• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:

    公开号:WO1991016525A1
    申请号:PCT/JP1991/000521
    申请日:1991-04-19
    公开日:1991-10-31
    发明作者:Tadayuki Hanamoto；Norio Takahashi
    申请人:Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho；
    IPC主号:E21B47-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 地中掘進機の方向制御装置
    [0003] 技 術 分 野
    [0004] この発明は小口径管地中掘進機などの地中掘進機の方向制御をファジ一推論を 用いて行う地中掘進機の方向制御装置に関する。
    [0005] 背 景 技 術
    [0006] 上下水道やガス管や電力線などの地中埋設に用いられる小口径地中掘進機にお いては、 施行計画線通りにパイロッ ト管を «ίΐすること力 s '必要であり、 このため その方向制御力非常に重要となる。
    [0007] しかし-， かかる小门径地中掘進機においては、 掘進方向の制御はオペレ一タの 経験や勘に頼るのが通常であり、 オペレータの技量によつて施行精度が左右され るのが現状である。
    [0008] かかる従来の不具合を解消すべく、 シールド掘削機などの大口径地中掘進機 分野において、 ファジー理論を利用して熟練オペレータによる方向制御を機械に 導入するようにした提案がある。
    [0009] このファジ一理論を利用した水平方向の方向制御を例にとると、 入力変数を水 平蛇行量 DH、 水平蛇行変化量 A DH、 水平方向ズレ角 0 H、水平方向ズレ角の変化 量 Δ 0 Ηの 4変数とし、 出力変数を水平方向片押し度調整量厶 EHとし、 これら 4 入力変数のそれぞれにファジー制御規則を作成し、 水平蛇行量 DH及び水平蛇行変 化量厶 DHに関する制御規則から得られる調整量 Δ ΕΗ1と、 水平方向ズレ角 及 び水平方向ズレ角の変化量△ に関する制御規則から得られる調整量 Δ ΕΗ2とを 求め、 これら 2つの調整量を下記のようなもう 1つ別の制御規則で結合して最終 的な調整量、 すなわち水平方向片押し度調整量 Δ ΕΗを求めるようにしている。
    [0010] △ ΕΗ= α * Δ ΕΗ1+ ( 1— α ) * Δ ΕΗ1 … （ 1 )
    [0011] すなわち上記従来技術は、 方向制御の比較的楽なシ一ルド掘削 （なぜならばシ ―ルド掘削機は進みたい方向にある土砂を取り込みながら推進するので） に関し ての方向制御ファジーコントロ一ラの提案であり、 進みたい方向と実際にシール ド機が向いている方向の差と、 その変ィヒ量から次回の調整量を求めるようにして いる。 しかしながら、 上記従来技術は土質状態によってステアリングがそれほど左右 されないシールド掘削機に対するものであり、 これをそのまま小口径の地中掘進 機には適用できない。 すなわち、 小口径管地中掘進機においては、 纖中にパイ ロットへッドの周囲の土砂からの反力がかかり、 パイロッ トジャッキの先端はこ れらの力が釣りあう位置まで移動する。 この際、 上記反力は土質に応じて大きく 変化するため、 摇動量に対する方向修正角も土質に応じて大きく変化する。
    [0012] すなわち、 上記従来技術においては土質条件をパラメ一タに加えてステアリン グ制御を行っていないために、 小口径管地中掘進機に適用した場合高精度のステ ァリング制御を成し得ないという問題がある。
    [0013] また、. 上記従来技術においては、 ファジー推論を 2回行っているので、 メ ンバ ―シップ関数や制御規則のチュ一ニングが困難であるという問題がある。
    [0014] この発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、 高精度のステアリング制 御をなしえるとともに、 メンバーシップ関数や制御規則のチューニングが容易な 地中掘進機の方向制御装置を提供することを目的とする。
    [0015] 発 明 の 開 示
    [0016] この発明では、 揺動ジャッキを備え、 該摇動ジャッキによってパイロットジャ ツキを摇動させて方向制御を行いながら地中掘削を行う地中掘進機の方向制御装 置において、 地中掘進機の施行計画線に対する水 差、 垂直偏差、 ピッチン グ角及びョ一イング角を検出する第 1の検出手段と、 前記揺動ジャッキによる垂 直及ぴ水平方向の揺動量を検出する第 2の検出手段と、 前言 出したピツチング 角と垂直偏差を用いて修正ピッチング角を求める第 1の演算手段と、 前言 出し たョーィング角と水平偏差を用いて修正ョーィング角を求める第 2の演算手段と、 前回のピッチング角と今回のピッチング角の差、 及び前記検出した垂直方向の摇 動量を用いて垂直方向のステアリング感度を求める第 3の演算手段と、 前回のョ —ィング角と今回のョーィング角の差、 及び前言 出した水平方向の揺動量を用 いて水平方向のステアリング感度を求める第 4の演算手段と、
    [0017] 前件部の変数に前記求 た修正ピツチング角および垂直方向のステアリング感 度を用い、 後件部の変数に次回の垂直方向の揺動操ィ乍量を用いたファジールール が予め設定され、 このファジールール及ぴ前記第 1及び第 3の演算手段の出力に - a- 基づき次回の垂直方向の揺動操作量を求める第 1のファジー制御手段と、 前件部 の変数に前記求めた修正ョ一ィング角および水平方向のステアリング感度を用い、 後件部の変数に次回の水平方向の揺動操作量を用いたファジールールが予め設定 され、 このファジールール及び前記第 2及び第 4の演算手段の出力に基づき次回 の水平方向の揺動操作量を求める第 2のファジー制御手段とを具えるようにする。 かかる本発明の構成では、 2入力 1出力のファジー推論を用いて揺動操作量を 求める。 すなわち、 垂直方向については修正ピッチング角及び垂直方向のステア リング感度を入力とし、 垂直方向の揺動操作量を出力とする。 また、 水平方向に ついてほ、 修正ョ一イング角及び水平方向のステアリング感度を入力とし、 水平 方向の揺動操作量を出力とする。
    [0018] このように本発明によれば、 小口径管地中掘進機の方向制御のための揺動操作 において、 特にステアリング感度からステアリングの効き具合いを検知して方向 制御を行うようにしたので、 土質の変ィ匕にすばやく対応して揺動操作量を決定す ることができ、 これにより誰にでも熟練者なみの施行をなし得ることができるよ うになる。 また、 そのファジー推論も簡単な構成によって行っているので、 メン バ一シップ関数や制御規則のチユーニングが容易にできる。
    [0019] 図面の簡単な説明
    [0020] 第 1図はこの発明の実施例を示すブロック図、 第 2図はこの発明の実施例の作用 を示すフローチャート、 第 3図は小口径管地中掘進機を示す図、 第 4図はパイ口 ッ トへッドの内部構成図、 第 5図及び第 6図は姿勢角及び偏差などを示す図、 第 7図〜第 9図はメンバシップ関数を示す図、 第 1 0図及び第 1 4図はファジー推 論による演箅方法の説明図である。
    [0021] 発明を実施するための最良の形態
    [0022] 以下、 この発明の実施例を 寸図面を参照して詳細に説明する。
    [0023] 第 3図は、 この究明を適用する小口径管地中掘進機を示すもので、 1はパイ口 ッ トへッド、 2はパイロッ トジャツキ、 3はパイロット管、 4はパイロット管 3 を押圧する後部推進ジャッキ、 5は発進立坑、 6は後部推進ジャッキなどを載置 するレール、 7は反力を得るための反力板、 8は到達坑、 1 1はレーザトランシ ッ トである。 この構成においては、 パイロットへッ ド 1においてパイロットジャッキ 2力ィ申 張することによりパイロット孔が掘削され、 このパイ口ットジャッキ 2を縮めな がら後部推進ジャツキ 4によつてパイロット管 3を押し込むことにより地中に小 口径の孔カ s掘削される。
    [0024] 第 4図はパイロッ トへッド 1の概略的な内部構成を示すもので、 垂直揺動ジャ ツキ 9を作動することによりパイロットジャッキ 2を上下方向に揺動するととも に、 この垂直揺動ジャツキとは 9 0度の角度を成して配設された水平摇動ジャッ キ （図示せず） を作動することによりパイロッ トジャッキ 2を水平方向に揺動す る。上記垂直及び水平揺動ジャッキによる揺動量 Y、 Xは、 それぞれの揺動ジャ ツキと 1 8 0度の角度を成して配設された垂直摇動量ポテンショメータ 1 0及び 水平摇動量ポテンショメータ （図示せず） によって検出される。 すなわち、 上記 2つの揺動ジャッキを駆動制御することにより地中掘進機の方向制御が実行され る ο
    [0025] 一方、 上記パイロットヘッド 2の掘進計画線に対する偏差及び姿勢は第 1図に 示したレーザトランシット 1 1などによる構成によって検出される。 すなわち、 パイロットヘッド 2の上記掘進計画線に対する偏差及び姿勢には、 第 5図及び第 6図に示すように、 垂直方向についての偏差 Η及びピッチング角 0 ρと、 水平方向 についての偏差 L及ぴョ一ィング角 0 yがあり、 これらの偏差及び角度をレーザト ランシッ ト 1 1によって検出する。 尚、 傾斜 ·角はパイロッ トへッド 1内に設けら れた傾斜計 （図示せず） によって検出されている。
    [0026] レーザトランシット 1 1による上記偏差及び姿勢角の計測のための構成は、 こ の場合、 第 3図に示すように、 レーザトランシット 1 1、 ターゲッ トガラス 1 2、 集光レンズ 1 3、 前方センサ 1 4、 及び後方センサ 1 5から成っており、 レーザ トランシット 1 1からのレーザ光をタ一ゲットガラス 1 2及び集光レンズ 1 3を 介して前方センサ 1 4及ぴ後方センサ 1 5で受光し、 これら前方センサ 1 4及び 後方センサ 1 5での受光位置から上記偏差及び角度を計測する。 前方センサ 1 4 の出力から上下偏差 H及び水平偏差 Lが検出され、 後方センサ 1 5の出力からピ ツチング角 0p及ぴョ一ィング角 0 yが検出される。 これらの検出原理は周知なの で説明を省略する。 第 1図は上記地中掘進機を方向制御するための制御系の構成を示すもので、 第 2図はその作用を示すフローチャートである。 尚、 第 2図は垂直方向についての のみの作用を示している。
    [0027] これらの図において、 前方センサ 1 4、 後方センサ 1 5、 垂直ポテンショメ一 タ 1 0及び水平ポテンショメータの各出力はコントローラ 20の自動計測部 2 1 に入力される。 自動計測部 2 1では、 これらセンサの出力を地中掘進機力 s '所定距 離 （例えば 40cm) 前進する毎に取り込み、 これらの出力を A/D変換すると共 に、 前方センサ 1 4の出力から上下偏差 Hn及び水平偏差 Lnを求め、 後方センサ 1 5の出力からピッチング角 0pn及ぴョ一イング角 0ynを求め、 さらに垂直ポテ ンショメータ 1 0及び水平ポテンショメ一タの出力から垂直摇動量 Xn及び水平摇 動量 Ynを求め、 これらの 直を自動調節部 22へ出力する。 尚、 ηはサンプリン グ回数を表す。
    [0028] 自動調節部 22では、 入力されたピッチング角 0pnと上下偏差 Hnを用いて下式 に従つて修正ピッチング角 s nを求めるとともに、 入力されたョ一イング角 0ynと水平偏差 Lnを用いて下式にしたがって修正ョ一ィング角 0 r nを求め'る。 sn = pn+な · Hn
    [0029] θΓη = θγη+ β · Ln ··· (2)
    [0030] 、 / は定数）
    [0031] また、 自動調節部 22では、 垂直揺動量 Ynとピッチング角の変化量厶 0pn= θρη~ Spn - 1とで垂直方向のステアリング感度 Τη=Δ 0pn/Ynを求めるととも に、 水平揺動量 Xnとョ一イング角の変化量厶 0 yn= 0 yn— ypn-1とで水平方向 のステアリング感度 Sn=厶 0pn/Ynを求める。
    [0032] すなわち一般に、 掘進機を計画線に沿って推進させるためには、 掘進機の傾き を計画線と平行になるようにあわせる必要がある。 しかしこのとき、偏差も縮め る必要があるため、 その分傾きを計画線と平行な角度からずらせる必要がある。 このことを考慮したの力 上記修正ピッチング角 0sn、 修正ョ一イング角 0rn C "ある o
    [0033] また、 ステアリングの効き具合、 つまりステアリング感度は土質によって左右 され、 これは摇動操作による傾きの変化量によつて判断できる。 このステアリン グの効き具合を考慮したのが、 上記ステアリング感度 Tn、 S nである。
    [0034] これらの演算値 0 s n、 0 r n、 Tn、 S nはファジー制御部 2 3に入力され、 こ のファジ一制御部 2 3によるファジー制御によつて熟練ォペレ一タの操作技術が 盛り込まれて次回の揺動操作量 Xn+1、 Yn+1が算出される。 このようにして算出 された揺動操作量 Χη+1、 Yn+1は表示出力装置 2 4の C R Tモニタ上に表示され 以下、 垂直方向についてのファジー方向制御を詳述する。
    [0035] このファジー制御は修正ピッチング角 s及びステアリング感度 Tの 2変数を入 力とし、 次回摇動操作量 Yn+1の 1変数を出力としたファジー制御である。
    [0036] 第 7図は修正ピッチング角 0 sのメンバシップ関数、 第 8図はステアリ ング感度 Tのメンパシップ関数、 第 9図は次回揺動衝乍量 Yn+1のメンバシップ関数であり、 また下表にそれぞれのファジ一制御ル一ルを示す。
    [0037] T
    [0038] Yn+1
    [0039] SA SM MM ML LA B m PB PB PM PM
    [0040] 丽 PB PM PM PM ZO
    [0041] s Z0 zo ZO ZO ZO ZO
    [0042] PM NB 簡 NM NM ZO
    [0043] PB NB NB NB NM NM そしてこのファジー帘 Ij御ルールは .
    [0044]
    [0045] で表される。 なお、 δ ε、 はそれぞれのメンバシップ関数である。 一 Ί一
    [0046] 次に として、 s=— 0. 25 (%) 、 T = 0 50 (%/度） のときのフ ァジ一制御部 23における演算について説明する。
    [0047] 上記の表から使用される制御ルールは
    [0048] IF Θ sn=NM AND T=ML THEN Yn+l=PS ■■· (4)
    [0049] IF ^sn=NM AND T=LA THEN Yn+l=Z0 ··· (5)
    [0050] IF ^sn=Z0 AND T=ML THEN Yn+l=Z0 ··· ( 6)
    [0051] IF Θ sn=Z0 AND T=LA THEN Yn+l=ZO ··· (7)
    [0052] の 4式であり、 これをファジ一推論の min-max法を用い、 最終出力を重心法で求め るとする。
    [0053] すなわち、. 上記 4式のうち第 （4) 式は第 1 0図に示すようになり、 Ss=0.5,
    [0054] T=0.67で、 これらの小さいほうをとることにより Υη+1=0.5となる。
    [0055] また、 上記の第 （5) 式は第 1 1図に示すようになり、 0s=O.5, Τ=0.33で、 こ れらの小さいほうをとることにより Υη+1=0.33となる。
    [0056] また、 上記の第 （6) 式は第 1 2図に示すようになり、 es=0.5, Τ=0.67で、 こ れらの小さいほうをとることにより Υη+1=0.5となる。
    [0057] また、 上記の第 （7) 式は第 1 3図に示すようになり、 Ss-0.5， Τ=0.33で、 こ れらの小さいほうをとることにより Υη+1=0.33となる。
    [0058] 以上 4つの Υη+1の最大値をとり、 重心法によって Υη+1の最終出力を第 1 4図 のようにして求めると、 Υη+1=0.5度となる。
    [0059] 水平方向の揺動操作量についても同様の手順で実行される。
    [0060] 以上が、 本装置におけるファジ一制御による揺動操作量の算出手順である。 尚、 上記実施例では、 ステアリング感度 Τは厶 ρη/Υηを用い、 今回のサンプ リング値のみを用いて算出するようにした力 下式 （8) 、 (9) に示すように、 過去数回のサンプリング値を用いて算出するようにしてもよい。
    [0061] T= (厶 0ρη-2+Δ 0ρη— 1+厶 6ρη)/(Υη-2 + Υη— 1 + Yn) … (8) Τ=(Δ ^ρη-2/Υη-2) + (Δ 5ρη-1/Υη-1) + (Δ Θρ/Υη) ■■■ (9) また、 本発明は圧密タイプのパイロッ トへッドでなく、 掘削タイプのパイロッ トへッドに適用するようにしてもよく、 更には大口径の地中掘進機に適用するよ うにしてもよい。 産業上の利用可能性
    [0062] この癸明は、 上下水道やガス管や電力線などの非開埋設管施行分野に用いられ る小口径管地中掘進機などの地中掘進機に用いて有用である。
    权利要求:
    Claims

    請 求 の 範 囲
    l · 摇動ジャツキを備え、 該摇動ジャツキによつてパイロッ トジャツキを揺動さ せて方向制御を行いながら地中掘削を行う地中掘進機の方向制御装置において、 地中掘進機の施行計画線に対する水平偏差、 垂直偏差、 ピッチング角及びョー ィング角を検出する第 1の検出手段と、
    前記揺動ジャッキによる垂直及び水平方向の揺動量を検出する第 2の検出手段 と、
    前記検出したピッチング角と垂直偏差を用いて修正ピッチング角を求める第 1 の演算手段と、
    前記検出したョ一イング角と水平傷差を用いて修正ョーイング角を求める第 2 の演算手段と、
    前回のピッチング角と今回のピッチング角の差、 及び前記検出した垂直方向の 揺動量を用いて垂直方向のステアリング感度を求める第 3の演算手段と、 前回のョーィング角と今回のョ一ィング角の差、 及び前記検出した水平方向の 摇動量を用いて水平方向のステアリング感度を求める第 4の演算手段と、 前件部の変数に前記求めた修正ピッチング角および垂直方向のステアリング感 度を用い、 後件部の変数に次回の垂直方向の揺動操作量を用いたファジールール が予め設定され、 このファジールール及び前記第 1及び第 3の演算手段の出力に 基づき次回の垂直方向の揺動操作量を求める第 1のファジー制御手段と、 前件部の変数に前記求めた修正ョーイング角およぴ水平方向のステアリング感 度を用い、 後件部の変数に次回の水平方向の揺動操作量を用いたファジールール が予め設定され、 このファジールール及び前記第 2及び第 4の演算手段の出力に 基づき次回の水平方向の揺動操作量を求める第 2のファジー制御手段と、
    を具える地中掘進機の方向制御装置。
    2 . 摇動ジャツキを傭え、 該揺動ジャツキによつてパイロッ トジャツキを揺動さ せて方向制御を行いながら地中掘削を行う地中掘進機の方向制御装置において、 地中掘進機の施行計画線に対する水平偏差、 垂直偏差、 ピッチング角及ぴョー ィング角を検出する第 1の検出手段と、
    前記揺動ジャッキによる垂直及び水平方向の揺動量を検出する第 2の検出手段 と、
    前記検出したピッチング角と垂直偏差を用いて修正ピッチング角を求める第 1 の演算手段と、
    前記検出したョ一イング角と水平偏差を用いて修正ョ一イング角を求める第 2 の演算手段と、
    前回のピッチング角と今回のピッチング角の差及ぴ前記検出した垂直方向の揺 動量を過去数回のわたって求め、 これら求めた値を用いて垂直方向のステアリン グ感度を求める第 3の演算手段と、 ―
    前回のョーイング角と今回のョーイング角の差及び前記検出した水平方向の揺 動量を過去数回のわたって求め、 これら求めた値を用いて水平方^のステアリン グ感度を求める第 4の演算手段と、
    前件部の変数に前記求めた修正ピッチング角および垂直方向のステアリング感 度を用い、 後件部の変数に次回の垂直方向の揺動操作量を用いたファジールール が予め設定され、 このファジ一ル一ル及び前記第 1及び第 3の演算手段の出力に 基づき次回の垂直方向の摇動操作量を求める第 1のファジー制御手段と、 前件部の変数に前記求めた修正ョ一ィング角および水平方向のステアリング感 度を用い、 後件部の変数に次回の水平方向の揺動操作量を用いたファジールール が予め設定され、 このファジ一ルール及ぴ前記第 2及び第 4の演算手段の出力に 基づき次回の水平方向の揺動操作量を求める第 2のファジ一制御手段と、
    を具える地中掘進機の方向制御装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    US9428885B2|2016-08-30|Guidance system for earthmoving machinery
    JP5815819B2|2015-11-17|油圧ショベルの掘削制御システム
    DE112014000079B4|2017-02-09|Stellungsberechnungsvorrichtung für eine Arbeitsmaschine, Arbeitsmaschine und Stellungsberechnungsverfahren für eine Arbeitsmaschine
    AU2013206697B2|2017-09-28|System and method for detecting a crest
    DE19581454B3|2013-08-22|Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Ortes und der Orientierung einer Arbeitsmaschine
    US9322148B2|2016-04-26|System and method for terrain mapping
    JP3049053B1|2000-06-05|自動化されたガイド兼測定装置および移動自在なプラットフォ―ムを測定しナビゲ―トする方法
    EP0288314B1|1991-01-09|Apparatus and method for controlling a hydraulic excavator
    JP4311577B2|2009-08-12|施工目標指示装置
    KR100353566B1|2003-01-06|유압셔블의경사면굴삭제어장치,목표경사면설정장치및경사면굴삭형성방법
    KR100452101B1|2004-10-08|굴삭기계의 목표굴삭면 설정장치, 그 기록매체 및 표시장치
    JP2012036726A|2012-02-23|土工作業機械の進行方向を制御する方法及び装置
    DE69829107T2|2005-12-29|Detektorsystem
    DE112012000111B4|2015-05-07|Vorrichtung zur Anzeige eines möglichen Arbeitsbereichs in einem Hydraulikbagger und Verfahren zur Steuerung derselben
    US7293376B2|2007-11-13|Grading control system
    US5133418A|1992-07-28|Directional drilling system with eccentric mounted motor and biaxial sensor and method
    US5682311A|1997-10-28|Apparatus and method for controlling a hydraulic excavator
    US4888890A|1989-12-26|Laser control of excavating machine digging depth
    US8191653B2|2012-06-05|System and method for tracking and maintaining an on-grade horizontal borehole
    EP0811728A1|1997-12-10|Method for controlling an excavator
    US6736216B2|2004-05-18|Laser-guided construction equipment
    US5983166A|1999-11-09|Structure measurement system
    US9739038B2|2017-08-22|Posture computing apparatus for work machine, work machine, and posture computation method for work machine
    US20090228169A1|2009-09-10|Automatic method and system for the calibration of earthworking machines
    US5383524A|1995-01-24|Method and equipment for aligning the feeding beam of a rock drilling equipment
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JPH07103781B2|1995-11-08|
    KR920702781A|1992-10-06|
    EP0478798A4|1993-05-12|
    JPH041396A|1992-01-06|
    US5186579A|1993-02-16|
    EP0478798A1|1992-04-08|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1991-10-31| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): KR US |
    1991-10-31| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IT LU NL SE |
    1992-01-07| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1991908467 Country of ref document: EP |
    1992-04-08| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1991908467 Country of ref document: EP |
    1995-08-26| WWW| Wipo information: withdrawn in national office|Ref document number: 1991908467 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP2101583A|JPH07103781B2|1990-04-19|1990-04-19|小口径管地中掘進機の操作方法|
    JP2/101583||1990-04-19||KR1019910701860A| KR920702781A|1990-04-19|1991-04-19|지중굴진기의 방향제어장치|
    [返回顶部]