JPH0411194A - Method of controlling direction of tunnel robot - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To enhance the control ability by selecting an optimum gain in a feed-back control rule in which values by multiplying a positional deviation and a pitching angle deviation of a robot body by gains are used for the next input head angle. CONSTITUTION:A positional deviation of a robot from a planned line is multiple by a positional deviation feed-back gain kp while a pitching angle deviation DELTAthetap(K) is multiple by a pitching angle deviation feed-back gain ka so as to obtain input head angle from a control rule expression in order to lead a pitching angle variation DELTAthetap(K) for a direction correcting value from which a robot position Y(k) and a robot pitching angle thetap(K) are calculated for the correction of the direction. Further, the gain ka is selected in a range of 6.5 to 9.6 (dimensionless), and the ratio Ka/Kp between the gains Ka, kp is selected in a range of 32 to 140(mm/deg) in order to carry out feed-back control. Thereby it is possible to perform satisfactory control.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は無排土式で押し込み推進させながらロボット先
端のヘッド角を制御し、方向修正を行なう小口径トンネ
ルロボットの方向制御方法に関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a direction control method for a small-diameter tunnel robot that corrects the direction by controlling the head angle of the robot tip while pushing and propelling the robot in an unremoved manner. be.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第１０図にトンネルロボットのシステム構成を示す。本
システムはヘッド角修正機能を持つトンネルロボット本
体１、埋設管２、埋設管を押し込む押管装置３、油圧装
置４、操作盤５よりなる。Figure 10 shows the system configuration of the tunnel robot. This system consists of a tunnel robot main body 1 with a head angle correction function, a buried pipe 2, a push pipe device 3 for pushing the buried pipe, a hydraulic device 4, and an operation panel 5.

埋設管２は押管装置３により油圧で１木ずつ押し込まれ
る。このとき、オペレータはヘッド角を逐次修正し、計
画線に沿うように方向制御を行なう。The buried pipe 2 is pushed in one by one using hydraulic pressure by the pushing pipe device 3. At this time, the operator sequentially corrects the head angle and performs direction control so as to follow the planned line.

この方向制御は現状ではオペレータの経験と知識に鯨っ
ている。This directional control currently depends on the experience and knowledge of the operator.

第１１図で本トンネルロボットのヘッド角とピッチング
角について定義する。第１２図は実際の施工データから
求めたヘッド角−ピッチング角変化量特性である。ピッ
チング角変化量はヘッド角が同じでもかなりばらついて
おり、ヘッド角が異なると、そのばらつきかたもちがう
。このため、ある角度、方向修正したいと思っても、ど
の程度ヘッド角を修正すればよいかわからず、方向制御
が非常に困難であった。Figure 11 defines the head angle and pitching angle of this tunnel robot. FIG. 12 shows head angle-pitting angle variation characteristics obtained from actual construction data. The amount of change in pitching angle varies considerably even when the head angle is the same, and the variation varies depending on the head angle. For this reason, even if one wishes to correct a certain angle or direction, one does not know how much the head angle should be corrected, making direction control extremely difficult.

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、従来オペ
レータの経験と勘によって行なわれていた小口径トンネ
ルロボットの方向制御を自動化する制御方法を提供する
ことを目的とする。[Problems to be Solved by the Invention] The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a control method that automates the direction control of a small-diameter tunnel robot, which has conventionally been performed based on the operator's experience and intuition. With the goal.

〔課題を解決するための手段と作用〕[Means and actions to solve the problem]

本発明は上記課題を解決するために、計画線に対するロ
ボット本体の位置偏差とピッチング角度偏差にゲインを
かけたものを次の人力ヘッド角とし、その位置偏差フィ
ードバックゲインｋｐとピッチング角度偏差ｋａとの比
ｋ　ａ　／　ｋ　ｐ　（ｍｍ／ｄｅｇ）が３２〜１４０
　（ｍｍ／ｄｅｇ）であり、ピッチング角度偏差フィー
ドバックゲインｋａ（無次元）が６．５〜９．２（無次
元）である、フィードバック制御則を用いた方向制御方
法である。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention takes the following manual head angle as the product of the positional deviation and pitching angle deviation of the robot body with respect to the planned line and the pitching angle deviation, and then calculates the positional deviation feedback gain kp and the pitching angle deviation ka. Ratio k a / k p (mm/deg) is 32 to 140
(mm/deg) and a pitching angle deviation feedback gain ka (dimensionless) of 6.5 to 9.2 (dimensionless).

従来技術との差異は、本発明の方向制御方法を使うこと
により、従来オペレータの経験と勘によって行なわれて
いた小口径トンネルロボットの方向制御を自動化するこ
とができる点である。The difference from the prior art is that by using the direction control method of the present invention, it is possible to automate the direction control of a small diameter tunnel robot, which was conventionally performed based on the operator's experience and intuition.

〔実施例］ 本実施例では、ロボット本体の位置偏差とピッチング角
偏差に、それぞれ、比例ゲインｋａ、ｋｐをかけたもの
を次の入力ヘッド角とするフィードバック制御則を用い
た方向制御のシュミレーションと評価を行ない、最適な
比例ゲインｋａ、ｋｐを求めている。[Example] In this example, we will simulate directional control using a feedback control law in which the next input head angle is obtained by multiplying the position deviation and pitching angle deviation of the robot body by proportional gains ka and kp, respectively. Evaluation is performed to find the optimal proportional gains ka and kp.

方向修正に関するシュミレータはダイナミックモデル［
式（１）］とロボットのピッチング角と位置の算出式［
式（２）、　（３）］　によって構成される。方向制御
のシミュレーションは以下のように行なう。The simulator for direction correction is a dynamic model [
Equation (1)] and the calculation formula for the pitching angle and position of the robot [
Equations (2) and (3)] The direction control simulation is performed as follows.

まず、式（４）の制御則によりヘッド角を求める。次に
そのヘッド角を式（１）のダイナミックモデルに代入し
、方向修正量を計算する。そして、式（２）、　（３）
も用い、ロボットのピッチング角と位置を計算する。First, the head angle is determined using the control law of equation (4). Next, the head angle is substituted into the dynamic model of equation (1) to calculate the amount of direction correction. And equations (2), (3)
is also used to calculate the pitching angle and position of the robot.

本システムのダイナミックモデルは方向修正角がヘット
角とロボットの姿勢を近似的に表わすピッチング角変化
量の時系列項および確率分布項の和で表わせる確率モデ
ルで表した。パラメータａｌｌｌｂ、、は最小２乗法に
よって推定される。The dynamic model of this system is expressed as a stochastic model in which the direction correction angle can be expressed as the sum of a time series term and a probability distribution term of pitching angle changes that approximately represent the head angle and robot posture. The parameters alllb, , are estimated by the least squares method.

このモデル同定は特願平１−２７７２００号に詳述され
ている。This model identification is detailed in Japanese Patent Application No. 1-277200.

シミュレータ Δθ、　（ｋ）　・ａ　＋Δθｐ（ｋ−１）＋−十ａ、
Δθ、（ｋ−ｎ）　　　（１）＋ｂｏθｈ（ｋ）＋ｂ１
θｈ（ｋ−１）＋−＋ｂ、ｌθ、、（ｋ−ｎ）＋ｅ（ｋ
）θｐ（ｋ）・θ、（ｋ−１）＋Δθｐ（ｋ）　　　　
　　　　　　　　　（２）Ｙ（ｋ）＝Ｙ（ｋ−１）＋Ｌ
ｓｉｎ（θ、（ｋ））　　　　　　　　　　　（３）制
御則 θ、（ｋ）・Ｋｐ（Ｙｄ（ｋ）−Ｙ（ｋ−１））＋に言
θｄ（ｋ）−θｐ（ｋ−１））（４）第２圀で各パラメ
ータを定義する。下方の軌道が計画線であり、上方の軌
道がロボットの軌道である。ストロークｋにおける計画
線の位置をＹｄ（ｋ）、計画線の傾きをθ、１（ｋ）　
、ロボットの位置をＹ（ｋ）、ロボットのピッチング角
をθｐ（ｋ）、ピッチング角変化量をΔθｐ（ｋ）、１
ストロークの長さをＬとおく。また、式（２）のダイナ
ミックモデルにおいて、ｅ　（ｋ）は残差、ｎはモデル
の次数である。ブロック線図を第１図に示す。Simulator Δθ, (k) ・a +Δθp(k-1)+-10a,
Δθ, (k-n) (1)+boθh(k)+b1
θh(k-1)+-+b, lθ,,(k-n)+e(k
)θp(k)・θ, (k-1)+Δθp(k)
(2) Y(k)=Y(k-1)+L
sin(θ, (k)) (3) The control law θ, (k)・Kp(Yd(k)−Y(k−1))+ is expressed as θd(k)−θp(k−1))(4 ) Define each parameter in the second domain. The lower trajectory is the planned line, and the upper trajectory is the robot's trajectory. The position of the design line at stroke k is Yd(k), the slope of the design line is θ, 1(k)
, the position of the robot is Y(k), the pitching angle of the robot is θp(k), the amount of change in pitching angle is Δθp(k), 1
Let the length of the stroke be L. Furthermore, in the dynamic model of equation (2), e (k) is the residual and n is the order of the model. A block diagram is shown in FIG.

以下に、Ｂ地区におけるパラメータ推定値を用いたシミ
ュレーション結果を示す。計画線はすべて初期位置、角
度ともＯの水平線とした。Below, simulation results using parameter estimates for District B are shown. All planned lines were horizontal lines with initial positions and angles of O.

第３図は式（］）でｋａ＝０としたもので、角度偏差量
を使わない場合のシミュレーション結果である。ただし
、ｋｐ＝ｏ、ｏｌとし、残差ｅ　（Ｋ）は平均値Ｏｄｅ
ｇ、標準偏差０．１３ｄｅｇの正規分布で近似した。初
期位置、角度はそれぞれ、５００ｍｍ、Ｏｄｅｇとした
。図を見てわかるように発散してしまう。第４図は位置
、角度偏差量の両方を使った場合で、ｋｐ＝０．０１、
ｋａ＝２とした。その他の条件は第３図の場合と同じで
ある。角度偏差量をいれるときれいに収束することがわ
かる。この結果より、位置偏差のフィードバックゲイン
に比較して、角度偏差のフィードバックゲインを大きく
すると方向制御効果が大きくなることがわかる。FIG. 3 shows the simulation results when ka=0 is used in equation (]) and the angular deviation amount is not used. However, kp=o, ol, and the residual e (K) is the average value Ode
g, approximated by a normal distribution with a standard deviation of 0.13 deg. The initial position and angle were set to 500 mm and Odeg, respectively. As you can see from the diagram, it diverges. Figure 4 shows the case where both position and angular deviation are used, kp=0.01,
ka=2. Other conditions are the same as in the case of FIG. It can be seen that when the angular deviation amount is included, it converges neatly. From this result, it can be seen that the direction control effect becomes larger when the feedback gain of the angular deviation is increased compared to the feedback gain of the positional deviation.

そこで、次に、位置偏差のフィードバックゲインに比較
して、どの程度、角度偏差のフィードバックゲインを大
きくすればよいのかを３周べた。Therefore, next, we investigated three times how much the angular deviation feedback gain should be increased compared to the positional deviation feedback gain.

この方法をＢ地区のデータを使って説明する。This method will be explained using data from District B.

第５図にｋ　ｐ　＝　０．０１　（ｄｅｇ／ｍｍ）とし
た時の、ｋａ＝過渡応答の偏差絶対値積分値特性を示す
。この図より、偏差絶対値積分値が最小になるｋａを求
めることができる。この場合、ｋ　ａ　＝　１．５とな
る。FIG. 5 shows the deviation absolute value integral value characteristic of ka=transient response when k p =0.01 (deg/mm). From this diagram, it is possible to find ka at which the absolute deviation integral value becomes the minimum. In this case, k a = 1.5.

次に、上記と同様に、ｋｐを０．０１から１０　（ｄｅ
ｇ／ｍｍ）まで変化させて偏差絶対値積分値が最小にな
るｋａを求める。これらの結果を用いると、第６図に示
すｋｐ−最小偏差絶対値積分値特性が求まる。この図よ
り偏差絶対値積分値が最小になるｋｐは０．０７　（ｄ
ｅｇ／ｍｍ）となり、そのときのｋａはｋｐが０、０７
　（ｄｅｇ／＋ｐ＋ｍ）のときのｋａ＝過渡応答の偏差
絶対値積分値特性により７．８（無次元）と求まる。Next, similarly to the above, kp is set from 0.01 to 10 (de
g/mm) to find the ka that minimizes the absolute deviation integral value. Using these results, the kp-minimum deviation absolute value integral value characteristic shown in FIG. 6 can be determined. From this figure, kp at which the deviation absolute value integral value is minimum is 0.07 (d
eg/mm), and at that time ka and kp are 0,07
When (deg/+p+m), ka=7.8 (dimensionless) is determined from the deviation absolute value integral value characteristic of the transient response.

従って、Ｂ地区に関する最適ゲインはｋｐ＝０．０７（
ｄｅｇ／ｍｍ）、ｋａ＝７．８（無次元）となり、最適
ゲイン比はｋ　ａ　／　ｋ　ｐ　（ｍｍ／ｄｅｇ）　＝
　１１１　（ｍｍ／ｄｅｇ）となる。第７図にこの最適
ｋａ、ｋｐを使った場合の方向制御シミュレーション結
果を示す。初期位置は５００ｎｕ＋＋、計画線は位置が
０の水平線とした。Therefore, the optimal gain for district B is kp=0.07 (
deg/mm), ka = 7.8 (dimensionless), and the optimal gain ratio is ka / k p (mm/deg) =
111 (mm/deg). FIG. 7 shows the results of a directional control simulation using these optimal ka and kp. The initial position was 500 nu++, and the design line was a horizontal line at position 0.

図に示されるように、良好な制御が行なわれていること
がわかる。As shown in the figure, it can be seen that good control is being performed.

上記と同様にして、Ｎ値の異なる各地区における最適ゲ
インｋｐ、ｋａ及び、最適ゲイン比ｋａ／ｋｐを求めた
。これを表１に示す。In the same manner as above, the optimal gains kp and ka and the optimal gain ratio ka/kp in each district with different N values were determined. This is shown in Table 1.

二の表により、計画線に対するロボット本体の位置偏差
とピッチング角度偏差にゲインをかけたものを次の入力
ヘッド角とするフィードハック制御則を用いた方向制御
法を本トンネルロボットに適用する場合、実際のＮ値を
考慮して、ピッチング角度偏差フィードバックゲインｋ
ａは６．５〜９．６（無次元）、位置偏差フィードバッ
クゲインｋｐとの比ｋ　ａ　／　ｋ　ｐ　（ｍｍ／ｄｅ
ｇ）はほぼ３２〜１４０（ｍｍ／ｄｅｇ）の範囲で選択
すればよいことがわかる。According to Table 2, when applying the direction control method using the feed hack control law to this tunnel robot, in which the next input head angle is the product of the position deviation of the robot body with respect to the planned line and the pitching angle deviation multiplied by a gain, Considering the actual N value, pitching angle deviation feedback gain k
a is 6.5 to 9.6 (dimensionless), and the ratio to position error feedback gain kp is k a / k p (mm/de
It can be seen that g) may be selected within the range of approximately 32 to 140 (mm/deg).

また、表１の値を使ってＮ値とｋｐ、ｋａとの関係を図
示すると、それぞれ、第８図、第９図のような関係にな
る。白丸は表１で示した値である。Further, when the relationships between the N value and kp and ka are illustrated using the values in Table 1, the relationships are as shown in FIGS. 8 and 9, respectively. The white circles are the values shown in Table 1.

ただし、Ｎ＝５の場合は複数であるので平均値を示して
いる。また、Ｎ値がＯ〜２のような場合は平均値とした
。この場合はＮ値は１となる。実線は近似曲線である。However, in the case of N=5, since there are multiple numbers, the average value is shown. Moreover, when the N value was O to 2, it was taken as an average value. In this case, the N value is 1. The solid line is an approximate curve.

この近似曲線式をそれぞれ、式（５）、　（６）に示す
。These approximate curve equations are shown in equations (5) and (6), respectively.

ｋｐ＝　０．０５４＋ｔ、３８ｘｔｏ−’ｘ　Ｎ５（５
）ｋａ−７，１３十〇、０Ｏ１１３Ｎ’　　　　　　　
　　　　　（６）従って、実際のｋｐ、ｋａを求める場
合は、施エする場所のＮ値に対応するｋａ、ｋｐを近似
式で求め、その値を使って方向制御すればよい。kp=0.054+t, 38xto-'x N5(5
)ka-7,1310,0O113N'
(6) Therefore, when calculating the actual kp and ka, it is sufficient to calculate the ka and kp corresponding to the N value of the place to be treated using an approximate formula, and use the values to control the direction.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明によれば、計画線に対するロ
ボット本体の位置偏差とピッチング角度偏差にゲインを
かけたものを次の入力ヘッド角とするフィードバック制
御則において、ピッチング角度偏差フィードバックゲイ
ンｋａを６．５〜９．６（無次元）、位置偏差フィード
バックゲインｋｐとの比ｋ　ａ　／　ｋ　ｐ　（ｍｍ／
ｄｅｇ）を３２〜１４０　（ｍｍ／ｄｅｇ）の範囲で選
択してフィードバック制御を行なうことにより良好な制
御が行え、従来オペレータの経験と知識に軒って制御し
ていた方向制御を自動化できる効果がある。As explained above, according to the present invention, in the feedback control law in which the next input head angle is obtained by multiplying the positional deviation of the robot body with respect to the planned line and the pitching angle deviation by a gain, the pitching angle deviation feedback gain ka is set to 6. .5 to 9.6 (dimensionless), ratio of position error feedback gain kp (mm/
By selecting the angle (deg) in the range of 32 to 140 (mm/deg) and performing feedback control, good control can be performed, and the effect is that directional control, which was conventionally controlled based on the operator's experience and knowledge, can be automated. be.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明の実施例に係るブロック線図、第２図は
本発明の実施例に係る各パラメータの定義を示す説明図
、第３図は本発明の実施例に係る位置偏差のみで角度偏
差量を使わない場合のシミュレーション結果を示す特性
図、第４図は本発明の実施例に係る位置偏差と角度偏差
量両方を使った場合のシミュレーション結果を示す特性
図、第５図は本発明の実施例に係るｋａ−過渡応答の偏
差絶対値積分値特性図、第６図は本発明の実施例に係る
ｋｐ−最小偏差絶対値積分値特性図、第７図は本発明の
実施例に係る方向制御シミュレーション結果を示す特性
図、第８図は本発明の実施例に係るＮ値とｋｐとの関係
を示す特性図、第９図は本発明の実施例に係るＮ値とｋ
ａとの関係を示す特性図、第１０図は従来のトンネルロ
ボットのシステム構成図、第１１図は従来のヘッド角と
ピッチング角変化量の定義を示す説明図、第１２図は従
来のヘッド角とピッチング角変化量特性図である。 １・・・ロボット本体、２・・・埋設管、３・・・押管
装置、４・・・油圧装置、５・・・操作盤。FIG. 1 is a block diagram according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram showing the definition of each parameter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing only positional deviation according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the simulation results when the angular deviation amount is not used. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the simulation results when both the positional deviation and angular deviation amount according to the embodiment of the present invention are used. ka-transient response deviation absolute value integral value characteristic diagram according to the embodiment of the invention, FIG. 6 is a kp-minimum deviation absolute value integral value characteristic diagram according to the embodiment of the present invention, and FIG. 7 is an embodiment of the present invention. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the N value and kp according to the embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the N value and kp according to the embodiment of the present invention.
Figure 10 is a system configuration diagram of a conventional tunnel robot, Figure 11 is an explanatory diagram showing the definition of the conventional head angle and pitching angle variation, and Figure 12 is the conventional head angle. and pitching angle variation characteristic diagram. 1... Robot body, 2... Buried pipe, 3... Push pipe device, 4... Hydraulic device, 5... Operation panel.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] （１）無排土式で押し込み推進させながらロボット先端
のヘッド角を制御し、方向修正を行なう小口径トンネル
ロボットに関する、計画線に対するロボット本体の位置
偏差とピッチング角度偏差にゲインをかけたものを次の
入力ヘッド角とするフィードバック制御則において、位
置偏差フィードバックゲインｋｐ（ｄｅｇ／ｍｍ）とピ
ッチング角度偏差フィードバックゲインｋａ（無次元）
との比ｋａ／ｋｐ（ｍｍ／ｄｅｇ）が３２〜１４０（ｍ
ｍ／ｄｅｇ）であることを特徴とするトンネルロボット
の方向制御方法。(1) For a small-diameter tunnel robot that corrects direction by controlling the head angle of the robot tip while pushing and propelling the robot without soil removal, calculate the gain multiplied by the position deviation and pitching angle deviation of the robot body with respect to the planned line. In the feedback control law with the following input head angle, position deviation feedback gain kp (deg/mm) and pitching angle deviation feedback gain ka (dimensionless)
The ratio ka/kp (mm/deg) is 32 to 140 (m
m/deg). （２）ピッチング角度偏差フィードバックゲインｋａ（
無次元）が６．５〜９．６（無次元）であることを特徴
とする請求項１記載のトンネルロボットの方向制御方法
。(2) Pitching angle deviation feedback gain ka (
2. The direction control method for a tunnel robot according to claim 1, wherein the distance (dimensionless) is 6.5 to 9.6 (dimensionless).