(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】P2023119313
(43)【公開日】2023-08-28
(54)【発明の名称】測定システム
(51)【国際特許分類】
G01C 15/00 20060101AFI20230821BHJP
【ＦＩ】
G01C15/00 104C
G01C15/00 103Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022022144
(22)【出願日】2022-02-16
(71)【出願人】
【識別番号】394017446
【氏名又は名称】マック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002321
【氏名又は名称】弁理士法人永井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】宮原 宏史
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ＧＰＳ衛星の信号を受信できない場所においても作業機械の位置と前記作業機械が向いている方向を特定することができる測定システムを提供する。
【解決手段】作業機械３の位置と向いている方向を特定する測定システム１であって、作業機械３から離れた位置に配置される測量機器２と、作業機械３に載置されるターゲット４と、を有し、測量機器２は、レーザー光を発振するレーザー発振器２Ｂを有し、ターゲット４は、レーザー発振器２Ｂから発振されたレーザー光の入射方向を検知する検知部４Ｄを有し、測定システム１は、測量機器２によって計測される測量機器２とターゲット４の間の距離および角度に基づいて、ターゲット４の位置を特定する位置特定部と、ターゲット４の検知部４Ｄが検知するレーザー光の入射方向と、入射方向に対する作業機械１の前後左右の位置関係とに基づいて、作業機械３が向いている方向を特定する方向特定部と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】作業機械３の位置と向いている方向を特定する測定システム１であって、作業機械３から離れた位置に配置される測量機器２と、作業機械３に載置されるターゲット４と、を有し、測量機器２は、レーザー光を発振するレーザー発振器２Ｂを有し、ターゲット４は、レーザー発振器２Ｂから発振されたレーザー光の入射方向を検知する検知部４Ｄを有し、測定システム１は、測量機器２によって計測される測量機器２とターゲット４の間の距離および角度に基づいて、ターゲット４の位置を特定する位置特定部と、ターゲット４の検知部４Ｄが検知するレーザー光の入射方向と、入射方向に対する作業機械１の前後左右の位置関係とに基づいて、作業機械３が向いている方向を特定する方向特定部と、を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
作業機械の位置と前記作業機械が向いている方向を特定する測定システムであって、
前記作業機械から離れた位置に配置される測量機器と、
前記作業機械に載置されるターゲットと、を有し、
前記測量機器は、
前記測量機器から前記ターゲットへ向かってレーザー光を発振するレーザー発振器を有し、
前記ターゲットは、
前記測量機器の前記レーザー発振器から発振されたレーザー光の入射方向を検知する検知部を有し、
前記測定システムは、
前記測量機器によって計測される前記測量機器と前記ターゲットの間の距離および角度に基づいて、前記ターゲットの位置を特定する位置特定部と、
前記ターゲットの検知部が検知するレーザー光の入射方向と、前記入射方向に対する前記作業機械の前後左右の位置関係とに基づいて、前記作業機械が向いている方向を特定する方向特定部と、
を有することを特徴とする測定システム。
前記作業機械から離れた位置に配置される測量機器と、
前記作業機械に載置されるターゲットと、を有し、
前記測量機器は、
前記測量機器から前記ターゲットへ向かってレーザー光を発振するレーザー発振器を有し、
前記ターゲットは、
前記測量機器の前記レーザー発振器から発振されたレーザー光の入射方向を検知する検知部を有し、
前記測定システムは、
前記測量機器によって計測される前記測量機器と前記ターゲットの間の距離および角度に基づいて、前記ターゲットの位置を特定する位置特定部と、
前記ターゲットの検知部が検知するレーザー光の入射方向と、前記入射方向に対する前記作業機械の前後左右の位置関係とに基づいて、前記作業機械が向いている方向を特定する方向特定部と、
を有することを特徴とする測定システム。
【請求項2】
前記検知部は、
上方に向けて配置された受光レンズと、
前記受光レンズの下方に設けられ、前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を受光する受光部と、を有する請求項１記載の測定システム。
上方に向けて配置された受光レンズと、
前記受光レンズの下方に設けられ、前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を受光する受光部と、を有する請求項１記載の測定システム。
【請求項3】
前記検知部は、
上方に向けて配置された受光レンズと、
前記受光レンズの下方に設けられたカメラと、を有する請求項１記載の測定システム。
上方に向けて配置された受光レンズと、
前記受光レンズの下方に設けられたカメラと、を有する請求項１記載の測定システム。
【請求項4】
前記検知部は、
前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を受光する受光体を筒状に配置した受光部を有する請求項１記載の測定システム。
前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を受光する受光体を筒状に配置した受光部を有する請求項１記載の測定システム。
【請求項5】
前記ターゲットは、
前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を前記測量機器へ反射する反射部と、を有し、
前記測定システムは、
前記レーザー発振器と前記ターゲットの間に分光部材を有し、
前記レーザー発振器から発振された前記レーザー光が前記分光部材で分光され、分光されたレーザー光が前記検知部と前記反射部にそれぞれ入射する構成とされた請求項１記載の測定システム。
前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を前記測量機器へ反射する反射部と、を有し、
前記測定システムは、
前記レーザー発振器と前記ターゲットの間に分光部材を有し、
前記レーザー発振器から発振された前記レーザー光が前記分光部材で分光され、分光されたレーザー光が前記検知部と前記反射部にそれぞれ入射する構成とされた請求項１記載の測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は作業機械の位置と前記作業機械が向いている方向を特定する測定システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来から作業機械の位置と前記作業機械が向いている方向を特定するために様々な測定システムが用いられている。例えば、下記特許文献１および２に開示されたものを挙げることができる。
【0003】
下記特許文献１記載の「作業機械の位置と方向を決定する方法と装置」は、アンダーキャリッジと、該アンダーキャリッジに回転可能に接続された車体と、該車体に接続されたレシーバと、３次元空間でのレシーバの位置を求める位置決めシステムと、円弧に沿う複数の点でレシーバの位置を求める位置決めシステムと、複数の点の位置に応じて車体の位置と方向を求めるプロセッサと、を備えている。
【0004】
下記特許文献２記載の「走行式建設機械の位置計測システム」は、油圧ショベルに、ブーム角度、アーム角度、バケット角度を検出する角度センサ、上部旋回体の前後方向の傾斜角を検出する傾斜センサ、２個のＧＰＳアンテナ及びＧＰＳ受信機、基準局からの補正データを無線アンテナを介して受信する無線機、位置データを送信する無線アンテナと、パネルコンピュータとを設け、ＧＰＳ受信機からの位置データと上記の各種センサからの角度データとに基づき、油圧ショベルのバケットの先端（モニタポイント）の位置を演算するというものである。このシステムによれば、建設機械がどのような作業状態にあっても、かつどのような種類の建設機械であっても、車体の方向を特定することができ、モニタポイントの位置を計測することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特表平９－５００７００
【特許文献2】特開２００２－３１０６５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、前記特許文献１に記載された「作業機械の位置と方向を決定する方法と装置」は、作業機械の方向を特定するために車体を旋回させる作業が必要になる。作業機械が頻繁に移動する場合は作業機械を移動させる度に車体を旋回させる必要があるため、手間がかかるとともに工事の遅れの原因となる。
【0007】
前記特許文献２に記載された「走行式建設機械の位置計測システム」は車体を旋回させる作業は必要ないが、ＧＰＳアンテナを用いるものであるためＧＰＳ衛星からの信号を受信できない場所（例えばトンネル内部）では用いることができない。
【0008】
したがって本発明の課題は、ＧＰＳ衛星の信号を受信できない場所においても作業機械の位置と前記作業機械が向いている方向を特定する測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記課題を解決するために、以下の各態様を採ることができる。
（第１の態様）
作業機械の位置と前記作業機械が向いている方向を特定する測定システムであって、
前記作業機械から離れた位置に配置される測量機器と、
前記作業機械に載置されるターゲットと、を有し、
前記測量機器は、
前記測量機器から前記ターゲットへ向かってレーザー光を発振するレーザー発振器を有し、
前記ターゲットは、
前記測量機器の前記レーザー発振器から発振されたレーザー光の入射方向を検知する検知部を有し、
前記測定システムは、
前記測量機器によって計測される前記測量機器と前記ターゲットの間の距離および角度に基づいて、前記ターゲットの位置を特定する位置特定部と、
前記ターゲットの検知部が検知するレーザー光の入射方向と、前記入射方向に対する前記作業機械の前後左右の位置関係とに基づいて、作業機械が向いている方向を特定する方向特定部と、
を有することを特徴とする測定システム。
（第１の態様）
作業機械の位置と前記作業機械が向いている方向を特定する測定システムであって、
前記作業機械から離れた位置に配置される測量機器と、
前記作業機械に載置されるターゲットと、を有し、
前記測量機器は、
前記測量機器から前記ターゲットへ向かってレーザー光を発振するレーザー発振器を有し、
前記ターゲットは、
前記測量機器の前記レーザー発振器から発振されたレーザー光の入射方向を検知する検知部を有し、
前記測定システムは、
前記測量機器によって計測される前記測量機器と前記ターゲットの間の距離および角度に基づいて、前記ターゲットの位置を特定する位置特定部と、
前記ターゲットの検知部が検知するレーザー光の入射方向と、前記入射方向に対する前記作業機械の前後左右の位置関係とに基づいて、作業機械が向いている方向を特定する方向特定部と、
を有することを特徴とする測定システム。
【0010】
（作用効果）
本態様は、測量機器とターゲットの間の距離と角度を測量機器が計測し、その計測結果に基づいて位置特定部がターゲットの位置を特定する。また、レーザー光の入射方向を検知部が検知し、検知した入射方向とその入射方向に対する作業機械の前後左右の位置関係とに基づいて、方向特定部が作業機械の向いている方向を特定する。
本態様は、測量機器とターゲットの間の距離と角度を測量機器が計測し、その計測結果に基づいて位置特定部がターゲットの位置を特定する。また、レーザー光の入射方向を検知部が検知し、検知した入射方向とその入射方向に対する作業機械の前後左右の位置関係とに基づいて、方向特定部が作業機械の向いている方向を特定する。
【0011】
以上のような本態様の測定システムは前記特許文献２のようにＧＰＳ衛星の信号を用いないため、ＧＰＳ衛星の信号を受信できない場所（例えばトンネル工事中の抗内）であっても作業機械の位置と作業機械が向いている方向を特定することができる。勿論、ＧＰＳ衛星の信号を受信できる場所（例えば様々な施設の建築工事現場）であっても本態様の測定システムを用いることができるため、本態様の測定システムは使用場所が限定されずに様々な場所で使用できるという利点がある。
【0012】
また前記特許文献１のように作業機械を移動させる度に工事作業を中断させて車体を旋回させる必要がないため、工事作業の効率を高めることができる。
【0013】
以上のように作業機械の位置と作業機械が向いている方向を特定することができれば、作業機械の前方に設けた作業部位（例えば油圧ブレーカーのロッド）の位置を検知することが可能になり、工事の進捗状況をリアルタイムで把握し、工事内容の変更（例えば掘削部位の変更）などを的確に行うことができるようになる。
【0014】
（第２の態様）
前記検知部は、
上方に向けて配置された受光レンズと、
前記受光レンズの下方に設けられ、前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を受光する受光部と、を有する前記第１の態様の測定システム。
前記検知部は、
上方に向けて配置された受光レンズと、
前記受光レンズの下方に設けられ、前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を受光する受光部と、を有する前記第１の態様の測定システム。
【0015】
（作用効果）
作業機械が移動する度に測量機器とターゲットの位置関係が変化する。このような位置関係の変化が起きた場合であっても、測量機器からターゲットへ向かって発振されたレーザー光を確実に受光する必要がある。そこで、第２の態様では受光レンズを上方に向けて配置することによって、測量機器とターゲットの位置関係が様々に変化した場合であっても、レーザー光を受光できるようにした。また、受光レンズの下方に受光部（例えば受光素子）を設けることで、超広角レンズから入射したレーザー光の入射方向を容易に検知することができる。
作業機械が移動する度に測量機器とターゲットの位置関係が変化する。このような位置関係の変化が起きた場合であっても、測量機器からターゲットへ向かって発振されたレーザー光を確実に受光する必要がある。そこで、第２の態様では受光レンズを上方に向けて配置することによって、測量機器とターゲットの位置関係が様々に変化した場合であっても、レーザー光を受光できるようにした。また、受光レンズの下方に受光部（例えば受光素子）を設けることで、超広角レンズから入射したレーザー光の入射方向を容易に検知することができる。
【0016】
以上のような受光レンズや受光素子などは様々な市販品が存在するため、イニシャルコストを抑えることができるという利点がある。
【0017】
（第３の態様）
前記検知部は、
上方に向けて配置された受光レンズと、
前記受光レンズの下方に設けられたカメラと、を有する前記第１の態様の測定システム。
前記検知部は、
上方に向けて配置された受光レンズと、
前記受光レンズの下方に設けられたカメラと、を有する前記第１の態様の測定システム。
【0018】
（作用効果）
受光レンズを用いる利点は前記第２の態様で述べた通りである。本態様では受光レンズの下方にカメラを用いる点を特徴としている。受光レンズに入射したレーザー光をカメラで撮像することにより、レーザー光の入射方向を容易に検知することができる。なおカメラにも様々な市販品が存在するため、イニシャルコストを抑えることができるという利点がある。
受光レンズを用いる利点は前記第２の態様で述べた通りである。本態様では受光レンズの下方にカメラを用いる点を特徴としている。受光レンズに入射したレーザー光をカメラで撮像することにより、レーザー光の入射方向を容易に検知することができる。なおカメラにも様々な市販品が存在するため、イニシャルコストを抑えることができるという利点がある。
【0019】
（第４の態様）
前記検知部は、
前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を受光する受光体を筒状に配置した受光部を有する前記第１の態様の測定システム。
前記検知部は、
前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を受光する受光体を筒状に配置した受光部を有する前記第１の態様の測定システム。
【0020】
（作用効果）
第４の態様の測定システムは、第２の態様や第３の態様とは異なり、超広角レンズを用いなくてもレーザー光の入射方向を検知することが可能である点に特徴を有する。
第４の態様の測定システムは、第２の態様や第３の態様とは異なり、超広角レンズを用いなくてもレーザー光の入射方向を検知することが可能である点に特徴を有する。
【0021】
具体的には受光体（例えば受光素子）を筒状に配置し、例えばレーザー光が当たった部分の方角からレーザー光が発振されたと推認すればよい。以上のような構成にすることで、超広角レンズを用いなくてもレーザー光の入射方向を容易に検知することができる。
【0022】
（第５の態様）
前記ターゲットは、
前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を前記測量機器へ反射する反射部と、を有し、
前記測定システムは、
前記レーザー発振器と前記ターゲットの間に分光部材を有し、
前記レーザー発振器から発振された前記レーザー光が前記分光部材で分光され、分光されたレーザー光が前記検知部と前記反射部にそれぞれ入射する構成とされた前記第１の態様の測定システム。
前記ターゲットは、
前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を前記測量機器へ反射する反射部と、を有し、
前記測定システムは、
前記レーザー発振器と前記ターゲットの間に分光部材を有し、
前記レーザー発振器から発振された前記レーザー光が前記分光部材で分光され、分光されたレーザー光が前記検知部と前記反射部にそれぞれ入射する構成とされた前記第１の態様の測定システム。
【0023】
（作用効果）
本態様は、レーザー発振器から発振されたレーザー光を分光部材で分光させた後、分光したレーザー光を検知部と反射部にそれぞれ入射させることを特徴とする。このように分光部材を用いることにより、１つのレーザー発振器を用いるだけで済むため、２つのレーザー発振器を用いる場合と比べてイニシャルコストを下げることができる。
本態様は、レーザー発振器から発振されたレーザー光を分光部材で分光させた後、分光したレーザー光を検知部と反射部にそれぞれ入射させることを特徴とする。このように分光部材を用いることにより、１つのレーザー発振器を用いるだけで済むため、２つのレーザー発振器を用いる場合と比べてイニシャルコストを下げることができる。
【発明の効果】
【0024】
本発明に係る測定システムによれば、ＧＰＳ衛星の信号を受信できない場所においても作業機械の位置と前記作業機械が向いている方向を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の第１実施形態に係る測定システムである。
【図2】本発明に用いる測距機器の一例を示す側面図である。
【図3】本発明に用いるターゲットの一例を示す側面図である。
【図4】検知部の一例を示す概略斜視図である。
【図5】（５－１）検知部の他の例を示す概略斜視図である。（５－２）カメラで撮像した画像の一例である。
【図6】検知部の他の形態の概略を示す斜視図である。
【図7】レーザー光を分光させる態様を示した概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、本発明に係る測定システムの好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明及び図面は本発明の実施形態の一例を示したものにすぎず、本発明の内容をこの実施形態に限定して解釈すべきでない。
【0027】
（測定システム１）
図１に本発明の第１実施形態に係る測定システム１を示した。この測定システム１は、測量機器２と、作業機械３に取り付けられたターゲット４と、を有している。
図１に本発明の第１実施形態に係る測定システム１を示した。この測定システム１は、測量機器２と、作業機械３に取り付けられたターゲット４と、を有している。
【0028】
（作業機械３）
作業機械３の種類は特に限定されないが、図１では作業機械３として油圧ブレーカーを示している。油圧ブレーカー以外の作業機械３として、バックホウ、ツインヘッダー、クレーン車などの旋回式作業機械を用いてもよいし、クローラキャリア、ホイールローダ、ブルドーザなどの非旋回式作業機械を用いてもよい。
作業機械３の種類は特に限定されないが、図１では作業機械３として油圧ブレーカーを示している。油圧ブレーカー以外の作業機械３として、バックホウ、ツインヘッダー、クレーン車などの旋回式作業機械を用いてもよいし、クローラキャリア、ホイールローダ、ブルドーザなどの非旋回式作業機械を用いてもよい。
【0029】
図１に例示した作業機械３（油圧ブレーカー）は、作業機械３の下部に設けられ、作業機械３を移動させるために用いられる走行体３Ａと、走行体３Ａの上側に設けられ、走行体３Ａに対して旋回移動する旋回体３Ｂと、旋回体３Ｂの前方に設けられ、上下及び前後方向に可動する（俯仰可能な）ブーム５Ａ、アーム５Ｂ、ロッド５Ｃ（チゼル、ノミ）と、を有している。このブーム５Ａ、アーム５Ｂ、ロッド５Ｃには、それぞれ傾斜センサ６Ａ、６Ｂ、６Ｃが取り付けられ、各部材５Ａ、５Ｂ、５Ｃの傾斜角度を検出できるようになっている。
【0030】
なお、本測定システムによって作業機械３の位置（座標）と作業機械３が向いている方向を特定し、それとともに傾斜センサ６Ａ、６Ｂ、６Ｃによってブーム５Ａ、アーム５Ｂ、ロッド５Ｃの各傾斜角度を検出することによって、作業機械３が作業している部分（「作業部分」という。図１の例ではロッド５Ｃの先端部分ＴＰ）の位置（座標）を特定することができる。
【0031】
（測量機器２）
図１に示すように作業機械３から離れた位置に測量機器２が設けられている。この測量機器２は作業機械３の後方（トンネル坑口側）に設けられている。測量機器２の取り付け位置は限定されないが、トンネル坑内に存在する他の作業機械等によって計測を阻害されないようにするため（後述のレーザー光が当該作業機械等によって遮断されないようにするため）、測量機器２をトンネル断面の上部側壁に取り付けることが好ましい。
図１に示すように作業機械３から離れた位置に測量機器２が設けられている。この測量機器２は作業機械３の後方（トンネル坑口側）に設けられている。測量機器２の取り付け位置は限定されないが、トンネル坑内に存在する他の作業機械等によって計測を阻害されないようにするため（後述のレーザー光が当該作業機械等によって遮断されないようにするため）、測量機器２をトンネル断面の上部側壁に取り付けることが好ましい。
【0032】
この測量機器２の種類は特に限定されないが、例えば測距機器（例えば光波測距儀）２Ａ、レーザー光発振器２Ｂおよび測角機器（例えばセオドライトやトランシット）２Ｃを有するものを用いることができる。図１に示したように、測距機器２Ａと測角機器２Ｃを一体化させたトータルステーションを用いてもよく、このトータルステーションの上部に第１レーザー発振器２Ｂａを後付けしたものを測量機器２としてもよい。
【0033】
測量機器２の一例を図２に示した。図２に示した測量機器２は図１に示した測量機器１と若干異なるが、基本的な構造は同じである。この測量機器２は、測量機器２とターゲット４の間の距離を計測する測距機器２Ａと、測量機器２を基準としてターゲット４のある（存在する）角度を計測する測角機器２Ｃと、ターゲット４に向けてレーザー光を発振するレーザー光発振器２Ｂと、を有している。
【0034】
測角機器２Ｃは、垂直方向ＶＴの角度（「垂直角」という）を測定する垂直角測定部２Ｃａと、水平方向ＨＴの角度（「水平角」という）を測定する水平角測定部２Ｃｂとを有している。図２における垂直角測定部２Ｃａは、ターゲット４を視るための対物レンズ２Ｅの側方であって、枠部２Ｇの垂直部分の内部に設けられており、図２における水平角測定部２Ｃｂは、前記対物レンズ２Ｅの下方であって、枠部２Ｇの水平部分の内部（測量機器２の各種操作と設定内容などの表示を行う操作表示部２Ｄの裏側に枠部２Ｇがある）に設けられている。対物レンズ２Ｅがターゲット４の反射部４Ａを視るように調整し、そのときの各角度（垂直角および水平角）を垂直角測定部２Ｃａと水平角測定部２Ｃｂによって計測する。
【0035】
測距機器２Ａは、ターゲット４の反射部４Ａを視るための対物レンズ２Ｅと、ターゲット４の反射部４Ａに向けてレーザー光を発振するレーザー発振器２Ｂを有する。なお図１や図２の実施形態では測量機器２に２つのレーザー発振器２Ｂが設けられており、具体的にはターゲット４の検知部４Ｄに向けてレーザー光を発振する第１レーザー発振器２Ｂａと、ターゲット４の反射部４Ａに向けてレーザー光を発振する第２レーザー発振器２Ｂｂが設けられている。第２レーザー発振器２Ｂｂから発振されたレーザー光はターゲット４の反射部４Ａに当たって反射され、その反射されたレーザー光（「反射光」という）は測距機器２Ａの反射光受光部２Ｆ（図２の測量機器では、対物レンズ２Ｅの内部に反射光受光部２Ｆが設けられている）まで到達する。そして、レーザー光が第２レーザー発振器２Ｂｂから発振されて反射光が測距機器２Ａの反射光受光部２Ｆに到達するまでの時間に基づいて、測距機器２Ａとターゲット４の間の距離を算出する。
【0036】
前述したように図２の測量機器２Ａにはターゲット４の検知部４Ｄに向けてレーザー光を発振する第１レーザー発振器２Ｂａも設けられている。
【0037】
（ターゲット４）
作業機械３にはターゲット４が取り付けられる。図１の第一実施形態では作業機械３の旋回体３Ｂの後方上面に１台のターゲット４が設けられている。このターゲット４の取り付け位置は特に限定されないが、前記測量機器２から発振されたレーザー光を受光しやすい位置に設けることが好ましい。すなわち、測量機器２とターゲット４の間に遮断する物が入り込まないように、ターゲット４の取り付け位置を決めることが好ましく、図１では旋回体３Ｂの中心部よりもやや後方寄りの位置に設けている。
作業機械３にはターゲット４が取り付けられる。図１の第一実施形態では作業機械３の旋回体３Ｂの後方上面に１台のターゲット４が設けられている。このターゲット４の取り付け位置は特に限定されないが、前記測量機器２から発振されたレーザー光を受光しやすい位置に設けることが好ましい。すなわち、測量機器２とターゲット４の間に遮断する物が入り込まないように、ターゲット４の取り付け位置を決めることが好ましく、図１では旋回体３Ｂの中心部よりもやや後方寄りの位置に設けている。
【0038】
ターゲット４の種類も特に限定されないが、図１の第一実施形態に示したターゲット４は、測距機器２Ａから発振されたレーザー光を受光するとともに、受光したレーザー光を測距機器２Ａへ向かって反射する反射部４Ａと、レーザー発振器２Ｂから発振されたレーザー光の入射方向を検知する検知部４Ｄと、を有している。図１に示した第一実施形態において、ターゲット４は、作業機械３の後方上壁面に載置された箱体４Ｃと、箱体４Ｃの上面に載置された反射部４Ａと、反射部４Ａの上方に設けられた検知部４Ｄと、を有している。図１の実施形態では、ターゲット４がレーザー光を受光しやすくするため、いわゆる底上げ部材として箱体４Ｃを設けて反射部４Ａと検知部４Ｄの位置を高くしているが、図３に示す変形例のように箱体４Ｃを設けずに省略してもよい。
【0039】
図１、図３の実施形態に示すターゲット４には、反射部４Ａとして反射プリズムが設けられている。反射部４Ａは反射プリズムに限られるものではなく、例えば３６０度の方向に張り巡らされた鏡や、反射シート（例えば、製品名：3M≡ ダイヤモンドグレード≡ DG3 超高輝度反射シート広角プリズム型フルキューブ DG2090）などを用いることができる。
【0040】
図１、図３、図４の実施形態の検知部４Ｄには、トンネルの上方に向かって湾曲した受光レンズ４Ｌが設けられている。この受光レンズ４Ｌとして画角の広い超広角レンズを用いることが好ましく、この超広角レンズの中でも特に画角の広い魚眼レンズを用いることがより好ましい。図１、図３、図４には受光レンズ４Ｌとして魚眼レンズ４Ｌを用いた例を示している。魚眼レンズ４Ｌとして一般的に多用されている１８０度程度の画角を有する物を用いることができるが、第１レーザー発振器２Ｂａから発振されたレーザー光を受光しやすくするために画角は広い方が好ましく、例えば２２０度の画角を有するものを用いることがより好ましい。測量機器２の取り付け位置を工夫することにより、検知部４Ｄに光波やレーザー光が確実に届くようにできるのであれば、安価な１８０度に満たない画角を有する魚眼レンズを用いても良い。
【0041】
図１、図３、図４に示す検知部４Ｄにおいて、受光レンズ４Ｌの下方に受光部４Ｂ（「レーザー光受光部」ともいう。以下同じ）が設けられている。この受光部４Ｂとして受光素子（例えばCCD、CMOS等）などを用いることができる。
【0042】
（レーザー発振器とターゲットの関係）
前述のように、ターゲット４は、レーザー発振器２Ｂから発振されたレーザー光を測量機器２へ反射する反射部４Ａと、を有しており、前記レーザー発振器２Ｂは、前記ターゲット４の前記検知部４Ｄへレーザー光を発振する第１レーザー発振器２Ｂａと、前記ターゲット４の前記反射部４Ａへレーザー光を発振する第２レーザー発振器２Ｂｂと、を有している。このとき、前記第１レーザー発振器２Ｂａから発振されるレーザー光の経路ＬＡ１と、前記第２レーザー発振器２Ｂｂから発振されるレーザー光の経路ＬＡ２が略平行となるようにすることが好ましい。
前述のように、ターゲット４は、レーザー発振器２Ｂから発振されたレーザー光を測量機器２へ反射する反射部４Ａと、を有しており、前記レーザー発振器２Ｂは、前記ターゲット４の前記検知部４Ｄへレーザー光を発振する第１レーザー発振器２Ｂａと、前記ターゲット４の前記反射部４Ａへレーザー光を発振する第２レーザー発振器２Ｂｂと、を有している。このとき、前記第１レーザー発振器２Ｂａから発振されるレーザー光の経路ＬＡ１と、前記第２レーザー発振器２Ｂｂから発振されるレーザー光の経路ＬＡ２が略平行となるようにすることが好ましい。
【0043】
具体的には、図２に示すように、第１レーザー発振器２Ｂａの中心部分と第２レーザー発振器２Ｂｂの中心部分の間の垂直方向ＶＴの距離Ｈ１と、図３に示すように、検知部４Ｄ（図３の例では魚眼レンズ）の垂直方向ＶＴの距離の中央部分と反射部４Ａ（図３の例ではプリズム）の垂直方向ＶＴの距離の中央部分の距離Ｈ２をほぼ同じにすることで、レーザー光の各経路ＬＡ（ＬＡ１とＬＡ２）を略平行にすることができる。
【0044】
略平行にしなかった場合、第１レーザー発振器２Ｂａから発振されたレーザー光が検知部４Ｄに入射するように調整すると、第２レーザー発振器２Ｂｂから発振されたレーザー光が反射部４Ａに当たらなくなる可能性がある。または、第２レーザー発振器２Ｂｂから発振されたレーザー光が反射部４Ａに当たるように調整すると、第１レーザー発振器２Ｂａから発振されたレーザー光が検知部４Ｄに入射されなくなる可能性がある。
略平行にすることで、上記のような不具合の発生を防止することができる。
略平行にすることで、上記のような不具合の発生を防止することができる。
【0045】
（測定手順）
次に、前記測定システム１を用いて作業機械３の位置を測定する手順を説明する。まず、測量機器２を取り付けた位置の３次元座標データ（Ｘ1、Ｙ1、Ｚ1）を予めコンピュータ９上に入力しておく。
次に、前記測定システム１を用いて作業機械３の位置を測定する手順を説明する。まず、測量機器２を取り付けた位置の３次元座標データ（Ｘ1、Ｙ1、Ｚ1）を予めコンピュータ９上に入力しておく。
【0046】
なお前記コンピュータ９は測量機器２やターゲット４から離れた位置に設置され、測量機器２で測定した情報（測量機器２によって計測される測量機器２とターゲット４の間の距離および角度）や、ターゲット４が検出するレーザー光の入射方向に関する情報が、無線（有線でもよい）によってコンピュータ９の受信機１４へ送信される。なお、測量機器２やターゲット４に送信機（図示しない）が設けられている。
【0047】
このコンピュータ９は、各種演算を行う演算処理部１１と、その演算結果等を表示するモニタ１０を有している。この演算処理部１１は、測量機器２によって計測される測量機器２とターゲット４の間の距離および角度に基づいてターゲット４の位置を特定する位置特定部１２と、ターゲット４の検知部４Ｄが検知するレーザー光の入射方向と、その入射方向に対する作業機械３の前後左右の位置関係とに基づいて、作業機械３が向いている方向を特定する方向特定部１３と、を有している。
【0048】
（距離の測定）
例えば図１に示すように、作業機器３にターゲット４を取り付け、かつ作業機械３から離れた位置に測量機器２を設置した状態で、測量機器２の測距機器２Ａからターゲット４の反射部４Ａにレーザー光（光波）を発振する。測距機器２Ａから発振されたレーザー光は反射部４Ａによって受光された後に反射されて測距機器２Ａへと戻る。このように測距機器２Ａから発振されたレーザー光が測距機器２Ａに戻る時間を計測し、計測した時間情報を基にして測距機器２Ａとターゲット４の間の距離を演算して求める。
例えば図１に示すように、作業機器３にターゲット４を取り付け、かつ作業機械３から離れた位置に測量機器２を設置した状態で、測量機器２の測距機器２Ａからターゲット４の反射部４Ａにレーザー光（光波）を発振する。測距機器２Ａから発振されたレーザー光は反射部４Ａによって受光された後に反射されて測距機器２Ａへと戻る。このように測距機器２Ａから発振されたレーザー光が測距機器２Ａに戻る時間を計測し、計測した時間情報を基にして測距機器２Ａとターゲット４の間の距離を演算して求める。
【0049】
（角度の測定）
測量機器２の測角機器２Ｃでターゲット４の反射部４Ａを視準し、測角機器２Ｃの対物レンズ２Ｅを水平方向及び垂直方向へ回転させ、測量機器２を基準としたターゲット４の水平角及び垂直角を測定する。
測量機器２の測角機器２Ｃでターゲット４の反射部４Ａを視準し、測角機器２Ｃの対物レンズ２Ｅを水平方向及び垂直方向へ回転させ、測量機器２を基準としたターゲット４の水平角及び垂直角を測定する。
【0050】
（ターゲット４の座標の特定）
以上の測定結果をコンピュータへ送り、ターゲット４の３次元座標（Ｘ2、Ｙ2、Ｚ2）を確定する。なお、作業機械３が移動するとターゲット４の３次元座標も変わるため、測量機器２がターゲット４を自動追尾するように設定しておくことが好ましい。
以上の測定結果をコンピュータへ送り、ターゲット４の３次元座標（Ｘ2、Ｙ2、Ｚ2）を確定する。なお、作業機械３が移動するとターゲット４の３次元座標も変わるため、測量機器２がターゲット４を自動追尾するように設定しておくことが好ましい。
【0051】
（作業機械３が向いている方向の特定）
前記距離や角度の測定と同時に、または前記距離や角度の測定の前後に、作業機械３が向いている方向を測定する。作業機械３が向いている方向の特定には測量機器２の第１レーザー発振器２Ｂａとターゲット４の検知部４Ｄを用いる。
前記距離や角度の測定と同時に、または前記距離や角度の測定の前後に、作業機械３が向いている方向を測定する。作業機械３が向いている方向の特定には測量機器２の第１レーザー発振器２Ｂａとターゲット４の検知部４Ｄを用いる。
【0052】
具体的には第１レーザー発振器２Ｂａから検知部４Ｄの受光レンズ４Ｌ（図１、図３、図４の例では魚眼レンズをいい、以下魚眼レンズを例に説明する）に向かってレーザー光ＬＡ１が発振され、このレーザー光ＬＡ１が魚眼レンズ４Ｌの内部に入射する。レーザー光ＬＡ１は、魚眼レンズ４Ｌ内に入射する際に魚眼レンズ４Ｌによって所定の角度に屈折した後、魚眼レンズ４Ｌの下方にある受光部４Ｂによって受光される。図４に示す受光部４Ｂは、複数の受光素子が平面状に敷き詰められており、どの受光素子がレーザー光ＬＡ１を受光したかを検知することにより、レーザー光ＬＡ１の入射方向を特定することができる態様となっている。このレーザー光ＬＡ１の入射方向を特定することによって、ターゲット４を基準として、どの方向に測量機器２が存在するのかを知ることができる。
【0053】
なお、受光部４Ｂと作業機械３の前後方向の位置関係は、作業機械３が向いている方向を特定する作業を開始する前に、初期設定として予め定めておく。例えば、図４に示す例では、図４の右側に作業機械３の前方ＦＳがあり、図４の左側に作業機械３の後方ＢＳがあり、図４の手前側に作業機械３の右側ＲＳがあり、図４の奥側に作業機械３の左側があると予め定めている。
【0054】
そして、予め定められた受光部４Ｂと作業機械３の前後方向の位置関係の情報と、レーザー光ＬＡ１の入射方向の情報に基づいて、作業機械３（例えば作業機械３の前方部分）が向いている方向を特定する。
【0055】
（作業機械３の作業部分ＴＰの位置判定）
以上のようにして特定したターゲット４の三次元座標（すなわち作業機械３の三次元座標Ｘ2、Ｙ2、Ｚ2）と作業機械３が向いている方向から、作業機械３の作業部分ＴＰの位置を特定することができる。なお、作業機械３の作業部分ＴＰとは、実際に工事作業を行う部分をいい、例えば作業機械３が油圧ブレーカーの場合はロッド５Ｃのロッド先端部分をいい、作業機械３がバックホウの場合はバケットの先端部分をいい、そのほか作業機械３の先端にカッターを設けた場合はカッターの先端部をいう。
以上のようにして特定したターゲット４の三次元座標（すなわち作業機械３の三次元座標Ｘ2、Ｙ2、Ｚ2）と作業機械３が向いている方向から、作業機械３の作業部分ＴＰの位置を特定することができる。なお、作業機械３の作業部分ＴＰとは、実際に工事作業を行う部分をいい、例えば作業機械３が油圧ブレーカーの場合はロッド５Ｃのロッド先端部分をいい、作業機械３がバックホウの場合はバケットの先端部分をいい、そのほか作業機械３の先端にカッターを設けた場合はカッターの先端部をいう。
【0056】
この作業機械３の作業部分ＴＰの三次元位置を特定する際は、作業機械３の三次元座標（Ｘ2、Ｙ2、Ｚ2）のデータと作業機械３が向いている方向（方位）のデータのほかに、ブーム５Ａ、アーム５Ｂ、ロッド５Ｃにそれぞれ取り付けた傾斜センサ６Ａ、６Ｂ、６Ｃからの角度データや、ブーム５Ａ、アーム５Ｂ、ロッド５Ｃの長さなどの作業機械３自体のデータを用いて求めることができる。その際、作業機械３の如何なる位置にターゲット４を設置したかの情報や、作業機械３の各部分の長さの情報なども用いるようにすると良い。
【0057】
（その他の実施例１）
上記の実施例とは異なり、検知部４Ｄにカメラ４Ｅを用いてもよい。カメラ４Ｅを用いる形態の一例を図５（５－１）に示した。受光レンズ４Ｌの下方にカメラ４Ｅが設置されており、そのカメラ４Ｅが受光レンズ４Ｌの内側部分を撮像するように配置されている。なお、一般的にカメラ４Ｅの内部にも受光素子４Ｂが存在する。
上記の実施例とは異なり、検知部４Ｄにカメラ４Ｅを用いてもよい。カメラ４Ｅを用いる形態の一例を図５（５－１）に示した。受光レンズ４Ｌの下方にカメラ４Ｅが設置されており、そのカメラ４Ｅが受光レンズ４Ｌの内側部分を撮像するように配置されている。なお、一般的にカメラ４Ｅの内部にも受光素子４Ｂが存在する。
【0058】
【0059】
以上のようにして取得した画像には作業機械３の前後左右の情報（例えば作業機械３のブーム５Ａ）等が映っている可能性が高く、例えばブーム５Ａの映っている方向が作業機械３の前方であると判定する。このようにしてカメラ４Ｅが撮影した画像から、作業機械３の方位（作業機械３が向いている方向）を容易に判定することができる。
【0060】
なお、作業機械３にターゲット４を取り付ける位置によっては、カメラ４Ｅが撮影した画像にブーム５Ａ等の目印（作業機械３の前後方向を示す目印）になるものが映らない可能性がある。目印になるものが映らない原因としては、例えば作業機械３のブーム５Ａとターゲット４が著しく離れている場合、作業機械３のブーム５Ａとターゲット４の間に障害物がある場合、受光レンズ４Ｌの画角が狭い場合などを想定することができる。このような場合は、例えば作業機械３の前方の位置（ブーム５Ａが存在する位置）を受光レンズ４Ｌに予めマーキングしておいたり、カメラ４Ｅが撮影する画像の特定の位置ＦＰ（図５（５－２）の例では右側）にブーム５Ａが存在することを初期設定の段階で予め確認して記憶しておいたりするなど、測定開始前に所望の準備をしておけばよい。
【0061】
（その他の実施例２）
図１、３～５の実施例では、検知部４Ｄに受光レンズ４Ｌを用いる例を示したが、本発明は受光レンズ４Ｌを用いる形態に限られるものではない。例えば、図６に示すように、筒状の受光部４Ｂを備えた検知部４Ｄを用いても良い。図６に示す実施例では、円筒管の外周面全体を覆うように受光素子を配置しており、３６０度の如何なる方向からレーザー光ＬＡ１が入射しても、そのレーザー光を受光できるようにしている。図６に示す形態では円筒形状のものを例示したが、角筒形状のものにするなど、筒形状は任意に変更することができる。ただし、様々な方向から入射するレーザー光ＬＡ１を受光できるように、受光素子を３６０度全体に配置することが好ましい。
図１、３～５の実施例では、検知部４Ｄに受光レンズ４Ｌを用いる例を示したが、本発明は受光レンズ４Ｌを用いる形態に限られるものではない。例えば、図６に示すように、筒状の受光部４Ｂを備えた検知部４Ｄを用いても良い。図６に示す実施例では、円筒管の外周面全体を覆うように受光素子を配置しており、３６０度の如何なる方向からレーザー光ＬＡ１が入射しても、そのレーザー光を受光できるようにしている。図６に示す形態では円筒形状のものを例示したが、角筒形状のものにするなど、筒形状は任意に変更することができる。ただし、様々な方向から入射するレーザー光ＬＡ１を受光できるように、受光素子を３６０度全体に配置することが好ましい。
【0062】
なお、なお、受光部４Ｂと作業機械３の前後方向の位置関係を予め定めておくことや、予め定められた受光部４Ｂと作業機械３の前後方向の位置関係の情報と、レーザー光ＬＡ１の入射方向の情報に基づいて、作業機械３（例えば作業機械３の前方部分）が向いている方向を特定することは、図４で説明したものと同様であるため、説明を省略する。
【0063】
（その他の実施例３）
図１の測定システム１では、２つのレーザー発振器２Ｂａ、２Ｂｂを用いているが、図７に示すようにレーザー発振器２Ｂを一つだけ設けるようにしても良い。この場合は、レーザー発振器２Ｂとターゲット４の間に分光部材７を設けることが好ましい。この分光部材７は特に限定されるものではないが、例えばレーザー光のうちの約半分を透過させ、レーザー光のうちの約半分を反射させる機能を持つハーフミラーを用いることができる。図７の実施例では、レーザー発振器２Ｂと反射部４Ａの間にハーフミラー７を所定の方向（図７の斜め左側）に傾けて配置している。また図７の実施例では、ハーフミラー７の上方かつ検知部４Ｄの前の位置に、分光したレーザー光を反射させて検知部４Ｄに誘導するための誘導鏡８を設けている。この誘導鏡８も所定方向（図７の斜め左側）に傾けて配置されている。
図１の測定システム１では、２つのレーザー発振器２Ｂａ、２Ｂｂを用いているが、図７に示すようにレーザー発振器２Ｂを一つだけ設けるようにしても良い。この場合は、レーザー発振器２Ｂとターゲット４の間に分光部材７を設けることが好ましい。この分光部材７は特に限定されるものではないが、例えばレーザー光のうちの約半分を透過させ、レーザー光のうちの約半分を反射させる機能を持つハーフミラーを用いることができる。図７の実施例では、レーザー発振器２Ｂと反射部４Ａの間にハーフミラー７を所定の方向（図７の斜め左側）に傾けて配置している。また図７の実施例では、ハーフミラー７の上方かつ検知部４Ｄの前の位置に、分光したレーザー光を反射させて検知部４Ｄに誘導するための誘導鏡８を設けている。この誘導鏡８も所定方向（図７の斜め左側）に傾けて配置されている。
【0064】
図７に示す実施例において、測量機器２（図７においては図示を省略した）のレーザー発振器２Ｂから発振されたレーザー光は分光部材７に到達するまで一つの経路ＬＡ３を通過するが、分光部材７で分光され、分光されたレーザー光の一部は経路ＬＡ３ａを通って反射部４Ａに到達する。他方、分光されたレーザー光のその他の部分（他部）は経路ＬＡ３ｂを通って検知部４Ｄに到達する。
【0065】
なお、レーザー光は様々な方向からターゲット４に入射するため、分光部材７や誘導鏡８はターゲット４を３６０度取り囲むように配置することが好ましい。また、図７の分光部材７や誘導鏡８の位置は任意に変更することができる。例えば、レーザー発振器２Ｂを検知部４Ｄの前側に設け、レーザー発振器２Ｂと検知部４Ｄの間に分光部材７を配置するとともに、その分光部材７の下側かつ反射部４Ａの前側に誘導鏡８を配置するようにしても良い。また、分光部材７の設置角度や設置位置を変更することにより、誘導鏡８を設けないようにしてもよい。
【0066】
（効果）
以上のような実施形態によれば、前記特許文献１に記載されたように、作業機械３の方向を特定するために、旋回体３Ｂを旋回させる作業が不要になる。特に、トンネルの耐久性向上のためにトンネルの地面を掘って逆アーチ状のコンクリート壁（インバート）を形成する際は、バックホウや油圧ブレーカー等の作業機械３を頻繁に移動させなければならないところ、作業機械３を移動させる度に旋回体３Ｂを旋回させていたのでは、労力がかるととともに、工事が大幅に遅延してしまう。そのため、旋回体３Ｂの旋回を省くことができるこの測定システム１を用いれば、工期の短縮を図ることができる。
以上のような実施形態によれば、前記特許文献１に記載されたように、作業機械３の方向を特定するために、旋回体３Ｂを旋回させる作業が不要になる。特に、トンネルの耐久性向上のためにトンネルの地面を掘って逆アーチ状のコンクリート壁（インバート）を形成する際は、バックホウや油圧ブレーカー等の作業機械３を頻繁に移動させなければならないところ、作業機械３を移動させる度に旋回体３Ｂを旋回させていたのでは、労力がかるととともに、工事が大幅に遅延してしまう。そのため、旋回体３Ｂの旋回を省くことができるこの測定システム１を用いれば、工期の短縮を図ることができる。
【0067】
また、前記特許文献２に記載されたようにＧＰＳを用いて位置を検出するものではないため、衛生電波が届かないトンネル坑内の工事等にも用いることができるという利点がある。なお、トンネル工事以外の衛生電波が届く場所においてもこの測定システム１を用いることができることは勿論である。
【0068】
また、この測定システム１は１台の測量機器２と１台のターゲット４があれば測定できるものであるため、非常に簡易なシステムである。このように測量機器２やターゲット４をそれぞれ複数台用いるものではないため、イニシャルコストが安いという利点がある。また、１台の測量機器２と１台のターゲット４を用いて行う演算が複雑なものではないため誤りが少ないという利点もある。
【0069】
さらにこの測定システム１によって作業機械３の作業部分ＴＰの位置をリアルタイムで判定することで、作業機械３の作業の進捗をリアルタイムで確認することができ、トンネル掘削作業等を適切に行うことができる。
【0070】
また、測量機器２がターゲット４を自動追尾するように設定すれば、作業機械３が移動したり方位を変えたとしても、リアルタイムで新しい測定データを取得して、作業機械３の三次元座標データや方位の情報を更新するため、ドリフト（測定対象や条件を固定した後に、時間の経過とともに生じる値のズレ）が生じづらいという利点がある。
【符号の説明】
【0071】
１：測定システム、２：測量機器、２Ａ：測距機器（例えば光波測距儀）、２Ｂ：レーザー発振器、２Ｂａ：第１レーザー発振器、２Ｂｂ：第２レーザー発振器、２Ｃ：測角機器（例えば測角儀。測角儀の代表例として、セオドライトやトランシットがある。）、２Ｃａ：垂直角測定部、２Ｃｂ：水平角測定部、２Ｄ：表示操作部、２Ｅ：対物レンズ、２Ｆ：反射光受光部、２Ｇ：枠部、３：作業機械、３Ａ：走行体、３Ｂ：旋回体、４：ターゲット、４Ａ：プリズム、４Ｂ：受光部（レーザー光受光部）（例えば受光素子）、４Ｃ：箱体、４Ｄ：検知部、４Ｅ：カメラ、４Ｌ：受光レンズ（例えば魚眼レンズ）、５Ａ：ブーム、５Ｂ：アーム、５Ｃ：ロッド、６Ａ：（ブームに取り付けた）傾斜センサ、６Ｂ：（アームに取り付けた）傾斜センサ、６Ｃ：（ロッドに取り付けた）傾斜センサ、７：分光部材、８：誘導鏡、９：コンピュータ、１０：モニタ、１１：演算処理部、１２：位置特定部、１３：方向特定部、１４：受信機、ＦＰ：作業機器の前方目印、ＬＡ：レーザー光の経路、ＬＡ１：第１レーザー発振器から発振されるレーザー光の経路、ＬＡ２：第２レーザー発振器から発振されるレーザー光の経路、ＬＣ：レーザーポイント、ＬＰ：（レーザーポイントの）中心部分、Ｍ１：第一のミラー、Ｍ２：第二のミラー、ＴＰ：（作業機械の）作業部分、ＨＺ：水平方向、ＶＴ：垂直方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】