JPH0345769B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、被測量物体の三次元位置検出方法に
関し、特にシールド掘削機やトンネルボーリング
マシンのような被測量物体の三次元座標を特定す
るのに適する位置検出方法に関する。

シールド掘削機、トンネルボーリングマシン等
のトンネル掘削機においては、近時、その運転の
自動化が促進され、掘削能率の向上が図られてい
るが、トンネル掘削機のこのような高能率性は、
トンネル掘削機の掘進方向を常に監視してトンネ
ル掘削機が計画路線に沿つて進むようにこれを制
御することにより維持される。

したがつて、本発明の目的は、被測量物体の進
行方向の監視に好適な、被測量物体の位置検出方
法を提供することにある。

本発明に係る被測量物体の位置検出方法は、予
め三次元座標が特定された三つの既知点を設定し
かつ該既知点および被測量物体の双方を見通すこ
とができる位置に基準点を設定した後、該基準点
および各既知点を結ぶ線と前記基準点を含む任意
の基準線との成す角度、および前記基準点と各既
知点との間の距離を測量し、かつ前記基準点およ
び前記被測量物体を結ぶ線と前記基準線との成す
角度、および前記基準点と前記被測量物体との間
の距離を測量することにより前記被測量物体の三
次元座標位置を求めることを特徴とする。

本発明によれば、例えば被測量物体がシールド
掘削機の場合、掘削計画路線を予め前記シールド
掘削機の位置が表示される座標系に表示しておけ
ば、前記シールド掘削機が前記計画路線に沿つて
進んでいるか否かを視覚的に確認することがで
き、また、三次元座標上に表示されたシールド掘
削機の表示点が前記計画路線の表示線から変位し
ているとき、その変位量は演算によつて容易に求
めることができる。さらに、前記計画路線に曲線
部が含まれているか否かに関係なく被測量物体の
三次元座標位置を求めることができる。

本発明が特徴とするところは、図示の実施例に
ついての以下の説明により、さらに明らかとなろ
う。

まず、第１図に示すように、被測量物体１０、
例えばトンネル１１内のシールド掘削機、を見通
すことができる位置に基準点Ｏを設定しかつ該基
準点から見通すことができる位置１３、例えばシ
ールド掘削機による掘削の起点となる竪坑、に三
つの既知点Ａ、Ｂ、Ｃを設定する。

このとき、被測量物体１０および既知点Ａ、
Ｂ、Ｃのそれぞれに、反射鏡１２（第３図）を基
準点Ｏに向けて設置し、また、基準点Ｏに互いに
直交する軸線の回りに回転可能の可動鏡１４（第
３図）を設置しかつ該可動鏡へ向けて測量装置１
６（第３図）を設置する。

反射鏡１２は、光を入射方向と平行に反射させ
るプリズムを有するコーナリフレクタを用いるこ
とができる。可動鏡１４は、第３図に示すよう
に、反射板１４ａと、該反射板１４ａを支承する
一対の横軸１４ｂ，１４ｃ、該一対の横軸の一方
に接続され反射板１４ａを回転させるためのトル
クモータ１４ｄ、その他方に接続され反射板１４
ａの回転角度を検出するためのエンコーダ１４
ｅ、前記一対の横軸を介して前記トルクモータお
よび前記エンコーダに連結された反射板１４ａを
前記一対の横軸に直交する軸線の回りに回転させ
るためのトルクモータ１４ｆ、およびその回転角
度を検出するためのエンコーダ１４ｇを有する架
台１５を備える。また、測量装置１６は、第４図
に示すように、He−Neレーザ発振器のような発
光器１８と、半導体光位置検出器、四分割光位置
検出器のような光検知器２０と、光波距離計２２
とを備え、これらは後記切り換えミラー２４とと
もにユニツトにまとめられている（第３図）。さ
らに、図示しないが、発光器１８、光検知器２０
および光波距離計２２と、可動鏡１４とは、それ
ぞれ、制御機器を介してメインコンピユータに接
続されている。

反射鏡１２、可動鏡１４および測量装置１６の
設置後、基準点Ｏを含む後述の任意の基準線と各
既知点Ａ、Ｂ、Ｃおよび基準点Ｏを結ぶ直線との
成す角度、前記基準線と基準点Ｏおよび被測量物
体１０を結ぶ直線との成す角度、基準点Ｏと各既
知点Ａ、Ｂ、Ｃとの間の距離および基準点Ｏと被
測量物体１０との間の距離を測量する。

まず、基準点Ｏに設置された可動鏡１４へ向け
て発光器１８からレーザ光を発射する。該レーザ
光は、第４図に示すように、一対の反射板２８を
介して発光器１８と平行に配置されたエキスパン
ダ３０に導かれ、ここでその光束の光径を調整さ
れた後、エキスパンダ３０の前方に配置された反
射板３２と光検知器２０の前方に配置された反射
板３４とで反射されて基準点Ｏへ向けて光路２６
を進む。

次に、前記レーザ光が可動鏡１４の反射板１４
ａで反射されて光検知器２０の受光面２０ａの中
央に入射するように、反射板１４ａを横軸１４
ｂ，１４ｃの軸線およびこれと直交する軸線の回
りに回転させる。

このときの可動鏡１４の制御は、まず、手動ま
たは前記メインコンピユータによるマニユアル操
作により反射板１４ａが測量装置１６に対向する
ようにおおよその位置決めを行う。このとき、前
記レーザ光は反射板１４ａで反射されて光検知器
２０の受光面２０ａに入射し、前記レーザ光の入
射位置に応じた受光信号が光検知器２０から前記
メインコンピユータへ伝送されるから、この受光
信号に基いて前記メインコンピユータから可動鏡
１４へ指示信号を送信し、トルクモータ１４ｄ，
１４ｆをこれに内蔵されたタコジエネレーによる
速度制御下において駆動し、反射板１４ａを横軸
１４ｂの軸線およびこれと直交する軸線の回りに
所定の角度を回転させる。反射板１４ａの回転角
度はエンコーダ１４ｅ，１４ｇにより検出され、
それぞれの読み値が前記メインコンピユータへ伝
送される。前記受光信号に基く反射板１４ａの回
転動作を繰り返し行うことにより、第４図に示す
ように、光路２６に沿つて戻る前記レーザ光が集
光レンズ３６を経て受光面２０ａの中央に入射さ
れる。

その後、反射板３４（第４図）の前方に配置さ
れ、光路２６を遮断しまたこれを解除すべく光路
１６の横断方向を移動可能の切り換えミラー２４
を光路２６上に位置させ、次いで切り換えミラー
２４へ向けて配置された光波距離計２２からレー
ザ光を発射する。レーザ光が光路２６を往復して
再び光波距離計２２に戻つたときの入射光の位相
と発射光の位相との差により、基準点Ｏと測量装
置１６の設置位置との間の距離Ls（第５図）が検
出される。

次に、基準点Ｏと測量装置１６の前記設置位置
とを結ぶ直線を基準線Ｓとして、発光器１８から
発射されたレーザ光が可動鏡１４で反射されて反
射鏡１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのそれぞれ
に入射しさらに反射されたレーザ光が再び可動鏡
１４で反射されて光検知器２０の受光面２０ａの
中央に入射するように可動鏡１４を、前記直交す
る二つの軸線の回りに回転させる。このときの可
動鏡１４の制御も前記したところに準じて行えば
よく、各反射鏡に関する可動鏡１４の反射板１４
ａの前記基準線Ｓからの回転角度はエンコーダ１
４ｅ，１４ｇの読み値から知ることができる。ま
た、反射鏡が配置された各既知点Ａ、Ｂ、Ｃおよ
び被測量物体１０と基準点Ｏとの間の距離La，
Lb，Lc，Ldは、反射板１４ａの前記回転角度の
位置において、光波距離計２２により測定された
測距値から距離Lsを差し引くことにより求める
ことができる（第５図）。

その後、既知点Ａ、Ｂ、Ｃが表示された基準と
なる直交座標系（以下Ｐ座標系という）に被測量
物体１０の位置を表示するために、前記測量の結
果に基いて演算により各既知点から基準点Ｏに至
る線分と基準点Ｏから被測量物体に至る線分との
成す三つの角度すなわち夾角α，β，γを求める
（第６図）。

ところで、測量によつて得られた前記回転角度
は、基準線Ｓを含む平面および該平面と直交する
面とで構成され基準点Ｏを原点とする直交座標系
（以下Ｒ座標系という）における前記平面上およ
び該平面からの前記直交面上における角度であ
る。したがて、前記夾角α，β，γは、それぞ
れ、各既知点の座標をＰ座標系からＰ座標系に変
換して求める。例えば夾角αを求める場合、既知
点ＡのＲ座標系における三次元座標を（ｘ，ｙ，
ｚ）（図示せず）とすると、前記距離Laと前記横
軸の軸線および該軸線に直交する直交軸線の回り
の各回転角度ａ、ｂ（図示せず）とから、ｘ，ｙ
およびｚは、それぞれ、ｘ＝La・cos.a・cos.b、
ｙ＝La・cos.b・sin・ａおよびｚ＝La・sin.bと
表わすことができ、次いで前記距離Ldと前記軸
線および前記直交軸線の回りの各回転角度とから
Ｒ座標系における三次元座標を求め、さらに、基
準点Ｏから反射鏡１２ａおよび１２ｄに向かう三
次元空間における二つのベクトルの内積の関係を
利用して夾角αを算出することができる。

次に、余弦法則の適用により反射鏡１２ａ，１
２ｄ間、反射鏡１２ｄ，１２ｄ間および反射鏡１
２ｃ，１２ｄ間の各距離を算出した後、各距離を
半径としかつ各既知点を中心とするＰ座標系にお
ける三つの球の方程式を解くことによりＰ座標系
の符号４＋，−）を考慮して被測量物体１０の三
次元座標位置を知ることができる。

被測量物体１０の位置検出のための前記測量
は、可動鏡１４を使用することに代えて、第７図
に示すように、一つのユニツトにまとめられた測
量装置１６を前記架台１５上に支持しこれを前記
直交軸線の回りに回転させて行つてもよい。この
場合、測量装置１６は基準点Ｏに設置される。前
記基準線は、例えば既知点Ａと基準点Ｏとを結ぶ
線とすることができる。この後者の例において
は、前者の例のように可動鏡１４が介在されない
ため、光エネルギの減衰が少なく、また測量装置
１６の前記二つの軸線の回りの微少な回転制御が
容易である。他方、前者の例においては、架台１
５に搭載される反射板１４ａの重量が前記ユニツ
トより小さいため、反射板１４ａを小さい駆動力
で回転させることができ、また制御用、データ送
信用のケーブルの配線が容易である。

ところで、前記シールド掘削機のように被測量
物体１０が経時的にその位置を変える場合にあつ
ては、被測量物体１０と測量装置１６または可動
鏡１４が設置された基準点Ｏとの間の距離の拡大
に伴うレーザ光の口径の拡大化およびレーザ光の
エネルギ密度の低下により測量の正確を期し難く
なり、あるいは基準点Ｏから被測量物体１０を見
通すことが不可能となる。そのために、第２図に
示すように、被測量物体１０の進行に合わせて三
つの既知点Ａ、Ｂ、Ｃと基準点Ｏとをそれぞれ、
既知点Ａ−１−Ｂ−１−Ｃ−１（または既知点Ａ
−２，Ｂ−２，Ｃ−２）と基準点Ｏ−１というよ
うに移設して前記測量を行う。移設後の既知点Ａ
−１，Ｂ−１，Ｃ−１の座標上の位置はこれら既
知点の設置時あるいは測量装置１６から前記した
ようにレーザ光を発射することによる測量によつ
て定めることができる。

なお、基準点Ｏに設置される可動鏡１４あるい
は測量装置１６は、必ずしも水平に配置する必要
はない。すなわち、水平面を定める必要がある場
合には、前記各距離La，Lb，Lcを半径としかつ
各既知点Ａ、Ｂ、Ｃを中心とする三つの球の方程
式を解くことにより、Ｐ座標系に基準点Ｏをあら
わすことができ、これにより水平面を特定するこ
とができる。このことはまた、可動鏡１４あるい
は測量装置１６の配置に際し、これを水平にする
作業の煩雑さを解消する。

また、Ｐ座標系に、前記シールド掘削機が掘進
すべき路線すなわち計画路線を予め表示しておく
ことにより、Ｐ座標系において前記計画路線から
の前記シールド掘削機の変位角度および変位距離
を容易に算出することができ、この計算を含め前
記した演算を前記メインコンピユータを介して行
う。

本発明によれば、被測量物体がトンネル掘削機
のように経時的にその位置が変化するものであつ
ても、連続的にその現在位置を検出することがで
き、計画路線を同一の座標系に表示しておけば、
トンネル掘削機が計画路線から変位したときの変
位量を視覚的に確認することができ、またトンネ
ル掘削機の掘進方向の早期修正を可能とする。さ
らに、直線状のトンネル内であるか直線部だけで
なく一または複数の曲線部を有するトンネル内で
あるかに拘らず、被測量物体であるトンネル掘削
機の位置を検出することができる。

本発明に係る被測量物体の位置検出方法はま
た、ダム造成のような屋外工事、台船の位置決め
のような海洋工事等においても好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第５図および第６図は本発明
に係る被測量物体の位置検出方法の概略を示す説
明図、第３図は可動鏡の概略図、第４図は測量装
置の概略図、第７図は架台に支持された測量装置
の概略図である。 １０…被測量物体、１２，１２ａ，１２ｂ，１
２ｃ，１２ｄ…反射鏡、１４…可動鏡、１６…測
量装置、１８…発光器、２０…光検知器、２２…
光波距離計、Ｏ…基準点、Ａ、Ｂ、Ｃ…既知点、
Ｓ…基準線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測量物体の位置を検出する方法であつて、
   前記被測量物体を見通すことができる位置に基準
   点を設定しかつ該基準点から見通すことができる
   位置に三つの既知点を設定し、次いで前記基準点
   および前記各既知点を結ぶ線と前記基準点を含む
   任意の基準線との成す角度、前記基準点および前
   記被測量物体を結ぶ線と前記基準線との成す角
   度、前記基準点と各既知点との間の距離、および
   前記基準点と前記被測量物体との間の距離を、そ
   れぞれ、測量することにより前記被測量物体の位
   置を求める、被測量物体の位置検出方法。 ２ 前記角度および前記距離の測量は、前記基準
   点に、直交する二つの軸線の回りに回転可能の可
   動鏡を、前記基準点へ向けて発光器と光検知器と
   光波距離計とを備える測量装置を、および前記既
   知点と前記被測量物体とに前記基準点へ向けて反
   射鏡を、それぞれ、設置して行う、特許請求の範
   囲第１項の方法。 ３ 前記角度および前記距離の測量は、直交する
   二つの軸線の回りに回転可能の、発光器と光検知
   器と光波距離計とを備える測量装置を前記基準点
   に設置しかつ反射鏡を前記基準点へ向けて前記既
   知点および前記被測量物体のそれぞれに設置して
   行う、特許請求の範囲第１項の方法。