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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-03
(45)【発行日】2024-07-11
(54)【発明の名称】掘削補助システム、建設機械およびトンネル掘削機制御方法
(51)【国際特許分類】
E21D 9/093 20060101AFI20240704BHJP
E21D 9/00 20060101ALI20240704BHJP
G01C 15/00 20060101ALI20240704BHJP
【ＦＩ】
E21D9/093 F
E21D9/00 C
G01C15/00 104D
G01C15/00 103A
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2021016127
(22)【出願日】2021-02-03
(65)【公開番号】P2022119118
(43)【公開日】2022-08-16
【審査請求日】2023-11-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000206211
【氏名又は名称】大成建設株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】591284601
【氏名又は名称】株式会社演算工房
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】近藤 高弘
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 雅浩
(72)【発明者】
【氏名】上原 弓弦
(72)【発明者】
【氏名】江口 康則
(72)【発明者】
【氏名】松村 匡樹
(72)【発明者】
【氏名】土本 真史
【審査官】高橋 雅明
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－２３６５８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１４６４０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－３５２２９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－２００４６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１６１７００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平８－１４５６７２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ２１Ｄ ９／０９３
Ｅ２１Ｄ ９／００
Ｇ０１Ｃ １５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
建設機械の旋回体の後部に設けられた二台のターゲットと、前記ターゲットを自動追尾する二台のトータルステーションと、
前記トータルステーションによる視準ミスの有無を判定する視準ミス判定手段と、
を備える掘削補助システムであって、
前記視準ミス判定手段は、予め記憶された前記ターゲット同士の実位置関係と、前記トータルステーションによる測定結果から求まる前記ターゲット同士の測定位置関係と、を比較することで、前記トータルステーションによる視準ミスの有無を判定することを特徴とする、掘削補助システム。
【請求項2】
前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する慣性センサユニットと、前記建設機械のヘッド部に設けられたノミの先端位置を算出する算出手段と、
をさらに備えており、
前記算出手段は、一方の前記トータルステーションの視準ミスが検知された場合、他方の前記トータルステーションによる計測結果と、前記慣性センサユニットによる計測結果とを利用して、前記旋回体のヨー角および前記ノミの先端位置を算出することを特徴とする、請求項１に記載の掘削補助システム。
【請求項3】
前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する慣性センサユニットと、前記建設機械のヘッド部に設けられたノミの先端位置を算出する算出手段と、
をさらに備えており、
前記算出手段は、一方の前記トータルステーションの視準ミスが検知された場合、他方の前記トータルステーションによる計測結果と、前記慣性センサユニットによる計測結果とを利用して、一方の前記トータルステーションが追尾すべき一方の前記ターゲットの座標を算出することを特徴とする、請求項１に記載の掘削補助システム。
【請求項4】
建設機械の旋回体の後部に設けられた二台のターゲットと、前記ターゲットを自動追尾する二台のトータルステーションと、
前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する慣性センサユニットと、
前記トータルステーションによる計測のミスを検知する視準ミス判定手段と、
を備える掘削補助システムであって、
前記視準ミス判定手段は、予め記憶された前記ターゲット同士の実位置関係と、前記トータルステーションによる測定結果から求まる前記ターゲット同士の測定位置関係と、前記三軸加速度および前記三軸回転角速度から算出される前記旋回体のヨー角と、を利用して前記トータルステーションによる視準ミスを検知することを特徴とする、掘削補助システム。
【請求項5】
走行体と、前記走行体上に縦軸を中心に回転可能に設けられた旋回体と、
前記旋回体に横軸を中心に回動可能に取り付けられたブームと、
前記ブームの先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたアームと、
前記アームの先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたヘッド部と、
前記ヘッド部の先端位置を算出する請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の掘削補助システムと、を備えていることを特徴とする、建設機械。
【請求項6】
二台のトータルステーションを利用して、建設機械のヘッド部に設けられたノミの先端位置を確認するトンネル掘削機制御方法であって、前記建設機械の旋回体の後部に設けられた二台のターゲットのうち、一方の前記ターゲットの座標を一方の前記トータルステーションにより測定するとともに、他方の前記ターゲットの座標を他方の前記トータルステーションにより測定するステップと、
前記両ターゲットの座標により前記ターゲット同士の測定位置関係を算出するステップと、
前記両ターゲットの取付位置から求まる前記ターゲット同士の実位置関係と前記測定位置関係とを比較して、前記トータルステーションによる視準ミスの有無を判定するステップと、を行い、
前記トータルステーションの視準ミスが有ると判定された場合に、旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する慣性センサユニットによる計測結果と視準ミスが無いと判定された前記トータルステーションの計測結果に基づいて前記ノミの先端位置を制御する、あるいは、前記慣性センサユニットによる計測結果と視準ミスが無いと判定された前記トータルステーションの計測結果に基づいて視準ミスが有ると判定された前記トータルステーションの視準方向を修正することを特徴とする、トンネル掘削機制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、山岳トンネルの施工に使用する掘削補助システム、建設機械およびトンネル掘削機制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ＮＡＴＭ等の山岳トンネルの施工において、機械式掘削における掘削機あるいは発破式掘削におけるこそく作業時の機械として、削岩機等のアタッチメントを取り付けた旋回式建設機械（例えば、バックホウ）を使用する場合がある。このとき、旋回式建設機械に取り付けられた２台のターゲットをそれぞれ異なるトータルステーションにより測定することで、旋回式建設機械の先端（削岩機のノミ先等）の位置情報をリアルタイムに把握する場合がある（例えば、特許文献１参照）。
前記従来の施工方法では、旋回式建設機械に設置された２台のターゲットをトータルステーションにより追尾測量することで、旋回式建設機械の位置、旋回方向を検出するとともに、旋回式建設機械のブーム、アーム、ヘッド部に取り付けた傾斜計により傾斜角を検出することで、ノミ先の先端位置を算出する。
ところが、トータルステーションによる追尾測量において視準ミスが生じると、建設機械の正しい位置や向き（ピッチング角、ローリング角、ヨー角等）を検出することができず、その結果、ノミ先の先端位置を正確に算出できなくなる。しかしながら、移動体である旋回式建設機械に設けられたターゲットを自動追尾する場合において、トータルステーションの視準ミスを自動的に検知する手法は確立されていない。
前記従来の施工方法では、旋回式建設機械に設置された２台のターゲットをトータルステーションにより追尾測量することで、旋回式建設機械の位置、旋回方向を検出するとともに、旋回式建設機械のブーム、アーム、ヘッド部に取り付けた傾斜計により傾斜角を検出することで、ノミ先の先端位置を算出する。
ところが、トータルステーションによる追尾測量において視準ミスが生じると、建設機械の正しい位置や向き（ピッチング角、ローリング角、ヨー角等）を検出することができず、その結果、ノミ先の先端位置を正確に算出できなくなる。しかしながら、移動体である旋回式建設機械に設けられたターゲットを自動追尾する場合において、トータルステーションの視準ミスを自動的に検知する手法は確立されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平８－１４５６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、トータルステーションによる測定結果の妥当性を簡易かつ適切に判断し、正確な施工を簡易に実現するための掘削補助システムと、これを利用した建設機械及びトンネル掘削機制御方法を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
前記課題を解決するための本発明の掘削補助システムは、建設機械の旋回体の後部に設けられた二台のターゲットと、前記ターゲットを自動追尾する二台のトータルステーションと、前記トータルステーションによる視準ミスを検知する視準ミス判定手段とを備えている。前記視準ミス判定手段は、予め記憶された前記ターゲット同士の実位置関係と、前記トータルステーションによる測定結果から求まる前記ターゲット同士の測定位置関係とを比較することで、前記トータルステーションによる視準ミスの有無を判定する。
かかる掘削補助システムによれば、ターゲットの配置により求まるターゲット同士の位置関係である実位置関係と、トータルステーションにより計測されたターゲットの座標から算出されたターゲット同士の位置関係である測定位置関係とを比較することで、いずれか一方または両方のトータルステーションに視準ミスが発生した場合でも、視準ミスを自動的に検出することができる。トータルステーションの視準ミスを検出できれば、建設機械による掘削作業の施工誤差を最小限に抑えることができる。
かかる掘削補助システムによれば、ターゲットの配置により求まるターゲット同士の位置関係である実位置関係と、トータルステーションにより計測されたターゲットの座標から算出されたターゲット同士の位置関係である測定位置関係とを比較することで、いずれか一方または両方のトータルステーションに視準ミスが発生した場合でも、視準ミスを自動的に検出することができる。トータルステーションの視準ミスを検出できれば、建設機械による掘削作業の施工誤差を最小限に抑えることができる。
【0006】
なお、前記掘削補助システムが前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する慣性センサユニットをさらに備えており、前記三軸加速度および前記三軸回転角速度から算出される前記旋回体のヨー角を利用すれば、両トータルステーションが測定するべきターゲットとは異なるターゲットを測定している場合であっても、測定座標から算出されるターゲットの位置と、旋回体の向きとの関係から、トータルステーションによる視準ミスを検知できる。この場合には、両トータルステーションの測定結果を互いに置き換えることで、正しい測定結果を得ることができる。
【0007】
前記掘削補助システムは、前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する慣性センサユニットと、前記建設機械のヘッド部に設けられたノミの先端位置を算出する算出手段とをさらに備えているのが望ましい。
前記算出手段は、一方の前記トータルステーションの視準ミスが検知された場合に、他方の前記トータルステーションによる計測結果と、前記慣性センサユニットによる計測結果とを利用して、前記旋回体のヨー角および前記ノミの先端位置を算出することが好ましい。このようにすると、一方の前記トータルステーションに視準ミスが発生した場合であっても建設機械による施工を適切に実施できる。
また、前記掘削補助システムにおいて、前記算出手段は、一方の前記トータルステーションの視準ミスが検知された場合に、他方の前記トータルステーションによる計測結果と前記慣性センサユニットによる計測結果とを利用して、一方の前記トータルステーションが追尾すべき一方の前記ターゲットの座標を算出することが好ましい。このようにすると、両トータルステーションによる正確な測定が可能となり、ひいては、建設機械による正確な施工を実施することができる。
前記算出手段は、一方の前記トータルステーションの視準ミスが検知された場合に、他方の前記トータルステーションによる計測結果と、前記慣性センサユニットによる計測結果とを利用して、前記旋回体のヨー角および前記ノミの先端位置を算出することが好ましい。このようにすると、一方の前記トータルステーションに視準ミスが発生した場合であっても建設機械による施工を適切に実施できる。
また、前記掘削補助システムにおいて、前記算出手段は、一方の前記トータルステーションの視準ミスが検知された場合に、他方の前記トータルステーションによる計測結果と前記慣性センサユニットによる計測結果とを利用して、一方の前記トータルステーションが追尾すべき一方の前記ターゲットの座標を算出することが好ましい。このようにすると、両トータルステーションによる正確な測定が可能となり、ひいては、建設機械による正確な施工を実施することができる。
【0008】
本発明の建設機械は、走行体と、前記走行体上に縦軸を中心に回転可能に設けられた旋回体と、前記旋回体に横軸を中心に回動可能に取り付けられたブームと、前記ブームの先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたアームと、前記アームの先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたヘッド部と、前記ヘッド部の先端位置を算出する前記掘削補助システムとを備えている。
また、本発明のトンネル掘削方法は、二台のトータルステーションを利用して、建設機械のヘッド部に設けられたノミの先端位置を確認しながら地山を掘削するものであって、前記建設機械の旋回体の後部に設けられた二台のターゲットのうち、一方の前記ターゲットの座標を一方の前記トータルステーションにより測定するとともに、他方の前記ターゲットの座標を他方の前記トータルステーションにより測定するステップと、前記両ターゲットの座標により前記ターゲット同士の測定位置関係を算出するステップと、前記両ターゲットの取付位置から求まる前記ターゲット同士の実位置関係と前記測定位置関係とを比較して、前記トータルステーションによる視準ミスの有無を判定するステップとを行い、前記トータルステーションの視準ミスが有ると判定された場合に、旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する慣性センサユニットによる計測結果と視準ミスが無いと判定された前記トータルステーションの計測結果に基づいて前記ノミの先端位置を制御する、あるいは、前記慣性センサユニットによる計測結果と視準ミスが無いと判定された前記トータルステーションの計測結果に基づいて視準ミスが有ると判定された前記トータルステーションの視準方向を修正する。
かかる建設機械およびトンネル掘削方法によれば、掘削補助システムによりヘッド部の先端位置を把握した状態で施工を実行できるため、より正確な施工が可能である。また、掘削補助システムは、測定ミスが生じた場合であっても、測定ミスを自動的に検出し、補完した状態での施工あるいは自動的に補正した状態で施工することができるため、施工誤差を最小限に抑えることができる。
また、本発明のトンネル掘削方法は、二台のトータルステーションを利用して、建設機械のヘッド部に設けられたノミの先端位置を確認しながら地山を掘削するものであって、前記建設機械の旋回体の後部に設けられた二台のターゲットのうち、一方の前記ターゲットの座標を一方の前記トータルステーションにより測定するとともに、他方の前記ターゲットの座標を他方の前記トータルステーションにより測定するステップと、前記両ターゲットの座標により前記ターゲット同士の測定位置関係を算出するステップと、前記両ターゲットの取付位置から求まる前記ターゲット同士の実位置関係と前記測定位置関係とを比較して、前記トータルステーションによる視準ミスの有無を判定するステップとを行い、前記トータルステーションの視準ミスが有ると判定された場合に、旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する慣性センサユニットによる計測結果と視準ミスが無いと判定された前記トータルステーションの計測結果に基づいて前記ノミの先端位置を制御する、あるいは、前記慣性センサユニットによる計測結果と視準ミスが無いと判定された前記トータルステーションの計測結果に基づいて視準ミスが有ると判定された前記トータルステーションの視準方向を修正する。
かかる建設機械およびトンネル掘削方法によれば、掘削補助システムによりヘッド部の先端位置を把握した状態で施工を実行できるため、より正確な施工が可能である。また、掘削補助システムは、測定ミスが生じた場合であっても、測定ミスを自動的に検出し、補完した状態での施工あるいは自動的に補正した状態で施工することができるため、施工誤差を最小限に抑えることができる。
【発明の効果】
【0009】
本発明の掘削補助システム、建設機械およびトンネル掘削機制御方法によれば、トータルステーションによる測定結果の妥当性を簡易かつ適切に判断し、正確な施工を簡易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本実施形態の旋回式建設機械による施工状況を示す概略図である。
【図2】本実施形態の掘削補助システムを示すブロック図である。
【図3】慣性センサユニットの概要を示すブロック図である。
【図4】旋回式建設機械の三次元座標系である。
【図5】第一実施形態のトンネル掘削機制御方法の手順を示すフローチャートである。
【図6】第二実施形態のトンネル掘削機制御方法の手順を示すフローチャートである。
【図7】第二実施形態のトンネル掘削機制御方法の説明図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）はターゲットを後方から望む背面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
＜第一実施形態＞
第一実施形態では、旋回式建設機械１を利用して山岳トンネルを施工する場合について説明する。図１に旋回式建設機械１による施工状況を示す。図１に示すように、旋回式建設機械１は、発破後の切羽（トンネル先端部）において、掘削直後の切羽面やトンネル壁面に残存する浮石の除去（コソク）に使用する。
本実施形態の旋回式建設機械１は、いわゆるバックホウであって、走行体１１と、走行体１１上に縦軸を中心に回転可能に設けられた旋回体１２と、旋回体１２に横軸を中心に回動可能に取り付けられたブーム１３と、ブーム１３の先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたアーム１４と、アーム１４の先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたヘッド部１５とを備えている。ヘッド部１５は、いわゆるアタッチメントであって、本実施形態のヘッド部１５は、ノミ１６を備えたブレーカーである。
旋回式建設機械１によるコソク作業は、掘削補助システム２を利用して、ノミ１６の先端位置を把握した状態で行う。ノミ１６の先端位置を的確に把握できれば、旋回式建設機械１を適切に操作できるようになるので、効率的かつ精度の高いトンネル施工が可能となる。一方、ノミ１６の先端位置を把握するためには、旋回式建設機械１の位置および向きを正確に把握する必要があるが、旋回式建設機械１の測定に視準ミスがあると、ノミ１６の先端位置を正確に制御することができない。そのため、本実施形態の掘削補助システム２は、視準ミスを自動的に補完して、ノミ１６の先端位置を制御する。
図２に掘削補助システム２の概要を示す。図２に示すように、本実施形態の掘削補助システム２は、二台のターゲット３と、二台のトータルステーション４と、三軸加速度センサ５と、慣性センサユニット６と、算出手段７と、視準ミス判定手段８と、記憶手段９とを備えている。
第一実施形態では、旋回式建設機械１を利用して山岳トンネルを施工する場合について説明する。図１に旋回式建設機械１による施工状況を示す。図１に示すように、旋回式建設機械１は、発破後の切羽（トンネル先端部）において、掘削直後の切羽面やトンネル壁面に残存する浮石の除去（コソク）に使用する。
本実施形態の旋回式建設機械１は、いわゆるバックホウであって、走行体１１と、走行体１１上に縦軸を中心に回転可能に設けられた旋回体１２と、旋回体１２に横軸を中心に回動可能に取り付けられたブーム１３と、ブーム１３の先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたアーム１４と、アーム１４の先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたヘッド部１５とを備えている。ヘッド部１５は、いわゆるアタッチメントであって、本実施形態のヘッド部１５は、ノミ１６を備えたブレーカーである。
旋回式建設機械１によるコソク作業は、掘削補助システム２を利用して、ノミ１６の先端位置を把握した状態で行う。ノミ１６の先端位置を的確に把握できれば、旋回式建設機械１を適切に操作できるようになるので、効率的かつ精度の高いトンネル施工が可能となる。一方、ノミ１６の先端位置を把握するためには、旋回式建設機械１の位置および向きを正確に把握する必要があるが、旋回式建設機械１の測定に視準ミスがあると、ノミ１６の先端位置を正確に制御することができない。そのため、本実施形態の掘削補助システム２は、視準ミスを自動的に補完して、ノミ１６の先端位置を制御する。
図２に掘削補助システム２の概要を示す。図２に示すように、本実施形態の掘削補助システム２は、二台のターゲット３と、二台のトータルステーション４と、三軸加速度センサ５と、慣性センサユニット６と、算出手段７と、視準ミス判定手段８と、記憶手段９とを備えている。
【0012】
ターゲット３は、図１に示すように、旋回式建設機械１の旋回体１２の後部に固定されている。本実施形態では、二台のターゲット３，３が、旋回体１２の上面に間隔をあけて配設されている。ターゲット３は、反射プリズムを備えており、トータルステーション４から照射された光波を、トータルステーション４に向けて反射する。本実施形態では、全周方向（ターゲット３を中心とした３６０°の方向）から測定可能なターゲットプリズムを使用する。
【0013】
トータルステーション４は、図１に示すように、旋回式建設機械１の後方に据え付けられていて、ターゲット３を自動追尾する。本実施形態では、二台のトータルステーション４を据え付けて、それぞれのトータルステーション４が異なるターゲット３の測量を行う。すなわち、一方のトータルステーション４により一方のターゲット３を自動追尾し、他方のトータルステーション４により他方のターゲット３を自動追尾する。
トータルステーション４は、ターゲット３の位置を計測し、図示しない通信手段を介して計測結果をコンピュータＰＣに送信する。
トータルステーション４は、ターゲット３の位置を計測し、図示しない通信手段を介して計測結果をコンピュータＰＣに送信する。
【0014】
三軸加速度センサ５は、図１に示すように、ブーム１３、アーム１４およびヘッド部１５にそれぞれ取り付けられている。各三軸加速度センサ５は、取付位置において三軸加速度を検出する。三軸加速度は、互いに直交する３つの軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度である。Ｘ軸およびＹ軸は、水平面内において互いに直交する軸であり、Ｚ軸は、水平面に垂直な軸（鉛直軸）である。三軸加速度センサ５により計測された三軸加速度は、通信手段（図示せず）を介してコンピュータＰＣに送信される。
【0015】
慣性センサユニット６は、旋回体１２に設けられている。慣性センサユニット６は、旋回体１２の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する。三軸回転角速度は、互いに直交する３つの軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）周りの角加速度である。図３に慣性センサユニット６の概要を示す。図３に示すように、慣性センサユニット６は、三軸ジャイロ６１、三軸加速度計６２、ローパスフィルタ６３、通信制御手段６４、電力供給手段６５および制御手段６６を備えている。三軸ジャイロ６１は、旋回体１２の三軸回転角速度を検出する。三軸加速度計６２は、取付位置において三軸加速度を検出する。ローパスフィルタ６３は、三軸ジャイロ６１により検知された三軸回転角速度および三軸加速度計６２により検知された三軸加速度の信号処理（高周波成分の除去）を行う。ローパスフィルタ６３のカットオフ周波数は、旋回式建設機械１の駆動源の振動やブレーカーの振動などに起因する高振動数の加速度（ノイズ）を除去できる大きさ（例えば１～２Ｈｚ）に設定する。通信制御手段６４は、ローパスフィルタ６３を介して信号処理された三軸加速度および三軸回転角速度の記憶手段９への通信を制御する。電力供給手段６５は、三軸ジャイロ６１、三軸加速度計６２、ローパスフィルタ６３、通信制御手段６４、制御手段６６等に電力を供給する。制御手段６６は、三軸ジャイロ６１、三軸加速度計６２およびローパスフィルタ６３の起動・停止を制御する。慣性センサユニット６の計測結果は、コンピュータＰＣに送信される。
【0016】
コンピュータＰＣは、算出手段７、視準ミス判定手段８および記憶手段９を備えている。算出手段７は、旋回式建設機械１のヘッド部１５に設けられたノミ１６の先端位置を算出する。また、視準ミス判定手段８は、トータルステーション４による計測のミスを検知する。さらに、記憶手段９は、トータルステーション４、三軸加速度センサ５、慣性センサユニット６から送信された計測結果や、算出手段７および視準ミス判定手段８の計算結果等を記憶する。
【0017】
算出手段７は、トータルステーション４から送信された測定結果に基づいて各ターゲット３の座標を算出し、両ターゲット３，３の座標から旋回式建設機械１の向きや傾きを算出する。トータルステーション４は、主に現場座標系での旋回式建設機械１の三次元座標を求め、慣性センサユニット６で旋回体１２のピッチング角とローリング角を求め、結果として旋回式建設機械１の三次元座標と方向角と傾きが検出される。図４に旋回式建設機械１の三次元座標系を示す。図４中の「Ax」はｘ軸方向の加速度であり、「Ay」はｙ軸方向の加速度であり、「Az」はｚ軸方向の加速度である。また、「Rx」はｘ軸回りの角加速度であり、「Ry」はｙ軸回りの角加速度であり、「Rz」はｚ軸回りの角加速度である。
また、算出手段７は、三軸加速度センサ５から送信されたデータ（ブーム１３、アーム１４およびヘッド部１５の三軸加速度（Ax,Ay,Az））に基づいて三軸加速度センサ５の取付位置（ブーム１３、アーム１４またはヘッド部１５）におけるピッチング角およびローリング角を算出する。ピッチング角およびローリング角を算出したら、算出結果（三軸加速度センサ５の取付位置におけるピッチング角、ローリング角）およびトータルステーション４の計測結果に基づいてノミ１６の先端位置を算出する。
さらに、本実施形態の算出手段７は、一方のトータルステーション４の視準ミスが検知された場合に、他方のトータルステーション４による計測結果と、慣性センサユニット６による計測結果とを利用して、ノミ１６の先端位置を算出する。すなわち、算出手段７は、以下の手順によって視準ミスを補完する。まず、ターゲット３の測定座標からヨー角を算出し、慣性センサユニット６の計測結果に基づいて算出されたヨー角との差分を求める。次に、慣性センサユニット６の計測結果から算出されたヨー角と差分値とを利用して、実ヨー角を算出する。そして、正常に測定したトータルステーション４の測定結果と、実ヨー角とを用いて、ノミ１６の先端位置を算出する。
また、算出手段７は、三軸加速度センサ５から送信されたデータ（ブーム１３、アーム１４およびヘッド部１５の三軸加速度（Ax,Ay,Az））に基づいて三軸加速度センサ５の取付位置（ブーム１３、アーム１４またはヘッド部１５）におけるピッチング角およびローリング角を算出する。ピッチング角およびローリング角を算出したら、算出結果（三軸加速度センサ５の取付位置におけるピッチング角、ローリング角）およびトータルステーション４の計測結果に基づいてノミ１６の先端位置を算出する。
さらに、本実施形態の算出手段７は、一方のトータルステーション４の視準ミスが検知された場合に、他方のトータルステーション４による計測結果と、慣性センサユニット６による計測結果とを利用して、ノミ１６の先端位置を算出する。すなわち、算出手段７は、以下の手順によって視準ミスを補完する。まず、ターゲット３の測定座標からヨー角を算出し、慣性センサユニット６の計測結果に基づいて算出されたヨー角との差分を求める。次に、慣性センサユニット６の計測結果から算出されたヨー角と差分値とを利用して、実ヨー角を算出する。そして、正常に測定したトータルステーション４の測定結果と、実ヨー角とを用いて、ノミ１６の先端位置を算出する。
【0018】
視準ミス判定手段８は、予め記憶されたターゲット３同士の位置関係（ターゲット３同士の距離、一方のターゲット３の対する他方のターゲット３の位置等）である実位置関係と、トータルステーション４により測定されたターゲット３の座標から求まるターゲット３同士の位置関係である測定位置関係とを比較する。比較の結果、実位置関係のターゲット同士の距離と、計測位置関係のターゲット３同士の距離が異なっている場合、視準ミス判定手段８は、いずれか一方または両方のトータルステーション４による計測にミスがあるとして、信号を発信する。信号は通信手段を介してオペレータや作業所等に送信される。
なお、視準ミス判定手段８は、慣性センサユニット６により測定された三軸加速度および三軸回転角速度から算出される旋回体のヨー角を利用して、測定位置関係を算出する。これにより、一方のターゲット３に対する他方のターゲット３の位置を把握することができる。そのため、両トータルステーション４，４が測定するべきターゲット３とは異なるターゲット３を測定している場合（一方のトータルステーション４が他方のターゲット３を測定し、他方のトータルステーション４が一方のターゲット３を測定している場合）であって、ターゲット３同士の間隔が正しい数値である場合に、トータルステーション４による視準ミスを検知する。
なお、視準ミス判定手段８は、慣性センサユニット６により測定された三軸加速度および三軸回転角速度から算出される旋回体のヨー角を利用して、測定位置関係を算出する。これにより、一方のターゲット３に対する他方のターゲット３の位置を把握することができる。そのため、両トータルステーション４，４が測定するべきターゲット３とは異なるターゲット３を測定している場合（一方のトータルステーション４が他方のターゲット３を測定し、他方のトータルステーション４が一方のターゲット３を測定している場合）であって、ターゲット３同士の間隔が正しい数値である場合に、トータルステーション４による視準ミスを検知する。
【0019】
次に第一実施形態の旋回式建設機械１の制御方法（トンネル掘削機制御方法）について説明する。旋回式建設機械１の制御方法は、掘削補助システム２を利用して、建設機械のヘッド部１５に設けられたノミ１６の先端位置を確認するものであり、図５に示すように、測定ステップＳ１１と、測定位置算出ステップＳ１２と、視準ミス判定ステップＳ１３と、補完ステップＳ１４とを備えている。
【0020】
測定ステップＳ１１では、各トータルステーション４によりターゲット３の測定を行う。トータルステーション４を所定の位置に据え付けたら、トータルステーション４の据え付け後方交会により設置座標と方位角を検出する。検出した設置座標と方位角により、トータルステーション４の座標を現場座標に変換する。座標の変換を行ったら、トータルステーション４によるターゲット３の測量を行う。このとき、旋回式建設機械１の旋回体の後部に設けられた二台のターゲット３，３のうち、一方のターゲット３を一方のトータルステーション４により測定し、他方のターゲット３を他方のトータルステーション４により測定する。トータルステーション４の測定結果は、記憶手段９に保存する。
【0021】
測定位置算出ステップＳ１２では、両ターゲット３，３の座標によりターゲット３同士の測定位置関係を算出する。トータルステーション４の測定結果が記憶手段９に保存されると、算出手段７が起動して、ターゲット３の座標計算を行い、算出された両ターゲット３，３の測定座標から、ターゲット３同士の距離、高低差、方位等を算出する。
【0022】
視準ミス判定ステップＳ１３では、視準ミス判定手段８が起動して、トータルステーション４による視準ミスの有無を判定する。トータルステーション４による視準ミスの確認は、両ターゲット３，３の取付位置から求まるターゲット３同士の実位置関係と測定位置算出ステップＳ２において算出された測定位置関係とを比較することにより行う。実位置関係は、取付位置から求まるターゲット３同士の距離、旋回式建設機械１のヨー角を考慮したターゲット３同士の高低差および方位を算出し、これを測定位置関係と比較する。実位置関係と測定位置関係との間に差が生じている場合は、トータルステーション４による視準ミスが生じていると判断する。
【0023】
補完ステップＳ１４では、視準ミスが生じたトータルステーション４の測定結果を、正常な測定を行ったトータルステーション４の測定結果と、慣性センサユニット６の測定結果により補完することでノミ１６の先端位置を算出する。
一方のトータルステーション４の視準ミスが検知されると、算出手段７が、他方のトータルステーション４による計測結果と、慣性センサユニット６による計測結果とを利用して、ノミ１６の先端位置を算出する。
まず、算出手段７によりターゲット３の測定座標からヨー角を算出し、慣性センサユニット６の計測結果に基づいて算出されたヨー角との差分を求める。次に、慣性センサユニット６の計測結果から算出されたヨー角と差分値とを利用して、実ヨー角を算出する。そして、正常に測定したトータルステーション４の測定結果と、実ヨー角とを用いて、旋回式建設機械１の位置、傾き、旋回体の向き等を算出し、これに三軸加速度センサ５の計測結果を組み合わせてノミ１６の先端位置を算出する。
一方のトータルステーション４の視準ミスが検知されると、算出手段７が、他方のトータルステーション４による計測結果と、慣性センサユニット６による計測結果とを利用して、ノミ１６の先端位置を算出する。
まず、算出手段７によりターゲット３の測定座標からヨー角を算出し、慣性センサユニット６の計測結果に基づいて算出されたヨー角との差分を求める。次に、慣性センサユニット６の計測結果から算出されたヨー角と差分値とを利用して、実ヨー角を算出する。そして、正常に測定したトータルステーション４の測定結果と、実ヨー角とを用いて、旋回式建設機械１の位置、傾き、旋回体の向き等を算出し、これに三軸加速度センサ５の計測結果を組み合わせてノミ１６の先端位置を算出する。
【0024】
以上、本実施形態の掘削補助システム２を利用した施工方法によれば、ターゲット３の配置により求まるターゲット３同士の位置関係である実位置関係と、トータルステーション４により計測されたターゲット３の座標から算出されたターゲット３同士の位置関係である測定位置関係とを比較することで、トータルステーション４に視準ミスが発生した場合でも、視準ミスを自動的に検出することができる。トータルステーション４の視準ミスを検出できれば、建設機械による掘削作業の施工誤差を最小限に抑えることができる。
また、一方の前記トータルステーション４に視準ミスが発生した場合であっても、トータルステーション４による計測結果と、慣性センサユニット６による計測結果とを利用して、旋回体のヨー角および前記ノミ１６の先端位置を算出するため、建設機械による施工を適切に実施できる。視準ミスの補完は、掘削補助システム２により自動的に実行されるため、複雑な計算や操作を測定者が実施する手間を省略できる。
なお、慣性センサユニット６の計測に基づくヨー角の算出は常時連続的に実施する。慣性センサユニット６による計測は、比較的変動が少ない。トータルステーション４の測定結果から算出されたヨー角に急激な変化が生じた場合には、トータルステーション４による視準ミスが生じた可能性がある。この場合には、慣性センサユニット６の計測結果に基づくヨー角と、正常な測定を行っているトータルステーション４の測量座標値を参考に、ノミ１６の先端位置のガイダンスを行うことができる。
また、一方の前記トータルステーション４に視準ミスが発生した場合であっても、トータルステーション４による計測結果と、慣性センサユニット６による計測結果とを利用して、旋回体のヨー角および前記ノミ１６の先端位置を算出するため、建設機械による施工を適切に実施できる。視準ミスの補完は、掘削補助システム２により自動的に実行されるため、複雑な計算や操作を測定者が実施する手間を省略できる。
なお、慣性センサユニット６の計測に基づくヨー角の算出は常時連続的に実施する。慣性センサユニット６による計測は、比較的変動が少ない。トータルステーション４の測定結果から算出されたヨー角に急激な変化が生じた場合には、トータルステーション４による視準ミスが生じた可能性がある。この場合には、慣性センサユニット６の計測結果に基づくヨー角と、正常な測定を行っているトータルステーション４の測量座標値を参考に、ノミ１６の先端位置のガイダンスを行うことができる。
【0025】
＜第二実施形態＞
第二実施形態では、第一実施形態と同様に旋回式建設機械１を利用して山岳トンネルを施工する場合について説明する。第二実施形態の旋回式建設機械１の構成は、第一実施形態の旋回式建設機械１と同様なため、詳細な説明は省略する。第二実施形態では、２台のトータルステーション４，４のうちの一方のトータルステーション４に視準ミスが生じた場合に、当該トータルステーション４を自動的に復帰させて正確な計測を再開させるものとする。
第二実施形態では、第一実施形態と同様に旋回式建設機械１を利用して山岳トンネルを施工する場合について説明する。第二実施形態の旋回式建設機械１の構成は、第一実施形態の旋回式建設機械１と同様なため、詳細な説明は省略する。第二実施形態では、２台のトータルステーション４，４のうちの一方のトータルステーション４に視準ミスが生じた場合に、当該トータルステーション４を自動的に復帰させて正確な計測を再開させるものとする。
【0026】
本実施形態の算出手段７は、トータルステーション４の視準ミスが有ると判定された場合に、旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する慣性センサユニット６による計測結果と、視準ミスが無いと判定されたトータルステーション４の計測結果に基づいて、視準ミスが有ると判定されたトータルステーション４が追尾すべきターゲット３の座標を算出する。ターゲット３の座標を算出したら、トータルステーション４による当該ターゲット３の測定を行う。
【0027】
以下、第二実施形態の旋回式建設機械１の制御方法（トンネル掘削機制御方法）について説明する。図６に旋回式建設機械１の制御方法を示す。旋回式建設機械１の制御方法は、掘削補助システム２を利用して、建設機械のヘッド部１５に設けられたノミ１６の先端位置を確認するものであり、図６に示すように、測定ステップＳ２１と、測定位置算出ステップＳ２２と、視準ミス判定ステップＳ２３と、復帰ステップＳ２４とを備えている。
【0028】
測定ステップＳ２１では、各トータルステーション４によりターゲット３の測定を行う。トータルステーション４を所定の位置に据え付けたら、後方交会により現場座標系への変換を行う。後方交会の手法は限定されるものではないが、本実施形態では、式１により変換を行う。式１に現場座標系とトータルステーション設置座標系との回転角度θとトータルステーション４の設置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を代入することで、現場座標系への変換が可能となる。
すなわち、現場座標系にてトータルステーション４で測量する場合、後方交会にてトータルステーション４の設置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）とトータルステーション取付の方位角（回転角θ）を事前に求めておく必要がある。
現場座標系で移動する旋回式建設機械１の座標値をトータルステーション４で自動視準するには、据え付けられたトータルステーション４を具体的に水平角（°）、鉛直角（°）に制御し向けターゲットを視準する必要がある。
ここではトータルステーション４の回転角θとＴＳ設置座標（ｘ０,ｙ０,ｚ０）は事前に把握しているものとする。
すなわち、現場座標系にてトータルステーション４で測量する場合、後方交会にてトータルステーション４の設置座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）とトータルステーション取付の方位角（回転角θ）を事前に求めておく必要がある。
現場座標系で移動する旋回式建設機械１の座標値をトータルステーション４で自動視準するには、据え付けられたトータルステーション４を具体的に水平角（°）、鉛直角（°）に制御し向けターゲットを視準する必要がある。
ここではトータルステーション４の回転角θとＴＳ設置座標（ｘ０,ｙ０,ｚ０）は事前に把握しているものとする。
【0029】
【数1】
【0030】
次に、トータルステーション４によるターゲット３の測量を行う。このとき、旋回式建設機械１の旋回体の後部に設けられた二台のターゲット３，３のうち、一方のターゲット３を一方のトータルステーション４により測定し、他方のターゲット３を他方のトータルステーション４により測定する。トータルステーション４の測定結果は、記憶手段９に保存する。
【0031】
測定位置算出ステップＳ２２では、両ターゲット３，３の座標によりターゲット３同士の測定位置関係を算出する。なお、測定位置算出ステップＳ２２の詳細は、第一実施形態で示した測定位置算出ステップＳ１２と同様なため、詳細な説明は省略する。
視準ミス判定ステップＳ２３では、トータルステーション４による視準ミスの有無を判定する。なお、視準ミス判定ステップＳ２３の詳細は、第一実施形態で示した視準ミス判定ステップＳ１３と同様なため、詳細な説明は省略する。
視準ミス判定ステップＳ２３では、トータルステーション４による視準ミスの有無を判定する。なお、視準ミス判定ステップＳ２３の詳細は、第一実施形態で示した視準ミス判定ステップＳ１３と同様なため、詳細な説明は省略する。
【0032】
復帰ステップＳ２４では、ミス視準したターゲット３の座標値を算出し、トータルステーション４による当該ターゲット３の視準を復帰する。図７に現場座標系と旋回式建設機械１との関係を示す。ここで、本実施形態では、一方のターゲット３の座標Ｐ１（ＸＰ１，ＹＰ１，ＺＰ１）と他方のターゲット３の座標Ｐ２（ＸＰ２，ＹＰ２，ＺＰ２）のうち、計算の基準は一方のターゲット３の座標Ｐ１とする。
他方のターゲット３の座標Ｐ２から一方のターゲット３の座標Ｐ１を推定する場合は、式３により行い、一方のターゲット３の座標Ｐ１から他方のターゲット３の座標Ｐ２を推定する場合は、式４により行う。
他方のターゲット３の座標Ｐ２から一方のターゲット３の座標Ｐ１を推定する場合は、式３により行い、一方のターゲット３の座標Ｐ１から他方のターゲット３の座標Ｐ２を推定する場合は、式４により行う。
【0033】
【数2】
【0034】
空いて座標値を算出したら、式５により推定座標値の平行移動変化を行い、トータルステーション設置座標系に変換する。
【0035】
【数3】
【0036】
式５により平行移動した座標値を逆回転変化して、本来のトータルステーション座標系の直交座標値を求める。現場座標系とトータルステーション座標系の回転角θを「－θ」として（式６に「－θ」を代入する）、回転マトリックスｍｚに代入して回転変化することでトータルステーション座標系での座標値を算出する（式７）。
【0037】
【数4】
【0038】
次に、式７で得られた座標値を式８に代入して、水平角Ｈｔ、鉛直角Ｖｔを求める。式８により得られた水平角Ｈｔ、鉛直角Ｖｔによりミス視準したトータルステーション４の視準方向を移動させれば、ターゲット３を捉えることができる。
トータルステーション４によるターゲッ３トの視準を復帰させたら、２台のトータルステーション４による測定結果に基づいて、ノミ１６先の先端位置を算出する。
トータルステーション４によるターゲッ３トの視準を復帰させたら、２台のトータルステーション４による測定結果に基づいて、ノミ１６先の先端位置を算出する。
【0039】
【数5】
【0040】
以上、本実施形態の掘削補助システム２を利用した施工方法によれば、掘削補助システム２によりノミ１６の先端位置を把握した状態で施工を実行できるため、より正確な施工が可能である。また、掘削補助システム２は、一方のトータルステーション４による測定ミスが生じた場合であっても、測定ミスを自動的に検出し、トータルステーション４による追尾を自動的に補正した状態で施工することができるため、施工誤差を最小限に抑えることができる。
【0041】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、旋回式建設機械１がバックホウの場合について説明したが、旋回式建設機械１を構成する機械は、旋回体を有するものであれば限定されるものではない。
前記各実施形態では、いずれか一方のトータルステーション４に視準ミスが生じた場合に検知する場合について説明したが、掘削補助システムは、両トータルステーション４が測定すべきターゲット３とは異なるターゲット３を測定した場合など、両トータルステーション４による視準ミスが生じた場合であっても検知することができる。
例えば、前記実施形態では、旋回式建設機械１がバックホウの場合について説明したが、旋回式建設機械１を構成する機械は、旋回体を有するものであれば限定されるものではない。
前記各実施形態では、いずれか一方のトータルステーション４に視準ミスが生じた場合に検知する場合について説明したが、掘削補助システムは、両トータルステーション４が測定すべきターゲット３とは異なるターゲット３を測定した場合など、両トータルステーション４による視準ミスが生じた場合であっても検知することができる。
【符号の説明】
【0042】
１ 旋回式建設機械
１１ 走行体
１２ 旋回体
１３ ブーム
１４ アーム
１５ ヘッド部
１６ ノミ
２ 掘削補助システム
３ ターゲット
４ トータルステーション
５ 三軸加速度センサユニット
６ 慣性センサユニット
７ 算出手段
８ 視準ミス判定手段
９ 記憶手段
１１ 走行体
１２ 旋回体
１３ ブーム
１４ アーム
１５ ヘッド部
１６ ノミ
２ 掘削補助システム
３ ターゲット
４ トータルステーション
５ 三軸加速度センサユニット
６ 慣性センサユニット
７ 算出手段
８ 視準ミス判定手段
９ 記憶手段
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】