JP2000329515A - トンネル掘削機の位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １台の三次元計測器で移動範囲の大きいトン
ネル掘削機に追従できる位置計測装置を提供する。 【解決手段】 トンネル掘削機１上の前側基準部Ａおよ
び後側基準部Ｂに反射プリズムと赤外線発光部がそれぞ
れ設けられ、赤外線発光部の一方を点灯するとともに他
方を消灯する発光切換制御を行う一方、計測器側コンピ
ュータ１２によって各赤外線発光部を追尾して前側基準
部Ａおよび後側基準部Ｂの角度を計測するとともに、反
射プリズムに反射する光波から測定部に対する反射プリ
ズムの距離を計測し、計測された各光源の角度と反射プ
リズムの距離とを基にトンネル掘削機１の位置を算出す
る構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル掘削機の
位置計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トンネル掘削機を自動運転させる場合、
またはオペレータの操作を誘導する場合に、トンネル掘
削機の位置を絶えず自動計測する必要がある。

【０００３】トンネル掘削機の位置計測装置として、本
出願人により特願平８−３１４４１１号として提案され
ているものは、トンネル掘削機上に３つの発光源と反射
プリズムを設けるとともに、トンネル掘削機の後方に各
反射プリズムの座標位置を計測する１台のＣＣＤカメラ
付三次元計測器を設置し、ヨウイング角、ピッチング
角、ローリング角を含むトンネル掘削機の位置を計算す
るようになっている。

【０００４】また、従来、トンネル掘削機上に２つの発
光源付き反射プリズムを設けるとともに、トンネル掘削
機の後方に各反射プリズムの座標位置を計測する２台の
三次元計測器を設置し、ヨウイング角、ローリング角を
含むトンネル掘削機の位置を計算するものがあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、１台の
ＣＣＤカメラ付三次元計測器で３つの発光源および反射
プリズム位置を計測するものにあっては、小型のトンネ
ル掘削機の場合にその移動範囲が大きくなったり、ヨウ
イング角、ピッチング角、ローリング角のとる範囲が大
きくなると、ＣＣＤカメラで３つの発光源を認識するこ
とが難しく、誤計測を行う心配がある。

【０００６】また、２台の三次元計測器で２つの発光源
付き反射プリズム位置を計測するものにあっては、高価
な三次元計測器が増えることによってコストアップを招
く。そして、トンネルの天井部から三次元計測器を吊り
下げるようにして設置する場合、設置作業の工数が大幅
に増えるという問題点があった。

【０００７】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、１台の三次元計測器で移動範囲の大きいトン
ネル掘削機に追従できる位置計測装置を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、トンネル
掘削機に設定される第一基準部および第二基準部と、第
一基準部および第二基準部に設置される各光源と、各光
源を選択して発光させる発光切換手段と、トンネル掘削
機から離れた位置に設定される測定部と、測定部に対す
る各光源の角度を計測する光源角度計測手段と、少なく
とも第一基準部に設置される反射プリズムと、反射プリ
ズムに反射する光波から測定部に対する反射プリズムの
距離を計測する距離計測手段と、計測された各光源の角
度と反射プリズムの距離とを基にトンネル掘削機の位置
を算出する位置算出手段とを備えるものとした。

【０００９】第２の発明は、第１の発明において、第一
基準部および第二基準部に設置される各反射プリズム
と、各反射プリズムを選択して遮蔽する遮蔽切換手段
と、各反射プリズムに反射する光波から測定部に対する
各反射プリズムの距離を計測する距離計測手段と、計測
された各光源の角度と反射プリズムの距離とを基にトン
ネル掘削機の位置を算出する位置算出手段とを備えるも
のとした。

【００１０】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、第一基準部と第二基準部をトンネル掘削機の前後
方向に並んで配置し、トンネル掘削機の傾斜角度を検出
する傾斜角度検出手段と、計測された各光源の角度と反
射プリズムの距離およびトンネル掘削機の傾斜角度とを
基にトンネル掘削機の位置を算出する位置算出手段とを
備えるものとした。

【００１１】

【発明の作用および効果】第１の発明において、計測さ
れた複数の光源の角度と、各光源間の距離（既知数）
と、少なくとも一つの反射プリズムの距離とを基に第一
基準部および第二基準部の座標位置が算出される。

【００１２】各光源を選択して発光させることにより、
１台の三次元計測器によって各光源の角度を計測するこ
とができる。

【００１３】また、高価な計測器の設置数を最小限に抑
えてコストダウンがはかれるとともに、トンネルの天井
部から計測器を吊り下げるような場合に、設置作業を大
幅に減らすことができる。

【００１４】第２の発明において、各反射プリズムを選
択して遮蔽することにより、１台の計測器によって各反
射プリズムの距離を計測することができる。

【００１５】第３の発明において、計測される第一基準
部および第二基準部の座標位置を基にトンネル掘削機の
ヨウイング角とピッチング角が求められ、傾斜計によっ
てロールング角が計測される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１７】図３〜５に示すように、掘削機１はトンネ
ル３０内の左掘削位置付近、中央掘削位置付近、右掘削
位置付近（掘削位置はこの３カ所に限らない）のいずれ
かに自走して停止し、アウトリガー等を介して車体が地
面に支持された状態でトンネル３０を掘削する。

【００１８】掘削機１は、油圧駆動されるブーム２５の
先端に掘削用カッタ２６を備える。図２に示すように、
掘削機１にはブーム２５を上下方向に回動させる油圧を
制御する上下角制御弁４４と、ブーム２５を左右方向に
回動させる油圧を制御する旋回角制御弁４５と、ブーム
２５を伸縮させる油圧を制御するテレスコ長制御弁４６
とを備えるとともに、各制御弁４４，４５，４６の作動
を制御するコンピュータ４０を備える。オペレータがコ
ンピュータ４０を介してブーム２５を操作できるように
なっている。

【００１９】掘削機側コンピュータ４０は、三次元計測
器１２のコンピュータ１４から無線機１６を介して入力
される計測データと、掘削機１のロールング角とピッチ
ング角を計測する傾斜計４１の計測データおよび掘削機
１のヨウイング角を計測するジャイロ４３の計測データ
を基に掘削機１の位置を計算するとともに、ブーム２５
の上下角検出器４７、旋回角検出器４８、テレスコ長検
出器４９各検出信号を入力してカッタ２６の座標位置を
計算し、これをモニタに表示する。そして、タッチモニ
タ４２を介して入力されるトンネル形状値、トンネル半
径、トンネルスプリングレベルとインバート間距離、ト
ンネルスプリングレベル半径と半径の中心位置、余り彫
り調整値等のデータを基に掘削目標軌跡等を計算し、こ
れをモニタに表示するとともに、半自動の場合は、カッ
タ２６の刃先が計画円周軌跡まで到達すると、各制御弁
４４，４５，４６を自動的に閉弁作動させ、それ以上の
深堀りを防ぐ制御を行う。全自動の場合は、カッタ２６
の刃先が自動的に掘削軌跡円周上をなぞって掘削する。

【００２０】図１に示すように、トンネル３０には掘削
機１の後方に位置する測定部に三次元計測器１２が設置
され、三次元計測器１２の計測データを処理するコンピ
ュータ１４と、掘削機側コンピュータ４０との間でデー
タを送受信する無線機１５とが備えられる。

【００２１】三次元計測器１２をトンネル３０の中心線
Ｔ上付近に位置するトンネル天井部に吊り下げられる。
そして、三次元計測器１２の取り付け位置を測量して、
そのデータを計測器側コンピュータ１４に入力する。図
６はこれらの作業手順を示している。

【００２２】三次元計測器１２は、測定部から放射され
反射プリズムに反射するレーザの光波から測定部に対す
る反射プリズムの距離を計測する光波距離計（距離計測
手段）と、赤外線発光部（光源）を追尾して測定部に対
する赤外線発光部の角度を計測する光源角度計（光源角
度計測手段）とを備える。

【００２３】反射プリズムや赤外線発光部を掘削機１上
に設置する場所として、掘削機１の中心線Ｋ上に前側基
準部（第一基準部）Ａおよび後側基準部（第二基準部）
Ｂが所定距離だけ離して設定される。

【００２４】前側基準部Ａおよび後側基準部Ｂに反射プ
リズムと赤外線発光部５，６および各反射プリズムを遮
蔽するプリズムシャッタ７，８がセットでそれぞれ設け
られる。

【００２５】本発明の発光切換手段として、掘削機側コ
ンピュータ４０は赤外線発光部５，６の一方を点灯する
とともに他方を消灯する制御を行う。これにより、各赤
外線発光部５，６を同時に点灯することがなく、一台の
三次元計測器１２を用いて各赤外線発光部５，６を追尾
して前側基準部Ａおよび後側基準部Ｂの角度をそれぞれ
計測することが可能なる。

【００２６】本発明の遮蔽切換手段として、掘削機側コ
ンピュータ４０はプリズムシャッタ７，８の一方を閉じ
るとともに他方を開く制御を行う。これにより、各反射
プリズムがレーザ光を同時に反射することがなく、三次
元計測器１２の誤計測が防止される。

【００２７】図７、図８は、三次元計測器１２による計
測を行い、掘削機１の位置を求める手順を示しており、
掘削機側コンピュータ４０または計測器側コンピュータ
１４における各処理は互いに連携し、一定周期毎に繰り
返し実行される。

【００２８】これについて説明すると、まず、掘削機１
をトンネル３０内の左掘削位置、中央掘削位置、右掘削
位置のいずれかに自走して停止し、オペレータによって
アウトリガー等を介して車体が地面に支持された状態
で、掘削機１の掘削位置を停止釦で入力した後、三次元
計測器１２による自動計測を開始する。

【００２９】自動計測を行うにあたって、まず掘削機側
コンピュータ４０が前側赤外線発光部５を点灯させる一
方、計測器側コンピュータ１４が前側赤外線発光部５を
追尾して光源角度を計測する。そして、掘削機側コンピ
ュータ４０が前側基準部Ａの計測時に前側プリズムシャ
ッタ７を開くとともに後側プリズムシャッタ８を閉じる
一方、計測器側コンピュータ１４が前側反射プリズムの
距離を計測する。こうして、測定部に対する前側基準部
Ａの角度および距離が計測され、計測器側コンピュータ
１４はこの計測値を基に前側基準部ＡのＸ，Ｙ，Ｚ座標
を計算により求める。

【００３０】続いて、掘削機側コンピュータ４０が前側
赤外線発光部５を消灯し、後側赤外線発光部６を点灯さ
せる一方、後側赤外線発光部６の光源角度を計測する。
そして、計測器側コンピュータ１４が後側基準部Ｂを計
測した後、掘削機側コンピュータ４０が前側プリズムシ
ャッタ８を開くとともに前側プリズムシャッタ７を閉じ
る一方、計測器側コンピュータ１４が後側基準部Ｂを計
測した後、掘削機側コンピュータ４０が後側反射プリズ
ムの距離を計測する。こうして、測定部に対する後側基
準部Ｂの距離および角度が計測され、計測器側コンピュ
ータ１４はこの計測値を基に後側基準部ＢのＸ，Ｙ，Ｚ
座標を計算により求める。

【００３１】続いて、前側基準部Ａおよび後側基準部Ｂ
のＸ，Ｙ，Ｚ座標を基に掘削機１のヨウイング角とピッ
チング角を計算により求め、傾斜計４１によって計測さ
れる掘削機１のロールング角を読み込む。前側基準部Ａ
および後側基準部Ｂは掘削機１の中心線Ｋ上に設定され
ているため、前側基準部Ａおよび後側基準部ＢのＸ，
Ｙ，Ｚ座標を基に掘削機１のヨウイング角とピッチング
角が求められるが、ローリング角が求められないため、
傾斜計４１によってロールング角を計測するようになっ
ている。

【００３２】掘削機側コンピュータ４０は、前側基準部
Ａおよび後側基準部ＢのＸ，Ｙ，Ｚ座標を基に前側基準
部Ａおよび後側基準部Ｂ間の距離を計算し、この計算値
と実際の距離の差が所定値を超えて大きい場合に、掘削
機１の移動や振動等に起因する計測誤差が生じたものと
判定し、この計測データを使用せず、傾斜計４１による
ローリング角、ピッチング角の計測データを用いるとと
もに、ジャイロ４３によるヨウイング角の計測データを
用いて、掘削機１の座標位置を計算する。

【００３３】また、前側基準部Ａおよび後側基準部Ｂ間
の距離の計算値と実際の距離の差が所定値より小さいに
場合に、計測誤差が十分に小さいものと判定し、この計
測データを使用する。また、この時点でジャイロ４３ド
リフト量を消去し、計算上のヨウイング角のデータとジ
ャイロ４３によるヨウイング角の計測データが同等のも
のと判断させる。

【００３４】掘削機側コンピュータ４０は、求められた
前側基準部Ａおよび後側基準部ＢのＸ，Ｙ，Ｚ座標、ピ
ッチング角、ヨウイング角、ブーム２５の上下角、ブー
ム２５の旋回角、ブーム２５のテレスコ長を基にカッタ
２６の刃先位置を計算する。

【００３５】求められたカッタ２６の座標位置はモニタ
に表示されるとともに、カッタ２６が計画円周軌跡まで
到達すると、各制御弁４４，４５，４６を自動的に作動
させてカッタ２６が軌跡線をなぞりながら掘削させる制
御が行われる。図９はこれらの作業手順を示している。

【００３６】次に他の実施の形態として、前側基準部Ａ
に反射プリズムと赤外線発光部５を設け、後側基準部Ｂ
に赤外線発光部６のみを設けてもよい。

【００３７】自動計測を行うにあたって、まず掘削機側
コンピュータ４０が前側赤外線発光部５を点灯させる一
方、計測器側コンピュータ１４が前側赤外線発光部５を
追尾して光源角度を計測する。そして、計測器側コンピ
ュータ１４が反射プリズムの距離を計測する。こうし
て、測定部に対する前側基準部Ａの角度および距離が計
測され、計測器側コンピュータ１４はこの計測値を基に
前側基準部ＡのＸ，Ｙ，Ｚ座標を計算により求める。

【００３８】続いて、掘削機側コンピュータ４０が前側
赤外線発光部５を消灯し、後側赤外線発光部６を点灯さ
せる一方、計測器側コンピュータ１４が後側赤外線発光
部６の光源角度を計測する。こうして計測される後側基
準部Ｂの角度と、既に求められた前側基準部ＡのＸ，
Ｙ，Ｚ座標と、予め入力された前側基準部Ａと後側基準
部Ｂの位置関係とを基に後側基準部ＢのＸ，Ｙ，Ｚ座標
を計算により求める。

【００３９】この場合、反射プリズムが一つで済み、反
射プリズムを遮蔽するプリズムシャッタが不要となる。

【００４０】さらに他の実施の形態として、掘削機１の
中心線Ｋと直交する線上に２つの基準部を所定距離だけ
離して設定してもよい。

【００４１】この場合、左右方向に並ぶ２点のＸ，Ｙ，
Ｚ座標を計算により求められ、この測定データを基に掘
削機のヨウイング角、ローリング角を計算により求めら
れるが、ピッチング角が求められないため、傾斜計によ
ってピッチング角を計測すればよい。

【００４２】さらに他の実施の形態として、掘削機上に
３つの基準部を設定し、各基準部の少なくとも一つに反
射プリズムを設けるとともに、各基準部に発光部をそれ
ぞれ設けてもよい。

【００４３】この場合、３点のＸ，Ｙ，Ｚ座標を計算に
より求められ、この測定データを基に掘削機のヨウイン
グ角、ピッチング角、ローリング角を全て計算により求
められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す三次元計測器側のシ
ステム図。

【図２】同じく掘削機側のシステム図。

【図３】同じく平面図。

【図４】同じく側面図。

【図５】同じく正面図。

【図６】同じく三次元計測器を設置する作業手順を示す
流れ図。

【図７】同じく三次元計測器による計測を行い掘削機の
位置を求める手順を示す流れ図。

【図８】同じく三次元計測器による計測を行い掘削機の
位置を求める手順を示す流れ図。

【図９】同じくトンネル掘削を行う作業手順を示す流れ
図。

【符号の説明】

１ 掘削機 ５ 前側発光部 ６ 後側発光部 ７ 前側プリズムシャッタ ８ 後側プリズムシャッタ １２ 三次元計測器 １４ 計測器側コンピュータ １５ 無線機 ４０ 掘削機側コンピュータ ４１ 傾斜計 ４３ ジャイロ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トンネル掘削機に設定される第一基準部お
   よび第二基準部と、 前記第一基準部および前記第二基準部に設置される各光
   源と、 前記各光源を選択して発光させる発光切換手段と、 前記トンネル掘削機から離れた位置に設定される測定部
   と、 前記測定部に対する前記各光源の角度を計測する光源角
   度計測手段と、 少なくとも前記第一基準部に設置される反射プリズム
   と、 前記反射プリズムに反射する光波から前記測定部に対す
   る前記反射プリズムの距離を計測する距離計測手段と、 計測された前記各光源の角度と前記反射プリズムの距離
   とを基に前記トンネル掘削機の位置を算出する位置算出
   手段と、 を備えたことを特徴とするトンネル掘削機の位置計測装
   置。
2. 【請求項２】前記第一基準部および前記第二基準部に設
   置される各反射プリズムと、 前記各反射プリズムを選択して遮蔽する遮蔽切換手段
   と、 前記各反射プリズムに反射する光波から前記測定部に対
   する各反射プリズムの距離を計測する距離計測手段と、 計測された前記各光源の角度と前記反射プリズムの距離
   とを基に前記トンネル掘削機の位置を算出する位置算出
   手段と、 を備えたことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘
   削機の位置計測装置。
3. 【請求項３】前記第一基準部と前記第二基準部とを前記
   トンネル掘削機の前後方向に並んで配置し、 前記トンネル掘削機の傾斜角度を検出する傾斜角度検出
   手段と、 計測された前記各光源の角度と前記反射プリズムの距離
   および前記トンネル掘削機の傾斜角度とを基に前記トン
   ネル掘削機の位置を算出する位置算出手段と、 を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のト
   ンネル掘削機の位置計測装置。