JP2022088162A

JP2022088162A - Drilling assist system

Info

Publication number: JP2022088162A
Application number: JP2020200455A
Authority: JP
Inventors: 高弘近藤; Takahiro Kondo; 元中島; Hajime Nakajima
Original assignee: MST CO Ltd; Taisei Corp
Current assignee: MST CO Ltd; Taisei Corp
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-06-14

Abstract

To propose a drilling assist system that adequately calculates a tip position of a flea tip and realizes more accurate construction.SOLUTION: A drilling assist system includes: two targets 3, 3 provided at a rear portion of a revolving body 12 of a construction machine; two total stations 4, 4 automatically tracking the targets 3, 3; three-axis acceleration sensor units 5 attached to a boom 13, an arm 14 and a head portion 15 of the construction machine, respectively; and calculation means 7 for calculating a tip position of a flea 16 provided on the head portion 15. The three-axis acceleration sensor unit 5 detects a three-axis acceleration at an attached position. The calculation means 7 calculates pitching angles and rolling angles of the boom 13, the arm 14, and the head portion 15 with the three-axis acceleration, and calculates the tip position of the flea 16 based on the pitching angles, the rolling angles, and a measurement result by the total stations 4, 4.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

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に関する。 The present invention relates to an excavation assisting system used for the construction of mountain tunnels.

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ターゲットを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）。
従来のシステムでは、旋回式建設機械に設置された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。
ブーム、アーム、ヘッド部に取り付けられた傾斜計は、旋回式建設機械に対する角度（ピッチング角）を算出するのが一般的である。一方、トンネル坑内では、不陸や傾斜により路面が平坦ではないのが一般的である。路面が平坦ではないと、旋回式建設機械自体が傾斜していることで、ブーム、アーム、ヘッド部の角度にも影響を及ぼすおそれがある。そのため、ノミ先の先端位置を正確に算出するためには、旋回式建設機械の向き（ピッチング、ローリング、ヨー角等）による影響を排除した状態で算出するのが望ましい。 When using a swivel construction machine (for example, back ho) with an attachment such as a rock drill as an excavator in mechanical excavation or a machine for scraping work in rupture excavation in the construction of mountain tunnels such as NATM. There is. At this time, by measuring the target attached to the swivel construction machine with a total station, the position information of the tip of the swivel construction machine (such as the flea tip of the rock drill) may be grasped in real time (for example, patent). See Document 1).
In the conventional system, the target installed in the swivel construction machine is tracked and measured by a total station to detect the swivel direction of the swivel construction machine, and the tilt attached to the boom, arm, and head of the swivel construction machine. By detecting the tilt angle with a meter, the tip position of the flea tip is calculated.
Inclinometers attached to booms, arms, and heads generally calculate angles (pitching angles) with respect to swivel construction machines. On the other hand, in tunnels, the road surface is generally not flat due to unevenness or slope. If the road surface is not flat, the tilting of the swivel construction machine itself may affect the angles of the boom, arm, and head. Therefore, in order to accurately calculate the tip position of the chisel tip, it is desirable to calculate it in a state where the influence of the orientation (pitching, rolling, yaw angle, etc.) of the swivel type construction machine is excluded.

特開２０１７－１９０５８７号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-190587

本発明は、ノミ先の先端位置を的確に算出して、より正確な施工を実現するための掘削補助システムを提案することを課題とする。 An object of the present invention is to propose an excavation assisting system for accurately calculating the tip position of a chisel tip and realizing more accurate construction.

前記課題を解決するための本発明は、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、前記建設機械のブーム、アームおよびヘッド部にそれぞれ設けられた三軸加速度センサユニットと、前記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備える掘削補助システムである。前記三軸加速度センサユニットは、前記ブーム、前記アームまたは前記ヘッド部の三軸加速度（互いに直交する３方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の加速度）を検出する。前記算出手段は前記三軸加速度によりピッチング角およびローリング角を算出するとともに、前記ピッチング角、前記ローリング角および前記トータルステーションの計測結果により前記ノミの先端位置を算出する。
かかる掘削補助システムによれば、ブーム、アームおよびヘッド部の水平面に対するピッチング角およびローリング角を算出できるため、ブーム、アームおよびヘッド部がローリングした場合であっても、ノミの先端位置の位置情報をより正確に算出できる。また、水平面に対するピッチング角およびローリング角を算出するため、トンネル坑内の不陸や傾斜の影響を受け難い。 In the present invention for solving the above-mentioned problems, two targets provided at the rear of a swivel body of a construction machine, two total stations for automatically tracking the targets, and a boom, arm and head portion of the construction machine. It is an excavation assisting system including a triaxial acceleration sensor unit provided in each of the above heads and a calculation means for calculating the tip position of a flea provided in the head portion. The triaxial acceleration sensor unit detects triaxial acceleration of the boom, the arm, or the head portion (acceleration in three directions (X-axis direction, Y-axis direction, Z-axis direction) orthogonal to each other). The calculation means calculates the pitching angle and the rolling angle by the triaxial acceleration, and calculates the tip position of the chisel from the measurement results of the pitching angle, the rolling angle and the total station.
According to such an excavation assist system, the pitching angle and the rolling angle of the boom, the arm and the head portion with respect to the horizontal plane can be calculated, so that the position information of the tip position of the flea can be obtained even when the boom, the arm and the head portion are rolled. It can be calculated more accurately. In addition, since the pitching angle and rolling angle with respect to the horizontal plane are calculated, it is not easily affected by unevenness and inclination in the tunnel mine.

前記旋回体に、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が設けられている場合には、前記算出手段は、前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度により前記旋回体のヨー角を算出する。
かかる掘削補助システムによれば、旋回体に設けられたセンサにより建設機械のヨー角を算出する。すなわち、トータルステーションを利用して二つのターゲットから方向角を求める場合と同様の角度を慣性センサユニットから出力できる。
さらに、各センサの信号処理を行うローパスフィルタを備えていれば、測定結果（検出結果）のノイズ除去することで、精度をより高められる。 When the swivel body is provided with an inertial sensor unit for detecting the triaxial acceleration and the triaxial rotational angular velocity of the swivel body, the calculation means is based on the triaxial acceleration and the triaxial rotational angular velocity of the swivel body. The yaw angle of the swivel body is calculated.
According to such an excavation assist system, the yaw angle of the construction machine is calculated by a sensor provided on the swivel body. That is, the same angle as when the direction angle is obtained from two targets using the total station can be output from the inertial sensor unit.
Further, if a low-pass filter that processes the signal of each sensor is provided, the accuracy can be further improved by removing the noise of the measurement result (detection result).

本発明の掘削補助システムによれば、ノミの先端位置を的確に把握することで、より正確な施工を実施することが可能となる。 According to the excavation assist system of the present invention, more accurate construction can be carried out by accurately grasping the position of the tip of the chisel.

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。It is a schematic diagram which shows the construction situation by the swivel type construction machine of this embodiment. 本実施形態の発作補助システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the seizure assist system of this embodiment. 三軸加速度センサユニットの概要を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline of a triaxial acceleration sensor unit. 慣性センサユニットの概要を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline of the inertia sensor unit. 旋回式建設機械の三次元座標系である。It is a three-dimensional coordinate system of a swivel construction machine. 旋回式建設機械の使用状況の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of the usage situation of the swing type construction machine. （ａ）はローパスフィルタによる平滑化処理前の旋回体のピッチング角およびローリング角を示し、（ｂ）はローパスフィルタによる平滑化処理後の旋回体のピッチング角およびローリング角を示す。(A) shows the pitching angle and the rolling angle of the swirl body before the smoothing process by the low-pass filter, and (b) shows the pitching angle and the rolling angle of the swirl body after the smoothing process by the low-pass filter.

本実施形態では、山岳トンネルの施工において使用する旋回式建設機械１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。
本実施形態の掘削補助システム２は、旋回式建設機械１のヘッド部１５に設けられたノミ１６の先端位置を的確に把握するものである。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。ノミ１６の先端位置は、掘削補助システム２により算出する。図２に掘削補助システムの概要を示す。図２に示すように、本実施形態の掘削補助システム２は、ターゲット３と、トータルステーション４と、三軸加速度センサユニット５と、慣性センサユニット６と、算出手段７とを備えている。 In this embodiment, the swivel type construction machine 1 used in the construction of a mountain tunnel will be described. FIG. 1 shows the construction status of the swivel construction machine 1. As shown in FIG. 1, the swivel construction machine 1 is used for removing floating stones remaining on the face surface and the tunnel wall surface immediately after excavation in the face (tunnel tip) after blasting.
The swivel construction machine 1 of the present embodiment is a so-called back hoe, and has a traveling body 11, a swivel body 12 rotatably provided on the traveling body 11 about a vertical axis, and a swivel body 12 having a horizontal axis. The boom 13 rotatably attached to the center, the arm 14 rotatably attached to the tip of the boom 13 around the horizontal axis, and the tip of the arm 14 rotatably attached to the horizontal axis. It is provided with an attached head portion 15. The head portion 15 is a so-called attachment, and the head portion 15 of the present embodiment is a breaker provided with a chisel 16.
The excavation assist system 2 of the present embodiment accurately grasps the tip position of the chisel 16 provided in the head portion 15 of the swivel construction machine 1. If the tip position of the chisel 16 can be accurately grasped, the swivel construction machine 1 can be operated appropriately, so that efficient and highly accurate tunnel construction becomes possible. The tip position of the chisel 16 is calculated by the excavation assist system 2. FIG. 2 shows an outline of the excavation assist system. As shown in FIG. 2, the excavation assist system 2 of the present embodiment includes a target 3, a total station 4, a triaxial acceleration sensor unit 5, an inertial sensor unit 6, and a calculation means 7.

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。 As shown in FIG. 1, the target 3 is fixed to the rear part of the swivel body 12 of the swivel construction machine 1. In the present embodiment, the two targets 3 and 3 are arranged on the upper surface of the swivel body 12 at intervals. The target 3 includes a reflection prism, and reflects the light wave emitted from the total station 4 toward the total station 4. In this embodiment, a target prism that can be measured from the entire circumferential direction (360 ° direction centered on the target 3) is used.

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の後方の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（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、計測結果を算出手段７に送信する。 As shown in FIG. 1, the total station 4 is installed behind the swivel construction machine 1 and automatically tracks the target 3. In this embodiment, two total stations 4 are installed, and each total station 4 surveys a different target 3 (one total station 4 automatically tracks one target 3 and the other total station 4 automatically tracks the other target 3). Is automatically tracked).
The total station 4 measures the position of the target 3 and transmits the measurement result to the calculation means 7.

三軸加速度センサユニット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。図３に三軸加速度センサユニット５の概要を示す。
各三軸加速度センサユニット５は、図３に示すように、三軸加速度計５１、ローパスフィルタ５２、通信制御手段５３、電力供給手段５４および制御手段５５を備えている。三軸加速度計５１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。ローパスフィルタ５２は、三軸加速度計５１の信号処理（高周波成分の除去）を行う。ローパスフィルタ５２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５３は、ローパスフィルタ５２を介して信号処理された三軸加速度計５１による計測結果の通信を制御する。三軸加速度センサユニット５は、通信制御手段５３を介して、三軸加速度を算出手段７に送信する。電力供給手段５４は、三軸加速度計５１、ローパスフィルタ５２、通信制御手段５３、制御手段５５等に電力を供給する。制御手段５５は、三軸加速度計５１およびローパスフィルタ５２の起動・停止を制御する。 As shown in FIG. 1, the triaxial acceleration sensor unit 5 is attached to the boom 13, the arm 14, and the head portion 15, respectively. FIG. 3 shows an outline of the three-axis acceleration sensor unit 5.
As shown in FIG. 3, each triaxial accelerometer unit 5 includes a triaxial accelerometer 51, a low-pass filter 52, a communication control means 53, a power supply means 54, and a control means 55. The triaxial accelerometer 51 detects triaxial acceleration at the mounting position. The triaxial acceleration is an acceleration in three axes (X-axis, Y-axis, Z-axis) orthogonal to each other. The X-axis and the Y-axis are axes orthogonal to each other in the horizontal plane, and the Z-axis is an axis (vertical axis) perpendicular to the horizontal plane. The low-pass filter 52 performs signal processing (removal of high frequency components) of the triaxial accelerometer 51. The cutoff frequency of the low-pass filter 52 is set to a magnitude (for example, 1 to 2 Hz) capable of removing high frequency acceleration (noise) caused by vibration of the drive source of the swivel construction machine 1 or vibration of the breaker. The communication control means 53 controls communication of measurement results by the triaxial accelerometer 51 signal-processed via the low-pass filter 52. The triaxial acceleration sensor unit 5 transmits the triaxial acceleration to the calculating means 7 via the communication control means 53. The power supply means 54 supplies power to the triaxial accelerometer 51, the low-pass filter 52, the communication control means 53, the control means 55, and the like. The control means 55 controls the start / stop of the triaxial accelerometer 51 and the low-pass filter 52.

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４に慣性センサユニット６の概要を示す。図４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算出手段７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。 The inertial sensor unit 6 is provided on the swivel body 12. The inertial sensor unit 6 detects the triaxial acceleration and the triaxial rotational angular velocity of the swivel body 12. The triaxial rotational angular velocity is an angular acceleration around three axes (X-axis, Y-axis, and Z-axis) orthogonal to each other. FIG. 4 shows an outline of the inertial sensor unit 6. As shown in FIG. 4, the inertial sensor unit 6 includes a triaxial gyro 61, a triaxial accelerometer 62, a low-pass filter 63, a communication control means 64, a power supply means 65, and a control means 66. The triaxial gyro 61 detects the triaxial rotational angular velocity of the swivel body 12. The triaxial accelerometer 62 detects triaxial acceleration at the mounting position. The low-pass filter 63 performs signal processing (removal of high frequency components) of the triaxial rotational angular velocity detected by the triaxial gyro 61 and the triaxial acceleration detected by the triaxial accelerometer 62. The cutoff frequency of the low-pass filter 63 is set to a magnitude (for example, 1 to 2 Hz) capable of removing high frequency acceleration (noise) caused by vibration of the drive source of the swivel construction machine 1 or vibration of the breaker. The communication control means 64 controls communication to the calculation means 7 of the triaxial acceleration and the triaxial rotational angular velocity signal-processed via the low-pass filter 63. The power supply means 65 supplies power to the three-axis gyro 61, the three-axis accelerometer 62, the low-pass filter 63, the communication control means 64, the control means 66, and the like. The control means 66 controls the start / stop of the triaxial gyro 61, the triaxial accelerometer 62, and the low-pass filter 63.

算出手段７は、ヘッド部１５に設けられたノミ１６の先端位置を算出する。
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では、主に現場座標系での旋回式建設機械１の三次元座標をもとめ、三軸加速度計で旋回体１２のピッチングとローリング角をもとめ、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５に旋回式建設機械１の三次元座標系を示す。
また、算出手段７は、三軸加速度センサユニット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ユニット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θ_１およびローリング角φ_１を算出する。ピッチング角θ_１およびローリング角φ_１を算出したら、算出結果（三軸加速度センサユニット５の取付位置におけるピッチング角θ_１、ローリング角φ_１）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。
なお、ブーム１３、アーム１４またはヘッド部１５のピッチング角θ_１は、式１により算出する。また、ブーム１３、アーム１４またはヘッド部１５のローリング角φ_１は、式２により算出する。 The calculation means 7 calculates the tip position of the chisel 16 provided on the head portion 15.
The calculation means 7 calculates the coordinates of each target 3 based on the measurement result transmitted from the total station 4, and calculates the direction and inclination of the swivel construction machine 1 from the coordinates of both targets 3 and 3. In the total station 4, the three-dimensional coordinates of the swivel construction machine 1 are mainly obtained in the field coordinate system, the pitching and rolling angles of the swivel body 12 are obtained by the three-axis accelerometer, and as a result, the three-dimensional coordinates of the swivel construction machine 1 are obtained. And the direction angle and tilt are detected. FIG. 5 shows a three-dimensional coordinate system of the swivel construction machine 1.
Further, the calculation means 7 of the triaxial acceleration sensor unit 5 is based on the data (triaxial acceleration (Ax, Ay, Az) of the boom 13, the arm 14 and the head portion 15) transmitted from the triaxial acceleration sensor unit 5. The pitching angle θ ₁ and the rolling angle φ ₁ at the mounting position (boom 13, arm 14 or head portion 15) are calculated. After calculating the pitching angle θ ₁ and the rolling angle φ ₁ , the tip position of the flea 16 is based on the calculation results (pitching angle θ ₁ and rolling angle φ ₁ at the mounting position of the triaxial accelerometer unit 5) and the measurement results of the total station 4. Is calculated.
The pitching angle θ ₁ of the boom 13, the arm 14, or the head portion 15 is calculated by Equation 1. Further, the rolling angle φ1 of the boom 13, the arm 14, or the head portion ₁₅ is calculated by Equation 2.

また、算出手段７は、慣性センサユニット６から送信された旋回体１２の三軸加速度（Ax,Ay,Az）に基づいて旋回体１２のピッチング角θ_２およびローリング角φ_２を算出するとともに、ピッチング角θ_２、ローリング角φ_２および慣性センサユニット６から送信された旋回体１２の三軸回転角速度（Rx,Ry,Rz）に基づいて旋回体１２のヨー角Ψを算出する。
旋回体１２のピッチング角θ_２は式３により算出し、旋回体１２のローリング角φ_２は式４により算出する。また、旋回体のヨー角Ψは、式５により算出する。 Further, the calculation means 7 calculates the pitching angle θ ₂ and the rolling angle φ ₂ of the swivel body 12 based on the triaxial acceleration (Ax, Ay, Az) of the swivel body 12 transmitted from the inertial sensor unit 6. The yaw angle Ψ of the swivel body 12 is calculated based on the pitching angle θ ₂ , the rolling angle φ ₂ , and the triaxial rotational angular velocity (Rx, Ry, Rz) of the swivel body 12 transmitted from the inertial sensor unit 6.
The pitching angle θ ₂ of the swivel body 12 is calculated by the equation 3, and the rolling angle φ ₂ of the swivel body 12 is calculated by the formula 4. Further, the yaw angle Ψ of the swivel body is calculated by Equation 5.

本実施形態の掘削補助システム２によれば、水平面を基準としてブーム１３、アーム１４およびヘッド部１５のピッチング角およびローリング角を算出できるため、ブーム１３、アーム１４およびヘッド部１５がローリングした場合であっても、ノミ１６の先端位置の位置情報をより正確に算出できる。また、水平面を基準としてピッチング角およびローリング角を算出するため、トンネル坑内の不陸や傾斜の影響を受け難い。なお、ブーム１３、アーム１４およびヘッド部１５のヒンジ部では、ヘッド部１５の重量によりヒンジ箇所において左右方向にたわみが生じるおそれがある。本実施形態の掘削補助システム２では、水平面を基準としてブーム１３、アーム１４およびヘッド部１５のピッチング角に加えてローリング角を算出するため、ノミ１６の先端部の位置座標を精度よく算出できる。 According to the excavation assist system 2 of the present embodiment, the pitching angle and the rolling angle of the boom 13, the arm 14 and the head portion 15 can be calculated with reference to the horizontal plane, so that when the boom 13, the arm 14 and the head portion 15 are rolled. Even if there is, the position information of the tip position of the chisel 16 can be calculated more accurately. In addition, since the pitching angle and rolling angle are calculated based on the horizontal plane, they are not easily affected by unevenness and inclination in the tunnel mine. In the hinge portion of the boom 13, the arm 14, and the head portion 15, the weight of the head portion 15 may cause the hinge portion to bend in the left-right direction. In the excavation assist system 2 of the present embodiment, since the rolling angle is calculated in addition to the pitching angle of the boom 13, the arm 14, and the head portion 15 with respect to the horizontal plane, the position coordinates of the tip portion of the chisel 16 can be calculated accurately.

また、旋回体１２に設けられた慣性センサユニット６（三軸ジャイロおよび三軸加速度計からなる６軸の慣性センサ）により測定された旋回体１２の三軸加速度および三軸回転角速度に基づいて、水平面を基準とした旋回体１２のヨー角を算出することで、より正確な角度を算出することが可能となる。すなわち、旋回体１２のヨー角を考慮してノミ１６の先端位置の位置情報を算出することで、より精度が高まる。なお、二台のターゲット３，３およびトータルステーション４，４によって旋回式建設機械１の旋回角を測定すると、走行体１１に対する旋回体１２の向きを固定した状態で旋回式建設機械１を移動させた場合（図６の建設機械１ｂ参照）であっても、旋回体１２が旋回した計測結果となる。また、トータルステーション４によるターゲットプリズムの測定では、プリズムの１点を毎回捉える（視準する）ことができない場合があるため、トータルステーション４，４の測定結果を用いてヨー角を計算すると、ヨー角の誤差が時間の経過とともに累積する虞がある。一方、本実施形態の掘削補助システム２によれば、慣性センサユニット６の測定結果に基づいて旋回体１２のヨー角を算出するため、旋回式建設機械１の向きと走行体１１に対する旋回体１２の旋回角とを把握することができる。なお、走行体１１に対する旋回体１２の回転角度は、回転軸のジャイロによっても検出可能であるが、実際の重機が現場座標系でどのように旋回しているかを把握するためにはヨー角を把握する必要がある。 Further, based on the triaxial acceleration and triaxial rotational angular velocity of the swivel body 12 measured by the inertial sensor unit 6 (6-axis inertial sensor including a triaxial gyro and a triaxial accelerometer) provided on the swivel body 12. By calculating the yaw angle of the swivel body 12 with respect to the horizontal plane, it is possible to calculate a more accurate angle. That is, the accuracy is further improved by calculating the position information of the tip position of the chisel 16 in consideration of the yaw angle of the swivel body 12. When the turning angle of the turning type construction machine 1 was measured by the two targets 3 and 3 and the total stations 4 and 4, the turning type construction machine 1 was moved with the direction of the turning body 12 fixed with respect to the traveling body 11. Even in the case (see the construction machine 1b in FIG. 6), the measurement result is obtained by turning the swivel body 12. In addition, in the measurement of the target prism by the total station 4, it may not be possible to capture (collimate) one point of the prism each time. Therefore, when the yaw angle is calculated using the measurement results of the total stations 4 and 4, the yaw angle is calculated. Errors may accumulate over time. On the other hand, according to the excavation assist system 2 of the present embodiment, in order to calculate the yaw angle of the swivel body 12 based on the measurement result of the inertial sensor unit 6, the direction of the swivel construction machine 1 and the swivel body 12 with respect to the traveling body 11 It is possible to grasp the turning angle of. The rotation angle of the turning body 12 with respect to the traveling body 11 can also be detected by the gyro of the rotating shaft, but in order to grasp how the actual heavy machine is turning in the field coordinate system, the yaw angle is used. You need to figure it out.

また、三軸加速度センサユニット５や慣性センサユニット６から出力されたデータのノイズをローパスフィルタ５２，６３により除去するため、ピッチング角、ローリング角、ヨー角の推移が平滑化され、精度をより高められる。図７（ａ）にローパスフィルタによる平滑化前のピッチング角とローリング角を示し、図７（ｂ）に平滑化後のピッチング角とローリング角を示す。図７（ａ）および（ｂ）の対比から明らかなように、ローパスフィルタを使用すると、加速度および回転加速度のブレが軽減される結果、ピッチング角およびローリング角の推移も平準化される。なお、ローパスフィルタのカットオフ周波数（フィルター効果の強弱）は、適宜設定できる。 Further, since the noise of the data output from the triaxial acceleration sensor unit 5 and the inertial sensor unit 6 is removed by the low-pass filters 52 and 63, the transition of the pitching angle, the rolling angle and the yaw angle is smoothed and the accuracy is further improved. Be done. FIG. 7A shows the pitching angle and rolling angle before smoothing by the low-pass filter, and FIG. 7B shows the pitching angle and rolling angle after smoothing. As is clear from the comparison of FIGS. 7 (a) and 7 (b), the use of the low-pass filter reduces the fluctuation of the acceleration and the rotational acceleration, and as a result, the transition of the pitching angle and the rolling angle is also leveled. The cutoff frequency (strength or weakness of the filter effect) of the low-pass filter can be set as appropriate.

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。
前記実施形態では、慣性センサユニットにより三軸回転角速度を出力するものとしたが、三軸回転加速度の場合は、角度検出に基づいて（二重積分することで）算出してもよい。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and each of the above-mentioned components can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above embodiment, the case where the swivel construction machine 1 is a backhoe has been described, but the machine constituting the swivel construction machine 1 is not limited as long as it has a swivel body.
In the above embodiment, the inertial sensor unit outputs the triaxial rotational angular velocity, but in the case of the triaxial rotational acceleration, it may be calculated based on the angle detection (by double integration).

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 1 Swivel type construction machine 11 Swivel body 12 Swivel body 13 Boom 14 Arm 15 Head part 16 Flea 2 Excavation assist system 3 Target 4 Total station 5 Triaxial acceleration sensor unit 6 Inertia sensor unit 7 Calculation means

Claims

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、
前記建設機械のブーム、アームおよびヘッド部にそれぞれ取り付けられた三軸加速度センサユニットと、
前記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、を備える掘削補助システムであって、
前記三軸加速度センサユニットは、取付位置において三軸加速度を検出し、
前記算出手段は、前記三軸加速度により前記ブーム、前記アームおよび前記ヘッド部のピッチング角およびローリング角を算出するとともに、前記ピッチング角、前記ローリング角および前記トータルステーションの計測結果により前記ノミの先端位置を算出することを特徴とする、掘削補助システム。 Two targets installed at the rear of the swivel body of the construction machine,
Two total stations that automatically track the target, and
The three-axis accelerometer unit attached to the boom, arm, and head of the construction machine, respectively.
An excavation assisting system provided with a calculation means for calculating the tip position of a chisel provided on the head portion.
The triaxial acceleration sensor unit detects triaxial acceleration at the mounting position and
The calculation means calculates the pitching angle and rolling angle of the boom, the arm and the head portion by the triaxial acceleration, and determines the tip position of the flea based on the measurement results of the pitching angle, the rolling angle and the total station. An excavation assist system characterized by calculation.

前記算出手段は、式１を利用して前記ピッチング角θ_１を算出し、式２により前記ローリング角φ_１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。

The excavation assist system according to claim 1, wherein the calculation means calculates the pitching angle θ ₁ using the formula 1 and calculates the rolling angle φ ₁ by the formula 2.

前記旋回体に、慣性センサユニットが設けられており、
前記慣性センサユニットは、前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出し、
前記算出手段は、前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度により前記旋回体のヨー角を算出することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の掘削補助システム。 An inertial sensor unit is provided on the swivel body, and the inertial sensor unit is provided.
The inertial sensor unit detects the triaxial acceleration and triaxial rotational angular velocity of the swivel body.
The excavation assist system according to claim 1 or 2, wherein the calculation means calculates the yaw angle of the swivel body from the triaxial acceleration and the triaxial rotation angular velocity of the swivel body.

前記算出手段は、前記旋回体のヨー角Ψを式５により算出すること特徴とする、請求項３に記載の掘削補助システム。

The excavation assist system according to claim 3, wherein the calculation means calculates the yaw angle Ψ of the swivel body by the equation 5.

各センサの信号処理を行うローパスフィルタをさらに備えていることを特徴とする、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。
The excavation assist system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a low-pass filter that processes signals of each sensor.