(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所定の水平計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、埋設管推進機の水平位置・姿勢を推定する状態推定方法であって、
前記先導体前筒と前記先導体後筒との水平相対角である中折れ角を出力変数とし、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との水平相対角である水平方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回モデル式を予め設定する手順と、
前記先導体前筒の水平旋回曲率に前記先導体前筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の水平旋回曲率に前記先導体後筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の後端に設けられたレーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位を推進距離に関して微分した微分値の項との合計を、前記先導体の水平推進方向とする水平推進方向モデル式を予め設定する手順と、
前記水平変位と前記中折れ角と前記水平方向修正量とを入力とし、前記水平旋回モデル式と前記水平推進方向モデル式とに基づいて、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する状態変数ベクトル推定手順とを実行することを特徴とする埋設管推進機の状態推定方法。
【請求項２】
請求項１記載の埋設管推進機の状態推定方法において、
前記状態変数ベクトル推定手順は、前記水平旋回モデル式と前記水平推進方向モデル式において、水平計画線に対する前記先導体後筒の水平傾斜角が前記先導体前筒の水平傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機の状態推定方法。
【請求項３】
請求項２記載の埋設管推進機の状態推定方法において、
前記状態変数ベクトル推定手順は、前記レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位を推進距離に関して微分した微分値が前記先導体前筒の水平傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機の状態推定方法。
【請求項４】
請求項１記載の埋設管推進機の状態推定方法において、
前記レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位の代わりに、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置の水平計画線に対する水平変位を補間した値を用いることを特徴とする埋設管推進機の状態推定方法。
【請求項５】
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所定の垂直計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、埋設管推進機の垂直位置・姿勢を推定する状態推定方法であって、
前記先導体前筒の垂直旋回曲率を出力変数とし、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との垂直相対角である垂直方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回モデル式を予め設定する手順と、
前記先導体前筒の垂直旋回曲率に前記先導体前筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の垂直旋回曲率に前記先導体後筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の後端に設けられたレーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位を推進距離に関して微分した微分値の項との合計を、前記先導体の垂直推進方向とする垂直推進方向モデル式を予め設定する手順と、
垂直計画線に対する前記先導体前筒の傾斜角であるピッチング角と前記垂直変位と前記垂直方向修正量とを入力とし、前記垂直旋回モデル式と前記垂直推進方向モデル式とに基づいて、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する状態変数ベクトル推定手順とを実行することを特徴とする埋設管推進機の状態推定方法。
【請求項６】
請求項５記載の埋設管推進機の状態推定方法において、
前記状態変数ベクトル推定手順は、前記垂直旋回モデル式と前記垂直推進方向モデル式において、垂直計画線に対する前記先導体後筒の垂直傾斜角が前記先導体前筒の垂直傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機の状態推定方法。
【請求項７】
請求項６記載の埋設管推進機の状態推定方法において、
前記状態変数ベクトル推定手順は、前記レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位を推進距離に関して微分した微分値が前記先導体前筒の垂直傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機の状態推定方法。
【請求項８】
請求項５記載の埋設管推進機の状態推定方法において、
前記レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位の代わりに、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置の垂直計画線に対する垂直変位を補間した値を用いることを特徴とする埋設管推進機の状態推定方法。
【請求項９】
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所定の水平計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、埋設管推進機の水平位置・姿勢を推定する状態推定装置であって、
前記先導体前筒と前記先導体後筒との水平相対角である中折れ角を出力変数とし、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との水平相対角である水平方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回モデルと、
前記先導体前筒の水平旋回曲率に前記先導体前筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の水平旋回曲率に前記先導体後筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の後端に設けられたレーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位を推進距離に関して微分した微分値の項との合計を、前記先導体の水平推進方向とする水平推進方向モデルと、
前記水平変位と前記中折れ角と前記水平方向修正量とを入力とし、前記水平旋回モデル式と前記水平推進方向モデル式とに基づいて、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する逐次状態変数ベクトル推定器とを有することを特徴とする埋設管推進機の状態推定装置。
【請求項１０】
請求項９記載の埋設管推進機の状態推定装置において、
前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記水平旋回モデル式と前記水平推進方向モデル式において、水平計画線に対する前記先導体後筒の水平傾斜角が前記先導体前筒の水平傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機の状態推定装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の埋設管推進機の状態推定装置において、
前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位を推進距離に関して微分した微分値が前記先導体前筒の水平傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機の状態推定装置。
【請求項１２】
請求項９記載の埋設管推進機の状態推定装置において、
前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位の代わりに、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置の水平計画線に対する水平変位を補間した値を用いることを特徴とする埋設管推進機の状態推定装置。
【請求項１３】
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所定の垂直計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、埋設管推進機の垂直位置・姿勢を推定する状態推定装置であって、
前記先導体前筒の垂直旋回曲率を出力変数とし、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との垂直相対角である垂直方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回モデルと、
前記先導体前筒の垂直旋回曲率に前記先導体前筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の垂直旋回曲率に前記先導体後筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の後端に設けられたレーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位を推進距離に関して微分した微分値の項との合計を、前記先導体の垂直推進方向とする垂直推進方向モデルと、
垂直計画線に対する前記先導体前筒の傾斜角であるピッチング角と前記垂直変位と前記垂直方向修正量とを入力とし、前記垂直旋回モデル式と前記垂直推進方向モデル式とに基づいて、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する逐次状態変数ベクトル推定器とを有することを特徴とする埋設管推進機の状態推定装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の埋設管推進機の状態推定装置において、
前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記垂直旋回モデル式と前記垂直推進方向モデル式において、垂直計画線に対する前記先導体後筒の垂直傾斜角が前記先導体前筒の垂直傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機の状態推定装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の埋設管推進機の状態推定装置において、
前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位を推進距離に関して微分した微分値が前記先導体前筒の垂直傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機の状態推定装置。
【請求項１６】
請求項１３記載の埋設管推進機の状態推定装置において、
前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位の代わりに、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置の垂直計画線に対する垂直変位を補間した値を用いることを特徴とする埋設管推進機の状態推定装置。
【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、カッターヘッドで周囲地盤を掘削しながら発進立坑の元押装置により推進させることにより管路を形成する埋設管推進機に係り、特に埋設管推進機の位置・姿勢を逐次推定したり、現在より先の挙動を予測したりすることの可能な状態推定方法および状態推定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、得られるセンサ情報のみでは埋設管推進機の正しい位置・姿勢を求めることができず、埋設管推進機の状態把握や方向修正操作はオペレータの経験と技術に大きく依存しているという問題点があった。
【０００４】
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状態把握を可能にすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、先導体前筒（図１の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）とを所定の水平計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、埋設管推進機の水平位置・姿勢を推定する状態推定方法であって、前記先導体前筒と前記先導体後筒との水平相対角である中折れ角（φ）を出力変数とし、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との水平相対角である水平方向修正量（ηH ）を入力変数としたとき、単位推進長（Ｌp ）毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回モデル式（式（１））を予め設定する手順と、前記先導体前筒の水平旋回曲率（ρH ）に前記先導体前筒の長さ（Ｌf ）を乗じた項と、前記先導体後筒の水平旋回曲率（ρHr）に前記先導体後筒の長さ（Ｌr ）を乗じた項と、前記先導体後筒の後端に設けられたレーザ受光装置（２０２）の水平計画線に対する水平変位（Ｘt ）を推進距離（Ｌ）に関して微分した微分値の項との合計を、前記先導体の水平推進方向とする水平推進方向モデル式（式（６））を予め設定する手順と、前記水平変位と前記中折れ角と前記水平方向修正量とを入力とし、前記水平旋回モデル式と前記水平推進方向モデル式とに基づいて、水平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[k]，Ｘh[k]）と前記ＡＲＸモデルのパラメータ（ａH1，・・・，ａHna ，ｂH1，・・・，ｂHnb ）とを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する状態変数ベクトル推定手順とを実行するようにしたものである。本発明では、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観測信号からオンラインで状態推定を行う。
【０００６】
また、本発明の埋設管推進機の状態推定方法の１構成例において、前記状態変数ベクトル推定手順は、前記水平旋回モデル式と前記水平推進方向モデル式において、水平計画線に対する前記先導体後筒の水平傾斜角が前記先導体前筒の水平傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式（式（１）、式（１１））を基にして、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定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状態推定方法の１構成例において、前記状態変数ベクトル推定手順は、前記レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位を推進距離に関して微分した微分値が前記先導体前筒の水平傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式（式（１）、式（１１）、式（１２））を基にして、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定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状態推定方法の１構成例は、前記レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位の代わりに、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置（３０１）の水平計画線に対する水平変位（ＸD ）を補間した値を用いるようにしたものである。
【０００７】
また、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と、この先導体の後方に順次継ぎ足される埋設管とを所定の垂直計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、埋設管推進機の垂直位置・姿勢を推定する状態推定方法であって、前記先導体前筒の垂直旋回曲率（ρV ）を出力変数とし、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との垂直相対角である垂直方向修正量（ηV ）を入力変数としたとき、単位推進長（Ｌp ）毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回モデル式（式（２２））を予め設定する手順と、前記先導体前筒の垂直旋回曲率に前記先導体前筒の長さ（Ｌf ）を乗じた項と、前記先導体後筒の垂直旋回曲率（ρVr）に前記先導体後筒の長さ（Ｌr ）を乗じた項と、前記先導体後筒の後端に設けられたレーザ受光装置（２０２）の垂直計画線に対する垂直変位（Ｙt ）を推進距離（Ｌ）に関して微分した微分値の項との合計を、前記先導体の垂直推進方向とする垂直推進方向モデル式（式（２３））を予め設定する手順と、垂直計画線に対する前記先導体前筒の傾斜角であるピッチング角（ｐ又はθV ）と前記垂直変位と前記垂直方向修正量とを入力とし、前記垂直旋回モデル式と前記垂直推進方向モデル式とに基づいて、垂直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[k]，Ｙh[k]）と前記ＡＲＸモデルのパラメータ（ａV1，・・・，ａVna ，ｂV1，・・・，ｂVnb ）とを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する状態変数ベクトル推定手順とを実行するようにしたものである。本発明では、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観測信号からオンラインで状態推定を行う。
【０００８】
また、本発明の埋設管推進機の状態推定方法の１構成例において、前記状態変数ベクトル推定手順は、前記垂直旋回モデル式と前記垂直推進方向モデル式において、垂直計画線に対する前記先導体後筒の垂直傾斜角が前記先導体前筒の垂直傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式（式（２４）、式（２７））を基にして、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定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状態推定方法の１構成例において、前記状態変数ベクトル推定手順は、前記レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位を推進距離に関して微分した微分値が前記先導体前筒の垂直傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式（式（２４）、式（２７）、式（２８））を基にして、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定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状態推定方法の１構成例は、前記レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位の代わりに、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置の垂直計画線に対する垂直変位（Ｙs ）を補間した値を用いるようにしたものである。
【０００９】
また、本発明の埋設管推進機の状態推定装置は、前記先導体前筒と前記先導体後筒との水平相対角である中折れ角を出力変数とし、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との水平相対角である水平方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回モデル（図４の４０４）と、前記先導体前筒の水平旋回曲率に前記先導体前筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の水平旋回曲率に前記先導体後筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の後端に設けられたレーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位を推進距離に関して微分した微分値の項との合計を、前記先導体の水平推進方向とする水平推進方向モデル（４０５）と、前記水平変位と前記中折れ角と前記水平方向修正量とを入力とし、前記水平旋回モデル式と前記水平推進方向モデル式とに基づいて、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する逐次状態変数ベクトル推定器（４０７）とを有するものである。
【００１０】
また、本発明の埋設管推進機の状態推定装置の１構成例において、前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記水平旋回モデル式と前記水平推進方向モデル式において、水平計画線に対する前記先導体後筒の水平傾斜角が前記先導体前筒の水平傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定するものである。
また、本発明の埋設管推進機の状態推定装置の１構成例において、前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位を推進距離に関して微分した微分値が前記先導体前筒の水平傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、水平計画線に対する前記先導体の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定するものである。
また、本発明の埋設管推進機の状態推定装置の１構成例において、前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位の代わりに、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置の水平計画線に対する水平変位を補間した値を用いるものである。
【００１１】
また、本発明の埋設管推進機の状態推定装置は、前記先導体前筒の垂直旋回曲率を出力変数とし、前記カッターヘッドと前記先導体前筒との垂直相対角である垂直方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回モデル（図７の５０４）と、前記先導体前筒の垂直旋回曲率に前記先導体前筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の垂直旋回曲率に前記先導体後筒の長さを乗じた項と、前記先導体後筒の後端に設けられたレーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位を推進距離に関して微分した微分値の項との合計を、前記先導体の垂直推進方向とする垂直推進方向モデル（５０５）と、垂直計画線に対する前記先導体前筒の傾斜角であるピッチング角と前記垂直変位と前記垂直方向修正量とを入力とし、前記垂直旋回モデル式と前記垂直推進方向モデル式とに基づいて、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する逐次状態変数ベクトル推定器（５０７）とを有するものである。
【００１２】
また、本発明の埋設管推進機の状態推定装置の１構成例において、前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記垂直旋回モデル式と前記垂直推進方向モデル式において、垂直計画線に対する前記先導体後筒の垂直傾斜角が前記先導体前筒の垂直傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定するものである。
また、本発明の埋設管推進機の状態推定装置の１構成例において、前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位を推進距離に関して微分した微分値が前記先導体前筒の垂直傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にして、垂直計画線に対する前記先導体の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定するものである。
また、本発明の埋設管推進機の状態推定装置の１構成例において、前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位の代わりに、前記先導体に設けられた誘導磁界発生装置の垂直計画線に対する垂直変位を補間した値を用いるものである。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
［第１の実施の形態］
以下、埋設管推進機の水平方向の位置・姿勢を推定する水平方向状態推定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水平方向状態推定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について説明する。
【００２３】
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。水平計画線（基線）からみたカッターヘッド１０２の先端部の水平変位をＸc 、水平計画線からみた方向修正部１０３の水平変位をＸh 、水平計画線からみた中折れ部１０６の水平変位をＸm 、水平計画線からみたレーザ受光装置２０２の水平変位をＸt とする。
【００２４】
また、水平計画線に対する先導体前筒１０４の傾斜角（ヨーイング角）をθH 、水平計画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）である水平方向修正量を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。また、先導体前筒１０４の長さをＬf 、カッターヘッド１０２を含む方向修正部１０３の長さをＬh 、先導体後筒１０５の長さをＬr とする。
【００２５】
先導体１０１の旋回運動は、元押装置１０７の発生する推進力とカッターヘッド１０２を含む方向修正部１０３が周囲地盤より受ける反力により大きく左右され、埋設管推進機の方向修正は先導体前筒１０４と方向修正部１０３の相対角である方向修正量を制御して地盤からの反力の影響を調整することにより実現されるものと考えられる。
【００２６】
また、埋設管推進機の構造から明らかなように先導体１０１の急旋回は不可能であり、水平計画線に対する傾斜角を変化させるには方向修正の後ある程度の推進距離を必要とする。ある一定の方向修正量を与えて推進を続けると、先導体前筒１０４が同一方向へ傾斜を始め中折れ角が生じ、仮にその後の地盤の性質が一定であるとすると先導体１０１は理想的には一定の折れ角を保ちながらある一定の曲率で旋回しようとする。
【００２７】
そこで、先導体１０１の水平旋回曲率と密接な関係があり、かつ内部センサにより計測可能な中折れ角φを出力変数とし、水平方向修正量ηH を入力変数として、それぞれ単位推進長Ｌp 毎にサンプリングした時系列データに関して次式のようなＡＲＸ（Auto-Regressive eXogenous ）モデルを導入することにより埋設管推進機の運動モデルを記述することを考える。
0003822507.tif 000002
【００２８】
ＡＲＸモデルについては、例えば文献「I.D.Landau,“System Identification and Control Design”,PrenticeHall(1990)」、文献「足立修一，“ユーザのためのシステム同定理論”，計測自動制御学会(1993)」に記載されている。
折れ角の自己回帰成分を考慮するのは方向修正部１０３の剛性が極めて高いのに対し、中折れ部１０６には埋設管推進機の旋回を容易にするためのコンプライアンスが存在すると考えられるためである。式（１）において、ｋはマシンデータのサンプリング回数、ａHi（ｉ＝１，・・・，ｎａ），ｂHj（ｊ＝１，・・・，ｎｂ）は周囲の地盤の性質によって変化する埋設管推進機の旋回特性に関するパラメータ、ｗ[k] は上記ダイナミクスに作用する白色システムノイズを意味している。
【００２９】
次に、先導体１０１の推進方向に関するモデリングについて考える。図６は推進中の先導体１０１の各部の移動ベクトルを示したものである。前述のとおり、方向修正部１０３の剛性は非常に大きいため、カッターヘッド１０２から先導体前筒１０４までを一体として埋設管推進機の旋回運動に伴う瞬間的な回転中心をＣf 、中折れ部１０６を介して接続される先導体後筒１０５に関する瞬間回転中心をＣr とする。
【００３０】
また、瞬間回転中心Ｃf から先導体前筒１０４へ降ろした垂線の足から方向修正部１０３までの距離をＤf 、カッターヘッド１０２から先導体前筒１０４までを一体とする旋回運動の曲率半径を１／ρH 、瞬間回転中心Ｃr から先導体後筒１０５へ降ろした垂線の足から中折れ部１０６までの距離をＤr 、先導体後筒１０５の旋回運動の曲率半径を１／ρHrとする。ただし、ρH は先導体前筒１０４の水平旋回曲率、ρHrは先導体後筒１０５の水平旋回曲率であり、これら曲率ρH ，ρHrは右方向への旋回時を正と定義しておく。
【００３１】
先導体前筒１０４と先導体後筒１０５は中折れ部１０６を共有しているので、先導体前筒１０４において定義される中折れ部１０６の移動ベクトルは、先導体後筒１０５で定義されるものと一致しなければならない。このとき、中折れ部１０６、瞬間回転中心Ｃfおよび瞬間回転中心Ｃrは一直線上に並び、次式が成立する。
θH＋β＝θHr＋βr                                      ・・・（２）
【００３２】
図６に示すように、βは先導体前筒１０４を基準とする中折れ部１０６の移動ベクトルの傾き、βr は先導体後筒１０５を基準とする中折れ部１０６の移動ベクトルの傾きである。式（２）は各曲率半径を用いて次のように表すことができる。
θH−（Ｌf−Ｄf）ρH＝θHr＋ＤrρHr                     ・・・（３）
【００３３】
一方、図６に示すように先導体後筒１０５を基準とするレーザ受光装置２０２の移動ベクトルの傾きをγとするとき、γ＝−（Ｌr−Ｄr）ρHrであることから、レーザ受光装置２０２の移動ベクトルの水平方向の勾配∂Ｘt／∂Ｌ （≪１）は先導体後筒１０５の回転中心と曲率半径に関して次式のような境界条件を与える。
θHr−（Ｌr−Ｄr）ρHr＝∂Ｘt／∂Ｌ                     ・・・（４）
【００３４】
式（４）において、Ｌは埋設管推進機の累積距離を表す。さて、先導体１０１の推進方向は、ここでは方向修正部１０３の移動ベクトルの水平方向の勾配∂Ｘh／∂Ｌ （≪１）で代表させることにすれば次式で表現できる。
∂Ｘh／∂Ｌ＝θH＋α＝θH＋ＤfρH                       ・・・（５）
式（５）において、αは図６に示すように先導体前筒１０４を基準とする方向修正部１０３の移動ベクトルの傾きである。
【００３５】
ここで、式（５）へ式（３）と式（４）を代入して整理すれば、結局、先導体１０１の推進方向に関して次の式が導かれる。
∂Ｘh／∂Ｌ＝ＬfρH＋ＬrρHr＋∂Ｘt／∂Ｌ               ・・・（６）
以上で、先導体１０１の水平旋回と推進方向に関する基本的な運動モデルが導入された。
【００３６】
一方、中折れ角φを各旋回曲率に結び付け、先導体１０１の水平計画線に対する位置・姿勢やＡＲＸモデルの係数を同時に推定するにはさらなる条件を導入する必要がある。
＜仮定Ａ＞先導体後筒１０５の運動に関しては、先導体前筒１０４の水平計画線に対する角度の軌跡を一定距離遅れてトレースするように振舞う。
【００３７】
すなわち、ある地点での水平計画線に対する先導体前筒１０４の角度がθH とすると、このときの先導体前筒１０４の中心位置をその後に先導体後筒１０５の中心が通過したとき、先導体後筒１０５の傾斜角θHrはθH に一致するものとする。いま、（Ｌf＋Ｌr）／（２Ｌp ）の小数点第一位を四捨五入した整数をｍd とすると、上記の仮定Ａは次式で表現できる。
【００３８】
【数１】
0003822507.tif 000003
【００３９】
また、式（７）を用いれば、先導体前筒１０４の中折れ角φは次のように表すことができる。
【００４０】
【数２】
0003822507.tif 000004
【００４１】
式（８）を式（１）へ代入すれば、水平計画線に対する先導体１０１の傾斜角に関する状態変化モデルが次式のように与えられる。
【００４２】
【数３】
0003822507.tif 000005
【００４３】
さらに、方向修正部１０３の移動ベクトルの勾配∂Ｘh／∂Ｌ を水平計画線からみた方向修正部１０３の水平変位Ｘh の後退差分で１次近似すれば、次式が得られる。
【００４４】
【数４】
0003822507.tif 000006
【００４５】
そして、方向修正部１０３の水平変位Ｘh に関する次の状態変化モデルが導かれる。
【００４６】
【数５】
0003822507.tif 000007
【００４７】
このとき、式（１）と式（１１）を組み合わせれば、レーザ受光装置２０２の移動ベクトルの水平方向の勾配∂Ｘt／∂Ｌ を外部入力とするカルマンフィルタを構成することにより、先導体１０１の位置姿勢（θH[k]，Ｘh[k]）や旋回運動に関するＡＲＸモデルのパラメータ（ａH1，・・・，ａHna ，ｂH1，・・・，ｂHnb ）をオンライン推定する逐次状態変数ベクトル推定器４０７を構成することが可能となる。
【００４８】
一方、上記のような推定法においてレーザ受光装置２０２の移動ベクトルの勾配∂Ｘt／∂Ｌ が直接観測できることはまれである。水平計画線からみたレーザ受光装置２０２の水平変位Ｘt のデータのみで直接その微分値が得られない場合は例えばＸt のデータに適当な曲線を当てはめて微分操作を行うこと等が考えられるが、ノイズの影響もあって正確な近似値を得るのは難しい。
【００４９】
そこで、Ｘt は先導体１０１が描く線形であり、ある地点における勾配はその直前の先導体後筒１０５の水平計画線に対する水平傾斜角が遅れて現れたものと考えて、Ｘt の微分値に関して次のような仮定をおくことにする。
＜仮定Ｂ＞レーザ受光装置２０２の移動ベクトルの水平方向の勾配∂Ｘt／∂Ｌ は、先導体後筒１０５の水平計画線に対する水平傾斜角の軌跡を一定距離遅れてトレースするように変化する。
【００５０】
すなわち、ある地点での水平計画線に対する先導体後筒１０５の傾斜角がθHrとすると、このときの先導体後筒１０５の中心位置をその後にレーザ受光装置２０２が通過したときの移動ベクトルの勾配∂Ｘt／∂Ｌ はθHrに一致するものとする。なお、仮定Ａと組み合わせると、レーザ受光装置２０２の移動ベクトルの水平方向の勾配∂Ｘt／∂Ｌ は、先導体前筒１０４の水平計画線に対する水平傾斜角の軌跡を一定距離遅れてトレースすることになる。仮定Ａと組み合わせた場合、（Ｌf＋２Ｌr）／（２Ｌp ）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Ｂは次式で表現できる。
【００５１】
【数６】
0003822507.tif 000008
【００５２】
式（１）と式（１１）の状態変化モデルに式（１２）を組み合わせれば、外部入力項のないカルマンフィルタを用いて先導体１０１の位置・姿勢及び水平旋回に関するＡＲＸモデルの各係数が求められ、さらにその後の運動を予測するための状態方程式表現やこれに基づく方向修正制御のためのフィードバック制御則が直ちに導出可能となる。以下、この場合のカルマンフィルタを用いた逐次状態変数ベクトル推定器４０７の構成法について述べる。
【００５３】
まず、以下のように推定すべき状態変数ベクトルＸH ∈Ｒ(nd+2+na+nb)×1を定義する。
【００５４】
【数７】
0003822507.tif 000009
【００５５】
このとき、式（１）、式（１１）は式（１２）の下で次の状態方程式により表すことができる。
【００５６】
【数８】
0003822507.tif 000010
【００５７】
式（１４）において、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。
【００５８】
一方、水平計画線からみたレーザ受光装置２０２の水平変位Ｘt は、水平計画線からみた方向修正部１０３の水平変位Ｘh と水平計画線に対する先導体前筒１０４の水平傾斜角θH と水平計画線に対する先導体後筒１０５の水平傾斜角θHrを用いれば、次式で表される。
Ｘt＝Ｘh−ＬfθH−ＬrθHr                             ・・・（１５）
【００５９】
式（１５）と先導体前筒１０４の中折れ角φに関する式（８）とレーザ受光装置２０２の変位の微分値に関する仮定式（１２）とを組み合わせれば、次の観測式が導かれる。
【００６０】
【数９】
0003822507.tif 000011
【００６１】
式（１６）において、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+2+na+nb)×3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。
【００６２】
【数１０】
0003822507.tif 000012
【００６３】
【数１１】
0003822507.tif 000013
【００６４】
【数１２】
0003822507.tif 000014
【００６５】
【数１３】
0003822507.tif 000015
【００６６】
【数１４】
0003822507.tif 000016
【００６７】
式（１７）、式（１８）はフィルタ方程式、式（１９）はカルマンゲイン、式（２０）、式（２１）は誤差の共分散行列方程式である。
【００６８】
一方、レーザターゲット法が使用できない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、水平計画線との変位ＸD （誘導磁界発生装置３０１の位置）を求めている。
【００６９】
このとき、埋設管１本程度の長さ毎に検知されるコイル位置ＸD を先導体１０１のローリング情報を基に補正した後、適当な曲線で補間してゆけば、レーザ受光部相当位置の水平変位とその微分値を逐次求めることができる。これらを式（１６）のデータベクトルとして提供すれば前述のカルマンフィルタで状態推定を行うことができる。
【００７０】
次に、図４に示した水平方向状態推定装置４０２の構成の構成について説明する。水平方向状態推定装置４０２は、マシン状態方程式生成部４０３と、レーザ受光部水平変位微分器４０６と、逐次状態変数ベクトル推定器４０７とから構成される。マシン状態方程式生成部４０３は、先導体水平旋回モデル４０４と、先導体水平推進方向モデル４０５とを有する。
【００７１】
なお、先導体１０１と埋設管１０８とを水平方向修正量ηH に基づいて水平計画線の方向に推進させる方向制御装置は、以上の水平方向状態推定装置４０２と観測信号切替器４０１と図示しない水平方向制御器とから構成される。
【００７２】
水平計画線の方向を示す水平計画線情報は、オペレータによって設定され、水平方向状態推定装置４０２と図示しない水平方向制御器に入力される。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。
【００７３】
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。
【００７４】
水平方向状態推定装置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。
【００７５】
レーザ受光部水平変位微分器４０６は、直線施工時の場合、観測信号切替器４０１の出力を基に、レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位Ｘt を推進距離Ｌに関して微分した微分値∂Ｘt／∂Ｌ を求める。また、レーザ受光部水平変位微分器４０６は、曲線施工時の場合、観測信号切替器４０１の出力（誘導磁界発生装置３０１の計画線に対する水平変位ＸD ）を先導体１０１のローリング情報を基に補正した後補間して、水平変位Ｘt に相当する変位を求め、求めた変位を推進距離Ｌに関して微分した微分値を求める。
【００７６】
そして、水平方向状態推定装置４０２の逐次状態変数ベクトル推定器４０７は、中折れ角φを出力変数とし水平方向修正量ηH を入力変数としたとき、単位推進長Ｌp 毎に得られる入力変数と出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した先導体水平旋回モデル４０４（式（１））と、先導体前筒１０４の水平旋回曲率ρH に先導体前筒１０４の長さＬf を乗じた項と、先導体後筒１０５の水平旋回曲率ρHrに先導体後筒１０５の長さＬr を乗じた項と、レーザ受光装置２０２の水平計画線に対する水平変位Ｘt を推進距離Ｌに関して微分した微分値の項との合計を、先導体１０１の水平推進方向とする先導体水平推進方向モデル４０５（式（６））と、レーザ受光部水平変位微分器４０６の出力と、前記入力信号とに基づいて、水平計画線に対する先導体１０１の水平位置・姿勢パラメータθH[k]，Ｘh[k]とＡＲＸモデルのパラメータａH1，・・・，ａHna ，ｂH1，・・・，ｂHnb とをオンライン推定（すなわち、埋設管推進機の推進と同時に推定）する。
【００７７】
図示しない水平方向制御器は、逐次状態変数ベクトル推定器４０７によって推定された水平方向状態変数ベクトル推定値に基づいて次の水平方向修正量ηH を計算する。水平方向制御器で計算された水平方向修正量ηH は、埋設管推進機に入力され、この水平方向修正量ηH 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が水平計画線の方向に前進するよう方向制御が行われる。
【００７８】
なお、水平方向状態推定装置４０２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。このようなコンピュータでは、マシン状態方程式生成部４０３は記憶装置に格納される。以上のようにして、オペレータの熟練度に依存せず、均質で高精度な埋設管推進機の状態推定を実現できる。
【００７９】
［第２の実施の形態］
次に、埋設管推進機の垂直方向の位置・姿勢を推定する垂直方向状態推定装置について説明する。図７は、本発明の第２の実施の形態となる垂直方向状態推定装置の構成を示すブロック図である。図７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について説明する。
【００８０】
図８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。垂直計画線（基線）から見たカッターヘッド１０２の先端部の垂直変位をＹc 、垂直計画線から見た方向修正部１０３の垂直変位をＹh 、垂直計画線から見た中折れ部１０６の垂直変位をＹm 、垂直計画線から見たレーザ受光装置２０２の垂直変位をＹt とする。
【００８１】
また、垂直計画線に対する先導体前筒１０４の傾斜角（ピッチング角）をθV 、垂直計画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）である垂直方向修正量をηV とする。
【００８２】
先導体１０１の垂直方向の旋回運動に関しても前述の水平旋回時の挙動がそのまま当てはまる。ただし、垂直運動については先導体前筒１０４に内蔵されたピッチング計により垂直方向の旋回曲率ρV が算出できるので、これに関する次式のようなＡＲＸモデルを使用する。
0003822507.tif 000017
【００８３】
式（２２）において、ａVi（ｉ＝１，・・・，ｎａ），ｂVj（ｊ＝１，・・・，ｎｂ）は周囲の地盤の性質によって変化する埋設管推進機の旋回特性に関するパラメータ、ｗV[k]  は上記ダイナミクスに作用する白色システムノイズを意味している。
【００８４】
先導体１０１の推進方向に関するモデリングについても、図６の水平旋回運動に伴う各部の移動ベクトルの算出法と同様の考え方を用いることができる。結局、先導体１０１の垂直運動における推進方向に関して次の式が導かれる。
∂Ｙh／∂Ｌ＝ＬfρV＋ＬrρVr＋∂Ｙt／∂Ｌ             ・・・（２３）
【００８５】
ただし、ρV ，ρVrはそれぞれ先導体前筒１０４と先導体後筒１０５の垂直旋回曲率、Ｙh，Ｙtはそれぞれ方向修正部１０３とレーザ受光装置２０２の垂直計画線に対する垂直変位を表す。以上で、先導体１０１の垂直方向の旋回運動と推進方向に関する基本的な運動モデルが導入された。
【００８６】
垂直方向の運動に関してはピッチングデータが直接得られるため、先導体１０１の垂直計画線に対する姿勢やＡＲＸモデルの係数の推定値は直ちに求めることができる。実際、式（２２）の左辺第一項を先導体前筒１０４の傾斜角θV に関する後退差分で１次近似すれば、垂直計画線に対する先導体１０１の垂直傾斜角に関する次のような状態変化モデルが導かれる。
【００８７】
【数１５】
0003822507.tif 000018
【００８８】
ただし、方向修正部１０３などの垂直変位等を同時に推定するには水平運動時と同様さらなる条件を導入する必要がある。すなわち、前述の＜仮定Ａ＞と同様の仮定が垂直方向の運動に関しても成立するものと仮定する。
＜仮定Ａ’＞先導体後筒１０５の垂直運動に関しては、先導体前筒１０４の垂直計画線に対する角度の軌跡を一定距離遅れてトレースするように振舞う。
【００８９】
すなわち、ある地点での垂直計画線に対する先導体前筒１０４の垂直方向の角度がθV とすると、このときの先導体前筒１０４の中心位置をその後に先導体後筒１０５の中心位置が通過したとき、先導体後筒１０５の傾斜角θVrはθV に一致するものとする。前述と同様、（Ｌf＋Ｌr）／（２Ｌp ）の小数点第一位を四捨五入した整数をｍd とすると、上記の仮定Ａ’は次式で表現できる。
【００９０】
【数１６】
0003822507.tif 000019
【００９１】
このとき、次式を考慮する。
【００９２】
【数１７】
0003822507.tif 000020
【００９３】
式（２６）を考慮することにより、方向修正部１０３の垂直変位Ｙh に関する次の状態変化モデルが得られる。
【００９４】
【数１８】
0003822507.tif 000021
【００９５】
ここで、式（２４）と式（２７）を組み合わせれば、レーザ受光装置２０２の移動ベクトルの垂直方向の勾配∂Ｙt／∂Ｌ を外部入力とするカルマンフィルタを構成することにより、先導体１０１の位置姿勢（θV[k]，Ｙh[k]）や旋回運動に関するＡＲＸモデルのパラメータ（ａV1，・・・，ａVna ，ｂV1，・・・，ｂVnb ）をオンライン推定する逐次状態変数ベクトル推定器５０７を構成することが可能となる。
【００９６】
一方、レーザ受光装置２０２の移動ベクトルの垂直方向の勾配∂Ｙt／∂Ｌ に関しても水平方向のときと同様な仮定をおくことにする。
＜仮定Ｂ’＞レーザ受光装置２０２の移動ベクトルの垂直方向の勾配∂Ｙt／∂Ｌ は、先導体後筒１０５の垂直計画線に対する垂直傾斜角の軌跡を一定距離遅れてトレースするように変化する。
【００９７】
すなわち、ある地点での垂直計画線に対する先導体後筒１０５の傾斜角がθVrとすると、このときの先導体後筒１０５の中心位置をその後にレーザ受光装置２０２が通過したときの移動ベクトルの垂直方向の勾配∂Ｙt／∂Ｌ はθVrに一致するものとする。なお、仮定Ａ’と組み合わせると、レーザ受光装置２０２の移動ベクトルの垂直方向の勾配∂Ｙt／∂Ｌ は、先導体前筒１０４の垂直計画線に対する垂直傾斜角の軌跡を一定距離遅れてトレースすることになる。仮定Ａ’と組み合わせた場合、（Ｌf＋２Ｌr）／（２Ｌp ）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Ｂ’は次式で表現できる。
【００９８】
【数１９】
0003822507.tif 000022
【００９９】
式（２４）と式（２７）の状態変化モデルに式（２８）を組み合わせれば、外部入力項のないカルマンフィルタを用いて先導体１０１の位置・姿勢及び垂直旋回に関するＡＲＸモデルの各係数が求められ、さらにその後の運動を予測するための状態方程式表現やこれに基づく方向修正制御のためのフィードバック制御則が直ちに導出可能となる。以下、この場合のカルマンフィルタを用いた逐次状態変数ベクトル推定器５０７の構成法について述べる。
【０１００】
まず、以下のように推定すべき状態変数ベクトルＸH ∈Ｒ(nd+2+na+nb+1)×1を定義する。
【０１０１】
【数２０】
0003822507.tif 000023
【０１０２】
このとき、式（２４）、式（２７）は式（２８）の下で次の状態方程式により表すことができる。
【０１０３】
【数２１】
0003822507.tif 000024
【０１０４】
式（２９）に表す状態変数ベクトルには未知の量であるピッチング計のオフセットｐ0 が含まれている。また、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。
【０１０５】
一方、垂直計画線からみたレーザ受光装置２０２の垂直変位Ｙt は、垂直計画線からみた方向修正部１０３の垂直変位Ｙh と垂直計画線に対する先導体前筒１０４の垂直傾斜角θV と垂直計画線に対する先導体後筒１０５の垂直傾斜角θVrを用いれば、次式で表される。
Ｙt＝Ｙh−ＬfθV−ＬrθVr                             ・・・（３１）
【０１０６】
式（３１）とピッチング計出力ｐ（＝θV＋ｐ0）とレーザ受光装置２０２の変位の微分値に関する仮定式（２８）とを組み合わせれば、次の観測式が導かれる。
【０１０７】
【数２２】
0003822507.tif 000025
【０１０８】
式（３２）において、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+2+na+nb+1)×3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。
【０１０９】
【数２３】
0003822507.tif 000026
【０１１０】
【数２４】
0003822507.tif 000027
【０１１１】
【数２５】
0003822507.tif 000028
【０１１２】
【数２６】
0003822507.tif 000029
【０１１３】
【数２７】
0003822507.tif 000030
【０１１４】
式（３３）、式（３４）はフィルタ方程式、式（３５）はカルマンゲイン、式（３６）、式（３７）は誤差の共分散行列方程式である。
【０１１５】
一方、レーザターゲット法が使用できない曲線施工時の埋設管推進機の垂直位置検知は、図３に示すとおり埋設管推進機に内蔵された圧力センサ３０３により垂直計画線との垂直変位（深度データ）Ｙs を求めている。
【０１１６】
このとき、単位推進長Ｌp 毎に圧力センサ３０３により検知される深度データＹs を先導体１０１のローリング情報を基に補正した後、適当な曲線で補間してゆけば、レーザ受光部相当位置の垂直変位とその微分値を逐次求めることができる。これらを式（３２）のデータベクトルとして提供すれば前述のカルマンフィルタで状態推定を行うことができる。
【０１１７】
次に、図７に示した垂直方向状態推定装置５０２の構成の構成について説明する。垂直方向状態推定装置５０２は、マシン状態方程式生成部５０３と、レーザ受光部垂直変位微分器５０６と、逐次状態変数ベクトル推定器５０７とから構成される。マシン状態方程式生成部５０３は、先導体垂直旋回モデル５０４と、先導体垂直推進方向モデル５０５とを有する。
【０１１８】
なお、先導体１０１と埋設管１０８とを垂直方向修正量ηV に基づいて垂直計画線の方向に推進させる方向制御装置は、以上の垂直方向状態推定装置５０２と観測信号切替器５０１と図示しない垂直方向制御器とから構成される。
【０１１９】
垂直計画線の方向を示す垂直計画線情報は、オペレータによって設定され、垂直方向状態推定装置５０２と図示しない垂直方向制御器に入力される。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。
【０１２０】
観測信号切替器５０１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。
【０１２１】
垂直方向状態推定装置５０２は、観測信号切替器５０１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、垂直計画線に対する先導体前筒１０４の傾斜角（ピッチング角）ｐ（＝θV＋ｐ0）を示すピッチング角信号と、垂直方向制御器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。
【０１２２】
レーザ受光部垂直変位微分器５０６は、直線施工時の場合、観測信号切替器５０１の出力を基に、レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位Ｙt を推進距離Ｌに関して微分した微分値∂Ｙt／∂Ｌ を求める。また、レーザ受光部垂直変位微分器５０６は、曲線施工時の場合、観測信号切替器４０１の出力（圧力センサ３０３の計画線に対する垂直変位Ｙs ）を先導体１０１のローリング情報を基に補正した後補間して、垂直変位Ｙt に相当する変位を求め、求めた変位を推進距離Ｌに関して微分した微分値を求める。
【０１２３】
そして、垂直方向状態推定装置５０２の逐次状態変数ベクトル推定器５０７は、先導体前筒１０４の垂直旋回曲率ρV を出力変数とし垂直方向修正量ηV を入力変数としたとき、単位推進長Ｌp 毎に得られる入力変数と出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した先導体垂直旋回モデル５０４（式（２２））と、先導体前筒１０４の垂直旋回曲率ρV に先導体前筒１０４の長さＬf を乗じた項と、先導体後筒１０５の垂直旋回曲率ρVrに先導体後筒１０５の長さＬr を乗じた項と、レーザ受光装置２０２の垂直計画線に対する垂直変位Ｙt を推進距離Ｌに関して微分した微分値の項との合計を、先導体１０１の垂直推進方向とする先導体垂直推進方向モデル５０５（式（２３））と、レーザ受光部垂直変位微分器５０６の出力と、前記入力信号とに基づいて、垂直計画線に対する先導体１０１の垂直位置・姿勢パラメータθV[k]，Ｙh[k]とＡＲＸモデルのパラメータａV1，・・・，ａVna ，ｂV1，・・・，ｂVnb とをオンライン推定する。
【０１２４】
図示しない垂直方向制御器は、逐次状態変数ベクトル推定器５０７によって推定された垂直方向状態変数ベクトル推定値に基づいて次の垂直方向修正量ηV を計算する。垂直方向制御器で計算された垂直方向修正量ηV は、埋設管推進機に入力され、この垂直方向修正量ηV 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が垂直計画線の方向に前進するよう方向制御が行われる。
【０１２５】
なお、垂直方向状態推定装置５０２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。このようなコンピュータでは、マシン状態方程式生成部５０３は記憶装置に格納される。以上のようにして、オペレータの熟練度に依存せず、均質で高精度な埋設管推進機の状態推定を実現できる。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明によれば、水平変位と中折れ角と水平方向修正量とを入力とし、水平旋回モデル式と水平推進方向モデル式とに基づいて、水平計画線に対する先導体の水平位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを埋設管推進機の推進と同時に推定するようにしたことにより、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観測信号からオンラインで状態推定を行うようにしたので、先導体の水平計画線に対する位置・姿勢や周囲地盤の性質に見合った埋設管推進機の旋回特性を求めることが可能となり、オペレータが熟練者か非熟練者かに関係なく、埋設管推進機の均質で高精度な状態推定を行うことができ、現在より先の予測情報を提供することができる。
【０１２７】
また、水平旋回モデル式と水平推進方向モデル式において、水平計画線に対する先導体後筒の水平傾斜角が先導体前筒の水平傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にすることにより、水平計画線に対する先導体の水平位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することができる。
【０１２８】
また、レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位を推進距離に関して微分した微分値が先導体前筒の水平傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にすることにより、水平計画線に対する先導体の水平位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することができる。
【０１２９】
また、レーザ受光装置の水平計画線に対する水平変位の代わりに、先導体に設けられた誘導磁界発生装置の水平計画線に対する水平変位を補間した値を用いることにより、レーザターゲット法が使用できない曲線施工時についても、先導体の水平位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することができる。
【０１３０】
また、ピッチング角と垂直変位と垂直方向修正量とを入力とし、垂直旋回モデル式と垂直推進方向モデル式とに基づいて、垂直計画線に対する先導体の垂直位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを埋設管推進機の推進と同時に推定するようにしたことにより、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観測信号からオンラインで状態推定を行うようにしたので、先導体の垂直計画線に対する位置・姿勢や周囲地盤の性質に見合った埋設管推進機の旋回特性を求めることが可能となり、オペレータが熟練者か非熟練者かに関係なく、埋設管推進機の均質で高精度な状態推定を行うことができ、現在より先の予測情報を提供することができる。
【０１３１】
また、垂直旋回モデル式と垂直推進方向モデル式において、垂直計画線に対する先導体後筒の垂直傾斜角が先導体前筒の垂直傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にすることにより、垂直計画線に対する先導体の垂直位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することができる。
【０１３２】
また、レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位を推進距離に関して微分した微分値が先導体後筒の垂直傾斜角を一定距離遅らせた値と等しいと仮定することにより得られる状態方程式を基にすることにより、垂直計画線に対する先導体の垂直位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することができる。
【０１３３】
また、レーザ受光装置の垂直計画線に対する垂直変位の代わりに、先導体に設けられた誘導磁界発生装置の垂直計画線に対する垂直変位を補間した値を用いることにより、レーザターゲット法が使用できない曲線施工時についても、先導体の垂直位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを同時に推定することができる。
【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水平方向状態推定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】  埋設管推進機の旋回運動に伴う先導体各部の移動ベクトルを示す図である。
【図７】  本発明の第２の実施の形態となる垂直方向状態推定装置の構成を示すブロック図である。
【図８】  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…水平方向状態推定装置、４０３…マシン状態方程式生成部、４０４…先導体水平旋回モデル、４０５…先導体水平推進方向モデル、４０６…レーザ受光部水平変位微分器、４０７…逐次状態変数ベクトル推定器、５０１…観測信号切替器、５０２…垂直方向状態推定装置、５０３…マシン状態方程式生成部、５０４…先導体垂直旋回モデル、５０５…先導体垂直推進方向モデル、５０６…レーザ受光部垂直変位微分器、５０７…逐次状態変数ベクトル推定器。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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