(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先導体前筒、この先導体前筒と中折れ部を介して連結された先導体後筒、及び前記先導体前筒の先端に設けられたカッターヘッドから構成される先導体と、この先導体の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との水平方向の相対角を示す水平方向修正量に基づいて所定の計画線の方向に推進させる埋設管推進機の方向制御方法であって、
前記先導体に設けられたレーザ受光装置の前記計画線に対する水平変位を示す観測信号を直線施工時に選択出力し、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置の前記計画線に対する水平変位を示す観測信号を曲線施工時に選択出力する手順と、
前記選択出力された観測信号、前記先導体前筒と前記先導体後筒との水平方向の相対角を示す中折れ角信号、現時点における前記水平方向修正量、及び前記計画線の方向を示す計画線情報を入力とし、前記計画線の曲率を外部入力項として有する、前記先導体の状態変化モデル式と前記選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式とに基づいて、前記計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する手順と、
この推定された水平位置・姿勢パラメータが零に収束するように次の前記水平方向修正量を計算する手順とを有することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記先導体前筒の単位推進長当たりの水平方向の傾斜角変化が、現在位置から単位推進長の（ｎｂ−１）倍後方まで遡った合計ｎｂ（ｎｂは２以上の整数）個の水平方向修正量とこの水平方向修正量に依存しない外乱要素との線形和で与えられるものとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記ｎｂ個の水平方向修正量に対する重み係数を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項３】
請求項１記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記カッターヘッドの水平方向修正に伴うカッターヘッド先端の水平方向変位量がある一定割合だけ地盤側に食込むものとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記割合を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項４】
請求項１記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記カッターヘッドの水平推進方向が、前記先導体前筒の方向に前記水平方向修正量にある一定係数を乗じた量を加算した方向であるとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記係数を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項５】
請求項１記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記計画線に対する前記先導体後筒の水平傾斜角が、前記計画線に対する前記先導体前筒の水平傾斜角のある一定距離だけ過去の値と同一であるとして、前記水平位置・姿勢パラメータを推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項６】
請求項２記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記ｎｂ個の水平方向修正量の重み係数の和が所定のしきい値未満のときに警告を発することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項７】
請求項２記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記ｎｂ個の水平方向修正量の重み係数の和に前記水平方向修正量がとり得る最大値を乗じた値から前記外乱要素と前記計画線曲率の差分絶対値を減算した値が、所定のしきい値未満のときに警告を発することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項８】
先導体前筒、この先導体前筒と中折れ部を介して連結された先導体後筒、及び前記先導体前筒の先端に設けられたカッターヘッドから構成される先導体と、この先導体の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との垂直方向の相対角を示す垂直方向修正量に基づいて所定の計画線の方向に推進させる埋設管推進機の方向制御方法であって、
前記先導体に設けられたレーザ受光装置の前記計画線に対する垂直変位を示す観測信号を直線施工時に選択出力し、前記先導体に設けられた圧力センサの前記計画線に対する垂直変位を示す観測信号を曲線施工時に選択出力する手順と、
前記選択出力された観測信号、前記計画線に対する前記先導体前筒の傾斜角を示すピッチング角信号、現時点における前記垂直方向修正量、及び前記計画線の方向を示す計画線情報を入力とし、前記計画線の曲率を外部入力項として有する、前記先導体の状態変化モデル式と前記選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式とに基づいて、前記計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する手順と、
この推定された垂直位置・姿勢パラメータが零に収束するように次の前記垂直方向修正量を計算する手順とを有することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項９】
請求項８記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記先導体前筒の単位推進長当たりの垂直方向の傾斜角変化が、現在位置から単位推進長の（ｎｂ−１）倍後方まで遡った合計ｎｂ（ｎｂは２以上の整数）個の垂直方向修正量とこの垂直方向修正量に依存しない外乱要素との線形和で与えられるものとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記ｎｂ個の垂直方向修正量に対する重み係数を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項１０】
請求項８記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記カッターヘッドの垂直方向修正に伴うカッターヘッド先端の垂直方向変位量がある一定割合だけ地盤側に食込むものとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記割合を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項１１】
請求項８記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記カッターヘッドの垂直推進方向が、前記先導体前筒の方向に前記垂直方向修正量にある一定係数を乗じた量を加算した方向であるとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記係数を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項１２】
請求項８記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記計画線に対する前記先導体後筒の垂直傾斜角が、前記計画線に対する前記先導体前筒の垂直傾斜角のある一定距離だけ過去の値と同一であるとして、前記垂直位置・姿勢パラメータを推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項１３】
請求項９記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記ｎｂ個の垂直方向修正量の重み係数の和が所定のしきい値未満のときに警告を発することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項１４】
請求項９記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
前記ｎｂ個の垂直方向修正量の重み係数の和に前記垂直方向修正量がとり得る最大値を乗じた値から前記外乱要素の絶対値を減算した値が、所定のしきい値未満のときに警告を発することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項１５】
請求項１又は８記載の埋設管推進機の方向制御方法において、
現時点よりある一定距離だけ過去の状態推定量を初期値として前記過去の時点から現時点までに与えられた水平方向修正量又は垂直方向修正量を前記状態変化モデル式に入力することにより推定した観測値と、実際に得られた観測値とを同時に表示することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【請求項１６】
先導体前筒、この先導体前筒と中折れ部を介して連結された先導体後筒、及び前記先導体前筒の先端に設けられたカッターヘッドから構成される先導体と、この先導体の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との水平方向の相対角を示す水平方向修正量に基づいて所定の計画線の方向に推進させる埋設管推進機の方向制御装置であって、
前記先導体に設けられたレーザ受光装置の前記計画線に対する水平変位を示す観測信号を直線施工時に選択出力し、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置の前記計画線に対する水平変位を示す観測信号を曲線施工時に選択出力する観測信号切替器と、
この観測信号切替器の出力、前記先導体前筒と前記先導体後筒との水平方向の相対角を示す中折れ角信号、現時点における前記水平方向修正量、及び前記計画線の方向を示す計画線情報を入力とし、前記計画線の曲率を外部入力項として有する、前記先導体の状態変化モデル式と前記選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式とに基づいて、前記計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する水平方向状態推定器と、
この水平方向状態推定器によって推定された水平位置・姿勢パラメータが零に収束するように次の前記水平方向修正量を計算する水平方向制御器とから構成されることを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記水平方向状態推定器は、前記先導体前筒の単位推進長当たりの水平方向の傾斜角変化が、現在位置から単位推進長の（ｎｂ−１）倍後方まで遡った合計ｎｂ（ｎｂは２以上の整数）個の水平方向修正量とこの水平方向修正量に依存しない外乱要素との線形和で与えられるものとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記ｎｂ個の水平方向修正量に対する重み係数を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項１８】
請求項１６記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記水平方向状態推定器は、前記カッターヘッドの水平方向修正に伴うカッターヘッド先端の水平方向変位量がある一定割合だけ地盤側に食込むものとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記割合を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項１９】
請求項１６記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記水平方向状態推定器は、前記カッターヘッドの水平推進方向が、前記先導体前筒の方向に前記水平方向修正量にある一定係数を乗じた量を加算した方向であるとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記係数を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項２０】
請求項１６記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記水平方向状態推定器は、前記計画線に対する前記先導体後筒の水平傾斜角が、前記計画線に対する前記先導体前筒の水平傾斜角のある一定距離だけ過去の値と同一であるとして、前記水平位置・姿勢パラメータを推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項２１】
請求項１７記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記水平方向状態推定器は、前記ｎｂ個の水平方向修正量の重み係数の和が所定のしきい値未満のときに警告を発することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項２２】
請求項１７記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記水平方向状態推定器は、前記ｎｂ個の水平方向修正量の重み係数の和に前記水平方向修正量がとり得る最大値を乗じた値から前記外乱要素と前記計画線曲率の差分絶対値を減算した値が、所定のしきい値未満のときに警告を発することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項２３】
先導体前筒、この先導体前筒と中折れ部を介して連結された先導体後筒、及び前記先導体前筒の先端に設けられたカッターヘッドから構成される先導体と、この先導体の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との垂直方向の相対角を示す垂直方向修正量に基づいて所定の計画線の方向に推進させる埋設管推進機の方向制御装置であって、
前記先導体に設けられたレーザ受光装置の前記計画線に対する垂直変位を示す観測信号を直線施工時に選択出力し、前記先導体に設けられた圧力センサの前記計画線に対する垂直変位を示す観測信号を曲線施工時に選択出力する観測信号切替器と、
この観測信号切替器の出力、前記計画線に対する前記先導体前筒の傾斜角を示すピッチング角信号、現時点における前記垂直方向修正量、及び前記計画線の方向を示す計画線情報を入力とし、前記計画線の曲率を外部入力項として有する、前記先導体の状態変化モデル式と前記選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式とに基づいて、前記計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する垂直方向状態推定器と、
この垂直方向状態推定器によって推定された垂直位置・姿勢パラメータが零に収束するように次の垂直方向修正量を計算する垂直方向制御器とから構成されることを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項２４】
請求項２３記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記垂直方向状態推定器は、前記先導体前筒の単位推進長当たりの垂直方向の傾斜角変化が、現在位置から単位推進長の（ｎｂ−１）倍後方まで遡った合計ｎｂ（ｎｂは２以上の整数）個の垂直方向修正量とこの垂直方向修正量に依存しない外乱要素との線形和で与えられるものとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記ｎｂ個の垂直方向修正量に対する重み係数を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項２５】
請求項２３記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記垂直方向状態推定器は、前記カッターヘッドの垂直方向修正に伴うカッターヘッド先端の垂直方向変位量がある一定割合だけ地盤側に食込むものとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記割合を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項２６】
請求項２３記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記垂直方向状態推定器は、前記カッターヘッドの垂直推進方向が、前記先導体前筒の方向に前記垂直方向修正量にある一定係数を乗じた量を加算した方向であるとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記係数を推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項２７】
請求項２３記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記垂直方向状態推定器は、前記計画線に対する前記先導体後筒の垂直傾斜角が、前記計画線に対する前記先導体前筒の垂直傾斜角のある一定距離だけ過去の値と同一であるとして、前記垂直位置・姿勢パラメータを推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項２８】
請求項２４記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記垂直方向状態推定器は、前記ｎｂ個の垂直方向修正量の重み係数の和が所定のしきい値未満のときに警告を発することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項２９】
請求項２４記載の埋設管推進機の方向制御装置において、前記垂直方向状態推定器は、前記ｎｂ個の垂直方向修正量の重み係数の和に前記垂直方向修正量がとり得る最大値を乗じた値から前記外乱要素の絶対値を減算した値が、所定のしきい値未満のときに警告を発することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【請求項３０】
請求項１６又は２３記載の埋設管推進機の方向制御装置において、
現時点よりある一定距離だけ過去の状態推定量を初期値として前記過去の時点から現時点までに与えられた水平方向修正量又は垂直方向修正量を前記状態変化モデル式に入力することにより推定した観測値と、実際に得られた観測値とを同時に表示する表示手段を有することを特徴とする埋設管推進機の方向制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、先導体前筒、この先導体前筒と中折れ部を介して連結された先導体後筒、及び前記先導体前筒の先端に設けられたカッターヘッドから構成される先導体を有し、この先導体と先導体の後方に順次継ぎ足される埋設管とをカッターヘッドで地盤を掘削しながら推進させて管路を形成する埋設管推進機に係り、特に埋設管推進機を所定の計画線の方向に推進させる方向制御方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、埋設管推進機では、先導体に内蔵されたレーザ受光装置やピッチング計などの各種センサからの信号により求めた計画線からの変位量を地上に設置された操作盤上に表示し、この変位量に基づいてオペレータがカッターヘッドの方向修正量を決定してカッターヘッド傾動用油圧ジャッキを操作していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような埋設管推進機の方向修正操作はオペレータの経験に大きく依存しているという問題点があった。
本発明の目的は、オペレータの技術ヘの依存性を極力低減して、オペレータが熟練者か非熟練者かに関係なく、埋設管推進機の高精度な方向修正制御を実現できる方向制御方法および装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、先導体前筒（１０４）、この先導体前筒と中折れ部（１０６）を介して連結された先導体後筒（１０５）、及び前記先導体前筒の先端に設けられたカッターヘッド（１０２）から構成される先導体（１０１）と、この先導体の後方に順次継ぎ足される埋設管（１０８）とを、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との水平方向の相対角を示す水平方向修正量（ηＨ  ）に基づいて所定の計画線の方向に推進させる埋設管推進機の方向制御方法であって、前記先導体に設けられたレーザ受光装置（２０２）の前記計画線に対する水平変位（Ｘｔ  ）を示す観測信号を直線施工時に選択出力し、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置（３０１）の前記計画線に対する水平変位（ＸＤ  ）を示す観測信号を曲線施工時に選択出力する手順と、前記選択出力された観測信号、前記先導体前筒と前記先導体後筒との水平方向の相対角（φ）を示す中折れ角信号、現時点における前記水平方向修正量、及び前記計画線の方向を示す計画線情報を入力とし、前記計画線の曲率（ρＨ  ）を外部入力項として有する、前記先導体の状態変化モデル式（式（５）、式（６）、式（７）、式（１７）、式（１８）、式（２１））と前記選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式（式（１１）、式（２２）、式（２３））とに基づいて、前記計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータ（θＨ  ）を前記埋設管推進機の推進と同時に推定する手順と、この推定された水平位置・姿勢パラメータが零に収束するように次の前記水平方向修正量を計算する手順とを有するものである。このように、埋設管掘進機の先導体の状態変化モデルを基にして各種の入力信号からオンライン（埋設管推進機の推進と同時）で状態推定を行うことによりその時点の周囲地盤の性質に見合ったカッターヘッドの適切な水平方向修正量を求めることが可能となり、オペレータの熟練度に依存することなく、均質で高精度な方向制御を行うことができる。
【０００５】
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記先導体前筒の単位推進長当たりの水平方向の傾斜角変化（Δθｈ  ）が、現在位置から単位推進長の（ｎｂ−１）倍後方まで遡った合計ｎｂ（ｎｂは２以上の整数）個の水平方向修正量とこの水平方向修正量に依存しない外乱要素（ｄＨ  ）との線形和で与えられるものとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記ｎｂ個の水平方向修正量に対する重み係数（ｂＨｉ）を推定（式（６）、式（１７））するようにしたものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記カッターヘッドの水平方向修正に伴うカッターヘッド先端の水平方向変位量（ΔＸＨ  ）がある一定割合（ｋｅｎｃＨ）だけ地盤側に食込むものとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記割合を推定（式（５）、式（１８））するようにしたものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記カッターヘッドの水平推進方向が、前記先導体前筒の方向に前記水平方向修正量にある一定係数（ｋηＨ  ）を乗じた量（ζＨ  ）を加算した方向であるとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記係数を推定（式（５）、式（１８））するようにしたものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記計画線に対する前記先導体後筒の水平傾斜角が、前記計画線に対する前記先導体前筒の水平傾斜角のある一定距離（Ｌｆ（ｍ）  ）だけ過去の値と同一であるとして、前記水平位置・姿勢パラメータを推定するようにしたものである。
【０００６】
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記ｎｂ個の水平方向修正量の重み係数の和（ＳＢＨ  ）が所定のしきい値未満のときに警告を発するようにしたものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記ｎｂ個の水平方向修正量の重み係数の和（ＳＢＨ  ）に前記水平方向修正量がとり得る最大値（ηＨｍａｘ）を乗じた値から前記外乱要素（ｄＨ  ）と前記計画線曲率（ρＨ  ）の差分絶対値を減算した値（κＨ  ）が、所定のしきい値未満のときに警告を発するようにしたものである。
【０００７】
また、本発明は、先導体と埋設管とを、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との垂直方向の相対角を示す垂直方向修正量（ηｖ  ）に基づいて所定の計画線の方向に推進させる埋設管推進機の方向制御方法であって、前記先導体に設けられたレーザ受光装置（２０２）の前記計画線に対する垂直変位（Ｙｔ  ）を示す観測信号を直線施工時に選択出力し、前記先導体に設けられた圧力センサ（３０３）の前記計画線に対する垂直変位（Ｙｓ  ）を示す観測信号を曲線施工時に選択出力する手順と、前記選択出力された観測信号、前記計画線に対する前記先導体前筒の傾斜角（ｐｆ  ）を示すピッチング角信号、現時点における前記垂直方向修正量、及び前記計画線の方向を示す計画線情報を入力とし、前記計画線の曲率（ρＨ  ）を外部入力項として有する、前記先導体の状態変化モデル式（式（３５）、式（３６）、式（３７））と前記選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式（式（４１）、式（４７））とに基づいて、前記計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータ（θｖ  ）を前記埋設管推進機の推進と同時に推定する手順と、この推定された垂直位置・姿勢パラメータが零に収束するように次の前記垂直方向修正量を計算する手順とを有するものである。このように、埋設管掘進機の先導体の状態変化モデルを基にして各種の入力信号からオンラインで状態推定を行うことによりその時点の周囲地盤の性質に見合ったカッターヘッドの適切な垂直方向修正量を求めることが可能となり、オペレータの熟練度に依存することなく、均質で高精度な方向制御を行うことができる。
【０００８】
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記先導体前筒の単位推進長当たりの垂直方向の傾斜角変化が、現在位置から単位推進長の（ｎｂ−１）倍後方まで遡った合計ｎｂ（ｎｂは２以上の整数）個の垂直方向修正量とこの垂直方向修正量に依存しない外乱要素（ｄｖ  ）との線形和で与えられるものとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記ｎｂ個の垂直方向修正量に対する重み係数（ｂＶｉ）を推定（式（３６））するようにしたものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記カッターヘッドの垂直方向修正に伴うカッターヘッド先端の垂直方向変位量がある一定割合（ｋｅｎｃＶ）だけ地盤側に食込むものとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記割合を推定（式（３５））するようにしたものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記カッターヘッドの垂直推進方向が、前記先導体前筒の方向に前記垂直方向修正量にある一定係数（ｋηｖ  ）を乗じた量を加算した方向であるとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記係数を推定（式（３５））するようにしたものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記計画線に対する前記先導体後筒の垂直傾斜角が、前記計画線に対する前記先導体前筒の垂直傾斜角のある一定距離だけ過去の値と同一であるとして、前記垂直位置・姿勢パラメータを推定することを特徴とする埋設管推進機の方向制御方法。
【０００９】
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記ｎｂ個の垂直方向修正量の重み係数の和（ＳＢｖ  ）が所定のしきい値未満のときに警告を発するようにしたものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、前記ｎｂ個の垂直方向修正量の重み係数の和（ＳＢｖ  ）に前記垂直方向修正量がとり得る最大値（ηｖｍａｘ）を乗じた値から前記外乱要素（ｄｖ  ）の絶対値を減算した値が、所定のしきい値未満のときに警告を発するようにしたものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御方法の１構成例は、現時点よりある一定距離だけ過去の状態推定量を初期値として前記過去の時点から現時点までに与えられた水平方向修正量又は垂直方向修正量を前記状態変化モデル式に入力することにより推定した観測値と、実際に得られた観測値とを同時に表示するようにしたものである。
【００１０】
また、本発明は、先導体と埋設管とを水平方向修正量に基づいて所定の計画線の方向に推進させる埋設管推進機の方向制御装置であって、前記先導体に設けられたレーザ受光装置（２０２）の前記計画線に対する水平変位を示す観測信号を直線施工時に選択出力し、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置（３０１）の前記計画線に対する水平変位を示す観測信号を曲線施工時に選択出力する観測信号切替器（４０１）と、この観測信号切替器の出力、前記先導体前筒と前記先導体後筒との水平方向の相対角を示す中折れ角信号、現時点における前記水平方向修正量、及び前記計画線の方向を示す計画線情報を入力とし、前記計画線の曲率を外部入力項として有する、前記先導体の状態変化モデル式と前記選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式とに基づいて、前記計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する水平方向状態推定器（４０２）と、この水平方向状態推定器によって推定された水平位置・姿勢パラメータが零に収束するように次の前記水平方向修正量を計算する水平方向制御器（４０３）とから構成されるものである。
【００１１】
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記水平方向状態推定器は、前記先導体前筒の単位推進長当たりの水平方向の傾斜角変化が、現在位置から単位推進長の（ｎｂ−１）倍後方まで遡った合計ｎｂ（ｎｂは２以上の整数）個の水平方向修正量とこの水平方向修正量に依存しない外乱要素との線形和で与えられるものとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記ｎｂ個の水平方向修正量に対する重み係数を推定するものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記水平方向状態推定器は、前記カッターヘッドの水平方向修正に伴うカッターヘッド先端の水平方向変位量がある一定割合だけ地盤側に食込むものとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記割合を推定するものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記水平方向状態推定器は、前記カッターヘッドの水平推進方向が、前記先導体前筒の方向に前記水平方向修正量にある一定係数を乗じた量を加算した方向であるとして、前記水平位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記係数を推定するものである。また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記水平方向状態推定器は、前記計画線に対する前記先導体後筒の水平傾斜角が、前記計画線に対する前記先導体前筒の水平傾斜角のある一定距離だけ過去の値と同一であるとして、前記水平位置・姿勢パラメータを推定するものである。
【００１２】
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記水平方向状態推定器は、前記ｎｂ個の水平方向修正量の重み係数の和が所定のしきい値未満のときに警告を発するものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記水平方向状態推定器は、前記ｎｂ個の水平方向修正量の重み係数の和に前記水平方向修正量がとり得る最大値を乗じた値から前記外乱要素と前記計画線曲率の差分絶対値を減算した値が、所定のしきい値未満のときに警告を発するものである。
【００１３】
また、本発明は、先導体と埋設管とを垂直方向修正量に基づいて所定の計画線の方向に推進させる埋設管推進機の方向制御装置であって、前記先導体に設けられたレーザ受光装置（２０２）の前記計画線に対する垂直変位を示す観測信号を直線施工時に選択出力し、前記先導体に設けられた圧力センサ（３０３）の前記計画線に対する垂直変位を示す観測信号を曲線施工時に選択出力する観測信号切替器（９０１）と、この観測信号切替器の出力、前記計画線に対する前記先導体前筒の傾斜角を示すピッチング角信号、現時点における前記垂直方向修正量、及び前記計画線の方向を示す計画線情報を入力とし、前記計画線の曲率を外部入力項として有する、前記先導体の状態変化モデル式と前記選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式とに基づいて、前記計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する垂直方向状態推定器（９０２）と、この垂直方向状態推定器によって推定された垂直位置・姿勢パラメータが零に収束するように次の垂直方向修正量を計算する垂直方向制御器（９０３）とから構成されるものである。
【００１４】
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記垂直方向状態推定器は、前記先導体前筒の単位推進長当たりの垂直方向の傾斜角変化が、現在位置から単位推進長の（ｎｂ−１）倍後方まで遡った合計ｎｂ（ｎｂは２以上の整数）個の垂直方向修正量とこの垂直方向修正量に依存しない外乱要素との線形和で与えられるものとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記ｎｂ個の垂直方向修正量に対する重み係数を推定するものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記垂直方向状態推定器は、前記カッターヘッドの垂直方向修正に伴うカッターヘッド先端の垂直方向変位量がある一定割合だけ地盤側に食込むものとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記割合を推定するものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記垂直方向状態推定器は、前記カッターヘッドの垂直推進方向が、前記先導体前筒の方向に前記垂直方向修正量にある一定係数を乗じた量を加算した方向であるとして、前記垂直位置・姿勢パラメータの推定と同時に、前記係数を推定するものである。また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記垂直方向状態推定器は、前記計画線に対する前記先導体後筒の垂直傾斜角が、前記計画線に対する前記先導体前筒の垂直傾斜角のある一定距離だけ過去の値と同一であるとして、前記垂直位置・姿勢パラメータを推定するものである。
【００１５】
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記垂直方向状態推定器は、前記ｎｂ個の垂直方向修正量の重み係数の和が所定のしきい値未満のときに警告を発するものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、前記垂直方向状態推定器は、前記ｎｂ個の垂直方向修正量の重み係数の和に前記垂直方向修正量がとり得る最大値を乗じた値から前記外乱要素の絶対値を減算した値が、所定のしきい値未満のときに警告を発するものである。
また、本発明の埋設管推進機の方向制御装置の１構成例として、現時点よりある一定距離だけ過去の状態推定量を初期値として前記過去の時点から現時点までに与えられた水平方向修正量又は垂直方向修正量を前記状態変化モデル式に入力することにより推定した観測値と、実際に得られた観測値とを同時に表示する表示手段を有するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の方向制御装置の制御対象となる掘削型埋設管推進機の全体構成を示す側面図である。
図１に示す埋設管推進機は、先導体１０１の先端に設けられたカッターヘッド１０２により周囲の地盤１０９を掘削しながら前進し、一定長の埋設管１０８を順次継ぎ足していくことにより管路を形成する。
【００１７】
先導体１０１は、地盤１０９を掘削するカッターヘッド１０２と、先端にカッターヘッド１０２が取り付けられた方向修正部１０３と、先端に方向修正部１０３が取り付けられた先導体前筒１０４と、先導体前筒１０４と中折れ部１０６を介して連結された先導体後筒１０５とから構成される。
【００１８】
先導体１０１と埋設管１０８とを前進させる推進力は、地盤１０９に垂直に形成された発進立抗１１０内の元押装置１０７によって生じる。
また、埋設管推進機の推進方向は、方向修正部１０３に内蔵された後述する方向修正ジャッキにより方向修正部１０３（カッターヘッド１０２）を上下左右に傾動させることにより制御することができる。
【００１９】
図２は直線施工時のレーザターゲット法による水平位置検知及び垂直位置検知システムを示している。発進立抗１１０内に設けられたレーザセオドライト２０１が発するレーザ光が先導体後筒１０５に配置されたレーザ受光装置２０２のターゲット面に照射されると、その照射位置からレーザ光（基準線、すなわち後述する計画線）に対するレーザ受光装置２０２の変位を求めることができる。
【００２０】
一方、レーザ光に対する先導体後筒１０５の傾斜角は直接得られないため、レーザ光に対するレーザ受光装置２０２の現在の変位と埋設管推進機が数１０ｃｍ推進した後の同変位とを比較したときの変分から近似的に水平および垂直方向の傾斜角を求めている。
【００２１】
ただし、このときの傾斜角は、埋設管推進機が数１０ｃｍ推進する間、先導体１０１が回転運動をしないという仮定に基づいているために必ずしも正確な値ではない。この傾斜角から中折れ部１０６の水平変位及び垂直変位を求めることができる。
【００２２】
さらに、先導体前筒１０４と先導体後筒１０５の水平方向の相対角を検出する中折れ角センサ２０４の値を用いることにより、方向修正部１０３の水平位置が求まる。また、先導体前筒１０４に設置されたピッチング計２０３によって先導体前筒１０４の垂直位置が求まり、ローリング計２０５によって先導体前筒１０４の回転角度が求まる。また、前述のように、方向修正部１０３には方向修正ジャッキ１１１が内蔵されている。
【００２３】
図３は曲線施工時の電磁法による水平位置検知システムと液圧差法による垂直位置検知システムを示している。
水平方向に関しては、先導体１０１に内蔵された誘導磁界発生装置３０１が生成する誘導磁界を地上に設置された誘導磁界検出装置３０２によって検知することにより、埋設管推進機の推進基準線（計画線）からの水平変位を求めることができる。
【００２４】
垂直方向に関しては、先導体１０１に内蔵された圧力センサ３０３で測定された液圧と地上に設置された基準液圧測定装置３０４で測定された基準液圧との差を検知することにより、埋設管推進機の深度を求めることができる。
なお、埋設管推進機の構成を明瞭に記載するため、図２、図３では別々に記載しているが、埋設管推進機及び埋設管推進機の外部には、図２、図３に示した各構成が同時に設置されている。
【００２５】
［実施の形態の１］
以下、埋設管推進機の水平方向制御を行う方向制御装置について説明する。図４は本発明の第１の実施の形態となる方向制御装置の構成を示すブロック図である。図４の各要素の具体的構成法を述べるため、最初に埋設管推進機の水平方向修正量に対する先導体１０１の旋回特性を表すマシン状態変化モデルの設計法について述べる。その後、直線施工時のレーザターゲット法および曲線施工時の誘導磁界検知法それぞれの観測手段による埋設管推進機の水平方向に関する状態変化モデルパラメータのオンライン推定法とこれに基づく方向制御法について説明する。
【００２６】
図５は埋設管推進機の水平方向の運動を表すための各部位の位置や角度の定義を示している。基線（計画線）からみたカッターヘッド１０２の先端部の水平変位をＸｃ  、基線からみた方向修正部１０３の水平変位をＸｈ  、基線からみた中折れ部１０６の水平変位をＸｍ  、基線からみたレーザ受光装置２０２の水平変位をＸｔ  とする。
【００２７】
また、基線に対する先導体前筒１０４の傾斜角（ヨーイング角）をθＨ  、基線に対する先導体後筒１０５の傾斜角をθＨｒ、先導体前筒１０４を基準としたときの方向修正部１０３の傾斜角（ヘッド角）をηＨ  、先導体後筒１０５を基準とした前筒１０４の傾斜角（中折れ角）をφとする。
【００２８】
図６は水平方向の方向修正動作を行った場合の埋設管推進機の状態変化モデルを示したものである。図６（ａ）は方向修正部１０３のヘッド角をηＨ  から△ηＨ  だけ変化させたときの様子を示している（η’Ｈ＝ηＨ  ＋△ηＨ  ）。このとき、周囲の地盤１０９からの反力がなければ、埋設管推進機の先端（カッターヘッド１０２の先端）は、方向修正部１０３の長さがＬｈ  のとき、△ＸＨ  ＝Ｌｈ△ηＨだけ変化することになる。しかしながら、実際は図６（ｂ）に示すような地盤１０９からの反力による影響が考えられるので、状態変化モデルとして次のような仮定をする。
【００２９】
＜仮定１＞ヘッド角の変化△ηＨ  に伴う埋設管推進機先端の変位△ＸＨ  のうち、ある一定の割合ｋｅｎｃＨだけが地盤１０９側へ食い込む。また、割合ｋｅｎｃＨの大きさに応じて、先導体前筒１０４のヨーイング角θＨ  や中折れ角φが変化する。
【００３０】
このとき、図６（ｂ）に示す地盤１０９からの反動を考慮した後の埋設管推進機先端の水平変位Ｘ’’ｃ  と先導体前筒１０４のヨーイング角θ’Ｈは次式のように表すことができる。ただし、図６下向き（後筒から進行方向を見たとき右側）の変位を正とする。
Ｘ’’ｃ  ＝Ｘｃ＋ｋｅｎｃＨＬｈ△ηＨ                                              ・・・（１）
θ’Ｈ＝θＨ−｛Ｌｈ／（Ｌｈ＋Ｌｆ）｝ｋｅｎｃＨ△ηＨ                        ・・・（２）
【００３１】
式（２）において、Ｌｆ  は先導体前筒１０４の長さを表している。図６（ｃ）は図６（ｂ）の地盤１０９からの反動を受けた後の状態から単位推進長Ｌｐ  だけ埋設管推進機を前進させたときの状態変位モデルを表している。このとき、次の仮定を導入する。
【００３２】
＜仮定２＞埋設管推進機先端は、先導体前筒１０４を基準としてζＨ  だけ傾いた方向に移動するものとし、ζＨ  は埋設管推進機の周囲の土質が変化しなければ、η’Ｈに一定の係数ｋηＨ  を乗じたものとする。
【００３３】
＜仮定３＞単位推進長Ｌｐ  当たりの埋設管推進機の姿勢変化（△θｈ＝θ’’−θ’Ｈ）は、現在のヘッド角も含めた過去の有限個のヘッド角および方向修正操作とは無関係な外乱要素（バイアス成分）の線形和で与えられる。また、各ヘッド角の姿勢変化に及ぼす影響度を表す係数は、埋設管推進機の周囲の土質が変化しなければ一定であるとする。
【００３４】
以上の仮定２、仮定３は次の２式で表現される。
Ｘ’’’ｃ＝Ｘ’’ｃ＋（θ’Ｈ＋ｋηＨη’Ｈ）Ｌｐ                          ・・・（３）
【００３５】
【数１】
0003612015.tif 000002
【００３６】
ただし、ηＨ（１）＝η’Ｈ、ηＨ（０）＝ηＨ  であり、ηＨ（−ｉ）  は現在地よりもｉ×Ｌｐ（ｍ）  だけ後方の地点でのヘッド角を表している。チルダｂｉ  はηＨ（ｉ）が△θＨ  へ影響を及ぼす度合いを表す係数、ｄＨ  は外乱要素を示している。以下、同様に文字上に付した「〜」をチルダと呼ぶ。
【００３７】
ここで、図６（ａ）の時点での埋設管推進機先端の水平位置、先導体前筒１０４のヨーイング角、ヘッド角をそれぞれＸｃ［ｋ］，θＨ［ｋ］，ηＨ［ｋ］とし、図６（ｃ）の単位推進長前進後のそれぞれの値をＸｃ［ｋ＋１］（＝Ｘ’’’ｃ），θＨ［ｋ＋１］（＝θ’’Ｈ）  ，ηＨ［ｋ＋１］（＝ηＨ（ｉ））とすれば、次式のような状態変化モデルが得られる。
【００３８】
0003612015.tif 000003
【００３９】
【数２】
0003612015.tif 000004
【００４０】
式（６）の最後の行のｂＨｉは２行目のηＨ［ｋ＋１−ｉ］の各係数を改めて書き直したものである。
先導体後筒１０５の挙動に関しては次の仮定を導入する。
【００４１】
＜仮定４＞先導体後筒１０５の基線に対する角度は、先導体前筒１０４の角度にＬｆ（ｍ）  だけ遅れて追従する。
いま、Ｌｆ／Ｌｐの小数点第一位を四捨五入した整数をｎｄとすると、上記の仮定４は次式で表現できる。
θＨｒ［ｋ］＝θＨ［ｋ−ｎｄ］                                                                            ・・・（７）
【００４２】
直線推進時の水平方向運動に関してはレーザ受光面水平位置Ｘｔ  と先導体前筒１０４と後筒１０５の相対角度（中折れ角φ）が計測可能であり、これらは図６から次式のように表すことができる。
Ｘｔ＝Ｘｃ−Ｌｈ（θＨ＋ηＨ）−ＬｆθＨ−ＬｒθＨｒ                            ・・・（８）
φ＝θＨ−θＨｒ                                                                                      ・・・（９）
ただし、Ｌｒ  は先導体後筒１０５の長さを表している。
【００４３】
埋設管推進機先端の水平変位Ｘｃ  や先導体１０１の基線に対する傾斜角θＨ  などは直接観測不可能な値であり、式（６）中の係数ｂＨｉと共に推定する必要がある。これらの未知数を式（６）や式（５）の状態変化モデルを基にカルマンフィルタを用いて推定する方法を説明する。
まず、以下のような推定すべき変数ベクトルＸＨ∈Ｒ（ｎｄ＋２＋ｎｂ＋３）×１を定義する。
【００４４】
【数３】
0003612015.tif 000005
【００４５】
このとき、式（５）、式（６）は次の状態方程式で表すことができる。
【００４６】
【数４】
0003612015.tif 000006
【００４７】
Ｌ’ｈ＝（１−Ｌｐ／（Ｌｈ＋Ｌｆ））Ｌｈであり、Ｏｉ×ｊ，Ｉｋはそれぞれｉ行ｊ列の零行列とｋ次元単位行列を示している。ωＨ［ｋ］はＥ（ωＨ）＝０，Ｅ（ωＨ［ｋ］ωＴＨ［ｋ’］）＝ΣωＨδｋｋ’  のシステムノイズを表している。ここで、Ｅ（・）は期待値、δｋｋ’  はクロネッカのδを意味している。
一方、式（８）、式（９）は式（７）を用いることにより、次の観測方程式で表現できる。
【００４８】
【数５】
0003612015.tif 000007
【００４９】
υＨ［ｋ］はＥ（υＨ）＝０，Ｅ（υＨ［ｋ］υＴＨ［ｋ’］）＝ΣυＨδｋｋ’  の観測ノイズを表している。
いま、Ｅ（ωＨ［ｋ］υＴＨ［ｋ’］）＝Ｏ（ｎｄ＋ｎｂ＋５）×２  と仮定すると、以下のようなカルマンフィルタが構成され、未知変数ベクトルＸＨ［ｋ］の推定値ハットＸＨ［ｋ］を求めることが可能になる。以下、同様に文字上に付した「∧」をハットと呼ぶ。
【００５０】
【数６】
0003612015.tif 000008
【００５１】
【数７】
0003612015.tif 000009
【００５２】
【数８】
0003612015.tif 000010
【００５３】
【数９】
0003612015.tif 000011
【００５４】
【数１０】
0003612015.tif 000012
【００５５】
式（１２）、式（１３）はフィルタ方程式、式（１４）はカルマンゲイン、式（１５）、式（１６）は誤差の共分散行列方程式である。
次に、曲線施工時の状態変化モデルと状態推定法について説明する。ヘッド角操作量（方向修正量）に対する埋設管推進機の運動特性に関しては直線施工時と変わることがないが、レーザーターゲット法が使えないため、埋設管推進機の位置検知法が異なってくる。
【００５６】
図７は曲率半径Ｒの水平計画線上に定義された推進機座標系を示している。埋設管推進機先端部と計画線上の点Ｏを結ぶ直線が点Ｏでの接線と垂直に交わるとき、Ｏをこの時点での推進機座標系原点とし、その直線の長さを埋設管推進機先端の水平位置Ｘｃ  とする。同様に、誘導磁界発生装置３０１から計画線へ降ろした垂線との交点をＤとし、垂線の長さを誘導磁界発生装置３０１の水平位置ＸＤ  とする。また、点Ｏでの接線に対する先導体前筒１０４の角度を先導体前筒傾斜角（ヨーイング角）θＨ  とする。
【００５７】
図８は埋設管推進機が単位推進長Ｌｐ  だけ前進したときの推進機座標系の変化を示している。いま、仮に埋設管推進機が単位推進長Ｌｐ  前進する間に先導体１０１のヨーイング角が変化しなかったとしても、推進機座標系原点が計画線上をＯからＯ’へ移動するときに各点における接線の傾きがＬｐ  ／Ｒだけ変化することになる。このとき、進行方向に対して右カーブのとき正の値をとる曲率ρＨ  ≡１／Ｒを導入すれば、曲線施工時の推進機傾斜角の状態変化モデルは式（６）を修正した次式で表現できる。
【００５８】
【数１１】
0003612015.tif 000013
【００５９】
また、座標系原点は埋設管推進機の単位推進長前進時に進行方向と直交する方向へ線分Ｏ’Ｈ’だけ移動するため、埋設管推進機先端の水平位置の状態変化モデルは、これを考慮に入れて修正される必要がある。円弧ＯＯ’の中心をＣとすると、∠ＯＣＯ’＝ＬｐρＨ、∠Ｏ’ＯＣ＝∠ＯＣＯ’＝（π−ＬｐρＨ）／２であるから、∠Ｈ’ＯＯ’＝ＬｐρＨ／２となる。したがって、線分Ｏ’Ｈ’＝Ｌｐ２ρＨ／２  となり、式（５）は次式のように書き換えられる。
【００６０】
0003612015.tif 000014
式（１８）において、νＨ  は水平方向修正量ηＨ  の変化分である。
【００６１】
一方、曲線施工時の埋設管推進機の水平位置検知は、図３に示すとおり埋設管推進機に内蔵された誘導磁界発生装置３０１が作り出す磁界を誘導磁界検出装置３０２で検知することにより、計画線との変位ＸＤ  （誘導磁界発生装置３０１の位置）を求める。このとき、式（８）に対応した誘導磁界発生装置３０１の位置に関する観測方程式として、ＸＤ＝Ｘｃ−Ｌｈ（ηＨ＋θＨ）−ＬＤθＨ  が成り立つと考えられるが、これはＯ’における接線を基準としたときの誘導磁界発生装置３０１の位置である。
【００６２】
実際は、計画線の曲率と、埋設管推進機先端と誘導磁界発生装置３０１間の距離Ｌｈ＋ＬＤとによって決まる線分Ｄ’Ｅ’の補正を行った次式が誘導磁界発生装置３０１の位置に関する観測方程式となる。
0003612015.tif 000015
【００６３】
また、折れ角φに関する観測方程式は現在の先導体前筒１０４の傾斜角θＨ  とＬｆ（ｍ）  過去の傾斜角θＨｒとの差で表されたが、この現在と過去のそれぞれの時点における推進機座標系原点での接線の傾きはＬｆρＨ（ＬｆρＨはｎｄＬｐρＨとほぼ等しい）だけ差があるため、結局以下のように表される。
φ＝θＨ−θＨｒ＋ｎｄＬｐρＨ                                                          ・・・（２０）
【００６４】
したがって、未知変数ベクトルＸＨ  に関する状態方程式は、式（１０）に外部入力項を追加した次の形で与えられる。
【００６５】
【数１２】
0003612015.tif 000016
【００６６】
誘導磁界検出装置３０２による誘導磁界発生装置３０１の位置検知は、管路１本の長さ程度を目安に行われるが、現場状況に応じて不定期に計測されることもある。したがって、観測方程式は誘導磁界発生装置３０１の位置検知が行われる場合とそうでない場合とで異なることになる。誘導磁界発生装置３０１の位置が計測されたときの観測方程式は次式で表される。
【００６７】
【数１３】
0003612015.tif 000017
【００６８】
また、誘導磁界発生装置３０１の位置が計測されないときの観測方程式は次式で表される。
【００６９】
【数１４】
0003612015.tif 000018
【００７０】
結局、曲線施工時の状態変化モデルに関する未知変数ベクトルの推定値ハットＸＨ  を得るには、式（１２）〜式（１６）のカルマンフィルタにおいて、誘導磁界発生装置３０１の位置を検知するときｙＨ＝ｙ’Ｈ  ，ＨＨ＝Ｈ’Ｈ  、誘導磁界発生装置３０１の位置を検知しないときｙＨ＝ｙφ  ，ＨＨ＝Ｈφ  のように切り替えて計算すればよい。ただし、フィルタ方程式である式（１３）については外部入力を有する式（２１）に対応して次式を用いる。
【００７１】
【数１５】
0003612015.tif 000019
【００７２】
式（１０）と式（２１）から分かるようにレーザターゲット位置検知を使用する直線施工時の状態変化モデルは、誘導磁界検知を利用する曲線施工時の状態変化モデルの外部入力が零の場合に対応しており、未知ベクトルの物理的意味は変わらない。したがって、位置検知方法によって観測方程式を切り替えるだけで、直線施工から曲線施工へと連続的に状態推定を行うことができることになる。
【００７３】
次に、カルマンフィルタにより推定された状態モデルを用いて埋設管推進機の水平方向制御を行うことを考える。水平と垂直方向の運動は独立と考えることができるため、それぞれ独立に方向制御システムを構築する。
以下、基線に対する埋設管推進機先端の水平変位Ｘｃ  をｘ、先導体前筒１０４の水平傾斜角θＨ  をθ、レーザ受光装置２０２の水平変位Ｘｔ  をｙでそれぞれ表すことにする。
【００７４】
いま、ある均質な土質の状態でヘッド角操作（方向修正量）に対する埋設管推進機の挙動に関するパラメータがカルマンフィルタによりｂｉ＝ｂＨｉ，ｋｅｎｃ＝ｋｅｎｃＨ，ｋη＝ｋηＨ  のように推定されたとして、状態ベクトルＸを以下のように定義する。
【００７５】
【数１６】
0003612015.tif 000020
【００７６】
このとき、式（５）、式（６）、式（７）の状態変化モデルは、次式の状態空間表現で記述できる。
【００７７】
【数１７】
0003612015.tif 000021
【００７８】
ここで、ｙ［ｋ］→０  なる方向制御を実現するために式（２５）、式（２６）の線形システムを次のように座標変換する。
【００７９】
【数１８】
0003612015.tif 000022
【００８０】
このとき、Ｘ’→０（ｙ→０）を実現するためには、次式に示される状態フィードバックを構成すればよい。
ν［ｋ］＝−ＫＸ’［ｋ］                                                                          ・・・（２８）
なお、式（２８）は方向修正量に関する式η［ｋ＋１］＝η［ｋ］−ＫＸ’［ｋ］と等価である。
次に、例えば次式のような評価関数Ｊを選ぶ。
【００８１】
【数１９】
0003612015.tif 000023
【００８２】
このとき、フィードバックゲインＫは、これを最適化するＬＱＲ制御理論により、以下のように決定できる。
Ｋ＝（１＋Ｂ’ＴＰＢ’）−１Ｂ’ＴＰＡ’                                        ・・・（３０）
ただし、Ｐは次のリカッチ方程式の解である。
0003612015.tif 000024
ｑｙ  はｙの収束性に関する重みを表し、ｑｙ  が大きくなるほど０への収束性（応答性）が増大する。
【００８３】
また、曲線施工時の誘導磁界検知法による制御系設計のための状態空間表現は、式（２５）の外乱項ｄに、曲率ρＨ  に起因する次式のような外乱要素ｄρ を追加しただけの形となる。
【００８４】
【数２０】
0003612015.tif 000025
【００８５】
ただし、誘導磁界発生装置３０１を位置検知しない場合（折れ角のみの計測）の観測方程式は、
ｙ［ｋ］＝ＣＸ［ｋ］
ｙ［ｋ］＝φ［ｋ］−ｎｄρＨ［ｋ］
Ｃ＝［１  Ｏ１×（ｎｄ−１）  −１  Ｏ１×（ｎｂ−１）］
となるが、この場合の（Ｃ，Ａ）は可観測とはならない。そこで、誘導磁界発生装置３０１の位置計測は、ｎｃ×Ｌｐ（ｍ）  毎に行われるものと仮定して、ある計測時点と次の計測時点との間、式（２５）のνは一定の値チルダνを保持するものとすれば、次式の状態空間表現を得る。なお、ｎｃは任意の整数である。
【００８６】
【数２１】
0003612015.tif 000026
【００８７】
このとき、ｙ［ｋ’］，チルダＣを次式のように定義する。
【００８８】
【数２２】
0003612015.tif 000027
【００８９】
これにより、チルダＡ，チルダＢ，チルダＣに対して式（２７）の座標変換を行い式（３１）のリカッチ方程式を解けば、次式の評価関数Ｊを最適化する状態フィードバック則を構成できる。
【００９０】
【数２３】
0003612015.tif 000028
【００９１】
ただし、ｄの大きさ（あるいはρＨ  の大きさ）が無視できないときには、ＸＤ  にオフセットが生じる可能性がある。その場合は式（３２）に対して適当なサーボ系を構成して外乱の影響を抑制することも可能である。
【００９２】
上述した方向制御の性能は状態変化モデル式（６）の方向修正量の先導体傾斜角変化へ与えうる影響を示すパラメータであるｂＨｉに大きく関係している。実際、最適フィードバックゲインＫが求まるためには（Ａ，Ｂ）が可制御であることが必要であるが、先導体１０１の周囲の土質条件によってはこれが満足されない場合も有りえる。
一方、次式で表される指標ＳＢＨ  を導入する。
【００９３】
【数２４】
0003612015.tif 000029
【００９４】
これにより、ＳＢＨηＨ０  は式（６）から同じ方向修正量ηＨ０を与え続けたときの先導体傾斜角θＨ  の変化率を表すことになる。周囲の地盤土質に対してカッターヘッド１０２の方向修正が先導体１０１の傾斜角の変化に十分効果がある場合には、この指標ＳＢＨ  も十分大きいと考えられる。
【００９５】
よって、埋設管推進機の状態推定を行いながら常にこの指標ＳＢＨ  をチェックし、指標ＳＢＨ  があるしきい値を下回るような事態が発生したときには、カッターヘッド１０２の方向修正による先導体１０１の旋回性能が低下してきたものと判断して、オペレータに警告を発することができる。
【００９６】
また、指標ＳＢＨ  がしきい値より大きい場合でも、式（６）の外乱要素ｄＨ  や水平計画線の曲率ρＨ  が大きい場合には、カッターヘッド１０２の方向修正だけでは所望の方向制御ができない可能性も考えられる。一方、曲率半径が小さい曲線施工時において中折れ部１０６のジャッキにより強制的に中折れ角をつける機能を持った埋設管推進機も存在するが、この場合も先導体１０１の周囲の地盤に逆らって中折れ角を一定に保持する程の力はない。そこで、仮定３、仮定４は依然として成立するが、式（６）の外乱要素に一定のバイアスが加わるるものと考えて、先導体１０１の旋回性能に関する次式のような指標κＨ  を導入する。
【００９７】
κＨ  ＝ＳＢＨηＨｍａｘ−｜ρＨ−ｄＨ｜                                              ・・・（３４）
ここで、ηＨｍａｘは最大方向修正量、外乱要素ｄＨ  は前述のカルマンフィルタにより逐次推定されたものである。埋設管推進機の状態推定を行いながら常にこの指標κＨ  をチェックし、指標ＳＢＨ  がしきい値を超えている場合でも、この指標κＨ  があるしきい値を下回るような事態が発生したときには、カッターヘッド１０２の方向修正による先導体１０１の旋回性能がその時点での強制中折れジャッキの状態や計画線の曲率に対応しきれなくなったと判断して、オペレータに警告を発することができる。
【００９８】
次に、図４に示した方向制御装置の構成について説明する。方向制御装置は、地上に設置され、観測信号切替器４０１と、水平方向状態推定器４０２と、水平方向制御器４０３とから構成される。
前記計画線の方向のうち水平方向の成分を示す水平計画線情報は、オペレータによって設定され、水平方向状態推定器４０２と水平方向制御器４０３に入力される。
【００９９】
埋設管推進機に設けられたレーザ受光装置２０２は、レーザ光（計画線）に対する自装置の水平変位Ｘｔ  を示す観測信号を出力する。
地上に設置された誘導磁界検出装置３０２は、埋設管推進機に設けられた誘導磁界発生装置３０１の計画線に対する水平変位ＸＤ  を示す観測信号を出力する。
【０１００】
観測信号切替器４０１は、直線施工のときは、レーザ受光装置２０２から出力された水平変位観測信号を選択出力し、曲線施工の場合は、誘導磁界検出装置３０２から出力された水平変位観測信号を選択出力する。
【０１０１】
水平方向状態推定器４０２は、観測信号切替器４０１の出力信号と、埋設管推進機の中折れ角センサ２０４から出力された、先導体前筒１０４と先導体後筒１０５との水平方向の相対角（中折れ角）φを示す中折れ角信号と、水平方向制御器４０３から出力された現時点での水平方向修正量ηＨ  と、前記水平計画線情報とを入力信号とする。
【０１０２】
そして、水平方向状態推定器４０２は、この入力信号と、計画線曲率ρＨ  を外部入力項として有する、先導体１０１の状態変化モデル式（式（５）、式（６）、式（７）、式（１７）、式（１８）、式（２１））と、観測信号切替器４０１から選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式（式（１１）、式（２２）、式（２３））とに基づいて、推進機状態推定値（計画線に対する先導体１０１の水平位置・姿勢パラメータθＨ  ）をオンライン推定（すなわち、埋設管推進機の推進と同時に推定）する。
【０１０３】
水平方向制御器４０３は、水平方向状態推定器４０２によって推定された水平位置・姿勢パラメータが零に収束するようにフィードバック量を計算して（式（２８））、このフィードバック量を基に次の水平方向修正量を計算する。
水平方向制御器４０３で計算された水平方向修正量は、埋設管推進機に入力され、この水平方向修正量に基づいて方向修正ジャッキ１１１が駆動される。こうして、先導体１０１が計画線の方向に前進するよう方向制御が行われる。
【０１０４】
なお、図４の例では、水平方向制御器４０３で計算された水平方向修正量を埋設管推進機に与えるようにしているが、地上に設置された図示しない表示装置に水平方向制御器４０３で計算された水平方向修正量を表示させ、この水平方向修正量を基にオペレータが方向修正ジャッキ１１１を操作してもよい。また、水平方向状態推定器４０２と水平方向制御器４０３は、演算装置、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。
以上のようにして、オペレータの熟練度に依存せず、均質で高精度な方向制御を実現できる。
【０１０５】
［実施の形態の２］
次に、埋設管推進機の垂直方向制御を行う方向制御装置について説明する。図９は本発明の第２の実施の形態となる方向制御装置の構成を示すブロック図である。図９の各要素の具体的構成法を述べるため最初に埋設管推進機の垂直方向修正量に対する先導体１０１の旋回特性を表すマシン状態変化モデルの設計法について述べる。その後、直線施工時のレーザターゲット法および曲線施工時の液圧差法それぞれの観測手段による埋設管推進機の垂直方向に関する状態変化モデルパラメータのオンライン推定法とこれに基づく方向制御法について説明する。
【０１０６】
図１０は埋設管推進機の垂直方向の運動を表すための各部位の位置や角度の定義を示している。基線（計画線）から見たカッターヘッド１０２の先端部の垂直変位をＹｃ  、基線から見た方向修正部１０３の垂直変位をＹｈ  、基線から見た中折れ部１０６の垂直変位をＹｍ  、基線から見たレーザ受光装置２０２の垂直変位をＹｔ  とする。
【０１０７】
また、基線に対する先導体前筒１０４の傾斜角をθｖ  、基線に対する先導体後筒１０５の傾斜角をθｖｒ、先導体前筒１０４を基準としたときの方向修正部１０３の傾斜角（ヘッド角）をηｖ  とする。また、基線の水平線に対するピッチングオフセット角をｐ０  で表す。
【０１０８】
この場合も、前述の仮定１〜仮定４の考え方が同様に適用できるので、式（５）〜式（７）の状態変化モデルに対して次式が成立する。
Ｙｃ［ｋ＋１］＝Ｙｃ［ｋ］＋Ｌｐθｖ［ｋ］＋ｋｅｎｃＶＬ’ｈ△ηｖ＋ｋηｖＬｐηｖ［ｋ＋１］・・・（３５）
【０１０９】
【数２５】
0003612015.tif 000030
【０１１０】
θｖｒ［ｋ］＝θｖ［ｋ−ｎｄ］                                                                        ・・・（３７）
ｂＶｉは垂直方向修正量ηｖ  に対する重み係数、ｋｅｎｃＶは仮定１で説明した割合、ｋηｖ  は仮定２で説明した係数、ｄｖ  は外乱要素である。
また、直線推進時の垂直方向運動に関してはレーザ受光面垂直位置Ｙｔ  と先導体前筒１０４の計画線に対する傾斜角（ピッチング角）ｐｆ  が計測可能であり、これらは図１０から次式のように表すことができる。
Ｙｔ＝Ｙｃ−Ｌｈ（θｖ＋ηｖ）−Ｌｆθｖ−Ｌｒθｖｒ                            ・・・（３８）
ｐｆ＝θｖ＋ｐ０                                                                                                                                                                    ・・・（３９）
【０１１１】
式（３５）、式（３６）の状態変化モデルを基に埋設管推進機の垂直運動に関する未知変数を推定するため、次式のような変数ベクトルＸｖ∈Ｒ（ｎｄ＋２＋ｎｂ＋４）×１を導入する。
【０１１２】
【数２６】
0003612015.tif 000031
【０１１３】
ピッチングオフセット角ｐ０  は計画線により決定されるが、埋設管推進機に設置されたピッチング計２０３自体のオフセットも考慮して未知変数として推定する。このとき、埋設管推進機の垂直方向の運動は以下の状態方程式で記述される。
【０１１４】
【数２７】
0003612015.tif 000032
【０１１５】
ωｖ［ｋ］はＥ（ωｖ）＝０，Ｅ（ωｖ［ｋ］ωＴｖ［ｋ’］）＝Σωｖδｋｋ’  のシステムノイズを表している。一方、式（３８）、式（３９）は式（３７）を用いることにより、次の観測方程式で表現できる。
【０１１６】
【数２８】
0003612015.tif 000033
【０１１７】
υｖ［ｋ］はＥ（υｖ）＝０，Ｅ（υｖ［ｋ］υＴｖ［ｋ’］）＝Συｖδｋｋ’  の観測ノイズを表している。
いま、Ｅ（ωｖ［ｋ］υＴｖ［ｋ’］）＝Ｏ（ｎｄ＋ｎｂ＋６）×２  と仮定すると、以下のようなカルマンフィルタが構成され、未知変数ベクトルＸｖ［ｋ］の推定値ハットＸｖ［ｋ］を求めることが可能になる。
【０１１８】
【数２９】
0003612015.tif 000034
【０１１９】
【数３０】
0003612015.tif 000035
【０１２０】
【数３１】
0003612015.tif 000036
【０１２１】
【数３２】
0003612015.tif 000037
【０１２２】
【数３３】
0003612015.tif 000038
【０１２３】
式（４２）、式（４３）はフィルタ方程式、式（４４）はカルマンゲイン、式（４５）、式（４６）は誤差の共分散行列方程式である。
一方、水平方向において曲線施工を行っているときでも垂直方向の計画線は通常直線の組み合わせで表現されているため、状態変化モデルも直線施工時と同じ形を使うことができる。また、垂直計画線からの変位も液圧差法により連続的に計測可能であることから、状態推定を行うには基本的に観測方程式のみを書き換えてカルマンフィルタを適用すればよい。一方、式（３８）、式（３９）は式（３７）を用いることにより次の観測方程式で表現できる。すなわち、式（４０）の状態方程式に対し液圧差法による次の観測方程式を組み合わせる。
【０１２４】
【数３４】
0003612015.tif 000039
【０１２５】
Ｙｓ  は液圧差により求められた埋設管推進機の深度と垂直計画線上の深度との差を表し、Ｌｓ  は埋設管推進機に内蔵された液圧感知用の圧力センサ３０３の方向修正部１０３からの距離を表している。カルマンフィルタによる状態推定は、上記の観測方程式を式（４２）〜式（４６）へ適用すればよい。また、水平方向の状態推定の場合と同様に、観測手段に関わらず状態ベクトルの物理的意味は変わらないので、観測信号の種類に応じて観測方程式を切り替えることにより連続的に状態推定が行える。
【０１２６】
次に、カルマンフィルタにより推定された状態モデルを用いて埋設管推進機の垂直方向制御を行うことを考える。前述のように水平と垂直方向の運動は独立と考えることができ、これらは同様なモデルで記述できるので、ここでも基線に対する埋設管推進機先端（カッターヘッド１０２の先端）の垂直変位Ｙｃ  をｘ、先導体前筒１０４の垂直傾斜角θｖ  をθ、レーザ受光装置２０２の垂直変位Ｙｔ  をｙでそれぞれ表すことにする。
【０１２７】
また、ある均質な土質の状態でカルマンフィルタにより推定されたヘッド角操作（垂直方向修正量）に対する推進機挙動に関するパラメータもｂｉ＝ｂｖｉ，ｋｅｎｃ＝ｋｅｎｃｖ，ｋη＝ｋηｖ  で表せば、式（３５）、式（３６）、式（３７）の状態変化モデルは状態ベクトルＸを用いて式（２５）の状態空間表現で同様に記述できる。したがって、直線施工時の垂直方向制御についても式（３０）、式（３１）による最適ゲインを求めて状態フィードバック制御を行えばよい。
【０１２８】
一方、曲線施工時の液圧差法による垂直方向制御では、
ｙ［ｋ］＝ＣＸ［ｋ］
ｙ［ｋ］＝Ｙｓ
Ｃ＝［−（Ｌｈ＋Ｌｓ）    Ｏ１×（ｎｄ）  １  −Ｌｈ      Ｏ１×（ｎｂ−２）］
なるＣを用いて式（３１）のリカッチ方程式を解くことにより、次式の評価関数Ｊを最適化する状態フィードバック則を得ることができる。
【０１２９】
【数３５】
0003612015.tif 000040
【０１３０】
水平方向制御の場合に述べたように、上述した方向制御の性能は状態変化モデル式（３６）の方向修正量の先導体傾斜角変化へ与えうる影響を示すパラメータであるｂｖｉに大きく関係している。実際、最適フィードバックゲインＫが求まるためには（Ａ，Ｂ）が可制御であることが必要であるが、先導体１０１の周囲の土質条件によってはこれが満足されない場合も有りえる。
【０１３１】
一方、次式で表される指標ＳＢｖ  を導入する。
【０１３２】
【数３６】
0003612015.tif 000041
【０１３３】
これにより、ＳＢｖηｖ０  は式（３６）から同じ方向修正量ηｖ０を与え続けたときの先導体傾斜角θｖ  の変化率を表すことになる。周囲の地盤土質に対してカッターヘッド１０２の方向修正が先導体１０１の傾斜角の変化に十分効果がある場合には、この指標ＳＢｖ  も十分大きいと考えられる。
【０１３４】
よって、埋設管推進機の状態推定を行いながら常にこの指標ＳＢｖ  をチェックし、指標ＳＢｖ  があるしきい値を下回るような事態が発生したときには、カッターヘッド１０２の方向修正による先導体１０１の旋回性能が低下してきたものと判断して、オペレータに警告を発することができる。
【０１３５】
また、指標ＳＢｖ  がしきい値より大きい場合でも、式（３６）の外乱要素ｄｖ  が大きい場合には、カッターヘッド１０２の方向修正だけでは所望の方向制御ができない可能性も考えられる。そこで、先導体１０１の旋回性能に関する次式のような指標κｖ  を導入する。
κｖ  ＝ＳＢｖηｖｍａｘ−｜ｄｖ｜                                                        ・・・（４９）
【０１３６】
ここで、ηｖｍａｘは最大方向修正量、外乱要素ｄｖ  は前述のカルマンフィルタにより逐次推定されたものである。埋設管推進機の状態推定を行いながら常にこの指標κｖ  をチェックし、指標ＳＢｖ  がしきい値を超えている場合でも、この指標κｖ  があるしきい値を下回るような事態が発生したときには、カッターヘッド１０２の方向修正による先導体１０１の旋回性能がその時点での外乱要素に対応しきれなくなったと判断して、オペレータに警告を発することができる。
【０１３７】
次に、図９に示した方向制御装置の構成について説明する。方向制御装置は、地上に設置され、観測信号切替器９０１と、垂直方向状態推定器９０２と、垂直方向制御器９０３とから構成される。
前記計画線の方向のうち垂直方向の成分を示す垂直計画線情報は、オペレータによって設定され、垂直方向状態推定器９０２と垂直方向制御器９０３に入力される。
【０１３８】
埋設管推進機に設けられたレーザ受光装置２０２は、レーザ光（計画線）に対する自装置の垂直変位Ｙｔ  を示す観測信号を出力する。
埋設管推進機に設けられた圧力センサ３０３は、地上の基準液圧測定装置３０４で測定された基準液圧と自センサで測定した液圧との差に基づいて、自センサの計画線に対する垂直変位Ｙｓ  を示す観測信号を出力する。
【０１３９】
観測信号切替器９０１は、直線施工のときは、レーザ受光装置２０２から出力された垂直変位観測信号を選択出力し、曲線施工の場合は、圧力センサ３０３から出力された垂直変位観測信号を選択出力する。
【０１４０】
垂直方向状態推定器９０２は、観測信号切替器９０１の出力信号と、埋設管推進機のピッチング計２０３から出力された、計画線に対する先導体前筒１０４の傾斜角（ピッチング角）ｐｆ  を示すピッチング角信号と、垂直方向制御器９０３から出力された現時点での垂直方向修正量ηｖ  と、前記垂直計画線情報とを入力信号とする。
【０１４１】
そして、垂直方向状態推定器９０２は、この入力信号と、計画線曲率ρＨ  を外部入力項として有する、先導体１０１の状態変化モデル式（式（３５）、式（３６）、式（３７））と、観測信号切替器９０１から選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式（式（４１）、式（４７））とに基づいて、推進機状態推定値（計画線に対する先導体１０１の垂直位置・姿勢パラメータθｖ  ）をオンライン推定する。
【０１４２】
垂直方向制御器９０３は、垂直方向状態推定器９０２によって推定された垂直位置・姿勢パラメータが零に収束するようにフィードバック量を計算して、このフィードバック量を基に次の垂直方向修正量を計算する。
垂直方向制御器９０３で計算された垂直方向修正量は、埋設管推進機に入力され、この垂直方向修正量に基づいて方向修正ジャッキ１１１が駆動される。こうして、先導体１０１が計画線の方向に前進するよう方向制御が行われる。
【０１４３】
なお、図９の例では、垂直方向制御器９０３で計算された垂直方向修正量を埋設管推進機に与えるようにしているが、地上に設置された図示しない表示装置に垂直方向制御器９０３で計算された垂直方向修正量を表示させ、この垂直方向修正量を基にオペレータが方向修正ジャッキ１１１を操作してもよい。また、垂直方向状態推定器９０２と垂直方向制御器９０３は、演算装置、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。
以上のようにして、オペレータの熟練度に依存せず、均質で高精度な方向制御を実現できる。
【０１４４】
［実施の形態の３］
次に、本発明の第３の本実施の形態について説明する。ここでは、以下に現れる変数は水平方向・垂直方向共通であるとする。現時点よりｎｐ×Ｌｐ（ｍ）だけ過去の状態ベクトルを初期ベクトルＸ０  とする。
【０１４５】
【数３７】
0003612015.tif 000042
【０１４６】
また、そのときの状態変化モデルのパラメータｂｉ，ｋｅｎｃ，ｋηにより構成された式（２５）に対応した状態空間表現を次式で表す。
Ｘ［τ＋１］＝Ａ０Ｘ［τ］＋Ｂ０ν［τ］＋ｄ０                          ・・・（５０）
【０１４７】
ベクトルＸ０  を初期値として、ｎｐ×Ｌｐ過去から現在までに投入された方向修正量からν［τ］＝η［ｋ−ｎｐ＋１＋τ］−η［ｋ−ｎｐ＋τ］（τ＝０・・・ｎｐ  ）を与えながら、式（５０）の計算を繰り返せば、観測手段に応じた観測方程式ｙ［τ］＝ＣＸ［τ］は過去の状態推定量を基にした現在までの観測信号（埋設管推進機の各センサ及び誘導磁界検出装置で得られる信号）の予測値を求めることができる。したがって、この予測値と実際に観測された信号を比較することにより状態推定の精度を評価することが可能になる。
なお、本実施の形態の処理は、水平方向と垂直方向でそれぞれ別々に行うものである。
【０１４８】
【発明の効果】
本発明によれば、先導体に設けられたレーザ受光装置の計画線に対する水平変位を示す観測信号を直線施工時に選択出力し、先導体に設けられた誘導磁界発生装置の計画線に対する水平変位を示す観測信号を曲線施工時に選択出力する手順と、選択出力された観測信号、先導体前筒と先導体後筒との水平方向の相対角を示す中折れ角信号、現時点における水平方向修正量、及び計画線の方向を示す計画線情報を入力とし、計画線の曲率を外部入力項として有する、先導体の状態変化モデル式と選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式とに基づいて、計画線に対する先導体の水平位置・姿勢パラメータを埋設管推進機の推進と同時に推定する手順と、この推定された水平位置・姿勢パラメータが零に収束するように次の水平方向修正量を計算する手順とを行うことにより、現時点での周囲の地盤の性質に見合ったカッターヘッドの適切な水平方向修正量を求めることが可能となり、オペレータの熟練度に依存することなく、均質で高精度な水平方向制御を行うことができる。
【０１４９】
また、ｎｂ個の水平方向修正量の重み係数の和が所定のしきい値未満のときに警告を発することにより、カッターヘッドの水平方向修正による先導体の旋回性能が低下してきたときにオペレータに警告を発することができる。
【０１５０】
また、ｎｂ個の水平方向修正量の重み係数の和に水平方向修正量がとり得る最大値を乗じた値から外乱要素と計画線曲率の差分絶対値を減算した値が、所定のしきい値未満のときに警告を発することにより、カッターヘッドの水平方向修正による先導体の旋回性能がその時点での強制中折れジャッキの状態や計画線曲率に対応しきれなくなったと判断して、オペレータに警告を発することができる。
【０１５１】
また、先導体に設けられたレーザ受光装置の計画線に対する垂直変位を示す観測信号を直線施工時に選択出力し、先導体に設けられた圧力センサの計画線に対する垂直変位を示す観測信号を曲線施工時に選択出力する手順と、選択出力された観測信号、計画線に対する先導体前筒の傾斜角を示すピッチング角信号、現時点における垂直方向修正量、及び計画線の方向を示す計画線情報を入力とし、計画線の曲率を外部入力項として有する、先導体の状態変化モデル式と選択出力された観測信号の種類に対応した観測方程式とに基づいて、計画線に対する先導体の垂直位置・姿勢パラメータを埋設管推進機の推進と同時に推定する手順と、この推定された垂直位置・姿勢パラメータが零に収束するように次の垂直方向修正量を計算する手順とを行うことにより、現時点での周囲の地盤の性質に見合ったカッターヘッドの適切な垂直方向修正量を求めることが可能となり、オペレータの熟練度に依存することなく、均質で高精度な垂直方向制御を行うことができる。
【０１５２】
また、ｎｂ個の垂直方向修正量の重み係数の和が所定のしきい値未満のときに警告を発することにより、カッターヘッドの垂直方向修正による先導体の旋回性能が低下してきたときにオペレータに警告を発することができる。
【０１５３】
また、ｎｂ個の垂直方向修正量の重み係数の和に垂直方向修正量がとり得る最大値を乗じた値から外乱要素の絶対値を減算した値が、所定のしきい値未満のときに警告を発することにより、カッターヘッドの垂直方向修正による先導体の旋回性能がその時点での強制中折れジャッキの状態や計画線曲率に対応しきれなくなったと判断して、オペレータに警告を発することができる。
【０１５４】
また、現時点よりある一定距離だけ過去の状態推定量を初期値として過去の時点から現時点までに与えられた水平方向修正量又は垂直方向修正量を状態変化モデル式に入力することにより推定した観測値と、実際に得られた観測値とを同時に表示することにより、推進器の状態推定の精度を評価することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方向制御装置の制御対象となる掘削型埋設管推進機の全体構成を示す側面図である。
【図２】掘削型埋設管推進機の直線施工時の位置検知システムであるレーザターゲット法による位置検知システムの構成を示すブロック図である。
【図３】掘削型埋設管推進機の曲線施工時の位置検知システムである誘導磁界検出装置による水平位置検知システム及び液圧差法による垂直位置検知システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態となる方向制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】埋設管推進機の水平方向の状態変化モデルを記述するための座標系の定義法を示す説明図である。
【図６】埋設管推進機が単位推進長前進する際の状態変化の詳細を示す説明図である。
【図７】埋設管推進機による曲線施工時の水平方向の状態変化モデルを記述するための座標系を示す説明図である。
【図８】水平方向の状態変化モデルに曲線計画線が及ぼす影響を示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態となる方向制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】埋設管推進機の垂直方向の状態変化モデルを記述するための座標系の定義法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１…先導体、１０２…カッターヘッド、１０３…方向修正部、１０４…先導体前筒、１０５…先導体後筒、１０６…中折れ部、１０７…元押装置、１０８…埋設管、１０９…地盤、１１０…発進立抗、１１１…方向修正ジャッキ、２０１…レーザセオドライト、２０２…レーザ受光装置、２０３…ピッチング計、２０４…中折れ角センサ、２０５…ローリング計、３０１…誘導磁界発生装置、３０２…誘導磁界検出装置、３０３…圧力センサ、３０４…基準液圧測定装置、４０１…観測信号切替器、４０２…水平方向状態推定器、４０３…水平方向制御器、９０１…観測信号切替器、９０２…垂直方向状態推定器、９０３…垂直方向制御器。
【図１】
0003612015.tif 000043
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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