JPH07113640A - レーザ測距による掘削機の姿勢測定方法及びその装置 - Google Patents
レーザ測距による掘削機の姿勢測定方法及びその装置Info
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- JPH07113640A JPH07113640A JP28429593A JP28429593A JPH07113640A JP H07113640 A JPH07113640 A JP H07113640A JP 28429593 A JP28429593 A JP 28429593A JP 28429593 A JP28429593 A JP 28429593A JP H07113640 A JPH07113640 A JP H07113640A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】２点の測距とローリング角の測定または３点の
測距からローリング角、ピッチング角、方位角を求めて
掘削機の姿勢を測定すること。 【構成】掘削機２の異なる２点に固定されたレーザ反射
体７，８から反射された変調レーザを受信して２固定点
の位置を測定するためのレーザ測距儀４と、掘削機２の
中心軸の回りのローリング角を測定するローリング角測
定装置１１と、測距儀４により測定された２固定点の位
置とローリング角測定装置１１により測定されたローリ
ング角とから掘削機本体２のピッチング角と方位角とを
計算するためのコンピュータ９とからなる。
測距からローリング角、ピッチング角、方位角を求めて
掘削機の姿勢を測定すること。 【構成】掘削機２の異なる２点に固定されたレーザ反射
体７，８から反射された変調レーザを受信して２固定点
の位置を測定するためのレーザ測距儀４と、掘削機２の
中心軸の回りのローリング角を測定するローリング角測
定装置１１と、測距儀４により測定された２固定点の位
置とローリング角測定装置１１により測定されたローリ
ング角とから掘削機本体２のピッチング角と方位角とを
計算するためのコンピュータ９とからなる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、測距儀を用いて掘削機
の姿勢を計算により求めることにより、掘削機の基準か
らの偏差量を表示するためのレーザ測距による掘削機の
姿勢表示装置に関する。
の姿勢を計算により求めることにより、掘削機の基準か
らの偏差量を表示するためのレーザ測距による掘削機の
姿勢表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】水道管、通信線などを埋設するための管
など多種の管が埋設される。このような管を埋設するた
めに孔が掘削される。このような掘削孔の総延長距離は
近年益々増大し、掘削しながら同時に管を埋設していく
掘削技術の自動化が急速に押し進められてきた。
など多種の管が埋設される。このような管を埋設するた
めに孔が掘削される。このような掘削孔の総延長距離は
近年益々増大し、掘削しながら同時に管を埋設していく
掘削技術の自動化が急速に押し進められてきた。
【０００３】これに対して、掘進方向を自動制御する技
術は、前記自動化技術に較べて遅れている。掘削孔が長
大になると、掘進予定線と掘削機の中心線とのずれ、す
なわち掘進方向のずれが問題になる。この問題を解決す
るためには、掘削機の正確な姿勢を知らなければならな
い。
術は、前記自動化技術に較べて遅れている。掘削孔が長
大になると、掘進予定線と掘削機の中心線とのずれ、す
なわち掘進方向のずれが問題になる。この問題を解決す
るためには、掘削機の正確な姿勢を知らなければならな
い。
【０００４】２点と１つの回転角、または、３点の測距
から計算により物体の姿勢を求める方法は古来よりよく
知られている。また、現在はレーザ測距儀が開発されて
いるので、瞬間的に距離を測定することができる。した
がって、掘削機の姿勢を数学的に計算してリアルタイム
で知ることは容易に可能である。しかし、姿勢を知るだ
けでは容易な姿勢制御はできない。３点で位置が定まる
物体の１点を動かすと他の点も動くからである。なお、
現在のレーザ測距儀の測定精度は必ずしも十分とはいえ
ないので、この点の配慮も必要である。
から計算により物体の姿勢を求める方法は古来よりよく
知られている。また、現在はレーザ測距儀が開発されて
いるので、瞬間的に距離を測定することができる。した
がって、掘削機の姿勢を数学的に計算してリアルタイム
で知ることは容易に可能である。しかし、姿勢を知るだ
けでは容易な姿勢制御はできない。３点で位置が定まる
物体の１点を動かすと他の点も動くからである。なお、
現在のレーザ測距儀の測定精度は必ずしも十分とはいえ
ないので、この点の配慮も必要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この発明は上述のよう
な技術的背景のもとになされたものであり、下記目的を
達成する。
な技術的背景のもとになされたものであり、下記目的を
達成する。
【０００６】この発明の目的は、２点の測距とローリン
グ角の測定からローリング角、ピッチング角、方位角を
求めて掘削機の姿勢を測定することができるレーザ測距
による掘削機の姿勢測定装置を提供することにある。
グ角の測定からローリング角、ピッチング角、方位角を
求めて掘削機の姿勢を測定することができるレーザ測距
による掘削機の姿勢測定装置を提供することにある。
【０００７】この発明の他の目的は、３点の測距からロ
ーリング角、ピッチング角、方位角を求めて掘削機の姿
勢を測定することができるレーザ測距による掘削機の姿
勢測定装置を提供することにある。
ーリング角、ピッチング角、方位角を求めて掘削機の姿
勢を測定することができるレーザ測距による掘削機の姿
勢測定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明のレーザ測距に
よる掘削機の姿勢測定方法は、掘削機本体の異なる２固
定点に２体のレーザ反射体をそれぞれに固定し、固定地
点に設置したレーザ測距儀から変調レーザを前記２体の
レーザ反射体に向けて発射し、前記２体のレーザ反射体
から反射されて戻る前記変調レーザを受信して前記２固
定点の位置を測定するとともに、前記掘削機本体に設け
たローリング角測定装置により前記掘削機本体のローリ
ング角を測定し、前記測距儀により測定された前記２固
定点の位置と前記ローリング角測定装置により測定され
た前記ローリング角とから前記掘削機本体のピッチング
角と方位角とをコンピュータにより計算し、前記コンピ
ュータにより計算されたピッチング角と方位角と測定さ
れた前記ローリング角に基づいて前記掘削機本体の掘進
計画線からの偏差量を前記コンピュータにより計算す
る、ことを特徴としている。
よる掘削機の姿勢測定方法は、掘削機本体の異なる２固
定点に２体のレーザ反射体をそれぞれに固定し、固定地
点に設置したレーザ測距儀から変調レーザを前記２体の
レーザ反射体に向けて発射し、前記２体のレーザ反射体
から反射されて戻る前記変調レーザを受信して前記２固
定点の位置を測定するとともに、前記掘削機本体に設け
たローリング角測定装置により前記掘削機本体のローリ
ング角を測定し、前記測距儀により測定された前記２固
定点の位置と前記ローリング角測定装置により測定され
た前記ローリング角とから前記掘削機本体のピッチング
角と方位角とをコンピュータにより計算し、前記コンピ
ュータにより計算されたピッチング角と方位角と測定さ
れた前記ローリング角に基づいて前記掘削機本体の掘進
計画線からの偏差量を前記コンピュータにより計算す
る、ことを特徴としている。
【０００９】また、この発明のレーザ測距による掘削機
の姿勢測定方法は、掘削機本体の異なる２点にそれぞれ
に固定された２体のレーザ反射体と、変調レーザを前記
２体のレーザ反射体に向け発射し前記２体のレーザ反射
体から反射された変調レーザを受信して前記２固定点の
位置を測定するためのレーザ測距儀と、前記掘削機本体
のローリング角を測定するローリング角測定装置と、前
記測距儀により測定された前記２固定点の位置と前記ロ
ーリング角測定装置により測定されたローリング角とか
ら前記掘削機本体のピッチング角と方位角とを計算する
とともに、計算された前記ピッチング角と方位角と測定
された前記ローリング角とから前記掘削機本体の掘進計
画線からの偏差量を計算するためのコンピュータと、か
らなることを特徴としている。
の姿勢測定方法は、掘削機本体の異なる２点にそれぞれ
に固定された２体のレーザ反射体と、変調レーザを前記
２体のレーザ反射体に向け発射し前記２体のレーザ反射
体から反射された変調レーザを受信して前記２固定点の
位置を測定するためのレーザ測距儀と、前記掘削機本体
のローリング角を測定するローリング角測定装置と、前
記測距儀により測定された前記２固定点の位置と前記ロ
ーリング角測定装置により測定されたローリング角とか
ら前記掘削機本体のピッチング角と方位角とを計算する
とともに、計算された前記ピッチング角と方位角と測定
された前記ローリング角とから前記掘削機本体の掘進計
画線からの偏差量を計算するためのコンピュータと、か
らなることを特徴としている。
【００１０】さらにまた、この発明のレーザ測距による
掘削機の姿勢測定装置は、掘削機本体の異なる３固定点
に３体のレーザ反射体をそれぞれに固定し、固定地点に
設置したレーザ測距儀から変調レーザを前記３体のレー
ザ反射体に向けて発射し、前記３体のレーザ反射体から
反射されて戻る前記変調レーザを受信して前記３固定点
の位置を測定し、前記測距儀により測定された前記３固
定点の位置から掘削機本体のローリング角とピッチング
角と方位角とをコンピュータにより計算し、前記コンピ
ュータにより計算されたピッチング角とローリング角と
方位角とから前記掘削機本体の掘進計画線からの偏差量
を前記コンピュータにより計算する、ことを特徴として
いる。
掘削機の姿勢測定装置は、掘削機本体の異なる３固定点
に３体のレーザ反射体をそれぞれに固定し、固定地点に
設置したレーザ測距儀から変調レーザを前記３体のレー
ザ反射体に向けて発射し、前記３体のレーザ反射体から
反射されて戻る前記変調レーザを受信して前記３固定点
の位置を測定し、前記測距儀により測定された前記３固
定点の位置から掘削機本体のローリング角とピッチング
角と方位角とをコンピュータにより計算し、前記コンピ
ュータにより計算されたピッチング角とローリング角と
方位角とから前記掘削機本体の掘進計画線からの偏差量
を前記コンピュータにより計算する、ことを特徴として
いる。
【００１１】さらにまた、この発明のレーザ測距による
掘削機の姿勢測定装置は、掘削機本体の異なる３点にそ
れぞれに固定された３体のレーザ反射体と、変調レーザ
を前記３体のレーザ反射体に向け発射し前記３体のレー
ザ反射体から反射された変調レーザを受信して前記３固
定点の位置を測定するためのレーザ測距儀と、前記測距
儀により測定された前記３固定点の位置から前記掘削機
本体のローリング角とピッチング角と方位角とを計算す
るとともに、計算された前記ローリング角とピッチング
角と方位角とから前記掘削機本体の掘進計画線からの偏
差量を計算するためのコンピュータと、からなることを
特徴としている。
掘削機の姿勢測定装置は、掘削機本体の異なる３点にそ
れぞれに固定された３体のレーザ反射体と、変調レーザ
を前記３体のレーザ反射体に向け発射し前記３体のレー
ザ反射体から反射された変調レーザを受信して前記３固
定点の位置を測定するためのレーザ測距儀と、前記測距
儀により測定された前記３固定点の位置から前記掘削機
本体のローリング角とピッチング角と方位角とを計算す
るとともに、計算された前記ローリング角とピッチング
角と方位角とから前記掘削機本体の掘進計画線からの偏
差量を計算するためのコンピュータと、からなることを
特徴としている。
【００１２】
【作用】この発明のレーザ測距による掘削機の姿勢表示
装置は、掘削機の２点の距離を測定する。また、掘削機
のローリング角を測定する。２点の距離とローリング角
とから、掘削機の掘進距離と姿勢をコンピュータにより
計算する。ローリング角は正確に測定できる。その計算
直から掘削機の基準からの偏差量を表示する。
装置は、掘削機の２点の距離を測定する。また、掘削機
のローリング角を測定する。２点の距離とローリング角
とから、掘削機の掘進距離と姿勢をコンピュータにより
計算する。ローリング角は正確に測定できる。その計算
直から掘削機の基準からの偏差量を表示する。
【００１３】また、この発明のレーザ測距による掘削機
の姿勢表示装置は、前記２点が、掘削機の中心軸の方向
に長く離隔されているので、ピッチング角が小さくても
前記２点の内の１点の変動距離は大きい。このため、ピ
ッチング角も実用的な正確さで計算される。
の姿勢表示装置は、前記２点が、掘削機の中心軸の方向
に長く離隔されているので、ピッチング角が小さくても
前記２点の内の１点の変動距離は大きい。このため、ピ
ッチング角も実用的な正確さで計算される。
【００１４】
（実施例１）次に本発明のレーザ測距による掘削機の姿
勢表示装置の実施例を説明する。
勢表示装置の実施例を説明する。
【００１５】図１は、本発明のレーザ測距による掘削機
の姿勢表示装置の実施例１を示す。掘削孔１内で掘削機
２を右側に進行させている。掘削孔１内の床３などにレ
ーザ測距儀４を設置する。このレーザ測距儀４の位置
（以下、機械原点という。）は、図に示す後視点５と後
視点６の２点から公知の工法交会法（２辺挟角法）によ
り求める。掘削機２の固定２点にプリズム７，８を固定
して設ける。このプリズム７，８は、入射レーザを入射
方向と正反対の方向へ反射することができる。
の姿勢表示装置の実施例１を示す。掘削孔１内で掘削機
２を右側に進行させている。掘削孔１内の床３などにレ
ーザ測距儀４を設置する。このレーザ測距儀４の位置
（以下、機械原点という。）は、図に示す後視点５と後
視点６の２点から公知の工法交会法（２辺挟角法）によ
り求める。掘削機２の固定２点にプリズム７，８を固定
して設ける。このプリズム７，８は、入射レーザを入射
方向と正反対の方向へ反射することができる。
【００１６】したがって、レーザ測距儀４のレーザ照射
点から発射された変調されたレーザはプリズム７，８で
反射して再び照射点に戻ることができる。プリズム７，
８が固定されている２点を以下測量点７，８という。掘
削機２の進行に従い２測量点の位置は変動するが、レー
ザ照射点から出た変調されたレーザは、２測量点を照射
することができる。このような照射方法は公知であるの
で、説明は省略するが、レーザビームを走査する方法、
２測量点を個別に追尾し２測量点に向けレーザビームを
照射する方法などが知られている。
点から発射された変調されたレーザはプリズム７，８で
反射して再び照射点に戻ることができる。プリズム７，
８が固定されている２点を以下測量点７，８という。掘
削機２の進行に従い２測量点の位置は変動するが、レー
ザ照射点から出た変調されたレーザは、２測量点を照射
することができる。このような照射方法は公知であるの
で、説明は省略するが、レーザビームを走査する方法、
２測量点を個別に追尾し２測量点に向けレーザビームを
照射する方法などが知られている。
【００１７】レーザ測距儀４は公知の光波測距儀であ
る。この光波測距儀の測距原理は、よく知られているの
で詳しく説明しないが、本発明に関係する点を簡単に説
明する。レーザの波長はきわめて短いので、１０メート
ルの長さのレーザビームに含まれている波の数を計数す
ることができるカウンタはない。そこで、レーザは変調
される。変調光の波が単位長さ当り何個含まれているか
を測定する。このように測定可能な変調光の波長は長い
ので、波の数を数えたただけでは、変調光の２分の１波
長程度の誤差が生じる。
る。この光波測距儀の測距原理は、よく知られているの
で詳しく説明しないが、本発明に関係する点を簡単に説
明する。レーザの波長はきわめて短いので、１０メート
ルの長さのレーザビームに含まれている波の数を計数す
ることができるカウンタはない。そこで、レーザは変調
される。変調光の波が単位長さ当り何個含まれているか
を測定する。このように測定可能な変調光の波長は長い
ので、波の数を数えたただけでは、変調光の２分の１波
長程度の誤差が生じる。
【００１８】たとえば、この分野で普通に用いられてい
る変調光の振動数は１５ＭＨZ のオーダーであるので、
光速度をこの値で割ると、波長は２０メートルとなる。
従って、波数を計数するだけのレーザ測距では、この程
度の誤差が生じる。そこで、レーザ測距儀は、位相差計
を備えている。用いるレーザ変調光の単位位相をたとえ
ば１０００分割し、すなわち１波長を１０００分割し
て、位相差計により１波長の１０００分の１の長さ測定
を行う。このような位相差計を用いると、１０メートル
当り１ｃｍ程度の誤差が生じる。変調周波数を１桁あげ
たり、分割数を多くしたりして、１０メートル当り０．
１ｃｍ程度の誤差にとどめることは現在の技術で可能で
ある。測定距離が２０メートルになると、誤差は２倍に
なる。１５ＭＨZ の変調レーザを用いる場合は、掘削機
の掘進距離が１０メートル増大するごとに、機械原点を
１０メートル前進させれば、誤差を常に一定以下に維持
することができる。
る変調光の振動数は１５ＭＨZ のオーダーであるので、
光速度をこの値で割ると、波長は２０メートルとなる。
従って、波数を計数するだけのレーザ測距では、この程
度の誤差が生じる。そこで、レーザ測距儀は、位相差計
を備えている。用いるレーザ変調光の単位位相をたとえ
ば１０００分割し、すなわち１波長を１０００分割し
て、位相差計により１波長の１０００分の１の長さ測定
を行う。このような位相差計を用いると、１０メートル
当り１ｃｍ程度の誤差が生じる。変調周波数を１桁あげ
たり、分割数を多くしたりして、１０メートル当り０．
１ｃｍ程度の誤差にとどめることは現在の技術で可能で
ある。測定距離が２０メートルになると、誤差は２倍に
なる。１５ＭＨZ の変調レーザを用いる場合は、掘削機
の掘進距離が１０メートル増大するごとに、機械原点を
１０メートル前進させれば、誤差を常に一定以下に維持
することができる。
【００１９】また、レーザ測距儀４は、レーザビームの
照射角度を測定することができるので、レーザ測距儀は
２点間の距離だけでなく３次元的位置座標を計算により
測定することができる。このようなレーザ測距儀４がコ
ンピュータ９に接続されている。レーザ測距儀４により
機械原点と２測量点７，８との間の距離が測定される。
機械原点は、通常この種測距儀の中心部から吊り下げら
れている錘の矢が向く鉛直下方の地点として定められて
いる。機械原点と２測量点７，８との間の距離がコンピ
ュータ９に入力される。コンピュータ９には、後記する
計算式により掘削機２のピッチング角、方位角、掘削機
２に固定されている２点間の距離などを計算することが
できるソフトが用いられる。また、このコンピュータ９
は、前記計算の結果から掘削機２を動かす量の絶対値ま
たはその量の正負を出力することができる。
照射角度を測定することができるので、レーザ測距儀は
２点間の距離だけでなく３次元的位置座標を計算により
測定することができる。このようなレーザ測距儀４がコ
ンピュータ９に接続されている。レーザ測距儀４により
機械原点と２測量点７，８との間の距離が測定される。
機械原点は、通常この種測距儀の中心部から吊り下げら
れている錘の矢が向く鉛直下方の地点として定められて
いる。機械原点と２測量点７，８との間の距離がコンピ
ュータ９に入力される。コンピュータ９には、後記する
計算式により掘削機２のピッチング角、方位角、掘削機
２に固定されている２点間の距離などを計算することが
できるソフトが用いられる。また、このコンピュータ９
は、前記計算の結果から掘削機２を動かす量の絶対値ま
たはその量の正負を出力することができる。
【００２０】掘削機２は、ローリング角測定装置を備え
ている。ローリング角測定装置としてはＵ字管１１が用
いられている。掘削機２には中心軸が設定されている。
Ｕ字管１１は、Ｘ軸まわりの回転角、すなわち、ローリ
ング角を測定するためのものである。このＵ字管１１
は、測定したローリング角の値を前記コンピュータに出
力することができる。このようなＵ字管１１は公知であ
るので説明は省略する。掘削機２には直交する３軸が設
定されている。中心軸をＹ軸とし、またＹ軸が水平であ
るときに、鉛直に向く軸をＺ軸、左右方向の軸をＸ軸と
いう。また、Ｚ軸まわりの角度を方位角、Ｘ軸まわりの
角度をピッチング角という。したがって、ローリング角
はＹ軸まわりの回転角である。
ている。ローリング角測定装置としてはＵ字管１１が用
いられている。掘削機２には中心軸が設定されている。
Ｕ字管１１は、Ｘ軸まわりの回転角、すなわち、ローリ
ング角を測定するためのものである。このＵ字管１１
は、測定したローリング角の値を前記コンピュータに出
力することができる。このようなＵ字管１１は公知であ
るので説明は省略する。掘削機２には直交する３軸が設
定されている。中心軸をＹ軸とし、またＹ軸が水平であ
るときに、鉛直に向く軸をＺ軸、左右方向の軸をＸ軸と
いう。また、Ｚ軸まわりの角度を方位角、Ｘ軸まわりの
角度をピッチング角という。したがって、ローリング角
はＹ軸まわりの回転角である。
【００２１】コンピュータ９には表示画面１０を有して
いる。コンピュータ９は、ローリング角、プリズム７，
８の位置に関するデータを受けて、ピッチング角、方位
角、掘削機２の特定点（たとえば、掘削機２の先端点）
の位置を計算できる位置解析機能、掘進計画線（たとえ
ば、掘削開始点と掘削終了点とを結ぶ直線）と現実の掘
削機２の位置とのズレ、すなわち、方位角偏差、水平・
垂直位置偏差を計算する偏差計算機能を有する。また、
表示画面は、前記角度・位置、偏差値について掘削機の
ジャッキストローク量、カッター圧力、裏込注入圧力等
掘削に関して発生する諸々のデータをリアルタイムでサ
ンプリングした各種のデータとともに予定値を表示する
ことができる。
いる。コンピュータ９は、ローリング角、プリズム７，
８の位置に関するデータを受けて、ピッチング角、方位
角、掘削機２の特定点（たとえば、掘削機２の先端点）
の位置を計算できる位置解析機能、掘進計画線（たとえ
ば、掘削開始点と掘削終了点とを結ぶ直線）と現実の掘
削機２の位置とのズレ、すなわち、方位角偏差、水平・
垂直位置偏差を計算する偏差計算機能を有する。また、
表示画面は、前記角度・位置、偏差値について掘削機の
ジャッキストローク量、カッター圧力、裏込注入圧力等
掘削に関して発生する諸々のデータをリアルタイムでサ
ンプリングした各種のデータとともに予定値を表示する
ことができる。
【００２２】これらの機能以外にも、セグメント割付機
能、運転パラメータ設定機能、掘進計画線設定・表示・
修正機能、掘削機寸法設定機能、各種演算パラメータ設
定機能などの設定・修正機能を備えている。また、後視
点設定機能、測量履歴管理機能、測量結果記録機能など
の管理機能も備えている。外部装置として、各種データ
を出力して記録するための印字装置１３がコンピュータ
９に接続されている。
能、運転パラメータ設定機能、掘進計画線設定・表示・
修正機能、掘削機寸法設定機能、各種演算パラメータ設
定機能などの設定・修正機能を備えている。また、後視
点設定機能、測量履歴管理機能、測量結果記録機能など
の管理機能も備えている。外部装置として、各種データ
を出力して記録するための印字装置１３がコンピュータ
９に接続されている。
【００２３】図２、図３は、掘進計画線に関する入力用
表示画面を示し、図２は水平面についてのもの、図３は
垂直面についてのものである。曲がりがない直線掘進に
より掘削開始点より５，０００（＝５ｍ）位置における
計画値の掘削を行う場合の入力例が示されている。進入
方位角、曲率半径、Ｘ座標の始点・終点、Ｙ座標の始点
・終点、Ｚ座標の始点・終点が、手で入力される。
表示画面を示し、図２は水平面についてのもの、図３は
垂直面についてのものである。曲がりがない直線掘進に
より掘削開始点より５，０００（＝５ｍ）位置における
計画値の掘削を行う場合の入力例が示されている。進入
方位角、曲率半径、Ｘ座標の始点・終点、Ｙ座標の始点
・終点、Ｚ座標の始点・終点が、手で入力される。
【００２４】図４は、水平、水垂の計画座標と現在の掘
削機の座標から目標の方位、ピッチングを掘進中の掘削
機２の後端面すなわちＸ−Ｚ平面の基準円の左右上下の
偏差量をレーダー様に表示した画面を示している。偏差
量は、数値としても表示している。また、掘削機２の管
理点の現在（管理すべき点の現在座標）の座標も参考の
ため示されている。
削機の座標から目標の方位、ピッチングを掘進中の掘削
機２の後端面すなわちＸ−Ｚ平面の基準円の左右上下の
偏差量をレーダー様に表示した画面を示している。偏差
量は、数値としても表示している。また、掘削機２の管
理点の現在（管理すべき点の現在座標）の座標も参考の
ため示されている。
【００２５】次に、前記ソフトにより実行される計算の
基礎を説明する。図６に示すように、掘削機２の掘削計
画線をＹ軸として設定する。このＹ軸に対して前記Ｘ，
Ｚ軸を設定する。掘削開始前に掘削機２の中心軸をＹ軸
に一致させる。２測量点の各位置の座標を、Ａ（ｘA ，
ｙA ，ｚA ），Ｂ（ｘB ，ｙB ，ｚB ）で表す。掘削開
始前の点Ａ，Ｂの初期座標Ａ0 ，Ｂ0 及び掘削機２の中
心軸上の設定２点Ｃ，Ｄの初期座標Ｃ0 ，Ｄ0 を次のよ
うに選ぶ。
基礎を説明する。図６に示すように、掘削機２の掘削計
画線をＹ軸として設定する。このＹ軸に対して前記Ｘ，
Ｚ軸を設定する。掘削開始前に掘削機２の中心軸をＹ軸
に一致させる。２測量点の各位置の座標を、Ａ（ｘA ，
ｙA ，ｚA ），Ｂ（ｘB ，ｙB ，ｚB ）で表す。掘削開
始前の点Ａ，Ｂの初期座標Ａ0 ，Ｂ0 及び掘削機２の中
心軸上の設定２点Ｃ，Ｄの初期座標Ｃ0 ，Ｄ0 を次のよ
うに選ぶ。
【００２６】
【数１】 ここで用いた長さＬは、掘削機の後端点と先端点との間
の距離である。掘削機２が掘削を開始してある距離だけ
進み、姿勢が変化する。ローリング角はＵ字管１１によ
りわかる。ローリング角、ピッチング角、方位角をそれ
ぞれにθr ，θp，θd で表す。いま、ピッチング角、
方位角が零である場合を考える。すなわち、θp ＝θd
＝０．この場合、Ｘ−Ｚ平面の座標変換の行列Θr は、
の距離である。掘削機２が掘削を開始してある距離だけ
進み、姿勢が変化する。ローリング角はＵ字管１１によ
りわかる。ローリング角、ピッチング角、方位角をそれ
ぞれにθr ，θp，θd で表す。いま、ピッチング角、
方位角が零である場合を考える。すなわち、θp ＝θd
＝０．この場合、Ｘ−Ｚ平面の座標変換の行列Θr は、
【００２７】
【数２】 で表される。この１次変換により、座標Ａ0 （ｘA0，ｙ
A0，ｚA0），Ｂ0 （ｘB0，ｙB0，ｚB0）は、Ａ
0 (1) （ｘA0 (1) ，ｙA0 (1) ，ｚA0 (1) ），Ｂ
0 (1) （ｘB0 (1) ，ｙB0 (1) ，ｚB0 (1) ）に変わり、こ
れら新しい座標値は、次により表される。
A0，ｚA0），Ｂ0 （ｘB0，ｙB0，ｚB0）は、Ａ
0 (1) （ｘA0 (1) ，ｙA0 (1) ，ｚA0 (1) ），Ｂ
0 (1) （ｘB0 (1) ，ｙB0 (1) ，ｚB0 (1) ）に変わり、こ
れら新しい座標値は、次により表される。
【００２８】
【数３】 次に、点Ａ0 (1) が原点（０，０，０）に一致するよう
に、点Ｂ0 (1) ，Ｃ0，Ｄ0 を平行移動させる。この平
行移動により、点Ｂ0 (1) 、Ｃ0 ，Ｄ0 の移動先を、Ｂ
0 (2) （ｘB0 (2) ，ｙB0 (2) ，ｚB0 (2) ），Ｃ
0 (2) （ｘC0 (2) ，ｙC0 (2) ，ｚC0 (2) ），Ｄ
0 (2) （ｘD0 (2) ，ｙD0 (2) ，ｚD0 (2) ）で表すと、
に、点Ｂ0 (1) ，Ｃ0，Ｄ0 を平行移動させる。この平
行移動により、点Ｂ0 (1) 、Ｃ0 ，Ｄ0 の移動先を、Ｂ
0 (2) （ｘB0 (2) ，ｙB0 (2) ，ｚB0 (2) ），Ｃ
0 (2) （ｘC0 (2) ，ｙC0 (2) ，ｚC0 (2) ），Ｄ
0 (2) （ｘD0 (2) ，ｙD0 (2) ，ｚD0 (2) ）で表すと、
【００２９】
【数４】
【００３０】
【数５】
【００３１】
【数６】 次に点Ａが原点Ｏと一致するようにベクトルＡＢを平行
移動させる。この平行移動による点Ｂの移動先をＢ(1)
（ｘB (1) ，ｙB (1) ，ｚB (1) ）で表すと、
移動させる。この平行移動による点Ｂの移動先をＢ(1)
（ｘB (1) ，ｙB (1) ，ｚB (1) ）で表すと、
【００３２】
【数７】 式７に現れているｘB ，ｘA ，ｙB ，ｙA ，ｚB ，ｚA
は、レーザ測距儀４で測定されている。図７は、このよ
うな平行移動による点Ｂ(1) と点Ｂ0 (2) の位置関係を
示したものである。点Ｂ0 (2) は、点Ｂ0 がローリング
角相当の角度の回転変換と平行移動を受けたものである
ので、ベクトルＯＢ0 (2) は、θp ＝θd ＝０の状態に
ある。
は、レーザ測距儀４で測定されている。図７は、このよ
うな平行移動による点Ｂ(1) と点Ｂ0 (2) の位置関係を
示したものである。点Ｂ0 (2) は、点Ｂ0 がローリング
角相当の角度の回転変換と平行移動を受けたものである
ので、ベクトルＯＢ0 (2) は、θp ＝θd ＝０の状態に
ある。
【００３３】次いで、ベクトルＯＢ0 (2) を回転移動さ
せてＯＢ(1) に重ねるためのピッチング角θp と方位角
θd を求める。この回転を行う際には、まずＸ軸に対し
てピッチング角θp 回転させ、次いでＺ軸に対して方位
角θd 回転させるものとする。したがって、角θp は点
Ｂ0 (2) のｚ座標がｚB (1) となるまで移動させるとき
のｘ軸に対する回転角である。この回転による点Ｂ0
(2) の移動先を点Ｂ0 (3) （ｘB0 (3) ，ｙB0 (3) ，ｚB0
(3) ）で表すと、次式が得られる。
せてＯＢ(1) に重ねるためのピッチング角θp と方位角
θd を求める。この回転を行う際には、まずＸ軸に対し
てピッチング角θp 回転させ、次いでＺ軸に対して方位
角θd 回転させるものとする。したがって、角θp は点
Ｂ0 (2) のｚ座標がｚB (1) となるまで移動させるとき
のｘ軸に対する回転角である。この回転による点Ｂ0
(2) の移動先を点Ｂ0 (3) （ｘB0 (3) ，ｙB0 (3) ，ｚB0
(3) ）で表すと、次式が得られる。
【００３４】
【数８】 また、点Ｂ0 (3) のｙ座標は原点を中心とし、半径
【００３５】
【数９】 の円
【００３６】
【数１０】 にｚ＝ｚB (1) を代入して得られる。すなわち、
【００３７】
【数１１】 式（８，９）で得た値を用いて、図７から、角θp が計
算される。
算される。
【００３８】
【数１２】 また、図８から、方位角θd は、
【００３９】
【数１３】 このように求めた角度θp ，θd を用いて、さらに掘削
機２の中心軸上の２点Ｃ，Ｄの位置を計算により求める
ことができる。２点Ａ，Ｂが図６に示す位置にあること
が測定された場合に、２点Ｃ，Ｄの各座標は次のように
計算される。掘削機２の３つの角度、ローリング角
θr 、ピッチング角θp 、方位角θd は、Ｕ字管１１に
よる測定、式（１０，１１）によりすでに求められてい
る。基準の位置にあった掘削機２の点Ａ，Ｂをローリン
グ角θr 、ピッチング角θp 、方位角θd の順に回転さ
せた状態が、図７に示すベクトルＡＢとして示されてい
る。Ｙ軸に対する回転の１次変換行列は、式（２）です
でに与えられている。Ｘ軸，Ｙ軸を中心とする回転変換
行列は、次の式で与えられる。
機２の中心軸上の２点Ｃ，Ｄの位置を計算により求める
ことができる。２点Ａ，Ｂが図６に示す位置にあること
が測定された場合に、２点Ｃ，Ｄの各座標は次のように
計算される。掘削機２の３つの角度、ローリング角
θr 、ピッチング角θp 、方位角θd は、Ｕ字管１１に
よる測定、式（１０，１１）によりすでに求められてい
る。基準の位置にあった掘削機２の点Ａ，Ｂをローリン
グ角θr 、ピッチング角θp 、方位角θd の順に回転さ
せた状態が、図７に示すベクトルＡＢとして示されてい
る。Ｙ軸に対する回転の１次変換行列は、式（２）です
でに与えられている。Ｘ軸，Ｙ軸を中心とする回転変換
行列は、次の式で与えられる。
【００４０】
【数１４】 基準位置にある掘削機２を測定された向きに逆に向かせ
る変換行列Θは、
る変換行列Θは、
【００４１】
【数１５】 基準位置にあった３点Ａ0 ，Ｃ0 ，Ｄ0 は３軸回転によ
り、式（１４）で表される１次変換を受ける。この１次
変換後の３点の座標Ａ0 ’（ｘA0’，ｙA0’，
ｚA0’），Ｃ0 ’（ｘC0’，ｙC0’，ｚC0’），Ｄ
0 （ｘD0’，ｙD0’，ｚD0’）は、次式で表される。こ
の変換で、点Ｄ0 の座標は、（０，０，０）になってい
る。
り、式（１４）で表される１次変換を受ける。この１次
変換後の３点の座標Ａ0 ’（ｘA0’，ｙA0’，
ｚA0’），Ｃ0 ’（ｘC0’，ｙC0’，ｚC0’），Ｄ
0 （ｘD0’，ｙD0’，ｚD0’）は、次式で表される。こ
の変換で、点Ｄ0 の座標は、（０，０，０）になってい
る。
【００４２】
【数１６】 この回転変換により得られた掘削機の姿勢は現在の掘削
機の進行方向に一致しており、また、掘削機２の後部の
点Ｄ0 は原点に一致している。最後に点Ａ0 ’を点Ａに
一致させるように点Ｃ0 ’，Ｄ0 ’を平行移動させれ
ば、掘削機２の中心軸上の２点Ｃ（ｘC ，ｙC ，
ｚC ），Ｄ（ｘD ，ｙD ，ｚD ）の現在の位置を知るこ
とができる。すなわち、
機の進行方向に一致しており、また、掘削機２の後部の
点Ｄ0 は原点に一致している。最後に点Ａ0 ’を点Ａに
一致させるように点Ｃ0 ’，Ｄ0 ’を平行移動させれ
ば、掘削機２の中心軸上の２点Ｃ（ｘC ，ｙC ，
ｚC ），Ｄ（ｘD ，ｙD ，ｚD ）の現在の位置を知るこ
とができる。すなわち、
【００４３】
【数１７】 （実施例１の動作）次に、前記実施例１の動作を説明す
る。掘進計画線に概略方向づけて掘削機２を設置する。
表示装置をＯＮとし、必要データを入力し、掘削機２の
運転を開始する。掘削機２のＵ字管１１によりローリン
グ角θr が測定されその値がコンピュータ９に入力され
る。この角度θr は、表示装置に表示されている。この
値を見て、この値の正負に従って掘削機２のＹ軸まわり
の正負の回転駆動を行わせる。この角度θr だけ逆方向
に掘削機２を回転駆動する。
る。掘進計画線に概略方向づけて掘削機２を設置する。
表示装置をＯＮとし、必要データを入力し、掘削機２の
運転を開始する。掘削機２のＵ字管１１によりローリン
グ角θr が測定されその値がコンピュータ９に入力され
る。この角度θr は、表示装置に表示されている。この
値を見て、この値の正負に従って掘削機２のＹ軸まわり
の正負の回転駆動を行わせる。この角度θr だけ逆方向
に掘削機２を回転駆動する。
【００４４】掘削機２の後端点Ｃ0 の基準計画線上への
垂直距離の偏差が表示装置に表示されている。掘削機２
の後端点Ｃ0 の基準計画線上への垂直距離の偏差量の正
負に従って、後端点Ｃ0 が計画線上に乗るように掘削機
２を平行移動させる。このとき、点Ｄ0 を点Ｃ0 の移動
に合わせて平行移動させる。式（１０，１１）により、
ピッチング角θp 、方位角θd が計算されている。
垂直距離の偏差が表示装置に表示されている。掘削機２
の後端点Ｃ0 の基準計画線上への垂直距離の偏差量の正
負に従って、後端点Ｃ0 が計画線上に乗るように掘削機
２を平行移動させる。このとき、点Ｄ0 を点Ｃ0 の移動
に合わせて平行移動させる。式（１０，１１）により、
ピッチング角θp 、方位角θd が計算されている。
【００４５】これらの角度は、表示装置に表示されてい
る。この角度分だけ掘削機２が回転駆動される。Ｘ軸ま
わりの回転駆動とＺ軸まわりの回転駆動は別々に行う。
このような平行移動、回転駆動の制御は手動又は自動操
作で行うことができる。なお、図４に示す黒丸は掘削機
２の現在位置であり、図の中心は計画位置を示す。
る。この角度分だけ掘削機２が回転駆動される。Ｘ軸ま
わりの回転駆動とＺ軸まわりの回転駆動は別々に行う。
このような平行移動、回転駆動の制御は手動又は自動操
作で行うことができる。なお、図４に示す黒丸は掘削機
２の現在位置であり、図の中心は計画位置を示す。
【００４６】（実施例２）実施例１におけるプリズム
７，８の他にもう１つのプリズムを掘削機２に固定して
設け、掘削機２の異なる３点に３体のプリズムを固定す
る。レーザ測距儀４により３点の位置座標を測定する。
これら３点の内の１点（実施例１と同様に点Ａ）を原点
に一致させるように、平行移動する。その平行移動の３
次元量と３つの角ローリング角、ピッチング角、方位角
を未知数とし、他の２点の６つの実測値を既知数とし
て、実施例１で説明したのと同様に、他の２点に関して
それぞれに平行移動と回転の変換を行った連立行列変換
式から、平行移動量と３つの回転角を計算により求める
ことができる。
７，８の他にもう１つのプリズムを掘削機２に固定して
設け、掘削機２の異なる３点に３体のプリズムを固定す
る。レーザ測距儀４により３点の位置座標を測定する。
これら３点の内の１点（実施例１と同様に点Ａ）を原点
に一致させるように、平行移動する。その平行移動の３
次元量と３つの角ローリング角、ピッチング角、方位角
を未知数とし、他の２点の６つの実測値を既知数とし
て、実施例１で説明したのと同様に、他の２点に関して
それぞれに平行移動と回転の変換を行った連立行列変換
式から、平行移動量と３つの回転角を計算により求める
ことができる。
【００４７】（その他の実施例）本発明は、上記実施例
に限られることはなく、本発明の趣旨の範囲内で、設計
変更が行われる。たとえば、掘削機の姿勢制御の駆動
は、表示装置の偏差量を目で見て、偏差量を零にするよ
うに操作を手動によるものとして説明したが、掘削機を
駆動する駆動装置（駆動用油圧モータ、油圧シリンダ、
スクリューなど）を自動制御することは容易に可能であ
る。
に限られることはなく、本発明の趣旨の範囲内で、設計
変更が行われる。たとえば、掘削機の姿勢制御の駆動
は、表示装置の偏差量を目で見て、偏差量を零にするよ
うに操作を手動によるものとして説明したが、掘削機を
駆動する駆動装置（駆動用油圧モータ、油圧シリンダ、
スクリューなど）を自動制御することは容易に可能であ
る。
【００４８】
【発明の効果】この発明レーザ測距による掘削機の姿勢
制御装置によると、次の効果が奏される。掘削機の姿勢
を簡単に測定できる。また、同時に、掘削機の掘進距離
（掘進方向の平行移動量）を知ることができる。３つの
角度を測定したので順番に角度修正する制御方法のため
に測定値を利用できる。測定値は表示のためにも利用で
きる。表示装置で常時掘進方向と掘進位置を確認しなが
ら姿勢を修正することができるので、工事の安全管理が
容易である。ローリング角を直接に測定する測定方法に
よると、簡単に正確に測定しやすいローリング角と２点
の測距とから方位角とピッチング角とを求めることによ
り、掘削機の姿勢の測定が正確になる。
制御装置によると、次の効果が奏される。掘削機の姿勢
を簡単に測定できる。また、同時に、掘削機の掘進距離
（掘進方向の平行移動量）を知ることができる。３つの
角度を測定したので順番に角度修正する制御方法のため
に測定値を利用できる。測定値は表示のためにも利用で
きる。表示装置で常時掘進方向と掘進位置を確認しなが
ら姿勢を修正することができるので、工事の安全管理が
容易である。ローリング角を直接に測定する測定方法に
よると、簡単に正確に測定しやすいローリング角と２点
の測距とから方位角とピッチング角とを求めることによ
り、掘削機の姿勢の測定が正確になる。
【図１】図１は、本発明のレーザ測距による掘削機の姿
勢表示装置の実施例１を示す正面図である
勢表示装置の実施例１を示す正面図である
【図２】図２は、水平面について掘進計画線に関するデ
ータの入力用表示画面を示す正面図である。
ータの入力用表示画面を示す正面図である。
【図３】図３は、垂直面について掘進計画線に関するデ
ータの入力用表示画面を示す正面図である。
ータの入力用表示画面を示す正面図である。
【図４】図４は、掘進中の掘削機２の後端面すなわちＸ
−Ｚ平面の基準円の左右上下の偏差量から目標の方位、
ピッチング量をレーダー様に表示した画面を示す正面図
である。
−Ｚ平面の基準円の左右上下の偏差量から目標の方位、
ピッチング量をレーダー様に表示した画面を示す正面図
である。
【図５】図５は、掘削機の姿勢、推進速度、圧力、カッ
ター圧力を掘削時に発生する諸々のデータを監視する図
である。
ター圧力を掘削時に発生する諸々のデータを監視する図
である。
【図６】図６は、ベクトル解析のための立体座標図であ
る。
る。
【図７】図７は、ベクトルの平行移動を示す立体座標図
である。
である。
【図８】図８は、ベクトルの回転移動を示す立体座標図
である。
である。
２…掘削機本体、 ４…レーザ測距儀 ７，８…レーザ反射体 ９…コンピュータ １０…表示画面 １１…ローリング角測定装置
Claims (4)
- 【請求項１】掘削機本体の異なる２固定点に２体のレー
ザ反射体をそれぞれに固定し、 固定地点に設置したレーザ測距儀から変調レーザを前記
２体のレーザ反射体に向けて発射し、前記２体のレーザ
反射体から反射されて戻る前記変調レーザを受信して前
記２固定点の位置を測定するとともに、前記掘削機本体
に設けたローリング角測定装置により前記掘削機本体の
ローリング角を測定し、 前記測距儀により測定された前記２固定点の位置と前記
ローリング角測定装置により測定された前記ローリング
角とから前記掘削機本体のピッチング角と方位角とをコ
ンピュータにより計算し、 前記コンピュータにより計算されたピッチング角と方位
角と測定された前記ローリング角に基づいて前記掘削機
本体の掘進計画線からの偏差量を前記コンピュータによ
り計算する、 ことを特徴とするレーザ測距による掘削機の姿勢測定方
法。 - 【請求項２】掘削機本体の異なる２点にそれぞれに固定
された２体のレーザ反射体と、 変調レーザを前記２体のレーザ反射体に向け発射し前記
２体のレーザ反射体から反射された変調レーザを受信し
て前記２固定点の位置を測定するためのレーザ測距儀
と、 前記掘削機本体のローリング角を測定するローリング角
測定装置と、 前記測距儀により測定された前記２固定点の位置と前記
ローリング角測定装置により測定されたローリング角と
から前記掘削機本体のピッチング角と方位角とを計算す
るとともに、計算された前記ピッチング角と方位角と測
定された前記ローリング角とから前記掘削機本体の掘進
計画線からの偏差量を計算するためのコンピュータと、 からなることを特徴とするレーザ測距による掘削機の姿
勢測定装置。 - 【請求項３】掘削機本体の異なる３固定点に３体のレー
ザ反射体をそれぞれに固定し、 固定地点に設置したレーザ測距儀から変調レーザを前記
３体のレーザ反射体に向けて発射し、前記３体のレーザ
反射体から反射されて戻る前記変調レーザを受信して前
記３固定点の位置を測定し、 前記測距儀により測定された前記３固定点の位置から掘
削機本体のローリング角とピッチング角と方位角とをコ
ンピュータにより計算し、 前記コンピュータにより計算されたピッチング角とロー
リング角と方位角とから前記掘削機本体の掘進計画線か
らの偏差量を前記コンピュータにより計算する、 ことを特徴とするレーザ測距による掘削機の姿勢測定方
法。 - 【請求項４】掘削機本体の異なる３点にそれぞれに固定
された３体のレーザ反射体と、 変調レーザを前記３体のレーザ反射体に向け発射し前記
３体のレーザ反射体から反射された変調レーザを受信し
て前記３固定点の位置を測定するためのレーザ測距儀
と、 前記測距儀により測定された前記３固定点の位置から前
記掘削機本体のローリング角とピッチング角と方位角と
を計算するとともに、計算された前記ローリング角とピ
ッチング角と方位角とから前記掘削機本体の掘進計画線
からの偏差量を計算するためのコンピュータと、 からなることを特徴とするレーザ測距による掘削機の姿
勢測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28429593A JPH07113640A (ja) | 1993-10-19 | 1993-10-19 | レーザ測距による掘削機の姿勢測定方法及びその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28429593A JPH07113640A (ja) | 1993-10-19 | 1993-10-19 | レーザ測距による掘削機の姿勢測定方法及びその装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07113640A true JPH07113640A (ja) | 1995-05-02 |
Family
ID=17676684
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28429593A Pending JPH07113640A (ja) | 1993-10-19 | 1993-10-19 | レーザ測距による掘削機の姿勢測定方法及びその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07113640A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106959459A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-07-18 | 厦门言必信网络科技有限公司 | 一种基于智能手机和测距仪的监控设备方位确定方法 |
| CN111256622A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-06-09 | 同济大学 | 一种对偶激光式机器人关节角度测量方法及角度测量装置 |
| CN113110607A (zh) * | 2021-05-15 | 2021-07-13 | 北京坤世拓智能科技有限公司 | 一种用于激光定向测距的云台控制装置 |
| CN113914880A (zh) * | 2021-09-01 | 2022-01-11 | 中铁九局集团电务工程有限公司 | 基于激光测距的倾角可修正隧道打孔方法及打孔机器人 |
-
1993
- 1993-10-19 JP JP28429593A patent/JPH07113640A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106959459A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-07-18 | 厦门言必信网络科技有限公司 | 一种基于智能手机和测距仪的监控设备方位确定方法 |
| CN111256622A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-06-09 | 同济大学 | 一种对偶激光式机器人关节角度测量方法及角度测量装置 |
| CN111256622B (zh) * | 2020-01-22 | 2021-06-04 | 同济大学 | 一种对偶激光式机器人关节角度测量方法及角度测量装置 |
| CN113110607A (zh) * | 2021-05-15 | 2021-07-13 | 北京坤世拓智能科技有限公司 | 一种用于激光定向测距的云台控制装置 |
| CN113914880A (zh) * | 2021-09-01 | 2022-01-11 | 中铁九局集团电务工程有限公司 | 基于激光测距的倾角可修正隧道打孔方法及打孔机器人 |
| CN113914880B (zh) * | 2021-09-01 | 2024-02-23 | 中铁九局集团电务工程有限公司 | 基于激光测距的倾角可修正隧道打孔方法及打孔机器人 |
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