JPS63159710A - 隧道等における自動測量システム - 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】 （発明の技術分野） この発明は、光偏角機を複数個用いて關道、特に曲線隧
道等における測量を自動的に行なう自動測量システムに
関する。

（発明の技術的背景とその問題点） 従来、關道における測量は多数の人員を要し、トランジ
ット、レベル、スタッフ等を用いる目視測量が主であり
、時間と手間がかかると共に、その割に人為誤差が大き
いといった問題があった。特に曲線關道における測量に
ついては見通しがきかないため、副基準点を多数設定す
る必要があり、それに従って誤差が増加する傾向があっ
た。

（発明の目的） この発明は上述のような事情よりなされたものであり、
この発明の目的は、曲線随道等においても、自動的にか
つ効率的に測量することができる自動測量システムを提
供することができる。

（発明の概要） この発明は随道等における自動測量システムに関するも
ので、入射された光ビームを任意方向に偏角させる光偏
角機を光源部及び随道等の屈曲部に配設し、前記光源部
からの照射ビームを前記各光偏角機の偏角によって、前
記隧道等の先端部に導いて前記隨道等の測量を行なうよ
うにしたものである。

（発明の実施例） 第１図は間道１の測量システムの概要を示しており、第
２図はその位置関係を定量的に示している。

間道１は位置２で屈曲しており、隨道１の基点３には光
源部となるレーザ発振器４と、このレーザ発振器４から
照射されたレーザビームを偏角して照射する光偏角機ｌ
Ｏとが設けられ、屈曲点２には基点３からのレーザビー
ム５を受光して（扁角する光イ扁角機２０が設けられて
いる。また、隨道１の先端部には移動して随道掘削する
掘削機３０が移動可能に位置しており、掘削機３０には
光偏角機２０からのレーザビーム５八を受光して位置検
出を行なうターゲットセンサ３１及び３２が設けられて
いる。なお、ターゲットセンサ３１及び３２は距１１！
ｌ　Ｌの間隔で、レーザビーム５八に対して重ならない
位置に取付けられている。そして、光源部のレーザ発振
器４及び光偏角機ｌＯはコンピュータ（たとえばマイク
ロプロセッサ）４１によフて、光偏角機２０はコンピュ
ータ４２によって、掘削機３０はコンピュータ４３によ
ってそれぞれ制御もしくは管理され、システム全体はセ
ンターコンピュータ４０によって制御されるようになっ
ている。

ここにおいて、光偏角機ｌＯはレーザ発振器４と一体的
に構成されており、レーザ発振器４から照射されたレー
ザビームは直ちに光偏角機１０に入力されるので、特に
位置決めする必要はないが、光偏角機２０は基点３の光
偏角機１０から距離β１だけ離れているので、レーザビ
ーム５を光偏角機２０に対して位置決めする必要がある
。

このため、光偏角機２０は第３図（Ａ）　、　（Ｂ）に
示すようにレーザビーム５の入射側に矩形状の位置決め
プレート２３を具備しており、その表面側にはフォトダ
イオード等の受光素子２４が多数整列されている。光偏
角機に関しては後述するが、２枚の偏角プリズム２１及
び２２はそれぞれつオーム２１ｆｔ及び２２１（を介し
てモータ２１Ｍ及び２２Ｍによって独立に回動されるよ
うになっている。また、掘削機３０に設けるターゲット
センサ３１及び３２は、第４図に示すよう１枚の長形状
プレート上に、フォトダイオード等の受光素子３３を複
数個整列されたものである。

次に、この発明に用いる光偏角機１０及び２０について
説明するが、光偏角機２０が第３図（Ａ）。

（ロ）に示す如くビーム位置決め用の位置決めブアレー
ト２３を具備している他は光偏角機ｌＯと同一であるの
で、ここでは光偏角機１０について説明する。

まず、偏角方法の原理について説明すると、従来から光
ビーム（たとえばレーザビーム）を所定の方向に偏角さ
せる手段として偏角プリズムが知られているが、この発
明では同一の偏角プリズムを２枚組合せて独立に回動さ
せるようにしている。

第５図（Ａ）は偏角プリズムの一例を示す断面図であり
、偏角プリズムＰ（ここでは光屈折率を１．５　とする
）は、その頂角τに応じて固有の偏角δを有している。

ここにおいて、第５図（Ａ）　　に示すように偏角プリ
ズムＰの一面に対して垂直に入射する光ビームＬは、当
該プリズム面に入射されて出力される際に、その頂角で
の半分だけ屈折されるので、偏角プリズムＰの２枚を透
過する入射光りは、最大で当該プリズムＰの頂角τ分だ
け屈折されて出射されることになる。すなわち、イ扁角
プリズムの頂角でと１枚のプリズムに対する偏角δとの
間には一般に次式が成り立つ。

δ＝τ／２　　　　　　　　・・・・・・・・・　（１
）なお、上記（１）式は偏角プリズムＰの光屈折率によ
って当然異なって来る。

ここにおいて、当該偏角プリズムＰをその入射光軸ＬＯ
を中心に回動させると、その照射面において、上記偏角
δ分だけ屈折されて照射された点Ａと、当該入射光軸上
の点ＬＯとを結ぶ線分「ｒを半径とする円を描くことに
なる。

第５図（Ｂ）及び（Ｃ）は、上述のような固有の偏角δ
を有する偏角プリズムを２枚組合せて、光ビームＬを所
望する方向に偏角させる方法を説明するための原理図で
あり、同図（［１）は光軸ＬＯに直交する方向から視た
図、同図（Ｃ）は光軸ＬＯに沿った方向から視た図であ
る。第５図　（Ｂ）及び（Ｃ）　に示すように、同一の
偏角プリズム１１．１２をその頂角をＹ軸（＋）方向に
近接して２枚設ける（ここでは、偏角プリズム１１を入
射光側に配するものとする）。ここにおいて、偏角プリ
ズム１１．１２はそれぞれどちらの面を対向させてもよ
い。また、偏角プリズム１１．１２間の距離は極力短か
くするものとする。このような−組の偏角プリズム１１
．１２をＹ軸から互いに逆方向にそれぞれ角度α、−α
だけ回動させると、当該偏角プリズム１１４２を透過す
る光ビームＬは、その回動角度に応じてＹ軸に沿って一
定の直線方向だけに偏角される合成偏角が得られること
が知られている。すなわち、第５図（Ｃ）に示すように
、上記同一の２枚の偏角プリズム１１．１２の各偏角方
向がそれぞれＹｉｉ＋ｈ（＋）方向に一致した時（回動
角α＝−α＝０）を起点とし、この位置からこの一組の
偏角プリズム１１．１２をそれぞれ互いに逆方向に角度
α。

−αだけ回動させると、当該偏角α、−αの左右方向（
図示Ｘ軸方向）の分力δ・ｓｉｎα。

δ・５ｉｎ（−α）は互いに打ち消しあって０°°とな
り、当該偏角α、−αの上下方向（図示Ｙ！ｌ１Ｉ１１
方向）の分力δ・ｃｏｓα、δ・ｃｏｓ　（−α）だけ
が相加ってその合成偏角はＹ軸方向に　２・δ・ｃｏｓ
αとなる。従って、その回動角α（−α）を変化させる
と、当該回動角αに応じて、偏角プリズム固有の頂角τ
相当角によって決まる最大偏角±２６（±で）の範囲内
でＹ軸上の任意の位置に偏角させる合成偏角を得ること
ができる。

そこで、このような２枚−組の偏角プリズム１１．１２
を上述のように、それぞれ互いに逆方向に同角度α、−
αずつ回動させてＹ軸上に所望する１馬用分たけ偏角し
た光ビームを照射させ、しかる後に当該−組の偏角プリ
ズム１１．１２を、その状態（両偏角プリズムの開度２
α）を保りたままそれぞれ同一方向に同一角度ずつ連動
させて回動させれば、所望する方向及び位置に光ビーム
を照射できることになる。すなわち、入射光を光軸ＬＯ
に対して偏角２・δの半径がなす円内の任意の位置に偏
角させて光ビームを照射することができるようになる。

第５図　（八）及び（Ｂ）は、同一の偏角δ（頂角で）
を有する偏角プリズム１１．１２を２枚組合せて成る光
偏角機ｌを、隈道の測量システムに適用した第１図にお
ける照射方法を示す図であり、同図（駒は光！ＴＩ［ｈ
ＬＯに直交する方向から視た図、同図（Ｂ）は光軸ＬＯ
に沿った方向から視た図である。第５図（Δ）及び（Ｂ
）において、隈道１の基点３に配設されたレーザ発振器
４の前面に、その光ｌＴｉｌ１ｌＬＯ上に光偏角機１０
を配設し、この光偏角機ｌＯを操作することによりレー
ザ発振器１０から発射したレーザビーム５を偏角させて
、屈曲点２の測量面ＤＰに順次ＤＩ、Ｄ２．・・・の如
く照射させて行くようにしている。

そこで、この測量面ＤＰの例えば位置Ｄ７に照射させる
方法について、以下に詳細に説明する。

第５図（Ａ）及び（Ｂ）において、測量面ＤＰと光偏角
機１０との距離を℃１とし、隨道１の傾斜度を”０”、
すなわち水平とする。また、測量面ＤＰにおける位置Ｄ
７の位置データ、すなわち入射光が偏角されないで直進
した場合に測量面ＤＰに照射する（光軸ＬＯの延長線上
の）点Ｏを原点として、当該測量面ＤＰ上に想定した水
平Ｍ（Ｘ軸）及び垂直軸（ＹＮ）における位置Ｄ７の各
座標値をｘ、ｙとし、位置Ｄ７と原点０との距離をｒ、
位置Ｄ７と原点０とを結ぶ線分がＹ軸となす角度なβと
する。さらにまた、上記入射光が光偏角機ｌＯに用いら
れている偏角プリズム１１（又は１２）の単一の偏角δ
だけにより、偏角されて測量面ＤＰに照射される点ＡＩ
（又はＡ２）を想定し、点Ａｌ（又は八２）と原点０と
の距離を「ｒとする。

このような状態において、偏角プリズム１１゜１２をＹ
軸を起点としてそれぞれ図示Ｑ方向及びその逆方向にα
、−α角回勅させた時、偏角プリズム１１．１２の合成
偏角により偏角されてＹ軸上に照射された点へＳと原点
Ｏとの距ｗｉｒ’と、位置Ｄ７と原点０との距ｉＩ！Ｉ
ｒとが等しくなるとすると、これらの間には以下のよう
な式が成り立つ。

ｒｒ＝　Ｉｌ、・ｔａｎ　　δ　　　　　　　　・・◆
・−１１−１（２）ｒ　＝　　　ｘ　　＋　ｙ　　　　
　　　　　−−−（３）ｒ　＝ｒ’＝ｒｒ＋ｃｏｓ　　
ａ　＋ｒｒ−ｃｏｓ（−ａ）＝２　・ｒｒ−ｃｏｓ　　
α　　　　　　・・・・・・…　（４）ここにおいて、
測量面ＤＰと光偏角機１０との距ｆｉｔＩｌ＋　は、厳
密には２枚の偏角プリズム１１．１２間の距離により両
偏角プリズム１１．１２間で異なることになるが、実際
にはこの両偏角プリズム１１．１２間の距離は上述のよ
うに非常に微小であり、測量面ＤＰと光偏角機１０との
距ｒＭ　Ｉｌ、＋　に比べると無視することがで牲るも
のである。そこで、測量面ＤＰと光偏角機１０との距離
はｊ２．で近似することができる。

そして、上述のように偏角プリズム１１．１２をそれぞ
れα、−α角だけ回動して求めた照射点間を、第６図（
Ｂ）に示すようにさらに図示Ｑ方向にβ角だけ回動すれ
ば、すなわち、偏角プリズム１１．１２を同時に図示Ｑ
方向にβ角だけ回動すれば、上記照射点ＡＳは所望の位
置Ｄ７に達し、これらの間にはさらに次式が成り立つ。

ｔａｎβ＝−・・・・・・・・・　（５）そこで、上記
（２）〜（４）式をまとめると、が得られ、また上記（
５）式より β＝　ｊａｎ−’五　　　　　　・・・・・・・・・（
７）が求まる。

ここにおいて、上述の説明においては、同一の偏角プリ
ズム１１．１２を一度それぞれ互いに逆方向に同一角度
α（−α）だけ回動させた後、所定の位置まで偏角プリ
ズム１１．１２を同時に同一方向にβ角だけ回動させる
例を示したが、実際には以下のようにすればよい。

すなわち、レーザビーム５を１扁角させて測量面ＯＰの
位置Ｄ７に照射するためには、偏角プリズム１１．１２
をＹ軸からそれぞれα＋β、−α＋β角ずつ回動すれば
よいことになる。そこで、偏角プリズム１１をＹ！ＦＩ
Ｉｌから回動させる角度αｌは、αｌ＝α＋βとなり、
イ馬用プリズム１２をＹ軸から回動させる角度α２は、
α２＝−α＋βとなる。よって、上記（６）及び（７）
式よりと求めることができる。ここにおいて、偏角プリ
ズム１１．１２の各回動角α１．α２はＹ軸を起点とし
ているが、その都度当該角度を記憶しておくと共に、こ
の記憶しておいた角度をそれぞれ起点として求めるよう
にしてもよい。

そして、このような動作を繰返し、簡単な入力操作（マ
ーキング位置のｘ、ｙ座標値入力）だけで、所望位置Ｄ
　１−　Ｄ　ｎに照射させることができるようになる。

上述のような光偏角器１０及び２０を、曲線随道の基点
３及び屈曲点２に配置した第１図のシステム構成におい
て、その動作を第７図のフローチャートを参照して説明
する。

先ず、レーザ発振器４．掘削機３０等の必要初期設定を
行ない（ステップＳｌ）　、第２図に示す距［Ｊ２＋、
ターゲットセンサ３１及び３２の間隔り、半径Ｒの等の
測量済みのデータをコンピュータ４０に入力する。この
後、レーザ発振器４からレーザビームを照射して光偏角
機１０を介して１扁角させ、そのレーザビーム５を屈曲
点２に設置された光偏角機２０に照射する（ステップ５
２）。この場合、光偏角機ｌＯによるビーム走査（偏角
）はモータＩＩＭ及び１２Ｍを駆動することによって、
ウオーム１１１，１２Ｒ及びこれに噛合する歯車を介し
て偏角プリズム１１．１２を回動して行なう。また、レ
ーザビーム５は、光偏角機２０に偏角プリズム２１．２
２を正しく位置決めされて照射される必要があるので、
位置決めプレート２３に設けられている受光素子２４を
利用して行なう。すなわち、光偏角機１０によりレーザ
ビーム５を偏角させ、光偏角機２０の位置決めプレート
２３の左右に設けられている受光素子２４が検知したと
きの捩角をθＩＬＴ　θ１□とすると、光（ｒ４角機２
０の偏角プリズム２１．２２の中心に対する角度θ、は θ、・（θ、Ｌ＋　θＩＲ）　／　２　　　・・・・・
・・・・（９）で求められる。したがって、光（ｆｆｉ
角機２０の位置座標値（Ｘ２．ｙ２）は ｘ、　・ｘ、　＋　ｊ２．４ａｎθｒ　　　　　”’　
”’　””　（１０）！ となる。位置決めプレート２３の上下に対しても、同様
な位置決めを行なう。

なお、受光素子２４もレーザビーム５もある有限の径を
有しているので、精度を上げるために次のように測量す
る。すなわち第８図に示すように、レーザビーム５が受
光素子２４を横切り始めたときの捩角をθＢとして、横
切り終った時の捩角をθ、とすると、 θ−（θ８＋θ、）／２　　　　　・・・・・・・・・
（１１）をレーザビーム５が受光素子２４を横切る捩角
とする。

上述のようにしてレーザビーム５が光偏角機２０の位置
決めプレート２３の左右の受光素子２４を横切る捩角と
、上下の受光素子’ｌｔを横切る捩角と、基点１及び屈
曲点２の間の距【Ｌとから光偏角機２０のセンター位置
を計算する（ステップＳ３）。そして、光偏角機２０の
中心位置にレーザビーム５を照射しくステップ５ＩＩ）
、屈曲点２の光偏角機２０でレーザビーム５Ａを１扁角
させ、掘削機３０に取付けられているターゲットセンサ
３１（八）及び３２（１１）を探索する（ステップＳ５
）。この場合、光偏角機２０に入射されたレーザビーム
５は、直線計画線に対してθ、の角度で出射するので、
光偏角機２０により直線計画線に平行にレーザビームを
戻す。光偏角機２０によりレーザビーム５八を走査し、
第４図の如きターゲットセンサ３１八及び３２をレーザ
ビーム５Ａが横切るときの捩角θ。、θ８とすると、 ＸＡ　　−Ｘ２　−　　Ｌａ’ＳｌｎθＡ　　　　　　
　　　　　　−−＝　（１２）が成り立つ。ただし、屈
曲半径Ｒはターゲットセンサ３１及び３２の中心よりの
ズレ（通常は最大約２０Ｃｍ位まで）に比べて大きいの
で、ＲＡ４１１Ｂ＃Ｒと近似できる。よって、 ・・・・・・・・・（１３） である。このとき、ターゲットセンサ３１の曲線計画線
の中心の位置ＸＡＣは である。従って、ターゲットセンサ３１の直線座標に対
するズレ量ΔｘＡは、 ＪＸＡ−ＸＡ　−ＸＡＣ ・・・・・・・・・（１５） であり、曲線座標に対するズレ量ΔｘＡ′　はである。

同様にターゲットセンサ３２の直線座標に対するズレ量
Δｘ８は、 ΔＸＢ＝　Ｘａ　−Ｘｏｃ ・・・・・・・・・（１７） であり、曲線座標に対するズレ量Δ×ｏ゛はである。そ
して、掘削機３０の方向Ｉはターゲットセンサ３１及び
３２を結ぶベクトルであり、！−（Ｘ８°−ＸＡ’）　
／　Ｌ　　　　　　＝−（１９）ただし、しは掘削機３
０の変角に伴って見かけの長さは変化するが、通常±５
°程度であるので無視する。無視できない場合は、ター
ゲットセンサを３個設置して補正する。

となる。以上の如く掘削機３０の位置、方向を計算して
求める（ステップＳ６）。この計算は、コンピュータ４
１〜４３から伝送されて来るデータをセンタコンピュー
タ４０によって解析、計算することによって行なわれる
。レーザビーム５．５への偏角量は、偏角プリズムの回
動量を検知（たとえばパルスモータへのパルス数供給の
計算）することによって行ない得る。

その後、掘削機３０までの距離を計測しくステップＳ７
）、掘削機３０の位置計測を行なう必要があるか否かを
判断し距離を求め（ステップＳ８）、屈曲点２の位置変
動をチェックする（ステップ５９）。ＯＫであれば上記
ステップＳ２ヘリターンし、ＯＫでない場合は上記ステ
ップＳ７ヘリターンして上記動作を繰返す。掘削機３０
までの距離の計測は、たとえば１ｍ掘削する毎に行なえ
は十分であり、掘曲点２は地盤変化等によって基点３に
対して変動することが多いからである。

（発明の変形例） 以上は曲線隨道の自動測量について平面的な動作を説明
したが、断面に関する立体動作についても全く同様であ
る。また、この原理を発破工法における装薬位置にレー
ザビームや他の光ビームを照射する場合にも応用できる
。ざらに、上述の実施例では隨道の屈曲点を１つとし、
１つの屈曲点に光（馬用機を設置するようにしているが
、２以上の屈曲点に光偏角機を設けて測量することも可
能であり、各光偏角機のデータを直接コンピュータ等の
データ処理装置に有線もしくは無線で伝送するようにし
ても良い。

（発明の効果） 以上のようにこの発明の測量システムによれば、隈道等
の屈曲点に光偏角機を設置して任意位置に光ビームを偏
角させることができるのて、測量を自動的に行なうこと
ができ、人為誤差を生じることもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図はそ
の測量値を示す図、第３図（八）はこの発明に′用いる
光偏角機の一例を示す正平図、同図（Ｂ）はその側面図
、第４図はこの発明に用いるターゲットセンサの一例を
示す図、第５図（Ａ）〜（Ｃ）及び第６図（＾）　、　
（［１）は光偏角機の動作を説明するための図、第７図
はこの発明の動作例を示すフローチャート、第８図はビ
ームの捩角を検出する様子を示す図である。 １・・・随道、２・・・屈曲点、３基点、４・・・レー
ザ発振器、５，５Ａ・・・レーザビーム、１０．２０・
・・光偏角機、２１．２２・・・偏角プリズム、２１Ｍ
、２２Ｍ・・・モータ、３０・・・掘削機、３１．３２
・・・ターゲットセンサ。 出願人代理人　　安　形　雄　三 Ｋ （Ａ） ＜８） 羊６旨 革７回 手続補正書 昭和６２年２月２４日 特許庁長官　黒　１）明　雄　殿 １、事件の表示 昭和６１年特許願第３０７３４９号 ２、発明の名称 隨道等における自動測量システム ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 フジタ工業株式会社 ４、代理人 ５、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」及び「図面の６、補正の
内容 （１）明細書、第１９頁′ｔＳ５行目にＲ」 とあるを Ｒ」 と補正する。 （２）同、第２０頁第１行目に Ｒ」 とあるを と補正する。 （コ）同、第２０頁第８行目に ’Ｉ　＝　（Ｘｓ’　−ＸＡ’）　／　Ｌ　　　　−・
＝−（１９）　Ｊとあるを ｒｌ、（Δｘ０゛　　−ΔＸＡ’）　／　Ｌ　　−・＝
　・＝　（＋９）　Ｊと補正する。 （４）同、′ｆ％２３頁第８行目に「３基点」とあるを
［３・・・基点）と補正する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射された光ビームを任意方向に偏角させる光偏
   角機を光源部及び隧道等の屈曲部に配設し、前記光源部
   からの照射ビームを前記各光偏角機の偏角によって、前
   記隧道等の先端部に導いて前記隧道等の測量を行なうよ
   うにしたことを特徴とする隧道等における自動測量シス
   テム。
2. （２）前記光偏角機が、同一頂角を有する２枚の偏角プ
   リズムと、前記各偏角プリズムを同一光軸上に近接させ
   て対向させると共に、前記各偏角プリズムをそれぞれ前
   記光軸を中心軸として独立に回動させる２つの回動手段
   と、入力データに基づき所定の演算を行ない前記回動手
   段をそれぞれ駆動する制御手段とで 成っている特許請求の範囲第１項に記載の隧道等におけ
   る自動測量システム。
3. （３）前記光源部がレーザービームを照射するようにな
   っている特許請求の範囲第１項に記載の隧道等における
   自動測量システム。