JP4787435B2

JP4787435B2 - トンネル掘削機の位置計測装置

Info

Publication number: JP4787435B2
Application number: JP2001277584A
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: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: JP2003082990A

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する時、またはオペレータの操作を誘導する場合には正確なトンネルを掘るために、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。
【０００３】
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３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位置を計測する一台の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】
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計測する2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計算するものがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、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計測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広くなったり、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、ＣＣＤカメラで３つもの発光源を認識することが難しく、誤計測を行う心配がある。
【０００６】
また、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計測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ってコストアップを招く。
そして、トンネルの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、設置作業の工数が大幅に増え、また２台とも座標管理が必要で労力がかかるという問題点があった。
【０００７】
本発明は上記の問題点を解決するために、一台の三次元計測器でトンネル掘削機の旋回方向の精度の高い計測を行う方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【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すると共にこの測距用レーザと平行なレーザを放出する追尾式トータルステーションと、前記トンネル掘削機上で、前記プリズムターゲットの中心から前記トンネル掘削機の軸方向にある距離ずれた位置に設置され、前記レーザが照射された位置の位置信号を出力するターゲット板と、計測された傾斜角と前記レーザターゲット板の照射位置信号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る。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記トータルステーションが、前記測距用レーザを用いて前記プリズムターゲットとの距離の測定を行う光波距離計と、前記測距用レーザの放出された方向の測定を行う角度検出器を備え、前記旋回角の算出手段が前記トータルステーションから前記トンネル掘削機までの距離及び測距用レーザの角度と、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及び姿勢を算出する。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、前記旋回角の算出手段を備えたコントローラを前記トンネル掘削機に設置し、前記トータルステーションが、前記光波距離計及び前記角度検出器による測定結果を前記コントローラに入力するための無線を備える。
【００１１】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、追尾式トータルステーションを一台しか使わないでトンネル掘削機の旋回角を測定できるのでコストを削減でき、且つ、追尾式トータルステーションの設置作業を容易にする。また、一台のトータルステーションが１箇所しか計測しないので、計測を正確に行うことができる。
【００１２】
第２の発明によれば、トンネル内におけるトンネル掘削機の位置とヨーイング角がわかることにより、予め設定した掘削条件に対してトンネル断面の掘削を正しく行える。
【００１３】
第３の発明によれば、トータルステーションから離れた位置での掘削が可能であり、広い範囲の掘削を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本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の位置測定装置を側面方向からみた構成図であり、図２は上方向からみた構成図である。
【００１５】
まず、トンネルを基準としたトンネル座標系を想定する。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軸正方向、トンネルの水平掘削方向をZ軸の負方向とする。また、トンネル掘削機１が水平である状態（トンネル掘削機１の横軸および縦軸がトンネル座標系のＺＸ平面に平行な同平面上に存在する状態）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、トンネル座標系のＺ軸に対するトンネル掘削機１の垂直軸周りの回転角をヨーイング角βとする。このような座標系におけるトンネル掘削機１の位置・傾き・旋回方向を検出する。
【００１６】
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とローリング角γを計測する。ここで、傾斜計２は、２つの傾斜計を用いてそれぞれの方向の傾斜角α、γを計測してもよいが、本実施形態においては、2軸周りの回転を計測できる１つの傾斜計２を用いる。傾斜計２の後方にプリズムターゲット３を固定して設置し、その中心をトンネル掘削機１の位置を計測する際の計測点とする。
【００１７】
ここで、図３、４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、ピッチング角α＝ヨーイング角β＝ローリング角γ＝０の状態のとき、トンネル座標系の軸方向と一致するように設定する。つまり、トンネル掘削機１の傾きや旋回は、トンネル座標系に対する掘削機座標系の傾きや旋回に一致する。
【００１８】
また、プリズムターゲット３の中心からδ₁上方且つδ₂後方に離れた位置にレーザターゲット板４を設置する。レーザターゲット板４の一方の表面を測定面とし、その測定面を掘削機座標系のxy平面に平行に設置する。レーザターゲット板４は、測定面にレーザが照射されるとその照射された位置座標P（x，y）を出力するが、ここで出力される座標P(x，y)は測定面の中心を原点とし、掘削機座標系のx軸およびｙ軸と平行な2次座標系（ターゲット板座標系）における位置座標である。本実施形態においては、この測定面の中心がプリズムターゲット３の中心からδ₁上方（Y軸正方向）でδ₂後方（Z軸正方向）となるように設置しているが、下方や前方に設置してもよい。
【００１９】
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共に、傾斜計２等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。
【００２０】
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の位置は、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の位置座標を測定する。
【００２１】
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定部に対するプリズムターゲット３の距離を計測する光波距離計と、測距用レーザ６の放射され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測距用レーザ６の放出角度を検知することができる。このような二つの測定要素から、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測定することができる。
【００２２】
また、図１に示すように追尾式トータルステーション５の上部にはレーザ発射機８を設置し、レーザ発射機８からは、測距用レーザ６のδ₁上方を平行にはしるレーザ７を放射する。レーザ発射機８はピッチング角α＝ローリング角γ＝０、かつ、レーザ７に対するトンネル掘削機１の旋回角が０の時、レーザ７はターゲット板４の中心を照射するように設置する。但し、中心に限るものではなく、レーザターゲット板４の左右中心に存在すればよい。トンネル掘削機１が傾き、旋回すると、レーザ７はレーザターゲット板４の中心からずれるので、そのずれと傾斜計２で得られた傾斜角（ピッチング角αおよびローリング角γ）から旋回角（ヨーイング角β）を求めることができる。
【００２３】
ここで、図５〜図７のように、ピッチング角α＝ローリング角γ＝０で、レーザ７とトンネル掘削機１の軸が同平面上に存在する状態、つまり、レーザ７に対するトンネル掘削機１の旋回角が０の状態を仮想トンネル掘削機１Ａとし、仮想トンネル掘削機１Ａの状態における掘削機座標系を仮想座標系とする。つまり仮想座標系はレーザ７を水平面に射影した方向がＺ軸方向、垂直上方向がＹ軸方向、それらに垂直な方向がＸ軸方向となる。
【００２４】
前述したように、追尾式トータルステーション５にはレーザ７のトンネル座標系に対する放射方向を検知する角度検出器を備えているので、レーザ７のトンネル座標系に対する旋回角が分かり、仮想座標系は既知の座標系となる。そのため、仮想座標系に対するトンネル掘削機１の旋回角、つまり仮想座標系に対する掘削機座標系の旋回角を算出することで、トンネル座標系に対するトンネル掘削機１のヨーイング角βを算出することができる。このとき、原点から正方向を見た時に時計周りの方向を正の回転方向とする。
【００２５】
そこで、プリズムターゲット３のトンネル座標系における位置座標、ピッチング角α、ローリング角γ、レーザ７のトンネル座標系に対する旋回角β₂、およびターゲット板４に照射されたレーザ７の位置座標から、掘削機側に設置したコントローラでヨーイング角βを算出する。ここで、追尾式トータルステーション５における測定結果を掘削機側のコントローラに送るために、追尾式トータルステーション５に無線機を備える。その結果、トンネル掘削機１はトータルステーション５から離れた位置での掘削が可能となり、トンネル内で広い掘削を行うことができる。
【００２６】
次に、本実施形態のコントローラで実行される座標位置の測定方法の大まかな流れを図１２のフローチャートで示す。実際のトンネル掘削機１が図８〜図１０のような状態の時の座標位置と、その傾きおよび旋回角度を計測する。
【００２７】
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（トンネル座標系におけるZ軸）に対する測距用レーザ６の放出された角度β₂（＝レーザ７の放出された角度）を計測する。
【００２８】
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側で得られた計測結果を掘削機側コンピュータに無線により伝送する。これにより、掘削機側コンピュータにプリズムターゲット３の中心点のトンネル座標系における位置座標O（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）とトンネル軸に対する測距用レーザ６の角度β₂（＝レーザ７の角度）がインプットされる。
【００２９】
次にステップS３で、追尾式トータルステーション５からレーザ７をレーザターゲット板４に照射する。ここで、位置計測の必要な掘削作業中のトンネル掘削機１の傾きは安全のためそれほど大きくなく、また掘削面が決まっているので掘削作業中の旋回もそれほど大きくならないので、レーザ７はレーザターゲット板４を外れることはない。
【００３０】
次にステップS４において、ステップS３の結果得られたレーザの照射位置P（ｘ，ｙ）と傾斜計２で得られたピッチング角αとローリング角γを掘削機側コンピュータにインプットし、後述する計算方法でレーザ７に対するトンネル掘削機１の旋回角β₁を求めることができる。
【００３１】
最後にステップS５に進み、ステップS２から得られたトンネル軸に対するレーザ７の旋回角度β₂と、ステップS４から得られたレーザ７に対する掘削機１の旋回角度β₁により、トンネル軸に対する掘削機１のヨーイング角βを求めることができる。これと，ステップS2で得られたプリズムターゲット３の中心の位置座標、および傾斜計２により計測したピッチング角α、ローリング角γから、掘削機１のトンネル座標系における位置座標・傾き・旋回方向を決定することができる。
【００３２】
次に、図１２のステップS4の計算方法を図１３のフローチャートに示す。ステップS４では、ピッチング角α、ローリング角γ、ターゲット板座標系における照射位置座標P（ｘ，ｙ）からレーザ７に対するトンネル掘削機１のヨーイング角β₁を掘削機側コンピュータにより算出する。
【００３３】
ステップS４−１において、ピッチング角α、ローリング角γ、ターゲット板座標系における照射位置座標P（ｘ，ｙ）をインプットする。次にステップS４−２において、照射位置座標P（ｘ，ｙ）をターゲット板座標系から掘削機座標系に変換する。ターゲット座標系は掘削機座標系をｙ軸方向にδ₁、Ｚ軸方向にδ₂だけ平行移動させたものであるから、掘削機座標系における照射位置座標はＰ（ｘ，ｙ＋δ₁，δ₂）となる。
【００３４】
次にステップＳ４−３に進み、現実のトンネル掘削機１は仮想トンネル掘削機１Ａ（図５〜図７）が仮想座標系で各軸周りに回転したもの（図８〜図１０）なので、照射位置を仮想座標系で表すには掘削座標系を各軸に沿って回転させる必要がある。そこで、この時点でわかっているピッチング角αおよびローリング角γによる補正を行う。これは、
【式１】

で求めることができ、この結果
【式２】

となる。
【００３５】
これにより、実際のトンネル掘削機１の掘削機座標系をｘ軸（横軸）周りにα、ｚ軸（縦軸）周りにγ回転させたときの変換を行うことができ、変換後はヨーイング角β₁のみの影響を受けていることになる。
【００３６】
ここで、図１１において照射点をｚｘ平面に投射した時、レーザ７に対してトンネル掘削機１のｙ軸周りの回転がない場合（β₁＝０の時）には、変換後の座標系と仮想座標系が一致するので照射点はｚ軸上に存在する。しかし、ｙ軸周りヨーイング角β₁の回転がある時にはｚ軸からβ₁回転した線上に存在する。よって、ステップＳ４−５において、
【式３】

が成立し、これと（式２）よりレーザ光７に対するトンネル掘削機１のヨーイング角β₁を求めることができる。
【００３７】
この結果β₁とステップＳ２の結果β₂を用いて、前述のような方法で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、トンネル掘削機１の位置と姿勢を算出できる。
【００３８】
このように、高価な追尾式トータルステーション５を２つ用いずに１つのみでトンネル掘削機１の位置と姿勢を計測できるので、コストを削減でき、且つ、座標管理の労力を削減することができる。また、１つの追尾式トータルステーション５は、1点のみを追うので、広い範囲の計測を正確に行うことができる。
【００３９】
なお、本発明の実施形態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測定装置の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測定装置の上方からみた構成図である。
【図３】測定に用いるプリズムターゲットとレーザターゲット板を側面からみた図である。
【図４】測定に用いるプリズムターゲットとレーザターゲット板を後方からみた図である。
【図５】仮想トンネル掘削機の側面図である。
【図６】仮想トンネル掘削機の後方からみた図である。
【図７】仮想トンネル掘削機の上方からみた図である。
【図８】トンネル掘削機をｙ軸周りに回転させたときの状態図である。
【図９】トンネル掘削機をｘ軸周りに回転させたときの状態図である。
【図１０】トンネル掘削機をｚ軸周りに回転させたときの状態図である。
【図１１】ｙ軸周りの回転があるときの照射点をｚｘ平面に投射した時の座標面である。
【図１２】トンネル掘削機の位置計測方法の全体的な流れを示したフローチャートである。
【図１３】トンネル掘削機のヨーイング角を算出する流れをしめしたフローチャートである。
【符号の説明】
１トンネル掘削機
１Ａ仮想トンネル掘削機
２傾斜計
３プリズムターゲット
４レーザターゲット板
５追尾式トータルステーション
６測距用レーザ
７レーザ
８レーザ発射機
α ピッチング角
β ヨーイング角
γ ローリング角

Claims

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すると共にこの測距用レーザと平行なレーザを放出する追尾式トータルステーションと、
前記トンネル掘削機上で、前記プリズムターゲットの中心から前記トンネル掘削機の軸方向にある距離ずれた位置に設置され、前記レーザが照射された位置の位置信号を出力するターゲット板と、
計測された傾斜角と前記レーザターゲット板の照射位置信号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ことを特徴とするトンネル掘削機の位置計測装置。
前記トータルステーションが、前記測距用レーザを用いて前記プリズムターゲットとの距離の測定を行う光波距離計と、前記測距用レーザの放出された方向の測定を行う角度検出器を備え、
前記旋回角の算出手段が前記トータルステーションから前記トンネル掘削機までの距離及び測距用レーザの角度と、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及び姿勢を算出する請求項１に記載のトンネル掘削機の位置計測装置。
前記旋回角の算出手段を備えたコントローラを前記トンネル掘削機に設置し、
前記トータルステーションが、前記光波距離計及び前記角度検出器による測定結果を前記コントローラに入力するための無線を備えた請求項２に記載のトンネル掘削機の位置計測装置。