(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル掘削機の傾斜角を検出する傾斜測定部と、
前記トンネル掘削機に固定されたプリズムターゲットと、
前記プリズムターゲットに向けて測距用レーザを追尾して放出し、前記プリズムターゲットまでの垂直および水平距離を測定する追尾式トータルステーションと、
前記追尾式トータルステーションに対して固定された点光源と、
前記トンネル掘削機上に設置され、前記点光源をセンサー面の左右中心軸上に捕らえるようにセンサー面を旋回し、前記センサー面の旋回角を検出する角度検出器を備えた点光源追尾センサーと、
計測された傾斜角と、前記垂直および水平距離と、前記センサー面の旋回角とに基づいて前記トンネル掘削機の旋回角を算出する手段とを備えたことを特徴とするトンネル掘削機の位置計測装置。
【請求項２】
前記追尾式トータルステーションが、前記測距用レーザの放出された方向の測定を行う照射角度検出器を備え、
前記旋回角の算出手段が前記測距用レーザの放出された方向と前記トンネル掘削機の旋回角に基づいて、前記トンネル掘削機の位置および姿勢を算出する請求項１に記載のトンネル掘削機の位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、掘削中のトンネル掘削機の位置計測装置に関し、特にそのヨーイング角の検出に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル掘削機を自動で運転させる時、またはオペレータ操作を誘導する場合には、トンネル掘削機の位置・傾き・旋回方向を絶えず自動計測する必要がある。これは正確なトンネルを掘削するためであり、この計測が不正確であるとトンネルが設計どおりに掘削されず、トンネルを形成するコンクリートの厚さが不均一になるため強度が低下したり、余分なコンクリートが必要となるためコストが騰がったりする。
【０００３】
そこでトンネル掘削機の位置計測装置として、本出願人より特願平８−３１４４１１号として提案しているものは、トンネル掘削機上に三つの発光源と反射プリズムを設けるとともに、トンネル掘削機の後方に各反射プリズムの座標系を測定する一台のＣＣＤカメラ付き三次元計測器を設置し、ヨーイング角、ピッチング角、ローリング角を含むトンネル掘削機の位置を計算するようにしている。
【０００４】
同じく本出願人より特願２００１−２７７５８４として提案しているものは、トンネル掘削機に発光源反射プリズムを設けるとともに、ピッチング角およびローリング角を測定する傾斜計と、レーザ発射機からのレーザの照射位置を検出するターゲット板を備える。また、トンネル掘削機の後方には反射プリズムの座標位置を測定する追尾式トータルステーションと、追尾式トータルステーションの放射するレーザと平行なレーザを発射するレーザ発射機を設置する。これらの計測器よりピッチング角、ローリング角、レーザの照射位置、レーザの放射角、および反射プリズムの位置座標からトンネル掘削機のヨーイング角を算出するようにしている。
【０００５】
また、従来、トンネル掘削機上に二つの発光源付き反射プリズムを設けるとともに、トンネル掘削機の後方に各反射プリズムの座標位置を測定する二台の三次元計測器を設置し、ヨーイング角、ローリング角を含むトンネル掘削機の位置を測定するものがあった。
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら特願平８−３１４４１１号のように、一台のＣＣＤカメラ付き三次元計測器で３つの光源および反射プリズム位置を測定するものにあっては、小型のトンネル掘削機の場合にその移動範囲が大きくなったり、ヨーイング角、ピッチング角、ローリング角のとる範囲が大きくなったりすると、一台のＣＣＤカメラで三つもの発光源を認識するのが難しく、誤計測を行う心配がある。
【０００７】
また、特願２００１−２７７５８４号においては、レーザターゲット板と測定の中心となる反射プリズムとの距離と、反射プリズムと実際に掘削を行う掘削点との距離の比が、計測誤差と掘削誤差の比となり、高い分解能を持つレーザターゲット板が必要となるという問題があった。
【０００８】
さらに、二台の三次元計測器で二つの発光源付き反射プリズム位置を測定するものにあっては、高価な三次元計測器が増えることによりコストアップを招く。そして、トンネル天井部から三次元計測器を吊り下げるようにして設置する場合、設置作業の工数が増え、また二台とも座標管理が必要で労力がかかる。
【０００９】
そこで、本発明は上記の問題を解決するために、一台の三次元計測器でトンネル掘削機の精度の高い位置計測を行うことを目的とする。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、トンネル掘削機の傾斜角を検出する傾斜測定部と、前記トンネル掘削機に固定されたプリズムターゲットと、前記プリズムターゲットに向けて測距用レーザを追尾して放出し、前記プリズムターゲットまでの垂直および水平距離を測定する追尾式トータルステーションと、前記追尾式トータルステーションに対して固定された点光源と、前記トンネル掘削機上に設置され、前記点光源をセンサー面の左右中心軸上に捕らえるように前記センサー面が旋回し、前記センサー面の旋回角を検出する角度検出器を備えた点光源追尾センサーと、測定された傾斜角と、前記垂直および水平距離と、前記センサー面の旋回角とに基づいて前記トンネル掘削機の旋回角を算出する手段とを備えた。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記追尾式トータルステーションが、前記測距用レーザの放出された方向の測定を行う照射角度検出器を備え、前記旋回角の算出手段が前記測距用レーザの放出された方向と前記トンネル掘削機の旋回角に基づいて、前記トンネル掘削機の位置および姿勢を算出する。
【００１２】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、センサー面が旋回して点光源を左右中心軸上に捉えられるので、センサー面による検知の対象となる空間を狭く設定することができ、分解能を上げることができるので、また、計測する対象が角度なので角度検出器を用いることで、コストを低減して精度の高い計測を行うことができる。
【００１３】
第２の発明によれば、測距用のレーザの放出方向を検知できるようにしたので、トンネル掘削機の位置および姿勢を算出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施形態の構成を図１、図２に示す。図１はトンネル掘削機１の位置計測装置を側面方向からみた構成であり、図２は上方からみた構成である。本実施形態においては、原点に関して反時計周りを正の回転とする。
【００１５】
まず、トンネルを基準としたトンネル座標系を設定する。トンネルの垂直上方向をY軸の正方向、トンネルの掘削部に向かって水平右方向をX軸の正方向、トンネルの掘削方向をZ軸の負方向とする。このようなトンネル座標系において、後述するトンネル掘削機１が水平である状態、つまりトンネル掘削機１の横軸および縦軸がZX平面に平行な同一平面上に存在するような状態に対して、トンネル掘削機１の横軸周りの回転角をピッチング角α、縦軸周りの回転角をローリング角γとし、水平方向の旋回角をヨーイング角βとする。
【００１６】
本実施形態では、このようなトンネル座標系におけるトンネル掘削機１の位置座標およびピッチング角α、ローリング角γ、ヨーイング角βを計測または算出し、トンネル掘削機１のトンネルに対する位置・傾き・旋回を検出する。
【００１７】
トンネル掘削機１は、背面部に傾斜計２を備え、この傾斜計２によりトンネル掘削機１のピッチング角αおよびローリング角γを計測する。ここで傾斜計２は二つの傾斜計を用いてそれぞれの傾斜角α、γを計測してもよいが、本実施形態においては、二軸周りの回転を計測できる一つの傾斜計２を用いる。傾斜計２の後方には、プリズムターゲット３をトンネル掘削機1に固定・設置し、その中心をトンネル掘削機１の位置座標を計測する際の測定点とする。
【００１８】
ここで、図３〜図５に示すように、トンネル掘削機１を基準とした掘削機座標系を想定する。掘削機座標系はプリズムターゲット３の中心を原点とし、トンネル掘削機１がピッチング角α＝ローリング角γ＝ヨーイング角β＝０の時、トンネル座標系の軸方向と掘削機座標系の軸方向が一致するように設定し、トンネル掘削機１に対して固定した座標系とする。つまり、トンネル掘削機１のトンネル座標系における傾きや旋回は、掘削機座標系のトンネル座標系に対する傾きや旋回に一致する。
【００１９】
また、プリズムターゲット３の中心からδ1上方、かつδ2後方に離れた位置に角度検出器付き点光源追尾センサー４のセンサー面の中心がくるように、角度検出器付き点光源追尾センサー４を設置する。角度検出器付き点光源追尾センサー４は、離れた場所に設置した後述の点光源７をセンサー面上に捉え、点光源７を追尾する装置である。これはターンテーブルを介してトンネル掘削機１に設置され、掘削機座標系のＹＺ平面に存在するセンサー面の左右中心軸（掘削機座標系におけるＺ＝δ2、Ｘ＝０の直線）上に点光源７が検知されるようにサーボモータによりセンサー面を旋回させ点光源７の追尾を行う。またこれには、センサー面がＸＹ平面に平行である時を０度とし、点光源７をセンサー面の左右中心軸上に感知するようにセンサー面が旋回した角度β1を検出するエンコーダ等の角度検出器を備えている。ここで、本実施形態では、センサー面の中心をプリズムターゲット３の中心からδ1上方でδ2後方に設置したが、下方や前方に設置してもよい。
【００２０】
このように点光源７をセンサー面の左右中心線上で検知するようにセンサー面を回転することで、角度検出器付き点光源追尾センサー４自身の検知範囲を狭く設定しても、点光源７の追尾を広い範囲で行うことができる。つまり、角度検出器付き点光源追尾センサー４の検知範囲を狭く設定し、その分解能を上げることができるので、精度のよい検知を行うことができる。
【００２１】
また、トンネル掘削機１には、マイクロコンピュータなどで構成されるコントローラが備えられ、ここで掘削作業の制御を行うとともに、傾斜計２の測定結果を読み込み、トンネル掘削機１の位置を算出する。
【００２２】
トンネル掘削機１の後方には、追尾式トータルステーション５をトンネル内に対して固定して設置する。そのため、トンネル座標系における追尾式トータルステーション５の位置を決まった座標で表すことができるので、この追尾式トータルステーション５を測定部として、トンネル掘削機１に設置したプリズムターゲット３の中心の位置を計測する。また、追尾式トータルステーション５には、この測定結果をトンネル掘削機１に備えたコントローラに送るための無線機を備える。
【００２３】
追尾式トータルステーション５からは、常にプリズムターゲット３の中心に向かって測距用のレーザ６を放射する。追尾式トータルステーション５はこの測距用のレーザ６がプリズムターゲット３にあたり、反射する光波から測距部に対するプリズムターゲット３の距離を測定する光波距離計と、測距用レーザ６を放射する方向を測定する角度検出器を備え、これらにより、追尾式トータルステーション５からプリズムターゲット３の中心までの距離と、トンネル軸に対するレーザ６の水平方向の放射角β2を検知することができる。このような二つの要素から、トンネル座標系に対するプリズムターゲット３の中心の位置座標を計測することができる。
【００２４】
ここで、図６〜図８に示すようにピッチング角＝ローリング角γ＝０およびレーザ６に対してトンネル掘削機１の旋回角β3が０度の状態を仮想トンネル掘削機１Aとし、この仮想トンネル掘削機１Aの掘削機座標系を仮想座標系とする。レーザ６のトンネル座標系における放射角β2は追尾式トータルステーション５に備えた角度検出器で測定することができるので、この仮想座標系は既知の座標系となる。
【００２５】
追尾式トータルステーション５の上方には、仮想トンネル掘削機１Aの状態の時に角度検出器付き点光源追尾センサー４のセンサー面の中心で感知されるように、点光源７を設置する。ここでは、レーザ６の放射される点（プリズムターゲット３の中心の位置座標を計測する基準点）よりもトンネル座標系においてＹ軸正方向にｄだけ離れた位置に設置する。本実施形態では、点光源７が感知される位置をセンサー面の中心としたが、これは中心に限るわけではなく、センサー面の左右中心線上で検知すればよい。
【００２６】
このように構成したトンネル掘削機１の位置計測装置において、図９〜図１１に示すように、仮想トンネル掘削機１Ａをピッチング角α、ローリング角γ、およびレーザ６に対するトンネル掘削機１の旋回角β3について回転させたとき、角度検出器付き点光源追尾センサー４はある角度β1だけ旋回することによって、センサー面の左右中心軸上に点光源７を捉えることができる。反対に、ピッチング角α、ローリング角γ、角度検出器付き点光源追尾センサー４の旋回角β1を測定することで、これらよりレーザ６に対するトンネル掘削機１の旋回角β3を求めることができ、これとトンネル軸に対するレーザ６の放射角β2よりトンネル掘削機１のヨーイング角βを求めることができる。
【００２７】
次に、本実施形態におけるコントローラで実行されるトンネル掘削機１の座標位置の計測方法の大まかな流れを図１３で示す。
【００２８】
まずステップＳ１において、追尾式トータルステーション５によるプリズムターゲット３の追尾、および角度検出器付き点光源追尾センサー４による点光源７の追尾を開始する。
【００２９】
次にステップＳ２において、追尾式トータルステーション５の光波距離計により追尾式トータルステーション５からプリズムターゲット３の中心までの距離を、角度検出器によりトンネル軸に対する測距用レーザ６の水平方向の放射角β2と垂直方向の放射角ωを検出し、プリズムターゲット３の中心のトンネル座標系における位置座標を測定する。また、点光源７からプリズムターゲット３の中心までの垂直距離Ｌ1、水平距離Ｌ2を求める。
【００３０】
ステップＳ３において、ステップＳ２の計測結果から、プリズムターゲット３と点光源７までの垂直距離Ｌ1と水平距離Ｌ2およびプリズムターゲット３の中心座標をトンネル掘削機１のコントローラに無線等で送信する。
【００３１】
次にステップＳ４において、トンネル掘削機１に設置した傾斜計２によりピッチング角αおよびローリング角γ、角度検出器付き点光源追尾センサー４によりセンサー面の旋回角β1を測定する。
【００３２】
次にステップS５において、測定したピッチング角α、ピッチング角γ、角度検出器付き点光源追尾センサー４の旋回角β1、およびプリズムターゲット３と点光源７までの垂直距離L1と水平距離L2より、レーザ６に対するトンネル掘削機１の旋回角β3を算出する。
【００３３】
最後にステップS６において、トンネル軸に対するレーザ６の旋回角β2と、レーザ６に対するトンネル掘削機１の旋回角β3より、トンネル軸に対するトンネル掘削機１のヨーイング角βを求めることができる。これとピッチング角α、ローリング角γおよびステップS２におけるプリズムターゲット３の位置座標によりトンネル掘削機１の位置・傾き・旋回を決定することができる。
【００３４】
次に図１３のステップS５における計算方法を図１４のフローチャートに示す。ステップS５では、ピッチング角α、ローリング角γ、角度検出器付き点光源追尾センサー４の旋回角β1、プリズムターゲット３の中心と点光源７の垂直距離L1、水平距離L2より、レーザ６に対するトンネル掘削機１の旋回角β3を求める。
【００３５】
まず、ステップS５−１においては、仮想座標系における仮想の点光源７Aの位置を想定する。つまり、トンネル掘削機１が仮想トンネル掘削機１Aであると仮定し、プリズムターゲット３の中心を原点とした仮想座標系を考えたとき、仮想の点光源７ＡはYZ平面上のある点P(０、ｙ1、ｚ1)であると仮定できる。また、点光源７は点ＰO（０、Ｌ1、Ｌ2）となる。
【００３６】
次にステップS５−２において、角度検出器付き点光源追尾センサーのセンサー面がβ1旋回しているので、点Ｐ（仮想点光源７Ａ）をY軸まわりにβ1だけ回転させる。そして、トンネル掘削機１に対してローリング角γ、ピッチング角α、ヨーイング角β3による座標変換を行うと仮想点光源７Ａは点光源７に重なる。ここでは、ヨーイング角β3を算出することが目的なので、ピッチング角αおよびローリング角γによる変換を行い、点光源７と仮想の点光源７Ａの座標の不一致にヨーイング角β3による影響のみを残すため、次式のような変換を行う。
【００３７】
【式１】
0003940619.tif 000002
【００３８】
これにより、ヨーイング角β3のみの影響が残っている場合の仮想点光源７Ａの座標位置Ｐ2（ｘ2、ｙ2、ｚ2）は次のようになる。
【００３９】
【式２】
0003940619.tif 000003
【００４０】
ここで、ステップＳ５−３に進み、ヨーイング角β3の旋回により影響を受けるｘ2およびｚ2を求める。これは（１）の変換後にヨーイング角β3による変換を行うと、仮想点光源７Ａは点光源７に重なるが、ヨーイング角β3はＹ軸周りの回転なので変換によるＹ座標への影響はないため、ヨーイング角β3による点光源７と点光源７Ａの不一致はｘ2、ｚ2にのみ関係する。このように、y軸まわりにおける回転（ヨーイング角β3）によりＹ座標の値は変わらないので、ｙ2は既知の値Ｌ1となり、（３）より次式が求められる。
【００４１】
【式３】
0003940619.tif 000004
【００４２】
（５）を（２）、（４）に代入するとｘ2、ｚ2は次のように表される。
【００４３】
【式４】
0003940619.tif 000005
【００４４】
このとき、ｘ2、ｚ2を表す変数のうちｚ1のみが未知である。
【００４５】
次にステップＳ５−４において、未知数ｚ1を求める。ヨーイング角による変換ではＹ軸と点光源７および仮想の点光源７Ａの距離は変わらないので、その距離はＬ2で表すことができ次式が成立する。
【００４６】
【式５】
0003940619.tif 000006
【００４７】
トンネル掘削機１が掘削作業中であることを考慮すればｚ1は明らかに正であるから、これより次式が成立する。
【００４８】
【式６】
0003940619.tif 000007
【００４９】
これにより、ヨーイング角β3による変換を行う前の座標Ｐ2が既知の座標となる。
【００５０】
次に、ステップＳ５−５に進み、ヨーイング角β3を求める。この点Ｐ2をＹ軸周りにβ回転させると、点Ｐ2はＺ軸上に変換されるので、ヨーイング角β3は次式で求まる。
【００５１】
【式７】
0003940619.tif 000008
【００５２】
これによりレーザ６に対するトンネル掘削機１のヨーイング角β3を求めることができる。
【００５３】
この結果とステップＳ２で測定したトンネル軸に対するレーザ６の旋回角β2により、トンネル軸に対するトンネル掘削機１のヨーイング角βを求めることができる。
【００５４】
このように、点光源７を常に中心に捉えるように回転する角度検出器付き点光源追尾センサー４を用いることでセンサー面に要求される検知範囲を狭く設定することができるので、精度の高い測定を行うことができ、掘削の際の誤差を抑制することができる。また、ヨーイング角βの算出に必要な測定をセンサー面の旋回角度としたために、安価で精度の高い角度検出器を用いることができるのでコストを低減することができる。
【００５５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるわけではなく特許請求の範囲に記載した技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に用いるトンネル掘削機の位置計測装置を側面からみた構成図である。
【図２】本実施形態に用いるトンネル掘削機の位置計測装置を上方からみた構成図である。
【図３】旋回角β1＝０の時の掘削機座標系をＸ軸負方向からみた図である。
【図４】旋回角β1＝０の時の掘削機座標系をＺ軸正方向からみた図である。
【図５】旋回角β1の時の掘削機座標系をＹ軸正方向からみた図である。
【図６】仮想トンネル掘削機の状態をＸ軸負方向からみた図である。
【図７】仮想トンネル掘削機の状態をＺ軸正方向からみた図である。
【図８】仮想トンネル掘削機の状態をＹ軸正方向からみた図である。
【図９】ヨーイング角がβの時のトンネル掘削機を示す図である。
【図１０】ピッチング角がαの時のトンネル掘削機を示す図である。
【図１１】ローリング角がγの時のトンネル掘削機を示す図である。
【図１２】ヨーイング角β3のみの影響を受けた時の仮想座標系における点光源の位置を示す図である。
【図１３】トンネル掘削機の位置を測定する方法の概要を示すフローチャートである。
【図１４】レーザに対するトンネル掘削機の旋回角β3を求める計算方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１    トンネル掘削機
２    傾斜計（傾斜測定部）
３    プリズムターゲット
４    角度検出器付き点光源追尾センサー
５    追尾式トータルステーション
６    レーザ（測距用レーザ）
７    点光源
【図１】
0003940619.tif 000009
【図２】
0003940619.tif 000010
【図３】
0003940619.tif 000011
【図４】
0003940619.tif 000012
【図５】
0003940619.tif 000013
【図６】
0003940619.tif 000014
【図７】
0003940619.tif 000015
【図８】
0003940619.tif 000016
【図９】
0003940619.tif 000017
【図１０】
0003940619.tif 000018
【図１１】
0003940619.tif 000019
【図１２】
0003940619.tif 000020
【図１３】
0003940619.tif 000021
【図１４】
0003940619.tif 000022