JP4971146B2 - 表面変更機械のコントロール方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された表面変更機械のコントロール方法および請求項１２の上位概念に記載されたコンピュータプログラム製品に関する。

表面を処理するため、多数の表面変更機械、装置または方法が使用される。以下では、「建設機械」の用語は、特別な機械タイプに限定して使用するものではない。このような機械は、直接（例えば平坦化による）または間接的（例えば***による）に表面または地形の処理または形成する全ての装置を意味する。本発明の方法は、原理的には、任意の表面の処理または変更に関し、および、坑内採鉱またはトンネル工事などの囲まれた空間内の処理または変更にも関する。表面の変更は、堀削りおよび充填で達成され、また他の適切な方法、例えば***、孔空け、水圧方式で行なわれる。ここでは経済的および技術的な基準を維持しながら、作業の最終結果として得られる目標状態を達成することが望まれる。

このような方法に対する１つのアプローチは、変更すべき表面の目標モデルをあらかじめ設定することによって建設機械をコントロールすることであり、ここでは、この目標状態に対して連続的または離散的に差分が導き出され、この差分が上記のコントロール命令のベースとして使用される。このような目標モデルは、一般にはＣＡＤ処理の結果として電子的な形式で提供される。

上記の機械に、その実際の位置が既知であり、またその実際のポジションないしつぎの作業領域または後続の作業領域における目標状態と実際状態との差分が既知の場合、相応に最適化したコントロールを行ってこの差分を低減することができる。

US5,631,658からは、例えば、地表処理機械をコントロールする装置および方法が公知であり、ここでは２つの３次元モデルが記憶される。第１のモデルは、処理すべき表面の目標状態を表し、これに対して第２のモデルは、実際の実際状態を表す。第２のモデルは、建設機械の３次元位置を検出することによってつねに更新される。建設機械および／またはそのツールのポジションから、上記の処理すべき表面の地形を推定することができる。この建設機械のコントロールは、第１のモデルと第２のモデルとの差分を評価することによって行われ、ここではこの差分を小さくしようとする。

したがってこのアプローチは、工事現場の目標状態および実際状態を表すために基本的に同じ形式の２つのモデルを使用しており、これらの２つのモデルの間に存在する差異を低減しようとするものである。２つのモデルは、離散的なポジションからなる２次元の配置構成を有しており、これらのポジションに、高さである１つずつの垂直方向の値が対応付けられる。したがって１つの垂直方向の量に対して、１つの水平方向のポジションが対応するのである。実際モデルに対し、記録は、建設機械自身の決定によって行われる。

これらのモデルは、複数の点で不利である。先ず第１に、上記の実際モデルを設計して、このモデルの更新が、建設機械のポジション決定によって行われ得るようにしなければならない。これにより、殊に任意の非接触の測定、または変形し得る領域または機械による走行に対して負荷能力が低すぎる領域の記録が妨げられるのである。状況によってこの領域が建設機械では処理できないとしても、それにかかわらずこの領域の実際の表面経過が重要な場合がある。例えば、機械で整備すべき部分と、流動性の（ひいては不安定な）表面とを合わせたい場合である。

さらに最初の第２のモデルを提供するのが困難である。なぜならば従来技術の第２のモデルは、建設機械のポジションによって更新しなければならないからであり、例えば、他の測地による情報、例えば走査式測定などによる他の測地による情報をあらかじめ変換することなく使用できないのである。殊に上記の建設機械により、これまでの方法を用いて走査したこのような情報をアップデートすることはできないのである。

WO 01/04576からは、地上を運動する機械をコントロールする方法が公知であり、ここでは実際状態は、スキャナによって表面を走査することによって得られる。上記の建設機械をコントロールするため、このようにした得られた点群の個々の点における高さ値と、目標状態のモデルの相応する目標値とが比較され、得られた差分からコントロール命令が導出される。

このアプローチは、実際状態を表すために点群を使用しているが、コントロール命令の導出は、孤立した点の選択およびこれに続く比較によって行われており、ここでは、実際状態および目標状態を表す分布に点を対応付ける必要がある。さらに処理過程中には上記の点群の更新は行われない。

上記の従来技術の２つのアプローチにおいて、モデルないしは点群の情報内容の１対１対応によってその利用が低減されてしまう。それは、表面の変化は、離散の水平方向のポジショニングの分解能だけでしか行われないからである。より細かい構造ないしは高さの変化は、コントロール命令を導出する際には考慮されない。このことは、例えば、草地または森林地域などの極めて構造化された表面では根本的な問題になる。それは、各ポジションを地面のレベルまたは茂みの先端部のいずれかに対応付けなければならないからである。別の情報は、従来技術のこのようなアプローチでは失われてしまう。同様にひじょうにぎざぎざした岩の多い表面も検出できないことが多い。したがって従来技術の上記のアプローチでは、高さのデータ以上の情報は利用されないのであり、この高さ情報も、所与の状態に部分的にしか相当しないかないしはある種の偶然で検出されたものなのである。

本発明の目的は、差分ではない、処理すべき面の実際状態についての情報を利用できるようにする方法を提供することである。すなわち、表面の明示的なモデルに変換されない情報か、または目標モデルおよび実際モデルの個々の点の相応する対応に変換されない情報を利用できるようにすることである。

本発明の別の目的は、この情報ベースまたはデータベースの更新を可能とすることである。

本発明の別の目的は、例えば処理すべき表面についての有効な情報の集合を拡張することである。

本発明の別の目的は、建設機械が直接に到達することが出来ない領域からの情報を使用することである。

これらの目的は、本発明により、請求項１に記載された特徴的構成または従属請求項に記載された特徴的構成を有する実施形態によって解決され、ないしはこれらの解決手段がさらに発展される。

本発明は、表面変更機械をコントロールする方法、ないしは表面または作業体積体を所期のように変更する別の機械をコントロールする方法に関する。ここでは、各水平ポジションに正確に１つの垂直方向の量を対応付ける、表面の実際状態の明示的なモデル化は行われない。

上記の実際状態を表すため、多数の点のからなる点群を使用する。ここでこれらの点は、考察対象の表面における１つずつの点に対応する。ここで表面とは、作業工程に関連する１境界面のことである。これには、例えば、上下に重なる２つまたはそれ以上の境界層も含まれる。この境界面は、例えば、水に覆われた砂地面であることもある。この作業工程に対して有利であるのは、水面も、砂地の表面も共に既知であることである。別の例は、生い茂ったまたは極めてぎざぎざになった地形であり、この際に有利であり得るのは、生い茂ったものの高さも、その下にある面の高さも共にわかることである。

本発明では、実際状態および目標状態の表現から個々の点の対応付けがそれぞれ行われるのではなく、むしろ目標モデルの１つのポジションと、実施状態の複数の点とが結びつけられる。ここでは結びつけられるこれらの複数の点の選択は、変更可能である。

上記の実際状態を表す点群は、例えば、空中支持または地表支持の走査過程によって得られる。このことは、例えば地表支持の記録の場合にWO 01/04576にも記載されている。これに対して、例えば走査式の測距システム、例えばLIDAR（Light Detecting and Ranging）システムが利用可能ある。このシステムにより、個々の表面点に対し、距離測定データから点群が生成される。例えば、WO 97/40342には地表支持の方法が記載されており、この方法では、位置固定に載置された走査システムにより、地形が記録される。このシステムに対して固定の載置点が選択され、この点は、モータによって行われる走査過程のベースとして使用される。各表面点の３次元的な位置情報は、測定した点に対する距離と、測定時点における角度位置と、走査装置の既知の位置とを介して導出することができる。

同様にWO97/40342に記載されているように点群から、３次元モデルを導出することもできるが、これには時間がかかり、同時に情報が失われてしまう。したがって例えば、それぞれ最も近くにある表面点と、機械のコントロールに使用される空間の１つの点とを対応付けることによるモデル形成では、情報の一部、すなわちこの例では表面点と空間点との間の距離が省略されるのである。

上記の点群の更新は、例えばスキャナのポジションについては車両ベースとすることの可能な走査過程によって行うことができる。この際には、全領域を新たに走査し直すか、または部分領域だけを記録することができる。この部分領域のはめ込みは、例えば、画像処理法ないしはパターン認識法を使用することにより、またはスキャナの固定点の測定によって行うことができる。これによって可能になるのは、上記の更新を、モデル形成の（殊に水平方向ポジションに対して高さを１対１に対応付けるという意味での）中間ステップなしに行うことができるため、上記の点群の全情報内容が維持されたままにすることである。さらにモデル形成のステップが省略されることによって所要の計算時間が低減される。

本発明による方法では、コントロール命令を導出するため、目標状態と点群との比較が行われる。ここではこの目標状態も基本的に点群として表すことができるが、ふつうは３次元モデルである。上記の表面の処理は、作業ステップの粒度で行われ、ここでこれらの作業ステップには、純粋に経験的に離散的な水平方向ポジションが対応付けられる。この解像度は、固定にすることができるが、または可変にすることも可能である。例えば、平らなゾーンでは粗いグリッドを選択する。これに対して急峻な上り坂の領域では、水平方向ポジションの一層細かい解像度が有利である。同様に上記のコントロール命令を定めるための離散の水平ポジションの代わりに、（例えばトンネル工事において）垂直方向ポジションを利用することもでき、または連続的なコントロールないしは擬似連続的なコントロールを行うことも可能である。

利用する空間ないし水平ポジション毎に目標状態と実際状態との比較が行われる。ここでは上記の点群の複数の表面点と、水平方向ポジションとがそれぞれ対応付けられる。最も簡単なケースでは、空間的に隣接する数個の点が選択され、それらのポジション情報が集められる。水平ポジション毎にこの対応付けが行われて記憶されるような場合、記憶された結果として実際状態の３次元モデルが得られることになる。

しかしながら本発明によるアプローチでは有利にも、上記の点群の複数の表面点と、１つのポジションとが対応付けられ、その際には上記のモデル形成の中間ステップにより、情報の損失が発生することがない。上記の複数の点により、考察対象のポジションに対してさまざまな情報を導出することができる。１つの可能性は、集合の計算であり、これには例えば重み付け関数によって行われる。したがって、例えば、複数の表面点のポジション値は、コントロール命令を作動させるために使用されるグリッド点の水平方向ポジションの距離に応じて重み付けされて加算され得るため、上記の高さ情報は、複数の値についての平均を表す。従来技術による１対１の対応付けは、本発明による方法に比べて基本的に誤りを含んでいるかまたは不完全である。それは、ポジション毎にそれぞれ記録した値は、相応する情報が得られない極値であることもあり、これらの情報に基づいて評価が行われ、また場合によっては補正が行われ得るからである。

複数の点を利用する別の選択肢は、例えば、最小誤差２乗法によって直線または平面を生成することである。従来技術の方法とは異なり、これにより、考察対象のポジションに対して局所的な傾きまたはより高次の導関数を得ることができる。複数の点の情報を本発明にしたがって利用できるようにするため、最適化、パターン認識または画像処理の分野領域からのそれ自体公知の多数の方法を利用することができる。例えば、（ファジィ論理の）ファジィ集合の理論、ニューラルネットワークまたはヒューリスティックなアプローチによって平面を求めることも可能である。例えば、ニューラルネットワークによるパターン認識により、点群の表面形状を識別することができ、その処理計画がヒューリスティックな手法を用いて求められる。このヒューリスティックな手法には、例えば、地質または材料の性質、水分含有量または表面の粗さについての情報を組み込むことができる。したがって上記の機械に対するコントロール指令は、目標高さと実際高さとの局所的な比較に基づいて行われるのではなく、むしろ走査した表面の全情報を利用して行われるのであり、ここではモデル形成が省略されるインテリジェントな方法さえも使用することができる。ここで上記のコントロール指令によって行われる過程はふつう、任意の配向の表面の変更に関するものである。殊にこれは、土地部分の平坦化、凹みの掘削、斜面の形成に関するものであり、また別の例では、機械に支援された***も表しており、これは例えば、露天堀りまたは堀坑採掘に使用される。上記のコントロール指令は、直接電子的または機械的に実行することができるが、また例えばユーザとの対話に使用することもできる。また本発明によるコントロール指令には、例えば、はっぱ孔の位置の視覚的な投影も含まれ、このはっぱ孔には後で孔が空けられるのである。

水平方向ポジションの特殊なケースへの表面点の割り当てには、点群を別々に分けることが含まれ、または複数のポジションに対して複数の点が重複して利用され、ひいてはこれらが共通に利用されることも含まれ得る。したがって例えば、各ポジションに割り当てられる表面点の数が、各ポジションに対応付け可能な表面点の平均値を上回る場合、表面の平滑化を行うことができる。ここではポジション毎に、隣接する複数のポジションの点の情報が利用される。

１つのポジションに対して、点の高さのばらつきから、想定され得る複数の高さレベルを導出するというオプションもある。したがって測定した表面点のばらつきから、茂みと底面との区別、または水表面と水底面との区別を行うことができる。

別の選択肢は、高さのばらつきを時間的に解釈することである。これによって高さの違いを、１走査過程の所定の時間内、または連続する２つの走査過程の間における同じ対象物の運動によって得ることも可能である。これによって高さのばらつきから、表面についての推定を行うことができる。

ここでは、例えば上記の点群が、表面点の異なる部分集合からまとめられる場合、この点群の付加情報を利用することもできる。これは、例えば、各部分集合に、特性量が対応付けられる場合である。ここではこの特性量の特徴は、例えば、異なるスペクトル領域において上記の記録が行われることにある。したがって記憶の際に、異なるスペクトル領域における２つの測定にマークを付けて区別することができる。ここでは対象物の反射特性が異なることにより、例えば、想定され得る複数の平面のうちの１つの平面に比較的簡単に対応付けを行うことができる。また例えば、短時間で相前後して同じ地形を記録して記録時点にマークを付けて共通の１点群に組み込んで記憶する場合、時間的に区別することも有利になり得る。この際には上記の時間マークに基づいて、ポジション毎に部分集合をわけることができる。これにより、例えば、運動したエレメントへの割り当ておよび識別が容易になる。これらのエレメントは、例えば、風によって運動した葉または流れの表面とすることもできるため、例えば、時間的なサインに基づいて、地表面と茂みとの分離を容易にすることができる。
上記の高さのばらつきは、処理過程を細かくコントロールするために意図的に利用することもできる。したがって流動性材料からなる堆積物に対して、エッジを導出することができ、その高さにより、同時に***部の堀り崩しおよび凹部の充填が可能になる。

本発明では、上記の複数のアプローチのうちの１つを利用して、処理すべき全領域に自動的に適用されない。むしろ、個々のゾーンに対してまたは個々のポジションに対しても、それぞれ変化した１つアプローチを行うことができる。したがって例えば、平らなゾーンでは、各ポジションにおける傾きの決定を省略することができ、これに対して急峻に上り坂になっているまたは変化しているゾーンではつねに、ポジション毎に傾きまたはその導関数も計算されるのである。

本発明による方法は、表面変更の不連続的に処理にも使用可能である。このような処理は、時間的にわかれたまたは時間的にずれた作業工程からなり、例えば、これは、堀削−測定−比較または孔空け−***−測定−比較などの順で行われる。

点群の記録は、種々異なるシステムにより、走査式の方法を用いて行うことができる。多くの場合、地表支持または空中支持で使用されるレーザスキャナが使用される。地表支持のシステムでは、上記の記録は、１つの複数の固定のポジションから行われる。これらのポジションは、既知でも未知でもよい。空中支持のシステムでは、上記のポジションは連続して変化するが、走査される表面点は連続して、既知の３次元ポジションの点と結びつけられる。したがって２つのケースにおいて、既知の絶対ポジションを有する少なくとも１つの基準点が存在するのであり、この基準点を基準にして、測定したすべての表面点に対する参照、ひいてはその空間的な対応付けが可能である。これによって点群内での空間的な順序付けが決定されるのである。

１つの点群では、上記のように記録される表面点の数は、コントロール命令が導出されるポジションの数よりも大きく、上記のポジションを基準にした記録過程に起因する表面点の分布は均一ではない。上記の走査過程の幾何学的な条件に応じて、表面点の密度は変動し、また部分領域において、例えば走査形システムに対して影になった領域において、上記の空間ポジションの数よりも小さくなることもある。平均では、上記の表面点の数は、必要ないしはあらかじめ定められた空間ポジションの数よりも極めて多いことが多い。

上記の処理される領域を更新するため、例えば、適当に配置したスキャナによって周期的またはイベント駆動式の走査を行うことができる。これにより、例えば複数の建設機械によって共通に利用されるデータベースが更新される。択一的または補足的にはスキャナ、例えばラインスキャナを建設機械そのものに取り付けて、それぞれ処理した区画を機械そのものによって検出する。点群を使用することにより、パターン認識法を用いて、それぞれ検出した領域を点群全体にはめ込むことができる。したがって例えば道路の縁、傾斜、送電線、線路などの格段に識別が可能な構造を有利にも基準構造体として使用することができる。この際にはモデルを使用するのとは異なり、表面点の絶対的な位置ないしはポジションを求める必要はない。記録した表面点の集合は、全体として上記の点群にはめ込まれる。場合によって発生する不整合を低減ないしは除去するため、工事現場ないしは表面全体に対して完全な走査過程を周期的に実行することができる。

ここでは本発明による方法により、機械によって直接処理可能または走行可能な表面に限定されることなく、データを使用することができまたその更新が可能になる。なぜならば、更新には、都度検出すべき点に建設機械をポジショニングする必要はなく、走行可能な領域外にある構造体または表面も利用して更新できるからである。

以下では図面に概略的に示した実施例に基づき、本発明による方法を純粋に例示的に詳しく説明する。

図１には、従来技術にしたがって実際状態１ａを表すモデルが示されている。処理すべき土地の表面は、実際状態１ａにおいて、多数の第１点２ａからなるモデルにより表されている。ここでこれらの点には、１つずつの高さ情報が含まれており、かつ水平方向ポジションＰに対応付けられている。したがって実際状態１ａおける表面の表現は、高さ情報のグリッドによって行われ、グリッド点毎に高さ値が示されている。同様に目標状態もモデルとして表すことができる。

図２は、従来技術の方法によるコントロール命令の導出を説明する図である。この実施例では、土地部分をならすために建築機械３が使用される。したがって目標状態１ｂは、（ここではハッチングで示された）平面であり、この平面は、グリッドノードによって第２の点２ｂとして表される。実際状態１ａは、グリッド状に配置される第１の点２ａによって表され、実際状態１ａおよび目標状態２ａの水平方向ポジションのグリッドは一致する。建設機械３に対する局所的なコントロール命令は、第１の点２ａと第２の点２ｂとの差分Ｄから導出される。ここで考察している実施例では、この差分Ｄから、対応するポジションにおいて、凹みを充填しなければならないことになる。

従来技術にしたがって表面処理を行う方法の全体的な流れは、図３に概略的に示されている。建設機械３は、処理すべき表面４の上を何回も走行する。ここでこの表面は、実際状態１ａおよび目標状態１ｂのモデルに基づいて処理される。建設機械３を作動させる際、連続的にそのポジションを求めて、このポジションを実際状態１ａのモデルを更新するために利用する。計算機によって２つのモデルを比較し、差分に基づいてコントロール命令を生成する。したがって更新には、更新すべき点に建設機械３をポジショニングすることが必要である。所定数の走行ないしは処理サイクルの後、実際状態１ａのモデルと、目標状態１ｂのモデルとの差分は、消滅するかまたはあらかじめ定めた閾値以下になるため、作業工程が終了したものとみなすことができる。このような方法では、例えば、走行することができないまたは走行しなかった領域の実際情報を使用して建設機械３をコントロールすることはできない。

図４ａ〜ｄには、実際状態および目標状態のさまざまな表し方が示されている。図４ａにおいて実際状態のモデルは、グリッド状に配置される高さ情報によって表されており、このモデルには、同じ構造を有する図４ｂに示した目標状態のモデルが対応付けられている。元となるグリッドの点毎に比較を行うことができるため、生じた差分からコントロール命令を導出することができる。図４ｃには第１の点２ａを多数の表面点５によって置き換えることが概略的に視覚化されており、ここで表面点５は、例えば、LIDARまたは写真測量による方法などの光学式走査方法によって取得することができる。表すべき表面全体がこのような表面点５によって置き換えられた場合、図４ｄに概略的に示した点群１ｃが得られる。従来技術の方法では、個々の表面点５と、目標モデルの個々の点とが比較されて、高さの差分からコントロール命令が導出される。本発明では、個々の表面点５と、コントロール命令の導出に使用される個々のグリッドポジションとが明示的に対応付けられることはなく、個々の表面点５は、空間的な配置関係を有しており、この空間的な配置関係は、例えば、スキャン過程の固定点Ｂによって与えられる。この実施例では、表面点５毎に固定点Ｂを基準とした水平方向角度および垂直方向角度ならびに距離が既知であるため、この固定点Ｂの絶対位置についての知識があれば、表面点５のそれぞれのポジションも求めることができる。本発明によれば、グリッド点毎に点群１ｃの部分集合が使用されて、コントロール命令を導出するための情報が得られる。図４ａおよび図４ｂのモデルとは異なり、点群１ｃの情報内容は、モデル形成によって少なくなることはないため、実際状態の水平方向ポジションは確かにグリッドベースで離散的に表されているが、各水平方向ポジションには、所定数の表面点が対応付けられる。この数は、水平方向ポジション全体についての平均で１よりも大きくすることができるか、ないしはふつうは１よりも大きいのである。

本発明で使用可能なモデルおよび座標系は、直交座標系による表現には限定されない。むしろ基本的には任意の適切な表現を使用することができ、その際、選択した座標系は、処理すべき表面の幾何学形状に依存することが多い。したがって例えばトンネル工事には極座標における表現が適当である。

図５には、本発明による１方法に対し、対応する複数の表面点５から情報をどのように導出するかが略示されている。ここでは、純粋にわかりやすくするため、従来技術のモデルの点も示されている。処理すべき表面において凹部または凸部を充填または切削するため、従来技術のモデルでは、目標状態と実際状態との間の高さ差分だけが考察され、また場合によって隣接するグリッド点との差分も考察される。ここでこの空間的な差分の１つずつの比較（この場合には高さ差分）は、個々の点の間で行われる。本発明による１方法では、多数の表面点５により、曲線または曲線を配置することができ、これらの曲線または曲面により、上記の表面の一層良好な近似が行われ、ひいては変更情報を最適に導出することができ、この変更情報からコントロール命令を生成することができる。このような曲面または曲線は、多数の公知の方法によって導出することができ、また例えば、導関数を考慮することが含まれる。図５では、純粋に例示的に第１の直線６ａおよび第２の直線６ｂを、点群の部分集合の表面点５に挿入することが示されている。曲線ないしは直線のこのような形成は、例えば、最小誤差２乗法によって行うことができる。他の有利な方法は、例えば、ファジィ集合（ファジィ論理）の手法、画像処理またはパターン認識ならびさまざまなヒューリスティックな手法である。

このアプローチにおいて関連する１ステップは、大抵、対象となる表面点５の選択である。この選択は、簡単な選択方法によれば、水平方向ポジションに見てつぎにある表面点５を考慮することによって行うことができる。しかしながらパターン認識によって行うことも可能である。ここでは、例えば、識別した構造に所属するすべての表面点５を考慮して曲面を導出する。これに対して図６では、本発明による方法に対して表面点を可変に対応付けることが概略的に示されている。ベースとなる水平方向ポジションのグリッドの各ポジションＰには、このポジションからあらかじめ定めた半径内にあるすべての表面点５が対応付けられる。したがって関連する取り込み領域7には、上記の点群の部分集合が含まれている。例えば、このように組み込まれかつ水平方向ポジションに対応付けられた表面点５は、例えば重み付け関数を使用することにより、集合にまとめられるため、上記のポジションには、例えば平均値が対応付けられる。ここでは取り込み領域７を選択して、すべての部分集合の和が、上記の点群全体よりも小さくなるようにする。しかしながら択一的には、隣接するポジジョンＰとの重複が生じるより大きな取り込み領域７’を選択して、いくつかの表面点５が、複数の部分集合に同時に含まれるようにすることも可能である。これによって目標状態の水平方向ポジジョン毎に、実際状態の少なくとも２つの水平方向ポジションの表面点が考慮される。ポジション当たりに考慮すべき表面点５の集合は、例えば、可変に構成することもでき、またそれぞれの表面構造に依存して構成することも可能である。

図７には、本発明よる方法に対するコントロール命令の導出が概略的に示されており、この実施例では、地下工事現場から流動性材料の累積物が観察され、この累積物の断面は、表面点５の軌跡によって表されている。点群の多数の表面点５により、従来技術の方法によりも解像度の高い表面の経過が得られる。さらにこの表面は、変形可能な表面タイプであり、建設機械は基本的にこの表面を変形させることなしに走行することはできず、ひいては検出することができない。また本発明による方法では、表面点５の高さのばらつきから、材料の粒度を導出することができ、ひいては高さＤ１の達成可能の削り取り量および凹部Ｄ２の充填量を導出することができる。上記の建設機械に実現可能なシステムは、上記の点群ないしは軌跡から、表面の処理に使用されるブレード８に対するエッジの最適化された高さＨを導出できるため、従来技術の方法に比べて、必要な処理走行の数を低減することができる。

図８には、上記の点群の低減されない情報内容を利用する別の実施例が示されており、この図では、対応する複数の表面点５の高さのばらつきからさまざまな平面を導出することが略示されている。処理すべき面または処理の際に考慮すべき面に植物９が生い茂っている場合、多くの場合に走査過程によって得られるのは表面点５の集合であり、この集合は、地面からの反射から得られ、また植物９、殊にその先端部からの反射から得られる。点群の表面点５からは、例えば２つの部分集合が選択され、第１の部分集合Ａ１には地面に対する測定値が、また部分集合Ａ２には植物９の先端部に対する測定値が含まれている。この場合には２つの集合から地面または生い茂ったものの上側の境界を導出することができる。このようなアプローチにより、例えば、植物が生い茂っており近づくことのできない領域の地面でありかつレベルまたは傾きを適合させようとする領域の地面を得ることができる。したがって建設機械に対するコントロール命令は、生い茂った領域の地面の経過についての知識に基づいて導出されるのである。高さのばらつきないしは高さ値に基づいて表面点をわけることの他に、上記の点群を記録する際にすでに付加的な特性量を導入して、この量に基づき、上記の点群を部分集合に分けることができる。これについての例は、異なる時点または異なるスペクトル領域において記録した走査ないしは走査過程であり、ここでは時点またはスペクトル領域が、特性量として使用される。以降では、地面とはスペクトル特性が異なることに起因して、例えば植物に対応付けられる表面点５をわけることができる。各表面点５は、この特性量を使用することによって付加的な属性を付与することができる。

図９には、空中支持で記録した点群の例を示す図が示されている。このために航空機により、処理すべき表面の上を飛行してこれをLIDARによって走査する。このようにして記録された点群は、出力実際状態として使用することができる。後続の更新は、新たな飛行によって行われるが、また地上における処理装置または地表支持装置によって行うこともできる。このようにして地表支持によって得られた更新データの多くは上記の点群の一部分についてのものでしかないため、点群全体へのはめ込みが必要である。このようなはめ込みは、例えば、パターン認識によって行うことができるが、また基準点を基準とした各表面点の相対ポジションまたは絶対ポジションの知識によって直接行うことも可能である。

図１０には、地表支持によって記録した点群の第１例が示されている。この図には、複数のレールと、対応する架線とを有するレール設備が検出されている。右側の領域には、密な茂みを識別することができる。所与の状況に起因して、従来技術の方法では、レールの下の地面または茂みの下の地面を検出することはできない。それは、これらのレールまたは茂みの下の地面に建設機械を直接ポジショニングできないからである。さらに例えば安全上の理由により、地表との直接的かつ持続的な接触記録が禁止されていることが多い。

図１１には、空中支持で記録した点群の第２の例における構造の識別可能性およびコントロール命令の導出が説明されている。ここに示されているのは、底面１０および左側に接する斜面１１を有するレール区間であり、ここでこの斜面には、やや傾斜して構造化された土地が続いている。この実施例では、レール区間に平行に車道１２を敷設しようとしており、ここではこの車道の高さ経過を、底面１０に合わせて配向させようとしている。（部分的には生い茂っている）斜面１１の最高点を基準にして、側方の最小間隔を維持しなければならず、また斜面１１に至る車道の経過をその傾きに適合させたい。この際には、車道１２を敷設するのと同時にいくつかの箇所において斜面１１が新たに盛り上げられるか修復される。レール設備および傾斜１１の走行は、安全上の理由から行うことはできない。

従来技術の方法とは異なり、ここでは記録した点群および走行できない領域においても更新可能な点群に基づいてコントロール命令を導出することができ、これらのコントロール命令により、上記の副次的な条件が満たされる。したがって、例えば、レール設備の底面１０を求めることができ、ここではまずパターン識別に基づいて、上記のレールに対応付けることのできるすべての表面点が考慮から外される。この場合に点群の残りの部分集合により、上記の底面１０を近似する相応の平面を設定することできる。

本発明によれば、点群の複数の部分集合をわけるためのさまざまアプローチを互いに組み合わせることできる。例えば、個々のステップを繰り返すことによって組み合わせることもできる。したがって図１１においてレールを、金属によって生じるスペクトル的な反射特性に基づいて分離することもでき、または底面１０を導出する際に、所定の高さの幅の外にあるすべての表面点を考慮しないことも可能である。同様に斜面１１を、その上にある茂みから分離することができる。殊に上記のアプローチを、種々異なる分離能力ないしは閾値による複数の走行における分離に適用することができるため、段階的な選択および分離が行われる。

図１２には本発明にしたがって使用可能な点群１ｃを記録または更新するための種々異なるシステムが示されている。処理すべき表面は、コントロール命令を導出するため、水平方向ポジションＰのグリッドの網によって覆われており、これらのポジションではコントロール命令が必要であるかまたはあることが望ましい。これらの水平方向ポジションＰには点群１ｃが重ね合わされ、これは実際状態についての情報の支持体として使用される。この点群１ｃは、航空機１３または地上支持のスキャナ１４によって記録ないしは更新することができる。実際状態をあらわす点群１ｃが存在する場合、（例えば変更がもっぱら処理ステップによって行われる場合）、上記の更新は、上記の処理装置または建設機械３によって行うこともできる。有利な解決手段では、ラインスキャナ１５を建設機械の後ろ側の領域に取り付け、ここでこのラインスキャナ１５は、垂直方向にまたは斜めに傾いた方向にも走査することできる。このようにすることにより、建設機械３によって、この建設機械それ自体によって変更された領域を記録し、また更新のために点群１ｃにはめ込むことができる。しかしながら基本的にはこのように構成した建設機械３により、最初の点群１ｃを記録することもできる。ここでこれは、関連する全領域を走行し、および／またはラインスキャナ１５を相応に動かすことによって行われる。

図面では、モデル、点群、表面および使用した装置は純粋に概略的に示されている。例えば、上記の図からサイズの関係または記録の詳細、記録および分析ないしは画像処理またはパターン認識を読み取ることはできない。例示的にのみ示された従来技術のモデルの表面点または点は、点群における表面点のより複雑な構造ないしはより大きな個数を代表している。

従来技術にしたがって実際状態をモデル化するモデルの図である。 従来技術によるコントロール命令の導出を示す図である。 従来技術による表面処理方法を示す図である。 実際状態および目標状態のさまざまな表現を示す図である（図４ａ〜４ｄ）。 本発明による方法に対し、複数の対応付けられた表面点から情報を導出することを示す図である。 本発明による方法に対し、表面点を可変に対応付けることを示す図である。 本発明による方法に対し、コントロール命令の導出を示す図である。 本発明による方法に対し、複数の対応する表面点の高さの分布から種々異なるレベルを導出することを示す図である。 空中支持で記録した点群の第１例を示す図である。 地表支持で記録した点群の第１例を示す図である。 地表支持で記録した点群の第２例における構造体の識別可能性を示す図である。 本発明にしたがって使用可能な、点群を記録するさまざまなシステムを示す図である。

Claims (12)

1. 表面変更機械（３）をコントロールする方法であって、
   該方法は、
   − 前記の機械（３）によって処理すべき表面の目標形状をモデリングするモデルを、データ点として準備するステップを有しており、
   ただし、前記の処理すべき表面は、空間ポジション（Ｐ）のグリッドによって示されており、前記の目標形状は、処理すべき表面の形状でありかつ前記の機械によって目標にしたがって達成しようとする形状であり、
   上記の方法はさらに、
   − 前記の表面の実際形状を表す表面点（５）から形成されておりかつ測距式のスキャナシステムによって記録した点群（１ｃ）を準備するステップを有しており、
   上記の方法はさらに、
   − 前記の表面点（５）のポジションを、走査過程用のスキャンシステムには既知である前記の点群のただ１つの固定点（Ｂ）に基づいて定めるステップと、
   − 少なくとも２つの表面点（５）に少なくとも１つの空間ポジション（Ｐ）を対応させるステップとを有しており、ただし、多数の表面点（５）により、曲線または曲面を定め、当該の曲線または曲面は前記の表面の生じ得る実際形状を表すかまたは近似しており、
   上記の方法はさらに、
   − 当該の曲線または曲面を前記のコントロール指令に使用するステップを有することを特徴とする、
   表面変更機械（３）をコントロールする方法。
2. 前記のコントロール指令を導出する際、目標形状と点群（１ｃ）との前記の比較により、前記の目標形状の空間ポジション（Ｐ）毎に、前記の表面の実際形状の少なくとも２つの空間ポジション（Ｐ）の表面点（５）を考慮する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記のグリッドの各空間ポジション（Ｐ）に、当該の空間ポジション（Ｐ）から所定の半径内にあるすべての表面点（５）を対応付ける、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 対応付けられる前記の表面を、
   − 最小誤差２乗法、
   − ファジィ集合の手法、
   − 画像処理法、
   − パターン識別法、
   − ヒューリスティック
   のうちの少なくとも１つの手法によって導出する、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記の表面の実際形状の空間位置（Ｐ）毎に前記のコントロール指令を導出する際、少なくとも２つの対応する表面点（５）の空間的な差分を考慮する、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記の点群（１ｃ）の準備には、前記の方法を実行中に当該の点群（１ｃ）を更新することが含まれており、
   ただし当該の更新は、処理される表面部分を走査して検出することによって行われる、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記の点群（１ｃ）を準備する際、
   − 画像処理法および／または
   − パターン認識法および／または
   − スキャン固定点の絶対的な参照
   によって前記の処理される表面部分を前記の点群（１ｃ）に組み込む、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記の点群（１ｃ）は、表面点（５）の区別可能な部分集合からなり、
   各部分集合には、特性量が対応付けられている、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 前記の空間ポジション（Ｐ）に対応付けられる表面点（５）の数は、可変である、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記の空間ポジション（Ｐ）に対応付けられる表面点（５）を集合にまとめて、当該の空間ポジション（Ｐ）に平均値を対応付ける、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
11. 各空間ポジション（Ｐ）に、所定数の表面点（５）を対応付け、
    当該の所定数は、すべての空間ポジション（Ｐ）についての平均が１よりも大きい、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
12. 記録媒体への記録またはデータ信号の形式で、請求項１〜１０の何れか１項に記載の方法を実施するコンピュータプログラム。

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