JPH05223569A - 移動体の位置・姿勢自動計測装置 - Google Patents

移動体の位置・姿勢自動計測装置

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JPH05223569A
JPH05223569A JP2556392A JP2556392A JPH05223569A JP H05223569 A JPH05223569 A JP H05223569A JP 2556392 A JP2556392 A JP 2556392A JP 2556392 A JP2556392 A JP 2556392A JP H05223569 A JPH05223569 A JP H05223569A
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Kazuyuki Hiraoka
和志 平岡
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Hitachi Zosen Corp
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 レーザ光線の投光ユニット11と、シールド掘
進機1に設置された受光ユニット12と、シールド掘進機
1の移動経路途中に設置されたレーザ光線の反射ユニッ
ト13とからなる位置・姿勢自動計測機6を2組配置する
とともに、一方の自動計測機6Aにおけるレーザ光線経
路が遮蔽物5により遮断された場合に、他方の位置・姿
勢自動計測機6Bで得られるシールド掘進機の位置およ
び姿勢データを一方の自動計測機側に入力させるように
した移動体の位置・姿勢自動計測装置である。 【効果】 任意の自動計測機におけるレーザ光線の通過
経路に遮蔽物が存在した場合、残りの自動計測機により
移動体の位置および姿勢を検出し、これらのデータに基
づき遮光された側の自動計測機におけるレーザ光線を、
常に、その受光ユニット側に向けておくことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、移動体例えばシールド
掘進機の位置・姿勢自動計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、シールド掘進機の位置および姿勢
を自動的に計測する装置として、レーザ光線を用いたも
のが種々使用されている。
【0003】例えば、レーザ発振器をトンネル内に固定
し、シールド掘進機の進行方向に、その位置が既知であ
るレーザ光線を出射し、シールド掘進機に取り付けられ
たレーザ位置センサーでレーザスポットの位置を計測す
ることにより、シールド掘進機の位置計測が行われてい
る。
【0004】また、レーザ発振器をトランシットに取り
付けて、シールド掘進機に設けられたターゲットに出射
するレーザ光線の方向を変化できるようにしたものもあ
る。この場合、レーザ光線の位置は、トランシットの回
転角から求めることができ、上記の方法と同様にシール
ド掘進機の位置測定を行うことができる。
【0005】さらに、上記の他に、例えば曲線部におけ
る自動位置計測を行うものとして、レーザ光線とトンネ
ル内に複数個設置されたコーナキューブとを利用して、
角度計測を行うようにしたものもある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の第1番
目に記載したものについては、レーザ光線が固定されて
いるため、トンネルが曲線部である場合には、受光セン
サーの大きさに制限があるため、計測ができないという
問題がある。
【0007】また、第2番目のものについては、曲線部
で連続計測を行う場合には、シールド掘進機がトンネル
の側壁に隠れるため、やはり計測ができなくなるという
問題がある。
【0008】また、第3番目のものについては、レーザ
を高速で回転させるためおよび回転部の水平誤差の影響
により、角度計測誤差が大きくなって計測精度が悪くな
るとともに、投光ユニットが多数必要になるという問題
がある。
【0009】さらに、このように、レーザ光線を使用す
る計測装置においては、レーザ光線の通過経路途中に、
作業員または作業具などの遮蔽物が存在した場合など、
一時的に遮光された場合には連続して計測ができないと
ともに、その遮光時において、移動体がレーザ光線の受
光範囲を越えて移動した場合には、自動的に計測を開始
することができないという問題があった。
【0010】そこで、本発明は上記問題を解消し得る移
動体の位置・姿勢自動計測装置を提供することを目的と
する。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の移動体の位置・姿勢自動計測装置は、基準
点に設置されるレーザ光線の投光ユニットと、移動体に
設置されたレーザ光線の受光ユニットと、移動体の移動
経路途中に設置されるとともに上記投光ユニットから出
射されたレーザ光線を受光ユニットに反射させる反射ユ
ニットとからなる位置・姿勢自動計測機を複数組配置す
るとともに、上記投光ユニットを、レーザ発振器と、光
波距離計と、制御装置とから構成し、上記受光ユニット
を、レーザ光線を異なる位置で検出する第1および第2
受光センサーと、光波距離計からのレーザ光線を反射す
るための反射器とから構成し、上記反射ユニットを、投
光ユニットから出射されたレーザ光線を受光ユニットに
入射させる第1および第2反射鏡と、これら各反射鏡を
互いに直交する軸心回りで回転させる第1および第2回
転装置とから構成し、かつ上記任意の位置・姿勢自動計
測機におけるレーザ光線経路が遮断された場合に、残り
の位置・姿勢自動計測機で得られる移動体側の計測デー
タを上記任意の位置・姿勢自動計測機側に入力するよう
にしたものである。
【0012】
【作用】上記の構成によると、直線部を経て曲線部に移
動している移動体をレーザ光線を使用してその位置およ
び姿勢を計測する場合、投光ユニットからレーザ光線を
移動体に設けられた受光ユニットに出射し、この受光ユ
ニットから反射されたレーザ光線を投光ユニット側で受
光する際に、その移動経路の途中に配置された反射ユニ
ットを介してレーザ光線の出射および入射を行うととも
に、この反射ユニットに回転自在に設けられた2枚の反
射鏡の回転角度を調整することにより、投光ユニットと
受光ユニットとの間でレーザ光線の受け渡しを行うよう
にしたので、曲線部においても、投光ユニットからのレ
ーザ光線を受光ユニットの所定位置に入射させることが
できる。
【0013】また、自動計測機を複数組配置しているの
で、例えば任意の自動計測機におけるレーザ光線の通過
経路に遮蔽物が存在した場合でも、残りの自動計測機に
より、移動体の計測データ、例えば移動体の位置および
姿勢を検出するとともに、これらの位置および姿勢デー
タに基づき遮光された側の自動計測機の反射ユニットか
ら反射するレーザ光線を、常に、その受光ユニット側に
向けておくことができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1〜図11に基
づき説明する。図1は本発明の一実施例における移動
体、例えばシールド掘進機のトンネル掘削時における位
置および姿勢を自動的に計測する自動計測装置の概略構
成を示す図である。
【0015】この位置・姿勢自動計測装置は、基準点と
して例えばトンネル2の直線部3である入口坑道部内に
設置されるレーザ光線を発射する投光ユニット11と、
シールド掘進機1内に設置されたレーザ光線の受光ユニ
ット12と、シールド掘進機1の移動経路上の所定位
置、例えば直線部3の終端付近のトンネル2内の途中に
設置されて、上記投光ユニット11から出射されたレー
ザ光線を受光ユニット12に導く反射ユニット13とか
らなる自動計測機6が2組配置されてなるものである。
【0016】ここで、1組の自動計測機6の構成につい
て、図2に基づき説明する。上記投光ユニット11は、
レーザ発振器21と、このレーザ発振器21の前方位置
に順番に配置された第1変調器22、コリメータ23、
偏光子24、および第1ハーフミラー25と、光波距離
計26と、この光波距離計26の前方位置に配置された
第2ハーフミラー27と、上記第1変調器22および光
波距離計26にそれぞれ制御線28,29を介して制御
信号を出力するためのコンピュータ(制御装置)30
と、上記第1ハーフミラー25の背面側に配置された検
光子31と、この検光子31の後方に配置された第1フ
ォトダイオード32と、途中にアンプ33およびデコー
ダ34が設けられて第1フォトダイオード32で検出さ
れた信号を上記コンピュータ30に入力するための信号
線35と、上記制御線28途中に設けられたエンコーダ
36およびドライバ37とから構成されている。
【0017】この投光ユニット11において、レーザ発
振器21より出射したレーザ光線は、第1変調器22を
通過し、コリメータ23によりそのビーム径および開口
角が調整され、そして偏光子24を通過し、第1および
第2ハーフミラー25,27で反射されて出射される。
【0018】また、光波距離計26からは、距離測定用
のレーザ光線が第2ハーフミラー27を透過して出射さ
れる。この第2ハーフミラー27の角度を調節すること
により、レーザ発振器21からの姿勢検出用のレーザ光
線と距離計測用のレーザ光線との光軸が合わされる。な
お、この第2ハーフミラー27には、例えば既存製品で
ある2軸の微調整が可能なミラーホルダーが使用され
る。また、上記第1変調器22としては、既存製品のど
れを使用してもよく、例えばレーザ発振器が半導体レー
ザである場合には直接変調でもよい。本実施例において
は、直線偏光レーザ発振器を用い、偏光子を使用して変
調した場合を示しているため、変調器としては、ファラ
デー素子などの偏光面回転光学素子が使用される。
【0019】上記受光ユニット12は、シールド掘進機
1内に例えば鉛直面内に配置されて、反射ユニット13
からのレーザ光線を入射してその受光位置を検出するた
めの第1レーザ位置センサー(受光センサー)41と、
シールド掘進機1内に水平面内で配置されて、反射ユニ
ット13からのレーザ光線を第3ハーフミラー42を介
して入射してその受光位置を検出するための第2レーザ
位置センサー(受光センサー)43と、同じく反射ユニ
ット13からのレーザ光線を第4ハーフミラー44を介
して入射するとともに元の入射経路に反射するための第
1コーナキューブ45と、この第1コーナキューブ45
の手前位置に配置された第2変調器46と、上記第1お
よび第2レーザ位置センサー41,43からの受光位置
信号に基づき上記第2変調器46を制御するためのコン
トローラ(制御器)47と、途中にアンプ48が設けら
れて上記第1および第2レーザ位置センサー41,43
からの受光位置信号をコントローラ47に入力するため
の信号線49と、途中にエンコーダ50およびドライバ
51が設けられて上記コントローラ47からの制御信号
を第2変調器46に出力するための制御線52とから構
成されている。
【0020】この受光ユニット12において、光波距離
計26から出射された距離測定用のレーザ光線は、第1
コーナキューブ45により反射されて同一光路を通り、
光波距離計26に戻り、シールド掘進機1までの距離が
計測される。
【0021】また、第1および第2レーザ位置センサー
41,43からの受光位置信号は信号線49を介してコ
ントローラ47に入力され、ここでディジタル信号に変
換された後、エンコーダ50によりシリアルコードに変
換され、そしてドライバ51を経て第2変調器46に入
力され、両レーザ位置センサー41,43により検出さ
れた受光位置信号はレーザ光線に載せられて、投光ユニ
ット11側に送られる。
【0022】すなわち、レーザ光線は、第2変調器46
により変調され、第1コーナキューブ45で反射されて
同一光路を通り、第1ハーフミラー25まで戻る。そし
て、第1ハーフミラー25を透過したレーザ光線は検光
子31を透過して第1フォトダイオード32に入射され
る。第1フォトダイオード32に入射した後、電気信号
となり、アンプ33を経てデコーダ34に入り、両レー
ザ位置センサー41,43により検出された受光位置デ
ータがコンピュータ30に入力される。
【0023】ところで、第2変調器46の場合も、変調
方法としてはどのような方法でもよいが、強度変調をす
る場合には、光波距離計26からの信号と干渉しないよ
うに、変調周波数を大きく変える必要がある。
【0024】なお、図2においては、偏向面の回転によ
り変調をかける場合を示しているので、変調器はファラ
デー効果などを利用して偏向面を回転させるものが使用
されている。また、変位信号が回転信号と混信しないよ
うに、例えばコードや時間差などで区別が行われる。
【0025】さらに、上記反射ユニット13は、投光ユ
ニット11からのレーザ光線を反射させる第1反射ミラ
ー(第1反射鏡)61および第2反射ミラー(第2反射
鏡)62と、この第1反射ミラー61を水平軸心回りで
回転させる第1回転装置(例えば、サーボモータなどが
使用される)63と、上記第2反射ミラー62を鉛直軸
心回りで回転させる第2回転装置(例えば、サーボモー
タなどが使用される)64と、入射口65に対応する位
置に設けられて、投光ユニット11からのレーザ光線を
上記第1反射ミラー61に導く第3反射ミラー66と、
同じく入射口65に対応する位置に設けられてレーザ光
線の回折光を入射をする第2フォトダイオード67と、
この第2フォトダイオード67の検出信号に基づき、上
記第1および第2反射ミラー61,62の各回転装置6
3,64を制御するコントローラ(制御器)68と、第
2フォトダイオード67の検出信号を上記コントローラ
68に送る信号線69途中に設けられたアンプ70およ
びデコーダ71と、上記コントローラ68からの制御信
号を各回転装置63,64に出力する制御線72の途中
に設けられたドライバ73と、上記第2反射ミラー62
に取り付けられて投光ユニット11からのレーザ光線を
投光ユニット11側に反射するための第2コーナキュー
ブ74とから構成されている。
【0026】この反射ユニット13は、投光ユニット1
1から出射されたレーザ光線の光路上の任意位置、例え
ばシールド掘進機1の移動軌跡上に、すなわち既設のト
ンネル2内にレーザ光線が第3反射ミラー66に入射す
る位置で、第1反射ミラー61の回転軸心が鉛直方向と
なるように取り付けられ、そしてレーザ光線が受光ユニ
ット12側に入力するように、第1および第2回転装置
63,64により、第1および第2反射ミラー61,6
2を回転させてレーザ光線を出射するものである。
【0027】なお、この反射ミラー61,62の回転角
度を制御する制御信号は、投光ユニット11側のコンピ
ュータ30から第1変調器22を経て、レーザ光線に載
せられて反射ユニット13側に送られる。また、上記第
2コーナキューブ74は、投光ユニット11から反射ユ
ニット13までの距離を測定するためのものである。
【0028】そして、さらに上記各組の自動計測機6に
おいては、一方の自動計測機6で得られたシールド掘進
機1の位置および姿勢データが、他方の自動計測機6側
のコンピュータ30に入力されている。
【0029】ここで、自動計測機における計測原理につ
いて説明する。まず、シールド掘進機1までの距離、す
なわち位置の計測原理について説明する。
【0030】光波距離計26から出射されたレーザ光線
は、反射ユニット13を経て受光ユニット12側に導か
れ、そして受光ユニット12において、第4ハーフミラ
ー44により第1コーナキューブ45に入り、ここで反
射されて同一光路を通って光波距離計26に戻り、シー
ルド掘進機1までの距離がコンピュータ30により演算
される。なお、この演算方法は、予め反射ユニット13
の位置が分かっているため、光波距離計26で得られた
シールド掘進機1までの直線距離から反射ユニット13
までの距離を引き、反射ユニット13からのシールド掘
進機1までの距離を求め、そしてこの距離と各反射ミラ
ー61,62の回転角度によりシールド掘進機1の位置
が求められる。
【0031】次に、シールド掘進機1の姿勢の計測原理
について説明する。投光ユニット11のレーザ発振器2
1から出射されたレーザ光線は、第1および第2ハーフ
ミラー25,27を介して、距離測定用のレーザ光線と
同一の光路でもって、反射ユニット13に向かって出射
され、そしてこの反射ユニット13における第3反射ミ
ラー66、第1反射ミラー61および第2反射ミラー6
2を経て受光ユニット12側に導かれる。この受光ユニ
ット12に導かれたレーザ光線は、第3ハーフミラー4
2で2つに分離され、その透過したレーザ光線は第1レ
ーザ位置センサー41に入射されるとともに、反射した
レーザ光線は第2レーザ位置センサー43に入射する。
そして、これら両レーザ位置センサー41,43により
検出された受光位置データは、第1コントローラ47、
第2変調器46を介して第1コーナキューブ45に入射
されるレーザ光線に載せられた後、第1コーナキューブ
45で反射されて投光ユニット11側に戻る。投光ユニ
ット11に戻ったレーザ光線は、検光子31に入り、位
置信号が抽出された後、第1フォトダイオード32に入
る。この第1フォトダイオード32で検出された信号
は、デコーダ34で位置信号に直されて、コンピュータ
30に入力される。
【0032】そして、このコンピュータ30において、
上記両レーザ位置センサー41,43からの受光位置信
号すなわち2箇所における受光位置座標に基づいて、シ
ールド掘進機1自体の姿勢が演算される。
【0033】次に、シールド掘進機の位置および姿勢を
自動的に計測する具体的方法を、図面に基づき説明す
る。まず、図3に示すように、投光ユニット11を所定
の位置(X0 ,Y0 ,Z0)に、かつレーザ光線が施工
計画線と平行となるような方向(θ0 ,φ0 )で出射す
るように取り付ける。なお、図4に座標系における角度
の取り方について示しておく。
【0034】AB区間は直線部3であるため、直線部計
測法で計測する。すなわち、シールド掘進機1の計画施
工線に対する姿勢、ヨーイングθm 、ピッチングφm
および計画施工線からの変位量(ξ,ζ)は下記に示す
(7) 式および(8) 式により求められる(図5〜図7参
照)。
【0035】但し、ξはシールド掘進機中心位置の施工
計画線に垂直な平面内における水平方向の施工計画線か
らのずれ量(図5参照),ζはシールド掘進機中心位置
の施工計画線に垂直な平面内における鉛直方向の施工計
画線からのずれ量(図6参照)である。
【0036】なお、直線施工においては、θm およびφ
m はともに小さいので、cos θm およびsin φm はほぼ
1に等しいものとみなす。 θm =tan-1(( ξ2 −ξ1)/d) ・・・(1) φm =tan-1(( ζ2 −ζ1)/d) ・・・(2) ξ1 =ξ1′cos R+ζ1′sin R−r(sin( R+R0)−sin R0) ・・・(3) ζ1 =−ξ1′sin R+ζ1′cos R−r(cos( R+R0)−cos R0) ・・・(4) ξ2 =ξ2′cos R+ζ2′sin R−r(sin( R+R0)−sin R0) ・・・(5) ζ2 =−ξ2′sin R+ζ2′cos R−r(cos( R+R0)−cos R0) ・・・(6) ξ=ξ1 +d0 sinθm cos φm +rsin R0 cos θm ・・・(7) ζ=ζ1 +d0 sinφm cos θm +rsin R0 cos φm ・・・(8)
【0037】ここで、ξ1 ′,ζ1 ′は第1レーザ位置
センサーによる実測値である。ξ2 ′,ζ2 ′は第2レ
ーザ位置センサーによる実測値である。
【0038】ξ1 ,ζ1 はシールド掘進機のローリング
を考慮した際の第1レーザ位置センサーの計算値であ
る。ξ2 ,ζ2 はシールド掘進機のローリングを考慮し
た際の第2レーザ位置センサーの計算値である。
【0039】但し、図7に示すように、Rはシールド掘
進機のローリング角で、傾斜計などにより測定される。
0 はシールド掘進機の中心位置を通る鉛直面に、第1
レーザ位置センサーを投影したときの投影座標位置(X
2″,Y2″,Z2″)までの取付角度、rはシールド掘
進機の中心位置座標から投影位置座標(X2″,Y2″,
2″)までの距離、d0 はY軸方向すなわち移動方向
における第1レーザ位置センサーの位置座標と投影座標
位置(X2″,Y2″,Z2″)までの距離を示す。
【0040】なお、第2レーザ位置センサー43を第1
レーザ位置センサー41に対して直交する平面内に設け
たが、これは第1レーザ位置センサー41での受光が可
能となるように、単に、レーザ光線の方向を曲げること
により、異なる2箇所でレーザ光線の位置計測を行える
ようにしたもので、したがって図8に示すように、第2
レーザ位置センサー43を、同一距離hでもって、90
度第1レーザ位置センサー41側に移動させた場合(S
2 →S2′)でも、計測上同じことになる。このため、
他の図面上においては、第1および第2レーザ位置セン
サー41,43は一直線上に配置してあるものとして示
している。
【0041】次に、BC区間については、曲線部4であ
るため、曲線部計測法により計測する。すなわち、図3
において、シールド掘進機1がB地点に到達したら、P
1 地点に反射ユニット13を取り付ける。
【0042】図9〜図11に示すように、反射ユニット
13の位置(X1 ,Y1 ,Z1 )は次式で求められる。 X1 =L0 cos φ0 cos θ0 +X0 ・・・(9) Y1 =L0 cos φ0 sin θ0 +Y0 ・・・(10) Z1 =L0 sin φ0 +Z0 ・・・(11) なお、L0 は第1回転装置63を回転させて、第2コー
ナキューブ74をレーザ光線の入射方向に向けることに
より、光波距離計26で計測することができる。
【0043】そして、曲線部の計測においては、第1レ
ーザ位置センサー41による実測値(ξ1′,ζ1′)が
0となるように、反射ユニット13における各回転装置
63,64を回転させる。
【0044】したがって、第1レーザ位置センサー41
の中心位置座標(X2 ,Y2 ,Z2)は次式により、求
められる。 X2 =L1 cos(φ0 +φ1 )cos(θ0 +θ1)+L0 cos φ0 cos θ0 +X0 ・・・(12) Y2 =L1 cos(φ0 +φ1 )cos(θ0 +θ1)+L0 cos φ0 sin θ0 +Y0 ・・・(13) Z2 =L1 sin ( φ0 +φ1 )+L0 sin φ0 +Z0 ・・・(14) ここで、L1 は光波距離計による全長測定値からL0
引いた距離である。
【0045】θ1 は反射ユニットへの入射レーザ光線と
出射レーザ光線とのなす角の水平面への投影角である
(図10参照)。φ1 は反射ユニットへの入射レーザ光
線と出射レーザ光線とのなす角の鉛直面への投影角であ
る(図11参照)。
【0046】したがって、第2レーザ位置センサー43
の中心位置座標(X2′,Y2′,Z 2′)は次式により
表される。 X2′=X2 −dcos(φ0 +φ1 −φm )cos(θ0 +θ1 −θm ) ・・・(15) Y2′=Y2 −dcos(φ0 +φ1 −φm )sin(θ0 +θ1 −θm ) ・・・(16) Z2′=Z2 −dsin(φ0 +φ1 −φm ) ・・・(17) なお、θm およびφm は式(1) および式(2) により求め
る。
【0047】そして、シールド掘進機1の中心位置座標
(Xm ,Ym ,Zm )は次式により求められる。ここ
で、中心位置座標(Xm ,Ym ,Zm )の求め方を、図
7に基づき概略的に説明する。
【0048】まず、第1レーザ位置センサー41および
第2レーザ位置センサー43の中心を通る直線と、第1
レーザ位置センサー41を中心として半径d0 の球との
交点(X2″,Y2″,Z2″)を求める。なお、交点は
2つあるが、シールド掘進機が座標の正方向を向いてい
る場合には、大きい方の値となる。
【0049】次に、上記交点(X2″,Y2″,Z2″)
を中心として、半径rの球と、第1レーザ位置センサー
41を中心として、半径t(これはシールド掘進機の中
心位置と第1レーザ位置センサー中心位置との距離であ
り、予め分かっている)の球の交点を求める。
【0050】この交点は円となり、この円上にシールド
掘進機の中心が存在し、しかも次式を満足する点が、シ
ールド掘進機の中心位置座標(Xm ,Ym ,Zm )とな
る。 rcos (R0 +R)=Z2″−Zm ・・・(18) なお、この場合も、上記(18)式を満足する点は2つある
が、シールド掘進機が座標の正方向を向いている場合
で、しかも前方を向いてレーザ位置センサーが左側にあ
る場合には、大きい方の値となる。
【0051】以下、上記の計算手順を、具体的に説明す
る。 Xm =(2X2″+(4X22-4(X22 +( Ym −Y2″)2+B−r2))1/2) /2 ・・・(19) Ym =(-(2E(F-X2″)-2Y2″)+((2E(F-X2″)-2Y2″)2 -4(E2+1)((F-X2″)2+Y22+B-r2))1/2)/2(E2-1) ・・・(20) Zm =Z2″−rcos (R0 +R) ・・・(21) 上記式中; k=(X2′−X2 )/d m=(Y2′−Y2 )/d n=(Z2′−Z2 )/d X2″= X2 +(A22 2−A(AX2 2−d0 21/2
A Y2″= Y2 +m(X2 ″−X2 )/k Z2″= Z2 +n(X2 ″−X2 )/k A=k2 +m2 +n2 B=(−rcos (R0 +R))2 C=(Z2″−rcos (R0 +R)−Z22 D=−X22 +X2 2−Y22 +Y2 2−B+C+r2
2 E=(X2″−Y1 )/(−X2 ″+X2 ) F=D/2(−X2 ″+X2 ) したがって、シールド掘進機1の施工計画線からのずれ
量は、(Xm ,Ym ,Zm )と施工計画線の座標の差よ
り求められる。
【0052】すなわち、施工計画線の座標を(Xs ,Y
s ,Zs )とすると、施工計画線からのずれ量(dX,
dY,dZ)は次式から求められる。 dX=(Xm −Xs )・・・(22) dY=(Ym −Ys )・・・(23) dZ=(Zm −Zs )・・・(24) CD区間については直線部3であるが、P2 地点まで
は、曲線部計測法で計測する。
【0053】シールド掘進機1がP2 地点を過ぎたら、
図3の仮想線にて示すように、P2地点に別の反射ユニ
ット13を取り付け、レーザ光線が施工計画線と平行に
なるように偏向させる。
【0054】CD区間のP2 地点以降については、直線
部計測法により計測すればよく、また以後の計測には、
上記曲線部および直線部の組み合わせがある度に、上記
の計測方法を繰り返して計測を行えばよい。
【0055】このように、曲線部においても、シールド
掘進機の位置および姿勢を反射ユニットを使用すること
により、正確に計測することができる。なお、直線部だ
けを計測する場合には、反射ユニットを使用せずに、投
光ユニットと受光ユニットとを使用して、計測すればよ
い。
【0056】次に、上記計測原理により、シールド掘進
機の位置・姿勢を自動的に計測する位置・姿勢自動計測
機6を2組使用して、一方の自動計測機6Aにおけるレ
ーザ光線の通過経路(光路)の一部が作業員または作業
具などの遮蔽物5により、遮断された場合の計測方法に
ついて説明する。
【0057】図1に示すように、遮蔽物5によって、一
方の自動計測機6A側のレーザ光線が遮光された場合、
他方の自動計測機6Bで上述した計測方法により、シー
ルド掘進機1の位置および姿勢を計測することができ
る。
【0058】他方の自動計測機6Bにより、シールド掘
進機1の位置および姿勢が分かると、一方の自動計測機
6Aにおける受光ユニット12Aの位置が求まる。すな
わち、他方の自動計測機6Bにより計測されたシールド
掘進機1の位置および姿勢データが一方の自動計測機6
A側のコンピュータ30に入力され、これらのデータに
基づき、他方の自動計測機6Bの受光ユニット12Bの
位置が求められる。なお、シールド掘進機1の位置およ
び姿勢データの代わりに、他方の自動計測機6B側の受
光ユニット12Bの位置およびシールド掘進機1の姿勢
データをコンピュータ30に入力して、その受光ユニッ
ト12Bの位置を求めるようにしてもよい。
【0059】ここで、一方の自動計測機6A側の受光ユ
ニット12Aの位置を(Xj1,Yj1,Zj1)とすると、
反射ユニット13Aは移動しないので、遮光前と同じ位
置にあるため、その位置を(Xh1,Yh1,Zh1)とする
と、反射ユニット13Aにおける受光ユニット12Aへ
の反射角度、すなわち計画施工線に対するレーザ光線の
偏向角(θh1,φh1)は下記の(25)および(26)式によ
り、求められる。
【0060】 θh1=cos -1[( Xj1−Xh1)/((Xj1−Xh1)2+(Yj1−Yh1)2)1/2]−θt 1 ・・・・(25) φh1=cos -1[((Xj1−Xh1)2+( Yj1−Yh1)2)1/2/ ((Xj1−Xh1)2+( Yj1−Yh1)2+( Xj1−Xh1)2)1/2]−φt1 ・・・・(26) 但し、(25),(26) 式中、θt1は一方の自動計測機6Aの
投光ユニット11Aから発射されるレーザ光線のヨーイ
ング角 φt1は一方の自動計測機6Aの投光ユニット11Aから
発射されるレーザ光線のピッチング角 したがって、遮光時においては、上記(25)および(26)式
を満足するように、一方の自動計測機6Aにおける反射
ユニット13Aの第1および第2反射ミラー61,62
を回転させておけば、作業員または作業具などの遮蔽物
5がなくなった際には、一方の自動計測機6Aにおける
レーザ光線は、シールド掘進機1側の受光ユニット12
Aに入射しており、たとえ遮光時に、シールド掘進機1
が大きく移動した場合でも、常に、シールド掘進機1の
位置および姿勢を計測し得る状態となっている。
【0061】このように、シールド掘進機の位置および
姿勢計測用として2組の自動計測機を配置したので、一
方の自動計測機におけるレーザ光線の通過経路に遮蔽物
が存在した場合でも、他方の自動計測機により、移動体
の位置および姿勢を検出するとともに、これらのデータ
に基づき一方の自動計測機の反射ユニットから反射する
レーザ光線を、常に、自動的にその受光ユニット側に向
けておくことができる。
【0062】また、2台の自動計測機で同時に計測を行
い、得られた計測値の平均を求めることにより、より高
精度な計測を行うことができる。また、それぞれの自動
計測機で得られた計測値を比較することにより、計測機
自体の異常をチェックすることができる。
【0063】さらに、一方の自動計測機が故障した場合
でも、他方の自動計測機により、シールド掘進機の位置
および姿勢の計測を行うことができるので、掘削作業を
中止する必要がない。
【0064】ところで、上記実施例においては、受光ユ
ニットで得られたレーザ位置センサーからの受光位置信
号を、レーザ光線に載せて投光ユニット側のコンピュー
タに送るようにしたが、場合によっては、信号線などを
使用して送ることもできる。
【0065】また、上記実施例においては、反射ユニッ
トにおける各回転装置の制御信号をレーザ光線に載せて
投光ユニットのコンピュータ側から送るようにしたが、
この場合も、信号線などを使用して送ることもできる。
【0066】また、上記実施例においては、2組の自動
計測機を配置したが、勿論、3組以上配置して、同様の
自動計測を行うようにしてもよい。さらに、上記実施例
においては、移動体としてシールド掘進機に適用した場
合について説明したが、搬送用ロボットなどを制御する
際の、ロボットの位置および姿勢の計測、または自動搬
送車の制御にも適用し得る。
【0067】
【発明の効果】以上のように本発明の構成によると、直
線部を経て曲線部に移動している移動体をレーザ光線を
使用してその位置および姿勢を計測する場合、投光ユニ
ットからレーザ光線を移動体に設けられた受光ユニット
に出射し、この受光ユニットから反射されたレーザ光線
を投光ユニット側で受光する際に、その移動経路の途中
に配置された反射ユニットを介してレーザ光線の出射お
よび入射を行うとともに、この反射ユニットには、レー
ザ光線を反射させるための2枚の反射鏡を回転自在に設
けたので、曲線部においても、投光ユニットからのレー
ザ光線を受光ユニットの所定位置に入射させることがで
き、したがって受光ユニットを大きくする必要がないと
ともに、反射ユニットにおける反射鏡の回転角度を考慮
して移動体の位置を計測するため、計測精度を向上させ
ることができる。また、受光ユニットには、投光ユニッ
トから出射されたレーザ光線の受光する2個の受光セン
サーを設けたので、これら2個の受光センサーからの受
光位置信号により、移動体の姿勢を正確に計測すること
ができる。
【0068】さらに、自動計測機を複数組配置したの
で、例えば任意の自動計測機におけるレーザ光線の通過
経路に遮蔽物が存在した場合でも、残りの自動計測機に
より、移動体側の計測を行うとともに、この計測データ
に基づき遮光された側の自動計測機の反射ユニットから
反射するレーザ光線を、常に、その受光ユニット側に向
けておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例におけるシールド掘進機の位
置・姿勢自動計測装置の概略構成図である。
【図2】同実施例における自動計測機の概略構成図であ
る。
【図3】同実施例におけるシールド掘進機の位置・姿勢
自動計測方法を説明する平面図である。
【図4】同実施例におけるシールド掘進機の位置・姿勢
自動計測方法を説明する座標系を示す斜視図である。
【図5】同実施例におけるシールド掘進機の姿勢を説明
する水平断面図である。
【図6】同実施例におけるシールド掘進機の姿勢を説明
する鉛直断面図である。
【図7】同実施例におけるシールド掘進機に取り付けら
れた受光ユニットのレーザ位置センサーの位置を示す斜
視図である。
【図8】図6のレーザ位置センサーの位置を示す要部拡
大斜視図である。
【図9】同実施例における各ユニット間および各レーザ
位置センサーの座標関係を示す斜視図である。
【図10】同実施例における各ユニット間およびレーザ
位置センサーの水平面内における座標関係を示す図であ
る。
【図11】同実施例における各ユニット間およびレーザ
位置センサーの鉛直面内における座標関係を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 シールド掘進機 2 トンネル 3 直線部 4 曲線部 5 遮蔽物 6 自動計測機 11 投光ユニット 12 受光ユニット 13 反射ユニット 21 レーザ発振器 25 第1ハーフミラー 26 光波距離計 27 第2ハーフミラー 30 コンピュータ 32 第1フォトダイオード 41 第1レーザ位置センサー 42 第3ハーフミラー 43 第2レーザ位置センサー 44 第4ハーフミラー 45 第1コーナキューブ 61 第1反射ミラー 62 第2反射ミラー 63 第1回転装置 64 第2回転装置 66 第3反射ミラー 67 第2フォトダイオード

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基準点に設置されるレーザ光線の投光ユニ
    ットと、移動体に設置されたレーザ光線の受光ユニット
    と、移動体の移動経路途中に設置されるとともに上記投
    光ユニットから出射されたレーザ光線を受光ユニットに
    反射させる反射ユニットとからなる位置・姿勢自動計測
    機を複数組配置するとともに、上記投光ユニットを、レ
    ーザ発振器と、光波距離計と、制御装置とから構成し、
    上記受光ユニットを、レーザ光線を異なる位置で検出す
    る第1および第2受光センサーと、光波距離計からのレ
    ーザ光線を反射するための反射器とから構成し、上記反
    射ユニットを、投光ユニットから出射されたレーザ光線
    を受光ユニットに入射させる第1および第2反射鏡と、
    これら各反射鏡を互いに直交する軸心回りで回転させる
    第1および第2回転装置とから構成し、かつ上記任意の
    位置・姿勢自動計測機におけるレーザ光線経路が遮断さ
    れた場合に、残りの位置・姿勢自動計測機で得られる移
    動体側の計測データを上記任意の位置・姿勢自動計測機
    側に入力するようにしたことを特徴とする移動体の位置
    ・姿勢自動計測装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0933246A (ja) * 1995-07-17 1997-02-07 Nanno Kensetsu Kk 隧道の位置測定装置と管体の推進装置
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RU2699091C1 (ru) * 2017-06-19 2019-09-03 Китайский Университет Горного Дела И Технологии Система позиционирования экскаватора и способ строительства подземного прохода криволинейного профиля

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