JP2014055936A - 建設機械の制御方法及び建設機械の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単なシステム構成で、而も設置作業が簡単な建設機械の制御方法及び建設機械の制御システムを提供する。
【解決手段】Ｎ字状ビーム８を定速で回転照射するレーザ測量装置１と、Ｎ字状ビーム８の受光範囲で稼働する建設機械と、Ｎ字状ビーム８の受光に基づきレーザ測量装置１に対する高低角を求めるビーム検出器とを具備し、建設機械は、工事を施工する作業機械部と、作業機械部を制御する機械制御装置１３と、建設機械の基準位置に対して既知の位置に配設された少なくとも３のビーム検出器とを有し、ビーム検出器の受光結果に基づき、各ビーム検出器それぞれのレーザ測量装置１に対する高低角を求め、機械制御装置１３は求められた高低角に基づき、作業機械部の傾きを制御する様、構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、建設機械の姿勢等の制御を行う建設機械の制御方法及び建設機械の制御システムに関するものである。

建設機械として、例えばスリップフォーム工法を用いてコンクリート板を連続舗装するスリップフォーム舗装機械がある。

スリップフォーム工法は、成型機に鋼製型枠（モールド）を取付け、モールド内にコンクリートを投入し、締固め成型を行うと同時に、成型機を前進させることにより同一断面の構造物を連続して構築する工法である。

スリップフォーム舗装機械でコンクリート板を連続舗装する場合に、表面の仕上げ精度は高精度が要求され、その仕上げ精度は数ｍｍといわれている。

従来のスリップフォーム舗装機械の制御システムとしては、特許文献１に示されるものがある。特許文献１に示される建設機械の制御システムでは、スリップフォーム舗装機械の所定の位置に少なくとも２つの反射器と、２つの傾斜センサが設けられ、更に既知の位置に、前記各反射器に対応し、少なくとも２つの位置測定機が設置される。該位置測定機により測定される前記少なくとも２つの反射器の位置と、前記２つの傾斜センサが検出する傾斜によって、スリップフォーム舗装機械の姿勢が検出され、又この検出結果でスリップフォーム舗装機械が制御されるものである。

上記従来の建設機械の制御システムでは、複数の位置測定機が必要であり、又所定の施工範囲が完了する度に該位置測定機の再設置を繰返す必要があり、作業が繁雑で、時間を要するものとなっている。又、前記複数の位置測定機で得られた複数の測定結果、前記傾斜センサの検出結果に基づきスリップフォーム舗装機械の位置、姿勢を求めるには複数の通信システムが必要となる等システム構成が複雑となっていた。

特表２００８−５３１８８８号公報 特開２００４−２１２０５８号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、簡単なシステム構成で、而も設置作業が簡単な建設機械の制御方法及び建設機械の制御システムを提供するものである。

本発明は、レーザ測量装置によりＮ字状ビームを定速で回転照射する工程と、前記Ｎ字状ビームの受光範囲で稼働する建設機械の既知の位置に設けられた少なくとも３のビーム検出器により前記Ｎ字状ビームを検出する工程と、前記少なくとも３のビーム検出器の前記Ｎ字状ビームの検出結果に基づき、各ビーム検出器の前記レーザ測量装置に対する高低角を求める工程と、求めた少なくとも３の高低角に基づき前記建設機械の傾きを制御する工程とを具備する建設機械の制御方法に係るものである。

又本発明は、Ｎ字状ビームを定速で回転照射するレーザ測量装置と、前記Ｎ字状ビームの受光範囲で稼働する建設機械と、高低角検出部とを具備し、前記建設機械は、工事を施工する作業機械部と、該作業機械部を制御する機械制御装置と、前記建設機械の基準位置に対して既知の位置に配設された少なくとも３のビーム検出器とを有し、前記レーザ測量装置は、３のファンビームで構成される前記Ｎ字状ビームを回転照射するＮ字状ビーム照射部と、測量制御装置とを有し、前記ビーム検出器は、前記３のファンビームを受光し、受光結果を出力し、前記高低角検出部は、前記ビーム検出器、前記機械制御装置、前記レーザ測量装置のいずれかに設けられ、前記ビーム検出器からの３のファンビームの受光結果に基づき各ビーム検出器それぞれの前記レーザ測量装置に対する高低角を求め、前記機械制御装置は求められた高低角に基づき前記作業機械部の傾きを制御する様構成された建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記作業機械部は前記基準位置及び前記ビーム検出器に対して既知の位置にあり、前記機械制御装置は前記高低角検出部から得られる高低角及び前記作業機械部の前記ビーム検出器に対する位置関係から前記作業機械部の姿勢を制御する様構成された建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記ビーム検出器は４であり、該ビーム検出器は平面形状が矩形の４の頂点に設けられた建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記建設機械は機械通信部を更に具備し、前記レーザ測量装置は測量通信部を更に具備し、前記機械通信部は各前記ビーム検出器の前記Ｎ字状ビームの検出タイミングを前記測量通信部に送信し、前記レーザ測量装置は、前記Ｎ字状ビームの検出タイミングに基づき各ビーム検出器それぞれの前記レーザ測量装置に対する水平角を求め、前記機械制御装置は前記水平角と前記高低角に基づき前記建設機械の傾斜と傾斜方向を測定する建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記ビーム検出器は検出器用通信部を更に具備し、前記レーザ測量装置は測量通信部を更に具備し、前記検出器用通信部は各前記ビーム検出器の前記Ｎ字状ビームの検出タイミングを前記測量通信部に送信し、前記レーザ測量装置は、前記Ｎ字状ビームの検出タイミングに基づき各ビーム検出器それぞれの前記レーザ測量装置に対する水平角を求め、前記機械制御装置は前記水平角と前記高低角に基づき前記建設機械の傾斜と傾斜方向を測定する建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記ビーム検出器が前記Ｎ字状ビームを受光することで検出できる高低角について、全周に亘って誤差曲線を予め求め、得られる誤差曲線に基づき検出した高低角を補正する建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記Ｎ字状ビーム照射部はＮ字状ビーム形成光学部材を有し、該Ｎ字状ビーム形成光学部材は、ペンタプリズムと、該ペンタプリズムに設けられレーザ光線を３のレーザ光線に分割するレーザ光線分割光学部材と、分割された前記レーザ光線の射出面に設けられ、該レーザ光線を上下方向に拡散する円筒レンズとを有し、該円筒レンズから射出される前記レーザ光線が前記Ｎ字状ビームを形成する様、前記円筒レンズが相互に傾斜された建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記レーザ光線分割光学部材は、前記レーザ光線を水平方向に分割する建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記レーザ光線分割光学部材は、前記レーザ光線を鉛直方向に分割する建設機械の制御システムに係るものである。

本発明によれば、レーザ測量装置によりＮ字状ビームを定速で回転照射する工程と、前記Ｎ字状ビームの受光範囲で稼働する建設機械の既知の位置に設けられた少なくとも３のビーム検出器により前記Ｎ字状ビームを検出する工程と、前記少なくとも３のビーム検出器の前記Ｎ字状ビームの検出結果に基づき、各ビーム検出器の前記レーザ測量装置に対する高低角を求める工程と、求めた少なくとも３の高低角に基づき前記建設機械の傾きを制御する工程とを具備するので、１つのレーザ回転照射部と前記少なくとも３のビーム検出器により、前記建設機械の傾きが検出でき、設備費用が大幅に低減されると共に、前記Ｎ字状ビームが検出できる広範囲での制御が可能であり、再設置作業が大幅に軽減される。

又本発明によれば、Ｎ字状ビームを定速で回転照射するレーザ測量装置と、前記Ｎ字状ビームの受光範囲で稼働する建設機械と、高低角検出部とを具備し、前記建設機械は、工事を施工する作業機械部と、該作業機械部を制御する機械制御装置と、前記建設機械の基準位置に対して既知の位置に配設された少なくとも３のビーム検出器とを有し、前記レーザ測量装置は、３のファンビームで構成される前記Ｎ字状ビームを回転照射するＮ字状ビーム照射部と、測量制御装置とを有し、前記ビーム検出器は、前記３のファンビームを受光し、受光結果を出力し、前記高低角検出部は、前記ビーム検出器、前記機械制御装置、前記レーザ測量装置のいずれかに設けられ、前記ビーム検出器からの３のファンビームの受光結果に基づき各ビーム検出器それぞれの前記レーザ測量装置に対する高低角を求め、前記機械制御装置は求められた高低角に基づき前記作業機械部の傾きを制御する様構成されたので、１つのレーザ回転照射部と前記少なくとも３のビーム検出器により、前記建設機械の進行方向成分の傾き、進行方向と直交する方向成分の傾きが制御でき、設備費用が大幅に低減されると共に、前記Ｎ字状ビームが検出できる広範囲での制御が可能であり、再設置作業が大幅に軽減される。

又本発明によれば、前記作業機械部は前記基準位置及び前記ビーム検出器に対して既知の位置にあり、前記機械制御装置は前記高低角検出部から得られる高低角及び前記作業機械部の前記ビーム検出器に対する位置関係から前記作業機械部の姿勢を制御する様構成されたので、前記レーザ測量装置は前記ファンビームを回転照射するだけでよく、簡単な構成とすることができる。

又本発明によれば、前記ビーム検出器は４であり、該ビーム検出器は平面形状が矩形の４の頂点に設けられたので、水平角を求める為の演算が容易になる。

又本発明によれば、前記建設機械は機械通信部を更に具備し、前記レーザ測量装置は測量通信部を更に具備し、前記機械通信部は各前記ビーム検出器の前記Ｎ字状ビームの検出タイミングを前記測量通信部に送信し、前記レーザ測量装置は、前記Ｎ字状ビームの検出タイミングに基づき各ビーム検出器それぞれの前記レーザ測量装置に対する水平角を求め、前記機械制御装置は前記水平角と前記高低角に基づき前記建設機械の傾斜と傾斜方向を測定するので、該建設機械の進行方向成分の傾き、進行方向と直交する方向成分の傾きが検出できる。

又本発明によれば、前記ビーム検出器は検出器用通信部を更に具備し、前記レーザ測量装置は測量通信部を更に具備し、前記検出器用通信部は各前記ビーム検出器の前記Ｎ字状ビームの検出タイミングを前記測量通信部に送信し、前記レーザ測量装置は、前記Ｎ字状ビームの検出タイミングに基づき各ビーム検出器それぞれの前記レーザ測量装置に対する水平角を求め、前記機械制御装置は前記水平角と前記高低角に基づき前記建設機械の傾斜と傾斜方向を測定するので、該建設機械の進行方向成分の傾き、進行方向と直交する方向成分の傾きが検出できる。

又本発明によれば、前記ビーム検出器が前記Ｎ字状ビームを受光することで検出できる高低角について、全周に亘って誤差曲線を予め求め、得られる誤差曲線に基づき検出した高低角を補正するので、高低角の検出精度が向上する。

又本発明によれば、前記Ｎ字状ビーム照射部はＮ字状ビーム形成光学部材を有し、該Ｎ字状ビーム形成光学部材は、ペンタプリズムと、該ペンタプリズムに設けられレーザ光線を３のレーザ光線に分割するレーザ光線分割光学部材と、分割された前記レーザ光線の射出面に設けられ、該レーザ光線を上下方向に拡散する円筒レンズとを有し、該円筒レンズから射出される前記レーザ光線が前記Ｎ字状ビームを形成する様、前記円筒レンズが相互に傾斜されたので、簡単な光学部材、簡単な構成で前記Ｎ字状ビームを得ることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る建設機械の制御システムの概略説明図である。 該建設機械の制御システムの概略構成図である。 該建設機械の制御システムに用いられるレーザ測量装置の概略斜視図である。 該レーザ測量装置に於いてＮ字状ビームを照射する光学系の概略図である。 該光学系に於いて、Ｎ字状ビームを形成するＮ字状ビーム形成光学部材の斜視図である。 該Ｎ字状ビーム形成光学部材の平面図である。 該Ｎ字状ビーム形成光学部材と形成されるＮ字状ビームとの関係を示す斜視図である。 レーザ測量装置によってＮ字状ビームが回転照射される状態を示す説明図である。 Ｎ字状ビームが回転照射された場合の、Ｎ字状ビームと検出位置との関係を示す説明図である。 ファンビーム検出器によるＮ字状ビームの検出と、水平角の検出を説明する説明図である。 前記ファンビーム検出器のＮ字状ビームの検出位置と、該検出位置で測定される高低角の全周についての誤差を示す説明図であり、（Ａ）はＮ字状ビームの検出位置を示し、（Ｂ）は全周で測定した高低角の誤差曲線を示す。 Ｎ字状ビームを照射する他の光学系の概略図である。 他の光学系に用いられるＮ字状ビーム形成光学部材と形成されるＮ字状ビームとの関係を示す斜視図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の実施例に係る建設機械の制御システムの概略を説明する。

図１中、１はレーザ測量装置、２は建設機械の一例としてスリップフォーム舗装機械を示している。

前記レーザ測量装置１は３脚３を介して既知の点に設置される。前記レーザ測量装置１は、レーザ光線を回転照射するレーザ回転照射部５と、前記スリップフォーム舗装機械２側の機械制御装置１３（後述）と無線通信する測量通信部２３（後述）とを有する。尚、後述する様に、前記スリップフォーム舗装機械２の傾斜のみを検出、制御するのであれば、前記レーザ測量装置１が設置される位置は既知でなくともよい。

前記レーザ回転照射部５は、前記レーザ光線の光束断面がＮ字状を形成する様、複数（図示では３）のファンビームから構成されるＮ字状ビーム８を射出し、又定速で該Ｎ字状ビーム８を回転照射する。

前記スリップフォーム舗装機械２が、前記Ｎ字状ビーム８の受光範囲内で稼働する様に、工事範囲が設定される。又、前記スリップフォーム舗装機械２は、井桁状（矩形）に構成された機体フレーム１０と、該機体フレーム１０の４隅に上下方向に伸縮可能な脚部１１を介して設けられた走行装置１２と、前記機体フレーム１０に設けられた機械制御装置１３とを有している。

前記走行装置１２としては、例えば無限軌道走行装置が用いられ、該走行装置１２は、前記機械制御装置１３によりそれぞれ走行が個別に制御可能となっている。

前記機体フレーム１０の中央下面には、２組のスクリード１５（図示では前記２組のスクリード１５を一体化して示している）が設けられている。該スクリード１５は前後方向に所定の間隔（既知の距離）で配設され、更に所定の幅（既知の長さ）を有している。該スクリード１５は、混練されたコンクリートを貯溜し、更に打設しつつ、締固め成型する一連の工程を高精度に行うものであり、前記スクリード１５の高さ制御、即ち打設表面の高さ制御は、主に前記脚部１１の伸縮制御によって行われる。前記スクリード１５、前記走行装置１２は、前記スリップフォーム舗装機械２の作業機械部として機能し、該作業機械部は前記機械制御装置１３によって制御される。

前記機体フレーム１０の所要位置に、好ましくは前記機体フレーム１０の４隅に、更に好ましくは、矩形の４頂点位置に、支柱１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄがそれぞれ立設され、該支柱１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの上端にそれぞれファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが設けられる。

該ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄは、それぞれ前記Ｎ字状ビーム８を受光する点状の受光センサ（図示せず）を有し、又それぞれ検出器用通信部３９（後述）を有する。該検出器用通信部３９は、前記受光センサから発せられる受光信号をそれぞれ前記レーザ測量装置１に無線通信し、及び／又は受光信号を前記機械制御装置１３に送出する。

前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの高さ（即ち前記受光センサの高さ位置、即ち受光位置）は、前記スリップフォーム舗装機械２が水平の時に同一高さとなっており、各前記受光センサの高さ位置及び水平面内での位置（即ち、各前記受光センサの３次元の位置）は、前記スリップフォーム舗装機械２の基準位置（例えば、前記スクリード１５の設置中心）に対し既知となっている。

又、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの内、前側の２つの該ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂを結ぶ直線（即ち両受光センサを結ぶ直線）、及び後側の２つの前記ファンビーム検出器１７ｃ，１７ｄを結ぶ直線（即ち両受光センサを結ぶ直線）は、それぞれ前記スリップフォーム舗装機械２の進行方向に対して直交する様に設定されている。更に、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ間の距離も予め測定され、既知となっている。又、各前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄと前記２組のスクリード１５との位置関係（即ち、高低差、水平距離）は既知となっている。

前記機体フレーム１０は、進行方向と平行に延在する２本の縦ビーム１８、該縦ビーム１８と直交する２本の横ビーム１９とで構成され、施工環境に応じて該横ビーム１９は伸縮される。又、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ間の距離は、伸張、短縮の状態でそれぞれ既知となっている。

前記レーザ測量装置１は測量通信部２３（後述）を有し、該測量通信部２３を介して前記ファンビーム検出器１７からの受光結果を受信し、受信結果に基づき、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが受光した時点での前記レーザ測量装置１を基準とした水平角、及び高低角を測定することができる。

尚、前記水平角は、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄがそれぞれ前記Ｎ字状ビーム８を検知した時点での受光信号（検出タイミング）を識別信号（後述）と共に前記レーザ測量装置１に送信し、該レーザ測量装置１が受光信号に基づき前記ファンビーム検出器１７が前記Ｎ字状ビーム８を検知した時点での水平角を検出することで各前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの水平角が測定できる。

又、前記高低角の測定結果に基づき、前記スリップフォーム舗装機械２の傾きを測定することができ、前記高低角及び前記水平角の測定結果は、前記測量通信部２３より前記機械制御装置１３に送信される。尚、高低角の測定については後述する。

前記レーザ測量装置１は、測定した水平角、高低角を無線通信部を介し前記機械制御装置１３に送信する。該機械制御装置１３は、受信した水平角及び高低角更に識別信号（後述）に基づき、各前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの高さ、即ち、前記スリップフォーム舗装機械２の傾斜、傾斜方向を演算する。又、前記機械制御装置１３は、演算結果に基づき前記脚部１１、前記走行装置１２、前記スクリード１５等を所要のタイミングで、所要の状態に制御する。

次に、図２により、建設機械の制御システムの概略構成を説明する。

前記レーザ測量装置１は、測量演算制御部２１、測量記憶部２２、測量通信部２３を有する。前記測量演算制御部２１は、前記レーザ回転照射部５を統合制御し、前記測量記憶部２２には統合制御に必要なプログラム、前記レーザ回転照射部５が前記Ｎ字状ビーム８を回転照射させ、又前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄからの受光信号に基づき高低角、水平角を測定する為に必要なプログラム等の各種プログラムが格納されている。

又、前記レーザ測量装置１には、前記Ｎ字状ビーム８を射出し、回転照射するＮ字状ビーム照射部２７、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから送信されるＮ字状ビーム受光信号を基に前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの高低角を検出する高低角検出部２５、水平角を検出する水平角検出部２６を有している。

前記レーザ回転照射部５は前記Ｎ字状ビーム８を回転照射させる為の回転駆動部３２を有する。該回転駆動部３２は駆動制御部３３によって駆動が制御され、前記測量演算制御部２１は前記駆動制御部３３に駆動を制御する為に必要な制御指令を発する。

ここで、前記高低角検出部２５、前記水平角検出部２６、前記Ｎ字状ビーム照射部２７、前記回転駆動部３２、前記駆動制御部３３等は、前記レーザ回転照射部５の主要部を構成する。

前記スリップフォーム舗装機械２は、前記スクリード１５に上記した一連の工程を実行させる為の機械演算制御部３５及び一連の工程を実行させる為に必要なプログラムが格納される機械記憶部３６、前記測量通信部２３との間で制御情報等の通信を行う機械通信部３７、前記走行装置１２、前記スクリード１５の駆動を制御する駆動制御部３８を有する。尚、前記機械制御装置１３は、前記機械演算制御部３５、前記機械記憶部３６、前記機械通信部３７、前記駆動制御部３８等で構成されている。

又、前記スリップフォーム舗装機械２は、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを有し、更に該ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄはそれぞれ検出器用通信部３９を有する。

前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄで検出した受光信号は、前記検出器用通信部３９によって、前記レーザ測量装置１に無線通信され、及び／或は前記機械演算制御部３５に送出される。尚、前記検出器用通信部３９から発信される無線信号には、区別を可能にする為、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄに対応する識別信号が付加されてもよい。

次に、図３〜図７を参照して、前記レーザ測量装置１について更に説明する。尚、図３では、前記３脚３を省略して図示している。

前記レーザ測量装置１は、整準部４１を有し、該整準部４１に整準基板４２が設けられ、該整準基板４２に本体部４３が設けられる。前記レーザ回転照射部５は前記本体部４３の上面に配置されている。前記整準部４１は、前記整準基板４２を介して前記本体部４３を整準する。

前記本体部４３には、前記レーザ回転照射部５の高低角を検出する前記高低角検出部２５、前記レーザ回転照射部５の水平角を検出する前記水平角検出部２６及び前記Ｎ字状ビーム８を射出する為の投光光学系、更に前記レーザ回転照射部５を水平方向に回転させる前記回転駆動部３２、測量制御装置４６等が収納されている。尚、前記高低角検出部２５は、前記ファンビーム検出器１７からの検出信号に基づき高低角を演算するＣＰＵ、プログラム等によって構成され、前記水平角検出部２６は前記レーザ回転照射部５の回転部に設けられたエンコーダ等である。尚、前記高低角検出部２５は、各前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄにそれぞれ設けられてもよい。或は、前記機械演算制御部３５に設けられてもよい。

前記測量制御装置４６は、前記測量演算制御部２１、前記測量記憶部２２、前記測量通信部２３、前記高低角検出部２５、前記水平角検出部２６、前記駆動制御部３３等で構成される。

又、前記整準部４１には、チルトセンサ（図示せず）が設けられ、前記整準部４１は前記チルトセンサの検出結果に基づき、前記本体部４３を水平に整準する様になっている。

図４は、前記レーザ回転照射部５の光学系４８の概略を示している。

図４中、５１はレーザダイオード等のレーザ発光器を示し、該レーザ発光器５１の発光光軸上に、集光レンズ５２、ビームエキスパンダ５３が配設される。前記レーザ発光器５１から発せられたレーザ光線５４は前記集光レンズ５２で平行光束とされ、前記ビームエキスパンダ５３で光束断面が円形に調整される。

前記ビームエキスパンダ５３を透過した前記レーザ光線５４は、反射鏡５５で偏向される。偏向された光軸上にリレーレンズ等によるレンズ群５６が配設され、該レンズ群５６を透過した前記レーザ光線５４は、更にＮ字状ビーム形成光学部材５７に入射する。

該入射した前記レーザ光線５４は、前記Ｎ字状ビーム形成光学部材５７で偏向されると共に、３のファンビームに分割され、該３のファンビームは前記Ｎ字状ビーム８を形成する。即ち前記レーザ光線５４が、前記Ｎ字状ビーム形成光学部材５７を透過することで、円断面のレーザ光線が前記Ｎ字状ビーム８に変更される。

尚、前記Ｎ字状ビーム形成光学部材５７は、鉛直軸心を中心に水平方向に回転可能に支持され、図示しない回転装置により、回転されることで、前記Ｎ字状ビーム８が回転照射される。

図５〜図７により、前記Ｎ字状ビーム形成光学部材５７について説明する。

該Ｎ字状ビーム形成光学部材５７は、ペンタプリズム５８、レーザ光線分割光学部材としてビームスプリッタ５９，６０，６１、及び該ビームスプリッタ５９，６０，６１の射出面にそれぞれ設けられた円筒レンズ６２，６３，６４によって構成される。又、該円筒レンズ６２，６３，６４は、円筒曲面の中心線が相互に傾斜している。例えば、図７に示される様に、両サイドの前記円筒レンズ６２，６４の中心線は鉛直であり、中央の前記円筒レンズ６３の中心線は傾斜している。

前記ペンタプリズム５８に下方から鉛直に入射した前記レーザ光線５４は、前記ペンタプリズム５８により水平方向に偏向され、前記ビームスプリッタ５９によって１／３透過、２／３反射で分割され、透過した前記レーザ光線５４は前記円筒レンズ６２によって上下方向に拡散され、ファンビーム５４ａとして射出される。又、前記ビームスプリッタ５９で反射された前記レーザ光線５４は前記ビームスプリッタ６０によって２分割され、反射された前記レーザ光線５４は前記円筒レンズ６３で上下方向に拡散され、ファンビーム５４ｂとして射出される。更に、前記ビームスプリッタ６０を透過した前記レーザ光線５４は前記ビームスプリッタ６１で反射され、前記円筒レンズ６４によって上下方向に拡散され、ファンビーム５４ｃとして射出される。

又、上記した様に前記円筒レンズ６２、前記円筒レンズ６３、前記円筒レンズ６４の円筒曲面の中心線は相互に傾斜しているので、前記円筒レンズ６２，６３，６４から射出された前記ファンビーム５４ａ，５４ｂ，５４ｃは図７に示される様に、前記Ｎ字状ビーム８を形成する。

該Ｎ字状ビーム８を前記レーザ回転照射部５により定速で回転照射し、前記ファンビーム検出器１７で受光し、該ファンビーム検出器１７の受光結果に基づき該ファンビーム検出器１７の前記レーザ回転照射部５に対する高低角が求められる。図８、図９を参照して、高低角を求めることについて略述する。

尚、前記Ｎ字状ビーム８を受光して高低角を求めることについては、特開２００４−２１２０５８号公報（米国特許７１１０１０２号明細書）に開示されている。

図８は、前記レーザ回転照射部５により前記Ｎ字状ビーム８を回転照射した状態を示しており、回転方向は矢印で示されている。図９は、前記Ｎ字状ビーム８が前記ファンビーム検出器１７を走査した場合の、前記Ｎ字状ビーム８と受光位置との関係を示している。図９中、矢印は回転方向であり、複数の水平な線は、前記ファンビーム検出器１７の受光位置を示している。Ｌ０は高低角０゜（水平）を示し、Ｌ 1…Ｌ 4は高低角が＋、Ｌ-1…Ｌ-4は高低角が−であることを示している。

例えば、Ｌ０の位置で、前記ファンビーム検出器１７が前記Ｎ字状ビーム８を受光したとする。前記ファンビーム検出器１７が、前記ファンビーム５４ａ，５４ｂ，５４ｃを受光したことにより、受光信号が発せられ、前記ファンビーム５４ａ，５４ｂ間の受光時間差はｔ１、前記ファンビーム５４ｂ，５４ｃ間の受光時間差はｔ２とすると、Ｌ０の位置では、ｔ１＝ｔ２（ｔ１／ｔ２＝１）であり、Ｌ 4の位置では、ｔ１＜ｔ２（ｔ１／ｔ２＜１）であり、Ｌ-4の位置では、ｔ１＞ｔ２（ｔ１／ｔ２＞１）となる。

前記ファンビーム５４ａ，５４ｂ，５４ｃの傾きは、既知で且つ一定であり、回転速度も定速（既知の速度）であるので、前記レーザ測量装置１と前記ファンビーム検出器１７間の距離に拘らず、ｔ１／ｔ２の値を求めることで高低角が検出できる。

尚、高低角の検出について、図２に示された様に、前記高低角検出部２５が前記レーザ測量装置１に設けられている場合は、前記ファンビーム検出器１７が検出結果を前記レーザ測量装置１に送信して、前記測量演算制御部２１で高低角を演算してもよく、或は前記高低角検出部２５が前記機械制御装置１３に設けられている場合は、前記ファンビーム検出器１７が検出結果を前記機械制御装置１３に送信し、該機械制御装置１３で高低角を演算してもよい。更に、前記ファンビーム検出器１７自体に前記高低角検出部２５が設けられている場合は、前記Ｎ字状ビーム８の受光結果に基づき高低角を演算し、演算結果を前記機械制御装置１３に送信する様にしてもよい。

而して、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ個々の高低角を求め、前記機械制御装置１３が高低角の値が同一になる様に前記脚部１１を制御することで、前記スリップフォーム舗装機械２の姿勢を水平に制御できる。

尚、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ間の距離はそれぞれ既知となっているので、各前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ間の高低角の差と、各前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ間の距離に基づき傾斜量、傾斜方向が求められる。更に、各前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄと前記２組のスクリード１５との位置関係も既知であるので、前記機械制御装置１３が各前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから高低角を取得することで、前記２組のスクリード１５の高さの差（進行方向の傾斜）、前記スクリード１５の幅方向の高低差（進行方向に対して直交する方向の傾斜）を演算することができる。更に、前記機械制御装置１３はこの演算結果に基づき、前記スクリード１５の姿勢を制御することができる。

次に、図１０を参照して、本実施例の高低角測定の作用について説明する。

説明を簡略化する為前記ファンビーム検出器１７を２つとし、２つの前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂが前記Ｎ字状ビーム８を検出した場合を図１０により説明する。尚、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ間の距離はＡｍ（例えば１０ｍ）である。

図１０中、ラインＲは前記レーザ測量装置１に設定された基準方向を示すものであり、前記レーザ測量装置１は、前記Ｎ字状ビーム８の照射方向を前記ラインＲを基準として測定できる。

前記Ｎ字状ビーム８の回転照射で、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂが前記Ｎ字状ビーム８を検出し、検出結果は前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂから前記レーザ測量装置１に送信され、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂが前記Ｎ字状ビーム８を検出した時点での前記Ｎ字状ビーム８の照射方向を前記レーザ測量装置１が検出することで、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂの水平角α１，α２が検出される。尚、水平角を検出する為の受光信号は、ファンビームを受光した時点、例えば前記ファンビーム５４ａ又は５４ｂ又は５４ｃのいずれかを受光した時点で発せられるものとする。

又、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂがそれぞれ前記Ｎ字状ビーム８（前記ファンビーム５４ａ，５４ｂ，５４ｃ）を受光し、受光結果に基づき前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂの高低角が検出できる。図示では、前記ファンビーム検出器１７ａが前記Ｎ字状ビーム８が形成する水平基準面より下側に位置し（即ち、高低角が−）、前記ファンビーム検出器１７ｂが前記水平基準面より上側に位置し（即ち、高低角が＋）ている状態を示し、前記ファンビーム検出器１７ｂよりも前記ファンビーム検出器１７ａが下がっている状態となっている。

同様にして後側の前記ファンビーム検出器１７ｃ，１７ｄについても同様に、水平角と高低角が求められる。前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ全ての水平角と高低角を求めることで、更に該高低角と前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの相対位置関係に基づき前記スリップフォーム舗装機械２の方向、傾斜方向、傾き（即ち姿勢）を測定することができる。

次に、図１１を参照して、前記ファンビーム検出器１７が検出する高低角の補正について説明する。

前記Ｎ字状ビーム照射部２７（図２参照）が前記Ｎ字状ビーム８を回転照射する場合、前記Ｎ字状ビーム照射部２７の回転軸の偏心（光軸の偏差）、ビームプロファイル（ビーム断面形状、強度ムラ等）の変化、ぐらつきで、前記Ｎ字状ビーム８が、強度を変化させながら、又は形状を変化させながら回転照射される。前記ファンビーム検出器１７による高低角は、前記Ｎ字状ビーム８の通過位置によって求めるので、該Ｎ字状ビーム８が、強度を変化させながら、又は形状を変化させながら回転照射される場合、これらの現象は検出される高低角の誤差を引き起こす。

前記ファンビーム検出器１７が前記Ｎ字状ビーム８のＬｎを通過する場合に検出される高低角の誤差は、一例として図１１（Ｂ）に誤差曲線として示される。測定方法としては、前記ファンビーム検出器１７を、前記レーザ回転照射部５を中心とした円周上に、所要角度ピッチ（例えば３０゜ピッチ）で配置し、前記受光センサの高さを同一に設定し、該受光センサが検出した結果に基づき高低角を演算する。

図示では、２つのサインカーブが含まれており、２以上の誤差要因が含まれていることが分る。又、前記誤差曲線の再現性は高く、同一方向には同じ誤差が現れる。従って、予め水平角に応じて誤差曲線を取得しておくことで、検出された高低角を誤差曲線に基づき補正することができ、補正により、より高精度の高低角測定が可能となる。

尚、図示では１点（図示のＬｎ位置）の誤差曲線を求めたが、前記Ｎ字状ビーム８の光束を高低方向に複数分割し、例えば図９に示す様に、各高低位置でそれぞれ全周に亘り誤差曲線を求め、得られる（検出した）高低角及び水平角に合わせて対応する誤差曲線を選択し、選択した誤差曲線に基づき高低角を補正する様にしてもよい。

図１２、図１３は、前記レーザ回転照射部５の他の光学系６６の概略を示している。図１２中、図４中で示されるものと同等のものには同符号を付しその説明を省略する。

該他の光学系６６では、レーザ光線分割光学部材として３のペンタプリズム５８ａ，５８ｂ，５８ｃを鉛直方向に連接して用いて、前記ペンタプリズム５８ａ，５８ｂの第１の反射面で前記レーザ光線５４をそれぞれ分割し、前記ペンタプリズム５８ａ，５８ｂ，５８ｃの射出面に前記円筒レンズ６２，６３，６４を貼設して、前記ファンビーム５４ａ，５４ｂ，５４ｃを形成している。尚、前記円筒レンズ６２，６３，６４は前記ファンビーム５４ａ，５４ｂ，５４ｃが前記Ｎ字状ビーム８を形成する様に、互いに傾けて設けられている。

尚、上記実施例は前記スリップフォーム舗装機械２について説明したが、他の建設機械の姿勢制御に実施可能であることは言う迄もない。又、上記実施例では前記ファンビーム検出器１７を矩形の４頂点に設けたが、既知の位置に設けられれば、位置は限定されない。更に、上記実施例では該ファンビーム検出器１７を前方に２つ、後方に２つ設けたが、該ファンビーム検出器１７は前方に２つ、後方に１つとしてもよい。更に、前記ファンビーム検出器１７は５以上設けられてもよい。

更に、前記スリップフォーム舗装機械２の位置を測定する為、該スリップフォーム舗装機械２に該スリップフォーム舗装機械２の位置座標を測定するＧＰＳ装置を設けてもよい。

次に、本実施例の応用例を説明する。

第１の応用例は、前記スリップフォーム舗装機械２の姿勢を水平に制御する場合の制御であり、より簡便な制御を実行し得る。即ち、前記Ｎ字状ビーム８を定速で回転照射し、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄで前記Ｎ字状ビーム８を検出することで、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの高低角が求められるので、求められた高低角が等しくなる様に、或は求められた高低角の偏差が０になる様に、前記脚部１１を伸縮させればよい。即ち、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの検出結果のみで、前記スリップフォーム舗装機械２を水平に制御できる。

尚、どの前記脚部１１を伸縮するかは、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが発する識別信号に基づき決定することができる。

又、前記スリップフォーム舗装機械２を一定の傾斜に維持する制御も、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの検出結果のみで実行することができる。即ち、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの検出結果と識別信号とを対応させ、又所定の傾斜となる様な前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄそれぞれの検出高低角を設定し、制御中は前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが検出する高低角を設定した高低角となる様に前記脚部１１の伸縮を制御すればよい。

第２の応用例では、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄで検出される高低角と、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの相対位置関係を利用し、傾斜角の設定と、傾斜方向の設定を行うことができる。

即ち、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの個々の検出結果と識別信号とを対応させることで、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄそれぞれの高低角を検出することができ、更に、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの相対位置関係から、前記スリップフォーム舗装機械２を基準とした傾斜角及び傾斜方向、即ち該スリップフォーム舗装機械２単体での傾斜角及び傾斜方向を検出することができる。

前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの各位置の高低角から傾斜方向が検出でき、更に前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ間の高低角の偏差が求められ、更に相対位置関係から前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ間の距離がそれぞれ取得でき、距離と高低角の差から傾斜角が測定できる。

更に、前記スリップフォーム舗装機械２が直線道路を舗装する場合、予め走行方向は決定されており、走行姿勢も変化しない。従って、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの個々の検出結果と識別信号及び前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの相対位置関係より、前記スリップフォーム舗装機械２の傾斜、傾斜方向の制御が可能である。

次に、第３の応用例を説明する。

第３の応用例では、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが検出する個々の高低角、及び個々の識別信号、及び前記レーザ測量装置１が検出する前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ個々の水平角に基づき、前記スリップフォーム舗装機械２を水平、或は所定の傾斜状態に維持し、更に進行方向の制御を行うことができる。

即ち、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが検出する高低角を同一の値に制御することで、或は高低角の偏差を０にすることで、前記スリップフォーム舗装機械２の姿勢を水平に維持することができる。

更に、識別番号と前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの検出信号とを対比させることで、前記スリップフォーム舗装機械２を所定の傾斜角に維持することができる。例えば、前記スリップフォーム舗装機械２を所定の傾斜角、傾斜方向（所定の姿勢）に設定して、作業を開始した場合に、設定した前記スリップフォーム舗装機械２自体の姿勢を維持することができる。

更に、前記ファンビーム検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの識別信号、前記水平角に基づき前記スリップフォーム舗装機械２の進行方向に対する姿勢を検出でき、施工中の前記スリップフォーム舗装機械２の進行方向を制御することができる。

１ レーザ測量装置
２ スリップフォーム舗装機械
５ レーザ回転照射部
８ Ｎ字状ビーム
１２ 走行装置
１３ 機械制御装置
１５ スクリード
１７ ファンビーム検出器
２１ 測量演算制御部
２３ 測量通信部
２５ 高低角検出部
２６ 水平角検出部
２７ Ｎ字状ビーム照射部
３５ 機械演算制御部
３７ 機械通信部
３９ 検出器用通信部
４６ 測量制御装置
４８ 光学系
５４ レーザ光線
５７ Ｎ字状ビーム形成光学部材

Claims (10)

1. レーザ測量装置によりＮ字状ビームを定速で回転照射する工程と、前記Ｎ字状ビームの受光範囲で稼働する建設機械の既知の位置に設けられた少なくとも３のビーム検出器により前記Ｎ字状ビームを検出する工程と、前記少なくとも３のビーム検出器の前記Ｎ字状ビームの検出結果に基づき、各ビーム検出器の前記レーザ測量装置に対する高低角を求める工程と、求めた少なくとも３の高低角に基づき前記建設機械の傾きを制御する工程とを具備することを特徴とする建設機械の制御方法。
2. Ｎ字状ビームを定速で回転照射するレーザ測量装置と、前記Ｎ字状ビームの受光範囲で稼働する建設機械と、高低角検出部とを具備し、前記建設機械は、工事を施工する作業機械部と、該作業機械部を制御する機械制御装置と、前記建設機械の基準位置に対して既知の位置に配設された少なくとも３のビーム検出器とを有し、前記レーザ測量装置は、３のファンビームで構成される前記Ｎ字状ビームを回転照射するＮ字状ビーム照射部と、測量制御装置とを有し、前記ビーム検出器は、前記３のファンビームを受光し、受光結果を出力し、前記高低角検出部は、前記ビーム検出器、前記機械制御装置、前記レーザ測量装置のいずれかに設けられ、前記ビーム検出器からの３のファンビームの受光結果に基づき各ビーム検出器それぞれの前記レーザ測量装置に対する高低角を求め、前記機械制御装置は求められた高低角に基づき前記作業機械部の傾きを制御する様構成されたことを特徴とする建設機械の制御システム。
3. 前記作業機械部は前記基準位置及び前記ビーム検出器に対して既知の位置にあり、前記機械制御装置は前記高低角検出部から得られる高低角及び前記作業機械部の前記ビーム検出器に対する位置関係から前記作業機械部の姿勢を制御する様構成された請求項２の建設機械の制御システム。
4. 前記ビーム検出器は４であり、該ビーム検出器は平面形状が矩形の４の頂点に設けられた請求項２又は請求項３の建設機械の制御システム。
5. 前記建設機械は機械通信部を更に具備し、前記レーザ測量装置は測量通信部を更に具備し、前記機械通信部は各前記ビーム検出器の前記Ｎ字状ビームの検出タイミングを前記測量通信部に送信し、前記レーザ測量装置は、前記Ｎ字状ビームの検出タイミングに基づき各ビーム検出器それぞれの前記レーザ測量装置に対する水平角を求め、前記機械制御装置は前記水平角と前記高低角に基づき前記建設機械の傾斜と傾斜方向を測定する請求項２〜請求項４のうちいずれかの建設機械の制御システム。
6. 前記ビーム検出器は検出器用通信部を更に具備し、前記レーザ測量装置は測量通信部を更に具備し、前記検出器用通信部は各前記ビーム検出器の前記Ｎ字状ビームの検出タイミングを前記測量通信部に送信し、前記レーザ測量装置は、前記Ｎ字状ビームの検出タイミングに基づき各ビーム検出器それぞれの前記レーザ測量装置に対する水平角を求め、前記機械制御装置は前記水平角と前記高低角に基づき前記建設機械の傾斜と傾斜方向を測定する請求項２〜請求項４のうちいずれかの建設機械の制御システム。
7. 前記ビーム検出器が前記Ｎ字状ビームを受光することで検出できる高低角について、全周に亘って誤差曲線を予め求め、得られる誤差曲線に基づき検出した高低角を補正する請求項２〜請求項６のうちいずれかの建設機械の制御システム。
8. 前記Ｎ字状ビーム照射部はＮ字状ビーム形成光学部材を有し、該Ｎ字状ビーム形成光学部材は、ペンタプリズムと、該ペンタプリズムに設けられレーザ光線を３のレーザ光線に分割するレーザ光線分割光学部材と、分割された前記レーザ光線の射出面に設けられ、該レーザ光線を上下方向に拡散する円筒レンズとを有し、該円筒レンズから射出される前記レーザ光線が前記Ｎ字状ビームを形成する様、前記円筒レンズが相互に傾斜された請求項２〜請求項７のうちいずれかの建設機械の制御システム。
9. 前記レーザ光線分割光学部材は、前記レーザ光線を水平方向に分割する請求項８の建設機械の制御システム。
10. 前記レーザ光線分割光学部材は、前記レーザ光線を鉛直方向に分割する請求項８の建設機械の制御システム。

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