掘進機の測量システム
【課題】掘進時における掘進機１の位置及び掘進方向を、高い精度で計測可能とする。
【解決手段】予め掘進機１内の複数箇所にターゲット３１を設けると共に、掘進機１の後方の既設トンネル２内における所定箇所にディジタルカメラ３２を設置し、掘進機１内をターゲット３１と共に撮影し、その画像データを画像処理することによって、この画像におけるターゲットの位置座標を検出して初期値とする。次に、掘進機１による地中掘進開始後の所定のタイミングで、掘進距離計測手段によって掘進機１の掘進距離を計測すると共に、ディジタルカメラ３２で掘進機１内を前記ターゲット３１と共に撮影し、このときの画像から検出されたターゲット画像の間隔Ｐｎが、掘進距離計測値と前記初期値とから求められる座標間隔Ｐｍと等しければ、掘進機は直進しているものと判定し、Ｐｎ＜Ｐｍの場合は掘進方向が変化したものと判定し、かつＰｎ及びＰｍから掘進機１の偏向角度θを求める。
【解決手段】予め掘進機１内の複数箇所にターゲット３１を設けると共に、掘進機１の後方の既設トンネル２内における所定箇所にディジタルカメラ３２を設置し、掘進機１内をターゲット３１と共に撮影し、その画像データを画像処理することによって、この画像におけるターゲットの位置座標を検出して初期値とする。次に、掘進機１による地中掘進開始後の所定のタイミングで、掘進距離計測手段によって掘進機１の掘進距離を計測すると共に、ディジタルカメラ３２で掘進機１内を前記ターゲット３１と共に撮影し、このときの画像から検出されたターゲット画像の間隔Ｐｎが、掘進距離計測値と前記初期値とから求められる座標間隔Ｐｍと等しければ、掘進機は直進しているものと判定し、Ｐｎ＜Ｐｍの場合は掘進方向が変化したものと判定し、かつＰｎ及びＰｍから掘進機１の偏向角度θを求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中での掘進機の掘進位置及び掘進方向を測量するためのシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トンネルや、都市部の下水道、ガス管、電力や通信ケーブル用管、共同溝などをシールド工法等によって施工する場合、計画路線からの施工のずれを最小にするには、地中での掘進機の掘進位置及び方位を常時測量する必要がある。
【０００３】
従来、地中を掘進しているシールド掘進機の掘進位置及び掘進方向を測量するための技術としては、方位計測器及びピッチング計測器による計測データとシールドジャッキストローク計測器による計測データから計算値として求め、その変位データに基づいて掘進中の方向制御を行うことが知られている（例えば下記の特許文献参照）。
【特許文献１】特開平５−３２１５７７号公報
【０００４】
しかしながら、上述のような計算値によるシールド掘進機の測量データは、所定距離（例えば１０ｍ程度）だけ掘進した後でシールド掘進機を停止させ、光波測距儀を使用して光学測量を行うことにより得られる測量データとの較差を生じていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、掘進時における掘進機の位置及び掘進方向を、より高い精度で計測可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る掘進機の測量システムは、掘進機内の複数箇所に設けたターゲットと、前記掘進機の後方の既設トンネル内における所定箇所に設置されて前記掘進機内を前記ターゲットと共に撮影して画像信号を出力するカメラと、前記掘進機の掘進距離を計測する掘進距離計測手段と、前記画像信号を処理することにより前記ターゲットの画像を抽出してその位置座標を検出する画像処理手段と、前記ターゲット画像の位置座標の初期値及び任意の時点で前記掘進距離計測手段により計測された掘進距離から求められるターゲットの間隔Ｐｍ及び前記任意の時点で前記カメラにより撮影され前記画像処理手段において検出されたターゲット画像の間隔Ｐｎに基づいて次式（１）により前記掘進機の偏向角度θを求める演算処理手段と、からなるものである。
【数２】
【０００７】
すなわち、上記構成によれば、まず予め掘進機内の複数箇所にターゲットを設けると共に、掘進機の後方の既設トンネル内における所定箇所にカメラを設置し、前記掘進機内を前記ターゲットと共に撮影する。カメラからの画像信号は、画像処理手段で画像処理することによって、この画像におけるターゲットの位置座標を検出して初期値とする。
【０００８】
次に、掘進機による地中掘進開始後の所定のタイミングで、掘進距離計測手段によって掘進機の掘進距離を計測すると共に、カメラで前記掘進機内を前記ターゲットと共に撮影する。そして、このときの画像を画像処理することによって検出されたターゲット画像の間隔Ｐｎが、掘進距離計測手段によって計測された掘進距離と予め得られたターゲットの位置座標の初期値とから求められる座標間隔Ｐｍと等しければ、掘進機は直進しているものと把握することができ、Ｐｎ＜Ｐｍの場合は掘進方向が変化したものと把握することができ、上記式によって掘進機の偏向角度θを求めることができる。
【０００９】
請求項２の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、ターゲットが特定の輝度又は色調を有するものであり、撮影した画像データにおけるターゲットの位置座標が、画像処理により前記画像データから特定の輝度又は色調を抽出することにより求められる。
【００１０】
請求項３の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、ターゲットが、略水平方向及び略鉛直方向にそれぞれ複数設置される。このようにすれば、掘進機の水平方向及び俯仰方向への掘進方向の変化を検出することができる。
【００１１】
請求項４の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、ターゲットが、掘進機内の任意の部位又は部品から選択されたものである。すなわち、ターゲットは、カメラで撮影可能な固定物であって、かつカメラからの画像信号を画像処理することによって容易に抽出可能な色彩あるいは輝度を有するものであれば、必ずしもターゲットとしての専用部材でなくても良く、掘進機内の任意の部位又は部品を代用することができる。
【００１２】
請求項５の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、掘進距離計測手段が、掘進機を推進させるジャッキのストローク長さを計測するストロークセンサからなるものである。
【００１３】
請求項６の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、演算処理手段が、画像処理により抽出された各ターゲットの画像面積の差、又は各ターゲットの画像面積の初期値に対する面積変化率の差に基づいて、掘進機の偏向方向を判定可能としたものである。
【００１４】
請求項７の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、演算処理手段が、画像処理により抽出された任意のターゲット間の間隔と、他の任意のターゲット間の間隔との比率を、その初期値と比較することによって、掘進機の偏向方向を判定可能としたものである。
【００１５】
請求項８の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、演算処理手段が、画像上での掘進機の基準点の計画位置の座標と撮影された掘進機の基準点の座標との間の距離Ｌ２と、前記計画位置における掘進方向と、前記計画位置を通るカメラの光軸の方向から、計画路線に対する掘進機のずれ量Ｑを算出可能としたものである。このようにすれば、掘進機の掘進距離及び掘進方向に加えて、計画路線に対する掘進機のずれ量も計測できるので、掘進機を一層高い精度で制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１〜６の発明に係る掘進機の測量システムによれば、掘進機の掘進過程で、掘進距離の計測と、ターゲットを含む掘進機内の撮影を任意のタイミングで同期して行い、そのときの画像上におけるターゲットの間隔と、前記掘進距離の計測値及び画像上におけるターゲットの初期位置座標によって求められるターゲットの位置座標の間隔との差に基づいて、掘進機の掘進方向を、高い精度で計測することができ、このため、掘進機の運転を高い精度で制御して、計画路線からの施工のずれを最小に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る掘進機の測量システムの好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る掘進機の測量システムにおけるシールド掘進機とターゲット及びディジタルカメラとの関係を示す説明図、図２は、図１におけるII方向から見たターゲットの配置図、図３は、本発明に係る掘進機の測量システムの概略構成を示す説明図である。
【００１８】
まず図１において、参照符号１は、シールド工法によるトンネルの施工に用いられるシールド掘進機である。このシールド掘進機１は、円筒状の前部鋼殻１１１と、その後方に不図示の中折れ用油圧ジャッキを介して互いに角変位可能に連結された円筒状の後部鋼殻１１２とからなるシールドフレーム１１と、その先端に設けられ前面に地山を掘削する多数のカッタビットを有するカッタフェイス１２と、このカッタフェイス１２を回転駆動させる油圧モータ等からなるカッタ駆動装置１３と、カッタフェイス１２の背面に形成され掘削土砂（ズリ）が取り込まれるチャンバ１４と、このチャンバ１４内から前記掘削土砂を排出する排土管１５と、後部鋼殻１１２内で、覆工用セグメント２１を順次組み立てて円筒状の覆工体２を施工していくための不図示のエレクタと、円周方向に多数配置されて、既設覆工体２の先端を後方へ押し出すように動作することによって掘進方向への推力を得る推進用油圧ジャッキ１６と、シールドフレーム１１の後部鋼殻１１２の内周で、不図示のエレクタによって円弧状の複数の一次覆工用セグメント２１を環状に組み立てて地山Ｇの土圧に耐えるための覆工体２を施工する不図示のエレクタと、既に組み立てられた覆工体２の先端を後方へ押圧することによってその反力でシールド掘進機１を推進させる推進用油圧ジャッキ１６とを備える。
【００１９】
この実施の形態に係る掘進機の測量システムは、シールド掘進機１の後部内周に設置される複数のターゲット３１と、既設覆工体２の内周における所定の箇所に設置されて、シールド掘進機１内を前記ターゲット３１と共に撮像するディジタルカメラ３２とを備える。
【００２０】
ターゲット３１としては、例えば赤色光を発する発光ダイオードによる円形ターゲットが採用される。ディジタルカメラ３２は、請求項１に記載されたカメラに相当するもので、ＣＣＤ等の固体撮像素子によって、撮影した画像を少なくともＲ、Ｇ、Ｂの三色の画像信号として出力するものである。
【００２１】
更に、この実施の形態に係る掘進機の測量システムは、図３に示されるように、ストロークセンサ３３と、ディジタルカメラ３２からの画像信号を処理して赤の色調を識別することにより各ターゲット３１の画像を抽出してその座標を検出する画像処理部３４と、本システムによる処理を実行するためのアプリケーションプログラムに基づいて動作し、ターゲット３１の画像間の間隔や、各ターゲット３１の画像面積を、画素数から求めたり、掘進機の偏向角度を求めたりするといった各種の演算処理を行う演算処理部３５と、演算処理部３５による演算処理結果のデータや、前記アプリケーションプログラム等、種々のデータが蓄積されるメモリ３６と、画像や演算処理部３５による演算処理結果のデータを出力表示するモニタディスプレイ装置やプリンタ等の出力表示部３７を備える。このうち、画像処理部３４や、演算処理部３５及びメモリ３６等は、パーソナルコンピュータとして構成される。なお、既設覆工体２は、請求項１に記載された既設トンネルに相当するものである。
【００２２】
ストロークセンサ３３は、推進用油圧ジャッキ１６に装備されてその伸縮ストローク長さを計測することによって掘進機１の掘進距離を計測するものであり、請求項１に記載された掘進距離計測手段に相当する。
【００２３】
画像処理部３４は、ディジタルカメラ３２からの画像信号を処理して、特定階層のＲの画像信号を識別することによって各ターゲット３１の画像を抽出するものである。
【００２４】
以上のように構成された掘進機の測量システムによる測量においては、まず予め掘進機１の後部内周の複数箇所にターゲット３１を固定する。詳しくは、図２に示されるように、例えば略鉛直方向及び略水平方向（左右方向）に各一対、４個のターゲット３１（３１Ｒ，３１Ｌ，３１Ｔ，３１Ｂ）が互いに十字をなすように、すなわち時計の文字盤に例えると１２時、３時、６時及び９時の位置に、それぞれ適当な固定手段を介して固定される。
【００２５】
一方、既設覆工体２の内周における既知の所定箇所に、ディジタルカメラ３２を、その光軸を前方（シールド掘進機１側）へ向けて、全てのターゲット３１が視野に入るように設置し、掘進機１内をターゲット３１（３１Ｒ，３１Ｌ，３１Ｔ，３１Ｂ）と共に撮影する。
【００２６】
図４は、ディジタルカメラ３２によって掘進機１内をターゲット３１と共に撮影した初期画像を概略的に示す説明図、図５は、掘進開始後の所定のタイミングで撮影した画像を概略的に示す説明図、図６は、掘進機の偏向角度の算出原理を示す説明図である。
【００２７】
図４に示されるように、ディジタルカメラ３２によって撮影された画像データは、例えばＸ方向・Ｙ方向にそれぞれ３０００画素、すなわち９００万画素からなるものである。この画像データは、画像処理部３４で画像処理され、赤の色調（Ｒ信号）を識別することによって、各ターゲット３１Ｒ，３１Ｌ，３１Ｔ，３１Ｂの画像を抽出する。
【００２８】
ここで、図４に示される初期画像データにおいて、例えば右側のターゲット３１Ｒの中心位置座標を（Ｘ１，Ｙ１）とし、左側のターゲット３１Ｌの中心位置座標を（Ｘ２，Ｙ２）とすると、両ターゲット３１Ｒ，３１Ｌの中心位置座標間の間隔Ｐ０は、
【数３】
である。そしてこれらのデータは、初期値としてメモリ３６に蓄積される。
【００２９】
次に、シールド掘進機１による地中掘進を開始する。この掘進においては、シールドフレーム１１の前部鋼殻１１１の先端で、カッタフェイス１２を回転させることによって地山Ｇを掘削し、発生する掘削土砂（ズリとも呼ばれる）を、カッタフェイス１２に形成されたスリットからその背面のチャンバ１４内に取り込むと共に、このチャンバ１４に不図示の給水管を介して泥水などを加圧供給し、これによってカッタフェイス１２の背圧を、地山Ｇの地下水圧とバランスする加圧状態に保持し、前面の泥土の噴発を防止しながら、掘削土砂の取り込みに伴い、排土管１５を介して連続的に排出するようになっている。
【００３０】
一方、シールドフレーム１１の後部鋼殻１１２の内周では、不図示のエレクタによって円弧状の複数の一次覆工用セグメント２１を環状に組み立てて、掘削された坑内壁に、地山Ｇの土圧に耐えるための覆工体２を施工すると共に、既に組み立てられた既設覆工体２の先端に推進用油圧ジャッキ１６を当てて後方へ押圧し、その反力で、シールド掘進機１を、上述のカッタフェイス１２による掘削を伴いながら推進させるようになっている。
【００３１】
シールド掘進機１による地中掘進が開始されると、ディジタルカメラ３２による撮影と、ストロークセンサ３３による推進用油圧ジャッキ１６のストローク長さの計測による掘進距離の計測が、所定時間経過毎に同期して行われる。そして掘進の進捗と共に、シールド掘進機１及びこれに取り付けられたターゲット３１がディジタルカメラ３２の設置位置から遠ざかって行くため、掘進開始後に撮影された画像データは、図４に示される初期画像データに比較して、シールド掘進機１及びターゲット３１の撮像が掘進距離に反比例して小さくなる。
【００３２】
ここで図５に示されるように、掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像データにおいて、例えば右側のターゲット３１Ｒの中心位置座標を（Ｘ１１，Ｙ１１）とし、左側のターゲット３１Ｌの中心位置座標を（Ｘ１２，Ｙ１２）とすると、この場合、両ターゲット３１Ｒ，３１Ｌの中心位置座標間の間隔Ｐｎは、
【数４】
である。
【００３３】
そして、シールド掘進機１が直進していれば、Ｐｎの大きさは、ストロークセンサ３３により計測される初期位置からの掘進距離Ｌと、図４に示される初期画像データにおける両ターゲット３１Ｒ，３１Ｌの中心位置座標間の間隔Ｐ０とによって求められる両ターゲット３１Ｒ，３１Ｌの中心位置座標間の間隔Ｐｍと等しくなるはずであり、図６に示されるように、もし掘進方向が変化した場合は、Ｐｎ＜Ｐｍとなる。そして、その場合のシールド掘進機１の偏向角度θは、次式（１）により求められる。
【数５】
【００３４】
また、画像処理により抽出された各ターゲット３１の画像面積は、その画素数をカウントすることによって求められる。そして、ディジタルカメラ３２を、各ターゲット３１から等距離となる位置に設置した場合は、図４に示される初期画像における各ターゲット３１の画像面積は互いに等しく、その後、シールド掘進機１が直進した場合は、図５に示される掘進開始後の画像における各ターゲット３１の画像面積も互いに等しいものとなるが、もし掘進方向が変化した場合は、各ターゲット３１の画像面積が互いに異なるものとなる。具体的には、図６に示されるように、もしシールド掘進機１が右へ偏向している場合は、右側のターゲット３１Ｒの画像面積が、左側のターゲット３１Ｌの画像面積より大きくなる。
【００３５】
したがって、演算処理部３５は、各ターゲット３１の撮像の画素数から求められる画像面積を比較することで、シールド掘進機１の偏向方向を判定することができる。
【００３６】
これに対し、ディジタルカメラ３２を、とくに各ターゲット３１から等距離となる位置に設置しない場合は、図４に示される初期画像における各ターゲット３１の画像面積は互いに異なるものとなるため、検出された各ターゲット３１の画像面積を初期値としてメモリ３６に登録しておく。その後、シールド掘進機１が直進した場合は、図５に示される掘進開始後の画像における各ターゲット３１の画像面積は初期値に対する変化率が互いに等しいものとなるが、もし掘進方向が変化した場合は、各ターゲット３１の画像面積は初期値に対する変化率が異なるものとなる。具体的には、図６に示されるように、もしシールド掘進機１が右へ偏向した場合は、画像面積の初期値に対する変化率は、右側のターゲット３１Ｒよりも左側のターゲット３１Ｌのほうが大きくなる。
【００３７】
したがって、演算処理部３５は、各ターゲット３１の撮像の画素数から求められる画像面積の変化率を比較することで、シールド掘進機１の偏向方向を判定することができる。
【００３８】
なお、上述の説明では、シールド掘進機１の左右への偏向についてのみ言及しているが、上下方向への偏向方向や偏向角度についても、上側のターゲット３１Ｔと、下側のターゲット３１Ｂから、上述と同様にして求められる。
【００３９】
また、上述の説明は、直線トンネルを前提としたものであるが、本発明は、曲線トンネルの施工にも実施することができる。
【００４０】
この場合は、まず工学測量により、もしくは絶対位置がわかっているシールド掘進機１を撮影して画像から逆算することによって、ディジタルカメラ３２の絶対位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ)と、絶対撮影方向（ｅＸ，ｅＹ，ｅＺ)を算出し、これを初期値とする。次に、ディジタルカメラ３２を固定する際に、画像上におけるターゲット３１又はシールド掘進機１の一部分の位置座標を、シールド掘進機１の推進位置ごとに計画位置としてシミュレートする。そして、このシミュレーション結果と、実際の画像を比較することによって、シールド掘進機１の実際の掘進位置を算出することができる。
【００４１】
図７は、曲線トンネルの計画路線に対するシールド掘進機１のずれ量の算出原理を示す説明図である。この図７において、曲線Ａはトンネルの計画路線の基準線、すなわちシールド掘進機１の基準点（例えばシールドフレーム１１の後端の中心点）の、設計上の移動軌跡（以下、単に計画路線という）であり、計画路線Ａからのシールド掘進機１のずれ量Ｑは、このシールド掘進機１の基準点Ｏ１から計画路線Ａへ向けて引いた垂線Ｌ１の長さに相当し、この垂線Ｌ１と計画路線Ａとの交点Ｏ２が、シールド掘進機１の基準点Ｏ１が本来存在すべき計画位置である。また、ディジタルカメラ３２による画像上では、ずれ量Ｑは、先に説明した図５に示されるように、シールド掘進機１の基準点Ｏ１の座標（Ｘ２１，Ｙ２１）と計画位置Ｏ２の座標（Ｘ２２，Ｙ２２）との間の距離Ｌ２として表れる。なお、この座標間距離Ｌ２は、座標（Ｘ２１，Ｙ２１）と（Ｘ２２，Ｙ２２）から、先に説明したＰ０あるいはＰｎと同様にして求められる。
【００４２】
そして、図７に示されるように、計画位置Ｏ２におけるシールド掘進機１の掘進方向と、シールド掘進機１の計画位置Ｏ２を通るディジタルカメラ３２の光軸Ｖの方向から、垂線Ｌ１と光軸Ｖとの角度αがわかるので、ずれ量Ｑは、次式（２）により求めることができる。
【数６】
【００４３】
また、演算処理部３５は、演算結果をジャッキ駆動制御部３８に出力し、このジャッキ駆動制御部３８を介して、図１に示される推進用油圧ジャッキ１６の駆動を制御することができる。すなわち、上述のようにして求められたシールド掘進機１の偏向方向及び偏向角度θ、ずれ量Ｑから、掘進方向を補正するための各推進用油圧ジャッキ１６のストローク量を算出し、その制御値をジャッキ駆動制御部３８に出力することによって、掘進方向をリアルタイムで制御し、計画路線からの施工のずれを最小に抑えることができる。
【００４４】
また、ターゲット３１は、必ずしも上述したような赤色発光ダイオードによる専用部材でなくても良く、ディジタルカメラで撮影可能な固定物であって、かつ画像処理によって容易に抽出可能なものであれば、シールド掘進機１内の任意の部位を着色したり、又は特定の色彩や明度を有する部品を、ターゲットとして代用しても良い。
【００４５】
また、図８は、ターゲットを図２と異なる配置とした場合の初期画像を概略的に示す説明図、図９は、同じく掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像を概略的に示す説明図である。
【００４６】
すなわち、ターゲット３１は、図２のような配置例に限らず、図８に示されるように、例えば、一辺が略水平な正方形（又は長方形）の各頂点に位置するように配置しても良い。そしてこの場合も、図８に示される初期画像におけるターゲット３１の中心位置座標間の間隔Ｐ０及びストロークセンサ３３により計測される初期位置からの掘進距離Ｌにより求められる計算上の間隔Ｐｍと、図９に示される掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像におけるターゲット３１の中心位置座標間の間隔Ｐｎ（ＰｎＲ，ＰｎＬ，ＰｎＴ，又はＰｎＢ）とから、先に説明した式（１）によって、シールド掘進機１の偏向角度θを求めることができる。
【００４７】
また、図９に示される掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像における右上のターゲット３１ＲＵ、左上のターゲット３１ＬＵ、右下のターゲット３１ＲＬ、左下のターゲット３１ＬＬの中心位置座標間の間隔Ｐｎ（ＰｎＲ，ＰｎＬ，ＰｎＴ，ＰｎＢ）の互いの比率は、初期位置からシールド掘進機１が直進した場合は初期画像での比率と等しくなるが、もし掘進方向が変化した場合は、前記比率が変化する。具体的には、もし例えばシールド掘進機１が右へ偏向した場合は、図９に示されるように、右上のターゲット３１ＲＵと右下のターゲット３１ＲＬとの中心位置座標間の間隔ＰｎＲは、左上のターゲット３１ＬＵと左下のターゲット３１ＬＬとの中心位置座標間の間隔ＰｎＬよりも相対的に大きくなる。同様に、シールド掘進機１が上下に偏向した場合は、右上のターゲット３１ＲＵと左上のターゲット３１ＬＵとの中心位置座標間の間隔ＰｎＴと、右下のターゲット３１ＲＬと左下のターゲット３１ＬＬとの中心位置座標間の間隔ＰｎＢとの比率が変化する。
【００４８】
したがって、演算処理部３５は、各ターゲット３１の撮像の中心位置座標間の間隔を比較することで、シールド掘進機１の偏向方向を判定することができる。またこの場合、ターゲット３１の画像面積を求める必要がないから、ターゲット３１は、比較的小さなものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る掘進機の測量システムの好ましい形態におけるシールド掘進機とターゲット及びディジタルカメラとの関係を示す説明図である。
【図２】図１におけるII方向から見たターゲットの配置図である。
【図３】本発明に係る掘進機の測量システムの好ましい形態を示す概略構成説明図である。
【図４】初期画像を概略的に示す説明図である。
【図５】掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像を概略的に示す説明図である。
【図６】掘進機の偏向角度の算出原理を示す説明図である。
【図７】計画路線に対する掘進機のずれ量の算出原理を示す説明図である。
【図８】ターゲットを図２と異なる配置とした場合の初期画像を概略的に示す説明図である。
【図９】ターゲットを図２と異なる配置とした場合の、掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ シールド掘進機
１６ 推進用油圧ジャッキ
２ 覆工体（既設トンネル）
３１（３１Ｒ，３１Ｌ，３１Ｔ，３１Ｂ） ターゲット
３２ ディジタルカメラ（カメラ）
３３ ストロークセンサ（掘進距離計測手段）
３４ 画像処理部
３５ 演算処理部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中での掘進機の掘進位置及び掘進方向を測量するためのシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トンネルや、都市部の下水道、ガス管、電力や通信ケーブル用管、共同溝などをシールド工法等によって施工する場合、計画路線からの施工のずれを最小にするには、地中での掘進機の掘進位置及び方位を常時測量する必要がある。
【０００３】
従来、地中を掘進しているシールド掘進機の掘進位置及び掘進方向を測量するための技術としては、方位計測器及びピッチング計測器による計測データとシールドジャッキストローク計測器による計測データから計算値として求め、その変位データに基づいて掘進中の方向制御を行うことが知られている（例えば下記の特許文献参照）。
【特許文献１】特開平５−３２１５７７号公報
【０００４】
しかしながら、上述のような計算値によるシールド掘進機の測量データは、所定距離（例えば１０ｍ程度）だけ掘進した後でシールド掘進機を停止させ、光波測距儀を使用して光学測量を行うことにより得られる測量データとの較差を生じていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、掘進時における掘進機の位置及び掘進方向を、より高い精度で計測可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る掘進機の測量システムは、掘進機内の複数箇所に設けたターゲットと、前記掘進機の後方の既設トンネル内における所定箇所に設置されて前記掘進機内を前記ターゲットと共に撮影して画像信号を出力するカメラと、前記掘進機の掘進距離を計測する掘進距離計測手段と、前記画像信号を処理することにより前記ターゲットの画像を抽出してその位置座標を検出する画像処理手段と、前記ターゲット画像の位置座標の初期値及び任意の時点で前記掘進距離計測手段により計測された掘進距離から求められるターゲットの間隔Ｐｍ及び前記任意の時点で前記カメラにより撮影され前記画像処理手段において検出されたターゲット画像の間隔Ｐｎに基づいて次式（１）により前記掘進機の偏向角度θを求める演算処理手段と、からなるものである。
【数２】
【０００７】
すなわち、上記構成によれば、まず予め掘進機内の複数箇所にターゲットを設けると共に、掘進機の後方の既設トンネル内における所定箇所にカメラを設置し、前記掘進機内を前記ターゲットと共に撮影する。カメラからの画像信号は、画像処理手段で画像処理することによって、この画像におけるターゲットの位置座標を検出して初期値とする。
【０００８】
次に、掘進機による地中掘進開始後の所定のタイミングで、掘進距離計測手段によって掘進機の掘進距離を計測すると共に、カメラで前記掘進機内を前記ターゲットと共に撮影する。そして、このときの画像を画像処理することによって検出されたターゲット画像の間隔Ｐｎが、掘進距離計測手段によって計測された掘進距離と予め得られたターゲットの位置座標の初期値とから求められる座標間隔Ｐｍと等しければ、掘進機は直進しているものと把握することができ、Ｐｎ＜Ｐｍの場合は掘進方向が変化したものと把握することができ、上記式によって掘進機の偏向角度θを求めることができる。
【０００９】
請求項２の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、ターゲットが特定の輝度又は色調を有するものであり、撮影した画像データにおけるターゲットの位置座標が、画像処理により前記画像データから特定の輝度又は色調を抽出することにより求められる。
【００１０】
請求項３の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、ターゲットが、略水平方向及び略鉛直方向にそれぞれ複数設置される。このようにすれば、掘進機の水平方向及び俯仰方向への掘進方向の変化を検出することができる。
【００１１】
請求項４の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、ターゲットが、掘進機内の任意の部位又は部品から選択されたものである。すなわち、ターゲットは、カメラで撮影可能な固定物であって、かつカメラからの画像信号を画像処理することによって容易に抽出可能な色彩あるいは輝度を有するものであれば、必ずしもターゲットとしての専用部材でなくても良く、掘進機内の任意の部位又は部品を代用することができる。
【００１２】
請求項５の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、掘進距離計測手段が、掘進機を推進させるジャッキのストローク長さを計測するストロークセンサからなるものである。
【００１３】
請求項６の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、演算処理手段が、画像処理により抽出された各ターゲットの画像面積の差、又は各ターゲットの画像面積の初期値に対する面積変化率の差に基づいて、掘進機の偏向方向を判定可能としたものである。
【００１４】
請求項７の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、演算処理手段が、画像処理により抽出された任意のターゲット間の間隔と、他の任意のターゲット間の間隔との比率を、その初期値と比較することによって、掘進機の偏向方向を判定可能としたものである。
【００１５】
請求項８の発明に係る掘進機の測量システムは、請求項１の構成において、演算処理手段が、画像上での掘進機の基準点の計画位置の座標と撮影された掘進機の基準点の座標との間の距離Ｌ２と、前記計画位置における掘進方向と、前記計画位置を通るカメラの光軸の方向から、計画路線に対する掘進機のずれ量Ｑを算出可能としたものである。このようにすれば、掘進機の掘進距離及び掘進方向に加えて、計画路線に対する掘進機のずれ量も計測できるので、掘進機を一層高い精度で制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１〜６の発明に係る掘進機の測量システムによれば、掘進機の掘進過程で、掘進距離の計測と、ターゲットを含む掘進機内の撮影を任意のタイミングで同期して行い、そのときの画像上におけるターゲットの間隔と、前記掘進距離の計測値及び画像上におけるターゲットの初期位置座標によって求められるターゲットの位置座標の間隔との差に基づいて、掘進機の掘進方向を、高い精度で計測することができ、このため、掘進機の運転を高い精度で制御して、計画路線からの施工のずれを最小に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る掘進機の測量システムの好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る掘進機の測量システムにおけるシールド掘進機とターゲット及びディジタルカメラとの関係を示す説明図、図２は、図１におけるII方向から見たターゲットの配置図、図３は、本発明に係る掘進機の測量システムの概略構成を示す説明図である。
【００１８】
まず図１において、参照符号１は、シールド工法によるトンネルの施工に用いられるシールド掘進機である。このシールド掘進機１は、円筒状の前部鋼殻１１１と、その後方に不図示の中折れ用油圧ジャッキを介して互いに角変位可能に連結された円筒状の後部鋼殻１１２とからなるシールドフレーム１１と、その先端に設けられ前面に地山を掘削する多数のカッタビットを有するカッタフェイス１２と、このカッタフェイス１２を回転駆動させる油圧モータ等からなるカッタ駆動装置１３と、カッタフェイス１２の背面に形成され掘削土砂（ズリ）が取り込まれるチャンバ１４と、このチャンバ１４内から前記掘削土砂を排出する排土管１５と、後部鋼殻１１２内で、覆工用セグメント２１を順次組み立てて円筒状の覆工体２を施工していくための不図示のエレクタと、円周方向に多数配置されて、既設覆工体２の先端を後方へ押し出すように動作することによって掘進方向への推力を得る推進用油圧ジャッキ１６と、シールドフレーム１１の後部鋼殻１１２の内周で、不図示のエレクタによって円弧状の複数の一次覆工用セグメント２１を環状に組み立てて地山Ｇの土圧に耐えるための覆工体２を施工する不図示のエレクタと、既に組み立てられた覆工体２の先端を後方へ押圧することによってその反力でシールド掘進機１を推進させる推進用油圧ジャッキ１６とを備える。
【００１９】
この実施の形態に係る掘進機の測量システムは、シールド掘進機１の後部内周に設置される複数のターゲット３１と、既設覆工体２の内周における所定の箇所に設置されて、シールド掘進機１内を前記ターゲット３１と共に撮像するディジタルカメラ３２とを備える。
【００２０】
ターゲット３１としては、例えば赤色光を発する発光ダイオードによる円形ターゲットが採用される。ディジタルカメラ３２は、請求項１に記載されたカメラに相当するもので、ＣＣＤ等の固体撮像素子によって、撮影した画像を少なくともＲ、Ｇ、Ｂの三色の画像信号として出力するものである。
【００２１】
更に、この実施の形態に係る掘進機の測量システムは、図３に示されるように、ストロークセンサ３３と、ディジタルカメラ３２からの画像信号を処理して赤の色調を識別することにより各ターゲット３１の画像を抽出してその座標を検出する画像処理部３４と、本システムによる処理を実行するためのアプリケーションプログラムに基づいて動作し、ターゲット３１の画像間の間隔や、各ターゲット３１の画像面積を、画素数から求めたり、掘進機の偏向角度を求めたりするといった各種の演算処理を行う演算処理部３５と、演算処理部３５による演算処理結果のデータや、前記アプリケーションプログラム等、種々のデータが蓄積されるメモリ３６と、画像や演算処理部３５による演算処理結果のデータを出力表示するモニタディスプレイ装置やプリンタ等の出力表示部３７を備える。このうち、画像処理部３４や、演算処理部３５及びメモリ３６等は、パーソナルコンピュータとして構成される。なお、既設覆工体２は、請求項１に記載された既設トンネルに相当するものである。
【００２２】
ストロークセンサ３３は、推進用油圧ジャッキ１６に装備されてその伸縮ストローク長さを計測することによって掘進機１の掘進距離を計測するものであり、請求項１に記載された掘進距離計測手段に相当する。
【００２３】
画像処理部３４は、ディジタルカメラ３２からの画像信号を処理して、特定階層のＲの画像信号を識別することによって各ターゲット３１の画像を抽出するものである。
【００２４】
以上のように構成された掘進機の測量システムによる測量においては、まず予め掘進機１の後部内周の複数箇所にターゲット３１を固定する。詳しくは、図２に示されるように、例えば略鉛直方向及び略水平方向（左右方向）に各一対、４個のターゲット３１（３１Ｒ，３１Ｌ，３１Ｔ，３１Ｂ）が互いに十字をなすように、すなわち時計の文字盤に例えると１２時、３時、６時及び９時の位置に、それぞれ適当な固定手段を介して固定される。
【００２５】
一方、既設覆工体２の内周における既知の所定箇所に、ディジタルカメラ３２を、その光軸を前方（シールド掘進機１側）へ向けて、全てのターゲット３１が視野に入るように設置し、掘進機１内をターゲット３１（３１Ｒ，３１Ｌ，３１Ｔ，３１Ｂ）と共に撮影する。
【００２６】
図４は、ディジタルカメラ３２によって掘進機１内をターゲット３１と共に撮影した初期画像を概略的に示す説明図、図５は、掘進開始後の所定のタイミングで撮影した画像を概略的に示す説明図、図６は、掘進機の偏向角度の算出原理を示す説明図である。
【００２７】
図４に示されるように、ディジタルカメラ３２によって撮影された画像データは、例えばＸ方向・Ｙ方向にそれぞれ３０００画素、すなわち９００万画素からなるものである。この画像データは、画像処理部３４で画像処理され、赤の色調（Ｒ信号）を識別することによって、各ターゲット３１Ｒ，３１Ｌ，３１Ｔ，３１Ｂの画像を抽出する。
【００２８】
ここで、図４に示される初期画像データにおいて、例えば右側のターゲット３１Ｒの中心位置座標を（Ｘ１，Ｙ１）とし、左側のターゲット３１Ｌの中心位置座標を（Ｘ２，Ｙ２）とすると、両ターゲット３１Ｒ，３１Ｌの中心位置座標間の間隔Ｐ０は、
【数３】
である。そしてこれらのデータは、初期値としてメモリ３６に蓄積される。
【００２９】
次に、シールド掘進機１による地中掘進を開始する。この掘進においては、シールドフレーム１１の前部鋼殻１１１の先端で、カッタフェイス１２を回転させることによって地山Ｇを掘削し、発生する掘削土砂（ズリとも呼ばれる）を、カッタフェイス１２に形成されたスリットからその背面のチャンバ１４内に取り込むと共に、このチャンバ１４に不図示の給水管を介して泥水などを加圧供給し、これによってカッタフェイス１２の背圧を、地山Ｇの地下水圧とバランスする加圧状態に保持し、前面の泥土の噴発を防止しながら、掘削土砂の取り込みに伴い、排土管１５を介して連続的に排出するようになっている。
【００３０】
一方、シールドフレーム１１の後部鋼殻１１２の内周では、不図示のエレクタによって円弧状の複数の一次覆工用セグメント２１を環状に組み立てて、掘削された坑内壁に、地山Ｇの土圧に耐えるための覆工体２を施工すると共に、既に組み立てられた既設覆工体２の先端に推進用油圧ジャッキ１６を当てて後方へ押圧し、その反力で、シールド掘進機１を、上述のカッタフェイス１２による掘削を伴いながら推進させるようになっている。
【００３１】
シールド掘進機１による地中掘進が開始されると、ディジタルカメラ３２による撮影と、ストロークセンサ３３による推進用油圧ジャッキ１６のストローク長さの計測による掘進距離の計測が、所定時間経過毎に同期して行われる。そして掘進の進捗と共に、シールド掘進機１及びこれに取り付けられたターゲット３１がディジタルカメラ３２の設置位置から遠ざかって行くため、掘進開始後に撮影された画像データは、図４に示される初期画像データに比較して、シールド掘進機１及びターゲット３１の撮像が掘進距離に反比例して小さくなる。
【００３２】
ここで図５に示されるように、掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像データにおいて、例えば右側のターゲット３１Ｒの中心位置座標を（Ｘ１１，Ｙ１１）とし、左側のターゲット３１Ｌの中心位置座標を（Ｘ１２，Ｙ１２）とすると、この場合、両ターゲット３１Ｒ，３１Ｌの中心位置座標間の間隔Ｐｎは、
【数４】
である。
【００３３】
そして、シールド掘進機１が直進していれば、Ｐｎの大きさは、ストロークセンサ３３により計測される初期位置からの掘進距離Ｌと、図４に示される初期画像データにおける両ターゲット３１Ｒ，３１Ｌの中心位置座標間の間隔Ｐ０とによって求められる両ターゲット３１Ｒ，３１Ｌの中心位置座標間の間隔Ｐｍと等しくなるはずであり、図６に示されるように、もし掘進方向が変化した場合は、Ｐｎ＜Ｐｍとなる。そして、その場合のシールド掘進機１の偏向角度θは、次式（１）により求められる。
【数５】
【００３４】
また、画像処理により抽出された各ターゲット３１の画像面積は、その画素数をカウントすることによって求められる。そして、ディジタルカメラ３２を、各ターゲット３１から等距離となる位置に設置した場合は、図４に示される初期画像における各ターゲット３１の画像面積は互いに等しく、その後、シールド掘進機１が直進した場合は、図５に示される掘進開始後の画像における各ターゲット３１の画像面積も互いに等しいものとなるが、もし掘進方向が変化した場合は、各ターゲット３１の画像面積が互いに異なるものとなる。具体的には、図６に示されるように、もしシールド掘進機１が右へ偏向している場合は、右側のターゲット３１Ｒの画像面積が、左側のターゲット３１Ｌの画像面積より大きくなる。
【００３５】
したがって、演算処理部３５は、各ターゲット３１の撮像の画素数から求められる画像面積を比較することで、シールド掘進機１の偏向方向を判定することができる。
【００３６】
これに対し、ディジタルカメラ３２を、とくに各ターゲット３１から等距離となる位置に設置しない場合は、図４に示される初期画像における各ターゲット３１の画像面積は互いに異なるものとなるため、検出された各ターゲット３１の画像面積を初期値としてメモリ３６に登録しておく。その後、シールド掘進機１が直進した場合は、図５に示される掘進開始後の画像における各ターゲット３１の画像面積は初期値に対する変化率が互いに等しいものとなるが、もし掘進方向が変化した場合は、各ターゲット３１の画像面積は初期値に対する変化率が異なるものとなる。具体的には、図６に示されるように、もしシールド掘進機１が右へ偏向した場合は、画像面積の初期値に対する変化率は、右側のターゲット３１Ｒよりも左側のターゲット３１Ｌのほうが大きくなる。
【００３７】
したがって、演算処理部３５は、各ターゲット３１の撮像の画素数から求められる画像面積の変化率を比較することで、シールド掘進機１の偏向方向を判定することができる。
【００３８】
なお、上述の説明では、シールド掘進機１の左右への偏向についてのみ言及しているが、上下方向への偏向方向や偏向角度についても、上側のターゲット３１Ｔと、下側のターゲット３１Ｂから、上述と同様にして求められる。
【００３９】
また、上述の説明は、直線トンネルを前提としたものであるが、本発明は、曲線トンネルの施工にも実施することができる。
【００４０】
この場合は、まず工学測量により、もしくは絶対位置がわかっているシールド掘進機１を撮影して画像から逆算することによって、ディジタルカメラ３２の絶対位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ)と、絶対撮影方向（ｅＸ，ｅＹ，ｅＺ)を算出し、これを初期値とする。次に、ディジタルカメラ３２を固定する際に、画像上におけるターゲット３１又はシールド掘進機１の一部分の位置座標を、シールド掘進機１の推進位置ごとに計画位置としてシミュレートする。そして、このシミュレーション結果と、実際の画像を比較することによって、シールド掘進機１の実際の掘進位置を算出することができる。
【００４１】
図７は、曲線トンネルの計画路線に対するシールド掘進機１のずれ量の算出原理を示す説明図である。この図７において、曲線Ａはトンネルの計画路線の基準線、すなわちシールド掘進機１の基準点（例えばシールドフレーム１１の後端の中心点）の、設計上の移動軌跡（以下、単に計画路線という）であり、計画路線Ａからのシールド掘進機１のずれ量Ｑは、このシールド掘進機１の基準点Ｏ１から計画路線Ａへ向けて引いた垂線Ｌ１の長さに相当し、この垂線Ｌ１と計画路線Ａとの交点Ｏ２が、シールド掘進機１の基準点Ｏ１が本来存在すべき計画位置である。また、ディジタルカメラ３２による画像上では、ずれ量Ｑは、先に説明した図５に示されるように、シールド掘進機１の基準点Ｏ１の座標（Ｘ２１，Ｙ２１）と計画位置Ｏ２の座標（Ｘ２２，Ｙ２２）との間の距離Ｌ２として表れる。なお、この座標間距離Ｌ２は、座標（Ｘ２１，Ｙ２１）と（Ｘ２２，Ｙ２２）から、先に説明したＰ０あるいはＰｎと同様にして求められる。
【００４２】
そして、図７に示されるように、計画位置Ｏ２におけるシールド掘進機１の掘進方向と、シールド掘進機１の計画位置Ｏ２を通るディジタルカメラ３２の光軸Ｖの方向から、垂線Ｌ１と光軸Ｖとの角度αがわかるので、ずれ量Ｑは、次式（２）により求めることができる。
【数６】
【００４３】
また、演算処理部３５は、演算結果をジャッキ駆動制御部３８に出力し、このジャッキ駆動制御部３８を介して、図１に示される推進用油圧ジャッキ１６の駆動を制御することができる。すなわち、上述のようにして求められたシールド掘進機１の偏向方向及び偏向角度θ、ずれ量Ｑから、掘進方向を補正するための各推進用油圧ジャッキ１６のストローク量を算出し、その制御値をジャッキ駆動制御部３８に出力することによって、掘進方向をリアルタイムで制御し、計画路線からの施工のずれを最小に抑えることができる。
【００４４】
また、ターゲット３１は、必ずしも上述したような赤色発光ダイオードによる専用部材でなくても良く、ディジタルカメラで撮影可能な固定物であって、かつ画像処理によって容易に抽出可能なものであれば、シールド掘進機１内の任意の部位を着色したり、又は特定の色彩や明度を有する部品を、ターゲットとして代用しても良い。
【００４５】
また、図８は、ターゲットを図２と異なる配置とした場合の初期画像を概略的に示す説明図、図９は、同じく掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像を概略的に示す説明図である。
【００４６】
すなわち、ターゲット３１は、図２のような配置例に限らず、図８に示されるように、例えば、一辺が略水平な正方形（又は長方形）の各頂点に位置するように配置しても良い。そしてこの場合も、図８に示される初期画像におけるターゲット３１の中心位置座標間の間隔Ｐ０及びストロークセンサ３３により計測される初期位置からの掘進距離Ｌにより求められる計算上の間隔Ｐｍと、図９に示される掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像におけるターゲット３１の中心位置座標間の間隔Ｐｎ（ＰｎＲ，ＰｎＬ，ＰｎＴ，又はＰｎＢ）とから、先に説明した式（１）によって、シールド掘進機１の偏向角度θを求めることができる。
【００４７】
また、図９に示される掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像における右上のターゲット３１ＲＵ、左上のターゲット３１ＬＵ、右下のターゲット３１ＲＬ、左下のターゲット３１ＬＬの中心位置座標間の間隔Ｐｎ（ＰｎＲ，ＰｎＬ，ＰｎＴ，ＰｎＢ）の互いの比率は、初期位置からシールド掘進機１が直進した場合は初期画像での比率と等しくなるが、もし掘進方向が変化した場合は、前記比率が変化する。具体的には、もし例えばシールド掘進機１が右へ偏向した場合は、図９に示されるように、右上のターゲット３１ＲＵと右下のターゲット３１ＲＬとの中心位置座標間の間隔ＰｎＲは、左上のターゲット３１ＬＵと左下のターゲット３１ＬＬとの中心位置座標間の間隔ＰｎＬよりも相対的に大きくなる。同様に、シールド掘進機１が上下に偏向した場合は、右上のターゲット３１ＲＵと左上のターゲット３１ＬＵとの中心位置座標間の間隔ＰｎＴと、右下のターゲット３１ＲＬと左下のターゲット３１ＬＬとの中心位置座標間の間隔ＰｎＢとの比率が変化する。
【００４８】
したがって、演算処理部３５は、各ターゲット３１の撮像の中心位置座標間の間隔を比較することで、シールド掘進機１の偏向方向を判定することができる。またこの場合、ターゲット３１の画像面積を求める必要がないから、ターゲット３１は、比較的小さなものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る掘進機の測量システムの好ましい形態におけるシールド掘進機とターゲット及びディジタルカメラとの関係を示す説明図である。
【図２】図１におけるII方向から見たターゲットの配置図である。
【図３】本発明に係る掘進機の測量システムの好ましい形態を示す概略構成説明図である。
【図４】初期画像を概略的に示す説明図である。
【図５】掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像を概略的に示す説明図である。
【図６】掘進機の偏向角度の算出原理を示す説明図である。
【図７】計画路線に対する掘進機のずれ量の算出原理を示す説明図である。
【図８】ターゲットを図２と異なる配置とした場合の初期画像を概略的に示す説明図である。
【図９】ターゲットを図２と異なる配置とした場合の、掘進開始後の所定のタイミングで撮影された画像を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ シールド掘進機
１６ 推進用油圧ジャッキ
２ 覆工体（既設トンネル）
３１（３１Ｒ，３１Ｌ，３１Ｔ，３１Ｂ） ターゲット
３２ ディジタルカメラ（カメラ）
３３ ストロークセンサ（掘進距離計測手段）
３４ 画像処理部
３５ 演算処理部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘進機内の複数箇所に設けたターゲットと、前記掘進機の後方の既設トンネル内における所定箇所に設置されて前記掘進機内を前記ターゲットと共に撮影して画像信号を出力するカメラと、前記掘進機の掘進距離を計測する掘進距離計測手段と、前記画像信号を処理することにより前記ターゲットの画像を抽出してその位置座標を検出する画像処理手段と、前記ターゲット画像の位置座標の初期値及び任意の時点で前記掘進距離計測手段により計測された掘進距離から求められるターゲット画像の間隔Ｐｍ及び前記任意の時点で前記カメラにより撮影され前記画像処理手段において検出されたターゲット画像の間隔Ｐｎに基づいて次式により前記掘進機の偏向角度θを求める演算処理手段と、からなることを特徴とする掘進機の測量システム。
【数１】
【請求項２】
ターゲットが特定の輝度又は色調を有するものであり、撮影した画像データにおけるターゲットの位置座標が、画像処理により前記画像データから特定の輝度又は色調を抽出することにより求められることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項３】
ターゲットが、略水平方向及び略鉛直方向にそれぞれ複数設置されることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項４】
ターゲットが、掘進機内の任意の部位又は部品から選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項５】
掘進距離計測手段が、掘進機を推進させるジャッキのストローク長さを計測するストロークセンサからなることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項６】
演算処理手段が、画像処理により抽出された各ターゲットの画像面積の差、又は各ターゲットの画像面積の初期値に対する面積変化率の差に基づいて、掘進機の偏向方向を判定可能であることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項７】
演算処理手段が、画像処理により抽出された任意のターゲット間の間隔と、他の任意のターゲット間の間隔との比率を、その初期値と比較することによって、掘進機の偏向方向を判定可能であることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項８】
演算処理手段が、画像上での掘進機の基準点の計画位置の座標と撮影された掘進機の基準点の座標との間の距離Ｌ２と、前記計画位置における掘進方向と、前記計画位置を通るカメラの光軸の方向から、計画路線に対する掘進機のずれ量Ｑを算出可能であることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項１】
掘進機内の複数箇所に設けたターゲットと、前記掘進機の後方の既設トンネル内における所定箇所に設置されて前記掘進機内を前記ターゲットと共に撮影して画像信号を出力するカメラと、前記掘進機の掘進距離を計測する掘進距離計測手段と、前記画像信号を処理することにより前記ターゲットの画像を抽出してその位置座標を検出する画像処理手段と、前記ターゲット画像の位置座標の初期値及び任意の時点で前記掘進距離計測手段により計測された掘進距離から求められるターゲット画像の間隔Ｐｍ及び前記任意の時点で前記カメラにより撮影され前記画像処理手段において検出されたターゲット画像の間隔Ｐｎに基づいて次式により前記掘進機の偏向角度θを求める演算処理手段と、からなることを特徴とする掘進機の測量システム。
【数１】
【請求項２】
ターゲットが特定の輝度又は色調を有するものであり、撮影した画像データにおけるターゲットの位置座標が、画像処理により前記画像データから特定の輝度又は色調を抽出することにより求められることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項３】
ターゲットが、略水平方向及び略鉛直方向にそれぞれ複数設置されることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項４】
ターゲットが、掘進機内の任意の部位又は部品から選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項５】
掘進距離計測手段が、掘進機を推進させるジャッキのストローク長さを計測するストロークセンサからなることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項６】
演算処理手段が、画像処理により抽出された各ターゲットの画像面積の差、又は各ターゲットの画像面積の初期値に対する面積変化率の差に基づいて、掘進機の偏向方向を判定可能であることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項７】
演算処理手段が、画像処理により抽出された任意のターゲット間の間隔と、他の任意のターゲット間の間隔との比率を、その初期値と比較することによって、掘進機の偏向方向を判定可能であることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【請求項８】
演算処理手段が、画像上での掘進機の基準点の計画位置の座標と撮影された掘進機の基準点の座標との間の距離Ｌ２と、前記計画位置における掘進方向と、前記計画位置を通るカメラの光軸の方向から、計画路線に対する掘進機のずれ量Ｑを算出可能であることを特徴とする請求項１に記載の掘進機の測量システム。
【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２００８−２０２２８７（Ｐ２００８−２０２２８７Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３８８２０（Ｐ２００７−３８８２０）
【出願日】平成１９年２月２０日（２００７．２．２０）
【出願人】（３０２０６０９２６）株式会社フジタ (285)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２０日（２００７．２．２０）
【出願人】（３０２０６０９２６）株式会社フジタ (285)
【Ｆターム（参考）】
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