62

レーザー光と光センサーを利用した 2 次元変位計測システムの開発
伊藤和也*1
1目的

メラによる 3 次元計測，埋設型三次元変位計)などがあり，建設工事中の斜面崩壊による労働災害は，請負金額・自然災害や地すべり対策地域での結果について多く報告

工期・作業人数がいずれも小さな中小規模工事での被災がほとんどを占めている．これらの背景には，中小規模増幅部工事に対応した労働災害防止技術の開発の立ち遅れや，レーザー光発射部

経費に余裕のない中小規模工事においても利用可能な簡

光センサー

判定部

光センサー受光部

出力部

易で廉価な対策工・警報装置が十分に整備されていないこと考えられる．本研究にて対象とする切土掘削工事による斜面崩壊は，崩壊が小規模であり，崩壊発生の前兆

図 1 システムの基本パターン現象が明確に現れず，一瞬のうちに土塊が滑動することが多い．そのため，労働者が退避する時間的余裕が無く崩壊前の微小変形により受光箇所が変化被災に至る．しかしながら，地すべりにおける事前崩壊予測と同様に，崩壊直前には斜面に何らかの前兆現象がマトリックス状の受光部生じており，施工中に切土法面を動態観測することにより，斜面崩壊の事前予測は可能であると考えられる．また，自然斜面の崩壊では，崩壊箇所・崩壊規模を事前にレーザー光発射部特定することが難しいが，斜面崩壊による労働災害では，模も工事規模に応じて予想できる．そのような観点から，本研究では切土掘削工事にて使用可能な廉価かつ高精度な変位計測機器の開発を行った．
2システムの概要

今回開発したシステムの基本パターンを図 1 に示す．

7 65 4 3 21

崩壊場所は急勾配に掘削された箇所に限定され，崩壊規

AB C D E F G
レーザー光の位置が移動することにより2次元の変形を把握

図 2 マトリックス状に配置されたセンサー

本システムはレーザー発光部，レーザー光を受光する光されている．しかし，何れもコスト的な問題により中小センサー受光部から構成される．これらは，それぞれレ規模工事の安全監視システムとしての利用は，現状ではーザーポインターモジュール，太陽電池基板のような普困難と思われる．それに対して，光センサーを利用する及品を有効利用することでコストを下げることをねらっ

本システムは，比較的簡易なシステム構成であり，コスたものである．既往の研究において筆者らは，「1 素子にトも廉価となる可能性がある．そこで，本研究では光セよる発電量の低下から変位を計測する方法」や「同心円ンサーをマトリックス状とした 2 次元変位を計測する方状に分割した素子を利用して変位量を計測する方法」に法（以下，光センサー式 2 次元変位計）についてシステついて検討を行ってきた．本研究ではこれをさらに精度ムの開発を行った．

良く，広範囲の計測が行えるようにするために，光セン3サーをマトリックス状に配置する方法を採用した．石川は，圧力センサーや光センサーなどをマトリックス状に配置した場合，2 次元的に分布する物理量に対して，その分布の中心位置と総和の検出方法を提案している．光精度検証実験

1) 試験概要

室内にて光センサー受光部を強制的に移動させて，出力電力の挙動を計測することで光センサー式 2 次元変位センサーをマトリックス状にすることができれば，崩壊計の性能について確認した．図 3 に実験風景を示す．移時の水平成分・鉛直成分の変位量を計測でき，より詳細動には高精度ステッピングモータステージ POSICONな動態観測が可能になる（図 2）．現在，2 次元以上の変位を同時に計測できる計測器としては，3 次元レーザースキャナー，GPS によるリモートセンシング，CCD カ（PM80B-50XY，コムス社製）を使用した．なお，
PM80B-50XY の位置決め精度は 5μmである．実験は，レーザー光発射部と光センサー受光部の距離を 3.0m，レーザー径を 7.0mm に固定し，光センサー受光部を0.265mm 間隔で移動させ，そこから得られる計測値と*1 (独)労働安全衛生総合研究所.

実際の変位を比較した．計測範囲は図 4 に示すような範

連絡先：〒204-0024 東京都清瀬市梅園 1-4-6(独)労働安全衛生総合研究所 建設安全研究グループ
E-mail: k-ito@s. jniosh.go.jp

伊藤和也*1

囲 26.5mm˜

26.5mm とした．なお，キャリブレーション実験は，同条件で合計 5 回実施した．

「労働安全衛生総合研究所特別研究報告」

6330

レーザー光

2010102030

図 5 実験結果の一例

受光部

25

図 3 精度検証のためのキャリブレーション試験装置外観

Y (mm)

受光部拡大

26.5

真値との誤差 (mm)0.5+
0.4 to 0.5
0.3 to 0.4
0.2 to 0.3
0.1 to 0.2
0 to 0.1-0.1 to 0-0.2 to -0.1
-0.3 to -0.2
-0.4 to -0.3
-0.5 to -0.430

高精度XYステージ2015

単位:mm5.3

1055

1015202530

41.026.5

X (mm)(a) X 方向真値との誤差 (mm)0.5+
0.4 to 0.50.3 to 0.40.2 to 0.30.1 to 0.2
0 to 0.1-0.1 to 0-0.2 to -0.1-0.3 to -0.2-0.4 to -0.3-0.5 to -0.4

30:計測範囲41.0

図 4 キャリブレーション試験での計測範囲

2) 計測結果の誤差・信頼性の検討

計測結果の一例を図 5 に示す．セルに応じて周期的な変動を有しながら変位誤差が発現している．これらの X

Y (mm)

25201510551015202530

X (mm)

方向・Y 方向の変位の誤差の一例を図 6 に示す．真値と(b) Y 方向の誤差は X 軸に関して±0.5mm，Y 軸に関して±0.3mm

図 6 真値との変位誤差の分布の一例であった．次に 5 回の実験毎の誤差発現の違いについてした．図 7 は各 2 ケースの実験で得られた誤差差分をコ3) 誤差補正の概念
誤差補正は，印刷のゆがみを元に戻すような方法があンター図としたものである．これらの図から，実験の違る．しかし，この方法では繰り返し計算などが必要とな

いは 0.1mm 以内であり，再現性や信頼性については確り，計測システムとしては不都合が生じる．そこで，画保されていると判断される．

像処理の幾何補正に使用されるバイリニア内挿法を応用

調べ，光センサー式 2 次元変位計の信頼性について検討

精度検証のための強制変位によるキャリブレーション試験の結果，光センサー式 2 次元変位計は最大±0.5mmの誤差が発現することが分かったが，この誤差を補正することで，より高精度な変位検出が可能となると考え，誤差補正方法について検討した．

JNIOSH-SRR-No.39，pp.51-65 (2009)

し，下記のような概念で誤差補正を行うこととした．
今，図 8 のような既知点（X1,Y1），（X2,Y2），（X3,Y3），（X4,Y4）の内部に求めるべき点（X,Y）があるとする．
なお，既知点は補正値（ X1, Y1），（ X2, Y2），（ X3, Y3），（ X4, Y4）が与えられており，それにより正解の位置が求められるものとする．求めるべき点（X,Y）の補正値

6425
Y (mm)

2015

誤差差分 (mm)0.5+
0.4 to 0.5
0.3 to 0.4
0.2 to 0.3
0.1 to 0.2
0 to 0.1-0.1 to 0-0.2 to -0.1
-0.3 to -0.2
-0.4 to -0.3
-0.5 to -0.43025
Y (mm)

誤差差分 (mm)0.5+
0.4 to 0.5
0.3 to 0.4
0.2 to 0.3
0.1 to 0.2
0 to 0.1-0.1 to 0-0.2 to -0.1
-0.3 to -0.2-0.4 to -0.3-0.5 to -0.4

3010201510555101520253051015X (mm)(a)

202530X (mm)

X 方向の誤差差分(b)

Y 方向の誤差差分

図 7 実験の違いによる誤差差分の一例

X4-X3

30

X-X3

(X1,Y1, X1, Y1)
X-X1

X2-X1

25

Y (mm)(X,Y, X, Y)

Y4-Y2
Y-Y2

Y3-Y1
Y-Y1

(X3,Y3, X3, Y3)(X4,Y4, X4, Y4)

2015(X2,Y2, X2, Y2)10

図 8 誤差補正方法

5（ X, Y）は以下の式で求められる．すなわち，5101520X (mm)2530

図 9 キャリブレーション試験での計測範囲

ここで，4)

計測結果と誤差について真値と誤差補正演算を施した計測値の比較を行った．
図 9 に計測結果の一例を示す．ほぼ全てのデーターが方眼状に並んでおり，真値に近い形に補正されたことを示している．これらを詳細に確認するために，各軸における誤差分布の一例を図 10 に示す．誤差は端の一部に誤差が大きな箇所が見られる．これは，補正前の既知点が歪んだ形で配置されており，補正演算が正確に実行できなかったものと想像される．しかし，それ以外では±0.05mm の幅に誤差が収まっており，高精度な 2 次元計

これらの補正演算を行うことができるシステムを構築し，測システムが構築できたといえる．

再度，強制変位によるキャリブレーション試験を実施した．

「労働安全衛生総合研究所特別研究報告」

65

真値との誤差 (mm)0.20+
0.16 to 0.20
0.13 to 0.16
0.09 to 0.13
0.05 to 0.09
0.02 to 0.05
-0.02 to 0.02
-0.05 to -0.02-0.09 to -0.05-0.13 to -0.09-0.16 to -0.13-0.20 to -0.16

Y (mm)

252015105

真値との誤差 (mm)0.20+0.16 to 0.20
0.13 to 0.16
0.09 to 0.13
0.05 to 0.09
0.02 to 0.05
-0.02 to 0.02
-0.05 to -0.02-0.09 to -0.05-0.13 to -0.09-0.16 to -0.13-0.20 to -0.16

3025Y (mm)302015105510152025305X (mm)152025X (mm)(a) X 方向(b) Y 方向

図 10JNIOSH-SRR-No.39，pp.51-65 (2009)10

真値との誤差分布の一例

30