JP2017115387A - 建設機械自動制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】障害物等の影響を受けずに、また複数の測量機器を外部に設置すること無く、作業部の高さ位置を制御し、舗装路面を所望の形状に構築する建設機械自動制御システムを提供する。【解決手段】舗装路面を構築する路面研削機１１の研削手段２２と、路面研削機１１に設置され、施工中の路面までの距離の情報を取得する距離測定装置２３と、複数のＧＰＳ１２からの航法電波信号を受信するＧＰＳアンテナ１３と、その受信した航法電波信号を解析して座標情報を取得するＧＰＳ受信器１４と、施工中の路面の現況３次元データ１９及び計画施工路面の計画３次元データ１８を取得し、該２つの３次元データ１９，１８から必要とする施工量を算出するとともに、ＧＰＳ受信器１４から得た座標情報から研削手段２２の高さ位置を算出し、研削手段２２の高さ位置が計画施工路面と一致するように研削手段２２を制御する制御装置１５と、を備える構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は建設機械自動制御システムに関するものであり、特に、舗装路面を仕上げる建設機械の作業部の高さ位置を制御し、舗装面を所望の形状に構築する建設機械自動制御システムに関するものである。

道路や広場の建設工事に、スクリードや路面切削ドラム等の作業部を有するアスファルトフィニッシャや切削機等の建設機械が使用されている。

従来、これらの建設機械における作業部の高さ位置の制御は、オペレータが丁張りや基準線を参考にして手動で行っていた。しかし、作業には熟練を要し、また作業時間がかかるという問題があった。そこで、作業を簡略化するのに、作業部の高さ位置の制御を自動化する方法も提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１で知られる建設機械は、複数の航法衛星（ＧＰＳ）からの航法電波信号をアンテナで受信し、その航法電波信号から建設機械の平面位置情報を取得し、更に外部に設置した測量機器であるトータルステーションを用いて平面位置における建設機械の作業部高さ位置を取得し、事前に設定した計画データと作業部位置の情報とを比較して作業部を自動制御するものである。

一方、特許文献２で知られる建設機械は、回転レーザ装置と航法衛星（ＧＰＳ）を用いて建設機械の作業部高さを自動制御するものである。

特開２００１−２６２６１１公報 特開平１１−２５６６２０号公報

しかしながら、特許文献１で知られる、建設機械の外部に設置したトータルステーション等の測量機器を用いて建設機械の作業部の高さ位置を取得して、該作業部の高さを制御する方法や、特許文献２で知られる、回転レーザ装置と航法衛星を用いて建設機械の作業部高さを自動制御する方法は、光線を使用して作業部高さ等を測定するので、途中に障害物があると障害物で光線が遮られて計測ができない。そのため、一般車両の通行量が多い場所やビル等の建設物が多い市街地等での施工は困難を伴う問題点があった。

また、トータルステーションや回転レーザ装置等の測量機器は有効範囲があるため、施工箇所が広域である場合、外部に設置する測量機器を複数箇所に設置する必要があり、コストと手間がかかるという問題点があった。

そこで、障害物等の影響を受けずに、また複数の測量機器を外部に設置すること無く、作業部の高さ位置を測定して、その作業部の高さ位置を制御し、舗装路面を所望の形状に構築することができる建設機械自動制御システムを提供するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、舗装路面を施工する建設機械の作業部と、前記建設機械に設置され、施工路面までの距離情報を取得する距離測定装置と、前記建設機械に設置され、複数の航法衛星からの航法電波信号を受信するアンテナと、前記アンテナを介して受信した前記航法電波信号を解析して座標情報を取得する衛星航法装置と、施工路面の現況高さデータ及び計画施工路面の計画データを取得し、該２つのデータから必要とする施工量を算出するとともに、前記衛星航法装置から得た前記座標情報から前記作業部の高さ位置を算出し、前記作業部の高さ位置が前記計画施工路面と一致するように前記作業部を制御する制御装置と、を備える建設機械自動制御システムを提供する。

このシステム構成によれば、航法衛星を用いた衛星航法装置及び制御装置を建設機械に設置し、その衛星航法装置で得られた座標情報から施工路面の位置と建設機械における作業部の高さ位置を取得し、また制御装置に設けられた施工路面の現況高さデータ及び計画データから作業部が必要とする施工量を算出して、制御装置が建設機械の作業部を制御し、その作業部の高さ位置が前記計画施工路面と一致するように施工する。したがって、建設機械に設置された衛星航法装置で測位をし、また建設機械に設置された制御装置で作業部を制御しながら施工作業をすることにより、障害物の影響を受けずに、高精度に施工路面の施工を行うことが可能になる。また、施工路面の位置や作業部の高さを計測する測量機器を外部に設置しなくても施工が可能になる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のシステム構成において、前記施工路面の現況高さデータを、三次元スキャナで３次元データとして取得する、建設機械自動制御システムを提供する。

このシステム構成によれば、施工路面の現況高さデータを、三次元スキャナで３次元データとして取得することにより、現況データを正確、かつ詳細に取得することができる。また、建設機械の走行ルートの変更にも対応可能となる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載のシステム構成において、前記アンテナに、Ｘ−Ｙ軸方向の傾きとＺ軸方向の傾きを計測可能な２軸傾斜センサを設置し、前記傾きから前記アンテナと前記作業部の位置関係を補正する、建設機械自動制御システムを提供する。

このシステム構成によれば、斜面での施工時にアンテナの傾斜を２軸傾斜センサで計測し、その傾きから作業部の平面位置の補正をして、斜面における作業部の作業を正確に行わせることができる。

請求項４記載の発明は、請求項１，２または３に記載のシステム構成において、既知の基準となる座標と前記航法電波信号から得た座標から、座標の補正値を算出して前記制御装置へ無線で送信する基準装置を使用する、建設機械自動制御システムを提供する。

このシステム構成によれば、航法電波信号を受信して得られた座標と現況座標との誤差による補正値を基準装置で算出し、その補正値を制御装置で取得し、その補正値を基に制御装置が作業部をより正確に制御することができる。

発明の建設機械自動制御システムによれば、建物や通行する車両等の影響を受けずに、作業部の詳細な高さ情報を得て施工作業を行うことができるので、施工場所を選ばす、市街地等での施工も正確に行うことが可能になる。また、外部に複数の測量機器を設置する必要がないので、コストと手間を省略することができる。

本発明の一実施形態を適用した建設機械自動制御システムの全体概略構成図である。 図１に示す建設機械の一例として示す路面切削機及び航法衛星の概略斜視図である。 同上建設機械自動制御システムにおける一制御例を示すフローチャートである。 図１に示す建設機械の他の例として示すアスファルトフィニッシャ及び航法衛星の概略斜視図である。 一般的な舗装路面の補修方法の一例を説明する図である。

本発明は、障害物等の影響を受けずに、また複数の測量機器を外部に設置すること無く、作業部の高さ位置を測定して、その作業部の高さ位置を制御し、舗装路面を所望の形状に構築することができる建設機械自動制御システムを提供するという目的を達成するのに、舗装路面を施工する建設機械の作業部と、前記建設機械に設置され、施工路面までの距離情報を取得する距離測定装置と、前記建設機械に設置され、複数の航法衛星からの航法電波信号を受信するアンテナと、前記アンテナを介して受信した前記航法電波信号を解析して座標情報を取得する衛星航法装置と、施工路面の現況高さデータ及び計画施工路面の計画データを取得し、該２つのデータから必要とする施工量を算出するとともに、前記衛星航法装置から得た前記座標情報から前記作業部の高さ位置を算出し、前記作業部の高さ位置が前記計画施工路面と一致するように前記作業部を制御する制御装置と、を備える構成としたことにより実現した。

以下、本発明の実施形態による建設機械自動制御システムを、図面を参照しながら好適な実施例について詳細に説明する。

図１及び図２は本発明に係る建設機械自動制御システムの一実施例を示すもので、図１はその全体概略構成図、図２はその路面切削機及び航法衛星の概略斜視図である。

図１及び図２において、建設機械自動制御システムは、舗装路面１０を施工するための路面研削機１１と、複数(本例では５個)の航法衛星１２と、アンテナ１３と、衛星航法装置１４と、制御装置１５及び基準装置３０等で構成されている。なお、前記航法衛星１２としては、例えばＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、Ｃｏｍｐａｓｓ等が挙げられるが、何れの衛星を使用したシステムであってもよい。本実施例では航法衛星としてＧＰＳを使用した場合として説明する。したがって、以下の説明では、航法衛星１２はＧＰＳ１２、アンテナ１３はＧＰＳアンテナ１３、衛星航法装置１４はＧＰＳ受信器１４として説明する。

ところで、一般に、舗装路面１０は、図５に示すように、経時的にアスファルト舗装体１０ａが老朽化したり損傷したりし、凸凹が生じた舗装路面１０Ａになり補修等が必要になる。この場合、舗装路面１０のアスファルト舗装体１０ａを、全幅に亘って計画切削ライン１００の深さまで切削して撤去し、その後に、新規アスファルト混合物を計画舗装ライン２００の高さまで全幅に亘って敷き均して締め固めることにより、新たにアスファルト舗装体１０ａを形成し、補修をしていた。上記路面研削機１１は、その舗装路面１０上のアスファルト舗装体１０ａ等を剥ぎ取り、撤去するものである。

前記路面研削機１１は、図２に示すように車体２０の下面に前後各１対の車輪が前輪２１ａ、後輪２１ｂとして取り付けられている。また、車体２０の下面において、前輪２１ａと後輪２１ｂ間には作業部としての切削手段２２(以下、これを「作業部２２」という)が配設されている。その作業部２２には、図示しないが、舗装路面１０の表面を剥ぎ取るための複数のディスクドラムが車幅方向に沿って所定の間隔で配列されている。加えて、作業部２２の側面には、前記作業部２２と施工路面(凸凹が生じた舗装路面１０Ａ)までの距離を計測するための距離測定装置２３が取り付けられている。その距離測定装置２３としては、超音波式センサや光学式センサが使用される。

また、前記路面研削機１１には、前記ＧＰＳアンテナ１３と前記ＧＰＳ受信器１４と前記制御装置１５がそれぞれ車体２０に設置されている。また、車体２０には２軸傾斜センサ２５が設置されている。

前記ＧＰＳアンテナ１３は、ＧＰＳ１２からの航法電波信号を受信するものであり、作業の支障とならないように、路面研削機１１の車体２０に取り付けられたポール２４の先端に設置されている。また、そのＧＰＳアンテナ１３はＧＰＳ受信器１４に接続されており、ＧＰＳアンテナ１３で受信された航法電波信号はＧＰＳ受信器１４に入力される。

前記ＧＰＳ受信器１４は、ＧＰＳアンテナ１３で受信された前記ＧＰＳ１２からの航法電波信号を解析し、ＧＰＳアンテナ１３の位置座標、すなわち路面研削機１１における作業部２２の座標位置を取得して、その座標位置を制御装置１５に出力する。

前記２軸傾斜センサ２５は、ＧＰＳアンテナ１３の傾き角度を検出するセンサである。すなわち、路面研削機１１が傾斜面で施工中の場合、ＧＰＳアンテナ１３が傾き、そのＧＰＳアンテナ１３と作業部２２の位置関係が変動して、作業部２２の平面位置を正確に取得できない場合がある。２軸傾斜センサ１７は、そのＧＰＳアンテナ１３の傾き角度の変動を検知し、制御装置１５へ送信するようになっている。

前記制御装置１５は、コンピュータ１６と、このコンピュータ１６で制御されて作業部２２の動作を制御するコントロールボックス１７を備えている。なお、制御装置１５の配設位置は、路面研削機１１を制御するオペレータが操作可能である位置に操作盤及びディスプレイが設けられ、操作性の点からタッチパネル式のディスプレイ等が好ましい。

前記コントロールボックス１７は、２軸傾斜センサ１７から得られたＧＰＳアンテナ１３の傾き角度の変動情報に基づいて、超音波センサ２３の平面位置の補正量を算出するとともに、超音波センサ２３により測定された基面(施工路面１０Ａ)と作業部２２との距離との関係等から、作業部２２の切削が計画切削ライン１００まで行われるように、作業部２２による施工路面１０Ａの剥ぎ取り厚さを算出し、作業部２２の高さ位置を制御する。そして、超音波センサ２３により取得された数値が、制御装置１５により算出された数値と一致するように作業部２２の動作を制御する制御部へ信号を出力し、路面研削機１１の作業部２２による施工路面１０Ａの剥ぎ取り作業を制御する。

前記コンピュータ１６は、記憶装置１６ａを内蔵している。そのコンピュータ１６には、計画を基にして作成した計画３次元データ１８を記憶装置１６ａに記憶している。また、コンピュータ１６の記憶装置１６ａには、例えば３次元スキャナやモービルマッピングシステム (ＭＭＳ)等の測量機器を用いて現況面(施工路面１０Ａ)を測定して得られた現況３次元データ１９を取り込み、また取り込んだ現況３次元データ１９と計画３次元データ１８とを比較できる機能を備えたソフトウエアがインストールされている。

前記コンピュータ１６にインストールされた上記ソフトウエアは、そのコンピュータ１６に以下(１)〜(６)に記述する制御を可能にする。
(１)計画３次元データ１８と現況３次元データ１９の差から施工路面１０Ａにおける舗装材(アスファルト舗装体表基層部等)等の剥ぎ取り厚を算出する。
(２)ＧＰＳ受信器１４から得た座標から、路面研削機１１における作業部２２の平面位置(傾き及び高さ位置)を算出する。
(３)２軸傾斜センサ１７から取得したＧＰＳアンテナ１３の傾きから、路面研削機１１における作業部２２の前記平面位置の補正処理を行う。
(４)算出された作業部２２の平面位置と当該位置の剥ぎ取り厚を照合する。
(５)超音波センサによって計測された数値から、作業部２２の高さ位置を算出する。
(６)作業部２２の高さ位置が計画施工路面(計画切削ライン１００)の高さとなるよう、作業部２２の剥ぎ取り量を制御する信号をコントロールボックス１７に対して出力する。

前記基準装置３０は、基準点の座標を測量で取得する装置であり、例えばＲＴＫ(リアルタイムキネマティック )法により、基準点の観測を行う。そのＲＴＫ法は、図１に示すように、既知の基準となる座標、すなわち標石基準点３１上に基準局３２を設置し、その基準局３２で航法衛星１３からの航法電波信号をＧＰＳアンテナ１１３で取得して、その基準局３２の座標位置を求める。そして、基準局３２では、その航法衛星１３からの航法電波信号で取得した基準点と標石基準点３１との誤差を補正値として算出し、その補正値（誤差情報）を制御装置１５へ無線で送信する。その制御装置１５では、基準装置３０からの補正値を取得し、計画３次元データ１８と現況３次元データ１９との関係に補正値に応じた補正を加えて、コントロールボックス１６による作業部２２の制御を行わせる。なお、基準装置３０と制御装置１５間の通信は、基準装置３０からの補正値の信号を、ＧＰＳアンテナ１１３を介して制御装置１５に無線で送る、あるいは携帯電話を介して制御装置１５に送る、等の方法を採ってもよいものである。

次に、図３のフローチャートを用いて、図１に示した建設機械自動制御システムの制御装置１５における制御方法を説明する。なお、以下に説明する制御装置１５による制御はリアルタイム又は所定時間毎に繰り返される。

まず、ステップＳ１では、コンピュータ１６において、予め用意された計画３次元データ１８(計画切削ライン１００)を取り込み、その計画３次元データ１８から舗装路面１０の目標形状を記憶装置１６ａに記憶させるとともに、予め３次元スキャナ等の測量機器を用いて現況面(舗装路面１０Ａ)を測定して得られた現況３次元データ１９を取り込み、その現況３次元データ１９から舗装路面１０の現況形状(施工路面１０Ａの形状)を記憶装置１６ａに記憶させる。さらに、コンピュータ１６では、基準装置３０により算出された誤差情報(補正値)を取得する。そして、コンピュータ１６では、この誤差情報に基づいて、測位した車体の３次元位置に補正値を加えて補正する。その後、路面研削機１１を走行操作させることにより制御が開始される。

ステップＳ２では、ＧＰＳ１２からの電波を航法電波信号としてＧＰＳアンテナ１３で受信し、更にＧＰＳ受信器１４で解析して得られた３次元の座標情報(３次元の位置情報)をコントロールボックス１７に送る。また、コントロールボックス１７では、この座標情報をコンピュータ１６に送る。

ステップＳ３では、コンピュータ１６において、ＧＰＳ受信器１４で得られた座標情報を基に、また該座標情報に前記基準装置３０から得られた補正値を加えて、計画３次元データ１８と現況３次元データ１９とを比較し、その座標位置での剥ぎ取り厚を算出し、それをコントロールボックス１７に出力する。

ステップＳ４では、コンピュータ１６により算出された剥ぎ取り厚に基づいて、路面研削機１１の作業部２２による施工路面１０Ａの剥ぎ取り作業を制御し、作業部２２と対応する箇所における施工路面の現況高さ位置が計画３次元データ１８の高さ(計画切削ライン１００)と一致するようにする。なお、施工路面１０Ａの剥ぎ取り作業中における作業部２２の高さは、車体２０の作業部２２と施工路面１０Ａまでの距離を計測する距離測定装置２３からの高さ計測情報が、コントロールボックス１７及びコンピュータ１６にそれぞれリアルタイムで入力することにより知ることができる。

また、ステップＳ４からはステップＳ２に戻り、施工路面１０Ａの現況高さ位置が計画３次元データの高さ(計画切削ライン１００)と一致するまで繰り返し行われ、一致したら作業が終了する。これにより、施工路面１０Ａを計画通りの路面(計画切削ライン１００)に仕上げることができる。

また、路面研削機１１が傾斜面を施工しているようなときには、２軸傾斜センサ２５によりＧＰＳアンテナ１３の傾き角度の変動が検出され、その傾き情報がコントロールボックス１７及びコンピュータ１６にそれぞれ入力されて路面研削機１１の傾きによる誤差が補正される。

したがって、本実施例による建設機械自動制御システムによれば、ＧＰＳ１２を用いるＧＰＳ受信器１４で測位された現況３次元位置の施工路面１０Ａの形状が、その施工路面１０Ａに対応する計画３次元データ１８の位置形状(計画切削ライン１００)と一致するように、作業部２２による施工路面１０Ａの剥ぎ取り作業を、制御装置１５によりで自動制御することができる。このように、ＧＰＳ１２を用いたＧＰＳ受信器１４及び制御装置１５を、建設機械である路面切削機１１に設置し、施工路面の位置を測位しながら剥ぎ取り作業をすると、建物や通行する車両等の障害物の影響を受けずに、高精度に施工路面の施工が可能になる。また、施工路面の位置を測位する複数の測量機器等を外部に設置しなくても施工が可能になる。

なお、上記実施例での建設機械は、舗装路面１０を剥ぎ取る切削手段を作業部２２として備える路面研削機１１を適用した場合について説明したが、路面研削機１１に限らず、例えば図４に示すアスファルトフィニッシャ４１に適用して、舗装路面１０上にアスファルト混合物を敷き均して締め固める場合にも、同様にして適用できるものである。そのアスファルトフィニッシャ４１に適用した場合では、上記説明の剥ぎ取り作業はアスファルト混合物の敷き均しと読み替えられる。

図４に示すアスファルトフィニッシャ４１は、車体４０の下面に左右１対のクローラ４３が取り付けられている。また、車体４０の後部に、上下方向に揺動可能なレベリングアーム４４を介して作業部としてのスクリード４５が取り付けられている。そして、図１に示した前記ＧＰＳアンテナ１３と、前記ＧＰＳ受信器１４と、前記制御装置１５は、それぞれ車体４０に設置され、車体４０のスクリード４５と舗装路面１０Ａまでの距離を計測するための距離測定装置２３はレベリングアーム４４に取り付けられている。

そして、このアスファルトフィニッシャ４１でも、ＧＰＳ１２を用いるＧＰＳ受信器１４で測位された現況３次元位置の施工路面１０Ａの形状が、その施工路面１０Ａに対応する計画３次元データ１８の位置形状(計画舗装ライン２００)と一致するように、作業部であるスクリード４５による舗装路面１０の敷き均し作業を、制御装置１５で自動制御することができる。このように、ＧＰＳ１２を用いたＧＰＳ受信器１４で測位しながら舗装路面１０Ａの敷き均し作業をすると、建物や通行する車両等の障害物の影響を受けずに施工作業を行うことができる。また、測量機器等を外部に複数設置することなく、高精度に作業を行うことができる。

また、本発明は上記で説明した以外にも、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明は上述した路面研削機１１やアスファルトフィニッシャ４１以外のコンクリートフィニッシャ等の建設機械にも応用できる。

１０ 舗装路面
１０ａ アスファルト舗装体
１０Ａ 凹凸が生じた舗装路面(施工路面)
１００ 計画切削ライン
２００ 計画舗装ライン
１１ 路面研削機
１２ 航法衛星(ＧＰＳ)
１３ ＧＰＳアンテナ
１４ 衛星航法装置(ＧＰＳ受信器)
１５ 制御装置
１６ コンピュータ
１６ａ 記憶装置
１７ コントロールボックス
１８ 計画３次元データ
１９ 現況３次元データ
２０ 車体
２１ａ 前輪
２１ｂ 後輪
２２ 切削手段(作業部)
２３ 距離測定装置
２４ ポール
２５ ２軸傾斜センサ
３０ 基準装置
３１ 標石基準点
３２ 基準局
４１ アスファルトフィニッシャ
４３ クローラ
４４ レベリングアーム
４５ スクリード(作業部)

Claims (4)

1. 舗装路面を施工する建設機械の作業部と、
   前記建設機械に設置され、施工路面までの距離情報を取得する距離測定装置と、
   前記建設機械に設置され、複数の航法衛星からの航法電波信号を受信するアンテナと、
   前記アンテナを介して受信した前記航法電波信号を解析して座標情報を取得する衛星航法装置と、
   施工路面の現況高さデータ及び計画施工路面の計画データを取得し、該２つのデータから必要とする施工量を算出するとともに、前記衛星航法装置から得た前記座標情報から前記作業部の高さ位置を算出し、前記作業部の高さ位置が前記計画施工路面と一致するように前記作業部を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする建設機械自動制御システム。
2. 前記施工路面の現況高さデータを、三次元スキャナで３次元データとして取得する、ことを特徴と請求項１記載の建設機械自動制御システム。
3. 前記アンテナに、Ｘ-Ｙ軸方向の傾きとＺ軸方向の傾きを計測可能な２軸傾斜センサを設置し、前記傾きから前記アンテナと前記作業部の位置関係姿勢を補正する、ことを特徴とする請求項１または２記載の建設機械自動制御システム。
4. 既知の基準となる座標と前記航法電波信号から得た座標から、座標位置の補正値を算出して前記制御装置へ無線で送信する基準装置を使用する、ことを特徴とする請求項１,２または３記載の建設機械自動制御システム。

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