JP2728326B2

JP2728326B2 - 移動体の位置・姿勢自動計測装置

Info

Publication number: JP2728326B2
Application number: JP3339241A
Authority: JP
Inventors: 和志平岡
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 1998-03-18
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: JPH05172516A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動体例えばシールド
掘進機の位置・姿勢自動計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、シールド掘進機の位置および姿勢
を自動的に計測する装置として、レーザ光線を用いたも
のが種々使用されている。

【０００３】例えば、レーザ発振器をトンネル内に固定
し、シールド掘進機の進行方向に、その位置が既知であ
るレーザ光線を出射し、シールド掘進機に取り付けられ
たレーザ位置センサーでレーザスポットの位置を計測す
ることにより、シールド掘進機の位置計測が行われてい
る。

【０００４】また、レーザ発振器をトランシットに取り
付けて、シールド掘進機に設けられたターゲットに出射
するレーザ光線の方向を変化できるようにしたものもあ
る。この場合、レーザ光線の位置は、トランシットの回
転角から求めることができ、上記の方法と同様にシール
ド掘進機の位置測量を行うことができる。

【０００５】さらに、上記の他に、例えば曲線部におけ
る自動位置計測を行うものとして、レーザ光線とトンネ
ル内に複数個設置されたコーナキューブとを利用して、
角度計測を行うようにしたものもある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の第１番
目に記載したものについては、レーザ光線が固定されて
いるため、トンネルが曲線部である場合には、受光セン
サーの大きさに制限があるため、計測ができないという
問題がある。

【０００７】また、第２番目のものについては、曲線部
で連続計測を行う場合には、シールド掘進機がトンネル
の側壁に隠れるため、やはり計測ができなくなるという
問題がある。

【０００８】さらに、第３番目のものについては、レー
ザを高速で回転させるためおよび回転部の水平誤差の影
響により、角度計測誤差が大きくなって計測精度が悪く
なるとともに、投光ユニットが多数必要になるという問
題があった。

【０００９】そこで、本発明は上記問題を解消し得る移
動体の位置・姿勢自動計測装置を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の移動体の位置・姿勢自動計測装置は、基準
点に設置されるレーザ光線の投光ユニットと、移動体に
設置されたレーザ光線の受光ユニットと、移動体の移動
経路途中に設置されるとともに上記投光ユニットから出
射されたレーザ光線を受光ユニットに反射させる反射ユ
ニットとから構成し、上記投光ユニットを、レーザ発振
器と、光波距離計と、上記レーザ発振器からのレーザ光
線を光波距離計の光軸に一致させる第１および第２ハー
フミラーと、上記レーザ発振器および光波距離計を制御
する制御装置とから構成し、上記受光ユニットを、レー
ザ光線を異なる位置で検出する第１および第２受光セン
サーと、光波距離計からのレーザ光線を反射するための
反射器と、この反射器の手前位置に設けられて反射され
たレーザ光線に変調をかける変調器と、上記第１および
第２受光センサーからの受光位置信号に基づき上記変調
器を制御する制御器とから構成し、上記反射ユニット
を、投光ユニットから出射されたレーザ光線を受光ユニ
ットに入射させる第１および第２反射鏡と、これら各反
射鏡を互いに直交する軸心回りで回転させる第１および
第２回転装置とから構成し、さらに上記投光ユニット側
に、受光ユニット側の反射器および反射ユニットを介し
て反射されて光波距離計の光路上を戻ってきたレーザ光
線を、第２ハーフミラーおよび第１ハーフミラーを介し
て、上記光路から取り出して上記受光ユニットの変調器
にて変調された位置信号を分離する検光子を設け、かつ
上記移動体が直線部を移動している際には、移動体の移
動方向に垂直な平面への位置ずれ量および姿勢を、上記
第１および第２受光センサーで検出するようになし、直
線部を経て曲線部を移動している際には、直線部の所定
位置に配置された上記投光ユニットからレーザ光線を、
反射ユニットを介して移動体の受光ユニットに出射し、
この受光ユニットから反射ユニットを経て投光ユニット
に戻ってきたレーザ光線および反射ユニットにおける第
１および第２反射鏡の回転角度により、移動体の投光ユ
ニットに対する位置を検出するとともに、受光ユニット
に設けられた第１および第２受光センサーにより、移動
体の姿勢を検出するようにしたものである。

【００１１】

【００１２】

【作用】上記の構成によると、直線部を経て曲線部に移
動している移動体をレーザ光線を使用してその位置およ
び姿勢を計測する場合、投光ユニットからレーザ光線を
移動体に設けられた受光ユニットに出射し、この受光ユ
ニットから反射されたレーザ光線を投光ユニット側で受
光する際に、その移動経路の途中に配置された反射ユニ
ットを介してレーザ光線の出射および入射を行うととも
に、この反射ユニットに回転自在に設けられた２枚の反
射鏡の回転角度を調整することにより、投光ユニットと
受光ユニットとの間でレーザ光線の受け渡しを行うよう
にしたので、曲線部においても、投光ユニットからのレ
ーザ光線を受光ユニットの所定位置に入射させることが
できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図１０に基
づき説明する。図１は本発明の一実施例における移動
体、例えばシールド掘進機のトンネル掘削時における位
置および姿勢を自動的に計測する自動計測装置の概略構
成を示す図である。

【００１４】この位置・姿勢自動計測装置は、基準点と
して例えばトンネル２の直線部３である入口坑道部内に
設置されるレーザ光線を発射する投光ユニット１１と、
シールド掘進機１内に設置されたレーザ光線の受光ユニ
ット１２と、シールド掘進機１の移動経路上の所定位
置、例えば直線部３の終端付近のトンネル２内の途中に
設置されて、上記投光ユニット１１から出射されたレー
ザ光線を受光ユニット１２に導く反射ユニット１３とか
ら構成されている。

【００１５】上記投光ユニット１１は、レーザ発振器２
１と、このレーザ発振器２１の前方位置に順番に配置さ
れた第１変調器２２、コリメータ２３、偏光子２４、お
よび第１ハーフミラー２５と、光波距離計２６と、この
光波距離計２６の前方位置に配置された第２ハーフミラ
ー２７と、上記第１変調器２２および光波距離計２６に
それぞれ制御線２８，２９を介して制御信号を出力する
ためのコンピュータ（制御装置）３０と、上記第１ハー
フミラー２５の背面側に配置された検光子３１と、この
検光子３１の後方に配置された第１フォトダイオード３
２と、途中にアンプ３３およびデコーダ３４が設けられ
て第１フォトダイオード３２で検出された信号を上記コ
ンピュータ３０に入力するための信号線３５と、上記制
御線２８途中に設けられたエンコーダ３６およびドライ
バ３７とから構成されている。

【００１６】この投光ユニット１１において、レーザ発
振器２１より出射したレーザ光線は、第１変調器２２を
通過し、コリメータ２３によりそのビーム径および開口
角が調整され、そして偏光子２４を通過し、第１および
第２ハーフミラー２５，２７で反射されて出射される。

【００１７】また、光波距離計２６からは、距離測定用
のレーザ光線が第２ハーフミラー２７を透過して出射さ
れる。この第２ハーフミラー２７の角度を調節すること
により、レーザ発振器２１からの姿勢検出用のレーザ光
線と距離計測用のレーザ光線との光軸が合わされる。な
お、この第２ハーフミラー２７には、例えば既存製品で
ある２軸の微調整が可能なミラーホルダーが使用され
る。また、上記第１変調器２２としては、既存製品のど
れを使用してもよく、例えばレーザ発振器が半導体レー
ザである場合には直接変調でもよい。本実施例において
は、直線偏光レーザ発振器を用い、偏光子を使用して変
調した場合を示しているため、変調器としては、ファラ
デー素子などの偏光面回転光学素子が使用される。

【００１８】上記受光ユニット１２は、シールド掘進機
１内に例えば鉛直面内に配置されて、反射ユニット１３
からのレーザ光線を入射してその受光位置を検出するた
めの第１レーザ位置センサー（受光センサー）４１と、
シールド掘進機１内に水平面内で配置されて、反射ユニ
ット１３からのレーザ光線を第３ハーフミラー４２を介
して入射してその受光位置を検出するための第２レーザ
位置センサー（受光センサー）４３と、同じく反射ユニ
ット１３からのレーザ光線を第４ハーフミラー４４を介
して入射するとともに元の入射経路に反射するための第
１コーナキューブ４５と、この第１コーナキューブ４５
の手前位置に配置された第２変調器４６と、上記第１お
よび第２レーザ位置センサー４１，４３からの受光位置
信号に基づき上記第２変調器４６を制御するためのコン
トローラ（制御器）４７と、途中にアンプ４８が設けら
れて上記第１および第２レーザ位置センサー４１，４３
からの受光位置信号をコントローラ４７に入力するため
の信号線４９と、途中にエンコーダ５０およびドライバ
５１が設けられて上記コントローラ４７からの制御信号
を第２変調器４６に出力するための制御線５２とから構
成されている。

【００１９】この受光ユニット１２において、光波距離
計２６から出射された距離測定用のレーザ光線は、第１
コーナキューブ４５により反射されて同一光路を通り、
光波距離計２６に戻り、シールド掘進機１までの距離が
計測される。

【００２０】また、第１および第２レーザ位置センサー
４１，４３からの受光位置信号は信号線４９を介してコ
ントローラ４７に入力され、ここでディジタル信号に変
換された後、エンコーダ５０によりシリアルコードに変
換され、そしてドライバ５１を経て第２変調器４６に入
力され、両レーザ位置センサー４１，４３により検出さ
れた受光位置信号はレーザ光線に載せられて、投光ユニ
ット１１側に送られる。

【００２１】すなわち、レーザ光線は、第２変調器４６
により変調され、第１コーナキューブ４５で反射されて
同一光路を通り、第１ハーフミラー２５まで戻る。そし
て、第１ハーフミラー２５を透過したレーザ光線は検光
子３１を透過して第１フォトダイオード３２に入射され
る。第１フォトダイオード３２に入射した後、電気信号
となり、アンプ３３を経てデコーダ３４に入り、両レー
ザ位置センサー４１，４３により検出された受光位置デ
ータがコンピュータ３０に入力される。

【００２２】ところで、第２変調器４６の場合も、変調
方法としてはどのような方法でもよいが、強度変調をす
る場合には、光波距離計２６からの信号と干渉しないよ
うに、変調周波数を大きく変える必要がある。

【００２３】なお、図１においては、偏向面の回転によ
り変調をかける場合を示しているので、変調器はファラ
デー効果などを利用して偏向面を回転させるものが使用
されている。また、変位信号が回転信号と混信しないよ
うに、例えばコードや時間差などで区別が行われる。

【００２４】さらに、上記反射ユニット１３は、投光ユ
ニット１１からのレーザ光線を反射させる第１反射ミラ
ー（第１反射鏡）６１および第２反射ミラー（第２反射
鏡）６２と、この第１反射ミラー６１を水平軸心回りで
回転させる第１回転装置（例えば、サーボモータなどが
使用される）６３と、上記第２反射ミラー６２を鉛直軸
心回りで回転させる第２回転装置（例えば、サーボモー
タなどが使用される）６４と、入射口６５に対応する位
置に設けられて、投光ユニット１１からのレーザ光線を
上記第１反射ミラー６１に導く第３反射ミラー６６と、
同じく入射口６５に対応する位置に設けられてレーザ光
線の回折光を入射をする第２フォトダイオード６７と、
この第２フォトダイオード６７の検出信号に基づき、上
記第１および第２反射ミラー６１，６２の各回転装置６
３，６４を制御するコントローラ（制御器）６８と、第
２フォトダイオード６７の検出信号を上記コントローラ
６８に送る信号線６９途中に設けられたアンプ７０およ
びデコーダ７１と、上記コントローラ６８からの制御信
号を各回転装置６３，６４に出力する制御線７２の途中
に設けられたドライバ７３と、上記第２反射ミラー６２
に取り付けられて投光ユニット１１からのレーザ光線を
投光ユニット１１側に反射するための第２コーナキュー
ブ７４とから構成されている。

【００２５】この反射ユニット１３は、投光ユニット１
１から出射されたレーザ光線の光路上の任意位置、例え
ばシールド掘進機１の移動軌跡上に、すなわち既設のト
ンネル２内にレーザ光線が第３反射ミラー６６に入射す
る位置で、第１反射ミラー６１の回転軸心が鉛直方向と
なるように取り付けられ、そしてレーザ光線が受光ユニ
ット１２側に入力するように、第１および第２回転装置
６３，６４により、第１および第２反射ミラー６１，６
２を回転させてレーザ光線を出射するものである。

【００２６】なお、この反射ミラー６１，６２の回転角
度を制御する制御信号は、投光ユニット１１側のコンピ
ュータ３０から第１変調器２２を経て、レーザ光線に載
せられて反射ユニット１３側に送られる。また、上記第
２コーナキューブ７４は、投光ユニット１１から反射ユ
ニット１３までの距離を測定するためのものである。

【００２７】ここで、計測原理について説明する。ま
ず、シールド掘進機１までの距離、すなわち位置の計測
原理について説明する。

【００２８】光波距離計２６から出射されたレーザ光線
は、反射ユニット１３を経て受光ユニット１２側に導か
れ、そして受光ユニット１２において、第４ハーフミラ
ー４４により第１コーナキューブ４５に入り、ここで反
射されて同一光路を通って光波距離計２６に戻り、シー
ルド掘進機１までの距離がコンピュータ３０により演算
される。なお、この演算方法は、予め反射ユニット１３
の位置が分かっているため、光波距離計２６で得られた
シールド掘進機１までの直線距離から反射ユニット１３
までの距離を引き、反射ユニット１３からのシールド掘
進機１までの距離を求め、そしてこの距離と各反射ミラ
ー６１，６２の回転角度によりシールド掘進機１の位置
が求められる。

【００２９】次に、シールド掘進機１の姿勢の計測原理
について説明する。投光ユニット１１のレーザ発振器２
１から出射されたレーザ光線は、第１および第２ハーフ
ミラー２５，２７を介して、距離測定用のレーザ光線と
同一の光路でもって、反射ユニット１３に向かって出射
され、そしてこの反射ユニット１３における第３反射ミ
ラー６６、第１反射ミラー６１および第２反射ミラー６
２を経て受光ユニット１２側に導かれる。この受光ユニ
ット１２に導かれたレーザ光線は、第３ハーフミラー４
２で２つに分離され、その透過したレーザ光線は第１レ
ーザ位置センサー４１に入射されるとともに、反射した
レーザ光線は第２レーザ位置センサー４３に入射する。
そして、これら両レーザ位置センサー４１，４３により
検出された受光位置データは、第１コントローラ４７、
第２変調器４６を介して第１コーナキューブ４５に入射
されるレーザ光線に載せられた後、第１コーナキューブ
４５で反射されて投光ユニット１１側に戻る。投光ユニ
ット１１に戻ったレーザ光線は、検光子３１に入り、位
置信号が抽出された後、第１フォトダイオード３２に入
る。この第１フォトダイオード３２で検出された信号
は、デコーダ３４で位置信号に直されて、コンピュータ
３０に入力される。

【００３０】そして、このコンピュータ３０において、
上記両レーザ位置センサー４１，４３からの受光位置信
号すなわち２箇所における受光位置座標に基づいて、シ
ールド掘進機１自体の姿勢が演算される。

【００３１】次に、シールド掘進機の位置および姿勢を
自動的に計測する具体的方法を、図面に基づき説明す
る。まず、図２に示すように、投光ユニット１１を所定
の位置（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ，Ｚ₀）に、かつレーザ光線が施工
計画線と平行となるような方向（θ₀ ，φ₀ ）で出射す
るように取り付ける。なお、図３に座標系における角度
の取り方について示しておく。

【００３２】ＡＢ区間は直線部３であるため、直線部計
測法で計測する。すなわち、シールド掘進機１の計画施
工線に対する姿勢、ヨーイングθ_m 、ピッチングφ_m 、
および計画施工線からの変位量（ξ，ζ）は下記に示す
(7) 式および(8) 式により求められる（図４〜図６参
照）。

【００３３】但し、ξはシールド掘進機中心位置の施工
計画線に垂直な平面内における水平方向の施工計画線か
らのずれ量（図４参照），ζはシールド掘進機中心位置
の施工計画線に垂直な平面内における鉛直方向の施工計
画線からのずれ量（図５参照）である。

【００３４】なお、直線施工においては、θ_m およびφ
_m はともに小さいので、cos θ_m およびsin φ_m はほぼ
１に等しいものとみなす。 θ_m ＝tan^-1(( ξ₂ −ξ₁)／ｄ) ・・・(1) φ_m ＝tan^-1(( ζ₂ −ζ₁)／ｄ) ・・・(2) ξ₁ ＝ξ₁′cos Ｒ＋ζ₁′sin Ｒ−ｒ(sin( Ｒ＋Ｒ₀)−sin Ｒ₀) ・・・(3) ζ₁ ＝−ξ₁′sin Ｒ＋ζ₁′cos Ｒ−ｒ(cos( Ｒ＋Ｒ₀)−cos Ｒ₀) ・・・(4) ξ₂ ＝ξ₂′cos Ｒ＋ζ₂′sin Ｒ−ｒ(sin( Ｒ＋Ｒ₀)−sin Ｒ₀) ・・・(5) ζ₂ ＝−ξ₂′sin Ｒ＋ζ₂′cos Ｒ−ｒ(cos( Ｒ＋Ｒ₀)−cos Ｒ₀) ・・・(6) ξ＝ξ₁ ＋ｄ₀ sinθ_m cos φ_m ＋ｒsin Ｒ₀ cos θ_m ・・・(7) ζ＝ζ₁ ＋ｄ₀ sinφ_m cos θ_m ＋ｒsin Ｒ₀ cos φ_m ・・・(8)

【００３５】ここで、ξ₁ ′，ζ₁ ′は第１レーザ位置
センサーによる実測値である。ξ₂ ′，ζ₂ ′は第２レ
ーザ位置センサーによる実測値である。

【００３６】ξ₁ ，ζ₁ はシールド掘進機のローリング
を考慮した際の第１レーザ位置センサーの計算値であ
る。ξ₂ ，ζ₂ はシールド掘進機のローリングを考慮し
た際の第２レーザ位置センサーの計算値である。

【００３７】但し、図６に示すように、Ｒはシールド掘
進機のローリング角で、傾斜計などにより測定される。
Ｒ₀ はシールド掘進機の中心位置を通る鉛直面に、第１
レーザ位置センサーを投影したときの投影座標位置（Ｘ
₂″，Ｙ₂″，Ｚ₂″）までの取付角度、ｒはシールド掘
進機の中心位置座標から投影位置座標（Ｘ₂″，Ｙ₂″，
Ｚ₂″）までの距離、ｄ₀ はＹ軸方向すなわち移動方向
における第１レーザ位置センサーの位置座標と投影座標
位置（Ｘ₂″，Ｙ₂″，Ｚ₂″）までの距離を示す。

【００３８】なお、第２レーザ位置センサー４３を第１
レーザ位置センサー４１に対して直交する平面内に設け
たが、これは第１レーザ位置センサー４１での受光が可
能となるように、単に、レーザ光線の方向を曲げること
により、異なる２箇所でレーザ光線の位置計測を行える
ようにしたもので、したがって図７に示すように、第２
レーザ位置センサー４３を、同一距離ｈでもって、９０
度第１レーザ位置センサー４１側に移動させた場合（Ｓ
₂ →Ｓ₂′）でも、計測上同じことになる。このため、
他の図面上においては、第１および第２レーザ位置セン
サー４１，４３は一直線上に配置してあるものとして示
している。

【００３９】次に、ＢＣ区間については、曲線部４であ
るため、曲線部計測法により計測する。すなわち、図２
において、シールド掘進機１がＢ地点に到達したら、Ｐ
₁ 地点に反射ユニット１３を取り付ける。

【００４０】図８〜図１０に示すように、反射ユニット
１３の位置（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ，Ｚ₁ ）は次式で求められる。Ｘ₁ ＝Ｌ₀ cos φ₀ cos θ₀ ＋Ｘ₀ ・・・(9) Ｙ₁ ＝Ｌ₀ cos φ₀ sin θ₀ ＋Ｙ₀ ・・・(10) Ｚ₁ ＝Ｌ₀ sin φ₀ ＋Ｚ₀ ・・・(11) なお、Ｌ₀ は第１回転装置６３を回転させて、第２コー
ナキューブ７４をレーザ光線の入射方向に向けることに
より、光波距離計２６で計測することができる。

【００４１】そして、曲線部の計測においては、第１レ
ーザ位置センサー４１による実測値（ξ₁′，ζ₁′）が
０となるように、反射ユニット１３における各回転装置
６３，６４を回転させる。

【００４２】したがって、第１レーザ位置センサー４１
の中心位置座標（Ｘ₂ ，Ｙ₂ ，Ｚ₂）は次式により、求
められる。Ｘ₂ ＝Ｌ₁ cos(φ₀ ＋φ₁ ）cos(θ₀ ＋θ₁)＋Ｌ₀ cos φ₀ cos θ₀ ＋Ｘ₀ ・・・(12) Ｙ₂ ＝Ｌ₁ cos(φ₀ ＋φ₁ ）cos(θ₀ ＋θ₁)＋Ｌ₀ cos φ₀ sin θ₀ ＋Ｙ₀ ・・・(13) Ｚ₂ ＝Ｌ₁ sin ( φ₀ ＋φ₁ ）＋Ｌ₀ sin φ₀ ＋Ｚ₀ ・・・(14) ここで、Ｌ₁ は光波距離計による全長測定値からＬ₀ を
引いた距離である。

【００４３】θ₁ は反射ユニットへの入射レーザ光線と
出射レーザ光線とのなす角の水平面への投影角である
（図９参照）。φ₁ は反射ユニットへの入射レーザ光線
と出射レーザ光線とのなす角の鉛直面への投影角である
（図１０参照）。

【００４４】したがって、第２レーザ位置センサー４３
の中心位置座標（Ｘ₂′，Ｙ₂′，Ｚ ₂′）は次式により
表される。Ｘ₂′＝Ｘ₂ −ｄcos(φ₀ ＋φ₁ −φ_m ）cos(θ₀ ＋θ₁ −θ_m ) ・・・(15) Ｙ₂′＝Ｙ₂ −ｄcos(φ₀ ＋φ₁ −φ_m ）sin(θ₀ ＋θ₁ −θ_m ) ・・・(16) Ｚ₂′＝Ｚ₂ −ｄsin(φ₀ ＋φ₁ −φ_m ）・・・(17) なお、θ_m およびφ_m は式(1) および式(2) により求め
る。

【００４５】そして、シールド掘進機１の中心位置座標
（Ｘ_m ，Ｙ_m ，Ｚ_m ）は次式により求められる。ここ
で、中心位置座標（Ｘ_m ，Ｙ_m ，Ｚ_m ）の求め方を、図
６に基づき概略的に説明する。

【００４６】まず、第１レーザ位置センサー４１および
第２レーザ位置センサー４３の中心を通る直線と、第１
レーザ位置センサー４１を中心として半径ｄ₀ の球との
交点（Ｘ₂″，Ｙ₂″，Ｚ₂″）を求める。なお、交点は
２つあるが、シールド掘進機が座標の正方向を向いてい
る場合には、大きい方の値となる。

【００４７】次に、上記交点（Ｘ₂″，Ｙ₂″，Ｚ₂″）
を中心として、半径ｒの球と、第１レーザ位置センサー
４１を中心として、半径ｔ（これはシールド掘進機の中
心位置と第１レーザ位置センサー中心位置との距離であ
り、予め分かっている）の球の交点を求める。

【００４８】この交点は円となり、この円上にシールド
掘進機の中心が存在し、しかも次式を満足する点が、シ
ールド掘進機の中心位置座標（Ｘ_m ，Ｙ_m ，Ｚ_m ）とな
る。ｒcos （Ｒ₀ ＋Ｒ）＝Ｚ₂″−Ｚ_m ・・・(18) なお、この場合も、上記(18)式を満足する点は２つある
が、シールド掘進機が座標の正方向を向いている場合
で、しかも前方を向いてレーザ位置センサーが左側にあ
る場合には、大きい方の値となる。

【００４９】以下、上記の計算手順を、具体的に説明す
る。Ｘ_m ＝(2Ｘ₂″＋(4Ｘ₂″²-4(Ｘ₂″² ＋( Ｙ_m −Ｙ₂″)²＋Ｂ−ｒ²))^1/2) ／2 ・・・(19) Ｙ_m ＝(-(2E(F-Ｘ₂″)-2Y₂″)+((2E(F-X₂″)-2Y₂″)² -4(E²+1)((F-X₂″)²+Y₂″²+B-r²))^1/2)/2(E²-1) ・・・(20) Ｚ_m ＝Ｚ₂″−ｒcos （Ｒ₀ ＋Ｒ）・・・(21) 上記式中；ｋ＝（Ｘ₂′−Ｘ₂ ）／ｄｍ＝（Ｙ₂′−Ｙ₂ ）／ｄｎ＝（Ｚ₂′−Ｚ₂ ）／ｄＸ₂″= Ｘ₂ ＋（Ａ² Ｘ₂ ²−Ａ（ＡＸ₂ ²−ｄ₀ ²）^1/2 ／
ＡＹ₂″= Ｙ₂ ＋ｍ（Ｘ₂ ″−Ｘ₂ ）／ｋＺ₂″= Ｚ₂ ＋ｎ（Ｘ₂ ″−Ｘ₂ ）／ｋＡ＝ｋ² ＋ｍ² ＋ｎ² Ｂ＝（−ｒcos （Ｒ₀ ＋Ｒ））² Ｃ＝（Ｚ₂″−ｒcos （Ｒ₀ ＋Ｒ）−Ｚ₂ ）² Ｄ＝−Ｘ₂″² ＋Ｘ₂ ²−Ｙ₂″² ＋Ｙ₂ ²−Ｂ＋Ｃ＋ｒ² −
ｔ² Ｅ＝（Ｘ₂″−Ｙ₁ ）／（−Ｘ₂ ″＋Ｘ₂ ）Ｆ＝Ｄ／２（−Ｘ₂ ″＋Ｘ₂ ）したがって、シールド掘進機１の施工計画線からのずれ
量は、（Ｘ_m ，Ｙ_m ，Ｚ_m ）と施工計画線の座標の差よ
り求められる。

【００５０】すなわち、施工計画線の座標を（Ｘ_s ，Ｙ
_s ，Ｚ_s ）とすると、施工計画線からのずれ量（ｄＸ，
ｄＹ，ｄＺ）は次式から求められる。ｄＸ＝（Ｘ_m −Ｘ_s ）・・・(22) ｄＹ＝（Ｙ_m −Ｙ_s ）・・・(23) ｄＺ＝（Ｚ_m −Ｚ_s ）・・・(24) ＣＤ区間については直線部３であるが、Ｐ₂ 地点まで
は、曲線部計測法で計測する。

【００５１】シールド掘進機１がＰ₂ 地点を過ぎたら、
図２の仮想線にて示すように、Ｐ₂地点に別の反射ユニ
ット１３を取り付け、レーザ光線が施工計画線と平行に
なるように偏向させる。

【００５２】ＣＤ区間のＰ₂ 地点以降については、直線
部計測法により計測すればよく、また以後の計測には、
上記曲線部および直線部の組み合わせがある度に、上記
の計測方法を繰り返して計測を行えばよい。

【００５３】このように、曲線部においても、シールド
掘進機の位置および姿勢を反射ユニットを使用すること
により、正確に計測することができる。勿論、直線部だ
けを計測する場合には、反射ユニットを使用せずに、投
光ユニットと受光ユニットとを使用して、計測すればよ
い。

【００５４】

【００５５】また、上記実施例においては、反射ユニッ
トにおける各回転装置の制御信号をレーザ光線に載せて
投光ユニットのコンピュータ側から送るようにしたが、
この場合も、信号線などを使用して送ることもできる。

【００５６】さらに、上記実施例においては、移動体と
してシールド掘進機に適用した場合について説明した
が、搬送用ロボットなどを制御する際の、ロボットの位
置および姿勢の計測にも適用し得る。

【００５７】

【発明の効果】上記の構成によると、直線部を経て曲線
部に移動している移動体をレーザ光線を使用してその位
置および姿勢を計測する場合、投光ユニットからレーザ
光線を移動体に設けられた受光ユニットに出射し、この
受光ユニットから反射されたレーザ光線を投光ユニット
側で受光する際に、その移動経路の途中に配置された反
射ユニットを介してレーザ光線の出射および入射を行う
とともに、この反射ユニットには、レーザ光線を反射さ
せるための２枚の反射鏡を回転自在に設けたので、曲線
部においても、投光ユニットからのレーザ光線を受光ユ
ニットの所定位置に入射させることができ、したがって
受光ユニットを大きくする必要がないとともに、反射ユ
ニットにおける反射鏡の回転角度を考慮して移動体の位
置を計測するため、計測精度を向上させることができ
る。さらに、受光ユニットには、投光ユニットから出射
されたレーザ光線の受光する２個の受光センサーを設け
たので、これら２個の受光センサーからの受光位置信号
により、移動体の姿勢を正確に計測することができる。
また、投光ユニットにおけるレーザ発振器および光波距
離計からのレーザ光線は、同一光路でもって受光ユニッ
トとの間で往復されるため、例えば別個の光路で送受信
するものに比べて、装置自体の構成を簡単にすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるシールド掘進機の位
置・姿勢自動計測装置の概略構成図である。

【図２】同実施例におけるシールド掘進機の位置・姿勢
自動計測方法を説明する平面図である。

【図３】同実施例におけるシールド掘進機の位置・姿勢
自動計測方法を説明する座標系を示す斜視図である。

【図４】同実施例におけるシールド掘進機の姿勢を説明
する水平断面図である。

【図５】同実施例におけるシールド掘進機の姿勢を説明
する鉛直断面図である。

【図６】同実施例におけるシールド掘進機に取り付けら
れた受光ユニットのレーザ位置センサーの位置を示す斜
視図である。

【図７】図６のレーザ位置センサーの位置を示す要部拡
大斜視図である。

【図８】同実施例における各ユニット間および各レーザ
位置センサーの座標関係を示す斜視図である。

【図９】同実施例における各ユニット間およびレーザ位
置センサーの水平面内における座標関係を示す図であ
る。

【図１０】同実施例における各ユニット間およびレーザ
位置センサーの鉛直面内における座標関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

１シールド掘進機２トンネル３直線部４曲線部１１投光ユニット１２受光ユニット１３反射ユニット２１レーザ発振器２５第１ハーフミラー２６光波距離計２７第２ハーフミラー３０コンピュータ３２第１フォトダイオード４１第１レーザ位置センサー４２第３ハーフミラー４３第２レーザ位置センサー４４第４ハーフミラー４５第１コーナキューブ６１第１反射ミラー６２第２反射ミラー６３第１回転装置６４第２回転装置６６第３反射ミラー６７第２フォトダイオード

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基準点に設置されるレーザ光線の投光ユニ
ットと、移動体に設置されたレーザ光線の受光ユニット
と、移動体の移動経路途中に設置されるとともに上記投
光ユニットから出射されたレーザ光線を受光ユニットに
反射させる反射ユニットとから構成し、上記投光ユニッ
トを、レーザ発振器と、光波距離計と、上記レーザ発振
器からのレーザ光線を光波距離計の光軸に一致させる第
１および第２ハーフミラーと、上記レーザ発振器および
光波距離計を制御する制御装置とから構成し、上記受光
ユニットを、レーザ光線を異なる位置で検出する第１お
よび第２受光センサーと、光波距離計からのレーザ光線
を反射するための反射器と、この反射器の手前位置に設
けられて反射されたレーザ光線に変調をかける変調器
と、上記第１および第２受光センサーからの受光位置信
号に基づき上記変調器を制御する制御器とから構成し、
上記反射ユニットを、投光ユニットから出射されたレー
ザ光線を受光ユニットに入射させる第１および第２反射
鏡と、これら各反射鏡を互いに直交する軸心回りで回転
させる第１および第２回転装置とから構成し、さらに上
記投光ユニット側に、受光ユニット側の反射器および反
射ユニットを介して反射されて光波距離計の光路上を戻
ってきたレーザ光線を、第２ハーフミラーおよび第１ハ
ーフミラーを介して、上記光路から取り出して上記受光
ユニットの変調器にて変調された位置信号を分離する検
光子を設け、かつ上記移動体が直線部を移動している際
には、移動体の移動方向に垂直な平面への位置ずれ量お
よび姿勢を、上記第１および第２受光センサーで検出す
るようになし、直線部を経て曲線部を移動している際に
は、直線部の所定位置に配置された上記投光ユニットか
らレーザ光線を、反射ユニットを介して移動体の受光ユ
ニットに出射し、この受光ユニットから反射ユニットを
経て投光ユニットに戻ってきたレーザ光線および反射ユ
ニットにおける第１および第２反射鏡の回転角度によ
り、移動体の投光ユニットに対する位置を検出するとと
もに、受光ユニットに設けられた第１および第２受光セ
ンサーにより、移動体の姿勢を検出するようにしたこと
を特徴とする移動体の位置・姿勢自動計測装置。