JPH0814234B2 - トンネル掘削機の位置及び姿勢の検出方法並びに検出装置 - Google Patents
トンネル掘削機の位置及び姿勢の検出方法並びに検出装置Info
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- JPH0814234B2 JPH0814234B2 JP61075082A JP7508286A JPH0814234B2 JP H0814234 B2 JPH0814234 B2 JP H0814234B2 JP 61075082 A JP61075082 A JP 61075082A JP 7508286 A JP7508286 A JP 7508286A JP H0814234 B2 JPH0814234 B2 JP H0814234B2
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Landscapes
- Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、トンネル施工において地山を掘削しながら
前進するトンネル掘削機の位置及び姿勢の自動検出手段
に関する。
前進するトンネル掘削機の位置及び姿勢の自動検出手段
に関する。
（従来の技術） トンネルを掘削する掘削機として例えば第11図及び第
12図に示すように、先端に取り付けたカッター20により
切羽の掘削を行ないながら左右両側に備えたクローラー
21を駆動して前進するものがある。カッター20は掘削機
１上に水平に設けた施回フレーム22上の支点23に後端を
鉛直方向に回転自由に取り付けられ、掘削機１に搭乗し
たオペレータが油圧シリンダ24を伸縮駆動することによ
り水平方向に、また油圧シリンダ25を伸縮駆動すること
により垂直方向に回動して、カッター20の先端に備えた
カッターヘッド26を電動機27の力で回転させながら地山
を掘削する。掘削されたズリは掘削機１の前部に備えた
左右一対のギャザリング28による回収される。ギャザリ
ング28はギャザリングフレーム29の中に設けられ、それ
ぞれ内側方向に回転することにより掘削機１の前方に堆
積したズリを中央にかき集める。集められたズリは掘削
機１の中央部を縦貫する図示されないコンベアにより後
方に搬送される。このようにして、オペレータはカッタ
ー20を操作して地山を掘削しながら、クローラー21を回
転させて掘削機を前進させる。
12図に示すように、先端に取り付けたカッター20により
切羽の掘削を行ないながら左右両側に備えたクローラー
21を駆動して前進するものがある。カッター20は掘削機
１上に水平に設けた施回フレーム22上の支点23に後端を
鉛直方向に回転自由に取り付けられ、掘削機１に搭乗し
たオペレータが油圧シリンダ24を伸縮駆動することによ
り水平方向に、また油圧シリンダ25を伸縮駆動すること
により垂直方向に回動して、カッター20の先端に備えた
カッターヘッド26を電動機27の力で回転させながら地山
を掘削する。掘削されたズリは掘削機１の前部に備えた
左右一対のギャザリング28による回収される。ギャザリ
ング28はギャザリングフレーム29の中に設けられ、それ
ぞれ内側方向に回転することにより掘削機１の前方に堆
積したズリを中央にかき集める。集められたズリは掘削
機１の中央部を縦貫する図示されないコンベアにより後
方に搬送される。このようにして、オペレータはカッタ
ー20を操作して地山を掘削しながら、クローラー21を回
転させて掘削機を前進させる。
（発明が解決しようとする問題点） この掘削機１において、掘進と前進はすべて機上のオ
ペレータの操作で行なうが、掘削機１の進路や掘削した
断面が所定の方向及び寸法にかなったものであるかどう
かをオペレータ自身が確認することが困難なため、一定
の前進ごとに後方から測量を行なってこれを確認し、必
要に応じてオペレータに修正を指示する。しかし、それ
には測量のための要員を確保しなければならず、また測
量後、次の測量を行なうまでの間はオペレータの勘に頼
って掘削を行なうためその間に施工誤差が生じ、結果と
して掘削不足により再掘削の必要が生じたり、逆に過大
な掘削によりライニング材料の使用が増加するなど、施
工コストを上昇させる要因となっていた。
ペレータの操作で行なうが、掘削機１の進路や掘削した
断面が所定の方向及び寸法にかなったものであるかどう
かをオペレータ自身が確認することが困難なため、一定
の前進ごとに後方から測量を行なってこれを確認し、必
要に応じてオペレータに修正を指示する。しかし、それ
には測量のための要員を確保しなければならず、また測
量後、次の測量を行なうまでの間はオペレータの勘に頼
って掘削を行なうためその間に施工誤差が生じ、結果と
して掘削不足により再掘削の必要が生じたり、逆に過大
な掘削によりライニング材料の使用が増加するなど、施
工コストを上昇させる要因となっていた。
本発明は、トンネル掘削機における上記問題点を解決
すべく、人手による測量作業を行なうことなく掘削機の
現在位置と姿勢を常時把握できる位置並びに姿勢の検出
方法並びに検出装置を提供することを目的とする。
すべく、人手による測量作業を行なうことなく掘削機の
現在位置と姿勢を常時把握できる位置並びに姿勢の検出
方法並びに検出装置を提供することを目的とする。
（問題点を解決するための手段） 本発明のトネンル掘削機の位置及び姿勢の検出方法
は、切羽を掘削しつつ前進するトンネル掘削機におい
て、掘削機後方の定点で平面上を一定速度で回転しなが
ら発射されるレーザー光線があらかじめ設定した基準方
向線を通過した後、掘削機の所定位置に立設した３台の
角度検出用受光器に受光されるまでの各回転所要時間を
計測するとともに、掘削機に立設した高さ検出用受光器
により該受光器の基端部からレーザー光線受光点までの
距離を検出し、さらに角度検出手段により掘削機のロー
リング角及びピッチング角を検出する一方、前記の回転
所要時間より各角度検出用受光器の基準方向線に対する
回転角を算出し、これらの回転角と高さ検出用受光器の
検出距離と角度検出手段の検出したローリング角及びピ
ッチング角から掘削機の三次元座標とヨウイング角とを
算出する。
は、切羽を掘削しつつ前進するトンネル掘削機におい
て、掘削機後方の定点で平面上を一定速度で回転しなが
ら発射されるレーザー光線があらかじめ設定した基準方
向線を通過した後、掘削機の所定位置に立設した３台の
角度検出用受光器に受光されるまでの各回転所要時間を
計測するとともに、掘削機に立設した高さ検出用受光器
により該受光器の基端部からレーザー光線受光点までの
距離を検出し、さらに角度検出手段により掘削機のロー
リング角及びピッチング角を検出する一方、前記の回転
所要時間より各角度検出用受光器の基準方向線に対する
回転角を算出し、これらの回転角と高さ検出用受光器の
検出距離と角度検出手段の検出したローリング角及びピ
ッチング角から掘削機の三次元座標とヨウイング角とを
算出する。
また、本発明のトンネル掘削機の位置及び姿勢の検出
装置は、切羽を掘削しつつ前進するトンネルの掘削機に
おいて、掘削機後方に定置され、レーザー光線を発射し
ながら所定の平面上を一定速度で回転するレーザー発光
器と、掘削機に立設され、それぞれ垂直方向に所定のレ
ーザー光線受光範囲を有する３台の角度検出用受光器
と、レーザー光線が基準線を通過した後これらの各受光
器に入光するまでの時間を計測するタイマーと、掘削機
上に直立してレーザー光線の受光によりその基端部から
受光点までの距離を検出する高さ検出用受光器と、掘削
機のローリング角及びピッチング角を検出する角度検出
手段と、上記タイマーの各計測値及び高さ検出用受光器
の検出距離及び角度検出手段の検出角度から掘削機の三
次元座標とヨウイング角を算出する演算装置とを備えて
いる。
装置は、切羽を掘削しつつ前進するトンネルの掘削機に
おいて、掘削機後方に定置され、レーザー光線を発射し
ながら所定の平面上を一定速度で回転するレーザー発光
器と、掘削機に立設され、それぞれ垂直方向に所定のレ
ーザー光線受光範囲を有する３台の角度検出用受光器
と、レーザー光線が基準線を通過した後これらの各受光
器に入光するまでの時間を計測するタイマーと、掘削機
上に直立してレーザー光線の受光によりその基端部から
受光点までの距離を検出する高さ検出用受光器と、掘削
機のローリング角及びピッチング角を検出する角度検出
手段と、上記タイマーの各計測値及び高さ検出用受光器
の検出距離及び角度検出手段の検出角度から掘削機の三
次元座標とヨウイング角を算出する演算装置とを備えて
いる。
（作用） 本発明のトンネル掘削機の位置及び姿勢の検出方法に
よれば、レーザー光線が基準方向線通過後に３台の角度
検出用受光器に入光するまでの時間を計測することによ
り、レーザー光線の一回転の所要時間からこれらの受光
器の基準方向線に対する回転角度が求まる。また、受光
器相互の位置関係は既知であるため、上記の回転角度と
検出された掘削機のピッチング角とローリング角から、
レーザー発光点に対する角度検出用受光器の受光点の平
面座標と掘削機の水平方向の旋回角度（ヨウイング角）
が算出される。さらに、これらの値と高さ検出用受光器
の検出距離とを演算することにより、掘削機の任意の位
置に設定した基準点の三次元座標が求められる。
よれば、レーザー光線が基準方向線通過後に３台の角度
検出用受光器に入光するまでの時間を計測することによ
り、レーザー光線の一回転の所要時間からこれらの受光
器の基準方向線に対する回転角度が求まる。また、受光
器相互の位置関係は既知であるため、上記の回転角度と
検出された掘削機のピッチング角とローリング角から、
レーザー発光点に対する角度検出用受光器の受光点の平
面座標と掘削機の水平方向の旋回角度（ヨウイング角）
が算出される。さらに、これらの値と高さ検出用受光器
の検出距離とを演算することにより、掘削機の任意の位
置に設定した基準点の三次元座標が求められる。
また、本発明のトンネル掘削機の位置及び姿勢の検出
装置においては、掘削機後方の所定位置で回転するレー
ザー発光器のレーザー光線が基準方向を通過するとタイ
マーが起動し、掘削機に備えた３台の角度検出用受光器
に入光するまでの各回転所要時間を計測する。また、高
さ検出用受光器はレーザー光線の受光により受光点の受
光器基端部からの距離を検出する。さらに、角度検出手
段が掘削機のローリング角とピッチング角を検出する。
演算装置はこれらの計測値と検出値をもとに掘削機のヨ
ウイング角と掘削機上にあらかじめ設定された基準点の
三次元座標とを計算する。
装置においては、掘削機後方の所定位置で回転するレー
ザー発光器のレーザー光線が基準方向を通過するとタイ
マーが起動し、掘削機に備えた３台の角度検出用受光器
に入光するまでの各回転所要時間を計測する。また、高
さ検出用受光器はレーザー光線の受光により受光点の受
光器基端部からの距離を検出する。さらに、角度検出手
段が掘削機のローリング角とピッチング角を検出する。
演算装置はこれらの計測値と検出値をもとに掘削機のヨ
ウイング角と掘削機上にあらかじめ設定された基準点の
三次元座標とを計算する。
（実施例） 第１図〜第10図に本発明の実施例を示す。
第１図において１はトンネルを掘削中の掘削機であ
り、この掘削機１の後方の既に掘削された坑道内にレー
ザー発光器２を定置する。レーザー発光器２は水晶発振
子の発振周波数により制御された図示されないステッピ
ングモータに回転駆動される発光部を備え、この発光部
がレーザー光線を回転面と平行に発射しながら図の時計
方向に一定速度で回転するとともに、発光部の回転角度
が所定の角度に一致すると掘削機１に備えた後述の高速
タイマー3A〜3C（第２図参照）にケーブルを通じてパル
ス出力を行なう。また、レーザー発光器２は発光部の回
転面を任意の角度に設定するピッチング調整機能と、こ
の設定を行なうための視準用望遠鏡を備える。レーザー
発光器２の据え付けに当たってはこのピッチング調整機
能によりレーザー光線の回転面をトンネルの縦断軸Ｚ及
び横断軸Ｘに規定される平面と平行に設定するととも
に、高速タイマー3A〜3Cへのパルス出力を行う発光部の
回転角度２を縦断軸の方向に一致させておく。
り、この掘削機１の後方の既に掘削された坑道内にレー
ザー発光器２を定置する。レーザー発光器２は水晶発振
子の発振周波数により制御された図示されないステッピ
ングモータに回転駆動される発光部を備え、この発光部
がレーザー光線を回転面と平行に発射しながら図の時計
方向に一定速度で回転するとともに、発光部の回転角度
が所定の角度に一致すると掘削機１に備えた後述の高速
タイマー3A〜3C（第２図参照）にケーブルを通じてパル
ス出力を行なう。また、レーザー発光器２は発光部の回
転面を任意の角度に設定するピッチング調整機能と、こ
の設定を行なうための視準用望遠鏡を備える。レーザー
発光器２の据え付けに当たってはこのピッチング調整機
能によりレーザー光線の回転面をトンネルの縦断軸Ｚ及
び横断軸Ｘに規定される平面と平行に設定するととも
に、高速タイマー3A〜3Cへのパルス出力を行う発光部の
回転角度２を縦断軸の方向に一致させておく。
掘削機１にはレーザー発光器２からのレーザー光線に
反応する３台の角度検出用受光器A,B,Cを備える。角度
検出用受光器Ｂは掘削機１の後部に立設され、その基端
部ｂは掘削機１を縦断する中心線上に位置する。また角
度検出用受光器ＡとＣは基端部ａとｃが前記の基端部ｂ
を頂点として２等辺三角形を構成するように掘削機１の
側部に設けられる。角度検出用受光器A,B,Cはそれぞれ
上方に直立する縦長の受光部を有し、各受光部はレーザ
ー光線を集光するプリズムと、集光されたレーザー光線
に感応して信号を出力する受光素子と、この出力を増幅
するアンプとを備える。また、角度検出用受光器A,B,C
に第２図に示す各１個の高速タイマー3A,3B,3Cを付設す
る。そして、これらの角度検出用受光器A,B,Cにおい
て、レーザー光線が受光部のいずれかの位置に入射する
と、入射したレーザー光線はプリズムを通じて内部に備
えた受光素子に集光され、これに反応した受光素子がア
ンプを介して高速タイマー3A（または3Bまたは3C）に信
号を出力する。高速タイマー3A〜3Cはいずれも前記レー
ザー発光器２からのパルス出力により起動し、受光素子
からの信号を受けると計測をストップする。さらに、角
度検出用受光器Ｃはラッチ回路４に接続される。ラッチ
回路４は角度検出用受光器Ｃの受光素子からの信号を受
けて後述のCPU12へ処理開始信号を出力し、CPU12からの
リセット信号によりこの出力を停止する。
反応する３台の角度検出用受光器A,B,Cを備える。角度
検出用受光器Ｂは掘削機１の後部に立設され、その基端
部ｂは掘削機１を縦断する中心線上に位置する。また角
度検出用受光器ＡとＣは基端部ａとｃが前記の基端部ｂ
を頂点として２等辺三角形を構成するように掘削機１の
側部に設けられる。角度検出用受光器A,B,Cはそれぞれ
上方に直立する縦長の受光部を有し、各受光部はレーザ
ー光線を集光するプリズムと、集光されたレーザー光線
に感応して信号を出力する受光素子と、この出力を増幅
するアンプとを備える。また、角度検出用受光器A,B,C
に第２図に示す各１個の高速タイマー3A,3B,3Cを付設す
る。そして、これらの角度検出用受光器A,B,Cにおい
て、レーザー光線が受光部のいずれかの位置に入射する
と、入射したレーザー光線はプリズムを通じて内部に備
えた受光素子に集光され、これに反応した受光素子がア
ンプを介して高速タイマー3A（または3Bまたは3C）に信
号を出力する。高速タイマー3A〜3Cはいずれも前記レー
ザー発光器２からのパルス出力により起動し、受光素子
からの信号を受けると計測をストップする。さらに、角
度検出用受光器Ｃはラッチ回路４に接続される。ラッチ
回路４は角度検出用受光器Ｃの受光素子からの信号を受
けて後述のCPU12へ処理開始信号を出力し、CPU12からの
リセット信号によりこの出力を停止する。
掘削機１には上記角度検出用受光器A,B,Cの他に高さ
検出用受光器Ｆを備える。高さ検出用受光器Ｆは角度検
出用受光器Ｂに接してこれと平行に掘削機１から直立
し、その受光部には上下方向に多くの受光素子が配設さ
れ、受光素子ごとに出力増幅のためのアンプを備える。
また、各受光素子からアンプを介して出力された信号は
ラッチ回路５に入力され、ラッチ回路５はこの信号入力
により受光した各受光素子についての受光信号を継続し
てCPU12に出力するとともに、CPU12からのリセット信号
によりこれらの出力を停止する。
検出用受光器Ｆを備える。高さ検出用受光器Ｆは角度検
出用受光器Ｂに接してこれと平行に掘削機１から直立
し、その受光部には上下方向に多くの受光素子が配設さ
れ、受光素子ごとに出力増幅のためのアンプを備える。
また、各受光素子からアンプを介して出力された信号は
ラッチ回路５に入力され、ラッチ回路５はこの信号入力
により受光した各受光素子についての受光信号を継続し
てCPU12に出力するとともに、CPU12からのリセット信号
によりこれらの出力を停止する。
掘削機１はまた、角度検出手段として前後方向の傾斜
角を検出するピッチング角度計６と、左右方向の傾斜角
を検出するローリング角度計７とを備える。これらの角
度計６と７はそれぞれ掘削機１の傾斜に応じた信号電流
をアンプ８と９、マルチプレクサー10、及びA/D変換器1
1を介してCPU12に出力する。
角を検出するピッチング角度計６と、左右方向の傾斜角
を検出するローリング角度計７とを備える。これらの角
度計６と７はそれぞれ掘削機１の傾斜に応じた信号電流
をアンプ８と９、マルチプレクサー10、及びA/D変換器1
1を介してCPU12に出力する。
ラッチ回路４と５及び角度計６と７からの信号出力先
となるCPU12は掘削機１に搭載され、信号入力された計
測値や検出値に対して演算を行なう演算装置として機能
する。すなわち、CPU12はラッチ回路５からの受光信号
をもとに高さ検出用受光器Ｆの受光素子のうち受光反応
を示した最も上部の素子と最も下部の素子の高さを平均
して高さ検出用受光器Ｆの基端部ｆからレーザー光線の
受光部中心f1までの距離▲▼を算出する。なお、
基端部ｆは角度検出用受光器A,B,Cの各基端部a,b,cと同
一平面上に設定し、この基端部ｆから各受光素子までの
距離をあからじめCPU12に設定しておく。また、CPU12は
高速タイマー3A〜3Cの計測した時間を読み込み、あらか
じめ設定されているレーザー光線の１周所要時間をもと
に各受光器A,B,Cの基準方向Ｚに対する回転角度を算出
する。そして、これらの計算結果とA/D変換器11を通じ
て入力されたピッチング角及びローリング角から角度検
出用受光器Ｂの受光点b1の座標と掘削機１のヨウイング
角を算出する。さらに、これらの算出値と前記の距離▲
▼から掘削機１に設定した基準点Ｅの３次元座標
を算出する。以上の処理を繰り返し行なうために、CPU1
2は検出ないし計測されたデータの読込み終了後、高速
タイマー3A〜3C及びラッチ回路４と５にリセット信号を
出力する。
となるCPU12は掘削機１に搭載され、信号入力された計
測値や検出値に対して演算を行なう演算装置として機能
する。すなわち、CPU12はラッチ回路５からの受光信号
をもとに高さ検出用受光器Ｆの受光素子のうち受光反応
を示した最も上部の素子と最も下部の素子の高さを平均
して高さ検出用受光器Ｆの基端部ｆからレーザー光線の
受光部中心f1までの距離▲▼を算出する。なお、
基端部ｆは角度検出用受光器A,B,Cの各基端部a,b,cと同
一平面上に設定し、この基端部ｆから各受光素子までの
距離をあからじめCPU12に設定しておく。また、CPU12は
高速タイマー3A〜3Cの計測した時間を読み込み、あらか
じめ設定されているレーザー光線の１周所要時間をもと
に各受光器A,B,Cの基準方向Ｚに対する回転角度を算出
する。そして、これらの計算結果とA/D変換器11を通じ
て入力されたピッチング角及びローリング角から角度検
出用受光器Ｂの受光点b1の座標と掘削機１のヨウイング
角を算出する。さらに、これらの算出値と前記の距離▲
▼から掘削機１に設定した基準点Ｅの３次元座標
を算出する。以上の処理を繰り返し行なうために、CPU1
2は検出ないし計測されたデータの読込み終了後、高速
タイマー3A〜3C及びラッチ回路４と５にリセット信号を
出力する。
次に作用を説明する。
第１図において発光器２がレーザー光線を発射しなが
ら回転すると、レーザー光線の基準方向線Ｚの通過と同
時に発光器２から各高速タイマー3A〜3Cにパルス信号が
出力され、各高速タイマー3A〜3Cが計測を開始する。そ
して回転するレーザー光線が受光器Ａに入光すると高速
タイマー3Aが計測をストップし、受光器Ｂに入光すると
高速タイマー3Bが計測をストップする。また、レーザー
光線が受光器Ｆに達すると受光した各受光素子について
ラッチ回路５がCPU12に対して受光信号の出力を開始す
る。レーザー光線がさらに回転して受光器Ｃに入光する
と高速タイマー3Cが計測をストップすると同時に、ラッ
チ回路４がCPU12に対して処理開始信号の出力を開始す
る。なお、掘削機１に備えたピッチング角度計６とロー
リング角度計７は計測した角度をA/D変換器11を通じて
デジタル信号としてCPU12に逐次出力する。
ら回転すると、レーザー光線の基準方向線Ｚの通過と同
時に発光器２から各高速タイマー3A〜3Cにパルス信号が
出力され、各高速タイマー3A〜3Cが計測を開始する。そ
して回転するレーザー光線が受光器Ａに入光すると高速
タイマー3Aが計測をストップし、受光器Ｂに入光すると
高速タイマー3Bが計測をストップする。また、レーザー
光線が受光器Ｆに達すると受光した各受光素子について
ラッチ回路５がCPU12に対して受光信号の出力を開始す
る。レーザー光線がさらに回転して受光器Ｃに入光する
と高速タイマー3Cが計測をストップすると同時に、ラッ
チ回路４がCPU12に対して処理開始信号の出力を開始す
る。なお、掘削機１に備えたピッチング角度計６とロー
リング角度計７は計測した角度をA/D変換器11を通じて
デジタル信号としてCPU12に逐次出力する。
CPU12は第３図のフローチャートのA1及びA2に示すよ
うにラッチ回路４から入力される処理開始信号により以
下の処理を開始する。すなわち、まずA3及びA4において
ラッチ回路５から出力される高さ検出用受光器Ｆの各受
光素子の受光信号の中から最上部と再下部の信号を識別
し、A5においてこれらの信号を発する受光素子の高さを
平均して基端部ｆから受光中心f1までの距離▲▼
を計測する。次にA6において高速タイマー3Aの計測した
回転所要時間を読込み、この値とレーザー発光器２の一
周所要時間からA7において第５図に示す角度a1ozを算出
する。また、同様にA8及びA9において角度b1ozを、A10
及びA11において角度c1ozを算出する。以上の計算の
後、CPU12は高速タイマー3A〜3Cとラッチ回路４及び５
にリセット信号を出力し（A12）、これらを測定開始以
前の状態に戻す。そして、A13とA14においてローリング
角θｒとピッチング角θｐをそれぞれ読込み、以上のデ
ータをもとにA15において掘削機１のヨウイング角θｙ
と基準点Ｅの３次元座標とを算出する。なお、A15で行
なわれる演算の概要を下記の（１）及び（２）に計算式
で示す。
うにラッチ回路４から入力される処理開始信号により以
下の処理を開始する。すなわち、まずA3及びA4において
ラッチ回路５から出力される高さ検出用受光器Ｆの各受
光素子の受光信号の中から最上部と再下部の信号を識別
し、A5においてこれらの信号を発する受光素子の高さを
平均して基端部ｆから受光中心f1までの距離▲▼
を計測する。次にA6において高速タイマー3Aの計測した
回転所要時間を読込み、この値とレーザー発光器２の一
周所要時間からA7において第５図に示す角度a1ozを算出
する。また、同様にA8及びA9において角度b1ozを、A10
及びA11において角度c1ozを算出する。以上の計算の
後、CPU12は高速タイマー3A〜3Cとラッチ回路４及び５
にリセット信号を出力し（A12）、これらを測定開始以
前の状態に戻す。そして、A13とA14においてローリング
角θｒとピッチング角θｐをそれぞれ読込み、以上のデ
ータをもとにA15において掘削機１のヨウイング角θｙ
と基準点Ｅの３次元座標とを算出する。なお、A15で行
なわれる演算の概要を下記の（１）及び（２）に計算式
で示す。
（１） 受光点b1の座標（x,0,z）とヨウイング角θｙ
の計算 第４図において、直線acの中点をｄ、直線a1c1の中点
をd1とし、レーザー発光器２を座標原点とする。
の計算 第４図において、直線acの中点をｄ、直線a1c1の中点
をd1とし、レーザー発光器２を座標原点とする。
l1＝▲▼,l2＝l3＝▲▼＝▲▼,l4＝▲
▼ l5＝▲▼＝▲▼＝l1/2, L5＝L1/2 L1＝l1/cosθｒ L4＝l4/cosθｐ θ４＝cos-1｛L2 2＋L3 2−L1 2）／（２・L2・L3）｝ 一方、第５図において、 θ１＝∠a1oz,θ２＝∠b1oz−∠a1oz θ３＝∠c1oz−∠b1oz,θ４＝∠c1b1a1 θ５＝∠b1c1o,θ６＝∠b1a1o, L3×sinθ５＝L6×sinθ３ L2×sinθ６＝L6×sinθ２ θ４＝θ２＋θ３＋θ５＋θ６ であり、以上の式を解くと、 L6＝（L3×sinθ５）/sinθ３ θ５=tan-1[sin(θ４-θ２-θ３)/{(L３×sinθ２)/(L
２×sinθ３)+cos(θ４-θ２-θ３)}] が得られる。したがって、受光点b1の座標（x,0,z）
は、 ｘ＝L6×cos（θ２＋θ１） ｚ＝L6×sin（θ２＋θ１） また、掘削機１のヨウイング角θｙは θｙ＝θ５＋θ１＋θ２＋θ３−θ７ θ７＝cos-1｛（L3 2＋L4 2−L5 2）／（２・L3・L4）｝ となる。
▼ l5＝▲▼＝▲▼＝l1/2, L5＝L1/2 L1＝l1/cosθｒ L4＝l4/cosθｐ θ４＝cos-1｛L2 2＋L3 2−L1 2）／（２・L2・L3）｝ 一方、第５図において、 θ１＝∠a1oz,θ２＝∠b1oz−∠a1oz θ３＝∠c1oz−∠b1oz,θ４＝∠c1b1a1 θ５＝∠b1c1o,θ６＝∠b1a1o, L3×sinθ５＝L6×sinθ３ L2×sinθ６＝L6×sinθ２ θ４＝θ２＋θ３＋θ５＋θ６ であり、以上の式を解くと、 L6＝（L3×sinθ５）/sinθ３ θ５=tan-1[sin(θ４-θ２-θ３)/{(L３×sinθ２)/(L
２×sinθ３)+cos(θ４-θ２-θ３)}] が得られる。したがって、受光点b1の座標（x,0,z）
は、 ｘ＝L6×cos（θ２＋θ１） ｚ＝L6×sin（θ２＋θ１） また、掘削機１のヨウイング角θｙは θｙ＝θ５＋θ１＋θ２＋θ３−θ７ θ７＝cos-1｛（L3 2＋L4 2−L5 2）／（２・L3・L4）｝ となる。
（２） 掘削機基準点Ｅの座標の算出 第６図において、l8は既知である。また、l7が受光器
Ｆの検出距離▲▼に等しいとすると、 L8＝L7×tanθｒ L9＝L7×tanθｐ 第７図のように受光点b1を原点として座標系を（１）
と平行にとると、掘削機基準点Ｅの座標（Xe,Ye,Ze）
は、 Ye＝L7 Xe＝L7×tanθｒ cosθｙ−L7×tanθｐ sinθｙ Ze＝L7×tanθｒ sinθｙ＋L7×tanθｐ cosθｙ となる。
Ｆの検出距離▲▼に等しいとすると、 L8＝L7×tanθｒ L9＝L7×tanθｐ 第７図のように受光点b1を原点として座標系を（１）
と平行にとると、掘削機基準点Ｅの座標（Xe,Ye,Ze）
は、 Ye＝L7 Xe＝L7×tanθｒ cosθｙ−L7×tanθｐ sinθｙ Ze＝L7×tanθｒ sinθｙ＋L7×tanθｐ cosθｙ となる。
（１）において求めたレーザー発光器２に対する受光
点b1の座標並びに（２）で求めた受光点b1に対する掘削
機基準点Ｅの座標からレーザー発光器２に対する掘削機
基準点Ｅの座標が求められる。また、第８〜10図に示す
ようにトンネル入口の基準点Ｇを原点としたレーザー発
光器２の位置、すなわち座標（Xo,Yo,Zo）をあらかじめ
測量しておくことで基準点Ｇを原点として掘削機基準点
Ｅの座標を算出することもできる。このようにして検出
された掘削機１のヨウイング角θｙと基準点Ｅの座標
は、例えば掘削機１上に表示装置を備えて表示し、オペ
レータがこれらの値をもとに掘削機１の姿勢や進路を逐
次修正することにより、掘削機１は所定の路線上を正確
な断面で掘り進むことができる。
点b1の座標並びに（２）で求めた受光点b1に対する掘削
機基準点Ｅの座標からレーザー発光器２に対する掘削機
基準点Ｅの座標が求められる。また、第８〜10図に示す
ようにトンネル入口の基準点Ｇを原点としたレーザー発
光器２の位置、すなわち座標（Xo,Yo,Zo）をあらかじめ
測量しておくことで基準点Ｇを原点として掘削機基準点
Ｅの座標を算出することもできる。このようにして検出
された掘削機１のヨウイング角θｙと基準点Ｅの座標
は、例えば掘削機１上に表示装置を備えて表示し、オペ
レータがこれらの値をもとに掘削機１の姿勢や進路を逐
次修正することにより、掘削機１は所定の路線上を正確
な断面で掘り進むことができる。
なお、上記の（１）及び（２）では高さ検出用受光器
Ｆと角度検出用受光器Ｂの立設位置を同一として計算を
行なっているが、高さ検出用受光器Ｆ及び角度検出用受
光器A,B,Cは相互の位置関係をあらかじめCPU12に設定し
ておくことにより、掘削機１上の任意の位置に設置可能
である。さらに、高さ検出用受光器Ｆにタイマーを備え
ることにより受光器Ｆが角度検出用受光器A,B,Cのいず
れかを兼用することも可能であり、その場合には掘削機
１に備える受光器は３台で良い。また、掘削機１の基準
点Ｅについても上記の計算では角度検出用受光機Ｂの延
長上に設定しているが、あらかじめその位置をCPU12に
設定しておくことにより任意の位置を選ぶことができ
る。また、角度検出手段としてピッチング角度計６及び
ローリング角度計７を用いる代わりに、高さ検出用受光
器Ｆと同様の受光器２台をさらに掘削機１上の異なる位
置に立設し、これら３台の高さ検出用受光器により受光
器基端部からレーザー光線までの距離をそれぞれ検出
し、これをもとに掘削機１のピッチング角θｐとローリ
ング角θｒを算出するようにしても良い。
Ｆと角度検出用受光器Ｂの立設位置を同一として計算を
行なっているが、高さ検出用受光器Ｆ及び角度検出用受
光器A,B,Cは相互の位置関係をあらかじめCPU12に設定し
ておくことにより、掘削機１上の任意の位置に設置可能
である。さらに、高さ検出用受光器Ｆにタイマーを備え
ることにより受光器Ｆが角度検出用受光器A,B,Cのいず
れかを兼用することも可能であり、その場合には掘削機
１に備える受光器は３台で良い。また、掘削機１の基準
点Ｅについても上記の計算では角度検出用受光機Ｂの延
長上に設定しているが、あらかじめその位置をCPU12に
設定しておくことにより任意の位置を選ぶことができ
る。また、角度検出手段としてピッチング角度計６及び
ローリング角度計７を用いる代わりに、高さ検出用受光
器Ｆと同様の受光器２台をさらに掘削機１上の異なる位
置に立設し、これら３台の高さ検出用受光器により受光
器基端部からレーザー光線までの距離をそれぞれ検出
し、これをもとに掘削機１のピッチング角θｐとローリ
ング角θｒを算出するようにしても良い。
（発明の効果） 以上のように本発明は、トンネル内に定置された発光
器から回転しながら発射されるレーザー光線が基準方向
通過後に掘削機に備えた３台の受光器に受光されるまで
の時間と、レーザー光線の受光高さと、掘削機のローリ
グ角及びピッチング角とを計測して、これらの値から掘
削機のヨウイング角並びに機上に設定した基準点の三次
元座標を算出するため、掘削機の位置と姿勢を通常の測
量によらずに正確かつ瞬時に求めることができる。した
がって、これをもとに掘削機の進路や姿勢を修正するこ
とにより、トンネルを過不足なく精度良く掘削すること
ができ、施工コストの低減と施工速度の向上に大きな効
果がある。
器から回転しながら発射されるレーザー光線が基準方向
通過後に掘削機に備えた３台の受光器に受光されるまで
の時間と、レーザー光線の受光高さと、掘削機のローリ
グ角及びピッチング角とを計測して、これらの値から掘
削機のヨウイング角並びに機上に設定した基準点の三次
元座標を算出するため、掘削機の位置と姿勢を通常の測
量によらずに正確かつ瞬時に求めることができる。した
がって、これをもとに掘削機の進路や姿勢を修正するこ
とにより、トンネルを過不足なく精度良く掘削すること
ができ、施工コストの低減と施工速度の向上に大きな効
果がある。
また、本発明は掘削機の操向装置や掘削機に備えるカ
ッターの自動制御を行なう場合のモニター手段としても
有効である。
ッターの自動制御を行なう場合のモニター手段としても
有効である。
第１図は本発明の実施例を示すレーザー発光器及び受光
器の配置図、第２図は同実施例の構成を示すブロック
図、第３図はCPUの作用を示すフローチャート、第４図
は角度検出用受光器の基端部及び受光点の位置関係を示
す斜視図、第５図は角度検出用受光器の受光点とレーザ
ー発光器との位置関係を示す平面図、第６図は角度検出
用受光器の受光点と掘削機の基準点との位置関係を示す
斜視図、第７図は掘削機の基準点の座標系の変換を説明
するグラフ、第８図は掘削機とレーザー発光器とトンネ
ル入り口に設けた基準点との位置関係を示すトンネルの
縦断面、第９図は同じく平面図、第10図は同じく横断図
である。 また、第11図は従来の掘削機を示す平面図、第12図は同
じく側面図である。 １……掘削機、２……レーザー発光器、3A,3B,3C……高
速タイマー、６……ピッチング角度計、７……ローリン
グ角度計、12……CPU、A,B,C……角度検出用受光器、Ｅ
……高さ検出用受光器。
器の配置図、第２図は同実施例の構成を示すブロック
図、第３図はCPUの作用を示すフローチャート、第４図
は角度検出用受光器の基端部及び受光点の位置関係を示
す斜視図、第５図は角度検出用受光器の受光点とレーザ
ー発光器との位置関係を示す平面図、第６図は角度検出
用受光器の受光点と掘削機の基準点との位置関係を示す
斜視図、第７図は掘削機の基準点の座標系の変換を説明
するグラフ、第８図は掘削機とレーザー発光器とトンネ
ル入り口に設けた基準点との位置関係を示すトンネルの
縦断面、第９図は同じく平面図、第10図は同じく横断図
である。 また、第11図は従来の掘削機を示す平面図、第12図は同
じく側面図である。 １……掘削機、２……レーザー発光器、3A,3B,3C……高
速タイマー、６……ピッチング角度計、７……ローリン
グ角度計、12……CPU、A,B,C……角度検出用受光器、Ｅ
……高さ検出用受光器。
Claims (2)
- 【請求項１】切羽を掘削しつつ前進するトンネル掘削機
において、掘削機後方の定点で平面上を一定速度で回転
しながら発射されるレーザー光線があらかじめ設定した
基準方向線を通過した後、掘削機の所定位置に立設した
３台の角度検出用受光器に受光されるまでの各回転所要
時間を計測するとともに、掘削機に立設した高さ検出用
受光器により該受光器の基端部からレーザー光線受光点
までの距離を検出し、さらに角度検出手段により掘削機
のローリンク角及びピッチング角を検出する一方、前記
の回転所要時間より各角度検出用受光器の基準方向線に
対する回転角を算出し、これらの回転角と高さ検出用受
光器の検出距離と角度検出手段の検出したローリング角
及びピッチング角から掘削機の三次元座標とヨウイング
角とを算出することを特徴とするトンネル掘削機の位置
及び姿勢の検出方法。 - 【請求項２】切羽を掘削しつつ前進するトンネルの掘削
機において、掘削機後方に定置され、レーザー光線を発
射しながら所定の平面上を一定速度で回転するレーサー
発光器と、掘削機に立設され、それぞれ垂直方向に所定
のレーザー光線受光範囲を有する３台の角度検出用受光
器と、レーザー光線が基準線を通過した後これらの各受
光器に入光するまでの時間を計測するタイマーと、掘削
機上に直立してレーザー光線の受光によりその基端部か
ら受光点までの距離を検出する高さ検出用受光器と、掘
削機のローリング角及びピッチング角を検出する角度検
出手段と、上記タイマーの各計測値及び高さ検出用受光
器の検出距離及び角度検出手段の検出角度から掘削機の
三次元座標とヨウイング角を算出する演算装置とを備え
たことを特徴とするトンネル掘削機の位置及び姿勢の検
出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61075082A JPH0814234B2 (ja) | 1986-04-01 | 1986-04-01 | トンネル掘削機の位置及び姿勢の検出方法並びに検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61075082A JPH0814234B2 (ja) | 1986-04-01 | 1986-04-01 | トンネル掘削機の位置及び姿勢の検出方法並びに検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62232008A JPS62232008A (ja) | 1987-10-12 |
| JPH0814234B2 true JPH0814234B2 (ja) | 1996-02-14 |
Family
ID=13565899
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61075082A Expired - Lifetime JPH0814234B2 (ja) | 1986-04-01 | 1986-04-01 | トンネル掘削機の位置及び姿勢の検出方法並びに検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0814234B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2640760B1 (fr) * | 1988-12-20 | 1991-09-13 | Scient Tech Batimen Centre | Procede et systeme de localisation d'un mobile |
| JP4787435B2 (ja) * | 2001-09-13 | 2011-10-05 | カヤバ システム マシナリー株式会社 | トンネル掘削機の位置計測装置 |
| US6772525B2 (en) | 2002-12-17 | 2004-08-10 | Ronald E. Newcomer | Laser device for guiding a vehicle |
| US6853313B2 (en) | 2002-12-17 | 2005-02-08 | Ronald E. Newcomer | Vehicle positioning device |
| EP1677125A1 (de) * | 2004-12-28 | 2006-07-05 | Leica Geosystems AG | Verfahren und Rotationslaser zum Ermitteln einer Lageinformation mindestens eines Objekts |
| JP4944840B2 (ja) * | 2008-06-09 | 2012-06-06 | 鹿島建設株式会社 | 誘導システム及び誘導方法 |
| CN103940425B (zh) * | 2014-04-22 | 2017-03-01 | 北京信息科技大学 | 一种磁‑惯性组合捷联测量方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0007790A1 (en) * | 1978-08-01 | 1980-02-06 | Imperial Chemical Industries Plc | Driverless vehicle carrying non-directional detectors auto-guided by light signals |
| JPS56110063A (en) * | 1980-02-04 | 1981-09-01 | Toshihiro Tsumura | Measuring device for current position and direction of moving body |
| JPS56110064A (en) * | 1980-02-04 | 1981-09-01 | Toshihiro Tsumura | Measuring device for current position and azimuth of moving body |
| JPS57204410A (en) * | 1981-06-12 | 1982-12-15 | Komatsu Ltd | Method and device for detecting laser level |
-
1986
- 1986-04-01 JP JP61075082A patent/JPH0814234B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62232008A (ja) | 1987-10-12 |
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