特許 7170517 トンネルにおけるＡＲマーカー設置方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-04

(45)【発行日】2022-11-14

(54)【発明の名称】トンネルにおけるＡＲマーカー設置方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/00 20060101AFI20221107BHJP

【ＦＩ】

E21D9/00 Z

E21D9/00 C

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018222972

(22)【出願日】2018-11-29

(65)【公開番号】P2020084654

(43)【公開日】2020-06-04

【審査請求日】2021-09-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000201478

【氏名又は名称】前田建設工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100130362

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 嘉英

(72)【発明者】

【氏名】水谷 和彦

【審査官】石川 信也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１０４９３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２０６３２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１０４９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１５５８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２１８４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３２４２３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ ９／００

Ｇ０６Ｔ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

トンネル壁面にトンネルに関する情報を表示させるために用いるＡＲマーカーの設置方法であって、
トンネル壁面であって情報表示を行う投影位置に対応させて、トンネル内に設置した機器を避けてレーザー光が到達する位置にレーザー光発射装置を配設し、
前記投影位置に、方向情報を担持したＡＲマーカーを投影し、
前記ＡＲマーカーは、点状のレーザー光を連続させず複数箇所に照射することにより、全体として所定形状となるようにしたものである、
ことを特徴とするトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法。

【請求項2】

前記投影位置はトンネル壁面の複数箇所であり、当該複数箇所の投影位置に、それぞれＡＲマーカーを投影することを特徴とする請求項１に記載のトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法。

【請求項3】

前記投影位置は、トンネル切羽面の天端付近であることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法に関するものであり、例えば、トンネル切羽に関する種々の情報を表示する際に、情報表示位置の基準となるＡＲマーカーをトンネル切羽面に設置するための方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

トンネル掘削を行う際には、日々変化するトンネルの状況に合わせて、監督者や作業員が種々の情報を共有する必要がある。従来は、監督者や作業員がトンネルの掘削状況（例えば、切羽の状況）を観察して、写真を撮影したり観察結果を作業日記に書き込んだりしていた。そして、作業の引き継ぎを行う際に、現場事務所（作業員詰め所）等で写真や作業日記に記載した内容を提示して、トンネルの状況を共有するようにしている。

【0003】

トンネルの状況観察は、監督者や作業員の感覚に頼っている面もあり、また、作業の引き継ぎ時に情報が正確に伝達されないおそれもある。このような不都合に対して、種々の技術が提案されている（例えば、特許文献１～特許文献３参照）。

【0004】

特許文献１に記載された技術は、トンネル施工において、切羽面に表示する情報量を増大させて、トンネル施工の支援を行うためのトンネル施工情報投影方法に関するものである。

【0005】

このトンネル施工情報投影方法は、切り羽面に投影する投影データを記憶するとともに、投影データの水平方向及び垂直方向の縮尺を設定して出力するパーソナルコンピュータと、パーソナルコンピュータからの入力に基づいて切羽面に投影を行うプロジェクタを備えている。そして、水平方向のラインデータを投影しつつ、水平方向の縮尺設定値を決定して水平方向縮尺設定値を記憶するステップと、垂直方向のラインデータを投影しつつ、垂直方向の縮尺設定値を決定して垂直方向縮尺設定値を記憶するステップと、投影データとして施工情報データを、記憶された水平方向縮尺設定値と垂直方向縮尺設定値に基づいて、水平方向及び垂直方向の縮尺を設定して投影するステップを実行するようになっている。

【0006】

特許文献２に記載された技術は、トンネルの掘削工事において、作業者や監督者の感覚に頼らずに、正確かつ適切な情報に基づいて迅速に切羽面の変位を報知することができるようにしたトンネル切羽面の変位監視装置に関するものである。

【0007】

このトンネル切羽面の変位監視装置は、形成した切羽面の初期形状データを取得する初期形状データ取得手段と、取得した切羽面の初期形状データを記憶する初期形状データ記憶手段と、切羽面の現形状データを取得する現形状データ取得手段と、記憶した切羽面の初期形状データと、取得した現形状データとの比較に基づいて、初期形状データと現形状データとの差違を示す切羽面変位情報を作成する切羽面変位情報作成手段とを備えている。そして、液晶プロジェクタ等からなる切羽面変位情報投影手段を用いて、作業者が識別可能となるように、切羽面に対して切羽面変位情報に基づく画像を投影するようになっている。

【0008】

特許文献３に記載された技術は、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ようにした切羽情報表示方法に関するものである。

【0009】

この切羽情報表示方法は、発破による掘削で露出した切羽の地山の露出面である第１の切羽面を含む領域をデジタルカメラにより撮影して、その撮影画像データに基づき、切羽の地山状況を示す表示情報を含む切羽情報画像データを生成する。また、第１の切羽面をコンクリートで鏡吹きし、この鏡吹きしたコンクリート表面である第２の切羽面に切羽情報画像データの示す画像である切羽情報画像を投影する。その後、投影した画像に基づき装薬孔位置等の施工情報を決定し、決定した施工情報の表示情報を切羽情報画像データに追加して切羽情報更新画像データを生成して、生成した切羽情報更新画像データの示す画像である切羽情報更新画像を第２の切羽面に投影するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特開２０１２－１８４５６８号公報

【文献】特開２０１７－１１５３８８号公報

【文献】特開２０１８－１５０７２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

上述したように、従来の技術には種々の利点がある。例えば、トンネル掘削に関する種々の情報（例えば、切羽に関する情報）を切羽面に投影することにより、作業者や監督者が情報を共有することができる。また、煩雑な手作業を行うことなく、情報共有を行うことができるので、作業負担を軽減するとともに、情報の伝達ミス等を未然に防止することができる。

【0012】

ところで、情報投影の技術が進む中、ＶＲ（仮想現実）、ＡＲ（拡張現実）、ＭＲ（複合現実）等の技術を用いて、種々の情報を提供することができるようになっている。ＡＲ技術を用いて情報を表示するには、スマートフォン、タブレット、ウェアラブルデバイスであるＡＲメガネ等を用いて、現実の映像に各種情報を反映した映像を重ね合わせることにより、ＡＲ映像を観る者に各種情報を提供するが、このためには、現実の映像と重ね合わせる映像の位置合わせを行う必要がある。

【0013】

ＡＲ技術には、マーカーＡＲとマーカーレスＡＲとがある。マーカーＡＲは、映像を重ね合わせる位置にマーカーを設置し、このマーカーを認識して、適切な位置に映像を重ね合わせるようになっている。一方、マーカーレスＡＲは、画面全体に対してコーナー点や局所特徴量に基づいて２次元画像上での特徴点の座標を演算し、特徴点の座標をマーカーとして適切な位置に映像を重ね合わせるようになっている。

【0014】

発明者らは、トンネル切羽においてマーカーレスＡＲ技術の適用を試みたが、以下に示す問題点があった。第１に、トンネル脚部は掘削ズリが堆積しており、トンネルの隅角部を明確に認識しにくいという問題があった。第２に、トンネルアーチ形状全体の特徴点を認識してから近づかなくてはならず、切羽近くで位置合わせをすることができない（ドリルジャンボ停車位置で切羽全体を見ることができない）という問題があった。

【0015】

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、マーカーＡＲ技術を用いてトンネル切羽面に対してトンネル掘削に関する種々の情報を表示する際に、正確な位置に的確に情報表示を行うことができるトンネルにおけるＡＲマーカー設置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】

【0016】

本発明に係るトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明に係るトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法は、トンネル壁面にトンネルに関する情報を表示させるために用いるＡＲマーカーの設置方法に関するものである。

【0017】

このＡＲマーカーの設置方法では、トンネル壁面であって情報表示を行う投影位置に対応させて、トンネル内に設置した機器を避けてレーザー光が到達する位置にレーザー光発射装置を配設し、当該投影位置に、方向情報を担持したＡＲマーカーを投影する。そして、投影位置に投影するＡＲマーカーは、点状のレーザー光を連続させず複数箇所に照射することにより、全体として所定形状となるようにしたものであることを特徴とするものである。

【0018】

上述したトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法において、投影位置はトンネル壁面の複数箇所であり、当該複数箇所の投影位置に、それぞれＡＲマーカーを投影することが可能である。

【0020】

上述したトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法において、投影位置は、トンネル切羽面の天端付近とすることが可能である。

【発明の効果】

【0021】

本発明に係るトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法によれば、マーカーＡＲ技術を用いてトンネル切羽面に対してトンネル掘削に関する種々の情報を表示する際に、正確な位置に的確に情報表示を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施形態に係るトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法を示すフローチャート。

【図2】本発明の実施形態に係るトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法で使用するシステム構成図。

【図3】本発明の実施形態に係るトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法で投影するＡＲマーカーの例を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るトンネルにおけるＡＲマーカー設置方法（以下、ＡＲマーカー設置方法と略記する）を説明する。図１～図３は本発明の実施形態に係るＡＲマーカー設置方法を説明するもので、図１はフローチャート、図２はシステム構成図、図３はＡＲマーカーの例を示す模式図である。なお、図１のフローチャートでは、ＡＲマーカーの設置からＡＲ機器を用いた情報表示までを示している。

【0024】

＜ＡＲマーカー設置方法の概要＞
本発明の実施形態に係るＡＲマーカー設置方法は、特に、トンネル切羽面に対して各種情報を表示する際に好適に用いることができる技術である。概要を説明すると、レーザープロジェクターシステム（投影装置であるレーザープロジェクターを用いたシステム）により、例えば、トンネル天端付近にレーザー残像図形であるＡＲマーカーを描画する。レーザープロジェクターシステムは、所定の位置に、所定の大きさ及び形状に投影できる技術である。

【0025】

切羽後方からの投影であれば、施工機械の陰にならない様な位置（例えば、トンネル天端付近）にＡＲマーカーを投影する。なお、以下の説明では、切羽面にＡＲマーカーを投影する場合について説明するが、ＡＲマーカーを投影する位置は切羽面に限られず、トンネル壁面であればどのような位置であってもよい。

【0026】

すなわち、本発明の実施形態に係るＡＲマーカー設置方法では、図１に示すように、トンネル壁面（切羽面）に対して、トンネル内に設置された機器（重機等）を避けてレーザー光を投影可能な位置にレーザー光発射装置（レーザープロジェクター）を設置し（Ｓ１）、レーザー光発射装置（レーザープロジェクター）からレーザー光を発射して、トンネル壁面（切羽面）にＡＲマーカーを投影する（Ｓ２）。

【0027】

所定位置にＡＲマーカーが設置されたら、ＡＲ機器によりＡＲマーカーを認識して、各種情報の表示位置を決定し（Ｓ３）、ＡＲ機器により、トンネル壁面（切羽面）の映像と、各種情報の映像とを重畳表示する（Ｓ４）。

【0028】

＜ＡＲマーカー設置方法のシステム構成＞
以下、本発明の実施形態に係るＡＲマーカー設置方法で使用するシステム（ＡＲマーカー設置システム）について説明する。ＡＲマーカー設置システムは、投影装置であるレーザープロジェクターシステムと、レーザープロジェクターを固定する固定手段とを主要な構成要素とする。

【0029】

＜レーザープロジェクターシステム＞
レーザープロジェクターシステム１００は、図２に示すように、レーザープロジェクター１０（レーザー光発射装置）を主要な構成機器として、レーザープロジェクター１０に電源を供給する電源装置２０と、レーザープロジェクター１０で投影する投影データ（ＡＲマーカーデータ）を生成する投影データ生成手段３０と、生成した投影データを記憶する投影データ記憶手段４０と、投影データの投影制御（レーザー光の出力制御）を行う投影制御手段５０と、レーザープロジェクター１０を所望の位置に固定する固定手段６０とを備えている。

【0030】

上述した各手段は、それぞれの機能を発揮する機器と、コンピュータ及びこれにインストールされたプログラムにより構成される。なお、コンピュータ及びこれにインストールされたプログラムとは、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、ＰＬＣ等の演算機能を有する機器及びこれらにインストールされたプログラムを含む広い概念である。

【0031】

＜レーザープロジェクターの設置位置＞
レーザープロジェクター１０は、トンネル内に設置した機器を避けてトンネル壁面（切羽面）にレーザー光が到達する位置に設置する。なお、機器とは重機を含む広い意味で使用しており、ドリルジャンボやコンクリート吹付機等の他に、トンネル内に設置された送風装置や照明装置を含んでいる。また、その他の重機として、トンネル掘削に使用する重機であるパワーショベル、コンクリートミキサー車、ダンプトラック、機関車等がトンネル内に存在する機器となる。

【0032】

レーザープロジェクター１０は、一般的にはトンネル壁面に設置するが、切羽面との間に重機等が設置されていて切羽面にＡＲマーカーを投影することが難しい場合には、方向が制御されている施工機械に設置すればよい。方向が制御されている施工機械とは、例えば、切羽面に対向する位置が制御されているドリルジャンボ等であり、当該施工機器の上部等であって、切羽面との間に他の重機等が存在しない箇所にレーザープロジェクター１０を設置する。

【0033】

＜固定手段＞
固定手段６０は、レーザープロジェクター１０を所定位置に固定するための手段であり、例えば、三脚やクランプ等を使用することができる。固定手段６０の種類は、レーザープロジェクター１０を固定する箇所に応じて適宜選択する。

【0034】

＜ＡＲマーカーの投影例＞
レーザープロジェクター１０により切羽面等に投影するＡＲマーカーは、例えば、１ｍ×１ｍ程度の大きさで、図３に示すように、方向を認識できるように、正方形、長方形、三角形、星形、これらの組み合わせとすることができる。

【0035】

レーザープロジェクター１０は、上述した各種の図形を連続した図形として投影することができる。しかし、連続した図形として投影した場合には照度が落ちる（図形が暗くなる）ことがあるため、レーザー光を点状に照射することにより、上述した各種図形を投影することが好ましい。この場合には、図形の形状を判別できるように、各頂点及び各頂点を結ぶ線上の所定位置にレーザー光を点状に照射する。

【0036】

また、投影位置はトンネル壁面（切羽面）の複数箇所とすることができる。この場合には、複数箇所の投影位置に、それぞれＡＲマーカーを投影することにより、ＡＲマーカーの認識精度（位置情報の取得精度）を向上させることができる。

【0037】

＜各種の情報表示＞
ＡＲマーカーが設置（投影）されたら、ＡＲ技術を利用して切羽面等の映像（透過映像を含む）に各種データを重畳して表示する。各種データは、ＨＤＤ等からなる情報記憶手段（図示せず）に記憶されている。

【0038】

情報記憶手段に記憶されている情報は、コンクリート吹付前の切羽状況、削孔ナビゲーション、切羽押出しコンター、装薬及び結線、路盤やベンチ高さ、作業エリア、不安定岩塊、あたり箇所、吹付厚、支保工建て込み位置、ロックボルト削孔位置、地質状況、湧水状況、注意喚起等である。記憶された情報のデータフォーマットはどのようなものであってもよいが、ＡＲ機器に表示する際に、映像化する必要がある。

【0039】

このため、情報記憶手段に記憶される情報は、ＪＰＥＧ、ＧＩＦ、ＴＩＦＦ等の画像フォーマットや、ＭＰＥＧ、ＡＶＩ等の動画フォーマット等のデータであってもよいし、情報を表示する際に、これらのフォーマットに変換可能なフォーマットであってもよい。すなわち、情報記憶手段に記憶し、ＡＲ機器で表示する情報は、静止画であってもよいし、動画であってもよい。

【0040】

また、過去の施工において収集した種々の情報を記憶しておき、同様の事象が発生した場合に、対処方法の一例として記憶した情報の中から該当する情報を検索し、表示する情報としてもよい。また、上述した各種の情報及び過去の施工において収集した種々の情報は、各情報に対して検索インデックスを付した表示情報データベース（図示せず）として、情報記憶手段に記憶しておくことが好ましい。なお、情報記憶手段に記憶する情報は、上述したものに限られず、トンネル毎に必要な情報として、これらの情報の一部であってもよいし、他の情報を付加してもよい。

【0041】

＜ＡＲ機器＞
ＡＲ機器は、例えば、ゴーグル及びゴーグルのレンズ面に映像を表示させるための透過型ウェアラブル端末からなり、種々の形態がある。例えば、ゴーグル本体の側面あるいは両側面にプロジェクタを配設し、このプロジェクタからレンズ面に映像を投写し、レンズ内に埋め込まれたホログラムによって光を反射させることにより、利用者が目視している物体に重ね合わせて情報を表示するものがある。この透過型ウェアラブル端末は、情報の表示形式を限定するものではなく、トンネル壁面（切羽面）と関連付くようにして各種情報表示することができれば、どのような態様であってもよい。

【0042】

また、他のＡＲ機器として、撮影機能、映像表示機能、通信機能を有するスマートフォン、タブレット端末、ノートパソコン等を使用してもよい。

【0043】

上述したように、トンネル壁面（切羽面）と関連付けて各種の情報を表示するためには、透過型ウェアラブル端末の現在位置やレンズ面の向き等に関する位置情報を取得する必要がある。位置情報の取得には、トンネル壁面（切羽面）に投影したＡＲマーカーを利用する。

【符号の説明】

【0044】

１０ レーザープロジェクター
２０ 電源装置
３０ 投影データ生成手段
４０ 投影データ記憶手段
５０ 投影制御手段
６０ 固定手段
１００ レーザープロジェクターシステム

【図1】

【図2】

【図3】