(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定システムにおいて、
前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換手段と、
前記変換手段により座標変換された座標データから、前記３次元空間上の２次元平面上に含まれる２以上の平面座標データを抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出された平面座標データからなる最小二乗法により算出した近似直線と、前記平面座標データとの距離の誤差を算出し、前記誤差が基準値以上となる前記堀り残し土を示す平面座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第２判定手段とを備えること
を特徴とする刃口境界部判定システム。
【請求項２】
ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定システムにおいて、
前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換手段と、
前記変換手段により座標変換された座標データから、前記３次元空間上の前記刃口部を示す２以上の前記座標データを含む２次元平面上の平面座標データを抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出された平面座標データと、前記刃口部を示す２以上の前記平面座標データを含む直線との距離の誤差を算出し、前記誤差が基準値以上となる前記堀り残し土を示す平面座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第３判定手段とを備えること
を特徴とする刃口境界部判定システム。
【請求項３】
ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定システムにおいて、
前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換手段と、
前記変換手段により座標変換された座標データから、前記３次元空間上の前記距離情報を示す方向と垂直な２次元平面上に含まれる平面座標データを抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出された平面座標データが前記２次元平面上の１直線に全て含まれるときの前記刃口部を示す平面座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第４判定手段とを備えること
を特徴とする刃口境界部判定システム。
【請求項４】
前記刃口境界部に基づいて、前記作業室内の堀り残し土の幅を演算する演算手段とをさらに備えること
を特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の刃口境界部判定システム。
【請求項５】
前記取得手段は、取得した点群データから、前記センサの位置と前記ニューマチックケーソンの設計情報とに基づいて、前記刃口境界部を示す点群データを含む刃口境界範囲点群データを取得すること
を特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の刃口境界部判定システム。
【請求項６】
ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定プログラムにおいて、
前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得ステップと、
前記取得ステップにより取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換ステップと、
前記変換ステップにより座標変換された座標データから、前記３次元空間上の２次元平面上に含まれる２以上の平面座標データを抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにより抽出された平面座標データからなる最小二乗法により算出した近似直線と、前記平面座標データとの距離の誤差を算出し、前記誤差が基準値以上となる前記堀り残し土を示す平面座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第２判定ステップとをコンピュータに実行させること
を特徴とする刃口境界部判定プログラム。
【請求項７】
ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定プログラムにおいて、
前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得ステップと、
前記取得ステップにより取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換ステップと、
前記変換ステップにより座標変換された座標データから、前記３次元空間上の前記刃口部を示す２以上の前記座標データを含む２次元平面上の平面座標データを抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにより抽出された平面座標データと、前記刃口部を示す２以上の前記平面座標データを含む直線との距離の誤差を算出し、前記誤差が基準値以上となる前記堀り残し土を示す平面座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第３判定ステップとをコンピュータに実行させること
を特徴とする刃口境界部判定プログラム。
【請求項８】
ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定プログラムにおいて、
前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得ステップと、
前記取得ステップにより取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換ステップと、
前記変換ステップにより座標変換された座標データから、前記３次元空間上の前記距離情報を示す方向と垂直な２次元平面上に含まれる平面座標データを抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにより抽出された平面座標データが前記２次元平面上の１直線に全て含まれるときの前記刃口部を示す平面座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第４判定ステップとをコンピュータに実行させること
を特徴とする刃口境界部判定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、刃口部を下端部に備えたニューマチックケーソンにおける作業室内の前記刃口部と前記刃口部周辺の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定システム及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
橋梁や建物の基礎、シールドトンネルの発進立坑などの地下構造物を構築する工法として、ニューマチックケーソン工法が知られている。ニューマチックケーソン工法は、ケーソンの本体下部に作業室を設け、その中に圧縮空気を送って高気圧状態にし、掘削作業が行なわれている。この高気圧作業室は、高気圧状態であるため、作業者が立ち入ることができる時間が制限されている。このためニューマチックケーソン工法において、水中や高気圧下の工事においては、作業効率の向上や作業環境の安全性の観点から、地上からの遠隔操作によって施工を行なう無人化施工が採用されている。また、このような無人化施工では、高気圧作業室内に設けられた監視カメラによって撮影された高気圧作業室内の作業状況の画像を、高気圧作業室から離れた陸上の安全な遠隔作業室に設置されたモニタに表示し、オペレータがこの画面を見ながら掘削機等の作業機械を遠隔操作し、施工を行なっている。
【０００３】
また、ニューマチックケーソン工法は、有底筒状に形成され筒底の下部に地盤掘削用の作業室を備えたニューマチックケーソンを地盤上に配置し、このケーソンの周壁内側の地盤及び周壁下端の刃口部の下方地盤を掘削しつつ、その自重により又は荷重を加える等して、ケーソンを所定の深さまで徐々に沈下させて設置し、地盤中に基礎や地下構造物等を構築する工法である。この種の工法におけるケーソンの沈設方法では、ケーソンを沈下させる力である沈下力とこの沈下力に抵抗する力である地盤等からの沈下抵抗力とがバランスしている状態では、ケーソンは沈下することなく静止している。この沈下抵抗力は、主に、ケーソンの周壁の外面に作用する周面摩擦力と、ケーソンの刃口部の内周面に作用する地盤からの反力とからなる。詳しくは、刃口部の内周面は刃口部先端から上方に向かうほどケーソンの中心軸側に近づくように傾斜したテーパー状に形成されており、この傾斜した内周面に接する地盤である堀り残し土からの反力が作用している。そして、ケーソンの沈設方法では、例えば、ケーソンがその刃口部を地盤内に貫入させて静止した状態で、刃口部の内周面の下方地盤の一部をケーソンの内側から掘削することにより、ケーソンに作用する地盤からの反力を適度に低減させる。その結果、沈下抵抗力が沈下力より低くなり、ケーソンが沈下し始める。このことから、この種のケーソンの沈設方法において、ケーソンの刃口部に接する堀り残し土の形状を把握することは、ケーソン沈下の施工管理上重要な事項である。
【０００４】
また、ケーソンの刃口部に接する堀り残し土の形状を把握するための情報として、刃口部の内周面における露出領域と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口部境界判定装置、及び、これを利用したケーソン沈設方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１の開示技術によれば、刃口境界部の画像の画素毎に所定の波長帯域における光の強度分布に基づいて、反射光についての強度分布のモデルデータを用いて刃口境界部が判定される。これにより、ケーソンの沈設の際に、刃口境界部を判定した判定結果の情報を常時取得できるため、判定結果の情報により、刃口部の地盤への貫入状況をリアルタイムに把握することができ、ひいては、ケーソン沈下の施工管理をより確実且つ安全に行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１９−２１８７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、特許文献１では、刃口境界部の判定のために、予め刃口部の内周面からの反射光についての強度分布のモデルデータを予め生成しておく必要がある。この反射光についての強度分布は、ケーソンの作業室内の状況、特に刃口境界部付近での地盤の形状や、土砂の量によって多様に変化するため、モデルデータを用いて、刃口境界部を判定する場合、モデルデータの生成のために大量のデータが必要となる。そのため、モデルデータの生成に多大なコストと時間を要することが懸念される。このため、予め生成されたモデルデータを必要とせず、低コストで定量的に刃口境界部を判定する方法が必要となる。
【０００８】
そこで本発明は、上述した問題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、低コストで定量的に刃口境界部を判定する刃口境界部判定システム及びプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１発明に係る刃口境界部判定システムは、ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定システムにおいて、前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得手段と、前記取得手段により取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換手段と、前記変換手段により座標変換された座標データから、前記３次元空間上の２次元平面上に含まれる２以上の平面座標データを抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出された平面座標データからなる最小二乗法により算出した近似直線と、前記平面座標データとの距離の誤差を算出し、前記誤差が基準値以上となる前記堀り残し土を示す平面座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第２判定手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
第２発明に係る刃口境界部判定システムは、ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定システムにおいて、前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得手段と、前記取得手段により取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換手段と、前記変換手段により座標変換された座標データから、前記３次元空間上の前記刃口部を示す２以上の前記座標データを含む２次元平面上の平面座標データを抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出された平面座標データと、前記刃口部を示す２以上の前記平面座標データを含む直線との距離の誤差を算出し、前記誤差が基準値以上となる前記堀り残し土を示す座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第３判定手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
第３発明に係る刃口境界部判定システムは、ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定システムにおいて、前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得手段と、前記取得手段により取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換手段と、前記変換手段により座標変換された座標データから、前記３次元空間上の前記距離情報を示す方向と垂直な２次元平面上に含まれる平面座標データを抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出された平面座標データが前記２次元平面上の１直線に全て含まれるときの前記刃口部を示す平面座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第４判定手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
第４発明に係る刃口境界部判定システムは、第１発明〜第３発明の何れかにおいて、前記刃口境界部に基づいて、前記作業室内の堀り残し土の幅を演算する演算手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
第５発明に係る刃口境界部判定システムは、第１発明〜第４発明の何れかにおいて、前記取得手段は、取得した点群データから、前記センサの位置と前記ニューマチックケーソンの設計情報とに基づいて、前記刃口境界部を示す点群データを含む刃口境界範囲点群データを取得することを特徴とする。
【００１８】
第６発明に係る刃口境界部判定プログラムは、ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定プログラムにおいて、前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得ステップと、前記取得ステップにより取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換ステップと、前記変換ステップにより座標変換された座標データから、前記３次元空間上の２次元平面上に含まれる２以上の平面座標データを抽出する抽出ステップと、前記抽出ステップにより抽出された平面座標データからなる最小二乗法により算出した近似直線と、前記平面座標データとの距離の誤差を算出し、前記誤差が基準値以上となる前記堀り残し土を示す平面座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第２判定ステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１９】
第７発明に係る刃口境界部判定プログラムは、ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定プログラムにおいて、前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得ステップと、前記取得ステップにより取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換ステップと、前記変換ステップにより座標変換された座標データから、前記３次元空間上の前記刃口部を示す２以上の前記座標データを含む２次元平面上の平面座標データを抽出する抽出ステップと、前記抽出ステップにより抽出された平面座標データと、前記刃口部を示す２以上の前記平面座標データを含む直線との距離の誤差を算出し、前記誤差が基準値以上となる前記堀り残し土を示す座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第３判定ステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００２０】
第８発明に係る刃口境界部判定プログラムは、ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定プログラムにおいて、前記作業室内にあるセンサの位置から前記刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得ステップと、前記取得ステップにより取得された点群データを３次元空間上の座標データに座標変換する変換ステップと、前記変換ステップにより座標変換された座標データから、前記３次元空間上の前記距離情報を示す方向と垂直な２次元平面上に含まれる平面座標データを抽出する抽出ステップと、前記抽出ステップにより抽出された平面座標データが前記２次元平面上の１直線に全て含まれるときの前記刃口部を示す平面座標データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第４判定ステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
第１発明によれば、本発明の刃口境界部判定システムは、抽出手段により抽出された平面座標データからなる最小二乗法により算出した近似直線と、平面座標データとの距離の誤差を算出し、誤差が基準値以上となる堀り残し土を示す平面座標データに基づいて、刃口境界部を判定する。これによって、モデルデータを用いることなく、刃口境界部を判定することが可能となり、低コストで定量的に刃口境界部を判定することができる。
【００２５】
第２発明によれば、本発明の刃口境界部判定システムは、抽出手段により抽出された平面座標データと、刃口部を示す２以上の平面座標データを含む直線との距離の誤差を算出し、誤差が基準値以上となる堀り残し土を示す座標データに基づいて、刃口境界部を判定する。これによって、モデルデータを用いることなく、刃口境界部を判定することが可能となり、低コストで定量的に刃口境界部を判定することができる。
【００２６】
第３発明によれば、本発明の刃口境界部判定システムは、抽出手段により抽出された平面座標データが２次元平面上の１直線に全て含まれるときの前記刃口部を示す平面座標データに基づいて、刃口境界部を判定する。これによって、モデルデータを用いることなく、刃口境界部を判定することが可能となり、低コストで定量的に刃口境界部を判定することができる。
【００２９】
第４発明によれば、本発明の刃口境界部判定システムは、刃口境界部に基づいて、作業室内の堀り残し土の幅を演算する。これによって、モデルデータを用いることなく、刃口境界部を判定することが可能となり、低コストで定量的に刃口境界部を判定した上で、掘り残し土の幅を演算することが可能となる。このため、低コストで定量的に掘り残し土の幅を演算することで、ケーソンに係る沈下抵抗力を低コストで定量的に予測することができ、作業の効率化ができる。
【００３０】
第５発明によれば、本発明の刃口境界部判定システムは、取得した点群データから、センサの位置とニューマチックケーソンの設計情報とに基づいて、刃口境界部を示す点群データを含む刃口境界範囲点群データを取得する。刃口境界部を判定するのに不要な点群データを取り除くことができ、刃口境界部の判定の高速化とさらなる低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、ニューマチックケーソン工法の主要設備を示す縦断面図である。
【図２】図２は、刃口部を示す縦断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る作業機の一例である掘削機の側面図である。
【図４】図４は、掘削機における制御系統を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第１実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第１実施形態の動作についてのフローチャートである。
【図７】図７は、刃口境界範囲点群データの抽出方法の一例を示す図である。
【図８】図８は、エッジ点群データの抽出方法の一例を示す図である。
【図９】図９は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第２実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第２実施形態の動作についてのフローチャートである。
【図１１】図１１は、第２実施形態における平面座標データの抽出方法の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、平面座標データからなる近似直線の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第３実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第３実施形態の動作についてのフローチャートである。
【図１５】図１５は、第３実施形態における平面座標データの抽出方法の一例を示す図である。
【図１６】図１６は、平面座標データを含む直線の一例を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第４実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図１８】図１８は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第４実施形態の動作についてのフローチャートである。
【図１９】図１９は、第４実施形態における平面座標データの抽出方法の一例を示す図である。
【図２０】図２０は、平面座標データが２次元平面上の１直線に全て含まれるときの平面座標データの一例を示す図である。
【図２１】図２１は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第５実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２２】図２２は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第５実施形態の動作についてのフローチャートである。
【図２３】図２３は、数学モデルの一例を示す図である。
【図２４】図２４は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第６実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２５】図２５は、本発明を適用した刃口境界部判定システムの第６実施形態の動作についてのフローチャートである。
【図２６】図２６は、色点群データの抽出方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、本発明に係る作業機の一例である掘削機が用いられるニューマチックケーソン工法の主要設備の一例を示す図である。図１では、ケーソン１の構築途中の状態が示されている。詳しくは、ケーソン１のうちの大半が地盤Ｇ内に沈下して静止している状態が示されている。ニューマチックケーソン工法は、掘削設備Ｅ１、艤装設備Ｅ２、排土設備Ｅ３、送気設備Ｅ４及び予備・安全設備Ｅ５を用いて、鉄筋コンクリート製のケーソン１を地中に沈下させていくことにより、地下構造物を構築するように構成されている。
【００３３】
掘削設備Ｅ１は、例えば、掘削機１００（以下、ケーソンショベル１００という）と、土砂自動積込装置１１と、地上遠隔操作室１３とを備える。ケーソンショベル１００は、ケーソン１の底部に設けられた刃口部７の内側に設けられる作業室２内に設置される。土砂自動積込装置１１は、ケーソンショベル１００により掘削された土砂を円筒状のアースバケット３１に積み込む。地上遠隔操作室１３は、ケーソンショベル１００の作動を地上から遠隔操作する遠隔操作装置１２を備える。
【００３４】
艤装設備Ｅ２は、例えば、マンシャフト２１と、マンロック２２（エアロック）と、マテリアルシャフト２３と、マテリアルロック２４（エアロック）とを備える。マンシャフト２１は、作業者が作業室２へ出入りするために地上と作業室２とを繋ぐ円筒状の通路であり、例えば、螺旋階段２５が設けられている。マンロック２２は、マンシャフト２１に設けられ地上の大気圧と作業室２内の圧力差を調節する二重扉構造の気密扉である。マテリアルシャフト２３は、土砂自動積込装置１１により土砂が積み込まれたアースバケット３１を地上に運び出すために地上と作業室２とを繋ぐ円筒状の通路である。マテリアルロック２４は、マテリアルシャフト２３と、材料等を搬出入するためのマテリアルシャフト２３に設けられた地上の大気圧と作業室２内の圧力差を調節する二重扉構造の気密扉である。マンロック２２およびマテリアルロック２４は、作業室２内の気圧が変化することを抑えて作業者やアースバケット３１を作業室２へ出入りさせることが可能になるように構成されている。
【００３５】
排土設備Ｅ３は、例えば、アースバケット３１と、キャリア装置３２と、土砂ホッパー３３とを備える。アースバケット３１は、ケーソンショベル１００により掘削された土砂が積み込まれる有底円筒状の筒容器である。キャリア装置３２は、アースバケット３１を、マテリアルシャフト２３を介して地上まで引き上げて運び出す装置である。土砂ホッパー３３は、アースバケット３１及びキャリア装置３２により地上に運び出された土砂を一時的に貯めておく設備である。
【００３６】
送気設備Ｅ４は、例えば、空気圧縮機４２と、空気清浄装置４３と、送気圧力調整装置４４と、自動減圧装置４５とを備える。空気圧縮機４２は、送気管４１及びケーソン１に形成された送気路３を介して作業室２内に圧縮空気を送る装置である。空気清浄装置４３は、空気圧縮機４２により送り込む圧縮空気を浄化する装置である。送気圧力調整装置４４は、作業室２内の気圧が地下水圧と等しくなるように空気圧縮機４２から作業室２内へ送る圧縮空気の量（圧力）を調整する装置である。自動減圧装置４５は、マンロック２２内の気圧を減圧する装置である。
【００３７】
予備・安全設備Ｅ５は、例えば、非常用空気圧縮機５１と、ホスピタルロック５３とを備える。非常用空気圧縮機５１は、空気圧縮機４２の故障又は点検などの時に空気圧縮機４２に代わって作業室２内に圧縮空気を送ることが可能な装置である。ホスピタルロック５３は、作業室２内で作業を行った作業者が入り、当該作業者の身体を徐々に大気圧に慣らしていくための減圧室である。
【００３８】
次に、本発明における刃口部７について、図２を用いて説明する。刃口部７は、ケーソン１の下端部の備えられるものである。刃口部７は、図２に示すように、ケーソン沈下時に地盤８に貫入する部位であり、概ね円筒状に形成されている。刃口部７の内周面７１は、刃口部先端７２から上方に向かうほどケーソン１の中心側に近づくように傾斜したテーパー状に形成されている。詳しくは、刃口部７の最下端部における内周面７１の傾斜角は、その上側の内周面７１における上述した傾斜角よりも大きくなるように設定されている。
【００３９】
ここで、ケーソン沈設施工の際に、刃口部７は、図２に示すように、掘り残し土８０に貫入する。掘り残し土８０は、刃口部７に掛かる地盤反力を弱めてケーソン１の沈降を制限する目的で刃口部７近傍に設ける土砂の堀り残しである。掘り残し土８０が内周面７１に達しているときには内周面７１が地盤反力を受けるため、ケーソン１の沈降を抑えることができる。特に軟弱地盤においては、掘り残し土８０を大きくすることにより刃口部７が受ける地盤反力を低減させることにより、ケーソン１の沈降を抑えることができる。また、刃口境界部７０は、刃口部７の内周面７１のうちの作業室２に露出している部分と内周面７１のうちの掘り残し土８０内に貫入している部分との境界である。刃口境界部７０を判定することにより、掘り残し土幅８１の算出が可能となる。
【００４０】
次に、本発明に係るケーソンショベル１００について図３〜図４を用いて説明する。ケーソンショベル１００は、図３に示すように、例えば、走行体１１０と、ブーム１３０と、バケットアタッチメント１５０とを備える。走行体１１０は、作業室２の天井部に設けられた左右一対の走行レール４に取り付けられ、左右の走行レール４に懸下された状態で走行レール４に沿って走行移動する。ブーム１３０は、走行体１１０の旋回フレーム１２１に上下方向に揺動可能に枢結される。バケットアタッチメント１５０は、ブーム１３０の先端部に取り付けられる。
【００４１】
走行体１１０は、走行フレーム１１１と、旋回フレーム１２１と、走行ローラ１１３とを備える。旋回フレーム１２１は、走行フレーム１１１の下面側に旋回自在に設けられる。走行ローラ１１３は、走行フレーム１１１の上面側前後に、設けられている前後左右の４個のローラである。走行体１１０は、前後左右の走行ローラ１１３を回転駆動させて左右の走行レール４に沿って走行移動するように構成されている。
【００４２】
ブーム１３０は、例えば、基端ブーム１３１と、先端ブーム１３２と、伸縮シリンダ１３３と、起伏シリンダ１３４とを備える。基端ブーム１３１は、旋回フレーム１２１に起伏自在又は上下方向に揺動自在に取り付けられる。先端ブーム１３２は、基端ブーム１３１に入れ子式に組み合わされ、構成される。伸縮シリンダ１３３は、基端ブーム１３１内に設けられている。起伏シリンダ１３４は、基端ブーム１３１の左右に２個設けられている。ブーム１３０は、伸縮シリンダ１３３を伸縮させると、基端ブーム１３１に対して先端ブーム１３２が長手方向に移動し、これによりブーム１３０が伸縮するように構成されている。２個の起伏シリンダ１３４の基端部は基端ブーム１３１の左右側部にそれぞれ回動自在に取り付けられている。
【００４３】
バケットアタッチメント１５０は、ベース部材１５１と、バケット１５２と、バケットシリンダ１５３とを備える。ベース部材１５１は、先端ブーム１３２に取り付けられる。バケット１５２は、ベース部材１５１の先端部に上下揺動自在に取り付けられる。バケットシリンダ１５３は、ベース部材１５１に対してバケット１５２を上下揺動させるように構成される。
【００４４】
コントロールユニット１６５は、図４に示すように、メインコントローラ１６５ａと、走行体用コントローラ１６５ｂと、ブーム・バケット用コントローラ１６５ｃとを備える。また、コントロールユニット１６５は、ケーソンショベル１００と、遠隔操作装置１２と接続されていてもよい。コントロールユニット１６５は、遠隔操作装置１２に内蔵されていてもよい。メインコントローラ１６５ａは、走行体用コントローラ１６５ｂと、ブーム・バケット用コントローラ１６５ｃとに接続され、遠隔操作装置１２からの操作信号を受けて、その操作信号に応じた駆動制御信号を走行体用コントローラ１６５ｂと、ブーム・バケット用コントローラ１６５ｃとに出力する。走行体用コントローラ１６５ｂは、メインコントローラ１６５ａから出力された駆動制御信号に応じて、走行体１１０を駆動させるように構成されている。メインコントローラ１６５ａおよび走行体用コントローラ１６５ｂは、走行体１１０の旋回フレーム１２１に配設されている。ブーム・バケット用コントローラ１６５ｃは、メインコントローラ１６５ａから出力された駆動制御信号に応じて、ブーム１３０及びバケットアタッチメント１５０を駆動させるように構成されている。ブーム・バケット用コントローラ１６５ｃは、ブーム１３０の基端ブーム１３１の側部に配設されている。
【００４５】
ケーソンショベル１００は、図４に示すように、走行体位置センサ２０１と、旋回角度センサ２０２と、ブーム起伏角度センサ２０３と、ブーム伸長量センサ２０４と、バケット揺動角度センサ２０５と、外界センサ２０６とを備える。走行体位置センサ２０１は、走行体１１０が走行レール４の何処の位置に位置しているかを検出する。旋回角度センサ２０２は、走行フレーム１１１に対する旋回フレーム１２１の旋回角度を検出する。ブーム起伏角度センサ２０３は、旋回フレーム１２１に対するブーム１３０の起伏角度を検出する。ブーム伸長量センサ２０４は、ブーム１３０の伸長量を検出する。バケット揺動角度センサ２０５は、ブーム１３０又はバケットアタッチメント１５０のベース部材１５１に対するバケット１５２の揺動角度を検出する。外界センサ２０６は、走行体１１０に設けられて作業室２内の掘削地面までの距離、地面の形状などの情報を取得する。また、ケーソンショベル１００は、遠隔操作装置１２と、コントロールユニット１６５と通信を行い、各センサ２０１〜２０６で得たデータを、遠隔操作装置１２と、コントロールユニット１６５とに送信してもよい。
【００４６】
走行体位置センサ２０１は、例えば、走行体１１０の走行フレーム１１１に配設されたレーザセンサによって構成される。走行体位置センサ２０１は、レーザ光を走行レール４の端部又は作業室２の壁部に向けて照射して走行レール４の端部又は作業室２の壁部において反射して戻ってくるまでの時間を測定する。走行体位置センサ２０１は、この時間に基づいて走行レール４の端部又は作業室２の壁部から走行体１１０までの距離を検出する。旋回角度センサ２０２は、例えば、走行体１１０の旋回フレーム１２１に配設された光学式のロータリーエンコーダによって構成される。旋回角度センサ２０２は、走行フレーム１１１に対する旋回フレーム１２１の旋回量を電気信号に変換する。旋回角度センサ２０２は、その信号を演算処理して旋回フレーム１２１の旋回方向及び位置を含む旋回角度を検出する。なお、走行体位置センサ２０１及び旋回角度センサ２０２は一例を説明したもので、走行体１１０の二次元的な位置を検出する他のセンサ、旋回フレーム１２１の旋回角度を検出する他のセンサをそれぞれ用いてもよい。
【００４７】
ブーム起伏角度センサ２０３は、例えば、起伏シリンダ１３４のシリンダボトムの側部に配設されたレーザセンサによって構成される。ブーム起伏角度センサ２０３は、レーザ光を旋回フレーム１２１に向けて照射して旋回フレーム１２１において反射して戻ってくるまでの時間を測定する。ブーム起伏角度センサ２０３は、この時間に基づいて起伏シリンダ１３４の伸長量を検出し、その起伏シリンダ１３４の伸長量に基づいて旋回フレーム１２１に対するブーム１３０の起伏角度又は起伏位置を検出する。ブーム起伏角度センサ２０３も一例を説明したものであり、光学式ロータリーエンコーダ、ポテンショメータなどによりブーム１３０の起伏角を直接検出する他のセンサを用いてもよい。
【００４８】
ブーム伸長量センサ２０４は、例えば、ブーム１３０の基端ブーム１３１に配設されたレーザセンサによって構成される。ブーム伸長量センサ２０４は、レーザ光を先端ブーム１３２の先端部に取り付けられたバケットアタッチメント１５０のベース部材１５１に向けて照射してベース部材１５１において反射して戻ってくるまでの時間を測定する。ブーム伸長量センサ２０４は、この時間に基づいて、ブーム１３０の伸長量として基端ブーム１３１に対する先端ブーム１３２の伸長量を検出する。ブーム伸長量センサ２０４も一例を説明したものであり、ブーム伸縮と共に伸縮するケーブルの伸長量を直接測定する他のセンサを用いてもよい。
【００４９】
バケット揺動角度センサ２０５は、例えば、バケットシリンダ１５３の油路に配設された流量センサによって構成される。バケット揺動角度センサ２０５は、バケットシリンダ１５３に供給される作動油の流量を検出し、その流量の積分値を算出する。バケット揺動角度センサ２０５は、この流量積分値に基づいてバケットシリンダ１５３のピストンロッドの伸長量を求め、そのバケットシリンダ１５３の伸長量に基づいて、バケットアタッチメント１５０のベース部材１５１又はブーム１３０に対するバケット１５２の揺動角度又は揺動位置を検出する。バケット揺動角度センサ２０５も一例を説明したものであり、光学式ロータリーエンコーダ、ポテンショメータなどによりバケット１５２の揺動角度を直接検出他のセンサや、レーザセンサによりバケットシリンダ１５３の伸長量を求める他のセンサを用いてもよい。
【００５０】
外界センサ２０６は、例えば、走行体１１０の旋回フレーム１２１に配設されたＲＧＢ−Ｄセンサによって構成される。外界センサ２０６は、掘削地面のＲＧＢ画像又はカラー画像、及び距離画像又は点群データを取得し、それらの画像に基づいて掘削地面までの距離情報、掘削地面の形状情報又は刃口境界部７０を含む点群データ７３を取得する。外界センサ２０６は、ＲＧＢ−Ｄセンサの他の例として、ステレオカメラや超音波距離計、レーザセンサなどを用いてもよい。
【００５１】
走行体位置センサ２０１、旋回角度センサ２０２、ブーム起伏角度センサ２０３、ブーム伸長量センサ２０４、バケット揺動角度センサ２０５及び外界センサ２０６により検出されたそれぞれの情報は、コントロールユニット１６５のメインコントローラ１６５ａに送信される。メインコントローラ１６５ａは、走行体位置測定部２１１と、バケット位置測定部２１２と、地盤形状測定部２１３とを備える。
【００５２】
走行体位置測定部２１１は、走行体位置センサ２０１により検出された走行レール４の端部又は作業室２の壁部から走行体１１０までの距離情報と、当該走行レール４が作業室２内の何処の位置に設けられた走行レールであるかという情報とを用いて、走行体１１０が作業室２内のどこに位置しているかを算出する。また、走行レール４が作業室２内の何処の位置に設けられた走行レールであるかという情報は、走行体１１０が取り付けられた走行レール４の情報であり、走行体１１０が取り付けられたときに走行体位置測定部２１１に設定されてもよい。また、走行体位置センサ２０１による距離情報の検出を周囲複数箇所に対して検出することにより、走行体１１０の天井内における二次元的な位置又は走行体１１０の向きを含む位置を検出してもよい。
【００５３】
バケット位置測定部２１２は、旋回角度センサ２０２により検出された走行フレーム１１１に対する旋回フレーム１２１の旋回方向及び位置を含む旋回角度と、ブーム起伏角度センサ２０３により検出された旋回フレーム１２１に対するブーム１３０の起伏角度又は起伏位置と、ブーム伸長量センサ２０４により検出されたブーム１３０の伸長量と、バケット揺動角度センサ２０５により検出されたブーム１３０に対するバケット１５２の揺動角度又は揺動位置とを用いて、走行体１１０の走行フレーム１１１に対するバケット１５２の位置を算出する。
【００５４】
地盤形状測定部２１３は、走行体位置測定部２１１により求められた作業室２内における走行体１１０の位置と、旋回角度センサ２０２により検出された走行フレーム１１１に対する旋回フレーム１２１の旋回方向および位置を含む旋回角度とを用いて、旋回フレーム１２１に設けられた外界センサ２０６の位置と、外界センサ２０６により距離情報を取得する方向と、外界センサ２０６により取得した距離情報を用いて、掘削地面の位置とを算出する。また、地盤形状測定部２１３は、掘り残し土８０の形状を算出してもよい。掘り残し土８０の形状とは、掘り残し土法面８２と形状と、掘り残し土８０が内周面７１に接する面の水平面での形状との両方を含む。
【００５５】
〈第１実施形態〉
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。図５は、本発明の第１実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の全体構成を示すブロック図である。刃口境界部判定システム６は、刃口境界部７０を判定する。刃口境界部判定システム６は、上述した外界センサ２０６と、外界センサ２０６を備えるケーソンショベル１００に接続された遠隔操作装置１２を備えている。
【００５６】
遠隔操作装置１２は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等を始めとした電子機器で構成されているが、ＰＣ以外に、携帯電話、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末等、他のあらゆる電子機器で具現化されるものであってもよい。外界センサ２０６から入力されたデータに基づいて、遠隔操作装置１２は、刃口境界部７０を判定してもよい。
【００５７】
遠隔操作装置１２は、削除部６１０と、削除部６１０に接続された検出部６１１と、検出部６１１に接続された抽出部６１２と、抽出部６１２に接続された第１判定部６１３と、第１判定部６１３に接続された演算部６１４と、を備える。
【００５８】
削除部６１０は、外界センサ２０６の位置情報と、ケーソン１の設計情報とに基づいて、外界センサ２０６により取得された外界センサ２０６から刃口境界部７０を含む対象物までの距離情報を示す点群データ７３から、刃口境界部７０の周辺の点群データである刃口境界範囲点群データ７４を抽出する。削除部６１０は、抽出した刃口境界範囲点群データ７４を検出部６１１に出力する。
【００５９】
検出部６１１は、削除部６１０から入力された刃口境界範囲点群データ７４から、互いに隣接する２以上の点群データの距離情報の差分値を検出する。検出部６１１は、検出した差分値を抽出部６１２に出力する。
【００６０】
抽出部６１２は、検出部６１１から入力された基準値以上の差分値を示す互いに隣接する２以上の点群データの組み合わせからなるエッジ点群データ７８を抽出する。抽出部６１２は、抽出した第１エッジ部を第１判定部８３に出力する。
【００６１】
第１判定部６１３は、抽出部６１２で抽出した第１エッジ部の位置に基づいて、刃口境界部７０を判定する。第１判定部６１３は、判定した刃口境界部７０の結果を演算部６１４に出力する。
【００６２】
演算部６１４は、第１判定部６１３による刃口境界部７０の判定結果に基づいて、刃口部７周辺の堀り残し土幅８１を演算する。
【００６３】
次に、本発明の第１実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の動作について説明をする。図６に示すようにステップＳ１１において、外界センサ２０６は、外界センサ２０６から刃口境界部７０を含む対象物までの距離情報を示す点群データ７３を取得する。点群データは、３次元空間上の位置情報をもつ点の集まりからなるデータである。位置情報は、位置を判定し得る情報であり、例えば３次元空間上の座標又は距離情報のことを指す。距離情報は、対象までの距離を示す情報である。点群データは、例えば、距離情報を色で示した平面上の点群の集まりからなるデータでもよい。また、点群データは、距離情報を数字で示した平面上の点群の集まりからなるデータでもよい。
【００６４】
次に、ステップＳ１２において、削除部６１０は、図７に示すように、外界センサ２０６の位置情報と、ケーソン１の設計情報とに基づいて、外界センサ２０６により取得された点群データ７３から、刃口境界部７０の周辺の点群データである刃口境界範囲点群データ７４を抽出する。外界センサの位置情報は、例えば、走行体位置測定部２１１により走行レール４のどこに位置するか、又は地盤形状測定部２１３によって、外界センサ２０６が地盤８からどれだけ距離があるかを測定してもよい。具体的な刃口境界範囲点群データ７４の抽出方法として、例えば、ケーソン１の設計情報に基づいて、刃口部７の長さを判定することが可能である。刃口部７の長さと、地盤形状測定部２１３により測定した外界センサ２０６と地盤８との距離との差分から、刃口境界部７０と地盤との距離の概算が可能である。この概算結果に基づいて、点群データ７３において、刃口境界部７０を概算し、その周辺の点群データを含めた点群データを刃口境界範囲点群データ７４として抽出する。これによって、刃口境界部７０の判定に不要な点群データを削除することが可能となり、判定速度の高速化及び計算の負担の抑制ができる。削除部６１０は、抽出した刃口境界範囲点群データ７４を検出部６１１に出力する。
【００６５】
次に、ステップＳ１３において、検出部６１１は、削除部６１０から入力された刃口境界範囲点群データ７４から、互いに隣接する２以上の点群データの距離情報の差分値を検出する。例えば、点群データが距離情報を色で示した平面上の点群の集まりからなるデータである場合、上述した色に基づいて、それぞれの点群に距離情報を示す数値を付与する。その後、図８のように、互いに隣接する２以上の点群データの上述した数値の差分値を検出する。点群データの取得対象が滑らかな平面な場合、互いに隣接する点群データの距離情報がほとんど等しくなるため、取得対象が凹凸のある荒い表面である場合に比べて、この差分値の大きさは小さくなる。このことから、上述した差分値の大きさから、取得対象の表面状態の推定が可能となる。検出部６１１は、検出した差分値を抽出部６１２に出力する。
【００６６】
次に、ステップＳ１４において、抽出部６１２は、検出部６１１から入力された差分値から、基準値以上の差分値を示す互いに隣接する２以上の点群データの組み合わせからなるエッジ点群データ７８を抽出する。エッジ点群データ７８は、刃口境界部７０を判定するための２以上の点群データからなるデータである。抽出部６１２は、図８に示すように、例えば基準値を３に設定した場合、３以上の差分値を示す隣接する２以上の点群データを抽出し、上述した点群データの組み合わせることでエッジ点群データ７８を抽出する。これによって、刃口部７の内周面７１に比べて、掘り残し土法面８２は凹凸が多く荒いため、エッジ点群データ７８として、刃口境界部７０を含む掘り残し土法面８２の点群データの組が抽出される。
【００６７】
次に、ステップＳ１５において、第１判定部６１３は、抽出部６１２で抽出したエッジ点群データ７８に基づいて、刃口境界部７０を判定する。第１判定部６１３は、例えば図８に示すように、エッジ点群データ７８に含まれる１以上の点群データの位置情報を刃口境界部７０としてもよい。また、１組のエッジ点群データ７８に含まれる２以上の点群データを結ぶ線及び上述した２以上の点群データを結ぶ線の垂直二等分線等の２以上の点群データを結ぶ線と交わる直線又は上述した線に囲まれた領域を刃口境界部７０としてもよい。エッジ点群データ７８は、上述したように刃口境界部７０を含む掘り残し土法面８２の点群データの組が抽出されるので、例えば、エッジ点群データ７８の内、最も外側にある点群データを刃口境界部７０としてもよい。
【００６８】
次に、ステップＳ１６において、演算部６１４は、第１判定部６１３による刃口境界部７０に基づいて、刃口部７周辺の堀り残し土幅８１を演算する。演算部６１４は、例えば、地盤形状測定部２１３で測定した外界センサ２０６から平坦な地盤までの距離と、刃口境界部７０から判定した外界センサ２０６から刃口境界部７０までの距離の差から刃口境界部７０から地盤８までの高さＨを演算してもよい。また、例えば、高さＨと、ケーソン１の設計情報から判定した刃口部７の傾きと、地盤形状測定部２１３で測定した掘り残し土法面８２の傾きとから、掘り残し土幅８１を演算してもよい。また、高さＨと、掘り残し土幅８１とから掘り残し土８０の断面の面積を演算し、断面の面積及びケーソン１の設計情報等から、掘り残し土８０の体積を演算してもよい。また、掘り残し土８０の体積を掘り残し土８０の土量としてもよい。これによって、掘り残し土８０の土量を演算することが可能となり、掘り残し土８０の形状がより詳細に判定することができるため、ケーソン１の沈下抵抗力を精度よく判定することができる。
【００６９】
上述したステップＳ１１〜１６によって、予め生成されたモデルを用いることなく、低コストで定量的に刃口境界部７０を判定することが可能となる。
【００７０】
〈第２実施形態〉
以下、本発明の第２実施形態について図面を参照しながら説明する。図９は、本発明の第２実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の全体構成を示すブロック図である。刃口境界部判定システム６は、刃口境界部７０を判定する。刃口境界部判定システム６は、上述した外界センサ２０６と、外界センサ２０６を備えるケーソンショベル１００に接続された遠隔操作装置１２を備えている。以下、第１実施形態と同様なものの説明は省略する。
【００７１】
遠隔操作装置１２は、変換部６２０と、変換部６２０に接続された座標抽出部６２１と、座標抽出部６２１に接続された第２判定部６２２とを備える。
【００７２】
変換部６２０は、外界センサ２０６により取得された点群データ７３を３次元空間上の座標データ７５に座標変換する。変換部６２０は、座標変換した座標データ７５を座標抽出部６２１に出力する。
【００７３】
座標抽出部６２１は、変換部６２０から入力された座標データ７５から、３次元空間上の２次元平面７０１上に含まれる座標データを平面座標データとして抽出する。座標抽出部６２１は、平面座標データを第２判定部６２２に出力する。
【００７４】
第２判定部６２２は、座標抽出部６２１から入力された平面座標データからなる近似直線７６と、平面座標データとの距離の誤差である第１誤差を算出し、誤差が基準値以上となる平面座標データに基づいて、刃口境界部７０を判定する。
【００７５】
次に、本発明の第２実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の動作について説明をする。図１０に示すようにステップＳ２１において、ステップＳ１１と同様に外界センサ２０６は、点群データ７３を取得する。
【００７６】
次に、ステップＳ２２において、変換部６２０は、外界センサ２０６により取得された点群データ７３を３次元空間上の座標データ７５に座標変換する。また、変換部６２０は、ＤＥＭ（Digital Elevation Model）等の地表面の地形のデジタル表現を座標データ７５としてもよい。変換部６２０は、座標変換した座標データ７５を座標抽出部６２１に出力する。
【００７７】
次に、ステップＳ２３において、座標抽出部６２１は、変換部６２０から入力された座標データ７５から、３次元空間上の２次元平面７０１上に含まれる座標データ７５を平面座標データとして抽出する。座標抽出部６２１は、例えば図１１に示すように、作業室２の天井と平行なｘｙ面を２次元平面９０ａとして、２次元平面９０ａに含まれる座標データ７５を平面座標データとして抽出する。また、座標抽出部６２１は、２次元平面９０ａとして、例えばｘｚ面、又はｙｚ面と平行な平面を選択してもよい。また、座標抽出部６２１は、複数の２次元平面９０ａ上に含まれる座標データ７５を各２次元平面９０ａに１組の平面座標データとして抽出してもよい。この場合上述した複数の２次元平面９０ａは平行であることが好ましいが、この限りではない。座標抽出部６２１は、平面座標データを第２判定部６２２に出力する。
【００７８】
次に、ステップＳ２４において、第２判定部６２２は、座標抽出部６２１から入力された平面座標データの近似直線９１ａを算出する。第２判定部６２２は、例えば、図１２に示すように、ｘｙ面に平行な２次元平面９０ａに含まれる座標データ７５を平面座標データとして、平面座標データに近似を行い、近似直線９１ａを算出する。さらにステップＳ２４において、近似直線９１ａと平面座標データとの最小二乗法などで算出した距離を第１誤差として算出する。さらにステップＳ２４において、誤差が基準値以上となる座標データ７５に基づいて、刃口境界部７０を判定する。第１誤差は、平面座標データが表す表面が荒いと大きくなり、表面が滑らかであると小さくなるため、内周面７１を示す平面座標データとの距離の誤差と比べると、掘り残し土法面８２を示す平面座標データとの距離の誤差は大きくなる。このことから、誤差の大きさが基準値を超えた場所の座標データ７５が刃口境界部７０であると判定することができる。
【００７９】
上述したステップＳ２１〜２４によって、予め生成されたモデルを用いることなく、低コストで定量的に刃口境界部７０を判定することが可能となる。
【００８０】
〈第３実施形態〉
以下、本発明の第３実施形態について図面を参照しながら説明する。図１３は、本発明の第３実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の全体構成を示すブロック図である。刃口境界部判定システム６は、刃口境界部７０を判定する。刃口境界部判定システム６は、上述した外界センサ２０６と、外界センサ２０６を備えるケーソンショベル１００に接続された遠隔操作装置１２を備えている。また、第３実施形態は、平面座標データを用いた刃口境界部７０の判定方法が第２実施形態と異なる。以下、第１実施形態及び第２実施形態と同様なものの説明は省略する。
【００８１】
遠隔操作装置１２は、変換部６３０と、変換部６３０に接続された座標抽出部６３１と、座標抽出部６３１に接続された第３判定部６３２とを備える。
【００８２】
第３判定部６３２は、座標抽出部６３１から入力された平面座標データと、刃口部７を示す２以上の平面座標データを含む直線９１ｂとの距離の誤差である第２誤差を算出し、誤差が基準値以上となる平面座標データに基づいて、刃口境界部７０を判定する。
【００８３】
次に、本発明の第３実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の動作について説明をする。図１４に示すようにステップＳ３１において、ステップＳ１１と同様に外界センサ２０６は、点群データ７３を取得する。
【００８４】
次に、ステップＳ３２において、変換部６３０は、外界センサ２０６により取得された点群データ７３を３次元空間上の座標データ７５に座標変換する。また、変換部６３０は、ＤＥＭ（Digital Elevation Model）等の地表面の地形のデジタル表現を座標データ７５としてもよい。変換部６３０は、座標変換した座標データ７５を座標抽出部６３１に出力する。
【００８５】
次に、ステップＳ３３において、座標抽出部６３１は、変換部６３０から入力された座標データ７５から、３次元空間上の刃口部７を示す２以上の座標データ７５を含む２次元平面９０ｂ上に含まれる座標データ７５を平面座標データとして抽出する。座標抽出部６３１は、例えば図１５に示すように、作業室２の高さ方向をｚ方向としたときのｘｚ面に平行な２次元平面９０ｂに含まれる座標データ７５を平面座標データとして抽出するのが好ましいがこの限りではない。また、座標抽出部６３１は、複数の２次元平面９０ｂ上に含まれる座標データ７５を各２次元平面９０ｂに１組の平面座標データとして抽出してもよい。この場合上述した複数の２次元平面９０ｂは平行であることが好ましいが、この限りではない。座標抽出部６３１は、平面座標データを第３判定部６３２に出力する。
【００８６】
次に、ステップＳ３４において、第３判定部６３２は、座標抽出部６３１から入力された刃口部７を示す２以上の平面座標データを２以上含む直線９１ｂを算出する。第３判定部６３２は、例えば、図１６に示すように、ｘｚ面に平行な２次元平面に含まれる座標データ７５を平面座標データとして、刃口部７を示す平面座標データを２以上含む直線９１ｂを算出する。また、かかる場合、ｘｚ面に平行な２次元平面９１ｂに含まれる座標データ７５を平面座標データの中で、z方向の成分が最も大きな平面座標データから順に２以上の平面座標データを抽出し、抽出した平面座標データを含む直線９１ｂを決定してもよい。さらにステップＳ３４において、直線９１ｂと平面座標データとの距離を第２誤差として算出する。さらにステップＳ３４において、第２誤差が基準値以上となる座標データ７５に基づいて、刃口境界部７０を判定する。第２誤差は、平面座標データが、内周面７１を示す場合、第２誤差が小さくなり、掘り残し土法面８２を示す場合、第２誤差が大きくなる。このことから、第２誤差の大きさが基準値を超えた場所の座標データ７５が刃口境界部７０であると判定することができる。
【００８７】
上述したステップＳ３１〜３４によって、予め生成されたモデルを用いることなく、低コストで定量的に刃口境界部７０を判定することが可能となる。
【００８８】
〈第４実施形態〉
以下、本発明の第３実施形態について図面を参照しながら説明する。図１７は、本発明の第３実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の全体構成を示すブロック図である。刃口境界部判定システム６は、刃口境界部７０を判定する。刃口境界部判定システム６は、上述した外界センサ２０６と、外界センサ２０６を備えるケーソンショベル１００に接続された遠隔操作装置１２を備えている。以下、第１実施形態、第２実施形態、及び第３実施形態と同様なものの説明は省略する。
【００８９】
遠隔操作装置１２は、外界センサ２０６に接続される変換部６４０と、変換部６４０に接続される座標抽出部６４１と、座標抽出部６４１に接続される第４判定部６４２を備える。
【００９０】
第４判定部６４２は、座標抽出部６４１により抽出された平面座標データが２次元平面９０ｃ上の１直線９１ｃに全て含まれるときの平面座標データに基づいて、刃口境界部７０を判定する。
【００９１】
次に、本発明の第４実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の動作について説明をする。図１８に示すようにステップＳ４１において、ステップＳ１１と同様に外界センサ２０６は、点群データ７３を取得する。  
次に、ステップＳ４２において、変換部６４０は、外界センサ２０６により取得された点群データ７３を３次元空間上の座標データ７５に座標変換する。また、変換部６３０は、ＤＥＭ（Digital Elevation Model）等の地表面の地形のデジタル表現を座標データ７５としてもよい。変換部６４０は、座標変換した座標データ７５を座標抽出部６４１に出力する。
【００９２】
次に、ステップＳ４３において、座標抽出部６４１は、変換部６４０から入力された座標データ７５から、３次元空間上の距離情報を示す方向と垂直な２次元平面９０ｄ上に含まれる座標データ７５を平面座標データとして抽出する。座標抽出部６４１は、例えば図１９に示すように、距離情報を示す方向をｘ方向としたときのｙｚ面に平行な２次元平面９０ｄに含まれる座標データ７５を平面座標データとして抽出する。また、座標抽出部６４１は、複数の２次元平面９０ｄ上に含まれる座標データ７５を各２次元平面９０ｄに１組の平面座標データとして抽出してもよい。この場合上述した複数の２次元平面９０ｄは平行であることが好ましいが、この限りではない。座標抽出部６４１は、平面座標データを第４判定部６４２に出力する。
【００９３】
次に、ステップＳ４４において、座標抽出部６４１により抽出された平面座標データが２次元平面９０ｃ上の１直線９１ｃに全て含まれるときの平面座標データに基づいて、刃口境界部７０を判定する。距離情報は、刃口境界部７０に近くなるにつれ、大きくなり、離れるにつれ、小さくなる。このため、図２０に示すように、刃口境界部７０から離れた位置を示す平面座標データは、不連続な２直線９１ｃとなる。これに対して、刃口境界部７０を示す平面座標データは連続した一つの直線９１ｃとなる。このことから、平面座標データが１直線となる平面座標データに基づいて、刃口境界部７０を判定することが可能となる。
【００９４】
上述したステップＳ４１〜４４によって、予め生成されたモデルを用いることなく、低コストで定量的に刃口境界部７０を判定することが可能となる。
【００９５】
〈第５実施形態〉
以下、本発明の第５実施形態について図面を参照しながら説明する。図２１は、本発明の第５実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の全体構成を示すブロック図である。刃口境界部判定システム６は、刃口境界部７０を判定する。刃口境界部判定システム６は、上述した外界センサ２０６と、外界センサ２０６を備えるケーソンショベル１００に接続された遠隔操作装置１２を備えている。以下、第１実施形態及び第２実施形態と同様なものの説明は省略する。
【００９６】
遠隔操作装置１２は、変換部６５０と、変換部６３０に接続された第５判定部６５１とを備える。
【００９７】
第５判定部６５１は、ニューマチックケーソンの設計情報に基づいて取得された３次元空間上の刃口部７の内周面７１を示す方程式を満たす座標の集合からなる数学モデルと、変換部６５０により座標変換された座標データ７５との位置関係に基づいて、刃口境界部７０を判定する。
【００９８】
次に、本発明の第５実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の動作について説明をする。図２２に示すようにステップＳ５１において、ステップＳ１１と同様に外界センサ２０６は、点群データ７３を取得する。
【００９９】
次に、ステップＳ５２において、変換部６５０は、外界センサ２０６により取得された点群データ７３を３次元空間上の座標データ７５に座標変換する。また、変換部６５０は、ＤＥＭ（Digital Elevation Model）等の地表面の地形のデジタル表現を座標データ７５としてもよい。変換部６５０は、座標変換した座標データ７５を第５判定部６３１に出力する。
【０１００】
次に、ステップＳ５３において、第５判定部６５２は、ニューマチックケーソンの設計情報に基づいて取得された３次元空間上の刃口部７の内周面７１を示す方程式を満たす座標の集合からなる数学モデルと、変換部６５０により座標変換された座標データ７５との位置関係に基づいて、刃口境界部７０を判定する。数学モデルは、例えば図２３に示すように、作業室２の高さ方向をｚ方向、作業室２の天井と平行な面がｘｙ面とした３次元空間上の刃口部７の内周面７１を示す方程式を満たす座標の集合からなる。かかる場合、刃口部７の内周面７１は、刃口部の内周面７１を示す平面７１ａ、平面７１ｂ、平面７１ｃ及び平面７１ｄからなる面であってもよい。また、作業室２の天井を示す平面を加えてもよい。これらの平面は式１で表される。
【数１】
0006915181.tif 000002
各平面を示す式１に座標データ７５を代入することで、式１の左辺の値が０よりも大きくなるか小さくなるかによって、座標データ７５と、数学モデルとの位置関係を判断することができる。
【０１０１】
ステップＳ５３において、第５判定部６５２は、式１により判断した位置関係が、例えば上述した数学モデルの外側又は数学モデルと重なる位置関係にある座標データ７５を除外することで、上述した数学モデルの内側にある座標データ７５、つまりは作業室２内の掘り残し土８０を含む地盤８を示す座標データ７５を抽出することが可能となる。かかる場合、抽出した作業室２内の掘り残し土８０を含む地盤８を示す座標データ７５の外周に位置する座標データ７５が刃口境界部７０を示す座標データ７５であることが判断できる。
【０１０２】
また、ステップＳ５３において、式１により判断した位置関係が、例えば数学モデルと重なる位置関係にある座標データ７５を抽出してもよい。かかる場合、抽出した座標データ７５の外周に位置する座標データ７５が刃口境界部７０を示す座標データ７５であることが判断できる。
【０１０３】
上述したステップＳ５１〜５３により、取得が容易なモデルデータを用いて、刃口境界部７０を判定することが可能となり、低コストで定量的に刃口境界部７０を判定することができる。
【０１０４】
〈第６実施形態〉
以下、本発明の第６実施形態について図面を参照しながら説明する。図２４は、本発明の第６実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の全体構成を示すブロック図である。刃口境界部判定システム６は、刃口境界部７０を判定する。刃口境界部判定システム６は、上述した外界センサ２０６と、外界センサ２０６を備えるケーソンショベル１００に接続された遠隔操作装置１２を備えている。以下、第１実施形態と同様なものの説明は省略する。
【０１０５】
遠隔操作装置１２４は、色抽出部６６０と、色抽出部６６０に接続された第６判定部６６１とを備える。
【０１０６】
色抽出部６６０は、外界カメラ２０６により撮像された画像から、刃口部７の輝度に応じた画素を抽出し、抽出した画素に対応する点群データを色点群データとして抽出する。色抽出部６６０は、抽出した色点群データを第６判定部６６１に出力する。
【０１０７】
第６判定部６６１は、色抽出部６６０により抽出された色点群データに基づいて、刃口境界部７０を判定する。
【０１０８】
次に、本発明の第６実施形態を適用した刃口境界部判定システム６の動作について説明をする。図１７に示すようにステップＳ６１において、ステップＳ１１と同様に外界センサ２０６は、点群データ７３を取得する。また、ステップＳ６１において、外界センサ２０６は、刃口部７の内周面７１を作業室２内の何れとも異なる色に着色し、上述した点群データ７３の取得と同時に画像を撮像してもよい。このとき、例えばＲＧＢ−Ｄセンサを用いることで、点群データ７３を取得したときのＲＧＢ−Ｄセンサの位置やＲＧＢ−Ｄセンサの角度や方向と、同じＲＧＢ−Ｄセンサの位置やＲＧＢ−Ｄセンサの角度や方向を用いて、画像を同時に撮像することが可能となる。これによって、点群データ７３の各点群データと、上述した画像内の各画素が対応し、各点群データと各画素が同一の対象物を示すものとなる。外界センサ２０６は、取得した点群データ７３及び撮像した画像を色抽出部６６０に出力する。
【０１０９】
次に、ステップＳ６２において、色抽出部６６０は、図１８のように、撮像された画像から、刃口部７の輝度に応じた画素を抽出し、抽出した画素に対応する点群データを色点群データとして抽出する。例えば、画像内の内周面７１に着色した色と同一の色を抜き出し、抜き出した画像の位置と同じ位置に当たる点群データ７３を、色点群データとして抽出する。これによって、色点群データは刃口部７の内周面７１の点群データとすることができる。色抽出部６６０は、抽出した色点群データを第６判定部６６１に出力する。
【０１１０】
次に、ステップＳ６３において、色抽出部６６０により抽出された色点群データに基づいて、刃口境界部７０を判定する。例えば、色点群データは、内周面７１の点群データを示すので、色点群データの外周の点群データを刃口境界部７０の点群データとして、上述した点群データの位置から、刃口境界部７０を判定してもよい。
【０１１１】
上述したステップＳ６１〜６３によって、予め生成されたモデルを用いることなく、低コストで定量的に刃口境界部７０を判定することが可能となる。
【０１１２】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１１３】
１  ケーソン
２  作業室
３  送気路
４  走行レール
６  刃口境界部判定システム
７  刃口部
８  地盤
１１  土砂自動積込装置
１２  遠隔操作装置
１３  地上遠隔操作室
２１  マンシャフト
２２  マンロック
２３  マテリアルシャフト
２４  マテリアルロック
２５  螺旋階段
３１  アースバケット
３２  キャリア装置
３３  土砂ホッパー
４１  送気管
４２  空気圧縮機
４３  空気清浄装置
４４  送気圧力調整装置
４５  自動減圧装置
５１  非常用空気圧縮機
５３  ホスピタルロック
７０  刃口境界部
７１  内周面
７２  刃口部先端
７３  外界センサから刃口境界部を含む対象物までの距離情報を示す点群データ
７４  刃口境界範囲点群データ
７５  座標データ
７６  横関数
７７  縦関数
７８  エッジ点群データ
８０  掘り残し土
８１  掘り残し土幅
８２  掘り残し土法面
９０  ２次元平面
９１  直線
１００  ケーソンショベル
１１０  走行体
１１１  走行フレーム
１１３  走行ローラ
１２１  旋回フレーム
１３０  ブーム
１３１  基端ブーム
１３２  先端ブーム
１３３  伸縮シリンダ
１３４  起伏シリンダ
１５０  バケットアタッチメント
１５１  ベース部材
１５２  バケット
１５３  バケットシリンダ
１６５  コントロールユニット
１６５ａ  メインコントローラ
１６５ｂ  走行体用コントローラ
１６５ｃ  ブーム・バケット用コントローラ
２０１  走行体位置センサ
２０２  旋回角度センサ
２０３  ブーム起伏角度センサ
２０４  ブーム伸長量センサ
２０５  バケット揺動角度センサ
２０６  外界センサ
２１１  走行体位置測定部
２１２  バケット位置測定部
２１３  地盤形状測定部
６１０  削除部
６１１  検出部
６１２  抽出部
６１３  第１判定部
６１４  演算部
６２０  変換部
６２１  点群抽出部
６２２  第２判定部
６２０  変換部
６２１  座標抽出部
６２２  第２判定部
６３０  変換部
６３１  座標抽出部
６３２  第３判定部
６４０  変換部
６４１  座標抽出部
６４２  第４判定部
６５０  変換部
６５１  第５判定部
６６０  色抽出部
６６１  第６判定部
【要約】
【課題】低コストで定量的に刃口境界部を判定する刃口境界部判定システム及びプログラムを提供する。
【解決手段】刃口境界部判定システムは、ニューマチックケーソンの下端部に設けられた刃口部と作業室内の堀り残し土との境界である刃口境界部を判定する刃口境界部判定システムにおいて、前記作業室内にあるセンサの位置から、前記刃口境界部を含める対象物までの距離情報を示す点群データを取得する取得手段と、前記取得手段により取得された点群データから、互いに隣接する２以上の点群データの距離情報の差分値を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された差分値が基準値以上を示す互いに隣接する２以上の前記点群データの組み合わせからなるエッジ点群データを抽出する抽出部と、前記抽出部により抽出したエッジ点群データに基づいて、前記刃口境界部を判定する第１判定手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図５【図１】
0006915181.tif 000003
【図２】
0006915181.tif 000004
【図３】
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【図４】
0006915181.tif 000006
【図５】
0006915181.tif 000007
【図６】
0006915181.tif 000008
【図７】
0006915181.tif 000009
【図８】
0006915181.tif 000010
【図９】
0006915181.tif 000011
【図１０】
0006915181.tif 000012
【図１１】
0006915181.tif 000013
【図１２】
0006915181.tif 000014
【図１３】
0006915181.tif 000015
【図１４】
0006915181.tif 000016
【図１５】
0006915181.tif 000017
【図１６】
0006915181.tif 000018
【図１７】
0006915181.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
0006915181.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
0006915181.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
0006915181.tif 000026
【図２５】
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【図２６】
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