JPH037884B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水平管路、主として土中の既設管路や
掘削途中の管路の曲りを計測するための方法及び
その実施に用いられる計測用プローブに関する。

推進掘削工法等により土中に形成される水平管
路の曲りを計測する方法として、フラツクスゲー
トや磁石を方位検出器として備えたプローブを用
いる方法が一般に行われている。しかし、土中埋
設管には鋼管が用いられるのが通常であり、この
ような鋼管内では地磁気が遮へいされるため、磁
気検出器による方位検出は困難であるという問題
があり、このためドリル管の管先端部を非磁性体
により構成して掘削を行う対策も試みられてはい
るが、いずれにしても、このような方法は地中内
の磁性が誤差要因となるという根本的な問題を抱
えており、このためその測定精度に常に不安が残
る。また最近、適当な長さの走行体を管壁に接触
させ管の曲りを光や歪ゲージで求める方法が検討
されているが、この種の方法は管壁面の凹凸及び
走行体の管壁への密着性が誤差要因となり、また
その補正も困難であることから未だ実用化には至
つていない。

このような方式に対し、地中内の磁性や管壁の
凹凸等の要因に関係なく方位の測定ができる方式
としてジヤイロスコープを方位検出器として用い
る方法が検討されている。しかしこの方法は、石
油や鉱床探査用の井戸等、垂直孔の曲り計測に実
用化されている例はあるが、プローブの小型化、
測定精度等の面で垂直孔用の技術を水平管路用に
そのまま適用できない事情があり、水平管路の曲
り計測に関しては未だ技術的に十分確立されたも
のとはなつていないのが現状である。

本発明はこのような事情に鑑み研究開発された
もので、ジヤイロスコープを備えたプローブによ
り水平管路の曲りを精度良く計測すことができる
方法及びその実施に用いられる計測用プローブを
提供せんとするものである。

このため、本発明の計測方法は次のような内容
をその基本的特徴とする。すなわち、方位検出器
としてジヤイロスコープを備えたプローブを、水
平管路内で走行せしめることにより出発点と目標
点との間を往復移動せしめ、この移動中プローブ
によりその方位角Φciを計測する。このようにし
て計測された方位角において、往復移動後に回帰
した出発点位置での方位角をドリフト角Φdとし、
出発からti時間後のドリフト角Φdiを、 Φdi＝ti／tn₂・Φd 但し、 tn₂：プローブが往復動に要した時間 により求める。そして、出発点・目標点間の往路
における前記方位角Φciと、同じく往路における
前記ドリフト角Φdiとの偏差を、出発点から目標
点に至る区間の方位角Φiとして求め、管路の曲
りを計測する。また、このような計測に用いられ
る本発明の計測用プローブは、内部に回転軸がプ
ローブ長手方向と平行となるようにして自由度１
の支持枠を設けるとともに、該支持枠に、検出軸
が支持枠の回転軸と直交したレートジヤイロと、
支持枠の回転軸回りの水平を検知すべき水平検出
器と、回転軸長手方向での傾斜を検知すべき傾斜
計とを、それらの検出軸が互いに直交するように
して直列に設け、水平検出器による検出に基づき
レートジヤイロの検出軸を垂直に保持するよう支
持枠を回転動作せしめるモータを設けた構造とし
たものである。

以下本発明を具体的に説明する。

本発明は方位検出器としてジヤイロスコープを
備えたプローブで水平管路（傾斜した管路を含
む。以下同様）の曲りを計測するに当り、管路内
において、前記プローブを出発点（通常は管路入
口）と目標点との間で方位角を計測しつつ往復走
行せしめ、往復動後に回帰した出発点位置での方
位角をドリフト角として求め、このドリフト角を
出発点から目標点までの走行時間のパラメータと
してとり、これにより得られたドリフト角で計測
方位角を補正して正確な方位角を求めるようにし
たものである。

ジヤイロスコープを利用して管路曲りの方位角
を計測する場合、ジヤイロ自体のドリフトが方位
測定精度を出す上での大きな問題となる。すなわ
ち、プローブを入口から管路内に挿入して目標地
点まで走行せしめ、その方位角を計測しても、そ
の方位角にはジヤイロのドリフト角が含まれてお
り、しかもそのドリフト角を知ることができない
ため、実際の方位角を精度良く得ることができな
いという問題がある。このような問題に対し、本
発明では、プローブを出発点・目標点間で往復動
せしめ、この往復路ともに方位角を計測する方法
を採用した。そしてプローブが出発点に戻つたと
きの真の方位角差は零度であるから、その出発点
位置で実際に計測された方位角をプローブ往復動
によるドリフト角とみなすとともに、このドリフ
ト角を時間に比例して発生する誤差とみなし、プ
ローブ往路におけるドリフト角を知るようにした
ものである。

以下これを第１図に基づいて説明する。図は方
位検出器としてジヤイロスコープを備えたプロー
ブが出発点から目標点に向い、再び出発点に戻る
間の、ジヤイロスコープにより計測されたプロー
ブ方位角Φci（縦軸）と経過時間ti（横軸）との関
係を示している。時間零での方位角は零度とみな
すことができ、プローブはtn₁時間経過後目標点
Ｂに達し、tn₂時間経過後出発点Ａに戻り、その
時の方位角はΦdを示している。ここでtn₂時間経
過後、プローブが出発点Ａに戻つたときの方位角
は零度であるはずであり、したがつてtn₂時間経
過後出発点Ａで計測された方位角Φdはジヤイロ
のドリフト角をみなすことができる。そして、こ
のΦdは時間に比例して発生する誤差とみなすこ
とができるから、出発からti時間後のドリフト角
Φdiを、 Φdi＝ti／tn₂・Φd により求める。そして、出発点Ａと目標点Ｂ間の
プローブ往路における前記計測方位角Φciと、同
じく往路における前記ドリフト角Φdiとの偏差Φi
（Φci−Φdi）を求めるものであり、このように計
測方位角Φciをドリフト角Φdiで補正して求めら
れたΦiが出発点Ａから目標点Ｂまでの区間実際
の方位角となる。

このように本発明の計測法では、プローブの出
発点・目標点間での往復動完了時点において計測
された方位角ドリフトから、プローブ往路におい
て発生する方位角ドリフトを推定し、これにより
計測方位角を修正するものであり、このようにし
て得られた方位角Φiにより、プローブ出発点か
ら目標点までの精度の高い管路位置を知ることが
できる。

次に本発明の曲り計測用プローブについて説明
する。従来、水平管路の曲り計測用のプローブと
して２自由度のフリージヤイロを備えた構造のも
のがあるが、この種のジヤイロは測定精度等の面
において次のような問題があり、信頼性に乏しい
ものであつた。第６図はそのようなフリージヤイ
ロを備えたプローブのジヤイロ部断面を示すもの
である。本発明が計測対象とする水平管路は40〜
500mm程度の小口径のものが多く、したがつてプ
ローブ及びこれに内蔵されるジヤイロも小型のも
のが要求される。この点上記フリージヤイロは回
転子２９の小型化に伴いその精度が低下するとい
う傾向があり、このため小口径管路の測定に適す
るような小型化が難しいという問題がある。また
構造上の理由から、方位軸２５を構成する内ジン
バル２６が90゜回転するとスピン軸２７がロール
軸２８（図中３０は外ジンバル）と一致してしま
い、ジンバルロツクという現象を生じてしまう。
図はこのジンバルロツクとなつた状態を示してお
り、この状態では方位角検出は不可能となる。し
たがつてこの種のジヤイロでは方位軸２５は±
90゜より小さい範囲での自由度を有するだけであ
り、その範囲以上の方位検出はできないという難
点がある。

このようなことから、本発明では小型化しても
精度低下のおそれがなく、しかも原理的にジンバ
ルロツクを生じない１自由度のジヤイロスコープ
を方位検出器として採用し、プローブの小口径化
を図るようにしたものである。しかし、この種の
ジヤイロは通常１自由度である故に、計測中のプ
ローブの回転が精度に悪影響を及ぼすことが考え
られる。そこで本発明ではプローブをジヤイロと
水平検出器（及び傾斜計）との組み合せで構成せ
しめ、プローブの回転に対し、水平検出器による
検出に基づき、ジヤイロスコープの検出軸をプロ
ーブの回転にかかわらず常に垂直に保持するよう
構成せしめ、ジヤイロの精度確保を図るようにし
たものである。

第２図は本発明のプローブの構造を原理的に示
すもので、１は自由度１の支持枠、２はレートジ
ヤイロ、３は水平検出器、４は傾斜計、５はモー
タである。

前記支持枠１はその回転軸ａがプローブ長手方
向と平行となるようにしてプローブケース（図示
せず）内に回転可能に保持されている。

前記レートジヤイロ２、水平検出器３、傾斜計
４はそれらの形状的中心線が支持枠１の回転軸ａ
上に位置するよう支持枠１の枠内に互いに隣接し
て固定されている。このように３つの検出器を直
列的に配設することによりプローブ自体を小口径
化することが可能となる。

レートジヤイロ２はその検出軸IA₁が支持枠１
の回転軸ａと直交するよう配置される。ここで、
説明の便宜上支持枠１上に互いに直交する回転軸
ａ、方位軸ｂ及び傾斜軸ｃの３軸を設定すると、
上記レートジヤイロ２の検出軸IA₁、スピン軸
SA及び出力軸OAは、上記支持枠の方位軸ｂ、
傾斜軸ｃ及び回転軸ａとそれぞれ平行な状態にあ
る。このレートジヤイロ２では方位軸ｂの回転に
伴う角速度が検出され、、後述するようにこの角
速度を演算装置により積分することにより方位角
が求められる。

水平検出器３は回転軸ａ回りの水平を検知する
もので、この信号によつて支持枠１と直結するモ
ータ５を介して支持枠１を回転させ、その方位軸
ｂ（及びレートジヤイロ２の検出軸IA）を垂直な
状態に保持するものである。このため水平検出器
２は、その検出軸IA₂が支持枠１の回転軸ａと平
行な状態となるよう固定される。上記検出軸IA₂
はレートジヤイロ２の検出軸IA₁と直交した状態
となる。

傾斜計３は支持枠１の回転軸ａの水平面からの
傾斜角を検出するもので、その検出軸IA₃が支持
枠１の傾斜軸ｃと平行な状態となるよう固定され
る。上記検出軸IA₃はレートジヤイロ２の検出軸
IA₁及び水平検出器３の検出軸IA₂とそれぞれ直
交した状態となる。

前記モータ５はプローブケース内に前記支持枠
１の支持軸６に直結されるようにして設けられ、
前述したように、水平検出器２からの信号に基づ
き、支持枠１がその回転軸回りで常に水平状態と
なるよう支持枠１を回転駆動せしめる。これによ
り方位軸ｂと一致したレートジヤイロ２の検出軸
IA₁は回転軸ａを含む垂直面上に空間保持され
る。

第３図は第２図に基づくより具体的な実施例を
示すもので、２重管状に形成されたプローブケー
ス７内に設けられた軸受部８，８に支持枠１がそ
の両端支持軸６，６を介して回転可能に保持され
ている。

支持枠１の内側にはレートジヤイロ２、傾斜計
４及び水平検出器３がそれぞれ固定されている。
本実施例では、傾斜計４として、傾斜によつて生
じる地球重力成分を検出するためのサーボ加速計
が、また水平検出器３として気泡形のレベルセン
サを用いているが、これらの検出装置としては任
意の構造のものを使用することができ、例えば水
平検出器３として水銀スイツチ等を用いることも
できる。またレートジヤイロ２としては方位軸ｂ
の回転に伴う角速度を検出し得る任意の構造のも
のを採用し得ることができ、例えばレート積分ジ
ヤイロ、ドライチエーンジヤイロ形のものを採用
することもできる。その他図面において９はモー
タ５を構成するロータ、１０は同じくステータで
あり、また１１は支持枠１に各検出器を保持せし
めるための保持部である。

次に、以上の構成を有するプローブの使用方法
（計測方法）を説明する。第４図は、プローブに
よる計測状況を示すもので、１２は曲りを計測す
べき水平埋設管である。プローブイは管端から埋
設管１２内に挿入され、水又は空気により管内方
に圧送される。プローブイの前部及び後部のそれ
ぞれ外面には、プローブを管の中心線と平行な状
態に保持するためのセンタライザ１３，１３が取
付けられ、またプローブイの先端側外周には圧送
用の水又は空気を前方に逃さないようにするため
のＯリング１４が取付けられる。埋設管１２の閉
塞した端部には供給口１５が設けられ、この供給
口１５を介して管内に圧送用流体が供給される。
なお、プローブイの走行方式としては、上記した
圧送以外に自走式等、適当な方式を採用すること
ができる。

プローブイの後端には管外に延出した索体１６
が連結されている。この索体１６はプローブの引
き戻し手段及びプローブの移動距離計測手段を兼
ねるとともに、信号線が付設され、検出信号を管
外の装置類に送る手段も兼ねるものであり、この
ため、２重外装ケーブル等により構成せしめるこ
とが好ましい。この索体１６は巻取装置１７から
送り出され、また測長器１８によりその送り出し
長さが測定され、これからプローブイの移動距離
が求められる。

上記圧送等による走行中、プローブイの内蔵さ
れたレートジヤイロ２及び傾斜角４により方位角
速度Φ〓及び支持枠１の回転軸ａの傾きθが計測さ
れる。ここで、プローブイはその走行中周方向で
回転することが避けられないが、このようなプロ
ーブイの回転に対し、水平検出器３が支持枠１の
水平状態を検知し、その信号によつてモータ５を
作動させ、方位軸ｂと一致したレートジヤイロ２
の検出軸IA₁を常に垂直面上に保持するよう支持
枠１を回動せしめる。これによりプローブイの回
転に影響を受けることなく、所定の精度で方位角
速度Φ〓を計測することができる。

このようにして計測された方位角速度Φ〓、傾斜
角θ及び前記測長器１８により求められたプロー
ブ移動距離Ｌに基づき、演算装置１９により管路
曲りの計算（管路座標の決定）が行われる。第５
図ａないしｃは上記演算装置１９の演算機能を説
明したもので、レートジヤイロ２から出力された
方位角速度Φ〓は第５図ａに示されるように、、補
正部２０において、上記角速度中に含まれるレー
トジヤイロの各種固有誤差等の補正が行われ、補
正された方位角速度Φ〓cから積分器２１により方
位角Φcを得る。また傾斜計４から出力された傾
斜角θは、第５図ｂに示されるように補正部２２
においてその傾斜角中に含まれる零点バイアス誤
差等の誤差が補正され、傾斜角θcが得られる。さ
らに第５図ｃに示されるように、測定からti時間
におけるプローブの方位角Φci、傾斜角θi、さら
に微小移行距離ΔLiを変換行列パラメータ２３を
介して固定座標系ΔXi、ΔYi、ΔZiに座標変換す
るが、上記方位角Φciについては、前述した本発
明法によりドリフト角Φdiにより補正して方位角
Φiを得、この方位角に基づき上記固定座標を得
ることができる。このようにして得られた管路の
座標は記録器２４に記録される。

以上述べた本発明法によれば、方位検出器とし
てジヤイロスコープを備えたプローブにより、水
平管路の曲りをジヤイロのドリフトの影響を除去
して精度良く計測することができ、また本発明の
計測用プローブによれば、このような方法を好適
に実施することができ、特に比較的小口径の管路
に対しても適用できることから、ジヤイロスコー
プを利用した水平管路の曲り計測方式を汎用的に
実用化できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法における方位角Φiの計測法
を示す説明図である。第２図は本発明の計測用プ
ローブの構造を原理的に示す説明図である。第３
図は第２図に基づく本発明の一実施例を示すもの
であつて、プローブの支持枠設置部における断面
図である。第４図は本発明のプローブによる計測
状況を示す説明図である。第５図ａないしｃは演
算機の演算機能の説明図である。第６図は従来の
プローブのジヤイロ部断面図である。 図において、１は支持枠、２はレートジヤイ
ロ、３は水平検出器、４は傾斜計、５はモータ、
Ａは出発点、Ｂは目標点、イはプローブ、IA₁〜
IA₃は各検出器の検出軸である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 方位検出器としてジヤイロスコープを備えた
   プローブを、水平管路内で走行せしめることによ
   り出発点と目標点との間を往復移動せしめ、この
   移動中プローブによりその方位角Φciを計測し、
   往復移動後に回帰した出発点位置での方位角をド
   リフト角Φdとし、出発からti時間後のドリフト
   角Φdiを、 Φdi＝ti／tn₂・Φd 但し、 tn₂：プローブが往復動に要した時間 により求め、出発点・目標点間の往路における前
   記方位角Φciと、同じく往路における前記ドリフ
   ト角Φdiとの偏差を、出発点から目標点に至る区
   間の方位角Φiとして求め、管路の曲りを計測す
   ることを特徴とする水平管路の曲り計測方法。 ２ 方位検出器としてジヤイロスコープを備えた
   プローブを、水平管路内で走行せしめることによ
   り出発点と目標点との間を往復移動せしめ、この
   移動中プローブによりその方位角Φciを計測し、
   往復移動後に回帰した出発点位置での方位角をド
   リフト角Φdとし、出発からti時間後のドリフト
   角Φdiを、 Φdi＝ti／tn₂・Φd 但し、 tn₂：プローブが往復動に要した時間 により求め、出発点・目標点間の往路における前
   記方位角Φciと、同じく往路における前記ドリフ
   ト角Φdiとの偏差を、出発点から目標点に至る区
   間の方位角Φiとして求め、管路の曲りを計測す
   る水平管路の曲り計測方法に用いられるプローブ
   であつて、 内部に、回転軸がプローブ長手方向と平行とな
   るようにして自由度１の支持枠を設けるととも
   に、該支持枠に、検出軸が支持枠の回転軸と直交
   したレートジヤイロと、支持枠の回転軸回りの水
   平を検知すべき水平検出器と、支持枠の回転軸長
   手方向での傾斜を検知すべき傾斜計とを、それら
   の検出軸が互いに直交するようにして直列に設
   け、水平検出器による検出に基づきレートジヤイ
   ロの検出軸を垂直に保持するよう支持枠を回転動
   作せしめるモータを設けてなる水平管路の曲り計
   測用プローブ。