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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022088162
(43)【公開日】2022-06-14
(54)【発明の名称】掘削補助システム
(51)【国際特許分類】
   E21D 9/00 20060101AFI20220607BHJP
   G01C 15/00 20060101ALI20220607BHJP
【FI】
E21D9/00 C
G01C15/00 104D
G01C15/00 103A
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2020200455
(22)【出願日】2020-12-02
(71)【出願人】
【識別番号】000206211
【氏名又は名称】大成建設株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】520475296
【氏名又は名称】エム・エス・ティー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】近藤 高弘
(72)【発明者】
【氏名】中島 元
(57)【要約】
【課題】ノミ先の先端位置を的確に算出して、より正確な施工を実現するための掘削補助システムを提案する。
【解決手段】建設機械の旋回体12の後部に設けられた二台のターゲット3,3と、ターゲット3,3を自動追尾する二台のトータルステーション4,4と、建設機械のブーム13、アーム14およびヘッド部15にそれぞれ取り付けられた三軸加速度センサユニット5と、ヘッド部15に設けられたノミ16の先端位置を算出する算出手段7とを備えている。三軸加速度センサユニット5は、取付位置において三軸加速度を検出し、算出手段7は、三軸加速度によりブーム13、アーム14およびヘッド部15のピッチング角およびローリング角を算出するとともに、ピッチング角、ローリング角およびトータルステーション4,4の計測結果によりノミ16の先端位置を算出する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
建設機械の旋回体の後部に設けられた二台のターゲットと、
前記ターゲットを自動追尾する二台のトータルステーションと、
前記建設機械のブーム、アームおよびヘッド部にそれぞれ取り付けられた三軸加速度センサユニットと、
前記ヘッド部に設けられたノミの先端位置を算出する算出手段と、を備える掘削補助システムであって、
前記三軸加速度センサユニットは、取付位置において三軸加速度を検出し、
前記算出手段は、前記三軸加速度により前記ブーム、前記アームおよび前記ヘッド部のピッチング角およびローリング角を算出するとともに、前記ピッチング角、前記ローリング角および前記トータルステーションの計測結果により前記ノミの先端位置を算出することを特徴とする、掘削補助システム。
【請求項2】
前記算出手段は、式1を利用して前記ピッチング角θを算出し、式2により前記ローリング角φを算出することを特徴とする、請求項1に記載の掘削補助システム。
【数1】
【請求項3】
前記旋回体に、慣性センサユニットが設けられており、
前記慣性センサユニットは、前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出し、
前記算出手段は、前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度により前記旋回体のヨー角を算出することを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の掘削補助システム。
【請求項4】
前記算出手段は、前記旋回体のヨー角Ψを式5により算出すること特徴とする、請求項3に記載の掘削補助システム。
【数2】
【請求項5】
各センサの信号処理を行うローパスフィルタをさらに備えていることを特徴とする、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の掘削補助システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、山岳トンネルの施工に使用する掘削補助システムに関する。
【背景技術】
【0002】
NATM等の山岳トンネルの施工において、機械式掘削における掘削機あるいは発破式掘削におけるこそく作業時の機械として、削岩機等のアタッチメントを取り付けた旋回式建設機械(例えば、バックホウ)を使用する場合がある。このとき、旋回式建設機械に取り付けられたターゲットをトータルステーションにより測定することで、旋回式建設機械の先端(削岩機のノミ先等)の位置情報をリアルタイムに把握する場合がある(例えば、特許文献1参照)。
従来のシステムでは、旋回式建設機械に設置されたターゲットをトータルステーションにより追尾測量することで、旋回式建設機械の旋回方向を検出するとともに、旋回式建設機械のブーム、アーム、ヘッド部に取り付けた傾斜計により傾斜角を検出することで、ノミ先の先端位置を算出する。
ブーム、アーム、ヘッド部に取り付けられた傾斜計は、旋回式建設機械に対する角度(ピッチング角)を算出するのが一般的である。一方、トンネル坑内では、不陸や傾斜により路面が平坦ではないのが一般的である。路面が平坦ではないと、旋回式建設機械自体が傾斜していることで、ブーム、アーム、ヘッド部の角度にも影響を及ぼすおそれがある。そのため、ノミ先の先端位置を正確に算出するためには、旋回式建設機械の向き(ピッチング、ローリング、ヨー角等)による影響を排除した状態で算出するのが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2017-190587号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、ノミ先の先端位置を的確に算出して、より正確な施工を実現するための掘削補助システムを提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
前記課題を解決するための本発明は、建設機械の旋回体の後部に設けられた二台のターゲットと、前記ターゲットを自動追尾する二台のトータルステーションと、前記建設機械のブーム、アームおよびヘッド部にそれぞれ設けられた三軸加速度センサユニットと、前記ヘッド部に設けられたノミの先端位置を算出する算出手段とを備える掘削補助システムである。前記三軸加速度センサユニットは、前記ブーム、前記アームまたは前記ヘッド部の三軸加速度(互いに直交する3方向(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向)の加速度)を検出する。前記算出手段は前記三軸加速度によりピッチング角およびローリング角を算出するとともに、前記ピッチング角、前記ローリング角および前記トータルステーションの計測結果により前記ノミの先端位置を算出する。
かかる掘削補助システムによれば、ブーム、アームおよびヘッド部の水平面に対するピッチング角およびローリング角を算出できるため、ブーム、アームおよびヘッド部がローリングした場合であっても、ノミの先端位置の位置情報をより正確に算出できる。また、水平面に対するピッチング角およびローリング角を算出するため、トンネル坑内の不陸や傾斜の影響を受け難い。
【0006】
前記旋回体に、前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する慣性センサユニットが設けられている場合には、前記算出手段は、前記旋回体の三軸加速度および三軸回転角速度により前記旋回体のヨー角を算出する。
かかる掘削補助システムによれば、旋回体に設けられたセンサにより建設機械のヨー角を算出する。すなわち、トータルステーションを利用して二つのターゲットから方向角を求める場合と同様の角度を慣性センサユニットから出力できる。
さらに、各センサの信号処理を行うローパスフィルタを備えていれば、測定結果(検出結果)のノイズ除去することで、精度をより高められる。
【発明の効果】
【0007】
本発明の掘削補助システムによれば、ノミの先端位置を的確に把握することで、より正確な施工を実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】本実施形態の旋回式建設機械による施工状況を示す概略図である。
図2】本実施形態の発作補助システムを示すブロック図である。
図3】三軸加速度センサユニットの概要を示すブロック図である。
図4】慣性センサユニットの概要を示すブロック図である。
図5】旋回式建設機械の三次元座標系である。
図6】旋回式建設機械の使用状況の例を示す平面図である。
図7】(a)はローパスフィルタによる平滑化処理前の旋回体のピッチング角およびローリング角を示し、(b)はローパスフィルタによる平滑化処理後の旋回体のピッチング角およびローリング角を示す。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本実施形態では、山岳トンネルの施工において使用する旋回式建設機械1について説明する。図1に旋回式建設機械1による施工状況を示す。図1に示すように、旋回式建設機械1は、発破後の切羽(トンネル先端部)において、掘削直後の切羽面やトンネル壁面に残存する浮石の除去(コソク)に使用する。
本実施形態の旋回式建設機械1は、いわゆるバックホウであって、走行体11と、走行体11上に縦軸を中心に回転可能に設けられた旋回体12と、旋回体12に横軸を中心に回動可能に取り付けられたブーム13と、ブーム13の先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたアーム14と、アーム14の先端部に横軸を中心に回動可能に取り付けられたヘッド部15とを備えている。ヘッド部15は、いわゆるアタッチメントであって、本実施形態のヘッド部15は、ノミ16を備えたブレーカーである。
本実施形態の掘削補助システム2は、旋回式建設機械1のヘッド部15に設けられたノミ16の先端位置を的確に把握するものである。ノミ16の先端位置を的確に把握できれば、旋回式建設機械1を適切に操作できるようになるので、効率的かつ精度の高いトンネル施工が可能となる。ノミ16の先端位置は、掘削補助システム2により算出する。図2に掘削補助システムの概要を示す。図2に示すように、本実施形態の掘削補助システム2は、ターゲット3と、トータルステーション4と、三軸加速度センサユニット5と、慣性センサユニット6と、算出手段7とを備えている。
【0010】
ターゲット3は、図1に示すように、旋回式建設機械1の旋回体12の後部に固定されている。本実施形態では、二台のターゲット3,3が、旋回体12の上面に間隔をあけて配設されている。ターゲット3は、反射プリズムを備えており、トータルステーション4から照射された光波を、トータルステーション4に向けて反射する。本実施形態では、全周方向(ターゲット3を中心とした360°の方向)から測定可能なターゲットプリズムを使用する。
【0011】
トータルステーション4は、図1に示すように、旋回式建設機械1の後方の据え付けられていて、ターゲット3を自動追尾する。本実施形態では、二台のトータルステーション4を据え付けて、それぞれのトータルステーション4が異なるターゲット3の測量を行う(一方のトータルステーション4により一方のターゲット3を自動追尾し、他方のトータルステーション4により他方のターゲット3を自動追尾する)。
トータルステーション4は、ターゲット3の位置を計測し、計測結果を算出手段7に送信する。
【0012】
三軸加速度センサユニット5は、図1に示すように、ブーム13、アーム14およびヘッド部15にそれぞれ取り付けられている。図3に三軸加速度センサユニット5の概要を示す。
各三軸加速度センサユニット5は、図3に示すように、三軸加速度計51、ローパスフィルタ52、通信制御手段53、電力供給手段54および制御手段55を備えている。三軸加速度計51は、取付位置において三軸加速度を検出する。三軸加速度は、互いに直交する3つの軸(X軸、Y軸、Z軸)方向の加速度である。X軸およびY軸は、水平面内において互いに直交する軸であり、Z軸は、水平面に垂直な軸(鉛直軸)である。ローパスフィルタ52は、三軸加速度計51の信号処理(高周波成分の除去)を行う。ローパスフィルタ52のカットオフ周波数は、旋回式建設機械1の駆動源の振動やブレーカーの振動などに起因する高振動数の加速度(ノイズ)を除去できる大きさ(例えば1~2Hz)に設定する。通信制御手段53は、ローパスフィルタ52を介して信号処理された三軸加速度計51による計測結果の通信を制御する。三軸加速度センサユニット5は、通信制御手段53を介して、三軸加速度を算出手段7に送信する。電力供給手段54は、三軸加速度計51、ローパスフィルタ52、通信制御手段53、制御手段55等に電力を供給する。制御手段55は、三軸加速度計51およびローパスフィルタ52の起動・停止を制御する。
【0013】
慣性センサユニット6は、旋回体12に設けられている。慣性センサユニット6は、旋回体12の三軸加速度および三軸回転角速度を検出する。三軸回転角速度は、互いに直交する3つの軸(X軸、Y軸、Z軸)周りの角加速度である。図4に慣性センサユニット6の概要を示す。図4に示すように、慣性センサユニット6は、三軸ジャイロ61、三軸加速度計62、ローパスフィルタ63、通信制御手段64、電力供給手段65および制御手段66を備えている。三軸ジャイロ61は、旋回体12の三軸回転角速度を検出する。三軸加速度計62は、取付位置において三軸加速度を検出する。ローパスフィルタ63は、三軸ジャイロ61により検知された三軸回転角速度および三軸加速度計62により検知された三軸加速度の信号処理(高周波成分の除去)を行う。ローパスフィルタ63のカットオフ周波数は、旋回式建設機械1の駆動源の振動やブレーカーの振動などに起因する高振動数の加速度(ノイズ)を除去できる大きさ(例えば1~2Hz)に設定する。通信制御手段64は、ローパスフィルタ63を介して信号処理された三軸加速度および三軸回転角速度の算出手段7への通信を制御する。電力供給手段65は、三軸ジャイロ61、三軸加速度計62、ローパスフィルタ63、通信制御手段64、制御手段66等に電力を供給する。制御手段66は、三軸ジャイロ61、三軸加速度計62およびローパスフィルタ63の起動・停止を制御する。
【0014】
算出手段7は、ヘッド部15に設けられたノミ16の先端位置を算出する。
算出手段7は、トータルステーション4から送信された測定結果に基づいて各ターゲット3の座標を算出し、両ターゲット3,3の座標から旋回式建設機械1の向きや傾きを算出する。トータルステーション4では、主に現場座標系での旋回式建設機械1の三次元座標をもとめ、三軸加速度計で旋回体12のピッチングとローリング角をもとめ、結果として旋回式建設機械1の三次元座標と方向角と傾きが検出される。図5に旋回式建設機械1の三次元座標系を示す。
また、算出手段7は、三軸加速度センサユニット5から送信されたデータ(ブーム13、アーム14およびヘッド部15の三軸加速度(Ax,Ay,Az))に基づいて三軸加速度センサユニット5の取付位置(ブーム13、アーム14またはヘッド部15)におけるピッチング角θおよびローリング角φを算出する。ピッチング角θおよびローリング角φを算出したら、算出結果(三軸加速度センサユニット5の取付位置におけるピッチング角θ、ローリング角φ)およびトータルステーション4の計測結果に基づいてノミ16の先端位置を算出する。
なお、ブーム13、アーム14またはヘッド部15のピッチング角θは、式1により算出する。また、ブーム13、アーム14またはヘッド部15のローリング角φは、式2により算出する。
【0015】
【数1】
【0016】
また、算出手段7は、慣性センサユニット6から送信された旋回体12の三軸加速度(Ax,Ay,Az)に基づいて旋回体12のピッチング角θおよびローリング角φを算出するとともに、ピッチング角θ、ローリング角φおよび慣性センサユニット6から送信された旋回体12の三軸回転角速度(Rx,Ry,Rz)に基づいて旋回体12のヨー角Ψを算出する。
旋回体12のピッチング角θは式3により算出し、旋回体12のローリング角φは式4により算出する。また、旋回体のヨー角Ψは、式5により算出する。
【0017】
【数2】
【0018】
本実施形態の掘削補助システム2によれば、水平面を基準としてブーム13、アーム14およびヘッド部15のピッチング角およびローリング角を算出できるため、ブーム13、アーム14およびヘッド部15がローリングした場合であっても、ノミ16の先端位置の位置情報をより正確に算出できる。また、水平面を基準としてピッチング角およびローリング角を算出するため、トンネル坑内の不陸や傾斜の影響を受け難い。なお、ブーム13、アーム14およびヘッド部15のヒンジ部では、ヘッド部15の重量によりヒンジ箇所において左右方向にたわみが生じるおそれがある。本実施形態の掘削補助システム2では、水平面を基準としてブーム13、アーム14およびヘッド部15のピッチング角に加えてローリング角を算出するため、ノミ16の先端部の位置座標を精度よく算出できる。
【0019】
また、旋回体12に設けられた慣性センサユニット6(三軸ジャイロおよび三軸加速度計からなる6軸の慣性センサ)により測定された旋回体12の三軸加速度および三軸回転角速度に基づいて、水平面を基準とした旋回体12のヨー角を算出することで、より正確な角度を算出することが可能となる。すなわち、旋回体12のヨー角を考慮してノミ16の先端位置の位置情報を算出することで、より精度が高まる。なお、二台のターゲット3,3およびトータルステーション4,4によって旋回式建設機械1の旋回角を測定すると、走行体11に対する旋回体12の向きを固定した状態で旋回式建設機械1を移動させた場合(図6の建設機械1b参照)であっても、旋回体12が旋回した計測結果となる。また、トータルステーション4によるターゲットプリズムの測定では、プリズムの1点を毎回捉える(視準する)ことができない場合があるため、トータルステーション4,4の測定結果を用いてヨー角を計算すると、ヨー角の誤差が時間の経過とともに累積する虞がある。一方、本実施形態の掘削補助システム2によれば、慣性センサユニット6の測定結果に基づいて旋回体12のヨー角を算出するため、旋回式建設機械1の向きと走行体11に対する旋回体12の旋回角とを把握することができる。なお、走行体11に対する旋回体12の回転角度は、回転軸のジャイロによっても検出可能であるが、実際の重機が現場座標系でどのように旋回しているかを把握するためにはヨー角を把握する必要がある。
【0020】
また、三軸加速度センサユニット5や慣性センサユニット6から出力されたデータのノイズをローパスフィルタ52,63により除去するため、ピッチング角、ローリング角、ヨー角の推移が平滑化され、精度をより高められる。図7(a)にローパスフィルタによる平滑化前のピッチング角とローリング角を示し、図7(b)に平滑化後のピッチング角とローリング角を示す。図7(a)および(b)の対比から明らかなように、ローパスフィルタを使用すると、加速度および回転加速度のブレが軽減される結果、ピッチング角およびローリング角の推移も平準化される。なお、ローパスフィルタのカットオフ周波数(フィルター効果の強弱)は、適宜設定できる。
【0021】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、旋回式建設機械1がバックホウの場合について説明したが、旋回式建設機械1を構成する機械は、旋回体を有するものであれば限定されるものではない。
前記実施形態では、慣性センサユニットにより三軸回転角速度を出力するものとしたが、三軸回転加速度の場合は、角度検出に基づいて(二重積分することで)算出してもよい。
【符号の説明】
【0022】
1 旋回式建設機械
11 走行体
12 旋回体
13 ブーム
14 アーム
15 ヘッド部
16 ノミ
2 掘削補助システム
3 ターゲット
4 トータルステーション
5 三軸加速度センサユニット
6 慣性センサユニット
7 算出手段
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7