(57)【要約】【課題】本発明は、地球の自転角速度・重力を利用し、前記ドリルの旋回により生じる方位角誤差を除去し、抗掘削の方位精度を向上させることを目的とする。【解決手段】本発明によるたて抗掘削機用方位検出装置及びそれを用いたたて抗掘削時の方位検出方法は、方位検出部(20)が検出する地球の自転角速度・重力を利用し、ドリル(2)の旋回により生じる方位角誤差を除去する構成と方法である。【選択図】図１
2007171043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
たて抗掘削機(1)のドリル(2)に設けられた筺体(10)と、前記筺体(10)内に設けられた３軸角速度計(12)及び３軸加速度計(13)とからなる方位検出部(20)と、前記方位検出部(20)からの出力信号(20a)を外部に送信するため前記筺体(10)内又は筺体(10)外に設けられた出力信号送信部(21)と、からなり、
前記筺体(10)内には、演算部(14)及び記憶部(15)が設けられ、前記３軸加速度計(13)により検出される加速度から前記演算部(14)を用いて前記ドリル(2)の初期姿勢角を算出し、前記３軸角速度計(12)で検出される角速度が前記演算部(14)によって水平成分と垂直成分に分解され、前記ドリル(2)が静止時に地球の自転角速度からなる角速度を用いて前記演算部(14)により真方位角を検出するようにしたたて抗掘削機用方位検出装置において、
前記方位検出部(20)が検出する地球の自転角速度・重力を利用し、前記ドリル(2)の旋回により生じる方位角誤差を除去することを特徴とするたて抗掘削機用方位検出装置。
【請求項２】
たて抗掘削機(1)のドリル(2)に設けられた筺体(10)と、前記筺体(10)内に設けられた３軸角速度計(12)及び３軸加速度計(13)とからなる方位検出部(20)と、前記方位検出部(20)からの出力信号(20a)を外部に送信するため前記筺体(10)内又は筺体(10)外に設けられた出力信号送信部(21)と、からなり、
前記筺体(10)内には、演算部(14)及び記憶部(15)が設けられ、前記３軸加速度計(13)により検出される加速度から前記演算部(14)を用いて前記ドリル(2)の初期姿勢角を算出し、前記３軸角速度計(12)で検出される角速度が前記演算部(14)によって水平成分と垂直成分に分解され、前記ドリル(2)が静止時に地球の自転角速度からなる角速度を用いて前記演算部(14)により真方位角を検出するようにしたたて抗掘削機用方位検出方法において、
前記方位検出部(20)が検出する地球の自転角速度・重力を利用し、前記ドリル(2)の旋回により生じる方位角誤差を除去することを特徴とするたて抗掘削時の方位検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たて抗掘削機用方位検出装置及びそれを用いたたて抗掘削時の方位検出方法に関し、特に、方位検出部が検出する地球の自転角速度・重力を用いて、ドリルの旋回により生じる方位角誤差を除去し、たて抗掘削時に方位角を正しく検出するための新規な改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、用いられていたこの種のたて抗掘削機用方位検出機として、その構成を示す特許文献等を開示していないが、一般に、たて抗掘削機のドリルに装着された３軸角速度計を用い、この３軸角速度計から得られた角速度を積分してドリルの方位角を検出していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のたて抗掘削機用方位検出機は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、角速度を積分して方位角を検出する場合には、掘削時に印加される角速度のスケールファクタ誤差が蓄積されることにより、正しい方位角を検出することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によるたて抗掘削機用方位検出装置は、たて抗掘削機のドリルに設けられた筺体と、前記筺体内に設けられた３軸角速度計及び３軸加速度計とからなる方位検出部と、前記方位検出部からの出力信号を外部に送信するため前記筺体内又は筺体外に設けられた出力信号送信部と、からなり、前記筺体内には、演算部及び記憶部が設けられ、前記３軸加速度計により検出される加速度から前記演算部を用いて前記ドリルの初期姿勢角を算出し、前記３軸角速度計で検出される角速度が前記演算部によって水平成分と垂直成分に分解され、前記ドリルが静止時に地球の自転角速度からなる角速度を用いて前記演算部により真方位角を検出するようにしたたて抗掘削機用方位検出装置において、前記方位検出部が検出する地球の自転角速度・重力を利用し、前記ドリルの旋回により生じる方位角誤差を除去する構成であり、また、本発明によるたて抗掘削時の方位検出方法は、たて抗掘削機のドリルに設けられた筺体と、前記筺体内に設けられた３軸角速度計及び３軸加速度計とからなる方位検出部と、前記方位検出部からの出力信号を外部に送信するため前記筺体内又は筺体外に設けられた出力信号送信部と、からなり、前記筺体内には、演算部及び記憶部が設けられ、前記３軸加速度計により検出される加速度から前記演算部を用いて前記ドリルの初期姿勢角を算出し、前記３軸角速度計で検出される角速度が前記演算部によって水平成分と垂直成分に分解され、前記ドリルが静止時に地球の自転角速度からなる角速度を用いて前記演算部により真方位角を検出するようにしたたて抗掘削機用方位検出方法において、前記方位検出部が検出する地球の自転角速度・重力を利用し、前記ドリルの旋回により生じる方位角誤差を除去する方法である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によるたて抗掘削機用方位検出装置及びそれを用いたたて抗掘削時の方位検出方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、方位検出部が検出する地球の自転角速度・重力を用いて、ドリルの旋回により生じる方位角誤差を除去し、たて抗掘削時に方位角を正しく検出することができるため、ドリルによるたて抗の正しい掘削を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、方位検出部が検出する地球の自転角速度・重力を用いて、ドリルの旋回により生じる方位角誤差を除去し、たて抗掘削時に方位角を正しく検出するようにしたたて抗掘削機用方位検出装置及びそれを用いたたて抗掘削時の方位検出方法を提供することを目的とする。
【実施例】
【０００７】
以下、図面と共に本発明によるたて抗掘削機用方位検出装置及びそれを用いたたて抗掘削時の方位検出方法の好適な実施の形態について説明する。
図２において符号１で示されるものはドリル２を有するたて抗掘削機であり、このドリル２には、先端掘削部３と上部掘削スクリュ４とが設けられている。
前記ドリル２の先端掘削部３と上部掘削スクリュ４との間の位置には、方位検出装置５が取付けられ、ドリル２と共に一体回転及び上下動可能に構成されている。
【０００８】
前記方位検出装置５は、図１で示されるように構成されている。すなわち、前記方位検出装置５の筺体１０内には、電源１１が供給された３軸角速度計１２、３軸加速度計１３、演算部１４及び記憶部１５が内設されており、少なくとも、この筺体１０、３軸角速度計１２及び３軸加速度計１３によって方位検出部２０が構成されている。
【０００９】
前記筺体１０は、図１では正方形の箱型に形成されているが、これは模式的に示しているもので、ドリル２の外周に取付けやすくするために、輪状に構成する場合もある。
前記方位検出部２０からの方位角及び姿勢角等を示す出力信号２０ａは、出力信号送信部２１を介して外部の前記たて抗掘削機１の制御装置２３（図３に示す）に入力するように構成され、前記出力信号送信部２１は、スリップリングを用いた機械式、又は、無線式等が採用されると共に前記筺体１０内又は筺体１０の外部へ設けられている。
【００１０】
前記方位検出装置５は、図３のブロック図にて示されるように、方位検出部２０及び出力信号送信部２１とからなり、前記方位検出部２０からの出力信号２０ａは信号処理部２２にて、波形処理又はＡ／Ｄ変換等の処理を受けた後、たて抗掘削機１の制御装置２３に送信されるように構成されている。
【００１１】
次に、前述の構成において本発明による方位検出装置を用いて、たて抗掘削時の方位検出を行う方法について説明する。
まず、図２のように、たて抗掘削機１のドリル２の先端掘削部３と上部掘削スクリュ４との間に方位検出装置５を取付ける。
【００１２】
（初期姿勢角・方位角算出）
前記方位検出装置５の３軸加速度計１３により検出される加速度によりドリル２の初期姿勢角が算出され、この姿勢角より３軸角速度計１２で検出される角速度が水平成分及び垂直成分に分解される。
前述のように、たて抗掘削機１の非駆動状態においては、静止状態であるため、この静止状態で検出される角速度は地球の自転角速度であるため、この時に印加された角速度より前記ドリル２の真方位角が検出される（通常は、１０分程度を要する）。
【００１３】
（掘削開始及び方位角の計測）
次に、前述の状態において、前記ドリル２を回転し、掘削方向Ａにドリル２を降下させると、ドリル２は旋回方向Ｂへ旋回しつつ地中へ降下する。
この時、印加される角速度を３軸角速度計１２で検出し、検出された角速度信号を積分することにより、ドリル２の姿勢角及び方位角を計測する。
【００１４】
前述の場合、検出される角速度には誤差が含まれ、この誤差は積分により蓄積され、この誤差の内、スケールファクタ成分についてはドリル２が旋回を続けることから大きくなる。そのため、前記ドリル２の旋回中も、地球の自転角速度・重力を利用して、旋回により生じる方位角誤差を除去し、たて抗掘削時に方位角を正しく検出する必要がある。
【００１５】
（地球の自転角速度）
ここで、地球は、周知のように、１５．０４（゜／ｈ）の角速度で自転しているが、この自転角速度はドリル２の各軸に対して次のように印加されている。
・Ｎ軸：１５．０４×ｃｏｓ（緯度）（゜／ｈ）
・Ｅ軸：０（゜／ｈ）
・Ｖ軸：１５０４×ｓｉｎ（緯度）（゜／ｈ）
（Ｎ軸：水平北向き、Ｅ：水平東向き、Ｖ：鉛直方向）
【００１６】
前記方位検出部２０が検出する角速度の積分により、前述のように、装置すなわち前記ドリル２の姿勢・方位角を算出する場合、本発明においては、前記地球の自転成分を前記ドリル２のボディー軸に変換し、減算する必要があるが、そのためには、ドリル２の姿勢・方位が正しく算出されている必要がある。
【００１７】
（ドリル２の旋回中の方位角の算出）
逆に、装置のドリル２の方位角の演算結果に誤差があると、地球の自転角速度を正しく変換できないために、姿勢角誤差となり、その結果、速度誤差が増大する。旋回中もドリル２は移動していないため、演算の結果出力される速度は、全て速度誤差と考えて良く、この誤差を観測することにより、算出結果の方位角に含まれる誤差を推定することが可能である。
算出される速度誤差には、加速度計のバイアス誤差、ＳＦ誤差、ジャイロのバイアス誤差、ＳＦ誤差に起因するものも含まれるため、この速度誤差から方位角誤差を推定する方式の一つとしては、カルマンフィルタを用いることができる。
【００１８】
（方位検出部２０（ジャイロ）のＳＦ誤差及びバイアス誤差の推定）
また、ドリル２が水平の場合、旋回中ドリル２のＸ軸、Ｙ軸に印加される角速度は振幅１５．０４×ｃｏｓ（緯度）（゜／ｈ）のｓｉｎ波となるため、ジャイロのＳＦ誤差、バイアス誤差を推定し、補正する。その補正式の例を以下に示す。
ＳＦ誤差＝（検出角速度最大値−検出角速度最小値）／（２×１５．０４×ｃｏｓ（緯度））
バイアス誤差＝（検出角速度最大値＋検出角速度最小値）／２
従って、前述の段落[００１７]及び[００１８]の処理を用いて旋回中のドリル２の姿勢・方位角を検出することにより、その再現性が地球の自転に伴う誤差以上の誤差を持つ方法検出部２０でも、正確な方位の算出ができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、たて抗掘削だけでなく、横穴の掘削にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による方位検出装置を示す構成図である。
【図２】図１の方位検出装置を取付けたたて抗掘削機のドリルを示す構成図である。
【図３】本発明における検出信号の処理を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２１】
１    たて抗掘削機
２    ドリル
５    方位検出装置
１０    筺体
１２    ３軸角速度計
１３    ３軸加速度計
１４    演算部
１５    記憶部
２０    方位検出部
２０ａ    出力信号
【図１】
2007171043.tif 000003
【図２】
2007171043.tif 000004
【図３】
2007171043.tif 000005