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

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 Download PDF

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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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