JP4671317B2 - 地形形状計測装置およびガイダンス装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両を用いての地形形状を計測する地形形状計測装置および車両を用いての建設機械の掘削作業に対しガイダンスを提示するガイダンス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
土木作業現場においては、現場の地形情報は重要であり、加工前には、測量者が測量し、掘削目標値に、いわゆる丁張りを張る作業が必要であった。施工中にも、日々の進捗管理のために測量するとか、作業中にずれてしまった丁張りを張り直す等、測量に関わる時間がかかり手間暇のかかるものであった。
【０００３】
この問題を解決するために、特開平１１−３６３７３号公報（以下、公報１という）に記載された装置のように、ＧＰＳ（全地球測位システム）を搭載した建設機械が作業現場を移動するときにＧＰＳによって得られる建設機械の位置座標を記憶し、これにより作業現場の地形形状を求めるようにするものがあった。
【０００４】
しかし、上記公報１のものでは、地形形状を求める際に、ＧＰＳを搭載した建設機械が予め作業現場を動き回る必要があった。また、その建設機械が動ける範囲内でしか作業現場の地形形状を求めることができず、掘削現場の実情には即していないものであった。
【０００５】
このような問題を解決するために、特開平１１−２１１４７３号公報（以下、公報２という）に記載された地形形状計測装置のように、２台の視覚カメラ又は多眼カメラを建設機械に搭載し、２台の視覚カメラ又は多眼カメラによる視差を利用したステレオ法により、計測対象物までの距離を演算することで、計測対象地形の形状を求めるようにするものがあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報２に記載された地形形状計測装置では、後述する（１）〜（４）の問題があった。
【０００７】
すなわち、上記地形形状計測装置で採用している視覚センサつまり視覚カメラ又は多眼カメラでは、（１）明暗の大きく異なる外の現場では適さないことと、（２）ピント合わせが必要でり、遠いものと近いものは同時に見られないこと等、距離精度（分解能）が距離により大きく異なること、等の問題があった。
【０００８】
また、上記視覚センサを用いた場合には、（３）画素数、カメラ距離が計測対象地形の形状の精度に関わること、（４）視覚センサによって得られた計測デーを基に画像処理を施すための処理時間に多くの時間を要すること、等の問題があった。
【０００９】
このように、上記公報２のものでは、ステレオ法により計測対象地形の形状を求めることができるものの、上述した（１）〜（４）の問題があった。
【００１０】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、正確で且つ高精度の地形形状を効率良く計測できる地形形状計測装置を提供することを第１の目的とする。
【００１１】
また、本発明は、正確で且つ高精度の地形形状を効率良く計測できると共に、この計測された地形形状データを基に建設機械の掘削作業に対しガイダンスを提示することができるガイダンス装置を提供することを第２の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段、作用および効果】
上記第１の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、作業機械（１０）に搭載され地形を計測する地形計測装置において、計測対象地形に対してレーザを照射し、計測点までの距離、当該計測点に対する水平角度及び垂直角度を検出するレーザ測距装置（３０）と、前記レーザ測距装置によって検出された検出データに基づいて前記計測対象地形の３次元位置データを求める地形座標計測手段（１１１）と、前記地形座標計測手段によって求められた３次元位置データを記憶する記憶手段（１１３）と、前記３次元位置データを出力可能な形式に変換する変換手段（１１１）と、前記変換手段によって変換された結果を出力する表示手段（１３０）とを具備したことを特徴とする。
【００１３】
この請求項１に係る発明では、地形座標計測手段が、レーザ測距装置によって検出された検出データに基づいて前記計測対象地形の３次元位置データを求めると、その３次元位置データは、記憶手段に記憶されると共に、変換手段によって出力可能な形式に変換されて表示手段に表示される。したがって、請求項１に係る発明によれば、予め現場を移動して地形形状を測量することなく、現況地形を示すデータや、完成地形を示すデータを得ることが可能である。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記レーザ測距装置（３０）に対して、計測の開始点および終了点、測距グリッドの粗さ、及び測距スピードを指示する指示手段（１２０）を更に具備したことを特徴とする。
【００１５】
この請求項２に係る発明では、レーザ測距装置が、指示手段によって指示された計測の開始点および終了点、測距グリッドの粗さ、及び測距スピードに基づいてレーザスキャンする。
【００１６】
また、請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記作業機械（１０）の車体の姿勢角を検出する姿勢角検出手段（２１１−１〜２１１−ｎ）と、前記作業機械の車体の絶対位置を検出する絶対位置検出手段（２１０）と、前記姿勢角検出手段および絶対位置検出手段によって検出された検出結果に基づいて、前記地形座標計測手段（１１１）によって求められた３次元位置データを絶対座標系における３次元位置データに変換する座標データ変換手段（１１１）とを更に具備したことを特徴とする。
【００１７】
この請求項３に係る発明では、座標データ変換手段が、姿勢角検出手段および絶対位置検出手段によって検出された検出結果に基づいて、地形座標計測手段によって求められた３次元位置データを絶対座標系における３次元位置データに変換する。したがって、請求項３に係る発明によれば、正確で且つ高精度の地形形状を効率良く計測することができ、しかも、予め現場を移動して地形形状を測量することなく、現況地形を示すデータや、完成地形を示すデータを得ることが可能である。
【００１８】
また、請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記計測対象地形の絶対座標系における３次元絶対位置が予め分かっている複数のポイントにリフレクタ（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）を配置すると共に、前記リフレクタからのレーザの反射強度と計測点からのレーザの反射強度との差を基に、前記レーザ測距装置の３次元絶対位置を演算する演算手段（１１１）と、前記演算手段によって演算された３次元絶対位置データを基に、前記地形座標計測手段によって求められた３次元位置データを絶対座標系における３次元位置データに変換する座標データ変換手段（１１１）とを更に具備したことを特徴とする。
【００１９】
この請求項４に係る発明では、演算手段が、リフレクタからの反射光を検出した検出結果を基にレーザ測距装置の３次元絶対位置を演算すると、座標データ変換手段が、演算手段によって演算された３次元絶対位置データを基に、地形座標計測手段によって求められた３次元位置データを絶対座標系における３次元位置データに変換する。したがって、請求項４に係る発明によれば、正確で且つ高精度の地形形状を効率良く計測することができ、しかも、予め現場を移動して地形形状を測量することなく、現況地形を示すデータや、完成地形を示すデータを得ることが可能である。
【００２０】
また、請求項５に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記計測対象地形を撮像する視覚カメラ（１６０）を更に具備し、前記視覚カメラによって撮像された計測エリアの実映像を前記表示手段（１３０）に表示するようにしたことを特徴とする。
【００２１】
この請求項５に係る発明によれば、視覚カメラによって撮像された画像をリアルタイム表示手段に表示することが可能となり、オペレータは、その画面表示された画像を見ながら、作業を実施することが可能となる。
【００２２】
さらに、請求項６に係る発明は、請求項１乃至５に係る発明のうちの何れかの発明において、前記作業機械は建設機械の掘削機（１０）であり、前記計測対象地形としての、前記建設機械の掘削機による掘削作業の掘削対象物、及び掘削した土砂の形状を計測するようにしたことを特徴とする。
【００２３】
また、上記第２の目的を達成するため、請求項７に係る発明は、建設機械の掘削機（１０）に搭載され、当該掘削機による掘削に関する作業をガイダンスするガイダンス装置において、掘削対象地形に関する掘削後の目標とする地形の形状を示す設計データを記憶する設計データ記憶手段（１１０）と、前記掘削対象地形に対してレーザを照射し、計測点までの距離、当該計測点に対する水平角度及び垂直角度を検出するレーザ測距装置（３０）と、前記レーザ測距装置によって検出された検出データに基づいて前記計測対象地形の３次元位置データを求める地形座標計測手段（１１１）と、前記地形座標計測手段によって求められた３次元位置データを記憶する記憶手段（１１３）と、前記３次元位置データを出力可能な形式に変換する変換手段（１１１）と、前記設計データに対応する図形と現況データに対応する図形とを表示すると共に、当該設計データと当該現況データとの差を認識可能な状態で表示する表示手段（１３０）とを具備し、前記表示手段に表示された前記設計データと前記現況データとの差に対応する部分を掘削すべき範囲である旨を提示するようにしたことを特徴とする。
【００２４】
この請求項７に係る発明では、表示手段に、設計データに対応する図形と現況データに対応する図形とが表示されるとともに、当該設計データと当該現況データとの差に対応する部分が掘削すべき範囲である旨として提示される。したがって、請求項７に係る発明によれば、オペレータは、設計データと現況データとの差に対応する部分を基に、掘削すべき範囲を容易に認識することができる。
【００２５】
また、請求項８に係る発明は、上記請求項７に係る発明において、絶対座標系における前記掘削機のバケットの刃先位置を求める刃先位置計測手段（３０、１１１）を更に具備し、前記刃先位置計測手段によって求められた刃先位置を示す表示情報を前記表示手段（１３０）に表示するようにしたことを特徴とする。
【００２６】
この請求項８に係る発明では、表示手段に、刃先位置計測手段によって求められた刃先位置を示す表示情報が表示される。したがって、請求項８に係る発明によれば、掘削機の刃先位置を示す表示情報を、現況データに対応する図形及び設計データに対応する図形と併せて表示手段に表示可能なため、設計データに対応する図形と刃先との位置関係がより一層明らかになり、オペレータの作業が効率的になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
この実施形態では、レーザ測距装置を建設機械の掘削機に搭載し、このレーザ測距装置によって、計測対象地形に対してレーザを照射しスキャンして、計測点までの距離、当該計測点に対する水平角度及び垂直角度を検出し、これらの検出データに基づいて前記計測対象地形の３次元位置データを求め、さらにこのデータを出力可能な形式に変換して表示する地形形状計測装置を想定している。
【００２９】
図１及び図２は、本発明に係る地形形状計測装置の原理を説明するための図を示している。
【００３０】
図１に示すように、例えば油圧ショベル等の建設機械の掘削機１０は運転室２０の屋根部分にレーザ測距装置３０を搭載している。このレーザ測距装置３０は、反射鏡等を設置しなくとも距離データが得られる、いわゆるノンリフレクタタイプのものであり、レーザ光Ｌを垂直方向および水平方向にスキャンすることができるようになっている。ここでは、レーザ測距装置３０は、作業現場４０における掘削対象地形４１に対してレーザ光Ｌをスキャンする。
【００３１】
ここで、スキャンの様子を図２に示す。この図２においては、図１の符号Ａ−Ａ断面（掘削対象地形４１におけるレーザ光が照射されている対象面）をレーザ測距装置３０（又は運転室２０）側から見た場合の様子を示している。また、同図２においては、記号「◯」は計測点を示しており、開始の位置を示す計測点から終了の位置を示す計測点まで矢印の方向にスキャンされていることが示されている。
【００３２】
レーザ測距装置３０では、上述したようなレーザ光のスキャンを実施して、レーザ測距装置３０の設置位置（具体的にはレーザ光を送受光する送受光部の位置）からの各計測点までの距離、水平角、垂直角および反射強度を検出する。
【００３３】
このようにして検出された検出データを基に座標変換することで、容易に、前方の物体（掘削対象地形４１）の各々の計測点におけるレーザ測距装置３０の設置位置を原点とした３次元座標を求めることができる。
【００３４】
図３は上記掘削機１０の構成図を示したものであり、この掘削機１０は、同図３に示すように、上記座標変換処理等の処理を実施するコンピュータ１１０と、各種の指令やデータ等を入力する操作部１２０と、コンピュータ１１０によって処理された結果等を表示するディスプレイ１３０と、ジョイスティック１４０とから構成されている。なお、これらの構成要素はバス１５０を介してそれぞれ接続されている。
【００３５】
コンピュータ１１０は、レーザ測距装置３０に対するレーザスキャン制御を実行すると共に、スキャンした結果得られるレーザ測距装置３０からの検出データ（各計測点までの距離、水平角、垂直角および反射強度）を取得して、保存、座標変換等の各種の処理を実行する制御部１１１と、レーザ測距装置３０からの検出データおよびレーザ測距装置３０の設置位置を原点とした３次元座標データを記憶する記憶部１１２と、絶対座標系における３次元座標データを記憶する記憶部１１３と、３次元三角メッシュ、鳥瞰図などの３Ｄ（３次元図形処理）モデルデータを記憶する記憶部１１４とから構成されている。なお、これらの構成要素はシステムバス１１５を介してそれぞれ接続されている。
【００３６】
この実施形態では、レーザ測距装置３０に対するレーザスキャン制御には、次の（１）〜（３）の３通りの方法が含まれている。
【００３７】
（１）水平角α１度および垂直角β１度から計測を開始して、水平角α２度および垂直角β２度まででレーザスキャンを終了する旨、すなわち計測の開始点から終了点までのレーザスキャンの範囲（図２参照）を予めプログラミングしたプログラム（ソフトウェア）を図示しない記憶部に記憶しておく。そして、オペレータにより操作部１２０の計測開始スイッチが操作されたときに、制御部１１１が、この記憶部からこのソフトウェアを読み出して実行することにより、レーザ測距装置３０を制御する。
【００３８】
（２）オペレータが計測開始前に操作部１２０を操作して、水平角α１度および垂直角β１度から計測を開始して、水平角α２度および垂直角β２度まででレーザスキャンを終了する旨を指定するようにすると共に、これらの指定された内容を図示しない記憶部に記憶しておく。そして、オペレータにより操作部１２０の計測開始スイッチが操作されたときに、制御部１１１が、この記憶部から指定された内容のデータを読み出して実行することにより、レーザ測距装置３０を制御する。
【００３９】
（３）レーザ測距装置３０上にテレビカメラ等の視覚カメラ１６０を搭載し（図１参照）、この視覚カメラ１６０によって撮像された画像をコンピュータ１１０を通してディスプレイ１３０に表示する。これにより掘削対象地形４１の画像（カメラ画像）をリアルタイムでディスプレイ１３０上に表示することができるので、オペレータは、そのディスプレイ表示された画像を見ながら、開始点、終了点を指示する。このとき、レーザ測距装置３０及び視覚カメラ１６０が、オペレータ席上に設けられたジョイスティック１４０によって、水平方向および垂直方向に移動可能なものとしても良い。
【００４０】
また、計測点のピッチ間隔や、計測時間については、予め設定されたものを採用するようにしても良いし、オペレータの操作により操作部１２０から指定されたものを採用するようにしても良い。いずれの場合も、計測点のピッチ間隔および計測時間を示すデータは、コンピュータ１１０内の図示しない記憶部に記憶される。そして、制御部１１１がこの記憶部の記憶内容に基づいてレーザ測距装置３０に対してレーザスキャン制御する。
【００４１】
ところで、レーザ測距装置３０からの検出データ（各計測点までの距離、水平角、垂直角および反射強度）を基にして求まる３次元座標は、レーザ測距装置３０の設置位置を原点としたものであるので、この３次元座標を絶対座標系の座標に変換する必要がある。
【００４２】
そこで、本実施形態では、図４に示すように、掘削対象地形４１における予め測量等によって絶対座標（３次元絶対座標）の分かっている複数の地点（例えば３つの地点）に、リフレクタ（例えばリフレクタＲ１、Ｒ２、Ｒ３）を配置するようにしている。
【００４３】
これらのリフレクタＲ１、Ｒ２、Ｒ３に対してレーザ測距装置３０からレーザ光を照射した場合には、これら各リフレクタＲ１、Ｒ２、Ｒ３は、自然物からの反射強度を超える値の反射光（レーザ光）を返すでの、レーザ測距装置３０は、リフレクタからの反射光を受光することで、容易にその計測点を抽出することができる。これにより、絶対座標とレーザ測距装置３０の設置位置を原点とした座標との関係を求めることができ、この関係により、スキャンした各計測点の３次元座標を絶対座標系における３次元座標に変換することができる。
【００４４】
すなわち、各計測点に関して、距離をｒ、信号受光強度をｓ、水平角をψ、垂直角をθとした場合に、計測点のデカルト座標（ｘ、ｙ、ｚ、）は、３次元空間の直角座標−球面座標の座標変換により、次式（１）で表される。
【００４５】
ｘ＝ｒ＊ｓｉｎθ＊ｃｏｓψ
ｙ＝ｒ＊ｓｉｎθ＊ｓｉｎψ
ｚ＝ｒ＊ｃｏｓθ
・・・（１）
なお、式（１）において、＊は積を表すものとする（後述する式においても同様とする）。
【００４６】
つぎに、絶対座標とレーザ測距装置３０の設置位置を原点とした座標との座標変換について説明する。
【００４７】
リフレクタの置いた例えば３つの地点における絶対座標点Ａ、Ｂ、Ｃが、次式（２）で表されるものとする。
【００４８】
Ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）
Ｂ（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）
Ｃ（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）
・・・（２）
これらの地点におけるレーザ測距装置３０によって求められた座標位置としての点ａ、点ｂ、点ｃでの座標が、次式（３）で表されるものとする。
【００４９】
ａ（ｘ１，ｙ１，ｚ１）
ｂ（ｘ２，ｙ２，ｚ２）
ｃ（ｘ３，ｙ３，ｚ３）
・・・（３）
変換マトリクスＧは、次式（４）の連立方程式を解くことで求めることができる。
【００５０】
Ａ＝Ｇ＊ａ
Ｂ＝Ｇ＊ｂ
Ｃ＝Ｇ＊ｃ
・・・（４）
この変換マトリクスＧが求まると、任意の計測点ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）に対する絶対座標Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、次式（５）で表すことができる。
【００５１】
Ｐ＝Ｇ＊ｐ ・・・（５）
すなわち、制御部１１１は、記憶部１１２に記憶されている３次元座標データ（レーザ測距装置３０の設置位置を原点とした座標の座標データ）を、上記式（５）を演算して、絶対座標系における３次元座標データに変換して、記憶部１１３に格納する。
【００５２】
また、制御部１１１は、このようにして演算した３次元座標データを、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）ソフトウェアを実行して演算処理することで、３次元三角メッシュ、鳥瞰図などの３Ｄ（３次元図形処理）モデルデータを作成して、記憶部１１４に格納する。これにより、施工前、施工中、施工後の３Ｄモデルが得られる。また、３Ｄモデルをディスプレイ１３０に表示することで、例えば施工前の３Ｄモデルと施工中の３Ｄモデルとの差を示す値（数字）を見ながらの施工が可能となる。ディスプレイ１３０には、３Ｄモデルの表示と併せて、施工計画データに対応する地形図形（施工計画図形）を表示することもできる。
【００５３】
さらに、制御部１１１は、作成した３Ｄモデルのデータを基に、その地形の断面形状を求めることができると共に、その地形の表面積計算あるいは体積計算を実行することができ、さらには、前日のデータと本日のデータとを比較することによって、本日の土工量を求めることができる。これらのデータは、全てディジタルデータとして管理可能である。
【００５４】
なお、上述した実施形態では、掘削対象地形４１の近傍にリフレクタを設置するようにしているが、本発明は、これに限定されることなく、例えば堤防等の法面や広範囲な地形など、レーザスキャン範囲を複数に分けて実施する必要のある広範囲な地形（計測対象地形）の地形データ（３次元座標データ）を求める場合にも適用することができる。
【００５５】
すなわち、上記広範囲な地形においてはレーザスキャン範囲を複数に分ける必要があるが、この場合、レーザスキャン範囲を決定するに際し、お互いに隣接するレーザスキャン範囲に任意のリフレクタが含まれるようにする。つまり、任意のリフレクタを共通のリフレクタとする。そして、各々のレーザスキャン範囲においてレーザスキャンすることで求められる複数の３次元座標データを合成するときに、共通の任意のリフレクタが設置されている地点を重ね合わせることによって、連続的な３次元座標データ（地形データ）を得ることができる。
【００５６】
また、この実施形態では、掘削対象地形あるいは計測対象地形にリフレクタを設置して３次元絶対座標を求めるようにしているが、本発明は、これに限定されることなく、建設機械の掘削機等の車体にＧＰＳ（全地球測位システム）および姿勢角検出手段を搭載し、これらの手段からの出力データを基に３次元絶対座標を求めるようにしても良い。
【００５７】
この場合の掘削機１０の構成を図５及び図６に示す。
【００５８】
図５において、掘削機１０は、図１に示した掘削機１０の構成において、掘削機１０内に設けられる複数（ｎ個：ｎは整数）の位置計測センサ２１０と、掘削機１０の車体上に、前記各センサ２１０に対応して設けられる複数のＧＰＳアンテナ２１１−１、２１１−２、・・・、２１１−ｎ（ｎは整数）とを追加した構成になっている。なお、同図５において、図１に示した構成要素と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付すものとする。
【００５９】
ここで、複数のＧＰＳアンテナ２１１−１、２１１−２、・・・、２１１−ｎは、姿勢角検出手段として機能する。
【００６０】
各位置計測センサ２１０は、掘削機１０の３次元位置を検出するもので、この場合は、ＧＰＳ受信機を用いるようにしている。各ＧＰＳ受信機による３次元座標データは、ＧＰＳアンテナ２１１−１、２１１−２、・・・、２１１−ｎを介して入力される。そして、コンピュータ１１０（の制御部１１１）は、これらＧＰＳアンテナ２１１−１、２１１−２、・・・、２１１−ｎからの３次元座標データ、すなわち、各々のＧＰＳアンテナの設置位置（ＧＰＳアンテナ点）を基準とした３次元座標データを基に、車両の姿勢角を演算する。
【００６１】
ここで、ＧＰＳ（位置計測センサ２１０）を用いた場合の絶対座標の求め方について説明する。
【００６２】
ＧＰＳアンテナ点とレーザ測距装置３０の設置位置との間に座標ｐｏｆｆ（ｘｏｆｆ，ｙｏｆｆ，ｚｏｆｆ）の関係があるものとすると、任意の計測点の座標ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）に対する絶対座標Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、次式（６）で表すことができる。
【００６３】
Ｐ＝ｐ＋ｐｏｆｆ ・・・（６）
このようにして、レーザ測距装置３０の設置位置の原点における座標と絶対座標系との対応付けができるので、各計測点の絶対座標を求めることができる。
【００６４】
また、図６において、掘削機１０は、図５に示した掘削機１０の構成において、複数のＧＰＳアンテナ２１１−１、２１１−２、・・・、２１１−ｎを削除し、ＧＰＳアンテナ２１１と、回転角検出センサ２２０とを追加した構成になっている。なお、同図６において、図５に示した構成要と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付すものとする。
【００６５】
ここで、回転角検出センサ２２０は姿勢角検出手段として機能する。
【００６６】
回転角検出センサ２２０は、例えば、掘削機１０の車体のヨー方向の回転角を検出するヨーレイトジャイロ（あるいは角度センサ）と、車体のピッチング角およびローリング角を検出する２つの傾斜計から構成され、これらの検出結果に基づき車体３方向の回転角、すなわち姿勢を検出する。つまり、回転角検出センサ２２０からは、絶対座標系（Ｘ０−Ｙ０−Ｚ０）に対する車体座標系（Ｘ１−Ｙ１−Ｚ１）の回転角を表す車体の回転角（ＲＸ０−ＲＹ０−ＲＺ０）が出力される。
【００６７】
この場合の各計測点の絶対座標も、上記式（６）を演算することにより求めることができる。
【００６８】
また、上記実施形態では、３次元三角メッシュ、鳥瞰図などの３Ｄ（３次元図形処理）モデルを、掘削機１０の運転室２０内に設けられたディスプレイ１３０に表示することにより、３Ｄモデルをオペレータに提示するようにしているが、本発明は、これに限定されることなく、３Ｄモデルデータを配信するようにしても良い。
【００６９】
この場合は、図７に示すように、掘削機１０内のコンピュータ１０から、３Ｄモデルデータを、送受信アンテナ３１０を介して工事、施工等を管理する事務所３２０へ送信する。事務所３２０では、記憶部３２１Ａ及びディスプレイ３２１Ｂを有するコンピュータ３２１が、送受信アンテナ３２２を介して受信した３Ｄモデルデータを記憶部３２１Ａに格納すると共に、その３Ｄモデルをディスプレイ３２１Ｂに表示させる。これにより、事務所３２０内の工事、施工等の管理者は、ディスプレイ表示された３Ｄモデルを見て、作業の進捗状況を把握することができる。
【００７０】
勿論、３Ｄモデルを、事務所３２０内のディスプレイ３２１Ｂおよび掘削機１０内のディスプレイ１３０に表示するようにしても良い。
【００７１】
また、上記実施形態では、レーザ測距装置３０及び視覚カメラ１６０を掘削機１０の運転席２０の屋根部分に設けるようにしているが、本発明は、これに限定されることなく、レーザ測距装置３０及び視覚カメラ１６０を、レーザ測距装置３０にあっては掘削対象地形４１をレーザスキャンできるような掘削機１０における位置に、また視覚カメラ１６０にあっては掘削対象地形４１を撮像できるような掘削機１０における位置に配置可能であれば、その配置位置は問わない。
【００７２】
例えば、レーザ測距装置３０及び視覚カメラ１６０を、掘削機１０のブームの部分に配置するようにしても良い。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態によれば、正確で且つ高精度の地形形状を効率良く計測することができる。しかも、予め現場を移動して地形形状を測量することなく、現況地形を示すデータ、完成地形を示すデータを得ることが可能である。さらに、これらのデータはそのままディジタル施工データとして保存可能であるので、それらのデータの２次利用が容易に可能となる。
【００７４】
また、本実施形態によれば、視覚カメラによって撮像された画像をリアルタイムでコンピュータ１１０を通してディスプレイ１３０に表示するようにしているので、オペレータは、そのディスプレイ表示された画像を見ながら、開始点、終了点を指示することができる。
【００７５】
［第２の実施の形態］
第２の実施形態では、第１の実施形態で示した掘削機１０を適用した、地形データを基に建設機械の掘削作業に対しガイダンスを提示することができるガイダンス装置を想定している。
【００７６】
なお、第２の実施形態においては、ガイダンス装置は、図３に示した第１の実施形態の掘削機１０の構成と同様であるものとする。また、ガイダンス装置では、３次元絶対座標、３Ｄモデルを求める処理は第１の実施形態の場合と同様にして求めることができるものとし、さらに、これらの処理により求められたデータをガイダンス装置から事務所へ送信することができるものとする（図７参照）。
【００７７】
ここでは、図７に示したシステム構成であるものとして説明し、この場合は、掘削機１０は、ガイダンス装置としての機能を有するものとする。
【００７８】
次に、この実施形態における掘削機１０による施工処理について、図８を参照して説明する。
【００７９】
最初に、事務所３２０のコンピュータ３２１の記憶部３２１Ａに保存されている、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）で作成された所望の施工計画データを、コンピュータ３２１から、これとコンピュータ１１０との間で形成される無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）を介して掘削機１０のコンピュータ１１０にダウンロードしておく。すなわち、コンピュータ１１０は、コンピュータ３２１、送受信アンテナ３２２と送受信アンテナ３１０との間で形成される無線ＬＡＮを介して受信した施工計画データを取得して、自己の図示しない記憶部に格納する（ステップＳ１０１）。
【００８０】
なお、この場合、施工計画データをメモリカード等の記憶媒体を通してコンピュータ１１０にダウンロードするようにしても良い。また、施工計画図が修正される度に、上記無線ＬＡＮまたは図示しないインターネット網を通して、コンピュータ１１０の図示しない記憶部に記憶されている施工計画図を適宜更新するようにしても良い。
【００８１】
上述したようにして施工計画データを取得した掘削機１０では、掘削開始前に、掘削対象地形に対してのレーザ測距装置３０によるレーザスキャンを実施して地形の形状を計測すると共に、コンピュータ１１０によって、計測点の３次元座標（レーザ測距装置３０の設置位置を原点とする座標）、３次元絶対座標および３Ｄモデルを、上述した第１の実施形態の場合と同様にして求め、この求めた３次元絶対座標データ（あるいは３Ｄモデルデータ）を現況データとする（ステップＳ１０２）。
【００８２】
この現況データは、ディスプレイ１３０に表示可能な地形データとして用いられる。この地形データ（現況データ）に基づく地形図形と、施工計画データに基づく施工計画図形とを重ね合わせてディスプレイ表示することにより、どこを掘削しなければならないかが明確になる。これにより、丁張り作業が不必要となり、丁張りレス施工が可能となる。
【００８３】
なお、この場合、地形図形と施工計画図形についての描画する線の種類や、線の色を異なるようにすることで、掘削範囲が明確となる。また、必要に応じて、ディスプレイ１３０上に、例えば地形図形に加えて仮想丁張りを示すようにしても良い。要するに、掘削作業をするに際し、オペレータの助けとなるように、掘削範囲が分かるような指示が、ディスプレイ１３０に表示（提示）されていれば良い。
【００８４】
このようにして掘削範囲が明確となったならば、オペレータは、掘削機１０を操作して、掘削作業を実施する（ステップＳ１０３）。
【００８５】
この第２の実施形態においては、掘削機１０による掘削作業中も、定期的（一定時間毎）にレーザ測距装置３０による掘削対象地形のレーザスキャンを実施するように設定しているので、コンピュータ１１０は、定期的に、レーザ測距装置３０に対するレーザスキャン制御を実施すると共に、このレーザスキャンされた結果に基づいて現況データ（地形データ）を取得し、さらに、この現況データ（地形データ）に基づく地形図形を、たとえば施工計画図形に重ね合わせてディスプレイ１３０に表示させるように制御する。
【００８６】
さて、掘削機１０のコンピュータ１１０は、掘削中に、掘削対象地形を計測する必要があるか否か（一定時間に達したか否か）を判断し（ステップＳ１０４）、一定時間に達して計測する必要があると判断した場合は、上述したようにして現況データを取得する（ステップＳ１０５）。
【００８７】
ステップＳ１０５を終了した場合、ステップＳ１０４において計測する必要が無いと判断した場合、コンピュータ１１０は、取得した現況データ（地形データ）に基づく地形図形と、施工計画データに基づく施工計画図形と重ね合わせてディスプレイ１３０に表示させる（ステップＳ１０７）。
【００８８】
ここで、ディスプレイ１３０は、３次元で表現するものの他、３面図によって表現するもの、任意の断面形状を表示できるもの、指定部分を拡大縮小、回転等自由に編集可能なものとする。
【００８９】
このように、掘削中も、適宜、現況データを計測してディスプレイ１３０に、地形図形と施工計画図形（目標値）との差を表示するようにすることで、オペレータはこのディスプレイ表示された表示内容を見ることで、所望の形状になるように掘削作業操作を実施することができる。
【００９０】
そして、オペレータは、ディスプレイ表示されてた表示内容を基に、地形図形（現況データ）と施工計画図形（施工計画データ＝目標値）との差は所定レベルであるか否か（地形図形と施工計画図形との差が予め設定された許容範囲内にあるか否か）を判断する（ステップＳ１０７）。
【００９１】
ここで、地形図形と施工計画図形との差は、その差を数字で表示するようにしても良いし、その差に応じた階調に対応する色で表示するようにしても良いし、あるいは、その差によっては音声により注意を促すようにしても良い。
【００９２】
その差が、所定レベルに達していない場合には、上記ステップＳ１０３に戻り、このステップ以降が実行され、一方、所定レベルに達した場合は、掘削作業は終了される。
【００９３】
なお、この第２の実施形態においては、例えばステップＳ１０２が終了した後に、未熟練のオペレータのために、ディスプレイ１３０に現況データに基づく地形図形を表示すると共に施工手順を示す旨の文章を表示したり、又は地形図形の表示に加えて、施工手順を示す旨を音声によって教示するようにしても良い。その施工手順を示す旨は、掘削機１０の図示しないコントローラあるいはコンピュータ１１０に知識データベースとして蓄積していても良いし、事務所３２０から指示を与える形でも良い。
【００９４】
また、第２の実施形態においては、掘削機１０のブーム、アームおよびバケットの各回動部分に回転角センサを設け、コンピュータ１１０は、これらの回転角センサからの検出結果を基に掘削機１０の刃先位置を検出して、ディスプレイ１３０にその刃先位置を示す表示情報を、地形図形（現況データ）及び施工計画図形と併せてディスプレイ１３０に表示するようにしても良い。これにより、施工計画図形すなわち目標位置と刃先との位置関係がより一層明らかになり、オペレータの作業が効率的になる。
【００９５】
この場合、刃先位置を求めるには、上述した各回転角センサからの検出結果（回転角）を基に演算すれば求まる。また、上記図５又は図６を用いて説明したようなＧＰＳ及び姿勢角検出センサを併用すれば、絶対座標系におけるバケット刃先位置を求めることができ、より精度の良い表示が可能となる。さらに、図４に示したように掘削対象地形４１に複数のリフレクタを配置しておき、レーザ測距装置３０によって掘削機１０の刃先およびリフレクタをレーザスキャンする。そして、制御部１１１が、リフレクタからの反射光を検出した検出結果を基にレーザ測距装置３０の３次元絶対位置を演算すると共に、該３次元絶対位置データを基に、掘削機１０の刃先の位置に対応する３次元位置データを絶対座標系における３次元位置データに変換する。
【００９６】
さらに、第２の実施形態においては、作業が翌日に亘る、あるいは、途中で作業を中断し、掘削機１０が停止した状態になっても、計測データ、現況データ（３次元絶対座標データあるいは３Ｄモデルデータ）、施工計画データ、および刃先位置データ等の最新データは、不揮発性メモリあるいはディスク等の記憶媒体に保存されており、かってに失われることなく、次回、起動時に自動的に読み込まれるようになっている。また、適宜、掘削機１０のコンピュータ１１０から事務所３２０のコンピュータ３２１へ例えば無線ＬＡＮを通してデータ配信して、コンピュータ３２１にも最新データを保存するようにしても良い。
【００９７】
以上説明したように、第２の実施形態によれば、正確で且つ高精度の地形形状を効率良く計測できると共に、この計測された地形形状データを基に建設機械の掘削作業に対しガイダンスを提示することができる。
【００９８】
しかも、掘削範囲がディスプレイ上に表示されることから、丁張りレス施工が可能となり、従来の丁張りの施設、修正に要する時間が不要となる。さらに、施工の適切な指示が、ディスプレイ上に表示されるので、未熟なオペレータでも施工が可能となる。
【００９９】
また、第２の実施形態によれば、掘削機の刃先位置を示す表示情報を、地形図形（現況データ）及び施工計画図形と併せてディスプレイ１３０に表示可能なため、施工計画図形すなわち目標位置と刃先との位置関係がより一層明らかになり、オペレータの作業が効率的になる。
【０１００】
［第３の実施の形態］
この第３の実施形態では、掘削エリアをオペレータのみならず、周りの作業者にも指し示すために、夜間にレーザ光線を素早く投射することにより文字や絵を映し出すレーザイルミネーション技術を利用したガイダンス装置を想定している。
【０１０１】
このガイダンス装置は、上記第１の実施形態で示した掘削機１０または上記第２の実施形態で示したガイダンス装置（掘削機１０）の機能に加えて、レーザイルミネーション技術を採用した、レーザ光線を投射する機能を有するものであっても良いし、従来の掘削機が有する機能に、上記レーザ光線を投射する機能を有するようにしたものでも良い。
【０１０２】
この第３の実施形態においては、ガイダンス装置は、図３に示した第１の実施形態の掘削機１０の構成に、図示しないレーザ投光機（可視光レーザ投光機）が搭載された構成になっている。このレーザ投光機は、掘削機１０のたとえば運転席２０の屋根部分に搭載している。
【０１０３】
コンピュータ１１０は、オペレータが例えば操作部１２０（図３参照）を操作して設定したレーザ投光機により投光（照射）すべき投光位置を示すデータを記憶部に記憶すると共に、この投光位置を示すデータを基にレーザ投光機のレーザスキャンを制御する。
【０１０４】
このレーザスキャン制御によるガイダンスとしては、（１）レーザ投光機によって掘削対象地形における一点を指し示し、そこを掘削する、（２）レーザ投光機によって掘削対象地形において直線をスキャンさせることで、そのラインに沿っての掘削を指示する、等のガイダンスが含まれている。勿論、（１）及び（２）の何れかのガイダンスのみを行うようにしても良い。
【０１０５】
また、コンピュータ１１０が四角形に対応する投光位置データに基づくレーザ投光機に対するレーザスキャン制御を実施することで、レーザ投光機がレーザ光を四角形のラインを形成するようにスキャンすることによって、その四角形は、作業エリアなので、近づいては行けないということを、周りにいる作業員に知らせることができる。これは、特に夜間工事など視界性が悪い場合に、非常に有効となる。
【０１０６】
なお、第３の実施形態においては、上記図５又は図６を用いて説明したようなＧＰＳ及び姿勢角検出センサに加えて、レーザ投光機からのレーザ光の発射角を検出する投光機発射角センサを設けるようにしても良い。これによって、各センサからのセンサ検出データを基に絶対座標系におけるエリア（掘削エリア）を指示することが可能となり、これを操作部１２０（図３参照）を操作して指示すれば良い。
【０１０７】
以上説明したように第３の実施形態によれば、オペレータはレーザ投光機によって示される領域（例えば一点や直線）に従って掘削作業を実施するようにすれば良いので、作業効率を向上させることが可能となる。
【０１０８】
また、レーザ投光機によって示される領域（例えば四角形）については、作業領域であることを報知することができ、夜間工事など視界性が悪い場合に、安全性の観点から非常に有効となる。
【０１０９】
［第４の実施の形態］
この第４の実施形態では、掘削機の周囲に存在する対象物や人に対する安全面（安全性）を考慮したガイダンス装置を想定している。
【０１１０】
このガイダンス装置は、上記第１の実施形態で示した掘削機１０、または上記第２又は第３の実施形態で示したガイダンス装置（掘削機１０）の機能に加えて、後述する安全面（安全性）を考慮した安全対策機能を有するものであっても良いし、従来の掘削機が有する機能に、上記安全対策機能を有するようにしたものでも良い。
【０１１１】
この第４の実施形態においては、ガイダンス装置は、図３に示した第１の実施形態の掘削機１０の構成に、安全対策機能が追加された構成になっている。
【０１１２】
ここで、安全対策機能について説明する。
【０１１３】
反射テープ等のリフレクタを貼った作業着を作業員が着たり、そのリフレクタを資材等の対象物に貼り、当該人や対象物が掘削対象地形のエリア内に存在する場合に、レーザ測距装置３０（図３参照）がレーザスキャンしたときは、前記リフレクタにレーザ光が照射されることとなる。この場合、上記第１の実施形態で説明したように、リフレクタは自然界ではあり得ない反射強度のレーザ光（反射光）を返す。
【０１１４】
なお、測距のポイントを細かくとることによってリフレクタの形状が判別可能となるので、反射テープの大きさ、形状を各種に変えることにより、人の判別や、資材等の対象物の判別に使用することができる。例えば、リフレクタを三角形の形状のものと、四角形の形状のものを用意し、一方のものを作業員が着る作業着に貼り、他方のものを対象物に貼ることで、人の判別や、資材等の対象物の判別が可能となる。
【０１１５】
さて、レーザ測距装置３０は、上記リフレクタからのレーザ光（反射光）を検出すると、そのリフレクタの配置点からの距離、信号受光強度、水平角、垂直角をそれぞれ示すデータをコンピュータ１１０に送出する。
【０１１６】
コンピュータ１１０（図３参照）では、レーザ測距装置３０からの検出データを基に、リフレクタの配置点の３次元座標を求めることができるので、掘削対象地形のエリア内に人や対象物が存在していることを判断することができる。この場合、コンピュータ１１０はリフレクタの形状を認識することにより、人なのかあるいは資材等の対象物なのかを判別することが可能となる。
【０１１７】
そして、コンピュータ１１０は、掘削機１０の作業範囲内（掘削対象地形のエリア内）に、人及び物の危険物を認識すると、その旨をオペレータに報知（警報）すると共に掘削機１０の周囲に存在する人に報知（警報）する。
【０１１８】
例えば、オペレータに対しては、運転室１０内に設けられる警報ランプの点灯や、警報音を発したり、あるいはディスプレイ１３０にその旨を提示することで、危険である旨を報知する。これに対し、掘削機１０の周囲に存在する人に対しては、掘削機１０の周囲に設けられる警告ランプの点灯や警告音を発することでき、危険である旨を報知する。
【０１１９】
以上説明したように第４の実施形態によれば、オペレータおよび掘削機１０の周囲に存在する人は、お互いに、危険で有る旨を認識することができ、よって安全性に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の地形形状計測装置の原理を説明するための図である。
【図２】本発明の地形形状計測装置の原理を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る地形形状計測装置の構成を示す構成図である。
【図４】第１の実施形態での絶対座標系における絶対座標を求めるために採用されるリフレクタを説明するための図である。
【図５】第１の実施形態におけるＧＰＳ（全地球測位システム）及び姿勢角検出手段を有する地形形状計測装置の構成を示す構成図である。
【図６】第１の実施形態におけるＧＰＳ（全地球測位システム）及び姿勢角検出手段を有する他の地形形状計測装置の構成を示す構成図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るガイダンス装置の一例を示すシステム構成図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るガイダンス装置の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 掘削機
３０ レーザ測距装置
１１０、３２１ コンピュータ
１２０ 操作部
１３０ ディスプレイ
１４０ ジョイスティック
１６０ 視覚カメラ
２１０ 位置計測センサ
２１１、２１１−１〜２１１−ｎ ＧＰＳアンテナ
２２０ 回転角検出センサ
３１０、３２２ 送受信アンテナ
３２０ 事務所
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ リフレクタ

Claims (8)

1. 作業機械（１０）に搭載され地形を計測する地形計測装置において、
   計測対象地形に対してレーザを照射し、計測点までの距離、当該計測点に対する水平角度及び垂直角度を検出するレーザ測距装置（３０）と、
   前記レーザ測距装置によって検出された検出データに基づいて前記計測対象地形の３次元位置データを求める地形座標計測手段（１１１）と、
   前記地形座標計測手段によって求められた３次元位置データを記憶する記憶手段（１１３）と、
   前記３次元位置データを演算処理することによって３次元図形処理モデルデータを作成する変換手段（１１１）と、
   前記変換手段によって変換された３次元図形処理モデルデータに基づく３次元図形処理モデルを表示する表示手段（１３０）と
   を具備したことを特徴とする地形形状計測装置。
2. 前記レーザ測距装置（３０）に対して、計測の開始点および終了点、測距グリッドの粗さ、及び測距スピードを指示する指示手段（１２０）を更に具備したことを特徴とする請求項１記載の地形形状計測装置。
3. 前記作業機械（１０）の車体の姿勢角を検出する姿勢角検出手段（２１１−１〜２１１−ｎ）と、
   前記作業機械の車体の絶対位置を検出する絶対位置検出手段（２１０）と、
   前記姿勢角検出手段および絶対位置検出手段によって検出された検出結果に基づいて、前記地形座標計測手段（１１１）によって求められた３次元位置データを絶対座標系における３次元位置データに変換する座標データ変換手段（１１１）と
   を更に具備したことを特徴とする請求項１記載の地形形状計測装置。
4. 前記計測対象地形の絶対座標系における３次元絶対位置が予め分かっている複数のポイントに、自然物からの反射強度を超える値の反射光を返し得るリフレクタ（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）を配置すると共に、
   前記リフレクタからのレーザの反射強度と、自然物からのレーザの反射強度との差に基づいて、リフレクタからの反射光に基づく計測点を抽出し、抽出された計測点の位置データに基づいて、前記レーザ測距装置の３次元絶対位置を演算する演算手段（１１１）と、
   前記演算手段によって演算された３次元絶対位置データを基に、前記地形座標計測手段によって求められた３次元位置データを絶対座標系における３次元位置データに変換する座標データ変換手段（１１１）と
   を更に具備したことを特徴とする請求項１記載の地形形状計測装置。
5. 前記計測対象地形を撮像する視覚カメラ（１６０）を更に具備し、
   前記視覚カメラによって撮像された計測エリアの実映像を前記表示手段（１３０）に表示するようにしたこと
   を特徴とする請求項１記載の地形形状計測装置。
6. 前記作業機械は建設機械の掘削機（１０）であり、
   前記計測対象地形としての、前記建設機械の掘削機による掘削作業の掘削対象物を計測するようにした
   ことを特徴とする請求項１乃至５のうちの何れかの項記載の地形形状計測装置。
7. 建設機械の掘削機（１０）に搭載され、当該掘削機による掘削に関する作業をガイダンスするガイダンス装置において、
   掘削対象地形に関する掘削後の目標とする地形の形状を示す設計データを記憶する設計データ記憶手段（１１０）と、
   前記掘削対象地形に対してレーザを照射し、計測点までの距離、当該計測点に対する水平角度及び垂直角度を検出するレーザ測距装置（３０）と、
   前記レーザ測距装置によって検出された検出データに基づいて前記計測対象地形の３次元位置データを求める地形座標計測手段（１１１）と、
   前記地形座標計測手段によって求められた３次元位置データを記憶する記憶手段（１１３）と、
   前記３次元位置データを演算処理することによって３次元図形処理モデルデータを作成する変換手段（１１１）と、
   前記３次元図形処理モデルデータを現況データとし、前記設計データに対応する図形と前記現況データに対応する図形とを表示すると共に、当該設計データと当該現況データとの差を認識可能な状態で表示する表示手段（１３０）と
   を具備し、前記表示手段に表示された前記設計データと前記現況データとの差に対応する部分を掘削すべき範囲である旨を提示するようにしたことを特徴とするガイダンス装置。
8. 絶対座標系における前記掘削機のバケットの刃先位置を求める刃先位置計測手段（３０、１１１）を更に具備し、
   前記刃先位置計測手段によって求められた刃先位置を示す表示情報を前記表示手段（１３０）に表示するようにした
   ことを特徴とする請求項７記載のガイダンス装置。

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