(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
土工事の施工エリアに設置されるＧＰＳ固定局と、盛土締固めヤードの締固め機本体に搭載されるＧＰＳ移動局および３軸ジャイロシステムと、前記ＧＰＳ固定局および移動局のＧＰＳデータから演算されたＧＰＳアンテナ位置座標と、前記３軸ジャイロシステムにより検出された姿勢角および移動距離のデータに基づいて振動ローラ中心座標を演算する演算手段とを備え、ＧＰＳ測位不能の場合に３軸ジャイロシステムのデータのみにより振動ローラ中心座標を演算し、盛土締固め機本体が後進する場合に、前記姿勢角のロール角に応じてヨー角の誤差を補正することを特徴とする盛土締固め管理システム。
【請求項２】
土工事の施工エリアに設置されるＧＰＳ固定局と、盛土締固めヤードの締固め機本体に搭載されるＧＰＳ移動局および３軸ジャイロシステムと、前記ＧＰＳ固定局および移動局のＧＰＳデータから演算されたＧＰＳアンテナ位置座標と、前記３軸ジャイロシステムにより検出された姿勢角および移動距離のデータに基づいて振動ローラ中心座標を演算する演算手段とを備え、ＧＰＳ測位不能の場合に３軸ジャイロシステムのデータのみにより振動ローラ中心座標を演算し、盛土締固め機本体が後進する場合に、前記姿勢角のピッチ角の誤差を補正することを特徴とする盛土締固め管理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路および土地造成工事等において盛土を振動ローラにより締固める場合における盛土締固め管理システムの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
道路および土地造成工事等においては、実際の施工前において予め盛土締固め試験を行って締固め機の種類、盛土の転圧回数を設定するとともに、実際の施工時において、転圧回数が規定値に沿ったものとなるように管理することが盛土の品質を向上させる上で重要である。
【０００３】
図１において、盛土締固め機は、締固め機本体１と、締固め機本体１に装備された駆動輪２と、締固め機本体１にヒンジ３を介して操舵可能に連結された振動ローラ４を備え、駆動輪２により盛土５上を走行し、振動ローラ４により盛土５に振動圧力を加えて締固める装置である。この盛土締固め機を用いて盛土の締固めを行う場合には、振動ローラ４による盛土の転圧回数を把握することが重要であり、従来、ＧＰＳ（Global-Positioning-System）で振動ローラ４の走行軌跡を求め、締固めヤード全面で盛土の転圧回数を確認する方式が知られている。
【０００４】
しかしながら、従来のシステムは、(1)ＧＰＳの測位精度が保証される衛星条件の下で稼働することを前提としており、深い木々や他の建設重機の移動等の障害によりＧＰＳデータが断片的にしか受信できなくなる場合や、ＧＰＳ電波を直接波としてではなく反射波として受信した場合等、ＧＰＳ電波の不測の欠損が生じた際には、振動ローラの走行軌跡の精度が低下し、盛土の締固め管理の信頼性が低いものとなる。また、狭隘な山岳地帯等で地形的な制約からＧＰＳが全く受信できない場所においては、このシステムは適用できないものである。
【０００５】
また、(2)盛土の締固め管理を行う場合、締固め機本体の位置座標として必要なのは、振動ローラ中心と転圧地盤が接した位置である。しかし、ＧＰＳの位置計測点であるアンテナをそこに設置することは不可能であるため、図１に示すように、アンテナ６をＧＰＳの受信しやすい本体１上に設置し、その計測位置から振動ローラの中心位置Ｒを推定する方法が取られている。この場合、図２に示すように、振動ローラのヨー角、ロール角およびピッチ角の３軸の姿勢角を求めなければ、ＧＰＳで正確な姿勢角は求まらない。ＧＰＳのアンテナの位置座標の経時的な差分で進行方向ベクトルを求めることはできるが、ＧＰＳの計測誤差により正確な進行方向ベクトルは求められないため、誤差が大きく実用的ではない。
【０００６】
上記(1)の問題点を解決するため、ＧＰＳ欠損が生じた場合に振動ローラの走行軌跡を求める手段として、３軸ジャイロシステムを締固め機本体に搭載することが考えられる。３軸ジャイロシステムは、振動ローラのヨー角、ロール角およびピッチ角の３軸の姿勢角をそれぞれ計測する３台の光ファイバージャイロと２台の傾斜計、または３台の加速度計、そして振動ローラ４の移動距離を計測するロータリーエンコーダから構成され、振動ローラの走行軌跡と姿勢角を求めることができ、上記(2)の問題も同時に解決することができる。なお、単に姿勢角を求めて走行軌跡を補正する技術は、特開平２０００−８３６３号公報により知られている。
【０００７】
しかしながら、３軸ジャイロシステムにおいては、光ファイバージャイロは時間に比例する誤差である時間ドリフトが生じるという問題や、ロータリーエンコーダは移動距離に比例した誤差が生じるという問題や、算定走行軌跡を計測値の累積で求めるため累積誤差が生じる等の問題があり、３軸ジャイロシステム単体で精度良く走行軌跡を求めるには、盛土締固め機による施工時の時間的な制約がある。
【０００８】
また、振動ローラ４は、本体１にヒンジ３を介して結合された構造であり、図３に示すように、振動ローラ４の直角方向に傾斜した斜面を振動ローラ４が後進した場合、重量の重い振動ローラ４が斜面でズレ落ちるのを修正する必要が生じるため、ステアリングは斜面の上側に向けることになる。その結果、振動ローラ４がくの字に折れ曲がった状態で平衡を保ち直線的に後進できるようになる。一方で、締固め機本体１側に設置した３軸ジャイロシステムは、くの字状態のヨー角を検出しており、締固め機本体１の走行軌跡は、このヨー角のズレにより実際走行に比べて、後進時に斜面上側に移動し、これが傾斜地で直線往復を繰り返す度に累積され（図４参照）、正確な走行軌跡から離れる誤差要因となっている。なお、本誤差要因は、振動ローラ４を押す状態となる前進時には見られない。
【０００９】
さらに、締固め機本体１の前進時においては、図５（Ａ）に示すように、走行面の傾斜角と締固め機本体１の傾斜角（検出ピッチ角）が一致するが、締固め機本体１の後進時においては、図５（Ｂ）に示すように、締固め機本体１が重い振動ローラ４を引っ張る状態となるため、３軸ジャイロを設置した締固め機本体１が若干傾いた状態で後進する。このため、走行面は水平であるにもかかわらず、３軸ジャイロは締固め機本体１の傾いた状態（角度β′）を検出してしまい、実際の地盤の傾きとは一致せず、その結果、後進を行う度に誤差が累積されてしまい標高を正確に求めることができない。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題を解決するものであって、振動ローラの走行軌跡を求めるに際し、ＧＰＳに加えて３軸ジャイロシステムを付加することにより、ＧＰＳ欠損状態でも高精度に振動ローラの走行軌跡を求めることができる盛土締固め管理システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の盛土締固め管理システムは、土工事の施工エリアに設置されるＧＰＳ固定局と、盛土締固めヤードの締固め機本体に搭載されるＧＰＳ移動局および３軸ジャイロシステムと、前記ＧＰＳ固定局および移動局のＧＰＳデータから演算されたＧＰＳアンテナ位置座標と、前記３軸ジャイロシステムにより検出された姿勢角および移動距離のデータに基づいて振動ローラ中心座標を演算する演算手段とを備え、ＧＰＳ測位不能の場合に３軸ジャイロシステムのデータのみにより振動ローラ中心座標を演算し、盛土締固め機本体が後進する場合に、前記姿勢角のロール角に応じてヨー角の誤差を補正することを特徴とし、請求項２記載の盛土締固め管理システムは、盛土締固め機本体が後進する場合に、前記姿勢角のピッチ角の誤差を補正することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図６は、本発明における盛土締固め管理システムの１実施形態を示すシステム構成図である。
【００１３】
本発明の盛土締固め管理システムは、締固め機本体１に搭載されたＧＰＳ移動局７と、締固め機本体１に搭載された３軸ジャイロシステム９と、土工事の施工エリアに設置された管理局１０およびＧＰＳ固定局（基地局）１１とから構成されている。
【００１４】
ＧＰＳ移動局７は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信するＲＴＫ−ＧＰＳアンテナ６を備え、測位データは受信機１２、通信インターフェイス１３を介してパソコン１４に送られる。また、ＧＰＳ固定局１１は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信するＲＴＫ−ＧＰＳアンテナ１５を備え、測位データは受信機１６、送信機１７、送信アンテナ１９を経て、ＧＰＳ移動局７の受信アンテナ２０、受信機２１、通信インターフェイス１３を介してパソコン１４に送られる。
【００１５】
３軸ジャイロシステムは、締固め機本体１に設置された姿勢角検出装置２２と振動ローラ４の移動距離を計測するロータリーエンコーダ２３を備えている。姿勢角検出装置２２は、ヨー角を検出する光ファイバージャイロ２２ａと、ピッチ角を検出する光ファイバージャイロ２２ｂと、ロール角を検出する光ファイバージャイロ傾斜計２２ｃを備え、各センサ信号は演算装置２２ｄに送られ姿勢角が演算され、姿勢角データは、通信インターフェイス２４を介してパソコン２５に送受信され、また、通信インターフェイス２６、１３を介してパソコン１４とデータのやりとりが行われる。なお、操作パネル２７は、システムの開始、終了、既知点の入力を行うためのものである。また、本実施形態では、光ファイバージャイロ２２ｂ、２２ｃに、光ファイバージャイロの角度検出精度を向上させる目的で基準面（例えば水平面）を検出する傾斜計を用いているが、これに代わり光ファイバージャイロ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに加速度計を用いてもよい。
【００１６】
ＧＰＳ移動局７のパソコン１４においては、ＧＰＳ衛星による測位データと、既知座標上のＧＰＳ固定局１１でのＧＰＳ衛星による基準測位データと、姿勢角検出装置２２およびロータリーエンコーダ２３のデータに基づいて走行軌跡を求め、走行軌跡上の転圧回数を演算し、転圧状況をディスプレイ上に表示する。また、転圧状況のデータは、通信インターフェイス１３、送信機２９、送信アンテナ３０を経て、管理局１０の受信アンテナ３１、受信機３２を介してパソコン３３に送られる。
【００１７】
本発明においては、既知座標上のＧＰＳ固定局１１でＧＰＳの誤差補正情報をＧＰＳ移動局７に通信で送り、１〜１０ｍの位置精度を有するＤＧＰＳ（ディファレンスＧＰＳ）測位方式と、干渉測位の原理を用いＧＰＳ固定局１１からＧＰＳ衛星からの位相データをＧＰＳ移動局７に送り、１０ｃｍ以下の位置精度をリアルタイムで実現するＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティックＧＰＳ）測位方式を採用している。
【００１８】
図７は、図６の盛土締固め管理システムの処理の流れを示すフロー図である。先ず、ステップＳ１において、ＧＰＳ移動局７（締固め機本体１）のアンテナ６の位置座標としてＲＴＫ−ＧＰＳまたはＤＧＰＳのデータを取得し、また、３軸ジャイロシステム９から締固め機本体１の姿勢角（ヨー角α、ピッチ角β、ロール角γ）と移動距離のデータを取得する。次に、ステップＳ２で、図８に示すように、激しく変化するロール角γのスムージング（平滑化）処理を行う。
【００１９】
次に、ステップＳ３で振動ローラ４が後進か否かを判定し、前進の場合にはステップＳ６に進み、後進の場合にはステップＳ４で、先ず、ヨー角の補正処理を行う。締固め機本体１の後進時の挙動については、図４にて説明したが、図９に示すように、締固め機本体１が後進するときに、３軸ジャイロが検出しているヨー角αは、実際の進行方向角に車体の折れ曲り挙動による回転角（以下、補正角α′とする）を付加したものになっている。従って、実際の進行方向角はジャイロの検出ヨー角αから補正角α′を引いたものとなる。この補正角α′は、締固めヤードの傾斜角（すなわちジャイロのロール角γ）と相関するので、予め実験により、図１０に示すように、ロール角γとの補正マップを格納しておく。図１１は後進補正による走行軌跡を示し、勾配８．７％、直線距離１５ｍを往復した場合で、図４の場合と比較して傾斜地走行による誤差が著しく小さくなることを示している。
【００２０】
ヨー角の補正が終了すると、次に、ステップＳ５でピッチ角の補正処理を行う。図５（Ｂ）で説明したように、締固め機本体１の後進時においては、締固め機本体１が重い振動ローラ４を引っ張る状態となるため、３軸ジャイロを設置した締固め機本体１が若干傾いた状態で後進する。このため、走行面は水平であるにもかかわらず、３軸ジャイロは締固め機本体１の傾いた状態（角度β′）を検出してしまい、実際の地盤の傾きとは一致せず、その結果、後進を行う度に誤差が累積されてしまい標高を正確に求めることができない。そこで、検出ピッチ角βに補正角β′を加える処理を行う。
【００２１】
このピッチ角の補正は、締固め機本体１の傾斜角と地盤の傾斜角の差を検出して補正すればよいが、この差を検出することは不可能であるため、実験的にこの差（補正角β′）を求めておく。実験的に補正角を求める方法は、できる限り平坦な走行面に対して、振動ローラ４を直線往復させたときの前進と後進のピッチ検出角の差を補正角とする。補正角は、走行面の状態や振動ローラ４の速度に関連していると考えられるが、補正角自体が非常に小さい値（１°以下）であるため、実験的に求めた一定値を適用しても問題はない。
【００２２】
図１２は、振動ローラ４の走行面の標高について、RKT-GPSで計測したデータ、ピッチ角検出データ（補正なし）、ピッチ角を補正したデータを示している。この図により、ピッチ角を補正した場合の標高は、GPSで計測した標高にほぼ一致しており、ピッチ角の補正効果が顕著に現れている。
【００２３】
次に、図７のステップＳ６において、ＧＰＳデータがあるか否かの判定を行い、無い場合には、ステップＳ８に進み、有る場合にはステップＳ７でカルマンフィルタ補正の処理を行う。次に、ステップＳ７で転圧終了か否かを判定し、転圧終了まで、ステップＳ１〜Ｓ８の処理を例えば０．２秒毎にリアルタイムで繰り返す。
【００２４】
図１３は、カルマンフィルタ補正の処理を示すフロー図である。ＧＰＳ信号には多くの誤差因子が含まれており、統計的処理によって検出位置を推定する手法としてカルマンフィルタが知られている（例えば特開平２０００−２８３８０号公報）。本発明においては、このカルマンフィルタを利用して独特な処理を行っている。すなわち、先ず、ステップＳ１１でＧＰＳデータ、補正後の姿勢角および移動距離を読み込み、ステップＳ１２で、ＧＰＳデータがＲＴＫーＧＰＳまたはＤＧＰＳかどうかを判定し、どちらでもない場合はステップＳ１６で状態量のリセットを行い観測更新を行わず、ステップＳ１７で３軸ジャイロシステムによる姿勢角と移動距離のみによって振動ローラの中心座標を演算する。
【００２５】
ステップＳ１３において、ＧＰＳデータがＤＧＰＳか否かを判定し、ＮＯすなわちＧＰＳ測位状態が良好なＲＴＫーＧＰＳの場合には、ステップＳ１４で、３軸ジャイロによる姿勢角と移動距離のみのカルマンフィルタによる補正を行い、ＧＰＳ測位状態がやや悪くなるＤＧＰＳの場合は、ステップＳ１５でアンテナ位置座標であるＧＰＳデータと姿勢角および移動距離である３軸ジャイロデータの両方をカルマンフィルタによる補正を行い、それぞれステップＳ１７で振動ローラ４の中心座標を演算し出力する。カルマンフィルタによる補正は、ＧＰＳ座標誤差と３軸ジャイロシステムの角度誤差および移動距離誤差を状態量として考慮し、ＧＰＳ位置座標の観測値からこの状態量を逐次推定する。このとき、カルマンフィルタ補正を行うことにより、ＲＴＫーＧＰＳより測位精度が劣るＤＧＰＳの測位精度の向上を図ることができ、また、ジャイロの時間ドリフトも補正され姿勢角の精度も向上することができる。
【００２６】
図７のステップＳ８で転圧終了となった場合には、次にステップＳ９でＧＰＳデータによる測位不能な時間があったか否かが判定され、有った場合には、ステップＳ１０に進み内挿補間補正の処理を行った後、終了する。
【００２７】
図１４は、図７の内挿補間補正の処理を説明するための図である。内挿補間補正は、ＧＰＳが測位不能で、３軸ジャイロシステムのみで走行軌跡を求めた場合に生じる。この場合、開始点と終点の既知座標値を与えて、終点の既知座標値と３軸ジャイロシステムで求めた座標値を一致させ、その座標誤差を基に始点と終点間にある内部計測上の座標値に対して最小二乗法を用いて補正する。図１４は、各計測点で、ロータリエンコーダで移動距離Ｓ1、Ｓ2、…  …を計測し、ジャイロでヨー角α1、α2…  …、ピッチ角β1、β2、…  …を計測して振動ローラの軌跡を算出した結果を示している。
【００２８】
ＧＰＳ受信ができなくなる直前のＧＰＳアンテナ座標（カルマンフィルタによる補正値）Ａと、ＧＰＳの電波が復帰したときのＧＰＳアンテナ座標（カルマンフィルタによる補正値）Ｂを既知点とし、既知点Ａから出発して３軸ジャイロシステムのみで求めた終点座標４と既知点Ｂの座標誤差を０として、各内部点間での３軸ジャイロシステムの姿勢角と移動距離の誤差の二乗和を最小にするように調整計算を行うものである。ここでは、ジャイロシステムでの計測位置をＧＰＳシステムで計測するアンテナ位置と一致させる。これらのシステムは、計測する座標系が異なるので、ＧＰＳシステムの公共座標系をジャイロシステム座標系に変換する。
【００２９】
具体例を説明すると、点１〜点４の間でＧＰＳの受信が途絶え、ジャイロシステムのみで点１〜点４を計測したとする。既知点として与えられるＧＰＳアンテナ座標は、ジャイロシステム座標系に変換されて点Ａ（xgps0,ygps0,zgps0）、点Ｂ（xgps4,ygps4,zgps4）であるとする。一方、３軸ジャイロシステムで計測した終点座標４の座標は、
【００３０】
【数１】
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となる。そして、３軸ジャイロシステム計測終点座標４の座標（xgy4,ygy4,zgy4）が既知点Ｂの座標（xgps4,ygps4,zgps4）と一致させるように、最小二乗法を適用して３軸ジャイロシステムの計測値Ｓ、α、βを補正する。そして、その補正値を用いて位置座標を求めて走行軌跡を算出する。
【００３１】
図１５は、内挿補間補正処理の前後の詳細手順を示すフロー図である。ステップＳ８で転圧終了になると、ステップＳ９において、転圧作業中でジャイロのみの走行軌跡を補正するデータがあるか否か（詳しくは補正対象となる時間以上にジャイロのみで稼働したか否か）が判定され、ＮＯの場合には作業終了となる。ＹＥＳの場合は、ステップＳ２１で、ＲＴＫーＧＰＳが取得できるか否かが判定され、取得できればステップＳ１０の軌跡補正（内挿補間補正）の処理を行う。ＲＴＫーＧＰＳが取得できなければ（ＤＧＰＳ以下のグレードの場合）、ステップＳ２２で「ＧＰＳが所得できません。ＧＰＳが取得できる場所か、既知点へ移動して下さい。」というメッセージを報知し、ＲＴＫーＧＰＳ取得点へ移動しＲＴＫーＧＰＳを取得した場合にはステップＳ９で軌跡補正の処理を行う。ＧＰＳが取得できなければ、既知点へ移動し、ステップＳ２５で既知点を入力し（図６の操作パネル２７により入力）た後、ステップＳ１０で軌跡補正の処理を行う。軌跡補正が終了すると、ステップＳ２７で補正された走行軌跡に基づく転圧判定再描画の処理を行う。
【００３２】
図１６は、内挿補間補正を実施するためのフロー図である。内挿補間補正は、ＧＰＳの測位不能時間ｔが所定時間ｔｖ（例えば５分）以下である場合には位置精度は満足できるものとして行わず、所定時間ｔｖを越え且つ所定時間ｔｈ（例えば１５分）以下の場合には、ｚ座標のみの補正を行い、所定時間ｔｈを越えた場合にｚ座標およびｘｙ座標の補正を行うものとする。
【００３３】
図１７は、以上説明した本発明の盛土締固め管理システムの処理を整理した図である。ここで、ＲＴＫーＧＰＳの欠損理由となるマルチパスとは、ＧＰＳ電波を直接波ではなく複数の反射波として受信した場合に、受信電波情報は真値に比べ異なったものとなるため、位置演算を精度良く行うことができなくなる現象を言い、サイクルスリップとは、地形条件や深い木々、他重機の位置関係等の障害によりＧＰＳデータが断片的にしか受信できない状態を言う。
【００３４】
また、補正可能時間とは、RKT-GPSが不可能となった場合に、DGPSおよび３軸ジャイロを使用して計測データを比較的精度良く補正できる限界時間を言う。なお、ＧＰＳの測位不能が６０分を越えた場合には、内挿補間補正を実施しても補正効果が低くなるため、既知点に戻りジャイロをリセットする。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、振動ローラの走行軌跡を求めるに際し、ＧＰＳに加えて３軸ジャイロシステムを付加することにより、ＧＰＳ欠損状態でも高精度に振動ローラの走行軌跡を求めることができる。その結果、ＧＰＳによる盛土締固め管理システムが汎用的になり、狭隘な山岳地帯等で地形的な制約からＧＰＳが全く受信できない場所においても適用できるようになる。
【００３６】
また、３軸ジャイロシステムにより振動ローラの姿勢角が検出できるため、ＧＰＳアンテナ座標から振動ローラ中心座標への推定を高精度で算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる締固め機の側面および平面を示す模式図である。
【図２】本発明に係わる姿勢角を説明するための図である。
【図３】本発明の課題を説明するための図である。
【図４】図３における後進時における累積誤差を説明するための図である。
【図５】本発明の課題を説明するための図である。
【図６】本発明における盛土締固め管理システムの１実施形態を示すシステム構成図である。
【図７】図６の盛土締固め管理システムの処理の流れを示すフロー図である。
【図８】図７のγスムージング処理を説明するための図である。
【図９】図７のヨー角の補正処理を説明するための図である。
【図１０】図９の補正の算出方法を説明するための図である。
【図１１】ヨー角の補正による走行軌跡を示す図である。
【図１２】ピッチ角の補正による走行軌跡を示す図である。
【図１３】図７のカルマンフィルタ補正の処理を示すフロー図である。
【図１４】図７の内挿補間補正の処理を説明するための図である。
【図１５】図７の内挿補間補正処理の前後の詳細手順を示すフロー図である。
【図１６】内挿補間補正を実施するためのフロー図である。
【図１７】本発明の盛土締固め管理システムの処理を整理した図である。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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