JP2728332B2 - 移動体の位置・姿勢自動計測装置 - Google Patents

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
ド掘進機の位置測定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】また、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
がある。

【０００９】さらに、このように、レーザ光線を使用す
る計測装置においては、レーザ光線の通過経路途中に、
作業員または作業具などの遮蔽物が存在した場合など、
一時的に遮光された場合には連続して計測ができないと
ともに、その遮光時において、移動体がレーザ光線の受
光範囲を越えて移動した場合には、自動的に計測を開始
することができないという問題があった。

【００１０】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。

【００１１】

【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
ニットとからなる位置・姿勢自動計測機を複数組配置す
るとともに、上記投光ユニットを、レーザ発振器と、光
波距離計と、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、かつ上記任意の位置・姿勢自動計
測機におけるレーザ光線経路が遮断された場合に、残り
の位置・姿勢自動計測機で得られる移動体側の計測デー
タを上記任意の位置・姿勢自動計測機側に入力するよう
にしたものである。

【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】また、自動計測機を複数組配置しているの
で、例えば任意の自動計測機におけるレーザ光線の通過
経路に遮蔽物が存在した場合でも、残りの自動計測機に
より、移動体の計測データ、例えば移動体の位置および
姿勢を検出するとともに、これらの位置および姿勢デー
タに基づき遮光された側の自動計測機の反射ユニットか
ら反射するレーザ光線を、常に、その受光ユニット側に
向けておくことができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図１１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。

【００１５】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
らなる自動計測機６が２組配置されてなるものである。

【００１６】ここで、１組の自動計測機６の構成につい
て、図２に基づき説明する。上記投光ユニット１１は、
レーザ発振器２１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３２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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】なお、図２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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】そして、さらに上記各組の自動計測機６に
おいては、一方の自動計測機６で得られたシールド掘進
機１の位置および姿勢データが、他方の自動計測機６側
のコンピュータ３０に入力されている。

【００２９】ここで、自動計測機における計測原理につ
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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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３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４に座標系における角度
の取り方について示しておく。

【００３４】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５〜図７参
照）。

【００３５】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５参照），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６参照）である。

【００３６】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)

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】但し、図７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。

【００４０】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８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。

【００４１】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３
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。

【００４２】図９〜図１１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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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１０参照）。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１１参照）。

【００４６】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。

【００４７】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
７に基づき概略的に説明する。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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 ）／ｄ ｍ＝（Ｙ₂′−Ｙ₂ ）／ｄ ｎ＝（Ｚ₂′−Ｚ₂ ）／ｄ Ｘ₂″= Ｘ₂ ＋（Ａ² Ｘ₂ ²−Ａ（ＡＸ₂ ²−ｄ₀ ²）^1/2 ／
Ａ Ｙ₂″= Ｙ₂ ＋ｍ（Ｘ₂ ″−Ｘ₂ ）／ｋ Ｚ₂″= Ｚ₂ ＋ｎ（Ｘ₂ ″−Ｘ₂ ）／ｋ Ａ＝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。

【００５２】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。

【００５３】シールド掘進機１がＰ₂ 地点を過ぎたら、
図３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。

【００５４】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。

【００５５】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。なお、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。

【００５６】次に、上記計測原理により、シールド掘進
機の位置・姿勢を自動的に計測する位置・姿勢自動計測
機６を２組使用して、一方の自動計測機６Ａにおけるレ
ーザ光線の通過経路（光路）の一部が作業員または作業
具などの遮蔽物５により、遮断された場合の計測方法に
ついて説明する。

【００５７】図１に示すように、遮蔽物５によって、一
方の自動計測機６Ａ側のレーザ光線が遮光された場合、
他方の自動計測機６Ｂで上述した計測方法により、シー
ルド掘進機１の位置および姿勢を計測することができ
る。

【００５８】他方の自動計測機６Ｂにより、シールド掘
進機１の位置および姿勢が分かると、一方の自動計測機
６Ａにおける受光ユニット１２Ａの位置が求まる。すな
わち、他方の自動計測機６Ｂにより計測されたシールド
掘進機１の位置および姿勢データが一方の自動計測機６
Ａ側のコンピュータ３０に入力され、これらのデータに
基づき、他方の自動計測機６Ｂの受光ユニット１２Ｂの
位置が求められる。なお、シールド掘進機１の位置およ
び姿勢データの代わりに、他方の自動計測機６Ｂ側の受
光ユニット１２Ｂの位置およびシールド掘進機１の姿勢
データをコンピュータ３０に入力して、その受光ユニッ
ト１２Ｂの位置を求めるようにしてもよい。

【００５９】ここで、一方の自動計測機６Ａ側の受光ユ
ニット１２Ａの位置を（Ｘ_j1，Ｙ_j1，Ｚ_j1）とすると、
反射ユニット１３Ａは移動しないので、遮光前と同じ位
置にあるため、その位置を（Ｘ_h1，Ｙ_h1，Ｚ_h1）とする
と、反射ユニット１３Ａにおける受光ユニット１２Ａへ
の反射角度、すなわち計画施工線に対するレーザ光線の
偏向角（θ_h1，φ_h1）は下記の(25)および(26)式によ
り、求められる。

【００６０】 θ_h1＝cos ^-1［( Ｘ_j1−Ｘ_h1)／((Ｘ_j1−Ｘ_h1)²＋（Ｙ_j1−Ｙ_h1)²)^1/2］−θ_{t 1} ・・・・(25) φ_h1＝cos ^-1［((Ｘ_j1−Ｘ_h1)²＋( Ｙ_j1−Ｙ_h1)²)^1/2／ ((Ｘ_j1−Ｘ_h1)²＋( Ｙ_j1−Ｙ_h1)²＋( Ｘ_j1−Ｘ_h1)²)^1/2］−φ_t1 ・・・・(26) 但し、(25),(26) 式中、θ_t1は一方の自動計測機６Ａの
投光ユニット１１Ａから発射されるレーザ光線のヨーイ
ング角 φ_t1は一方の自動計測機６Ａの投光ユニット１１Ａから
発射されるレーザ光線のピッチング角 したがって、遮光時においては、上記(25)および(26)式
を満足するように、一方の自動計測機６Ａにおける反射
ユニット１３Ａの第１および第２反射ミラー６１，６２
を回転させておけば、作業員または作業具などの遮蔽物
５がなくなった際には、一方の自動計測機６Ａにおける
レーザ光線は、シールド掘進機１側の受光ユニット１２
Ａに入射しており、たとえ遮光時に、シールド掘進機１
が大きく移動した場合でも、常に、シールド掘進機１の
位置および姿勢を計測し得る状態となっている。

【００６１】このように、シールド掘進機の位置および
姿勢計測用として２組の自動計測機を配置したので、一
方の自動計測機におけるレーザ光線の通過経路に遮蔽物
が存在した場合でも、他方の自動計測機により、移動体
の位置および姿勢を検出するとともに、これらのデータ
に基づき一方の自動計測機の反射ユニットから反射する
レーザ光線を、常に、自動的にその受光ユニット側に向
けておくことができる。

【００６２】また、２台の自動計測機で同時に計測を行
い、得られた計測値の平均を求めることにより、より高
精度な計測を行うことができる。また、それぞれの自動
計測機で得られた計測値を比較することにより、計測機
自体の異常をチェックすることができる。

【００６３】さらに、一方の自動計測機が故障した場合
でも、他方の自動計測機により、シールド掘進機の位置
および姿勢の計測を行うことができるので、掘削作業を
中止する必要がない。

【００６４】ところで、上記実施例においては、受光ユ
ニットで得られたレーザ位置センサーからの受光位置信
号を、レーザ光線に載せて投光ユニット側のコンピュー
タに送るようにしたが、場合によっては、信号線などを
使用して送ることもできる。

【００６５】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。

【００６６】また、上記実施例においては、２組の自動
計測機を配置したが、勿論、３組以上配置して、同様の
自動計測を行うようにしてもよい。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、または自動搬
送車の制御にも適用し得る。

【００６７】

【発明の効果】以上のように本発明の構成によると、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。また、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。

【００６８】さらに、自動計測機を複数組配置したの
で、例えば任意の自動計測機におけるレーザ光線の通過
経路に遮蔽物が存在した場合でも、残りの自動計測機に
より、移動体側の計測を行うとともに、この計測データ
に基づき遮光された側の自動計測機の反射ユニットから
反射するレーザ光線を、常に、その受光ユニット側に向
けておくことができる。

【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】同実施例における自動計測機の概略構成図であ
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平面図である。

【図４】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５】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６】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７】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８】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９】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
位置センサーの水平面内における座標関係を示す図であ
る。

【図１１】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 ５ 遮蔽物 ６ 自動計測機 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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｃ 15/00 Ｇ０１Ｃ 15/00 Ｂ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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なる位置・姿勢自動計測
   機を複数組配置するとともに、上記投光ユニットを、レ
   ーザ発振器と、光波距離計と、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、かつ上記任意の
   位置・姿勢自動計測機におけるレーザ光線経路が遮断さ
   れた場合に、残りの位置・姿勢自動計測機で得られる移
   動体側の計測データを上記任意の位置・姿勢自動計測機
   側に入力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。