JP4450879B2

JP4450879B2 - 建設作業機械の自動コントロールシステム

Info

Publication number: JP4450879B2
Application number: JP30654298A
Authority: JP
Inventors: 文夫大友; 和昭木村; ジェイ．ブラベックバーノン; 平野　　聡; 誠大森
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: JPH11236717A; US6016455A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木・建設分野で使用される建設作業機械、例えば、モータ・グレーダ、ペーバ、ブルドーザ等の整地、舗装を自動的に行う建設作業機械の自動コントロールシステムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、土木、建設分野では、整地、舗装を行うに際し、建設作業機械のブレード、スクリード等の整地器具を自動的に制御することが行われている。
【０００３】
その建設作業機械の整地器具を自動的にコントロールするシステムとして、所望の仕上げ面を得るために、仕上がり断面に応じた水糸を作業現場に張り渡し、水糸と整地器具との間隔を接触式のカンチレバーあるいは非接触式の超音波センサで検知し、この検知結果に基づいて水糸に倣うように整地器具を油圧制御する構成が知られている。しかしながら、この水糸に倣わせて整地器具を自動的にコントロールするシステムは、水糸を作業現場に張り渡す作業に多大の労力を要する。
【０００４】
そこで、水糸を作業現場に張り渡さなくとも、整地器具を自動的に制御して所望の仕上げ面を得ることのできる建設作業機械の自動コントロールシステムが提案されている。
【０００５】
図１はその一例を示すもので、この図１において、１は作業現場を整地する建設作業機械としてのブルドーザー、２は作業現場に設置のローティングレーザー装置、３は整地器具としてのブレード、４はブレード３に立設されたポール、５はそのポールに固定されたレーザーセンサである。
【０００６】
ローティングレーザー装置２はレーザー光により仕上げ面６’から所定の高さｈの箇所に基準面Ｒｓを形成し、ブレード３は整地器具制御手段としての油圧制御機器７によりレーザーセンサ５の高さ方向中心Ｈｏにレーザー光が当たるように制御され、これにより、作業現場の土地が所望の仕上げ面６’に整地される。この建設作業機械の自動コントロールシステムによれば、水糸を作業現場に張り渡す作業に較べて整地、舗装作業を簡単に行うことができる。
【０００７】
しかしながら、作業現場の土地６、仕上げ面６’に高低、傾斜がある複雑形状の整地、舗装の場合、基準面Ｒｓを得るために、ローティングレーザー装置２を図２に示すように設置替えしなければならず、複雑形状の整地、舗装の場合、そのローティングレーザー装置２の設置替え作業が面倒であるという問題点が残っている。
【０００８】
そこで、目標までの距離、基準方向に対して目標が存在する方向の水平角、基準高さに対して目標が存在する方向の高低角を測定すると共に、その目標を追尾する自動追尾式の測量機（トータルステーション（株式会社トプコン製ＡＰ−Ｌ１）ともいう）を用いて、建設作業機械１を自動的にコントロールするシステムが提案されている。
【０００９】
図３はその自動追尾式の測量機を用いて建設作業機械を自動的にコントロールするシステムの一例を示している。その図３において、８は自動追尾式の測量機を示し、この測量機８は工区の既知座標点Ｏに設置され、測量機８にはパーソナルコンピュータ９が接続され、そのパーソナルコンピュータ９には無線送信装置１０が接続されている。ブルドーザー１にはそのブレード３に立設されたポール４に追尾目標としてのプリズム１１が設けられると共に、無線受信装置１２が設けられている。
【００１０】
パーソナルコンピュータ９には既知点の高さを基準として工事区間の各水平座標位置における仕上げ面高さとして定義される仕上げ面高さデータが記憶保存されている。測量機８はプリズム１１を追尾して既知座標点Ｏからプリズム１１までの距離、基準方向からプリズム１１が存在する方向までの水平角を測定し、既知座標点Ｏを基準とした追尾目標の少なくとも水平座標位置を求め、この水平座標位置データをパーソナルコンピュータ９に転送する。
【００１１】
パーソナルコンピュータ９は求められた各水平座標位置における仕上げ面高さデータ、すなわち、既知座標点Ｏからの仕上げ面高さデータを呼び出し、無線送信装置１０に転送する。無線送信装置１０は仕上げ面高さデータを無線受信装置１２に送信し、油圧制御機器７はその無線受信装置１２に受信された仕上げ面高さデータに基づきブレード３を制御し、ブレード３は土地が設計された仕上げ高さ（施工高さ）となるようにその土地を掘削又は切削する。
【００１２】
この自動追尾式の測量機８を用いて建設作業機械を自動的にコントロールするシステムは、施工データとしての仕上げ面高さデータに基づき、ブレード３を制御する方法であるので、複雑形状の仕上げ面を工数を増やすことなく造成できるというメリットがある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、作業現場では作業員がトランシーバを使用して連絡を取り合っていたり、建設作業機械が発生する電波ノイズが存在する。このシステムでは、測量機８から作業現場のブルドーザー１に向けて、施工データを無線で送受信する装置が必須であるので、混信、通信障害が生じるおそれがあり、信頼性の観点で問題が残っている。
【００１４】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、電波ノイズ、混信等の影響を受けにくい建設作業機械の自動コントロールシステムを提供する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の建設作業機械の自動コントロールシステムは、上記課題を解決するため、作業現場に設けられかつ整地器具と追尾目標とレーザーセンサとを備えた建設作業機械と、既知点に設けられかつ前記追尾目標の座標位置を光学的に測定する座標位置測定手段を有して求められた座標位置で仕上げ面に対してあるべき高さを指示するレーザービームを前記レーザーセンサに向けて照射する測量機械と、施工計画された各水平座標位置に対応する仕上げ面の高さを仕上げ面高さデータとして記憶する仕上げ面高さデータ記憶手段と、前記仕上げ面高さデータに基づき前記各水平座標位置で追尾中心が前記仕上げ面に対してあるべき高さと実際に検出された追尾中心の仕上げ面に対する高さの差として定義される偏差を演算する演算手段と、前記各水平座標位置での施工情報に基づき前記レーザービームを変調して該施工情報のデータを前記作業現場に向けて送信する変調手段と、前記レーザーセンサに受光されたレーザービームに基づき前記施工情報を復調する復調手段とを備え、
前記測量機械は、前記レーザービームの前記水平座標位置における高さが該水平座標位置で前記レーザーセンサの高さ方向中心が前記仕上げ面に対してあるべき高さとなるように前記レーザービームを回動手段により高低角方向に回動させる仕上げ高さデータ駆動モードを備え、前記建設作業機械には、前記レーザービームの前記レーザセンサ上での照射位置に基づいて前記水平座標位置における整地すべき土地が前記水平座標位置での前記仕上げ面高さとなるように前記整地器具を制御すると共に前記復調された施工情報に基づき該整地器具を制御する整地器具制御手段が設けられている。
【００１６】
前記測量機械は、その水平座標位置で前記追尾目標を高さ方向の中心を含む水平面内に前記測量機械の鏡筒部の光軸中心が存在するように前記回動手段を制御する高さ方向自動追尾モードを備え、前記追尾目標の座標位置が所定範囲外のときに、前記仕上げ高さデータ駆動モードから前記高さ方向自動追尾モードに切り替えられることが望ましい。
【００１７】
前記レーザーセンサと前記追尾目標とが前記整地器具に一体に立設されていることが望ましい。
【００１８】
前記演算手段は前記測量機械から前記追尾目標の座標位置に関するデータが入力され、前記記憶手段にあらかじめ記憶されている前記整地器具の下縁から前記レーザーセンサの高さ方向中心までの目標高さデータと前記仕上げ面高さデータとに基づき前記回動手段を制御する。
【００１９】
前記測量機械は、既知点から追尾目標までの距離を測定可能である。
【００２０】
施工情報は、例えば、整地器具の傾斜情報、道路施工の場合のセンターライン管理情報、建設機械の駆動情報であり、高さ方向自動追尾モード時には、高さ方向の偏差のデータである。
【００２１】
演算手段により得られた偏差のデータを記憶保存する構成とすれば、施工評価情報として用いることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図４は本発明に係わるトータルステーションの外観図を示している。この図４において、２０は基盤部、２１は装置本体部である。装置本体部２１は鉛直軸Ｇを中心として水平面内で水平面内回動手段２２により回転される。この装置本体部２１は表示部２３、一対の托架部２４を有する。一対の托架部２４には水平軸２５が設けられ、水平軸２５には鏡筒部２６が保持され、鏡筒部２６は水平軸２５を中心にして垂直面内で高低角回動手段２７により回転される。装置本体部２１の水平面内での回転量、鏡筒部２４の鉛直面内での回転量は図示を略す角度読み取り装置（ロータリーエンコーダ）により検知される。
【００２３】
鏡筒部２６は、図５に示すように、水平方向の追尾光発生部２８及び追尾目標（プリズム）までの距離を測定する光波距離計部２９からなる追尾測距ユニット部３０と、ファン状のレーザービームＰ３を放射するレーザービームユニット部３１とにより構成される。
【００２４】
追尾測距ユニット部３０は、追尾及び測距に共用される対物レンズ３２を有する。光波距離計部（以下、ＥＤＭ部という）２９は、発光素子２９ａ、受光素子２９ｂ、分割ミラー２９ｃから概略なる。発光素子２９ａから出射された特定周波数で変調された測距光Ｐ１は分割ミラー２９ｃの反射面２９ｄ、ダイクロイックミラー３３の反射面３３ａで反射され、対物レンズ３２の下半分を通過して、追尾目標としてのプリズム３４（図６参照）に導かれる。プリズム３４により反射された変調光は、対物レンズ３２の上半分で集光され、ダイクロイックミラー３３の反射面３３ａで反射され、分割プリズム２９ｃの反射面２９ｅにより受光素子２９ｂに導かれる。
【００２５】
ＥＤＭ部２９は図示を略す処理回路を備え、処理回路は特定の周波数で変調された発光信号と受光信号との位相差を計測し、その位相差により既知点からプリズム３４までの距離を測定する。ダイクロイックミラー３３は反射面３３ｂを備え、反射面３３ｂは発光素子２９ａから出射された測距光Ｐ１を透過し、後述する追尾光Ｐ２を反射する。
【００２６】
追尾光発生部２８はレーザビームＰ２をＸ−Ｚの２次元方向に走査する２次元走査部を有する。この２次元走査部は、レーザダイオード、このレーザーダイオードから出射された追尾光Ｐ２としてのレーザ光を平行光束に変換するコリメーションレンズ、振動ミラー、音響光学素子等により構成される。その詳細構成は既に公知であるので図示を略すが、必要ならば、例えば特開平５−３２２５６９号公報の図３を参照されたい。
【００２７】
２次元走査部から放射された追尾光としての走査ビームＰ２は、ミラー３５ａ、ミラー３５ｂにより反射され、対物レンズ３２の中心穴３６を通り、プリズム３４に向けられる。プリズム３４により反射された追尾レーザ光Ｐ２は対物レンズ３２の全面により集光され、ダイクロイックミラー３３の反射面３３ｂにより反射され、受光素子３７に集光される。その追尾光Ｐ２の波長は発光素子２９ａから出射された測距光Ｐ１の波長と異なる。
【００２８】
プリズム３４の位置の検出は以下の通りに行われる。
【００２９】
図７に示すように、Ｘ−Ｚ方向にラスタ走査されるビームは、プリズム３４に当たったとき反射されて、受光素子３７に到達する。図示を略す処理回路は、受光信号が走査のどのタイミングで受光されたかを検知し、走査中心３８に対するプリズム３４の中心位置（追尾中心）３４ａのＸ−Ｚ方向の偏差ΔＸ、ΔＺを計測する。計測された偏差ΔＸ、ΔＹは、図４に示す托架部２４の水平方向の回転量、鏡筒部２６の高低方向の回転量に変換され、各回転手段（回動手段）２２、２７にフィードバックされる。このようにして、自動追尾式のトータルステーション８は、プリズム３４の中心を視準するように制御可能である。対物レンズ３２は合焦・接眼部３９と組み合わされて、全体として望遠鏡を構成している。作業者はこの望遠鏡を通して追尾目標を視準できる。なお、この測量機８は仕上げ高さデータ駆動モードと高さ方向自動追尾モードとを備えており、これらについては後述する。
【００３０】
トータルステーション８は処理回路の一部として機能する内蔵ＣＰＵを有する。この内蔵ＣＰＵは追尾目標の座標位置を光学的に測定する座標位置測定手段としての役割を果たす。内蔵ＣＰＵは測定により求められたプリズム３４までの距離、水平角度、高低角度に基づき追尾目標の水平座標位置、高さ座標位置を演算する。この水平座標位置は表示部２３に表示され、追尾目標の座標位置に関するデータが入出力ポート４０に出力される。入出力ポート４０は通常ＲＳ-２３２Ｃにより構成され、外部のパーソナルコンピュータ４１に接続されている。パーソナルコンピュータ４１は内蔵ＣＰＵとの間でデータの授受を行い、パーソナルコンピュータ４１はここではトータルステーション８の動作モードのコントロールを行う。
【００３１】
レーザービームユニット部３１には、レーザーダイオード４２、コリメーションレンズ４３、シリンドリカルレンズ４４により概略構成され、レーザダイオード４２から出射されたレーザー光はコリメーションレンズ４３により平行光束に変換された後、シリンドリカルレンズ４４により、水平方向に広がりを持つファン状のレーザービームＰ３に変換されて放射される。その水平方向の広がり角θは、トータルステーション８の水平方向の追尾角度よりやや広く設定される。これにより、追尾目標３４から追尾光Ｐ２が多少外れた場合でも、ブルードーザ１の整地器具３に設置されたレーザセンサ４５にファン状のレーザービームＰ３が当たることになり、ブルドーザ１が向きを多少変えた場合でも整地、舗装作業が保証されることになる。このファン状のレーザービームＰ３には、後述する変調回路により整地器具３をコントロールする施工情報データが変調されて重畳される。
【００３２】
整地器具３に立設されたポール４には、図８に示す受光ユニットが４６設けられている。この受光ユニット４６は段付き円柱から構成され、この段付き円柱４６の下部側には大径円柱４７が設けられ、上部側には小径円柱４８が設けられている。大径円柱４７の外周部にはその全周に渡ってプリズム３４が所定間隔を開けて複数個設けられている。小径円柱４８の外周部にはその全周に渡ってレーザーセンサ４５が所定間隔を開けて複数個設けられている。これにより、トータルステーション８はブルドーザが３６０度方向に向きを変えても追尾できる。
【００３３】
プリズム３４の中心位置３４ａとレーザーセンサー４５の中心位置４５ａのオフセット値Ｈ１は所定の値であり、例えば、図４に示す対物レンズ３２の中心とシリンドリカルレンズ４４の中心とのオフセット値Ｈ２と同一とすることができる。レーザーセンサ４５は建設作業機械１の上下方向の振動、油圧により制御される整地器具３の上下方向の追従精度をカバーできる長さを持つ。このレーザーセンサ４５はトータルステーション８から放射されるファン状のレーザービームＰ３が照射された位置とレーザーセンサ４５の中心位置４５ａとの偏差Ｈ３を出力する。この種のレーザセンサ４５として、微小な受光素子を直列に多数配置した受光素子アレイ、ファン状のレーザービームＰ３の受光位置に対応する電流を出力するポジションセンサ（ＰＳＤ）等が利用される。ファン状のレーザービームＰ３の照射位置とレーザセンサ４５の中心位置４５ａとの偏差Ｈ３のデータは、コネクタ４６’を介して建設作業機械１に向けて出力される。この偏差Ｈ３のデータは建設作業機械１の整地器具３を上下方向に制御する油圧制御機器７のデータとして用いられる。油圧制御機器７は整地器具３を上下方向に駆動し、整地器具３はレーザーセンサー４５の中心位置４５ａにファン状のレーザービームＰ３が当たるように制御され、土地６を掘削又は切削する。
【００３４】
これまでの作業手順を整理して図６を参照しながら以下に説明する。
建設作業機械１の整地器具３にポール４を用いて所定の高さのところにプリズム３４及びレーザセンサ４５を設置する。自動追尾トータルステーション８を作業現場の見通しの良い場所で既知の座標点Ｏに設置する。自動追尾トータルステーション８を作業現場の３次元の設計データ（施工計画された各水平座標位置に対応する仕上げ面の高さとして定義される仕上げ面高さデータ）が格納されたパーソナルコンピュータ４１に接続する。パーソナルコンピュータ４１に、自動追尾トータルステーション８の既知点の水平座標位置、機械高さ、整地器具３のエッジ３ａからレーザセンサ４５の高さ方向中心位置４５ａまでの目標高さとしての目標高さデータを入力する。自動追尾トータルステーション８をレーザセンサ４５、プリズム３４に向けて作業を開始する。
【００３５】
自動追尾トータルステーション８はプリズム３４の水平方向の動きに対して、常に追尾する。ＥＤＭ部２９により既知点からプリズム３４までの距離を測定する。このとき、上下方向は追尾していない。従って、測距光軸に対してプリズム３４の位置が正対していない場合もあるが、ＥＤＭ部２９の測距光Ｐ１に適当な広がりを持たせることにより測距可能としている。
【００３６】
自動追尾トータルステーション８の角度読みとり装置の角度データと測距データとから、レーザセンサ４５の水平座標Ｘ、Ｙを計算して、パーソナルコンピュータ４１に出力する。
【００３７】
パーソナルコンピュータ４１はＸ、Ｙ座標を設計データ（仕上げ面高さデータ）と照合し、その水平座標における仕上げ面高さＺを求め、自動追尾トータルステーション８のその水平座標位置でのファン状のレーザービームＰ３の高さが、図１１に示すようにその水平座標位置でレーザーセンサ４５の中心４５ａが仕上げ面６’に対してあるべき高さとなるように回動手段２７に指令を出力する。自動追尾トータルステーション８は、その指令に従って鏡筒部２６を高低方向に回動させる。
【００３８】
鏡筒部２６の回動が終了した時点で、パーソナルコンピュータ４１はプリズム３４の上下方向の偏差ΔＺ（図７参照）、すなわち、追尾中心が仕上げ面６’に対してあるべき高さと実際に検出された追尾中心の仕上げ面６’に対する高さの差として定義される偏差ΔＺを検出し、施工評価データとしてパーソナルコンピュータ４１に出力する。パーソナルコンピュータ４１はこの施工評価データをメモリに記録する。レーザセンサ４５はファン状のレーザービームＰ３がレーザセンサ４５上のどの箇所に照射されているかを検知し、中心位置４５ａと照射箇所との偏差Ｈ３のデータを油圧制御機器７の駆動制御装置に出力する。油圧制御機器７はその偏差Ｈ３に従って整地器具３を仕上げ面高さがＺとなるように上下方向にコントロールする。
【００３９】
本発明に係わるコントロールシステムでは、自動追尾トータルステーション８が距離を測定する毎にこれを繰り返す。このようにして、土地６が整地器具３により切削又は掘削され、所望の仕上げ面に仕上げられる。
【００４０】
本実施例によれば、自動追尾トータルステーション８は、振動しかつ上下方向に制御される建設作業機械１の整地器具３に設置された追尾目標に対して高さ方向に追尾することなく、パーソナルコンピュータ４１から送信される設計データ（仕上げ面高さデータ）に追従するため、高精度な施工が可能となる。また、自動追尾トータルステーション８は、プリズム３４の上下方向の偏差ΔＺを常に検出しているため、これを記録保存することにより、施工評価データとして使用できる。
【００４１】
ところで、道路等を施工する場合、整地器具３は上下方向に制御されるだけでなく、斜めに制御されることがある。例えば、道路のカーブ部分のバンク角の勾配、水はけ勾配を作るとき、整地器具３は斜めに傾けられる。
【００４２】
従来の非自動化の施工方法の場合、傾斜量（パーセント表示）を立て札等で適当な間隔毎に示し、建設作業機械１のオペレータがそれを視認して、整地器具３を手動で制御していた。また、平面的に広がった宅地・農地等の整地と異なり、道路施工の場合、基本的にセンターライン等の平面上の位置が管理され、オペレータは正確にそれをトレースする必要がある。従来、これもオペレータの目視により行っていた。
【００４３】
本発明に係わる自動追尾トータルステーション８と、設計データが格納されたパーソナルコンピュータ４１とを組み合わせたコントロールシステムの場合、自動追尾トータルステーション８により建設作業機械１の水平座標位置を測定することができ、パーソナルコンピュータ４１には設計データが格納されている。従って、施工に要求される施工情報（傾斜角等）はパーソナルコンピュータ４１により全て算出できる。この算出された施工情報は、建設作業機械１の駆動情報として用いられ、従来、図３に示すように、無線通信により送信されていたが、通信障害等の様々な問題がある。
【００４４】
本発明によれば、以下に説明する光通信手段を用いることにより、施工情報を通信障害、混信等を受けることなく、建設作業機械１に向けて送信することができる。
【００４５】
すなわち、本発明では、施工情報はファン状のレーザービームＰ３に変調して送出され、レーザセンサ４５により受光後、復調することにより、施工情報が取り出される。
【００４６】
図９はデータ変調の一例を示し、図９（ａ）はＡＳＫ方式によりデータ変調された信号を示している。図９（ａ）において、Ｓはデータブロックのスタートを示す同期パターン、ａ１、ａ２、ａ３、…は各シリアルデータのビットを表している。図９（ａ）では、同期パターンＳは検出を容易とするため、その幅がデータビットａ１、ａ２、ａ３、…の各幅よりも数倍以上大きい。同期パターンＳに続く各ビットは、２進数（例えば、１、０、１、…）からなるデータを示している。
【００４７】
図９（ｂ）は変調回路を示し、４９は発振器、５０はゲート回路で、発振器４９は搬送波を出力し、ゲート回路５０はパーソナルコンピュータ４１から送出されるシリアルデータをＡＳＫ変調し、ドライブ回路５１はレーザダイオード４２をシリアルデータに基づき変調しながら発光させ、ファン状のレーザービームＰ３はデータ変調されてレーザーセンサ４５に送出される。これにより、施工情報がレーザーセンサ４５に送信される。
【００４８】
図１０（ａ）はレーザセンサ４５によるデータ復調回路を示している。ここでは、レーザセンサ４５として、ポジションセンサ（ＰＳＤ）が用いられている。ここで、ファン状のレーザービームＰ３の照射位置の検出方法も説明する。図１０（ｂ）において、Ｓ’、ａ１’、ａ２’、…は変調されたファン状のレーザービームＰ３を示し、ファン状のレーザービームＰ３は送信中にノイズが重畳されるため、波形がくずれる。
【００４９】
レーザーセンサ４５は２本の出力線４５ｂ、４５ｃを持つ。このレーザーセンサ４５はファン状のレーザービームＰ３の照射位置（ａ、ｂ）に比例した振幅の電気信号を、ａ’、ｂ’を出力する。この電気信号ａ’、ｂ’は加算回路５２に入力されて加算され、これにより受光された全信号が得られる。加算回路５２の出力は包絡線検波回路５３に入力され、包絡線検波回路５３は包絡線波形信号５５’を検出し、包絡線波形信号５５’は、波形成形回路５４に入力されて矩形波５５’’とされ、この矩形波５５’’は建築作業機械１のＣＰＵ５５に入力される。ＣＰＵ５５は一定間隔以上 "１" が続く同期パターンＳを検出し、検出された同期パターンＳの立ち下がりタイミングから、一定期間毎に入力された信号が"０"か"1"かを判断することにより、施工情報を復調する。
【００５０】
また、加算回路５２の出力と出力線４５ｂの出力ｂ’とはＡ／Ｄ変換器５６、５７に入力され、ＣＰＵ５５は同期パターンＳが検出されたタイミングで各Ａ／Ｄ変換器５６、５７の出力を読み込み、ａ’／（ａ’＋ｂ’）の式に基づく演算を行うことによりファン状のレーザービームＰ３の高さ方向の照射位置を検出する。
【００５１】
ここでは、ＡＳＫ変調・復調について説明したが、公知の他の方式であるＰＳＫ方式等を利用しても良い。また、受光素子としてここでは、ＰＳＤを使用した例を説明したが、受光素子アレイ、他の同等な機能を持つ素子を用いても良い。
【００５２】
また、レーザセンサ４５の受光素子には、ＥＤＭ部２９の測距光Ｐ１、追尾光Ｐ２も入射する可能性があり、この光がノイズとなる場合も想定される。この場合、これらの光Ｐ１、Ｐ２とファン状のレーザービームの光Ｐ３を分離するため、光Ｐ１、Ｐ２の波長と光Ｐ３の波長とを異ならせ、レーザーセンサ４５の前面に波長選択型の光学フィルターを配置し、測距光Ｐ１、追尾光Ｐ２がレーザーセンサ４５に入射しないように構成すれば良い。
【００５３】
測距、追尾、通信の各ステップを時分割して行うこともできる。このようにすれば、同期パターンＳが検出された以後、他の光Ｐ１、Ｐ２は照射されないため、レーザーセンサ４５は安定して光Ｐ３を受信できる。この場合、全体の処理スピードが遅くなるが、各光Ｐ１〜Ｐ３の干渉を防ぐために、高価な波長選択型フィルターが不必要であるという利点がある。
【００５４】
本発明によれば、自動追尾トータルステーション８は上下方向について追尾目標３４を追尾せず、パーソナルコンピュータ４１により格納された設計データに基づき整地器具１を制御する。この構成により、整地器具３が上下方向に移動制御されたとき、追尾光Ｐ２が上下方向に追尾目標３４を追尾して、この追尾によりファン状のレーザービームＰ３の高さ方向の位置が変化し、整地器具３がレーザーセンサ４５のファン状のレーザービームの照射位置の変化により上下方向に制御されて、ハンチング現象を起こすという従来システムの欠点が避けられ、高さ方向に精度の良い施工が可能となる。
【００５５】
しかしながら、最終仕上げ以前の施工では、高精度は要求されておらず、何回も施工が繰り返され、この作業の繰り返しにより、徐々に設計データの通りに造成作業が行われる。すなわち、初期の施工においては、設計データに対して現状路面が大きくズレていることが多い。このような場合、これまで述べた実施例によれば、追尾目標の水平座標位置におけるファン状のレーザービームＰ３の高さが常に設計データで指示されるため、荒仕上げの地盤が設計高さから大きくずれていた場合、荒仕上げの地盤が他の地盤よりも堅い場合には、これに対応する長さのレーザセンサ４５が必要である。設計高さに対して一様に荒仕上げの地盤が上又は下にずれている場合、設計高さデータに一定のオフセットを与えることにより、レーザーセンサ４５の長さを長くすることを避けることができるが、複雑形状の土地を整地する場合、レーザセンサ４５を長くしなければならず、コストが高くなる。
【００５６】
以下に説明する実施例によれば、レーザーセンサ４５を長くしなくとも、荒仕上げの地盤が設計高さから大きくズレている場合、部分的に荒仕上げの地盤が他の場所の地盤と較べて堅くても施工を正確に行うことができる。
【００５７】
例えば、最終仕上げ時の要求施工精度を±５mmとする。そして、レーザセンサ４５の受光面の縦方向の長さが、その１０倍、±５cmであるとする。この場合、一回の施工で設計データに対して±５cm以内に施工できれば、レーザーセンサ４５は、施工区間内で自動追尾トータルステーション８から照射されるファン状のレーザービームＰ３を確実に受光可能であり、問題はない。しかしながら、現状の路面状態が悪く、例えば、設計データに対してズレが多い場合、又は路盤が部分的に堅くて、一回の施工作業で±５cm以内に施工できないとき、レーザセンサ４５がファン状のレーザービームＰ３から大きく離れ、レーザーセンサ４５はファン状のレーザービームＰ３を受光できなくなる。
【００５８】
しかしながら、自動追尾トータルステーション８は、プリズム３４の上下方向の位置を常に検知している。従って、設計データに対して現在の施工状態がどれくらいずれているかを知ることができる。
【００５９】
そこで、自動追尾トータルステーション８に、予め設定された範囲（例えば、±４cm）以上施工がずれると、自動的に標準的な自動追尾トータルステーションと同様に、水平方向の追尾のみならず、上下方向の追尾も開始させる構成とする。
【００６０】
すなわち、トータルステーション８は、偏差△Ｚが±４cmを越えたとき、仕上げ高さデータ駆動モードから高さ方向自動追尾モードとなり、回動手段２７により追尾光Ｐ２がプリズム３４の高さ方向中心位置３４ａに位置するように追尾光Ｐ２を偏向させる。
【００６１】
この時には、高さ制御データとして、ファン状のレーザービームＰ３の受光位置のデータは使用されず、自動追尾トータルステーション８から送信される高さ偏差ΔＺのデータ（設計データと検出されたプリズム高さとの差）が制御データとして使用される。この偏差ΔＺのデータはファン状のレーザービームＰ３を変調することによりレーザーセンサ４５に送信される。この切り替えは、自動追尾トータルステーション８から送信される制御データに含まれたステータス情報を用いて行われる。
【００６２】
この場合、自動追尾トータルステーション８も上下方向の追尾を行うこととなり、精度が劣化するが、もともと設計値からのズレ量が大きい路盤の施工を行うため、支障は生じない。
【００６３】
設計データからのズレ量が大きい路盤は、この方法により施工を繰り返し行い、設計データからのズレ量が一定の範囲（例えば、±３cm）に連続して入るようになれば、高低方向の追尾を停止し、再び仕上げ高さデータ駆動モードに切り替える。
【００６４】
ここでは、レーザーセンサ４５の長さを±５cmとしているため、この精度以内で上下方向の追尾を行えば、データ通信のためのビームを常時レーザーセンサ４５に受信できる。これは、自動追尾トータルステーション８の追従性能にとって支障のない数値である。
【００６５】
また、自動追尾トータルステーション８の上下方向（高低）の追尾サーボの応答を、重機（建設作業機械）の振動等に追従しない程度に落とし、細かい偏差は図７に示す偏差ΔＺのデータを使用して補正を行うことにすると、精度が向上する。
【００６６】
本発明では、全体の構成を変えること無く、ファン状のレーザービームＰ３を用いた高精度な施工と、ファン状のレーザービームＰ３をデーター通信のみに使用する高さ方向に制限のない施工とを行うことができる。
【００６７】
ここでは、自動追尾トータルステーション８の方式として、レーザを二次元方向に走査する場合について説明したが、追尾目標として発光素子を用い、ＣＣＤ等で受光する方式を用いても良いし、本発明の趣旨を変更しない範囲で様々な展開を行うことができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の建設作業機械の自動コントロールシステムによれば、電波ノイズ、混信等の影響を受けにくいという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のローテイテイングレーザー装置を用いた建設作業機械の自動コントロールシステムの説明図である。
【図２】従来のローテイテイングレーザー装置を用いた建設作業機械の自動コントロールシステムの不具合を説明するための図である。
【図３】自動追尾式測量機を用いた建設作業機械の自動コントロールシステムの説明図である。
【図４】本発明に係わる自動追尾式測量機の概要図である。
【図５】図４に示す鏡筒部の内部の構成を概略示す光学図である。
【図６】本発明に係わる整地作業の一例を説明するための概要図である。
【図７】追尾光の走査の一例の説明図である。
【図８】本発明に係わる追尾目標としてのプリズムとレーザーセンサとを示す斜視図である。
【図９】本発明に係わる変調の一例を示し、（ａ）は変調されたファン状のレーザービームを示し、（ｂ）は変調回路を示すブロック図である。
【図１０】本発明に係わる復調の一例を示し、（ａ）は復調回路のブロック図を示し、（ｂ）は復調信号を示す。
【図１１】図６に示す整地作業の一例を更に理解しやすくして示した概要図である。
【符号の説明】
１…建設作業機械
３…整地器具
７…整地器具制御手段
８…測量機械
４１…パーソナルコンピュータ

Claims

作業現場に設けられかつ整地器具と追尾目標とレーザーセンサとを備えた建設作業機械と、
既知点に設けられかつ前記追尾目標の三次元座標位置を光学的に測定する座標位置測定手段を有して求められた座標位置で仕上げ面に対してあるべき高さを指示するレーザービームを前記レーザセンサに向けて照射する測量機械と、施工計画された各水平座標位置に対応する仕上げ面の高さを仕上げ面高さデータとして記憶する仕上げ面高さデータ記憶手段と、
前記仕上げ面高さデータに基づき前記各水平座標位置で追尾中心が前記仕上げ面に対してあるべき高さと実際に検出された追尾中心の仕上げ面に対する高さの差として定義できる偏差を演算する演算手段と、
前記各水平座標位置での施工情報に基づき前記レーザービームを変調して前記施工情報のデータを前記作業現場に向けて送信する変調手段と、
前記レーザーセンサに受光されたレーザビームに基づき前記施工情報を復調する復調手段とを備え、
前記測量機械は、前記レーザービームの前記水平座標位置における高さが該水平座標位置で前記レーザセンサの高さ方向中心が前記仕上げ面に対してあるべき高さとなるように前記レーザービームを回動手段により高低角方向に回動させる仕上げ高さデータ駆動モードを備え、前記建設作業機械には、前記レーザービームの前記レーザセンサ上の照射位置に基づいて前記水平座標位置における前記整地すべき土地が前記水平座標位置での前記仕上げ面高さとなるように前記整地器具を制御すると共に前記復調された施工情報に基づき該整地器具を制御する整地器具制御手段が設けられていることを特徴とする建設作業機械の自動コントロールシステム。
前記測量機械は、その水平座標位置で前記追尾目標を高さ方向の中心を含む面内に前記測量機械の鏡筒部の光軸中心とが一致するように前記回動手段を制御する高さ方向自動追尾モードを備え、前記追尾目標の座標位置が所定範囲外のときに、前記仕上げ高さデータ駆動モードから前記高さ方向自動追尾モードに切り替えられる請求項１に記載の自動コントロールシステム。
前記整地器具に前記レーザーセンサと前記追尾目標とが一体に立設されている請求項１に記載の建設作業機械の自動コントロールシステム。
前記演算手段は、前記測量機械から前記追尾目標の座標位置に関するデータが入力されると、前記記憶手段にあらかじめ記憶されている前記整地器具の下縁から前記レーザーセンサの高さ方向中心までの目標高さデータと前記仕上げ面高さデータとに基づき前記回動手段を制御する請求項１に記載の建設作業機械の自動コントロールシステム。
前記測量機械は、前記既知点から前記追尾目標までの距離を測定可能である請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の建設作業機械の自動コントロールシステム。
前記施工情報が高さ方向自動追尾モード時の高さ方向の偏差のデータである請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の建設作業機械の自動コントロールシステム。