JP6682371B2 - 建設機械の制御システム - Google Patents

Description

本発明は、建設機械、例えばペーバーのスクリードの位置、姿勢を検出し、制御する建設機械の制御システムに関するものである。

ペーバーのスクリードの位置検出、姿勢検出を行なう際には、スクリードの左右にそれぞれ全周プリズム等のターゲットを設置し、測定装置により各ターゲット迄の距離測定及び角度測定を行い、スクリードの位置、ロール角（左右方向の傾斜角）、ヨー角（進行方向）を検出する。又、ペーバーに設けられたチルトセンサにより、ペーバーのピッチ角（前後方向の傾斜角）を検出し、各検出結果を基に、ペーバーの位置及び姿勢を演算している。更に、演算されたペーバーの位置及び姿勢を基に、スクリードのコントロールを行っている。

従来のペーバーの姿勢検出、スクリードの位置検出では、少なくとも２台の測定装置、例えばトータルステーションを用い、少なくとも２個のプリズムを測定する必要がある。

トータルステーションを少なくとも２台必要とすることから、各トータルステーションの位置関係を正確に把握する為、各トータルステーションの機械設定を正確に行う必要がある。この為、各トータルステーションのセットアップ作業に時間を要するという問題があった。

又、各トータルステーションがそれぞれ別のプリズムを視準する必要がある為、ペーバーの向きによってはトータルステーションが対象のプリズムを視準しているかどうかを確認する必要があり、作業性が悪かった。

尚、測定装置としてトータルステーションを用いた建設機械の制御システムとしては、特許文献１に示されるものがある。又、測定装置として回転レーザを照射するものを用いた建設機械の制御システムとしては、特許文献２、特許文献３に示されるものがある。

特表２００８−５３１８８８号公報 特開２０１４−５５４９９号公報 特開２０１４−５５９３６号公報

本発明は、複数のターゲットを１台の測定装置で検出可能な建設機械の制御システムを提供するものである。

本発明は、土木工事を施工する建設機械と、該建設機械の位置、姿勢を測定する測定装置を具備する建設機械の制御システムであって、前記建設機械は該建設機械の所要位置に設置された少なくとも２のターゲットと、前後方向の傾斜を検出する傾斜検出部と、前記建設機械を駆動させる駆動部と、該駆動部を制御する機械制御部と、前記測定装置との間で通信可能な機械通信部とを具備し、前記測定装置は、測距光を射出し、反射測距光を受光して測距を行う測距部と、測距光、反射測距光の共通光路に設けられ、測距光、反射測距光の光軸を同一の偏角、同一の方向で偏向する光軸偏向部と、該光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部と、前記測距部の測距結果と前記射出方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元位置を測定し、測定結果を前記機械制御部に通信する測定制御部とを具備し、該測定制御部は前記光軸偏向部を制御して前記測距部に前記ターゲットを交互に視準させ、前記ターゲットを時分割で交互に測定させ、該ターゲットの３次元位置と前記傾斜検出部の検出結果に基づき前記建設機械の向きと前後左右の傾斜を演算し、前記機械制御部は前記測定制御部の演算結果に基づき前記駆動部を制御する建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記傾斜検出部は、前記建設機械の機体フレームに設けられた傾斜センサである建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記ターゲットが前記建設機械の３箇所に設けられ、前記測定装置により３の前記ターゲットの３次元位置を測定し、前記測定制御部は３の前記ターゲットの３次元位置に基づき前記建設機械の向きと前後左右の傾斜を演算する様構成された建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記測定装置がターゲット検出光を射出するターゲット検出光射出部と、反射ターゲット検出光を受光するターゲット検出光受光部と、反射ターゲット検出光を受光することで前記ターゲットを検出し追尾する追尾部とを具備し、該追尾部は測定対象の前記ターゲットを切替える度に前記測距部に測定対象の前記ターゲットを検出させ視準させる建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記測定装置は、前記測距部と、前記光軸偏向部と、前記射出方向検出部と、前記測定制御部とを収納する測定装置本体と、該測定装置本体を上下方向及び左右方向に回転可能に支持する支持部と、前記測定装置本体を上下方向及び左右方向に回転する回転駆動部と、前記測定装置本体の上下角、左右角を検出する角度検出器とを具備する建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記光軸偏向部は、中心部に形成され、測距光を所要の偏角、所要の方向で偏向する測距光軸偏向部と、外周部に形成され、該測距光軸偏向部と同一の偏角、同一の方向で反射測距光を偏向する反射測距光軸偏向部とを有する建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記光軸偏向部は、重なり合う一対の円板状の光学プリズムで構成され、該光学プリズムのそれぞれは独立して回転可能である建設機械の制御システムに係るものである。

又本発明は、前記光軸偏向部を構成する前記光学プリズムは、フレネルプリズムである建設機械の制御システムに係るものである。

更に又本発明は、測距光の光軸と平行で既知の関係を有する撮像光軸を有する撮像部を更に具備し、前記光軸偏向部により偏向される測距光の偏向範囲と、前記撮像部の画角とが一致又は略一致する様構成された建設機械の制御システムに係るものである。

本発明によれば、土木工事を施工する建設機械と、該建設機械の位置、姿勢を測定する測定装置を具備する建設機械の制御システムであって、前記建設機械は該建設機械の所要位置に設置された少なくとも２のターゲットと、前後方向の傾斜を検出する傾斜検出部と、前記建設機械を駆動させる駆動部と、該駆動部を制御する機械制御部と、前記測定装置との間で通信可能な機械通信部とを具備し、前記測定装置は、測距光を射出し、反射測距光を受光して測距を行う測距部と、測距光、反射測距光の共通光路に設けられ、測距光、反射測距光の光軸を同一の偏角、同一の方向で偏向する光軸偏向部と、該光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部と、前記測距部の測距結果と前記射出方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元位置を測定し、測定結果を前記機械制御部に通信する測定制御部とを具備し、該測定制御部は前記光軸偏向部を制御して前記測距部に前記ターゲットを交互に視準させ、前記ターゲットを時分割で交互に測定させ、該ターゲットの３次元位置と前記傾斜検出部の検出結果に基づき前記建設機械の向きと前後左右の傾斜を演算し、前記機械制御部は前記測定制御部の演算結果に基づき前記駆動部を制御するので、複数の前記ターゲットに対して前記測定装置は１台でよく、システムコストの低減が図れると共に、セットアップ作業の時間短縮、作業性の向上を図ることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る建設機械の制御システムに適用される測定装置を示す正面図である。 前記測定装置の光学系を示す概略図である。 前記光学系の光軸偏向部の拡大図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は光軸偏向部の作用を示す説明図である。 本発明の実施例に係る建設機械の制御システムの概略説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１、図２に於いて、本発明の実施例に係る建設機械の制御システムに適用される測定装置について説明する。

測定装置１は、例えば追尾機能を有するトータルステーションであり、三脚（図示せず）上に設置される。前記測定装置１は、測定装置本体２、托架部３、台座部４、測量基盤５を有している。

前記托架部３は、凹部を有する凹字形状であり、凹部に前記測定装置本体２が収納されている。該測定装置本体２は上下回転軸６を介して前記托架部３に支持され、前記上下回転軸６を中心に上下方向に回転自在となっている。

該上下回転軸６の端部には、上下被動ギア７が嵌設されている。該上下被動ギア７は上下駆動ギア８と噛合し、該上下駆動ギア８は上下駆動モータ９の出力軸に固着されている。前記測定装置本体２は、前記上下駆動モータ９により上下方向に回転される様になっている。

又、前記上下回転軸６と前記測定装置本体２との間には、上下角（前記上下回転軸６を中心とした回転方向の角度）を検出する上下回転角検出器１１（例えば、エンコーダ）が設けられている。該上下回転角検出器１１により、前記測定装置本体２の前記托架部３に対する上下方向の相対回転角が検出される。

前記托架部３の下面からは、左右回転軸１２が突設され、該左右回転軸１２は軸受（図示せず）を介して前記台座部４に回転自在に嵌合している。前記托架部３は、前記左右回転軸１２を中心に左右方向に回転自在となっている。

該左右回転軸１２と同心に、左右被動ギア１３が前記台座部４に固着されている。前記托架部３には左右駆動モータ１４が設けられ、該左右駆動モータ１４の出力軸に左右駆動ギア１５が固着されている。該左右駆動ギア１５は前記左右被動ギア１３と噛合している。前記托架部３は、前記左右駆動モータ１４により左右方向に回転される様になっている。

又、前記左右回転軸１２と前記台座部４との間には、左右角（前記左右回転軸１２を中心とした回転方向の角度）を検出する左右回転角検出器１６（例えば、エンコーダ）が設けられている。該左右回転角検出器１６により、前記托架部３の前記台座部４に対する左右方向の相対回転角が検出される。

又、前記台座部４は前記測量基盤５上に設けられ、該測量基盤５は三脚（図示せず）上に設置される。該測量基盤５は自動整準機構を有し、前記測定装置本体２の自動整準を行う整準部として機能する。

前記上下駆動モータ９と前記左右駆動モータ１４との協働により、前記測定装置本体２を所望の方向へと向けることができる。尚、前記托架部３と前記台座部４とにより前記測定装置本体２の支持部が構成される。又、前記上下駆動モータ９と前記左右駆動モータ１４とにより、前記測定装置本体２の回転駆動部が構成される。

該測定装置本体２内には、測距光射出部１７、受光部１８、測距部１９、撮像部２１、射出方向検出部２２、モータドライバ２３、ターゲット検出光射出部２４、ターゲット検出光受光部２５、追尾部２６、通信部３０、測定制御部である演算制御部２７が収納され、一体化されている。又、前記測定装置本体２には、操作部２８、表示部２９が設けられている。尚、該表示部２９をタッチパネルとし、前記操作部２８と兼用させてもよい。

前記測距光射出部１７は、射出光軸３１を有し、該射出光軸３１上に発光素子３２、例えばレーザダイオード（ＬＤ）が設けられている。又、前記射出光軸３１上に投光レンズ３３が設けられている。更に、前記射出光軸３１上に設けられた偏向光学部材としての第１反射鏡３４と、受光光軸３５（後述）上に設けられた偏向光学部材としての第２反射鏡３６とによって、前記射出光軸３１は前記受光光軸３５と合致する様に偏向される。尚、前記第１反射鏡３４と前記第２反射鏡３６とで射出光軸偏向部が構成される。

尚、前記第１反射鏡３４は波長選択機能を有し、例えば測距光を反射し、後述するターゲット検出光を透過させる光学特性を有するビームスプリッタとなっている。

前記受光部１８は、前記受光光軸３５を有し、前記受光部１８には、測定対象物、例えばプリズムや反射鏡等の再帰反射性を有するターゲットからの反射測距光が入射する。

前記受光光軸３５上に受光素子３７、例えばフォトダイオード（ＰＤ）が設けられ、又結像レンズ３８が配設されている。該結像レンズ３８は、反射測距光を前記受光素子３７に結像する。該受光素子３７は反射測距光を受光し、受光信号を発する。該受光信号は、前記測距部１９に入力される。

更に、前記受光光軸３５（即ち、前記射出光軸３１）上で、前記結像レンズ３８の対物側には、光軸偏向部３９が配設されている。以下、図３に於いて、該光軸偏向部３９について説明する。

該光軸偏向部３９は、一対の光学プリズム４１ａ，４１ｂから構成される。該光学プリズム４１ａ，４１ｂは、それぞれ円板状であり、前記受光光軸３５上に該受光光軸３５と直交して配置され、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂは重なり合い、平行に配置されている。前記光学プリズム４１ａ，４１ｂとしては、それぞれフレネルプリズムが用いられることが、装置を小型化する為に好ましい。

前記光軸偏向部３９の中心部は、測距光が透過する第１光軸偏向部である測距光軸偏向部３９ａとなっており、中心部を除く部分は反射測距光が透過する第２光軸偏向部である反射測距光軸偏向部３９ｂとなっている。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂとして用いられるフレネルプリズムは、それぞれ平行に形成されたプリズム要素４２ａ，４２ｂと多数のプリズム要素４３ａ，４３ｂによって構成され、板形状を有する。各プリズム要素４２ａ，４２ｂ及びプリズム要素４３ａ，４３ｂは同一の光学特性を有する。

前記プリズム要素４２ａ，４２ｂは、前記測距光軸偏向部３９ａを構成し、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂは前記反射測距光軸偏向部３９ｂを構成する。

前記フレネルプリズムは光学ガラスから製作してもよいが、光学プラスチック材料でモールド成形したものでもよい。光学プラスチック材料でモールド成形することで、安価なフレネルプリズムを製作できる。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂはそれぞれ前記受光光軸３５を中心に独立して個別に回転可能に配設されている。前記光学プリズム４１ａ，４１ｂは、回転方向、回転量、回転速度を独立して制御されることで、射出される測距光の前記射出光軸３１を任意の方向に偏向し、受光される反射測距光の前記受光光軸３５を前記射出光軸３１と平行に偏向する。

前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの外形形状は、それぞれ前記受光光軸３５を中心とする円形であり、反射測距光の広がりを考慮し、充分な光量を取得できる様、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの直径が設定されている。

前記光学プリズム４１ａの外周にはリングギア４４ａが嵌設され、前記光学プリズム４１ｂの外周にはリングギア４４ｂが嵌設されている。

前記リングギア４４ａには駆動ギア４５ａが噛合し、該駆動ギア４５ａはモータ４６ａの出力軸に固着されている。同様に、前記リングギア４４ｂには、駆動ギア４５ｂが噛合し、該駆動ギア４５ｂはモータ４６ｂの出力軸に固着されている。前記モータ４６ａ，４６ｂは、前記モータドライバ２３に電気的に接続されている。

前記モータ４６ａ，４６ｂは、回転角を検出することができるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転角検出器、例えばエンコーダ等を用いてモータの回転量を検出してもよい。前記モータ４６ａ，４６ｂの回転量がそれぞれ検出され、前記モータドライバ２３により前記モータ４６ａ，４６ｂが個別に制御される。

前記駆動ギア４５ａ，４５ｂ、前記モータ４６ａ，４６ｂは、前記測距光射出部１７と干渉しない位置、例えば前記リングギア４４ａ，４４ｂの下側に設けられている。

尚、前記投光レンズ３３、前記測距光軸偏向部３９ａ等は、投光光学系を構成し、前記反射測距光軸偏向部３９ｂ、前記結像レンズ３８等は受光光学系を構成する。

前記測距部１９は、前記発光素子３２を制御し、測距光としてレーザ光線を発光させる。前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ（前記測距光軸偏向部３９ａ）により、前記測距光が測定点に向う様前記射出光軸３１が偏向される。

測定対象物から反射された反射測距光は、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂ（前記反射測距光軸偏向部３９ｂ）、前記結像レンズ３８を介して前記受光部１８に入射し、前記受光素子３７に受光される。該受光素子３７は、受光信号を前記測距部１９に送出し、該測距部１９は前記受光素子３７からの受光信号に基づき測定点（測距光が照射された点）の測距を行う。

前記撮像部２１は、例えば５０°の画角を有するカメラであり、測定対象物を含む画像データを取得する。該撮像部２１は、前記測定装置本体２が水平姿勢で水平方向に延出する撮像光軸４７を有し、該撮像光軸４７と前記射出光軸３１とは平行となる様に設定されている。又、前記撮像光軸４７と前記射出光軸３１との距離も既知の値となっている。

前記撮像部２１の撮像素子４８は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、前記撮像光軸４７を原点とした座標系での位置が特定される。

前記射出方向検出部２２は、前記モータ４６ａ，４６ｂに入力される駆動パルスをカウントすることで、前記モータ４６ａ，４６ｂの回転角を検出する。或は、エンコーダからの信号に基づき、前記モータ４６ａ，４６ｂの回転角を検出する。又、前記射出方向検出部２２は、前記モータ４６ａ，４６ｂの回転角に基づき、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの回転位置を演算する。更に、前記射出方向検出部２２は、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの屈折率と回転位置に基づき、測距光の偏角、射出方向を演算し、演算結果は前記演算制御部２７に入力される。

又、前記ターゲット検出光射出部２４はターゲット検出光軸４９を有し、該ターゲット検出光軸４９上に発光素子５１、例えば測距光とは異なる波長のターゲット検出光を射出するレーザダイオード（ＬＤ）が設けられている。又、前記ターゲット検出光軸４９上に投光レンズ５２が設けられている。更に、前記ターゲット検出光軸４９上に偏向光学部材としての前記第１反射鏡３４が設けられている。尚、前記発光素子５１によるターゲット検出光の射出は、前記追尾部２６によって制御される。

該第１反射鏡３４を透過したターゲット検出光は、該第１反射鏡３４で偏向された前記射出光軸３１と合致する。又、ターゲット検出光は前記第２反射鏡３６に反射されることで、前記受光光軸３５（即ち、前記射出光軸３１）と合致する。

又、前記ターゲット検出光受光部２５は、偏向光学部材であり波長選択機能を有する第３反射鏡５３、集光レンズ５４、偏向光学部材である第４反射鏡５５、ターゲット検出光受光素子５６を有している。

前記第３反射鏡５３は前記受光光軸３５上に設けられ、反射ターゲット検出光を反射し、波長の異なる反射測距光を透過する光学特性を有している。又、前記ターゲット検出光受光部２５は、前記第３反射鏡５３によって前記受光光軸３５から分岐されたターゲット検出光受光光軸５７を有し、前記第４反射鏡５５、前記ターゲット検出光受光素子５６は前記ターゲット検出光受光光軸５７上に設けられている。又、前記集光レンズ５４は前記第３反射鏡５３と前記第４反射鏡５５の間に配設されている。

ターゲットの検出、追尾が行われる場合は、測定対象物として再帰反射性を有する反射鏡、例えばプリズムが用いられる。プリズム（図示せず）で反射された反射ターゲット検出光は、前記光軸偏向部３９を透過し、前記第３反射鏡５３で反射され、前記集光レンズ５４で集光され、前記第４反射鏡５５により前記ターゲット検出光受光光軸５７上に偏向され、前記ターゲット検出光受光素子５６に受光される。該ターゲット検出光受光素子５６は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。該ターゲット検出光受光素子５６は、反射ターゲット検出光を受光し、該ターゲット検出光受光素子５６上での受光に基づく受光信号を発する。該受光信号は、前記追尾部２６に入力される。

該追尾部２６は、反射ターゲット検出光の前記ターゲット検出光受光素子５６上での受光を基にプリズムを検出し、前記ターゲット検出光受光素子５６の中心とプリズムの位置との差を演算する。演算結果は前記演算制御部２７に入力される。

前記通信部３０は、後述するペーバー６１の機械制御部６６との間で、測定結果やデータの送受信を行う様になっている。

前記演算制御部２７は、入出力制御部、演算器（ＣＰＵ）、記憶部等から構成されている。該記憶部には測距作動を制御する測距プログラム、後述するターゲットを検出する為の検出プログラム、追尾作動を制御する追尾プログラム、前記モータドライバ２３に前記モータ４６ａ，４６ｂの駆動を制御させる為の制御プログラム、前記上下駆動モータ９と前記左右駆動モータ１４の駆動を制御する為の制御プログラム、前記射出方向検出部２２からの測距光の射出方向の演算結果、前記上下回転角検出器１１と前記左右回転角検出器１６の検出結果に基づき前記射出光軸３１の方向角（水平角、鉛直角）を演算する方向角演算プログラム、前記表示部２９に画像データ、測距データ等を表示させる為の画像表示プログラム等のプログラムが格納されている。更に、前記記憶部には、測距データ、画像データ等の測定結果が格納される。

次に、前記測定装置１による測定作動について、図４（Ａ）、図４（Ｂ）を参照して説明する。尚、図４（Ａ）では説明を簡略化する為、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂについて、前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂを分離して示している。又、図４（Ａ）で示される前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ、前記プリズム要素４３ａ，４３ｂは最大の偏角が得られる状態となっている。又、最小の偏角は、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂのいずれか一方が１８０゜回転した位置であり、偏角は０゜となり、射出されるレーザ光線（測距光）の光軸は前記射出光軸３１と平行となる。前記プリズム要素４２ａ，４２ｂは、例えば±２０°の範囲で測定対象物或は測定対象エリアを測距光で走査できる様になっている。

前記発光素子３２から測距光が発せられ、測距光は前記投光レンズ３３で平行光束とされ、前記測距光軸偏向部３９ａ（前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ）を透して測定対象物或は測定対象エリアに向けて射出される。ここで、前記測距光軸偏向部３９ａを透過することで、測距光は前記プリズム要素４２ａ，４２ｂによって所要の方向に偏向されて射出される。

測定対象物或は測定対象エリアで反射された反射測距光は、前記反射測距光軸偏向部３９ｂ（前記プリズム要素４３ａ，４３ｂ）を透して入射され、前記結像レンズ３８により前記受光素子３７に集光される。

反射測距光が前記反射測距光軸偏向部３９ｂを透過することで、反射測距光の光軸は、前記受光光軸３５と合致する様に前記プリズム要素４３ａ，４３ｂによって偏向される（図４（Ａ））。

又、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとの回転位置の組合わせにより、射出する測距光を任意の偏向方向、偏角で偏向することができる。

又、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとの位置関係を固定した状態で（前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとで得られる偏角を固定した状態で）、前記モータ４６ａ，４６ｂにより、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとを一体に回転することで、前記測距光軸偏向部３９ａを透過した測距光が描く軌跡は前記射出光軸３１を中心とした円となる。

従って、前記発光素子３２よりレーザ光線（測距光）を発光させつつ、前記光軸偏向部３９を回転させれば、測距光を円の軌跡で走査させることができる。

尚、前記反射測距光軸偏向部３９ｂは、前記測距光軸偏向部３９ａと一体に回転していることは言う迄もない。

次に、図４（Ｂ）は前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂとを相対回転させた場合を示している。前記光学プリズム４１ａにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ａとし、前記光学プリズム４１ｂにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ｂとすると、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂによる光軸の偏向は、該光学プリズム４１ａ，４１ｂ間の角度差θとして、合成偏向Ｃとなる。

従って、角度差θを変化させる度に、前記光軸偏向部３９を１回転させ、１回転毎に照射すれば、直線状に測距光を走査させることができる。又、角度差θを変化させる度に、測距光を照射した状態で回転させれば、同心多重円状に測距光を走査させることができる。又、前記光学プリズム４１ａと前記光学プリズム４１ｂを同速度で反対方向に回転させれば、合成偏向Ｃ方向に直線で測距光を走査させることができる。

更に、図４（Ｃ）に示される様に、前記光学プリズム４１ａの回転速度に対して遅い回転速度で前記光学プリズム４１ｂを回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ測距光が回転されるので、測距光の走査軌跡は、スパイラル状となる。

更に又、前記光学プリズム４１ａ、前記光学プリズム４１ｂの回転方向、回転速度を個々に制御することで、測距光の走査軌跡を前記射出光軸３１を中心とした放射方向（半径方向の走査）とし、或は水平、垂直方向とする等、種々の走査状態が得られる。

測定の態様としては、前記光軸偏向部３９を所要偏角毎に固定して測距を行うことで、特定の測定点についての測距を行うことができる。更に、前記光軸偏向部３９の偏角を変更しつつ、測距を実行することで、即ち測距光を走査しつつ測距を実行することで走査軌跡上の測定点についての測距データを取得することができる。

各測距光の射出方向角は、前記モータ４６ａ，４６ｂの回転角及び前記上下回転角検出器１１と前記左右回転角検出器１６の検出結果により検知でき、射出方向角と前記測距データとを関連付けることで、３次元の測距データを取得することができる。

又、上記した様に、前記測定装置１は前記撮像部２１を具備し、該撮像部２１で取得された画像は前記表示部２９に表示される。

ここで、前記撮像部２１の画角は例えば５０°であり、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂによる偏向範囲は例えば±２０°であるので、前記測距部１９の測定範囲は前記撮像部２１の撮像範囲と略一致している。従って、測定者は視覚によって容易に測定範囲を特定でき、前記表示部２９に表示された画像から、測定対象物を探し、或は測定対象物を選択することができるので、測定対象物を視準する必要がない。

尚、前記撮像部２１の画角、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂによる偏向範囲は上記したものに限られるものではなく、例えば前記測距部１９の測定範囲と前記撮像部２１の撮像範囲とが完全に一致する様にしてもよい。

測定対象物が選択されると、測定対象物に向って測距光が偏向される様、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを回転させる。尚、測定対象物が前記撮像部２１の撮像範囲外にある場合には、測定対象物が前記撮像部２１の撮像範囲内に位置する様、前記上下駆動モータ９と前記左右駆動モータ１４とを駆動させる。

前記射出光軸３１と前記撮像光軸４７は平行であり、且つ両光軸は既知の関係であるので、前記演算制御部２７は前記撮像部２１で取得した画像上で、画像中心と前記射出光軸３１とを一致させることができる。更に、前記演算制御部２７は、測距光の射出方向角を検出することで、該射出方向角に基づき画像上に測定点を特定できる。従って、測定点の３次元の測距データと前記撮像部２１で取得した画像の関連付けは容易に行え、該撮像部２１で取得した画像を３次元データ付きの画像とすることができる。

又、前記測定装置１は前記追尾部２６を具備している。前記発光素子５１からターゲット検出光が発せられ、ターゲット検出光は前記投光レンズ５２で平行光束とされ、前記測距光軸偏向部３９ａ（前記プリズム要素４２ａ，４２ｂ）を透して測定対象物、例えばプリズムや反射鏡等の再帰反射性を有するターゲットに向けて射出される。ここで、前記測距光軸偏向部３９ａを透過することで、ターゲット検出光は前記プリズム要素４２ａ，４２ｂによって所要の方向に偏向されて射出される。

ターゲットで反射された反射ターゲット検出光は、前記反射測距光軸偏向部３９ｂ（前記プリズム要素４３ａ，４３ｂ）を透して入射され、前記結像レンズ３８、前記第３反射鏡５３、前記集光レンズ５４、前記第４反射鏡５５により前記ターゲット検出光受光素子５６に集光される。

前記追尾部２６は、反射ターゲット検出光の前記ターゲット検出光受光素子５６上での受光を基に、ターゲットを検出し、前記ターゲット検出光受光素子５６の中心とターゲットの位置との差を演算する。演算結果は前記演算制御部２７に入力される。

該演算制御部２７は、前記追尾部２６での演算結果を基に、前記モータ４６ａ，４６ｂの駆動を制御する。ターゲットからの反射ターゲット検出光が前記ターゲット検出光受光素子５６の中心に受光される様、前記演算制御部２７が前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを回転させ、前記測定装置本体２を上下方向及び左右方向に回転させる。これにより、該測定装置本体２は静止した状態で測距光のみをターゲットの動きに追従させ、ターゲットを追尾する。

尚、前記光軸偏向部３９による追尾範囲を超える様な場合は、前記上下駆動モータ９、前記左右駆動モータ１４を駆動し、前記測定装置本体２をターゲットに向ける様回転させるのは言う迄もない。

次に、図５に於いて、前記測定装置１を建設機械、例えばコンクリートやアスファルトの舗装を行うペーバーの制御システムに適用する場合について説明する。

図５中、６１はペーバーを示している。又、前記測定装置１は、三脚６２を介して既知の点に設置されている。

前記ペーバー６１は、前記測定装置１から発せられる測距光、ターゲット検出光の受光範囲内で、且つ前記測定装置１により所定の精度で測定可能な範囲内で、稼働する様に工事範囲が設定されている。又、前記ペーバー６１は、井桁状（矩形）に構成された機体フレーム６３と、該機体フレーム６３の４隅に上下方向に伸縮可能な脚部６４を介して設けられた走行装置６５と、前記機体フレーム６３に設けられた前記機械制御部６６とを有している。

前記走行装置６５としては、例えば無限軌道走行装置が用いられ、該走行装置６５は前記機械制御部６６によりそれぞれ個別に制御可能となっている。

前記機体フレーム６３の中央下面には、スクリード６７が設けられている。該スクリード６７は、混練されたコンクリート等を貯留し、更に打設しつつ、締固め成型する一連の工程を高精度に行うものである。該スクリード６７の高さ制御、即ち打設表面の高さ制御は、主に前記脚部６４の伸縮制御により行われる。前記スクリード６７、前記走行装置６５は、前記ペーバー６１の作業機械部として機能し、該作業機械部は前記機械制御部６６によって制御される。

尚、前記脚部６４、前記走行装置６５、前記スクリード６７により、前記ペーバー６１を駆動させる為の駆動部が構成される。

又、前記機体フレーム６３は、進行方向と平行に延在する２本の縦ビーム６８と、該縦ビーム６８と直交する２本の横ビーム６９とで構成され、施工環境に応じて該横ビーム６９は伸縮される。

前記縦ビーム６８の上面には、傾斜検出部として傾斜センサ７１が設けられる。該傾斜センサ７１は前記機体フレーム６３の前後方向の傾斜（進行方向の水平に対する傾斜）を検出し、検出結果は前記機械制御部６６に送出される。又、該機械制御部６６は、機械通信部（図示せず）を介して前記傾斜センサ７１の検出結果を前記測定装置１に送信する。

前記機体フレーム６３の所要位置の２箇所に、好ましくは前記縦ビーム６８上面の進行方向後側の２隅に、支柱７２ａ，７２ｂがそれぞれ立設される。該支柱７２ａ，７２ｂ上端には、それぞれ反射鏡やプリズム等の再帰反射性を有するターゲット７３ａ，７３ｂが設けられている。

尚、前記支柱７２ａ，７２ｂの立設位置は既知であればよく、後側の２隅に限られるものではない。又、装置基準位置（例えば前記スクリード６７の設置中心）に対する前記ターゲット７３ａ，７３ｂの高さも既知となっている。更に、前記ターゲット７３ａ，７３ｂを結ぶ直線は、前記ペーバー６１の進行方向に直交する様に設定され、前記ターゲット７３ａ，７３ｂ間の距離Ａも既知となっている。

前記測定装置１は、前記ターゲット７３ａ，７３ｂを交互に検出し、該ターゲット７３ａ，７３ｂの３次元位置を交互に測定する。前記測定装置１は、前記ターゲット７３ａ，７３ｂの測定結果（測距、水平角、鉛直角）及び前記機械制御部６６から受信した前記傾斜センサ７１の検出結果を基に、前記ペーバー６１の進行方向に対する向き（或は姿勢）（ヨー角）、進行方向に対する傾斜（ピッチ角、以下、前後方向の傾斜）、左右方向（進行方向に対して直交する方向）の傾斜（ロール角、以下、左右方向の傾斜）を測定することができる。

又、前記測定装置１は、前記ターゲット７３ａ，７３ｂの測距結果、前記ペーバー６１の向き（或は姿勢）、左右の傾斜、前後の傾斜、前記ターゲット７３ａ，７３ｂの３次元位置とに基づき、前記ペーバー６１の装置基準位置を測定する。

更に、前記測定装置１は、前記ペーバー６１の向き（或は姿勢）、前後左右方向の傾斜、前記ターゲット７３ａ，７３ｂの３次元位置、前記ペーバー６１の装置基準位置等の測定結果は、前記通信部３０より前記機械制御部６６に送信される。該機械制御部６６は、受信した情報に基づき、前記脚部６４、前記走行装置６５、前記スクリード６７等を所要のタイミングで、所要の状態に制御し、前記ペーバー６１に所要の状態で工事施工させる様作動を制御する。

次に、前記測定装置１を用いた前記ペーバー６１の制御システムの作用について説明する。

本実施例では、前記測定装置本体２は前記光軸偏向部３９の偏向作用により、前記測距部１９に前記ターゲット７３ａ，７３ｂを切替える度に交互に視準させ、該ターゲット７３ａ，７３ｂを交互に測定する。

ここで、前記ターゲット７３ａから前記ターゲット７３ｂへの偏向、該ターゲット７３ｂから前記ターゲット７３ａへの偏向は、それぞれ前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの協働により、任意の経路で実現することができるが、予め、経路の形状を設定しておく。例えば、それぞれ前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの関係を固定し（即ち、前記光軸偏向部３９による偏角を固定し）、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを一体に回転すれば、２倍の偏角を中心角とする円弧の軌跡７４が得られる。

前記ターゲット７３ａと前記ターゲット７３ｂ間の偏向を前記円弧の軌跡７４で実行する様に設定すると、前記光軸偏向部３９による偏角を設定した後、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを一体に回転するだけでよいので、制御が簡単になる。

前記撮像部２１の撮像範囲内に前記ターゲット７３ａ，７３ｂが入る様、前記測定装置本体２を前記ペーバー６１へと向けた後、一方のターゲット、例えば前記ターゲット７３ａを前記測定装置１により視準する。尚、前記光軸偏向部３９は、±２０°の範囲で光軸の偏向が可能であり、前記ペーバー６１の通常の施工環境では、前記ターゲット７３ａ，７３ｂは前記光軸偏向部３９の偏向範囲に捉えることができる。

前記ターゲット７３ａが視準されると、前記測定装置１は前記ターゲット７３ａの測距、測角を行い、該ターゲット７３ａの３次元位置を測定する。

前記演算制御部２７は、前記ターゲット７３ａの測定結果及び該ターゲット７３ａと前記ターゲット７３ｂ間の距離Ａに基づき、前記測定装置本体２を基準とした前記ターゲット７３ａから前記ターゲット７３ｂへの偏角を演算し、又偏向方向を演算する。

演算された偏角、偏向方向に基づき、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂをそれぞれ回転させ、前記ターゲット７３ｂへ前記射出光軸３１を偏向する。この時、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの回転方向、回転量を前記演算制御部２７の記憶部に記憶しておくのが望ましい。

測距可能な範囲は、例えば１．５°であり、前記射出光軸３１を前記ターゲット７３ｂに向けた状態で、該ターゲット７３ｂが測距可能な範囲内である場合には、直ちに該ターゲット７３ｂの３次元位置を測定することができる。又、測距可能な範囲となっていない場合は、ターゲット検出光の前記ターゲット検出光受光素子５６に於ける受光位置を該ターゲット検出光受光素子５６の中心に移動させる様、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂをそれぞれ回転させ、前記ターゲット７３ｂの検出を行う。

該ターゲット７３ｂが前記ターゲット検出光受光素子５６の受光範囲内であれば、反射ターゲット検出光の前記ターゲット検出光受光素子５６上での受光を基に、該ターゲット検出光受光素子５６の中心からの偏差を求め、偏差が０になる様、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂをそれぞれ回転させ、視準を行う。

前記ターゲット７３ｂの測定後、前記ターゲット７３ａ，７３ｂの３次元位置と、前記機械制御部６６から受信した前記機体フレーム６３の前後方向の傾斜角を基に、前記演算制御部２７は前記ペーバー６１の向き（或は姿勢）、前後左右方向の傾斜を演算する。又、前記演算制御部２７は、前記ペーバー６１の向き（或は姿勢）、前後左右方向の傾斜に基づき、前記ペーバー６１の装置基準位置を演算し、前記通信部３０より前記機械制御部６６へと送信する。

又、前記ターゲット７３ｂの測定後、記憶した回転方向、回転量に基づき、該ターゲット７３ｂの測定時とは反対方向に、同じ回転量だけ前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを一体に回転させ、再度前記ターゲット７３ａを検出する。尚、該ターゲット７３ａが測距可能な範囲であれば直ちに測定が行われ、測距可能な範囲にない場合は、前記ターゲット７３ｂの測定時と同様に視準を行う。

前記ターゲット７３ａが視準されると、前記測定装置１は前記ターゲット７３ａの３次元位置の測定を行う。該ターゲット７３ａの３次元位置と、１回前に測定された前記ターゲット７３ｂの３次元位置と、前記機械制御部６６から受信した前記機体フレーム６３の前後方向の傾斜を基に、前記演算制御部２７は前記ペーバー６１の向き（或は姿勢）、前後左右方向の傾斜、装置基準位置を演算する。更に、前記演算制御部２７は、演算結果を前記機械制御部６６に送信する。

同様に、前記ターゲット７３ａ，７３ｂの測定は順次繰返され、即ち時分割で交互に測定され、前記演算制御部２７による演算結果が順次前記機械制御部６６に送信される。尚、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂは小型で軽量であるので高速で回転でき、前記ターゲット７３ａ，７３ｂ共に略リアルタイムで測定できる。前記機械制御部６６は、前記測定装置１から受信した前記ペーバー６１の向き（或は姿勢）、前後左右方向の傾斜、装置基準位置を基に、前記脚部６４、前記走行装置６５、前記スクリード６７を制御する。

上記した前記ターゲット７３ａ，７３ｂの交互測定は、前記ペーバー６１による作業中は常時連続して行われており、前記ターゲット７３ａ，７３ｂの測定結果及び前記機体フレーム６３の前後方向の傾斜から演算された前記ペーバー６１の向き（或は姿勢）、前後左右方向の傾斜、装置基準位置を基に、前記機械制御部６６は前記ペーバー６１をリアルタイムで制御することができる。

上述の様に、本実施例では、一方の前記ターゲット７３ａの３次元位置を測定した後、他方の前記ターゲット７３ｂを視準する際に、小型で軽量の前記光学プリズム４１ａ，４１ｂを回転させるだけでよい。

従って、他方の前記ターゲット７３ｂを視準する際に、前記上下駆動モータ９、前記左右駆動モータ１４を駆動させて前記測定装置本体２を回転させる必要がなく、前記ターゲット７３ａ，７３ｂの検出を前記射出光軸３１に対して±２０°の範囲で略タイムラグなく高速で行うことができる。

又、前記測定装置１は、測定対象のターゲットを切替えて前記ターゲット７３ａ，７３ｂを交互に高速で視準、検出することができるので、２つの前記ターゲット７３ａ，７３ｂに対して前記測定装置１は１台でよく、前記ペーバー６１の制御システムのシステムコストの低減を図ることができる。

又、使用する前記測定装置１を１台のみとすることで、設備費が抑えられると共に、従来の複数台の測定装置を用いる際の相互の位置関係の把握が不要となり、セットアップ作業の時間短縮及び作業性の向上を図ることができる。

更に、前記ターゲット７３ａ，７３ｂの視準、測定を１台の前記測定装置１で行っているので、該測定装置１が測定対象のターゲットを視準しているかどうかの確認が不要となり、作業性を向上させることができる。

尚、前記測定装置１と前記ペーバー６１との距離が近い等、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの偏向範囲である±２０°の範囲内に前記ターゲット７３ａ，７３ｂが存在しない場合には、前記光学プリズム４１ａ，４１ｂの回転と前記上下駆動モータ９、前記左右駆動モータ１４の駆動との協働により、前記ターゲット７３ａ，７３ｂの視準を行うことができる。この場合も、前記上下駆動モータ９と前記左右駆動モータ１４のみにより前記ターゲット７３ａ，７３ｂを視準する場合と比べ、大幅に時間の短縮が図れる。

又、該ターゲット７３ａ，７３ｂに加え、例えば進行方向後方の前記横ビーム６９に別途ターゲット７３ｃ（図示せず）を設けてもよい。この場合も、時分割で前記ターゲット７３ａ，７３ｂ，７３ｃ、該ターゲット７３ａ，７３ｂ，７３ｃ……の順序で測定を行う。前記ペーバー６１について３点を測定することで、前後方向の傾斜も測定できる。この場合、３つの前記ターゲット７３ａ，７３ｂ，７３ｃ及び前記測定装置１は、傾斜検出部の機能を兼ねるので、前記傾斜センサ７１を省略することができる。

尚、本実施例では、前記測定装置１を用いて前記ペーバー６１を制御する制御システムについて説明したが、ブルドーザ等、他の建設機械に対しても適用可能であることは言う迄もない。

１ 測定装置
２ 測定装置本体
３ 托架部
４ 台座部
９ 上下駆動モータ
１１ 上下回転角検出器
１４ 左右駆動モータ
１６ 左右回転角検出器
１７ 測距光射出部
１８ 受光部
１９ 測距部
２１ 撮像部
２２ 射出方向検出部
２４ ターゲット検出光射出部
２５ ターゲット検出光受光部
２６ 追尾部
２７ 演算制御部
３０ 通信部
３２ 発光素子
３５ 受光光軸
３７ 受光素子
３９ 光軸偏向部
３９ａ 測距光軸偏向部
３９ｂ 反射測距光軸偏向部
４１ａ，４１ｂ 光学プリズム
４７ 撮像光軸
５６ ターゲット検出光受光素子
６１ ペーバー
６３ 機体フレーム
６４ 脚部
６５ 走行装置
６６ 機械制御部
６７ スクリード
７１ 傾斜センサ
７３ａ〜７３ｃ ターゲット

Claims (9)

1. 土木工事を施工する建設機械と、該建設機械の位置、姿勢を測定する測定装置を具備する建設機械の制御システムであって、前記建設機械は該建設機械の所要位置に設置された少なくとも２のターゲットと、前後方向の傾斜を検出する傾斜検出部と、前記建設機械を駆動させる駆動部と、該駆動部を制御する機械制御部と、前記測定装置との間で通信可能な機械通信部とを具備し、前記測定装置は、測距光を射出し、反射測距光を受光して測距を行う測距部と、測距光、反射測距光の共通光路に設けられ、測距光、反射測距光の光軸を同一の偏角、同一の方向で偏向する光軸偏向部と、該光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部と、前記測距部の測距結果と前記射出方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元位置を測定し、測定結果を前記機械制御部に通信する測定制御部とを具備し、該測定制御部は前記光軸偏向部を制御して前記測距部に前記ターゲットを交互に視準させ、前記ターゲットを時分割で交互に測定させ、該ターゲットの３次元位置と前記傾斜検出部の検出結果に基づき前記建設機械の向きと前後左右の傾斜を演算し、前記機械制御部は前記測定制御部の演算結果に基づき前記駆動部を制御する建設機械の制御システム。
2. 前記傾斜検出部は、前記建設機械の機体フレームに設けられた傾斜センサである請求項１に記載の建設機械の制御システム。
3. 前記ターゲットが前記建設機械の３箇所に設けられ、前記測定装置により３の前記ターゲットの３次元位置を測定し、前記測定制御部は３の前記ターゲットの３次元位置に基づき前記建設機械の向きと前後左右の傾斜を演算する様構成された請求項１に記載の建設機械の制御システム。
4. 前記測定装置がターゲット検出光を射出するターゲット検出光射出部と、反射ターゲット検出光を受光するターゲット検出光受光部と、反射ターゲット検出光を受光することで前記ターゲットを検出し追尾する追尾部とを具備し、該追尾部は測定対象の前記ターゲットを切替える度に前記測距部に測定対象の前記ターゲットを検出させ視準させる請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載の建設機械の制御システム。
5. 前記測定装置は、前記測距部と、前記光軸偏向部と、前記射出方向検出部と、前記測定制御部とを収納する測定装置本体と、該測定装置本体を上下方向及び左右方向に回転可能に支持する支持部と、前記測定装置本体を上下方向及び左右方向に回転する回転駆動部と、前記測定装置本体の上下角、左右角を検出する角度検出器とを具備する請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載の建設機械の制御システム。
6. 前記光軸偏向部は、中心部に形成され、測距光を所要の偏角、所要の方向で偏向する測距光軸偏向部と、外周部に形成され、該測距光軸偏向部と同一の偏角、同一の方向で反射測距光を偏向する反射測距光軸偏向部とを有する請求項１〜請求項５のうちいずれか１項に記載の建設機械の制御システム。
7. 前記光軸偏向部は、重なり合う一対の円板状の光学プリズムで構成され、該光学プリズムのそれぞれは独立して回転可能である請求項６に記載の建設機械の制御システム。
8. 前記光軸偏向部を構成する前記光学プリズムは、フレネルプリズムである請求項７に記載の建設機械の制御システム。
9. 測距光の光軸と平行で既知の関係を有する撮像光軸を有する撮像部を更に具備し、前記光軸偏向部により偏向される測距光の偏向範囲と、前記撮像部の画角とが一致又は略一致する様構成された請求項１〜請求項８のうちいずれか１項に記載の建設機械の制御システム。

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