JP3638198B2 - 制御システム及び制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は一般に整地器具を有する建築機械用の機械制御システムに関し、とりわけ建築機械の位置を決定し、整地器具の高さを制御するために基準レーザビームを出力するトラッキングステーションを備えた機械制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
グレーダー、ペーバー、ブルドーザーのような整地器具を有する建築機械を自動的に制御することが望ましい。建築作業は代表的に造成計画に従う仕上げ面を達成するために土壌の運搬又は舗道を敷設することからなっている。
【０００３】
建築機械の作業者は、高さ基準を導くために、工事現場にくまなく置かれた杭やひものような高さ基準に頼っている。そのような高さ基準のセットアップは、時間の浪費であり、かつ、コストがかかる。というのは、各基準はその正確さを確保するために注意深く測量されなければならないからである。
【０００４】
もしも、その場所が整地されなければならないという理由で、又は意図的な破壊又は不注意な行為によって高さ基準が動くと、高さ基準が再確立されなければならないために、付加的な遅れやコストがかかる。
【０００５】
更に、高さ基準が工事現場にくまなく散らばっているので、散らばっている高さ情報を所望の仕上げ面に移し変える熟練機械作業者を必要とする。
【０００６】
高さを決定するために基準レーザービームに依存する自動的機械制御システムがある。この特徴の代表的システムは、水平基準面を確立するパルス又は回転レーザービームを有する。建築機械の整地器具に付着されたレーザー受光器は高さ基準を与えるためにレーザービームを検知する。基準レーザービームの検知高さは測点（セットポイント）と比較され、制御装置がいかなる高さ誤差に対しても自動的に修正されるように整地器具を上下動させる。このタイプの自動的機械制御は水平レーザー基準面に関して一定高さで水平面に整地しようとする。
【０００７】
上述のレーザー基準システムの改良は、建築機械のＸ−Ｙ位置を決定するための数個の手段と機上コンピュータとを追加することである。これにより、一定高さのみでなく造成計画の高さ変動があっても対応可能となる。
【０００８】
一旦、建築機械のＸーＹポジションがわかると、機上コンピュータは記憶された造成計画を診断し、そのＸ−Ｙ位置での所望の高さを決定する。ＸーＹ位置は建築機械に置かれた装置によって又はどこかに置かれかつ機上コンピュータに無線遠隔される装置によって決定されても良い。そのような制御系のバリエーションは、建築機械のＸーＹ位置を決定するためにかつその位置で所望の高さを計算するためにしかも所望の高さを建築機械に遠隔測定させるために静止装置を用いることである。
【０００９】
どちらにしても、そのシステムは代表的に無線遠隔測定に依存し、振動及び気象の影響を極端に受けるノイズのある環境条件のもとで確実に作動しなければならない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
自動トラッキングトータルステーションは、遠方のターゲット（目標物）、代表的には再帰反射鏡の位置を決定するために用いられる器具を観測（測量）している。トータルステーションは角度と距離とを測定することによって極座標内で遠方のターゲットの位置を正確に決定する。トータルステーションの使用者は、望遠鏡の十字線を遠方のターゲットと視準させる。トータルステーションは代表的に望遠鏡のアジマス角（水平角）及び天頂角（高度角）を測定し、遠方のターゲットまでの距離をレーザー（又はＬＥＤ）及び検出器を使用して測定する。望遠鏡をサーボ駆動する手段及び追尾光学手段を追加することによって、トータルステーションは垂直及び水平方向に走査できる。これにより、遠方のターゲットを追跡可能となる。トータルステーションは自動的に遠方のターゲットが動くとおりに、遠方のターゲットを追跡し、これにより、可動ターゲットに対するリアルタイムの位置データを与える。日本の東京に存在するトプコン株式会社のモデルＡＰ−Ｌ１は自動追尾トラッキングステーションの一例である。
【００１１】
ある測量機械は、基準面を生成するための回転レーザーを有している。トプコンのモデルＲＴ−１０Ｓディジタルセオドライトはそのような機械の一例であり、望遠鏡の視準線と並行な基準面内で同様にレーザービームを投光し、遠方のターゲットに対するアジマス角及び天頂角を測定する。そのような測量機械は、機上コンピュータに位置情報を伝送する必要性があるため、やはり、そのシステムは無線遠隔測定に依存し、振動及び気象の影響を極端に受けるノイズのある環境条件のもとで確実に作動する必要から、自動的に建築機械を制御することについて有用性が限られていた。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図示された好ましい実施例によれば、本発明の第１の発明は、建築機械の整地器具の位置を制御する制御システムである。その制御システムは、基本的に３つの構成要素、静止トラッキングステーション、トラッキングステーションに接続されたコンピュータ、建築機械に取り付けられた器具制御装置からなっている。
【００１３】
そのトラッキングステーションは、建築機械に置かれた遠方のターゲットに対するアジマス角（水平角）及び距離を測定し、コンピュータにその位置情報を伝送する。そのコンピュータは、その位置での所望される高さがどの程度あるかを決定するために記憶された造成計画を診断し、対応する天頂角（垂直角）を計算し、所望の天頂角をトラッキングステーションに伝送する。トラッキングステーションは、順番に所望の天頂角で天頂基準レーザービームを発生する。器具制御装置は、天頂基準レーザービームを検出し、その所望の位置が得られるまで天頂基準レーザーに関して整地器具を調整する。
【００１５】
トラッキングステーションは、好ましくは、改良モデルＡＰーＬ１自動トラッキングステーションである。トプコン株式会社製のＡＰーＬ１は回転又は扇型レーザーを追加することによって、及び、天頂方向の自動追跡を無効化することによって改良される。そのトラッキングステーションは、造成計画で決定された通りにコンピュータで計算された所望の天頂角によって決定された平面内で天頂基準レーザーを投光する。これに代わって、ＡＰーＬ１は天頂方向の自動追跡を無効化することによって改良されるが、天頂角又は垂直角基準を設定するためにアジマス角（水平角）を測定するレーザーが用いられる場合には、他のレーザーを追加していない。
【００１６】
そのコンピュータは、好ましくは、ラップートップコンピュータであるが、その機能はトラッキングステーションに組み込まれても良い。それはＲＳ−２３２インターフェースを通じてトラッキングステーションと通信する。そのコンピュータは、建築機械上の遠方のターゲットに対する測定されたアジマス角及び距離により与えられる天頂角を決定するために、記憶された造成地図とプログラムとを有する。
【００１７】
器具制御装置は、好ましくは、一般的なレーザー又はＬＥＤ受光器であり、高さ制御システムとして以前より水平基準レーザーと共に用いられる。従って、本発明及び本発明の拡張された性能は現存するレーザー受光器の簡単な改造で可能である。また、可動検出器又は伸縮マストに代えて静止検出器のような、相対的にシンプルなレーザー受光器が用いられ得る。
【００１８】
本発明の重要な特徴は、整地器具の高さを制御するために、いかなるデータ通信もトラッキングステーションと建築機械との間で要求されないことである。所望の高さは、基準レーザービームの天頂角に従ってセットされ、その天頂角はコンピュータによって決定され、トラッキングステーションにセットされる。レーザー受光器が天頂基準レーザービームを検出するまで器具高さを調整することによって正確な整地が簡単に器具制御装置によって達成される。
【００１９】
本発明の付加的な能力は、整地器具の傾斜を制御することにある。この能力は、記憶された造成計画によって確立された通りに建築機械の測定された位置で所望の傾斜をトラッキングステーションに出力するコンピュータによって実行される。そのトラッキングステーションは、天頂基準レーザービームに傾斜情報を符号化し、それを器具制御装置のレーザー受光器に通信する。器具制御装置はその傾斜情報を受信し復調して、器具に設けられた傾斜センサーにより決定された実際の傾斜と望まれる傾斜とを比較し、所望の値に適合させるために、器具の傾斜を調節する。この付加的な能力は、トラッキングステーションから建築機械までの通信を必要とするが、レーザービームによって光学的に達成される。その傾斜情報は建築機械及び整地器具の方位に依存しているから、それらの変数を考慮されて、コンピュータかあるいは器具制御装置によってある変換が為され得る。
【００２０】
本発明の機械制御システムは、限定されるものでないが、グレーダー、ペーバー、ドーザー、トラクターを含む広くいろんな建築装置に使用されることができる。機械制御システムは、ストリング線、グラウンド接触式センサー、又は高さ制御のための水平レーザー基準面を使用する現行の自動制御システムに置き換えることができる。
【００２１】
そのシステムのバリエーションは、また、建築機械から取り外された受光器によって検査及び測量に用いられることができる。
【００２２】
ここで用いられたように、アジマス角は固定基準方向と遠方のターゲットを通過する垂直面との間の水平面内で測定された水平角である。固定基準方向は、真北、磁北、その他の方向のような、作業者の便宜に従って選択された任意の方向が可能である。天頂角は遠方のターゲットを通過する直線と垂直との間で垂直面内で測定された垂直角である。
【００２３】
水平及び垂直基準方向が一般的であるが、他の基準方向が等価な方法で用いてもよい。より一般的には、本発明は、二つの角度及び一個の距離は遠方のターゲットの位置を極座標系によって定義されるが、用語”アジマス”及び”天頂”の使用はいかなる場合にも固有の座標系に限られない。
【００２４】
明細書で述べた特徴及び長所は全てを包含するものではないが、特に、多数の付加的長所及び特徴は図面及び明細書及びこれらのクレームから当業者にとって明かであろう。なおそのうえ、明細書内で用いられた言語は読み易さと説明の目的のために選択されたこと、進歩的課題を叙述し又は限定するために選択されたものではないこと、そのような進歩的課題を決定するために必要なクレームに依存するものではないことに留意すべきである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１ないし図４は、例示の目的のためにのみ本発明の各種の好ましい実施例を描写している。当業者はここで述べられた発明の原理から逸脱することなくここで例示された方法及び構造に代わる実施例が使用されても良いことを後に述べる議論から容易に認め得るものである。
【００２６】
本発明の好ましい実施例は、建築機械の整地器具の高さを自動的に制御する制御システム及びその方法である。図１に示すように、制御システムは、基本的にトラッキングステーション１０、コンピュータ１２、器具制御装置１４からなる。
【００２７】
トラッキングステーション１０は三脚１８に設けられた追跡装置１６を有する。トラッキングステーション１０は垂直軸２２の回りで回転する架台２０を有する。架台２０の回転は建築機械に付着された再帰反射鏡２８にレーザービーム２６を視準させるサーボ２４によって制御される。再帰反射鏡２８は好ましくはミラーキューブであり、しかしこれに代わって反射テープ若しくはその他の反射物体でも良い。トラッキングステーション１０は再帰反射鏡２８に視準されたレーザービーム２６をそれに維持させるために、架台２０を回転させることによってアジマス内で再帰反射鏡２８を追跡する。トラッキングステーション１０はまた公知の電子的距離測定（ＥＤＭ）技術によって再帰反射鏡２８の距離を測定する。
【００２８】
まず、最初に、望遠鏡３０が再帰反射鏡２８にＥＤＭレーザービーム２６を手動で視準させるために使用され、その後、ビーム２６は自動的に再帰反射鏡２８を追跡する。
【００２９】
トラッキングステーション１０は更に所望の天頂角３４で他のレーザービーム３２を発生するレーザーを含む。更に以下で説明されるように、コンピュータ１２はトラッキングステーション１０に天頂ー基準レーザービーム３２の方位を確立する天頂角を送信する。天頂角３４は垂直軸２２とレーザービーム３２との間の垂直角である。
【００３０】
好ましくは、天頂角基準レーザービーム３２は扇形に投射され又は円形に回転する。図２は天頂基準レーザービーム３２の扇形投射を示している。距離３８は建築機械（図示を略す）に設けられた再帰反射鏡２８に対し、トラッキングステーション１０によって測定される。図２はまたアジマス角４０を図示しており、そのアジマス角はトラッキングステーション１０から基準点４４まで延長された又は予め定められた基準方向における基準線４２とトラッキングステーション１０から再帰反射鏡２８まで延びるトラッキングレーザービーム２６の視準線４５との間の水平角である。初期セットアップ中、トラッキングステーション１０は基準点４４又は所定の基準方向（北のような）にレーザービーム２６を視準させることによって較正され、その視準は架台２０の水平面内で回転のためのゼロ点又はゼロ線を定義する。再帰反射鏡２８に対して測定されるアジマス角４０は単純にそのゼロ点又はゼロ線からの回転角度を測定することによって決定される。
【００３１】
コンピュータ１２は好ましくはラップトップコンピュータであり、天頂角の計算を実行しトラッキングステーションに通信することが可能ないかなるコンピュータでも良い。好ましくは、コンピュータ１２及びトラッキングステーション１０は通常のＲＳ−２３２ポートで通信する。
【００３２】
図３に示すフローチャートはコンピュータ１２の基本操作を示す。制御システムが器具を制御する前に、造成計画がコンピュータ１２にロードされなければならない。造成計画は座標（デカルト座標又は極座標）又はベクトルによって所望の仕上げ面を定義する。初期セットアップの他の作業は、コンピュータが造成計画に対してトラッキングステーションを配置できるように、トラッキングステーションの場所及び高さを定義することである。すなわち、距離、アジマス、天頂パラメータがトラッキングステーションに関して定義される。この作業は、公知の測量技術を用いることによってトラッキングステーション１０により１個以上の基準点４４を測量することによって為される。
【００３３】
その他の初期セット作業は、整地器具５０（図１）の切断縁４８に関して器具制御装置１４のレーザー受光器４６の高さ５８を定義するデータを入力することである。この高さデータはコンピュータにレーザー受光器４６の高さを保証するために基準レーザービームの天頂を調節することを可能にする。
【００３４】
コンピュータ１２は初期化後、連続ループ内で作動する。トラッキングステーション１０は建築機械の再帰反射鏡２８に関して距離３８及びアジマス角４０を測定し、コンピュータ１２にそのデータを供給する。コンピュータ１２は造成計画にアクセスし建築機械の測定された位置をロケートする。その位置はそれに関連した高さを有し、それは整地面のための正確な最終高さを生じさせる天頂角３４を計算するために用いられる。コンピュータ１２はそれから計算された天頂値をトラッキングステーション１０に出力する。
【００３５】
図１に戻って、そのシステムの残りのものとその作動を説明する。コンピュータ１２によって出力された天頂データに応答して、トラッキングステーション１０は、コンピュータによって計算された天頂角３４に対する天頂基準レーザービーム３２の角度を調節する。
【００３６】
建築機械に設けられた器具制御装置１４は、整地器具５０に設けられたマスト５２を含む。そのマスト５２は整地器具が上下動される通りに上下動する。建築機械（図示を略す）は整地器具５０の位置を調節する液圧式シリンダー５４を有する。制御装置５６は適宜に整地器具を上下動させるシリンダーを制御するために、レーザー受光器４６及び液圧式シリンダー５４に結合される。その再帰反射鏡２８及びレーザー受光器４６はマスト５２の頂部近傍に設けられている。
【００３７】
作動中、レーザー受光器４６は天頂基準レーザービーム３２を検出する。制御装置５６は整地器具５０に対する上昇・下降調整が受光器４６内でビームを中心に位置させるために要求されるか否かにより決定し、もしそうであれば、適宜調節を行うために液圧式シリンダー５４を制御する。もし、天頂ー基準レーザービーム３２がレーザー受光器４６の上部に当たると、整地器具５０が低すぎるから、制御装置はその位置で上昇方向に調節し、反対に、天頂基準レーザービーム３２がレーザー受光器４６の下部に当たると、整地器具５０が高すぎるから、制御装置は下降方向に位置調節し、レーザービーム３２がレーザー受光器４６の中心に当たると、整地器具が正確に位置決めされているので、何の調節も必要としない。
【００３８】
整地器具の切断縁４８はレーザー受光器４６の中心から下までの距離５８である。そして、その距離はコンピュータによってその天頂角の決定に利用される。
【００３９】
建築機械が異なる場所（図１の右側に示されている）５９に移動されると、造成計画は異なる仕上げ高さ６０を命令するかも知れない。異なる場所は再帰反射鏡２８に対して異なる測定された距離と天頂とを生じさせるだろう。トラッキングステーション１０は、繰り返し、１秒当り２０回の割合で再帰反射鏡２８の位置を測定し、コンピュータ１２に更新された測定データを供給し、コンピュータ１２は順番に新しい位置での異なる仕上げ高さ６０に対応する更新された天頂角３４´を供給する。
【００４０】
器具制御装置１４は、レーザー受光器４６の中心が天頂基準レーザービーム３２を検出するように、液圧シリンダー５４により整地器具５０を移動させ、これにより整地器具５０を正確な高さに保証する。
【００４１】
本発明のトラッキングステーション１０は好ましくは改良されたＡＰ−Ｌ１である。トプコン株式会社製の標準ＡＰ−Ｌ１は自動的に遠方のターゲットをアジマス及び天頂内で追跡し距離を測定する。そのＡＰ−Ｌ１は天頂基準レーザービーム３２を発生するために、そのＡＰ−Ｌ１の頂部に扇形又は回転形レーザー装置６２を追加することによってトラッキングステーション１０を製作するように変更される。また、そのＡＰ−Ｌ１の天頂追跡機能は無効化される。天頂はもはや測定される変数ではなく、計算されたコンピュータ１２の出力である。
【００４２】
本発明の器具制御装置１４は、好ましくはトプコン モデル ９２５４コントロールボックスとトプコン モデル ＬＳ−Ｂ２ レーザー受光器とを含んでいる。
【００４３】
傾斜制御は、トラッキングステーション１０から器具制御装置１４まで通信リンクを追加することによって本発明によって為される特徴である。これは造成計画の支援によって決定された傾斜データを用いて天頂基準レーザービームを変調することによって為される。その周波数変調は傾斜データをレーザービーム３２に公知の技術を用いて符号化する。レーザー受光器４６はその情報を復調し、それを建築機械に配置された傾斜制御装置（図示を略す）に送信する。その傾斜制御装置は測定された傾斜値を与えるために器具に付着された傾斜センサ（図示を略す）を含んでいる。傾斜制御装置は測定された傾斜値とトラッキングステーションから受信された所望の傾斜との比較を行い、器具を所望の傾斜とその傾斜とが合致するまで調整する。
【００４４】
傾斜情報は建築機械及び整地器具の方位に依存しても良い。代表的に、傾斜は造成計画に関連して定義されるだろうし、建築機械及び整地器具の方位に関して傾斜情報を変換しなければならないだろう。そのような変換はコンピュータか器具制御装置によって行われる。
【００４５】
図４は本発明の他の変形例を示し、この変形例では、天頂基準及びアジマス測定の両方が同一レーザーによって実行される。図４のトラッキングステーション１０´は１個のレーザービーム１００を発生し、レーザー受光器４６の再帰反射鏡２８´に当り、トラッキングステーション１０´の受光器に向かって反射される。トラッキングステーション１０´はこのようにして図１の第１開示実施例のトラッキングステーション１０と同一方法で距離及び天頂を測定する。トラッキングステーション１０´は同一レーザーが所望の天頂角３４´をセットする役割を果たす点で異なる。
【００４６】
器具が正確な高さにあるとき、レーザービーム１００がアジマス角を測定するために再帰反射鏡２８に当りかつ同じビームがレーザー受光器４６の中心に当たるから、再帰反射鏡２８´はレーザー受光器４６の中心と同じ高さに置かれる。この場合、再帰反射鏡２８´は好ましくはレーザー受光器４６に設けられた反射テープである。そのレーザービーム１００はトラッキングステーションの望遠鏡の光路と平行なパルス型光束からなる掃引き扇形である。
【００４７】
上述の詳細から、ここで開示された発明が新規で有利な整地器具の高さを自動的に制御するための装置及び方法を与える。上述の議論は単に本発明の好適な方法又は実施例を開示し詳述するものであり、従来技術に通じていることによって理解されるように、本発明は、本発明の精神及び本質から逸脱することなく他の特定の形態に具体化しても良い。すなわち、発明の開示は本発明の観点の例示を意味し、これに限定されるものではない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の制御システム及び制御方法によれば、建築機械の整地器具の位置を容易に制御できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わる制御システムの側面図であり、可動器具制御装置の二箇所の位置、コンピュータ及び静止トラッキングステーションを例示している。
【図２】 本発明に係わる制御システムの相対的位置の平面図である。
【図３】 本発明のコンピューターに利用されるプログラムの概略コンピュータフローチャートを示している。
【図４】 本発明に係わる代わりの制御システムの側面図である。
【符号の説明】
１０…トラッキングステーション
１２…コンピュータ（演算手段）
１４…器具制御装置
２６…レーザービーム
２８…再帰反射鏡（目標物）
３４…天頂角（第２角度）
４０…アジマス角（第１角度）
５０…整地器具

Claims (2)

1. 建築機械の整地器具の位置を制御する制御システムであって、所望の天頂角を有する基準面内で扇状でかつ記憶された造成計画で確立された傾斜情報が符号化されて重畳された天頂基準レーザービームを照射する手段と共にレーザービームで目標物に対する距離及びアジマス角を測定する手段を含むトラッキングステーションと、目標物の測定された距離とアジマス角の関数として所望の天頂角と前記傾斜情報とをトラッキングステーションに供給する演算手段と、建築機械に結合されかつトラッキングステーションにより測定される目標物である再帰反射鏡と、該再帰反射鏡が設けられて整地器具に結合されるレーザービーム受光器と、レーザービーム受光器が天頂基準レーザービームを所定位置で検出するように整地器具の高さを調整すると共に前記傾斜情報を復調して前記整地器具に設けられた傾斜センサからの情報と前記傾斜情報とに基づき前記整地器具の傾斜を調整する制御手段とを有し、前記演算手段は造成計画の記憶された表現を含み、測定された目標物の距離及びアジマス角が与えられる造成計画から天頂角を決定する制御システム。
2. 前記トラッキングステーションから照射されるレーザービームと天頂基準レーザービームとが同一のレーザービームであって、再帰反射鏡が反射テープからなる請求項１に記載の制御システム。

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