JPH0611344A

JPH0611344A - 移動体の位置・姿勢測量方法

Info

Publication number: JPH0611344A
Application number: JP4112921A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Nozawa; 有野沢; Akira Nakayama; 中山　　晃; Toru Yamamoto; 亨山本
Original assignee: Aoki Corp
Current assignee: Aoki Corp
Priority date: 1992-05-01
Filing date: 1992-05-01
Publication date: 1994-01-21
Anticipated expiration: 2017-01-15
Also published as: JP3247143B2

Abstract

(57)【要約】【構成】自動追尾式測距測角儀により、測量基準とな
る３点のターゲットを設置した移動体の移動前のターゲ
ットの３次元座標位置を求め、次いで移動後のターゲッ
トの３次元座標位置を求め、移動体の位置を検出すると
ともに、移動前後の３点のターゲットの座標変化量から
移動体のローリング、ヨーイングおよび／またはピッチ
ング量を検出する。【効果】高精度の測量が可能となり、位置測量と姿勢
測量のターゲットを兼用することができるため、効率的
に位置、姿勢の測量ができる。そして、３点の配置を最
適にすれば、算定式が簡略化され、また精度がよくな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、移動体の位置・姿勢
測量方法に関するものである。さらに詳しくは、この発
明は、シールド掘進機等の移動体の位置と姿勢を高効率
で精度良く測量することのできる新しい位置・姿勢測量
の方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】近年、シールド工事や推進工
事の技術進歩にともなって、シールド掘進機を所定の計
画線に沿って進行させるための自動制御・自動計測手段
の検討が精力的に進められてきている。しかしながら、
これらの自動化のための手段には依然として問題があ
り、高効率で高精度なシールド掘進のためのさらなる改
善が求められている。また同様に移動体としての建設機
械についてもその自動運転は、労力の削減と安全性の向
上の観点から期待されているが、自動運転のための測量
システムが万全でないため、その実現は困難となってい
る。

【０００３】たとえばシールド掘進機の位置・姿勢の測
量方法についてみると、従来より、ピッチング、ローリ
ングの検出は傾斜計によって、またヨーイングはジャイ
ロ等によって行われている。しかしながら、これらの従
来のシールド掘進機の姿勢測量法の場合には、温度ドリ
フト、直線性、横軸感度（傾斜計の）等の制約からの誤
差が避けられず、測量精度に影響を与えていた。このた
め、その姿勢測量の精度向上には限界があった。

【０００４】また、坑内に設置した基準点を元にしてト
ランシットやレベル、さらにはスチールテープ等による
手作業によって、シールド計画中心線やシールド掘進機
の位置、方向を把握することも行われているが、この方
法による場合には、測量が非効率的で、省人化、自動化
できず、しかも測量に高度な経験と技術が必要となるた
め、人材の確保も極めて難しい課題となる。また、トン
ネルが小断面になるほど精度が悪くなり、シールド掘進
機の位置、姿勢の把握にタイムラグができるという欠点
がある。

【０００５】そこで、これらの欠点を解消し、より高効
率で、省力化も図れる手段として、シールド掘進機に３
点の輝点を設置し、これを後方のテレビカメラおよび光
波測距計からなる検出部で検出し、テレビ画像上の３点
の２次元座標位置と、測距値から位置・姿勢を求める方
法も提案されている。しかしながら、この方法の場合
は、テレビ画像の解像度に測量精度が依存し、かつ、シ
ステムも複雑である。また、装置も高価であることか
ら、現場によっては導入効果が出ない場合もある。

【０００６】従って、シールド掘進機に限られることな
く、移動体の位置・姿勢測量の共通の問題として、より
高効率で、かつ高精度であり、しかも簡便、低コストな
システムとしての新しい測量方法の実現が強く望まれて
いた。この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされた
ものであり、従来の方法の欠点を克服し、高効率、高精
度に移動体の位置・姿勢を測量することのできる新しい
方法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、自動追尾式測距測角儀により、
測量基準となる３点のターゲットを設置した移動体の移
動前のターゲットの３次元座標位置を求め、次いで移動
後のターゲットの３次元座標位置を求め、移動体の位置
を検出するとともに、移動前後の３点のターゲットの座
標変化量から移動体のローリング、ヨーイングおよび／
またはピッチングの傾斜量を検出することを特徴とする
移動体の位置・姿勢測量方法を提供する。

【０００８】すなわち、この発明は、たとえば移動体と
してのシールド掘進機等の位置、姿勢等を自動測量する
ための方法であって、移動体に３点のターゲットとして
反射プリズム等を配置し、移動体の後方に設置した自動
追尾式測距測角儀、つまり反射プリズム等のターゲット
を自動的に捜し、測量する機器によって、このターゲッ
トまでの距離と角度を測量し、自身の座標をもとにこの
ターゲットの３次元座標を求めることができるものであ
る。また、自動追尾式測距測角儀を３台用いて、それぞ
れ同時に３つのプリズムを測量すれば、リアルタイムに
移動体の位置、姿勢を測量することができる。

【０００９】測距測角儀の座標を自動的に求める方法と
しては、三角測量等により実現できる。このような測量
は、シールド工事における自動測量に限られずに、各種
の移動体、たとえば建設機械等の位置、姿勢の測量に適
用することができる。以下、実施例としてこの発明の測
量方法についてさらに詳しく説明する。

【００１０】

【実施例】図１にたとえば例示したように、シールド掘
進機（１）を移動体とし、その位置、姿勢を求める。ま
ず、位置の測量においては、座標が既知である後方基準
点（２）としての反射プリズムの２個を用い、シールド
掘進機（１）の後続台車（３）に取付けた、またはこれ
とは独立した自走台車に設置した自動追尾式測距測角儀
（４）によってこの後方基準点（２）を測量する。この
時の測量値と後方基準点（２）の座標より、測距測角儀
（４）の座標を算出する。

【００１１】次いで、この測距測角儀（４）の座標をも
とに、シールド掘進機（１）に設置した３点のターゲッ
ト（５）を測量する。これによって、ターゲット（５）
の移動前の座標を算出する。次いで、シールド掘進機
（１）の移動後についても同様にして測量し、移動後の
ターゲット（５）の座標を算出する。

【００１２】自動追尾式測距測角儀（４）には制御装置
を介してパーソナルコンピュータ（６）を連結し、計算
することができるようにする。次に、このシールド掘進
機（１）の傾きとして、ローリング、ピッチング、ヨー
イングの測量算出について説明すると、移動前のターゲ
ット（５）の座標と、移動後の座標より、回転にともな
う座標のズレ量からシールド掘進機（１）の傾きを計算
することになる。つまり、移動前の座標と移動後の座標
との変化量からローリング、ヨーイング、ピッチング量
を算出する。

【００１３】図２によって、この算出のための関係を示
すと、前記ターゲット（５）の３点によって構成される
Ｐ₁Ｐ₂Ｐ₃の重心点をＧ（ｘ_G，ｙ_G，ｚ_G）とし、
移動前の３点をＰ₁（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）Ｐ₂（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）Ｐ₃（ｘ₃，ｙ₃，ｚ₃）移動後のＰ′₁Ｐ′₂Ｐ′₃の重心点をＧ′（ｘ′_G，
ｙ′_G，ｚ′_G）とし、移動後の３点を、Ｐ′₁（ｘ′₁，ｙ′₁，ｚ′₁）Ｐ′₂（ｘ′₂，ｙ′₂，ｚ′₂）Ｐ′₃（ｘ′₃，ｙ′₃，ｚ′₃）とすると、移動にともなう変化量は次の通りの図２表示
のものとして考えられる。

【００１４】・平行移動量（ΔｘΔｙΔｚ）・ピッチング量 ω ・ローリング量 ψ ・ヨーイング量 κ そこで、以下の通りの計算を行うこととする。（Ａ）平行移動量の補正傾き（ピッチング、ローリング、ヨーイング）量の算出
のためには、まず平行移動量を補正しておく必要があ
る。この平行移動量については、（ΔｘΔｙΔｚ）＝Ｇ（ｘ_G，ｙ_G，ｚ_G）−Ｇ′（ｘ′_G，ｙ′_G，ｚ′_G）であるから、点Ｐ′₁Ｐ′₂Ｐ′₃の平行移動量の補正
を行うと、

【００１５】

【数１】

【００１６】となる。ここで、図３に示したように、三
角形Ｐ₁Ｐ₂Ｐ₃と三角形Ｐ″₁Ｐ″₂Ｐ″ ₃は重心点
が同じとなり、三角形Ｐ″₁Ｐ″₂Ｐ″₃は、三角形Ｐ
₁Ｐ₂Ｐ₃を、重心点Ｇを中心としてｘｙｚ軸まわりに
ωψκだけ回転させた形となる。（Ｂ）回転量の算出重心点Ｇのまわりの回転行列をＲとすると、

【００１７】

【数２】

【００１８】となる。たとえばκψωの順に回転させた
時の回転行列をＲκψωとすれば、このＲκψωは、次
の通りとなる。

【００１９】

【数３】

【００２０】前記の式（１）（２）（３）より次の式が
導かれる。

【００２１】

【数４】

【００２２】また、式（４）（５）（６）より、次の式
が導かれる。

【００２３】

【数５】

【００２４】この式（７）（８）（９）よりａ₁₁ａ₁₂ａ
₁₃を求める。ここで、κψωの順に回転させた時の行列
は、

【００２５】

【数６】

【００２６】であるから、この式（１０）（１１）（１
２）により、ψ、κを求める。ωは、（４）（５）
（６）式を利用して求める。（Ｃ）回転量の補正以上のようにして、ωψκは求まるが、採用した計算式
の場合には、ｘｙｚ軸の３軸のうちの１つを回転させた
時には、他の２軸もその回転量の影響を受けることにな
る。つまり、図４に示した通りとなる。

【００２７】シールド掘進機のピッチング、ローリン
グ、ヨーイング量はそれぞれ基準座標系からの傾斜量で
あるから、前記の計算式でＲκψω使用時には、κ（ヨ
ーイング量）だけが基準座標系からの傾斜量であり、ψ
ωはκを補正した後の座標系の傾斜量となる。そこで、
ψ、ωについても基準座標系からの傾斜量を求めるに
は、回転行列Ｒとして、前記Ｒκψωに代えて、・ψを求める場合にはＲ＝ＲψωκまたはＲψκω、・ωを求める場合には、Ｒ＝ＲωψκまたはＲωκψ さらに、・κを求める場合として、Ｒ＝ＲκωψまたはＲκψω を用いればよいことになる。なお、以上の例では、回転
中心を移動前の三角形の重心点としたが、この重心点に
こだわらずに、目的に合った回転中心を設定し、計算す
ることが可能でもある。

【００２８】以上の通りの算定によって、この発明の測
量方法においては、ターゲットの座標の検知によって、
従来の傾斜計を用いる方法等に比べてはるかに精度よく
測量することができる。もちろん、この発明において
は、測定、測量のための機器構成には様々な態様が可能
でもある。この発明は、これらの任意の態様を包含する
ものである。

【００２９】

【発明の効果】この発明の測量方法によって、高精度の
測量が可能となり、位置測量と姿勢測量のターゲットを
兼用することがきるため効率的に位置・姿勢の測量がで
きる。そして、３点の配置を最適にすれば、算定式が簡
略化され、また精度がよくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例としてのシールド掘進機にお
ける測量方法を示した断面図である。

【図２】座標関係図である。

【図３】平行移動量補正後の座標系図である。

【図４】回転量の影響を示した座標系図である。

【符号の説明】

１シールド掘進機２後方基準点３後続台車４測距測角儀５３点ターゲット６パーソナルコンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自動追尾式測距測角儀により、測量基準
となる３点のターゲットを設置した移動体の移動前のタ
ーゲットの３次元座標位置を求め、次いで移動後のター
ゲットの３次元座標位置を求めて、移動体の位置を検出
するとともに、移動前後の３点のターゲットの座標変化
量から移動体の傾斜量を検出することを特徴とする移動
体の位置・姿勢測量方法。
【請求項２】移動体がシールド掘進機またはその他の
建設機械である請求項１の測量方法。