JP3159552B2 - 慣性センサを用いた管路の変位量計測装置と計測方法 - Google Patents
慣性センサを用いた管路の変位量計測装置と計測方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、加速度計とジャイロス
コープとを有した慣性センサを用いて基準位置からの管
路の変位量を計測する装置と計測方法に関する。従っ
て、土木建設工事における地盤の変形状態の計測等に利
用可能である。
コープとを有した慣性センサを用いて基準位置からの管
路の変位量を計測する装置と計測方法に関する。従っ
て、土木建設工事における地盤の変形状態の計測等に利
用可能である。
【０００２】
【従来の技術】従来、工事中の地盤等の変形状態を監視
するために、その地盤に計測用の直線管路を埋設してお
き、初期の基準位置からのこの管路の変位量を種々の方
法によって計測している。この計測において、最近にな
って慣性センサを用いて変位量を計測する方法が開発さ
れてきた。この慣性センサに関しては、本出願人の内の
一の出願人が平成３年１１月１１日付けで出願した特願
平３ー３２１４４９号“孔曲り計測装置”や、同出願人
による平成４年４月１４日付けの特願平４−１１９６０
０号“孔曲り計測装置及び孔曲り計測方法”に詳細な説
明がある。
するために、その地盤に計測用の直線管路を埋設してお
き、初期の基準位置からのこの管路の変位量を種々の方
法によって計測している。この計測において、最近にな
って慣性センサを用いて変位量を計測する方法が開発さ
れてきた。この慣性センサに関しては、本出願人の内の
一の出願人が平成３年１１月１１日付けで出願した特願
平３ー３２１４４９号“孔曲り計測装置”や、同出願人
による平成４年４月１４日付けの特願平４−１１９６０
０号“孔曲り計測装置及び孔曲り計測方法”に詳細な説
明がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これまでは真
円の断面を有する計測対象管路に慣性センサを走行させ
て行っている。この場合、走行する計測対象管路の断面
が円形のために慣性センサが該慣性センサの走行方向軸
線の周りに回転する（即ち、ローリング）ことができ
る。一般に慣性センサは、その走行方向軸線の方向とジ
ャイロスコープの１軸線（ロール軸）の方向とは製作上
の誤差等によって僅かにずれている。このため、上記の
ローリングが生ずるとそのローリングの影響がジャイロ
スコープの他の軸線（ピッチ軸，ヨー軸）周りの回転角
度の計測値に現われる。これは計測対象管路の曲がり角
度として捉えられてしまい、計測上の誤差になる。ま
た、ジャイロスコープでは特有のジャイロドリフトも計
測上の誤差となる。
円の断面を有する計測対象管路に慣性センサを走行させ
て行っている。この場合、走行する計測対象管路の断面
が円形のために慣性センサが該慣性センサの走行方向軸
線の周りに回転する（即ち、ローリング）ことができ
る。一般に慣性センサは、その走行方向軸線の方向とジ
ャイロスコープの１軸線（ロール軸）の方向とは製作上
の誤差等によって僅かにずれている。このため、上記の
ローリングが生ずるとそのローリングの影響がジャイロ
スコープの他の軸線（ピッチ軸，ヨー軸）周りの回転角
度の計測値に現われる。これは計測対象管路の曲がり角
度として捉えられてしまい、計測上の誤差になる。ま
た、ジャイロスコープでは特有のジャイロドリフトも計
測上の誤差となる。
【０００４】依って、本発明は計測対象管路の変位量を
高精度で計測することのできる装置と計測方法の提供を
目的とする。
高精度で計測することのできる装置と計測方法の提供を
目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的に鑑みて本発明
は、横断面が非円形である計測対象管路と、該計測対象
管路内を走行可能な寸法形状のケーシングを有し、該ケ
ーシングから延設されて先部が前記計測対象管路の内面
に接触する脚部を有した慣性センサとを具備することを
特徴とする慣性センサを用いた管路の変位量計測装置を
提供する。また、上記脚部の先に車輪を取り付けた慣性
センサを用いた管路の変位量計測装置を提供する。更に
は、上述の変位量計測装置を用いて計測対象管路の変位
量を計測する走行の終了直後に慣性センサのジャイロド
リフトを計測し、経過時間で除算してジャイロドリフト
レートを算出し、該ジャイロドリフトレートで計測値を
補正することを特徴とする慣性センサを用いた管路の変
位量計測方法を提供する。
は、横断面が非円形である計測対象管路と、該計測対象
管路内を走行可能な寸法形状のケーシングを有し、該ケ
ーシングから延設されて先部が前記計測対象管路の内面
に接触する脚部を有した慣性センサとを具備することを
特徴とする慣性センサを用いた管路の変位量計測装置を
提供する。また、上記脚部の先に車輪を取り付けた慣性
センサを用いた管路の変位量計測装置を提供する。更に
は、上述の変位量計測装置を用いて計測対象管路の変位
量を計測する走行の終了直後に慣性センサのジャイロド
リフトを計測し、経過時間で除算してジャイロドリフト
レートを算出し、該ジャイロドリフトレートで計測値を
補正することを特徴とする慣性センサを用いた管路の変
位量計測方法を提供する。
【０００６】
【作用】前者の装置では、慣性センサは管路内面に接触
する脚部を有し、管路の横断面形状が非円形であるた
め、慣性センサは走行方向軸線周りにローリングするこ
とができず、ピッチ軸やヨー軸周りの回転角度の計測誤
差として現われず、計測の精度が向上する。また後者の
装置では、管路の内面に直接接触する脚部の先に車輪を
取り付けているため転がり摩擦となり、慣性センサを高
速で走行させることができ、計測に要する時間が可及的
に低減され、計測値へのジャイロドリフトの影響を最小
限にすることができる。従って、計測精度が更に向上す
る。最後の計測方法では、慣性センサによる計測走行中
はジャイロドリフトを計測することができないが、計測
終了直後に計測することができる。この計測ジャイロド
リフトを経過時間で除算してジャイロドリフトレートを
算出し、この値でもって管路変位の計測値を補正するこ
とによって更に計測精度を向上させることができる。
する脚部を有し、管路の横断面形状が非円形であるた
め、慣性センサは走行方向軸線周りにローリングするこ
とができず、ピッチ軸やヨー軸周りの回転角度の計測誤
差として現われず、計測の精度が向上する。また後者の
装置では、管路の内面に直接接触する脚部の先に車輪を
取り付けているため転がり摩擦となり、慣性センサを高
速で走行させることができ、計測に要する時間が可及的
に低減され、計測値へのジャイロドリフトの影響を最小
限にすることができる。従って、計測精度が更に向上す
る。最後の計測方法では、慣性センサによる計測走行中
はジャイロドリフトを計測することができないが、計測
終了直後に計測することができる。この計測ジャイロド
リフトを経過時間で除算してジャイロドリフトレートを
算出し、この値でもって管路変位の計測値を補正するこ
とによって更に計測精度を向上させることができる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づ
き更に詳細に説明する。図２は地盤１４に水平にトンネ
ル穴１６を形成している場合の縦断面図を示している
が、図の寸法関係は正確ではなく、上下方向の位置関係
を示したに過ぎない。こうした穴１６の工事中には、穴
１６の上の地盤１４が沈下するおそれ等があり、それを
監視する必要性がある。また、この穴１６は水平ではな
くて垂直やその他の方向の穴であっても以下に説明する
本発明は適用される。また、穴が曲がっていても本発明
の適用には影響がない。
き更に詳細に説明する。図２は地盤１４に水平にトンネ
ル穴１６を形成している場合の縦断面図を示している
が、図の寸法関係は正確ではなく、上下方向の位置関係
を示したに過ぎない。こうした穴１６の工事中には、穴
１６の上の地盤１４が沈下するおそれ等があり、それを
監視する必要性がある。また、この穴１６は水平ではな
くて垂直やその他の方向の穴であっても以下に説明する
本発明は適用される。また、穴が曲がっていても本発明
の適用には影響がない。
【０００８】そこで本発明では、工事中の穴１６の上側
近くにこの穴１６に対して平行に計測対象管路１０を埋
設し、この計測対象管路１０が地盤１４の沈下の影響に
よって、初期の埋設位置からどのように変位するかを監
視する。そのために、当該管路１０の中に慣性センサ１
２を入れ、走行させてその管路１０の入口１０Ｓ（又は
出口１０Ｅ）に対する相対変位量、即ち、管路１０の曲
がり状態を計測する。管路１０の初期に埋設した基準位
置状態は既知であり、また管路１０の両端位置は外部か
ら直接に計測可能であるため、この端部位置１０Ｓ又は
１０Ｅに対する相対変位量を計測すれば、初期の埋設基
準位置に対する絶対的な変位量は自ずと知れる。更に、
図２は管路１０の両端が地盤１４に対して開放されてお
り、両端部位置１０Ｓ，１０Ｅの位置が既知となる場合
を示すが、地質調査時の地盤変位の監視の場合等のよう
に、管路１０の一端のみが外部に開放されてその位置が
既知となるが、他端位置は地盤１４の内部に位置してお
り、その位置が既知とはならない場合にも本発明は適用
される。
近くにこの穴１６に対して平行に計測対象管路１０を埋
設し、この計測対象管路１０が地盤１４の沈下の影響に
よって、初期の埋設位置からどのように変位するかを監
視する。そのために、当該管路１０の中に慣性センサ１
２を入れ、走行させてその管路１０の入口１０Ｓ（又は
出口１０Ｅ）に対する相対変位量、即ち、管路１０の曲
がり状態を計測する。管路１０の初期に埋設した基準位
置状態は既知であり、また管路１０の両端位置は外部か
ら直接に計測可能であるため、この端部位置１０Ｓ又は
１０Ｅに対する相対変位量を計測すれば、初期の埋設基
準位置に対する絶対的な変位量は自ずと知れる。更に、
図２は管路１０の両端が地盤１４に対して開放されてお
り、両端部位置１０Ｓ，１０Ｅの位置が既知となる場合
を示すが、地質調査時の地盤変位の監視の場合等のよう
に、管路１０の一端のみが外部に開放されてその位置が
既知となるが、他端位置は地盤１４の内部に位置してお
り、その位置が既知とはならない場合にも本発明は適用
される。
【０００９】上記計測対象管路１０はこの実施例では横
断面が正方形であり、その中に慣性センサ１２を挿入し
た状態を管路１０の入口１０Ｓの方向から見た状態を図
１に示す。慣性センサ１２のケーシング１２Ａの前部と
後部にはそれぞれ４本の脚部１２Ｂが延設されている。
各脚部１２Ｂは管路１０の各角部に対して延設されてお
り、その先端には車輪１２Ｃが取り付けられて、該車輪
１２Ｃによって管路１０の内面に接触している。この状
態では慣性センサ１２は自身の走行方向軸線１２Ｌの周
りに回転（ローリング）することは実質上できない。
断面が正方形であり、その中に慣性センサ１２を挿入し
た状態を管路１０の入口１０Ｓの方向から見た状態を図
１に示す。慣性センサ１２のケーシング１２Ａの前部と
後部にはそれぞれ４本の脚部１２Ｂが延設されている。
各脚部１２Ｂは管路１０の各角部に対して延設されてお
り、その先端には車輪１２Ｃが取り付けられて、該車輪
１２Ｃによって管路１０の内面に接触している。この状
態では慣性センサ１２は自身の走行方向軸線１２Ｌの周
りに回転（ローリング）することは実質上できない。
【００１０】このようにローリングを可及的に低減させ
た慣性センサ１２の意義を図４を用いて説明する。慣性
センサ１２の走行方向軸線１２Ｌの方向のｘ軸とこの軸
ｘに直交するｙとｚの各軸に対して、一般に、ジャイロ
スコープの各軸Ｘ，Ｙ，Ｚの方向は慣性センサ１２の製
作上の誤差の関係上僅かにずれていると考えられる。簡
単のためにＸ軸がｘ軸に対してピッチ角方向にのみΔθ
だけずれており、慣性センサ１２がｘ軸方向の走行方向
軸線１２Ｌの周りに角度φだけローリングしたとする。
この場合、ｘ軸とｙ軸とｚ軸の各軸周りの回転角度（ロ
ール角，ピッチ角，ヨー角）の計測はＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸
の各軸が検出し、その検出角度をそれぞれθＸ，θＹ，
θＺとすると以下の如くなる。
た慣性センサ１２の意義を図４を用いて説明する。慣性
センサ１２の走行方向軸線１２Ｌの方向のｘ軸とこの軸
ｘに直交するｙとｚの各軸に対して、一般に、ジャイロ
スコープの各軸Ｘ，Ｙ，Ｚの方向は慣性センサ１２の製
作上の誤差の関係上僅かにずれていると考えられる。簡
単のためにＸ軸がｘ軸に対してピッチ角方向にのみΔθ
だけずれており、慣性センサ１２がｘ軸方向の走行方向
軸線１２Ｌの周りに角度φだけローリングしたとする。
この場合、ｘ軸とｙ軸とｚ軸の各軸周りの回転角度（ロ
ール角，ピッチ角，ヨー角）の計測はＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸
の各軸が検出し、その検出角度をそれぞれθＸ，θＹ，
θＺとすると以下の如くなる。
【００１１】θＸ＝φ・ｃｏｓΔθ θＹ＝０ θＺ＝φ・ｓｉｎΔθ
【００１２】またＸ軸がｘ軸に対してヨー角方向にのみ
Δψだけずれており、慣性センサ１２がｘ軸方向の走行
方向軸線１２Ｌの周りに角度φだけローリングしたとす
る。この場合は次式となる。 θＸ＝φ・ｃｏｓΔψ θＹ＝φ・ｓｉｎΔψ θＺ＝０
Δψだけずれており、慣性センサ１２がｘ軸方向の走行
方向軸線１２Ｌの周りに角度φだけローリングしたとす
る。この場合は次式となる。 θＸ＝φ・ｃｏｓΔψ θＹ＝φ・ｓｉｎΔψ θＺ＝０
【００１３】ΔθやΔψは非常に小さいため、θＸはほ
ぼφに等しい。然しながら、一般にはＸ軸がｘ軸に対し
て任意の方向にずれているため、θＹもθＺもそのずれ
角度の影響を受けて上記よりも複雑な式となるが、ずれ
角度の影響を受けることに変わりはない。この影響のこ
とをクロスカップリングという。慣性センサ１２はロー
リングを生じたとしただけであるため、正確な計測値は
θＸが角度φとなり、他のθＹ，θＺはそれぞれ０であ
る。それが上記のようにクロスカップリングの生じた値
となるため、慣性センサの計測誤差の一つの原因とな
る。
ぼφに等しい。然しながら、一般にはＸ軸がｘ軸に対し
て任意の方向にずれているため、θＹもθＺもそのずれ
角度の影響を受けて上記よりも複雑な式となるが、ずれ
角度の影響を受けることに変わりはない。この影響のこ
とをクロスカップリングという。慣性センサ１２はロー
リングを生じたとしただけであるため、正確な計測値は
θＸが角度φとなり、他のθＹ，θＺはそれぞれ０であ
る。それが上記のようにクロスカップリングの生じた値
となるため、慣性センサの計測誤差の一つの原因とな
る。
【００１４】上記の理由によって、慣性センサ１２を図
１に示すようにローリングを生じさせないような構成と
したのである。しかし、図１の破線１２Ｂ’’で示す位
置に脚を形成した場合には、慣性センサ１２は管路１０
内においてローリング回転が可能となるので効果が薄い
が、この場合も管路１０の内面にレール状のガイド部を
設ければローリングは防止できる。
１に示すようにローリングを生じさせないような構成と
したのである。しかし、図１の破線１２Ｂ’’で示す位
置に脚を形成した場合には、慣性センサ１２は管路１０
内においてローリング回転が可能となるので効果が薄い
が、この場合も管路１０の内面にレール状のガイド部を
設ければローリングは防止できる。
【００１５】また、脚部１２Ｂの先に車輪１２Ｃを取り
付けたのは、慣性センサ１２のジャイロスコープのジャ
イロドリフトが計測時間の経過と共に大きくなるという
ことに鑑みたものである。即ち、車輪１２Ｃを付けるこ
とによって慣性センサ１２の走行時の管路１０との摩擦
を転がり摩擦とし、これにより、慣性センサ１２を高速
度で走行させることが可能となる。従来の摺動方式では
１〜２ｍ／ｓｅｃ程度が限界であったが、この転がり式
では５〜１０ｍ／ｓｅｃ程度で走行させることが可能と
なる。従ってジャイロドリフトを従来の１／５程度に低
減することができ、管路変位の高精度な計測が可能とな
る。
付けたのは、慣性センサ１２のジャイロスコープのジャ
イロドリフトが計測時間の経過と共に大きくなるという
ことに鑑みたものである。即ち、車輪１２Ｃを付けるこ
とによって慣性センサ１２の走行時の管路１０との摩擦
を転がり摩擦とし、これにより、慣性センサ１２を高速
度で走行させることが可能となる。従来の摺動方式では
１〜２ｍ／ｓｅｃ程度が限界であったが、この転がり式
では５〜１０ｍ／ｓｅｃ程度で走行させることが可能と
なる。従ってジャイロドリフトを従来の１／５程度に低
減することができ、管路変位の高精度な計測が可能とな
る。
【００１６】また、慣性センサ１２の計測対象管路１０
内の計測走行終了直後に静止状態でジャイロドリフトを
計測し、このジャイロドリフトを経過時間で除してジャ
イロドリフトレートを決定し、この値を計測走行中のジ
ャイロドリフトレートとみなして計測走行中の計測角度
を補正すれば更に計測精度が向上する。
内の計測走行終了直後に静止状態でジャイロドリフトを
計測し、このジャイロドリフトを経過時間で除してジャ
イロドリフトレートを決定し、この値を計測走行中のジ
ャイロドリフトレートとみなして計測走行中の計測角度
を補正すれば更に計測精度が向上する。
【００１７】次に本発明の他の実施例を示した図３を参
照する。計測対象管路１０’は正三角形を成し、その内
部に慣性センサ１２’が配置されている。この慣性セン
サ１２’のケーシング１２Ａから管路１０’の内面に向
って脚部１２Ｂ’が延設されている。この場合、脚部１
２Ｂ’は図のように角部に対してではなく、三角形を形
成する各面に対して延設されている。各脚部１２Ｂ’の
先には車輪１２Ｃが取り付けられている。この実施例で
も慣性センサ１２’は実質的にローリングできない。
照する。計測対象管路１０’は正三角形を成し、その内
部に慣性センサ１２’が配置されている。この慣性セン
サ１２’のケーシング１２Ａから管路１０’の内面に向
って脚部１２Ｂ’が延設されている。この場合、脚部１
２Ｂ’は図のように角部に対してではなく、三角形を形
成する各面に対して延設されている。各脚部１２Ｂ’の
先には車輪１２Ｃが取り付けられている。この実施例で
も慣性センサ１２’は実質的にローリングできない。
【００１８】上記正三角形の管路１０’に対しても慣性
センサの脚部を３本とし、各角部に対して延設してもよ
いことは図１の実施例の場合と同様である。更には、管
路は図１や図３に示すような多角形でなく、楕円形等の
管路であってもよい。横断面が真円の場合を除けば慣性
センサのケーシングから脚部を管路の内面に対して延設
し、接触させればローリングを可及的に低減できる。
センサの脚部を３本とし、各角部に対して延設してもよ
いことは図１の実施例の場合と同様である。更には、管
路は図１や図３に示すような多角形でなく、楕円形等の
管路であってもよい。横断面が真円の場合を除けば慣性
センサのケーシングから脚部を管路の内面に対して延設
し、接触させればローリングを可及的に低減できる。
【００１９】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
依れば、慣性センサが計測対象管路内で生ずるローリン
グを可及的に低減することができるため、クロスカップ
リングによる計測誤差を低減することができ、管路の変
位量を高精度で計測できる。また、車輪を設けて高速走
行させたり、計測走行終了直後にジャイロドリフトを計
測して計測値を補正すれば、更に計測精度が向上する。
依れば、慣性センサが計測対象管路内で生ずるローリン
グを可及的に低減することができるため、クロスカップ
リングによる計測誤差を低減することができ、管路の変
位量を高精度で計測できる。また、車輪を設けて高速走
行させたり、計測走行終了直後にジャイロドリフトを計
測して計測値を補正すれば、更に計測精度が向上する。
【図１】図１は本発明に係る計測装置の端面図である。
【図２】図２は本発明に係る計測装置を用いた適用例を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図３】図３は本発明に係る計測装置の他の実施例の端
面図である。
面図である。
【図４】図４は本発明に係る装置の作用効果を説明する
図である。
図である。
１０ 計測対象管路 １２ 慣性センサ １２Ａ ケーシング １２Ｂ 脚部 １２Ｃ 車輪 １２Ｌ 慣性センサの走行方向軸線 １４ 地盤 １６ トンネル穴
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加倉井 正昭 東京都江東区南砂二丁目５番14号 株式 会社竹中工務店 技術研究所内 (72)発明者 菊池 宏之 東京都中央区銀座八丁目21番１号 株式 会社竹中工務店 東京本店内 (56)参考文献 特開 昭60−123715（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−55116（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01C 15/00 - 15/14 E21B 47/00 - 47/026 G01C 7/06 G01C 19/00
Claims (4)
- 【請求項１】 横断面が非円形である計測対象管路と、 該計測対象管路内を走行可能な寸法形状のケーシングを
有し、該ケーシングから延設され、先部が前記計測対象
管路の内面に接触する脚部を有した慣性センサとを具備
することを特徴とする慣性センサを用いた管路の変位量
計測装置。 - 【請求項２】 前記計測対象管路の横断面形状が多角形
であり、前記慣性センサの脚部が該多角形形状の角部に
向って延設されて成る請求項１記載の慣性センサを用い
た管路の変位量計測装置。 - 【請求項３】 前記脚部の先に車輪が取り付けられて成
る請求項１または２記載の慣性センサを用いた管路の変
位量計測装置。 - 【請求項４】 前記請求項１から３までのいずれか１項
記載の変位量計測装置を用いて計測対象管路の変位量を
計測する走行の終了直後に慣性センサのジャイロドリフ
トを計測し、 経過時間で除算してジャイロドリフトレートを算出し、 該ジャイロドリフトレートで計測値を補正することを特
徴とする慣性センサを用いた管路の変位量計測方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35357192A JP3159552B2 (ja) | 1992-12-14 | 1992-12-14 | 慣性センサを用いた管路の変位量計測装置と計測方法 |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06180232A JPH06180232A (ja) | 1994-06-28 |
| JP3159552B2 true JP3159552B2 (ja) | 2001-04-23 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN110306811B (zh) * | 2019-04-30 | 2021-02-26 | 中国二十二冶集团有限公司 | 超高层核心筒辐射梁埋件测量定位方法 |
-
1992
- 1992-12-14 JP JP35357192A patent/JP3159552B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH06180232A (ja) | 1994-06-28 |
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