JP7835396B2 - Displacement measurement system and displacement measurement method - Google Patents
Displacement measurement system and displacement measurement methodInfo
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Description
本発明は、山岳トンネルの変位を計測する変位計測システムおよび変位計測方法に関する。 This invention relates to a displacement measurement system and a displacement measurement method for measuring displacement in mountain tunnels.
山岳トンネル工事の施工中に行う計測として「A計測」がある。A計測には、例えば「内空変位測定」、「天端沈下測定」、「脚部沈下測定」、「地表面沈下測定」などがある。計測は、変位が小さい場合でも「1~2回/日」の測定頻度が標準であり、労力と時間を要する。これまでの変位計測では、レーザを用いて測定を行っていた(例えば、光波測距儀を利用していた)。変位計測に関して、例えば特許文献1,2に記載される技術が知られている。
特許文献1に記載される技術は、トンネルの内空変位計測方法である。特許文献1の計測方法では、トンネルの同一断面内に数カ所の計測点を設置し、設置した計測点を光波測定機(光波測距儀)で視準することにより、視準された計測点の位置データを三次元座標系で取り込み、座標計算により計測点間距離を求める。ここで、各々の計測点は、トンネル周辺の地山もしくは吹付けコンクリート面または鋼製支保工の面にボルトを植設し、このボルトに反射シートを貼付けた測定用反射板をナット止めすることで設置される。
特許文献2に記載される技術は、施工中のトンネルを計測するシステムである。特許文献2のシステムは、トンネル坑内の所定の管理寸法を測定する複数の測定装置と、これらの測定装置の測定データを所定の管理所に送信する通信手段とを備える。例えば、内空変位測定を想定した場合、測定装置は、トンネルの内壁から水平方向にレーザを発信し、受信する機能を備えたレーザ発信・受信器と、レーザ発信・受信器で発信されたレーザ光をレーザ発信・受信器方向に反射する機能を備えたレーザ反射器とで構成される。
During construction of mountain tunnels, there is a type of measurement called "A-measurement." A-measurements include, for example, "internal displacement measurement,""crown settlement measurement,""leg settlement measurement," and "ground surface settlement measurement." Even when the displacement is small, the standard measurement frequency is "1 to 2 times per day," which requires effort and time. Until now, displacement measurements have been performed using lasers (for example, using optical distance meters). Regarding displacement measurement, technologies such as those described in Patent Documents 1 and 2 are known.
The technology described in Patent Document 1 is a method for measuring the internal displacement of a tunnel. In the measurement method of Patent Document 1, several measurement points are set up within the same cross-section of the tunnel, and the set up measurement points are sighted using an optical measuring instrument (optical distance meter). The position data of the sighted measurement points is acquired in a three-dimensional coordinate system, and the distance between measurement points is determined by coordinate calculation. Here, each measurement point is set up by embedding bolts in the ground, sprayed concrete surface, or steel support surface around the tunnel, and attaching a measuring reflector plate with a reflective sheet to the bolt with a nut.
The technology described in Patent Document 2 is a system for measuring tunnels under construction. The system in Patent Document 2 comprises a plurality of measuring devices for measuring predetermined control dimensions inside the tunnel, and communication means for transmitting the measurement data from these measuring devices to a predetermined control center. For example, assuming the measurement of internal displacement, the measuring device consists of a laser transmitter/receiver equipped with the function of transmitting and receiving a laser horizontally from the inner wall of the tunnel, and a laser reflector equipped with the function of reflecting the laser light transmitted by the laser transmitter/receiver back towards the laser transmitter/receiver.
従来のレーザを用いた計測では、多くの時間と労力を要するという問題があった。例えば、光波測距儀やレーザ発信・受信器は、水平を確保する必要があり、据付および確認作業に時間を要する。特に、トンネル坑内には様々な障害物があり、障害物によってレーザによる計測を邪魔された場合には、光波測距儀やレーザ発信・受信器を移動させてから据付および確認作業を再度行分ければならず大変な手間となる。
このような観点から、本発明は、山岳トンネルの変位計測に要する労力および時間を減らすことができる変位計測システムおよび変位計測方法を提供する。
Conventional laser-based measurements have the problem of requiring a lot of time and effort. For example, optical distance meters and laser transmitters/receivers must be kept level, and installation and verification work takes time. In particular, there are various obstacles inside tunnels, and if these obstacles interfere with laser measurements, the optical distance meters and laser transmitters/receivers must be moved and the installation and verification work must be repeated, which is a great deal of trouble.
From this perspective, the present invention provides a displacement measurement system and a displacement measurement method that can reduce the labor and time required for displacement measurement in mountain tunnels.
本発明に係る変位計測システムは、山岳トンネルの変位計測システムである。この変位計測システムは、トンネル内壁の計測点に設置され超音波を送信する送信部と、前記送信部から送信される超音波を受信する受信部と、前記受信部で受信した超音波に基づいて前記送信部の位置を推定する位置推定部とを備える。前記受信部は、直方体の各頂点に配置された複数のマイクロフォンで構成されており、前記位置推定部は、各々のマイクロフォンに前記超音波が到達した時間差に基づいて前記送信部の位置を推定する。
前記位置推定部は、例えば、各々の前記マイクロフォンで受信した前記超音波の信号のピークを検出して当該ピークの時間差を求め、位置推定アルゴリズムによって前記送信部の位置を推定する。
本発明に係る変位計測システムにおいては、水平を確保する必要がなく、据付および確認作業に要する時間を従来よりも短縮できる。その為、変位計測に要する労力および時間を従来よりも減らすことができる。特に、トンネル内の障害物に超音波の到達を邪魔された場合でも受信部を移動させるだけでよいので、据付および確認作業が非常に楽である。
The displacement measurement system according to the present invention is a displacement measurement system for mountain tunnels. This displacement measurement system comprises a transmitting unit installed at a measurement point on the inner wall of the tunnel and transmitting ultrasonic waves, a receiving unit that receives ultrasonic waves transmitted from the transmitting unit, and a position estimation unit that estimates the position of the transmitting unit based on the ultrasonic waves received by the receiving unit. The receiving unit is composed of a plurality of microphones arranged at each vertex of a rectangular parallelepiped , and the position estimation unit estimates the position of the transmitting unit based on the time difference in which the ultrasonic waves reach each microphone.
The position estimation unit, for example, detects the peaks of the ultrasonic signals received by each of the microphones, determines the time difference between these peaks, and estimates the position of the transmitter using a position estimation algorithm.
In the displacement measurement system according to the present invention, there is no need to ensure horizontal alignment, and the time required for installation and verification work can be reduced compared to conventional systems. As a result, the labor and time required for displacement measurement can be reduced compared to conventional systems. In particular, even if the arrival of ultrasonic waves is obstructed by obstacles in the tunnel, the receiving unit only needs to be moved, making installation and verification work extremely easy.
前記位置推定アルゴリズムは、例えば最小二乗法を用いたものである。前記位置推定アルゴリズムは、前記送信部の座標を初期値と誤差との和で表し、前記初期値を変更して計算を繰り返すことで誤差を小さくしていき当該誤差が限りなく小さくなった場合に計算で求めた送信部の座標を真の位置とする。前記初期値の最初の値として、前記超音波を最初に受信した最初のマイクロフォンと最後に受信した最後のマイクロフォンとを結ぶ線分の延長線上であって、前記最初のマイクロフォン側の延長線上の座標を設定するのがよい。
このようにすると、収束のスピードが速く、間違った解が求まる間違いも起こり難くなる(正しい解を求める確実性が上がる)。
前記送信部は、前記山岳トンネルの同一断面内における複数の位置に設置され、前記位置推定部は、各送信部の位置から二点間距離を算出してもよい。
前記送信部は、前記トンネル内壁に埋め込まれたソケットに収納されていてもよい。このようにすると、送信部が発破などの作業の邪魔になり難く、送信部が意図せず外れることも抑制できる。
前記受信部は、地面に立設可能な脚部または支保工に磁力で固定される固定部によって、前記山岳トンネル内に設置されていてもよい。このようにすると、受信部の据付けがより簡単になる。
The position estimation algorithm uses, for example, the least squares method. The position estimation algorithm represents the coordinates of the transmitter as the sum of an initial value and an error, and by changing the initial value and repeating the calculation, the error is reduced until the error becomes infinitely small, at which point the calculated coordinates of the transmitter are taken as the true position. As the initial value, it is preferable to set the coordinates on the extension of the line segment connecting the first microphone that first received the ultrasound and the last microphone that last received it, specifically on the extension on the side of the first microphone.
This approach speeds up convergence and reduces the likelihood of finding the wrong solution (increasing the certainty of finding the correct solution).
The transmitting units may be installed at multiple locations within the same cross-section of the mountain tunnel, and the position estimation unit may calculate the distance between two points from the position of each transmitting unit.
The transmitting unit may be housed in a socket embedded in the inner wall of the tunnel. This makes it less likely for the transmitting unit to interfere with blasting or other operations, and also prevents it from unintentionally becoming detached.
The receiving unit may be installed inside the mountain tunnel by means of legs that can be erected on the ground or by a fixing part that is magnetically fixed to a support structure. This makes the installation of the receiving unit easier.
本発明に係る変位計測方法は、山岳トンネルの変位計測方法である。この変位計測方法は、トンネル内壁の計測点に設置された送信部で超音波を送信する送信工程と、前記送信部から送信される超音波を受信部で受信する受信工程と、前記受信部で受信した超音波に基づいて前記送信部の位置を推定する位置推定工程とを有する。前記受信部は、直方体の各頂点に配置された複数のマイクロフォンで構成されており、前記位置推定工程では、各々のマイクロフォンに前記超音波が到達した時間差に基づいて前記送信部の位置を推定する。
本発明に係る変位計測方法においては、例えば水平を確保する必要がなく、据付および確認作業に要する時間を従来よりも短縮できる。その為、変位計測に要する労力および時間を従来よりも減らすことができる。特に、トンネル内の障害物に超音波の到達を邪魔された場合でも受信部を移動させるだけでよいので、据付および確認作業が非常に楽である。
The displacement measurement method according to the present invention is a method for measuring the displacement of a mountain tunnel. This displacement measurement method comprises a transmission step of transmitting ultrasonic waves from a transmitting unit installed at a measurement point on the inner wall of the tunnel, a reception step of receiving ultrasonic waves transmitted from the transmitting unit with a receiving unit, and a position estimation step of estimating the position of the transmitting unit based on the ultrasonic waves received by the receiving unit. The receiving unit is composed of a plurality of microphones arranged at each vertex of a rectangular parallelepiped , and in the position estimation step, the position of the transmitting unit is estimated based on the time difference in which the ultrasonic waves reach each microphone.
In the displacement measurement method according to the present invention, for example, it is not necessary to ensure horizontality, and the time required for installation and verification work can be shortened compared to conventional methods. As a result, the labor and time required for displacement measurement can be reduced compared to conventional methods. In particular, even if the arrival of ultrasonic waves is obstructed by obstacles in the tunnel, it is only necessary to move the receiving unit, making installation and verification work very easy.
本発明によれば、山岳トンネルの変位計測に要する労力および時間を減らすことができる。 According to this invention, the labor and time required for displacement measurement in mountain tunnels can be reduced.
以下、本発明の実施をするための形態を、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
<実施形態に係る変位計測システムの構成について>
図1を参照して、実施形態に係る変位計測システム1の構成について説明する。図1は、実施形態に係る変位計測システム1の概略図である。変位計測システム1は、トンネルの変位を計測するシステムである。変位計測システム1は、トンネルの変位を計測する様々な場面で使用することができ、変位を計測する対象など特に限定されるものではない。本実施形態では、「A計測」での「内空変位測定」を例示して説明する。内空変位測定は、トンネルの安定および支保工効果の確認、支保工の施工時期の判定、覆工の打設時期の判定等の資料得ることを目的とするものである。例えば、原則として「30m」に1箇所(1断面)および設計パターンを変更する箇所(断面)で内空変位測定を行い、施工の段階や地山等級を考慮して測定の間隔を調整する。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. Each figure is only a schematic representation to the extent that the present invention can be fully understood. Therefore, the present invention is not limited to the illustrated examples. In each figure, common or similar components are denoted by the same reference numerals, and their redundant descriptions are omitted.
<Configuration of the displacement measurement system according to the embodiment>
Referring to Figure 1, the configuration of the displacement measurement system 1 according to the embodiment will be described. Figure 1 is a schematic diagram of the displacement measurement system 1 according to the embodiment. The displacement measurement system 1 is a system for measuring the displacement of a tunnel. The displacement measurement system 1 can be used in various situations for measuring the displacement of a tunnel, and is not particularly limited to the object of measurement. In this embodiment, "internal displacement measurement" in "Measurement A" will be used as an example. The purpose of internal displacement measurement is to obtain data for confirming the stability of the tunnel and the effectiveness of the support structure, determining the timing of support structure construction, and determining the timing of lining placement. For example, as a general rule, internal displacement measurements are performed at one location (one cross section) every "30m" and at locations (cross sections) where the design pattern is changed, and the measurement interval is adjusted considering the stage of construction and the grade of the ground.
図1に示すように、変位計測システム1は、送信装置2と、受信装置3と、操作装置4と、管理者端末5とを主に備える。変位計測システム1では、送信装置2から発信される超音波を受信装置3が有する複数のマイクロフォンで受信し、各マイクロフォンへ超音波が到達した時間差に基づいて送信装置2の位置を推定する。送信装置2は、トンネル内の変位を測定する位置(各計測点)に設置され、時間の経過に応じた送信装置2の座標の変化を調べることによってトンネルの変位を計測する。なお、受信装置3に内蔵された温度/湿度センサの情報で気温や湿度に伴う音速の変化を自動補正するので、気温や湿度の変化の影響もなく高い計測精度となる。 As shown in Figure 1, the displacement measurement system 1 mainly comprises a transmitter 2, a receiver 3, an operating device 4, and an administrator terminal 5. In the displacement measurement system 1, ultrasonic waves emitted from the transmitter 2 are received by multiple microphones in the receiver 3, and the position of the transmitter 2 is estimated based on the time difference in the arrival of the ultrasonic waves at each microphone. The transmitter 2 is installed at positions (each measurement point) within the tunnel where displacement is to be measured, and the tunnel displacement is measured by examining the change in the coordinates of the transmitter 2 over time. Furthermore, the system automatically corrects for changes in sound velocity due to temperature and humidity using information from a temperature/humidity sensor built into the receiver 3, resulting in high measurement accuracy unaffected by changes in temperature and humidity.
図1に示す送信装置2は、超音波を送信する装置である。送信装置2は、例えば、超音波ビーコンであり、超音波を一定間隔で間欠送信する。送信装置2は、トンネル内の変位を測定する位置(各計測点)に設置される。つまり、送信装置2は、従来のレーザを用いた測定でのターゲットの位置に設置される。本実施形態では、A計測での内空変位測定を想定しているので、トンネルの同一断面内における複数の計測点に送信装置2が設置される。送信装置2の位置は、例えば「A測線」~「D測線」を測定可能な位置である。 The transmitting device 2 shown in Figure 1 is a device that transmits ultrasonic waves. The transmitting device 2 is, for example, an ultrasonic beacon, and intermittently transmits ultrasonic waves at regular intervals. The transmitting device 2 is installed at the locations (each measurement point) where displacement within the tunnel is measured. In other words, the transmitting device 2 is installed at the target locations in conventional laser-based measurements. In this embodiment, since we are assuming measurement of internal displacement in measurement A, the transmitting device 2 is installed at multiple measurement points within the same cross-section of the tunnel. The positions of the transmitting device 2 are, for example, locations where measurements can be taken along "measurement line A" to "measurement line D".
受信装置3は、送信装置2が送信する超音波を受信する装置であり、当該超音波が到達する範囲内(取得可能な位置)に設置される。受信装置3は、例えば地面に立設可能な脚部または支保工に磁力で固定される固定部を有しており、当該脚部や当該固定部によってトンネル内の任意の場所に設置される。受信装置3Aは、三脚を備えており、トンネル内の地面に置かれている。受信装置3Bは、底部に磁石が取り付けられており、支保工に固定されている。 The receiving device 3 is a device that receives ultrasonic waves transmitted by the transmitting device 2, and is installed within the range (acquisition location) of the ultrasonic waves. The receiving device 3 has, for example, legs that can be erected on the ground or a fixing part that is magnetically fixed to a support structure, and can be installed at any location within the tunnel using the legs or fixing part. Receiver 3A has a tripod and is placed on the ground within the tunnel. Receiver 3B has a magnet attached to its base and is fixed to a support structure.
操作装置4は、受信装置3を操作するための装置であり、例えばトンネル工事の作業員によって操作される。操作装置4は、例えば持ち運びが容易な携帯型端末である。
管理者端末5は、例えばトンネル坑内の受信装置3から離れた場所に設置され、トンネル工事の管理者などによって操作される。管理者端末5は、例えばPC(Personal Computer)、スマートフォン、タブレット端末などである。なお、管理者端末5をトンネル坑外の事務所内に設置しても良い。
The operating device 4 is a device for operating the receiving device 3, and is operated, for example, by tunnel construction workers. The operating device 4 is, for example, a portable terminal that is easy to carry.
The administrator terminal 5 is installed, for example, in a location away from the receiving device 3 inside the tunnel and is operated by the tunnel construction manager or similar person. The administrator terminal 5 can be, for example, a PC (Personal Computer), a smartphone, or a tablet device. Alternatively, the administrator terminal 5 may be installed in an office outside the tunnel.
送信装置2の構成を図2に示す。図2は、送信装置2の概略構成図である。本実施形態の送信装置2は、トンネルの壁面に形成された凹部に嵌め込んだ状態で使用可能に構成される。送信装置2は、主に、無線モジュール21と、超音波スピーカ(送信部)22と、バッテリ23と、制御基板24とを備え、これらの構成要素はケース20に収納されている。ケース20は、収納する構成要素を保護する役割を担い、例えば密閉可能である。バッテリ23は、充電可能であり、必要に応じて取り外すことができる。送信装置2は、壁面に埋め込まれたソケット6に収納される。ソケット6は、送信装置2を収納するための空間および送信装置2を装着するための開口部6aを有する。例えばコンクリートを吹き付ける前の地山(または支保工)に穴を形成してソケット6を埋め込み、蓋などの閉塞手段を使って開口部6aを塞いでおく。そして、コンクリートの吹き付け後に閉塞手段を外し、送信装置2をソケット6内に固定する。これにより、送信装置2がトンネル内壁に埋め込まれた状態となり、発破などの作業の邪魔になり難い。送信装置2およびソケット6の一方または双方には、ソケット6に収納された送信装置2が意図せず飛び出さない(落下しない)ための工夫がなされているのがよい。送信装置2を収納した状態のソケット6をコンクリートで覆い、送信装置2を埋めた状態のまま(埋め殺し)にしてもよい。 The configuration of the transmitting device 2 is shown in Figure 2. Figure 2 is a schematic diagram of the transmitting device 2. The transmitting device 2 of this embodiment is configured to be usable when fitted into a recess formed in the wall surface of a tunnel. The transmitting device 2 mainly comprises a wireless module 21, an ultrasonic speaker (transmitting unit) 22, a battery 23, and a control board 24, and these components are housed in a case 20. The case 20 plays a role in protecting the components it houses and, for example, can be sealed. The battery 23 is rechargeable and can be removed as needed. The transmitting device 2 is housed in a socket 6 embedded in the wall surface. The socket 6 has a space for housing the transmitting device 2 and an opening 6a for mounting the transmitting device 2. For example, a hole is formed in the ground (or support structure) before concrete is sprayed, the socket 6 is embedded, and the opening 6a is sealed using a sealing means such as a lid. Then, after concrete is sprayed, the sealing means is removed and the transmitting device 2 is fixed inside the socket 6. This allows the transmitter 2 to be embedded in the tunnel wall, making it less likely to interfere with blasting or other operations. It is preferable that one or both of the transmitter 2 and the socket 6 be designed to prevent the transmitter 2, housed in the socket 6, from unintentionally popping out (falling). Alternatively, the socket 6, with the transmitter 2 housed inside, could be covered with concrete, leaving the transmitter 2 permanently embedded.
受信装置3の構成を図3に示す。図3は、受信装置3の概略構成図である。本実施形態の受信装置3は、トンネル内を移動可能なサイズに構成される。受信装置3は、主に、受信部31と、無線モジュール33と、温度/湿度センサ34と、バッテリ35と、制御基板36とを備える。受信部31は、送信部である超音波スピーカ22から発信される超音波を受信する部分である。受信部31は、複数のマイクロフォン32を有し、当該マイクロフォン32は土台部31aに設置される。複数のマイクロフォン32は、アレイ状に配置されるのが望ましい。本実施形態のマイクロフォン32は、直方体の各頂点に配置されている。なお、マイクロフォン32は、アレイ状に配置せず、また、一つの土台部31aに全てのマイクロフォン32を設置せずに別々な構成とすることもできる。無線モジュール33、温度/湿度センサ34、バッテリ35および制御基板36は、ケース30に収納されている。ケース30は、収納する構成要素を保護する役割を担い、例えば密閉可能である。ケース30と土台部31aは、連結部31bによって接続される。受信装置3は、例えば地面に立設可能な脚部または支保工に磁力で固定される固定部を有するのがよい(図1参照)。受信装置3には、メンテナンス用のUSB端子37と、充電用の充電端子38とが設けられている。なお、受信装置3と操作装置4の通信は、無線モジュール33と無線モジュール42とによる無線通信で行われるが、有線通信で行われてもよい。管理者端末5が操作装置4の機能を有する場合、受信装置3と管理者端末5とが無線通信(有線通信であってもよい)を行う。 The configuration of the receiving device 3 is shown in Figure 3. Figure 3 is a schematic diagram of the receiving device 3. The receiving device 3 of this embodiment is configured to be movable within a tunnel. The receiving device 3 mainly comprises a receiving unit 31, a wireless module 33, a temperature/humidity sensor 34, a battery 35, and a control board 36. The receiving unit 31 is the part that receives ultrasonic waves emitted from the ultrasonic speaker 22, which is the transmitting unit. The receiving unit 31 has a plurality of microphones 32, and these microphones 32 are installed on the base unit 31a. It is desirable that the plurality of microphones 32 be arranged in an array. In this embodiment, the microphones 32 are arranged at each vertex of a rectangular parallelepiped. Note that the microphones 32 do not have to be arranged in an array, and it is also possible to have separate configurations instead of installing all microphones 32 on a single base unit 31a. The wireless module 33, temperature/humidity sensor 34, battery 35, and control board 36 are housed in a case 30. The case 30 serves to protect the components it houses and, for example, is airtight. The case 30 and the base 31a are connected by a connecting portion 31b. The receiving device 3 preferably has a fixed portion that can be magnetically attached to, for example, legs that can be erected on the ground or to a support structure (see Figure 1). The receiving device 3 is provided with a USB terminal 37 for maintenance and a charging terminal 38 for charging. Communication between the receiving device 3 and the operating device 4 is performed wirelessly using wireless modules 33 and 42, but it may also be done via wired communication. If the administrator terminal 5 has the functions of the operating device 4, the receiving device 3 and the administrator terminal 5 communicate wirelessly (or via wired communication).
操作装置4の構成を図4に示す。図4は、操作装置4の概略構成図である。本実施形態に係る操作装置4は、作業員が両手で持った状態で操作することを想定している。操作装置4のケース40は、左右両側を手で持つことが可能な形状(例えば、左右方向に長く所定の厚みを有する板状)を呈している。操作装置4は、主に、表示部41と、無線モジュール42と、バッテリ43と、操作部44と、制御基板45とを備える。操作部44は、ジョイスティック44aと、各種の操作ボタン(「送信装置検索」ボタン44b、「測定開始/停止」ボタン44c、クリアボタン44d)とを備える。表示部41は、例えば液晶ディスプレイであり、表示部41には計測を行うために必要な情報(例えば計測の条件を設定するための情報)や計測結果の情報などが表示される。ジョイスティック44aは、左手で操作可能な位置に配置され、例えば上下左右方向を指定することができる。「送信装置検索」ボタン44b、「測定開始/停止」ボタン44c、およびクリアボタン44dは、右手で操作可能な位置に配置される。無線モジュール42およびバッテリ43は、ケース40に格納されている。操作装置4には、メンテナンス用のUSB端子46と、充電用の充電端子47とが設けられている。なお、受信装置3や管理者端末5が、操作装置4が有する機能の一部または全部を有する構成であってもよい。 The configuration of the operating device 4 is shown in Figure 4. Figure 4 is a schematic diagram of the operating device 4. The operating device 4 according to this embodiment is intended to be operated by a worker holding it with both hands. The case 40 of the operating device 4 has a shape that can be held by both hands on the left and right sides (for example, a plate shape that is long in the left-right direction and has a predetermined thickness). The operating device 4 mainly comprises a display unit 41, a wireless module 42, a battery 43, an operation unit 44, and a control board 45. The operation unit 44 includes a joystick 44a and various operation buttons ("transmitter search" button 44b, "measurement start/stop" button 44c, clear button 44d). The display unit 41 is, for example, a liquid crystal display, and the display unit 41 displays information necessary for performing measurements (for example, information for setting measurement conditions) and measurement result information. The joystick 44a is positioned so that it can be operated with the left hand, and can specify, for example, the up, down, left, and right directions. The "Transmitter Search" button 44b, the "Measurement Start/Stop" button 44c, and the clear button 44d are positioned for operation with the right hand. The wireless module 42 and battery 43 are housed in the case 40. The operating device 4 is provided with a USB terminal 46 for maintenance and a charging terminal 47 for charging. The receiving device 3 and the administrator terminal 5 may also have some or all of the functions of the operating device 4.
図5を参照して(適宜、図1ないし図4を参照)、変位計測システム1内での情報のやり取りを説明する。図5は、実施形態に係る変位計測システム1のブロック図(ソフトウェア構成を含む)である。 Referring to Figure 5 (and Figures 1 to 4 as appropriate), the information exchange within the displacement measurement system 1 will be explained. Figure 5 is a block diagram (including the software configuration) of the displacement measurement system 1 according to this embodiment.
送信装置2は、受信装置3からの測定開始の要求を無線モジュール21で受信した場合に、送信制御部24aがパルス制御部24bに信号送信の指示を行い、パルス制御部24bがパルス信号を超音波スピーカ22に送信する。そして、超音波スピーカ22が空中に超音波のパルス信号を放出し、放出された超音波のパルス信号は受信装置3に到達する。 When the transmitting device 2 receives a request from the receiving device 3 to start measurement via the wireless module 21, the transmitting control unit 24a instructs the pulse control unit 24b to transmit a signal. The pulse control unit 24b then transmits a pulse signal to the ultrasonic speaker 22. The ultrasonic speaker 22 then emits an ultrasonic pulse signal into the air, and the emitted ultrasonic pulse signal reaches the receiving device 3.
受信装置3は、無線モジュール33を介して送信装置2に測定開始の要求を送信し、その応答として送信装置2から超音波のパルス信号を複数のマイクロフォン32で受信し、受信したパルス信号は制御部(位置推定部)36aに送られる。また、制御部36aには、温度/湿度センサ34から温度や湿度の情報が送られる。制御部36aは、超音波のパルス信号、温度情報、湿度情報に基づいて、送信元となる送信装置2の位置を推定する。送信元の位置推定の詳細については後述する。受信装置3は、測定結果(送信装置2の位置に関する情報や二つの送信装置2間の距離に関する情報など)を、無線モジュール33を介して操作装置4に送信する。 The receiving device 3 transmits a request to start measurement to the transmitting device 2 via the wireless module 33. In response, it receives ultrasonic pulse signals from the transmitting device 2 using multiple microphones 32, and the received pulse signals are sent to the control unit (position estimation unit) 36a. The control unit 36a also receives temperature and humidity information from the temperature/humidity sensor 34. Based on the ultrasonic pulse signals, temperature information, and humidity information, the control unit 36a estimates the position of the transmitting device 2. Details of the source position estimation will be described later. The receiving device 3 transmits the measurement results (information regarding the position of the transmitting device 2 and information regarding the distance between the two transmitting devices 2, etc.) to the operating device 4 via the wireless module 33.
操作装置4は、作業員の操作を操作部44で受け付け、作業員による操作情報(例えば、測定を行う送信装置2に関する情報や測定開始の操作情報など)を、無線モジュール42を介して受信装置3に送信する。また、操作装置4は、測定結果(送信装置2の位置に関する情報や二つの送信装置2間の距離に関する情報など)を、無線モジュール42を介して受信装置3から受信し、制御部45aが表示部41に受信した情報を表示させる。また、操作装置4は、測定結果を無線モジュール42を介して管理者端末5に送信する。これにより、管理者は、管理者端末5によって測定結果を確認することができる。 The operating device 4 receives operator input via the operating unit 44 and transmits operator information (e.g., information about the transmitting device 2 performing the measurement and operation information for starting the measurement) to the receiving device 3 via the wireless module 42. The operating device 4 also receives measurement results (e.g., information about the position of the transmitting device 2 and information about the distance between the two transmitting devices 2) from the receiving device 3 via the wireless module 42, and the control unit 45a displays the received information on the display unit 41. Furthermore, the operating device 4 transmits the measurement results to the administrator terminal 5 via the wireless module 42. This allows the administrator to confirm the measurement results via the administrator terminal 5.
操作装置4の表示部41には、例えば測定画面M10が表示される。測定画面M10は、ID表示領域M11と、位置表示領域M12と、距離表示領域M13と、グループ表示領域M14とを有する。
ID表示領域M11には、受信装置3と通信可能な範囲に存在する送信装置2のID一覧が表示される。受信装置3の制御部36aは、例えば通信接続を要求する無線信号を送信し、操作装置4の制御部45aは、その応答を受信した送信装置2のIDをID表示領域M11に表示させる。
The display unit 41 of the operating device 4 displays, for example, the measurement screen M10. The measurement screen M10 has an ID display area M11, a position display area M12, a distance display area M13, and a group display area M14.
The ID display area M11 displays a list of IDs of transmitting devices 2 that are within communication range of the receiving device 3. The control unit 36a of the receiving device 3 transmits, for example, a wireless signal requesting a communication connection, and the control unit 45a of the operating device 4 displays the ID of the transmitting device 2 that received the response in the ID display area M11.
位置表示領域M12には、受信装置3と通信可能な範囲に存在する送信装置2の位置(測定結果)が表示される。受信装置3の制御部36aは、送信装置2から発信させる超音波の信号に基づいて送信装置2の位置を求め、操作装置4の制御部45aは、その結果を位置表示領域M12に表示する。送信装置2の位置の推定は、後述する位置推定アルゴリズムを用いて行われる。 The position display area M12 displays the position (measurement result) of the transmitter 2, which is within communication range of the receiver 3. The control unit 36a of the receiver 3 determines the position of the transmitter 2 based on the ultrasonic signal emitted from the transmitter 2, and the control unit 45a of the operating device 4 displays the result in the position display area M12. The position of the transmitter 2 is estimated using a position estimation algorithm described later.
距離表示領域M13には、二つの送信装置2間の距離が表示される。受信装置3の制御部36aは、例えば受信装置3と通信可能な範囲に存在する送信装置2の全ての組合せにについて、二つの送信装置2間の距離を算出する。距離表示領域M13には、所定数の組合せを表示可能であり(図4では三つの組合せを表示可能であり、「ID(1)-ID(2)」,「ID(1)- ID(3)」,「ID(2)- ID(3)」が表示されている)、ジョイスティック44aを上下方向に操作することで表示される組合せが変更される。 The distance display area M13 displays the distance between the two transmitting devices 2. The control unit 36a of the receiving device 3 calculates the distance between the two transmitting devices 2 for all combinations of transmitting devices 2 that are within communication range of the receiving device 3. The distance display area M13 can display a predetermined number of combinations (in Figure 4, three combinations are displayed: "ID(1)-ID(2)", "ID(1)-ID(3)", and "ID(2)-ID(3)"), and the displayed combination can be changed by operating the joystick 44a in the up and down direction.
グループ表示領域M14には、グループに関する情報が表示される。グループは、測定結果を登録するまとまりである。受信装置3の制御部36aは、例えば一回の測定動作で測定した複数の送信装置2の結果を一つのグループとして登録する。グループ表示領域M14には、所定数のグループの識別情報が表示され(図4では「Grp.1」~「Grp.4」の四つのグループが表示されている)、ジョイスティック44aを左右方向に操作することで一つのグループを選択することができる。選択中のグループは、強調されて表示される(図4では「Grp.1」が選択中であり、「Grp.1」の文言を枠M14aで囲むことで強調している)。 The group display area M14 displays information about the groups. A group is a collection of measurement results. The control unit 36a of the receiving device 3 registers the results of multiple transmitting devices 2 measured in a single measurement operation as a single group. The group display area M14 displays identification information for a predetermined number of groups (in Figure 4, four groups, "Grp.1" to "Grp.4," are displayed), and a group can be selected by operating the joystick 44a left or right. The selected group is highlighted (in Figure 4, "Grp.1" is selected, and the text "Grp.1" is highlighted by enclosing it in a frame M14a).
次に、図6を参照して、超音波の送信元である送信装置2の位置の推定について説明する。図6は、位置推定アルゴリズムに用いる定義を説明するための図である。なお、本実施形態では、受信装置3が送信装置2の位置推定を行うことを想定しているが、他の装置(例えば受信装置3や管理者端末5)が送信装置2の位置推定を行ってもよい。位置推定の機能(位置推定部)は、例えばCPU(Central Processing Unit)によるプログラム実行処理によって実現される。 Next, with reference to Figure 6, the estimation of the position of the transmitting device 2, which is the source of the ultrasonic waves, will be explained. Figure 6 is a diagram illustrating the definitions used in the position estimation algorithm. In this embodiment, it is assumed that the receiving device 3 performs the position estimation of the transmitting device 2, but other devices (e.g., the receiving device 3 or the administrator terminal 5) may also perform the position estimation of the transmitting device 2. The position estimation function (position estimation unit) is implemented, for example, by program execution processing by the CPU (Central Processing Unit).
測定の事前準備として、マイクロフォン32の付近に原点を有する座標系(x,y,z)を設ける。座標系(x,y,z)は、ローカル座標系でよく、向きは任意とする。第1~第N(Nはマイクロフォンの数であり、超音波が到達した順番に昇順の番号を付与する)のマイクロフォン32の配置は既知なので、マイクロフォン32の座標Pi(i=1~N)は既知となる。また、第1~第Nのマイクロフォン32における受信時刻ti(i=1~N)の時間差「(t2~N)-t1」は、音速およびマイクロフォン32の座標Piから既知となる。
このようにマイクロフォン32の座標Piと受信の時間差「(t2~N)-t1」が既知であり、また、例えば「N≧4」であれば、超音波スピーカ22の座標PPを方程式で表すことができる。そして、この方程式を、例えばニュートン法、最小二乗法、近接4点法などで解くことで、超音波スピーカ22の座標PPを推定可能である。
ここで、音速は、気温や湿度の影響を受けるため、温度/湿度センサ34でリアルタイムに気温や湿度を測定しながら、以下の式で音速の補正を行う。Tは気温[℃]であり、Hは湿度[%]である。
・音速C=331.4+0.606×T+0.0124×H
As preparation for the measurement, a coordinate system (x,y,z) with its origin near microphone 32 is established. The coordinate system (x,y,z) can be a local coordinate system, and its orientation is arbitrary. Since the arrangement of microphones 32 from the 1st to the Nth (N is the number of microphones, and they are numbered in ascending order according to the order in which the ultrasound arrives) is known, the coordinates P i (i=1 to N) of microphone 32 are known. In addition, the time difference "(t2 to N ) - t1 " of the reception times t i (i=1 to N) at microphones 32 from the 1st to the Nth is known from the speed of sound and the coordinates P i of microphone 32.
Thus, if the coordinates P i of the microphone 32 and the reception time difference "(t2 to N ) - t1 " are known, and for example "N≧4", the coordinates P P of the ultrasonic speaker 22 can be expressed by an equation. Then, by solving this equation using methods such as Newton's method, least squares method, or nearest four-point method, the coordinates P P of the ultrasonic speaker 22 can be estimated.
Here, since the speed of sound is affected by temperature and humidity, the temperature/humidity sensor 34 measures the temperature and humidity in real time, and the speed of sound is corrected using the following formula. T is the temperature [°C] and H is the humidity [%].
・Sound speed C=331.4+0.606×T+0.0124×H
受信装置3の制御部36a(位置推定部)は、各マイクロフォン32で受信した音信号に対してバンドパスフィルタによるフィルタ処理を行うことで、特定の周波数成分(送信装置2が発信する超音波の成分)だけ抽出し、高周波・低周波ノイズの除去を行う。また、制御部36aは、フィルタ処理を行った信号の開始地点を決定するために、ピークの検出を行う。制御部36aは、例えばピークを判別するための閾値を設定し、閾値を超えてから最初のピークを信号が到達したタイミングとする。 The control unit 36a (position estimation unit) of the receiving device 3 filters the sound signals received by each microphone 32 using a bandpass filter to extract only specific frequency components (the ultrasonic components emitted by the transmitting device 2) and remove high-frequency and low-frequency noise. The control unit 36a also detects peaks to determine the starting point of the filtered signal. For example, the control unit 36a sets a threshold for identifying peaks, and defines the timing of the first peak reached after exceeding the threshold as the signal's arrival time.
制御部36aは、各マイクロフォン32で受信した音信号のピークの時間差から、位置推定アルゴリズムを用いて、超音波スピーカ22の位置推定および超音波スピーカ22間の距離推定を行う。以下では、最小二乗法を例示して説明する。 The control unit 36a uses a position estimation algorithm to estimate the position of the ultrasonic speaker 22 and the distance between the ultrasonic speakers 22, based on the time difference of the peaks of the sound signals received by each microphone 32. The least squares method will be used as an example in the following explanation.
ここまで説明した送信装置2の位置の推定について、図7を参照して説明する。図7は、本実施形態に係る変位計測システム1のプログラムフローである。
各マイクロフォン32の配置は既知なので、各マイクロフォン32の座標Pi(xi,yi,zi)に、配置に基づく固定値をセットする(ステップS11)。また、超音波スピーカ22の座標の初期値P0(x0,y0,z0)として適当な値をセットする(ステップS12)。続いて、上記(8)式からαi,βi,γiを算出し(ステップS13)、上記(3)式からfi(Ri)を算出する(ステップS14)。続いて、上記(7)式からΔfiを算出し(ステップS15)、上記(10)式から誤差Δx,Δy,Δzを算出する(ステップS16)。Δx,Δy,Δzが大きくまだ誤差がある場合(ステップS17)、上記(5)式からxp,yp,zpを求めて新たなx0,y0,z0とする(ステップS18)。そして、ステップS13~ステップS16を行い新たな誤差Δx,Δy,Δzを算出する。Δx,Δy,Δzが十分小さい場合(ステップS17)、x0,y0,z0が送信装置2の座標となる(ステップS19)。
このように、本実施形態における位置推定では、繰り返し計算を行う途中において、超音波スピーカ22の座標PP(xp,yp,zp)の仮の値を次の計算での初期値x0,y0,z0として繰り返し計算を行う。そして、誤差が小さくなった所で、座標x0,y0,z0(または座標PP(xp,yp,zp))を超音波スピーカ22の真の位置として繰り返し計算を終了する。つまり、一回目の計算で求めた超音波スピーカ22の座標PP(xp,yp,zp)を初期値x0,y0,z0として二回目の計算を行い新たに超音波スピーカ22の座標PP(xp,yp,zp)を求める。
The estimation of the position of the transmitting device 2, as described above, will now be explained with reference to Figure 7. Figure 7 is the program flow of the displacement measurement system 1 according to this embodiment.
Since the arrangement of each microphone 32 is known, a fixed value based on the arrangement is set for the coordinates P i (x i , y i , z i ) of each microphone 32 (step S11). Also, an appropriate value is set as the initial value P 0 (x 0 , y 0 , z 0 ) of the coordinates of the ultrasonic speaker 22 (step S12). Next, α i , β i , γ i are calculated from equation (8) above (step S13), and fi (R i ) is calculated from equation (3) above (step S14). Next, Δfi is calculated from equation (7) above (step S15), and the errors Δx, Δy, Δz are calculated from equation (10) above (step S16). If Δx, Δy, Δz are large and there is still an error (step S17), x p , y p , z p are found from equation (5) above and set as new x 0 , y 0 , z 0 (step S18). Then, steps S13 to S16 are performed to calculate new errors Δx, Δy, and Δz. If Δx, Δy, and Δz are sufficiently small (step S17), then x 0 , y 0 , and z 0 become the coordinates of the transmitting device 2 (step S19).
Thus, in the position estimation method of this embodiment, during the iterative calculation, a provisional value for the coordinates PP (x p , y p , z p ) of the ultrasonic speaker 22 is used as the initial value x 0 , y 0 , z 0 for the next calculation, and the iterative calculation is performed. When the error becomes small, the coordinates x 0 , y 0 , z 0 (or coordinates PP (x p , y p , z p )) are taken as the true position of the ultrasonic speaker 22, and the iterative calculation is terminated. In other words, the coordinates PP (x p , y p , z p ) of the ultrasonic speaker 22 obtained in the first calculation are used as the initial value x 0 , y 0 , z 0 for the second calculation, and the coordinates PP (x p , y p , z p ) of the ultrasonic speaker 22 are newly determined.
初期値x0,y0,z0の最初の値(繰り返し計算する一回目の値)は、特に限定されずにどの場所の座標を用いてもよい。初期値x0,y0,z0の最初の値は、超音波を最初に受信した第1のマイクロフォン321(最初のマイクロフォン)と最後に受信した第Nのマイクロフォン32N(最後のマイクロフォン)とを結ぶ線分の延長線上であって、第1のマイクロフォン321側の延長線上の座標(例えば、第1のマイクロフォン321から数mだけ離れた位置)を設定するのがのぞましい。このようにすると、収束のスピードが速く、間違った解が求まる間違いも起こり難くなる(正しい解を求める確実性が上がる)。 The initial values x 0 , y 0 , z 0 (the first values used in the iterative calculation) are not particularly limited and can be any coordinates. It is preferable to set the initial values x 0 , y 0 , z 0 on the extension of the line segment connecting the first microphone 32 1 (the first microphone) that first received the ultrasound and the Nth microphone 32 N (the last microphone) that last received the ultrasound, specifically on the extension on the first microphone 32 1 side (for example, a position a few meters away from the first microphone 32 1 ). This speeds up convergence and reduces the likelihood of obtaining incorrect solutions (increasing the certainty of finding the correct solution).
<実施形態に係る変位計測システムの測定動作について>
図8を参照して(適宜、図1ないし図7を参照)、実施形態に係る変位計測システム1の測定動作の概要を説明する。図8は、変位計測システム1の測定動作を説明するための図である。
最初に、受信装置3は、送信装置21(「ID(1)」の送信装置2)に対して無線で送信開始を要求し(ステップS1)、送信開始の要求を受け取った送信装置21は、超音波の送信を開始する(ステップS2)。送信装置21は、例えば、超音波を一定間隔で間欠送信する。受信装置3は、送信装置21から発信された超音波を各マイクロフォン32で受信し、各マイクロフォン32間での受信した時間差Δtから送信装置21の位置を計算する(ステップS3)。そして、受信装置3は、送信装置21に対して無線で送信停止を要求し(ステップS4)、送信停止の要求を受け取った送信装置21は、超音波の送信を停止する。
<Regarding the measurement operation of the displacement measurement system according to the embodiment>
Referring to Figure 8 (and Figures 1 to 7 as appropriate), an overview of the measurement operation of the displacement measurement system 1 according to the embodiment will be described. Figure 8 is a diagram illustrating the measurement operation of the displacement measurement system 1.
First, the receiving device 3 wirelessly requests the transmitting device 21 (the transmitting device 2 of "ID(1)") to start transmitting (step S1). Upon receiving the request to start transmitting, the transmitting device 21 begins transmitting ultrasound (step S2). The transmitting device 21 intermittently transmits ultrasound at regular intervals, for example. The receiving device 3 receives the ultrasound emitted from the transmitting device 21 with each microphone 32 and calculates the position of the transmitting device 21 from the time difference Δt between the microphones 32 (step S3). Then, the receiving device 3 wirelessly requests the transmitting device 21 to stop transmitting (step S4). Upon receiving the request to stop transmitting, the transmitting device 21 stops transmitting ultrasound.
次に、受信装置3は、送信装置22(「ID(2)」の送信装置2)に対して無線で送信開始を要求し(ステップS5)、送信装置21と同じ手順で送信装置22の位置を計算する。このように、受信装置3は、送信装置21~2Nの位置を順番に計算し、トンネル内の各計測点の位置を求める。また、受信装置3は、求めた各計測点の位置に基づいて、各計測点間(各送信装置21~2N間)の距離を求める。そして、時間をおいて送信装置21~2Nの位置(各計測点の位置)を再度計測し、以前に計測した位置や距離との比較によってトンネルの変位を計測する。 Next, the receiving device 3 wirelessly requests the transmitting device 22 (the transmitting device 2 of "ID(2)") to start transmitting (step S5), and calculates the position of transmitting device 22 using the same procedure as for transmitting device 21. In this way, the receiving device 3 sequentially calculates the positions of transmitting devices 21 to 2N and determines the position of each measurement point in the tunnel. The receiving device 3 also calculates the distance between each measurement point (between each transmitting device 21 to 2N ) based on the determined positions of each measurement point. Then, after a period of time, the positions of transmitting devices 21 to 2N (the positions of each measurement point) are measured again, and the displacement of the tunnel is measured by comparing it with the previously measured positions and distances.
図9および図10を参照して(適宜、図1ないし図8を参照)、より具体的な測定手順について説明する。図9および図10は、実施形態に係る変位計測システム1の測定手順を説明するための図である。なお、ここで説明する測定手順はあくまで例示である。
作業員が受信装置3を起動すると、受信装置3は、自身の無線範囲K内の送信装置2と自動的に接続する。ここでは、図9に示すように、送信装置21~28(「ID(1)」~「ID(8)」の送信装置2)が無線範囲K内に入っているとし、受信装置3は、送信装置21~28と自動的に接続する。そして、接続した送信装置2のIDが測定画面M10のID表示領域M11に表示される。図11(a)に示すように、測定画面M10のID表示領域M11には、接続した送信装置2のIDの一覧(「ID(1)」~「ID(8)」)が表示される。図11は、測定画面M10の例示である。
A more detailed measurement procedure will be described with reference to Figures 9 and 10 (and, as appropriate, Figures 1 through 8). Figures 9 and 10 are diagrams illustrating the measurement procedure of the displacement measurement system 1 according to an embodiment. Note that the measurement procedure described here is merely illustrative.
When a worker activates the receiver 3, the receiver 3 automatically connects to the transmitters 2 within its wireless range K. Here, as shown in Figure 9, assume that transmitters 21 to 28 (transmitters 2 with IDs 1 to 8) are within wireless range K, and the receiver 3 automatically connects to transmitters 21 to 28. The IDs of the connected transmitters 2 are then displayed in the ID display area M11 of the measurement screen M10. As shown in Figure 11(a), the ID display area M11 of the measurement screen M10 displays a list of the IDs of the connected transmitters 2 (IDs 1 to 8). Figure 11 is an example of the measurement screen M10.
次に、作業員は、「測定開始/停止」ボタン44c(図4参照)を押して、送信装置2の位置の測定開始を受信装置3に指示する。受信装置3は、無線範囲K内にある送信装置21~28の位置の測定を行い、IDに対応付けて送信装置2の座標を位置表示領域M12に表示する(図11(a)参照)。また、受信装置3は、位置測定を行った送信装置21~28間の距離算出し、算出した距離表示領域M13に表示する(図11(a)参照)。そして、受信装置3は、測定した送信装置2の座標や算出した送信装置2間の距離に関する情報を、選択中のグループに保存する。ここでは、図11(a)に示すように「Grp.1」が選択中であるので、送信装置21~28の情報を「Grp.1」に保存する。これにより、図9に示す位置での受信装置3による測定を終了する。 Next, the operator presses the "Start/Stop Measurement" button 44c (see Figure 4) to instruct the receiver 3 to start measuring the position of the transmitter 2. The receiver 3 measures the positions of transmitters 21 to 28 within the wireless range K and displays the coordinates of the transmitters 2 in the position display area M12, corresponding to their IDs (see Figure 11(a)). The receiver 3 also calculates the distance between the measured transmitters 21 to 28 and displays the calculated distance in the distance display area M13 (see Figure 11(a)). The receiver 3 then saves the information regarding the measured coordinates of the transmitters 2 and the calculated distance between the transmitters 2 to the selected group. In this case, as shown in Figure 11(a), "Grp.1" is selected, so the information of transmitters 21 to 28 is saved to "Grp.1". This completes the measurement by the receiver 3 at the position shown in Figure 9.
続いて、作業員は、ジョイスティック44a(図4参照)を操作して、選択中のグループを「Grp.2」へ変更し、受信装置3をトンネルの軸心方向に移動させる(図10参照)。次に、作業員は、「送信装置検索」ボタン44b(図4参照)を押して、送信装置2の検索開始を受信装置3に指示する。受信装置3は、無線範囲K内(受信装置3と通信可能な範囲内)にある送信装置2の検索を行う。ここでは、図10に示すように、送信装置25~212(「ID(5)」~「ID(12)」の送信装置2)が無線範囲K内に入っているとし、受信装置3は、送信装置25~212と接続する。そして、接続した送信装置2のIDが測定画面M10のID表示領域M11に表示される。図11(b)に示すように、測定画面M10のID表示領域M11には、接続した送信装置2のIDの一覧(「ID(5)」~「ID(12)」)が表示される。 Next, the worker operates the joystick 44a (see Figure 4) to change the selected group to "Grp.2" and moves the receiver 3 in the direction of the tunnel axis (see Figure 10). Then, the worker presses the "Transmitter Search" button 44b (see Figure 4) to instruct the receiver 3 to start searching for transmitters 2. The receiver 3 searches for transmitters 2 within the wireless range K (within the range where the receiver 3 can communicate). Here, as shown in Figure 10, it is assumed that transmitters 25 to 212 (transmitters 2 with "ID(5)" to "ID(12)") are within the wireless range K, and the receiver 3 connects to transmitters 25 to 212. The IDs of the connected transmitters 2 are then displayed in the ID display area M11 of the measurement screen M10. As shown in Figure 11(b), the ID display area M11 of the measurement screen M10 displays a list of IDs of the connected transmitting device 2 ("ID(5)" to "ID(12)").
次に、作業員は、「測定開始/停止」ボタン44c(図4参照)を押して、送信装置2の位置の測定開始を受信装置3に指示する。受信装置3は、無線範囲K内にある送信装置25~212の位置の測定を行い、IDに対応付けて送信装置2の座標を位置表示領域M12に表示する(図11(b)参照)。また、受信装置3は、位置測定を行った送信装置25~212間の距離算出し、算出した距離表示領域M13に表示する(図11(b)参照)。そして、受信装置3は、測定した送信装置2の座標や算出した送信装置2間の距離に関する情報を、選択中のグループに保存する。ここでは、図11(b)に示すように「Grp.2」が選択中であるので、送信装置25~212の情報を「Grp.2」に保存する。これにより、図10に示す位置での受信装置3による測定を終了する。 Next, the operator presses the "Start/Stop Measurement" button 44c (see Figure 4) to instruct the receiver 3 to start measuring the position of transmitter 2. The receiver 3 measures the positions of transmitters 25 to 212 within the wireless range K and displays the coordinates of transmitter 2 in the position display area M12, corresponding to their IDs (see Figure 11(b)). The receiver 3 also calculates the distance between the measured transmitters 25 to 212 and displays the calculated distance in the distance display area M13 (see Figure 11(b)). The receiver 3 then saves the information regarding the measured coordinates of transmitter 2 and the calculated distance between transmitters 2 to the selected group. In this case, as shown in Figure 11(b), "Grp.2" is selected, so the information of transmitters 25 to 212 is saved to "Grp.2". This completes the measurement by the receiver 3 at the position shown in Figure 10.
なお、受信装置3は、グループに保存される情報の合成機能を有するのがよく、対象となる二つのグループに保存される情報を一つのグループとして登録し直すことができる。受信装置3は、位置合わせアルゴリズム(例えば、ICP(Iterative Closest Point)アルゴリズムや特異値分解(Singular Value Decomposition: SVD)アルゴリズム)を用いてグループの合成を行う。ここでの「位置合わせ」とは、異なる位置から取得した三次元の点群同士の位置関係を推定し、点群の合成を行う処理を意味する。例えば、ICPアルゴリズムでは、第一点群に第二点群を位置合わせする回転行列や並行移動行列を求める。グループの合成は、合成の対象となる各グループに共通の送信装置2が三つ以上ある場合に行える。グループに保存される情報の合成処理のイメージを図12に示す。 Furthermore, the receiving device 3 preferably has a function to combine the information stored in groups, and can re-register the information stored in two target groups as a single group. The receiving device 3 performs group combination using a positioning algorithm (for example, the ICP (Iterative Closest Point) algorithm or the Singular Value Decomposition (SVD) algorithm). Here, "positioning" refers to the process of estimating the positional relationship between three-dimensional point clouds acquired from different locations and combining the point clouds. For example, the ICP algorithm calculates a rotation matrix or translation matrix to align the second point cloud with the first point cloud. Group combination can be performed when there are three or more common transmitting devices 2 in each of the groups to be combined. Figure 12 shows an image of the information combination process for the information stored in the groups.
図12(a)に示すように、「Grp.1」の測定結果には「ID(1)」~「ID(4)」の送信装置2の測定結果(座標など)が保存されており、「Grp.2」の測定結果には「ID(1)」~「ID(3)」,「ID(5)」の送信装置2の測定結果(座標など)が保存されているとする。「Grp.1」「Grp.2」では、「ID(1)」~「ID(3)」が共通しているので、「Grp.1」「Grp.2」を合成することが可能である。図12では、「Grp.1」の測定結果に「Grp.2」の測定結果を位置合わせすることを想定する。図12(b)に示すように、「Grp.2」に含まれる「ID(1)」~「ID(3)」の座標に着目して回転および移動を行い、「Grp.1」に含まれる「ID(1)」~「ID(3)」の座標に位置を合わせる。そして、「Grp.2」に含まれる「ID(1)」~「ID(3)」の座標と、「Grp.1」に含まれる「ID(1)」~「ID(3)」の座標とが合った状態で、それ以外の測定結果を合成する。これにより、図12(c)に示すように、「Grp.1」の測定結果と「Grp.2」の測定結果とが合成され、一つのグループに「ID(1)」~「ID(5)」の測定結果が保存されることになる。合成機能を有することで、一つのグループに保存することが望ましいものの何らかの理由で一度に測定が出来なかった場合、送信装置2の測定を再度行って測定結果をまとめることができる。 As shown in Figure 12(a), the measurement results of "Grp.1" store the measurement results (coordinates, etc.) of transmitter 2 for "ID(1)" to "ID(4)", and the measurement results of "Grp.2" store the measurement results (coordinates, etc.) of transmitter 2 for "ID(1)" to "ID(3)" and "ID(5)". Since "ID(1)" to "ID(3)" are common to both "Grp.1" and "Grp.2", it is possible to combine "Grp.1" and "Grp.2". In Figure 12, we assume that the measurement results of "Grp.2" are aligned with the measurement results of "Grp.1". As shown in Figure 12(b), rotation and translation are performed focusing on the coordinates of "ID(1)" to "ID(3)" included in "Grp.2" to align them with the coordinates of "ID(1)" to "ID(3)" included in "Grp.1". Then, with the coordinates of "ID(1)" to "ID(3)" in "Grp.2" matching those of "ID(1)" to "ID(3)" in "Grp.1," the remaining measurement results are combined. As a result, as shown in Figure 12(c), the measurement results of "Grp.1" and "Grp.2" are combined, and the measurement results of "ID(1)" to "ID(5)" are stored in a single group. The combination function allows for repeated measurements by the transmitter 2 if, for some reason, the measurements could not be taken simultaneously, even though saving them in a single group is desirable.
以上のように、実施形態に係る変位計測システム1によれば、水平を確保する必要がなく、据付および確認作業に要する時間を従来よりも短縮できる。その為、変位計測に要する労力および時間を従来よりも減らすことができる。特に、トンネル内の障害物に超音波の到達を邪魔された場合でも受信部31(図3参照)を移動させるだけでよいので、据付および確認作業が非常に楽である。 As described above, the displacement measurement system 1 according to this embodiment eliminates the need to ensure horizontal alignment, thus reducing the time required for installation and verification compared to conventional methods. Therefore, the effort and time required for displacement measurement can be reduced compared to conventional methods. In particular, even if the ultrasonic waves are obstructed by obstacles in the tunnel, only the receiving unit 31 (see Figure 3) needs to be moved, making installation and verification extremely easy.
また、本実施形態では、送信部である超音波スピーカ22(図2参照)がトンネル内壁に埋め込まれたソケット6(図2参照)に収納されているので、超音波スピーカ22が発破などの作業の邪魔になり難く、超音波スピーカ22が意図せず外れることも抑制できる。
また、本実施形態では、受信部31が地面に立設可能な脚部または支保工に磁力で固定される固定部によって山岳トンネル内に設置されているので、受信部31の据付けがより簡単である。
Furthermore, in this embodiment, the ultrasonic speaker 22 (see Figure 2), which is the transmitting unit, is housed in a socket 6 (see Figure 2) embedded in the inner wall of the tunnel. This makes it less likely for the ultrasonic speaker 22 to interfere with blasting or other operations, and also prevents the ultrasonic speaker 22 from unintentionally coming loose.
Furthermore, in this embodiment, since the receiving unit 31 is installed inside the mountain tunnel by a fixed part that is fixed by magnetic force to a leg that can be erected on the ground or to a support structure, the installation of the receiving unit 31 is easier.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を変えない範囲で実施することができる。
実施形態では、変位計測システム1を使用する場面として、「A計測」での「内空変位測定」を例示して説明した。しかしながら、変位計測システム1を他の場面に使用することもでき、例えば「A計測」での「天端沈下測定」などに変位計測システム1を使用してもよい。その場合、例えば受信装置3に何らかの方法で絶対座標を与えるようにする。
実施形態では、操作装置4と管理者端末5を別々の装置として説明したが、例えば、PC(Personal Computer)、スマートフォン、タブレット端末に操作装置4の機能を収納して管理者端末5で操作しても良い。
Although embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto and can be implemented without changing the spirit of the claims.
In this embodiment, the use of the displacement measurement system 1 was illustrated by describing "internal displacement measurement" in "Measurement A". However, the displacement measurement system 1 can also be used in other situations, for example, for "top settlement measurement" in "Measurement A". In that case, absolute coordinates can be provided to the receiving device 3 by some means.
In this embodiment, the operating device 4 and the administrator terminal 5 were described as separate devices. However, for example, the functions of the operating device 4 may be integrated into a PC (Personal Computer), smartphone, or tablet terminal and operated from the administrator terminal 5.
1 変位計測システム
2 送信装置
3,3A.3B 受信装置
4 操作装置
5 管理者端末
6 ソケット
20 ケース
21 無線モジュール
22 超音波スピーカ(送信部)
23 バッテリ
24 制御基板
30 ケース
31 受信部
32 マイクロフォン
33 無線モジュール
34 温度/湿度センサ
35 バッテリ
36 制御基板
36a 制御部(位置推定部)
40 ケース
41 表示部
42 無線モジュール
43 バッテリ
44 操作部
44a ジョイスティック
44b 「送信装置検索」ボタン
44c 「測定開始/停止」ボタン
44d クリアボタン
45 制御基板
45a 制御部
M10 測定画面
M11 ID表示領域
M12 位置表示領域
M13 距離表示領域
M14 グループ表示領域
K 無線範囲
1. Displacement measurement system 2. Transmitter 3. 3A. 3B. Receiver 4. Operating device 5. Administrator terminal 6. Socket 20. Case 21. Wireless module 22. Ultrasonic speaker (transmitter)
23 Battery 24 Control board 30 Case 31 Receiving unit 32 Microphone 33 Wireless module 34 Temperature/humidity sensor 35 Battery 36 Control board 36a Control unit (position estimation unit)
40 Case 41 Display Unit 42 Wireless Module 43 Battery 44 Control Unit 44a Joystick 44b "Transmitter Search" Button 44c "Start/Stop Measurement" Button 44d Clear Button 45 Control Board 45a Control Unit M10 Measurement Screen M11 ID Display Area M12 Position Display Area M13 Distance Display Area M14 Group Display Area K Wireless Range
Claims (7)
トンネル内壁の計測点に設置され超音波を送信する送信部と、
前記送信部から送信される超音波を受信する受信部と、
前記受信部で受信した超音波に基づいて前記送信部の位置を推定する位置推定部と、を備え、
前記受信部は、直方体の各頂点に配置された複数のマイクロフォンで構成されており、
前記位置推定部は、各々のマイクロフォンに前記超音波が到達した時間差に基づいて前記送信部の位置を推定する、
ことを特徴とする変位計測システム。 A displacement measurement system for mountain tunnels,
A transmitting unit is installed at a measurement point on the inner wall of the tunnel and transmits ultrasonic waves,
A receiving unit receives ultrasonic waves transmitted from the transmitting unit,
The system includes a position estimation unit that estimates the position of the transmitting unit based on the ultrasonic waves received by the receiving unit,
The receiving unit consists of multiple microphones arranged at each vertex of a rectangular parallelepiped .
The position estimation unit estimates the position of the transmitting unit based on the time difference in which the ultrasonic waves reach each microphone.
A displacement measurement system characterized by the following features.
ことを特徴とする請求項1に記載の変位計測システム。 The position estimation unit detects the peak of the ultrasonic signal received by each of the microphones, determines the time difference between the peaks, and estimates the position of the transmitter using a position estimation algorithm.
The displacement measurement system according to feature 1.
前記初期値の最初の値として、前記超音波を最初に受信した最初のマイクロフォンと最後に受信した最後のマイクロフォンとを結ぶ線分の延長線上であって、前記最初のマイクロフォン側の延長線上の座標を設定する、
ことを特徴とする請求項2に記載の変位計測システム。 The aforementioned position estimation algorithm uses the least squares method, where the coordinates of the transmitter are represented as the sum of the initial value and the error, and the error is reduced by repeatedly changing the initial value until the error becomes infinitely small, at which point the calculated coordinates of the transmitter are considered the true position.
As the initial value of the aforementioned initial value, the coordinates are set on the extension of the line segment connecting the first microphone that first received the ultrasound and the last microphone that last received it, specifically on the extension on the side of the first microphone.
The displacement measurement system according to claim 2.
前記位置推定部は、各送信部の位置から二点間距離を算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の変位計測システム。 The transmitting unit is installed at multiple locations within the same cross-section of the mountain tunnel.
The position estimation unit calculates the distance between two points from the position of each transmitting unit.
The displacement measurement system according to feature 1.
ことを特徴とする請求項1に記載の変位計測システム。 The receiving unit is installed in the mountain tunnel by a fixed part that is fixed by magnetic force to a support structure or by legs that can be erected on the ground.
The displacement measurement system according to feature 1.
トンネル内壁の計測点に設置された送信部で超音波を送信する送信工程と、
前記送信部から送信される超音波を受信部で受信する受信工程と、
前記受信部で受信した超音波に基づいて前記送信部の位置を推定する位置推定工程と、を有し、
前記受信部は、直方体の各頂点に配置された複数のマイクロフォンで構成されており、
前記位置推定工程では、各々のマイクロフォンに前記超音波が到達した時間差に基づいて前記送信部の位置を推定する、
ことを特徴とする変位計測方法。 A method for measuring displacement in mountain tunnels,
A transmission process in which ultrasonic waves are transmitted from a transmitter installed at a measurement point on the inner wall of the tunnel,
A receiving step in which ultrasonic waves transmitted from the transmitting unit are received by the receiving unit,
The system includes a position estimation step for estimating the position of the transmitting unit based on the ultrasonic waves received by the receiving unit,
The receiving unit consists of multiple microphones arranged at each vertex of a rectangular parallelepiped .
In the position estimation step, the position of the transmitting unit is estimated based on the time difference in which the ultrasonic waves reach each microphone.
A displacement measurement method characterized by the following:
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