JP4800497B2 - 土工現場における物体を表示するための方法および装置 - Google Patents

土工現場における物体を表示するための方法および装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に、土工作業の現場における物体を表示するための方法および装置に関し、より詳細には、土工用具を基準とした地下の物体の場所を示すための方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
掘削機、バックホウ、フロントショベルの類のような土工機械は広く多様な作業を遂行するために使用される。例えば、土工機械は、土台掘削、公益事業設備の設置および整備、溝掘削、水路浚渫、造園作業の遂行、および多くの他の仕事を達成するために使用される。
【0003】
土工機械の多彩な用途およびそれらを使用するのに付随する費用のせいで、作業を一層効率的に、更に生産性のあるものに、操作者にとって一層骨折りの少ないものに、そしてより正確なものにするため、技術的な改良および新機軸の採用に対する大いなる必要性が生じてきた。例えば、地域地図データおよびGPSなどの位置決定システムを使用して、土工機械の操作者に対して作業している地域、作業が遂行されるときの機械および土工用具、およびその地域に対してなされている変更、の表示を、全てリアル・タイムにもたらすことができる。土工機械に使用されている表示技術の例には、ヘンダーソン他に対する米国特許第5,864,060号、サーム他に対する米国特許第5,438,771号、サーム他に対する米国特許第5,404,661号、および、グダット他に対する米国特許第5,631,658号が含まれる。
【0004】
しかしながら、土工作業に付随する主要な問題であり、また上述の参考資料によって取扱われてはいない問題は、ユーティリティ・ライン、ガス・パイプラインの類の、既存地下物体の存在である。現行では、地下物体の損傷を回避するため、土工機械の操作者は、場所標識、地図、および推測作業に依存しなければならない。地下物体の推測場所に土工機械が接近すると頻繁に、操作者は停止して、別の作業者が注意して手でそれから先を掘ることができるようにしなければならない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
土工機械の操作者に、土工用具を基準にした全既知地下物体の場所についての表示を、好ましくはディスプレイ上に提供することによって、地下物体の損傷を最小限にしながら、人手による労働手段に頼ることなく生産性および効率を増大できることが望まれる。また、土工機械の操作者に対して土工用具を基準にした地下物体の表示を提供し、そのことによって用具および物体の場所を求めるときに入り込む誤差を補償することが望まれる。
本発明は、上に説明したような問題の1つあるいはそれれ以上を克服せんとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の1つの態様にあっては、土工現場における物体の場所を表示するための方法が開示される。この方法は、土工現場における土工用具の地理座標における場所を求める段階と、物体の地理座標における場所を求める段階と、土工現場の平面図および側面図を有するディスプレイ上に土工用具および物体を表示する段階と、土工用具を基準にして平面図において関心対象の外周を選択する段階と、関心対象の外周によって区画される物体の部分の座標を求める段階と、物体の部分の三次元画像を、関心対象の外周の関数として側面図に表示する段階と、を含む。
【0007】
本発明の別の態様にあっては、土工現場における物体の場所を表示するための方法が開示される。この方法は、土工現場における土工用具の地理座標における場所を求める段階と、物体の地理座標における場所を求める段階と、土工現場の平面図および側面図を有するディスプレイ上に土工用具および物体を表示する段階と、物体の不確実性領域を少なくとも1つのパラメータの関数として求める段階と、物体の画像の側面図を不確実性領域の関数として拡大する段階と、を含む。
【0008】
本発明の、まだ別の態様にあっては、土工現場における物体の場所を表示するための方法が開示される。この方法は、土工現場における土工用具の地理座標における場所を求める段階と、物体の地理座標における場所を求める段階と、土工現場の平面図および側面図を有するディスプレイ上に土工用具および物体を表示する段階と、土工用具を基準にして平面図における関心対象の外周を選択する段階と、関心対象の外周によって区画される物体の部分の座標を求める段階と、物体の部分の三次元画像を、関心対象の外周の関数として側面図に表示する段階と、物体の不確実性領域を少なくとも1つのパラメータの関数として求める段階と、物体の画像の側面図を不確実性領域の関数として拡大する段階と、を含む。
【0009】
本発明の、まだ別の態様にあっては、土工現場における物体の場所を表示するための装置が開示される。この装置は、土工現場における土工用具の場所を求めるようになっている位置決定システムと、物体の場所を求めるための手段と、土工現場の平面図および側面図を有するディスプレイと、平面図において関心対象の外周を選択するための手段と、関心対象の外周内の物体の部分の組みになった座標を決定し、物体の部分の三次元画像を側面図に表示し、物体の座標の不確実性領域を決定し、そして、物体の画像を、不確実性領域の関数として側面図に拡大するようになっているプロセッサとを含む。
【0010】
【発明の実施の形態】
図面を、特に図1を参照する。図には、土工現場102における物体の場所を表示するための装置100が開示される。この土工現場102は、掘削、溝掘削、浚渫の類の土工作業が行われているどんな場所であってもよい。
土工機械104は、土工作業を行うために使用される。図1におけるこの土工機械104は、掘削機として描かれている。しかしながら、他のタイプの土工機械、例えば、バックホウ・ローダ、フロント・ショベル、穴掘り機の類もまた使用できる。
好ましくは、土工機械104は、その土工機械104に制御可能に取り付けられたバケット、ブレード、ドリルの類のような土工工具106を含む。
【0011】
土工現場102の地表の下に位置する物体107は、土工作業で損傷を受けぬように保護されることが必要である。この物体107は、ユーティリティ・ライン、パイプ、もしくは存在が知られる何か他の品目であってよいが、土工作業の間、それを乱すことなく接近がなされなければならない。以下に更に詳細に説明するように、物体107の場所は、相当正確に知ることができる、もしくは推測することができ、従って、物体107が土工用具106によって接近されるにつれて、注意の度合を変更することが必要である。
【0012】
図2を参照する。図には、本発明の装置100の好ましい実施形態が示される。
土工機械104上に設置された位置決定システム108は、土工現場102における土工用具106の場所を求めるようになっている。この好ましい実施形態にあっては、この位置決定システム108は、世界測位衛星(GPS)システムであり、土工機械104上に装着されたアンテナ(図示せず)を有する。土工用具106の位置は、従って、地理座標の形で求めることができる。好ましくは、そして従来技術においてよく知られているように、1組のリンク機構を有する土工用具106は、レゾルバのような1組の角位置センサ(図示せず)を有する。土工用具106の位置は、従って、そのレゾルバの位置に連携してGPSアンテナの位置を求めることによって決定できる。例えば、掘削機は、ブーム、スティック、およびバケットを、またその掘削機台枠上に搭載された運転室を有する。GPSアンテナは、この運転室の頂上に搭載でき、また、ブーム、スティック、およびバケットを連結しているリンク機構はそれぞれ角位置センサを持つことができる。GPSアンテナとそれぞれの角レゾルバの位置決定がなされ、地理座標の形でバケット位置を知ることができる。
【0013】
もしくは、位置決定システム108、例えばGPSアンテナは、位置決定システム108を損傷から保護するようにして、土工用具106上に直接的に搭載でき、土工用具106の直接的な位置の割り出しができるようにする。
ほかの実施形態にあっては、位置決定システム108は、レーザ平面位置決めシステム、推測航法、もしくはそれら技術の何か組合せのような、別のタイプとすることができる。
【0014】
物体107の場所を求めるための手段110は、土工機械104上に設置される。好ましい実施形態にあっては、物体107の場所を求めるための手段110は、地域地図データベース112であり、地理座標の形で物体107の場所の地図を格納するようになっている。地下物体の地表下地図は、地域地図データベース中にダウンロードするために入手できることは、当該技術においてはよく知られている。例えば、公益企業は彼らが埋設した公益施設の場所についてデータ形式の地図を提供できる。これらの地図は、土工機械の操作者が使用するために容易に入手でき、土工作業中に公益施設を乱すことを回避するのを支援するため、公益施設の場所を操作者に知らせる。この地図は、地域地図データベース112と互換性のある形式で入手できることが好ましい。
また、地下物体107の場所は、掘削に先立ち、音響的、電磁気的、即ちレーダ探知機のような地下探知装置を使用することによって決定できる。探知プロセスから得られたデータは、その後地域地図デーベースに入力できる。
【0015】
土工機械104上に設置されたディスプレイ114は、土工作業の光景を、好ましくはリアル・タイムに提供するようになっている。図3および図4は、ディスプレイ114がどのように見えるであろうかの例示的説明図を示している。例えば、図3および図4に描かれたディスプレイ114は、土工現場102の平面図302および側面図304を含む。土工機械104の画像306は、土工現場102を基準にした土工機械104の場所を表示する。土工用具106の画像308は、土工現場102を基準にした土工用具106の場所を表示する。図3および図4に示されるように、土工機械104の画像306は、平面図302に示され、また、土工用具106の画像308は、平面図および側面図302、304の両方に示される。
【0016】
図3において、物体107の画像310は、側面図304に示される。図4において、2つの物体107の画像310a、310bが、側面図304に示されている。物体107の画像310については、以下に更に詳細に説明する。
関心対象の外周312を選択するための手段116は、土工機械104上に設置される。好ましい実施形態にあっては、図3および図4に示されるように、関心対象の外周312がディスプレイ114の平面図302に示される。関心対象の外周312を選択するための手段116は、操作者が選択できる制御装置118のセットの中にあるのが好ましい。例えば、この操作者が選択できる制御装置118は、土工機械104の操作者が関心対象の外周312を所望のサイズに選択できるようにするため、ディスプレイ114の上もしくは近傍に設置できる。
【0017】
第1の実施例として、図3において、関心対象の外周312は、土工機械104の長手方向軸周囲に設置された線であるとして選択された。従って、側面図304においては、物体107の画像310は、関心対象の外周312すなわち線における、物体107の断面スライスを表す。従って、物体107の画像310は、二次元図の形で表される。
【0018】
第2の実施例として、図4において、関心対象の外周312は、第1側部Aおよび第2側部Bを有する四辺形であるとして選択された。従って、側面図304において、2つの物体107の画像310a、310bは、外周312にある第1側部Aから外周312にある第2側部Bに至る、物体107の断面を表す。従って、2つの物体107の画像310a、310bは、三次元図の形で表される。第1物体107の画像310aは、関心対象の外周312に対して直角をなし、また、線Aから線Bまで深さが変化していない。従って、第1物体107の画像310aは、恰も二次元画像であるかのように現れる。第2物体107の画像310bは、関心対象の外周312に対して直角をなさず、また、線Aから線Bまでで深さが変化している。従って、関心対象の外周312を基準にした画像312bの角度および画像312bの深さの変化は、側面図304に三次元として示される。物体107のこの三次元図から、操作者には、物体107が同一面の深さに埋設されてなく、地中で傾斜していること、また、土工用具106を直角にすることによって物体に接近しないことが分る。従って、操作者は掘削をする場合、物体107を乱すことをより良く回避できる。
【0019】
好ましい実施形態にあっては、関心対象の外周312は、中心部分314周囲に選択され、その中で土工用具106は土工作業を遂行する。
土工機械104上に設置されたプロセッサ120は、関心対象の外周内部、即ち線Aから線Bまでの物体107の部分の組みになった座標を求めるようになっている。このプロセッサ120はまた、ディスプレイ114の側面図304に、物体107の部分の三次元画像を表示するようになっている。
【0020】
上の議論は、本発明の第1の態様を参照してなされている。図5を参照する。図には、本発明の第2の態様が示される。
図5の平面図において、物体の決定された場所502が示される。この決定された場所502はまた、図5の側面図に、地表506の下方に位置付けて示される。従って、図5に示されるように、物体の決定された場所502は、三次元の形で見分けられる。
【0021】
不確実性領域504が、物体の決定された場所502を取り囲んで示される。この不確実性領域504は、少なくとも1つのパラメータの関数であり、それに限定されるものではないが、位置決定システム108における固有の誤差、物体の決定された場所502における誤差、および土工作業の間乱されない状態に物体を維持することの重要度のレベルを含み、この重要度のレベルは優先係数として示される。例えば、ガス・パイプラインは、ケーブル・テレビジョン・ラインよりは高い優先係数を必要とし、従って、より広範囲な不確実性領域504を必要とする。
【0022】
好ましい実施形態にあっては、物体107の画像310の寸法を拡大して、ディスプレイ114に不確実性領域504を映す。このことは、土工作業が行われる場合の土工用具106によって乱されることから物体107を保護する上で、追加的な緩衝を提供する。図5において、側面図における不確実性領域504は、物体の決定された場所502の上側が、下側よりも大きく示されることに注意されたい。通常の土工作業の間、土工用具106は、物体107に上から接近することになるであろう。従って、決定された場所502の下側に比較して、物体の決定された場所502の上側の不確実性領域504を増大させることによって、最も必要とされる追加的な緩衝を提供する。
【0023】
図6を参照する。図には、本発明の第3の態様が示される。図6の平面図に、物体の推測された場所602が示される。状況によっては、物体107が地表506下に存在はするものの、しかし、その物体の場所はどのような正確さでもっても求めることのできないことが知られる。従って、物体107の場所を、推測しなければならない。図6の側面図に、不確実性領域504が、不確実性の壁604として決定される。この不確実性の壁604は、物体107の場所は単に推測された場所602であると言う条件を反映する。地中における物体107の深さは、役に立つ目的に対しては推測することさえできない。従って、不確実性の壁は、地表506における推測された外周を包含し、それから、物体107を乱すことを回避する上で必要なだけ地中に下方に向って延びる。この態様にあっては、不確実性の壁604に向かっての掘削では土工用具106を使用できるが、不確実性の壁604内では他の従来的な手段、例えば手掘り、を使用しなければならない。
【0024】
好ましい実施形態にあっては、プロセッサ120は、必要に応じて、物体107の不確実性領域504あるいは不確実性の壁604のいずれかの座標を決定し、それに応じて物体107の画像310をディスプレイ114の側面図304に拡大表示するようになっている。
【0025】
図7を参照する。図には、本発明の好ましい方法を示す流れ図が示される。
第1の制御ブロック702において、土工用具106の場所が、好ましくは地理座標の形で、x、y、およびz座標を有するデカルト座標系のような座標系を使用して決定される。好ましい実施形態にあっては、土工用具106の場所は上述のように決定される。
【0026】
第2の制御ブロック704において、物体107の場所は、上述のように、地理座標の形で決定される。
第3の制御ブロック706において、土工機械104、土工用具106、および物体107の画像306、308、310それぞれが、土工現場102を基準にしてリアルタイムにディスプレイ上に表示される。好ましくは、図3および図4に示されるように、土工機械104および土工用具106の画像306、308が平面図302に表示され、また、土工用具106および物体107の画像308、310は側面図304に表示される。
【0027】
第4の制御ブロック708において、関心対象の外周312が、土工機械104の操作者によって選択される。好ましい実施形態にあっては、関心対象の外周312は、物体107の画像310の所望の三次元図が側面図304にできるように選択される。この物体107の画像310の三次元図は操作者に、作業用具106両側における物体の場所の概念を提供し、土工作業が行われる場合に物体107を乱すことなく、操作者が、より効率的、生産的になることができるようにする。
【0028】
第5の制御ブロック710において、関心対象の外周312で区画された物体107部分の座標が、好ましくはプロセッサ120によって決定される。図4にある図示のディスプレイは、物体107が関心対象の外周312によって、第1の線Aおよび第2の線Bにより区画されることを示す。
第6の制御ブロック712において、関心対象の外周312によって区画された物体107の部分が、ディスプレイ114の側面図304に表示される。物体107の画像310が、三次元の形で表示され、土工現場102の地表を基準にして、線Aから線Bに至る物体107の深さにおけるあらゆる変化を示す。
【0029】
第7の制御ブロック714において、物体107の不確実性領域504が、少なくとも1つのパラメータの関数として決定される。パラメータの例としては、それに限定されるものではないが、位置決定システム108によって許容可能な誤差範囲、物体107の決定された場所の誤差範囲、および物体107の優先係数を含み、この優先係数は、土工作業の間物体107を乱さないことの重要度の関数である。
【0030】
第8の制御ブロック716において、ディスプレイ114の側面図304における物体107の画像310が、不確実性領域504の関数として拡大される。好ましくは、物体107の画像310は、物体107の画像310が表示されていないディスプレイ114の残り部分に拡がるように拡大される。この拡大された物体107の画像310は、緩衝域を提供し、土工作業の間に物体107が影響を受ける機会、すなわち物体107が乱されることになる機会を更に減少させる。
本発明の1つの態様にあっては、不確実性領域504は、物体107の既知の位置を基準にして決定される。本発明の別の態様にあっては、不確実性領域504は、不確実性の壁604そのものであり、物体107の推定された位置を基準にして決定される。
【0031】
(産業上の利用可能性)
本発明の応用例として、土工機械104、例えば掘削機が、土地掘削のような土工作業を遂行する。頻繁に、土工機械104は、地下の物体107、例えばユーティリティ・ラインおよびパイプ、が埋設されているはずだと知られている領域において掘削することを要求される。ディスプレイ114、特にディスプレイ114にある側面図304は、当該技術において知られ、土工機械104の操作者に対し、土工現場を基準にして土工用具106の場所に関する良好な指示を提供する。物体107もまたディスプレイ114上に表示することができ、操作者に対し土工用具106を基準にした物体107の場所の図を与える。しかしながら、不可能とは言わないまでも、埋設された物体107の場所を高度な正確さで知ることは困難である。本発明は、従って、位置の不正確さに対して、土工用具106を基準とした物体107の変化する深さおよび物体107の変化する角度を把握する目的で、物体107の画像310を三次元図の形で表示することによって補償する。本発明の別の態様にあっては、物体107の画像310は、不確実性領域504によって拡大され、位置決定における誤差に対して補償を行う。
本発明の他の態様、目的、および特徴は、図面、開示内容、および添付する特許請求の範囲を検討することにより得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】土工現場における土工機械の概略図である。
【図2】本発明の好ましい実施形態を示すブロック図である。
【図3】本発明の1つの態様を示すディスプレイの概略図である。
【図4】本発明の他の態様を示すディスプレイの概略図である。
【図5】本発明の他の実施形態の概略図である。
【図6】本発明のさらに別の実施形態の概略図である。
【図7】本発明の好ましい方法を示す流れ図である。
【符号の説明】
100 装置
104 土工機械
106 土工用具
107 物体
108 位置決定システム
110 手段
112 地域地図データベース
114 ディスプレイ
116 外周を選択するための手段
118 制御装置
120 プロセッサ

Claims (15)

  1. 土工現場における物体の場所を表示するためのコンピュータを利用した方法であって、
    土工現場における土工用具の地理座標における場所を求める段階と;
    前記物体の地理座標における場所を求める段階と;
    前記土工用具および前記物体を、前記土工現場の平面図および側面図を有するディスプレイ上に表示する段階と;
    関心対象の外周を選択し、選択された該関心対象の外周を、前記土工用具との関連で前記平面図に表示する段階と;
    前記関心対象の外周によって区画される前記物体の部分の座標を求める段階と;
    求められた前記物体の部分の座標に基づいて、前記物体の部分の三次元画像を前記側面図に表示する段階と;
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記物体の不確実性領域を、前記土工用具の場所を求める段階における位置決定システムに固有の誤差、前記物体の場所を求める段階における測定誤差、及び土工作業により物体が影響されないようにすることの重要度についての物体間の優先度をあらわす優先係数を少なくとも含むパラメータのうちの少なくとも1つのパラメータに基づいて求める段階と;
    前記物体の画像の前記側面図を前記不確実性領域に基づいて拡大する段階と;
    を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のコンピュータを利用した方法。
  3. 前記土工用具が制御可能に取り付けられている土工機械の場所を求める段階と;
    前記土工機械の場所を前記ディスプレイ上に表示する段階と;
    を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のコンピュータを利用した方法。
  4. 前記物体が、地表下に位置していることを特徴とする請求項2に記載のコンピュータを利用した方法。
  5. 前記物体の地理座標における場所を求める前記段階が、前記物体の場所を三次元座標系の3つの座標の形で求める段階を含むことを特徴とする請求項4に記載のコンピュータを利用した方法。
  6. 前記物体の画像の前記側面図を拡大する前記段階が、前記ディスプレイ上の画像表示されていない残り部分に拡がるように、前記物体の寸法を拡大する段階を含むことを特徴とする請求項5に記載のコンピュータを利用した方法。
  7. 前記物体の地理座標における場所を求める前記段階が、地表を基準にして前記物体の推定された場所を求める段階を含むことを特徴とする請求項4に記載のコンピュータを利用した方法。
  8. 不確実性領域を求める前記段階が、前記物体の前記推定された場所において地表から下方に向けて延びる不確実性の壁を求める段階を含むことを特徴とする請求項7に記載のコンピュータを利用した方法。
  9. 関心対象の外周を選択する前記段階が、前記土工現場の所望の領域を選択する段階を含み、前記所望の領域は、その中で前記土工用具が土工作業を遂行する中心部分を有することを特徴とする請求項1に記載のコンピュータを利用した方法。
  10. 土工現場における物体の場所を表示するための装置であって、
    前記土工現場における土工用具の場所を求めるようになっている位置決定システムと; 前記物体の場所を求めるための手段と;
    前記土工現場の平面図および側面図を有するディスプレイと;
    前記平面図に表示されることになる関心対象の外周を選択するための手段と;
    前記関心対象の外周内の、前記物体の部分の組みになった座標を決定し、前記側面図に前記物体の部分の三次元画像を表示し、前記土工用具の場所を求める前記位置決定システムにおける固有の誤差、前記物体の場所を求める手段により該物体の場所を求める場合における測定誤差、及び土工作業により物体が影響されないようにすることの重要度についての物体間の優先度を表す優先係数を少なくとも含むパラメータのうちの少なくとも1つのパラメータに基づいて前記物体の前記座標に関連して不確実性領域を決定し、前記物体の画像を前記不確実性領域に基づいて前記側面図において拡大するようになっているプロセッサと;
    を含むことを特徴とする装置。
  11. 前記物体の場所を求めるための前記手段が、地域地図データベースを含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。
  12. 前記ディスプレイが、前記土工用具および前記物体の前記場所を、前記土工現場を基準にして表示するようになっていることを特徴とする請求項10に記載の装置。
  13. 前記関心対象の外周は、前記土工用具により土工作業が遂行される土工作業の中心部分の周りの所望の領域に定められることを特徴とする請求項10に記載の装置。
  14. 関心対象の外周を選択するための前記手段が、操作者が選択できる制御装置を含むことを特徴とする請求項13に記載の装置。
  15. 前記土工用具が制御可能に取り付けられる土工機械を更に含み、前記位置決定システム、前記物体の場所を求めるための前記手段、前記ディスプレイ、関心対象の外周を選択するための前記手段、および、前記プロセッサが、前記土工機械上に設置されることを特徴とする請求項10に記載の装置。
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