JPH03172710A - 位置姿勢角計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、移動体、特にトンネル用掘削機（ＴＢＭ、シ
ールド、セミシールド）や小口径管推進機（商品名：ア
イアンモール）等の地中移動体の位置および姿勢角を計
測する位置姿勢角計測装置に関する。

〔従来の技術〕

水道管、ガス管等を地中埋設するためにトンネル掘進を
行う地中掘削機では、施行計画ライン通りに推進すべく
、該地中掘削機の地中における移動位置、つまり施行計
画ラインに対する相対水平方向位置（左右変位）および
同ラインに対する相対鉛直方向位置（上下変位）並びに
地中掘削機の地中における姿勢角、つまり施行計画ライ
ンにχ・Ｉする左右方向姿勢角（ヨーイング角）および
施行計画ラインに対する鉛直方向姿勢角（ピッチング角
）を計重１して、これら各計測データと’ｔ＝ｆ応する
目標値（左右変位、上下変位およびヨーイング角および
ピッチング角が零）との偏差が零になるように手動制御
する必要がある。

このため、地中掘削機にはこれら位置および姿勢角を計
＆ＰＩすることのできる位置姿勢角計ΔＩＩＪ装置が配
設されている。第２５図は、この位置姿勢角計測装置の
センサ部の構成を概念的に示す。同図に示すように地中
掘削機の外部所定位置に配設された光投光器６′から地
中掘削機の内部長手方向に沿って、その光軸が地中掘削
機の予定移動経路（施行計画ライン）と一致するように
光ビーム３（レーザビーム）がＭｆ光線として投光され
る。

一方、地中掘削機の内部には長手方向に所定距離したけ
離間して、ＰＳＤ　（ポジション・センシティブ・ディ
テクタ）１′および２′が配設されている。このＰＳＤ
Ｉ−２−は、通常はａ−５ｔ（アモルファスシリコン）
ＰＳＤが使用される。

すると、ＰＳＤＩ−の受光面１ａ−に光ビーム３−が照
射されて、入射光の２次元照射位置（Ｘｙ＋）が検出さ
れるとともに、ＰＳＤ２でも、ＰＳＤＩ−を透過された
光ビーム３′が１１（（射されて、その２次元照射位置
（ｘ２、ｙ２）か検出される。ここに、地中掘削機が施
行計画ライン通りの位置にあり、施行計画ラインに対し
てヨーイングもピッチングもしていない状態では、光ビ
ーム３′の光軸は、センサ部の中心軸ＣＴと一致し、両
ＰＳＤＩ−２”の受光面の原点０１０２（０，０）をそ
れぞれ通過するようになっている。

したがって、いま上記のごと（ＰＳＤＩ−の照射位置が
（Ｘ＋　　Ｖ＋　）てあり、ＰＳＤ２−の照射位置が（
Ｘ２、Ｙ２）であるならば、施行計画ラインに対する相
対水平方向位置（左右変位）Ｘおよび同ラインに対する
相対鉛直方向位置（上ド変位）Ｙ並びに地中掘削機の地
中における姿勢角、つまり施行計画ラインに対する左右
方向姿勢ｆｒ＋（ヨーイング角）θＸおよび施行計画ラ
インに対する鉛直方向姿勢角（ピッチング角）θｙは、
明らかにそれぞれド記第（１）弐〜第（４）式のように
演算することかできる。

Ｘ−−ｘ、・・・（１） Ｙ＝Ｙ＋　　・・・　（２） θ　ｘ−ａ　　ｒ　　ｃ　　ｔ　　ａ　　ｎ　　（（ｘ
＋　　−Ｘ２　　）　　／Ｌ）・・・　（３） θ　ｙ−ａｒｃｔａｎ　　ｆ（ｙ＋　　　　！／２）／
Ｌ＋（４） 従来において池中ｊｉｉｌ削機、ひいてはあらゆる移動
体の位置および姿勢角は、以上のようにして求めていた
。

また、地中掘削機では、特にオーガニ法を採用するアイ
アンモールにあっては、その長手方向中心軸上に排土用
のスクリューか配設され、上記センサ部を上記中心軸上
に配設することができなく、いきおい上記センサ部を上
記中心軸からオフセットした位置に配設するようにして
いる。

また、第２６図に示すようにＰＳＤＩ−の前段には、地
中掘削機が施行計画ライン通りの位置にあり、施行計画
ラインに対してヨーイングもピッチングもしていない状
態下において光ビーム３′の光点が原点位置に表示され
る「１盛り板４′が設けられている。しかして、目盛り
板４′に表示された光ビーム３′の光点の２次元位置座
標をオペレータが視認することにより、位置計測（左右
ずれ、上下ずれ）が行われる。この場合、オペレタによ
る位置の読取りを容易ならしめるため、ＰＳＤＩ−の周
囲に照明ランプ５″・・を設け、十分な明るさを確保す
るようにしている。

上記のごとく演算された地中掘削機の位置δよび姿勢角
は地中掘削機の外部、たとえば発進立坑に配設された操
作盤のＣＲＴ表示画面上に表示される。そして通當はオ
ペレータかＣＲＴ表示画面上に表示された地中掘削機の
位１遍および姿勢角を視認することにより地中掘削機が
予定移動紅路に沿って進行するように方向修正操作を行
う。しかし、両ＰＳＤＩ−２’の出力に基づくｌ寅Ｉ？
が不可能になる事態が発生した場合には、オペレータは
操作盤の照明ランプ５′の点灯スイッチを１・’ｔ　ｆ
’＋して、照明ランプ５′を点灯させるようにする。

その後は目盛り板４′の表示内容に基づき上１尼方向修
ｉｎ操作を行うようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の位置姿勢角検出装置は、検出原理が簡単
なので、装置自体の構造を簡素化できるというメリット
があるものの、実用的には次のような問題点を有してい
る。

】）まず、第一に一般的に照射位置検出精度の高い（１
％Ｆ、Ｓ程度）ＰＳＤを得るためには、均一な抵抗膜を
蒸着させることが必要不可欠である。しかし、均一な抵
抗膜の確保はＰＳＤの受光面か大面積化するほど困難に
なり、製造歩留まりも低Ｆする。この点、ａ−３ｉＰＳ
Ｄては単結晶ンリコンＰＳＤよりも大面積化が容易とは
いえ、ＰＳＤの受光面が大面積化するほど均一な抵抗膜
の確保が困難になることには変わりはない。

一方、位置姿勢角計測装置にａ−８ｉＰＳＤを使用した
場合には、照射位置検出精度とａ−３ｉＰＳＤの構造と
位置姿勢角計重１原理とに起因して必要な計測範囲より
も大きなサイズの２枚のａＳｉＰＳＤが必要とされる。

こうした大きなサイズのａ−３ｉＰＳＤを使用する場合
には、前述した均一な抵抗膜の確保の困難性から位置お
よび姿勢角の計測精度を十分なレベルに持っていくこと
はできないこととなっていた。このように従来のもので
は実用上要求される計測範囲と計δＩＩＩ精度とを同時
に満足することができないという欠点を何していた。

２）また、第２にＰＳＤＩ−２−は地中１’４削機に搭
載されることから、スペースの制約上、両ＰＳＤの間隔
りを短くする必要がある。

一方、姿勢角の計測精度は、前記（３）、（４）式から
明らかに、ＰＳＤＩ−２”それぞれの照射位置（Ｘ＋　
　Ｙ＋）、（ｘ２、ｙ２）の険ｔ１４精度とＰＳＤ間距
離りの大きさとに依存しているのがわかる。

ここに照射位置の検出精度の向上を図って姿勢角計測精
度を向上させることが考えられるか、２枚のＰＳＤＩ−
２−の照射位置検出精度のバラツキの影響を受けること
と、前記１）の問題とに起因して高精度化は難しい。

また、ＰＳＤ間隔りを大きくして、実用上要求される±
１　／　１０００ラジアンのオーダーの姿勢色計測精度
にすることか考えられるが、これを確保するためにはＰ
ＳＤ間隔りを十分に大きくする必要がある。しかし実際
には上記したスペースの制約上、Ｌを十分な大きさにと
ることができないことか多い。

このように従来のものでは装置の小型化と要求される姿
勢角計測精度とを同時に満足することがでない欠点を有
していた。

３）また、従来のものではＰＳ、ＤＩ−の照射位置およ
びＰＳＤ間隔りに応じて３ｔ　１（ＩＩＩすることので
きる姿勢角の範囲が変化する。すなわち、第２７図（ａ
）に示すように光ビーム３′がＰＳＤＩ　−の受光面１
ａ′　（これは位置検出が可能な範囲であり、同図に破
線にて示す）の端から距離１１離間した位置に照射した
場合には、光ビーム３′のＰＳＤＩ　’に対する入射角
度がθ１以下の範囲でなければ、光ビーム３′はＰＳＤ
２　’の受光面２ａ（位置検出が可能な範囲であり、同
図に破線にて示す）内に照射できず、姿勢角を計測する
ことができない。一方、光ビーム３′がＰＳＤＩ″の受
光面１ａ−の端から距離＋２（＞１１）離間した位置に
照射した場合には、θ１よりも大きい０２以下の範囲の
入射角度の光ビーム３′であってもＰＳＤ２−の受光面
２ａ−内に照射することができ、姿勢角を計７１１１＋
することができる。このよつにＰＳＤ１″の照射位置が
中心から外れれば外れる程、光ビーム３−の入射角度の
上限値、つまり計測可能な姿勢角の上限値が小さくなる
のがわかる。

また同図（ｂ）に示すようにＰＳＤ間隔りかＬの場合に
は、光ビーム３′がＰＳＤＩ−の受光面１ａ−の端から
距離１．雛間した位置に照ｎ・１（また場合に入射角度
θ以下の範囲の光ビーム′つ′をＰＳＤ２−て受光する
ことかできるが、Ｐ　Ｓ　Ｄ　ｌｆ：１隔りがＬ’２（
＞Ｌｌ）の場合には、光ビーム３′がＰＳＤＩ−の受光
面１ａ−の端から距離１２（＞１．）離間した位置に照
射した場合に始めて同じく人１１＝ｊ角度θ以下の範囲
の光ビーム３′をＰＳＤ２−て受光することができる。

このようにＰＳＤ間隔りが大きくなればなるほど、光ビ
ーム３′の入射角度の上限値、つまり計測可能な姿勢角
の上限値が小さくなるのがわかる。

このように、従来のものではＰＳＤＩ　−の受光面１ａ
−の端に光ビーム３″が照射した場合に計測できる姿勢
角が事実上計測可能な姿勢角の上限値であり、それは非
常に小さいものになることがわかる。また、前述するよ
うにＰＳＤ間隔りを大きくして、姿勢角計測精度を引き
上げようとすれば、計測可能な姿勢角の上限値が小さく
なってしまう。

以上のような１）〜３）の問題点のため、従来のものは
、あまり実用的でないので現在採用、実施されるには至
っていない。

また、上記のごとくセンサ部が地中掘削機の中心軸から
オフセットした位置に配設されているため、地中掘削機
がローリングした場合にセンサ部か傾斜して、ＰＳＤＩ
”２’の検出値に影響をＬＪえて正確な位置および姿勢
角を計ｌ１ｌ１１することができないこととなっている
。しかもローリングに起因してセンサ部が回転するので
光ビーム３′がＰＳＤＩ−２−の照射面から外れてしま
い、ついには両ＰＳＤＩ、２による位置および姿勢角の
計測が不可能になる事態が発生する。

また、地中掘削機が予定移動経路から大きく外れたり、
予定移動経路に対して大きく傾斜するなどして光ビーム
３′がＰＳＤＩ　　２’の照射面から外れてしまい、つ
いには両ＰＳＤ１−　２”による位置および姿勢角のπ
−１７ＩｌｌＩか不可能になる事態が発生することかあ
る。さらには、光ビーム３′とセンサ部との間に障害物
か介在した場合にも当の計測が不可能となる。

また、ＰＳＤＩ−の周囲に照明ランプ５′・・・を設け
て目盛り板４′を照明する従来の方式のものでは、光が
散乱してしまうため、視認するに十分な明るさを得るた
めに多数の照明ランプ５′・・が必要となり、これは装
置コストの上昇を招来することになる。また、ＰＳＤＩ
−の周囲に照明ランプ５′・・・を設けているため、照
明ランプ５−が位置的にＰＳＤＩ　−の受光領域を邪魔
してしまい、位置および姿勢角の胴側範囲を狭めてしま
うという問題があった。

さらにまた、地中掘削機の使用環境に起因してその内部
は高湿度てあり、したがって内部に配設されたセンサ部
と光投光器６′との間に介在された目盛り仮４′の表面
で温度変化によって結露か発生することがある。このた
め目盛り板４″表面で水滴が発生して、これにより光ビ
ーム３′が散乱したり、遮断されたりして、位置および
姿勢角の計ａｌｌｌ精度が低下したり、ついには当の計
７１１１１が不可能になることがある。

また、作業効率上、ＰＳＤＩ−２−の出力に基づく計測
が不可能になった場合には、迅速に目盛り板４′に基づ
く計測に移行することが望まれる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、
ローリングの影響を加味しつつ、位置および姿勢角の計
測範囲の増大およびこれら位置および姿勢角の計）ＩＩ
Ｉ精度の高精度化を図るとともに、装置の小型化を図る
ことをその第１の目的とし、ローリングによって位置お
よび姿勢角の計測が不可能になる事態を事前に防止する
ことができる表示を行うことを第２の目的とし、方向修
正操作に指標を与えることのできる表示を行うことを第
３の目的とし、地中掘削機の予定移動経路からのずれあ
るいは障害物などによって位置および姿勢角の計”測が
不可能になる事態を事前に防止することができる表示を
行うことを第４の目的とし、低コストの設備を以て、位
置および姿勢角の計測範囲を狭めることなく目盛り板の
表示を視認できるようにするとともに、結露を防止して
位置および姿勢角の計測精度を維持することを第５の目
的とし、位置検出器（Ｐ　Ｓ　Ｄ）の検出値に基づく計
測か不可能になった場合に迅速に目盛り板に基づく計測
に移行して作業効率の向上を図ることを第６のＹ］的と
し、最終的には信頼性高い計測および表示を行うことが
できる位置姿勢角計測装置を提供することをその共通の
目的としている。

〔課題を解決するための手段および作用〕そこで本発明
の第１発明では、光軸が移動体の予定移動経路と一致す
るように光を投光する光投光器を備えるとともに、前記
光投光器から投光された光を受光、透過して照射位置を
２次元的に検出する第１の位置検出器と、前記第１の位
置検出器によって透過された光を受光して照射位置を２
次元的に検出する第２の位置検出器とを前記移動体に所
定距離離間して配設し、前記第１、第２の位置検出器で
検出された前記光の２次元照射位置に基づき前記移動体
の位置および姿勢角を演算するようにした位置姿勢角計
測装置において、前記光投光器と前記第１の位置検出器
との間または前記第１の位置検出器と前記第２の位置検
出器との間に配設されたレンズと、前記第１の位置検出
器で検出された前記光の２次元照射位置に基づき前記移
動体の位置を演算するとともに、前記第２の位置検出器
で検出された前記光の２次元照射位置に基づき前記移動
体の姿勢角を演算する第１の演算手段と、前記移動体の
ローリング角を検出するローリング角検出手段と、前記
ローリング角検出手段の出力に基づいてローリングに伴
う前記第１、第２の位置検出器の前記移動体に対する相
対位置ずれを演算する第２の演算手段と、前記第２の演
算手段の演算値に基づいて前記第１の演算手段の演算値
を補正する第３の演算手段とを具えるようにしている。

かかる構成によれば、光投光器と第１の位置検出器との
間または第１の位置検出器と第２の位置検出器との間に
レンズを配設したた・め、投光された光がレンズで収束
されて、第１の位置検出器ではその照射位置に応して光
の基■位置（原点）からのずれを検出することができる
とともに、第２の位置検出器ではその照射位置に応じて
レンズに対する入射角度を検出することができるように
なる。このため、移動体の位置および姿勢角を第１、第
２の位置検出器の各検出結果ごとに演算することができ
るようになる。しかもローリングか発生したとしてもロ
ーリングに伴う第１、第２の位置検出器の移動体に対す
る相対位置ずれを求めることができる。しかして、この
求めた相対位置ずれを加味して、移動体の位置および姿
勢角が正確に求められる。

また、本発明の第２発明では、上記第１発明の構成に加
えて、第２、第３の演算手段の演算結果に基づいて移動
体の位置および姿勢角を表示するとともに、ローリング
に伴って第１の位置検出器の位置検出範囲か変化したこ
とを表示する表示手段とを具えるようにしている。

すなわち、ローリングの影響を加味した移動体の位置お
よび姿勢角が視認できるともに、ローリングにけって第
１の位置検出器の位置検出範囲か移動したことを視認す
ることができる。

また、本発明の第３発明では、第１の位置検出器で検出
された光の２次元照射位置に基づき移動体の位置を演算
するとともに、第２の位置検８器で検出された光の２次
元照射位置に基づき移動体の姿勢角を演算する演算手段
の演算結果に基づいて移動体の現在の位置および姿勢角
を表示するとともに、移動体の将来の位置および姿勢角
を表示する表示手段とを具えるようにしている。

すなわち移動体の現在の位置および姿勢角が視認できる
とともに、移動体の将来の位置および姿勢角が視認でき
て、方向修正操作に指標を与え得る。

また、本発明の第４発明では、移動体の位置および姿勢
角を複数の領域に分類し、第１の位置検出器で検出され
た光の２次元照射位置に基づき移動体の位置を演算する
とともに、第２の位置検出器で検出された光の２次元照
射位置に基づき移動体の姿勢角を演算する演算手段の演
算位置および演算姿勢角か複数の領域のいずれに属して
いるかを判定する判定手段と、演算手段の演算結果を表
示するとともに、判定手段によって判定された領域に応
じた警告を表示する表示手段とを具えるようにしている
。

すなわち、移動体の位置および姿勢角が視認できるとと
もに、移動体の位置および姿勢角の大きさに応じた警告
を視認することができて、第１、第２の位置検出器の検
出範囲から光が外れないように方向修正操作を行うこと
ができる。

また、本発明の第５発明では、第１、第２の位置検出器
およびレンズで構成されたセンサ部と光投光器との間に
設けられ、第１の位置検８器の２次元照射位置を表示す
る位置表示板と、レンズの焦点近傍に設けられ、位置表
示板を照明する一照明ランプと、位置表示板の表示面を
温めるヒータとを具えるようにしている。

すなわち、照明ランプは第１の位置検出器の周囲に設け
られるのではなく、レンズの焦点近傍に設けられて、位
置的に第１の位置検出器の受光領域を邪魔することがな
い。そして照明ランプから投光された照明光は、レンズ
の焦点近傍にあるため、レンズで屈折され、平行光線に
集光される。

照明光の指向性が強くなり、散乱の度合いが小さくなる
。これにより、照明ランプを多数段けずとち位置表示板
がきわめて明るく照明される。モしてヒータによって位
置表示板の表示面が温められて結露の発生が防止される
。

また、本発明の第６発明では、第１、第２の位置検出器
およびレンズで構成された位置検出部と前記光投光器と
の間に設けられ、第１の位置検出器の２次元照射位置を
表示する位置表示板と、レンズの焦点近傍に設けられ、
位置表示板を照明する照明ランプと、第１、第２の位置
検出器の検出結果に基づき移動体の位置または姿勢角の
計測が不可能であるか否かを判定する判定手段と、判定
手段によって計７１１１１が可能であると判定された場
合に第１の位置検出器で検出された光の２次元照射位置
に基づき移動体の位置を演算するとともに、第２の位置
検出器で検出された光の２次元照射位置に基づき移動体
の姿勢角を演算する演算手段の演算結果を表示するとと
もに、判定手段によって計ｆｉｌが不可能であると判定
された場合に該判定内容を表示する表示手段と、照明ラ
ンプを点灯または消灯させる点灯・消灯切替スイッチと
を具え、表示手段に計測が不可能であることが表示され
た場合に点灯・消灯切替スイッチを照明ランプの点灯側
に切り替えるようにしている。

すなわち、移動体の位置または姿勢角の計測か可能であ
ると判定された場合に、演算された移動体の位置および
姿勢角が表示され、これを視認することができるととも
に、移動体の位置および姿勢角の計７ＴＰ１が不可能で
あることが判定された場合にこの判定内容が表示され、
これを視認することができる。したがって移動体の位置
および姿勢角の計測が不可能であることの表示に従い、
迅速に点灯・消灯切替スイッチを照明ランプの点灯側に
切り替え、位置表示板による計測に移行することができ
る。

また、本発明の第７発明では、第１、第２の位置検出器
およびレンズで構成された位置検出部と光投光器との間
に設けられ、第１の位置検出器の２次元照射位置を表示
する位置表示板と、レンズの焦点近傍に設けられ、位置
表示板を照明する照明ランプと、第１、第２の位置検出
器の検出結果に基づき移動体の位置または姿勢角の計測
が不可能であることを判定する判定手段と、判定手段に
よって計測か不可能であるとｆ１１定された場合にｔ（
α明うンプを点灯させる手段とを具えるようにしている
。

すなわち、移動体の位置および姿勢角の計７１１１１が
不可能である場合には自動的に照明ランプの点灯されて
、位置表示板による計測に自動的に移行することができ
る。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
。

なお、実施例では、本発明に係る位置姿勢角計測装置が
、小口径管推進機（商品名：アイアンモール）に適用さ
れる場合を想定している。が１９本発明としてはトンネ
ル用掘削機等、他の地中掘削機にも適用可能であり、さ
らには地中を移動し得る地中移動体であれば任意に適用
可能である。ひいてはあらゆる移動体に適用可能である
。

さて、第１図に実施例の位置姿勢角５１測装置の構成を
、第２図に実施例の位置姿勢角計測装置が適用される小
口径管推進機（以下、単に推進機という）の全体構成を
、第３図に実施例の位置姿勢角計測装置のブロック図を
、第４図（ａ）に実施例の位置姿勢角計測装置のポジシ
ョンセンサ部の概念構成図をそれぞれ示す。

これら図に示すように実施例の位置姿勢角３１測装置は
、大きくは推進機１００のパイロットヘッド（先導管）
１０１に搭載された推進機上装置（し〜ザターゲット）
１０２と、発進立坑ＳＨに配設されたレーザ発進部（レ
ーザセオドライト）６と、発進立坑ＳＨ付近の地表面Ｅ
Ｐに配設され、推進機上装置１０２に電気ケーブル１０
３を介して接続されるコントロールユニット１０４とか
ら構成されている。

ここにレーザ発進部（レーザセオドライト）６は、光軸
が推進機１００の予定移動経路、つまり施行計画ライン
と一致するように、推進機１００の内部に向けて基阜光
線たるレーザ光３を投光するものである。そして、レー
ザターゲット１０２は、さらにポジションセンサ部１０
５と、信号処理部１０６とから構成されている。信号処
理部１０６は、推進機１００のローリング角θｒ（第１
８図参照）、つまり左右方向の傾斜を検出するローリン
グ角検出センサ１０７と、推進機１００のピッチング角
を検出するピッチング角検出センサ１０８と、ポジショ
ンセンサ部１０５の出力およびローリング角検出センサ
１０７の出力が加えられ、後述する処理を行う信号処理
回路９と、ピッチング角検出センサ１０８の出力を所要
に増幅するアンプ１０９とから構成されている。また、
パイロットヘッド１０１には、パイロットヘッド１０１
の先端部の揺動角を検出する左右のポテンショメータ１
１０，１１１か配設されている。これらポテンショメー
タ１１０．１１１の出力はアンプ１０９を介して信号処
理回路９に加えられる。

なお、パイロットヘッド１０１の先端部は、所要の揺動
用の油圧シリンダによって駆動され、この油圧シリンダ
はコントロールユニッｌ−１，０４の操作盤１１２に設
けられた操作レバーの操作により制御される。したかっ
て、この操作レバーの操作により推進機１００（パイロ
ットヘッド１ｏ１）の方向修正を行うことができる。

さて、一方、ポジションセンサ部１０５は、第４図（ａ
）に示すように推進機１００の長手方向と受光面１ａが
垂直になるように配設され、レーザ発信部６から投光さ
れたレーザ光３を受光して、レーザ光３の２次元照射位
置（Ｘ＋　　ｙ＋）を示す電気信号を出力する、光透過
性を有するＰＳＤ（ポジション・センシティブ・ディテ
クタ）１と、その受光部２ａがＰＳＤＩの受光部１ａと
平行となるようにＰＳＤＩから所定距離りまたけ離間し
て配設され、ＰＳＤＩを透過したレーザ光３を受光して
、レーザ光３の２次元照射位置（Ｘ２、Ｙ２）を示す電
気信号を出力する、光透過性を有するＰＳＤ２とを中心
に構成され、さらにレーザ発信部６とＰＳＤＩとの間に
は、レーザ発信部６から投光されたレーザ光３を収束す
るレンズ７がそノ・１；、面部７ａがＰＳＤＩ、２の受
光部１ａ、２ａと平行となるように配設されている。

なお実施例では、ポジションセンサ部の構成としてレン
ズ７をレーザ発信部６とＰＳＤＩとの間に配設するよう
にしているか、第４図（ｂ）に示すようにＰＳＤＩとＰ
ＳＤ２との間にレンズ７を配設するポジションセンサ部
の構成であってもよい。

ここに、ＰＳＤｌ、２は後述するａ−５ｉ（アモルファ
スシリコン）ＰＳＤが使用される。

なお、レンズ７としては、非球面レンズでも球面レンズ
であってもよい。ただし、レンズ７として非球面レンズ
を使用する場合には、レンズ７は、その焦点がＰＳＤ２
の受光面２ａ上に位置するように配設する必要がある。

が、レンズ７として球面レンズを使用する場合には、必
ずしもそうする必要はない。

ここに、推進機が施行計画ライン通りの位置にあり、施
行計画ラインに対してヨーイングもピッチングもしてい
ない状態ては、レーザ光３の光軸はセンサ部１０５の中
心軸ＣＴと一致し、両ＰＳＤ１．２の受光部１ａ、２ａ
の原点０　＋　、　０２（０，０）をそれぞれ通過する
ようになっている。

以上のような構成のもとに、レーザ発信部６カ・らレー
ザ光３が投光されて、ＰＳＤＩにおいて入射光の２次元
照射位置（ｘ、　　ｙ＋）が検出され、ＰＳＤ２におい
て入射光の２次元照射位置（Ｘ２、ｙ２）が検出される
と、施行計画ラインに対する相対水平方向位置（左右変
位）Ｘおよび同ラインに対する相対鉛直方向位置（上下
変位）Ｙ並びに地中掘削機の地中における姿勢角、つま
り施行計画ラインに対する左右方向姿勢角（ヨーイング
角）θＸおよび施行計画ラインに対する鉛直方向姿勢角
（ピッチング角）θｙは、第４図（ａ）のセンサ（６成
の場合、以下のようにして演算することができる。

Ｘ＝　　　（Ｆ／Ｌ２　）　　・Ｘ＋　＋・＋　（５ａ
）Ｙ＝　　　（Ｆ／Ｌ２　）　　・Ｙ＋　−（６ａ）θ
ｘ−ａｒｃｔａｎ　（−ｘ２／Ｆ）　・−（７）θｙ−
ａｒｃｔａｎ　　（−ｙ２／Ｆ）−（８）たたし、Ｆは
、レンズ７の塩点距離である。これら（５−８）、（６
−ａ）、（７）、（８）式は、非球面レンズを使用した
場合に両辺のイコルが成立するが、球面レンズを使用し
た場合には、左右両辺はほぼ等しいものになり、後述す
る収差？＋ｔｉ正をする必要かある。

ここで、上記ＰＳＤＩ、２として使用されるａＳｉＰＳ
Ｄの構造とその位置検出原理について簡１１−に説明す
る。

ａ−８ｉＰＳＤの模式図を示すと第５図のようになる。

ａ−５ｉＰＳＤは薄膜による３層構造で、上面よりＸ座
標検出用の透明抵抗層５０　（ＩＴＯあるいは５ｎＯ２
）、つぎにａ−５ｉ層５１（この層はａ−３ｉ太陽電池
に用いられる構成と同じｐｉｎ構造で、この層に光が照
射すると光起電力が生じる）、下面にＸ座標検出用の透
明抵抗層５２がある。このａ−ＳｉＰＳＤにＨｅ−Ｎｅ
レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）などのスポット光５
６を照射すると、このスポット光が照射された部分のみ
が太陽電池として動作し、電圧１）、６〜０，８Ｖ）が
発生して、光起電力部５３においてこれに起因する電流
が生じる。同図に示すように、Ｘ座標検出抵抗層５０が
電流の湧き出し口となり、Ｘ座標検出用抵抗層５２が吸
い込み口となる。

まず、Ｘ座標検出用抵抗層５０に注目すると、湧き出し
た電流は、この抵抗層５０を流れて、抵抗層５０の両端
に取り付けられである集電電極５４（これを斜線で示す
）から外部回路へｌｘ。

ｌｘ２として取り出される。また、Ｘ座標検出用抵抗層
５２に注目すると、外部回路からｌｘ１、ｌｘ２として
供給される電流が集電電極５５（これを斜線で示す）よ
り抵抗層５２に流れ込み、吸い込み口より光起電力部５
３へ達する。

さらに、ａ−５ｉＰＳＤの位置検出原理について第６図
を参照して説明する。

同図に示すようにＸ座標に関し、集電電極５４ａの位置
をＸｌ、集電電極５４ｂの位置をＸ２とし、Ｘ座標に関
し、集電電極５５ａの位置をＹ１集電電極５５ｂの位置
をＹ２とし、これら集電電極５４ａ、５４ｂ間の距離を
Ｌｘとし、集電電極５５ａ、５５ｂ間の距離をＬｙａし
、スポット光５６の入射位置より位置Ｘ１までの距離お
よび対応する抵抗並びにスポット光５６の入射位置より
位置Ｘ２までの距離および対応する抵抗をそれぞれｌｘ
、　　Ｒｘ、並びにＬｘ２、Ｒｘ２とし、方、スポット
光５６の入射位置より位置Ｙ、まての距離および対応す
る抵抗並びにスポット光５６の入射位置より位置Ｙ２ま
での距離および対応する抵抗をそれぞれｌｙ＋　　Ｒｙ
Ｉ並びにｌＹｚ、Ｒｙ　２とし、入射光５６により生成
された電流を１０とすると、集電電極５４ａおよび５４
ｂより流出する電流ｌｘ、　　　ｌｘ２並びに集電電極
５５ａおよび５５ｂより流出する電流ＩＹ＋　　　１’
／２は、次の（９）、（１０）式のごとく求められる。

Ｉ　ｘ、＝　ｔＲｘ２／　（Ｒｘ、＋Ｒｘ２）ｌ　　Ｘ
ｌ。

Ｉ　Ｘ２　＝　ｆＲｘ＋　／　（Ｒｘ、　十Ｒｘ２）ｌ
　　ｘｌＯ ・・（９） Ｉ　ｙ＋　−（Ｒｙ２／　（ＲｙＩ　＋ＲＹ２　））ｘ
ｌ。

Ｉ　Ｙ２　＝　（ＲｙＩ　／　（ＲｙＩ　＋Ｒｙ２　）
）ｘｌ。

・・（１０） ここて抵抗層５０．５２が均一で距離ｌｘ。

１ｘ２が抵抗値Ｒｘ、　　Ｒｘ２とにそれぞれ比例する
とともに、距Ａｆ　ｌ　ｙ　＋　　　１　ｙ　２が抵抗
値ＲｙＲＹ２とにそれぞれ比例するならば、上記（９）
、（１ｏ）式はそれぞれ、 ｌｘ、−（ｌｘ２／Ｌｘ）　　　Ｉ。

Ｉ　Ｘ２−　（ｌ　ＸＩ　／Ｌｘ）　　　ｉｏ　　−（
１１）Ｉ　ｙ＋　−（Ｉ　ｙ２　／Ｌｙ）　　　Ｉ。

ｌｘ２−　（ＩＹ＋　／Ｌｙ）　　　ｉｏ　　＋＋・（
１２）と書き換えられる。さらにここで距離Ｌｘ、Ｌｙ
および電流Ｉ。を一定とすると、電流ｌｘ、　　　ｌｘ
２はそれぞれ距離１２．１１のみの関数となり、一方、
電流１　ｙ　ｌＩ　ｙ　２もそれぞれ距離１３’２、ｌ
ｙ＋のみの関数となる。したがってｌｘ、とｌｘ２との
差あるいは比を求めることによってセンサ面内でのＸ座
標位置を求めることができ、同様にＩＹ＋　とｌｘ２と
の差あるいは比を求めることによってセンサ面内てのＸ
座標位置を求めることができる。が、実際には光強度の
変化による■。

の変化等があるため、ｌｘ、とｌｘ２　　（Ｉｙ＋とｌ
ｘ２）との単純な差あるいは比を用いずに下記（１Ｂ）
、（１４）式の演算によりセンサ面内での２次元照射位
置（ｘＳｙ）を求めるようにする。

（１３）式においてＸはセンサ面内の相対位置を示し、
たとえば位置Ｘ１においてｘ−１、位置Ｘ２においてｘ
　””　　１　、位置Ｘ、　　Ｘ２の中央てＸ−０とな
る。Ｘ座標に関しても同様である。

ｘ＝　（Ｉｘｌ　　　Ｉ　Ｘ２　）／　（Ｉｘｌ　＋　
Ｉ　ｘ２　）ｘ（Ｌｘ／２）・・・（１３） Ｙ−（ＩＹ＋　　ｌｘ２）／　（１”ｙ＋　＋Ｉｙｚ）
Ｘ　（Ｌｙ／２）・・・（１４） つぎにａ−３ｉＰＳＤの光透過性について検討する。第
７図に入射光の波長に対するａ−８ｉＰＳＤの感度並び
に透過率の関係を示す。同図から明らかなようにａ−３
ｉＰＳＤは長波長（赤色光）に対して優れた透過性を示
し、かつ感度は５５０ｎｍ（黄色光）でピーク値となり
、これをピークとして長波長側、短波長側にいくにつれ
て低下する性質を有していることがわかる。

一般に市販されているレーザ発信部６としてのレーザセ
オドライトでは波長６３２．８ｎｍ　（赤色光）のＨｅ
−Ｎｅレーザが使用されているので、この市販品を利用
してレーザ光を投光すればａ　−５ｉＰＳＤは半透過性
を以てポジションセンサ部］０５のＰＳＤとして十分機
能することわかる。

以下、上記のようなａ−５ｉＰＳＤがＰＳＤＩ、２とし
て使用され、かつレンズ７として球面レンズを使用し、
かつ第４図（ａ）のセンサ構成で上記（１３）、（１４
）式を用いて推進機１００の位置および姿勢角の演算を
行う場合の演算処理態様について説明する。

なお、球面レンズには一般に収差があるため、姿勢角を
演算する過程での処理は複雑なものになる。これに対し
て球面収差やコマ収差などを取り除いた非球面レンズを
使用すれば、処理はかなり簡単になるがこのようなレン
ズは高価であるというデメリットがある。そこで、実施
例では安価な球面レンズを使用し、これによる複雑な球
面収差のための補正演算をソフト的に容易に処理するべ
く信号処理回路９を第８図に示すようにディジタル回路
構成としている。

第４図（ａ）と第８図とを併せ参照して説明するに、レ
ーザ発信部６からレーザ光３が投光されると、レーザ光
３はまずレンズ７で屈折されてＰＳＤＩの受光面１ａに
照射される。すると、ＰＳＤｌから入射光のＸ方向照射
位置Ｘ１に応じた電流１ｘ１　　１ｘ２が、入力回路６
０のアンプに出力されるとともに、入射光のｙ方向照射
位置ｙに応じた電流１’／＋　　　ＩＹ２が、アンプに
出力される。なお、これら電流はレーザ出力が０．２〜
２ｍＷの範囲において正常に出力されるように設定され
ているものとする。すると、これらアンプにおいて電流
１ｘ＋　　　Ｉ　Ｘ２　、ＩＹＩおよびｘｙ２がそれぞ
れ電流−電圧変換されるとともに、所要のレベルまで増
幅されて、電流ｌｘ、　　　ｌｘ２、Ｉｙｌおよび！ｙ
２に対応する電圧Ｖｘ１　Ｖｘ２、■ｙｌおよびＶＹ２
が次段のマルチプレクサ４４に加えられる。

レーザ光３は、ＰＳＤＩを透過した後、レンズ焦点に配
設された（必ずしもレンズ焦点に配設する必要はないが
）ＰＳＤ２の受光面２ａに収束される。すると同様にＰ
ＳＤ２から入射光の照射位置ｘ２に応じた電流Ｊ　Ｘｒ
　　Ｊ　Ｘ２が、入力回路６０のアンプに出力されると
ともに、入射光の照射位置ｙ２に応じた電流Ｊｙ＋　　
Ｊｙ２が、アンプに出力される。すると、アンプにおい
て電流Ｊｘ＋　　ＪＸ２、ＪｙＩおよびＪＹ２がそれぞ
れ電流−電圧変換されるとともに、所要のレベルまで増
幅されて、出力電圧Ｕ　ｘ　１Ｕ　Ｘ　２　、Ｕ　ｙ　
＋およびＵ’／２が、次段のマルチプレクサ４４に加え
られる。

以」二のような処理か入力回路６０で実行されると、マ
ルチプレクサ４４から後段の回路動作はＲＯＭ４５　Ｈ
に書き込まれたプログラムに従ってＣＰＵ４５が管理す
る。以下、ＣＰＵ４５で行われる処理手順について第９
図から第１２図のフロチャートを参照しつつ、処理内容
を人力部、処理部および出力部に分類し、順を追って説
明する。

ここに第９図はメインフローチャートを、第１０図は、
第９図の入力部の詳細な手順を示すフロチャートを、第
１１図は、第９図の処理部の詳細な手順を示すフローチ
ャートを、第１２図は、第１１図のサブルーチン処理を
それぞれ示す。

ａ）人力部 まず、ＣＰＵ４５の初期化がなされ（ステップ１０００
）、後述する調整用データが調整回路４９からＡ／Ｄコ
ンバータ４６を介してアナログディジタル変換されて人
力される（ステップ］００１．２００１）。そしてロー
リング角検出センサ１０７の検出値θｒが同様にＡ／Ｄ
変換されて入力される（ステップ１００２．２００２）
。さらに、前述したＰＳＤＩ、２の出力がマルチプレク
サ４４、ＡＧＣ回路４７およびＡ／Ｄコンバータ４６を
介してＡ／Ｄ変換されて入力される（ステップ１００３
）。

すなわち、Ａ／Ｄコンバータ４６のチャンネルがＰＳＤ
信号人力用に割り当てられたチャンネルに設定される。

つぎにＡＧＣ回路４７のゲインが１に設定される。この
′ときマルチプレクサ４４０チヤンネルがＰＳＤＩのト
ータル生成電流Ｉ。

（上記Ｉ。に対応）に対応する信号電圧（Ｖｘ＋Ｖｘ２
）のチャンネルに設定される。しがして、ＡＧＣ回路４
７のゲインが１のときのＶｘ、　十ＶＸ２　　（ＰＳＤ
Ｉのトータル電流に対応する）がＡ／Ｄコンバータ４６
から入力される（ステップ２００３）。

つぎに入力されたＰＳＤＩの生成電流■。１のレベル、
変化率が異常であるか否かのエラーチエツク処理が実行
される（ステップ２００４）。つまり上記するようにレ
ーザ出力が０．２〜２ｍＷの範囲にあるならば、生成電
流Ｉ。１は正常てあり（ステップ２００５の判断結果は
エラー無）、手順はステップ２００６に移行され、入力
信号電圧かＣＰＵ４５で扱えるデータ長（たとえば８ビ
ツトＣＰＵならば０〜２５５ｂ　ｉ　ｔとなる）のフル
スケール近くの一定値になるようにゲイン１で人力され
た信号電圧の大きさに基づいてＡＧＣ回路４７のゲイン
を設定する処理が実行される（ステップ２００６）。こ
のようにする理由は、前記（１２）式の変形式、 Ｌ　ｘ　２　／　Ｌ　ｘ　＝　Ｉ　ｘ　ｌ／　Ｉ　ｏ　
＋　−（１０）から入射光の照射位置（ＰＳＤＩのＸ座
標位置）を計算できるが、実際には光強度の変化によっ
てトータル電流Ｉ。１が変動したり、光強度の低下によ
ってトータル電流■。１か小さくなったりするとＣＰＵ
４５内で行われる除算（電流比Ｅｘ／　Ｉ　ｏ　＋　）
の演算精度が劣化してしまうので、ＡＧＣ回路４７でト
ータル電流が常時ある一定の値になるようにすることに
よって演算の精度を劣化させないようにするためである
。

ＰＳＤＩに関し以上のごと＜ＡＧＣ回路４７のゲインが
設定されると、これら設定ゲインの下でマルチプレクサ
４４のチャンネルが逐次切り替えられて、電圧ｖＸ、　
　■Ｘ２、Ｖｙｌおよびｖｙ２がＡ／Ｄ変換されて順次
入力される（ステップ２００７）。

一方、レーザ出力が０．２〜２ｍＷの範囲外にあり、生
成電流工。、が異常であると判断された場合には（ステ
ップ２００５の判断結果はエラ有）、手順はステップ２
００８に移行されて、現在ＰＳＤＩの出力電流か異常で
あることを示すエラーコードをセットする処理が実行さ
れる（ステップ２００８）。

以下、ステップ２００９から２０１４では上記ステップ
２００３から２００８と同様の処理がＰＳＤ２に関し実
行されることになる。

以上が入力部の処理の内容である。

ｂ）処理部 つぎに第９図に示すようにレーザ光３のＰＳＤｌ、２に
おける２次元照射位置の計算が実行され（ステップ１０
０４）、推進機１００の位置Ｘ、Ｙおよび姿勢角θｘ１
θｙの計算が実行され（ステップ１００５）、そして得
られた位置および姿勢角データの平均処理が実行され（
ステップ１００６）、さらに送信すべきデータのコード
チエツク処理が実行される（ステップ１００７）。

これらの処理を第１１図および第１２図を併せ参照して
説明するが、その前に第１３図から第１５図を参照して
該処理部で実行される演算の原理について説明する。こ
の実施例ではレーザ光３のレンズ７上での入射高、入射
角とＰＳＤＩおよびＰＳＤ２のセンサ面内における光点
位置との関係をいわゆる光線追跡法によって求めるよう
にしている。

第１３図にポジションセンサ部１０５の幾何学的関係を
示し、第１５図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に第１３図のＡ
−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、ＣＣ断面図をそれぞれ示す
。

これら図に示すレンズ（球面レンズ）７の曲率半径Ｒ１
レンズ７の中心の厚さＴ、ＰＳＤＩの厚さＴ１、ＰＳＤ
２の厚さＴ２、空気の屈折率Ｎ。、レンズ７の屈折率Ｎ
、　　ＰＳＤＩ、２の屈折率Ｎ２はセンサ部の設計過程
において決定されて、既知であるものとする。

以下、レンズ７上てのレーザ光３の入射高Ｈと入射角度
θ。を求め、その後レンズ７の射出高、射出角度並びに
ＰＳＤＩ、ＰＳＤ２の各面における入射高、入射角度お
よび射出高、射出角度を順次求めていく　（これを光線
追跡法という）。

いまポジションセンサ部１０５の長手方向中心軸ＣＴと
平行なレーザ光３が入射高Ｈてレンス７に入射する場合
、スネルの法則などから各点における入射角、屈折角お
よび入射高、射出高は、同図からあきらかに以下のよう
に求められる。

θｏ−ａ　　ｒ　　ｃ　　ｓ　　ｉ　　ｎ　　（Ｈ／Ｒ
）　　−（１５）一方、入射角度θ。のとき球面での屈
折角度θは反射・屈折の法則から、 θ、−ａｒｃ’ｓｉｎ　　ｆ（Ｎｏ／Ｎ＋　）　　０ｓ
ｉｎθ０）・・・（１６） か成り立つ。また′Ｉｔ面側での入射角度θ２と射出角
度θ１との間には、 θ２−θ。−θ１・・・（１７） の関係か成り立つから、射出高Ｈ８は次式で表せられる
。すなわち、レンズ７の入射点ＣＰからレンズ平面部７
ａまての距離をＤとすると、Ｄ−Ｔ−Ｒ（１−ｃ　ｏ　
ｓθ、　）　＝−（１，８）であり、 Ｈｏ−Ｈ−Ｄｔａｎθ２ ＝Ｈ−［Ｔ−Ｒ（１−ｃｏｓθｏ）） ｔａｎθ２・・・（１９） となる。射出角度θ３は、反射・屈折の法則から下記（
２０）式で表せられる。

θ、−ａｒｃｓｉｎ　　ｆ（Ｎｌ／Ｎ、）　　・ｓｉｎ
θ２）・・・（２０） つぎにＰＳＤｌ上での入射高Ｈ１、入射角度θとＰＳＤ
ｌ上での射出高ｄＩ、射出角度θ３との関係を求める。

同図においてレンズ平面部７ａとＰＳＤＩの受光面１ａ
とが平行とすれば、レンズ７上での射出角度とＰＳＤｌ
上での入射角度とはθ、と等しくなる。一方、ＰＳＤＩ
での入射角度θ３と射出角度θ、との関係は、第１４図
と式（２１）とから求められる。

Ｎ、ｓｉｎθ、−Ｎ２ｓｉｎθ４−Ｎｏ５ｉｎθ、・・
（２１） θ３−θ、・・・（２２） これより θ４−ａｒｃｓｉｎ　　ｆ（Ｎｏ／Ｎ２）　　・ｓｉｎ
θ、）　・・・（２３） θ５−ａｒｃｓｉｎ　　（（Ｎ２／Ｎ、）　　・ｓｉｎ
θ４）　・・・（２４） そして、ＰＳＤｌ上での入射高Ｈ４と射出高ｄ。

との関係は次式で表せられる。

Ｈ＋　　−Ｈａ　　　Ｘ　１　　ｔ　　ａ　　ｎ　　θ
！−（２５）ｄ　Ｈ−Ｈ＋　　　Ｔ　１　　ｔ　　ａ　
　ｎ　　θ４−（２６）つぎにＰＳＤ２上での入射高Ｙ
２を求める。

ＰＳＤＩの射出面とＰＳＤ２の入射面を平行とすれば、
ＰＳＤ２上での入射高Ｈ２は次式（２７）％式％ （２７） さらに同様にしてＰＳＤ２に関し、 θ６−ａｒｃｓｉｎ　　ｆ（Ｎｏ／Ｎ２）＊ｓｉｎθ、
）・・・（２８） θ７−ａｒｃｓｉｎ　　ｆ（Ｎ２／Ｎｏ）　　・ｓｉｎ
θ６）・・・（２９） ｄ２−Ｎ２−Ｔ２　ｔ　ａ　ｎθ６−（３０）入射角度
θ。から０分変化した入射角度θｉの場合を考えると、
（１５）式においてθ。をθｉとすれば、前述の式がそ
のまま使用できる。ただし、θｉ−θ。±θであり、こ
こにθｉは未知数であり、θ。は既知であり、θは与え
られるものとする。

θ１−ａｒｃｓ　ｉｎ　（Ｈ／Ｒ）−θ−（３１）一方
、入射角度θ。のとき球面での屈折角度θは反射・屈折
の法則から、 θ、−ａｒｃｓｉｎ　　（（Ｎｏ／Ｎ＋）　　・ｓｉｎ
θｉ）・・・（３２） これらの式からレンズ７上でのレーザ光３の入射高Ｈと
入射角θを与えたときＰＳＤＩ、２のセンサ面内におけ
る光点の入射高Ｈ，Ｎ２を詳細に求めることができ、こ
れに基づき第１１図および第１２図の演算処理を行うこ
とができる。

以上は光線追跡法による計算方法であるが、以下に述べ
るようにＰＳＤｌ、２の出力から実際に得られる光点位
置（Ｘ１％　Ｙ＋　）、（Ｘ２、ｙ２）からレーザ光３
のレンズ７上での入射位置（Ｘ。

Ｙ）および中心軸ＣＴとレーザ光３かなす角度（θｘ１
θｙ）を求めるには、レンズ７の収差やレーザ光３が中
心軸ＣＴとなす角度に起因する光点位置のずれを補正し
た近似式（３３）〜（３５）を利用する。

Ｈ＝　Ｋ　ｒ　　（Ｈ１＋ΔＨ＋）・・・（３３）ΔＨ
，−に２　ｔ　ａｎθ・　（３４）θ−ａｒｃｔａｎ　
　（（Ｈ７−ｄＨ／Ｆ）ｌ　　・・・（３５） これら式からレーザ光３の入射高、入射角度を求めるこ
とができる。そしてこれらのＣＯＳ成分、ｓｉｎ成分を
とれば位置ｘＳｙ、姿勢角θＸ１θｙを計算することが
できる（第１５図参照）。

ここにＦはレンズ主点ＲＰからＰＳＤ２の受光面までの
２ａまでの距雛である。また、Ｋ、　　Ｋ２は光点追跡
法による数値計算によりＨとθの関数になっていること
かわかる。このに、、Ｋ２は必要に応じてその形を近似
して決定するようにする。またｄＨはレンズ７の収差で
あるが、現状では球面収差だけを考慮するようにしてい
る。すなわち、ｄＨは、レーザ光３が中心軸ＣＴに対し
て平行に入射した場合のＨ２の値であり、これをＨに６
対応して予め求めておき、図示していないブタテーブル
（収差テーブル）に記憶、格納するようにしておく。こ
うすることによって実際の演算処理が容易かつ高速化さ
れることになる。

なお、レンズ７の収差は球面収差だけでないが、実際上
、推進機１００て必要な角度計測範囲は±３０／１００
０ラジアン（約１．７度）の範囲であり、この程度の角
度計測範囲であるならば球面収差による誤差を補正して
おけば実用上十分な角度計測精度が得られるので、他の
要因による誤差は考慮しないようにしている。

さて第１１図に示すように、まずＰＳＤ］のン次元照射
位置５（ｘｌ、ｙ、）を求めるべく、入力端子Ｖ　Ｘ　
（Ｖ　Ｘ　２　、Ｖ　ｙｌおよびｖ　ｙ　２＋、：基づ
き上記（１３）、（１４）式に対応する演算、ＫＸＩ　
−（Ｌｘｌ　／２）　　　（Ｖｘ＋　−Ｖｘ２　）／　
（ＶＸ、＋ＶＸ２　）−（３６） ＫＹｌ　−（ＬＹ＋　／２）　　　（Ｖ！／ｌ　　ＶＹ
２　）／　　　　（Ｖｙ１＋Ｖｙ２）・・・（３７）が
実行される。ここにＬｘ、　　Ｌｙ、はＰＳＤＩに固有
の値としてＴめメモリに記憶されているものとする（ス
テップ３００１）。

つぎに上記ステップ１００１．２００１で人力された取
付誤差係数Ｇｘ、Ｇｙに基づきＰＳＤＩの前後方向の取
付誤差による２次元照射位置５（ｘＩ　　ｙｌ）の位置
ずれを補正する処理が、Ｌ　Ｘ　＋　−Ｇ　ｘ　ｘ　Ｋ
　Ｘ　＋　−（３８）Ｌ　Ｙ　＋　−Ｇ　ｙ　ｘ　Ｋ　
Ｙ　＋　・・・（３９）のごとく実行される（ステップ
３００２）。

そしてステップ３００１と同様にしてＰＳＤ２の２次元
照射位置Ｔ（Ｘ２、’／２）を求めるべく、入力端子［
Ｊ　ｘ　１　　Ｕ　Ｘ　２　、Ｕ　ｙ　１およびＵＶ２
に基づき上記（１３）、（１４）式に対応する演算、Ｋ
Ｘ２　＝　（ＬＸ２　／２）　　　（ＵＸ、Ｉ　　ＵＸ
２　）／　（ＵＸＩ　＋ＵＸ２　）−（４０）Ｋ’＋’
＋　＝　（ＬＶ２／２）　　　（Ｕｙ＋　　ＵＶ２）／
　（Ｕｙ＋　＋Ｕｙ２　）・・　（４１）か、実行され
る。ここにＬＸ２、Ｌｙ２はＰＳＤ２に固有の値として
予めメモリに記憶されているものとする（ステップ３０
０３）。

つぎに上記ステップ１００１．２００１で人力された取
付誤差係数α、βに基づきＰＳＤ２の上下および左右方
向の取付誤差による２次元照射位置Ｔ　（ｘ２　、ｙ２
）の位置ずれを補正する処理が、ＬＸ２−ＫＸ２＋α・
・・（４２） Ｌｙ２　漏ＫＹ２　＋β・・・　（４３）のごとく実行
される（ステップ３００４）。

以下、上記（３３）〜（３５）式に基づきステップ３０
０５から３００８およびサブルーチン処理４００１〜４
００９において位置ＸＳＹおよび姿勢角θＸ、θｙが求
められるが、上記式から明らかなように位置（ｘ、ｙ）
と姿勢角（ＵＸ、θｙ）は互いに相手を式中に含むので
、まず姿勢角（θｘ１θｙ）に起因するＰＳＤＩでの光
点の入射高の補正値ΔＨ２をゼロにして位置（Ｘ、Ｙ）
と姿勢角（θｘ１θｙ）を計算しくステップ３００５．
３００６）、つぎにこうして求めた位置（Ｘ、Ｙ）と姿
勢角（ＵＸ、θｙ）から光点の入射高の補正値ΔＨ１を
計算し、再度位置（Ｘ、Ｙ）と姿勢角（ＵＸ、θｙ）を
計算するようにしている（ステップ３００７．３００８
）。

すなわち、姿勢角（ＵＸ、θｙ）による２次元照射位置
Ｓ（ｘＩ　　ｙｌ）の補正ｆｆ１ＤＸ、、ＤＹをゼロと
して（ステップ３００５）、手順は第１２図のフローチ
ャートに移行される（ステップ３００６）　。

第１２図に示すサブルーチンでは、まず補正量ＤＸＳＤ
Ｙに基づき２次元照射位置５（ｘｌ　　ｙ）を補正する
処理、つまり現在の２次元照射位置ＬＸ、　　ＬＹ、の
内容をそれぞれＬＸ、＋ＤＸ。

ＬＹ、＋ＤＹにする処理が実行される（ステップ４００
１）。そして入射高Ｈ１の計算か、Ｈ＋　＝　（Ｌ　Ｘ
　＋　　＋　　　＋　　）・・・（４４）のごとく実行
される（ステップ４００２）。

そしてつぎに上記得られた２次元照射位置ＬＸＬＹ、お
よび入射高Ｈ１に基づき位置（Ｘ。

Ｙ）および入射高Ｈを、 Ｘ−に、　　・ＬＸ、・・・（４５） Ｙ−に、　　・ＬＹ、・・・（４６） Ｈ−に、　　・Ｈｌ・・・（４７） のごとく求め得る（ステップ４００３）。

つぎに上記データテーブル（収差テーブル）から対応す
る収差ｄｈを選択する処理が実行され（ステップ３００
４）　、Ｘ軸、Ｙ軸方向の収差ｄｈｘＳｄｈｙが、 ｄｈｘ−ｄｈ　　”　　ＬＸ＋　　／Ｈ＋　　”’　　
（４８）ｄ　ｈ　ｙ　＝　ｄ　ｈ−Ｌ　Ｙ　＋　　／　
Ｈ＋　　・・・　（４９）のごとく演算される（ステッ
プ４００５）。

そして得られた収差ｄｈｘ、、ｄｈｙからステップ３０
０４で求めたＰＳＤ２の２次元照射位置ＬＸ２、ＬＹ２
を補正する処理、 Ｍ　Ｘ　２−　Ｌ　Ｘ　２−　ｄ　ｈ　ｘ　−（５０）
ＭＹ２−　Ｌ　Ｙ２　　ｄ　ｈ　ｙ・・・（５１）が実
行される（ステップ４００６）。そして上記ステップ１
００１．２００１で人力された取付誤差係数ＦＯＣＵＳ
に基づきＰＳＤ２の前後方向の取付誤差によるずれがＸ
、Ｙ軸方向についてそれぞれ、 ＸＦ−ＦＯＣＵＳ−Ｘ／Ｆ・・・（５２）ＹＦ−ＦＯＣ
ＵＳ−Ｙ／Ｆ・・・（５３）求められ（ステップ４０（
’）７）、これよりＰＳＤ２の２次元照射位置のＰＳＤ
２前後方向の取付誤差によるずれを補正する処理、 ＮＸ２−ＭＸ２＋ＸＦ・・・（５４） Ｎ　Ｙ　２−　Ｍ　Ｙ　２　＋　Ｙ　Ｆ・・・（５５）
が実行される（ステップ４００８）。しかして、これよ
り上記（３５）式に対応する演算が下記のごとく実行さ
れ、姿勢角θＸ、θｙが、θｘ−ａ　ｒ　ｃ　ｔ　ａ　
ｎ　（ＮＸ２／Ｆ）　＝−（５６）θｙ−ａｒｃｔａｎ
　（ＮＹ２／Ｆ）−（５７）のように求められる（ステ
ップ４００９）。

すると、手順は再び第１１図のフローチャートのステッ
プ３００７に移行され、上記得られた姿勢角θｘ１θｙ
に基づきＰＳＤＩの２次元照射位置Ｓ　（Ｘ＋　　Ｖ＋
　）を補正する処理、つまり上記（３４）式に対応する
演算が、 ＤＸ−に２　ｔａｎθＸ＝・（５８） ＤＹ−に２＊ｔａｎθｙ・　＜５９） のごとく実行され、以下、補正ｆｆ１ＤＸ、ＤＹの内容
を上記のごとくして前述したサブルーチン処理が実行さ
れることになる（ステップ３００８、ステップ４００１
〜４００９）。

このようにして位置Ｘ、Ｙおよび姿勢角θｘ１θｙが得
られることになり、これを最初のデータとしてその内容
をステップ１００２．２００２て入力されたローリング
角θｒとともに一時的に記憶しておく。その後ステップ
３００１〜３００８の処理が繰り返し実行され（これと
ともにローリング角θｒが繰り返し人力され）、過去１
６回分のデータを個々に平均する処理が実行される（ス
テップ３００９）。そして得られた平均データのコード
チエツクが実行され（ステップ３０１０）、手順は第９
図のフローチャートのステップ１００８に移行される。

Ｃ）出力部（データ送信処理） 出力部では得られた各データはたとえばＲ３−２３２−
Ｃ規格のインターフェースを介して出力回路４８から各
データを多重化して、−本の電気ケーブル１０３を介し
てコントロールユニット１０４のホストコンピュータ１
１３に対してシリアル送信する処理が実行される。

すなわち、第１６図は出力回路４８から送信される伝送
信号のプロトコルを示す略図であり、同図（ａ）に示す
ように伝送信号は、先頭から、１ブロック分のデータ群
（ＤＡＴＡＩ〜ＤＡＴＡ　１０）を識別するためのデー
タＨＤ１、ＨＤ２と、これに続く水平方向位置Ｘを示す
データＤ　Ａ’Ｔ　Ａ１、鉛直方向位置Ｙを示すデータ
ＤＡＴＡ２、水手方向姿勢角（ヨーイング角）θＸを示
すデータＤＡＴＡ３、鉛直方向姿勢角（ピッチング角）
θｙを示すデータＤＡＴＡ４と、ステップ２００４．２
０１４でセットされたＰＳＤＩ、２の生成電流に関する
エラー情報を示すデータＤＡＴＡ５と、ローリング角θ
ｒを示すデータＤＡＴＡ６と、ＰＳＤ２のＸ軸座標位置
ｘ２、ｙ方向座標位置ｙ２をそれぞれ示すデータＤＡＴ
Ａ７、ＤＡＴＡ８と、ＰＳＤＩ、２の生成電流ｌ。１．
１０２をそれぞれ示すデータＤＡＴＡ９、ＤＡＴＡ　１
０とから一単位が構成され、これらＤＡＴＡ　１〜１０
て構成されたデータ列がこれらデータ列のデータ長に応
じた周期で繰り返しシリアル伝送される。なお、各デー
タは、同図（ｂ）に示すようにたとえばデータＨＤ１を
例にとればデータの先頭を示すスタートビットと、デー
タの内容を示す、最下位ビットＬＳＢから最上位ビット
ＭＳＢまでが合計８ビツト（ＤＯ〜Ｄ７）のデータコー
ドと、ノぐリテイチェック等の手法によってエラー検出
を行うべくデータコードの後ろに付加されたパリテイビ
・ソトと、データの終端を示すストップビット（２ビ・
ソト）のようなプロトコルで構成されている。

なお、伝送信号のプロトコルは同図に示すものに限定さ
れることなく、これらデータ以外にも伝送すべきデータ
があれば、このデータも上記ブタ列の後ろに付加するよ
うにしてもよい。また、上記データ列のうち、必要に応
じてデータを省略するようにしてもよい。たとえば、Ｄ
ＡＴＡ６．９．１０を省略するようにしてもよい。

以上が信号処理回路９のＣＰＵ４５で実行される処理の
内容である。

かくして各データが電気ケーブル１０３を介してホスト
コンピュータ１１３に伝送されると、該ホストコンピュ
ータ１１３では第１７図に示す手順に従って処理が実行
されることになる。

同図に示すようにまず、ホストコンピュータ］１３の初
期設定がなされ（ステップ５００１．　）、送信されて
きたデータに異常があるか否かの判定がなされる。すな
わち、レーザ光３が障害物などによって一時的に遮断さ
れたりすると、データが異常になるので、異常値の場合
は読み飛ばすようにしている（ステップ５００２）。デ
ータが異常と判定された場合は手順はステップ５００６
に移行されるが、データが正常であると判定された場合
には、つぎのステップ５００３に移行され、データの平
均化処理が実行される。平均化を行う理由はレーザ光３
のゆらぎに起因するデータのばらつきを均すためである
。

そして、つぎにローリングを加味した位置および姿勢角
の補正演算処理が実行される。

さて、第１８図に推進機１００の進行方向正面図を示す
。いま、同図に示すように推進機１００がローリングの
影響を受けたものとし、ローリング角θｒをもって傾斜
しているものとする。

ここにローリング角θｒの極性は推進機１００の進行方
向右側をプラスとする。

本来、同図に破線で示すようにローリング角θｒが零の
場合、つまり推進機１００の長手方向中心軸ＳＴを通過
する鉛直軸ＳＬ上にＰＳＤＩ、２が存在している場合の
ＰＳＤＩ、２の出力に基づき推進機１００の位１１およ
び姿勢角を求めている。

が、実際には推進機］００の位置および姿勢角は変わら
ない状態でローリング角θｒが発生すると、ＰＳＤＩ、
２について推進機１００の中心点ＳＴ（これはローリン
グ中心になる）に対する相対位置ずれが発生するので、
ＰＳＤＩ、２の２次元照射位置がずれてしまい、これに
基づき推進機１００の位置および姿勢角を求めた場合に
は、上記ローリング角θｒが零の場合の推進機］００の
位置および姿勢角と異なってしまい、正確な位置および
姿勢角を得ることができないことになる。そこで正確な
位置および姿勢角が得られるようにローリング角θ「に
伴うＰＳＤＩ、２の相対位置ずれを求め、これにより位
置および姿勢角を補正する必要が生じる。

すなわち、上記相対位置ずれは、鉛直方向については、 Δｙ””ｄｏ　　（１ｃｏｓ　θ　ｒ）・　（６０）と
なり、水平方向については、 Δｘｍｄｏｓｉｎｏｒ−・（６１） として容易に幾何学的に求め得る。ただし、ここにｄ。

はＰＳＤＩ、２の中心と推進機１００の中心点ＳＴとの
距離である。こうして得られた相対位置ずれに基づき出
力回路４８がら伝送されたＤＡＴＡ　１〜４の内容を補
正して、推進機１００の１確な位置および姿勢角を求め
るようにする。この補正処理は座標変換の手法によって
容易に行うことができる（ステップ５００４）。

つぎに施工上、後述する表示において小数点以下の表示
は無意味であるので、ステップ５００４で得られた計算
値を整数化する処理が実行される（ステップ５００５）
。

つぎのステップ５０ｏ６ては、順次入力されるローリン
グ角θｒを監視していて、現在入力されたローリング角
θｒが、前回人力されたローリング角θｒに対して所定
の閾値以上変化しているが否かの判定がなされる。ロー
リング角θｒが変化していないと判断された場合には、
手順はステップ５００８に移行される。一方、ローリン
グ角θｒが変化していることか判定された場合には、手
順はつぎのステップ５００７に移行され、現在ＰＳＤＩ
で受光可能な領域をモニタ１１５のＣＲＴ画面上に表示
する処理が実行される。この受光可能な領域を表示する
理由は、ローリングか発生し、オペレータが知らぬまま
レーザ光３かＰＳＤｌ、２の受光面１ａ、２ａから外れ
てしまい、当の計７１Ｐ１が行えなくなることを防止す
るためである。

以下、コントロールユニソｌ−１，０４のモニタ１１５
の表示画面１１６に表示される表示内容について説明す
る。

第２０図に示すように表示画面１１６には、パイロット
ヘッド１０１の現在の水平方向変位Ｘ１と、現在の鉛直
方向変位Ｙ１と、パイロットヘッド１０１が現在の位置
から１ｍ進行したときの予測水平方向変位Ｘ２と、同予
測鉛直方向変位Ｙ２と、現在のピッチング角ＰＩＴと、
現（［のヨーイング角ＹＡＷと、現在のローリング角Ｒ
ＯＬと、管径選択スイッチ１１４から入力されたヒユー
ム管の管径Φがそれぞれ数字にて表示されるとともに、
囲み線内がＰＳＤＩの受光領域であることを示す図形１
１６ａと、パイロットヘッド１０１の水平方向変位、鉛
直方向変位をそれぞれＸＳＹ軸表するＸ−Ｙ座標１１６
ｂと、パイロットヘッド１０１の現在のＸ−Ｙ２次元位
置を示す丸印ＰＨ１と、パイロットヘッド１０１が現在
の位置から１ｍ進行したときのパイロットヘッド１０１
の予？Ｔｐｌ　Ｘ　−Ｙ　２次元位置を示す丸印ＰＨ２
がグラフィック表示される。さらに同図に示す破線内に
は後述するメツセージが表示される。

ステップ５００７では以下のような内容の表示がなされ
る。

第１９−１図（ａ）に示すようにローリング角θｒが零
の場合にはモニタ１１５の表示画面１１６に対して受光
領域を示す図形１１６ａは傾いていない。この場合には
、パイロットヘッド１０１の位置を示す丸印ＰＨＩをＸ
−Ｙ座標軸１１６ｂの口盛りで読み取ることによりパイ
ロットヘッド１０１の位置Ｘ、Ｙを認識することができ
る。

ここでローリング角θｒが変化した場合には同図（ｂ）
に示すようにローリング角θｒに応じて受光領域を示す
図形１１６ａが傾いて、丸印ＰＨ１と図形１１６ａとの
相対的な関係において受光可能な領域が図形１１６ａ内
の領域として表示される。この場合にもパイロットヘッ
ド１０１の位置を示す丸印ＰＨ１をｘ−ｙ座漂軸１１６
　ｂ　ノｌ’ｌ盛りで読み取ることによりパイロットヘ
ッド１０１の位置Ｘ、Ｙを認識することができる。

また第１９−２図に示すような表示画面にする実施もま
た可能である。

すなわち、同図（ａ）に示すようにローリング角θ「が
零の場合にはモニタ１１５の表示画面１１６に対して受
光領域を示す図形１１６ａは傾いていない。この場合に
は、Ｘ−Ｙ座標軸１１６ｂはローリング角θｒが零のと
きのＰＳＤＩの配設位置を示し、パイロットヘッド１０
１の位置を示す丸印ＰＨＩとＸ−Ｙ座標軸１１６ｂとの
相対的な位置関係を読み取ることによりパイロットヘソ
ド１０１が施行計画ラインＰＬからいずれの方向にいず
れの距離だけ離間しているかを認識することができる。

ここでローリング角θｒか変化した場合には同図（ｂ）
に示すようにローリング角θｒに応してＸ−Ｙ座標軸１
１６ｂか中心から移動して、受光可能な領域が図形１１
６ａ内の領域として表示されることになる。ただし、こ
の場合にはＸ−Ｙ座標軸１１６ｂはローリング角θｒに
応じて移動したＰＳＤＩの配設位置を示し、パイロット
ヘッド］０１の位置を示す丸印ＰＨＩとＸ−Ｙ座標軸１
１６ｂとのＦ１対的な関係によって、ローリングに伴っ
て移動したＰＳＤＩの配設位置（Ｘ−Ｙ座を票軸１１６
ｂ）からレーザ光３（丸印ＰＨ１）が、いずれの方向に
いずれの距離たけ離間したのかを認識することかできる
。

こうした表示に基づきオペレータとしては、操作盤１１
２の操作レバーを正確に操作して、レザ光３がＰＳＤＩ
　（２）の受光面１ａから外れないような方向修正を行
うことができるようになる。

なお、第１９−１図の表示の場合は、丸印ＰＨＩとＸ−
Ｙ座標軸１１６ｂとからグラフィック的にパイロットヘ
ッド１０１の位置を認識できる利点があるものの、図形
１１６ａが傾いているとはいえ、ＰＳＤＩ配設位置から
し〜ザ光３がいずれの方向にいずれの距離たけ離間した
のかを直観的に捕らえることができずに、方向修正が面
倒であるという面がある。この点、第１９−２図の場合
はローリングに伴うＰＳＤＩの実際の配設位置からレー
ザ光３がいずれの方向にいずれの距離たけ離間したのか
をＸ−Ｙ座標軸１１６ｂと丸印ＰＨ１との相対的な位置
関係として直観的に捕らえることができて、方向修正を
容易に行うことができるという利点がある。

つぎのステップ５００８では、ステップ５００４でロー
リング補正がなされたパイロットヘッド１０１の現在の
水平方向変位Ｘ１と、現在の鉛直方向変位Ｙ１と、現在
のピッチング角ＰＩＴと、現在のヨーイング角ＹＡＷと
、現在のローリング角ＲＯＬを表示画面１１６に数値と
して表示する処理か実行されるとともに、パイロットヘ
ッド１０１の現在の水平方向変位Ｘ１、現在の鉛直方向
変位Ｙ１を示す丸印ＰＨ１をグラフィック表示する処理
が実行される。

そして、つぎのステップ５００９では揺動方向の表示が
なされる。すなわち、前述するように操作盤１１２には
揺動用シリンダを駆動制御して、パイロットヘッド１０
１の進行方向が施行計画ラインに一致するように修正す
るための操作レバが配設されている。そこで、いまこの
操作レバーが同等操作されず、現在のピッチング角ＰＩ
Ｔ。

ヨーイング角ＹＡＷを以て推進ｔｌ１００が１ｍ進行し
たならば、到達するであろう予測水平方向変位Ｘ２、予
測鉛直方向変位Ｙ２が上記演算された現在の水平方向変
位Ｘ１、現在の鉛直方向変位Ｙ１に基づき演算される。

そしてこの演算された予ｆｌ１１水平方向変位Ｘ２、予
測鉛直方向変位Ｙ２が表示画面上１１６に数値として表
示する処理が実行されるとともに、パイロットへラド１
０１の予測水平方向変位Ｘ２、現在の鉛直方向変位Ｙ２
を示す丸印ＰＨ２をグラフィック表示する処理が実行さ
れる。この場合、パイロットヘッド１０１の現在位置Ｐ
Ｈ１と予測位置ＰＨ２とを結ぶ線分ＨＬも同時に表示さ
れる。こうしたパイロットヘッド１０１の現在位置ＰＨ
１と予測位置ＰＨ２とこれらを結ぶ線分ＨＬが同時に表
示画面１１６上に表示されることによりオペレータとし
ては上記操作レバーによる方向修正操作を容易に行うこ
とができるようになる。

つぎのステップ５０１０では、書込み画面、表示画面の
切り替えが行われて、つぎのステップ５０１０ではデー
タ、エラー判定の処理が実行される。すなわち、パイロ
ットヘッド１’０１の位置と姿勢角が所定の範囲を越え
たら表示画面１１６にアラームメツセージを表示してオ
ペレータに注意を喚起するとともに、レーザ光３が計測
範囲から外れたり、障害物によるレーザ遮断や、通信回
線の不良などが発生したときにはエラーメツセージを表
示して不具合内容をオペレータに知らせるようにしてい
る。

第２１図にデータ判定処理を説明するために用いた図を
示す。

同図（ａ）に示すようにステップ５００４て演算された
パイロットヘッド１０１の位置Ｐ　（Ｘ、Ｙ）が、施行
計画ラインＰＬから所定の距離だけ離間したラインＡ１
内のエリアα１にあるか否か、同位置Ｐが、ラインＡ１
よりも外側のラインＢ１とラインＡ１との間のエリアβ
１にあるか否か、同位置Ｐが、ラインＢ１よりも外側の
ラインＣ１とラインＢ１との間のエリアγ１にあるか否
か、同位置Ｐが、ラインＣ１よりも外側のエリアδにあ
るか否かが判断される。なお、同図において位置Ｐがラ
インＣ１よりも内側のエリアα１、β１、γ１にある場
合は、ＰＳＤＩにおいてレーザ光３か受光可能であり、
同位置Ｐが、ラインＣ１よりも外側のエリアδ１にある
場合は、ＰＳＤＩにおいてレーザ光３が受光不可能であ
ることを示す。

同図（ａ）における丸印は、レーザ光３のスポット径（
たとえば直径１０ｍｍ）を示している。

また同図（ｂ）に示すようにステップ５００４で演算さ
れたパイロットヘッド１０１の施行計画ラインＰＬに対
する姿勢角Ｑ（θＸ、θｙ）が、第１の所定角度（たと
えば１５％０）以下、つまりラインＡ２内のエリアα２
の範囲であるか否か、同姿勢角Ｑが、上記第１の所定角
度よりも大きく第２の所定角度（たとえば３０％。）以
下、つまりラインＡ２よりも外側のラインＢ２とライン
Ａ２との間のエリアβ２の範囲であるか否か、同姿勢角
Ｑが、上記第２の所定角度よりも大きく第３の所定角度
（たとえば４０％。）以下、つまりラインＢ２よりも外
側のラインＣ２とラインＢ２との間のエリアγ２の範囲
であるか否か、同姿勢角Ｑが、上記第３の所定角度より
も大きい、つまりラインＣ２よりも外側のエリアの範囲
であるか否かが判断される。

一方、エラー判定処理は以下のようにして行われる。

前述するようにステップ２００８．２０１４では、エラ
ーコードのセットがなされて、この内容がＤＡＴＡ５と
して伝送されてくる。そこで、このＤＡＴＡ５を読み出
すことによりエラーの判定（光強度の過不足）を行うよ
うにする。さらに、ホストコンピュータ１１３では出力
回路４８から伝送される伝送信号が間断なく受信されて
いるかを常時監視している。そこで該信号が所定時間以
上受信されなかった場合にエラーの判定（受信不良）と
判定する。

上記データ判定処理、エラー判定処理の結果に応じて、
以下のような態様で表示画面１１６上にメツセージ表示
がなされ、該メツセージ表示に応じてオペレータが適切
な処置、対策を迅速に講することができる。

（ａ）位置Ｐがエリアα１、姿勢角Ｑがα２の範囲の場
合 この場合はパイロットヘッド１０１が施行計画ラインに
沿って進行していて特に問題はないので、第２０図の破
線部内にメツセージ表示はなされない。

そして、表示画面１１６上に、現在の水平方向変位Ｘ１
、現在の鉛直方向変位Ｙ１、予測水平方向変位Ｘ２、予
測鉛直方向変位Ｙ２、現在のピッチング角Ｐ　Ｉ　Ｔ、
現在のヨーイング角ＹＡＷ、現在のローリング角ＲＯＬ
の表示がすべてなされる。

（ｂ）位置Ｐがエリアβ１、姿勢角Ｑがα２の範囲の場
合 この場合は、施行計画ラインに対するパイロットへラド
１０１の位置ずれ（変位）が大きい場合なので、メツセ
ージ“注意！変位大”の表示を行う。

そして、上記（ａ）の場合と同様にＸｌ、Ｙｌ、Ｘ２、
Ｙ２、Ｐ　ＩＴ、ＹＡＷ、ＲＯＬの表示がすべてなされ
る。

しかしてオペレータとしてはこの表示に基づいて、操作
レバーを所要に操作してパイロットヘッド１０１を方向
修正し、施行計画ラインに対するパイロットヘッド１０
１の変位を小さくする処置を迅速かつ適確に行うことが
できるようになる。

（Ｃ）位置Ｐがエリアβ１、姿勢角Ｑがβ２の範囲の場
合 施行計画ラインに対するパイロットヘッド１０１の位置
ずれ（変位）が大きい場合であり、上記（ｂ）と同様な
表示がなされ、同様な処置を行うことができる。

（ｄ）位置Ｐがエリアγ１、姿勢角Ｑがα２の範囲の場
合 施行５１画ラインに対するパイロットヘッド１０１の位
置ずれ（変位）か大きい場合であり、上記（ｂ）と同様
な表示かなされ、同様な処置を行うことができる。ただ
し、この場合は、Ｘ２、Ｙｌ、ＹＡＷ、ＰＩＴの数値表
示は行わないようにする。

（ｅ）位置Ｐかエリアγ１、姿勢角Ｑがβ２の範囲の場
合、 （ｆ）位置Ｐがエリアγ１、姿勢角Ｑが７２の範囲の場
合、 （ｇ）位置Ｐがエリアβ１、姿勢角Ｑが７２の範囲の場
合もそれぞれ施行計画ラインに対するパイロットヘッド
１０１の位置ずれ（変位）か大きい場合であり、上記（
ｄ）と同様な表示かなされ、同様な処置を行うことがで
きる。

（ｈ）位置Ｐがエリアα１、姿勢角Ｑがβ２の範囲の場
合 この場合は、施行計画ラインに対するパイロットヘッド
１０１の傾き（姿勢角）が大きい場合なので、メツセー
ジ“注意！姿勢角大”の表示を行う。

そして、上記（ａ）の場合と同様にＸｌ、Ｙｌ、Ｘ２、
Ｙｌ、Ｐ　ＩＴ、ＹＡＷ、ＲＯＬの表示がすべてなされ
る。

しかしてオペレータとしてはこの表示に基づいて、操作
レバーを所要に操作してパイロットヘッド１０１を方向
修正し、姿勢角（ピッチング角またはヨーイング角）を
小さくする処置を迅速かつ適確に行うことができるよう
になる。

（ｉ）位置Ｐがエリアα１、姿勢角Ｑが７２の範囲の場
合 施行計画ラインに対するパイロットヘッド１０１の傾き
（姿勢角）が大きい場合であり、上記（ｈ）と同様な表
示がなされ、同様な処置を行うことができる。ただしこ
の場合は、Ｘ２、Ｙｌ、ＹＡＷｌＰＩＴの数値表示は行
わないようにする。

（ｊ）位置Ｐがエリアα１、姿勢角Ｑが６２の範囲の場
合 この場合は、 １）パイロットヘッド１０１の姿勢角が大きすぎて、レ
ーザ光３がＰＳＤ２の受光領域から外れたか、 ２）レーザ光３が障害物（ヒユーム管、ケーシング、ス
プロケット、土砂、オペレータなど）によって途中で遮
断されているか、 ３）レーザ光３のパワーが小さすぎる、つまり、・レー
ザ発信部６のレーザ発振器の出力が低下している、 ・レーザ光３がポジションセンサ部１０２のＰＳＤｌに
到達するまでに周囲環境（水蒸気など）の影響によって
減衰しているか、 のいずれかの場合なので、メツセージ“エラ光強度過少
（前）”の表示を行う。ここに（前）とは、前方のレー
ザターゲットであるＰＳＤ２を意味する。

そして数値表示としてはＸｌ、Ｙｌ、Ｘ２、Ｙｌ、Ｐ　
ＩＴＳＹＡＷ、ＲＯＬのうちＲＯＬのみの表示を行うよ
うにする。

しかしてオペレータとしてはこの表示に基づいて、 ・パイロットヘッド１０１の変位および姿勢角が十分小
さくなるところまでヒユーム管を引き抜き再推進するか
、 ・除去可能な障害物であれば取り除くか、・レーザ発信
部６に関し、電源、ケーブル接続、導通状態、対物レン
ズの汚れ、シャッターの開閉状態等の点検を行い、ある
いはレーザ発信部６の交換、修理処置を行うか、 のいずれかの処置を迅速かつ適確に行うことできる。

（ｋ）位置Ｐがエリアβ１、姿勢角Ｑがδ２の範囲の場
合、 （１）位置Ｐがエリアγ１、姿勢角Ｑがδ２の範囲の場
合も上記（ｊ）の場合と同様な状態下にあるので、同様
な表示がなされ、同様な処置を行うことができる。

（ｍ）位置Ｐがエリアδ１、姿勢角Ｑがδ２の範囲の場
合 この場合は、 １）パイロットヘッド１０１の変位が大きすぎてレーザ
光３がＰＳＤＩの受光領域から外れたか、上記（ｊ）の
場合の２）、３）の場合なので、メッセ−ジ“エラー・
光強度過少（両方）”の表示を行う。ここに（両方）と
は、後方および前方のレーザターゲットであるＰＳＤＩ
、ＰＳＤ２の両方を意味する。そして、（ｊ）の場合と
同様、ＲＯＬのみの数値表示がなされる。

しかしてオペレータとしてはこの表示に基づいて、（ｊ
）の場合と同様な処置を行うことかできるとともに、 ・後述する目視計測用ランプを点灯させ、［」硯計測に
よってパイロットヘッド１０１の方向修正を行うか、 ・レーザ発信部６の水平角、天頂角を変更し、レーザ光
３がＰＳＤＩ、２の受光領域に入るようににしてレーザ
計測を続行するか（ただし、設定角変更によるずれ量、
角度変化をデータシートに記録する必要がある）、 のいずれかの処置を迅速かつ適確に行うことかできる。

（ｎ）位置Ｐがエリアδ１、姿勢角Ｑがα２の範囲の場
合、 （ｏ）位置Ｐがエリアδ１、姿勢角Ｑがβ２の範囲の場
合、 （ｎ）位置Ｐがエリアδ１、姿勢角Ｑが７２の範囲の場
合も、上記（ｍ）の場合と同様な表示かなされ、同様な
処置を行うことができる。

以上が警告表示処理（ステップ５０１．２　）の内容で
ある。

一方、ＤＡＴＡ５の内容に生成電流ＩＱＩ、ｒｏ２が小
さいという情報が含まれている場合は、光強度が不足し
ている場合なので、その態様に応して、上記（ｊ）の場
合と同様なメツセージ表示“エラー・光強度過少（前）
“エラー・光強度過少（両方）“がなされ、同様な処置
を行うことができる。

また、ＤＡＴＡ５の内容に生成電流１０１％Ｉ０２が大
きいという情報が含まれている場合は、光強度が過多の
場合、つまり、 １）レーザ光３のパワーが大きすぎるが、２）ＰＳＤＩ
、２にレーザ光３以外の周辺光（太陽光、所要の投光器
）が入射しているが（特にパイロットヘッド１０１の推
進時に発生する）、３）後述する目視用計測ランプが点
灯しているが、いずれかの場合なので、メツセージ“エ
ラー・光強度過多”の表示がなされる。

しかしてオペレータとしては、この表示に基づき、 ・フィルタでレーザ光３を減光するが、レーザ発信部６
そのものを交換するが、 ・レーザ光３以外の周辺光をカットするためにカバーを
被せるなどの処置を行うが、 争目視用計測ランプの点灯スイッチをオフにするかの処
置を行うか、 一方、受信不良の判定がなされた場合は、１）操作盤１
１２の電源（Ｄ　Ｃ１２Ｖ）　カ不Ｒテあるか、 ２）レーザターゲット部１０２とコントロールユニット
１０４との間の電気ケーブル１０３の接触不良または断
線であるか、 ３）ホストコンピュータ１１３の受信回路が故障してい
るか、 ４）出力回路４８（送信回路）が故障しているか、いず
れかの場合なので、メツセージ″エラー・受信不良゛を
表示する。

しかしてオペレータとしてはこの表示に基づき、・電源
を点検し、あるいは交換するが、・電気ケーブル１０３
の導通チエツク、電気ケブル１０３のコネクタ嵌合部の
汚れ洗浄、接続状態のチエツクを行うか、あるいは電気
ケーブル１０３を交換するか、 ・ホストコンピュータ１１３を交換するか、・レーザタ
ーゲット部１０２を交換するか、いずれかの処置を迅速
かつ適確に行うことができる。あるいは、目視針Ｊｌｌ
ｌに移行するようにしてもよい。

以上がエラー表示処理（ステップ５０１３　）の内容で
ある。

ところで、実施例の位置姿勢角計測装置では、位置姿勢
角の計測をＰＳＤＩ、２の出力に基づき行う（レーザ計
測）ばかりでなく、ＰＳＤＩにレーザ光３が照射したこ
とを直接目視して位置の計ｒ’１ｌｌｌを行う（目視計
測）装置が設けられている。

すなわち、第２２図に示すようにＰＳＤＩ、２およびレ
ンズ７で構成されたポジションセンサ部１０５とレーザ
発信器６との間にはオペレータによる目視の位置計測を
行うべく、目盛り板４が配設されている。一方、この目
盛り板４を照明すべく、レンズ７の焦点ＦＰ近傍に目視
計測用の照明ランプ５が配設されている。

照明ランプ５から投光された光は、レンズ焦点ＦＰ近傍
にあるためレンズ７て屈折して平行光線に集光される。

このため、照明光はレンズ７を設けていない従来のもの
に比較して、指向性が強いので、光の散乱が少なく、従
来よりも遠方からでも目盛り板４を視認することができ
る。また、ＰＳＤＩ、２の受光範囲全体が明るく光るの
で、目盛り板４の視認性が大幅に向上することとなる。

また、同図（ｂ）に示すように照明ランプ５の背後に光
の反射板５ａを設けるようにすれば、レンズ７から出力
される光量が増え、るので、さらに目盛り板４の視認性
を向上させることができる。、しかして目視計測は、レ
ーザ発信部６に付設された遠望鏡６ａを通して、目盛り
板４に１１盛られたＸ軸、Ｙ輔目盛りてレーザ光３の押
点を読み取ることによって位置ＸＳＹを認識するととも
に、電気ケーブル１０３を介して伝送されるピッチング
角検出センサ１０８の検出値によって姿勢角θｙを認識
することにより行う。

さて、推進機１００の使用環境に起因してその内部は高
湿度であり、したがって内部に配設されたレーザターゲ
ット１０２の目盛り板４の表面では、温度変化によって
結露が発生することがある。

このため目盛り板４表面で水滴か発生して、これにより
光ビーム３が散乱したり、遮断されたりして、当の位置
および姿勢角の計測精度が低下したり、ついには当の計
ＡＰ１が不可能になることがある。

そこでこうした結露の発生を防止すべく、実施例の装置
では、目盛り板４の表面を暖めるヒータを目盛り板４に
付設するようにしている。この種のヒータとしては、た
とえば乗用車等に広く用いられているガラス内に熱線を
配設した構成のもの等が考えられるが、その構成は目盛
り板４の表面を暖めることができるのであれば任意であ
る。

また、作業効率上、ＰＳＤＩ、２の出力に基づく計測が
不可能になった場合には、迅速に上記目視計測に移行す
る必要がある。

この点、前述するように表示画面１１６上に、“エラー
・光強度過少（前）“エラー・光強度過少（両方）”エ
ラー・光強度過多”といったメツセージが表示される。

これらメツセージの認識に応じて操作盤１１２の照明ラ
ンプ５点灯用のスイッチをオンさせて、照明ランプ５を
点灯させれば、迅速に目視計７１１１に移行することが
できる。

なおまた、ＰＳＤＩ、２の検出値に基づく計測が不可能
であるか否かを上記ステップ５０１１の判定処理部分で
判定し、計測不可能である場合に照明ランプ５を自動的
に点灯させるような実施もまた可能である。この場合は
、点灯用のスイッチをオン操作する労が省けるという利
点が得られる。

また、ＰＳＤＩ、２の検出値に基づく計測か可能である
と判断されたならば、照明ランプ５を自動的に消灯させ
るような実施も可能である。この場合は、オペレータの
ボカミスによって点灯ＪＴＩのスイッチがオンのままと
なり光強度過多の状態になることを回避することができ
る。

なお実施例では第４図（ａ）のセンサ構成の場合につい
て説明したが、以下、同図（ｂ）のセンサ構成の場合の
他の実施例について説明する。

すなわち、同図（ｂ）のセンサ構成の場合は、姿勢角θ
Ｘ１θｙは上記（７）、（８）式から求めることができ
るが、位置Ｘ１Ｙは、下記（５−ｂ）、（６−ｂ）式か
ら求めるようにする。

Ｘ−−ｘ、・・・（５−ｂ） Ｙ−７＋・・・（６−ｂ） ここにこれら（５−ａ）　　　（６−ａ）、（５−ｂ）
、（６−ｂ）、（７）、（８）式は、施行計画ライン（
基準光線）に対する地中掘削機の傾斜角度が１（ラジア
ン）よりも十分に小さい場合が成立する式であるが、た
とえば、小口径推進機においては一２°〈θく２″″　
（２’−０，０３５ラジアン）なので確かにθくく１が
成り立っていて、十分にこれら式を適用することができ
るのがわかる。

以下、レンズ７として非球面レンズを使用し、かつ同図
（ｂ）のセンサ構成で、推進機１００の位置および姿勢
角の演算を行う場合の演算処理態様について説明する。

推進機１００の位置Ｘ、Ｙ並びに姿勢角θＸ、θｙの演
算は、前記（５−ｂ）、（６−ｂ）並びに（８）および
（９）式に基づき行われるが、実用上、姿勢角θｘ１θ
ｙは１ラジアンよりも十分小さく、ｔａｎθｘ１θｙは
θｘ１θｙとほぼ等しくなるので、演算は（８）、（９
）式の替りに下記（８）″　　（９）式を用いて行うよ
うにする。

θｘ−−ｘ２／Ｆ・・・（７） θ　ｙ−ｙ２　／Ｆ・・・　（８） これら（５−ｂ）、（６−ｂ）、（７）（８）′に基づ
く演算は、第２３図のブロック図に示す演算処理回路８
において行われる。

以下、第４図（ｂ）と第２３図とを併せ参照して説明す
るに、前述するようにレーザ発信部６からレーザ光３が
投光され、ＰＳＤＩの受光面１ａに照射されると、ＰＳ
ＤＩから入射光のＸ方向照射位置Ｘ、に応じた電流ｌｘ
、　　　Ｉｘ２が、アンプ１０．１１に出力されるとと
もに、入射光のｙ方向照射位置ｙ１に応じた電流１ｙ＋
　　　ＩＶ２が、アンプ１２．１３に出力される。する
と、これらアンプ１０．１１．１２および１３において
電流ＩＸＩ　　　ＩＸ２、ＩＹ＋およびＩｙ２がそれぞ
れ電流−電圧変換されるとともに、所要のレベルまで増
幅されて、電ａ　Ｉ　ｘ　＋　、Ｉ　Ｘ　２に対応する
電圧Ｖｘ、　　Ｖｘ２が次段の加算器１４並びに減算器
１５に加えられるとともに、電流ＩＶ＋　　　Ｉｙ２に
対応する電圧ｖｙＩおよびＶ　Ｙ　２が次段の加算器１
６並びに減算器１７に加えられる。

レーザ光３は、ＰＳＤＩを透過した後、非球面レンズ７
において屈折して、焦点に配設されたＰＳＤ２の受光面
２ａに収束される。すると同様にＰＳＤ２か、ら入射光
の照射位置ｘ２に応じた電流ＪＸＩ　　ＪＸ２並びに照
射位置ｙ２に応じた電流Ｊｙ＋　　Ｊｙ２が、アンプ１
８．１９並びにアンプ２０，２１にそれぞれ出力される
。そしてアンプ１８．１９の出力電圧Ｕｘ、　　Ｕｘ２
は、次段の加算器２２、減算器２３にそれぞれ加えられ
、アンプ２０．２１の出力電圧ＵＹＩ　　ＵＶ２は、次
段の加算器２４、減算器２５にそれぞれ加えられる。

加算器１４では、入力電圧Ｖｘ、、Ｖｘ２の加算演算Ｖ
ｘｌ　＋Ｖｘ２が実行され、減算器１５では、入力電圧
ｖＸ、　　Ｖｘ２の減算演算ＶｘｌＶｘ２が実行される
。これら演算結果は除算器２６に加えられ、該除算器２
６において第（１３）式の右辺に対応する除算演算（Ｖ
　ｘ　１　　Ｖ　Ｘ　２　）／　（ＶＸ＋　＋ｖｘ２）
が実行される。この除算器２６の除算結果は、ＰＳＤＩ
の入射光のＸ方向照射位置に１を示すものであり、次段
のオフセット・ゲイン調整回路２８に加えられ、該オフ
セット・ゲイン調整回路２８において（５−ｂ）式の演
算が実行されて、Ｘ方向照射位置ｘ１に比例する地中掘
削器の左右変位Ｘが出力される。

また、同様にして加算器１６では、入力端子の加算演算
が実行され、減算器１７では、入力端子の減算演算が実
行される。そしてこれら演算結果は除算器２６に加えら
れ、該除算器２６において第（１４）式の右辺に対応す
る除算演算が実行される。ここに除算器２６の除算結宋
は、ＰＳＤＩの入射光のｙ方向照射位置ｙ１を示すもの
であり、次段のオフセット・ゲイン調整回路２９に加え
られ、該オフセット・ゲイン調整回路２つにおいて（６
−ｂ）式の演算が実行されて、ｙ方向照射位置ｙＩに比
例する地中掘削器の上下変位Ｙが出力される。

一方、ＰＳＤ２についても同様に加算器２２ては、入力
電圧の加算演算が実行され、減算器２３では、入力端子
の減算演算が実行される。そしてこれら演算結果は除算
器２７に加えられ、該除算器２７において第（１３）式
の右辺に対応する除算演算が実行される。ここに除算器
２７の除算結果は、ＰＳＤ２の入射光のＸ方向照射位置
ｘ２を示すものであり、次段のオフセット・ゲイン１個
整回路３０に加えられ、該オフセット・ゲイン調整回路
３０において（８）′式の演算が実行されて、Ｘ方向照
射位置ｘ２に比例する地中掘削器の左右方向姿勢角θＸ
が出力される。

また、加算器２４では、入力端子の加算演算が実行され
、減算器２５では、入力端子の減算演算が実行される。

そしてこれら演算結果は除算器２７に加えられ、該除算
器２７において第（１４）式の右辺に対応する除算演算
が実行される。ここに除算器２７の除算結果は、ＰＳＤ
２の入射光のｙ方向照射位置ｙ２を示すものであり、次
段のオフセット・ゲイン調整回路３１に加えられ、該オ
フセット・ゲイン調整回路３１において（９）式の演算
が実行されて、ｙ方向照射位置ｙ２に比例する地中掘削
器の上下方向姿勢角θｙが出力される。

以下、この演算処理回路８の後段に出力回路４８を付加
するなどして、第３図の信号処理回路９に対応する信号
処理回路を構成すれば、前述の実施例と同様に位置ＸＳ
Ｙおよび姿勢角θＸ、θｙを示す信号をローリング角検
出センサ１０７の検出値等とともに、電気ケーブル１０
３を介してコントロールユニット１０４にシリアル送信
でき、同様な表示を行うことかできる。

なお、オフセット・ゲイン調整回路２８．２９．３０お
よび３１では、位置および姿勢角の要求される計ＪＦＩ
範囲に応じて自由に出力範囲が設定される。また、オフ
セット・ゲイン調整回路２８〜３１では、ＰＳＤＩ、２
の照射位置の位置ずれ補正、つまり零点オフセットを行
うようにしている。いま、ＰＳＤ２の照射位置ｙの位置
ずれΔｄを例にあげる。第２４図に示すようにＬ・−ザ
光３がレンズ７において入射高Ｈにおいて入射され、Ｐ
ＳＤ２が受光面２ａに対して垂直方向に、ＰＳＤ２ｂ。

ＰＳＤ２ＣのごとくΔＺだけずれた場合を想定すると、
これらと焦点距、！ｌＩＦとの間には明らかに、Δｄ／
ΔＺ−Ｈ／Ｆ・・・（６１） が成立するから、これは、 Δｄ−ΔＺ−Ｈ／Ｆ・・・（６１） となり、照射位置ずれΔｄは、ＰＳＤ２のずれΔＺがわ
かれば容易に補正することができるのがわかる。しかし
照射位置ずれΔｄの姿勢角θＸ、θｙへの影響はΔｄの
ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に応じたものであるので、これ
をオフセット・ゲイン調整回路で補正することは回路構
成の複雑化を招来するので、実際にはＰＳＤ２の取り付
けは、位置ずれΔｄが生じないように機械的に確保する
ことが望ましい。

なお、第２３図に示す演算処理回路８は、非球面レンズ
を使用し、複雑な球面収差のための補正演算する必要が
ないため、アナログ回路で容易に構成することができる
のがわかる。

以上説明したように実施例によれば、レンズ７でレーザ
光３を収束させ、レーザ光３が収束する側にＰＳＤを配
設するようにしたので（第４図（ａ）の場合はＰＳＤＩ
とＰＳＤ２、同図（ｂ）の場合はＰＳＤ２）　、収束す
る側に設けられたＰＳＤを小型にすることができるよう
になり、コストを大幅に低減することができるようにな
る。さらに、ＰＳＤは受光面積が小さい程、照射位置の
検出精度が向上する。したがって、装置コストの低減と
同時に位置および姿勢角の計測精度の向上を図ることが
できるようになる。また、同じ受光面積であれば、従来
のものよりも広い範囲の位置および姿勢角の計測を図る
ことができるようになる。さらに上記（５−ａ）、　　
（６−ａ）、（５ｂ）、（６−ｂ）式と（７）、（８）
式との比較から明らかなように姿勢角が１よりも十分少
さい範囲では、ＰＳＤ２はＰＳＤＩよりもさらに小型化
が可能であり、より一層の高精度化、低コスト化が図れ
ることになる。

また、上記（５−ａ）〜（８）式から明らがなようにＰ
ＳＤＩの検出照射位置に基づき推進機１００の位置Ｘ、
Ｙを、ＰＳＤ２の検出照射位置に基づき推進機１００の
姿勢角θｘ１θｙをそれぞれ別々に求めることができる
ので（ただし厳密には収差がある場合には、ＰＳＤＩの
出力に基づきＰＳＤ２の出力を若干補正する必要がある
が）、従来のようにＰＳＤＩの照射位置に応じて計測す
ることのできる姿勢角の範囲か変化することかない。こ
のため、位置計Δｐ１範囲全域で要求される角度計測範
囲を確保することができるようになる。

また、姿勢角型ａｐ１の精度は、上記（７）、（８）式
から明らかなようにレンズ主点ＲＰからＰＳＤ２の受光
面２ａまでの距離Ｆ（第４図参照）で決定される。ここ
に従来のものでは上記（３）、（４）式から明らかなよ
うにＰＳＤ間隔Ｌ（第２５図参照）で姿勢角の精度が決
定されることになっていたが、実施例によれば、ＰＳＤ
間隔りの約１／３から１／２程度の長さの距離Ｆで同等
の姿勢角計測精度を達成することができる。したがって
、センサ部の長手方向の長さを短くすることがてき、装
置の小型化と同時に計測精度の向上を図ることができる
。

また、位置および姿勢角データをディジタル信号処理し
て、これらデータを多重化してシリアル伝送するように
したので、雑音に強く、伝送経路の性能に影響されるこ
となく、１本の伝送ケーブルで伝送することができる。

このため、正確なデータが伝送されて、装置の信頼性が
図られると同時に、伝送ケーブルの削減による装置コス
トの低減および省スペース化を達成することができるよ
うになる。

また、実施例では、照明ランプ５をレンズ焦点近傍に設
けて、目盛り板４を照明するようにしたので、光が散乱
することなく、しかも多数のランプを設けずとも目盛り
板４が十分な明るさを以て照らされる。しかも、ランプ
が位置的に地中掘削機の位置および姿勢角の計測範囲を
浸蝕することがない。

また、実施例では、目盛り板４にヒータを設けるように
したので、結露の発生が防止されて、レーザ光３が散乱
したり、遮断されたりして、位置および姿勢角の計測精
度が低下したり、ついには当の計測が不可能になること
を防止することができる。

また、実施例によれば、ＰＳＤＩ、２の検出値に基づく
計測が不可能になった場合にも、迅速に目盛り板４の目
盛り読取りにより計測に移行されるので作業効率が大幅
に向上する。

また、実施例によればローリングが発生したとしてもロ
ーリングの影響を加味した位置および姿勢角が正確に得
られる。

しかもローリングに起因してＰＳＤＩが傾斜したとして
もＰＳＤＩの検出範囲が常に表示されるので、レーザ光
３がＰＳＤＩの照射面から外れてしまいついにはＰＳＤ
Ｉの出力に基づく計測が不可能になる事態を避けること
ができる。

また、実施例によれば推進機１００の現在位置のみなら
ず１ｍ先の予測位置までが表示されるので、方向修正の
操作を容易に行うことができる。

また、実施例によれば推進機１００の位置および姿勢角
を施行計画ラインを基準に複数の領域に分類し、現在の
位置、姿勢角が属している領域に応じたメツセージを表
示するようにしたので、推進機１００が施行計画ライン
から大きく外れたり、施行計画ラインに対して大きく傾
斜するなどしてレーザ光３がＰＳＤＩ、２の照射面から
外れてしまい、ついには両ＰＳＤ１．２による位置およ
び姿勢角の計７１Ｐ１が不可能になる事態を回避するこ
とができる。

なお、実施例では、レーザ光３の２次元照射位置を検出
するセンサとして、ａ−５ｉＰＳＤを使用するようにし
ているが、これに限定されることなく、光の２次元照射
位置を検出することかできるセンサであれば任意に使用
可能である。

また、実施例ではＰＳＤに向けて照射する光としてレー
ザ光を使用するようにしているが、これに限定されるこ
となく、直進性を有する光であれば任意である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、ローリングの影響
を加味しつつ、位置および姿勢角の計測範囲の増大およ
びこれら位置および姿勢角の計測精度の高精度化を図る
とともに、装置の小型化を図ることができる。

また、本発明によれば表示内容を視認することにより、
ローリングによって位置および姿勢角の計測が不可能に
なる事態を事前に防止することができる。また、方向修
正操作を容易に行える。さらに、地中掘削機の予定移動
経路からのずれあるいは障害物などによって位置および
姿勢角の計測が不可能になる事態を事前に防止すること
ができる。

また本発明によれば、位置検出器（Ｐ　Ｓ　Ｄ）の検出
値に基づく計測か不可能になった場合には、迅速に目盛
り板に基づく計６１に移行することができ作業効率を大
幅に向上させることができる。しかも目盛り板に基づく
計測では、低コストの設備を以て、位置および姿勢角の
計測範囲を狭めることなく目盛り板の表示を視認できる
ように行うことができる。さらに結露を防止して位置お
よび姿勢角の計７１１１Ｊ精度を維持することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る位置姿勢角ａＦ測装置の実施例
装置の全体構成を示す横断面図、第２図は、第１図に示
す実施ρ１装置が適用される地中掘削機のｔ１■成を示
す横断面図、第３図は、第１図に示す実施例装置の構成
を示すブロック図、第４図（ａ）は、第１図に示す実施
例装置のポジションセンサ部の構成を概念的に示す図で
、同図（ｂ）は、ポジションセンサ部の他の構成を概念
的に示す図、第５図は、第１図に示すＰＳＤとして使用
されるａ−５ｉＰＳＤの構造を示す斜視図、第６図は、
第５図に示すａ−３ｉＰＳＤの位置検出原理を説明する
ために用いた図、第７図は、第５図に示すａ−５ｉＰＳ
Ｄに入射されるレーザ光の波長と感度、透過率との関係
を示すグラフ、第８図は、第３図に示す信号処理回路の
構成を示すブロック図、第９図から第１２図は、第８図
に示すＣＰＵで実行される処理手順を例示したフローチ
ャート、第１３図および第１５図は、第４図（ａ）に示
すポジションセンサ部の各構成要素の幾何学的関係を示
す図、第１４図は、第１３図に示すＰＳＤＩの部分拡大
図、第１６図（ａ）、（ｂ）は、第３図に示す出力回路
から送信される信号のプロトコルを例示した図、第１７
図は、第３図に示すホストコンピュータで実行される処
理手順を例示したフローチャート、第１８図は、ローリ
ングが発生した場合の地中掘削機と位置検出器の幾何学
的関係を示す図、第１９−１図、第１９−２図、第２０
図および第２１図は、第３図に示すモニタに表示される
表示内容を説明するために用いた図で、第１９−１図お
よび第１９−２図は、ローリングが発生した場合のグラ
フィック表示の説明図、第２０図は、表示画面の正面図
、第２１図は、位置および姿勢角の大きさに応じた領域
を概念的に示す図、第２２図（ａ）、（ｂ）は、それぞ
れ第４図（ａ）に示すポジションセンサ部における照明
ランプの配設態様を例示した図、第２３図は、第４図（
ｂ）に示すセンサ構成における位置および姿勢角の演算
処理回路の構成例を示すブロック図、第２４図は、第４
図（ｂ）に示すＰＳＤ２が装置長手方向にずれた場合に
おけるポジションセンサ部の幾何学的関係を示す図、第
２５図は、従来の位置姿勢角計測装置のポジションセン
サ部の構成を概念的に示す斜視図、第２６図は、従来の
照明ランプの配設態様を示す図、第２７図（ａ）、（ｂ
）は、それぞれ第２５図に示すポジションセンサ部に基
づく姿勢角の計δｌ１１範囲を説明するために用いた図
である。 １．２・・・ＰＳＤ、３・・・レーザ光、４・・・目盛
り板、５・・・照明ランプ、６・・・レーザ発信器、７
・・・レンズ、９・・・信号処理回路、１１３・・・ホ
ストコンピュータ、１１５・・モニタ。 （０） 第４図 第５図 第６図 第７図 第１０図 第８図 第１３図 第１４図 第１１図 第１２図 （Ｑ） （ｂ） 第１９制 第２０図 （Ｇ） （ｂ） 第２２図 第２５図 手続ン市ＪＬＦ書 （方式） ％式％ 発明の名称 位置姿勢角針１４１１１装置 補ｉ−をする者 事件との関係　　特許ｌｉｄ　ＨＲ人 （１２３）株式会ｉＪ、小松製作所 理人 （〒１０４）東京都中央区銀座２丁−口１１番２号銀座
大作ビル６階　電話０３−５４５−３５０８　（代表）
平成２年３月１２日 本願明細書の第１２ペ ジ第３行と同ペ ジ第４行との間 に「３、 発明の詳細な説明」を挿入する。 第２６図 第２７図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）光軸が移動体の予定移動経路と一致するように光
   を投光する光投光器を備えるとともに、前記光投光器か
   ら投光された光を受光、透過して照射位置を２次元的に
   検出する第１の位置検出器と、前記第１の位置検出器に
   よって透過された光を受光して照射位置を２次元的に検
   出する第２の位置検出器とを前記移動体に所定距離離間
   して配設し、前記第１、第２の位置検出器で検出された
   前記光の２次元照射位置に基づき前記移動体の位置およ
   び姿勢角を演算するようにした位置姿勢角計測装置にお
   いて、 前記光投光器と前記第１の位置検出器との間または前記
   第１の位置検出器と前記第２の位置検出器との間に配設
   されたレンズと、 前記第１の位置検出器で検出された前記光の２次元照射
   位置に基づき前記移動体の位置を演算するとともに、前
   記第２の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位
   置に基づき前記移動体の姿勢角を演算する第１の演算手
   段と、 前記移動体のローリング角を検出するローリング角検出
   手段と、 前記ローリング角検出手段の出力に基づいてローリング
   に伴う前記第１、第２の位置検出器の前記移動体に対す
   る相対位置ずれを演算する第２の演算手段と、 前記第２の演算手段の演算値に基づいて前記第１の演算
   手段の演算値を補正する第３の演算手段と を具えたことを特徴とする位置姿勢角計測装置。
2. （２）光軸が移動体の予定移動経路と一致するように光
   を投光する光投光器を備えるとともに、前記光投光器か
   ら投光された光を受光、透過して照射位置を２次元的に
   検出する第１の位置検出器と、前記第１の位置検出器に
   よって透過された光を受光して照射位置を２次元的に検
   出する第２の位置検出器とを前記移動体に所定距離離間
   して配設し、前記第１、第２の位置検出器で検出された
   前記光の２次元照射位置に基づき前記移動体の位置およ
   び姿勢角を演算するようにした位置姿勢角計測装置にお
   いて、 前記光投光器と前記第１の位置検出器との間または前記
   第１の位置検出器と前記第２の位置検出器との間に配設
   されたレンズと、 前記第１の位置検出器で検出された前記光の２次元照射
   位置に基づき前記移動体の位置を演算するとともに、前
   記第２の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位
   置に基づき前記移動体の姿勢角を演算する第１の演算手
   段と、 前記移動体のローリング角を検出するローリング角検出
   手段と、 前記ローリング角検出手段の出力に基づいてローリング
   に伴う前記第１、第２の位置検出器の前記移動体に対す
   る相対位置ずれを演算する第２の演算手段と、 前記第２の演算手段の演算値に基づいて前記第１の演算
   手段の演算値を補正する第３の演算手段と、 前記第２、第３の演算手段の演算結果に基づいて前記移
   動体の位置および姿勢角を表示するとともに、ローリン
   グに伴って前記第１の位置検出器の位置検出範囲が変化
   したことを表示する表示手段と を具えたことを特徴とする位置姿勢角計測装置。
3. （３）光軸が移動体の予定移動経路と一致するように光
   を投光する光投光器を備えるとともに、前記光投光器か
   ら投光された光を受光、透過して照射位置を２次元的に
   検出する第１の位置検出器と、前記第１の位置検出器に
   よって透過された光を受光して照射位置を２次元的に検
   出する第２の位置検出器とを前記移動体に所定距離離間
   して配設し、前記第１、第２の位置検出器で検出された
   前記光の２次元照射位置に基づき前記移動体の位置およ
   び姿勢角を演算するようにした位置姿勢角計測装置にお
   いて、 前記光投光器と前記第１の位置検出器との間または前記
   第１の位置検出器と前記第２の位置検出器との間に配設
   されたレンズと、 前記第１の位置検出器で検出された前記光の２次元照射
   位置に基づき前記移動体の位置を演算するとともに、前
   記第２の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位
   置に基づき前記移動体の姿勢角を演算する演算手段と、 前記演算手段の演算結果に基づいて前記移動体の現在の
   位置および姿勢角を表示するとともに、前記移動体の将
   来の位置および姿勢角を表示する表示手段と を具えたことを特徴とする位置姿勢角計測装置。
4. （４）光軸が移動体の予定移動経路と一致するように光
   を投光する光投光器を備えるとともに、前記光投光器か
   ら投光された光を受光、透過して照射位置を２次元的に
   検出する第１の位置検出器と、前記第１の位置検出器に
   よって透過された光を受光して照射位置を２次元的に検
   出する第２の位置検出器とを前記移動体に所定距離離間
   して配設し、前記第１、第２の位置検出器で検出された
   前記光の２次元照射位置に基づき前記移動体の位置およ
   び姿勢角を演算するようにした位置姿勢角計測装置にお
   いて、 前記光投光器と前記第１の位置検出器との間または前記
   第１の位置検出器と前記第２の位置検出器との間に配設
   されたレンズと、 前記第１の位置検出器で検出された前記光の２次元照射
   位置に基づき前記移動体の位置を演算するとともに、前
   記第２の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位
   置に基づき前記移動体の姿勢角を演算する演算手段と、 前記移動体の位置および姿勢角を複数の領域に分類し、
   前記演算手段の演算位置および演算姿勢角が前記複数の
   閉域のいずれに属しているかを判定する判定手段と、 前記演算手段の演算結果を表示するとともに、前記判定
   手段によって判定された領域に応じた警告を表示する表
   示手段と を具えたことを特徴とする位置姿勢角計測装置。
5. （５）光軸が移動体の予定移動経路と一致するように光
   を投光する光投光器を備えるとともに、前記光投光器か
   ら投光された光を受光、透過して照射位置を２次元的に
   、検出する第１の位置検出器と、前記第１の位置検出器
   によって透過された光を受光して照射位置を２次元的に
   検出する第２の位置検出器とを前記移動体に所定距離離
   間して配設し、さらに前記光投光器と前記第１の位置検
   出器との間に前記第１の位置検出器の２次元照射位置を
   表示する位置表示板を設け、前記第１、第２の位置検出
   器で検出された前記光の２次元照射位置に基づき前記移
   動体の位置および姿勢角を演算するようにした位置姿勢
   角計測装置において、 前記光投光器と前記第１の位置検出器との間または前記
   第１の位置検出器と前記第２の位置検出器との間に配設
   されたレンズと、 前記第１の位置検出器で検出された前記光の２次元照射
   位置に基づき前記移動体の位置を演算するとともに、前
   記第２の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位
   置に基づき前記移動体の姿勢角を演算する演算手段と、 前記第１、第２の位置検出器およびレンズで構成された
   位置検出部と前記光投光器との間に設けられ、前記第１
   の位置検出器の２次元照射位置を表示する位置表示板と
   、 前記レンズの焦点近傍に設けられ、前記位置表示板を照
   明する照明ランプと、 前記位置表示板の表示面を暖めるヒータと を具えたことを特徴とする位置姿勢角計測装置。
6. （６）光軸が移動体の予定移動経路と一致するように光
   を投光する光投光器を備えるとともに、前記光投光器か
   ら投光された光を受光、透過して照射位置を２次元的に
   検出する第１の位置検出器と、前記第１の位置検出器に
   よって透過された光を受光して照射位置を２次元的に検
   出する第２の位置検出器とを前記移動体に所定距離離間
   して配設し、さらに前記光投光器と前記第１の位置検出
   器との間に前記第１の位置検出器の２次元照射位置を表
   示する位置表示板を設け、前記第１、第２の位置検出器
   で検出された前記光の２次元照射位置に基づき前記移動
   体の位置および姿勢角を演算するようにした位置姿勢角
   計測装置において、 前記光投光器と前記第１の位置検出器との間または前記
   第１の位置検出器と前記第２の位置検出器との間に配設
   されたレンズと、 前記第１の位置検出器で検出された前記光の２次元照射
   位置に基づき前記移動体の位置を演算するとともに、前
   記第２の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位
   置に基づき前記移動体の姿勢角を演算する演算手段と、 前記第１、第２の位置検出器およびレンズで構成された
   位置検出部と前記光投光器との間に設けられ、前記第１
   の位置検出器の２次元照射位置を表示する位置表示板と
   、 前記レンズの焦点近傍に設けられ、前記位置表示板を照
   明する照明ランプと、 前記第１、第２の位置検出器の検出結果に基づき前記移
   動体の位置または姿勢角の計測が不可能であるか否かを
   判定する判定手段と、 前記判定手段によって前記計測が可能であると判定され
   た場合に前記演算手段の演算結果を表示するとともに、
   前記判定手段によって前記計測が不可能であると判定さ
   れた場合に該判定内容を表示する表示手段と、 前記照明ランプを点灯または消灯させる点灯・消灯切替
   スイッチと を具え、前記表示手段に前記計測が不可能であることが
   表示された場合に前記点灯・消灯切替スイッチを前記照
   明ランプの点灯側に切り替えるようにしたことを特徴と
   する位置姿勢角計測装置。
7. （７）光軸が移動体の予定移動経路と一致するように光
   を投光する光投光器を備えるとともに、前記光投光器か
   ら投光された光を受光、透過して照射位置を２次元的に
   検出する第１の位置検出器と、前記第１の位置検出器に
   よって透過された光を受光して照射位置を２次元的に検
   出する第２の位置検出器とを前記移動体に所定距離離間
   して配設し、さらに前記光投光器と前記第１の位置検出
   器との間に前記第１の位置検出器の２次元照射位置を表
   示する位置表示板を設け、前記第１、第２の位置検出器
   で検出された前記光の２次元照射位置に基づき前記移動
   体の位置および姿勢角を演算するようにした位置姿勢角
   計測装置において、 前記光投光器と前記第１の位置検出器との間または前記
   第１の位置検出器と前記第２の位置検出器との間に配設
   されたレンズと、 前記第１の位置検出器で検出された前記光の２次元照射
   位置に基づき前記移動体の位置を演算するとともに、前
   記第２の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位
   置に基づき前記移動体の姿勢角を演算する演算手段と、 前記第１、第２の位置検出器およびレンズで構成された
   位置検出部と前記光投光器との間に設けられ、前記第１
   の位置検出器の２次元照射位置を表示する位置表示板と
   、 前記レンズの焦点近傍に設けられ、前記位置表示板を照
   明する照明ランプと、 前記第１、第２の位置検出器の検出結果に基づき前記移
   動体の位置または姿勢角の計測が不可能であることを判
   定する判定手段と、 前記判定手段によって前記計測が不可能であると判定さ
   れた場合に前記照明ランプを点灯させる手段と を具えたことを特徴とする位置姿勢角計測装置。