JPS5921835A - 地面を所定の形状に仕上げる施工方法 - 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】 本発明（ｌま、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、
それに従って杭打ちや丁張りを行ない、これを基準とし
て建設機械、特に土工機械によって整地作業ないし地面
形成作業を行なってきた。

従って測量を行ない杭打ち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の
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いる補助員が丁
張りの間に糸を張って、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って微少量の作業機操
作を行なう、というように、熱縁したオペレータと、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
つけたセンサによっ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
斜計による測宕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グを昇降させるようになっている
。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ュ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った。

また幅の広い道路を整地するときは、−回の作業で全体
を整地するこてが出来ず、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、これにならって整地作業を行なう
ことは困難であるため、ン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
ることによっ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（５） 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Ｋ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っており、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った曲面状
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
状に仕上げる新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っても容易に正し
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
行なう本発明の詳細な説明によって明らかにされる。

第１図は本発明に用いる受光装置の一例であって、受光
装置１０はｎ個の独立した光電変換素子１０　　＋　　
１０．　　＋　＋−＋ＨＨ＋　１０（１４−＋／ｌ　＋
　　”””　＋　ＩＯＨの（６） 列によって構成されている。後述する自動制御装置鎗は
、つねに特定の光電変換素子、例えば中央の光電変換索
子１０　ｎ、、、、／２がレーザビ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って、
受光装置２０には２つの光電変換素子２０１゜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
対称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２０．　、　２０２の出力を差動増
幅器（図示せず）の両入力に入力して差動出力が零にな
るように、すなわちレーザビームがつねに中央不感帯２
１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、３８゜４０は土工機械３０の作
業機３２０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
けたポールで支持される受光装置であって、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。

一般的に言っ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精度を必要
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。従っ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３
２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
場所によって傾斜が異なり作業機３２０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妙、所望整地面が一様な水平面、ま
たは水平面にある一定の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っておれば、受光装置
は３８．４０のうちいずれか一方のみでおってよい。４
２は第３図で示こた操向、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
出装置であって、レーザビームの射出方向は制御装ｇ５
０によって制御される。５４は基準地点から土工機械３
０までの距離を測定する装置であるが、それは以下に説
明する抽々公知の方法により実現される。

例えば装置１１５４から電波を発射し、土工機械３０か
ら反射して戻ってくる′電波を検知して発射してから反
射波受信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
ーナキュ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（９） 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。

あるいけまた、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に設ければ三角測歇的に距離を求
めることができる。

以上のように距離測定装置５４は種々公知の方法によっ
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。

土工機械によって作業を行ない、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
に従っ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によって逐次計
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（１０） 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っている
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ってよく、左右の所望レベルが場所
によって変化するときは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［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２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によっ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棹の現
在地点がわかり、従っ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はマイクロコンピュ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ュ
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っ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
行なって制御装置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ュータで
構成スる必要もない。レーザビーム射出装置の設置レベ
ル４′Ａ゛フヒツト縫として所望座標を補正できるよう
にしてオ・＜必要があることは甘う−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［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
構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６２とを結合す
るため支柱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
けジンバル機構７０と錘７２とによって確実に鉛直に維
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によってほぼ水平方向に屈折（
］３） 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によっ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によって指示
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５００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Ｖ−ザビームの投射方向の実際値９
０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に人力され、機構６４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
向かられかる土工機械３０の現在位置における所望座標
値をメモリ族（１４） １ｆｆ８０に記憶されている設計図にもとづいて予め記
憶さ止た多数の所望座標値の巾から読み出し、それをｌ
／−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８６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って算出できるようにな
っている。

チルト制御す′なわち作瑛機３２の水平面に対する傾斜
角を制御する場合は−Ｆ述したように２つの受光装置３
８．４０を用いるが、レーザビームはｌ／ンズ系６２か
ら発射されるビートをこれら２つの受光装置３８．４０
に向かうよう逐次的に交互Ｋ　＋ｖｉ６ａで切替えて発
射１．てもよい。この作業機３２のチルト、す々わち傾
斜角の値は、各地点における所１ａ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１．、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ッシュを付した
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と類似のものであってよい。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め方向
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。従っ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、特に別に装置を
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ろことである。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。従って作業開始にあたってレーザビームの
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
る無線信号によって、または距（１７） 離測定装置５４の測定値に対応してメモリ８０から読み
出すデータによって、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
ことによっ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ィカルファイバ（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
なっている。１点鎖線で囲んだ２つの領域１０１＋　、
　１０１ｔ　に属するオプティカルファイバは作業機の
レベル制御用受光装ｆ３８（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
れるに従って増加させ受光量が増加するようになってお
り、その受（１８） 先掛の変化はこの水平方向中心線に関して対称になって
いる。これは第２図に関して説明したとおりであり、こ
れら両領埴のオプティカルファ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−ぎず）の内入
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１０２．　、１０
２．に属するオプティカルファ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っ
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っている点が異なるの
みである。図では各領域１０１．　、１０１□と１０２
゜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ちのであ
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ってよく
、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
っ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ってレーザビームがつねに
この中心位置１０４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ｉ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
レータによっ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った道路
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）７’
ロック図、第７図はノ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。 符号の峠、明 １０．２０．３Ｂ、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　６ｏ・・・レーザ管６２．６２’
・・・レンズ系 代理人　弁理士　藤　　本　　　　礒 （２１） ヤＢ図 ２ 千４　図 ヤ７＋Ｔ

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
   させ該作業機によって地面を所定の形状に仕上げる施工
   方法であって、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、仲）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、 に）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６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ってとりつけられた
   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、それによって前記作業機の
   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
   固定した高さをもっ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（１→までの諸
   工程は前記メモリ装置を含むマイクロコンピュータによ
   り遂行されることを特徴とする前記施工方法。