JPS625116A - 堀進機の位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、無人搬送車や掘進機等の移動体を目標線上に
移動させる。ために用いられる移動体の位置検出装置に
関する。

〔発明の背景〕

例えば小口径掘進工法等により、地中に管等を非開削で
埋設する場合、当該管の先端に配置する掘進機は予め定
められた掘削目標線に沿って地中を掘削してゆく必要が
ある。このため、地中における掘進機の位置を検出し、
掘進機が掘削目標線から外れた場合にはこれを修正しな
ければならない、このように、掘進機の位置を検出する
ことは、地中を掘削して管を埋設する場合、不可欠の手
段である。以下、従来の位置検出手段を図により説明す
る。

第６図は従来の位置検出装置の断面図である。

図で、１は地中を掘削中の掘進機、２は掘、進機１の後
部に設けられる埋設管、３は掘進機１が掘削を開始する
ための発進立坑である。発進立坑３内には、埋設管２の
後部を押す押し装置（図示されていない）が設けられて
いる。４は発進立坑３の適所に設けられたレーザ発振器
である。レーザ発振器４は埋設管２を通って掘進機１に
対してレーザ光５を放射するように構成されている。６
は掘進機１に設けられたスクリーンであり、レーザ発振
器４からのレーザ光５を受光する。Ｔは掘進機ｌの掘削
目標線を示す。

掘進機１が掘削目標線Ｔ上を掘進している場合には、レ
ーザ光５はスクリーン６上の所定の個所において受光さ
れるが、掘進機１が掘削目標線Ｔから外れると、レーザ
光５も当該所定の個所から外れる。このスクリーン６上
のレーザ光５の偏差により掘進機１の掘削目標線Ｔから
のずれを検出し、これにより掘進機ｌの軌道の修正が行
なわれていた。

しかしながら、上記の手段は、掘削目標線Ｔが曲線の場
合（曲線施工の場合）にはレーザ光５がスクリーン６上
に到達しないので、掘進＠１の位置偏差を検出すること
ができないという欠点を有しており、さらに、≠＝ホ半
掘進機１の径が小径（例えば径が１００ｍｍ程度）の場
合、掘進機１および埋設管２内に配設される種々の装置
によりレーザ光５０通路を確保することができなくなる
という欠点をも有し°ζいた。このような欠点を除くた
め、次のような手段が提案されている。

第７図は他の従来の位置検出装置の断面図である。図で
、第６図ヒ同一部分には同一符号が付しである。７は掘
進機１に備えられた磁界発生器、８は磁界発生器７で発
生した磁界を検出する磁界検出器、９は磁界検出器８の
地表上の位置を測量する測量器、１０は測量器９から磁
界検出器８の位置信号を入力し、これに基づいて掘進機
１の掘進方向を制御する制御部である。

磁界発生器７のＮ極およびＳ極が垂直線上にある場合、
地表上においては磁界発生器７の直上点で垂直方向の磁
界強度が最大（又は水平方向の磁界強度が最小）となる
。そこで、地表上において磁界検出器８を移動（走査）
させ、磁界強度が最大（又は最小）となる地点を探索す
れば、その地点が磁界発゛生器７の直上点となる。そし
て、測量器９で磁界検出器８の位置を測量すれば掘進機
１の位置を検出することができる。このような装置は、
上記従来の欠点を解消することができるが、その反面地
表上において磁界検出器８を走査して掘進機１の位置を
探索し、かつ、その後磁界検出器８の位置を測量しなけ
ればならず、このため、測量器を別途必要とするばかり
でなく、探索と測量に複雑な手数と長時間を要するとい
う欠点があった。この欠点を除くため、計測を自動イビ
しようとすれば、磁界検出および磁界検出器８の位置決
定のため、必然的に自動追従装置等が必要となり、コス
ト高になるという新らたな欠点を生じていた。

さらに、前述のように磁界検出器８を地表面上で走査す
る場合には、計測が断続的ならざるを得す（例えば１０
０ｍを掘削するのに５９ｃｍ毎に計測を行なうとして２
００回の走査が必要であり、計測が２００回断続するこ
とになる。）、このため、掘進機ｌの自動方向制御を実
施するのは困難であるという欠点もあった。

これらの欠点を解消するため、地上における無人搬送車
等の誘導方式を適用することが考えられる。このような
誘導方式を図により説明する。第８図は当該誘導方式を
示す概略図である。図で、１１．１２は無人搬送車を誘
導すべき目標線Ｔに沿って敷設された連続するケーブル
であり、それぞれ目標線Ｔから距離Ｗの位置に配置され
ている。

１３．１４は無人搬送＊（図示されていない）上に設け
られた磁界検出器であり、無人搬送車の中心位置（目標
線Ｔに一致させるべき位置）からそれぞれ距離ｒの位置
に設けられている。

ケーブル１１．１２に電流を供給すると、ケーブル１１
．１２による磁界が発生し、この磁界は磁界検出器１３
．１４により検出され、検出値に応じた信号が出力され
る。今、 ｋＩ：比例定数 ω：ケーブルに供給する電流の角周波数Ｘ：無人搬送血
の中心と目標線Ｔとの距離とすると、例えばケーブルと
磁界検出器１３゜１４との距離ｙが距離２Ｗに等しい場
合、距離Ｘが、−Ｗ　＜　ｘ　＜　Ｗの範囲において、
磁界検出器１３の出力ｅ、と磁界検出器１４の出力ｅ２
は近似的に次式で表わされる。

ｅ、＝に、（ｘ＋ｒ）ｓｉｎωｔ・・・・（１）ｅｚ　
＝に＋　（ｘ　−ｒ）　ｓｉｎ　ωｔ　　・−・・（２
）したがって、この信号の振幅を検出すれば距離Ｘを求
めることができる。

第９図は上記誘導方式において用いられる演算装置のブ
ロック図である。図で、１６．１７は整流器、１８は差
動増幅器である。信号”Ｉ＋、ｅＺをそれぞれ整流器１
６．１７に入力すると、これら信号”Ｉ＋　　ｅＺの直
流信号［、［が得られる。これら直流信号は次式で表わ
される。

これらの直流信号５−１石を差動増幅器１８に入力する
ことにより、信号（Ｅ、−Ｅｔ）が得られる。ただし、
ＥＩ　＝ｋｚ　　−ｅｔ　、Ｅｚ　＝ｋｔ　　’η　（
ｋ２　：比例定数）である。

第１０図はこのようにして得られた信号（Ｅ。

−Ｅ２）と距離Ｘとの関係を示すグラフである。

このグラフから明らかなように、信号（Ｅ、　Ｅｚ）と
距離Ｘとは、−ｒ＜Ｘ＜ｒの範囲において比例関係が成
立し、かつ、信号（Ｅ、−Ｅ、）の極性により距離Ｘの
方向も識別することができる。即ち、信号（ＥＩ　　Ｅ
２）を得ることにより無人搬送車の目標ｖＡＴからのず
れを知ることができ、これを修正して無人搬送車を目標
線Ｔに沿って走行させるものである。

さて、以上述べた地上の誘導方式を地中の掘進機の位置
検出手段として利用すれば、測量器や自動追従装置を用
いることなく連続してその位置検出を行なうことができ
ることになる。しかしながら、上記誘導方式を掘進機の
位置検出手段に適用する場合には次のような問題点があ
る。即ち、（ｉ）上記誘導方式においては、ケーブル１
１゜１２と磁界検出器１３．１４との距離ｙは一定であ
るが、掘進機１においてこの距離ｙに相当する深さは本
来未知であり、変化するのが通常である。

したがって、（１１式および（２）式における比例定数
に１も変化し、掘進機１の位置検出は困難となる。

（ｉｉ）誘導方式を適用される無人搬送車は、それ自体
の回動（ローリング）を生じることは、タイヤの変形等
によるローリングはあるもののきわめて少ないが、掘進
機は地中を掘進する間に相当程度のローリングを生じ、
これが前記演算における誤差の原因となる。（ｉｉｉ　
）当該無人搬送車においては、各磁界検出器１３．１４
間の間隔２ｒは相当大きく設定できる。しかし、掘進機
、特に直径１００ｍｍ程度の小口径の掘進機は間隔２「
を大きくすることはできず、距離Ｘと信号（Ｅ、−Ｅ２
）との比例範囲は極めて狭くなる。

このように、上記誘導方式を掘進機の位置検出装置に適
用しようとすると上述のような問題点が存在し、これら
の問題点を解決しない限りその適用は困難である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記の問題点を解決し、導線からの距
離に影響されず、かつ、広い範囲に亘る位置検出を可能
とする移動体の位置検出装置を堤供するにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明は、移動体に少なく
とも一組の磁界検出装置を備え、移動目標線に沿って導
線を配置し、この導線に電流を供給することにより生じ
る磁界を前記各磁界検出装置で検出し、各検出値の和と
差の比に各磁界検出装置の間の間隔を乗じて移動体の位
置を検出するようにしたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る掘進機の位置検出装置の
正面図である。図で、ｌは掘進機、２１゜２２は掘進機
１の周壁の水平方向対称位置に設けられた磁界検出器（
拡大して描かれている）、２３は掘進機１の適宜個所に
設けられた角度検出器である。角度検出器２３は掘進機
１のローリングの角度を検出し、これに応じた電気信号
を出力する。１１．１２は第８図に示すケーブルと同じ
ケーブルである。Ｔは掘削目標線、Ｆは掘進機１の中心
、ｙはケーブルから掘進機１の中心Ｆまでの深さ、２Ｗ
は前述のようにケーブル１１．１２間の距離、２ｒは磁
界検出器２１．２２間の距離を示す。又、ケーブル１１
．１２を通りこれらに対して垂直に延びる線をＸ軸、掘
削目標線Ｔを通り前記Ｘ軸に垂直に延びる線をＹ軸とす
ると、掘進機ｌのローリング角を示す。小口径掘進工法
において、通常、掘進機１の地中深さｙは２〜５ｍ、掘
進機ｌの外径は８０．ｍｍ　〜５００ｍｍ　（鉄系のパ
イプで構成されることが多い。）、又、ローリング角θ
は掘進中±５°程度変化する。

ここで、ケーブル１１．１２に電源（図示されていない
）から交流電流が供給されたとき磁界検出器の出力ｅ　
（［界検出器を構成するコイルの誘導起電力）は、 Ｎ：コイルの巻数 Φ：コイルと交鎖する磁束 ｔ：時間 Ｓ：コイルの断面積 ｆ：磁束の角周波数 μ：土の透磁率 Ｈ：コイルに直交する方向の磁界 とすると、次式のようになる。

ｔ ＝Ｎ−８・２πｆ　・ｐ　・Ｈｃｏｓ（ωｔ）　　１５
）磁束Ｈ以外の値は定数であるから、出力ｅは磁界Ｈに
比例する。

ここで、磁界Ｈは、深さｙ、距離Ｘ、ローリング角θお
よびケーブル１１．１２に供給される電流Ｉ、掘削目標
線Ｔと各ケーブルとの間の距離Ｗにより次式のように定
まる。

Ｈ＝Ｈ，ｃｏｓθ＋Ｈ，ｓｉｎθ　−・・−・（６）（
６）式で、Ｈ，は磁界ＨＯＸ軸方向の成分、Ｈ９は磁界
ＨのＹ軸方向の成分であり、次式で表わされる。

・・・（７） ・　・　・（８） 第２図は磁界検出器２１．２２の検出信号を処理する信
号処理部のブロック図である。図で、ｅｌは磁界検出器
２１の出力信号、ｅｘは磁界検出器２２の出力信号、θ
１ユ角度検出器２３の出力信号である。２５は加算器、
２６は減算器、２７〜３０は交流信号の振幅に比例した
直流信号（実効値）を得るための整流器、３１〜３４は
増幅器、３５はマイクロコンピュータで構成される補正
演算部である。

次に、この信号処理部の動作を説明する。磁界検出器２
１．２２からの検出信号は加算器２５および減算器２６
に入力されてそれぞれ、信号（ｅｔ＋０２）および信号
（ｅ＋　　　ｅｘ）が得られる。

これらの各信号は整流器２９．３０に入力されて、それ
らの直流信号（ｅ＋　　＋ｅｘ　）、　　（ｅ＋　−ｅ
ｘ　）が得られ、さらに増幅器３３．３４により増幅さ
れて増幅信号（Ｅｌ　＋Ｅｔ　）　、　　（Ｅｌ　−Ｅ
ｌ　）が得られる。一方、各信号はそれぞれ整流器２７
゜２８に入力されて直流信号［、百が得られ、さらに増
幅器３１．３２に入力されて増幅信号［、鱈が得られる
。なお、「＝に、・［。

Ｅ、−に、　　・ｅｔ　　（ｋｓ　　：比例定数）であ
る。これらの増幅信号および信号θは補正演算部３５に
入力され、補正演算部３５ではこれらの信号に基づいて
所要の演算を行ない、距離Ｘを算出する。

なお、信号６１＋ｅｔの電圧レベルが高ければ、増幅器
３１〜３４を省略することができる。

まず、ローリング角θがＯである場合の距離ｘ０は次式
により算出される。

と差の比を求めるようにしたので、（１）式および（２
）式の比例定数に、は消去され、したがって深さｙの影
響はほとんどなくなり、算出された距離ｘ０は掘進機１
の実際の距離Ｘとほぼ一致する。

第３図は上記信号処理部を用いた場合の実験結果を示す
グラフである。このグラフは、ケーブル幅Ｗと距離ｘ＝
ｘ、の比が約ｌＯ：３の範囲内における実験結果のグラ
フである。この範囲において、深さ２ｍ、３ｍ、５ｍに
ついて実験したが、グラフから演算値ｘ０と実際の値Ｘ
とはほぼ１対１の関係にあり、深さｙの影響は除去され
ていることが判る。

次に、ローリング角θがＯでない場合の距離Ｘ６を求め
る演算について説明する。第４図は、上記（９）式と同
じ演算式を用い、かつ、上記実験と同一の条件において
、ローリング角θのみを変化させた場合の実験結果のグ
ラフである。このグラフから、ローリング角θが変化す
ると、θ＝０のときの直線は左右にずれるが、その傾き
はほとんど変化しないことが判る。したがって、ローリ
ング角θに対する角度補正を行なうには、ローリング角
θに応じて０点を移動させてやればよい。これにより、
ローリング角がＯでないときの距離Ｘ。の補正演算部３
５での演算は次式にしたがって行なわれる。

Ｘθ　＝ｘ、＋ｆ（θ）　　　　・・・・・・α鴫ここ
で、ｆ　（θ）はローリング角θの関数を表わす。この
間数ｆ　（θ）は（５）、　（ａｊ、　（７）、　（８
）式を解くことにより求めることができるが、深さｙが
大幅に変化しない場合には、次式の比例関係が成立し、
簡単に補正を行なうことができる。

ｆ　（θ）＝α・θ　　　　　・・・・・・αυただし
、αは比例定数である。

このように、本実施例では、磁界検出器１組と角度検出
器を備え、掘削目標線に沿って敷設されたケーブルによ
り発生せしめられる磁界を前記各磁界検出器で検出し、
その検出信号の和と差の比に基づいて掘進機の位置を検
出するとともに、掘進機のローリングにより生じる誤差
を前記角度検出器の信号に基づいて補正するようにした
ので、掘進機の深さやローリングに関係なく正確に位置
を検出することができ、又、掘進機が小口径であり、各
磁界検出器相互の間隔が狭くても、掘削目標線を中心と
する広い範囲の位置検出が可能である。

第５図は本発明の他の実施例に係る掘進機の位置検出装
置の信号処理部のブロック図である０図で、３７はマイ
クロコンピュータで構成される演算部である。さきの実
施例における信号処理部が、磁界検出器２１．２２から
の信号ｅ、、ｅｘを直流に変換して増幅し、補正演算部
で処理するのに対して、本実施例における信号処理部は
、信号ｅＩ＋　　ｅＺを直流に変換せずに処理するもの
である。即ち、演算部３７はある時間間隔で信号ｅｌ＋
ｅ２をとり込み、Ａ／Ｄ変換器（図示されていない）に
よりこれをディジタル信号に変換して次式による演算を
行ない、演算結果をＤ／Ａ変換器（図示されていない）
によりアナログ信号に変換して出力する。

ただし、ｅＩ’＋ｅＺ′は信号ｅ、、ｅｇのある時刻に
おける瞬時値である。そして、得られた信号Ｘ′はさき
の実施例における信号Ｘと同じである。

なお、信号ｅｌ、ｅｚの電圧レベルが低い場合は演算部
３７へ入力する前に増幅器を用いて増幅すればよい。

このように、本実施例では、信号処理部において、磁界
検出器により得られた信号を整流せず、直接マイクロコ
ンピュータで構成された演算部で処理するようにしたの
で、簡単な構成の信号処理部によってさきの実施例のも
のと同じ効果を奏する。

なお、上記実施例の説明では、ケーブルを掘削目標線の
両側に沿って敷設する例について説明したが、一方のケ
ーブルを掘削目標線と一致させて敷設し、折返えされる
他方のケーブルをこ九から充分に離して敷設するように
してもよい。又、磁界検出器としては、コイルの他に、
ホール効果型、ファラデー゛素子、ジョセフソン効果型
、プロトンのような共鳴形磁力計、フラックスゲート型
、薄膜型等を用いることができる。さらに、磁界検出器
の位置、組数は任意に選択することができる。

さらに又、上記実施例では掘進機への適用についてのみ
述べたが、無人搬送車についても適用できるのは当然で
ある。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、移動体に、組になった
磁界検出器を備え、移動目標線に沿、つて配置された導
線の発する磁界を各磁界検出器で検出してそれらの和と
差の比に基づいて移動体の位置を検出し、この位置を角
度検出器の出力で補正するようにしたので、移動体の深
さや磁界検出器の間隔に関係なく、移動目標を中心とす
る広い範囲に亘って正確に位置を検出することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る掘進機の位置検出装置の
概略図、第２図は第１図に示す位置検出装置の信号処理
部のブロック図、第３図および第４図は第２図に示す信
号処理部により得られた位置と実際位置との関係の実験
結果のグラフ、第５図は本発明の他の実施例に係る掘進
機の位置検出装置の信号処理部のブロック図、第６図お
よび第７図は従来の掘進機の位置検出装置の断面図、第
８図、第９図および第１０図はそれぞれ地上の誘導方式
の概略図、その演算部のブロック図および検出範囲の特
性図である。 １・・・掘進機、１１，１２゛・・・ケーブル、２１．
２２・・・磁界検出器、２３・・・角度検出器、２５・
・・加算器、２６・・・減算器、２７〜３０・・・整流
器、３１〜３４・・・増幅器、３５・・・補正演算部、
３７・・・演算部、Ｔ・・・掘削目標線。 第１図 第３図 ケ府殖　ｘ（ｍ） 第４図 倹綬ヅＪ　　ｘ（ｍ） 第５図 第６図 第７図 第８図 第１０図 ′￥鱗（Ｘ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 移動体と、この移動体に設けられた少なくとも１組の磁
   界検出装置と、前記移動体の移動目標線に沿つて配置さ
   れた導線と、この導線に電流を供給する電源と、前記各
   磁界検出装置の各検出値の和を演算する加算手段と、前
   記各磁界検出装置の各検出値の差を演算する減算手段と
   、前記加算手段により得られた値と前記減算手段により
   得られた値との比を演算する比演算手段と、この比演算
   手段により得られた値に前記各磁界検出装置の間隔を乗
   算する乗算手段とを備えていることを特徴とする移動体
   の位置検出装置。