(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非開削推進機械やシールドマシン等の地中移動体あるいは地中埋設管などの地中物体に、地上に向けて電磁波を発信する電磁波発信装置を設け、該電磁波発信装置の直上付近の地上に、複数の走行車輪を備えた非金属製の台車と、該台車上に設置されて上記電磁波を受信する受信アンテナと、該受信アンテナを前後左右に移動させる手段と、上記受信アンテナにより受信された電磁波のピーク値を検出する手段を備えた電磁誘導式位置決め装置を走行自在に設置した地中物体の位置・姿勢検出装置において、
上記受信アンテナを前後左右に移動させる手段が、上記台車と、該台車上に旋回自在に設置される旋回テーブルと、該旋回テーブル上に一体的に設けられるスライドテーブルから構成され、
上記スライドテーブル上に搭載される上記受信アンテナを、横方向に所定距離を隔てて少なくとも２基設け、各アンテナで受信された電磁波の強さの差分を演算して、アンテナとの距離を求めることにより、上記地中物体の三次元位置を求めるように構成すると共に、
上記地中物体の進行方向に向けて設けられた電磁波発信回路の発信コイルの方向に、上記旋回テーブルにより旋回する上記２基の受信アンテナの向きを一致させて、地中物体の左右方向角を検知するように構成した、
ことを特徴とする地中物体の位置・姿勢検出装置。
【請求項２】
上記電磁誘導式位置決め装置に深度・角度表示用コンピュータを設けて、上記地中物体の三次元位置情報や左右方向角情報をリアルタイムに表示するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の地中物体の位置・姿勢検出装置。
【請求項３】
非開削推進機により非開削推進ロッドを介してボーリングヘッドを地中内で推進移動させる非開削推進システムであって、上記請求項１または２の項に記載の位置・姿勢検出装置を利用した非開削推進システムにおいて、上記ボーリングヘッド内にその姿勢を測定する手段を設け、その姿勢情報データを電磁波を介して電磁誘導式位置決め装置に送信すると共に、該装置により上記電磁波の強度を測定・演算して上記ボーリングヘッドの三次元位置情報データを得、該ボーリングヘッドの上記三次元位置情報や左右方向角情報データを推進管理用コンピュータにリアルタイムに入力して、上記ボーリングヘッドが計画線路に沿って推進移動するように上記非開削推進機に指令を送るようにしたことを特徴とする位置・姿勢検出装置を利用した非開削推進システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、非開削推進機械やシールドマシン等の地中移動体あるいは地中埋設管などの、地中物体の位置あるいは、これに加えて姿勢を検出する装置、およびこの装置を利用した非開削推進システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記地中物体のうち、地中埋設管の位置および姿勢情報は、近辺の地中工事工事等を計画するにあたって必要な情報である。また、非開削推進機のボーリングヘッドやシールドマシンなどの地中移動体の位置・姿勢情報は、工事が計画路線に沿って正確に行われているかどうかを確認して、目的地に高精度に誘導するために必要な情報であり、しかも、リアルタイムに把握できる情報でなければならない。
【０００３】
従来、地中物体の位置情報の検出手段として、電磁コイルを内蔵した発信機（ゾンデ）を埋設管に通したり移動体に搭載し、地上においてこの電波を受信して位置を検知する方法や、地上に電極を設置して、この電極から発信した電磁波により金属製埋設管に起電力を生じさせ、その起電力から生じた電磁波を検知する電磁誘導式埋設管探知機や、地上から地中に向けて電磁波を発信して、その反射波の強度をモニターして位置を確認する地中レーダ法などの方法があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のゾンデによる電磁誘導式埋設管探知機も地中レーダ法も、平面位置、深度を高精度に計測することができないだけでなく、地中移動体の傾斜角（ピッチング角）や回転角（ローリング角）などの姿勢情報は、その検出が不可能であった。また、上記従来の電磁誘導式埋設管探知機のアンテナ部は手持ち方式であるため、アンテナの構え角度によって測定値に誤差が生じ、操作に勘や経験等が必要となる等の問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、地中物体の位置情報を高精度に、また姿勢情報も正確かつリアルタイムに検出することができる地中物体の位置検出装置および、この装置を利用して、ボーリングヘッドの位置や姿勢を迅速かつ正確に検出することができ、その推進工程を知能化して作業性や実用性を向上せしめ、施工管理の確実性を高めることができる非開削推進システムを提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の地中物体の位置・姿勢検出装置は、    非開削推進機械やシールドマシン等の地中移動体あるいは地中埋設管などの地中物体に、地上に向けて電磁波を発信する電磁波発信装置を設け、該電磁波発信装置の直上付近の地上に、複数の走行車輪を備えた非金属製の台車と、該台車上に設置されて上記電磁波を受信する受信アンテナと、該受信アンテナを前後左右に移動させる手段と、上記受信アンテナにより受信された電磁波のピーク値を検出する手段を備えた電磁誘導式位置決め装置を走行自在に設置した地中物体の位置・姿勢検出装置において、上記受信アンテナを前後左右に移動させる手段が、上記台車と、該台車上に旋回自在に設置される旋回テーブルと、該旋回テーブル上に一体的に設けられるスライドテーブルから構成され、上記スライドテーブル上に搭載される上記受信アンテナを、横方向に所定距離を隔てて少なくとも２基設け、各アンテナで受信された電磁波の強さの差分を演算して、アンテナとの距離を求めることにより、上記地中物体の三次元位置を求めるように構成すると共に、上記地中物体の進行方向に向けて設けられた電磁波発信回路の発信コイルの方向に、上記旋回テーブルにより旋回する上記２基の受信アンテナの向きを一致させて、地中物体の左右方向角を検知するように構成したことを特徴とする。また、上記電磁誘導式位置決め装置に深度・角度表示用コンピュータを設けて、上記地中物体の三次元位置情報や左右方向角情報をリアルタイムに表示するように構成したことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の位置・姿勢検出装置を利用した非開削推進システムは、非開削推進機により非開削推進ロッドを介してボーリングヘッドを地中内で推進移動させる非開削推進システムであって、上記記載の位置・姿勢検出装置を利用した非開削推進システムにおいて、上記ボーリングヘッド内にその姿勢を測定する手段を設け、その姿勢情報データを電磁波を介して電磁誘導式位置決め装置に送信すると共に、該装置により上記電磁波の強度を測定・演算して上記ボーリングヘッドの三次元位置情報データを得、該ボーリングヘッドの上記三次元位置情報や左右方向角情報データを推進管理用コンピュータにリアルタイムに入力して、上記ボーリングヘッドが計画線路に沿って推進移動するように上記非開削推進機に指令を送るようにしたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の地中物体の位置検出装置の一実施例を示すもので、１は非開削推進装置やシールドマシーンなどの地中移動体であって、その内部（あるいは外部であってもよい）に位置・姿勢情報装置２が設置されている。該地中移動体１の直上付近の地表面には、電磁誘導式位置決め装置３が走行自在に設置されている。
【０００９】
上記位置・姿勢情報装置２は、図２に示すように、主として、傾斜角計４と、回転角計５と、ベアリング６と、スリップリング７と、電磁波発信回路８と、センサ出力処理回路９と、電源用の電池ボックス１０と、振り子１１から構成されている。
【００１０】
上記振り子１１の両端の回転軸１１ａは、上記ベアリング６に回転自在に支持されていて、該振り子１１上には傾斜角計４が設置されている。該振り子１１は、常に重力の影響を受けて垂直下方に安定しているので、図２（Ｂ）に示すような、上記位置・姿勢情報装置２の前後の傾斜角（ピッチング角）は、その回転（ローリング）状態の影響を受けることなく、上記傾斜角計４により正確に測定される。
【００１１】
また、図２（Ｂ）に示すような、上記位置・姿勢情報装置２の回転角（ローリング角）は上記回転角計５により測定される。なお、該回転角計５の軸線は、上記回転軸１１ａの軸線と一致するようになっている。
【００１２】
上記傾斜角計４により測定された傾斜角データ信号は、スリップリング７を介してセンサ出力処理回路９でＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換され、さらにＦＭ変調されて、電磁波発信回路８の電磁コイルにより外部に発信される。  一方、上記回転角計５により測定された回転角データ信号も、センサ出力処理回路９でＡ／Ｄ変換され、さらにＦＭ変調されて、電磁波発信回路８の電磁コイルにより地上に発信される。
【００１３】
上記位置・姿勢情報装置２の電磁波発信回路８から発信された傾斜角データ信号および回転角データ信号などの姿勢情報信号は、その直上付近に設置された電磁誘導式位置決め装置３に受信されて、その姿勢が検知される。
【００１４】
図３に示すように、上記電磁誘導式位置決め装置３は、主として、非金属製の台車１２と、旋回テーブル１３と、スライドテーブル１４と、受信アンテナ１５と、操作ボックス１６と、ロータリエンコーダ１７と、深度・角度表示用コンピュータ１８などから構成されている。
【００１５】
上記台車１２は、キャスターを含む複数の走行車輪１２ａにより地上を自由に走行移動する。該台車１２上には、上記旋回テーブル１３が旋回自在に設置されている。該旋回テーブル１３は、手動ハンドル１９ａと回転軸１９ｂと駆動ベルト１９ｃ等からなる旋回駆動手段１９により、旋回駆動される。また、該旋回テーブル１３上には、上記スライドテーブル１４が一体的に設けられている。該スライドテーブル１４上にはコイルから成る２基の受信アンテナ１５が搭載されていて、手動ハンドル２０ａと回転軸２０ｂと駆動ベルト２０ｃ等からなるスライド駆動手段２０により、上記スライドテーブル１４の長手方向に沿って往復移動自在に移動するようになっている。上記操作ボックス１６には、増幅回路・復調回路・感度調整回路などが納められている。
【００１６】
従って、上記位置・姿勢情報装置２の直上付近に上記電磁誘導式位置決め装置３を設置して、これに搭載された深度・角度表示用コンピュータ１８の位置・姿勢検出プログラムを起動させると共に、受信アンテナ１５を旋回テーブル１３の中心付近に位置せしめた状態（図３（Ｃ）参照）で、上記台車１２を移動させる。この走行移動量は台車に取り付けられた接地輪１７ａを回転させてロータリエンコーダ１７により測定され、電磁誘導式位置決め装置３の平面位置データが得られ、深度・角度表示用コンピュータ１８に蓄積保存される。この走行移動中、上記受信アンテナ１５により、上記位置・姿勢情報装置２の電磁波発信回路１８から発信される電磁波を受信して、受信電磁波が最大（ピーク）となる位置で台車１２を停止させる。
【００１７】
続いて、上記駆動手段１９および２０を操作して、上記受信アンテナ１５を台車１２上で前後左右の方向に移動させ、上記電磁波が最大（ピーク）となる位置で、受信アンテナ１５の移動を停止させる。この電磁波が最大（ピーク）の所の真下に上記位置・姿勢情報装置２、すなわち地中移動体１が位置することになる。上記受信アンテナ１５は所定距離を隔てて２基設けられているので、上記移動中において、各受信アンテナ１５で受信される電磁波の強さは各々異なり、それらの差分を演算しながら受信アンテナ１５と位置・姿勢情報装置２との距離、すなわち、その深度を測定することができる。このようにして、上記地中移動体１の三次元の位置データが得られ、深度・角度表示用コンピュータ１８に蓄積保存される。
【００１８】
また、上記電磁誘導式位置決め装置３により、上記位置・姿勢情報装置２の電磁波発信回路８から発信される位置・姿勢情報装置２の傾斜角および回転角のデータ信号も受信される。さらに、上記受信アンテナ１５の回転方向を変えながら上記電磁波発信回路８からの電磁波の強度の変化を測定し、その強度が最大（ピーク）となったところで、位置・姿勢情報装置２すなわち地中移動体１の左右方向角（ヨーイング角）を測定する。
【００１９】
なお、上記実施例では地中物体に設けた電磁波発信装置に、その傾斜角や回転角を計測してそれらの計測データ信号を発信する手段を設けたが、本発明はこれに限定するものではなく、少なくとも、電磁波を発信する手段を設けた装置であればいずれでもよい。
【００２０】
図４は、非開削推進システムの一実施例を説明する概要図であって、２１は上記地中物体１であるボーリングヘッド、２２は非開削推進ロッド、２３は非開削推進機、２４は自動追尾測量装置、２５は推進管理用コンピュータである。Ｐは地中障害物の一例としての埋設管である。
【００２１】
上記推進管理用コンピュータ２５は、上述のように情報化されたボーリングヘッド２１の現在位置・姿勢データと計画路線を対比し、リアルタイムなボーリングヘッド２１の位置表示や推進シュミレーションによる非開削推進機２３の操作量など、施工に必要な情報をオペレータに表示する。これらの機能により、推進ミスを事前に防ぎ、熟練工でなくても確実に目的地にボーリングヘッド２１を到達させることができる。上記推進管理用コンピュータ２５はオペレータの近辺に配置し、上記電磁誘導式位置決め装置３の深度・角度表示用コンピュータ１８と中継アンテナ２６等の通信機器を通じて接続し、位置・姿勢データの通信を行う。
【００２２】
なお、上記推進管理用コンピュータ２５の機能としては、以下の機能がある。１）初期貫入角度、埋設管Ｐなどの障害物の座標値や迂回距離の入力により発進ピット位置と最適推進計画路線の作成・表示。２）電磁誘導式位置決め装置４からボーリングヘッド２１の位置・姿勢情報を自動で取り込んで軌跡の表示。３）直線と円弧による推進シュミレーションと推進機操作量の表示。４）検出データの保存。５）出来型図（平面図・縦断図）の出力。
【００２３】
図５に示すように、計画路線の基準点に測量基準点を一致させた自動追尾測量機２４で常時追尾させる。ボーリングヘッド２１の平面位置（Ｘ軸およびＹ軸座標）が確認できた時点で、ボーリングヘッド２１の直上に電磁誘導式位置決め装置３を移動し、測量をスタートさせることによって、リアルタイムにボーリングヘッド２１の三次元座標を求めることができる。
【００２４】
得られた三次元座標を推進管理用コンピュータ２５（図４参照）に転送し、Ｚ軸座標値からプリズム２７の地上高とボーリングヘッド２１までの深度を減算すれば、計画路線に対応したボーリングヘッド２１の三次元座標を求めることができる。
【００２５】
【発明の効果】
１）本発明によれば、非開削推進機械やシールドマシン等の地中移動体あるいは地中埋設管などの地中物体に、地上に向けて電磁波を発信する電磁波発信装置を設け、該電磁波発信装置の直上付近の地上に、上記電磁波を受信する受信アンテナと、該受信アンテナを前後左右に移動させる手段と、受信された電磁波のピーク値を検出する手段を備えた電磁誘導式位置決め装置を設置したので、地中物体の位置情報をリアルタイムで高精度に検出することができ、また、姿勢情報も併せて高精度に検出することができる。
２）また、本発明よれば、ボーリングヘッドの位置や姿勢を迅速かつ正確に検出することができ、その推進工程を知能化して作業性や実用性を向上せしめ、非開削推進システムの施工管理の確実性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の地中移動体の位置・姿勢検出装置の一実施例を示す説明図である。
【図２】図１の装置に使用する位置・姿勢情報発信機の一実施例を示す内部構造図である。
【図３】図１の装置に使用する電磁誘導式位置決め装置の一実施例を示す構成説明図である。
【図４】本発明の非開削推進システムの一実施例を示すシステム概要図である。
【図５】本発明システムの自動追尾測量概要図である。
【符号の説明】
１  地中移動体
２  位置・姿勢情報装置
３  電磁誘導式位置決め装置
４  傾斜角計
５  回転角計
６  ベアリング
７  スリップリング
８  電磁波発信回路
９  センサ出力処理回路
１０  電池ボックス
１１  振り子
１１ａ  回転軸
１２  台車
１２ａ  走行車輪
１３  旋回テーブル
１４  スライドテーブル
１５  受信アンテナ
１６  操作ボックス
１７  ロータリエンコーダ
１７ａ  接地輪
１８  深度・角度表示用コンピュータ
１９  旋回駆動手段
１９ａ  手動ハンドル
１９ｂ  回転軸
１９ｃ  駆動ベルト
２０  スライド駆動手段
２０ａ  手動ハンドル
２０ｂ  回転軸
２０ｃ  駆動ベルト
２１  ボーリングヘッド
２２  非開削推進ロッド
２３  非開削推進機
２４  自動追尾測量装置
２５  推進管理用コンピュータ
２６  中継アンテナ
２７  プリズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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