JPH08129420A - トンネルロボットの方向・位置制御装置及びｎ次元線形離散時間系確率モデルの構成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】外乱要因を表す残差項を含むトンネルロボット
の入出力モデルから直接、線形時不変確率システムを求
めることにより、本来の入出力モデルに忠実なシステム
表現を得るトンネルロボットの方向・位置制御装置とｎ
次元線形離散時間系確率モデルの構成方法を提供する。 【構成】トンネルロボットの制御入力であるロボット本
体７先端のヘッド１４角θ_h の制御装置Ａにおいて、ヘ
ッド１４角θ_h を入力としエースモールのダイナミクス
モデルを通してロボット本体７の計画線Ｙ_d からの位置
偏差Ｄを出力するエースモールダイナミクス１と、当該
ダイナミクスモデルから求まるｎ次元の線形離散時間系
確率モデルを基に外部計測装置によって得られる位置偏
差Ｄを取り込んでｎ次元の状態ベクトルを推定するカル
マンフィルタ２と、当該状態ベクトルにｎ次元のゲイン
マトリックスを乗じてヘッド１４角θ_h を計算する最適
レギュレータ３とを有し、カルマンフィルタ２と最適レ
ギュレータ３が計画線Ｙ_d の傾きと土質変化等による外
乱雑音の分散の大きさと計測雑音の分散の大きさによっ
て演算決定自在に構成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、無排土式で押し込み推
進させながらロボット本体先端のヘッド角を制御し、方
向・位置修正を行う小口径トンネルロボットの方向・位
置制御装置及びｎ次元線形離散時間系確率モデルの構成
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】小口径トンネルロボットの方向制御則が
多数検討されている。その例を以下に示す。 （１）計画線に対するロボット本体の位置偏差とピッチ
ング角度偏差に、ある比例ゲインを掛けたものを次の入
力ヘッド角とするフィードバック制御則。 （２）計画線に対するロボット本体の位置偏差とピッチ
ング角度偏差とそれに対する入力ヘッド角に関するオペ
レータの経験と知識を使い、制御規則、メンバーシップ
関数で表現し制御するファジイ制御則。

【０００３】（３）所定の方向制御則から得られる、ロ
ボット本体の位置偏差とピッチング角度偏差とそれに対
する入力ヘッド角との関係を、学習データとしてニュー
ラルネットワークに学習させ、初期位置偏差および初期
ピッチング角度によらない最適フィードバックゲインを
得るニューラルネットワーク制御則。 （４）ファジイ方向制御の最適ファジイ集合代表値をニ
ューラルネットワークによってオートチューニングする
オートチューニングファジイ制御則。

【０００４】これらの制御則は、小口径トンネルロボッ
トの方向制御に有効であることが確認されている。しか
しながら、いずれの方法も、試行錯誤的に最適フィード
バックゲインを探索するという姿勢は同様であり、学習
およびオートチューニングの時間が必要という問題点が
あった。

【０００５】以上の問題点に対し、特願平６−２１９２
９６号に記載の発明「トンネルロボットの方向・位置制
御方法及び装置」において、トンネルロボットの入出力
モデルから求めたｎ次元線形離散値型確率システムを用
いて、土質変化などの外乱要因（外乱要因は雑音と扱う
ことができる）を含んだトンネルロボットのダイナミク
スを位置偏差の計測に代表される計測の雑音を表現する
ことにより状態フィードバックを含む制御アルゴリズム
を合理的に決定できるトンネルロボットの方向・位置制
御方法及び装置が提供されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特願平６−２１９２９
６号の発明では、ｎ次元線形離散値型確率システムを求
める場合に、まず残差項を含まないトンネルロボットの
入出力モデルから伝達関数を求め、それを線形時不変確
定システムで表現し、それに改めて残差項に相当する項
を加え確率システムに拡張するという手法を用いてい
る。

【０００７】本発明は、このｎ次元線形離散値型確率シ
ステムについて着目してなされたものであり、その解決
すべき主要な目的は、次の通りである。本発明の第１の
目的は、外乱要因を表わす残差項を含むトンネルロボッ
トの入出力モデルから直接、線形時不変確率システムを
求めることにより、本来の入出力モデルに忠実なシステ
ム表現を得るトンネルロボットの方向・位置制御装置及
びｎ次元線形離散時間系確率モデルの構成方法を提供せ
んとするものである。

【０００８】本発明の第２の目的は、システム表現の状
態ベクトルについて、特願平６−２１９２９６号と同様
な計画線からの偏差と偏角の両者を評価する状態フィー
ドバック制御を行うに必要なベクトルの拡大を行うトン
ネルロボットの方向・位置制御装置とｎ次元線形離散時
間系確率モデルの構成方法を提供せんとするものであ
る。

【０００９】本発明の第３の目的は、前記ｎ次元線形離
散値確率システムを基にした、トンネルロボットの方向
・位置制御装置及びｎ次元線形離散時間系確率モデルの
構成方法を提供せんとするものである。

【００１０】本発明のその他の目的は、明細書，図面，
特に特許請求の範囲の記載から明らかとなろう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題の解決は、本発
明が次に列挙する新規な特徴的構成手段及び手法を採用
することにより前記目的を達成する。即ち、本発明装置
の第１の特徴は、土中に押し込み推進させることで無排
土式に管路を構築して行く小口径トンネルロボットの、
制御入力であるロボット本体先端のヘッド角の制御装置
において、当該ヘッド角を入力としエースモールのダイ
ナミクスモデルを通してロボット本体の計画線からの位
置偏差を出力するエースモールダイナミクスをフィード
バック制御自在に接続し、かつ、当該ロボット本体の計
画線からの位置偏差を取り込んでヘッド角を計算する演
算装置が、当該ダイナミクスモデルから求まるｎ次元の
線形離散時間系確率モデルを基に外部計測装置によって
得られる位置偏差を取り込んでｎ次元の状態ベクトルを
推定するカルマンフィルタと、当該状態ベクトルにｎ次
元のゲインマトリクスを乗じてヘッド角を計算する最適
レギュレータとを具備し、前記カルマンフィルタと前記
最適レギュレータが、前記計画線の傾きと、土質変化等
による外乱雑音の分散の大きさと、計測雑音の分散の大
きさによって演算決定自在に構成してなるトンネルロボ
ットの方向・位置制御装置である。

【００１２】本発明装置の第２の特徴は、前記本発明装
置の第１の特徴におけるダイナミクスモデルが、ロボッ
ト本体の姿勢角と水平線が成すピッチング角度の変化量
の時系列項と、ヘッド角の時系列項と、正規分布で近似
できる残差の線形結合と、によって表される差分方程式
で与えられ、各項のパラメータは最小二乗法によって推
定されてなるトンネルロボットの方向・位置制御装置で
ある。

【００１３】本発明装置の第３の特徴は、前記本発明装
置の第２の特徴における差分方程式が、出力変数を偏角
に、制御入力変数をヘッド角に、その他を残差にそれぞ
れ対応変換し、さらに、前記偏角から偏差への伝達関数
を加え、偏差をも評価可能に状態ベクトルを拡大して、
状態空間表現で表してなるトンネルロボットの方向・位
置制御装置である。

【００１４】本発明装置の第４の特徴は、前記本発明装
置の第１，第２又は第３の特徴における外部計測装置
が、相互に連通するロボット本体内圧力センサと地上基
準圧力センサとの液圧差により地上測定基準面からの垂
直位置の計測装置であるトンネルロボットの方向・位置
制御装置である。

【００１５】本発明装置の第５の特徴は、前記本発明装
置の第１，第２，第３又は第４の特徴におけるカルマン
フィルタが、雑音に汚れた出力から状態ベクトルを推定
するために、雑音過程を含んだ状態空間表現を基に、状
態推定器を構成してなるトンネルロボットの方向・位置
制御装置である。

【００１６】本発明方法の第１の特徴は、土中に押し込
み推進させることで無排土式に管路を構築して行く小口
径トンネルロボットの、制御入力であるロボット本体先
端のヘッド角を制御するに当り、ロボット本体の計画線
からの位置偏差を取り込んで前記ヘッド角を計算する
際、前記トンネルロボットのダイナミクスモデルから一
意的に求まる、前記ヘッド角を制御入力変数、計画線か
らの偏差を出力変数とする１入力１出力の線形時不変確
率システムに対し、偏角から偏差への伝達関数を追加す
るように状態ベクトルを拡大し、１入力２出力の線形時
不変確率システムを構成することによって、状態フィー
ドバック制御のゲインマトリクスを求めるための評価関
数が、計画線からの偏角と偏差の２項を評価できるよう
にしてなるｎ次元線形離散時間系確率モデルの構成方法
である。

【００１７】本発明方法の第２の特徴は、前記本発明方
法の第１の特徴における１入力１出力の線形時不変確率
システムが、ｎ次元の状態変数ベクトル、制御入力変
数、雑音入力変数、出力変数の関係を状態方程式と出力
方程式で表現してなるｎ次元線形離散時間系確率モデル
の構成方法である。

【００１８】本発明方法の第３の特徴は、前記本発明方
法の第１又は第２の特徴における状態フィードバック制
御が、状態空間表現に適用して、状態量や制御量に関す
る２次形式評価関数を最適化する安定なフィードバック
ループを形成してなるｎ次元線形離散時間系確率モデル
の構成方法である。

【００１９】本発明方法の第４の特徴は、前記本発明方
法の第３の特徴における２次形式評価関数が、出力変数
の収束を速めたり、制御に要する入力を可及的に小さく
したり、所望に設定可能であるｎ次元線形離散時間系確
率モデルの構成方法である。

【００２０】本発明方法の第５の特徴は、前記本発明方
法の第１，第２，第３又は第４の特徴における状態フィ
ードバック制御が、ある時点の事後推定値と、当該事後
推定値を用いた状態フィードバックによるヘッド角入力
から、次時点の事前推定値と、これに基づく出力予測値
を計算してなるｎ次元線形離散時間系確率モデルの構成
方法である。

【００２１】

【作用】本発明は、前記のような新規な手段及び手法を
講じることにより、ロボット本体先端のヘッド角の制御
において、ロボット本体の計画線からの位置偏差を取り
込んでヘッド角を計算する場合、その演算装置の計算ア
ルゴリズムを、計画線の傾きと、土質変化などの外乱雑
音の分散の大きさと、計測雑音の分散の大きさによって
変更するものである。

【００２２】また、演算装置におけるｎ次元の線形離散
時間系確率モデルの決定において、前記トンネルロボッ
トのダイナミクスモデルから一意的に求まる、ヘッド角
を制御入力変数、計画線からの偏差を出力変数とする１
入力１出力の線形時不変確率システムに対し、偏角から
偏差への伝達関数を追加するように状態ベクトルを拡大
し、１入力２出力の線形時不変確率システムを構成する
ことによって、状態フィードバック制御のゲインマトリ
クスを求める評価関数が、計画線からの偏角と偏差の２
項を評価できるようにするものである。

【００２３】

【実施例】

（装置例）以下に図面を参照して本発明の装置例を説明
する。図１は本装置例の制御系ブロック線図、図２は本
装置例を装備使用したトンネルロボットのシステム構成
を示す図である。図中、Ａは本装置例のトンネルロボッ
トの方向・位置制御装置、１はエースモールダイナミク
ス、２はカルマンフィルタ、３は最適レギュレータ、４
は演算装置、５，６は加算器である。この状態推定カル
マンフィルタ２と最適レギュレータ３とは演算装置４を
構成する。

【００２４】トンネルロボットのシステムＢは、ヘッド
角修正機能を持つトンネルロボット本体７、埋設管８、
埋設管８を押し込む押管装置９、油圧装置１０、操作盤
１１よりなる。図中、１２はオペレータ、１３は地表、
１４はヘッドである。埋設管８は押管装置９より油圧で
一本づつ押し込まれる。このとき、オペレータ１２はヘ
ッド１４角を逐次修正し、計画線Ｙ_d に沿うように方向
制御を行う。この方向制御は従来オペレータの経験と知
識に頼っていた。

【００２５】（方法例）当該本装置例に適用する本発明
の方法例の処理手順を図面につき説明する。図３は本方
法例が利用するトンネルロボットの垂直位置計測法を実
行する位置検知装置を示す図であり、シリコンタンク１
５によりシリコンホース１６に供給されるシリコン油の
ホース１６両端での液圧差を、先端トンネルロボット内
圧力センサ１７と地上基準圧力センサ１８により測定
し、地表１３の測定基準面１９からの垂直位置を得るも
のである。

【００２６】以下に、この垂直位置計測法によって得ら
れるロボット本体７の計画線Ｙ_d からの位置偏差を取り
込んで、制御量であるヘッド１４角を演算する、”エー
スモール”と呼称され、実用化されている小口径トンネ
ルロボットについての方向・位置制御法の実行手順につ
いて説明する。

【００２７】制御対象としてエースモールダイナミクス
１（エースモールのダイナミクスモデル）が次の差分方
程式で与えられているものとする。

【数１】 ただし、Δθ_p ［゜］はロボット本体７の姿勢角と水平
線βが成すピッチング角θ_p の変化量（以後ピッチング
角変化量Δθ_p と呼ぶ）、θ_h ［゜］はヘッド１

【外１】 を図４（ａ）（ｂ）にそれぞれ示す。

【００２８】このモデル同定は特開平３−１４０５９９
号公報に開示されており、ロボット本体７のピッチング
角変化量Δθ_p の時系列項、ヘッド１４角の時系列項、
および正規分布で近似できる残差の線形結合によってエ
ースモールのダイナミクスを表すもので、各項のパラメ
ータは最小二乗法によって推定される。

【００２９】上式をｚ変換するとθ_h （ｋ＋ｒ）→ｚ^r
θ_h （ｚ）等のように変換されるから、整理して次の式
を得る。

【数２】 一方、図５に示すように位置Ｙ（ｋ）と、偏角θ
_s （ｋ）、計画線Ｙ_d の傾きθ_d の関係は次式で表され
る。

【数３】 上式は、θ_s （ｋ）が微小角であることを考慮すれば次
の結果を得る。

【数４】 ここでＬｓｉｎθ_d ＝Ｙ_d （ｋ）−Ｙ_d （ｋ−１）を考
慮すれば、計画線Ｙ_dからの偏差をＤ（ｋ）＝Ｙ（ｋ）
−Ｙ_d （ｋ）と定義して次式を得る。

【数５】 両辺をｚ変換して整理すれば、次のようになる。

【数６】

【００３０】また、ピッチング角度変化量Δθ_p と偏角
θ_s との間に次の関係が成り立つ。

【数７】 ｚ変換して、次の結果を得る。

【数８】

【００３１】従って、ヘッド角θ_h と偏角θ_s との差分
方程式は次のように表わせる。

【数９】

【００３２】ここで、上記の入出力関係を実現する状態
空間表現を求める。Ｘをｎ次元の状態変数ベクトル［ｘ
₁ ，ｘ₂ ，…，ｘ_n ］^T 、ｕを制御入力変数（スカ
ラ）、ｅを雑音入力変数（スカラ）、ｙを出力変数（ス
カラ）として次のような状態方程式と出力方程式を考
え、１入力１出力の線形時不変確率システムを構成す
る。

【数１０】

【００３３】ただし、

【数１１】

【００３４】ｚ変換して両辺を比較すれば、

【数１２】 となる。

【００３５】以上を整理すれば次の式を得る。

【数１３】 同様に、出力式について整理して次式を得る。

【数１４】

【００３６】（１２）式からＸ_n （ｚ）を消去すると差
分方程式は次のようになる。

【数１５】

【００３７】従って、差分方程式（９）式を状態空間表
現で表すためには、（１３）式で出力変数ｙ→偏角
θ_s ，制御入力変数ｕ→ヘッド角θ_h ，ｗ→雑音入力変
数ｅとみなして（９）式と（１４）式の分母・分子が一
致するようにα_i ，β_i ，γ_i （ｉ＝１〜ｎ）を選べば
よい。このとき、ｎ＝４となり、θ_s ／θ_h の状態空間

【外２】

【数１６】

【００３８】上式の状態空間表現に（６）式のＤ／θ_s
の伝達関数を加え、偏差Ｄをも評価できるように状態ベ
クトルを拡大すると、最終的にｎ＝５となり、次の状態
空間表現を得る。

【数１７】

【００３９】伝達関数Ｄ／θ_s ，θ_s ／θ_h は共に少な
くともｚ＝１という不安定な運動モードを持っており、
安定な方向・位置制御のためには状態量に関するフィー
ドバックが必要となる。従来までは、位置と偏差に関し
て試行錯誤的に求めたフィードバックゲインを用いてい
たが、ａ_i ，ｂ_i 等のシステムパラメータが変化すれば
再びゲインを決定し直さねばならなかった。前節で求め
た状態空間表現に最適レギュレータ３を適用することに
より、状態量や制御量に関する２次形式評価関数を最適
化する安定なフィードバックループを形成できる。

【００４０】評価関数は出力変数の収束を速めたり、或
いは制御に要する入力を出来る限り小さくする等設計者
の要望に合わせて設定可能であり、次の形で与えられ
る。

【数１８】 ここで、Ｑは状態に関する重み行列で、ｒ（＞０）は入
力に対する重みである。一般にＱを大きくするほど制御
入力を抑制することができる。

【００４１】特に出力のみを評価したい場合には、

【数１９】

【００４２】と書けるので、

【数２０】 とおけばよい。

【００４３】２次形式評価関数Ｊを最適化する状態フィ
ードバックは以下のように与えられる。

【数２１】 ただし、Ｐは離散型リカッチ方程式

【数２２】 を満たす正定行列である。

【００４４】Ｑ，ｒを設定すればリカッチ方程式は次の
手順で解くことができる。 ｉ）Ｐ（０）＝０とおく。 ｉｉ）

【数２３】 をくり返し計算してその定常解をＰとする。

【００４５】（１９）式による状態フィードバックを行
うためには状態ベクトルＸ（ｋ）が測定可能でなければ
ならないが、実システムにおいて知り得るのは出力Ｄ
（ｋ），θ_s のみであり、実システムにおけるこれらの
信号は雑音に汚されている。（１５）式の雑音過程を含
んだ状態空間表現を基にカルマンフィルタによる状態推
定器を構成すれば、雑音に汚された出力から状態ベクト
ルＸ（ｋ）を推定することが可能である。ただしＤ
（ｋ）はθ_s から積分要素を介し出力される信号である
ため、θ_s からではすべての状態変数を推定することは
できない。従って、ここではＤ（ｋ）からカルマンフィ
ルタ２を構成する。

【００４６】（６）式の状態空間表現に、偏差Ｄ（ｋ）
を観測するときの観測雑音の項ｖ（ｋ）［ｍｍ］を加え
ると、次のようになる。

【数２４】

【００４７】

【外３】

【外４】

【外５】 ルタのアルゴリズムが適用できる。

【数２５】

【００４８】（２２）式では時点ｋで測定した出力Ｄ
（ｋ）と、時点ｋ−１で予測した時点

【外６】

【外７】

【外８】

【外９】 状態フィードバックによるヘッド１４角入力θ_h （ｋ）
から、次の時点ｋ＋１で

【外１０】

【外１１】

【外１２】

【００４９】カルマンゲインＫは、以下のように与えら
れる。

【数２６】

【外１３】 リカッチ方程式

【数２７】 を満たす。

【００５０】

【外１４】 ｉ）Σ（０）＝０とおく。 ｉｉ）

【数２８】 をくり返し計算してその定常解をΣとする。このカルマ
ンフィルタ２によって推定された状態ベクトルを最適レ
ギュレータ３の状態ベクトルとしてフィードバックすれ
ばよい。

【００５１】（実験例）次に本実施例の設計例として実
際の施工実験データの例を考える。実験結果により得ら
れた、エースモールダイナミクスのピッチング角変化量
とヘッド１４角に関するダイナミクスモデルの各パラメ
ータは次のように与えられる。

【数２９】

【外１５】

【００５２】１ストロークの長さをＬ＝４５０［ｍ
ｍ］、計画線Ｙ_d の傾きをθ_d ＝０［゜］とした場合の
状態変数表現は次のように求められる。

【数３０】

【００５３】次に最適レギュレータ３を構成する。重み
行列選定の一例として次のような見積もりを行う。例え
ば、偏差Ｄと偏角θ_s の収束誤差をそれぞれ１［ｍ
ｍ］，０．１［゜］程度とし、又ヘッド角θ_h の絶対値
が最大±１．５［゜］と限られているため少なくとも出
力誤差の範囲内ではヘッド角の変動幅を０．１［゜］程
度を許容するものとすれば、評価関数中の各要素の比率
は次のようになる。

【数３１】

【００５４】各要素を等しく評価したければ、各重み変
数を次のようにおけばよい。

【数３２】 このとき、重み行列Ｑは次のように与えられる。

【数３３】

【００５５】重み行列Ｑとｒを用いて（２０）式のリカ
ッチ方程式を解けば２００回のくり返し計算の後、次の
収束解Ｐを得る。

【数３４】

【００５６】最終的に最適レギュレータ３のフィードバ
ックゲインが次のように計算される。

【数３５】

【００５７】また、カルマンフィルタ２のゲインＫは、
（２６）式と偏差Ｄの観測雑音を平

【外１６】

【外１７】 れ、

【数３６】

【００５８】最終的にカルマンゲインＫは次のように計
算される。

【数３７】

【００５９】カルマンフィルタ２を用いて状態ベクトル
を推定するときには初期状態ベクトルを選ばなければな
らない。推定値が速やかに収束するためには推定誤差が
小さいことが望ましいので次のような見積もりを行う。
（１）式のダイナミクスが意味を持つのはｋ＝３以降で
あるので、少なくとも

【数３８】 であるとする。

【００６０】これは（１）式を用いてシミュレーション
を行う場合の初期条件とも考えられる。このとき（７）
式と（３４）式を考慮すれば、

【数３９】 また、（２７）式と（３３）式を考慮すれば

【数４０】 となる。

【００６１】以上を整理すれば

【数４１】 を得る。

【００６２】

【外１８】 ルの初期値とすればよい。

【数４２】

【００６３】ちなみに、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は
位置の初期偏差をＤ（０）＝５００［ｍｍ］、偏角の初
期値をθ_s ＝−１．５［゜］、遷移雑音ｅおよび偏差Ｄ
の観測雑音無し、とおいた場合のシミュレーション結果
である。図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は位置の初期偏差
をＤ（０）＝５００［ｍｍ］、偏角の初期値をθ_s ＝−
１．５［゜］、遷移雑音ｅ［゜］を平均値０分散０．１
３、偏差Ｄ［ｍｍ］の観測雑音を平均値０分散１、とお
いた場合のシミュレーション結果である。

【００６４】

【発明の効果】かくして、本発明によれば、外乱要因を
表わす残差項を含むトンネルロボットのエースモールの
ダイナミクスモデルから直接線形時不変確率システムを
求めることにより、本来のダイナミクスモデルに忠実な
システム表現を得るとともに当該システム表現の状態ベ
クトルについても計画線からの偏差と偏角の両者を評価
する状態フィードバック制御を行うに必要なベクトルの
拡大も行って得たｎ次元線形離散値型確率システムを通
して計画線に追従するトンネルロボットの方向・位置を
正確に制御することが可能となる等優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置例を示す最適レギュレータとカル
マンフィルタを含む制御系のブロック線図である。

【図２】同上を装備使用したトンネルロボットのシステ
ム構成を示す図である。

【図３】本発明が利用する垂直位置計測法を実行する位
置検知装置を示す図である。

【図４】（ａ）（ｂ）はそれぞれ本発明の方法例におけ
るヘッド角とピッチング角の定義の一例を示す図であ
る。

【図５】同上における位置Ｙ（ｋ）と偏角θ_s （ｋ）と
の関係を示す図である。

【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の実験例における
位置偏差、偏角、ヘッド角のシミュレーション結果をそ
れぞれ示す図である。

【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）は同上における雑音を付加
した場合の位置偏差、偏角、ヘッド角のシミュレーショ
ン結果をそれぞれ示す図である。

【符号の説明】

Ａ…トンネルロボットの方向・位置制御装置 Ｂ…トンネルロボットシステム １…エースモールダイナミクス ２…カルマンフィルタ ３…最適レギュレータ ４…演算器 ５，６…加算器 ７…トンネルロボット本体 ８…埋設管 ９…押管装置 １０…油圧装置 １１…操作盤 １２…オペレータ １３…地表 １４…ヘッド １５…シリコンタンク １６…シリコンホース １７…先端トンネルロボット内圧力センサ １８…地上基準圧力センサ １９…測定基準面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森光 武則 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】土中に押し込み推進させることで無排土式
   に管路を構築して行く小口径トンネルロボットの、制御
   入力であるロボット本体先端のヘッド角の制御装置にお
   いて、 当該ヘッド角を入力としエースモールのダイナミクスモ
   デルを通してロボット本体の計画線からの位置偏差を出
   力するエースモールダイナミクスをフィードバック制御
   自在に接続し、かつ、当該ロボット本体の計画線からの
   位置偏差を取り込んでヘッド角を計算する演算装置が、 当該ダイナミクスモデルから求まるｎ次元の線形離散時
   間系確率モデルを基に外部計測装置によって得られる位
   置偏差を取り込んでｎ次元の状態ベクトルを推定するカ
   ルマンフィルタと、 当該状態ベクトルにｎ次元のゲインマトリクスを乗じて
   ヘッド角を計算する最適レギュレータを具備し、 前記カルマンフィルタと前記最適レギュレータが、前記
   計画線の傾きと、土質変化等による外乱雑音の分散の大
   きさと、計測雑音の分散の大きさによって演算決定自在
   に構成する、 ことを特徴とするトンネルロボットの方向・位置制御装
   置。
2. 【請求項２】ダイナミクスモデルは、 ロボット本体の姿勢角と水平線が成すピッチング角度の
   変化量の時系列項と、 ヘッド角の時系列項と、 正規分布で近似できる残差の線形結合と、 によって表される差分方程式で与えられ、 各項のパラメータは最小二乗法によって推定される、 ことを特徴とする請求項１記載のトンネルロボットの方
   向・位置制御装置。
3. 【請求項３】差分方程式は、 出力変数を偏角に、制御入力変数をヘッド角に、その他
   を残差にそれぞれ対応変換し、 さらに、前記偏角から偏差への伝達関数を加え、偏差を
   も評価可能に状態ベクトルを拡大して、 状態空間表現で表す、 ことを特徴とする請求項２記載のトンネルロボットの方
   向・位置制御装置。
4. 【請求項４】外部計測装置は、 相互に連通するロボット本体内圧力センサと地上基準圧
   力センサとの液圧差により地上測定基準面からの垂直位
   置の計測装置である、 ことを特徴とする請求項１，２又は３記載のトンネルロ
   ボットの方向・位置制御装置。
5. 【請求項５】カルマンフィルタは、 雑音に汚れた出力から状態ベクトルを推定するために、
   雑音過程を含んだ状態空間表現を基に、 状態推定器を構成する、 ことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のトンネ
   ルロボットの方向・位置制御装置。
6. 【請求項６】土中に押し込み推進させることで無排土式
   に管路を構築して行く小口径トンネルロボットの、制御
   入力であるロボット本体先端のヘッド角を制御するに当
   り、 当該ロボット本体の計画線からの位置偏差を取り込んで
   前記ヘッド角を計算する際、 前記トンネルロボットのダイナミクスモデルから一意的
   に求まる、前記ヘッド角を制御入力変数、計画線からの
   偏差を出力変数とする１入力１出力の線形時不変確率シ
   ステムに対し、 偏角から偏差への伝達関数を追加するように状態ベクト
   ルを拡大し、１入力２出力の線形時不変確率システムを
   構成することによって、 状態フィードバック制御のゲインマトリクスを求めるた
   めの評価関数が、前記計画線からの偏角と偏差の２項を
   評価できるようにする、 ことを特徴とするｎ次元線形離散時間系確率モデルの構
   成方法。
7. 【請求項７】１入力１出力の線形時不変確率システム
   は、 ｎ次元の状態変数ベクトル、制御入力変数、雑音入力変
   数、出力変数の関係を状態方程式と出力方程式で表現す
   る、 ことを特徴とする請求項６記載のｎ次元線形離散時間系
   確率モデルの構成方法。
8. 【請求項８】状態フィードバック制御は、 状態空間表現に適用して、 状態量や制御量に関する２次形式評価関数を最適化する
   安定なフィードバックループを形成する、 ことを特徴とする請求項６又は７記載のｎ次元線形離散
   時間系確率モデルの構成方法。
9. 【請求項９】２次形式評価関数は、 出力変数の収束を速めたり、 制御に要する入力を可及的に小さくしたり、 所望に設定可能である、 ことを特徴とする請求項８記載のｎ次元線形離散時間系
   確率モデルの構成方法。
10. 【請求項１０】状態フィードバック制御は、 ある時点の事後推定値と、 当該事後推定値を用いた状態フィードバックによるヘッ
    ド角入力から、次時点の事前推定値と、 これに基づく出力予測値を計算することを特徴とする請
    求項６，７，８又は９記載のｎ次元線形離散時間系確率
    モデルの構成方法。