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建設の施工企画

CMI 報告2.1’09. 1

自己位置把握の基礎実験（1）実験概要

D−GPS を用いた建設機械（草刈機）の稼働状態把握システムの開発検討

草刈機（ベースマシン）の自己位置把握技術として，単独測位（S-GPS），D-GPS（GPS コンパス）およびRTK-GPS を用いた測位精度に関する比較実験を行い，本システム開発の基礎資料とする。
（2）実験方法，実験条件および評価方法
1）実験方法榎園

正義

3 種類の測位方式の機器仕様を表─ 1 に，測定システムの構成を図─ 1 に示す。また，各 GPS システムのデータ出力条件は表─ 2 に示すとおりとした。
表─ 1

1．はじめに現在，北陸技術事務所で開発中の無人・有人対応型草刈機の施工調査において，試作機（開発機）の作業能力の評価を行うためには種々の現場で性能試験を行い，詳細な稼働状態を把握する必要がある。また，草刈機の作業形態は線状の施工であり，少しでも実作業に近い状態での調査が望ましいが，調査のために試験区間（距離）を設定したり，カラーコーン等の目標物を事前に配置して常に調査員が開発機を目視確認して，作業時のレーン変更や所要時間をストップウォッチを用いて記録しているのが現状である。この方法は，人的ミスの発生が懸念されたり，多大の労力（省力化）を要するなどの問題がある。
本開発は，今後新規に開発される建設機械（特に線状施工形態）等での長期間使用を目的とした現地適応性試験時等において，機械の詳細な稼働状態を把握す測位方式と測定システムの構成

測位方式 測定システムの構成
主な仕様①単独測位 ・GPS アンテナ ・外部への出力が可能なタイプ（S-GPS） ・GPS 受信器
・カーナビ相当（SiRFStarIII）
・周波数；L1（1575.42 MHz），
C/A コード
・水平精度；10 m・更新レート；1 Hz②D-GPS
・D-GPS アンテナ ・周波数；L1，C/A コード
・D-GPS 受信器 ・GPS コンパス
（VS100 シリーズ）
・SBAS 等の補正情報に対応
・水平精度；0.6 m 以下・更新レート；10 Hz③RTK-GPS ・移動局 RTK・周波数；L1，C/A コード，GPS アンテナ
L1/L2（2 周波）・移動局受信器 ・リアルタイム測位（MS-750）
・位置精度；水平 2 cm，垂直・固定局
3 cm
GPS アンテナ ・更新レート；20 Hz
・固定局 GPS 受信器（MS-750）

る手法として，経済的な D-GPS（GPS コンパス）と各種センサの情報および ICT（情報通信技術）を用い，遠隔で自動計測するシステムの開発に向け，草刈機への適用検討を行ったものである。

2．検討概要
本開発は，次の 2 つのテーマについて検討を行うこととした。
① D-GPS（GPS コンパス）の精度検証を目的とした，自己位置把握の基礎実験② D-GPS を用いた草刈機の稼働状態把握システムの検討（開発中）図─ 1

測定システムの構成

建設の施工企画 ’09. 1表─ 289

測位方式とデータ出力条件

表─ 3

出力条件 データ更新レート（サンプリング速度）
測位方式

静的（静止）

動的（移動）1 Hz
1 Hz
1 Hz−

1 Hz
5 Hz
5 Hz
2 Hz

① SGPS（単独測位）② D-GPS③ RTK-GPS＜参考＞④車速計

実験内容
（1）

実験条件

実験条件
測定項目
走行速度
・テストコース上に ①座標・静止

静的（静止）
精度の検証

測点を設定し，各 （X，Y，Z）
GPS 測 位 方 式 で同時に一定時間測定し，その座標を測定する。
（2）①テストコース上の ①座標
・5 〜 50 km/h
動的（移動） センターライン走 （X，Y） （約 5 km/h
精度の検証
行（座標比較）。 ②速度ピッチ）②テストコースの左 ①座標
・5 〜 50 km/h
車線
（反時計回り） （X，Y） （約 10 km/h
内の走行（座標比 ②速度ピッチ）較）。
③テストコースの左 ①座標・任意速度にて車線（反時計回り） （X，Y）
内の蛇行走行（座 ②速度標比較）。

2）実験内容と実験条件
主な実験内容と実験条件は，表─ 3 に示すとおりとした。また，使用機器一覧表を表─ 4 に示す。
3）評価方法①静的（静止）測定データ
定点での測位データの経時変化を把握し，誤差（精密度）の評価を行う。
②動的（移動）測定データ
車両に各 GPS アンテナを搭載し，走行位置を変えた条件でテストコース（750 m）の周回でデータを取得し，RTK-GPS データを真値として差異を評価する。
表─ 4

種別（1）GPSシステム（2）速度計測システム（3）データ収録装置
（4）車両
摘要

機器名称
① S-GPS（単独測位）

使用機器一覧表

主な仕様
・SiRFStarIII チップセット
・周波数；L1（1575.42 MHz）
，Cacode・トラッキング感度；-159 dBm
・水平精度；10 m
・更新レート；1 Hz② D-GPS
・VS100 シリーズ；L1，C/A コード（GPS コンパス） ・GPS 方位精度＜ 0.1°RMS
・更新レート，最大 20 Hz・SBAS（MSAS ，WAAS）等の補正情報に対応（専用の静止衛星からの補正データを利用する方式）
・水平精度＜ 0.6 m（95％）③ RTK-GPS・MS750； 2 周波形 GPS 受信機 （基地局用，移動局用）
・GPS アンテナ
・水平精度 2 cm，垂直精度 3 cm
・更新レート，最大 20 Hz
・基地局による補正情報①空間フィルタ式速度検出器・測定範囲；1.5 〜 320 km/h（ 中速，高速用）（LC-1100）②非接触速度計
・速度（アナログ出力）
・距離（パルス出力）（LC-1500）③外部表示器・速度表示（LC-0180）
・Windows XP（ ハイパーターミナルで収録）①パソコン
・拡張 COM

数量

備考

1台

1 式 ・（株）ヘミスフィア

1 式 ・トリンブル

1台 ・（株）小野測器

1台 ・（株）小野測器
1台 ・（株）小野測器
2台①エルグランド・1 BOX
1台
・SBAS（Satellite-basedAugmentation System； エスバス）とは，専用の静止衛星からの補正データ（無料）を利用した高精度の測位システムで，日本ではひまわりの後続機である運輸多目的衛星 MTSAT を利用した衛星補強システム MSAS（Multi-functionalTransport Satellite ；エムサス）が運用される予定。
・米国では，INMARSAT（インマルサット）を利用した広域補強システムを WAAS（ワース）と言い，欧州では EGNOS（イグノス）と呼ばれている。

90

建設の施工企画③ GPS の速度データ
別途速度計測システムを車両に設置し，このデータ’09. 1価は図中の試験区間（①，②）の各 GPS データで検証した。

を真値として，各 GPS の速度データを評価する。

図─ 3図─ 2

テストコースの全体図（RTK-GPS で作成）

車両上面へのアンテナ配置①センターライン走行時の軌跡（速度 5 〜 50 km/h）
・S-GPS の測位差は，最小で 1.0 m，最大で 6.0 m（仕様値 10 m 以内）となった。
・D-GPS の測位差は，仕様値 0.6 m に対して，最小で0.1 m，最大で 1.0 m と比較的良好な結果となった。
②片側（左）車線走行時の軌跡（速度 5 〜 50 km/h）
片側車線走行での逸脱可能性について評価した結果を表─ 5 に示す。
表─ 5

左車線走行時の逸脱可能性

S-GPS
D-GPS
RTK-GPS
走行速度（km/h） 直線部① 直線部② 直線部① 直線部② 直線部① 直線部②

写真─ 1

車両への各 GPS アンテナ搭載状況

510204050（3）実験結果
1）静的（静止）測位精度

備考① RTK-GPS の測位誤差（精密度）は，0.005 m，長×○
○
○
○△×
○
○○○×○
○
○×○
△△
○
△△
○
○
○
・表中の凡例は，以下のとおりとする。
○； 車線の逸脱なし△； 車線の逸脱可能性あり
×； 車線の逸脱あり○○○○○時間測定の DRMS（データの 95％）は 0.010 m とバラツキも少なく，非常に高い精度を有している。

③蛇行走行時の軌跡（速度 10 〜 30 km/h）② D-GPS の 測 位 誤 差 は，0.089 〜 0.319 m と 比 較 的

片側車線（2.5 m）内を蛇行走行した場合の車線か良好な結果であったが，長時間測定の DRMS はらの逸脱の有無を評価した結果を表─ 6 に示す。こ0.32 〜 1.06 m と若干のバラツキが認められる。本の表から，D-GPS と RTK-GPS では車線からの逸脱は

D-GPS は SBAS 利用で表─ 4 に示すように 0.6 m認められない。

（95％）以下としているが，長時間の精度は，周辺表─ 6

環境は比較的良好であることから，衛星配置による影響を受けたものと考えられる。
2）動的（移動）測定精度
テストコースのセンターライン上の車両走行（低速；5 km/h）による RTK-GPS の測位データを基に，車道幅（片側 2.5 m × 2 ＝ 5 m）を考慮してテストコー
ス全体図を作成したものを図─ 3 に示す。また，評

蛇行走行時の逸脱の有無

S-GPSD-GPSRTK-GPS
走行速度（km/h） 直線部① 直線部② 直線部① 直線部② 直線部① 直線部②10 〜 30
備考××
○
○
○
・表中の凡例は，以下のとおりとする。
○；車線の逸脱なし
×；車線の逸脱あり○

建設の施工企画 ’09. 13）走行速度

91

大で約 6.0 m の誤差を生じ，片側車線内走行や蛇行速度計（LC-1100）と各種 GPS による定速度時の走行では車線から逸脱する。

比較図の例を図─ 4 に，車両加速時の速度計と各種③ D-GPS は，道路横断方向に対し，最小で約 0.1 m，GPS による速度との関係を図─ 5 に示す。また，こ最大で約 1.0 m の誤差となったが，片側車線走行やの図から次のことが言える。

蛇行走行では，車線から逸脱することはなかった。

① S-GPS は，図─ 4 から 25 km/h 以下であれば，ほぼ正確な値と判断される。

④ D-GPS，RTK-GPS による走行速度は，50 km/h 以下であれば，ほぼ正確な値と判断される。

② D-GPS，RTK-GPS は図─ 4，図─ 5 から 50 km/h

以上のことから，草刈機のベースマシン位置を把以下の範囲で，ほぼ正確な速度値であると判断さ握するシステムを構築するためには，取扱が簡易で，れる。

適切な精度を有し，経済的な D-GPS（GPS コンパス）の適用が有効と考えられる。
2.2

D-GPS を用いた草刈機の稼働状態把握システ
ムの検討（1）検討概要
草刈作業試験時の省力化を目的に，現在開発中の無人・有人対応型草刈機に D-GPS，角度計，AE センサ，無線 LAN 等を搭載し，遠隔の連絡車内で計測データ
図─ 4

速度計と各種 GPS による速度比較例

を無線 LAN で受信することにより，草刈作業の稼働状況をリアルタイムで管理用パソコンの画面に表示するシステムの開発検討を行った。
（2）検討方法
1）搭載対象とした草刈機（開発機）
開発機は，急斜面では転倒時に人的被害を回避するため無人運転を行い，緩斜面では緻密で効率の高い有人運転が行える草刈機で，有効刈幅および走行性能は次のとおりである。
・有効刈幅；1,525 mm
・最大走行速度；6.5 km/h2）測定項目と測定方法および主な仕様
草刈作業における作業試験時の省力化のため，稼働状態を把握するための測定項目と測定方法およびセン
サの種類と主な仕様を表─ 7 にまとめて示す。

図─ 5

速度計と各種 GPS による速度との関係（加速時）3）計測システムの構成
計測システムは，図─ 6 に示すように草刈機搭載のシステムとリアルタイムで表示・データ収録する連（4）まとめ絡車内の管理システムで構成する。

各種 GPS を用いた自己位置の測定精度（水平精度）

また，車内の管理（計測・表示）システムは図─ 7について，各種の基礎実験を行った結果は，次のとおに示すように現地にて推定作業範囲のローカル座標りであった。

を設定することによって，草刈機の位置や作業状態① RTK-GPS は，センターライン走行の軌跡から動的をリアルタイムに区画全体（或いは，草刈機から半径測位でも再現性があり，基準データとして十分な30 m を選択）の軌跡を表示可能な計測・表示ソフト精度を有する。

を開発した。なお，画面の表示は機械の端線，中心線，② S-GPS は，道路横断方向に対して最小で約 1.0 m 最塗りによる軌跡が選択できるものとした。

92

建設の施工企画表─ 7

測定項目①位置（軌跡）②速度

測定項目と測定方法および主な仕様（案）

測定方法

センサの種類

ハ ン ド ガ イ ド 式 草 刈 機 に D-GPSを搭載し，その位置情報，速度データを利用して，草刈機の運行状況をリアルタイム表示する。

D-GPS

③作業距離

数量（ch 数）

型名

主な仕様

・SBAS によるディファレン
シャル補正機能㈱ヘミスフィア
1 セット Crescent Vector ・高速出力頻度；最大 20 Hz・SBAS 利 用 で 60 cm（95 ％）VS100以下

草刈機本体に傾斜計（2 軸）を装1台・計測レンジ± 80 度
着し，作業中の車体の傾き（ロー傾斜計
SEIKA 社 NG4i（2 ch）・出力；4 〜 20 mAル，ピッチ）を検出する。
作業機本体に傾斜計を装着し，作⑤作業機の状態
1台
業 機 の フ ロ ー テ ィ ン グ ON/OFF
傾斜計同上・同上（フローティング）（1 ch）を検出する。
刈刃の回転（動作）状態を振動セ 振動センサ⑥刈刃の状態
1台
CMI 製・出力；0 〜数 V
ンサ等を用いて検出する。
（AE センサ）① RS232C ←→ LAN 変換器；MOXA 社，NPort5110② AD 変換器；MCI エンジニアリング，LX-1816ADC，入力レンジ± 10 V，分解能 16 bit
備考③無線 LAN（草刈機側）；BUFFALO 社，WZR2-G300N，2.4 GHz 帯④無線 LAN（連絡車側）；BUFFALO 社，WLE-NDR，2.4 GHz 帯⑤データ収録装置（パソコン，草刈機稼働状態把握ソフト）④法面の傾斜図─ 6

D-GPS を用いた自動計測システムの構成（3）開発した自動計測システムおよび計測・表示ソフトの検証
開発機に自動計測システムを搭載し，研究所構内にて計測・表示ソフトを用いた基礎実験を行った。その結果は，次のとおりである。
1）車両速度，移動距離（D-GPS）項目
実測値
アイドリング2.4
速度
低速
4.6（km/h）
中速
6.1
距離（m）
200

計測値
2.4
4.6
6.1
200.3

誤差
0.00.00.00.3

評価
良好
良好
良好
良好

実測値（度）計測値（度） 誤差（度）7.8 〜 7.9
7.6 〜 7.8
0.3
7.9
7.5 〜 7.80.4

評価良好良好2）車両のピッチ方向の傾斜（傾斜計）
状態
静止
走行

’09. 1図─ 7

開発した計測・表示ソフトの例

建設の施工企画 ’09. 1933）作業機の状態（傾斜計）

3．あとがき

＜下げ＞
状態
静止
走行

実測値（度）計測値（度） 誤差（度）0.00.00.00.00.00.0

評価
良好
良好

実測値（度）計測値（度） 誤差（度）評価
16.8
16.80.0良好─
17.1
0 〜 0.3
ほぼ良好

4）刈刃の回転状態（AE センサ；図─ 8 参照）
状態
静止クラッチ OFF クラッチ ON
振幅小
振幅大は，簡易な使い方で運用できるシステムであることをほぼ確認できた。また，本システムは従来の高価な機器（RTK-GPS 等）システムや有料の測位補正デー＜上げ（最大）＞状態
静止
走行

本検討の結果，計測・表示ソフトの開発について評価
判別可

タを使用せず，D-GPS を採用し，最も経済的（安価）なシステムとして構築したことが大きな特徴である。
今後は，実際の堤防法面勾配（約 26 〜 36°）条件下で，草刈機に搭載した状態（法面の勾配や凹凸による振動条件）で，D-GPS や各種センサの適用性と測定精度，さらに通信システム等を検証することにより，従来の局所的な管理から，連続的な計測データによる管理と5）表示ソフト概ね，簡易な操作で使用できることを確認した。

することで，より効率的，合理的な施工調査手法の確立を目指せるものと考える。
最後に，本開発の実施にあたり，ご協力頂いた西尾
レント㈱，㈱シンクウェアの関係者の方々にお礼を申し上げます。

［筆者紹介］
榎園 正義（えのきぞの㈳日本建設機械化協会
施工技術総合研究所
研究第四部 技術課長

図─ 8

刈刃の回転状態と AE センサ出力状況

まさよし）