JP4033966B2 - 建設機械制御システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は整地作業等の土木工事を行う建設機械を運転する場合の建設機械制御システム、特に整地の高さの制御にレーザ光線の回転照射で形成されるレーザ基準平面を利用する建設機械制御システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
グレーダ、ブルドーザ等整地作業を行う建設機械を用いて造成地の整地作業、道路舗装工事の整地作業を行う場合、整地の高さの基準となるものが必要である。近年、整地作業の基準となる高さを決定する為、レーザ光線を使用したシステムが普及している。このレーザ光線を使用したシステムとして回転レーザ装置を具備した建設機械制御システムがある。
【0003】
図6はこの建設機械制御システムが、ブルドーザに対して採用された場合を示している。
【0004】
図6中、1は回転レーザ装置、2はブルドーザを示し、前記回転レーザ装置1は造成地の所定位置に三脚3を介して設置される。前記回転レーザ装置1は、水平方向にレーザ光線4を照射すると共に回転させ、該レーザ光線4による基準平面を形成するものである。
【0005】
前記ブルドーザ2は上下動可能に支持したブレード5を有し、該ブレード5にはポール6が立設され、該ポール6にはレベルセンサ7が取付けられている。該レベルセンサ7は前記回転レーザ装置1からのレーザ光線4を受光し、受光位置を検出する様になっており、前記ブルドーザ2は前記レベルセンサ7からの受光信号を基に前記ブレード5の高さ位置を検出し、該検出結果より前記ブレード5の高さを制御する制御装置(図示せず)を具備している。
【0006】
上記した様にレーザ光線により水平基準面が形成されているので、該水平基準面と前記ブレード5のブレード刃先5a迄の距離を一定にすることで水平に整地することができる。又、前記ブレード刃先5aに対する距離を変えることで、整地面の高さを変えることも可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
整地作業は必ずしも水平平面に整地するばかりでなく、むしろ斜面を伴った整地作業が多い。造成工事では水捌け勾配が必要であり、舗装工事では地形に応じた勾配と共に水捌け勾配が必要である。従来の建設機械制御システムでは平面に整地後、測量作業に基づいて所定の勾配の傾斜面を形成していた。
【0008】
この為、水平面に整地することは熟練者でなくとも上記建設機械制御システムにより容易に作業し得るが、勾配を付けることは熟練を要する困難な作業であった。又、傾斜面の整地の仕上り状況は、作業者の熟練度によるところが大きく、熟練度に応じて作業の進捗状況が異なり、出来上りや工程管理の問題もあった。
【0009】
本発明は斯かる実情に鑑み、傾斜面を含む整地作業を熟練度に左右されることなく、容易に而も能率よく行える建設機械制御システムを提供しようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ光線によるレーザ光線基準面を形成すると共に該レーザ光線基準面を傾斜可能な回転レーザ装置と、整地器具、該整地器具に設けられ前記レーザ光線を受光検出するレベルセンサ、該レベルセンサからの信号で前記整地器具の高さを制御する駆動制御部とを有する建設機械と、該建設機械の位置を検知するGPS受信装置と、該GPS受信装置の前記建設機械の位置検知結果に基づき前記回転レーザ装置が形成する前記レーザ光線基準面の勾配を制御する制御装置とを具備した建設機械制御システムに係り、又前記制御装置は施工データ、地形データ等のデータを記憶する記憶部と前記GPS受信装置の受信結果を基に前記建設機械の位置を演算する演算部とを具備し、前記演算された建設機械の位置と前記データに基づいて前記回転レーザ装置を制御する建設機械制御システムに係り、又前記回転レーザ装置は前記レベルセンサに向けて往復走査のレーザ光線基準平面を形成する建設機械制御システムに係り、又前記GPS受信装置は第1GPS受信機、第2GPS受信機を有し、第1GPS受信機は建設機械に設けられ、第2GPS受信機は既知点に設けられている建設機械制御システムに係るものであり、更に又前記回転レーザ装置は前記レベルセンサの受光範囲だけレーザ光線を照射し基準平面を形成する建設機械制御システムに係るものであり、建設機械の位置をリアルタイムで測定し、施工データに基づき整地の高さを制御するので、水平面、傾斜面、曲面の整地が可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【0012】
図1に於いて、図6で示したものと同様のものには同符号を付しその説明は省略する。
【0013】
本発明は、傾斜した基準面を形成可能な回転レーザシステムとGPS(汎地球測位システム)を組合わせ、建設機械、例えばブルドーザを制御する建設機械制御システムである。
【0014】
回転レーザ装置1はレーザ光線4の照射方向を傾斜させる傾斜機構、及び該傾斜機構を制御する制御部を有し、レーザ光線4の照射方向を傾斜させることができ、レーザ光線4により傾斜した基準面が形成される。更に、前記回転レーザ装置1には無線受信機10が設けられ、該無線受信機10の受信データは後述する制御装置11に送出される。該制御装置11には前記回転レーザ装置1が接続される。
【0015】
回転レーザ装置1について図2、図3により説明する。
【0016】
回転レーザ装置1は回転照射装置本体20、該回転照射装置本体20からのレーザ光線4を検出すると共に前記回転照射装置本体20に向ってレーザ光線4を反射する前記レベルセンサ7とを具備し、前記回転照射装置本体20は下位に位置する整準部21を介して三脚3に設置される。
【0017】
更に、前記回転照射装置本体20は前記レーザ光線4を射出する発光部23、前記レーザ光線4を基準平面内に回転照射する回動部24、前記発光部23を垂直軸心を中心に回転させる回転部22と、前記発光部23を水平軸を中心に傾動させ、レーザ光線4が形成する基準面の傾斜を設定する傾斜設定部25と、傾斜角を検出する傾斜検出部26、レベルセンサ7からの反射光を受光検出する受光部27、前記回転照射装置本体20の整準を行う前記整準部21から主に構成される。
【0018】
前記回転照射装置本体20の上面には視準器28を具備し、該視準器28により前記レベルセンサ7に対して前記回転照射装置本体20の向きを概略設定することができる。又、該回転照射装置本体20は上部に前記回動部24からレーザ光線4が射出される受光窓34を具備し、前記レベルセンサ7より反射された反射レーザ光線4′は前記受光窓34を通って入射し、前記回転照射装置本体20内部に設けられた前記受光部27に受光される様になっている。
【0019】
回転照射装置本体20のケーシング38の底部に垂直軸部29を介して垂直軸心を中心に本体フレーム30が回転自在に設けられ、前記垂直軸部29と同心に回転部ギア31が取付けられると共に回転部エンコーダ32が設けられている。又ケーシング38側には回転部モータ33が設けられ、該回転部モータ33の出力軸は前記回転部ギア31に噛合している。該回転部モータ33を駆動することで前記回転部ギア31を介して前記本体フレーム30が回転し、回転角は前記回転部エンコーダ32により検知され、該検出結果は制御部(CPU)54に入力される。
【0020】
前記ケーシング38の底部には整準部21が設けられている。該整準部21は、三脚3に固定される固定基板39と前記ケーシング38の底面との間には整準螺子40を有している。該整準螺子40は三角形の頂点に位置する様3本設けられており、上端部はケーシング38に螺合し、下端は前記固定基板39に回転自在に嵌合している。又、前記整準螺子40はそれぞれギア列41を介して整準モータ42に連結されている。而して、該整準モータ42によりギア列41を介して前記整準螺子40を回転することで、ケーシング38と固定基板39との間隙が変化し、回転照射装置本体20を所望の方向に傾斜させることができる。回転照射装置本体20の傾きは前記本体フレーム30に設けられた傾斜センサ44,45により検出され、該傾斜センサ44,45の検出結果を整準モータ42の駆動にフィードバックさせることで整準が行われる。尚、3本の整準螺子40の内1本を省略して、1つを傾動可能な単なる支点としてもよい。
【0021】
前記本体フレーム30に水平な傾動軸35を介して前記発光部23が回転自在に設けられ、前記本体フレーム30には傾動モータ36が設けられ、該傾動モータ36と前記傾動軸35とはギア列37を介して連結している。又、前記傾動軸35には発光部23の傾動角を検出する傾斜検出部26が取付けられている。該傾斜検出部26は例えばエンコーダによって構成されている。前記傾動モータ36を駆動し、前記ギア列37を介して前記発光部23を傾斜させることができ、傾斜角は前記傾斜検出部26により検出される。
【0022】
前記発光部23の上端には前記回動部24が回転自在に設けられ、該回動部24には走査ギア16が設けられ、該走査ギア16は前記発光部23に固着された走査モータ18の駆動ギア17に噛合する。該駆動ギア17の駆動により、前記回動部24が回転する。
【0023】
前記回動部24は前記発光部23から入射された前記レーザ光線4の光軸をペンタプリズム14により90°変向して投射窓13を通してレーザ平面を形成する様に回転するものである。該ペンタプリズム14は前記発光部23の光軸を中心に回転する回転支持体15に設けられ、該回転支持体15は前記走査ギア16、駆動ギア17を介して走査モータ18に連結されている。前記回転支持体15の回転状態は、該回転支持体15に設けられたエンコーダ19により検出され、該エンコーダ19の検出信号は前記制御部54に入力される。
【0024】
又、前記発光部23の傾斜角は前記発光部23の傾動軸35に設けられた前記傾斜検出部26により検出される。該傾斜検出部26はエンコーダを具備し、該エンコーダからの出力信号は前記制御部54に入力される。該制御部54は前記傾斜検出部26からの信号を基に所定の傾斜角迄の前記発光部23の傾斜を演算する。前記傾動モータ36は傾動モータ駆動部59により駆動され、傾斜設定は前記傾斜検出部26の出力が所定の傾斜角になる迄前記傾動モータ36を駆動することで達成される。
【0025】
前記受光部27は前記ケーシング38に固定されてもよいが、好ましくは前記発光部23に設け、該発光部23と一体に傾動可能とする。前記受光部27について説明する。
【0026】
前記受光窓34に対峙して集光レンズ48が設けられ、該集光レンズ48の光軸上に反射鏡49が配置される。前記集光レンズ48の光軸は前記レーザ光線4が回転により形成する基準面と平行である。前記反射鏡49の下方に受光素子50が設けられ、前記反射レーザ光線4′は該受光素子50上に集光される。前記受光素子50の前面にはマスク51が設けられる。該マスク51は前記受光素子50へのノイズ光の入射を遮断するものであり、反射レーザ光線4′の走査方向に長い(紙面に対して垂直な方向に長い)スリット孔52が穿設されている。
【0027】
前記受光素子50からの受光信号は反射光検出部53に入力され、該反射光検出部53で検出された前記レベルセンサ7でのレーザ光線4の反射状態は前記制御部54に入力される。又、該制御部54には前記回転部エンコーダ32からの信号が入力される。前記制御部54は発光素子駆動部55を介してレーザダイオード56を駆動し、又走査モータ駆動部57を介して前記走査モータ18を駆動し、又回転部モータ駆動部58を介して前記回転部モータ33を駆動し、傾動モータ駆動部59を介して前記傾動モータ36を駆動し、前記傾斜センサ44,45からの信号を基に整準モータ駆動部64を介して整準モータ42を駆動する。
【0028】
前記制御部54は前記反射光検出部53からの信号、或は前記傾斜検出部26、エンコーダ19、回転部エンコーダ32からの信号に基づき前記回転照射装置本体20の表示部(図示せず)に該回転照射装置本体20の向き、傾斜等、レーザ光線4が形成する基準面に関する情報を表示する。例えば、該レベルセンサ7に対して前記回転照射装置本体20がどの方向にどの程度の角度回転しているか、或は基準面の傾斜角度、傾斜している方向等を表示する。
【0029】
前記レベルセンサ7を図4に於いて説明する。
【0030】
左右両側に帯状の反射部61が上下に長く設けられ、該反射部61の更に外側に受光素子62が上下に延びる帯状に配設され、又該受光素子62は前記反射部61に対して角度を持って設けられている。背面には前記ポール6が嵌合する溝63が設けられ、該溝63に前記ポール6を嵌合した状態で前記レベルセンサ7は取付けられる。
【0031】
前記制御装置11を図5に於いて説明する。
【0032】
該制御装置11はパーソナルコンピュータに代表されるものであり、該制御装置11は演算部65、記憶部66を有し、該記憶部66には演算処理に必要なプログラムが設定入力されていると共に施工図に基づく地形データ、即ち平面座標に対する地面の高さデータ、更に、前記ブルドーザ2の位置を演算する為のプログラムが設定入力され、更に回転レーザ装置1の機械高、及び前記ブレード刃先5aから前記レベルセンサ7の基準位置迄の距離等が設定入力されている。
【0033】
前記制御装置11には後述する第2GPS受信機68からの受信信号が入力されると共に後述する無線受信機10からの受信信号が入力される様になっており、前記演算プログラムにより両受信信号から前記ブルドーザ2の位置を演算可能となっている。更に、該演算結果と予め設定入力されている施工図に基づく地形データから前記回転照射装置本体20から発せられるレーザ光線4の傾斜角を演算し、該演算結果に基づき前記回転照射装置本体20の前記制御部54に指令を発する様になっている。
【0034】
前記ブルドーザ2は前記ブレード5の位置を制御するブレード駆動部71と、無線送受信部72とを有している。
【0035】
先ず前記ブレード駆動部71について説明する。
【0036】
前記レベルセンサ7は前記ポール6に取付けられ、前記ブレード5のブレード刃先5aと前記レベルセンサ7の基準位置との距離は既知の値となっている。該レベルセンサ7による前記レーザ光線4の検出信号は演算部73に入力され、該演算部73では前記ブレード刃先5aの高さが演算され、前記演算部73は電気/油圧回路74を介して油圧シリンダ75を駆動して前記ブレード5を上下動させ位置を決定する。前記電気/油圧回路74は電磁弁を具備しており、前記演算部73は所要のシーケンスに従って前記電気/油圧回路74に開閉制御指令を発し、該電気/油圧回路74が電磁弁を開閉することで前記油圧シリンダ75への圧油の給排、或は流量調整により、該油圧シリンダ75に所要方向に所要の速度で上下動させる。前記演算部73には表示部76が接続され、前記ブレード5の位置或はブレード5による掘削の状態が表示される。
【0037】
77は操作部であり、前記表示部76の表示に基づき直接手動操作をすることができる。前記表示部76の表示を見ながら手動で前記ブレード5を位置決め操作をするものであり、前記操作部77からの信号は前記演算部73に入力され、該演算部73は入力信号に基づき前記電気/油圧回路74を介して前記油圧シリンダ75を駆動する。
【0038】
次に、前記無線送受信部72について説明する。
【0039】
前記ブルドーザ2の屋根等、衛星からの電波を遮るものが少ない位置に第1GPS受信機80が設けられ、該第1GPS受信機80で受信された情報は信号処理器82により増幅等所要の信号処理がなされた後、送信機81から前記無線受信機10に向けて送信される。
【0040】
前記回転レーザ装置1の近く、基準点となる位置に三脚84を介して第2GPS受信機68が設置され、該第2GPS受信機68の受信結果、及び前記無線受信機10の受信結果は前記制御装置11に入力される。而して、前記第1GPS受信機80、第2GPS受信機68によりキネマチック測量による前記ブルドーザ2の位置検出が行われ、前記第1GPS受信機80、第2GPS受信機68及び前記制御装置11により測量装置が構成され、又前記無線送受信部72、第2GPS受信機68、無線受信機10は、データ通信装置を構成する。
【0041】
以下、作動について説明する。
【0042】
前記第2GPS受信機68を既知点に設置すると共に前記回転レーザ装置1を既知点に設置する。
【0043】
設置後先ず該回転レーザ装置1の整準を行う。整準作動は前記傾斜設定部25の傾斜調整、前記傾斜センサ44,45の水平検出の協働により行われる。整準が完了すると前記回転照射装置本体20の向きがレベルセンサ7に合わされ初期設定される。最初、回転照射装置本体20の傾斜方向と制御装置11の設定とは一致していない為、初期設定が必要となる。既知点に設置される回転照射装置本体20をGPS受信機80,68により既知であるブルトーザ2のレベルセンサ7に向けることにより設定される。前記レベルセンサ7を検知する為レーザ光線4を回転走査させる。前記受光部27により前記レベルセンサ7からの反射レーザ光線4′を検出し、検出に基づいて制御部54は回転部22を回転させレベルセンサ7に向ける。尚、手動で初期設定を行う場合は、視準器28を視準し、回転部22及び傾斜設定部25を操作して向ける。手動の場合は、受光部27等は必要としない。
【0044】
前記受信機10で受信された情報、前記第2GPS受信機68が受信した信号は、前記制御装置11に入力される。該制御装置11に於いて前記ブルドーザ2の位置が測量される。測量された結果は該ブルドーザ2の平面位置情報であり、前記制御装置11は該平面位置情報と前記記憶部66に設定入力されている施工データに基づき前記レーザ光線4の勾配を前記演算部65により演算する。
【0045】
演算結果は前記回転レーザ装置1の前記制御部54に入力される。該制御部54は前記レーザ光線4が形成する基準平面が前記演算された勾配となる様前記傾斜設定部25を駆動制御する。該傾斜設定部25は前記制御部54からの信号により、前記傾動モータ36を駆動し、前記ギア列37を介して前記傾動軸35を回転することで前記発光部23を傾動する。該発光部23の傾動により前記回動部24から回転照射されるレーザ光線4が傾斜し、レーザ光線4が形成する基準面は所定の勾配を有するに至る。
【0046】
該レーザ光線4の傾斜方向、勾配の設定が完了すると、前記ブレード5の位置合せが行われる。
【0047】
前記レベルセンサ7からの受光信号により前記演算部73は前記レベルセンサ7に於ける受光位置を検出し、受光位置と基準位置とを比較演算して、偏差があれば該偏差を修正する様に前記電気/油圧回路74に駆動制御信号を発する。該電気/油圧回路74は前記油圧シリンダ75を駆動して前記ブレード5を上下させる。前記レベルセンサ7は前記ブレード5と一体に上下するので、該ブレード5の上下量は前記レベルセンサ7の上下量と一致し、該レベルセンサ7での受光位置が基準位置に合致することで前記ブレード5の位置が決定される。
【0048】
前記ブルドーザ2を移動させ整地作業が行われる。該ブルドーザ2の位置は第1GPS受信機80で受信したデータが前記送信機81により前記無線受信機10に送信され、更に第2GPS受信機68からの受信データが前記制御装置11に入力されることで該制御装置11はリアルタイムで前記ブルドーザ2の位置を演算する。
【0049】
而して、前記ブルドーザ2の位置に於ける整地面の高さ、傾斜が施工データに基づき演算される。整地面が一定勾配の斜面であれば、前記回転照射装置本体20が形成する基準面の勾配を変化させることなく、又曲面であれば、前記ブルドーザ2の移動に伴いレーザ光線基準面の勾配を変化させることで曲面に整地することができる。
【0050】
本システムを使用することで、自動で施工データに合致した整地を行うことができる。又、前記表示部76に表示されたデータを基に作業者が手動により整地作業を実施しても勿論よい。
【0051】
尚、上記実施の形態ではレベルセンサ7はブレード5に設けたが、前記油圧シリンダ75の伸縮状態、或はブレード5を支持するアームの位置を介して前記ブレード刃先5aの位置を検出する様にすれば、前記レベルセンサ7はブルドーザ2の車体に設けることも可能である。又、上記GPS測位システムはキネマチック方式を説明したが、移動点を即座に検出するGPS測位システムであればいずれの方式でもよいことは言う迄もない。又、回動部24の回転位置を検出するエンコーダ19の出力に基づいて、レベルセンサ7の範囲を往復走査させてもよいし、レベルセンサ7の範囲のみレーザ光の発光を限定して回転させてもよい。
【0052】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、レーザ光線により形成される基準面により整地作業を行う場合に、水平面ばかりでなく、傾斜面、或は曲面を伴う整地作業が作業者の熟練を要することなく容易に而も確実に行え、施工工期が短縮するという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す説明図である。
【図2】該実施の形態に使用される回転レーザ装置の概略機構説明図である。
【図3】該回転レーザ装置のブロック構成図である。
【図4】該回転レーザ装置と共に使用されるレベルセンサの説明図である。
【図5】本発明の実施の形態を示すブロック構成図である。
【図6】従来例の説明図である。
【符号の説明】
1 回転レーザ装置
2 ブルドーザ
4 レーザ光線
5 ブレード
7 レベルセンサ
10 無線受信機
11 制御装置
23 発光部
24 回動部
25 傾斜設定部
33 回転部モータ
54 制御部
65 演算部
66 記憶部
68 第2GPS受信機
71 ブレード駆動部
72 無線送受信部
80 第1GPS受信機
Claims (4)
- レーザ光線を回転照射する回動部と、該回動部の回転軸を傾斜させる傾斜設定部と、前記回動部と前記傾斜設定部とを垂直軸を中心に一体に回転する回転部とを具備し、前記レーザ光線を回転照射してレーザ光線基準面を形成すると共に前記回転軸の傾斜、前記垂直軸の回転で前記レーザ光線基準面を任意の方向に傾斜可能な回転レーザ装置と、整地器具、該整地器具に設けられ前記レーザ光線を受光し、前記レーザ光線基準面を検出するレベルセンサ、該レベルセンサからの信号で前記整地器具の高さを制御する駆動制御部とを有する建設機械と、該建設機械の位置を検知するGPS受信装置と、該GPS受信装置の前記建設機械の位置検知結果に基づき前記回転レーザ装置が形成する前記レーザ光線基準面の勾配を制御する制御装置とを具備する建設機械制御システムであって、前記制御装置は施工データ、地形データ等のデータを記憶する記憶部と前記GPS受信装置の受信結果を基に前記建設機械の位置を演算する演算部とを具備し、前記演算された建設機械の位置と前記データに基づいて前記回転レーザ装置を制御して前記データに対応した前記レーザ光線基準面を形成することを特徴とする建設機械制御システム。
- 前記回転レーザ装置は前記レベルセンサに向けて往復走査のレーザ光線基準平面を形成する請求項1の建設機械制御システム。
- 前記GPS受信装置は第1GPS受信機、第2GPS受信機を有し、第1GPS受信機は建設機械に設けられ、第2GPS受信機は既知点に設けられている請求項1の建設機械制御システム。
- 前記回転レーザ装置は前記レベルセンサの受光範囲だけレーザ光線を照射し基準平面を形成する請求項1の建設機械制御システム。
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