JP3643938B2

JP3643938B2 - 群管理制御による無人工事方法及び無人工事システム

Info

Publication number: JP3643938B2
Application number: JP14892795A
Authority: JP
Inventors: 俊明石瀬; 吉夫鈴木; 貴夫上田; 勝稔浅井; 章森嶋; 平三小嶋
Original assignee: Takenaka Corp; Takenaka Civil Engineering and Construction Co Ltd
Current assignee: Takenaka Corp; Takenaka Civil Engineering and Construction Co Ltd
Priority date: 1995-06-15
Filing date: 1995-06-15
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: JPH093939A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、例えば原子力発電所やＬＮＧ地下タンクを建設する際に必須の大規模掘削工事の無人化、自動化施工、更に言えば２４時間連続稼働が可能な無人化土工の実現に実施される、群管理制御による無人工事方法と、同方法に使用される無人工事システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のメカトロニクスの発展、応用によりブルドーザの自動化技術が大きく進展し、外部からの指示にしたがって所定の土工作業を自動的に行う無人の自動ブルドーザが開発され実用化が図られている（例えば雑誌「建設機械」１９９４年６月号の５８頁所載の「自動化ラジコンブルドーザ」を参照）。また、ダム等のコンクリート締め固めの作業に使用される振動ローラを無人化する制御システム（誘導システム）が特開昭６３−１４２１０６号公報に開示されている。
【０００３】
次に、双方向自動光追尾装置によって固定局と移動局とが相互に追尾し交信することにより移動局（車両など）を所望の地点（位置）へ誘導する無人誘導システムも既に技術的な完成の域に到達している（例えば特公昭６０−４９３２３号公報に記載された「物体移動の追尾制御装置」、特公平３−１８１２８号公報に記載された「シールド掘進機における掘進方向、掘進機位置測定方法と装置」などを参照）。
【０００４】
更に移動物体を特定の場所、位置へ移動させる手段として、その特定の位置から特定周波数のパルス光、又は電波、音波を発射させ、これに向かって移動物体を誘導する自動追尾方式、所謂定点ホーミング技術も既に開発され実用化されている（例えば対艦ミサイルのホーミング技術など）。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
上述したように各要素技術はそれぞれの技術分野において研究、開発と実用化が進んでいるが、一方、最近の厳しい労働条件の強化にもかかわらず、大規模な土木工事で欠かせない自動化施工、例えば２４時間連続稼働可能な無人土工システムの開発などは未だ未開の分野であり、労働者の確保、工期の短縮などの目標達成に苦慮しているのが実情である。
【０００６】
従って、本発明の目的は、大規模な土木工事の自動化施工、更に言えば２４時間連続稼働が可能な無人化土工システムを確立し、その実用化に寄与する群管理制御による無人工事方法、及び無人工事システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明に係る群管理制御による無人工事方法は、
特定された掘削工事区域内に個別に移動局を備えた無人の自動ブルドーザを複数配置すること、
前記掘削工事区域の特定位置に前記自動ブルドーザとの間で双方向自動光追尾方式により各自動ブルドーザを掘削地点へ誘導し掘削の向きを指令する固定局を設置すること、
前記掘削工事区域の排土位置にテルハ式クレーン等の排土装置を設置すると共に前記自動ブルドーザが掘削した土を前記排土装置の位置へ運土する目標定点として特定の識別光を発射する光灯台を設置すること、
前記固定局は、予め設定された群管理制御のプログラムにしたがい、所属する複数の前記自動ブルドーザに対して個別に各々の掘削場所へ誘導する位置情報及び仕事の内容情報を指令すること、
各自動ブルドーザは、前記固定局から与えられた指令に従い、指示された場所で指示された地盤の掘削を行い、しかる後に固定局との交信により自己の現在位置を確認しつつ所属する前記目標定点の光灯台を探知し、前記固定局から自立して同光灯台に向かって運土してゆき、その間前記固定局は他の自動ブルドーザに対して誘導と指令を行なうこと、
目標とする光灯台に向った前記自動ブルドーザは同定点に到達して運土を置いた後、固定局からの次の指令を待って行動すること、
各自動ブルドーザの掘削場所への誘導と掘削方向の指示、目標定点への運土、定点へ運土を置いて所定の場所へ移動して次の指令を待つ行動を、固定局の始動指令に基づいて繰り返し、停止指令によって止めることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明に係る群管理制御による無人工事システムは、
特定された掘削工事区域内に配置され個別に移動局を備えている複数の無人の自動ブルドーザと、
前記掘削工事区域の特定位置に設置され前記自動ブルドーザとの間で双方向自動光追尾方式により各自動ブルドーザを掘削地点へ誘導し掘削の向きを指令する固定局と、
前記掘削工事区域の排土位置にテルハ式クレーン等の排土装置と共に設置され、前記自動ブルドーザが掘削した土を前記排土装置の位置へ運土する目標定点として特定の識別光を発する光灯台とから成り、
前記固定局は、予め設定された群管理制御のプログラムにしたがい、所属する複数の前記自動ブルドーザに対して個別に各々の掘削場所へ誘導する位置情報と仕事の内容情報を指令し、各自動ブルドーザは、前記固定局から与えられた指令に従い、指示された場所で指示された地盤の掘削を行い、しかる後に固定局との交信により自己の現在位置を確認しつつ所属する前記目標定点の光灯台を探知し、前記固定局から自立して同光灯台に向かって運土してゆき、その間前記固定局は他の自動ブルドーザに対して誘導と指令を行ない、
目標とする光灯台に向った前記自動ブルドーザは同定点に運土を置いた後は固定局からの次の指令を待って行動することを固定局の指令に基づいて繰り返し、停止指令によって止めることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
移動局を備えた無人の自動工事車両は、所属する固定局と双方向交信（双方向光追尾）をして、工事予定場所で所定の向きとなるように誘導され、位置情報を与えられ、工事開始の指令を受ける（無人誘導システム）。例えば自動工事車両が自動ブルドーザである場合は、掘削予定場所で掘削を所定の方向へ開始させることを意味する。
【００１２】
次に、各自動工事車両は、所定の工事を行った後、やはり固定局との双方向交信によって現在位置の情報を得、その位置情報に基づいて自分が所属する目標定点（光灯台）を探知する。探知できると、移動局がその旨の信号を固定局に送り、これを受理した固定局が当該移動局に対して進むべきことを指令すると、この段階から当該移動局は固定局から放任されて自立した行動を開始し、前記目標定点（光灯台）が発する特定周波数のパルス光に向かってのみまっしぐらに移動を開始する（定点ホーミング技術）。例えば自動工事車両が自動ブルドーザであるときは、前記のように掘削した土壌を前記目標定点に向かって運び集める（運土させる）。かくして、前記一の自動工事車両を放任し、同自動工事車両が目標定点へ到達し再び指令を求めるまでの間、当該固定局は所属下の他の自動工事車両と次々と同様な交信をして誘導と指令を与え稼働させる。従って、一つの固定局が複数の移動局を支配下における訳である。
【００１３】
光灯台による目標定点には、例えば排土用のクレーン（テルハ式クレーンなど）を設置して、前記のように運土され集められた土砂を垂直運搬し排出する。
かくして複数の自動工事車両は各々が所属する固定局の誘導と指令により所定の位置で所定の工事を進め、更に各自が所属する目標定点に向かって集結する無人の工事（仕事）が、ある時間、又はある時期継続的に進められる。そして、当初予定の工事を終了した段階で、固定局が所属下の各自動工事車両に停止を指令することにより、無人工事システムは全ての運転を停止する。
【００１４】
【実施例】
次に、図示した本発明の実施例を説明する。
図１と図２は原子力発電所の基礎工事、又はＬＮＧ地下タンクの建設のような大規模掘削工事に本発明の無人工事方法及び無人工事システムを適用した実施例の概要を簡単に示している。工事区域の外周に構築された山留め壁１により特定された工事区域１０内に、個々に移動局２を備えた無人の自動ブルドーザ（自動工事車両）が複数（図１では６台であるが、台数はこの限りではない。）配置されている。また、前記工事区域の全体を見渡せる少なくとも前記山留め壁１上の位置、又は山留め壁の少し外方の位置であって前記工事区域を二つに大別する２箇所（但し、箇数は２に限らず、１箇所以上の多数）の位置に、前記複数の移動局２（自動ブルドーザ）のうち所属する３台ずつの自動ブルドーザそれぞれに位置情報を与えて誘導し、工事の進捗を指令する二つの固定局３，３が設置されている。
【００１５】
自動ブルドーザが備える移動局２と、固定局３との間の双方向光追尾システムの原理は、図３に略記した。また、特開平５−３４４３０号公報にも開示されているように、一方の局の発光源５が発する特定の識別光線を、他方の局が備える２個の光管構造の受光センサー４，４で受け、左右（又は上下）の受光センサー４，４の受光量が等しくなるようにサーボ制御することにより追尾が行われる。移動局２及び固定局３の双方が前記の原理で光追尾を行う結果、両者は常に互いの位置を確認して交信可能な条件を保てるし、ひいては自動工事車両（自動ブルドーザ）の進行方向も理解、把握されるのである。前記の条件下において、移動局２と固定局３とはまた、双方向光通信システムによる双方向通信を行い、双方が情報の授受（質問、指令、誘導）を行う。
【００１６】
図４は双方向光追尾の位置出し誘導（プロセス制御）の原理を示している。その手順の第１は、固定局３をセットしてその座標系（Ｘ₀，Ｙ₀）を定める。次に自動ブルドーザの移動局２を検索モードにして、これを固定局３から視準することにより、双方向追尾モードにする。自動ブルドーザが掘削作業をするべき目的地の座標（Ｘ₂，Ｙ₂）を入力する。次に、自動ブルドーザの現在位置を測定する。現在位置は固定局３から自動ブルドーザ（移動局２）までの距離ｒと、車両方向角θとに基づいて、その座標（Ｘ₁，Ｙ₁）を割り出す。具体的には、Ｘ₁＝Ｘ₀＋ｒ・ｃｏｓθ、Ｙ₁＝Ｙ₀−ｒ・ｓｉｎθ、の式が適用される。次に、現在位置（Ｘ₁，Ｙ₁）と目的地（Ｘ₂，Ｙ₂）との座標から目的地への方向角ψを計算する。それには次の式、ψ＝ｔａｎ−¹（Ｙ₂−Ｙ₁／Ｘ₂−Ｘ₁）が適用される。固定局３は移動局２から車体角φの情報を受け取り、これと前記車両方向角θ、目的地への方向角ψとの関係から当該自動ブルドーザのステアリング制御量を計算し、それを移動局２へ指令を出す。そして、自動ブルドーザが目的地への進路から外れないように前記双方向光追尾を連続的に実行しつつ自動ブルドーザを無人制御しながら目的地へ到着させる。
【００１７】
因みに自動ブルドーザに関しては、その車体ピッチ角、ブレードリフト角、ブレードチルト角などを制御目標値として、ブレード負荷（牽引力）が設定値になるようにする負荷制御、運土量を一定にする傾斜補正、車体ピッチ角の変化を補正して掘削跡を平坦にする平滑補正などを行いつつ、無人の自動運転により地盤の掘削及び運土の作業を進める。
【００１８】
上述のようにして工事区域１０内の大規模掘削工事を複数の無人の自動ブルドーザが連続的に効率よく行うが、各固定局３に所属する自動ブルドーザ（移動局２）が掘削した土砂の運土作業を目標定点（排土位置）に向かって固定局３からの支配から外れた自立走行を行わせるために、その目標定点の近傍位置に光灯台６が設置されている。また、該光灯台６の直下位置の目標定点に集められた掘削土砂を工事区域外へ垂直運搬する排土手段としてテルハ式クレーン７が設置されている。自動ブルドーザが所定の掘削作業を遂行し、それが移動局２から固定局３に受信されると、固定局３の指令により自立して前記光灯台６に向かって運土する動作を開始する。自動ブルドーザの移動局２は、前記指令を受けると、直ちに現在位置の情報に基づいて自分が所属する光灯台６（その座標は当初の入力により予め判っている。）を素早く探知し、固定局３から放任された条件下でその光灯台６に向かってまるで昆虫が光に向かって集まるが如くまっしぐらに運土を開始する。この光灯台制御方式（定点ホーミング方式）は、上述した双方向光追尾システムに比較して遙に実施が容易な技術である。即ち、図５に光灯台制御方式の実施例を示しているように、テルハ式クレーン７の直下の指定場所に各ブルドーザの運土を集結させるための手段として、同テルハ式クレーンの直下の所定高さ位置に光灯台６が設置され、各自動ブルドーザの移動局２は光灯台６との距離を測定しつつ前進する。このとき、各自動ブルドーザの移動局２は現在の地盤（掘削底面）の高さの情報を得ているので、光灯台６との高低差Ｈは既知である。また、光灯台６を常時追尾しているから、その追尾角に基づいて俯仰角γは容易に測定される。このときブルドーザ車体の傾斜に起因する誤差は、同車体が具備する傾斜計の計測値に基づいて補正される。従って、自動ブルドーザの移動局２から光灯台６までの距離Ｌは、Ｌ＝Ｈ／ｔａｎγ、の式で求められる。かくして各自動ブルドーザ２は自分が所属する光灯台６を追尾し前記の距離Ｌを測定しながら光灯台に向かって前進を続ける。そして、距離Ｌが指定の排土場所であることを示す既知の数値になった段階で運土を停止し、その後は運土を置いて待機し、固定局からの次の行動指令を待つ。
【００１９】
固定局３は、上述したように一つの移動局２（自動ブルドーザ）を光灯台６へ向って移動するべく指令して放任した後、同移動局２が目標定点へ到達して、次の行動を起すべく待機するまでの間は、残る２台の移動局２に対して次々と同様な誘導と指令を行ない、もって共通の固定局３に所属する複数の自動ブルドーザ（移動局２）を満遍なく動かして、所謂群管理制御として無人の工事を連続的に繰り返し遂行する。勿論、同一所属下の移動局２，２相互間の関係、特に相互に衝突したり危険なまでに過度に接近するニアミスを防ぐために、固定局３には予めニアミスを防止するプログラムが入力され、例えば２台のブルドーザの移動予定線（動線）が交錯するか又は過度に接近するときは一方を停止させ、他方を先行して通過させる手法が採用される。以下、固定局３は所属する複数の移動局２（自動ブルドーザ）を各々に与えられた目的地（掘削場所）を基点として、光灯台６との間を行き来する動作（作業）を、言わば一定の交通ルールに従うプログラムに基づいて連続的に繰り返し遂行させる。
【００２０】
テルハ式クレーン７は、その直下の指定位置に上述のようにして自動ブルドーザで次々に集められた土砂を、その直下にブルドーザが居ないことを確認しつつクラムバケットで掴み、垂直上方に運搬して工事区域外へ排土する。従って、排土装置は種々なものを採用可能であるし、工事の内容によっては垂直運搬用のエレベータ、ソフト等が採用される。
【００２１】
この無人工事システムは、光灯台６と現在地盤（掘削底面）との高低差Ｈにより掘削の進捗をリアルタイムに測定し、その高低差が予定の掘削深度に達した時点で工事の終了が固定局３から各自動ブルドーザの移動局２へ指令され、システムの稼働が停止される。従って、２４時間以上の連続運転も勿論あり得る。
なお、上記実施例は、自動工事車両を自動ブルドーザとして説明したが、この限りではない。工事の内容に応じて車両の種類、その動線のプログラミングが変化することは当然であり、上記の技術思想に基づいて当業技術者の知識で変形、応用される実施例を包含する。例えば、自動工事車両には、ショベルカー、振動ローラ、物資の運搬車、自動コンクリート打設装置、自動コンクリート均し装置などを適用可能であり、各々の車両の機能に応じた工事のプログラムが組立てられ実行される。
【００２２】
【本発明が奏する効果】
本発明に係る無人工事方法及び無人工事システムが実施されると、原子力発電所、ＬＮＧ地下タンクの建設に必須の大規模掘削工事などについて、２４時間連続稼働の無人土工などを比較的容易に実現でき、工事の効率化、工期の大幅な短縮を達成できるほか、厳しい労働力の確保、労働条件の緩和を実現出来るのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】無人工事システムの実施例を示した平面図である。
【図２】無人工事システムの実施例を示した断面図である。
【図３】光追尾システムの原理の説明図である。
【図４】双方向光追尾方式による位置誘導システムの原理説明図である。
【図５】光灯台と自動ブルドーザ間の位置測定の原理説明図である。
【符号の説明】
１０工事区域
２移動局（自動工事車両、自動ブルドーザ）
３固定局
６目標定点（光灯台）

Claims

特定された掘削工事区域内に個別に移動局を備えた無人の自動ブルドーザを複数配置すること、
前記掘削工事区域の特定位置に前記自動ブルドーザとの間で双方向自動光追尾方式により各自動ブルドーザを掘削地点へ誘導し掘削の向きを指令する固定局を設置すること、
前記掘削工事区域の排土位置にテルハ式クレーン等の排土装置を設置すると共に前記自動ブルドーザが掘削した土を前記排土装置の位置へ運土する目標定点として特定の識別光を発射する光灯台を設置すること、
前記固定局は、予め設定された群管理制御のプログラムにしたがい、所属する複数の前記自動ブルドーザに対して個別に各々の掘削場所へ誘導する位置情報及び仕事の内容情報を指令すること、
各自動ブルドーザは、前記固定局から与えられた指令に従い、指示された場所で指示された地盤の掘削を行い、しかる後に固定局との交信により自己の現在位置を確認しつつ所属する前記目標定点の光灯台を探知し、前記固定局から自立して同光灯台に向かって運土してゆき、その間前記固定局は他の自動ブルドーザに対して誘導と指令を行なうこと、
目標とする光灯台に向った前記自動ブルドーザは同定点に到達して運土を置いた後、固定局からの次の指令を待って行動すること、
各自動ブルドーザの掘削場所への誘導と掘削方向の指示、目標定点への運土、定点へ運土を置いて所定の場所へ移動して次の指令を待つ行動を、固定局の始動指令に基づいて繰り返し、停止指令によって止めることを特徴とする群管理制御による無人工事方法。
特定された掘削工事区域内に配置され個別に移動局を備えている複数の無人の自動ブルドーザと、
前記掘削工事区域の特定位置に設置され前記自動ブルドーザとの間で双方向自動光追尾方式により各自動ブルドーザを掘削地点へ誘導し掘削の向きを指令する固定局と、
前記掘削工事区域の排土位置にテルハ式クレーン等の排土装置と共に設置され、前記自動ブルドーザが掘削した土を前記排土装置の位置へ運土する目標定点として特定の識別光を発する光灯台とから成り、
前記固定局は、予め設定された群管理制御のプログラムにしたがい、所属する複数の前記自動ブルドーザに対して個別に各々の掘削場所へ誘導する位置情報と仕事の内容情報を指令し、各自動ブルドーザは、前記固定局から与えられた指令に従い、指示された場所で指示された地盤の掘削を行い、しかる後に固定局との交信により自己の現在位置を確認しつつ所属する前記目標定点の光灯台を探知し、前記固定局から自立して同光灯台に向かって運土してゆき、その間前記固定局は他の自動ブルドーザに対して誘導と指令を行ない、
目標とする光灯台に向った前記自動ブルドーザは同定点に運土を置いた後は固定局からの次の指令を待って行動することを固定局の指令に基づいて繰り返し、停止指令によって止めることを特徴とする群管理制御による無人工事システム。