JPH06146781A - 移動体の進行状態検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シールド機の進行方向を、その姿勢方向に影
響されることなく、正確に測定すること。 【構成】 シールド機の姿勢方向１００を含む移動平面
内での加速度成分を、前記姿勢方向１００を介し互いに
交叉する第１および第２の方向１１０，１２０に向けた
加速度成分として検出する第１および第２の加速度セン
サ２０，２２を設ける。そして、前記第１および第２の
方向１１０，１２０への加速度成分に基づき、前記第１
および第２の方向へのシールド機の速度成分ｖ1 ，ｖ2
を演算する。そして、前記姿勢方向１００に対する第１
および第２の方向１１０，１２０の交叉角θと、前記第
１および第２の方向１１０，１２０への速度成分ｖ1 ，
ｖ2とに基づき、シールド機の進行方向Ｖを演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は移動体の進行状態検出装
置、特にシールド機などの移動体の進行方向を測定する
ことができる進行状態検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド機等を用いてトンネルの掘削を
行う場合には、一般にジャイロコンパスを用いてシール
ド機の姿勢方向を検出し、あらかじめ定められた目標経
路に沿ってシールド機が進行するよう制御をしている。

【０００３】ところが、シールド掘進を行う場合、図５
（Ａ）に示すようシールド機１０の姿勢方向１００と実
際の進行方向２００が一致しない場合がある。この場
合、ジャイロコンパスでは、シールド機１０の姿勢方向
１００しか検出できないため、姿勢方向１００と実際の
進行方向２００との差が検出誤差となって現われるとい
う問題があった。

【０００４】また、図５（Ｂ）に示すようシールド機１
０がシールド掘進中に平行移動（横すべり）した場合、
姿勢方向１００は変化しない。このため、ジャイロコン
パスではこの平行移動を検出できず、この結果、シール
ド機１０の実際の進行方向２００に対する測定誤差が生
じてしまうという問題もあった。

【０００５】この様な測定誤差対策として、現状では、
１リングのセグメントを組み立てる毎に、光学測量によ
り誤差補正を行っているが、それではジャイロコンパス
の特徴である、掘削経路測定機器の設置用坑内空間が不
要、機器の設置換えが不要等のメリットが生かされな
い。

【０００６】特に、このような光学測量による誤差補正
は、径の大きなトンネルを掘削する場合には機器設置ス
ペースに余裕があるため可能であるが、上下水道などの
径の小さなトンネル掘削を行う場合には難しいという問
題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、ジャイロ
コンパスを用いた従来の進行状態検出装置では、シール
ド機１０の姿勢方向１００のみを検出しているため、姿
勢方向１００と実際の進行方向２００との間に誤差があ
る場合や、シールド機１０が横すべりを起こしたような
場合には、これが測定誤差となって現われるため、定期
的に光学測量あるいは他の手段を用いて誤差補正を行う
必要があり、正確な進行方向のリアルタイム測定ができ
ないという問題があった。

【０００８】特に、このような誤差補正を必要とする従
来技術では、高価な測量機械を必要とし、また時間と手
間もかかるため、これらが工事単価を引き上げる要因の
１つとなっていた。

【０００９】本発明は、このような従来の課題に鑑みな
されたものであり、その目的は、シールド機などの移動
体の進行方向を直接にほぼリアルタイム測定することが
できる進行状態検出装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、移動体の姿勢方向を含む移動平面内での
加速度成分を、前記姿勢方向をはさんだ両側の領域に向
き、かつ互いに交叉する第１および第２の方向の加速度
成分として検出する第１および第２の加速度センサと、
前記第１および第２の方向への加速度成分に基づき、前
記第１および第２の方向への移動体の速度成分を演算す
る速度成分演算手段と、前記姿勢方向に対する第１およ
び第２の方向の交叉角と、前記第１および第２の方向へ
の移動体の速度成分とに基づき、移動体の進行方向を演
算する進行方向演算手段と、を含むことを特徴とする。

【００１１】また、本発明は、シールド機の姿勢方向を
含む移動平面内での加速度成分を、前記姿勢方向をはさ
んだ両側の領域に向き、かつ互いに交叉する第１および
第２の方向の加速度成分として検出する第１および第２
の加速度センサと、前記第１および第２の方向への加速
度成分に基づき、前記第１および第２の方向へのシール
ド機の速度成分を演算する速度成分演算手段と、前記姿
勢方向に対する第１および第２の方向の交叉角と、前記
第１および第２の方向へのシールド機の速度成分とに基
づき、シールド機の進行方向を演算する進行方向演算手
段と、を含むことを特徴とする。

【００１２】ここにおいて、前記第１および第２の加速
度センサは、その第１および第２の方向と前記姿勢方向
とが鋭角的に交叉するよう形成することが好ましい。

【００１３】

【作用】本発明によれば、第１および第２の加速度セン
サを用い、移動体の加速度を、移動体の姿勢方向を介し
互いに交差する第１および第２の方向に向けた加速度成
分として検出している。

【００１４】そして、この第１および第２の方向への加
速度成分に基づき、これら第１および第２の方向への移
動体の速度成分を演算し、この速度成分をベクトル的に
合成することにより、移動体の進行方向を演算してい
る。

【００１５】このように、本発明によれば、シールド機
などの移動体の実際の進行方向を複数の加速度成分から
ほぼリアルタイムで正確に検出することができる。

【００１６】さらに、第１および第２の方向へ向けた移
動体の速度成分に基づき、これら第１および第２の方向
への移動体の移動距離成分を演算し、これを積算するこ
とにより、移動体の現在の進行位置を正確に検出するこ
とができる。

【００１７】このように、本発明によれば、加速度セン
サを用いて移動体の実際の進行方向そのものを、例えば
図５に示すような姿勢方向１００と進行方向２００との
誤差や、移動体の平行移動等に影響されることなく、ほ
ぼリアルタイムで正確に測定することができる。

【００１８】

【実施例】次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳
細に説明する。

【００１９】図１には、本発明が適用されたシールド機
の好適な一例が示されている。実施例のシールド機１０
は、カッターが設けられた面板１２を回転駆動し切羽を
掘削していく。このシールド機１０の姿勢方向１００
は、面板１２の回転軸と一致するように設定されてい
る。

【００２０】そして、シールド機１０は、その後端側
に、周方向に間隔をあけて複数のジャッキ１４が設けら
れており、このジャッキ１４によって、掘削坑の内周面
に取付け固定されたセグメント１６に反力を与えること
により掘進方向へ向けた推力を得ており、また、各セグ
メント１６からの反力を制御することにより、掘進方向
を変化させるように構成されている。

【００２１】この様なシールド機１０では、面板１２の
回転方向や、切羽の土質状態によってシールド機１０が
図５（Ａ）に示すよう姿勢方向１００と異なる方向２０
０へ向け進行したり、あるいは同図（Ｂ）に示すよう横
すべりしたりすることがある。特にこのような現象は、
縦方向より、横方向へ向けて発生しやすい。このため、
実施例のシールド機１０には、姿勢方向１００を検出す
るジャイロ１８と、実際の進行方向２００を検出するた
めの３個の加速度センサ２０，２２，２４とが設けられ
ている。

【００２２】図２（Ａ）には、前記３個の加速度センサ
２０，２２，２４の取付け状態が示されている。姿勢方
向１００を含むシールド機１０の横方向（姿勢方向１０
０が水平面内にある場合には水平方向）移動平面内にお
いて、第１および第２の加速度センサ２０，２２は、姿
勢方向１００をはさんだ両側の領域に向き、かつ互いに
交差する第１および第２の方向１１０，１２０へ向けた
加速度α1 ，α2 を検出するように設置されている。こ
れら各加速度センサ２０，２２は、設置方向１１０，１
２０へ向けた加速度成分のみを選択的に検出する単軸型
加速度計を用いることが好ましい。

【００２３】また、姿勢方向１００と直交する方向１３
０への加速度成分は、比較的小さな値である。このた
め、これを通常感度の加速度センサを用いる場合には、
横方向１３０へ向けた加速度成分を、姿勢方向１００へ
向けた大きな値の加速度成分と合成し、全体として比較
的大きな値としてピックアップすること好ましい。この
ため第１および第２の加速度センサ２０，２２は、横方
向１３０への加速度成分が検出できる範囲で、できるだ
け姿勢方向１００へ近い方向へ向けて設置することが好
ましい。この設置角度θは、センサの検出感度等に応じ
て適宜変更されるが、実施例ではθ＝５°に設定されて
いる。

【００２４】また、前記補助加速度センサ２４は、姿勢
方向１００に対し直交する横方向１３０へ向けた加速度
成分を検出するように設置されている。従って、この補
助加速度センサ２４の検出加速度を、時間で２回積分す
ることによって、横すべり距離を検出することができ
る。なお、この補助加速度センサ２４も、前記第１およ
び第２の加速度センサ２０，２２と同様、単軸型の加速
度計を用いて構成されている。

【００２５】以上の構成とすることにより、前記第１お
よび第２の加速度センサ２０，２２の検出する第１およ
び第２の方向１１０，１２０への加速度成分α1 ，α2
を時間で積分することにより、図２（Ｂ）に示すような
第１および第２の方向１１０，１２０へ向けた速度成分
ｖ1 ，ｖ2 を求めることができ、この速度成分ベクトル
をベクトル合成することにより、実際の進行方向２００
へ向けた速度ベクトルＶを求めることができる。

【００２６】このように、実施例のシールド機１０で
は、その実際の進行方向２００を直接測定しているた
め、姿勢方向１００と実際の進行方向２００との間にず
れ角αが存在する場合でも、これに影響されることなく
進行方向２００をリアタイム測定することが可能とな
る。

【００２７】さらに、第１および第２の方向１１０，１
２０への速度成分ｖ1 ，ｖ2 を時間積分し単位時間当た
りの移動距離成分を求め、このようにして求めた移動距
離成分ベクトルから実際の進行方向２００へ向けた単位
時間当たりの移動距離を求め、これをベクトル情報とし
て積算していくことにより、シールド機１０の進行経路
をリアルタイムで正確に把握することができる。

【００２８】なお、加速度は、シールド機が等速になっ
たら測定できないと思われがちであるが、実際のシール
ド掘進は、シールド機１０が脈動しながら進行するのが
一般であり、本実施例の装置を用いほぼリアルタイムで
かつ連続的に進行方向２００を検出することができる。

【００２９】図３には、前記加速度センサ２０，２２，
２４として用いられる単軸型加速度計の一例が示されて
いる。この加速度計は、図中横方向が検出加速度方向を
表す入力軸となっている。そして、この加速度計は、ハ
ウジング３０内にフレキシャヒンジ３２を介して入力軸
方向へ傾動自在に取り付けられたビーム３４の偏位量
を、偏位ピックアップ３６を用いて検出し、サーボアン
プ３８を介して加速度信号として出力するように構成さ
れている。なお、同図において３７はマグネット，３９
はトルカコイルをそれぞれ表わしている。

【００３０】図４には、実施例のシールド機１０に設け
られた進行状態検出装置のブロック図が示されている。

【００３１】第１および第２の加速度センサ２０，２２
および補助加速度センサ２４を用い検出された各方向１
１０，１２０，１３０の加速度成分α1 ，α2 ，α3
は、対応する速度演算部４０，４２，４４で時間積分さ
れ、速度成分ｖ1 ，ｖ2 ，ｖ3として出力される。

【００３２】速度ベクトル演算部４６は、第１および第
２の方向１１０，１２０へ向けた速度成分ｖ1 ，ｖ2
と，姿勢方向１００に対する第１および第２の方向１１
０，１２０の交叉角θとに基づき、速度成分ｖ1 ，ｖ2
をベクトル合成する。このように求めた速度ベクトルＶ
は、図２（Ｂ）に示すよう、実際の進行方向２００へ向
けたシールド機の速度ベクトルであ。従って、この速度
ベクトルＶから、進行状況演算部５６はシールド機１０
の実際の進行方向２００をリアルタイムで把握すること
ができる。

【００３３】特に、図５（Ａ）に示すようシールド機１
０の姿勢方向１００と進行方向２００とが異なる場合
や、同図（Ｂ）に示すようシールド機１０が横すべりす
るような場合でも、進行状況演算部５６は、入力される
速度ベクトルＶからシールド機１０の実際の進行方向２
００を、前記従来の誤差要因に影響されることなく、直
接かつリアルタイムで正確に把握することができる。

【００３４】また、前記速度演算部４０，４２で演算さ
れた第１および第２の方向１１０，１２０への速度成分
ｖ1 ，ｖ2 は、距離演算部４８，５０により時間積分さ
れ移動距離成分ｌ1 ，ｌ2 に換算される。移動距離演算
部５４は、これら第１および第２の方向１１０，１２０
へ向けた移動距離成分ｌ1 ，ｌ2 をベクトル合成し、シ
ールド機１０実際の進行方向２００へ向けた単位時間当
たりの移動距離Ｌを演算し、これを進行状況演算部５６
へ向け演算出力する。

【００３５】従って、進行状況演算部５６は、前述した
ように入力される速度ベクトルＶと実際の単位時間当た
りの移動距離Ｌとに基づきシールド機１０の掘進経路お
よび現在の座標位置をリアルタイムで演算出力する。

【００３６】さらに、実施例では、速度演算部４４の出
力する横方向１３０への速度成分ｖ3 を横すべり量演算
部５２で時間積分し、これを横方向１３０への横すべり
量ｌ3 として進行状況演算部５６へ向け出力する。従っ
て、進行状況演算部５６は、速度ベクトル演算部４６お
よび移動距離演算部５４から入力されるデータに基づ
き、横方向１３０への移動距離を演算し、この移動距離
が横すべり量演算部５２から演算出力される横すべり量
ｌ3 と等しいかどうかを照合しながら、速度ベクトル演
算部４６，移動距離演算部５４の演算出力に誤差成分が
含まれていないか否かの監視をリアルタイムで行うこと
ができる。

【００３７】さらに、実施例の装置では、ジャイロコン
パス１８で検出されるシールド機１０の姿勢方向１００
が進行状況演算部５６に入力されている。

【００３８】そして、進行状況演算部５６は、シールド
機１０の実際の進行方向２００、掘進経路および現在の
座標位置や、ジャイロコンパス１８から入力されるシー
ルド機１０の姿勢方向１００などのデータをシールド制
御部５８へ向け出力する。シールド制御部５８は、この
ような入力データに基づきシールド機１０の掘進方向お
よびその他の制御を行う。

【００３９】特に、本実施例では、シールド機１０の現
在の姿勢方向１００と、実際の進行方向２００とがリア
ルタイムで測定でき、しかも現在のシールド機１０の座
標位置もリアルタイム演算できるため、シールド機制御
部５８は、所定の目標経路に沿ってシールド機１０が進
むよう、その方向を正確に制御することができる。

【００４０】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で各種の変形実施が
可能である。

【００４１】例えば、前記実施例では、速度センサ２
０，２２を姿勢方向１００を含む横方向移動面内にのみ
設置した場合を例にとり説明したが、同様な構成の速度
センサを姿勢方向１００を含む縦方向移動平面内（好ま
しくは、横方向移動平面と直交する面内）に、同様な手
法により設置し、進行状態検出回路を構成してもよい。
これにより、シールド機１０の、横方向への進行方向の
みならず、縦方向への実際の進行方向もリアルタイムで
把握し、シールド機１０をより正確に制御することが可
能となる。

【００４２】また、前記実施例では、第１および第２の
加速度センサ２０，２２と、姿勢方向１００との交叉角
を等しく設定したが、必要に応じ前記交叉角は異なる角
度に設定してもよい。

【００４３】また、前記実施例では、本発明の進行状態
検出装置をシールド機１０の進行方向検出用に用いた場
合を例にとり説明したが、本発明はこれに限らずこれ以
外に各種の移動体、例えば船や車両などの移動体に対す
る進行状態検出装置としても幅広く適用することができ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シールド機およびその他の移動体の進行方向を移動体の
姿勢方向と実際の進行方向とのずれなどに影響されるこ
となく、ほぼリアルタイムでかつ正確に測定することが
できる。

【００４５】特に、本発明の装置を、シールド機の進行
方向検出用に用いることにより、従来のようにシールド
機の姿勢方向と実際の進行方向との誤差補正を定期的に
行う必要がなくなるため、装置全体を簡単かつ安価なも
のとし、シールド機の自動連続制御が可能となる。．

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されたシールド機の概略説明図で
ある。

【図２】実施例のシールド機に設けられた加速度センサ
の配置およびこれら加速度センサを用いて行われる進行
方向検出原理の説明図である。

【図３】実施例に用いられる加速度センサの概略説明図
である。

【図４】実施例のシールド機に設けられた進行状況検出
回路のブロック図である。

【図５】シールド機の姿勢方向と実際の移動方向とが異
なる場合の概略説明図である。

【符号の説明】

１０ シールド機 ２０ 加速度センサ ２２ 加速度センサ ４０ 速度検出部 ４２ 速度検出部 ４６ 速度ベクトル演算部 ４８ 距離演算部 ５０ 距離演算部 ５４ 移動距離演算部 ５６ 進行状況演算部 １００ 姿勢方向 １１０ 第１の方向 １２０ 第２の方向 ２００ 進行方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 昭二 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 伊藤 耕一 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 樋口 忠 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内 (72)発明者 柳楽 毅 東京都中央区京橋１丁目７番１号 戸田建 設株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体の姿勢方向を含む移動平面内での
   加速度成分を、前記姿勢方向をはさんだ両側の領域に向
   き、かつ互いに交叉する第１および第２の方向の加速度
   成分として検出する第１および第２の加速度センサと、 前記第１および第２の方向への加速度成分に基づき、前
   記第１および第２の方向への移動体の速度成分を演算す
   る速度成分演算手段と、 前記姿勢方向に対する第１および第２の方向の交叉角
   と、前記第１および第２の方向への移動体の速度成分と
   に基づき、移動体の進行方向を演算する進行方向演算手
   段と、 を含むことを特徴とする進行状態検出装置。
2. 【請求項２】 シールド機の姿勢方向を含む移動平面内
   での加速度成分を、前記姿勢方向をはさんだ両側の領域
   に向き、かつ互いに交叉する第１および第２の方向の加
   速度成分として検出する第１および第２の加速度センサ
   と、 前記第１および第２の方向への加速度成分に基づき、前
   記第１および第２の方向へのシールド機の速度成分を演
   算する速度成分演算手段と、 前記姿勢方向に対する第１および第２の方向の交叉角
   と、前記第１および第２の方向へのシールド機の速度成
   分とに基づき、シールド機の進行方向を演算する進行方
   向演算手段と、 を含むことを特徴とする進行状態検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１，２のいずれかにおいて、 前記第１および第２の加速度センサは、 その第１および第２の方向と前記姿勢方向とが鋭角的に
   交叉するよう形成されたことを特徴とする進行状態検出
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記第１および第２の方向への速度成分に基づき、移動
   体またはシールド機の進行方向への移動距離を演算する
   移動距離演算手段と、 検出進行方向および検出移動距離とに基づき、移動体ま
   たはシールド機の進行位置を演算する進行位置演算手段
   と、 を含むことを特徴とする進行状態検出装置。