JP3940619B2

JP3940619B2 - Tunnel excavator position measuring device

Info

Publication number: JP3940619B2
Application number: JP2002066841A
Authority: JP
Inventors: 敏一猪口
Original assignee: カヤバシステムマシナリー株式会社
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2022-03-12
Also published as: JP2003262090A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、掘削中のトンネル掘削機の位置計測装置に関し、特にそのヨーイング角の検出に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル掘削機を自動で運転させる時、またはオペレータ操作を誘導する場合には、トンネル掘削機の位置・傾き・旋回方向を絶えず自動計測する必要がある。これは正確なトンネルを掘削するためであり、この計測が不正確であるとトンネルが設計どおりに掘削されず、トンネルを形成するコンクリートの厚さが不均一になるため強度が低下したり、余分なコンクリートが必要となるためコストが騰がったりする。
【０００３】
そこでトンネル掘削機の位置計測装置として、本出願人より特願平８−３１４４１１号として提案しているものは、トンネル掘削機上に三つの発光源と反射プリズムを設けるとともに、トンネル掘削機の後方に各反射プリズムの座標系を測定する一台のＣＣＤカメラ付き三次元計測器を設置し、ヨーイング角、ピッチング角、ローリング角を含むトンネル掘削機の位置を計算するようにしている。
【０００４】
同じく本出願人より特願２００１−２７７５８４として提案しているものは、トンネル掘削機に発光源反射プリズムを設けるとともに、ピッチング角およびローリング角を測定する傾斜計と、レーザ発射機からのレーザの照射位置を検出するターゲット板を備える。また、トンネル掘削機の後方には反射プリズムの座標位置を測定する追尾式トータルステーションと、追尾式トータルステーションの放射するレーザと平行なレーザを発射するレーザ発射機を設置する。これらの計測器よりピッチング角、ローリング角、レーザの照射位置、レーザの放射角、および反射プリズムの位置座標からトンネル掘削機のヨーイング角を算出するようにしている。
【０００５】
また、従来、トンネル掘削機上に二つの発光源付き反射プリズムを設けるとともに、トンネル掘削機の後方に各反射プリズムの座標位置を測定する二台の三次元計測器を設置し、ヨーイング角、ローリング角を含むトンネル掘削機の位置を測定するものがあった。
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら特願平８−３１４４１１号のように、一台のＣＣＤカメラ付き三次元計測器で３つの光源および反射プリズム位置を測定するものにあっては、小型のトンネル掘削機の場合にその移動範囲が大きくなったり、ヨーイング角、ピッチング角、ローリング角のとる範囲が大きくなったりすると、一台のＣＣＤカメラで三つもの発光源を認識するのが難しく、誤計測を行う心配がある。
【０００７】
また、特願２００１−２７７５８４号においては、レーザターゲット板と測定の中心となる反射プリズムとの距離と、反射プリズムと実際に掘削を行う掘削点との距離の比が、計測誤差と掘削誤差の比となり、高い分解能を持つレーザターゲット板が必要となるという問題があった。
【０００８】
さらに、二台の三次元計測器で二つの発光源付き反射プリズム位置を測定するものにあっては、高価な三次元計測器が増えることによりコストアップを招く。そして、トンネル天井部から三次元計測器を吊り下げるようにして設置する場合、設置作業の工数が増え、また二台とも座標管理が必要で労力がかかる。
【０００９】
そこで、本発明は上記の問題を解決するために、一台の三次元計測器でトンネル掘削機の精度の高い位置計測を行うことを目的とする。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、トンネル掘削機の傾斜角を検出する傾斜測定部と、前記トンネル掘削機に固定されたプリズムターゲットと、前記プリズムターゲットに向けて測距用レーザを追尾して放出し、前記プリズムターゲットまでの垂直および水平距離を測定する追尾式トータルステーションと、前記追尾式トータルステーションに対して固定された点光源と、前記トンネル掘削機上に設置され、前記点光源をセンサー面の左右中心軸上に捕らえるように前記センサー面が旋回し、前記センサー面の旋回角を検出する角度検出器を備えた点光源追尾センサーと、測定された傾斜角と、前記垂直および水平距離と、前記センサー面の旋回角とに基づいて前記トンネル掘削機の旋回角を算出する手段とを備えた。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記追尾式トータルステーションが、前記測距用レーザの放出された方向の測定を行う照射角度検出器を備え、前記旋回角の算出手段が前記測距用レーザの放出された方向と前記トンネル掘削機の旋回角に基づいて、前記トンネル掘削機の位置および姿勢を算出する。
【００１２】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、センサー面が旋回して点光源を左右中心軸上に捉えられるので、センサー面による検知の対象となる空間を狭く設定することができ、分解能を上げることができるので、また、計測する対象が角度なので角度検出器を用いることで、コストを低減して精度の高い計測を行うことができる。
【００１３】
第２の発明によれば、測距用のレーザの放出方向を検知できるようにしたので、トンネル掘削機の位置および姿勢を算出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施形態の構成を図１、図２に示す。図１はトンネル掘削機１の位置計測装置を側面方向からみた構成であり、図２は上方からみた構成である。本実施形態においては、原点に関して反時計周りを正の回転とする。
【００１５】
まず、トンネルを基準としたトンネル座標系を設定する。トンネルの垂直上方向をY軸の正方向、トンネルの掘削部に向かって水平右方向をX軸の正方向、トンネルの掘削方向をZ軸の負方向とする。このようなトンネル座標系において、後述するトンネル掘削機１が水平である状態、つまりトンネル掘削機１の横軸および縦軸がZX平面に平行な同一平面上に存在するような状態に対して、トンネル掘削機１の横軸周りの回転角をピッチング角α、縦軸周りの回転角をローリング角γとし、水平方向の旋回角をヨーイング角βとする。
【００１６】
本実施形態では、このようなトンネル座標系におけるトンネル掘削機１の位置座標およびピッチング角α、ローリング角γ、ヨーイング角βを計測または算出し、トンネル掘削機１のトンネルに対する位置・傾き・旋回を検出する。
【００１７】
トンネル掘削機１は、背面部に傾斜計２を備え、この傾斜計２によりトンネル掘削機１のピッチング角αおよびローリング角γを計測する。ここで傾斜計２は二つの傾斜計を用いてそれぞれの傾斜角α、γを計測してもよいが、本実施形態においては、二軸周りの回転を計測できる一つの傾斜計２を用いる。傾斜計２の後方には、プリズムターゲット３をトンネル掘削機1に固定・設置し、その中心をトンネル掘削機１の位置座標を計測する際の測定点とする。
【００１８】
ここで、図３〜図５に示すように、トンネル掘削機１を基準とした掘削機座標系を想定する。掘削機座標系はプリズムターゲット３の中心を原点とし、トンネル掘削機１がピッチング角α＝ローリング角γ＝ヨーイング角β＝０の時、トンネル座標系の軸方向と掘削機座標系の軸方向が一致するように設定し、トンネル掘削機１に対して固定した座標系とする。つまり、トンネル掘削機１のトンネル座標系における傾きや旋回は、掘削機座標系のトンネル座標系に対する傾きや旋回に一致する。
【００１９】
また、プリズムターゲット３の中心からδ₁上方、かつδ₂後方に離れた位置に角度検出器付き点光源追尾センサー４のセンサー面の中心がくるように、角度検出器付き点光源追尾センサー４を設置する。角度検出器付き点光源追尾センサー４は、離れた場所に設置した後述の点光源７をセンサー面上に捉え、点光源７を追尾する装置である。これはターンテーブルを介してトンネル掘削機１に設置され、掘削機座標系のＹＺ平面に存在するセンサー面の左右中心軸（掘削機座標系におけるＺ＝δ₂、Ｘ＝０の直線）上に点光源７が検知されるようにサーボモータによりセンサー面を旋回させ点光源７の追尾を行う。またこれには、センサー面がＸＹ平面に平行である時を０度とし、点光源７をセンサー面の左右中心軸上に感知するようにセンサー面が旋回した角度β₁を検出するエンコーダ等の角度検出器を備えている。ここで、本実施形態では、センサー面の中心をプリズムターゲット３の中心からδ₁上方でδ₂後方に設置したが、下方や前方に設置してもよい。
【００２０】
このように点光源７をセンサー面の左右中心線上で検知するようにセンサー面を回転することで、角度検出器付き点光源追尾センサー４自身の検知範囲を狭く設定しても、点光源７の追尾を広い範囲で行うことができる。つまり、角度検出器付き点光源追尾センサー４の検知範囲を狭く設定し、その分解能を上げることができるので、精度のよい検知を行うことができる。
【００２１】
また、トンネル掘削機１には、マイクロコンピュータなどで構成されるコントローラが備えられ、ここで掘削作業の制御を行うとともに、傾斜計２の測定結果を読み込み、トンネル掘削機１の位置を算出する。
【００２２】
トンネル掘削機１の後方には、追尾式トータルステーション５をトンネル内に対して固定して設置する。そのため、トンネル座標系における追尾式トータルステーション５の位置を決まった座標で表すことができるので、この追尾式トータルステーション５を測定部として、トンネル掘削機１に設置したプリズムターゲット３の中心の位置を計測する。また、追尾式トータルステーション５には、この測定結果をトンネル掘削機１に備えたコントローラに送るための無線機を備える。
【００２３】
追尾式トータルステーション５からは、常にプリズムターゲット３の中心に向かって測距用のレーザ６を放射する。追尾式トータルステーション５はこの測距用のレーザ６がプリズムターゲット３にあたり、反射する光波から測距部に対するプリズムターゲット３の距離を測定する光波距離計と、測距用レーザ６を放射する方向を測定する角度検出器を備え、これらにより、追尾式トータルステーション５からプリズムターゲット３の中心までの距離と、トンネル軸に対するレーザ６の水平方向の放射角β₂を検知することができる。このような二つの要素から、トンネル座標系に対するプリズムターゲット３の中心の位置座標を計測することができる。
【００２４】
ここで、図６〜図８に示すようにピッチング角＝ローリング角γ＝０およびレーザ６に対してトンネル掘削機１の旋回角β₃が０度の状態を仮想トンネル掘削機１Aとし、この仮想トンネル掘削機１Aの掘削機座標系を仮想座標系とする。レーザ６のトンネル座標系における放射角β₂は追尾式トータルステーション５に備えた角度検出器で測定することができるので、この仮想座標系は既知の座標系となる。
【００２５】
追尾式トータルステーション５の上方には、仮想トンネル掘削機１Aの状態の時に角度検出器付き点光源追尾センサー４のセンサー面の中心で感知されるように、点光源７を設置する。ここでは、レーザ６の放射される点（プリズムターゲット３の中心の位置座標を計測する基準点）よりもトンネル座標系においてＹ軸正方向にｄだけ離れた位置に設置する。本実施形態では、点光源７が感知される位置をセンサー面の中心としたが、これは中心に限るわけではなく、センサー面の左右中心線上で検知すればよい。
【００２６】
このように構成したトンネル掘削機１の位置計測装置において、図９〜図１１に示すように、仮想トンネル掘削機１Ａをピッチング角α、ローリング角γ、およびレーザ６に対するトンネル掘削機１の旋回角β₃について回転させたとき、角度検出器付き点光源追尾センサー４はある角度β₁だけ旋回することによって、センサー面の左右中心軸上に点光源７を捉えることができる。反対に、ピッチング角α、ローリング角γ、角度検出器付き点光源追尾センサー４の旋回角β₁を測定することで、これらよりレーザ６に対するトンネル掘削機１の旋回角β₃を求めることができ、これとトンネル軸に対するレーザ６の放射角β₂よりトンネル掘削機１のヨーイング角βを求めることができる。
【００２７】
次に、本実施形態におけるコントローラで実行されるトンネル掘削機１の座標位置の計測方法の大まかな流れを図１３で示す。
【００２８】
まずステップＳ１において、追尾式トータルステーション５によるプリズムターゲット３の追尾、および角度検出器付き点光源追尾センサー４による点光源７の追尾を開始する。
【００２９】
次にステップＳ２において、追尾式トータルステーション５の光波距離計により追尾式トータルステーション５からプリズムターゲット３の中心までの距離を、角度検出器によりトンネル軸に対する測距用レーザ６の水平方向の放射角β₂と垂直方向の放射角ωを検出し、プリズムターゲット３の中心のトンネル座標系における位置座標を測定する。また、点光源７からプリズムターゲット３の中心までの垂直距離Ｌ₁、水平距離Ｌ₂を求める。
【００３０】
ステップＳ３において、ステップＳ２の計測結果から、プリズムターゲット３と点光源７までの垂直距離Ｌ₁と水平距離Ｌ₂およびプリズムターゲット３の中心座標をトンネル掘削機１のコントローラに無線等で送信する。
【００３１】
次にステップＳ４において、トンネル掘削機１に設置した傾斜計２によりピッチング角αおよびローリング角γ、角度検出器付き点光源追尾センサー４によりセンサー面の旋回角β₁を測定する。
【００３２】
次にステップS５において、測定したピッチング角α、ピッチング角γ、角度検出器付き点光源追尾センサー４の旋回角β₁、およびプリズムターゲット３と点光源７までの垂直距離L₁と水平距離L₂より、レーザ６に対するトンネル掘削機１の旋回角β₃を算出する。
【００３３】
最後にステップS６において、トンネル軸に対するレーザ６の旋回角β₂と、レーザ６に対するトンネル掘削機１の旋回角β₃より、トンネル軸に対するトンネル掘削機１のヨーイング角βを求めることができる。これとピッチング角α、ローリング角γおよびステップS２におけるプリズムターゲット３の位置座標によりトンネル掘削機１の位置・傾き・旋回を決定することができる。
【００３４】
次に図１３のステップS５における計算方法を図１４のフローチャートに示す。ステップS５では、ピッチング角α、ローリング角γ、角度検出器付き点光源追尾センサー４の旋回角β₁、プリズムターゲット３の中心と点光源７の垂直距離L₁、水平距離L₂より、レーザ６に対するトンネル掘削機１の旋回角β₃を求める。
【００３５】
まず、ステップS５−１においては、仮想座標系における仮想の点光源７Aの位置を想定する。つまり、トンネル掘削機１が仮想トンネル掘削機１Aであると仮定し、プリズムターゲット３の中心を原点とした仮想座標系を考えたとき、仮想の点光源７ＡはYZ平面上のある点P(０、ｙ₁、ｚ₁)であると仮定できる。また、点光源７は点Ｐ_O（０、Ｌ₁、Ｌ₂）となる。
【００３６】
次にステップS５−２において、角度検出器付き点光源追尾センサーのセンサー面がβ₁旋回しているので、点Ｐ（仮想点光源７Ａ）をY軸まわりにβ₁だけ回転させる。そして、トンネル掘削機１に対してローリング角γ、ピッチング角α、ヨーイング角β₃による座標変換を行うと仮想点光源７Ａは点光源７に重なる。ここでは、ヨーイング角β₃を算出することが目的なので、ピッチング角αおよびローリング角γによる変換を行い、点光源７と仮想の点光源７Ａの座標の不一致にヨーイング角β₃による影響のみを残すため、次式のような変換を行う。
【００３７】
【式１】

【００３８】
これにより、ヨーイング角β₃のみの影響が残っている場合の仮想点光源７Ａの座標位置Ｐ₂（ｘ₂、ｙ₂、ｚ₂）は次のようになる。
【００３９】
【式２】

【００４０】
ここで、ステップＳ５−３に進み、ヨーイング角β₃の旋回により影響を受けるｘ₂およびｚ₂を求める。これは（１）の変換後にヨーイング角β₃による変換を行うと、仮想点光源７Ａは点光源７に重なるが、ヨーイング角β₃はＹ軸周りの回転なので変換によるＹ座標への影響はないため、ヨーイング角β₃による点光源７と点光源７Ａの不一致はｘ₂、ｚ₂にのみ関係する。このように、y軸まわりにおける回転（ヨーイング角β₃）によりＹ座標の値は変わらないので、ｙ₂は既知の値Ｌ₁となり、（３）より次式が求められる。
【００４１】
【式３】

【００４２】
（５）を（２）、（４）に代入するとｘ₂、ｚ₂は次のように表される。
【００４３】
【式４】

【００４４】
このとき、ｘ₂、ｚ₂を表す変数のうちｚ₁のみが未知である。
【００４５】
次にステップＳ５−４において、未知数ｚ₁を求める。ヨーイング角による変換ではＹ軸と点光源７および仮想の点光源７Ａの距離は変わらないので、その距離はＬ₂で表すことができ次式が成立する。
【００４６】
【式５】

【００４７】
トンネル掘削機１が掘削作業中であることを考慮すればｚ₁は明らかに正であるから、これより次式が成立する。
【００４８】
【式６】

【００４９】
これにより、ヨーイング角β₃による変換を行う前の座標Ｐ₂が既知の座標となる。
【００５０】
次に、ステップＳ５−５に進み、ヨーイング角β₃を求める。この点Ｐ₂をＹ軸周りにβ回転させると、点Ｐ₂はＺ軸上に変換されるので、ヨーイング角β₃は次式で求まる。
【００５１】
【式７】

【００５２】
これによりレーザ６に対するトンネル掘削機１のヨーイング角β₃を求めることができる。
【００５３】
この結果とステップＳ２で測定したトンネル軸に対するレーザ６の旋回角β₂により、トンネル軸に対するトンネル掘削機１のヨーイング角βを求めることができる。
【００５４】
このように、点光源７を常に中心に捉えるように回転する角度検出器付き点光源追尾センサー４を用いることでセンサー面に要求される検知範囲を狭く設定することができるので、精度の高い測定を行うことができ、掘削の際の誤差を抑制することができる。また、ヨーイング角βの算出に必要な測定をセンサー面の旋回角度としたために、安価で精度の高い角度検出器を用いることができるのでコストを低減することができる。
【００５５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるわけではなく特許請求の範囲に記載した技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に用いるトンネル掘削機の位置計測装置を側面からみた構成図である。
【図２】本実施形態に用いるトンネル掘削機の位置計測装置を上方からみた構成図である。
【図３】旋回角β₁＝０の時の掘削機座標系をＸ軸負方向からみた図である。
【図４】旋回角β₁＝０の時の掘削機座標系をＺ軸正方向からみた図である。
【図５】旋回角β₁の時の掘削機座標系をＹ軸正方向からみた図である。
【図６】仮想トンネル掘削機の状態をＸ軸負方向からみた図である。
【図７】仮想トンネル掘削機の状態をＺ軸正方向からみた図である。
【図８】仮想トンネル掘削機の状態をＹ軸正方向からみた図である。
【図９】ヨーイング角がβの時のトンネル掘削機を示す図である。
【図１０】ピッチング角がαの時のトンネル掘削機を示す図である。
【図１１】ローリング角がγの時のトンネル掘削機を示す図である。
【図１２】ヨーイング角β₃のみの影響を受けた時の仮想座標系における点光源の位置を示す図である。
【図１３】トンネル掘削機の位置を測定する方法の概要を示すフローチャートである。
【図１４】レーザに対するトンネル掘削機の旋回角β₃を求める計算方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１トンネル掘削機
２傾斜計（傾斜測定部）
３プリズムターゲット
４角度検出器付き点光源追尾センサー
５追尾式トータルステーション
６レーザ（測距用レーザ）
７点光源[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a position measuring device for a tunnel excavator during excavation, and more particularly to detection of a yawing angle thereof.
[0002]
[Prior art]
When the tunnel excavator is automatically operated or when an operator operation is guided, it is necessary to continuously measure the position, tilt, and turning direction of the tunnel excavator continuously. This is to excavate an accurate tunnel, and if this measurement is inaccurate, the tunnel will not be excavated as designed, and the thickness of the concrete forming the tunnel will be uneven, resulting in reduced strength or extra Cost is increased because of the need for concrete.
[0003]
Therefore, as a position measuring device for a tunnel excavator, the present applicant has proposed as Japanese Patent Application No. 8-314411, which is provided with three light emitting sources and a reflecting prism on the tunnel excavator, and at the rear of the tunnel excavator. A three-dimensional measuring instrument with a CCD camera that measures the coordinate system of each reflecting prism is installed to calculate the position of the tunnel excavator including the yawing angle, pitching angle, and rolling angle.
[0004]
Also proposed by the present applicant as Japanese Patent Application No. 2001-277484 is that a tunnel excavator is provided with a light source reflection prism, an inclinometer for measuring the pitching angle and rolling angle, and laser irradiation from a laser emitter. A target plate for detecting the position is provided. A tracking total station that measures the coordinate position of the reflecting prism and a laser emitter that emits a laser parallel to the laser emitted by the tracking total station are installed behind the tunnel excavator. The yawing angle of the tunnel excavator is calculated from the pitching angle, rolling angle, laser irradiation position, laser emission angle, and reflecting prism position coordinates from these measuring instruments.
[0005]
Conventionally, two reflecting prisms with a light emitting source have been provided on the tunnel excavator, and two three-dimensional measuring instruments for measuring the coordinate position of each reflecting prism have been installed behind the tunnel excavator, and the yawing angle and rolling Some measured the position of the tunnel excavator including the corner.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, as in Japanese Patent Application No. 8-314411, a three-dimensional measuring instrument with a CCD camera that measures the position of three light sources and the reflecting prism is used in the case of a small tunnel excavator. If the range becomes larger or the range of the yawing angle, pitching angle, and rolling angle becomes larger, it is difficult to recognize as many as three light sources with a single CCD camera, and there is a risk of erroneous measurement.
[0007]
In Japanese Patent Application No. 2001-277484, the ratio of the distance between the laser target plate and the reflecting prism that is the center of measurement and the distance between the reflecting prism and the excavation point at which excavation is actually performed is the difference between the measurement error and the excavation error. There is a problem that a laser target plate with high resolution is required.
[0008]
Further, in the case where two three-dimensional measuring instruments measure the position of the reflecting prism with two light emitting sources, the cost increases due to an increase in the number of expensive three-dimensional measuring instruments. When installing a three-dimensional measuring instrument from the tunnel ceiling, the number of man-hours for the installation work is increased, and coordinate management is required for both units, which is labor intensive.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to perform highly accurate position measurement of a tunnel excavator with a single three-dimensional measuring instrument in order to solve the above problems.
[0010]
[Means for solving problems]
In a first aspect of the present invention, an inclination measuring unit for detecting an inclination angle of a tunnel excavator, a prism target fixed to the tunnel excavator, and a distance measuring laser is tracked and emitted toward the prism target, A tracking total station that measures vertical and horizontal distances to the prism target, a point light source fixed to the tracking total station, and a tunnel light source installed on the tunnel excavator. A point light source tracking sensor having an angle detector for detecting the turning angle of the sensor surface, the measured inclination angle, the vertical and horizontal distances, and the sensor surface Means for calculating a turning angle of the tunnel excavator based on the turning angle.
[0011]
According to a second invention, in the first invention, the tracking total station includes an irradiation angle detector for measuring a direction in which the distance measuring laser is emitted, and the turning angle calculating means is the distance measuring device. The position and orientation of the tunnel excavator are calculated based on the direction in which the laser is emitted and the turning angle of the tunnel excavator.
[0012]
[Action and effect]
According to the first invention, since the sensor surface turns and the point light source can be captured on the left and right central axes, the space to be detected by the sensor surface can be set narrow and the resolution can be increased. In addition, since the object to be measured is an angle, the use of an angle detector can reduce the cost and perform highly accurate measurement.
[0013]
According to the second aspect of the present invention, since the direction in which the distance measuring laser is emitted can be detected, the position and orientation of the tunnel excavator can be calculated.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The configuration of the embodiment is shown in FIGS. FIG. 1 shows a configuration of the position measuring device of the tunnel excavator 1 viewed from the side, and FIG. 2 shows a configuration viewed from above. In the present embodiment, the counterclockwise rotation with respect to the origin is a positive rotation.
[0015]
First, a tunnel coordinate system with respect to the tunnel is set. The vertical upward direction of the tunnel is the positive direction of the Y axis, the horizontal right direction toward the tunnel excavation part is the positive direction of the X axis, and the excavation direction of the tunnel is the negative direction of the Z axis. In such a tunnel coordinate system, a state where the tunnel excavator 1 described later is horizontal, that is, a state where the horizontal axis and the vertical axis of the tunnel excavator 1 are on the same plane parallel to the ZX plane, The rotation angle around the horizontal axis of the tunnel excavator 1 is the pitching angle α, the rotation angle around the vertical axis is the rolling angle γ, and the horizontal turning angle is the yawing angle β.
[0016]
In the present embodiment, the position coordinates, pitching angle α, rolling angle γ, and yawing angle β of the tunnel excavator 1 in such a tunnel coordinate system are measured or calculated, and the position / tilt / turning of the tunnel excavator 1 with respect to the tunnel is calculated. To detect.
[0017]
The tunnel excavator 1 includes an inclinometer 2 on the back surface, and the inclinometer 2 measures the pitching angle α and the rolling angle γ of the tunnel excavator 1. Here, the inclinometer 2 may measure the respective inclination angles α and γ using two inclinometers, but in the present embodiment, one inclinometer 2 capable of measuring the rotation around two axes is used. Behind the inclinometer 2, the prism target 3 is fixed and installed on the tunnel excavator 1, and its center is used as a measurement point when measuring the position coordinates of the tunnel excavator 1.
[0018]
Here, as shown in FIGS. 3 to 5, an excavator coordinate system based on the tunnel excavator 1 is assumed. When the excavator coordinate system has the center of the prism target 3 as the origin and the tunnel excavator 1 has a pitching angle α = rolling angle γ = yaw angle β = 0, the axial direction of the tunnel coordinate system and the axial direction of the excavator coordinate system are The coordinate system is set so as to match and is fixed with respect to the tunnel excavator 1. That is, the inclination and turning of the tunnel excavator 1 in the tunnel coordinate system coincide with the inclination and turning of the excavator coordinate system with respect to the tunnel coordinate system.
[0019]
Further, the point light source tracking sensor 4 with the angle detector is arranged so that the center of the sensor surface of the point light source tracking sensor 4 with the angle detector comes to a position away from the center of the prism target 3 by δ ₁ and behind δ _2. Install. The point light source tracking sensor 4 with an angle detector is a device that catches a point light source 7 (described later) installed at a distant place on the sensor surface and tracks the point light source 7. This is installed in the tunnel excavator 1 via a turntable, and on the left and right central axes (Z = δ ₂ and X = 0 straight line in the excavator coordinate system) of the sensor surface existing in the YZ plane of the excavator coordinate system. The sensor surface is turned by a servo motor so that the point light source 7 is detected, and the point light source 7 is tracked. In addition, for example, an encoder that detects the angle β ₁ that the sensor surface is swung so that the sensor surface is 0 degrees when the sensor surface is parallel to the XY plane and the point light source 7 is sensed on the center axis of the sensor surface. An angle detector is provided. Here, in the present embodiment, the center of the sensor surface is installed behind δ ₂ above δ ₁ from the center of the prism target 3, but it may be installed below or forward.
[0020]
Thus, even if the detection range of the point light source tracking sensor 4 with the angle detector is set narrow by rotating the sensor surface so as to detect the point light source 7 on the left and right center line of the sensor surface, Tracking can be performed in a wide range. That is, since the detection range of the point light source tracking sensor 4 with the angle detector can be set narrow and the resolution thereof can be increased, accurate detection can be performed.
[0021]
Further, the tunnel excavator 1 is provided with a controller composed of a microcomputer or the like, where the excavation work is controlled and the measurement result of the inclinometer 2 is read to calculate the position of the tunnel excavator 1.
[0022]
At the rear of the tunnel excavator 1, a tracking total station 5 is fixedly installed in the tunnel. Therefore, the position of the tracking type total station 5 in the tunnel coordinate system can be expressed by a fixed coordinate. Therefore, the position of the center of the prism target 3 installed in the tunnel excavator 1 is measured using the tracking type total station 5 as a measurement unit. . The tracking total station 5 includes a wireless device for sending the measurement result to a controller provided in the tunnel excavator 1.
[0023]
The tracking type total station 5 always emits a distance measuring laser 6 toward the center of the prism target 3. The tracking-type total station 5 measures the direction in which the distance measuring laser 6 radiates the distance measuring laser 6 and the distance measuring laser 6 that measures the distance of the prism target 3 to the distance measuring unit from the reflected light wave. An angle detector for detecting the distance from the tracking total station 5 to the center of the prism target 3 and the radiation angle β ₂ in the horizontal direction of the laser 6 with respect to the tunnel axis can be detected. From these two elements, the position coordinate of the center of the prism target 3 with respect to the tunnel coordinate system can be measured.
[0024]
Here, as shown in FIGS. 6 to 8, the virtual tunnel excavator 1A is defined as a state in which the pitching angle = rolling angle γ = 0 and the turning angle β ₃ of the tunnel excavator 1 with respect to the laser 6 is 0 degree. The excavator coordinate system of the tunnel excavator 1A is assumed to be a virtual coordinate system. Since the radiation angle β ₂ in the tunnel coordinate system of the laser 6 can be measured by the angle detector provided in the tracking type total station 5, this virtual coordinate system is a known coordinate system.
[0025]
A point light source 7 is installed above the tracking total station 5 so as to be detected at the center of the sensor surface of the point light source tracking sensor 4 with an angle detector when the virtual tunnel excavator 1A is in the state. Here, it is installed at a position separated by d in the positive direction of the Y-axis in the tunnel coordinate system from the point where the laser 6 is emitted (reference point for measuring the position coordinate of the center of the prism target 3). In the present embodiment, the position where the point light source 7 is sensed is the center of the sensor surface, but this is not limited to the center, and may be detected on the left and right center lines of the sensor surface.
[0026]
In the position measuring device of the tunnel excavator 1 configured as described above, as shown in FIGS. 9 to 11, the virtual tunnel excavator 1 </ b> A is turned to the pitching angle α, the rolling angle γ, and the turning angle of the tunnel excavator 1 with respect to the laser 6. When rotated about β ₃ , the point light source tracking sensor 4 with the angle detector can turn the point light source 7 on the center axis of the sensor surface by turning by a certain angle β ₁ . Conversely, by measuring the pitching angle α, the rolling angle γ, and the turning angle β ₁ of the point light source tracking sensor 4 with the angle detector, the turning angle β ₃ of the tunnel excavator 1 relative to the laser 6 can be obtained from these. The yawing angle β of the tunnel excavator 1 can be obtained from this and the radiation angle β ₂ of the laser 6 with respect to the tunnel axis.
[0027]
Next, FIG. 13 shows a rough flow of a method for measuring the coordinate position of the tunnel excavator 1 executed by the controller in the present embodiment.
[0028]
First, in step S1, tracking of the prism target 3 by the tracking type total station 5 and tracking of the point light source 7 by the point light source tracking sensor 4 with an angle detector are started.
[0029]
Next, in step S2, the distance from the tracking total station 5 to the center of the prism target 3 is measured by the optical distance meter of the tracking total station 5, and the horizontal radiation angle β ₂ of the distance measuring laser 6 with respect to the tunnel axis is detected by the angle detector. And the position angle in the tunnel coordinate system at the center of the prism target 3 is measured. Further, a vertical distance L ₁ and a horizontal distance L ₂ from the point light source 7 to the center of the prism target 3 are obtained.
[0030]
In step S 3, the vertical distance L ₁ and horizontal distance L ₂ between the prism target 3 and the point light source 7 and the center coordinates of the prism target 3 are transmitted to the controller of the tunnel excavator 1 by radio or the like from the measurement result in step S ₂ .
[0031]
Next, in step S4, the pitching angle α and the rolling angle γ are measured by the inclinometer 2 installed in the tunnel excavator 1, and the turning angle β ₁ of the sensor surface is measured by the point light source tracking sensor 4 with an angle detector.
[0032]
Next, in step S5, the measured pitching angle α, pitching angle γ, turning angle β ₁ of the point light source tracking sensor 4 with an angle detector, and the vertical distance L ₁ and the horizontal distance L ₂ between the prism target 3 and the point light source 7. Thus, the turning angle β ₃ of the tunnel excavator 1 with respect to the laser 6 is calculated.
[0033]
Finally, in step S6, the yawing angle β of the tunnel excavator 1 with respect to the tunnel axis can be obtained from the swivel angle β ₂ of the laser 6 with respect to the tunnel axis and the swivel angle β ₃ of the tunnel excavator 1 with respect to the laser 6. The position / tilt / turning of the tunnel excavator 1 can be determined from this, the pitching angle α, the rolling angle γ, and the position coordinates of the prism target 3 in step S2.
[0034]
Next, the calculation method in step S5 of FIG. 13 is shown in the flowchart of FIG. In step S5, the laser 6 is obtained from the pitching angle α, the rolling angle γ, the turning angle β ₁ of the point light source tracking sensor 4 with the angle detector, the vertical distance L ₁ between the center of the prism target 3 and the point light source 7, and the horizontal distance L _2. The turning angle β ₃ of the tunnel excavator 1 is obtained.
[0035]
First, in step S5-1, the position of the virtual point light source 7A in the virtual coordinate system is assumed. In other words, assuming that the tunnel excavator 1 is the virtual tunnel excavator 1A and considering a virtual coordinate system with the center of the prism target 3 as the origin, the virtual point light source 7A has a certain point P (0 on the YZ plane. , Y ₁ , z ₁ ). Also, the point light source 7 becomes a point _{_{P O (0, L 1,}} L 2).
[0036]
In step S5-2, since the sensor surface of the point light source tracking sensor with the angle detector is rotated by β ₁ , the point P (virtual point light source 7A) is rotated by β ₁ around the Y axis. When the coordinate transformation is performed on the tunnel excavator 1 by the rolling angle γ, the pitching angle α, and the yawing angle β ₃ , the virtual point light source 7A overlaps the point light source 7. Here, since the purpose is to calculate the yawing angle β ₃ , conversion by the pitching angle α and the rolling angle γ is performed, and only the influence of the yawing angle β ₃ is left on the mismatch of the coordinates of the point light source 7 and the virtual point light source 7A. Therefore, the following equation is converted.
[0037]
[Formula 1]

[0038]
Thereby, the coordinate position P ₂ (x ₂ , y ₂ , z ₂ ) of the virtual point light source 7A when the influence of only the yawing angle β ₃ remains is as follows.
[0039]
[Formula 2]

[0040]
Here, the flow proceeds to step S5-3, seek x ₂ and z ₂ are affected by the turning of the yawing angle beta _3. This is because if the conversion with the yawing angle β ₃ is performed after the conversion of (1), the virtual point light source 7A overlaps the point light source 7, but since the yawing angle β ₃ is rotated around the Y axis, the conversion does not affect the Y coordinate. Therefore, the mismatch between the point light source 7 and the point light source 7A due to the yawing angle β ₃ is related only to x ₂ and z ₂ . As described above, since the value of the Y coordinate does not change due to the rotation around the y axis (the yawing angle β ₃ ), y ₂ becomes a known value L ₁ , and the following equation is obtained from (3).
[0041]
[Formula 3]

[0042]
When (5) is substituted into (2) and (4), x ₂ and z ₂ are expressed as follows.
[0043]
[Formula 4]

[0044]
At this time, only z ₁ is unknown among variables representing x ₂ and z ₂ .
[0045]
In step S5-4, determine the unknowns z _1. In the conversion by the yawing angle, the distance between the Y axis, the point light source 7 and the virtual point light source 7A does not change. Therefore, the distance can be expressed by L ₂ and the following equation is established.
[0046]
[Formula 5]

[0047]
Considering that the tunnel excavator 1 is performing excavation work, z ₁ is clearly positive, so that the following equation is established.
[0048]
[Formula 6]

[0049]
As a result, the coordinate P ₂ before conversion by the yawing angle β ₃ becomes a known coordinate.
[0050]
Next, it progresses to step S5-5 and calculates | requires yawing angle (beta) ₃ . When this point P ₂ is rotated about the Y axis by β, the point P ₂ is converted on the Z axis, so that the yawing angle β ₃ is obtained by the following equation.
[0051]
[Formula 7]

[0052]
Thereby, the yawing angle β ₃ of the tunnel excavator 1 with respect to the laser 6 can be obtained.
[0053]
From this result and the turning angle β ₂ of the laser 6 with respect to the tunnel axis measured in step S2, the yawing angle β of the tunnel excavator 1 with respect to the tunnel axis can be obtained.
[0054]
In this way, the detection range required for the sensor surface can be set narrow by using the point light source tracking sensor 4 with an angle detector that rotates so as to always capture the point light source 7 at the center. Thus, errors during excavation can be suppressed. In addition, since the measurement necessary for calculating the yawing angle β is the turning angle of the sensor surface, an inexpensive and highly accurate angle detector can be used, so that the cost can be reduced.
[0055]
Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a position measuring device for a tunnel excavator used in the present embodiment as viewed from the side.
FIG. 2 is a configuration diagram of a position measuring device for a tunnel excavator used in the present embodiment as viewed from above.
FIG. 3 is a view of the excavator coordinate system when the turning angle β ₁ = 0 is viewed from the negative direction of the X axis.
FIG. 4 is a view of the excavator coordinate system when the turning angle β ₁ = 0 is viewed from the positive direction of the Z axis.
FIG. 5 is a view of the excavator coordinate system when the turning angle β ₁ is viewed from the positive direction of the Y axis.
FIG. 6 is a view of the state of the virtual tunnel excavator as seen from the negative direction of the X axis.
FIG. 7 is a view of the state of the virtual tunnel excavator as seen from the positive direction of the Z axis.
FIG. 8 is a view of the state of the virtual tunnel excavator as seen from the positive direction of the Y axis.
FIG. 9 shows a tunnel excavator when the yawing angle is β.
FIG. 10 is a diagram showing a tunnel excavator when the pitching angle is α.
FIG. 11 is a diagram showing a tunnel excavator when the rolling angle is γ.
FIG. 12 is a diagram showing the position of a point light source in a virtual coordinate system when affected by only the yawing angle β ₃ .
FIG. 13 is a flowchart showing an outline of a method for measuring the position of a tunnel excavator.
FIG. 14 is a flowchart for explaining a calculation method for obtaining the turning angle β ₃ of the tunnel excavator with respect to the laser.
[Explanation of symbols]
1 Tunnel excavator 2 Inclinometer (Inclination measuring unit)
3 Prism Target 4 Point Light Source Tracking Sensor with Angle Detector 5 Tracking Total Station 6 Laser (Range Measuring Laser)
7 point light source

Claims

An inclination measuring unit for detecting the inclination angle of the tunnel excavator;
A prism target fixed to the tunnel excavator;
A tracking total station that tracks and emits a ranging laser toward the prism target and measures vertical and horizontal distances to the prism target;
A point light source fixed to the tracking total station;
A point light source tracking sensor provided on the tunnel excavator and having an angle detector for turning the sensor surface so as to capture the point light source on a left-right central axis of the sensor surface and detecting a turning angle of the sensor surface; ,
A position measurement of the tunnel excavator comprising means for calculating a turning angle of the tunnel excavator based on the measured inclination angle, the vertical and horizontal distances, and the turning angle of the sensor surface apparatus.

The tracking total station includes an irradiation angle detector that measures the emitted direction of the distance measuring laser,
2. The tunnel excavator according to claim 1, wherein the turning angle calculation unit calculates a position and an attitude of the tunnel excavator based on a direction in which the ranging laser is emitted and a turning angle of the tunnel excavator. Position measuring device.