JP4033966B2 - 建設機械制御システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は整地作業等の土木工事を行う建設機械を運転する場合の建設機械制御システム、特に整地の高さの制御にレーザ光線の回転照射で形成されるレーザ基準平面を利用する建設機械制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
グレーダ、ブルドーザ等整地作業を行う建設機械を用いて造成地の整地作業、道路舗装工事の整地作業を行う場合、整地の高さの基準となるものが必要である。近年、整地作業の基準となる高さを決定する為、レーザ光線を使用したシステムが普及している。このレーザ光線を使用したシステムとして回転レーザ装置を具備した建設機械制御システムがある。
【０００３】
図６はこの建設機械制御システムが、ブルドーザに対して採用された場合を示している。
【０００４】
図６中、１は回転レーザ装置、２はブルドーザを示し、前記回転レーザ装置１は造成地の所定位置に三脚３を介して設置される。前記回転レーザ装置１は、水平方向にレーザ光線４を照射すると共に回転させ、該レーザ光線４による基準平面を形成するものである。
【０００５】
前記ブルドーザ２は上下動可能に支持したブレード５を有し、該ブレード５にはポール６が立設され、該ポール６にはレベルセンサ７が取付けられている。該レベルセンサ７は前記回転レーザ装置１からのレーザ光線４を受光し、受光位置を検出する様になっており、前記ブルドーザ２は前記レベルセンサ７からの受光信号を基に前記ブレード５の高さ位置を検出し、該検出結果より前記ブレード５の高さを制御する制御装置（図示せず）を具備している。
【０００６】
上記した様にレーザ光線により水平基準面が形成されているので、該水平基準面と前記ブレード５のブレード刃先５ａ迄の距離を一定にすることで水平に整地することができる。又、前記ブレード刃先５ａに対する距離を変えることで、整地面の高さを変えることも可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
整地作業は必ずしも水平平面に整地するばかりでなく、むしろ斜面を伴った整地作業が多い。造成工事では水捌け勾配が必要であり、舗装工事では地形に応じた勾配と共に水捌け勾配が必要である。従来の建設機械制御システムでは平面に整地後、測量作業に基づいて所定の勾配の傾斜面を形成していた。
【０００８】
この為、水平面に整地することは熟練者でなくとも上記建設機械制御システムにより容易に作業し得るが、勾配を付けることは熟練を要する困難な作業であった。又、傾斜面の整地の仕上り状況は、作業者の熟練度によるところが大きく、熟練度に応じて作業の進捗状況が異なり、出来上りや工程管理の問題もあった。
【０００９】
本発明は斯かる実情に鑑み、傾斜面を含む整地作業を熟練度に左右されることなく、容易に而も能率よく行える建設機械制御システムを提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ光線によるレーザ光線基準面を形成すると共に該レーザ光線基準面を傾斜可能な回転レーザ装置と、整地器具、該整地器具に設けられ前記レーザ光線を受光検出するレベルセンサ、該レベルセンサからの信号で前記整地器具の高さを制御する駆動制御部とを有する建設機械と、該建設機械の位置を検知するＧＰＳ受信装置と、該ＧＰＳ受信装置の前記建設機械の位置検知結果に基づき前記回転レーザ装置が形成する前記レーザ光線基準面の勾配を制御する制御装置とを具備した建設機械制御システムに係り、又前記制御装置は施工データ、地形データ等のデータを記憶する記憶部と前記ＧＰＳ受信装置の受信結果を基に前記建設機械の位置を演算する演算部とを具備し、前記演算された建設機械の位置と前記データに基づいて前記回転レーザ装置を制御する建設機械制御システムに係り、又前記回転レーザ装置は前記レベルセンサに向けて往復走査のレーザ光線基準平面を形成する建設機械制御システムに係り、又前記ＧＰＳ受信装置は第１ＧＰＳ受信機、第２ＧＰＳ受信機を有し、第１ＧＰＳ受信機は建設機械に設けられ、第２ＧＰＳ受信機は既知点に設けられている建設機械制御システムに係るものであり、更に又前記回転レーザ装置は前記レベルセンサの受光範囲だけレーザ光線を照射し基準平面を形成する建設機械制御システムに係るものであり、建設機械の位置をリアルタイムで測定し、施工データに基づき整地の高さを制御するので、水平面、傾斜面、曲面の整地が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１に於いて、図６で示したものと同様のものには同符号を付しその説明は省略する。
【００１３】
本発明は、傾斜した基準面を形成可能な回転レーザシステムとＧＰＳ（汎地球測位システム）を組合わせ、建設機械、例えばブルドーザを制御する建設機械制御システムである。
【００１４】
回転レーザ装置１はレーザ光線４の照射方向を傾斜させる傾斜機構、及び該傾斜機構を制御する制御部を有し、レーザ光線４の照射方向を傾斜させることができ、レーザ光線４により傾斜した基準面が形成される。更に、前記回転レーザ装置１には無線受信機１０が設けられ、該無線受信機１０の受信データは後述する制御装置１１に送出される。該制御装置１１には前記回転レーザ装置１が接続される。
【００１５】
回転レーザ装置１について図２、図３により説明する。
【００１６】
回転レーザ装置１は回転照射装置本体２０、該回転照射装置本体２０からのレーザ光線４を検出すると共に前記回転照射装置本体２０に向ってレーザ光線４を反射する前記レベルセンサ７とを具備し、前記回転照射装置本体２０は下位に位置する整準部２１を介して三脚３に設置される。
【００１７】
更に、前記回転照射装置本体２０は前記レーザ光線４を射出する発光部２３、前記レーザ光線４を基準平面内に回転照射する回動部２４、前記発光部２３を垂直軸心を中心に回転させる回転部２２と、前記発光部２３を水平軸を中心に傾動させ、レーザ光線４が形成する基準面の傾斜を設定する傾斜設定部２５と、傾斜角を検出する傾斜検出部２６、レベルセンサ７からの反射光を受光検出する受光部２７、前記回転照射装置本体２０の整準を行う前記整準部２１から主に構成される。
【００１８】
前記回転照射装置本体２０の上面には視準器２８を具備し、該視準器２８により前記レベルセンサ７に対して前記回転照射装置本体２０の向きを概略設定することができる。又、該回転照射装置本体２０は上部に前記回動部２４からレーザ光線４が射出される受光窓３４を具備し、前記レベルセンサ７より反射された反射レーザ光線４′は前記受光窓３４を通って入射し、前記回転照射装置本体２０内部に設けられた前記受光部２７に受光される様になっている。
【００１９】
回転照射装置本体２０のケーシング３８の底部に垂直軸部２９を介して垂直軸心を中心に本体フレーム３０が回転自在に設けられ、前記垂直軸部２９と同心に回転部ギア３１が取付けられると共に回転部エンコーダ３２が設けられている。又ケーシング３８側には回転部モータ３３が設けられ、該回転部モータ３３の出力軸は前記回転部ギア３１に噛合している。該回転部モータ３３を駆動することで前記回転部ギア３１を介して前記本体フレーム３０が回転し、回転角は前記回転部エンコーダ３２により検知され、該検出結果は制御部（ＣＰＵ）５４に入力される。
【００２０】
前記ケーシング３８の底部には整準部２１が設けられている。該整準部２１は、三脚３に固定される固定基板３９と前記ケーシング３８の底面との間には整準螺子４０を有している。該整準螺子４０は三角形の頂点に位置する様３本設けられており、上端部はケーシング３８に螺合し、下端は前記固定基板３９に回転自在に嵌合している。又、前記整準螺子４０はそれぞれギア列４１を介して整準モータ４２に連結されている。而して、該整準モータ４２によりギア列４１を介して前記整準螺子４０を回転することで、ケーシング３８と固定基板３９との間隙が変化し、回転照射装置本体２０を所望の方向に傾斜させることができる。回転照射装置本体２０の傾きは前記本体フレーム３０に設けられた傾斜センサ４４，４５により検出され、該傾斜センサ４４，４５の検出結果を整準モータ４２の駆動にフィードバックさせることで整準が行われる。尚、３本の整準螺子４０の内１本を省略して、１つを傾動可能な単なる支点としてもよい。
【００２１】
前記本体フレーム３０に水平な傾動軸３５を介して前記発光部２３が回転自在に設けられ、前記本体フレーム３０には傾動モータ３６が設けられ、該傾動モータ３６と前記傾動軸３５とはギア列３７を介して連結している。又、前記傾動軸３５には発光部２３の傾動角を検出する傾斜検出部２６が取付けられている。該傾斜検出部２６は例えばエンコーダによって構成されている。前記傾動モータ３６を駆動し、前記ギア列３７を介して前記発光部２３を傾斜させることができ、傾斜角は前記傾斜検出部２６により検出される。
【００２２】
前記発光部２３の上端には前記回動部２４が回転自在に設けられ、該回動部２４には走査ギア１６が設けられ、該走査ギア１６は前記発光部２３に固着された走査モータ１８の駆動ギア１７に噛合する。該駆動ギア１７の駆動により、前記回動部２４が回転する。
【００２３】
前記回動部２４は前記発光部２３から入射された前記レーザ光線４の光軸をペンタプリズム１４により９０°変向して投射窓１３を通してレーザ平面を形成する様に回転するものである。該ペンタプリズム１４は前記発光部２３の光軸を中心に回転する回転支持体１５に設けられ、該回転支持体１５は前記走査ギア１６、駆動ギア１７を介して走査モータ１８に連結されている。前記回転支持体１５の回転状態は、該回転支持体１５に設けられたエンコーダ１９により検出され、該エンコーダ１９の検出信号は前記制御部５４に入力される。
【００２４】
又、前記発光部２３の傾斜角は前記発光部２３の傾動軸３５に設けられた前記傾斜検出部２６により検出される。該傾斜検出部２６はエンコーダを具備し、該エンコーダからの出力信号は前記制御部５４に入力される。該制御部５４は前記傾斜検出部２６からの信号を基に所定の傾斜角迄の前記発光部２３の傾斜を演算する。前記傾動モータ３６は傾動モータ駆動部５９により駆動され、傾斜設定は前記傾斜検出部２６の出力が所定の傾斜角になる迄前記傾動モータ３６を駆動することで達成される。
【００２５】
前記受光部２７は前記ケーシング３８に固定されてもよいが、好ましくは前記発光部２３に設け、該発光部２３と一体に傾動可能とする。前記受光部２７について説明する。
【００２６】
前記受光窓３４に対峙して集光レンズ４８が設けられ、該集光レンズ４８の光軸上に反射鏡４９が配置される。前記集光レンズ４８の光軸は前記レーザ光線４が回転により形成する基準面と平行である。前記反射鏡４９の下方に受光素子５０が設けられ、前記反射レーザ光線４′は該受光素子５０上に集光される。前記受光素子５０の前面にはマスク５１が設けられる。該マスク５１は前記受光素子５０へのノイズ光の入射を遮断するものであり、反射レーザ光線４′の走査方向に長い（紙面に対して垂直な方向に長い）スリット孔５２が穿設されている。
【００２７】
前記受光素子５０からの受光信号は反射光検出部５３に入力され、該反射光検出部５３で検出された前記レベルセンサ７でのレーザ光線４の反射状態は前記制御部５４に入力される。又、該制御部５４には前記回転部エンコーダ３２からの信号が入力される。前記制御部５４は発光素子駆動部５５を介してレーザダイオード５６を駆動し、又走査モータ駆動部５７を介して前記走査モータ１８を駆動し、又回転部モータ駆動部５８を介して前記回転部モータ３３を駆動し、傾動モータ駆動部５９を介して前記傾動モータ３６を駆動し、前記傾斜センサ４４，４５からの信号を基に整準モータ駆動部６４を介して整準モータ４２を駆動する。
【００２８】
前記制御部５４は前記反射光検出部５３からの信号、或は前記傾斜検出部２６、エンコーダ１９、回転部エンコーダ３２からの信号に基づき前記回転照射装置本体２０の表示部（図示せず）に該回転照射装置本体２０の向き、傾斜等、レーザ光線４が形成する基準面に関する情報を表示する。例えば、該レベルセンサ７に対して前記回転照射装置本体２０がどの方向にどの程度の角度回転しているか、或は基準面の傾斜角度、傾斜している方向等を表示する。
【００２９】
前記レベルセンサ７を図４に於いて説明する。
【００３０】
左右両側に帯状の反射部６１が上下に長く設けられ、該反射部６１の更に外側に受光素子６２が上下に延びる帯状に配設され、又該受光素子６２は前記反射部６１に対して角度を持って設けられている。背面には前記ポール６が嵌合する溝６３が設けられ、該溝６３に前記ポール６を嵌合した状態で前記レベルセンサ７は取付けられる。
【００３１】
前記制御装置１１を図５に於いて説明する。
【００３２】
該制御装置１１はパーソナルコンピュータに代表されるものであり、該制御装置１１は演算部６５、記憶部６６を有し、該記憶部６６には演算処理に必要なプログラムが設定入力されていると共に施工図に基づく地形データ、即ち平面座標に対する地面の高さデータ、更に、前記ブルドーザ２の位置を演算する為のプログラムが設定入力され、更に回転レーザ装置１の機械高、及び前記ブレード刃先５ａから前記レベルセンサ７の基準位置迄の距離等が設定入力されている。
【００３３】
前記制御装置１１には後述する第２ＧＰＳ受信機６８からの受信信号が入力されると共に後述する無線受信機１０からの受信信号が入力される様になっており、前記演算プログラムにより両受信信号から前記ブルドーザ２の位置を演算可能となっている。更に、該演算結果と予め設定入力されている施工図に基づく地形データから前記回転照射装置本体２０から発せられるレーザ光線４の傾斜角を演算し、該演算結果に基づき前記回転照射装置本体２０の前記制御部５４に指令を発する様になっている。
【００３４】
前記ブルドーザ２は前記ブレード５の位置を制御するブレード駆動部７１と、無線送受信部７２とを有している。
【００３５】
先ず前記ブレード駆動部７１について説明する。
【００３６】
前記レベルセンサ７は前記ポール６に取付けられ、前記ブレード５のブレード刃先５ａと前記レベルセンサ７の基準位置との距離は既知の値となっている。該レベルセンサ７による前記レーザ光線４の検出信号は演算部７３に入力され、該演算部７３では前記ブレード刃先５ａの高さが演算され、前記演算部７３は電気／油圧回路７４を介して油圧シリンダ７５を駆動して前記ブレード５を上下動させ位置を決定する。前記電気／油圧回路７４は電磁弁を具備しており、前記演算部７３は所要のシーケンスに従って前記電気／油圧回路７４に開閉制御指令を発し、該電気／油圧回路７４が電磁弁を開閉することで前記油圧シリンダ７５への圧油の給排、或は流量調整により、該油圧シリンダ７５に所要方向に所要の速度で上下動させる。前記演算部７３には表示部７６が接続され、前記ブレード５の位置或はブレード５による掘削の状態が表示される。
【００３７】
７７は操作部であり、前記表示部７６の表示に基づき直接手動操作をすることができる。前記表示部７６の表示を見ながら手動で前記ブレード５を位置決め操作をするものであり、前記操作部７７からの信号は前記演算部７３に入力され、該演算部７３は入力信号に基づき前記電気／油圧回路７４を介して前記油圧シリンダ７５を駆動する。
【００３８】
次に、前記無線送受信部７２について説明する。
【００３９】
前記ブルドーザ２の屋根等、衛星からの電波を遮るものが少ない位置に第１ＧＰＳ受信機８０が設けられ、該第１ＧＰＳ受信機８０で受信された情報は信号処理器８２により増幅等所要の信号処理がなされた後、送信機８１から前記無線受信機１０に向けて送信される。
【００４０】
前記回転レーザ装置１の近く、基準点となる位置に三脚８４を介して第２ＧＰＳ受信機６８が設置され、該第２ＧＰＳ受信機６８の受信結果、及び前記無線受信機１０の受信結果は前記制御装置１１に入力される。而して、前記第１ＧＰＳ受信機８０、第２ＧＰＳ受信機６８によりキネマチック測量による前記ブルドーザ２の位置検出が行われ、前記第１ＧＰＳ受信機８０、第２ＧＰＳ受信機６８及び前記制御装置１１により測量装置が構成され、又前記無線送受信部７２、第２ＧＰＳ受信機６８、無線受信機１０は、データ通信装置を構成する。
【００４１】
以下、作動について説明する。
【００４２】
前記第２ＧＰＳ受信機６８を既知点に設置すると共に前記回転レーザ装置１を既知点に設置する。
【００４３】
設置後先ず該回転レーザ装置１の整準を行う。整準作動は前記傾斜設定部２５の傾斜調整、前記傾斜センサ４４，４５の水平検出の協働により行われる。整準が完了すると前記回転照射装置本体２０の向きがレベルセンサ７に合わされ初期設定される。最初、回転照射装置本体２０の傾斜方向と制御装置１１の設定とは一致していない為、初期設定が必要となる。既知点に設置される回転照射装置本体２０をＧＰＳ受信機８０，６８により既知であるブルトーザ２のレベルセンサ７に向けることにより設定される。前記レベルセンサ７を検知する為レーザ光線４を回転走査させる。前記受光部２７により前記レベルセンサ７からの反射レーザ光線４′を検出し、検出に基づいて制御部５４は回転部２２を回転させレベルセンサ７に向ける。尚、手動で初期設定を行う場合は、視準器２８を視準し、回転部２２及び傾斜設定部２５を操作して向ける。手動の場合は、受光部２７等は必要としない。
【００４４】
前記受信機１０で受信された情報、前記第２ＧＰＳ受信機６８が受信した信号は、前記制御装置１１に入力される。該制御装置１１に於いて前記ブルドーザ２の位置が測量される。測量された結果は該ブルドーザ２の平面位置情報であり、前記制御装置１１は該平面位置情報と前記記憶部６６に設定入力されている施工データに基づき前記レーザ光線４の勾配を前記演算部６５により演算する。
【００４５】
演算結果は前記回転レーザ装置１の前記制御部５４に入力される。該制御部５４は前記レーザ光線４が形成する基準平面が前記演算された勾配となる様前記傾斜設定部２５を駆動制御する。該傾斜設定部２５は前記制御部５４からの信号により、前記傾動モータ３６を駆動し、前記ギア列３７を介して前記傾動軸３５を回転することで前記発光部２３を傾動する。該発光部２３の傾動により前記回動部２４から回転照射されるレーザ光線４が傾斜し、レーザ光線４が形成する基準面は所定の勾配を有するに至る。
【００４６】
該レーザ光線４の傾斜方向、勾配の設定が完了すると、前記ブレード５の位置合せが行われる。
【００４７】
前記レベルセンサ７からの受光信号により前記演算部７３は前記レベルセンサ７に於ける受光位置を検出し、受光位置と基準位置とを比較演算して、偏差があれば該偏差を修正する様に前記電気／油圧回路７４に駆動制御信号を発する。該電気／油圧回路７４は前記油圧シリンダ７５を駆動して前記ブレード５を上下させる。前記レベルセンサ７は前記ブレード５と一体に上下するので、該ブレード５の上下量は前記レベルセンサ７の上下量と一致し、該レベルセンサ７での受光位置が基準位置に合致することで前記ブレード５の位置が決定される。
【００４８】
前記ブルドーザ２を移動させ整地作業が行われる。該ブルドーザ２の位置は第１ＧＰＳ受信機８０で受信したデータが前記送信機８１により前記無線受信機１０に送信され、更に第２ＧＰＳ受信機６８からの受信データが前記制御装置１１に入力されることで該制御装置１１はリアルタイムで前記ブルドーザ２の位置を演算する。
【００４９】
而して、前記ブルドーザ２の位置に於ける整地面の高さ、傾斜が施工データに基づき演算される。整地面が一定勾配の斜面であれば、前記回転照射装置本体２０が形成する基準面の勾配を変化させることなく、又曲面であれば、前記ブルドーザ２の移動に伴いレーザ光線基準面の勾配を変化させることで曲面に整地することができる。
【００５０】
本システムを使用することで、自動で施工データに合致した整地を行うことができる。又、前記表示部７６に表示されたデータを基に作業者が手動により整地作業を実施しても勿論よい。
【００５１】
尚、上記実施の形態ではレベルセンサ７はブレード５に設けたが、前記油圧シリンダ７５の伸縮状態、或はブレード５を支持するアームの位置を介して前記ブレード刃先５ａの位置を検出する様にすれば、前記レベルセンサ７はブルドーザ２の車体に設けることも可能である。又、上記ＧＰＳ測位システムはキネマチック方式を説明したが、移動点を即座に検出するＧＰＳ測位システムであればいずれの方式でもよいことは言う迄もない。又、回動部２４の回転位置を検出するエンコーダ１９の出力に基づいて、レベルセンサ７の範囲を往復走査させてもよいし、レベルセンサ７の範囲のみレーザ光の発光を限定して回転させてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、レーザ光線により形成される基準面により整地作業を行う場合に、水平面ばかりでなく、傾斜面、或は曲面を伴う整地作業が作業者の熟練を要することなく容易に而も確実に行え、施工工期が短縮するという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す説明図である。
【図２】該実施の形態に使用される回転レーザ装置の概略機構説明図である。
【図３】該回転レーザ装置のブロック構成図である。
【図４】該回転レーザ装置と共に使用されるレベルセンサの説明図である。
【図５】本発明の実施の形態を示すブロック構成図である。
【図６】従来例の説明図である。
【符号の説明】
１ 回転レーザ装置
２ ブルドーザ
４ レーザ光線
５ ブレード
７ レベルセンサ
１０ 無線受信機
１１ 制御装置
２３ 発光部
２４ 回動部
２５ 傾斜設定部
３３ 回転部モータ
５４ 制御部
６５ 演算部
６６ 記憶部
６８ 第２ＧＰＳ受信機
７１ ブレード駆動部
７２ 無線送受信部
８０ 第１ＧＰＳ受信機

Claims (4)

1. レーザ光線を回転照射する回動部と、該回動部の回転軸を傾斜させる傾斜設定部と、前記回動部と前記傾斜設定部とを垂直軸を中心に一体に回転する回転部とを具備し、前記レーザ光線を回転照射してレーザ光線基準面を形成すると共に前記回転軸の傾斜、前記垂直軸の回転で前記レーザ光線基準面を任意の方向に傾斜可能な回転レーザ装置と、整地器具、該整地器具に設けられ前記レーザ光線を受光し、前記レーザ光線基準面を検出するレベルセンサ、該レベルセンサからの信号で前記整地器具の高さを制御する駆動制御部とを有する建設機械と、該建設機械の位置を検知するＧＰＳ受信装置と、該ＧＰＳ受信装置の前記建設機械の位置検知結果に基づき前記回転レーザ装置が形成する前記レーザ光線基準面の勾配を制御する制御装置とを具備する建設機械制御システムであって、前記制御装置は施工データ、地形データ等のデータを記憶する記憶部と前記ＧＰＳ受信装置の受信結果を基に前記建設機械の位置を演算する演算部とを具備し、前記演算された建設機械の位置と前記データに基づいて前記回転レーザ装置を制御して前記データに対応した前記レーザ光線基準面を形成することを特徴とする建設機械制御システム。
2. 前記回転レーザ装置は前記レベルセンサに向けて往復走査のレーザ光線基準平面を形成する請求項１の建設機械制御システム。
3. 前記ＧＰＳ受信装置は第１ＧＰＳ受信機、第２ＧＰＳ受信機を有し、第１ＧＰＳ受信機は建設機械に設けられ、第２ＧＰＳ受信機は既知点に設けられている請求項１の建設機械制御システム。
4. 前記回転レーザ装置は前記レベルセンサの受光範囲だけレーザ光線を照射し基準平面を形成する請求項１の建設機械制御システム。

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