JPH0688476A - Automatic direction control device of shield machine - Google Patents

Automatic direction control device of shield machine

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JPH0688476A
JPH0688476A JP24187692A JP24187692A JPH0688476A JP H0688476 A JPH0688476 A JP H0688476A JP 24187692 A JP24187692 A JP 24187692A JP 24187692 A JP24187692 A JP 24187692A JP H0688476 A JPH0688476 A JP H0688476A
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angle
shield machine
fuzzy inference
offset
posture
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Kazuo Kodaira
一穂 小平
Seiji Saotome
誠次 早乙女
Toru Ishikawa
石川  亨
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Abstract

PURPOSE:To facilitate to set parameters or to grasp influences at changing them by dealing with only a qualitative part, to which direction a shield machine should be faced, in a fuzzy inference part. CONSTITUTION:The locus and the posture angle of a shield machine are detected by means of an offset estimation part 11, the relation of them is set into a model, and dislocation between the advancing direction and the posture angle is estimated as the offset angle. Next, a fuzzy inference part 12 computes dislocation of the position and dislocation of the posture angle of the shield machine from scheduled line information, position detection information, posture angle information, offset angle information, and the like, and outputs a posture control command value based on dislocation of the position and dislocation of the posture angle. Next, a posture control part 13 computes angular moment from the posture control command value and the posture angle detection information, computes the degree of one-sided push based on the angular moment, and selects an optimum jack pattern based on the degree of one-sided push.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は地中にトンネル等の通路
をつくるためのシールド掘進機に関し、特にトンネル計
画線からの姿勢、位置ずれを最小にしながら掘進させる
ための自動方向制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a shield machine for forming a passage such as a tunnel in the ground, and more particularly to an automatic directional control device for carrying out a digging operation while minimizing the posture and position deviation from a planned tunnel line.

【0002】[0002]

【従来の技術】シールド掘進機においては、円形の掘削
部をその背後から複数のジャッキで支持して推進させる
ようにしており、トンネル計画線に沿って推進させるた
めには方向制御が必要である。方向制御は、周方向に間
隔をおいて配置された複数のジャッキにより掘削部へ推
進方向に対して回転モーメントを付与することで行わ
れ、この回転モーメントは複数のジャッキのうちどれを
オンとするかで変化させることができる。通常、ジャッ
キの本数は10本以上であり、オンとされるジャッキの
組合わせはジャッキパターンと呼ばれ、例えば16本の
ジャッキの場合、ジャッキパターンの種類は216個に及
ぶ。
2. Description of the Related Art In a shield machine, a circular excavation part is supported by a plurality of jacks from behind and is propelled, and direction control is required to propel it along a planned tunnel line. . Directional control is performed by applying a rotation moment to the excavation section in the propulsion direction by a plurality of jacks arranged at intervals in the circumferential direction, and this rotation moment turns on any of the plurality of jacks. You can change it. Normally, the number of jacks is 10 or more, and the combination of jacks turned on is called a jack pattern. For example, in the case of 16 jacks, the types of jack patterns reach 2 16 .

【0003】これまでの方向制御装置について簡単に説
明すると、シールド掘進機の現在の位置、方向と、予め
定める計画路線の位置、方向とを比較して、そのずれ量
を入力とし、ファジー推論によってそのずれ量を少なく
するような片押し度変化量を求めるファジー制御装置を
使用し、このファジー制御装置に対して、過去の掘進前
の位置、方向と、掘進後のそれらの位置、方向の各移動
量に応じては、方向制御の精度をあげるように片押し度
変化量を表すメンバシップ関数を修正し、その修正され
たメンバシップ関数より求められた片押し度変化量に基
づき、周方向に複数個設けられているジャッキのうち、
推力駆動すべきジャッキを選択するようにしたものがあ
る(例えば、特開平2−186097号)。
To briefly explain the conventional direction control device, the current position and direction of the shield machine are compared with the position and direction of a predetermined planned route, and the deviation amount is used as an input to perform fuzzy inference. Using a fuzzy control device that calculates the amount of one-sided push degree change that reduces the amount of deviation, the fuzzy control device is used for each of the position and direction before the excavation in the past and those positions and directions after the excavation. Depending on the amount of movement, the membership function that expresses the amount of one-sided push change is modified to improve the accuracy of direction control, and the circumferential direction is calculated based on the amount of one-sided press change obtained from the corrected membership function. Of the jacks provided in the
There is one in which a jack to be driven by thrust is selected (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-186097).

【0004】ファジー制御装置は、図10に示すよう
に、位置関係によるルールを規定した第1のファジー推
論部51と、角度関係によるルールを規定した第2のフ
ァジー推論部52と、上記2つのファジー推論部の比率
(重み係数a)を決定するルールを規定した第3のファ
ジー推論部53とから成る。第1,第2のファジー推論
部51,52はそれぞれ、推論結果として片押し度の変
化量ΔE1 ,ΔE2 を出力する。片押し度とは、掘削部
に作用する回転モーメントをジャッキ推力で除して無次
元化したものであり、ジャッキの取付半径が1、ジャッ
キ総推力が1の時の回転モーメントに相当する。また、
図10中、dは計画線からの位置ずれ量、Δdは位置ず
れ量の変化量、θは角度ずれ量、Δθは角度ずれ量の変
化量である。
As shown in FIG. 10, the fuzzy control device includes a first fuzzy inference unit 51 that defines a rule based on a positional relationship, a second fuzzy inference unit 52 that defines a rule based on an angular relationship, and the above two types. And a third fuzzy inference unit 53 which defines a rule for determining the ratio (weighting coefficient a) of the fuzzy inference unit. The first and second fuzzy inference units 51 and 52 respectively output the amounts of change ΔE 1 and ΔE 2 of the one- sided pushing degree as the inference results. The one-sided pushing degree is a dimensionless value obtained by dividing the rotational moment acting on the excavated portion by the jack thrust, and corresponds to the rotational moment when the jack mounting radius is 1 and the jack total thrust is 1. Also,
In FIG. 10, d is the amount of positional deviation from the planned line, Δd is the amount of positional deviation change, θ is the amount of angular deviation, and Δθ is the amount of change of angular deviation.

【0005】第1,第2のファジー推論部51,52か
らの片押し度の変化量ΔE1 ,ΔE2 を合成して最終出
力の片押し度変化量ΔEを求めるが、この時のΔE1
ΔE2 にそれぞれ、重み係数aの乗算器54と重み係数
(1−a)の乗算器55とによる重み付けを行い、重み
係数aの値は第3のファジー推論部53により決定す
る。
[0005] First, the amount of change in single push of the second fuzzy reasoning section 51 and 52 Delta] E 1, by combining Delta] E 2 obtains pieces pressing degree of change Delta] E of the final output, but, Delta] E 1 at this time ,
ΔE 2 is weighted by the multiplier 54 of the weighting coefficient a and the multiplier 55 of the weighting coefficient (1-a), and the value of the weighting coefficient a is determined by the third fuzzy inference unit 53.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たようなファジー制御装置では、ファジー推論部が3段
構成となっているため、各ファジー推論部の入力が出力
に及ぼす影響を把握しにくく、メンバシップ関数等のパ
ラメータの設定が難しいという問題点がある。また、あ
る片押し度で掘削部を押した時にどの程度曲がるのかは
一定の関係に無く、その時の推力が違えば回転モーメン
トが異なる。一方、同じ回転モーメントを加えた場合で
も、土質状態等によって姿勢角度は異なってくる。
However, in the fuzzy control device as described above, since the fuzzy inference unit has a three-stage configuration, it is difficult to grasp the influence of the input of each fuzzy inference unit on the output, and the member is difficult to understand. There is a problem that it is difficult to set parameters such as the ship function. In addition, there is no fixed relationship to how much the excavation section bends when the excavation section is pushed with a certain degree of pushing, and if the thrust at that time is different, the rotational moment will be different. On the other hand, even when the same rotational moment is applied, the posture angle varies depending on the soil condition.

【0007】以上のような問題点に対応するために、第
1,第2のファジー推論部51,52の出力ΔE1 とΔ
2 のメンバシップ関数を調整する学習機能が必要とな
っている。この学習機能は、位置ずれ量dが規定値を越
えた場合に、出力の割増しまたは割引きを行うためのも
のである。言い換えれば、この学習機能は、比例制御に
おけるゲインの調整に相当するものと考えられる。しか
し、何がどう変わったから調整するのか(例えば、回転
モーメントと姿勢角度との関係に変化があったのか、そ
れともジャッキ推力が変ったのか等)があいまいなまま
で扱われており、パラメータの決定過程があいまいにさ
れている。これは、ファジー推論によって直接に片押し
度を求めようとしたために、入出力の対応関係に別の要
素が入り込んでしまっていることによる。
In order to deal with the above problems, the outputs ΔE 1 and Δ of the first and second fuzzy inference units 51 and 52 are
A learning function is needed to adjust the membership function of E 2 . This learning function is for increasing or discounting the output when the positional deviation amount d exceeds a specified value. In other words, this learning function is considered to correspond to gain adjustment in proportional control. However, what is changed and how to adjust it (for example, whether the relationship between the rotation moment and the posture angle has changed, or whether the jack thrust has changed, etc.) is treated as ambiguous, and the parameters are determined. The process is obscured. This is because the fuzzy inference was used to directly obtain the one-sided push degree, and thus another element was included in the input / output correspondence.

【0008】すなわち、回転モーメントと姿勢角度変化
量との関係のように、土質条件に左右されるために実際
に掘進してみなければわからない要素と、シールド掘進
機をどのような軌跡で計画線にのせるのかという、いわ
ば幾何学的な面のみで決まる要素とが同時に扱われてい
ることによる。このためにファジー推論部の入出力関係
の見通しが悪くなり、どのパラメータをどう変えると、
どこにどのような影響が生じるのかが判断しにくくなっ
ている。
[0008] That is, elements such as the relationship between the rotational moment and the amount of change in the posture angle, which are unknown depending on the soil condition and must be actually excavated, and the trajectory of the shield machine, the planned line. It is because it is treated at the same time with the element that is determined only by the geometrical aspect, that is, whether or not it is placed on. For this reason, the input / output relation of the fuzzy inference unit becomes poor, and which parameter is changed
It is difficult to determine where and what kind of effect will occur.

【0009】以上のような問題点に鑑み、本発明の課題
は、土質との関係で時々刻々変化する要素をファジー推
論から分離することによりファジー推論部の入出力関係
が明確になるようにし、パラメータの設定やその変更時
の影響の把握が容易になるようにした自動方向制御装置
を提供することにある。
In view of the above problems, an object of the present invention is to clarify the input / output relationship of a fuzzy inference unit by separating elements that change from moment to moment in relation to soil quality from fuzzy reasoning. An object of the present invention is to provide an automatic direction control device that makes it easy to grasp the influence of parameter setting and change.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明による自動方向制
御装置は、シールド掘進機の軌跡及び姿勢角を検出して
これらの関係をモデル化し、進行方向と前記姿勢角との
ずれをオフセット角として推定するオフセット推定部
と、計画線情報、位置検出情報、姿勢角検出情報、前記
オフセット角等の情報からシールド掘進機の位置ずれ及
び姿勢角度のずれをもとにファジー推論により姿勢制御
指令値を出力するファジー推論部と、該ファジー推論部
からの前記姿勢制御指令値と前記姿勢角検出情報とから
回転モーメントを算出し、更に該回転モーメントにもと
づいて片押し度を算出し、前記算出された片押し度にも
とづいて最適なジャッキパターンの選定を行う姿勢制御
部とを備えたことを特徴とする。
An automatic direction control device according to the present invention detects a trajectory and an attitude angle of a shield machine and models the relationship between them, and uses a deviation between the traveling direction and the attitude angle as an offset angle. An offset estimation unit for estimating and planning line information, position detection information, attitude angle detection information, and attitude control command values by fuzzy inference based on the position deviation and attitude angle deviation of the shield machine from the information such as the offset angle. A fuzzy inference unit that outputs the rotational moment is calculated from the posture control command value from the fuzzy inference unit and the posture angle detection information, and the degree of one-sided depression is calculated based on the rotational moment. An attitude control unit for selecting an optimum jack pattern based on the degree of one-sided pressing.

【0011】[0011]

【作用】本発明では、回転モーメントと実際の姿勢角の
変化量との関係やオフセット角を実際の掘進データから
求めるようにして、これら土質条件に対する学習を行う
部分をファジー推論部から切り離し、ファジー推論部で
は軌跡制御、すなわちシールド掘進機をどの方向に向け
るべきかという定性的な部分のみを扱うようにしてい
る。
In the present invention, the relationship between the rotational moment and the amount of change in the actual attitude angle and the offset angle are obtained from the actual excavation data, and the portion for learning for these soil conditions is separated from the fuzzy inference unit to make fuzzy inference. The inference unit handles only the trajectory control, that is, the qualitative part of which direction the shield machine should be directed.

【0012】[0012]

【実施例】以下に、図面を参照しながら本発明の実施例
について説明する。図1は本発明による自動方向制御装
置のブロック構成図であり、オフセット推定部11、フ
ァジー推論部12、姿勢制御部13を有している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of an automatic direction control device according to the present invention, which includes an offset estimation unit 11, a fuzzy inference unit 12, and an attitude control unit 13.

【0013】ここで、オフセット角、角度ずれ量、位置
ずれ量の関係を水平方向の場合を想定して図2,図3を
参照して説明する。図2において、シールド掘進機本体
14が軌跡の方向(進行方向)に対して横すべりしてい
る場合に、軌跡の方向とシールド掘進機本体14の向い
ている方向との間の角度がオフセット角θHOF である。
一方、図3において、シールド掘進機本体14がある単
位距離(例えば40mm)位置iから次の単位距離位置
(i+1)に進んで実線で示すような状態になったとす
ると、シールド掘進機本体14のあらかじめ定められた
点Pから計画線Sにおろした垂線の距離が位置ずれ量d
H となる。また、位置(i+1)においてシールド掘進
機本体14が線D1で示す方向を向いており、これを軌
跡の方向に対してオフセット角θHOF を考慮した線D2
で示す目標方位角に修正しようとする時、目標方位角の
方向とシールド掘進機本体14が現在向いている方向と
の角度θH が角度ずれ量となる。垂直方向についても、
同様にしてオフセット角θVOF 、角度ずれ量θV 、位置
ずれ量dV がそれぞれ定義される。
Now, the relationship among the offset angle, the amount of angular deviation, and the amount of positional deviation will be described with reference to FIGS. In FIG. 2, when the shield machine main body 14 slides sideways with respect to the direction of the trajectory (travel direction), the angle between the direction of the trajectory and the direction the shield machine body 14 is facing is the offset angle θ. It is HOF .
On the other hand, in FIG. 3, if the shield machine main body 14 advances from a certain unit distance (for example, 40 mm) position i to the next unit distance position (i + 1) and becomes a state shown by a solid line, the shield machine main body 14 The distance from the point P determined in advance to the planned line S is the amount of positional deviation d.
It becomes H. Further, at the position (i + 1), the shield machine body 14 is oriented in the direction indicated by the line D1, and the line D2 considering the offset angle θ HOF with respect to the direction of the locus.
When an attempt is made to correct the target azimuth angle indicated by, the angle θ H between the direction of the target azimuth angle and the direction the shield machine body 14 is currently facing is the amount of angular deviation. Also in the vertical direction,
Similarly, the offset angle θ VOF , the angular deviation amount θ V , and the positional deviation amount d V are defined respectively.

【0014】オフセット推定部11は、シールド掘進機
本体14に設置されたジャイロ、傾斜計、その他の計測
機器から送られてくる位置検出情報にもとづく軌跡情
報、姿勢角の検出情報とを用いてシールド掘進機本体1
4の軌跡と姿勢角との関係をモデル化し、軌跡の方向
(進行方向)と姿勢角とのずれをオフセット角θHOF
θVOF として推定する。そして、設定器(図示せず)か
ら送られてくる計画線情報のうち水平方向、垂直方向の
角度に関する情報にそれぞれオフセット角θHOF 、θ
VOF が加算部16により加算され、水平方向、垂直方向
の目標方位角が出力される。
The offset estimation unit 11 uses the gyro, inclinometer, and other measuring equipment installed in the shield machine main body 14 to detect the shield based on the trajectory information based on the position detection information and the attitude angle detection information. Excavator body 1
The relationship between the trajectory and the posture angle of 4 is modeled, and the deviation between the trajectory direction (travel direction) and the posture angle is offset angle θ HOF ,
Estimate as θ VOF . Then, in the planned line information sent from the setter (not shown), the offset angles θ HOF and θ are included in the information about the angles in the horizontal direction and the vertical direction, respectively.
The VOFs are added by the adder 16 and the horizontal and vertical target azimuth angles are output.

【0015】ファジー推論部12は、第1,第2の減算
部17,18を含み、第1の減算部17は検出された水
平方向、垂直方向の姿勢角と水平方向、垂直方向の目標
方位角との差をとって角度ずれ量θH 、θV として出力
する。一方、第2の減算部18は、検出されたシールド
掘進機本体14の現在位置(水平方向、垂直方向)と計
画線情報のうち位置に関する情報(水平方向、垂直方
向)との差をとり、位置ずれ量dH 、dV として出力す
る。推論部19は、第1,第2の減算部17,18から
の角度ずれ量θH 、θV と位置ずれ量dH 、dV とを受
けると、ファジー推論によって水平方向、垂直方向の掘
進機の進むべき方向を算出し、これに前記オフセット角
を加算したものを姿勢制御指令値として出力する。
The fuzzy inference unit 12 includes first and second subtraction units 17 and 18, and the first subtraction unit 17 detects the detected horizontal and vertical posture angles and horizontal and vertical target orientations. The difference from the angle is calculated and output as the angle deviation amounts θ H and θ V. On the other hand, the second subtraction unit 18 takes the difference between the detected current position (horizontal direction, vertical direction) of the shield machine 14 and the position information (horizontal direction, vertical direction) of the planned line information, The positional deviation amounts d H and d V are output. When the inference unit 19 receives the angular displacement amounts θ H and θ V and the positional displacement amounts d H and d V from the first and second subtraction units 17 and 18, they perform horizontal and vertical excavation by fuzzy inference. The direction in which the machine should travel is calculated, and the addition of the offset angle is output as the attitude control command value.

【0016】図4は推論部19におけるルールの一例を
示し、例えば++(−−)は、垂直方向のうち上(下)
方向に、水平方向のうち左(右)方向に大きく変位させ
るような指令値を出力することを意味し、+(−)は上
(下)方向及び左(右)方向に少し変位させるような指
令値を出力することを意味する。
FIG. 4 shows an example of a rule in the inference unit 19. For example, ++ (−−) is the upper (lower) in the vertical direction.
Direction, it means to output a command value that makes a large displacement in the left (right) direction of the horizontal direction, and + (-) means that it is slightly displaced in the up (down) direction and the left (right) direction. It means to output the command value.

【0017】姿勢制御部13は、シールド掘進機本体1
4の姿勢制御のために水平方向、垂直方向の片押し度F
H 、FV を出力するものであり、ファジー推論部12か
らの姿勢制御指令値と姿勢角の検出値とにもとづいて水
平方向、垂直方向の回転モーメントMH 、MV を算出す
る回転モーメント計算装置13Aと、計算された回転モ
ーメントとジャッキ推力の検出値とにもとづいて片押し
度FH 、FV を算出する片押し度計算装置13Bと、計
算された片押し度に基づいてジャッキパターンの選定を
行うジャッキパターン選定装置13Cとから成る。な
お、水平方向、垂直方向に関する計算方法は同じなの
で、以下の説明では水平方向のみについて行う。
The attitude control unit 13 includes a shield machine main body 1
One-sided pushing degree F in the horizontal and vertical directions for posture control of No. 4
H and F V are output, and a rotation moment calculation for calculating horizontal and vertical rotation moments M H and M V based on the posture control command value from the fuzzy inference unit 12 and the detected posture angle value. The device 13A, the one-sided push degree calculation device 13B for calculating the one-sided push degrees F H and F V based on the calculated rotational moment and the detected value of the jack thrust, and the jack pattern of the jack pattern based on the calculated one-side push degree. The jack pattern selection device 13C for selection. Since the calculation methods for the horizontal direction and the vertical direction are the same, only the horizontal direction will be described below.

【0018】回転モーメント計算装置13Aははじめ
に、ファジー推論部12からの水平方向の姿勢制御指令
値と水平方向の姿勢角の検出値とから姿勢制御の1ピッ
チ(例えば10mm)で修正すべき角度(修正角度)を
求める。次に、回転モーメントMH と角度ずれ量の変化
量ΔθH との関係をモデル化し、このモデルにより修正
角度に対応する回転モーメントを掘削部に作用させるべ
き回転モーメントMH として算出する。
First, the rotation moment calculation device 13A determines an angle (1 mm, for example, 10 mm) that should be corrected in one attitude control pitch (for example, 10 mm) from the attitude control command value in the horizontal direction and the detected attitude angle in the horizontal direction from the fuzzy inference unit 12. Calculate the correction angle). Next, the relationship between the rotational moment M H and the amount of change Δθ H in the amount of angular deviation is modeled, and the rotational moment corresponding to the corrected angle is calculated as the rotational moment M H to be applied to the excavated portion using this model.

【0019】シールド掘進機のある単位距離位置iでの
位置ずれ量をdHi、角度のずれ量をθHi、その時に加え
られた回転モーメントをMHiとすると、回転モーメント
計算装置13Aの目的は、単位距離L(例えば40m
m)だけ掘進した次の単位距離位置(i+1)での回転
モーメントMH,i+1 を算出することにある。このために
はまず、位置iから次の位置(i+1)までの間で変化
する角度変化量ΔθHiを求めることが必要であり、これ
は次のようにして行われる。
Assuming that the positional deviation amount at a unit distance position i of the shield machine is d Hi , the angular deviation amount is θ Hi , and the rotational moment applied at that time is M Hi , the objective of the rotational moment calculation device 13A is , Unit distance L (eg 40 m
The purpose is to calculate the rotational moment M H, i + 1 at the next unit distance position (i + 1) which is advanced by m). For this purpose, first, it is necessary to obtain the angle change amount Δθ Hi that changes from the position i to the next position (i + 1), and this is performed as follows.

【0020】1ピッチ(例えば40mm)進む間に水平
方向の角度がθ4 からθ1 に変化した場合、角度変化量
ΔθH は(θ4 −θ0 )で表わされる。そして、この間
に作用した回転モーメントMH が一定であれば、角度変
化量ΔθH と回転モーメントMH との間には一定の関係
があると考えられ、これを比例関係とすれば、角度変化
量ΔθH は次の数式1で表わされる。
When the horizontal angle changes from θ 4 to θ 1 while advancing one pitch (for example, 40 mm), the angle change amount Δθ H is represented by (θ 4 −θ 0 ). If the rotational moment M H acting during this period is constant, it is considered that there is a constant relationship between the angle change amount Δθ H and the rotational moment M H. The quantity Δθ H is expressed by the following mathematical formula 1.

【0021】[0021]

【数1】 ここで、K1 は比例定数、MHof は一定の姿勢角度を維
持するために必要なモーメントである。このような考え
方に基づき、回転モーメントと角度変化量との関係を一
次式による近似でモデル化する。以下に、その手順を説
明する。
[Equation 1] Here, K 1 is a proportional constant, and M Hof is a moment necessary to maintain a constant posture angle. Based on such an idea, the relationship between the rotation moment and the amount of change in angle is modeled by approximation by a linear expression. The procedure will be described below.

【0022】図5は角度θと回転モーメントの計算値の
一例を示し、ここでは区間6が最新の区間で、最新の区
間6の終点で、区間6の平均回転モーメントMH6、角度
変化量ΔθH6を次の数式2,数式3により求める。
FIG. 5 shows an example of the calculated values of the angle θ and the rotation moment. Here, the section 6 is the latest section, the end point of the latest section 6, the average rotation moment M H6 of the section 6 and the amount of angle change Δθ. H6 is calculated by the following equations 2 and 3.

【0023】[0023]

【数2】 [Equation 2]

【数3】 ここで、M11〜M14は、区間6を掘削中に計算された回
転モーメント、θ0 は区間5の終点における角度の検出
値、θ4 は区間6の終点における角度の検出値である。
[Equation 3] Here, M 11 to M 14 are rotational moments calculated during excavation of the section 6, θ 0 is a detected value of the angle at the end point of the section 5, and θ 4 is a detected value of the angle at the end point of the section 6.

【0024】図6aは区間6より前で既に掘削を終了し
ている区間1〜5で前述の方法により求められた平均回
転モーメントと角度変化量との関係をM−Δθ平面上に
プロット(P1〜P5)したものであり、図6bは図6
aに区間6で求められた平均回転モーメントMH6と角度
変化量ΔθH6との関係をP6として加えたものである。
なお、区画6におけるモデル作成のために利用される過
去のデータは、ここでは最新の区間6より前の4区間
2,3,4,5であり、したがって図6bでは区間1の
データは削除されている。
FIG. 6a is a plot (P1) of the relationship between the average rotational moment and the angle change amount obtained by the above-mentioned method in the sections 1 to 5 where the excavation has already been completed before the section 6 (P1). To P5), and FIG.
The relation between the average rotational moment M H6 obtained in the section 6 and the angle change amount Δθ H6 is added to a as P6.
It should be noted that the past data used for creating the model in the section 6 are the four sections 2, 3, 4, and 5 before the latest section 6 here, and therefore the data of the section 1 is deleted in FIG. 6b. ing.

【0025】このようにして、区間6のモデル作成を、
最新の区間6のデータとそれより前の区間2〜5の各デ
ータとを合わせた5区間5点のデータから、数式1で表
わされる一次式近似モデルを作成し、比例定数K1 を一
次式近似直線の傾き、モーメントMHof をオフセット値
としてそれぞれ以下に述べる方法により求める。
In this way, the model creation for section 6
A linear approximation model represented by Equation 1 is created from the data of 5 points in 5 sections, which is the combination of the data of the latest section 6 and the data of each of the sections 2 to 5 before that, and the proportional constant K 1 is set to the linear expression. The inclination of the approximate straight line and the moment M Hof are used as offset values and are calculated by the methods described below.

【0026】図7を参照して、ステップSS1では5点
のデータの散らばり具合を判定する。これは5点のデー
タパターンが後述する直接計算方法を適用できるパター
ンであるかどうかを判定するものである。直接計算方法
は、5点のデータから一次式近似直線を推定する方法で
あり、5点のデータが1点に集中するような場合には適
用できず、ある程度以上の範囲に、ある程度以上の相関
関係をもってデータ点が散らばっている必要がある。5
点のデータが適当に散らばっている場合には、処理はス
テップSS2に進む。
Referring to FIG. 7, in step SS1, the degree of data dispersion at 5 points is determined. This is to determine whether the data pattern of 5 points is a pattern to which the direct calculation method described later can be applied. The direct calculation method is a method of estimating the linear approximation line from the data of 5 points, and cannot be applied when the data of 5 points concentrate on 1 point. The data points need to be scattered in a relationship. 5
If the point data are appropriately scattered, the process proceeds to step SS2.

【0027】ステップSS2では、図6bに示されるよ
うな5点のデータから直接、一次式近似直線の傾きK1
とオフセット値MHof とを計算により求める。計算手法
としては、最小自乗法が代表的な例としてあげられる
が、他の方法でも良い。傾きK1 とオフセット値MHof
が計算されると、傾きK1 に対して図8に示す所定の範
囲K1 max (上限値)、K1 min (下限値)内におさま
っているかどうかの判定が行われる(ステップSS3,
SS4)。そして、傾きK1 がK1 min <K1 <K
1 max の条件を満たしていれば、一次式近似モデルΔθ
=K1 (M−MHof )が確定する(ステップSS5)。
In step SS2, the slope K 1 of the linear approximation line is directly calculated from the data of 5 points as shown in FIG. 6b.
And the offset value M Hof are calculated. A typical example of the calculation method is the least squares method, but other methods may be used. Inclination K 1 and offset value M Hof
Is calculated, it is determined whether or not the slope K 1 is within the predetermined ranges K 1 max (upper limit value) and K 1 min (lower limit value) shown in FIG. 8 (step SS3).
SS4). Then, the inclination K 1 is K 1 min <K 1 <K
If the condition of 1 max is satisfied, the linear approximation model Δθ
= K 1 (M−M Hof ) is determined (step SS5).

【0028】一方、ステップSS1においてデータの散
らばり具合が適当でないと判定された場合、あるいはス
テップSS3,SS4において傾きK1 が所定の範囲を
越えていると判定された場合、傾きは区間5において求
められたものを用いる(ステップSS6)。
On the other hand, if it is determined in step SS1 that the degree of data dispersion is not appropriate, or if it is determined in steps SS3 and SS4 that the slope K 1 exceeds the predetermined range, the slope is determined in section 5. The obtained one is used (step SS6).

【0029】次に、ステップSS7では、区間6の終点
における角度変化量ΔθH6が図9に破線で示すような、
許容範囲内に入っているかどうかを判定し、許容範囲内
に入っていればオフセット値も区間5において求められ
たものを用いる(ステップSS8)。これは、前回作成
されたモデルに対し、すべてのデータが一定の許容範囲
内に入っていれば、前回モデルは十分に挙動特性を表し
ておりモデルの変更を必要としないという理由による。
Next, at step SS7, the angle change amount Δθ H6 at the end point of the section 6 is as shown by the broken line in FIG.
It is determined whether or not it is within the allowable range, and if it is within the allowable range, the offset value obtained in the section 5 is used (step SS8). This is because, if all the data are within a certain allowable range with respect to the previously created model, the previous model sufficiently exhibits the behavioral characteristics and the model need not be changed.

【0030】これに対し、ステップSS7で角度変化量
ΔθH6が、図9に点P6で示すように、所定範囲から外
れている場合には、ステップSS9に進んで一次式近似
直線を平行移動させるようにし、オフセット値で調整を
行う。この場合、傾きK1 は前回の値で既知であるか
ら、図9の点P6を通る直線のオフセット値MHof6は次
の数式4で求められる。
On the other hand, if the angle change amount Δθ H6 is out of the predetermined range as indicated by point P6 in FIG. 9 in step SS7, the process proceeds to step SS9 to move the linear approximation straight line in parallel. And adjust the offset value. In this case, since the slope K 1 is known as the previous value, the offset value M Hof6 of the straight line passing through the point P6 in FIG. 9 can be obtained by the following formula 4.

【0031】[0031]

【数4】 [Equation 4]

【0032】このようにして求めた最新の区間6を含む
数区間のオフセット値の平均をもって最新モデルのオフ
セット値MHof とする。例えば、数区間を3区間とすれ
ば、最新モデルのオフセット値MHof は次の数式5で求
められる。
The offset value M Hof of the latest model is obtained by averaging the offset values of several sections including the latest section 6 thus obtained. For example, if the number of sections is three, the offset value M Hof of the latest model can be calculated by the following expression 5.

【0033】[0033]

【数5】 但し、MH4,MH5はそれぞれ、区間4,5におけるモデ
ル作成により求められた回転モーメントであり、Δ
θH4,ΔθH5はそれぞれ、区間4,5の終点における角
度変化量である。
[Equation 5] However, M H4 and M H5 are rotational moments obtained by model creation in sections 4 and 5, respectively, and Δ
θ H4 and Δθ H5 are the angular variations at the end points of the sections 4 and 5, respectively.

【0034】以上のようにして作成された一次式近似モ
デルにより角度変化量ΔθHiを求めることができ、この
角度変化量ΔθHiから水平方向の回転モーメントM
H,i+1 を求めることができる。垂直方向の回転モーメン
トについても同様にして求めることができる。
The angle change amount Δθ Hi can be obtained by the linear approximation model created as described above. From this angle change amount Δθ Hi , the rotational moment M in the horizontal direction can be obtained.
H, i + 1 can be obtained. The rotational moment in the vertical direction can be similarly obtained.

【0035】片押し度計算装置13Bでは、シールド掘
進機本体14で計測されたジャッキ推力と回転モーメン
ト指令値MH ,MV により、次の数式6、数式7で表わ
される水平方向、垂直方向の片押し度(力点座標)
H ,FV を計算する。
In the one-sided push degree calculation device 13B, the jack thrust force measured by the shield machine main body 14 and the rotational moment command values M H and M V are used for the horizontal and vertical directions expressed by the following formulas 6 and 7. One-sided push degree (power point coordinates)
Calculate F H and F V.

【0036】[0036]

【数6】 [Equation 6]

【数7】 但し、nは掘進に使用しているジャッキの本数、rはジ
ャッキの取付け半径、FJ はジャッキ1本あたりのジャ
ッキ推力で(ジャッキへの供給油圧×ジャッキシリンダ
面積)で計算される。
[Equation 7] Here, n is the number of jacks used for excavation, r is the attachment radius of the jack, and F J is the jack thrust force per jack (supply hydraulic pressure to the jack × jack cylinder area).

【0037】ジャッキパターン選定装置13cは、片押
し度FH ,FV にもとづいてこれらの組合わせに対応し
てあらかじめ用意されているジャッキパターンテーブル
より最適なジャッキパターンを選択する。
The jack pattern selection device 13c selects the optimum jack pattern from the jack pattern table prepared in advance corresponding to the combination of the one-side pushing degrees F H and F V.

【0038】以上説明してきたように、本発明ではシー
ルド掘進機が短距離の1区間(例えば40mm)掘進す
る毎に、片押し度FH ,FV を算出し、この片押し度に
最適なジャッキパターンを選択して次の区間の掘進を行
う。なお、実施例では、40mm毎にモデルを作成する
ようにしているが、これを20mm、10mmというよ
うに小さくしてゆくことにより、より連続制御に近い形
となり、より正確なモデルを作成してトンネル施工精度
を向上させることができる。
As described above, according to the present invention, the pushing degree F H , F V is calculated every time the shield machine advances one short distance (for example, 40 mm), and the optimum pushing degree is obtained. Select the jack pattern and proceed to the next section. In the embodiment, the model is created every 40 mm, but by reducing this to 20 mm and 10 mm, the model becomes closer to continuous control and a more accurate model is created. The tunnel construction accuracy can be improved.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明はオフ
セット角や、回転モーメントと角度変化量との関係とい
った、土質との関係で刻一刻変化する数値をファジー推
論部から分離し、ファジー推論部で扱う関係をルールと
いう定性的な表現にあいやすい部分のみに限定した方向
制御装置であり、ファジー推論部は、現在のシールド掘
進機本体の状態(位置、方向等)から、次に進むべき方
向を決定するようにしている。これは、軌跡をどのよう
にとるかという問題であり、土質等に左右されずに決定
できる。そのため実際の施工中にパラメータを変更する
必要が無い。これにより、ファジー推論部の入出力の関
係が明確になり、パラメータの設定やその変更時の影響
の把握が容易である。また、机上のシミュレーションに
よって事前にパラメータチューニングができる。
As described above, the present invention separates from the fuzzy inference unit a numerical value that changes every moment due to the soil condition, such as the offset angle and the relationship between the rotational moment and the angle change amount, and the fuzzy inference unit is separated. It is a direction control device that limits the relations handled by the department to only the parts that are easy to understand qualitatively called rules. The fuzzy inference unit should proceed from the current state (position, direction, etc.) of the shield machine. I try to determine the direction. This is a problem of how to take the locus, and can be determined without being influenced by soil quality or the like. Therefore, it is not necessary to change the parameters during the actual construction. As a result, the relationship between the inputs and outputs of the fuzzy inference unit is clarified, and it is easy to understand the effect of parameter settings and changes. In addition, the parameters can be tuned in advance by a desktop simulation.

【0040】一方、オフセット角や回転モーメントと角
度変化量の関係といった、土質との関係で刻一刻変化す
る数値は、オフセット推定部および姿勢制御部で実際の
データより推定するようにしているので、何がどう変化
したかが直接にわかる。このため、推定方法の善し悪し
の判断がしやすくなり、推定の信頼性が向上する。
On the other hand, since the numerical values that change every moment due to the relationship with the soil such as the relationship between the offset angle and the rotational moment and the angle change amount are estimated from the actual data by the offset estimation unit and the attitude control unit, You can directly see what has changed and how. Therefore, it is easy to judge whether the estimation method is good or bad, and the reliability of the estimation is improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例の構成を示すブロック図であ
る。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an exemplary embodiment of the present invention.

【図2】シールド掘進機本体に生ずるオフセット角を説
明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining an offset angle generated in the shield machine main body.

【図3】角度ずれ量と位置ずれ量及びオフセット角の関
係を示した図である。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship among an angular deviation amount, a positional deviation amount, and an offset angle.

【図4】図1に示されたファジー推論部のルールの例を
示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of rules of a fuzzy inference unit shown in FIG. 1.

【図5】姿勢角の検出値と回転モーメントの計算値の例
を示した図である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a detected value of a posture angle and a calculated value of a rotation moment.

【図6】角度変化量と回転モーメントの関係によるモデ
ルの例を示した図である。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a model based on a relationship between an angle change amount and a rotation moment.

【図7】図6に示されたモデルを作成する動作を説明す
るためのフローチャート図である。
FIG. 7 is a flowchart for explaining the operation of creating the model shown in FIG.

【図8】図7における判定条件を説明するための特性図
である。
FIG. 8 is a characteristic diagram for explaining the determination condition in FIG.

【図9】図7における他の判定条件を説明するための特
性図である。
9 is a characteristic diagram for explaining another determination condition in FIG. 7. FIG.

【図10】従来の自動方向制御装置におけるファジー制
御装置の動作を説明するための図である。
FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the fuzzy control device in the conventional automatic direction control device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 オフセット推定部 12 ファジー推論部 13 姿勢制御部 13A 回転モーメント計算装置 13B 片押し度計算装置 13C ジャッキパターン選定装置 14 シールド掘進機本体 11 Offset Estimating Unit 12 Fuzzy Inference Unit 13 Attitude Control Unit 13A Rotational Moment Calculator 13B One-sided Push Degree Calculator 13C Jack Pattern Selector 14 Shield Machine

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 掘削部を複数のジャッキで推進しながら
トンネルを掘削し、前記複数のジャッキのうちどのジャ
ッキをオンとするかを規定するジャッキパターンを適宜
選定しながら前記掘削部を計画線に沿って推進せしめる
ためのシールド掘進機の自動方向制御装置において、シ
ールド掘進機の軌跡及び姿勢角を検出してこれらの関係
をモデル化し、進行方向と前記姿勢角とのずれをオフセ
ット角として推定するオフセット推定部と、計画線情
報、位置検出情報、姿勢角検出情報、前記オフセット角
等の情報からシールド掘進機の位置ずれ及び姿勢角度の
ずれをもとにファジー推論により姿勢制御指令値を出力
するファジー推論部と、該ファジー推論部からの前記姿
勢制御指令値と前記姿勢角検出情報とから回転モーメン
トを算出し、更に該回転モーメントにもとづいて片押し
度を算出し、前記算出された片押し度にもとづいて最適
なジャッキパターンの選定を行う姿勢制御部とを備えた
ことを特徴とするシールド掘進機の自動方向制御装置。
1. A tunnel is excavated while propelling the excavation section with a plurality of jacks, and the excavation section is set as a planned line while appropriately selecting a jack pattern that defines which one of the plurality of jacks is turned on. In the automatic direction control device of the shield machine for propelling along, the trajectory and the attitude angle of the shield machine are detected and the relationship between them is modeled, and the deviation between the traveling direction and the attitude angle is estimated as an offset angle. Outputs a posture control command value by fuzzy inference based on the positional deviation of the shield machine and the deviation of the attitude angle from the offset estimator, planning line information, position detection information, attitude angle detection information, and information such as the offset angle. A rotation moment is calculated from the fuzzy inference unit, the attitude control command value from the fuzzy inference unit and the attitude angle detection information, and the rotation moment is calculated. An automatic direction control device for a shield machine, comprising: an attitude control unit that calculates a one-sided pushing degree based on a turning moment, and selects an optimum jack pattern based on the calculated one-sided pushing degree. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997024511A1 (en) * 1995-12-27 1997-07-10 Komatsu Ltd. Device for controlling direction of auger machine
CN114329810A (en) * 2021-11-16 2022-04-12 中国水利水电科学研究院 Real-time shield tunneling machine working attitude prediction method based on big data

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