(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業領域内に形成されるレーザ平面と、該作業領域内における所定の座標系との間の関係を、作業具を備えたモービルマシンを用いて求める方法において、
前記レーザ平面が、作業具上に取り付けられたレーザ検出手段と交わる位置に前記作業具を動かし、
前記レーザ平面と交わる状態を維持しながら前記作業具を水平にし、
前記レーザ検出手段と前記レーザ平面との位置関係を表す交差信号を発信し、
前記作業具に接続された座標系位置検出手段から前記作業具の位置を前記座標系の座標位置として表す基準位置信号を受信し、
前記作業領域内の３つの異なる位置において得られた前記交差信号と前記基準位置信号とに基づいて、前記座標系に関する前記レーザ平面の方程式を前記基準位置信号の関数として定める、
段階からなる方法。
【請求項２】
作業領域内に形成されるレーザ平面と、該作業領域内における所定の座標系との間の関係を、作業具を備えたモービルマシンを用いて求めるシステムにおいて、
前記座標系の座標における作業具の位置を求め、これに応答して前記作業具の位置を前記座標系の座標位置として表す基準位置信号を発信するための座標系位置検出手段と、
レーザ平面との交差を検出し、これに応答して前記レーザ平面との間の位置関係を表す交差信号を発信するためのレーザ検出手段と、
前記作業領域内の３つの異なる位置において得られた前記交差信号と前記基準位置信号とを受信し、これに応答して前記座標系に関する前記レーザ平面の方程式を前記基準位置信号の関数として定めるための制御手段と、
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本明細書に記載する発明は、ＮＡＳＡ契約法第ＮＣＣ２−９００７号に基づいた作業の遂行においてなされたものであり、１９５８年の米航空宇宙局法（４２Ｕ．Ｓ．Ｃ．２４５７）の３０５条の条項に従うものである。
本発明はレーザ面の座標を求める方法とシステムに関する。より詳細には、本発明は、外部座標系の座標に対するレーザ平面の座標を求める方法とシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、８０７、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、目標の高さ、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、ブレード位置を目標場所の公差内にあるように調整できるようにする。
【０００３】
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、レーザ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。一対のレーザレシーバを作業具に配置することによって、位置判定能力を改善するが作業具の切断の傾斜を正確に求めることができない。
【０００４】
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、レシーバのアンテナの位置）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。
【０００５】
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れる。ＧＰＳアンテナ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、フレームに対する作業具の向きの変化に正確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向きにおける様々な変化が、切断用エッジの位置を正確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アンテナを作業具上に配置することが考えられなかった。
【０００６】
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加工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システムに十分な正確さを得ることができなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
切断の所望の勾配が得られる選択された位置に作業具を配置できる制御システムを形成することが望まれる。しかしながら、マシン作動の動作のために、マシンが動くにつれて切断の勾配も変化する。さらに、回転、ピッチ、傾き等のようなブレードの動きが、作業具の切断の勾配に影響を及ぼす。今日、マシンのオペレータは、切断の所望の勾配を維持するように作業具の位置を絶えず調整しなければならない。このように行なうためには、膨大な熟練者が必要となる。最も優れたマシンのオペレータでも、切断の勾配を所望の角度に正確に維持するという点が困難である。今日にいたるまで、この問題に対して満足のいく解決策がながった。
【０００８】
本発明は、上述の問題の１つか２つ以上を解決する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の１態様において、作業具を備えたモービルマシンを用いてレーザ平面と外部座標系との間の関係を求める方法が提供される。この方法は、レーザ平面がレーザレシーバと交わるように可動な作業具を動かし、これに応答して交差信号を発信し、作業具に接続された外部座標系位置センサーから外部基準位置信号を受信し、レーザ平面と交わる状態を維持しながら作業具を水平にして、外部座標系に関するレーザ平面の方程式を外部基準位置信号の関数として定める段階からなる。
本発明の別の態様において、可動な作業具を備えたモービルマシンを用いてレーザ平面と外部座標系の間の関係を求めるシステムを提供する。該システムは、外部座標系の座標における作業具の位置を求めるセンサーと、レーザ平面との交差を検出するレーザ検出器と、を含む。マイクロプロセッサベースのコントローラが、外部座標系に関するレーザ平面の方程式を外部基準位置信号の関数として定める。
【００１０】
【実施例】
図面を参照すると、特に図１と図２を参照すると、本発明は、可動作業具２０２を備えたモービルマシンを用いてレーザ平面２１６と外部座標系との関係を求める方法とシステム１００を提供する。
外部座標システム位置検出手段１０２は、外部座標系の座標における作業具２０２の位置を求め、これに応答して外部基準位置信号を発信する。好ましい実施例において、外部座標系位置検出手段１０２は、少なくとも１つの外部座標系位置センサー１０４を含む。
レーザ検出手段１０６は、レーザ平面２１６との交差を検出し、これに応答して交差信号を発信する。好ましい実施例において、レーザ検出手段１０６は、少なくとも一つのレーザ検出器１０８を含む。
【００１１】
制御手段１１０は、交差信号と、外部基準位置信号とを受信し、これに応答して、外部座標系に関するレーザ平面２１６の方程式を外部基準位置信号の関数として定める。好ましい実施例において、制御手段１１０はマイクロプロセッサベースのコントローラ１１２を含む。
コントローラ１１２は、オペレータにより実行されるセットアップルーチンの間、外部座標系位置検出手段１０２とレーザ検出手段１０６とから信号を受信して、これに応答してレーザ平面２１６と外部座標系の間の関係を求める。
好ましい実施例において、この関係は、外部座標系において表されたレーザ平面２１６を表す公式として組立てられる。
好ましい実施例において、図２から５を参照すると、システム１００が外部座標におけるモービルマシン２０６の作業具２０２の位置を求め、または該作業具の２０２を制御するようになっている。モービルマシン２０６と作業具２０２との位置が、ディスプレースクリーン（図示せず）を介してオペレータに表示される。
【００１２】
土壌作業ブレード２３６のような作業具２０２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２０６のフレーム２０４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。
システム１００は、レーザスキャナ２０８を含む。レーザスキャナ２０８は、ほぼ垂直軸２１２のまわりを掃射する強度の低いレーザビーム２１０を送るようになっている。レーザスキャナ２０８は、以下本明細書では作業場所２１４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。掃射されるレーザビーム２１０は垂直軸２１２に沿った所定の高さ位置で平面２１６を形成し、精密な高さ座標位置ｚを形成する。
【００１３】
システム１００が、全地球航法システム（ＧＰＳ）２１８も含む。ＧＰＳ２１８は、衛星の星座を含んでおり、そのうちの２つを２２０Ａと２２０Ｂ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２０６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２１８は、ベースステーション２２２と、該べースステーション２２２に接続されている基準受信手段２２４とを含む。基準受信手段２２４が複数の場所から送信された電磁放射を受信し、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２２４は、ＧＰＳ基準レシーバ２２６を含む。ベースステーション２２２は、作業場所２１４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２２２のトランシーバ２２８とマシン２０６上のトランシーバ２３４とが、マシン２０６とベースステーション２２２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、地球の中心に対するベースステーション２２２の位置を求めるのに用いられる。
【００１４】
外部座標系位置検出手段１０２は、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２３０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２３２とを含む。
図２と図３から最もよくわかるように、第１の受信手段２３０は、作業具２０２上に取り付けられた第１のマスト２３１上に第１の所定の場所で接続されており、第２の受信手段２３２が、作業具２０２に取り付けられた第２のマスト２３３上の第２の所定の場所に接続されている。第１の受信手段２３０は、第１のＧＰＳレシーバ３０２を含み、第２の受信手段２３２が第２のＧＰＳレシーバ３０４を含む。第１および第２のＧＰＳレシーバ３０２、３０４のそれぞれは、アンテナ３０６、３０８とプリアンプリファイヤ（図示せず）とを備える。第１および第２のアンテナ３０６、３０８により受信された位置信号が増幅され、第１および第２のＧＰＳレシーバ３０２、３０４に送信される。第１および第２のＧＰＳレシーバ３０２、３０４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３１２を含む処理手段３１０が、疑似範囲と衛星位置とに基づいて第１および第２のＧＰＳレシーバ３０２、３０４の位置を計算する。詳細には、第１と第２のＧＰＳレシーバ３０２、３０４は、第１および第２アンテナ３０６、３０８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。
【００１５】
図４に示すような作業具２０２が、第１および第２側部４０２、４０４、切断用エッジ４００、および上方エッジ４０８を有する土ならしブレード２３６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３０６が、第１側部４０２に近接してブレード２３６に取り付けられており、第２のアンテナ３０８が第２の側部４０４に近接してブレード２３６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、所定の距離Ｗは、第１および第２のブレード側部４０２と４０４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２３６の切断用エッジ４００に沿って好ましく位置付けられている第１および第２のポイント場所ＲＢ、ＬＢに対して位置決めされる。第１および第２のポイント場所ＲＢ、ＬＢは、第１および第２の側部と切断用エッジ４００との交差点において、ブレード２３６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Ｗに等しいのが好ましい。第１および第２のアンテナ３０６、３０８（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２３６の第１および第２のポイント場所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２３０、２３２が、切断エッジ４００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４１０、４１２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。
【００１６】
図２および図３を参照すると、第１および第２の受信手段２３０、２３２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２３６に接続された第１および第２のレーザレシーバ３１３、３１４を含む。好ましくは、第１および第２のレーザレシーバ３１３、３１４が第１および第２のアンテナ３０６、３０８の各々の場所にある。図４で最もよくわかるように、第１および第２のアンテナ３０６、３０８が第１および第２のレーザレシーバ３１３、３１４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３１３、３１４の他端部が、上方エッジ４０８においてブレード２３６に接続されている。レーザレシーバ３１３、３１４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４１４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３１３、３１４が、高さ方向における作業具の位置計測の正確さを改善し、全地球航法システム２１８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３１３、３１４が位置コンピュータ３１２に接続されている。レーザレシーバ３１３、３１４が出力信号を位置コンピュータ３１２に送り、位置コンピュータ３１２が、特定の作業場所２１４に関する３次元のブレード２３６の高さ座標位置ｚを求める。第１および第２のライン４１０、４１２が第１および第２のレーザレシーバ３１３、３１４の長さに沿って延びており、受信ポイントＲ、Ｌを通る。
【００１７】
図２を参照すると、基準レシーバ２２６がベースステーション２２２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２２６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２２６（アンテナ２３８）の位置を求める。基準レシーバ２２６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ＧＰＳレシーバ３０２、３０４と基準レシーバ２２６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。位置コンピュータ３１２とベースステーションコンピュータが米国イリノイ州シュアンバーグ在住のモトロラ社からの商業的に入手可能なマイクロプロセッサを含む。
図４と図５を参照すると、作業具２０２がより詳細に示されている。ブレード２３６が、支持機構４１６によりフレーム２０４に可動に接続されている。支持機構４１６は、サークル４１９とこれに接続されているブレード２３６とを、公知の手段でサークル４１９の中央に配置されている高さ方向の軸線のまわりに回転させるための選択的に作動可能な回転駆動モータ４１８を有するサークル駆動機構５０２を含む。
【００１８】
図４を参照すると最も良くわかるように、システム１００は、フレーム２０４と支持機構４１６との間でこれらに接続されている第１および第２の選択的に作動可能な流体作動式リフトジャッキ４２０、４２２を有する作業具制御手段１２０を含む。第１および第２のリフトジャッキ４２０、４２２は、第１および第２の離れた位置の間に伸張可能に可動であり、ブレード２３６をフレーム２０４に対して上方に動かす。リフトジャッキ４２０、４２２が延びると同時にブレード２３６が降下し、リフトジャッキ４２０、４２２が収縮すると同時にブレード２３６が上がる。第１および第２のリフトジャッキ４２０、４２２のいずれか１方の延びまたは収縮または、第１および第２のリフトジャッキ４２０、４２２の１方の延びと他方の収縮により、マシン２０６の動きの方向に対して横の方向にフレーム２０４に対してブレード２３６を傾斜させることになる。
【００１９】
図５を参照すると、流体作動式チップジャッキ５０４が、支持機構４１６とベルクランク５０６との間でこれらに接続されている。ベルクランク５０６は、ブレード２３６をサークル駆動機構５０２にピボット運動可能に接続する。チップジャキ５０４が伸延可能に可動であり、ベルクランク５０６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２３６が前後方向に、図５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２０４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。
好ましい実施例において、向き決定手段３２０が地面に対する作業具２０２の向きを求める。好ましい実施例において作業具２０２の向きはピッチ（β）と傾き（α）に関して示される。
【００２０】
好ましい実施例において、向き決定手段３２０は、２次元バブルセンサー３２２を含む。この２次元センサー３２２は、導電性流体で充填されたケーシングを含む。バブル、すなわちガスのポケット、例えば空気がケーシング内に閉じ込められる。作業具２０２の向きが変化するにつれ、バブルの場所がケーシング内で動く。センサー３２２前後の電気インピーダンスが、バブルの場所とともに変化し、各角度に比例する。センサー３２２は、２つの垂直の軸線上でケーシング前後の電気インピーダンスを計測し、これに応答してピッチと傾斜角をそれぞれ求める。適当な２軸バブルセンセーが、ニューヨーク州ハッパンゲ在住のスペクトロン・グラス・アンド・エレクトニクス社から入手可能なモデル番号ＳＰ５００００である。別の実施例において、２つの単軸センサー、モデル番号Ｌ−２１２ｔを用いてもよい。さらに、本発明は振り子式センサーを用いてもよい。
【００２１】
位置コンピュータ３１２が、局所座標系において作業具２０２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ＲＢ、ＬＢを求める。局所座標系は、フレーム２０４（支持機構４１６）に関して形成された３次元の座標系である。図６を参照すると、ブレード２３６は、第２側部４０４から見られ、ブレード２３６に沿って見下ろすように示されている。
処理手段３１０が第１と第２の受信手段２３０、２３２から第１と第２の位置信号を受信し、上述の作業場所２１４に関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２３０、２３２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ればよい。レーザが判定した高さ位置は、ＧＰＳが判定した高さ位置よりもさらに正確であるために、処理手段３１０は、ＧＰＳ高さ成分ｚを無視し、レーザ判定高さ位置ｚを用いるのが好ましい。
【００２２】
処理手段３１０は、外部座標、すなわちＧＰＳ座標に関する作業具２０２の最終目的の位置を求めるようになっている。このような機能を実行するようになっている処理手段３１０が、米国特許出願第８／４９３、１８８号に記載されている。本発明は、この先行技術を引用し、この特許出願明細書の記述を本明細書の記述の一部とする。
図３を参照すると、処理手段３１０が、メモリ付きのデータベースコンピュータ３１６を含む。データベースコンピュータ３１６が位置コンピュータ３１２に接続されている。データベースコンピュータ３１６は、位置コンピュータ３１２から信号を受信し、マシン２０６が作業場所２１４を通るときに、作業場所２１４内においてブレード２３６上の第１と第２のポイント位置ＲＢ、ＬＢの現在の座標位置と、マシン２０６が作業場所２１４を通るときの作業具２０２の傾斜のパーセントをリアルタイムで更新する。データベースコンピュータ３１６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２０６に取り付けられており、ベースステーション２２２でトランシーバ２２８とラジオ周波数送信通信を行なう。トランシーバ２２８がベースステーション２２２に配置されている陸上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２２８は、トランシーバ１０３と通信して、データベースコンピュータ３１６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、作業具２０２の傾斜のパーセント等のデータがこれらの間に伝送される。例えば、作業具２０２の傾斜のパーセントと、マシン２０６が作業場所２１４を通るときのマシン２０６の作動の挙動によって生じるこれらの変化が、場所座標系における第１および第２のポイントＲＢ、ＬＢの追跡に基づいて、マシン２０６上に配置された位置コンピュータ３１２においてリアルタイムで更新される。このような情報が伝達されて、陸上ベースのコンピュータを更新する。
【００２３】
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３１８が、データベースコンピュータ３１６に接続されている。データベースコンピュータ３１６が、信号をモニター３１８に送信し、作業場所２１４に対するブレード２３６の現在の位置を絵図的にまたはグラフ的に表示する。モニター３１８は、２次元か３次元のいずれかにおいて、あるいは作業具２０２の実際および所望の横断傾斜を数値的に表示してもよい。
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３１６内にロードされてもよい。建設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３１６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ＲＢ、ＬＢの位置に基づいてリアルタイムで更新される。動的であるデータベースが、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２３６が作業場所２１４を通ると、ブレード２３６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３１６からモニター３１８に送信され、ブレード２３６の現在の位置、変更された実際の作業場所、実際および所望の傾斜のパーセント、および所望の作業場所の高さが、オペレータの要求に応じてモニター３１８上に単独で表示されるか、あるいは組み合わされて表示される。
【００２４】
作業具制御手段１２０が、手動または自動モードで作業具２０２の作動を制御するようになっているのが好ましい。
ＧＰＳおよびレーザ平面システムの組合せを用いながら、作業具２０２を制御するか、または外部座標系内の作業具２０２の位置を求めるかいずれかのために、外部座標系とレーザ平面との間の関係が求められなければならない。
図７を参照すると、レーザ平面と外部座標系の間の関係を求めるためのセットアップルーチンの作動について記載されている。セットアップルーチンは、マシン２０６の開始時、または入力ボタン等の装置によりオペレータの要求に応じて自動的に入力されればよい。次いで、オペレータが以下に記載の様々な行為を実行するように促される。
【００２５】
第１制御ブロック７０２において、レーザ平面２１６がレーザ検出器／レシーバ３１３、３１４の１つと交差するように作業具２０６がオペレータにより動かされる。
次いで、第２の制御ブロック７０４において、作業具２０２が以下に説明されるように水平にされる。
次いで、ＧＰＳレシーバ３０２、３０４の１つからのＧＰＳ位置読み取り値が第３の制御ブロック７０６においてサンプル化される。
上述の３段階が、作業場所２１４の３つの異なる場所で実行される。
第４の制御ブロック７０８において、レーザ平面２１６の方程式が、作業場所２１４の３つの場所におけるＧＰＳ位置の関数として外部座標系に関して定められる。
【００２６】
第１の実施例において、レーザ平面２１８の方程式がＧＰＳレシーバ３０２、３０４、受信手段２３０、２３２のうちの１つのレーザ検出器３１３、３１４および２つのピッチセンサー３２２からのデータを用いて求められる。
セットアップルーチンの第１の実施例が図８に図示されている。
第５の制御ブロック８０２において、マスト２３１、２３３が、２次元バブルセンサー３２２を用いて地球に関して垂直に設定される。これは自動的になされてもよいし、またはセンサー出力がオペレータに表示されて、オペレータが水平になるまで作業具２０２を手動で調整できる。
第６の制御ブロック８０４において、レーザ平面２１６と交じわるまで、オペレータは作業具２０２を垂直方向に動かすように指示される。
【００２７】
第７の制御ブロック８０６において、作業２０２のレベルとレーザ平面２１６が交わるとＧＰＳ位置がサンプル化される。
第８の制御ブロック８０８において、ＧＰＳアンテナ３０６、３０８からレーザ平面２１６の距離は、レーザ検出器３１３、３１４がレーザ平面２１６と交わる場合の関数として求められる。
第９の制御ブロック８１０において、このようなＧＰＳ場所の３つが計測される。マシン２０６と作業具２０２が同一の場所にある状態で、３つの場所のうち２つが、第１および第２のＧＰＳレシーバ３０２、３０４を用いて求められてもよい。第３のＧＰＳ場所に対して、マシン２０６が新しい場所に動かされてもよい。
【００２８】
３つのサンプル化されたＧＰＳ位置を用いて、ＧＰＳ座標におけるレーザ平面の方程式が第１０の制御ブロック８１２において計算される。
第２の実施例において、セットアップルーチンが、２つのＧＰＳレシーバ３０２、３０４、レーザレシーバ３１３、３１４の一つ、およびピッチセンサー３２２を用いて達成される。図９を参照すると、セットアップルーチンの第２の実施例について述べる。
第１１の制御ブロック９０２において、ＧＰＳレシーバ３０２、３０４のｚ読み取り値を等しくするように作業具２０２の左右側を調整することによって、水平ブレードの向きが得られる。これは自動的になされるか、あるいはオペレータによりなされる。後者の場合には、ＧＰＳレシーバ３０２、３０４のｚの読み取り値がオペレータに表示されてオペレータが作業具２０２を手作業で調整できるようになっている。
【００２９】
第１２の制御ブロック９０４において、作業具２０２の垂直方向の向きが、ピッチセンサー３２２を用いて得られる。上述したように、これは自動的にまたはオペレータにより手作業で達成されてもよい。
第１３の制御ブロック９０６においてＧＰＳ読み取り値がサンプル化される。第１４の制御ブロック９０８においてＧＰＳアンテナ３０６、３０８からレーザ検出器３１３、３１４までの距離ｄが計測される。
第１５の制御ブロック９１０において、ＧＰＳ読み取り値が２つの別の場所で得られる。
第１６の制御ブロック９１２において、上述の式を用いてレーザ平面２１６の方程式がＧＰＳ座標において計算される。
【００３０】
第１および第２の実施例において、マスト２３１、２３３が地球に対して垂直に設定される。これらの点で求められるｘおよびｙのＧＰＳ座標がレーザ平面交差点に関して同じである。ＧＰＳアンテナ３０６、３０８によって得られたｚ座標がレーザ平面交差点においてｚ−ｄとなる。従って、第１および第２の実施例に関して、ＧＰＳ座標ｘ、ｙ、ｚがレーザ平面座標ｘ、ｙ、ｚ−ｄに対応する。レーザ平面２１６に関する式が、上述のレーザ平面座標を既知のＧＰＳ座標のかわりにすることによって容易に求められる。
第１および第２の実施例において、作業用具２０２が、最初に外部座標系に関して水平にされる。次の、すなわち第３の実施例において、まず作業具２０２がレーザ平面２１６に対して水平にされる。
【００３１】
図１０を参照すると、第３の実施例について記載されている。第３の実施例において、セットアップルーチンが、ＧＰＳレシーバ３０２、３０４と、２つのレーザ検出器３１３、３１４とを用いて実行される。
第１７の制御ブロック１００２において、平行な作業具の向きが、作業具２０２の左右側を調整することによってレーザ平面２１６に対して得られ、作業具２０２からレーザ検出器３１３、３１４上の交差点までの距離を等しくする。
第１８の制御ブロック１００４において、レーザ平面２１６に対する垂直のブレード向きが、作業具２０２とレーザ平面の交差との間の距離が最小になるまで前後ブレードのピッチを調整することによって得られる。
第１９の制御ブロック１００６において、ＧＰＳの読み取り値がサンプル化される。
【００３２】
第２０の制御ブロック１００８において、レーザ平面交差とＧＰＳの間の距離ｄが求められる。
第２１の制御ブロック１０１０において、ＧＰＳ位置と２つの別のポイントに対するｄが求められる。
第２２の制御ブロック１０１２において、３つのサンプル化されたＧＰＳポイントを含む平面の式が以下に示すように求められる。
第２３の制御ブロック１０１４において、レーザ平面２１６の式が、上述に求められたＧＰＳ平面と、レーザ平面２１６と求められたＧＰＳ平面との間の距離ｄを用いて計算される。
図１１を参照すると、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 が３つのサンプル化されたＧＰＳ場所を表し、ＳO がＣ1 、Ｃ2 、Ｃ3 によって定められた平面を表す。
【００３３】
計測場所におけるＧＰＳアンテナ３０６、３０８と、レーザ平面２１６との間の距離がｄで表される。
レーザ平面２１６がＳによって表されている。Ｑ1 、Ｑ2 、Ｑ3 は、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 およびｄによって形成されるレーザ平面２１６上の３ポイントである。従ってＣ1 、Ｃ2 、Ｃ3 およびｄが与えられ、ＳがＳO に平行である、レーザ平面２１６の方程式が形式を有する式によって定められる。
ＡO Ｘ＋Ｂ OＹ＋Ｃ OＺ＋Ｄ1 ＝０            式１
ＡO 、Ｂ O、Ｃ Oは、ＳO に垂直なベクトルｎを定める。
ベクトルｎ0 ＝（ＡO 、Ｂ O、Ｃ O）                  式２
次いで単位ベクトルμが求められる。
【００３４】
ベクトルμO ＝ベクトルｎ0 ／絶対値ベクトルｎ0       式３
次いで、レーザ平面２１６を形成するために用いられた３ポイントが次の式によって求められる。
ベクトルＱ1 ＝ベクトルＣ1 ＋ｄsep （ベクトルμ0 ）    式４
ベクトルＱ2 ＝ベクトルＣ2 ＋ｄsep （ベクトルμ1 ）    式５
ベクトルＱ3 ＝ベクトルＣ3 ＋ｄsep （ベクトルμ0 ）    式６
レーザ平面２１６において３つのポイントが与えられると、レーザ平面式（式１）が求められる。Ｄ1 が例えば１の整数に設定される。
マトリックスフォームにおいて、Ａ0 、Ｂ 0、Ｃ0 が式によって得られる。
Ｔ＊Ｕ＝Ｖ                                            式７
【００３５】
【数１】
0003818721.tif 000002
【００３６】
Ｕ＝Ｔ’Ｖ                                            式９
【００３７】
【数２】
0003818721.tif 000003
【００３８】
本発明の別の態様、目的および利点が、図面、発明の開示および請求の範囲を研究することから得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】作業具の位置を求めるためのシステムの概略的なブロック線図である。
【図２】作業具を有する地形変更マシンのための組み合わされたレーザとキネマチック全地球航法システムを表す本発明の１実施例の概略図である。
【図３】作業具の位置を求めるための装置と、作業具の位置を連続して制御するための制御システムの概略的なブロック線図である。
【図４】より詳細に制御システムを表す図３の装置の概略図である。
【図５】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的側面図である。
【図６】局所座標系において角度θで傾斜された図５の作業具と受信手段の概略図である。
【図７】レーザ平面と外部座標系との間の関係を求めるための方法を表すフロー線図である。
【図８】本発明の第１実施例の方法を表すフロー線図である。
【図９】本発明の第２の実施例の方法を表すフロー線図である。
【図１０】本発明の第３の実施例の方法を表すフロー線図である。
【図１１】距離ｄだけ離れた２つの平行な平面を表す概略図である。
【符号】
１００  システム
１０２  外部座標システム位置検出手段
１０４  外部座標位置センサー
１０６  レーザ検出手段
１０８  レーザ検出器
１１０  制御手段
１１２  コントローラ
２０２  作業具
２０４  フレーム
２０６  モービルマシン
２０８  レーザスキャナ
２１０  レーザビーム
２１４  作業場所
２１６  レーザ平面
２１８  全地球航法システム
２２２  ベースステーション
２２４  基準受信手段
２２６  ＧＰＳ基準レシーバ
２２８  トランシーバ
２３０  第１受信手段
２３６  ブレード
３０２  第１ＧＰＳレシーバ
３０４  第２ＧＰＳレシーバ
３０６、３０８  アンテナ
３１３  第１レーザレシーバ
３１４  第２レーザレシーバ
【図１】
0003818721.tif 000004
【図２】
0003818721.tif 000005
【図３】
0003818721.tif 000006
【図４】
0003818721.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003818721.tif 000010
【図８】
0003818721.tif 000011
【図９】
0003818721.tif 000012
【図１０】
0003818721.tif 000013
【図１１】
0003818721.tif 000014