JP7300955B2 - 土木工事データ処理装置、土木工事データ処理方法および土木工事データ処理用プログラム - Google Patents

土木工事データ処理装置、土木工事データ処理方法および土木工事データ処理用プログラム Download PDF

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Description

本発明は、LiDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)を用いて計測した土木工事データを処理する技術に関する。
レーザー光を対象物に照射し、その反射光を検出することで、反射点の三次元情報を得る技術が知られている。この技術は、LiDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)と呼ばれている（例えば非特許文献１や非特許文献２を参照）。この三次元情報の取得を多数の点において行うことで点群データが得られる。また、土木工事にLiDARを利用する技術も提案されている（例えば、特許文献３を参照）
東芝レビューVol. 73 No6(2018年11月) 自動運転ラボ(2018年10月12日)(https://jidounten-lab.com/y_6506) 特開２０００－１３００８８号公報
土木工事現場における削孔作業では、その作業を定量的に把握することが望まれている。このような背景において、本発明は、削孔作業の定量的な評価を簡単に行うことができる技術の提供を目的とする。
本発明は、土木工事対象に押し込まれる部材に対するレーザー光を用いた測位により得られた測位データを受け付ける測位データ受付部と、記測位データに基づき、前記部材の三次元モデルを推定する三次元モデル推定部と、前記推定した前記三次元モデルに基づき、前記部材の前記土木工事対象に対する変位を算出する変位算出部とを備え、前記土木工事対象に押し込まれる前記部材は、削孔用の長手形状部材であり、前記変位を算出することで、前記長手形状部材により前記土木工事対象に形成される孔の深さが算出される土木工事データ処理装置である。
本発明において、前記推定した前記三次元モデルに基づき、前記土木工事対象における前記長手形状部材が押し込まれる位置が算出される位置算出部を備える態様は好ましい。本発明において、前記推定した前記三次元モデルに基づき、前記長手形状部材の前記土木工事対象に対する向きが算出される向き算出部を備える態様は好ましい。
本発明は、方法の発明およびプログラムの発明として把握することもできる。
本発明によれば、削孔作業の定量的な評価を簡単に行うことができる。
実施形態の概要である。 土木工事データ処理装置のブロック図である。 処理の手順の一例を示すフローチャートである。
１．第１の実施形態
（概要）
ここでは、土木工事対象が土手等における傾いた図１の地面（斜面）１２０であり、この地面に削孔マシン１００によって削孔を行う場合を例に挙げ説明する。ここでは、計測の対象となる土木作業装置の可動部として、削孔ロッドの場合を説明する。土木工事対象としては、地面、崖、法面、コンクリート壁等のコンクリート面、路面等が挙げられる。使用する土木工事機械としては、杭打ち装置、地盤改良工事に用いられる装置等が挙げられる。
図１には、バケットを取り外した油圧シャベルである重機１１０、重機１１０の可動アーム１１１に取り付けられた削孔マシン１００が示されている。削孔マシン１００は、重機１１０の可動アーム１１１に固定された駆動部１０１を備えている。駆動部１０１には、駆動部１０１に駆動され、削孔作業を行う削孔用ロッド１０２が可動可能な状態で取り付けられている。削孔用ロッド１０２は、棒状の長手形状を有し、軸方向に前後に振動することで削孔が行なわれる。また、削孔用ロッド１０２は、駆動部１０１に対して軸方向に進退が可能で、それにより削孔された孔の深さの調整が行なわれる。削孔用ロッド１０２の代わりにドリル状の部材を用いる形態も可能である。
削孔用ロッド１０２により削孔される孔の位置、および削孔用ロッド１０２の向き（削孔する方向）の調整は、重機１１０におけるアーム１１１の水平方向の位置、アーム１１１の上下位置、図示省略したアーム１１１に対する駆動部１０１（削孔マシン１００）の角度調整機構によって行われる。これらは、重機１１０が持つ機能であり、重機１１０をオペレータが操作することで行なわれる。この動作は、油圧シャベルを利用した重機１１０が有する一般的な機能を利用して行われる。
この例では、削孔用ロッド１０２の後端がフラッシュ型LiDAR１５０により計測される。フラッシュ型LiDAR１５０は、マトリクス状にレーザー測距素子を配列し、２５６×２５６といったマトリクス状に分布したレーザー測距点のデータ（レーザー点群データ）を取得することができる。フラッシュ型LiDARは、各種のものが市販されており、その中から選択することができる。
フラッシュ型LiDAR１５０は、絶対座標系における外部標定要素（位置と姿勢）が既知であり、絶対座標系におけるレーザー点群データが得られる。絶対座標系というのは、ＧＮＳＳや地図情報の記述で利用される座標系である。フラッシュ型LiDAR１５０の光学原点（光学中心）を原点とするローカル座標系やその他のローカル座標系を用いることもできる。
フラッシュ型LiDAR１５０により、例えば５Ｈｚ～５０Ｈｚといった間隔で削孔用ロッド１０２の後端を含む範囲からレーザー点群データを得る。削孔用ロッド１０２の後端を計測範囲に含めるのは、削孔用ロッド１２０の軸方向における変位を計測するためである。レーザー点群データを取得するための繰り返しの周波数は、上記の値に限定されず、利用するフラッシュ型LiDARの仕様の範囲で設定することができる。
削孔マシン１００による削孔の作業中にフラッシュ型LiDAR１５０による削孔用ロッド１０２の後端を含む範囲の計測が継続して行なわれる。フラッシュ型LiDAR１５０の計測データは、後述する土木工事データ処理装置２００に送られる。
（土木工事データ処理装置）
図２は、土木工事データ処理装置１００のブロック図が示されている。土木工事データ処理装置１００は、市販のＰＣ（パーソナルコンピュータ）を利用して構成されている。
土木工事データ処理装置２００は、コンピュータとして機能する。土木工事データ処理装置２００が備える各機能部の機能は、使用するＰＣに図２に示す各機能部を実現するためのアプリケーションソフトウェアをインストールし、当該アプリケーションソフトウェアを構成するプログラムが当該ＰＣのＣＰＵによって実行されることで実現される。各機能部の一部または全部を各種のプロセッサや電子回路で構成してもよい。また、外部のＰＣ（パーソナルコンピュータ）やサーバの演算部を利用して、上記機能部の少なくとも一部を実現してもよい。
土木工事データ処理装置２００は、測位データ受付部２０１、三次元モデル推定部２０２、削孔ロッドの中心軸算出部２０３、孔位置算出部２０４、向き算出部２０５、削孔深さ算出部２０６を備えている。その他、土木工事データ処理装置２００は、通常のＰＣが備えるデータ記憶装置（半導体メモリやハードディスク装置等）、通信装置、ユーザーインターフェース装置を備えている。
測位データ受付部２０１は、フラッシュ型LiDAR１５０から、レーザー点群データを受け付ける。また、測位データ受付部は、土木工事の対象（この場合は、削孔が行われる斜面１２０）の三次元モデルのデータを受け付ける。この三次元データは、予め対象（例えば、図１の斜面１２０）に対してレーザースキャンを行うことで得られる。
この例では、座標系として絶対座標系を用い、フラッシュ型LiDAR１５０から得られるレーザー点群データ、および土木工事（この場合は、削孔）の対象の三次元モデルは、絶対座標系で記述されている。絶対座標系以外の座標系を用いる場合は、フラッシュ型LiDAR１５０から得られるレーザー点群データを記述する座標系と、土木工事（この場合は、削孔）の対象の三次元モデルを記述する座標系とが比較できる座標系となるようにする。
三次元モデル推定部２０２は、フラッシュ型LiDAR１５０が取得したレーザー点群データに基づき、削孔用ロッド１０２の三次元モデルを推定する。この場合、フラッシュ型LiDAR１５０から見た削孔用ロッド１０２の裏側の点群は取得できない。そこで、予め取得した削孔用ロッド１０２の形状のデータに基づき、フラッシュ型LiDAR１５０が取得したレーザー点群データから削孔用ロッド１０２の三次元モデルを推定する。
具体的には、フラッシュ型LiDAR１５０が取得したレーザー点群データの中から、削孔用ロッド１０２の形状にフィッティングした点群データを抽出し、削孔用ロッド１０２の三次元形状を再現した三次元モデルを推定する。この削孔用ロッド１０２の推定三次元モデルは、絶対座標系上で記述され、同様に斜面１２０の三次元モデルも絶対座標系上で記述されている。よって、削孔用ロッド１０２の推定三次元モデルと斜面１２０の三次元モデルの位置関係を把握することができる。
削孔ロッドの中心軸算出部２０３は、削孔用ロッド１０２の推定三次元モデルに基づき、削孔用ロッド１０２の中心軸を算出する。
孔位置算出部２０４は、三次元モデル推定部２０２が推定した削孔用ロッド１０２の三次元モデルに基づき、削孔される孔の絶対座標系における三次元位置を算出する。斜面１２０の絶対座標系における三次元モデルは取得されているので、斜面１２０の三次元モデルにおける上記削孔される孔の三次元位置を求めることができる。
向き算出部２０５は、三次元モデル推定部２０２が推定した削孔用ロッド１０２の三次元モデルに基づき、削孔用ロッド１０２の向きを算出する。削孔用ロッド１０２の三次元モデルと斜面１２０の三次元モデルとは、同じ座標系上で記述されているので、斜面１２０に対する削孔用ロッド１０２の向きを把握することができる。
削孔深さ算出部２０６は、三次元モデル推定部２０２が推定した削孔用ロッド１０２の三次元モデルに基づき、削孔された孔の深さを算出する。
（処理の一例）
図３は、土木工事データ処理装置２００で行なわれる処理の一例を示すフローチャートである。図３の処理を実行するプログラムは、土木工事データ処理装置２００が備える記憶部や適当な記憶媒体に記憶され、そこから読み出され、土木工事データ処理装置２００を構成するＰＣのＣＰＵによって実行される。このプログラムをサーバに記憶し、インターネット経由でそこからダウンロードする形態も可能である。
まず、削孔対象となる斜面１２０に対するレーザースキャンを行い、斜面１２０の絶対座標系における三次元モデルを作成する。このレーザースキャンは、通常のレーザースキャナを用いて行う。レーザースキャンデータに基づく三次元モデルの作成は、公知の方法を用いて行う。ここで、フラッシュ型LiDAR１５０を利用して、斜面１２０の点群データを得ることもできる。
そして、削孔マシン１００を斜面１２０に対して位置合わせし、削孔が開始できる状態とする。また、絶対座標系における外部標定要素を予め取得したフラッシュ型LiDAR１５０を用いて、削孔用ロッド１０２のエリアスキャンを開始する。この際、削孔ロッド１０２の後端が計測範囲に入るように留意する。また、フラッシュ型LiDAR１５０を用いた削孔用ロッド１０２のエリアスキャンは、継続して行う。
この状態において、図３の処理が開始される。まず、予め作成した削孔対象である斜面１２０の三次元モデルを取得する（ステップＳ１０１）。この処理は、測位データ受付部２０１で行なわれる。
次に、フラッシュ型LiDAR１５０が計測したレーザー点群データを得る（ステップＳ１０２）。次に、ステップＳ１０２で取得したレーザー点群データに基づく、削孔用ロッド１０２の三次元モデルを推定する（ステップＳ１０３）。次に、ステップＳ１０３で推定した削孔用ロッド１０２の三次元モデルに基づき、削孔用ロッド１０２の中心軸（延在方向の中心軸）を算出する（ステップＳ１０４）。この処理では、削孔用ロッド１０２の中心軸の絶対座標系における直線の方程式が算出される。この処理は、削孔ロッドの中心軸算出部２０３で行なわれる。
次に、削孔ロッド１０２による斜面１２０における削孔位置を算出する（ステップＳ１０５）。この処理では、ステップＳ１０４で算出された削孔ロッドの中心軸とステップＳ１０１で取得した斜面１２０の三次元モデルとの交点を求め、この交点を削孔される孔の中心とする計算が行なわれる。この処理は、孔位置算出部２０４で行なわれる。
この計算で求めた孔の位置に関する情報は、重機１１０に送られる。重機１１０の側では、この情報に基づく、手動、半自動または自動による削孔マシン１００の位置と姿勢の制御が行われる。
次に、削孔ロッド１０２の向きを算出する（ステップＳ１０６）。この処理では、ステップＳ１０４で算出された削孔ロッド１０２の中心軸の傾きが算出される。この処理により、削孔ロッド１０２の向き（傾き）が算出される。この処理は、向き算出部２０５で行なわれる。
ステップＳ１０６で算出された削孔ロッド１０２の向きに関する情報は、重機１１０に送られる。重機１１０の側では、この情報に基づく、手動、半自動または自動による削孔マシン１００の位置と姿勢の制御が行われる。
ステップＳ１０２～Ｓ１０６の処理は、特定のサイクルで繰り返し行われる。繰り返しの周波数は、使用するハードウェアの能力に依存する。一例であるが、ステップＳ１０２～Ｓ１０６の処理の繰り返しは、例えば、０，１秒～１秒間隔で行なわれる。
この段階で削孔の作業が行なわれているか否か、の判定が行われる（ステップＳ１０７）。削孔中であれば、ステップＳ１０９に進み、削孔中でなければ、ステップＳ１０８に進む。
ステップＳ１０８では、削孔が可能である旨の報知信号を重機１１０に送信する。ステップＳ１０８の後、ステップＳ１０２以下の処理を繰り返す。
ステップＳ１０９では、ステップＳ１０３で推定した削孔用ロッド１０２の三次元モデルに基づき、削孔用ロッド１０２の移動量（斜面１２０に対する移動量）を算出する（ステップＳ１０９）。この処理では、削孔用ロッド１０２後端の位置の変化を計算することで、削孔用ロッド１０２の移動量が計算される。
ここで、斜面１２０の方向へ向けての削孔用ロッド１０２の移動量を調べることで、削孔された孔の深さ（削孔量）を知ることができる。つまり、削孔用ロッド１０２により形成された孔の深さを知ることができる。この処理は、削孔深さ算出部２０６で行なわれる。
ステップＳ１０９で算出された孔の深さに関する情報は、重機１１０に送られる。
ステップＳ１０９の後、削孔停止か（削孔用ロッド１０２の駆動が停止か）、が判定され、削孔停止であれば、処理を終了し、そうでなければステップＳ１０２以下の処理を繰り返す。
（優位性）
図３の処理によれば、簡素なシステムで、リアルタイムに削孔用ロッドの状態を定量的に評価することができる。削孔の作業中の振動等により、削孔用ロッドの中心軸の位置のズレや傾きが生じる場合があるが、そのような場合でもリアルタイムに削孔された孔の深さ、削孔用ロッド１０２の傾き、削孔用ロッド１０２の軸に垂直な方向への変位等を検知でき、それらのリアルタイムな調整が可能となる。
また、本発明によれば、削孔中における削孔用ロッド１０２の三次元モデルを得るので、斜面に対して垂直でない角度で孔を形成するような場合でも、削孔の角度を簡便に精度よく計測することができる。
（その他）
土木工事データ処理装置２００から出力される情報の利用形態としては、当該情報を重機１１０のオペレータに提示する形態、当該情報を利用した重機１１０の自動制御、当該情報を利用したオペレータによるマニュアル制御と自動制御を組み合わせた半自動制御が挙げられる。
削孔用ロッド１０２と一緒になって動く部材が有る場合に、当該部材を対象に測位を行ってもう良い。事前に取得する工事対象の三次元モデルは、航空写真測量を用いて得てもよい。
本発明は、地面に杭を打ち込む技術における杭の打ち込み量の検出に利用することもできる。計測の対象としては、削孔装置や杭打ち装置等の土木工事時に土木工事対象に対して移動する部分を備える土木作業装置を挙げることができる。
２．第２の実施形態
土木工事対象からの点群データの取得と、土木作業装置の可動部からの点群データの取得を同時に行なう形態も可能である。例えば、地面への杭打ちを行う場合を想定する。ここでは、地面への杭打ちの位置が予め定められ、また杭が地面に対して垂直に打ち込まれるとする。
この場合、フラッシュ型LiDARを用いて、土木工事対象の地面と杭打ちマシンの可動部（地面に対して移動する部分）とから同時にレーザー点群データを得る。この場合、杭打ち箇所からのレーザー点群データの取得が杭打ち作業が行なわれる毎に行なわれる。
３．第３の実施形態
カメラ付きのフラッシュ型LiDARを用いる形態も可能である。この場合、カメラとフラッシュ型LiDARの外部標定要素の関係（位置と向きの関係）は、予め取得され既知である。この構成では、カメラによる削孔用ロッドの撮影を行い、その画像を得る。そして、画像認識技術を利用して当該画像から削孔用ロッドを認識する。これにより、削孔用ロッドの三次元形状に係る情報を得る。例えば、円柱形状の削孔用ロッドを用いている旨の情報を得る。
他方で、フラッシュ型LiDARを用いて当該削孔用ロッドのレーザー点群データを得る。そして、画像認識技術で得られた削孔用ロッドの三次元形状に係る情報に基づき、フラッシュ型LiDARが得たレーザー点群データから削孔用ロッドの三次元モデルを得る。
この方法では、画像認識技術を利用することで、レーザー点群データに基づく削孔用ロッドの三次元モデルをより確実に得ることができる。ここでは、画像認識の対象として削孔用ロッドの場合を説明したが、他の土木作業装置の可動部を対象に画像認識およびレーザー点群データに基づく三次元モデルの作成を行うことができる。
また、カメラの撮影とフラッシュライダーの計測が同時あるいは時間差が無視できる程度のタイミング差であれば、カメラ撮影画像から画像認識で識別されたロッド位置を点群から取得するということが可能となる。この場合、画像認識で識別されたロッド位置が対応するレーザー点群データから取得される。この場合、画像を用いて、ロッドの３次元形状の特徴だけでなく、位置も取得することができる。
１００…削孔マシン、１０１…駆動部、１０２…削孔用ロッド、１１０…重機、１１１…アーム、１２０…斜面、１５０…フラッシュ型LiDAR。

Claims (5)

  1. 土木工事対象に押し込まれる部材に対するレーザー光を用いた測位により得られた測位データを受け付ける測位データ受付部と、
    前記測位データに基づき、前記部材の三次元モデルを推定する三次元モデル推定部と、
    前記推定した前記三次元モデルに基づき、前記部材の前記土木工事対象に対する変位を算出する変位算出部と
    を備え、
    前記土木工事対象に押し込まれる前記部材は、削孔用の長手形状部材であり、
    前記変位を算出することで、前記長手形状部材により前記土木工事対象に形成される孔の深さが算出される土木工事データ処理装置。
  2. 前記推定した前記三次元モデルに基づき、前記土木工事対象における前記長手形状部材が押し込まれる位置が算出される位置算出部を備える請求項１に記載の土木工事データ処理装置。
  3. 前記推定した前記三次元モデルに基づき、前記長手形状部材の前記土木工事対象に対する向きが算出される向き算出部を備える請求項１または２に記載の土木工事データ処理装置。
  4. 土木工事対象に押し込まれる部材に対するレーザー光を用いた測位により得られた測位データを受け付ける測位データ受付ステップと、
    前記測位データに基づき、前記部材の三次元モデルを推定する三次元モデル推定ステップと、
    前記推定した前記三次元モデルに基づき、前記部材の前記土木工事対象に対する変位を算出する変位算出ステップと
    を備え、
    前記土木工事対象に押し込まれる前記部材は、削孔用の長手形状部材であり、
    前記変位を算出することで、前記長手形状部材により前記土木工事対象に形成される孔の深さが算出される土木工事データ処理方法。
  5. コンピュータに読み取らせて実行させるプログラムであって、
    コンピュータに
    土木工事対象に押し込まれる部材に対するレーザー光を用いた測位により得られた測位データを受け付ける測位データ受付ステップと、
    前記測位データに基づき、前記部材の三次元モデルを推定する三次元モデル推定ステップと、
    前記推定した前記三次元モデルに基づき、前記部材の前記土木工事対象に対する変位を算出する変位算出ステップと
    を実行させ、
    前記土木工事対象に押し込まれる前記部材は、削孔用の長手形状部材であり、
    前記変位を算出することで、前記長手形状部材により前記土木工事対象に形成される孔の深さが算出される土木工事データ処理用プログラム。
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