モータグレーダのブレード高さ制御装置
【課題】モータグレーダのブレード高さ制御装置において水糸のような基準線の設定の手間を削減することができ、また、モータグレーダに適した簡単な構成とする。
【解決手段】モータグレーダ１０の車体に設定された測定点に取り付けられて、放射状にレーザビームを照射し、複数の反射地点から反射されたレーザビームを受信するレーザスキャナ３２と、レーザスキャナ３２から得られる測定点と複数の反射地点との計測距離から、ブレード２２の高さを調整するための調整信号を出力する制御手段と、を備える。制御手段は、前記測定点と複数の反射地点との計測距離から各反射地点の高さを演算し、前記複数の反射地点の高さの中から、ブレード２２の高さを検出すると共に、前記複数の反射地点の高さから基準値を求め、ブレード２２の高さが基準値に追従するようにブレード２２の高さを調整するための信号を出力する。
【解決手段】モータグレーダ１０の車体に設定された測定点に取り付けられて、放射状にレーザビームを照射し、複数の反射地点から反射されたレーザビームを受信するレーザスキャナ３２と、レーザスキャナ３２から得られる測定点と複数の反射地点との計測距離から、ブレード２２の高さを調整するための調整信号を出力する制御手段と、を備える。制御手段は、前記測定点と複数の反射地点との計測距離から各反射地点の高さを演算し、前記複数の反射地点の高さの中から、ブレード２２の高さを検出すると共に、前記複数の反射地点の高さから基準値を求め、ブレード２２の高さが基準値に追従するようにブレード２２の高さを調整するための信号を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータグレーダのブレードの高さを制御するブレード高さ制御装置に関し、モータグレーダによる整地の平坦性を高めることができるモータグレーダのブレード高さ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のモータグレーダのブレード高さ制御装置としては、特許文献１または２記載のものが知られている。これらの装置においては、ブレードに超音波センサを設置し、超音波センサによって、モータグレーダの側方の路盤上に設定した水糸を検出している。そして、超音波センサにより、水糸と超音波センサとの距離を計測して、その計測距離から、水糸と超音波センサとの間の計測距離が所定範囲よりも近いと判断されるときには、ブレードの高さが低すぎることを意味するので、ブレードの位置を高くなるように制御し、逆に、水糸と超音波センサとの間の計測距離が所定範囲よりも遠いと判断されるときには、ブレードの高さが高すぎることを意味するので、ブレードの位置を低くなるように制御している。
【０００３】
しかしながら、以上のブレード高さ制御装置では、基準となる水糸の設置に手間がかかるという問題がある。また、センサが水糸から外れないようにブレードの位置を制御する必要がある。さらに、温度変化といった環境変化による音速の変化を補償するための構成が必要になる、という問題がある。
【０００４】
一方、特許文献３は、フィニッシュイングビームに取り付けた支柱の先端の測定点に設けたレーザ光源と、レーザ光源から地面に向けて照射し地面から測定点に反射したレーザビームを検出するセンサ手段と、レーザ光源とセンサ手段との間でレーザビームの伝搬する時間を計測する時間計測手段と、レーザ光源、センサ手段及び時間計測手段からの信号から地面の多数の点に対する高さ及び位置における現実値を生成し、これらの現実値から地面の所望の形状上にある多数の点の高さ及び位置の値を計算するようになっている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４７３３３５５号明細書
【特許文献２】米国特許第５４３０６５１号明細書
【特許文献３】米国特許第６４５２６８４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、特許文献３に記載されたレーザ光源をモータグレーダのブレードに取り付けることも考えられる。しかしながら、ブレードは鉛直軸周りに旋回することができるため、ブレードが旋回していると、レーザ光源の走査方向はモータグレーダの進行方向からずれてしまう。そのため、そのずれを補償するために、ブレードの旋回角を検出し、レーザ光源の照射方向をモータグレーダの進行方向に平行になるように制御する必要があり、構成が大掛かりに且つ複雑になるという問題がある。
【０００７】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、水糸のような基準線の設定の手間を削減することができ、また、モータグレーダに適した簡単な構成とすることができるモータグレーダのブレードの高さ制御装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、モータグレーダのブレードの高さを制御する高さ制御装置であって、モータグレーダの車体に設定された測定点に取り付けられて、放射状にレーザビームを照射し、複数の反射地点から反射されたレーザビームを受信するレーザスキャナと、レーザスキャナから得られる測定点と各反射地点との間の計測距離から、ブレードの高さを調整するための調整信号を出力する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記測定点と複数の反射地点との間の計測距離から各反射地点の高さを演算する高さ演算手段と、前記複数の反射地点の高さの中から、ブレードの高さを検出するブレード検出手段と、前記複数の反射地点の高さから、基準値を求める基準値演算手段と、前記ブレード検出手段で検出されるブレードの高さが前記基準値演算手段で求めた基準値の変化に追従するように、ブレードの高さを調整するための調整信号を出力するブレード調整信号出力手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の前記レーザスキャナの走査線が、モータグレーダの進行方向に平行に向いていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の前記基準値演算手段が、ブレード前後の地面上の複数の反射地点の高さを平均化したものを基準値とすることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の前記基準値演算手段が、ブレード前方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（以下、前方平均値）と、ブレード後方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（以下、後方平均値）とを重みづけ平均した平均値を基準値とすることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、前記後方平均値の重みを前方平均値の重みよりも大きく設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の前記レーザスキャナの走査線が、モータグレーダの進行方向に直交する横断方向に向いていることを特徴とする。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の前記基準値演算手段が、モータグレーダの側方に存在する構造物の高さを基準値とすることを特徴とする。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の前記ブレード検出手段が、複数の反射地点の高さの中で、隣り合う反射地点の高さの差異が所定閾値を超えるか、または所定高さ検出範囲にある反射地点の高さに基づきブレード高さを検出することを特徴とする。
【００１６】
請求項９記載の発明は、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の前記ブレード検出手段が、測定点に対するブレードの水平位置をさらに検出しており、前記制御手段は、さらに、ブレード検出手段で検出したブレードの水平位置に基づき、ブレードの旋回角を求めるブレード旋回角演算手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、レーザスキャナで得られる測定点と反射地点との間の計測距離から各反射地点の高さを演算し、その複数の反射地点の高さの中からブレード高さを検出し、且つ複数の反射地点の高さから基準値を求め、その基準値に追従するようにブレードの高さの調整を行うことで、従来のような水糸の設定を不要としながら、モータグレーダによる整地の平坦性を高めることができる。レーザを用いて距離を測定するために環境変化に対して安定して測定を行うことができる。
【００１８】
レーザスキャナが設置される測定点が車体に設定されるために、ブレードが旋回していても、その旋回に影響を受けずに、レーザスキャナの走査線を車体に対して決められた方向に設定することができる。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、レーザスキャナの走査線を、モータグレーダの進行方向に平行に向けることで、基準値を、モータグレーダの進行方向に沿った地面の高さに基づき決めることができる。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、ブレード前後の地面の複数の反射地点の高さを平均化したものを基準値とすることで、地面の局所的な凹凸の影響を受けない平滑化された基準値とすることができる。
【００２１】
請求項４記載の発明によれば、切削面であるブレード後方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（後方平均値）と、未切削面であるブレード前方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（前方平均値）とを重みづけすることで、基準値を調整することができる。
【００２２】
請求項５記載の発明によれば、後方平均値の重みを前方平均値の重みよりも大きくすることで、切削面である平坦な後方平均値に重きを持たせて基準値を設定することができ、ブレード切削の平坦性をより高めることができる。
【００２３】
請求項６記載の発明によれば、レーザスキャナの走査線を、モータグレーダの進行方向に直交する横断方向に向けることで、基準値を、モータグレーダの進行方向に直交する横断方向に沿った地面に基づき決めることができる。
【００２４】
請求項７記載の発明によれば、モータグレーダの側方に存在する構造物の高さを求めることで、構造物の高さを基準値として、ブレードの高さ制御を行うことができ、ブレード切削の平坦性をより高めることができる。
【００２５】
請求項８記載の発明によれば、ブレードはその周囲の地面よりも不連続的に高いから、複数の反射地点の高さの中で、隣り合う反射地点の高さの差異が所定閾値を超えるか、または所定高さ検出範囲にある反射地点を求めることで、ブレードの高さを検出することができるようになる。
【００２６】
請求項９記載の発明によれば、ブレードを検出するときに、ブレードの高さだけでなくブレードの測定点に対する水平位置を求めることができるから、その水平位置及び測定点とブレード旋回中心位置との既知の位置関係に基づき、ブレードの旋回角を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明によるブレードの高さ制御装置が適用されるモータグレーダの概略図である。モータグレーダ１０は、フレーム１２の前端部にドローバ１４の前端部が揺動自在に支承されており、ドローバ１４とフレーム１２との間に渡り油圧シリンダ１６，１８が設けられている。ドローバ１４の後端には、図示しない油圧モータによって旋回可能となったサークル２０が設けられており、サークル２０にブレード２２が取り付けられている。
【００２８】
油圧シリンダ１６、１８は、ブレード２２の高さを調整する高さ調整手段を構成しており、油圧回路のバルブ１９（図２参照）の制御により、油圧シリンダ１６，１８が伸縮することで、ブレード２２の高さが調整され、また、油圧シリンダ１６，１８が異なる伸縮を行うことで、ブレード２２が鉛直面で傾斜することができる。さらに、サークル２０が油圧モータによって旋回駆動されることにより、フレーム１２に対してブレード２２が旋回可能となっている。
【００２９】
フレーム１２の後端部には、フレーム１２に対して旋回可能に車体を構成するフレーム２４が連結され、フレーム２４に運転室２６が搭載される。フレーム１２には前輪２８が、フレーム２４には後輪２９が取り付けられる。
【００３０】
このモータグレーダ１０は、舗装前の路面を整地するために使用され、ブレード２２によって地面を切削することで、路面の平坦化を行うものである。
【００３１】
本発明によるブレードの高さ制御装置３０は、図２に示すように、車体を構成するフレーム２４またはフレーム２４と一体となった運転室２６の上側に適宜ブラケットを介して設定される測定点に設置されるレーザスキャナ３２と、レーザスキャナ３２にＵＳＢインターフェースまたはＲＳ−２３２Ｃインターフェースを介して接続され、レーザスキャナ３２からの信号を受信するマイクロコンピュータで構成される制御手段３４と、制御手段３４に接続され油圧シリンダ１６,１８を伸縮させるためのバルブ１９を制御するバルブ制御手段３６と、を備える。
【００３２】
レーザスキャナ３２は、放射状に一定角度間隔でレーザビームを照射し、反射地点から反射されたレーザビームを受信しその光伝搬時間または位相差から計測距離を演算して、計測距離を順次、出力する装置であり、スキャン式レンジセンサ（例えば、北陽電機株式会社製ＵＲＧ−０４ＬＸ）等を使用することができる。レーザスキャナ３２から照射されるレーザビームの走査線は、基本的にフレーム２４の前後方向に一致するように、つまり、モータグレーダ１０の側方にあり、且つモータグレーダ１０の進行方向に対して平行になるように、設定される。
【００３３】
制御手段３４は、レーザスキャナ３２からの信号を受信して、測定点に対する反射地点の高さＨと水平位置Ｘを演算し、ブレード高さと基準値を求めて、ブレード高さを基準値に追従するように、調整信号をバルブ制御手段３６に送出するものであり、高さ・水平位置演算手段４０と、高さ・水平位置記憶手段４１と、ブレード検出手段４２と、ブレード位置記憶手段４３と、基準値演算手段４４と、ブレード基準高さ記憶手段４６と、ブレード調整信号出力手段４８と、を備える。
【００３４】
図３に示すように、レーザビームの回転角度の水平面となす角度をθとし、計測距離をＬとすると、測定点に対する反射地点の高さＨと水平位置Ｘは次の式から求めることができる。
【００３５】
Ｘ＝Ｌ×ｃｏｓθ
Ｈ＝Ｌ×ｓｉｎθ
【００３６】
高さ・水平位置演算手段４０は、各反射地点に対する計測距離Ｌ（１）、Ｌ（２）、・・・Ｌ（ｎ）から高さＨ（１）、Ｈ（２）、・・・Ｈ（ｎ）及び水平位置Ｘ（１）、Ｘ（２）、・・・Ｘ（ｎ）を上式に基づき求めて、高さ・水平位置記憶手段４１に格納する。
【００３７】
ここで、図４に示すように、複数の反射地点１、２、・・・ｍ、・・・ｎのうちで、ｍをブレード２２の位置に対応するものとし、ｍより前は、ブレード２２よりも前方の反射地点を表し、ｍより後は、ブレード２２よりも後方の反射地点を表すものとする。複数の反射地点のうちで、ブレード２２よりも後方の地面は既に切削された平坦な切削面となっており、ブレード２２よりも前方の地面は未切削面であり凸凹となっている。
【００３８】
ブレード２２が旋回していると、ブレード２２と走査線との交点は前後にずれるので、このｍは変数である。しかしながら、ブレード２２の高さは、切削面に対して常にほぼ一定の値であるために、複数の反射地点の高さの値が不連続的に小さくなる（言い換えれば、高さが不連続的に高くなる）点を探せば、ブレード２２の位置を検出することができる。
【００３９】
そのため、ブレード検出手段４２は、ｎからデクレメントしながら、
ΔＨ（ｊ−１）＝Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｊ−１）
を順次求め、
ΔＨ（ｊ−１）≧ΔTH （１）
となるｊ−１を見つける。ΔTHは不連続点かどうかを決定する所定の閾値であり、予め既知であるブレード２２の高さ寸法にほぼ等しい値となる。または、（１）式とする代わりに、
ΔTH＋α1≧Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｊ−１）≧ΔTH−α2 （２）
として、ΔTH＋α1〜ΔTH−α2の所定の高さ検出範囲で高さＨ（ｊ）が不連続となったかどうかに基づいて、ブレード２２の位置検出の判定をすることができる。ブレード２２の高さ寸法を大きく超える高さの変化は、ブレード以外の他の要因によることが考えられるからである。
【００４０】
（１）式または（２）式を満足するｊ−１がｍとなり、このときのＨ（ｍ）をブレードの上端の高さとし、このときのｍの値と、そのＨ（ｍ）、Ｘ（ｍ）をブレード位置記憶手段４３に格納する。
【００４１】
好ましくは、ブレード２２の上部にブレード２２の厚み寸法よりも大きい寸法を持つ反射板２３を取り付けるようにするとよい。これによって、レーザスキャナ３２の分解能に左右されずに、必ず、レーザスキャナ３２によってブレード２２を確実に検出することができるようになる。
【００４２】
こうして、ブレード２２の位置ｍが求められると、ｍより前方が未切削面、ｍより後方が切削面となる。
【００４３】
次に、基準値演算手段４４は、反射地点の高さを用いてブレードの高さを調整するための基準値を求める。この基準値としては、レーザスキャナ３２によって得られた多数の反射地点からの高さを平均化したものとすることにより、地面の局所的な凹凸の影響を受けない基準値とすることができる。レーザスキャナ３２によって得られる反射地点は、車体の前後方向に平行に且つ広い範囲に渡り、車体の長さよりも広くとることができるために、より平滑化された基準値とすることができる。平均化する具体的な態様としては、任意の態様を採用することができるが、例えば次のような態様が考えられる。
【００４４】
（ｉ） 全体の平均値とする態様
ブレード２２の位置ｍを除く全反射地点の高さの平均値を基準値とする。即ち、平均値は、
ＨＡ＝｛Ｈ（１）＋Ｈ（２）＋・・・Ｈ（ｍ−１）＋Ｈ（ｍ＋１）＋・・・Ｈ（ｎ）｝／（ｎ−１） （３）
となる。
【００４５】
（ｉｉ） ブレードの近傍を除去して全体の平均値とする態様
ブレード２２の近傍は、ブレード２２によって影になり正確な計測ができないおそれがあり、また、ブレード２２によって切削された土壌によって反射地点の高さが正確に計測されていないおそれがあるために、ブレード２２周囲の所定の範囲の計測高さは、平均値演算から除去すると好ましい。
【００４６】
よって、平均値は、
ＨＡ＝｛Ｈ（１）＋Ｈ（２）＋・・・Ｈ（ｍ−ｐ）＋Ｈ（ｍ＋ｑ）＋・・・Ｈ（ｎ）｝／（ｎ−ｐ−ｑ＋１） （４）
となる。但し、ｐ、ｑ≧１の整数であり、ブレード周囲の除去する計測点の数を表す。
【００４７】
（ｉｉｉ） 重みづけ平均値とする態様
ブレードの前方と後方で分けて平均値をそれぞれ求め、前方平均値と後方平均値とを、それぞれ重みづけしたものを基準値とする。
【００４８】
即ち、前方平均値と後方平均値とを以下のようにして、それぞれ求める。但し、ｐ、ｑは、前記（ｉｉ）の態様と同じく、ブレード周囲の除去する計測点の数を表す。
【００４９】
前方平均値 ＨＦ＝｛Ｈ（１）＋Ｈ（２）＋・・・Ｈ（ｍ−ｐ）｝／（ｍ−ｐ）
後方平均値 ＨＢ＝｛Ｈ（ｍ＋ｑ）＋Ｈ（ｍ＋ｑ＋１）＋・・・Ｈ（ｎ）｝／（ｎ−ｍ−ｑ＋１）
そして、全体平均値を、
【００５０】
【数１】
とする。ここで、ＫＦは前方平均値の重み、ＫＢは後方平均値の重みであり、ＫＢ＞ＫＦとする。後方の切削面は、前方に未切削面に比較して、平坦性が高いために、後方の重みづけを高くすることで、より平坦性の高い、言い換えれば変動の低い平均値とすることができる。
【００５１】
（ｉｖ） ブレード後方の平均値とする態様
後方平均値が正確であると想定できる場合は、後方平均値を基準値とすることができる。これは、（５）式において、ＫＦ＝０、ＫＢ＝１とおいたことと等価である。
【００５２】
但し、路面に縦勾配がある場合にはブレードの後方の切削面での反射地点の高さだけでは、基準値に縦勾配が反映されず、または、ブレードの後方の切削面での反射地点の高さに誤差がある場合にはドリフトが発生するおそれがあるので、そのような場合には、ＫＦ≠０とした（５）式による重みづけを採用するとよい。
【００５３】
基準値演算手段４４は、以上のいずれか、またはその他の任意の方法で基準値を求める。
【００５４】
ブレード基準高さ記憶手段４６には、基準値に対するブレード２２の高さが予め基準高さとして、格納されている。
【００５５】
ブレード調整信号出力手段４８は、基準値演算手段４４で演算された基準値と、ブレード検出手段４２で検出されたブレード高さと、ブレード基準高さ記憶手段４６に予め格納されるブレード２２の基準高さとから、ブレード高さが基準値に対してブレード基準高さとなるように、ブレード２２の高さ調整出力信号を生成する。
【００５６】
即ち、基準値の変化にブレード２２の高さが追従するように、バルブ制御手段３６に信号を出力し、油圧シリンダ１６、１８を調整する。
【００５７】
こうして、ブレード２２の高さ調整を行うことで、モータグレーダ１０による切削量を制御して、整地の平坦性を高めることができるようになる。本実施形態のように、レーザスキャナ３２で得られる測定点と反射地点との間の計測距離から基準値を設定し、その基準値に追従するようにブレード２２の高さ調整を行うことで、従来のような水糸の設定を不要とすることができる。レーザを用いて距離を測定するために環境変化に対して安定して測定を行うことができる。さらには、レーザスキャナ３２が設置される測定点が車体に設定されるために、ブレード２２が旋回していても、その旋回に影響を受けずに、レーザスキャナ３２の走査線を車体の前後方向に平行に、即ち、モータグレーダの進行方向に平行に設定することができる。
【００５８】
レーザスキャナ３２は、車体の左右両側にそれぞれ設けることができ、制御手段３４及びバルブ制御手段３６も、それぞれ左右用にそれぞれ設けることができ、それぞれのバルブ制御手段３６から油圧シリンダ１６，１８を独立的に駆動することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
図５は、本発明による高さ制御装置３０の第２実施形態を表すブロック図である。この実施形態では、レーザスキャナ３２を左右それぞれに設ける代わりに、一方の側にのみレーザスキャナ３２を設け、ブレード２２の傾斜角を検出する傾斜計５２を設けている。
【００６０】
一方の油圧シリンダ１６は、前記制御装置３４の手段４０〜４８により、図２と同様に制御される。他方の油圧シリンダ１８については、ブレード２２に設けた傾斜計５２に基づき、ブレード２２がモータグレーダ１０の進行方向に直交する横断面内において所定の傾斜角となるように、制御される。このため、制御手段３４は、さらに、ブレード旋回角演算手段５４と、ブレード初期位置記憶手段５６と、ブレード傾斜角補正手段５８と、基準傾斜角記憶手段６０と、ブレード調整信号出力手段６２と、を備える。
【００６１】
ブレード旋回角演算手段５４は、前記ブレード検出手段４２で検出されたブレード２２の水平位置から、ブレード２２の旋回角φを求める。
【００６２】
図６に示したように、ブレード２２の旋回角φが０のとき、即ち、ブレード２２が車体の前後方向に対して直交するときの、ブレード２２とレーザビームの走査線との交点の水平位置Ｘ（ｒ）と、水平面内で、ブレード２２の旋回中心からレーザビームの走査線へおろした垂線の距離Ｗとは、既知であり、これらの値は、予めブレード初期位置記憶手段５６に格納されている。
【００６３】
ブレード旋回角演算手段５４は、ブレード検出手段４２によって検出されたブレード２２の水平位置Ｘ（ｍ）から、ブレード２２の水平方向の変位ΔＸを以下のように求め、
ΔＸ＝Ｘ（ｍ）−Ｘ（ｒ） （６）
この水平方向の変位ΔＸから、旋回角φを、以下の式で求める。
φ＝ｔａｎ-1（ΔＸ／Ｗ） （７）
【００６４】
この旋回角φを使用して、ブレード傾斜角補正手段５８は、傾斜計５２から得られるブレード２２の傾斜角ψを、車体の前後方向に直交する横断面での傾斜角に座標変換する。そして、ブレード調整信号出力手段６２は、その傾斜角が基準傾斜角記憶手段６０で予め格納されるその路面に適した横勾配を表す基準傾斜角に合致するように、バルブ制御手段３６に信号を出力し、油圧シリンダ１８を調整する。
【００６５】
以上のように第２実施形態によれば、ブレード２２の旋回角を、別途のセンサを設けることなく制御手段３４内での演算によって求めることができる。このように演算によって求めた旋回角は、この第２実施形態で説明した傾斜角の補正に使用することができるが、これに限るものではない。例えば、オペレータへの旋回角の提示または他の制御等のその他の用途にも使用することが可能である。
【００６６】
（第３実施形態）
次に、図７は、本発明による高さ制御装置３０の第３実施形態を表す図である。
この実施形態では、レーザスキャナ３２のレーザビームの走査線が、車体の前後方向に直交する横断方向にも向くことができる点で、第１実施形態と異なっている。
【００６７】
レーザスキャナ３２は、車体に対して旋回ブラケット３３によって取り付けられており、該旋回ブラケット３３が車体に対して鉛直軸周りに９０度回転することで、レーザビームの走査線が、第１実施形態の車体の前後方向に平行な方向と、車体の前後方向に直交する横断方向に平行な方向の、２つの方向のいずれか一方に切替可能になっている。
【００６８】
レーザスキャナ３２が、そのレーザビームの走査線が車体の前後方向に直交する横断方向に平行な向きになるように切り替えられたときに、レーザスキャナ３２の走査範囲は、車体の側方を走査するように、特に、側方に存在する構造物、例えば、整地中の路面の側溝部分を包含するように、設定されている。また、このときに、そのレーザスキャナ３２の走査範囲で、ブレード２２と走査線とが交差するように、ブレード２２には前後方向に延びる反射板２３が取り付けられるとよい。
【００６９】
これに応じて制御手段３４は、前記第１実施形態と同じ構成の他に、図８に示すように、切替手段７０と、高さ・水平位置演算手段７２と、高さ・水平位置記憶手段７３と、構造物・ブレード検出手段７４と、構造物・ブレード位置記憶手段７５と、基準値演算手段７６、ブレード基準高さ記憶手段７７と、ブレード調整信号出力手段７８と、を備える。
【００７０】
レーザスキャナ３２の走査線が、車体の前後方向に直交する横断方向に平行な向きに切り替えられると、レーザスキャナ３２からの信号が切替手段７０により、高さ・水平位置演算手段７２によって処理されるように切り替えられる。
【００７１】
レーザビームの回転角度の水平面となる角度をξとし、計測距離をＬとすると、測定点に対する反射地点の高さＨと水平位置Ｙは次の式から求めることができる。
【００７２】
Ｙ＝Ｌ×ｃｏｓξ
Ｈ＝Ｌ×ｓｉｎξ
【００７３】
高さ・水平位置演算手段７２は、各反射地点に対する計測距離Ｌ（１）、Ｌ（２）、・・・Ｌ（ｎ）から高さＨ（１）、Ｈ（２）、・・・Ｈ（ｎ）及び水平位置Ｙ（１）、Ｙ（２）、・・・Ｙ（ｎ）を求めて、高さ・水平位置記憶手段７３に格納する。
【００７４】
ここで、図７に示すように、複数の反射地点１、２、・・ｌ、・ｍ、・・・ｎのうちで、ｌを歩道と側溝蓋との間の段部に対応し、ｍをブレードに対応するものとすると、ｌよりも前は、歩道の反射地点を、ｌよりも後は側溝蓋の反射地点を表しており、ｌの前後で高さが不連続となる。よって、この不連続となる点を探せば、段部の位置を検出することができる。
【００７５】
そのため、構造物・ブレード検出手段７４は、１からインクレメントしながら、
ΔＨ（ｊ）＝Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｊ−１）
を順次求め、
ΔＨ（ｊ）≧ΔTH2 （８）
または
ΔTH2＋β1≧Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｊ−１）≧ΔTH2−β2 （９）
となるｊを見つける。ΔTH2は不連続点かどうかを決定する所定の閾値である。または、ΔTH2＋β1〜ΔTH2＋β2は不連続点かどうかを決定する所定高さ検出範囲である。
【００７６】
（８）式、または（９）式を満足するｊがｌとなり、このときのｌとＨ（ｌ）を段部とし、ｌの値とそのＨ（ｌ）を構造物・ブレード位置記憶手段７５に格納する。
【００７７】
また、構造物・ブレード検出手段７４は、第１実施形態における（１）式または（２）式によって、不連続に高さが高くなるｊを探し、この点をｍとし、このときのＨ（ｍ）をブレードの上端の高さとし、ｍの値とそのＨ（ｍ）を構造物・ブレード位置記憶手段７５に格納する。
【００７８】
こうして、段部の位置ｌが求められると、ｌ以降の所定数の反射地点は、側溝蓋の部分に対応するので、基準値演算手段７６は、そのｌ以降の所定数の反射地点の高さの平均値を基準値として求める。または、側溝蓋の地点での計測が安定している場合には、平均値を求める代わりに、段部から所定距離離れた１つの反射地点の高さを基準値としてもよい。
【００７９】
ブレード基準高さ記憶手段７７には、基準値に対するブレード２２の高さが予め基準高さとして、格納されている。
【００８０】
ブレード調整信号出力手段７８は、基準値演算手段７６で演算された基準値と、構造物・ブレード検出手段７４で検出されたブレード高さと、ブレード基準高さ記憶手段７７で予め決められるブレードの基準高さとから、ブレード高さが基準値に対してブレード基準高さとなるように、ブレード２２の高さ調整出力信号を生成する。
【００８１】
即ち、基準値の変化にブレード２２の高さが追従するように、バルブ制御手段３６に信号を出力し、油圧シリンダ１６を調整する。
【００８２】
こうして、構造物としての側溝蓋を基準値として使用できる現場においては、そのレーザスキャナ３２によって、測定点と側溝蓋の反射地点との間の計測距離から基準値を設定し、その基準値に追従するようにブレード２２の高さ調整を行うことで、従来のような水糸の設定を不要とすることができる。構造物からの計測値に基づき基準値を設定するために、ブレード切削の平坦性をより高めることができる。
【００８３】
さらには、レーザスキャナ３２が設置される測定点が車体に配置されるために、ブレードが旋回していても、その旋回に影響を受けずに、レーザスキャナ３２の走査線を車体の前後方向に直交する横断方向に設定することができる。
【００８４】
尚、車体左右で構造物にない側については、第１実施形態に従い車体の前後方向を走査するレーザスキャナ３２を用いて油圧シリンダ１８を制御することで、ブレード２２の高さを調整することができる。
【００８５】
旋回ブラケット３３及び切替手段７０によってレーザスキャナ３２を切り替えることで、第１実施形態と第３実施形態とを簡単に切り替えることができる。
【００８６】
但し、旋回ブラケット３３で１つのレーザスキャナ３２を切り替える代わりに、レーザスキャナ３２を進行方向走査用と、横断方向走査用にそれぞれ設けて、対応する制御手段３４を切替手段で切り替えるように構成することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１Ａ】本発明によるブレードの高さ制御装置が適用されるモータグレーダの概略側面図である。
【図１Ｂ】本発明によるブレードの高さ制御装置が適用されるモータグレーダの概略平面図である。
【図２】本発明によるブレードの高さ制御装置の第１実施形態のブロック図である。
【図３】（ａ）はレーザスキャナの計測原理を表す説明図、（ｂ）は測定点に対する反射地点の高さＨと水平位置Ｘとの関係を表す説明図である。
【図４】測定点にあるレーザスキャナと反射地点との関係を表す説明図である。
【図５】本発明によるブレードの高さ制御装置の第２実施形態のブロック図である。
【図６】ブレードの旋回角の演算原理を表す説明図である。
【図７】本発明によるブレードの高さ制御装置が適用されるモータグレーダの概略背面図である。
【図８】本発明によるブレードの高さ制御装置の第３実施形態のブロック図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０ モータグレーダ
２２ ブレード
３０ 高さ制御装置
３２ レーザスキャナ
３４ 制御手段
４０、７２ 高さ・水平位置演算手段
４２、７４ ブレード検出手段
４４、７６ 基準値演算手段
４８、７８ ブレード調整信号出力手段
５４ ブレード旋回角演算手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータグレーダのブレードの高さを制御するブレード高さ制御装置に関し、モータグレーダによる整地の平坦性を高めることができるモータグレーダのブレード高さ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のモータグレーダのブレード高さ制御装置としては、特許文献１または２記載のものが知られている。これらの装置においては、ブレードに超音波センサを設置し、超音波センサによって、モータグレーダの側方の路盤上に設定した水糸を検出している。そして、超音波センサにより、水糸と超音波センサとの距離を計測して、その計測距離から、水糸と超音波センサとの間の計測距離が所定範囲よりも近いと判断されるときには、ブレードの高さが低すぎることを意味するので、ブレードの位置を高くなるように制御し、逆に、水糸と超音波センサとの間の計測距離が所定範囲よりも遠いと判断されるときには、ブレードの高さが高すぎることを意味するので、ブレードの位置を低くなるように制御している。
【０００３】
しかしながら、以上のブレード高さ制御装置では、基準となる水糸の設置に手間がかかるという問題がある。また、センサが水糸から外れないようにブレードの位置を制御する必要がある。さらに、温度変化といった環境変化による音速の変化を補償するための構成が必要になる、という問題がある。
【０００４】
一方、特許文献３は、フィニッシュイングビームに取り付けた支柱の先端の測定点に設けたレーザ光源と、レーザ光源から地面に向けて照射し地面から測定点に反射したレーザビームを検出するセンサ手段と、レーザ光源とセンサ手段との間でレーザビームの伝搬する時間を計測する時間計測手段と、レーザ光源、センサ手段及び時間計測手段からの信号から地面の多数の点に対する高さ及び位置における現実値を生成し、これらの現実値から地面の所望の形状上にある多数の点の高さ及び位置の値を計算するようになっている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４７３３３５５号明細書
【特許文献２】米国特許第５４３０６５１号明細書
【特許文献３】米国特許第６４５２６８４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、特許文献３に記載されたレーザ光源をモータグレーダのブレードに取り付けることも考えられる。しかしながら、ブレードは鉛直軸周りに旋回することができるため、ブレードが旋回していると、レーザ光源の走査方向はモータグレーダの進行方向からずれてしまう。そのため、そのずれを補償するために、ブレードの旋回角を検出し、レーザ光源の照射方向をモータグレーダの進行方向に平行になるように制御する必要があり、構成が大掛かりに且つ複雑になるという問題がある。
【０００７】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、水糸のような基準線の設定の手間を削減することができ、また、モータグレーダに適した簡単な構成とすることができるモータグレーダのブレードの高さ制御装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、モータグレーダのブレードの高さを制御する高さ制御装置であって、モータグレーダの車体に設定された測定点に取り付けられて、放射状にレーザビームを照射し、複数の反射地点から反射されたレーザビームを受信するレーザスキャナと、レーザスキャナから得られる測定点と各反射地点との間の計測距離から、ブレードの高さを調整するための調整信号を出力する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記測定点と複数の反射地点との間の計測距離から各反射地点の高さを演算する高さ演算手段と、前記複数の反射地点の高さの中から、ブレードの高さを検出するブレード検出手段と、前記複数の反射地点の高さから、基準値を求める基準値演算手段と、前記ブレード検出手段で検出されるブレードの高さが前記基準値演算手段で求めた基準値の変化に追従するように、ブレードの高さを調整するための調整信号を出力するブレード調整信号出力手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の前記レーザスキャナの走査線が、モータグレーダの進行方向に平行に向いていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の前記基準値演算手段が、ブレード前後の地面上の複数の反射地点の高さを平均化したものを基準値とすることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の前記基準値演算手段が、ブレード前方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（以下、前方平均値）と、ブレード後方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（以下、後方平均値）とを重みづけ平均した平均値を基準値とすることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、前記後方平均値の重みを前方平均値の重みよりも大きく設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の前記レーザスキャナの走査線が、モータグレーダの進行方向に直交する横断方向に向いていることを特徴とする。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の前記基準値演算手段が、モータグレーダの側方に存在する構造物の高さを基準値とすることを特徴とする。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の前記ブレード検出手段が、複数の反射地点の高さの中で、隣り合う反射地点の高さの差異が所定閾値を超えるか、または所定高さ検出範囲にある反射地点の高さに基づきブレード高さを検出することを特徴とする。
【００１６】
請求項９記載の発明は、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の前記ブレード検出手段が、測定点に対するブレードの水平位置をさらに検出しており、前記制御手段は、さらに、ブレード検出手段で検出したブレードの水平位置に基づき、ブレードの旋回角を求めるブレード旋回角演算手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、レーザスキャナで得られる測定点と反射地点との間の計測距離から各反射地点の高さを演算し、その複数の反射地点の高さの中からブレード高さを検出し、且つ複数の反射地点の高さから基準値を求め、その基準値に追従するようにブレードの高さの調整を行うことで、従来のような水糸の設定を不要としながら、モータグレーダによる整地の平坦性を高めることができる。レーザを用いて距離を測定するために環境変化に対して安定して測定を行うことができる。
【００１８】
レーザスキャナが設置される測定点が車体に設定されるために、ブレードが旋回していても、その旋回に影響を受けずに、レーザスキャナの走査線を車体に対して決められた方向に設定することができる。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、レーザスキャナの走査線を、モータグレーダの進行方向に平行に向けることで、基準値を、モータグレーダの進行方向に沿った地面の高さに基づき決めることができる。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、ブレード前後の地面の複数の反射地点の高さを平均化したものを基準値とすることで、地面の局所的な凹凸の影響を受けない平滑化された基準値とすることができる。
【００２１】
請求項４記載の発明によれば、切削面であるブレード後方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（後方平均値）と、未切削面であるブレード前方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（前方平均値）とを重みづけすることで、基準値を調整することができる。
【００２２】
請求項５記載の発明によれば、後方平均値の重みを前方平均値の重みよりも大きくすることで、切削面である平坦な後方平均値に重きを持たせて基準値を設定することができ、ブレード切削の平坦性をより高めることができる。
【００２３】
請求項６記載の発明によれば、レーザスキャナの走査線を、モータグレーダの進行方向に直交する横断方向に向けることで、基準値を、モータグレーダの進行方向に直交する横断方向に沿った地面に基づき決めることができる。
【００２４】
請求項７記載の発明によれば、モータグレーダの側方に存在する構造物の高さを求めることで、構造物の高さを基準値として、ブレードの高さ制御を行うことができ、ブレード切削の平坦性をより高めることができる。
【００２５】
請求項８記載の発明によれば、ブレードはその周囲の地面よりも不連続的に高いから、複数の反射地点の高さの中で、隣り合う反射地点の高さの差異が所定閾値を超えるか、または所定高さ検出範囲にある反射地点を求めることで、ブレードの高さを検出することができるようになる。
【００２６】
請求項９記載の発明によれば、ブレードを検出するときに、ブレードの高さだけでなくブレードの測定点に対する水平位置を求めることができるから、その水平位置及び測定点とブレード旋回中心位置との既知の位置関係に基づき、ブレードの旋回角を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明によるブレードの高さ制御装置が適用されるモータグレーダの概略図である。モータグレーダ１０は、フレーム１２の前端部にドローバ１４の前端部が揺動自在に支承されており、ドローバ１４とフレーム１２との間に渡り油圧シリンダ１６，１８が設けられている。ドローバ１４の後端には、図示しない油圧モータによって旋回可能となったサークル２０が設けられており、サークル２０にブレード２２が取り付けられている。
【００２８】
油圧シリンダ１６、１８は、ブレード２２の高さを調整する高さ調整手段を構成しており、油圧回路のバルブ１９（図２参照）の制御により、油圧シリンダ１６，１８が伸縮することで、ブレード２２の高さが調整され、また、油圧シリンダ１６，１８が異なる伸縮を行うことで、ブレード２２が鉛直面で傾斜することができる。さらに、サークル２０が油圧モータによって旋回駆動されることにより、フレーム１２に対してブレード２２が旋回可能となっている。
【００２９】
フレーム１２の後端部には、フレーム１２に対して旋回可能に車体を構成するフレーム２４が連結され、フレーム２４に運転室２６が搭載される。フレーム１２には前輪２８が、フレーム２４には後輪２９が取り付けられる。
【００３０】
このモータグレーダ１０は、舗装前の路面を整地するために使用され、ブレード２２によって地面を切削することで、路面の平坦化を行うものである。
【００３１】
本発明によるブレードの高さ制御装置３０は、図２に示すように、車体を構成するフレーム２４またはフレーム２４と一体となった運転室２６の上側に適宜ブラケットを介して設定される測定点に設置されるレーザスキャナ３２と、レーザスキャナ３２にＵＳＢインターフェースまたはＲＳ−２３２Ｃインターフェースを介して接続され、レーザスキャナ３２からの信号を受信するマイクロコンピュータで構成される制御手段３４と、制御手段３４に接続され油圧シリンダ１６,１８を伸縮させるためのバルブ１９を制御するバルブ制御手段３６と、を備える。
【００３２】
レーザスキャナ３２は、放射状に一定角度間隔でレーザビームを照射し、反射地点から反射されたレーザビームを受信しその光伝搬時間または位相差から計測距離を演算して、計測距離を順次、出力する装置であり、スキャン式レンジセンサ（例えば、北陽電機株式会社製ＵＲＧ−０４ＬＸ）等を使用することができる。レーザスキャナ３２から照射されるレーザビームの走査線は、基本的にフレーム２４の前後方向に一致するように、つまり、モータグレーダ１０の側方にあり、且つモータグレーダ１０の進行方向に対して平行になるように、設定される。
【００３３】
制御手段３４は、レーザスキャナ３２からの信号を受信して、測定点に対する反射地点の高さＨと水平位置Ｘを演算し、ブレード高さと基準値を求めて、ブレード高さを基準値に追従するように、調整信号をバルブ制御手段３６に送出するものであり、高さ・水平位置演算手段４０と、高さ・水平位置記憶手段４１と、ブレード検出手段４２と、ブレード位置記憶手段４３と、基準値演算手段４４と、ブレード基準高さ記憶手段４６と、ブレード調整信号出力手段４８と、を備える。
【００３４】
図３に示すように、レーザビームの回転角度の水平面となす角度をθとし、計測距離をＬとすると、測定点に対する反射地点の高さＨと水平位置Ｘは次の式から求めることができる。
【００３５】
Ｘ＝Ｌ×ｃｏｓθ
Ｈ＝Ｌ×ｓｉｎθ
【００３６】
高さ・水平位置演算手段４０は、各反射地点に対する計測距離Ｌ（１）、Ｌ（２）、・・・Ｌ（ｎ）から高さＨ（１）、Ｈ（２）、・・・Ｈ（ｎ）及び水平位置Ｘ（１）、Ｘ（２）、・・・Ｘ（ｎ）を上式に基づき求めて、高さ・水平位置記憶手段４１に格納する。
【００３７】
ここで、図４に示すように、複数の反射地点１、２、・・・ｍ、・・・ｎのうちで、ｍをブレード２２の位置に対応するものとし、ｍより前は、ブレード２２よりも前方の反射地点を表し、ｍより後は、ブレード２２よりも後方の反射地点を表すものとする。複数の反射地点のうちで、ブレード２２よりも後方の地面は既に切削された平坦な切削面となっており、ブレード２２よりも前方の地面は未切削面であり凸凹となっている。
【００３８】
ブレード２２が旋回していると、ブレード２２と走査線との交点は前後にずれるので、このｍは変数である。しかしながら、ブレード２２の高さは、切削面に対して常にほぼ一定の値であるために、複数の反射地点の高さの値が不連続的に小さくなる（言い換えれば、高さが不連続的に高くなる）点を探せば、ブレード２２の位置を検出することができる。
【００３９】
そのため、ブレード検出手段４２は、ｎからデクレメントしながら、
ΔＨ（ｊ−１）＝Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｊ−１）
を順次求め、
ΔＨ（ｊ−１）≧ΔTH （１）
となるｊ−１を見つける。ΔTHは不連続点かどうかを決定する所定の閾値であり、予め既知であるブレード２２の高さ寸法にほぼ等しい値となる。または、（１）式とする代わりに、
ΔTH＋α1≧Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｊ−１）≧ΔTH−α2 （２）
として、ΔTH＋α1〜ΔTH−α2の所定の高さ検出範囲で高さＨ（ｊ）が不連続となったかどうかに基づいて、ブレード２２の位置検出の判定をすることができる。ブレード２２の高さ寸法を大きく超える高さの変化は、ブレード以外の他の要因によることが考えられるからである。
【００４０】
（１）式または（２）式を満足するｊ−１がｍとなり、このときのＨ（ｍ）をブレードの上端の高さとし、このときのｍの値と、そのＨ（ｍ）、Ｘ（ｍ）をブレード位置記憶手段４３に格納する。
【００４１】
好ましくは、ブレード２２の上部にブレード２２の厚み寸法よりも大きい寸法を持つ反射板２３を取り付けるようにするとよい。これによって、レーザスキャナ３２の分解能に左右されずに、必ず、レーザスキャナ３２によってブレード２２を確実に検出することができるようになる。
【００４２】
こうして、ブレード２２の位置ｍが求められると、ｍより前方が未切削面、ｍより後方が切削面となる。
【００４３】
次に、基準値演算手段４４は、反射地点の高さを用いてブレードの高さを調整するための基準値を求める。この基準値としては、レーザスキャナ３２によって得られた多数の反射地点からの高さを平均化したものとすることにより、地面の局所的な凹凸の影響を受けない基準値とすることができる。レーザスキャナ３２によって得られる反射地点は、車体の前後方向に平行に且つ広い範囲に渡り、車体の長さよりも広くとることができるために、より平滑化された基準値とすることができる。平均化する具体的な態様としては、任意の態様を採用することができるが、例えば次のような態様が考えられる。
【００４４】
（ｉ） 全体の平均値とする態様
ブレード２２の位置ｍを除く全反射地点の高さの平均値を基準値とする。即ち、平均値は、
ＨＡ＝｛Ｈ（１）＋Ｈ（２）＋・・・Ｈ（ｍ−１）＋Ｈ（ｍ＋１）＋・・・Ｈ（ｎ）｝／（ｎ−１） （３）
となる。
【００４５】
（ｉｉ） ブレードの近傍を除去して全体の平均値とする態様
ブレード２２の近傍は、ブレード２２によって影になり正確な計測ができないおそれがあり、また、ブレード２２によって切削された土壌によって反射地点の高さが正確に計測されていないおそれがあるために、ブレード２２周囲の所定の範囲の計測高さは、平均値演算から除去すると好ましい。
【００４６】
よって、平均値は、
ＨＡ＝｛Ｈ（１）＋Ｈ（２）＋・・・Ｈ（ｍ−ｐ）＋Ｈ（ｍ＋ｑ）＋・・・Ｈ（ｎ）｝／（ｎ−ｐ−ｑ＋１） （４）
となる。但し、ｐ、ｑ≧１の整数であり、ブレード周囲の除去する計測点の数を表す。
【００４７】
（ｉｉｉ） 重みづけ平均値とする態様
ブレードの前方と後方で分けて平均値をそれぞれ求め、前方平均値と後方平均値とを、それぞれ重みづけしたものを基準値とする。
【００４８】
即ち、前方平均値と後方平均値とを以下のようにして、それぞれ求める。但し、ｐ、ｑは、前記（ｉｉ）の態様と同じく、ブレード周囲の除去する計測点の数を表す。
【００４９】
前方平均値 ＨＦ＝｛Ｈ（１）＋Ｈ（２）＋・・・Ｈ（ｍ−ｐ）｝／（ｍ−ｐ）
後方平均値 ＨＢ＝｛Ｈ（ｍ＋ｑ）＋Ｈ（ｍ＋ｑ＋１）＋・・・Ｈ（ｎ）｝／（ｎ−ｍ−ｑ＋１）
そして、全体平均値を、
【００５０】
【数１】
とする。ここで、ＫＦは前方平均値の重み、ＫＢは後方平均値の重みであり、ＫＢ＞ＫＦとする。後方の切削面は、前方に未切削面に比較して、平坦性が高いために、後方の重みづけを高くすることで、より平坦性の高い、言い換えれば変動の低い平均値とすることができる。
【００５１】
（ｉｖ） ブレード後方の平均値とする態様
後方平均値が正確であると想定できる場合は、後方平均値を基準値とすることができる。これは、（５）式において、ＫＦ＝０、ＫＢ＝１とおいたことと等価である。
【００５２】
但し、路面に縦勾配がある場合にはブレードの後方の切削面での反射地点の高さだけでは、基準値に縦勾配が反映されず、または、ブレードの後方の切削面での反射地点の高さに誤差がある場合にはドリフトが発生するおそれがあるので、そのような場合には、ＫＦ≠０とした（５）式による重みづけを採用するとよい。
【００５３】
基準値演算手段４４は、以上のいずれか、またはその他の任意の方法で基準値を求める。
【００５４】
ブレード基準高さ記憶手段４６には、基準値に対するブレード２２の高さが予め基準高さとして、格納されている。
【００５５】
ブレード調整信号出力手段４８は、基準値演算手段４４で演算された基準値と、ブレード検出手段４２で検出されたブレード高さと、ブレード基準高さ記憶手段４６に予め格納されるブレード２２の基準高さとから、ブレード高さが基準値に対してブレード基準高さとなるように、ブレード２２の高さ調整出力信号を生成する。
【００５６】
即ち、基準値の変化にブレード２２の高さが追従するように、バルブ制御手段３６に信号を出力し、油圧シリンダ１６、１８を調整する。
【００５７】
こうして、ブレード２２の高さ調整を行うことで、モータグレーダ１０による切削量を制御して、整地の平坦性を高めることができるようになる。本実施形態のように、レーザスキャナ３２で得られる測定点と反射地点との間の計測距離から基準値を設定し、その基準値に追従するようにブレード２２の高さ調整を行うことで、従来のような水糸の設定を不要とすることができる。レーザを用いて距離を測定するために環境変化に対して安定して測定を行うことができる。さらには、レーザスキャナ３２が設置される測定点が車体に設定されるために、ブレード２２が旋回していても、その旋回に影響を受けずに、レーザスキャナ３２の走査線を車体の前後方向に平行に、即ち、モータグレーダの進行方向に平行に設定することができる。
【００５８】
レーザスキャナ３２は、車体の左右両側にそれぞれ設けることができ、制御手段３４及びバルブ制御手段３６も、それぞれ左右用にそれぞれ設けることができ、それぞれのバルブ制御手段３６から油圧シリンダ１６，１８を独立的に駆動することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
図５は、本発明による高さ制御装置３０の第２実施形態を表すブロック図である。この実施形態では、レーザスキャナ３２を左右それぞれに設ける代わりに、一方の側にのみレーザスキャナ３２を設け、ブレード２２の傾斜角を検出する傾斜計５２を設けている。
【００６０】
一方の油圧シリンダ１６は、前記制御装置３４の手段４０〜４８により、図２と同様に制御される。他方の油圧シリンダ１８については、ブレード２２に設けた傾斜計５２に基づき、ブレード２２がモータグレーダ１０の進行方向に直交する横断面内において所定の傾斜角となるように、制御される。このため、制御手段３４は、さらに、ブレード旋回角演算手段５４と、ブレード初期位置記憶手段５６と、ブレード傾斜角補正手段５８と、基準傾斜角記憶手段６０と、ブレード調整信号出力手段６２と、を備える。
【００６１】
ブレード旋回角演算手段５４は、前記ブレード検出手段４２で検出されたブレード２２の水平位置から、ブレード２２の旋回角φを求める。
【００６２】
図６に示したように、ブレード２２の旋回角φが０のとき、即ち、ブレード２２が車体の前後方向に対して直交するときの、ブレード２２とレーザビームの走査線との交点の水平位置Ｘ（ｒ）と、水平面内で、ブレード２２の旋回中心からレーザビームの走査線へおろした垂線の距離Ｗとは、既知であり、これらの値は、予めブレード初期位置記憶手段５６に格納されている。
【００６３】
ブレード旋回角演算手段５４は、ブレード検出手段４２によって検出されたブレード２２の水平位置Ｘ（ｍ）から、ブレード２２の水平方向の変位ΔＸを以下のように求め、
ΔＸ＝Ｘ（ｍ）−Ｘ（ｒ） （６）
この水平方向の変位ΔＸから、旋回角φを、以下の式で求める。
φ＝ｔａｎ-1（ΔＸ／Ｗ） （７）
【００６４】
この旋回角φを使用して、ブレード傾斜角補正手段５８は、傾斜計５２から得られるブレード２２の傾斜角ψを、車体の前後方向に直交する横断面での傾斜角に座標変換する。そして、ブレード調整信号出力手段６２は、その傾斜角が基準傾斜角記憶手段６０で予め格納されるその路面に適した横勾配を表す基準傾斜角に合致するように、バルブ制御手段３６に信号を出力し、油圧シリンダ１８を調整する。
【００６５】
以上のように第２実施形態によれば、ブレード２２の旋回角を、別途のセンサを設けることなく制御手段３４内での演算によって求めることができる。このように演算によって求めた旋回角は、この第２実施形態で説明した傾斜角の補正に使用することができるが、これに限るものではない。例えば、オペレータへの旋回角の提示または他の制御等のその他の用途にも使用することが可能である。
【００６６】
（第３実施形態）
次に、図７は、本発明による高さ制御装置３０の第３実施形態を表す図である。
この実施形態では、レーザスキャナ３２のレーザビームの走査線が、車体の前後方向に直交する横断方向にも向くことができる点で、第１実施形態と異なっている。
【００６７】
レーザスキャナ３２は、車体に対して旋回ブラケット３３によって取り付けられており、該旋回ブラケット３３が車体に対して鉛直軸周りに９０度回転することで、レーザビームの走査線が、第１実施形態の車体の前後方向に平行な方向と、車体の前後方向に直交する横断方向に平行な方向の、２つの方向のいずれか一方に切替可能になっている。
【００６８】
レーザスキャナ３２が、そのレーザビームの走査線が車体の前後方向に直交する横断方向に平行な向きになるように切り替えられたときに、レーザスキャナ３２の走査範囲は、車体の側方を走査するように、特に、側方に存在する構造物、例えば、整地中の路面の側溝部分を包含するように、設定されている。また、このときに、そのレーザスキャナ３２の走査範囲で、ブレード２２と走査線とが交差するように、ブレード２２には前後方向に延びる反射板２３が取り付けられるとよい。
【００６９】
これに応じて制御手段３４は、前記第１実施形態と同じ構成の他に、図８に示すように、切替手段７０と、高さ・水平位置演算手段７２と、高さ・水平位置記憶手段７３と、構造物・ブレード検出手段７４と、構造物・ブレード位置記憶手段７５と、基準値演算手段７６、ブレード基準高さ記憶手段７７と、ブレード調整信号出力手段７８と、を備える。
【００７０】
レーザスキャナ３２の走査線が、車体の前後方向に直交する横断方向に平行な向きに切り替えられると、レーザスキャナ３２からの信号が切替手段７０により、高さ・水平位置演算手段７２によって処理されるように切り替えられる。
【００７１】
レーザビームの回転角度の水平面となる角度をξとし、計測距離をＬとすると、測定点に対する反射地点の高さＨと水平位置Ｙは次の式から求めることができる。
【００７２】
Ｙ＝Ｌ×ｃｏｓξ
Ｈ＝Ｌ×ｓｉｎξ
【００７３】
高さ・水平位置演算手段７２は、各反射地点に対する計測距離Ｌ（１）、Ｌ（２）、・・・Ｌ（ｎ）から高さＨ（１）、Ｈ（２）、・・・Ｈ（ｎ）及び水平位置Ｙ（１）、Ｙ（２）、・・・Ｙ（ｎ）を求めて、高さ・水平位置記憶手段７３に格納する。
【００７４】
ここで、図７に示すように、複数の反射地点１、２、・・ｌ、・ｍ、・・・ｎのうちで、ｌを歩道と側溝蓋との間の段部に対応し、ｍをブレードに対応するものとすると、ｌよりも前は、歩道の反射地点を、ｌよりも後は側溝蓋の反射地点を表しており、ｌの前後で高さが不連続となる。よって、この不連続となる点を探せば、段部の位置を検出することができる。
【００７５】
そのため、構造物・ブレード検出手段７４は、１からインクレメントしながら、
ΔＨ（ｊ）＝Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｊ−１）
を順次求め、
ΔＨ（ｊ）≧ΔTH2 （８）
または
ΔTH2＋β1≧Ｈ（ｊ）−Ｈ（ｊ−１）≧ΔTH2−β2 （９）
となるｊを見つける。ΔTH2は不連続点かどうかを決定する所定の閾値である。または、ΔTH2＋β1〜ΔTH2＋β2は不連続点かどうかを決定する所定高さ検出範囲である。
【００７６】
（８）式、または（９）式を満足するｊがｌとなり、このときのｌとＨ（ｌ）を段部とし、ｌの値とそのＨ（ｌ）を構造物・ブレード位置記憶手段７５に格納する。
【００７７】
また、構造物・ブレード検出手段７４は、第１実施形態における（１）式または（２）式によって、不連続に高さが高くなるｊを探し、この点をｍとし、このときのＨ（ｍ）をブレードの上端の高さとし、ｍの値とそのＨ（ｍ）を構造物・ブレード位置記憶手段７５に格納する。
【００７８】
こうして、段部の位置ｌが求められると、ｌ以降の所定数の反射地点は、側溝蓋の部分に対応するので、基準値演算手段７６は、そのｌ以降の所定数の反射地点の高さの平均値を基準値として求める。または、側溝蓋の地点での計測が安定している場合には、平均値を求める代わりに、段部から所定距離離れた１つの反射地点の高さを基準値としてもよい。
【００７９】
ブレード基準高さ記憶手段７７には、基準値に対するブレード２２の高さが予め基準高さとして、格納されている。
【００８０】
ブレード調整信号出力手段７８は、基準値演算手段７６で演算された基準値と、構造物・ブレード検出手段７４で検出されたブレード高さと、ブレード基準高さ記憶手段７７で予め決められるブレードの基準高さとから、ブレード高さが基準値に対してブレード基準高さとなるように、ブレード２２の高さ調整出力信号を生成する。
【００８１】
即ち、基準値の変化にブレード２２の高さが追従するように、バルブ制御手段３６に信号を出力し、油圧シリンダ１６を調整する。
【００８２】
こうして、構造物としての側溝蓋を基準値として使用できる現場においては、そのレーザスキャナ３２によって、測定点と側溝蓋の反射地点との間の計測距離から基準値を設定し、その基準値に追従するようにブレード２２の高さ調整を行うことで、従来のような水糸の設定を不要とすることができる。構造物からの計測値に基づき基準値を設定するために、ブレード切削の平坦性をより高めることができる。
【００８３】
さらには、レーザスキャナ３２が設置される測定点が車体に配置されるために、ブレードが旋回していても、その旋回に影響を受けずに、レーザスキャナ３２の走査線を車体の前後方向に直交する横断方向に設定することができる。
【００８４】
尚、車体左右で構造物にない側については、第１実施形態に従い車体の前後方向を走査するレーザスキャナ３２を用いて油圧シリンダ１８を制御することで、ブレード２２の高さを調整することができる。
【００８５】
旋回ブラケット３３及び切替手段７０によってレーザスキャナ３２を切り替えることで、第１実施形態と第３実施形態とを簡単に切り替えることができる。
【００８６】
但し、旋回ブラケット３３で１つのレーザスキャナ３２を切り替える代わりに、レーザスキャナ３２を進行方向走査用と、横断方向走査用にそれぞれ設けて、対応する制御手段３４を切替手段で切り替えるように構成することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１Ａ】本発明によるブレードの高さ制御装置が適用されるモータグレーダの概略側面図である。
【図１Ｂ】本発明によるブレードの高さ制御装置が適用されるモータグレーダの概略平面図である。
【図２】本発明によるブレードの高さ制御装置の第１実施形態のブロック図である。
【図３】（ａ）はレーザスキャナの計測原理を表す説明図、（ｂ）は測定点に対する反射地点の高さＨと水平位置Ｘとの関係を表す説明図である。
【図４】測定点にあるレーザスキャナと反射地点との関係を表す説明図である。
【図５】本発明によるブレードの高さ制御装置の第２実施形態のブロック図である。
【図６】ブレードの旋回角の演算原理を表す説明図である。
【図７】本発明によるブレードの高さ制御装置が適用されるモータグレーダの概略背面図である。
【図８】本発明によるブレードの高さ制御装置の第３実施形態のブロック図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０ モータグレーダ
２２ ブレード
３０ 高さ制御装置
３２ レーザスキャナ
３４ 制御手段
４０、７２ 高さ・水平位置演算手段
４２、７４ ブレード検出手段
４４、７６ 基準値演算手段
４８、７８ ブレード調整信号出力手段
５４ ブレード旋回角演算手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータグレーダのブレードの高さを制御する高さ制御装置であって、
モータグレーダの車体に設定された測定点に取り付けられて、放射状にレーザビームを照射し、複数の反射地点から反射されたレーザビームを受信するレーザスキャナと、
レーザスキャナから得られる測定点と各反射地点との間の計測距離から、ブレードの高さを調整するための調整信号を出力する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記測定点と複数の反射地点との間の計測距離から各反射地点の高さを演算する高さ演算手段と、
前記複数の反射地点の高さの中から、ブレードの高さを検出するブレード検出手段と、
前記複数の反射地点の高さから、基準値を求める基準値演算手段と、
前記ブレード検出手段で検出されるブレードの高さが前記基準値演算手段で求めた基準値の変化に追従するように、ブレードの高さを調整するための調整信号を出力するブレード調整信号出力手段と、
を備えることを特徴とするモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項２】
前記レーザスキャナの走査線は、モータグレーダの進行方向に平行に向いていることを特徴とする請求項１記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項３】
前記基準値演算手段は、ブレード前後の地面上の複数の反射地点の高さを平均化したものを基準値とすることを特徴とする請求項２記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項４】
前記基準値演算手段は、ブレード前方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（以下、前方平均値）と、ブレード後方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（以下、後方平均値）とを重みづけ平均した平均値を基準値とすることを特徴とする請求項３記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項５】
前記後方平均値の重みを前方平均値の重みよりも大きく設定することを特徴とする請求項４記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項６】
前記レーザスキャナの走査線は、モータグレーダの進行方向に直交する横断方向に向いていることを特徴とする請求項１記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項７】
前記基準値演算手段は、モータグレーダの側方に存在する構造物の高さを基準値とすることを特徴とする請求項６記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項８】
前記ブレード検出手段は、複数の反射地点の高さの中で、隣り合う反射地点の高さの差異が所定閾値を超えるか、または所定高さ検出範囲にある反射地点の高さに基づきブレード高さを検出することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項９】
前記ブレード検出手段は、測定点に対するブレードの水平位置をさらに検出し、
前記制御手段は、さらに、ブレード検出手段で検出したブレードの水平位置に基づき、ブレードの旋回角を求めるブレード旋回角演算手段を備えることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項１】
モータグレーダのブレードの高さを制御する高さ制御装置であって、
モータグレーダの車体に設定された測定点に取り付けられて、放射状にレーザビームを照射し、複数の反射地点から反射されたレーザビームを受信するレーザスキャナと、
レーザスキャナから得られる測定点と各反射地点との間の計測距離から、ブレードの高さを調整するための調整信号を出力する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記測定点と複数の反射地点との間の計測距離から各反射地点の高さを演算する高さ演算手段と、
前記複数の反射地点の高さの中から、ブレードの高さを検出するブレード検出手段と、
前記複数の反射地点の高さから、基準値を求める基準値演算手段と、
前記ブレード検出手段で検出されるブレードの高さが前記基準値演算手段で求めた基準値の変化に追従するように、ブレードの高さを調整するための調整信号を出力するブレード調整信号出力手段と、
を備えることを特徴とするモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項２】
前記レーザスキャナの走査線は、モータグレーダの進行方向に平行に向いていることを特徴とする請求項１記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項３】
前記基準値演算手段は、ブレード前後の地面上の複数の反射地点の高さを平均化したものを基準値とすることを特徴とする請求項２記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項４】
前記基準値演算手段は、ブレード前方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（以下、前方平均値）と、ブレード後方の地面上の複数の反射地点の高さの平均値（以下、後方平均値）とを重みづけ平均した平均値を基準値とすることを特徴とする請求項３記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項５】
前記後方平均値の重みを前方平均値の重みよりも大きく設定することを特徴とする請求項４記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項６】
前記レーザスキャナの走査線は、モータグレーダの進行方向に直交する横断方向に向いていることを特徴とする請求項１記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項７】
前記基準値演算手段は、モータグレーダの側方に存在する構造物の高さを基準値とすることを特徴とする請求項６記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項８】
前記ブレード検出手段は、複数の反射地点の高さの中で、隣り合う反射地点の高さの差異が所定閾値を超えるか、または所定高さ検出範囲にある反射地点の高さに基づきブレード高さを検出することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【請求項９】
前記ブレード検出手段は、測定点に対するブレードの水平位置をさらに検出し、
前記制御手段は、さらに、ブレード検出手段で検出したブレードの水平位置に基づき、ブレードの旋回角を求めるブレード旋回角演算手段を備えることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のモータグレーダのブレード高さ制御装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−４３４４６（Ｐ２０１０−４３４４６Ａ）
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０７５１２（Ｐ２００８−２０７５１２）
【出願日】平成２０年８月１１日（２００８．８．１１）
【出願人】（０００００３３８８）東京計器株式会社 (103)
【出願人】（５９８１２６７４８）東京計器コンストラクションシステム株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１１日（２００８．８．１１）
【出願人】（０００００３３８８）東京計器株式会社 (103)
【出願人】（５９８１２６７４８）東京計器コンストラクションシステム株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
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