JP7803487B2 - Rod-shaped member construction support method, rod-shaped member construction support system, and program - Google Patents
Rod-shaped member construction support method, rod-shaped member construction support system, and programInfo
- Publication number
- JP7803487B2 JP7803487B2 JP2022051387A JP2022051387A JP7803487B2 JP 7803487 B2 JP7803487 B2 JP 7803487B2 JP 2022051387 A JP2022051387 A JP 2022051387A JP 2022051387 A JP2022051387 A JP 2022051387A JP 7803487 B2 JP7803487 B2 JP 7803487B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- insertion hole
- rod
- elliptical
- shaped member
- angle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
特許法第30条第2項適用 2022年 3月 1日ウェブサイト<http://www.tc-iaip.org/dia/2022/>にて公開Applicable under Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. Published on March 1, 2022 on the website: http://www.tc-iaip.org/dia/2022/
本発明は、棒状部材の施工支援方法、棒状部材の施工支援システム、及びプログラムに関するものであり、具体的には、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能とする技術に関する。 The present invention relates to a method for supporting the construction of rod-shaped members, a system for supporting the construction of rod-shaped members, and a program. Specifically, it relates to technology that enables the efficient and accurate identification of the position and angle of insertion holes for rod-shaped members during tunnel construction.
地山の自然な支保機能を利用したNATM(New Austrian Tunneling Method)工法は、新たな補助工法を適宜採用するなどして、従来の山岳トンネル以外にも適用範囲を広げつつある。
こうしたNATM工法では、地山の掘削や発破等で露出した壁面に、一次覆工のコンクリートを吹き付け、ロックボルトの打設と、二次覆工の覆工コンクリート打設を実施する。こうした施工を行うことで、地山と吹き付けコンクリートとを一体化させ、地山の保持力によってトンネル強度を高めることになる。
The NATM (New Austrian Tunneling Method) construction method, which utilizes the natural support function of the ground, is expanding its scope of application beyond traditional mountain tunnels by adopting new auxiliary construction methods as appropriate.
In this NATM method, concrete for the primary lining is sprayed onto the wall surface exposed by excavating and blasting the natural ground, followed by the installation of rock bolts and the pouring of concrete for the secondary lining. By carrying out this construction work, the natural ground and the sprayed concrete are integrated, and the holding power of the natural ground increases the tunnel strength.
こうしたロックボルト打設を含むトンネル工事の効率化を図る従来技術としては、例えば、切羽へのコンクリートの鏡吹きによって安全性を確保しつつ、工事作業者が鏡吹きされたコンクリート表面上でその地山状況を視認しながら施工作業を行うことが可能な切羽情報表示方法(特許文献1参照)などが提案されている。 Patent document 1 (Patent Document 1) is a conventional technology that aims to improve the efficiency of tunnel construction, including the installation of rock bolts. It is proposed to ensure safety by spraying concrete onto the tunnel face, while allowing construction workers to visually check the ground conditions on the surface of the sprayed concrete as they carry out their work.
この技術は、トンネル切羽の地山の露出面である第1の切羽面の全体を含む領域をデジタルカメラにて撮影する切羽撮影工程と、前記デジタルカメラにて撮影して得られた前記第1の切羽面の全体を含む領域の撮影画像データから前記第1の切羽面の画像部分のデータを切羽面画像データとして抽出し、当該切羽面画像データに基づき、少なくとも前記第1の切羽面の全体の実写画像である切羽面画像を含む切羽情報画像データを生成する切羽情報画像データ生成工程と、前記第1の切羽面にコンクリートを鏡吹きする鏡吹き工程と、前記鏡吹き後の前記コンクリート表面である第2の切羽面に、前記切羽情報画像データの示す画像である切羽情報画像のうち少なくとも前記切羽面画像を、前記第2の切羽面の形状およびサイズに一致させて前記第1の切羽面の実寸大で投影する切羽情報画像投影工程を含む方法にかかる。 This technology involves a method including a face photographing process in which an area including the entire first face, which is the exposed surface of the natural ground at the tunnel face, is photographed with a digital camera; a face information image data generation process in which data of an image portion of the first face obtained by photographing with the digital camera is extracted as face image data from the photographed image data of the area including the entire first face, and face information image data is generated based on the face image data, including at least a face image that is an actual image of the entire first face; a face spraying process in which concrete is sprayed onto the first face; and a face information image projection process in which at least the face image, which is an image indicated by the face information image data, is projected onto the second face, which is the surface of the concrete after spraying, at the actual size of the first face, in accordance with the shape and size of the second face.
上述のロックボルトの打設は、吹き付けコンクリートを通して壁面に削孔した孔(モルタル充填済み)に対し、ロックボルトを挿入する作業となる。こうしたロックボルトの挿入は、凹凸のある壁面から孔を見つける作業、ロックボルト先端を孔位置に合わせる作業、及びロックボルト全体を孔に挿入する作業に分かれている。
現在これらの作業は、作業員が孔周辺まで赴いて人力で行っている。しかし、粘性の高いモルタルの詰まった細長い孔に、長尺で重いロックボルトを挿入する必要があり、作業性や作業効率が良好とは言えない状況にある。
The above-mentioned rock bolt installation involves inserting the rock bolt into a hole (which has already been filled with mortar) drilled into the wall surface through shotcrete. Inserting such a rock bolt is divided into three steps: finding the hole in the uneven wall surface, aligning the tip of the rock bolt with the hole position, and inserting the entire rock bolt into the hole.
Currently, these tasks are carried out manually by workers who go to the area around the hole, but this requires inserting long, heavy rock bolts into long, narrow holes filled with highly viscous mortar, which makes the work less easy and efficient.
一方では、ロックボルト打設の一連の流れである、壁面での削孔、当該孔へのモルタル注入、及びロックボルト打設を、同一のアームを用いて機械化する手法も様々研究されている。こうした手法によれば、例えば、複数の削孔用削岩機を用いて削孔を行うと同時にロックボルト打設を行う、といった施工を行うため、施工の効率化を図ることができる。 On the other hand, various research is being conducted into methods for mechanizing the entire process of rock bolting - drilling holes in the wall, injecting mortar into the holes, and driving rock bolts - using a single arm. With these methods, for example, multiple rock drills can be used to drill holes and drive rock bolts simultaneously, thereby improving construction efficiency.
しかしながら、正しい孔の位置や挿入角度を壁面上で効率良く自動特定するには至っておらず、ロックボルト先端と孔との位置合わせの自動化は困難なままである。そのため、正しい孔位置や挿入角度とのずれが生じたまま、ロックボルト打設を行うことで、孔中でのロックボルトの変形や破損につながるケースもあった。 However, it has not yet been possible to efficiently and automatically identify the correct hole position and insertion angle on the wall surface, and automating the alignment of the rock bolt tip with the hole remains difficult. As a result, there have been cases where driving rock bolts while the hole position or insertion angle is not aligned with the correct hole position, leading to deformation or damage of the rock bolt inside the hole.
そこで本発明は、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能とする技術の提供を目的とする。 The present invention therefore aims to provide technology that makes it possible to efficiently and accurately determine the position and angle of insertion holes for rod-shaped members during tunnel construction.
上記課題を解決する本発明の棒状部材の施工支援方法は、棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を取得する工程と、前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する工程と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する工程と、を含むことを特徴とする。
これによれば、導入コストが高くなりがちなビジュアルサーボ技術を用いた各種従来手法等と異なり、トンネル施工現場への導入が技術及びコストの両面で容易な単眼カメラを採用した手法にて、ロックボルト打設や装薬などの対象となる孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能となる。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。
The method for supporting installation of a rod-shaped member of the present invention, which solves the above-mentioned problem, is characterized by including the steps of: acquiring a photographic image of a wall surface into which a rod-shaped member is to be inserted; detecting an insertion hole already formed in the wall surface as an elliptical area based on brightness information indicated by the photographic image; and estimating the position and angle of the insertion hole on the wall surface based on the diameter and brightness information of the elliptical area indicated by the photographic image corresponding to the elliptical area.
Unlike conventional methods using visual servoing technology, which tend to have high implementation costs, this method uses a monocular camera that is easy to implement at tunnel construction sites in terms of both technology and cost, making it possible to efficiently and accurately identify the position and angle of holes for rock bolt installation, charging, etc. It is also expected to reduce the possibility of damage or deformation of rock bolts, etc., when they are inserted into holes.
なお、本発明における棒状部材の施工支援方法の、前記挿入孔である前記楕円領域を検出する工程において、前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する工程と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する工程を実行する、としてもよい。 In addition, the step of detecting the elliptical regions that are the insertion holes in the rod-shaped member installation support method of the present invention may also include the steps of detecting the contours of each region in the captured image, approximating the detected contours to an elliptical shape, and converting each region into an elliptical region, and identifying, based on the brightness information of each elliptical region, elliptical regions that are darker than other elliptical regions or a predetermined standard as the insertion holes.
これによれば、トンネルの周壁面の撮影画像中に数多の楕円領域が含まれるとしても、精度良好にロックボルト等の挿入孔を特定することができる。ひいては、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。なお、この撮影画像は、1つの挿入孔のみが撮影対象となる条件下での撮影で得られたものを基本的には想定するが、楕円領域が所定基準より暗いものは挿入孔と特定できるため、特定対象の挿入孔の数に関して限定しない。上述の条件とは、具体的には、トンネルの周壁面に対する撮影装置の配置やレンズ方向、焦点距離、画角といった撮影条件が予め調整された環境に対応したものとなる。 This makes it possible to accurately identify insertion holes for rock bolts, etc., even if numerous elliptical areas are included in the captured image of the tunnel's wall surface. This in turn makes it possible to more efficiently and accurately identify the position and angle of insertion holes for rod-shaped members during tunnel construction. Note that while this image is essentially taken under conditions where only one insertion hole is the subject of the image capture, there is no limit to the number of insertion holes that can be identified, as any elliptical area darker than a predetermined standard can be identified as an insertion hole. Specifically, the above conditions correspond to an environment in which the capture conditions, such as the placement of the image capture device relative to the tunnel's wall surface, lens direction, focal length, and angle of view, have been adjusted in advance.
また、本発明における棒状部材の施工支援方法の、前記挿入孔の位置と角度を推定する工程において、前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径とに基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定する、としてもよい。 Furthermore, in the step of estimating the position and angle of the insertion hole in the rod-shaped member installation support method of the present invention, the position of the insertion hole may be identified based on the diameter of the elliptical region and the known diameter of the rod-shaped member, and the insertion hole may be identified as extending at an angle at which the brightness becomes darker based on the change in brightness in the minor axis direction of the elliptical region.
これによれば、撮影装置の座標系からみた画像中の形状(孔に対応する楕円領域)と実際のトンネルの周壁面上の形状(実際の孔のもの)との間での相似関係を、既知の孔径をキーに適宜に踏まえることで、精度良好に孔位置の推定を行える。また、楕円領域における輝度のグラデーションと孔の延伸方向との関係性に基づき、当該孔の(トンネルの周壁面から地山内に向けた)角度を効率良く特定できる。すなわち、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。 This allows for accurate estimation of the hole position by appropriately taking into account the similarity relationship between the shape in the image (the elliptical region corresponding to the hole) as viewed from the coordinate system of the camera device and the shape on the actual tunnel wall surface (of the actual hole), using the known hole diameter as a key. Furthermore, the angle of the hole (from the tunnel wall surface toward the natural ground) can be efficiently determined based on the relationship between the brightness gradation in the elliptical region and the extension direction of the hole. In other words, the position and angle of the insertion hole for the rod-shaped member during tunnel construction can be determined more efficiently and accurately.
また、本発明における棒状部材の施工支援方法にて、前記挿入孔の位置及び角度の情報を前記棒状部材の施工装置にセットする工程をさらに含む、としてもよい。 Furthermore, the rod-shaped member construction support method of the present invention may further include a step of setting information about the position and angle of the insertion hole in the rod-shaped member construction device.
このように、挿入孔の位置や角度の情報を、例えば、コンピュータジャンボなどの施工装置にセットすることで、人力によらず、孔へのロックボルト等の挿入が可能となる。このことは、トンネル上部などの高所や危険個所での人手の作業を不要とし、作業員の各種負担やリスクが軽減される。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。ひいては、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。 In this way, by inputting information about the position and angle of the insertion hole into a construction device such as a computer jumbo, it becomes possible to insert rock bolts and other items into the holes without relying on human power. This eliminates the need for manual work in high places or dangerous locations such as above the tunnel, reducing the burden and risks on workers. It is also expected to reduce the possibility of damage or deformation of rock bolts and other items when they are inserted into holes. Ultimately, it becomes possible to more efficiently and accurately determine the position and angle of the insertion hole for rod-shaped members during tunnel construction.
また、本発明の棒状部材の施工支援システムは、棒状部材の挿入対象となる壁面を撮影する撮影装置と、前記撮影装置による撮影で得た撮影画像を取得し、当該撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理を実行する情報処理装置と、を含むことを特徴とする。 The rod-shaped member installation support system of the present invention is characterized by including an imaging device that captures an image of a wall surface into which a rod-shaped member is to be inserted, and an information processing device that acquires the image captured by the imaging device and executes a process of detecting an insertion hole already formed in the wall surface as an elliptical area based on brightness information indicated by the captured image, and a process of estimating the position and angle of the insertion hole on the wall surface based on the diameter and brightness information of the elliptical area indicated in the captured image corresponding to the elliptical area.
これによれば、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能なシステムを提供できる。 This makes it possible to provide a system that can efficiently and accurately identify the position and angle of the insertion hole for the rod-shaped member during tunnel construction.
なお、本発明の棒状部材の施工支援システムにおいて、前記情報処理装置は、前記挿入孔である前記楕円領域を検出する処理において、前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する処理と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する処理を実行するものである、としてもよい。 In the rod-shaped member installation support system of the present invention, the information processing device may perform the process of detecting the elliptical regions that are the insertion holes by detecting the contours of each region in the captured image, approximating the detected contours to an elliptical shape, and converting each region into an elliptical region, and by identifying, based on the brightness information of each elliptical region, elliptical regions that are darker than other elliptical regions or a predetermined standard as the insertion holes.
これによれば、トンネルの周壁面の撮影画像中に数多の楕円領域が含まれるとしても、精度良好にロックボルト等の挿入孔を特定するシステムの提供が可能となる。ひいては、当該システムにより、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。なお、この撮影画像は、1つの挿入孔のみが撮影対象となる条件下での撮影で得られたものを基本的には想定するが、楕円領域が所定基準より暗いものは挿入孔と特定できるため、特定対象の挿入孔の数に関して限定しない。上述の条件とは、具体的には、トンネルの周壁面に対する撮影装置の配置やレンズ方向、焦点距離、画角といった撮影条件が予め調整された環境に対応したものとなる。 This makes it possible to provide a system that can accurately identify insertion holes for rock bolts, etc., even if numerous elliptical areas are included in the captured image of the tunnel wall surface. Ultimately, this system makes it possible to more efficiently and accurately identify the position and angle of insertion holes for rod-shaped members during tunnel construction. Note that this image is basically assumed to be obtained under conditions where only one insertion hole is the subject of the image capture; however, since any elliptical area darker than a predetermined standard can be identified as an insertion hole, there is no limit to the number of insertion holes that can be identified. Specifically, the above conditions correspond to an environment in which the capture conditions, such as the placement of the image capture device relative to the tunnel wall surface, lens direction, focal length, and angle of view, have been adjusted in advance.
なお、本発明の棒状部材の施工支援システムにおいて、前記情報処理装置は、前記挿入孔の位置と角度を推定する処理において、前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径とに基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定するものである、としてもよい。 In the rod-shaped member installation support system of the present invention, the information processing device, in the process of estimating the position and angle of the insertion hole, may identify the position of the insertion hole based on the diameter of the elliptical region and the known diameter of the rod-shaped member, and, based on the change in brightness in the minor axis direction of the elliptical region, identify the insertion hole as extending at an angle where the brightness becomes dark.
これによれば、撮影装置の座標系からみた画像中の形状(孔に対応する楕円領域)と実際のトンネルの周壁面上の形状(実際の孔のもの)との間での相似関係を、既知の孔径をキーに適宜に踏まえることで、精度良好に孔位置の推定を行うシステムが提供できる。また、当該システムにより、楕円領域における輝度のグラデーションと孔の延伸方向との関係性に基づき、当該孔の(トンネルの周壁面から地山内に向けた)角度を効率良く特定できる。 This provides a system that can accurately estimate hole positions by appropriately taking into account the similarity relationship between the shape in the image (the elliptical region corresponding to the hole) as seen from the coordinate system of the camera and the shape on the actual tunnel wall surface (of the actual hole), using the known hole diameter as a key. Furthermore, this system can efficiently identify the angle of the hole (from the tunnel wall surface toward the interior of the natural ground) based on the relationship between the brightness gradation in the elliptical region and the extension direction of the hole.
なお、本発明の棒状部材の施工支援システムにおいて、前記情報処理装置は、前記挿入孔の位置及び角度の情報を、前記棒状部材の施工装置にセットする処理をさらに実行するものである、としてもよい。 In addition, in the rod-shaped member construction support system of the present invention, the information processing device may further perform a process of setting information on the position and angle of the insertion hole in the rod-shaped member construction device.
このように、システムが、挿入孔の位置や角度の情報を、例えば、コンピュータジャンボなどの施工装置にセットすることで、人力によらず、孔へのロックボルト等の挿入が可能となる。このことは、トンネル上部などの高所や危険個所での人手の作業を不要とし、作業員の各種負担やリスクが軽減される。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。ひいては、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。 In this way, by having the system input information about the position and angle of the insertion hole into construction equipment such as a computer jumbo, it becomes possible to insert rock bolts and other items into the holes without relying on human labor. This eliminates the need for manual work in high places or dangerous locations such as above the tunnel, reducing the burden and risks on workers. It is also expected to reduce the possibility of damage or deformation of rock bolts and other items when they are inserted into holes. Ultimately, it becomes possible to more efficiently and accurately determine the position and angle of the insertion hole for rod-shaped members during tunnel construction.
また、本発明のプログラムは、情報処理装置において、棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を撮影装置から取得する処理と、前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理と、を実行させるものである。 The program of the present invention also causes an information processing device to perform the following processes: acquire, from an imaging device, a photographed image of the wall surface into which a rod-shaped member is to be inserted; detect an insertion hole already formed in the wall surface as an elliptical area based on brightness information indicated by the photographed image; and estimate the position and angle of the insertion hole on the wall surface based on the diameter and brightness information of the elliptical area indicated by the photographed image corresponding to the elliptical area.
これによれば、ロックボルト打設や装薬などの対象となる孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定する機能を情報処理システムに実装可能となる。また、こうした機能を備えた情報処理システムをコンピュータジャンボ等の施工装置と連携させることで、孔へのロックボルト挿入を適宜な精度で効率良く自動化可能となる。このことは、孔へのロックボルト等の挿入に伴い生じていたロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果にもつながりうる。 This makes it possible to implement a function in the information processing system that efficiently and accurately identifies the position and angle of holes that are the target for rock bolt installation or charging. Furthermore, by linking an information processing system equipped with this function with construction equipment such as a computer jumbo, it becomes possible to efficiently automate the insertion of rock bolts into holes with appropriate precision. This can also have the effect of reducing the possibility of damage or deformation of rock bolts, etc. that occurs when they are inserted into holes.
本発明によれば、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能となる。 This invention makes it possible to efficiently and accurately determine the position and angle of the insertion hole for the rod-shaped member during tunnel construction.
<概要>
まず、本実施形態の棒状部材の施工支援方法を適用する環境や、技術の概要について説明する。図1で例示するように、棒状部材であるロックボルト1は、トンネル施工対象となる地山2において、トンネルの周壁面3に設けられた挿入孔5に打設される。この挿入孔5は、トンネルの周壁面3に施工された吹き付けコンクリート6を通して地山2に削孔されたものとなる。また、ロックボルト打設に先立ち、当該挿入孔5の内空には、モルタルが充填される。
<Overview>
First, an environment in which the rod-shaped member construction support method of this embodiment is applied and an overview of the technology will be described. As illustrated in Figure 1, a rock bolt 1, which is a rod-shaped member, is driven into an insertion hole 5 provided in a tunnel wall surface 3 in the natural ground 2 that is the target of tunnel construction. This insertion hole 5 is drilled in the natural ground 2 through shotcrete 6 applied to the tunnel wall surface 3. Furthermore, prior to driving the rock bolt, the interior of the insertion hole 5 is filled with mortar.
こうしたロックボルト1の打設は、上述のように削孔された挿入孔5(モルタル充填済み)に対し、ロックボルト1を挿入する作業となる。この作業は、従来であれば人力によって実施されていたが、本実施形態の施工支援方法を適用した環境下では、コンピュータジャンボ60などの施工装置によって、十分な精度で自動化可能である。 The driving of such a rock bolt 1 involves inserting the rock bolt 1 into the insertion hole 5 (filled with mortar) drilled as described above. This work would traditionally have been performed manually, but in an environment where the construction support method of this embodiment is applied, it can be automated with sufficient precision using construction equipment such as a computer jumbo 60.
つまり、施工装置との適宜な連携を図ることで、ロックボルト1の挿入作業を構成する、凹凸のあるトンネルの周壁面3から挿入孔5を見つける作業、ロックボルト1の先端を挿入孔5の開口位置に合わせる作業、及びロックボルト全体を挿入孔5に挿入する作業を自動化しうることとなる。
<システム構成>
以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図2は、本実施形態における棒状部材1の施工支援システム100(以下同様)の構成例を示す図である。
In other words, by appropriately coordinating with the construction equipment, it is possible to automate the steps that make up the process of inserting the rock bolt 1: finding the insertion hole 5 from the uneven tunnel wall surface 3, aligning the tip of the rock bolt 1 with the opening position of the insertion hole 5, and inserting the entire rock bolt into the insertion hole 5.
<System Configuration>
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Fig. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a construction support system 100 (hereinafter the same) for a rod-shaped member 1 according to this embodiment.
本実施形態における棒状部材1の施工支援システム100は、トンネル施工時における、ロックボルト1など棒状部材の挿入孔5の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能とするシステムである。 The construction support system 100 for rod-shaped members 1 in this embodiment is a system that can efficiently and accurately identify the position and angle of the insertion hole 5 for a rod-shaped member, such as a rock bolt 1, during tunnel construction.
こうした施工支援システム100は、図2で例示するように、デジタルカメラ20、情報処理装置50、及びコンピュータジャンボ60のうち、少なくともデジタルカメラ20及び情報処理装置50から構成されている。 As shown in Figure 2, this construction support system 100 is composed of at least a digital camera 20 and an information processing device 50, out of the digital camera 20, an information processing device 50, and a computer jumbo 60.
このうちデジタルカメラ20は、一般的に市販されている単眼カメラであって、デプスカメラ等の特殊カメラユニットを採用する必要はない。ただし、トンネルの周壁面3の付近は湧水やモルタルの影響もあって、(厳重な防塵、防水機能等を有しない)一般的なデジタルカメラ20の取り付けには相応の配慮が必要となる。 The digital camera 20 is a commercially available monocular camera, and there is no need to use a special camera unit such as a depth camera. However, due to the influence of spring water and mortar near the tunnel's surrounding wall surface 3, appropriate care must be taken when installing a general digital camera 20 (which does not have strict dustproof or waterproof features).
そのため、トンネルの周壁面3から5~10m離間した遠方からの撮影を行う必要がある。そこで、デジタルカメラ20に装着するレンズ21としては、種々の撮影条件に対応可能とするため、焦点距離が可変(例えば70~200mm)の可変焦点レンズを採用すると好適である。 As a result, it is necessary to take photographs from a distance of 5 to 10 m from the tunnel wall surface 3. Therefore, it is preferable to use a variable-focus lens with a variable focal length (for example, 70 to 200 mm) as the lens 21 attached to the digital camera 20, in order to be able to accommodate a variety of shooting conditions.
このデジタルカメラ20は、撮影データを格納・保持する記憶媒体22を有しており、この記憶媒体22で保持する撮影データ23を、例えばBluetooth(登録商標)などの近接無線通信手段24によって外部装置に配信可能である。本実施形態において、この撮影データの配信先となる外部装置は、情報処理装置50である。 This digital camera 20 has a storage medium 22 that stores and holds image data, and can distribute the image data 23 held on this storage medium 22 to an external device via a near-field wireless communication means 24 such as Bluetooth (registered trademark). In this embodiment, the external device to which this image data is distributed is an information processing device 50.
勿論、デジタルカメラ20における撮影データを情報処理装置50に配信する手法としては、こうした無線/有線の通信手段に限定しない。 Of course, the method for transmitting image data captured by the digital camera 20 to the information processing device 50 is not limited to these wireless/wired communication methods.
トンネル坑内の環境や導入できる各種リソース等の影響で、無線/有線のいずれの通信手段も採用困難な場合、例えば、作業員がデジタルカメラ20の記憶媒体22を取り出し、これをリーダー25にセットすることで情報処理装置50に撮影データを読み取らせるといった手法を採用してもよい。なお、リーダー25は、情報処理装置50に適宜なインターフェイスで接続され、記憶媒体22との間でデータの読み書きが可能な装置である。 If it is difficult to use either wireless or wired communication methods due to factors such as the tunnel environment or the various resources available, a method may be used in which a worker removes the storage medium 22 from the digital camera 20 and inserts it into the reader 25, allowing the information processing device 50 to read the captured data. The reader 25 is connected to the information processing device 50 via an appropriate interface and is capable of reading and writing data to and from the storage medium 22.
また、情報処理装置50は、一般的なコンピュータ装置であって、図4で示すように、記憶装置51、メモリ53、演算装置54、入力装置55、出力装置56、及び通信装置57を有している。 The information processing device 50 is a general computer device, and as shown in FIG. 4, has a storage device 51, memory 53, a calculation device 54, an input device 55, an output device 56, and a communication device 57.
このうち記憶装置51は、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)といった不揮発性の記憶素子から構成され、処理に必要なプログラム52やデータ、或いは処理結果を格納するものとなる。 Of these, the storage device 51 is composed of a non-volatile storage element such as an HDD (Hard Disk Drive) or SSD (Solid State Drive), and stores the program 52 and data required for processing, as well as processing results.
なお、記憶装置51で保持するプログラム52は、本実施形態の施工支援システム100を構成する情報処理装置50として必要な機能を実装する為のプログラムである。そのためプログラム52は、後述する各式(式1~式10など)を用いた各種解析やコンピュータジャンボ60への設定処理等を行うアルゴリズムを実装したものとなる。 The program 52 stored in the storage device 51 is a program for implementing the functions required by the information processing device 50 that constitutes the construction assistance system 100 of this embodiment. Therefore, the program 52 implements algorithms that perform various analyses using the formulas (such as formulas 1 to 10) described below, and settings processing for the computer jumbo 60.
また、メモリ53は、RAM(Random Access Memory)などの揮発性記憶素子で構成される。 Memory 53 is also composed of a volatile memory element such as RAM (Random Access Memory).
また、演算装置54は、記憶装置51に保持されるプログラム52をメモリ53に読み出すなどして実行し装置自体の統括制御を行なうとともに各種判定、演算及び制御処理を行なうCPU(Central Processing Unit)である。 The calculation device 54 is a CPU (Central Processing Unit) that executes the program 52 stored in the storage device 51 by reading it into memory 53, thereby performing overall control of the device itself and carrying out various judgments, calculations, and control processes.
また、入力装置55は、ユーザからのキー入力や音声入力を受け付けるキーボード、マイク、マウスといった装置である。 The input device 55 is a device such as a keyboard, microphone, or mouse that accepts key input or voice input from the user.
また、出力装置56は、演算装置54での処理データを表示するディスプレイやスピーカーといった装置である。 The output device 56 is a device such as a display or speaker that displays data processed by the computing device 54.
また、通信装置57は、デジタルカメラ20の近距離無線通信手段24や、適宜なネットワークを介したコンピュータジャンボ60と接続して通信処理を担うインターフェイスカード等を想定する。 The communication device 57 is also assumed to be the short-range wireless communication means 24 of the digital camera 20, or an interface card that connects to the computer jumbo 60 via an appropriate network and handles communication processing.
また、コンピュータジャンボ60は、トンネルの周壁面3における挿入孔5の削孔、当該挿入孔5へのモルタル注入、及び当該挿入孔5へのロックボルト1の打設を、同一のアームを用いて機械化する施工装置である。 The Computer Jumbo 60 is a construction device that uses the same arm to mechanize the drilling of insertion holes 5 in the tunnel's peripheral wall surface 3, the injection of mortar into the insertion holes 5, and the driving of rock bolts 1 into the insertion holes 5.
このコンピュータジャンボ60は、複数のアームと、その先端に備わる削岩機やロックボルトの把持ユニットなどといった機構に加えて、当該機構を制御する制御ユニット61と、外部装置との通信を担う通信ユニット62を備える。 This computer jumbo 60 is equipped with multiple arms and mechanisms such as rock drills and rock bolt gripping units at the ends of the arms, as well as a control unit 61 that controls the mechanisms and a communications unit 62 that handles communications with external devices.
コンピュータジャンボ60は、情報処理装置50から、挿入孔5の位置や角度に関する情報設定を受け付けて、制御ユニット61が、この情報設定の内容に応じてアームの移動や固定、削岩機の稼働/停止、ロックボルトの把持、挿入といった動作を自動実行する。
<撮影画像における孔検出>
以上から、本実施形態ではロックボルト1の打設専用機たるコンピュータジャンボ60による、ロックボルト打設作業の機械化を前提として、トンネルの周壁面3にある削孔済みの挿入孔5の位置および角度を、トンネルの周壁面3から所定距離以上の遠方からの、デジタルカメラ20による撮影により推定する技術について説明する。
The computer jumbo 60 receives information settings from the information processing device 50 regarding the position and angle of the insertion hole 5, and the control unit 61 automatically performs operations such as moving and fixing the arm, starting/stopping the rock drill, grasping and inserting the rock bolt according to the contents of this information setting.
<Hole detection in captured images>
Based on the above, in this embodiment, assuming that the rock bolt installation work is mechanized using a computer jumbo 60, which is a machine dedicated to installing rock bolts 1, a technology is described in which the position and angle of an already drilled insertion hole 5 in the tunnel wall surface 3 is estimated by photographing with a digital camera 20 from a distance of at least a predetermined distance from the tunnel wall surface 3.
本実施形態においてロックボルト打設は、デジタルカメラ20のカメラ座標系内でロックボルト先端を、検出した挿入孔中心(以後、孔中心と称する)の画像座標(uc,vc)と一致させること、および、ロックボルト1の中心軸を挿入孔5の中心軸と一致させることにより実現できるものとする。よって、上述のカメラ座標系における孔中心の画像座標(uc,vc)および、挿入孔5の中心軸を計測することが求められる。 In this embodiment, driving a rock bolt can be achieved by aligning the tip of the rock bolt with the image coordinates (uc, vc) of the detected insertion hole center (hereinafter referred to as the hole center) in the camera coordinate system of the digital camera 20, and by aligning the central axis of the rock bolt 1 with the central axis of the insertion hole 5. Therefore, it is necessary to measure the image coordinates (uc, vc) of the hole center in the above-mentioned camera coordinate system and the central axis of the insertion hole 5.
これらの前提のもと、デジタルカメラ20によるトンネルの周壁面3の撮影画像から、挿入孔5の検出を行い、検出した孔径と既知の孔径(挿入孔5に関して規定の孔径)とを用いて挿入孔5の位置および角度を推定する手法を以下に述べる。 Based on these assumptions, the following describes a method for detecting insertion holes 5 from images of the tunnel's peripheral wall surface 3 captured by a digital camera 20, and estimating the position and angle of the insertion holes 5 using the detected hole diameter and a known hole diameter (the specified hole diameter for the insertion holes 5).
削孔した挿入孔5の直径は、削孔に用いるロッドの径に依存することから既知とし、削孔した挿入孔5はトンネルの周壁面3に対して垂直であって、トンネルの周壁面3上では真円に見えるとする。また本実施形態では、そうしたトンネルの周壁面3の撮影画像内には、挿入孔5が1つだけ含まれるよう、デジタルカメラ20での撮影範囲を予め設定している前提とする。ただし、撮影画像に含まれうる挿入孔の数について限定するものではない。楕円領域が所定基準より暗いものは挿入孔と特定できるため、特定対象の挿入孔の数に条件を設ける必要はない。 The diameter of the drilled insertion hole 5 is assumed to be known, as it depends on the diameter of the rod used for drilling. The drilled insertion hole 5 is assumed to be perpendicular to the tunnel's peripheral wall surface 3 and to appear as a perfect circle on the tunnel's peripheral wall surface 3. In this embodiment, it is assumed that the imaging range of the digital camera 20 is set in advance so that only one insertion hole 5 is included in the captured image of the tunnel's peripheral wall surface 3. However, there is no limit to the number of insertion holes that can be included in the captured image. Any elliptical area that is darker than a predetermined standard can be identified as an insertion hole, so there is no need to set any conditions for the number of insertion holes to be identified.
ここで、撮影画像内の挿入孔5を特定する手順を、図5のフローに基づき以下に示す。なお、情報処理装置50は、デジタルカメラ20からトンネルの周壁面3の撮影画像のデータを取得し、これを処理対象として記憶装置51またはメモリ53で保持しているものとする。 The procedure for identifying the insertion hole 5 in the captured image is shown below based on the flow in Figure 5. Note that the information processing device 50 acquires captured image data of the tunnel's peripheral wall surface 3 from the digital camera 20 and stores this data in the storage device 51 or memory 53 as the processing target.
そこで情報処理装置50は、既存のしきい値選定法(例えば、N. Otsu, "A threshold selection method from gray-level histograms, "IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, vol.9, no.1, pp.62-66,1979)を上述の撮影画像に適用して、2値化画像を作成する(s1)。
次に、情報処理装置50は、s1で得た2値化画像に対し、輪郭検出の処理(例えば、S. Suzuki and K. Abe, "Topological structural analysis of digitized binary images by border following," Computer Vision, Graphics, and Image Processing, vol.30, no.1, pp.32-46, 1985)を実行する(s2)。
Therefore, the information processing device 50 applies an existing threshold selection method (e.g., N. Otsu, "A threshold selection method from gray-level histograms," IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, vol. 9, no. 1, pp. 62-66, 1979) to the above-mentioned captured image to create a binary image (s1).
Next, the information processing device 50 performs a contour detection process (e.g., S. Suzuki and K. Abe, "Topological structural analysis of digitized binary images by border following," Computer Vision, Graphics, and Image Processing, vol. 30, no. 1, pp. 32-46, 1985) on the binary image obtained in s1 (s2).
また、情報処理装置50は、s2で検出したすべての輪郭に対して楕円フィッティングを行い、そこで得た楕円の中から1つを挿入孔5として決定する(s3)。 The information processing device 50 also performs ellipse fitting on all of the contours detected in s2 and selects one of the resulting ellipses as the insertion hole 5 (s3).
上述の楕円フィッティングは、次の手順で行うものとする。楕円の式の係数をa1、a2、a3、a4、a5と置くとき、最小2乗法より、式(1)のようにa-[a1、a2、a3、a4、a5]Tについて最小化する。
[式1]
ここで、Njはj番目の輪郭を構成する点の総数とする。
The above-mentioned ellipse fitting is performed by the following procedure: When the coefficients of the ellipse equation are a1, a2, a3, a4, and a5, a-[a1, a2, a3, a4, a5] T is minimized using the least squares method as shown in equation (1).
[Formula 1]
Here, Nj is the total number of points that make up the j-th contour.
よって、求める楕円の中心点(uc,vc)は、式(2)、式(3)、長軸のu軸からの角度θは式(4)と表される。
[式2]
[式3]
[式4]
また、複数の楕円の中からの挿入孔5の決定は、挿入孔5の内側つまり楕円領域が画像で暗く見えることを利用して行う。そのため情報処理装置50は、検出したすべての楕円について、それぞれの楕円内の輝度の平均値を算出する。次に情報処理装置50は、算出した輝度の平均値が最も低い楕円領域を挿入孔5だとして採用する。
<既知の孔径を使用した位置推定>
ここで、本実施形態で想定する座標系および各ベクトルの定義を図4に示す。想定する座標系としては、図4で示すように、画像座標系(u,v)、カメラ座標系(x,y,z)とする。また、上述のs3で決定した楕円の長軸の端点で、Z=S平面上にある点をx1、x2、Z=1平面上にある点をr1、r2とし、楕円の中心点をそれぞれ、Xc(Z=S平面上)、rc(Z=1平面上)とおく。
Therefore, the center point (uc, vc) of the ellipse to be found is expressed by equations (2) and (3), and the angle θ of the major axis from the u axis is expressed by equation (4).
[Formula 2]
[Formula 3]
[Formula 4]
Furthermore, the insertion hole 5 is determined from among the multiple ellipses by utilizing the fact that the inside of the insertion hole 5, i.e., the elliptical region, appears dark in the image. Therefore, the information processing device 50 calculates the average brightness value within each of all detected ellipses. Next, the information processing device 50 adopts the elliptical region with the lowest calculated average brightness as the insertion hole 5.
<Location estimation using known hole diameter>
The coordinate system assumed in this embodiment and the definitions of each vector are shown in Fig. 4. The assumed coordinate systems are the image coordinate system (u, v) and the camera coordinate system (x, y, z), as shown in Fig. 4. Furthermore, the endpoints of the major axis of the ellipse determined in s3 above, which are on the Z=S plane, are designated x1 and x2, and the endpoints on the Z=1 plane are designated r1 and r2, and the center points of the ellipse are designated Xc (on the Z=S plane) and rc (on the Z=1 plane), respectively.
このうち、楕円の中心点Xcを孔位置ベクトルとし、挿入孔5の中心軸と同軸で、挿入孔5の奥行方向のベクトルaを挿入孔5の方向ベクトルとする。 Of these, the center point Xc of the ellipse is defined as the hole position vector, and vector a, which is coaxial with the central axis of the insertion hole 5 and points in the depth direction of the insertion hole 5, is defined as the direction vector of the insertion hole 5.
ここで、挿入孔5の直径は既知であるため、情報処理装置50は、画像内の挿入孔5の直径と実際の挿入孔5の直径との関係から、挿入孔5の孔位置ベクトルXcを求める(s4)。ここで、図4のように2つの平面上で対応する各楕円同士は相似関係であるから、式(5)、式(6)、式(7)の関係が成り立つ。
[式5]
[式6]
[式7]
また、上述の相似関係より、Zr=Sは式(8)で求められる。
[式8]
よって、情報処理装置50は、式(7)に式(8)を代入することで、孔位置べクトルXcを算出できる。
<孔の角度推定>
既に述べたように、トンネルの周壁面3に削孔した挿入孔5がトンネルの周壁面3に垂直であると、当該トンネルの周壁面3上で真円である。その場合、挿入孔5の形状はデジタルカメラ20による撮影角度によって異なる楕円形状になる。そこで情報処理装置50は、こうした条件を踏まえて、挿入孔5が地山2で延びる角度を推定する(s5)。なお、上述の挿入孔5が地山2で延びる角度とは、カメラ座標系内における挿入孔5の孔口の位置と孔軸の角度を意味する。
Here, since the diameter of the insertion hole 5 is known, the information processing device 50 calculates (s4) the hole position vector Xc of the insertion hole 5 from the relationship between the diameter of the insertion hole 5 in the image and the actual diameter of the insertion hole 5. Here, since the corresponding ellipses on the two planes are similar to each other as shown in Figure 4, the relationships of formulas (5), (6), and (7) hold.
[Formula 5]
[Formula 6]
[Formula 7]
Furthermore, from the similarity relationship described above, Zr=S can be obtained by equation (8).
[Formula 8]
Therefore, the information processing device 50 can calculate the hole position vector Xc by substituting the formula (8) into the formula (7).
<Hole angle estimation>
As already mentioned, when the insertion hole 5 drilled in the tunnel peripheral wall surface 3 is perpendicular to the tunnel peripheral wall surface 3, it forms a perfect circle on the tunnel peripheral wall surface 3. In this case, the shape of the insertion hole 5 becomes an ellipse that varies depending on the shooting angle of the digital camera 20. Therefore, the information processing device 50 estimates the angle at which the insertion hole 5 extends in the natural ground 2 based on these conditions (s5). Note that the angle at which the insertion hole 5 extends in the natural ground 2 refers to the angle between the position of the opening of the insertion hole 5 and the axis of the hole in the camera coordinate system.
楕円(s3で挿入孔5として撮影画像中から特定しているもの)の長軸たるu軸からの角度θ(0deg≦θ≦180deg)、当該長軸を軸として楕円を回転させたとき、上述の撮影角度による形状変化により円になる(=円に見えるようになる)角度をφ(-90deg≦φ≦90deg)とすると、情報処理装置50は、挿入孔5の方向ベクトルaを、式(9)に基づき求める。
[式9]
ここで、Rはロドリゲスの公式を用いて法線と角度から算出した回転行列である。また、角度φは、上述の楕円の長軸の長さa、短軸の長さbを用いて式(10)のように求められる。
[式10]
ここで、角度φは回転方向によって正負の2通り考えられるため、角度推定のために一意に定める必要がある。トンネルの周壁面3に開いた挿入孔5を斜めから見た様子を図6に示す。
The angle θ (0deg≦θ≦180deg) from the u-axis, which is the major axis of the ellipse (identified in s3 as the insertion hole 5 in the captured image), and the angle at which the ellipse becomes a circle (= appears to be a circle) due to the shape change caused by the above-mentioned shooting angle when the ellipse is rotated around the major axis is φ (-90deg≦φ≦90deg). The information processing device 50 calculates the direction vector a of the insertion hole 5 based on equation (9).
[Formula 9]
Here, R is a rotation matrix calculated from the normal and angle using Rodrigues' formula. The angle φ is calculated as shown in Equation (10) using the length a of the major axis and the length b of the minor axis of the ellipse.
[Formula 10]
Here, the angle φ can be either positive or negative depending on the direction of rotation, so it must be uniquely determined for angle estimation. Figure 6 shows an oblique view of the insertion hole 5 opened in the peripheral wall surface 3 of the tunnel.
図6で示すように挿入孔5を斜めから見た場合、挿入孔5は長軸の長さが孔直径である楕円となる。このとき、短軸の片側は孔内の壁が孔外の壁と連続していることから、明るく見えるのに対し、反対側は孔内に光が届かず暗く見えるため、グラデーションが生じる。 As shown in Figure 6, when the insertion hole 5 is viewed obliquely, it appears as an ellipse whose major axis is the diameter of the hole. In this case, one side of the minor axis appears bright because the wall inside the hole is continuous with the wall outside the hole, while the other side appears dark because no light reaches the inside of the hole, creating a gradation.
よって、楕円の短軸上のグラデーションのうち、暗い方に挿入孔5の方向ベクトルaが向いていると考えることにより、以下のように角度φを一意に定めることができる。 Therefore, by considering the direction vector a of the insertion hole 5 to be pointing toward the darker side of the gradation on the minor axis of the ellipse, the angle φ can be uniquely determined as follows:
まず情報処理装置50は、s3で特定している楕円の短軸上の画素の輝度情報(撮影画像のデータに付随している)を取得し、最小二乗法により1次の近似式を得る。ここで近似した近似式が示す、直線の傾きが正である場合、φは正であり、一方、当該直線の傾きが負である場合、φは負である。 First, the information processing device 50 obtains the brightness information (attached to the captured image data) of the pixels on the minor axis of the ellipse identified in s3, and obtains a linear approximation equation using the least squares method. If the slope of the line indicated by the approximated equation is positive, φ is positive; conversely, if the slope of the line is negative, φ is negative.
情報処理装置50は、こうして得た、トンネルの周壁面3における挿入孔5の位置と角度の情報を、通信装置57を介してコンピュータジャンボ60に送信し、当該コンピュータジャンボ60に設定する(s6)。コンピュータジャンボ60は、こうした情報を通信ユニット62によって受信し、これを制御ユニット61に受け渡す。制御ユニット61は、これをアームや削岩機等の機構の制御情報としてセットし、トンネルの周壁面3における挿入孔5への孔口にロックボルト1の先端を導き、そのまま適宜な角度にて孔内への挿入を実行することとなる。
<実験条件>
本実施形態の施工支援方法の有効性を検証するため、施工中のトンネルにて実験を行った。各条件時のデジタルカメラ20と挿入孔5の位置関係を図7に、また、計測した挿入孔5を図8に示す。なお、図7で示すように、トンネルの周壁面3における直径47mmの挿入孔5に対し、45deg、90degの位置からデジタルカメラ20による撮影を行った。
The information processing device 50 transmits the thus obtained information on the position and angle of the insertion hole 5 in the tunnel peripheral wall surface 3 to the computer jumbo 60 via the communication device 57, and sets the information in the computer jumbo 60 (s6). The computer jumbo 60 receives this information via the communication unit 62 and passes it on to the control unit 61. The control unit 61 sets this information as control information for mechanisms such as an arm and a rock drill, and guides the tip of the rock bolt 1 to the opening of the insertion hole 5 in the tunnel peripheral wall surface 3, and then inserts it into the hole at an appropriate angle.
<Experimental conditions>
To verify the effectiveness of the construction support method of this embodiment, an experiment was conducted in a tunnel under construction. Fig. 7 shows the positional relationship between the digital camera 20 and the insertion hole 5 under each condition, and Fig. 8 shows the measured insertion hole 5. As shown in Fig. 7, images were taken with the digital camera 20 from positions of 45 degrees and 90 degrees for the insertion hole 5, which had a diameter of 47 mm, in the tunnel peripheral wall surface 3.
また、既に述べた前提に基づき、ロックボルト1の挿入孔5は、必ずデジタルカメラ20の画角内に1つのみ収まる条件で実験を行った。 Furthermore, based on the assumptions already stated, the experiment was conducted under the condition that only one insertion hole 5 for the lock bolt 1 was always within the angle of view of the digital camera 20.
なお、実験結果の真値を得るため、各条件において図9のように、挿入孔5の中心にチェッカーボード70の原点を合わせて複数回撮影を行っている。撮影結果からチェッカーボード70の位置と方向を推定し、それぞれの撮影画像から算出した孔位置ベクトルおよび挿入孔5の方向ベクトルを平均して真値とした。
<実験結果>
本実施形態における手法を用いて挿入孔5の検出を行った様子を図10に示す。取得した撮影画像に対して輪郭検出を行い、楕円フィッティングを行ったうえで、楕円領域の輝度の平均が最も暗いものを挿入孔5として検出した。その結果、すべての条件において、正しい挿入孔5を検出できることが確認できた。
In order to obtain true values of the experimental results, multiple images were taken under each condition, with the origin of the checkerboard 70 aligned with the center of the insertion hole 5, as shown in Figure 9. The position and direction of the checkerboard 70 were estimated from the image capture results, and the hole position vector and the direction vector of the insertion hole 5 calculated from each captured image were averaged to obtain the true value.
<Experimental Results>
10 shows the detection of the insertion hole 5 using the method of this embodiment. After contour detection and ellipse fitting of the acquired photographed image, the ellipse with the darkest average brightness was detected as the insertion hole 5. As a result, it was confirmed that the correct insertion hole 5 could be detected under all conditions.
条件1において検出した楕円の短軸上の輝度、およびその1次近似を図11に、条件2において検出した楕円の短軸上の輝度、およびその1次近似を図12に示す。 Figure 11 shows the brightness on the minor axis of the ellipse detected under condition 1 and its linear approximation, and Figure 12 shows the brightness on the minor axis of the ellipse detected under condition 2 and its linear approximation.
図11及び図12より、挿入孔5として検出した楕円の短軸上において、輝度のグラデーションが生じていることがわかる。また、輝度に対して最小二乗法を用いて1次近似した直線の傾きから、図11に示した条件1の角度φが正であり、図12に示した条件2の角度φが負であると推定できた。 From Figures 11 and 12, it can be seen that a luminance gradation occurs on the minor axis of the ellipse detected as the insertion hole 5. Furthermore, from the slope of the straight line linearly approximated using the least squares method for the luminance, it was possible to estimate that the angle φ for condition 1 shown in Figure 11 is positive, and the angle φ for condition 2 shown in Figure 12 is negative.
こうした挿入孔5の検出結果を用いて推定した距離とチェッカーボード画像から算出した距離の値の誤差を表1に示す。
[表1]
ここから、挿入孔5の検出結果を用いて推定した孔位置ベクトルのうち、ロックボルト1の打設に重要と考えられるx成分の誤差は±20mmに収まっている。一方、y成分の誤差は目標より大きくなってしまったことがわかる。これは、挿入孔5の検出を行った際に、孔口の加工形状が理想的でなかったことから輪郭が大きく検出されてしまったことに起因すると考えられる。
Table 1 shows the error between the distance estimated using the detection result of the insertion hole 5 and the distance calculated from the checkerboard image.
[Table 1]
From this, it can be seen that of the hole position vectors estimated using the detection results of the insertion holes 5, the error in the x-component, which is considered important for driving the rock bolt 1, is within ±20 mm. On the other hand, it can be seen that the error in the y-component is larger than the target. This is thought to be due to the fact that when the insertion holes 5 were detected, the processed shape of the hole opening was not ideal, causing the outline to be detected as being large.
また、ロックボルト1の打設では使用しないz成分の誤差は、輪郭検出結果に大きく依存することから大きくなったと考えられる。 In addition, the error in the z component, which is not used when driving rock bolt 1, is thought to have increased because it is heavily dependent on the contour detection results.
また、挿入孔5の検出結果を用いて推定した挿入孔5の方向ベクトルの値とチェッカーボード画像から算出した挿入孔5の方向ベクトルの誤差を表2に示す。
[表2]
このように、挿入孔5の方向ベクトルの推定値と真値にも誤差が生じた。原因として、計測した挿入孔5はトンネルの周壁面3に対して垂直ではなく、切羽面5上の挿入孔5の形状が真円ではなかったことが挙げられる。
Table 2 also shows the error between the value of the direction vector of the insertion hole 5 estimated using the detection result of the insertion hole 5 and the direction vector of the insertion hole 5 calculated from the checkerboard image.
[Table 2]
Thus, an error occurred between the estimated value and the true value of the direction vector of the insertion hole 5. The reason for this is that the measured insertion hole 5 was not perpendicular to the tunnel wall surface 3, and the shape of the insertion hole 5 on the tunnel face 5 was not a perfect circle.
上の結果のように、孔位置ベクトルの各成分および挿入孔5の方向ベクトルに誤差は生じたものの、挿入孔5の方向を特定することに成功した。 As shown in the results above, although errors occurred in each component of the hole position vector and the direction vector of the insertion hole 5, we were able to successfully identify the direction of the insertion hole 5.
以上、本実施形態によれば、トンネル施工時における、ロックボルトや装薬など棒状部材の挿入対象となる孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能となる。また、こうした孔の位置や角度の情報を、例えば、コンピュータジャンボなどの施工装置にセットすることで、人力によらず、孔へのロックボルト等の挿入が可能となる。このことは、トンネル上部などの高所や危険個所での人手の作業を不要とし、作業員の各種負担やリスクが軽減される。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。 As described above, this embodiment makes it possible to efficiently and accurately identify the position and angle of holes into which rod-shaped elements such as rock bolts and explosive charges will be inserted during tunnel construction. Furthermore, by inputting information about the hole position and angle into a construction device such as a computer jumbo, it becomes possible to insert rock bolts and other elements into holes without relying on human labor. This eliminates the need for manual work in high places or dangerous locations, such as above tunnels, and reduces the burden and risks on workers. It is also expected to have the effect of reducing the possibility of damage or deformation of rock bolts and other elements when they are inserted into holes.
本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。 The present invention has been specifically described based on the embodiments, but it is not limited to these and various modifications are possible without departing from the spirit of the invention.
1 ロックボルト(棒状部材)
2 地山
3 トンネルの周壁面(壁面)
5 (ロックボルトの)挿入孔
20 デジタルカメラ(撮影装置)
21 レンズ
22 記憶媒体
23 撮影データ
24 近距離無線通信手段
25 リーダー
50 情報処理装置
51 記憶装置
52 プログラム
53 メモリ
54 演算装置
55 入力装置
56 出力装置
57 通信装置
60 コンピュータジャンボ(棒状部材の施工装置)
61 制御ユニット
62 通信ユニット
100 施工支援システム
1. Rock bolt (rod-shaped member)
2. Ground 3. Tunnel wall surface (wall)
5 (Lock bolt) insertion hole 20 Digital camera (photography device)
21 Lens 22 Storage medium 23 Photography data 24 Short-distance wireless communication means 25 Reader 50 Information processing device 51 Storage device 52 Program 53 Memory 54 Arithmetic device 55 Input device 56 Output device 57 Communication device 60 Computer Jumbo (rod-shaped member construction device)
61 Control unit 62 Communication unit 100 Construction support system
Claims (9)
前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する工程と、
前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する工程と、
を含むことを特徴とする棒状部材の施工支援方法。 acquiring a photographed image of a wall surface into which a rod-shaped member is to be inserted;
detecting an insertion hole already formed in the wall surface as an elliptical region based on brightness information indicated by the captured image;
estimating a position and an angle of the insertion hole on the wall surface based on a diameter and brightness information of the elliptical region shown in the photographed image corresponding to the elliptical region;
A method for supporting construction of a rod-shaped member, comprising:
前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する工程と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する工程を実行する、
ことを特徴とする請求項1に記載の棒状部材の施工支援方法。 In the step of detecting the elliptical region that is the insertion hole,
a step of detecting an outline of each region in the photographed image, approximating the detected outline to an elliptical shape, and converting each region into an elliptical region; and a step of identifying, among the elliptical regions, an elliptical region that is darker than another elliptical region or a predetermined reference, as the insertion hole, based on brightness information of each of the elliptical regions.
The method for supporting installation of a rod-shaped member according to claim 1 .
前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径に基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の棒状部材の施工支援方法。 In the step of estimating the position and angle of the insertion hole,
a position of the insertion hole is identified based on a diameter of the elliptical region and a known diameter of the rod-shaped member, and based on a transition in brightness in the minor axis direction of the elliptical region, the insertion hole is identified as extending at an angle at which the brightness becomes darker;
The method for supporting installation of a rod-shaped member according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項1に記載の棒状部材の施工支援方法。 Further includes a step of setting information about the position and angle of the insertion hole in the installation device for the rod-shaped member.
The method for supporting installation of a rod-shaped member according to claim 1 .
前記撮影装置による撮影で得た撮影画像を取得し、当該撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理を実行する情報処理装置と、
を含むことを特徴とする棒状部材の施工支援システム。 an imaging device that images a wall surface into which the rod-shaped member is to be inserted;
An information processing device that acquires a photographed image obtained by photographing with the photographing device, and detects an insertion hole formed in the wall surface as an elliptical region based on brightness information indicated by the photographed image, and executes a process of estimating a position and an angle of the insertion hole on the wall surface based on a diameter and brightness information of the elliptical region indicated by the photographed image corresponding to the elliptical region;
A construction support system for rod-shaped members, comprising:
前記挿入孔である前記楕円領域を検出する処理において、
前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する処理と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する処理を実行するものである、
ことを特徴とする請求項5に記載の棒状部材の施工支援システム。 The information processing device includes:
In the process of detecting the elliptical region that is the insertion hole,
The method detects the contour of each area in the captured image, approximates the detected contour to an elliptical shape, and converts each area into an elliptical area; and, based on brightness information of each of the elliptical areas, identifies an elliptical area that is darker than another elliptical area or a predetermined standard as the insertion hole.
6. The rod-shaped member construction support system according to claim 5.
前記挿入孔の位置と角度を推定する処理において、
前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径に基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定するものである、
ことを特徴とする請求項5に記載の棒状部材の施工支援システム。 The information processing device includes:
In the process of estimating the position and angle of the insertion hole,
The position of the insertion hole is identified based on the diameter of the elliptical region and the known diameter of the rod-shaped member, and the insertion hole is identified as extending at an angle at which the brightness becomes dark based on the transition of brightness in the minor axis direction of the elliptical region.
6. The rod-shaped member construction support system according to claim 5.
前記挿入孔の位置及び角度の情報を、前記棒状部材の施工装置にセットする処理をさらに実行するものである、
ことを特徴とする請求項5に記載の棒状部材の施工支援システム。 The information processing device includes:
The processing further includes setting information about the position and angle of the insertion hole in the installation device for the rod-shaped member.
6. The rod-shaped member construction support system according to claim 5.
棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を撮影装置から取得する処理と、
前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、
前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理と、
を実行させるプログラム。 In the information processing device,
A process of acquiring, from an imaging device, an image of a wall surface into which a rod-shaped member is to be inserted;
A process of detecting an insertion hole already formed in the wall surface as an elliptical region based on brightness information indicated by the captured image;
A process of estimating a position and an angle of the insertion hole on the wall surface based on a diameter and brightness information of the elliptical area shown in the photographed image corresponding to the elliptical area;
A program that executes the following.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022051387A JP7803487B2 (en) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | Rod-shaped member construction support method, rod-shaped member construction support system, and program |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022051387A JP7803487B2 (en) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | Rod-shaped member construction support method, rod-shaped member construction support system, and program |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023144420A JP2023144420A (en) | 2023-10-11 |
| JP7803487B2 true JP7803487B2 (en) | 2026-01-21 |
Family
ID=88253287
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022051387A Active JP7803487B2 (en) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | Rod-shaped member construction support method, rod-shaped member construction support system, and program |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7803487B2 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004152032A (en) | 2002-10-30 | 2004-05-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Three-dimensional posture input state three-dimensional posture input method, three-dimensional posture input method, three-dimensional posture input device, three-dimensional posture input program, and recording medium recording the program |
| JP2012032173A (en) | 2010-07-28 | 2012-02-16 | Hitachi Zosen Corp | Image measuring method and image measuring device |
| JP2013015452A (en) | 2011-07-05 | 2013-01-24 | Ohbayashi Corp | Reinforcement range extraction device, reinforcement range extraction method, and reinforcement range extraction program |
| WO2013098459A1 (en) | 2011-12-28 | 2013-07-04 | Sandvik Mining And Construction Oy | Method and arrangement for post-drilling insertion |
| JP2015059768A (en) | 2013-09-17 | 2015-03-30 | 株式会社Ntec | Level difference measuring device, level difference measuring method and program |
| JP2017201074A (en) | 2016-05-02 | 2017-11-09 | 大成建設株式会社 | Evaluation method of tunnel surrounding ground and tunnel construction method |
| JP2020122769A (en) | 2019-01-31 | 2020-08-13 | 富士通株式会社 | Evaluation method, evaluation program, and information processing device |
| JP2022001732A (en) | 2017-03-13 | 2022-01-06 | 大成建設株式会社 | Method for displaying working face information, working face information display system, and tunnel construction method using these |
-
2022
- 2022-03-28 JP JP2022051387A patent/JP7803487B2/en active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004152032A (en) | 2002-10-30 | 2004-05-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Three-dimensional posture input state three-dimensional posture input method, three-dimensional posture input method, three-dimensional posture input device, three-dimensional posture input program, and recording medium recording the program |
| JP2012032173A (en) | 2010-07-28 | 2012-02-16 | Hitachi Zosen Corp | Image measuring method and image measuring device |
| JP2013015452A (en) | 2011-07-05 | 2013-01-24 | Ohbayashi Corp | Reinforcement range extraction device, reinforcement range extraction method, and reinforcement range extraction program |
| WO2013098459A1 (en) | 2011-12-28 | 2013-07-04 | Sandvik Mining And Construction Oy | Method and arrangement for post-drilling insertion |
| JP2015059768A (en) | 2013-09-17 | 2015-03-30 | 株式会社Ntec | Level difference measuring device, level difference measuring method and program |
| JP2017201074A (en) | 2016-05-02 | 2017-11-09 | 大成建設株式会社 | Evaluation method of tunnel surrounding ground and tunnel construction method |
| JP2022001732A (en) | 2017-03-13 | 2022-01-06 | 大成建設株式会社 | Method for displaying working face information, working face information display system, and tunnel construction method using these |
| JP2020122769A (en) | 2019-01-31 | 2020-08-13 | 富士通株式会社 | Evaluation method, evaluation program, and information processing device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023144420A (en) | 2023-10-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9322950B2 (en) | Method and apparatus for finding stick-up height of a pipe or finding a joint between two pipes in a drilling environment | |
| CN109544636B (en) | A fast monocular visual odometry navigation and positioning method combining feature point method and direct method | |
| US10341618B2 (en) | Infrastructure positioning camera system | |
| JP6906587B2 (en) | Methods and equipment for determining the rotation angle of construction machinery and equipment | |
| US10406645B2 (en) | Calibration approach for camera placement | |
| US10646975B2 (en) | Measurement, layout, marking, firestop stick | |
| US20040101192A1 (en) | Pointing position detection device and autonomous robot | |
| TWI878674B (en) | Work management device, work management method, and implementation work estimation model | |
| JP2018173882A (en) | Information processing device, method, and program | |
| JP7803487B2 (en) | Rod-shaped member construction support method, rod-shaped member construction support system, and program | |
| CN115992725A (en) | Anchor hole positioning method, device, computer equipment and storage medium for anchor drilling robot | |
| WO2023025262A1 (en) | Excavator operation mode switching control method and apparatus and excavator | |
| JP2024100105A (en) | Rod-shaped member construction support method, rod-shaped member construction support system, and program | |
| WO2025097769A1 (en) | Visual imaging recognition method for tunnel blastholes, explosive charging robot and system | |
| CN105863603B (en) | A kind of localization method and system of drill jumbo automatic seeking point | |
| Perrin et al. | Unknown object grasping using statistical pressure models | |
| CN110634136B (en) | Pipeline wall damage detection method, device and system | |
| CN108432229B (en) | Method for realizing photographing effect of other people through self-photographing and photographing equipment | |
| JP2007218922A (en) | Image measuring device | |
| JP2024159168A (en) | Estimation device, estimation method, and program | |
| CN115731431A (en) | A tunnel blasthole identification method, device, equipment and storage medium | |
| US20020171757A1 (en) | Adjustable image capturing system | |
| Lee et al. | Detection Model of Heavy Equipment Using YOLOv3 while Driving | |
| CN119399108B (en) | A method and system for detecting drill string joint height based on monocular vision | |
| JP7712887B2 (en) | Compaction work analysis device, analysis method and program |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20220404 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20250219 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20251031 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20251125 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20251224 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7803487 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |