JP7462661B2 - 基準レーザの追跡システムおよび方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年２月８日に出願された米国仮特許出願第６２／８０３，１５２号および２０１９年１２月２０日に出願された米国実用特許出願第１６／７２１，９８１号の利益を主張し、それらの内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に、機械制御および動作に関し、より詳細には、基準レーザの追跡に関する。

建設用機械には、その機械および／または機械の器具の高さ（例えば、基準に対する高さ）を判定する回転レーザシステムを用いることができる。図１Ａは、レーザ発信器１４０の鉛直軸を中心に回転するレーザビーム１２８（「レーザ」ともいう）を出力するレーザ発信器１４０を含む回転レーザシステムを示す。レーザ発信器のミラー、光学部品および／または機械部品は、既知高さ１３２を有するレーザ基準面においてレーザを回転させる。レーザ検出器１１２は、マスト１１４に取り付けられている。レーザ検出器１１２は、従来技術でよく知られるように、レーザビーム１２８を、それがレーザ検出器１１２の複数のレーザ検出器素子（図１Ｂおよび図１Ｃの１１６）のうちの１つに当たるときに検出する。レーザ検出器素子は、レーザビーム１２８を検出できる光受容体、フォトダイオードまたは他の種類のセンサであってもよい。マスト１１４は、図１Ａに示されるようなブルドーザなどの機械１１０の器具１２０に取り付けられる。レーザ検出器１１２の高さは、レーザ１２８に対して判定され、機械の器具の高さは、器具１２０からレーザ検出器１１２までの距離が分かっているため、レーザ検出器１１２の高さに基づいて判定できる。

機械制御レーザ受信器は、通常、一般に１５０ｍｍ～２５０ｍｍの固定動作範囲を有する。レーザ検出器の動作範囲は、レーザビームを検出できる鉛直方向の長さである。従来のシステムでは、レーザ検出器の動作範囲は、レーザ検出器素子１１６がレーザビーム１２８を検出できる鉛直方向の長さ１１８に基づく。図１Ｂに示すように、レーザ検出器１１２の鉛直方向の長さ１１８は固定されている。機器の操作者は、使用前に勾配高さを得るために、レーザビーム１２８が複数のレーザ検出器素子１１６のうちの１つに当たるように、レーザ検出器１１２を位置決めしなければならない。レーザ検出器１１２は、操作者がレーザ検出器を垂直にマスト１１４に沿って移動できるよう、マスト１１４に移動可能に取り付けられる。レーザビーム１２８は裸眼では確認できないため、操作者は、レーザ検出器１１２がレーザ１２８の光路に入るまで、レーザ検出器１１２を垂直にマスト１１４に沿って移動させることによって、回転レーザビーム１２８を手動で探索しなければならない。遠隔制御によってレーザ受信器を範囲内に移動させるために、電動マストを提供しているメーカもある。これは受信器を手動で位置決めするよりも便利であるが、依然として送信器からのレーザ出力位置を突き止めるのにかなりの時間と手間がかかる。

図１Ｃは、複数のレーザ検出器素子１１６のうち、レーザ検出器１１２の下端付近に位置するレーザ検出器素子１１６に当たるレーザビーム１２８を示す。この状況は、レーザ検出器１１２が（この例ではレーザビーム１２８に対して上方に）移動したときに起こる。同様に、レーザ検出器１１２がレーザビーム１２８に対して下方に移動したとき、レーザ検出器素子１１６のうち、レーザ検出器１１２の上端付近に位置するレーザ検出器素子１１６がレーザビーム１２８を検出する。図１Ｂおよび図１Ｃに見られるように、レーザビーム１２８は、レーザ１２８が複数のレーザ検出器素子１１６のうちの１つに当たるときにのみ検出できる。したがって、レーザ検出器１１２の動作範囲は、その長さにより制限される。レーザビーム１２８がレーザ検出器素子１１６のうちの１つに当たらないようにレーザ検出器１１２を上方または下方に移動する場合、レーザ検出器１１２の高さは判定できない。例えば、レーザ検出器１１２が（例えば、操作者が器具１２０を上方に移動させることにより）上方に移動され、その結果、レーザビーム１２８がもはやレーザ検出器１１２に当たらず、代わりにマスト１１４または器具１２０に当たる場合、レーザ検出器１１２の高さは判定できない。レーザ検出器１１２が（例えば、操作者が器具１２０を下方に移動させることにより）下方に移動され、その結果、レーザビーム１２８がもはやレーザ検出器１１２に当たらず、代わりに機械１１０のキャブに当たる、または機械１１０のいずれの部分にも当たることなく移動する場合、レーザ検出器１１２の高さは判定できない。

ほとんどの機械制御レーザ検出器の他の一般的な特性として、レーザ検出器の出力速度は、レーザがレーザ検出器素子に当たる速度に直接関係する。一般的なレーザ発信器は、レーザ基準面でレーザビームを６００ｒｐｍ（１０Ｈｚ）で回転させ、それが回転と回転との間に１００ミリ秒に変換されるため、レーザ検出器は１０Ｈｚの速度でレーザビームを検出する。したがって、レーザ検出器は、レーザが検出されるのと同じ速度（この例では１０Ｈｚ）でレーザ受光（laser strike）に関する情報を出力する。レーザ検出器へのレーザの受光が連続で検出される間は、レーザ検出器の移動は検出されない。

そこで、基準レーザを追跡し、高速で高さ情報を提供し、効果的に広域な動作範囲を得るための、簡易かつ効率的な方法およびシステムが必要とされる。

レーザビームのレーザ検出器アセンブリへの受光を維持するシステムおよび方法は、回転レーザ発信器からのレーザビームのレーザセンサへの受光位置を判定することを含む。レーザ検出器アセンブリのマストに沿ったレーザセンサの現在位置が判定され、マストに沿ったレーザセンサの新たな位置が、レーザビームのレーザセンサへの受光位置およびレーザセンサの現在位置に基づいて判定される。そして、前記レーザセンサを前記新たな位置に移動させるために、コマンドがアクチュエータに送信される。一実施形態では、前記方法は、前記レーザセンサの前記現在位置および前記レーザセンサの前記新たな位置に基づいて、前記アクチュエータへの前記コマンドを計算することを含む。一実施形態では、前記コマンドは、前記レーザセンサの現在速度に基づいて計算される。一実施形態では、前記レーザセンサの前記現在位置を判定することは、さらに、慣性計測装置からデータを受信することと、前記慣性計測装置からの該データに基づいて前記新たな位置を判定することと、を含む。一実施形態では、前記レーザセンサおよび前記慣性計測装置からの前記データは、前記レーザセンサの前記新たな位置を判定する前にフィルタリングされる。

一実施形態では、レーザ検出器アセンブリは、マストと、マストに沿って移動可能かつレーザを検出するレーザセンサと、前記レーザセンサを移動させるアクチュエータと、レーザセンサ位置センサと、制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記レーザセンサ、前記レーザセンサ位置センサおよび前記アクチュエータと通信し、前記レーザを前記レーザ検出器アセンブリの動作範囲内に維持するように、前記アクチュエータを作動させるよう構成される。前記アクチュエータは、前記レーザセンサおよび前記レーザセンサ位置センサからのデータに基づいて作動されてもよい。前記レーザ検出器アセンブリは、さらに、慣性計測装置を備え、前記アクチュエータは、さらに、前記慣性計測装置からのデータに基づいて作動されてもよい。レーザセンサは、複数のレーザ検出器素子を備えてもよく、レーザセンサからのデータは、該レーザ検出器素子のうち、レーザが当たるレーザ検出器素子を識別できる。

図１Ａは、高さを判定する回転レーザシステムを示す図である。 図１Ｂは、複数のレーザ検出器素子のうちの１つにレーザビームが当たっているレーザ検出器を示す図である。 図１Ｃは、複数のレーザ検出器素子のうちの他の１つにレーザビームが当たっている図１Ｂのレーザ検出器を示す図である。 図２は、一実施形態におけるレーザ発信器を備える高さ制御システムおよびレーザ検出器アセンブリを示す図である。 図３は、一実施形態におけるレーザ検出器アセンブリを示す図である。 図４は、一実施形態におけるレーザセンサを示す図である。 図５は、一実施形態における図２に記載のレーザ検出器アセンブリのマストを示す図である。 図６Ａは、実施形態における、レーザ位置を検出し、レーザ検出器をマストに沿って移動させる方法を示すフローチャートである。 図６Ｂは、レーザ発信器から出力されるレーザビーム探索方法を示すフローチャートである。 図７は、レーザ検出器アセンブリを有する機械器具の異なる向きを示す図である。 図８は、実施形態における、レーザ受光を検出し、高さデータを出力する方法を示すフローチャートである。 図９は、実施形態におけるフィルタを用いて融合された計測値を示す概略図である。

図２は、レーザビーム１２８を出力するレーザ発信器１４０を示す。実施形態では、レーザ発信器１４０はレーザビーム１２８を出力し、それが垂直軸を中心に回転され、それにより水平なレーザ基準面１３０が形成される。実施形態では、レーザ発信器１４０の高さは既知である。したがって、レーザ基準面１３０の高さ１３２も既知である。このような回転レーザは当技術分野において知られている。

レーザビーム１２８は、レーザ検出器アセンブリ１００のレーザセンサ１５０によって検出され、レーザ検出器アセンブリ１００は、一実施形態では、レーザセンサ１５０と、マスト２５０と、基部２００とを備える（後に詳細に説明する）。レーザ検出器アセンブリ１００は、機械１１０の器具１２０（この例ではブルドーザのブレード）に搭載される。機械１１０は、一実施形態では、レーザ検出器アセンブリ１００からのデータに基づいて所望の現場計画に従って表面を修正するのに用いられる。

図３は、レーザ検出器基部２００を含むレーザ検出器アセンブリ１００の詳細を示す。マスト２５０は、レーザ検出器基部２００から垂直に延び、レーザセンサ１５０の支持体として用いられる。レーザセンサ１５０は、シャフト２２０に接続されたモータ２０５（アクチュエータともいう）によってマスト２５０に沿って移動できる。一実施形態では、レーザセンサ１５０は、高さ幅が約１００ミリメートルであり、一列またはアレイ状に並ぶフォトダイオードである複数のレーザ検出器素子３１０を備える。他の実施形態では、レーザセンサは、他の種類のセンサを含んでもよく、他の高さ幅、例えば、５０〜２５０ミリメートルの長さを有してもよい。一実施形態では、約１００ミリメートルの高さ幅を有するレーザセンサは、長いマスト上に移動可能に配置され、それにより、高さ幅が短いレーザセンサで広い検出範囲が得られ、その結果、高さ幅の長いレーザセンサに比べて低コストとなる。歯付きプーリ２２２は、シャフト２２０に取り付けられ、キャリッジ２６０に接続された歯付きベルト２１５と係合する。歯付きベルト２１５はまた、マスト２５０の端部付近のシャフト２２４上に位置するアイドラプーリ２３２と係合する。アイドラプーリ２３２と歯付きプーリ２２２とは、歯付きベルト２１５の所望の張力を維持するのに必要な距離だけ離間している。一実施形態による動作では、モータ２０５は、シャフト２２０と歯付きプーリ２２２とを回転させ、それにより、歯付きベルト２１５がマスト２５０の長さ方向に沿って移動する。歯付きベルト２１５の移動により、キャリッジ２６０は、モータ２０５の回転方向に基づき、マスト２５０の長さ方向に沿って、矢印１５１に示される第１方向または矢印１５２に示される第２方向に移動する。歯付きプーリと歯付きベルトとは、キャリッジ２６０の位置と位置センサ２２５（後述する）との間の位置合わせを維持するのに用いられる。

キャリッジ２６０は、歯付きベルト２１５に取り付けられ、歯付きベルト２１５の移動に応じてマスト２５０内を移動する。キャリッジ２６０は、一実施形態では、円筒状であり、シャフト２５０内に嵌合する大きさである。キャリッジ２６０は、その周囲にレーザセンサ１５０の磁石２４６を磁気的に引き付ける複数の磁石２４５を有する。磁石２４５と磁石２４６との間の引力により、キャリッジ２６０がマスト２５０の長さ方向に沿って移動するときも、レーザセンサ１５０は、キャリッジ２６０に隣接する位置に維持される。キャリッジ２６０は、一実施形態では、レーザ検出器素子３１０がレーザビーム１２８の視野に入るよう自動で移動される。例えば、図１Ｃに示すように、レーザ１２８は、器具１２０の上方移動（例えば、操作者が器具１２０を移動させることによる、または機械１１０の上方移動に伴って器具１２０が上方に移動する）と、結果的に生じるレーザ検出器１１２の上方移動とによって、複数のレーザ検出器素子１１６のうち、レーザ検出器１１２の端部付近に位置するレーザ検出器素子１１６によって検出される。レーザ検出器１１２が上方に移動し続けると、レーザ１２８は複数のレーザ検出器素子１１６のいずれにも検出されなくなる。図３に示される実施形態では、キャリッジ２６０は、レーザビーム１２８をレーザセンサ１５０の鉛直方向の中心付近の一点に当てるために、マスト２５０の長さ方向に沿って下方に移動させることができる。

シャフト２２０はまた、シャフト２２０の回転を感知する位置センサ２２５が取り付けられる。シャフト２２０の位置および回転は歯付きベルト２１５の直線運動に直接関係し、キャリッジ２６０は歯付きベルト２１５に取り付けられているので、マスト２５０の長さ方向に沿ったキャリッジ２６０の位置は、位置センサ２２５によって検出されるシャフト２２０の位置および回転に基づいて判定できる。歯付きプーリと歯付きベルトとで、キャリッジ２６０の位置と位置センサ２２５との間の位置合わせを維持する。キャリッジ２６０の位置と位置センサ２２５との間の位置合わせを維持するために、歯付きプーリと歯付きベルトとによる構成の代わりに他の構成を用いてもよい。一実施形態では、位置センサ２２５はロータリエンコーダであるが、回転を感知する他の種類のセンサであってもよい。位置センサ２２５からのデータは、コンピュータ２３５に送信される。

尚、モータ２０５は、作動され、キャリッジ２６０をマスト２５０の長さ方向に沿って移動させる。しかし、マスト２５０の長さ方向に沿ってキャリッジ２６０を移動させるのに、他の種類のアクチュエータを用いてもよい。例えば、マスト２５０の長さ方向に沿ってキャリッジ２６０を移動させるのに、油圧式または空圧式リニアアクチュエータを用いてもよい。マスト２５０の長さ方向に沿ったキャリッジ２６０の位置を判定するのに、異なる種類のアクチュエータは、異なる種類のセンサを必要とする場合もある。そのような実施形態では、キャリッジ２６０の位置を判定する特定のセンサは、使用されるアクチュエータの種類に基づいて選択され用いられる。

コンピュータ２３５は、レーザ検出器アセンブリ１００の様々な構成要素からデータを受信し、回転レーザビーム１２８が常にレーザセンサ１５０に当たるようにし、レーザ基準面１３０に対する器具１２０の高さを判定する。コンピュータ２３５は、このような動作を規定するコンピュータプログラム指示を実行することによって、コンピュータ２３５の全体動作を制御するプロセッサ２３６を含む。コンピュータプログラム指示は、記憶装置２３８または他のコンピュータ読み取り可能媒体（例えば、磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭなど）に記憶され、コンピュータプログラム指示を実行したいときにメモリ２３７に取り込まれてもよい。したがって、図６Ａ、図６Ｂおよび図８における方法ステップは、メモリ２３７および／または記憶装置２３８に記憶されたコンピュータプログラム指示によって規定でき、コンピュータプログラム指示を実行するプロセッサ２３６により制御できる。例えば、コンピュータプログラム指示は、図６Ａ、図６Ｂおよび図８の方法ステップに規定されるアルゴリズムを実行するように当業者によってプログラムされたコンピュータ実行可能コードとして実現できる。したがって、コンピュータプログラム指示を実行することにより、プロセッサ２３６は、図６Ａ、図６Ｂおよび図８の方法ステップに規定されるアルゴリズムを実行する。コンピュータ２３５は、また、ネットワークを介して他の装置と通信する１つまたは複数のネットワークインターフェース（図示せず）や、コンピュータ２３５とのユーザ対話を可能にする入出力装置（例えば、ディスプレイ、キーボード、マウス、スピーカ、ボタンなど）を含んでもよい。当業者とって当然のことながら、実際のコンピュータの実装形態は、他の構成要素も同様に含んでもよく、図３に示されるコンピュータ２３５は、例示を目的としてそのようなコンピュータの構成要素のうち、いくつかの構成要素を高度に示したものである。

慣性計測装置（「ＩＭＵ」）２３０は、レーザ検出器基部２００に配置される。ＩＭＵ２３０は、１つまたは複数の加速度計（例えば、３軸加速度計）および／またはジャイロスコープ（例えば、３軸ジャイロスコープ）を用いて移動を感知する。一実施形態では、レーザ検出器基部２００は、機械１１０の器具１２０に取り付けられる。したがって、ＩＭＵが器具１２０の動きを検出しても、器具１２０は移動される。例えば、器具は、器具１２０を作動させる機械１１０の操作者によって移動できる。器具１２０はまた、表面上の機械１１０の移動に基づいて移動できる。ＩＭＵ２３０は、移動を判定でき、ＩＭＵ２３０の移動に関するデータは、他の装置に送信できる。

無線機２４０は、レーザセンサ１５０からデータを受信するのに用いられる。図４は、複数のレーザ検出器素子３１０を有するレーザセンサ１５０を示す。レーザセンサ１５０は、レーザ検出に関するデータをプロセッサ３２０に送信する。一実施形態では、プロセッサ３２０は、レーザセンサ１５０からのデータを分析し、レーザビーム１２８が当たるレーザセンサ１５０の鉛直軸に沿ったレーザの鉛直方向の位置を判定する。例えば、レーザセンサ１５０の鉛直方向の中心に位置する検出器素子がレーザビーム１２８を検出する場合、レーザ１２８がレーザセンサ１５０の鉛直方向の略中心に当たっていることが分かる。同様に、レーザセンサの一端における検出器素子がレーザビーム１２８を検出する場合、レーザビーム１２８がレーザセンサ１５０の端部に当たっていることが分かる。プロセッサ３２０は、鉛直方向の位置データを、レーザ検出器基部２００に配置された無線機２４０に送信するために無線機３３０に送信する（図３に示す）。一実施形態では、無線機２４０は、無線機３３０からデータを受信するのに用いられ、高さデータ等のデータは、後述のように、有線接続を用いて、コンピュータ２３５から他の装置に送信される。

コンピュータ２３５は、無線機２４０と通信する。コンピュータ２３５によって計算された高さデータ（後に詳細に説明する）は、機械１１０（図２に示す）の動作に関連する機械制御インジケータ（図示せず）など他の装置に送信できる。無線機２４０を介してコンピュータ２３５からデータが送信されることにより、一実施形態では、図２に示される機械１１０などの機械の動作の自動化が容易になる。例えば、機械１１０による器具１２０の作動は、所望の勾配に基づいて表面を修正するのにコンピュータ２３５によって計算された高さデータを用いるよう自動化できる。一実施形態では、コンピュータ２３５によって計算された高さデータは、有線接続を用いて他の装置に送信される。例えば、コンピュータ２３５上に配置されたコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）コネクタを、有線接続を用いて各装置をコンピュータ２３５に接続するのに用いてもよい。さらに、他の種類の有線接続を用いてもよい。

図５は、マスト２５０Ａの下端に配置されたレーザセンサ１５０Ａを有するレーザ検出器アセンブリ１００Ａを示す。レーザ検出器アセンブリ１００Ｂは、レーザセンサ１５０Ｂがマスト２５０Ｂの上端に配置された状態で示されている。レーザ検出器アセンブリ１００Ａとレーザ検出器アセンブリ１００Ｂとを並べて比較することにより、レーザ検出器アセンブリ１００の動作範囲４００が示される。レーザ検出器アセンブリ１００の動作範囲４００は、レーザセンサ１５０のレーザ検出器素子３１０のうちの１つがレーザビーム１２８を検出できる範囲である。従来のレーザセンサの固定動作範囲が、固定レーザセンサのレーザ検出器素子の鉛直方向の長さに限定されるのに対し、レーザセンサ１５０は、動作中、垂直にマスト１５０の長さ方向に沿って移動することができ、それによって、レーザビーム１２８を検出できるより広い動作範囲が得られる。一実施形態では、動作範囲４００は約２メートルである。動作範囲４００は、要求される勾配補正、機械および器具の種類など、マスト２５０の鉛直方向の長さの選択に影響を及ぼす様々な要因に基づいて、それよりも長くても短くてもよい。

図６は、一実施形態における、レーザビーム１２８が常にレーザセンサ１５０に当たるように、レーザセンサ１５０上のレーザビーム位置を検出し、レーザセンサ１５０をマスト２５０の長さ方向に沿って移動させる方法５００を示すフローチャートである。この方法は、一実施形態では、コンピュータ２３５（図３に示す）によって制御され、ステップ５０４から始まり、そこでレーザビーム１２８（図３に示す）がレーザ検出器素子３１０のうちの１つまたは複数によって検出されるか否かが判定される。

ステップ５０４においてレーザ１２８が検出される場合、この方法はステップ５０６に進み、レーザセンサ１５０に当たるレーザビーム１２８が検出された位置（すなわち、レーザが当たる特定の検出器素子３１０）を判定するために、レーザセンサ１５０から受信したデータを分析する。ステップ５０８において、マスト２５０に沿ったキャリッジ２６０（ひいてはレーザセンサ１５０）の位置を特定するデータが位置センサ２２５から受信される。ステップ５１０において、データ（例えば、移動データ）がＩＭＵ２３０から受信される。ステップ５１２では、ステップ５０６でレーザセンサ１５０から受信されたデータ、ステップ５０８で位置センサ２２５から受信されたデータ、およびステップ５１０でＩＭＵ２３０から受信されたデータがフィルタリングされる。データのフィルタリングについては、図９に関連して後にさらに詳細に説明する。ステップ５１４では、レーザセンサ１５０から受信したデータに基づいて、レーザビーム１２８がレーザセンサ１５０に当たる鉛直方向の位置が計算される。例えば、複数のレーザ検出器素子３１０のうち、特定のレーザ検出器素子３１０は、それぞれレーザセンサ１５０に対して特定の位置に配置される。レーザ１２８が複数のレーザ検出器素子３１０のうち、特定のレーザ検出器素子３１０によって検出される場合、複数のレーザ検出器素子３１０の各々の既知位置に基づいて、レーザ１２８がレーザセンサ１５０の長さ方向に沿ったどこに当たるのかが分かる。ステップ５１６で、キャリッジ２６０（互いに磁気的に結合されているため、ひいては、レーザセンサ１５０）の新たな位置が計算される。レーザ基準面１３０のレーザが常にレーザセンサ１５０上の略中心に位置するように、キャリッジ２６０の新たな位置は、キャリッジ２６０の現在位置と、キャリッジ２６０がどの鉛直方向の位置に移動する必要があるかと、移動距離とに基づく。

ステップ５１８では、ステップ５１６で計算された新たなキャリッジ位置に基づいてキャリッジ２６０を移動させるために、モータ２０５に回転を命令するモータコマンドが計算される。ステップ５２０において、モータ２０５を回転させ、キャリッジ２６０（およびレーザセンサ１５０）をステップ５１６で計算された新たなキャリッジ位置に移動させるために、モータ２０５への信号がモータ制御装置２１０を介して送信される。この方法は、ステップ５２０からステップ５０４に戻り、処理が継続される。方法５００は、レーザビーム１２８をレーザセンサ１５０の略中心に維持するように、必要に応じてコンピュータ２３５によって開始、停止できる。

ステップ５０４に戻り、レーザが検出されない場合、この方法はステップ５０８に進み、マスト２５０に沿ったキャリッジ２６０の位置を特定するデータが位置センサ２２５から受信され、この方法は上述のように継続される。

一実施形態では、検索モードは、レーザ検出器アセンブリの起動時にレーザ発信器から出力されるレーザビームの高さを求めるのに用いられる。図６Ｂは、検索モードにおける方法５５０を示すフローチャートである。レーザ検出器アセンブリの初期起動時には、レーザビームはレーザセンサに当たらなくてもよい。検索モードにおいて、レーザビームがレーザセンサによって検出されるまでキャリッジが移動する。この方法は、ステップ５５２から始まり、そこでレーザビームがレーザセンサによって検出されたかどうかが判定される。レーザビームがレーザセンサによって検出された場合、この方法はステップ５５８に進み、ここで図６Ａに示す方法５００が開始され、上述のようにキャリッジを移動させることによりレーザビームを追跡し続ける。ステップ５５２においてレーザビームが検出されない場合、この方法はステップ５５４に進み、モータコマンドが計算される。始動中、キャリッジはマストの最上または最下位置に移動され、モータコマンドが計算され、キャリッジをマスト２５０の反対側の端部に向かって徐々に移動させる。ステップ５５６では、ステップ５５４で計算されたコマンドが、キャリッジを移動させるモータを作動させるのに用いられる。一実施形態では、キャリッジがマストの反対側の端部に到達すると、ステップ５５４で計算されたモータコマンドによって、キャリッジは元の位置に向かって反対方向に移動される。一実施形態では、方法５５０は、レーザビームがレーザセンサによって検出されるか、またはこの方法がユーザによって停止されるまで継続される。一実施形態では、方法５５０は、コンピュータ２３５によって停止されるまで、設定期間またはマストに沿って何度も反対移動が行われる間継続される。

一実施形態では、方法５５０において示された検索モードは、コンピュータ２３５が方法５００を行っている間、レーザビームがある期間、例えば約１～２秒間レーザセンサによって検出されなかった場合にも用いられる。方法５５０は、方法５５０のステップ５５２においてレーザセンサによってレーザビームが検出されるまで行われる。一実施形態では、方法５５０のステップを方法５００のステップに組み込んでもよい。設定期間またはマストの長さ方向に沿って何度もキャリッジ移動が行われた後、方法５５０を用いてレーザビームが検出されない場合、ユーザ通知用のエラーメッセージを生成し、ユーザに出力してもよい。

一実施形態では、レーザセンサ１５０を上下に移動させる必要があるかどうかを判定するために、追加情報が考慮される。この実施形態では、ステップ５０６において、レーザセンサ１５０がレーザビーム１２８に対して上方向または下方向に移動しているように見えるパターンでレーザ１２８が検出器素子３１０によって最後に検出されたかどうかがさらに判定される。コンピュータ２３５は、パターンに基づいて、レーザセンサ１５０がレーザビーム１２８に対して上方または下方に移動しているように見える速度を判定できる。例えば、レーザビーム１２８が第１の検出器素子から始まる一連の検出器素子によって検出され、第１の検出素子の垂直上方に位置する検出器素子によって順次検出される場合、レーザセンサ１５０が下方に移動していることが分かる。同様に、レーザ１２８が第１の検出素子から始まる一連の検出器素子によって検出され、第１の検出素子の垂直下方に位置する検出器素子によって順次検出される場合、レーザセンサ１５０が上方に移動していることが分かる。一実施形態では、ステップ５１８において、レーザビーム１２８がレーザセンサ１５０に対して垂直に移動していると判定された方向および速度に基づいて、コンピュータ２３５によってモータコマンドが計算される。例えば、レーザが特定の速度で上方に移動していると判定された場合、コンピュータ２３５は、レーザが検出器素子３１０のうち、特定の検出器素子３１０、例えばレーザセンサ１５０の中心付近に垂直に配置された検出器素子３１０の視野に入るのに必要なモータ２０５の回転量を計算する。ステップ５１０において、コンピュータ２３５は、モータ制御装置２１０に信号を出力し、モータ制御装置は、コンピュータ２３５から受信した信号に基づいてモータ２０５を作動させる。ステップ５１０においてモータが移動されると、この方法はステップ５０４に戻る。

図９は、カルマンフィルタ８０１、８０２および８０３が、位置センサ２２５、ＩＭＵ２３０およびレーザセンサ１５０からの測定値を融合するのに用いられる実施形態を示す。図９に示すように、位置センサ２２５、ＩＭＵ２３０およびレーザセンサ１５０からのデータは、カルマンフィルタ８０１、８０２および８０３によってそれぞれフィルタリングされる。そして、フィルタリングされたデータは、コンピュータ２３５によって受信され、コンピュータ２３５は、適切なモータコマンドを計算し、図６に関連して説明したように、モータ制御装置２１０にコマンドを送信する。カルマンフィルタを用いて測定値を融合することにより、レーザセンサ１５０に関する位置および移動情報が得られる。本明細書で説明するカルマンフィルタは、ソフトウェアベースであってもハードウェアベースであってもよく、またはソフトウェアとハードウェアの組合せであってもよい。一実施形態では、カルマンフィルタの目的は、レーザセンサの位置および速度と、レーザ検出器基部２００に対するマストに沿った推定レーザ受光位置とを推定することにある。位置および移動情報は、例えば、方法５００のステップ５０８および／または５２４において、マスト２５０に沿ってレーザセンサ１５０を位置決めするためのモータコマンドを計算するのに用いられる。

レーザ１２８がレーザセンサ１５０に当たる周波数は、レーザ発信器１４０の垂直軸を中心としたレーザ１２８の回転速度に依る。レーザ発信器１４０を中心としたレーザ１２８の一般的な回転速度は約６００回／分であり、その結果、レーザ１２８は１０Ｈｚの周波数でレーザセンサ１５０に当たる。ＩＭＵ２３０からのデータを用いてレーザ検出器アセンブリ１００の移動を感知することにより、ＩＭＵ２３０からのデータに基づいてレーザ受光位置の変化を予測できるため、レーザ受光周波数よりも高い周波数で高さ値を出力できる。したがって、高さ値が計算される周波数は、レーザ受光周波数とは無関係であり、ＩＭＵ２３０からのデータの受信周波数およびコンピュータ２３５が高さ値を計算できる周波数によって裏付けられる所望の周波数であってもよい。

一実施形態では、２つのカルマンフィルタ８０１および８０２が、レーザセンサ１５０の動きおよびレーザ受光位置を切り離して追跡するために、位置センサ２２５およびＩＭＵ２３０からのデータを１００Ｈｚで同時に処理する。カルマンフィルタ８０１は、位置センサ２２５の測定値を処理し、また、モータ制御装置２１０に送信されたモータコマンドを用いて、マスト２５０に対するレーザセンサ１５０の速度についてより良好な推定値を得る。カルマンフィルタ８０２は、ＩＭＵ測定値を処理し、ＩＭＵ２３０を用いて、実際のレーザ受光間のレーザ受光位置を推定する。これにより、推定レーザ受光位置を１００Ｈｚで報告できる。

カルマンフィルタ８０３は、上述したように、通常、約１０Ｈｚで受信されるレーザセンサ測定値を処理する。レーザセンサ測定値は、レーザ受光位置と検出器位置との間の相対距離を示すので、カルマンフィルタ８０３は、検出器とレーザ受光位置との両方の動きを合わせて追跡する。カルマンフィルタ８０３により、マスト加速度カルマンフィルタ８０２が時間と共に分散するのを防止できる。上述したように、一実施形態では、３つのカルマンフィルタが用いられる。他の実施形態では、３つ未満のカルマンフィルタが用いられてもよい。

図７（ａ）は、レーザ基準面１３０に平行な最下縁部を有する器具１２０を示す。しかしながら、器具１２０は、必ずしもレーザ基準面１３０に平行に配置されなくてもよい。例えば、器具１２０に関連する機械は、器具１２０が取り付けられる機械の長手方向軸を中心に器具１２０を回転可能であってもよい。また、器具１２０が取り付けられる機械は、斜面などの非平坦地面の上を移動することがあり、それにより、器具１２０がレーザ基準面１３０と平行にならない場合がある。図７（ｂ）は、レーザ基準面１３０に平行でない最上縁部を有する器具１２０Ａを示す。器具１２０Ａは、操作者が器具１２０Ａを移動させるのに対応して、または傾斜を横切って移動する機械１１０に対応して、機械１１０の長手方向軸を中心に回転できる。図７（ａ）および図７（ｂ）に示されるように、座標系６００によって示されるように３次元空間において器具１２０Ａを回転するには、レーザ基準面１３０のレーザがレーザセンサ１５０Ａの略中心に位置するように、矢印６１０に示されるように、レーザセンサ１５０Ａを器具１２０Ａに向かって移動させる必要がある。

鉛直方向に対するマスト２５０の向きの変化を考慮して、相補フィルタが用いられる。相補フィルタによって、３軸加速度計からのデータと、ＩＭＵ２３０によって得られた３軸ジャイロスコープ測定値からのデータとを融合し、ＩＭＵ２３０の座標系における重力の方向を示す単位ベクトルが得られる。単位重力ベクトルは、垂直面に対するマストの角度を判定するのに用いられる。この角度は、ＩＭＵ２３０からの３軸加速度計の読み取り値を推測し、マスト軸に沿ったマストの加速度を得るのに用いられる。回転レーザ面が世界基準系において固定されている場合、この加速度は、マストフレームの座標系において表わされる、マストフレームに沿ったレーザ受光位置の加速度として解釈される。実験から、垂直面に対して２０度までのモータ制御には、単位重力ベクトルの推定で十分である。他の実施形態では、拡張カルマンフィルタ、アンセンテッドカルマンフィルタまたは粒子フィルタなど、他のタイプのフィルタが用いられてもよい。これらのフィルタは、単独で用いられてもよいし、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタおよび／または他のタイプのフィルタなど他のフィルタと組み合わせて用いられてもよい。

図８は、レーザセンサ１５０に当たるレーザビーム１２８を検出し高さデータを出力するためにコンピュータ２３５によって行われる方法７００を示すフローチャートである。ステップ７０２において、レーザビーム１２８が、レーザセンサ１５０によって検出される。ステップ７０４において、レーザ１２８のレーザセンサ１５０への受光位置が判定される。例えば、レーザビーム１２８は、レーザセンサ１５０の長さ方向に沿う既知位置に配置されたレーザ検出器素子１１６のうち、特定のレーザ検出器素子１１６によって検出される。ステップ７０６において、キャリッジ２６０の位置（磁気カップリングに基づいてレーザセンサ１５０と同じ位置である）は、位置センサ２２５からのデータに基づいて判定される。ステップ７０８において、ＩＭＵ２３０からのデータが読み取られる。一実施形態では、ＩＭＵ２３０からのセンサデータは、コンピュータ２３５に送信され、マスト２５０に沿った回転レーザビーム１２８の推定レーザ受光位置および移動を判定するのに用いることができる。ステップ７１０において、高さ値が判定される（後に詳細に説明する）。一実施形態では、高さ値は、器具１２０の底縁部の高さを示す。他の実施形態では、高さ値は、レーザ検出器基部２００の高さなど他の高さを示してもよい。ステップ７１２において、高さ値がコンピュータ２３５から出力され、無線機２４０に送信され、無線機２４０は、高さ値を機械１１０のキャブに配置された制御装置など他の装置に送信する。

ステップ７１０で判定された高さ値は、様々なデータおよび方法を用いて計算できる。一実施形態では、レーザ受光が検出された位置からレーザ検出器基部２００までの距離は、レーザセンサ１５０上のレーザ受光位置と、レーザ受光が検出された際のレーザ検出器基部２００からのレーザセンサ１５０の距離とに基づいて計算される。この高さ値は、レーザ検出器アセンブリ１００が垂直面から傾斜しているかどうかを考慮していない。レーザ検出器アセンブリ１００が垂直面から傾斜する可能性が低い場合、この方法を用いて高さ値を計算することで十分である。

一実施形態では、高さ値は、ＩＭＵ２３０からの追加情報に基づいて計算される。このような実施形態では、高さ値は、レーザ受光が検出された位置からレーザ検出器基部２００までの距離、ならびにレーザ検出器アセンブリ１００が垂直面から傾斜する角度に関するＩＭＵ２３０からの情報に基づいて計算される。図７および上に示したように、レーザ検出器アセンブリ１００の傾きにより、世界基準系における垂直面とマスト基準系における垂直面との間に差が生じる。これにより、ＩＭＵ２３０からのデータを世界基準系における垂直面からのレーザ検出器アセンブリ１００の偏差を判定するのに用いない限り、高さ計算において誤差が生じ得る。

一実施形態では、レーザセンサ１５０、位置センサ２２５およびＩＭＵ２３０からのデータは、ステップ７１０で判定された高さ値を計算するのに用いられる。このような実施形態では、ＩＭＵ２３０からのデータは、垂直面からのレーザ検出器アセンブリ１００の傾き、ならびにマスト２５０に沿った回転レーザビーム１２８の推定レーザ受光位置および移動に関する。３つの装置全てからのデータを用いて高さ値を計算することにより、通常、上述の他の方法と比べて正確な値が得られる。さらに、３つの装置から受信したデータは、上述のようにレーザセンサ１５０によって検出されたレーザ受光周波数よりも高い周波数における高さ値を計算するのに用いることができる。

以上の「発明を実施するための形態」は、あらゆる点において例示的であって限定的ではないものとして理解されるべきであり、本明細書に開示される本発明概念の範囲は、「発明を実施するための形態」から判断されるのではなく、各特許法において認められる全容に渡って解釈される特許請求の範囲から判断されるべきものである。当然のことながら、本明細書に図示、説明された実施形態は、本発明概念の原理を例示したにすぎず、本発明概念の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者によって様々な修正が行われてもよい。当業者は、本発明の概念の範囲および趣旨から逸脱することなく、他の様々な特徴の組合せを実現できるであろう。

Claims (20)

1. マストに沿って移動可能なレーザセンサの位置決めをするための方法であって、
   回転レーザ発信器からのレーザの前記レーザセンサへの受光位置を判定することと、ただし前記レーザセンサは、前記マストの外部に位置しており、かつ、前記マストの内部に位置するキャリッジに対して磁気的に結合しており、
   前記マストに沿った前記レーザセンサの現在位置を判定することと、
   前記レーザの前記レーザセンサへの前記受光位置および前記レーザセンサの前記現在位置に基づいて、前記マストに沿った前記レーザセンサの新たな位置を判定することと、
   前記キャリッジを移動させることによって前記レーザセンサを前記新たな位置に移動させるために、コマンドをアクチュエータに送信することと、を含む、
   ことを特徴とする、方法。
2. 請求項１において、
   前記レーザセンサの前記現在位置および前記レーザセンサの前記新たな位置に基づいて、前記アクチュエータへの前記コマンドを計算することをさらに含む、
   ことを特徴とする、方法。
3. 請求項２において、
   前記レーザセンサの前記現在位置を判定することはさらに、慣性計測装置からデータを受信することを含み、
   前記レーザセンサの前記新たな位置を判定することは、さらに、前記慣性計測装置からの該データに基づく、
   ことを特徴とする、方法。
4. 請求項３において、
   前記レーザセンサの前記現在位置を判定することは、さらに、前記マストに沿った前記レーザセンサの前記現在位置を特定する位置センサからのデータを受信することを含み、
   前記マストに沿った前記レーザセンサの前記現在位置を特定する前記データおよび前記慣性計測装置からの前記データは、前記レーザセンサの前記新たな位置を判定する前にフィルタリングされる、
   ことを特徴とする、方法。
5. 請求項１において、
   前記アクチュエータは、前記キャリッジを移動させることにより、前記レーザセンサを垂直に前記マストに沿って移動させるよう構成される、
   ことを特徴とする、方法。
6. 請求項２において、
   前記コマンドを計算することは、さらに、前記レーザセンサの現在速度に基づく、
   ことを特徴とする、方法。
7. マストに沿って移動可能なレーザセンサの位置決めをするための装置であって、
   コンピュータプログラム指示を記憶するメモリと、
   前記メモリに通信可能に結合され、かつ前記コンピュータプログラム指示を実行するよう構成されたプロセッサと、を備える装置であって、
   前記コンピュータプログラム指示は、前記プロセッサ上で実行されると、前記プロセッサに、
   回転レーザ発信器からのレーザの前記レーザセンサへの受光位置を判定することと、ただし前記レーザセンサは、前記マストの外部に位置しており、かつ、前記マストの内部に位置するキャリッジに対して磁気的に結合しており、
   前記マストに沿った前記レーザセンサの現在位置を判定することと、
   前記レーザの前記レーザセンサへの前記受光位置および前記レーザセンサの前記現在位置に基づいて、前記マストに沿った前記レーザセンサの新たな位置を判定することと、
   前記キャリッジを移動させることによって前記レーザセンサを前記新たな位置に移動させるために、コマンドをアクチュエータに送信することと、を含む動作を行わせる、
   ことを特徴とする、装置。
8. 請求項７において、
   前記動作はさらに、前記レーザセンサの前記現在位置および前記レーザセンサの前記新たな位置に基づいて、前記アクチュエータへの前記コマンドを計算することを含む、
   ことを特徴とする、装置。
9. 請求項８において、
   前記レーザセンサの前記現在位置を判定することはさらに、慣性計測装置からデータを受信することを含み、
   前記レーザセンサの前記新たな位置を判定することは、さらに、前記慣性計測装置からの該データに基づく、
   ことを特徴とする、装置。
10. 請求項９において、
    前記レーザセンサの前記現在位置を判定することは、さらに、前記マストに沿った前記レーザセンサの前記現在位置を特定する位置センサからのデータを受信することを含み、
    前記マストに沿った前記レーザセンサの前記現在位置を特定する前記データおよび前記慣性計測装置からの前記データは、前記レーザセンサの前記新たな位置を判定する前にフィルタリングされる、
    ことを特徴とする、装置。
11. 請求項７において、
    前記アクチュエータは、前記キャリッジを移動させることにより、前記レーザセンサを垂直に前記マストに沿って移動させるよう構成される、
    ことを特徴とする、装置。
12. 請求項８において、
    前記コマンドを計算することは、さらに、前記レーザセンサの現在速度に基づく、
    ことを特徴とする、装置。
13. マストに沿って移動可能なレーザセンサの位置決めをするためのコンピュータプログラム指示を記憶するコンピュータ読み取り可能媒体であって、
    前記コンピュータプログラム指示は、プロセッサ上で実行されると、前記プロセッサに、
    回転レーザ発信器からのレーザの前記レーザセンサへの受光位置を判定することと、ただし前記レーザセンサは、前記マストの外部に位置しており、かつ、前記マストの内部に位置するキャリッジに対して磁気的に結合しており、
    前記マストに沿った前記レーザセンサの現在位置を判定することと、
    前記レーザの前記レーザセンサへの前記受光位置および前記レーザセンサの前記現在位置に基づいて、前記マストに沿った前記レーザセンサの新たな位置を判定することと、
    前記キャリッジを移動させることによって前記レーザセンサを前記新たな位置に移動させるために、コマンドをアクチュエータに送信することと、を含む動作を行わせる、
    ことを特徴とする、コンピュータ読み取り可能媒体。
14. 請求項１３において、
    前記動作はさらに、前記レーザセンサの前記現在位置および前記レーザセンサの前記新たな位置に基づいて、前記アクチュエータへの前記コマンドを計算することを含む、
    ことを特徴とする、コンピュータ読み取り可能媒体。
15. 請求項１４において、
    前記レーザセンサの前記現在位置を判定することはさらに、慣性計測装置からデータを受信することを含み、
    前記レーザセンサの前記新たな位置を判定することは、さらに、前記慣性計測装置からの該データに基づく、
    ことを特徴とする、コンピュータ読み取り可能媒体。
16. 請求項１５において、
    前記マストに沿った前記レーザセンサの前記現在位置を特定するデータおよび前記慣性計測装置からの前記データは、前記レーザセンサの前記新たな位置を判定する前にフィルタリングされる、
    ことを特徴とする、コンピュータ読み取り可能媒体。
17. レーザ検出器アセンブリであって、
    マストと、
    前記マストに沿って移動可能であり、回転レーザ発信器からのレーザ出力を検出するよう構成されたレーザセンサと、ただし前記レーザセンサは、前記マストの外部に位置しており、かつ、前記マストの内部に位置するキャリッジに対して磁気的に結合しており、
    前記キャリッジを移動させることにより前記レーザセンサを前記マストに沿って移動させるアクチュエータと、
    レーザセンサ位置センサと、
    前記レーザセンサ、前記レーザセンサ位置センサおよび前記アクチュエータと通信する制御装置であって、前記回転レーザ発信器からの前記レーザ出力を前記レーザ検出器アセンブリの動作範囲内に維持するように、前記キャリッジを移動させることにより前記レーザセンサを移動させるために前記アクチュエータを作動させるよう構成された制御装置と、を備える、
    ことを特徴とする、レーザ検出器アセンブリ。
18. 請求項１７において、
    前記アクチュエータは、前記レーザセンサおよび前記レーザセンサ位置センサからのデータに基づいて作動される、
    ことを特徴とする、レーザ検出器アセンブリ。
19. 請求項１８において、
    前記マストに取り付けられ、前記制御装置と通信する慣性計測装置をさらに備え、
    前記アクチュエータは、さらに、前記慣性計測装置からのデータに基づいて作動される、
    ことを特徴とする、レーザ検出器アセンブリ。
20. 請求項１８において、
    前記レーザセンサは、複数のレーザ検出器素子を備え、
    前記レーザセンサからの該データは、前記複数のレーザ検出器素子のうち、前記回転レーザ発信器からのレーザが当たるレーザ検出器素子を特定する、
    ことを特徴とする、レーザ検出器アセンブリ。