JP4362804B2

JP4362804B2 - Fill compaction management system

Info

Publication number: JP4362804B2
Application number: JP2000384820A
Authority: JP
Inventors: 光春板垣; 毅竹野; 浩志姫野; 滋中村; 章雄皿海; 廣貴川崎; 芳広武川; 鈴木　　誠; 正明長澤; 裕史森下
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: JP2002004261A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路および土地造成工事等において盛土を振動ローラにより締固める場合における盛土締固め管理システムの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
道路および土地造成工事等においては、実際の施工前において予め盛土締固め試験を行って締固め機の種類、盛土の転圧回数を設定するとともに、実際の施工時において、転圧回数が規定値に沿ったものとなるように管理することが盛土の品質を向上させる上で重要である。
【０００３】
図１において、盛土締固め機は、締固め機本体１と、締固め機本体１に装備された駆動輪２と、締固め機本体１にヒンジ３を介して操舵可能に連結された振動ローラ４を備え、駆動輪２により盛土５上を走行し、振動ローラ４により盛土５に振動圧力を加えて締固める装置である。この盛土締固め機を用いて盛土の締固めを行う場合には、振動ローラ４による盛土の転圧回数を把握することが重要であり、従来、ＧＰＳ（Global-Positioning-System）で振動ローラ４の走行軌跡を求め、締固めヤード全面で盛土の転圧回数を確認する方式が知られている。
【０００４】
しかしながら、従来のシステムは、(1)ＧＰＳの測位精度が保証される衛星条件の下で稼働することを前提としており、深い木々や他の建設重機の移動等の障害によりＧＰＳデータが断片的にしか受信できなくなる場合や、ＧＰＳ電波を直接波としてではなく反射波として受信した場合等、ＧＰＳ電波の不測の欠損が生じた際には、振動ローラの走行軌跡の精度が低下し、盛土の締固め管理の信頼性が低いものとなる。また、狭隘な山岳地帯等で地形的な制約からＧＰＳが全く受信できない場所においては、このシステムは適用できないものである。
【０００５】
また、(2)盛土の締固め管理を行う場合、締固め機本体の位置座標として必要なのは、振動ローラ中心と転圧地盤が接した位置である。しかし、ＧＰＳの位置計測点であるアンテナをそこに設置することは不可能であるため、図１に示すように、アンテナ６をＧＰＳの受信しやすい本体１上に設置し、その計測位置から振動ローラの中心位置Ｒを推定する方法が取られている。この場合、図２に示すように、振動ローラのヨー角、ロール角およびピッチ角の３軸の姿勢角を求めなければ、ＧＰＳで正確な姿勢角は求まらない。ＧＰＳのアンテナの位置座標の経時的な差分で進行方向ベクトルを求めることはできるが、ＧＰＳの計測誤差により正確な進行方向ベクトルは求められないため、誤差が大きく実用的ではない。
【０００６】
上記(1)の問題点を解決するため、ＧＰＳ欠損が生じた場合に振動ローラの走行軌跡を求める手段として、３軸ジャイロシステムを締固め機本体に搭載することが考えられる。３軸ジャイロシステムは、振動ローラのヨー角、ロール角およびピッチ角の３軸の姿勢角をそれぞれ計測する３台の光ファイバージャイロと２台の傾斜計、または３台の加速度計、そして振動ローラ４の移動距離を計測するロータリーエンコーダから構成され、振動ローラの走行軌跡と姿勢角を求めることができ、上記(2)の問題も同時に解決することができる。なお、単に姿勢角を求めて走行軌跡を補正する技術は、特開平２０００−８３６３号公報により知られている。
【０００７】
しかしながら、３軸ジャイロシステムにおいては、光ファイバージャイロは時間に比例する誤差である時間ドリフトが生じるという問題や、ロータリーエンコーダは移動距離に比例した誤差が生じるという問題や、算定走行軌跡を計測値の累積で求めるため累積誤差が生じる等の問題があり、３軸ジャイロシステム単体で精度良く走行軌跡を求めるには、盛土締固め機による施工時の時間的な制約がある。
【０００８】
また、振動ローラ４は、本体１にヒンジ３を介して結合された構造であり、図３に示すように、振動ローラ４の直角方向に傾斜した斜面を振動ローラ４が後進した場合、重量の重い振動ローラ４が斜面でズレ落ちるのを修正する必要が生じるため、ステアリングは斜面の上側に向けることになる。その結果、振動ローラ４がくの字に折れ曲がった状態で平衡を保ち直線的に後進できるようになる。一方で、締固め機本体１側に設置した３軸ジャイロシステムは、くの字状態のヨー角を検出しており、締固め機本体１の走行軌跡は、このヨー角のズレにより実際走行に比べて、後進時に斜面上側に移動し、これが傾斜地で直線往復を繰り返す度に累積され（図４参照）、正確な走行軌跡から離れる誤差要因となっている。なお、本誤差要因は、振動ローラ４を押す状態となる前進時には見られない。
【０００９】
さらに、締固め機本体１の前進時においては、図５（Ａ）に示すように、走行面の傾斜角と締固め機本体１の傾斜角（検出ピッチ角）が一致するが、締固め機本体１の後進時においては、図５（Ｂ）に示すように、締固め機本体１が重い振動ローラ４を引っ張る状態となるため、３軸ジャイロを設置した締固め機本体１が若干傾いた状態で後進する。このため、走行面は水平であるにもかかわらず、３軸ジャイロは締固め機本体１の傾いた状態（角度β′）を検出してしまい、実際の地盤の傾きとは一致せず、その結果、後進を行う度に誤差が累積されてしまい標高を正確に求めることができない。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題を解決するものであって、振動ローラの走行軌跡を求めるに際し、ＧＰＳに加えて３軸ジャイロシステムを付加することにより、ＧＰＳ欠損状態でも高精度に振動ローラの走行軌跡を求めることができる盛土締固め管理システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の盛土締固め管理システムは、土工事の施工エリアに設置されるＧＰＳ固定局と、盛土締固めヤードの締固め機本体に搭載されるＧＰＳ移動局および３軸ジャイロシステムと、前記ＧＰＳ固定局および移動局のＧＰＳデータから演算されたＧＰＳアンテナ位置座標と、前記３軸ジャイロシステムにより検出された姿勢角および移動距離のデータに基づいて振動ローラ中心座標を演算する演算手段とを備え、ＧＰＳ測位不能の場合に３軸ジャイロシステムのデータのみにより振動ローラ中心座標を演算し、盛土締固め機本体が後進する場合に、前記姿勢角のロール角に応じてヨー角の誤差を補正することを特徴とし、請求項２記載の盛土締固め管理システムは、盛土締固め機本体が後進する場合に、前記姿勢角のピッチ角の誤差を補正することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図６は、本発明における盛土締固め管理システムの１実施形態を示すシステム構成図である。
【００１３】
本発明の盛土締固め管理システムは、締固め機本体１に搭載されたＧＰＳ移動局７と、締固め機本体１に搭載された３軸ジャイロシステム９と、土工事の施工エリアに設置された管理局１０およびＧＰＳ固定局（基地局）１１とから構成されている。
【００１４】
ＧＰＳ移動局７は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信するＲＴＫ−ＧＰＳアンテナ６を備え、測位データは受信機１２、通信インターフェイス１３を介してパソコン１４に送られる。また、ＧＰＳ固定局１１は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信するＲＴＫ−ＧＰＳアンテナ１５を備え、測位データは受信機１６、送信機１７、送信アンテナ１９を経て、ＧＰＳ移動局７の受信アンテナ２０、受信機２１、通信インターフェイス１３を介してパソコン１４に送られる。
【００１５】
３軸ジャイロシステムは、締固め機本体１に設置された姿勢角検出装置２２と振動ローラ４の移動距離を計測するロータリーエンコーダ２３を備えている。姿勢角検出装置２２は、ヨー角を検出する光ファイバージャイロ２２ａと、ピッチ角を検出する光ファイバージャイロ２２ｂと、ロール角を検出する光ファイバージャイロ傾斜計２２ｃを備え、各センサ信号は演算装置２２ｄに送られ姿勢角が演算され、姿勢角データは、通信インターフェイス２４を介してパソコン２５に送受信され、また、通信インターフェイス２６、１３を介してパソコン１４とデータのやりとりが行われる。なお、操作パネル２７は、システムの開始、終了、既知点の入力を行うためのものである。また、本実施形態では、光ファイバージャイロ２２ｂ、２２ｃに、光ファイバージャイロの角度検出精度を向上させる目的で基準面（例えば水平面）を検出する傾斜計を用いているが、これに代わり光ファイバージャイロ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに加速度計を用いてもよい。
【００１６】
ＧＰＳ移動局７のパソコン１４においては、ＧＰＳ衛星による測位データと、既知座標上のＧＰＳ固定局１１でのＧＰＳ衛星による基準測位データと、姿勢角検出装置２２およびロータリーエンコーダ２３のデータに基づいて走行軌跡を求め、走行軌跡上の転圧回数を演算し、転圧状況をディスプレイ上に表示する。また、転圧状況のデータは、通信インターフェイス１３、送信機２９、送信アンテナ３０を経て、管理局１０の受信アンテナ３１、受信機３２を介してパソコン３３に送られる。
【００１７】
本発明においては、既知座標上のＧＰＳ固定局１１でＧＰＳの誤差補正情報をＧＰＳ移動局７に通信で送り、１〜１０ｍの位置精度を有するＤＧＰＳ（ディファレンスＧＰＳ）測位方式と、干渉測位の原理を用いＧＰＳ固定局１１からＧＰＳ衛星からの位相データをＧＰＳ移動局７に送り、１０ｃｍ以下の位置精度をリアルタイムで実現するＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティックＧＰＳ）測位方式を採用している。
【００１８】
図７は、図６の盛土締固め管理システムの処理の流れを示すフロー図である。先ず、ステップＳ１において、ＧＰＳ移動局７（締固め機本体１）のアンテナ６の位置座標としてＲＴＫ−ＧＰＳまたはＤＧＰＳのデータを取得し、また、３軸ジャイロシステム９から締固め機本体１の姿勢角（ヨー角α、ピッチ角β、ロール角γ）と移動距離のデータを取得する。次に、ステップＳ２で、図８に示すように、激しく変化するロール角γのスムージング（平滑化）処理を行う。
【００１９】
次に、ステップＳ３で振動ローラ４が後進か否かを判定し、前進の場合にはステップＳ６に進み、後進の場合にはステップＳ４で、先ず、ヨー角の補正処理を行う。締固め機本体１の後進時の挙動については、図４にて説明したが、図９に示すように、締固め機本体１が後進するときに、３軸ジャイロが検出しているヨー角αは、実際の進行方向角に車体の折れ曲り挙動による回転角（以下、補正角α′とする）を付加したものになっている。従って、実際の進行方向角はジャイロの検出ヨー角αから補正角α′を引いたものとなる。この補正角α′は、締固めヤードの傾斜角（すなわちジャイロのロール角γ）と相関するので、予め実験により、図１０に示すように、ロール角γとの補正マップを格納しておく。図１１は後進補正による走行軌跡を示し、勾配８．７％、直線距離１５ｍを往復した場合で、図４の場合と比較して傾斜地走行による誤差が著しく小さくなることを示している。
【００２０】
ヨー角の補正が終了すると、次に、ステップＳ５でピッチ角の補正処理を行う。図５（Ｂ）で説明したように、締固め機本体１の後進時においては、締固め機本体１が重い振動ローラ４を引っ張る状態となるため、３軸ジャイロを設置した締固め機本体１が若干傾いた状態で後進する。このため、走行面は水平であるにもかかわらず、３軸ジャイロは締固め機本体１の傾いた状態（角度β′）を検出してしまい、実際の地盤の傾きとは一致せず、その結果、後進を行う度に誤差が累積されてしまい標高を正確に求めることができない。そこで、検出ピッチ角βに補正角β′を加える処理を行う。
【００２１】
このピッチ角の補正は、締固め機本体１の傾斜角と地盤の傾斜角の差を検出して補正すればよいが、この差を検出することは不可能であるため、実験的にこの差（補正角β′）を求めておく。実験的に補正角を求める方法は、できる限り平坦な走行面に対して、振動ローラ４を直線往復させたときの前進と後進のピッチ検出角の差を補正角とする。補正角は、走行面の状態や振動ローラ４の速度に関連していると考えられるが、補正角自体が非常に小さい値（１°以下）であるため、実験的に求めた一定値を適用しても問題はない。
【００２２】
図１２は、振動ローラ４の走行面の標高について、RKT-GPSで計測したデータ、ピッチ角検出データ（補正なし）、ピッチ角を補正したデータを示している。この図により、ピッチ角を補正した場合の標高は、GPSで計測した標高にほぼ一致しており、ピッチ角の補正効果が顕著に現れている。
【００２３】
次に、図７のステップＳ６において、ＧＰＳデータがあるか否かの判定を行い、無い場合には、ステップＳ８に進み、有る場合にはステップＳ７でカルマンフィルタ補正の処理を行う。次に、ステップＳ７で転圧終了か否かを判定し、転圧終了まで、ステップＳ１〜Ｓ８の処理を例えば０．２秒毎にリアルタイムで繰り返す。
【００２４】
図１３は、カルマンフィルタ補正の処理を示すフロー図である。ＧＰＳ信号には多くの誤差因子が含まれており、統計的処理によって検出位置を推定する手法としてカルマンフィルタが知られている（例えば特開平２０００−２８３８０号公報）。本発明においては、このカルマンフィルタを利用して独特な処理を行っている。すなわち、先ず、ステップＳ１１でＧＰＳデータ、補正後の姿勢角および移動距離を読み込み、ステップＳ１２で、ＧＰＳデータがＲＴＫーＧＰＳまたはＤＧＰＳかどうかを判定し、どちらでもない場合はステップＳ１６で状態量のリセットを行い観測更新を行わず、ステップＳ１７で３軸ジャイロシステムによる姿勢角と移動距離のみによって振動ローラの中心座標を演算する。
【００２５】
ステップＳ１３において、ＧＰＳデータがＤＧＰＳか否かを判定し、ＮＯすなわちＧＰＳ測位状態が良好なＲＴＫーＧＰＳの場合には、ステップＳ１４で、３軸ジャイロによる姿勢角と移動距離のみのカルマンフィルタによる補正を行い、ＧＰＳ測位状態がやや悪くなるＤＧＰＳの場合は、ステップＳ１５でアンテナ位置座標であるＧＰＳデータと姿勢角および移動距離である３軸ジャイロデータの両方をカルマンフィルタによる補正を行い、それぞれステップＳ１７で振動ローラ４の中心座標を演算し出力する。カルマンフィルタによる補正は、ＧＰＳ座標誤差と３軸ジャイロシステムの角度誤差および移動距離誤差を状態量として考慮し、ＧＰＳ位置座標の観測値からこの状態量を逐次推定する。このとき、カルマンフィルタ補正を行うことにより、ＲＴＫーＧＰＳより測位精度が劣るＤＧＰＳの測位精度の向上を図ることができ、また、ジャイロの時間ドリフトも補正され姿勢角の精度も向上することができる。
【００２６】
図７のステップＳ８で転圧終了となった場合には、次にステップＳ９でＧＰＳデータによる測位不能な時間があったか否かが判定され、有った場合には、ステップＳ１０に進み内挿補間補正の処理を行った後、終了する。
【００２７】
図１４は、図７の内挿補間補正の処理を説明するための図である。内挿補間補正は、ＧＰＳが測位不能で、３軸ジャイロシステムのみで走行軌跡を求めた場合に生じる。この場合、開始点と終点の既知座標値を与えて、終点の既知座標値と３軸ジャイロシステムで求めた座標値を一致させ、その座標誤差を基に始点と終点間にある内部計測上の座標値に対して最小二乗法を用いて補正する。図１４は、各計測点で、ロータリエンコーダで移動距離Ｓ₁、Ｓ₂、… …を計測し、ジャイロでヨー角α₁、α₂… …、ピッチ角β₁、β₂、… …を計測して振動ローラの軌跡を算出した結果を示している。
【００２８】
ＧＰＳ受信ができなくなる直前のＧＰＳアンテナ座標（カルマンフィルタによる補正値）Ａと、ＧＰＳの電波が復帰したときのＧＰＳアンテナ座標（カルマンフィルタによる補正値）Ｂを既知点とし、既知点Ａから出発して３軸ジャイロシステムのみで求めた終点座標４と既知点Ｂの座標誤差を０として、各内部点間での３軸ジャイロシステムの姿勢角と移動距離の誤差の二乗和を最小にするように調整計算を行うものである。ここでは、ジャイロシステムでの計測位置をＧＰＳシステムで計測するアンテナ位置と一致させる。これらのシステムは、計測する座標系が異なるので、ＧＰＳシステムの公共座標系をジャイロシステム座標系に変換する。
【００２９】
具体例を説明すると、点１〜点４の間でＧＰＳの受信が途絶え、ジャイロシステムのみで点１〜点４を計測したとする。既知点として与えられるＧＰＳアンテナ座標は、ジャイロシステム座標系に変換されて点Ａ（x_gps0,y_gps0,z_gps0）、点Ｂ（x_gps4,y_gps4,z_gps4）であるとする。一方、３軸ジャイロシステムで計測した終点座標４の座標は、
【００３０】
【数１】

となる。そして、３軸ジャイロシステム計測終点座標４の座標（x_gy4,y_gy4,z_gy4）が既知点Ｂの座標（x_gps4,y_gps4,z_gps4）と一致させるように、最小二乗法を適用して３軸ジャイロシステムの計測値Ｓ、α、βを補正する。そして、その補正値を用いて位置座標を求めて走行軌跡を算出する。
【００３１】
図１５は、内挿補間補正処理の前後の詳細手順を示すフロー図である。ステップＳ８で転圧終了になると、ステップＳ９において、転圧作業中でジャイロのみの走行軌跡を補正するデータがあるか否か（詳しくは補正対象となる時間以上にジャイロのみで稼働したか否か）が判定され、ＮＯの場合には作業終了となる。ＹＥＳの場合は、ステップＳ２１で、ＲＴＫーＧＰＳが取得できるか否かが判定され、取得できればステップＳ１０の軌跡補正（内挿補間補正）の処理を行う。ＲＴＫーＧＰＳが取得できなければ（ＤＧＰＳ以下のグレードの場合）、ステップＳ２２で「ＧＰＳが所得できません。ＧＰＳが取得できる場所か、既知点へ移動して下さい。」というメッセージを報知し、ＲＴＫーＧＰＳ取得点へ移動しＲＴＫーＧＰＳを取得した場合にはステップＳ９で軌跡補正の処理を行う。ＧＰＳが取得できなければ、既知点へ移動し、ステップＳ２５で既知点を入力し（図６の操作パネル２７により入力）た後、ステップＳ１０で軌跡補正の処理を行う。軌跡補正が終了すると、ステップＳ２７で補正された走行軌跡に基づく転圧判定再描画の処理を行う。
【００３２】
図１６は、内挿補間補正を実施するためのフロー図である。内挿補間補正は、ＧＰＳの測位不能時間ｔが所定時間ｔｖ（例えば５分）以下である場合には位置精度は満足できるものとして行わず、所定時間ｔｖを越え且つ所定時間ｔｈ（例えば１５分）以下の場合には、ｚ座標のみの補正を行い、所定時間ｔｈを越えた場合にｚ座標およびｘｙ座標の補正を行うものとする。
【００３３】
図１７は、以上説明した本発明の盛土締固め管理システムの処理を整理した図である。ここで、ＲＴＫーＧＰＳの欠損理由となるマルチパスとは、ＧＰＳ電波を直接波ではなく複数の反射波として受信した場合に、受信電波情報は真値に比べ異なったものとなるため、位置演算を精度良く行うことができなくなる現象を言い、サイクルスリップとは、地形条件や深い木々、他重機の位置関係等の障害によりＧＰＳデータが断片的にしか受信できない状態を言う。
【００３４】
また、補正可能時間とは、RKT-GPSが不可能となった場合に、DGPSおよび３軸ジャイロを使用して計測データを比較的精度良く補正できる限界時間を言う。なお、ＧＰＳの測位不能が６０分を越えた場合には、内挿補間補正を実施しても補正効果が低くなるため、既知点に戻りジャイロをリセットする。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、振動ローラの走行軌跡を求めるに際し、ＧＰＳに加えて３軸ジャイロシステムを付加することにより、ＧＰＳ欠損状態でも高精度に振動ローラの走行軌跡を求めることができる。その結果、ＧＰＳによる盛土締固め管理システムが汎用的になり、狭隘な山岳地帯等で地形的な制約からＧＰＳが全く受信できない場所においても適用できるようになる。
【００３６】
また、３軸ジャイロシステムにより振動ローラの姿勢角が検出できるため、ＧＰＳアンテナ座標から振動ローラ中心座標への推定を高精度で算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる締固め機の側面および平面を示す模式図である。
【図２】本発明に係わる姿勢角を説明するための図である。
【図３】本発明の課題を説明するための図である。
【図４】図３における後進時における累積誤差を説明するための図である。
【図５】本発明の課題を説明するための図である。
【図６】本発明における盛土締固め管理システムの１実施形態を示すシステム構成図である。
【図７】図６の盛土締固め管理システムの処理の流れを示すフロー図である。
【図８】図７のγスムージング処理を説明するための図である。
【図９】図７のヨー角の補正処理を説明するための図である。
【図１０】図９の補正の算出方法を説明するための図である。
【図１１】ヨー角の補正による走行軌跡を示す図である。
【図１２】ピッチ角の補正による走行軌跡を示す図である。
【図１３】図７のカルマンフィルタ補正の処理を示すフロー図である。
【図１４】図７の内挿補間補正の処理を説明するための図である。
【図１５】図７の内挿補間補正処理の前後の詳細手順を示すフロー図である。
【図１６】内挿補間補正を実施するためのフロー図である。
【図１７】本発明の盛土締固め管理システムの処理を整理した図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention belongs to the technical field of embankment compaction management systems in the case where embankments are compacted by vibration rollers in roads and land preparation works.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
For roads and land preparation, etc., the embankment compaction test is performed in advance before actual construction to set the type of compaction machine and the number of rolling compactions. In order to improve the quality of the embankment, it is important to manage it so that it is in line with.
[0003]
In FIG. 1, the embankment compacting machine includes a compacting machine main body 1, a drive wheel 2 mounted on the compacting machine main body 1, and a vibrating roller connected to the compacting machine main body 1 via a hinge 3 so as to be steerable. 4, a device that travels on the embankment 5 by the drive wheels 2, and applies vibration pressure to the embankment 5 by the vibration roller 4 to be compacted. When performing the compaction of the embankment using this embankment compactor, it is important to know the number of times the embankment is pressed by the vibration roller 4. Conventionally, the vibration roller 4 has been used with GPS (Global-Positioning System). A method is known in which the travel trajectory is obtained and the number of rolling of the embankment is confirmed over the entire compaction yard.
[0004]
However, conventional systems are premised on (1) operating under satellite conditions that guarantee GPS positioning accuracy, and GPS data is fragmented due to obstacles such as movement of deep trees and other heavy construction equipment. However, when GPS radio waves are unexpectedly lost, such as when GPS radio waves are received as reflected waves rather than as direct waves, the accuracy of the trajectory of the vibrating roller decreases and the embankment is tightened. The reliability of compaction management is low. In addition, this system cannot be applied in places where GPS cannot be received at all due to topographical restrictions such as narrow mountainous areas.
[0005]
In addition, (2) when performing compaction management of the embankment, the position coordinates of the compacting machine main body are the positions where the center of the vibration roller is in contact with the rolling ground. However, since it is impossible to install an antenna, which is a GPS position measurement point, as shown in FIG. 1, the antenna 6 is installed on the main body 1 where GPS is easily received, and vibration is generated from the measurement position. A method of estimating the center position R of the roller is taken. In this case, as shown in FIG. 2, unless the three-axis posture angles of the yaw angle, roll angle, and pitch angle of the vibration roller are obtained, the accurate posture angle cannot be obtained by GPS. Although the traveling direction vector can be obtained from the time-dependent difference in the position coordinates of the GPS antenna, since an accurate traveling direction vector cannot be obtained due to GPS measurement error, the error is large and not practical.
[0006]
In order to solve the problem (1), it is conceivable that a triaxial gyro system is mounted on the compacting machine body as a means for obtaining the traveling locus of the vibration roller when a GPS defect occurs. The three-axis gyro system includes three fiber optic gyros and two inclinometers or three accelerometers for measuring the three-axis attitude angles of the vibrating roller yaw angle, roll angle and pitch angle, and the vibrating roller 4. It is possible to obtain the travel locus and posture angle of the vibration roller, and to solve the problem (2) at the same time. Note that a technique for simply obtaining a posture angle and correcting a travel locus is known from Japanese Patent Laid-Open No. 2000-8363.
[0007]
However, in the three-axis gyro system, the optical fiber gyro has a problem of time drift, which is an error proportional to time, the rotary encoder has a problem of an error proportional to the moving distance, and the calculated travel locus is accumulated by the measured value. Therefore, there is a problem that a cumulative error occurs in order to obtain the travel locus with high accuracy by a single three-axis gyro system alone.
[0008]
Further, the vibration roller 4 is structured to be coupled to the main body 1 via the hinge 3, and as shown in FIG. 3, when the vibration roller 4 moves backward on a slope inclined in a right angle direction of the vibration roller 4, the weight of the vibration roller 4 increases. Since it becomes necessary to correct the deviation of the heavy vibration roller 4 on the slope, the steering is directed to the upper side of the slope. As a result, the vibration roller 4 can be moved backward in a straight line while maintaining equilibrium in a state where the vibration roller 4 is bent into a square shape. On the other hand, the three-axis gyro system installed on the compacting machine main body 1 side detects a yaw angle in a square shape, and the travel locus of the compacting machine main body 1 is actually driven by the deviation of the yaw angle. In comparison, it moves upward on the slope during reverse travel, and this is accumulated every time the linear reciprocation is repeated on the slope (see FIG. 4), which is an error factor that departs from an accurate travel locus. Note that this error factor is not seen during forward movement when the vibration roller 4 is pushed.
[0009]
Further, when the compacting machine main body 1 moves forward, as shown in FIG. 5A, the inclination angle of the running surface and the inclination angle (detected pitch angle) of the compacting machine main body 1 coincide with each other. When the main body 1 moves backward, as shown in FIG. 5 (B), the compacting machine main body 1 pulls the heavy vibration roller 4, so that the compacting machine main body 1 provided with the three-axis gyro is slightly inclined. Back in the state. For this reason, the triaxial gyro detects the inclined state (angle β ′) of the compacting machine body 1 even though the traveling surface is horizontal, and does not match the actual ground inclination. As a result, the error is accumulated every time the backward movement is performed, and the altitude cannot be obtained accurately.
[0010]
The present invention solves the above-described conventional problems, and when a traveling locus of the vibration roller is obtained, a three-axis gyro system is added in addition to the GPS so that the vibration roller travels with high accuracy even in a GPS deficient state. The object is to provide an embankment compaction management system that can determine the trajectory.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the embankment compaction management system according to claim 1 of the present invention is mounted on a GPS fixed station installed in an earthwork construction area and a compactor body of a embankment compaction yard. Vibration based on GPS mobile station and 3-axis gyro system, GPS antenna position coordinates calculated from GPS data of the GPS fixed station and mobile station, and attitude angle and movement distance data detected by the 3-axis gyro system Calculating means for calculating the roller center coordinates, and when the GPS positioning is impossible, the center coordinates of the vibrating roller are calculated only by the data of the three-axis gyro system, and the roll of the posture angle is set when the main body of the embankment compactor moves backward. The embankment compaction management system according to claim 2, wherein an error of the yaw angle is corrected according to the angle, and the embedding compaction machine body moves backward. To, and correcting an error of the pitch angle of the attitude angle.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a system configuration diagram showing an embodiment of the embankment compaction management system according to the present invention.
[0013]
The embankment compaction management system of the present invention is installed in a GPS mobile station 7 mounted on the compacting machine body 1, a three-axis gyro system 9 mounted on the compacting machine body 1, and an earthwork construction area. A management station 10 and a GPS fixed station (base station) 11 are included.
[0014]
The GPS mobile station 7 includes an RTK-GPS antenna 6 that receives radio waves from GPS satellites, and positioning data is sent to the personal computer 14 via the receiver 12 and the communication interface 13. The GPS fixed station 11 includes an RTK-GPS antenna 15 that receives radio waves from GPS satellites, and positioning data passes through a receiver 16, a transmitter 17, and a transmission antenna 19 to receive antennas 20 of the GPS mobile station 7, The data is sent to the personal computer 14 via the receiver 21 and the communication interface 13.
[0015]
The three-axis gyro system includes a posture angle detection device 22 installed in the compacting machine body 1 and a rotary encoder 23 that measures the moving distance of the vibration roller 4. The attitude angle detection device 22 includes an optical fiber gyro 22a that detects a yaw angle, an optical fiber gyro 22b that detects a pitch angle, and an optical fiber gyro inclinometer 22c that detects a roll angle, and each sensor signal is sent to an arithmetic device 22d. The attitude angle is calculated, and the attitude angle data is transmitted / received to / from the personal computer 25 via the communication interface 24, and data is exchanged with the personal computer 14 via the communication interfaces 26, 13. The operation panel 27 is used to start and end the system and input known points. In the present embodiment, the

optical fiber gyros

22b and 22c are inclinometers that detect a reference plane (for example, a horizontal plane) for the purpose of improving the angle detection accuracy of the optical fiber gyros. Instead, the

optical fiber gyros

22a and 22b are used. , 22c may be an accelerometer.
[0016]
The personal computer 14 of the GPS mobile station 7 travels based on the positioning data by the GPS satellite, the reference positioning data by the GPS satellite at the GPS fixed station 11 on the known coordinates, and the data of the attitude angle detection device 22 and the rotary encoder 23. A trajectory is obtained, the number of rolling pressures on the travel trajectory is calculated, and the rolling pressure status is displayed on the display. Further, the data of the rolling compaction status is sent to the personal computer 33 via the communication interface 13, the transmitter 29, and the transmission antenna 30, and the reception antenna 31 and the receiver 32 of the management station 10.
[0017]
In the present invention, GPS error correction information is transmitted to the GPS mobile station 7 by the GPS fixed station 11 on the known coordinates, and a DGPS (differential GPS) positioning method having a positional accuracy of 1 to 10 m, and interference positioning are performed. An RTK-GPS (real-time kinematic GPS) positioning method is employed that sends phase data from a GPS satellite to the GPS mobile station 7 using the principle and realizes a positional accuracy of 10 cm or less in real time.
[0018]
FIG. 7 is a flowchart showing a processing flow of the embankment compaction management system of FIG. First, in step S1, RTK-GPS or DGPS data is acquired as the position coordinates of the antenna 6 of the GPS mobile station 7 (compactor body 1), and the attitude of the compactor body 1 is obtained from the three-axis gyro system 9. Data of angle (yaw angle α, pitch angle β, roll angle γ) and moving distance is acquired. Next, in step S2, as shown in FIG. 8, smoothing (smoothing) processing of the roll angle γ that changes drastically is performed.
[0019]
Next, in step S3, it is determined whether or not the vibration roller 4 is moving backward. If it is forward, the process proceeds to step S6. If it is reverse, the yaw angle is first corrected in step S4. The backward movement behavior of the compacting machine body 1 has been described with reference to FIG. 4, but as shown in FIG. 9, the yaw angle α detected by the three-axis gyro when the compacting machine body 1 moves backward. Is obtained by adding a rotation angle (hereinafter referred to as a correction angle α ′) due to the bending behavior of the vehicle body to the actual traveling direction angle. Therefore, the actual traveling direction angle is obtained by subtracting the correction angle α ′ from the detected yaw angle α of the gyro. Since the correction angle α ′ correlates with the inclination angle of the compaction yard (that is, the gyro roll angle γ), a correction map with the roll angle γ is stored in advance by experiments as shown in FIG. FIG. 11 shows a travel locus by backward correction, and shows that the error due to traveling on an inclined ground is remarkably reduced when reciprocating a gradient of 8.7% and a linear distance of 15 m as compared with the case of FIG.
[0020]
When the yaw angle correction is completed, a pitch angle correction process is performed in step S5. As described with reference to FIG. 5B, when the compacting machine main body 1 moves backward, the compacting machine main body 1 is in a state of pulling the heavy vibration roller 4, so that the compacting machine main body 1 provided with a three-axis gyro is installed. Go backwards with a slight tilt. For this reason, the triaxial gyro detects the inclined state (angle β ′) of the compacting machine body 1 even though the traveling surface is horizontal, and does not match the actual ground inclination. As a result, the error is accumulated every time the backward movement is performed, and the altitude cannot be obtained accurately. Therefore, processing for adding the correction angle β ′ to the detected pitch angle β is performed.
[0021]
The pitch angle may be corrected by detecting the difference between the inclination angle of the compacting machine body 1 and the inclination angle of the ground. However, since this difference cannot be detected, this difference is experimentally detected. (Correction angle β ′) is obtained in advance. As a method for experimentally obtaining the correction angle, the difference between the forward and reverse pitch detection angles when the vibrating roller 4 is linearly reciprocated with respect to the flatest possible running surface is used as the correction angle. The correction angle is considered to be related to the condition of the running surface and the speed of the vibrating roller 4, but the correction angle itself is a very small value (1 ° or less), so a constant value obtained experimentally is applied. There is no problem.
[0022]
FIG. 12 shows data measured by RKT-GPS, pitch angle detection data (without correction), and data obtained by correcting the pitch angle with respect to the elevation of the running surface of the vibration roller 4. According to this figure, the altitude when the pitch angle is corrected substantially coincides with the altitude measured by the GPS, and the pitch angle correcting effect is remarkable.
[0023]
Next, in step S6 of FIG. 7, it is determined whether there is GPS data. If there is no GPS data, the process proceeds to step S8, and if there is, the Kalman filter correction process is performed in step S7. Next, in step S7, it is determined whether or not the compaction is finished, and the processes in steps S1 to S8 are repeated in real time every 0.2 seconds until the compaction is finished.
[0024]
FIG. 13 is a flowchart showing Kalman filter correction processing. Many error factors are included in the GPS signal, and a Kalman filter is known as a technique for estimating the detection position by statistical processing (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-28380). In the present invention, this Kalman filter is used to perform unique processing. That is, first, GPS data, corrected attitude angle and moving distance are read in step S11. In step S12, it is determined whether the GPS data is RTK-GPS or DGPS. In step S17, the center coordinates of the vibrating roller are calculated based only on the attitude angle and the movement distance by the three-axis gyro system without resetting and updating the observation.
[0025]
In step S13, it is determined whether or not the GPS data is DGPS. In the case of NO, that is, in the case of RTK-GPS in which the GPS positioning state is good, in step S14, correction by the Kalman filter of only the attitude angle and moving distance by the three-axis gyro is performed. In the case of DGPS in which the GPS positioning state is slightly worse, in step S15, both the GPS data that is the antenna position coordinates and the three-axis gyro data that is the attitude angle and the movement distance are corrected by the Kalman filter, and each of them is vibrated in step S17. The center coordinates of the roller 4 are calculated and output. In the correction using the Kalman filter, the GPS coordinate error, the angle error of the three-axis gyro system, and the moving distance error are considered as state variables, and the state variables are sequentially estimated from the observed values of the GPS position coordinates. At this time, by performing Kalman filter correction, it is possible to improve the positioning accuracy of the DGPS, which is inferior to the RTK-GPS, and also to correct the gyro time drift and improve the accuracy of the attitude angle.
[0026]
If it is determined in step S8 in FIG. 7 that the rolling has been completed, it is next determined in step S9 whether or not there is a time during which positioning cannot be performed using GPS data. After performing the correction process, the process ends.
[0027]
FIG. 14 is a diagram for explaining the interpolation correction processing of FIG. Interpolation correction occurs when the GPS cannot be measured and the traveling locus is obtained only by the three-axis gyro system. In this case, a known coordinate value of the start point and the end point is given, and the known coordinate value of the end point is matched with the coordinate value obtained by the three-axis gyro system, and the internal measurement between the start point and the end point is based on the coordinate error. The coordinate value is corrected using the least square method. In FIG. 14, at each measurement point, the moving distances S ₁ , S ₂ ,... Are measured with a rotary encoder, and the yaw angles α ₁ , α _2, ... And the pitch angles β ₁ , β ₂ ,. The result of calculating the trajectory of the vibration roller is shown.
[0028]
GPS antenna coordinates (correction value by Kalman filter) A immediately before GPS reception cannot be performed and GPS antenna coordinates (correction value by Kalman filter) B when GPS radio wave is restored are known points, and starting from the known point A, 3 Adjustment calculation to minimize the sum of squares of errors in the attitude angle and movement distance of the 3-axis gyro system between each internal point, with the coordinate error of the end point coordinate 4 and the known point B obtained only by the axis gyro system as 0 Is to do. Here, the measurement position in the gyro system is matched with the antenna position measured by the GPS system. Since these systems have different coordinate systems to be measured, the public coordinate system of the GPS system is converted into a gyro system coordinate system.
[0029]
To explain a specific example, it is assumed that GPS reception is interrupted between

points

1 and 4, and points 1 to 4 are measured only by the gyro system. The GPS antenna coordinates given as known points are converted to the gyro system coordinate system and are point A (x _gps0 , y _gps0 , z _gps0 ) and point B (x _gps4 , y _gps4 , z _gps4 ). On the other hand, the coordinates of the end point coordinate 4 measured by the 3-axis gyro system are
[0030]
[Expression 1]

It becomes. Then, the least square method is applied so that the coordinates (x _gy4 , y _gy4 , z _gy4 ) of the three-axis gyro system measurement end point coordinate 4 _{coincide with} the coordinates (x _gps4 , y _gps4 , z _gps4 ) of the known point B Then, the measured values S, α, and β of the three-axis gyro system are corrected. Then, using the correction value, the position coordinates are obtained to calculate the travel locus.
[0031]
FIG. 15 is a flowchart showing a detailed procedure before and after the interpolation correction process. When the rolling is completed in step S8, in step S9, whether there is data for correcting the traveling path of only the gyro during the rolling operation (specifically, whether the operation was performed only with the gyro for the time to be corrected or more). ) Is determined, and in the case of NO, the work ends. In the case of YES, it is determined in step S21 whether or not RTK-GPS can be acquired. If it can be acquired, the trajectory correction (interpolation correction) processing in step S10 is performed. If the RTK-GPS cannot be acquired (in the case of a grade of DGPS or lower), a message “GPS cannot be earned. Move to a location where GPS can be acquired or a known point.” Is issued, and RTK- When moving to a GPS acquisition point and acquiring RTK-GPS, a locus correction process is performed in step S9. If GPS cannot be acquired, the robot moves to a known point, inputs the known point in step S25 (input through the operation panel 27 in FIG. 6), and then performs locus correction processing in step S10. When the trajectory correction is completed, the rolling pressure determination redrawing process based on the travel trajectory corrected in step S27 is performed.
[0032]
FIG. 16 is a flowchart for performing the interpolation correction. The interpolation correction is not performed when the GPS positioning impossible time t is equal to or shorter than a predetermined time tv (for example, 5 minutes), and the position accuracy is not satisfied, and exceeds the predetermined time tv and the predetermined time th (for example, 15 minutes). In the following cases, only the z coordinate is corrected, and when the predetermined time th is exceeded, the z coordinate and the xy coordinate are corrected.
[0033]
FIG. 17 is a diagram in which the processing of the embankment compaction management system of the present invention described above is organized. Here, multipath, which is the reason for the lack of RTK-GPS, is that when GPS radio waves are received as a plurality of reflected waves instead of direct waves, the received radio wave information is different from the true value. The cycle slip refers to a state in which GPS data can be received only in fragments due to obstacles such as terrain conditions, deep trees, and the positional relationship of other heavy equipment.
[0034]
Further, the correction possible time is a time limit for correcting measurement data with relatively high accuracy using DGPS and a three-axis gyro when RKT-GPS becomes impossible. If GPS positioning is not possible for more than 60 minutes, the correction effect is reduced even if interpolation correction is performed, so the gyro is reset to the known point.
[0035]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, when the traveling locus of the vibrating roller is obtained, a traveling axis of the vibrating roller is obtained with high accuracy even in a GPS deficient state by adding a three-axis gyro system in addition to GPS. Can be requested. As a result, the embankment compaction management system using GPS becomes versatile, and can be applied even in a narrow mountainous area or the like where GPS cannot be received due to topographical restrictions.
[0036]
Further, since the attitude angle of the vibrating roller can be detected by the three-axis gyro system, the estimation from the GPS antenna coordinates to the vibrating roller center coordinates can be calculated with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a side and a plane of a compacting machine according to the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining posture angles according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining the problem of the present invention.
4 is a diagram for explaining an accumulated error at the time of reverse travel in FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a diagram for explaining a problem of the present invention.
FIG. 6 is a system configuration diagram showing an embodiment of a bank compaction management system according to the present invention.
7 is a flowchart showing a processing flow of the embankment compaction management system of FIG. 6; FIG.
FIG. 8 is a diagram for explaining the γ smoothing process of FIG. 7;
9 is a diagram for explaining yaw angle correction processing in FIG. 7; FIG.
FIG. 10 is a diagram for explaining a correction calculation method of FIG. 9;
FIG. 11 is a diagram showing a travel locus by correcting the yaw angle.
FIG. 12 is a diagram showing a travel locus by correcting the pitch angle.
FIG. 13 is a flowchart showing the Kalman filter correction processing of FIG. 7;
14 is a diagram for explaining an interpolation correction process of FIG. 7; FIG.
15 is a flowchart showing a detailed procedure before and after the interpolation interpolation correction process of FIG.
FIG. 16 is a flowchart for performing interpolation correction.
FIG. 17 is a diagram organizing the processing of the embankment compaction management system of the present invention.

Claims

Calculated from the GPS fixed station installed in the earthwork construction area, the GPS mobile station and 3-axis gyro system mounted on the compactor body of the embankment compaction yard, and the GPS data of the GPS fixed station and mobile station GPS antenna position coordinates and calculation means for calculating vibration roller center coordinates based on attitude angle and movement distance data detected by the three-axis gyro system, and when the GPS positioning is impossible, the three-axis gyro system An embankment compaction management system that calculates a center coordinate of a vibrating roller based only on data and corrects an error in a yaw angle according to a roll angle of the posture angle when the embankment compactor body moves backward.

Calculated from the GPS fixed station installed in the earthwork construction area, the GPS mobile station and 3-axis gyro system mounted on the compactor body of the embankment compaction yard, and the GPS data of the GPS fixed station and mobile station GPS antenna position coordinates and calculation means for calculating vibration roller center coordinates based on attitude angle and movement distance data detected by the three-axis gyro system, and when the GPS positioning is impossible, the three-axis gyro system An embankment compaction management system that calculates the center coordinates of a vibrating roller based only on data and corrects an error in the pitch angle of the attitude angle when the body of the embankment compactor moves backward.