JPH0886190A - トンネルロボットの方向・位置制御方法及び装置 - Google Patents

トンネルロボットの方向・位置制御方法及び装置

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JPH0886190A
JPH0886190A JP21929694A JP21929694A JPH0886190A JP H0886190 A JPH0886190 A JP H0886190A JP 21929694 A JP21929694 A JP 21929694A JP 21929694 A JP21929694 A JP 21929694A JP H0886190 A JPH0886190 A JP H0886190A
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JP
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head angle
robot
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position deviation
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JP21929694A
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Tadashi Kotani
忠司 小谷
Koichi Yoshida
耕一 吉田
Takeshi Tsujimura
健 辻村
Tetsuo Yabuta
哲郎 藪田
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】土質変化などの外乱要因を含むトンネルロボッ
トのダイナミクスと、位置偏差の計測に代表される計測
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θh の制御装置において、ヘッ
ド１４角θh を入力し、所定計算式に則って演算処理
し、位置偏差を出力するエースモールダイナミクス１
と、エースモールダイナミクス１の入力端と出力端にそ
れぞれ遷移雑音ｅと観測雑音ｖとを加入接続する加算器
５，６と、加算器５の直前と加算器６の直後からそれぞ
れヘッド１４角θh と位置偏差Ｄを分岐入力して取込ん
だロボット本体７の進行計画線Ｙd からの位置偏差Ｄに
より所定計算式に則って演算修正したヘッド１４角θh
をフィードバックする演算装置４と、を具備することを
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
御方法及びその実施に直接使用する装置に関するもので
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。この一例を以下に示す。 （１）計画線に対するロボット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）所定の方向制御側から得られる、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。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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の制御では、それぞれについて、 （１）初期位置偏差，初期ピッチング角度の変化に対
し、最適なフィードバックゲインを試行錯誤的に検索し
なくてはならない。
【０００５】（２）初期位置偏差，初期ピッチング角度
の変化に対し、最適なファジイ集合代表値を試行錯誤的
に検索しなくてはならない。 （３）任意の初期位置偏差，初期ピッチング角度に対応
する最適フィードバックゲインを得るため、所定の制御
則の制御出力を学習させる時間が必要 という問題点があった。
【０００６】以上の問題についての解決法として、 （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 という方法も取られているが、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。
【０００７】従来の技術では、望ましい制御特性を得る
ためのフィードバックゲインの選定は試行錯誤的であ
り、土質が変化すれば新たにゲインの選択、又は学習を
行わねばならなかった。また、任意の計画線の傾きで制
御できるものではなかった。
【０００８】ここにおいて、本発明の主要な解決すべき
目的は、次の通りである。本発明の第１の目的は、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たトンネルロボットの方向・位
置制御方法及び装置を提供せんとするものである。
【０００９】本発明の第２の目的は、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と、位置偏差の計測に
代表される計測の雑音とを表現するトンネルロボットの
方向・位置制御方法及び装置を提供せんとするものであ
る。
【００１０】本発明の第３の目的は、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を提供せんと
するものである。
【００１１】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自づと明らかとなろう。
【００１２】
【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手法及び手段を採用する
ことにより達成される。即ち、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、まず、当該ヘッド角を入力とし前記ロボ
ット本体の計画線からの位置偏差を取り込んでｎ次元の
線形離散時間系確率モデルを基に、外部計測によって得
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
定し、次いで、当該状態ベクトルにｎ次元のゲインマト
リクスを乗じて前記ヘッド角を計算して、状態フィード
バック制御し、あわせて、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大きさ
を加味修正してなるトンネルロボットの方向・位置制御
方法である。
【００１３】本発明方法の第２の特徴は、前記本発明方
法の第１の特徴におけるヘッド角を制御入力としロボッ
ト本体の計画線からの位置偏差の出力が、その伝達関数
として入出力関係を実現する状態空間表現を求めるた
め、ｎ次元の状態変化ベクトルを制御入力変数（スカ
ラ）を出力変数（スカラ）として状態方程式と出力方程
式を考え、１入力１出力の線形時不変システムを構成し
てなるトンネルロボットの方向・位置制御方法である。
【００１４】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ｎ次元の線形離散時間
系確率モデルが、ロボット本体の姿勢角と水平線が成す
ピッチング角変化量の時系列項と、ヘッドの姿勢角と水
平線が成す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で表わされ、各項のパラメータは最
小二乗法で推定されてなるトンネルロボットの方向・位
置制御方法である。
【００１５】本発明方法の第４の特徴は、前記本発明方
法の第１，第２又は第３の特徴における状態フィードバ
ック制御が、ある時点で測定した位置偏差と、前時点で
予測した前記ある時点の出力予測値との差に、カルマン
ゲインを乗じてフィードバックし、前記前時点で予測し
た事前推定を補正し、前記ある時点における事後推定値
を得てなるトンネルロボットの方向・位置制御方法であ
る。
【００１６】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
を計算してなるトンネルロボットの方向・位置制御方法
である。
【００１７】本発明方法の第６の特徴は、前記本発明方
法の第４又は第５の特徴におけるカルマンゲインが、状
態推定値の推定誤差共分散行列を含み、離散時間型リカ
ッチ方程式を満たし、位置偏差の観測雑音の分散を含ん
でなるトンネルロボットの方向・位置制御方法である。
【００１８】本発明方法の第７の特徴は、前記本発明方
法の第１，第２，第３，第４，第５又は第６の特徴にお
ける外乱雑音が、制御入力ヘッド角を入力する時の制御
遷移雑音であるトンネルロボットの方向・位置制御方法
である。
【００１９】本発明方法の第８の特徴は、前記本発明法
の第１，第２，第３，第４，第５，第６又は第７の特徴
における計測雑音が、位置偏差を計測する時の観測雑音
であるトンネルロボットの方向・位置制御方法である。
【００２０】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いく小口
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し
所定計算式に則って演算処理し位置偏差を出力するエー
スモールダイナミクスと、当該エースモールダイナミク
スの入力端と出力端にそれぞれ遷移雑音と観測雑音とを
加入接続する加算器と、当該入力端側加算器の直前と当
該出力端側加算器の直後からそれぞれ前記ヘッド角と前
記位置偏差を分岐入力して取込んだロボット本体の進行
計画線からの位置偏差により所定計算式に則って演算修
正した前記ヘッド角をフィードバック出力する演算装置
と、を具備してなるトンネルロボットの方向・位置制御
装置である。
【００２１】本発明装置の第２の特徴は、前記本発明装
置の第１の特徴における演算装置が、ヘッド角を入力と
し、ロボット本体の進行計画線からの位置偏差を出力す
るｎ次元の線形離散時間系確率モデルを基に、別途外部
計測装置によって得られる位置偏差を取込んでｎ次元の
状態ベクトルの状態推定値を所定計算式に則り予測演算
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演算する最適レギ
ュレータと、で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。
【００２２】
【作用】本発明は、前記の新規な手法及び手段を講じた
ので、ロボット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。
【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Ｙd 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Ｙd 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、Δθp ［゜］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θp の変化量（以後ピッチング
角変化量Δθp と呼ぶ）、θh ［゜］はヘッド１
【外１】 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Δθp の時系列項、ヘッド１４角の時系列項、
およ
【外２】 クスを表わすもので、各項のパラメータは最小二乗法に
よって推定される。
【００２９】
【外３】 θh (k+r) →Ｚr θh (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】
【００３０】一方、図５に示すように位置Ｙ(k) と、偏
角θs (k) 、計画線Ｙd の傾きθdの関係は次式で表わ
される。
【数３】 上式は、θs (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】
【００３１】ここでＬsin θd ＝Ｙd (k)-Ｙd (k-1) を
考慮すれば、計画線Ｙd 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】
【００３２】また、ピッチング角変化量Δθp 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、次に結果を得る。
【数８】
【００３３】従って、ヘッド角θh から位置偏差Ｄおよ
び偏角θs への伝達関数はそれぞれ次のように表わせ
る。
【数９】
【００３４】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 ，…，ｘn ］T 、ｕを制御入力変数（スカ
ラ）、ｙを制御出力変数（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
変システムを構成する。
【数１０】
【００３５】ただし、
【数１１】
【００３６】ｚ変換して両辺を比較すれば、
【数１２】 となる。
【００３７】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】
【００３８】Ｘ1 (z) を消去してｕ(z) からｙ(z) への
伝達関数Ｇ(z) を求めれば次のようになる。
【数１５】 従って、伝達関数Ｄ／θs を状態空間表現で表わすため
には（１１）式でｙ→Ｄ，ｕ→θh とみなして（１０）
式と（１４）式の分母・分子が一致するようにαi ，β
i （ｉ＝１〜ｎ）を選べばよい。
【００３９】このとき、ｎ＝５となり、Ｄ／θh の状態
空間表現（Ａ，ｂ， CD ）が次のように決定される。
【数１６】
【００４０】一方、θs ／θh の分子・分母に（ｚ−
１）を乗じれば、
【数１７】 となり、分母がＤ／θs と一致する。従って、状態方程
式は同じで出力方程式が異なることになる。
【００４１】
【外４】
【数１８】 最終的にＤとθs を出力とする５次元の１入力２出力シ
ステムが次のように与えられる。
【数１９】
【００４２】伝達関数Ｄ／θh ，θs ／θh 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、ａi ，ｂi 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。
【００４３】評価関数は、出力変数の収束を速めたり、
あるいは制御に要する入力をでき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２０】 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。
【００４４】特に出力のみを評価したい場合には、
【数２１】 と書けるので、
【数２２】 とおけばよい。
【００４５】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２３】 ただし、Ｐは離散型リカッチ方程式
【数２４】 を満たす正定行列である。
【００４６】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。
【数２５】 をくり返し計算してその定常解をＰとする。
【００４７】（２２）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位置偏
差Ｄ(k) ，偏角θs のみであり、実システムにおけるこ
れらの信号は観測されるとき雑音に汚されている。
【００４８】状態空間表現に白色ガウス雑音の項を加
え、（１８）式で表現できない
【外５】 カルマンフィルタ２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を推定することが可
能である。ただし、位置偏差Ｄ(k) は偏角θs から積分
要素を介して出力される信号であるため、偏角θs 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、ここでは位置偏差Ｄ(k) からカルマンフィルタ２を
構成する。
【００４９】
【外６】 、
【数２６】 である。
【００５０】
【外７】 （１８）式のダイナミクスに遷移雑音ｅ(k) ，観測雑音
ｖ(k) を加えた次のモデルを得る。
【数２７】
【外８】 、ｖ(k) ［ｍｍ］は偏差Ｄを計測する時の観測雑音を表
わしている。
【００５１】
【外９】
【外１０】
【外１１】 ルゴリズムが適用できる。
【数２８】
【００５２】（２５）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k の
【外１２】
【外１３】
【外１４】
【００５３】
【外１５】 フィードバックによるヘッド角入力θh (k) から、次の
時点k+1 での予測値すな
【外１６】
【外１７】
【外１８】
【００５４】カルマンゲインＫは、以下のように与えら
れる。
【数２９】
【外１９】 カッチ方程式
【数３０】 を満たす。
【００５５】
【外２０】 ｉ）Σ(0) ＝０とおく。
【数３１】 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。
【００５６】（実験例）次に設計例として実際の施工実
験データの例を考える。このとき、エースモールのピッ
チング角変化量Δθp とヘッド角θh に関するエースモ
ールダイナミクス１の各パラメータは次のように与えら
れる。
【数３２】
【外２１】
【００５７】１ストロークの長さをＬ＝４５０［ｍ
ｍ］、計画線Ｙd の傾きをθd ＝［゜］とした場合の状
態変数表現は次のように求められる。
【数３３】
【００５８】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、位置偏差Ｄと偏角θs の収束誤差をそれぞれ１［ｍ
ｍ］，０．１［゜］程度とし、またヘッド角θh 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θh 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３４】
【００５９】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３５】 このとき、重み行列Ｑは次のように与えられる。
【数３６】
【００６０】重み行列Ｑとｒを用いて（２３）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３７】
【００６１】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３８】
【００６２】また、カルマンフィルタ２のゲインＫは
（２９）式と位置偏差Ｄの観測雑音の
【外２２】
【外２３】
【数３９】
【００６３】最終的にカルマンゲインＫは次のように計
算される。
【数４０】
【００６４】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４１】
【００６５】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（３７）式を考慮すれば、
【数４２】
【００６６】また（３０）式と（３６）式を考慮すれば
【数４３】 となる。
【００６７】以上を整理すれば、
【数４４】 を得る。
【００６８】
【外２４】 の初期値とすればよい。
【数４５】 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θs ＝−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［ｍ
ｍ］，偏角の初期値をθs ＝−１．５［゜］，遷移雑音
ｅ［゜］を平均値０分散０．１３，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。
【００６９】
【発明の効果】かくして、本発明によれば、従来試行錯
誤的に検索して来た望ましい制御特性を得るためのフィ
ードバックゲインの選定を、トンネルロボットの入力モ
デルから求めたｎ次元線形離散型確率システムを用い
て、土質変化などの外乱要因（雑音）を含んだトンネル
ロボットのダイナミクスと、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で合理的に決定できることにな
った。
【００７０】また、装置的には、ヘッド角制御入力から
位置偏差を制御出力する主制御系のエースモールダイナ
ミクスに対し、カルマンフィルタと最適レギュレータと
からなる演算装置をフィードバック系に設け、トンネル
ロボットのシステムに簡易に取り入れ可能とする等優れ
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θs (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（状態フィードバック制御器） ４…演算装置 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 藪田 哲郎 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、 まず、当該ヘッド角を入力とし前記ロボット本体の計画
    線からの位置偏差を出力とするｎ次元の線形離散時間系
    確率モデルを基に、外部計測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し、 次いで、当該状態ベクトルにｎ次元のゲインマトリクス
    を乗じて前記ヘッド角を計算して状態フィードバック制
    御し、 あわせて、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、計測雑音の大きさを加味修正す
    ることを特徴とするトンネルロボットの方向・位置制御
    方法。
  2. 【請求項２】ヘッド角を制御入力としロボット本体の計
    画線からの位置偏差の出力は、 その伝達関数として入出力関係を実現する状態空間表現
    を求めるため、 ｎ次元の状態変化ベクトルを制御入力変数（スカラ）を
    出力変数（スカラ）として状態方程式と出力方程式を考
    え、１入力１出力の線形時不変システムを構成する、 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・位置制御方法。
  3. 【請求項３】ｎ次元の線形離散時間系確率モデルは、 ロボット本体の姿勢角と水平線が成すピッチング角変化
    量の時系列項と、 ヘッドの姿勢角と水平線が成す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で表わされ、 各項のパラメータは最小二乗法で推定される、 ことを特徴とする請求項１又は２記載のトンネルロボッ
    トの方向・位置制御方法。
  4. 【請求項４】状態フィードバック制御は、 ある時点で測定した位置偏差と、 前時点で予測した前記ある時点の出力予測値との差に、 カルマンゲインを乗じてフィードバックし、 前記前時点で予測した事前推定を補正し、 前記ある時点における事後推定値を得る、 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・位置制御方法。
  5. 【請求項５】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１，２，３又は４記載のトンネ
    ルロボットの方向・位置制御方法。
  6. 【請求項６】カルマンゲインは、 状態推定値の推定誤差共分散行列を含み、 離散時間型リカッチ方程式を満たし、 位置偏差の観測雑音の分散を含むことを特徴とする請求
    項４又は５記載のトンネルロボットの方向・位置制御方
    法。
  7. 【請求項７】外乱雑音は、制御入力ヘッド角を入力する
    時の制御遷移雑音であることを特徴とする請求項１，
    ２，３，４，５又は６記載のトンネルロボットの方向・
    位置制御方法。
  8. 【請求項８】計測雑音は、位置偏差を計測する時の観測
    雑音であることを特徴とする請求項１，２，３，４，
    ５，６又は７記載のトンネルロボットの方向・位置制御
    方法。
  9. 【請求項９】土中に押し込み推進させることで無排土式
    に管路を構築してい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し所定計算式に則って演算処理し位
    置偏差を出力するエースモールダイナミクスと、 当該エースモールダイナミクスの入力端と出力端にそれ
    ぞれ遷移雑音と観測雑音とを加入接続する加算器と、 当該入力端側加算器の直前と当該出力端側加算器の直後
    からそれぞれ前記ヘッド角と前記位置偏差を分岐入力し
    て取込んだロボット本体の進行計画線からの位置偏差に
    より所定計算式に則って演算修正した前記ヘッド角をフ
    ィードバック出力する演算装置と、 を具備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。
  10. 【請求項１０】演算装置は、 ヘッド角を入力とし、ロボット本体の進行計画線からの
    位置偏差を出力するｎ次元の線形離散時間系確率モデル
    を基に、別途外部計測装置によって得られる位置偏差を
    取込んでｎ次元の状態ベクトルの状態推定値を所定計算
    式に則り予測演算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
    ヘッド角を演算する最適レギュレータと、 で構成することを特徴とする請求項９記載のトンネルロ
    ボットの方向・位置制御装置。
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