JPH0389105A - 姿勢検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分ｒＪＦ１ 本発明はレーザ投光器を補助手段として用いるブルドー
ザによる土工作業の為の姿勢検出器に係わり、特には、
該ブルドーザの姿勢を容易確実に検出することの出来る
姿勢検出器に関する。

［従来の技術］ 周知のように、ブルドーザによって平面をだすための土
工作業はオペレータにとって熟練を要する作業である。

未熟練のオペレータによっても効率の良い作業を遂行出
来るために、しばしばレーザ投光器と組み合わせた作業
が行われている。

レーザ投光器と組み合わせた作業を行うには。

土工作業を行う作業域の所定の場所にレーザ投光器を装
置し、レーザ光線の投射伏角を所定の角度、−数的には
水平に設定して必要とする範囲に渡ってレーザ光線を旋
回投射する。土工作業を行うブルドーザには作業機に上
下方向に対する受光位置変化を検知出、来る受光装置を
装着したボールを立て、該受光装置上に於ける受光位置
が、受光装置の上下方向における中心部よりも上にある
時は、受光装置、すなわち作業機が下がり過ぎているこ
とを示しているから作業機を上に上げるように操作し、
逆に受光位置が受光装置の上下方向における中心部より
も下にある時は、受光装置、すなわち作業機が上がり過
ぎていることを示しているがら作業機を下に下げるよう
に操作するようにしている。

この様な作業を実行するには受光装置の受光位置をオペ
レータにランプ表示するか、受光回路から作業機の操作
回路に信号を送って自動的に作業機を操作するような方
法が取られている。

また、−ａ的に傾斜を検知するにはペンデュラムを応用
した傾斜検出器や、ジャイロを用いることがある。

［発明が解決しようとする課題］ ところが上記手段によってオペレータが判断出来るのは
、作業機の位置が所定の高さよりも上にあるか下にある
かの判定である。従って、該土工作業が仕上げ段階であ
って凹凸の少ない場合は余り問題はないが凹凸の大きい
状況においての作業では、従来の計測装置では該ブルド
ーザの前後方向の傾斜の程度が判らず、従って明確に該
ブルドーザの高低の位置が検知されてから土工機を操作
しているのでは遅れを生ずるとか、土砂の押し上方向の
判定が困難であるとか、土工機の操作量の判定が困難で
あるとかの問題があって、効率の良い、また、精度のよ
い作業を遂行出来ないという問題があった。

また、ペンデュラムを応用した傾斜検出器は周知のよう
に地球の持つ重力の方向を利用するものであるが重力は
加速度と同一の物理的働きである。しかるにブルドーザ
の土工作業においては前後方向に大きな衝撃を受けるこ
とが多く、衝撃は加速度の変化を来しているので該傾斜
検出器は傾斜に影響なく変化出力を出すことになる。従
ってブルドーザによる土工作業においてペンデュラムを
応用した傾斜検出器を使用することは出来ない また、ジャイロは精密機械であって、価格も高く、ブル
ドーザによる土工作業のような低価格で苛酷な作業を行
う機械に装着するには適した計測器ではない。

本発明は上述の問題を解決して容易確実にブルドーザの
前後方向の傾斜を検出できる姿勢検−出器を提供するこ
とを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を遠戚するために、本発明に係る姿勢検出器に
おいては、光線の投射方向に開放面を向けて設けた半放
物線断面を有する反射鏡と。

該半放物線断面を有する反射鏡の焦点部に設けた受光位
置判別機能をもった受光素子と、該受光素子に投射する
光線の位置を検知す、る電子回路とよりなることを特徴
としている。また、反射鏡の焦点部に設けた受光位置判
別機能をもった受光素子にＰＳＤを用いたことを特徴と
している。

［作用］ 上記検出器によれば、所定の伏角で投射している光線の
方向に対する受光器の上下方向に対する角度が判定でき
るので、該検出器を装着している建設機械の前後方向に
おける傾斜角を容易確実に検知出来るというすぐれた効
果を得ることができる。

［実施例］ 以下本発明に係る姿勢検出器の実施例の詳細を図面を参
照して説明する。

第１図は本発明に係る姿勢検出器を用いた土工作業の概
要説明図、第２図は本発明に用いる半放物線断面を有す
る反射鏡の理論説明図、第３図は本発明に用いるＰＳＤ
の理論説明図、第４図は本発明に係る半放物線断面をイ
ｆする反射鏡例の構造図、第５図は本発明に係る姿勢検
出器を用いた傾斜角検出回路の一実施例を示している。

第１図において、１は土工作業を行うべき作業域の所定
の場所に装置したレーザ投光器であって、自動水準器に
よって正しく水平方向にレーザを投射するように投光部
は維持され、乗直軸に沿って旋回している。従って、該
レーザ投光器は正しい光水平面１ａを作業域にわたって
創成している。

２は該作業域で土工作業を行うブルドーザであって、ボ
ール３ａを立ててボールの先端に木発明に基づく受光器
３を装着している。従って、該ブルドーザが該作業域で
土工作業を遂行しているときで、該作業地面に極度に大
きい凹凸の無い状態では常に該受光器３にレーザ光線１
ａを受けている。受光器３は詳細を後述するようにレー
ザ光線１ａに対する傾斜角を検出出来るので、受光器３
が受けるレーザ光線の状況をオペレータに表示すること
によってオペレータは作業機の前後方向の傾斜角を知り
、効率の良い土工作業を行うことができる。

第２図において、２１は平行光線であって、２２は光線
の投射して来る方向に対して放物線の開いた面を向け、
下半面を除いた半放物線断面を有する反射鏡であり、２
３は該反射鏡が前記光線２１を反射して投射する光線を
受光する光センサである。

平行光線が２１ａに示す方向から投射される場合は反射
鏡２３は放物線断面を有する反射鏡であるから、平行光
線２１ａは光センサ上のａ点に集光投射する。

平行光線の投射位置が変わって２１ｂの方向から投射さ
れると、反射鏡２３は放物線断面を有する反射鏡である
から、平行光線２１ｂは光センサ上のｂ点に集光投射す
る。

本説明では図面と説明の都合上平行光線２１の投射して
来る方向が変化するように説明したが、第１図によって
前述したように、実際の作業では並行光線の投射方向は
変化しないで反射鏡２３の角度が変化する。

第３図において、第３図（ａ）は受光位置判別機能をも
った受光素子であるＰＳＤの概要構造図であり、第３図
（ｂ）はＰＳＤの動作説明図である。

第３図（ａ）において、３１はＰｉｎｔＮ造を有するア
モルファスシリコン層であって、該層３１の上面及び下
面にそれぞれ形成された透明抵抗層３２および３３と、
抵抗層３２に配設されたＹ方向の集電電極３４および３
５と、抵抗層３３に配設されたＸ方向の集電電極３６及
び３７とを備えた構造をなしている。

今、第３図（ｂ）に示すようにこのＰＳＤにスポット光
が投射されると、アモルファスシリコン層３１の持つ太
陽電池作用により該層３１に電圧が誘起され、この電圧
に基づく電流ＩＱが抵抗層３２を介して電１ｉ１ｉ　３
４．３５に分流する。

そこで、光ビーム入射位置と電極３４との間および同光
ビーム入射位置と電極３５との間の抵抗値をＲ１及びＲ
２とすると、電極３４および３５より流出する各電流、
ＩＹＩおよび電流Ｉｙ２は、それぞれ次の式のように表
される。

Ｉｙｘ　＝　（Ｒ２／　（Ｒｔ　＋Ｒ２）　ｌ　Ｘ　Ｉ
。

・・・・・・・・・（１） Ｉｙｚ　＝　（Ｒ１／　（Ｒｔ　＋Ｒ２）　）　Ｘ　Ｉ
。

・・・・・・・・・（２） そして、抵抗層３２が均一で、かつ、光入射位置より電
極３４および３５に至る距離、ＪｌｌｌおよびＳ２がそ
れぞれ抵抗層Ｒ１およびＲ２に比例するとすると、（１
）式、〈２〉式は各々、次式（３）、（４）のように表
される。

Ｉｙｘ　　＝　　（−０ｚ　　／　　（ＪＪｔ　　＋Ｊ
）２　　）　　）　　ｘ　Ｉ。

・・・・・・・・・　（３〉 Ｉｙｚ　　＝　　（Ｊｅｔ　　／　　（，０１＋Ｊ）２
　　）　　ｌ　　Ｘ　Ｉ。

・・・・・・・・・　（４） ただし１．Ｑｌ　＋、Ｃ１２＝Ｌ　＝一定であって、電
極３４と電極３５の間の長さである。

上式のＩＯが一定であると仮定すると、電流ＩｙｌとＩ
ｙｚはそれぞれ距離刃１とり２のみの関数となる。従っ
て、それらの比或いは差を求めることによってＹ方向に
ついてのＰＳＤ受光面上での電極３４と電極３５の間に
於ける光入射位置を求めることが出来る。

なお、集電電極３６及び３７から取り出される各電流Ｉ
ＸＩ　とＩＸ２も、（３）式と（４）式に準じた形で表
され、従ってＸ方向の光線の入射位置を知ることができ
る。

第４図は本発明に基づく受光器の図であって、該受光器
に投射光線４１が入射されると、該入射光線４１は該受
光器の筐体４０の前面にもうけられた窓４５を透過して
断面を半放物線に戊形した反射鏡４２に当たり、反射し
た光線は先の動作を説明した光電気変換素子であるＰＳ
Ｄ４３の表面に集光される。

ＰＳＤ４３によって得られる電気信号は電気回路の基板
４４において受光器として必要な電気的処理が成される
。

前記投射光線４１は横方向にスキャニングしているので
、横方向の投射角度に対しては計測する必要がなく、Ｐ
ＳＤ４３の横幅の長さは、スキャニングする投射光線の
旋回速度に対して、所定の時間が該ＰＳＤ４３に投射光
線が入射している幅を有していればよい。

次に第５図によって姿勢検出器の回路槽底を説明する。

図において、５２は受光器の光電気変換素子であるＰＳ
Ｄであって、図では示していない反射鏡から反射されて
きた光線が入射される。

該ＰＳＤ５２には垂直軸方向両端に電極５４および５５
が配設され、水平軸方向両端には電極５６および５７が
配設されている。

第４図において説明したように、上記水平軸方向両端に
配設さた電極５６および５７は本目的には使用されない
ので出力信号は収り出されていない。

ＰＳＤ５２の垂直軸方向両端に配設された電極５４と５
５の出力は減算器６０と加算器６１に入力され、減算器
６０と加算器６１の出力は割り算器６２に入力されてい
る。

割り算機６２の出力は補正回路６５を経て表示装置６６
に送られて傾斜角度を表示する。

加算器６１の出力はコンパレータ６４において所定の基
準電圧と比較され、該コンパレータの出力がある時に前
記補正回路６５が起動され、また、表示装置６６を制御
する。

次に上述の回路に於ける動作を説明する。

受光器の光電気変換素子であるＰＳＤ５２に図では示し
ていない反射鏡から反射してきた光線が入射すると、第
４図において説明したように電極５４からはＩｙｌが出
力して減算器６０と加算器６１に入力し、電極５５から
はＩｙｌが出力して減算器６０と加算器６１に入力して
いる。

ｉｙｔ　とＩｙｌは第３図において説明したようにＰＳ
Ｄ５２に入射した位置と電極５４および５５との距離に
比例している。また、ＰＳＤ５２に入射した位置と電極
５４および５５との距離は第２図において説明したよう
に受光器に対する投射光線の入射角度と反射器の特性に
関係している。

減算器６０にＩｙｌとＬｙ２が入力すると、該減算器の
働きによってＩｙｌ−ＩＶ２の計算がなされて減算結果
が出力される。また、加算器６１にＩ３／１　とＩＶ２
が入力すると、該加算器の働きによってＩｙｌ　＋Ｉｙ
２の計算がなされて加算結果が出力される０次に、これ
ら減算結果と加算結果が入力した割り算器６２によって
、（Ｉｙｌ　Ｉｙｌ）／（Ｉｙｔ＋Ｉｙ２）が算出され
る。

補正回路６５には、あらかじめ、前述した反射器とＰＳ
Ｄの特性に対応して、前記計算結果（Ｉｙｘ　　−Ｉｙ
ｚ　）／　（Ｉｙｔ　＋Ｉｙ２　）から該受光器への投
射光線の入射角度を算出する条件が記録されていて、該
条件に従った演算によって該受光器への投射光線の入射
角度が算出される。

一方、加算器６１の加算結果はＰＳＤ５２への全入射光
量に比例している。したがってコンパレータにおいて所
定の基準電圧と比較し、加算結果が基準電圧よりも低い
場合は投射光線が充分に該受光器に入射していないこと
を意味しているので、コンパレータからの出力があると
き、即ち、投射光線が完全に該受光器に入射していると
きに、該コンパレータからの出力信号によって前記補正
回路６５を起動することにより、補正回路６５からは正
しい入射角度を示す信号を収り出すことができる。

前述したように、光線を投射しているレーザ投光器はス
キャニングをしているために該受光器には間欠的に光を
入射しているので、補正回路６５からの角度信号は間欠
的に出されて表示装置６６に入力される、したがって、
表示装置６６においては入力信号を一時的にラッチし、
次のコンパレータからの出力信号によってラッチを解除
して新しい信号を表示することによって常に角度信号を
オペレータに示すことができる。

レーザ投光器のスキャニング速度は該姿勢検出器を装置
するブルドーザの動きに比べて非常に早いので上述のよ
うに信号が一時的にラッチされても実用上は問題がない
。

第５図で説明した回路はアナログ回路でｔｉｒＩｉして
も入力のアナログ信号をデジタルに変換して、デジタル
によって槽底しても良く、またデジタルの場合はコンピ
ュータによるソフト処理を行っても良い。

また、受光素子としては受光位置を検知出来る素子であ
ればＰＳＤ以外の素子を用いることができる０例えば微
少な光電変換素子を並べても良く、−個の太陽電池の前
に連続的に透過度の変化する光フィルタを設けても良く
、光電変換素子と光ファイバと組み合わせても良い、こ
の様にＰＳＤ以外の受光素子を使用した場合はその素子
に対応して第５図に示した回路は変更する必要がある。

また、アナログ回路で構戒した場合はラッチ回路の時定
数を選択することによってラッチ解除の信号を不要にす
ることもできる。

本説明では本発明を使用する対象機械をブルドーザとし
たが、その他の機械に対しても角度を検知することが必
要な場合は本発明を活用することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、所定の伏角で投射
している光線の方向に対する受光器の上下方向に対する
角度が判定できるので、容易に該検出器を装着している
建設機械の前後方向における傾斜角を容易に検知出来る
というすぐれた効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る姿勢検出器を用いた土工作業の概
要説明図。 第２図は本発明に係る反射鏡の理論説明図。 第３図は本発明に用いるＰＳＤの理論説明図。 第４図は本発明に係る受光器の構造図。 第５図は本発明に係る傾斜角検出回路の一実施例図。 １・・・・・・レーザ投光器 １ａ・・・レーザ光線 ２・・・・・・ブルドーザ ２ａ・・・作業機 ３・・・・・・受光器 ３ａ・・・ボール ２１・・・・・・平行光線 ２２・・・・・・反射鏡 ２３・・・・・・光センサ ３１・・・・・・アモルファスシリコン層３２・・・−
・・透明抵抗層 ３３・・・・・・透明抵抗層 ３４・・・・・・集電電極 ３５・・・・・・集電電極 ３６・・・・・・集電電極 ３７・・・・・・集電電極 ４０・・・・・・筐体 ４１・・・・・・投射光線 ４２・・・・・・反射鏡 ４３・・・・・・ＰＳＤ ４４・・・・・・電気回路基板 ４５・・・・・・窓 ４６・・・・・・ボール ５２・・・・・・ＰＳＤ ５４・・・・・・電極 ５５・・・−・・電極 ５６・・・・・・電極 ５７・・・・・・電極 ６０・・・・・・減算器 ６１・・・−・・加算器 ６２・・・・・・割り算器 ６３・・・・・・基準電圧 ６４・・・・・・コンパレータ ６５−・・−・・袖正回路 ６ ６・・・・・・表示装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光線の投射方向に開放面を向けて設けた半放物線断
   面を有する反射鏡と、該半放物線断面を有する反射鏡の
   焦点部に設けた受光位置判別機能をもつた受光素子と、
   該受光素子に投射する光線の位置を検知する電子回路と
   よりなることを特徴とする姿勢検出器。 ２、反射鏡の焦点部に設けた受光位置判別機能をもつた
   受光素子にＰＳＤを用いたことを特徴とする請求項１記
   載の姿勢検出器。