JPH0823492B2 - 位置姿勢角計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、移動体、特にトンネル用掘削機（TBM、シ
ールド、セミシールド）や小口径推進機（アイアンモー
ル）等の地中移動体の位置および姿勢角を計測する位置
姿勢角計測装置に関する。

〔従来の技術〕

水道管、ガス管等を地中埋設するためにトンネル堀進
を行う地中掘削機では、施行計画ライン通りに推進すべ
く、該地中掘削機の地中における移動位置、つまり施行
計画ラインに対する相対水平方向位置（左右変位）およ
び同ラインに対する相対鉛直方向位置（上下変位）並び
に地中掘削機の地中における姿勢角、つまり施行計画ラ
インに対する左右方向姿勢角（ヨーイング角）および施
行計画ラインに対する鉛直方向姿勢角（ピッチング角）
を計測して、これら各計測データと対応する目標値（左
右変位、上下変位およびヨーイング角およびピッチング
角が零）との偏差が零になるように制御する必要があ
る。

このため、地中掘削機にはこれら位置および姿勢角を
計測することのできる位置姿勢計測装置が配設されてい
る。第16図は、この位置姿勢角計測装置のセンサ部の構
成を概念的に示す。同図に示すように地中掘削機の外部
所定位置に配設された光投光器６′から地中掘削機の内
部長手方向に沿って、その光軸が地中掘削機の予定移動
経路（施行計画ライン）と一致するように光ビーム３′
（レーザビーム）が基準光線として投光される。一方、
地中掘削機の内部には長手方向に所定距離Ｌだけ離間し
て、PSD（ポジション・センシティブ・ディテクタ）
１′および２′が配設されている。このPSD1′、２′
は、通常はａ−Si（アモルファスシリコン）PSDが使用
される。

すると、PSD1′の受光面1a′に光ビーム３′が照射さ
れて、入射光の２次元照射位置（x₁、y₁）が検出される
とともに、PSD2でも、PSD1′を透過された光ビーム３′
が照射されて、その２次元照射位置（x₂、y₂）が検出さ
れる。ここに、地中掘削機が施行計画ライン通りの位置
にあり、施行計画ラインに対してヨーイングもピッチン
グもしていない状態では、光ビーム３′の光軸は、セン
サ部の中心軸CTと一致し、両PSD1′、２′の受光面の原
点O₁、O₂（０、０）をそれぞれ通過するようになってい
る。したがって、いま上記のごとくPSD1′の照射位置が
（x₁、y₁）であり、PSD2′の照射位置が（x₂、y₂）であ
るならば、施行計画ラインに対する相対水平方向位置
（左右変位）Ｘおよび同ラインに対する相対鉛直方向位
置（上下変位）Ｙ並びに地中掘削機の地中における姿勢
角、つまり施行計画ラインに対する左右方向姿勢角（ヨ
ーイング角）θｘおよび施行計画ラインに対する鉛直方
向姿勢角（ピッチング角）θｙは、明らかにそれぞれ下
記第（１）式〜第（４）式のように演算することができ
る。

Ｘ＝−x₁ …（１） Ｙ＝−y₁ …（２） θｘ＝arctan｛（x₁−x₂）/L｝ …（３） θｙ＝arctan｛（y₁−y₂）/L｝ …（４） 従来において地中掘削機、ひいてはあらゆる移動体の
位置および姿勢角は、以上のようにして求めていた。

また、地中掘削機では上記のようにして得られた位置
および姿勢角のデータを発進立坑等に設けられた地中掘
削機の操作室に対して、方向を修正するための情報とし
て伝送する必要がある。

ここに従来においては位置および姿勢角のデータは個
々の信号線を介してアナログ伝送されている。

また、第17図に示すようにPSD1′の前段には、地中掘
削機が施行計画ライン通りの位置にあり、施行計画ライ
ンに対してヨーイングもピッチングもしていない状態下
において光ビーム３′の光点が原点位置に表示される目
盛り板４′が設けられている。しかして、目盛り板４′
に表示された光ビーム３′の光点の２次元位置座標をオ
ペレータが視認することにより、位置計測（左右ずれ、
上下ずれ）が行われる。この場合、オペレータによる位
置の読取りを容易ならしめるため、PSD1′の周囲に照明
ランプ５′…を設け、十分な明るさを確保するようにし
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の位置姿勢角検出装置は、検出原理が簡
単なので、装置自体の構造を簡素化できるというメリッ
トがあるものの、実用的には次のような問題点を有して
いる。

１）まず、第一に一般的に照射位置検出精度の高い（１
％F.S程度）PSDを得るためには、均一な抵抗膜を蒸着さ
せることが必要不可欠である。しかし、均一な抵抗膜の
確保はPSDの受光面が大面積化するほど困難になり、製
造歩留まりも低下する。この点、ａ−SiPSDでは単結晶
シリコンPSDよりも大面積化が容易とはいえ、PSDの受光
面が大面積化するほど均一な抵抗膜の確保が困難になる
ことには変わりはない。

一方、位置姿勢角計測装置にａ−SiPSDを使用した場
合には、照射位置検出範囲とａ−SiPSDの構造と位置姿
勢角計測原理とに起因して必要な計測範囲よりも大きな
サイズの２枚のａ−SiPSDが必要とされる。こうした大
きなサイズのａ−SiPSDを使用する場合には、前述した
均一な抵抗膜の確保の困難性から位置および姿勢角の計
測精度を十分なレベルに持っていくことはできないこと
となっていた。このように従来のものでは実用上要求さ
れる計画範囲と計測精度とを同時に満足することができ
ないという欠点を有していた。

２）また、第２にPSD1′、２′は地中掘削機に搭載され
ることから、スペースの制約上、両PSDの間隔Ｌを短く
する必要がある。

一方、姿勢角の計測精度は、前記（３）、（４）式か
ら明らかに、PSD1′、２′それぞれの照射位置（x₁、
y₁）、（x₂、y₂）の検出精度とPSD間距離Ｌの大きさと
に依存しているのがわかる。

ここに照射位置の検出精度の向上を図って姿勢角計測
精度を向上させることが考えられるが、２枚のPSD1′、
２′の照射位置検出精度のバラツキの影響を受けること
と、前記１）の問題とに起因して高精度化は難しい。

また、PSD間隔Ｌを大きくして、実用上要求される±1
/1000ラジアンのオーダーの姿勢角計測精度にすること
が考えられるが、これを確保するためにはPSD間隔Ｌを
十分に大きくする必要がある。しかし実際には上記した
スペースの制約上、Ｌを十分な大きさにとることができ
ないことが多い。

このように従来のものでは装置の小型化と要求される
姿勢角計測精度とを同時に満足することがでない欠点を
有していた。

３）また、従来のものではPSD1′の照射位置およびPSD
間隔Ｌに応じて計測することのできる姿勢角の範囲が変
化する。すなわち、第18図（ａ）に示すように光ビーム
３′がPSD1′の受光面1a′（これは位置検出が可能な範
囲であり、同図に破線にて示す）の端から距離l₁離間し
た位置に照射した場合には、光ビーム３′のPSD1′に対
する入射角度がθ_１以下の範囲でなければ、光ビーム
３′はPSD2′の受光面2a′（位置検出が可能な範囲であ
り、同図に破線にて示す）内に照射できず、姿勢角を計
測することができない。一方、光ビーム３′がPSD1′の
受光面1a′の端から距離l₂（＞l₁）離間した位置に照射
した場合には、θ_１よりも大きいθ_２以下の範囲の入射
角度の光ビーム３′であってもPSD2′の受光面2a′内に
照射することができ、姿勢角を計測することができる。
このようにPSD1′の照射位置が中心から外れれば外れる
程、光ビーム３′の入射角度の上限値、つまり計測可能
な姿勢角の上限値が小さくなるのがわかる。

また同図（ｂ）に示すようにPSD間隔ＬがL₁の場合に
は、光ビーム３′がPSD1′の受光面1a′の端から距離l₁
離間した位置に照射した場合に入射角度θ以下の範囲の
光ビーム３′をPSD2′で受光することができるが、PSD
間隔ＬがL₂（＞L₁）の場合には、光ビーム３′がPSD1′
の受光面1a′の端から距離l₂（＞l₁）離間した位置に照
射した場合に始めて同じく入射角度θ以下の範囲の光ビ
ーム３′をPSD2′で受光することができる。このように
PSD間隔Ｌが大きくなればなるほど、光ビーム３′の入
射角度の上限値、つまり計測可能な姿勢角の上限値が小
さくなるのがわかる。

このように、従来のものではPSD1′の受光面1a′の端
に光ビーム３′が照射した場合に計測できる姿勢角が事
実上計測可能な姿勢角の上限値であり、それは非常に小
さいものになることがわかる。また、前述するようにPS
D間隔Ｌを大きくして、姿勢角計測精度を引き上げよう
とすれば、計測可能な姿勢角の上限値が小さくなってし
まう。

以上のような１）〜３）の問題点のため、従来のもの
は、あまり実用的でないので現在採用、実施されるには
至っていない。

さらにまた、位置および姿勢のデータをアナログ伝送
する従来の方式のものでは、その性質上、雑音に弱く、
伝送経路の性能に影響されるという問題点がある。ま
た、その性質上、個々のデータ位置Ｘ、Ｙ、姿勢角θ
ｘ、θｙを個々の伝送経路で伝送する必要があり、伝送
ケーブル（回線数）が増加し、装置コストが上昇すると
いう問題点がある。また、伝送ケーブル（回転数）はス
ペースの制約上、極力抑えたいという要求がある。

さらにまた、PSD1′の周囲に照明ランプ５′…を設け
て目盛り板４′を照明する従来の方式のものでは、光が
散乱してしまうため、視認するに十分な明るさを得るた
めに多数の照明ランプ５′…が必要となり、これは装置
コストの上昇を招来することになる。また、PSD1′の周
囲に照明ランプ５′…を設けているため、照明ランプ
５′が位置的にPSD1′の受光領域を邪魔してしまい、位
置および姿勢角の計測範囲を狭めてしまうという問題が
あった。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであ
り、位置および姿勢角の計測範囲の増大およびこれら位
置および姿勢角の計測精度の高精度化を図るとともに、
装置の小型化を図ることをその第１の目的とし、計測デ
ータを信頼性高く、かつ効率良く、かつ低コスト、小ス
ペースで伝送することを第２の目的とし、低コストの設
備を以て、位置および姿勢角の計測範囲を狭めることな
く目盛り板の表示を視認できるようにすることを第３の
目的とし、信頼性高い位置姿勢角計測装置を提供するこ
とをその共通の目的としている。

〔課題を解決するための手段および作用〕

そこで本発明の第１発明では、光軸が移動体の予定移
動経路と一致するように光を投光する光投光器を備える
とともに、前記光投光器から投光された光を受光、透過
して照射位置を２次元的に検出する第１の位置検出器
と、前記第１の位置検出器によって透過された光を受光
して照射位置を２次元的に検出する第２の位置検出器と
を前記移動体に所定距離離間して配設し、前記第１、第
２の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位置に
基づき前記移動体の位置および姿勢角を演算するように
した位置姿勢角計測装置において、前記光投光器と前記
第１の位置検出器との間または前記第１の位置検出器と
前記第２の位置検出器との間に配設されたレンズと、前
記第１の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位
置に基づき前記移動体の位置を演算するとともに、前記
第２の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位置
に基づき前記移動体の姿勢角を演算する演算手段とを具
えるようにしている。

かかる構成によれば、光投光器と第１の位置検出器と
の間または第１の位置検出器と第２の位置検出器との間
にレンズを配設したため、投光された光がレンズで収束
されて、第１の位置検出器ではその照射位置に応じて光
の基準位置（原点）からのずれを検出することができる
とともに、第２の位置検出器ではその照射位置に応じて
レンズに対する入射角度を検出することができるように
なる。このため、移動体の位置および姿勢角を第１、第
２の位置検出器の各検出結果ごとに演算することができ
るようになる。

また、本発明の第２発明では、上記第１発明の構成に
加えて、演算手段で演算された移動体の位置データおよ
び姿勢角データを多重化してシリアルに伝送する伝送手
段を具えるようにしている。

すなわち、移動体の位置データおよび姿勢角データが
個々にかつ並列にアナログ伝送されるのではなく、すべ
てのデータが一つの回線を以て、一度にディジタル伝送
される。

また、本発明の第３発明では、上記第１発明の構成に
加えて、第１、第２の位置検出器およびレンズで構成さ
れたセンサ部と光投光器との間に第１の位置検出器の２
次元照射位置を表示する位置表示板を設けるとともに、
レンズの焦点近傍に位置表示板を照明する照明ランプを
設けようにしている。

すなわち、照明ランプは第１の位置検出器の周囲に設
けられるのではなく、レンズの焦点近傍に設けられて、
位置的に第１の位置検出器の受光領域を邪魔することが
ない。そして照明ランプから投光された照明光は、レン
ズの焦点近傍にあるため、レンズで屈折され、平行光線
に集光される。照明光の指向性が強くなり、散乱の度合
いが小さくなる。これにより、照明ランプを多数設けず
とも位置表示板がきわめて明るく照明される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明す
る。

なお、実施例では、本発明に係る位置姿勢角計測装置
が、トンネル用掘削機や小口径推進機等の地中掘削機に
適用される場合を想定している。が、本発明としては地
中掘削機以外にも地中を移動し得る地中移動体であれば
任意に適用可能であり、ひいてはあらゆる移動体に適用
可能である。

さて、実施例の位置姿勢角計測装置は、大きくはセン
サ部と演算処理部とで構成されており、第１図は、セン
サ部の構成を概念的に示している。

同第１図に示すように実施例装置のセンサ部は、地中
掘削機の外部所定位置（発進立坑等）に配設され、光軸
が地中掘削機の予定移動経路、つまり指向計画ラインと
一致するように、地中掘削機の内部に向けて基準光線た
るレーザ光３を投光するレーザ発信部６と、地中掘削機
の長手方向と受光面1aが垂直になるように地中掘削機の
内部に配設され、レーザ発信部６から投光されたレーザ
光３を受光して、レーザ光３の２次元照射位置（x₁、
y₁）を示す電気信号を出力する、光透過性を有するPSD
（ポジション・センシティブ・ディテクタ）１と、その
受光面2aがPSD1の受光面1aと平行となるようにPSD1から
所定距離L₂だけ離間して地中掘削機の内部に配設され、
PSD1を透過したレーザ光３を受光して、レーザ光３の２
次元照射位置（x₂、y₂）を示す電気信号を出力する。光
透過性を有するPSD2とを中心に構成され、さらに同図
（ａ）または同図（ｂ）に示すように地中掘削機の内部
にあってレーザ発信部６とPSD1との間に、またはPSD1と
PSD2との間に、レーザ発信部６から投光されたレーザ光
３を収束するレンズ７がその平面部7aがPSD1、２の受光
面1a,2aと平行となるように配設されている。

ここに、PSD1、２は後述するａ−Si（アモルファスシ
リコン）PSDが使用される。また、PSD1、２から出力さ
れる電気信号は、後述する演算処理部８または９に入力
され、該演算処理部８または９において地中掘削機の位
置および姿勢角が演算されることになる。なお、レンズ
７としては、非球面レンズでも球面レンズであってもよ
い。ただし、レンズ７として非球面レンズを使用する場
合には、レンズ７は、その焦点がPSD2の受光面2a上に位
置するように配設する必要がある。が、レンズ７として
球面レンズを使用する場合には、必ずしもそうする必要
はない ここに、地中掘削機が施行計画ライン通りの位置にあ
り、施行計画ラインに対してヨーイングもピッチングも
していない状態では、レーザ光３の光軸はセンサ部の中
心軸CTと一致し、両PSD1、２の受光面1a,2aの原点O₁,O₂
（０、０）をそれぞれ通過するようになっている。

以上のような構成のもとに、レーザ発信部６からレー
ザ光３が投光されて、PSD1において入射光の２次元照射
位置（x₁、y₁）が検出され、PSD2において入射光の２次
元照射位置（x₂、y₂）が検出されると、施行計画ライン
に対する相対水平方向位置（左右変位）Ｘおよび同ライ
ンに対する相対鉛直方向位置（上下変位）Ｙ並びに地中
掘削機の地中における姿勢角、つまり施行計画ラインに
対する左右方向姿勢角（ヨーイング角）θｘおよび施行
計画ラインに対する鉛直方向姿勢角（ピッチング角）θ
ｙは、第１図（ａ）のセンサ構成の場合、以下のように
して演算することができる。

Ｘ＝−（F/L₂）・x₁ …（５−ａ） Ｙ＝−（F/L₂）・y₁ …（６−ａ） θｘ＝arctan（−x₂/F） …（７） θｙ＝arctan（−y₂/F） …（８） ただし、Ｆは、レンズ７の焦点距離である。これら
（５−ａ）、（６−ａ）、（７）、（８）式は、非球面
レンズを使用した場合に両辺のイコールが成立するが、
球面レンズを使用した場合には、左右両辺はほぼ等しい
ものになり、後述する収差補正をする必要がある。、 一方、同図（ｂ）のセンサ構成の場合は、姿勢角θ
ｘ、θｙは上記（７）、（８）式から求めることができ
るが、位置Ｘ、Ｙは、下記（５−ｂ）、（６−ｂ）式か
ら求めるようにする。

Ｘ＝−x₁ …（５−ｂ） Ｙ＝−y₁ …（６−ｂ） ここにこれら（５−ａ）、（６−ａ）、（５−ｂ）、
（６−ｂ）、（７）、（８）式は、施行計画ライン（基
準光線）に対する地中掘削機の傾斜角度が１（ラジア
ン）よりも十分に小さい場合が成立する式であるが、た
とえば、小口径推進機においては−２゜＜θ＜２゜（２
゜＝0.035ラジアン）なので確かにθ＜＜１が成り立っ
ていて、十分にこれら式を適用することができるのがわ
かる。なお、第１図に示すようにPSD1、２の２次元照射
位置のｘ座標は、紙面に垂直な方向であり、同ｙ座標は
紙面鉛直方向であるものとする。そして位置Ｘ、Ｙの極
性は、上記式から明らかなようにPSD1の検出位置x₁、y₁
の極性と反対になる。また同様に姿勢角θｘ、θｙの極
性もPSD2の検出位置x₂、y₂の極性と反対になる。

ここで、上記PSD1、２として使用されるａ−SiPSDの
構造とその位置検出原理について簡単に説明する。

ａ−SiPSDの模式図を示すと第２図のようになる。ａ
−SiPSDは薄膜による３層構造で、上面よりｘ座標検出
用の透明抵抗層50（ITOあるいはSnO₂）、つぎにａ−Si
層51（この層はａ−Si太陽電池に用いられる構成と同じ
pin構造で、この層に光が照射すると光起電力が生じ
る）、下面にｙ座標検出用の透明抵抗層52がある。この
ａ−SiPSDにHe−Neレーザが発光ダイオード（LED）など
のスポット光56を照射すると、このスポット光が照射さ
れた部分のみが太陽電池として動作し、電圧（0.6〜0.8
V）が発生して、光起電力部53においてこれに起因する
電流が生じる。同図に示すように、ｘ座標検出抵抗層50
が電流の湧き出し口となり、ｙ座標検出用抵抗層52が吸
い込み口となる。

まず、ｘ座標検出用抵抗層50に注目すると、湧き出し
た電流は、この抵抗層50を流れて、抵抗層50の両端に取
り付けられてある集電電極54（これを斜線で示す）から
外部回路へIx₁、Ix₂として取り出される。また、ｙ座標
検出用抵抗層52に注目すると、外部回路からIy₁、Iy₂と
して供給される電流が集電電極55（これを斜線で示す）
より抵抗層52に流れ込み、吸い込み口より光起電力部53
へ達する。

さらに、ａ−SiPSDの位置検出原理をｘ座標検出のみ
に注目して第３図を参照して説明する。

同図に示すように集電電極54aの位置をX₁、集電電極5
4bの位置をX₂とし、これら集電電極54a、54b間の距離を
Ｋとし、スポット光56の入射位置より位置X₁並びに位置
X₂までの距離、および対応する抵抗をl₁、R₁並びにI₂、
R₂とし、入射光56により生成された電流をI₀とすると、
集電電極54aおよび54bより流出する電流Ix₁、Ix₂は、次
の（９）式のごとく求められる。

Ix₁＝｛R₂/（R₁＋R₂）｝・I₀ Ix₂＝｛R₁/（R₁＋R₂）｝・I₀ …（９） ここで抵抗層50が均一で距離l₁、l₂が抵抗値R₁、R₂と
にそれぞれ比例するとすると、上記（９）式は、 Ix₁＝（l₂/K）・I₀ Ix₂＝（l₁/K）・I₀ …（10） と書き換えられる、さらにここで距離Ｋおよび電流I₀を
一定とすると、電流Ix₁、Ix₂は距離l₂、l₁のみの関数と
なり、Ix₁とIx₂との差あるいは比を求めることによって
センサ面内での相対位置（ｘ座標位置）を求めることが
できる。が、実際には光強度の変化によるI₀の変化等が
あるため、Ix₁とIx₂との単純な差あるいは比を用いずに
下記（11）式の演算によりセンサ面内での相対位置（ｘ
座標位置）を求めるようにする。（11）式においてｘは
センサ面内の相対位置を示し、たとえば位置X₁において
ｘ＝１、位置X₂においてｘ＝−１、位置X₁、X₂の中央で
ｘ＝０となる。

ｘ＝（Ix₁−Ix₂）／（Ix₁＋Ix₂） ＝（l₂−l₁）/K ＝１−（2l₁/K） …（11） なお、ｙ座標についても、電流の方向がｘ座標がｙ座
標に変わるのみで、同様に式が得られる。

以下、上記のようなａ−SiPSDがPSD1、２として使用
され、かつレンズ７として非球面レンズを使用し、かつ
第１図（ｂ）のセンサ構成で上記（11）式を用いて地中
掘削機の位置および姿勢角の演算を行う場合の演算処理
態様について説明する。

地中掘削機の位置Ｘ、Ｙ並びに姿勢角θｘ、θｙの演
算は、前記（５−ｂ）、（６−ｂ）並びに（８）および
（９）式に基づき行われるが、実用上、姿勢角θｘ、θ
ｙは１ラジアンよりも十分小さく、tanθｘ、θｙはθ
ｘ、θｙとほぼ等しくなるので、演算は（８）、（９）
式の替りに下記（８）′、（９）′式を用いて行うよう
にする。

θｘ＝−x₂/F …（７）′ θｙ＝−y₂/F …（８）′ これら（５−ｂ）、（６−ｂ）、（７）′、（８）′
に基づく演算は、第４図のブロック図に示す演算処理部
８において行われる。

以下、第１図（ｂ）と第４図とを併せ参照して説明す
るに、前述するようにレーザ発信部６からレーザ光３が
投光され、PSD1の受光面1aに照射されると、PSD1から入
射光のｘ方向照射位置x₁に応じた電流Ix₁、Ix₂が、アン
プ10、11に出力されるとともに、入射光のｙ方向照射位
置y₁に応じた電流Iy₁、Iy₂が、アンプ12、13に出力され
る。すると、これらアンプ10、11、12および13において
電流Ix₁、Ix₂、Iy₁およびIy₂がそれぞれ電流−電圧変換
されるとともに、所要のレベルまで増幅されて、電流Ix
₁、Ix₂に対応する電圧Vx₁、Vx₂が次段の加算器14並びに
減算器15に加えられるとともに、電流Iy₁、Iy₂に対応す
る電圧Vy₁およびVy₂が次段の加算器16並びに減算器17に
加えられる。

レーザ光３は、PSD1を透過した後、非球面レンズ７に
おいて屈折して、焦点に配設されたPSD2の受光面2aに収
束される。すると同様にPSD2から入射光の照射位置x₂に
応じた電流Jx₁、Jx₂並びに照射位置y₂に応じた電流J
y₁、Jy₂が、アンプ18、19並びにアンプ20、21にそれぞ
れ出力される。そしてアンプ18、19の出力電圧Ux₁、Ux₂
は、次段の加算器22、減算器23にそれぞれ加えられ、ア
ンプ20、21の出力電圧Uy₁、Uy₂は、次段の加算器24、減
算器25にそれぞれ加えられる。

加算器14では、入力電圧Vx₁、Vx₂の加算演算Vx₁＋Vx₂
が実行され、減算器15では、入力電圧Vx₁、Vx₂の減算演
算Vx₁−Vx₂が実行される。これら演算結果は除算器26に
加えられ、該除算器26において第（11）式の右辺に対応
する除算演算（Vx₁−Vx₂）／（Vx₁＋Vx₂）が実行され
る。この除算器26の除算結果は、PSD1の入射光のｘ方向
照射位置x₁を示すものであり、次段のオフセット・ゲイ
ン調整回路28に加えられ、該オフセット・ゲイン調整回
路28において（５−ｂ）式の演算が実行されて、ｘ方向
照射位置x₁に比例する地中掘削器の左右変位Ｘが出力さ
れる。

また、同様にして加算器16では、入力電圧の加算演算
が実行され、減算器17では、入力電圧の減算演算が実行
される。そしてこれら演算結果は除算器26に加えられ、
該除算器26において第（11）式の右辺に対応する除算演
算が実行される。ここに除算器26の除算結果は、PSD1の
入射光のｙ方向照射位置y₁を示すものであり、次段のオ
フセット・ゲイン調整回路29に加えられ、該オフセット
・ゲイン調整回路29において（６−ｂ）式の演算が実行
されて、ｙ方向照射位置y₁に比例する地中掘削器の上下
変位Ｙが出力される。

一方、PSD2についても同様に加算器22では、入力電圧
の加算演算が実行され、減算器23では、入力電圧の減算
演算が実行される。そしてこれら演算結果は除算器27に
加えられ、該除算器27において第（11）式の右辺に対応
する除算演算が実行される。ここに除算器27の除算結果
は、PSD2の入射光のｘ方向照射位置x₂を示すものであ
り、次段のオフセット・ゲイン調整回路30に加えられ、
該オフセット・ゲイン調整回路30において（８）′式の
演算が実行されて、ｘ方向照射位置x₂に比例する地中掘
削器の左右方向姿勢角θｘが出力される。

また、加算器24では、入力電圧の加算演算が実行さ
れ、減算器25では、入力電圧の減算演算が実行される。
そしてこれら演算結果は除算器27に加えられ、該除算器
27において第（11）式の右辺に対応する除算演算が実行
される。ここに除算器27の除算結果は、PSD2の入射光の
ｙ方向照射位置y₂を示すものであり、次段のオフセット
・ゲイン調整回路31に加えられ、該オフセット・ゲイン
調整回路31において（９）′式の演算が実行されて、ｙ
方向照射位置y₂に比例する地中掘削器の上下方向姿勢角
θｙが出力される。以下、これら位置Ｘ、Ｙおよび姿勢
角θx,θｙを示す信号は、所要の伝送ケーブルを介して
発進立坑等に配設された操作盤に送信される。そして送
信されたこれら位置および姿勢角データがたとえばCRT
を中心に構成される表示装置に表示されるとともに、こ
れらデータがフィードバック量として地中掘削機を施行
計画ライン通りに移動させる制御に使用される。

なお、オフセット・ゲイン調整回路28、29、30および
31では、位置および姿勢角の要求される計画範囲に応じ
て自由に出力範囲が設定される。また、オフセット・ゲ
イン調整回路28〜31では、PSD1、２の照射位置の位置ず
れ補正、つまり零点オフセットを行うようにしている。
いま、PSD2の照射位置ｙの位置ずれΔｄを例にあげる。
第６図に示すようにレーザ光３がレンズ７において入射
高Ｈにおいて入射され、PSD2が受光面2aに対して垂直方
向に,PSD2b、PSD2cのごとくΔＺだけずれた場合を想定
すると、これらと焦点距離Ｆとの間には明らかに、 Δd/ΔＺ＝H/F …（13）′ が成立するから、これは、 Δｄ＝ΔＺ・H/F …（13） となり、照射位置ずれΔｄは、PSD2のずれΔＺがわかれ
ば容易に補正することができるのがわかる。しかし照射
位置ずれΔｄの姿勢角θｘ、θｙへの影響はΔｄのcos
成分とsin成分に応じたものであるので、これをオフセ
ット・ゲイン調整回路で補正することは回路構成の複雑
化を招来するので、実際にはPSD2の取り付けは、位置ず
れΔｄが生じないように機械的に確保することが望まし
い。

なお、第４図に示す演算処理部８は、非球面レンズを
使用して複雑な球面収差のための補正演算する必要がな
いため、アナログ回路で容易に構成することができる。
もちろんディジタル回路で構成する実施も可能である。

なおまたレンズ７として球面レンズを使用する実施も
また可能である。

また、この実施例では第１図（ｂ）のセンサ構成のも
のについて説明したが、もちろん同図（ａ）のセンサ構
成のものでも第４図に示す演算処理部８と同様の処理回
路にて演算を行うことができる。

ところで上述した実施例のものでは非球面レンズを使
用して演算処理を簡単にしたためアナログ回路で容易に
構成できるというメリットがあるものの、非球面レンズ
は高価であるというデメリットがある。そこで、安価な
球面レンズを使用し、これによる複雑な球面収差のため
の補正演算をソフト的に容易に処理することのできるデ
ィジタル回路構成の実施例について説明する。

以下、レンズ７として球面レンズを使用し、かつ第１
図（ａ）のセンサ構成で上記（10）式を用いて地中掘削
機の位置および姿勢角の演算を行う場合の演算処理態様
について説明する。

位置Ｘ、Ｙおよび姿勢角θｘ、θynの演算は、（５−
ａ）、（６−ａ）、（７）、（８）式に基づき第５図の
ブロック図に示す演算処理部９において行われる。

すなわち、第１図（ａ）と第５図とを併せ参照して説
明するに、レーザ発信部６からレーザ光３が投光される
と、レーザ光３はまずレンズ７で屈折されてPSD1の受光
面1aに照射される。すると、PSD1から入射光のｘ方向照
射位置x₁に応じた電流Ix₁、Ix₂が、アンプ32、33に出力
されるとともに、入射光のｙ方向照射位置y₁に応じた電
流Iy₁、Iy₂が、アンプ34、35に出力される。すると、こ
れらアンプ32、33、34および35において電流Ix₁、Ix₂、
Iy₁およびIy₂がそれぞれ電流−電圧変換されるととも
に、所要のレベルまで増幅されて、電流Ix₁、Ix₂に対応
する電圧Vx₁、Vx₂が次段の加算器36に加えられるととも
に、電流Iy₁、Iy₂に対応する電圧Vy₁およびVy₂が次段の
加算器37に加えられる。

レーザ光３は、PSD1を透過した後、レンズ焦点に配設
された（必ずしもレンズ焦点に配設する必要はないが）
PSD2の受光面2aに収束される。すると同様にPSD2から入
射光の照射位置x₂に応じた電流Jx₁、Jx₂が、アンプ38、
39に出力されるとともに、入射光の照射位置y₂に応じた
電流Jy₁、Jy₂が、アンプ40、41に出力される。すると、
アンプ38、39の出力電圧Ux₁、Ux₂が、次段の加算器42に
加えられるとともに、アンプ40、41の出力電圧Uy₁、Uy₂
が、次段の加算器43に加えられる。

加算器36では、入力電圧Vx₁、Vx₂の加算演算Vx₁＋Vx₂
が実行され、加算結果は次段のマルチプレクサ44に加え
られる。加算器37、42および43でも同様に入力電圧の加
算演算がそれぞれ実行され、各加算結果がマルチプレク
サ44に加えられる。さらにアンプ32、34、38および40の
各出力電圧Vx₁、Vy₁、Ux₁およびUy₁もマルチプレクサ44
に加えられる。

マルチプレクサ44から後段の回路動作はROM45aに書き
込まれたプログラムに従ってCPU45が管理する。以下、C
PU45で行われる処理手順について第７図のフローチャー
トを参照して説明する。

PSD1に着目すると、まず、CPU45の初期化がなされ
（ステップ100）、A/Dコンバータ46のチャンネルがPSD
信号入力用に割り当てられたチャンネルに設定される。
つぎにAGC回路47のゲインが１に設定される。そしてつ
ぎにマルチプレクサ44のチャンネルがPSD1のトータル電
流に対応する信号電圧（たとえばVx₁＋Vx₂）のチャンネ
ルに設定される。しかして、AGC回路47のゲインが１の
ときのVx₁＋Vx₂（PSD1のトータル電流に対応する）がA/
Dコンバータ46から入力される。

その後、入力信号電圧がCPU45で扱えるデータ長（た
とえば８ビットCPUならば０〜255bitとなる）のフルス
ケール近くの一定値になるようにゲイン１で入力された
信号電圧の大きさに基づいてAGC回路47のゲインを設定
する処理が実行される。このようにする理由は、前記
（10）式の変形式 l₂/L＝Ix₁/I₀ …（10）′ から入射光の照射位置（x₁）を計算できるが、実際には
光強度の変化によってトータル電流I₀が変動したり、光
強度の低下によってトータル電流I₀が小さくなったりす
るとCPU45内で行われる除算（電流比Ix₁/I₀）の演算精
度が劣化してしまうので、AGC回路47でトータル電流が
常時ある一定の値になるようにすることによって演算の
精度を劣化させないようにするためである。

以上のごとくAGC回路47のゲインが設定されると、こ
れら設定ゲインの下でマルチプレクサ44のチャンネルが
逐次切り替えられて、電圧Vx₁＋Vx₂、Vx₁、Vy₁＋Vy₂お
よびVy₁がA/D変換されて順次入力される（ステップ10
1）。そして上記（10）′に対応する演算、つまり入力
電圧Vx₁＋Vx₂、Vx₁に基づきIx₁/I₀に対応する除算Vx₁/
（Vx₁＋Vx₂）が実行され、PSD1の入射光のｘ方向照射位
置x₁が求められる。同様に（10）′式に対応する除算Vy
₁/（Vy₁＋Vy₂）が実行され、PSD1の入射光のｙ方向照射
位置y₁が求められる（ステップ102）。

以上のようにPSD1について入射光の２次元照射位置
（x₁、y₁）が演算されると、上記ステップ101〜102と同
様な処理が繰り返し実行され、PSD2についても入射光の
２次元照射位置（x₂、y₂）が演算される。

こうして入射光の２次元照射位置（x₁、y₁）、（x₂、
y₂）が演算されると、つぎに（５−ａ）、（６−ａ）、
（７）および（８）式の演算に対応する処理、つまり２
次元照射位置（x₁、y₁）、（x₂、y₂）に応じた位置
（Ｘ、Ｙ）および姿勢角（θｘ、θｙ）が図示していな
いデータテーブルから選択され、地中掘削機の位置
（Ｘ、Ｙ）および姿勢角（θｘ、θｙ）が求められる
（ステップ103;この処理については後述する）。そして
これら演算結果についてデータのチェックおよび平均化
処理が施される（ステップ104）。

こうして得られた地中掘削機の位置データおよび姿勢
角データは、たとえばRS−232−Ｃ規格のインターフェ
ースを介してデータ通信装置48に出力される。そしてデ
ータ通信装置48は位置データおよび姿勢角データを多重
化して、１本のケーブルを介して、発進立坑等に配設さ
れた図示していないホストコンピュータに対してシリア
ル送信する。

すなわち、第15図は、データ通信装置48から送信され
る伝送信号のプロトコルを示す略図であり、同図に示す
ように伝送信号は、データ列の先頭を示すスタートコー
ドと、これに続く位置姿勢角データ列とで構成されてい
る。ここに位置姿勢角データ列は、水平方向位置Ｘ、鉛
直方向位置Ｙ、水平方向姿勢角θｘおよび鉛直方向姿勢
角θｙの各データが時分割多重化されたデータ列であ
り、こうした内容を有する伝送信号は、これらスタート
コード、位置姿勢角データ列のデータ長に応じた周期で
繰り返しシリアル伝送される。なお、伝送信号のプロト
コルは同図に示すものに限定されることなく、パリティ
チェック等の手法によってエラー検出を行うべくエラー
コードを付加する構成にしてもよい。また、位置姿勢角
のデータ以外にも伝送すべきデータがあればこのデータ
も位置姿勢角データ列の後に付加するなどすれば、一緒
に１本の伝送ケーブルで伝送することができるようにな
る（ステップ105）。

第５図の構成のものでは以上のような処理が実行され
るが、ここで上記データテーブルの内容について説明す
る。

第９図は、センサ部の幾何学的関係を示す図であり、
ここに示すレンズ（球面レンズ）７の曲率半径Ｒ、レン
ズ７の中心の厚さＤ、PSD1の厚さD1、PSD2の厚さD2、空
気の屈折率N₀、レンズ７の屈折率N₁、PSD1、２の屈折率
N₂はセンサ部の設計過程において決定されて、既知であ
るものとする。

以下、レンズ７上でのレーザ光３の入射高H₀と入射角
度θ_０を求め、その後レンズ７の射出高、射出角度並び
にPSD1、PSD2の各面における入射高、入射角度および射
出高、射出角度を順次求めていく（これを光線追跡法と
いう）。

まず、レンズ７上で入射高H₀、入射角度θ_０とレンズ
７上での射出高Hi、射出角度θｄとの関係を求める。

同図においてセンサ部の長手方向中心軸CTと平行なレ
ーザ光３が入射高H₀でレンズ７に入射するとき、入射角
度θ_０は、次式（14）で表せられる。

θ_０＝arcsin（H₀/R） …（14） 一方、入射角度θ_０のとき球面での屈折角度θｂは反
射・屈折の法則から、 θｂ＝arcsin｛（N₀/N₁）・sinθｂ｝ …（15） が成り立つ。また平面側での入射角度θｃと射出角度θ
ｄとの間には、 θｃ＝θ_０−θｃ …（16） の関係が成り立つから、射出高Hiは次式で表せられる。
すなわち、レンズ７の入射点CPからレンズ平面部7aまで
の距離をＴとすると、 Ｔ＝Ｄ−Ｒ（１−cosθ_０） …（17） であり、 Hi＝H₀−Ttanθｃ ＝H₀−｛Ｄ−Ｒ（１−cosθ_０）｝・tanθｃ…（18） となる。射出角度θｄは、反射・屈折の法則から下記
（19）式で表せられる。

θｄ＝arcsin｛（N₁/N₀）・sinθｃ｝ …（19） 入射角度θ_０からθ分変化した入射角度θｉの場合を
考えると、（14）式においてθ_０をθｉとすれば、前述
の式がそのまま使用できる。ただし、θｉ＝θ_０±θで
あり、ここにθｉは未知数であり、θ_０は既知であり、
θは与えられるものとする。

つぎにPSD1上での入射高S1、入射角度θ_０とPSD1上で
の射出高Hj、射出角度θｄ′との関係を求める。

同図においてレンズ平面部7aとPSD1の受光面1aとが平
行とすれば、レンズ７上での射出高θｄとPSD1上での入
射角度θｄ′とは等しくなる。一方、PSD1での入射角度
θｄ′と射出角度θｄ″との関係は、第10図と式（20）
とから求められる。

N₀sinθｄ′＝N₂sinθｅ＝N₀sinθｄ″ …（20） θｄ＝θｄ′＝θｄ″ …（21） そして、PSD1上での入射高S1と射出高Hjとの関係は次
式で表せられる。

S1＝Hi−X1tanθｄ …（22） Hi＝S1−D1tanθｅ …（23） つぎにPSD2上での入射高Y2を求める。

PSD1の射出面とPSD2の入射面を平行とすれば、PSD2上
での入射高S2は次式（24）で表せられる。

S2＝Hj−X2tanθｄ …（24） 以上のような計算方法によって地中掘削機の必要な位
置計測範囲と角度計測範囲において位置Ｘ、Ｙと姿勢角
θｘ、θｙに対応するPSD1およびPSD2の受光面内におけ
る照射位置を計算しておき、これらをデータテーブルに
記憶、格納しておく。

以上は光線追跡法による計算方法であるが、以下に述
べるようにPSD1、２の照射位置から収差や入射角度によ
るずれを補正して、位置Ｘ、Ｙ、姿勢角θｘ、θｙを計
算するようにしてもよい。

すなわち、第11図における△ABEと△CDEにおいてこれ
ら間の相似性より、 AB/CD＝BE/DE …（25） となる。したがって、レンズ７上での入射高H₀は次式で
表せられる。

H₀＝（F/L₂）・S1 …（26） しかし、実際には、 ・球面レンズの場合、レンズ７での入射高によってレン
ズ７を透過した光３が中心軸CTと交差する点が異なる。

・レンズ７、PSD1でレーザ光３が屈折する。

などの理由によって（26）式は厳密には成り立たない。
光線追跡法の（14）〜（24）式によって各入射高におけ
る比H₀/S1を計算すると第12図のように非常に緩やかな
単調減少関数になる。この場合、H₀/S1＝K1とすると、K
1＝K1（Ｈ）だが、K1＝K1（S1）と考えても別に問題な
い。一般には各入射高におけるH₀/S1の平均値で近似で
きるが、計測精度上これで問題になるときはK1＝K1（S
1）と考えて直線近似するか、または曲線近似してもよ
い。

H₀＝K1（S1）・S1 …（27） 以上はレーザ光３が中心軸CTと平行に入射する場合で
あるが、レーザ光３が中心軸CTに大して入射角度θ（０
ではない角度）でレンズ７に入射する場合はその影響も
考慮する必要がある。各入射高での入射角度θによるS1
の補正量ΔS1を光線追跡法で計算すると、θ＜＜１の範
囲では、 ΔS1＝−L₁・tanθ …（28） で近似できるのがわかる。したがって、入射高H₀は次式
で表すことができる。

H₀＝K1（S1）・（S1＋ΔS1） …（29−１） ΔS1＝−L₁・tanθ …（29−２） 一方、入射角度の計算は以下のようにして行う。

第13図に示すようにレーザ光３が中心軸CTに対して入
射角度θで入射する場合で、θ＜＜１が成り立つとき
は、次式が成り立つ。

S2＝Ltanθ …（30） 実際には収差の影響があるので、これを考慮すると、
（30）式はつぎのようになる。

S2（H₀、θ）−S2（H₀、０）＝Ltanθ …（31） ここで、S2（H₀、θ）は、入射高H₀、入射角度θのと
きのPSD2上での照射位置であり、PSD2の出力から演算し
て求める。また、S2（H₀、０）は、入射高H₀、入射角度
０のときのPSD2上での照射位置であり、光線追跡法によ
って予め計算しておきデータテーブルとしてプログラム
中に入れておく。結局、入射角度θは次式で与えられ
る。

θ＝arctan［｛S2（H₀、θ）−S2（H₀、０）｝/L］ …
（32） この（32）式はもともとθ＜＜１で成り立つので、θ
＜＜１ではtanθとθはほぼ等しいと考えてよく、（3
2）式は次式のように表すことができる。

θ＝｛S2（H₀、θ）−S2（H₀、０）｝/L …（33） また、距離Ｌの決め方は次の２つの基準に従って決め
るようにする。

・入射高によるS2（H₀、０）の値域をできるだけ小さく
する。

・必要計測範囲内でS2（H₀、θ）がPSD2の受光範囲内に
入るようにする。

以上の（29）、（33）式からレーザ光３の入射高、入
射角度を求めることができる。そしてこれらのcos成
分、sin成分をとれば位置Ｘ、Ｙ、姿勢角θｘ、θｙを
計算することができる。

第８図に以上説明した計算方法により位置Ｘ、Ｙ、姿
勢角θｘ、θｙを求める手順を示す。

同図に示すように、まず補正量ΔS1を零にして（ステ
ップ201）、同図（ｂ）のサブルーチンに移行して（ス
テップ202）、入射高H₀の計算（第（29−１）式；ステ
ップ205）、収差データ選択（ステップ206）、収差をキ
ャンセルして入射角度計算（第（33）式；ステップ20
7）、位置Ｘ、Ｙおよび姿勢角θｘ、θｙの計算（ステ
ップ208）が実行される。

つぎに補正量ΔS1＝０として計算したθから補正量Δ
S1を計算し（ステップ203）、再度上記ステップ205〜20
8の処理を行うようにする（ステップ204）。

第５図の構成の演算処理部９のCPU45では以上のよう
な内容の処理が行われる。

ところで、実施例の位置姿勢角計測装置では、第14図
に示すようにPSD1、２およびレンズ７で構成されたセン
サ部とレーザ発信器６との間にはオペレータによる目視
の位置計測を行うべく、目盛り板４が配設されている。
一方、この目盛り板４を照明すべく、レンズ７の焦点FP
近傍に照明ランプ５が配設されている。

照明ランプ５から投光された光は、レンズ焦点FP近傍
にあるためレンズ７で屈折して平行光線に集光される。
このため、照明光はレンズ７を設けていない従来のもの
に比較して、指向性が強いので、光の散乱が少なく、従
来よりも遠方からでも目盛り板４を視認することができ
る。また、PSD1、２の受光範囲全体が明るく光るので、
目盛り板４の視認性が大幅に向上することとなる。

また、同図（ｂ）に示すように照明ランプ５の背後に
光の反射板5aを設けるようにすれば、レンズ７から出力
される光量が増えるので、さらに目盛り板４の視認性を
向上させることができる。

以上説明したように実施例によれば、レンズ７でレー
ザ光３を収束させ、レーザ光３が収束する側にPSDを配
設するようにしたので（第１図（ａ）の場合はPSD1とPS
D2、同図（ｂ）の場合はPSD2）、収束する側に設けられ
たPSDを小型にすることができるようになり、コストを
大幅に低減することができるようになる。さらに、PSD
は受光面積が小さい程、照射位置の検出精度が向上す
る。したがって、装置コストの低減と同時に位置および
姿勢角の計測精度の向上を図ることができるようにな
る。また、同じ受光面積であれば、従来のものよりも広
い範囲の位置および姿勢角の計測を図ることができるよ
うになる。さらに上記（５−ａ），（６−ａ）、（５−
ｂ）、（６−ｂ）式と（７）、（８）式との比較から明
らかなように姿勢角が１よりも十分小さい範囲では、PS
D2はPSD1よりもさらに小型化が可能であり、より一層の
高精度化、低コスト化が図れることになる。

また、上記（５−ａ）〜（８）式から明らかなように
PSD1の検出照射位置に基づき地中掘削機の位置Ｘ、Ｙ
を、PSD2の検出照射位置に基づき地中掘削機の姿勢角θ
ｘ、θｙをそれぞれ別々に求めることができるので（た
だし厳密には収差がある場合には、PSD1の出力に基づき
PSD2の出力を若干補正する必要があるが）、従来のよう
にPSD1の照射位置に応じて計測することのできる姿勢角
の範囲が変化することがない。このため、位置計測範囲
全域で要求される角度計測範囲を確保することができる
ようになる。

また、姿勢角計測の精度は、上記（７）、（８）式か
ら明らかなようにレンズ主点RPからPSD2の受光面2aまで
の距離Ｆ（第１図参照）で決定される。ここに従来のも
のでは上記（３）、（４）式から明らかなようにPSD間
隔Ｌ（第16図参照）で姿勢角の精度が決定されることに
なっていたが、実施例によれば、PSD間隔Ｌの約1/3から
1/2程度の長さの距離Ｆで同等の姿勢角計測精度を達成
することができる。したがって、センサ部の長手方向の
長さを短くすることができ、装置の小型化と同時に計測
精度の向上を図ることができる。

また、位置および姿勢角データをディジタル信号処理
して、これらデータを多重化してシリアル伝送するよう
にしたので、雑音に強く、伝送経路の性能に影響される
ことなく、１本の伝送ケーブルで伝送することができ
る。このため、正確なデータが伝送されて、装置の信頼
性が図られると同時に、伝送ケーブルの削減による装置
コストの低減および省スペース化を達成することができ
るようになる。

また、実施例では、照明ランプ５をレンズ焦点近傍に
設けて、目盛り板４を照明するようにしたので、光が散
乱することなく、しかも多数のランプを設けずとも目盛
り板４が十分な明るさを以て照らされる。しかも、ラン
プが位置的に地中掘削機の位置および姿勢角の計測範囲
を浸蝕することがない。

なお、実施例では、レーザ光３の２次元照射位置を検
出するセンサとして、ａ−SiPSDを使用するようにして
いるが、これに限定されることなく、光の２次元照射位
置を検出することができるセンサであれば任意に使用可
能である。

また、実施例ではPSDに向けて照射する光としてレー
ザ光を使用するようにしているが、これに限定されるこ
となく、直進性を有する光であれば任意である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、位置および姿勢
角の計測範囲の増大およびこれら位置および姿勢角の計
測精度の高精度化が図られる。これと同時に装置の小型
化が図られる。

また、計測データを信頼性高く、かつ効率良く、かつ
低コスト、小スペースで伝送することができる。

また、低コストの設備を以て、かつ位置および姿勢角
の計測範囲を狭めることなく目盛り板の表示を視認でき
るようになる。

【図面の簡単な説明】 第１図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明に係る位置姿
勢角計測装置の実施例装置におけるセンサ部の構成を概
念的に示す図、第２図は、第１図に示すPSDとして使用
されるａ−SiPSDの構造を示す斜視図、第３図は、第２
図に示すａ−SiPSDの位置検出原理を説明するために用
いた図、第４図および第５図は、本発明に係る位置姿勢
角計測装置の実施例装置における演算処理部の構成をそ
れぞれ概念的に示すブロック図、第６図は、第１図
（ｂ）に示すPSD2が装置長手方向にずれた場合における
センサ部の幾何学的関係を示す図、第７図は、第５図に
示すCPUで行われる処理手順を例示したフローチャー
ト、第８図は、第１図（ａ）に示すPSD1、２の検出出力
に基づき実施例で想定している地中掘削器の位置および
姿勢角の計算手順を示すフローチャート、第９図は、第
１図（ａ）に示すセンサ部の各構成要素の幾何学的関係
を示す図、第10図は、第９図に示すPSD1の部分拡大図、
第11図および第13図は、第８図に示す計算手順を説明す
るために用いた第１図（ａ）に示すセンサ部の各構成要
素の幾何学的関係を示す図、第12図は、第８図に示す計
算手順を説明するために用いた図で、第１図（ａ）に示
すレンズの入射高に対するレンズの入射高とPSD1との比
の関係を示すグラフ、第14図（ａ）、（ｂ）は、それぞ
れ実施例のセンサ部に目盛り板と照明ランプを付加した
構成を例示した図、第15図は、第５図に示すデータ通信
装置から送信される信号のプロトコルを例示した図、第
16図は、従来の位置姿勢角計測装置のセンサ部の構成を
概念的に示す斜視図、第17図は、従来の照明ランプの配
設態様を示す図、第18図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第
16図に示すセンサ部に基づく姿勢角の計測範囲を説明す
るために用いた図である。 １、２……PSD、３……レーザ光、４……目盛り板、５
……照明ランプ、６……レーザ発信器、７……レンズ、
８、９……演算処理部、48……データ通信装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光軸が移動体の予定移動経路と一致するよ
   うに光を投光する光投光器を備えるとともに、前記光投
   光器から投光された光を受光、透過して照射位置を２次
   元的に検出する第１の位置検出器と、前記第１の位置検
   出器によって透過された光を受光して照射位置を２次元
   的に検出する第２の位置検出器とを前記移動体に所定距
   離離間して配設し、さらに前記光投光器と前記第１の位
   置検出器との間に前記第１の位置検出器の２次元照射位
   置を表示する位置表示板を設け、前記第１、第２の位置
   検出器で検出された前記光の２次元照射位置に基づき移
   動体の位置および姿勢角を演算するようにした位置姿勢
   角計測装置において、 前記光投光器と前記第１の位置検出器との間または前記
   第１の位置検出器と前記第２の位置検出器との間に配設
   されたレンズと、 前記第１の位置検出器で検出された前記光の２次元照射
   位置に基づき前記移動体の位置を演算するとともに、前
   記第２の位置検出器で検出された前記光の２次元照射位
   置に基づき前記移動体の姿勢角を演算する演算手段とを
   具えるとともに、 前記第１、第２の位置検出器およびレンズで構成された
   位置検出部と前記光投光器との間に前記位置表示板を設
   けるとともに、前記レンズの焦点近傍に前記位置表示板
   を照明する照明ランプを設けたことを特徴とする位置姿
   勢角計測装置。