JP3585242B2 - 切削勾配制御装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、作業用アタッチメントの切削勾配を制御する方法および装置、より詳細には作業用アタッチメントの位置を自動的に制御して、地形表面に対し作業用アタッチメントを事前に選択した切削勾配に維持する方法および装置に関するものである。
背景技術
地形表面変更作業には、作業機械、たとえば名前を幾つか挙げると、モーターグレーダー、ドーザー、突き固め機、舗装機、プロフィーラが使用される。上記の作業機械は、一般に、建設現場計画に従って事前に手動で測量され、杭が打たれた建設現場において作業する。工事した現場が設計仕様に合致していることを確認するため、工事中、建設現場は頻繁に検査される。この方法は大量の手仕事を必要とし、手仕事の多くは高度に熟練した作業員によって行われる。さらに、要求された精度を得るために、作業機械のオペレータを高度に訓練しなければならない。
用途によっては、オペレータが従う基準を与えるためにレーザー装置が使用されるようになった。現場内の測量した場所に設置されたレーザーから放射されたレーザービームは現場の隅々に掃引される。これにより、レーザー平面が設定される。作業機械上のレシーバはレーザービームを受信し、作業機械の場所（たとえば、本体または作業用アタッチメント）に対するビームの上下位置をオペレータに示す。この情報はオペレータが作業機械を制御するのに使用される。そのようなレーザー装置の例が、米国特許第4,807,131号（1989年２月21日）に記載されている。この米国特許は、ある動作モードにおいてオペレータが地ならし刃の位置を目標場所の公差内に調節することができるように、レーザー平面に対する地ならし刃の上下位置を測定し、パラメータたとえば目標高さ、実際高さ、および誤差の許容範囲モニターに表示する方法を開示している。
作業機械に対する作業用アタッチメントの勾配（slope）、ピッチ（pitch）、および高さ（elevation）を変化させることができるように、一般に、作業用アタッチメントは調節自在に機械本体に取り付けられている。レーザーレシーバを機械本体に設置すると、機械本体に対する作業用アタッチメントのどんな位置の変化も、レーザー平面およびレシーバに対する作業用アタッチメントの説明できない位置の変化を引き起こす。従って、オペレータに与えられた情報は望ましいものでなく、ほとんど有効に使われないことがある。単一レーザーレシーバを作業用アタッチメントに設置すれば、レーザーレシーバは作業用アタッチメントと一緒に動いて、作業用アタッチメントの位置に関連づけられるので、この問題は解決する。しかし、レーザー平面に対する作業用アタッチメントのティルト（tilt）、ピッチ（pitch）、または回転（rotation）のどんな変化も補償されないので、与えられた情報は正確とは言えない。一対のレーザーレシーバを作業用アタッチメントに設置すれば、位置測定能力は向上するが、作業用アタッチメントの切削勾配を正確に決定することができない。
一群の人工衛星と特殊なレシーバを使用して三角測量によって作業機械の位置（実際にはレシーバの位置）を作業現場座標系に対し３空間座標で決定するシステムが知られている。上記システムは一般に運動全地球測位システム（kinematic global positioning system:GPS）と呼ばれる。歴史的に、上記システムは、用途によっては位置決定の精度が満足できるものでなかったので、広く受け入れられなかった。さらに、処理時間の遅いことが作業機械の実時間位置を決定する商業的実現性を小さくした。過去数年の間に、位置決定精度は向上し、処理速度も増加した。従って、現在、たとえば地形表面変更機械を含むさまざまな用途に、作業機械の実時間位置を決定する潜在能力は可能性がある。
全地球測位システムを使用して、作業用アタッチメントたとえば地形表面変更アタッチメントの切削刃の実時間位置を決定することは望ましいことである。作業用アタッチメントにGPSレシーバを設置すれば、切削刃の位置を測定することができることは明らかであろう。しかし、よく見ると、作業用アタッチメントの力学を扱い、機械本体に対する作業用アタッチメントの向きの変動に正確に適応することができなければ、上記の改造は成功しそうもない。
作業用アタッチメントが仕事をする環境が厳しいので、作業用アタッチメントに設置するどんなGPSレシーバも切削刃から離して配置しなければならない。GPSレシーバは空間内のレシーバのアンテナの位置を決めるが、切削刃の位置を決めないので、上述のように、作業用アタッチメントの向きが少しでも変動すれば、切削刃の位置を正確に決定できる可能性は少ない。少なくとも上記の理由で、PGSレシーバを作業用アタッチメントに設置することは考えられないであろう。
用途によっては、GPS受信手段を使用して作業現場に対する作業用アタッチメントの座標位置を決定する精度が許容基準を満たすことを要求されない。最終的な所産が仕上げられた表面、たとえば道路表面である用途においては、現場座標系の上下方向の測定精度が特に重要である。この問題を解決する試みがなされたが、十分な精度をもつGPSシステムは得られていない。
目標切削勾配が得られる選定位置に作業用アタッチメントを置くことができる制御装置を提供することは望ましいことである。しかし、機械操作の力学が原因で、作業機械が動くと切削勾配が変化する。さらに、回転、ピッチ、およびティルトのようなブレードの運動は作業用アタッチメントの切削勾配に影響を及ぼす。現在、作業機械のオペレータは目標切削勾配を維持するため作業用アタッチメントの位置を絶えず調節しなければならない。それを行うには相当な熟練度が要求される。最も熟練したオペレータでも切削勾配を目標角度に正確に維持することは難しい。今日まで、この問題に関して成功した解決方法はなかった。
本発明は上に述べた１つまたはそれ以上の問題を解決することを目指している。
発明の開示
本発明は、一態様として、作業機械に可動取付けされた作業用アタッチメントの位置を制御し、地形表面に対し作業用アタッチメントを事前に選定した切削勾配に維持する制御システムを提供する。作業用アタッチメントに取り付けられ、作業用アタッチメント上の第１点位置に対し事前に選定した第１位置にある第１受信手段は、複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受信し、それに応じて第１位置信号を生成する。作業用アタッチメントに取り付けられ、作業用アタッチメント上の第２点位置に対し事前に選定した第２位置（前記第１点位置から事前に選定した距離だけ離れている）にある第２受信手段は、複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受信し、それに応じて第２位置信号を生成する。勾配選択手段は作業用アタッチメントの目標横断切削勾配を選択し、対応する目標勾配信号を送る。処理手段は、第１および第２位置信号を受け取り、現場座標系内のアタッチメントの第１および第２点位置を決定し、第１および第２点位置と前の第１および第２点位置に基づいて、作業用アタッチメントの実際横断切削勾配を決定し、対応する実際勾配信号を送る。制御手段は、目標勾配信号と実際勾配信号を受け取り、作業用アタッチメントの目標横断切削勾配と実際横断切削勾配とを比較し、作業用アタッチメントの目標横断切削勾配と実際横断切削勾配との差に応じて、作業用アタッチメントを上下に動かし、アタッチメント上の第１および第２点位置の相対的上下位置を変える。作業用アタッチメントは、目標横断切削勾配と実際横断切削勾配との差に基づいて上下方向に動く。
本発明は、第２の態様として、作業用アタッチメントの切削勾配を自動的に制御する方法を提供する。本方法は、作業用アタッチメントの実際切削勾配を決定すること、作業用アタッチメントの実際切削勾配と目標切削勾配との差を決定すること、作業用アタッチメント上の第１および第２点位置の一方を相対的に動かし、実際切削勾配と目標切削勾配との差を減らすために必要な作業用アタッチメントの移動方向を決定すること、および作業用アタッチメントを上下に動かして第１および第２点位置の相対的上下位置を変化させるようにアタッチメント制御装置に命令することの諸ステップから成っている。
【図面の簡単な説明】
第１図は、作業用アタッチメントをもつ地形変更機械のための運動全地球測位システムとレーザーの組合せを示す本発明の実施例の斜視図である。
第２図は、作業用アタッチメントの位置を決定する装置と、作業用アタッチメントの位置を制御するための制御装置のブロック図である。
第３図は、第２図の制御装置のより詳細な図解である。
第４図は、第１および第２受信手段が取り付けられた作業用アタッチメントの側面図である。
第５図は、ローカル座標系において角度θにピッチされた図４のアタッチメントと受信手段の略図である。
第６図は、現場座標系において平面を定義する第１および第２ベクトルと、現場座標系におけるローカル座標系の単位ベクトルを示す図である。
第７図は、作業用アタッチメントの前位置および現在位置にあるRB,LBの間に延びている水平面内の直線の投影の幾何学的図形を示す平面図である。
第８図は、第７図の線８−８に沿った端面図である。
発明を実施するための最良の形態
第１図に、地形表面変更機械16の作業用アタッチメント12の切削勾配を制御する方法および装置10を示す。接地作業ブレードとして示した作業用アタッチメント12は、モーターグレーダーとして示した地形表面変更機械16のフレーム14に制御自在に可動取付けされている。他の作業機械、たとえばドーザー、スクレーパー、突き固め機、舗装機、プロフィーラ、および適当な表面変更用アタッチメントを装備した同様な機械は同等物であり、本発明の範囲に含まれると考えられる。
図示した実施例の場合、制御システム10はオプションとしてレーザースキャナ22を備えている。レーザースキャナ22は鉛直軸線28のまわりに掃引される弱強度のレーザービーム26を送り出すようになっている。レーザースキャナ22は測量した区域（以下、作業現場32と呼ぶ）内の事前に選定した座標位置（X,Y）に設置されている。掃引されたレーザービーム26は、鉛直軸線28の沿った所定の上下（標高）位置に平面30を形成し、正確な上下座標位置（Ｚ）を設定する。
制御システム10は全地球測位システム（GPS）24を含んでいる。GPS24は一群の人工衛星を有し、第１図にそのうちの２つ人工衛星34a,34bを示す。三角測量に好都合の幾何学的配置なので、作業機械16が見える４個の人工衛星を選択することが好ましい。
全地球測位システム24はベース局36とベース局36に接続された基準受信手段38を含んでいる。基準受信手段38は複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受信し、それに応じて基準位置決め信号を発生する。基準受信手段38はGPS基準レシーバ39を備えている。ベース局36は作業現場32の既知の固定位置に設置されている。ベース局36にあるトランシーバ40と作業機械16上のトランシーバ42は、作業機械16とベース局36の間にRF通信リンクを提供し、その通信リンクを通して基準位置データが転送される。地球の中心に対するベース局の位置を決定する際に、ベース局プロセッサ（図示せず）が使用される。
全地球測位システム24は、さらに、複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受信し、それに応じて第１位置信号を発生する第１受信手段18と、複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受信し、それに応じて第２位置信号を発生する第２受信手段20を含んでいる。
第１図および第２図からわかるように、第１受信手段18は作業用アタッチメント12上の第１事前選定位置に取り付けられており、第２受信手段20は作業用アタッチメント12上の第２事前選定位置に取り付けられている。第１受信手段18は第1GPSレシーバ44を含んでおり、第２受信手段20は第2GPSレシーバ46を含んでいる。第１および第2GPSレシーバはそれぞれアンテナ48,50と前置増幅器（図示せず）を備えている。第１および第２アンテナ48,50によって受信された位置信号は増幅されたあと、第１および第２レシーバ44,46へ送られる。第１および第２レシーバ44,46はそのナビゲーション信号を復号し、選択した各人工衛星ごとに疑似レンジと人工衛星位置を生成する。位置コンピュータ52を含む処理装置51は、疑似レンジと人工衛星位置に基づいて、第１および第２レシーバの位置を計算する。詳しく述べると、第１および第２レシーバ44,46は、それぞれ第１および第２アンテナ48,50上の受信点“R",“L"の位置を決定する。受信点“R",“L"はGPS信号の有効受信中心であり、以下の計算に使用される。このような全地球測位システムはこの分野の専門家に知られているので、これ以上の説明は省略する。
第３図に示すように、作業用アタッチメント12は、第１および第２横縁58,60、切削刃66、および上部縁68をもつ地ならし用ブレード70を有する。簡潔にするため、以下、この特定の地ならし用ブレード70に関して説明する。しかし、発明の精神から逸脱せずに地ならし用ブレード70を他の作業用アタッチメント12で置き換えることができることを理解されたい。第１アンテナ48は第１横縁58に近いブレード70に取り付けられており、第２アンテナ50は第２横縁60に近いブレード70に取り付けられている。受信点“R",“L"は事前に選定した距離“W"だけ離れている。図示のように、距離“W"は第１および第２横縁58,60間の距離にほぼ等しい。第１および第２受信点“R",“L"は第１および第２点位置“RB",“LB"（ブレード70の切削刃66に沿っていることが好ましい）に対して配置される。第１および第２点位置“RB",“LB"は、第１および第２横縁と切削刃66とが交わるブレード70の第１および第２隅にあって、距離“B"だけ離れていることが好ましい。距離“B"は距離“W"に等しいことが好ましい。第１および第２アンテナ48,50（受信点“R",“L"）および第１および第２点“RB",“LB"をこれらの位置に配置することによって、第１および第２受信点“R",“L"と、ブレード70の第１および第２点位置“RB",“LB"との３次元空間変換計算が簡単になる。第１および第２受信手段18,20は切削刃66に対し直角に、互いに平行に延びた第１および第２軸線73,75I沿って配置することが好ましい。しかし、本発明の精神から逸脱せずに他の位置を選定できることを理解されたい。
第１図および第２図を参照すると、第１および第２受信手段18,20はオプションとして上に述べた第１および第２点位置にブレード70に取り付けられた第１および第２レーザーレシーバ72,74を備えている。第１および第２レーザーレシーバ72,74はそれぞれ第１および第２アンテナ48,50の場所にあることが好ましい。第３図に示すように、第１および第２アンテナ48,50はそれぞれ第１および第２レーザーレシーバ72,74の一方の端に設置されており、レーザーレシーバ72,74の他方の端はブレード70の上部縁68に結合されている。レーザーレシーバ72,74はインクレメンタル型レーザーレシーバであり、複数の一直線に並んだ受光器76と、照明された特定の受光器を表す出力信号を送る関連回路（図示せず）を含んでいる。この形式のレーザーレシーバの構造はこの分野では周知であるので、これ以上の説明は省略する。第１および第２レーザーレシーバ72,74は、アタッチメント12の上下方向の位置測定の精度を高め、かつ全地球測位システムから得た測定値を補足するために設置されている。第１および第２レーザーレシーバ72,74は位置コンピュータ52に接続されている。レーザーレシーバ72,74は出力信号を位置コンピュータ52へ送り、位置コンピュータ52は特定の作業現場に対する３次元空間内のブレード70の上下座標位置“z"を決定する。第１および第２軸線73,75は第１および第２レーザーレシーバの全長に沿って延び、受信点“R",“L"を通っている。
第１図に示すように、ベース局36に置かれた基準レシーバ39は一群のGPS人工衛星から信号を受信する。基準レシーバ39に接続されたベース局コンピュータ（図示せず）は、地球の中心に対するレシーバ39（アンテナ78）の位置を決定する。基準レシーバ39は「差動全地球測位システム」を構成するために使用される。第１および第2GPSレシーバ44,46と基準レシーバ39は市販されており、アンテナ、前置増幅器、およびレシーバを備えている。位置コンピュータ52およびベース局コンピュータはモトローラ社（米国）から市販されたマイクロプロセッサを備えている。
第３図および第４図に、作業用アタッチメント12を詳細に示す。ブレード70は支持機構80によってフレーム14に可動取付けされている。支持機構80は、環85と環85に取り付けられたブレード70とを環85の中心を通る垂直軸線のまわりに回転させるため、選択的に作動可能なロータリ駆動モーター84を有する環駆動機構82を備えている。
第３図に示すように、制御システム10は次に詳しく説明する制御手段120を含んでいる。制御手段120はフレーム14と支持機構80の間に取り付けられた選択的に作動可能な第１および第２リフトジャッキ86,88を有する。第１および第２リフトジャッキ86,88は、第１位置と第２位置の間で伸縮自在に動くことができ、フレーム14に対しブレード70を上下方向に動かす。リフトジャッキ86,88が同時に伸長すると、ブレード70が下降し、リフトジャッキ86,88が同時に引っ込むと、ブレード70は上昇する。第１および第２リフトジャッキ86,88の一方が伸長するかまたは引っ込むか、または第１および第２リフトジャッキ86,88の一方が伸長し、かつ他方が引っ込むと、ブレード70フレーム14に対し作業機械16の移動方向を横切る方向にティルトする、すなわち傾く。
第４に示すように、支持機構80とベルクランク92の間に油圧作動式傾倒（tip）用ジャッキ90が取り付けられている。ベルクランク92はブレード70を環駆動機構82に旋回自在に取り付けている。傾倒用ジャッキ90は旋回連結部のまわりにベルクランク92を傾倒させるため伸縮自在に動くことができる。これにより、第４図に想像線で示すように、ブレード70は、フレーム14を横切る方向を向いた状態で、前方また後方に傾倒する。用語「傾倒（tip）」と「ピッチ（pitch）」は同じ意味を持つので、置き換えて使用できることに留意されたい。
第３図、第４図、および第５図に示すように、ブレード70のピッチ角θの変化を検出し、対応するピッチ角信号を送り出す検出手段94が設置されている。検出手段94は、ベルクランク旋回軸線まわりのブレードの傾倒した位置を検出することができる任意の適当なトランスジューサ96（たとえば、ポテンショメータ、エンコーダ、リゾルバ、同種の装置）を備えている。トランスジューサ96はベルクランク92に取り付けられており、ピッチ角信号を位置コンピュータ52へ送る。ピッチ角信号はアナログでもディジタルでもよい。アナログ信号を送る場合は、処理手段51でディジタル処理するため信号を変換するA/D変換器が必要である。位置コンピュータ52はローカル座標系における作業用アタッチメントの第１および第２点位置

の関連する現在位置を決定する。ローカル座標系はフレーム14（支持機構80）に対して確立された３次元座標系である。第５図に示すように、ブレード70は第２横縁から眺められ、かつブレード70に沿って見下ろしているように示してある。
処理手段51は第１および第２受信手段18,20から第１および第２位置信号を受け取り、作業現場32に関係づけられた現場座標系における第１および第２受信手段18,20の第１および第２現在座標位置“L",“R"を実時間で決定する。上下方向に特別な精度が必要な場合は、第１および第２位置信号は前に指摘したようにレーザー位置信号を含むことができることに留意されたい。レーザーで決定された上下位置はGPSで決定された上下位置より正確であるので、処理手段51はGPS上下位置成分を無視し、レーザーで決定された上下位置“z"を使用することが好ましい。
第６図を参照して説明すると、処理手段51は、第１および第２現在座標位置“L",“R"と、現場座標系における第１および第２受信手段18,20の前に定義した第１および第２座標位置“Ｌ´",“Ｒ´”の間を通る直線99に沿った中間点位置“C"とを通る空間内の平面98を決定する。前に決定されたも新しい座標位置“Ｌ´",“Ｒ´”が処理手段51のメモリ（図示せず）に記憶される。作業現場座標C_x,C_y,C_zにおける最も新しいブレードの向きの有効中間点位置Ｃは、以下の式によって決定される。
C_x＝（Ｒ´_ｘ＋Ｌ´_ｘ）/2
C_y＝（Ｒ´_ｙ＋Ｌ´_ｙ）/2
C_z＝（Ｒ´_ｚ＋Ｌ´_ｚ）/2
第６図に示すように、平面98は第１現在座標位置“R"から第２現在座標位置“L"まで延びた第１ベクトル

と、第１現在座標位置“R"から現場座標系内の中間点“C"まで延びた第２ベクトル

によって定義される。ベクトル

は、以下の式によって決定される。

単位ベクトル“i",“j",“k"は、“x",“y",“z"座標方向に対応する現場座標系における方向にある。
第５図を参照すると、ローカル座標系における第１および第２点

の現在位置を知っていれば、これらの点位置を、平面98を基準として使用する現場座標系へ変換することが可能であることがわかった。フレーム14（支持機構80）に対するローカル座標系内の第１および第２点

の位置は、以下の式によって決定される。

ここで、Ｄ＝第１および第２受信手段18,20の第１および第２受信点R,Lからブレード70の対応する第１および第２点位置

までの距離、θ＝ブレード70のピッチ角（０＝ピッチなし、π/2＝最大ピッチ角）、およびｗ＝切削刃の長さ（第１および第２横縁58,60間の距離）である。
ローカル座標系における第１および第２点RB,LBの現在位置は、装置の初期化の際に、たとえば制御システム10を“オン”位置へ切り換え、受信手段18、20、処理手段51、およびピッチ角センサ94を作動させることによって決定される。センサ94によって検出されたピッチ角θに変化があると、ローカル座標系における第１および第２点

の位置の次の決定は更新される。これは、処理手段51で、現在ピッチ角θと前に検出したピッチ角θ´とを比較し、メモリ（図示せず）に格納した第１および第２点

の前に検出し格納した現在位置を決定し、ローカル座標系における第１および第２点

の現在位置に関する情報を更新することによって達成される。
処理手段51は、以下の式によって、第１および第２点について、現場座標系の単位ベクトルの面から、ローカル座標系の単位ベクトル

の定義（definitions）を計算する。

ここで、ベクトルa and b,a×ｂはベクトルのクロス乗積を表し、|a|はａベクトルの大きさを表す。
処理手段51は現在の第１および第２ローカル点位置RB,LBをローカル座標系から現場座標系へ変換し、現場座標系における第１および第２点RB,LBの位置を記録する。第１および第２ローカル点位置の現場座標系への変換は、以下のやり方で決定される。

ここで、Ｖは以下のようなマトリックスである。
V₁₁ V₁₂ V₁₃ R_x
V₂₁ V₂₂ V₂₃ R_y
Ｖ＝V₃₁ V₃₂ V₃₃ R_z
０ ０ ０ １
ここで、

同様に、

である。RBおよびLBにおけるベクトルは、ブレード70上の第１および第２点位置RB,LBの座標を含んでいる。この情報が与えられれば、作業用アタッチメント12の％切削勾配を決定することが可能である。
第７図および第８図に、作業用アタッチメント12の実際断面切削勾配決定する方法および装置10に関連する幾何学的配置を少し詳しく示す。第７図は、直線“A"で結ばれた第１および第２現在点位置RB,LBの投影、直線“Ａ´”で結ばれた前の第１および第２点位置RB´,LB´、直線ΔCBで結ばれた前および現在の中間点CB,CB´、LBからΔCBに対し直角に延びている直線投影、および作業用アタッチメント12の相対的移動方向を示す平面図である。第８図は、上下座標成分RB_zと、直線“B"の投影に基づく作業用アタッチメント12の切削勾配H/Bを示す第７図の線８−８に沿った端面図である。この図において、直線“A"と“Ａ´”は作業用アタッチメント12の切削刃66にある。
現場座標系における作業用アタッチメント上の第２および第２点位置RB,LBの座標が与えられれば、処理手段51（詳細には位置コンピュータ52）は、第１および第２点位置RB,LBと、前の第１および第１点位置RB´,LB´に基づいて、作業用アタッチメント12の実際断面切削勾配（％勾配）を決定する。
前に決定された第１および第２現在点位置RB,LBの座標位置を使用して、作業用アタッチメント12上の第１および第２現在点位置LB,RBの間を通る現在直線“A"に沿った有効な現在中間点位置CBは、以下の式によって決定される。
CB_x＝（RB_x＋LB_x）/2
CB_y＝（RB_y＋LB_y）/2
次に、作業用アタッチメント12上の前の第１および第２点位置LB´,RB´の間を通る前の直線“Ａ´”に沿った前の中間点位置CB´からの有効な現在中間点位置CBの変化ΔCBは、以下の式によって決定される。
ΔCB_x＝CB_x−CB_x´
ΔCB_y＝CB_y−CB_y´
ΔCB＝〔（ΔCB´LB_x）^２＋（ΔCB´LB_y）^２〕^1/2
次に、現在の第２点位置LBと有効な前の中間点位置CB´間の距離CB´LBは、以下の式によって決定される。
ΔCB´LB_x＝LB_x−CB_x´
ΔCB´LB_y＝CB_y−CB_y´
ΔCB´LB＝〔（ΔCB´LB_x）^２＋（ΔCB´LB_y）^２〕^1/2
第７図に示すように、“A"は作業用アタッチメント12の現在の第１および第２点位置RB,LBの水平面への投影の間に引かれた直線の長さを表し、“Ａ´”は作業用アタッチメント12の前の第１および第２点位置RB´,LB´の水平面への投影の間に引かれた直線の長さを表す。好ましい実施例の場合、“A"は第１および第２点位置RB,LB間の切削刃の長さであることを認識されたい。現在の第１および第２点位置RB,LBのそれぞれの座標（RB_x,RB_y）と（LB_x,LB_y）を知ったならば、現在の直線“A"の水平面への投影の長さは以下の式によって計算される。
Ａ＝〔（RB_x−LB_x）^２＋（RB_y−LB_y）^２〕^1/2
余弦法則を使用して、現在の直線“A"の水平面内の投影と、現在および前の直線の中間点CB´,CBを結ぶ直線ΔCBとのなす角φが計算される。直線ΔCBは作業用アタッチメント12の移動方向にある。有効中心位置の変化は以下の式によって決定される。

中間点CB´,CBを結ぶ直線ΔCBに直角に向いた現在の直線“A"の投影の有効長さ“B"は、以下の式によって決定される。
Ｂ＝Ａ sin（φ）
第８図を参照すると、第１および第２点位置RB,LB間の上下（標高）差“H"は、式Ｈ＝R_z−LB_zよって決定される。第２点位置LBに対する作業用アタッチメント12の実際の真の％横断切削勾配は、式 ％勾配＝100H/Bによって決定される。処理手段51は決定した％勾配を表す勾配信号を制御手段120へ送る。
第２図を参照すると、処理手段51は任意の適当な形式のデータベースコンピュータ100（たとえば、Intel 486 マイクロプロセッサと適当なメモリをもつIBM パーソナルコンピュータを備えている。データベースコンピュータ100は位置コンピュータ52に接続されている。データベースコンピュータ100は位置コンピュータ52から信号を受け取り、作業現場におけるブレード70の第１および第２点位置RB,LBの現在座標位置と、作業機械16が作業現場を横断するときの作業用アタッチメントの％勾配とを実時間で更新する。データベースコンピュータ100はトランシーバ103にも接続されている。トランシーバ103は作業機械16に設置されており、ベース局36にあるトランシーバ40と無線周波数伝送通信状態にある。トランシーバ40はベース局36に置かれたランドベース（landbase）コンピュータ（図示せず）に接続されている。トランシーバ40はトランシーバ103と通信し、データベースコンピュータ100とランドベースコンピュータの間でデータを伝送する。作業機械の位置、アタッチメントの位置、地形の変化、作業用アタッチメント12の％勾配、等のデータが両者の間で伝送される。たとえば、作業用アタッチメント12の％勾配と、作業機械16がその下の地形を横断する時に作業機械16の作業の力学によって生じた％勾配の変化は、現場座標系内の第１および第２点位置RB,LBの追跡に基づいて、作業機械16に配置された位置コンピュータ52において実時間で更新される。この情報はランドベースコンピュータを更新するため伝送される。
任意の適当な市販のモニター102、たとえば液晶ディスプレイ、ブラウン管ディスプレイ、または情報を表示できるその他の適当な装置が、データベースコンピュータ100に接続されている。データベースコンピュータ100はモニター102へ信号を送り、モニター102は作業現場に対するブレードの現在位置を絵画的または図形的に表示する。ディスプレイは、そのほかに、作業用アタッチメント12の実際横断切削勾配と目標横断切削勾配を２次元または３次元で、または数値で示す。
地形測量によって前に決定された実際作業現場のディジタル化計画すなわちモデルをデータベースコンピュータ100にロードすることができる。設計者が製図した目標作業現場のディジタル化計画すなわちモデルも、同様にデータベースコンピュータ100にロードすることができる。実際作業現場のデータは、前に決定した第１および第２点位置RB,LBの位置に基づいて、実時間で更新される。この動的なデータベースは、ブレード70が作業現場を横断する時にブレードによって変えられる地面の区域と前記第１および第２点位置RB,LBの実時間追跡を容易にする。対応する信号がデータベースコンピュータ100からモニター102へ送られ、ブレード70の現在位置、変えられる実際作業現場、実際％勾配と目標％勾配、および目標作業現場の標高が、オペレータが要求すると、単独でまたは組み合わせてモニター102に表示される。
第２図、第３図、および第４図に示すように、制御手段120はアタッチメントコントローラ122とアタッチメント制御装置124を備えている。アタッチメントコントローラ122は任意の適当な設計のプロセッサ（図示せず）を備えている。プロセッサは適当なソフトウェアをもつマイクロプロセッサが好ましい。しかし、個別に配列された電子部品から成るプロセッサも適していると考えられ、このようなプロセッサは発明の範囲に含まれる。アタッチメントコントローラ122は処理手段51に接続されており、そこからアタッチメント勾配位置命令を受け取る。アタッチメントコントローラ122は、さらにアタッチメント制御装置124に接続されており、弁位置決め制御信号をアタッチメント制御装置124へ送る。アタッチメントコントローラ122はディジタル・アナログ変換器と通常設計のドライバ回路を備えていることが好ましい。ドライバ回路はアタッチメント制御装置124に接続されており、弁位置決め制御信号をアタッチメント制御装置124へ送る。
第３図に示すように、アタッチメント制御装置124は第１および第２無限可変型電子油圧制御三方弁126,128を備えている。各電子油圧制御弁126,128はアタッチメントコントローラ122に接続されており、上に述べた弁位置決め制御信号を受け取るようになっている。第１電子油圧制御弁126は高圧作動油源130と第１リフトジャッキ86の間に接続されており、第２電子油圧制御弁128は高圧作動油源130と第２リフトジャッキ88の間に隣接されている。第１および第２電子油圧制御弁126,128はそれぞれ第１および第２リフトジャッキ86,88における作動油の流れをブロックする中立位置“N"から第１位置“A"と第２位置“B"のどちらかへシフトさせることができる。第１電子油圧制御弁126が第１および第２位置“A",“B"のどちらかにあるとそれに応じて、高圧作動油源130から第１リフトジャッキ86へ作動油が供給される。同様に、第２電子油圧制御弁128が第１および第２位置“A",“B"のどちらかにあるとそれに応じて、高圧作動油源130から第２リフトジャッキ88へ作動油が供給される。第１および第２電子油圧制御弁126,128はそれぞれ、第１位置“A"にあるとそれに応じて、第１および第２ジャッキ86,88を第１位置に向けて伸長させる、そして第２位置“B"にあるとそれに応じて、第１および第２ジャッキ86,88を第２位置に向けて引っ込める。
第２図および第３図に示すように、作業用アタッチメント12の目標横断切削勾配を選択し、目標勾配信号をアタッチメントコントローラ122へ送る勾配選択手段132が準備されている。勾配選択手段132は複数の位置へ回転するダイヤル136をもつ勾配セレクタ134を備えていることが好ましい。勾配セレクタ134は複数の位置のそれぞれから送られた目標勾配信号を変更する。勾配セレクタ134はポテンショメータとして図示してある。しかし、選択した構成要素によっては、アナログまたはディジタル信号を送ることができるどんな勾配セレクタ134も発明の範囲に含まれる。
制御手段120の「自動」動作モードまたは「手動」動作モードの一方を手動で選択し、対応するモード信号を送るモードセレクタ138が準備されている。モードセレクタ138は、は隔をおいた開位置と閉位置の間で動かすことができる任意の適当な通常設計の２位置スイッチ140を備えていることが好ましい。スイッチ140は制御手段120に接続されており、開および閉スイッチ位置の一方にある時は「自動」モード信号を送り、他方にある時は「手動」モード信号を送る。詳しく述べると、モードセレクタ138はアタッチメントコントローラ122に接続されており、モード信号をアタッチメントコントローラ122に送る。制御手段120は、「自動」モード信号を受け取った時はそれに応じて、作業用アタッチメント12の自動勾配制御を可能にし、「手動」モード信号を受け取った時はそれに応じて、作業用アタッチメント12の自動勾配制御を不能にする。
作業用アタッチメント12の上下移動の速度と方向を選択し、対応するアタッチメント制御信号を送るアタッチメント位置セレクタ142は手動で操作することができる。アタッチメント位置セレクタ142は制御手段120に接続されている。アタッチメント位置セレクタ142は、ジョイスティック144、複数のスイッチ146（２つのみを示す）、およびポテンショメータ148を含んでいることが好ましい。ジョイスティック144を手動で旋回させて複数の位置へ動かし、作業用アタッチメント12の上下移動の速度と方向を選択するこができる。このジョイスティック144の動きにより、複数のスイッチのうち選択されたスイッチが作動し、第１および第２リフトジャッキの移動方向を制御する。第１および第２リフトジャッキ86,88の移動速度はポテンショメータとジョイスティック144の旋回位置によって決まる。アタッチメント位置セレクタ142の特有な構造は、発明の精神から逸脱せずに、他の実施例、たとえばエンコーダまたは同種の装置を使用する同等なディジタル装置で置き換えできることを認識されたい。アタッチメント制御信号がアタッチメントコントローラ122へ送られると、アタッチメントコントローラ122はそれに応じて対応する信号を第１および第２電子油圧制御弁126,128の一方または両方へ送る。
制御手段120は、勾配選択手段132、アタッチメント位置セレクタ142、およびモードセレクタ138から信号を受け取り、それらの信号に基づいて決定をする。アタッチメントコントローラ122は、作業用アタッチメント12の勾配を、勾配選択手段132が選択した事前に選択した目標勾配に維持し、モードセレクタ138が「手動」モードにある時は、作業用アタッチメント12の自動勾配制御が行われるのを阻止する。自動動作モードの場合は、アタッチメントコントローラ122は、作業用アタッチメント12の目標勾配と実際勾配との差に応じて、アタッチメント制御装置124へ制御信号を送り、作業用アタッチメント12を目標勾配に維持する。作業用アタッチメントが取り付けられた特定の作業機械に基づいて、実際％勾配と目標％勾配間の所定の許容誤差が与えられることに留意されたい。実際％勾配信号と目標％勾配信号はソフトウェアで比較することができ、実際％勾配と目標％勾配間のずれを修正するため、適切な勾配制御信号が送られることに留意されたい。
目標％勾配信号と実際％勾配信号はアタッチメントコントローラ122において処理され、目標％勾配信号と実際％勾配信号との差に対応する信号がアタッチメント制御装置124へ送られる。アタッチメント制御装置124は、対応する信号の大きさと意味に基づいて応答し、作業用アタッチメント12を上下に動かして、作業用アタッチメント12の第１および第２点位置RB,LBの相対的上下位置を変化させる。作業用アタッチメント12は前記信号の意味に基づく上下方向に、そして前記信号の大きさに基づく速度で動く。アタッチメントコントローラ122は第１および第２電子油圧制御弁126,128のうちの選択した弁へ制御信号を送る。選択した電子油圧制御弁は、制御信号を受け取るとそれに応じて、第１および第２点位置RB,LBの一方を他方に対して動かす。図示した実施例の場合、作業用アタッチメント12の切削勾配の自動的変化は、第１電子油圧制御弁126だけを作動させて第１ジャッキ86へ作動油を送り、第１点位置RBを第２点位置LBに対し上下方向に動かすことによって得られる。これに対し、第２電子油圧制御弁128の自動制御は、本発明の精神から逸脱することなく、同様なやり方で行われることを認識されたい。
アタッチメントコントローラ122は、作業用アタッチメントの目標横断切削勾配と実際横断切削勾配の大きさが実質上等しくなるとそれに応じて、第１および第２電子油圧制御弁126,128のうちの選択した弁へ制御信号を送るのを停止する。電子油圧制御弁126,128は、制御信号を受け取らなければ、センタリングばねまたは同種の装置のバイアスによって中立位置“N"へ動いて、高圧作動油源130からの作動油の流れが関連するリフトジャッキ86,88を伸縮自在に動かすのを阻止する。
産業上の利用可能性
運転中、地形表面変更機械16のオペレータはモードセレクタ138のスイッチを開位置または閉位置の適当な位置に置くことによって作業用アタッチメント12の「自動」動作モードを選択する。さらに、オペレータは勾配選択手段132のダイアルを適当な位置に置くことによって、作業用アタッチメント12の目標％切削勾配を選択する。
処理手段51は、第１および第２受信手段18,20から位置信号を受け取るとそれに応じて、作業現場32の３次元空間における作業用アタッチメント12の座標位置を決定し、前に式で示したように、作業用アタッチメント12の実際％切削勾配を決定し、実際％勾配信号をアタッチメントコントローラ122へ送る。アタッチメントコントローラ122は、作業用アタッチメントの実際切削勾配と目標切削勾配との差を決定し、そして作業用アタッチメント12の実際切削勾配と目標切削勾配の大きさの差を減少させるため作業用アタッチメント12の第１および第２点位置RB,LBの一方を相対的に動かすために必要な作業用アタッチメントの移動方向を決定する。アタッチメントコントローラ122は、作業用アタッチメントの実際％切削勾配と目標％切削勾配との差に応じて第１および第２点位置RB,LBの相対的上下位置を変化させるように、アタッチメント制御装置124に命令する。
アタッチメント制御装置124は勾配信号に応答し、第１および第２制御弁126,128のうちの選択した弁を作動させて第１および第２ジャッキ86,88の関連ジャッキを伸縮自在に動かし、実際％切削勾配と目標％切削勾配の差を減らす適切な方向に作業用アタッチメント12を動かす。上に述べたように、第１および第２点RB,LB（前および現在の両方）の位置を用いて、作業用アタッチメント12の％勾配を決定することができる。制御システム10は作業機械16が下の地形を横断する時に実時間で修正することができるので、作業用アタッチメント12の％勾配を正確に維持することができる。
アタッチメントコントローラ122は、実際％切削勾配と目標％切削勾配の大きさが実質上等しくなるとそれに応じて、勾配信号を送るのを停止する。アタッチメント制御装置124はそれに応じて、作動した第１および第２電子油圧制御弁のうちの適切な制御弁を中立位置“N"へ動かして、作動したリフトジャッキの動きを停止させる。
アタッチメントコントローラ122はさらに勾配選択手段132によって選択された目標％勾配信号と実際％勾配信号をデータベースコンピュータ100へ送る。データベースコンピュータ100は対応する信号をモニター102へ送り、モニター102は作業用アタッチメント12の目標％勾配を表示する。位置コンピュータ52によって決定された実際％勾配信号も同様にデータベースコンピュータ100へ送られる。データベースコンピュータ100は対応する信号をモニター102へ送り、モニター102は作業用アタッチメント12の実際％勾配を表示する。作業用アタッチメントの実際切削勾配と目標切削勾配の相対的な図形表現または絵画表現を表示することが好ましい。
オペレータが作業用アタッチメントの自動勾配制御を放棄して、手動で制御することを選択した場合は、オペレータは単にモードセレクタ138を他方の位置へ動かす。この位置では、「手動」モード信号がアタッチメントコントローラ122へ送られ、アタッチメント制御装置124の自動動作が不能にされ、そしてアタッチメント位置セレクタ142によって手動制御が可能にされる。
本発明のその他の特徴、目的、および利点は、図面、明細書、および請求の範囲を検討すれば理解することができる。

Claims (16)

1. 作業機械（16）に可動取付けされた作業用アタッチメント（12）の位置を制御し、作業用アタッチメント（12）を地表表面に対し事前に選定した切削勾配に維持する制御システム（10）であって、
   前記作業用アタッチメント（12）に取り付けられ、作業用アタッチメント（12）上の第１点位置（RB）に対し事前に選定した第１位置にあって、複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受信し、それに応じて第１位置信号を生成する第１受信手段（18）、
   前記作業用アタッチメント（12）に取り付けられ、作業用アタッチメント（12）上の第２点位置（LB）に対し事前に選定した第２位置（前記第１点位置（RB）から事前に選定した距離だけ離れている）にあって、複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受信し、それに応じて第２位置信号を生成する第２受信手段（20）、
   アタッチメント（12）の目標横断切削勾配を選択し、対応する目標勾配信号を送る勾配選択手段（132）、
   前記第１および第２位置信号を受け取り、現場座標系内のアタッチメント（12）の第１および第２点位置（RB,LB）を決定し、第１および第２点位置（RB,LB）と前の第１および第２点位置（RB´,LB´）に基づいて、作業用アタッチメント（12）の実際横断切削勾配を決定し、対応する実際勾配信号を送る処理手段（51）、および
   前記処理手段（51）に接続されていて、目標勾配信号と実際勾配信号を受け取り、作業用アタッチメント（12）の目標横断切削勾配と実際横断切削勾配との差に応じて、作業用アタッチメント（12）を上下に動かし、アタッチメント（12）上の第１および第２点位置（RB,LB）の相対的上下位置を変化させる制御手段（120）、
   を備え、前記作業用アタッチメント（12）は目標横断切削勾配と実際横断切削勾配との差に基づいて上下方向に動くことを特徴とする制御システム（10）。
2. 前記制御手段（120）は作業用アタッチメント（12）の目標横断切削勾配と実際横断切削勾配の大きさが実質上等しくなるとそれに応じて作業用アタッチメント（12）の上下運動を停止させることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御システム（10）。
3. さらに、「自動」動作モードと「手動」動作モードの一方を手動で選択し、対応するモード信号を送るモード選択手段（138）を備えており、前記制御手段（120）は前記モード信号を受け取り、モード信号が「自動」であるとそれに応じて作業用アタッチメント（12）の自動勾配制御を可能にすることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御システム（10）。
4. 前記勾配選択手段（132）は複数の位置へ回転可能なダイアル（136）をもつ勾配セレクタ（134）を有しており、前記勾配セレクタ（134）はそれぞれの位置で異なる勾配信号を送ることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の制御システム（10）。
5. 前記制御手段（120）は前記モード信号が「手動」であるとそれに応じて作業用アタッチメント（12）の自動勾配制御を不能にし、前記制御手段（120）は作業用アタッチメント（12）の上下運動の速度と方向を手動で選択し、対応するアタッチメント制御信号を送るアタッチメント位置セレクタ手段（142）を有しており、前記制御手段（120）は前記アタッチメント制御信号を受け取り、それに応じて作業用アタッチメント（12）を上下に動かすことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の制御システム（10）。
6. 前記アタッチメント位置セレクタ手段（142）はアタッチメント（12）の上下運動の速度と方向を選択する複数の位置へ選択的に手動で動かすことができるジョイスティック（144）を有していることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の制御システム（10）。
7. 前記制御手段（120）は、
   第１および第２液体通過位置の間で移動可能な第１および第２電子油圧制御弁（126,128）と、前記作業用アタッチメント（12）とフレーム（14）の間に間隔をおいて取り付けられた第１および第２ジャッキ（86,88）とを含むアタッチメント制御装置（124）と、
   前記処理手段（51）とアタッチメント制御装置（124）に接続されていて、実際横断切削勾配と目標横断切削勾配との差に基づいてアタッチメント（12）の必要な移動方向を決定し、第１および第２電子油圧制御弁（126,128）のうちの選択した弁へ制御信号を送るアタッチメントコントローラ（122）、
   を備えており、前記第１および第２ジャッキ（86,88）は第１位置と第２位置の間で伸縮自在に動くことができること、前記作業用アタッチメント（12）は前記第１および第２ジャッキ（86,88）の動きに応じて前記第１および第２位置の間で上下に動くことができること、前記第１および第２ジャッキ（86,88）はそれぞれ前記第１および第２制御弁（126,128）に接続されていて、前記第１ジャッキ（86）は前記第１制御弁（126）が第１位置にあるとそれに応じて前記第１位置に向かって動くことができ、前記第１制御弁（126）が第２位置にあるとそれに応じて前記第２位置に向かって動くことができること、前記第２ジャッキ（88）は前記第２制御弁（128）が第１位置にあるとそれに応じて前記第１位置に向かって動くことができ、前記第２制御弁（128）が第２位置にあるとそれに応じて前記第２位置に向かって動くことができること、前記選択した弁（126,128）は受け取った前記制御信号に応じて第１および第２位置の一方へ動くことを特徴とする請求の範囲第５項に記載の制御システム（10）。
8. 前記第１および第２電子油圧制御弁（126,128）は液体の流れをブロックする中立位置を有しており、前記アタッチメントコントローラ（122）は作業用アタッチメントの目標横断切削勾配と実際横断切削勾配の大きさが実質上等しくなるとそれに応じて前記電子油圧制御弁（126,128）のうちの選択した弁へ制御信号を送るのを停止することを特徴とする請求の範囲第７項に記載の制御システム（10）。
9. さらに、実際勾配信号と目標勾配信号を受け取るとそれに応じて作業用アタッチメント（12）の目標横断切削勾配と実際横断切削勾配を実時間で記録するデータベースコンピュータ手段（100）を備えており、前記データベースコンピュータ手段（100）は前記制御手段（120）と前記処理手段（51）に接続されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御システム（10）。
10. さらに、前記データベースコンピュータ手段（100）に接続されたモニター（102）を備えており、前記データベースコンピュータ手段（100）は前記モニター（102）へ信号を送り、前記モニター（102）は作業用アタッチメント（12）の目標横断切削勾配と実際横断切削勾配を図形的に表示することを特徴とする請求の範囲第９項に記載の制御システム（10）。
11. 前記第１および第２受信手段（18,20）はそれぞれ地球位置レシーバ（39）を有していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御システム（10）。
12. 前記第１および第２受信手段（18,20）はそれぞれレーザーレシーバ（44,46）を有していることを特徴とする請求の範囲第11項に記載の制御システム（10）。
13. 前記処理手段（51）は、作業用アタッチメント（12）上の第１および第２点位置（RB,LB）の間を通る現在直線（Ａ）に沿った現在中間点位置（CB）を決定すること、作業用アタッチメント（12）上の前の第１および第２点位置（RB´,LB´）の間を通る前の直線（Ａ´）に沿った前の中間点位置（CB´）と現在中間点位置（CB）の間の中間点位置の変化を決定すること、現在中間点位置（CB）と前の中間点位置（CB´）の間の距離（CB´,LB）を決定すること、水平面上の現在直線（LB,RB）の投影（Ｂ）の長さを決定すること、水平面内の現在直線（LB,RB）の投影と現在直線（Ａ）および前の直線（Ａ´）の中間点（CB,CB´）を結ぶ直線（ΔCB）とがなす角度φを決定すること、２つの中間点（CB,CB´）を結ぶ直線（CB,CB´）に対し直角に向けられた現在直線（LB,RB）の投影の長さを決定すること、第１および第２点位置（RB,LB）間の上下差（Ｈ）を決定すること、および第２点位置（LB）に対する実際横断切削勾配を決定することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御システム（10）。
14. 作業用アタッチメント（12）の切削勾配を自動的に制御する方法（10）であって、
    作業用アタッチメント（12）の実際切削勾配を決定すること、
    作業用アタッチメント（12）の実際切削勾配と目標切削勾配との差を決定すること、
    作業用アタッチメント（12）上の第１および第２点位置（RB,LB）の一方を相対的に動かし、実際切削勾配と目標切削勾配との差を減らすために必要な作業用アタッチメント（12）の移動方向を決定すること、および
    作業用アタッチメント（12）を上下に動かして第１および第２点位置（RB,LB）の相対的上下位置を変化させるようにアタッチメント制御装置（124）に命令すること、
    の諸ステップから成ることを特徴とする制御方法（10）。
15. さらに、
    実際切削勾配と目標切削勾配の大きさが実質上同じになるとそれに応じて、作業用アタッチメント（12）の相対的上下運動を停止させるステップを含んでいることを特徴とする請求の範囲第14項に記載の制御方法（10）。
16. 前記作業用アタッチメント（12）の実際切削勾配を決定するステップが、
    作業用アタッチメント（12）上の第１および第２点位置（RB,LB）の間を通る現在直線（Ａ）に沿った現在中間点位置を決定すること、
    作業用アタッチメント（12）上の前の第１および第２点位置（RB´,LB´）の間を通る前の直線（Ａ´）に沿った前の中間点位置（CB´）と現在中間点位置（CB）の間の中間点位置の変化を決定すること、
    現在中間点位置（CB）と前の中間点位置（CB´）の間の距離を決定すること、
    水平面上の現在直線（Ａ）の投影（Ｂ）の長さを決定すること、
    水平面内の現在直線（Ａ）と、現在直線と前の直線の中間点（CB,CB´）を結ぶ直線とがなす角度φを決定すること、
    ２つの中間点（CB,CB´）を結ぶ直線（ΔCB）に対し直角に向けられた現在直線（Ａ）の投影（Ｂ）の長さを決定すること、
    第１および第２点位置間の上下差（Ｈ）を決定すること、および
    第２点位置に対する実際横断切削勾配を決定すること、
    の諸ステップから成ることを特徴とする請求の範囲第14項に記載の制御方法（10）。

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