JPS594644B2 - 光学式姿勢角変位検出方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、通信ケーブルや水道管等を開削によらず地中
に布設する場合に使用するシールド機（地中掘削機）等
に使用して好適な光学式姿勢角変位検出方式に関するも
のである。

従来のこの種の装置において、レーザ光線を１条使用す
るものについては出願人によって出願された特許出願（
特願昭５１−１４４０３４号）に既に提案されている。

しかしながら、レーザ光線１条により掘削機の進行基準
軸に対する姿勢角変位を検出する方式では、姿勢角はオ
イラー角θ。

ψ、ψのうちθとψを得ることができるので検出できる
が、変位はオイラー角θ、ψ、ψのすべてがわからない
と式から算出できないため、別の装置例えば水準器等に
よってψを得てからでないと検出できないという欠点が
あった。

本発明はこのような従来の欠点を除去するためになされ
たもので、その目的とするところは、掘削機等の移動機
の姿勢角および変位を直接的に算出可能とした光学式姿
勢角変位検出方式を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明はレーザ光線を２条
興用することにより光学ミラーの回転角。

および各レーザ光線の反射点の位置から移動機の進行基
準軸に対する姿勢角、変位を検出するようにしたもので
ある。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図は、本発明による光学式姿勢角変位検出方式の一
実施例を適用した光学式姿勢角変位検出装置の平断面図
である。

１は検出機で掘削機２の後部に設置されている。

３は光学ミラーでパルスモータ４の回転軸に取付けられ
、さらにこれらは直交状に配置されたパルスモータ５の
回転軸に取付けられている。

このため、光学ミラー３は中心点６を中心にして直交す
る二軸のまわりに自在に回動するようになっている。

また、光学ミラー３は中心点６が掘削機２の進行中心軸
（掘削作業を進めて行く方向軸）ｐ上に一致するように
設置されている。

中心点６を通り進行中心軸ｐに直角な方向の光軸を有す
るレンズ７が光学ミラー３の側方に配置され、このレン
ズ７からその焦点距離だけ離れた位置には光電素子から
なる受光器８が配置されている。

受光器８の中心でレンズ７の光軸の通る個所には中心孔
９が形成されている。

受光器８の先にはレンズ７の光軸に同心状に配置された
回転軸を有するパルスモータ１０が設けられ、このパル
スモータ１０の回転軸には光電素子からなる受光体１１
が取付けられている。

掘削機２が正規に進まなければならない進行基準軸ｑに
一致したレーザ光線は後方から照射される。

レーザ光線は、ハーフミラ−１２を透過した第１のレー
ザ光線Ｌ１と、ハーフミラ−１２で反射されミラー１３
でさらに反射された第２のレーザ光線Ｌ２とに分れる。

第１のレーザ光線Ｌ１と第２のレーザ光線Ｌ２は平行で
所定間隔離れシャッタ（図示せず）を経て各々光学ミラ
ー３に照射される。

第２のレーザ光線Ｌ２は必要時間以外はシャッタによっ
て遮断されている。

掘削機２の進行中心軸ｐが進行基準軸ｑに完全に一致し
ているときは、第１のレーザ光線Ｌ１は光学ミラー３の
中心点６の上に照射しここで反射されレンズ７の光軸上
を進み、受光器８の中心孔９を透過して受光体１１の中
心点を照射する。

後述するように、この状態では受光器８および受光体１
１とも出力を発生しないので、掘削機２が正規の姿勢お
よび位置にあることがわかる。

次に掘削機２が進行基準軸ｑに対し変位しかつ姿勢が傾
いている場合について脱調す゛る。

このとき、第１のレーザ光線Ｌ１は光学ミラー３が傾斜
しているので、その反射光はレンズ７の光軸に平行では
なくなる。

第２図はレーザ光線とレンズ７＄３よび受光器８の関係
を示す説明図である。

光学ミラー３で反射された第１のレーザ光線Ｌ１は、光
軸に平行であれば実線のようにレンズ７の焦点距離ｆの
位置に配置された受光器８の中心孔９を透過するが、光
学ミラー３が傾斜していると点線のように受光器８上を
照射する。

第３図は受光器８の正面図である。

４個の光電素子１４，１５，１６，１７から構成され、
中心に一辺りの正方形の中心孔９ができるよう（こわず
かずらせて組合わせである。

いま、第１のレーザ光線Ｌ１が光電素子１４上を照射し
光スポット“１８を形成したとする。

光電素子１４からの電気出力にもとづいて、パルスモー
タ５が回転して同時に光学ミラー３が回転して光スポッ
ト１８を下方に移動させ、光スポット１８が光電素子１
５まで移動したときにパルスモータ５は停止する。

次に光電素子１５の電気出力にもとづいてパルスモータ
４が回転しと光学ミラー３が前記と直角方向に回転して
光スポット１８を右方に移動させ、光スポット１８が中
心孔９まで移動したときにパルスモータ４は停止する。

このようにパルスモータ４゜５が所定角度回転して光学
ミラー３を回転させ反射光を光軸に平行にして第１のレ
ーザ光線Ｌ１を中心孔９に透過させることができる。

この場合各光電素子１４，１５，１６，１７の電気出力
は零になっている。

このパルスモータ４，５の回転角度から掘削機２の進行
基準軸ｑ／１こ対する姿勢角を検出することができる。

次にその原理について説明する。

第４図はオイラー角の説明図、第５図はオイラー角の計
算に利用する座標系の説明図である。

第４図において、一般に空間に固定した座標軸（ｘ、ｙ
ｔｚ）と、移動体に固定した座標軸（ｘ。

ｙ、ｚ）とについて、ｙ軸に対するｙ軸の角をθとし、
ＸＹ平面とｘｙ平面との交線ＯＭがｙ軸に対してなす角
をψ、Ｙ軸に対してなす角をψとすると、これらの角θ
、ψ、ψをオイラー角といっている。

本実施例では、掘削機２がｘｙｚ座標系で、光学ミラー
３の中心点６が座標原点、ｙ軸は進行中心軸ｐ１ｘ軸は
ｙ軸に直角なレンズ７の光軸に各各一致している。

なお、ｙ軸はＸｚ−に直角な軸である。

また、進行標準軸ｑはＸＹＺ座標系の２軸に一致してい
る。

即ち掘削機２に入射するレーザ光線はこのｙ軸に一致し
ていることになる。

ｙ軸はｙ軸に直角な軸、Ｙ軸はＸｚ軸に直角な軸である
。

第５図は、掘削機２のｘｙｚ座標が基準となるＸＹＺ座
標に対して傾斜しかつ原点がずれた関係にある状態を示
している。

図において、ａは光学ミラー３の法線ベクトル、１９は
第１のレーザ光線Ｌ１の光学ミラー３上の反射点、２０
は第２のレーザ光線Ｌ２の光学ミラー３上の反射点であ
る。

第１のレーザ光線Ｌ１はｙ軸に一致しており、第２のレ
ーザ光線Ｌ２はこれと平行な２′軸に一致している。

光学ミラー３で反射した反射光は光軸であるｙ軸に平行
な軸に一致する。

法線ベクトルａのｘｙ平面と平行な面への投影線をＣと
すると画線のなす角はα、投影線Ｃと反射した第１のレ
ーザ光線Ｌ１とのなす角はβとなる。

また、入射する第１のレーザ光線Ｌ１の前記平面への投
影線をｄとすると画線のなす角はγ、投影線ｄと反射し
た第１のレーザ光線Ｌ１とのなす角はδとなる。

ここで、入射する第１のレーザ光線Ｌ１上の単位ベクト
ルをｂ、反射した第１のレーザ光線Ｌｌ上の単位ベクト
ルをｅとすると次の式がなりたつ。

ただし、光学ミラー３からの反射光はｙ軸と平行な軸に
一致するから次の関係がなりたつ。

ｂ ＋ ｃ ＝ ｋ ａ ・・・・・・
・・・・・・・・・ （３）従って、式ＣＩ） ｐ （
２） ｔ （３）から次の式がなりたつ。

式（４）からさらに次の式がなりたつ。

式（５）において、角α、βは第５図からもわかるよう
にパルスモータ５，４の回転角なので、前記のように計
測することができるため、角γ、δは計算で求めること
ができる。

ここで、ＸＹＺ座標軸に対するｘｙｚ座標軸の回転角で
あるオイラー角のθ、ψは次の式で表わされる。

従って式（５） ｔ （６）から掘削機２の進行基準軸
ｑに対する姿勢角が検出できる。

次に掘削機２の進行基準軸ｑに対する変位を検出する方
式について説明する。

掘削機２の水平変位と垂直変位は第５図に示すＸＹＺ座
標系のＸ変位、Ｘ変位になる。

この変位Ｘ、Ｙはオイラー角θ、ψ、ψおよび第１のレ
ーザ光線Ｌ１の光学ミラー３上の反射点１９の位置（Ｘ
１ｔ３’ｌ、Ｚｌ）から次式によって求めることができ
る。

式（７）において、オイラー角θ、ψは式（６）で検出
されているが、オイラー角ψおよび反射点１９の位置（
ｘｌ、ｙｌ、ｚｌ）が未知数である。

次にこれらの未知数を算出する方法につき説明する。

先ず第６図から反射点１９の位置を求める。

第６図はレーザ光線とレンズ７および受光体１１の関係
を示す説明図、第７図は受光体１１の正面図である。

変位がないときは第１のレーザ光線Ｌ１は進行基準軸ｑ
に一致し実線のように光学ミラー３の中心点６にて反射
しレンズ７の光軸（座標のｙ軸）上を進み受光体１１の
中心点を照射する。

掘削機２の進行中心軸ｐが進行基準軸ｑに対しである方
向にずれているときは、点線に示すように第１のレーザ
光線Ｌ１は光学ミラー３の中心点からずれた反射点１９
で反射し光軸に平行にレンズＩに入射し、ここで屈折し
て受光器８の中心孔９を透過して受光体１１の中心（ｙ
軸）からｒｌだけ離れた位置に到達する。

受光体１１は第１図かられかるように細い棒状に形成さ
れているので、レーザ光線の到達位置まで回転しないと
受光しない。

受光体１１がパルスモータ１０により垂直位置から角度
λ１だけ回転したとき、第１のレーザ光線Ｌ１が照射し
光スポット２１を形成する。

なお、ｙ′、ｚ′は受光体１１上のｙ軸、ｙ軸に平行な
座標軸である。

受光体１１は第８図に特性を示すように、中心から距離
ｒ離れるにつれて出力電圧Ｖは比例して増加するようを
こなっている。

従って角度λ１はパルスモータ１０の回転角から、また
ｒｌは受光体１１の出力電圧から測定することができる
。

レンズ７と受光器８の間の距離（レンズＩの焦点距離）
をｆ、受光器８と受光体１１の間の距離をｇとすると、
このｆ、ｇ、ｆ；よびλ１．ｒ、から反射点１９のｙ。

２座標の位置を求めることができる。

また、Ｘ座標の位置はさらに第５図のα、βを加えて求
めることができる。

すなわち、第１のレーザ光線Ｌ１の光学ミラー３上の反
射点１９の位置（Ｘｌ、ｙｌ。

ｚｌ）は次の式によって求めることができる。

ここで、第１のレーザ光線Ｌ１をシャッタで遮断し、第
２のレーザ光線Ｌ２をシャッタを開いて光学ミラー３に
照射すると、第２のレーザ光線Ｌ２は反射点２０で反射
して第６図に示すように第１のレーザ光線Ｌ１と全く同
様に受光体１１のある点を照射する。

このときのパルスモータ１０の回転角をλ２、光スポッ
トの受光体１１の中心（Ｘ軸）からの距離をｒ２とする
と、反射点２０の位置（Ｘ２゜ｙ２ ｔ Ｚ２ ）は次
の式によって求めることができる。

次に未知数のオイラー角ψを求める。

第５図の座標軸（Ｘ、ｙ、ｚ）を平行移動して座標軸（
Ｘ。

ｙ、ｚ）に対して互いに原点が一致するようにしたとき
、Ｘ軸と２軸のなす角をξとすると次の式％式％ ） ξは次のようにして求める。

第１のレーザ光線Ｌ１のｘ、ｙ、ｚ軸に対する方向余弦
を谷々ｌ 、ｍ。

ｎ、Ｘ軸のｘ、ｙ、ｚ軸に対する方向余弦を各々１１２
ｍ１ｔｎ１とすると次の式がなりたつ。

ここで、ｌ 、ｍ、 ｎは次の式から求めるこさができ
る。

また、ＸＩ ｔ ３’ｌ ｔ ｚ１＄３よびＸ２ ｔ
’１２ｙ Ｚ２は式（８）ｊ６よび（９）かられかるノ
テ、これカラ、ｌｌｒｍｌｊｎｌを求めることができる
。

また、ξとｎｌは次のような関係がなりたつ。

ｃｏｓξ＝ｎ１ ・・・・・・・・
・・・・・・・ （１３）従って式０３）を弐００）に
代入すればθは式（６）でわかっているので、オイラー
角ψは求めることができる。

このように式（６）、α０）から得られたオイラー角θ
。

ψ、ψと式（８）から得られた第１のレーザ光線Ｌ１の
光学ミラー３上の反射点１９の位置の座標Ｘ１゜ｙｏ、
ｚｌを式（７）に代入すると掘削機２の変位Ｘ。

Ｙが検出できる。

以上説明したように、本発明の方式はレーザ光線を使っ
て、掘削機の姿勢角であるオイラー角郭よび変位を検出
できる。

計測に利用するレーザ光線をトンネルの基準軸に利用で
きること、またレンズや光学ミラー、パルスモータ等ζ
こよって検出器が構成されるため、従来のジャイロスコ
ープ、アクセロメータ等に比して安価で小形になり、２
本のレーザ光線により容易にオイラー角をすべて算出で
き、さらにこのオイラー角とレーザ光線の反射点の座標
から位置を直接的に検出できる利点がある。

なぢ、本発明は掘削機に限らず類似の目的で他の移動体
の姿勢角および位置の検出に適用することができるのは
勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である光学式姿勢角変位検出装
置の平断面図、第２図はレーザ光線とレンズ、受光器の
関係を示す説明図、第３図は受光器の正面図、第４図は
オイラー角の説明図、第５図はｘｙｚ座標とＸＹｚ座標
の関係を示す説明図、第６図はレーザ光線とレンズ、受
光体の関係を示す説明図、第７図は受光体の正面図、第
８図は受光体の出力状態を説明するグラフである。 １・・・・・・検出器、２・・・・・・掘削機、３・・
・・・・光学ミラー、４，５，１０・・・・・・パルス
モータ、６・・・・・・中心点、７・・・・・・レンズ
、８・・・・・・受光器、９・・・・・・中心孔、１１
・・・・・・受光体、１２・・・・・・ハーフミラ−１
１３・・・・・・ミラー、１４，１５，１６，１７・・
・・・・光電素子、１８．２１・・・・・・光スポット
、１９，２０・・・、・・反射点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 移動機上に直交２軸に各独立して回転自在に光学ミ
   ラーを設置し、この光学ミラーの回転中心を通り前記移
   動機の進行基準軸に直角な方向の光軸を有するレンズを
   設置し、前記光学ミラーに前記進行基準軸に平行な第１
   のレーザ光線を導き、その反射光が前記レンズの光軸に
   平行になるように前記光学ミラーを回転させ、その回転
   角からオイラー角θ、ψを得て前記移動機の前記進行基
   準軸に対する姿勢角を検出し、前記第１のレーザ光線の
   前記光学ミラー上の反射点の座標位置と前記第１のレー
   ザ光線と平行の第２のレーザ光線の前記光学ミラー上の
   反射点の座標位置と前記オイラー角θ、ψとからオイラ
   ー角ψを得てそれらにより前記移動機の前記進行基準軸
   に対する変位を検出することを特徴とする光学式姿勢角
   変位検出方式。