内面形状測定装置、及び内面形状測定方法
【課題】測定装置が傾斜した場合でも、管内面を正確に測定することができる管内面形状測定装置を提供する。
【解決手段】トンネル１に沿って鉛直方向にレーザビーム２を走査させて、トンネル１内面に照射したレーザビーム２の方位毎の測距データを出力する測域センサ１１と、鉛直方向に対して所定の角度θに傾けた方向にレーザビーム３を走査させて、トンネル１に照射したレーザビーム３の方位毎の測距データを出力する測域センサ１２と、測域センサ１１、１２をトンネル１の軸方向に移動する車両５と、車両５により測域センサ１１、１２を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知するエンコーダ８と、測域センサ１１、１２により検出された測距データに基づいて車両５と管軸との傾き角度を算出し、エンコーダ８により検知された位置座標を、算出した傾き角度に基づいて補正して管内面の三次元表面形状を生成するＰＣ１０と、を備えて構成されている。
【解決手段】トンネル１に沿って鉛直方向にレーザビーム２を走査させて、トンネル１内面に照射したレーザビーム２の方位毎の測距データを出力する測域センサ１１と、鉛直方向に対して所定の角度θに傾けた方向にレーザビーム３を走査させて、トンネル１に照射したレーザビーム３の方位毎の測距データを出力する測域センサ１２と、測域センサ１１、１２をトンネル１の軸方向に移動する車両５と、車両５により測域センサ１１、１２を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知するエンコーダ８と、測域センサ１１、１２により検出された測距データに基づいて車両５と管軸との傾き角度を算出し、エンコーダ８により検知された位置座標を、算出した傾き角度に基づいて補正して管内面の三次元表面形状を生成するＰＣ１０と、を備えて構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内面形状測定装置、及び内面形状測定方法に関し、さらに詳しくは、管体内を移動する測定装置が管体の中心軸に対して３次元方向に傾斜している場合であっても、管体内面を正確に測定することが可能な内面形状測定装置とその測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トンネル、配管等の管体の内面を測定する従来方法としては、トンネル等の内面に設置した測距手段の原点から発生されるレーザ光をトンネルの内周面に対して所定の角度毎に順次照射し、照射したレーザ光とトンネルの内周面上の照射点で反射されたレーザ光との時間差と位相差を検知することで、角度毎に原点から照射点までの距離を測定し、この測定した距離及び角度に基づいて各照射点を位置データに変換し、変換された位置データを連続的に描画することでトンネルの断面形状を得るものがある。
しかしながら、従来のレーザ光による測距手段を用いたトンネル形状の測定方法では、トンネルの断面形状のみが描画されるため、トンネル全体の形状を立体的に把握することができないという問題がある。また、従来のレーザ光による側距手段を用いたトンネル形状の測定方法では、測距手段に設けた原点を基準としてトンネルの断面形状を得るため、基準となる測距手段のトンネル内における位置や傾きによって、トンネルの断面形状に誤差が生じる。特に、測距手段を車両等の移動手段に設置してトンネル内で移動させた場合は、トンネル内における移動手段の位置を把握することが困難であるとともに、移動手段を設置した底面が、必ずしもトンネルの中心軸に対して常に平行ではないため、移動手段が中心軸に対して傾斜することがあり、トンネルの断面形状が正確に測定できないといった問題がある。
このような問題を解決するために特許文献１には、移動手段の前部と後部に設けた測距手段の各測定値を比較することで、トンネルの軸方向における移動手段の傾きを容易に把握してその傾きを補正し、より正確にトンネル形状の三次元データを作成することができる三次元測定装置について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−４４２２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている従来技術では、トンネルなど大口径の管体の傾きを正確に測定するためには、２つの測定手段間の離間距離を大きく確保する必要があるため、計測器が大型となる。また、トンネルが曲がっている場合に、トンネルが曲がっているのか、計測器が傾いているのかの判断ができないといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、管体の内面に沿って鉛直方向の測距データと、鉛直方向に対して所定の角度傾けた方向の測距データを同時に計測し、それらのデータに基づいて管体の中心軸と装置の傾き角を算出し、算出した傾き角に基づいて位置座標を補正することにより、測定装置が傾斜している場合であっても、管体の内面を正確に測定することができる内面形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、管体の内面形状を三次元的に計測する内面形状測定装置であって、前記管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力する第１の測距データ検出手段と、前記管体の内面に沿って前記鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力する第２の測距データ検出手段と、前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を前記管体の軸方向に移動する移動手段と、該移動手段により前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知する位置座標検知手段と、前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出し、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記算出した傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を生成する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
管体の中心軸と測定装置の向きが常に平行であれば、管体が曲がっていても正確に管内面の三次元形状を生成することができる。実際は測定装置が傾くと管体壁面と測定装置との相対的な距離が変化してしまい、正確な三次元形状を生成することができない。しかし、測定装置は管体内を移動するために、その過程で常に姿勢を一定に維持することは難しく、管体の中心軸に対して測定装置が傾斜することがある。そこで本発明では、管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、管体の内面に照射したレーザビームの方位毎の測距データを出力する第１の測距データ検出手段と、鉛直方向に対して所定の角度に傾けた方向にレーザビームを走査させて、管体の内面に照射したレーザビームの方位毎の測距データを出力する第２の測距データ検出手段により、管体の中心軸に対する傾斜角度を算出し、この算出した傾斜角度から位置座標を補正して三次元表面形状を生成する。これにより、測定装置が傾斜した場合でも、管体の内面を正確に測定することができる。
【０００６】
請求項２は、前記制御手段は、前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出する傾斜角算出手段と、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記傾斜角算出手段により算出された傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
制御手段はＰＣ等のコンピュータにより構成される。従って、第１の測距データ検出手段、並びに第２の測距データ検出手段により検出された測距データを取り込んで、所定のアルゴリズムに従って傾斜角度を演算する。また、位置座標検知手段により検知された位置座標を演算した傾斜角度に基づいて補正する。補正の方法は、管軸を直線と仮定して、各計測結果（楕円又は円）の中心を直線上に並べ、次に傾きを考慮して、計測結果の傾きを補正する。これにより、傾斜による三次元表面形状の誤差を簡単な方法で補正することができる。
【０００７】
請求項３は、前記傾斜角算出手段は、予め前記管体の軸線との傾きがゼロのときの前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段により検出した測距データを基準値とし、該基準値に対する変化量に基づいて、前記移動手段と前記管体の軸線との傾きを算出することを特徴とする。
それぞれの測距データを集積すると、管体の断面形状が生成される。特に、第２の測距データ検出手段により検出した測距データは、斜めから管内面の断面形状として捉えているので、傾きに対して敏感である。そこで、傾きがゼロのときの断面形状を予め基準値として記憶しておき、その基準値に変化が生じたときは測定装置が傾斜したと見做すことができる。そして、変化量から演算により傾きを算出する。尚、基準値は、管径が変化すると変化してしまうが、トンネルなどの大型管を想定した場合、基準値の変化に対して大型管の径の変化量は遥かに小さいと考える。これにより、単純なアルゴリズムにより、傾斜角を感度良く、且つ正確に演算することができる。
【０００８】
請求項４は、前記所定の角度は、前記鉛直方向に対して４５度であることを特徴とする。
鉛直面に対して所定の角度（θ）傾けると、その角度に応じて鉛直面が１／ｃｏｓθ倍に拡大される。例えば、４５度傾けると、鉛直面の√２倍に拡大される。即ち、その分傾斜の感度が高くなったことになる。これにより、演算が容易となり処理速度を早くすることができる。
【０００９】
請求項５は、前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段は、測域センサにより構成されていることを特徴とする。
測域センサは、空間の物理的な形状データを出力することができる走査型の光波距離計である。従って、レーザビームの形状を撮影するＣＣＤカメラ等が不要である。また、センサからのデータは、本質的にセンサと対象物との相対的な距離、方角を表すので、ＣＣＤカメラから座標を演算する手段が不要となる。これにより、装置の構成が簡略化され、小型で且つ安価に装置を構成することができる。
【００１０】
請求項６は、第１の測距データ検出手段、第２の測距データ検出手段、移動手段、位置座標検知手段、及び制御手段を備え、管体の内面形状を三次元的に計測する内面形状測定装置の内面形状測定方法であって、前記第１の測距データ検出手段が前記管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力するステップと、前記第２の測距データ検出手段が前記管体の内面に沿って前記鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力するステップと、前記移動手段が前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を前記管体の軸方向に移動するステップと、前記位置座標検知手段が前記移動手段により前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知するステップと、前記制御手段が前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出し、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記算出した傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を生成するステップと、を備えたことを特徴とする。
本発明は請求項１と同様の作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、管体の内面に照射したレーザビームの方位毎の測距データを出力する第１の測距データ検出手段と、鉛直方向に対して所定の角度に傾けた方向にレーザビームを走査させて、管体の内面に照射したレーザビームの方位毎の測距データを出力する第２の測距データ検出手段により、傾斜角度を算出し、この算出した傾斜角度から位置座標を補正して三次元表面形状を生成するので、測定装置が傾斜した場合でも、管体の内面を正確に測定することができる。
また、管軸を直線と仮定して、各計測結果（楕円又は円）の中心を直線上に並べ、次に傾きを考慮して、計測結果の傾きを補正するので、傾斜による三次元表面形状の誤差を簡単な方法で補正することができる。
また、傾きがゼロのときの断面形状を予め基準値として記憶しておき、その基準値に変化が生じたときは測定装置が傾斜したと見做すことができる。そして、変化量から演算により傾きを算出するので、単純なアルゴリズムにより、傾斜角を感度良く、且つ正確に演算することができる。
また、鉛直面に対して所定の角度（θ）傾けると、その角度に応じて鉛直面が１／ｃｏｓθ倍に拡大されるので、演算が容易となり処理速度を早くすることができる。
また、測域センサは、レーザビームの形状を撮影するＣＣＤカメラ等が不要であり、また、センサからのデータは、本質的にセンサと対象物との相対的な距離、方角を表すので、ＣＣＤカメラから座標を演算する手段が不要となるので、装置の構成が簡略化され、小型で且つ安価に装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る管内面形状測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】ＰＣの機能を説明するための機能ブロック図である。
【図３】ＰＣにより測距データを補正する手順を説明するためのフローチャートである。
【図４】（ａ）は装置が傾いたまま内径を測定して表示した図であり、（ｂ）は補正後の内径を表示した図であり、（ｃ）は補正前と補正後の管の半径と管長との関係を表す図である。
【図５】（ａ）は計測する廊下の写真であり、（ｂ）は側域センサにより計測した廊下の断面計測例を示す図である。
【図６】（ａ）はトンネルの内部に測域センサユニットを傾きがないように設置した場合の図、（ｂ）は測域センサユニットをトンネルの側面から見た図、（ｃ）は各側域センサから出力される断面形状を示す図、（ｄ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。
【図７】（ａ）はトンネルの内部に測域センサユニットを傾かせて設置した場合の測域センサユニットをトンネルの側面から見た図、（ｂ）は各側域センサから出力される断面形状を示す図、（ｃ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。
【図８】（ａ）はｘ軸を中心に反時計回りにα度回転している場合を示す図、（ｂ）は傾いていない場合のＡ断面とＢ断面を示す図、（ｃ）はｘ軸中心に反時計回りにα回転させた場合のＡ断面とＢ断面を示す図であり、（ｄ）は図８のように設置された状態で各側域センサから出力される断面形状を示す図である。
【図９】（ａ）はｘ軸を中心に反時計回りにα回転している場合を示す図、（ｂ）はこのときの各側域センサから出力される断面形状を示す図、（ｃ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る内面形状測定装置の概略構成を示す図である。この内面形状測定装置（以下、測定装置と呼ぶ）１００は、トンネル１の内面の表面形状を三次元的に計測する測定装置１００であって、トンネル１に沿って鉛直方向にレーザビーム２を走査させて、トンネル１内面に照射したレーザビーム２の方位毎の測距データを出力する測域センサ（第１の測距データ検出手段）１１と、鉛直方向に対して所定の角度θに傾けた方向にレーザビーム３を走査させて、トンネル１に照射したレーザビーム３の方位毎の測距データを出力する測域センサ（第２の測距データ検出手段）１２と、測域センサ１１、及び測域センサ１２をトンネル１の軸方向に移動する車両（移動手段）５と、車両５により測域センサ１１、及び測域センサ１２を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知するエンコーダ（位置座標検知手段）８と、測域センサ１１、及び測域センサ１２により検出された測距データに基づいて車両５と管軸との傾き角度を算出し、エンコーダ８により検知された位置座標を、算出した傾き角度に基づいて補正して管内面の三次元表面形状を生成するＰＣ（制御手段）１０と、を備えて構成されている。
【００１５】
尚、図１では、測域センサ１１と１２を一体的に構成した測域センサユニット４、及びエンコーダ８から出力される信号をケーブル９によりＰＣ１０と接続しているが、ＰＣ１０を車両５に搭載しても構わない。また、ＰＣ１０には、生成された三次元表面形状を表示するモニタ１５を備えている。
即ち、トンネル１の中心軸と測域センサ１１、１２の向きが常に平行であれば、トンネル１が曲がっていても正確にトンネル１内面の三次元形状を生成することができる。実際は測域センサ１１、１２が傾くとトンネル１壁面と測域センサ１１、１２との相対的な距離が変化してしまい、正確な三次元形状を生成することができない。しかし、測定装置１００はトンネル１内を移動するために、何らかの傾斜を伴う場合がある。そこで本実施形態では、トンネル１内面に沿って鉛直方向にレーザビーム２を走査させて、トンネル１内面に照射したレーザビーム２の方位毎の測距データを出力する側域センサ１１と、鉛直方向に対して所定の角度θに傾けた方向にレーザビーム３を走査させて、トンネル１内面に照射したレーザビーム３の方位毎の測距データを出力する側域センサ１２により傾斜角度を算出し、この算出した傾斜角度から位置座標を補正して三次元表面形状を生成する。これにより、測定装置１００が傾斜した場合でも、トンネル１内面の形状を正確に測定することができる。
【００１６】
図２はＰＣの機能を説明するための機能ブロック図である。ＰＣ１０は、測域センサ１１、及び測域センサ１２により検出された測距データに基づいて車両５と管軸（トンネル１の中心軸）との傾き角度を算出する傾斜角算出手段１３と、エンコーダ８により検知された位置座標を傾斜角算出手段１３により算出された傾き角度に基づいて補正してトンネル１内面の三次元表面形状を演算する演算手段１４と、を備えている。
即ち、制御手段はＰＣ１０のコンピュータにより構成される。従って、側域センサ１１、並びに側域センサ１２により検出された測距データを取り込んで、所定のアルゴリズム（詳細は後述する）に従って傾斜角度を演算する。また、エンコーダ８により検知された位置座標を、傾斜角算出手段１３により算出した傾斜角度に基づいて補正する。補正の方法は、管軸を直線と仮定して、各計測結果（楕円又は円）の中心を直線上に並べ、次に傾きを考慮して、計測結果の傾きを補正する。これにより、傾斜による三次元表面形状の誤差を簡単な方法で補正することができる（詳細は後述する）。
【００１７】
尚、傾斜角算出手段１３は、予め管軸との傾きがゼロのときの側域センサ１１、及び側域センサ１２により検出した測距データを基準値とし、この基準値に対する変化量に基づいて、車両５と管軸との傾きを算出する。即ち、それぞれの測距データを集積すると、トンネル１内面の断面形状が生成される。特に、側域センサ１２により検出した測距データは、斜めからトンネル１内面の断面形状として捉えているので、傾きに対して敏感である。即ち、傾きがゼロのときのトンネル１の断面形状を予め基準値として記憶しておき、その基準値に変化が生じたときは測定装置１００が傾斜したと見做すことができる。そして、変化量から演算により傾きを算出する。尚、基準値はトンネル１の径が変化すると変化してしまうが、トンネルなどの大型管を想定した場合、基準値の変化に対して大型管の径の変化量は遥かに小さいと考える。これにより、単純なアルゴリズムにより、傾斜角を感度良く、且つ正確に演算することができる。
【００１８】
図３はＰＣにより測距データを補正する手順を説明するためのフローチャートである。まず、車両５を測定するトンネル１内に設置し、傾斜がない位置で側域センサ１１と側域センサ１２により測定した側距データをＰＣ１０内のメモリに基準値として記憶する（Ｓ１）。そして、測定を開始するために（Ｓ２）、側域センサ１１と１２の電源をＯＮとして（Ｓ３）、車両５をトンネル１内に移動させながら側距データをメモリに記憶した基準値と比較する。比較の結果、基準値と所定量の差が生じると、その差から傾斜角を算出して、傾斜がなければ（Ｓ４でＮ）、ステップＳ７に進んで出力された側距データに基づいて三次元表面形状を演算する（Ｓ７）。一方、ステップＳ４で傾斜があると（Ｓ４でＹ）、傾き角度を算出して（Ｓ５）、側距データを算出した傾き角度に応じて補正して（Ｓ６）、出力された側距データに基づいて三次元表面形状を演算する（Ｓ７）。
【００１９】
図４は一例として下水管が傾いている場合に三次元形状を補正する手順を説明する図である。図４（ａ）は装置が傾いたまま内径を測定して表示した図であり、図４（ｂ）は補正後の内径を表示した図であり、図４（ｃ）は補正前と補正後の管の半径と管長との関係を示す図である。装置が傾いている場合は、斜めに内径を計測してしまい、そのまま結果を並べると図４（ａ）のように管が曲がっているかのようになる。そのため、まず、（１）管軸を直線と仮定し、各計測結果（楕円または円）の中心を直線上に並べる。（２）傾きを考慮して、計測結果の傾きを補正する。この２つの手続きにより、図４（ｂ）のように補正される。また、図４（ｃ）から明らかなように、計測データ２０は管長に対してうねるようになるが、補正することにより補正データ２１のように略直線に補正される。
図５は側域センサにより廊下を計測した場合の断面計測例を示す図である。図５（ａ）は計測する廊下の写真であり、図５（ｂ）は側域センサにより計測した廊下の断面計測例である。廊下の断面は矩形であるため、図５（ｂ）のように計測すると矩形の断面として計測される。尚、領域Ｎは側域センサが計測不可能な領域である。
トンネルなどの断面形状を側域センサで計測する場合、管軸に対して正確にレーザ走査平面を設定することが難しい。そこで本実施形態の内面形状測定装置１００では、側域センサ１１と側域センサ１２の２つを用いる。側域センサ１１は鉛直方向（管断面と平行な方向）にレーザ面（Ａ断面と呼ぶ）を投光し、側域センサ１２は鉛直方向に対して４５度傾けてレーザ面（Ｂ断面と呼ぶ）を投光するように固定する。これにより、測域センサユニット４が計測対象管の管軸に対して傾いている場合に、傾き角を検出できるようになる。
【００２０】
図６（ａ）はトンネルの内部に測域センサユニット４を傾きがないように設置した場合の図、図６（ｂ）は測域センサユニット４をトンネルの側面から見た図、図６（ｃ）は各側域センサから出力される断面形状を示す図、図６（ｄ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。尚、鉛直方向をｘ軸、管軸と直交する方向をｙ軸、管軸と平行な方向をｚ軸とする。
図６（ｃ）は、各側域センサから出力される断面形状を示し、鉛直からθ傾いてレーザ面を投光するように設置された側域センサ１２から出力される断面形状（Ｂ断面）は、鉛直のもの（Ａ断面）よりも縦長になる。ここでＡ断面の高さをｈａ、Ｂ断面の高さをｈｂ、鉛直に対するＢ断面の傾きをθとすると、ｈｂ＝ｈａ／ｃｏｓθ、ここでθ＝４５度のときは、ｈｂ＝√２ｈａとなる。
図６（ｄ）は、計測対象物を図５の廊下にした場合のＡ断面とＢ断面の実測図である。この図でも明らかな通り、Ａ断面に対してＢ断面の方が縦長に計測されているのがわかる。即ち、鉛直面に対して所定の角度（θ）傾けると、その角度に応じて鉛直面が１／ｃｏｓθ倍に拡大される。例えば、４５度傾けると、鉛直面の√２倍に拡大される。即ち、その分傾斜の感度が高くなったことになる。これにより、演算が容易となり処理速度を早くすることができる。
【００２１】
図７（ａ）はトンネルの内部に計測器を傾かせて設置した場合の測域センサユニットをトンネルの側面から見た図、図７（ｂ）は各側域センサから出力される断面形状を示す図、図７（ｃ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。
図７（ａ）は測域センサユニット４を鉛直に対して、ｙ軸を中心に時計回りにα＝１０度回転させて設置した状態を示す。図７（ｃ）はこのときの各側域センサから出力される断面形状を示し、Ｂ断面は測域センサユニット４が傾いていない場合（図６（ｃ）のＢ断面）よりもさらに縦長になる。このとき、ｈｂ´＝ｈａ／ｃｏｓαであり、ｈｂ´＝ｈａ／ｃｏｓ（α＋θ）となる。
図７（ｃ）は、計測対象物を図５の廊下にした場合のＡ断面とＢ断面の実測図である。この図でも明らかな通り、Ｂ断面が図６（ｃ）のＢ断面に対して更に縦長に計測されているのがわかる。
【００２２】
図８（ａ）はｘ軸を中心に反時計回りにα度回転している場合を示す図、図８（ｂ）は傾いていない場合のＡ断面とＢ断面を示す図、図８（ｃ）はｘ軸中心に反時計回りにα回転させた場合のＡ断面とＢ断面を示す図であり、図８（ｄ）は図８のように設置された状態で各側域センサから出力される断面形状を示す図である。図８（ｂ）と図８（ｃ）の関係のように、この場合、回転していない場合に対して、撮影される形状の幅が広くなる。このときの各高さにおける幅をｖｉと置くと、
ｖｉ´＝ｖｉ／ｃｏｓαとなる。各高さにおける幅の変化率（ｖｉ´／ｖｉ）を求め、これらを平均することで、傾きαを求めることができる。また、Ｂ断面は右側に傾いて測定されるので、視覚的にも判断できる。
【００２３】
図９（ａ）はｘ軸を中心に反時計回りにα度回転している場合を示す図、図９（ｂ）はこのときの各側域センサから出力される断面形状を示す図、図９（ｃ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。図９（ｂ）のように、地上を示すラインＬＲがα度傾いて測定される。
図９（ｃ）は、計測対象物を図５の廊下にした場合のＡ断面とＢ断面の実測図である。この図でも明らかな通り、Ａ断面とＢ断面が図６（ｃ）のＡ断面とＢ断面に対して地上を示すラインＬＲがα度傾いて計測されているのがわかる。
以上、本実施形態では管体としてトンネルを例に説明したが、トンネルに限らず、上下水管、廊下等の管体であれば本発明を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１ トンネル、２ レーザビーム、３ レーザビーム、４ 側域センサユニット、５ 車両、６ トンネル底面、７ 車輪、８ エンコーダ、９ ケーブル、１０ ＰＣ、１１ 側域センサ、１２ 側域センサ、１３ 傾斜角算出手段、１４ 演算手段、１５ モニタ、２０ 補正データ、２１ 計測データ、１００ 内面形状測定装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内面形状測定装置、及び内面形状測定方法に関し、さらに詳しくは、管体内を移動する測定装置が管体の中心軸に対して３次元方向に傾斜している場合であっても、管体内面を正確に測定することが可能な内面形状測定装置とその測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トンネル、配管等の管体の内面を測定する従来方法としては、トンネル等の内面に設置した測距手段の原点から発生されるレーザ光をトンネルの内周面に対して所定の角度毎に順次照射し、照射したレーザ光とトンネルの内周面上の照射点で反射されたレーザ光との時間差と位相差を検知することで、角度毎に原点から照射点までの距離を測定し、この測定した距離及び角度に基づいて各照射点を位置データに変換し、変換された位置データを連続的に描画することでトンネルの断面形状を得るものがある。
しかしながら、従来のレーザ光による測距手段を用いたトンネル形状の測定方法では、トンネルの断面形状のみが描画されるため、トンネル全体の形状を立体的に把握することができないという問題がある。また、従来のレーザ光による側距手段を用いたトンネル形状の測定方法では、測距手段に設けた原点を基準としてトンネルの断面形状を得るため、基準となる測距手段のトンネル内における位置や傾きによって、トンネルの断面形状に誤差が生じる。特に、測距手段を車両等の移動手段に設置してトンネル内で移動させた場合は、トンネル内における移動手段の位置を把握することが困難であるとともに、移動手段を設置した底面が、必ずしもトンネルの中心軸に対して常に平行ではないため、移動手段が中心軸に対して傾斜することがあり、トンネルの断面形状が正確に測定できないといった問題がある。
このような問題を解決するために特許文献１には、移動手段の前部と後部に設けた測距手段の各測定値を比較することで、トンネルの軸方向における移動手段の傾きを容易に把握してその傾きを補正し、より正確にトンネル形状の三次元データを作成することができる三次元測定装置について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−４４２２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている従来技術では、トンネルなど大口径の管体の傾きを正確に測定するためには、２つの測定手段間の離間距離を大きく確保する必要があるため、計測器が大型となる。また、トンネルが曲がっている場合に、トンネルが曲がっているのか、計測器が傾いているのかの判断ができないといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、管体の内面に沿って鉛直方向の測距データと、鉛直方向に対して所定の角度傾けた方向の測距データを同時に計測し、それらのデータに基づいて管体の中心軸と装置の傾き角を算出し、算出した傾き角に基づいて位置座標を補正することにより、測定装置が傾斜している場合であっても、管体の内面を正確に測定することができる内面形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、管体の内面形状を三次元的に計測する内面形状測定装置であって、前記管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力する第１の測距データ検出手段と、前記管体の内面に沿って前記鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力する第２の測距データ検出手段と、前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を前記管体の軸方向に移動する移動手段と、該移動手段により前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知する位置座標検知手段と、前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出し、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記算出した傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を生成する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
管体の中心軸と測定装置の向きが常に平行であれば、管体が曲がっていても正確に管内面の三次元形状を生成することができる。実際は測定装置が傾くと管体壁面と測定装置との相対的な距離が変化してしまい、正確な三次元形状を生成することができない。しかし、測定装置は管体内を移動するために、その過程で常に姿勢を一定に維持することは難しく、管体の中心軸に対して測定装置が傾斜することがある。そこで本発明では、管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、管体の内面に照射したレーザビームの方位毎の測距データを出力する第１の測距データ検出手段と、鉛直方向に対して所定の角度に傾けた方向にレーザビームを走査させて、管体の内面に照射したレーザビームの方位毎の測距データを出力する第２の測距データ検出手段により、管体の中心軸に対する傾斜角度を算出し、この算出した傾斜角度から位置座標を補正して三次元表面形状を生成する。これにより、測定装置が傾斜した場合でも、管体の内面を正確に測定することができる。
【０００６】
請求項２は、前記制御手段は、前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出する傾斜角算出手段と、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記傾斜角算出手段により算出された傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
制御手段はＰＣ等のコンピュータにより構成される。従って、第１の測距データ検出手段、並びに第２の測距データ検出手段により検出された測距データを取り込んで、所定のアルゴリズムに従って傾斜角度を演算する。また、位置座標検知手段により検知された位置座標を演算した傾斜角度に基づいて補正する。補正の方法は、管軸を直線と仮定して、各計測結果（楕円又は円）の中心を直線上に並べ、次に傾きを考慮して、計測結果の傾きを補正する。これにより、傾斜による三次元表面形状の誤差を簡単な方法で補正することができる。
【０００７】
請求項３は、前記傾斜角算出手段は、予め前記管体の軸線との傾きがゼロのときの前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段により検出した測距データを基準値とし、該基準値に対する変化量に基づいて、前記移動手段と前記管体の軸線との傾きを算出することを特徴とする。
それぞれの測距データを集積すると、管体の断面形状が生成される。特に、第２の測距データ検出手段により検出した測距データは、斜めから管内面の断面形状として捉えているので、傾きに対して敏感である。そこで、傾きがゼロのときの断面形状を予め基準値として記憶しておき、その基準値に変化が生じたときは測定装置が傾斜したと見做すことができる。そして、変化量から演算により傾きを算出する。尚、基準値は、管径が変化すると変化してしまうが、トンネルなどの大型管を想定した場合、基準値の変化に対して大型管の径の変化量は遥かに小さいと考える。これにより、単純なアルゴリズムにより、傾斜角を感度良く、且つ正確に演算することができる。
【０００８】
請求項４は、前記所定の角度は、前記鉛直方向に対して４５度であることを特徴とする。
鉛直面に対して所定の角度（θ）傾けると、その角度に応じて鉛直面が１／ｃｏｓθ倍に拡大される。例えば、４５度傾けると、鉛直面の√２倍に拡大される。即ち、その分傾斜の感度が高くなったことになる。これにより、演算が容易となり処理速度を早くすることができる。
【０００９】
請求項５は、前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段は、測域センサにより構成されていることを特徴とする。
測域センサは、空間の物理的な形状データを出力することができる走査型の光波距離計である。従って、レーザビームの形状を撮影するＣＣＤカメラ等が不要である。また、センサからのデータは、本質的にセンサと対象物との相対的な距離、方角を表すので、ＣＣＤカメラから座標を演算する手段が不要となる。これにより、装置の構成が簡略化され、小型で且つ安価に装置を構成することができる。
【００１０】
請求項６は、第１の測距データ検出手段、第２の測距データ検出手段、移動手段、位置座標検知手段、及び制御手段を備え、管体の内面形状を三次元的に計測する内面形状測定装置の内面形状測定方法であって、前記第１の測距データ検出手段が前記管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力するステップと、前記第２の測距データ検出手段が前記管体の内面に沿って前記鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力するステップと、前記移動手段が前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を前記管体の軸方向に移動するステップと、前記位置座標検知手段が前記移動手段により前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知するステップと、前記制御手段が前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出し、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記算出した傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を生成するステップと、を備えたことを特徴とする。
本発明は請求項１と同様の作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、管体の内面に照射したレーザビームの方位毎の測距データを出力する第１の測距データ検出手段と、鉛直方向に対して所定の角度に傾けた方向にレーザビームを走査させて、管体の内面に照射したレーザビームの方位毎の測距データを出力する第２の測距データ検出手段により、傾斜角度を算出し、この算出した傾斜角度から位置座標を補正して三次元表面形状を生成するので、測定装置が傾斜した場合でも、管体の内面を正確に測定することができる。
また、管軸を直線と仮定して、各計測結果（楕円又は円）の中心を直線上に並べ、次に傾きを考慮して、計測結果の傾きを補正するので、傾斜による三次元表面形状の誤差を簡単な方法で補正することができる。
また、傾きがゼロのときの断面形状を予め基準値として記憶しておき、その基準値に変化が生じたときは測定装置が傾斜したと見做すことができる。そして、変化量から演算により傾きを算出するので、単純なアルゴリズムにより、傾斜角を感度良く、且つ正確に演算することができる。
また、鉛直面に対して所定の角度（θ）傾けると、その角度に応じて鉛直面が１／ｃｏｓθ倍に拡大されるので、演算が容易となり処理速度を早くすることができる。
また、測域センサは、レーザビームの形状を撮影するＣＣＤカメラ等が不要であり、また、センサからのデータは、本質的にセンサと対象物との相対的な距離、方角を表すので、ＣＣＤカメラから座標を演算する手段が不要となるので、装置の構成が簡略化され、小型で且つ安価に装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る管内面形状測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】ＰＣの機能を説明するための機能ブロック図である。
【図３】ＰＣにより測距データを補正する手順を説明するためのフローチャートである。
【図４】（ａ）は装置が傾いたまま内径を測定して表示した図であり、（ｂ）は補正後の内径を表示した図であり、（ｃ）は補正前と補正後の管の半径と管長との関係を表す図である。
【図５】（ａ）は計測する廊下の写真であり、（ｂ）は側域センサにより計測した廊下の断面計測例を示す図である。
【図６】（ａ）はトンネルの内部に測域センサユニットを傾きがないように設置した場合の図、（ｂ）は測域センサユニットをトンネルの側面から見た図、（ｃ）は各側域センサから出力される断面形状を示す図、（ｄ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。
【図７】（ａ）はトンネルの内部に測域センサユニットを傾かせて設置した場合の測域センサユニットをトンネルの側面から見た図、（ｂ）は各側域センサから出力される断面形状を示す図、（ｃ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。
【図８】（ａ）はｘ軸を中心に反時計回りにα度回転している場合を示す図、（ｂ）は傾いていない場合のＡ断面とＢ断面を示す図、（ｃ）はｘ軸中心に反時計回りにα回転させた場合のＡ断面とＢ断面を示す図であり、（ｄ）は図８のように設置された状態で各側域センサから出力される断面形状を示す図である。
【図９】（ａ）はｘ軸を中心に反時計回りにα回転している場合を示す図、（ｂ）はこのときの各側域センサから出力される断面形状を示す図、（ｃ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る内面形状測定装置の概略構成を示す図である。この内面形状測定装置（以下、測定装置と呼ぶ）１００は、トンネル１の内面の表面形状を三次元的に計測する測定装置１００であって、トンネル１に沿って鉛直方向にレーザビーム２を走査させて、トンネル１内面に照射したレーザビーム２の方位毎の測距データを出力する測域センサ（第１の測距データ検出手段）１１と、鉛直方向に対して所定の角度θに傾けた方向にレーザビーム３を走査させて、トンネル１に照射したレーザビーム３の方位毎の測距データを出力する測域センサ（第２の測距データ検出手段）１２と、測域センサ１１、及び測域センサ１２をトンネル１の軸方向に移動する車両（移動手段）５と、車両５により測域センサ１１、及び測域センサ１２を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知するエンコーダ（位置座標検知手段）８と、測域センサ１１、及び測域センサ１２により検出された測距データに基づいて車両５と管軸との傾き角度を算出し、エンコーダ８により検知された位置座標を、算出した傾き角度に基づいて補正して管内面の三次元表面形状を生成するＰＣ（制御手段）１０と、を備えて構成されている。
【００１５】
尚、図１では、測域センサ１１と１２を一体的に構成した測域センサユニット４、及びエンコーダ８から出力される信号をケーブル９によりＰＣ１０と接続しているが、ＰＣ１０を車両５に搭載しても構わない。また、ＰＣ１０には、生成された三次元表面形状を表示するモニタ１５を備えている。
即ち、トンネル１の中心軸と測域センサ１１、１２の向きが常に平行であれば、トンネル１が曲がっていても正確にトンネル１内面の三次元形状を生成することができる。実際は測域センサ１１、１２が傾くとトンネル１壁面と測域センサ１１、１２との相対的な距離が変化してしまい、正確な三次元形状を生成することができない。しかし、測定装置１００はトンネル１内を移動するために、何らかの傾斜を伴う場合がある。そこで本実施形態では、トンネル１内面に沿って鉛直方向にレーザビーム２を走査させて、トンネル１内面に照射したレーザビーム２の方位毎の測距データを出力する側域センサ１１と、鉛直方向に対して所定の角度θに傾けた方向にレーザビーム３を走査させて、トンネル１内面に照射したレーザビーム３の方位毎の測距データを出力する側域センサ１２により傾斜角度を算出し、この算出した傾斜角度から位置座標を補正して三次元表面形状を生成する。これにより、測定装置１００が傾斜した場合でも、トンネル１内面の形状を正確に測定することができる。
【００１６】
図２はＰＣの機能を説明するための機能ブロック図である。ＰＣ１０は、測域センサ１１、及び測域センサ１２により検出された測距データに基づいて車両５と管軸（トンネル１の中心軸）との傾き角度を算出する傾斜角算出手段１３と、エンコーダ８により検知された位置座標を傾斜角算出手段１３により算出された傾き角度に基づいて補正してトンネル１内面の三次元表面形状を演算する演算手段１４と、を備えている。
即ち、制御手段はＰＣ１０のコンピュータにより構成される。従って、側域センサ１１、並びに側域センサ１２により検出された測距データを取り込んで、所定のアルゴリズム（詳細は後述する）に従って傾斜角度を演算する。また、エンコーダ８により検知された位置座標を、傾斜角算出手段１３により算出した傾斜角度に基づいて補正する。補正の方法は、管軸を直線と仮定して、各計測結果（楕円又は円）の中心を直線上に並べ、次に傾きを考慮して、計測結果の傾きを補正する。これにより、傾斜による三次元表面形状の誤差を簡単な方法で補正することができる（詳細は後述する）。
【００１７】
尚、傾斜角算出手段１３は、予め管軸との傾きがゼロのときの側域センサ１１、及び側域センサ１２により検出した測距データを基準値とし、この基準値に対する変化量に基づいて、車両５と管軸との傾きを算出する。即ち、それぞれの測距データを集積すると、トンネル１内面の断面形状が生成される。特に、側域センサ１２により検出した測距データは、斜めからトンネル１内面の断面形状として捉えているので、傾きに対して敏感である。即ち、傾きがゼロのときのトンネル１の断面形状を予め基準値として記憶しておき、その基準値に変化が生じたときは測定装置１００が傾斜したと見做すことができる。そして、変化量から演算により傾きを算出する。尚、基準値はトンネル１の径が変化すると変化してしまうが、トンネルなどの大型管を想定した場合、基準値の変化に対して大型管の径の変化量は遥かに小さいと考える。これにより、単純なアルゴリズムにより、傾斜角を感度良く、且つ正確に演算することができる。
【００１８】
図３はＰＣにより測距データを補正する手順を説明するためのフローチャートである。まず、車両５を測定するトンネル１内に設置し、傾斜がない位置で側域センサ１１と側域センサ１２により測定した側距データをＰＣ１０内のメモリに基準値として記憶する（Ｓ１）。そして、測定を開始するために（Ｓ２）、側域センサ１１と１２の電源をＯＮとして（Ｓ３）、車両５をトンネル１内に移動させながら側距データをメモリに記憶した基準値と比較する。比較の結果、基準値と所定量の差が生じると、その差から傾斜角を算出して、傾斜がなければ（Ｓ４でＮ）、ステップＳ７に進んで出力された側距データに基づいて三次元表面形状を演算する（Ｓ７）。一方、ステップＳ４で傾斜があると（Ｓ４でＹ）、傾き角度を算出して（Ｓ５）、側距データを算出した傾き角度に応じて補正して（Ｓ６）、出力された側距データに基づいて三次元表面形状を演算する（Ｓ７）。
【００１９】
図４は一例として下水管が傾いている場合に三次元形状を補正する手順を説明する図である。図４（ａ）は装置が傾いたまま内径を測定して表示した図であり、図４（ｂ）は補正後の内径を表示した図であり、図４（ｃ）は補正前と補正後の管の半径と管長との関係を示す図である。装置が傾いている場合は、斜めに内径を計測してしまい、そのまま結果を並べると図４（ａ）のように管が曲がっているかのようになる。そのため、まず、（１）管軸を直線と仮定し、各計測結果（楕円または円）の中心を直線上に並べる。（２）傾きを考慮して、計測結果の傾きを補正する。この２つの手続きにより、図４（ｂ）のように補正される。また、図４（ｃ）から明らかなように、計測データ２０は管長に対してうねるようになるが、補正することにより補正データ２１のように略直線に補正される。
図５は側域センサにより廊下を計測した場合の断面計測例を示す図である。図５（ａ）は計測する廊下の写真であり、図５（ｂ）は側域センサにより計測した廊下の断面計測例である。廊下の断面は矩形であるため、図５（ｂ）のように計測すると矩形の断面として計測される。尚、領域Ｎは側域センサが計測不可能な領域である。
トンネルなどの断面形状を側域センサで計測する場合、管軸に対して正確にレーザ走査平面を設定することが難しい。そこで本実施形態の内面形状測定装置１００では、側域センサ１１と側域センサ１２の２つを用いる。側域センサ１１は鉛直方向（管断面と平行な方向）にレーザ面（Ａ断面と呼ぶ）を投光し、側域センサ１２は鉛直方向に対して４５度傾けてレーザ面（Ｂ断面と呼ぶ）を投光するように固定する。これにより、測域センサユニット４が計測対象管の管軸に対して傾いている場合に、傾き角を検出できるようになる。
【００２０】
図６（ａ）はトンネルの内部に測域センサユニット４を傾きがないように設置した場合の図、図６（ｂ）は測域センサユニット４をトンネルの側面から見た図、図６（ｃ）は各側域センサから出力される断面形状を示す図、図６（ｄ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。尚、鉛直方向をｘ軸、管軸と直交する方向をｙ軸、管軸と平行な方向をｚ軸とする。
図６（ｃ）は、各側域センサから出力される断面形状を示し、鉛直からθ傾いてレーザ面を投光するように設置された側域センサ１２から出力される断面形状（Ｂ断面）は、鉛直のもの（Ａ断面）よりも縦長になる。ここでＡ断面の高さをｈａ、Ｂ断面の高さをｈｂ、鉛直に対するＢ断面の傾きをθとすると、ｈｂ＝ｈａ／ｃｏｓθ、ここでθ＝４５度のときは、ｈｂ＝√２ｈａとなる。
図６（ｄ）は、計測対象物を図５の廊下にした場合のＡ断面とＢ断面の実測図である。この図でも明らかな通り、Ａ断面に対してＢ断面の方が縦長に計測されているのがわかる。即ち、鉛直面に対して所定の角度（θ）傾けると、その角度に応じて鉛直面が１／ｃｏｓθ倍に拡大される。例えば、４５度傾けると、鉛直面の√２倍に拡大される。即ち、その分傾斜の感度が高くなったことになる。これにより、演算が容易となり処理速度を早くすることができる。
【００２１】
図７（ａ）はトンネルの内部に計測器を傾かせて設置した場合の測域センサユニットをトンネルの側面から見た図、図７（ｂ）は各側域センサから出力される断面形状を示す図、図７（ｃ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。
図７（ａ）は測域センサユニット４を鉛直に対して、ｙ軸を中心に時計回りにα＝１０度回転させて設置した状態を示す。図７（ｃ）はこのときの各側域センサから出力される断面形状を示し、Ｂ断面は測域センサユニット４が傾いていない場合（図６（ｃ）のＢ断面）よりもさらに縦長になる。このとき、ｈｂ´＝ｈａ／ｃｏｓαであり、ｈｂ´＝ｈａ／ｃｏｓ（α＋θ）となる。
図７（ｃ）は、計測対象物を図５の廊下にした場合のＡ断面とＢ断面の実測図である。この図でも明らかな通り、Ｂ断面が図６（ｃ）のＢ断面に対して更に縦長に計測されているのがわかる。
【００２２】
図８（ａ）はｘ軸を中心に反時計回りにα度回転している場合を示す図、図８（ｂ）は傾いていない場合のＡ断面とＢ断面を示す図、図８（ｃ）はｘ軸中心に反時計回りにα回転させた場合のＡ断面とＢ断面を示す図であり、図８（ｄ）は図８のように設置された状態で各側域センサから出力される断面形状を示す図である。図８（ｂ）と図８（ｃ）の関係のように、この場合、回転していない場合に対して、撮影される形状の幅が広くなる。このときの各高さにおける幅をｖｉと置くと、
ｖｉ´＝ｖｉ／ｃｏｓαとなる。各高さにおける幅の変化率（ｖｉ´／ｖｉ）を求め、これらを平均することで、傾きαを求めることができる。また、Ｂ断面は右側に傾いて測定されるので、視覚的にも判断できる。
【００２３】
図９（ａ）はｘ軸を中心に反時計回りにα度回転している場合を示す図、図９（ｂ）はこのときの各側域センサから出力される断面形状を示す図、図９（ｃ）は図５の廊下の断面を測定した例を示す図である。図９（ｂ）のように、地上を示すラインＬＲがα度傾いて測定される。
図９（ｃ）は、計測対象物を図５の廊下にした場合のＡ断面とＢ断面の実測図である。この図でも明らかな通り、Ａ断面とＢ断面が図６（ｃ）のＡ断面とＢ断面に対して地上を示すラインＬＲがα度傾いて計測されているのがわかる。
以上、本実施形態では管体としてトンネルを例に説明したが、トンネルに限らず、上下水管、廊下等の管体であれば本発明を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１ トンネル、２ レーザビーム、３ レーザビーム、４ 側域センサユニット、５ 車両、６ トンネル底面、７ 車輪、８ エンコーダ、９ ケーブル、１０ ＰＣ、１１ 側域センサ、１２ 側域センサ、１３ 傾斜角算出手段、１４ 演算手段、１５ モニタ、２０ 補正データ、２１ 計測データ、１００ 内面形状測定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体の内面形状を三次元的に計測する内面形状測定装置であって、
前記管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力する第１の測距データ検出手段と、
前記管体の内面に沿って前記鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力する第２の測距データ検出手段と、
前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を前記管体の軸方向に移動する移動手段と、
該移動手段により前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知する位置座標検知手段と、
前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出し、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記算出した傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を生成する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内面形状測定装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出する傾斜角算出手段と、
前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記傾斜角算出手段により算出された傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を演算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の内面形状測定装置。
【請求項３】
前記傾斜角算出手段は、予め前記管体の軸線との傾きがゼロのときの前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段により検出した測距データを基準値とし、該基準値に対する変化量に基づいて、前記移動手段と前記管体の軸線との傾きを算出することを特徴とする請求項２に記載の内面形状測定装置。
【請求項４】
前記所定の角度は、前記鉛直方向に対して４５度であることを特徴とする請求項１に記載の内面形状測定装置。
【請求項５】
前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段は、測域センサにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の内面形状測定装置。
【請求項６】
第１の測距データ検出手段、第２の測距データ検出手段、移動手段、位置座標検知手段、及び制御手段を備え、管体の内面形状を三次元的に計測する内面形状測定装置の内面形状測定方法であって、
前記第１の測距データ検出手段が前記管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力するステップと、
前記第２の測距データ検出手段が前記管体の内面に沿って前記鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力するステップと、
前記移動手段が前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を前記管体の軸方向に移動するステップと、
前記位置座標検知手段が前記移動手段により前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知するステップと、
前記制御手段が前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出し、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記算出した傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を生成するステップと、
を備えたことを特徴とする内面形状測定方法。
【請求項１】
管体の内面形状を三次元的に計測する内面形状測定装置であって、
前記管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力する第１の測距データ検出手段と、
前記管体の内面に沿って前記鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力する第２の測距データ検出手段と、
前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を前記管体の軸方向に移動する移動手段と、
該移動手段により前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知する位置座標検知手段と、
前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出し、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記算出した傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を生成する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内面形状測定装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出する傾斜角算出手段と、
前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記傾斜角算出手段により算出された傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を演算する演算手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の内面形状測定装置。
【請求項３】
前記傾斜角算出手段は、予め前記管体の軸線との傾きがゼロのときの前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段により検出した測距データを基準値とし、該基準値に対する変化量に基づいて、前記移動手段と前記管体の軸線との傾きを算出することを特徴とする請求項２に記載の内面形状測定装置。
【請求項４】
前記所定の角度は、前記鉛直方向に対して４５度であることを特徴とする請求項１に記載の内面形状測定装置。
【請求項５】
前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段は、測域センサにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の内面形状測定装置。
【請求項６】
第１の測距データ検出手段、第２の測距データ検出手段、移動手段、位置座標検知手段、及び制御手段を備え、管体の内面形状を三次元的に計測する内面形状測定装置の内面形状測定方法であって、
前記第１の測距データ検出手段が前記管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力するステップと、
前記第２の測距データ検出手段が前記管体の内面に沿って前記鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力するステップと、
前記移動手段が前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を前記管体の軸方向に移動するステップと、
前記位置座標検知手段が前記移動手段により前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知するステップと、
前記制御手段が前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出し、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記算出した傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を生成するステップと、
を備えたことを特徴とする内面形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２７８３（Ｐ２０１２−２７８３Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４０７２７（Ｐ２０１０−１４０７２７）
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【出願人】（５０４２２４１５３）国立大学法人 宮崎大学 (239)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【出願人】（５０４２２４１５３）国立大学法人 宮崎大学 (239)
【Ｆターム（参考）】
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