(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建設機械に設けられていて、任意の方向から入射した光を入射した方向に向けて再帰反射する光学装置と、
施工現場に配置されて、射出した光により前記光学装置を自動追尾して建設機械の位置座標を測定して位置座標データを得る測量機とを備えている、建設機械の施工システムにおいて、
前記建設機械に設けられていて、前記測量機から投射されて前記光学装置に入射してくる光の入射角を測定する入射角測定手段と、
前記建設機械に設けられていて、前記測量機によって測定された前記建設機械の位置座標から得られた位置座標データを前記測量機から受信する位置座標データ受信手段と、
上記入射角測定手段により測定された入射角と前記測量機により得られた位置座標データに基づいて、前記建設機械の現在の方向角を算出する演算部と、
計画された施工データを記憶する記憶部と、を備え、
前記演算部が、前記記憶部に記憶されている施工データに基いて前記建設機械の現在の位置座標における適切な方向角を算出し、その算出された適切な方向角と前述の算出された現在の方向角とを比較することを特徴とする方向角測定装置。
【請求項２】
計画された施工データと適切な方向角の両方を記憶する記憶部を備えることを特徴とする請求項１に記載の方向角測定装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記建設機械の適切な方向角と現在の方向角とを比較し、方向角の補正データを算出することを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の方向角測定装置。
【請求項４】
前記演算部により算出された前記建設機械の方向角の補正データをオペレータに対して表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の方向角測定装置。
【請求項５】
前記演算部により算出された前記建設機械の方向角の補正データに従い、前記建設機械の方向角を自動的に補正する方向角制御部を備えることを特徴とする請求項３〜４のいずれか１項に記載の方向角測定装置。
【請求項６】
前記方向角制御部による方向角の補正動作を行うか否かをオペレータにより指示可能とする指示手段を有することを特徴とする請求項５に記載の方向角測定装置。
【請求項７】
前記測量機からの追尾レーザ光を変調することで、測定した位置座標データを送受信する構成にしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方向角測定装置。
【請求項８】
前記光学装置が検出時に水平に保持されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方向角測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木工事等において建設機械の方向角を測定可能とする方向角測定装置に関するものである。
【０００２】
また、本発明は、建設機械のオペレータに対し、施工時における建設機械の適切な方向を指示可能とする方向角測定装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
建設機械による施工には複雑な操作が必要であるため、オペレータが高速かつ精密に適切な操縦を実行できるようになるには相当な時間と熟練を要する。
【０００４】
このため、近年は建設機械の操作を施工データに基づいて自動制御することで、オペレータの熟練度の不足を補い、操作におけるオペレータの負担を軽減する技術が進んできている。
【０００５】
例えば、油圧ショベルの場合、バケット操作を自動制御することで、バケットを手前に直線上に引いたり、斜面を切削する等の作業が、容易に行えるようになってきた。
【０００６】
油圧ショベルのバケットは、ブームとアームの２本の腕を介して機械本体と接続されていて、それぞれ２本の腕を油圧シリンダー等により動かすことで、バケットを操作する。
【０００７】
各油圧シリンダーは運転席にいるオペレータにより操作される。
【０００８】
バケット及び各腕の間の関節部分にエンコーダ等の相対的な回転角を検出する角度検出器を設け、それぞれの出力により検出された角度から、機械本体に対するバケットの刃先位置（方向角）を検出することができる。
【０００９】
基準としてグランドレベル（ＧＬ）またはレーザ光などを用いれば、堀削深さや堀削長を容易に把握することができ、精度の良い施工を容易に行うことが出来る。
【００１０】
また、バケットの位置を自動的に把握できることから、計画施工データに基づいてバケットの位置を自動制御することも可能となる。
【００１１】
バケットの位置を計画施工データと照合する場合、建設機械の正確な位置座標を測定することが必要になる。たとえば、計画施工データに基づいて建設機械を操作する際、建設機械の位置座標及び方向角（向き）とその建設機械の作業部の位置及び方向角（向き）を測定することが必要になる。油圧ショベルである場合、作業部がバケットとなり、ブルドーザの場合は作業部がブレードである。
【００１２】
なお、作業部の位置と向きは建設機械本体に対する相対的な位置として求めることができるので、建設機械自体の位置座標データと方向角（向き）が測定することで、その位置での計画施工データと照らし合わせて、計画施工データに基づいて施工を行うことが可能となる。
【００１３】
建設機械の位置座標の測定には、自動追尾式のトータルステーションやＧＰＳなどの測量機による測量作業にて簡単かつ高精度に測定可能である。
【００１４】
また、建設機械の方向角の測定には、コンパスによる方位測定やジャイロによる慣性航法を用いることもできる。
【００１５】
しかし、コンパスの場合、建設機械の車体が絶えず振動していることもあり、正確な方向角（向き）を検出する事は難しい。そのため、より精密な方向角（向き）の測定が可能なジャイロを用いる方法が一般的に使用されている。
【００１６】
ジャイロを用いる場合、作業の初めにジャイロと建設機械との方向角（向き）に関して基準方向を設定する。
【００１７】
ジャイロは、高速回転するコア（中心部）を有する構造になっており、最初に設定する基準方向に対する方向角（向き）の変化を検知するものである。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
このため、ジャイロは、測定中に何らかの誤差要因が発生すると、生じた検出誤差は次第に累積してしまう欠点を有している。
【００１９】
建設機械の場合、作業時や移動時のいずれにおいても、突発的な振動や大きな振動が多く生じる。ジャイロにとって、この種の振動は大きな誤差要因である。そのため、数時間から数十分で誤差が許容範囲を超えてしまい、作業に支障が生じてしまう。
【００２０】
この場合、ジャイロの基準方向を再設定することが必要になるので、作業を中断しなければならず、作業の効率が悪化してしまう欠点があった。
【００２１】
また、物理的な可動部分が少なくて振動による影響を受けにくいリングジャイロを用いることができるが、リングジャイロは、極めて高価であるという問題がある。
【００２２】
一方、計画施工データに従って施行を行う際、建設機械を適切な位置に配置して行うことが望ましい。
【００２３】
例えば、切削により斜面を形成する場合、計画された斜面の法線を含む鉛直面と斜面との交線に沿った方向にバケットの刃先を移動させて施工するのが望ましい。
【００２４】
このバケット刃先の施工方向をオペレータに指示するためには、建設機械の方向角を正確に検出する事を要する。
【００２５】
本発明の目的は、施工現場で建設機械の方向角を高速かつ精密に測定することができる方向角測定装置を提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、建設機械に設けられていて、任意の方向から入射した光を入射した方向に向けて再帰反射する光学装置と、施工現場に配置されて、射出した光により前記光学装置を自動追尾して建設機械の位置座標を測定して位置座標データを得る測量機を備えている建設機械の施工システムを改良したものである。
【００２７】
本発明による方向角測定装置は、前記建設機械に設けられていて、前記測量機から投射されて前記光学装置に入射してくる入射光の入射角を測定する入射角測定手段と、前記建設機械に設けられていて、前記測量機によって測定された前記建設機械の位置座標から得られた位置座標データを前記測量機から受信する位置座標データ受信手段と、上記入射角測定手段により測定された入射角と前記測量機によりつくられた位置座標データに基づいて、前記建設機械の現在の方向角を算出する演算部を備えている。
【００２８】
好ましくは、前記入射角測定手段は、前記建設機械の回転中心に配置される。
【００２９】
前記測量機からの追尾光を変調することで、測定した位置座標データを送受信する。
【００３０】
計画された施工データを記憶する記憶部を備え、前記演算部は、前記記憶部に記憶されている施工データに基いて前記建設機械の現在の位置座標における適切な方向角を算出する。
【００３１】
また、前記方向角測定装置は計画された施工データと適切な方向角の両方を記憶する記憶部を備える構成にしてもよい。
【００３２】
前記演算部は、前記建設機械の適切な方向角と現在の方向角とを比較し、方向角の補正データを算出する。
【００３３】
前記演算部により算出された前記建設機械の方向角の補正データをオペレータに対して表示する表示手段を備える。
【００３４】
前記演算部により算出された前記建設機械の方向角の補正データに従い、前記建設機械の方向角を自動的に補正する方向角制御部を備える。
【００３５】
前記方向角制御部による方向角の補正動作を行うか否かをオペレータにより指示可能とする指示手段を備える。
【００３６】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施例を説明する。
【００３７】
図１〜３において、測量機２は、施工現場の所望位置に配置され追尾光として放射される光束、例えばレーザ光３により、建設機械１を自動追尾して建設機械１の三次元位置座標を測定して位置座標データを得る。光学装置４は、建設機械１に設けられていて、レーザ光３を測量機２に向けて反射する。入射角測定手段５は、建設機械１に設けられていて、測量機２から投射されて光学装置４に入射してくるレーザ光３の入射角を測定する。位置座標データ受信手段６は、建設機械１に設けられていて、測量機２によって測定された建設機械１の位置座標から得られた位置座標データを測量機２から受信する。演算部７は、建設機械１に設けられていて、入射角測定手段５により測定された入射角と測量機２によりつくられた位置座標データに基づいて、建設機械１の現在の方向角を算出する。
【００３８】
入射角測定手段５は、図１に示すように建設機械１の回転中心１Ａに設けても良いが、建設機械１の回転中心１Ａから外れた位置、たとえば建設機械１の運転席１Ｂの所定位置にオフセット配置することもできる。
【００３９】
オフセット配置による入射角のズレはソフトウエアにより補正される。
【００４０】
後述するように、測量機２からの追尾レーザ光３を変調することで、位置座標データ受信手段６は、測量機２から発信された位置座標データを受信する。
【００４１】
また、図４に示すように、無線通信により、位置座標データ受信手段６は、測量機２から発信された位置座標データを受信する構成にすることもできる。たとえば、アンテナ８を建設機械１の所望位置に設けて、位置座標データ受信手段６は、測量機２から発信された位置座標データをアンテナ８で受信する。
【００４２】
記憶部９は、計画された施工データ１０を記憶する。演算部７は、記憶部１０に記憶されている施工データ１０に基いて建設機械１の現在の位置座標における適切な方向角１１を算出する。
【００４３】
また、記憶部９は、計画された施工データ１０と適切な方向角１１の両方を記憶する構成にしてもよい。
【００４４】
演算部７は、建設機械１の適切な方向角１１と現在の方向角１２とを比較し、補正すべき方向角の補正データ１３を算出する。
【００４５】
表示手段１３は、建設機械１の運転席１Ｂの所定位置に配置されていて、演算部７により算出された建設機械１の方向角の補正データ１３をオペレータに対して表示する。
【００４６】
図には示されていないが、演算部７により算出された建設機械１の方向角の補正データ１３に従い、建設機械１の方向角を自動的に補正する方向角制御部を設けることができる。さらに、その方向角制御部による方向角の補正動作を行うか否かをオペレータにより指示可能とする指示手段を設けることもできる。
【００４７】
図５は、測量機２から放射される光束を受信し、入射角を測定する構成の一例を示している。
【００４８】
図５において、回動部１６３には測量機より放射される光束が入射される。一般に自動追尾トータルステーションから放射される追尾光・距離測定のためのＥＤＭ光等は適当な広がりを持っているため、追尾の為の光学装置４のごく近傍に回転部を配置すれば、それらの光束の一部は回転部に入射される事となる。回転部は、ギア１６・１７、モータ１５、駆動回路１６５により回転される。更に回転部には、回転角を検出する為のロータリーエンコーダ１０５が配置され、エンコーダの出力は入射角演算回路１１４に接続される。
【００４９】
プリズム１８に入射した光１３は、ミラー１０３、コンデンサーレンズ１１０、ピンホール１１１を介し、フォトダイオード等から成る受光器１１２に導かれる。検出された信号は、検出回路１１３、入射角演算回路１１４に入力される。
【００５０】
入射角演算回路１１４は、検出回路１１３が光束３を検知したら、その時のロータリーエンコーダ１０５の角度を読み取る事で、光束３の入射角を検知し、演算部７に出力する。エンコーダの基準位置（０位置）は、入射角測定手段５が建設機器に設置される時、あらかじめ建設機器の基準方向（例えば油圧ショベルの場合は、ブームの中心方向）に予め合わせて設置されるため、建設機器の作業部に対する光束３の入射角をあらわす事となる。
【００５１】
なお、測量機２から発信された位置座標データを受信することができる構成の他の例は、たとえば特開平１１−２３０７４８号公報や特開平８−２８５５９６号公報に記載されている。
【００５２】
図６は、バケット、アーム、ブームを有する建設機械の主要な構成要素を概略的に示している。それらの寸法は、図示されているので、説明を省略する。
【００５３】
次は、図７〜８を参照して前述の施工システムの主な使用態様を説明する。
【００５４】
図７に示すように、測量機２として自動追尾トータルステーション（図６〜７にはＴＳ又は自動追尾ＴＳと記載されている）を設置し、基準点を用いた所定の操作を行うことで、設置位置座標Ｐ（Ｘt，Ｙt，Ｚt）と基準方向Ｓを設定する。
【００５５】
建設機械１が図示の方向に移動した場合
Ｐ（Ｘt，Ｙt，Ｚt）とＲ0（ＸR0，ＹR0，ＺR0）の２箇所の位置座標を得ることで、２点間の線分の方向角（自動追尾ＴＳの視準方向角）が一義的に決まる。
【００５６】
位置Ｒ0（ＸR0，ＹR0，ＺR0）において入射角測定手段５（たとえば図７では レーザーセンサを使用）が検出した入射角θR0を得ることで、建設機械１のバケット１Ｃ（図１）の方向角が決まる。
【００５７】
位置Ｒ1（ＸR1，ＹR1，ＺR1）において、検出された入射角ＦはθR1であるが、計画された施工データ上ではθR1′が望ましい場合、補正する必要があるバケット１Ｃの方向角は△θR1′（＝θR1−θR1′）となる。
【００５８】
測定プロセス
１．自動追尾トータルステーション２を設置する。
【００５９】
所定の基準点測量作業により、設置位置座標と方向角を設定する。
【００６０】
これにより、絶対座標が測量可能となる。
【００６１】
２．建設機械１を施工予定地点に移動する。
【００６２】
建設機械１には、光学装置４として再帰反射部材（コーナーキューブ）が配置され、入射角測定手段５として入射角測定可能なセンサが設置されている。
【００６３】
３．自動追尾トータルステーション２は建設機械１に配置された再帰反射部材４の反射光により自動追尾を行いながら、その（再帰反射部材４の）座標位置を測定する。その測定は、所定のタイミングでも、連続的でも可能である。
【００６４】
４．入射角測定装置５により自動追尾トータルステーション２からの入射光３の入射角を測定する。
【００６５】
入射光３は自動追尾トータルステーション２の追尾光でも、距離測定用の測距光でも専用の光（以後ガイド光）でも可能である。
【００６６】
５．自動追尾トータルステーション２から、建設機械１の位置座標データを建設機械１側に送信する（無線、レーザー光変調等による）。
【００６７】
６．建設機械１側で、受信した位置座標データと測定した入射角に基づき、建設機械１の現在方向角を算出する。
【００６８】
７．記憶部９に記憶された施工データ１０より、位置座標データ受信手段６で受信した位置座標データに該当する施工データを読み出す。
【００６９】
８．読み出した施工データから適切な方向角を算出する（既にデータとして記憶されていてもよい）。
【００７０】
９．現方向角１２と適切な方向角１１との補正値１３を算出する。
【００７１】
１０．補正値１３を表示手段１３に表示する。（たとえば補正すべき角度と方向を別々に表示することも可能）
または、オペレータの指示により、建設機械１を制御して所定の方向角１１に自動補正する。
【００７２】
方向角算出プロセス
例１
現位置座標データ＋測定入射角＝現方向角
現方向角１２と適切な方向角１１とを比較し、補正値１３（角度と方向）を算出する。
【００７３】
補正値１３を表示し、オペレータが建設機械１を制御して適切な方向角に手動で補正する。又は、建設機械１を自動制御して適切な方向角に自動補正する。
【００７４】
例２
現位置座標＋施工データによる適切な方向角＝適切な入射角
現入射角１２と適切な入射角１１を比較し、補正値１３（角度と方向）を算出する。
【００７５】
この例２でも、補正値１３を表示し、オペレータが建設機械１を制御して適切な方向角に手動で補正するか、あるいは、建設機械１を自動制御して適切な方向角に自動補正する。
【００７６】
なお、オペレータに表示される補正値は、例１と例２のそれぞれで得られた補正値をオペレータが操作すべき角度と方向に変換して（実質的に同じ場合は省略も可）示す。
【００７７】
入射角測定手段５として使用する入射角測定センサは、自動追尾トータルステーション２から射出される光３の入射角を測定するためのものであり、光３の例として追尾光（再帰反射部材による反射光に基づき追尾を行うもの）の他に測距光、又は専用のガイド光等を用いても良い。
【００７８】
なお、この入射光には変調による自動追尾トータルステーションからのデータ送信も兼ねることが可能である。
【００７９】
また、自動追尾トータルステーション２に使用する追尾光としては、通常のレーザー光の他に、一定の広がりを持って照射されるファンレーザーもある。ファンレーザーの生成方法には、走査によるものと、シリンドリカルレンズ等による光学的な放射によるものがある。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、測量機を施工現場に配置し、その測量機から発せられる追尾光を受光して測量機に反射する光学装置を建設機械に設け、さらに、その光学装置に入射してくる追尾光の入射角を検出する入射角測定手段を建設機械に設けているため、振動による影響を受けず、基準角度の再設定等が不要でありながら、建設機械の方向角を精密に測定することができる。
【００８１】
また、建設機械の位置座標と方向角を正確に検出することができるため、予め計画された施行データに基づいて施行を行う際に、建設機械の位置座標と方向角の正確な検出結果を参照して、建設機械の方向角を適切な方向角に修正することができる。しかも、建設機械の方向角を高速かつ精密に修正できる。
【００８２】
また、建設機械のオペレータに対して、施工時における建設機械の適切な方向を指示することができ、施工を的確に行うことができる。
【００８３】
さらに、本発明による方向角測定装置は、従来の建設機械に対して容易に設置可能であるという実用上顕著な効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による建設機械用の方向角測定装置を使用して建設機械のバケットの方向角を補正する１つの態様を説明する概略平面図。
【図２】本発明による建設機械用の方向角測定装置を使用して建設機械のバケットの方向角を補正する１つの態様を説明する概略側面図。
【図３】本発明による建設機械用の方向角測定装置の主要な構成要素を示すブロック図。
【図４】本発明による建設機械用の方向角測定装置を使用して建設機械のバケットの方向角を補正する他の態様を説明する概略側面図。
【図５】本発明による建設機械用の方向角測定装置に使用する入射角測定手段の１例を示すブロック図。
【図６】バケットを有する建設機械の主要な構成要素を示すブロック図。
【図７】本発明による建設機械用の方向角測定装置を使用して建設機械のバケットの方向角を補正する更に他の態様を説明する概略平面図。
【図８】本発明による建設機械用の方向角測定装置を使用して建設機械のバケットの方向角を補正する態様のフローチャート図。
【符号の説明】
１  建設機械
２  測量機
３  レーザ光
４  光学装置
５  入射角測定手段
６  位置座標データ受信手段
７  演算部
８  アンテナ
９  記憶部
１０  施工データ
１１  適切な方向角
１２  現在の方向角
１３  補正データ
１０３  孔開きミラー
１１０  コンデンサレンズ
１１１  ピンホール
１１２  受光器
１１３  反射光検出回路
１２２  反射層
１６３  回動部
１６４  反射光検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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