮影された２枚の画像から、標定点ラベルＡ，Ｂの位置である、吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標と、吹付完了壁部の標定点ラベルＣと標定点ラベルＤの３次元座標とを算出するとともに、この算出された標定点ラベルＡ，Ｂの３次元座標を、算出した標定点ラベルＣ，Ｄの３次元座標と、トンネルパターンデータベース１８ｄに保存されている、設計掘削断面形状ＸＹＺのデータの基準点、もしくは、トータルステーションの設置位置を原点とした標定点ラベルＣ，Ｄの３次元座標とを用いて、上記したトンネル３内の基準点を原点とした３次元座標に変換する。
なお、設計掘削断面形状ＸＹＺのデータに代えて、レーザースキャナーや写真測量等で測量して算出した掘削断面形状である実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’のデータを用いてもよい。
ノズル位置算出手段１２では、この算出された吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標から、吹付ノズル５の傾きを算出するとともに、吹付ノズル５の根元側の３次元座標と、記憶手段１８のトンネルパターンデータベース１８ｄに保存されている設計掘削断面形状ＸＹＺのデータ、もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’のデータとから、吹付ノズル５の根元側の位置と切羽３１との距離である切羽距離Ｄx、及び、トンネル壁面３２との距離である壁面距離Ｄwを算出する（図１０のノズル位置画像ＰCを参照）。
なお、後述するように、予め車体位置の３次元座標は求めてあるので、吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標は、トンネル３内の基準点を原点とした座標に変換されているものとする。
また、切羽距離Ｄx、及び、壁面距離Ｄwを算出する基準となる吹付ノズル５の位置としては、吹付ノズル５の根元部ではなく、先端部としてもよく、根元部と先端部の中間点としてもよい。
図６（ａ），（ｂ）に示すように、吹付ノズル５（５ｐ～５ｓ）の傾きとは、切羽３１の面に平行な断面Ｋにおけるトンネル幅方向（Ｙ軸方向）と、吹付ノズル５の断面Ｋへの正射影とのなす角（切羽面内角θ）と、吹付ノズルの軸方向と断面Ｋとのなす角（切羽仰角φ）を指す。
同図に示すように、吹付ノズル５の軸方向の延長方向とトンネル壁面３２とが交わる点がコンクリートの吹付位置Ｇとなる。
図６（ｃ），（ｄ）に示すように、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面３２とのなす角度を吹付角度αとすると、吹付角度αは、吹付ノズル５（５ａ，５ｂ）の長さ方向とコンクリートの吹付位置Ｇにおけるトンネル壁面３２の接平面ＳG（以下、トンネル壁面３２という場合もある）との成す角度に等しい。なお、吹付角度αは、コンクリートの吹付方向と吹付位置Ｇとを通る接線ＬGとのなす角度としても求められる。α＝９０°の時に、コンクリートの吹付方向とトンネル壁面３２とが直交する。
すなわち、吹付ノズル５ａのように、吹付角度αが９０°であれば、トンネル壁面３２に垂直にコンクリートを吹付けることができるが、吹付ノズル５ｂのように、吹付角度αが９０°でない場合には、トンネル壁面３２に垂直にコンクリートを吹付けることができない。
なお、接平面ＳGと接線ＬGについても、上記のトンネルパターンデータベース１８ｄに保存されている設計掘削断面形状ＸＹＺ（もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’）のデータから求めることができる。
トンネル壁面３２の断面形状が掘削方向（Ｘ方向；（ａ）図の紙面に垂直な方向）で同一で、断面Ｋが天羽３２ｂを通る半径ｒの円弧である場合は、図６（ａ），（ｂ）に示した白ヌキの吹付ノズル５ｐのように、円弧の中心をＯとしたとき、方向が原点Ｏと吹付位置Ｇとを結ぶ方向（ＯＧ方向）でかつφ＝０°であれば、吹付ノズル５の吹付方向がトンネル壁面３２に直交するが、吹付ノズル５ｑのように、吹付方向がＯＧの方向であっても、φが０°でなければ、吹付ノズル５の吹付方向はトンネル壁面３２には直交しない。
なお、トンネル壁面３２がトンネル幅方向に垂直な箇所では、吹付ノズル５ｓのように、吹付方向がトンネル幅方向であれば、α＝９０°となることはいうまでもない。
メッシュモデル作成手段１３は、切羽管理レーザシステム１０Ｂから取得されて記憶手段１８に記憶されたトンネルパターンデータベース１８ｄを用いて、図７（ａ）に示すような、切羽３１の手前のコンクリート吹付予定のトンネル壁面３２を、一方の辺がトンネル軸方向に平行で、他方の辺が切羽の輪郭面に沿った、複数のメッシュに分割した吹付面メッシュモデル３２Ｍを作成する。なお、メッシュとしては、メッシュを矩形と見做したときの一辺の長さを、１０ｃｍ～５０ｃｍでの範囲とすることが好ましい。
トンネルパターンデータベース１８ｄには、支保番号、支保パターン、トンネル延長、設計掘削断面形状ＸＹＺ（もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’）、吹付量などのデータが蓄積されているので、切羽番号を入力すれば、コンクリート吹付面である、当該切羽３１からコンクリート吹付境界面までのトンネル壁面３２を、トンネル断面に平行な複数の面Ｋiとトンネル軸方向に平行な直線ｍiとにより、複数のメッシュＭiに分割した吹付面メッシュモデル３２Ｍを作成することができる。
なお、トンネルパターンデータベース１８ｄに保存されているデータは、切羽管理レーザシステム１０Ｂで取得されたデータであるので、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’を用いた場合、吹付面メッシュモデル３２Ｍは、吹付前に実測した実断面の形状にメッシュが投影された形になる。
吹付軌跡作成手段１４は、図７（ｂ）に示すように、吹付位置算出手段１１で算出したコンクリートの吹付位置Ｇiを、丸印などのマークとして、順次、吹付位置Ｇiの３次元座標を含むメッシュＭiに重ねるとともに、これらのマークを繋げることで、同図の太線で示すような、吹付位置の軌跡ＲＬを吹付面メッシュモデル３２Ｍ上に描画した吹付軌跡画像を作成する。
トンネルパターンデータベース１８ｄには、支保番号、支保パターン、トンネル延長、設計掘削断面形状ＸＹＺ（もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’）、吹付量などのデータが蓄積されているので、切羽番号を入力すれば、コンクリート吹付面である、当該切羽３１からコンクリート吹付境界面までのトンネル壁面３２を、トンネル断面に平行な複数の面Ｋiとトンネル軸方向に平行な直線ｍiとにより、複数のメッシュＭiに分割した吹付面メッシュモデル３２Ｍを作成することができる。
なお、トンネルパターンデータベース１８ｄに保存されているデータは、切羽管理レーザシステム１０Ｂで取得されたデータであるので、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’を用いた場合、吹付面メッシュモデル３２Ｍは、吹付前に実測した実断面の形状にメッシュが投影された形になる。
吹付軌跡作成手段１４は、図７（ｂ）に示すように、吹付位置算出手段１１で算出したコンクリートの吹付位置Ｇiを、丸印などのマークとして、順次、吹付位置Ｇiの３次元座標を含むメッシュＭiに重ねるとともに、これらのマークを繋げることで、同図の太線で示すような、吹付位置の軌跡ＲＬを吹付面メッシュモデル３２Ｍ上に描画した吹付軌跡画像を作成する。
吹付形状モデル作成手段１５は、記憶手段１８に記憶された機器データベース１８ａ、吹付コンクリートデータベース１８ｂ、及び、吹付形状データベース１８ｃを用いて、図８（ａ）に示すような、0.1sec当たりの吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkを算出するための円錐モデル（以下、吹付形状モデル５Ｍという）を作成する。
機器データベース１８ａには、吹付機２の機種、ポンプ吐出量、吹付ノズル５の回転移動速度、吹付ノズル５のスライド移動速度、空気圧縮機の空気量や吐出圧などのデータが蓄積され、吹付コンクリートデータベース１８ｂには、コンクリートの配合量、添加剤、ミキシング時間、スランプ、空気量などデータが蓄積され、吹付形状データベース１８ｃには、吹付ノズル口径ＤN[mm]や、吹付ノズル５から噴射される吹付コンクリートの噴射モデルである推定円錐Ｃの頂点位置である推定円錐頂点オフセットｈN[mm]、推定円錐形状噴射角度θN[deg]などの形状パラメータ、想定コンクリート吐出量ＶC[mm3/0.1sec]、コンクリート跳ね返り率ａ[%]、吹付ノズル移動速度ｖ[mm/0.1sec]などのデータが蓄積されている。
吹付形状データベース１８ｃの推定円錐頂点オフセットｈN[mm]や想定コンクリート吐出量ＶCは、吹付コンクリートデータベース１８ｂに蓄積された吹付コンクリートの性状により決定され、吹付ノズル移動速度ｖは、機器データベース１８ａに蓄積された吹付ノズル５の回転移動速度と吹付ノズル５のスライド移動速度により決定される。
なお、本例では、機器データベース１８ａのポンプ吐出量については、打設中に稼動しているポンプからのポンプ吐出量（ピストンの往復回数）のデータ、吹付ノズル５の移動速度及び方向については、カメラからの映像データにてリアルタイム（0.1sec）毎に更新されたものを用いている。上記のデータは、切羽管理レーザシステム１０Ｂにより更新されて、記憶手段１８に送られるが、切羽管理レーザシステム１０Ｂから直接データを取得してもよい。
機器データベース１８ａには、吹付機２の機種、ポンプ吐出量、吹付ノズル５の回転移動速度、吹付ノズル５のスライド移動速度、空気圧縮機の空気量や吐出圧などのデータが蓄積され、吹付コンクリートデータベース１８ｂには、コンクリートの配合量、添加剤、ミキシング時間、スランプ、空気量などデータが蓄積され、吹付形状データベース１８ｃには、吹付ノズル口径ＤN[mm]や、吹付ノズル５から噴射される吹付コンクリートの噴射モデルである推定円錐Ｃの頂点位置である推定円錐頂点オフセットｈN[mm]、推定円錐形状噴射角度θN[deg]などの形状パラメータ、想定コンクリート吐出量ＶC[mm3/0.1sec]、コンクリート跳ね返り率ａ[%]、吹付ノズル移動速度ｖ[mm/0.1sec]などのデータが蓄積されている。
吹付形状データベース１８ｃの推定円錐頂点オフセットｈN[mm]や想定コンクリート吐出量ＶCは、吹付コンクリートデータベース１８ｂに蓄積された吹付コンクリートの性状により決定され、吹付ノズル移動速度ｖは、機器データベース１８ａに蓄積された吹付ノズル５の回転移動速度と吹付ノズル５のスライド移動速度により決定される。
なお、本例では、機器データベース１８ａのポンプ吐出量については、打設中に稼動しているポンプからのポンプ吐出量（ピストンの往復回数）のデータ、吹付ノズル５の移動速度及び方向については、カメラからの映像データにてリアルタイム（0.1sec）毎に更新されたものを用いている。上記のデータは、切羽管理レーザシステム１０Ｂにより更新されて、記憶手段１８に送られるが、切羽管理レーザシステム１０Ｂから直接データを取得してもよい。
吹付形状モデル作成手段１５では、吹付位置算出手段１１で算出された吹付位置Ｇの３次元座標と、ノズル位置算出手段１２で算出された吹付ノズル５の先端部の３次元座標とから、吹付ノズル５の先端と吹付対象面Ｓとの距離である吹付距離ｈk[mm]を算出し、この吹付距離ｈkと吹付形状データベース１８ｃに蓄積された吹付ノズル５から噴射される吹付コンクリートの噴射モデルである推定円錐Ｃのパラメータである推定円錐頂点オフセットｈNとから、吹付形状である推定円錐Ｃの頂点Ｔの位置と吹付面との距離である円錐高さｈCを算出する。
図８（ａ）に示すように、ｈC＝ｈk＋ｈNである。
また、円錐の底面ＳCの直径Ｗk[mm]は、円錐高さｈCと推定円錐形状噴射角度θN[deg]とから、Ｗk＝２ｈC・tanθNにより算出される。
なお、推定円錐形状噴射角度θNは、円錐を頂点Ｔを通り底面に垂直な面で切ってできる二等辺三角形の頂点の角度の半分の角度である。
ここで、吹付ノズル移動速度をｖ、吹付コンクリートの平均吹付け厚さをＨkとすると、コンクリートの吹付量Ｖkは、下記の式で近似できる。
Ｖk＝ｖ・Ｗk・Ｈk
また、想定コンクリート吐出量をＶC、コンクリート跳ね返り率をａとすると、Ｖk＝ａ・ＶCなので、吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkは、以下の式で算出できる。
Ｈk＝（ａ・ＶC ）/（ｖ・２ｈC・tanθN）
吹付形状モデル５Ｍは、0.1sec毎のモデルなので、平均吹付け厚さＨkの単位は[mm/0.1sec]となる。
図８（ａ）に示すように、ｈC＝ｈk＋ｈNである。
また、円錐の底面ＳCの直径Ｗk[mm]は、円錐高さｈCと推定円錐形状噴射角度θN[deg]とから、Ｗk＝２ｈC・tanθNにより算出される。
なお、推定円錐形状噴射角度θNは、円錐を頂点Ｔを通り底面に垂直な面で切ってできる二等辺三角形の頂点の角度の半分の角度である。
ここで、吹付ノズル移動速度をｖ、吹付コンクリートの平均吹付け厚さをＨkとすると、コンクリートの吹付量Ｖkは、下記の式で近似できる。
Ｖk＝ｖ・Ｗk・Ｈk
また、想定コンクリート吐出量をＶC、コンクリート跳ね返り率をａとすると、Ｖk＝ａ・ＶCなので、吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkは、以下の式で算出できる。
Ｈk＝（ａ・ＶC ）/（ｖ・２ｈC・tanθN）
吹付形状モデル５Ｍは、0.1sec毎のモデルなので、平均吹付け厚さＨkの単位は[mm/0.1sec]となる。
吹付形状モデル５Ｍとしては、通常は、図８（ｂ）に示すような、吹付角度αが９０°の場合が用いられるが、図８（ｃ）に示すような、αが９０°でないモデルを用いることができる。この場合には、吹付領域の形状は円ではなく、円錐Ｃを、トンネル壁面３２のコンクリート吹付位置Ｇにおける接平面で切った楕円となるので、吹付コンクリートの吹付幅Ｗαkは、図８（ｂ）の吹付幅Ｗkよりも長くなり、逆に、平均吹付け厚さＨαkは図８（ｂ）の平均吹付け厚さＨkよりも薄くなる。
図８（ｄ）は、図８（ｂ）の吹付形状モデル５Ｍをトンネル壁面３２に沿って移動させた吹付合成モデルで、同図の白丸はコンクリート吹付位置Ｇを示す。メッシュＭi内の吹付形状モデル５Ｍを重ね合わせることで、メッシュＭiにおける平均吹付厚であるメッシュ単位吹付け厚さＨiを算出することができる。メッシュ単位吹付け厚さＨiの単位は[mm]である。
図８（ｄ）は、図８（ｂ）の吹付形状モデル５Ｍをトンネル壁面３２に沿って移動させた吹付合成モデルで、同図の白丸はコンクリート吹付位置Ｇを示す。メッシュＭi内の吹付形状モデル５Ｍを重ね合わせることで、メッシュＭiにおける平均吹付厚であるメッシュ単位吹付け厚さＨiを算出することができる。メッシュ単位吹付け厚さＨiの単位は[mm]である。
吹付状態推定手段１６は、図９（ａ）に示すように、吹付面メッシュモデル３２Ｍの各メッシュＭiのうち、吹付が完了した各メッシュＭiを塗潰すなどして特定して、仮想吹付面メッシュとするとともに、各メッシュＭiのデータに、当該メッシュＭiの吹付け厚さであるメッシュ単位吹付け厚さＨiを追加する。
このとき、本例では、メッシュＭiの吹付時には、メッシュＭiに隣接するメッシュＭjにもコンクリートが吹付けられるとし、メッシュＭjのメッシュ単位吹付け厚さＨjに、メッシュＭiのメッシュ単位吹付け厚さＨiの、ｐ倍（ｐ＜１）の吹付け厚さを追加するようにしている。ここで、ｐの大きさとしては、０．２～０．８とすることが好ましい。
メッシュＭiに隣接する４つのメッシュをＭj1～Ｍj4とすると、メッシュＭiの累積吹付け厚さＨi+は、Ｈ,i+＝Ｈi＋ａ・（Ｈi1＋Ｈi2＋Ｈi3＋Ｈi4）となる。
図９（ｂ）は、吹付途中の累積吹付け厚さＨ,i+の分布を示す図（吹付経過画像）で、同図の細かい斜線を施したメッシュは累積吹付け厚さＨ,i+が設計厚さＫ1以上のメッシュで、粗い斜線を施したメッシュは累積吹付け厚さＨ,i+がＫ1未満で、かつ、Ｋ1よりも小さな閾値Ｋ2以上のメッシュである。また、複数のドットを付けたメッシュは累積吹付け厚さＨ,i+がＫ2未満で、かつ、Ｋ2よりも小さな閾値Ｋ3以上のメッシュである。
本例では、Ｋ1＝１０ｍｍ、Ｋ2＝６ｍｍ、Ｋ3＝３ｍｍとした。
なお、吹付経過画像は、各メッシュを累積吹付け厚さＨ,i+毎に色分けしてもよい。
このとき、本例では、メッシュＭiの吹付時には、メッシュＭiに隣接するメッシュＭjにもコンクリートが吹付けられるとし、メッシュＭjのメッシュ単位吹付け厚さＨjに、メッシュＭiのメッシュ単位吹付け厚さＨiの、ｐ倍（ｐ＜１）の吹付け厚さを追加するようにしている。ここで、ｐの大きさとしては、０．２～０．８とすることが好ましい。
メッシュＭiに隣接する４つのメッシュをＭj1～Ｍj4とすると、メッシュＭiの累積吹付け厚さＨi+は、Ｈ,i+＝Ｈi＋ａ・（Ｈi1＋Ｈi2＋Ｈi3＋Ｈi4）となる。
図９（ｂ）は、吹付途中の累積吹付け厚さＨ,i+の分布を示す図（吹付経過画像）で、同図の細かい斜線を施したメッシュは累積吹付け厚さＨ,i+が設計厚さＫ1以上のメッシュで、粗い斜線を施したメッシュは累積吹付け厚さＨ,i+がＫ1未満で、かつ、Ｋ1よりも小さな閾値Ｋ2以上のメッシュである。また、複数のドットを付けたメッシュは累積吹付け厚さＨ,i+がＫ2未満で、かつ、Ｋ2よりも小さな閾値Ｋ3以上のメッシュである。
本例では、Ｋ1＝１０ｍｍ、Ｋ2＝６ｍｍ、Ｋ3＝３ｍｍとした。
なお、吹付経過画像は、各メッシュを累積吹付け厚さＨ,i+毎に色分けしてもよい。
表示手段１７は、図１０に示すように、吹付ノズルの軌跡を表示した吹付軌跡画像ＰAと、吹付け厚さの分布を示す吹付経過画像ＰBと、ノズル位置を表示したノズル位置画像ＰCとから成るガイダンス画面を、表示画面１７Ｇに表示する。
吹付軌跡画像ＰAは、吹付軌跡作成手段１４で作成した吹付軌跡画像を用いた。
吹付経過画像図ＰBは、吹付状態推定手段１６で作成した吹付経過画像に、ノズル位置算出手段１２で算出したトンネル軸方向から見たノズル位置、吹付ノズル５の根元部の軌跡である回転ラインＲ、及び、推定した車体位置を重ね合わせたものである。
また、ノズル位置画像ＰCは、現在の吹付ノズル角度より、吹付ノズル回転機構２１８で回転した場合の想定軌跡と、吹付角度αと、吹付ノズル５と切羽３１との距離である切羽距離Ｄx、及び、トンネル壁面３２との距離である壁面距離Ｄwとを表示する。
作業者は、上記のガイダンス画面から、吹付ノズル５の現在位置とコンクリート吹付の進捗状態を把握することができるので、吹付操作を効率よく行うことができる。
吹付軌跡画像ＰAは、吹付軌跡作成手段１４で作成した吹付軌跡画像を用いた。
吹付経過画像図ＰBは、吹付状態推定手段１６で作成した吹付経過画像に、ノズル位置算出手段１２で算出したトンネル軸方向から見たノズル位置、吹付ノズル５の根元部の軌跡である回転ラインＲ、及び、推定した車体位置を重ね合わせたものである。
また、ノズル位置画像ＰCは、現在の吹付ノズル角度より、吹付ノズル回転機構２１８で回転した場合の想定軌跡と、吹付角度αと、吹付ノズル５と切羽３１との距離である切羽距離Ｄx、及び、トンネル壁面３２との距離である壁面距離Ｄwとを表示する。
作業者は、上記のガイダンス画面から、吹付ノズル５の現在位置とコンクリート吹付の進捗状態を把握することができるので、吹付操作を効率よく行うことができる。
次に、ガイダンスシステム１について、図１１のフローチャートを参照して説明する。
はじめに、映像カメラの校正を行う（ステップＳ１０）。
これは、吹付機２に設置された１０台のカメラのうち、本体側カメラＣ２１～Ｃ２４の位置は本体２０に対して固定されているが、バケット２２ｂに取付けられたバケット側カメラＣ１１，Ｃ１２の位置と、エレクタブーム２３に取付けられたエレクタ側カメラＣ３１～Ｃ３４の位置とは、本体２０に対して、設置毎に異なるためである。
そこで、本例では、絶対固定点カメラである本体側カメラＣ２１～Ｃ２４から、移動点カメラであるバケット側カメラＣ１１，Ｃ１２と、エレクタ側カメラＣ３１～Ｃ３４とを校正するようにしている。
次に、トンネルパターンデータベース１８ｄなどの基礎データを記憶手段１８に読み込む（ステップＳ１１）。
例えば、トンネルパターンデータベース１８ｄは切羽管理レーザシステム１０Ｂから取得し、吹付形状データベース１８ｃは、今までの吹付け実績から構築されたデータとして取得する。また、吹付コンクリートデータベース１８ｂは、コンクリートプラントからＬＡＮなどで取得し、機器データベース１８ａは、吹付機の初期データを取得する。
なお、トンネルパターンデータベース１８ｄは、切羽管理レーザシステム１０Ｂにデータとして存在していることから、本ガイダンスシステム１と切羽管理レーザシステム１０Ｂとでデータを共有することで、記憶手段１８に読み込むことなく、切羽管理レーザシステム１０Ｂから使用するデータを各手段に取り込むようにしてもよい。
ステップＳ１２では、コンクリートの吹付を行う切羽番号を入力し、ステップＳ１３では、切羽管理レーザシステム１０Ｂと連携して、この入力された切羽番号と連動してデータを取り込み、吹付機２の本体２０である「車体の位置」を推定する。
具体的には、図１２に示すように、トータルステーション４に設けられた切羽管理レーザ装置Ｌ２から切羽３１に照射された赤色レーザ光の照射部Ｐ1～Ｐ3とトータルステーション４との距離を、レーザ距離計Ｌ３にて測定するとともに、この測定された照射部Ｐ1～Ｐ3の３次元座標と、カメラＣ２１，Ｃ２３のいずれかと、カメラＣ２２，Ｃ２４のいずれかとでステレオ撮影した画像から求められた照射部Ｐ1～Ｐ3の３次元座標とから「車体の位置」を推定する。
なお、切羽管理レーザシステム１０Ｂの能力不足や切羽面増水等により、照射部Ｐ1～Ｐ3の位置を直接計測できない場合には、以下のようにして「車体の位置」を求めればよい。
まず、カメラＣ２１，Ｃ２３のいずれかと、カメラＣ２２，Ｃ２４のいずれかとでステレオ撮影した画像から、照射部Ｐ1～Ｐ3の３次元座標を求め、次に、この３次元座標と、切羽管理レーザシステム１０Ｂにより予め設定されたトンネル３内の図示しない基準点（例えば、トータルステーション４の設置位置など）を原点とした照射部Ｐ1～Ｐ3の３次元座標との差を求めることで「車体の位置」を推定する。この「車体の位置」としては、本体２０のどこに設定してもよいが、本体２０に最も近い位置にある本体側カメラ対Ｃ２３，Ｃ２４の中心位置とすることが好ましい。
なお、赤色レーザ光の照射部Ｐ1～Ｐ3に加えて、吹付完了壁部の左右に設置された標定点ラベルＣと標定点ラベルＤとを用いて、車体の位置を推定してもよい。
これにより、全てのカメラＣ１１～Ｃ３４の位置を特定することができる。
はじめに、映像カメラの校正を行う（ステップＳ１０）。
これは、吹付機２に設置された１０台のカメラのうち、本体側カメラＣ２１～Ｃ２４の位置は本体２０に対して固定されているが、バケット２２ｂに取付けられたバケット側カメラＣ１１，Ｃ１２の位置と、エレクタブーム２３に取付けられたエレクタ側カメラＣ３１～Ｃ３４の位置とは、本体２０に対して、設置毎に異なるためである。
そこで、本例では、絶対固定点カメラである本体側カメラＣ２１～Ｃ２４から、移動点カメラであるバケット側カメラＣ１１，Ｃ１２と、エレクタ側カメラＣ３１～Ｃ３４とを校正するようにしている。
次に、トンネルパターンデータベース１８ｄなどの基礎データを記憶手段１８に読み込む（ステップＳ１１）。
例えば、トンネルパターンデータベース１８ｄは切羽管理レーザシステム１０Ｂから取得し、吹付形状データベース１８ｃは、今までの吹付け実績から構築されたデータとして取得する。また、吹付コンクリートデータベース１８ｂは、コンクリートプラントからＬＡＮなどで取得し、機器データベース１８ａは、吹付機の初期データを取得する。
なお、トンネルパターンデータベース１８ｄは、切羽管理レーザシステム１０Ｂにデータとして存在していることから、本ガイダンスシステム１と切羽管理レーザシステム１０Ｂとでデータを共有することで、記憶手段１８に読み込むことなく、切羽管理レーザシステム１０Ｂから使用するデータを各手段に取り込むようにしてもよい。
ステップＳ１２では、コンクリートの吹付を行う切羽番号を入力し、ステップＳ１３では、切羽管理レーザシステム１０Ｂと連携して、この入力された切羽番号と連動してデータを取り込み、吹付機２の本体２０である「車体の位置」を推定する。
具体的には、図１２に示すように、トータルステーション４に設けられた切羽管理レーザ装置Ｌ２から切羽３１に照射された赤色レーザ光の照射部Ｐ1～Ｐ3とトータルステーション４との距離を、レーザ距離計Ｌ３にて測定するとともに、この測定された照射部Ｐ1～Ｐ3の３次元座標と、カメラＣ２１，Ｃ２３のいずれかと、カメラＣ２２，Ｃ２４のいずれかとでステレオ撮影した画像から求められた照射部Ｐ1～Ｐ3の３次元座標とから「車体の位置」を推定する。
なお、切羽管理レーザシステム１０Ｂの能力不足や切羽面増水等により、照射部Ｐ1～Ｐ3の位置を直接計測できない場合には、以下のようにして「車体の位置」を求めればよい。
まず、カメラＣ２１，Ｃ２３のいずれかと、カメラＣ２２，Ｃ２４のいずれかとでステレオ撮影した画像から、照射部Ｐ1～Ｐ3の３次元座標を求め、次に、この３次元座標と、切羽管理レーザシステム１０Ｂにより予め設定されたトンネル３内の図示しない基準点（例えば、トータルステーション４の設置位置など）を原点とした照射部Ｐ1～Ｐ3の３次元座標との差を求めることで「車体の位置」を推定する。この「車体の位置」としては、本体２０のどこに設定してもよいが、本体２０に最も近い位置にある本体側カメラ対Ｃ２３，Ｃ２４の中心位置とすることが好ましい。
なお、赤色レーザ光の照射部Ｐ1～Ｐ3に加えて、吹付完了壁部の左右に設置された標定点ラベルＣと標定点ラベルＤとを用いて、車体の位置を推定してもよい。
これにより、全てのカメラＣ１１～Ｃ３４の位置を特定することができる。
次に、カメラＣ１１～Ｃ３４にて、標定点ラベルＡ～Ｄ、及び、Ｇを撮影（ステップＳ１４）し、この撮影された画像から吹付位置Ｇとノズル位置とを算出する（ステップＳ１５）。
具体的には、バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２、本体側カメラＣ２１，Ｃ２２、本体側カメラＣ２３，Ｃ２４、エレクタ側カメラＣ３１，Ｃ３２、及び、エレクタ側カメラＣ３３，３４がそれぞれ、標定点ラベルＡ～Ｄ、及び、Ｇを撮影し、これら撮影された２枚以上のステレオ画像から、トンネル壁面３２に照射された緑色レーザ光の照射部Ｇの位置である、コンクリートの吹付位置の３次元座標、標定点ラベルＡ，Ｂの位置である、吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標を算出するとともに、算出された吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標と、記憶手段１８のトンネルパターンデータベース１８ｄに保存されている設計掘削断面形状ＸＹＺのデータ、もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’とから、吹付ノズル５の傾き（θ，φ）及び吹付角度αと、吹付ノズル５と切羽３１との距離である切羽距離Ｄx、及び、吹付ノズル５とトンネル壁面３２までの距離である壁面距離Ｄwとを算出する。
次に、トンネルパターンデータベース１８ｄを用いて、切羽３１の手前のコンクリート吹付予定のトンネル壁面３２を複数のメッシュに分割した吹付面メッシュモデル３２Ｍを作成するとともに、ステップＳ１５で求めたコンクリートの吹付位置Ｇと吹付ノズル５の先端部の３次元座標と、機器データベース１８ａ、吹付コンクリートデータベース１８ｂ、及び、吹付形状データベース１８ｃとを用いて、0.1sec当たりの吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkを算出するための円錐モデルである吹付形状モデル５Ｍを作成する（ステップＳ１６）。
具体的には、バケット側カメラＣ１１，Ｃ１２、本体側カメラＣ２１，Ｃ２２、本体側カメラＣ２３，Ｃ２４、エレクタ側カメラＣ３１，Ｃ３２、及び、エレクタ側カメラＣ３３，３４がそれぞれ、標定点ラベルＡ～Ｄ、及び、Ｇを撮影し、これら撮影された２枚以上のステレオ画像から、トンネル壁面３２に照射された緑色レーザ光の照射部Ｇの位置である、コンクリートの吹付位置の３次元座標、標定点ラベルＡ，Ｂの位置である、吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標を算出するとともに、算出された吹付ノズル５の先端部と根元部の３次元座標と、記憶手段１８のトンネルパターンデータベース１８ｄに保存されている設計掘削断面形状ＸＹＺのデータ、もしくは、実測断面形状Ｘ’Ｙ’Ｚ’とから、吹付ノズル５の傾き（θ，φ）及び吹付角度αと、吹付ノズル５と切羽３１との距離である切羽距離Ｄx、及び、吹付ノズル５とトンネル壁面３２までの距離である壁面距離Ｄwとを算出する。
次に、トンネルパターンデータベース１８ｄを用いて、切羽３１の手前のコンクリート吹付予定のトンネル壁面３２を複数のメッシュに分割した吹付面メッシュモデル３２Ｍを作成するとともに、ステップＳ１５で求めたコンクリートの吹付位置Ｇと吹付ノズル５の先端部の３次元座標と、機器データベース１８ａ、吹付コンクリートデータベース１８ｂ、及び、吹付形状データベース１８ｃとを用いて、0.1sec当たりの吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkを算出するための円錐モデルである吹付形状モデル５Ｍを作成する（ステップＳ１６）。
ステップＳ１７では、ステップＳ１６で作成した吹付面メッシュモデル３２Ｍと吹付形状モデル５Ｍとを用いて、各メッシュＭi毎の吹付け厚さを算出する。このとき、吹付け厚さに代えて、隣接するメッシュへのコンクリート吹付けの影響を考慮した累計吹付け厚さを用いれば、コンクリートの吹付け厚さの推定精度を向上させることができる。
次に、図１０に示すような、吹付ノズルの軌跡を示す吹付軌跡画像ＰAと、吹付け厚さの分布を示す吹付経過画像ＰBと、トンネル内のノズル位置を示すノズル位置画像ＰCとから成るガイダンス画面を表示手段１７の表示画面に表示する（ステップＳ１８）。
そして、累計吹付け厚さが規定の吹付け厚さを超えたメッシュがあるか否かを判定し（ステップＳ１９）、規定の吹付け厚さを超えたメッシュがあった場合には、ステップＳ１８で表示した表示画面のうちの吹付経過画像ＰBのメッシュのうちの、規定の吹付け厚さを超えたメッシュを黒塗りするなど、吹付完了メッシュであるように表示した、吹付経過画像ＰBとを表示（ステップＳ２０）して終了する。
ステップＳ１９にて、規定の吹付け厚さを超えたメッシュがない場合には、ステップＳ１７に戻って、コンクリートの吹付けを継続する。
次に、図１０に示すような、吹付ノズルの軌跡を示す吹付軌跡画像ＰAと、吹付け厚さの分布を示す吹付経過画像ＰBと、トンネル内のノズル位置を示すノズル位置画像ＰCとから成るガイダンス画面を表示手段１７の表示画面に表示する（ステップＳ１８）。
そして、累計吹付け厚さが規定の吹付け厚さを超えたメッシュがあるか否かを判定し（ステップＳ１９）、規定の吹付け厚さを超えたメッシュがあった場合には、ステップＳ１８で表示した表示画面のうちの吹付経過画像ＰBのメッシュのうちの、規定の吹付け厚さを超えたメッシュを黒塗りするなど、吹付完了メッシュであるように表示した、吹付経過画像ＰBとを表示（ステップＳ２０）して終了する。
ステップＳ１９にて、規定の吹付け厚さを超えたメッシュがない場合には、ステップＳ１７に戻って、コンクリートの吹付けを継続する。
以上、本発明を実施の形態及び実施例を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。
例えば、前記実施の形態では、ステレオ撮影する１０台のカメラの映像から吹付位置とノズル位置とを算出したが、少なくとも１対のカメラがあれば、吹付位置とノズル位置とを求めることができる。
また、カメラの配置としては、少なくとも、バケットブーム２２側、本体２０側、及び、エレクタブーム側に、それぞれ、２台ずつ配置すれば、標定点ラベルＡ～Ｄ、及び、照射部Ｇがよく映っている２台以上のカメラの画像が得られるので、好ましい。
また、前記実施の形態では、バケットブーム２２のバケット２２ｂにカメラＣ１１，Ｃ１２を、吹付機２の本体２０にカメラＣ２１～Ｃ２４を、エレクタブーム２３にカメラＣ３１～Ｃ３４をそれぞれ配置する構成としたが、吹付機２が、バケットブーム２２、エレクタブーム２３を搭載していない場合には、カメラＣ１１，Ｃ１２、及び、カメラＣ３１～Ｃ３４、もしくは、その一部を、本体以外の場所、例えば、地面に立設された三脚上などに設置してもよい。
また、前記実施の形態では、0.1sec当たりの吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkを算出するための吹付形状モデル５Ｍを作成したが、吹付形状モデル５Ｍとしては、必ずしも「0.1sec当たり」に限定されるものではなく、カメラの撮影間隔やシステムのデータ処理能力により、適宜設定されることはいうまでもない。
なお、吹付ノズル移動速度ｖを0.1sec当たりの移動速度から、異なる時間間隔当たりの移動速度ｖ’に変更する場合には、想定コンクリート吐出量ＶCについても、変更された吹付ノズル移動速度ｖ’に応じて変更することが好ましい。
また、カメラの配置としては、少なくとも、バケットブーム２２側、本体２０側、及び、エレクタブーム側に、それぞれ、２台ずつ配置すれば、標定点ラベルＡ～Ｄ、及び、照射部Ｇがよく映っている２台以上のカメラの画像が得られるので、好ましい。
また、前記実施の形態では、バケットブーム２２のバケット２２ｂにカメラＣ１１，Ｃ１２を、吹付機２の本体２０にカメラＣ２１～Ｃ２４を、エレクタブーム２３にカメラＣ３１～Ｃ３４をそれぞれ配置する構成としたが、吹付機２が、バケットブーム２２、エレクタブーム２３を搭載していない場合には、カメラＣ１１，Ｃ１２、及び、カメラＣ３１～Ｃ３４、もしくは、その一部を、本体以外の場所、例えば、地面に立設された三脚上などに設置してもよい。
また、前記実施の形態では、0.1sec当たりの吹付コンクリートの平均吹付け厚さＨkを算出するための吹付形状モデル５Ｍを作成したが、吹付形状モデル５Ｍとしては、必ずしも「0.1sec当たり」に限定されるものではなく、カメラの撮影間隔やシステムのデータ処理能力により、適宜設定されることはいうまでもない。
なお、吹付ノズル移動速度ｖを0.1sec当たりの移動速度から、異なる時間間隔当たりの移動速度ｖ’に変更する場合には、想定コンクリート吐出量ＶCについても、変更された吹付ノズル移動速度ｖ’に応じて変更することが好ましい。
また、前記実施の形態では、吹付形状モデル作成手段１５で作成した吹付形状モデル５Ｍを用いて、メッシュＭiの吹付け厚さであるメッシュ単位吹付け厚さＨiを推定したが、吹付ノズル５を回転させたり、吹付ノズル５を同一軌跡にて往復させるなどして、トンネル壁面３２の同一箇所に所定回数（例えば、Ｎ回）コンクリートを吹付けて、コンクリートの吹付け厚さを所定の厚さにする場合には、コンクリートの吹付位置である緑色レーザ光の照射部Ｇの３次元座標からコンクリートの吹付け厚さを推定することができる。
具体的には、図１３（ａ）に示すように、ｎ回目にコンクリートを吹付けた時の照射部Ｇnのうちの、メッシュＭiの設計中心点Ｍi0から一番近い照射部Ｇn0と設計中心点Ｍi0との距離を、メッシュＭiの吹付け厚さＨinとすればよい。ここで、ｉはメッシュの番号、ｎは、メッシュＭiにコンクリートを吹付けた回数である（但し、ｎ≦Ｎ）。
照射部Ｇnの軌跡は、吹付軌跡作成手段１４により既知であるので、上記の距離Ｈi0を、ｎ回の吹付けが終了したメッシュＭiについて算出してやれば、吹付け厚さＨinを連続的に管理することができる。
また、図１３（ｂ）に示すように、ｎ回目にコンクリート吹付けた時の照射部Ｇnの３次元座標と、照射部ＧnをメッシュＭiに投影した点ＧnMの３次元座標との差から吹付け厚さＨinを算出しても、吹付け厚さＨinを連続的に管理することができる。
また、最初にコンクリート吹付ける際に予め照射部Ｇ1の３次元座標を求めておき、ｎ回目にコンクリート吹付けた時の照射部Ｇnの３次元座標と、最初にコンクリート吹付ける前の照射部Ｇ1の３次元座標との差から吹付け厚さＨinを算出してもよい。
具体的には、図１３（ａ）に示すように、ｎ回目にコンクリートを吹付けた時の照射部Ｇnのうちの、メッシュＭiの設計中心点Ｍi0から一番近い照射部Ｇn0と設計中心点Ｍi0との距離を、メッシュＭiの吹付け厚さＨinとすればよい。ここで、ｉはメッシュの番号、ｎは、メッシュＭiにコンクリートを吹付けた回数である（但し、ｎ≦Ｎ）。
照射部Ｇnの軌跡は、吹付軌跡作成手段１４により既知であるので、上記の距離Ｈi0を、ｎ回の吹付けが終了したメッシュＭiについて算出してやれば、吹付け厚さＨinを連続的に管理することができる。
また、図１３（ｂ）に示すように、ｎ回目にコンクリート吹付けた時の照射部Ｇnの３次元座標と、照射部ＧnをメッシュＭiに投影した点ＧnMの３次元座標との差から吹付け厚さＨinを算出しても、吹付け厚さＨinを連続的に管理することができる。
また、最初にコンクリート吹付ける際に予め照射部Ｇ1の３次元座標を求めておき、ｎ回目にコンクリート吹付けた時の照射部Ｇnの３次元座標と、最初にコンクリート吹付ける前の照射部Ｇ1の３次元座標との差から吹付け厚さＨinを算出してもよい。
１ コンクリート吹付ガイダンスシステム、
１０ 遠隔操作室、１０Ａ 吹付機制御装置、１０Ｂ 切羽管理レーザシステム、
１１ 吹付位置算出手段、１２ ノズル位置算出手段、１３ メッシュモデル作成手段、
１４ 吹付軌跡作成手段、１５ 吹付形状モデル作成手段、１６ 吹付状態推定手段、
１７ 表示手段、１７Ｇ 表示画面、１８ 記憶手段、
２ 吹付機、２０ 吹付機本体、２１ 吹付ロボット、２２ バケットブーム、
２２ｂ バケット、２３ エレクタブーム、
３ トンネル、４ トータルステーション、５ 吹付ノズル、
Ｃ１１，Ｃ１２ バケット側カメラ、Ｃ２１～Ｃ２４ 本体側カメラ、
Ｃ３１～Ｃ３４ エレクタ側カメラ、Ｌ１ ノズル側レーザ装置、
Ｌ２ 切羽管理レーザ装置、Ｌ３ レーザ距離計。
１０ 遠隔操作室、１０Ａ 吹付機制御装置、１０Ｂ 切羽管理レーザシステム、
１１ 吹付位置算出手段、１２ ノズル位置算出手段、１３ メッシュモデル作成手段、
１４ 吹付軌跡作成手段、１５ 吹付形状モデル作成手段、１６ 吹付状態推定手段、
１７ 表示手段、１７Ｇ 表示画面、１８ 記憶手段、
２ 吹付機、２０ 吹付機本体、２１ 吹付ロボット、２２ バケットブーム、
２２ｂ バケット、２３ エレクタブーム、
３ トンネル、４ トータルステーション、５ 吹付ノズル、
Ｃ１１，Ｃ１２ バケット側カメラ、Ｃ２１～Ｃ２４ 本体側カメラ、
Ｃ３１～Ｃ３４ エレクタ側カメラ、Ｌ１ ノズル側レーザ装置、
Ｌ２ 切羽管理レーザ装置、Ｌ３ レーザ距離計。
Claims (7)
- コンクリート吹付機の吹付ノズルブームに装着された吹付ノズルに取付けられて、吹付ノズルのコンクリートの吹付方向にレーザ光を照射するレーザ装置と、
前記コンクリート吹付機に取付けられた複数台のカメラと、
前記複数台のカメラのうちの少なくとも２台のカメラでステレオ撮影された、前記レーザ光のトンネル壁面への照射部を含む画像から、前記照射部の位置の３次元座標を算出する照射位置算出手段と、
予め作成しておいた設計図面のトンネル壁面、もしくは、コンクリートの吹付前に測量したトンネル壁面を複数のメッシュに分割した吹付面メッシュモデルを作成するメッシュモデル作成手段と、
前記照射部の位置を前記吹付面メッシュモデルのメッシュ上に表示した画像を表示する表示手段と、
を備えるコンクリート吹付ガイダンスシステム。 - 前記表示手段は、前記照射部の軌跡である吹付軌跡を前記吹付面メッシュモデルのメッシュ上に表示した画像を表示することを特徴とする請求項１に記載のコンクリート吹付ガイダンスシステム。
- 前記吹付ノズルの先端部と根元部とを含む、前記吹付ノズルの先端部と根元部との間の所定の位置であるノズル位置に配置されて標定点となるマークと、
前記複数台のカメラのうちの２台のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記ノズル位置の３次元座標を算出する手段とを設け、
前記表示手段は、前記算出されたノズル位置を表示することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンクリート吹付ガイダンスシステム。 - 前記吹付ノズルの先端部と根元部に配置される標定点となるマークと、
前記複数台のカメラのうちの２台のカメラでステレオ撮影された、前記マークを含む画像から、前記吹付ノズルの先端部と根元部の３次元座標をそれぞれ算出する手段と、
前記先端部と根元部の３次元座標から前記吹付ノズルの傾斜角度を算出する手段とを設け、
前記表示手段は、前記算出された吹付ノズルの先端部の位置もしくは根元部の位置と前記吹付ノズルの傾斜角度とを表示することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンクリート吹付ガイダンスシステム。 - 前記吹付ノズルから噴出するコンクリートの形状を、前記吹付ノズルの内部に頂点を有し、前記吹付ノズルの開口部を通る円錐状とした噴射モデルを作成するとともに、
前記照射部の位置と、前記ノズル位置、前記先端部の位置、もしくは、前記根元部の位置とから吹付ノズルと前記トンネル壁面との距離である吹付距離を算出し、
前記算出された吹付距離、前記吹付ノズルから噴射されるコンクリート圧送量、前記吹付ノズルの移動速度、及び、跳ね返り率と、前記噴射モデルとを用いて、前記照射部の位置におけるコンクリートの吹付け厚さを推定する吹付形状モデル作成手段を備えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のコンクリート吹付ガイダンスシステム。 - 前記トンネル壁面の同一箇所に複数回コンクリートを吹付けるとともに、
複数回目のコンクリート吹付時における前記照射部の３次元座標と、前記照射部が投影されるメッシュの中心点の３次元座標、もしくは、前記照射部をメッシュに投影した点の３次元座標とから、前記同一箇所のコンクリートの吹付け厚さを推定する手段を設けたことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれかに記載のコンクリート吹付ガイダンスシステム。 - 前記トンネル壁面の同一箇所に複数回コンクリートを吹付けるとともに、
１回目のコンクリート吹付時における前記照射部の３次元座標と、ｎ回目のコンクリート吹付時における前記照射部の３次元座標とから、前記同一箇所のコンクリートの吹付け厚さを推定する手段を設けたことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれかに記載のコンクリート吹付ガイダンスシステム。
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| JP2003013699A (ja) | 2001-07-03 | 2003-01-15 | Penta Ocean Constr Co Ltd | コンクリートの吹付け管理方法及びその装置 |
| JP2005069734A (ja) | 2003-08-20 | 2005-03-17 | Tokyo Univ Of Marine Science & Technology | 指さし行為による物体の空間位置の教示方法 |
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-
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