JP3723661B2

JP3723661B2 - Underground excavator position measurement device

Info

Publication number: JP3723661B2
Application number: JP15539097A
Authority: JP
Inventors: 隆茂呂; 泰昭石川; 義昭下村; 稔野口; 靖彦原; 正治中村; 秀樹萩原
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 1997-06-12
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2017-06-12
Also published as: JPH112520A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下坑を掘削しながら地中を掘進する、管推進機（人が入れない小口径の管を地中に埋設する小口径管推進機や人が入れる大口径の管を地中に埋設するセミシールド機）及びシールド掘進機等の地中掘進機の掘進位置の計測に用いられる地中掘進機の位置計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下坑を掘削しながら地中を掘進する、管推進機及びシールド掘進機等の地中掘進機では、予め設定された掘進経路である計画線に沿って正しく掘進できるようにする必要がある。そのためには、掘進中の地中掘進機の現在位置がリアルタイムにかつ的確に計測できるようにすることが望ましい。すなわち、地中掘進機の現在位置に関する信頼性の高い情報がオペレータにリアルタイムに提供されると、地中掘進機が計画線から外れて掘進しようとしたときに、オペレータは、これをいち早く見つけて早期に対応することができ、地中掘進機を計画線に沿って掘進させる管理が楽に行え、施工精度の向上も期待できる。地中掘進機の掘進位置を計測する技術としては、従来、「トランシットを用いて人手により計測する」方法、「地中掘進機に誘導磁界を発生する発信コイルを設置し、その誘導磁界の強度を地上の受信コイルで測定して地中掘進機の掘進位置を計測する」方法、「逆に、地上に電路を敷設し、この電路に電流を流して誘導磁界を発生させ、その誘導磁界の強度を地中掘進機に設置した受信コイルで検出して掘進位置を計測する」方法等の各種の方法が用いられていた。しかしながら、これら従来用いられている地中掘進機の位置計測技術は、掘進位置のリアルタイムな計測が本来的に行えなかったり、原理的には行えても実際上困難であったりした。
【０００３】
こうした問題を改善する地中掘進機の位置計測技術として、特開昭６１ー４５０９２号公報に記載のシールド掘進機の方向検出装置が提案されている。この従来提案されているシールド掘進機の方向検出装置は、「前方のトンネル内へ向けて照射する第１レーザビーム発振器と前方からのレーザビームを受光することができる第１レーザビーム受光器とをサーボモータでＸ方向（ヨーイング方向）、Ｙ方向（ピッチング方向）に回転できるように架台に取り付け、かつ、その回転角度をセンサで検知できるようにした計測用機器をトンネルの入口部に設置するとともに、後方の第１レーザビーム受光器へ向けて照射する第２レーザビーム発振器と後方の第１レーザビーム発振器からのレーザビームを受光することができる第２レーザビーム受光器と前方のシールド掘進機方向に向けて照射する第３レーザビーム発振器とをサーボモータでＸ，Ｙ方向に回転できるように架台に取り付け、かつ、その回転角度をセンサで検知できるようにした計測用の中継器をトンネルの中間部に設置し、また、後方の第２レーザビーム発振器からのレーザビームを受光することができ、かつ、Ｘ，Ｙ方向及びローリング角を検知可能にした第３レーザビーム受光器とピッチングローリング計とをシールド掘進機に取り付けるようにした」装置である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来の装置は、収束度の高いレーザ光であるレーザビームをレーザビーム受光器の所定位置に照射するように、レーザビーム発振器をヨーイング方向やピッチング方向に回転操作してその回転角度を検知し、検知した回転角度に基づいて、シールド掘進機の計画線からのずれ位置をコンピュータで演算して求めるようにしている。そのため、地中掘進機の掘進位置を計測する際、レーザビームをレーザビーム受光器の所定位置に的確に当てるようにレーザビーム発振器を回転させる操作を要して操作が複雑であるばかりでなく、サーボモータ等レーザビーム発振器を回転させるための回転機構を要して機構も複雑になり、これに伴って種々の問題がもたらされることとなる。例えば、こうした回転機構を設けたことにより、装置が地下坑内に配置するものにしては大型化し、製作費が割高になるのは勿論のこと、回転機構が機械的なものであるために、光学的な誤差に機械的な誤差が加わって高い計測精度を確保することが困難であるとともに振動に対しても弱い。
【０００５】
本発明は、こうした従来の技術にみられる問題を解消しようとするものであって、その技術課題は、地中掘進機の掘進位置を計測する際に光を受光手段に当てるための操作をしなくても済み、そのための操作機構を要しない地中掘進機の位置計測装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のこうした技術課題は、「地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘進方向後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置関係で計測する地中掘進機の位置計測装置」を、「前方に拡散光を発することのできる光源と前方の光源からの拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置により前方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し計測基点を設定する基点計測ユニットと、後方に拡散光を発することのできる光源と後方の光源からの拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置により後方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し被計測点を設定する被測点計測ユニットと、前方及び後方に拡散光を発することのできる光源と前方及び後方の光源からの拡散光をそれぞれ集めることのできる集光手段と集光手段によりそれぞれ集められた光を受光しその受光した各光の位置により前方及び後方の各光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し地下坑内における基点計測ユニットと被測点計測ユニットとの間に配置される少なくとも一つの中間計測ユニットとを設けるとともに、これら基点計測ユニット、被測点計測ユニット及び中間計測ユニットの各計測ユニットにおける隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットに拡散光による光波を発する光波距離計を付設し他方の計測ユニットにその光波を光波距離計に向かって反射する光反射手段を付設して構成し、各計測ユニットでの検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと光波距離計により得られる各計測ユニットにおける隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、計測基点に対する被計測点の相対位置を演算手段で演算して計測するようにした」ことにより達成される。
【０００７】
本発明の地中掘進機の位置計測装置は、こうした技術手段を採用したことにより、中間計測ユニットは、前後に隣接する計測ユニットの前後双方の光源から発せられた拡散光を各集光手段で集めてその集められた各光を受光手段で受光し、その受光した各光の位置により中間計測ユニットに対する前後の双方の各光源の相対的な方向を検出することができて、その検出結果に基づいて各光源の方向に関するデータが得られる。その場合、光源として、特に拡散光を発することのできる光源を用い、この光源からの拡散光を集光手段で集めて受光手段に当てるようにしているため、従来のように光源からの光を的確に受光手段に当てるための操作をしなくても済む。こうして各光源の方向に関するデータが得られると、隣接する各計測ユニット間を結ぶ各掘進路線の発進方向線に対する各角度を、その発進方向線との関係で直接的に検出しなくても、演算により間接的に求めることができる。その場合、その角度は、中間計測ユニットや被測点計測ユニットがその取付時の姿勢によって変化したり、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化したりしても、こうした影響を排除した状態で正しく求めることができる。
一方、隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットの光波距離計から発せられた光波を他方の計測ユニットに付設した光反射手段でその光波距離計に向かって反射し、光波距離計で受光することにより、隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータが得られる。その場合、光波として、特に拡散光による光波を用いて、この拡散光による光波を光反射手段で光波距離計に向かって反射するようにしているため、光波距離計からの光波を光反射手段に当てて反射させ、その反射した光波を光波距離計で的確に受光できるようにするための操作をしなくても済む。こうして得られた各距離に関するデータと演算により求められた前記の各角度に関するデータとから計測基点に対する被計測点の相対位置を演算して計測することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が実際上どのように具体化されるのかを示す具体化例を図１乃至図２１に基づいて説明することにより、本発明の実施の形態を明らかにする。本発明の具体化例の地中掘進機の位置計測装置は、何れも、地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘進方向後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置関係で計測する装置である。まず、図１乃至図５を用いて、本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置の構造及び用法について説明する。図１は、本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図、図２は、図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図、図３は、図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図、図４は、図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図、図５は、光波距離計の概略的な構造を示す断面図である。
【０００９】
図１乃至図４において、１は地中掘進機の主要部をなす掘削機、２はシールド掘進機で掘削した坑道又は管推進機で掘削した管渠等の地下坑、３は地中掘進機の掘進の出発点となる発進立坑、４は地下坑２内における後記基点計測ユニット５と後記被測点計測ユニット６との間に配置された中間計測ユニット、５は発進立坑３に配置された基点計測ユニット、６は掘削機１内に配置された被測点計測ユニット、７はこれら中間計測ユニット４、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６とそれぞれ通信ラインで接続され地中掘進機の掘進位置を演算する中央演算処理装置、８は中央演算処理装置７での演算結果やその演算結果に基づいて得られる情報をオペレータの操縦の便のために数値やグラフで表示する表示装置である。掘削機１は、管推進機及びシールド掘進機等、地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘削機であれば、何れのものでもよい。地下坑２は、管推進機であれば、ヒューム管、鋼管等の埋設管で坑壁が形成され、シールド掘進機であれば、鋼製又はコンクリート製のセグメントで坑壁が形成される。中間計測ユニット４、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６は、大別すると、隣接する計測ユニットの光源４２から光を受けてその光の方向を検出できるように構成された光源方向検出手段４１と光源４２とからなり、距離検出手段を構成する光波距離計１０及び反射プリズム１１の少なくとも一つを付設していて、何れも基本的な構造は変わらない。
【００１０】
そこで、これらの計測ユニット４，５，６を代表して、中間計測ユニット４の構造を図２に基づいて説明する。中間計測ユニット４は、図２に詳細を示すように、隣接する計測ユニットに向けて拡散光を発することのできる光源４２と、隣接する計測ユニットの光源４２からの拡散光を集めることのできる集光手段としての凸レンズ４１１と、この凸レンズ４１１により集められた光を受光しその受光した光の位置を検出することのできる受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２（ＣＣＤはＣｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｄｅｖｉｃｅの略称である。）を備えている。この受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２は、後に詳述するように、集光手段としての凸レンズ４１１に対して受光した光の位置により隣接する計測ユニットの光源の方向を検出し得るように配置されている。図示の光源方向検出手段４１は、これら凸レンズ４１１とＣＣＤ撮像素子４１２との集合体のことである。中間計測ユニット４では、光源４２が地中掘進機の掘進方向を基準に前方及び後方に向けてそれぞれ拡散光を発することができるように図２の左右にそれぞれ配置されている。また、凸レンズ４１１は、前後に隣接する別の計測ユニットの光源４２からの各拡散光をそれぞれ集めることができるように、同じく左右に配置されているとともに、ＣＣＤ撮像素子４１２も、各凸レンズ４１１でそれぞれ集められた光を受光することができるように左右に配置されている。各凸レンズ４１１及び各ＣＣＤ撮像素子４１２は、互いに平行に配置して中間計測ユニット４のケース内に取り付け、光源４２は、同ケースの外側に取り付ける。
【００１１】
ＣＣＤ撮像素子４１２は、一次元のラインセンサでもよいが、本具体化例では二次元の面センサを使用することを前提にしている。受光手段として、本具体化例ではＣＣＤ撮像素子４１２を用いているが、これに代えて、フォトダイオードの表面抵抗を利用して光スポットの位置を知ることのできるＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｄｅｖｉｃｅ）のようなものを用いてもよく、要は、凸レンズ４１１のような集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置を検出することのできるものであればよく、その種類は問わない。光源４２には、いわゆる点光源のようなものを用い、レーザビームのような収束度の高い光線を発するものは用いることができないが、基本的には、微小なエリアから放射状に拡がるいわゆる拡散光を発するようなものであれば、何のようなものでも使用することができる。中間計測ユニット４は、多くの場合５ｍ乃至５０ｍの間隔で地下坑３内に取り付けられるが、光源４２は、こうした５ｍ乃至５０ｍ先の地下坑内の略全域を照らし得る広がりをもつ収束度の低い光であればよい。すなわち、地下坑３の内径にもよるが、少なくとも５°乃至１０°の角度で広がる光であれば、本発明に用いることができる。したがって、レーザ光であっても、こうした角度以上の角度で広がる収束度の低いレーザ光であれば実用に供することができる。発明が解決しようとする課題の項で述べたように、従来の装置にあっては、レーザビームを光源に用いているため、地中掘進機の掘進位置の計測の際、レーザビームをレーザビーム受光器の所定位置に的確に当てるようにレーザビーム発振器を回転させる操作を必要としたが、本発明では、光源に拡散光を発するものを用いたため、地下坑２の掘削中に何れかの測量ユニットの姿勢が変動しても、光源４２の光を受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２に確実に当てることができて、こうした操作をしなくても済む。
【００１２】
以上述べた構造は、計測基点に対する被計測点の相対位置を計測するのに必要な第１のデータである各計測ユニット４，５，６の各光源４２の方向に関するデータを得るための手段であるが、次に、その相対位置を計測するのに必要な第２のデータである各計測ユニット４，５，６間の距離に関するデータを得るための手段を、中間計測ユニット４の構造を中心に図１及び図２に基づいて説明する。こうした距離に関するデータを得るための手段は、隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットに付設され拡散光による光波を発する光波距離計１０と、他方の計測ユニットに付設されこの光波距離計１０に向ってこれの発する光波を反射する光反射手段としての反射プリズム１１で構成する。図２に示す中間計測ユニット４を例にして説明すると、中間計測ユニット４の前後の一方の側には、送光器１０１と受光器１０２とを有する光波距離計１０を付設して、その送光器１０１の発する光波を隣接する計測ユニットの反射プリズム１１に向けて送るようにするとともに、この隣接する計測ユニットの反射プリズム１１で反射した光波を受光器１０２で受光するようにしている。この光波は、パルス状の断続光を意味し、換言すると変調光のことである。中間計測ユニット４の前後の他方の側には、反射プリズム１１を付設して、隣接する計測ユニットの発する光波をその隣接する計測ユニットの受光器１０２に向けて反射するようにしている。
【００１３】
この反射プリズム１１には、送光器１０１の発する光波が拡散光によるため拡がった状態で入射するが、光反射手段にこうした反射プリズム１１を用いると、その拡がって入射した光波をその入射方向に反射させて返すことができるため、その反射した光波は、拡がりはするものの受光器１０２を包むようにして確実に照らすことができる。光波を発生させる光波発生源に、本具体化例では発光ダイオードを用いているが、光源４２と同様の拡がりをもつ拡散光の光波を発するようなものであれば、本発明に用いることができ、したがって、レーザ光であっても、こうした拡がりをもつ収束度の低いレーザ光であれば実用に供することができる。このように、光波として、特に拡散光による光波を用いて、この拡散光による光波を反射プリズム１１で光波距離計１０に向かって反射するようにしているため、光波距離計１０からの光波を反射プリズム１１に当てて反射させ、その反射した光波を光波距離計１０で的確に受光できるようにするための操作をしなくても済む。
【００１４】
計測ユニット４では、光源４２から拡散光を発するとともに光波距離計１０から光波を発するようにしていて二種類の拡散光を発するようにしている。そのため、光源方向検出手段４１で光源４２からの拡散光を受光して光源４２の方向に関するデータを得る場合に、光波距離計１０が発する光波も受光してそのデータに悪影響を及ぼす恐れがある。逆に、光波距離計１０で反射プリズム１１からの拡散光を受光して距離に関するデータを得る場合に、光源４２が発する光波も受光してそのデータに悪影響を及ぼす恐れがある。こうしたことを防止するには、光源４２と光波距離計１０が発する拡散光に波長の異なる光を用いて光源方向検出手段４１や光波距離計１０の受光部にフィルターをかけることにより、フィルターで必要な光だけを透過させ不要な光を吸収するようにすればよい。また、光源方向検出手段４１で光の方向を検出する時間帯と光波距離計１０で距離を検出する時間帯とをずらして時分割により検出するようにしてもよい。
【００１５】
この光波距離計１０の概略的な構造を図５に基づいて説明する。１０１はパルス状の等間隔の断続光でかつ収束度の低い光すなわち拡散光を発する発光ダイオード等により構成された送光器、１０２は反射プリズム１１で反射された送光器１０１の光波を受光しその受光した光の強弱を電圧信号に変換する光電変換素子（フォトセンサ）等で構成された受光器、１０４は後記凹面鏡１０７で反射された送光器１０１の光波を受光してその強弱を電圧信号に変換する光電変換素子、１０５はこれら受光器１０２及び光電変換素子１０４からそれぞれ出力される電圧信号が入力される光波距離演算手段、１０６は光波距離演算手段１０５の指令に従って送光器１０１に前記パルス状の断続光を発生させるための基準パルスを発生するパルス発生器、１０７は送光器１０１の発する光波の一部を光電変換素子１０４で受光できるように反射させる凹面鏡である。
【００１６】
受光器１０２は、光電変換素子１０４と同質のものであり、これと同様の働きをする。光波距離演算手段１０５では、入力された受光器１０２及び光電変換素子１０４の電圧信号の各パルス波形を正弦波に整えるとともに周波数変換して波長を伸長する。そして、その上で、両正弦波の位相差（時間）を測定し、その測定結果と既知の光速とから送光器１０１と反射プリズム１１との間の距離を演算して隣接する計測ユニット間の距離に関するデータを得る。このように光波距離計１０は、光波（変調光）を用いて発射光と反射光との位相のずれから距離を測定する距離測定装置であり、きわめて高精度に距離を測定することができる。
【００１７】
中間計測ユニット４は、以上述べた凸レンズ４１１、ＣＣＤ撮像素子４１２及び光源４２や光波距離計１０及び反射プリズム１１のほか、付帯的構造として、透明ガラス製の透明板１０３，１１１，４１３やコントローラ部４３を備えている。透明板１０３，１１１，４１３は、中間計測ユニット４のケースの前後に設けた各光採取孔に覆うように取り付けられ、同ケースの気密性を保持し、ケース内の送光器１０１、受光器１０２、反射プリズム１１、凸レンズ４１１等を防護する。コントローラ部４３は、中間計測ユニット４のケースに内蔵され、光波距離計１０やＣＣＤ撮像素子４１２や各光源４２が電気的に接続されるとともにケーブル４５が接続される。このケーブル４５は、ケースに穿設した引出口から引き出されて中央演算処理装置７に接続されるが、その際、ケーブル４５を、引出口に嵌めたグランド４４に挿通して引きだすことにより、ケースの気密性を保持するようにしている。コントローラ部４３は、光源４２を発光させるための電源部、ＣＣＤ撮像素子４１２で検出した光の位置に関する画像データを数値データに変換して処理するためのデータ処理部及びこのデータ処理部で処理したデータを中央演算処理装置７に出力するための通信処理部等から構成される。このコントローラ部４３のデータ処理部では、ＣＣＤ撮像素子４１２で検出した光の位置のデータを各光源４２の方向のデータに変換したりその変換したデータを補正したりするための演算も行う。前記ケーブル４５は、コントローラ部４３の通信処理部と中央演算処理装置７との間で通信信号を送受信するための信号路や中間計測ユニット４に電源電流を導くための電路を内蔵している。
【００１８】
以上、中間計測ユニット４の構造を中心に述べたが、基点計測ユニット５は、前方に拡散光を発することのできる光源４２と前方の光源４２からの拡散光を集めることのできる凸レンズ４１１とこの凸レンズ４１１により集められた光を受光することのできるＣＣＤ撮像素子４１２と前方に拡散光による光波を発する光波距離計１０とを備えている。また、被測点計測ユニット６は、後方に拡散光を発することのできる光源４２と後方の光源４２からの拡散光を集めることのできる凸レンズ４１１とこの凸レンズ４１１により集められた光を受光することのできるＣＣＤ撮像素子４１２と光波距離計１０が発した光波を光波距離計１０に向かって反射する反射プリズム１１とを備えている。換言すると、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６は、それぞれ、中間計測ユニット４における前方側半分の機能及び後方側半分の機能を果たす構造を備えており、この点を除けば、中間計測ユニット４の構造と本質的な差異はない。したがって、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６には、中間計測ユニット４をそのまま使用し、セットする際にそれぞれ前方側半分及び後方側半分だけが働くようにしたり、ソフト上、それぞれ前方側半分及び後方側半分だけを活かすようにしてもよい。このように中間計測ユニット４に用いられる計測ユニットを基点計測ユニット５や被測点計測ユニット６に兼用するようにすれば、製作する機器の種類を少なくできてそれらの製作を省力化することができるだけでなく、使用する機器の種類も少なくできて機器の使用上の便もよい。地中掘進機の掘進位置を計測する際、その計測の基点となる計測基点と掘進中の地中掘進機の現在位置を表す指標となり得るような被計測点を設定する必要があるが、基点計測ユニット５は、計測基点を設定する役割を果たし、被測点計測ユニット６は、被計測点を設定する役割を果たす。
【００１９】
各計測ユニット４，５，６を地中掘進機の位置計測に使用する場合、シールド工事及び管推進工事の何れの場合でも、基点計測ユニット５は、通常、発進立坑３に設置し、被測点計測ユニット６は、通常、掘削機１（シールド工事ではシールド掘進機、管推進工事では先導体）にそれぞれ設置する。その場合、基点計測ユニット５は、その基準線が発進方向と一致するように精度良く設置する。ただし、基点計測ユニット５の基準線を発進方向と一致させないで設置するようにしても、両者のなす角度を精度良く測定しておき、その測定値をオフセット値としてコントローラ部４３又は中央演算処理装置７に予め記憶させておき、地中掘進機の掘進位置を中央演算処理装置７で演算する際にその値を反映させるようにすれば、地中掘進機の位置計測に支障は生じないので、こうした方法を採用することもできる。
【００２０】
一方、各計測ユニット４，５，６のうち特に中間計測ユニット４については、その設置方法がシールド工事及び管推進工事とで若干異なる。すなわち、シールド工事及び管推進工事の何れの場合でも、中間計測ユニット４を地下坑２内に配置する点では変わらないが、前者の場合は、通常、地下坑２の内周壁を構成する既設セグメント等に取り付け、後者の場合は、通常、地下坑２を構成する埋設管の内壁や排土装置をなすオーガケーシング、排土管等の外壁等に取り付ける。管推進工事において地下坑２内に中間計測ユニット４を取り付ける場合、特に、地下坑２の掘削の進展に伴って設置距離を延伸させながら仮設し、地下坑２の掘削の終了後に撤去するオーガケーシングや排土管等の延伸仮設体に取り付けるようにすれば、延伸仮設体の撤去時に中間計測ユニット４も自動的に撤去することができて至便である。また、シールド工事の場合でも、送泥管、排泥管、排土管等の延伸仮設体に取り付けるようにすれば、同様の効果が得られる。
【００２１】
シールド工事では、シールド掘進機をシールドジャッキで推進しながら掘進してその掘進により形成された地下坑２内にセグメントを組み立て、こうした工程の反復により工事が進められるが、工事の過程で、被測点計測ユニット６が基点計測ユニット５の設置位置から見通せなくなったら、これらの計測ユニット５，６の中間の適宜の位置に中間計測ユニット４を新設する。工事が進捗して、新設した中間計測ユニット４の設置位置から被測点計測ユニット６が見通せなくなったら、これらの計測ユニット４、６の中間の適宜の位置に新たな中間計測ユニット４を追加して設置し、こうした設置作業を繰り返す。管推進工事では、先導体の後方に連結される埋設管の最後部を元押しジャッキで推進しながら最後部の埋設管を地中に埋設し、最後部の埋設管の埋設が終了する都度、新たな埋設管を継ぎ足して工事が進められるが、工事の過程で埋設管を一定距離推進して埋設したら、最後部の埋設管内に中間計測ユニット４を設置する。工事が進捗して埋設管を更に一定距離推進して埋設したら、再度、最後部の埋設管内に中間計測ユニット４を追加して設置し、こうした設置作業を繰り返して各計測ユニット４，５，６間の間隔を適宜の間隔に保つ。その間隔の目安は、計画されている曲線施工区間において各計測ユニット４，５，６同士が見通せる位置に設置する。
【００２２】
こうした計測ユニット４，５，６により計測基点に対する被計測点の相対位置を演算する手法について、図１６乃至図２１を用いて説明する。図１６は、図１の地中掘進機の位置計測装置における計測ユニットで光源の方向を検出する原理を説明するための概念図、図１７は、図１の地中掘進機の位置計測装置で光を授受しているときの状態を示す要部の水平断面図、図１８は、図１の地中掘進機の位置計測装置で計測基点寄りの計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図、図１９は、図１の地中掘進機の位置計測装置で任意の地点の計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図、図２０は、図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する基本原理を説明するための概念図、図２１は、図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する実際的な手法を説明するための概念図である。
【００２３】
まず、基本的な事項として、これらの計測ユニット４，５，６の光源方向検出手段４１で光源４２の方向を検出する原理を、図１６を用いて説明する。以下、この説明を始め各具体化例の説明をするに当たり、３次元位置座標上の水平方向の座標軸（端的にいえば左右方向の軸線）をＸ軸、３次元位置座標上の垂直方向の座標軸（端的にいえば上下方向の軸線）をＹ軸、Ｘ軸に直交する３次元位置座標上の水平方向の座標軸（端的にいえば前後方向の軸線）をＺ軸とする。いま、図１６に示すように、凸レンズ４１１とＣＣＤ撮像素子４１２とをＬｃの間隔で互いに平行に配置し、隣接する計測ユニットの光源４２から拡散光を発すると、光源４２の像が凸レンズ４１１を通過してＣＣＤ撮像素子４１２の面上に結像する。その場合、光軸（光源４２と凸レンズ４１１の中心とを結ぶ線を意味する。以下同じ。）が基準線（凸レンズ４１１の中心を通りＣＣＤ撮像素子４１２の面に直交する線を意味する。以下同じ。）となす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（Ｙ軸回りの回転角度）をΘ、同角度のＹ−Ｚ平面上の成分（Ｘ軸回りの回転角度）をΦとし、ＣＣＤ撮像素子４１２の面上における光源４２の像の結像点が基準線からずれるずれ量（ＣＣＤ撮像素子４１２の面への光源４２の結像点のＣＣＤ撮像素子４１２の中心からの偏差量）のうち、そのＸ軸方向の成分をδｃＸ，そのＹ軸方向の成分をδｃＹとすると、次の各式が成立する。
ｔａｎΘ＝δｃＸ／Ｌｃ……………（１）
ｔａｎΦ＝δｃＹ／Ｌｃ……………（２）
前（１）式及び前（２）式からは、それぞれ、δｃＸ／Ｌｃ及びδｃＹ／Ｌｃに基づいて角度Θ及び角度Φを演算により求めることができる。光源４２の方向は、こうした原理により、ＣＣＤ撮像素子４１２が検出した光の位置に基づいて各計測ユニット４，５，６の光源方向検出手段４１で検出することができる。δｃＸ／Ｌｃ及びδｃＹ／Ｌｃに基づく角度Θ及び角度Φの実際の演算は、本具体化例ではコントローラ部４３の演算手段で行っているが、中央演算処理装置７で行うようにしてもよい。
【００２４】
ここで留意すべきことは、こうして求められる角度Θ，Φは、当該計測ユニットの光軸がその計測ユニットの基準線に対してなす角度であって、地中掘進機の発進時の発進方向に対してなす角度ではなく、地中掘進機の掘進方向を定めるための尺度とはなりえない。しかも、その計測ユニットの基準線それ自体は、計測ユニットの取付時の姿勢によって変化するし、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによっても変化することから、光源方向検出手段４１で検出した前記の角度Θ，Φの値を単純に利用しても、地中掘進機の掘進方向を正しく演算することはできない。こうしたことから、中間計測ユニット４には、前述したように、前後双方の光源４２から拡散光を集め得るように凸レンズ４１１を左右に設け、これら左右の凸レンズ４１１で集められた光を受光し得るようにＣＣＤ撮像素子４１２も左右に設けて、角度Θ，Φを前後双方で検出するようにするとともに、これら前後双方の角度Θ，Φの検出値を後に詳述する独自の演算手法に利用することにより、計測ユニットの取付時の姿勢や地中掘進機のヨーイング、ピッチングの影響を排除した状態で地中掘進機の掘進方向を正しく演算できるようにしている。
【００２５】
図１７は、適当数の中間計測ユニット４を地下坑２内に配置して互いに光を授受しているときの状態を摸式的に示すもので、４（ｎ）は基点計測ユニット５側からみてｎ番目の中間計測ユニットを表し、４（ｎ＋１）及び４（ｎ−１）はその前後の中間計測ユニットを表す。実際の各計測ユニット４，５，６を地下坑２内に設置した場合、図１７に示すように当該計測ユニットへの入射光と当該計測ユニットの放射光とが互いに交差し、かつ、一つの中間計測ユニット４の前後のレンズ４１１及び前後の光源４２の各中心位置が基準となる一点に集中せず、Ｘ−Ｙ面方向やＺ軸方向にずれた状態で計測が行われることになる。
【００２６】
こうした状態で計測することにより得られるデータに基づいて地中掘進機の位置を演算する場合には、演算の便宜上、図１８及び図１９に示すように、前後のレンズ４１１及び前後の光源４２の各中心位置が各計測ユニット４，５，６の基準点（前後のレンズ４１１の中心線上の適宜の点、例えばその中心線上の真中の点）に揃えられるようにそれらの各中心位置をＸ−Ｙ面方向やＺ軸方向に位置補正して演算する。その場合、地中掘進機の位置計測が一層正確に行えるようにするため、光軸と基準線とのなす角度について若干補正をするが、その補正値は、前後のレンズ４１１及び前後の光源４２の各中心位置と基準点との位置関係を考慮しながら、前記（１）、（２）式から得られる角度Θ、角度Φに基づいてコントローラ部４３で算出するようにしている。後述する角度ΘＮ_n，ΦＮ_n、ΘＳ_n、ΦＳ_nは、こうした補正を経て得られたものである。このように、本具体化例では、より正確な計測を期して光軸と基準線とのなす角度について補正をしているが、前後のレンズ４１１や光源４２の各中心位置のずれ量は、各計測ユニット４，５，６間の距離に比べれば僅少な値であるので、レンズ４１１や光源４２の中間計測ユニット４への配置を適切に選定すれば、こうした補正をしなくても、実用性のある位置計測装置が得られる。
【００２７】
そこで、各計測ユニット４，５，６で得られるデータにより地中掘進機の位置を演算する手法を、図１８乃至図２１を用いて説明する。その説明をするに当たり、これらの図面や以下の数式に用いている記号の意味を説示する。
Ｖ；隣合った各計測ユニット４，５，６の基準点同士を結ぶ直線を意味する見通し線、この見通し線Ｖは、隣合った各計測ユニット４，５，６間で授受する光の光軸とみることができる。
Ｖ₀ ；地中掘進機の発進時の発進方向を表す発進方向線、
Ｖ_n；見通し線Ｖのうちのｎ−１番目の計測ユニットとｎ番目の計測ユニットとを結ぶ見通し線、
Ｇ；当該計測ユニットの凸レンズ４１１の中心を通りその計測ユニットのＣＣＤ撮像素子４１２の面に直交する線を意味する前述の基準線、
Ｇ_n；基準線Ｇのうちのｎ番目の計測ユニットの基準線、
Θ_n；見通し線Ｖ_nが発進方向線Ｖ₀ に対してなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖ_nと発進方向線Ｖ₀ をＸ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度、端的にいえば、地下坑２の軸方向に向かって左右方向の角度）、
Φ_n；見通し線Ｖ_nが発進方向線Ｖ₀ に対してなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖ_nと発進方向線Ｖ₀ をＹ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度、端的にいえば、地下坑２の軸方向に向かって上下方向の角度）、
ΘＮ_n；ｎ番目の測量ユニットにおいてその後方の見通し線Ｖ_nが基準線Ｇ_nとなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖ_nと基準線Ｇ_nをＸ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度）、
ΦＮ_n；ｎ番目の測量ユニットにおいてその後方の見通し線Ｖ_nが基準線Ｇ_nとなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖ_nと基準線Ｇ_nをＹ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度）、
ΘＳ_n；ｎ番目の測量ユニットにおいてその前方の見通し線Ｖ_n+1（ｎ＋１番目の測量ユニットにとっては後方の見通し線）が基準線Ｇ_nとなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖ_n+1と基準線Ｇ_nをＸ−Ｚ平面へ正投影した線のなす角度）、
ΦＳ_n；ｎ番目の測量ユニットにおいてその前方の見通し線Ｖ_n+1（ｎ＋１番目の測量ユニットにとっては後方の見通し線）が基準線Ｇ_nとなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖ_n+1と基準線Ｇ_nをＹ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度）、
Ｌ_n；隣合った各計測ユニット４，５，６の基準点間の距離のうちのｎ−１番目の計測ユニットとｎ番目の計測ユニットの基準点間の距離、
なお、地中掘進機の位置の演算手法を説明するに当たっては、説明の便宜上、中間計測ユニット４だけに限らず、全ての計測ユニット４，５，６を、４を頭文字とする符号４（ｎ）で統一して表すこととする。その場合、４（ｎ）は、基点計測ユニット５の次の計測ユニットから数えてｎ番目の計測ユニットを意味し、４（０）は、基点計測ユニット５を意味する。また、Ｇ₀は、基点計測ユニット４（０）の基準線Ｇを意味し、本具体化例では発進方向線Ｖ₀ の方向と一致させるようにセットしてある。角度Θ_n，Φ_n，ΘＮ_n，ΦＮ_n，ΘＳ_n，ΦＳ_nには、極性をもたせており、図１８及び図１９においては、基準線Ｇ_nを基準にして見通し線Ｖ_nが時計方向回りに傾斜している場合の角度を−の極性、反時計方向回りに傾斜している場合の角度を＋の極性と定めた。したがって、例えば、図１８において、角度Θ₁，Φ₁は、見通し線Ｖ_nの傾斜方向を表す弧線先端矢印が反時計方向を向いていてプラスの角度であり、角度ΘＮ₁，ΦＮ₁，ΘＳ₁，ΦＳ₁は、見通し線Ｖ_nの傾斜方向を表す弧線先端矢印が時計方向を向いていてマイナスの角度である。
【００２８】
すでに述べたことから明らかなように、見通し線Ｖ_nが基準線Ｇ_nとなす角度ΘＮ_n，ΦＮ_n，ΘＳ_n，ΦＳ_nは、計測ユニット４（ｎ）により求めることができるが、地中掘進機の位置を演算する際、本具体化例で最終的に求めようとする角度は、見通し線Ｖ_nが発進方向線Ｖ₀ となす角度Θ_n，Φ_nである。図１８及び図１９を用いてその角度Θ_n，Φ_nの演算手法について説明すると、まず、角度Θ₁，Φ₁については、基点計測ユニット４（０）の基準線Ｇ₀を発進方向線Ｖ₀ の方向と一致させるように、換言すると、Θ₁＝ΘＳ₀、Φ₁＝ΦＳ₀となるように予め設定しているので、基点計測ユニット４（０）での計測結果から直接的に得られる。次に、角度Θ₂，Φ₂については、それぞれ、こうして得られた角度Θ₁，Φ₁と計測ユニット４（１）で得られたΘＮ₁・ΘＳ₁，ΦＮ₁・ΦＳ₁の値を基に、次の各式で求めることができる。
Θ₂＝Θ₁−ΘＮ₁＋ΘＳ₁……………（３）
Φ₂＝Φ₁−ΦＮ₁＋ΦＳ₁……………（４）
同様にして、角度Θ_n+1，Φ_n+1については、角度Θ_n，Φ_nが得られれば、この角度Θ_n，Φ_nと計測ユニット４（ｎ）で得られたΘＮ_n・ΘＳ_n，ΦＮ_n・ΦＳ_nの値を基に、次の各式で求めることができる。
Θ_n+1＝Θ_n−ΘＮ_n＋ΘＳ_n……………（５）
Φ_{n +1}＝Φ_n−ΦＮ_n＋ΦＳ_n……………（６）
これら（５）、（６）式中の角度Θ_n，Φ_nは、角度Θ_n-1，Φ_n-1の値が地中掘進機の位置の計測過程で演算により求められるので、これらの値を基にして（５）、（６）式から求めることができる。すなわち、前記（３）、（４）式で得られた角度Θ₂，Φ₂の値を（５）、（６）式のΘ_n，Φ_nに代入してΘ₃，Φ₃を算出し、その算出結果を基に再び（５）、（６）式からΘ₄，Φ₄を算出するという演算を順送りに行って角度Θ_n-1，Φ_n-1の値を得ることができるので、最後に、これらの値を（５）、（６）式に代入することにより角度Θ_n，Φ_nを求めることができる。こうした角度Θ_n，Φ_nのような各光源４２の方向に関するデータは、本具体化例では前各式に従って中央演算処理装置７の演算部で演算することにより求められる。本具体化例では、各計測ユニット４，５，６の検出結果に基づいて得られる各光源４２の方向に関するデータのうち、角度ΘＮ_n，ΦＮ_n、ΘＳ_n、ΦＳ_nについてはコントローラ部４３の演算手段で求め、角度Θ_n，Φ_nについては前各式に従って中央演算処理装置７の演算部で求めているが、これらのデータを何れで求めるかは、発明の実施に際して任意に選択できる設計上の選択事項である。
【００２９】
以上の説明から明らかなように、地中掘進機の位置の演算の基礎となる、計測ユニット４（ｎ）の見通し線Ｖ_nの発進方向線Ｖ₀ に対する角度Θ_n，Φ_nは、見通し線Ｖ_nのなす角度を発進方向線Ｖ₀ との関係で直接的に検出しなくても、その計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇ_nとの関係で前後双方の見通し線Ｖ_nについて検出して各計測ユニット４（ｎ）ごとに角度ΘＮ_n，ΦＮ_n，ΘＳ_n，ΦＳ_nを順次計測し、その計測結果を用いて前式のような手法で演算することにより間接的に求めることができる。そのため、計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇ_nがその取付時の姿勢によって変化したり、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化したりしても、角度ΘＮ_n，ΦＮ_n，ΘＳ_n，ΦＳ_nさえ適正に計測すれば、こうした変化がそのまま織り込まれた状態で地中掘進機の掘進方向を正しく演算することができ、その変化が演算結果に影響をもたらすようなことはない。
【００３０】
こうして、例えば角度Θ₁〜Θ_nの値やΦ₁〜Φ_nの値を順次計測した後は、これらの角度の値と、光波距離計１０で計測された各計測ユニット４（ｎ）と隣接する後方の計測ユニット４（ｎ−１）との基準点間の距離Ｌ₁〜Ｌ_nの値とに基づいて、設定された３次元位置座標上における地中掘進機の位置すなわち計測基点に対する被計測点の相対位置を演算する。そこで、その演算方法の基本的な原理を図２０を用いて説明する。図２０には、その演算方法の理解を容易にするため、角度Θ_n，Φ_nの一方だけを変化させ他方を変化させないで地下坑を施工する場合すなわち地中掘進機で水平方向か上下方向にだけ曲線施工する場合における各計測ユニット４（ｎ）の基準点の位置を、Ｘ軸及びＹ軸に共用している縦軸とＺ軸としての横軸とからなる２次元位置座標上に、（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）、（Ｘ₂，Ｙ₂，Ｚ₂）……（Ｘ_n，Ｙ_n，Ｚ_n）というように順次表示している。その場合、２次元位置座標のＺ軸を発進方向線Ｖ₀ に一致させるとともにその原点を基点計測ユニット５〔４（０）〕の計測基点に一致させるようにしている。
【００３１】
この図２０を参照すると明らかなように、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量は、各角度Θ₁〜Θ_nやΦ₁〜Φ_nの値及び各距離Ｌ₁〜Ｌ_nの値（各見通し線Ｖ₁〜Ｖ_nの長さに相当）を用いて三角関数により順次算出することができる。すなわち、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量のうち、Ｘ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分は、それぞれＬ_n・ｓｉｎΘ_n及びＬ_n・ｓｉｎΦ_nとして求めることができ、Ｚ軸方向の成分は、Ｌｎ・ｃｏｓΘ_n又はＬ_n・ｃｏｓΦ_nとして求めることができる。なお、この例では、曲線施工に際して前記したように角度Θ_n，Φ_nの一方だけを変化させるようにしているので、角度Θ_nを変化させるようにした場合は、前記の各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位置の変化量のうちのＸ軸方向の成分だけがＬ_n・ｓｉｎΘ_nの量変化してＹ軸方向の成分は変化せず、角度Φ_nを変化させるようにした場合は、Ｙ軸方向の成分だけがＬ_n・ｓｉｎΦ_nの量変化してＸ軸方向の成分は変化しない。
【００３２】
こうして、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量のＸ軸方向又はＹ軸方向の成分及びＺ軸方向の成分が求められると、これらの各方向の成分の量をそれぞれ積算することにより、（Ｘ_n，Ｙ_n，Ｚ_n）の座標位置を算定することができる。図２０の例では、各見通し線Ｖ_nがＺ軸に対して常に反時計方向回りに傾斜するように変化しているので、その積算をする際には、各方向の成分の量をそれぞれそのまま積算すればよい。しかしながら、各見通し線Ｖ_nの傾斜方向が時計方向回り、反時計方向回りにランダムに変化する場合であっても、角度Θ_n，Φ_nに前述したような極性をもたせるようにすれば、前記したと同様、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向の成分の量をそれぞれそのまま積算して、（Ｘ_n，Ｙ_n，Ｚ_n）の座標位置を算定することができる。
【００３３】
図２０では、曲線施工に際して角度Θ_n，Φ_nの一方だけを変化させる例を示したが、次に、角度Θ_n，Φ_nの双方を変化させて地中掘進機の掘進方向を上下、水平方向というように３次元的に変える場合の地中掘進機の位置の演算方法を図２１を用いて説明する。図２１には、地中掘進機の掘進方向をこのように３次元的に変える場合の各計測ユニット４（ｎ）の基準点の位置を、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸からなる通常の３次元位置座標上に（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）、（Ｘ₂，Ｙ₂，Ｚ₂）というように計測ユニット４（１），４（２）についてだけ例示的に示している。その場合、３次元位置座標のＺ軸を発進方向線Ｖ₀ に一致させるとともにその原点を基点計測ユニット５〔４（０）〕の計測基点に一致させるようにしている。図２１では、図１８及び図１９と同様、角度Θ_n，Φ_nに極性をもたせており、角度Θ_nについては、Ｙ−Ｚ面を基準にして時計方向回りに形成される角度を＋の極性、反時計方向回りに形成される角度を−の極性と定めた。これに対し、角度Φ_nについては、Ｘ−Ｚ面を基準にして時計方向回りに形成される角度を−の極性、反時計方向回りに形成される角度を＋の極性と定めた。したがって、図２１において、角度Θ₁，Θ₂は、角度を表す弧線の先端矢印が何れも時計方向を向いていてプラスの角度である。これに対し、角度Φ₁は、角度を表す弧線の先端矢印が反時計方向を向いていてプラスの角度であり、角度Φ₂は、角度を表す弧線の先端矢印が時計方向を向いていてマイナスの角度である。
【００３４】
各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位置（Ｘ_n，Ｙ_n，Ｚ_n）は、前述した方法で得られた角度Θ₁〜Θ_nやΦ₁〜Φ_nの値と適宜の方法で計測して得られた距離Ｌ₁〜Ｌ_nの値とを用いて、図２０で概説したのと同様の手法により３次元的に算定する。まず、座標位置（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）については、基点計測ユニット４（０）での計測結果から直接的に得られた角度Θ₁，Φ₁の値及び距離Ｌ₁の値を基に、次の各式で求めることができる。
Ｘ₁＝Ｌ₁ｃｏｓΦ₁ｓｉｎΘ₁……………（７）
Ｙ₁＝Ｌ₁ｃｏｓΘ₁ｓｉｎΦ₁……………（８）
Ｚ₁＝Ｌ₁ｃｏｓΘ₁ｃｏｓΦ₁……………（９）
次に、座標位置（Ｘ₂，Ｙ₂，Ｚ₂）については、前（７）、（８）、（９）式で得られたＸ₁，Ｙ₁，Ｚ₁の値と前記（３）、（４）式で得られた角度Θ₂，Φ₂の値と適宜の方法で計測して得られた距離Ｌ₂の値を基に、次の各式で求めることができる。
Ｘ₂＝Ｘ₁＋Ｌ₂ｃｏｓΦ₂ｓｉｎΘ₂……………（１０）
Ｙ₂＝Ｙ₁＋Ｌ₂ｃｏｓΘ₂ｓｉｎΦ₂……………（１１）
Ｚ₂＝Ｚ₁＋Ｌ₂ｃｏｓΘ₂ｃｏｓΦ₂……………（１２）
同様に、座標位置（Ｘ_n，Ｙ_n，Ｚ_n）については、前（１０）、（１１）、（１２）と同様の演算を順送りに行って得られたＸ_n-1、Ｙ_n-1、Ｚ_n-1の値と前記（５）、（６）式で演算して得られた角度Θ_n，Φ_nの値と距離Ｌ_nの値とを基に、次の（１３）´、（１４）´、（１５）´式で求めることができる。
Ｘ_n＝Ｘ_n-1＋Ｌ_nｃｏｓΦ_nｓｉｎΘ_n……………（１３）´
Ｙ_n＝Ｙ_n-1＋Ｌ_nｃｏｓΘ_nｓｉｎΦ_n……………（１４）´
Ｚ_n＝Ｚ_n-1＋Ｌ_nｃｏｓΘ_nｃｏｓΦ_n……………（１５）´
したがって、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位置（Ｘ_n，Ｙ_n，Ｚ_n）は、結局、次の（１３）、（１４）、（１５）で表すことができる。
Ｘ_n＝ΣＬ_nｃｏｓΦ_nｓｉｎΘ_n……………（１３）
Ｙ_n＝ΣＬ_nｃｏｓΘ_nｓｉｎΦ_n……………（１４）
Ｚ_n＝ΣＬ_nｃｏｓΘ_nｃｏｓΦ_n……………（１５）
なお、前（１３）、（１４）、（１５）式中のΣはｎを順次１からｎまでに置いて積算した値を意味し、それゆえ、例えば、ΣＬ_nｃｏｓΦ_nｓｉｎΘ_nは、Ｌ₁ｃｏｓΦ₁ｓｉｎΘ₁〜Ｌ_nｃｏｓΦ_nｓｉｎΘ_nの各値の合計値を意味する。いま仮に、ｎ番目の計測ユニット４（ｎ）が被計測点を設定するための被測点計測ユニット６であるとすると、基点計測ユニット５で設定した計測基点に対する被計測点の相対位置は（Ｘ_n，Ｙ_n，Ｚ_n）となり、（１３）、（１４）、（１５）式により容易に算定することができる。こうした前各式による位置の演算は、中央演算処理装置７の演算部で行われる。このように、計測基点に対する被計測点の相対位置は、計測ユニット４，５，６の検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと、光波距離計１０により得られる隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、（３）〜（１５）式に従って演算により計測することができる。
【００３５】
最後に、図６乃至図１５を用いて、本発明の第２具体化例及び第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置について説明する。図６は、本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図、図７は、図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図、図８は、図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図、図９は、図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図、図１０は、本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置の作動時のイメージを概略的に示す断面図、図１１は、本発明の第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図、図１２は、図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図、図１３は、図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図、図１４は、図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図、図１１５は、本発明の第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置の作動時のイメージを概略的に示す断面図である。
【００３６】
まず、本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置につき図６乃至図１０を用いて説明すると、図１０によく表されているように、すでに述べた第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置において、隣接する計測ユニット４（ｎ−１），４（ｎ）の一方の計測ユニット４（ｎ−１）に光波距離計１０を付設する場合に、この光波距離計１０の送光器１０１の発する拡散光による光波が他方の計測ユニット４（ｎ）に配置された受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２で受光されるようにして、一方の計測ユニット４（ｎ−１）の光源４２を、光波距離計１０における光波発生源としての送光器１０１で代用するようにしたものである。本具体化例の位置計測装置は、こうした構造を備えているので、計測ユニット４（ｎ−１）に付設した光波距離計１０の送光器１０１の発する光波は、反射プリズム１１に入射した後に受光器１０２に向かって反射することにより、光波距離計１０で隣接する計測ユニット４（ｎ−１），４（ｎ）間の距離の計測ができるとともに、その送光器１０１の発する光波は、計測ユニット４（ｎ）のレンズ４１１で集められＣＣＤ撮像素子４１２でも受光され、その結果、計測ユニット４（ｎ）により計測ユニット４（ｎ−１）の光源の方向に相当する値を検出することができる。また、計測ユニット４（ｎ）の光源４２の方向は、第１具体化例と同様、その光源４２の拡散光を計測ユニット４（ｎ−１）のレンズ４１１で集めてＣＣＤ撮像素子４１２で受光することにより検出することができる。こうした構造を採用することにより、隣接する計測ユニット４（ｎ−１），４（ｎ）の一方の計測ユニット４（ｎ−１）の光源を光波距離計１０の送光器１０１で代用することができるため、計測ユニット４（ｎ−１）に設ける光源の数を減少させることができる。
【００３７】
本発明の第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置につき図１１乃至図１５を用いて説明すると、図１５によく表されているように、第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置において、隣接する計測ユニット４（ｎ−１），４（ｎ）の一方の計測ユニット４（ｎ−１）に拡散光による光波を発する光波距離計１０を付設し、他方の計測ユニット４（ｎ）にその光波を光波距離計１０に向かって反射する反射プリズム１１を付設する場合に、この光波距離計１０の発する拡散光による光波が他方の計測ユニット４（ｎ）に配置されたＣＣＤ撮像素子４１２で受光されるとともに、反射プリズム１１で反射される拡散光による光波が一方の計測ユニット４（ｎ−１）に配置されたＣＣＤ撮像素子４１２で受光されるようにして、一方の計測ユニット４（ｎ−１）の光源４２を光波距離計の送光器１０１で代用するとともに、他方の計測ユニット４（ｎ）の光源４２を反射プリズム１１で代用するようにした。こうした構造を採用することにより、隣接する計測ユニットの対向部に設ける光源を無くすことができて、計測ユニットに設ける光源の数を更に減少させることができる。また、このように光発生源が一つになるため、各計測ユニット４（ｎ−１），４（ｎ）で各光源４２の方向に関するデータを得る場合に光波距離計１０の光波がそのデータに悪影響を及ぼしたり光波距離計１０により隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータを得る場合に光源４２の拡散光がそのデータに悪影響を及ぼしたりするのを防止するための周波数選別フィルタ等の手段を設けなくても済む。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、課題を解決するための手段の項に示した技術手段を採用しているので、本発明によれば、地中掘進機の掘進位置を計測する際に光を受光手段に当てるための操作しなくても済み、そのための操作機構を要しない地中掘進機の位置計測装置が得られる。また、計測ユニットの取付姿勢が不統一であったり、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化したりしても、こうしたことに影響されることなく、地中掘進機の掘進位置を常に正しく演算して計測することができる。
本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項２に記載の技術手段を採用すれば、こうした基本的な効果を奏することに加え、隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットの光源を光波距離計の光波発生源で代用することにより、計測ユニットに設ける光源の数を減少させることができる。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項３に記載の技術手段を採用すれば、前記の基本的な効果を奏することに加え、隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットの光源を光波距離計の光波発生源で代用するとともに他方の計測ユニットの光源を光反射手段で代用することにより、隣接する計測ユニットの対向部に設ける光源を無くすことができて、計測ユニットに設ける光源の数を更に減少させることができる。また、各計測ユニットで各光源の方向に関するデータを得る場合に光波距離計の光波がそのデータに悪影響を及ぼしたり光波距離計により隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータを得る場合に光源の拡散光がそのデータに悪影響を及ぼしたりするのを防止するための手段を設けなくても済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図である。
【図２】図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図である。
【図３】図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図である。
【図４】図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図である。
【図５】光波距離計の概略的な構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図である。
【図７】図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図である。
【図８】図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図である。
【図９】図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図である。
【図１０】本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置の作動時のイメージを概略的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図である。
【図１２】図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図である。
【図１３】図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図である。
【図１４】図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図である。
【図１５】本発明の第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置の作動時のイメージを概略的に示す断面図である。
【図１６】図１の地中掘進機の位置計測装置における計測ユニットで光源の方向を検出する原理を説明するための概念図である。
【図１７】図１の地中掘進機の位置計測装置で光を授受しているときの状態を示す要部の水平断面図である。
【図１８】図１の地中掘進機の位置計測装置で計測基点寄りの計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図である。
【図１９】図１の地中掘進機の位置計測装置で任意の地点の計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図である。
【図２０】図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する基本原理を説明するための概念図である。
【図２１】図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する実際的な手法を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１掘削機
２地下坑
３発進立て坑
４中間測量ユニット
４１光源方向検出手段
４１１凸レンズ
４１２ＣＣＤ撮像素子
４２光源
４３コントローラ部
５基点計測ユニット
６被測点計測ユニット
７中央演算処理装置
８表示装置
１０光波距離計
１０１送光器
１０２受光器
１０４光電変換素子
１０５光波距離演算手段
１０６パルス発生器
１０７凹面鏡
１１反射プリズム
Ｇ_n ｎ番目の計測ユニットの基準線
Ｌ_n 隣合ったｎ−１番目とｎ番目の計測ユニットの基準点間の距離、ＬＣ；レンズの中心とＣＣＤ撮像素子の中心の間の距離
Ｖ₀ 発進方向線
Ｖ_n ｎ−１番目とｎ番目の計測ユニットを結ぶ見通し線
Θ_n 見通し線Ｖ_nが発進方向線Ｖ₀ に対してなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分
Φ_n 見通し線Ｖ_nが発進方向線Ｖ₀ に対してなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pipe propulsion machine that excavates underground while excavating an underground mine (a small-diameter pipe propulsion machine that embeds a small-diameter pipe that cannot be entered by a person or a large-diameter pipe that a person enters) The present invention relates to a position measuring device for an underground excavator used for measuring an excavation position of an underground excavator such as a semi-shielded machine embedded in a shielded excavator.
[0002]
[Prior art]
An underground excavator such as a pipe propulsion machine or a shield excavator that excavates underground while excavating an underground mine needs to be able to excavate correctly along a planned line that is a preset excavation route. For this purpose, it is desirable to be able to accurately measure the current position of the underground excavator during excavation in real time. In other words, when reliable information about the current position of the underground excavator is provided to the operator in real time, when the underground excavator tries to excavate outside the planned line, the operator can quickly find this. It is possible to respond early, and the management of excavating the underground excavator along the planned line can be performed easily, and improvement in construction accuracy can also be expected. Conventional techniques for measuring the excavation position of the underground excavator include the "manual measurement using transit" method, and the installation of a transmission coil that generates an induced magnetic field in the underground excavator and the strength of the induced magnetic field. `` Measure the digging position of the underground excavator by measuring the receiving coil on the ground '', `` On the contrary, an electric circuit is laid on the ground, an electric current is passed through this electric circuit to generate an induced magnetic field, and the induced magnetic field Various methods have been used, such as the method of “detecting the strength with a receiving coil installed in the underground excavator and measuring the excavation position”. However, these conventionally used underground excavator position measurement techniques have been unable to perform real-time measurement of the excavation position, or have been practically difficult even if they could be performed in principle.
[0003]
As a technique for measuring the position of an underground excavator that improves such a problem, a direction detector for a shield excavator described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-45092 has been proposed. This conventionally proposed direction detecting device for a shield machine has “a first laser beam oscillator for irradiating into a forward tunnel and a first laser beam receiver capable of receiving a laser beam from the front. Installed on the entrance of the tunnel is a measuring device that is attached to the frame so that it can be rotated in the X direction (yaw direction) and Y direction (pitching direction) by a servo motor, and the rotation angle can be detected by a sensor. , A second laser beam oscillator for irradiating the rear first laser beam receiver, a second laser beam receiver capable of receiving the laser beam from the rear first laser beam oscillator, and the front shield machine direction A third laser beam oscillator that irradiates toward the base, and is attached to the gantry so that it can be rotated in the X and Y directions by a servo motor; and Is installed in the middle part of the tunnel, the laser beam from the rear second laser beam oscillator can be received, and X, Y The third laser beam receiver capable of detecting the direction and the rolling angle and the pitching rolling meter are attached to the shield machine ”.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, this conventional apparatus rotates the laser beam oscillator in the yawing direction or the pitching direction so as to irradiate a predetermined position of the laser beam receiver with a laser beam, which is a highly converged laser beam, and adjusts the rotation angle. Based on the detected rotation angle, the deviation position of the shield machine from the planned line is calculated by a computer. Therefore, when measuring the excavation position of the underground excavator, not only is the operation complicated, requiring an operation of rotating the laser beam oscillator so that the laser beam is accurately applied to the predetermined position of the laser beam receiver, A rotating mechanism for rotating the laser beam oscillator such as a servo motor is required, and the mechanism becomes complicated, and various problems are caused accordingly. For example, the provision of such a rotation mechanism increases the size of the device when it is placed in an underground mine, and the manufacturing cost is high, and the rotation mechanism is mechanical. Adding mechanical errors to mechanical errors makes it difficult to ensure high measurement accuracy and is vulnerable to vibration.
[0005]
The present invention is intended to solve such problems in the prior art, and the technical problem is to perform an operation for applying light to the light receiving means when measuring the excavation position of the underground excavator. An object of the present invention is to provide a position measuring device for an underground excavation machine that does not require an operation mechanism for that purpose.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Such a technical problem of the present invention is that “a measurement point that is used to measure the excavation position of an underground excavation machine that excavates underground while excavating an underground mine and is arranged in front of the excavation direction and serves as an index of the excavation position. A position measuring device for underground excavators that measures the position relative to the measurement base point, which is located at the rear of the excavation direction, is called `` a light source that can emit diffuse light forward and a light source in front of it. '' And a light receiving means arranged to receive the light collected by the light collecting means and to detect the direction of the light source in front by the position of the received light. A base point measurement unit for setting a measurement base point, a light source capable of emitting diffused light backward, a light collecting means capable of collecting diffused light from the light source behind, and light collected by the light collecting means and receiving the light Depending on the position of the light A measurement point measuring unit having a light receiving means arranged so as to detect the direction of the source and setting a measurement point; a light source capable of emitting diffuse light forward and backward; and a front light source and a rear light source It is arranged so that the light collected by the light collecting means and the light collected by the light collecting means can be received, and the direction of each of the front and rear light sources can be detected by the position of each received light. A light receiving means, and at least one intermediate measurement unit disposed between the base point measurement unit and the measurement point measurement unit in the underground mine, and the base point measurement unit, the measurement point measurement unit, and the intermediate measurement An optical distance meter that emits a light wave by diffused light is attached to one measurement unit of the adjacent measurement units in each measurement unit of the unit, and the light is transmitted to the other measurement unit. A light reflecting means for reflecting the light toward the light wave distance meter is attached, and the data on the direction of each light source obtained based on the detection result in each measurement unit and the adjacent light in each measurement unit obtained by the light wave distance meter Based on the data relating to each distance between the measurement units, the relative position of the measurement point with respect to the measurement base point is calculated by the calculation means and measured.
[0007]
The position measuring device of the underground excavation machine according to the present invention employs such technical means, so that the intermediate measuring unit uses the respective condensing means to emit diffused light emitted from both the front and rear light sources of the adjacent measuring units. The collected light is received by the light receiving means, and the relative direction of each light source before and after the intermediate measurement unit can be detected by the position of each received light, and the detection result Based on this, data on the direction of each light source is obtained. In that case, a light source capable of emitting diffused light is used as the light source, and the diffused light from this light source is collected by the condensing means and applied to the light receiving means. There is no need to perform an operation for accurately applying the light receiving means. When data on the direction of each light source is obtained in this way, it is possible to calculate each angle of each digging route connecting between adjacent measuring units with respect to the starting direction line without directly detecting the angle with respect to the starting direction line. Can be obtained indirectly. In that case, even if the intermediate measurement unit or measured point measurement unit changes depending on the posture at the time of installation, or even if it changes due to yawing or pitching when excavating the underground excavator, this effect is eliminated. Can be obtained correctly in the state.
On the other hand, the light wave emitted from the light wave distance meter of one measurement unit of the adjacent measurement unit is reflected toward the light wave distance meter by the light reflecting means attached to the other measurement unit, and received by the light wave distance meter Data regarding each distance between adjacent measurement units is obtained. In that case, the light wave by the diffused light is used as the light wave, and the light wave by the diffused light is reflected by the light reflecting means toward the light wave distance meter. Therefore, the light wave from the light wave distance meter is reflected on the light reflecting means. It is not necessary to perform an operation for reflecting the reflected light wave so that the reflected light wave can be accurately received by the light wave rangefinder. The relative position of the point to be measured with respect to the measurement base point can be calculated and measured from the data regarding the distances thus obtained and the data regarding the angles obtained by the calculation.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be clarified below by describing specific examples showing how the present invention is actually embodied based on FIGS. 1 to 21. FIG. The position measuring device of the underground excavation machine according to the embodiment of the present invention is used for measuring the excavation position of the underground excavation machine that excavates the underground while excavating the underground mine, and is disposed in front of the excavation direction. This is a device that measures the position of a measurement point that is an index of the excavation position in a positional relationship with a measurement base point that is a measurement base point that is arranged behind the excavation direction. First, the structure and usage of a position measuring device for an underground excavation machine according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a horizontal sectional view schematically showing an entire image of a position measuring apparatus for an underground excavator according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an intermediate view of the position measuring apparatus for an underground excavator shown in FIG. FIG. 3 is a perspective view seen from the rear side of the intermediate measurement unit in the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. 1, and FIG. 4 is the position of the underground excavator shown in FIG. The perspective view seen from the front side of the intermediate measurement unit in the measurement device, FIG.
[0009]
1 to 4, 1 is an excavator that forms the main part of the underground excavator, 2 is a tunnel excavated by a shield excavator, or an underground pit excavated by a pipe propulsion device, and 3 is an underground excavator. The start shaft 4 as the starting point of the excavation is an intermediate measurement unit 5 disposed between the post-measurement point measurement unit 5 and the post-measurement point measurement unit 6 in the underground mine 2, and 5 is disposed in the start shaft 3 A base point measuring unit, 6 is a measured point measuring unit disposed in the excavator 1, and 7 is connected to the intermediate measuring unit 4, the base point measuring unit 5 and the measured point measuring unit 6 through communication lines, respectively. A central processing unit 8 for calculating the digging position of the machine, 8 is a display device for displaying the calculation result in the central processing unit 7 and information obtained based on the calculation result in numerical values and graphs for the convenience of the operator. is there. The excavator 1 may be any excavator of an underground excavator that excavates underground while excavating an underground mine, such as a pipe propulsion device and a shield excavator. If the underground mine 2 is a pipe propulsion unit, a pit wall is formed by a buried pipe such as a fume pipe or a steel pipe, and if it is a shield machine, a pit wall is formed by a steel or concrete segment. The intermediate measurement unit 4, the base point measurement unit 5, and the measured point measurement unit 6 can be broadly divided into light source direction detection means configured to receive light from the light source 42 of an adjacent measurement unit and detect the direction of the light. 41 and the light source 42, and at least one of the light wave distance meter 10 and the reflecting prism 11 constituting the distance detecting means is provided, and the basic structure of both does not change.
[0010]
Therefore, the structure of the intermediate measurement unit 4 will be described with reference to FIG. 2 on behalf of these measurement units 4, 5, and 6. As shown in detail in FIG. 2, the intermediate measurement unit 4 has a light source 42 that can emit diffused light toward an adjacent measurement unit, and a collector that can collect diffused light from the light source 42 of the adjacent measurement unit. A convex lens 411 as a light means, and a CCD imaging device 412 as a light receiving means that can receive the light collected by the convex lens 411 and detect the position of the received light (CCD is an abbreviation for Charge-Coupled-Device). Yes.) As will be described in detail later, the CCD image sensor 412 as the light receiving means is arranged so that the direction of the light source of the adjacent measurement unit can be detected by the position of the light received with respect to the convex lens 411 as the light collecting means. ing. The illustrated light source direction detection means 41 is an assembly of the convex lens 411 and the CCD image sensor 412. In the intermediate measurement unit 4, the light sources 42 are respectively arranged on the left and right of FIG. 2 so that the diffused light can be emitted forward and backward with reference to the excavation direction of the underground excavator. The convex lenses 411 are also arranged on the left and right sides so that each diffused light from the light source 42 of another measurement unit adjacent to the front and rear can be collected, and the CCD image sensor 412 is also formed by each convex lens 411. They are arranged on the left and right so that the collected light can be received. Each convex lens 411 and each CCD image sensor 412 are arranged in parallel to each other and attached inside the case of the intermediate measurement unit 4, and the light source 42 is attached outside the case.
[0011]
The CCD image sensor 412 may be a one-dimensional line sensor, but in this embodiment, it is assumed that a two-dimensional surface sensor is used. In this embodiment, the CCD image sensor 412 is used as the light receiving means, but instead of this, a PSD (Position-Sensitive-Device) that can know the position of the light spot using the surface resistance of the photodiode. What is necessary is that the light collected by the light collecting means such as the convex lens 411 can be received and the position of the received light can be detected. It doesn't matter. As the light source 42, a so-called point light source can be used, and a laser beam such as a laser beam that emits light with a high degree of convergence cannot be used, but basically, so-called diffused light that spreads radially from a small area. Anything that emits can be used. The intermediate measurement unit 4 is often installed in the underground mine 3 at intervals of 5 to 50 m, but the light source 42 is a light with low convergence having a spread that can illuminate almost the entire area of the underground mine that is 5 to 50 m ahead. If it is. That is, depending on the inner diameter of the underground mine 3, any light that spreads at an angle of at least 5 ° to 10 ° can be used in the present invention. Therefore, even if it is a laser beam, if it is a laser beam with a low convergence which spreads at an angle larger than such an angle, it can be put to practical use. As described in the section of the problem to be solved by the invention, in the conventional apparatus, the laser beam is used as the light source. Therefore, when measuring the digging position of the underground excavator, the laser beam is used as the laser beam. Although it is necessary to rotate the laser beam oscillator so that it is accurately placed at a predetermined position of the light receiver, in the present invention, since a light source that emits diffused light is used, any surveying is performed during excavation of the underground mine 2 Even if the posture of the unit fluctuates, the light from the light source 42 can be reliably applied to the CCD image sensor 412 as a light receiving means, and it is not necessary to perform such an operation.
[0012]
The structure described above is a means for obtaining data relating to the direction of each light source 42 of each of the measurement units 4, 5, 6 which is the first data necessary for measuring the relative position of the measurement target point with respect to the measurement base point. Next, a means for obtaining data relating to the distance between each of the measurement units 4, 5, 6, which is the second data necessary for measuring the relative position, is centered on the structure of the intermediate measurement unit 4. This will be described with reference to FIGS. Means for obtaining such distance-related data are a light wave distance meter 10 attached to one measurement unit of an adjacent measurement unit and emitting a light wave by diffused light, and a light wave distance meter 10 attached to the other measurement unit. The reflecting prism 11 is used as a light reflecting means for reflecting the light wave emitted from this. The intermediate measurement unit 4 shown in FIG. 2 will be described as an example. A lightwave distance meter 10 having a light transmitter 101 and a light receiver 102 is attached to one side of the intermediate measurement unit 4 before and after the intermediate measurement unit 4. The light wave emitted from the optical device 101 is sent toward the reflection prism 11 of the adjacent measurement unit, and the light wave reflected by the reflection prism 11 of the adjacent measurement unit is received by the light receiver 102. This light wave means pulsed intermittent light, in other words, modulated light. A reflection prism 11 is provided on the other side of the intermediate measurement unit 4 before and after the light so that the light wave emitted from the adjacent measurement unit is reflected toward the light receiver 102 of the adjacent measurement unit.
[0013]
The light wave emitted from the light transmitter 101 is incident on the reflection prism 11 in a spread state due to the diffused light. However, when such a reflection prism 11 is used as the light reflecting means, the light wave that has spread and entered is incident in the incident direction. Since it can be reflected and returned, the reflected light wave can be reliably illuminated so as to wrap around the receiver 102 although it spreads. In this embodiment, a light emitting diode is used as a light wave generating source for generating a light wave. However, any light source that emits a diffused light wave having the same spread as the light source 42 can be used in the present invention. Therefore, even laser light can be put to practical use as long as the laser light has such a spread and low convergence. As described above, the light wave generated by the diffused light is used as the light wave, and the light wave generated by the diffused light is reflected by the reflecting prism 11 toward the light wave rangefinder 10. Therefore, the light wave from the lightwave rangefinder 10 is reflected. There is no need to perform an operation for reflecting the reflected light wave on the prism 11 so that the reflected light wave can be accurately received by the optical distance meter 10.
[0014]
In the measurement unit 4, diffused light is emitted from the light source 42 and light waves are emitted from the lightwave distance meter 10 to emit two types of diffused light. Therefore, when the light source direction detection means 41 receives diffused light from the light source 42 and obtains data related to the direction of the light source 42, the light wave emitted from the lightwave distance meter 10 may also be received to adversely affect the data. Conversely, when the light wave distance meter 10 receives diffused light from the reflecting prism 11 and obtains data related to the distance, the light wave emitted from the light source 42 may also be received to adversely affect the data. In order to prevent this, the light source 42 and the light wave distance meter 10 use light having different wavelengths to filter the light source direction detection means 41 and the light receiving part of the light wave distance meter 10, so that it is necessary for the filter. It is sufficient to transmit only unnecessary light and absorb unnecessary light. Further, the time zone in which the light source direction detection means 41 detects the direction of light and the time zone in which the light wave rangefinder 10 detects the distance may be shifted and detected by time division.
[0015]
A schematic structure of the light wave distance meter 10 will be described with reference to FIG. Reference numeral 101 denotes a pulsed intermittent light having a constant interval and a light having a low convergence, that is, a light emitting diode that emits diffuse light, and 102 receives a light wave of the light transmitter 101 reflected by the reflecting prism 11. The light receiver 104 is composed of a photoelectric conversion element (photo sensor) that converts the intensity of the received light into a voltage signal, and 104 receives the light wave of the light transmitter 101 reflected by the concave mirror 107 to be described later. A photoelectric conversion element for converting into a voltage signal, 105 is a light wave distance calculation means to which voltage signals output from the light receiver 102 and the photoelectric conversion element 104 are inputted, and 106 is a light transmitter 101 according to a command of the light wave distance calculation means 105. A pulse generator 107 generates a reference pulse for generating the pulsed intermittent light, and 107 denotes a part of the light wave emitted from the light transmitter 101 as a photoelectric conversion element 10. In a concave mirror for reflecting to allow the light receiving.
[0016]
The light receiver 102 is of the same quality as the photoelectric conversion element 104 and functions in the same manner. In the light wave distance calculation means 105, each pulse waveform of the input voltage signals of the light receiver 102 and the photoelectric conversion element 104 is adjusted to a sine wave, and the frequency is converted to extend the wavelength. Then, the phase difference (time) of both sine waves is measured, and the distance between the light transmitter 101 and the reflecting prism 11 is calculated from the measurement result and the known speed of light, and between adjacent measurement units. Get data on distance. As described above, the optical distance meter 10 is a distance measuring device that measures a distance from a phase shift between emitted light and reflected light using a light wave (modulated light), and can measure the distance with extremely high accuracy.
[0017]
The intermediate measurement unit 4 includes the convex lens 411, the CCD image pickup element 412, the light source 42, the light wave distance meter 10, and the reflecting prism 11, as well as transparent plates 103, 111, 413 made of transparent glass, and a controller unit. 43. The transparent plates 103, 111, and 413 are attached so as to cover the light sampling holes provided before and after the case of the intermediate measurement unit 4, and maintain the airtightness of the case, and the light transmitter 101 and the light receiver in the case. 102, the reflecting prism 11, the convex lens 411, and the like are protected. The controller unit 43 is built in the case of the intermediate measurement unit 4, to which the optical distance meter 10, the CCD imaging device 412, and each light source 42 are electrically connected and a cable 45 is connected. This cable 45 is pulled out from the outlet formed in the case and connected to the central processing unit 7. At that time, the cable 45 is inserted into the ground 44 fitted in the outlet and pulled out. Keeps her airtight. The controller 43 has a power source for causing the light source 42 to emit light, a data processor for converting image data relating to the position of light detected by the CCD image sensor 412 into numerical data, and processing by the data processor. It comprises a communication processing unit for outputting data to the central processing unit 7 and the like. The data processing unit of the controller unit 43 also performs operations for converting light position data detected by the CCD image sensor 412 into data in the direction of each light source 42 and correcting the converted data. The cable 45 incorporates a signal path for transmitting and receiving communication signals between the communication processing unit of the controller unit 43 and the central processing unit 7 and a circuit for guiding a power supply current to the intermediate measurement unit 4.
[0018]
As described above, the structure of the intermediate measurement unit 4 has been mainly described. The base point measurement unit 5 includes a light source 42 that can emit diffused light forward, a convex lens 411 that can collect diffused light from the front light source 42, and A CCD imaging device 412 that can receive the light collected by the convex lens 411 and a lightwave distance meter 10 that emits a lightwave by diffused light are provided. The measured point measuring unit 6 receives a light source 42 that can emit diffused light backward, a convex lens 411 that can collect diffused light from the rear light source 42, and light collected by the convex lens 411. And a reflecting prism 11 that reflects the light wave emitted by the light wave distance meter 10 toward the light wave distance meter 10. In other words, each of the base point measurement unit 5 and the measured point measurement unit 6 has a structure that performs the functions of the front half and the rear half of the intermediate measurement unit 4. There is no essential difference from the structure of unit 4. Therefore, the intermediate measurement unit 4 is used as it is for the base point measurement unit 5 and the measured point measurement unit 6 so that only the front half and the rear half work when setting, respectively, Only the half and the rear half may be utilized. Thus, if the measurement unit used for the intermediate measurement unit 4 is also used as the base point measurement unit 5 or the measured point measurement unit 6, it is possible to reduce the types of devices to be manufactured and to save the production of those devices. Not only can the number of devices used be reduced, but the convenience of using the devices is also good. When measuring the excavation position of the underground excavator, it is necessary to set the measurement base point that is the base point of the measurement and the measurement point that can be an index indicating the current position of the underground excavator being excavated. The measurement unit 5 plays a role of setting a measurement base point, and the measured point measurement unit 6 plays a role of setting a measured point.
[0019]
When each measurement unit 4, 5, 6 is used to measure the position of underground excavation machines, the base point measurement unit 5 is usually installed in the start shaft 3 in both cases of shield construction and pipe propulsion construction. The point measuring unit 6 is usually installed in each of the excavators 1 (shield excavator for shield work and leading conductor for pipe propulsion work). In that case, the base point measurement unit 5 is installed with high accuracy so that the reference line coincides with the start direction. However, even if the reference line of the base point measurement unit 5 is installed without being coincident with the starting direction, the angle between the two is accurately measured, and the controller 43 or the central processing unit is used with the measured value as an offset value. 7, if the value is reflected when the digging position of the underground excavator is calculated by the central processing unit 7, the position measurement of the underground excavator will not be hindered. Such a method can also be adopted.
[0020]
On the other hand, the installation method of the intermediate measurement unit 4 among the measurement units 4, 5, and 6 is slightly different between the shield work and the pipe propulsion work. That is, in either case of shield construction or pipe propulsion construction, there is no change in that the intermediate measurement unit 4 is arranged in the underground mine 2, but in the former case, the existing segment that normally constitutes the inner peripheral wall of the underground mine 2 In the latter case, it is usually attached to the inner wall of the buried pipe constituting the underground mine 2, the auger casing forming the earth removing device, the outer wall of the earth removing pipe, or the like. When installing the intermediate measurement unit 4 in the underground mine 2 in pipe propulsion work, in particular, the auger casing that is temporarily installed while extending the installation distance with the progress of excavation of the underground mine 2 and removed after the excavation of the underground mine 2 is completed If it is attached to a stretched temporary body such as an earthen pipe or the like, it is convenient that the intermediate measurement unit 4 can be automatically removed when the stretched temporary body is removed. Even in the case of shield construction, the same effect can be obtained if it is attached to a stretched temporary body such as a mud pipe, a mud pipe, a soil pipe, or the like.
[0021]
In shield construction, the excavator is excavated with a shield jack and the segments are assembled in the underground pit 2 formed by the excavation, and the construction is progressed by repeating these processes. When the point measurement unit 6 cannot be seen from the installation position of the base point measurement unit 5, the intermediate measurement unit 4 is newly installed at an appropriate position between these measurement units 5 and 6. When the construction progresses and the measured point measurement unit 6 cannot be seen from the installation position of the newly installed intermediate measurement unit 4, a new intermediate measurement unit 4 is added to an appropriate position between these measurement units 4 and 6. Repeat these installation tasks. In the pipe propulsion work, the last part of the buried pipe is buried in the ground while propelling the last part of the buried pipe connected to the rear of the leading conductor with a push jack, and every time the last buried pipe is buried, Construction work can be carried out by adding new buried pipes, but if the buried pipes are laid for a certain distance during the construction process, the intermediate measuring unit 4 is installed in the buried pipe at the end. When the construction progresses and the buried pipe is further laid for a certain distance, the intermediate measurement unit 4 is added and installed again in the last buried pipe, and the installation work is repeated to measure each of the measurement units 4, 5, 6. The interval between them is kept at an appropriate interval. The standard of the space | interval is installed in the position where each measurement unit 4,5,6 can see through in the planned curve construction area.
[0022]
A method for calculating the relative position of the measurement point with respect to the measurement base point by the measurement units 4, 5 and 6 will be described with reference to FIGS. 16 to 21. 16 is a conceptual diagram for explaining the principle of detecting the direction of the light source by the measurement unit in the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. 1, and FIG. 17 is the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. FIG. 18 is a horizontal cross-sectional view of the main part showing a state when light is being transmitted and received, and FIG. 18 is a diagram for explaining a method of calculating the direction of the measurement unit near the measurement base point in the position measuring device of the underground excavator in FIG. FIG. 19 is a conceptual diagram for explaining a method of calculating the direction of a measurement unit at an arbitrary point by the position measuring device of the underground excavator in FIG. 1, and FIG. 20 is an underground excavation in FIG. FIG. 21 is a conceptual diagram for explaining the basic principle of calculating the excavation position of the underground excavator with the position measuring device of the machine, and FIG. 21 shows the excavation position of the underground excavator with the position measuring apparatus of the underground excavator of FIG. It is a conceptual diagram for demonstrating the practical method to calculate.
[0023]
First, as a basic matter, the principle of detecting the direction of the light source 42 by the light source direction detecting means 41 of these measurement units 4, 5, 6 will be described with reference to FIG. Hereinafter, in describing each embodiment, including this description, the horizontal coordinate axis on the three-dimensional position coordinate (in short, the horizontal axis) is the X axis, and the vertical coordinate axis on the three-dimensional position coordinate. The axis (in the vertical direction) is defined as the Y axis, and the horizontal coordinate axis (the axis in the front-rear direction) is defined as the Z axis on the three-dimensional position coordinate orthogonal to the X axis. Now, as shown in FIG. 16, when the convex lens 411 and the CCD image pickup device 412 are arranged in parallel with each other at an interval of Lc, and diffuse light is emitted from the light source 42 of the adjacent measurement unit, the image of the light source 42 causes the convex lens 411 to move. It passes through and forms an image on the surface of the CCD image sensor 412. In this case, the optical axis (meaning a line connecting the light source 42 and the center of the convex lens 411; the same applies hereinafter) means a reference line (passing through the center of the convex lens 411 and orthogonal to the surface of the CCD image sensor 412). The component (the rotation angle around the Y axis) of the angle formed with the angle (the rotation angle around the Y axis) is Θ, and the component (the rotation angle around the X axis) at the same angle is Φ, and the CCD image sensor Of the amount of deviation (the amount of deviation from the center of the CCD image sensor 412 of the image point of the light source 42 on the surface of the CCD image sensor 412) that the image point of the image of the light source 42 on the surface 412 deviates from the reference line, When the X-axis direction component is δcX and the Y-axis direction component is δcY, the following equations are established.
tan Θ = δcX / Lc (1)
tanΦ = δcY / Lc (2)
From the previous formula (1) and the previous formula (2), the angle Θ and the angle Φ can be obtained by calculation based on δcX / Lc and δcY / Lc, respectively. Based on this principle, the direction of the light source 42 can be detected by the light source direction detection means 41 of each measurement unit 4, 5, 6 based on the position of the light detected by the CCD image sensor 412. The actual calculation of the angle Θ and the angle Φ based on δcX / Lc and δcY / Lc is performed by the calculation means of the controller unit 43 in this embodiment, but may be performed by the central processing unit 7.
[0024]
It should be noted here that the angles Θ and Φ thus obtained are angles formed by the optical axis of the measurement unit with respect to the reference line of the measurement unit, and in the start direction when the underground excavator starts. It is not the angle to be made, but it cannot be a scale for determining the direction of the underground excavator. In addition, the reference line of the measurement unit itself is detected by the light source direction detection means 41 because it changes depending on the posture when the measurement unit is attached and also changes due to yawing and pitching when the underground excavator is excavated. Even if the values of the angles Θ and Φ are simply used, the excavation direction of the underground excavator cannot be calculated correctly. For this reason, as described above, the intermediate measurement unit 4 is provided with the convex lenses 411 on the left and right sides so as to collect diffused light from both the front and rear light sources 42, and can receive the light collected by the left and right convex lenses 411. As described above, the CCD imaging devices 412 are also provided on the left and right sides so that the angles Θ and Φ can be detected both front and rear, and the detected values of both the front and rear angles Θ and Φ are used in a unique calculation method described in detail later. Thus, the excavation direction of the underground excavator can be correctly calculated in a state in which the influence of the posture at the time of mounting the measurement unit, the yawing and the pitching of the underground excavator is eliminated.
[0025]
FIG. 17 schematically shows a state in which an appropriate number of intermediate measurement units 4 are arranged in the underground mine 2 and exchange light with each other. 4 (n) is from the base measurement unit 5 side. The nth intermediate measurement unit is represented, and 4 (n + 1) and 4 (n-1) represent the intermediate measurement units before and after that. When the actual measurement units 4, 5, and 6 are installed in the underground mine 2, the incident light to the measurement unit and the emitted light of the measurement unit intersect each other as shown in FIG. Measurement is performed in a state in which the center positions of the front and rear lenses 411 and the front and rear light sources 42 of the intermediate measurement unit 4 are not concentrated on one reference point but are shifted in the XY plane direction or the Z-axis direction.
[0026]
When calculating the position of the underground excavator based on the data obtained by measuring in such a state, as shown in FIGS. 18 and 19, for the convenience of calculation, the front and rear lenses 411 and the front and rear light sources 42 The respective center positions are set to X− so that the respective center positions are aligned with reference points (appropriate points on the center line of the front and rear lenses 411, for example, the center point on the center line) of each measurement unit 4, 5 and 6. Calculation is performed by correcting the position in the Y-plane direction and the Z-axis direction. In that case, in order to perform the position measurement of the underground excavator more accurately, the angle between the optical axis and the reference line is slightly corrected, but the correction values are the front and rear lenses 411 and the front and rear light sources 42. In consideration of the positional relationship between each center position and the reference point, the controller unit 43 calculates the angle Θ and the angle Φ obtained from the equations (1) and (2). Angle ΘN described later _n , ΦN _n , ΘS _n , ΦS _n Is obtained through these corrections. As described above, in this embodiment, the angle between the optical axis and the reference line is corrected for more accurate measurement. However, the deviation amounts of the center positions of the front and rear lenses 411 and the light source 42 are as follows. Compared to the distance between the measurement units 4, 5, and 6, the value is very small. Therefore, if the arrangement of the lens 411 and the light source 42 to the intermediate measurement unit 4 is appropriately selected, such a correction is not necessary. A position measuring apparatus having a characteristic can be obtained.
[0027]
Therefore, a method for calculating the position of the underground excavation machine based on the data obtained by each of the measurement units 4, 5, 6 will be described with reference to FIGS. In the explanation, the meanings of symbols used in these drawings and the following mathematical expressions will be explained.
V: a line of sight which means a straight line connecting the reference points of the adjacent measuring units 4, 5, 6; this line of sight V is the light transmitted and received between the adjacent measuring units 4, 5, 6 It can be seen as an axis.
V ₀ A starting direction line indicating the starting direction when the underground excavator starts,
V _n A line of sight connecting the (n−1) -th measurement unit and the n-th measurement unit of the line of sight V,
G; the aforementioned reference line that means a line that passes through the center of the convex lens 411 of the measurement unit and is orthogonal to the surface of the CCD image sensor 412 of the measurement unit;
G _n The reference line of the nth measurement unit of the reference line G,
Θ _n ; Line of sight V _n Is the departure direction line V ₀ Component of the angle formed with respect to the XZ plane (line of sight V _n And departure direction line V ₀ Angle formed by a line that is orthogonally projected onto the XZ plane, in short, the angle in the left-right direction toward the axial direction of the underground mine 2),
Φ _n ; Line of sight V _n Is the departure direction line V ₀ Of the angle formed with respect to the YZ plane (line of sight V _n And departure direction line V ₀ Angle formed by a line projected orthogonally on the YZ plane, in short, the angle in the vertical direction toward the axial direction of the underground mine 2),
ΘN _n ; Line of sight V behind the nth surveying unit _n Is the reference line G _n Component on the XZ plane (line of sight V _n And reference line G _n Angle formed by a line orthographically projected onto the XZ plane)
ΦN _n ; Line of sight V behind the nth surveying unit _n Is the reference line G _n Component on the YZ plane (line of sight V _n And reference line G _n Angle formed by a line that is orthographically projected onto the YZ plane),
ΘS _n ; Line of sight V ahead of the nth survey unit _{n + 1} (The line of sight behind the n + 1th survey unit) is the reference line G _n Component on the XZ plane (line of sight V _{n + 1} And reference line G _n Angle formed by a line orthogonally projected onto the XZ plane),
ΦS _n ; Line of sight V ahead of the nth survey unit _{n + 1} (The line of sight behind the n + 1th survey unit) is the reference line G _n Component on the YZ plane (line of sight V _{n + 1} And reference line G _n Angle formed by a line that is orthographically projected onto the YZ plane),
L _n The distance between the reference points of the (n-1) th measurement unit and the nth measurement unit among the distances between the reference points of the adjacent measurement units 4, 5, 6;
In describing the calculation method of the position of the underground excavator, for convenience of explanation, not only the intermediate measurement unit 4 but also all the measurement units 4, 5, 6 are represented by reference numeral 4 ( n) will be expressed as a unit. In this case, 4 (n) means the nth measurement unit counted from the next measurement unit of the base point measurement unit 5, and 4 (0) means the base point measurement unit 5. G ₀ Means the reference line G of the base point measurement unit 4 (0), and in this embodiment, the start direction line V ₀ It is set to match the direction of. Angle Θ _n , Φ _n , ΘN _n , ΦN _n , ΘS _n , ΦS _n In FIG. 18 and FIG. 19, the reference line G is given a polarity. _n Line of sight V based on _n The angle in the case of tilting clockwise is defined as a negative polarity, and the angle in the case of tilting counterclockwise is defined as a positive polarity. Thus, for example, in FIG. ₁ , Φ ₁ Is the line of sight V _n The arcuate tip arrow indicating the tilt direction of the head is a positive angle when facing the counterclockwise direction, and the angle ΘN ₁ , ΦN ₁ , ΘS ₁ , ΦS ₁ Is the line of sight V _n The arcuate tip arrow indicating the inclination direction of the heading is directed in the clockwise direction and is a negative angle.
[0028]
As you can see, the line of sight V _n Is the reference line G _n Angle ΘN _n , ΦN _n , ΘS _n , ΦS _n Can be obtained by the measurement unit 4 (n), but when calculating the position of the underground excavator, the angle to be finally obtained in this embodiment is the line of sight V _n Is the departure direction line V ₀ Angle to Θ _n , Φ _n It is. Using FIG. 18 and FIG. _n , Φ _n First, the angle Θ will be described. ₁ , Φ ₁ For the base line G of the base point measurement unit 4 (0) ₀ Start direction line V ₀ In other words, to match the direction of ₁ = ΘS ₀ , Φ ₁ = ΦS ₀ Therefore, it is obtained directly from the measurement result of the base point measurement unit 4 (0). Then the angle Θ ₂ , Φ ₂ For each angle Θ thus obtained ₁ , Φ ₁ And ΘN obtained by measuring unit 4 (1) ₁ ・ ΘS ₁ , ΦN ₁ ・ ΦS ₁ Can be obtained by the following equations.
Θ ₂ = Θ ₁ -ΘN ₁ + ΘS ₁ …………… (3)
Φ ₂ = Φ ₁ -ΦN ₁ + ΦS ₁ …………… (4)
Similarly, angle Θ _{n + 1} , Φ _{n + 1} For the angle Θ _n , Φ _n Is obtained, this angle Θ _n , Φ _n And ΘN obtained by measuring unit 4 (n) _n ・ ΘS _n , ΦN _n ・ ΦS _n Can be obtained by the following equations.
Θ _{n + 1} = Θ _n -ΘN _n + ΘS _n …………… (5)
Φ _{n +1} = Φ _n -ΦN _n + ΦS _n …………… (6)
The angle Θ in these equations (5) and (6) _n , Φ _n Is the angle Θ _n-1 , Φ _n-1 Is obtained by calculation in the process of measuring the position of the underground excavator, and can be obtained from the equations (5) and (6) based on these values. That is, the angle Θ obtained by the equations (3) and (4) ₂ , Φ ₂ The value of Θ in Equation (5) and (6) _n , Φ _n Substituting into Θ _Three , Φ _Three Based on the calculation result, again, from the equations (5) and (6), _Four , Φ _Four To calculate the angle Θ _n-1 , Φ _n-1 Finally, by substituting these values into the equations (5) and (6), the angle Θ can be obtained. _n , Φ _n Can be requested. Such an angle Θ _n , Φ _n In this embodiment, the data relating to the direction of each light source 42 as described above is obtained by calculation in the calculation unit of the central processing unit 7 according to the previous equations. In the present specific example, the angle ΘN of the data regarding the direction of each light source 42 obtained based on the detection results of the respective measurement units 4, 5, 6. _n , ΦN _n , ΘS _n , ΦS _n Is calculated by the calculation means of the controller unit 43 and the angle Θ _n , Φ _n Is calculated by the calculation unit of the central processing unit 7 according to the preceding equations, but the determination of which data is determined is a design choice that can be arbitrarily selected when the invention is implemented.
[0029]
As is clear from the above description, the line of sight V of the measurement unit 4 (n), which is the basis for calculating the position of the underground excavator _n Starting direction line V ₀ Angle with respect to _n , Φ _n Is the line of sight V _n The starting direction line V ₀ The reference line G of the measurement unit 4 (n) is not detected directly because of _n Line of sight V _n Is detected for each measuring unit 4 (n) at an angle ΘN _n , ΦN _n , ΘS _n , ΦS _n Can be obtained indirectly by sequentially measuring and calculating by the method like the previous formula using the measurement result. Therefore, the reference line G of the measuring unit 4 (n) _n The angle ΘN can be changed depending on the posture at the time of installation, or due to yawing or pitching during excavation of the underground excavator. _n , ΦN _n , ΘS _n , ΦS _n Even if measured appropriately, the direction of excavation of the underground excavator can be calculated correctly with such changes incorporated, and the changes do not affect the calculation results.
[0030]
Thus, for example, the angle Θ ₁ ~ Θ _n Value and Φ ₁ ~ Φ _n After sequentially measuring the values of these angles, between the values of these angles and the reference points of each measurement unit 4 (n) measured by the lightwave distance meter 10 and the adjacent rear measurement unit 4 (n-1). Distance L ₁ ~ L _n And the relative position of the measured point with respect to the measurement base point on the set three-dimensional position coordinate. The basic principle of the calculation method will be described with reference to FIG. FIG. 20 shows an angle Θ for easy understanding of the calculation method. _n , Φ _n The position of the reference point of each measurement unit 4 (n) in the case of constructing an underground mine without changing the other, that is, in the case of curved construction only in the horizontal direction or the vertical direction with an underground excavation machine, On the two-dimensional position coordinate consisting of the vertical axis shared by the axis and the Y axis and the horizontal axis as the Z axis, (X ₁ , Y ₁ , Z ₁ ), (X ₂ , Y ₂ , Z ₂ ) …… (X _n , Y _n , Z _n ) And so on. In that case, the Z-axis of the two-dimensional position coordinate is set to the start direction line V ₀ And the origin is made to coincide with the measurement base point of the base point measurement unit 5 [4 (0)].
[0031]
As apparent from FIG. 20, the amount of change in the coordinate position of the reference point of each measurement unit 4 (n) with respect to the reference point of the adjacent rear measurement unit 4 (n−1) ₁ ~ Θ _n And Φ ₁ ~ Φ _n Value and each distance L ₁ ~ L _n Value (Each line of sight V ₁ ~ V _n Can be calculated sequentially by a trigonometric function. That is, the component in the X-axis direction and the component in the Y-axis direction among the amount of change in the coordinate position of the reference point of each measurement unit 4 (n) with respect to the reference point of the adjacent rear measurement unit 4 (n−1) are L _n ・ SinΘ _n And L _n ・ SinΦ _n The component in the Z-axis direction is Ln · cos Θ _n Or L _n ・ CosΦ _n Can be obtained as In this example, the angle Θ is as described above for the curve construction. _n , Φ _n Since only one of the two is changed, the angle Θ _n Is changed, only the component in the X-axis direction of the change amount of the coordinate position of the reference point of each measurement unit 4 (n) is L. _n ・ SinΘ _n The component in the Y-axis direction does not change as the amount of _n Is changed, only the component in the Y-axis direction is L _n ・ SinΦ _n The component in the X-axis direction does not change as the amount changes.
[0032]
Thus, the component in the X-axis direction or the Y-axis direction and the component in the Z-axis direction of the change amount of the coordinate position of the reference point of each measurement unit 4 (n) with respect to the reference point of the adjacent rear measurement unit 4 (n-1) are obtained. Then, by multiplying the amount of each component in each direction, (X _n , Y _n , Z _n ) Coordinate position can be calculated. In the example of FIG. _n Changes so as to always incline counterclockwise with respect to the Z-axis. Therefore, when the integration is performed, the component amounts in each direction may be integrated as they are. However, each line of sight V _n Even if the tilt direction of the angle changes randomly clockwise or counterclockwise, the angle Θ _n , Φ _n If the above-mentioned polarity is given, the component amounts in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions are integrated as they are, as described above, and (X _n , Y _n , Z _n ) Coordinate position can be calculated.
[0033]
In FIG. 20, when the curve is constructed, the angle Θ _n , Φ _n An example of changing only one of the _n , Φ _n A method for calculating the position of the underground excavator when the excavating direction of the underground excavator is changed three-dimensionally in the vertical and horizontal directions by changing both of these will be described with reference to FIG. FIG. 21 shows the position of the reference point of each measurement unit 4 (n) when the excavation direction of the underground excavator is changed three-dimensionally in this way, as a normal three-dimensional position consisting of X, Y, and Z axes. (X ₁ , Y ₁ , Z ₁ ), (X ₂ , Y ₂ , Z ₂ Only the measurement units 4 (1) and 4 (2) are shown by way of example. In that case, the Z-axis of the three-dimensional position coordinate is set to the start direction line V ₀ And the origin is made to coincide with the measurement base point of the base point measurement unit 5 [4 (0)]. In FIG. 21, as in FIGS. _n , Φ _n Is given a polarity, angle Θ _n With respect to, the angle formed clockwise with respect to the YZ plane was defined as + polarity, and the angle formed counterclockwise was defined as-polarity. In contrast, the angle Φ _n With respect to, an angle formed clockwise with respect to the XZ plane was defined as a negative polarity, and an angle formed counterclockwise was defined as a positive polarity. Therefore, in FIG. ₁ , Θ ₂ Is a positive angle with the arc-shaped tip arrows representing the angles all pointing in the clockwise direction. In contrast, the angle Φ ₁ Is a positive angle when the tip arrow of the arc representing the angle points counterclockwise, and the angle Φ ₂ Is a negative angle with the arrowhead of the arc representing the angle pointing in the clockwise direction.
[0034]
The coordinate position (X of the reference point of each measurement unit 4 (n) _n , Y _n , Z _n ) Is the angle Θ obtained by the method described above ₁ ~ Θ _n And Φ ₁ ~ Φ _n And the distance L obtained by measuring with an appropriate method ₁ ~ L _n Are calculated three-dimensionally by the same method as outlined in FIG. First, the coordinate position (X ₁ , Y ₁ , Z ₁ ), The angle Θ obtained directly from the measurement result in the base point measurement unit 4 (0) ₁ , Φ ₁ Value and distance L ₁ Can be obtained by the following equations.
X ₁ = L ₁ cosΦ ₁ sinΘ ₁ …………… (7)
Y ₁ = L ₁ cosΘ ₁ sinΦ ₁ …………… (8)
Z ₁ = L ₁ cosΘ ₁ cosΦ ₁ …………… (9)
Next, the coordinate position (X ₂ , Y ₂ , Z ₂ ) For X obtained in the previous equations (7), (8), (9) ₁ , Y ₁ , Z ₁ And the angle Θ obtained by the equations (3) and (4) ₂ , Φ ₂ And the distance L obtained by measuring with an appropriate method ₂ Can be obtained by the following equations.
X ₂ = X ₁ + L ₂ cosΦ ₂ sinΘ ₂ …………… (10)
Y ₂ = Y ₁ + L ₂ cosΘ ₂ sinΦ ₂ …………… (11)
Z ₂ = Z ₁ + L ₂ cosΘ ₂ cosΦ ₂ …………… (12)
Similarly, the coordinate position (X _n , Y _n , Z _n ), X obtained by performing the same operation as in the previous (10), (11), (12) in order _n-1 , Y _n-1 , Z _n-1 And the angle Θ obtained by calculating with the above formulas (5) and (6) _n , Φ _n Value and distance L _n Can be obtained by the following equations (13) ′, (14) ′, and (15) ′.
X _n = X _n-1 + L _n cosΦ _n sinΘ _n …………… (13) '
Y _n = Y _n-1 + L _n cosΘ _n sinΦ _n …………… (14) '
Z _n = Z _n-1 + L _n cosΘ _n cosΦ _n …………… (15) '
Therefore, the coordinate position (X of the reference point of each measurement unit 4 (n) _n , Y _n , Z _n ) Can be expressed by the following (13), (14), and (15).
X _n = ΣL _n cosΦ _n sinΘ _n …………… (13)
Y _n = ΣL _n cosΘ _n sinΦ _n …………… (14)
Z _n = ΣL _n cosΘ _n cosΦ _n …………… (15)
Note that Σ in the previous equations (13), (14), and (15) means a value obtained by integrating n sequentially from 1 to n. Therefore, for example, ΣL _n cosΦ _n sinΘ _n L ₁ cosΦ ₁ sinΘ ₁ ~ L _n cosΦ _n sinΘ _n It means the total value of each value. Assuming that the nth measurement unit 4 (n) is a measurement point measurement unit 6 for setting a measurement point, the relative position of the measurement point with respect to the measurement base point set by the base point measurement unit 5 is ( X _n , Y _n , Z _n ) And can be easily calculated by the equations (13), (14), and (15). The calculation of the position according to these previous equations is performed by the calculation unit of the central processing unit 7. As described above, the relative position of the measurement point with respect to the measurement base point is the data on the direction of each light source obtained based on the detection results of the measurement units 4, 5, and 6, and the adjacent measurement units obtained by the lightwave distance meter 10. On the basis of the data regarding the distances, it can be measured by calculation according to the equations (3) to (15).
[0035]
Finally, the position measuring device of the underground excavation machine according to the second and third embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a horizontal sectional view schematically showing the whole image of the position measuring device for the underground excavator according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is an intermediate view in the position measuring device for the underground excavator shown in FIG. FIG. 8 is a perspective view as seen from the rear side of the intermediate measurement unit in the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. 6, and FIG. 9 is the position of the underground excavator shown in FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing an image during operation of the position measuring device of the underground excavation machine according to the second embodiment of the present invention. FIG. 12 is a horizontal sectional view schematically showing the whole image of the position measuring device for the underground excavation machine according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 12 is an intermediate measurement unit in the position measuring apparatus for the underground excavation machine shown in FIG. 13 is a horizontal sectional view showing the details of the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. 14 is a perspective view seen from the rear side of the intermediate measuring unit, FIG. 14 is a perspective view seen from the front side of the intermediate measuring unit in the position measuring device of the underground excavator in FIG. 11, and FIG. 115 is a third embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows roughly the image at the time of the action | operation of the position measuring apparatus of an example underground excavation machine.
[0036]
First, the position measuring device of the underground excavation machine according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 10. As shown in FIG. 10, the first embodiment already described. In the position measuring device of the underground excavation machine, the light wave distance meter 10 is attached to one measurement unit 4 (n-1) of the adjacent measurement units 4 (n-1) and 4 (n). One measurement unit 4 (n) is configured such that a light wave generated by the diffused light emitted from the light transmitter 101 of the distance meter 10 is received by a CCD image sensor 412 as a light receiving means disposed in the other measurement unit 4 (n). The light source 42 of -1) is replaced with a light transmitter 101 as a light wave generation source in the light wave rangefinder 10. Since the position measurement device of this embodiment has such a structure, the light wave emitted from the light transmitter 101 of the light wave distance meter 10 attached to the measurement unit 4 (n−1) is incident on the reflection prism 11. By reflecting toward the light receiver 102, the optical distance meter 10 can measure the distance between the adjacent measurement units 4 (n-1) and 4 (n), and the light wave emitted by the light transmitter 101 is Collected by the lens 411 of the measurement unit 4 (n) and received by the CCD image sensor 412. As a result, the measurement unit 4 (n) detects a value corresponding to the direction of the light source of the measurement unit 4 (n-1). Can do. The direction of the light source 42 of the measurement unit 4 (n) is the same as in the first embodiment, and the diffused light of the light source 42 is collected by the lens 411 of the measurement unit 4 (n-1) and received by the CCD image sensor 412. This can be detected. By adopting such a structure, the light transmitter 101 of the lightwave distance meter 10 can be substituted for the light source of one of the measurement units 4 (n-1) of the adjacent measurement units 4 (n-1) and 4 (n). Therefore, the number of light sources provided in the measurement unit 4 (n-1) can be reduced.
[0037]
The position measuring device for the underground excavation machine according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 to 15. As shown in FIG. 15, the underground excavation machine according to the first embodiment is illustrated. In the position measurement apparatus of FIG. 1, the light wave distance meter 10 that emits a light wave by diffused light is attached to one measurement unit 4 (n-1) of the adjacent measurement units 4 (n-1), 4 (n), and the other measurement unit 4 (n-1) When the reflection prism 11 for reflecting the light wave toward the light wave distance meter 10 is attached to the unit 4 (n), the light wave due to the diffused light emitted from the light wave distance meter 10 is arranged in the other measurement unit 4 (n). The CCD image sensor 412 receives light and the light wave caused by the diffused light reflected by the reflecting prism 11 is received by the CCD image sensor 412 arranged in one measurement unit 4 (n-1). Measurement unit DOO 4 light sources 42 (n-1) as well as substitute the light transmitter 101 of the light wave distance meter, the other measuring unit 4 light sources 42 (n) was set to be replaced by reflecting prism 11. By adopting such a structure, it is possible to eliminate the light sources provided at the opposing portions of the adjacent measurement units, and it is possible to further reduce the number of light sources provided in the measurement units. In addition, since there is one light generation source in this way, when the data about the direction of each light source 42 is obtained by each measurement unit 4 (n-1), 4 (n), the light wave of the lightwave distance meter 10 is the data. Means for preventing the diffused light of the light source 42 from adversely affecting the data when the optical distance meter 10 obtains data relating to each distance between adjacent measurement units. It is not necessary to provide
[0038]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention employs the technical means shown in the section of means for solving the problems. Therefore, according to the present invention, the excavation position of the underground excavator is measured. In this case, it is not necessary to perform an operation for applying light to the light receiving means, and a position measuring device for an underground excavation machine that does not require an operation mechanism therefor is obtained. In addition, even if the mounting orientation of the measuring unit is not uniform or changes due to yawing or pitching during excavation of the underground excavator, the excavation position of the underground excavator is not affected by this. You can always calculate and measure correctly.
When the present invention is embodied, in particular, if the technical means described in claim 2 of the claims is adopted, in addition to the above basic effects, the light source of one measurement unit of the adjacent measurement units is used. By substituting the light wave generation source of the light wave distance meter, the number of light sources provided in the measurement unit can be reduced. In the case of embodying the present invention, in particular, if the technical means according to claim 3 of the claims is adopted, in addition to the above basic effects, the light source of one measurement unit of the adjacent measurement units The light source provided in the measurement unit can be eliminated by substituting the light source of the light wave distance meter and replacing the light source of the other measurement unit with the light reflecting means. Can be further reduced. In addition, when data on the direction of each light source is obtained at each measurement unit, the light wave of the light wave distance meter adversely affects the data, or when the light wave distance meter obtains data on each distance between adjacent measurement units, the diffusion of the light source There is no need to provide means for preventing light from adversely affecting the data.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a horizontal sectional view schematically showing an overall image of a position measuring device for an underground excavation machine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a horizontal sectional view showing in detail an intermediate measuring unit in the position measuring device of the underground excavation machine shown in FIG. 1;
3 is a perspective view seen from the rear side of an intermediate measurement unit in the position measuring device of the underground excavation machine shown in FIG. 1. FIG.
4 is a perspective view seen from the front side of an intermediate measurement unit in the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic structure of an optical distance meter.
FIG. 6 is a horizontal sectional view schematically showing an overall image of a position measuring apparatus for an underground excavation machine according to a second embodiment of the present invention.
7 is a horizontal sectional view showing in detail an intermediate measuring unit in the position measuring device of the underground excavation machine shown in FIG. 6;
8 is a perspective view seen from the rear side of the intermediate measurement unit in the position measuring device of the underground excavation machine shown in FIG. 6;
9 is a perspective view seen from the front side of the intermediate measurement unit in the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. 6; FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing an image at the time of operation of the position measuring device of the underground excavation machine according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a horizontal sectional view schematically showing an overall image of a position measuring device for an underground excavation machine according to a third embodiment of the present invention.
12 is a horizontal sectional view showing in detail an intermediate measurement unit in the position measuring device of the underground excavation machine shown in FIG. 11. FIG.
13 is a perspective view of the intermediate measuring unit in the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. 11 as seen from the rear side.
14 is a perspective view seen from the front side of the intermediate measurement unit in the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. 11; FIG.
FIG. 15 is a sectional view schematically showing an image at the time of operation of the position measuring device of the underground excavation machine according to the third embodiment of the present invention.
16 is a conceptual diagram for explaining the principle of detecting the direction of a light source by a measurement unit in the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. 1;
FIG. 17 is a horizontal cross-sectional view of a main part showing a state when light is transmitted and received by the position measuring device of the underground excavation machine in FIG. 1;
18 is a conceptual diagram for explaining a method of calculating the direction of the measurement unit near the measurement base point by the position measurement device of the underground excavation machine in FIG. 1;
FIG. 19 is a conceptual diagram for explaining a method of calculating the direction of a measurement unit at an arbitrary point with the position measurement device of the underground excavator in FIG. 1;
20 is a conceptual diagram for explaining the basic principle of calculating the excavation position of the underground excavator with the underground excavator position measuring device of FIG. 1; FIG.
21 is a conceptual diagram for explaining a practical method of calculating the excavation position of the underground excavator with the underground excavator position measurement device of FIG. 1; FIG.
[Explanation of symbols]
1 Excavator
2 underground mine
3 Starting shaft
4 Intermediate surveying unit
41 Light source direction detection means
411 Convex lens
412 CCD image sensor
42 Light source
43 Controller
5 Base point measurement unit
6 Measurement point measurement unit
7 Central processing unit
8 display devices
10 Lightwave distance meter
101 Transmitter
102 Receiver
104 photoelectric conversion element
105 Lightwave distance calculation means
106 Pulse generator
107 concave mirror
11 Reflective prism
G _n Reference line for the nth measurement unit
L _n Distance between reference points of adjacent n-1 and nth measurement units, LC; distance between the center of the lens and the center of the CCD image sensor
V ₀ Starting direction line
V _n Line of sight connecting the (n-1) th and nth measurement units
Θ _n Line of sight V _n Is the departure direction line V ₀ Of the angle on the XZ plane
Φ _n Line of sight V _n Is the departure direction line V ₀ Of the angle on the YZ plane

Claims

It is used to measure the digging position of an underground excavator that digs underground while excavating an underground mine. It is a position measuring device for underground excavation machines that measures the positional relationship with the measurement base point that is the measurement base point, and is a light source that can emit diffused light forward and a diffused light from the front light source A light source means and a light receiving means arranged to receive the light collected by the light collecting means and to detect the direction of the light source in front by the position of the received light, and to set a measurement base point; A light source capable of emitting diffused light backward, a condensing means capable of collecting diffused light from the rear light source, and receiving light collected by the condensing means, and depending on the position of the received light, To be able to detect the direction A measurement point measuring unit that has a light receiving means placed thereon and sets a measurement point; a light source capable of emitting diffused light forward and backward; and diffused light from front and rear light sources can be collected, respectively In the underground mine, the light collecting means and the light receiving means arranged to receive the light collected by the light collecting means and to detect the direction of each of the front and rear light sources by the position of each received light. At least one intermediate measurement unit arranged between the base point measurement unit and the measurement point measurement unit is provided, and adjacent measurement in each measurement unit of the base point measurement unit, the measurement point measurement unit, and the intermediate measurement unit An optical distance meter that emits diffused light waves is attached to one measurement unit of the unit, and the other measurement unit reflects the light waves toward the optical distance meter. Data relating to the direction of each light source obtained based on the detection results of each measurement unit, and data relating to each distance between adjacent measurement units in each measurement unit obtained by a light wave rangefinder Based on the above, the position measuring device of the underground excavation machine, wherein the relative position of the measured point with respect to the measurement base point is calculated by the calculation means and measured.

2. The position measuring device for underground excavation machine according to claim 1, wherein when one of the adjacent measurement units is provided with a light wave distance meter that emits a light wave by diffused light, the light wave by diffused light emitted by this light wave distance meter The position of the underground excavation machine characterized in that the light source of one measurement unit is replaced with the light wave generation source of the light wave distance meter so that the light is received by the light receiving means arranged in the other measurement unit Measuring device.

2. The position measuring device for underground excavation machine according to claim 1, wherein a light wave distance meter for emitting a light wave by diffused light is attached to one measurement unit of an adjacent measurement unit, and the light wave is directed to the light wave distance meter in the other measurement unit. When a light reflecting means that reflects light is attached, the light wave caused by the diffused light emitted by the light wave distance meter is received by the light receiving means arranged in the other measurement unit, and the light wave caused by the diffused light reflected by the light reflecting means. Is received by the light receiving means arranged in one measurement unit, and the light source of one measurement unit is substituted with the light wave generation source of the lightwave distance meter, and the light source of the other measurement unit is substituted by the light reflection means. A position measuring device for an underground excavation machine characterized in that it is configured to do so.

The position measuring device for an underground excavator according to claim 1, 2 or 3, wherein a light wave by diffused light is generated by a light emitting diode.

4. The position measuring device for an underground excavator according to claim 1, wherein a reflecting prism is used as the light reflecting means.