JP3663322B2

JP3663322B2 - 管路計測方法および装置

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Publication number: JP3663322B2
Application number: JP23444499A
Authority: JP
Inventors: 博高木
Original assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2019-08-20
Also published as: JP2001056218A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管路の曲がりを計測する管路計測装置に関し、特に、通信ケーブルなどを配線するために敷設された比較的小口径の管路の曲がりを計測する管路計測装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電話ケーブル等の通信ケーブルは、内径３００〜６００ｍｍ程度の小口径の管路内に配線される。この管路の敷設工事においては、管路の両端となる位置に立坑を設け、立坑の一方から他方に向って定尺の推進管を順次繋げるように推す、いわゆる推進工法を通常採用する。この推進工法において、立坑の一方に設けた油圧で作動する小口径推進機で定尺の推進管を推し、最長３００ｍ程度の管路を敷設する。管路を計画線に沿って敷設するために、あるいは土の影響による管路の計画線からのズレを防止するために、管路の曲がりを計測しながら小口径推進機の推す方向を決めている。
【０００３】
従来、この種の管路の曲がり計測装置として、図１６に示すような、管路内の先端付近に発振器を設置し、地上でこの発振器から発生する電磁波を受信して管路の位置を知る電磁波式計測装置が知られている。蓋で塞がれた管路１の先端近傍にコイルからなる発振器２を設置し、地上に電磁波を受信する受信器３を設置する。受信器３で受信した電磁波の一番強いところの下方に管路１の先端が敷設されていることから、管路１の平面的な曲がりを計測することができる。また、管路１の先端近傍に傾斜計を設け、傾斜計の出力値を演算することで管路１の深さを測定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電磁波式計測装置には以下の問題がある。
【０００５】
▲１▼管路１の位置が深くなると電磁波が届かないことがあり、また、届いたとしても管路１の水平方向の位置精度が得られないことがある。
【０００６】
▲２▼地上部に建物がある場合、建物を避けて計測しなければならず連続的な計測ができず、ずれた位置での計測になってしまう。また、地上部に道路がある場合、通行止めする必要があり、工事監理が大変になる。
【０００７】
▲３▼管路１の曲がりを計測するに当たり、計測の毎に受信器３をセットし、受信器３そのもの位置をトランシット等で測量する必要があるので、手間がかかる。
【０００８】
そこで、本発明は、比較的小口径の管路の曲がりを高精度に、しかも自動的に短時間で測定できる管路計測装置および方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものでない。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明者は、曲がった管路にあわせて光を曲げて奥まで届くようにし、曲がった光の経路を知ることで管路の曲がりを計測した。具体的には、管路内に複数のウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）を組み合わせた光路屈折装置（７…）を少なくとも２個配置すると共に、前記管路の奥に前記光を受光する１個の第１受光器（８）を配置し、少なくとも、前記管路の入口から２番目を含めた前記管路の奥側に配される光路屈折装置（７…）に、照射された光を受光する第２受光器（２０）をそれぞれ設け、
前記ウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）の回転角度を操作して、前記第１受光器（８）の出力値をフィードバック制御して、前記管路の入口から発光される前記光を前記複数の光路屈折装置（７…）で屈折させつつ自動的に前記管路の奥まで届かせて、
前記第１受光器（８）の一つ手前に配された光路屈折装置（７）に設けられたウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）の中心線が前記第１受光器（８）と交わる点を原点とする、前記第１受光器（８）上の直交座標をプリズム座標とする一方、前記第１受光器（８）の中心点を原点とする直交座標であって、各座標軸が前記プリズム座標と同方向に延びる前記第１受光器（８）上の直交座標を受光器座標とし、
前記プリズム座標上における、原点を始点とし、一つ手前の光路屈折装置（７）から照射された前記光が前記第１受光器（８）に到達した光到達点を終点とするプリズム座標ベクトル（ベクトルｖ０）と、前記受光器座標における、原点を始点とし、前記光到達点を終点とする受光器座標ベクトル（ベクトルｖ１）とについて、
前記プリズム座標ベクトル（ベクトルｖ０）の、前記プリズム座標の一方の座標軸となす角度、及びその長さと、前記受光器座標ベクトル（ベクトルｖ１）の、前記受光器座標における前記プリズム座標の一方の座標軸と同方向に延びる座標軸とのなす角度、及びその長さとをそれぞれ比較しつつ、前記受光器座標ベクトル（ベクトルｖ１）の先端を前記第１受光器（８）の中心点（Ｏ）に一致させることで、前記第１受光器（８）に届いた光をその中心に照射させて、
前記光路屈折装置（７…）による光の屈折角（θ１〜θ３）および光路屈折装置間の距離（Ｌ１〜Ｌ３）から管路（５）の曲がりを計測した。
【００１１】
この発明によれば、組み合わせたウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）を回転することで、光路が任意の方向に屈折する。このウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）の回転角を操作することで光の屈折角（θ１〜θ３）を精密に制御でき、管路（５）に沿った光の曲がり角が高精度に検出できる。また、ウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）は直径が小さいので、小口径の管路（５）内にも容易に配置することができる。
また、この発明によれば、管路（５）の入口から発光される光が自動的に奥まで届くので、管路（５）の曲がりを自動的に、かつ、短時間で計測することができる。
【００１４】
請求項２の発明は、前記複数のウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）それぞれの回転角度に基づいて前記光路屈折装置（７・・・）の前記屈折角を算出することを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、光路屈折装置（７…）による光の屈折角（θ１〜θ３）を簡単に算出することができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の管路計測方法において、前記管路（５）が推進管からなり、前記光路屈折装置（７・・・）が敷設する前の前記推進管に固定されていることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、推進管の長さから光路屈折装置（７…）間の距離を簡単に測定し、この距離から管路の曲がりを計測することができる。なお、推進管が敷設中にローリングしても傾斜計（図示せず）により検出するローリング角を用いてローリング分を補正するので、推進管に光路屈折装置（７…）を固定しても曲がりを計算する基準である水平面に対するウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）の回転角を得ることができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３に記載の管路計測方法において、前記第２受光器（２０）を照射するように一つ手前の光路屈折装置（７）で前記光を屈折した後、前記光が前記管路の奥まで届くように、前記第２受光器（２０）が設けられた前記光路屈折装置（７）の前記ウェッジプリズムに向けて、前記一つ手前の光路屈折装置（７）で再び前記光を振ることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、推進管に光路屈折装置（７…）を固定した場合であっても、レーザー光を管路（５）の奥まで届かせることができる。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項１又は請求項２に記載の管路計測方法において、前記光路屈折装置（＃１〜３）が前記管路（２２）内を走行可能にされ、また、前記光路屈折装置（＃１〜３）間の距離を測定する距離測定装置を設けたことを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、管路（２２）内に複数の光路屈折装置（♯１〜３）を配置し、また、光路屈折装置間（♯１〜３）の距離を測定し、管路（２２）の曲がりを計測することができる。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項５に記載の管路計測方法において、前記複数の光路屈折装置（＃１〜３）および前記第１受光器（２３）を前記管路（２２）の入口にまとめて置く初期設置工程と、入口側の光路屈折装置（＃１）一つを残しておいて残りの光路屈折装置（＃２，＃３）および前記第１受光器（２３）をまとめて移動し、入口側に残した前記光路屈折装置（＃１）で移動する前記第１受光器（２３）を照射するように前記光を屈折し、屈折した前記光で前記受光器（２３）を照射できなくなる位置に移動した前記光路屈折装置（＃２，＃３）のうちの入口側の一つの光路屈折装置（＃２）を配置するプリズム設置工程とを備え、前記光路屈折装置（＃１〜３）の数に応じてこのプリズム設置工程を繰り返し、前記管路（２２）内に前記複数の光路屈折装置（＃１〜３）を配置することを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、受光器（２３）を一つ設けるだけでよく、また、必要最小限の光路屈折装置（♯１〜３）で管路（２２）の曲がりを計測することができる。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項１ないし６いずれかに記載の管路計測方法において、前記光はレーザー光であることを特徴とする
【００２５】
この発明によれば、指向性のあるレーザー光を基準線とすることができる。
【００２６】
請求項８の発明は、管路（５）の入口からレーザー光を発光するレーザー発光手段（６）と、前記管路内に少なくとも２個配置され、前記レーザー光の屈折を制御する光路屈折手段（７…）と、前記管路の奥に配されて照射された光を受光する第１受光手段（８）と、前記光路屈折手段による前記レーザー光の屈折角（θ１〜θ３）および前記光路屈折手段間の距離（Ｌ１〜Ｌ３）から前記管路（５）の曲がりを測定する演算手段（９）とを備え、前記光路屈折手段（７）は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）と、この一対のウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）それぞれを個別に回転する一対の駆動部（１４ａ，１４ｂ）と、前記一対のウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）それぞれの回転角を検出する一対の角度検出部（１５ａ，１５ｂ）と、を具備し、少なくとも、前記管路の入口から２番目を含めた前記管路の奥側に配される前記光路屈折手段（７…）に、照射されたレーザー光を受光する第２受光手段（２０）をそれぞれに設け、前記ウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）の回転角度を操作して、前記レーザー光が前記第１受光手段（８）を照射するように前記第１受光手段（８）及び前記第２受光手段（２０）の出力値をフィードバック制御し、前記管路（５）の入口から照射される前記レーザー光を自動的に前記管路（５）の奥まで届かせて、前記第１受光手段（８）の一つ手前に配された光路屈折手段（７）に設けられたウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）の中心線が前記第１受光手段（８）と交わる点を原点とする、前記第１受光手段（８）上の直交座標をプリズム座標とする一方、前記第１受光手段（８）の中心点を原点とする直交座標であって、各座標軸が前記プリズム座標と同方向に延びる前記第１受光手段上の直交座標を受光器座標とし、前記プリズム座標上における、原点を始点とし、一つ手前の光路屈折手段（７）から照射された前記光が前記第１受光手段（８）に到達した光到達点を終点とするプリズム座標ベクトル（ベクトルｖ０）と、前記受光器座標における、原点を始点とし、前記光到達点を終点とする受光器座標ベクトル（ベクトルｖ１）とについて、前記プリズム座標ベクトル（ベクトルｖ０）の、前記プリズム座標の一方の座標軸となす角度、及びその長さと、前記受光器座標ベクトル（ベクトルｖ１）の、前記受光器座標における前記プリズム座標の一方の座標軸と同方向に延びる座標軸とのなす角度、及びその長さとをそれぞれ比較しつつ、前記受光器座標ベクトルの先端を前記第１受光手段（８）の中心に一致させることで、前記第１受光手段（８）に届いた光を前記第１受光手段（８）の中心に照射させるように制御することを特徴とする管路計測装置により、上述した課題を解決した。
【００２７】
この発明によれば、組み合わせたウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）を回転することで、光路が任意の方向に屈折する。ウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）の回転角を操作することで、レーザー光の屈折角を高精度に制御でき、管路（５）に沿ったレーザー光の曲がり角が高精度に検出できる。また、ウェッジプリズム（１３ａ，１３ｂ）は直径が小さいので、小口径の管内にも配置することができる。
しかも、この発明によれば、管路（５）の入口から発光されるレーザー光が自動的に奥まで届くので、管路（５）の曲がりを自動的に、かつ、短時間で計測することができる。
【００３０】
請求項９の発明は、請求項８に記載の管路計測装置において、前記一対の角度検出部（１５ａ，１５ｂ）それぞれの検出値に基づいて前記光路屈折手段（７・・・）の前記屈折角（θ１〜θ３）を算出する屈折角演算手段（９）を備えることを特徴とする。
【００３１】
この発明によれば、光路屈折手段（７…）による光の屈折角を簡単に、しかも自動的に算出することができる。
【００３２】
請求項１０の発明は、請求項８又は請求項９に記載の管路計測装置において、前記管路が推進管からなり、前記光路屈折手段（７・・・）は敷設する前の前記推進管に固定されていることを特徴とする。
【００３３】
この発明によれば、推進管の長さから光路屈折手段（７…）間の距離を簡単に測定し、この距離から管路（５）の曲がりを計測することができる。
【００３４】
請求項１１の発明は、請求項８ないし１０に記載の管路計測装置において、前記光路屈折手段（＃１〜＃３）が前記管路内を走行可能にされ、前記光路屈折手段（＃１〜＃３）の走行距離を検出する走行距離測定手段を設けたことを特徴とする。
【００３５】
この発明によれば、管路内（２２）に複数の光路屈折手段（♯１〜♯３）を配置し、また、光路屈折手段（♯１〜♯３）間の距離を測定し、管路（２２）の曲がりを計測することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態における管路計測装置を示したものである。図中（ａ）は、地中に埋設された管路５の側面図を示し、図中（ｂ）は管路５の平面図を示す。この管路計測装置は、管路５の入口からレーザー光を照射するレーザー発光装置（レーザー発光手段）としてのレーザー照準器６と、管路５内に複数個、例えば３個配置され、レーザー光の屈折を制御する光路屈折装置（光路屈折手段）としてのプリズムユニット７…と、プリズムユニット７…で屈折したレーザー光が照射される受光器８と、プリズムユニット７…の屈折角およびプリズムユニット７…間の距離から管路の曲がりを計測する演算手段としての演算装置９とを備える。レーザー照準器６から発光されるレーザー光は、プリズムユニット７…で屈折して自動的に管路５の奥に設けた受光器８まで届くようにされている。演算装置９はＣＰＵ等を有し、プリズムユニットの屈折角θ１〜θ３の値、およびプリズムユニット７…間の距離Ｌ１〜Ｌ２、奥側のプリズムユニット７と受光器８間の距離Ｌ３の値に基づいて、光路を折れ線グラフを引くようにトレースして管路５の曲がりを計測している。
【００３７】
この実施形態において、プリズムユニット７…は敷設する前の推進管にあらかじめ固定されている。管路５の曲がりのある位置で光が遮られるのを防止するよう、管路５の平面計画線上で曲がりのある位置にプリズムユニット７…を固定する。そして、図示しない小口径推進機によって後から次々に定尺の推進管を推し、管路５をつないでいる。図２に示すように、推進管１０の上部にレーザー光がパスする通路を設け、ここにプリズムユニットを固定している。推進管１０の下部には管路敷設中に出た泥を排出するホースを配置したり、管路敷設後に通信ケーブル１１を配線したりする。このように、推進管１０にプリズムユニット７を固定することで、プリズムユニット７間の距離を簡単に測定することができる。また、小口径推進機で推進管１０を推している最中にも、管路５の計画線からのズレを計測することができるので、ズレをなくすような推す方向の補正を素早くすることができる。なお、推進管１０が敷設中にローリングしても、傾斜計（図示せず）により検出するローリング角を用いてローリング分を補正するので、推進管１０にあらかじめプリズムユニット７を固定しても曲がりを計算する基準である水平面に対するウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転角を得ることができる。
【００３８】
図３は、プリズムユニット７を示した断面図である。プリズムユニット７は、円筒状のケース１２と、このケース１２内に回転自在に設けられる一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂと、この一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂそれぞれを個別に回転させる駆動部としてのモータ１４ａ，１４ｂと、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転角をデジタル式に検出する角度検出部としてのエンコーダ１５ａ，１５ｂとを備える。モータ１４ａ，１４ｂとエンコーダ１５ａ，１５ｂとは一体になっている。また、塵等が付着するのを防止するために、ウェッジプリズムは保護ガラス１６で覆われている。なお、角度検出部はデジタル的に検出するエンコーダ１５ａ，１５ｂに限られることなく、アナログ的に検出するポテンションメータであってもよい。
【００３９】
図４に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂは、円筒状のレンズの第２面１７にテーパをつけたプリズムである。このウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの第１面１８にビームが垂直に入射すると、入射した光線は屈折角δで屈折する。ここで、屈折角δとウェッジ頂角ｗの関係は、以下の式で表される。
【００４０】
【式１】

【００４１】
ここで、ｎは屈折率である。
【００４２】
図５は、２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを組み合わせた場合を示す。２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂは同じ材質で、しかも同じウェッジ頂角ｗを有する。図に示すように、２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを傾斜面１９が平行になるように近接配置すると、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを通過したビームは、平行なガラスを通過するのと同様に直進する。一方、図６に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを第１面１８の法線と平行な軸の回りに別々に回転することによって、所定の尖った円錐体内部の任意の方向にレーザー光を屈折（偏向）することができる。このときの最大屈折角は、ウェッジ頂角ｗが小さい場合は２つのウェッジプリズムの屈折角δを合算した２δになる。
【００４３】
２個のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂそれぞれの回転角から、組み合わせた場合の屈折角および屈折方向の算出方法について説明する。ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂのそれぞれの回転角はエンコーダ１５ａ，１５ｂで検出され、組み合わせた場合の屈折角度は屈折角度演算手段としての屈折角度算出装置（図示せず）で算出する。屈折角度算出装置は、演算装置９内に組み込まれている（図１参照）。
【００４４】
図7に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂ（以下ウェッジプリズム１３ａをプリズム１といい、ウェッジプリズム１３ｂをプリズム２という）の中心線上にレーザー光を入射すると、プリズム１でレーザー光を屈折角δ１で屈折し、プリズム２でさらにレーザー光を屈折角δ２で屈折する。この屈折角δ１，δ２が得られるプリズム１の回転角をψ１，プリズム２の回転角をψ２とする。プリズム１，２の一番厚いところと一番薄いところを結んだ線が水平となる位置を基準とし、回転角ψ１，ψ２はこの位置からの角度を表している。
【００４５】
ここで、ウェッジ頂角ｗが微少であることから、計算を簡単にするためにδ１，δ２ともに微少とし、ウェッジプリズム２の第1面にもレーザー光が垂直に入射すると仮定する。図８は、レーザー光に対して直交する面にＸ軸，Ｙ軸をとり、プリズム１の屈折角δ１（図中（ａ））およびプリズム２の屈折角δ２（図中（ｂ））をベクトル表示したものである。この図からプリズム１に関して以下の計算式が成立する。
【００４６】
【式２】

【００４７】
また、プリズム２に関しても同様に以下の計算式が成立する。
【００４８】
【式３】

【００４９】
式２および式３からプリズム１とプリズム２を合算した場合のＸ方向の合成成分δTXは、以下の式４で表される。
【００５０】
【式４】

【００５１】
同様に、Ｙ方向の合成成分は、以下の式５で表される。
【００５２】
【式５】

【００５３】
したがって、合成屈折角δT、合成屈折方向ψTは以下の式６で表される。
【００５４】
【式６】

【００５５】
ここで、プリズム２個の差角ΔψをΔψ＝ψ１−ψ２とすると、δTは以下の式７で表される。
【００５６】
【式７】

【００５７】
これらの計算式を用いることで、２個のプリズムそれぞれの回転角から、組み合わせた場合の合成屈折角δＴおよび合成屈折方向ψＴを簡単に算出することができる。なお、プリズム１，２の屈折角δ1，δ2はプリズムによって一定の値を保ち、この屈折角はメモリに記憶されている。異なる屈折角のプリズム１，２を使用する場合は、メモリに複数の屈折角が記憶される。
【００５８】
また、上述のように、管路５の奥側に受光器８を設け、レーザー照準器６から発光されるレーザー光をプリズムユニット７で屈折して自動的に受光器８に届くようにしている（図１参照）。レーザー光が受光器８の中心にないときは、あらかじめ定めたアルゴリズムでプリズム１，２それぞれを回転し、受光器８の中心にくるように操作している。このときのプリズム１，２の回転角ψ１，ψ２から上述の計算式を用いて合成屈折角δT（図１のθ１〜θ３）、合成屈折方向ψTを算出する。なお、受光器８としては、例えば２軸光電センサ、ＣＣＤカメラ等の撮影素子を用いることができる。
【００５９】
レーザー光を受光器８の中心にもっていくソフトウェアサーボのアルゴリズムについて説明する。このソフトウェアサーボは、プリズム１，２の回転角度を操作して、レーザー光が受光器８の中心を照射するように受光器８の出力値をフィードバック制御している。
【００６０】
図９は、アルゴリズムのフローチャートを示したものである。まず、受光器８からの入力レベルがｅ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１）。受光器８が中心から＋Ｘ，−Ｘ，＋Ｙ，−Ｙの４方向に延びる４つの光電センサを組み合わせた２軸光電センサの場合、レーザー光が中心にあれば出力値が０になる。受光器８からの入力レベル＜ｅ１の場合は、レーザー光が受光器８の中心にあるとして、プリズム１，２の回転角を操作しない。受光器８からの入力レベル≧ｅ１の場合は、レーザー光が受光器８の中心にないので、レーザー光が受光器の中心にくるように以下の処理を行う。
【００６１】
プリズム座標系で、Ｘ０，Ｙ０，ψＴを算出する（ステップＳ２）。次に、受光器座標系でＸ１，Ｙ１を検出する（ステップＳ３）。プリズム座標系は、図１０および図１１に示すように、プリズムユニット７からプリズム中心線を延長して受光器上の平面と交差する点Ｐを原点とした座標系をいい、受光器座標系は受光器８の中心を原点とした座標系をいう。この図１０および図１１で、レーザー光の受光器８上の照射位置をプリズム座標系で示したものがｖ０ベクトルで、受光器座標系で示したものがｖ１ベクトルである。レーザー光が受光器８の中心を照射するためには、ｖ１ベクトルが０となればよい。プリズム座標系のｖ０ベクトルのＸ方向成分、Ｙ方向成分それぞれをＸ０，Ｙ０とすると、上述のプリズムの合成屈折角δTから、Ｘ０＝δＴＸ×Ｌ１，Ｙ０＝δＴＹ×Ｌ１と算出される。ここで、Ｌ１はプリズムから受光器までの距離である。そして、ψＴは上述の合成屈折方向から算出される（ステップＳ２）。また、受光器座標系において、受光器８の検出値からＸ１，Ｙ１が検出され、計算式θ１＝ｔａｎ^-1（Ｙ１／Ｘ１）からθ１が算出される（ステップＳ３）。受光器８の精度が高く、座標Ｘ１，Ｙ１が高精度に得られると、このＸ１，Ｙ１に基づいてプリズムを操作して受光器８の中心を照射するように合成屈折角δＴを変化させればよいが、一般に受光器８の精度はそれほど高くないので、以下のような処理が必要になる。
【００６２】
ψＴとθ１を比較し、一致する方向に差角Δψを一定に保ったままプリズム２枚を同時に回し、ψＴを変える（ステップＳ４）。図１２に示すように、２つのプリズムの差角Δψを一定に保ったままプリズム２枚を同時に回すと、プリズム座標系でのｖ０ベクトルは、絶対値を保ったまま、原点Ｐを中心として回転する。ψＴとθ１とが等しくなるまで（図中２点鎖線の位置から実線の位置まで）回転すると、ｖ１ベクトルとｖ０ベクトルとは重なる。このステップＳ４では、ｖ０ベクトルとｖ１ベクトルとの方向を合わせている。なお、プリズムの１回の回転量は振動しないように差の１／２とされる。
【００６３】
次に、｜ｖ１｜と｜ｖ０｜を比較し、ψＴを一定に保ったまま、｜ｖ１｜が０となるように差角Δψを変化する。図１３に示すように、２枚のプリズムを相反する方向へ同じ量回転すると、プリズム座標系でのｖ０ベクトルは、ψＴを一定に保ったまま、絶対値｜ｖ０｜を変化する。この図に示すように、２枚のプリズムの差角Δψを｜ｖ１｜が０となるように変化すると、ｖ０ベクトルの絶対値が図中２点鎖線の位置から実線の位置まで変化する。すなわち、ステップＳ５では、ｖ１ベクトルの絶対値を０となるようにしている。ここで、｜ｖ１｜＝√（Ｘ１²＋Ｙ１²），｜ｖ０｜＝Ｌ１√（δＴＸ²＋δＴＹ²）で表される。なお、差角Δψの１回の変化量は、振動しないように差の１／２とされる。
【００６４】
次に、ステップＳ５での差角Δψの変化量が例えば１０″以下であるか否かを判断する（ステップＳ６）。１０″以下であれば、レーザー光が受光器８の中心を照射しているとして、スタートに戻る。１０″以下でなければ、ステップ２〜ステップ５を繰り返し、再びｖ１ベクトルが０になるようにプリズムの回転角を操作する。そして、レーザー光が受光器の中心を照射しているときの合成屈折角δＴを算出すれば、図１に示すようなプリズムユニット７の屈折角θ１〜θ３を求めることができる。
【００６５】
図１に示すように、プリズムユニット７…が推進管に固定される場合、プリズムユニット７…にも受光器２０が一体に設けられる。そして、この受光器２０を照射するように一つ手前のプリズムユニット７でレーザー光を屈折した後、受光器２０が設けられたプリズムユニット７のプリズムに向けて、一つ手前のプリズムユニット７で再びレーザー光を振っている。プリズムユニット７…を推進管に固定した場合、受光器８が一番奥の一つだけだと受光器８にレーザー光を辿りつかせることができないが、プリズムユニット７…のそれぞれに受光器２０を設け、一箇所ずつ受光器２０を照射するようにレーザー光を屈折し、受光器２０が一つみつかったら次の受光器２０を照射するように制御すると、入口から発光されたレーザー光を一番奥の受光器８まで辿りつかせることができる。なお、入口側のプリズムユニット７は、レーザー照準器６からプリズムユニット７の中心に向ってレーザー光が照射されているので、受光器２０を必要としないのはいうまでもない。なお、レーザー光はガウス分布で広がるので、広がった値を測定するようにすると、レーザー光を受光器２０からプリズムユニットのプリズムに向けて振る必要がなくなる。
【００６６】
図１４および図１５は、本発明の第２の実施形態における管路計測装置を示したものである。図１５に示すように、この実施形態の管路計測装置も、管路２２の入口からレーザー光を照射するレーザー照準器２１と、管路内に複数個、例えば３個配置され、レーザー光の屈折を制御するプリズムユニット♯１〜３と、プリズムユニット♯１〜３で屈折したレーザー光が照射される受光器２３と、プリズムユニット♯１〜３の屈折角θ１〜θ３およびプリズムユニット♯１〜３間の距離Ｌ１〜Ｌ３から管路の曲がりを計測する演算手段としての演算装置（図示せず）とを備える。レーザー照準器２１から発光されるレーザー光は、プリズムユニット♯１〜３で屈折して自動的に管路の奥に設けた受光器まで届くようにされている。演算装置では、プリズムユニットの屈折角θ１〜θ３の値、およびプリズムユニット♯１〜３間の距離Ｌ１〜Ｌ２、奥側のプリズムユニット♯３と受光器２３間の距離Ｌ３の値に基づいて、光路を折れ線グラフを引くようにトレースして管路２２の曲がりを計測している。
【００６７】
この管路計測装置では、上記第１の実施形態の管路計測装置と異なり、プリズムユニット♯１〜３が管路２２内を走行可能にされ、また、プリズムユニット♯１〜３間の距離を測定する距離測定手段（距離測定装置）を設けている。プリズムユニット♯１〜３は、例えば台車とモータによって回転駆動される車輪とを備え、管路２２内に敷かれたレール上を自走する。距離測定装置としては、たとえば、波長の異なる複数のレーザー光の位相差から距離を検出する測距儀や、車輪の回転角度をエンコーダで検出して距離を算出するものや、プリズムユニット♯１〜３の間を連結ワイヤーで接続し、連結ワイヤーを繰り出すドラムの回転角度をエンコーダで検出してワイヤーの長さを算出するもの等を用いることができる。
【００６８】
プリズムユニット♯１〜３の配置方法について説明する。図１４に示すように、まず、３個のプリズムユニット♯１〜３および受光器２３を管路２２の入口にまとめて置く。まとめて置くことで、最初から受光器２３にレーザー光が照射している。次に、入口側のプリズムユニット♯１一つを残しておいて、残りの２個のプリズムユニット♯２，３および受光器２３をまとめて移動する。そして、残りの２個のプリズムユニット♯２，３および受光器２３を１個の受光器とみなして、入口側に残したプリズムユニット♯１で移動する受光器２３を照射するようにレーザー光を屈折する。屈折したレーザー光で受光器２３を照射できなくなる位置に移動したプリズムユニット♯２，３のうち入口側の一つ♯２を配置する。そして、同じように、プリズムユニット♯１，２で屈折したレーザー光で受光器２３を照射できなくなる位置にプリズムユニット♯３を設置する。そして、プリズムユニット♯１〜３を設置した最後の状態が図１５に示した状態になる。このようにプリズムユニット♯１〜３を配置することで、それぞれのプリズムユニット♯１〜３に受光器が必要でなくなり、また、必要最小限のプリズムユニット♯１〜３で管路２２の曲がりを計測することができる。
【００６９】
なお、上記第１の実施形態および第２の実施形態いずれの管路計測装置においても、プリズムユニットが傾斜する場合を考慮して傾斜計を取りつけ、この傾斜計の検出値から、プリズムの屈折角を補正してもよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、管路内に複数のウェッジプリズムを組み合わせた光路屈折装置を複数個配置し、入口から発光される光を複数の光路屈折装置で屈折して管路の奥まで届くようにし、光路屈折装置によるレーザー光の屈折角および光路屈折装置間の距離から管路の曲がりを計測した。組み合わせたウェッジプリズムを回転することで、光路が任意の方向に屈折する。ウェッジプリズムの回転角を操作することで光の屈折角を精密に制御でき、管路に沿った光の曲がり角が高精度に検出できる。また、ウェッジプリズムは直径が小さいので、小口径の管内にも容易に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における管路計測装置を示す図（図中（ａ）は側面図、図中（ｂ）は平面図）。
【図２】上記管路計測装置の管路の断面図。
【図３】プリズムユニットを示す断面図。
【図４】ウェッジプリズムを示す断面図。
【図５】組み合わせたウェッジプリズムを示す断面図。
【図６】入射光線を屈折するウェッジプリズムを示す斜視図。
【図７】入射光線の屈折を座標系で示す図。
【図８】屈折角をベクトルで示す図（図中（ａ）はプリズム１を示し、図中（ｂ）はプリズム２を示す。）
【図９】ソフトウェアサーボのアルゴリズムを示すフローチャート。
【図１０】受光器上でのレーザー光の照射位置を示す図。
【図１１】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図１２】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図１３】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図１４】本発明の第２の実施形態における管路計測装置を示す平面図。
【図１５】上記図１４の管路計測装置のプリズムユニットを配置が終了した状態を示す平面図。
【図１６】従来の管路計測装置を示す図（図中（ａ）は側面図を示し、図中（ｂ）は平面図を示す。）
【符号の説明】
６レーザー照準機（レーザー発光手段）
７プリズムユニット（光路屈折装置，光路屈折手段）
５，２２管路
８，２０，２３受光器（受光手段）
１３ａ，１３ｂウェッジプリズム
１４ａ，１４ｂモータ（駆動部）
１５ａ，１５ｂエンコーダ（角度検出部）
♯１〜３プリズムユニット（光路屈折装置，光路屈折手段）
θ１〜θ３屈折角
Ｌ１〜Ｌ３距離

Claims

複数のウェッジプリズムを組み合わせて光の屈折を制御する光路屈折装置を管路内に少なくとも２個配置すると共に、前記管路の奥に前記光を受光する１個の第１受光器を配置し、少なくとも、前記管路の入口から２番目を含めた前記管路の奥側に配される光路屈折装置に、照射された光を受光する第２受光器をそれぞれ設け、
前記ウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記第１受光器の出力値をフィードバック制御して、前記管路の入口から発光される前記光を前記複数の光路屈折装置で屈折させつつ自動的に前記管路の奥まで届かせて、
前記第１受光器の一つ手前に配された光路屈折装置に設けられたウェッジプリズムの中心線が前記第１受光器と交わる点を原点とする、前記第１受光器上の直交座標をプリズム座標とする一方、前記第１受光器の中心点を原点とする直交座標であって、各座標軸が前記プリズム座標と同方向に延びる前記第１受光器上の直交座標を受光器座標とし、
前記プリズム座標上における、原点を始点とし、一つ手前の光路屈折装置から照射された前記光が前記第１受光器に到達した光到達点を終点とするプリズム座標ベクトルと、前記受光器座標における、原点を始点とし、前記光到達点を終点とする受光器座標ベクトルとについて、
前記プリズム座標ベクトルの、前記プリズム座標の一方の座標軸となす角度、及びその長さと、前記受光器座標ベクトルの、前記受光器座標における前記プリズム座標の一方の座標軸と同方向に延びる座標軸とのなす角度、及びその長さと、をそれぞれ比較しつつ、前記受光器座標ベクトルの先端を前記第１受光器の中心に一致させることで、前記第１受光器に届いた光を前記第１受光器の中心に照射させて、
前記光路屈折装置による前記光の屈折角および前記光路屈折装置間の距離から前記管路の曲がりを計測することを特徴とする管路計測方法。
前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記光路屈折装置の前記屈折角を算出することを特徴とする請求項１に記載の管路計測方法。
前記管路が推進管からなり、前記光路屈折装置が敷設する前の前記推進管に固定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の管路計測方法。
前記第２受光器を照射するように一つ手前の光路屈折装置で前記光を屈折した後、前記光が前記管路の奥まで届くように、前記第２受光器が設けられた前記光路屈折装置の前記ウェッジプリズムに向けて、前記一つ手前の光路屈折装置で再び前記光を振ることを特徴とする請求項３に記載の管路計測方法。
前記光路屈折装置が前記管路内を走行可能にされ、また、前記光路屈折装置間の距離を測定する距離測定装置を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の管路計測方法。
前記複数の光路屈折装置および前記第１受光器を前記管路の入口にまとめて置く初期設置工程と、入口側の光路屈折装置一つを残しておいて残りの光路屈折装置および前記第１受光器をまとめて移動し、入口側に残した前記光路屈折装置で移動する前記第１受光器を照射するように前記光を屈折し、屈折した前記光で前記第１受光器を照射できなくなる位置に移動した前記光路屈折装置のうちの入口側の一つの光路屈折装置を配置するプリズム設置工程とを備え、前記光路屈折装置の数に応じてこのプリズム設置工程を繰り返し、前記管路内に前記複数の光路屈折装置を配置することを特徴とする請求項５に記載の管路計測方法。
前記光はレーザー光であることを特徴とする請求項１ないし６いずれかに記載の管路計測方法。
管路の入口からレーザー光を発光するレーザー発光手段と、前記管路内に少なくとも２個配置され、前記レーザー光の屈折を制御する光路屈折手段と、前記管路の奥に配されて照射された光を受光する第１受光手段と、前記光路屈折手段による前記レーザー光の屈折角および前記光路屈折手段間の距離から前記管路の曲がりを測定する演算手段とを備え、
前記光路屈折手段は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部と、を具備し、
少なくとも前記管路の入口から２番目を含めた前記管路の奥側に配される前記光路屈折手段に、照射されたレーザー光を受光する第２受光手段をそれぞれに設け、
前記ウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記レーザー光が前記第１受光手段を照射するように前記第１受光手段及び前記第２受光手段の出力値をフィードバック制御し、前記管路の入口から照射される前記レーザー光を自動的に前記管路の奥まで届かせて、
前記第１受光手段の一つ手前に配された光路屈折手段に設けられたウェッジプリズムの中心線が前記第１受光手段と交わる点を原点とする、前記第１受光手段上の直交座標をプリズム座標とする一方、前記第１受光手段の中心点を原点とする直交座標であって、各座標軸が前記プリズム座標と同方向に延びる前記第１受光手段上の直交座標を受光器座標とし、
前記プリズム座標上における、原点を始点とし、一つ手前の光路屈折手段から照射された前記光が前記第１受光手段に到達した光到達点を終点とするプリズム座標ベクトルと、前記受光器座標における、原点を始点とし、前記光到達点を終点とする受光器座標ベクトルとについて、
前記プリズム座標ベクトルの、前記プリズム座標の一方の座標軸となす角度、及びその長さと、前記受光器座標ベクトルの、前記受光器座標における前記プリズム座標の一方の座標軸と同方向に延びる座標軸とのなす角度、及びその長さと、をそれぞれ比較しつつ、前記受光器座標ベクトルの先端を前記第１受光手段の中心に一致させることで、前記第１受光手段に届いた光を前記第１受光手段の中心に照射させるように制御することを特徴とする管路計測装置。
前記一対の角度検出部それぞれの検出値に基づいて前記光路屈折手段の前記屈折角を算出する屈折角演算手段を備えることを特徴とする請求項８に記載の管路計測装置。
前記管路が推進管からなり、前記光路屈折手段は敷設する前の前記推進管に固定されていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の管路計測装置。
前記光路屈折手段が前記管路内を走行可能にされ、前記光路屈折手段の走行距離を検出する走行距離測定手段を設けたことを特徴とする請求項８ないし１０いずれかに記載の管路計測装置。