JPH10504907A - 作業具の位置を求めるための装置と方法 - Google Patents

作業具の位置を求めるための装置と方法

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Abstract

(57)【要約】 マシン(16)に可動に接続されている作業具(12)の位置を求める装置(10)と方法が、所定の間隔のあいた場所で作業具(12)に接続されている第１と第２の電磁放射受信装置(18,20)を用いる。プロセッサ(24)が、第１および第２の受信装置(18,20)からの位置信号に基づいて、場所座標系における第１および第２の受信装置(18,20)の第１と第２の現在の座標位置を求める。プロセッサが、第１と第２の現在の座標位置と、第１と第２の受信装置(18,20)の先に形成された第１および第２の座標位置との間を通るほぼ直線(99)に沿って位置される中点(C)とを通る平面を用いて、第１と第２の受信ポイント(R,L)をマシン(16)に関する局所座標系から場所座標系に変換する。プロセッサ(51)が、作業具(12)のピッチの検出された変化に基づいて、場所座標系の第１と第２の受信ポイント(R,L)の位置を修正する。

Description

【発明の詳細な説明】 作業具の位置を求めるための装置と方法 技術分野 本発明は、場所座標系において作業具の位置を求めるための装置と方法に関す る。より詳細には、本発明は、支持フレームに対する局所座標系において第１端 部ポイントと第２端部ポイントの位置を求め、該第１および第２のポイントの位 置を場所座標系に変換する方法と装置に関する。背景技術 例えば、いくつかの例としてモータグレーダ、ドーザ、突き固め機、地ならし 機、および地面成形機のようなマシンが地表面変更作動のために用いられる。こ のようなマシンは、最初に手作業で測量され、建設場所のプランに従って区画さ れた建設場所で、一般的に作動する。この手順の間、処理された場所が設計の仕 様と一致していることを確認するために、建設場所は何回も検証される。この手 順は多くが高度な熟練者による相当量の手作業を必要とする。さらに、マシンオ ペレータは、要求される程度の正確さを得るために高度に訓練されていなければ ならない。 オペレータが従うべき基準を与えるのに、レーザシステムが所定の用途に用い られてきた。作業場所の測量位置に配置されたレーザによって発せられたレーザ ビームが該場所にわたって掃射される。これが、レーザ平面を形成する。マシン 上のレシーバがレーザビームを受信して、マシンまたは作業具のようなマシンの 位置に対するビームの相対的な高さをオペレータに示す。この情報がマシン制御 を行なうためにマシンオペレータに用いられる。このようなシステムの１例が、 フィリップＭ．クレグに１９８９年２月２１日に付与された米国特許第４、８０ ７、１３１号に開示される。この特許は、レーザ平面に対して、傾斜しているブ レードの高さ位置を測定し、目的の高さ、実際の高さおよび許容可能な誤差範囲 のようなモニターパラメータに表示し、作動の１モードにおいてオペレータが、 ブレード位置を目的場所の公差内にあるように調整できるようにする。 作業具は、通常マシンフレームに調整可能に結合されており、作業具の勾配、 ピッチおよび高さをマシンに対して変えることができるようになっている。レー ザレシーバがマシンフレーム上に取り付けられていると、フレームに対する作業 具の位置のいかなる変化も、平面とレシーバに対する作業具の位置の不明の変化 を起こす原因となる。従って、オペレータに与えられるこの情報は、決して好ま しいものとはいえず、極めて効果的に用いられないことがある。単一のレーザレ シーバを作業具上に配置することによって、レーザレシーバが作業具とともに動 き、作業具の位置に関連するかぎりは、この問題を取り除くことになる。しかし ながら、レーザ平面に対する作業具のティルト、ピッチまたは回転の変化が補償 されず、このため、与えられた情報は依然として正確なものではない。２つのレ ーザレシーバを作業具に配置することによって、ブレードの勾配がレーザ平面に 対して求めることができるが、これは、作業具の傾き（ピッチング）によって生 じる作業具の位置の変化を考慮することができない。 作業場所座標系に対して３次元座標のマシンの位置（実際には、レシーバの位 置）を三角測量によって求めるのに、衛星の星座と特定のレシーバを用いるシス テムが知られている。このようなシステムが、一般的にキネマチック全地球航法 システム（ＧＰＳ）といわれる。歴史的に、このようなシステムは、所定の用途 に関して位置判定の正確さが決して満足のいくものではなかったので、広く受け 入れられてこなかった。さらに、処理時間の遅さが、リアルタイムでマシンの位 置を求める商業的な利用実現性を難しいものにした。過去数年にわたって、位置 判定の正確さが改善され、処理速度が早くなった。このためマシンのリアルタイ ムの位置を求める可能性が、例えば地表面変更マシンのような種類の用途に関し て実現しようとしている。 例えば、地表面変更用具の切断エッジのような作業具のリアルタイムの位置を 求めるのに、全地球航法システムを用いることが望ましい。ＧＰＳレシーバを作 業具の上に配置することによって、切断用エッジの場所を計測できることは明白 である。しかしながら、詳細に注意してみると、作業具の動きを処理し、例えば 作業具のピッチのような、フレームに対する作業具の配向の変化に対応できない ために、このような変更を不可能なものにする。 作業具上に取り付けられるＧＰＳレシーバは、作業具が作動する過酷な環境の ために切断用エッジから離れていなければならない。ＧＰＳレシーバは、空間に おけるレシーバのアンテナの位置を求めるが、切断用エッジの位置を求めないた めに、上述したように作業具の配向における様々な変更が、切断用エッジの位置 を精密に求めることができる可能性を少なくする。少なくとも上述の理由のため に、ＧＰＳレシーバを作業具上に配置することが考えられなかった。 所定の用途において、ＧＰＳレシーバを用いて作業場所に対する作業具の座標 位置を求めるための正確さが、許容可能な標準に対応するのに要求されるものよ り劣る。場所座標系の高さ方向における計測の正確さは、最終生産物が、例えば 道路面のような仕上げ面である用途において特に重要である。この問題を解決し ようとする試みがなされているが、ＧＰＳに十分な正確さを得ることができない 。本発明は、上述の問題の１つか２つ以上を解決する。発明の開示 本発明の１態様において、マシンに可動に接続された作業具の位置を求めるた めの装置が、複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受け取り、これに応答して 第１の位置信号を作り出す第１の受信手段と、複数の遠隔場所から送られた電磁 放射を受け取り、これに応答して第２の位置信号を作り出す第２の受信手段とを 含む。第１の受信手段が、作業具の第１の所定のポイント場所から離れ、作業具 に対し所定の場所で作業具に結合される。第２の受信手段が、作業具上の第１の 所定のポイント場所から離れて作業具に対し所定の場所で作業具に結合される。 第２の受信手段が、第１の受信手段から所定の距離だけ離れており、作業具の第 １のポイントは、作業具の第２のポイントから所定の距離だけ離れている。第１ および第２位置信号を受信し、場所座標系において第１および第２の現在の座標 位置を求め、場所座標系において第１および第２の現在の座標位置と、第１およ び第２の受信手段の先に求められた第１と第２の座標位置の間を通るほぼ直線に 沿って配置された中点を通る平面を形成し、該平面を基準として用いて、第１お よび第２のポイントを、マシンに関連する局所座標系から場所座標系に変換し、 場所座標系における第１と第２のポイントの位置を記録するための処理手段が設 けられている。 本発明の別の態様において、装置は、また作業具のピッチ角の変化を検出し、 これに関連する作業具の第１と第２のポイント場所の現在の位置を局所座標系に おいて求める手段を含む。処理手段が、局所座標系の第１と第２のポイントの現 在の位置を場所座標系に変換し、場所座標系何に第１と第２のポイントの現在の 位置を記録する。 本発明の別の態様において、地表面変更マシンのフレームに可動に接続された 作業具の位置を求める方法が提供される。作業具には、第１と第２の間隔のあい た受信手段が設けられており、第１と第２の間隔のあいたポイントが配置されて いる。この方法は、場所座標系において、第１と第２の間隔のあいた受信手段の 現在の座標位置を求め、フレームに関する局所座標系の第１と第２のポイントの 各々の位置を求め、場所座標系における第１と第２の間隔のあいた受信手段の先 に求められた第１と第２の座標位置の間を通るほぼ直線に沿って配置された中点 の座標位置を求め、場所座標系における第１と第２の現在の座標位置の間に延び る第１のベクトルと、第１の現在の座標位置と中点との間を延びる第２のベクト ルとを求め、局所座標系における第１と第２のポイントの位置を場所座標系に変 換する、段階からなる。図面の簡単な説明 図１は、作業具を有する地形変更マシンのレーザとキネマチック全地球航法シ ステムを組み合わせた本発明の１実施例の概略線図である。 図２は、作用具の位置を求める装置と作業具の位置を連続して制御する制御シ ステム概略的ブロック線図である。 図３は、より詳細に制御システムを表す図２の装置の概略図である。 図４は、第１および第２の位置受信手段が取り付けられている作業具の概略側 図である。 図５は、局所座標系における角度Θで傾斜された図４の作業具と受信手段の概 略図である。 図６は、場所座標系において第１および第２の平面を形成するベクトルおよび 場所座標系における局所座標系の単位ベクトルである。 図７は、局所座標系から場所座標系までの変換点に含まれたロジックを表すフ ローチャートである。本発明を実施するのに最良の形態 図面、詳細に図１を参照すると、地形面変更マシン１６の作業具１２の位置を 求める装置１０が示されている。土壌作業ブレードとして示されている作業具１ ２がモータグレーダとして示されている地形面変更マシン１６のフレーム１４に 可動で制御可能に取り付けられている。ドーザ、スクレーパ、突き固め機、地な らし機、地面成形機等のような、適当な地面変更用具が設けられた別のマシンが 同等であり、本発明の範囲内にあると考えられる。 図示した実施例において、装置１０は任意的にレーザスキャナ２２を含む。レ ーザスキャナ２２は、ほぼ垂直軸２８のまわりを掃射する強度の低いレーザビー ム２６を送るようになっている。レーザスキャナ２２は、以下本明細書では作業 場所３２とする測量領域内の所定の座標位置（“ｘ”，“ｙ”）で位置決めされ る。掃射するレーザビーム２６は垂直軸２８に沿った所定の高さ位置で平面３０ を形成し、精密な高さ座標位置“ｚ”を形成する。 装置１０が、全地球航法システム（ＧＰＳ）２４を含む。ＧＰＳ２４は、衛星 の星座を含んでおり、そのうちの２つを３４ａと３４ｂで示す。好ましくは、三 角法の好ましい幾何のために、マシン１６からの視界中に４つの衛星が選択され る。 全地球航法システム２４は、ベースステーション３６と、該ベースステーショ ン３６に接続されている基準受信手段３８とを含む。基準受信手段３８が複数の 場所から電磁放射を受信し、これに応答して基準位置信号を発信するようになっ ている。基準受信手段３８は、ＧＰＳ基準レシーバ３９を含む。ベースステーシ ョン３６は、作業場所３２において既知の固定位置に配置される。ベースステー ション３６のトランシーバ４０とマシン１６上のトランシーバ４２とがマシン１ ６とベースステーション３６との間にＲＦ通信リンクを形成し、このリンクを通 って基準位置データが伝送される。ベースステーションプロセッサ（図示せず） が、地球の中心に対してベースステーションの位置を求めるのに用いられる。 全地球航法システム２４は、さらに、複数の離れた場所から送られた電磁放射 を受信し、これに応答して第１の位置信号を発信する第１の受信手段１８と、前 記複数の離れた場所から送られた電磁放射を受信しこれに応答して第２の位置信 号を発信する第２の受信手段２０とを含む。 図１と図２から最もよくわかるように、第１の受信手段１８は、作業具１２の 第１の所定の場所に接続されており、第２の受信手段２０が作業具１２の第２の 所定の場所に接続されている。第１の受信手段１８は、第１のＧＰＳレシーバ４ ４を含み、第２の受信手段２０が第２のＧＰＳレシーバ４６を含む。第１および 第２のＧＰＳレシーバのそれぞれは、アンテナ４８、５０とプリアンプリファイ ヤ（図示せず）を有する。第１および第２のアンテナ４８、５０によって受信さ れた位置信号が増幅され、第１および第２のレシーバ４４、４６に送信される。 第１および第２のレシーバ４４、４６が航法信号を解読し、各選択された衛星ご とに疑似範囲と衛星位置を作り出す。位置コンピュター５２を含む処理手段５１ が、疑似範囲と衛星位置とに基づいて第１および第２のレシーバの位置を計算す る。詳細には、第１と第２のレシーバ４４、４６は、第１および第２アンテナ４ ８、５０の受信ポイント場所“Ｒ”、“Ｌ”の位置をそれぞれ求める。受信ポイ ント“Ｒ”、“Ｌ”がＧＰＳ信号を受け取る有効な中心であり、次の計算に用い られる。このような全地球航法システムが本分野の当業者にはよく知られている ので、これ以上詳細には述べない。 図３に示すような作業具１２が、第１および第２側部５８、６０を有する土な らしブレード７０と、切断用エッジ６６、および上方エッジ６８とを含む。簡潔 にするため、以下の記載では、この特定の土壌作業用ブレードの例に関して述べ る。しかしながら、別の作業具１２も本発明の精神から逸脱することなく、この ブレードと置き換えることができる。第１のアンテナ４８が、第１側部５８に近 接してブレード７０に取り付けられており、第２のアンテナ５０が第２の側部６ ０に近接してブレード７０に取り付けられている。受信ポイント“Ｒ”、“Ｌ” が所定の距離“Ｗ”だけ離れている。図示されているように、特定の距離“Ｗ” は、第１および第のブレード側部５８と６０との間の距離の大きさに実質的に等 しい。第１および第２の受信ポイント“Ｒ”、“Ｌ”は、ブレード７０の切断用 エッジ６６に沿って好ましく位置付けられている第１および第２の位置“Ｒ”、 “Ｌ”に対して位置決めされる。第１および第２の点位置“Ｒ”、“Ｌ”は、第 １および第２の側部と切断用エッジ６６との交差点において、ブレード７０の第 １と第２のコーナにあり、距離Ｂだけ離れているのが好ましい。距離“Ｂ”は、 距離“Ａ”に等しいのが好ましい。第１および第２のアンテナ４８、５０（受信 ポイント“Ｒ”、“Ｌ”）と第１および第２のポイント“ＲＢ”と“ＬＢ”をこ れらの場所に配置することは、第１と第２の受信ポイント“Ｒ”、“Ｌ”とブレ ード７０の第１および第２のポイント位置“ＲＢ”、“ＬＢ”との間の３次元の 空間変換計算を簡単にする。好ましくは、第１および第２の受信手段１８、２０ が、切断エッジ６６に対して垂直に延び、互いに平行な第１および第２の軸線７ ３、７５に沿って配置されている。しかしながら、本発明の精神から逸脱するこ となく別の場所を選択してもよいことがわかる。 図１および図２を参照すると、第１および第２の受信手段１８、２０が、上述 の第１および第２の所定の間隔のあいた場所でブレードに接続された第１および 第２のレーザレシーバ７２、７４を任意に含む。好ましくは、第１および第２の レーザレシーバが第１および第２のアンテナ４８、５０の各々の場所にある。図 ３で最もよくわかるように、第１および第２のアンテナ４８、５０が第１および 第２のレーザレシーバ７２、７４の一端部にそれぞれ取り付けられており、レー ザレシーバ７２、７４の他端部が、上方エッジ６８においてブレード７０に接続 されている。レーザレシーバ７２、７４は、段階的に増加するレーザレシーバで あり、複数の線形に整列された光受容体７６と、これに組み合わされる回路（図 示せず）とを含んでおり、特定の受容体の点滅を表す出力信号を送信するように なっている。この種のレーザレシーバの構成については本分野においてよく知ら れており、本明細書においてはこれ以上詳細に説明しない。第１および第２のレ ーザレシーバ７２、７４は、高さ方向における作業具１２の位置計測の正確さを 改善し、全地球航法システムから得られた計測を補うのに設けられている。第１ および第２のレーザレシーバ７２、７４が位置コンピュータ５２に接続されてい る。レーザレシーバが出力信号を位置コンピュータ５２に送り、位置コンピュー タが、特定の作業場所に関する３次元のブレード７０の高さ座標位置“ｚ”を求 める。第１および第２のライン７３、７５が第１および第２のレーザレシーバの 長さに沿って延びており、受信ポイント“Ｒ”、“Ｌ”を通る。 図１を参照すると、基準レシーバ３９がベースステーション３６に配置されて おり、ＧＰＳ衛星の星座から信号を受信する。レシーバ３９に接続されているベ ースステーションコンピュータ（図示せず）が地球の中心に対するレシーバ３９ （アンテナ７８）の位置を求める。基準レシーバ３９が、“差動全地球航法シス テム”を形成するのに用いられる。第１および第２のレシーバ４４、４６と基準 レシーバ３９が商業的に入手可能であり、アンテナ、プリアンプリファイヤおよ びレシーバを含む。位置とベースステーションコンピュータ５２が商業的に入手 可能な米国イリノイ州シュカンバーグ在住のモトロラ社のマイクロプロセッサを 含む。 図３と図４を参照すると、作業具１２がより詳細に示されている。ブレード７ ０が、支持機構８０によりフレーム１４に可動に接続されている。支持機構８０ は、サークル８５と、公知の手段でサークル８５の中央に配置されているブレー ド７０を回転させるための選択的に作動可能な回転駆動モータ８４を有するサー クル駆動機構８２を含む。 一対の選択的に作動可能な流体作動式リフトジャッキ８６、８８が、ブレーム １４と支持機構８０との間に接続されている。リフトジャッキ８６、８８はフレ ーム１４に対してブレード７０を上方に動かす。リフトジャッキ８６、８８が延 びると同時にブレード７０が降下し、リフトジャッキ８６、８８が収縮すると同 時にブレード７０が上がる。リフトジャッキ８６、８８のいずれか１つの延びま たは収縮または、リフトジャッキ８６、８８の一方の延びと他方の収縮により、 マシン１６の動きの方向に対して横の方向にフレーム１４に対してブレード７０ を傾斜させることになる。 図４を参照すると、流体作動式チップジャッキ９０が支持機構８０に接続され て支持機構とベルクランク９２との間に接続されている。ベルクランク９２はブ レード７０をサークル駆動機構８２にピボット運動可能に接続する。チップジャ キ９０が伸延可能に可動であり、ベルクランク９２をピボット運動接続のまわり に傾斜させるようになっている。このため、ブレードが前後方向に、図４の仮定 線に示すように傾斜運動することになり、ブレードは車両フレーム１４の横方向 に向いた状態である。傾斜とピッチという用語は相互に置き換え可能であり同一 の意味を有するものである。 図３、４および５を参照すると最もよくわかるように、検出手段９４が、ブレ ード７０のピッチ角θの変化を検出し、これに対応してピッチ角信号を送信する 手段９４が設けられている。検出手段９４は、ベルクランクピボット軸のまわり のブレードの傾斜位置を検出することのできる適当なトランジューサ９６を含ん でいる。例えば、ポテンシオメータ、エンコーダ、リゾルバー等である。トラン ジューサ９６が、ベルクランクに接続されており、ピッチ角信号を位置コンピュ ータ５２に送信する。ピッチ角信号はアナログ、ディジタルのいずれでもよい。 アナログ信号が送信されると、Ａ／Ｄコンバータが、処理手段５１によってディ ジタル処理のために信号を変換するよう要求される。位置コンピュータ５２は、 局所座標系において作業具の第１と第２のポイント場所ＲＢ、ＬＢの関連する現 在の座標位置を求める。局所座標系は、フレーム１４（支持構造８０）に関して 形成された３次元の座標系である。図５を参照すると、ブレード７０は、第２側 部６０から見られ、ブレード７０に沿って見下ろすように示されている。 処理手段５１が第１と第２の受信手段１８、２０から第１と第２の位置信号を 受信し、上述の作業場所３２に対する場所座標系において、リアルタイムで、第 １および第２の受信手段１８、２０の第１と第２の現在の座標位置“Ｌ”、“Ｒ ”を求める。高さの方向において、さらに正確さが要求される場合には、上述に 示したように、第１と第２の信号はレーザ位置信号を含んでいてもよい。処理手 段５１は、レーザ位置信号が与えられると、ＧＰＳ高さ成分“ｚ”を無視するの が好ましい。 図６を参照すると、処理手段５１は、第１と第２の現在の座標位置“Ｌ”、“ Ｒ”と、場所座標系の第１および第２の受信手段１８、２０の第１および第２の 先に形成された座標位置“Ｌ’”、“Ｒ’”の間を通るほぼ直線９９に沿って位 置する中点“Ｃ”とを通る空間内に平面９８を形成する。最も新しい先に求めら れた座標位置“Ｌ’”、“Ｒ’”が処理手段５１のメモリ（図示せず）に記憶さ れる。作業場所座標ＣX、ＣY、ＣZの最も新しいブレードの配向の有効な中点の 位置“Ｃ”が以下のように求められる。 ＣX＝（Ｒ’X＋Ｌ’X）／２ ＣY＝（Ｒ’Y＋Ｌ’Y）／２ ＣZ＝（Ｒ’Z＋Ｌ’Z）／２ 図６を参照すると、平面９８が、場所座標系において、第１の現在の座標位置 “Ｒ”から第２の現在の座標位置“Ｌ”まで延びる第１のベクトルＲＬと、第１ の現在の座標位置“Ｒ”と 中点“Ｃ”から延びる第２のベクトルＲＣとによっ て決定される。ベクトルＲＬとＲＣは以下のように求められる。 ベクトルＲＬ＝（ＬX−ＲX）ｉ＋（ＬY−ＲY）ｊ＋（Ｌz−ＲZ）ｋ ベクトルＲＣ＝（ＣX−ＲX）ｉ＋（ＣY−ＲY）ｊ＋（ＣZ−ＲZ）ｋ 単位ベクトル“ｉ”、“ｊ”、“ｋ”は、“ｘ”、“ｙ”、“ｚ”座標方向に対 応する場所座標系における方向である。 図５を参照すると、局所座標系において第１と第２の点ＲＢとＬＢの現在の座 標位置を知ると、これらのポイント場所を、平面９８を基準として用いて場所座 標系に変換できることがわかった。フレーム１４に対する（支持構造８０）局所 座標系の第１および第２の点ＲＢとＬＢの座標位置が以下のように求められる。 ＲＢx＝ＬＢx＝Ｄｓｉｎθ ＲＢx＝ＬＢY＝−Ｄｃｏｓθ ＲＢz＝０ ＬＢz＝ｗ ここでＤ＝第１と第２の受信手段１８、２０の第１と第２の受信ポイントＲ、Ｌ からブレード７０の第１および第２の場所ＲＢ、ＲＬまでのそれぞれの距離であ る。 θ＝ブレード（０は傾斜なし、Π／２は最大傾斜角）の傾斜（ピッチ）角 ｗ＝切断エッジの長さ（第１と第２側部５８、６０の距離） 局所座標系における第１および第２のポイントＲＢ、ＬＢの現在の座標位置が 、例えば装置１０を“オン”位置を切り換えることによって受信手段１８、２０ 、処理手段５１、ピッチ角センサー９４を作動させるような、装置の初期化の間 に求められる。検出手段９４によって検出された傾斜角θの変化がある場合に、 局所座標系における第１と第２のポイントＲＢとＬＢの座標位置の判定が連続し て更新される。これは、現在のピッチ角を先に検出されたピッチ角θ’と比較し て、メモリ（図示せず）に記憶された第１と第２のポイントＲＢとＬＢの現在の 先に検出され記憶された座標位置を求め、局所座標系において第１と第２のポイ ントＲＢとＬＢの現在の座標位置に対する情報を更新する、処理手段５１によっ て達成される。 処理手段５１は、第１と第２の点のそれぞれの場所座標系単位ベクトルに関す る局所座標系単位ベクトルｘ、ｙ、ｚの値を計算する。 ｙ＝ベクトル（ＲＬ×ＲＣ）／｜ＲＬ×ＲＣ｜＝ｖ12ｉ＋Ｖ22ｊ＋ｖ32ｋ ｚ＝ベクトルＲＬ／｜ＲＬ｜＝ｖ13ｉ＋ｖ23ｊ＋ｖ33ｋ ｘ＝ｙ×ｚ＝ｖ11ｉ＋ｖ21ｊ＋ｖ31ｋ ここでベクトルａ、ｂ、ａ×ｂは、ベクトルクロス積であり、｜ベクトルａ｜ は、ａベクトルの大きさを表す。 処理手段５１は、現在の第１と第２の局所ポイント座標位置ＲＢ、ＬＢを局所 座標系から場所座標系ＲＢ、ＬＢのそれぞれに変換し、場所座標系の第１と第２ のポイントＲＢ、ＬＢの位置を記録する。第１と第２の局所ポイント位置を場所 座標系に変換することが以下のように求められる。 ＲＢ＝ＶＲＢ ＬＢ＝ＶＬＢ ここでＶは以下のマトリックスである。 ｖ１１ ｖ１２ ｖ１３ ＲX ｖ２１ ｖ２２ ｖ２３ ＲY Ｖ＝ ｖ３１ ｖ３２ ｖ３３ ＲZ ０ ０ ０ １ ここで 座標点ＲＢ＝〔ＲＢx,ＲＢy,ＲＢz,１〕T ＲＢ＝〔ＲＢx,ＲＢy,ＲＢz,１〕T 同様に、 座標点ＬＢ＝〔ＬＢx,ＬＢy,ＬＢz,１〕T ＬＢ＝〔ＬＢx,ＬＢy,ＬＢz,１〕T ＲＢとＬＢにおけるベクトルはブレード７０上の第１と第２のポイント場所の座 標を含む。 図２を参照すると、処理手段５１が、例えばインテル４８６マイクロプロセッ サを有するＩＢＭパーソナルコンピュータのような適当な種類のデータベースコ ンピュータ１００を含んでおり、適当なメモリが位置コンピュータ５２に接続さ れている。データベースコンピュータ１００は、位置コンピュータ５２から信号 を受信し、マシン１６が作業場所を通るときに、作業場所内においてブレード７ ０上の第１と第２のポイント位置ＲＢ、ＬＢの現在の座標位置をリアルタイムで 更新する。データベースコンピュータ１００は、トランシーバ１０３にも接続さ れている。トランシーバ１０３は、マシン１６に取り付けられており、ベースス テーション３６でトランシーバ４０とラジオ周波数伝送通信通信を行なう。トラ ンシーバ４０がベースステーション３６に配置されている陸上がベースのコンピ ュータ（図示せず）に接続されている。トランシーバ４０は、トランシーバ１０ ３と通信して、データベースコンピュータ１００と陸上ベースのコンピュータと の間にデータを送信する。マシン位置、作業具の位置、地上の地形の変化等よう なデータが、これらの間で伝送される。例えば、マシン１６の作動中、作業具１ ２によりなされた地上面の変化は、場所座標系において第１および第２のポイン トＲＢ、ＬＢの追跡に基づいて、マシン１６上に配置された位置コンピュータ５ ２にリアルタイムで更新される。このような情報が伝送されて、陸上ベースコン ピュータを更新してこの中に保持されている場所マップを更新する。 例えば、液晶ディスプレー、ブラウン管、または情報を表示できる別の適当な 装置のような商業的に入手可能な構造のモニター１０２が、データベースコンピ ュータ１００に接続されている。データベースコンピュータ１００が、信号をモ ニター１０２に送信し、作業場所に対するブレードの現在の位置を絵図的にまた はグラフ的に表示する。ディスプレーは、図４に示すように側部のブレードを表 す作業場所の２次元縦方向の断面図であるのが好ましい。しかしながら、３次元 空間内のブレード７０の３次元表示も本発明の範囲内にある。 地形測量によって先に決定されるような実際の作業場所のディジタル化された プランまたはモデルが、データベースコンピュータ１００内にロードされてもよ い。建築家によってドラフトされたような所望の作業場所のディジタル化された プランまたはモデルがデータベースコンピュータ１００にロードされてもよい。 実際の作業場所データが、上述に求められたように第１と第２のポイント場所Ｒ Ｂ、ＬＢの位置に基づいてリアルタイムで更新される。データゲースが、動的に 第１と第２のポイント場所ＲＢ、ＬＢをリアルタイムで追跡しやすくし、ブレー ドが作業場所を通ると、ブレード７０によって地表面の領域が変更される。応答 信号がデータベースコンピュータ１００からモニター１０２に送信され、ブレー ド７０の現在の位置、変更された実際の作業場所、所望の作業場所の高さがモニ ター１０２に表示される。 図７を参照すると、場所座標系において作業具１２の位置を求める方法を表す フローチャートが全体的に詳しく示されている。この方法は、上述の記載に述べ られた解析を利用し、監視することを目的として、適当な場合には作業具１２を 制御するためにロジックシーケンスにこの解析を適用する。ボックス１０４−１ ２０に示された段階が、処理手段５１によって実行され、その結果が、上述した ようにシステムが作動し、制御スイッチ（図示せず）が“オン”状態であるかぎ り、ディスプレーされる。 ボックス１０４に示すように、作業具１２の現在のピッチ角θを求める段階が 装置１０の初期化と次の作動の間に必要とされる。この段階は、検出手段９４か ら信号を受信し、局所座標系においてフレーム１４に対する作業具１２の現在の ピッチ角θを求める段階を含む。ピッチ角θが、先に求められたピッチ角θ’と してメモリ内に受信され記憶された信号に基づいて、処理手段５１により求めら れる。このようなピッチ角の計算は従来のものであり、本分野の当業者にはよく 知られている。 ボックス１０６において、処理手段５１が現在のピッチ角θを先に求められた ピッチ角θ’と比較する。ピッチ角θに変化がある場合には、判定ボックス１０ ８、処理手段が、ボックス１００に述べた段階を実行する。ボックス１０４−１ ０８に示された段階は、フレーム１４（支持機構８０）に対する作業具のピッチ 角の変化を検出し、これに応答して、次の処理のために（ボックス１１０−１１ ８に示すように）処理手段５１に信号を送信する単一の段階に対応する。アナロ グ信号またはディジタルコード化された信号を送信できる商業的に入手可能なピ ッチ角検出装置が、この目的に適している。 例えば上述の比較に基づいて、ピッチ角θに変化がない場合には、段階１１０ を通り抜けて、ボックス１１２内の計算が実行される。本分野の当業者には公知 のように、ボックス１０６と１０８のロジックに相当する比較が、コンピュータ に組み合わされるソフトウェアサブルーチンにおいて達成されてもよいし、また は別個の電子部品を有する公知の構成からなる比較回路で達成されてもよい。 ボックス１１０を参照すると、フレーム１４に対する局所座標系における第１ と第２のポイントＲＢ ＬＢの現在の座標位置が、ピッチ角θに変化があるとご に計算される。これらの計算は、上述の式に従って処理手段５１によって実行さ れる。例えば、秒ごとに一回、あるいは作業具が車両オペレータによって動かさ れたときのような、所定の一定の頻度で比較を行なってもよい。 ボックス１１２において、処理手段５１は、上述の解析に述べたような場所座 標系内の第１と第２の間隔のあいた受信手段１８、２０の、第１と第２の先に求 められた座標位置“Ｌ’”と“Ｒ’”との間を通るほぼ直線に沿って配置された 中点座標位置“Ｃ”（ＣX、ＣY、ＣZ）を求める。処理手段５１のメモリ内に記 憶されている先に求められた座標位置“Ｌ’”と“Ｒ’”が、全地球航法の推定 と、適切な場合にはレーザ位置決めに基づいた。 処理手段５１は、第１の現在の座標点の位置“Ｒ”と第１の現在の座標点位置 “Ｌ”との間に延びる第１のベクトルＲＬと、第２の現在の座標位置“Ｒ”と場 所座標系における中点“Ｃ”から延びる第２のベクトルＲＣを計算する。この計 算に関する詳細な記載は上述になされている。ベクトルＲＬとＲＣを求めると、 ボックス１１６において、処理手段５１が場所座標系単位ベクトルｉ，ｊ，ｋに 関して局所座標系の単位ベクトルｘ，ｙ，ｚをそれぞれ決定する。詳細に関して は、上述の関連した解析を参照する。場所座標系単位ベクトルｉ，ｊ，ｋに関す る各局所座標系単位ベクトルｘ，ｙ，ｚのそれぞれを知ると、処理手段５１が第 １と第２の局所座標系点ＲＢとＬＢを第１と第２の場所座標系点ＲＢとＬＢに変 換できる。この解析の詳細な説明がボックス１１８と上述の関連した記載でなさ れている。変換の完了の際に、場所座標系の第１と第２の場所ＲＢ，ＬＢが、将 来の基準と使用のために記録される。ある用途において、場所座標系における第 １と第２のポイントＲＢ，ＬＢの場所がメモリ、ディスク内にまたはペーパレコ ードの形態で記憶される。別の用途において、情報が、絵図的、またはグラフ的 、あるいは数字的にモニター１０２にディスプレーされる。別の用途において、 この情報は、オートマチックまたはセミオートマチック作業具の位置制御を実行 するのに適用される。産業上の利用分野 図面を参照すると、作動において、モータグレーダとして示されているが、こ れに限定されない特定の地表面変更マシン１６が、例えば特定の勾配で基礎をな す道路面を地ならしするために、フレーム１４に対してブレード７０が特定の場 所に位置決めされた状態で、道路を通るように示されている。地ならし作動の間 に、車両のオペレータは、別の地ならしと土壌の投棄特性を行なうために、ブレ ード７０のピッチを変更することが一般的である。ブレード７０のピッチを変更 することは、第１と第２の受信手段１８、２０の第１と第２のアンテナのポイン ト場所Ｒ、Ｌに対する３次元の空間における第１と第２のポイントＲＢ、ＬＢの 位置をそれぞれ変更することになる。この相対的な変更を補償するために、ピッ チ各θにおける変化量を求め、次いで３次元場所座標系における第１と第２のポ イント場所ＲＢ、ＬＢの位置を修正することが必要である。 マシンが基礎をなす土地を通り、土壌の地形面変更を実行するとき、第１と第 ２の受信手段１８、２０の第１と第２のポイントＲ、Ｌの位置が、場所座標系に おいて３次元空間で求められ、これに応答した信号が、さらに次の処理のために 処理手段５１に送信される。場所座標系内における３次元のブレード７０の第１ と第２のポイント場所の座標位置ＲＢ、ＬＢがより重要であり、局所座標系にお ける第１と第２のポイント場所ＲＢとＬＢまたは第１および第２のポイントＲ、 Ｌよりも車両オペレータにとって価値があるために、相対的なポイント場所の変 換が望まれる。ブレード７０の配置の正確さを制御するのに役立つように、また 掘削、充填、傾斜づけ、地ならし、別の地表面変更に関連する作動に関する作動 の全体の効率を向上させることを目的として、オペレータがモニター１０２にデ ィスプレーされた情報を利用する。また、ブレード７０が地表面を変更すると、 ブレード７０の位置が追跡される。この追跡により、データベースコンピュータ １００に含まれていた元の地形情報の更新を行なうことになる。この情報は、陸 上ベースコンピュータにアンロードされる。例えば、場所座標系におけるブレー ド７０の追跡されたリアルタイムの位置が、作業場所３２の元の地形と、作業場 所３２の所望の最終的な地形と比較して作業場所３２の現在の地形を求める。元 の、所望の、および現在の地形がモニター１０２に記憶され、ディスプレーされ るのが理想的である。 局所座標系の第１と第２のポイントＲＢとＬＢの座標位置の変換は、装置１０ により、すなわち上述した方法に従って達成される。この変換が、作業１２の位 置決定の正確さを改善し、正確な作業具の制御のためにこのような情報を用いる ことが容易になる。 本発明の別の態様、目的および利点は、図面、発明の開示および請求の範囲か ら明白である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．マシン(16)に可動に接続された作業具(12)の位置を求めるための装置(10)に おいて、 複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受け取り、これに応答して第１の位 置信号を発信するようになっており、作業具(12)に接続され該作業具(12)上の第 １のポイント場所（RB）から離れて前記作業具(12)に対し第１の所定の場所にあ る第１の受信手段(18)と、 前記複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受け取り、これに応答して第２ の位置信号を発信するようになっており、前記作業具(12)に接続され該作業具(1 2)上の第２のポイント場所(LB)から離れて前記作業具(12)に対し所定の第２の場 所(LB)にあって、前記第１の受信手段(18)から所定距離だけ離れている第２受信 手段(20)と、を備え、前記作業具(12)上の前記第１のポイント場所(RB)は、前記 作業具(12)上の前記第２のポイント場所(LB)から所定の距離だけ離れており、 前記第１および第２の位置信号を受信し、場所座標系において第１と第２の 受信手段(18,20)の第１と第２の座標位置(R,L)を求め、前記場所座標系において 前記第１と第２の現在の座標位置と、前記第１と第２の受信手段(18,20)の前記 第１と第２の先に形成された座標位置(R',L')との間を通るほぼ直線(99)に沿っ て配置されている中点(C)との間を通る平面(98)を形成し、該平面(98)を基準と して用いて前記第１と第２の受信ポイント(R,L)を前記マシン(16)に関連する局 所座標系から前記場所座標系に変換し、前記第１および第２の受信ポイントの(R ,L)の位置を前記場所座標系に記憶する処理手段(51)、 が設けられている装置(10)。 ２．前記作業具(12)の前記ピッチ角の変化を検出し、これに関連して前記作業具 (12)上の前記第１および第２のポイント場所(RB,LB)の現在の位置を前記局所座 標系において求める手段(94)を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置(10) 。 ３．前記処理手段(51)は、前記局所座標系における前記第１と第２の受信手段の ポイント(R,L)の前記現在の位置を前記場所座標系に変換し、該場所座標系にお ける前記第１と第２の受信ポイント(R,L)の前記現在の位置を記録することを特 徴とする請求項２に記載の装置(10)。 ４．前記マシン(16)はフレーム(14)を有し、該フレーム(14)に対する前記作業具 (12)の傾斜運動に応答する、前記作業具(12)に接続されたピッチ角センサー(94) を含んでおり、該ピッチ角センサー(94)は、前記フレーム(14)に対する前記作業 具(12)の前記ピッチ角を表すピッチ角信号を送信することを特徴とする請求項１ に記載の装置(10)。 ５．前記処理手段(51)は、前記現在のッピッチ角を先に検出されたピッチ角と比 較する前記ピッチ角信号を受信し、前記作業具(12)の前記現在と先に検出された ピッチ角との差に応答して、局所座標系において前記作業具(12)の前記第１と第 ２の受信ポイント(R,L)の前記現在位置を求めることを特徴とする請求項４に記 載の装置10)。 ６．前記処理手段(51)は、前記局所座標系における前記第１と第２の受信ポイン ト(R,L)の前記現在の位置を前記場所座標系に変換し、該場所座標系における前 記第１と第２の受信ポイント(R,L)の前記現在の位置を記憶することを特徴とす る請求項５に記載の装置(10)。 ７．前記第１と第２の現在の座標位置および中点(C)を通る前記平面(98)が、前 記第１の現在の座標位置から前記第２の現在の座標位置に延びる第１のベクトル (RL)と、前記第１の現在の座標位置から前記中間点(C)に延びる第２のベクトル( RL)とによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置(10)。 ８．前記局所座標系における前記第１と第２の受信ポイント(R,L)を前記場所座 標系に変換する段階は、 場所座標系単位ベクトルに関する前記第１と第２の受信ポイント(R,L)の各 々ごとに局所座標系単位ベクトルを形成し、 前記場所座標系単位ベクトルに関して形成された前記局所座標単位ベクトル から求められたベクトルクロス積を用いて、前記局所座標系の前記第１と第２の 受信ポイント場所を前記場所座標系に変換する、 段階を含むことを特徴とする請求項７に記載の装置(10)。 ９．前記第１および第２の受信手段(18,20)のそれぞれは、地球位置レシーバ(44 、46)を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置(10)。 10．前記第１および第２の受信手段(18,20)のそれぞれは、レーザ位置レシーバ( 72,74)を含むことを特徴とする請求項１１に記載の装置(10)。 11．前記第１受信手段(18)の前記レーザ位置レシーバ(72)が前記第１の場所で前 記作業具(12)に取り付けられ、前記第２の受信手段(20)の前記レーザ位置レシー バ(74)が前記第２の場所で前記作業具(12)に取り付けられており、前記第１受信 手段(18)の前記地球位置レシーバ(44)が前記第１受信手段(18)の前記レーザ位置 レシーバ(72)に接続され、前記第２受信手段(20)の前記地球位置レシーバ(46)が 前記第２受信手段(20)の前記レーザ位置レシーバ(74)に接続されていることを特 徴とする請求項１０に記載の装置(10)。 12．前記地球位置レシーバ(44,46)が前記作業場所(32)の座標系に対する三次元 において前記第１および第２の検出手段の前記座標位置を計測し、前記レーザ位 置レシーバ(72,74)が前記作業場所(32)に対して高さ方向に前記第１および第２ の検出手段の前記座標位置を計測することを特徴とする請求項１１に記載の装置 (10)。 13．前記作業具(12)は、切断用エッジ(66)と、第１および第２の側部と、該第１ および第２の側部と前記切断用エッジ(66)とによって形成された第１および第２ の間隔のあいたコーナーとを有する土壌作業用ブレード(70)であり、前記第１お よび第２の受信ポイント(R,L)は前記第１および第２のコーナーに配置されてお り、前記第１受信手段(18)が前記切断エッジ(66)にほぼ垂直に延びる第１ライン (73)に沿って配置され、前記第２の受信手段(20)が前記切断エッジ(66)にほぼ垂 直に延びる第２のライン(75)に沿って配置されていることを特徴とする請求項２ に記載の装置(10)。 14．フレーム(14)と、該フレーム(14)に可動に接続されている作業具(12)とを有 するマシン(16)において、 複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受取りこれに応答して第１の位置信 号を発信するようになっており、作業具(12)に接続され該作業具(12)上の第１の 所定のポイント位置から離れて前記作業具(12)に対し所定の場所にある第１の受 信手段(18)と、 前記複数の遠隔場所から送られた電磁放射を受取りこれに応答して第２の位 置信号を発信するようになっており、前記作業具(12)に接続され該作業具(12)上 の第２の所定のポイント位置から離れて前記作業具(12)に対し所定の場所にあっ て、前記第１受信手段(18)から所定の距離だけ離れている第２の受信手段(20)と 、を備え、前記作業具(12)上の前記第１のポイントは、前記作業具(12)上の前記 第２のポイントから所定の距離だけ離れており、 前記作業具のピッチ角の変化を検出して、これに応答してピッチ角信号を発 信する手段(94)と、 前記第１および第２の位置信号と前記ピッチ角信号とを受信し、該ピッチ角 信号に基づいてマシン(16)に対する局所座標系において前記第１と第２の受信ポ イント(R,L)の現在の位置を求め、場所座標系における前記第１と第２の受信手 段(18,20)の第１と第２の現在の座標位置を求め、前記場所座標系における前記 第１と第２の受信手段(18,20)の第１と第２の先に形成された座標位置の間を通 るほぼ直線(99)に沿って配置されている中点(C)を求め、前記第１の現在の座標 位置から前記第２の現在の座標位置に延びる第１のベクトルと、前 記第１の現在の座標位置から前記中点(C)に延びる第２のベクトルとを求め、場 所座標系単位ベクトルに関する前記第１と第２の受信ポイント(R,L)の現在の位 置の局所座標系単位ベクトルを求め、前記場所座標系単位ベクトルに関して形成 された前記局所座標単位ベクトルから求められたベクトルのクロス積を用いて、 前記局所座標系の前記第１と第２のポイントの前記現在の位置を前記場所座標系 に変換し、該場所座標系における前記第１および第２の受信ポイント(R,L)の前 記変換された現在位置を記憶する、コンピュータ手段(51)と、 が設けられているマシン(16)。 15．前記第１および第２の受信手段(18,20)のそれぞれが、地球位置レシーバ(44 ,46）を含むことを特徴とする請求項１４に記載の装置(10)。 16．前記第１および第２の受信手段(18,20)のそれぞれが、レーザ位置レシーバ( 72,74)を含むことを特徴とする請求項１５に記載の装置(10)。 17．前記第１受信手段(18)の前記レーザ位置レシーバ(72)が前記第１の場所で前 記作業具(12)上に取り付けられ、前記第２の受信手段(20)の前記レーザ位置レシ ーバ(74)が前記第２の場所で前記作業具(12)上に取り付けられており、前記第１ 受信手段(18)の前記地球位置レシーバ(44)が前記第１受信手段(18)の前記レーザ 位置レシーバに接続され、前記第２受信手段(20)の前記地球位置レシーバ(46)が 前記第２受信手段(20)の前記レーザ位置レシーバ(74)に接続されていることを特 徴とする請求項１６に記載の装置(10)。 18．前記地球位置レシーバ(42,46)が、前記作業場所(32)の座標系に対する三次 元の前記第１および第２の受信手段(18,20)の前記座標位置を計測し、前記レー ザ位置レシーバ(72,74)が前記作業場所(32)に対する高さ方向の前記第１と第２ の受信手段(18,20)の前記座標位置を計測することを特徴とする請求項１７に記 載の装置(10)。 19．前記作業具(12)は、切断用エッジ(66)と、第１および第２の側部と、該第１ および第２の側部と前記切断用エッジ(66)とによって形成された第１および第２ の間隔のあいたコーナーとを有する土壌作業用ブレード(70)を含んでおり、前記 第１および第２の受信ポイント(R,L)は前記第１および第２の端に配置されてお り、前記第１受信手段(18)が前記切断エッジ(66)にほぼ垂直に延びる第１ライン に沿って配置され、前記第２の受信手段(20)が前記切断エッジ(66)にほぼ垂直に 延びる第２のラインに沿って配置されていることを特徴とする請求項１４に記載 の装置(10)。 20．間隔の離れた第１と第２の受信手段(18,20)が取り付けられ、間隔の離れた 第１と第２の受信ポイント(R,L)とが配置されている、地表面変更マシン(16)の フレーム(14)に可動に接続されている作業具(12)の位置を求める方法において、 場所座標系において第１と第２の離れた受信手段(18,20)の現在の座標位置を求 め、 フレーム(14)に関する局所座標系において、第１と第２の受信ポイント(R,L )のそれぞれの位置を求め、 前記場所座標系において前記第１および第２の離れた受信手段(18,20)の先 に求められた第１および第２の座標位置の間を通るほぼ直線に沿って配置された 中点(C)の座標位置を求め、 前記場所座標系において、前記第１および第２の現在の座標位置の間を延び る第１のベクトルと、前記第１の現在の座標位置と前記中点(C)との間を延びる 第２のベクトルとを求め 前記局所座標系における前記第１および第２の受信ポイント(R,L)の前記位 置を前記場所座標系に変換する、 段階からなる方法。 21．前記第１および第２受信ポイント(R,L)の前記位置を変換する前記段階は、 前記場所座標系単位ベクトルに関する局所座標系単位ベクトルを形成し、 前記第１と第２のポイントの位置を前記局所座標系から前記場所座標系に変 換する、 段階を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。 22．前記作業具(12)のピッチ角の変化を検出し、 前記局所座標系において前記第１と第２の受信ポイント(R,L)の現在の位置 を求め、 前記局所座標系における前記第１および第２の受信ポイント(R,L)の前記現 在の位置を前記場所座標系に変換する、 段階を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
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