(57)【要約】【課題】  船舶やトラック等で運搬され、製鉄所等のヤード内に積み上げられた鉄鉱石や石炭等の原料の山の山形形状を、正確かつ短時間で計測可能な計測装置を提供する。【解決手段】  ＧＰＳアンテナ、レーザースキャナ、及びＧＰＳ受信機搭載のセンサＢＯＸを含む計測装置を山積み用のアームに取り付ける。レーザスキャナは山に向けてレーザビームを一方向に走査し、前記レーザビームの走査角度と前記レーザビームの照射対象物までの距離とを関連付けて出力する。アームは回転可能であり、一方向に走査するレーザビームが前記山の全体を走査するように回転台を回転制御する。このようにアームを回転させながら正確な時刻が付加されたＧＰＳデータとレーザースキャナデータを収集し、収集したデータに基づく演算処理によって山積みされた山の形状を再現する。【選択図】  図１
2010286436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
敷地内に搬送された搬送物が積み上げられてできた山の形状を計測する計測装置であって、
搬送物を前記敷地内の所望の場所に搬送するアームに設置され、時刻情報と位置情報を出力する位置標定装置と、
前記アームを支持し、回転角計測センサを備えて前記アームを所定の方向に回転する回転台と、
前記アームに設置され、前記山に向けて、レーザビームを一方向に走査し、前記レーザビームの走査角度と前記レーザビームの照射対象物までの距離とを関連付けて出力するレーザスキャナと、
前記回転台を制御すると共に前記山の形状を演算する制御演算処理部と、
を備え、
前記制御演算処理部は、一方向に走査する前記レーザスキャナのレーザビームが前記山の全体を走査するように前記回転台を回転制御し、前記回転台を回転中に取得した、略同時刻における前記位置標定装置の位置情報と前記回転角計測センサの回転角と前記レーザスキャナの走査角度と距離とを用いて前記山の表面の各位置を算出して前記山の形状を計測することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記搬送物は製鉄用の原料であり、
前記アームはベルトコンベアーを備えて前記原料を原料ヤードである前記敷地内に搬送し、前記原料を前記敷地内の所定の場所に山積みすることを特徴とする請求項１記載の計測装置。
【請求項３】
敷地内に搬送された搬送物が積み上げられてできた山の形状を計測する計測方法であって、
前記搬送物を前記敷地内の所望の場所に搬送する回転自在なアームに設置された位置標定装置から時刻情報と位置情報を取得するステップと、
前記アームに設置されたレーザスキャナから、前記山に向け一方向に走査するレーザビームの走査角度と当該走査角度における搬送物までの距離を、前記時刻情報と関連付けして取得するステップと、
前記アームを支持すると共に回転する回転台の回転角を、前記時刻情報と関連付けして取得するステップと、
一方向に走査する前記レーザスキャナのレーザビームが前記山の全体を走査するように前記回転台を制御するステップと、
前記回転台を回転中に取得した、略同時刻における前記位置標定装置の位置情報と前記回転角と前記走査角度と前記距離とを用いて、前記山の表面の位置を算出して前記山の形状を計測するステップと、
を備えることを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、敷地内に搬送され山状に積み上げられた搬送物の形状を計測する計測装置に関するものである。より詳しくは、船舶やトラック等で搬送され、工場内の敷地である原料ヤード内で保管するために積み上げられた鉄鉱石や石炭等の原料の山の形状を計測する計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所などの工場においては、原料や滓（かす）をヤード内の複数の箇所に分け、山積みの状態にして保管することがある。山積みされたこれらの原料等の体積を管理することは、これらの原料を用いた製品の生産を計画する上で重要である。
従来、このように山積みされた原料の保管量については、作業員が山積みされた原料の周囲の長さと高さを測量して形状を見積もり、その形状から原料の保管量を見積もることを行っていた。
従来、トラック等に積まれた積載物の体積計測については、ステレオ式の撮像機を用い、振動等が生じる環境下でも積載物の体積を計測可能な方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３５５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来、作業員が行っていたように積み上げられた山形の周囲を測量し、山の高さを測定して山形形状を見積りその体積を計算する方法では計測に時間を要し、また作業自体に危険が伴うという課題があった。また、この方法によっては正確な体積の測定結果が得られないという課題があった。
【０００５】
この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、ヤードで山積みされた原材料等の形状を正確かつ短時間で計測可能な計測装置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】
【０００６】
この発明の計測装置は、敷地内に搬送された搬送物が積み上げられてできた山の形状を計測する計測装置であって、搬送物を前記敷地内の所望の場所に搬送するアームに設置され、時刻情報と位置情報を出力する位置標定装置と、前記アームを支持し、回転角計測センサを備えて前記アームを所定の方向に回転する回転台と、前記アームに設置され、前記山に向けて、レーザビームを一方向に走査し、前記レーザビームの走査角度と前記レーザビームの照射対象物までの距離とを関連付けて出力するレーザスキャナと、前記回転台を制御すると共に前記山の形状を演算する制御演算処理部とを備え、前記制御演算処理部は、一方向に走査する前記レーザスキャナのレーザビームが前記山の全体を走査するように前記回転台を回転制御し、前記回転台を回転中に取得した、略同時刻における前記位置標定装置の位置情報と前記回転角計測センサの回転角と前記レーザスキャナの走査角度と距離とを用いて前記山の表面の各位置を算出して前記山の形状を計測する。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の計測装置によれば、山積みされた原材料等の形状を、正確かつ短時間で計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１における搬入搬出用台車２の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１における計測部５０の構成図の一例である。
【図３】実施の形態１における計測部５０の計測動作を説明する図である。
【図４】実施の形態１における原料ヤード内の設備を説明する図である。
【図５】実施の形態１における体積計算ソフトウェアのＧＵＩの一例である。
【図６】実施の形態１における体積計算ソフトウェアのＧＵＩの一例である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
本発明の実施の形態を、以下、図を用いて説明する。
【００１０】
図４は、製鉄所の原料ヤードを上方から見たときの図の一例である。図４を用い原料ヤード内の設備について説明する。
製鉄所では、船舶やトラック等で運搬されてきた鉄鋼石や石炭等の原料をヤード２０に搬入、搬出している。
図４において、ヤード２０内には数１０ｍ程度のピッチでレール３（３ａ、３ｂ）が敷設されている。このレール３上を、アーム１（１ａ、１ｂ）にベルトコンベアのついた搬入搬出用台車２（２ａ、２ｂ）が移動する。
鉄鉱石等の原料は船舶やトラックなどで製鉄所まで運ばれ、その後、レール３上を移動する搬入搬出用台車２によりヤード２０内の所定の場所に運ばれて積み上げられる。
搬入搬出用台車２には水平方向に伸びたアーム１が設けられており、原料等はアーム１に取り付けられたベルトコンベアにより運ばれてヤード上に積み上げられる。積み上げられた原料は、原料山形１０（図４の１０ａ〜１０ｆ）を形成する。
原料山形の大きさは様々であるが、多くはその高さが１０ｍ〜２０ｍ程度である。原料山形の底は半径が数１０ｍ程度の円形や、１辺が１００ｍ程の矩形の形状を成している。
【００１１】
図１は、実施の形態１の搬入搬出用台車２の構成を示す図である。
搬入搬出用台車２は地面に略垂直方向に延びる軸を中心として回転する回転台３０と、回転台３０に取り付けられ、回転台３０が回転することにより地面と略並行な面内を回転するアーム１を備える。なお、回転台３０の回転角φは回転角計測センサ３１によりモニタされ、後で説明する計測部５０に向けて出力される。
アーム１の先端部には、本実施の形態の計測部５０が設けられている。
【００１２】
アーム１の長手方向に沿って、計測対象物である原料等を運搬、山積みするベルトコンベアー１５が備えられている。ベルトコンベアー１５がアーム１の先端方向に向けて移動することで、船舶等により運搬されてきた原材料等がベルトコンベアー１５に載ってアーム１の先端まで運ばれる。原料等は先端部でベルトコンベアー１５から落下し、山状に積み上げられていく。
なお、搬入搬出用台車２はレール３上を移動可能となっており、搬入搬出用台車２とアームの回転を調整することでアーム１の先端部を所定の場所に設置することができ、原料等をヤード内の所望の場所に運搬し、山状に積み上げることができる構成となっている。
なお、搬入搬出用台車２の移動、回転台３０の回転動作、ベルトコンベアー１５の搬送動作、レーザスキャナ１３の動作、データの送受信などは管理センター６０によって制御可能となっている。
【００１３】
一方、山状に積み上げられた原料等をヤードから搬出する場合は、搬入時とは逆の方向にベルトコンベアーを回転させる。作業員はショベルカーなどの運搬機器を操作して、山状に積み上げられた原料等をアーム１先端部のベルトコンベアーに載せ、ベルトコンベアーの移動により搬入搬出用台車２に向けて原料等を移動させる。搬入搬出用台車２では、運ばれてきた原料等をトラック等に移して、ヤード外の目的地に向けて搬出する。
【００１４】
このようにして原料等の搬入、搬出が繰り返され、その都度、原材料等の山形形状が変化する。
【００１５】
次に、原料等で積み上げられた山の形状を計測する計測装置及び計測方法について説明する。
山の形状の計測は、アーム１の先端部に設置した計測部５０を計測対象の山の上方を走査するように移動させることで行う。計測部５０の移動は、搬入搬出用台車２の移動及び搬入搬出用台車２に設置された回転台３０の回転により行う。
【００１６】
図２は、本実施の形態の計測部５０の構成例である。
計測部５０は、レーザスキャナ１３と、ＧＰＳアンテナ１１と、ＧＰＳ受信器を備え、レーザスキャナ１３とＧＰＳアンテナ１１と回転角計測センサ３１と接続されて計測部５０の位置データ等を出力するセンサＢＯＸ１６と、センサＢＯＸと接続した操作・記録用ＰＣ１７と、操作・記録用ＰＣ１７と接続された無線ＬＡＮアンテナから構成される。センサＢＯＸ１６と操作・記録用ＰＣ１７は機器収容筐体１２に収められる。センサＢＯＸ１６はレーザスキャナ１３と電源ライン、信号ラインで接続されており、またＧＰＳアンテナ１１とも接続されている。
ＧＰＳ受信機及びＧＰＳアンテナは、位置標定装置の一例である。
【００１７】
レーザスキャナ１３は、照射したレーザービームが対象物で反射し戻ってくるまでの往復時間を測ることで対象物までの距離を計測し、同時にレーザビームの照射方向を計測することで対象物の相対位置座標が計測可能な装置である。２次元レーザスキャナは、図２に示すように予め設定された面内を±θ度の範囲内で左右方向に走査しながらレーザーを照射するものであり、設定された面内にある対象物までの距離と走査方向の角度データに基き対象物の相対位置座標が計測できる。例えば図２の例では、紙面の面内（ｘ-ｙ面内）をレーザビームが走査し、面内にある対象物までの距離とレーザビームの出射方向θに基づき、対象物の相対位置座標が計算により取得できる。本実施の形態では、この２次元レーザスキャナを用いている。
【００１８】
次に、計測部５０の動作について説明する。
ＧＰＳアンテナ１１はＧＰＳ衛星からのＧＰＳ衛星信号を受信する。センサＢＯＸ１６内部に搭載されるＧＰＳ受信機（図示せず）はＧＰＳ衛星信号を入力し、ＧＰＳアンテナ１１のアンテナ位置（緯度・経度情報）を算出する。ＧＰＳ受信機が同時に算出する時刻情報とアンテナ位置を関連付けして（関連付けされた時刻情報とアンテナ位置を以後、ＧＰＳデータという）センサＢＯＸ１６に出力される。
センサＢＯＸ１６はＧＰＳデータを、操作・記録用ＰＣ１７に出力する。
【００１９】
一方、レーザスキャナ１３はレーザスキャナ１３の下方にある計測対象物４０、ここでは原料等の山に向けてレーザビームを照射し、照射した山の表面までの距離情報を計測する。レーザスキャナ１３が走査するレーザビームの出射方向θ及びこのときの距離情報Ｌ（出射方向θと距離情報Ｌを以後、スキャナデータという）はセンサＢＯＸ６に出力される。
センサＢＯＸはレーザスキャナデータにＧＰＳ受信機から取得した正確な時刻情報を付加した上で、操作・記録用ＰＣ１７に出力する。
【００２０】
また、センサＢＯＸ１６は、回転角計測センサ３１が計測した回転台３０の回転角φのデータを入力する。
センサＢＯＸ１６は、回転角φと、ＧＰＳ受信機が出力する時刻でこの回転角φ取得時の時刻とを関連付けした上で、操作・記録用ＰＣ１７に出力する。
【００２１】
このようにして操作・記録用ＰＣ１７には、時刻情報とアンテナ１１の位置（緯度・経度情報）からなるＧＰＳデータと、時刻情報と関連付けされたスキャナデータと、時刻情報と関連付けされた回転台３０の回転角φのデータが、順次格納されることになる。
【００２２】
図３はアーム１等を上方から見た図であり、計測対象物（原料の山）４０を計測する際のアーム１の動きとレーザスキャナ１３の走査範囲を説明する図である。
アーム１の先端部に計測部５０が設けられ、計測部５０のレーザスキャナ１３が図中の走査範囲に示すように、アーム１が向く方向を含む面内を±θ度（図２）の範囲内で走査する。
搬入搬出用台車２の回転台３０が回転することにより、レーザスキャナ１３が計測対象物４０の全体の範囲を走査する。
回転台３０の回転角φは任意に定めた座標軸に対して設定される。回転台３０の回転制御や計測部５０の走査制御は、管理センター６０の制御部により有線又は無線の制御信号により制御される。
【００２３】
このように管理センター６０は、搬入搬出用台車２、回転台３０、計測部５０の動作を制御し、アーム１が回転台３０を軸にして計測対象物４０の上方を回転移動して、計測部５０のレーザスキャナ１３が計測対象物４０を走査する。
【００２４】
操作・記録用ＰＣ１７は、各機器から順次入力される時刻情報とアンテナ１１の位置（緯度・経度情報）からなるＧＰＳデータと、時刻情報と関連付けされたスキャナデータと、時刻情報と関連付けされた回転台３０の回転角φのデータを、無線ＬＡＮアンテナ１４を通じ、管理センター６０に送信する。
【００２５】
次に、管理センター６０では、操作・記録用ＰＣ１７から送信されるデータを用いて、計測対象物４０の形状を再現する。管理センター６０は管理サーバ等の演算処理装置（図示せず）を備えており、計測対象物４０の形状の算出を行う。
なお、管理センター６０と走査記録用ＰＣ１７は別々に設置されていてもよく、一体であってもよい。制御演算処理部は管理センター６０と走査記録用ＰＣ１７の一例である。
【００２６】
管理センター６０は操作・記録用ＰＣ１７から入力した送信データにおいて、時刻情報を基準にして、略同時刻のＧＰＳデータとスキャナデータと回転台３０の回転角φのデータを抽出する。
そして、以下により計測対象物の位置座標を算出する。
【００２７】
レーザスキャナの座標系をレーザスキャナ１３のレーザビームの走査面（図２の例ではｘ-ｙ面）にとると、計測対象物の位置座標（Ｘt、Ｙt）はレーザスキャナが取得した計測対象物までの距離をＬとして、Ｘt＝Ｌ×Sinθ、Ｙt＝Ｌ×Cosθで表される。
ここで、レーザスキャナの座標系と原料などの山を含むヤードで採用している座標系の関係は既知であるため、レーザスキャナの座標系とヤードで採用している座標系との座標変換を行うことにより、ヤードで採用している座標系における計測対象物の位置座標を取得できる。
【００２８】
このように管理センター６０の演算処理装置は、略同時刻のＧＰＳデータとスキャナデータと回転台３０の回転角φのデータを用いることで、計測対象物の位置座標を正確に計算することができる。
なお、ＧＰＳアンテナ１１とレーザスキャナ１３の位置関係を予め測定しておくことで、計測対象物の表面位置を換算することが可能である。
【００２９】
このようにして計測対象物４０の表面（ここでは、山の表面）の位置情報を収集することにより、対象物の形状をコンピュータ上に再現させることができる。
また、再現した対象物の形状に基づきコンピュータ上で対象物の体積を計算することも可能となる。
【００３０】
以上のように、原料等を搬入するベルトコンベアーが設けられたアーム１の先端部に計測部５０を設置し、アーム１を計測対象物４０上で回転させながらＧＰＳデータとスキャナデータと回転台３０の回転角φを取得することで、たとえ計測対象（原料等の山）が複雑な形状をしている場合であっても、様々な角度からレーザスキャナのレーザビームを照射することができる。そして、各機器が取得した略同時刻のデータを抽出し演算することで、計測対象物の正確な形状を再現することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態ではアーム１の先端部に計測部５０を設置したが、設置場所は先端部に限られるものではなく、計測部５０をアーム１の途中の位置に設置して構わない。
【００３２】
または計測部５０を、計測対象物を一望できる回転台３０の上方に設置し、計測対象物の形状を計測するようにしてもよい。
【００３３】
また、本実施の形態では、回転角計測センサ３１が回転台３０の回転角を計測するようにしたが、例えばアーム１上や計測部５０上の少なくとも３箇所にＧＰＳアンテナを設置し、各ＧＰＳアンテナの位置を求めることで回転角φを算出するようにしてもよい。
【００３４】
図５は、本実施の形態の計測装置が計測した結果に基づき、計測対象物４０の体積を算出する体積計算ソフトウェアのＧＵＩの例である。
この原料山積み体積計算ソフトウェア７１では、機能切替えタブ７２によって体積計算機能と敷地管理機能を切替えることができる。
更に体積計算機能では、対象物切替えタブ７３により対象の山積みを切替えることができる。作業者は目的の対象物の再現形状７４をモニタ画面上に表示させた状態で体積計算実行ボタン７５を押下することで、体積計算を行う。
【００３５】
図６は体積計算ソフトウェア７１の機能切替えタブで、敷地管理機能を選択したときのイメージである。
敷地管理機能では、対象物の山積みがどこにどのような大きさで存在するのかを表示することができ、原料等の体積を一括管理することができる。これにより、山積みを限られた敷地内で効率良く行うことが可能となる。
【００３６】
また、計測対象物を搬入し山積みした年月を記録することで、いつの在庫がどこにどのような大きさで存在するのか管理でき、管理情報を生産計画等に役立てることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  アーム、２  搬入搬出用台車、３  レール、４  無線ＬＡＮアンテナ、５  管理サーバ、６  センサＢＯＸ、７  操作・記録用ＰＣ、１０ａ〜１０ｆ  原料山形、１１  ＧＰＳアンテナ、１２  機器収容筐体、１３  レーザスキャナ、１５  ベルトコンベアー、１６  センサＢＯＸ、１７  操作・記録用ＰＣ、２０  ヤード、２１  原料山積み体積計算ソフトウェア、２２  機能切替えタブ、２３  対象物切替えタブ、２４  対象物再現形状、２５  体積計算実行ボタン、３０  回転台、３１  回転角計測センサ、４０  計測対象物、５０  計測部、６０  管理センター。
【図１】
2010286436.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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