JPH044529B2 - - Google Patents

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JPH044529B2
JPH044529B2 JP61137168A JP13716886A JPH044529B2 JP H044529 B2 JPH044529 B2 JP H044529B2 JP 61137168 A JP61137168 A JP 61137168A JP 13716886 A JP13716886 A JP 13716886A JP H044529 B2 JPH044529 B2 JP H044529B2
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  • Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、主としてシールドトンネル工事に
おけるシールド機(移動物体)の掘進位置や姿勢
等を測量するための自動測量装置に係り、さらに
いえば、検出部の自己位置は既知位置の基準点部
を視準することによつて随時自動測量して求める
ことができ、その上でシールド機(移動物体)に
設置したターゲツト部を視準することによつてそ
の位置、姿勢などの絶対値を自動測量することが
でき、かつこうした測量は全て遠隔操作と全自動
処理により行なわれる移動物体の位置姿勢自動測
量装置に関する。
なお、本発明に係る移動物体の位置姿勢自動測
量装置は、上記シールド工法におけるシールド機
の位置姿勢の自動測量に限らず、既設のセグメン
トの位置や滑走路に進入してくる飛行機、あるい
は道路を走行中の自動車、又は港に入つてくる船
舶その他の各種移動物体の位置、姿勢の測量等に
広く使用可能である。
(従来技術とその問題点など) シールドトンネル工事を高精度かつ能率的に施
工するためには、掘進中のシールド機の位置、姿
勢あるいはセグメントの位置などを常時リアルタ
イムで正確に把握し、随時計画線上を正確に掘進
するように適切な測量管理と方向修正を行なうこ
とが肝要である。
そこで従来、シールドトンネル工事における
坑内測量は、坑内に設置した基準点をもとにし
てトランシツトやレベル、スチールテープ等に
よる手作業でシールド計画中心線及びシールド
機の位置、方向を把握する方法、又はシールド
機に設置した傾斜計などによりシールド機の姿
勢(ピツチング角、ローリング角など)を把握
する測量方法を実施しているのが通例である。
その他、移動物体の位置姿勢を自動化機器で
測量する方法としては、基準軸に発振させたレ
ーザービームを一定の距離をおいた2個の平行
な板で受ける構成のもの、あるいはジヤイロコ
ンパス等を使用した自動測量システムも開発さ
れている。
次に、先の特願昭60−11974号明細書及び図
面に記載されたシールド機の自動測量装置は、
シールド機に三角形の各頂点に位置させた3個
の輝点より成るターゲツトを取付け、これを後
方のTVカメラ及び光波測距計から成る検出部
で視準し、同検出部で得た情報はデータ処理部
に送つてシールド機の位置、姿勢をリアルタイ
ムに自動測量し記録表示する構成とされてい
る。
本発明が解決しようとする問題点 () 上記のような手作業による測量方法の場
合は、測量が非能率的で省人化できないばかり
でなく、測量に豊富な経験と高度な技術が要求
される。また、測量及びシールド掘進の管理が
複雑になるし、測量結果のフイードバツクはセ
グメントリングにして数リングおき位にまで遅
れ、このため施工精度の確保が難かしいという
問題点があつた。
() また、上記の自動測量システムの場合
は、いずれもシールド機に精密で比較的大きな
検出部を設置する構成であるため、シールド径
が小さくなるにしたがつてその実施が困難にな
る。また、シールド機は掘削部に近接した極め
て悪い環境下にあるため、これに設置した精密
機器たる検出部やデータ処理部が故障しやすい
し、そのメンテナンスがむずかしいという欠
点、問題点があつた。
() さらに、上記の先願に係る自動測量装置
の場合は、シールド機と検出部との相対位置を
測量することは容易であるが、同シールド機の
絶対位置を測量するためにはまず検出部が基準
点に対しいかなる座標位置にあるか自己位置を
正確に特定把握しなければならない。そのため
にはまず検出部を据付けるべき位置を測量し、
同測量により求められた通常ダボと呼ばれる基
準点上に検出部を正確に設置しなければならな
いから、そうした測量及び検出部の設置に大変
な手数と高度な熟練が必要であつた。また、シ
ールド工事の場合、測量した前記基準点(ダ
ボ)及び検出部は既設のセグメントに設ける
が、シールド工事の施工に伴ない往々このセグ
メントがずり動くので、度々基準点の測量のや
り直しと検出部の位置の修正とが必要であつ
た。
さらにシールド機がカーブして掘進するとき
は、このシールド機をきつちり視準できるよう
に検出部の設置位置を折々変更していく必要が
あるので一層手数がかかるという問題点があつ
た。
問題点を解決するための手段 上記した従来技術の問題点を解決するための手
段として、この発明に係る移動物体の位置姿勢自
動測量装置は、図面の第1〜第14図に実施例を
示したとおり、 (イ) 略三角形状の配置とした3個の検出用輝点3
a〜3cと光波測距用反射プリズム4等で構成
され、測量対象の移動物体1に設置されたター
ゲツト部Aと、 (ロ) 前記ターゲツト部Aを視準する測距測角儀7
及びその望遠鏡7aに取り付けたテレビカメラ
6などで構成され、移動物体1の後方の坑内で
あつて同移動物体1を視準できる位置に設置さ
れた検出部Bと、 (ハ) 光波測距用反射プリズム5a及び輝点5bの
対で構成され、前記検出部Bの前方又は後方の
位置であつて検出部Bによる視準が可能な既知
の異なつた少なくとも2位置に設置された少な
くとも2個の基準点部D,Dと、 (ニ) 前記検出部Bで得た移動物体の測量情報、即
ちシールド機1までの距離、検出用輝点3a〜
3cのX−Y座標データをそれぞれ演算処理
し、シールド機1の位置、姿勢などを例えばシ
ールド機の計画線に対する位置ずれ、ピツチン
グ角、ヨーイング角、ローリング角としてそれ
ぞれ計算し記録表示するデータ処理部Cとで構
成したこと。
(ホ) そして、前記検出部Bは水平回転及び垂直回
転が可能で、しかも水平、垂直回転を遠隔操作
することが可能に構成されており、該検出部B
で基準点部Dを視準することにより自己位置を
自動測量し、移動物体1のターゲツト部Aを視
準することにより同移動物体1の位置、姿勢を
自動測量すること、をそれぞれ特徴とする。
本発明はまた、ターゲツト部Aを構成する3点
の検出用輝点3a〜3cは、正面方向から見ると
水平な直線上に配置し、平面方向に見ると二等辺
三角形又は正三角形の各頂点の位置に配置したこ
と、 検出部Bは、移動物体1の位置移動等に応じて
任意にその位置を変更可能であること、 もそれぞれ特徴とする。
作 用 検出部Bは、例えば移動物体1の移動経路に沿
つて予め敷設したレール上を移動自在なトロリー
等に装置した構成であつてもよく、かくして移動
物体1を追尾させその視準に適切な位置に止めた
上で、まず基準点部Dを視準させ、もつて自己位
置を測量し特定把握せしめる。
即ち、検出部Bの測距測角儀7で基準点部Dの
2個の輝点5bを視準し、より具体的にはTVカ
メラ6の十字線に輝点5bの中心を合せる操作に
よつて基準点部D(反射プリズム5a)までの斜
距離L及び水平角θ並びに垂直角を測定すると、
この測量情報に基き所謂後方交会法に基いて自己
の位置座標がデータ処理部Cにて演算処理され、
かつ記録、表示される。特に検出部Bは、基準点
部Dを視準することに必要な水平、垂直回転を遠
隔操作可能であるから、必要に応じて何回でも自
己の位置座標を特定把握することが容易であり、
セグメントのずれに対する自己位置の再確認とか
検出部B自体が移動する場合の再固定などが容易
でそれが苦にならない。
かくして自己位置が把握された検出部Bを使用
して、そのTVカメラ6が移動物体1のターゲツ
ト部Aをとらえるまで水平に回して視準し、前記
基準点部Dからターゲツト部Aまでの振り角(水
平回転角)と反射プリズム4までの測距値、及び
TVカメラ6でとらえたターゲツト部Aの3点の
輝点3a〜3cの位置座標を求めてこれをデータ
処理部Cで演算処理することにより、移動物体1
の絶対位置、姿勢を正確に自動測定し記録、表示
することができる。
ターゲツト部Aを3点の輝点3a〜3cで構成
した理由は、移動物体1の立体的測量を可能なら
しめ、特にヨーイング角(第11図)を測量可能
とするためである。
このターゲツト部Aは、発光ダイオートの如き
3点の輝点3a〜3cと光波測距用反射プリズム
4から成る簡単な構成であるから悪環境下に耐え
る。また全体の大きさは5cm角位であるから、比
較的小さな移動物体(例えば小口径シールド機)
にも容易に取付け使用できるのである。
(実施例) 次に、図面の第1〜第13図に示したこの発明
の好適な第1実施例を説明する。
まず、第1図は、この発明に係る自動測量装置
をシールドトンネル工事に実施した場合の全体構
成の概念図を示している。
図中1が測量対象の移動物体たるシールド機、
2はシールド機1の後方に組込まれたセグメント
である。
また、図中Aはシールド機1内に設置されたタ
ーゲツト部、Bはシールド機1よりずつと後方の
環境の良い場所を選んでその位置のセグメント2
に取付けて又は坑内に立てたポールスタンド上等
に設置された検出部、Cはデータ処理部、Dは座
標位置が既知である基準点部である。
ターゲツト部Aは、3点の検出用輝点3a,3
b,3cが中心をなす。これら3点の検出用輝点
3a〜3cはそれぞれ発光ダイオード(LED)
より成り、その基本的配置は第5図に示したとお
り、正面方向に見ると水平一直線上の配置とさ
れ、平面方向に見ると一辺の長さがlの正三角形
(又は二等辺三角形でも可)の各頂点に位置する
構成とされている。
このターゲツト部Aには、光波測距用反射プリ
ズム4が包含され、ターゲツト部Aは全体として
第2図のように構成されている。その全体の大き
さは5cm角位とされている。
次に、検出部Bは、前記ターゲツト部Aを視準
する測距測角儀7と、その望遠鏡7aに取付けた
TVカメラ6とより成る。また、この測距測角儀
7は、水平回転を水平駆動用モータ(ステツピン
グモータ)7bにより、垂直回転を垂直駆動用モ
ータ(ステツピングモータ)7cにより各々遠隔
操作可能に構成されている。
この検出部Bは、TVカメラ6が前記シールド
機1のターゲツト部Aをとらえるまで測距測角儀
7をモータ7b,7cで水平、垂直回転させ、
TVカメラ6でとらえた3点の輝点3a〜3cの
座標位置を後述のデータ処理部Cへ出力する。ま
た、測距部(光波距離計)はターゲツト部Aの光
波測距用反射プリズム4までの距離を測定し、そ
の測距値もデータ処理部Cに出力する。
次に、基準点部Dは、上記検出部Bがターゲツ
ト部Aを視準する以前に、自己の位置座標を特定
把握させるためのものであり、光波測距用反射プ
リズム5aと発光ダイオード等より成る輝点5b
とを第3図のように組合せたもの2個から成り、
これらは検出部Bで視準しやすい既知の異なつた
2位置に設置されている(第1図参照)。即ち、
基準点部Dの設置位置は検出部Bの前方又は後方
のいずれかでもよいが、それがシールド機1の位
置姿勢測量の原点となるだけに、予め不動の定点
として測量された位置に設置されている。
従つて、検出部Bをシールド機1に対しこれを
視準し易い任意所望の位置に設置したときは、ま
ず測距測角儀7の水平度を出す。しかる後に同測
距測角儀7で二つの基準点部D,Dをそれぞれ視
準し、各基準点部Dまでの斜距離L、水平角θ、
垂直角φをそれぞれ検出する。各基準点部Dの視
準は、望遠鏡7aに取付けたTVカメラ6を通じ
て各基準点部Dの輝点5bが望遠鏡7aのレンズ
に付してある十字線に一致するように各方向の駆
動モータ7b,7cを遠隔操作して行ない、もつ
て水平角θ、垂直角φをを求める。また、測距部
は光波測距用反射プリズム5aまでの斜距離Lを
測定する。これらの測定値はそれぞれ後述のデー
タ処理部Cへ出力し、後方交会法に基く演算処理
により測距測角儀7の位置座標を算出し記録、表
示させる。
次に、データ処理部Cは、前記検出部BのTV
カメラ6で撮影した映像信号を処理し移動する輝
点3a〜3cの各重心位置を1テレブフレーム毎
に計測し自動的に追跡しながらそのデータをデジ
タル出力する移動物体計測装置8と、その映像信
号を画像表示するモニターテレビ9、及び前記測
距測角儀7で測定した反射プリズム4までの距離
と前記移動物体位置計測装置8でデジタル出力さ
れた各重心位置データに基いてシールド機1の位
置姿勢を演算処理するパーソナルコンピユータ1
0と、その出力を画像表示するCRTデイスプレ
イ(モニター部)11及び同出力を記録保存する
デイスクユニツト12とにより構成され、坑内又
は地上の所定位置に設置される。具体的にデータ
処理部Cを示すと第4図のような形態である。
要するに、上述の如く基準点部Dを視準するこ
とにより自己位置座標(X、Y、Z)が把握され
た検出部Bの測距測角儀7によつていずれか一の
基準点部Dからターゲツト部AをTVカメラ6で
とらえるまで望遠鏡7aを回転させ、もつて基準
点部Dからターゲツト部Aまでの水平、垂直振り
角が求まるので、測距部によるターゲツトAまで
の測距値とに基き、ターゲツト部Aにおける望遠
鏡7aの十字線の中心座標(X0、Y0、Z0)が求
められる。
したがつて、TVカメラ6でとらえた移動物体
位置計測装置8のモニターテレビ9の画面上の
X、Y基準線を前記望遠鏡7aの十字線と一致さ
せると、3個の輝点3a〜3cの座標位置は、そ
れぞれa(X1、Y1)、b(x2、Y2)、c(X3、Y3
として求まるのである。そこでこの座標位置出力
をパーソナルコンピユータ10へ入力し演算処理
せしめることによりシールド機1の絶対位置座標
がわかるのである。
(図形処理の考え方と演算処理方法) パーソナルコンピユータ10においては、前記
測距データとX−Y座標データに基きシールド機
1の計画線に対する位置ずれ、姿勢を次の要領で
演算し記録表示する。
位置ずれ いま、移動物体位置計測装置8のモニターテ
レビ9の画面に、3点の検出用輝点3a,3
b,3cが、第5図中にa点(X1、Y1)、b点
(X2、Y2)、c点(X3、Y3)と表示された場合
を考える。各輝点の本来の基本的配置は第6図
のとおりであるから、測距測角儀7の光軸に対
するシールド機1の位置ずれ(平行ずれ)は、
モニターテレビ9の画面におけるX−Y基準線
の原点(X0、Y0、Z0)に対するa点の座標
(x1、y1)として求めることができる。
ヨーイング角 上記モニターテレビ9の画面の検出用輝点
a、b、cの座標位置については、第7図に示
したようにa点を座標原点にとるx−y座標に
座標変換して以下の図形処理を行なう。
第7図に実線図示したΔabcを平面的に見た
形が、第8図に実線で示したΔabcである。第
8図のΔabcにおける斜辺の中点pを通る直
線をZ軸上に一致するまで回転したものが
同図に点線図示したΔab1c1で、このときの直
線の回転角αが測距測角儀7の光軸に対す
るシールド機1のヨーイング角αとして把握さ
れる。
したがつて、ヨーイング角α(右方向を+)
を演算で求めるには、まず座標変換を次のよう
に行なう。
x1=0 y1=0 x2=X2−X1 y2=Y2−Y1 x3=X3−X1 y3=Y3−Y1 そして、この新座標a(0、0)、b(x2、y2)、
c(x3、y3)に基いて、 z2=√22 22 2 z3=√23 23 2 α=tan-1(x2+x3/z2+z3)で求めることができる。
ピツチング角 上記第8図に点線図示したΔab1c1を第7図
に正面図として投影したものが、同図に点線図
示したΔab1c1であり、その側面図が第9図に
点線図示したΔab1c1である。第9図のΔab1c1
における底辺1 1の中点Qを通る直線をz
軸と一致するまで回転させたものが、第9図に
2点鎖線で図示したΔab2c2である。このとき
のの回転角βがシールド機1のピツチング
角βとして把握される。
したがつて、ピツチング角β(前上りを+)
を演算で求めるには、 x2′=x2cosα−z2sinα、 z2′=z2cosα+x2sinα x3′=x3cosα−z3sinα、 z3′=z3cosα+x3sinα とすると、 β=tan-1(y2+y3/z2′+z3′)で求めることができ
る。
ローリング角 上記第9図のΔab2c2を再び第7図に正面図
として投影したものが2点鎖線図示の直線
b2ac2である。この直線2 2を、上記3点の検
出用輝点3a,3b,3cの基本的な水平方向
一直線上の配置′′と一致させるべく回転し
たときの回転角γが、測距測角儀7の光軸に対
するシールド機1のローリング角γとして把握
される。
したがつて、ローリング角γ(右回転を+)
を演算で求めるには、 y2″=y2cosβ−z2sinβ、 z2″=z2′cosβ+y2sinβ y3″=y3cosβ−z3′sinβ、 z3″=z3′cosβ+y3sinβ とすると、 γ=sin-12y2″/l又は α=sin-12y2″/lで求めることができる。
なお、以上の位置ずれ、ヨーイング角α、ピツ
チング角β及びローリング角γは全て測距測角儀
7の光軸に対する計算値である。従つて、これら
のデータはシールド計画線に対する水平、垂直振
り角によつて補正し、もつて計画線に対する位置
ずれ、ヨーイング角、ピツチング角及びローリン
グ角を求めることになる。
(計算実例) 第11図〜第13図は、測距測角儀7の光軸と
計画線が一致している場合の一例として、第10
図のようにモニタ画面に表示された3点の検出用
輝点3a〜3cの座標位置に基いて計算した結果
を図形表示したものである。
モニターテレビ9の画面上における検出用輝点
3aの位置は(−120、−80)mm、検出用輝点3c
の位置は(−50、−40)mm、検出用輝点3bの位
置は(25、−55)mmであつた。
従つて、位置ずれに関しては、上記に説明し
たとおり、第10図のa点の読みとして把握され
るので、計画線に対する位置ずれ読みは(−50、
−40)mmである(第13図も参照)。
また、ヨーイング角αは、上記のように演算
した結果、第11図にシールド機1の平面図を示
したように右に0.779°である。
ピツチング角βは、上記のように演算した結
果、第12図にシールド機1の側面図を示したと
おり前下りに−8.503°である。
ローリング角αは、上記のように演算した結
果、第13図に示したとおり左方向に−7.261°で
ある。
従つて、シールド機1の方向修正は、こうした
演算処理の結果に基いて各成分方向に行なえばよ
いことになる。演算結果は、CRTデイスプレイ
11に表示される。
(第2の実施例) 上記シールド機1に設置したターゲツト部Aは
第14図に示したようにセグメント2にトンネル
スタツフ13を介して設置することにより、当該
セグメント2の位置を上記シールド機1の位置、
姿勢測量の場合と全く同様に自動測量することが
できる。
即ち、セグメント2は、シールド機1の掘進動
作にともない漸次位置ずれを起すことが知られて
いるので、必要の都度セグメント2の計画線に対
する位置を計算し、その経過を記録表示すること
も重要な施工管理である。
第14図中20は位置検出用輝点、21は反射
プリズム、23は水準器である。
本発明が奏する効果 以上に実施例と併せて詳述したとおりであつ
て、この発明に係る移動物体の自動測量装置によ
れば、シールド機1その他の移動物体の位置姿勢
の測量を全自動的に行なうことができ、測量の省
人化、効率化が図れる。そして、測量及び掘進管
理の簡素化を図ることもできる。
とりわけ、移動物体1の位置移動に伴いこれを
追尾し視準し易いように検出部Bの設置位置を変
更すること、又は検出部Bの設置基盤たるセグメ
ント等の位置ずれ又は検出部B自体の据付状態の
狂いに原因する検出部Bの自己位置座標の測量、
確認は、同検出部Bを基準点部Dに対して必要の
都度再々視準させることにより即座に正確に確認
把握することが容易である。しかもその確認は遠
隔操作により全自動的に行なうことができる。
従つて、検出部Bは常に移動物体1を最も視準
し易い位置に私設して測量ができるし、その移設
が全く苦にならない。また、検出部Bの自己位置
座標の正確な測量管理により、常に正しい高精度
の測量ができ、移動物体1の絶対位置測量ができ
る。
その上、移動物体例えばシールド機1の位置、
姿勢などは、シールド機1の掘削運転中に常時リ
アルタイムで測量できるので、これをシールド機
1にフイードバツクすることにより、その迅速、
適確な姿勢、方向修正ができ、ひいては高精度か
つ能率的なシールド施工に寄与するのである。
また、常に悪環境下にあるシールド機1内には
輝点3a〜3cと反射プリズム4とより成る簡単
な構成のターゲツト部Aが設置されているにすぎ
ず、そのずつと後方の環境のよい場所のセグメン
ト2又は坑内に検出部Bやデータ処理部Cが設置
されているので、トラブル発生時のメンテナンス
が極めて容易であり、しかもシールド径が小さく
なつた場合にも十分対応して採用実施できるので
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図はシールド機に対するこの発明の自動測
量装置全体の構成を概念的に示した説明図、第2
図はターゲツト部の構成態様を示した斜視図、第
3図は基準点部の構成態様を示した斜視図、第4
図はデータ処理部の構成態様を示した斜視図、第
5図と第6図は移動物体位置計測装置のモニター
テレビ画面と検出用輝点の基本的配置を示した説
明図、第7図〜第9図は検出用輝点の画像処理
(図形処理)の要領を示した正面図と平面図及び
側面図である。第10図はやはり移動物体位置計
測装置のモニターテレビ画面の一例であり、第1
1図〜第13図は前記モニターテレビ画面に基く
シールド機のヨーイング角、ピツチング角、ロー
リング角の演算結果を図形表示したCRTデイス
プレイの画像例、第14図は第2実施例としてセ
グメントにターゲツト部を設置した状態の正面図
である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 (イ) 略三角形状の配置とした3個の検出用輝
    点3a〜3cと光波測距用反射プリズム4等で
    構成され、測量対象の移動物体1に設置された
    ターゲツト部Aと、 (ロ) 前記ターゲツト部Aを視準する測距測角儀7
    及びその望遠鏡7aに取り付けたテレビカメラ
    6などで構成され、移動物体1の後方の坑内で
    あつて同移動物体1を視準できる位置に設置さ
    れた検出部Bと、 (ハ) 光波測距用反射プリズム5a及び輝点5bの
    対で構成され、前記検出部Bの前方又は後方の
    位置であつて検出部Bによる視準が可能な既知
    の異なつた少なくとも2位置に設置された少な
    くとも2個の基準点部D,Dと、 (ニ) 検出部Bで得た測量情報を処理し、移動物体
    1の位置、姿勢などを演算処理し記録表示する
    データ処理部Cとから成ること、 (ホ) 前記検出部Bは水平回転及び垂直回転が可能
    で、しかも水平、垂直回転を遠隔操作すること
    が可能に構成されており、該検出部Bで基準点
    部Dを視準することにより自己位置を自動測量
    し、移動物体1のターゲツト部Aを視準するこ
    とにより同移動物体1の位置、姿勢を自動測量
    すること、 をそれぞれ特徴とする移動物体の位置姿勢自動測
    量装置。 2 特許請求の範囲第1項に記載したターゲツト
    部Aを構成する3点の検出用輝点3a〜3cは、
    正面方向から見ると水平な直線上に配置され、平
    面方向に見ると二等辺三角形又は正三角形の各頂
    点の位置に配置されていることを特徴とする、移
    動物体の位置姿勢自動測量装置。 3 特許請求の範囲第1項に記載した検出部B
    は、移動物体1の位置移動等に応じて任意にその
    位置を変更可能であることを特徴とする、移動物
    体の位置姿勢自動測量装置。
JP13716886A 1986-06-12 1986-06-12 移動物体の位置姿勢自動測量装置 Granted JPS62293115A (ja)

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