JPS6049323B2 - 移動物体の追尾制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えばトンネルを掘削する掘削機の進路を制
御する場合等に応用して好適な移動物体の追尾制御装置
に関する。

トンネルを所定の方向に掘り進んでいくには掘削方向を
ある基準値を以つてガイドしてやる必要がある。

従来このガイドとしては外界で測量した方位基準値をト
ンネル内に設置したセオドライトに移し、このセオドラ
イトの指示する方位を基準にトンネルを掘るようにして
いる。このため外界からトンネル内のセオドライトに基
準値を移す作業が面倒であり時間も掛る。更にトンネル
を掘り進むに従つて奥にあるセオドライトに基準値を移
”していく必要がある。このためにもまた時間と労力を
必要とする。また基準値を他のセオドライトに移す毎に
漸次誤差が加算されていき、ナンネルの奥に向うに従つ
て誤差が大きくなつていく傾向がある。またセオドライ
トは人為的に操作するも・のであるからトンネルが大き
い場合はセオドライトを使う方法でもよいが、トンネル
の直径が帥小さい例えば電話線敷設用或は下水道敷設用
のトンネルでは人間が入れない場合もある。このような
小口径のトンネルは縦穴を掘りこの縦穴から自動掘削機
を挿入し、自動掘削機にて所定の方向にトンネルを掘る
方法が採られる。一部の自動掘削機ては既に掘削機の姿
勢検出装置が搭載され自動的に掘削作業が行えるように
している。

第１図はその一例を示し、図中１を掘削機とし、掘削機
１の掘削方向の軸線をＺ軸、Ｚ軸と互に直交する２つの
軸線をｘ軸及ひＹ軸とすると、Ｘ軸を軸とするＺ軸の方
向は方位角ψとして表わされ、これはジャイロによつて
検出される。またＹ軸と軸とする回転はピッチ角０と呼
ばれこれは加速度計によつて検出される。更にＺ軸を軸
とする回転はロール角φと呼ばれ、これも加速度計によ
つて検出される。このようにジャイロと２つの加速度計
によつて掘削方向を決める方位角ψと、ピッチ角θと、
ロール角φとを検出し、これらの検出信号を基準値と比
較しながら掘削を進めるものである。然し乍らこの制御
方法による場合は各軸Ｘ，Ｙ，Ｚが平行に移動しても掘
削機１の姿勢は変化しないので、その平行移動を検出で
きない欠点がある。

従つてこの場合でもセオドライトで平行移動を監視して
いく必要がある。このためトンネルー内にセオドライト
を持ち込みこのセオドライトに外界から基準値を移し、
この基準値を順次トンネルの奥に移していく操作を行わ
なくてはならず人手と時間を要することとなる。この発
明の目的は掘削方向の基準値設定がトン！ネル内の任意
の位置で行うことができる移動物体の追尾制御装置を提
供するにある。

この発明では掘削機から離れた位置にレーザ光源を設け
、このレーザ光源をそのビーム軸が先に説明したような
Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸を軸応として回こ動できる支持手段に
取付け各軸の角度を方位角ψに関してはジャイロをまた
ピッチ角０とロール角φに関しては加速度計によつてそ
れぞれ基準値が定められるようにし、これらの基準値か
ら所望の掘削方向を規定してその規定した方向にレーザ
ビ１ームを照射させる。

一方掘削機には受光器が設けられ、この受光器によつて
レーザビームを受けレーザビームを基準として掘削機の
姿勢及び平行移動を検出するように構成するものである
。従つてこの発明によればトンネル内の任意の位置で掘
削方向を規定することができ、然も掘削機がＸ，Ｙ，Ｚ
軸に関して平行移動するとこれを検知できる自動追尾装
置を提供できる。

以下にこの発明の一実施例を図面について詳細に説明す
る。

第２図はこの発明装置の概要を説明するための図面であ
る。

図中２はトンネルを示し、３は地上を示す。トンネル２
の先端には既に掘削機１が配）置されている状態を示す
。掘削機１の後尾から離れた位置にレーザ光源４が設置
される。この例ではレーザ光源４をトンネル２の天井に
取付けた場合を示す。レーザ光源４から出されたレーザ
ビーム５は掘削機１の後尾に向つて照射される。掘削・
機１の後尾には受光器６が取付けられる。この受光器６
の取付位置は掘削機１の軸芯Ｚから或る距離Ｑだけ離れ
た位置に取付けられる。受光器６にてレーザビーム５を
受光し、これによつて掘削機１の姿勢及び平行移動に関
する信号が受光器６よ″り得られ、その検出信号はケー
ブル７を通じて例えば地上３に設けたデータ処理装置８
に送られる。データ処理装置８では掘削機１の姿勢検出
信号をレーザ光源４を支持する支持装置４ａから得られ
る掘削方向を規定する基準値と比較し、その比較結果を
ケーブル９を通じて再び掘削機１に戻し、この信号によ
つて掘削機１の掘削方向を操舵する例えば油圧ジャッキ
（特に図示しない）を制御するようにして、掘削機１の
掘削方向をレーザビーム５によつて案内するように構成
するものである。次に各部の構成を順次説明する。

第３図はレーザ光源４の支持装置４ａを示す。

この支持装置４ａは基台１０を有し、基台１０上に互に
直交する２つの軸Ｙ．！．Ｚ軸を回動支点とする２つの
ジンバル１１，１２が取付けられる。即ち図の例ではＺ
軸を回動支点とするジンバル１１は基台１０から折曲げ
られて形成された一対の脚１３−１３に回動自在に取付
けられた軸１４によつて支持される。Ｙ軸を回動支点と
するジンバル１２はジンバル１１に取付けられた軸１５
によつて支持される。各軸１４と１５にはそれぞれ信号
量に比例した回転角がえられるモータ（以下モータとい
う）Ｍ１とＭ２が取付けられモータＭ１とＭ２によつて
ジンバル１１と１２が各別にそれぞれＺ及びＹ軸を中心
に回動できるように構成される。また各軸１４と１５に
は加速度計Ｇｌ，Ｇ２が取付けられ基準値、即ち水平状
態からのジンバル１１と１２の傾きを検出するようにし
ている。ジンバル１２にはモータＭ３が取付けられ、こ
のモータＭ３の出力軸を必要に応じて減速歯車機構を介
して軸１６に連結し、軸１６をモータＭ３にて回動でき
るように構成する。軸１６はＹ及びＺ軸とそれぞれと直
交するＸ軸を軸芯とし、その先端にｘ軸と直角にテーブ
ル１７を取付ける。テーブル１７上にレーザ光源４とジ
ャイロ１８が取付けられ、斯くしてレーザ光源４の支持
装置４ａが構成される。このようにしてレーザ光源４は
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の全てに関して回動させることができるよ
うに保持され、この支持装置４ａによつてレーザビーム
５を基台１０を動かすことなく任意の方向に照射できる
。

然もテーブル１７は２つのジンバル１１，１２とモータ
Ｍｌ，Ｍ２及び加速度計Ｇｌ，Ｇ２によつて正確に基準
値例えば水平状態に合わせることが−でき、またジャイ
ロ１８によつて基準値例えば北を検出することができる
。ジンバル１１と１２及びテーブル１７をそれぞれモー
タＭｌ，Ｍ２，Ｍ３にて操作することによつて例えばデ
ータ処理装置８からこれらのモータＭ１〜Ｍ３を制御す
ることによりレーザ光源４の方向を任意所望の方向に遠
隔制御できる。そして基台１０を例えばトンネル２の天
井に取付けるとき、例えば軸Ｚをトンネル２の軸芯と平
行するように取付けろことによりリレーザビーム５のピ
ッチ角を変更するときはこのＹ軸を回動軸とするジンパ
ル１２だけを回動操作するだけで済み都合がよい。また
レーザビーム５の照射方位を変更するにはモータＭ３を
駆動すればよい。従つてこの支持装置４ａによればトン
ネル内の任意の位置でレーザビーム５の方向を基準値例
えば水平で真北を向いた状態に合致させることも任意所
望の方向に規定することもできる。

これらの方向の規定はデータ処理装置８に規定値を入力
コマンド１０として入力することにより行う。よつてト
ンネル２の内でその位置におけるトンネルの掘削方向が
解つていればその方向にレーザビーム５を照射すること
ができる。然もビーム５の方向を規定するのは地上がら
行うことができ、人間が入れないようなトンネル内でも
使用することができる。一方掘削機１に搭載する受光器
６はレーザビーム５を迎え入れる側の先端に第４図及び
第５図に示すように面走査装置２０を設ける。

この面走査装置２０は例えば互に平行するスクリューシ
ャフト２１−２１を垂直方向に植立させ、この一対のス
クリューシャフト２１−２１にバー２２の両端を螺合さ
せる。スクリューシャフト２１−２１は例えばパルスモ
ータ２３の軸２３ａからベベルギヤ２４，２５，２６を
通じて互に同一方向に回転駆動し、バー２２をスクリュ
ーシャフト２１−２１のネジ送りによつて上下に往復駆
動する。バー２２には複数の光電変換素子２７が一列に
配列され、受光器６の入口を面走査する。従つて掘削機
１がレーザビーム５に沿つて正確に掘り進んでいる状態
ではレーザビーム５は受光器６の軸芯に入射する。

従つてバー２２がスクリューシャフト２１−２１の中央
を通過するときレーザビーム５と交叉し、このときバー
２２の中央に取付けた光電変換素子から受光信号が得ら
れる。また掘削機１が第１図で説明したＸ，Ｙ，Ｚ軸に
関して平行移動を起すとバー２２とレーザビーム５との
交叉する位置が変わりその平行移動を検知することがで
きる。またこの面走査装置２０の後方に掘削機１のピッ
チ角、ロール角及び方位角を検出する姿勢検出装置２８
が設けられている。

この姿勢検出装置２８はレンズ２９が開口端に取付けら
れた胴３０とノ胴３０の後端に取付けられた光電変換素
子群３１とにより構成される。胴３０の軸芯は掘削機１
の軸Ｚと平行して取付けられる。光電変換素子群３１は
例えば第６図に示すように円形の内部にマトリックス状
に複数の光電変換７素子を配列させる。

この光電変換素子群３１のＰ−Ｐ線とＱ−Ｑ線の交点を
この素子群３１の中心とし、レンズ２９の光軸をこの中
心と一致させ、レンズ２９の焦点距離に光電変換素子群
３１が丁度くるように配置してある。またレンズ２９の
光フ軸は面走査装置２０の中心位置と合致させる。更に
姿勢検知手段の一つとして掘削機１のロール角を検出す
るためのＹ軸を入力軸とする加速度計３２が取付けられ
る。このように構成することによつてレーザビーム５が
受光器６の軸芯に入射している状態ではレーザビーム５
は面走査装置２０の中央に入射し、また姿勢検出装置２
８では光電変換素子群３１の中央素子にレーザビーム５
が入射する。

掘削機１がＸ及びＹ軸方向に平行移動したとすると、面
走査装置２０に入射するレーザビーム５の入射位置が変
化し、その平行移動量を検出する。また掘削機１の姿勢
が変化するとレーザビーム５の入射点が光電素子群３１
の中心位置からズレそのズレ量と加速度計３２の出力に
よつて掘削機１の姿勢を検知することができる。例えば
加速度計３２の出力が零の状態、即ちロール角φがφ＝
０２のとき第６図のＳ点にある光電変換素子にレーザビ
ーム５が入射したとするとピッチ角０はθ＝Ｌで求まり
、方位角ψはψ＝Ｌで求められる。

この演算はデータ処理装置８で行われ、その算出値によ
つて掘削機１の操舵がなされる。但しＬはレンズ２９と
光電変換素子群３１との間の距離ａ及びｂはＰ−Ｐ線及
びＱ−Ｑ線からＳ点までの距離である。加速度計３２に
出力が発生するとその出力によつてロール角φが検出さ
れる。

ロール角φが発生すると光電変換素子群３１は掘削機１
の軸Ｚを中心に第７図に示すようにロール角φに対応し
た量一だけ移動する。第７図の例ではロール角φの発生
によつて光電変換素子群３１は点線の位置から実線図示
の位置まで移動する。このためレーザビーム５の入射点
Ｓの座標Ａ，ｂを素子群３１が元の点線で示す位置にあ
る場合の座標ａ″，２ｂ″に戻し、４この座標ａ″，ｂ
″によつて方位角ψとピッチ角θを算出する必要がある
。このための変換式はａ″″Ｆ．３−Ｑ（１−ＣＯＳφ
） ・・・（１）ｂ″：ｂ＋Ｑｓｉｎφ
・・・・（２）で与えられる
。

；上述においては
レーザ光源４の方向をその位置におけるトンネルの設計
値に設定したときレーザビーム５が受光器６の軸芯に入
射するものとして説明したが実用上はこのような理想的
な状態は望めない。このためレーザ光源４の向をトンネ
ルの４設計値からずらしレーザビーム５が受光器６に入
射するように調整する必要がある。レーザビームをトン
ネルの設計値からずらして設定した場合には掘削機１が
前進する毎に受光器６から得られるデータをズレ量だけ
補正しながら基準値と比較する必要がある。この補正は
データ処理装置８に真の方向からのズレ量分を記憶させ
ておき、この記憶値によつて補正が行われる。以上説明
したようにこの発明によればレーザビーム５の照射方向
をトンネル２の中で所望の方向に設定することができる
。

従つて掘削方向の基準の設定が簡単にできる。然も掘削
機１に搭載した受光器６には面走査装置２０と姿勢検出
装置２８１及びロール角検出用加速度計３２とを設けた
から面走査装置２０によつて掘削機１の平行移動を検出
でき、姿勢検出装置２８と加速度計３２とによつて掘削
機１のピッチ角θ、方位角ψ、ロール角φを検出するこ
とができる。然もレーザ光源４の・支持装置４ａは各モ
ータＭｌ，Ｍ２，Ｍ３によつてレーザ光源４の向を遠隔
操作できるから特に人間が入れないようなトンネルの掘
削に適用して好適である。支持装置４ａは理解し易いた
め加速度計Ｇｌ，Ｇ２をジンバル１１，１２の支持軸上
に固定した場合を示したが、これをテーブル１７上に置
いてデータ処理装置８で補正して使用することができる
。

また支持装置４ａの軸１４及びジンバル１１を省略し軸
１５を基台１０の脚１３−１３に直接支持し、加速度計
Ｇ１をテーブル１７上に置き、データ処理装置８で補正
して使用することもできる。尚上述においてはこの発明
による追尾装置を掘削機に適用した場合を説明したが掘
削機に限られるものでもなく、その他の移動物体を追尾
しガイドする場合にも適用できること容易に理解できよ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の掘削機の姿勢検出方法を説明するための
路線的斜視図、第２図はこの発明による装置の概要を説
明するための断面図、第３図はこの発明による装置のレ
ーザ光源支持装置の一例を示す斜視図、第４図はこの発
明による装置に使用する受光器の正面図、第５図はその
側面から見た断面図、第６図は受光器の要部を示す拡大
正面図、第７図は受光器の動作の説明に供する正面図で
ある。 １・・・・・・掘削機、２・・・・・・トンネル、４・
・・・・ルーザ光源、４ａ・・・・・ルーザ光源支持装
置、５・・・・・ルーザビーム、６・・・・・受光器、
８・・・・・・データ処理装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ Ａ 方位検出器及び一つの面に含まれる互に直交す
   る二つの軸の基準とする面からの傾むきをそれぞれ検出
   する検出器を有し、駆動手段によつて方位角及び上記二
   つの軸の傾むきを基準面から任意の量偏倚させることが
   できる支持台と、Ｂ この支持台に支持されて設定した
   方向にレーザビームを照射するレーザ光源と、Ｃ 移動
   物体に取付けられ平面にマトリックス状に配列された光
   電変換素子群を有し、上記レーザ光源から出されたレー
   ザビームがこの光電変換素子群の何れかの光電変換素子
   に受光することにより移動体の進行方向の方位角のずれ
   量、ピッチ角のずれ量を検出する姿勢検出装置と、Ｄ
   移動物体に取付けられ上記レーザ光源からのレーザビー
   ム通路と直交する面を面走査して移動体の進行方向の平
   行移動量を検出する面走査装置と、Ｅ 移動体のロール
   角を検出する加速度計と、Ｆ 上記支持台を遠隔制御し
   レーザ光源から照射されるレーザビームの照射方向を入
   力値に応じて任意の方向に設定し、この設定されたレー
   ザビームの方向を基準に上記姿勢検出装置によつて検出
   される移動物体の方位角とピッチ角の偏差量及び上記面
   走査装置によつて検出される移動物体の基準軸からの平
   行移動量及び上記加速度計によつて検出される移動物体
   のロール角の偏差量から移動物体の進路ズレ量を演算に
   より求め移動物体の進路を制御するデータ処理装置と、
   を具備して成る移動物体の追尾制御装置。