JPH06249616A - 物体の位置・姿勢測定装置 - Google Patents

物体の位置・姿勢測定装置

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JPH06249616A
JPH06249616A JP3767793A JP3767793A JPH06249616A JP H06249616 A JPH06249616 A JP H06249616A JP 3767793 A JP3767793 A JP 3767793A JP 3767793 A JP3767793 A JP 3767793A JP H06249616 A JPH06249616 A JP H06249616A
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JP
Japan
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corner cubes
light
shield
camera device
corner
Prior art date
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Pending
Application number
JP3767793A
Other languages
English (en)
Inventor
Toru Shimizu
徹 清水
Motomitsu Suzuki
基光 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Zosen Corp
Original Assignee
Hitachi Zosen Corp
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Publication date
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  • Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】シールド本体2に配置された2個のコーナキュ
ーブ5A,5B と、このコーナキューブ5A,5B に光を照
射する発光器12と、各コーナキューブ5A,5B からの反
射光を受光するカメラ装置13と、このカメラ装置13によ
り受光した画像を処理して上記コーナキューブの中心位
置を求める画像処理装置14と、この画像処理装置で得ら
れた画像データに基づき物体の位置および姿勢を演算す
る演算処理装置15とから構成したものである。 【効果】ターゲットとして、単に、光を反射するだけの
コーナキューブをシールド本体側に配置したので、シー
ルド本体内にレーザビームの位置検出用の位置センサー
を配置する場合に比べて、その構成を簡単にすることが
できるとともに、地層が可燃性ガスの噴出可能性がある
ような場合でも、装置自体を防爆仕様にする必要がな
い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、物体、例えばシールド
掘進機の位置・姿勢測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】通常、シールド掘進機により、トンネル
を掘削する場合、シールド本体が施工計画線に沿って進
んでいるかどうかをチェックする必要があり、このた
め、シールド本体の位置および姿勢が所定間隔置きに測
定されていた。
【0003】そして、このようにシールド本体の位置お
よび姿勢を測定する測定装置として、レーザ光を用いた
自動測定装置がある。ところで、従来、このような自動
測定装置は、レーザ光の投光ユニット、受光ユニット、
および投光ユニットと受光ユニットとの間に配置される
反射ユニットから構成されており、シールド本体内の受
光ユニット側に配置されたターゲット板に、トンネルの
後方の投光ユニット側のレーザ発射器からレーザビーム
を発射し、そしてターゲット板に当たるレーザビームの
位置からシールド本体の位置および姿勢を演算により求
めるようにしたものである。
【0004】また、シールド本体側に配置される受光ユ
ニット側には、レーザビームを少なくとも2箇所で受光
する位置センサー、この位置センサーにより検出された
レーザビームの検出位置を例えば投光ユニット側の演算
処理部に伝送するための伝送ユニットなどが設けられて
いる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の自
動測定装置によると、シールド本体内に配置される受光
ユニット側には、レーザビームを受光する位置センサ
ー、信号の伝送ユニットなどを配置する必要があり、こ
のため、自動測定装置全体として、システムが複雑にな
るとともに、地層から可燃性ガスが噴出する可能性があ
るような場合には、防爆措置を講じる必要が生じ、シス
テム全体が効果になるという問題があった。
【0006】そこで、本発明は上記問題を解消し得る物
体の位置・姿勢測定装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の物体の位置・姿勢測定装置は、物体に配置
された複数個のコーナキューブと、このコーナキューブ
に光を照射する発光源と、上記各コーナキューブからの
反射光を受光するカメラ装置と、このカメラ装置により
受光した画像を処理して上記コーナキューブの中心位置
を求める画像処理装置と、この画像処理装置で得られた
画像データに基づき物体の位置および姿勢を演算する演
算処理装置とから構成し、かつ上記物体に配置される複
数個のコーナキューブの内少なくとも2個を、上記カメ
ラ装置の光軸に対して直交する平面内に投影した場合
に、互いに所定間隔を有するように配置したものであ
る。
【0008】
【作用】上記の構成によると、物体に光を照射して、物
体の位置および姿勢を求める測定装置において、物体側
には、物体外から照射された光を、単に、反射するだけ
のコーナキューブを配置したので、従来のように、移動
する物体例えばシールド本体内にレーザビームの位置検
出用の位置センサーを配置したものに比べて、その構成
を簡単にすることができるとともに、地層が可燃性ガス
の噴出可能性があるような場合でも、特別に、装置自体
を防爆仕様にする必要がない。
【0009】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1〜図3に基づ
き説明する。本実施例においては、トンネルを掘削する
シールド掘進機の位置および姿勢を測定する測定装置に
ついて説明する。
【0010】図1に示すように、1は例えば屈折式のシ
ールド掘進機で、そのシールド本体2は前胴3と後胴4
とに分割されている。そして、上記後胴4の内部には、
2個のコーナキューブ5が所定距離だけ斜め方向(シー
ルド本体の軸心に対して斜め方向、すなわちシールド本
体の軸心に対して前後および左右両方向)で離されて配
置されている。
【0011】また、このコーナキューブ5は、3枚の反
射面が互いに直交する方向で合わせられた構造とされ、
このコーナキューブ5に光が入射された場合には、その
入射方向と反射方向とが一致するようにされたものであ
る。
【0012】そして、シールド本体2の後方のトンネル
11内には、上記コーナキューブ5に向けて測定用の光
を照射する発光器(発光源)12と、この発光器12か
ら照射された光が上記コーナキューブ5で反射した反射
光を受光するカメラ装置(例えば、CCDを使用したも
の)13と、このカメラ装置13により得られた画像デ
ータを入力するとともに、この画像データを処理して、
像の中心位置、すなわちコーナキューブ5の中心位置を
求める画像処理装置14が配置されている。
【0013】また、地上側には、上記画像処理装置14
で得られたコーナキューブ5の中心位置および図示しな
いがシールド本体2内に配置されたピッチング傾斜計、
ローリング傾斜計、シールド本体までの距離を測定する
距離計(例えば、光波距離計)などで得られた各種デー
タに基づき所定の演算を行い、シールド本体2の位置お
よび姿勢を求める演算処理装置15が配置されている。
【0014】なお、上記両コーナキューブ5A,5Bの
左右の間隔は、カメラ装置13による測量の基準とな
る。すなわち、間隔が一定に保たれた両コーナキューブ
5A,5Bを測定することによってシールド本体2とカ
メラ装置13の距離に拘らず、常に、カメラ装置13の
光軸に垂直な座標面に対して、ターゲットすなわちコー
ナキューブ5A,5Bの中心位置を求めることができ
る。
【0015】ここで、上記両コーナキューブ5A,5B
を用いて、シールド本体2の位置および姿勢を測定する
原理について、概略的に説明する。まず、両コーナキュ
ーブ5A,5Bからの反射光がカメラ装置13で受光さ
れ、この受光された画像データより、カメラ装置13の
光軸に垂直な座標面に対する両コーナキューブ5A,5
Bの中心位置が求められる。すなわち、カメラ装置13
に対する、両コーナキューブ5A,5Bの光軸に対する
位置が求められる。
【0016】次に、両コーナキューブ5A,5Bの中心
位置が求められると、画像面上における互いの相対距離
を演算し、この演算により求められた測定相対距離およ
びシールド本体2内での両コーナキューブ5A,5Bの
設置距離、およびシールド本体2側に設けられたピッチ
ング傾斜計、ローリング傾斜計、光波距離計の各測定値
に基づき、シールド本体2のトンネル施工計画線からの
横ずれ量、縦ずれ量およびヨーイング角度が演算され
る。
【0017】例えば、図2に示すように、施工計画線
(Z軸)が基準にされた絶対座標系(X,Y,Z)にお
いて、シールド本体2のずれ量が(ξ,η,0)、ずれ
角度が(θYPR )である場合に、シールド本体2
内におけるターゲットである2個のコーナキューブ5
A,5Bの位置を、それぞれ(XA,YA,ZA ),(XB,
B,ZB )で表わし、かつこれらのコーナキューブ5
A,5Bのシールド本体2に対する座標軸(x,y,
z)に対する位置を、それぞれ(xA,yA,zA ),(x
B,yB,zB )で表すと、下記に示す式の関係が成り立
つ。
【0018】
【数1】 なお、式中、[Θ]は施工計画線すなわち絶対座標系
に対する角度を示しており、[Θy ]はシールド本体の
ヨーイング角、[ΘP ]はシールド本体のピッチング
角、[ΘR ]はシールド本体のローリング角で、相対座
標系における各ずれ角度(θYPR )とは、下記の
〜式で示されるような関係がある。
【0019】
【数2】 したがって、コーナキューブ5A,5Bの中心位置(X
A , YA ),(XB,Y B )、距離計によるコーナキュー
ブ5A,5Bまでの測定距離(ZA ),(ZB)、傾斜
計によるピッチング角度(θP )およびローリング角度
(θR )を、上記の各関係式に代入することにより、シ
ールド本体2の施工計画線に対する横ずれ量(ξ)、縦
ずれ量(η)およびヨーイング角度(ΘY )を求めるこ
とができる。
【0020】そして、上述したように、求められた各種
データおよびそのイラスト(シールド本体の各軸に対す
る傾斜状態を示すイラスト)が、他の掘進管理データと
ともに、地上側に設けられた中央監視室内に配置された
コンピュータのモニターに表示され、またこれら各種デ
ータに基づき、シールド掘進機1の方向制御が行われ
る。
【0021】さらに、ここで、実際にトンネル工事現場
で測定した結果の一例を、図3に示す。図3(a)は本
発明に係る自動測定の測定結果に基づき自動運転を行っ
た場合を示し、(b)はトランシットを使用した手動測
定による測定結果に基づき手動運転を行った場合をそれ
ぞれ示している。
【0022】図3(a)および(b)において、横軸は
掘進距離に相当するセグメントのリング番号を示し、ま
た縦軸は施工計画線からの横ずれ量を示している。図3
(a)および(b)から、本発明に係る自動測定の結果
に基づきシールド掘進機を自動または手動運転した場合
の方が、トランシットを使用した手動測定の測定結果に
基づきシールド掘進機を自動または手動運転した場合よ
りも、横ずれ量が殆ど生じていないことがよく分かる。
【0023】すなわち、シールド本体の位置および姿勢
を高精度でかつ連続的に自動測定し得ることが確認され
た。このように、トンネルの後方に配置された発光器か
ら、シールド本体2内に設けられたコーナキューブ5
A,5Bに向かって光を照射し、コーナキューブ5A,
5Bからの反射光をカメラ装置13により撮影するとと
もに、その画像を画像データ処理をすることにより、コ
ーナキューブ5A,5Bの中心位置を求め、トンネルの
施工計画線に対するシールド本体の位置ずれおよび姿勢
を容易に求めることができる。
【0024】また、発光器12はシールド本体2の外
側、すなわちトンネル11の後方に配置され、シールド
本体2内には、単に、発光器12からの光を反射させる
コーナキューブ5A,5Bだけが配置されるため、シス
テム全体の構成として、従来例で説明したように、シー
ルド本体内にレーザビームの位置検出用の位置センサー
を配置したものに比べてその構成を簡単にすることがで
きるとともに、地層が可燃性ガスの噴出可能性がある場
合でも、特別に、装置を防爆仕様にする必要がなく、し
たがって装置自体のコストの増大化を防止することがで
きる。
【0025】ところで、上記実施例においては、測定す
る物体としてシールド掘進機について説明したが、シー
ルド掘進機以外の移動物体にも適用し得、またターゲッ
トであるコーナキューブを3個以上使用してもよい。
【0026】
【発明の効果】以上のように本発明の構成によると、物
体に光を照射して、物体の位置および姿勢を求める測定
装置において、物体側には、物体外から照射された光
を、単に、反射するだけのコーナキューブを配置したの
で、従来のように、移動する物体例えばシールド本体内
にレーザビームの位置検出用の位置センサーを配置した
ものに比べて、その構成を簡単にすることができるとと
もに、地層が可燃性ガスの噴出可能性があるような場合
でも、特別に、装置自体を防爆仕様にする必要がなく、
したがって装置のコストの増大化を防止することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における位置および姿勢測定
装置の全体の配置を示す側面図である。
【図2】同実施例における位置および姿勢測定の原理を
説明する模式図である。
【図3】同実施例における位置および姿勢測定装置によ
る測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 シールド掘進機 2 シールド本体 5 コーナキューブ 11 トンネル 12 発光器 13 カメラ装置 14 画像処理装置 15 演算処理装置

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】物体に配置された複数個のコーナキューブ
    と、このコーナキューブに光を照射する発光源と、上記
    各コーナキューブからの反射光を受光するカメラ装置
    と、このカメラ装置により受光した画像を処理して上記
    コーナキューブの中心位置を求める画像処理装置と、こ
    の画像処理装置で得られた画像データに基づき物体の位
    置および姿勢を演算する演算処理装置とから構成し、か
    つ上記物体に配置される複数個のコーナキューブの内少
    なくとも2個を、上記カメラ装置の光軸に対して直交す
    る平面内に投影した場合に、互いに所定間隔を有するよ
    うに配置したことを特徴とする物体の位置・姿勢測定装
    置。
JP3767793A 1993-02-26 1993-02-26 物体の位置・姿勢測定装置 Pending JPH06249616A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003097187A (ja) * 2001-09-26 2003-04-03 Iseki Poly-Tech Inc 推進装置
US7473884B2 (en) 2005-04-21 2009-01-06 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Orientation determination utilizing a cordless device
US7609249B2 (en) 2005-04-21 2009-10-27 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Position determination utilizing a cordless device
US7796119B2 (en) 2006-04-03 2010-09-14 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Position determination with reference

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7812816B2 (en) 2005-04-21 2010-10-12 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Powerless signal generation for use in conjunction with a powerless position determination device
US8384663B2 (en) 2005-04-21 2013-02-26 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Position determination utilizing a cordless device
US7796119B2 (en) 2006-04-03 2010-09-14 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Position determination with reference

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