JPH02307088A

JPH02307088A - ３次元位置計測装置

Info

Publication number: JPH02307088A
Application number: JP12855689A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Hiraoka; 和志平岡
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1989-05-22
Filing date: 1989-05-22
Publication date: 1990-12-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、３次元位置計測方法、さらに詳しくは、計
測基準点と計測目標点との間に障害物が存在する場合に
計測基準点に対する計測目標点の３次元位置を計測する
方法に関する。

従来の技術および発明の課題土木工事現場や屋外作業場における位置計測には、従来
、トランシットを使用して測量する方法、レーザ光線を
基準としてそれからのずれを直接計測する方法などが使
用されているが、前者の場合は、計測の自動化が困難で
あり、後者の場合は、自動化は可能であるが、間に障害
物のない２点間の直線計測にしか利用できないという問
題がある。

ところで、今後、土木工事現場や屋外作業場における位
置計測の自動化の要求が高まり、一方、地下開発の発展
にともなってトンネルの曲線施工が増加し、また、ビル
の合間をぬった計測や山岳地帯、渓谷などにおける計測
が必要になると予想される。ところが、曲線施工の屈曲
したトンネル内、ビルの合間、山岳地帯、渓谷などにお
いては、計測基準点と計測目標点との間に障害物が存在
し、計測基準点から直接視界内に目標物を捕らえること
ができないので、従来の方法では計測が非常に困難であ
る。計測基準点と計測目標点との間を見通しのきく複数
の区間に分割し、測量装置を各区間に移動して計測を行
なうことも考えられるが、このようにしても、測量装置
の移動または交換にともなう誤差が累積するため、正確
な計測が非常に困難である。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、計測基準点と
計測目標点との間に障害物が存在する場合でも、計測目
標点の３次元位置を自動的にかつ正確に計測できる方法
を提供することにある。

課題を解決するための手段この発明による３次元位置計測方法は、計ｎ１基準点に
、レーザ発振器、受光器、レーザ発振器から出て反射し
てきたレーザ光線を受光器に導くための光学系、および
光波距離計を備え、かつ水平方向および鉛直方向の角度
の調整と測定ができるようになされた計ｎ１ユニットを
設置し、計測目標点に、水平方向および鉛直方向の角度の調整が
できるようになされた反射ユニットを設置し、これらの間の少なくとも１ｔ！１所に、水平方向および
鉛直方向の角度の調整と測定ができるようになされた反
射ユニットを設置し、計ＩｆＩｌｊユニットのレーザ発振器から出たレーザ光
線が最初の反射ユニットで反射して受光器に戻るように
、計測ユニットの角度を調整して、最初の反射ユニット
に向うレーザ光線の角度を測定するとともに、光波距離
計により計ｎ１ユニットから最初の反射ユニットまでの
距離を測定し、レーザ光線が次の反射ユニットで反射して距離のｎ１定
が終わった反射ユニットに戻るように、距離の測定が終
わった反射ユニットの角度を調整して、次の反射ユニッ
トに向うレーザ光線の角度を測定するとともに、光波距
離計により距離の測定が終わった反射ユニットから次の
反射ユニットまでの距離を測定することを少なくとも１
回行なうことにより、レーザ発振器から出たレーザ光線が、中間の反射ユニッ
トで反射したのちに計測目標点の反射ユニットで反射し
、さらに中間の反射ユニットで反射して受光器に戻るよ
うに、中間の反射ユニットの角度を調整して、次の反射
ユニットに向うレーザ光線の角度を測定するとともに、
隣り合う反射ユニット相互間の距離を測定し、これらの
測定結果に基づいて、計測基準点に対する計測目標点の
３次元位置を求めることを特徴とするものである。

実　　施　　例以下、図面を参照して、シールド掘進機によるトンネル
工事現場にこの発明を適用した実施例について説明する
。

第１図には、曲線施工による屈曲したトンネル（１）、
計測目標物であるシールド掘進機（２）および計測装置
が示されている。計測装置は、トンネル（１）入口側の
計測基準点（ＰＯ）に対する掘進機（２）側の計測目標
点（Ｐｎ）の３次元位置と、掘進機（２）の姿勢を計測
するためのものであり、１つの計１１）Ｉユニット（Ａ
）、複数の反射ユニット（８１）　（Ｂ２）　（Ｂｎ）
およびコントロールユニット（！７）を備えている。

第２図に示すように、計測ユニット（Ａ）は、基台（３
）、基台（３）の上にのせられた旋回台（４）、旋回台
（４）の上にのせられた傾動台（５）、ならびに傾動台
（５）の上に設けられたレーザ発振器（６）、受光器（
７）、光学系（８）および光波距離計（９）を備えてい
る。

図示は省略したが、旋回台（４）は、サーボ機構により
、基台（３）に垂直な方向の旋回軸を中心に旋回させら
れる。使用時には、基台（３）は水平に設置され、した
がって、旋回軸は鉛直になる。サーボ機構には、エンコ
ーダとカウンタが設けられており、これらにより、旋回
台（４）の水平方向の旋回角度が測定できる。傾動台（
５）は、サーボ機構により、上記旋回軸に垂直な方向の
傾動軸を中心に傾動させられる。そして、使用時に、旋
回軸が鉛直になると、傾動軸は水平になる。傾動軸のサ
ーボ機構にも、エンコーダとカウンタが設けられており
、これらにより、旋回台（４）の鉛直方向の旋回角度が
測定できる。

レーザ発振器（６）と光波距離計（９）は、光軸が互い
に平行になるように設置されている。これらの光軸は、
傾動台（５）に平行でかつ上記傾動軸に垂直であり、傾
動台（５）が水平になったときにこれらの光軸も水平に
なる。光学系（８）は、レーザ発振器（６）から出て反
射してきたレーザ光線を受光器（７）に導くためのもの
であり、コリメータレンズ（１０）とビームスプリッタ
（１１）によって構成されている。受光器（７）は、反
射してきたレーザ光線のスポット位置の中心点を検出す
るためのものであり、４分割フォトダイオード、半導体
装置検出素子、ＣＣＤなどが使用される。そして、レー
ザ発振器（６）から出たレーザ光線が反射して同じ径路
を戻ってきたときに、レーザ光線が受光器（７）の中心
に入射するようになっている。

第３図に示すように、反射ユニット（Ｂｌ）（Ｂ２）（
Ｂｎ）は、計測ユニット（Ａ）と同様の基台（１２）、
旋回台（１３）および傾動台（１４）、ならびに傾動台
（１４）の上に設けられたミラー（Ｉ５）およびコーナ
キューブ（１６）を備えている。ミラー（１５）は、傾
動台（１４）およびその傾動軸に垂直であり、傾動台（
１４）が水平になったときに鉛直方向に平行になる。ミ
ラー（１５）とコーナキューブ（１Ｂ）は、向きが正反
対になり、かつできるだけ近付くように配置されている
。計測ユニット（Ａ）の場合と同様、水平面内における
旋回台（Ｉ３）の旋回と鉛直面内における傾動台（１４
）の傾動によってミラー　（１５）とコーナキューブ（
１Ｂ）の水平方向および鉛直方向の角度の調整ができ、
２軸のサーボ機構のエンコーダとカウンタによって、こ
れらの角度の測定ができる。

コントロールユニット（１７）は、後述するような計測
ユニット（Ａ）および反射ユニット（Ｂｌ）（Ｂ２）　
（Ｂｎ）の制御、測定ならびに演算などを行なうもので
あり、コンピュータなどを備えている。

次に、上記の計測装置を使用した計測方法の１例を説明
する。

まず、計測基準点（ＰＯ）に計測ユニット（Ａ）、計測
目標点（Ｐｎ）に反射ユニット（Ｂｎ）を設置し、計測
ユニット（Ａ）から反射ユニット（Ｂｎ）にレーザ光線
が到達するように、中間の適当な位置に反射ユニット（
Ｂｌ）（Ｂ２）を設置する。この場合は、中間の２箇所
に反射ユニット（Ｂｌ）（Ｂ２）を設置している。なお
、計測基準点（ＰＯ）側の中間点くＰｌ）を第１中間点
、ここに設置した反射ユニット（ＢＩ）を第１反射ユニ
ットとし、計測目標点（Ｐｎ）側の中間点（Ｂ２）を第
２中間点、ここに設置した反射ユニット（Ｂ２）を第２
反射ユニットとする。また、計測目標点（Ｐｎ）に設置
した反射ユニット（Ｂｎ）を最終反射ユニットとする。

反射ユニット（Ｂｌ）　（Ｂ２）　（Ｂｎ）を設置した
ならば、水準器を使用して、これらの基台（１２）を水
平にセットし、旋回軸が鉛直になるようにする。

一方、計測ユニット（＾）を設置したならば、水準器を
使用して、その基台（３）を水平にセットし、旋回軸が
鉛直になるようにする。また、水準器を使用して、傾動
台（５）すなわちレーザ発振器（６）の光軸を水平にな
るようにセットするとともに、地上のＩＴＰＪ量結果を
移すことによって、レーザ発振器（６）の光軸が北（Ｎ
）方向を向くように旋回台（４）の角度を調整する。そ
して、計ａ−ｊユニット（Ａ）の２軸のサーボ機構のエ
ンコーダのカウントをＯにリセットして、これを計測ユ
ニット（Ａ）の基準姿勢とする。なお、以下の説明にお
いて、計測基準点（ＰＯ）を原点とし、水平北方向をＸ
軸方向、これと直交する水平東方向をＹ軸方向、これら
と直交する鉛直上方向をＺ軸方向とする。第１中間点（
Ｐｌ）のＸ、Ｙ、Ｚ座標値をそれぞれＸｌ、Ｙｌ、ｚｌ
、第２中間点（Ｐ２）１７）Ｘ、ＹＳＺ座標値をそれぞ
れＸ２、Ｙ２、ｚ２、計測目標点（Ｐｎ）のｘ、ｙ、ｚ
座標値をそれぞれＸｎ、　ＹｎＳＺｎとする。水平方向
の角度はθを用いて表わし、鉛直下方を向いて時計方向
を正とする。鉛直方向の角度はφを用いて表わし、計測
目標の方向を向いて鉛直上方を正とする。

また、最終反射ユニット（Ｂｎ）を掘進機（２）の向き
に合わせ、最終反射ユニット（Ｂｎ）の２軸のサーボ機
構のエンコーダのカウントをリセットして、これを最終
反射ユニット（Ｂｎ）の基準姿勢とする。

以上の準備が終了したならば１、第１反射ユニット（Ｂ
１）のコーナキューブ（１６）を大体計１ＴＩＩＩユニ
ツト（Ａ）の方向に合わせる。

このような状態で、レーザ光線が第１反射ユニット（Ｂ
１）のコーナキューブ（１６）に当たるように、計ｎ１
ユニット（Ａ）の旋回台（３）および傾動台（４）の角
度を調整し、受光器（７）の中心にレーザ光線が入射す
る位置にこれらを固定する。

そして、計測ユニット（Ａ）の２軸のサーボ機構のエン
コーダのカウント値より、基準姿勢からの計測ユニット
（Ａ）の角度を求め、第１反射ユニット（Ｂ１）に向う
レーザ光線の水平方向の角度θ０と鉛直方向の角度−〇
を求める。角度１１Ｏは基準姿勢からの計測ユニット（
Ａ）の水平方向の角度Ｃｌｌに等しく、角度−０は基準
姿勢からの計測ユニット（Ａ）の鉛直方向の角度Ｃφに
等しい。また、光波距離計（９）により、計測基準点（
ＰＯ）から第１中間点（ＰＬ）までの距離ＬＬを測定す
る。

次に、第１反射ユニット（Ｂ１）のミラー（１５）を計
測ユニット（Ａ）の方向に向けて、これで反射したレー
ザ光線が計測ユニット（Ａ）に戻るように第１反射ユニ
ット（ＢＬ）の旋回台（１３）および傾動台（１４）の
角度を調整し、受光器（７）の中心にレーザ光線が入射
する位置でこれらを固定する。

そして、第１反射ユニット（Ｂｌ）の２軸のサーボ機構
のエンコーダのカウントを０にリセットして、これを第
１反射ユニット（Ｂｌ）の基準姿勢とする。

また、第２反射ユニット（Ｂ２）のコーナキューブ（１
６）を大体第１反射ユニット（Ｂ　１．　）の方向に合
　　　−わせる。

このような状態で、第１反射ユニット（Ｂｌ）のミラー
（１５）で反射したレーザ光線が第２反射ユニット（Ｂ
２）のコーナキューブ（１６）に当たるように、第１反
射ユニット（Ｂ１）の旋回台（１３）および傾動台（１
４）の角度を調整し、受光器（７）の中心にレーザ光線
が入射する位置にこれらを固定する。そして、第１反射
ユニット（Ｂ１）の２軸のサーボ機構のエンコーダのカ
ウント値より、基準姿勢からの第１反射ユニット（ＢＬ
）の角度を求め、第２反射ユニット（Ｂ２）に向うレー
ザ光線の水平方向の角度θｌと鉛直方向の角度−１を求
める。基準姿勢からの第１反射ユニット（Ｂ１）の水平
方向の角度をＣθ、鉛直方向の角度をＣφとすると、角
度ａ１と−１は、ｅｌ−２・Ｃθ＋π φｌ−２・Ｃφ＋π のようになる。また、光波距離計（９）により、計Δｐ
１基準点（ＰＯ）から第１中間点（Ｐｌ）を経由した第
２中間点（Ｂ２）までの距Ｍ　（ＬＬ＋Ｌ２）を測定し
、前に測定した距離ＬＬから距離し２を求める。

次に、第２反射ユニット（Ｂ２）のミラー（１５）を第
１反射ユニット（Ｂｌ）の方向に向けて、これで反射し
たレーザ光線が第２反射ユニット（Ｂ２）のミラー（１
５）で反射して計測ユニット（Ａ）に戻るように第２反
射ユニット（Ｂ２）の旋回台（１３）および傾動台（１
４）の角度を調整し、受光器（７）の中心にレーザ光線
が入射する位置でこれらを固定する。そして、第２反射
ユニット（Ｂ２）の２軸のサーボ機構のエンコーダのカ
ウントを０にリセットして、これを第２反射ユニット（
Ｂ２）の基準姿勢とする。

また、最終反射ユニット（Ｂｎ）のコーナキューブ（１
Ｇ）を大体第２反射ユニット（Ｂ１）の方向に合わせる
。

このような状態で、第２反射ユニット（Ｂ２）のミラー
（１５）で反射したレーザ光線が最終反射ユニット（Ｂ
ｎ）のコーナキューブ（１Ｇ）に当たるように、第２反
射ユニット（Ｂ２）の旋回台（１３）および傾動台（１
４〉の角度を：Ａ整し、受光器（７）の中心にレーザ光
線が入射する位置にこれらを固定する。そして、第２反
射ユニット（Ｂ２）の２軸のサーボ機構のエンコーダの
カウント値より、基準姿勢からの第２反射ユニット（Ｂ
２）の角度を求め、最終反射ユニット（Ｂｎ）に向うレ
ーザ光線の水平方向の角度θ２と鉛直方向の角度φ２を
求める。基準姿勢からの第２反射ユニット（Ｂ２）の水
平方向の角度をＣθ、鉛直方向の角度をＣφとすると、
角度θ２と−２は、 θ２−２・Ｃ６＋π φ２−２・Ｃφ＋π のようになる。また、光波距離計（９）により、計測基
準点（ＰＯ）から第１中間点（ＰＬ）および第２中間点
（Ｂ２）を経由した計測目標点（Ｐｎ）までの距離（Ｌ
ｌ＋　Ｌ２＋　Ｌｎ）を測定し、前に測定した距離（Ｌ
１＋Ｌ２）から距ｊｌｉＩＬｎを求める。

次に、最終反射ユニット（Ｂｎ）のミラー（１５）を第
２反射ユニット（Ｂｌ）の方向に向けて、これで反射し
たレーザ光線が第２反射ユニット（Ｂ２）および第１反
射ユニット（Ｂｌ）のミラー（１５）で反射して計測ユ
ニット（Ａ）に戻るように最終反射ユニット（Ｂｎ）の
旋回台（１３）および傾動台（１４）の角度を調整し、
受光器（７）の中心にレーザ光線が入射する位置でこれ
らを固定する。そして、このときの最終反射ユニット（
Ｂｎ）の２軸のサーボ機構のエンコーダのカウント値よ
り、基準姿勢からの最終反射ユニット（Ｂｎ）の水平方
向の角度θｎおよび鉛直方向の角度φｎを求める。

次に、これらの測定値に基づいて、次式により、計測目
標点（Ｐｎ）の位置を求める。

Ｘｎ＝　　ＬｒＣ０３（＃２＋＃Ｉ＋１１０）・Ｃ０５
（Ｉ１２＋ＩＩＩ＋＋Ｏ）＋　Ｌ２・Ｃ０５（＃＋＋ｅ
Ｏ）・Ｃ０３（１＋＋１０）＋ＬＩ・Ｃ０５（１１０）
・Ｃ０３（Ｂ０）Ｙｎ−Ｌｉ−５Ｉ旧１１２＋ＩＩＩ＋
１＋０）・Ｃ０３（φ２＋φｌ十φ０）＋Ｌ２・５ＩＮ
（ｌｌｌ＋＃０）・ＣＯＳ　＜φ１＋φＯ）＋ＬＩ・５
ＩＮ（１１０）・Ｃ０５（＋０３Ｚｎ　−Ｌｎ・５ＩＮ
（φ２＋φｌ＋φ０）＋Ｌ２・５ＩＮ（φ１＋−〇）十Ｌｌ・５ＩＮ（φ０）また、次式により、掘進機（２）の姿勢、すなわち掘進
機（２）の中心線がＸ軸となす水平方向の角度θＳおよ
び水平面となす鉛直方向の角度−５を求める。

θＳ−θＯ＋θｌ＋θ２＋θｎ φＳ−φ０＋φｌ＋φ２＋φｎ上記のような過程により、計測ユニット（＾）や反射ユ
ニット（Ｂｌ）　（Ｂ２）　（Ｂｎ）を移動させること
なく、掘進機（２）の位置および姿勢を自動的に計測す
ることができる。そして、計測ユニット（Ａ）や反射ユ
ニット（Ｂｌ）（８２）　（Ｂｎ）を移動させないので
、移動による誤差の発生がなく、正確な計測ができる。

また、角度の調整および測定のために、レーザ光線を往
復させているので、誤差が生じたときに、受光器（７）
に戻ってくるレーザ光線のずれは片道の場合の２倍にな
る。したがって、受光器（７）において誤差をを２倍の
感度で検出することができ、高精度の測定が可能になる
。このため、屈曲したトンネル（１）内における掘進機
（２）の位置および姿勢の計測の自動化が可能となり、
作業効率の向上およびトンネル施工の高精度化が可能と
なる。

計１１Ｆ１基準点と計測目標点の間に設置する反射ユニ
ットの数は、１つでよい場合もあるし、３つ以上必要な
場合もある。中間の反射ユニットの数が増した場合にも
、同様の手順により計測が可能である。

上記実施例では掘進機（２）の位置と姿勢を計測してい
るが、位置だけを計測することもできる。

上記実施例にはシールド掘進機によるトンネル工事現場
に適用した場合を示したが、この発明はその他の場合の
計測にももちろん適用できる。

発明の効果この発明の３次元位置計測方法によれば、上述のように
、計測基準点と計測目標点との間に障害物が存在する場
合でも、計測基準点に対する計測目標点の３次元位置を
自動的にかつ正確に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施に使用する計測装置の配置を示
す概略平面図、第２図は計７ＴＰｌユニットの側面図、
第３図は反射ユニットの側面図である。（１）・・・トンネル、（２）・・・シールド掘進機、
（＾）・・・計測ユニット、（４）・・・旋回台、（５
）・・・傾動台、（６）・・・レーザ発振器、（７）・
・・受光器、（８〉・・・光学系、（９）・・・光波距
離計、（ＢＬ）　（Ｂ２）　（Ｂｎ）・・・反射ユニッ
ト、（１３）・・・旋回台、（１４）・・・傾動台、（
１５）・・・ミラー、（１６）・・・コーナキューブ、
（ＰＯ）・・・計１ｊｌｌｌ基準点、（ＰＬ）　（Ｐ２
）　・・・中間点、（Ｐｎ）＝−計測目標点。以　　上

Claims

【特許請求の範囲】計測基準点と計測目標点との間に障害物が存在する場合
に計測基準点に対する計測目標点の３次元位置を計測す
る方法であって、計測基準点に、レーザ発振器、受光器、レーザ発振器か
ら出て反射してきたレーザ光線を受光器に導くための光
学系、および光波距離計を備え、かつ水平方向および鉛
直方向の角度の調整と測定ができるようになされた計測
ユニットを設置し、計測目標点に、水平方向および鉛直方向の角度の調整が
できるようになされた反射ユニットを設置し、これらの間の少なくとも１箇所に、水平方向および鉛直
方向の角度の調整と測定ができるようになされた反射ユ
ニットを設置し、計測ユニットのレーザ発振器から出たレーザ光線が最初
の反射ユニットで反射して受光器に戻るように、計測ユ
ニットの角度を調整して、最初の反射ユニットに向うレ
ーザ光線の角度を測定するとともに、光波距離計により
計測ユニットから最初の反射ユニットまでの距離を測定
し、レーザ光線が次の反射ユニットで反射して距離の測定が
終わった反射ユニットに戻るように、距離の測定が終わ
った反射ユニットの角度を調整して、次の反射ユニット
に向うレーザ光線の角度を測定するとともに、光波距離
計により距離の測定が終わった反射ユニットから次の反
射ユニットまでの距離を測定することを少なくとも１回
行なうことにより、レーザ発振器から出たレーザ光線が、中間の反射ユニッ
トで反射したのちに計測目標点の反射ユニットで反射し
、さらに中間の反射ユニットで反射して受光器に戻るよ
うに、中間の反射ユニットの角度を調整して、次の反射
ユニットに向うレーザ光線の角度を測定するとともに、
隣り合う反射ユニット相互間の距離を測定し、これらの
測定結果に基づいて、計測基準点に対する計測目標点の
３次元位置を求めることを特徴とする３次元位置計測方
法。