JP3759281B2

JP3759281B2 - Underground excavator position measurement device

Info

Publication number: JP3759281B2
Application number: JP10056397A
Authority: JP
Inventors: 稔野口; 靖彦原; 隆茂呂; 泰昭石川; 義昭下村
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2017-04-17
Also published as: JPH10293028A

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的課題は、「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であって、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て構成し、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計測して得られるデータであ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。したがって、別途、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を適宜の方法で収集すれば、演算により求められた前記の各角度に関するデータとそれらの各距離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１８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９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を詳細に示す水平断面図、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作動時のイメージを示す斜視図、図５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６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７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８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９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。
【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とからなっていて、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３に基づいて説明する。中間計測ユニット４は、図３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発光ダイオード等の光源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、図２で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。図示している光源方向検出手段４１は、こうした凸レンズ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３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、ど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】
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のほか、付帯的構造として、透明ガラス製の透明板４１３やコントローラ部４３を備えている。透明板１１３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、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、後に詳述するように、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。
【００１３】
以上、中間計測ユニット４の構造について述べたが、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。
【００１４】
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２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２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。
【００１５】
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。その技術内容については、地中掘進機の位置の演算手法を説明する際に具体的に述べる。
【００１６】
中間計測ユニット４を設置して実際に作動させているときの全体のイメージを図示すると、図４に図示したようになる。なお、図中に示す矢印は、光源４２の入射方向や放射方向を表す。基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６の全体のイメージについても、それぞれ、図４に図示の前方側半分及び後方側半分と同様のイメージになる。こうした各計測ユニット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。
【００１７】
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。
【００１８】
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も各計測ユニット４，５，６同士が見通せる位置に設置する。
【００１９】
こうして、適当数の中間計測ユニット４を見通せるように地下坑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した図面が図５である。この図では、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５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。
【００２０】
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６及び図７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。
【００２１】
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６乃至図９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６及び図７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６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。
【００２２】
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６及び図７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。
【００２３】
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、本具体化例によれば、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。
【００２４】
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、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の値を、後に詳述するような適宜の方法で順次計測し、これらの角度と距離の計測結果に基づいて、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８を用いて説明する。図８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。
【００２５】
この図８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。
【００２６】
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８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。
【００２７】
図８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９を用いて説明する。図９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９では、図６及び図７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９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。
【００２８】
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８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、ΣＬ₁ｃｏｓΦ₁ｓｉｎΘ₁〜ΣＬ_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。
【００２９】
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が、その場合、隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータを収集して中央演算処理装置７の演算部に入力する必要がある。そこで、こうした距離に関するデータを中央演算処理装置７の演算部に入力する手法の例を図１０及び図１１に基づいて説明する。図１０は、第１具体化例を管推進機に適用した場合における地下坑の距離に関するデータを中央演算処理装置に入力する手法を説明するための水平断面図、図１１は、第１具体化例をシールド掘進機に適用した場合における図１０と同様の図である。
【００３０】
計測ユニット間の各距離に関するデータは、基本的には既存の距離計で計測する等適宜の手段で収集して中央演算処理装置７に入力すればよいが、そのための代表的な手法を示すと、次のような方法がある。
（イ）各計測ユニット４，５，６間の各距離を自動的に検出できる距離検出手段を設け、その距離計測手段での検出結果により得られる各距離に関するデータを中央演算処理装置７の演算部に自動的に入力する。
（ロ）地下坑２の所定区間の変化する距離を自動的に検出できる距離検出手段を設け、距離が変化する区間については、その距離計測手段での検出結果により得られる距離に関するデータを、中央演算処理装置７の演算部に継続的に入力し、他の区間については、実地に計測して得られる実測値や計画線から得られる計画値等の確定した距離に関するデータを非継続的に入力する。
【００３１】
図１０及び図１１は、これらの手法のうち（ロ）の手法を説明するための図である。管推進機で地下坑２を施工する場合、地下坑２の距離は、元押しジャッキで直接推進している埋設中の最後方の埋設管の区間だけが時々刻々変化し、埋設管が地中に完全に埋設されている他の区間は、距離が固定されていて絶えず変動するようなことはない。こうしたことから、管推進工事の場合、図１０に示すように、埋設管の埋設が進行している最後方の区間についてだけ、その距離を元押しジャッキのストローク計１２で自動的に検出して距離に関するデータを中央演算処理装置７に入力し、埋設管が地中に完全に埋設されている他の区間については、確定した距離に関するデータを入力するようにしている。その場合、埋設管の埋設が進行している最後方の所定の区間は、埋設管の推進中に距離が絶えず変化するため、その変化する距離に関するデータを連続的に自動入力する。一方、埋設済みの埋設管が位置する他の区間は、最後方の埋設管の埋設終了後、その後方で新たな埋設管の埋設が再開されるまでは距離が変化しないので、その新たな埋設管の埋設が再開される際に確定した距離に関するデータを修正して再入力するというように断続的に手動で入力する。その場合、当然のことながら、確定した距離に関するデータは、隣接する計測ユニット間ごとに、その間の各距離が分かるように区分して入力する。確定した距離に関するデータとして、管推進工事の場合には、実測値や計画値のほか埋設済みの埋設管の数に基づいて算出できる距離データを用いることができる。
【００３２】
シールド掘進機で地下坑２を施工する場合、地下坑２のうち、掘削機１をシールドジャッキで推進している最前方の区間は距離が時々刻々変動するが、他の区間であるセグメントで覆工した区間は、距離が固定されていて絶えず変動するようなことはない。こうしたことから、シールド工事の場合には、図１１に示すように、掘削機１で掘進中の最前方の所定の区間についてだけ、その距離をシールドジャッキのストローク計１３で自動的に検出して距離に関するデータを中央演算処理装置７に入力し、セグメントで覆工した区間については、確定した距離に関するデータを入力するようにしている。その場合、掘削機１で掘進中の最前方の所定の区間は、掘進中に距離が絶えず変化するため、その変化する距離に関するデータを連続的に自動入力する。一方、セグメントで覆工した区間は、セグメントの１リング相当分掘進して新たなセグメントを組み立てるまでは距離が変化しないので、その新たなセグメントが組み立てられたときに確定した距離に関するデータを修正して再入力するというように断続的に手動で入力する。その場合も、管推進機で施工する場合と同様、確定した距離に関するデータは、隣接する計測ユニット間ごとに区分して入力する。確定した距離に関するデータとして、シールド工事の場合には、実測値や計画値のほかすでに組み立てられたセグメントの種類と数に基づいて算出できる距離データを用いることができる。以上述べた地下坑２の距離データの中央演算処理装置７への入力手法によれば、何れも、管推進機やシールドジャッキに通常付設されている元押しジャッキのストローク計１２やシールドジャッキのストローク計１３を地下坑の距離の計測に二重に活用していて、その距離の計測のために特別の距離計測手段を新設する必要はないので、地下坑２の距離の計測手段を設置するためのコストやスペースを節減することができる。
【００３３】
以上述べた本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置では、計測ユニット４，５，６を、特に、隣接する計測ユニットに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凸レンズ４１１と、凸レンズ４１１によりそれぞれ集められた光を受光しその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たＣＣＤ撮像素子４１２とで構成するようにしたので、光源４２の光を受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２に常に確実に当てることができ、その結果、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、そのための複雑な操作機構を要しない。また、計測ユニット４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。
【００３４】
次に、図１２乃至図１８を用いて、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いて説明する。図１２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１３は、図１２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示す斜視図、図１４は、図１２の地中掘進機の位置計測装置で計測ユニット間の距離を算出する手法を説明するための概念図、図１５は、計測ユニットの一つがローリングした際にそのローリング量を図１２の地中掘進機の位置計測装置で計測する基本原理を説明するための概念図、図１６は、計測ユニットの一つがローリングした際にそのローリング量を図１２の地中掘進機の位置計測装置で算出する手法を説明するための概念図、図１７は、隣接する計測ユニットの双方がローリングした際に両者間の相対的なローリング量を図１の地中掘進機の位置計測装置で算出する手法を説明するための概念図である。図１２乃至図１６中、第１具体化例の装置の説明の際にすでに用いた図面と同一の符号を付けた部分は、その図面と同等の部分を表す。
【００３５】
以上説明した本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置において、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の何れかに前後同じ方向に拡散光を発することのできる光源４２を複数個配置すると、第１具体化例の装置の機能に加え、それら複数の光源を多角的に活用することにより、次のような機能を併せ発揮することができる。
（ハ）第１具体化例の装置で地中掘進機の位置を演算する場合、前述のように、当該計測ユニットのレンズ４１１及び光源４２の各中心位置が当該計測ユニットの一つの基準点に揃えられるようにそれらの各中心位置をＸ−Ｙ面方向及びＺ軸方向に位置補正し、これに伴って光軸と基準線Ｇとのなす角度Θ、角度Φについて補正をするが、当該計測ユニットの前記の複数個の光源４２を基準線Ｇを挟んで対称に対をなすように配置して、こうした配置の光源４２を少なくとも１組設けると、当該計測ユニットのレンズ４１１及び光源４２の各中心位置がＸ−Ｙ面方向については当該計測ユニットの一つの基準点に揃えられて、レンズ４１１及び光源４２の各中心位置を一つの基準点に揃えるための補正は、Ｚ軸方向についてだけ行えばよくなり、簡略化される。
（ニ）当該計測ユニットの前記の複数個の光源４２の適宜の二つの光源４２を利用することにより、当該計測ユニットとその二つの光源４２の拡散光を受光する計測ユニットとの間の距離を計測することができる。
（ホ）当該計測ユニットの前記の複数個の光源４２の適宜の二つの光源４２を利用することにより、当該計測ユニットとその二つの光源４２の拡散光を受光する計測ユニットとの間のローリング量を計測することができる。
【００３６】
第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置は、これら（ハ）、（ニ）、（ホ）の機能を発揮できるようにするため、図１２及び図１３に示すように、前後同じ方向に拡散光を発することのできる左光源４２（Ｌ）及び右光源４２（Ｒ）とからなる一対の光源４２を、中間計測ユニット４には前側及び後側に１組ずつ、基点計測ユニット５には前側に１組、被測点計測ユニット６には後側に１組設けるようにしている。その場合、前記（ハ）の機能を発揮できるようにするため、前後同じ方向に拡散光を発することのできる１対の光源４２のそれぞれを、特に、基準線Ｇを挟んで対称位置に配置している。こうして一つの計測ユニットの同じ側に一対の光源４２を配置すると、これら一対の光源４２の各光は、図１２に示すように隣接する計測ユニットの一つの光源方向検出手段４１に入射し、光源方向検出手段４１でそれぞれの方向が検出されるが、一対の光源４２は、基準線Ｇを挟んで特に対称位置に配置されているため、各光源４２の方向に関する検出値を平均すると、その平均値は、レンズ４１１の中心位置と同じＸ−Ｙ面に設けた一つの光源４２が前記の隣接する計測ユニットに入射したときの検出値に近似する値となる。その結果、レンズ４１１及び光源４２の各中心位置を一つの基準点に揃えることに伴って行う補正は、Ｚ軸方向についてだけ行えばよくなり、帰するところ、地中掘進機の位置を計測するに際して行う演算が簡略化されることとなる。本具体化例では、対称位置に配置される一対の光源４２を各計測ユニット４，５，６の同じ側に一組ずつしか設けていないが、こうした光源４２を複数組設けて、これらの光源４２に関する光源方向検出手段４１での各検出値を平均するようにすれば、その補正の精度を一層向上させることができる。
【００３７】
第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置を用いて前記（ニ）の機能を発揮させるための手法を、図１４を用いて説明する。図１４は、任意の計測ユニット４（ｎ）とその後方に隣接する計測ユニット４（ｎ−１）との間の距離を、この計測ユニット４（ｎ−１）の左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）を利用して算出する手法を説明するためのものである。その距離の算出をするに当たっては、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の中心を原点にとり、その計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇ_nをいわゆるＺ軸とするとともにこれに直交するδＸｎ軸及びδＹｎ軸をいわゆるＸ軸及びＹ軸とした３次元位置座標と、計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇ_nをいわゆるＺ軸とするとともにこれに直交するＸ_n-1 _´軸及びＹ_n-1 _´軸をいわゆるＸ軸及びＹ軸とし、Ｘ_n-1 _´−Ｙ_n-1 _´面が計測ユニット４（ｎ−１）の左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の中点を通るように設定した３次元位置座標とを用いる。なお、前者の３次元位置座標におけるδＸｎ−δＹｎ面は、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の面と同じ面をなす。計測ユニット４（ｎ）と計測ユニット４（ｎ−１）の間の距離の算出手法を説明をするに当たり、図面や以下の数式に用いている記号の意味を説示する。
【００３８】
４２Ｌ（ｎ−１）；計測ユニット４（ｎ−１）の左光源、
４２Ｒ（ｎ−１）；計測ユニット４（ｎ−１）の右光源、
４２Ｃ（ｎ−１）；左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）との中点、
４２Ｌ（ｎ−１）´；左光源４２Ｌ（ｎ−１）をＸ_n-1 _´−Ｙ_n-1 _´面に正投影した点、
４２Ｒ（ｎ−１）´；右光源４２Ｒ（ｎ−１）をＸ_n-1 _´−Ｙ_n-1 _´面に正投影した点、
δ_xnＬ；δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結像点のδＸｎ軸方向の成分、
δ_ynＬ；δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結像点のδＹｎ軸方向の成分、
δ_xnＲ；δＸｎ−δＹｎ面上への右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点のδＸｎ軸方向の成分、
δ_ynＲ；δＸｎ−δＹｎ面上への右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点のδＹｎ軸方向の成分、
Θ_G；計測ユニット４（ｎ−１）の基準線Ｇ_n-1をＸ_n-1−Ｇ_n平面上へ正投影した線と計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇ_nとの交角、
Φ_G；計測ユニット４（ｎ−１）の基準線Ｇ_n-1をＹ_n-1−Ｇ_n平面上へ正投影した線と計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇ_nとの交角、
ＬＲ；左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の離隔距離、
ＬＲ´；左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）とを結ぶ線をＸ_n-1 _´ −Ｙ_n-1 _´面に正投影した線分の長さ、
ＬＣ；計測ユニット４（ｎ）のレンズ４１１（ｎ）の中心からδＸｎ軸に下した垂線の長さ、換言すると、レンズ４１１（ｎ）の中心と計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の中心の間の距離、
ＬＤ；δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結像点と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点との中点と、計測ユニット４（ｎ）のレンズ４１１（ｎ）の中心の間の距離、
いま、この第２具体化例の装置により算出しようとする計測ユニット４（ｎ）と計測ユニット４（ｎ−１）の間の距離を、中点４２Ｃ（ｎ−１）とレンズ４１１（ｎ）間の距離であると定めてその距離をＬＸとし、距離ＬＸの算出手法を説明する。
【００３９】
まず、距離ＬＸの算出手法の要点を述べると、距離ＬＸの算出の基本的な手法は、距離ＬＲ´に対する距離ＬＸの比率が「δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結像点（δ_xnＬ，δ_ynＬ）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点（δ_xnＲ，δ_ynＲ）の間の距離」に対する距離ＬＤの比率に等しいことを利用して距離ＬＸを算出しようとする点にあり、このことは、後記（１７）式に集約して表されている。
距離ＬＸの算出手法を具体的に述べると、左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の離隔距離ＬＲと、左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）を結ぶ線をＸ_n-1 _´−Ｙ_n-1 _´面に投影した線分の長さＬＲ´との関係は、次式で表すことができる。
【００４０】
【数１】

【００４１】
一方、δＸｎ−δＹｎ面とＸ_n-1 _´−Ｙ_n-1 _´面は、何れも基準線Ｇ_nに直交する平面であって平行であるから、次式が成立する。
【００４２】
【数２】

【００４３】
なお、この（１７）式において、（δ_xnＲ−δ_xnＬ）² ＋（δ_ynＲ−δ_ynＬ）² の平方根の項は、「δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結像点（δ_xnＬ，δ_ynＬ）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点（δ_xnＲ，δ_ynＲ）の間の距離」を表す。
【００４４】
前式中の距離ＬＤは、既知の値である距離ＬＣと、光源方向検出手段４１の検出結果から算出できる左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）の結像点間の中点の座標（（δ_xnＬ＋δ_xnＲ）／２，（δ_ynＬ＋δ_ynＲ）／２）の値とを用いてピタゴラスの定理により次式で表すことができる。
【００４５】
【数３】

【００４６】
前（１８）式を用いて前（１７）式中のＬＤを消去し、同式を変形すると、算出しようとする前後の計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離ＬＸを次式で表すことができる。
【００４７】
【数４】

【００４８】
この（１９）式に（１６）式を代入してＬＲ´を消去すると、距離ＬＸを次式で表すことができる。
【００４９】
【数５】

【００５０】
この（２０）式中、基準線Ｇ_nと基準線Ｇ_n-1の交角（Θ_G，Φ_G）は、計測ユニット４（ｎ−１）の検出結果に基づいて得られる角度ΘＳ_n-1，ΦＳ_n-1と計測ユニット４（ｎ）の検出結果に基づいて得られる角度ΘＮ_n，ΦＮ_nとの差から容易に求め得る数値である。また、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２で受光した左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）の光の位置を表すδ_xnＬ，δ_ynＬ，δ_xnＲ，δ_ynＲの値は、計測ユニット４（ｎ）の検出結果から得られる値である。そして、前（２０）式中の「左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の離隔距離」ＬＲと「レンズ４１１（ｎ）の中心と計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の中心の間の距離」ＬＣは、何れも既知の値にすぎない。そうすると、前後の計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離ＬＸは、帰するところ、左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）を有する計測ユニット４（ｎ−１）とこれらの光源の方向を検出する計測ユニット４（ｎ）とで得られる両計測ユニットの光源の方向に関するデータΘＳ_n-1，ΦＳ_n-1，ΘＮ_n，ΦＮ_nと、計測ユニット４（ｎ）で得られる左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）の光の受光位置に関するデータδ_xnＬ，δ_ynＬ，δ_xnＲ，δ_ynＲとに基づいて計測できることとなる。
【００５１】
このように、本発明の第２具体化例の装置を用いれば、計測基点に対する被計測点の相対位置を計測する過程において計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）で得られるデータを、隣接する計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離の計測のためにほとんどそのまま用いることができる。また、こうしたデータに基づいてその距離を演算するときは、それらのデータを中央演算処理装置７の演算部に入力し、前（２０）式に従って演算するようにすればよい。したがって、以上述べた計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離の計測手段によれば、地下坑の距離の計測のために特別の距離計測手段を新設する必要はないので、地下坑２の距離の計測手段を設置するためのコストやスペースを節減することができるとともに、地中掘進機の位置の計測のために特別に設けた計測ユニット４，５，６を地下坑の距離の計測のためにも利用できて、特設機器を多角的に活用することができる。
【００５２】
図１４による説明では、計測ユニット４（ｎ）と計測ユニット４（ｎ−１）との間の距離を、この計測ユニット４（ｎ−１）の左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）を利用して算出する手法を説明したが、逆に、その距離を、計測ユニット４（ｎ）の左右の光源４２Ｌ（ｎ），４２Ｒ（ｎ）を利用して算出することもできる。本具体化例では、特定の計測ユニット４（ｎ−１）に前後同じ方向に拡散光を発することのできる光源４２を２個配置した例を示したが、こうした光源４２を多数配置し、これらの光源４２を二個ずつ組み合わせて前述した手法で前後の計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離ＬＸに関するデータを多数得るようにしてもよく、その場合には、これらの多数のデータを総合することにより、距離ＬＸの計測を一層正確に行うことができる。図１４に示すような手法で距離ＬＸを計測する場合において、基点計測ユニット５と被側点測ユニット６の間に多数の中間計測ユニット４を設置しなければならないときには、距離ＬＸに関する計測誤差が僅少であったとしても、各計測ユニット４，５，６間の多数の計測誤差が積み重ねられて無視できない集積誤差が生じることも考えられる。こうしたことから、図１４のような計測手法を用いて第２具体化例の位置計測装置により被側点測の位置を計測する場合、地中掘進機での掘進がある程度進捗した段階において、冒頭で述べたような従来の各種の位置計測技術で被側点の位置を実測し、第２具体化例の装置による被側点の位置の計測結果をその実測による位置の計測結果と照合してこうした集積誤差を修正するようにすれば、第２具体化例の装置による位置計測を一層確実に行うことができる。以上述べた距離検出手段は、各計測ユニット４，５，６間の距離を自動的に検出できるので、その距離データを利用する場合には、前記（イ）、（ロ）に示した演算手段への距離データの入力手法のうちの何れの手法も採用することができる。
【００５３】
最後に、第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置を用いて前記（ホ）の機能を発揮させるための手法を、図１５乃至図１７を用いて説明する。地中掘進機の掘進過程において、管推進機にあっては埋設管や掘削機１がローリングして中間計測ユニット４や被側点計測ユニット６がローリングし、シールド掘進機にあっては掘削機１がローリングして被側点計測ユニット６がローリングすることがあるため、地中掘進機の位置の計測過程で光源４２の方向に関するデータΘＮ_n，ΦＮ_n，ΘＳ_n，ΦＳ_nに変動が生じて、地中掘進機の位置の計測結果に無視できない影響を及ぼすことがある。ここで説明する技術手段は、地中掘進機の位置の計測結果の信頼性を高めるため、第２具体化例の装置において、計測ユニット４，５，６の左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）を利用することにより、隣接する計測ユニット４，５，６間のローリング量を計測して、こうした影響を排除できるようにしたものである。なお、中間計測ユニット４や被側点計測ユニット６は、通常、埋設管や掘削機１の内周壁の近傍に取り付けるため、埋設管や掘削機１がローリングすると、これらの中心軸線を中心として公転するような位置の移動する。ここでいう中間計測ユニット４や被側点計測ユニット６のローリングはこうした公転するような位置の移動のことである。
【００５４】
図１５は、任意の計測ユニット４（ｎ）がローリングした際に、そのローリング量を、その後方の計測ユニット４（ｎ−１）の左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）を利用して計測する基本原理を説明するためのものである。計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の面には、基準線Ｇ_n上を原点にとり、δｃＸ軸及びδｃＹ軸をいわゆるＸ軸とＹ軸とした２次元位置座標が設定されており、これらの軸により、ＣＣＤ撮像素子４１２の面への光源４２の結像点の基準線Ｇ_nからのずれ量のＸ軸方向の成分δｃｘ及びＹ軸方向の成分δｃｙが把握できるようになっている。図１５には、後方の計測ユニット４（ｎ−１）がその左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）とともにローリング角γ_n-1だけローリングし、これに伴って、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２に結像する光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像がその角度γ_n-1相当分傾動するとともに、計測ユニット４（ｎ）がローリング角γ_nだけローリングし、これに伴ってＸ軸としてのδｃＸ軸がその角度γ_n相当分傾動した状態が図示されている。計測ユニット４（ｎ）に結像する光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像は、こうした状態において、δｃＸ，δｃＹ軸の２次元位置座標に対してγ_n＋γ_n-1の角度だけ相対的に傾動することになる。また、その角度は、光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像の座標上の位置から一義的に定まる。ここで説明する技術手段は、こうした現象を利用して、次に示す算出手法により任意の計測ユニット４（ｎ）のローリング量を算出するようにしたものである。
【００５５】
最初に、計測ユニット４（１）についての算出手法を、図１６を用いて説明する。図１６に示すように、計測ユニット４（１）がローリング角γ₁ だけローリングすると、δｃＸ，δｃＹ軸に相当する線がローリング角γ₁ だけ傾動してδｃＸ´，δｃＹ´の位置に移動するとともに、計測ユニット４（１）のローリングに伴う凸レンズ４１１のローリングに伴って、計測ユニット４（１）に結像する基点計測ユニット５の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像Ｌ，Ｒも、δｃＸ軸に平行な水平線に対して傾動する。いま、その場合の左右の像Ｌ，Ｒが水平線に対して傾く角度をγ₁s 、左右の像Ｌ，Ｒの座標位置（傾動しないδｃＸ，δｃＹ軸座標における位置）をそれぞれ（δ_x1Ｌ，δ_y1Ｌ）、（δ_x1Ｒ，δ_y1Ｒ）とすると、像Ｌ，Ｒ間の距離と像Ｌ，ＲのδｃＸ軸への投影点間の距離との関係から、角度をγ₁s を次式で求めることができる。
【００５６】
【数６】

【００５７】
この計測ユニット４（１）に光を発する後方の計測ユニット４（０）は、基点計測ユニット５であってローリングすることはないため、この（２１）式で算出される角度γ_1sの値は、ローリング角γ₁ と等しいものとみることができ、結局、この角度γ_1sが計測ユニット４（１）のローリング量である。
【００５８】
次に、任意の計測ユニット４（ｎ）とその後方の計測ユニット４（ｎ−１）が共にローリングしたときの計測ユニット４（ｎ）のローリング量の算出手法を、図１７を用いて説明する。後方の計測ユニット４（ｎ−１）がその左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）とともにローリング角度γ_n-1だけローリングすると、これに伴って、図１７に示すように、計測ユニット４（ｎ）に結像する後方の計測ユニット４（ｎ−１）の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像Ｌ，Ｒもその角度γ_n-1相当分傾動する。また、図１７に示すように、計測ユニット４（ｎ）がローリング角γ_nだけローリングすると、δｃＸ，δｃＹ軸に相当する線もその角度γ_n分傾動してδｃＸ´，δｃＹ´の位置に移動するとともに、計測ユニット４（ｎ）のローリングに伴う凸レンズ４１１のローリング（掘削機１や埋設管の中心軸線を中心として公転するような位置の移動）に伴って、計測ユニット４（ｎ）に結像する基点計測ユニット５の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像Ｌ，Ｒも、δｃＸ軸に平行な水平線に対して角度γ_n相当分傾動する。
【００５９】
いま、その場合の左右の像Ｌ，Ｒが水平線に対して傾く角度をγ_ns、左右の像Ｌ，Ｒの座標位置（傾動しないδｃＸ，δｃＹ軸座標における位置）をそれぞれ（δ_xnＬ，δ_ynＬ）、（δ_xnＲ，δ_ynＲ）とすると、前（２１）式と同様に像Ｌ，Ｒ間の距離と像Ｌ，ＲのδｃＸ軸への投影点間の距離との関係から、角度をγ_nsを次式で求めることができる。なお、計測ユニット４（ｎ）がローリングした場合における傾動前のδｃＸ，δｃＹ軸の位置は、計測ユニット４（ｎ）の左右の光源４２についての後方の計測ユニット４（ｎ−１）でのそれらの像に関する座標位置の計測結果から求めることができる。
【００６０】
【数７】

【００６１】
この計測ユニット４（ｎ）に光を発する後方の計測ユニット４（ｎ−１）は、ローリング角度γ_n-1だけローリングするため、この（２２）式で算出される角度γ_nsの値は、計測ユニット４（ｎ）のローリング角γ_nそのものではなく、そのローリング角γ_nは、次式で表される。
【００６２】
γ_n＝γ_ns−γ_n-1……………（２３）
このローリング角γ_nは、前（２３）式中のγ_n-1の値が計測ユニット４（ｎ）よりも後方の各計測ユニット４（ｎ−１）のローリング量を計測する過程で演算により順次求められるので、これらの値を基にして（２３）式から求めることができる。すなわち、前記（２２）式で得られた角度γ_1sの値すなわちローリング角γ₁ の値を（２３）式のγ_n-1に代入して角度γ₂ を算出し、その算出結果を基に再び（２３）式から角度γ₃ を算出するという演算を順送りに行って角度γ_n-1の値を得ることができるので、最後に、これらの値を（２３）式に代入することにより角度γ_nを求めて計測ユニット４（ｎ）の実際のローリング量を求めることができる。こうした計測ユニット４（ｎ）の演算は、中央演算処理装置７の演算部で行われ、計測ユニット４（ｎ）より後方の各計測ユニットに関するローリング角γ₁ ，γ₂ ，γ₃ 等のローリング量に関するデータは、オフセット量として中央演算処理装置７の記憶部に記憶してその演算に用いる。
【００６３】
この例では、各計測ユニット４（ｎ）のローリング量を、こうした手法により精密に計測することができるため、その計測されたローリング量に基づいて地中掘進機の位置の計測過程で得られる光源４２の方向に関するデータを正しく補正することにより、計測ユニット４（ｎ）のローリングの影響を排除して地中掘進機の位置の計測結果の信頼性を高めることができる。この例では、各計測ユニット４（ｎ）のローリング角γ_nを演算により順次算出するようにしているが、シールド掘進機やセミシールド機で掘削した地下坑のように坑内に人が入れる場合には、計測ユニット４（ｎ）よりも後方の計測ユニット４（ｎ−１）について最初のローリングを検出し次第、その計測ユニットをローリング量が０になるように設置し直し、以後、こうした作業を続行するようにしても、前記と同様の効果を発揮することができる。以上述べた計測ユニット４（ｎ）のローリング量の計測手段によれば、そのローリング量の計測のための特別の計測機器を新設する必要はないので、こうした機器を設置するためのコストやスペースを節減することができるとともに、地中掘進機の位置の計測のために特別に設けた計測ユニット４，５，６を計測ユニット４，６のローリング量の計測のためにも利用できて、特設機器を多角的に活用することができる。
【００６４】
本発明の第２具体化例では、計測ユニット４（ｎ）のローリング量の計測手段に以上のような特別の手段を用いているが、こうした手段を設ける代わりに各計測ユニットに通常のローリング計（ローリング方向の傾斜角を検出して電気信号に変換する計器）を内蔵させるようにしてもよい。特に、シールド掘進機で地下坑２を施工する場合、地下坑２のうち、シールドジャッキで推進している最前方の掘削機１の区間だけがローリングし、他のセグメントで覆工した区間はローリングしないので、こうしたローリング計を掘削機１の区間だけに設ければよい。また、機器類を水平に保持してローリングさせないように設置するためのジンバルのような自動整準手段を用いて中間計測ユニット４や被測点計測ユニット６を設置するようにすれば、こうしたローリング量の計測手段は設ける必要がないから、ローリング量の計測手段は、本発明にとって不可欠の要件ではない。
【００６５】
【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。こうした効果に加え、本発明を具体化すると、次のような効果を併せ発揮することができる
本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項４に記載の技術手段を採用すれば、中間計測ユニットに用いられる計測ユニットを基点計測ユニットや被測点計測ユニットに兼用できることにより、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。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項５に記載の技術手段を採用すれば、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。
【００６６】
本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項７に記載の技術手段を採用すれば、地下坑の距離の計測手段を設置するためのコストやスペースを節減することができる。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項８又は請求項９に記載の技術手段を採用すれば、こうした効果を発揮することに加え、シールド掘進機又は管推進機に通常付設されているシールドジャッキのストローク計又は元押しジャッキのストローク計を地下坑の距離の計測に二重に活用していて、その距離の計測のために特別の距離計測手段を新設する必要はない。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項１０に記載の技術手段を採用すれば、対称に対をなすように配置された光源について光源の方向に関する検出結果を平均することにより、地中掘進機の位置を計測するに際して行う演算が簡略化される。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項１１に記載の技術手段を採用すれば、地下坑の距離の計測手段を設置するためのコストやスペースを節減することができるとともに、地中掘進機の位置の計測のために特別に設けた各計測ユニットを地下坑の距離の計測のためにも利用できて、特設機器を多角的に活用することができる。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項１２に記載の技術手段を採用すれば、計測ユニットのローリング量の計測のための特別の計測機器を新設する必要はないので、こうした機器を設置するためのコストやスペースを節減することができるとともに、地中掘進機の位置の計測のために特別に設けた計測ユニットを計測ユニットのローリング量の計測のためにも利用できて、特設機器を多角的に活用することができる。
【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を詳細に示す水平断面図である。
【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作動時のイメージを示す斜視図である。
【図５】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６】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７】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８】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９】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。
【図１０】第１具体化例を管推進機に適用した場合における地下坑の距離に関するデータを中央演算処理装置に入力する手法を説明するための水平断面図である。
【図１１】第１具体化例をシールド掘進機に適用した場合における図１０と同様の図である。
【図１２】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１３】図１２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示す斜視図である。
【図１４】図１２の地中掘進機の位置計測装置で計測ユニット間の距離を算出する手法を説明するための概念図である。
【図１５】計測ユニットの一つがローリングした際にそのローリング量を図１２の地中掘進機の位置計測装置で計測する基本原理を説明するための概念図である。
【図１６】計測ユニットの一つがローリングした際にそのローリング量を図１２の地中掘進機の位置計測装置で算出する手法を説明するための概念図である。
【図１７】隣接する計測ユニットの双方がローリングした際に両者間の相対的なローリング量を図１の地中掘進機の位置計測装置で算出する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
４２（Ｌ）左光源
４２（Ｒ）右光源
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
１２元押しジャッキストローク計
１３シールドジャッキストローク計
Ｌ左光源の像
Ｒ右光源の像
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
ＬＲ；左光源と右光源の離隔距離
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
Θ_G 基準線Ｇ_n-1をＸ_n-1−Ｇ_n平面上へ正投影した線と基準線Ｇ_nとの交角
Φ_G 基準線Ｇ_n-1をＹ_n-1−Ｇ_n平面上へ正投影した線と基準線Ｇ_nとの交角
γ_n ｎ番目の計測ユニットのローリング角
γ_ns 光源の左右の像が水平線に対して傾く角度
δ_xnＬ δＸｎ−δＹｎ面上への左光源の結像点のδＸｎ軸方向の成分
δ_ynＬ δＸｎ−δＹｎ面上への左光源の結像点のδＹｎ軸方向の成分
δ_xnＲ δＸｎ−δＹｎ面上への右光源の結像点のδＸｎ軸方向の成分
δ_ynＲ δＸｎ−δＹｎ面上への右光源の結像点のδＹｎ軸方向の成分[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pipe propulsion machine that excavates underground while excavating an underground mine. 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 for measurement of an excavation position of an underground excavator 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. Is a position measuring device for an underground excavator that is positioned rearward in the excavation direction and is measured by a positional relationship with a measurement base point that is a measurement base point, and a light source that can emit diffuse light forward and a light source in front 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 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. Depending on the position of the received light A measuring point measuring unit having a light receiving means arranged so as to detect the direction of the light source, a measuring point measuring unit for setting a measuring point, a light source capable of emitting diffused light forward and rearward, and a front and rear light source It is arranged so that the light collected by the light collecting means and the light collecting means can be collected respectively, and the direction of each of the front and rear light sources can be detected by the position of each received light. And having 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 and the measurement point measurement unit. And data on the direction of each light source obtained based on the detection result of each measurement unit of the intermediate measurement unit, andData obtained by measurementBased on the data regarding each distance between adjacent measurement units in each measurement unit, the relative position of the measurement point with respect to the measurement base point is calculated by the calculation means and measured. "
[0007]
Since the position measuring device of the underground excavation machine according to the present invention employs such technical means, the intermediate measuring unit collects diffused light from each of the light sources before and after the measuring units adjacent to each other in the front and rear and collects the light by each condensing means. Each collected light is received by the light receiving means, and the relative direction of each of the light sources before and after the intermediate measurement unit can be detected by the position of each received light, and based on the detection result, Data on the direction of the 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 hitting 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. Therefore, if data on each distance between adjacent measurement units in each measurement unit is separately collected by an appropriate method, the data on the measurement base point is calculated from the data on each angle obtained by calculation and the data on each distance. The relative position of the measurement point can be calculated and measured.
[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 18. 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 position measuring device for the underground excavation machine according to the 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 a measurement by the position measuring apparatus for the underground excavator shown in FIG. FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the principle of detecting the direction of the light source by the unit, FIG. 3 is a horizontal sectional view showing in detail an intermediate measuring unit in the position measuring device of the underground excavator in FIG. 1, and FIG. The perspective view which shows the image at the time of the operation | movement of the intermediate | middle measuring unit in the position measuring device of an underground excavation machine of FIG. 5, FIG. 5 shows the state at the time of giving and receiving light with the position measuring apparatus of the underground excavation machine of FIG. FIG. 6 is a conceptual 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 excavation machine in FIG. 1, and FIG. Explains how to calculate the direction of a measurement unit at an arbitrary point using the position measuring device of an underground excavator FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining the basic principle for calculating the excavation position of the underground excavator with the position measuring device of the underground excavator in FIG. 1, and FIG. It is a conceptual diagram for demonstrating the practical method of calculating the excavation position of an underground excavation machine with the position measuring device of an intermediate excavation machine.
[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 the basic structure of both is the same.
[0010]
Therefore, the structure of the intermediate measurement unit 4 will be described with reference to FIG. 3 on behalf of these

measurement units

4, 5, and 6. As shown in detail in FIG. 3, the intermediate measurement unit 4 collects diffused light from the light source 42 such as a light emitting diode that can emit diffused light toward the adjacent measurement unit and the light source 42 of the adjacent measurement unit. A convex lens 411 serving as a condensing means, and a CCD image sensor 412 serving as a light receiving means capable of receiving the light collected by the convex lens 411 and detecting the position of the received light (CCD is Charge-Coupled- (It is an abbreviation for Device). The CCD image sensor 412 as the light receiving means can detect the direction of the light source of the adjacent measurement unit based on the position of the light received with respect to the convex lens 411 as the light collecting means, as will be described in detail later with reference to FIG. Is arranged. The illustrated light source direction detection means 41 is an aggregate of such a convex lens 411 and a CCD image sensor 412. In the intermediate measurement unit 4, the light sources 42 are respectively arranged on the left and right of FIG. 3 so that the diffused light can be emitted forward and backward based on 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 intermediate measurement unit 4 includes a transparent plate 413 made of transparent glass and a controller unit 43 as incidental structures in addition to the convex lens 411, the CCD image pickup device 412 and the light source 42 described above. The transparent plate 113 is attached so as to cover the light sampling holes provided before and after the case of the intermediate measurement unit 4, maintains the airtightness of the case, and protects the convex lens 411 and the like in the case. The controller unit 43 is built in the case of the intermediate measurement unit 4 and is connected to the CCD image sensor 412 and each light source 42 and to the cable 45. 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. As will be described in detail later, the data processing unit of the controller unit 43 converts the light position data detected by the CCD image sensor 412 into data of each light source 42 and corrects the converted data. The calculation for this is also performed. 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.
[0013]
The structure of the intermediate measurement unit 4 has been described above. 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 the convex lens 411. And a CCD image pickup device 412 capable of receiving the light collected by the above-mentioned. 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 CCD image pickup device 412 capable of supporting the above. 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.
[0014]
The principle of detecting the direction of the light source 42 by the light source direction detecting means 41 of these measuring

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. 2, when the convex lens 411 and the CCD image sensor 412 are arranged in parallel with each other at an interval of Lc and diffused 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.
[0015]
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. The technical contents will be specifically described when explaining the calculation method of the position of the underground excavator.
[0016]
An overall image when the intermediate measurement unit 4 is installed and actually operated is illustrated in FIG. In addition, the arrow shown in a figure represents the incident direction and radiation | emission direction of the light source 42. FIG. The overall images of the base point measurement unit 5 and the measured point measurement unit 6 are also similar to the front half and the rear half shown in FIG. When these

measurement units

4, 5, and 6 are used for position measurement of underground excavation machines, the base point measurement unit 5 is usually installed on the start shaft 3 in both cases of shield work and pipe propulsion work. 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.
[0017]
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 the 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.
[0018]
In shield construction, a shield excavator is pushed forward with a shield jack, and a segment is assembled in the underground pit 2 formed by the excavation. The work is repeated 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 measurement unit 4 is added to an appropriate position between these

measurement units

4 and 6. Install and 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 also in the planned curve construction area.
[0019]
FIG. 5 is a diagram schematically showing the state when the light is exchanged with each other in the underground mine 2 so that an appropriate number of intermediate measurement units 4 can be seen. In this figure, 4 (n) represents the nth intermediate measurement unit when viewed from the base point measurement unit 5 side, 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.
[0020]
When calculating the position of the underground excavation machine based on the data obtained by measurement in such a state, as shown in FIGS. 6 and 7, 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_nIs 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.
[0021]
Therefore, a method for calculating the position of the underground excavation machine based on the data obtained by the

respective 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.
V₀ A starting direction line indicating the starting direction when the underground excavator starts,
V_nA 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_nThe reference line of the nth measurement unit of the reference line G,
Θ_n; Line of sight V_nIs the departure direction line V₀ Component of the angle formed with respect to the XZ plane (line of sight V_nAnd departure direction line V₀ 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_nIs the departure direction line V₀ Of the angle formed with respect to the YZ plane (line of sight V_nAnd departure direction line V₀ Angle formed by a line that is orthogonally projected onto 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_nIs the reference line G_nComponent on the XZ plane (line of sight V_nAnd reference line G_nAngle formed by a line orthographically projected onto the XZ plane)
ΦN_n; Line of sight V behind the nth surveying unit_nIs the reference line G_nComponent on the YZ plane (line of sight V_nAnd reference line G_nAngle 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}(For the (n + 1) th surveying unit, the line of sight behind is the reference line G)_nComponent on the XZ plane (line of sight V_{n + 1}And reference line G_nAngle formed by a line orthogonally projected onto the XZ plane),
ΦS_n; Line of sight V ahead of the nth survey unit_{n + 1}(For the (n + 1) th surveying unit, the line of sight behind is the reference line G)_nComponent on the YZ plane (line of sight V_{n + 1}And reference line G_nAngle formed by a line that is orthographically projected onto the YZ plane),
L_nThe 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 in a unified manner. 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. G₀Means the reference line G of the base point measurement unit 4 (0), and in this embodiment, the start direction line V₀ It is set to match the direction of. Angle Θ_n, Φ_n, ΘN_n, ΦN_n, ΘS_n, ΦS_nIn FIG. 6 and FIG. 7, the reference line G is given a polarity._nLine of sight V based on_nThe 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, Φ₁Is the line of sight V_nThe arcuate tip arrow indicating the inclination direction of the head is a positive angle when facing the counterclockwise direction, and the angle ΘN₁, ΦN₁, ΘS₁, ΦS₁Is the line of sight V_nThe arcuate tip arrow indicating the inclination direction of the heading is directed in the clockwise direction and is a negative angle.
[0022]
As you can see, the line of sight V_nIs the reference line G_nAngle ΘN_n, ΦN_n, ΘS_n, ΦS_nCan 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_nIs the departure direction line V₀ Angle to Θ_n, Φ_nIt is. The angle Θ using FIG. 6 and FIG._n, Φ_nFirst, the angle Θ will be described.₁, Φ₁Is the reference line G of the base point measurement unit 4 (0)₀Start direction line V₀ In other words, to match the direction of₁= ΘS₀, Φ₁= ΦS₀Therefore, it is obtained directly from the measurement result of the base point measurement unit 4 (0). Then the angle Θ₂, Φ₂For each, the angle Θ thus obtained is₁, Φ₁And ΘN obtained by measuring unit 4 (1)₁・ ΘS₁, ΦN₁・ ΦS₁Can be obtained by the following equations.
Θ₂= Θ₁-ΘN₁+ ΘS₁…………… (3)
Φ₂= Φ₁-ΦN₁+ ΦS₁…………… (4)
Similarly, angle Θ_{n + 1}, Φ_{n + 1}For the angle Θ_n, Φ_nIs obtained, this angle Θ_n, Φ_nAnd ΘN obtained by measuring unit 4 (n)_n・ ΘS_n, ΦN_n・ ΦS_nCan 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_nIs the angle Θ_n-1, Φ_n-1Is 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, Φ₂The value of Θ in Equation (5) and (6)_n, Φ_nSubstituting into Θ_Three, Φ_ThreeBased on the calculation result, again, from the equations (5) and (6), Θ_Four, Φ_FourTo calculate the angle Θ_n-1, Φ_n-1Finally, by substituting these values into the equations (5) and (6), the angle Θ can be obtained._n, Φ_nCan be requested. Such an angle Θ_n, Φ_nIn 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 this embodiment, 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 is used._n, ΦN_n, ΘS_n, ΦS_nIs obtained by the calculation means of the controller unit 43, and the angle Θ_n, Φ_nIs calculated by the calculation unit of the central processing unit 7 in accordance with 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.
[0023]
As is clear from the above description, the line of sight V of the measuring unit 4 (n), which is the basis for calculating the position of the underground excavator_nStarting direction line V₀ The angle to_n, Φ_nIs the line of sight V_nThe starting direction line V₀ The reference line G of the measurement unit 4 (n) is not detected directly because of_nLine of sight V_nIs detected for each measuring unit 4 (n) at an angle ΘN_n, ΦN_n, ΘS_n, ΦS_nCan be obtained indirectly by sequentially measuring and calculating by the method like the previous formula using the measurement result. Therefore, according to this embodiment, the reference line G of the measuring unit 4 (n)_nEven if the angle changes depending on the posture at the time of installation, or changes due to yawing or pitching when excavating the underground excavator, the angle ΘN_n, ΦN_n, ΘS_n, ΦS_nEven if measured appropriately, the excavation direction of the underground excavator can be calculated correctly with such changes incorporated, and the changes do not affect the calculation results.
[0024]
Thus, for example, the angle Θ₁~ Θ_nValues and Φ₁~ Φ_nAfter sequentially measuring the values, the distance L between the reference points of each measurement unit 4 (n) and the adjacent rear measurement unit 4 (n-1).₁~ L_nAre sequentially measured by an appropriate method as described in detail later, and based on the measurement results of these angles and distances, the position of the underground excavation machine on the set three-dimensional position coordinates, that is, the measurement base point. Calculate the relative position of the measurement point. Thus, the basic principle of the calculation method will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows an angle Θ to facilitate understanding of the calculation method._n, Φ_nThe 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, (X₁, Y₁, Z₁), (X₂, Y₂, Z₂) …… (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 line₀ And the origin thereof is made to coincide with the measurement base point of the base point measurement unit 5 [4 (0)].
[0025]
As is apparent from FIG. 8, 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) is the angle Θ.₁~ Θ_nAnd Φ₁~ Φ_nValue and each distance L₁~ L_nValue (Each line of sight V₁~ V_nCan 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_nAnd L_n・ SinΦ_nThe component in the Z-axis direction is Ln · cos Θ_nOr L_n・ CosΦ_nCan be obtained as In this example, the angle Θ is as described above for the curve construction._n, Φ_nSince only one of the two is changed, the angle Θ_nIs 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_nThe component in the Y-axis direction does not change as the amount of_nIs changed, only the component in the Y-axis direction is L_n・ SinΦ_nThe component in the X-axis direction does not change as the amount changes.
[0026]
Thus, the X-axis or Y-axis direction component and the Z-axis direction component of 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 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._nChanges 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_nEven if the tilt direction of the angle changes randomly clockwise or counterclockwise, the angle Θ_n, Φ_nIf 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.
[0027]
In Fig. 8, the angle Θ_n, Φ_nAn example of changing only one of the_n, Φ_nA 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. In FIG. 9, the position of the reference point of each measurement unit 4 (n) when the excavation direction of the underground excavator is three-dimensionally changed as described above is a normal three-dimensional position composed of X, Y, and Z axes. (X₁, Y₁, Z₁), (X₂, Y₂, Z₂Only 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 V₀ And the origin thereof is made to coincide with the measurement base point of the base point measurement unit 5 [4 (0)]. In FIG. 9, as in FIGS. 6 and 7, the angle Θ_n, Φ_nIs given a polarity, angle Θ_nWith 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_nWith 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, Θ₂Is a positive angle with the arc-shaped tip arrows representing the angles all pointing in the clockwise direction. In contrast, the angle Φ₁Is a positive angle when the tip arrow of the arc representing the angle points counterclockwise, and the angle Φ₂Is a minus angle with the arrowhead of the arc representing the angle pointing in the clockwise direction.
[0028]
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 above₁~ Θ_nAnd Φ₁~ Φ_nAnd the distance L obtained by measuring with an appropriate method₁~ L_nAre calculated three-dimensionally by the same method as outlined in FIG. First, the coordinate position (X₁, Y₁, Z₁), The angle Θ obtained directly from the measurement result in the base point measurement unit 4 (0)₁, Φ₁Value and distance L₁Can be obtained by the following equations.
X₁= L₁cosΦ₁sinΘ₁…………… (7)
Y₁= L₁cosΘ₁sinΦ₁…………… (8)
Z₁= L₁cosΘ₁cosΦ₁…………… (9)
Next, the coordinate position (X₂, Y₂, Z₂) For X obtained by the previous equations (7), (8), (9)₁, Y₁, Z₁And the angle Θ obtained by the equations (3) and (4)₂, Φ₂And the distance L obtained by measuring with an appropriate method₂Can be obtained by the following equations.
X₂= X₁+ L₂cosΦ₂sinΘ₂…………… (10)
Y₂= Y₁+ L₂cosΘ₂sinΦ₂…………… (11)
Z₂= Z₁+ L₂cosΘ₂cosΦ₂…………… (12)
Similarly, the coordinate position (X_n, Y_n, Z_n), X obtained by performing the same calculation as in the previous (10), (11), (12)_n-1, Y_n-1, Z_n-1And the angle Θ obtained by calculating with the above formulas (5) and (6)_n, Φ_nValue and distance L_nCan be obtained by the following equations (13) ′, (14) ′, and (15) ′.
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) '
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_ncosΦ_nsinΘ_n…………… (13)
Y_n= ΣL_ncosΘ_nsinΦ_n…………… (14)
Z_n= ΣL_ncosΘ_ncosΦ_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_ncosΦ_nsinΘ_nIs ΣL₁cosΦ₁sinΘ₁~ ΣL_ncosΦ_nsinΘ_nIt 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.
[0029]
As described above, the relative position of the measurement point with respect to the measurement base point is based on 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 data on each distance between the adjacent measurement units. In this case, it is necessary to collect data related to each distance between adjacent measurement units and input the data to the calculation unit of the central processing unit 7. Therefore, an example of a method for inputting such data relating to the distance to the calculation unit of the central processing unit 7 will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 is a horizontal sectional view for explaining a method of inputting data relating to underground mine distances to the central processing unit when the first embodiment is applied to a pipe propulsion device, and FIG. 11 is a first embodiment. It is a figure similar to FIG. 10 at the time of applying an example to a shield machine.
[0030]
Data on each distance between measurement units may be basically collected by an appropriate means such as measuring with an existing distance meter and input to the central processing unit 7. There are the following methods.
(A) A distance detecting means capable of automatically detecting each distance between the measuring

units

4, 5, 6 is provided, and the data related to each distance obtained from the detection result by the distance measuring means is calculated by the central processing unit 7. Automatically enter the part.
(B) A distance detecting means capable of automatically detecting the changing distance of a predetermined section of the underground mine 2 is provided, and for the section where the distance changes, the data on the distance obtained from the detection result by the distance measuring means is Continuously input to the arithmetic unit of the arithmetic processing unit 7 and, for the other sections, data related to the determined distance such as actually measured values obtained by actual measurement and plan values obtained from the plan line are discontinuously input. To do.
[0031]
10 and 11 are diagrams for explaining the method (b) among these methods. When constructing the underground mine 2 with a pipe propulsion machine, the distance of the underground mine 2 changes from moment to moment only in the section of the last buried pipe that is directly propelled by the main jack, and the buried pipe is underground Other sections that are completely buried in the area are fixed in distance and do not change constantly. Therefore, in the case of pipe propulsion work, as shown in FIG. 10, the distance is automatically detected by the stroke gauge 12 of the push jack only for the last section where the buried pipe is being laid. Data relating to the distance is input to the central processing unit 7, and data relating to the determined distance is input for other sections in which the buried pipe is completely buried in the ground. In that case, since the distance constantly changes during the progress of the buried pipe in the last predetermined section where the buried pipe is being buried, data relating to the changing distance is continuously automatically input. On the other hand, in the other section where the buried pipe has been buried, the distance does not change until the new buried pipe is resumed after the last buried pipe has been buried. Manually input data intermittently, such as correcting and re-entering data about the distance determined when pipe embedment is resumed. In this case, as a matter of course, the data regarding the determined distance is input separately for each of the adjacent measurement units so that each distance between them can be understood. In the case of pipe propulsion work, distance data that can be calculated based on the number of buried pipes in addition to actual measurement values and plan values can be used as data relating to the determined distance.
[0032]
When constructing the underground mine 2 with a shield machine, the foreground of the underground mine 2 where the excavator 1 is propelled by the shield jack varies from moment to moment, but it is covered by other segments. The section that has been crafted has a fixed distance and does not constantly change. Therefore, in the case of shield construction, as shown in FIG. 11, the distance is automatically detected by the stroke gauge 13 of the shield jack only for the foremost predetermined section being excavated by the excavator 1. Data relating to the distance is input to the central processing unit 7, and data relating to the determined distance is input for the section covered with the segment. In that case, since the distance constantly changes during the excavation in the foremost predetermined section being excavated by the excavator 1, data regarding the changing distance is continuously automatically input. On the other hand, since the distance of the section lined with a segment does not change until a new segment is assembled by digging as much as one ring of the segment, the data on the distance determined when the new segment is assembled is corrected. Input manually intermittently, for example. In this case as well, as in the case of construction with a pipe propulsion device, data regarding the determined distance is input separately for each adjacent measurement unit. In the case of shield construction, distance data that can be calculated based on the type and number of segments already assembled in addition to the actual measurement value and the planned value can be used as data regarding the determined distance. According to the method for inputting the distance data of the underground mine 2 to the central processing unit 7 described above, the stroke gauge 12 of the main jack or the stroke of the shield jack which are usually attached to the pipe propulsion device and the shield jack are all used. Since the total 13 is used for measuring the distance of the underground mine, and it is not necessary to newly install a special distance measuring means for measuring the distance, in order to install the measuring means for the distance of the underground mine 2 Cost and space can be saved.
[0033]
In the position measuring device of the underground excavation machine according to the first embodiment of the present invention described above, the

measurement units

4, 5, and 6, in particular, the light source 42 that can emit diffused light to the adjacent measurement units, and the adjacent The convex lens 411 that can collect the diffused light from the light source 42 of the measuring unit to be received, and the light collected by the convex lens 411 can be received, and the direction of the light source of the adjacent measuring unit can be detected by the position of the received light The CCD image pickup device 412 arranged in FIG. 4 is configured so that the light from the light source 42 can always be reliably applied to the CCD image pickup device 412 as the light receiving means. As a result, the excavation position of the underground excavator can be determined. It is not necessary to perform an operation for applying light to the light receiving means during measurement, and a complicated operation mechanism is not required. In addition, even if the mounting posture of the measuring unit 4 is not uniform or changes due to yawing or pitching when the underground excavator is excavated, the excavation position of the underground excavator is not affected by this. Can always be calculated and measured correctly.
[0034]
Next, a position measuring device for an underground excavation machine according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 12 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. 13 is an intermediate view in the position measuring device for the underground excavator shown in FIG. FIG. 14 is a perspective view showing a measurement unit, FIG. 14 is a conceptual diagram for explaining a method for calculating a distance between measurement units by the position measuring device of the underground excavator in FIG. 12, and FIG. FIG. 16 is a conceptual diagram for explaining the basic principle of measuring the amount of rolling with the position measuring device of the underground excavator in FIG. 12, and FIG. 16 shows the amount of rolling when one of the measuring units rolls. FIG. 17 is a conceptual diagram for explaining a method of calculating with the position measuring device of the underground excavator of FIG. 1, and FIG. 17 shows the relative rolling amount between the two when the adjacent measuring units roll. With the position measuring device of the excavator It is a conceptual diagram for explaining a method for leaving. In FIG. 12 to FIG. 16, the parts denoted by the same reference numerals as those used in the description of the device of the first embodiment represent the same parts as those drawings.
[0035]
In the position measuring device of the underground excavation machine according to the first embodiment of the present invention described above, diffused light is emitted in the same direction in the front and rear directions to any of the intermediate measurement unit 4, the base point measurement unit 5, and the measured point measurement unit 6. When a plurality of light sources 42 that can be arranged are arranged, in addition to the functions of the apparatus of the first embodiment, the following functions can be exhibited by utilizing the plurality of light sources in various ways.
(C) When calculating the position of the underground excavation machine with the apparatus of the first embodiment, as described above, the center positions of the lens 411 and the light source 42 of the measurement unit are used as one reference point of the measurement unit. The respective center positions are corrected in the XY plane direction and the Z-axis direction so that they are aligned, and accordingly, the angle Θ and the angle Φ formed by the optical axis and the reference line G are corrected. When the plurality of light sources 42 of the unit are arranged so as to form a pair symmetrically across the reference line G, and at least one set of light sources 42 having such an arrangement is provided, each of the lens 411 and the light source 42 of the measurement unit is provided. The center position is aligned with one reference point of the measurement unit in the XY plane direction, and correction for aligning the center positions of the lens 411 and the light source 42 with one reference point is performed only in the Z-axis direction. It would be better Simplified.
(D) By using the appropriate two light sources 42 of the plurality of light sources 42 of the measurement unit, the distance between the measurement unit and the measurement unit that receives the diffused light of the two light sources 42 is determined. It can be measured.
(E) The amount of rolling between the measurement unit and the measurement unit that receives the diffused light of the two light sources 42 by using the appropriate two light sources 42 of the plurality of light sources 42 of the measurement unit. Can be measured.
[0036]
As shown in FIGS. 12 and 13, the position measuring device for the underground excavation machine of the second embodiment is the same as before and after in order to be able to exhibit these functions (c), (d), and (e). A pair of light sources 42 consisting of a left light source 42 (L) and a right light source 42 (R) capable of emitting diffused light in the direction, one set at the front side and one at the rear side in the intermediate measurement unit 4, the base point measurement unit 5 Is provided with one set on the front side and one set on the measured point measuring unit 6 on the rear side. In that case, in order to exhibit the function (c), each of the pair of light sources 42 capable of emitting diffused light in the same direction in the front and rear direction is arranged in a symmetrical position, particularly with the reference line G in between. ing. Thus, when a pair of light sources 42 is arranged on the same side of one measurement unit, each light of the pair of light sources 42 enters one light source direction detection means 41 of an adjacent measurement unit as shown in FIG. Each direction is detected by the direction detection means 41. Since the pair of light sources 42 are arranged in particular symmetrical positions with the reference line G in between, if the detection values relating to the directions of the light sources 42 are averaged, the average is obtained. The value is a value that approximates a detection value when one light source 42 provided on the same XY plane as the center position of the lens 411 enters the adjacent measurement unit. As a result, the correction performed in accordance with aligning the center positions of the lens 411 and the light source 42 with one reference point only needs to be performed in the Z-axis direction. In return, the position of the underground excavator is measured. The calculation performed at this time is simplified. In this embodiment, only one pair of light sources 42 arranged at symmetrical positions is provided on the same side of each

measurement unit

4, 5, 6. However, a plurality of such light sources 42 are provided and these light sources 42 are provided. If the detection values of the light source direction detection means 41 relating to 42 are averaged, the accuracy of the correction can be further improved.
[0037]
A technique for demonstrating the function (d) using the position measuring device for the underground excavation machine according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 14 shows the distance between an arbitrary measurement unit 4 (n) and the measurement unit 4 (n-1) adjacent to the rear of the measurement unit 4 (n), and the right and left light sources 42 (L) of the measurement unit 4 (n-1). , 42 (R) is used to explain the calculation method. In calculating the distance, the center of the CCD image sensor 412 of the measurement unit 4 (n) is set as the origin, and the reference line G of the measurement unit 4 (n) is calculated._nIs the so-called Z-axis and the three-dimensional position coordinates with the δXn-axis and δYn-axis orthogonal to the so-called X-axis and Y-axis, and the reference line G of the measuring unit 4 (n)_nIs the so-called Z axis and is orthogonal to this_n-1 _´Axis and Y_n-1 _´The axes are so-called X and Y axes, and X_n-1 _´-Y_n-1 _´Three-dimensional position coordinates set so that the surface passes through the midpoint of the left and right light sources 42 (L) and 42 (R) of the measurement unit 4 (n−1) are used. Note that the δXn−δYn plane in the former three-dimensional position coordinates is the same plane as the plane of the CCD image sensor 412 of the measurement unit 4 (n). In describing the calculation method of the distance between the measurement unit 4 (n) and the measurement unit 4 (n-1), the meanings of symbols used in the drawings and the following mathematical expressions will be described.
[0038]
42L (n-1); left light source of measurement unit 4 (n-1),
42R (n-1); right light source of measurement unit 4 (n-1),
42C (n-1); midpoint between the left light source 42L (n-1) and the right light source 42R (n-1),
42L (n-1) '; the left light source 42L (n-1) is X_n-1 _´-Y_n-1 _´Point projected on the surface,
42R (n-1) '; the right light source 42R (n-1) is X_n-1 _´-Y_n-1 _´Point projected on the surface,
δ_xnL; a component in the δXn axis direction of the imaging point of the left light source 42L (n−1) on the δXn−δYn plane,
δ_ynL; a component in the δYn axis direction of the imaging point of the left light source 42L (n−1) on the δXn−δYn plane,
δ_xnR; a component in the δXn axis direction of the image point of the right light source 42R (n−1) on the δXn−δYn plane,
δ_ynR; a component in the δYn axis direction of the image point of the right light source 42R (n−1) on the δXn−δYn plane,
Θ_G; Reference line G of measuring unit 4 (n-1)_n-1X_n-1-G_nThe line orthographically projected onto the plane and the reference line G of the measuring unit 4 (n)_nIntersection with
Φ_G; Reference line G of measuring unit 4 (n-1)_n-1Y_n-1-G_nThe line orthographically projected onto the plane and the reference line G of the measuring unit 4 (n)_nIntersection with
LR: a separation distance between the left light source 42L (n-1) and the right light source 42R (n-1),
LR ′; a line connecting the left light source 42L (n−1) and the right light source 42R (n−1) to X_n-1 _´ -Y_n-1 _´The length of the line segment orthographically projected onto the surface,
LC: The length of the perpendicular line from the center of the lens 411 (n) of the measurement unit 4 (n) to the δXn axis, in other words, the center of the lens 411 (n) and the CCD image sensor 412 of the measurement unit 4 (n). The distance between the centers,
LD: The midpoint of the imaging point of the left light source 42L (n-1) and the imaging point of the right light source 42R (n-1) on the [delta] Xn- [delta] Yn plane, and the lens 411 ( n) the distance between the centers of
Now, the distance between the measurement unit 4 (n) and the measurement unit 4 (n-1) to be calculated by the apparatus of the second embodiment is expressed as the midpoint 42C (n-1) and the lens 411 (n). A method for calculating the distance LX will be described, assuming that the distance is LX.
[0039]
First, the main points of the calculation method of the distance LX will be described. The basic method of calculating the distance LX is that the ratio of the distance LX to the distance LR ′ is “the left light source 42L (n−1) on the δXn−δYn plane. Imaging point (δ_xnL, δ_ynL) and the imaging point (δ of the right light source 42R (n−1)._xnR, δ_ynThe distance LX is calculated by utilizing the fact that the distance LX is equal to the ratio of the distance LD to the “distance between R)”, and this is represented by the following expression (17).
The calculation method of the distance LX will be specifically described. The distance LR between the left light source 42L (n-1) and the right light source 42R (n-1) and the left and right light sources 42L (n-1) and 42R (n-1). )_n-1 _´-Y_n-1 _´The relationship with the length LR ′ of the line segment projected on the surface can be expressed by the following equation.
[0040]
[Expression 1]

[0041]
On the other hand, the δXn−δYn plane and X_n-1 _´-Y_n-1 _´All surfaces are reference lines G_nSince the plane is orthogonal to the plane and is parallel, the following equation is established.
[0042]
[Expression 2]

[0043]
In this equation (17), (δ_xnR-δ_xnL)² + (Δ_ynR-δ_ynL)² Of the left light source 42L (n−1) on the δXn−δYn plane (δ_xnL, δ_ynL) and the imaging point (δ of the right light source 42R (n−1)._xnR, δ_ynR) ”.
[0044]
The distance LD in the previous equation is a distance between the imaging points of the left and right light sources 42L (n−1) and 42R (n−1) that can be calculated from the distance LC that is a known value and the detection result of the light source direction detecting means 41. Midpoint coordinates ((δ_xnL + δ_xnR) / 2, (δ_ynL + δ_ynR) / 2) and the Pythagorean theorem can be used to express the following equation.
[0045]
[Equation 3]

[0046]
When the LD in the previous equation (17) is deleted using the previous equation (18) and the equation is modified, the distance LX between the measurement units 4 (n) and 4 (n−1) before and after calculation is calculated. It can be expressed by the following formula.
[0047]
[Expression 4]

[0048]
When the equation (16) is substituted into the equation (19) and LR ′ is deleted, the distance LX can be expressed by the following equation.
[0049]
[Equation 5]

[0050]
In this equation (20), the reference line G_nAnd reference line G_n-1Intersection angle (Θ_G, Φ_G) Is an angle ΘS obtained based on the detection result of the measurement unit 4 (n−1)._n-1, ΦS_n-1And the angle ΘN obtained based on the detection result of the measurement unit 4 (n)_n, ΦN_nIt can be easily obtained from the difference between Further, δ representing the positions of the lights of the left and right light sources 42L (n−1) and 42R (n−1) received by the CCD image sensor 412 of the measurement unit 4 (n)._xnL, δ_ynL, δ_xnR, δ_ynThe value of R is a value obtained from the detection result of the measurement unit 4 (n). Then, “the distance between the left light source 42L (n−1) and the right light source 42R (n−1)” LR and “the center of the lens 411 (n) and the CCD of the measurement unit 4 (n)” in the previous equation (20). The distance “LC between the centers of the imaging elements 412” LC is only a known value. Then, the distance LX between the front and rear measuring units 4 (n) and 4 (n-1) is, as a result, the measuring unit 4 (n having the left and right light sources 42L (n-1) and 42R (n-1). -1) and the measurement unit 4 (n) for detecting the direction of these light sources, data ΘS relating to the direction of the light sources of both measurement units._n-1, ΦS_n-1, ΘN_n, ΦN_nAnd data δ relating to the light receiving positions of the left and right light sources 42L (n−1) and 42R (n−1) obtained by the measurement unit 4 (n)._xnL, δ_ynL, δ_xnR, δ_ynIt can be measured based on R.
[0051]
As described above, when the apparatus of the second embodiment of the present invention is used, the data obtained by the measurement units 4 (n) and 4 (n−1) in the process of measuring the relative position of the measurement point with respect to the measurement base point is obtained. It can be used almost as it is for measuring the distance between the adjacent measuring units 4 (n) and 4 (n-1). In addition, when calculating the distance based on such data, the data may be input to the calculation unit of the central processing unit 7 and calculated according to the previous equation (20). Therefore, according to the distance measuring means between the measuring units 4 (n) and 4 (n-1) described above, it is not necessary to newly install a special distance measuring means for measuring the distance of the underground mine. The cost and space for installing the measuring means for the distance of the underground mine 2 can be saved, and the

measurement units

4, 5, and 6 specially provided for measuring the position of the underground excavator are installed in the underground mine. It can also be used for distance measurement, and special equipment can be used in many ways.
[0052]
In the description with reference to FIG. 14, the distance between the measurement unit 4 (n) and the measurement unit 4 (n-1) is expressed as the left and right light sources 42L (n-1) and 42R ( Although the method of calculating using n-1) has been described, conversely, the distance may be calculated using the left and right light sources 42L (n) and 42R (n) of the measuring unit 4 (n). it can. In this embodiment, an example in which two light sources 42 capable of emitting diffused light in the same direction before and after are arranged in a specific measurement unit 4 (n-1) has been shown. A plurality of light sources 42 may be combined to obtain a lot of data on the distance LX between the front and rear measurement units 4 (n) and 4 (n-1) by the above-described method. By integrating a large number of data, the distance LX can be measured more accurately. In the case of measuring the distance LX by the method as shown in FIG. 14, when a large number of intermediate measurement units 4 must be installed between the base point measurement unit 5 and the side point measurement unit 6, a measurement error related to the distance LX may occur. Even if it is very small, it is conceivable that a large number of measurement errors between the

measurement units

4, 5, and 6 are stacked, resulting in an integration error that cannot be ignored. For this reason, when the position measurement by the position measuring device of the second embodiment is measured using the measurement technique as shown in FIG. 14, the beginning of the excavation with the underground excavator is advanced to some extent. The position of the point to be measured is actually measured using various conventional position measurement techniques as described above, and the measurement result of the position of the point by the device of the second embodiment is collated with the measurement result of the position by the actual measurement. If such an integration error is corrected, position measurement by the apparatus of the second embodiment can be performed more reliably. The distance detection means described above can automatically detect the distance between the

measurement units

4, 5, and 6. Therefore, when using the distance data, the calculation means shown in (a) and (b) above. Any of the methods for inputting distance data to the can be employed.
[0053]
Finally, a method for exerting the function (e) using the position measuring device for the underground excavation machine according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. In the excavation process of the underground excavator, the buried pipe and the excavator 1 roll in the pipe propulsion unit and the intermediate measurement unit 4 and the side point measurement unit 6 roll, and the excavator in the shield excavator 1 may roll and the pointed point measurement unit 6 may roll, so that data ΘN regarding the direction of the light source 42 in the process of measuring the position of the underground excavator_n, ΦN_n, ΘS_n, ΦS_nFluctuations may cause a non-negligible effect on the measurement results of underground excavator positions. The technical means described here increases the reliability of the measurement result of the position of the underground excavator, so that the right and left light sources 42 (L), 42 of the

measurement units

4, 5, 6 are used in the apparatus of the second embodiment. By using (R), the amount of rolling between the

adjacent measuring units

4, 5, and 6 is measured so that such influence can be eliminated. Since the intermediate measuring unit 4 and the side point measuring unit 6 are usually attached in the vicinity of the buried pipe or the inner peripheral wall of the excavator 1, when the buried pipe or the excavator 1 rolls, the center axis revolves around these central axes. Move the position where you want to. The rolling of the intermediate measuring unit 4 and the side point measuring unit 6 here is a movement of such a revolving position.
[0054]
FIG. 15 shows that when an arbitrary measurement unit 4 (n) rolls, the amount of rolling is determined by using the left and right light sources 42 (L) and 42 (R) of the measurement unit 4 (n-1) behind it. This is to explain the basic principle of measurement. On the surface of the CCD image sensor 412 of the measurement unit 4 (n), the reference line G_nTwo-dimensional position coordinates are set with the origin as the origin and the δcX axis and δcY axis as the so-called X axis and Y axis. Line G_nThe component δcx in the X-axis direction and the component δcy in the Y-axis direction of the amount of deviation from can be grasped. In FIG. 15, the rear measurement unit 4 (n-1) has its rolling angle γ together with its left and right light sources 42 (L) and 42 (R)._n-1As a result, the images of the light sources 42 (L) and 42 (R) formed on the CCD image sensor 412 of the measurement unit 4 (n) are rotated at an angle γ._n-1The measuring unit 4 (n) tilts by a considerable amount and the rolling angle γ_nThe δcX axis as the X axis is the angle γ._nA state of being tilted considerably is shown. In such a state, the images of the light sources 42 (L) and 42 (R) imaged on the measurement unit 4 (n) are γ with respect to the two-dimensional position coordinates of the δcX and δcY axes._n+ Γ_n-1It will be tilted relative to the angle. The angle is uniquely determined from the position on the coordinates of the images of the light sources 42 (L) and 42 (R). The technical means described here uses such a phenomenon to calculate the rolling amount of an arbitrary measurement unit 4 (n) by the following calculation method.
[0055]
Initially, the calculation method about the measurement unit 4 (1) is demonstrated using FIG. As shown in FIG. 16, the measurement unit 4 (1) has a rolling angle γ₁ When rolling only, the lines corresponding to the δcX and δcY axes become the rolling angle γ₁ And the light source of the base point measurement unit 5 that forms an image on the measurement unit 4 (1) along with the rolling of the convex lens 411 accompanying the rolling of the measurement unit 4 (1). The images L and R of 42 (L) and 42 (R) are also tilted with respect to a horizontal line parallel to the δcX axis. In this case, the angle at which the left and right images L and R are inclined with respect to the horizontal line₁s, the coordinate positions of the left and right images L and R (the positions in the δcX and δcY-axis coordinates that do not tilt) (δ_x1L, δ_y1L), (δ_x1R, δ_y1R), from the relationship between the distance between the images L and R and the distance between the projection points of the images L and R on the δcX axis, the angle is γ.₁s can be obtained by the following equation.
[0056]
[Formula 6]

[0057]
The rear measurement unit 4 (0) that emits light to the measurement unit 4 (1) is the base point measurement unit 5 and does not roll, so the angle γ calculated by the equation (21)_1sIs the rolling angle γ₁ And, after all, this angle γ_1sIs the rolling amount of the measuring unit 4 (1).
[0058]
Next, a method for calculating the rolling amount of the measurement unit 4 (n) when the arbitrary measurement unit 4 (n) and the measurement unit 4 (n-1) behind the arbitrary measurement unit 4 (n) roll together will be described with reference to FIG. . The rear measuring unit 4 (n-1) has a rolling angle γ together with its left and right light sources 42 (L) and 42 (R)._n-1When only rolling is performed, as shown in FIG. 17, the images L of the light sources 42 (L) and 42 (R) of the rear measurement unit 4 (n−1) imaged on the measurement unit 4 (n) are formed. , R is also the angle γ_n-1Tilt considerably. Further, as shown in FIG. 17, the measurement unit 4 (n) has a rolling angle γ_nWhen rolling only, the line corresponding to the δcX and δcY axes also has an angle γ_nTilt and move to the position of δcX ′, δcY ′, and the rolling of the convex lens 411 accompanying the rolling of the measurement unit 4 (n) ), The images L and R of the light sources 42 (L) and 42 (R) of the base point measurement unit 5 that forms an image on the measurement unit 4 (n) also have an angle γ with respect to a horizontal line parallel to the δcX axis._nTilt considerably.
[0059]
In this case, the angle at which the left and right images L and R are inclined with respect to the horizontal line is expressed as γ_ns, The coordinate positions of the left and right images L and R (the positions in the δcX and δcY-axis coordinates that do not tilt) are respectively (δ_xnL, δ_ynL), (δ_xnR, δ_ynR), the angle is expressed as γ from the relationship between the distance between the images L and R and the distance between the projection points of the images L and R on the δcX axis, as in the previous equation (21)._nsCan be obtained by the following equation. When the measurement unit 4 (n) rolls, the positions of the δcX and δcY axes before tilting are those in the measurement unit 4 (n−1) behind the left and right light sources 42 of the measurement unit 4 (n). It can obtain | require from the measurement result of the coordinate position regarding this image.
[0060]
[Expression 7]

[0061]
The rear measurement unit 4 (n-1) emitting light to the measurement unit 4 (n) has a rolling angle γ_n-1Only the angle γ calculated by the equation (22)_nsIs the rolling angle γ of the measuring unit 4 (n)_nNot the rolling angle itself γ_nIs expressed by the following equation.
[0062]
γ_n= Γ_ns−γ_n-1…………… (23)
This rolling angle γ_nIs γ in the previous equation (23)_n-1Is sequentially obtained by calculation in the process of measuring the rolling amount of each measurement unit 4 (n−1) behind the measurement unit 4 (n), and is obtained from the equation (23) based on these values. be able to. That is, the angle γ obtained by the equation (22)_1sValue of rolling angle γ₁ The value of γ in equation (23)_n-1Into angle γ₂ Is calculated from the equation (23) again based on the calculation result._Three To calculate the angle γ_n-1Finally, by substituting these values into the equation (23), the angle γ can be obtained._nAnd the actual rolling amount of the measuring unit 4 (n) can be obtained. Such calculation of the measurement unit 4 (n) is performed by the calculation unit of the central processing unit 7, and the rolling angle γ for each measurement unit behind the measurement unit 4 (n).₁ , Γ₂ , Γ_Three The data relating to the rolling amount such as is stored in the storage unit of the central processing unit 7 as an offset amount and used for the calculation.
[0063]
In this example, since the rolling amount of each measuring unit 4 (n) can be accurately measured by such a method, the light source obtained in the process of measuring the position of the underground excavator based on the measured rolling amount By correctly correcting the data regarding the direction of 42, the influence of the rolling of the measuring unit 4 (n) can be eliminated, and the reliability of the measurement result of the position of the underground excavator can be enhanced. In this example, the rolling angle γ of each measurement unit 4 (n)_nHowever, when a person enters the mine like an underground mine excavated with a shield machine or semi-shield machine, the measurement unit 4 (n) behind the measurement unit 4 (n) As soon as the first rolling is detected for n-1), the measurement unit is re-installed so that the rolling amount becomes 0, and after that, the same effect as described above is exhibited even if such work is continued. Can do. According to the measuring means for the rolling amount of the measuring unit 4 (n) described above, there is no need to newly install a special measuring device for measuring the rolling amount, so the cost and space for installing such a device can be reduced. In addition to saving, the

measurement units

4, 5, 6 specially provided for measuring the position of the underground excavator can also be used for measuring the rolling amount of the

measurement units

4, 6, and special equipment Can be used in many ways.
[0064]
In the second embodiment of the present invention, the special means as described above is used as the means for measuring the rolling amount of the measuring unit 4 (n). Instead of providing such means, a normal rolling meter is provided for each measuring unit. (An instrument that detects an inclination angle in the rolling direction and converts it into an electrical signal) may be incorporated. In particular, when the underground mine 2 is constructed with a shield machine, only the section of the foreground excavator 1 propelled by the shield jack in the underground mine 2 rolls, and the section covered with other segments rolls. Therefore, such a rolling meter may be provided only in the section of the excavator 1. Further, if the intermediate measurement unit 4 and the measured point measurement unit 6 are installed by using an automatic leveling means such as a gimbal for installing the devices so that they are held horizontally and not rolled, such rolling is performed. Since it is not necessary to provide an amount measuring means, the rolling amount measuring means is not an essential requirement for the present invention.
[0065]
【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 excavator that does not require an operation mechanism for that purpose can be 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. In addition to these effects, when the present invention is embodied, the following effects can be exhibited.
When embodying the present invention, in particular, if the technical means described in claim 4 of the claims is adopted, the measurement unit used in the intermediate measurement unit can be used as the base point measurement unit and the measured point measurement unit, Not only can the number of types of devices to be manufactured be reduced and labor can be saved, but also the number of types of devices to be used can be reduced to facilitate the use of the devices. When the present invention is embodied, in particular, if the technical means described in claim 5 of the claims is adopted, it is convenient that the intermediate measurement unit 4 can be automatically removed when the stretched temporary body is removed. .
[0066]
When the present invention is embodied, in particular, if the technical means described in claim 7 of the claims is adopted, the cost and space for installing the underground mine distance measuring means can be reduced. When the present invention is embodied, in particular, if the technical means described in claim 8 or 9 of the claims is adopted, in addition to exhibiting such effects, it is usually attached to a shield machine or a pipe propulsion machine. The shield jack stroke meter or the push-push jack stroke meter that has been used is double-utilized for measuring the distance of the underground mine, and it is not necessary to newly install a special distance measuring means for measuring the distance. In the case of embodying the present invention, in particular, if the technical means according to claim 10 of the claims is adopted, the detection results relating to the direction of the light source are averaged for light sources arranged in a symmetrical pair. The calculation performed when measuring the position of the underground excavation machine is simplified. When embodying the present invention, in particular, if the technical means described in claim 11 of the claims is adopted, the cost and space for installing the underground mine distance measuring means can be reduced, Each measurement unit specially provided for measuring the position of the underground excavation machine can also be used for measuring the distance of the underground mine, and special equipment can be used from various perspectives. When the present invention is embodied, in particular, if the technical means described in claim 12 of the claims is adopted, it is not necessary to newly install a special measuring instrument for measuring the rolling amount of the measuring unit. The cost and space for installing the equipment can be reduced, and the measurement unit specially provided for measuring the position of the underground excavator can also be used for measuring the rolling amount of the measurement unit. Special equipment can be used from various perspectives.
[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 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. 3 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. 1;
4 is a perspective view showing an image at the time of operation of an intermediate measurement unit in the position measuring device of the underground excavation machine in FIG. 1; FIG.
FIG. 5 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;
6 is a conceptual diagram for explaining a method of calculating a direction of a measurement unit near a measurement base point by the position measurement device of the underground excavation machine in FIG. 1. FIG.
7 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 excavation machine in FIG. 1;
FIG. 8 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. 9 is a conceptual diagram for explaining a practical method of calculating the excavation position of the underground excavator with the underground excavator position measuring device of FIG. 1;
FIG. 10 is a horizontal sectional view for explaining a method of inputting data relating to underground mine distances to the central processing unit when the first embodiment is applied to a pipe propulsion device;
FIG. 11 is a view similar to FIG. 10 when the first embodiment is applied to a shield machine.
FIG. 12 is a horizontal sectional view schematically showing an overall image of a position measuring device for an underground excavation machine according to a second embodiment of the present invention.
13 is a perspective view showing an intermediate measurement unit in the position measuring device of the underground excavator shown in FIG. 12. FIG.
14 is a conceptual diagram for explaining a method of calculating a distance between measurement units by the position measuring device of the underground excavation machine in FIG. 12;
15 is a conceptual diagram for explaining the basic principle of measuring the rolling amount with the position measuring device of the underground excavator in FIG. 12 when one of the measurement units rolls.
16 is a conceptual diagram for explaining a method of calculating a rolling amount by the position measuring device of the underground excavator in FIG. 12 when one of the measurement units rolls.
17 is a conceptual diagram for explaining a method of calculating a relative rolling amount between two adjacent measurement units with the position measuring device of the underground excavator in FIG. 1 when both of the adjacent measurement units roll.
[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
42 (L) Left light source
42 (R) Right light source
43 Controller
5 Base point measurement unit
6 Measurement point measurement unit
7 Central processing unit
8 display devices
12 original push jack stroke meter
13 Shield jack stroke meter
L Left light source image
R Right light source image
G_n    Reference line for the nth measurement unit
L_n    The distance between the reference points of the adjacent n-1 and nth measuring units,
LC: Distance between the center of the lens and the center of the CCD image sensor
LR: Distance between the left and right light sources
V₀    Starting direction line
V_n    Line of sight connecting the (n-1) th and nth measurement units
Θ_n    Line of sight V_nIs the departure direction line V₀ Of the angle on the XZ plane
Φ_n    Line of sight V_nIs the departure direction line V₀ Of the angle on the YZ plane
Θ_G    Reference line G_n-1X_n-1-G_nLine projected on the plane and reference line G_nIntersection with
Φ_G    Reference line G_n-1Y_n-1-G_nLine projected on the plane and reference line G_nIntersection with
γ_n    Rolling angle of nth measurement unit
γ_ns   The angle at which the left and right images of the light source tilt with respect to the horizon
δ_xnThe component in the δXn axis direction of the imaging point of the left light source on the L δXn−δYn plane
δ_ynThe component in the δYn axis direction of the imaging point of the left light source on the L δXn-δYn plane
δ_xnComponent in the δXn axis direction of the image point of the right light source on the R δXn-δYn plane
δ_ynComponent in the δYn axis direction of the image point of the right light source on the R δXn-δYn plane

Claims

It is used to measure the digging position of an underground excavator that excavates underground while excavating the underground mine. An underground excavator position measurement device that measures the position relative to the measurement base point, which is the base point of measurement, and 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 each of the measurement units of the base point measurement unit, the measurement point measurement unit, and the intermediate measurement unit de for each distance between adjacent measuring units at each measurement unit is a data obtained by measuring the data relating to the direction of each light source obtained based on the detection result Based on the data, the position measuring apparatus of the underground excavator, characterized that it has to be measured by calculating the arithmetic means of the relative position of the measurement point for the measurement origin.

The condensing means and the light receiving means are each composed of a convex lens and a CCD image sensor arranged in parallel thereto, and the image point of the light source on the surface of the CCD image sensor passes through the center of the convex lens and the surface of the CCD image sensor. So that the angle between the optical axis of the light source and the reference line is obtained based on the amount of deviation from the reference line that is orthogonal to the reference line and the distance between the convex lens and the CCD image sensor, so that data relating to the direction of the light source can be obtained. The position measuring device for an underground excavation machine according to claim 1, wherein

2. The position measuring device for underground excavation machine according to claim 1, wherein the light receiving means is a position detecting element capable of knowing the position of the light spot using the surface resistance of the photodiode.

The position measuring device for an underground excavator according to claim 1 or 2, wherein a measuring unit that can be used for the intermediate measuring unit is also used as at least one of a base point measuring unit and a measured point measuring unit.

When the intermediate measurement unit is placed in the underground mine, it is characterized in that it is temporarily installed while extending the installation distance as the underground mine progresses, and is attached to the extended temporary body that is removed after the underground mine excavation is arranged. The position measuring device of the underground excavation machine according to claim 1 or 2.

Based on the data on the direction of each light source obtained based on the detection result of each measurement unit and the data on each distance between adjacent measurement units in each measurement unit, the relative position of the measurement point with respect to the measurement base point is calculated. When measuring and measuring with, distance detection means that can automatically detect each distance between adjacent measurement units in each measurement unit is provided, and data on each distance obtained from the detection result by the distance measurement means is calculated The position measuring device for underground excavation machine according to claim 1, wherein the position is automatically input to the means.

Based on the data on the direction of each light source obtained based on the detection result of each measurement unit and the data on each distance between adjacent measurement units in each measurement unit, the relative position of the measurement point with respect to the measurement base point is calculated. When calculating and measuring in the above, a distance detection means that can automatically detect the changing distance of a predetermined section of the underground mine is provided, and for the section where the distance changes, the distance obtained from the detection result by the distance measuring means 2. The position measuring device for underground excavation machine according to claim 1, wherein data relating to the distance is continuously input to the arithmetic means, and data relating to the determined distance is intermittently input for the other sections. .

8. The underground excavation machine according to claim 7, wherein the underground excavation machine is a shield excavation machine that excavates the ground while propelling the excavator with a shield jack, and the distance detecting means is a stroke detector of the shield jack. Machine position measuring device.

The ground excavator is a pipe propulsion device for propelling a buried pipe with a main jack installed in a start shaft, and the distance detecting means is a stroke detector for the main jack. Position measuring device for medium digging machines.

At least one of the base point measurement unit, measured point measurement unit, and intermediate measurement unit is arranged so as to be symmetrically paired with a line passing through the center of the light collecting means and perpendicular to the surface of the light receiving means, and diffuses in the same direction before and after The position measuring device for an underground excavator according to claim 1 or 2, further comprising a light source capable of emitting light.

At least one of the base point measurement unit, the measurement point measurement unit, and the intermediate measurement unit has a plurality of light sources that can emit diffused light in the same direction before and after, the measurement unit having the plurality of light sources, and the directions of these light sources The data on the direction of the light source of both measurement units obtained by the adjacent measurement unit having the light receiving means arranged so as to detect the light, and the position of the light of the plurality of light sources received by the light receiving means of the adjacent measurement unit The position measuring device for underground excavation machine according to claim 1 or 2, wherein the distance between the two measuring units is measured based on the data relating to the data.

At least one of the base point measurement unit, the measurement point measurement unit, and the intermediate measurement unit has a pair of light sources that can emit diffused light in the same direction before and after, and the pair of light sources forms an image on an adjacent measurement unit The position measuring device for an underground excavator according to claim 1 or 2, wherein a rolling amount of an adjacent measuring unit is measured based on data relating to the inclination of the image.