JP7277398B2 - 重機械の方位計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、作業時における重機械、特にバックホウの方位を計測するための方法であって、屋内や地下空間等において作業を行う重機械の方位を計測する方法に関する。

屋外の作業現場における重機械の位置、方位の計測には、一般的に、２つ以上のＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からの信号を利用して方位を計測する方法が採られている。しかし、屋内やトンネルなどの地下空間のように、ＧＰＳの電波が到達しづらい現場では、こうした一般的な位置、方位計測を実施することができない。

このため、特許文献１に開示されているような、自動追尾型のトータルステーションを用いて重機械の位置、方位を計測する事が提案されている。元来、トータルステーションを用いた重機械の位置、方位計測は、２台のトータルステーションを用いて行っていたが、特許文献１に開示されている技術では、自己の座標位置が定められた１台のトータルステーションと、２つのターゲットを用い、所定時間毎にターゲットの視準面を交互に遮蔽する構成としている。このような構成とすることで、１つのトータルステーションにより２つのターゲットの位置計測を行うことができるようにしている。

しかし、特許文献１に開示されているような構成の位置検出システムでは、障害物等により一方のターゲットのみが捉えられなくなった場合、トータルステーション側で誤認が生じる虞がある。

このような技術に対し、複数の検知センサを用いて重機械の位置、方位を計測する方法として、特許文献２に開示されているような技術が提案されている。特許文献２に開示されている技術は、自動追尾型のトータルステーションと、ジャイロセンサ、及びロータリーエンコーダによる検出データを統合利用することで、重機械の位置、方位の計測を行うというものである。具体的には、所定距離間を移動可能に設置したターゲットをトータルステーションで検出することで、重機械の位置と方位を検出すると共に、ジャイロセンサにより重機械が移動した際の方位変化を検出するというものである。ロータリーエンコーダは、重機械に搭載された旋回台の回転角度を計測するものである。旋回台は、トータルステーションにより検知されるターゲットの搭載位置を変化させる役割を担うものであり、トータルステーションによる検知可能角度の許容幅を広げる機能を持つ。

特開２００２－１６１６９６号公報 特開２０１９－２０３７９３号公報

特許文献２に開示されているような技術によれば、特許文献１に開示されている技術よりも高精度に重機械の位置や方位を計測することができると考えられる。
しかし、特許文献２に開示されている技術も特許文献１に開示されている技術と同様に、２ヶ所のターゲットを検知することができないと位置、方位の検出ができないという点にかわりが無い。このため、複数のセンサを採用していても、トータルステーションによるターゲットの検知に失敗した場合には、重機械の位置、方位の計測ができなくなってしまう虞がある。

そこで本発明では、一時的にトータルステーションによるターゲットの検知ができなくなってしまっても、重機械における作業機械の向き（方位）を計測することができる重機械の方位計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る重機械の方位計測方法は、移動用台車の上部に作業機械を有する旋回台を備えた重機械における前記作業機械の方位を計測する方法であって、前記重機械の方位変化量を計測する方位変化計測手段と、前記旋回台の旋回角度を計測する回転角度計測手段と、前記移動用台車、あるいは前記旋回台に設けられたターゲットまでの距離を追尾計測する非接触測距手段と、少なくとも入力部と出力部、演算部、及び記憶部を有する演算手段と、を備え、前記演算手段は、前記重機械を直進させた際に前記非接触測距手段から入力される２点間の座標位置から、前記移動用台車が向いている方位を算出することで、前記方位変化計測手段の較正を行い、前記回転角度計測手段から入力される旋回角度と、所定時間内に前記方位変化計測手段から入力される較正値からの方位角度と、を加算することで、前記作業機械が向いている方位である重機角度を算出することを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する重機械の方位計測方法では、前記非接触測距手段により２点間の座標データが前記演算手段に入力された際、前記演算手段に、回転角度計測手段からの旋回角度が変化した旨の入力と、前記方位変化計測手段からの方位角度が変化した旨の入力のいずれもが成されなかった場合に、前記較正が行われることを特徴とする。このような特徴を有する事によれば、重機械の作業に必要な動作の中で、方位変化計測手段の較正を行う事が可能となる。

さらに、上記のような特徴を有する重機械の方位計測方法は、前記較正が行われるまでは、最後に行った較正によって得られた較正値に基づいて得られる重機角度を求めることを特徴とする。このような特徴を有する事によれば、較正が行われていない状況、すなわち、例え非接触測距手段による距離計測ができない状況であっても重機の角度計測を継続することができる。

上記のような特徴を有する重機械の方位計測方法によれば、一時的にトータルステーションによるターゲットの検知ができなくなってしまっても、重機械における作業機械の向き（方位）を計測することができるようになる。

また、ＧＰＳが利用できない屋内や地下空間において有用な重機械の方位計測方法として適している。

発明に係る重機械の方位計測方法を適用する重機械と、これを実施するためのシステムの関係を示す図である。 発明に係る重機械の方位計測方法を実施するためのシステム構成を説明するためのブロック図である。 重機械の方位計測を行う際のフローである。 実施形態中における旋回角度がどのような回転角度を意図するのかを説明するための図である。 実施形態中における方位角度がどのような回転角度を意図するのかを説明するための図である。

以下、本発明の重機械の方位計測方法に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明を実施に適した形態の一例であり、適用する重機械の種類が異なる場合はもちろん、使用する計測機器やセンサが異なる場合であっても、取得されるデータの性質が一致する場合には、本発明の一部とみなすことができる。

［方位計測方法を実施するためのシステム］
まず、図１、図２を参照して、本発実施形態に係る重機械の方位計測方法（以下、単に方位計測方法と称する）を適用するための重機械とシステムについて説明する。
本実施形態で作業機械の方位計測を行う重機械は、バックホウ１０である。バックホウ１０は、左右のキャタピラを備えた移動用台車１２と、旋回台１４を有し、旋回台１４には、操作部１４ａと、作業機械であるショベル１４ｂが備えられている。このような基本較正を有するバックホウ１０には、方位変化計測手段としてのジャイロセンサ２０と、回転角度計測手段としてのエンコーダ２２、及び非接触測距手段としてのトータルステーション２４によって読み取られるターゲット２６が備えられている。

ジャイロセンサ２０は、移動用台車１２に備えられており、バックホウ１０自体の方位変化を検出、計測することができるように、検出軸が設定されている。エンコーダ２２は、旋回台１４の回転角度を検出することができるように設けられている。エンコーダ２２を設置する場合の一例としては、移動用台車１２にセンサ本体を設置し、旋回台１４の回転軸の回転量を捉えて回転角度を算出するようにすれば良い。また、ターゲット２６は、詳細を後述するトータルステーション２４が、光源（または反射源）として捉えやすい位置とすれば良く、例えば旋回台１４の後方に立設させるようにすれば良い。

トータルステーション２４は、自動追尾型のものを採用し、バックホウ１０に備えたターゲット２６の位置を計測可能とすれば良い。トータルステーション２４は、自己の設置位置と、内蔵された磁気コンパス等に基づく焦点方向（計測軸）の方位を基点として、ターゲット２６の位置座標を求める事ができる。このため、ターゲット２６が移動した場合には、移動した２点（例えばＰ０点とＰ１点）の座標から、移動方向のベクトル（ベクトルＰ１Ｐ０）を求める事ができ、進行方向の方位を算出することができる。

各種センサ（本実施形態では、ジャイロセンサ２０、エンコーダ２２、トータルステーション２４の総称としてセンサと称する場合がある）によって取得された計測値（データ）は、演算手段４０に送信されるように構成されている。演算手段４０には、少なくとも入力部４２や演算部４４、記憶部４６、出力部４８等が備えられている。

入力部４２は、センサから送信されたデータを受信する役割を担い、記憶部４６は、受信データ、及び演算部４４により演算されたデータの記録、並びに、演算部４４による演算等に必要な各種プログラムの記録を担う部位である。また、演算部４４は、必要に応じて記憶部４６に記録されたプログラムを実行すると共に、記録されたデータを読み出し、入力部４２が受信したデータを利用して、各種演算等を行う役割を担う部位である。出力部４８は、図示しないモニタ等に、演算結果、すなわちバックホウ１０の方位を出力する役割を担う部位である。

なお、トータルステーション２４が取得したターゲット２６の位置情報は、図２に示すように、通信部２８を介してデータコレクタ３０（例えばバックホウ１０の操作部１４ａに配置）に送信され、演算手段４０へと送られるように構成すれば良い。

［方位計測］
次に、上記のような構成のバックホウ１０におけるショベル１４ｂの向いている方位（重機械の方位）の計測について、図３を参照して説明する。
本実施形態に係る方位計測方法は、初期方位の較正（キャリブレーション）を行った後、ジャイロドリフトの較正（補正）を繰り返しながら旋回台１４の旋回角度と、移動用台車１２の方位変化量を取得することで方位計測を成すこととしている。なお、以下の説明において、旋回角度とは、図４に示すように、移動用台車１２は旋回せず、旋回台１４のみが旋回した場合の角度を言う。また、方位角度とは、図５に示すように、移動用台車１２ごと、バックホウ１０が向きを変えた場合の角度をいう。

［初期キャリブレーション］
初期キャリブレーションでは、最初に、バックホウ１０を直進移動させる。ここでいう直進移動とは、ジャイロセンサ２０による方位変化（方位角度）の検出も、エンコーダ２２による旋回角度の検出も行われない状態で、ターゲット２６の位置情報（座標データ）のみが変化する場合をいう（Ｓ１０）。

次に、センサ値の取得を行う。ここでいうセンサ値とは、主にトータルステーション２４によるターゲット２６の位置情報（座標データ）の検出値である。すなわち、直進移動させた際の少なくとも２点におけるターゲット２６の座標データを取得する。ここでいう２点とは、バックホウ１０が直進移動する前の初期位置の座標データと、バックホウ１０の直進移動が終了した際の終点位置の座標データである事が望ましいが、初期位置と中間位置、中間位置と終点位置、あるいは第１の中間位置と第２の中間位置などの計測点の組み合わせであっても良い（Ｓ２０）。

次に、計測した２点の座標データから、バックホウ１０の移動量を示すベクトルと、その方位を算出する。方位の算出は、トータルステーション２４の計測軸が向いている方位を基準として、バックホウ１０の移動量を示すベクトルがどの方向、並びに角度となるかに基づいて求めることができる。そして、取得した方位をジャイロセンサ２０の初期方位として設定する（Ｓ３０）。

［ジャイロドリフトの補正］
ジャイロセンサ２０は、瞬時的に生じる方位変化量を計測することはできるが、時間経過と共に自己に定められた初期角度にズレが出るというドリフト現象が生じる。このため、ドリフト現象によって生じる初期方位のズレ（ジャイロドリフト）を補正する必要がある。本実施形態におけるジャイロドリフトの補正は、初期キャリブレーションを終えた後から始められ、バックホウ１０の方位計測と平行して行うことを可能としている。

まず、バックホウ１０（ジャイロセンサ２０）の初期キャリブレーションを終えた後に、センサ値の取得を行う。ここでいうセンサ値とは、トータルステーション２４より、ターゲットの座標データの他、ジャイロセンサ２０による方位角度、及びエンコーダ２２による旋回角度を含むものとする（Ｓ４０）。取得されたターゲット２６の座標データＰ_ｎを前回取得した座標データ（例えばキャリブレーション時における移動後のターゲット２６の座標データ：ここではＰ_ｎ－１）と比較し、バックホウ１０が移動していないか否かの判定を行う（Ｓ５０）。

Ｓ５０において、バックホウ１０が移動していないと判定された場合（Ｐ_ｎ＝Ｐ_ｎ－１）には、ジャイロドリフトの補正を行う事はできないため、バックホウ１０の方位位置に変化は無いと判断され、α_ｎ＋β_ｎで示されるバックホウ角度θ_ｎに変化は無いと判定される。ここで、α_ｎは、ジャイロセンサ２０に基づく方位角度であり、β_ｎは、エンコーダ２２による検出角度（旋回角度）である（Ｓ１００）。一方、バックホウ１０が移動していると判定された場合（Ｐ_ｎ≠Ｐ_ｎ－１）には、方位角度α_ｎと旋回角度β_ｎについてそれぞれ変化の有無が判定される。

旋回の判定は、旋回台１４による旋回角度β_ｎと、移動用台車１２による方位角度α_ｎの双方で別々に行われることになるが、その順番は問うものではない。本実施形態では、第１の判定として、旋回台１４による旋回角度、すなわちエンコーダ２２による旋回角度β_ｎの検出値が、前回の検出値（旋回角度β_ｎ－１）と比較した際に変化していないか否かの判定を行う（Ｓ６０）。ここで、旋回していると判定された場合、すなわちエンコーダ２２による回転角度の検出値に変化がある場合（β_ｎ≠β_ｎ－１）には、移動用台車１２による方位角度α_ｎに変化が無いか否かについての判定を行う（Ｓ７０）。Ｓ７０において方位角度α_ｎに変化が無い場合（α_ｎ＝α_ｎ－１）には、旋回角度β_ｎのみに変化があったとして、バックホウ角度θ_ｎが更新される。一方、Ｓ７０において方位角度α_ｎに変化があった場合（α_ｎ≠α_ｎ－１）には、方位角度α_ｎと旋回角度β_ｎの双方に変化があったとしてバックホウ角度θ_ｎが更新される（Ｓ１００）。

第１の判定において旋回台１４による旋回角度β_ｎに変化が無いと判定された場合（β_ｎ＝β_ｎ－１）には、第２の判定として、移動用台車１２による方位角度α_ｎの変化の有無が判定される（Ｓ８０）。Ｓ８０において、方位角度α_ｎに変化がある場合（α_ｎ≠α_ｎ－１）には、旋回角度β_ｎに変化は無く、方位角度α_ｎに変化があったとしてバックホウ角度θ_ｎが更新される（Ｓ１００）。

一方、方位角度α_ｎに変化が無い場合（α_ｎ＝α_ｎ－１）には、Ｓ５０において判定された移動は直進であると判断され、移動前と移動後の２点の座標データから、バックホウ１０の移動量を示すベクトルと、その方位が算出され、ジャイロセンサ２０の方位補正が成される（Ｓ９０）。方位角度α_ｎの方位補正が成された後は、補正後の方位角度α_ｎを用いてバックホウ角度θ_ｎが更新される（Ｓ１００）。

［効果］
上記のような方位計測方法によれば、一時的にトータルステーション２４によるターゲット２６の検知ができなくなってしまっても、バックホウ１０におけるショベル１４ｂの向き（方位）を計測することが可能となる。また、ジャイロセンサ２０特有のドリフト現象についてもバックホウ１０が作業を行う上での動き（直線移動）を検出し、補正を行う事ができるため、作業を停止して補正値を得る必要が無く、作業時間のロスを抑える事ができる。

上記実施形態では、重機械としてバックホウ１０を挙げ、そのショベル１４ｂが向いている方向（方位）を計測することとしている。しかしながら、移動用台車１２と、移動用台車１２に付帯された旋回台１４を備え、旋回台１４に作業機械が設けられている重機械であれば、本発明に係る方位計測方法を適用することができる。

１０………バックホウ、１２………移動用台車、１４………旋回台、１４ａ………操作部、１４ｂ………ショベル、２０………ジャイロセンサ、２２………エンコーダ、２４………トータルステーション、２６………ターゲット、２８………通信部、３０………データコレクタ、４０………演算手段、４２………入力部、４４………演算部、４６………記憶部、４８………出力部。

Claims (3)

1. 移動用台車の上部に作業機械を有する旋回台を備えた重機械における前記作業機械の方位を計測する方法であって、
   前記重機械の方位変化量を計測する方位変化計測手段と、
   前記旋回台の旋回角度を計測する回転角度計測手段と、
   前記移動用台車、あるいは前記旋回台に設けられたターゲットまでの距離を追尾計測する非接触測距手段と、
   少なくとも入力部と出力部、演算部、及び記憶部を有する演算手段と、を備え、
   前記演算手段は、前記重機械を直進させた際に前記非接触測距手段から入力される２点間の座標位置から、前記移動用台車が向いている方位を算出することで、前記方位変化計測手段の較正を行い、
   前記回転角度計測手段から入力される旋回角度と、
   所定時間内に前記方位変化計測手段から入力される較正値からの方位角度と、を加算することで、前記作業機械が向いている方位である重機角度を算出することを特徴とする重機械の方位計測方法。
2. 前記非接触測距手段により２点間の座標データが前記演算手段に入力された際、
   前記演算手段に、回転角度計測手段からの旋回角度が変化した旨の入力と、前記方位変化計測手段からの方位角度が変化した旨の入力のいずれもが成されなかった場合に、前記較正が行われることを特徴とする請求項１に記載の重機械の方位計測方法。
3. 前記較正が行われるまでは、最後に行った較正によって得られた較正値に基づいて得られる重機角度を求めることを特徴とする請求項２に記載の重機械の方位計測方法。

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