(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】P2024097569
(43)【公開日】2024-07-19
(54)【発明の名称】管内調査装置、及び管内調査方法
(51)【国際特許分類】
G01B 11/25 20060101AFI20240711BHJP
G01B 11/24 20060101ALI20240711BHJP
【ＦＩ】
G01B11/25 H
G01B11/24 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023001108
(22)【出願日】2023-01-06
(71)【出願人】
【識別番号】507250427
【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】森 勇人
(72)【発明者】
【氏名】小林 亮介
(72)【発明者】
【氏名】小西 孝明
(72)【発明者】
【氏名】岡田 聡
【テーマコード（参考）】
2F065
【Ｆターム（参考）】
2F065AA53
2F065BB08
2F065DD02
2F065DD06
2F065FF01
2F065FF02
2F065FF04
2F065FF08
2F065FF09
2F065GG04
2F065GG16
2F065HH05
2F065JJ03
2F065JJ05
2F065JJ26
2F065MM07
2F065PP22
2F065QQ21
(57)【要約】
【課題】水中移動体の移動性能を低下させずに、配管の内表面の形状を水中移動体によって計測する装置を提供する。
【解決手段】本発明による管内調査装置は、気中カメラ１１と水中カメラ１２とラインレーザ１３を備える水中移動体１０と、気中のラインビーム４３の映像に光切断処理を行い、配管４１の内表面を気中の点群６１として求める気中光切断処理部２２と、気中の点群６１から水中移動体１０の位置と姿勢を求める位置姿勢算出部２４と、水中移動体１０の位置と姿勢を用いて、配管４１の形状に気中の点群６１を統合した気中形状を得る気中形状データ演算部２６と、水中のラインビーム４３の映像に光切断処理を行い、配管４１の内表面を水中の点群６２として求める水中光切断処理部２８と、配管４１の形状に水中の点群６２を統合した水中形状を得る水中形状データ演算部２９と、気中形状と水中形状を統合する管内計測データ記録部３０とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】本発明による管内調査装置は、気中カメラ１１と水中カメラ１２とラインレーザ１３を備える水中移動体１０と、気中のラインビーム４３の映像に光切断処理を行い、配管４１の内表面を気中の点群６１として求める気中光切断処理部２２と、気中の点群６１から水中移動体１０の位置と姿勢を求める位置姿勢算出部２４と、水中移動体１０の位置と姿勢を用いて、配管４１の形状に気中の点群６１を統合した気中形状を得る気中形状データ演算部２６と、水中のラインビーム４３の映像に光切断処理を行い、配管４１の内表面を水中の点群６２として求める水中光切断処理部２８と、配管４１の形状に水中の点群６２を統合した水中形状を得る水中形状データ演算部２９と、気中形状と水中形状を統合する管内計測データ記録部３０とを備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
気中を撮影する気中カメラと、水中を撮影する水中カメラと、ラインビームを照射するラインレーザとを備える水中移動体と、
前記気中カメラが撮影した、配管の気中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する気中映像記録部と、
前記水中カメラが撮影した、前記配管の水中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する水中映像記録部と、
前記気中映像記録部が記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記気中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の２次元断面における気中の点群データとして求める気中光切断処理部と、
前記気中の点群データから、前記水中移動体の前記２次元断面における水平方向の位置と、前記水中移動体の姿勢角を求める位置姿勢算出部と、
前記配管の形状データを保存している管内形状データ記憶部と、
前記位置姿勢算出部が求めた前記水中移動体の前記水平方向の位置と前記姿勢角と、前記配管の水位とを用いて、前記管内形状データ記憶部が保存している前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記気中の点群データを統合して、気中形状データを得る気中形状データ演算部と、
前記水中映像記録部が記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記水中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の前記２次元断面における水中の点群データとして求める水中光切断処理部と、
前記管内形状データ記憶部が保存している前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記水中の点群データを統合して、水中形状データを得る水中形状データ演算部と、
前記気中形状データと前記水中形状データを統合する管内計測データ記録部と、
を備えることを特徴とする管内調査装置。
前記気中カメラが撮影した、配管の気中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する気中映像記録部と、
前記水中カメラが撮影した、前記配管の水中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する水中映像記録部と、
前記気中映像記録部が記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記気中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の２次元断面における気中の点群データとして求める気中光切断処理部と、
前記気中の点群データから、前記水中移動体の前記２次元断面における水平方向の位置と、前記水中移動体の姿勢角を求める位置姿勢算出部と、
前記配管の形状データを保存している管内形状データ記憶部と、
前記位置姿勢算出部が求めた前記水中移動体の前記水平方向の位置と前記姿勢角と、前記配管の水位とを用いて、前記管内形状データ記憶部が保存している前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記気中の点群データを統合して、気中形状データを得る気中形状データ演算部と、
前記水中映像記録部が記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記水中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の前記２次元断面における水中の点群データとして求める水中光切断処理部と、
前記管内形状データ記憶部が保存している前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記水中の点群データを統合して、水中形状データを得る水中形状データ演算部と、
前記気中形状データと前記水中形状データを統合する管内計測データ記録部と、
を備えることを特徴とする管内調査装置。
【請求項2】
前記位置姿勢算出部は、楕円近似の計算を行って、前記気中の点群データから前記水中移動体の前記水平方向の位置と前記姿勢角を求める、
請求項１に記載の管内調査装置。
請求項１に記載の管内調査装置。
【請求項3】
前記気中映像記録部が記録する映像と前記水中映像記録部が記録する映像が互いに同時刻の映像であるように、前記気中映像記録部と前記水中映像記録部を制御する同期制御部を備える、
請求項１に記載の管内調査装置。
請求項１に記載の管内調査装置。
【請求項4】
前記ラインレーザは、緑色の波長帯の前記ラインビームを水中に照射する第１のラインレーザと、赤色の波長帯の前記ラインビームを気中に照射する第２のラインレーザと、を備える、
請求項１に記載の管内調査装置。
請求項１に記載の管内調査装置。
【請求項5】
前記位置姿勢算出部は、最小二乗法を用いて、前記気中の点群データと、前記管内形状データ記憶部が保存している前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データとの差が最小になるように、前記水中移動体の前記水平方向の位置と前記姿勢角を求める、
請求項１に記載の管内調査装置。
請求項１に記載の管内調査装置。
【請求項6】
前記位置姿勢算出部は、前記気中形状データ演算部が前記内壁の形状データに前記気中の点群データを統合したときの、前記気中の点群データと前記内壁の形状データとの差分の総和を前記気中の点群データの全てについて求め、
前記位置姿勢算出部は、求めた前記差分の総和を初期値として、最小二乗法を用いて、前記差分の総和が前記初期値以下となる範囲で、前記差分の総和が最小になるように、前記水中移動体の前記水平方向の位置と前記姿勢角を求める、
請求項２に記載の管内調査装置。
前記位置姿勢算出部は、求めた前記差分の総和を初期値として、最小二乗法を用いて、前記差分の総和が前記初期値以下となる範囲で、前記差分の総和が最小になるように、前記水中移動体の前記水平方向の位置と前記姿勢角を求める、
請求項２に記載の管内調査装置。
【請求項7】
気中を撮影する気中カメラと水中を撮影する水中カメラを備える水中移動体が、配管の内部にラインビームを照射する工程と、
前記気中カメラが撮影した、前記配管の気中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する気中映像記録工程と、
前記水中カメラが撮影した、前記配管の水中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する水中映像記録工程と、
前記気中映像記録工程で記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記気中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の２次元断面における気中の点群データとして求める気中光切断処理工程と、
前記気中の点群データから、前記水中移動体の前記２次元断面における水平方向の位置と、前記水中移動体の姿勢角を求める位置姿勢算出工程と、
前記位置姿勢算出工程で求めた前記水中移動体の前記水平方向の位置と前記姿勢角と、前記配管の水位とを用いて、前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記気中の点群データを統合して、気中形状データを得る気中形状データ演算工程と、
前記水中映像記録工程で記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記水中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の前記２次元断面における水中の点群データとして求める水中光切断処理工程と、
前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記水中の点群データを統合して、水中形状データを得る水中形状データ演算工程と、
前記気中形状データと前記水中形状データを統合する管内計測データ記録工程と、
を有することを特徴とする管内調査方法。
前記気中カメラが撮影した、前記配管の気中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する気中映像記録工程と、
前記水中カメラが撮影した、前記配管の水中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する水中映像記録工程と、
前記気中映像記録工程で記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記気中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の２次元断面における気中の点群データとして求める気中光切断処理工程と、
前記気中の点群データから、前記水中移動体の前記２次元断面における水平方向の位置と、前記水中移動体の姿勢角を求める位置姿勢算出工程と、
前記位置姿勢算出工程で求めた前記水中移動体の前記水平方向の位置と前記姿勢角と、前記配管の水位とを用いて、前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記気中の点群データを統合して、気中形状データを得る気中形状データ演算工程と、
前記水中映像記録工程で記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記水中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の前記２次元断面における水中の点群データとして求める水中光切断処理工程と、
前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記水中の点群データを統合して、水中形状データを得る水中形状データ演算工程と、
前記気中形状データと前記水中形状データを統合する管内計測データ記録工程と、
を有することを特徴とする管内調査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水中移動体によって配管内を調査する装置と方法に関する。
【背景技術】
【0002】
下水道などの管路においては、配管の内部の状態、例えば内壁の劣化状態を調査する必要がある。例えば、小口径の管路を持つ下水道では、水の流れを止め、遠隔操作などにより管内を移動する撮影機で管内を撮影することで、管内壁の状態を調査する。一方、大口径の管路を持つ下水道（幹線）では、幹線は常時使用されていることが多いので、管内の水位をある程度下げることができても、流水を止めることは困難である。水中又は水面を移動する水中移動体を用いると、管路内の流水を止めずに管内壁の状態を調査することができる。水中移動体は、管内壁の調査では、配管の長さ方向に垂直な断面における管内の表面形状を計測するが、このときには水中移動体の位置情報が必要である。
【0003】
管内壁を撮影する従来の装置の例は、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された管内壁面画像撮影装置は、ストロボ発光装置とスチルカメラ（静止画撮影手段）を用いて管内壁面を撮影し、管内壁の断面形状を光切断法で計測する。
【0004】
特許文献２には、水中移動体の位置を検知する従来の装置の例が記載されている。特許文献２に記載された、水中移動体の位置検知装置では、水中移動体の周囲の構造物の外形が表された測定画像が得られたときの水中移動体の姿勢および位置に基づいて、構造物の外形が表された複数の画像データ（記憶画像）の中から、水中移動体の位置情報を取得するために利用する記憶画像を選択し、選択された画像に付された位置情報に基づいて水中移動体の位置を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００４－２１９１３０号公報
【特許文献2】特開２０１５－４９１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上述したように、水中移動体を用いると、管路内の流水を止めずに配管内の状態を調査することができる。従来の水中移動体は、その位置や姿勢を検知するための各種センサを備え、これらのセンサにはケーブルが接続されている。例えば、特許文献１に記載された装置では、水中移動体の姿勢角を計測する傾斜角検出器を備え、特許文献２に記載された装置では、水中移動体の姿勢を検知する慣性センサ（角速度検出器と傾斜角検出器と方位角検出器）を備える。
【0007】
水中移動体が小型であると、管路の口径の大きさによらずに配管内の調査が可能である。しかし、小型の水中移動体では、センサに接続されたケーブルにより、移動性能が大きく低下することがある。すなわち、従来の水中移動体は、位置や姿勢を検知するための各種センサを備えるので、多くのケーブル又は太いケーブルが接続されており、このようなケーブルによって移動性能が大きく低下する懸念がある。水中移動体の移動性能が低下すると、配管内の調査に多くの時間がかかったり、調査の精度が低下したりするので、好ましくない。
【0008】
本発明の目的は、水中移動体の移動性能を低下させずに、配管の内表面の形状を水中移動体によって計測する装置と方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明による管内調査装置は、気中を撮影する気中カメラと、水中を撮影する水中カメラと、ラインビームを照射するラインレーザとを備える水中移動体と、前記気中カメラが撮影した、配管の気中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する気中映像記録部と、前記水中カメラが撮影した、前記配管の水中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する水中映像記録部と、前記気中映像記録部が記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記気中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の２次元断面における気中の点群データとして求める気中光切断処理部と、前記気中の点群データから、前記水中移動体の前記２次元断面における水平方向の位置と、前記水中移動体の姿勢角を求める位置姿勢算出部と、前記配管の形状データを保存している管内形状データ記憶部と、前記位置姿勢算出部が求めた前記水中移動体の前記水平方向の位置と前記姿勢角と、前記配管の水位とを用いて、前記管内形状データ記憶部が保存している前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記気中の点群データを統合して、気中形状データを得る気中形状データ演算部と、前記水中映像記録部が記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記水中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の前記２次元断面における水中の点群データとして求める水中光切断処理部と、前記管内形状データ記憶部が保存している前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記水中の点群データを統合して、水中形状データを得る水中形状データ演算部と、前記気中形状データと前記水中形状データを統合する管内計測データ記録部とを備える。
【0010】
本発明による管内調査方法は、気中を撮影する気中カメラと水中を撮影する水中カメラを備える水中移動体が、配管の内部にラインビームを照射する工程と、前記気中カメラが撮影した、前記配管の気中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する気中映像記録工程と、前記水中カメラが撮影した、前記配管の水中の内表面に投影された前記ラインビームの映像を記録する水中映像記録工程と、前記気中映像記録工程で記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記気中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の２次元断面における気中の点群データとして求める気中光切断処理工程と、前記気中の点群データから、前記水中移動体の前記２次元断面における水平方向の位置と、前記水中移動体の姿勢角を求める位置姿勢算出工程と、前記位置姿勢算出工程で求めた前記水中移動体の前記水平方向の位置と前記姿勢角と、前記配管の水位とを用いて、前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記気中の点群データを統合して、気中形状データを得る気中形状データ演算工程と、前記水中映像記録工程で記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、前記水中カメラから前記ラインビームが投影された前記配管の内表面までの距離を算出し、算出したこの距離を前記配管の前記２次元断面における水中の点群データとして求める水中光切断処理工程と、前記配管の前記２次元断面における内壁の形状データに、前記水中の点群データを統合して、水中形状データを得る水中形状データ演算工程と、前記気中形状データと前記水中形状データを統合する管内計測データ記録工程と、
を有する。
を有する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によると、水中移動体の移動性能を低下させずに、配管の内表面の形状を水中移動体によって計測する装置と方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の実施例による管内調査装置の構成例を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施例による管内調査方法の手順の例を示すフローチャートである。
【図3】水中移動体の理想状態の位置の例を示す、管路座標系での配管のＺＸ断面図である。
【図4】水面に位置する水中移動体を示す、管路座標系でのＹＺ断面図である。
【図5A】管路座標系において、配管の内部の水中移動体をＺ軸方向に沿って上方から見たＸＹ平面図の例である。
【図5B】移動体座標系での配管のＺＬＸＬ断面図であり、静止画像を切り出した時刻における水中移動体の例を示す図である。
【図6A】気中の光切断処理の結果の一例を示す図であり、気中カメラ座標系からレーザ座標系に座標変換された点群データの例を示す図である。
【図6B】水中の光切断処理の結果の一例を示す図であり、水中カメラ座標系からレーザ座標系に座標変換された点群データの例を示す図である。
【図7A】位置姿勢算出部が気中の点群データから求めた、レーザ座標系における楕円の例を示す図である。
【図7B】配管のＺＸ断面における内壁の形状データに表示された、気中の点群データの例を示す図である。
【図8A】レーザ座標系での配管のＺＬＸＬ断面における内壁の形状データに表示された、水中の点群データの例を示す図である。
【図8B】管路座標系での配管のＺＸ断面における内壁の形状データに表示された、水中の点群データの例を示す図である。
【図9】配管の内壁の形状に表示された、気中の点群データと水中の点群データの例を示す図である。
【図10A】水中移動体の位置が理想状態の位置からＸ軸方向に距離ΔＸだけ平行移動した場合の、配管の移動体座標系でのＺｒＸｒ断面図である。
【図10B】水中移動体の位置が理想状態の位置からＹｒ軸の周りに角度ΔΘだけ回転した場合の、配管の移動体座標系でのＺｒＸｒ断面図である。
【図10C】水中移動体の位置が理想状態の位置からＺｒ軸の周りに角度ΔΨだけ回転した場合の、配管の移動体座標系でのＺｒＸｒ断面図である。
【図10D】水中移動体の位置が理想状態の位置からＸｒ軸の周りに角度ΔΦだけ回転した場合の、配管の移動体座標系でのＺｒＸｒ断面図である。
【図11】気中の点群データを構成する各点と配管の内壁の形状との差分を算出する方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明による管内調査装置と管内調査方法は、配管の内表面の形状を計測することができ、例えば下水道などの管路における配管の内部の状態を調査するのに用いることができる。配管の内壁は、時間経過とともに劣化して形状が変化することがある。また、配管の内部には、泥や砂などが堆積することがある。このような内壁の形状変化や管内の堆積物により、配管は、内表面の形状が変化することがある。本発明による装置と方法は、水中移動体を用いて配管の内表面の形状を計測して、配管の内部の状態を調査することができる。
【0014】
本発明によれば、配管の内表面の形状を計測する際に、水中移動体の位置と姿勢を計測するセンサが不要であり、水中移動体に接続されたケーブルの数を減らしたり、水中移動体に細いケーブルを接続したりすることができる。このため、水中移動体が小型であっても、水中移動体の移動性能を低下させずに配管の内表面の状態を調査することができる。
【0015】
以下、本発明の実施例による管内調査装置と管内調査方法を、図面を参照して説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。
【0016】
以下の説明では、配管（管路）に設定された座標系（グローバル座標系）を管路座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と呼ぶ。管路座標系において、配管の長さ方向をＹ軸方向とし、重力方向をＺ軸方向とし、Ｙ軸方向とＺ軸方向に垂直な方向（水平方向）をＸ軸方向とする。
【0017】
図１は、本実施例による管内調査装置の構成例を示すブロック図である。本実施例による管内調査装置は、水中移動体１０と、水中移動体１０とケーブルで接続された形状計測装置２０を備え、配管の内表面の形状を計測する。水中移動体１０は、ケーブルにより電力が供給されるとともに形状計測装置２０と通信する。
【0018】
水中移動体１０は、気中カメラ１１と、水中カメラ１２と、ラインレーザ１３を備え、水面に浮かんで配管の内表面の形状を計測する。水中移動体１０は、水面又は水中を移動することができる。
【0019】
形状計測装置２０は、気中映像記録部２１と、気中光切断処理部２２と、同期制御部２３と、位置姿勢算出部２４と、管内形状データ記憶部２５と、気中形状データ演算部２６と、水中映像記録部２７と、水中光切断処理部２８と、水中形状データ演算部２９と、管内計測データ記録部３０を備え、演算装置と記憶装置を備えるコンピューターで構成することができる。さらに、形状計測装置２０は、表示装置として、気中映像表示部３１と、水中映像表示部３２と、表示部３３を備える。形状計測装置２０のこれらの構成要素については、後述する。
【0020】
気中カメラ１１は、気中を撮影するのに用いられるカメラである。水中カメラは、水中を撮影するのに用いられるカメラである。気中カメラ１１と水中カメラ１２には、調査する管路系や調査目的に応じて任意のカメラを用いることができ、例えば、魚眼レンズを備えるカメラや全方位カメラなどが用いられる。
【0021】
ラインレーザ１３は、ライン状のレーザ光（ラインビーム）を照射するレーザ光源であり、任意のレーザ装置で構成することができる。本実施例では、ラインレーザ１３は、配管の内部で気中と水中にラインビームを照射する。ラインレーザ１３のラインビームの走査角度は、気中カメラ１１と水中カメラ１２の視野に応じて決定される。なお、ラインレーザ１３の代わりに、最大の走査角度を有するリングレーザ（リング状のレーザ光を照射するレーザ光源）を用いてもよい。
【0022】
なお、水中移動体１０は、気中と水中の両方にラインビームを照射する１つのラインレーザ１３を備えてもよく、気中にラインビームを照射するラインレーザ１３と水中にラインビームを照射するラインレーザ１３という２つのラインレーザ１３を備えてもよい。
【0023】
気中カメラ１１は、ラインレーザ１３が照射して、配管の気中の内表面に投影されたラインビームを撮影することができる。水中カメラ１２は、ラインレーザ１３が照射して、配管の水中の内表面に投影されたラインビームを撮影することができる。
【0024】
気中カメラ１１と水中カメラ１２とラインレーザ１３には、事前にキャリブレーションを行う。そして、キャリブレーション結果として、カメラ１１、１２の内部パラメータと外部パラメータ、及びカメラ１１、１２とラインレーザ１３の位置姿勢データを、予め算出して求めておく。カメラ１１、１２の内部パラメータは、例えば、レンズの位置などの光学系のパラメータであり、外部パラメータは、例えば、水中移動体１０における位置などのカメラ１１、１２の位置を定める幾何学的なパラメータである。カメラ１１、１２とラインレーザ１３の位置姿勢データは、例えば、カメラ１１、１２とラインレーザ１３の設置位置や設置角度に関するデータである。
【0025】
キャリブレーション結果であるこれらのパラメータと位置姿勢データは、光切断法による光切断処理などに用いられる。気中光切断処理部２２と水中光切断処理部２８は、このキャリブレーション結果を用いて、それぞれ気中と水中での光切断処理を行う。
【0026】
次に、本実施例による管内調査装置の動作と作用効果について、本実施例による管内調査方法の手順とともに説明する。
【0027】
図２は、本実施例による管内調査方法の手順の例を示すフローチャートである。
【0028】
Ｓ１で、作業者は、配管内の調査を開始する前に、配管内の水位Ｚｗを計測する。水位Ｚｗは、配管の底部から水面までの距離であり、光学式又は超音波式の計測器やスケールなど、水中移動体１０と異なる任意の装置や器具を用いて計測することができる。計測した水位Ｚｗのデータは、位置姿勢算出部２４に保存される。
【0029】
Ｓ２で、作業者は、水中移動体１０を配管の内部に設置する。例えば、配管が下水道の管路である場合には、作業者は、マンホールから水中移動体を管路内に投入する。作業者は、水中移動体１０が理想状態の位置にできるだけ近くなるように、水中移動体１０を設置するのが好ましい。
【0030】
図３は、水中移動体１０の理想状態の位置の例を示す図であり、管路座標系での配管４１のＺＸ断面図である。配管４１の内部には、水位Ｚｗで水４２が流れている。水中移動体１０は、水４２の水面４５に位置している。図３には、ラインレーザ１３でラインビーム４３を照射している水中移動体１０を示している。なお、配管４１は、ＺＸ断面（長さ方向に垂直な断面）が円形であり、内径（直径）がｄｐであるとする。
【0031】
水中移動体１０は、理想状態の位置では、配管４１の内部の中心（Ｚ軸方向とＸ軸方向の中心）に位置し、姿勢を示す角度（Ｘ軸方向の周りの角度、Ｙ軸方向の周りの角度、及びＺ軸方向の周りの角度）がゼロである。なお、図３に示した原点Ｏは、管路座標系での原点であり、配管４１の最低部（Ｚ軸方向の最下部）にある。また、図３には、一例として、配管４１のＺ軸方向の中心に水位Ｚｗの位置がある例を示している。
【0032】
作業者は、水中移動体１０を配管４１の内部に設置するときには、水中移動体１０の位置と姿勢角を制御する機能を備えた器具を用いてもよい。
【0033】
図２の説明に戻る。
【0034】
Ｓ３で、形状計測装置２０は、気中と水中の映像を記録する。水中移動体１０は、配管４１の内部に設置されると、移動開始前にラインビーム４３を照射し気中カメラ１１と水中カメラ１２で撮影を開始する。形状計測装置２０は、カメラ１１、１２が撮影した気中映像と水中映像をそれぞれ記録し、水中移動体１０の初期位置を計測する。
【0035】
形状計測装置２０は、水中移動体１０が移動を開始後、配管４１の内表面の形状を計測する。本実施例では、形状計測装置２０は、配管４１の長さ方向（Ｙ軸方向）に垂直な断面（ＺＸ断面）における、配管４１の内表面の形状を計測する。
【0036】
本実施例では、水中移動体１０はＹ軸方向に移動して配管４１の内表面の形状を計測するが、Ｙ軸方向の位置については考えず、ＺＸ断面における、配管４１の内表面の形状を計測する。従って、水中移動体１０に対しても、ＺＸ断面における位置と姿勢を求める。
【0037】
本実施例において、配管４１の内表面の形状を計測したＹ軸方向の位置（水中移動体１０のＹ軸方向の位置）は、例えば、次の方法で求めることができる。１つは、水中移動体１０に接続されたケーブルの送り量を計測し、この送り量から求める方法である。ケーブルの送り量は、ケーブルの送り出しと回収を行うケーブルドラムでケーブルの送り量を計測することで求められる。他の１つは、ストラクチャーフロムモーション（ＳｆＭ）と呼ばれる方法、すなわち、単一カメラによる収録時期の異なる複数の画像を用い、画像内の複数の特徴点の移動量を検出して、移動量を算出する方法である。
【0038】
ここから、配管４１の内表面の形状を計測する手順について、形状計測装置２０の構成要素とともに説明する。
【0039】
初めに、形状計測装置２０の気中映像記録部２１と水中映像記録部２７と同期制御部２３について説明する。気中カメラ１１と水中カメラ１２は、配管４１の内表面に投影されたラインビーム４３を撮影する。図２のＳ３で、気中映像記録部２１は、気中カメラ１１が撮影した、配管４１の気中の内表面に投影されたラインビーム４３の映像を記録し、水中映像記録部２７は、水中カメラ１２が撮影した、配管４１の水中の内表面に投影されたラインビーム４３の映像を記録する。気中映像記録部２１と水中映像記録部２７は、同期制御部２３に制御されて、それぞれ同時刻の気中映像と水中映像を互いに関連付けて記録する。
【0040】
同期制御部２３は、気中映像記録部２１が記録する気中映像と水中映像記録部２７が記録する水中映像が互いに同時刻の映像であるように、気中映像記録部２１と水中映像記録部２７を同期させる。すなわち、同期制御部２３は、気中映像記録部２１と水中映像記録部２７が互いに同時刻の映像を記録するように、気中映像記録部２１と水中映像記録部２７を制御する。
【0041】
気中映像表示部３１は、気中映像記録部２１が記録した映像を表示する。水中映像表示部３２は、水中映像記録部２７が記録した映像を表示する。
【0042】
配管４１の内表面の形状は、例えば次のような方法で計測することができる。１つは、水中移動体１０の移動中にラインビーム４３を常時照射して、連続的に計測を行う方法である。他の１つは、この連続計測中に特定の位置で水中移動体１０を静止させ、カメラ１１、１２の照明を消灯して、暗闇でラインビーム４３を撮影する方法である。他の１つは、水中移動体１０の通常の移動時には映像の記録だけを行い、特定の位置のみで水中移動体１０を静止させ、カメラ１１、１２の照明を消灯して、暗闇でラインビーム４３を撮影する方法である。
【0043】
次に、気中における、配管４１の内表面の形状を計測する手順について説明する。まず、Ｓ４における気中の光切断処理の手順について説明する。気中光切断処理部２２は、気中映像記録部２１が記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、気中カメラ１１から配管４１の気中の内表面までの距離を配管４１の２次元断面における点群データとして求める。
【0044】
Ｓ４で、気中光切断処理部２２は、気中映像記録部２１が記録した映像から、処理を行う時刻の静止画像を切り出す。処理を行う時刻は、任意に定めることができる。気中光切断処理部２２は、切り出した静止画像を気中映像表示部３１に表示することができる。
【0045】
図４は、水面４５に位置する水中移動体１０を示す、管路座標系でのＹＺ断面図である。水中移動体１０には、ケーブル４６が接続されている。水中移動体１０は、ラインレーザ１３によって、ラインビーム４３をＹ軸方向の周りの任意の方向に照射することができる。
【0046】
以下の説明では、ラインレーザ１３の発光源を中心とするローカル座標系をレーザ座標系（ＸＬ，ＹＬ，ＺＬ）と呼び、水中移動体１０の中央を中心とするローカル座標系を移動体座標系（Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ）と呼び、気中カメラ１１のレンズを中心とするローカル座標系を気中カメラ座標系（Ｘｃａ，Ｙｃａ，Ｚｃａ）と呼び、水中カメラ１２のレンズを中心とするローカル座標系を水中カメラ座標系（Ｘｃｗ，Ｙｃｗ，Ｚｃｗ）と呼ぶ。
【0047】
【0048】
図５Ａには、静止画像を切り出した時刻における、配管４１の内部での水中移動体１０の位置と姿勢の例を示している。図５Ａに示す例では、水中移動体１０は、理想状態の位置と比べ、管路座標系のＸ軸方向に距離ΔＸだけ平行移動し、Ｚ軸の周りに角度ΔΨだけ回転している。なお、図５Ａには、配管４１に堆積した堆積物４４（例えば、泥や砂など）も示している。
【0049】
図５Ｂは、移動体座標系での配管４１のＺＬＸＬ断面図であり、静止画像を切り出した時刻における水中移動体１０の例を示す図である。図５Ｂに示す例では、水位Ｚｗは、配管４１の内径ｄｐの１／２であり、水中移動体１０のＺｒ軸方向（ＺＬ軸方向）の中心は、水面４５の位置、すなわち配管４１のＺ軸方向の中心にあるとする。
【0050】
図５Ｂには、水中移動体１０から照射された気中と水中のラインビーム４３と、水中に存在する堆積物４４を示している。
【0051】
図２のＳ４の説明に戻る。気中光切断処理部２２は、切り出した静止画像に映っているラインビーム４３の幅の中心座標を算出する。気中光切断処理部２２は、任意の方法でこの中心座標を算出することができ、例えば、画像処理を行って算出することができる。また、気中光切断処理部２２が気中映像表示部３１に表示した静止画像において、作業者がラインビーム４３の幅の中心位置を指定することにより、気中光切断処理部２２は、ラインビーム４３の幅の中心座標を算出することもできる。
【0052】
気中光切断処理部２２は、算出したラインビーム４３の幅の中心座標と、事前に実施したキャリブレーションで得られた、気中カメラ１１のパラメータ及び気中カメラ１１とラインレーザ１３の位置姿勢データとを用いて、光切断法による光切断処理を行う。光切断処理には、既存の任意の方法を用いることができる。
【0053】
気中光切断処理部２２は、切り出した静止画像に光切断処理を行い、気中カメラ１１のレンズ中心からラインビーム４３が投影された配管４１の内表面（気中では、主に配管４１の内壁）までの距離を算出し、算出した距離を配管４１の２次元断面における点群データとして求める。この点群データは、気中カメラ座標系でのＺｃａＸｃａ断面における点群データである。そして、気中光切断処理部２２は、求めた点群データを、気中カメラ座標系からレーザ座標系に座標変換する。この座標変換には、キャリブレーション結果から得られた、気中カメラ１１のレンズとラインレーザ１３の発光源との相対的な位置関係を用いる。
【0054】
図６Ａは、気中の光切断処理の結果の一例を示す図であり、気中カメラ座標系からレーザ座標系に座標変換された点群データの例を示す図である。図６Ａには、レーザ座標系でのＺＬＸＬ平面において、水中移動体１０と、気中でのラインビーム４３の照射で得られた気中の点群データ６１を示している。
【0055】
図２の説明に戻る。
【0056】
Ｓ５で、位置姿勢算出部２４は、気中の点群データ６１から、水中移動体１０の位置姿勢データを算出する。水中移動体１０の位置姿勢データには、例えば、水中移動体１０の配管４１の２次元断面における水平方向の位置と、水中移動体１０の姿勢角と、水中移動体１０のＺ方向の位置が含まれる。水中移動体１０の２次元断面における水平方向の位置は、例えば、Ｘ軸方向の移動距離ΔＸ（後述する移動距離ΔＸＬも含む）で表される。水中移動体１０の姿勢角は、水中移動体１０の３つの回転角、すなわち回転角ΔΨと後述する回転角ΔΦ、ΔΘで表される。水中移動体１０のＺ方向の位置は、配管４１の水位Ｚｗを用いて表される。
【0057】
初めに、位置姿勢算出部２４は、Ｓ４で気中光切断処理部２２が求めたレーザ座標系における点群データ６１に対して、楕円当てはめを行う。楕円当てはめとは、点群データを最もよく表現する楕円を求める楕円近似の手法であり、公知の技術である。位置姿勢算出部２４は、楕円近似の計算を実施して楕円当てはめを行う。
【0058】
楕円を示す方程式は、式（１）で表される。
【0059】
【数1】
【0060】
但し、Ａ～Ｆは、任意の定数であり、ｆ０は、スケールを調整する定数である。式（１）において、係数Ａ～Ｆの全てを何倍にしても同じ楕円を表すので、式（２）に示すように正規化する。
【0061】
【数2】
【0062】
式（１）、（２）から、最小二乗法やくりこみ法などの手法で楕円当てはめを行うことができることが一般に知られている。
【0063】
図７Ａは、位置姿勢算出部２４が気中の点群データ６１から求めた、レーザ座標系における楕円７１の例を示す図である。なお、水中移動体１０は、理想状態の位置と比べ、レーザ座標系のＸＬ軸方向に距離ΔＸＬだけ平行移動している。
【0064】
位置姿勢算出部２４が求めた楕円７１は、長径がｄＬであり、短径がｄＳである。長径ｄＬは、楕円７１の長軸の長さ、すなわちＸＬ軸方向の長さである。短径ｄＳは、楕円７１の短軸の長さ、すなわちＺＬ軸方向の長さであり、配管４１の内径ｄｐに等しい。
【0065】
位置姿勢算出部２４は、楕円７１を表す楕円方程式（式（１）、（２））から長径ｄＬと短径ｄＳを求め、長径ｄＬ、短径ｄＳ、及び移動距離ΔＸＬから、移動体座標系において、水中移動体１０の、Ｚｒ軸の周りの回転角ΔΨ（図５Ａを参照）と、Ｘｒ軸の周りの回転角ΔΦを、式（３）、（４）のように求める。なお、移動距離ΔＸＬは、楕円７１の中心の位置とレーザ座標系の原点の位置との差分として求められる。
【0066】
【数3】
【0067】
【数4】
【0068】
本実施例では、短径ｄＳが配管４１の内径ｄｐに等しいので、式（４）からΔΦは０°である。
【0069】
さらに、位置姿勢算出部２４は、移動体座標系において、水中移動体１０の、Ｙｒ軸の周りの回転角ΔΘを、式（５）から求める。式（５）は、レーザ座標系における楕円７１（図７Ａ）を、楕円７１の中心を原点とする座標系に平行移動した後の楕円７１を表す式である。
【0070】
【数5】
【0071】
なお、本実施例では、ΔΘを０°とする。
【0072】
位置姿勢算出部２４は、Ｓ５で以上のようにして、気中の点群データ６１に対して楕円近似の計算である楕円当てはめを行い、水中移動体１０の回転角ΔΨ、ΔΦ、ΔΘと、移動距離ΔＸＬを得る。また、水中移動体１０のＺ方向の位置は、配管４１の水位Ｚｗを用いて表される。位置姿勢算出部２４は、回転角ΔΨ、ΔΦ、ΔΘと移動距離ΔＸＬと水位Ｚｗを、水中移動体１０の位置姿勢データとして求めて記憶する。本実施例では、ΔΦとΔΘが０°であるので、位置姿勢算出部２４は、水中移動体１０の位置姿勢データとして回転角ΔΨ、移動距離ΔＸＬ、及び水位Ｚｗを記憶する。
【0073】
図２の説明に戻る。
【0074】
Ｓ６で、気中形状データ演算部２６は、推定した、気中での配管４１の内表面の形状を、配管４１の内壁の形状データに統合し、気中形状データを得る。具体的には、気中形状データ演算部２６は、位置姿勢算出部２４が求めた、水中移動体１０の位置姿勢データ（本実施例では、回転角ΔΨ、移動距離ΔＸＬ、及び水位Ｚｗ）を用いて、配管４１のＺＸ断面における内壁の形状データに、気中の点群データ６１（図７Ａ）を統合し、この統合により得られたデータを気中形状データとする。気中の点群データ６１は、気中形状データ演算部２６が推定した、気中での配管４１の内表面の形状を表す。従って、気中形状データには、推定された気中での配管４１の内表面の形状と、配管４１のＺＸ断面における内壁の形状データとが含まれる。
【0075】
管内形状データ記憶部２５は、配管４１の形状データを予め保存している。管内形状データ記憶部２５は、例えば、配管４１の設計時のＣＡＤデータから得られた、配管４１の内壁の形状データを保存している。
【0076】
気中形状データ演算部２６は、管内形状データ記憶部２５から、水中移動体１０の位置姿勢データが得られたＺＸ断面における、配管４１の内壁の形状データを入力し、気中の点群データ６１を、入力した配管４１の内壁の形状データに統合し、統合して得られた気中形状データを表示部３３に表示する。気中の点群データ６１は、この統合により、配管４１の内壁の形状データとともに表示部３３に表示される。
【0077】
図７Ｂは、配管４１のＺＸ断面における内壁の形状データに表示された、気中の点群データ６１の例を示す図である。図７Ｂにおいて、気中の点群データ６１は、レーザ座標系から変換されて、配管４１の内壁の形状７２とともに、管路座標系で表示されている。
【0078】
気中形状データ演算部２６は、気中の点群データ６１を管路座標系で表す。管路座標系で表された点群データ６１は、気中形状データ演算部２６が推定した、ＺＸ断面における気中での配管４１の内表面の形状を表す。
【0079】
図２の説明に戻る。次に、水中における、配管４１の内表面の形状を計測する手順について説明する。まず、Ｓ７における水中の光切断処理の手順について説明する。
【0080】
Ｓ７で、水中光切断処理部２８は、気中光切断処理部２２と同様の処理を行い、水中の光切断処理を行う。水中光切断処理部２８は、水中映像記録部２７が記録した映像に光切断法による光切断処理を行い、水中カメラ１２から配管４１の水中の内表面までの距離を配管４１の２次元断面における点群データとして求める。
【0081】
まず、水中光切断処理部２８は、水中映像記録部２７に記録された映像から、処理を行う時刻の静止画像を切り出す。水中光切断処理部２８は、切り出した静止画像を水中映像表示部３２に表示することができる。次に、水中光切断処理部２８は、切り出した静止画像に映っているラインビーム４３の幅の中心座標を算出する。
【0082】
そして、水中光切断処理部２８は、算出したラインビーム４３の幅の中心座標と、事前に実施したキャリブレーションで得られた、水中カメラ１２のパラメータ及び水中カメラ１２とラインレーザ１３の位置姿勢データとを用いて、光切断の処理を行い、水中カメラ１２のレンズ中心からラインビーム４３が投影された物体の表面（水中では、主に配管４１の内壁と配管４１に堆積した堆積物４４）までの距離を、水中カメラ座標系での点群データとして求める。そして、水中光切断処理部２８は、求めた点群データを、水中カメラ座標系からレーザ座標系に座標変換する。
【0083】
図６Ｂは、水中の光切断処理の結果の一例を示す図であり、水中カメラ座標系からレーザ座標系に座標変換された点群データの例を示す図である。図６Ｂには、レーザ座標系でのＺＬＸＬ平面において、水中移動体１０と、水中でのラインビーム４３の照射で得られた水中の点群データ６２を示している。
【0084】
図２の説明に戻る。
【0085】
Ｓ８で、水中形状データ演算部２９は、推定した、水中での配管４１の内表面の形状を、配管４１の内壁の形状データに統合し、水中形状データを得る。具体的には、水中形状データ演算部２９は、管内形状データ記憶部２５から、配管４１のＺＸ断面における内壁の形状データを入力し、配管４１のＺＸ断面における内壁の形状データに、水中の点群データ６２を統合し、この統合により得られたデータを水中形状データとする。水中の点群データ６２は、水中形状データ演算部２９が推定した、水中での配管４１の内表面の形状を表す。
【0086】
本実施例では、水中形状データ演算部２９は、レーザ座標系での配管４１のＺＬＸＬ断面における内壁の形状データに、水中の点群データ６２を統合する。水中での配管４１の内表面の形状には、配管４１の内壁の形状７２と、配管４１に堆積物４４が堆積していれば堆積物４４の表面の形状が含まれる。
【0087】
水中形状データ演算部２９は、統合して得られた水中形状データを表示部３３に表示する。水中の点群データ６２は、この統合により、配管４１の内壁の形状データとともに表示部３３に表示される。
【0088】
なお、水中の点群データ６２に対しては、気中の点群データ６１と異なり、楕円当てはめを行わなくてもよい。水中には配管４１に堆積した堆積物４４が存在していることがあり、水中の点群データ６２は、この堆積物４４の表面の形状（楕円や円と異なる不特定な形状）を表すことがあるからである。
【0089】
図８Ａは、レーザ座標系での配管４１のＺＬＸＬ断面における内壁の形状データに表示された、水中の点群データ６２の例を示す図である。図８Ａには、レーザ座標系で表された、配管４１の内壁の形状７２と、水中の点群データ６２が示されている。図８Ａに示した水中の点群データ６２は、配管４１に堆積した堆積物４４の表面の形状を表している。
【0090】
さらに、水中形状データ演算部２９は、水中の点群データ６２をレーザ座標系から管路座標系に変換し、管路座標系において、配管４１のＺＸ断面における内壁の形状７２と水中の点群データ６２を表示部３３に表示する。管路座標系で表された点群データ６２は、水中形状データ演算部２９が推定した、ＺＸ断面における水中での配管４１の内表面の形状または堆積物４４の表面の形状を表す。
【0091】
図８Ｂは、管路座標系での配管４１のＺＸ断面における内壁の形状データに表示された、水中の点群データ６２の例を示す図である。図８Ｂには、管路座標系で表された、配管４１の内壁の形状７２と、水中の点群データ６２が示されている。図８Ｂに示した水中の点群データ６２は、配管４１に堆積した堆積物４４の表面の形状を表している。
【0092】
図２の説明に戻る。
【0093】
Ｓ９で、管内計測データ記録部３０は、気中形状データ演算部２６が得た気中形状データと、水中形状データ演算部２９が得た水中形状データを、管内計測データとして１つのデータに統合する。同期制御部２３が気中映像と水中映像が互いに同時刻の映像であるように制御しているので、管内計測データ記録部３０は、同時刻の気中形状データと水中形状データを統合することができる。
【0094】
そして、管内計測データ記録部３０は、統合して得られた管内計測データを表示部３３に表示する。気中形状データと水中形状データに配管４１のＺＸ断面における内壁の形状データが含まれているので、管内計測データには、配管４１のＺＸ断面における内壁の形状データが含まれている。すなわち、管内計測データ記録部３０は、管路座標系において、気中の点群データ６１と水中の点群データ６２を、配管４１の内壁の形状７２とともに表示する。
【0095】
図９は、配管４１の内壁の形状７２に表示された、気中の点群データ６１と水中の点群データ６２の例を示す図である。配管４１の内壁の形状７２は、管内形状データ記憶部２５に保存されたデータ、例えば、配管４１の設計時のＣＡＤデータから得られた形状である。気中の点群データ６１と水中の点群データ６２は、本実施例による管内調査装置が計測して得られたデータである。
【0096】
本実施例による管内調査装置は、このようにして、配管４１の特定のＺＸ断面において、気中と水中での、配管４１の内表面の形状を水中移動体１０によって計測することができる。このため、本実施例による管内調査装置は、配管４１の内壁の形状変化や配管４１に堆積した堆積物４４による、配管４１の内表面の形状の変化を求めることができ、配管４１の内部の状態を調査することができる。
【0097】
本実施例では、気中の光切断処理で求めた点群データ６１に対して楕円当てはめを行い、配管４１の断面における水中移動体１０の位置と姿勢を求める。このため、水中の光切断処理で求めた点群データ６２についても、水中移動体１０の位置と姿勢に対応した、配管４１の内表面の形状を表す点群データとして求めることができる。したがって、本実施例による管内調査装置は、配管４１の内表面の状態を調査するために、水中移動体１０の位置と姿勢を計測するセンサが不要である。このため、本実施例では、水中移動体１０に多数のケーブルを接続したり、水中移動体１０に太いケーブルを接続したりする必要がなく、水中移動体１０の移動性能を低下させずに配管４１の内表面の状態を調査することができる。
【0098】
以下では、管内形状データ記憶部２５が保存している配管４１の内壁の形状データ（例えば、配管４１の設計時のＣＡＤデータ）を、移動体座標系で示した例を、図１０Ａから図１０Ｄに示す。図１０Ａ～１０Ｄは、水中移動体１０の位置姿勢データが得られたＺＸ断面における配管４１の内壁の形状が、水中移動体１０からどのように見えるかを示している。
【0099】
図１０Ａは、水中移動体１０の位置が理想状態の位置からＸ軸方向に距離ΔＸだけ平行移動した場合の、配管４１の移動体座標系でのＺｒＸｒ断面図である。図１０Ｂは、水中移動体１０の位置が理想状態の位置からＹｒ軸の周りに角度ΔΘだけ回転した場合の、配管４１の移動体座標系でのＺｒＸｒ断面図である。図１０Ｃは、水中移動体１０の位置が理想状態の位置からＺｒ軸の周りに角度ΔΨだけ回転した場合の、配管４１の移動体座標系でのＺｒＸｒ断面図である。図１０Ｄは、水中移動体１０の位置が理想状態の位置からＸｒ軸の周りに角度ΔΦだけ回転した場合の、配管４１の移動体座標系でのＺｒＸｒ断面図である。
【0100】
図１０Ａ～１０Ｄから、移動距離ΔＸや角度ΔΘ、ΔΨ、ΔΦにより、楕円当てはめで得られる楕円の形状がどのように変化するかが分かる（例えば、楕円の長くなる方向や長径ｄＬや短径ｄＳの長さが変化することが分かる）。
【0101】
図２のＳ５で、位置姿勢算出部２４は、気中の点群データ６１と、管内形状データ記憶部２５から得られた配管４１の内壁の形状データとを照合し、点群データ６１と配管４１の内壁の形状７２との差分を算出することができる。位置姿勢算出部２４は、この差分を算出することにより、点群データ６１の位置が配管４１の内壁の形状７２からどの程度離れているかを求めることができる。
【0102】
図１１は、気中の点群データ６１を構成する各点と配管４１の内壁の形状７２との差分を算出する方法を説明する図である。図１１には、一例として、レーザ座標系において、水中移動体１０が理想状態の位置にあるときの配管４１の内壁の形状７２を、配管４１の内壁の形状データとして示している。
【0103】
図１１に示すように、点群データ６１を構成する点６１ａと、配管４１の内壁上の点７２ａとの距離をＬθＬｉとする。添え字ｉは、点群データ６１を構成する点６１ａをそれぞれ区別する識別子である。点群データ６１を構成する点６１ａの数は、（ｎ＋１）個であるとする（０≦ｉ≦ｎ）。点７２ａは、点６１ａとレーザ座標系での原点とを結ぶ直線上にある、配管４１の内壁上の点である。点７２ａは、レーザ座標系のＸＬ軸からの角度がθＬｉの位置にある。距離ＬθＬｉは、気中の点群データ６１と、配管４１の内壁の形状７２との差分を表す。
【0104】
位置姿勢算出部２４は、距離ＬθＬｉ（点群データ６１を構成する各点と配管４１の内壁の形状データとの差分）を、式（６）を用いて求める。
【0105】
【数6】
【0106】
式（６）において、図１１に示すように、ΔＸＬ_θＬｉは、点６１ａと点７２ａとのＸＬ軸方向の距離であり、ΔＺＬ_θＬｉは、点６１ａと点７２ａとのＺＬ軸方向の距離である。
【0107】
位置姿勢算出部２４は、気中の点群データ６１を構成する点６１ａの全てについて、差分（距離ＬθＬｉ）の総和Ｌａｌｌを式（７）で求める。
【0108】
【数7】
【0109】
位置姿勢算出部２４は、移動距離ΔＸＬと回転角ΔΨ、ΔΦ、ΔΘをパラメータとし、式（７）で求められる差分の総和Ｌａｌｌが最小となるようにこれらのパラメータを直接変化させ、気中の点群データ６１を管内形状データ記憶部２５から得られた配管４１の内壁の形状７２と比較することで、水中移動体１０の位置姿勢を求めることができる。すなわち、位置姿勢算出部２４は、楕円当てはめで求めた上記のパラメータに対し、気中の点群データ６１が作る形状と配管４１の内壁の形状７２との差が最小になるように上記のパラメータ（水中移動体１０の位置姿勢データ）を変化させることで、水中移動体１０の位置姿勢を求めることができる。
【0110】
また、位置姿勢算出部２４は、図２のＳ５で、楕円当てはめを行わず、最小二乗法などを用いて、気中の点群データ６１と、管内形状データ記憶部２５が保存している配管４１のＺＸ断面における内壁の形状データとの差が最小になるようにして、水中移動体１０の位置姿勢データを求めてもよい。すなわち、位置姿勢算出部２４は、楕円当てはめを行わず、移動距離ΔＸＬと回転角ΔΨ、ΔΦ、ΔΘをパラメータとし、最小二乗法などを用いて、気中の点群データ６１が作る形状と管内形状データ記憶部２５から得られた配管４１の内壁の形状７２との差が最小になるように上記のパラメータ（水中移動体１０の位置姿勢データ）を直接変化させることで、水中移動体１０の位置姿勢を求めてもよい。
【0111】
また、図２のＳ６で、気中形状データ演算部２６が配管４１のＺＸ断面における内壁の形状データに気中の点群データ６１を統合した後に、位置姿勢算出部２４は、この状態での差分の総和Ｌａｌｌを求め、この差分の総和Ｌａｌｌを初期値として、楕円当てはめで求めたパラメータ（移動距離ΔＸＬと回転角ΔΨ、ΔΦ、ΔΘ）を変化させ、最小二乗法などによって差分の総和Ｌａｌｌが最小となるような水中移動体１０の位置姿勢データを求めてもよい。このとき、差分の総和Ｌａｌｌが初期値より大きくなったら上記のパラメータを変化させないようにする。このように、パラメータを変化させる範囲を、差分の総和Ｌａｌｌが初期値以下となる範囲に限定することで、計算時間を短縮したり計算に必要なメモリを減らしたりすることができる。
【0112】
水中移動体１０は、気中にラインビームを照射するラインレーザ１３と水中にラインビームを照射するラインレーザ１３という２つのラインレーザ１３を備えることができる。これら２つのラインレーザ１３は、互いに異なる波長のラインビームを照射してもよい。例えば、水中では緑色の光が赤色の光よりも透過率が大きいので、水中にラインビームを照射するラインレーザ１３は、緑色の波長帯のラインビームを照射し、気中にラインビームを照射するラインレーザ１３は、赤色の波長帯のラインビームを照射するのが好ましい。
【0113】
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。
【符号の説明】
【0114】
１０…水中移動体、１１…気中カメラ、１２…水中カメラ、１３…ラインレーザ、２０…形状計測装置、２１…気中映像記録部、２２…気中光切断処理部、２３…同期制御部、２４…位置姿勢算出部、２５…管内形状データ記憶部、２６…気中形状データ演算部、２７…水中映像記録部、２８…水中光切断処理部、２９…水中形状データ演算部、３０…管内計測データ記録部、３１…気中映像表示部、３２…水中映像表示部、３３…表示部、４１…配管、４２…水、４３…ラインビーム、４４…堆積物、４５…水面、４６…ケーブル、６１…気中の点群データ、６１ａ…点群データを構成する点、６２…水中の点群データ、７１…楕円、７２…配管の内壁の形状、７２ａ…配管の内壁上の点。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図11】