JPH0316452B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、土地開発、道路建設等において、地
面を所定の形状に仕上げる施工方法、特にその自
動化に関する。

従来の施工方法においては、あらかじめ測量を
行ない、それに従つて杭打ちや丁張りを行ない、
これを基準として建設機械、特に土工機械によつ
て整地作業ないし地面形成作業を行なつてきた。
従つて測量を行ない杭打つや丁張りを行なうのに
多くの時間を必要とし、また杭打ちや丁張りにあ
わせて整地や地面形成作業を遂行する土工機械の
オペレータは高度な技能を必要とした。

特に道路工事の仕上げ工程等では地上にある補
助員が丁張りの間に糸を張つて、現在のレベルと
仕上げるべきレベルの偏差を測定してその値を土
工機械のオペレータに告げ、オペレータはその偏
差に従つて微少量の作業操作を行なう、というよ
うに、熱練したオペレータと、多くの補助人員、
多くの時間を必要とした。この明細書で用いる
「レベル」という言葉はある一定の水平面からの
高度をさすものである。

この対策として自動レベリング装置を備えた土
工機械、例えば水路造成機械やモータグレーダが
提案されてきた。それによれば、工事に際して、
側部に丁張りに合わせて糸を張り、水路造成機械
やモータグレーダの作業機につけたセンサによつ
てこれにならい自動的に作業機のセンサ側のリフ
トシリンダを昇降させる。横断勾配に対しては、
オペレータが丁張りに記入された傾斜値にあわせ
て作業機の所望傾斜値を設定し、作業機にとりつ
けた傾斜計による測定値がこの設定値に一致する
ように自動的に他方のリフトシリンダを昇降させ
るようになつている。このためには糸を正しく張
る必要があり、それに多くの工数を必要とした。
またこのために、路肩を予め正しいレベルに仕上
げておいて、これをセンサにつけたシユーでなら
うことも行なわれているが、石や土のかたまりの
ために、精度を出すという点では糸を張るよりも
なお困難があつた。

また幅の広い道路を整地するときは、一回の作
業で全体を整地することが出来ず、初めに整地し
た地面を基準にしてその隣りを整地することにな
り、それだけ精度が落ちることになる。

また広い面積のところを整地する場合、糸を張
る等の手段で予め基準を設け、これにならつて整
地作業を行なうことは困難であるため、レーザ光
線を基準とすることも提案されている。すなわ
ち、レーザビームを旋回投射することによつて光
の面をつくり出し、水平面に対するこの光の面の
傾斜を予め仕上げるべき土地の傾斜にあわせてお
き、先端に受光装置を設けたポールを土工機械の
作業機に立て、受光装置の特定の位置に常にレー
ザビームを受光するように作業機を自動的に昇降
させるよう構成されている。

このようにレーザビームによる光の面を基準と
する工法は、広場開発のように広い土地を正しく
平坦に仕上げるためには有効であるが、道路のよ
うに、仕上げるべき土地が狭長でしかも曲がつて
おり、また傾斜も一様でないというような場合
や、工場用あるいは運動場のように排水効果をも
たすために周辺が低くなつた曲面状の土地造成の
ような場合には利用することが出来ないという欠
点がある。

本発明の目的は従来技術の欠点を除き、地面を
所定の形状に仕上げる親規な自動化施工方法を提
供することである。

本発明の目的は未熟なオペレータによつても容
易に正しく設計通りに地面を所定の形状に仕上げ
ることができる施工方法を提供することである。

本発明の構成、作用効果は以下添付の図面を参
照しつつ行なう本発明の実施例の説明によつて明
らかにされる。

第１図は本発明に用いる受光装置の一例であつ
て、受光装置１０はｎ個の独立した光電変換素子
１０₁，１０₂，……，１０_o+1/2，……，１０_oの列
によつて構成されている。後述する自動制御装置
は、つねに特定の光電変換素子、例えば中央の光
電変換素子１０_o+1/2がレーザブームを受光するよ
うに作業機の動作を制御する。

第２図は本発明に用いる受光装置の他の一例で
あつて、受光装置２０には２つの光電変換素子２
０₁，２０₂が中央の不感帯２１をはさんで整列さ
れている。２つの光電変換素子２０₁，２０₂は、
それぞれレーザビームの入射する部位が中央の不
感帯２１から遠ざかるにつれて受光感度が上がる
よう、不感帯２１に関して対象的に変化する受光
感度を有している。２つの光電変換素子２０₁，
２０₂の出力を差働増幅器（図示せず）の両入力
に入力して差働出力が零になるように、すなわち
レーザビームがつねに中央不感帯２１のところに
あたるように自動制御装置は作業機の姿勢を制御
する。

第１図または第２図に示す受光装置の光電変換
素子の列は、作業機の姿勢制御に関しては鉛直方
向に設置し、操向すなわちステアリング制御に関
しては水平方向に設置する。第３図において、３
８，４０は土工機械３０の作業機３２の両端部分
にとりつけたボール３４，３６に支持される受光
装置であり、４２は同じく作業機にとりつけたボ
ールで支持される受光装置であつて、これら受光
装置は第１図または第２図に示したものが用いら
れる。

一般的に言つて土工機械の走行方向制御又はス
テアリング制御は作業機の姿勢制御に較べて左程
高い制度を必要とせず、オペレータによる手動ス
テアリングも可能である。従つて作業機の姿勢制
御のみを行なう実施例を先ず説明することにす
る。

第４図は第３図に示したような土工機械３０の
作業機３２の姿勢制御方法を概略的に説明するた
めの平面図である。作業機３２には第３図と同様
に姿勢制御用の受光装置３８，４０がとりつけら
れているが、これは整地面が場所によつて傾斜が
異なり作業機３２のレベルが左右両側で異ならせ
ることがあるためそれぞれ別々にレベル制御を行
なうためであり、所望整地面が一様な水平面、ま
たは水平面にある一定角度をもつ平坦面であり、
かつ作業機が並行移動出来るようになつておれ
ば、受光装置は３８，４０のうちいずれか一方の
みであつてよい。４２は第３図で示した操向、す
なわちステアリング制御のための受光装置である
が、このステアリング制御については後述する。
５２は基準地点に設けたレーザビーム射出装置で
あつて、レーザビームの射出方向は制御装置５０
によつて制御される。５４は基準地点から土工機
械３０までの距離を測定する装置であるが、それ
は以下に説明する種々公知の方法により実現され
る。

例えば装置５４から電波を発射し、土工機械３
０から反射して戻つてくる電波を検知して発射し
てから反射波受新までに要した時間を測定すれ
ば、それに基づいて装置５４から土工機械３０ま
での距離を知ることができる。この場合、のこぎ
り歯状の波で射出電波を変調しておけば、射出波
と反射波の位相差から距離を知ることができる。

あるいはまた、土工機械３０にレーザビーム反
射用のコーナキユーブレフレクタを設け、レーザ
ビーム射出装置５２からレーザビームを出して、
電波の場合と同様にレーザビームを射出してから
それが戻るまでの時間を測定すれば、それに基づ
いて距離を知ることができる。

あるいはまた、土工機械３０に特定光、例えば
赤外光線の光源を設けておき、２個の望遠鏡を有
する光電変換素子を距離測定装置５４に設ければ
三角測量的に距離を求めることができる。

以上のように距離測定装置５４は種々の公知の
方法によつて実現できるが、作業環境や地形その
他の条件をあわせ考慮し最も適切な距離測定方法
に基づいて構成すればよい。

土工機械によつて作業を行ない、整地して仕上
げるための地形は一定の平面ではなく通常は曲面
をなしている。本発明に従えば、地面をこのよう
に予め定められた設計に従つた曲面地形に仕上げ
るために、基準地点にレーザビーム射出装置５２
を設け、レーザビームを作業中の土工機械に向け
て発射しつつ基準地点と制御対象の土工機械３０
との間の距離を距離測定装置５４によつて逐次計
測し土工機械３０の現在地点を知る。この計測値
から土工機械３０が現在いる地点の所望レベルが
基準地点に対してどれだけちがえばよいかを設計
図の上から決定して予めメモリに記憶させておい
たデータを読み出しレーザビームの射出方向を制
御装置５０によりそれにあわせ、土工機械３０の
作業機３２にとりつけた受光装置の鉛直方向の特
定部位、例えば中央部位にレーザビームが入射す
るように自動的に作業機３２の姿勢を制御する。
作業機３２の左右の所望レベルがつねに同一であ
り、かつ作業機の左右レベルが並行移動するよう
になつているときは、作業機３２にとりつける受
光装置は３８，４０のどちらか一方であつてよ
く、左右の所望レベルが場所によつて変化すると
きは３８，４０の両方を設けてそれぞれ別々にレ
ベル制御することはすでに述べたとおりである。

次に制御装置５０の機能について説明する。レ
ーザビーム射出装置５２を配設した基準地点を原
点としそれを含む水平面内の直交ｘ、ｙ軸および
鉛直方向のｚ軸による空間座標を想定すれば、所
望の地表面の諸地点における所望座標値を設計図
にもとづいて決めることができる。これら所望の
座標値データを制御装置５０内に含まれるメモリ
に予め記憶させておき、基準地点に設けた距離測
定装置５４によつて基準地点と土工機械３０との
間の距離を測定すれば、レーザビームの方向から
土工機械の現在地点がわかり、従つてメモリに記
憶されているデータから土工機械３０の現在地点
における所望レベルがわかり、その所望レベルに
あわせてレーザビームの俯角（又は仰角）を制御
すればよい。レーザビームの方向制御は角度（俯
角と旋回角）を指定して制御することになる。制
御装置５０はマイクロコンピユータで構成しても
よく、この場合は上述の所望座標値をこのマイク
ロコンピユータのメモリに記憶させることができ
るとともに、数学的に周知の変換式によつて直角
座標を極座標に変換させることも容易である。し
かしこの変換は、作業前に予め行なつて制御装置
５０内に設けたメモリに記憶させておけば作業中
に細かい計算を行なう必要がなく、そのようにす
れば制御装置５０はあえてマイクロコンピユータ
で構成する必要もない。レーザビーム射出装置の
設置レベルをオフセツト量として所望座標を補正
できるようにしておく必要があることは言うまで
もないことである。

次にレーザビーム射出装置５２の一実施例を第
５図を参照して説明する。レーザビーム射出装置
５２は、レーザビームを射出するレーザ管６０、
レーザビームの射出方向を制御するためのレンズ
系６２、このレンズ系を駆動するためのモータを
含むレンズ系駆動機構６４、この駆動機構の制御
装置５０、光学系を保護するための外套管６８、
レーザ管６０を鉛直に維持するためのジンバル機
械７０と錘７２、レーザ管６０と錘７２とを結合
するための支柱７４、レーザ管６０とレンズ系６
２とを結合するための支柱７６、およびレーザビ
ーム射出装置を地上に維持するための三脚７８と
で構成される。レーザ管６０はジンバル機構７０
と錘７２とによつて確実に鉛直に維持され、レー
ザビームは鉛直方向に射出される。レーザ管６０
から鉛直方向に射出されるレーザビームは、プリ
ズムを含むレンズ系６２によつてほぼ水平方向に
屈折して投射されるが、この方向は制御装置５０
により駆動装置６４を介して制御される。すなわ
ち、レンズ系６２は駆動機構６４によつて駆動さ
れてレーザビームの投射方向を変えるが、その変
化は制御装置５０によつて指示される。制御装置
５０は第４図に示したものと同一である。

次にこの制御装置５０の作用を第６図を参照し
つつ説明する。制御装置５０はメモリ装置８０、
レーザ投射方向算出回路８２、比較回路８４を含
み、レーザ投射方向算出回路８２から出力された
レーザビームの投射方向、すなわち俯角（又は仰
角）と旋回角の指令値８６と角度センサ８８で測
定したレーザビームの投射方向の実際値９０とが
比較回路８４で比較され、その偏差を表わす信号
９２がレンズ系駆動機構６４に入力され、機構６
４はレンズ系６２を駆動して上記偏差が零になる
方向にレーザビームの投射方向を変化させる。レ
ーザ投射方向算出回路８２は距離測定装置５４で
実測した基準地点から土工機械３０までの距離測
定値およびレーザビームの射出方向からわかる土
工機械３０の現在位置における所望座標値をメモ
リ装置８０に記憶されている設計図にもとづいて
予め記憶された多数の所望座標値の巾から読み出
し、それをレーザビームの方向すなわち俯角（又
は仰角）および旋回角に換算してそれを指令値８
６として出力するのである。記憶された座標値間
の座標のデータはその前後の座標値間を例えば直
線補間法によつて算出できるようになつている。

チルト制御すなわち作業機３２の水平面に対す
る傾斜角を制御する場合は上述したように２つの
受光装置３８，４０を用いるが、レーザビームは
レンズ系６２から発射されるビームをこれら２つ
の受光装置３８，４０に向かうよう逐次的に交互
に高速で切替えて発射してもよい。この作業機３
２のチルト、すなわち傾斜角の値は、各地点にお
ける所望値として予めメモリ装置８０に記憶して
おけば、土工機械３０の現在地点に関する逐次実
測データに対応して土工機械の現在地点における
所望チルト値を読み出すことができ、これを指令
値信号８６の中に含ませることができる。

次にステアリング制御について述べる。ステア
リング制御にはすでに述べたようにステアリング
制御用の受光装置４２が設けられる。第７図は作
業機のレベル制御とステアリング制御とを併せ行
なう場合のレーザビーム射出装置５２の一例を示
す。第５図と同一の参照符号は同一の構成素子を
示し、同一の参照符号にダツシユを付したものは
類似の構成素子を示す。

第７図において、レーザ管６０から鉛直上方に
発射されたレーザビームはレンズ系６２において
１／２はそのまま鉛直上方に向けて透過され、1/2は
屈折されて水平方向に投射され、このレーザビー
ムは作業機の姿勢制御に用いられる。また鉛直上
方向に透過されたレーザビームはレンズ系６２′
で屈折され水平方向に投射されステアリング制御
に用いられる。

ステアリング制御用のレンズ系６２′を駆動す
るための駆動機構６４′は６４と類似のものであ
つてよい。しかしこの駆動機構６４′を制御する
ための制御装置９４は必ずしも作業機の姿勢制御
用の制御装置５０と類似のものである必要がな
く、土工機械３０の現在地点におけるステアリン
グ指令値、すなわちその現在地点からはどの方向
へ土工機械を走行させればよいかという指令値を
土工機械３０の自動ステアリング機構（図示せ
ず）に与えればよいのである。従つてこの場合の
制御装置９４は、レベル制御用の制御装置５０内
のメモリ装置８０、レーザ投射方向算出回路８２
を兼用すればよく、特に別の装置を設ける必要も
ない。

ステアリング制御用のレーザビームは駆動機構
６４′により鉛直方向上下に高速でふらせると受
光装置４２での検知が容易になることは容易に理
解されよう。レーザビームを所望の方向に高速で
ふらせることは現在のレーザ技術の分野では容易
に実現しうることである。ステアリング制御用の
レーザビームを高速で上下にふらせる場合は、制
御装置９４で制御するのはレーザビームの旋回角
のみである。従つて作業開始にあたつてレーザビ
ームの旋回角を設定した後は、土工機械の位置に
応じて手動でこの旋回角を設定してもよく、また
土工機械から発射する無線信号によつて、または
距離測定装置５４の測定値に対応してメモリ８０
から読み出すデータによつて、自動的に切り換え
るようにしてもよい。

上記実施例においては、作業機の姿勢制御用の
レーザビームと土工機械のステアリング制御用の
レーザビームとは別々に投射するよう説明した
が、作業機の姿勢制御用の受光器が１個でよいと
きは、この姿勢制御用の受光装置とステアリング
制御用の受光装置とを一体構造にすることによつ
て一本のレーザビームで両方の制御を行なうこと
ができる。第８図はその一例を示したものであ
る。

第８図において、受光装置１００にはその受光
面を端面として多数のオプテイカルフアイバ（図
示せず）が埋め込まれており、入射するレーザビ
ームを受光するようになつている。１点鎖線で囲
んだ２つの領域１０１₁，１０１₂に属するオプテ
イカルフアイバは作業機のレベル制御用受光装置
３８（又は４０）を構成するもので、その数は中
心１０３をとおる水平方向中心線から離れるに従
つて増加させ受光量が増加するようになつてお
り、その受光量の変化はこの水平並行中心線に関
して対称になつている。これは第２図に関して説
明したとおりであり、これら両領域のオプテイカ
ルフアイバで得た光量をそれぞれ電気信号に変換
して差動増幅器（図示せず）の両入力に入力すれ
ば、第２図で説明したような受光装置が得られ
る。２点鎖線で囲んだ２つの領域１０２₁，１０
２₂に属するオプテイカルフアイバは同様に土工
機械のステアリング制御用受光装置４２を構成す
るものであつて、その構成はレベル制御用受光装
置と全く同じであるが、90°だけ回転した配置に
なつている点が異なるのみである。図では各領域
１０１₁，１０１₂と１０２₁，１０２₂の周縁は互
いにずれているように示しているが、これはわか
りやすいようにわざとずらしたものである。受光
装置をこのような構成にすれば、姿勢制御用、ス
テアリング制御用のレーザビームは一本であつて
よく、ビームの受光装置１００への入射位置が中
心点１０３から左右か上下にずれると、それぞれ
の差動増幅器によつて偏差分がとり出され、姿勢
制御またはステアリング制御、あるいはその両方
によつてレーザビームがつねにこの中心位置１０
４にくるように制御される。

また各受光装置は、レーザビームの受光量が常
に最大となるようにその面がレーザビームの入射
方向に正対するよう自動的に方向づけするように
してもよく、あるいはまた曲面形状とすることも
できる。

以上のように構成したので、本発明によれば未
熟なオペレータによつても設計通り地面を平坦な
水平面にすることは勿論、傾斜した平面にも、あ
るいは曲面にも自動的に仕上げることができ、さ
らにこの方法は曲がつた道路にも適用できるとい
う効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による方法を実施するのに用い
る受光装置の一例を示す平面図、第２図は同じく
受光装置の他の例を示す平面図、第３図は本発明
の方法を実施する土工機械を例示的、概略的に示
す斜視図、第４図は本発明による方法を実施する
一例として土工機械とレーザビーム投射装置との
関係を概略的に示す平面図、第５図はレーザビー
ム投射装置の一つの例を示す概略図、第６図はレ
ーザビームの投射方向の制御方法を説明するため
のブロツク図、第７図はレーザビーム投射装置の
別の例を示す概略図、第８図は受光装置のまた別
の一例を示す平面図である。 符号の説明、１０，２０，３８，４０，４２，
１００……受光装置、３０……土工機械、３２…
…作業機、５０……制御装置、５２……レーザビ
ーム射出装置、５４……距離測定装置、６０……
レーザ管、６２，６２′……レンズ系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 作業機を備えた土工機械において該作業機の
   土工機械に対する姿勢を調節可能ならしめた土工
   機械を走行させ該作業機によつて地面を所定の形
   状に仕上げる施工方法であつて、次の諸工程を含
   むもの、 (イ) 土工機械を所定の方向に走行させる工程、 (ロ) 基準地点に対する土工機械の現在位置に関す
   るデータを逐次測定する工程、 (ハ) 施工すべき地面の各地点における所望仕上り
   面に関するデータを予め記憶しているメモリ装
   置から、前記土工機械の現在位置における地面
   の所望仕上り面に関するデータを逐次読み出す
   工程、 (ニ) 前記基準地点に設けたレーザビーム射出装置
   から投射されるレーザビームの投射方向を前記
   逐次読み出した地面の所望仕上り面に対応する
   方向に逐次調節する工程、 (ホ) 前記作業機に一定の高さをもつてとりつけら
   れた受光装置の垂直方向の所定の部位に前記レ
   ーザビームが入射するよう前記作業機の土工機
   械に対する姿勢を逐次調節する工程。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記受光装
   置は作業機の横方向両端部にそれぞれ１個ずつ設
   けられており、前記基準地点から投射される前記
   レーザビームを受光するよう構成されていて、そ
   れによつて前記作業機の水平方向に対する傾斜を
   も制御できるようにしたことを特徴とする前記施
   工方法。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項におい
   て、前記作業機にはさらに別のステアリング制御
   用受光装置が固定した高さをもつてとりつけられ
   ており、前記基準地点から別に投射されるレーザ
   ビームを該ステアリング制御用受光装置の水平方
   向の所定の部位に入射するよう土工機械のステア
   リングの自動制御を行なうよう構成したことを特
   徴とする前記施工方法。 ４ 特許請求の範囲第１項から第３項までのうち
   の何れか１つの項において、前記(ハ)から(ホ)までの
   諸工程は前記メモリ装置を含むマイクロコンピユ
   ータにより遂行されることを特徴とする前記施工
   方法。