JPH0721537B2 - 車両の三次元位置計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は車両の三次元位置の計測装置に係り，特に車
両の走行路が頻繁に変り，かつ路面が整地でない土木作
業現場における建設車両の位置計測に用いて好適なもの
である。

（従来の技術） 従来の走行車両の位置計測方法は次のように分類され
る。すなわち （Ａ）走行車両が外部の支援施設を利用して位置を検出
する方法。

（Ａ）−（１）固定径路方法……走行車両の走路に埋設
したケーブルまたは走路面上に固定した光学テープによ
り走行車両を誘導，あるいは走路に沿って放射されるレ
ーザビームにより走行車両を誘導する方法。

（Ａ）−（２）半固定径路方法……走行車両の走路面上
に置いたマークを利用して走行車両を誘導する方法。

（Ａ）−（３）自由径路方法……外部支援施設の基準点
から走行車両に至る方角及び距離を計測しながら，自由
な径路を誘導する方法であって，計測手段としては電
波，レーザ光または超音波が用いられ，計測方法として
は次の２方法がある。すなわち （Ａ）−（３）−（ｉ）円弧方法……第８図（ａ）にお
いてａ及びｂは地上の２基準点であり,pは位置計測の対
象である走行車両の位置である。一例として電波を用い
た場合について説明する。ｐ点から電波を送信し,a点及
びｂ点で受信し，受信と同時に返送しこれをｐ点で受信
すれば，電波がpa間及びpb間を往復する時間を測定する
ことにより,p点の位置が決定されるものである。

（Ａ）−（３）−（ii）双曲線方法……第８図（ｂ）に
おいて,a,b及びｃは地上の３基準点であり,pは位置計測
の対象である走行車両の位置である。一例として電波を
用いた場合について説明する。ａ点及びｂ点で同時刻T₀
に電波を送信し,p点において時刻Ta及びTbに受信したと
すれば,Vを電波の伝播速度として次式が成り立つ。

pa間の距離La＝Ｖ（Ta−T₀） ……（１） pb間の距離Lb＝Ｖ（Tb−T₀） ……（２） 故にLa−Lb＝Ｖ（Ta−Tb） ……（３） （３）式によりTa−Tbを測定すればLa−Lbが計算でき
る。そして２定点からの距離の差が一定である点の軌跡
は，その２定点を焦点とする双曲線であることから,p点
はａ点及びｂ点を焦点とする一つの双曲線（第８図
（ｂ）のSabp）上に在ることになる。ａ点及びｃ点につ
いても同様の測定を行なえば,p点はａ点及びｃ点を焦点
とする双曲線（第８図（ｂ）のSacp）上に在ることにな
り,p点の位置は双曲線Sabp及びSacpの交点として決定さ
れる。（但し,2つの双曲線の交点は２点あるが，測定者
が推定位置に近い一点を選択すれば良い。） （Ｂ）外部支援施設を用いず走行車両の車輪の回転，及
び走行車両に搭載したジャイロによって，走行車両が独
自に自立して距離と方向を計測する方法。

（発明が解決しようとする問題点） 建設車両が稼働する土木作業現場では，（ａ）建設車両
の走路が頻繁に変る，（ｂ）建設車両の走路面が整地で
ない，という悪条件があり，上記（従来の技術）で述べ
た位置計測方法のうち，（Ａ）−（１）固定径路方法及
び（Ａ）−（２）半固定径路方法は，前記（ａ）建設車
両の走路が頻繁に変るという条件により使えない。ま
た，上記（Ｂ）外部支援施設を用いず，走行車両の自立
による位置計測方法は，誤差が累積されるので，前記
（ｂ）建設車両の走路面が整地でないという条件から，
土木作業現場への適用は非常に困難である。

土木作業現場で実用可能なのは，上記（従来の技術）で
述べた位置計測方法のうちの（Ａ）−（３）自由径路方
法であるが，計測手段のうち従来の電波を用いた方法の
ものは船舶用など長距離かつ大規模なものには適する
が，高価であり，測位精度もあまり良くない。また，計
測方法については次の問題点がある。

（Ａ）−（３）−（ｉ）円弧方法は,2基準点に対し，建
設車両１台の測位しか行なえない。

（Ａ）−（３）−（ii）双曲線方法は複数台の建設車両
の測位が可能であるが,3基準点を必要とし，かつ基準点
相互間（第８図（ｂ）のａ点とｂ点及びａ点とｃ点）で
同期をとる必要があり複雑かつ高価になるという問題点
を有するものである。

更に高さ方向の位置を計測するには別の測定手段が必要
であり，全体の構成が複雑になるという問題点もある。

（問題点を解決するための手段及び作用） この発明は上記の点に鑑みなされたものであって，作業
現場の２つの基準点に設置したレーザ発光器と、該レー
ザ発光器を同一平面上で同期をとり乍ら回転させる回転
機構と、レーザの発光角を送出する手段とより成る基準
発光装置を設け、車両の所定の位置に設置されたレーザ
受光器と、該レーザ受光器を車両の傾斜高低にかかわり
なく、水平かつ一定高さに保つ水平保持装置と、該基準
発光装置より送出された発光角を検出する手段とより成
る車載受光装置を設け、該車載受光装置で得られる２つ
の基準点からの発光角と高さ及び既知の基準点間距離よ
り車両の三次元装置を演算する車載演算装置を設け、該
車載演算装置で得られる位置情報を地上局に対して送信
する無線装置を設けて車両の三次元位置計測装置を構成
した。

そして前記発光角を送出する手段は、レーザ発光器の発
光角に応じた信号を送り出す無指向性送信機であり、前
記発光角を検出する手段は、該送信機よりの信号を受信
する受信器と、レーザ受光器に２つの基準点からのレー
ザ光が受光したときの受信信号を保持する回路で構成さ
れている。

また前記発光角を送出する手段は、レーザ発光器が特定
方位を向いたときにパルス信号を発する無指向性送信機
であり、前記発光角を検出する手段は、パルス信号を受
信する受信器と、パルス信号を受信してから該受光位置
がレーザ光を受光するまでの時間を計数するカウンター
で構成することもできる。

この発明は上述のように構成したので、車両の走路が頻
繁に変り、車両の走路面が不整地という悪条件のもとで
も、２箇所の基準点にレーザ発光装置を設置するだけ
で、レーザ受光装置を搭載した複数台の走行車両の位置
計測が容易かつ安価に可能になり、さらに作業車両の高
さ方向の情報は、特に土木作業における整地面の平坦性
に直接関係し、作業の進捗状況が把握できるので、配車
作業の効率化が期待できると共に、１箇所の作業現場管
理事務所において、広範囲にわたる複数台の作業車両の
位置を把握できるので、適切な作業指示を出すことがで
きて、作業の大幅な能率向上及び安全確保が可能となる
ものである。

そして特にこの発明は２本のレーザ光が同一方向を向く
ように同期をとって回転させることにしたので、２本の
レーザ光を幾何学的に弁別でき、発光装置、受光装置共
非常に簡単な構造になり、レーザ光の回転方位を示す方
向信号を送信する無線機も一台の無線機で済む。

（実施例） 以下図面に基づいてこの発明の実施例について説明す
る。

第２図はレーザ発光装置20の一具体例の概略図であり，
脚25を有する筐体24には，パルスモータ23によって定速
回転されるターンテーブル22を介して，レーザ発光器21
が回転可能なように枢着される。パルスモータ23は,2台
のレーザ発光器を同期回転させるためのものであって,1
台の発振器56（第４図参照）で２台のパルスモータを駆
動する。Ｏはレーザ発光器21の回転中心線を示す。第２
図は２台のレーザ発光装置20のうちの１台に，無指向性
送信機41,電気ケーブル42及び近接スイッチ43を装着し
たものを示す。近接スイッチ43はレーザ発光器21から発
するレーザ光が北位を向いたとき，近接スイッチ43がON
になるように設定し，そのとき無指向性送信機41に対し
てパルス送信トリガを与えるように成っている。42は近
接スイッチ43と無指向性送信機41を連結する電気ケーブ
ルである。また，該２台のレーザ発光装置20の脚25を調
節して，レーザ発光器21の回転中心線Ｏがそれぞれ垂直
になるように，かつ,2本のレーザ光線の地上からの高さ
が同一になるように,2台のレーザ発光装置20を地上に設
置する。

第３図はレーザ受光装置30の一具体例の概略図である。
図においてレーザ受光器31は，例えばアモルファスシリ
コンから成る受光素子を板状に形成して正ｎ角柱（ｎ≧
３）に構成したものであり，図では正３角柱に構成した
ものを示す。このレーザ受光器31は全方向受光可能な形
状であれば良いので，正ｎ角柱の他に円筒形状でも良い
ことは言うまでもない。このレーザ受光器31を構成する
受光面は，レーザ受光装置30が車両に搭載されたときに
該車両の傾斜，地面の凹凸に関係なく，常に垂直になる
ように，姿勢制御装置32に載置される。

第１図はこの発明の水平面内における車両位置計算方法
の説明図である。図においてＡ及びＢは，地上の基準と
なる２箇所の地点に設置されたレーザ発光装置20の位置
を示し，それぞれ第２図のＯに対応する。Ｐは位置を計
測しようとする車両上に設置されたレーザ受光装置30の
位置を示し，第３図のレーザ受光器31の正３角柱の軸中
心に対応する。第１図において,A点を原点とする直角座
標軸をＡ−xyとし,x軸の負の方向を北位とし，図のよう
に符号L,α及びβを定めれば,P点の座標x,yは次式で求
められる。

故に， 上記（４）式及び（５）式における角度α及びβを求め
る具体的方法については後述する。（第５図及び第６図
参照） Ｐ点の高さ方向座標値ｚは，次のようにして求める。す
なわち，あらかじめ，レーザ受光器（第３図の31）の高
さ方向の中央位置をhoに設定しておき,A点及びＢ点から
の２本の発光レーザ光は，第２図で説明したように地上
からの高さが同一であり,P点においては受光レーザをレ
ーザ受光器の高さ方向の中心で受けるように，姿勢制御
装置（第３図の32）の脚長を調節するのでその脚長の変
化量をｈ（詳説すれば姿勢制御装置の４本の脚の長さの
調節量の平均値）とすれば， ｚ＝ho＋ｈ ……（６） で求められる。

第４図はこの発明の土木作業現場における一具体例の概
要説明図である。図において51及び52はいずれも土木作
業中の建設車両,53及び54はいずれも第２図で説明した
レーザ発光装置で，地上の位置計測の基準となる２地点
に設置され，かつ２本の発光レーザの地上高が同一にな
るようにそれぞれの脚長を調節して設置される。55は第
２図で説明した無指向性送信機41,電気ケーブル42及び
近接スイッチ43を組合せたものを代表して図示したもの
であって，以下に於て単に送信機装置と称す。56は２台
のレーザ発光装置53及び54に含まれるパルスモータ（第
２図の23）を同期駆動するためのものである。57及び58
はいずれも第３図で説明したレーザ受光装置であり,59
及び60はいずれも無線機であって，送信機装置55からの
電波信号の受信，並びに作業現場管理事務所61に設置さ
れた無線機63との間で送受信を行なう。62は作業現場管
理事務所61内に設置された車両位置管理装置である。

第５図（ａ）及び（ｂ）は前記（４）式及び（５）式に
おける角度α及びβを求める方法の一具体例の説明図で
あって，第１図，第２図及び第４図も参照しながら説明
する。レーザ発光装置53の発射レーザ光が北位を向いた
ことを検出する近接スイッチ43からの信号をリセットポ
イントとして，発射レーザ光の北位からの回転角に応じ
て直線的に増加する（第５図（ａ）参照）周波数の電波
を無指向性送信機装置55から発信し，この電波を無線機
59で受信する（以下においては車両51の位置測定を行な
う場合について説明する）。尚，回転角に応じて直線的
に増加する周波数の電波の発生は，鋸歯発生機例えばＶ
−ｆコンバータ（電圧〜周波数変換器）に依ればよい。
尚,Tはレーザ発光器21の回転周期である。第５図（ｂ）
はレーザ発光装置53及び54からのレーザ光をレーザ受光
装置57で受光したタイミングの説明図である。レーザ発
光装置53及び54（第１図のＡ点及びＢ点），ならびにレ
ーザ受光装置57（第１図のＰ点）が第１図に示すような
配置であればα＞βであるので，第５図（ｂ）において
Ｂ点からのレーザ光がＡ点からのレーザ光よりも先にレ
ーザ受光装置57で受光される。第１図においてＰ点が▲
▼の下側であればα＜βとなり，第５図（ｂ）にお
ける受光のタイミングは,A点からのものとＢ点からのも
のとは逆になる。第４図で説明すれば車両51は第１図の
Ｐ点の位置にあって，車両52は第１図の▲▼の下側
に在ることになる。このようにして位置計測をしようと
する車両の位置を第１図の▲▼の上側か下側かのど
ちらか一方だけで走行するようにしておけば，第５図
（ｂ）における２本の受光レーザ光が,A点及びＢ点から
の発光レーザ光と容易に対応がつけられる。第５図
（ａ）及び（ｂ）を参照して第１図の角度α及びβは次
式で求められる。

尚，この実施例では第５図（ａ）に示すように直線的に
変化する周波数を用いたが，この代りに直線的に変化す
る電波強度やパルス符号を用いても差支えない。

第６図（ａ）及び（ｂ）は，前記（４）式及び（５）式
における角度α及びβを求める方法の別の一具体例の説
明図である。レーザ発光装置53の発射レーザ光が北位を
向いたことを検出する近接スイッチ43からの信号を無指
向性送信機装置55から発信し，無線機59で受信した受信
電波の時間に対する波形を第６図（ａ）に示す。周期Ｔ
は第５図（ａ）で説明したＴと同じものである。第６図
（ｂ）は第５図（ｂ）と同じものであるので説明は省略
する。第６図（ａ），（ｂ）を参照して，時間ｔ_α及び
ｔ_βを計測すれば，第１図の角度α及びβは次式で求め
られる。

第７図は１例として第４図の車両51の位置計測をする場
合の一具体例のブロック図である。車両51が路面の傾
斜，凹凸により傾斜すると傾斜計71（車両の前後方向用
と左右方向用の２セットから成る）からの信号が，演算
回路72を介して姿勢制御装置32の作動部材を作用させ
て，レーザ受光器31の受光面を常に垂直に保持するよう
に成っている。またレーザ受光器31へ入ったレーザ光に
よる信号は，受光処理回路73において受光タイミングｔ
_α,t_β及びレーザ受光器における受光高さ位置のデータ
となって演算回路72へ入り，該受光高さ位置のデータを
処理することにより受光位置をレーザ受光器31の高さ方
向中央位置に位置するように，姿勢制御装置32へ制御指
令を出す。また，送信機装置55からの電波を車載の無線
機59の一部材である59₁で受信し，第５図（ａ）で説明
した周波数ｆ_α及びｆ_β，または第６図（ａ）で説明し
た北位を示すパルス信号のデータとして，演算回路72へ
入る。演算回路72では車両の三次元位置x,y及びｚが計
算されて，無線機59の一部材59₂から作業現場管理事務
所61内に設置された無線機63へ送られるように成ってい
る。

（発明の効果） この発明は上述のようにして成るので，建設車両が稼働
する土木作業現場のように，（ａ）車両の走路が頻繁に
変り，（ｂ）車両の走路面が不整地，という悪条件のも
とでも,2箇所の基準点にレーザ発光装置を設置するだけ
で，レーザ受光装置を搭載した複数台の走行車両の位置
計測が容易かつ安価に可能になる。更に作業車両の高さ
方向の情報は，特に土木作業における整地面の平坦性に
直接関係し，作業の進捗状況が把握できるので，配車作
業の効率化が期待できる。更に,1箇所の作業現場管理事
務所において，広範囲にわたる複数台の作業車両の位置
を把握できるので，適切な作業指示を出すことができ
て，作業の大幅な能率向上及び安全確保が可能となり，
更には作業の無人化も期待できるというすぐれた効果を
奏するものである。

そして特にこの発明では２本のレーザ光が同一方向に向
くように同期をとって回転させることにしたので、２本
のレーザ光を幾何学的に弁別でき、発光装置、受光装置
共非常に簡単な構造にあると共に、レーザ光の回転方位
を示す方位信号を送信する無線機も、一台の無線機で済
みメリットが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の車両位置計算方法の説明図，第２図
はレーザ発光装置の一具体例の概略図，第３図はレーザ
受光装置の一具体例の概略図，第４図はこの発明の土木
作業現場における一具体例の概略説明図，第５図（ａ）
及び（ｂ）は受光レーザ光及び車載無線機の受信する電
波の周波数と時刻との関係を示す説明図，第６図（ａ）
及び（ｂ）は，受光レーザ光及び車載無線機の受信する
パルス信号と時刻との関係を示す説明図，第７図は第４
図における建設車両51の位置計測をする場合の一具体例
のブロック図，第８図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ従来
技術の位置計測方法のうちの自由径路方法の円弧方法及
び双曲線方法の説明図である。 20,53,54……レーザ発光装置， 21……レーザ発光器,22……ターンテーブル， 25……脚,30,57,58……レーザ受光装置， 31……レーザ受光器,32……姿勢制御装置， 41……無指向性送信機,43……近接スイッチ， 55……無指向性送信機装置,56……発振器， 59,60……（車載の）無線機。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作業現場の２つの基準点に設置したレーザ
   発光器と、該レーザ発光器を同一面上で同期をとり乍ら
   回転させる回転機構と、レーザの発光角を送出する手段
   とより成る基準発光装置を設け、車両の所定の位置に設
   置されたレーザ受光器と、該レーザ受光器を車両の傾斜
   高低にかかわりなく、水平かつ一定高さに保つ水平保持
   装置と、該基準発光装置より送出された発光角を検出す
   る手段とより成る車載受光装置を設け、該車載受光装置
   で得られる２つの基準点からの発光角と、高さ及び既知
   の基準点間距離より車両の三次元位置を演算する車載演
   算装置を設け、該車載演算装置で得られる位置情報を地
   上局に対して送信する無線装置を設けて成る、車両の三
   次元位置計測装置。
2. 【請求項２】前記発光角を送出する手段は、レーザ発光
   器の発光角に応じた信号を送り出す無指向性送信機であ
   り、前記発光角を検出する手段は、該送信機よりの信号
   を受信する受信器と、レーザ受光器に２つの基準点から
   のレーザ光が受光したときの受信信号を保持する回路で
   構成されている、特許請求の範囲第１項記載の車両の三
   次元位置計測装置。
3. 【請求項３】前記発光角を送出する手段は、レーザ発光
   器が特定方位を向いたときに、パルス信号を発する無指
   向性送信機であり、前記発光角を検出する手段は、パル
   ス信号を受信する受信器と、パルス信号を受信してから
   該受光位置がレーザ光を受光するまでの時間を計数する
   カウンターで構成されている、特許請求の範囲第１項記
   載の車両の三次元位置計測装置。