JP3852592B2

JP3852592B2 - Gyro apparatus and method of using gyro apparatus for excavation

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Publication number: JP3852592B2
Application number: JP2002287691A
Authority: JP
Inventors: 貴志小山; 朗忍内田
Original assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd; Tokyo Keiki Inc
Current assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd; Tokyo Keiki Inc
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP2004125511A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤改良工事で地下に直径１００ｍｍ以下の小口径の穴を掘削する等に使用されるドリリングマシンのような掘削装置の先端部の位置を検出するために方位を検出するジャイロ装置に関するものであり、特に、小型でドリリングマシンのような掘削装置用として好適なジャイロ装置及び掘削装置用ジャイロ装置の使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地中内に小口径の穴を掘削する穴掘削機械のように人が接近することが困難な移動体の位置を検出するために、該穴掘削機械に取り付けられる装置として、円筒状のケーシング内に固定された軸受けにより自由に回転できるように軸承されたケーシングの中心軸方向の回転軸上に設けられた基台上に、レートジャイロ及び加速度計を固定してセンサ部を構成し、軸受けに支持された部分の重心を回転軸の中心から下方へ偏心させたものが知られている（例えば、特許文献１。）。
【０００３】
また、基台に、レートジャイロ及び加速度計を固定すると共に、該基台の中心軸回りの傾斜角を検出する加速度計の出力信号をサーボアンプを介してサーボモータに供給して基台を常に中心軸回りで水平の姿勢に制御するものが知られている（例えば、特許文献２。）。
【０００４】
また、推進工法に使用される掘削装置の掘削刃を有する先導管に装備されるジャイロコンパス装置が本発明と同一の出願人により、特願２００１−９９８１４号（先願という）にて提案されている。図９は、先願に記載されたジャイロコンパス装置の主要部の一例を表す図であり、中心軸線を有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置された基台と、該基台に装着されＸＹＺジャイロ、ＸＹＺ加速度計及び方位発信器を含むセンサ部と、を備えており、基台は、回転軸を介してケーシングに取り付けられており、振り子作用ないしは専用のトルクモータを用いて基台をケーシングに対して回転させることが出来るよう構成されている。これにより、方位計測時である測量時に、基台は常に同一のロール位置（水平位置）に保持されて、方位精度を確保するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２６４０５２６号公報（特許請求の範囲、第１図参照）
【特許文献２】
特許第３００２７８１号公報（第５欄２４行〜４２行、第１図参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記従来の装置にあっては、計測精度を確保するために、基台を回転軸を介してケースに取り付け、且つ振り子作用ないしは専用のトルクモータを用いて基台をケーシングに対して回転させて、ケーシングの中心軸線に関して基台が常に水平になるように構成しており、そのための回転軸を有することで、構造が複雑化し、信頼性の向上や小型化を妨げると共に、価格の低減を困難にしているという問題がある。
【０００７】
さらには、特許文献１及び特許文献２では、レートジャイロの出力値を積分することによって方位角を求めているが、レートジャイロのバイアスによって誤差が増大していく問題があり、精度良く検出することが困難である。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、小型且つ小口径で、測定精度と信頼性が高く且つ価格が安いジャイロ装置を提供することをその目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明によるジャイロ装置は、掘削装置の掘削部に連結され、中心軸線Ｘを有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置され、該ケーシングに固着される基台と、該基台に取り付けられ、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計を含むセンサ部と、前記基台に前記中心軸線に沿って配置され、回転軸が基台に対して垂直なＺ軸と平行をなす複数の回転台と、該複数の回転台を同期的に回転させるための駆動装置と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位角及び姿勢を演算する方位・姿勢演算部と、を備え、
前記センサ部のＸ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ加速度計はその入力軸線または測定軸線がＸ軸とＹ軸が作る平面内にて回転するように前記回転台に装着されており、
前記方位・姿勢演算部は、前記回転台の回転を制御する回転制御部と、前記回転台の回転角をパラメ―タとして前記Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、該データ計測記憶部からの出力より、基台のＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角を演算する姿勢演算部と、前記基台の方位を演算する方位演算部とを有し、前記回転台の複数の回転角における前記センサ部の出力より前記基台のＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角及び基台の方位角を算出し、
前記基台は、前記掘削装置の掘削部と共に中心軸線Ｘの回りで回転するようになっており、方位角を検出するにあたり、必要に応じて前記基台を回転させる操作によりＹ加速度計からの出力が中心軸線Ｘの回りでほぼ水平を示すように、基台が調整維持されることを特徴とする。
【００１０】
また、前記方位演算部は、Ｘ，Ｙジャイロそれぞれの出力より求めた方位角を平均化して、方位角を定めることとすることができる。
【００１１】
また、前記Ｘ，ＹジャイロをＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）より構成することができる。さらに、前記円筒状のケーシングの外径を８０ｍｍ以下とすることができる。
【００１２】
また、本発明による掘削装置用ジャイロ装置の使用方法は、掘削装置の掘削部に連結され、中心軸線Ｘを有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置され、該ケーシングに固着される基台と、該基台に取り付けられ、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計を含むセンサ部と、前記基台に前記中心軸線に沿って配置され、回転軸が基台に対して垂直なＺ軸と平行をなす複数の回転台と、該複数の回転台を同期的に回転させるための駆動装置と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位角及び姿勢を演算する方位・姿勢演算部と、を備え、
前記センサ部のＸ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ加速度計はその入力軸線または測定軸線がＸ軸とＹ軸が作る平面内にて回転するように前記回転台に装着された、掘削装置用ジャイロ装置の使用方法であって、
Ｙ加速度からの出力が所定の範囲に入っていない場合には、Ｙ加速度からの出力を参照して、基台がＸ軸回りに関しほぼ水平となるように、掘削装置の掘削部と共に基台をＸ軸回りに回転させる工程と、
回転台を回転駆動して、回転台を所定の回転角にする工程と、
Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力を取り込み、回転台の回転角をパラメータとして記憶する工程と、
前記記憶した回転台の複数の回転角における、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力から、基台のＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角と、基台の方位角とを演算する工程と、
を備える。
【００１３】
前記方位を演算する工程は、Ｘ，Ｙジャイロそれぞれより求めた方位角を平均化して、方位角を定めるものとすることができる。
【００１４】
ドリリングマシンのような掘削装置では、その掘削刃を備える掘削部が、掘削のために、本来回転可能となっている。ジャイロ装置によって掘削装置の方位を検出するにあたっては、掘削装置は静止させるが、この掘削装置の掘削部の回転機構を利用して、掘削部を回転させることにより基台を回転させて、Ｙ加速度計からの出力が中心軸線Ｘの回りでほぼ水平になるように、つまり、基台が中心軸線Ｘの回りでほぼ水平になるように姿勢の制御をする。ここで、ほぼ水平であるとは、厳密に基台を水平にしなければならないという意味ではなく、方位精度との兼ね合いによって許容される程度に水平であるという意味である。そして、回転台を回転させて、その回転角をパラメ―タとしてＸ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力を取り込み、記憶し、それらのデータからＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角及び基台の方位角を検出する。
【００１５】
こうして、ケーシングに対して基台を回転可能に軸支するための回転軸を省略することができるため、構造が簡素化できると共に、小型化・小口径化を図ることができるようになり、低価格で製造することができるようになる。また、回転台を回転させて、回転角をパラメータとして、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計からの複数のデータを取ることにより、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計のドリフト・バイアスによる誤差成分が除去された方位角及び姿勢角を得ることができる。よって、センサ部の温度及び経年変化による方位誤差・姿勢誤差を低減させることができ、精度及び信頼性の高い計測を行うことができる。また、Ｘ，ＹジャイロをＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）より構成することにより、その機構上、単軸ジャイロよりも小さく構成することができ、より一層、小型化に有利となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１に示すように、本実施形態によるジャイロ装置１００は、ケーシング５０と、ケーシング５０内に配置された基台１０を有する。ケーシング５０は円筒部５１と両端の円板部５２を含み、全体として中心軸線を有する円筒状をなしている。円筒部５１の外径は少なくとも８０ｍｍ以下、好ましくは６０ｍｍ以下である。基台１０はケーシング５０内においてケーシング５０に直接的に固着されており、ケーシング５０と共に一体回転するようになっている。
【００１７】
ここで、ケーシング５０又は基台１０に座標系を設定する。ケーシング５０の円筒部５１の中心軸線に沿ってＸ軸、基台１０に垂直にＺ軸、Ｘ軸とＺ軸に直交し且つ基台１０に平行にＹ軸をとる。このように設定した座標系は、ジャイロ装置を装着した移動体であるドリリングマシン２００に設定した座標系とみなすことができるから、これを以下に移動体座標系と称する。基台１０の基準方位、即ち、移動体の方位はＸ軸の正の方向である。一方、地球表面に設けた座標系をローカル座標系又は局地座標系と称する。ローカル座標系とは、地球表面上の点を原点とし、水平面に沿って子午線方向にＸ_L軸、東西方向にＹ_L軸、鉛直上方にＺ_L軸とする座標系である。
【００１８】
ジャイロ装置１００は、基台１０に装着されたＸ加速度計１１Ａ、Ｙ加速度計１２Ａ、Ｚ加速度計１３Ａと、Ｘジャイロ１１Ｇ、Ｙジャイロ１２Ｇ及び方位発信器１３Ｙの複数のセンサから構成されるセンサ部１を有する。図において各センサに付された矢印は入力軸線又は測定軸線の方向を示す。Ｘ、Ｙ及びＺ加速度計１１Ａ、１２Ａ、１３Ａと、Ｘ，Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇは、ケーシング５０の中心軸線即ちＸ軸上、又はＸ軸に整合して配置されている。
【００１９】
ここで、Ｘジャイロ１１Ｇ及びＹジャイロ１２Ｇは、１個のＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）からなる。ＴＤＧは互いに直交する２つの入力軸線を有するジャイロからなり、単軸のジャイロよりも寧ろ小型に構成することができるために、装置の小型化のためには適している。
【００２０】
基台１０には複数の回転台が設けられている。図１の例では３つの回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅが設けられ、ＴＤＧからなるＸ及びＹジャイロ１１Ｇ、１２Ｇは第１の回転台２０Ｃ上に載置・装着され、Ｘ加速度計及びＹ加速度計はそれぞれ、第２、第３の回転台２０Ｄ、２０Ｅ上に載置・装着されている。方位発信器１３Ｙは複数の回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの少なくとも１つの上に載置・装着されている。
【００２１】
回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転軸線はＺ軸と平行をなし、Ｘ軸に沿って配置されており、Ｘ及びＹジャイロ１１Ｇ、１２Ｇと、Ｘ及びＹ加速度計１１Ａ、１２Ａの入力軸線または測定軸線は、回転台２０Ｃ，２０Ｄ、２０Ｅの回転軸線と直交するように配置される。
【００２２】
基台１０には、複数の回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅを回転させるために方位サーボモ―タ２２が設けられ、方位サーボモータ２２の回転を複数の回転台に伝達するために、適当な伝動装置、例えばバックラッシュレス歯車伝動装置２３や歯付ベルト２４が設けられる。方位サーボモータ２２及び伝動装置は、駆動装置を構成し、全ての回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅを同期的に回転駆動する。従って、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角を検出する方位発信器１３Ｙは、ただ１つの回転台に配置すればよく、全ての回転台に装着する必要はない。
【００２３】
回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅは一定の回転速度、例えば、１０°／秒にて、±１８０°の回転角の範囲で回転する。回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角が±１８０°に限定されているため、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅに載置されたＸ及びＹジャイロ１１Ｇ、１２Ｇと、Ｘ及びＹ加速度計１１Ａ、１２Ａと、方位発信器１３Ｙからのケーブル又はワイヤは縺れることがない。
【００２４】
また、図１に示すように基台１０には方位・姿勢演算部３を構成する回路基板が装着されている。
【００２５】
図２は、本実施形態のジャイロ装置の構成ブロック図である。ジャイロ装置１００は、図１を参照して説明したセンサ部１と方位・姿勢演算部３とを有する。ここで、センサ部１の各センサの入力軸線又は測定軸線（矢印）について説明すると、回転台２０の回転角が０である状態で、Ｘ加速度計１１Ａ及びＸジャイロ１１Ｇは、その入力軸線又は測定軸線が移動体座標系のＸ軸の正の方向に整合するように配置され、Ｙ加速度計１２Ａ及びＹジャイロ１２Ｇは、その入力軸線が移動体座標系のＹ軸の正の方向に整合するように配置される。Ｚ加速度計１３Ａ及び方位発信器１３Ｙは、その入力軸線が移動体座標系のＺ軸の負の方向に整合するように配置される。
【００２６】
Ｘ加速度計１１Ａは移動体座標系のＸ軸方向の加速度を検出し、Ｘジャイロ１１Ｇは移動体座標系のＸ軸回りの角速度ω_Xを検出する。Ｙ加速度計１２Ａは移動体座標系のＹ軸方向の加速度を検出し、Ｙジャイロ１２Ｇは移動体座標系のＹ軸回りの角速度ω_Yを検出する。Ｚ加速度計１３Ａは移動体座標系のＺ軸方向の加速度を検出する。Ｚ加速度計１３Ａは基台１０の上下（天地）判別に使用される。方位発信器１３Ｙは移動体の方位（Ｘ軸）に対する回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角φを検出する。尚、上述のように、Ｘジャイロ１１ＧとＹジャイロ１２Ｇは、１個のＴＤＧで構成されるるが、ここでは、説明のために別個のジャイロとして図示した。
【００２７】
方位・姿勢演算部３は、本ジャイロ装置１００が静止状態において、ジャイロ１１Ｇ、１２Ｇ及び加速度計１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの出力から、以下で述べるドリリングマシン２００の掘削部の方位角、及び姿勢角を演算し出力するものであり、図８に示すように、回転制御部７１と、シークエンサ部７２と、データ計測記憶部７３と、方位演算部７４と、姿勢演算部７５とを有する。
【００２８】
図３に示すように、ジャイロ装置１００は、ドリリングマシン２００に直接、装着される。ドリリングマシン２００は、その先端部に掘削刃を設けた掘削部２０１を有しており、その後部に延長管２０３を有している。ジャイロ装置１００は、接続部２０２Ａ及び２０２Ｂを介して、掘削部２０１と延長管２０３との間にこれらと一体回転可能に取り付けられる。掘削工事にあたり、地上に設けられる駆動部２０４を回転駆動すると、この回転は、延長管２０３、接続部２０２Ｂ、ジャイロ装置１００及び接続部２０２Ａを介して先端部の掘削部２０１に伝達され、掘削部２０１は回転しながら地中に押し込まれつつ、掘り進む。また、掘り進むに従い、延長管２０３は次々と追加接続されていく。よって、延長管２０３、接続部２０２Ａ、２０２Ｂ、ジャイロ装置１００、掘削部２０１は一体的に動くことになる。ジャイロ装置１００の基台１０及びセンサ部１は、このドリリングマシン２００の運動と共に運動し、ドリリングマシン２００の掘削部の方位及び姿勢と同一の方位及び姿勢をとる。
【００２９】
ジャイロ装置１００は、ドリリングマシン２００が移動している場合には、計測を休止しているが、ドリリングマシン２００が静止している場合には、方位を計測するジャイロ装置、即ち、地球自転から北を探す測量ジャイロとして機能する。この方位計測精度を良好にするためには、方位計測を始めるに先立ちジャイロ装置１００の基台１０の姿勢をコントロールする必要があるが、ジャイロ装置１００はドリリングマシン２００の掘削部の方位及び姿勢と同一の方位及び姿勢をとり、掘削部２０１と共に回転するので、掘削部２０１を回転させる機能を用いることで、ジャイロ装置１００自身及び基台１０の姿勢をコントロールすることが出来る。即ち、ドリリングマシン２００のオペレータは、本ジャイロ装置１００のＹ加速度計１２Ａより出力される傾斜信号を見ることにより、Ｙ軸の水平面からのずれを知ることが出来る。このずれが所望の範囲にない場合には、このずれを方位計測精度に悪影響を与えない程度、一般的には±５°以内になるように、オペレータが掘削刃を回すことで、姿勢の整合が実現される。尚、±５°の範囲は必要な方位精度との関係で変わることがあるが、この傾斜角の範囲の例は、ドリリングマシン２００による掘削工事が必要とする方位精度を確保するために定めたものであり、方位精度の許容する範囲で、±５°以上とすることもできる。
【００３０】
図４を参照して本実施形態のジャイロ装置１００の使用方法を説明する。掘削作業にあたっては、ドリリングマシン２００とジャイロ装置１００の結合をはじめとする機器のセットアップを行う（ステップＳ１０）。ジャイロ装置１００とドリリングマシン２００との結合は、機械的なものと電気的なものがあるが、本発明の本質ではないため、ここではその詳細には触れない。掘削工事において方位計測を行うには、ジャイロ装置１００を起動する（ステップＳ１２）。方位計測に先立ち、Ｙ軸を水平に整合する必要があるので、Ｙ軸の水平からのずれを示すＹ加速度計１２Ａからの傾斜信号を得る（ステップＳ１４）。ドリリングマシン２００のオペレータはＹ加速度計１２Ａからの出力を見て、その出力が示す傾斜角が±５°の範囲に収まっていない場合には、ドリリングマシン２００の駆動部２０４を操作して傾斜角を±５°の範囲に収める（ステップＳ１５、Ｓ１６）。併せて、このときに、オペレータは、Ｚ加速度計１３Ａの出力を見て、基台１０の上下（天地）が逆さまになっていないことを確認する。
【００３１】
姿勢整合が完了した後に、ドリリングマシン２００は静止状態に入り、方位計測が可能となる。静止していない状態で方位計測を行うと、計測値に誤差が生じるため、静止状態にあることを、確認した後に、方位計測を行う（ステップＳ２０）。本実施形態のジャイロ装置１００は、後で詳述するように、方位計測を行う際に、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅに短い時間で、±１８０°の回転角の範囲内で一定角度毎のインデックス動作を行い、ここで得たデータを元に、方位・姿勢演算部３にてジャイロ１１Ｇ、１２Ｇのドリフト及び加速度計１１Ａ、１２Ａのバイアスの影響を除去する。このため、センサ部１０の温度及び経年変化による誤差を低減させることができるようになっている。
【００３２】
計測された方位と目標方位との関係を分析した上で、掘削方向を修正する必要があるなら、ドリリングマシンの掘削方向を目標とする方位に整合させ（ステップＳ２１、Ｓ２２）、掘削を行う（ステップＳ２４）。所定の距離、掘削して、新たな延長管２０３を追加する必要がある場合には、延長管を追加する（ステップＳ２６、Ｓ２８）。そして、このとき、ジャイロ装置１００の電源はオフとする。所望の穴が得られるまで、この工程（ステップＳ１２〜Ｓ２８）を繰り返す。
【００３３】
このように、本実施形態においては、この延長管２０３、接続部２０２、ジャイロ装置１００、掘削部２０１が一体的に動くことを利用し、従来のジャイロ装置が保有し、本発明のジャイロ装置においては取り除いたロール軸の役割である、ジャイロ装置のセンサ部をＸ軸回りに回転可能にすることによりＹ軸方向を水平に保つ作用を実現する。即ち、ジャイロ装置１００から出力されるＹ加速度計１２Ａの出力をドリリングマシン２００のオペレータが読み取り、Ｙ軸方向の傾斜が所望の傾斜角に入っていない場合には、ドリリングマシン２００の回転機能を利用して、延長管２０３を介してジャイロ装置１００を回すことで、Ｙ軸を水平に近付ける。これにより、ジャイロ装置１００の構造を簡素化しながらも、方位測定精度を高めるための、水平への姿勢整合を可能にする。
【００３４】
次に、図５〜図７を参照して、本実施形態のジャイロ装置１００の方位計測の原理について説明する。図５に示すように、地球の北半球における緯度λの地点Ｐを考える。地球の中心をＯとし、地点Ｐを通る子午線が赤道面と交わる点をＰ_Oとし、地球の自転軸線をＯＰ_Nとする。地点Ｐの緯度λは∠ＰＯＰ_Oである。地点Ｐにおける水平面Ｈは地球面に対する接平面である。尚、掘削に伴う地中における地点であっても、便宜的に接平面の概念を用いる。
【００３５】
地球の自転角速度べクトルΩ_Eは図示のように自転軸線ＯＰ_N方向を向いている。地球の自転角速度べクトルΩ_Eは、水平面Ｈ上で真北方向（矢印Ｎ）の水平成分ＨＥＲ(Horizonta1 Earth Rate)、即ち、Ω_Eｃｏｓλと、垂直成分ＶＥＲ(Vertica1 Earth Rate)、即ち、Ω_Eｓｉｎλとに分解することができる。
【００３６】
図６に示すように、地点Ｐの水平面Ｈ上にジャイロ装置１００、即ち、ドリリングマシン２００が配置されていると仮定する。ドリリングマシン２００の掘削部の方位は上述のようにＸ軸に整合している。ドリリングマシン２００の掘削部の方位角∠ＮＰＰｘをΦとする。Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線をＸ_GS、Ｙジヤイロ１２Ｇの入力軸線をＹ_GSとする。
【００３７】
ドリリングマシン２００の方位Ｐｘに対するＸジャイロ１１Ｇの入力軸線の回転角をφとする。回転台２０Ｃの回転角は、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線の回転角φに等しいとする。Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線の方位角∠ＮＰＰＸ_GSはΦ＋φである。Ｙジャイロ１２Ｇの入力軸線の方位角∠ＮＰＰＹ_GSはΦ＋φ＋π／２である。
【００３８】
Ｘジャイロ１１Ｇは、地球の自転角速度べクトルΩ_Eの入力軸線Ｘ_GS方向の成分を検出し、Ｙジャイロは地球の自転角速度べクトルΩ_Eの入力軸線Ｙ_GS方向の成分を検出する。従って、Ｘ、Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇの出力ω_X、ω_Yは次のように表わされる。
【００３９】
【数１】

ここに、Ω_Eは地球の自転角速度、λは緯度である。Φはドリリングマシン２００の掘削部の方位、即ち、Ｘ軸の子午線に対する角度、φはドリリングマシン２００の掘削部の方位に対するＸジャイロ１１Ｇの回転角、Ｕ_X、Ｕ_YはそれぞれＸジャイロ１１Ｇ、Ｙジャイロ１２Ｇのドリフトである。尚、本実施形態では、ジャイロ装置１００が静止している時に方位計測を行うため、Ｙ軸回りの回転角速度及びＸ軸回りの回転角速度はゼロである。
【００４０】
上述の例はジャイロ装置１００、即ち、ドリリングマシン２００の掘削部が水平面Ｈ上に配置されている場合であるが、ドリリングマシン２００の掘削部が傾斜した場合を考察する。ドリリングマシン２００の掘削部がＸジャイロ１１Ｇの入力軸線Ｘ_GS回りに傾斜角σだけ回転偏倚した場合を、図７を参照して考察する。
【００４１】
図７はＺ軸及びＹジャイロ１２Ｇの入力軸線Ｙ_GSによって形成される面を示す。Ｘ，Ｙジャイロの出力ω_X、ω_Yは次のように表わされる。
【００４２】
【数２】

ここに、σは水平面Ｈに対するドリリングマシン２００の掘削部の入力軸線Ｘ_GS回りの傾斜角である。傾斜角σはＹ加速度計１２Ａによって検出される。ｍｇはジャイロロータの重心の偏侍に起因するマスアンバランス、ｑｇは相手軸の入力角速度変化に起因するクロストーク量である。これらはＴＤＧ特有の誤差である。Ｘ、Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇの出力ω_X、ω_Yより移動体の方位角Φを求めるためには、ジャイロ１１Ｇ、１２ＧのドリフトＵ_X、Ｕ_Yの影響を排除する必要がある。以下に、ジャイロ１１Ｇ、１２ＧのドリフトＵ_X、Ｕ_Yを排除する方法を説明する。
【００４３】
回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅを一定の回転角度△φ＝２π／ｎ毎に（例えば、ｎ＝６として６０°毎に）回転させては停止し、２つのジャイロ１１Ｇ、１２Ｇの出力信号ω_X、ω_Y及びＹ加速度計１２Ａの出力信号σを測定する。回転台を１回転させることによってｎ組の測定値ω_Xi、ω_Yi、σ_i（ｉ＝１〜ｎ）が得られたものとする。これらの測定値のなかで、回転角φが互いに１８０°異なるデータに注目する。例えば、回転角φの場合のＸ、Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇの出力信号をω_X1、ω_Y1、回転角φ＋πの場合のＸ，Ｙジャイロの出力信号をω_X2、ω_Y2をとすると、これらは次のように表される。
【００４４】
【数３】

ここにσ₁、σ₂はそれぞれ回転台の回転角がφとφ＋πの場合における、水平面Ｈに対する移動体又は基台１０のＸジャイロ１１Ｇの入力軸線Ｘ_GS回りの傾斜角である。この２つの傾斜角σ₁、σ₂の間には、幾何学的に次のような関係がある。
【００４５】
【数４】

（２）式を変形し、（５）式を（４）式に代入して変形すると次の関係が得られる。
【００４６】
【数５】

これらの式より次の関係式が求められる。
【００４７】
【数６】

（８）式より、Φを求めることができる。即ち、ドリリングマシン２００の掘削部の方位角Φは、
【００４８】
【数７】

と表される。
【００４９】
以上は、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線Ｘ_GSの傾斜がゼロであると仮定したが、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線Ｘ_GSの傾斜がゼロでない場合には、Ｙジャイロ１２Ｇの出力ω_Y、（９）式より、方位角Φを求める。
【００５０】
【数８】

ここで簡略化のため、ＴＤＧの特性値であるマスアンバランスｍｇを既知として扱い（１１）式を単純化すると次の関係が求められる。
【００５１】
【数９】

同様に、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線Ｘ_GSの傾斜がゼロでなく、入力軸線Ｙ_GS回りに傾斜角θだけ傾斜している場合に、上記（８）式は、
【００５２】
【数１０】

となる。ここで簡略化のため、ＴＤＧの特性値であるマスアンバランスｍｇを既知として扱い（８’）式を単純化し、方位角Φを求めると、次の式となる。
【００５３】
【数１１】

次にＹ加速度計１２Ａの出力信号σに含まれるバイアス△σを検出し、真のＸ軸回りの傾斜角σを検出する方法を説明する。回転台２０Ｅを一定の回転角度△φ＝２π／ｎ毎に（例えば、ｎ＝６として６０°毎に）回転させては停止し、Ｙ加速度計の出力信号σ_Mを測定する。回転台を１回転させることによってｎ組の測定値σ_Mi（ｉ＝１〜ｎ）が得られたものとする。これらの測定値のなかで、回転角φが互いに１８０°異なるデータに注目する。例えば、回転角φの場合のＹ加速度計１２Ａの出力信号をσ_M1、回転角φ＋πの場合のＹ加速度計１２Ａの出力信号をσ_M2とすると次のように表される。
【００５４】
【数１２】

ここに、σ１、σ２は上述のように、バイアス△σがゼロの場合に、回転角がφの場合とφ＋πの場合の回転台２０ＥのＸ_GS軸回りの傾斜角である。この２つのＸ軸回りの傾斜角σ₁、σ₂の間には（５）式の関係があるので、（１３）、（１４）式より、次の関係が得られる。
【００５５】
【数１３】

従って、回転台２０Ｅの回転角がφのとき、Ｘ_GS軸回りの真の傾斜角σ₁は次の式によって表される。
【００５６】
【数１４】

回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角がφのとき、Ｙ_GS軸回りの真の傾斜角θ₁及びＸ加速度計のバイアス△θも同様な方法によって求められ、（１５）式と同様な式によって与えられるがここでは詳細に説明しない。（１５）式で得られた回転角がφのときのＸ_GS軸回りの真の傾斜角σ₁を（１２）式に用いることによりバイアス・ドリフトによる誤差成分が除去された方位角を求めることができる。
【００５７】
本実施形態によると、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅを１回転させることによってｎ組の測定値ω_Xi、ω_Yi、σ_i、θ_i（ｉ＝１〜ｎ）が得られる。従って、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角φが互いに１８０°異なる測定値はｎ／２組である。ｎ／２組の測定値からｎ／２組のデータΦ、σ₁、θ₁が得られる。従って、ｎ／２組のデータΦの平均値、又はω_Xi、ω_Yi（ｉ＝１〜ｎ）の最小二乗近似値を求めることによって、より正確なデータΦの値が得られる。同様に、φ＝０のときの真の傾斜角σ₁、θ₁が基台１０のＸ軸回り及びＹ軸回りの傾斜角となるので、σ_i、θ_i（ｉ＝１〜ｎ）の最小二乗近似値により、回転角φ＝０のときのσ、θを求めることによって、より正確なデータσ、θの値が得られる。これにより、ドリリングマシン２００の掘削部の方位角Φと、姿勢σ、θが求められることになる。さらに、方位角Φとドリリングマシン２００の掘削部が進んだ距離から、ドリリングマシン２００の掘削部の位置を求めることが可能になる。
【００５８】
図８を参照して方位・姿勢演算部３の動作を説明する。回転制御部７１は、回転台の回転角φが設定回転角φ_Sに等しくなるように、方位サーボモータ２２を制御する。回転制御部７１は、シークエンサ部７２によって生成された設定回転角φ_Sを方位サーボモータ２２に供給する。方位サーボモータ２２が作動して回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅが回転軸線回りに回転する。方位発信器１３Ｙは回転台の回転角φを検出しそれを回転制御部７１に出力する。方位発信器１３Ｙの出力信号φが設定回転角φ_Sに等しくなると、データ計測記憶部７３は回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角φデータを回転台の回転角として記憶する。
【００５９】
データ計測記憶部７３は、回転台の設定回転角φ_S＝φ毎に、回転角とＸ、Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇの出力信号ω_X、ω_Y、及びＸ、Ｙ加速度計１１Ａ、１２Ａより出力された傾斜角θ、σ（時計方向を＋とする。）のデータを記憶する。次にシークエンサ部７２は、新たな設定回転角φ_S＝φ_S＋△φを生成して回転制御部７１に供給する。回転制御部７１は方位発信器１３Ｙの出力信号φが新たな設定回転角φ_Sに等しくなるように、方位サーボモータ２２を作動させる。
【００６０】
方位発信器１３Ｙの出力信号φが新たな設定回転角φ_Sに等しくなると、デ―タ計測記憶部７３は、同様に、Ｘ、Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇ、Ｘ、Ｙ加速度計１１Ａ、１２Ａより出力された信号及び回転台の回転角のデータを記憶する。
【００６１】
こうして、データ計測記情部７３は設定回転角φ_S毎に、データω_Xi、ω_Yi、σ_i、θ_i（ｉ＝１〜ｎ）を順次記憶する。データ計測記憶部７３に記憶された多数のデータφ_i、ω_Xi、ω_Yi、σ_i、θ_i（ｉ＝１〜ｎ）は順次、方位演算部７４及び姿勢演算部７５に供給される。
【００６２】
姿勢演算部７５は、（１５）式または（１５）式に準じた式を用い、最小二乗近似値により、回転角φ＝０のときのσ、θを求めることによって、姿勢角σ、θを演算し、方位演算部７４は、（１２）式または（１２’）式により、ドリリングマシン２００の掘削部の方位角Φを演算する。尚、（１２）式または（１２）式に準じた式を用いた最小二乗近似値によれば、Ｙジャイロ１２Ｇの出力ω_Yと、回転台の回転角度φと姿勢角σ₁によって方位角Φを求めることができ、（１２’）式または（１２’）式に準じた式を用いた最小二乗近似値によれば、Ｘジャイロ１１Ｇの出力ω_Xと、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角度φと姿勢角θ₁によって方位角Φを求めることができる。本装置においては、ＴＤＧを使用しているので、Ｘジャイロ１１ＧとＹジャイロ１２Ｇの出力によりそれぞれ方位Φを求めることが可能である。よって、方位演算部７４では、Ｘジャイロ１１ＧとＹジャイロ１２Ｇの出力より（１２）式または（１２’）式を用いて得た方位角を平均化して方位角Φを決定し、出力することで、確度の高い方位信号を出力することができる。
【００６３】
以上本発明の例を説明したが、説明においては、精度と小型化の面で市場要求が厳しいドリリングマシンへのジャイロ適用を例示したが、推進工法等従来より行われている他の掘削法への本ジャイロ装置の適用は更に容易であることは言うまでもない。ジャイロ装置の他の用例としては、延長管を介してジャイロ装置１００を回転しても良いが、本発明のドリリングマシン以外では、外付の回転駆動手段により円筒状ケーシング５０をＸ軸周りに回転させても良いし、ケーシング５０をジンバルで指示し、ほぼ水平を求めるようにしても良いのは当然である。このように、本発明は特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変形例が可能であることは当業者によって理解されよう。尚、ここで、用いられている加速度計の作用は傾斜計の作用に等しく、本明細書における加速度計は、傾斜計を含む概念であることを念のため付け加えておく。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ケーシングに対して基台を回転可能に軸支するための回転軸を省略することができるため、構造が簡素化すると共に、小型化、小口径化を図ることができるようになり、低価格で製造することができるようになる。また、基台に設けた回転台にＸ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ加速度計を装着し、回転台の回転角をパラメ―タとして前記Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力を記憶し、その出力から、基台の方位及び姿勢を求めているために、センサ部の温度及び経年変化による方位誤差・姿勢誤差を低減させることができ、精度及び信頼性の高い計測を行うことができる。さらに、Ｘ，ＹジャイロをＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）より構成することにより、その機構上、単軸ジャイロよりも小さく構成することができ、より一層、小型化、小口径化を図ることができる。
本発明は、ドリリングマシンを例に説明しているが、地中掘削、屈伸、推進装置にも適用できるのは言を待たない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るジャイロ装置の主要部を表す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係るジャイロ装置の構成例を表すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係るジャイロ装置を含めたドリリングマシン全体の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るジャイロ装置を含めたドリリングマシンの運用例を表すフローチャートである。
【図５】地球の自転角速度べクトルを説明するための説明図である。
【図６】Ｘ，Ｙジャイロによって検出する地球の自転角速度べクトルの成分を説明するための説明図である。
【図７】ジャイロ装置が傾斜した場合のＸ，Ｙジャイロによって検出する地球の自転角速度べクトルの成分を説明するための説明図である。
【図８】本発明のジャイロ装置の方位・姿勢演算部の構成例を示すブロック図である。
【図９】先願の掘削用ジャイロ装置の例の図である。
【符号の説明】
１センサ部
３方位・姿勢演算部
１０基台
１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ加速度計
１１Ｇ、１２Ｇジャイロ
１３Ｙ方位発信器
２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ回転台
２２方位サーボモータ（駆動装置）
５０ケーシング
１００ジャイロ装置
２００ドリリングマシン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gyro device that detects an orientation in order to detect the position of a tip portion of a drilling device such as a drilling machine used for excavating a small-diameter hole having a diameter of 100 mm or less underground in ground improvement work. In particular, the present invention relates to a gyro device suitable for a drilling device such as a small drilling machine and a method for using the gyro device for a drilling device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to detect the position of a moving body that is difficult for humans to approach, such as a hole excavating machine that excavates a small-diameter hole in the ground, as a device attached to the hole excavating machine, a cylindrical shape is used. A rate gyroscope and an accelerometer are fixed on a base provided on a rotation axis in a central axis direction of a casing that is supported so as to be freely rotatable by a bearing fixed in the casing, and a sensor unit is configured. There is known one in which the center of gravity of a portion supported by a bearing is decentered downward from the center of a rotating shaft (for example, Patent Document 1).
[0003]
In addition, the rate gyroscope and accelerometer are fixed to the base, and the output signal of the accelerometer that detects the tilt angle around the center axis of the base is supplied to the servo motor via the servo amplifier to always keep the base What controls a horizontal attitude | position around a central axis is known (for example, patent document 2).
[0004]
In addition, a gyrocompass device equipped in a tip conduit having a digging blade of a digging device used in a propulsion method has been proposed in Japanese Patent Application No. 2001-99814 (referred to as a prior application) by the same applicant as the present invention. Yes. FIG. 9 is a diagram showing an example of a main part of the gyrocompass device described in the prior application, a cylindrical casing having a central axis, a base disposed in the casing, and a base mounted on the base And a sensor unit including an XYZ gyro, an XYZ accelerometer, and an orientation transmitter, and the base is attached to the casing via a rotating shaft, and is a base using a pendulum action or a dedicated torque motor. It is comprised so that it can be rotated with respect to a casing. Thereby, at the time of surveying at the time of azimuth measurement, the base is always held at the same roll position (horizontal position) to ensure azimuth accuracy.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2640526 (see Claims, Fig. 1)
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3002781 (column 5, lines 24 to 42, see FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional apparatus, in order to ensure measurement accuracy, the base is attached to the case via the rotating shaft, and the base is attached to the casing using a pendulum action or a dedicated torque motor. The base is always horizontal with respect to the central axis of the casing, and having a rotating shaft for that purpose complicates the structure, hinders improved reliability and downsizing, and reduces the price. There is a problem that it is difficult to reduce the above.
[0007]
Further, in Patent Document 1 and Patent Document 2, the azimuth angle is obtained by integrating the output value of the rate gyro, but there is a problem that the error increases due to the bias of the rate gyro, and it is detected accurately. Is difficult.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a gyro apparatus that is small in size and small in diameter, high in measurement accuracy and reliability, and low in price.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a gyro device according to the present invention includes a cylindrical casing having a central axis X that is connected to a drilling portion of a drilling device, and a base that is disposed in the casing and is fixed to the casing. A sensor unit which is attached to the base and includes an X, Y gyro and an X, Y, Z accelerometer; and a Z which is disposed on the base along the central axis and whose rotation axis is perpendicular to the base From a plurality of turntables parallel to the axis, a driving device for synchronously rotating the plurality of turntables, an azimuth transmitter for detecting a rotation angle of the turntables, and a signal output from the sensor unit An azimuth / attitude calculation unit for calculating the azimuth angle and attitude of the base,
The X, Y gyro and X, Y accelerometer of the sensor unit are mounted on the turntable so that its input axis or measurement axis rotates in a plane formed by the X axis and the Y axis,
The azimuth / attitude calculation unit stores a rotation control unit for controlling the rotation of the turntable, and outputs of the X, Y gyro and X, Y, Z accelerometers using the rotation angle of the turntable as a parameter. A data measurement storage unit; an attitude calculation unit that calculates an inclination angle around the X-axis and the Y-axis of the base from an output from the data measurement storage unit; and an orientation calculation unit that calculates the orientation of the base. And calculating an inclination angle and an azimuth angle of the base around the X axis and the Y axis of the base from outputs of the sensor unit at a plurality of rotation angles of the rotary base,
The base is rotated around the central axis X together with the excavating part of the excavator, and when detecting the azimuth, the base is rotated from the Y accelerometer by an operation to rotate the base as necessary. The base is adjusted and maintained so that the output is substantially horizontal around the central axis X.
[0010]
Further, the azimuth calculation unit can determine the azimuth angle by averaging the azimuth angles obtained from the outputs of the X and Y gyros.
[0011]
The X and Y gyros can be composed of TDG (tuned dry gyro). Furthermore, the outer diameter of the cylindrical casing can be 80 mm or less.
[0012]
In addition, the method of using the gyro device for an excavator according to the present invention includes a cylindrical casing having a central axis X, which is connected to an excavating portion of the excavator, and a base that is disposed in the casing and is fixed to the casing. And a sensor unit that is attached to the base and includes an X, Y gyro and an X, Y, Z accelerometer, and is arranged on the base along the central axis, and the rotation axis is perpendicular to the base A plurality of turntables parallel to the Z axis, a drive device for rotating the plurality of turntables synchronously, a direction transmitter for detecting a rotation angle of the turntable, and a signal output from the sensor unit And an azimuth / attitude calculation unit for calculating the azimuth angle and attitude of the base,
The X, Y gyro and the X, Y accelerometer of the sensor unit are mounted on the turntable so that the input axis or the measurement axis rotates in a plane formed by the X axis and the Y axis. Usage of
If the output from the Y acceleration is not within the predetermined range, refer to the output from the Y acceleration and move the base together with the excavating part of the excavator so that the base is substantially horizontal with respect to the X axis. Rotating around the X axis;
Rotating the turntable to turn the turntable to a predetermined rotation angle;
Capturing the output of the X, Y gyro and X, Y, Z accelerometers and storing the rotation angle of the turntable as a parameter;
The tilt angle around the X axis and Y axis of the base and the azimuth angle of the base are calculated from the output of the X, Y gyro and the X, Y, Z accelerometer at the stored rotational angles of the rotary base. And a process of
Is provided.
[0013]
The step of calculating the azimuth may determine the azimuth angle by averaging the azimuth angles obtained from the X and Y gyros.
[0014]
In an excavating apparatus such as a drilling machine, an excavating part including the excavating blade is originally rotatable for excavation. When detecting the azimuth of the excavator by the gyro device, the excavator is stationary. However, by using the rotation mechanism of the excavator of the excavator, the excavator is rotated to rotate the base, and the Y acceleration The posture is controlled so that the output from the meter is substantially horizontal around the central axis X, that is, the base is substantially horizontal around the central axis X. Here, “almost horizontal” does not mean that the base must be leveled strictly, but means that it is horizontal to the extent permitted by the balance with the azimuth accuracy. Then, the output of the X, Y gyro and X, Y, Z accelerometers is taken and stored with the rotation angle as a parameter by rotating the turntable, and the tilt angles around the X axis and Y axis are obtained from these data. And the azimuth angle of the base is detected.
[0015]
In this way, the rotation shaft for pivotally supporting the base with respect to the casing can be omitted, so that the structure can be simplified and the size and diameter can be reduced. Can be manufactured at a price. Also, by rotating the turntable and taking a plurality of data from the X, Y gyro and X, Y, Z accelerometers using the rotation angle as a parameter, the X, Y gyro and X, Y, Z accelerometers It is possible to obtain an azimuth angle and an attitude angle from which an error component due to drift bias is removed. Therefore, it is possible to reduce the azimuth error / attitude error due to the temperature and aging of the sensor unit, and to perform measurement with high accuracy and reliability. Further, by configuring the X and Y gyros from a TDG (tuned dry gyro), it is possible to configure the X and Y gyros smaller than a single-axis gyro in terms of the mechanism, which is further advantageous for downsizing.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the gyro apparatus 100 according to the present embodiment includes a casing 50 and a base 10 disposed in the casing 50. The casing 50 includes a cylindrical portion 51 and disc portions 52 at both ends, and has a cylindrical shape having a central axis as a whole. The outer diameter of the cylindrical part 51 is at least 80 mm or less, preferably 60 mm or less. The base 10 is directly fixed to the casing 50 in the casing 50 and rotates together with the casing 50.
[0017]
Here, a coordinate system is set on the casing 50 or the base 10. An X axis is taken along the central axis of the cylindrical portion 51 of the casing 50, a Z axis is perpendicular to the base 10, and a Y axis is perpendicular to the X axis and the Z axis and parallel to the base 10. Since the coordinate system set in this way can be regarded as the coordinate system set in the drilling machine 200 that is a moving body equipped with the gyro device, it is hereinafter referred to as a moving body coordinate system. The reference azimuth of the base 10, that is, the azimuth of the moving body is the positive direction of the X axis. On the other hand, a coordinate system provided on the earth surface is referred to as a local coordinate system or a local coordinate system. The local coordinate system is a point on the earth's surface as the origin, and X in the meridian direction along the horizontal plane. _L Axis, Y in east-west direction _L Z, vertically above the axis _L A coordinate system with axes.
[0018]
The gyro apparatus 100 includes a sensor unit including an X accelerometer 11A, a Y accelerometer 12A, a Z accelerometer 13A mounted on a base 10, and a plurality of sensors including an X gyro 11G, a Y gyro 12G, and an azimuth transmitter 13Y. 1 In the figure, the arrow attached to each sensor indicates the direction of the input axis or the measurement axis. The X, Y and

Z accelerometers

11A, 12A, 13A and the X, Y gyros 11G, 12G are arranged on the central axis of the casing 50, that is, on the X axis or aligned with the X axis.
[0019]
Here, the X gyro 11G and the Y gyro 12G are composed of one TDG (tuned dry gyro). The TDG is composed of a gyro having two input axis lines orthogonal to each other, and can be configured smaller than a single-axis gyro, and thus is suitable for downsizing the apparatus.
[0020]
The base 10 is provided with a plurality of turntables. In the example of FIG. 1, three turntables 20C, 20D, and 20E are provided, and the X and

Y gyros

11G and 12G made of TDG are placed and mounted on the first turntable 20C, and the X and Y accelerometers are mounted. Are mounted and mounted on the second and third turntables 20D and 20E, respectively. The direction transmitter 13Y is placed and mounted on at least one of the plurality of turntables 20C, 20D, and 20E.
[0021]
The rotation axes of the turntables 20C, 20D, and 20E are parallel to the Z axis and are arranged along the X axis. The input axes or measurements of the X and

Y gyros

11G and 12G and the X and

Y accelerometers

11A and 12A The axis is arranged so as to be orthogonal to the rotation axis of the turntables 20C, 20D, and 20E.
[0022]
The base 10 is provided with an azimuth servo motor 22 for rotating the plurality of turntables 20C, 20D, 20E, and an appropriate transmission device for transmitting the rotation of the azimuth servomotor 22 to the plurality of turntables. For example, a backlashless gear transmission 23 and a toothed belt 24 are provided. The azimuth servo motor 22 and the transmission device constitute a drive device, and synchronously drive all the turntables 20C, 20D, and 20E. Therefore, the azimuth transmitter 13Y that detects the rotation angle of the turntables 20C, 20D, and 20E may be disposed on only one turntable, and does not need to be mounted on all turntables.
[0023]
The turntables 20C, 20D, and 20E rotate within a range of rotation angles of ± 180 ° at a constant rotation speed, for example, 10 ° / second. Since the rotation angles of the turntables 20C, 20D and 20E are limited to ± 180 °, the X and

Y gyros

11G and 12G mounted on the turntables 20C, 20D and 20E, and the X and

Y accelerometers

11A and 12A Then, the cable or the wire from the direction transmitter 13Y is not drawn.
[0024]
As shown in FIG. 1, a circuit board constituting the azimuth / attitude calculation unit 3 is mounted on the base 10.
[0025]
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the gyro apparatus according to the present embodiment. The gyro apparatus 100 includes the sensor unit 1 and the azimuth / attitude calculation unit 3 described with reference to FIG. Here, the input axis or measurement axis (arrow) of each sensor of the sensor unit 1 will be described. When the rotation angle of the turntable 20 is 0, the X accelerometer 11A and the X gyro 11G have their input axes or measurement. The axes are arranged so as to be aligned with the positive direction of the X axis of the moving body coordinate system, and the Y accelerometer 12A and the Y gyro 12G have their input axes aligned with the positive direction of the Y axis of the moving body coordinate system. Placed in. The Z accelerometer 13A and the azimuth transmitter 13Y are arranged such that their input axes are aligned with the negative direction of the Z axis of the moving object coordinate system.
[0026]
The X accelerometer 11A detects the acceleration in the X-axis direction of the moving object coordinate system, and the X gyro 11G detects the angular velocity ω around the X axis of the moving object coordinate system. _X Is detected. The Y accelerometer 12A detects the acceleration in the Y-axis direction of the moving object coordinate system, and the Y gyro 12G has an angular velocity ω around the Y axis of the moving object coordinate system. _Y Is detected. The Z accelerometer 13A detects the acceleration in the Z-axis direction of the moving object coordinate system. The Z accelerometer 13A is used for determining the top and bottom (top and bottom) of the base 10. The direction transmitter 13Y detects the rotation angle φ of the turntables 20C, 20D, and 20E with respect to the direction (X axis) of the moving body. As described above, the X gyro 11G and the Y gyro 12G are composed of one TDG, but are illustrated here as separate gyros for explanation.
[0027]
The azimuth / attitude calculation unit 3 calculates the azimuth angle and attitude angle of the excavation unit of the drilling machine 200 described below from the outputs of the

gyros

11G and 12G and the

accelerometers

11A, 12A, and 13A when the gyro device 100 is stationary. As shown in FIG. 8, it has a rotation control unit 71, a sequencer unit 72, a data measurement storage unit 73, an azimuth calculation unit 74, and an attitude calculation unit 75.
[0028]
As shown in FIG. 3, the gyro apparatus 100 is directly attached to the drilling machine 200. The drilling machine 200 has an excavation part 201 provided with an excavation blade at the tip thereof, and an extension pipe 203 at the rear part thereof. The gyro apparatus 100 is attached between the excavation part 201 and the extension pipe 203 via the

connection parts

202A and 202B so as to be integrally rotatable therewith. In the excavation work, when the driving unit 204 provided on the ground is rotationally driven, this rotation is transmitted to the excavating unit 201 at the tip through the extension pipe 203, the connecting unit 202B, the gyro device 100, and the connecting unit 202A. 201 is digging while being pushed into the ground while rotating. Further, as the digging progresses, the extension pipe 203 is additionally connected one after another. Therefore, the extension pipe 203, the

connection parts

202A and 202B, the gyro apparatus 100, and the excavation part 201 move together. The base 10 and the sensor unit 1 of the gyro apparatus 100 move along with the movement of the drilling machine 200 and have the same azimuth and posture as those of the drilling unit of the drilling machine 200.
[0029]
When the drilling machine 200 is moving, the gyro device 100 pauses the measurement, but when the drilling machine 200 is stationary, the gyro device 100 measures the azimuth, that is, from the earth rotation to the north. Serves as a surveying gyro to search for. In order to improve the azimuth measurement accuracy, it is necessary to control the attitude of the base 10 of the gyro apparatus 100 prior to starting the azimuth measurement. The gyro apparatus 100 determines the azimuth and attitude of the excavation part of the drilling machine 200. Since it takes the same azimuth | direction and attitude | position and rotates with the excavation part 201, the attitude | position of the gyro apparatus 100 itself and the base 10 can be controlled by using the function to rotate the excavation part 201. FIG. That is, the operator of the drilling machine 200 can know the deviation of the Y axis from the horizontal plane by viewing the tilt signal output from the Y accelerometer 12A of the gyro device 100. If this deviation is not within the desired range, the operator can adjust the posture by turning the excavating blade so that this deviation does not adversely affect the azimuth measurement accuracy, generally within ± 5 °. Is realized. The range of ± 5 ° may vary depending on the required azimuth accuracy, but this example of the tilt angle range is set to ensure the azimuth accuracy required for drilling work by the drilling machine 200. However, it can be ± 5 ° or more as long as the azimuth accuracy allows.
[0030]
A method of using the gyro device 100 of the present embodiment will be described with reference to FIG. In the excavation work, the equipment is set up including the connection between the drilling machine 200 and the gyro apparatus 100 (step S10). The gyro device 100 and the drilling machine 200 may be mechanically or electrically coupled to each other, but are not the essence of the present invention and will not be described in detail here. In order to perform azimuth measurement in excavation work, the gyro apparatus 100 is activated (step S12). Prior to the azimuth measurement, since it is necessary to align the Y axis horizontally, a tilt signal from the Y accelerometer 12A indicating the deviation of the Y axis from the horizontal is obtained (step S14). When the operator of the drilling machine 200 looks at the output from the Y accelerometer 12A and the tilt angle indicated by the output is not within the range of ± 5 °, the operator operates the drive unit 204 of the drilling machine 200 to tilt the tilt angle. Is within a range of ± 5 ° (steps S15 and S16). At the same time, the operator confirms that the top and bottom (top and bottom) of the base 10 is not upside down by looking at the output of the Z accelerometer 13A.
[0031]
After the posture alignment is completed, the drilling machine 200 enters a stationary state, and azimuth measurement is possible. If the azimuth measurement is performed in a state where it is not stationary, an error occurs in the measurement value. Therefore, the azimuth measurement is performed after confirming that it is in the stationary state (step S20). As will be described in detail later, the gyro device 100 according to the present embodiment, when performing azimuth measurement, takes a short time for the turntables 20C, 20D, and 20E, and at a constant angle within a range of ± 180 ° rotation angle. An indexing operation is performed, and based on the data obtained here, the azimuth / attitude calculation unit 3 removes the influence of the drift of the

gyros

11G and 12G and the bias of the

accelerometers

11A and 12A. For this reason, the error due to the temperature and aging of the sensor unit 10 can be reduced.
[0032]
If it is necessary to correct the excavation direction after analyzing the relationship between the measured azimuth and the target azimuth, the excavation direction of the drilling machine is matched with the target azimuth (steps S21 and S22), and excavation is performed ( Step S24). When it is necessary to dig a predetermined distance and add a new extension pipe 203, an extension pipe is added (steps S26 and S28). At this time, the power supply of the gyro apparatus 100 is turned off. This process (steps S12 to S28) is repeated until a desired hole is obtained.
[0033]
As described above, in the present embodiment, the extension pipe 203, the connecting portion 202, the gyro device 100, and the excavating portion 201 are used to move integrally, and the conventional gyro device has the gyro device of the present invention. Is the role of the removed roll shaft, and realizes the action of keeping the Y-axis direction horizontal by making the sensor portion of the gyro device rotatable about the X-axis. That is, when the operator of the drilling machine 200 reads the output of the Y accelerometer 12A output from the gyro apparatus 100 and the tilt in the Y-axis direction is not within the desired tilt angle, the rotation function of the drilling machine 200 is used. Then, by rotating the gyro device 100 via the extension pipe 203, the Y axis is brought closer to the horizontal. Thereby, while simplifying the structure of the gyro apparatus 100, it is possible to align the posture in the horizontal direction in order to increase the direction measurement accuracy.
[0034]
Next, with reference to FIGS. 5 to 7, the principle of azimuth measurement of the gyro apparatus 100 of the present embodiment will be described. Consider a point P at latitude λ in the northern hemisphere of the earth as shown in FIG. Let the center of the earth be O and the point where the meridian passing through point P intersects the equator plane is P _O And the rotation axis of the earth is OP _N And Latitude λ of point P is ∠POP _O It is. A horizontal plane H at the point P is a tangential plane with respect to the earth surface. Note that the concept of a tangential plane is used for convenience even at a point in the ground associated with excavation.
[0035]
Earth rotation angular velocity vector Ω _E Is the rotation axis OP as shown _N Facing the direction. Earth rotation angular velocity vector Ω _E Is the horizontal component HER (Horizontal Earth Rate) on the horizontal plane H (arrow N), that is, Ω _E cos λ and vertical component VER (Vertica1 Earth Rate), that is, Ω _E It can be decomposed into sin λ.
[0036]
As shown in FIG. 6, it is assumed that the gyro device 100, that is, the drilling machine 200 is arranged on the horizontal plane H at the point P. The orientation of the excavation part of the drilling machine 200 is aligned with the X axis as described above. The azimuth angle ∠ NPPx of the excavation part of the drilling machine 200 is Φ. X input axis of the gyro 11G is X _GS , And the input axis of the Y gyro 12G _GS And
[0037]
The rotation angle of the input axis of the X gyro 11G with respect to the orientation Px of the drilling machine 200 is φ. The rotation angle of the turntable 20C is assumed to be equal to the rotation angle φ of the input axis of the X gyro 11G. X gyro 11G input axis azimuth angle NPPX _GS Is Φ + φ. Y gyro 12G input axis azimuth angle NPPY _GS Is Φ + φ + π / 2.
[0038]
X gyro 11G is the earth rotation angular velocity vector Ω _E Input axis X _GS Directional component is detected, Y gyro is the Earth's rotation angular velocity vector Ω _E Input axis Y _GS The direction component is detected. Therefore, the output ω of the X and

Y gyros

11G and 12G _X , Ω _Y Is expressed as follows.
[0039]
[Expression 1]

Where Ω _E Is the rotational angular velocity of the earth, and λ is the latitude. Φ is the orientation of the drilling section of the drilling machine 200, that is, the angle with respect to the meridian of the X axis, φ is the rotation angle of the X gyro 11G with respect to the orientation of the drilling section of the drilling machine 200, U _X , U _Y Are drifts of the X gyro 11G and the Y gyro 12G, respectively. In the present embodiment, since the azimuth measurement is performed when the gyro apparatus 100 is stationary, the rotational angular velocity around the Y axis and the rotational angular velocity around the X axis are zero.
[0040]
The above-described example is a case where the excavation part of the gyro device 100, that is, the drilling machine 200 is arranged on the horizontal plane H, but the case where the excavation part of the drilling machine 200 is inclined will be considered. The drilling part of the drilling machine 200 is the input axis X of the X gyro 11G _GS A case where the rotation is deviated by an inclination angle σ will be considered with reference to FIG.
[0041]
7 shows the Z axis and the input axis Y of the Y gyro 12G. _GS The surface formed by is shown. X, Y gyro output ω _X , Ω _Y Is expressed as follows.
[0042]
[Expression 2]

Where σ is the input axis X of the excavation part of the drilling machine 200 with respect to the horizontal plane H _GS The angle of inclination around. The tilt angle σ is detected by the Y accelerometer 12A. mg is a mass unbalance caused by deviation of the center of gravity of the gyro rotor, and qg is a crosstalk amount caused by a change in the input angular velocity of the counterpart shaft. These are TDG specific errors. Output ω of X and

Y gyros

11G and 12G _X , Ω _Y In order to obtain the azimuth angle Φ of the moving body more, the drift U of the

gyros

11G and 12G _X , U _Y It is necessary to eliminate the influence of. The

gyro

11G and 12G drift U _X , U _Y A method of eliminating this will be described.
[0043]
The turntables 20C, 20D, and 20E are stopped by rotating at a certain rotation angle Δφ = 2π / n (for example, every 60 ° with n = 6), and the output signals ω of the two

gyros

11G and 12G are stopped. _X , Ω _Y The output signal σ of the Y accelerometer 12A is measured. N sets of measured values ω by rotating the turntable once _Xi , Ω _Yi , Σ _i (I = 1 to n) shall be obtained. Of these measured values, attention is paid to data whose rotation angles φ differ from each other by 180 °. For example, the output signal of the X and

Y gyros

11G and 12G in the case of the rotation angle φ is ω _X1 , Ω _Y1 , The output signal of the X and Y gyros for the rotation angle φ + π is ω _X2 , Ω _Y2 These are expressed as follows.
[0044]
[Equation 3]

Where σ ₁ , Σ ₂ Are respectively the movable body with respect to the horizontal plane H or the input axis X of the X gyro 11G of the base 10 when the rotation angles of the turntable are φ and φ + π. _GS The angle of inclination around. These two inclination angles σ ₁ , Σ ₂ There is the following geometric relationship between them.
[0045]
[Expression 4]

When the equation (2) is transformed and the equation (5) is substituted into the equation (4) and transformed, the following relationship is obtained.
[0046]
[Equation 5]

The following relational expression is obtained from these expressions.
[0047]
[Formula 6]

From equation (8), Φ can be obtained. That is, the azimuth angle Φ of the drilling part of the drilling machine 200 is
[0048]
[Expression 7]

It is expressed.
[0049]
The above is the input axis X of the X gyro 11G. _GS Is assumed to be zero, but the input axis X of the X gyro 11G _GS When the slope of the gyro is not zero, the output ω of the Y gyro 12G _Y The azimuth angle Φ is obtained from the equation (9).
[0050]
[Equation 8]

Here, for simplification, when the mass unbalance mg which is a characteristic value of TDG is treated as known and the equation (11) is simplified, the following relationship is obtained.
[0051]
[Equation 9]

Similarly, the input axis X of the X gyro 11G _GS Is not zero, the input axis Y _GS When tilted around the tilt angle θ, the above equation (8) is
[0052]
[Expression 10]

It becomes. Here, for simplification, the mass unbalance mg which is the characteristic value of TDG is treated as known, and the equation (8 ′) is simplified to obtain the azimuth angle Φ.
[0053]
[Expression 11]

Next, a method for detecting the bias Δσ included in the output signal σ of the Y accelerometer 12A and detecting the inclination angle σ around the true X axis will be described. The turntable 20E is stopped by rotating at a certain rotation angle Δφ = 2π / n (for example, every 60 ° with n = 6), and the output signal σ of the Y accelerometer is stopped. _M Measure. N sets of measured values σ by rotating the turntable once _Mi (I = 1 to n) shall be obtained. Of these measured values, attention is paid to data whose rotation angles φ differ from each other by 180 °. For example, the output signal of the Y accelerometer 12A for the rotation angle φ is σ _M1 , The output signal of the Y accelerometer 12A when the rotation angle φ + π is σ _M2 Then, it is expressed as follows.
[0054]
[Expression 12]

Here, as described above, σ1 and σ2 are X of the turntable 20E when the rotation angle is φ and φ + π when the bias Δσ is zero. _GS The tilt angle around the axis. Inclination angle σ around these two X axes ₁ , Σ ₂ Since there is a relationship of equation (5), the following relationship is obtained from equations (13) and (14).
[0055]
[Formula 13]

Therefore, when the rotation angle of the turntable 20E is φ, _GS True tilt angle σ around the axis ₁ Is represented by the following equation.
[0056]
[Expression 14]

When the rotation angle of the turntables 20C, 20D, and 20E is φ, Y _GS True tilt angle around the axis θ ₁ Also, the bias Δθ of the X accelerometer is obtained by a similar method, and is given by a formula similar to the formula (15), but will not be described in detail here. X when the rotation angle obtained by equation (15) is φ _GS True tilt angle σ around the axis ₁ Is used in the equation (12) to obtain the azimuth angle from which the error component due to bias drift has been removed.
[0057]
According to this embodiment, n sets of measured values ω are obtained by rotating the turntables 20C, 20D, and 20E once. _Xi , Ω _Yi , Σ _i , Θ _i (I = 1 to n) is obtained. Therefore, there are n / 2 sets of measurement values in which the rotation angles φ of the turntables 20C, 20D, and 20E differ from each other by 180 °. n / 2 sets of data Φ, σ from n / 2 sets of measured values ₁ , Θ ₁ Is obtained. Therefore, the average value of n / 2 sets of data Φ, or ω _Xi , Ω _Yi By obtaining the least square approximation of (i = 1 to n), a more accurate value of data Φ can be obtained. Similarly, the true inclination angle σ when φ = 0 ₁ , Θ ₁ Is the inclination angle of the base 10 around the X axis and around the Y axis. _i , Θ _i By obtaining σ and θ when the rotation angle φ = 0 by using the least square approximation value of (i = 1 to n), more accurate data σ and θ values can be obtained. Thereby, the azimuth angle Φ and the postures σ and θ of the excavation part of the drilling machine 200 are obtained. Furthermore, the position of the excavation part of the drilling machine 200 can be obtained from the azimuth angle Φ and the distance traveled by the excavation part of the drilling machine 200.
[0058]
The operation of the azimuth / attitude calculation unit 3 will be described with reference to FIG. The rotation control unit 71 determines that the rotation angle φ of the turntable is the set rotation angle φ. _S The azimuth servo motor 22 is controlled so as to be equal to. The rotation control unit 71 sets the set rotation angle φ generated by the sequencer unit 72. _S Is supplied to the azimuth servo motor 22. The azimuth servo motor 22 operates to rotate the turntables 20C, 20D, and 20E around the rotation axis. The direction transmitter 13Y detects the rotation angle φ of the turntable and outputs it to the rotation control unit 71. The output signal φ of the bearing transmitter 13Y is the set rotation angle φ _S The data measurement storage unit 73 stores the rotation angle φ data of the turntables 20C, 20D, and 20E as the turn angle of the turntable.
[0059]
The data measurement storage unit 73 has a set rotation angle φ of the turntable. _S = For each φ, the rotation angle and the output signal ω of the X and

Y gyros

11G and 12G _X , Ω _Y , And X and

Y accelerometers

11A and 12A and data of inclination angles θ and σ (clockwise is assumed to be +) are stored. Next, the sequencer unit 72 sets a new set rotation angle φ _S = Φ _S + Δφ is generated and supplied to the rotation control unit 71. The rotation control unit 71 determines that the output signal φ of the direction transmitter 13Y is a new set rotation angle φ. _S The azimuth servo motor 22 is operated so as to be equal to.
[0060]
The output signal φ of the direction transmitter 13Y is a new set rotation angle φ. _S The data measurement storage unit 73 similarly stores the signals output from the X, Y gyros 11G, 12G, X,

Y accelerometers

11A, 12A and the rotation angle data of the turntable.
[0061]
In this way, the data measurement information section 73 sets the set rotation angle φ _S For each data ω _Xi , Ω _Yi , Σ _i , Θ _i (I = 1 to n) are sequentially stored. A large number of data φ stored in the data measurement storage unit 73 _i , Ω _Xi , Ω _Yi , Σ _i , Θ _i (I = 1 to n) are sequentially supplied to the azimuth calculation unit 74 and the posture calculation unit 75.
[0062]
The posture calculation unit 75 uses the equation (15) or an equation according to the equation (15), and obtains the posture angles σ and θ by obtaining σ and θ when the rotation angle φ = 0 by the least square approximation value. Then, the azimuth calculation unit 74 calculates the azimuth angle Φ of the excavation unit of the drilling machine 200 using the equation (12) or the equation (12 ′). According to the least square approximation value using the expression (12) or an expression based on the expression (12), the output ω of the Y gyro 12G _Y And rotation angle φ and attitude angle σ of the turntable ₁ The azimuth angle Φ can be obtained by the following equation. According to the least square approximation using the equation (12 ′) or the equation according to the equation (12 ′), _X And the rotation angle φ and attitude angle θ of the turntables 20C, 20D, and 20E. ₁ Can obtain the azimuth angle Φ. In this apparatus, since TDG is used, it is possible to obtain the azimuth φ by the outputs of the X gyro 11G and the Y gyro 12G. Therefore, the azimuth calculation unit 74 determines and outputs the azimuth angle Φ by averaging the azimuth angles obtained by using the expression (12) or (12 ′) from the outputs of the X gyro 11G and the Y gyro 12G. It is possible to output a direction signal with high accuracy.
[0063]
Although the example of the present invention has been described above, in the description, the gyro application is exemplified to a drilling machine that has a severe market demand in terms of accuracy and miniaturization, but to other excavation methods that have been conventionally performed such as a propulsion method. Needless to say, the application of the present gyro device is even easier. As another example of the gyro device, the gyro device 100 may be rotated through an extension tube. However, in other than the drilling machine of the present invention, the cylindrical casing 50 is rotated around the X axis by an external rotation driving means. Of course, the casing 50 may be indicated by a gimbal so as to obtain approximately horizontal. Thus, it will be understood by those skilled in the art that the present invention can be modified in various ways within the scope of the invention described in the claims. It should be noted that the action of the accelerometer used here is equivalent to the action of the inclinometer, and that the accelerometer in this specification is a concept including an inclinometer.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the rotating shaft for pivotally supporting the base with respect to the casing can be omitted, the structure is simplified, and the size and diameter are reduced. Can be manufactured at a low price. In addition, an X, Y gyro and X, Y accelerometers are mounted on a turntable provided on the base, and the output of the X, Y gyro and X, Y, Z accelerometers using the rotation angle of the turntable as a parameter. Since the azimuth and orientation of the base are obtained from the stored and output, it is possible to reduce the azimuth error and orientation error due to temperature and aging of the sensor unit, and to perform measurement with high accuracy and reliability. Can do. Furthermore, by configuring the X and Y gyros from a TDG (tuned dry gyro), it is possible to configure the X and Y gyros to be smaller than a single-axis gyro in terms of the mechanism, and it is possible to further reduce the size and diameter.
Although the present invention has been described by taking a drilling machine as an example, it is needless to say that the present invention can also be applied to underground excavation, bending, and propulsion devices.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a main part of a gyro device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of a gyro apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of an entire drilling machine including a gyro apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart showing an operation example of a drilling machine including a gyro apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a rotation angular velocity vector of the earth.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining components of an earth rotation angular velocity vector detected by an X, Y gyro;
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining components of the rotation angular velocity vector of the earth detected by the X and Y gyros when the gyro device is tilted.
FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration example of an azimuth / attitude calculation unit of the gyro device of the present invention.
FIG. 9 is a diagram of an example of a prior excavation gyro apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Sensor part
3 Direction / Attitude Calculation Unit
10 base
11A, 12A, 13A accelerometer
11G, 12G gyro
13Y bearing transmitter
20C, 20D, 20E turntable
22 Azimuth servo motor (drive device)
50 casing
100 Gyro device
200 Drilling machine

Claims

A cylindrical casing having a central axis X, connected to the excavation part of the excavator, a base disposed in the casing and fixed to the casing, an X, Y gyro, and X , Y, Z accelerometers, a plurality of turntables arranged on the base along the central axis and having a rotation axis parallel to a Z axis perpendicular to the base, and the plurality of turntables Driving device for synchronously rotating the turntable, azimuth transmitter for detecting the rotation angle of the turntable, and azimuth and posture for calculating the azimuth and posture of the base from the signal output from the sensor unit An arithmetic unit,
The X, Y gyro and X, Y accelerometer of the sensor unit are mounted on the turntable so that its input axis or measurement axis rotates in a plane formed by the X axis and the Y axis,
The azimuth / attitude calculation unit stores a rotation control unit for controlling the rotation of the turntable, and outputs of the X, Y gyro and X, Y, Z accelerometers using the rotation angle of the turntable as a parameter. A data measurement storage unit; an attitude calculation unit that calculates an inclination angle around the X-axis and the Y-axis of the base from an output from the data measurement storage unit; and an orientation calculation unit that calculates the orientation of the base. And calculating an inclination angle and an azimuth angle of the base around the X axis and the Y axis of the base from outputs of the sensor unit at a plurality of rotation angles of the rotary base,
The base is rotated around the central axis X together with the excavating part of the excavator, and when detecting the azimuth, the base is rotated from the Y accelerometer by an operation to rotate the base as necessary. A gyro apparatus characterized in that the base is adjusted and maintained so that the output is substantially horizontal around the central axis X.

2. The gyro apparatus according to claim 1, wherein the azimuth calculation unit determines the azimuth angle by averaging the azimuth angles obtained from the outputs of the X and Y gyros.

3. The gyro apparatus according to claim 1, wherein the X and Y gyros are constituted by a TDG (tuned dry gyro).

2. The gyro apparatus according to claim 1, wherein an outer diameter of the cylindrical casing is 80 mm or less.

A cylindrical casing having a central axis X, connected to the excavation part of the excavator, a base disposed in the casing and fixed to the casing, an X, Y gyro, and X , Y, Z accelerometers, a plurality of turntables arranged on the base along the central axis and having a rotation axis parallel to a Z axis perpendicular to the base, and the plurality of turntables Driving device for synchronously rotating the turntable, azimuth transmitter for detecting the rotation angle of the turntable, and azimuth and posture for calculating the azimuth and posture of the base from the signal output from the sensor unit An arithmetic unit,
The X, Y gyro and the X, Y accelerometer of the sensor unit are mounted on the turntable so that the input axis or the measurement axis rotates in a plane formed by the X axis and the Y axis. Usage of
Rotating the base around the X axis together with the excavating part of the excavator so that the base is substantially horizontal with respect to the X axis by rotating the base as necessary from the output from the Y acceleration; ,
Rotating the turntable to turn the turntable to a predetermined rotation angle;
Capturing the output of the X, Y gyro and X, Y, Z accelerometers and storing the rotation angle of the turntable as a parameter;
The tilt angle around the X axis and Y axis of the base and the azimuth angle of the base are calculated from the output of the X, Y gyro and the X, Y, Z accelerometer at the stored rotational angles of the rotary base. And a process of
Of using a gyro device for a drilling rig comprising:

6. The method of using a gyro device for an excavator according to claim 5, wherein the step of calculating the azimuth determines an azimuth angle by averaging the azimuth angles obtained from the X and Y gyros.