JP2004514913A - 掘削作業中に地中の物体の位置を決定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

掘削作業中に地中の物体（１０８）の位置を決定する方法および装置（１００）。方法および装置（１００）は、地中の物体（１０８）に向けて信号を送ると共に、地中の物体（１０８）からの反射信号を受け取り、地中の物体（１０８）の初期位置を決定し、不確定領域（１１０）を決定された初期位置の信頼度の関数として作成し、信頼度を改善するために少なくとも１つの処理を実行し、不確定領域（１１０）を改善された信頼度の関数として調整することを含む。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に掘削作業中に地中の物体を突きとめる方法および装置に、より詳しくは、掘削中に改善された信頼度で地中の物体の位置を決定する方法および装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
バックホーや掘削機のような土木機械は、地表を掘るために使用される。掘削処理中に、配管や配線のような地中の物体との接触を回避することが重要となる。但し、地中の物体の正確な位置を知ることは不可能でないとしてもかなり難しいので、掘削作業は、回避されるべきの物体に近い位置と考えられるところに掘削用具が接近すると実質的に減速される。
【０００３】
地中探査レーダ（ＧＰＲ）のような、技術の進歩によって、土木作業を進める操作者は、かなりの信頼度で地中の物体の位置を決定できるようになった。但し、ＧＰＲは、土壌の変わりやすい伝搬特性のため、さらにＧＰＲ信号の固有二次元特性のため、精密に地中の物体の位置を決定することに使用できない。
【０００４】
本発明は、上述の問題の１つまたはそれ以上を克服することに向けられている。
【０００５】
（発明の開示）
本発明の一形態において、掘削作業中に地中の物体の位置を決定する方法が開示される。本方法は、地中の物体に向けて信号を送るステップと、地中の物体からの反射信号を受け取るステップと、地中の物体の初期位置を決定するステップと、地中の物体の周りの不確定領域を決定された初期位置の信頼度の関数として作成するステップと、その信頼度を改善するために少なくとも１つの処理を実行するステップと、不確定領域を改善された信頼度の関数として調整するステップとを含む。
【０００６】
本発明の他の形態において、掘削作業中に地中の物体の位置を決定する装置が開示される。装置は、地中の物体に向けて信号を送ると共に、地中の物体からの対応する反射信号を受け取る手段と、地中の物体の初期位置を決定し、地中の物体の周りの不確定領域を決定された初期位置の信頼度の関数として作成し、信頼度を改善するために少なくとも１つの処理を実行し、不確定領域を改善された信頼度の関数として調整するように適合された制御装置とを含む。
【０００７】
（発明を実施するための最良の形態）
図を参照するに、掘削作業中に地中の物体の位置を決定する方法および装置１００が示されている。特に図１を参照するに、作業機械１０２は、掘削作業を実行するために使用される。作業機械１０２は、好ましくはバケットとして示される、作業用具１０４を装備したバックホーローダとして描かれている。但し、例えば、掘削機、フロントショベル、オーガー、トレンチャなど他の種類の作業機械を本発明と共に使用しても良い。さらに、ボーリングツール、探鉱ツール、ブレードなど他の種類の作業用具を使用しても良い。
【０００８】
典型的に、作業機械１０２は、例えば、土壌、砂、岩石、および地表１０６として分類される多様な他の種類の材料などの地表１０６を掘削するために使用される。掘削作業が少なくとも１つの地中の物体１０８の近くで行われるのは、たいてい、建設および土木産業における場合である。例えば、ユーティリティー用配線や配管、地中タンク、および軍事設備さえも、掘削が行われるべき位置の地表１０６内に埋設されていることもある。
【０００９】
本発明は、本発明の好ましい方法を説明するために図６〜９のフロー図を参照し、本発明の付随の好ましい装置を例示するために図２〜５を定期的に参照して、以下のように説明される。
【００１０】
図６を参照するに、第１の制御ブロック６０２において、信号は、地中の物体１０８に向けて送られる。第２の制御ブロック６０４において、反射信号は、地中の物体１０８から受信される。図４に示されるように、信号は、信号を送信および受信する手段４０４、好ましくは地中探査レーダ（ＧＰＲ）アンテナ４０６によって送／受信される。あるいは、音響、超音波などの信号を送信および受信する他の手段４０４が、本発明の範囲を逸脱することなく使用されても良い。但し、本発明の説明のために、信号を送信および受信する手段４０４は、以下ではＧＰＲアンテナ４０６を指すものとする。
【００１１】
第３の制御ブロック６０６において、地中の物体１０８の初期位置が決定される。好ましくは、初期位置は、地表１０６内への深度、および作業用具１０４の掘削位置に関する位置に関して決定される。
【００１２】
第４の制御ブロック６０８において、不確定の領域１１０は、地中の物体１０８の周りに決定された初期位置の信頼度の関数として作成される。信頼度は、好ましくは、どれだけの精度で初期決定位置が信じられるかの関数であり、地表１０６の既知の誘電率（以下で詳述される）、ＧＰＲ信号から得られる量の詳細（これも以下で詳述される）等のような因子に依存する。好ましい実施形態において、不確定領域１１０のサイズは、信頼度に反比例する、すなわち、信頼度が増加すると、不確定領域１１０のサイズが減少する。
【００１３】
第５の制御ブロック６１０において、少なくとも１つの処理が実行されて信頼度を改善する。採用されるこれらの処理の例は、以下で詳述される。信頼度が改善されると、制御は第６の制御ブロック６１２へ進み、そこで不確定領域１１０が、上述のように、改善された信頼度の関数として調整される。
【００１４】
図４を参照するに、制御装置４０２は、本発明の制御機能を実行するために使用されるのが好ましい。制御装置４０２は、好ましくはマイクロプロセッサを用いたものであり、ＧＰＲアンテナ４０６の動作を制御し、地中の物体１０８から受け取られるＧＰＲ信号を受信するように適合されている。制御装置４０２はまた、地中の物体１０８の初期位置を決定し、不確定領域１１０を決定し、不確定領域１１０を信頼度の関数として調整するように適合されている。
【００１５】
好ましくは、作業機械１０２に搭載される、位置決定システム４０８、例えば、地理参照位置決定システムは、公知である方法によって作業用具１０４の位置を決定するように適合されている。例えば、ブーム、スティック、およびバケットを有するバックホーローダにおいて、様々な機械位置センサと共に使用される、全地球測位衛星（ＧＰＳ）システムのような、位置決定システムを使用して、バケットの位置を地理的座標で決定するようにしても良い。
【００１６】
位置決定システム４０８からの位置情報は、制御装置４０２に送られ、この制御装置４０２はまた、作業機械１０４の運動および位置を制御するように適合されている。
【００１７】
ディスプレイ４１０は、地表１０６に対して、すなわち、地表１０６にある作業機械１０２に対しての作業用具１０４、地中の物体１０８、および不確定領域１１０のうち少なくとも１種類の位置についての可視表示を提供するために使用されても良い。ディスプレイ４１０は、操作者が見ることができるように作業機械１０２に搭載されるか、またはそれ以外の人が監視できるように遠隔地に設置されても良い。
【００１８】
図７、および図２を参照するに、信頼度を改善する処理の好ましい方法が開示される。
【００１９】
第１の制御ブロック７０２において、地表１０６の誘電率の第１の値は、地表１０６の特性の仮定に基づいて推定される。ＧＰＲ理論では良く知られているように、地表１０６内を通過するとき、信号の伝搬速度は、一般に、地表１０６を構成する材料の誘電率の関数となる。従って、誘電率は、ＧＰＲ信号が地中の物体１０８に達して戻るまでの距離を精密に決定する重要なパラメータとなる。但し、費用や時間を費やさなければならない事前試験を行わずして精密に誘電率の値を知ることは難しい。従って、誘電率の第１の値の仮定は、土壌条件についての経験則に基づき、最良の推定としてなされる。
【００２０】
第２の制御ブロック７０４において、第１の掘削パスが実行される。典型的に、掘削作業において、作業を完遂するために多数回の掘削パスを要する。
【００２１】
第３の制御ブロック７０６において、地中の物体１０８の第１の位置が、誘電率の推定された第１の値と除去された地表１０６の既知の第１の量との関数として決定される。除去された地表１０６の第１の量は、位置決定システム４０８を参照して上述のように、作業用具１０４の位置を知り、作業用具１０４の物理的寸法を知ることによって容易に決定される。図２で示されるように、除去された地表１０６の第１の量は、第１の掘削パス２０２として描かれている。
【００２２】
第４の制御ブロック７０８において、次の掘削パスは、すなわち、図２の第２の掘削パス２０４によって表されるように、実行される。次の掘削パス中、次の既知量の地表１０６が除去される。
【００２３】
第５の制御ブロック７１０において、地中の物体１０８の次の位置は、誘電率の推定値と、除去された地表１０６の次の既知量との関数として決定される。第２の掘削パス２０４は、実質的に地表１０６の表面を地中の物体１０８により近づけるので、地中の物体の次の決定される位置は、理論上、初期位置マイナス除去された地表１０６の量となるはずである。但し、ＧＰＲ信号は、より接近しているためより精密にならなければならない、その結果、誘電率の推定値のいかなる誤差も地中の物体１０８の初期決定位置と地中の物体１０８の次の決定位置との値の差として包含される。
【００２４】
ゆえに、第６の制御ブロック７１２において、誘電率の改善された値は、地中の物体１０８の先に決定された位置と地中の物体１０８の現在の決定された位置との比較の関数として決定される。
【００２５】
第１の判定ブロック７１４において、さらに他の掘削パスが行われる場合、制御は第４の制御ブロック７０８へ進み、もはや掘削パスが行われなくなるまで第４の制御ブロック７０８、第５の制御ブロック７１０、および第６の制御ブロック７１２を循環する。図２で例示されるように、第３の掘削パス２０６が行われ、掘削が完了するまで続けられる。これらのサイクル中に、掘削パス毎に地中の物体１０８の決定位置が先の掘削パスの決定位置と比較され、誘電率の新値が決定される。このようにして、繰り返し処理によって、その誘電率がより精密な値に接近し、地中の物体１０８の実位置のより精密な決定となり、信頼度がより高くなる。その結果、不確定領域１１０が低減され、掘削作業を地中の物体１０８により近く、より精密に自由に接近して行うことができるようになる。
【００２６】
図８、および図３を参照するに、信頼度を改善するために他の処理の好ましい方法が開示される。
【００２７】
第１の制御ブロック８０２において、ＧＰＲ信号は、地中の物体１０８に向けて複数の位置から送られる。図３で実施されるように、これは、作業用具１０４へ直にＧＰＲアンテナ４０６を搭載することによって行われても良い。ゆえに、作業用具１０４が掘削パスを実行するためにアーチ状に移動すると（１０４ａ，ｂ，ｃ，ｄで示されるように）、ＧＰＲアンテナ４０６は、数カ所の位置からＧＰＲ信号を送る。制御装置４０２は、送られた信号の反復速度に従ってＧＰＲアンテナ４０６を制御するのが好ましい。
【００２８】
第２の制御ブロック８０４において、対応する複数の反射信号が地中の物体１０８から受信される。複数の反射信号は、第３の制御ブロック８０６で重ね合わせられて、地中の物体１０８の三次元位置を決定すると共に、地中の物体１０８のサイズおよび形状を決定する。複数の受信されたＧＰＲ信号および地中の物体１０８の重ね合わされた三次元決定位置によって、地中の物体１０８のより精密な位置決定が提供される。従って、信頼度が増加するので、不確定領域１１０が低減する。さらに、地中の物体１０８のサイズおよび形状の三次元決定によって、地中の物体１０８の識別を認識する改善された手段が提供される。
【００２９】
図９、および図５を参照するに、図８に記載の方法に対する代わりの実施形態が示される。
【００３０】
第１の制御ブロック９０２において、複数の位置からの複数のＧＰＲ信号は、地中の物体１０８に向けて送られる。例えば、図５に示されるように、複数のＧＰＲアンテナ４０６ａ，４０６ｂ，４０６ｃは固定位置に配備され、各ＧＰＲアンテナ４０６は地中の物体１０８に向けて信号を送る。図５は３台ＧＰＲのアンテナを示しているが、任意に所望台数のアンテナが使用されても良い。ＧＰＲアンテナ４０６は、作業機械１０２上の様々な位置に搭載される、作業機械１０２から遠く離れた位置の固定位置に配備される、または上記の任意の組合せであっても良い。さらに、１台またはそれ以上のＧＰＲアンテナ４０６が作業用具１０４上に搭載されて本実施形態と図８を参照して記載された実施形態と組合せても良い。好ましい実施形態において、制御装置４０２は、各ＧＰＲアンテナ４０６から地中の物体１０８へのＧＰＲ信号の送信を調整するように適合されている。
【００３１】
第２の制御ブロック９０４において、対応する複数の反射信号は、地中の物体１０８から受信される。複数の反射信号は、次に第３の制御ブロック９０６において重ね合わされて、地中の物体１０８の三次元位置を決定すると共に、地中の物体１０８のサイズおよび形状を決定する。
【００３２】
（産業上の利用可能性）
本発明の応用例として、バックホーローダのような、作業機械１０２の操作者は、掘削作業を行う際に地中の物体１０８を回避するために最大の注意を払って作業しなければならない。ＧＰＲ技術の出現により、地中の物体１０８が一定範囲内に位置することを操作者がある程度確信できるようになったが、地表１０６の特性、例えば、地表１０６の誘電率のような未知因子のため誤りも存在する。
【００３３】
本発明は、地中の物体１０８を突きとめる精度を改善し、故に回避されるべき任意の地中の物体の位置について機械操作者の信頼度を増加するために、掘削作業中に得られる情報を使用することによってこれらの課題を克服するように適合されている。
【００３４】
本発明の他の形態、目的、および特徴は、図面、明細書、および特許請求の範囲の検討によって得られることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の好ましい実施形態の線図である。
【図２】
本発明の一形態の線図である。
【図３】
本発明の他の形態の線図である。
【図４】
本発明と共に使用するのに適した好ましい装置のブロック線図である。
【図５】
本発明の他の形態の線図である。
【図６】
本発明の好ましい方法を示すフロー図である。
【図７】
図２の形態と関連付けられた好ましい方法を示すフロー図である。
【図８】
図３の形態と関連付けられた好ましい方法を示すフロー図である。
【図９】
図５の形態と関連付けられた好ましい方法を示すフロー図である。

Claims (20)

1. 掘削作業中に地中の物体の位置を決定する方法であって、
   地中の物体（１０８）に向けて信号を送るステップと、
   地中の物体（１０８）からの反射信号を受け取るステップと、
   地中の物体（１０８）の初期位置を決定するステップと、
   地中の物体（１０８）の周りの不確定領域（１１０）を決定された初期位置の信頼度の関数として作成するステップと、
   信頼度を改善するために少なくとも１つの処理を実行するステップと、
   不確定領域（１１０）を改善された信頼度の関数として調整するステップとを含む方法。
2. 少なくとも１つの処理を実行するステップは、
   ａ）掘削されるべき地表の誘電率の第１の値を推定するステップと、
   ｂ）第１の掘削パス（２０２）を実行するステップと、
   ｃ）地中の物体（１０８）の第１の位置を誘電率の推定された第１の値と除去された地表（１０６）の既知の第１の量との関数として決定するステップと、
   ｄ）次の掘削パスを実行するステップと、
   ｅ）地中の物体（１０８）の次の位置を誘電率の推定された値と除去された地表（１０６）の次の既知量との関数として決定するステップと、
   ｆ）誘電率の改善された値を現在の決定された位置と先に決定された位置との比較の関数として決定するステップと、
   ｇ）後続の掘削パス毎にステップｄ）からｆ）まで反復するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
3. 掘削パスを実行するステップは、
   掘削作業中に、既知の寸法を有する作業用具（１０４）の位置を決定するステップと、
   掘削パス中に、除去された地表（１０６）の量を決定された位置と作業用具（１０４）の既知の寸法との関数として決定するステップとを含む、請求項２に記載の方法。
4. 少なくとも１つの処理を実行するステップは、
   複数の位置から地中の物体（１０８）に向けて信号を送るステップと、
   地中の物体（１０８）から対応する複数の反射信号を受け取るステップと、
   地中の物体（１０８）の位置の三次元定量を決定すると共に、地中の物体（１０８）のサイズおよび形状の推定を決定するために複数の反射信号を重ね合わせるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
5. 送られる信号は、作業用具（１０４）が移動して掘削パスを実行するときに作業用具（１０４）から送られる、請求項４に記載の方法。
6. 送られる信号は、複数の固定位置から送られる、請求項４に記載の方法。
7. 少なくとも１つの処理を実行するステップは、
   複数の位置から地中の物体（１０８）に向けて複数の信号を送るステップと、
   地中の物体（１０８）から対応する複数の反射信号を受け取るステップと、
   地中の物体（１０８）の位置の三次元定量を決定すると共に、地中の物体（１０８）のサイズおよび形状の推定を決定するために複数の反射信号を重ね合わせるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
8. 信号を送るステップは、地中探査レーダ信号を送ることを含む、請求項１に記載の方法。
9. 作業用具（１０４）の位置を不確定領域（１１０）の関数として制御することをさらに含む、請求項３に記載方法。
10. 作業用具（１０４）、地中の物体（１０８）、および地表（１０６）に対する不確定領域（１１０）のうち少なくとも１つを表示することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
11. 掘削作業中に地中の物体（１０８）の位置を決定する装置（１００）であって、
    地中の物体（１０８）に向けて信号（４０４）を送ると共に、地中の物体（１０８）から対応する反射信号（４０４）を受け取る手段と、
    地中の物体（１０８）の初期位置を決定し、地中の物体（１０８）の周りの不確定領域（１１０）を決定された初期位置の信頼度の関数として作成し、信頼度を改善するために少なくとも１つの処理を実行し、不確定領域（１１０）を改善された信頼度の関数として調整するように適合された制御装置（４０２）とを備える装置（１００）。
12. 制御装置（４０２）は、さらに、
    ａ）掘削されるべき地表（１０６）の誘電率の第１の値を推定し、
    ｂ）第１の掘削パス（２０２）を実行し、
    ｃ）地中の物体（１０８）の第１の位置を誘電率の推定された第１の値と除去された地表（１０６）の既知の第１の量との関数として決定し、
    ｄ）次の掘削パス（２０４）を実行し、
    ｅ）地中の物体（１０８）の次の位置を誘電率の推定された値と除去された地表（１０６）の次の既知量との関数として決定し、
    ｆ）誘電率の改善された値を現在の決定された位置と先に決定された位置との比較の関数として決定し、
    ｇ）後続の掘削パス（２０６）毎にステップｄ）からｆ）を反復するように適合されている、請求項１１に記載の装置（１００）。
13. 掘削作業中に、既知の寸法を有する作業用具（１０４）の位置を決定する位置決定システム（４０８）をさらに含み、制御装置（４０２）は、掘削パス中に、除去された地表（１０６）の量を決定された位置と作業用具（１０４）の既知の寸法との関数として決定するように適合されている、請求項１２に記載の装置（１００）。
14. 制御装置（４０２）は、さらに、
    複数の位置から地中の物体に向けて信号を送り、
    地中の物体（１０８）から対応する複数の反射信号を受け取り、
    地中の物体（１０８）の位置の三次元定量を決定すると共に、地中の物体（１０８）のサイズおよび形状の推定を決定するために複数の反射信号を重ね合わせるように適合されている、請求項１１に記載の装置（１００）。
15. 信号（４０４）を送ると共に、対応する反射信号（４０４）を受け取る手段は、地中探査レーダ（ＧＰＲ）アンテナ（４０６）を含む、請求項１４に記載の装置（１００）。
16. ＧＰＲアンテナ（４０６）は、作業用具（１０４）上に搭載される、請求項１５に記載の装置（１００）。
17. 制御装置（４０２）は、さらに、
    複数の位置から地中の物体（１０８）に向けて複数の信号を送り、
    地中の物体（１０８）から対応する複数の反射信号を受け取り、
    地中の物体（１０８）の位置の三次元定量を決定すると共に、地中の物体（１０８）のサイズおよび形状の推定を決定するために複数の反射信号を重ね合わせるように適合されている、請求項１１に記載の装置（１００）。
18. 信号（４０４）を送ると共に、対応する反射信号（４０４）を受け取る手段は、複数の所定位置に配置されて対応する複数の信号を送る複数の地中探査レーダ（ＧＰＲ）アンテナ（４０６）を含む、請求項１７に記載の装置（１００）。
19. 制御装置（４０２）は、さらに、作業用具（１０４）の位置を不確定領域（１１０）の関数として制御するように適合されている、請求項１３に記載の装置（１００）。
20. 作業用具（１０４）、地中の物体（１０８）、および地表（１０６）に対する不確定領域（１１０）のうち少なくとも１つを表示するように適合されているディスプレイ（４１０）を含む、請求項１３に記載の装置（１００）。

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