JP4536500B2 - 水平方向掘削先端位置の測定システム - Google Patents
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Description
本発明は、管推進工事などの水平系の掘削において、その掘削先端位置を正確に把握するための水平方向掘削先端位置の測定システムに関するものである。
従来の水平系掘削における位置測定法には、ターゲットが発する電磁波を用いる方法や、レーザ光等の光学的手段を用いてターゲットとの相対角度を測り、位置を算出する方法がある（下記特許文献１，２）。
また、推進装置内に搭載したジャイロから得られる角度データ、推進装置の傾きを検知する傾斜計からの角度データ及び推進装置の推進距離を計測する距離計からの距離データを用いて装置の水平位置を演算する際、装置内に設置された位置計測用ターゲット板を用いて推進中の装置の水平変位を測量し、その測量データ及び同時に得られるジャイロの回転角データを用いて、推進装置の推進基線に対する初期角度を演算するようにした地中推進装置の初期角度検知方法及び位置連続検知方法が提案されている（下記特許文献３）。
特開平１１−０２３２７１号公報
特開２００２−４８５４３号公報
特開平１１−１０７６７９号公報
また、推進装置内に搭載したジャイロから得られる角度データ、推進装置の傾きを検知する傾斜計からの角度データ及び推進装置の推進距離を計測する距離計からの距離データを用いて装置の水平位置を演算する際、装置内に設置された位置計測用ターゲット板を用いて推進中の装置の水平変位を測量し、その測量データ及び同時に得られるジャイロの回転角データを用いて、推進装置の推進基線に対する初期角度を演算するようにした地中推進装置の初期角度検知方法及び位置連続検知方法が提案されている（下記特許文献３）。
しかしながら、上記した電磁波を用いる方法では、適用できる深度に制限があるほか、地上に建物のある場合や鉄等の金属成分を多く含んだ土壌では使用が制限されるという問題があった。また、上記した光学的手段を用いる方法は作業環境の影響を受けやすく、操作手順が煩雑である。また、光軸調整を人間が行うため、口径の大きな管でないと適用できない。
さらに、従来の水平系掘削における位置測定では、比較的小さな径を有する管などの水平系の掘削においては、その適用に難があった。
本発明は、上記状況に鑑みて、比較的小さな径を有する管などの水平系の掘削において、地中の水平方向掘削先端位置を、外部環境および作業環境の影響を受けずに、的確に測定することができる、水平方向掘削先端位置の測定システムを提供することを目的とする。
本発明は、上記状況に鑑みて、比較的小さな径を有する管などの水平系の掘削において、地中の水平方向掘削先端位置を、外部環境および作業環境の影響を受けずに、的確に測定することができる、水平方向掘削先端位置の測定システムを提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、ターゲットユニット、このターゲットユニットに設けられるリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンク、このリンクの後端に接続されるリンク支持機構を有する計測ユニットよりなり、長さ方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、高さ方向をＺ軸とする測定装置と、前記ターゲットユニット、前記リンク及び前記計測ユニットを内蔵し、掘削機の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管とを備え、前記掘削機による掘削の進行量がリンク長さとなる毎に前記スリーブ管中心の２点に渡した前記リンクの角度を、前記計測ユニットにより、方位角、重力加速度方向を基準とする座標に変換し、前記方位角の測定に基づいて前記ターゲットユニットの位置を求めることを特徴とする。
〔１〕水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、ターゲットユニット、このターゲットユニットに設けられるリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンク、このリンクの後端に接続されるリンク支持機構を有する計測ユニットよりなり、長さ方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、高さ方向をＺ軸とする測定装置と、前記ターゲットユニット、前記リンク及び前記計測ユニットを内蔵し、掘削機の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管とを備え、前記掘削機による掘削の進行量がリンク長さとなる毎に前記スリーブ管中心の２点に渡した前記リンクの角度を、前記計測ユニットにより、方位角、重力加速度方向を基準とする座標に変換し、前記方位角の測定に基づいて前記ターゲットユニットの位置を求めることを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記スリーブ管は掘削中の前記掘削機の進路変更に伴って弾性変形し、前記計測ユニットの位置と前記リンクの相対角度に基づいて前記ターゲットユニットの位置を求めることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、水平保持台上に傾斜センサーとジャイロコンパスを配置し、前記リンクの角度を重力加速度と地球自転軸を基準として求めて、前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、水平保持台上に傾斜センサーとジャイロコンパスを配置し、前記リンクの角度を重力加速度と地球自転軸を基準として求めて、前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする。
〔４〕上記〔３〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、前記水平保持台に対して前記リンクが前記Ｚ，Ｙ軸回りに回転できるようにリンク支持機構を設け、このリンク支持機構に高分解能のロータリーエンコーダを設け、各Ｚ，Ｙ軸回りのリンク回転角を測定することを特徴とする。
〔５〕上記〔３〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、２個の傾斜センサーを前記Ｘ，Ｙ軸方向に感度軸を向けてセットしておき、前記水平保持台が自動的に水平を保つようにすることを特徴とする。
〔５〕上記〔３〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、２個の傾斜センサーを前記Ｘ，Ｙ軸方向に感度軸を向けてセットしておき、前記水平保持台が自動的に水平を保つようにすることを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記ターゲットユニットは前記リンクを接続し、前記計測ユニットから一定間隔離れた場所の前記スリーブ管中心にリンク支持点を保持することを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記ターゲットユニットは前記Ｚ，Ｙ軸回りの回転を許すように前記リンク支持機構を備えており、各Ｚ，Ｙ軸回りに高分解能のロータリーエンコーダを備えて前記ターゲットユニットに対する前記リンクの傾斜角を測定することを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記ターゲットユニットは前記Ｚ，Ｙ軸回りの回転を許すように前記リンク支持機構を備えており、各Ｚ，Ｙ軸回りに高分解能のロータリーエンコーダを備えて前記ターゲットユニットに対する前記リンクの傾斜角を測定することを特徴とする。
〔８〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットの位置と方向が、前記測定装置が前記リンクの長さと同じ距離移動する前の前記ターゲットユニットの位置及び方向と一致するとみなすことによって前記方位角の検出回数を削減可能にすることを特徴とする。
〔９〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、基台上に傾斜センサーとジャイロコンパスを配置し、計測地点の緯度を参照する補正方法により、前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする。
〔９〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、基台上に傾斜センサーとジャイロコンパスを配置し、計測地点の緯度を参照する補正方法により、前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする。
〔１０〕上記〔９〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、前記基台に対して前記リンクが前記Ｚ，Ｙ軸回りに回転できるようにリンク支持機構を設け、このリンク支持機構に高分解能のロータリーエンコーダを設け、各Ｚ，Ｙ軸回りのリンク回転角を測定することを特徴とする。
〔１１〕上記〔９〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記ターゲットユニットは前記リンクを接続し、前記計測ユニットから一定間隔離れた場所の前記スリーブ管中心にリンク支持点を保持することを特徴とする。
〔１１〕上記〔９〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記ターゲットユニットは前記リンクを接続し、前記計測ユニットから一定間隔離れた場所の前記スリーブ管中心にリンク支持点を保持することを特徴とする。
〔１２〕上記〔９〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記ターゲットユニットは前記Ｚ，Ｙ軸回りの回転を許すように前記リンク支持機構を備えており、各Ｚ，Ｙ軸回りに高分解能のロータリーエンコーダを備えて前記ターゲットユニットに対する前記リンクのリンクの傾斜角を測定することを特徴とする。
〔１３〕上記〔９〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットの位置が、前記測定装置が前記リンクの長さと同じ距離移動する前の前記ターゲットユニットの位置と一致するとみなすことによって、前記方位角の検出回数を削減可能にすることを特徴とする。
〔１３〕上記〔９〕記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットの位置が、前記測定装置が前記リンクの長さと同じ距離移動する前の前記ターゲットユニットの位置と一致するとみなすことによって、前記方位角の検出回数を削減可能にすることを特徴とする。
本発明によれば、比較的小さな径を有する管などの水平系の掘削において、地中の水平方向掘削先端位置を的確に測定することができる。
また、本発明は重力加速度と地球自転軸を利用するため、外部環境および作業環境の影響を受けずに高精度の測定を行うことができる。
また、本発明は重力加速度と地球自転軸を利用するため、外部環境および作業環境の影響を受けずに高精度の測定を行うことができる。
水平方向掘削先端位置の測定システムは、ターゲットユニット、このターゲットユニットに設けられるリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンク、このリンクの後端に接続されるリンク支持機構を有する計測ユニットよりなり、長さ方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、高さ方向をＺ軸とする測定装置と、前記ターゲットユニット、前記リンク及び前記計測ユニットを内蔵し、掘削機の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管とを備え、前記掘削機による掘削の進行量がリンク長さとなる毎に前記スリーブ管中心の２点に渡した前記リンクの角度を、前記計測ユニットにより、方位角、重力加速度方向を基準とする座標に変換し、前記方位角の測定に基づいて前記ターゲットユニットの位置を求めることができる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定システムの全体構成図である。
この図において、１は掘削機、２1 ，２2 ，…２n はスリーブ管であり、このスリーブ管２1 ，２2 ，…２n 内にはそれぞれターゲットユニット３1 ，３2 ，…３n 、リンク４1 ，４2 ，…４n 、計測ユニット５1 ，５2 ，…５n が直列に接続される。６はケーブル（コネクタ付き）、７は計測ユニット５n と制御装置９とを接続するコネクタ、８は坑口、９は制御装置、１０は表示装置である。
図１は本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定システムの全体構成図である。
この図において、１は掘削機、２1 ，２2 ，…２n はスリーブ管であり、このスリーブ管２1 ，２2 ，…２n 内にはそれぞれターゲットユニット３1 ，３2 ，…３n 、リンク４1 ，４2 ，…４n 、計測ユニット５1 ，５2 ，…５n が直列に接続される。６はケーブル（コネクタ付き）、７は計測ユニット５n と制御装置９とを接続するコネクタ、８は坑口、９は制御装置、１０は表示装置である。
坑口８には、制御装置９および表示装置１０が設けられ、制御装置９が計測ユニット５1 ，５2 ，…５n からの情報を受け取り、情報を処理して表示装置１０にて表示する。なお、制御装置９は、入力インターフェース９Ａ、ＣＰＵ（中央処理装置）９Ｂ、記憶装置９Ｃ、表示装置１０に接続される出力インターフェース９Ｄを備えている。
このように、本発明の水平方向掘削先端位置の測定システムは、ターゲットユニット３1 ，３2 ，…３n と、このターゲットユニット３1 ，３2 ，…３n に設けられるリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンク４1 ，４2 ，…４n と、このリンク４1 ，４2 ，…４n の後端に接続されるリンク支持機構を有する計測ユニット５1 ，５2 ，…５n と、前記ターゲットユニット３1 ，３2 ，…３n 、前記リンク４1 ，４2 ，…４n 及び前記計測ユニット５1 ，５2 ，…５n を内蔵し、掘削機１の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管２1 ，２2 ，…２n とを備え、掘削機１による掘削の進行量がリンク長さとなる毎に前記スリーブ管２1 ，２2 ，…２n の中心の２点に渡したリンク４1 ，４2 ，…４n の角度を計測ユニット５1 ，５2 ，…５n が方位角、重力加速度方向を基準とする座標に変換し、前記ターゲットユニット３1 ，３2 ，…３n の位置を求める。
このように、本発明の水平方向掘削先端位置の測定システムは、ターゲットユニット３1 ，３2 ，…３n と、このターゲットユニット３1 ，３2 ，…３n に設けられるリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンク４1 ，４2 ，…４n と、このリンク４1 ，４2 ，…４n の後端に接続されるリンク支持機構を有する計測ユニット５1 ，５2 ，…５n と、前記ターゲットユニット３1 ，３2 ，…３n 、前記リンク４1 ，４2 ，…４n 及び前記計測ユニット５1 ，５2 ，…５n を内蔵し、掘削機１の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管２1 ，２2 ，…２n とを備え、掘削機１による掘削の進行量がリンク長さとなる毎に前記スリーブ管２1 ，２2 ，…２n の中心の２点に渡したリンク４1 ，４2 ，…４n の角度を計測ユニット５1 ，５2 ，…５n が方位角、重力加速度方向を基準とする座標に変換し、前記ターゲットユニット３1 ，３2 ，…３n の位置を求める。
以下、その構成部分を順次説明する。
図２は本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置の全体構成平面図、図３はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置のターゲットユニットの模式図、図４はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置の計測ユニットの模式図である。
これらの図において、１１は掘削機、１２はスリーブ管、１３はリンク、１３Ａはリンク先端（リンク先端支持点）、１３Ｂはリンク後端（リンク後端支持点）、１４は計測ユニット３０と制御・表示装置に接続されるケーブル、２０はターゲットユニットである。
図２は本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置の全体構成平面図、図３はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置のターゲットユニットの模式図、図４はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置の計測ユニットの模式図である。
これらの図において、１１は掘削機、１２はスリーブ管、１３はリンク、１３Ａはリンク先端（リンク先端支持点）、１３Ｂはリンク後端（リンク後端支持点）、１４は計測ユニット３０と制御・表示装置に接続されるケーブル、２０はターゲットユニットである。
まず、図２に示すように、この地中水平方向掘削先端位置の測定装置は、次の５つの部分で構成される。
（１）ターゲットユニット
このターゲットユニット２０は、図３に示すように、リンク１３に接続され、計測ユニット３０から一定間隔離れた場所のスリーブ管１２の中心にリンク先端支持点１３Ａを保持する。
（１）ターゲットユニット
このターゲットユニット２０は、図３に示すように、リンク１３に接続され、計測ユニット３０から一定間隔離れた場所のスリーブ管１２の中心にリンク先端支持点１３Ａを保持する。
（２）リンク
このリンク１３は、ターゲットユニット２０と計測ユニット３０を機械的に接続し、傾斜角に対するセンサー機能を有する。
（３）計測ユニット
この計測ユニット３０は、図４に示すように、リンク１３に接続され、ター ゲットユニット２０から一定間隔離れた場所のスリーブ管１２の中心にリンク後端支持点１３Ｂを保持する。また、そのリンク１３の傾斜角測定および方位角の測定を行う。
このリンク１３は、ターゲットユニット２０と計測ユニット３０を機械的に接続し、傾斜角に対するセンサー機能を有する。
（３）計測ユニット
この計測ユニット３０は、図４に示すように、リンク１３に接続され、ター ゲットユニット２０から一定間隔離れた場所のスリーブ管１２の中心にリンク後端支持点１３Ｂを保持する。また、そのリンク１３の傾斜角測定および方位角の測定を行う。
（４）スリーブ管
このスリーブ管１２は、ターゲットユニット２０、リンク１３、計測ユニット３０を内蔵し、掘削機１１の後端に取り付けられる。掘削機１１の進路変更に伴ってスリーブ管１２が弾性変形し、リンク角度が発生する。掘削終了後に掘削機１１とともに回収する。また、塑性変形し難い材料でできていることが望ましい。
このスリーブ管１２は、ターゲットユニット２０、リンク１３、計測ユニット３０を内蔵し、掘削機１１の後端に取り付けられる。掘削機１１の進路変更に伴ってスリーブ管１２が弾性変形し、リンク角度が発生する。掘削終了後に掘削機１１とともに回収する。また、塑性変形し難い材料でできていることが望ましい。
（５）制御・表示装置
杭口（図示なし）付近にセットし、計測ユニット３０の制御・計測信号を、方位座標へ変換する。また、表示装置１０に計画座標との差を表示する。
次に、ターゲットユニット２０について図３を参照しながらさらに説明する。
このターゲットユニット２０は、リンク１３の支持機構２１を有しており、このリンク支持機構２１は、スリーブ管１２の内径に適合するような円形のリング（ケース）２２と、このリング２２内に設けられ、リンク先端支持点１３Ａに連結される二股状のアーム２３と、このアーム２３にリンク支点２３Ａで直交するように連結される四角形状のリンク２４と、このリンク２４に取り付けられるピッチ回転軸２５からなる。そして、ピッチ回転軸２５の回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｙ軸）２７、ヨー回転軸２６回りの回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｚ軸）２８を備えている。このように各軸まわりに高分解能のロータリーエンコーダ２７，２８を配置するようにしている。
杭口（図示なし）付近にセットし、計測ユニット３０の制御・計測信号を、方位座標へ変換する。また、表示装置１０に計画座標との差を表示する。
次に、ターゲットユニット２０について図３を参照しながらさらに説明する。
このターゲットユニット２０は、リンク１３の支持機構２１を有しており、このリンク支持機構２１は、スリーブ管１２の内径に適合するような円形のリング（ケース）２２と、このリング２２内に設けられ、リンク先端支持点１３Ａに連結される二股状のアーム２３と、このアーム２３にリンク支点２３Ａで直交するように連結される四角形状のリンク２４と、このリンク２４に取り付けられるピッチ回転軸２５からなる。そして、ピッチ回転軸２５の回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｙ軸）２７、ヨー回転軸２６回りの回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｚ軸）２８を備えている。このように各軸まわりに高分解能のロータリーエンコーダ２７，２８を配置するようにしている。
このように、ターゲットユニット２０は、Ｚ，Ｙ軸回りの回転を許すようリンク１３を支持する支持機構２１を備えるとともに、各軸回りに高分解能のロータリーエンコーダ２７，２８を備え、リンク１３の傾斜角を測定する。
なお、ターゲットユニット２０は、設置時にリンク１３の中心とスリーブ管１２の中心が一致するように調整、固定する芯出装置（図示なし）を有している。
なお、ターゲットユニット２０は、設置時にリンク１３の中心とスリーブ管１２の中心が一致するように調整、固定する芯出装置（図示なし）を有している。
次に、計測ユニット３０について図４を参照しながら説明する。
この計測ユニット３０は、スリーブ管１２の内径に適合するように配置される円形のリング（ケース）３１と、このリング３１に固定されるピッチ回転軸受３２と、水平保持台３３と、その水平保持台３３の後端に配置される、水平保持台駆動用モータとしての超音波モータ３４と、水平保持台３３上に設置され、真北の方位を測定するジャイロコンパス３５と、傾斜センサー３６Ａ，３６Ｂと、ボールねじ３７Ａと、ボールねじ受け部３７Ｂと、継ぎ手３８と、中空ステッピングモータ３９よりなる。
この計測ユニット３０は、スリーブ管１２の内径に適合するように配置される円形のリング（ケース）３１と、このリング３１に固定されるピッチ回転軸受３２と、水平保持台３３と、その水平保持台３３の後端に配置される、水平保持台駆動用モータとしての超音波モータ３４と、水平保持台３３上に設置され、真北の方位を測定するジャイロコンパス３５と、傾斜センサー３６Ａ，３６Ｂと、ボールねじ３７Ａと、ボールねじ受け部３７Ｂと、継ぎ手３８と、中空ステッピングモータ３９よりなる。
さらに、水平保持台３３のピッチ回転軸受取付部４７にはリンク支持機構４０が配置される。リンク支持機構４０は、リンク後端支持点１３Ｂに連結された二股状のアーム４１と、このアーム４１とリンク支点４３Ａで直交するように固定される四角形状のリンク４２と、このリンク４２に連結されるピッチ回転軸４３からなる。そして、ピッチ回転軸４３の回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｙ軸）４５、ヨー回転軸４４回りの回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｚ軸）４６を備えている。このように各軸まわりに高分解能のロータリーエンコーダ４５，４６を設けている。
このように、計測ユニット３０は、リング（ケース）３１に対してＹ，Ｚ軸回りの回転ができるようにリンク支持機構４０を支持する。また、２個の傾斜センサー３６Ａ，３６ＢをＸ，Ｙ軸方向に感度軸を向けてセットしておき、水平保持台３３が自動的に水平を保つようにする。
また、水平保持台３３に対してリンク１３がＺ，Ｙ軸回りに回転できるように支持されている。さらに、高分解能のロータリーエンコーダ４５，４６をリンク支持機構４０に設け、各軸回りのリンク回転角を測定する。
また、水平保持台３３に対してリンク１３がＺ，Ｙ軸回りに回転できるように支持されている。さらに、高分解能のロータリーエンコーダ４５，４６をリンク支持機構４０に設け、各軸回りのリンク回転角を測定する。
また、この計測ユニット３０は、測定装置組み立て時にリンク１３の中心とスリーブ管１２の中心が一致するように調整、固定する芯出装置（図示なし）を有する。
さらに、制御・表示装置（図示なし）は、以下の機能を有する。
（１）水平保持台３３の制御を行い、水平を保つ。
（２）ジャイロコンパス３５の制御を行う。
さらに、制御・表示装置（図示なし）は、以下の機能を有する。
（１）水平保持台３３の制御を行い、水平を保つ。
（２）ジャイロコンパス３５の制御を行う。
（３）各傾斜センサー信号の読み取りを行う。
（４）通信を介して外部の主制御装置との信号交換を行う。
（５）較正データ（水平時の傾斜センサーオフセット、方位角と装置主軸の誤差等）を保持する。
次に、電源・ケーブルについて説明する。
（４）通信を介して外部の主制御装置との信号交換を行う。
（５）較正データ（水平時の傾斜センサーオフセット、方位角と装置主軸の誤差等）を保持する。
次に、電源・ケーブルについて説明する。
使い勝手を考えると、測定装置内にバッテリを搭載して外部電源及びケーブルを用いないことが望ましいが、その方式では、以下のような問題がある。
（１）地中で数日間以上稼働させる可能性があるため、バッテリ切れの心配がある。
（２）さらに、水平保持台、ジャイロコンパスなどの機械的駆動部があるため、消費電力が大きい。
（３）万一バッテリ切れなどの事態が起こった場合、装置の回収が難しい。
（１）地中で数日間以上稼働させる可能性があるため、バッテリ切れの心配がある。
（２）さらに、水平保持台、ジャイロコンパスなどの機械的駆動部があるため、消費電力が大きい。
（３）万一バッテリ切れなどの事態が起こった場合、装置の回収が難しい。
以上の点から、現段階ではバッテリのみを用いた運転はリスクを伴う。
そこで、外部電源およびケーブルを用いてエネルギーを供給する際には以下の点に注意する。
（１）ケーブルをスリーブ管内に通す必要がある。このため、スリーブ管の定尺毎にケーブルを接続して延長する必要があり、そのため、接続用コネクタを用いる。
（２）ケーブルと掘削機用の油圧ホースとがスリーブ管内で絡まないように配置する。
（３）多数のケーブルの信頼性を維持するようにチェックを行う。
そこで、外部電源およびケーブルを用いてエネルギーを供給する際には以下の点に注意する。
（１）ケーブルをスリーブ管内に通す必要がある。このため、スリーブ管の定尺毎にケーブルを接続して延長する必要があり、そのため、接続用コネクタを用いる。
（２）ケーブルと掘削機用の油圧ホースとがスリーブ管内で絡まないように配置する。
（３）多数のケーブルの信頼性を維持するようにチェックを行う。
そこで、実際の電源供給は次の方法が考えられる。
（１）複合ホース：掘削機用の油圧ホースと測定装置用の電源ケーブルを一体にまとめたホースを作る。この複合ホースの端部では油圧ホースと電源ケーブルを分け、それぞれ油圧用ワンタッチカプラと電気用コネクタを取り付ける。電気用コネクタはＩＰ６７の防水仕様であることが望ましい。このコネクタには電源の他に通信用の端子（４極程度）を装備し、制御・表示装置との通信を行う。
（２）油圧モータ式発電器：測定装置内に油圧モータで駆動する発電機を内蔵し、バッテリの充電ができるようにする。油圧は掘削機の油圧モータ駆動回路から分岐し、減圧弁を介して発電用油圧モータに供給する。制御・表示装置との通信はスリーブ管をダクトとして電波または超音波により行う。
（１）複合ホース：掘削機用の油圧ホースと測定装置用の電源ケーブルを一体にまとめたホースを作る。この複合ホースの端部では油圧ホースと電源ケーブルを分け、それぞれ油圧用ワンタッチカプラと電気用コネクタを取り付ける。電気用コネクタはＩＰ６７の防水仕様であることが望ましい。このコネクタには電源の他に通信用の端子（４極程度）を装備し、制御・表示装置との通信を行う。
（２）油圧モータ式発電器：測定装置内に油圧モータで駆動する発電機を内蔵し、バッテリの充電ができるようにする。油圧は掘削機の油圧モータ駆動回路から分岐し、減圧弁を介して発電用油圧モータに供給する。制御・表示装置との通信はスリーブ管をダクトとして電波または超音波により行う。
図５は本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置による測定原理の説明図、図６はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置の主な機構の模式図、図７はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置における位置更新時における各ユニットの位置関係を示す模式図、図８はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置のジャイロコンパスによる自転方向検出の説明図、図９は自転方向検出の信号処理の方法の説明図である。
ここで、管推進工法は、以下の条件を満たすものとする。
（１）掘削機による掘削の進行に連動して、スリーブ管及び測定装置は地上側で送り込んだ管の長さだけ前進する。
（２）後続して送り込まれる管は、掘削機が掘った軌跡をトレースして進む。
以上を前提として、まず、測定の原理について説明する。
（１）掘削機による掘削の進行に連動して、スリーブ管及び測定装置は地上側で送り込んだ管の長さだけ前進する。
（２）後続して送り込まれる管は、掘削機が掘った軌跡をトレースして進む。
以上を前提として、まず、測定の原理について説明する。
図５に示すように、スリーブ管１２中心の２点に渡したリンク１３の角度を、方位角、重力加速度方向を基準とする座標に変換し、スリーブ管１２の各点の位置を求める。
（１）計測はリンク１３の長さｌ毎に行う。
（２）重力ベクトルの方向は傾斜センサー３６Ａ，３６Ｂで求める。
（３）方位角はジャイロコンパス３５を用いて、地球の自転軸を観測することにより求めるが、掘削がリンク長さ分だけ進んだ位置においては、１サンプル前のターゲットユニット２０の方位角と、次のサンプルにおける計測ユニット３０の方位角が等しくなることを利用して、方位角の検出回数を削減することができる。
（１）計測はリンク１３の長さｌ毎に行う。
（２）重力ベクトルの方向は傾斜センサー３６Ａ，３６Ｂで求める。
（３）方位角はジャイロコンパス３５を用いて、地球の自転軸を観測することにより求めるが、掘削がリンク長さ分だけ進んだ位置においては、１サンプル前のターゲットユニット２０の方位角と、次のサンプルにおける計測ユニット３０の方位角が等しくなることを利用して、方位角の検出回数を削減することができる。
（４）計測ユニット３０には水平保持台３３を設け、傾斜センサー３６Ａ，３６Ｂとジャイロコンパス３５を水平保持台３３上に配置する。
（５）ターゲットユニット２０と計測ユニット３０との間はリンク１３で結ぶ。計測ユニット３０側のピッチ回転軸４３は水平保持台３３のピッチ回転軸受取付部４７に取り付け、水平保持台３３となす角をロータリーエンコーダ４５，４６で測定する。
（５）ターゲットユニット２０と計測ユニット３０との間はリンク１３で結ぶ。計測ユニット３０側のピッチ回転軸４３は水平保持台３３のピッチ回転軸受取付部４７に取り付け、水平保持台３３となす角をロータリーエンコーダ４５，４６で測定する。
（６）ターゲットユニット２０と計測ユニット３０は同一のスリーブ管１２内に取り付ける。
図６は本発明の地中水平方向掘削先端位置の測定装置の模式図である。
次いで、ターゲットユニットの位置・方位角について図６を参照しながら説明する。
（１）ターゲットユニット２０を先にし、計測ユニット３０を後にして掘削機１１の後端に取り付ける。
図６は本発明の地中水平方向掘削先端位置の測定装置の模式図である。
次いで、ターゲットユニットの位置・方位角について図６を参照しながら説明する。
（１）ターゲットユニット２０を先にし、計測ユニット３０を後にして掘削機１１の後端に取り付ける。
（２）水平保持台３３は傾斜センサー３６Ａ，３６Ｂからの信号をフィードバックして、常に自動的に水平を保つようにする。
ある位置のサンプルｉにおいて、ジャイロコンパス３５による地球自転軸の検知から北の方向を計測し、計測ユニット３０の主軸（Ａ）方位角（水平保持台３３の方位角）ψBiを求める。ここで、リンク１３の角度を、ジャイロコンパス３５によって地球自転軸を基準として求め、地球重力を利用した傾斜センサー３６Ａ，３６Ｂによる水平保持台３３の水平面とそれに対するリンク１３の傾斜角を求める。つまり、計測ユニット３０は、水平保持台３３上に傾斜センサー３６Ａ，３６Ｂとジャイロコンパス３５を配置して、リンク１３の角度を重力加速度と地球自転軸を基準として求めて、ターゲットユニット２０の位置を測定する。
ある位置のサンプルｉにおいて、ジャイロコンパス３５による地球自転軸の検知から北の方向を計測し、計測ユニット３０の主軸（Ａ）方位角（水平保持台３３の方位角）ψBiを求める。ここで、リンク１３の角度を、ジャイロコンパス３５によって地球自転軸を基準として求め、地球重力を利用した傾斜センサー３６Ａ，３６Ｂによる水平保持台３３の水平面とそれに対するリンク１３の傾斜角を求める。つまり、計測ユニット３０は、水平保持台３３上に傾斜センサー３６Ａ，３６Ｂとジャイロコンパス３５を配置して、リンク１３の角度を重力加速度と地球自転軸を基準として求めて、ターゲットユニット２０の位置を測定する。
（３）計測ユニット主軸（Ａ）からみたターゲットユニット２０のリンク支点２３Ａの位置 BＰAiは下記式（１）で表される。
ターゲットユニット２０の方位角は、
ψAi＝ψBi＋ｂi ＋ｄi …（３）
ターゲットユニット２０のリンク支点２３Ａの位置 BＰAiを、方位座標と掘削開始位置を原点とする座標で表すと、上記式（１）を用いて下記式（４）となる。
ψAi＝ψBi＋ｂi ＋ｄi …（３）
ターゲットユニット２０のリンク支点２３Ａの位置 BＰAiを、方位座標と掘削開始位置を原点とする座標で表すと、上記式（１）を用いて下記式（４）となる。
上記式（４）に、上記式（２）、式（５）を代入して整理すると、方位座標系で表したターゲットユニット２０の座標は式（６）となる。
図７はその位置の更新の説明図である。ここで、１３，１３′，１３″はリンク、１５はサンプルｉ、１５′はサンプルｉ＋１、１５″はサンプルｉ＋２、１６はサンプルｉのターゲットユニット、１６′はサンプルｉ＋１のターゲットユニット、１６″はサンプルｉ＋２のターゲットユニット、１７はサンプルｉの計測ユニット、１７′はサンプルｉ＋１の計測ユニット、１７″はサンプルｉ＋２の計測ユニットである。
掘削機で掘削が進行し、サンプルｉ（１５）の位置からリンク１３の長さｌだけ進んだ位置の測定値をサンプルｉ＋１（１５′）の測定値とする。このとき、サンプルｉ＋１の計測ユニット１７′のリンク支点の位置はサンプルｉのターゲットユニット１６のリンク支点の位置と一致する。
これにより、サンプルｉ＋１（１５′）における計測ユニット１７′の位置、方位角は、図７のようにサンプルｉ（１５）におけるターゲットユニット１６の位置、方位角と同じである。従って、
ψBi+1＝ψAi， ＰBi+1＝ＰAi …（７）
上記式（３）と同様に、
これにより、サンプルｉ＋１（１５′）における計測ユニット１７′の位置、方位角は、図７のようにサンプルｉ（１５）におけるターゲットユニット１６の位置、方位角と同じである。従って、
ψBi+1＝ψAi， ＰBi+1＝ＰAi …（７）
上記式（３）と同様に、
ただし、上記方法により求めた方位角ψA ，ψB には誤差が累積し、この誤差は精度に及ぼす影響が大きい。精度を維持するため、適当な間隔ごとに掘削を１０分程度一旦停止し、ジャイロコンパス３５により計測ユニット３０の方位角を検出して、その時点の方位角ψB として用いる。
以降は同じ計算手順で方位角が修正され、精度が維持される。
次に、方位角の検出について説明する。
一般に、方位角の検出手段として、（１）ジャイロコンパス、（２）地磁気センサー、（３）ＧＰＳ方位計などが考えられるが、地中で利用することを考えると、上記した（２）の地磁気センサーでは配管や鉄筋など、地磁気を乱す物質の存在が想定される場所では精度が保証されず、上記した（３）のＧＰＳ方位計では衛星からの電波が受信できない。このため、本発明では、ジャイロコンパス３５を選択することにした。
次に、方位角の検出について説明する。
一般に、方位角の検出手段として、（１）ジャイロコンパス、（２）地磁気センサー、（３）ＧＰＳ方位計などが考えられるが、地中で利用することを考えると、上記した（２）の地磁気センサーでは配管や鉄筋など、地磁気を乱す物質の存在が想定される場所では精度が保証されず、上記した（３）のＧＰＳ方位計では衛星からの電波が受信できない。このため、本発明では、ジャイロコンパス３５を選択することにした。
ジャイロコンパス３５は高精度の角速度センサーを用いて、地球の自転軸方向を検出するもので、航空機などの分野で利用されている。
地球の自転角速度は４．１７×１０-3（ｄｅｇ／ｓｅｃ）程度の小さい値であるから、角速度センサーには高い精度が要求され、通常、光ファイバジャイロが用いられる。
図８は本発明の実施例を示すジャイロコンパスによる自転方向の検出の説明図である。
地球の自転角速度は４．１７×１０-3（ｄｅｇ／ｓｅｃ）程度の小さい値であるから、角速度センサーには高い精度が要求され、通常、光ファイバジャイロが用いられる。
図８は本発明の実施例を示すジャイロコンパスによる自転方向の検出の説明図である。
この図に示すように、水平保持台３３上に、ジャイロコンパス３５として角速度センサー（光ファイバジャイロ）を設置する。なお、５１は水平保持台３３に対する鉛直軸、５２は角速度検出軸、５３は地軸である。
このように、ジャイロコンパス（角速度センサー）３５を回転する水平保持台３３の上に載せて鉛直軸５１回りに回転させると、ジャイロコンパス（角速度センサー）３５の感度軸が地球の自転軸付近を向くと出力が大きくなり、直交すると出力が無くなる。この性質を利用して、装置の基準座標軸に対する回転軸と出力との相関から真北に対する方位角を求めることができる。
このように、ジャイロコンパス（角速度センサー）３５を回転する水平保持台３３の上に載せて鉛直軸５１回りに回転させると、ジャイロコンパス（角速度センサー）３５の感度軸が地球の自転軸付近を向くと出力が大きくなり、直交すると出力が無くなる。この性質を利用して、装置の基準座標軸に対する回転軸と出力との相関から真北に対する方位角を求めることができる。
次に、図９を用いて本発明のジャイロコンパスによる自転方向の信号処理について説明する。
このように、常に水平を保持する水平保持台３３の上に鉛直軸５１回りに回転する角速度センサー３５を設置すると、回転角と角速度センサー３５の関係は真北で最大値をとる正弦波になる。これを参照信号としてセンサー出力との相関関数が最大となる角度を計算すると、装置の基準軸線と真北の角度差、すなわち方位角が求まる。
このように、常に水平を保持する水平保持台３３の上に鉛直軸５１回りに回転する角速度センサー３５を設置すると、回転角と角速度センサー３５の関係は真北で最大値をとる正弦波になる。これを参照信号としてセンサー出力との相関関数が最大となる角度を計算すると、装置の基準軸線と真北の角度差、すなわち方位角が求まる。
この方式の欠点は、小さな出力信号から方位を割り出すために長時間のデータを平均処理して信頼性を上げる必要があり、計測時間が長くなることである。また、測定時には角速度センサー３５に振動を与えることは好ましくない。このため、絶対方位角を常時測定することは困難である。
次に動作方法について説明する。
〔１〕角度の較正は方位が既知の水平な台上に本発明の装置を置き、ジャイロコンパス３５が出力する方位角と各エンコーダの角度を原点として測定装置内のＥＥＰＲＯＭに記録する。
〔２〕ターゲットユニット２０側を前にして装置を掘削機１１の後端に取り付け、杭内に入れる。
〔３〕制御・表示装置に原点座標ＰB0と方位計測周期を入力し、測定を開始する。
〔４〕測定を開始した後、方位計測を行って計測ユニット３０の初期方位ψB0を求める。
〔５〕次に、前記式（３）、（６）により、ターゲットユニット２０の方位角・座標ψA0，ＰA0を求める。
〔６〕ターゲットユニット２０の座標を表示装置９に表示する。
〔７〕リンク１３の１本分の長さだけ掘削を行う。
〔８〕前記式（７）により、計測ユニット３０の方位角ψBi、座標ＰBiを求める。
〔９〕前記式（３），（４）により、ターゲットユニット２０の方位角ψAi、座標ＰAiを求める。
〔１０〕方位計測周期に達するまで前記〔５〕から〔９〕を繰り返す。
次に動作方法について説明する。
〔１〕角度の較正は方位が既知の水平な台上に本発明の装置を置き、ジャイロコンパス３５が出力する方位角と各エンコーダの角度を原点として測定装置内のＥＥＰＲＯＭに記録する。
〔２〕ターゲットユニット２０側を前にして装置を掘削機１１の後端に取り付け、杭内に入れる。
〔３〕制御・表示装置に原点座標ＰB0と方位計測周期を入力し、測定を開始する。
〔４〕測定を開始した後、方位計測を行って計測ユニット３０の初期方位ψB0を求める。
〔５〕次に、前記式（３）、（６）により、ターゲットユニット２０の方位角・座標ψA0，ＰA0を求める。
〔６〕ターゲットユニット２０の座標を表示装置９に表示する。
〔７〕リンク１３の１本分の長さだけ掘削を行う。
〔８〕前記式（７）により、計測ユニット３０の方位角ψBi、座標ＰBiを求める。
〔９〕前記式（３），（４）により、ターゲットユニット２０の方位角ψAi、座標ＰAiを求める。
〔１０〕方位計測周期に達するまで前記〔５〕から〔９〕を繰り返す。
次に、本測定装置の主要部品を説明する。
（１）傾斜センサー
ＪＡ−２３−ＭＡ−００〔サーボ型、日本航空電子製、計測範囲±９０°、角度分解能１０秒、温度範囲−２５〜７０℃〕が適当である。
（２）角度検出器
スリーブ管のたわみがわずかであること、検出精度が全体の性能に直結することから考えて高い分解能が必要と考えられる。また、測定が長時間に及び、原点を見失う可能性があるので、原点を確実に管理できるアブソリュート型が望ましい。候補部品としては、ＲＡ５１０（ソニープレシジョン：分解能２．５秒）、ＳＡ３５（多摩川精機：分解能１０秒）などを用いる。
（１）傾斜センサー
ＪＡ−２３−ＭＡ−００〔サーボ型、日本航空電子製、計測範囲±９０°、角度分解能１０秒、温度範囲−２５〜７０℃〕が適当である。
（２）角度検出器
スリーブ管のたわみがわずかであること、検出精度が全体の性能に直結することから考えて高い分解能が必要と考えられる。また、測定が長時間に及び、原点を見失う可能性があるので、原点を確実に管理できるアブソリュート型が望ましい。候補部品としては、ＲＡ５１０（ソニープレシジョン：分解能２．５秒）、ＳＡ３５（多摩川精機：分解能１０秒）などを用いる。
（３）水平保持台駆動用モータ
移動速度が小さく精密な送りが必要なこと、保持トルクが必要なことなどから考えて、超音波モータかハーモニック減速機付きステッピングモータが適すると考えられる。超音波モータを使用する場合、寿命は１０００時間（実運転時間）程度なので、定期的に交換が必要である。
移動速度が小さく精密な送りが必要なこと、保持トルクが必要なことなどから考えて、超音波モータかハーモニック減速機付きステッピングモータが適すると考えられる。超音波モータを使用する場合、寿命は１０００時間（実運転時間）程度なので、定期的に交換が必要である。
Ｙ軸回りについてはボールねじなどにより駆動するので、ボールねじにモータを直結できない場合はバックラッシュを排除する機構を装備する必要がある。
（４）ジャイロコンパス
特殊な部品であるため、選択肢が少ないが、市販されているユニットの例として日本航空電子工業株式会社製ＪＭ７７を用いることができる。ターンテーブルを製作する場合には、日本航空電子株式会社製光ファイバジャイロＪＧ−２０１ＦＡが利用可能と考えられる。出力が非常に微弱であるため、増幅系のノイズ対策を十分に行う必要がある。
（４）ジャイロコンパス
特殊な部品であるため、選択肢が少ないが、市販されているユニットの例として日本航空電子工業株式会社製ＪＭ７７を用いることができる。ターンテーブルを製作する場合には、日本航空電子株式会社製光ファイバジャイロＪＧ−２０１ＦＡが利用可能と考えられる。出力が非常に微弱であるため、増幅系のノイズ対策を十分に行う必要がある。
ターンテーブルの駆動は速度ムラを抑制しなければならない。また、運転時間が長くなるので、信頼性の面から交流サーボモータが適している。
次に、水平系地中位置測定装置の水平保持台を省略する計測方法について説明する。
上記実施例では、水平系地中位置測定装置の測定システムにおいて、地軸から方位角を求めるために水平保持台を用いる方法を採用した。この方法は確実であるが、構造が複雑になり、装置製作の難度が高いため、この実施例では、水平保持台が不要なデータ処理方法を考案した。
次に、水平系地中位置測定装置の水平保持台を省略する計測方法について説明する。
上記実施例では、水平系地中位置測定装置の測定システムにおいて、地軸から方位角を求めるために水平保持台を用いる方法を採用した。この方法は確実であるが、構造が複雑になり、装置製作の難度が高いため、この実施例では、水平保持台が不要なデータ処理方法を考案した。
（１）測定の原理
（１−１）方位角測定
測定装置の主軸線をｘ軸、ジャイロ回転軸をｚ軸とする直交座標をＡ座標系、真北をｘ′軸、鉛直をｚ′軸とする座標をＢ座標系、Ｂ座標系をｙ′軸回りに回転してｘ″を地球自転軸と一致させた座標をＣ座標系とする。
（１−１）方位角測定
測定装置の主軸線をｘ軸、ジャイロ回転軸をｚ軸とする直交座標をＡ座標系、真北をｘ′軸、鉛直をｚ′軸とする座標をＢ座標系、Ｂ座標系をｙ′軸回りに回転してｘ″を地球自転軸と一致させた座標をＣ座標系とする。
この座標系の関係を図１０に示す。
図１０（ａ）において、６１は計測ユニット、６２はｘ軸、６３はｙ軸、６４はｚ軸、６５は北方向軸（ｘ′軸）、６６はｙ′軸である。
また、図１０（ｂ）において、６７は地球自転軸（ｘ″軸）、６８はｚ″軸である。
図１１に示すように、高精度ジャイロコンパス３５の感度軸をＡ座標系のｘ−ｙ平面で回転させると、この感度軸が描く軌跡 AＶはＡ座標系において式（９）で表される。
図１０（ａ）において、６１は計測ユニット、６２はｘ軸、６３はｙ軸、６４はｚ軸、６５は北方向軸（ｘ′軸）、６６はｙ′軸である。
また、図１０（ｂ）において、６７は地球自転軸（ｘ″軸）、６８はｚ″軸である。
図１１に示すように、高精度ジャイロコンパス３５の感度軸をＡ座標系のｘ−ｙ平面で回転させると、この感度軸が描く軌跡 AＶはＡ座標系において式（９）で表される。
AＶ＝［ｃｏｓθ ｓｉｎθ ０］t …（９）
ただし、θは測定装置主軸とジャイロコンパスの感度軸のなす角度を示している。
この軌跡をＢ座標系で表すと式（１０）となる。
BＶ＝Ｒz Ｒy Ｒx AＶ …（１０）
Ｒz ，Ｒy ，Ｒx はＡ座標からＢ座標への座標変換行列で、下記式（１１）〜式（１３）で表される。
ただし、θは測定装置主軸とジャイロコンパスの感度軸のなす角度を示している。
この軌跡をＢ座標系で表すと式（１０）となる。
BＶ＝Ｒz Ｒy Ｒx AＶ …（１０）
Ｒz ，Ｒy ，Ｒx はＡ座標からＢ座標への座標変換行列で、下記式（１１）〜式（１３）で表される。
CＶ＝ＲL BＶ
＝ＲL Ｒz Ｒy Ｒx AＶ …（１４）
ＲL はＢ座標からＣ座標への変換行列で、式（１５）で与えられる。
＝ＲL Ｒz Ｒy Ｒx AＶ …（１４）
ＲL はＢ座標からＣ座標への変換行列で、式（１５）で与えられる。
Ｅ（θ）＝（ｃｏｓＬｃｏｓψｃｏｓα＋ｓｉｎＬｓｉｎα）ｃｏｓθ
＋｛−ｃｏｓＬｓｉｎψｃｏｓβ＋（ｃｏｓＬｃｏｓψｓｉｎα
−ｓｉｎＬｃｏｓα）ｓｉｎβ｝ｓｉｎθ …（１６）
一方、Ｅは地球自転角速度に対するジャイロコンパスの感度を示すから、回転角θにおけるジャイロコンパスの出力から式（１７）で求められる。
Ｅ＝ω（θ）／ω0 …（１７）
ただし、ω（θ）はジャイロコンパスで検出した角速度、ω0 は地球の自転角速度を示す。
θ＝０においては、式（１６）の第２項が０になるので、このときのジャイロコンパス出力から計算した感度Ｅ（０）を用いて式（１８）が得られる。
ただし、ω（θ）はジャイロコンパスで検出した角速度、ω0 は地球の自転角速度を示す。
θ＝０においては、式（１６）の第２項が０になるので、このときのジャイロコンパス出力から計算した感度Ｅ（０）を用いて式（１８）が得られる。
Ｅ（０）＝ｃｏｓＬｃｏｓψｃｏｓα＋ｓｉｎＬｓｉｎα …（１８）
よって、測定装置主軸の方位角ψは式（１９）となる。
よって、測定装置主軸の方位角ψは式（１９）となる。
アークコサインの計算を行う際、通常のコンピュータライブラリでは主値として０〜πの間だけを計算するので、式（１９）の解に対して±ψのどちらが前回のψに近いかを判定して採用する。
（１−２）ノイズ除去
式（１９）では、１点の観測から方位角が求まることを示すが、実際のジャイロコンパスの出力にはオフセット誤差、ゲイン誤差、ノイズ成分等の誤差要因が含まれるため、次のようにしてこれらを除去する。
（１−２）ノイズ除去
式（１９）では、１点の観測から方位角が求まることを示すが、実際のジャイロコンパスの出力にはオフセット誤差、ゲイン誤差、ノイズ成分等の誤差要因が含まれるため、次のようにしてこれらを除去する。
ｓｉｎ（−θ）＝−ｓｉｎ（θ）より、式（１６）をθ＝０に対して対称な２点について足し合わせると第２項が消去され、式（２０）となる。
ノイズがガウス性であることを仮定すると、十分な標本数の平均を取ることにより除去されるから、方位角ψは十分に大きなｎに対して式（２１）で与えられる。
上述したように、ジャイロコンパスの出力にはオフセットが含まれることが予想される。オフセットを除くため、式（１７）のＥは次のようにして求める。
（ａ）ジャイロコンパスを十分な回数だけ回転させて、回転角度に対する出力の平均を求める。
（ｂ）上記（ａ）から１周期の平均を求めて各要素から差し引き、式（１７）でＥを求める。
（１−４）ゲイン誤差補正
この実施例の方式では相関関数から方位角を求める前出の実施例と異なり、ゲイン誤差が方位の誤差となる。このため、較正時において、次のようにゲインの補正を行う。
（ａ）方位と緯度が既知の水平な較正台上で計測ユニット主軸を真北に向け、ゲインを仮に１としてジャイロコンパスを十分な回数だけ回転し、（１−３）の要領でＥを計算し、全振幅をＡとする。
この実施例の方式では相関関数から方位角を求める前出の実施例と異なり、ゲイン誤差が方位の誤差となる。このため、較正時において、次のようにゲインの補正を行う。
（ａ）方位と緯度が既知の水平な較正台上で計測ユニット主軸を真北に向け、ゲインを仮に１としてジャイロコンパスを十分な回数だけ回転し、（１−３）の要領でＥを計算し、全振幅をＡとする。
（ｂ）式（１６）においてａ＝ｂ＝０としてＥの全振幅を求め、Ｂとする。
（ｃ）Ｂ／Ａをジャイロコンパスのゲインとして計測装置のＲＯＭに記録する。
（ｄ）測定時には上記（ｃ）で求めたゲインでＥの補正を行う。
（２）リンク位置の計測
（２−１）ターゲットユニットの位置・方位角
図１２は本発明の他の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置の計測ユニットの模式図である。なお、リンクおよびターゲットユニットは上記した実施例と同様であり、ここでは図示を省略する。
（ｃ）Ｂ／Ａをジャイロコンパスのゲインとして計測装置のＲＯＭに記録する。
（ｄ）測定時には上記（ｃ）で求めたゲインでＥの補正を行う。
（２）リンク位置の計測
（２−１）ターゲットユニットの位置・方位角
図１２は本発明の他の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置の計測ユニットの模式図である。なお、リンクおよびターゲットユニットは上記した実施例と同様であり、ここでは図示を省略する。
この図において、７０は計測ユニットであり、この計測ユニット７０は、基台７１と、その基台７１上に配置されるジャイロコンパス７２、傾斜センサー７３Ａ，７３Ｂ、ピッチ回転軸受取付部７４からなる。さらに、基台７１のピッチ回転軸受取付部７４にはリンク支持機構８０が配置される。リンク支持機構８０は、リンク後端１３Ｂに連結された二股状のアーム８１と、このアーム８１に直交するように固定される四角形状のリンク８２と、このリンク８２に連結されるピッチ回転軸８３からなる。そして、ピッチ回転軸８３の回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｙ軸）８５、ヨー回転軸８４回りの回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｚ軸）８６を備えている。このように各軸回りに高分解能のロータリーエンコーダ８５，８６を設けている。
この計測ユニット７０において、計測ユニット主軸に固定した座標系をＡ、真北をｘ軸、上方をｚ軸として、掘削開始点を原点とする座標系をＢとする。
そこで、計測ユニット７０から見たターゲットユニットのリンク支持位置 AＰAiは式（２２）で与えられる。
そこで、計測ユニット７０から見たターゲットユニットのリンク支持位置 AＰAiは式（２２）で与えられる。
計測ユニット主軸のピッチング角をαi 、ロール角をβi 、方位角をψi とすると、方位座標系Ｂで表現したターゲットユニットのリンク支持位置座標ＰAiおよびターゲットユニットの方向ベクトルＶA は式（２５）、（２６）となる。
（２−２）位置の更新
図１３は本発明の他の実施例を示す計測ユニットとターゲットユニットの位置関係を示す模式図である。ここで、９１はサンプルｉ、９１′はサンプルｉ＋１、９１″はサンプルｉ＋２、９２はサンプルｉのターゲットユニット、９２′はサンプルｉ＋１のターゲットユニット、９２″はサンプルｉ＋２のターゲットユニット、９３はサンプルｉの計測ユニット、９３′はサンプルｉ＋１の計測ユニット、９３″はサンプルｉ＋２の計測ユニットである。
掘削機で掘削し、サンプルｉ（９１）の位置からリンクの長さｌだけ進んだ位置の測定値をサンプルｉ＋１（９１′）の測定値とする。このとき、サンプルｉ＋１の計測ユニット９３′のリンク支点位置はサンプルｉのターゲットユニット９２のリンク支点位置にある。
従って、図１３に示すように、サンプルｉ＋１における計測ユニット９３′の位置・方位角はサンプルｉにおけるターゲットユニット９２の位置・方位角と等しくなり、式（３１）が成り立つ。
従って、図１３に示すように、サンプルｉ＋１における計測ユニット９３′の位置・方位角はサンプルｉにおけるターゲットユニット９２の位置・方位角と等しくなり、式（３１）が成り立つ。
ψBi+1＝ψAi ，ＰBi+1＝ＰAi …（３１）
上記式（２５）、（２６）、（３０）、（３１）の関係を用いると、掘削開始位置を原点とする方位基準座標で表した各サンプルのリンク支持位置座標が逐次求められる。
ただし、上記の方法により求めた方位角ψA ，ψB には誤差が累積し、この誤差は精度に及ぼす影響が大きい。精度を維持するため、適当な間隔ごとに掘削を１０分程度一旦停止し、ジャイロコンパス７２により計測ユニット７０の方位角を検出して、その時点の方位角ψB として用いる。
上記式（２５）、（２６）、（３０）、（３１）の関係を用いると、掘削開始位置を原点とする方位基準座標で表した各サンプルのリンク支持位置座標が逐次求められる。
ただし、上記の方法により求めた方位角ψA ，ψB には誤差が累積し、この誤差は精度に及ぼす影響が大きい。精度を維持するため、適当な間隔ごとに掘削を１０分程度一旦停止し、ジャイロコンパス７２により計測ユニット７０の方位角を検出して、その時点の方位角ψB として用いる。
以降は同じ計算手順で方位角が修正され、精度が維持される。
（３）水平保持台の有無による違い
前述した水平保持台を用いる方法では、ジャイロコンパスの感度軸が水平面と平行に回転するため、地球自転軸とジャイロコンパスの感度軸のなす角度はジャイロコンパスの感度軸が真北を向いたときに最小となり、同時にジャイロコンパスの出力は最大となる。このため、ジャイロコンパスの回転角をθ、ジャイロコンパスの出力をＥ（θ）として、ｃｏｓ（θ）とＥ（θ）の相関関数が最大になるθを方位角とすることができる。この相関関数による方法は、２つの信号間の位相差が求まるため、ジャイロコンパスのオフセット誤差やゲイン誤差はθの計算に影響しない。
（３）水平保持台の有無による違い
前述した水平保持台を用いる方法では、ジャイロコンパスの感度軸が水平面と平行に回転するため、地球自転軸とジャイロコンパスの感度軸のなす角度はジャイロコンパスの感度軸が真北を向いたときに最小となり、同時にジャイロコンパスの出力は最大となる。このため、ジャイロコンパスの回転角をθ、ジャイロコンパスの出力をＥ（θ）として、ｃｏｓ（θ）とＥ（θ）の相関関数が最大になるθを方位角とすることができる。この相関関数による方法は、２つの信号間の位相差が求まるため、ジャイロコンパスのオフセット誤差やゲイン誤差はθの計算に影響しない。
これに対して、この実施例の水平保持台を省略した構成では、ジャイロコンパスの感度軸が水平面に対して傾いて回転するため、地球自転軸とジャイロコンパスの感度軸のなす角が最小になる方位は必ずしも真北ではない。このため、基準関数と測定信号の位相差で方位角を求めることはできない。
一方、ジャイロコンパスの回転軸の傾斜は傾斜センサーにより容易に求まるから、計測地の緯度を参照すれば、ある方位角をジャイロコンパスの感度軸が向いたときの出力の大きさを上記式（１６）で予想することができ、実測した出力の大きさとの比較から、上記式（２０）で方位角を求めることができる。
一方、ジャイロコンパスの回転軸の傾斜は傾斜センサーにより容易に求まるから、計測地の緯度を参照すれば、ある方位角をジャイロコンパスの感度軸が向いたときの出力の大きさを上記式（１６）で予想することができ、実測した出力の大きさとの比較から、上記式（２０）で方位角を求めることができる。
上記式（２０）はジャイロコンパスの出力の大きさから方位角を求める式であり、ゲイン誤差、オフセット誤差の影響を強く受ける。この点が位相差で方位角を求める方法と異なっており、計測系の安定性に対する要求が高くなる。
この反面、装置の構成は非常に単純化され、コスト低減が見込まれる他、機械的精度の確保が容易になる利点がある。
この反面、装置の構成は非常に単純化され、コスト低減が見込まれる他、機械的精度の確保が容易になる利点がある。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明の水平方向掘削先端位置の測定システムは、比較的小さな径を有する管など水平系の掘削において、地中水平方向掘削先端位置を測定する用途に好適である。
１，１１ 掘削機
２1 ，２2 ，…２n ，１２ スリーブ管
３1 ，３2 ，…３n ，２０ ターゲットユニット
４1 ，４2 ，…４n ，１３，１３′，１３″ リンク
５1 ，５2 ，…５n ，３０，６１，７０ 計測ユニット
６ ケーブル（コネクタ付き）
７ コネクタ
８ 坑口
９ 制御装置
９Ａ 入力インターフェース
９Ｂ ＣＰＵ（中央処理装置）
９Ｃ 記憶装置
９Ｄ 出力インターフェース
１０ 表示装置
１３Ａ リンク先端支持点
１３Ｂ リンク後端支持点
１４ ケーブル
１５，９１ サンプルｉ
１５′，９１′ サンプルｉ＋１
１５″，９１″ サンプルｉ＋２
１６，９２ サンプルｉのターゲットユニット
１６′，９２′ サンプルｉ＋１のターゲットユニット
１６″，９２″ サンプルｉ＋２のターゲットユニット
１７，９３ サンプルｉの計測ユニット
１７′，９３′ サンプルｉ＋１の計測ユニット
１７″，９３″ サンプルｉ＋２の計測ユニット
２１，４０，８０ ターゲットユニットのリンク支持機構
２２，３１ 円形のリング（ケース）
２３，４１，８１ 二股状のアーム
２３Ａ，４３Ａ リンク支点
２４，４２，８２ 四角形状のリンク
２５，４３，８３ ピッチ回転軸
２６，４４，８４ ヨー回転軸
２７，４５，８５ ロータリーエンコーダ（Ｚ軸）
２８，４６，８６ ロータリーエンコーダ（Ｙ軸）
３２ ピッチ回転軸受
３３ 水平保持台
３４ 超音波モータ
３５，７２ ジャイロコンパス（角速度センサー）
３６Ａ，３６Ｂ，７３Ａ，７３Ｂ 傾斜センサー
３７Ａ ボールねじ
３７Ｂ ボールねじ受け部
３８ 継ぎ手
３９ 中空ステッピングモータ
４７，７４ ピッチ回転軸受取付部
５１ 水平保持台に対する鉛直軸
５２ 角速度検出軸
５３ 地軸
６２ ｘ軸
６３ ｙ軸
６４ ｚ軸
６５ 北方向軸（ｘ′軸）
６６ ｙ′軸
６７ 地軸（ｘ″軸）
６８ ｚ″軸
７１ 基台
２1 ，２2 ，…２n ，１２ スリーブ管
３1 ，３2 ，…３n ，２０ ターゲットユニット
４1 ，４2 ，…４n ，１３，１３′，１３″ リンク
５1 ，５2 ，…５n ，３０，６１，７０ 計測ユニット
６ ケーブル（コネクタ付き）
７ コネクタ
８ 坑口
９ 制御装置
９Ａ 入力インターフェース
９Ｂ ＣＰＵ（中央処理装置）
９Ｃ 記憶装置
９Ｄ 出力インターフェース
１０ 表示装置
１３Ａ リンク先端支持点
１３Ｂ リンク後端支持点
１４ ケーブル
１５，９１ サンプルｉ
１５′，９１′ サンプルｉ＋１
１５″，９１″ サンプルｉ＋２
１６，９２ サンプルｉのターゲットユニット
１６′，９２′ サンプルｉ＋１のターゲットユニット
１６″，９２″ サンプルｉ＋２のターゲットユニット
１７，９３ サンプルｉの計測ユニット
１７′，９３′ サンプルｉ＋１の計測ユニット
１７″，９３″ サンプルｉ＋２の計測ユニット
２１，４０，８０ ターゲットユニットのリンク支持機構
２２，３１ 円形のリング（ケース）
２３，４１，８１ 二股状のアーム
２３Ａ，４３Ａ リンク支点
２４，４２，８２ 四角形状のリンク
２５，４３，８３ ピッチ回転軸
２６，４４，８４ ヨー回転軸
２７，４５，８５ ロータリーエンコーダ（Ｚ軸）
２８，４６，８６ ロータリーエンコーダ（Ｙ軸）
３２ ピッチ回転軸受
３３ 水平保持台
３４ 超音波モータ
３５，７２ ジャイロコンパス（角速度センサー）
３６Ａ，３６Ｂ，７３Ａ，７３Ｂ 傾斜センサー
３７Ａ ボールねじ
３７Ｂ ボールねじ受け部
３８ 継ぎ手
３９ 中空ステッピングモータ
４７，７４ ピッチ回転軸受取付部
５１ 水平保持台に対する鉛直軸
５２ 角速度検出軸
５３ 地軸
６２ ｘ軸
６３ ｙ軸
６４ ｚ軸
６５ 北方向軸（ｘ′軸）
６６ ｙ′軸
６７ 地軸（ｘ″軸）
６８ ｚ″軸
７１ 基台
Claims (13)
- ターゲットユニット、該ターゲットユニットに設けられるリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンク、該リンクの後端に接続されるリンク支持機構を有する計測ユニットよりなり、長さ方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、高さ方向をＺ軸とする測定装置と、前記ターゲットユニット、前記リンク及び前記計測ユニットを内蔵し、掘削機の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管とを備え、前記掘削機による掘削の進行量がリンク長さとなる毎に前記スリーブ管中心の２点に渡した前記リンクの角度を、前記計測ユニットにより、方位角、重力加速度方向を基準とする座標に変換し、前記方位角の測定に基づいて前記ターゲットユニットの位置を求めることを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記スリーブ管は掘削中の前記掘削機の進路変更に伴って弾性変形し、前記計測ユニットの位置と前記リンクの相対角度に基づいて前記ターゲットユニットの位置を求めることを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、水平保持台上に傾斜センサーとジャイロコンパスを配置し、前記リンクの角度を重力加速度と地球自転軸を基準として求めて、前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項３記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、前記水平保持台に対して前記リンクが前記Ｚ，Ｙ軸回りに回転できるようにリンク支持機構を設け、該リンク支持機構に高分解能のロータリーエンコーダを設け、各Ｚ，Ｙ軸回りのリンク回転角を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項３記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、２個の傾斜センサーを前記Ｘ，Ｙ軸方向に感度軸を向けてセットしておき、前記水平保持台が自動的に水平を保つようにすることを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記ターゲットユニットは前記リンクを接続し、前記計測ユニットから一定間隔離れた場所の前記スリーブ管中心にリンク支持点を保持することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記ターゲットユニットは前記Ｚ，Ｙ軸回りの回転を許すように前記リンク支持機構を備えており、各軸回りに高分解能のロータリーエンコーダを備えて前記ターゲットユニットに対する前記リンクの傾斜角を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットの位置と方向が、前記測定装置が前記リンクの長さと同じ距離移動する前の前記ターゲットユニットの位置及び方向と一致するとみなすことによって前記方位角の検出回数を削減可能にすることを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、基台上に傾斜センサーとジャイロコンパスを配置し、計測地点の緯度を参照する補正方法により、前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項９記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットは、前記基台に対して前記リンクが前記Ｚ，Ｙ軸回りに回転できるようにリンク支持機構を設け、該リンク支持機構に高分解能のロータリーエンコーダを設け、各Ｚ，Ｙ軸回りのリンク回転角を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項９記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記ターゲットユニットは前記リンクを接続し、前記計測ユニットから一定間隔離れた場所の前記スリーブ管中心にリンク支持点を保持することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項９記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記ターゲットユニットは前記Ｚ，Ｙ軸回りの回転を許すように前記リンク支持機構を備えており、各Ｚ，Ｙ軸回りに高分解能のロータリーエンコーダを備えて前記ターゲットユニットに対する前記リンクの傾斜角を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
- 請求項９記載の水平方向掘削先端位置の測定システムにおいて、前記計測ユニットの位置が、前記測定装置が前記リンクの長さと同じ距離移動する前の前記ターゲットユニットの位置と一致するとみなすことによって、前記方位角の検出回数を削減可能にすることを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定システム。
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|---|---|---|---|---|
| JP2007263689A (ja) * | 2006-03-28 | 2007-10-11 | Railway Technical Res Inst | 外部情報を得られない環境における装置の方位計測方法 |
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| CN114111700B (zh) * | 2021-11-23 | 2023-07-04 | 江苏徐工工程机械研究院有限公司 | 测量装置、工程机械、测量方法和控制器 |
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- 2004-12-06 JP JP2004352129A patent/JP4536500B2/ja active Active
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