JPH1136373A - 作業現場に対し地形変更機械を操作するための方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作業現場の地形を所望の状態に変更するよう
に地形変更機械を作業場所に対し操作するための方法と
装置に関連する。 【解決手段】 所望の作業現場地形の第１のディジタル
三次元モデルと、実際の作業現場の地形の第２のディジ
タル三次元モデルとがディジタルデータ記憶ファシリテ
ィ内に記憶される。機械には、位置レシーバが設けられ
ており、作業現場に対する機械の位置を三次元空間で求
めるようになっている。動的データベースは、機械位置
情報を受信し、第１および第２の作業現場モデル間の差
を求め、機械の操作を行なうために、その差を表す信号
を作り出して実際の作業現場地形を所望の作業現場地形
と一致させるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、作業現場の地形を変更
するための機械の操作に関する。より詳細には、本発明
は、機械が作業場所を所望の状態に変更するように作業
現場の地形を集合的に表すディジタルデータをリアルタ
イムで発生させて、使用することに関する。

【０００２】

【従来の技術】本明細書に用いられる、「地形変更機
械」と、様々なこれに類似する用語は、履帯式トラク
タ、油圧掘削機、鉱山用ショベル、地ならし機、舗装機
械、アスファルト成形機のような自走式モービル機械の
ことを意味し、これらは、（１）フレームを支持する車
輪や履帯を駆動する原動機（例えばエンジン）がフレー
ム上に設けられているために作業現場の上、あるいは中
を通る可動性と、（２）バケット、ショベル、リッパー
等のような作業具または組になった作業具からなる、フ
レーム上の設備のために、作業場所の地形を変更する能
力との両者を示す。履帯式トラクタ、地ならし機のよう
な機械は、一般的に、「土壌移動機械または装置」とい
われ、これらの機械は、本発明が取り扱う地形変更機械
のサブカテゴリーを構成することに留意しなければなら
ない。

【０００３】精巧で馬力のある土壌移動機械の開発にも
かかわらず、広い敷地の土地の地形を再整形したり、ま
たは建設地、採鉱所、道路等の作業現場の地形を変更す
る作業は、時間を要し、重労働力を行なっている状態の
ままである。このような操作では、作業現場上に多数の
点の座標を得て、この後、作業現場の三次元モデルを構
成するのに、光学機械の照準線、または他の静止型、ポ
イントごとの計測技術を用いて現在実施されている測量
を必要とすることが多い。この測量から、建築学的構想
すなわち目標となる地形が展開される。次に、作業現場
は、様々な色の杭で注意深く印がつけられ、いかに機械
が元の状況から所望の状況に作業現場を変更するのに操
作されるべきかについて、履帯式トラクタのような地形
変更機械のオペレータに物理的な合図を与える。最も熟
練した、経験豊かなオペレータだけが、効率的に広い土
地の場所を再整形できるが、一部大型のスケールがない
とともに、作業現場の改良の進行状況に関する詳細な情
報がないために、このように困難なものとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】その結果、広い作業場
所の地形的な変更を含むほとんどのプロジェクトでは、
土壌移動機械等の操作に熟練者と多くの人員を必要とす
る点において、時間を無駄にし、労働力も必要とする。
さらに、元の作業現場の地形がどの程度所望の地形に一
致するようになったかを知るために、測量者がその日ま
での進行程度を確認し、その作業現場とともにその作業
現場モデルを手によって杭で目印をつけたり、目印をつ
け直す間、その操作は中断されることが多い。これらの
不定期な確認の間、機械のオペレータと測量者とは、リ
アルタイムでの自分達の進行状況を計測するための正確
な方法を有していない。

【０００５】本発明は上述の問題の１つか、２つ以上を
解決するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の１態様におい
て、モービル地形−変更機械のオペレータに情報を表示
するための装置を提供する。この装置は、モービル地形
変更機械の三次元の位置を決定するためのモービル地形
変更機械の上に配置された三次元位置決めシステムを含
む。機械上に配置されたディジタルプロセッサが、三次
元位置決めシステムから位置信号を受信し、モービル地
形変更機械の掘削操作に関連する切断区画の通路を求
め、実際の作業現場地形のディジカル化された作業現場
モデルを維持する。ディジタルプロセッサに結合された
ディスプレースクリーンが、切断区画通路を含むディジ
タル化された場所モデルに含まれた作業現場の情報をグ
ラフィックにオペレータに対し表示する。

【０００７】本発明の別の態様において、モービル地形
変更機械のオペレータに情報を表示するための方法が提
供される。この方法は、モービル地形変更機械の三次元
の位置を求め、モービル地形変更機械の掘削操作に関連
する切断区画通路を求め、実際の作業現場地形のディジ
タル化された作業現場モデルを維持し、切断区画通路を
含むディジタル化された作業現場モデルに含まれた作業
現場情報をオペレータに対しグラフィックに表示する段
階を含む。

【０００８】

【実施例】図１を参照すると、本発明の方法が概略的に
示されている。例えば３−Ｄレーザー、ＧＰＳ、ＧＰＳ
／レーザーの組み合わせ、またはレーダのような外部基
準器を備えた既知の三次元位置システムを用いて、機械
が作業現場を動くときの機械または用具の位置座標がブ
ロック１００で求められる。これらの座標は、１０２に
おいて、別個になった一連の点として差を求めるアルゴ
リズムに即座に送られる。差を求めるアルゴリズムは、
リアルタイムでの機械の位置と通路を計算する。実際お
よび所望の作業現場の地形のディジタル化されたモデル
が、ブロック１０４において、例えばローカルディジタ
ルコンピュータのようなアクセス可能ディジタル記憶お
よび検索設備にロード、すなわち記憶される。差を求め
るアルゴリズム１０２が、ブロック１０４から作業現場
モデルを検索し、処理して更新し、１０６において、実
際の作業現場モデルと所望の作業現場モデルとの差の動
的作業現場のデータベースを発生させ、新しい位置情報
がブロック１００から受け取られると、リアルタイムで
実際の作業現場モデルを更新する。次いで、この動的に
更新された作業現場モデルは、表示の段階１０８におい
てオペレータに利用され、人間が読み取り可能な形態
で、リアルタイムの位置、方向および作業現場の地形／
地理の更新を与えるようになっている。ディスプレーか
らの情報を用いて、オペレータは１０９において、有効
に機械を監視することができ、機械の制御を行なうこと
ができる。

【０００９】さらに、あるいは、動的更新情報が、１１
０において、例えば、キャタピラー社により開発された
種類の電気油圧制御システムのような、自動機械制御シ
ステムに与えられ、様々なポンプ、バルブ、油圧シリン
ダ、モータ／操縦機構、および地形変更機械に用いられ
る別の制御を作動させるのに用いることができる。電気
油圧制御は、オペレータの計画された動作が、例えば機
械をオーバロードするような場合には、機械の作業を最
小化し、手動制御を制限するようにオペレータを補助す
ることができる。あるいは、動的データベースからの作
業現場更新情報が全自動機械または作業具の制御を行な
うのに用いることができる。前述の記載から、本発明の
方法を用いて、初期の実際の作業現場の地理／地形モデ
ルを、先に測量されていない状態の土地の上の機械自体
により作り出すことができる。通常のパタンーンで計画
された作業現場の上を機械をただ動かすことによって、
１０４においてロードされた所望の建築者の場所モデル
に対し作業現場の地形を求めることができる。機械が作
業現場全体を通って実際の地形を正確に求めた後に、機
械が実際の地形を所望の現場モデルと一致させるよう
に、１０６において実際の作業現場モデルが監視され、
リアルタイムで更新できる。

【００１０】図２を参照すると、ＧＰＳ信号を受信し処
理して本発明を実行することに関連する装置がブロック
線図の形態で図示されており、このブロック線図は、ロ
ーカル基準アンテナと衛星アンテナとを備えたＧＰＳレ
シーバ装置２０２、差を求めるアルゴリズムを用いてお
り、２０２からの位置信号を受信するように接続された
ディジタルプロセッサ２０４、該プロセッサ２０４によ
ってアクセスされ更新されるディジタル記憶および検索
ファシリティ２０６、およびプロセッサ２０４からの信
号を受信する２０８におけるオペレータディスプレーま
たは自動機械制御とからなる。ＧＰＳレシーバシステム
２０２は、全地球航法衛星からの信号を受信する衛星ア
ンテナと、ローカル基準アンテナとを含む。ＧＰＳレシ
ーバシステム２０２は衛星アンテナからの位置信号と、
ローカル基準アンテナからの差修正信号とを使用して、
移動する対象物に対しセンチメートルの正確さで三次元
の位置座標データを作り出す。あるいは、基準アンテナ
からの生データを、差修正を求めるようにシステムによ
って処理することができる。

【００１１】この位置情報は、ＧＰＳレシーバ２０２の
座標サンプリング速度が許容できるリアルタイムを基準
にしてディジタルプロセッサ２０４に送られる。ディジ
タル記憶ファシリティ２０６は、例えば、建築者の構想
に従って所望の作業現場地形の第１の作業現場モデル
と、例えば最初に測量されたような実際の作業現場地形
の第２のディジタル化された作業現場モデルとを記憶す
る。実際の作業現場地形に対応する作業現場モデルは、
ディジタルプロセッサ２０４がＧＰＳレシーバ２０２か
らの新しい位置情報を受信するときに、ディジタルプロ
セッサ２０４によりアクセスされリアルタイムで更新で
きる。ディジタルプロセッサ２０４は、さらに連続して
更新された実際の作業現場モデルと建築者の構想との差
を表す信号を発信する。これらの信号は、２０８におい
てオペレータディスプレーまたは自動機械制御に送ら
れ、作業現場を通る機械の操作を導いて、更新された実
際の作業場所モデルを建築者の構想と一致させるように
する。オペレータディスプレー２０８は、例えば実際の
連続して更新された作業現場モデルと所望の作業現場モ
デルとの間の差を表す１つか２つ以上の視覚表示を与
え、必要な地形変更操作に関して機械を作動する際にオ
ペレータを案内するようになっている。

【００１２】図３を参照すると、図２に関するシステム
のより詳細な概略図が、位置基準信号のためのキネマテ
ィックＧＰＳを用いて図示されている。ベースの基準モ
ジュール３０２と位置モジュール３０４とは、ともに作
業現場に関する地形変更機械の三次元座標を求め、更新
／制御モジュール３０６は、この位置情報を、機械を正
確に監視し制御するのに用いることのできる作業場所の
リアルタイムの表示に変換する。ベース基準モジュール
３０２は、静止型ＧＰＳレシーバ３０８と、該ＧＰＳレ
シーバ３０８に接続されておりディジタルデータのスト
リームを伝達できるディジタルトランシーバ式のラジオ
３１０とを含む。図示した実施例において、ベースの基
準レシーバ３０８は、精密性の高いキネマチックＧＰＳ
レシーバである。１つの適当なＧＰＳレシーバは、モデ
ル型トリブル７４０ＧＰＳレシーバとして、カリフォル
ニア州サニーベールのトリブル・ナビゲーション・リミ
テッドから入手できる。ラジオ３１０は、商業的に入手
可能なディジタルデータトランシーバである。

【００１３】位置モジュール３０４は、これに適合する
キネマチックＧＰＳレシーバ３１２と、ベース基準モジ
ュール３０２内のラジオ３１０から信号を受信するのに
適合したトランシーバ式のディジタルラジオ３１４とを
備える。図示した実施例において、位置モジュール３０
４は地形変更機械の上に配置されており、この機械とと
もに作業現場の上を動くようになっている。図示した実
施例において機械に内蔵された更新／制御モジュール３
０６は、位置モジュール３０４から入力を受信するコン
ピュータ３１６、コンピュータメモリにディジタル的に
記録、すなわちロードされた１つか２つ以上のディジタ
ル化された作業現場モデル３１８、コンピュータ３１６
のメモリに記憶すなわちロードされる動的データベース
更新モジュール３２０、およびコンピュータに接続され
たカラーオペレータディスプレースクリーン３２２を含
む。オペレータディスプレー３２２のかわりに、あるい
はこれに加えて、自動機械制御３２４がコンピュータに
接続され、既知の形態で自律または半自律式に機械を作
動する信号を受信するようになっている。

【００１４】更新／制御モジュール３０６は、本明細書
ではモービル機械に取り付けられているが、一部分また
全部分が離れた状態で配置されていてもよい。例えば、
コンピュータ３１６、作業現場モデル３１８、および動
的データベース３２０は、ラジオデータリンクによって
位置モジュール３０４とオペレータディスプレー３２２
または機械制御インターフェイス３２４に接続できる。
次いで、位置および作業現場更新情報は、オペレータま
た測量者の双方が機械をオンオフすることによって表示
または使用するために、機械から機械に通信することが
できる。ベース基準ステーション３０２が作業現場に対
して既知の三次元座標の一点において固定されている。
レシーバ３０８を介し、ベース基準ステーション３０２
が、基準ＧＰＳソフトウェア３０８を用いて、ＧＰＳ衛
星軌道から位置情報を受け取り、一組の計測値を得る。
これらの計測値は、疑似、すなわちレシーバと各衛星と
の間の距離の概算を含む。計測値は、ラジオリンク３１
０、３１４を介しモービル機械上の位置ステーション３
０４にベースステーション３０２から伝達される。ある
いは、生位置データがベースステーション３０２からラ
ジオリンク３１０、３１４を介し位置ステーション３０
４に伝達され、ＧＰＳレシーバ３１２によって処理され
ることができる。

【００１５】機械に搭載されたレシーバ３１２が、衛星
軌道から位置情報を受信し、ＧＰＳレシーバ３０８から
の計測値と衛星軌道から受け取られた位置情報の関数と
してレシーバ３１２の位置を求める。この位置情報は三
次元（例えば、緯度、経度および高さ）であり、ＧＰＳ
システムのサンプリング速度に従って点ごとを基本にし
て利用できる。更新／制御モジュール３０６を参照する
と、作業場所のディジタル化されたプランすなわちモデ
ルがコンピュータ３１６にロードされると、動的データ
ベース３２０が実際現場の地形と所望の作業現場の地形
との間の差を表す信号を発信し、この差をオペレータデ
ィスプレースクリーン３２２上にグラフィックに表示す
る。例えば、実際および所望の作業現場のモデルの輪郭
／平面図がスクリーン３２２上に組み合わされて、これ
らの表面の高さの差が表示される。位置モジュール３０
４から受信した位置情報を用いて、データベース３２０
も、作業場所上の機械の実際の位置と方向に対応してデ
ィスプレー３２２上の実際の場所モデルに重ねられた機
械のグラフィックアイコンを作り出す。

【００１６】位置モジュール３０４のサンプリング速度
が、機械が作業現場を動くときの位置座標点の間の時間
／距離の遅れの原因となるために、本発明の動的なデー
タベース３２０はマシンの通路を求めリアルタイムで更
新するのに、差を求めるアルゴリズムを使用する。作業
現場に対して機械の正確な位置、作業現場のディジタル
化されたビューと作業現場に対する機械の進行状態を知
ると、オペレータは、機械を作業現場上で操作して、作
業現場の表面上に配置された物理的な印に頼ることなく
様々な地形変更操作を実行することができる。オペレー
タが機械を作業現場上で動かすと、動的データベース３
２０がモジュール３０４からの新しい位置情報を読み取
り処理し続け、作業現場に対する機械の位置と、作業現
場上の機械の通路および機械の通路によってもたらされ
た実際の場所地形の変化を動的に更新する。この更新さ
れた情報が、作業現場の表示を作り出すのに用いられ、
機械の操作をリアルタイムで導き実際の更新された場所
地形を所望の場所モデルと一致するのに用いることがで
きる。

【００１７】図４を参照すると、地形変更機械４０２が
建設場所４００における所定の場所で図示されている。
図４の図示した実施例において、機械４０２は、土壌移
動および輪郭整形操作を作業現場で実行するようになっ
ている鉱山ショベルである。しかし、本発明の精神と用
途は、最終的にいかなるモービル工具あるいは機械に
も、作業現場上またはこれの中を通って動き、所定の方
法で作業現場の地形を変更する能力を有するようにする
ことが明白である。機械４０２は、作業具４０４に関し
利用できる油圧または電気油圧式作業具制御を備えた状
態で設けられている。作業具４０４は、ブーム４０８、
スチック４１０、およびバケット４１２を含む。図４の
フロントショベル輪郭整形の実施例において、これらの
制御は、とりわけブーム、スティックおよびバケットシ
リンダ４０８Ａ、４１０Ａ、４１２Ａを作動させ、所望
の掘削、積込み、および搬送動作に関し三次元でバケッ
トを扱う。

【００１８】機械４０２には、極めて精度の高い機械ま
たは作業現場変更作業具４１２の位置を求めることので
きる位置決めシステムが設けられている。図４の好まし
い実施例において、位相差ＧＰＳレシーバ３１２が、履
帯の作業場所と接触する部分に関する一定の既知座標に
おいて機械の上に配置された。機械に搭載されたレシー
バ３１２は、ＧＰＳ星座からの位置信号と、図３に示す
ようにラジオリンク３１０、３２６を介しベースの基準
３０２からエラー／修正信号を受信する。機械に搭載さ
れたレシーバ３１２は、衛星信号と、ベース基準３０８
からの誤差／修正信号の両者を用いて、三次元空間の位
置を正確に求めるようになっている。そうでない場合に
は、生位置データがベース基準３０８から送られて、機
械に搭載されたレシーバシステムによって公知の方法で
処理され、同一の結果を達成する。キネマチックＧＰＳ
に関する情報と、本発明に使用するのに適するシステム
とが、米国特許第４、８１２、９９１号と同第４、９６
３、８８９号に見られる。キネマチックＧＰＳまたは外
部基準からの適切な三次元位置信号を用いて、レシーバ
３１８と機械４０２との位置が、機械４０２が作業現場
４００を動くときに２、３センチメートルの範囲の点ご
とに正確に求めることができる。図示した位置決めシス
テムを用いて座標点の本発明のサンプリング速度は、１
秒あたりほぼ１点である。

【００１９】ベースレシーバ３０８の座標は、ＧＰＳ位
置決め、あるいは従来の測量のような、既知の手段で求
めることができる。ＧＰＳ基準を空港のような固定され
た国家的なレベル測量場所に配置するように段階が本国
と他国で行なわれる。場所４００が、このような国家的
な測量場所とローカルＧＰＳレシーバの所定の範囲（現
在約２０キロメートル）である場合には、このローカル
レシーバは、ベース基準として用いることができる。任
意的には、三脚台に取りつけられたＧＰＳレシーバを有
する３０８のような携帯可能なレシーバと、再通信可能
な送信機を用いることができる。携帯可能なレシーバ３
０８は前述したように作業現場４００か、これに近い所
定の場所で測量される。また、図４の鉱山用ショベル上
に概略的な形式で図示されているのは、動的データベー
スとカラーグラフィックオペレータディスプレー３２２
を含む内蔵式ディジタルコンピュータ３１６である。コ
ンピュータ３１６はレシーバ３１２に接続されており、
連続した機械の位置情報を受信するようになっている。
コンピュータ３１６、動的データベースとオペレータデ
ィスプレー３２２をトラクター４０２上に配置すること
は必要ではないが、これは、現在好ましい実施例であ
り、図を簡潔なものにする。

【００２０】図５および図６を参照すると、作業現場４
００は、平面図で元の作業現場の地形の上にある建築者
の最終的な作業現場を表す地形的な詳細な青写真（図示
せず）を形成するように、先に測量された。光学的な測
量および別の技術で埋め立て地、鉱山および建設場所の
ような地形的な、または地理的な青写真を形成すること
は、本分野において公知であり、基準点が、作業現場に
わたってグリッド上でプロットされ、これらの点はつな
がれたり、または書き込まれて、作業現場の輪郭を青写
真上に形成するようになっている。基準点が多くとられ
るほど、マップもより詳細になる。システムとソフトウ
ェアが、地形的な作業場所のディジタル化された二次元
または三次元のマップを作り出すのに現在利用可能であ
る。例えば、建設者の青写真は、図５の５０２に図示さ
れたような元の作業場所の地形または地理、および図６
の５０４において図示された所望の作業現場のモデルと
の三次元のディジタル化されたモデルに変換できる。作
業現場の輪郭が既知の手段で均一のグリッド要素５０６
の基準グリッドと重ねることができる。ディジタル化さ
れた作業場所のプランが様々な角度（例えば輪郭とプラ
ン）から二次元または三次元で重ねられ、観察すること
ができ、例えば、土壌を取り除いたり、土壌を加えた
り、またはそのままにしておくことによって、作業場所
が機械加工されなければならない領域を指定するように
カラーコード化される。利用できるソフトウェアは、機
械加工されたり移動されるのに必要な土壌の量を推定し
たり、あるいは費用を見積もり、様々な作業場所の特徴
と地上、または地下の障害物を認識することができる。
さらにディジタル化された作業場所のプランでは、様々
な鉱石の種類またはグレードまたは鉱石の指定された領
域を含んでいればよい。

【００２１】しかし、作業場所４００が測量され、機械
のオペレータと観測者が紙の青写真またはディジタル化
された作業場所のプランから作業しているところかどう
かについて、機械のオペレータのために印がつけられた
指示で、作業現場の様々な輪郭または基準点に物理的に
杭を固定することが、従来実践されてきた。基準のため
に、杭と印を用いて、オペレータは視覚と感覚で、最終
的な作業現場のプランを達成するために、どの領域をど
の程度に掘削し、埋めて運搬するか、あるいは元の地形
または地理を整形したり修正するかを推定しなければな
らない。この行程の間中、周期的に、最終的な輪郭が得
られるまで、静止的で段階的な手段で、整形操作を協働
させるようにオペレータの進行状況が手でチェックされ
る。この手による周期的な更新と検査が重労働、時間の
無駄となり、本質的に理想とする結果より劣るものとな
る。

【００２２】さらに、その日までの進行状態と、残され
ている作業を表すものとして、青写真、またはディジタ
ル化された作業現場のモデルを修正することが望まれる
場合には、作業場所は、また静止状態で測量されなけれ
ばならず、青写真またはディジタル化された作業場所の
モデルが、リアルタイムの状態ではなく作業現場から離
れて手で修正されなけれならない。従来の静止状態の測
量と更新方法の欠点を排除するために、本発明は、正確
な三次元位置決めおよびディジタル化された作業場所の
マップを、作業現場４００と機械４０２のリアルタイム
での監視と制御のために動的に更新されたデータベース
とオペレータディスプレーとを一体化する。動的作業場
所データベースは、実際の作業場所モデルの地形と所望
の作業場所モデルの地形との間の差を求め、作業現場４
００に対する機械４０２のキネマティックＧＰＳ位置情
報を位置レシーバ３１２から受信し、作業現場モデルと
現在の機械位置との両者をオペレータに対しディスプレ
ー３２２上に表示し、実際の作業現場のモデル地形、機
械位置およびリアルタイムでのディスプレーを、センチ
メートルの正確さで更新する。このように、オペレータ
は、リアルタイムで作業現場上における土壌移動操作に
関する今までになかった新しい知識と制御を達成し、こ
のように最終的には妨害または作業現場をチェックした
り再測量する必要がない状態で、作業を終了することが
できる。

【００２３】図７を参照すると、機械のオペレータが利
用できるスクリーン６０２上の図示した表示が、図４の
地理的な整形の用途に関し示されている。スクリーン６
０２上のオペレータのディスプレーは、作業現場４００
（あるいは、これの一部）の実際の地形に対する所望の
最終的な輪郭、すなわちプランを表す平面ウィンドー６
０４に三次元のディジタル化作業現場モデルを主要な構
成成分として有する。実際のスクリーンディスプレー３
０４上で、実際の作業現場の地形と所望の作業現場モデ
ルとの間の差がより簡単に明白になる。なぜならば、土
壌が取り除かれるべき領域、土壌が足されるべき領域、
および既に最終的な作業現場領域と一致した領域とを表
すのにカラーコードまたは同様の視覚的な印が用いられ
るからである。ウィンドー６０４に表示された作業現場
の異なった陰影の、すなわち網状領域が、様々な鉱石の
種類、グレードまたは鉱石をグラフィックに表してい
る。好ましい実施例において、これらの領域は、スクリ
ーン上では色で識別されるようになっている。

【００２４】オペレータディスプレースクリーン６０２
は、スクリーンの上部に水平座標ウィンドーすなわちデ
ィスプレー６０６を含み、ベース基準４１４に対するオ
ペレータの三次元の位置を表す。サイドバースケール
は、目標輪郭高さからの高さ、すなわちＺ軸の偏向を表
しており、バケット４１２がその場所で、どの程度掘削
し、埋めなければならないかを知らせる。作業現場４０
０上の鉱山ショベルの位置が、平面ウィンドー６０４上
に重ねられた機械アイコン６１０として、スクリーン６
０４上にグラフィックに表示される。詳細な位置、方向
および目標の輪郭情報がディスプレー６０２を介してオ
ペレータに与えられる状態で、センチメートルの精密さ
の制御が土壌移動操作にわたり維持できる。オペレータ
は、作業現場の全体のその日までの進行状態の完全な最
新のリアルタイムでの表示を有し、所望の地形を達成す
ることができる。一日の終わりには、データベース内の
ディジタル化された作業現場のモデルが完全に更新さ
れ、次の日以降の検索のために記憶することができ、オ
ペレータが終了した場所または次の分析のためにオフロ
ードした場所から開始できるようになっている。

【００２５】図８を参照すると、マシン整形操作の動的
データベース３２０の操作段階が概略的に図示されてい
る。システムは、コンピュータの作動システムから７０
２で開始される。ディスプレースクリーンのグラフィッ
クが７０４で初期化される。初期の作業現場のデータベ
ース（ディジタル化された作業現場プラン）がプログラ
ムディレクトリ内のファイルから読み取られ、作業現場
プランと、実際および目標の地形が段階７０６において
ディスプレー上に描かれる。ディスプレー６０２からの
サイドバーの勾配インジケータが段階７０８で設定さ
れ、モジュール３０２、３０４、３０６（図３参照）間
の様々な連続した通信ルーチンが段階７１０において初
期化される。段階７１２において、システムは、例えば
１日の終わりに、または食事のため、またはシフト変更
のためにシステムを停止させるユーザリクエストシステ
ムをチェックする。段階７１２において終了するための
ユーザリクエストが既知のユーザインターフェイス装置
で、例えばコンピュータキーボードまたは同類のコンピ
ュータ入力装置で入力され、コンピュータ３１６と通信
する。

【００２６】次に、段階７１４において機械の三次元位
置が、図３の位置モジュール３０４と制御／更新モジュ
ール３０６との間のシリアルポート接続から読み取られ
る。段階７１６において、機械のＧＰＳ位置がディジカ
ル化された作業現場の座標システムに変換され、これら
の座標が段階７１８においてスクリーン６０２上に表示
される。段階７２０において、機械通路が平面および外
観の双方において求められ、リアルタイムで更新され、
機械が作動される作業現場のプランのグリッドの一部を
表すようになる。機械の整形の実施例において、機械の
通路の幅は、地形変更機械が作業現場上を通る際の地形
変更機械の用具（バケット４１２）に等しいものとす
る。バケット４１２が通るグリッド四辺形を精密に求め
ることは、オペレータの位置のリアルタイムの更新を行
い、動的作業現場プランで作業を行なうのに必要であ
る。

【００２７】本発明は、「切断区画」の通路を求めて、
表示するようになっている。図１０において、鉱山ショ
ベルによる切断部の側面図がグラフィックに図示されて
いる。点線９０２がバケット４１２の先端の切断通路を
表す。掘削がなされた後に、材料または鉱石が、下側の
面に落下したり、すべる。鉱山用ショベルが配置された
表面に配置された点９０４が「下端」となる。上面に配
置された点９０６は、いわゆる「頂点」となる。点間の
鉱山の表面が線９０８で表される。下端点９０４、頂点
９０６および線９０８が切断区画通路を表す。図６をも
う一度参照すると、切断区画通路６１６がグラフィック
に図示されている。点線６１２は一連の下端点を表し、
点線６１４は一連の頂点を表す。切断区画通路が網状の
領域で図示されている。好ましい実施例において、切断
区画通路６１６は色をつけて図示されている。

【００２８】好ましい実施例において、掘削操作中に、
切断区画通路が以下のように決定される。機械上に位置
する基準点が決定される。例えば、基準点が回転の中心
として鉱山用ショベル上に形成される。しかし、基準点
は、機械の履帯に対して決定することができる。掘削操
作の間、下端が基準点あるいは基準点の関数として定義
される。機械に対する先端の正確な場所が機械の種類と
特定の幾何形状とに関する関数である。次に、頂点が下
端点と、掘削されるべき鉱石の静止角との関数として求
められる。静止角は材料の種類に基づく。次いで、下端
点と静止角が頂点を求めるのに用いられる。次いで、作
業現場データベースがこの情報を含むように更新され
る。段階７２２において、ディスプレー上の勾配インジ
ケータが更新されシステムがそのループを終了し、段階
７１２に戻る。

【００２９】段階７１２において上述したように、例え
ば１日の終わり、または昼食のときに、オペレータはシ
ステムを選択自由に停止できる。オペレータが段階７１
２においてシステムを停止することを選択する場合に
は、システムが段階７２４に進み、電流データベース
が、例えば永久性または取外し可能なディスクのような
システムコンピュータにおいて適切なディジタル記憶媒
体のファイルに記憶される。段階７２６において、差動
モジュールの操作が終了し、段階７２８においてオペレ
ータがコンピュータ作動システムに戻る。オペレータが
システムを中止しない場合には、段階７１４に戻り、連
続した位置の読み取り値が、位置モジュール３０４とレ
シーバ３１８とに接続されたシリアルポートから得ら
れ、システムループ自体を反復する。

【００３０】図７の図示した実施例のシステムと方法
が、リアルタイムの機械の位置と作業現場の更新情報を
視覚的なオペレータディスプレーを介し与えるものであ
るが、本分野の当業者であれば、機械の位置と作業現場
の更新情報を表すように作られる信号を、例えば電気油
圧機械または作業具制御システムの既知の自動機械制御
を作動させるように視覚的ではない方法で用いることが
できる。図９を参照すると、本発明に関するシステムが
１つか２つ以上の機械または作業具の作動システムの閉
ループ自動制御を概略的に図示する。図９の実施例は、
上述したように補足的なオペレータディスプレーを備え
ているか、備えていない状態で使用できるが、例示を目
的とするために、自動機械制御のみが図示されている。
例えば、前述の実施例において記載したように適切なデ
ィジタル処理ファシリティ、コンピュータが、本発明の
動的なデータベースのアルゴリズムを含んで８０２に図
示されている。動的データベース８０４は、３−Ｄの瞬
間的位置情報をＧＰＳレシーバシステム８０３から受信
する。所望のディジタル化された作業現場モデル８０６
が、例えば適切なディスクメモリ上で、適当な手段でコ
ンピュータ８０２のデータベースにロードされ記憶され
る。自動機械制御モジュール８１０が、例えば操縦、作
業具および駆動システム８１４、８１６、８１８を作動
させるのに接続された電気油圧機械制御８１２を含む。
自動機械制御８１２が実際の作業現場モデル８２０と所
望作業現場モデル８０６との間の作業現場を表すコンピ
ュータ８０２内の動的データベースから信号を受信する
ことができ、機械の操縦、作業具および駆動システムを
作動させて、実際の作業現場モデルを所望の作業現場モ
デルと一致させるようになっている。自動機械制御８１
２が機械の様々な操縦、作業具および駆動システムを作
動させるので、作業現場と機械の現在の位置および方向
に対しなされた変更が受け取られ、読み取られ、８０４
において動的データベースにより処理され、実際の作業
現場モデルを更新するようになっている。実際の作業現
場の更新情報がデータベース８０４により受け取られ、
これに対応して、機械が作業現場上を動くときに機械の
操縦、作業具および駆動システムを操作するために機械
制御８１２に送信された信号を更新し、実際の作業現場
のモデルを所望の作業現場のモデルと一致されるように
する。

【００３１】本分野の当業者であれば、本発明の方法と
システムが、地形変更、機械加工または測量操作の殆ど
に簡単に適用でき、機械が作業現場上を通り、中を通
り、リアルタイムで作業現場の地形のいくらかの変更を
監視し実行できることが明白であろう。図示した実施例
は、本発明の広い原則の理解を提供し、詳細に好ましい
用途を開示し、制限するものではない。本発明の多くの
別の変更または応用がなされ、これらは本発明の請求の
範囲の範囲内にあるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関する機械の位置および制御方法の概
略図である。

【図２】ＧＰＳ信号を受信し処理して本発明を実行する
のに関連して用いることのできる装置の概略図である。

【図３】ＧＰＳ位置決めを用いる図２のシステムの実施
例の詳細な概略図である。

【図４】本発明の例示的な土壌輪郭整形実施例における
作業現場、地形変更機械、および位置および制御システ
ムの概略図である。

【図５】本発明に関連して用いられるような例示的ディ
ジタル化された作業現場モデルのグラフィックの再生で
ある。

【図６】本発明に関連して用いられるような例示的ディ
ジタル化された作業現場モデルのグラフィックの再生で
ある。

【図７】図４のような、土壌輪郭整形操作に関し本発明
において作られたリアルタイムのオペレータディスプレ
ーを表す図である。

【図８】本発明に関連する動的作業現場データベースを
表すフローチャートの図である。

【図９】閉ループ自動機械制御システムを含む本発明の
システムを表す概略図である。

【図１０】鉱山用ショベルによって切断された側面図の
グラフィック図である。

【符号】

２０２ ＧＰＳレシーバ装置 ２０４ ディジタルプロセッサ ２０６ ディジタル記憶ファシリティ ２０８ オペレータディスプレー ３０２ ベース基準ステーション ３０４ 位置ステーション ３０６ 更新／制御モジュール ３０８ 静止型ＧＰＳレシーバ装置 ３１０、３１４ ディジタルトランシーバ式ラジオリン
ク ３１２ キネマチックＧＰＳレシーバ ３１６ コンピュータ ３２２ ディスプレースクリーン ４００ 作業現場 ４０２ 機械 ４０４ 作業具 ４０８ ブーム ４１０ スティック ４１２ バケット ６０２ スクリーン ６０４ ウィンドー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クレイグ エル ケーセン アメリカ合衆国 イリノイ州 61604 ピ オーリア ノース ビゲロー ストリート 2321

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モービル地形変更機械の操作を行なうた
   めの装置において、 （１）作業現場の所望の地形を表す第１の三次元地形作
   業現場モデルと、前記作業現場の実際の地形を表す第２
   の三次元地形作業現場モデルと、を記憶するためのディ
   ジタルデータ記憶および検索手段と、 （２）機械が前記作業現場を通過するときの前記機械の
   少なくとも一部の三次元空間における瞬間的な位置をリ
   アルタイムで表すディジタル信号を発するための手段
   と、 （３）前記信号を受信し、これに従って前記第２のモデ
   ルを更新するための手段と、 （４）前記第１および第２のモデルとの差をリアルタイ
   ムで求め、切断区画通路を求めるための手段と、 （５）前記更新された第２のモデルを前記第１のモデル
   と一致させるように、前記差に従って前記機械の操作を
   行い、前記切断区画通路をグラフィックに表示するため
   の手段と、 が設けられた装置。
2. 【請求項２】 モービル地形変更機械のオペレータに対
   し情報を表示するための装置において、 モービル地形変更機械の三次元位置を求めるための前記
   モービル地形変更機械の上に配置された三次元位置決め
   システムと、 該三次元位置システムから位置信号を受信し、前記モー
   ビル地形変更機械の掘削操作に関連する切断区画通路を
   求め、実際の作業現場地形のディジタル化された作業現
   場モデルを維持するための前記機械の上に配置されたデ
   ィジタルプロセッサと、 前記切断区画通路を含む、前記ディジタル化された作業
   現場モデル内に含まれた作業現場の情報をグラフィック
   に表示するための、前記ディジタルプロセッサに接続さ
   れたディスプレースクリーンと、 が設けられた装置。
3. 【請求項３】 前記切断区画通路は一連の下端点と頂点
   とにより形成されることを特徴とする請求項２に記載の
   装置。
4. 【請求項４】 モービル地形変更機械のオペレータに対
   し情報を表示するための方法において、 三次元位置決めシステムを用いて、モービル地形変更機
   械の三次元の位置を求め、 前記三次元位置決めシステムから位置信号を受信し、前
   記モービル地形変更機械の掘削操作に関連する切断区画
   通路を求め、実際の作業現場地形のディジタル化された
   作業現場モデルを維持し、 前記切断区画通路を含む、前記ディジタル化された作業
   現場モデルに含まれた作業現場の情報をオペレータにグ
   ラフィックに表示する、 段階からなる方法。