JP3822521B2 - 埋設管推進機先端装置の状態推定方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動ヘッド部と中折れ部を介して振動ヘッド部に連結された方向制御部からなる先端装置を有し、この先端装置と先端装置の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、振動ヘッド部を地盤へ圧入させながら発進立坑の元押装置により推進させることにより管路を形成する埋設管推進機に係り、特に先端装置の運動特性を逐次推定したり、現在より先の挙動を予測したりすることの可能な状態推定方法および状態推定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、振動ヘッド部と中折れ部を介して振動ヘッド部に連結された方向制御部からなる先端装置を有し、この先端装置と先端装置の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、振動ヘッド部を地盤へ圧入させながら発進立坑の元押装置により推進させることにより管路を形成する埋設管推進機が知られている。このような埋設管推進機では、先端装置に内蔵された光ファイバジャイロやピッチング計などの各種センサからの観測信号により求めた計画線からの変位量を地上に設置された操作盤上に表示して、この変位量に基づいてオペレータが振動ヘッドの方向修正量を決定して振動ヘッド傾動用油圧ジャッキを操作していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の埋設管推進機では、得られるセンサ情報のみでは埋設管推進機の正しい位置・姿勢を求めることができず、埋設管推進機の旋回特性把握や計画線との誤差を可能な限り小さく保つ方向修正操作はオペレータの経験と技術に大きく依存しているという問題点があった。
【０００４】
本発明の目的は、オペレータの技術ヘの依存性を極力低減して、オペレータが熟練者か非熟練者かに関係なく、埋設管推進機の高精度な状態把握を可能にすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、地盤に圧入される振動ヘッド部（図１の１０３）と中折れ部（１０６）を介して前記振動ヘッド部に連結された方向制御部（１０４）からなる先端装置（１０１）と、この先端装置の後方に順次継ぎ足される埋設管（１０８）とを、発進立坑の元押装置（１０７）により所定の水平計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、前記先端装置の水平位置・姿勢を推定する状態推定方法であって、前記先端装置の方向制御部の水平旋回曲率（ρH ）を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との水平方向の相対角である水平方向修正量（ηH ）を入力変数としたとき、単位推進長（Ｌp ）毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回曲率変化モデル式（式（８）、式（１０））を予め設定する手順と、前記振動ヘッド部の先端の水平移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の水平移動方向が前記振動ヘッド部の水平移動方向から前記水平旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さ（Ｌh ）を乗じた値を引いた方向と一致する水平推進方向モデル式（式（９））を予め設定する手順と、前記水平旋回曲率と前記先端装置の水平計画線に対する水平変位（ＸD ）と前記水平方向修正量とを入力とし、前記水平旋回曲率変化モデル式と前記水平推進方向モデル式とに基づいて、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータ（θH[k]，Ｘh[k]）と前記ＡＲＸモデルのパラメータ（ａH1，・・・，ａHna ，ｂH1，・・・，ｂHnb ）とを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する状態変数ベクトル推定手順とを実行するようにしたものである。このように本発明によれば、埋設管掘進機の先端装置の状態変化モデルを基にして各種観測信号からオンラインで状態推定を行うことにより、その時点の先端装置の水平計画線に対する位置・姿勢や周囲地盤の土質に見合った埋設管推進機の旋回特性をＡＲＸモデルとして逐次推定することが可能となる。
【０００６】
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定方法の１構成例において、前記状態変数ベクトル推定手順は、前記先端装置に搭載された光ファイバジャイロ（図２の２０１）が出力する方位角（θg ）の単位推進長毎の差分で与えられる前記水平旋回曲率と、前記先端装置に搭載された誘導磁界発生装置（３０１）の位置を検出して得られる前記水平変位と、前記水平方向修正量とを用いることにより、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記方位角のオフセット（δg ）とを同時に推定するようにしたものである。これにより、光ファイバジャイロの角度出力に含まれる経時的なオフセットを推定することができる。
【０００７】
また、本発明は、埋設管推進機において先端装置の垂直位置・姿勢を推定する状態推定方法であって、前記先端装置の方向制御部の垂直旋回曲率（ρV ）を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との垂直方向の相対角である垂直方向修正量（ηV ）を入力変数としたとき、単位推進長（Ｌp ）毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回曲率変化モデル式（式（２４）、式（２６））を予め設定する手順と、前記振動ヘッド部の先端の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の垂直移動方向から前記垂直旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さ（Ｌh ）を乗じた値を引いた方向と一致する垂直推進方向モデル式（式（２５））を予め設定する手順と、前記垂直旋回曲率と前記先端装置の垂直計画線に対する垂直変位（ＹS ）と前記垂直方向修正量とを入力とし、前記垂直旋回曲率変化モデル式と前記垂直推進方向モデル式とに基づいて、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータ（θV[k]，Ｙh[k]）と前記ＡＲＸモデルのパラメータ（ａV1，・・・，ａVna ，ｂV1，・・・，ｂVnb ）とを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する状態変数ベクトル推定手順とを実行するようにしたものである。このように本発明によれば、埋設管掘進機の先端装置の状態変化モデルを基にして各種観測信号からオンラインで状態推定を行うことにより、その時点の先端装置の垂直計画線に対する位置・姿勢や周囲地盤の土質に見合った埋設管推進機の旋回特性をＡＲＸモデルとして逐次推定することが可能となる。
【０００８】
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定方法の１構成例において、前記状態変数ベクトル推定手順は、前記先端装置に搭載されたピッチング計（図２の２０２）が出力する傾斜角の単位推進長毎の差分で与えられる前記垂直旋回曲率と、前記先端装置に搭載された深度計により得られる前記垂直変位と、前記垂直方向修正量とを用いることにより、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記傾斜角のオフセット（ｐ0 ）とを同時に推定するようにしたものである。これにより、ピッチング計出力に含まれる一定のオフセットを推定することができる。
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定方法の１構成例は、前記水平旋回曲率変化モデル式のＡＲＸモデルと前記垂直旋回曲率変化モデル式のＡＲＸモデルが同じ次数を持ち、水平方向のＡＲＸモデルのパラメータが垂直方向について推定されたＡＲＸモデルのパラメータで置き換えられるものである。
【０００９】
また、本発明は、埋設管推進機において先端装置の水平位置・姿勢を推定する状態推定装置であって、前記先端装置の方向制御部の水平旋回曲率（ρH ）を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との水平方向の相対角である水平方向修正量（ηH ）を入力変数としたとき、単位推進長（Ｌp ）毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回曲率変化モデル（図３の４０４）と、前記振動ヘッド部の先端の水平移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の水平移動方向が前記振動ヘッド部の水平移動方向から前記水平旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さ（Ｌh ）を乗じた値を引いた方向と一致する水平推進方向モデル（４０５）と、前記水平旋回曲率と前記先端装置の水平計画線に対する水平変位（ＸD ）と前記水平方向修正量とを入力とし、前記水平旋回曲率変化モデルと前記水平推進方向モデルとに基づいて、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータ（θH[k]，Ｘh[k]）と前記ＡＲＸモデルのパラメータ（ａH1，・・・，ａHna ，ｂH1，・・・，ｂHnb ）とを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する逐次状態変数ベクトル推定器（４０７）とを有するものである。
【００１０】
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定装置の１構成例において、前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記先端装置に搭載された光ファイバジャイロ（２０１）が出力する方位角の単位推進長毎の差分で与えられる前記水平旋回曲率と、前記先端装置に搭載された誘導磁界発生装置（３０１）の位置を検出して得られる前記水平変位と、前記水平方向修正量とを用いることにより、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記方位角のオフセット（δg ）とを同時に推定するものである。
【００１１】
また、本発明は、埋設管推進機において先端装置の垂直位置・姿勢を推定する状態推定装置であって、前記先端装置の方向制御部の垂直旋回曲率（ρV ）を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との垂直方向の相対角である垂直方向修正量（ηV ）を入力変数としたとき、単位推進長（Ｌp ）毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回曲率変化モデル（図６の５０４）と、前記振動ヘッド部の先端の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の垂直移動方向から前記垂直旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さ（Ｌh ）を乗じた値を引いた方向と一致する垂直推進方向モデル（５０５）と、前記垂直旋回曲率と前記先端装置の垂直計画線に対する垂直変位（ＹS ）と前記垂直方向修正量とを入力とし、前記垂直旋回曲率変化モデルと前記垂直推進方向モデルとに基づいて、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータ（θV[k]，Ｙh[k]）と前記ＡＲＸモデルのパラメータ（ａV1，・・・，ａVna ，ｂV1，・・・，ｂVnb ）とを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する逐次状態変数ベクトル推定器（５０７）とを有するものである。
【００１２】
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定装置の１構成例において、前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記先端装置に搭載されたピッチング計（２０２）が出力する傾斜角の単位推進長毎の差分で与えられる前記垂直旋回曲率と、前記先端装置に搭載された深度計により得られる前記垂直変位と、前記垂直方向修正量とを用いることにより、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記傾斜角のオフセット（ｐ0 ）とを同時に推定するものである。
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定装置の１構成例は、前記水平旋回曲率変化モデル式のＡＲＸモデルと前記垂直旋回曲率変化モデルのＡＲＸモデルが同じ次数を持ち、水平方向のＡＲＸモデルのパラメータが垂直方向について推定されたＡＲＸモデルのパラメータで置き換えられるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の状態推定装置の推定対象となる埋設管推進機の全体構成を示す側面図である。図１に示す埋設管推進機は、先端装置１０１の先端に設けられた振動ヘッド１０２を周囲の地盤１０９に圧入しながら元押装置１０７の推進力により前進し、一定長の埋設管１０８を順に継ぎ足していくことにより管路を形成するものである。
【００１４】
先端装置１０１は、振動ヘッド１０２と、先端に振動ヘッド１０２が取り付けられた振動ヘッド部１０３と、中折れ部１０６を介して振動ヘッド部１０３に連結された方向制御部１０４とから構成される。
【００１５】
先端装置１０１と埋設管１０８とを前進させる推進力は、地盤１０９に垂直に形成された発進立抗１１０内の元押装置１０７によって生じる。また、埋設管推進機の推進方向は、振動ヘッド部１０３に内蔵された後述する方向修正ジャッキにより振動ヘッド部１０３を上下左右に傾動させることにより制御することができる。
【００１６】
図２は水平方向に関する位置・姿勢を計測するための誘導磁界計測法や光ファイバジャイロによる水平位置検知システムと液圧差法やピッチング計による垂直位置検知システムを示している。方向制御部１０４に設置された光ファイバジャイロ２０１は、発進立抗１１０を基準点とする方向制御部１０４の方位角を計測する。
【００１７】
また、方向制御部１０４に設置されたピッチング計２０２によって方向制御部１０４の垂直位置が求まり、ローリング計２０３によって方向制御部１０４の回転角度が求まる。また、前述のように、振動ヘッド部１０３には方向修正ジャッキ１１１が内蔵されている。
【００１８】
さらに、水平方向に関しては、先端装置１０１に内蔵された誘導磁界発生装置３０１が生成する誘導磁界を地上に設置された誘導磁界検出装置３０２によって検知することにより、埋設管推進機の推進基準線（計画線）からの水平変位を求めることができる。
【００１９】
そして、垂直方向に関しては、先端装置１０１に内蔵された圧力センサ３０３によって測定された液圧と地上に設置された基準液圧測定装置３０４で測定された基準液圧との差を検知することにより、埋設管推進機の深度を求めることができる。
【００２０】
［第１の実施の形態］
以下、埋設管推進機の先端装置１０１の水平方向の位置・姿勢を推定する水平方向状態推定装置について説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態となる水平方向状態推定装置の構成を示すブロック図である。図３の各構成要素の具体的構成法を述べるため、最初に埋設管推進機の水平方向修正量に対する先端装置１０１の水平旋回特性を表すマシン状態変化モデルの設計法について述べる。その後、光ファイバジャイロ２０１および誘導磁界検知法による埋設管推進機の水平旋回運動に関する状態変化モデルパラメータのオンライン推定法について説明する。
【００２１】
図４は、埋設管推進機の水平方向の運動を表すための各部位の位置や角度の定義を示している。水平計画線からみた中折れ部１０６の水平変位をＸh 、水平計画線からみた誘導磁界発生装置（電磁コイル）３０１の水平変位をＸD とする。また、水平計画線に対する方向制御部１０４の傾斜角（ヨーイング角）をθH 、方向制御部１０４を基準としたときの振動ヘッド部１０３の傾斜角（ヘッド角）である水平方向修正量をηH とする。また、方向制御部１０４の長さをＬf 、振動ヘッド１０２を含む振動ヘッド部１０３の長さをＬh とする。
【００２２】
図５は、元押装置１０７がｄｓだけ先端装置１０１を推進させたときの各部の移動ベクトルを示したものである。振動ヘッド１０２の先端ｃから前方の地盤１０９には元押装置１０７から伝わる推力が加わりヘッド１０２の振動と共に圧入されていく。このとき、振動ヘッド１０２の側面は地盤１０９に囲まれており、先端ｃの移動方向は振動ヘッド部１０３の長手方向バーｈｃに拘束されていると考えられる。
【００２３】
一方、先端装置１０１及び埋設管１０８は地盤１０９に囲まれているため埋設管推進機全体の並進運動は生じないものと考えられる。この場合、先端装置１０１の推進は、バーｈｃと直角な方向に存在する回転中心Ｏの周りを旋回するような非ホロノミックな拘束状態にある運動としてモデル化できる。このとき、元押装置１０７をｄｓだけ推進させたときの先端ｃの移動ベクトルｄｓc ＝［ｄｓcx，ｄｓcz］T は次式で表される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
また、旋回運動の曲率半径を１／ρH とすると次式が成り立つ。
【００２６】
【数２】
【００２７】
ただし、ρH は符号付の旋回曲率（進行方向右旋回を正）である。先端装置１０１の全長に比べ曲率半径１／ρH が十分に大きいとすれば、中折れ部１０６の移動ベクトルｄｓh ＝［ｄｓhx，ｄｓhz］T は‖ｄｓh ‖＝‖ｄｓc ‖＝ｄｓであり、次のように表される．
【００２８】
【数３】
【００２９】
いま、先端装置１０１の水平方向修正量ηH は単位推進長Ｌp の間一定で旋回曲率ρH の変化も無視できるとすれば、式（２）及び式（３）は次のように離散化できる。
【００３０】
【数４】
【００３１】
【数５】
【００３２】
【数６】
【００３３】
埋設管推進機に与えられる計画線軌道は通常、直線と円弧の組み合わせで表される。交角の大きな円弧の場合、区分的に図５のｚ軸を円弧の接線方向に合わせたいくつかの座標系を定義すれば、その区間の計画線の曲率により決定される曲線にｘh[k]を追従させることによって埋設管推進機の制御目的は達せられる。このとき、先端装置１０１のヨーイング角θH は区間内で十分小さく、また水平方向修正量ηH の最大値も小さいため、式（５）は次のように線形化することができる。
【００３４】
【数７】
【００３５】
式（４）、式（７）は、水平方向修正量ηH を一定とした単位推進長Ｌp 間の変化を表しているが、先端装置１０１の位置・姿勢は水平方向修正量ηH を変化させた直後にも地盤１０９からの反力による影響を受ける。いま、水平方向修正量ηH をΔηH だけ傾動させたときの先端ｃの移動距離ＬhΔηHのうち、地盤１０９に食い込む割合を１−ｋeHと定義すれば、方向制御部１０４と埋設管１０８との連結部ｆを支点とした地盤反力によるθH とｘh への影響は、それぞれ−ＬhΔηHｋeH／（Ｌh＋Ｌf）、−ＬfＬhΔηHｋeH／（Ｌh＋Ｌf） と見積もられる。したがって、方向修正に伴う地盤反力をも考慮に入れた先端装置１０１の位置・姿勢の変化は次式で表される。
【００３６】
【数８】
【００３７】
【数９】
【００３８】
一方、先端装置１０１の旋回運動は、元押装置１０７が発生する推進力と先端装置１０１が周囲地盤１０９より受ける反力によって大きく左右され、埋設管推進機の方向修正は、振動ヘッド部１０３と方向制御部１０４との相対角である方向修正量を制御して地盤１０９からの反力の影響を調整することにより実現される。
【００３９】
また、埋設管推進機の構造から明らかなように先端装置１０１の急旋回は不可能であり、水平計画線に対する傾斜角を変化させるには方向修正の後ある程度の推進距離を必要とする。ある一定の方向修正量を与えて推進を続けたとき地盤の性質が一定とすれば先端装置１０１は理想的にはある一定の曲率で旋回しようとする。
【００４０】
そこで、先端装置１０１の水平旋回曲率ρH を出力変数、水平方向修正量ηH を入力変数として、単位推進長Ｌp 毎にサンプリングされる時系列データに関して次式のようなＡＲＸ（Auto-Regressive eXogenous ）モデルを導入することにより埋設管推進機の旋回運動モデルを記述することを考える。
【００４１】
【数１０】
【００４２】
ＡＲＸモデルについては、例えば文献「I.D.Landau,“System Identification and Control Design”,PrenticeHall(1990)」、文献「足立修一，“ユーザのためのシステム同定理論”，計測自動制御学会(1993)」に記載されている。
【００４３】
式（１）において、ｋはマシンデータのサンプリング回数、ａHi（ｉ＝１，・・・，ｐ），ｂHj（ｊ＝１，・・・，ｑ）は周囲の地盤の性質によって変化する埋設管推進機の旋回特性に関するパラメータ、ｗ[k] は上記ダイナミクスに作用するシステムノイズを意味している。
【００４４】
結局、先端装置１０１の水平旋回モデルは式（８）、式（９）及び式（１０）から次のような状態方程式で表される。
【００４５】
【数１１】
【００４６】
ただし、ＸH[k]、ＡH、ＢHは次式のようになる。
【００４７】
【数１２】
【００４８】
【数１３】
【００４９】
【数１４】
【００５０】
Ｉp ，Ｏp,q ，ｏp はそれぞれｐ次元単位行列、ｐ行ｑ列の零行列、ｐ次元零ベクトルである。ここで、対象としている先端装置１０１は光ファイバジャイロ２０１を搭載しているが、この光ファイバジャイロ２０１の角度出力θg には経時的なオフセットδg が存在するため、方位角θg を直接ヨーイング角θH とすることは困難である。
【００５１】
ただし、オフセットの変化が緩やかであれば、光ファイバジャイロ２０１から出力される方位角θg の連続する２点間の差分をとることにより、水平旋回曲率ρH を求めることは可能である。水平計画線からみた水平変位ＸD は、先端装置内蔵の誘導磁界発生装置３０１の生成する磁界を地上の誘導磁界検出装置３０２で数メートル間隔で検出して求めることができる。これらのセンシング情報から式（８）、式（９）、式（１０）の旋回運動モデルに基づいて、先端装置１０１の位置・姿勢とモデルに含まれる未知パラメータをカルマンフィルタにより推定することを考える。
【００５２】
これにより、その後の運動を予測するための状態方程式表現やこれに基づく方向修正制御のためのフィードバック制御則が導出可能となる。以下、この場合のカルマンフィルタを用いた逐次状態変数ベクトル推定器４０７の構成法について述べる。
【００５３】
まず、以下のように推定すべき状態変数ベクトルＸH ∈Ｒ(3+p+q+2)×1 を定義する。
【００５４】
【数１５】
【００５５】
このとき、式（８）、式（９）、式（１０）は光ファイバジャイロオフセットモデルδg[k+1]＝δg[k]＋ε[k] （εは白色ノイズ）と合わせて次の状態方程式により表すことができる。
【００５６】
【数１６】
【００５７】
ωH[k]はＥ(ωH)＝０，Ｅ（ωH[k]ωTH[k']）＝ΣωHδkk' のシステムノイズを表している。ここで、Ｅ(・)は期待値、δkk' はクロネッカのδを意味している。また、ＦH[k]中のρH[k]は光ファイバジャイロ出力θg による近似値（ρH[k]＝（θg[k+1]−θg[k]）／Ｌp） を用いればよい。ただし、サンプリングｋの時点ではθg[k+1]は得られないので、ｋにおけるＸH[k]の推定値のρH[k]を利用することができる。
【００５８】
一方、誘導磁界発生装置３０１の水平位置ｘD は、中折れ部１０６と誘導磁界発生装置３０１間の長さをＬD とすれば、中折れ部水平変位ｘh とヨーイング角θH を用いて次のように表される。
【００５９】
【数１７】
【００６０】
誘導磁界発生装置３０１の水平位置ｘD が計測されたとき、式（１７）と水平旋回曲率ρH 、光ファイバジャイロ出力角θg に関して次の観測方程式が与えられる。
【００６１】
【数１８】
【００６２】
υH[k]はＥ(υH)＝０，Ｅ(υH[k]υTH[k'])＝ΣυHδkk' の観測ノイズを表している。一方、水平位置ｘD が計測されないときは、水平旋回曲率データρH とこれに対応した観測行列ＨH による推定を行う。いま、Ｅ(ωH[k]υTH[k'])＝Ｏ(3+p+q+2)×3 と仮定すると、以下のようなカルマンフィルタが構成され、未知変数ベクトルＸH[k]の推定値ハットＸH[k]を求めることが可能になる。以下、同様に文字上に付した「∧」をハットと呼ぶ。
【００６３】
【数１９】
【００６４】
【数２０】
【００６５】
【数２１】
【００６６】
【数２２】
【００６７】
【数２３】
【００６８】
式（１９）、式（２０）はフィルタ方程式、式（２１）はカルマンゲイン、式（２２）、式（２３）は誤差の共分散行列方程式である。
【００６９】
次に、図３に示した水平方向状態推定装置４０２の構成について説明する。水平方向状態推定装置４０２は、マシン状態方程式生成部４０３と、逐次状態変数ベクトル推定器４０７とから構成される。マシン状態方程式生成部４０３は、先端装置水平旋回曲率モデル４０４と、先端装置水平推進方向モデル４０５とを有する。
【００７０】
なお、先端装置１０１と埋設管１０８とを水平方向修正量ηH に基づいて水平計画線の方向に推進させる方向制御装置は、以上の水平方向状態推定装置４０２と図示しない水平方向制御器とから構成される。
【００７１】
水平計画線の方向を示す水平計画線情報は、オペレータによって設定され、水平方向状態推定装置４０２と図示しない水平方向制御器に入力される。埋設管推進機に設けられた光ファイバジャイロ２０１は、発進立抗１１０を基準点とする方向制御部１０４の方位角θg を示す観測信号を出力する。地上に設置された誘導磁界検出装置３０２は、埋設管推進機に設けられた誘導磁界発生装置３０１の水平計画線に対する水平変位ＸD を示す観測信号を出力する。
【００７２】
水平方向状態推定装置４０２は、光ファイバジャイロ２０１から出力された方位角θg を示す観測信号と、水平変位ＸD を示す観測信号と、水平方向制御器から出力された現時点での水平方向修正量ηH と、前記水平計画線情報とを入力信号とする。
【００７３】
そして、水平方向状態推定装置４０２の逐次状態変数ベクトル推定器４０７は、方向制御部１０４の水平旋回曲率ρH を出力変数とし水平方向修正量ηH を入力変数としたとき、単位推進長Ｌp 毎に得られる入力変数と出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した先端装置水平旋回曲率変化モデル４０４（式（８）、式（１０））と、振動ヘッド部１０３の先端の水平移動方向が振動ヘッド部１０３の長手方向と一致し、かつ中折れ部１０６の水平移動方向が振動ヘッド部１０３の水平移動方向から水平旋回曲率ρH に振動ヘッド部１０３の長さＬh を乗じた値を引いた方向と一致する先端装置水平推進方向モデル４０５（式（９））と、前記入力信号とに基づいて、水平計画線に対する先端装置の水平位置・姿勢パラメータθH[k]，Ｘh[k]とＡＲＸモデルのパラメータａH1，・・・，ａHna ，ｂH1，・・・，ｂHnb とをオンライン推定（すなわち、埋設管推進機の推進と同時に推定）する。
【００７４】
図示しない水平方向制御器は、逐次状態変数ベクトル推定器４０７によって推定された水平方向状態変数ベクトル推定値に基づいて次の水平方向修正量ηH を計算する。水平方向制御器で計算された水平方向修正量ηH は、埋設管推進機に入力され、この水平方向修正量ηH に基づいて方向修正ジャッキ１１１が駆動される。こうして、先端装置１０１が水平計画線の方向に前進するよう方向制御が行われる。
【００７５】
なお、水平方向状態推定装置４０２は、演算装置、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータでは、マシン状態方程式生成部４０３は記憶装置に格納される。以上のようにして、オペレータの熟練度に依存せず、均質で高精度な埋設管推進機の状態推定や現在より先の予測情報を提供できる。
【００７６】
［第２の実施の形態］
次に、埋設管推進機の先端装置１０１の垂直方向の位置・姿勢を推定する垂直方向状態推定装置について説明する。本実施の形態においても埋設管推進機の構成は第１の実施の形態と同じであるので、図１、図２の符号を用いて説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態となる垂直方向状態推定装置の構成を示すブロック図である。
【００７７】
図６の各構成要素の具体的構成法を述べるため、最初に埋設管推進機の垂直方向修正量に対する先端装置１０１の旋回特性を表すマシン状態変化モデルの設計法について述べる。その後、埋設管推進機の垂直方向に関する状態変化モデルパラメータのオンライン推定法について説明する。
【００７８】
図７は、先端装置１０１の垂直方向の運動を表すための各部位の位置や角度の定義を示している。基準水平線から見た中折れ部１０６の垂直変位をＹh 、基準水平線から見た深度計（圧力センサ３０３）の変位をｙS とする。また、垂直計画線に対する方向制御部１０４の傾斜角（ピッチング角）をθV 、方向制御部１０４を基準としたときの振動ヘッド部１０３の傾斜角（ヘッド角）である垂直方向修正量をηV とする。
【００７９】
先端装置１０１の垂直方向の旋回運動に関しても前述の水平旋回時の挙動がそのまま当てはまり、式（８）、式（９）、式（１０）に対応して次のようにモデル化できる。
【００８０】
【数２４】
【００８１】
【数２５】
【００８２】
【数２６】
【００８３】
１−ｋeVは垂直方向修正量ηV をΔηV だけ変化させたときに振動ヘッド部１０３の先端が地盤に食い込む割合、ａVi（ｉ＝１，・・・，ｎａ），ｂVj（ｊ＝１，・・・，ｎｂ）は周囲の地盤の性質によって変化する埋設管推進機の旋回特性に関するパラメータ、ｗV[k] は上記ダイナミクスに作用する白色システムノイズを意味している。
【００８４】
先端装置１０１にはピッチング計２０２が内蔵されており，ピッチング計出力θp の単位推進長Ｌp 毎の差分を求めることにより垂直方向の旋回曲率ρV が算出できる。ただし、ピッチング計出力θp には一定のオフセットｐ0 が存在することがあり、ピッチング計出力θp を直接には埋設管推進機の垂直傾斜角とできない場合がある。
【００８５】
しかし、垂直変位ＹS を表す深度計データと上記の垂直旋回運動モデルにカルマンフィルタを適用すればｐ0 ，θV の推定は可能である。以下、この場合のカルマンフィルタを用いた逐次状態変数ベクトル推定器５０７の構成法について述べる。
【００８６】
まず、以下のように推定すべき状態変数ベクトルＸV ∈Ｒ(3+p+q+2)×1 を定義する。
【００８７】
【数２７】
【００８８】
ＸV を推定ベクトルとした場合、式（２４）、式（２５）、式（２６）は、次の状態方程式により表すことができる。
【００８９】
【数２８】
【００９０】
ωV[k]はＥ(ωV)＝０，Ｅ（ωV[k]ωTV[k']）＝ΣωVδkk' のシステムノイズを表している。ここで、Ｅ(・)は期待値、δkk' はクロネッカのδを意味している。また、ＦV[k]中のρV[k]はピッチング計出力θp による近似値（ρV[k]＝（θp[k+1]−θp[k]）／Ｌp） を用いればよい。ただし、サンプリングｋの時点ではθp[k+1]は得られないので、ｋにおけるＸV[k]の推定値のρV[k]を利用することができる。
【００９１】
一方、深度計位置ｙS は中折れ部１０６と圧力センサ３０３間の長さをＬS とすれば、中折れ部垂直変位ｙh と先端装置１０１の垂直傾斜角θV を用いて次のように表される。
【００９２】
【数２９】
【００９３】
式（２９）とピッチング計出力θp（＝θV＋ｐ0） 及び垂直旋回曲率データを合わせれば、次の観測方程式が導かれる。
【００９４】
【数３０】
【００９５】
υV[k]はＥ(υV)＝０，Ｅ(υV[k]υTV[k'])＝ΣυVδkk' の観測ノイズを表している。いま、Ｅ(ωV[k]υTV[k'])＝Ｏ(3+p+q+2)×3 と仮定すると、以下のようなカルマンフィルタが構成され、未知変数ベクトルＸV[k]の推定値ハットＸV[k]を求めることが可能になる。
【００９６】
【数３１】
【００９７】
【数３２】
【００９８】
【数３３】
【００９９】
【数３４】
【０１００】
【数３５】
【０１０１】
式（３１）、式（３２）はフィルタ方程式、式（３３）はカルマンゲイン、式（３４）、式（３５）は誤差の共分散行列方程式である。
【０１０２】
次に、図６に示した垂直方向状態推定装置５０２の構成について説明する。垂直方向状態推定装置５０２は、マシン状態方程式生成部５０３と、逐次状態変数ベクトル推定器５０７とから構成される。マシン状態方程式生成部５０３は、先端装置垂直旋回曲率モデル５０４と、先端装置垂直推進方向モデル５０５とを有する。
【０１０３】
なお、先端装置１０１と埋設管１０８とを垂直方向修正量ηV に基づいて垂直計画線の方向に推進させる方向制御装置は、以上の垂直方向状態推定装置５０２と図示しない垂直方向制御器とから構成される。
【０１０４】
垂直計画線の方向を示す垂直計画線情報は、オペレータによって設定され、垂直方向状態推定装置５０２と図示しない垂直方向制御器に入力される。埋設管推進機に設けられた圧力センサ３０３は、地上の基準液圧測定装置３０４で測定された基準液圧と自センサで測定した液圧との差に基づいて、自センサの基準水平線に対する垂直変位Ｙs を示す観測信号を出力する。
【０１０５】
垂直方向状態推定装置５０２は、基準水平線に対する垂直変位Ｙs を示す観測信号と、埋設管推進機のピッチング計２０２から出力された、垂直計画線に対する方向制御部１０４の傾斜角（ピッチング角）θp （＝θV＋ｐ0）を示すピッチング角信号と、垂直方向制御器から出力された現時点での垂直方向修正量ηv と、前記垂直計画線情報とを入力信号とする。
【０１０６】
そして、垂直方向状態推定装置５０２の逐次状態変数ベクトル推定器５０７は、方向制御部１０４の垂直旋回曲率ρV を出力変数とし垂直方向修正量ηV を入力変数としたとき、単位推進長Ｌp 毎に得られる入力変数と出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した先端装置垂直旋回曲率変化モデル５０４（式（２４）、式（２６））と、振動ヘッド部１０３の先端の垂直移動方向が振動ヘッド部１０３の長手方向と一致し、かつ中折れ部１０６の垂直移動方向が振動ヘッド部１０３の垂直移動方向から垂直旋回曲率ρV に振動ヘッド部１０３の長さＬh を乗じた値を引いた方向と一致する先端装置垂直推進方向モデル５０５（式（２５））と、前記入力信号とに基づいて、垂直計画線に対する先端装置１０１の垂直位置・姿勢パラメータθV[k]，Ｙh[k]とＡＲＸモデルのパラメータａV1，・・・，ａVna ，ｂV1，・・・，ｂVnb とをオンライン推定する。
【０１０７】
図示しない垂直方向制御器は、逐次状態変数ベクトル推定器５０７によって推定された垂直方向状態変数ベクトル推定値に基づいて次の垂直方向修正量ηV を計算する。垂直方向制御器で計算された垂直方向修正量ηV は、埋設管推進機に入力され、この垂直方向修正量ηV に基づいて方向修正ジャッキ１１１が駆動される。こうして、先端装置１０１が垂直計画線の方向に前進するよう方向制御が行われる。
【０１０８】
なお、垂直方向状態推定装置５０２は、演算装置、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータでは、マシン状態方程式生成部５０３は記憶装置に格納される。以上のようにして、オペレータの熟練度に依存せず、均質で高精度な埋設管推進機の状態推定を実現できる。
【０１０９】
［第３の実施の形態］
次に、垂直方向で推定されたパラメータを水平方向で流用することを考える。埋設管推進機の水平及び垂直方向における地盤との相互作用の仕方がほぼ同一であると仮定すると、同じ次数で定義した旋回運動特性に関するＡＲＸモデルの各パラメータも同一と見なせる。垂直方向の状態推定はセンシング情報の質からみて水平方向に比べて有利であるため、垂直方向で推定されたパラメータを水平方向で流用することを考える。このとき、式（１５）、式（１６）の状態変数ベクトルと状態方程式の代わりに次式を用いればよい。
【０１１０】
【数３６】
【０１１１】
【数３７】
【０１１２】
ただし、ハットａVi，ハットｂVj，ハットｋeVはそれぞれ垂直方向の状態推定において推定されたＡＲＸパラメータと地盤への食込み係数の推定値である。また、この場合の観測方程式は次のように与えられる。
【０１１３】
【数３８】
【０１１４】
【発明の効果】
本発明によれば、先端装置の方向制御部の水平旋回曲率を出力変数とし、振動ヘッド部と方向制御部との水平方向の相対角である水平方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる入力変数と出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回曲率変化モデル式を予め設定し、振動ヘッド部の先端の水平移動方向が振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ中折れ部の水平移動方向が振動ヘッド部の水平移動方向から水平旋回曲率に振動ヘッド部の長さを乗じた値を引いた方向と一致する水平推進方向モデル式を予め設定し、水平旋回曲率と先端装置の水平計画線に対する水平変位と水平方向修正量とを入力とし、水平旋回曲率変化モデル式と水平推進方向モデル式とに基づいて、水平計画線に対する先端装置の水平位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを埋設管推進機の推進と同時に推定するようにしたことにより、埋設管掘進機の先端装置の状態変化モデルを基にして各種観測信号からオンラインで状態推定を行うようにしたので、その時点の先端装置の水平計画線に対する位置・姿勢や周囲地盤の土質に見合った埋設管推進機の旋回特性をＡＲＸモデルとして逐次推定することが可能となり、オペレータが熟練者か非熟練者かに関係なく、埋設管推進機の均質で高精度な状態推定を行うことができ、現在より先の予測情報を提供することができる。
【０１１５】
また、先端装置に搭載された光ファイバジャイロが出力する方位角の単位推進長毎の差分で与えられる水平旋回曲率と、先端装置に搭載された誘導磁界発生装置の位置を検出して得られる水平変位と、水平方向修正量とを用いることにより、水平計画線に対する先端装置の水平位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータと光ファイバジャイロから出力された方位角のオフセットとを同時に推定することができる。
【０１１６】
また、先端装置の方向制御部の垂直旋回曲率を出力変数とし、振動ヘッド部と方向制御部との垂直方向の相対角である垂直方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる入力変数と出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回曲率変化モデル式を予め設定し、振動ヘッド部の先端の垂直移動方向が振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ中折れ部の垂直移動方向が振動ヘッド部の垂直移動方向から垂直旋回曲率に振動ヘッド部の長さを乗じた値を引いた方向と一致する垂直推進方向モデル式を予め設定し、垂直旋回曲率と先端装置の垂直計画線に対する垂直変位と垂直方向修正量とを入力とし、垂直旋回曲率変化モデル式と垂直推進方向モデル式とに基づいて、垂直計画線に対する先端装置の垂直位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを埋設管推進機の推進と同時に推定するようにしたことにより、埋設管掘進機の先端装置の状態変化モデルを基にして各種観測信号からオンラインで状態推定を行うようにしたので、その時点の先端装置の垂直計画線に対する位置・姿勢や周囲地盤の土質に見合った埋設管推進機の旋回特性をＡＲＸモデルとして逐次推定することが可能となり、オペレータが熟練者か非熟練者かに関係なく、埋設管推進機の均質で高精度な状態推定を行うことができ、現在より先の予測情報を提供することができる。
【０１１７】
また、先端装置に搭載されたピッチング計が出力する傾斜角の単位推進長毎の差分で与えられる垂直旋回曲率と、先端装置に搭載された深度計により得られる垂直変位と、垂直方向修正量とを用いることにより、垂直計画線に対する先端装置の垂直位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとピッチング計から出力された傾斜角のオフセットとを同時に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の状態推定装置の推定対象となる埋設管推進機の全体構成を示す側面図である。
【図２】 図１の埋設管推進機の位置検知システムの構成を示すブロック図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態となる水平方向状態推定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】 埋設管推進機の水平方向の状態変化モデルを記述するための座標系の定義法を示す説明図である。
【図５】 埋設管推進機の旋回運動に伴う各部の移動ベクトルの状態を示す図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態となる垂直方向状態推定装置の構成を示すブロック図である。
【図７】 埋設管推進機の垂直方向の状態変化モデルを記述するための座標系の定義法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１…先端装置、１０２…振動ヘッド、１０３…振動ヘッド部、１０４…方向制御部、１０６…中折れ部、１０７…元押装置、１０８…埋設管、１０９…地盤、１１０…発進立抗、１１１…方向修正ジャッキ、２０１…光ファイバジャイロ、２０２…ピッチング計、２０３…ローリング計、３０１…誘導磁界発生装置、３０２…誘導磁界検出装置、３０３…圧力センサ、３０４…基準液圧測定装置、４０２…水平方向状態推定装置、４０３…マシン状態方程式生成部、４０４…先端装置水平旋回曲率モデル、４０５…先端装置水平推進方向モデル、４０７…逐次状態変数ベクトル推定器、５０２…垂直方向状態推定装置、５０３…マシン状態方程式生成部、５０４…先端装置垂直旋回曲率モデル、５０５…先端装置垂直推進方向モデル、５０７…逐次状態変数ベクトル推定器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動ヘッド部と中折れ部を介して振動ヘッド部に連結された方向制御部からなる先端装置を有し、この先端装置と先端装置の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、振動ヘッド部を地盤へ圧入させながら発進立坑の元押装置により推進させることにより管路を形成する埋設管推進機に係り、特に先端装置の運動特性を逐次推定したり、現在より先の挙動を予測したりすることの可能な状態推定方法および状態推定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、振動ヘッド部と中折れ部を介して振動ヘッド部に連結された方向制御部からなる先端装置を有し、この先端装置と先端装置の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、振動ヘッド部を地盤へ圧入させながら発進立坑の元押装置により推進させることにより管路を形成する埋設管推進機が知られている。このような埋設管推進機では、先端装置に内蔵された光ファイバジャイロやピッチング計などの各種センサからの観測信号により求めた計画線からの変位量を地上に設置された操作盤上に表示して、この変位量に基づいてオペレータが振動ヘッドの方向修正量を決定して振動ヘッド傾動用油圧ジャッキを操作していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の埋設管推進機では、得られるセンサ情報のみでは埋設管推進機の正しい位置・姿勢を求めることができず、埋設管推進機の旋回特性把握や計画線との誤差を可能な限り小さく保つ方向修正操作はオペレータの経験と技術に大きく依存しているという問題点があった。
【０００４】
本発明の目的は、オペレータの技術ヘの依存性を極力低減して、オペレータが熟練者か非熟練者かに関係なく、埋設管推進機の高精度な状態把握を可能にすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、地盤に圧入される振動ヘッド部（図１の１０３）と中折れ部（１０６）を介して前記振動ヘッド部に連結された方向制御部（１０４）からなる先端装置（１０１）と、この先端装置の後方に順次継ぎ足される埋設管（１０８）とを、発進立坑の元押装置（１０７）により所定の水平計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、前記先端装置の水平位置・姿勢を推定する状態推定方法であって、前記先端装置の方向制御部の水平旋回曲率（ρH ）を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との水平方向の相対角である水平方向修正量（ηH ）を入力変数としたとき、単位推進長（Ｌp ）毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回曲率変化モデル式（式（８）、式（１０））を予め設定する手順と、前記振動ヘッド部の先端の水平移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の水平移動方向が前記振動ヘッド部の水平移動方向から前記水平旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さ（Ｌh ）を乗じた値を引いた方向と一致する水平推進方向モデル式（式（９））を予め設定する手順と、前記水平旋回曲率と前記先端装置の水平計画線に対する水平変位（ＸD ）と前記水平方向修正量とを入力とし、前記水平旋回曲率変化モデル式と前記水平推進方向モデル式とに基づいて、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータ（θH[k]，Ｘh[k]）と前記ＡＲＸモデルのパラメータ（ａH1，・・・，ａHna ，ｂH1，・・・，ｂHnb ）とを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する状態変数ベクトル推定手順とを実行するようにしたものである。このように本発明によれば、埋設管掘進機の先端装置の状態変化モデルを基にして各種観測信号からオンラインで状態推定を行うことにより、その時点の先端装置の水平計画線に対する位置・姿勢や周囲地盤の土質に見合った埋設管推進機の旋回特性をＡＲＸモデルとして逐次推定することが可能となる。
【０００６】
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定方法の１構成例において、前記状態変数ベクトル推定手順は、前記先端装置に搭載された光ファイバジャイロ（図２の２０１）が出力する方位角（θg ）の単位推進長毎の差分で与えられる前記水平旋回曲率と、前記先端装置に搭載された誘導磁界発生装置（３０１）の位置を検出して得られる前記水平変位と、前記水平方向修正量とを用いることにより、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記方位角のオフセット（δg ）とを同時に推定するようにしたものである。これにより、光ファイバジャイロの角度出力に含まれる経時的なオフセットを推定することができる。
【０００７】
また、本発明は、埋設管推進機において先端装置の垂直位置・姿勢を推定する状態推定方法であって、前記先端装置の方向制御部の垂直旋回曲率（ρV ）を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との垂直方向の相対角である垂直方向修正量（ηV ）を入力変数としたとき、単位推進長（Ｌp ）毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回曲率変化モデル式（式（２４）、式（２６））を予め設定する手順と、前記振動ヘッド部の先端の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の垂直移動方向から前記垂直旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さ（Ｌh ）を乗じた値を引いた方向と一致する垂直推進方向モデル式（式（２５））を予め設定する手順と、前記垂直旋回曲率と前記先端装置の垂直計画線に対する垂直変位（ＹS ）と前記垂直方向修正量とを入力とし、前記垂直旋回曲率変化モデル式と前記垂直推進方向モデル式とに基づいて、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータ（θV[k]，Ｙh[k]）と前記ＡＲＸモデルのパラメータ（ａV1，・・・，ａVna ，ｂV1，・・・，ｂVnb ）とを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する状態変数ベクトル推定手順とを実行するようにしたものである。このように本発明によれば、埋設管掘進機の先端装置の状態変化モデルを基にして各種観測信号からオンラインで状態推定を行うことにより、その時点の先端装置の垂直計画線に対する位置・姿勢や周囲地盤の土質に見合った埋設管推進機の旋回特性をＡＲＸモデルとして逐次推定することが可能となる。
【０００８】
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定方法の１構成例において、前記状態変数ベクトル推定手順は、前記先端装置に搭載されたピッチング計（図２の２０２）が出力する傾斜角の単位推進長毎の差分で与えられる前記垂直旋回曲率と、前記先端装置に搭載された深度計により得られる前記垂直変位と、前記垂直方向修正量とを用いることにより、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記傾斜角のオフセット（ｐ0 ）とを同時に推定するようにしたものである。これにより、ピッチング計出力に含まれる一定のオフセットを推定することができる。
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定方法の１構成例は、前記水平旋回曲率変化モデル式のＡＲＸモデルと前記垂直旋回曲率変化モデル式のＡＲＸモデルが同じ次数を持ち、水平方向のＡＲＸモデルのパラメータが垂直方向について推定されたＡＲＸモデルのパラメータで置き換えられるものである。
【０００９】
また、本発明は、埋設管推進機において先端装置の水平位置・姿勢を推定する状態推定装置であって、前記先端装置の方向制御部の水平旋回曲率（ρH ）を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との水平方向の相対角である水平方向修正量（ηH ）を入力変数としたとき、単位推進長（Ｌp ）毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回曲率変化モデル（図３の４０４）と、前記振動ヘッド部の先端の水平移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の水平移動方向が前記振動ヘッド部の水平移動方向から前記水平旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さ（Ｌh ）を乗じた値を引いた方向と一致する水平推進方向モデル（４０５）と、前記水平旋回曲率と前記先端装置の水平計画線に対する水平変位（ＸD ）と前記水平方向修正量とを入力とし、前記水平旋回曲率変化モデルと前記水平推進方向モデルとに基づいて、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータ（θH[k]，Ｘh[k]）と前記ＡＲＸモデルのパラメータ（ａH1，・・・，ａHna ，ｂH1，・・・，ｂHnb ）とを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する逐次状態変数ベクトル推定器（４０７）とを有するものである。
【００１０】
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定装置の１構成例において、前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記先端装置に搭載された光ファイバジャイロ（２０１）が出力する方位角の単位推進長毎の差分で与えられる前記水平旋回曲率と、前記先端装置に搭載された誘導磁界発生装置（３０１）の位置を検出して得られる前記水平変位と、前記水平方向修正量とを用いることにより、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記方位角のオフセット（δg ）とを同時に推定するものである。
【００１１】
また、本発明は、埋設管推進機において先端装置の垂直位置・姿勢を推定する状態推定装置であって、前記先端装置の方向制御部の垂直旋回曲率（ρV ）を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との垂直方向の相対角である垂直方向修正量（ηV ）を入力変数としたとき、単位推進長（Ｌp ）毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回曲率変化モデル（図６の５０４）と、前記振動ヘッド部の先端の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の垂直移動方向から前記垂直旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さ（Ｌh ）を乗じた値を引いた方向と一致する垂直推進方向モデル（５０５）と、前記垂直旋回曲率と前記先端装置の垂直計画線に対する垂直変位（ＹS ）と前記垂直方向修正量とを入力とし、前記垂直旋回曲率変化モデルと前記垂直推進方向モデルとに基づいて、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータ（θV[k]，Ｙh[k]）と前記ＡＲＸモデルのパラメータ（ａV1，・・・，ａVna ，ｂV1，・・・，ｂVnb ）とを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する逐次状態変数ベクトル推定器（５０７）とを有するものである。
【００１２】
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定装置の１構成例において、前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記先端装置に搭載されたピッチング計（２０２）が出力する傾斜角の単位推進長毎の差分で与えられる前記垂直旋回曲率と、前記先端装置に搭載された深度計により得られる前記垂直変位と、前記垂直方向修正量とを用いることにより、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記傾斜角のオフセット（ｐ0 ）とを同時に推定するものである。
また、本発明の埋設管推進機先端装置の状態推定装置の１構成例は、前記水平旋回曲率変化モデル式のＡＲＸモデルと前記垂直旋回曲率変化モデルのＡＲＸモデルが同じ次数を持ち、水平方向のＡＲＸモデルのパラメータが垂直方向について推定されたＡＲＸモデルのパラメータで置き換えられるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の状態推定装置の推定対象となる埋設管推進機の全体構成を示す側面図である。図１に示す埋設管推進機は、先端装置１０１の先端に設けられた振動ヘッド１０２を周囲の地盤１０９に圧入しながら元押装置１０７の推進力により前進し、一定長の埋設管１０８を順に継ぎ足していくことにより管路を形成するものである。
【００１４】
先端装置１０１は、振動ヘッド１０２と、先端に振動ヘッド１０２が取り付けられた振動ヘッド部１０３と、中折れ部１０６を介して振動ヘッド部１０３に連結された方向制御部１０４とから構成される。
【００１５】
先端装置１０１と埋設管１０８とを前進させる推進力は、地盤１０９に垂直に形成された発進立抗１１０内の元押装置１０７によって生じる。また、埋設管推進機の推進方向は、振動ヘッド部１０３に内蔵された後述する方向修正ジャッキにより振動ヘッド部１０３を上下左右に傾動させることにより制御することができる。
【００１６】
図２は水平方向に関する位置・姿勢を計測するための誘導磁界計測法や光ファイバジャイロによる水平位置検知システムと液圧差法やピッチング計による垂直位置検知システムを示している。方向制御部１０４に設置された光ファイバジャイロ２０１は、発進立抗１１０を基準点とする方向制御部１０４の方位角を計測する。
【００１７】
また、方向制御部１０４に設置されたピッチング計２０２によって方向制御部１０４の垂直位置が求まり、ローリング計２０３によって方向制御部１０４の回転角度が求まる。また、前述のように、振動ヘッド部１０３には方向修正ジャッキ１１１が内蔵されている。
【００１８】
さらに、水平方向に関しては、先端装置１０１に内蔵された誘導磁界発生装置３０１が生成する誘導磁界を地上に設置された誘導磁界検出装置３０２によって検知することにより、埋設管推進機の推進基準線（計画線）からの水平変位を求めることができる。
【００１９】
そして、垂直方向に関しては、先端装置１０１に内蔵された圧力センサ３０３によって測定された液圧と地上に設置された基準液圧測定装置３０４で測定された基準液圧との差を検知することにより、埋設管推進機の深度を求めることができる。
【００２０】
［第１の実施の形態］
以下、埋設管推進機の先端装置１０１の水平方向の位置・姿勢を推定する水平方向状態推定装置について説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態となる水平方向状態推定装置の構成を示すブロック図である。図３の各構成要素の具体的構成法を述べるため、最初に埋設管推進機の水平方向修正量に対する先端装置１０１の水平旋回特性を表すマシン状態変化モデルの設計法について述べる。その後、光ファイバジャイロ２０１および誘導磁界検知法による埋設管推進機の水平旋回運動に関する状態変化モデルパラメータのオンライン推定法について説明する。
【００２１】
図４は、埋設管推進機の水平方向の運動を表すための各部位の位置や角度の定義を示している。水平計画線からみた中折れ部１０６の水平変位をＸh 、水平計画線からみた誘導磁界発生装置（電磁コイル）３０１の水平変位をＸD とする。また、水平計画線に対する方向制御部１０４の傾斜角（ヨーイング角）をθH 、方向制御部１０４を基準としたときの振動ヘッド部１０３の傾斜角（ヘッド角）である水平方向修正量をηH とする。また、方向制御部１０４の長さをＬf 、振動ヘッド１０２を含む振動ヘッド部１０３の長さをＬh とする。
【００２２】
図５は、元押装置１０７がｄｓだけ先端装置１０１を推進させたときの各部の移動ベクトルを示したものである。振動ヘッド１０２の先端ｃから前方の地盤１０９には元押装置１０７から伝わる推力が加わりヘッド１０２の振動と共に圧入されていく。このとき、振動ヘッド１０２の側面は地盤１０９に囲まれており、先端ｃの移動方向は振動ヘッド部１０３の長手方向バーｈｃに拘束されていると考えられる。
【００２３】
一方、先端装置１０１及び埋設管１０８は地盤１０９に囲まれているため埋設管推進機全体の並進運動は生じないものと考えられる。この場合、先端装置１０１の推進は、バーｈｃと直角な方向に存在する回転中心Ｏの周りを旋回するような非ホロノミックな拘束状態にある運動としてモデル化できる。このとき、元押装置１０７をｄｓだけ推進させたときの先端ｃの移動ベクトルｄｓc ＝［ｄｓcx，ｄｓcz］T は次式で表される。
【００２４】
【数１】
また、旋回運動の曲率半径を１／ρH とすると次式が成り立つ。
【００２６】
【数２】
ただし、ρH は符号付の旋回曲率（進行方向右旋回を正）である。先端装置１０１の全長に比べ曲率半径１／ρH が十分に大きいとすれば、中折れ部１０６の移動ベクトルｄｓh ＝［ｄｓhx，ｄｓhz］T は‖ｄｓh ‖＝‖ｄｓc ‖＝ｄｓであり、次のように表される．
【００２８】
【数３】
いま、先端装置１０１の水平方向修正量ηH は単位推進長Ｌp の間一定で旋回曲率ρH の変化も無視できるとすれば、式（２）及び式（３）は次のように離散化できる。
【００３０】
【数４】
【数５】
【数６】
埋設管推進機に与えられる計画線軌道は通常、直線と円弧の組み合わせで表される。交角の大きな円弧の場合、区分的に図５のｚ軸を円弧の接線方向に合わせたいくつかの座標系を定義すれば、その区間の計画線の曲率により決定される曲線にｘh[k]を追従させることによって埋設管推進機の制御目的は達せられる。このとき、先端装置１０１のヨーイング角θH は区間内で十分小さく、また水平方向修正量ηH の最大値も小さいため、式（５）は次のように線形化することができる。
【００３４】
【数７】
式（４）、式（７）は、水平方向修正量ηH を一定とした単位推進長Ｌp 間の変化を表しているが、先端装置１０１の位置・姿勢は水平方向修正量ηH を変化させた直後にも地盤１０９からの反力による影響を受ける。いま、水平方向修正量ηH をΔηH だけ傾動させたときの先端ｃの移動距離ＬhΔηHのうち、地盤１０９に食い込む割合を１−ｋeHと定義すれば、方向制御部１０４と埋設管１０８との連結部ｆを支点とした地盤反力によるθH とｘh への影響は、それぞれ−ＬhΔηHｋeH／（Ｌh＋Ｌf）、−ＬfＬhΔηHｋeH／（Ｌh＋Ｌf） と見積もられる。したがって、方向修正に伴う地盤反力をも考慮に入れた先端装置１０１の位置・姿勢の変化は次式で表される。
【００３６】
【数８】
【数９】
一方、先端装置１０１の旋回運動は、元押装置１０７が発生する推進力と先端装置１０１が周囲地盤１０９より受ける反力によって大きく左右され、埋設管推進機の方向修正は、振動ヘッド部１０３と方向制御部１０４との相対角である方向修正量を制御して地盤１０９からの反力の影響を調整することにより実現される。
【００３９】
また、埋設管推進機の構造から明らかなように先端装置１０１の急旋回は不可能であり、水平計画線に対する傾斜角を変化させるには方向修正の後ある程度の推進距離を必要とする。ある一定の方向修正量を与えて推進を続けたとき地盤の性質が一定とすれば先端装置１０１は理想的にはある一定の曲率で旋回しようとする。
【００４０】
そこで、先端装置１０１の水平旋回曲率ρH を出力変数、水平方向修正量ηH を入力変数として、単位推進長Ｌp 毎にサンプリングされる時系列データに関して次式のようなＡＲＸ（Auto-Regressive eXogenous ）モデルを導入することにより埋設管推進機の旋回運動モデルを記述することを考える。
【００４１】
【数１０】
ＡＲＸモデルについては、例えば文献「I.D.Landau,“System Identification and Control Design”,PrenticeHall(1990)」、文献「足立修一，“ユーザのためのシステム同定理論”，計測自動制御学会(1993)」に記載されている。
【００４３】
式（１）において、ｋはマシンデータのサンプリング回数、ａHi（ｉ＝１，・・・，ｐ），ｂHj（ｊ＝１，・・・，ｑ）は周囲の地盤の性質によって変化する埋設管推進機の旋回特性に関するパラメータ、ｗ[k] は上記ダイナミクスに作用するシステムノイズを意味している。
【００４４】
結局、先端装置１０１の水平旋回モデルは式（８）、式（９）及び式（１０）から次のような状態方程式で表される。
【００４５】
【数１１】
ただし、ＸH[k]、ＡH、ＢHは次式のようになる。
【００４７】
【数１２】
【数１３】
【数１４】
Ｉp ，Ｏp,q ，ｏp はそれぞれｐ次元単位行列、ｐ行ｑ列の零行列、ｐ次元零ベクトルである。ここで、対象としている先端装置１０１は光ファイバジャイロ２０１を搭載しているが、この光ファイバジャイロ２０１の角度出力θg には経時的なオフセットδg が存在するため、方位角θg を直接ヨーイング角θH とすることは困難である。
【００５１】
ただし、オフセットの変化が緩やかであれば、光ファイバジャイロ２０１から出力される方位角θg の連続する２点間の差分をとることにより、水平旋回曲率ρH を求めることは可能である。水平計画線からみた水平変位ＸD は、先端装置内蔵の誘導磁界発生装置３０１の生成する磁界を地上の誘導磁界検出装置３０２で数メートル間隔で検出して求めることができる。これらのセンシング情報から式（８）、式（９）、式（１０）の旋回運動モデルに基づいて、先端装置１０１の位置・姿勢とモデルに含まれる未知パラメータをカルマンフィルタにより推定することを考える。
【００５２】
これにより、その後の運動を予測するための状態方程式表現やこれに基づく方向修正制御のためのフィードバック制御則が導出可能となる。以下、この場合のカルマンフィルタを用いた逐次状態変数ベクトル推定器４０７の構成法について述べる。
【００５３】
まず、以下のように推定すべき状態変数ベクトルＸH ∈Ｒ(3+p+q+2)×1 を定義する。
【００５４】
【数１５】
このとき、式（８）、式（９）、式（１０）は光ファイバジャイロオフセットモデルδg[k+1]＝δg[k]＋ε[k] （εは白色ノイズ）と合わせて次の状態方程式により表すことができる。
【００５６】
【数１６】
ωH[k]はＥ(ωH)＝０，Ｅ（ωH[k]ωTH[k']）＝ΣωHδkk' のシステムノイズを表している。ここで、Ｅ(・)は期待値、δkk' はクロネッカのδを意味している。また、ＦH[k]中のρH[k]は光ファイバジャイロ出力θg による近似値（ρH[k]＝（θg[k+1]−θg[k]）／Ｌp） を用いればよい。ただし、サンプリングｋの時点ではθg[k+1]は得られないので、ｋにおけるＸH[k]の推定値のρH[k]を利用することができる。
【００５８】
一方、誘導磁界発生装置３０１の水平位置ｘD は、中折れ部１０６と誘導磁界発生装置３０１間の長さをＬD とすれば、中折れ部水平変位ｘh とヨーイング角θH を用いて次のように表される。
【００５９】
【数１７】
誘導磁界発生装置３０１の水平位置ｘD が計測されたとき、式（１７）と水平旋回曲率ρH 、光ファイバジャイロ出力角θg に関して次の観測方程式が与えられる。
【００６１】
【数１８】
υH[k]はＥ(υH)＝０，Ｅ(υH[k]υTH[k'])＝ΣυHδkk' の観測ノイズを表している。一方、水平位置ｘD が計測されないときは、水平旋回曲率データρH とこれに対応した観測行列ＨH による推定を行う。いま、Ｅ(ωH[k]υTH[k'])＝Ｏ(3+p+q+2)×3 と仮定すると、以下のようなカルマンフィルタが構成され、未知変数ベクトルＸH[k]の推定値ハットＸH[k]を求めることが可能になる。以下、同様に文字上に付した「∧」をハットと呼ぶ。
【００６３】
【数１９】
【数２０】
【数２１】
【数２２】
【数２３】
式（１９）、式（２０）はフィルタ方程式、式（２１）はカルマンゲイン、式（２２）、式（２３）は誤差の共分散行列方程式である。
【００６９】
次に、図３に示した水平方向状態推定装置４０２の構成について説明する。水平方向状態推定装置４０２は、マシン状態方程式生成部４０３と、逐次状態変数ベクトル推定器４０７とから構成される。マシン状態方程式生成部４０３は、先端装置水平旋回曲率モデル４０４と、先端装置水平推進方向モデル４０５とを有する。
【００７０】
なお、先端装置１０１と埋設管１０８とを水平方向修正量ηH に基づいて水平計画線の方向に推進させる方向制御装置は、以上の水平方向状態推定装置４０２と図示しない水平方向制御器とから構成される。
【００７１】
水平計画線の方向を示す水平計画線情報は、オペレータによって設定され、水平方向状態推定装置４０２と図示しない水平方向制御器に入力される。埋設管推進機に設けられた光ファイバジャイロ２０１は、発進立抗１１０を基準点とする方向制御部１０４の方位角θg を示す観測信号を出力する。地上に設置された誘導磁界検出装置３０２は、埋設管推進機に設けられた誘導磁界発生装置３０１の水平計画線に対する水平変位ＸD を示す観測信号を出力する。
【００７２】
水平方向状態推定装置４０２は、光ファイバジャイロ２０１から出力された方位角θg を示す観測信号と、水平変位ＸD を示す観測信号と、水平方向制御器から出力された現時点での水平方向修正量ηH と、前記水平計画線情報とを入力信号とする。
【００７３】
そして、水平方向状態推定装置４０２の逐次状態変数ベクトル推定器４０７は、方向制御部１０４の水平旋回曲率ρH を出力変数とし水平方向修正量ηH を入力変数としたとき、単位推進長Ｌp 毎に得られる入力変数と出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した先端装置水平旋回曲率変化モデル４０４（式（８）、式（１０））と、振動ヘッド部１０３の先端の水平移動方向が振動ヘッド部１０３の長手方向と一致し、かつ中折れ部１０６の水平移動方向が振動ヘッド部１０３の水平移動方向から水平旋回曲率ρH に振動ヘッド部１０３の長さＬh を乗じた値を引いた方向と一致する先端装置水平推進方向モデル４０５（式（９））と、前記入力信号とに基づいて、水平計画線に対する先端装置の水平位置・姿勢パラメータθH[k]，Ｘh[k]とＡＲＸモデルのパラメータａH1，・・・，ａHna ，ｂH1，・・・，ｂHnb とをオンライン推定（すなわち、埋設管推進機の推進と同時に推定）する。
【００７４】
図示しない水平方向制御器は、逐次状態変数ベクトル推定器４０７によって推定された水平方向状態変数ベクトル推定値に基づいて次の水平方向修正量ηH を計算する。水平方向制御器で計算された水平方向修正量ηH は、埋設管推進機に入力され、この水平方向修正量ηH に基づいて方向修正ジャッキ１１１が駆動される。こうして、先端装置１０１が水平計画線の方向に前進するよう方向制御が行われる。
【００７５】
なお、水平方向状態推定装置４０２は、演算装置、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータでは、マシン状態方程式生成部４０３は記憶装置に格納される。以上のようにして、オペレータの熟練度に依存せず、均質で高精度な埋設管推進機の状態推定や現在より先の予測情報を提供できる。
【００７６】
［第２の実施の形態］
次に、埋設管推進機の先端装置１０１の垂直方向の位置・姿勢を推定する垂直方向状態推定装置について説明する。本実施の形態においても埋設管推進機の構成は第１の実施の形態と同じであるので、図１、図２の符号を用いて説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態となる垂直方向状態推定装置の構成を示すブロック図である。
【００７７】
図６の各構成要素の具体的構成法を述べるため、最初に埋設管推進機の垂直方向修正量に対する先端装置１０１の旋回特性を表すマシン状態変化モデルの設計法について述べる。その後、埋設管推進機の垂直方向に関する状態変化モデルパラメータのオンライン推定法について説明する。
【００７８】
図７は、先端装置１０１の垂直方向の運動を表すための各部位の位置や角度の定義を示している。基準水平線から見た中折れ部１０６の垂直変位をＹh 、基準水平線から見た深度計（圧力センサ３０３）の変位をｙS とする。また、垂直計画線に対する方向制御部１０４の傾斜角（ピッチング角）をθV 、方向制御部１０４を基準としたときの振動ヘッド部１０３の傾斜角（ヘッド角）である垂直方向修正量をηV とする。
【００７９】
先端装置１０１の垂直方向の旋回運動に関しても前述の水平旋回時の挙動がそのまま当てはまり、式（８）、式（９）、式（１０）に対応して次のようにモデル化できる。
【００８０】
【数２４】
【数２５】
【数２６】
１−ｋeVは垂直方向修正量ηV をΔηV だけ変化させたときに振動ヘッド部１０３の先端が地盤に食い込む割合、ａVi（ｉ＝１，・・・，ｎａ），ｂVj（ｊ＝１，・・・，ｎｂ）は周囲の地盤の性質によって変化する埋設管推進機の旋回特性に関するパラメータ、ｗV[k] は上記ダイナミクスに作用する白色システムノイズを意味している。
【００８４】
先端装置１０１にはピッチング計２０２が内蔵されており，ピッチング計出力θp の単位推進長Ｌp 毎の差分を求めることにより垂直方向の旋回曲率ρV が算出できる。ただし、ピッチング計出力θp には一定のオフセットｐ0 が存在することがあり、ピッチング計出力θp を直接には埋設管推進機の垂直傾斜角とできない場合がある。
【００８５】
しかし、垂直変位ＹS を表す深度計データと上記の垂直旋回運動モデルにカルマンフィルタを適用すればｐ0 ，θV の推定は可能である。以下、この場合のカルマンフィルタを用いた逐次状態変数ベクトル推定器５０７の構成法について述べる。
【００８６】
まず、以下のように推定すべき状態変数ベクトルＸV ∈Ｒ(3+p+q+2)×1 を定義する。
【００８７】
【数２７】
ＸV を推定ベクトルとした場合、式（２４）、式（２５）、式（２６）は、次の状態方程式により表すことができる。
【００８９】
【数２８】
ωV[k]はＥ(ωV)＝０，Ｅ（ωV[k]ωTV[k']）＝ΣωVδkk' のシステムノイズを表している。ここで、Ｅ(・)は期待値、δkk' はクロネッカのδを意味している。また、ＦV[k]中のρV[k]はピッチング計出力θp による近似値（ρV[k]＝（θp[k+1]−θp[k]）／Ｌp） を用いればよい。ただし、サンプリングｋの時点ではθp[k+1]は得られないので、ｋにおけるＸV[k]の推定値のρV[k]を利用することができる。
【００９１】
一方、深度計位置ｙS は中折れ部１０６と圧力センサ３０３間の長さをＬS とすれば、中折れ部垂直変位ｙh と先端装置１０１の垂直傾斜角θV を用いて次のように表される。
【００９２】
【数２９】
式（２９）とピッチング計出力θp（＝θV＋ｐ0） 及び垂直旋回曲率データを合わせれば、次の観測方程式が導かれる。
【００９４】
【数３０】
υV[k]はＥ(υV)＝０，Ｅ(υV[k]υTV[k'])＝ΣυVδkk' の観測ノイズを表している。いま、Ｅ(ωV[k]υTV[k'])＝Ｏ(3+p+q+2)×3 と仮定すると、以下のようなカルマンフィルタが構成され、未知変数ベクトルＸV[k]の推定値ハットＸV[k]を求めることが可能になる。
【００９６】
【数３１】
【数３２】
【数３３】
【数３４】
【数３５】
式（３１）、式（３２）はフィルタ方程式、式（３３）はカルマンゲイン、式（３４）、式（３５）は誤差の共分散行列方程式である。
【０１０２】
次に、図６に示した垂直方向状態推定装置５０２の構成について説明する。垂直方向状態推定装置５０２は、マシン状態方程式生成部５０３と、逐次状態変数ベクトル推定器５０７とから構成される。マシン状態方程式生成部５０３は、先端装置垂直旋回曲率モデル５０４と、先端装置垂直推進方向モデル５０５とを有する。
【０１０３】
なお、先端装置１０１と埋設管１０８とを垂直方向修正量ηV に基づいて垂直計画線の方向に推進させる方向制御装置は、以上の垂直方向状態推定装置５０２と図示しない垂直方向制御器とから構成される。
【０１０４】
垂直計画線の方向を示す垂直計画線情報は、オペレータによって設定され、垂直方向状態推定装置５０２と図示しない垂直方向制御器に入力される。埋設管推進機に設けられた圧力センサ３０３は、地上の基準液圧測定装置３０４で測定された基準液圧と自センサで測定した液圧との差に基づいて、自センサの基準水平線に対する垂直変位Ｙs を示す観測信号を出力する。
【０１０５】
垂直方向状態推定装置５０２は、基準水平線に対する垂直変位Ｙs を示す観測信号と、埋設管推進機のピッチング計２０２から出力された、垂直計画線に対する方向制御部１０４の傾斜角（ピッチング角）θp （＝θV＋ｐ0）を示すピッチング角信号と、垂直方向制御器から出力された現時点での垂直方向修正量ηv と、前記垂直計画線情報とを入力信号とする。
【０１０６】
そして、垂直方向状態推定装置５０２の逐次状態変数ベクトル推定器５０７は、方向制御部１０４の垂直旋回曲率ρV を出力変数とし垂直方向修正量ηV を入力変数としたとき、単位推進長Ｌp 毎に得られる入力変数と出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した先端装置垂直旋回曲率変化モデル５０４（式（２４）、式（２６））と、振動ヘッド部１０３の先端の垂直移動方向が振動ヘッド部１０３の長手方向と一致し、かつ中折れ部１０６の垂直移動方向が振動ヘッド部１０３の垂直移動方向から垂直旋回曲率ρV に振動ヘッド部１０３の長さＬh を乗じた値を引いた方向と一致する先端装置垂直推進方向モデル５０５（式（２５））と、前記入力信号とに基づいて、垂直計画線に対する先端装置１０１の垂直位置・姿勢パラメータθV[k]，Ｙh[k]とＡＲＸモデルのパラメータａV1，・・・，ａVna ，ｂV1，・・・，ｂVnb とをオンライン推定する。
【０１０７】
図示しない垂直方向制御器は、逐次状態変数ベクトル推定器５０７によって推定された垂直方向状態変数ベクトル推定値に基づいて次の垂直方向修正量ηV を計算する。垂直方向制御器で計算された垂直方向修正量ηV は、埋設管推進機に入力され、この垂直方向修正量ηV に基づいて方向修正ジャッキ１１１が駆動される。こうして、先端装置１０１が垂直計画線の方向に前進するよう方向制御が行われる。
【０１０８】
なお、垂直方向状態推定装置５０２は、演算装置、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータでは、マシン状態方程式生成部５０３は記憶装置に格納される。以上のようにして、オペレータの熟練度に依存せず、均質で高精度な埋設管推進機の状態推定を実現できる。
【０１０９】
［第３の実施の形態］
次に、垂直方向で推定されたパラメータを水平方向で流用することを考える。埋設管推進機の水平及び垂直方向における地盤との相互作用の仕方がほぼ同一であると仮定すると、同じ次数で定義した旋回運動特性に関するＡＲＸモデルの各パラメータも同一と見なせる。垂直方向の状態推定はセンシング情報の質からみて水平方向に比べて有利であるため、垂直方向で推定されたパラメータを水平方向で流用することを考える。このとき、式（１５）、式（１６）の状態変数ベクトルと状態方程式の代わりに次式を用いればよい。
【０１１０】
【数３６】
【数３７】
ただし、ハットａVi，ハットｂVj，ハットｋeVはそれぞれ垂直方向の状態推定において推定されたＡＲＸパラメータと地盤への食込み係数の推定値である。また、この場合の観測方程式は次のように与えられる。
【０１１３】
【数３８】
【発明の効果】
本発明によれば、先端装置の方向制御部の水平旋回曲率を出力変数とし、振動ヘッド部と方向制御部との水平方向の相対角である水平方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる入力変数と出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回曲率変化モデル式を予め設定し、振動ヘッド部の先端の水平移動方向が振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ中折れ部の水平移動方向が振動ヘッド部の水平移動方向から水平旋回曲率に振動ヘッド部の長さを乗じた値を引いた方向と一致する水平推進方向モデル式を予め設定し、水平旋回曲率と先端装置の水平計画線に対する水平変位と水平方向修正量とを入力とし、水平旋回曲率変化モデル式と水平推進方向モデル式とに基づいて、水平計画線に対する先端装置の水平位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを埋設管推進機の推進と同時に推定するようにしたことにより、埋設管掘進機の先端装置の状態変化モデルを基にして各種観測信号からオンラインで状態推定を行うようにしたので、その時点の先端装置の水平計画線に対する位置・姿勢や周囲地盤の土質に見合った埋設管推進機の旋回特性をＡＲＸモデルとして逐次推定することが可能となり、オペレータが熟練者か非熟練者かに関係なく、埋設管推進機の均質で高精度な状態推定を行うことができ、現在より先の予測情報を提供することができる。
【０１１５】
また、先端装置に搭載された光ファイバジャイロが出力する方位角の単位推進長毎の差分で与えられる水平旋回曲率と、先端装置に搭載された誘導磁界発生装置の位置を検出して得られる水平変位と、水平方向修正量とを用いることにより、水平計画線に対する先端装置の水平位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータと光ファイバジャイロから出力された方位角のオフセットとを同時に推定することができる。
【０１１６】
また、先端装置の方向制御部の垂直旋回曲率を出力変数とし、振動ヘッド部と方向制御部との垂直方向の相対角である垂直方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる入力変数と出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回曲率変化モデル式を予め設定し、振動ヘッド部の先端の垂直移動方向が振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ中折れ部の垂直移動方向が振動ヘッド部の垂直移動方向から垂直旋回曲率に振動ヘッド部の長さを乗じた値を引いた方向と一致する垂直推進方向モデル式を予め設定し、垂直旋回曲率と先端装置の垂直計画線に対する垂直変位と垂直方向修正量とを入力とし、垂直旋回曲率変化モデル式と垂直推進方向モデル式とに基づいて、垂直計画線に対する先端装置の垂直位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとを埋設管推進機の推進と同時に推定するようにしたことにより、埋設管掘進機の先端装置の状態変化モデルを基にして各種観測信号からオンラインで状態推定を行うようにしたので、その時点の先端装置の垂直計画線に対する位置・姿勢や周囲地盤の土質に見合った埋設管推進機の旋回特性をＡＲＸモデルとして逐次推定することが可能となり、オペレータが熟練者か非熟練者かに関係なく、埋設管推進機の均質で高精度な状態推定を行うことができ、現在より先の予測情報を提供することができる。
【０１１７】
また、先端装置に搭載されたピッチング計が出力する傾斜角の単位推進長毎の差分で与えられる垂直旋回曲率と、先端装置に搭載された深度計により得られる垂直変位と、垂直方向修正量とを用いることにより、垂直計画線に対する先端装置の垂直位置・姿勢パラメータとＡＲＸモデルのパラメータとピッチング計から出力された傾斜角のオフセットとを同時に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の状態推定装置の推定対象となる埋設管推進機の全体構成を示す側面図である。
【図２】 図１の埋設管推進機の位置検知システムの構成を示すブロック図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態となる水平方向状態推定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】 埋設管推進機の水平方向の状態変化モデルを記述するための座標系の定義法を示す説明図である。
【図５】 埋設管推進機の旋回運動に伴う各部の移動ベクトルの状態を示す図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態となる垂直方向状態推定装置の構成を示すブロック図である。
【図７】 埋設管推進機の垂直方向の状態変化モデルを記述するための座標系の定義法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１…先端装置、１０２…振動ヘッド、１０３…振動ヘッド部、１０４…方向制御部、１０６…中折れ部、１０７…元押装置、１０８…埋設管、１０９…地盤、１１０…発進立抗、１１１…方向修正ジャッキ、２０１…光ファイバジャイロ、２０２…ピッチング計、２０３…ローリング計、３０１…誘導磁界発生装置、３０２…誘導磁界検出装置、３０３…圧力センサ、３０４…基準液圧測定装置、４０２…水平方向状態推定装置、４０３…マシン状態方程式生成部、４０４…先端装置水平旋回曲率モデル、４０５…先端装置水平推進方向モデル、４０７…逐次状態変数ベクトル推定器、５０２…垂直方向状態推定装置、５０３…マシン状態方程式生成部、５０４…先端装置垂直旋回曲率モデル、５０５…先端装置垂直推進方向モデル、５０７…逐次状態変数ベクトル推定器。
Claims (10)
- 地盤に圧入される振動ヘッド部と中折れ部を介して前記振動ヘッド部に連結された方向制御部からなる先端装置と、この先端装置の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、発進立坑の元押装置により所定の水平計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、前記先端装置の水平位置・姿勢を推定する状態推定方法であって、
前記先端装置の方向制御部の水平旋回曲率を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との水平方向の相対角である水平方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回曲率変化モデル式を予め設定する手順と、
前記振動ヘッド部の先端の水平移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の水平移動方向が前記振動ヘッド部の水平移動方向から前記水平旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さを乗じた値を引いた方向と一致する水平推進方向モデル式を予め設定する手順と、
前記水平旋回曲率と前記先端装置の水平計画線に対する水平変位と前記水平方向修正量とを入力とし、前記水平旋回曲率変化モデル式と前記水平推進方向モデル式とに基づいて、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する状態変数ベクトル推定手順とを実行することを特徴とする埋設管推進機先端装置の状態推定方法。 - 請求項１記載の埋設管推進機先端装置の状態推定方法において、
前記状態変数ベクトル推定手順は、前記先端装置に搭載された光ファイバジャイロが出力する方位角の単位推進長毎の差分で与えられる前記水平旋回曲率と、前記先端装置に搭載された誘導磁界発生装置の位置を検出して得られる前記水平変位と、前記水平方向修正量とを用いることにより、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記方位角のオフセットとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機先端装置の状態推定方法。 - 地盤に圧入される振動ヘッド部と中折れ部を介して前記振動ヘッド部に連結された方向制御部からなる先端装置と、この先端装置の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、発進立坑の元押装置により所定の垂直計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、前記先端装置の垂直位置・姿勢を推定する状態推定方法であって、
前記先端装置の方向制御部の垂直旋回曲率を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との垂直方向の相対角である垂直方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回曲率変化モデル式を予め設定する手順と、
前記振動ヘッド部の先端の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の垂直移動方向から前記垂直旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さを乗じた値を引いた方向と一致する垂直推進方向モデル式を予め設定する手順と、
前記垂直旋回曲率と前記先端装置の垂直計画線に対する垂直変位と前記垂直方向修正量とを入力とし、前記垂直旋回曲率変化モデル式と前記垂直推進方向モデル式とに基づいて、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する状態変数ベクトル推定手順とを実行することを特徴とする埋設管推進機先端装置の状態推定方法。 - 請求項３記載の埋設管推進機先端装置の状態推定方法において、
前記状態変数ベクトル推定手順は、前記先端装置に搭載されたピッチング計が出力する傾斜角の単位推進長毎の差分で与えられる前記垂直旋回曲率と、前記先端装置に搭載された深度計により得られる前記垂直変位と、前記垂直方向修正量とを用いることにより、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記傾斜角のオフセットとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機先端装置の状態推定方法。 - 請求項１および３記載の埋設管推進機先端装置の状態推定方法において、
前記水平旋回曲率変化モデル式のＡＲＸモデルと前記垂直旋回曲率変化モデル式のＡＲＸモデルが同じ次数を持ち、水平方向のＡＲＸモデルのパラメータが垂直方向について推定されたＡＲＸモデルのパラメータで置き換えられることを特徴とする埋設管推進機先端装置の状態推定方法。 - 地盤に圧入される振動ヘッド部と中折れ部を介して前記振動ヘッド部に連結された方向制御部からなる先端装置と、この先端装置の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、発進立坑の元押装置により所定の水平計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、前記先端装置の水平位置・姿勢を推定する状態推定装置であって、
前記先端装置の方向制御部の水平旋回曲率を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との水平方向の相対角である水平方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した水平旋回曲率変化モデルと、
前記振動ヘッド部の先端の水平移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の水平移動方向が前記振動ヘッド部の水平移動方向から前記水平旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さを乗じた値を引いた方向と一致する水平推進方向モデルと、
前記水平旋回曲率と前記先端装置の水平計画線に対する水平変位と前記水平方向修正量とを入力とし、前記水平旋回曲率変化モデルと前記水平推進方向モデルとに基づいて、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する逐次状態変数ベクトル推定器とを有することを特徴とする埋設管推進機先端装置の状態推定装置。 - 請求項６記載の埋設管推進機先端装置の状態推定装置において、
前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記先端装置に搭載された光ファイバジャイロが出力する方位角の単位推進長毎の差分で与えられる前記水平旋回曲率と、前記先端装置に搭載された誘導磁界発生装置の位置を検出して得られる前記水平変位と、前記水平方向修正量とを用いることにより、水平計画線に対する前記先端装置の水平位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記方位角のオフセットとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機先端装置の状態推定装置。 - 地盤に圧入される振動ヘッド部と中折れ部を介して前記振動ヘッド部に連結された方向制御部からなる先端装置と、この先端装置の後方に順次継ぎ足される埋設管とを、発進立坑の元押装置により所定の垂直計画線の方向に推進させる埋設管推進機において、前記先端装置の垂直位置・姿勢を推定する状態推定装置であって、
前記先端装置の方向制御部の垂直旋回曲率を出力変数とし、前記振動ヘッド部と前記方向制御部との垂直方向の相対角である垂直方向修正量を入力変数としたとき、単位推進長毎に得られる前記入力変数と前記出力変数との関係をＡＲＸモデルとして記述した垂直旋回曲率変化モデルと、
前記振動ヘッド部の先端の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の長手方向と一致し、かつ前記中折れ部の垂直移動方向が前記振動ヘッド部の垂直移動方向から前記垂直旋回曲率に前記振動ヘッド部の長さを乗じた値を引いた方向と一致する垂直推進方向モデルと、
前記垂直旋回曲率と前記先端装置の垂直計画線に対する垂直変位と前記垂直方向修正量とを入力とし、前記垂直旋回曲率変化モデルと前記垂直推進方向モデルとに基づいて、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータとを前記埋設管推進機の推進と同時に推定する逐次状態変数ベクトル推定器とを有することを特徴とする埋設管推進機先端装置の状態推定装置。 - 請求項８記載の埋設管推進機先端装置の状態推定装置において、
前記逐次状態変数ベクトル推定器は、前記先端装置に搭載されたピッチング計が出力する傾斜角の単位推進長毎の差分で与えられる前記垂直旋回曲率と、前記先端装置に搭載された深度計により得られる前記垂直変位と、前記垂直方向修正量とを用いることにより、垂直計画線に対する前記先端装置の垂直位置・姿勢パラメータと前記ＡＲＸモデルのパラメータと前記傾斜角のオフセットとを同時に推定することを特徴とする埋設管推進機先端装置の状態推定装置。 - 請求項６および８記載の埋設管推進機先端装置の状態推定装置において、
前記水平旋回曲率変化モデル式のＡＲＸモデルと前記垂直旋回曲率変化モデルのＡＲＸモデルが同じ次数を持ち、水平方向のＡＲＸモデルのパラメータが垂直方向について推定されたＡＲＸモデルのパラメータで置き換えられることを特徴とする埋設管推進機先端装置の状態推定装置。
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