JP2002181539A

JP2002181539A - 土木用建設機械におけるｇｐｓ使用の位置検出方法及び装置

Info

Publication number: JP2002181539A
Application number: JP2000380957A
Authority: JP
Inventors: Ritsuo Senmura; 律雄先村; Takashi Ogawa; 貴司小川
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2002-06-26
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: JP5046218B2

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の可動部を介して施工端部（たとえばバ
ケットの刃先）を支持する構成にしたアームを有する土
木用建設機械において、アームの旋回中心位置および／
又は施工端部の位置座標を高精度に検出する。【解決手段】複数の可動部を介して施工端部を支持す
る構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けら
れており、複数のポジションセンサが複数の可動部のそ
れぞれの状態を検出し、ＧＰＳ用のアンテナがアームの
所定位置に設けられ、アンテナの３次元位置情報と複数
のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回
中心の３次元位置を演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、複数の可動部を
介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械
本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械におけ
るＧＰＳ使用の位置検出方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】土木作業機械は、複数の可動部を介して
施工端部（たとえばバケットの刃先）を支持する構成に
したアームを有する。そして、アームは、建設機械本体
に旋回可能に取り付けられており、アームの旋回中心
（一般にピンという）の回りに旋回する。それにより、
現場の整地作業が行われる。

【０００３】建設機械本体に対するアーム先端の位置座
標の検出は各可動部の状態に基づいて演算することが可
能である。

【０００４】一方、建設機械本体の位置座標の測定と、
アームの方向角の測定は、自動追尾式測量機やＧＰＳに
より行われてきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】自動追尾式測量機によ
り建設機械の位置情報を得る場合、構造上、複数の対象
物を自動追尾する事は出来ないことから、建設機械１台
につき１台の自動追尾式測量機が必要となり、コストが
高くなってしまう。

【０００６】その測量機を配置する際には初期設定を要
するため、整地作業に入る前に様々な予備作業が必要と
なり、全体として考えると、多大な手間や時間がかか
る。

【０００７】この発明の目的は、初期位置の設定を容易
に行える土木用建設機械におけるＧＰＳ使用の位置検出
方法及び装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決する手段】この発明の好ましい解決手段
は、請求項１〜６に記載のとおりである。

【０００９】

【発明の実施の形態】アームは、複数の可動部（ブーム
など）を介して施工端部を支持する構成になっていて、
建設機械本体に旋回可能に装着されている。施工端部
は、そのアームの先端に位置している。

【００１０】ＧＰＳ用のアンテナがアームの所定位置
（好ましくは施工端部）と建設機械本体の所定位置（１
か所又は２か所）の両方に取りつけられる。それにより
アームの旋回中心位置（ピン位置）または施工端部（た
とえばバケットの刃先）の位置を演算することで、アー
ムの旋回中心位置（ピン位置）または施工端部の位置座
標を高精度に検出する。そのため、仮に振動や衝撃によ
る建設機械の位置ズレが発生しても、それによる影響に
強く、アームの旋回中心位置（ピン位置）または施工端
部の位置座標を高精度に検出することができる。

【００１１】アームは建設機械本体の支持部に旋回可能
に取付られている。その支持部の位置座標（ピン位置）
を随時高精度に検出可能とすることで、アームの施工端
部（バケットの刃先）の３次元位置座標を高精度に検出
可能とする。

【００１２】たとえば、アームの施工端部に設けたＧＰ
Ｓ用アンテナと建設機械本体の所定位置に設けたＧＰＳ
用のアンテナからの位置情報に基づき、アームの旋回中
心位置の３次元位置座標を演算し、さらに、アームに設
けた複数のポジションセンサからの出力に基づき、施工
端部の３次元位置を演算する。

【００１３】複数のポジションセンサは、複数の可動部
のそれぞれの状態を検出する。

【００１４】１つのアンテナをアームの所定位置と建設
機械の所定位置に交互に設けることもできる。ＧＰＳ用
の２つ以上のアンテナを使用することもできる。いずれ
の場合も、アンテナからの３次元位置情報及び複数のポ
ジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心
位置および／又は施工端部の位置を演算する。

【００１５】このような構成の位置検出装置を使用すれ
ば、アームとくに施工端部に作業中かなりの振動及び衝
撃が加えられたとしても、アームのピン位置や施工端部
の位置座標を高精度に検出することが可能である。

【００１６】また、アームのピン位置や施工端部の３次
元位置座標を検出することで、高精度な自動制御を可能
とし、土木作業を確実かつ安全に行うことが出来、操作
者の負担が軽減されるだけでなく、非熟練者による操作
が実現可能となる。

【００１７】建設用土木機械（エクスカベータ等）にお
ける施工端部（バケットの刃先）の３次元位置が高精度
で演算可能になる。

【００１８】アームのピン位置や施工端部の位置情報を
演算できることで、高精度な制御が可能になり、高度な
施工作業の自動化や作業時の操作ミスによる整地の失敗
を回避できるほか、周辺の作業者や操縦者の安全確保を
確実に行うことが出来る。

【００１９】また、アームの旋回中心位置（ピン位置、
支持部位置）を演算することで、演算が容易となる。

【００２０】なお、１つのアンテナをアームの所定位置
と建設機械の所定位置に交互に設ける場合は、アンテナ
が１個で済むので、コスト的に有利である。

【００２１】この発明の好ましい１つの態様によれば、
土木作業用の建設機械（たとえばエクスカベータ）にＧ
ＰＳ用のアンテナを１個又は２個使用し、アームの旋回
中心位置（ピン位置）の３次元位置座標を演算し、さら
に、バケットの刃先の位置を演算する。１つ又は２つの
アンテナの配置位置（１か所）は、アームの所定位置
（１か所又は２か所）と建設機械の所定位置とする。

【００２２】施工端部の３次元位置座標は、演算によ
り、アームの旋回中心位置（ピン位置）に対する比高及
びアーム長により表現できる。

【００２３】位置座標としては関与しないが、施工時の
重要なデータとして施工端部角度も検出するように構成
できる。

【００２４】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の好適な実施
例を説明する。

【００２５】図１〜５に示す土木用建設機械は油圧ショ
ベルである。

【００２６】図１〜５に示す実施例においては、１つ又
は２つのＧＰＳ用アンテナ１を用いる。

【００２７】土木用建設機械は、２つの可動部３、４を
介して施工端部２を支持する構成にしたアーム６を有す
る。アーム６は建設機械本体９に対してピン１０を中心
として旋回する。

【００２８】位置検出装置は、２つの可動部３、４のそ
れぞれの状態を検出する２つのポジションセンサ７、８
と、施工端部２の所定位置（１か所）と建設機械本体９
の所定位置（１か所）に設けた合計２つのＧＰＳ用のア
ンテナ１と、それら２つのアンテナ１の各々の３次元位
置情報を受信する受信装置と、受信装置からの２つのア
ンテナ１の３次元位置情報と複数のポジションセンサ
７、８からの出力に基づき、ピン１０および／または施
工端部２の３次元位置を演算する演算手段を有する。

【００２９】アンテナ１は、アーム６の可動な面に対し
てほぼ垂直な水平面に配置される。

【００３０】図１〜５に示す建設機械におけるピン位置
計算とキャリブレーション方法を説明する。

【００３１】ＧＰＳ用アンテナ１を利用して、アーム６
のピン１０（旋回中心）の三次元座標を求め、つぎに、
施工端部つまりバケット刃先２の三次元座標を計算す
る。

【００３２】キャリブレーションの際には、２つのＧＰ
Ｓ用アンテナ１をアーム６の施工端部５と建設機械本体
９に設置し、これらの位置の三次元座標を求める。１つ
のアンテナ１をアーム６の施工端部５と建設機械本体９
に交互に設置してもよい。

【００３３】図１の使用態様においては、アーム６側に
アンテナ１が設けられていない。

【００３４】図２〜５の使用態様においては、アーム６
側にアンテナ１が設けられている。図１〜５のいずれの
態様においても、建設機械本体９にはアンテナ１が設け
られている。つまり、２つのアンテナ１が使用される。
しかし、１つのアンテナ１を必要に応じて建設機械本体
９側に設けたり、アーム６側に設けることも可能であ
る。その場合、アンテナは１本ですむ。

【００３５】図１〜５の実施例によるピン位置や刃先位
置の求め方は、後述の図６〜２０の実施例によるピン位
置や刃先位置の求め方と実質的に同一である。

【００３６】図６〜７に示す建設機械も、油圧ショベル
である。

【００３７】図６〜７に示す実施例においては、２つ又
は３つのＧＰＳ用アンテナ１を用いる。

【００３８】位置検出装置は、複数の可動部３、４、５
のそれぞれの状態を検出する複数のポジションセンサ
７、８、９と、アーム６の所定位置に設けるアンテナ１
と、建設機械本体９の所定位置に設ける２つのＧＰＳ用
のアンテナ１と、それら３つのアンテナ１の各々の３次
元位置情報を受信する受信装置１１と、受信装置１１か
らの３つのアンテナ１の３次元位置情報と複数のポジシ
ョンセンサ７、８、９からの出力に基づき、施工端部２
の３次元位置を演算する演算手段１２を有する。

【００３９】建設機械本体９に配置した２つのアンテナ
１は、アーム６の可動な面に対してほぼ垂直な水平面に
配置される。その２つのアンテナ１の１つをアーム６側
に配置することもできる。その場合は、２本のアンテナ
１ですむ。

【００４０】図６〜７に示す建設機械における刃先計算
とキャリブレーション方法を説明する。

【００４１】ＧＰＳ用アンテナ１を利用して、施工端部
つまりバケット刃先２の三次元座標を計算する。アーム
６のピン１０（旋回中心）の三次元座標を求める。

【００４２】２つのＧＰＳ用アンテナ１を建設機械本体
９に設置し、これらの位置の三次元座標を求める。

【００４３】アーム６のピン１０の三次元座標は、事前
にＧＰＳ用アンテナ１との相対関係を求めておけばよ
い。

【００４４】現場では、ピン１０の回りには配管等が存
在し、メジャーテープで測定することは困難である。

【００４５】このような観点から、キャリブレーション
測定方法が、簡単かつ所要の精度が保てるような測定方
法として好適である。

【００４６】２つの測定システム系を使用して、刃先２
の三次元座標を求める。

【００４７】１つの測定システム系は、アーム６上に設
置されたシステム系であり、ピン１０から刃先２まで
の、アーム６の水平距離Ｈと比高Ａｖを測定する。２つ
目の測定システム系はＧＰＳシステム系であり、アンテ
ナ１の位置の三次元座標を測定する。

【００４８】このような２つの測定システム系を連携さ
せるために、ピン１０、アーム６およびＧＰＳアンテナ
１の相対的な関係を求める。

【００４９】図８〜１０は、３つのシステム例を示す。

【００５０】ショベルの機種やＧＰＳアンテナ１の設置
方法により、図８〜１０に示すような色々なパターンが
考えられるが、いずれにしても、２台のＧＰＳアンテナ
１とピン１０の相対位置（３次元）、２台のＧＰＳアン
テナ１とアーム６の方向がわかれば、刃先２の三次元座
標を求めることができる。

【００５１】図１１を参照して、ピン１０およびアーム
６とＧＰＳアンテナ１の関係について述べる。

【００５２】刃先２のＸＹ座標は、ＮＯ１、２のアンテ
ナ１とピン１０の座標が求められれば、方向角（Ｂ）、
方向角（Ｃ）、水平距離（Ｈ）の３つのパラメータを事
前に計算することができる。これらのパラメータを使っ
て刃先２の２座標の計算を以下の手順で行う。

【００５３】（１）ベース方向（Ａ）２台のＧＰＳアンテナ１の三次元座標を求める。この座
標は現場の設計データに投影されたものとする。この２
座標から、ベース方向（Ａ）を求めることができる。

【００５４】（２）ピンの座標（Ｐｘ，Ｐｙ）計算ピン１０のＰｘ、Ｐｙは、ＮＯ１のアンテナ１のＸＹ座
標、アーム６の水平距離（Ｈ）、ベース方向（Ａ）と方
向角（Ｂ）から求めることができる。

【００５５】Ｐｘ＝Ｈ・ｓｉｎＢ＋ｘ１Ｐｙ＝Ｈ・ｃｏｓＢ＋ｙ１（３）刃先の座標（Ｂｘ，Ｂｙ）ピン１０の座標（Ｐｘ、Ｐｙ）、方向角（Ｃ）、前述の
ように得られたアーム６の水平距離Ａｈより求めること
ができる。

【００５６】Ｂｘ＝Ｈ・ｓｉｎＣ＋ｘ１Ｂｙ＝Ｈ・ｃｏｓＣ＋ｙ１次は、刃先２の座標（Ｂｚ）について述べる。

【００５７】ＮＯ１、２のＧＰＳ用アンテナ１のＮｏ
１，Ｎｏ２のＺ座標とピン１０のＺ座標（Ｐｚ）、前述
のように求められた比高Ａｖから求めることができる。

【００５８】ｄｚ＝（Ｚ１＋ｚ２）／２−ＰｚＺ１，
Ｚ２は、キャリブレーション時の座標である。

【００５９】ＧＰＳ用アンテナ１とピン１０中心の機械
比高で１回のみ計算する。それは、次のとおりである。

【００６０】Ｂｚ＝（Ｚｎｏ１＋ｚｎｏ２）／２−ｄｚ＋Ａｖピン１０の座標は次のように求める。すなわち、ピン１
０の三次元座標とアーム６の方向をキャリブレーション
により求められれば、刃先２の三次元座標をＧＰＳ２台
で求めることができる。

【００６１】キャリブレーションは、図１２〜１３に示
すように行う。

【００６２】ＧＰＳアンテナ２台の場合は先にＮＯ２の
ＧＰＳアンテナをバケット側へ取り付ける。そして、図
１４に示すように、可動部３、４、５を固定したまま、
アーム６を旋回する。

【００６３】キャリブレーションに必要な作業は、ＧＰ
Ｓアンテナ３台を使用する場合、次のとおりである。

【００６４】１）偏心量ΔＥをカタログ等からＰＣへ手
入力。

【００６５】２）ＧＰＳアンテナ３台を、建設機械本体
９の所定の位置（２か所）とアーム６の先端に取り付け
る。

【００６６】３）１周水平旋回を行う。１周以上でもよ
いが、アーム６は固定。

【００６７】４）アーム６をできるだけ上方向にあげ
る。途中で、水平旋回はしない。

【００６８】５）以上でキャリブレーション作業は完
了。

【００６９】ＧＰＳアンテナ２台を使用する場合には、
キャリブレーションに必要な作業は次のとおりである。

【００７０】１）偏心量ΔＥをカタログ等からパソコン
へ手入力。

【００７１】２）ＧＰＳアンテナ２台を、建設機械本体
９のＮＯ１の位置とアーム６の先端に取り付ける。

【００７２】３）１周水平旋回を行う。もちろん１周以
上でもよいが、アーム６は固定。

【００７３】４）アーム６をできるだけ上方向にあげ
る。途中で、水平旋回はしない。

【００７４】５）建設機械本体９のＮＯ１の位置のＧＰ
Ｓアンテナを建設機械本体９のＮＯ２の位置に移動す
る。

【００７５】６）アーム６をできるだけ上方向にあげ
る。途中で、水平旋回はしない。

【００７６】７）以上でキャリブレーション作業は完
了。

【００７７】なお、ＧＰＳアンテナが２〜３台の場合、
アーム６の旋回→水平旋回でもよい。

【００７８】キャリブレーション計算の手順は、キャリ
ブレーション作業の順番にかかわらず以下の通りであ
る。

【００７９】１）旋回中心座標（ｘ、ｙ）計算：最小２
乗法２）旋回中心（ｘ、ｙ）からΔＥ偏心した座標（ｘ、
ｙ）計算３）アーム方向計算：最小２乗法４）ピン座標（ｘ、ｙ、ｚ）の計算５）パラメータ、アーム方向角Ｂ、アーム方向角Ｃ、ア
ーム水平距離Ｈ、ＮＯ１のアンテナ１とピン１０の比高
Ａｖの計算旋回中心座標（ｘ、ｙ）は、次のとおり計算する。図１
５に示すように、旋回中心座標は最小２乗法によって求
める。

【００８０】１）ショベルの旋回中心は１点のみ。

【００８１】２）旋回中はバケットを前後に引かない。

【００８２】３）機械ガタはないとする。

【００８３】バケットとＮＯ１のアンテナ１は、それぞ
れ中心座標を計算できる。これらを平均したものを最終
中心座標とする。差が大きいときは、再測定する。

【００８４】図１１に示すように、アーム方向の計算は
次のとおりである。

【００８５】旋回中心（ｘｃ、ｙｃ）およびΔＥは、す
でにわかっている。

【００８６】偏心点は、アーム６の中心線と旋回中心１
０が直交する点で、旋回中心１０からの離れ量ΔＥは、
カタログより入力される。

【００８７】１）ΔＥの値は固定である２）ピン座標、偏心点はアーム中心線上を通るピン座標の計算は次のとおりである。

【００８８】これは、旋回中心座標（ｘ、ｙ）の計算を
縦にして考えた場合と全く同じである。

【００８９】水平方向旋回のように１周することは不可
能なので、検証テストは十分行う。図１７〜１９によく
示すように、ＧＰＳアンテナ１の２点の三次元座標、ピ
ン１０の三次元座標、アーム６の方向を求めることがで
きる。そして、必要に応じて、各種パラメータは、その
ようにして求めたＧＰＳアンテナ１の２点の三次元座
標、ピン１０の三次元座標、アーム６の方向から計算す
ることができる。

【００９０】

【発明の効果】この発明によれば、建設機械の施工端部
の３次元位置を高精度に検出可能であり、さらに、振
動、衝撃による影響を受けにくい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１つの実施例による位置検出装置付き
の土木用建設機械の概略を示す。

【図２】図１の位置検出装置付きの土木用建設機械の別
の使用態様を示す。

【図３】図１の位置検出装置付きの土木用建設機械のさ
らに別の使用例を概略的に示す。

【図４】図１の位置検出装置付きの土木用建設機械のさ
らに別の使用例を概略的に示す。

【図５】図１の位置検出装置付きの土木用建設機械によ
る検出のしかたの概念を概略的に示す。

【図６】本発明の１つの実施例による位置検出装置の概
念を示す正面図。

【図７】本発明の１つの実施例による位置検出装置の概
念を示す平面図。

【図８】図１の位置検出装置による検出のしかたの一例
を概略的に示す。

【図９】図１の位置検出装置による検出のしかたの他の
例を概略的に示す。

【図１０】図１の位置検出装置による検出のしかたのさ
らに他の１例を概略的に示す。

【図１１】図１の位置検出装置におけるピン、アーム、
ＧＰＳの関係を示す。

【図１２】キャリブレーションの説明図。

【図１３】ＧＰＳアンテナのＮＯ１、ＮＯ２とバケット
の軌跡を示す。

【図１４】ＧＰＳアンテナ２台の場合のＮＯ２のアンテ
ナの使用例を示す。

【図１５】旋回中心座標の求め方を示す。

【図１６】アーム方向の計算の原理を示す。

【図１７】図１の位置検出装置の概念図。

【図１８】図１２の概念図から特にアームの可動域（平
面）とＧＰＳアンテナによる基線の関係を示す。

【図１９】図１２の概念図から特にアームとＧＰＳアン
テナ配置位置との関係を示す。

【図２０】位置検出装置の制御システムの一例を示す。

【符号の説明】

１ＧＰＳ用アンテナ２施工端部３、４、５可動部６アーム７、８、９ポジションセンサ１０、１４ピン１１受信装置１２演算手段Ａベース方向Ｂ、Ｃ方向角Ｈ水平距離Ａｖ比高

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の可動部を介して施工端部を支持す
る構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けら
れており、複数のポジションセンサが複数の可動部のそれぞれの状
態を検出し、ＧＰＳ用のアンテナがアームの所定位置に設けられ、演算手段が、アンテナの３次元位置情報と複数のポジシ
ョンセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心の３
次元位置を演算することを特徴とする土木用建設機械。
【請求項２】複数の可動部を介して施工端部を支持す
る構成にしたアームを有する土木用建設機械において、ＧＰＳ用のアンテナがアームの所定位置と建設機械本体
の所定位置の両方に設けられ、ＧＰＳ用のアンテナから
の位置情報に基づき、アームの旋回中心位置の３次元位
置座標を演算し、さらに、複数のポジションセンサから
の出力に基づき、施工端部の３次元位置を演算すること
を特徴とする土木用建設機械。
【請求項３】アンテナは、アームの施工端部に配置さ
れることを特徴とする請求項１または２に記載の土木用
建設機械。
【請求項４】複数の可動部を介して施工端部を支持す
る構成にしたアームを有する土木用建設機械において、ＧＰＳ用のアンテナをアームの所定位置に設け、複数のポジションセンサが複数の可動部のそれぞれの状
態を検出し、アンテナの３次元位置情報と複数のポジションセンサか
らの出力に基づき、アームの旋回中心の３次元位置を演
算することを特徴とする位置検出方法。
【請求項５】複数の可動部を介して施工端部を支持す
る構成にしたアームを有する土木用建設機械において、ＧＰＳ用のアンテナをアームの所定位置と建設機械本体
の所定位置の両方に設け、ＧＰＳ用のアンテナからの位
置情報に基づき、アームの旋回中心位置の３次元位置座
標を演算し、さらに、複数のポジションセンサからの出
力に基づき、施工端部の３次元位置を演算することを特
徴とする位置検出方法。
【請求項６】アンテナは、アームの施工端部に配置さ
れることを特徴とする請求項１または２に記載の位置検
出方法。