JP3823230B2

JP3823230B2 - 双方向自動追尾システムによる位置決め方法及び装置

Info

Publication number: JP3823230B2
Application number: JP00808696A
Authority: JP
Inventors: 俊明石瀬; 信夫今; 潤入江; 洋桜井; 常康大西
Original assignee: Takenaka Corp; Takenaka Civil Engineering and Construction Co Ltd
Current assignee: Takenaka Corp; Takenaka Civil Engineering and Construction Co Ltd
Priority date: 1996-01-22
Filing date: 1996-01-22
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2016-01-22
Also published as: JPH09196671A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、建設の各種工事に使用される、特に伸縮、回転が自由な作業アームを備えて地面上を走行移動し作業アームで所要の仕事をする掘削機、ブルドーザ、削孔機などの作業用車両（車両型作業機）を自動化（無人化）、ロボット化して位置的精度の高い仕事を行わせるための双方向自動追尾システムによる位置決め方法と、同方法を実施する位置決め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人口構成の高齢化、老齢化のため、建設業においても各種工事の自動化、ロボット化への期待、要請が高まっている。
建設業の場合は土地又はその定着物を相手に仕事をするので、製造業の場合とは異なって、ロボットを定位置に置いて対象物（被処理物）をコンベアラインに載せてロボットの位置まで持ってくることはできない。逆に、ロボットの方を土地又は定着物の必要位置へ移動させ位置決めする誘導操作が必要になる。すなわち、所定の作業位置で所定の方向に向くようにロボット（車両）を誘導し、同車両の作業アーム先端の作業ポイントの位置決めをすることが重要である。
【０００３】
従来、上述の要請に応える位置決め方法乃至位置決め装置としては、次のようなものが散見される。
（イ）特開昭６２−２１２８１０号公報に記載された自動案内車両システムは、倉庫や工業プラント内の予定された帯域内において無人車両を予定された移動路上を案内するための自動案内車両システム（ＡＧＶＳ）に関するもので、操縦機構を制御する駆動コントローラを備える無人車両と、位置表示器（ビーコン）と、前記複数の位置表示器それぞれの座標位置を記憶する車両上のメモリ、及び車両に予定された移動路を表す経路ベクトルを記憶するメモリ、前記位置表示器を光学的に走査する手段、及び前記光学的走査に基づいて車両の位置及び方位を指示するデータ信号の発生手段とを備える車両上の第１走行制御部と、前記第１走行制御部のデータ信号により指示される車両位置及び方位の変化を指示するデータ信号の発生手段を備える車両上の第２走行制御部と、前記第１及び第２走行制御部により発生された前記データ信号及び記憶された前記経路ベクトルに応答して車両が前記の移動路に従うように前記ドライブコントローラにて前記操縦機構を制御せしめる車両上の駆動手段を備えた構成である（以下、これをニコライ発明と言う）。
（ロ）特開平７−１５０５９６号公報に記載されたパワーショベルの掘削位置表示装置は、上部旋回体にブームとアーム及びバケットを有するパワーショベルのバケット先端位置（掘削位置）の座標を、ブームフートとブームトップとを結ぶ線分ブーム長さ、ブームトップとアームトップとを結ぶ線分アーム長さ、及びアームトップとバケット先端部とを結ぶ線分バケット長さと、ブーム角、アーム角、及びバケット角とを用いて演算部で算出し、該算出値を表示部に表示する掘削表示装置において、バケットの先端部位の座標位置の算出値と実測値との差異に基づき、前記ブーム角、アーム角及びバケット角を計測する各角度センサの検出値の係数を補正する手段を前記演算部に設けた構成である（以下、これを住友発明と言う）。
（ハ）特公平７−２１７２８号公報に記載されたビーム光利用の作業車誘導装置は、地上側に、車体が走行する設定走行軌跡の長さ方向に沿って誘導用ビーム光を設定速度で走査しながら投射するビーム光投射手段が設けられ、車体には、前記の誘導用ビーム光を受光する受光手段と、受光手段の受光情報に基づいて前記車体が前記設定走行軌跡に沿って自動走行するように誘導する誘導手段とが設けられている。そして、前記受光手段は、一つの誘導用の主受光器と、主受光器からビーム光走査方向並びにビーム光投射方向に間隔を隔てて位置する一対の補助受光器とを備え、更に、前記主受光器を中心に旋回自在に設けられ、前記一対の補助受光器の一方が前記誘導用ビーム光を受光した時点から前記主受光器が前記誘導用ビーム光を受光するまでの時間差と、前記主受光器が前記誘導用受光器の他方が前記誘導用ビーム光を受光するまでの時間差とに基づいて、前記主受光器の受光面が前記受光ビーム光投射手段の設置方向を向くように、前記受光手段を前記主受光器を中心に自動的に旋回操作する光源追尾手段が設けられた構成である（以下、これをクボタ発明と言う）。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
従来の上記（イ）〜（ハ）に開示された位置決め方法乃至位置決め装置は、それぞれ個性的な技術内容であるが、これらを建設の各種工事に使用される作業用車両の自動化、ロボット化に採用して仕事を行わせる場合には、大要、次のような問題点がある。
（１）上記（イ）のニコライ発明の場合、倉庫や工業プラント内の予定された帯域内において、予定された移動路上を走行する車両の無人運転、そして、積み荷の運搬等には威力を発揮するであろう。しかし、自由な移動路の変更や作業場所の変更が困難である。一方、建設工事を遂行する作業用車両のように、作業対象区域は特定され、作業順序もある程度は決められるが、車両に予定された移動路を設定しがたく、個々の車両を固有の作業位置へ誘導して固有の作業をさせることが望ましいのが実情であるため、この種の自動案内車両システムの採用は適切でない。
（２）上記（ロ）の住友発明の場合は、正に建設工事用車両の一種であるパワーショベルの掘削位置表示装置であるから、大いに参照されるところであるが、作業対象区域の全体を見渡した全体座標系の中での位置表示ではないから、同パワーショベルを作業対象区域全体の中で特定の位置へ誘導し作業させるような自動化には寄与しない。
（３）上記（ハ）のクボタ発明は、ビーム光利用の誘導システムであり、光源追尾システムを備えているが、双方向追尾システムではないから、車両を作業区域の目的位置へ誘導して位置的精度が高い仕事を行わせることまではできない。
（４）従って、本発明の目的は、建設の各種工事に使用される、特には伸縮、回転が自由な作業アームを備えて地面上を自由に走行移動し、作業アームで所要の仕事をする掘削機、ブルドーザ、削孔機などの作業用車両を自動化（無人化）、ロボット化して位置的精度の高い仕事を行わせるための双方向自動追尾システムによる位置決め方法と、同方法を実施する位置決め装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る双方向自動追尾システムによる位置決め方法は、
作業対象区域内の地面上を走行し移動する車両（Ｍ）が伸縮、回転自由な作業アームを備え、該作業アームで所要の仕事をする場合の双方向自動追尾システムによる位置決め方法であって、
前記作業対象区域内で前記車両（Ｍ）を常時視準できる既知点（Ｘ _０、Ｙ _０）に固定局（Ａ）を設置して、該固定局（Ａ）の設置位置を原点とする作業対象区域全体の座標系（Ｘ、Ｙ）を定め、
前記車両（Ｍ）上に前記固定局（Ａ）を視準する移動局（Ｂ）を設置し、該移動局の既知点（ｘ _０、ｙ _０）を原点とし、車両（Ｍ）の進行方向に一つの座標軸（ｙ）をとった局所座標系（ｘ、ｙ）を定め、
車両（Ｍ）の作業アームの取付け位置（ｘ₁、ｙ₁）、アームの回転角α、アーム水平投影長さＬを測定してアーム先端の作業ポイントの位置座標（ｘ₂ 、ｙ₂）を演算処理装置で算出し、
固定局（Ａ）と移動局（Ｂ）の間の双方向自動追尾システムにより求めた固定局（Ａ）から移動局（Ｂ）までの距離ｒ、その方向角θ、および移動局（Ｂ）の車軸方向からの回転角φを用い、演算処理装置で、前記作業ポイントの位置座標（ｘ₂、ｙ₂ ）を前記全体座標系（Ｘ、Ｙ）へ座標変換して、全体座標系（Ｘ、Ｙ）における作業ポイントの位置（Ｘ₂、Ｙ₂ ）をリアルタイムに算出し、
その算出値（Ｘ ₂ 、Ｙ ₂ ）と、同じく双方向自動追尾システムにより求めた前記測定値θとφに基づいて算出した車両（Ｍ）の車体方向角（β＝θ＋φ−π）とを、目的位置と比較して車両（Ｍ）を目的位置へ誘導し、作業アームを目的位置へ位置決めすることをそれぞれ特徴とする。
【０００６】
次に、請求項２に記載した発明に係る双方向自動追尾システムによる位置決め装置は、
作業対象区域内の地面上を走行し移動する車両（Ｍ）が伸縮、回転自由な作業アームを備え、該作業アームで所要の仕事をする場合の双方向自動追尾システムによる位置決め装置であって、
前記作業対象区域内の前記車両（Ｍ）を視準できる既知点（Ｘ _０、Ｙ _０）に設置された固定局（Ａ）と、前記車両（Ｍ）上に設置された前記固定局（Ａ）を視準する移動局（Ｂ）と、演算処理装置とから成り、固定局（Ａ）と移動局（Ｂ）との間で双方向自動追尾が行われること、
前記演算処理装置に、固定局（Ａ）の設置位置を原点とする作業対象区域全体の座標系（Ｘ、Ｙ）、および前記移動局（Ｂ）を原点とし車両（Ｍ）の進行方向に一つの座標軸（ｙ）をとった局所座標系（ｘ、ｙ）が設定されていること、
車両（Ｍ）の作業アームの取付け位置（ｘ₁ 、ｙ₁）、アームの回転角α、アームの水平投影長さＬの各測定値をそれぞれ前記演算処理装置へ入力してアーム先端の作業ポイントの位置座標（ｘ₂ 、ｙ₂ ）を算出させ、
固定局（Ａ）と移動局（Ｂ）の間の双方向自動追尾システムにより求めた固定局（Ａ）から移動局（Ｂ）までの距離ｒ、その方向角θ、および移動局（Ｂ）の車軸方向からの回転角φを用い、演算処理装置で、前記作業ポイントの位置座標（ｘ₂、ｙ₂ ）を前記全体座標系（Ｘ、Ｙ）へ座標変換して全体座標系（Ｘ、Ｙ）における作業ポイントの位置（Ｘ₂ 、Ｙ₂ ）がリアルタイムに算出されること、
前記算出値（Ｘ ₂ 、Ｙ ₂ ）と、同じく双方向自動追尾システムにより求めた前記測定値θとφに基づいて算出した車両（Ｍ）の車体方向角（β＝θ＋φ−π）とを、目的位置と比較して車両（Ｍ）を目的位置へ誘導し、作業アームが目的位置へ位置決めされることをそれぞれ特徴とする。
【０００７】
【発明の実施形態及び実施例】
請求項１及び２の発明は、地面上等を走行し移動する車両が、伸縮・回転自由な作業アームを備え、該作業アームで所要の仕事をする掘削機、ブルドーザ、パワーショベル、削孔機、地盤改良用の深層混合処理機等の土工機械のほか、タイル貼り機械、コンクリート壁打設機、床コンクリート打設及び均し機、天井仕上げ機などの内装工事機械、或いは耕運機などの農業機械などである場合に、その作業対象区域内における誘導と位置制御に好適に実施される。
【０００８】
図１に全体の平面的なシステム概念図を示したように、双方向自動追尾システムによる車両の位置決め方法の前提条件として、まず車両Ｍを視準する固定局Ａを既知点（Ｘ₀，Ｙ₀）に設置し、同じく既知点である基準点Ｃを固定局Ａで視準させることにより，同固定局Ａの設置位置を原点とする作業対象区域全体の座標系（Ｘ，Ｙ）を定め，それを演算処理装置へ入力し記憶させる。固定局Ａの設置場所は、常時移動局を視準することができ、他の施工の妨げにならず、設置した場所迄の往来が容易な通路を確保できる条件を満たすことが望ましい。
【０００９】
一方、前記車両Ｍ上に前記固定局Ａを視準する移動局Ｂを設置し、図２に示したように該移動局Ｂの既知点（ｘ_０、ｙ_０）を原点（車両原点）とし車両の進行方向（車軸方向）に一つの座標軸ｙをとった局所座標系（ｘ、ｙ）を定める。また、移動局の回転角φを前記車軸方向へ向いたとき角度φが０となるように角度原点を調整し設定する。そして、前記車両Ｍ上に設定した局所座標系（ｘ、ｙ）における作業アームの取付け位置（ｘ_１、ｙ_１）を求め、更にアームの回転角α、アーム水平投影長さＬを測定すると、これらの測定値に基いて局所座標系におけるアーム先端の作業ポイントの座標（ｘ_２、ｙ_２）を次式で算出できる。
【００１０】
ｘ₂ ＝ｘ₁ ＋Ｌｃｏｓα
ｙ₂ ＝ｙ₁ ＋Ｌｓｉｎα
上記作業ポイントの位置座標（ｘ₂ 、ｙ₂ ）を演算処理装置で前記全体座標系（Ｘ、Ｙ）へ座標変換することにより、全体座標系（Ｘ、Ｙ）における作業ポイントの位置座標（Ｘ₂ 、Ｙ₂ ）をリアルタイムに算出できる。座標変換は、図２に示した局所座標系（ｘ、ｙ）の原点位置（ｘ₀ 、ｙ₀ ）と、その方向角θ、及び固定局Ａの原点から移動局Ｂの原点までの距離（水平投影長さ）ｒ、及び移動局Ｂ上に設定した局所座標系（ｘ、ｙ）の全体座標系（Ｘ、Ｙ）における車軸方向角（車体角）βを求め、演算処理装置において座標変換の算出が行われる。
【００１１】
前記のｒ、θ、φの計測は、固定局Ａと移動局の双方向自動追尾システムと光通信で求められる。具体的には発明者が既に提案した、例えば特開平５ー３４４３０号公報に開示されているように、限定された視野角の光信号に反応する複数個の受光センサーが回転軸を取り巻いて配置され、視準線と回転軸とで定まる平面で分割された二つの部分空間の一方のみから来る光に反応し、且つ夫々の部分空間全体をカバーするが視準線付近において若干幅の空白域を確保した配置で設置され、入射してくる光信号がどの部分空間に属するかを判別する回路と、前記回路の判別に基いて光信号が属する部分空間に向けて視準線を回転させる自動制御系が設置され、光信号の位置が全方位のどの位置にあっても自動追尾することが可能に構成されている。従って、前記光信号に情報を載せることにより、双方向に光通信を行うことが可能にも構成される。
【００１２】
前記の双方向自動追尾システムを本発明の位置決め装置として採用したシステム構成図を図３、図４に示している。但し、図３、図４は双方向の光通信に支障のある場合に備えて無線通信システムを併用した構成になっている。そこで次の手順は、移動局Ｂを検索モードにして、これを固定局Ａから視準することにより双方向追尾モードにする。そして、車両Ｍ（移動局）の全体座標系での現在位置（Ｘ₁ 、Ｙ₁ ）を測定する。固定局Ａから移動局Ｂを視準することにより移動局Ｂの方向角θと、距離ｒを測定できる。距離ｒは光波距離計により計測する。局所座標系の原点（Ｘ₁ 、Ｙ₁ ）と座標回転角ψは次式で表される。
【００１３】
Ｘ₁＝Ｘ₀ ＋ｒ×ｃｏｓθ
Ｙ₁＝Ｙ₀ ＋ｒ×ｓｉｎθ
ψ＝３π／２−（θ＋φ）
局所座標系の任意位置（ｘ´、ｙ´）の全体座標系での位置（Ｘ、Ｙ）への変換式は、次のように表わされる。
【００１４】
Ｘ−ｘ₀＝ｘ´ｃｏｓψ−ｙ´ｓｉｎψ
Ｙ−ｙ₀＝ｘ´ｓｉｎψ＋ｙ´ｃｏｓψ
但し、図１に示した地盤改良用の深層混合処理機Ｍにおける作業ポイントは掘削攪拌軸の軸芯（シャフトセンター）で、これは車軸ｙ上を移動するのみであるから、ｘ´＝０となる。その一方、ｙ´は移動局Ｂからガイドリーダー取付け位置（作業ポイント）までの固定車体長Ｒを測定し、更に可動長ΔＲをストローク計で測ると、ｙ´＝Ｒ＋ΔＲ＝Ｒ´となり、次の変換式で全体座標系における作業ポイントの位置（Ｘ₂，Ｙ₂）を求めることができる。
【００１５】
Ｘ₂ ＝ｘ₀ −Ｒ´ｓｉｎβ＝ｘ₀ ＋Ｒ´ｃｏｓ（θ＋φ−π）
Ｙ₂ ＝ｙ₀ ＋Ｒ´ｃｏｓβ＝ｙ₀ ＋Ｒ´ｓｉｎ（θ＋φ−π）
上記のように算出した全体座標系における作業ポイントの位置（Ｘ₂ 、Ｙ₂ ）及びθの値を固定局Ａから移動局Ｂへ送信する。前記固定局Ａから送信された位置座標（Ｘ₂ 、Ｙ₂ ）及びθの値と、移動局Ｂで測定したφ及び車体長さＲ´に基いて車両の動きやシャフトの微調整を行い、もってシャフトセンター位置（作業ポイントの位置）を刻々リアルタイムに算出することができ、作業ポイントの位置出しが容易にできる。前記算出の演算処理装置として、図３、図４ではパーソナルコンピュータＰと拡張ボックスＱが使用されている。拡張ボックスＱには、掘削攪拌軸Ｓの移動量（可動長ΔＲ）を図るストローク計Ｕ及び傾斜計Ｔの計測値（アナログ量）が入力され、Ａ／Ｄ変換が行われる。パーソナルコンピュータＰの算出値が固定局から移動局Ｂへ送信される。
【００１６】
かくして算出された位置を、全体座標系において当該車両の目的位置（作業位置）と比較しコントロールシステムで車両の位置決め制御が行われる。
【００１７】
【本発明が奏する効果】
本発明に係る双方向自動追尾システムによる位置決め方法及び位置決め装置によれば、特に伸縮、回転が自由な作業アームを備えて地面上を走行移動し作業アームで所要の仕事をする作業用車両（ロボット）上の局所座標系の位置（作業ポイントの位置）を容易に全体座標系の位置に座標変換できるので、作業対象区域全体に及ぶロボットの誘導や作業ポイントの位置決め作業が出来、各種の建設工事用機械の自動化、無人化（ロボット化）に大きく貢献できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置決め方法のシステム全体の平面配置図である。
【図２】全体座標系に対する車両の局所座標系の設定状態説明図である。
【図３】本発明の位置決め装置全体の構成図である。
【図４】本発明の位置決め装置全体の構成図である。
【符号の説明】
Ｍ車両
Ａ固定局
Ｂ移動局
Ｐパーソナルコンピュータ

Claims

作業対象区域内の地面上を走行し移動する車両（Ｍ）が伸縮、回転自由な作業アームを備え、該作業アームで所要の仕事をする場合の双方向自動追尾システムによる位置決め方法であって、
前記作業対象区域内で前記車両（Ｍ）を常時視準できる既知点（Ｘ _０、Ｙ _０）に固定局（Ａ）を設置して、該固定局（Ａ）の設置位置を原点とする作業対象区域全体の座標系（Ｘ、Ｙ）を定め、
前記車両（Ｍ）上に前記固定局（Ａ）を視準する移動局（Ｂ）を設置し、該移動局の既知点（ｘ _０、ｙ _０）を原点とし、車両（Ｍ）の進行方向に一つの座標軸（ｙ）をとった局所座標系（ｘ、ｙ）を定め、
車両（Ｍ）の作業アームの取付け位置（ｘ₁ 、ｙ₁）、アームの回転角α、アーム水平投影長さＬを測定してアーム先端の作業ポイントの位置座標（ｘ₂ 、ｙ₂ ）を演算処理装置で算出し、
固定局（Ａ）と移動局（Ｂ）の間の双方向自動追尾システムにより求めた固定局（Ａ）から移動局（Ｂ）までの距離ｒ、その方向角θ、および移動局（Ｂ）の車軸方向からの回転角φを用い、演算処理装置で、前記作業ポイントの位置座標（ｘ₂ 、ｙ₂ ））を前記全体座標系（Ｘ、Ｙ）へ座標変換して、全体座標系（Ｘ、Ｙ）における作業ポイントの位置（Ｘ₂ 、Ｙ₂ ）をリアルタイムに算出し、
その算出値（Ｘ 2 、Ｙ 2 ）と、同じく双方向自動追尾システムにより求めた前記測定値θとφに基づいて算出した車両（Ｍ）の車体方向角（β＝θ＋φ−π）とを、目的位置と比較して車両（Ｍ）を目的位置へ誘導し、作業アームを目的位置へ位置決めすることをそれぞれ特徴とする、双方向自動追尾システムによる位置決め方法。
作業対象区域内の地面上を走行し移動する車両（Ｍ）が伸縮、回転自由な作業アームを備え、該作業アームで所要の仕事をする場合の双方向自動追尾システムによる位置決め装置であって、
前記作業対象区域内の前記車両（Ｍ）を視準できる既知点（Ｘ _０、Ｙ _０）に設置された固定局（Ａ）と、前記車両（Ｍ）上に設置された前記固定局（Ａ）を視準する移動局（Ｂ）と、演算処理装置とから成り、固定局（Ａ）と移動局（Ｂ）との間で双方向自動追尾が行われること、
前記演算処理装置に、固定局（Ａ）の設置位置を原点とする作業対象区域全体の座標系（Ｘ、Ｙ）、および前記移動局（Ｂ）を原点とし車両（Ｍ）の進行方向に一つの座標軸（ｙ）をとった局所座標系（ｘ、ｙ）が設定されていること、
車両（Ｍ）の作業アームの取付け位置（ｘ₁ 、ｙ₁）、アームの回転角α、アームの水平投影長さＬの各測定値をそれぞれ前記演算処理装置へ入力してアーム先端の作業ポイントの位置座標（ｘ₂ 、ｙ₂ ）を算出させ、
固定局（Ａ）と移動局（Ｂ）の間の双方向自動追尾システムにより求めた固定局（Ａ）から移動局（Ｂ）までの距離ｒ、その方向角θ、および移動局（Ｂ）の車軸方向からの回転角φを用い、演算処理装置で、前記作業ポイントの位置座標（ｘ₂ 、ｙ₂ ）を前記全体座標系（Ｘ、Ｙ）へ座標変換して全体座標系（Ｘ、Ｙ）における作業ポイントの位置（Ｘ₂、Ｙ₂ ）がリアルタイムに算出されること、
前記算出値（Ｘ ₂ 、Ｙ ₂ ）と、同じく双方向自動追尾システムにより求めた前記測定値θとφに基づいて算出した車両（Ｍ）の車体方向角（β＝θ＋φ−π）とを、目的位置と比較して車両（Ｍ）を目的位置へ誘導し、作業アームが目的位置へ位置決めされることをそれぞれ特徴とする、双方向自動追尾システムによる位置決め装置。