▶ 大成建設株式会社の特許一覧 ▶ 株式会社演算工房の特許一覧
(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】P2024064012
(43)【公開日】2024-05-14
(54)【発明の名称】建設機械の掘削位置特定システムと掘削位置特定方法
(51)【国際特許分類】
G01C 15/00 20060101AFI20240507BHJP
E21C 25/00 20060101ALI20240507BHJP
E21D 9/10 20060101ALI20240507BHJP
E21B 1/38 20060101ALI20240507BHJP
【ＦＩ】
G01C15/00 104D
E21C25/00
E21D9/10 H
E21B1/38
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022172279
(22)【出願日】2022-10-27
(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】591284601
【氏名又は名称】株式会社演算工房
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 雅浩
(72)【発明者】
【氏名】上岡 亮一
(72)【発明者】
【氏名】宮本 真吾
(72)【発明者】
【氏名】江口 康則
(72)【発明者】
【氏名】松村 匡樹
(72)【発明者】
【氏名】土本 真史
【テーマコード（参考）】
2D054
2D065
2D129
【Ｆターム（参考）】
2D054BA24
2D054GA62
2D065AB23
2D065BA36
2D129AB05
2D129BA03
2D129BA11
2D129CA02
2D129CB11
2D129CB12
2D129DC13
2D129DC16
2D129HA01
(57)【要約】
【課題】建設機械のオペレータが自ら、随時変化し得る建設機械の掘削位置を都度精度よく、効率的に特定しながら掘削でき、アタリ部や余掘り部の発生を抑制できる、建設機械の掘削位置特定システムと掘削位置特定方法を提供する。
【解決手段】掘削機１７が装着されている作業装置１６が、走行台車１１における取り付け位置１５に取り付けられている建設機械１０において掘削位置１７ａを特定する、掘削位置特定システム１００であり、作業装置１６のロール角とピッチ角とヨー角を検出して作業装置１６の方向角を特定する３軸慣性センサ２１と、複数の視準ターゲット３０と、建設機械１０の移動に伴って移動する視準ターゲット３０を自動追尾して基準点座標に基づいて視準ターゲット３０の３次元座標を測定する１台の測量機４０と、３軸慣性センサ２１による検出データと測量機４０による測量データとに基づいて掘削位置を特定する制御装置５０とを有する。
【選択図】図２
【解決手段】掘削機１７が装着されている作業装置１６が、走行台車１１における取り付け位置１５に取り付けられている建設機械１０において掘削位置１７ａを特定する、掘削位置特定システム１００であり、作業装置１６のロール角とピッチ角とヨー角を検出して作業装置１６の方向角を特定する３軸慣性センサ２１と、複数の視準ターゲット３０と、建設機械１０の移動に伴って移動する視準ターゲット３０を自動追尾して基準点座標に基づいて視準ターゲット３０の３次元座標を測定する１台の測量機４０と、３軸慣性センサ２１による検出データと測量機４０による測量データとに基づいて掘削位置を特定する制御装置５０とを有する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
先端に掘削機が装着されている作業装置が、走行台車における取り付け位置に旋回自在に取り付けられている、建設機械において、該掘削機の掘削位置を特定する、建設機械の掘削位置特定システムであって、
前記取り付け位置に設けられて、前記作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出して、該作業装置の方向角を特定する、３軸慣性センサと、
前記建設機械に設置される複数の視準ターゲットと、
前記建設機械の移動に伴って移動する少なくとも１つの前記視準ターゲットを自動追尾して、３次元座標が既知の基準点座標に基づいて該視準ターゲットの３次元座標を測定する、１台の測量機と、
前記３軸慣性センサによる検出データと前記測量機による測量データとに基づいて前記掘削位置を特定する、制御装置とを有することを特徴とする、建設機械の掘削位置特定システム。
前記取り付け位置に設けられて、前記作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出して、該作業装置の方向角を特定する、３軸慣性センサと、
前記建設機械に設置される複数の視準ターゲットと、
前記建設機械の移動に伴って移動する少なくとも１つの前記視準ターゲットを自動追尾して、３次元座標が既知の基準点座標に基づいて該視準ターゲットの３次元座標を測定する、１台の測量機と、
前記３軸慣性センサによる検出データと前記測量機による測量データとに基づいて前記掘削位置を特定する、制御装置とを有することを特徴とする、建設機械の掘削位置特定システム。
【請求項2】
前記３軸慣性センサは、３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
【請求項3】
前記作業装置が複数の関節を備え、各関節には、少なくともピッチ角を測定する１軸以上の加速度センサが設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
【請求項4】
前記制御装置は、第１制御と第２制御を実行し、
前記第１制御は、
前記建設機械が掘削施工している際に、前記測量機に対して１つの前記視準ターゲットを視準させる制御を実行してターゲット座標を取得し、該ターゲット座標に関する測量データと、前記３軸慣性センサによる検出データとに基づいて前記掘削機の掘削位置を特定する制御であり、
前記第２制御は、
前記建設機械が停止している際に、前記測量機に対して前記複数の視準ターゲットを順に視準させる制御を実行し、各視準ターゲットに固有の複数のターゲット座標を取得し、該複数のターゲット座標に関する測量データに基づいて前記建設機械および／または前記作業装置の新たな方向角を特定し、前記３軸慣性センサに対して該新たな方向角を与える制御であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
前記第１制御は、
前記建設機械が掘削施工している際に、前記測量機に対して１つの前記視準ターゲットを視準させる制御を実行してターゲット座標を取得し、該ターゲット座標に関する測量データと、前記３軸慣性センサによる検出データとに基づいて前記掘削機の掘削位置を特定する制御であり、
前記第２制御は、
前記建設機械が停止している際に、前記測量機に対して前記複数の視準ターゲットを順に視準させる制御を実行し、各視準ターゲットに固有の複数のターゲット座標を取得し、該複数のターゲット座標に関する測量データに基づいて前記建設機械および／または前記作業装置の新たな方向角を特定し、前記３軸慣性センサに対して該新たな方向角を与える制御であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
【請求項5】
前記複数の視準ターゲットは、前記測量機による視準の可不可を実行する、視準可不可手段を備えており、
前記制御装置は、
前記第１制御において、前記複数の視準ターゲットのうちの１つの該視準ターゲットのみを視準可とし、他の該視準ターゲットを視準不可とする制御をさらに実行し、
前記第２制御において、前記複数の視準ターゲットが１基ずつ順に視準されるように、１つの視準ターゲットのみを視準可とし、他の該視準ターゲットを視準不可とし、次に、視準可の該視準ターゲットを視準不可とし、視準不可の該視準ターゲットを視準可とするシーケンシャルな制御を実行することを特徴とする、請求項４に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
前記制御装置は、
前記第１制御において、前記複数の視準ターゲットのうちの１つの該視準ターゲットのみを視準可とし、他の該視準ターゲットを視準不可とする制御をさらに実行し、
前記第２制御において、前記複数の視準ターゲットが１基ずつ順に視準されるように、１つの視準ターゲットのみを視準可とし、他の該視準ターゲットを視準不可とし、次に、視準可の該視準ターゲットを視準不可とし、視準不可の該視準ターゲットを視準可とするシーケンシャルな制御を実行することを特徴とする、請求項４に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
【請求項6】
前記制御装置には、前記３軸慣性センサが作動を開始して累積誤差が蓄積され、該累積誤差が誤差閾値となるまでの所要時間が記憶され、
前記建設機械のキャビンには、オペレータ端末が装備されており、
掘削施工中において、前記所要時間が経過する前に、前記制御装置から前記オペレータ端末に対して、前記建設機械を停止させて前記第２制御を実行する指令信号が送信されることを特徴とする、請求項５に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
前記建設機械のキャビンには、オペレータ端末が装備されており、
掘削施工中において、前記所要時間が経過する前に、前記制御装置から前記オペレータ端末に対して、前記建設機械を停止させて前記第２制御を実行する指令信号が送信されることを特徴とする、請求項５に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
【請求項7】
少なくとも前記オペレータ端末には表示部が設けられており、
前記表示部には、トンネルの設計掘削断面ラインが表示され、
前記掘削機の先端を掘削断面における実掘削断面ライン上の複数の掘削位置に接触させた際の三次元座標が前記表示部にプロットされることで、前記設計掘削断面ラインよりも過剰に掘削されている余掘り部と、前記設計掘削断面ラインに対して掘削が不十分なアタリ部とが特定されることを特徴とする、請求項６に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
前記表示部には、トンネルの設計掘削断面ラインが表示され、
前記掘削機の先端を掘削断面における実掘削断面ライン上の複数の掘削位置に接触させた際の三次元座標が前記表示部にプロットされることで、前記設計掘削断面ラインよりも過剰に掘削されている余掘り部と、前記設計掘削断面ラインに対して掘削が不十分なアタリ部とが特定されることを特徴とする、請求項６に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
【請求項8】
前記建設機械が、３Ｄスキャナを備え、
前記３Ｄスキャナにて取得された前記掘削断面までの距離データに基づいて、該掘削断面の複数箇所の３次元座標が特定されて前記実掘削断面ラインが作成され、前記表示部に表示されることを特徴とする、請求項７に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
前記３Ｄスキャナにて取得された前記掘削断面までの距離データに基づいて、該掘削断面の複数箇所の３次元座標が特定されて前記実掘削断面ラインが作成され、前記表示部に表示されることを特徴とする、請求項７に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
【請求項9】
前記走行台車は、下部走行体と、該下部走行体に対して旋回自在に積層されている、上部旋回体とを有し、
前記上部旋回体に前記取り付け位置が設定され、前記作業装置が旋回自在に取り付けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
前記上部旋回体に前記取り付け位置が設定され、前記作業装置が旋回自在に取り付けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の建設機械の掘削位置特定システム。
【請求項10】
先端に掘削機が装着されている作業装置が、走行台車における取り付け位置に旋回自在に取り付けられている、建設機械において、該掘削機の掘削位置を特定する、建設機械の掘削位置特定方法であって、
前記建設機械の停止時において、該建設機械の備える複数の視準ターゲットを１台の測量機にて順に視準して該建設機械と前記作業装置の方向角の初期値を特定する、Ａ工程と、
前記建設機械を作動させて掘削施工を行い、その際に、前記測量機にて１つの前記視準ターゲットを自動追尾し、かつ該建設機械における前記作業装置の取り付け位置に設けられて、前記作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出する３軸慣性センサにて、該作業装置の方向角を特定し、該３軸慣性センサによる検出データと該測量機による測量データとに基づいて前記掘削位置を特定する、Ｂ工程とを有することを特徴とする、建設機械の掘削位置特定方法。
前記建設機械の停止時において、該建設機械の備える複数の視準ターゲットを１台の測量機にて順に視準して該建設機械と前記作業装置の方向角の初期値を特定する、Ａ工程と、
前記建設機械を作動させて掘削施工を行い、その際に、前記測量機にて１つの前記視準ターゲットを自動追尾し、かつ該建設機械における前記作業装置の取り付け位置に設けられて、前記作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出する３軸慣性センサにて、該作業装置の方向角を特定し、該３軸慣性センサによる検出データと該測量機による測量データとに基づいて前記掘削位置を特定する、Ｂ工程とを有することを特徴とする、建設機械の掘削位置特定方法。
【請求項11】
前記３軸慣性センサが作動を開始して累積誤差が誤差閾値を超えるまでの所要時間を設定し、
掘削施工中において、前記所要時間が経過する前に前記建設機械を停止させ、前記測量機に前記複数の視準ターゲットを順に視準させ、各視準ターゲットに固有の複数のターゲット座標に基づいて前記建設機械および／または前記作業装置の新たな方向角を特定して、前記３軸慣性センサに対して該新たな方向角を与えた後、次の掘削施工を行うことを特徴とする、請求項１０に記載の建設機械の掘削位置特定方法。
掘削施工中において、前記所要時間が経過する前に前記建設機械を停止させ、前記測量機に前記複数の視準ターゲットを順に視準させ、各視準ターゲットに固有の複数のターゲット座標に基づいて前記建設機械および／または前記作業装置の新たな方向角を特定して、前記３軸慣性センサに対して該新たな方向角を与えた後、次の掘削施工を行うことを特徴とする、請求項１０に記載の建設機械の掘削位置特定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、建設機械の掘削位置特定システムと掘削位置特定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
山岳トンネルの施工においては、発破後に建設機械を用いて岩盤を掘削する際に、トンネルの設計掘削断面ラインに対して岩盤がトンネルの中央側へ張り出す、所謂アタリ（アタリ部）や、掘り過ぎによる所謂余掘り（余掘り部）などの凹凸が生じ得る。
このような凹凸が生じた際には、設計掘削断面ラインに近づけるべく、アタリ部に対しては油圧ブレーカを用いて除去し、余掘り部に関しては掘削を速やかに止めて凹部の深度を最小限に留める措置が講じられる。
従来のアタリ部の除去方法は、作業員が切羽近傍で目視により確認を行い、レーザーポインター等で除去する箇所を建設機械のオペレータに指示する方法であることから、切羽崩落の際の作業員の巻き込まれの危険性がある。
また、アタリ部や余掘り部の状況確認は作業員と建設機械のオペレータによる経験や技量に頼るところが大きく、アタリ部の除去不足による追加作業の発生や、過大な余掘り部に伴うコンクリート吹付け量の増加に起因して、施工コストが増加するといった課題もある。
このような凹凸が生じた際には、設計掘削断面ラインに近づけるべく、アタリ部に対しては油圧ブレーカを用いて除去し、余掘り部に関しては掘削を速やかに止めて凹部の深度を最小限に留める措置が講じられる。
従来のアタリ部の除去方法は、作業員が切羽近傍で目視により確認を行い、レーザーポインター等で除去する箇所を建設機械のオペレータに指示する方法であることから、切羽崩落の際の作業員の巻き込まれの危険性がある。
また、アタリ部や余掘り部の状況確認は作業員と建設機械のオペレータによる経験や技量に頼るところが大きく、アタリ部の除去不足による追加作業の発生や、過大な余掘り部に伴うコンクリート吹付け量の増加に起因して、施工コストが増加するといった課題もある。
【0003】
以上のことから、作業員がレーザーポインター等で建設機械のオペレータに指示する方法に代わり、建設機械のオペレータが自ら、随時変化し得る建設機械の掘削位置を都度精度よく、効率的に特定しながら掘削することにより、施工安全性が高く、施工性が良好であって、アタリ部や余掘り部の発生を抑制することのできる、建設機械の掘削位置特定システムと掘削位置特定方法が望まれる。
【0004】
ここで、特許文献１には、掘削機の基準位置及び方向の設定装置と設定方法が提案されている。
この設定装置は、削岩機を搭載した建設機械と、建設機械をガイドマウンティングで支承するブームと、建設機械とブームの可動部分の作動量を検出するための検出器と、検出器からの検出データに基づいて建設機械の自動位置決め又は位置表示を行う制御装置とを備えた掘削機において、建設機械に設置された１個のプリズムと、建設機械の前後方向移動に伴って移動するプリズムを自動追尾し、検出器の検出データから演算された測定点のプリズム位置の演算データと、自動追尾式測量機による２測定点のプリズム位置の測定データとに基づいて、掘削の基準方向に対する掘削機の基準方向のずれと、切羽に対する掘削機の基準点の位置とを求め、掘削機の基準方向のずれと基準点の位置のデータを制御装置に設定する演算手段とを備えている。
掘削作業を行う際は、掘削機の台車を切羽付近に設置した後、建設機械を移動して、切羽上の点にビットの先端を第１測定点として接触させ、演算手段は第１測定点に対して、検出器の検出データからプリズム位置の演算データを求めるとともに、自動追尾式測量機は、建設機械の移動に伴って移動するプリズムを自動追尾してプリズム位置の第１測定データを測定する。次に、ビットの先端を切羽上の点から所定距離に離隔するように建設機械をその前後方向に第２測定点まで後退させ、自動追尾式測量機は、プリズム位置の第２測定データを測定するというものである。
この設定装置は、削岩機を搭載した建設機械と、建設機械をガイドマウンティングで支承するブームと、建設機械とブームの可動部分の作動量を検出するための検出器と、検出器からの検出データに基づいて建設機械の自動位置決め又は位置表示を行う制御装置とを備えた掘削機において、建設機械に設置された１個のプリズムと、建設機械の前後方向移動に伴って移動するプリズムを自動追尾し、検出器の検出データから演算された測定点のプリズム位置の演算データと、自動追尾式測量機による２測定点のプリズム位置の測定データとに基づいて、掘削の基準方向に対する掘削機の基準方向のずれと、切羽に対する掘削機の基準点の位置とを求め、掘削機の基準方向のずれと基準点の位置のデータを制御装置に設定する演算手段とを備えている。
掘削作業を行う際は、掘削機の台車を切羽付近に設置した後、建設機械を移動して、切羽上の点にビットの先端を第１測定点として接触させ、演算手段は第１測定点に対して、検出器の検出データからプリズム位置の演算データを求めるとともに、自動追尾式測量機は、建設機械の移動に伴って移動するプリズムを自動追尾してプリズム位置の第１測定データを測定する。次に、ビットの先端を切羽上の点から所定距離に離隔するように建設機械をその前後方向に第２測定点まで後退させ、自動追尾式測量機は、プリズム位置の第２測定データを測定するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００３－３０７０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１に記載の掘削機の基準位置及び方向の設定装置によれば、掘削機の基準方向のずれと切羽に対する掘削機の基準点の位置とを容易に求めることができ、基準点の位置と基準方向のずれに関するデータを制御装置に予め設定するための掘削機の準備作業の時間を短縮して、作業効率を向上できるとしている。
しかしながら、このように掘削機の準備作業に関する時間短縮を図ることができたとしても、随時変化し得る建設機械の掘削位置を都度精度よく特定し、施工性を良好にしながら、アタリ部や余掘り部の発生を抑制できるシステムや方法を提案するものではない。
しかしながら、このように掘削機の準備作業に関する時間短縮を図ることができたとしても、随時変化し得る建設機械の掘削位置を都度精度よく特定し、施工性を良好にしながら、アタリ部や余掘り部の発生を抑制できるシステムや方法を提案するものではない。
【0007】
本発明は、建設機械のオペレータが自ら、随時変化し得る建設機械の掘削位置を都度精度よく、効率的に特定しながら掘削することにより、施工安全性が高く、施工性が良好であって、アタリ部や余掘り部の発生を抑制することのできる、建設機械の掘削位置特定システムと掘削位置特定方法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】
【0008】
前記目的を達成すべく、本発明による建設機械の掘削位置特定システムの一態様は、
先端に掘削機が装着されている作業装置が、走行台車における取り付け位置に旋回自在に取り付けられている、建設機械において、該掘削機の掘削位置を特定する、建設機械の掘削位置特定システムであって、
前記取り付け位置に設けられて、前記作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出して、該作業装置の方向角を特定する、３軸慣性センサと、
前記建設機械に設置される複数の視準ターゲットと、
前記建設機械の移動に伴って移動する少なくとも１つの前記視準ターゲットを自動追尾して、３次元座標が既知の基準点座標に基づいて該視準ターゲットの３次元座標を測定する、１台の測量機と、
前記３軸慣性センサによる検出データと前記測量機による測量データとに基づいて前記掘削位置を特定する、制御装置とを有することを特徴とする。
先端に掘削機が装着されている作業装置が、走行台車における取り付け位置に旋回自在に取り付けられている、建設機械において、該掘削機の掘削位置を特定する、建設機械の掘削位置特定システムであって、
前記取り付け位置に設けられて、前記作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出して、該作業装置の方向角を特定する、３軸慣性センサと、
前記建設機械に設置される複数の視準ターゲットと、
前記建設機械の移動に伴って移動する少なくとも１つの前記視準ターゲットを自動追尾して、３次元座標が既知の基準点座標に基づいて該視準ターゲットの３次元座標を測定する、１台の測量機と、
前記３軸慣性センサによる検出データと前記測量機による測量データとに基づいて前記掘削位置を特定する、制御装置とを有することを特徴とする。
【0009】
本態様によれば、走行台車における作業装置の取り付け位置に、作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出して当該作業装置の方向角を特定する、３軸慣性センサが設置され、建設機械に設置されている複数の視準ターゲット（例えば３６０度プリズム）のうちの少なくとも１つの視準ターゲットが、３次元座標が既知の１台の測量機にて自動追尾されることにより、３軸慣性センサの検出データと測量機の測量データにて建設機械の掘削位置を特定することが可能になり、建設機械のオペレータが自ら、掘削位置を都度精度よく、効率的に特定しながら掘削を行うことができる。このことにより、レーザーポインター等で建設機械のオペレータに指示する作業員を不要にして施工安全性を高めることができ、アタリ部や余掘り部の発生を抑制することができる。
さらに、例えば建設機械の後方（坑口側）に設置されている測量機は無人にて自動追尾するものであることから、掘削施工は建設機械のオペレータのみでよいこととなり、作業員の削減を図ることも可能になる。ここで、建設機械が無人走行と無人操作を実現できる場合（トンネル坑外にある管理施設からの遠隔操作を含む）は、トンネル内における作業員を完全に不要にした、自動掘削施工を実現できる。
さらに、例えば建設機械の後方（坑口側）に設置されている測量機は無人にて自動追尾するものであることから、掘削施工は建設機械のオペレータのみでよいこととなり、作業員の削減を図ることも可能になる。ここで、建設機械が無人走行と無人操作を実現できる場合（トンネル坑外にある管理施設からの遠隔操作を含む）は、トンネル内における作業員を完全に不要にした、自動掘削施工を実現できる。
【0010】
例えば、走行台車が掘削を開始する前の停止している状態において、走行台車の備える複数（例えば２つ）の視準ターゲットを後方の１台の測量機が視準して走行台車の３次元座標や方向角を特定し、作業装置の先端にある掘削機の３次元座標を特定する。その後、走行台車が移動したり旋回しながら掘削を行う過程で、測量機は常時１つの視準ターゲットを自動追尾することで建設機械の当該視準ターゲットの３次元座標が特定される。測量機には、自動追尾が可能なトータルステーション（自動追尾トータルステーション）の適用が好ましい。
ここで、「作業装置」とは、例えば、ブームとアームのユニット形態や、ブームのみの形態等を含んでいる。また、走行台車における作業装置の取り付け位置に、作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出して当該作業装置の方向角を特定する、３軸慣性センサが設置されていることにより、３軸慣性センサは検出データを随時累積することによって、測量された視準ターゲットの３次元座標に関する測量データと合わせて、掘削機の掘削位置を都度特定することが可能になる。
ここで、「作業装置」とは、例えば、ブームとアームのユニット形態や、ブームのみの形態等を含んでいる。また、走行台車における作業装置の取り付け位置に、作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出して当該作業装置の方向角を特定する、３軸慣性センサが設置されていることにより、３軸慣性センサは検出データを随時累積することによって、測量された視準ターゲットの３次元座標に関する測量データと合わせて、掘削機の掘削位置を都度特定することが可能になる。
【0011】
本態様の掘削位置特定システムに適用される建設機械としては、作業装置であるブーム及びアームの先端に油圧ブレーカを含む各種のアタッチメントが掘削機として装着され、走行体と旋回体を備えている重機等を挙げることができる。
【0012】
また、本発明による建設機械の掘削位置特定システムの他の態様において、
前記３軸慣性センサは、３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサを備えていることを特徴とする。
前記３軸慣性センサは、３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサを備えていることを特徴とする。
【0013】
本態様によれば、３軸慣性センサが、３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサを備えていることにより、特に３軸ジャイロセンサが作業装置の方向角（ヨー角）の特定精度の向上に寄与する。ここで、３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサとにより、６軸慣性センサが形成される。
【0014】
また、本発明による建設機械の掘削位置特定システムの他の態様は、
前記作業装置が複数の関節を備え、各関節には、少なくともピッチ角を測定する１軸以上の加速度センサが設けられていることを特徴とする。
前記作業装置が複数の関節を備え、各関節には、少なくともピッチ角を測定する１軸以上の加速度センサが設けられていることを特徴とする。
【0015】
本態様によれば、作業装置の備える複数の関節がそれぞれ、少なくともピッチ角を測定する１軸以上の加速度センサを備えていることにより、走行台車における作業装置の取り付け位置に設置されている３軸慣性センサの検出データと、各関節の加速度センサの検出データとに基づき、掘削機の方向角をより一層高精度に特定することが可能になる。
ここで、「少なくともピッチ角を測定する１軸以上の加速度センサ」とは、ピッチ角を測定する１軸加速度センサの他に、ピッチ角とロール角を測定する２軸加速度センサ、ピッチ角とロール角とヨー角を測定する３軸加速度センサを含む意味である。
ここで、「少なくともピッチ角を測定する１軸以上の加速度センサ」とは、ピッチ角を測定する１軸加速度センサの他に、ピッチ角とロール角を測定する２軸加速度センサ、ピッチ角とロール角とヨー角を測定する３軸加速度センサを含む意味である。
【0016】
また、本発明による建設機械の掘削位置特定システムの他の態様において、
前記制御装置は、第１制御と第２制御を実行し、
前記第１制御は、
前記建設機械が掘削施工している際に、前記測量機に対して１つの前記視準ターゲットを視準させる制御を実行してターゲット座標を取得し、該ターゲット座標に関する測量データと、前記３軸慣性センサによる検出データとに基づいて前記掘削機の掘削位置を特定する制御であり、
前記第２制御は、
前記建設機械が停止している際に、前記測量機に対して前記複数の視準ターゲットを順に視準させる制御を実行し、各視準ターゲットに固有の複数のターゲット座標を取得し、該複数のターゲット座標に関する測量データに基づいて前記建設機械および／または前記作業装置の新たな方向角を特定し、前記３軸慣性センサに対して該新たな方向角を与える制御であることを特徴とする。
前記制御装置は、第１制御と第２制御を実行し、
前記第１制御は、
前記建設機械が掘削施工している際に、前記測量機に対して１つの前記視準ターゲットを視準させる制御を実行してターゲット座標を取得し、該ターゲット座標に関する測量データと、前記３軸慣性センサによる検出データとに基づいて前記掘削機の掘削位置を特定する制御であり、
前記第２制御は、
前記建設機械が停止している際に、前記測量機に対して前記複数の視準ターゲットを順に視準させる制御を実行し、各視準ターゲットに固有の複数のターゲット座標を取得し、該複数のターゲット座標に関する測量データに基づいて前記建設機械および／または前記作業装置の新たな方向角を特定し、前記３軸慣性センサに対して該新たな方向角を与える制御であることを特徴とする。
【0017】
本態様によれば、制御装置による第２制御により、建設機械が停止している際に、測量機に対して複数（例えば２つ）の視準ターゲットを順に視準させる制御を実行し、各視準ターゲットに固有のターゲット座標を取得し、複数のターゲット座標に関する測量データに基づいて、建設機械や作業装置の新たな方向角を特定して３軸慣性センサによる検出データの累積による誤差をリセットし、精度のよい作業装置の方向角の初期値を再設定でき、以後の建設機械の作動開始後における第１制御による掘削機の掘削位置の高精度な特定を図ることが可能になる。
例えば、３軸慣性センサが３軸ジャイロセンサを含む６軸慣性センサである場合に、ジャイロセンサはセンサが常時旋回していることから累積的な誤差が生じ易いため、第２制御は、特に３軸ジャイロセンサの累積誤差のリセット（初期値の再設定）に有効になる。
例えば、３軸慣性センサが３軸ジャイロセンサを含む６軸慣性センサである場合に、ジャイロセンサはセンサが常時旋回していることから累積的な誤差が生じ易いため、第２制御は、特に３軸ジャイロセンサの累積誤差のリセット（初期値の再設定）に有効になる。
【0018】
また、本発明による建設機械の掘削位置特定システムの他の態様において、
前記複数の視準ターゲットは、前記測量機による視準の可不可を実行する、視準可不可手段を備えており、
前記制御装置は、
前記第１制御において、前記複数の視準ターゲットのうちの１つの該視準ターゲットのみを視準可とし、他の該視準ターゲットを視準不可とする制御をさらに実行し、
前記第２制御において、前記複数の視準ターゲットが１基ずつ順に視準されるように、１つの視準ターゲットのみを視準可とし、他の該視準ターゲットを視準不可とし、次に、視準可の該視準ターゲットを視準不可とし、視準不可の該視準ターゲットを視準可とするシーケンシャルな制御を実行することを特徴とする。
前記複数の視準ターゲットは、前記測量機による視準の可不可を実行する、視準可不可手段を備えており、
前記制御装置は、
前記第１制御において、前記複数の視準ターゲットのうちの１つの該視準ターゲットのみを視準可とし、他の該視準ターゲットを視準不可とする制御をさらに実行し、
前記第２制御において、前記複数の視準ターゲットが１基ずつ順に視準されるように、１つの視準ターゲットのみを視準可とし、他の該視準ターゲットを視準不可とし、次に、視準可の該視準ターゲットを視準不可とし、視準不可の該視準ターゲットを視準可とするシーケンシャルな制御を実行することを特徴とする。
【0019】
本態様によれば、視準ターゲットが視準可不可手段を備えていて、第２制御では、複数（例えば２つ）の視準ターゲットが１基ずつ順に視準されるように、１つの視準ターゲットのみを視準可とし、他の該視準ターゲットを視準不可とし、次に、視準可の該視準ターゲットを視準不可とし、視準不可の該視準ターゲットを視準可とするシーケンシャルな制御を実行することにより、１台の測量機にて複数の視準ターゲットを順次視準する際に、視準したい視準ターゲットとは異なる他方の視準ターゲットを誤って視準することを効果的に防止することができる。
ここで、視準可不可手段としては、視準ターゲットがカバーに収容されて視準不可な状態とされ、アクチュエータにて視準ターゲットが昇降してカバーから張り出すことにより視準可な状態とされる形態や、視準ターゲットを包囲するカバーがアクチュエータにて昇降することにより、視準ターゲットが視準可な状態と視準不可な状態とされる形態等が挙げられる。
ここで、視準可不可手段としては、視準ターゲットがカバーに収容されて視準不可な状態とされ、アクチュエータにて視準ターゲットが昇降してカバーから張り出すことにより視準可な状態とされる形態や、視準ターゲットを包囲するカバーがアクチュエータにて昇降することにより、視準ターゲットが視準可な状態と視準不可な状態とされる形態等が挙げられる。
【0020】
また、本発明による建設機械の掘削位置特定システムの他の態様において、
前記制御装置には、前記３軸慣性センサが作動を開始して累積誤差が蓄積され、該累積誤差が誤差閾値となるまでの所要時間が記憶され、
前記建設機械のキャビンには、オペレータ端末が装備されており、
掘削施工中において、前記所要時間が経過する前に、前記制御装置から前記オペレータ端末に対して、前記建設機械を停止させて前記第２制御を実行する指令信号が送信されることを特徴とする。
前記制御装置には、前記３軸慣性センサが作動を開始して累積誤差が蓄積され、該累積誤差が誤差閾値となるまでの所要時間が記憶され、
前記建設機械のキャビンには、オペレータ端末が装備されており、
掘削施工中において、前記所要時間が経過する前に、前記制御装置から前記オペレータ端末に対して、前記建設機械を停止させて前記第２制御を実行する指令信号が送信されることを特徴とする。
【0021】
本態様によれば、３軸慣性センサの累積誤差が誤差閾値となるまでの所要時間が制御装置に記憶され、建設機械のキャビンに装備されているオペレータ端末に対して、所要時間が経過する前に建設機械を停止させて第２制御を実行する指令信号が送信されることにより、第１制御における掘削機の掘削位置の高精度な特定を継続することができる。
ここで、オペレータ端末には、ブザーや点灯表示、所要時間までの残り時間の報知等を実行する警報手段が設けられているのが好ましい。
ここで、オペレータ端末には、ブザーや点灯表示、所要時間までの残り時間の報知等を実行する警報手段が設けられているのが好ましい。
【0022】
また、本発明による建設機械の掘削位置特定システムの他の態様において、
少なくとも前記オペレータ端末には表示部が設けられており、
前記表示部には、トンネルの設計掘削断面ラインが表示され、
前記掘削機の先端を掘削断面における実掘削断面ライン上の複数の掘削位置に接触させた際の三次元座標が前記表示部にプロットされることで、前記設計掘削断面ラインよりも過剰に掘削されている余掘り部と、前記設計掘削断面ラインに対して掘削が不十分なアタリ部とが特定されることを特徴とする。
少なくとも前記オペレータ端末には表示部が設けられており、
前記表示部には、トンネルの設計掘削断面ラインが表示され、
前記掘削機の先端を掘削断面における実掘削断面ライン上の複数の掘削位置に接触させた際の三次元座標が前記表示部にプロットされることで、前記設計掘削断面ラインよりも過剰に掘削されている余掘り部と、前記設計掘削断面ラインに対して掘削が不十分なアタリ部とが特定されることを特徴とする。
【0023】
本態様によれば、オペレータ端末の表示部に、トンネルの設計掘削断面ラインが表示され、さらに、掘削機の先端を掘削断面における実掘削断面ライン上の複数の掘削位置に接触させた際の三次元座標が表示部にプロットされて設計掘削断面ラインに重ね合わされることにより、余掘り部とアタリ部の位置やその程度を、建設機械のオペレータが速やかに特定することができる。その結果、アタリ部に対しては追加の掘削にて余掘り部を解消でき、余掘り部に対してはさらなる掘削を速やかに停止することができる。
【0024】
また、本発明による建設機械の掘削位置特定システムの他の態様において、
前記建設機械が、３Ｄスキャナを備え、
前記３Ｄスキャナにて取得された前記掘削断面までの距離データに基づいて、該掘削断面の複数箇所の３次元座標が特定されて前記実掘削断面ラインが作成され、前記表示部に表示されることを特徴とする。
前記建設機械が、３Ｄスキャナを備え、
前記３Ｄスキャナにて取得された前記掘削断面までの距離データに基づいて、該掘削断面の複数箇所の３次元座標が特定されて前記実掘削断面ラインが作成され、前記表示部に表示されることを特徴とする。
【0025】
本態様によれば、建設機械の備える３Ｄスキャナにて取得された掘削断面までの距離データに基づいて実掘削断面ラインが作成され、表示部に表示されることにより、高精度に実掘削断面ラインを作成することができ、表示部に表示されている設計掘削断面ラインと実掘削断面ラインの重ね合わせにより、余掘り部とアタリ部の位置やその程度をオペレータが高精度に確認することが可能になる。
【0026】
また、本発明による建設機械の掘削位置特定システムの他の態様において、
前記走行台車は、下部走行体と、該下部走行体に対して旋回自在に積層されている、上部旋回体とを有し、
前記上部旋回体に前記取り付け位置が設定され、前記作業装置が旋回自在に取り付けられていることを特徴とする。
前記走行台車は、下部走行体と、該下部走行体に対して旋回自在に積層されている、上部旋回体とを有し、
前記上部旋回体に前記取り付け位置が設定され、前記作業装置が旋回自在に取り付けられていることを特徴とする。
【0027】
本態様によれば、走行台車が、下部走行体に対して旋回自在に積層されている上部旋回体を有し、上部旋回体にある取り付け位置に作業装置が旋回自在に取り付けられている形態、すなわち上部旋回体の旋回によって掘削機の方向角や３次元座標が都度変化する走行台車であっても、掘削機の掘削位置を都度高精度に特定することができる。
【0028】
また、本発明による建設機械の掘削位置特定方法の一態様は、
先端に掘削機が装着されている作業装置が、走行台車における取り付け位置に旋回自在に取り付けられている、建設機械において、該掘削機の掘削位置を特定する、建設機械の掘削位置特定方法であって、
前記建設機械の停止時において、該建設機械の備える複数の視準ターゲットを１台の測量機にて順に視準して該建設機械と前記作業装置の方向角の初期値を特定する、Ａ工程と、
前記建設機械を作動させて掘削施工を行い、その際に、前記測量機にて１つの前記視準ターゲットを自動追尾し、かつ該建設機械における前記作業装置の取り付け位置に設けられて、前記作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出する３軸慣性センサにて、該作業装置の方向角を特定し、該３軸慣性センサによる検出データと該測量機による測量データとに基づいて前記掘削位置を特定する、Ｂ工程とを有することを特徴とする。
先端に掘削機が装着されている作業装置が、走行台車における取り付け位置に旋回自在に取り付けられている、建設機械において、該掘削機の掘削位置を特定する、建設機械の掘削位置特定方法であって、
前記建設機械の停止時において、該建設機械の備える複数の視準ターゲットを１台の測量機にて順に視準して該建設機械と前記作業装置の方向角の初期値を特定する、Ａ工程と、
前記建設機械を作動させて掘削施工を行い、その際に、前記測量機にて１つの前記視準ターゲットを自動追尾し、かつ該建設機械における前記作業装置の取り付け位置に設けられて、前記作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出する３軸慣性センサにて、該作業装置の方向角を特定し、該３軸慣性センサによる検出データと該測量機による測量データとに基づいて前記掘削位置を特定する、Ｂ工程とを有することを特徴とする。
【0029】
本態様によれば、建設機械の停止時において、建設機械の備える複数の視準ターゲットを１台の測量機にて順に視準して建設機械と作業装置の方向角の初期値を特定した後、建設機械の作動後は、測量機にて１つの視準ターゲットを自動追尾し、建設機械における作業装置の取り付け位置に設置されている、作業装置のロール角とピッチ角とヨー角を検出する３軸慣性センサにて作業装置の方向角を特定することにより、掘削機の掘削位置を特定することが可能となり、建設機械のオペレータが自ら、随時変化し得る建設機械の掘削位置を都度精度よく、効率的に特定しながら掘削する施工を実現できる。
【0030】
また、本発明による建設機械の掘削位置特定方法の他の態様は、
前記３軸慣性センサが作動を開始して累積誤差が誤差閾値を超えるまでの所要時間を設定し、
掘削施工中において、前記所要時間が経過する前に前記建設機械を停止させ、前記測量機に前記複数の視準ターゲットを順に視準させ、各視準ターゲットに固有の複数のターゲット座標に基づいて前記建設機械および／または前記作業装置の新たな方向角を特定して、前記３軸慣性センサに対して該新たな方向角を与えた後、次の掘削施工を行うことを特徴とする。
前記３軸慣性センサが作動を開始して累積誤差が誤差閾値を超えるまでの所要時間を設定し、
掘削施工中において、前記所要時間が経過する前に前記建設機械を停止させ、前記測量機に前記複数の視準ターゲットを順に視準させ、各視準ターゲットに固有の複数のターゲット座標に基づいて前記建設機械および／または前記作業装置の新たな方向角を特定して、前記３軸慣性センサに対して該新たな方向角を与えた後、次の掘削施工を行うことを特徴とする。
【0031】
本態様によれば、３軸慣性センサの累積誤差が誤差閾値となるまでの所要時間を設定し、所要時間が経過する前に建設機械を停止させ、建設機械および／または作業装置の新たな方向角を特定して、３軸慣性センサに対して新たな方向角を与えた後に掘削を行うことにより、掘削機の掘削位置の高精度な特定を継続することができる。
【発明の効果】
【0032】
本発明の建設機械の掘削位置特定システムと掘削位置特定方法によれば、建設機械のオペレータが自ら、随時変化し得る建設機械の掘削位置を都度精度よく、効率的に特定しながら掘削することにより、施工安全性が高く、施工性が良好であって、アタリ部や余掘り部の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】実施形態に係る掘削位置特定システムを構成する建設機械の一例を示す斜視図である。
【図2】実施形態に係る掘削位置特定システムの一例の構成図である。
【図3】アタリ部と余掘り部を説明する模式図である。
【図4】制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
【図5】制御装置の機能構成の一例を示す図である。
【図6A】視準可不可手段の一例を示す図であって、視準ターゲットが視準不可の状態を示す図である。
【図6B】視準可不可手段の一例を示す図であって、視準ターゲットが視準可の状態を示す図である。
【図7A】視準可不可手段の他の例を示す図であって、視準ターゲットが視準不可の状態を示す図である。
【図7B】視準可不可手段の他の例を示す図であって、視準ターゲットが視準可の状態を示す図である。
【図8】オペレータ端末の表示画面における表示例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0034】
以下、実施形態に係る建設機械の掘削位置特定システムと掘削位置特定方法について、添付の図面を参照しながら説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く場合がある。
【0035】
［実施形態に係る建設機械の掘削位置特定システムと掘削位置特定方法］
図１乃至図８を参照して、実施形態に係る建設機械の掘削位置特定システムと掘削位置特定方法の一例について説明する。ここで、図１は、実施形態に係る掘削位置特定システムを構成する建設機械の一例を示す斜視図であり、図２は、実施形態に係る掘削位置特定システムの一例の構成図である。また、図３は、アタリ部と余掘り部を説明する模式図である。
図１乃至図８を参照して、実施形態に係る建設機械の掘削位置特定システムと掘削位置特定方法の一例について説明する。ここで、図１は、実施形態に係る掘削位置特定システムを構成する建設機械の一例を示す斜視図であり、図２は、実施形態に係る掘削位置特定システムの一例の構成図である。また、図３は、アタリ部と余掘り部を説明する模式図である。
【0036】
掘削位置特定システム１００が適用される図示例の建設機械１０は、作業装置１６のアーム１６ｃの先端に油圧ブレーカ１７（掘削機の一例）がアタッチメントとして装着されている重機（油圧ブレーカをアタッチメントとして備える油圧ショベル）である。ここで、建設機械は、図示例のような油圧ブレーカを備えた重機の他にも、掘削機である掘削ロッドを備えた複数のブームが旋回自在に設けられている、ドリルジャンボ等、走行体と旋回体がある建設機械であってもよい。
【0037】
建設機械１０は、不図示の油圧モータにて走行する左右のクローラを備えた下部走行体１２と、下部走行体１２に対して水平面内をＺ１方向に旋回自在に積層されている、上部旋回体１３とを備える走行台車１１と、上部旋回体１３の取り付け位置１５に対して鉛直面内をＺ２方向に回動自在に取り付けられている作業装置１６とを有する。
【0038】
上部旋回体１３には、オペレータキャビン１４が装備され、エンジンや油圧ポンプ、作動油タンク（いずれも図示せず）等が搭載されている。オペレータキャビン１４には、以下で説明するオペレータ端末７０（図８参照）が設置されている。
【0039】
作業装置１６は、取り付け位置１５に取り付けられているブーム１６ａと、上部旋回体１３の本体に対してブーム１６ａをピッチ方向に回動させるブームシリンダ１６ｂと、アーム１６ｃと、ブーム１６ａに対してアーム１６ｃをピッチ方向に回動させるアームシリンダ１６ｄと、アーム１６ｃに対してアタッチメントをピッチ方向に回動させるアタッチメントシリンダ１６ｅとを有し、これら複数のシリンダによる関節を備えている。アーム１６ｃの先端に、油圧ブレーカ１７が装着され、油圧ブレーカ１７の先端はノミ先１７ａ（掘削位置）となっており、掘削位置特定システム１００は、掘削時における掘削機１７の３次元座標として、このノミ先１７ａの３次元座標を特定するシステムである。
【0040】
上部旋回体１３における作業装置１６の取り付け位置１５には、３軸慣性センサ２１が設置されている。図示例の３軸慣性センサ２１は、３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサを含む、６軸慣性センサである。尚、本明細書における「３軸慣性センサ」とは、３軸以上の加速度センサやジャイロセンサを含む慣性センサを意味する。
【0041】
一方、作業装置１６の複数の関節箇所（各シリンダの先端の回動取り付け箇所）には、いずれも１軸加速度センサ２２が設置されており、ブームシリンダ１６ｂの先端位置に１軸加速度センサ２２Ａが設置され、アームシリンダ１６ｄの先端位置に１軸加速度センサ２２Ｂが設置され、アタッチメントシリンダ１６ｅの先端位置に１軸加速度センサ２２Ｃが設置されている。
【0042】
図２に示すように、上部旋回体１３の後方には、複数（図示例は２つ）の視準ターゲット３０Ａ，３０Ｂが設置されている。この視準ターゲット３０は、３６０度方向からの視準を可能とする３６０度プリズムである。
【0043】
図２は、山岳トンネルＴにおいて、発破後に岩盤からなる地山Ｇを建設機械１０が掘削している状況を示しているが、山岳トンネルＴにおいて、建設機械１０よりも坑口側の坑壁には、視準ターゲット３０の自動追尾が可能なトータルステーション４０（測量機の一例）が設置されている。また、トータルステーション４０とケーブル４５を介して電気的に接続されている、制御装置５０も坑口側に設けられている。
【0044】
トータルステーション４０では、３次元座標が既知の基準点Ｂの基準点座標に基づいて、自身の三次元座標が設定されており、視準ターゲット３０を自動追尾してその３次元座標を測定する。
【0045】
このように、掘削機１７を先端に備えた作業装置１６が回動自在に設けられている、建設機械１０と、建設機械１０における作業装置１６の取り付け位置１５に設置されている３軸慣性センサ２１（図示例は６軸慣性センサ）と、建設機械１０の備える複数の視準ターゲット３０を自動追尾するトータルステーション４０と、制御装置５０とにより、掘削位置特定システム１００が形成される。
【0046】
制御装置５０は通信アンテナ５８を備えており、３軸慣性センサ２１による検出データや、作業装置１６の各関節に設置されている１軸加速度センサ２２による検出データを無線通信によりＸ３方向でデータ取得する。また、ケーブル４５を介してトータルステーション４０によって測量及び内部演算された、視準ターゲット３０の３次元座標に関する測量データをＸ４方向でデータ取得する。
【0047】
図２に示すように、トンネルＴの軸方向をＸ方向、水平面内においてＸ方向に直交す方向をＹ方向、これらに直交する鉛直方向をＺ方向とする。そして、Ｘ－Ｚ平面（鉛直面）における作業装置１６の角度をピッチ角θｐとし、Ｙ－Ｚ平面（鉛直面）における作業装置１６の角度をロール角θｒとし、Ｘ－Ｙ平面（水平面）における作業装置１６の角度をヨー角θｙとする。
【0048】
建設機械１０が停止している際には、トータルステーション４０にて２つの視準ターゲット３０Ａ、３０ＢがＸ１方向とＸ２方向に順に視準され、各視準ターゲット３０Ａ，３０Ｂに固有の複数のターゲット座標が取得され、２つのターゲット座標に関する測量データに基づいて、建設機械１０の例えば作業装置１６の取り付け位置１５の３次元座標が特定され、さらには、作業装置１６の方向角が特定される。
【0049】
また、建設機械１０が掘削施工している際には、トータルステーション４０にていずれか一方の視準ターゲット３０が自動追尾にて視準され、視準ターゲット３０のターゲット座標が取得される。さらに、作業装置１６の取り付け位置１５における３軸慣性センサ（６軸慣性センサ）２１による検出データや作業装置１６の各関節における１軸加速度センサ２２による検出データが制御装置５０へＸ３方向に送信され、これら測量データと検出データとに基づいて、作業装置１６に装着されている油圧ブレーカ１７のノミ先１７ａ（掘削位置）の３次元座標が特定される。
【0050】
すなわち、掘削位置特定システム１００では、作業装置１６のロール角θｒとピッチ角θｐとヨー角θｙを検出して作業装置１６の方向角を特定する、３軸慣性センサ２１が作業装置１６の取り付け位置１５に設置されていることにより、３軸慣性センサ２１は、停止時に設定された方向角の初期値から建設機械１０の旋回や移動で変化する作業装置１６の方向角を累積的に読み込んでいく。そして、３軸慣性センサ２１の内部において検出データを随時累積することにより、測量された視準ターゲット３０の３次元座標に関する測量データと合わせて、施工中の油圧ブレーカ１７のノミ先１７ａ（掘削位置）を都度特定することを可能にする。
【0051】
図３に示すように、山岳トンネルＴの施工においては、発破後に建設機械１０を用いて岩盤Ｇを掘削する際に、トンネルＴの切羽Ｋにおける設計掘削断面ラインＬ１に対して、実掘削断面ラインＬ２がトンネルＴの中央側へ張り出す、アタリ部Ａや、掘り過ぎによる余掘り部Ｄなどの凹凸が生じ得る。掘削位置特定システム１００は、以下で詳説する制御装置５０による制御により、掘削施工中の油圧ブレーカ１７のノミ先１７ａの３次元座標を都度高精度に特定して、アタリ部Ａや余掘り部Ｄの発生を抑制することを可能にしたシステムである。
【0052】
ここで、実掘削断面ラインＬ２は、複数のノミ先１７ａの３次元座標に基づいて作成される。尚、図示を省略するが、建設機械１０に３Ｄスキャナがさらに備えられていてもよい。この形態では、３Ｄスキャナにて取得された掘削断面までの距離データに基づいて、掘削断面の複数箇所の３次元座標が特定され、特定された複数の３次元座標に基づいて実掘削断面ラインが作成される。
【0053】
次に、図４乃至図８を参照して、掘削位置特定システム１００を構成する制御装置５０について説明するとともに、実施形態に係る掘削位置特定方法の一例について説明する。ここで、図３は、制御装置のハードウェア構成の一例を示す図であり、図４は、制御装置の機能構成の一例を示す図である。
【0054】
図３に示すように、制御装置５０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ：Personal Computer）等の情報処理装置（コンピュータ）により構成される。制御装置５０を構成するコンピュータは、接続バス５６により相互に接続されているＣＰＵ（Central Processing Unit）５１、主記憶装置５２、補助記憶装置５３、通信ＩＦ５４、及び入出力ＩＦ（interface）５５を備えている。主記憶装置５２と補助記憶装置５３は、コンピュータが読み取り可能な記録媒体である。尚、上記の構成要素はそれぞれ個別に設けられてもよいし、一部の構成要素を設けないようにしてもよい。
【0055】
ＣＰＵ５１は、ＭＰＵ（Microprocessor）やプロセッサとも呼ばれ、ＣＰＵ５１は、単一のプロセッサであってもよいし、マルチプロセッサであってもよい。ＣＰＵ５１は、コンピュータからなる制御装置５０の全体の制御を行う中央演算処理装置である。ＣＰＵ５１は、例えば、補助記憶装置５３に記憶されたプログラムを主記憶装置５２の作業領域にて実行可能に展開し、プログラムの実行を通じて周辺機器の制御を行うことにより、所定の目的に合致した機能を提供する。
【0056】
主記憶装置５２は、ＣＰＵ５１が実行するコンピュータプログラムや、ＣＰＵ５１が処理するデータ等を記憶する。主記憶装置５２は、例えば、フラッシュメモリ、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。補助記憶装置５３は、各種のプログラム及び各種のデータを読み書き自在に記録媒体に格納し、外部記憶装置とも呼ばれる。補助記憶装置５３には、例えば、ＯＳ（Operating System）、各種プログラム、各種テーブル等が格納される。ＯＳは、例えば、通信ＩＦ５４を介して接続される外部装置等とのデータの受け渡しを行う通信インターフェースプログラムを含む。外部装置等には、例えば、トータルステーション４０や、３軸慣性センサ２１，１軸加速度センサ２２、オペレータキャビン１４にあるオペレータ端末７０等の他、例えばネットワークに接続するトンネル坑外にある管理施設等に設置されている、施工管理用のパーソナルコンピュータ（図示せず）等が含まれる。
【0057】
補助記憶装置５３は、例えば、主記憶装置５２を補助する記憶領域として使用され、ＣＰＵ５１が実行するコンピュータプログラムや、ＣＰＵ５１が処理するデータ等を記憶する。補助記憶装置５３は、不揮発性半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM））を含むシリコンディスク、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）装置、ソリッドステートドライブ装置等である。また、補助記憶装置５３として、ＣＤドライブ装置、ＤＶＤドライブ装置、ＢＤドライブ装置といった着脱可能な記録媒体の駆動装置が例示され、着脱可能な記録媒体として、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、ＳＤ（Secure Digital）メモリカード等が例示される。
【0058】
入出力ＩＦ５５は、制御装置５０に接続する機器との間でデータの入出力を行うインターフェイスである。入出力ＩＦ５５には、例えば、キーボード、タッチパネルやマウス等のポインティングデバイス、マイクロフォン等の入力デバイス等が接続する。制御装置５０は、入出力ＩＦ５５を介して、入力デバイスを操作する操作者からの操作指示等を受け付ける。
【0059】
また、入出力ＩＦ５５には、例えば、液晶パネル（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）や有機ＥＬパネル（ＥＬ：Electroluminescence）等の表示デバイス、プリンタ、スピーカ等の出力デバイスが接続される。例えば、現在施工中の切羽Ｋにおいて予め設定されている、設計掘削断面ラインＬ１や、現在施工中の実掘削断面ラインＬ２、アタリ部Ａや余掘り部Ｄが生じている場合はその位置とアタリ部Ａにおけるアタリ部の長さや余掘り部Ｄにおける余掘り部の長さ等が表示されるようになっている。尚、オペレータ端末７０も同様の入出力ＩＦを備えており、その表示部には制御装置５０と同様の表示内容が表示されるようになっている。
【0060】
通信ＩＦ５４は、制御装置５０が接続するケーブルやネットワークとのインターフェイスである。通信ＩＦ５４は、インターネット等の公衆ネットワーク、携帯電話網等の無線ネットワーク、ＶＰＮ（Virtual Private Network）等の専用ネットワーク、ＬＡＮ（Local Area Network）等、様々なネットワークを介して、３軸慣性センサ２１や１軸加速度センサ２２等から計測データを受信し、管理施設にある施工管理用のパーソナルコンピュータに対して、実掘削断面ラインや、アタリ部、余掘り部等に関する特定データを送信する。
【0061】
図５に示すように、制御装置５０は、ＣＰＵ５１によるプログラムの実行により、少なくとも、通信部１０２、制御モード切替部１０４、視準可不可手段駆動部１０６、測量機制御部１０８、掘削位置・方向角特定部１１０、表示部１１２、及び記憶部１１４の各種機能を提供する。ここで、上記処理機能の少なくとも一部が、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等によって提供されてもよく、同様に、上記処理機能の少なくとも一部が、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、数値演算プロセッサ、画像処理プロセッサ等の専用ＬＳＩ（large scale integration）やその他のデジタル回路等であってもよい。
【0062】
通信部１０２には、トータルステーション４０にて測定された、視準ターゲット３０の３次元座標に関する測量データが取得され、取得された視準ターゲット３０の三次元座標データは記憶部１１４に記憶（格納）される。さらに、通信部１０２には、３軸慣性センサ２１により検出された、上部旋回体１３の取り付け位置１５における作業装置１６の方向角に関する検出データと、作業装置１６の各関節にある１軸加速度センサ２２により検出された、ブーム１６ａやアーム１６ｃ等のピッチ角θｐに関する検出データが取得され、記憶部１１４に記憶される。すなわち、通信部１０２では、無線通信と有線通信の双方によるデータの送受信が実行される。
【0063】
制御モード切替部１０４は、第１制御と第２制御の２つの制御モードの切替えを実行する。ここで、第１制御は、測量機制御部１０８により、建設機械１０が掘削施工している際に、トータルステーション４０に対して１つの視準ターゲット３０を視準させる制御を実行してターゲット座標を取得する。
【0064】
掘削位置・方向角特定部１１０により、ターゲット座標に関する測量データと、３軸慣性センサ２１による検出データと、１軸加速度センサ２２による検出データとに基づいて、油圧ブレーカ１７のノミ先１７ａの３次元座標（掘削位置）を特定する制御が実行される。すなわち、第１制御により、油圧ブレーカ１７の方向角が特定され、ノミ先１７ａの３次元座標が特定される。
【0065】
一方、第２制御は、測量機制御部１０８により、建設機械１０が停止している際に、トータルステーション４０に対して２つの視準ターゲット３０Ａ，３０Ｂを順に視準させる制御を実行して、視準ターゲット３０Ａ，３０Ｂに固有の２つのターゲット座標を取得する。
【0066】
掘削位置・方向角特定部１１０により、２つのターゲット座標に関する測量データに基づいて、建設機械１０と取り付け位置１５の３次元座標を特定し、作業装置１６の方向角を特定し直し（新たな方向角の特定）、３軸慣性センサ２１に対して新たな方向角を与える制御が実行される。
【0067】
第２制御においては、１つのトータルステーション４０にて２つの視準ターゲット３０Ａ，３０Ｂを順にシーケンシャルに視準することから、視準したい視準ターゲット３０とは異なる他方の視準ターゲット３０を誤って視準することが生じ得る。この課題を解消するべく、視準可不可手段駆動部１０６により、視準ターゲット３０に備えてある視準可不可手段を駆動する。
【0068】
ここで、図６と図７は、異なる形態の視準可不可手段の例を示している。図６Ａと図６Ｂに示す視準可不可手段６０Ａは、角鋼管６１と、角鋼管６１の内部に取り付けられているストロークモータ６２と、ストロークモータ６２に対してＹ１方向へ昇降自在に取り付けられているロッド６３と、ロッド６３の上方に取り付けられているカバー６４とを有する。
【0069】
建設機械１０の上部旋回体１３には、ロッド３１の下端が取り付けられ、ロッド３１の上端に３６０度プリズム３０（視準ターゲット）が取り付けられている。
【0070】
３６０度プリズム３０を視準不可とする際は、図６Ａに示すように、カバー６４により３６０度プリズム３０を完全に包囲する。一方、３６０度プリズム３０を視準可とする際は、視準可不可手段駆動部１０６によるストロークモータ６２の駆動制御により、図６Ｂに示すように、カバー６４をＹ２方向へ降下させることによって３６０度プリズム３０を外部へ露出させる。
【0071】
一方、図７に示す視準可不可手段６０Ｂは、ストロークモータ６２にてＹ１方向に昇降されるロッド６３の上端に３６０度プリズム３０が取り付けられている。
【0072】
３６０度プリズム３０を視準不可とする際は、図７Ａに示すように、角鋼管６１により３６０度プリズム３０を完全に包囲する。一方、３６０度プリズム３０を視準可とする際は、視準可不可手段駆動部１０６によるストロークモータ６２の駆動制御により、図７Ｂに示すように、ロッド６３をＹ３方向へ上昇させることによって３６０度プリズム３０を外部へ露出させる。
【0073】
図６と図７に示すいずれの形態の視準可不可手段６０であっても、第２制御においては、視準可不可手段駆動部１０６によって双方の視準ターゲット３０Ａ，３０Ｂの各ストロークモータ６２を交互に駆動することにより、１つの視準ターゲット３０のみを視準可とし、他の視準ターゲット３０を視準不可とし、次に、視準可の視準ターゲット３０を視準不可とし、視準不可の視準ターゲット３０を視準可とするシーケンシャルな制御を実行することができる。
【0074】
この制御により、１台のトータルステーション４０にて２つの視準ターゲット３０を順次視準する際に、視準したい視準ターゲット３０とは異なる他方の視準ターゲット３０を誤って視準することを防止できる。
【0075】
建設機械１０が作動している際に作業装置１６の方向角を特定する３軸慣性センサ２１には、建設機械１０が停止している際に特定された方向角が初期値として付与されている。その後、建設機械１０の作動により、３軸慣性センサ２１は検出データを随時累積することによって、作動中の作業装置１６の方向角を特定し、視準ターゲット３０の３次元座標と合わせて油圧ブレーカ１７のノミ先１７ａの３次元座標が特定される。そのため、３軸慣性センサ２１には、時間の経過とともに累積誤差（ドリフト誤差とも言う）が生じ得る。図示例のように３軸ジャイロセンサを含む６軸慣性センサである場合に、ジャイロセンサではセンサが常時旋回していることから、この累積誤差はより一層生じ易くなる。
【0076】
そこで、制御装置５０では、その第２制御により、建設機械１０が停止している際に２つのターゲット座標に関する測量データを取得し、この測量データに基づいて、建設機械１０や作業装置１６の新たな方向角を特定して、３軸慣性センサ２１に対して新たな方向角を付与することにより、３軸慣性センサ２１による検出データの累積誤差をリセットし、以後の作業装置１６の作動の際の方向角の初期値を再設定する。
【0077】
また、記憶部１１４には、３軸慣性センサ２１の累積誤差に関する誤差閾値がさらに記憶されている。例えば、３軸加速度センサや３軸ジャイロセンサは、５分程度で累積誤差が大きくなり、ノミ先１７ａの３次元座標の精度を低下させ得ることから、例えば３軸慣性センサ２１の累積誤差の誤差閾値を５分程度に設定し、制御装置５０では、建設機械１０が作動を開始した後の経過時間がカウントされる。
【0078】
通信部１０２を介して、オペレータキャビン１４にあるオペレータ端末７０に対して、カウントされる経過時間データが送信され、その表示画面には、経過時間もしくは誤差閾値までの残り時間が表示されるようになっている。建設機械１０のオペレータは、この残り時間が経過する前に建設機械１０の作動を停止し、制御装置５０による第２制御によって３軸慣性センサ２１の方向角の初期値の再設定を行う。このことにより、３軸慣性センサ２１の内部における累積誤差をリセットし、その後に建設機械１０の作動を開始することによって、油圧ブレーカ１７のノミ先１７ａの３次元座標の高精度な特定を継続することが可能になる。
【0079】
このような制御装置５０による第１制御と第２制御により、油圧ブレーカ１７の方向角やノミ先１７ａの３次元座標の高精度な特定を図りながらの掘削施工を実現でき、アタリ部と余掘り部の発生抑制に繋がる。
【0080】
図８は、建設機械１０のオペレータキャビン１４に設置されている、オペレータ端末７０の表示画面７２における表示例を示す図である。
【0081】
図示するように、表示画面７２には、現在の切羽Ｋ（トンネルの長手方向における所定の縦断位置にある切羽）において、予め設定されている設計掘削断面ラインＬ１が表示される。また、この切羽Ｋにおける実掘削断面ラインＬ２が設計掘削断面ラインＬ１と重ね合わされるようにして表示される。
【0082】
さらに、オペレータが表示画面７２を視認しながら掘削する際に、油圧ブレーカ１７のノミ先１７ａを実掘削断面ラインＬ２上の任意の掘削位置に接触させた際の三次元座標（Ｐ０（ｘｐ、ｙｐ、ｚｐ））が、都度表示画面７２にプロットされる。
【0083】
また、設計掘削断面ラインＬ１と実掘削断面ラインＬ２の重ね合わせにより、表示画面７２には、アタリ部と余掘り部の位置やアタリ部長さや余掘り部長さが表示される。図示例では、アタリ部の複数の３次元座標が点Ｐ１乃至Ｐ５で表示され、各アタリ部長さがｔ１乃至ｔ５で表示される。一方、、余掘り部の複数の３次元座標が点Ｐ６乃至Ｐ１０で表示され、各余掘り部長さがｓ１乃至ｓ５で表示される。
【0084】
また、方向角の初期値設定までの残り時間が表示され、オペレータは、この残り時間までに掘削を継続し、残り時間が経過する前に建設機械１０を停止し、３軸慣性センサ２１の累積誤差をリセットするべく、制御装置５０による第２制御により、作業装置１６の方向角の初期値の再設定を実行する。
【0085】
制御装置５０は、例えば、送信されるトータルステーション４０からの測量データや、３軸慣性センサ２１や１軸加速度センサ２２からの検出データがいずれも変化しない場合に、建設機械１０が停止していると判定し、制御モードを第１制御から第２制御に自動的に切替え、作業装置１６の方向角の初期値の再設定のための各種制御を実行する。
【0086】
作業装置１６の方向角の初期値の再設定が実行された後、制御装置５０は制御モードを第２制御から第１制御に自動的に切替え、初期値の再設定が完了した旨の指令信号をオペレータ端末７０に送信し、オペレータ端末７０はこの指令信号に基づいて建設機械１０の作動を開始してよい旨の報知をオペレータに対して実行する。
【0087】
建設機械の掘削位置特定システム１００によれば、作業員がレーザーポインター等で建設機械のオペレータに指示する方法に代わり、建設機械１０のオペレータが自ら、随時変化し得る建設機械１０の作業装置１６の掘削位置を都度精度よく、効率的に特定しながら掘削することにより、施工安全性が高く、施工性が良好であって、アタリ部や余掘り部の発生を抑制することができる。
【0088】
また、建設機械１０の坑口側に設置されているトータルステーション４０は無人にて自動追尾するものであることから、掘削施工は建設機械１０のオペレータのみでよいこととなり、作業員の削減を図ることも可能になる。ここで、建設機械１０が無人走行と無人操作を実現できる場合は、トンネルＴ内における作業員を完全に不要にした、自動掘削施工を実現できる。
【0089】
また、実施形態に係る建設機械の掘削位置特定方法は、掘削位置特定システム１００を適用した掘削位置特定方法であり、まず、Ａ工程として、建設機械１０の停止時に、建設機械１０の備える２つの視準ターゲット３０を１台のトータルステーション４０にて順に視準して建設機械１０と作業装置１６の方向角の初期値を特定する。この際、図６と図７を参照して説明した通り、２つの視準ターゲット３０が視準可不可手段６０を備えていることにより、１台のトータルステーション４０にて２つの視準ターゲット３０を順次視準する際に、視準したい視準ターゲット３０とは異なる他方の視準ターゲット３０を誤って視準することを防止できる。
【0090】
次に、Ｂ工程として、建設機械１０を作動させて掘削施工を行い、その際に、トータルステーション４０にて１つの視準ターゲット３０を自動追尾し、かつ建設機械１０における作業装置１６の取り付け位置１５に設けられて、作業装置１６のロール角とピッチ角とヨー角を検出する３軸慣性センサ２１にて作業装置１６の方向角を特定し、３軸慣性センサ２１による検出データとトータルステーション４０による測量データとに基づいて、掘削施工中の掘削機１７の掘削位置を特定する。
【0091】
この施工において、３軸慣性センサ２１が作動を開始して累積誤差が誤差閾値を超えるまでの所要時間を設定し、掘削施工中において、所要時間が経過する前に建設機械１０を停止させ、トータルステーション４０に２つの視準ターゲット３０Ａ，３０Ｂを順に視準させ、各視準ターゲット３０Ａ，３０Ｂに固有の２つのターゲット座標に基づいて建設機械１０や作業装置１６の新たな方向角を特定して、３軸慣性センサに対して新たな方向角を与えた後、次の掘削施工を行う。
【0092】
建設機械の掘削位置特定方法によっても、建設機械１０のオペレータが自ら、随時変化し得る建設機械１０の作業装置１６の掘削位置を都度精度よく、効率的に特定しながら掘削することにより、施工安全性が高く、施工性が良好な掘削施工を実現できる。
【0093】
上記実施形態に挙げた構成等に対し、その他の構成要素が組み合わされるなどした他の実施形態であってもよく、ここで示した構成に本発明が何等限定されるものではない。この点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【符号の説明】
【0094】
１０：建設機械
１１：走行台車
１２：下部走行体
１３：上部旋回体
１４：オペレータキャビン
１５：取り付け位置
１６：作業装置
１６ａ：ブーム
１６ｂ：ブームシリンダ
１６ｃ：アーム
１６ｄ：アームシリンダ
１６ｅ：アタッチメントシリンダ
１７：油圧ブレーカ（掘進機）
１７ａ：掘削位置（ノミ先）
２１：３軸慣性センサ（６軸慣性センサ）
２２：１軸加速度センサ
３０，３０Ａ，３０Ｂ：視準ターゲット（３６０度プリズム）
３１：ロッド
４０：測量機（トータルステーション）
４５：ケーブル
５０：制御装置
５８：通信アンテナ
６０，６０Ａ，６０Ｂ：視準可不可手段
６１：角鋼管
６２：アクチュエータ（ストロークモータ）
６３：ロッド
６４：カバー
７０：オペレータ端末
７２：表示画面
１００：掘削位置特定システム（建設機械の掘削位置特定システム）
１０２：通信部
１０４：制御モード切替部
１０６：視準可不可手段駆動部
１０８：測量機制御部
１１０：掘削位置・方向角特定部
１１２：表示部
１１４：記憶部
Ｂ：基準点
Ｔ：山岳トンネル（トンネル）
Ｇ：地山（岩盤）
Ｋ：切羽
Ｌ１：設計掘削断面ライン
Ｌ２：実掘削断面ライン
Ａ：アタリ部
Ｄ：余掘り部
１１：走行台車
１２：下部走行体
１３：上部旋回体
１４：オペレータキャビン
１５：取り付け位置
１６：作業装置
１６ａ：ブーム
１６ｂ：ブームシリンダ
１６ｃ：アーム
１６ｄ：アームシリンダ
１６ｅ：アタッチメントシリンダ
１７：油圧ブレーカ（掘進機）
１７ａ：掘削位置（ノミ先）
２１：３軸慣性センサ（６軸慣性センサ）
２２：１軸加速度センサ
３０，３０Ａ，３０Ｂ：視準ターゲット（３６０度プリズム）
３１：ロッド
４０：測量機（トータルステーション）
４５：ケーブル
５０：制御装置
５８：通信アンテナ
６０，６０Ａ，６０Ｂ：視準可不可手段
６１：角鋼管
６２：アクチュエータ（ストロークモータ）
６３：ロッド
６４：カバー
７０：オペレータ端末
７２：表示画面
１００：掘削位置特定システム（建設機械の掘削位置特定システム）
１０２：通信部
１０４：制御モード切替部
１０６：視準可不可手段駆動部
１０８：測量機制御部
１１０：掘削位置・方向角特定部
１１２：表示部
１１４：記憶部
Ｂ：基準点
Ｔ：山岳トンネル（トンネル）
Ｇ：地山（岩盤）
Ｋ：切羽
Ｌ１：設計掘削断面ライン
Ｌ２：実掘削断面ライン
Ａ：アタリ部
Ｄ：余掘り部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】