(57)【要約】【課題】管路の経路が変化しても短時間で経路の再計測ができる管路計測装置を提供する。【解決手段】慣性計測手段４には、第１管体３１に設けられた第１慣性計測手段４１と、第２管体３２に設けられた第２慣性計測手段４２と、第３管体３３に設けられた第３慣性計測手段４３とが含まれている。第１〜第３慣性計測手段４１〜４３は、各第１〜第３管体３１〜３３の慣性を計測する。エンコーダ５には、第１接続部２１に設けられた第１エンコーダ５１と、第２接続部２２に設けられた第２エンコーダ５２とが含まれている。第１エンコーダ５１においては、第１管体３１を基準とした第２管体の回転角が測定される。又、第２エンコーダ５２においては、第２管体３２を基準とした第３管体３３の回転角が測定される。演算手段６では、各慣性計測手段４及び各エンコーダ５の測定結果の出力に基づいて、管体３から構成される管路の経路を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続部を介して列をなすように互いに連結された複数の管体からなる管体列と、
各管体に設けられた慣性計測手段と、
各接続部に設けられた回転角計測手段と、
前記慣性計測手段及び前記回転角計測手段に接続された演算手段と、
前記管体列の始端を構成する前記管体のヨー角ψを前記演算手段に入力するための入力手段と
を備え、
前記演算手段は、前記慣性計測手段、前記回転角計測手段及び前記入力手段の出力に基づき各管体の向きを求めるとともに、各管体の向きと各管体の長さとに基づいて前記管体列が構成する管路の経路を求める
ことを特徴とする管路計測装置。
【請求項２】
前記管体列には、ｎを１以上の任意の整数としたときに、前記管体列の第ｎ番目の第ｎ管体と、前記第ｎ管体に隣接する第ｎ＋１番目の第ｎ＋１管体とが含まれており、
前記演算手段は、
前記第ｎ及び第ｎ＋１管体に設けられた前記慣性計測手段の出力に基づき前記第ｎ及び第ｎ＋１管体のピッチ角θｎ，θｎ＋１及びロール角φｎ，φｎ＋１を求めるとともに、
前記第ｎ管体と前記第ｎ＋１管体との間の前記接続部に設けられた前記回転角計測手段の出力と前記第ｎ管体のピッチ角θｎ及びロール角φｎとに基づき、前記第ｎ＋１管体のヨー角ψｎ＋１を求めることにより、
前記ピッチ角θｎ＋１及びヨー角ψｎ＋１によって定義される前記第ｎ＋１管体の向きを求める
ことを特徴とする請求項１に記載の管路計測装置。
【請求項３】
ｎを１以上の任意の整数としたときに、前記管体列の第ｎ番目の第ｎ管体の向きは、ピッチ角θｎ及びヨー角ψｎによって定義され、
前記演算手段は、前記第ｎ管体の長さをＬｎとし、
Ｌｎ×ｃｏｓθｎ×ｃｏｓψｎの演算により前記第ｎ管体の一端を基準とした前記第ｎ管体の他端の水平位置Ｘ成分Ｐｘを求め、
Ｌｎ×ｃｏｓθｎ×ｓｉｎψｎの演算により前記第ｎ管体の一端を基準とした前記第ｎ管体の他端の水平位置Ｙ成分Ｐｙを求め、
Ｌｎ×ｓｉｎθｎの演算により前記第ｎ管体の一端を基準とした前記第ｎ管体の他端の垂直位置Ｐｚを求める
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の管路計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、管路の経路を計測する管路計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来用いられてきた管路計測装置としては、例えば以下の特許文献１などに記載された構成を挙げることができる。すなわち、従来の管路計測装置では、センサプローブを管路に沿って進行させた際のデータに基づいて管路の経路を計測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７１２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような管路計測装置では、センサプローブを管路に沿って進行させた際のデータに基づいて管路の経路を計測しているので、管路の経路自体が変化した場合に経路計測を改めて実施する必要がある。
【０００５】
この発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、管路の経路が変化しても短時間で経路の再計測ができる管路計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る管路計測装置は、接続部を介して列をなすように互いに連結された複数の管体からなる管体列と、各管体に設けられた慣性計測手段と、各接続部に設けられた回転角計測手段と、慣性計測手段及び回転角計測手段に接続された演算手段と、管体列の始端を構成する管体のヨー角ψを演算手段に入力するための入力手段と備え、演算手段は、慣性計測手段、回転角計測手段及び入力手段の出力に基づき各管体の向きを求めるとともに、各管体の向きと各管体の長さとに基づいて管体列が構成する管路の経路を求める構成である。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の管路計測装置によれば、管路計測装置に設けられた演算手段は、慣性計測手段、回転角計測手段及び入力手段の出力に基づき各管体の向きを求めるとともに、各管体の向きと各管体の長さとに基づいて管体列が構成する管路の経路を求めるので、管路の経路が変化しても短時間で経路の再計測をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態に係る管路計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に記載された第１接続部の概略図である。
【図３】この発明の実施の形態に係る管路計測装置のレベリングループを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態を添付図面の図１〜図３に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る管路計測装置１の概略図である。管路計測装置１は、接続部２を介して列をなすように互いに連結された複数の管体３からなる管体列３０と、各管体３に設けられた慣性計測手段４と、各接続部２に設けられた回転角計測手段としてのエンコーダ５と、演算手段６とを有している。又、後述する１番目の管体３の方位角を測定するために、ＧＰＳ位置測定器等の図示しない外部の位置測定器が演算手段６に接続されている。
【００１０】
管体列３０には、１番目の管体である第１管体３１と、２番目の管体である第２管体３２と、３番目の管体である第３管体３３とが含まれている。第１管体３１は、管体列３０の始端を構成している。接続部２には、第１管体３１の一端に第２管体３２を接続する第１接続部２１と、第２管体３２の一端に第３管体３３を接続する第２接続部２２とが含まれている。図１では管体列３０に３つの管体が設けられている例を示しているが、より多くの管体が一列に接続されていてもよい。又、各接続部２及び各管体３は、例えば布設ケーブル等の経路が変化する可能性がある図示しない別の管体の中に配置されていてもよい。
【００１１】
接続部２は、例えば略円筒形状を有するジョイントリングといったものによって構成されており、互いに隣接する各管体３の向きを完全に固定する物ではない。図２に示すように、例えば、第１管体３１の長手方向の軸である管体３のロール軸ｘ周りの回転角をロール角φとし、ロール軸ｘに垂直な軸の一つである第１管体３１のピッチ軸ｙ周りの回転角をピッチ角θとし、ロール軸ｘ及びピッチ軸ｙの両方に垂直な軸である第１管体３１のヨー軸ｚ周りの回転角をヨー角ψとすると、第１管体３１に対して第２管体３２はピッチ軸ｙ方向及びヨー軸ｚ方向に所定の範囲内で回動可能である。
【００１２】
第１管体３１に対する第２管体３２のピッチ軸ｙ方向の回動角をエレベーション角ＥＬとし、ヨー軸ｚ方向の回転角をアジマス角ＡＺとすると、第１管体３１に対して第２管体３２がエレベーション角ＥＬ及びアジマス角ＡＺで回動可能に接続されている。
【００１３】
同様に、図１に示す第２管体３２に対して第３管体３３はピッチ軸ｙ方向及びヨー軸ｚ方向に所定の範囲内で回動可能であり、第２管体３２に対して第３管体３３がエレベーション角ＥＬ及びアジマス角ＡＺで回動可能に接続されている。すなわち、隣接して接続されている各管体３は各接続部２を介して接続されることでヨー軸方向及びピッチ軸方向に自由度を有しながら鎖状に接続されており、測定対象の管路が蛇行又は屈曲することに合わせて全体として蛇行又は屈曲することが可能である。
【００１４】
慣性計測手段４には、第１管体３１に設けられた第１慣性計測手段４１と、第２管体３２に設けられた第２慣性計測手段４２と、第３管体３３に設けられた第３慣性計測手段４３とが含まれている。第１〜第３慣性計測手段４１〜４３は、各第１〜第３管体３１〜３３の慣性を計測する。
【００１５】
エンコーダ５には、第１接続部２１に設けられた第１エンコーダ５１と、第２接続部２２に設けられた第２エンコーダ５２とが含まれている。第１エンコーダ５１においては、第１管体３１を基準とした第２管体の回転角が測定される。又、第２エンコーダ５２においては、第２管体３２を基準とした第３管体３３の回転角が測定される。
【００１６】
演算手段６には、第１〜第３慣性計測手段４１〜４３を含む各慣性計測手段４と、第１，第２エンコーダ５１，５２とを含む各エンコーダ５とが電気的に接続されている。演算手段６は、各慣性計測手段４及び各エンコーダ５の測定結果の出力に基づいて、各管体３の向きを求めるとともに、各管体３の向きと各管体３の長さとに基づいて各管体３から構成される管路の経路を求める。各管体３の向きは、各管体３のピッチ角及びヨー角によって定義される。
【００１７】
次に、この実施の形態に係る管路計測装置１の動作について説明する。
管路計測装置１により、測定対象の管路の経路の変化を測定するために、各管体３の姿勢角及び方位角の算出が開始されると、各慣性計測手段４により各管体３の慣性が計測されるとともに、各エンコーダ５により各管体３の回転角が計測される。計測された各管体３の慣性及び回転角は、演算手段６に入力される。
【００１８】
まず、各管体３の内の始端となる第１管体３１について、第１管体３１の慣性に基づいて姿勢角であるピッチ角θとロール角φが演算手段６により算出される。第１管体３１の姿勢角であるピッチ角θ及びロール角φの演算は、具体的には図３に示すレベリングループのブロック図のような公知の方法であるレベリングにより行われている。これは、慣性計測手段４１によって測定した第１管体３１の加速度より、第１管体３のピッチ角θ及びロール角φを算出する既知の手法である。
【００１９】
レベリングにより第１管体３１のピッチ角θ１が算出される場合より具体的に説明する。まず、第１管体３１のピッチ方向の加速度が、第１慣性計測手段４１に測定される。測定された加速度は、第１慣性計測手段４１から演算手段６に入力される。演算手段６においてピッチ方向の角速度である入力角速度ωＡが、積分されてピッチ方向速度ＶＢが算出される（ステップＳ１）。次に、ピッチ方向速度ＶＢに、制動（ダンピング）を受けている時の固有振動数とダンピング定数から決まる定数Ｋ１が積算され、Ｋ１積算結果Ｃとなる（ステップＳ２）。Ｋ１積算結果ＣがステップＳ１の入力から減算されて、負のフィードバックの閉ループが構成されている。
【００２０】
次に、ピッチ方向速度ＶＢを地球の半径Ｒで割ることで、地球の中心から見た角速度ωＤが算出される（ステップＳ３）。ダンピングを受けている時の固有振動数とシューラチューニング周波数から決まる定数Ｋ２が地球の中心から見た角速度ωＤに積算され、Ｋ２積算結果ωＥとなる（ステップＳ４）。尚、定数Ｋ１、Ｋ２は必要に応じて適当な値とすることができる。演算手段６によって測定された角速度ωＦからＫ２積算結果ωＥが減算され、その減算結果ωＧを積分することで、第１管体３１のピッチ角θ１が算出される（ステップＳ５）。又、ピッチ角θ１に重力加速度ｇが積算された重力加速度積算結果ｇＨが（ステップＳ６）、入力角速度ωＡから減算されて、負のフィードバックの閉ループが構成されている。
【００２１】
レベリングループにより第１管体３１のロール角φ１を算出する場合も、第１管体３１のピッチ角θ１を算出する場合と同じく、第１管体３１のロール方向の加速度が第１慣性計測手段４１に測定され、演算手段６において図３に示すレベリングループによりロール角φ１が算出される。
【００２２】
第１管体３１の方位角であるヨー角ψ１は、ヨー角ψ１を演算手段６に入力するための入力手段である例えばＧＰＳ位置測定機等の外部の測定器（図示せず）からの情報に基づき、演算手段６によって算出される。
【００２３】
次に、演算手段６によって第２管体３２のピッチ角θ２、ロール角φ２、ヨー角ψ２が算出される。ピッチ角θ２及びロール角φ２は、ピッチ角θ１及びロール角φ１が算出された時と同様に、第２慣性計測手段４２で測定された第２管体３２のピッチ方向の加速度及びロール方向の加速度に基づき、演算手段６において図３に示すレベリングループにより算出される。
【００２４】
次に、ヨー角ψ２を算出する方法を説明する。まず、演算手段６に第１管体の姿勢角であるピッチ角θ１、ロール角φ１と、第１管体の方位角であるヨー角ψ１と、第１エンコーダ５１において測定された第１管体３１と第２管体３２との間のアジマス角ＡＺ１と、第１管体３１と第２管体３２との間のエレベーション角ＥＬ１とが入力される。次に、演算手段６では式（１）に示すように、第１管体３１のピッチ角θ１と、ロール角φ１と、ヨー角ψ１とに基づいて行列Ｉ（１）が算出される。
【数１】
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次に、演算手段６において、式（２）に示すようにＩ（１）に基づいて行列Ｉ（２）が算出される。
【数２】
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次に、演算手段６において、式（３）に示すようにＩ（２）に基づいて行列Ｉ（２）’が算出される。
【数３】
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【００２５】
次に、演算手段６では行列Ｉ（２）’の算出結果を利用して、ヨー角ψ２が式（４）を基に算出される。つまり、第１，第１２管体３１，３２に設けられた慣性計測手段４１の出力に基づき第１，第２管体３１，３２のピッチ角θ１，θ２及びロール角φ１，φ２が演算手段６により求められるとともに、第１管体３１と第２管体３２との間の第１接続部２１に設けられた第１エンコーダ５１の出力と第１管体のピッチ角θ１及びロール角φ１とに基づき、第２管体のヨー角ψ２が求められることにより、ピッチ角θ２、ロール角φ２及びヨー角ψ２によって定義される第２管体３２の向きが求められる。この時、Ｉ（２）’１１は、Ｉ（２）’の行列の１行目１列目を表し、Ｉ（２）’２１はＩ（２）’の行列の２行目１列目を表す。
【数４】
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【００２６】
第３管体３３についても、第２管体３２のピッチ角θ２及びロール角φ２の算出と同様に、ピッチ角θ３及びロール角φ３が第３管体３３のピッチ方向の加速度及びロール方向の加速度から図３に示すレベリングループにより演算手段６において算出される。ヨー角ψ３の算出についても第２管体３２のヨー角ψ２の算出と同様に、第２管体３２と第３管体３３との間のアジマス角ＡＺ２と、第２管体３２と第３管体３３との間のエレベーション角ＥＬ２と、行列Ｉ（２）の算出結果が演算手段６に入力される。次に、演算手段６により式（５）に示す行列Ｉ（３）が算出される。
【数５】
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次に、演算手段６において、式（６）に示すようにＩ（３）に基づいて行列Ｉ（３）’が算出される。
【数６】
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【００２７】
次に、演算手段６では行列Ｉ（３）’の算出結果を利用して、ヨー角ψ３が式（７）を基に算出される。つまり、演算手段６により、ピッチ角θ３、ロール角φ３及びヨー角ψ３によって定義される第３管体３３の向きが求められる。この時、Ｉ（３）’１１は、Ｉ（３）’の行列の１行目１列目を表し、Ｉ（３）’２１はＩ（３）’の行列の２行目１列目を表す。
【数７】
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【００２８】
以降、第３管体３３に接続されている４個目以降の管体３についても同様にピッチ角θと、ロール角φと、ヨー角ψとが算出される。これにより、管体列３０に含まれる各管体３の向きが算出される。すなわち、ｎを１以上の任意の整数としたときに、演算手段６は、第ｎ及び第ｎ＋１管体に設けられた慣性計測手段の出力に基づき第ｎ及び第ｎ＋１管体のピッチ角θｎ，θｎ＋１及びロール角φｎ，φｎ＋１を求めるとともに、第ｎ管体と第ｎ＋１管体との間の接続部に設けられた回転角計測手段の出力と第ｎ管体のピッチ角θｎ及びロール角φｎとに基づき、第ｎ＋１管体のヨー角ψｎ＋１を求めることにより、ピッチ角θｎ＋１及びヨー角ψｎ＋１によって定義される第ｎ＋１管体の向きを求める。
【００２９】
次に、演算手段６では、第１，第２，第３管体３１，３２，３３から第ｎ管体までについての、各管体３のそれぞれの長さであるＬ１，Ｌ２，Ｌ３からＬｎの値と、各管体３のそれぞれの向きとに基づいて式（８）により、管体列３０の各管体３の水平位置Ｘ成分の組み合わせが算出される。すなわち、演算手段６は、第ｎ管体をＬｎとし、Ｌｎ×ｃｏｓθｎ×ｃｏｓψｎの演算により第ｎ管体の一端を基準とした第ｎ管体の他端の水平位置Ｘ成分Ｐｘを求める。
【数８】
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例えば、第１管体３１の水平位置Ｘ成分を算出する場合には、演算手段６により式（６）の１項目までが演算される。又、第２管体３２の水平位置Ｘ成分を算出する場合には、演算手段６により式（８）の２項目までが演算される。さらに、第３管体３３の水平位置ｘ成分を算出する場合には、演算手段６により式（８）の３項目までが演算される。さらに又、管体列３０のｎ個目の水平位置Ｘ成分を算出する場合には、演算手段６により式（８）のｎ項目が演算される。これにより、演算手段６によって管体列３０の第１管体３１から第ｎ管体までの水平位置Ｘ成分がそれぞれ算出されて、水平位置Ｘ成分の値の組み合わせとして保持される。
【００３０】
又、同様に演算手段６では、長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３からＬｎの値と各管体３のそれぞれの向きとに基づいて、式（９）により各管体３の水平位置Ｙ成分の組み合わせが算出されて保持される。すなわち、演算手段６は、Ｌｎ×ｃｏｓθｎ×ｓｉｎψｎの演算により第ｎ管体の一端を基準とした第ｎ管体の他端の水平位置Ｙ成分Ｐｙを求める。
【数９】
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【００３１】
又、同様に演算手段６では、長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３からＬｎの値と各管体３のそれぞれの向きとに基づいて、式（１０）により各管体３の垂直位置成分の組み合わせが算出されて保持される。すなわち、演算手段６は、Ｌｎ×ｓｉｎθｎの演算により第ｎ管体の一端を基準とした第ｎ管体の他端の垂直位置Ｐｚを求める。
【数１０】
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【００３２】
上述のように各管体３の水平位置Ｘ成分、水平位置Ｙ成分、垂直位置の組み合わせがそれぞれ算出されて保持されることで、管体列３０の始端を構成する管体３１からの第１管体３１と第２管体３２とを含む管体列３０の経路が演算手段６により求められるので、管路計測装置１が設けられた測定対象の管路の経路が求められる。
【００３３】
このような管路計測装置１は、第１，第２接続部２１，２２を含む接続部２を介して列をなすように互いに連結された第１，第２，第３管体３１，３２，３３を含む複数の管体３からなる管体列３０と、各管体３に設けられた第１〜第３慣性計測手段４１〜４３を含む各慣性計測手段４と、各接続部２に設けられた第１，第２エンコーダ５１，５２を含む各エンコーダ５と、各慣性計測手段４及び各エンコーダ５に接続された演算手段６と、管体列３０の始端を構成する管体３のヨー角ψを演算手段６に入力するための入力手段とを備え、演算手段６は、各慣性計測手段４、各エンコーダ５及び入力手段の出力に基づき各管体３の向きを求めるとともに、各管体３の向きと各管体３の長さとに基づいて管体列３０が構成する管路の経路を求めるので、管路の経路が変化しても短時間で経路の再計測をすることができる。
【００３４】
尚、この実施の形態では管路計測装置１を、経路の測定対象の管路内に設けていたが、測定対象の管路が接続部を介して列をなすように互いに連結された複数の管体で構成されている場合に、測定対象の各管体に慣性計測手段をそれぞれ設け、測定対象の各接続部にエンコーダをそれぞれ設けて測定対象の各管体の向きを測定し、測定対象の各管体の向きと長さとに基づいて経路を算出することで測定対象の管路の経路を計測する構成であってもよい。
【００３５】
又、この実施の形態では各慣性計測手段４及び各エンコーダ５に接続された演算手段６が設けられていたが、各慣性計測手段４及び各エンコーダ５に演算手段６の一部又は全部が含まれており、管路の経路を求める構成であってもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１  管路計測装置、２  接続部、３  管体、４  慣性計測手段、５  エンコーダ（回転角計測手段）、６  演算手段、２１  第１接続部（接続部）、２２  第２接続部（接続部）、３１  第１管体（管体）、３２  第２管体（管体）、３３  第３管体（管体）、４１  第１慣性計測手段（慣性計測手段）、４２  第２慣性計測手段（慣性計測手段）、４３  第３慣性計測手段（慣性計測手段）、５１  第１エンコーダ（回転角計測手段）、５２  第２エンコーダ（回転角計測手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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