(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業具を有する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）前記機械の前記作業具が前記作業現場を通過するときの前記作業具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２のモデルの更新に際し、前記作業具の通過経路と掘削される材料の種類とから掘削された斜面の形状を求めるための手段と、
（５）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るための手段と、
（６）前記更新された第２のモデルが前記第１のモデルと一致するようにさせるために、前記差に従って前記機械の操作を行い、前記掘削された斜面の形状をグラフィック的に表示するための手段と、
が設けられた装置。
【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して実際に生成される掘削された斜面の形状を、前記斜面上の下端点を結ぶ線と頂点を結ぶ線とにより形成される形状として求め、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作成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、
前記掘削された斜面の形状を含む、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。
【請求項３】
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して実際に生成される掘削された斜面の形状を、前記斜面上の下端点を結ぶ線と頂点を結ぶ線とにより形成される形状として求め、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更新し、
前記掘削された斜面の形状を含む、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。
【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掘削された斜面の形状を求め、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形成する。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、掘削された斜面の形状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的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掘削された斜面の形状を求め、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形成し、掘削された斜面の形状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、１１０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３０４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３０６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３１０、３１４を介しモービル機械上の位置ステーション３０４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３０４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３０４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３２０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、９６３、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３０８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４００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４００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６０２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６０４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３０４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４００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６０４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７０２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、「掘削された斜面」の形状を求めて、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は、バケット４１２の先端が切断又は掘削のために通る形状を表す。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、或いはすべり落ちる。鉱山用ショベルが置かれた表面に位置する点９０４が「下端」となる。上面に位置する点９０６は、いわゆる「頂点」となる。これらの点の間の鉱石の表面が線９０８で表される。下端点９０４、頂点９０６および線９０８が掘削された斜面の形状を表す。
図６をもう一度参照すると、掘削された斜面の形状６１６がグラフィック的に図示されている。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。掘削された斜面の形状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、掘削された斜面の形状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、掘削された斜面の形状が以下のように求められる。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７１２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８１２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
【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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【図９】
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【図１０】
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