JPH024843B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の技術分野 本発明は、レーザー光を利用し、距離を隔てた
場所間の位置変差を検出するための位置測定装置
に関し、特に、トンネル掘削工事に際してトンネ
ル入口等の基点にレーザー発振器を設置し、掘進
機に取付けたターゲツトにレーザーを投射して位
置変差を検出するための位置測定装置に関するも
のである。

(2) 従来技術とその問題点 距離を隔てた２点の相対位置を求める測量は、
道路、パイプライン等の線形野外工事及びトンネ
ル掘削工事において欠くべからざる作業である。
前者の野外工事に比べ後者トンネル工事ではトラ
バース測量や三角測量等の方法が採れず、また、
空間的にも制約があり、然も高い測定情報が要求
されるため、掘進方向乃至位置の測定が困難を極
めた。

近年測量の分野でレーザー光利用の測定器が幅
広く採用されつつあるが、トンネル掘削工事でも
例外なくレーザーによる測定器を用いられ飛躍的
に位置測定精度が高められている。その一つの方
法として、短かい円筒（シールドマシン）を掘削
方向に押し進めて掘削するシールド工法では、切
羽に位置する掘進機にターゲツトを取り付けてお
き、トンネル入口に固定したレーザー発振器から
レーザーを上記ターゲツトに向けて投射し、ター
ゲツトで受けたレーザーの受光位置から位置変差
を検出して位置測定を行なう装置が様々提案され
ている。

ターゲツトのレーザー受光部にフオトダイオー
ドをマトリツクス状に配列した装置では、隣接素
子間隔が大きいため約３mm以下の位置変差読み取
りが不可能で、精度の点で満足できるものではな
かつた。

特開昭57−63415号による装置は、ターゲツト
のレーザー受光面を直交方向に移動させ、受光面
上のレーザー投射位置をテレビカメラで観察し、
レーザー投射位置の偏位量から位置変差を求める
ものであるが、レーザー受光面の移動手段として
送りねじ機構を用いているため、所要の測定精度
より遥かに大きい機械的誤差が生起する。また、
ここでは２枚の受光面と凸レンズを用いた提案も
なされているが不可避的なレンズの収差の問題か
ら測定精度が劣化する。

更に、特開昭57−96213号では、ターゲツトに
透孔を設け、この透孔を通過するレーザー光をタ
ーゲツトから離間した位置で反射させターゲツト
裏面に戻し、ターゲツト裏面に配列した光電素子
で位置変差を検出するもので、この装置によれば
位置変位を倍増させ精度向上を図つたものである
が、こうした方法では反射歪みが起生すると共
に、ターゲツトの小さい透孔にレーザー光を位置
させることは難しく面倒である。然も、この装置
でも上記従来例と同じく機械要素によつてターゲ
ツトを光軸方向に移動させるため無視できない誤
差を生じ、精度が劣る。

以上の従来技術の欠点を解消するために、本出
願人は高精度で操作が簡便な位置測定装置を既に
開発している（特願昭56−104209号）。この装置
は継続的に移動する掘進機にレーザー受光面と固
体撮像カメラより成るターゲツトを載置し、受光
面に投射されるレーザー光のスポツトをカメラで
検出しながら掘進機を移動させレーザースポツト
の位置変差を求めるようにしたものである。この
装置によれば、従来例のように工事を中断し機械
的誤差を伴なう駆動系を独立して運転し位置測定
を行なうものと異なり、撮像素子の画素に準じた
高精度測定が期待できる。

しかしながら、上記出願人の装置は、従来装置
と同様に、レーザーを発振する基準点に対する位
置変差のみ検出するようになつているが、光軸に
対するターゲツト自体の角度変位（ピツチング、
ヨーイング）を検知することはできなかつた。

ところで、特公昭48−3427号公報には、二枚の
受光板上の２個の光点によつてターゲツト自体の
角度変位を検出する技術が開示されている。

しかしながら、第一に、２個の反射鏡を介して
の間接取込みであるために、各光点に夫々反射歪
みを起生する。反射歪みは反射鏡の傾斜角度に応
じて幅狭化され、各反射光点が歪んだ楕円形状に
投影されることとなる。

第二に、この場合には各受光板と各反射鏡との
距離によつて、反射光点の大きさが夫々縮小され
てしまうものである。即ち、受光板と反射鏡との
距離が遠ざかる分だけ光点が縮小されることとな
る。勿論、歪んだ楕円形状で縮小されるので、反
射光点の不正確さは増幅されるものである。

第三に、反射光点がレンズで集束される際のレ
ンズ収差による変形が避けられないこととなる。
この変形は、歪んだ楕円形状で縮小された反射光
点を前提としているので、一層不正確さが増幅さ
れることとなる。

第四に、各反射鏡と各受光板との距離と各反射
鏡の傾斜角度、反射鏡に対するレンズ光軸位置等
の光学系機械的要素の組立公差が不可避的に伴な
うものである。斯る光学系機械的要素を取込んだ
ことによつて、精度低下が免がれない。

従つて、叙述の反射歪みと、反射光点の縮小
と、レンズ変形との相乗作用によつて、反射光点
の正確な取込みが極めて困難であるばかりか、機
械的要素を用いた誤差をも勘案すれば、精度ある
角度変位検出は到底不可能であり、実用性のない
ものであつた。

上記に加えて、反射鏡のほかにレンズと撮像装
置が所定距離で凸状に突出している。しかしなが
ら、例えばシールドマシーンは円筒状マシン枠内
にマシーン本体が無駄なく収納されているのが通
例であるので、径方向へ凸状に突出するターゲツ
トであれば、設置スペースが無く、取付不可能で
あつた。

さらには、２個の光点をレンズで集束したうえ
で一台の撮像装置で検出するために、撮像装置内
でのXY方向での番地割振りがソフト処理上煩雑
となるうえ、同一番地の連続する個所が生じ、同
公報第２図で示すような２個の区分面の境界部分
でのソフト処理が困難となる欠点もあつた。

(3) 発明の目的 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであ
つて、ターゲツト本体に機械的誤差を生起する要
因を排除した構成を有し、極めて高精度の位置測
定及びターゲツト自体の角度偏位をも実時間で行
なえる位置測定装置を提供することを目的とする
ものである。

(4) 発明の特徴 上記目的を達成するために、本発明の特徴は、
ターゲツトの一方端に光透過性の第１受光板を設
け、他方端に第２受光板を設けると共に、第１及
び第２受光板の夫々に投入したレーザー光を撮像
検出しレーザー受光位置を読み取る第１及び第２
撮像カメラを設け、各カメラで検出したレーザー
投光位置座標から位置変差及び角度偏位を求める
ようにしたことにある。以下、本発明の実施例を
図面に基づいて説明する。

(5) 発明の一実施例 図面第１図は本発明の位置測定装置をトンネル
掘削工事に適用した実施例の概略説明図、第２図
はターゲツトの部分欠截斜視図、第３図は使用状
態図である。

図中１は掘進機等の移動体に載置固定されるタ
ーゲツトである。このターゲツト１は、レーザー
光入射側に設けた光半透過性の第１受光板２と、
第１受光板２に対向して平行に配置された第２受
光板３と、第１及び第２受光板２，３の夫々を撮
像するCCDイメージセンサ等の第１及び第２撮
像カメラ４，５とをハウジング６に収納して成
る。この実施例では第１及び第２撮像カメラ４，
５の撮像方向を交差させるように第１撮像カメラ
４を第２受光板３の下に位置づけ、第２撮像カメ
ラ５を第１受光板２の下に位置づけている。いず
れの撮像カメラも夫々の視野に入らない位置に、
然も夫々が対向する受光板に向う仰角を出来る限
り小さくとつて視差を少なくするよう配慮する。
即ち、空間的な制約が許される限り、両撮像カメ
ラをその上にある受光板に接近させると共に、双
方の撮像カメラ乃至受光板の間隔ｌを出来るだけ
大きくとることが望ましい。

ここで用いる撮像カメラ４，５として小型で安
定動作が望め、解像度の優れたCCDイメージセ
ンサを採用しているが、レーザー発振器７からの
レーザー光ｂを両受光板２，３で受け、それによ
るスポツト状のレーザー投射点Ｐ１，Ｐ２の座標
位置をビデオ信号V1、V2として出力できる機能
を有し、CCDイメージセンサと同等以上の性能
を持つものであればどの様な手段であつてもよ
い。

１０は両撮像カメラ４，５からのレーザー投射
位置情報を示すビデオ信号V1、V2を解析してデ
ータを表示する演算処理部である。この演算処理
部１０は、カメラ４，５の同期制御、Ａ／Ｄ変換
機能、バツフアメモリ機能を備えた同期コントロ
ーラ１１と、カメラ４，５からの出力V1、V2に
基づき受光板２，３の面上のレーザースポツト位
置座標及びそれらを基にターゲツト１自体の角度
変位を演算出力する中央処理部（CPU）１２と、
CPU１２からの出力データをデジタル表示する
表示装置１３とから成る。この表示装置１３は、
受光板２，３の面上のレーザースポツトの夫々の
Ｘ−Ｙ座標値を示す座標表示器１４ａ，１４ｂ
と、ターゲツトの垂直角変位（ピツチング）用表
示器１５と、水平角変位（ヨーイング）用表示器
１７より成り、いずれの表示器も発光ダイオード
等を用いてデジタル表示することができる。

１８はカメラ４，５の映像をそのまま映し出す
モニターテレビで、このモニターテレビ１８でレ
ーザースポツトの監視を行つたり、カメラ４，５
の位置調整を遠隔操作で行うことができる。

(6) 発明の作用 上記構成の位置測定装置の作用をシールド工法
トンネル掘削工事に適用した場合に就いて説明す
る。第３図に示すように、トンネル入口近傍の基
準点にレーザー発振器７を固定設置し、掘削が進
むトンネル内部に向けてレーザー光ｂを照射す
る。トンネル切羽部に位置する円筒状鋼製のシー
ルドマシンＳに上記ターゲツト１を取り付けてお
り、レーザー光はターゲツト１の第１受光板２の
面上に投射される。トンネル掘削を進める上で適
宜基点位置を定めておき、その基点において、た
とえばレーザー光ｂを第１受光板２の中心に投射
させておき、シールドマシンＳを押し進めながら
逐次第１受光板２の面上のレーザースポツトＰ１
を第１撮像カメラ４で監視しレーザースポツトＰ
１の変位を検出する。シールドマシンＳが設計通
りレーザーの光軸と平行に前進するとレーザース
ポツトＰ１の位置変差は認められず、一方、シー
ルドマシンＳがレーザーの光軸からずれると第１
受光板２のレーザースポツトＰ１は中心から外
れ、その時のＸ−Ｙ座標値で位置変差の大きさ、
方向を知ることができる。レーザースポツトＰ１
は第１撮像カメラ４からのビデオ出力V1を演算
処理部１０の周期コントローラ１１に送られ、こ
こを経て中央処理部１２で演算解析し表示器１４
ａにＸ−Ｙ座標として表わす。

レーザー光ｂは光半透過性の第１受光板２を通
つて第２受光板３にも投射され、第１受光板２の
レーザースポツトＰ１と同様に、第２受光板３上
のレーザースポツトＰ２も第２撮像カメラ５によ
つて位置を検出されビデオ信号V2として演算処
理部１０に送られ、同期コントローラ１１、中央
処理部１２を経て表示器１４ｂにＸ−Ｙ座標とし
て表示される。

さて、ターゲツト１がレーザー光軸に対して角
度をなして傾斜して、つまり角度偏位を持つ場
合、第１、第２受光板２，３上のレーザースポツ
ト位置が中心に対してベクトル量が変側的な変化
を見せる。即ち、掘進機シールドＳが正常に前進
しながらも前進方向がずれた場合はターゲツト１
の長さ方向軸は常にレーザー発振器７に向いてい
る（第４図）。従つて、受光板２，３上のレーザ
ースポツトＰ１，Ｐ２と受光板上の原点Ｏ１，Ｏ
２の夫々の長さX1、X2から次の関係式が成立す
るため、掘進方向θの誤りであることを認識でき
る。

tanθ＝X1／Ｌ＝X2／Ｌ＋ｌ ……(1) これはｙ座標及びＸ−Ｙ座標の変位についても
それら変位のベクトル量が式(1)と同じ規則的な関
係を示す。

しかし、第５図Ａ〜Ｃに概念的に示すように、
座標で表わせるベクトル量が変則的な場合、ター
ゲツトが角度偏位を起していることが分る。

第５図Ａでは受光板２，３上のレーザースポツ
トＰ１，Ｐ２と原点Ｏ１，Ｏ２との距離y1、y2
は正負逆の値を示している。この例は垂直変位
（ピツチング）状態の典型例であるが、等符号の
値を示しても上記式(1)を満さないＹ軸方向の偏位
量を持つ。この場合、光軸ｂに対するターゲツト
１の軸Ａの傾きは次式で表わせる。

tanθ₁＝y₁−y₂／ｌ ……(2) 第５図Ｂでは両受光板２，３上のレーザースポ
ツトＰ１，Ｐ２と原点Ｏ１，Ｏ２の距離x1、x1
からも分るようにターゲツト１の軸Ａは水平方向
偏位（ヨーイング）を起しており、この場合の軸
Ａの傾きは次式で表わせる。

tanθ₂＝x₁−x₂／ｌ ……(3) これら垂直方向、水平方向の変位の合成による
あらゆる角偏位を上記tanθ₁、tanθ₂を確認するこ
とで認識できる。

また、シールドマシンＳがローリングを起こし
ている場合は、従来より用いられている傾斜計の
データを入力し、上記の演算結果を補正する事に
より、測定の正しさが保証される。傾斜計は本発
明の要旨ではない為説明を省略する。

上記水平、垂直及び回転角の夫々の偏位量によ
る角度変位値は第１、第２撮像カメラ４，５のビ
デオ出力V1、V2を演算処理部１０に送り、中央
処理装置１２で演算解析して各表示器１５，１７
に表示する。

(7) 発明の効果 以上説明した如く本発明によれば、第１受光板
を撮影像する第１撮像カメラを第２受光板に接近
させて第１受光板に対面させ、第２受光板を撮像
する第２撮像カメラを第１受光板に接近させて第
２受光板に対面させることによつて、二個の撮像
カメラは小さな仰角を持つて各受光板に反射歪み
を発生させることなく直接撮像することができ
た。

斯る実像取込みによつて、従来の反射歪みと光
点の縮小とレンズによる変形と光学系機械的要素
による誤差を一掃して、２点のスポツトを高精度
に検出できるので、高精度の位置測定及びターゲ
ツト自体のピツチングやヨーイングの検出精度を
高めることで製品化することができた。

また、受光板に撮像装置を夫々近接配置する構
造であるために、装置全体を細長形状でコンパク
トにまとめることができ、これによつてシールド
マシーン等への設置を可能にできた。

さらに、２台の撮像装置を受光板に対面交差配
置しているので、僅かな仰角による台形歪み補正
を行なうだけで足り、ソフト処理を容易として実
時間での高精度測定・検出が行なえる。

【図面の簡単な説明】

図面第１図は本発明の位置測定装置の概略説明
図、第２図は同装置の一要素であるターゲツトの
部分欠截斜視図、第３図はトンネル掘削工事に適
用した使用状態図、第４図は位置測定の解析原理
説明図、第５図Ａ〜Ｂは角度偏位の解析原理説明
図である。 １……ターゲツト、２……第１受光板、３……
第２受光板、４……第１撮像カメラ、５……第２
撮像カメラ、７……レーザー発振器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザー発振器からのレーザー光を距離を隔
   てた位置に設置したターゲツトに投射し、ターゲ
   ツト受光面上の投光位置を検出することで位置変
   差を求める位置測定装置において、 一方端に設けた半透過性の第１受光板から一定
   間隔離間した他方端に対向状に第２受光板を設
   け、上記第１受光板に投光されたレーザー光のス
   ポツト位置を検出する第１撮像カメラを上記第２
   受光板に接近させて上記第１受光板への仰角が小
   さくなるように対面させ、上記第２受光板に投光
   されたレーザー光のスポツト位置を検出する第２
   撮像カメラを上記第１受光板に接近させて上記第
   ２受光板への仰角が小さくなるように対面させる
   ことによりこれら第１、第２撮像カメラの撮像方
   向を交差させてターゲツトを構成し、上記第１及
   び第２撮像カメラで検出した上記レーザー光のス
   ポツト位置から位置変差及び角度変位を求めるよ
   うにしたことを特徴とするレーザー光を利用した
   位置測定装置。