特開 2022-16969 画像投射装置および画像投射方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022016969

(43)【公開日】2022-01-25

(54)【発明の名称】画像投射装置および画像投射方法

(51)【国際特許分類】

   G01C 15/06 20060101AFI20220118BHJP

   E21D 9/10 20060101ALI20220118BHJP

【ＦＩ】

G01C15/06 Z

E21D9/10 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020119989

(22)【出願日】2020-07-13

(71)【出願人】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】青野 泰久

(72)【発明者】

【氏名】若林 成樹

(72)【発明者】

【氏名】多田 浩幸

【テーマコード（参考）】

2D054

【Ｆターム（参考）】

2D054AC20

2D054GA62

2D054GA65

(57)【要約】

【課題】装置の盛替えと盛替えごとに実施する装置の位置と姿勢の推定のための測量の手間と時間を削減することができる画像投射装置および画像投射方法を提供する。
【解決手段】施工現場における所定の位置から施工対象領域に対して画像に応じた光を投射して施工作業者に対して画像を表示する画像投射装置１００であって、施工対象領域に投射した際に、施工が必要な領域を視覚的に認識可能な画像を生成する画像生成手段６と、画像に応じた光を施工対象領域に投射する画像投射手段２と、画像投射手段２の姿勢または投射方向を変化させる駆動手段４と、画像投射手段２の姿勢または投射方向を検出する検出手段５とを備え、画像生成手段６は、検出された画像投射手段２の姿勢または投射方向に基づいて、画像を生成するようにする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

施工現場における所定の位置から施工対象領域に対して画像に応じた光を投射して施工作業者に対して画像を表示する画像投射装置であって、
施工対象領域に投射した際に、施工が必要な領域を視覚的に認識可能な画像を生成する画像生成手段と、画像に応じた光を施工対象領域に投射する画像投射手段と、画像投射手段の姿勢または投射方向を変化させる駆動手段と、画像投射手段の姿勢または投射方向を検出する検出手段とを備え、
画像生成手段は、検出された画像投射手段の姿勢または投射方向に基づいて、画像を生成することを特徴とする画像投射装置。

【請求項2】

施工現場における所定の位置から施工対象領域に対して画像に応じた光を投射して施工作業者に対して画像を表示する画像投射方法であって、
施工対象領域に投射した際に、施工が必要な領域を視覚的に認識可能な画像を生成するステップと、画像に応じた光を画像投射手段で施工対象領域に投射するステップと、画像投射手段の姿勢または投射方向を変化させるステップと、画像投射手段の姿勢または投射方向を検出するステップとを備え、
画像を生成するステップにおいて、検出された画像投射手段の姿勢または投射方向に基づいて、画像を生成することを特徴とする画像投射方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三次元計測、画像投射を組み合わせた画像投射装置および画像投射方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、地下発電所のような地下構造物の施工時には、（ｉ）掘削形状の出来形の管理、（ｉｉ）吹付けコンクリートの厚さ管理、（ｉｉｉ）資材の設置位置の位置出し作業が行われている。

【0003】

出来形の管理では、水糸と目印を付けた棒、掘削形状に合わせた定規等を使用した管理が行われている。また、吹付けコンクリートの厚さ管理では、目印を付けた棒を吹付け箇所に設置した管理が行われている。また、資材（例えばＰＳアンカー、覆工補強鉄筋を支える吊り金具など）の設置位置については、トータルステーションによる位置出し作業が行われている。

【0004】

しかし、上記の作業には次のような問題がある。まず、（ｉ）、（ｉｉ）における上記の方法では、面ではなく点の情報しか得られず、正確な形状の把握には時間を要するという問題がある。また、（ｉ）の作業では、出来形の管理のために掘削箇所に立ち入る必要があり、転倒や崩落に巻き込まれるおそれがあるという問題がある。また、（ｉｉｉ）の作業では、資材の設置箇所の測量、マーキングに手間と時間を要するという問題がある。

【0005】

一方、本特許出願人は、特許文献１および２に示される方法を既に提案している。この特許文献１等の方法は、３Ｄスキャナを用いてトンネルの形状を計測し、演算装置を用いて計測結果から掘削の必要性や覆工補強鉄筋を支える吊り金具の設置位置の判定を行って照射する画像を作成し、プロジェクタでその画像を照射し、掘削の必要な箇所や吊り金具を設置する位置の指示を行うものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７－０５８３１２号公報

【特許文献2】特開２０２０－０３７８０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上記の特許文献１、２の方法は、従来の出来形確認や資材の位置出し方法に対しては、短時間で面的な計測を行えるが、この方法では１台のプロジェクタを三脚に設置し、施工の進行とともに照射範囲を変更するためにプロジェクタの盛替えを行う必要があり、この盛替え作業と、プロジェクタの位置と姿勢の推定のための測量作業に手間と時間を要していた。

【0008】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置の盛替えと盛替えごとに実施する装置の位置と姿勢の推定のための測量の手間と時間を削減することができる画像投射装置および画像投射方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る画像投射装置は、施工現場における所定の位置から施工対象領域に対して画像に応じた光を投射して施工作業者に対して画像を表示する画像投射装置であって、施工対象領域に投射した際に、施工が必要な領域を視覚的に認識可能な画像を生成する画像生成手段と、画像に応じた光を施工対象領域に投射する画像投射手段と、画像投射手段の姿勢または投射方向を変化させる駆動手段と、画像投射手段の姿勢または投射方向を検出する検出手段とを備え、画像生成手段は、検出された画像投射手段の姿勢または投射方向に基づいて、画像を生成することを特徴とする。

【0010】

また、本発明に係る画像投射方法は、施工現場における所定の位置から施工対象領域に対して画像に応じた光を投射して施工作業者に対して画像を表示する画像投射方法であって、施工対象領域に投射した際に、施工が必要な領域を視覚的に認識可能な画像を生成するステップと、画像に応じた光を画像投射手段で施工対象領域に投射するステップと、画像投射手段の姿勢または投射方向を変化させるステップと、画像投射手段の姿勢または投射方向を検出するステップとを備え、画像を生成するステップにおいて、検出された画像投射手段の姿勢または投射方向に基づいて、画像を生成することを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る画像投射装置によれば、施工現場における所定の位置から施工対象領域に対して画像に応じた光を投射して施工作業者に対して画像を表示する画像投射装置であって、施工対象領域に投射した際に、施工が必要な領域を視覚的に認識可能な画像を生成する画像生成手段と、画像に応じた光を施工対象領域に投射する画像投射手段と、画像投射手段の姿勢または投射方向を変化させる駆動手段と、画像投射手段の姿勢または投射方向を検出する検出手段とを備え、画像生成手段は、検出された画像投射手段の姿勢または投射方向に基づいて、画像を生成するので、装置の盛替えと、盛替えごとに実施する装置の位置と姿勢の推定のための測量の手間と時間を削減することができるという効果を奏する。

【0012】

また、本発明に係る画像投射方法によれば、施工現場における所定の位置から施工対象領域に対して画像に応じた光を投射して施工作業者に対して画像を表示する画像投射方法であって、施工対象領域に投射した際に、施工が必要な領域を視覚的に認識可能な画像を生成するステップと、画像に応じた光を画像投射手段で施工対象領域に投射するステップと、画像投射手段の姿勢または投射方向を変化させるステップと、画像投射手段の姿勢または投射方向を検出するステップとを備え、画像を生成するステップにおいて、検出された画像投射手段の姿勢または投射方向に基づいて、画像を生成するので、装置の盛替えと、盛替えごとに実施する装置の位置と姿勢の推定のための測量の手間と時間を削減することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す上面図である。

【図2】図２は、本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す側面図である。

【図3】図３は、本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す使用概念図であり、（１）は正面図、（２）は側面図である。

【図4】図４は、本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す手順図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に、本発明に係る画像投射装置および画像投射方法の実施の形態について、地下発電所の施工において地下空洞の側壁に設置されるＰＳアンカーの設置位置を照射する場合を例にとり、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0015】

図１および図２に示すように、本発明の実施の形態に係る画像投射装置１００は、施工現場における所定の位置から側壁（施工対象領域）に対して画像に応じた光Ｂを投射して施工作業者に対して画像を表示する装置であり、天端の地山Ｇに固定された三次元計測投射装置１に組み込まれている。

【0016】

三次元計測投射装置１は、プロジェクタ２、プロジェクタ固定台３、モーター４、ロータリーエンコーダー５、演算装置６、プリズム７、三次元スキャナ８、固定冶具９を備えている。このうち、三次元スキャナ８を除く部分が、画像投射装置１００に相当する。本実施の形態では、プリズム７の位置を測量するために、施工現場に配置したトータルステーション１０を使用する。

【0017】

固定治具９は、水平円盤状の基台９Ａと、基台９Ａの円の中心から上下に延びる鉛直軸９Ｂと、鉛直軸９Ｂの上端に設けたプレートを天端の地山Ｇに固定するグリップアンカー９Ｃおよびボルト９Ｄを備える。基台９Ａの上面の前後左右の縁側には、支柱９Ｅが一対ずつ立設している。支柱９Ｅは、プロジェクタ固定台３を回動可能に固定するためのものである。基台９Ａの下面の３点には、プリズム７が取り付けられている。

【0018】

プロジェクタ固定台３は、プロジェクタ２を固定するための矩形板状の台であり、基台９Ａの上方において基台９Ａの周方向に等間隔に４台配置される。つまり平面視で鉛直軸９Ｂの前後左右の位置に配置される。各プロジェクタ固定台３は、対辺の中央部分で一対の支柱９Ｅに対して回動可能に挟持されている。

【0019】

プロジェクタ２は、画像に応じた光Ｂを施工対象領域に向けて投射する画像投射手段であり、プロジェクタ固定台３の上面に固定される。前後左右の各プロジェクタ２からの投射方向Ｄは、平面視で鉛直軸９Ｂから放射状の方向に設定されている。つまり、投射方向Ｄは、平面視で三次元計測投射装置１から前方向、後方向、左方向、右方向に向いている。このように４台のプロジェクタ２を使用して、平面視で一度に三次元計測投射装置１周りの全周の施工対象領域に対して投射を行えるようにし、三次元計測投射装置１の盛替えと盛替え後の測量の手間と時間を削減することを可能にしている。なお、本発明のプロジェクタの台数は４台に限るものではなく、例えば、これ以外の複数台を周方向に等間隔に配置して一度に全周の施工対象領域に対して投射を行ってもよい。

【0020】

モーター４は、プロジェクタ固定台３を水平軸周りに回動してその姿勢を変化させる駆動手段であり、支柱９Ｅに固定される。モーター４の出力軸が回転することによりプロジェクタ固定台３が水平軸周りに回動して、プロジェクタ２の姿勢が変化し、これに伴って三次元計測投射装置１からの投射方向Ｄが水平軸周りに変化する。本実施の形態では、掘削による地下空洞の盤下げに伴い、モーター４を回転させてプロジェクタ２からの投射方向Ｄを変更することによって、投射範囲を変更する。

【0021】

ロータリーエンコーダー５は、プロジェクタ２の姿勢を検出する検出手段である。ロータリーエンコーダー５はモーター４の回転角度を検出する。検出した回転角度は、演算装置６に記録される。この回転角度は、画像を生成する際に使用される。

【0022】

演算装置６は、三次元スキャナ８で取得した三次元形状データからＰＳアンカーの設置箇所を判定または推定する判定手段と、画像生成手段を有しており、基台９Ａの上面に固定される。画像生成手段は、施工対象領域に投射した際に、施工が必要な領域を視覚的に認識可能な画像を生成するものである。演算装置６は、ロータリーエンコーダー５で取得した回転角度、トータルステーション１０で測量したプリズム７の座標から、プロジェクタ２の位置と姿勢を推定し、これらの推定値と判定結果に基づいて、上記の画像を生成する。

【0023】

三次元スキャナ８は、地下空洞の表面の三次元形状を計測するために使用され、鉛直軸９Ｂの下端に設けられる。本実施の形態では、レーザー光を周囲に出射して三次元形状データを取得する三次元レーザースキャナを用いるが、本発明はこれに限るものではなく、三次元形状を計測できるものであればいかなる形状計測装置を用いてもよい。三次元スキャナ８による形状計測結果は、演算装置６に送られる。

【0024】

図３に、三次元計測投射装置１の配置例を示す。なお、本実施の形態では、三次元計測投射装置１を地下空洞の天端に設置する場合を例にとり説明するが、本発明はこれに限るものではなく、三次元計測投射装置１は、地下空洞の側壁に設置してもよい。

【0025】

次に、本実施の形態の画像投射方法の実施手順について説明する。
図４に示すように、まず、ステップＳ１、Ｓ２では、三次元計測投射装置１を地下空洞内の天端に設置し、プロジェクタ２、モーター４、ロータリーエンコーダー５、演算装置６、三次元スキャナ８を電源に接続する。

【0026】

次のステップＳ３では、プロジェクタ２、プリズム７、三次元スキャナ８の相対位置をメジャー等で計測する。この計測作業は、三次元計測投射装置１を地下空洞に設置する前に事前に室内等で実施してもよい。

【0027】

次のステップＳ４では、トータルステーション１０で三次元計測投射装置１に取り付けたプリズム７を測量し、プリズム７の絶対座標を取得する。

【0028】

次のステップＳ５では、プロジェクタ２とプリズム７と三次元スキャナ８の相対位置、ステップＳ４で取得したプリズム７の測量結果、ロータリーエンコーダー５の出力を演算装置６に保存し、プロジェクタ２、三次元スキャナ８の絶対座標、姿勢を演算装置６で求める。

【0029】

次のステップＳ６では、三次元スキャナ８で地下空洞内を三次元スキャンし、三次元形状データを取得する。

【0030】

次のステップＳ７では、三次元スキャン結果を演算装置６で分析し、ＰＳアンカーの設置場所を推定する。

【0031】

次のステップＳ８では、三次元スキャナ８、プロジェクタ２の絶対座標、姿勢の情報と、ＰＳアンカー設置場所の推定結果を用いて、投射する画像を演算装置６で生成し、生成した画像をプロジェクタ２で施工対象領域に向けて投射する。投射する画像は、例えば上記の特許文献１、２に示される方法を用いて生成することができる。

【0032】

次のステップＳ９では、投射された画像をもとにＰＳアンカーを施工する。
次のステップＱ１にて、投射範囲内のＰＳアンカーの施工が完了した場合はステップＱ２に移行する。投射範囲内のＰＳアンカーの施工が完了していない場合は、ステップＳ９に戻る。
ステップＱ２にて、投射範囲外のＰＳアンカーの施工が完了した場合は作業を終了する。投射範囲外のＰＳアンカーの施工が完了していない場合は、ステップＳ１０に移行する。

【0033】

次のステップＳ１０では、掘削による地下空洞の盤下げなどに伴い、各モーター４を回転させ、プロジェクタ２による投射範囲を変更する。例えば、各モーター４を通じて各プロジェクタ２からの投射方向を現状の方向から盤下げ量に応じた角度だけ斜め下方向に変更することにより、地下空洞の全周の投射範囲を下側に変更してもよい。その後、ステップＳ５に移行する。

【0034】

以上の手順によれば、ＰＳアンカーなどの資材の設置位置の測量を三次元スキャンにより比較的短時間で行うことができる。また、プロジェクタ２での画像の投射により、ＰＳアンカーの設置位置に対するマーキングが不要となり、設置位置の推定に要する作業の手間と時間を削減することができる。さらに、プロジェクタ２の盛替えが不要となり、従来行っていた盛替えごとの測量の手間と時間を削減することができる。

【0035】

上記の実施の形態では、プロジェクタ２と三次元スキャナ８が一体型の三次元計測投射装置１により構成される場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、装置１から三次元スキャナ８を分離して三次元スキャンを実施してもよい。このようにしても上記と同様の作用効果を奏することができる。

【0036】

なお、上記の実施の形態では、ＰＳアンカーの設置位置を提示する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、三次元スキャナ８によって３次元形状データを取得し、取得したデータを分析して、所定の施工情報（例えば掘削の過不足、吹付けコンクリートの厚さ、ロックボルトの設置位置、鉄筋の吊り金具の設置位置、内空変位など）を視覚的に認識可能な画像を生成し、生成した画像を対象物に提示してもよい。このようにすれば、掘削形状の出来形の管理、吹付けコンクリートの厚さ管理において、三次元スキャンにより比較的短時間で面的な計測結果を得ることができる。また、出来形管理等のために掘削箇所に立ち入る必要がないので、転倒や崩落に巻き込まれるおそれが低くなる。

【0037】

以上説明したように、本発明に係る画像投射装置によれば、施工現場における所定の位置から施工対象領域に対して画像に応じた光を投射して施工作業者に対して画像を表示する画像投射装置であって、施工対象領域に投射した際に、施工が必要な領域を視覚的に認識可能な画像を生成する画像生成手段と、画像に応じた光を施工対象領域に投射する画像投射手段と、画像投射手段の姿勢または投射方向を変化させる駆動手段と、画像投射手段の姿勢または投射方向を検出する検出手段とを備え、画像生成手段は、検出された画像投射手段の姿勢または投射方向に基づいて、画像を生成するので、装置の盛替えと、盛替えごとに実施する装置の位置と姿勢の推定のための測量の手間と時間を削減することができる。

【0038】

また、本発明に係る画像投射方法によれば、施工現場における所定の位置から施工対象領域に対して画像に応じた光を投射して施工作業者に対して画像を表示する画像投射方法であって、施工対象領域に投射した際に、施工が必要な領域を視覚的に認識可能な画像を生成するステップと、画像に応じた光を画像投射手段で施工対象領域に投射するステップと、画像投射手段の姿勢または投射方向を変化させるステップと、画像投射手段の姿勢または投射方向を検出するステップとを備え、画像を生成するステップにおいて、検出された画像投射手段の姿勢または投射方向に基づいて、画像を生成するので、装置の盛替えと、盛替えごとに実施する装置の位置と姿勢の推定のための測量の手間と時間を削減することができる。

【産業上の利用可能性】

【0039】

以上のように、本発明に係る画像投射装置および画像投射方法は、地下発電所などの地下構造物の施工に有用であり、特に、画像投射装置の盛替えと盛替えごとに実施する装置の位置と姿勢の推定のための測量の手間と時間を削減するのに適している。

【符号の説明】

【0040】

１ 三次元計測投射装置
２ プロジェクタ（画像投射手段）
３ プロジェクタ固定台
４ モーター（駆動手段）
５ ロータリーエンコーダー（検出手段）
６ 演算装置（画像生成手段）
７ プリズム
８ 三次元スキャナ
９ 固定冶具
１０ トータルステーション
１００ 画像投射装置
Ｇ 地山

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】