JP3787700B2 - シールド推進工法における推進体の推進軌跡の計測装置ならびに計測方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本願発明は、シールド推進工法における推進体の推進軌跡の計測装置ならびに計測方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
地中に上下水道管等を敷設する場合、シールド掘進機によって地中を掘削しながら上記シールド掘進機に連結した埋設管を推し進めて敷設するシールド推進工法が採用されることが多い。
【0003】
上記推進シールド工法において、埋設管を計画した位置に敷設するには、地中を掘進するシールド掘進機の推進軌跡及び推進姿勢を管理する必要がある。上記シールド掘進機及び埋設管の推進軌跡を計測する装置として、下記の特許出願がなされている。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−2520号
【特許文献2】
特開2000−39320号
【0005】
上記特許文献1に記載された位置計測装置は、基点計測ユニットと、被測点計測ユニットと、中間計測ユニットとを設けるとともに、これら計測ユニット間の距離を計測できる光波距離計及び光反射手段を備えて構成される。上記各計測ユニットは、前方及び/又は後方に拡散光を発する光源と、前方及び/又は後方からの拡散光を集光する集光手段及び受光手段を備える。上記受光手段によって検出した上記光源の方向と、上記距離計で求められた距離に基づいて、計測基点に対する各計測ユニットの位置を演算手段で演算して求めるように構成されている。
【0006】
上記特許文献2に記載された位置計測装置は、レーザビーム発生手段とこのレーザビームの受光位置を検出できる位置検出用受光手段とによって推進位置を計測できるように構成するとともに、拡散光を発する光源及びこの拡散光の受光位置に基づいて光源の方向を検出できる姿勢検出用受光手段とによって、推進体の推進姿勢を検出できるように構成している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献1に記載された位置計測装置は、推進位置を検出するために一つの光源から発生する拡散光を用いている。上記受光手段によって、上記光源の二次元方向の変位を検出することができる。ところが、上記光源の回転変位、すなわち、推進体の軸周りの回転を検出することはできない。したがって、推進体が回転しながら推進している場合には、上記光源の二次元変位が、推進体の推進方向が変わったことによるものか、推進体が軸周りに回転して生じるものかを判断することができない。このため、軸周りの回転角度変位を検出する計測装置を別途設けるとともに、この回転角度変位による上記二次元変位を補正して、推進位置を決定する必要がある。
【0008】
上記特許文献2に記載された位置計測装置は、上記文献1に記載された問題を解決するために、位置検出用のレーザビーム発生手段及び受光手段と、上記推進体の回転姿勢を検出するための光源及び受光手段とを設けて構成されている。上記構成によって、推進体の回転姿勢を検出することが可能となる。
【0009】
しかしながら、光源に拡散光を採用しているために、位置検出用の手段と、回転変位検出用の手段とを別途設けなければならない。このため、装置が複雑になるとともに、製作コストも大きくなる。
【0010】
本願発明は、上記従来の問題を解決するものであって、上記従来の問題を解決し、二次元方向の変位と回転変位とを同一の手段で計測できる、シールド推進工法における推進体の推進軌跡の計測装置を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【0012】
本願の請求項1に記載した発明は、シールド掘進機の後方に埋設管を接続して、掘削しながら管路を敷設する推進シールド工法における推進体の推進位置の計測装置であって、前方の二次元ターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段と、後方の二次元ターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段と、前方及び後方のCCD撮像手段によって撮像される二次元ターゲットとを有し、地中を推進する上記埋設管内に所定間隔をあけて設けられる中間計測機と、計測基点に配置され、最後方に配置された上記中間計測機の上記ターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段と、上記最後方に配置された上記中間計測機の撮像手段によって撮像される二次元ターゲットとを有する計測基点計測機と、上記シールド掘進機又はこれに続く埋設管内に設けられ、最前方に配置された上記中間計測機のCCD撮像手段によって撮像される二次元先端ターゲットを設けた先端計測機と、各ターゲットとこれを撮像する各計測機間の距離を求めることのできる距離計測手段と、上記各CCD撮像手段から得られるターゲット画像の2次元方向変位及び回転角度変位を含む画像変位情報と、上記距離計測手段から得られる距離情報とに基づいて、上記各ターゲット間又は各計測機間の3次元変位を求めるとともに、計測基点に対するシールド掘進機及び埋設管の推進軌跡を求める演算手段とを備えて構成される。
【0013】
上記CCD撮像手段は、デジタルカメラに採用されている市販の撮像素子を利用できる。また、ターゲットの全体を上記撮像手段に受像させるために、レンズを組み合わせて撮像手段を構成できる。
【0014】
上記二次元ターゲットの形態は特に限定されることはなく、撮像した画像において二次元の方向変位と回転角度変位を検出できるものであれば、どのような形態でも採用できる。たとえば、十字状や、矢印状の形態のターゲットは、二次元直交座標系におけるX及びY方向の変位を計測できるとともに、これら形状の図心回りの回転角度変位を検出できるため、本願発明に係るターゲットとして採用できる。一方、円形のターゲットでは回転角度変位を検出できないため、これら形態のターゲットは本願発明のターゲットとして採用できない。すなわち、本願発明では、上記ターゲットを撮像して得られる図形を画像処理することにより、ターゲットの二次元座標系の変位と、回転変位とを求めるものである。なお、上記ターゲットは一体である必要はなく、複数の部分が離間した形態のものを採用することもできる。
【0015】
また、前方のCCD撮像手段によって撮像されるターゲットと、後方のCCD撮像手段によって撮像されるターゲットを別途設けることもできるし、両CCD撮像手段によって撮像される一つのターゲットを採用することもできる。
【0016】
たとえば、請求項2に記載した発明のように、上記中間計測機を、上記二つのCCD撮像手段を背中合わせに連結して一体化する一方、上記一体化した撮像手段の軸方向中央の外周部から、前方のCCD撮像手段及び後方のCCD撮像手段によって撮像できる二次元ターゲットを延出形成することができる。
【0017】
上記ターゲットを構成する材料も特に限定されることはない。CCD撮像素子の近傍から発せられる光を反射して撮像されるターゲットを設けることができる。たとえば、LED光源等を用いてターゲットを照射する一方、ターゲットを反射性のシートで形成し、光源からの光を上記シートに反射させて、上記CCD撮像手段に受光させることもできる。
【0018】
また、二次元形態を備える種々の面状発光体を採用できる。さらに、ターゲットの形態を透光性のある部材で形成して、バックライトによって面状に発光するように形成してもよい。
【0019】
さらに、ターゲットを発光体を配列して構成することもできる。たとえば、請求項5に記載した発明のように、上記各二次元ターゲットを、複数のLED発光体を配列して構成することができる。また、発光体の光を前方及び後方にむけて照射し、前方及び後方のCCD撮像手段によって撮像できるように構成してもよい。
【0020】
上記中間計測機を設ける間隔は、前後のターゲットを撮像できれば、特に限定されることはない。また、各埋設管ごとに設ける必要はなく、たとえば、埋設管5本に1箇所の割合で中間計測機を設けることができる。
【0021】
計測基点、たとえば推進基点となる位置には、上記計測基点計測機が配置される。上記計測基点計測機には、前方の中間計測機、すなわち、その時点の推進軌跡の最後方に配置された上記中間計測機の上記ターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段と、上記最後方に配置された上記中間計測機の撮像手段によって撮像される二次元ターゲットとが設けられる。これにより、上記推進基点計測機の位置及び方向を基準とする、各計測機又はターゲットの変位を求めることが可能となる。
【0022】
一方、推進軌跡の最先端に位置する掘進機又はこれに続く埋設管には、後方に配置された上記中間計測機のCCD撮像手段によって撮像される二次元先端ターゲットを設けた先端計測機が設けられる。上記二次元先端ターゲットも、上記中間計測機に設けたターゲットと同様の形態に形成される。上記ターゲットを後方のCCD撮像手段によって撮像するとともに、これらの距離を計測することにより、上記先端計測機の上記撮像手段に対する変位を求めるとともに、掘進機及び埋設管の推進軌跡を求めることが可能となる。
【0023】
さらに、請求項3に記載した発明を採用することにより、上記先端計測機を設けた掘進機又は埋設管の角度変位を求め、推進軌跡の先端がどの方向を向いて推進しているかを求めることができる。請求項3に記載した発明は、上記先端計測機が、後方の中間計測機のターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段を備えて構成されるものである。先端計測機に上記CCD撮像手段を設けることにより、上記後方の中間計測機を設けた埋設管に対する角度変位を求めることが可能となる。
【0024】
上記距離計測手段も特に限定されることはなく、各ターゲットとこれを撮像する各計測機間の距離を計測できれば種々の手段を採用できる。上記各ターゲットとこれを撮像する各計測機間の距離は、直接的に求めるものであっても、間接的に求めるものであってもよい。
【0025】
たとえば、請求項6に記載した発明のように、上記距離計測手段を、向かい合う一方の計測機に設けられるとともに光源部と受光部とを有する光波距離計と、向かい合う他方の計測機に設けられて、上記光源部から発せられた光を上記受光部に向けて反射する反射部材とを備えて構成することができる。
【0026】
上記光波距離計は、発射光の波長の変化を計測して距離を求めるものであり、種々の形態の光波距離計を採用できる。たとえば、光波距離計の受光手段近傍に上記光源部を設けるとともに、反射部材として再帰反射シートを採用することができる。
【0027】
また、上記光波距離計を採用する場合、請求項7に記載した発明のように、上記距離計測手段の上記光源部から発せられる光によって、上記二次元ターゲットを照射し、上記CCD撮像手段に撮像させるように構成することができる。
【0028】
また、請求項8に記載した発明のように、上記距離計測手段を、各計測機間に介挿され、上記ターゲット間又は上記計測機間の距離を計測しあるいは設定できるスケール部材を備えて構成することができる。
【0029】
たとえば、両端部をユニバーサル継手を介して上記各中間計測機に連結される棒状のスケール部材を介挿しながら、上記中間計測機を埋設管内に配置することができる。これにより、各計測機間の距離、あるいは撮像対象となるターゲットとCCD撮像手段との距離を容易に求めることができる。
【0030】
上記演算手段は、上記各CCD撮像手段から得られる画像変位情報と、上記距離計測手段から得られる距離情報とに基づいて、上記各ターゲット間又は各計測機間の変位を求めるとともに、計測基点に対するシールド掘進機及び埋設管の推進軌跡を求めることができるように構成される。
【0031】
本願発明は、二次元画像解析によって、撮像されたターゲット画像の二次元相対変位と相対角度変位を求めるように構成される。画像解析を採用することにより、一つのCCD撮像手段によって、上記二つのデータを得ることが可能となり、装置を簡単に構成することができる。
【0032】
たとえば、請求項4に記載した発明のように、上記演算手段を、上記距離情報と、撮像された上記ターゲット画像の二次元方向変位及び回転角度変位に基づいて、上記各ターゲット又は各中間計測機の3次元相対変位を求めるとともに、これらターゲット又は各中間計測機の上記計測基点に対する推進位置を求める推進位置演算手段を含んで構成することができる。
【0033】
上記ターゲットの撮像基準点は、連続する埋設管が直線状に推進する場合の位置、すなわち、推進開始時の位置に設定できる。上記基準点にある画像をあらかじめ演算手段等に記憶させておき、変位したターゲットの像の位置及び回転角度と比較することにより、二次元方向変位量と回転角度変位量とを求めることができる。
【0034】
本願発明では、中間計測機に設けたターゲットを前後のCCD撮像手段によって撮像することにより、上記ターゲット画像の変位が、埋設管の屈曲変位によって生じたものか、あるいは埋設管の軸周りの回転によって生じたものかを判断することが可能となる。これにより、隣接する計測機管の変位を精度高く計測することが可能となる。これら各計測機間の相対座標変位を、計測基点に対する座標に変換することにより、各計測機の位置を精度高く求めることができる。
【0035】
本願の請求項9に記載した発明は、シールド掘進機の後方に埋設管を接続して、掘削しながら管路を敷設する推進シールド工法における推進体の推進位置の計測装置であって、前方又は後方のターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段と、埋設管の軸方向に所定間隔を開けて配置された一対の離間ターゲットとを各々有する中間計測機と、計測基点に配置され、最後方に配置された上記中間計測機の上記離間ターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段、又は上記最後方の中間計測機の上記CCD撮像手段によって撮像される上記離間ターゲットを有する計測基点計測機と、上記シールド掘進機又はこれに接続された上記埋設管に設けられ、最前方に配置された上記中間計測機のCCD撮像装置によって撮像される上記離間ターゲット、又は後方の中間計測機に設けた一対の上記離間ターゲットを撮像できるCCD撮像装置を有する先端計測機と、各離間ターゲットとこれを撮像する各計測機間の距離を計測できる距離計測手段と、上記各CCD撮像手段から得られるターゲット画像の2次元方向変位及び角度変位を含む画像変位情報と、上記距離計測手段から得られる距離情報とに基づいて、上記各離間ターゲット間又は各計測機間の3次元変位を求めることにより計測基点に対するシールド掘進機及び埋設管の推進軌跡を求める一方、上記一対の離間ターゲット画像間の2次元方向変位と上記距離情報と上記離間ターゲットの間隔に基づいて各計測機間及び掘進機の3次元角度変位を求める演算手段とを備えて構成される。
【0036】
請求項1に記載した発明では、各計測機あるいはターゲットの基点に対する座標を求めて推進軌跡を求めることができる。ところが、計測時点での掘進機の推進方向が上記計画軌跡に向かっていれば、掘進機の推進方向を変更する必要がないか、変更してもその制御量は少なくてもよい。したがって、上記掘進機の推進方向を求めることにより、掘進機の制御を正確かつ容易に行うことができる。掘進機の推進方向を求めるには、それまでの推進軌跡から掘進機の方向を推定するか、あるいは請求項3に記載した発明に係る先端計測機を設けなければならない。しかし、推進軌跡から推進方向を推定する手法では、精度の高い制御を行うことができない。一方、請求項3に記載した発明では、先端計測機を掘進機に設けなければならないが、掘進機には掘進機構のみならず、種々の装置が搭載されており、CCD撮像手段を設けるスペースが確保できない場合もある。
【0037】
請求項9に記載した発明は、所定距離だけ離間させた一対の離間ターゲットを一つのCCD撮像装置によって撮像する。これら一対の離間ターゲットの画像が各々基準位置にある場合は、ターゲットを設けた掘進機あるいは埋設管と、CCD撮像手段を設けた埋設管とが一直線状にあり角度変位も生じていないことになる。一方、一対の離間ターゲットが全体として基準位置から変位していたり、離間ターゲット間に相対変位が生じている場合には、上記ターゲットを設けた掘進機あるいは埋設管が、CCD撮像手段を設けた埋設管に対して角度変位が生じていることになる。上記一対の離間ターゲット間の間隔、及び各離間ターゲットとこれを撮像するCCD撮像手段の間の距離は既知であるから、上記一対の離間ターゲットを設けた掘進機あるいは埋設管のCCD撮像手段を設けた埋設管に対する推進角度を、一方の方向から上記ターゲットを撮像することにより求めることができる。
【0038】
上記一対の離間ターゲットを各中間計測機にそれぞれ設けて、各中間計測機を設けた埋設管の相対推進角度を求めるとともに、掘進機にも上記離間ターゲットを設け、隣接する中間計測機の角度変位を基点から順次もとめていくことにより、掘進機の基点に対する推進方向を容易に求めることができる。掘進機に上記離間ターゲットを設けるだけで、推進方向を計測できるため、計測機を設置するのに必要なスペースを削減することが可能となる。また、装置の構成がが簡単になるため、計測装置のコストを削減することも可能となる。
【0039】
なお、上記CCD撮像手段、上記各離間ターゲット、上記距離計測手段は、請求項1に記載した発明に係るものと同様のものを採用できる。上記演算手段は、上記各CCD撮像手段から得られるターゲット画像の2次元方向変位及び回転角度変位を含む画像変位情報と、上記距離計測手段から得られる距離情報とに基づいて、上記各離間ターゲット間又は各計測機間の3次元変位を求めることにより計測基点に対するシールド掘進機及び埋設管の推進軌跡を求めるように構成される。また、上記一対の離間ターゲット画像間の2次元方向変位と上記距離情報と上記離間ターゲットの間隔に基づいて各計測機間及び掘進機の3次元角度変位を求めるように構成される。これにより、上記掘進機及び埋設管の推進位置及び推進角度が求められる。
【0040】
本願の請求項10に記載した発明は、シールド掘進機の後方に埋設管を接続して、掘削しながら管路を敷設する推進シールド工法における推進体の推進位置の計測方法であって、前方の二次元ターゲット及び/又は後方の二次元ターゲットを撮像手段によって撮像してこれらターゲット画像の2次元方向変位及び回転角度変位を含む画像変位情報を出力する撮像行程と、各ターゲットとこれを撮像する各撮像手段との距離を求める距離計測行程と、上記画像変位情報及び上記距離情報から、各ターゲットの3次元相対変位を求める3次元相対変位演算行程と、上記画像変位情報及び上記距離情報から、各ターゲットを配置した掘進機又は埋設管の相対推進角度変位を求める相対推進角度変位演算行程と、上記3次元相対変位と上記相対推進角度変位に基づいて、推進基点を基準とした掘進機及び埋設管の推進位置及び推進方向を求める推進軌跡演算行程とを含んで構成される。
【0041】
本願の請求項11に記載した発明は、シールド掘進機の後方に埋設管を接続して、掘削しながら管路を敷設する推進シールド工法における推進体の推進位置の計測方法であって、前方又は後方を推進する掘進機又は埋設管に所定間隔を開けて設けた一対の離間ターゲットを撮像手段によって撮像してターゲット画像の2次元方向変位及び回転角度変位を含む画像変位情報を出力する撮像行程と、上記離間ターゲットとこれを撮像するCCD撮像手段の間の距離を計測する距離計測行程と、上記画像変位情報及び上記距離計測行程において得られる距離情報から、上記離間ターゲットを設けた掘進機又は埋設管の上記CCD撮像手段に対する3次元相対変位を求める相対変位演算行程と、上記画像変位情報における上記一対の離間ターゲット間の相対変位と上記離間ターゲット間隔と上記距離計測行程において得られた上記距離とから、上記離間ターゲットを設けた掘進機又は埋設管の上記撮像手段に対する3次元相対推進角度を求める相対推進角度演算行程と、上記3次元相対変位と上記3次元相対推進角度に基づいて、推進基点を基準とした掘進機及び埋設管の推進位置及び推進方向を求める推進軌跡演算行程とを含んで構成される。
【0042】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明に係る実施の形態を図に基づいて具体的に説明する。
【0043】
図1に、本願発明に係る計測装置を設けた掘進機1及びこれに列状に連結された複数の埋設管2から構成される推進体が地中を推進している状態の平面図を示す。なお、理解を容易にするため、図では、紙面に沿う方向の変位及び角度を示しているが、実際には、3次元の変位が生じている。また、実施の形態では、3つの中間計測機を設けたが、推進距離等に応じて必要な数の中間計測機が用いられる。
【0044】
本実施の形態に係る推進軌跡の計測装置は、埋設管列の内部に所定の間隔で配置される中間計測機4a,4b,4cと、掘進機1に設けられる先端計測機5と、推進基点Sに設けられる基点計測機6と、上記各計測機から得られるデータに基づいて、各計測機の推進位置を求めることができるプログラムを実行するコンピュータ7及びディスプレイ7aとを備えて構成される。
【0045】
図2は、図1における上記中間計測機4a,4b,4cを配置した埋設管内の構造を示す縦断面図である。図3は、図2における III−III 線に沿う断面図である。これらの図に示すように、各中間計測機4には、前方を向けたCCD撮像素子8と、後方を向けたCCD撮像素子9と、両側面にターゲット16,16を形成した基板10と、前方を向けた光波距離計11と、後方を向けた光波距離計12と、これらの機器を設置した台車13とを備えて構成されている。上記台車13には、4つの車輪14が設けられており、埋設管列内を軸方向に移動できるように構成されている。図3に示すように、各埋設管2の下部には、送泥管15aと排泥管15bとが配置されており、これら送泥管15a及び排泥管15bの上方空間に、上記中間計測機4が配置される。
【0046】
上記前方を向けたCCD撮像素子8と後方を向けたCCD撮像素子9とは、背面が上記基板10に接合されて一体化されている。また、前方を向けた光波距離計11と後方を向けた光波距離計12とが、上記CCD撮像素子8,9と同様に背部が上記基板10に接合されて一体化されている。
【0047】
図3に示すように、本実施の形態では、上記基板10は、CCD撮像素子8,9及び光波距離計11,12を保持した部分から左右側方に延出する大きさに形成されており、この左右延出部にそれぞれターゲット16を設けている。また、上記ターゲット16は、上記基板10の前方面と後方面とにそれぞれ形成されている。上記ターゲット16は、上記光波距離計11の光源部17から発せられるLED光を反射できる反射テープを貼着して構成されている。また、上記ターゲット16は、上記CCD撮像素子によって得えられた画像の2次元方向変位と図心周りの回転角度変位を計測できる形状に形成されている。なお、上記ターゲットの数及び形状は特に限定されるものではない。
【0048】
本実施の形態に係る上記光波距離計11は、上記光源部17から発せられたLED光を、上記ターゲット16によって受光部19に向けて反射させ、LED光の波長のずれから上記光波距離計11と上記ターゲット16の距離を計測できるように構成されている。
【0049】
本実施の形態では、上記光波距離計11の光源部17から発生させられるLED光を利用して、上記ターゲット16を上記CCD撮像素子8,9に撮像させ、上記ターゲット16の変位を計測できるように構成している。上記CCD撮像素子8,9は、上記ターゲット16の全範囲を撮像できるように調整されており、必要に応じてレンズが組み合わされる。
【0050】
なお、本実施の形態では、上記光波距離計11,12のLED光を利用して、ターゲットの画像を撮像するように構成したが、撮像用の光源を別途設けることもできる。また、本実施の形態では、光波距離計のLED光を利用してターゲットの画像をCCD撮像素子に撮像させるように構成しているため、前後方向を向けた一対の上記光波距離計11,12を設けたが、距離のみ計測する場合には、前方又は後方の光波距離計で足りる。
【0051】
本実施の形態では、図1に示すように、埋設管5本に一つの割合で中間計測機4a,4b,4cを設置している。また、掘進機1には、ターゲット16と、後方の中間計測機4aのターゲット16を撮像できるCCD撮像素子を備える先端計測機5を設置している。なお、上記先端計測機5に設けたCCD撮像素子は、上述した中間計測機のものと同様であるので説明は省略する。
【0052】
図4に上記ターゲット16をCCD撮像素子で撮像した画面18を示す。画面18の中央部に撮像された画像16aは、ターゲット16を配置した埋設管又は掘進機の軸と、このターゲットを撮像するCCD撮像素子を設けた埋設管の軸が一致した場合の画像である。すなわち、推進開始時に、上記ターゲット16が上記画面18の原点Oに位置するように、上記ターゲット16及び上記CCD撮像素子8,9が調整されて推進が開始される。
【0053】
上記掘進機1及び上記埋設管2が屈曲して推進すると、上記ターゲット16の画像が、16aの基準位置から16bの位置まで変位する。また、変位後の上記ターゲット画像16bには、z軸に対して角度変位θが生じている。上記各画像は上記コンピュータに出力され、画像処理プログラムによって、ターゲット画像のX方向及びZ方向の変位x,zと、回転変位θが自動的に求められる。
【0054】
図1及び図2に示すように、各中間計測機4には、前方を向けたCCD撮像素子8と後方を向けたCCD撮像素子9とが設けられているとともに、基板10の前後面に上記ターゲット16,16を設けられている。これにより、隣接して設けられる中間計測機の上記ターゲットを互いに撮像し合うように構成されている。また、先端測定機5のターゲット16を最前方に配置された中間測定機4aのCCD撮像素子で撮像するとともに、上記先端測定機5に設けたCCD撮像素子によって上記中間測定機4aのターゲットを撮像できるように構成されている。
【0055】
たとえば、図5に示す基点計測機6から中間計測機4cのターゲットを撮像すると、上記CCD撮像素子による計測値(x,z,θ)と光波距離計からの距離データL0 から、基点計測機6の軸20に対する中間計測機4cのターゲットの方向角度α0 及びターゲットの位置座標が求まる。しかしながら、上記ターゲットの方向角度α0 と位置座標が求まっただけでは、上記中間計測機4cの前方に配置された中間計測機4bの方向角度及び位置座標を求めることができない。なぜなら、上記情報のみでは、中間計測機4cを設置した埋設管の軸がどの方向に向いているかを求めることはできないからである。
【0056】
本実施の形態では、上記中間計測機4cに、後方を向けたCCD撮像素子を設けて、上記基点計測機6に設けたターゲットを撮像し、中間計測機4cの軸21に対する対向角度β0 を求めることができる。これにより、上記中間計測機4cと基点計測機6の各軸20,21に対する対向角度α0 ,β0 を求めることができる。
【0057】
図5から明らかなように、各中間計測機4a,4b,4c及び掘進機1の各対向角度α1 ,β1 ,α2 ,β2 ,α3 ,β3 と、距離L1 ,L2 ,L3 が求まると、隣合う上記各中間計測機の相対位置と相対推進角度とを求めることが可能となる。上記各中間計測機のデータを用いて、上記基点計測機6を設けた位置及び方向を基準として各中間計測機の相対変位を順次座標変換すると、上記各中間計測機の上記基点計測機6に対する推進位置が求まり、先端掘進機までの推進軌跡が求まる。また、上記掘進機1の掘進方向も求まる。
【0058】
図6に示すフローチャートに基づいて、本実施の形態に係る計測方法及び掘進機の掘進方向を求める手順を説明する。
【0059】
まず、推進作業の開始時には(S100でY)、あらかじめ設定された設計軌跡をコンピュータに読み込んで設定する(S101)。上記設計軌跡は、コンピュータのディスプレイ上に表示される(S102)。推進開始時の原点位置、高さ、角度等を上記設計軌跡の推進基点に設定する(S103)。
【0060】
所定距離掘進した後、掘進作業を停止して、各中間計測機によって計測を行い、各データ(x,z,θ,L)を収集する(S104)。これら計測データに基づいて、各中間計測機の上記推進基点に対する推進位置と推進方向とを演算によって求める(S105)。そして、各中間計測機及び先端計測機の位置、すなわち、これを設けた掘進機及び埋設管の位推進置と推進方向を上記ディスプレイ上に表示する。(S106)。
【0061】
さらに、上記設計軌跡と計測した上記推進軌跡との偏位量が計算されるとともにディスプレイ上に表示され(S107,S108)、この偏位量に基づいて、必要があれば掘進機の方向が制御される(S109)。なお、本実施の形態では、上記データの計測及び演算が自動的に行われ、上記偏位量が求められる。
【0062】
上記各計測データは順次保存され(S110)、少なくとも掘進機が目標点に到達するまで上記演算が繰り返される(S111でN)。目標点に到達することにより、最終データが保存されるとともに(S112)、推進作業が終了する。
【0063】
なお、推進作業は、数日にわたって行われることが多い。このため、中途で工事を中断して再開した場合には(S100でN)、上記行程(S110)で保存したデータを読み込んだ後(S113)、新たな位置データの計測を開始するように構成されている(S104)。
【0064】
上記構成によって、各ターゲットあるいは計測機の位置を正確に求めることができる。また、対向したターゲットを撮像するCCD撮像素子の画像から、相対的な推進方向が求まるため、別途推進姿勢を求める装置等を必要としない。
【0065】
図7から図12に、本願発明の第2の実施の形態を示す。
【0066】
図7に示すように、第2の実施の形態に係る推進軌跡の計測装置は、埋設管列の内部に所定の間隔で配置される中間計測機54a〜54cと、掘進機1に設けられる先端ターゲット55と、推進基点Sに設けられる基点計測機56と、上記各計測機から得られるデータに基づいて、各計測機及び先端ターゲットの推進位置を求めることができるプログラムを格納したコンピュータ57とを備えて構成される。
【0067】
図8は、図7における上記中間計測機54a〜54cを配置した埋設管内の縦断面図である。図9は、図8におけるIX−IX線に沿う断面図である。これらの図に示すように、各中間計測機54a,54b,54cには、前方を向けたCCD撮像素子58と、前方を向けた光波距離計61と、一対のターゲット基板60a,60bと、これらの機器を設置した台車63とを備えて構成されている。上記台車63の構成、第1の実施の形態と同様であるので説明は省略する。
【0068】
上記CCD撮像素子58は、上記基板60bの前面に接合されている。また、上記光波距離計61も、上記CCD撮像素子58と同様に背部が上記基板60bに接合されて、これら機器が一体化されている。
【0069】
上記基板60a及び基板60bは、上記台車の上面から埋設管の軸に直交するように延出形成されており、これら基板60a,60bの後面に、後方の中間計測機のCCD撮像素子によって撮像される一対のターゲット66a,66bからなるターゲット66が形成されている。
【0070】
上記一対の基板60a,60bは、距離lだけ離間して設置されており、上記前方の基板60bの後面に形成された大ターゲット66bと小ターゲット66aもlだけ離間した状態で配置されている。
【0071】
図9に示すように、上記大ターゲット66b及び上記小ターゲット66aは、大きさの異なる十字形の絵柄を光反射シートを用いて形成したものである。なお、上記小ターゲット66aと上記大ターゲット66bとで、光反射シートの色あるいは反射光が異なるように設定し、CCD撮像素子によって撮像された画像の処理を容易に行えるように構成することができる。また、本実施の形態も第1の実施の形態と同様に、上記光波距離計61の光源から発せられる光によって、上記ターゲットの画像を撮像できるように構成されている。なお、上記光波距離計61によって、上記大ターゲット66bあるいは上記小ターゲット66aとの間の距離を計測するように構成されている。
【0072】
図10から図13に、掘進機51の内部に、大ターゲット56bと小ターゲット56aとを備えて構成される先端ターゲット55を設ける一方、上記掘進機51から後方2本目の埋設管52に中間計測機54aを設けて、上記掘進機51の変位を求める例を示す。なお、上記先端ターゲット55は、上記中間計測機のターゲット66と同様の手法で設けることができる。
【0073】
図10は、掘進機51の軸と中間計測機54aを設けた軸とが一致した状態を表す図であり、初期設定の状態を表す図である。上記状態において、CCD撮像素子58を用いて上記一対のターゲット55a,55bを撮像すると、図11に示す画像が得られる。
【0074】
図11の画面68には、画面の原点O、Z軸及びX軸に重なりあう、二つの十字状の画像77b,77aが得られる。
【0075】
図10の状態から推進作業を開始して、掘進機51と後続の埋設管に変位が生じた状態を、図12に示す。この図から明らかなように、掘進機51と各埋設管52には相対変位が生じるとともに、CCD撮像素子58とターゲット55にも変位が生じているのが判る。
【0076】
図13に示すように、小ターゲット55aを撮像した画像78aには、原点OからZ方向への変位zと、X方向への変位xと、回転変位θが生じていることが判る。また、本実施の形態では、上述した第1の実施の形態と同様に、上記光波距離計61から、上記CCD撮像素子58と、上記小ターゲット55aの間の距離Lを求める。そして、第1の実施の形態と同様に、上記画像78aの変位と上記距離Lとから、上記掘進機51の小ターゲット55aの上記撮像素子58に対する相対推進位置が求められる。
【0077】
しかしながら、掘進機51の角度姿勢を求めなければ、推進方向を求めることができない。また、各中間計測機における推進方向を求めなければ、推進基点からの座標変換を行うことができず、上記掘進機及び上記埋設管の推進基点に対する位置及び推進方向を求めることができない。
【0078】
本実施の形態では、図13に示すように、上記大ターゲット55bと小ターゲット55aを撮像した画像78b,78aの相対変位x0 ,z0 を計測することができる。しかも、上記大ターゲット55bと小ターゲット55aの離間距離lは既知である。
【0079】
図14に示すように、上記相対変位x0 ,z0 と離間距離lとによって、上記掘進機51の軸71と、上記中間計測機54を設けた埋設管の軸72の3次元の角度変位γを求めることができる。したがって、上記手法を、推進基点から適用することによって、上記掘進機51及び各中間計測機を設けた埋設管の推進位置及び方向を求めることが可能となる。
【0080】
第2の実施の形態では、前方又は後方を向けた一つのCCD撮像素子によって、掘進機51及び上記中間計測機54を設けた埋設管の推進方向を求めることができる。このため、計測装置の構造を簡略化することが可能となる。
【0081】
本願発明は、上述の実施の形態に限定されることはない。第1の実施の形態では、シールド掘進機に後方のターゲットを撮像するCCD撮像素子を備える先端計測機を設けたが、推進軌跡から推進方向を求める場合は、これを設ける必要がない。
【0082】
また、第1の実施の形態において、掘進機の推進角度を求めるために、第2の実施の形態に係る一対の離間ターゲットを設けることもできる。
【0083】
また、実施の形態では、各ターゲットと各中間計測機との間の距離を光波距離計で計測したが、掘進機及び各中間計測機間に、これらの間の距離を規定できる位置決め棒のスケールを介挿して、上記距離を求めることもできる。
【0084】
さらに、紐状体に種々の手段で計測目盛を形成し、各計測機に上記目盛を読み取れるスケール読み取り装置を設け、上記ターゲット間あるいは中間計測機間の距離を求めることもできる。
【0085】
また、実施の形態では、光波距離計のLED光を用いて上記ターゲットを照らし、その反射光からターゲットの画像を得るように構成したが、ターゲットを複数のLED光源を用いて形成し、上記LED光源の画像を用いて計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る推進軌跡の計測装置の概要を示す平面図である。
【図2】第1の実施の形態に係る埋設管内部の構造を示す縦断面図である。
【図3】図2における III−III 線に沿う断面図である。
【図4】CCD撮像素子で撮像した画面の状態を示す説明図である。
【図5】図1に係る掘進機及び埋設管の推進軌跡をもとめる手法を示す説明図である。
【図6】第1の実施の形態に係る推進軌跡の計測方法を表したフローチャートである。
【図7】第2の実施の形態に係る推進軌跡の計測装置の概要を示す平面図である。
【図8】第2の実施の形態に係る埋設管内部の構造を示す縦断面図である。
【図9】図8におけるIX−IX線に沿う断面図である。
【図10】第2の実施の形態の計測装置の説明図である。
【図11】第2の実施の形態における計測画像の状態を表す説明図である。
【図12】第2の実施の形態の計測装置の説明図である。
【図13】第2の実施の形態における計測画像の状態を表す説明図である。
【図14】第2の実施の形態に係る計測方法を説明する図である。
【符号の説明】
1 掘進機
2 埋設管
4a 中間計測機
4b 中間計測機
4c 中間計測機
5 先端計測機
6 計測基点計測機
16 ターゲット
Claims (11)
- シールド掘進機の後方に埋設管を接続して、掘削しながら管路を敷設する推進シールド工法における推進体の推進位置の計測装置であって、
前方の二次元ターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段と、後方の二次元ターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段と、前方及び後方のCCD撮像手段によって撮像される二次元ターゲットとを有し、地中を推進する上記埋設管内に所定間隔をあけて設けられる中間計測機と、
計測基点に配置され、最後方に配置された上記中間計測機の上記ターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段と、上記最後方に配置された上記中間計測機の撮像手段によって撮像される二次元ターゲットとを有する計測基点計測機と、
上記シールド掘進機又はこれに続く埋設管内に設けられ、最前方に配置された上記中間計測機のCCD撮像手段によって撮像される二次元先端ターゲットを設けた先端計測機と、
各ターゲットとこれを撮像する各計測機間の距離を求めることのできる距離計測手段と、
上記各CCD撮像手段から得られるターゲット画像の2次元方向変位及び回転角度変位を含む画像変位情報と、上記距離計測手段から得られる距離情報とに基づいて、上記各ターゲット間又は各計測機間の3次元変位を求めるとともに、計測基点に対するシールド掘進機及び埋設管の推進軌跡を求める演算手段とを備える、シールド推進工法における推進体の推進軌跡の計測装置。 - 上記中間計測機は、上記二つのCCD撮像手段を背中合わせに連結して一体化する一方、
上記一体化した撮像手段の軸方向中央の外周部から、前方のCCD撮像手段及び後方のCCD撮像手段によって撮像できる二次元ターゲットを延出形成した、請求項1に記載のシールド推進工法における推進体の推進軌跡の計測装置。 - 上記先端計測機は、後方の中間計測機のターゲットを撮像して上記画像情報を出力できるCCD撮像手段を備える、請求項1又は請求項2のいずれかに記載の推進シールド工法における推進体の推進軌跡の計測装置。
- 上記演算手段は、上記距離情報と、撮像された上記ターゲット画像の二次元方向変位及び回転角度変位に基づいて、上記各ターゲット又は各中間計測機の3次元相対変位を求めるとともに、これらターゲット又は各中間計測機の上記計測基点に対する推進位置を求める推進位置演算手段を含んで構成されている、請求項1から請求項3のいずれかに記載の推進シールド工法における推進体の推進軌跡の計測装置。
- 上記各二次元ターゲットは、複数のLED発光体を配列して構成されている、請求項1から請求項4のいずれかに記載の推進シールド工法における推進体の推進軌跡の計測装置。
- 上記距離計測手段は、
向かい合う一方の計測機に設けられるとともに光源部と受光部とを有する光波距離計と、
向かい合う他方の計測機に設けられて、上記光源部から発せられた光を上記受光部に向けて反射する反射部材とを備えて構成されている、請求項1から請求項5のいずれかに記載の推進シールド工法における推進体の推進軌跡の計測装置。 - 上記距離計測手段の上記光源部から照射される光によって上記二次元ターゲットを照射し、上記CCD撮像手段に撮像させるように構成されている、請求項6に記載の推進シールド工法における推進体の推進軌跡の計測装置。
- 上記距離計測手段は、各計測機間に介挿され、上記ターゲット間又は上記計測機間の距離を計測しあるいは設定できるスケール部材を備えて構成されている、請求項1から請求項5のいずれかに記載の推進シールド工法における推進体の推進軌跡の計測装置。
- シールド掘進機の後方に埋設管を接続して、掘削しながら管路を敷設する推進シールド工法における推進体の推進位置の計測装置であって、
前方又は後方のターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段と、埋設管の軸方向に所定間隔を開けて配置された一対の離間ターゲットとを各々有する中間計測機と、
計測基点に配置され、最後方に配置された上記中間計測機の上記離間ターゲットを撮像して画像情報を出力できるCCD撮像手段、又は上記最後方の中間計測機の上記CCD撮像手段によって撮像される上記離間ターゲットを有する計測基点計測機と、
上記シールド掘進機又はこれに接続された上記埋設管に設けられ、最前方に配置された上記中間計測機のCCD撮像装置によって撮像される上記離間ターゲット、又は後方の中間計測機に設けた一対の上記離間ターゲットを撮像できるCCD撮像装置を有する先端計測機と、
各離間ターゲットとこれを撮像する各計測機間の距離を計測できる距離計測手段と、
上記各CCD撮像手段から得られるターゲット画像の2次元方向変位及び回転角度変位を含む画像変位情報と、上記距離計測手段から得られる距離情報とに基づいて、上記各離間ターゲット間又は各計測機間の3次元変位を求めることにより、計測基点に対するシールド掘進機及び埋設管の推進軌跡を求める一方、上記一対の離間ターゲット画像間の2次元方向変位と上記距離情報と上記離間ターゲットの間隔に基づいて各計測機間及び掘進機の3次元角度変位を求める演算手段とを備える、シールド推進工法における推進体の推進軌跡の計測装置。 - シールド掘進機の後方に埋設管を接続して、掘削しながら管路を敷設する推進シールド工法における推進体の推進位置の計測方法であって、
前方の二次元ターゲット及び/又は後方の二次元ターゲットを撮像手段によって撮像してこれらターゲット画像の2次元方向変位及び回転角度変位を含む画像変位情報を出力する撮像行程と、
各ターゲットとこれを撮像する各撮像手段との距離を求める距離計測行程と、
上記画像変位情報及び上記距離情報から、各ターゲットの3次元相対変位を求める3次元相対変位演算行程と、
上記画像変位情報及び上記距離情報から、各ターゲットを配置した掘進機又は埋設管の相対推進角度変位を求める相対推進角度変位演算行程と、
上記3次元相対変位と上記相対推進角度変位に基づいて、推進基点を基準とした掘進機及び埋設管の推進位置及び推進方向を求める推進軌跡演算行程とを含む、推進シールド工法における推進体の推進位置の計測方法。 - シールド掘進機の後方に埋設管を接続して、掘削しながら管路を敷設する推進シールド工法における推進体の推進位置の計測方法であって、
前方又は後方を推進する掘進機又は埋設管に所定間隔を開けて設けた一対の離間ターゲットを撮像手段によって撮像してターゲット画像の2次元方向変位及び回転角度変位を含む画像変位情報を出力する撮像行程と、
上記離間ターゲットとこれを撮像するCCD撮像手段の間の距離を計測する距離計測行程と、
上記画像変位情報及び上記距離計測行程において得られる距離情報から、上記離間ターゲットを設けた掘進機又は埋設管の上記CCD撮像手段に対する3次元相対変位を求める相対変位演算行程と、
上記画像変位情報における上記一対の離間ターゲット間の相対変位と上記離間ターゲット間隔と上記距離計測行程において得られた上記距離とから、上記離間ターゲットを設けた掘進機又は埋設管の上記撮像手段に対する3次元相対推進角度を求める相対推進角度演算行程と、
上記3次元相対変位と上記3次元相対推進角度に基づいて、推進基点を基準とした掘進機及び埋設管の推進位置及び推進方向を求める推進軌跡演算行程とを含む、推進シールド工法における推進体の推進位置の計測方法。
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