JP2003262090A - トンネル掘削機の位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】一台の三次元計測器で精度の高い位置測定を行
うことのできるトンネル掘削機位置計測装置を提供す
る。 【解決手段】トンネル掘削機１の傾斜角α、βを検出す
る傾斜測定部２と、トンネル掘削機１に固定されたプリ
ズムターゲット３と、測距用レーザ６を放出しプリズム
ターゲット３までの垂直および水平距離Ｌ₁、Ｌ₂を測定
する追尾式トータルステーション５と、これに固定され
た点光源７と、点光源７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が旋回し、センサー面の旋回
角β₁を検出する角度検出器を備えた点光源追尾センサ
ー４と、測定された結果α、β₁、γ、Ｌ₁、Ｌ₂に基づ
いてトンネル掘削機１の旋回角β₂を算出する手段とを
備えた。

Description

【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２００１−２７７
５８４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δ
₁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β
₁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Ｐ_O（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】

【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Ｐ
₂（ｘ₂、ｙ₂、ｚ₂）は次のようになる。

【００３９】

【式２】

【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】

【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】

【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ｚ
₁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】

【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】

【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】

【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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。