JP2004125580A - 作業機械の位置計測システム - Google Patents
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Abstract
【課題】車載ＧＰＳの計測精度変化が生じた場合でもモニタポイントの位置を正確に計測でき、作業効率の高い建設機械の位置計測システムを提供することにある。
【解決手段】パネルコンピュータ４５は、ＧＰＳ受信機４３，４４及び角度センサ２１，２２，２３によって計測された値に基づいて、作業機に設定されたモニタポイントの３次元空間における位置を演算する。パネルコンピュータ４５は、少なくとも２個のＧＰＳ受信機の少なくとも一つのＧＰＳ受信機による計測精度が低下すると、車体のヨウ角を計測するジャイロ２５によって計測されたヨウ角に基づいてモニタポイントの位置演算を補正する。
【選択図】 図１
【解決手段】パネルコンピュータ４５は、ＧＰＳ受信機４３，４４及び角度センサ２１，２２，２３によって計測された値に基づいて、作業機に設定されたモニタポイントの３次元空間における位置を演算する。パネルコンピュータ４５は、少なくとも２個のＧＰＳ受信機の少なくとも一つのＧＰＳ受信機による計測精度が低下すると、車体のヨウ角を計測するジャイロ２５によって計測されたヨウ角に基づいてモニタポイントの位置演算を補正する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベル等の作業機械の位置計測システムに係り、特に、モニタポイントの３次元空間における絶対位置を計測するに好適な作業機械の位置計測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、建設施工現場においてＧＰＳ等の３次元位置計測装置を用いて建設機械のモニタポイントの位置を計測し、作業管理を行うことがなされている。モニタポイントの代表例としては、建設機械の作業装置の位置，例えば油圧ショベルのバケット先端位置がある。このバケット先端位置を計測できれば、その計測データを予め設定した地形データや目標形状データと比較することにより施工中の作業進行状況を把握でき、施工中の管理が行える。また、施工後も、計測データから出来形データ（例えば掘削地形データ）を生成することで、施工管理が行える。
【０００３】
このような位置計測システムの従来技術として、例えば、特開２００１−９８５８５号公報に記載のように、掘削用作業機（バケット）の３次元位置を計測して作業平面を演算し、３次元目標地形との交線を求めて、交線と掘削用作業機との相対位置を表示し、ブーム、アームおよびバケット角度センサと、車体前後に設置したＧＰＳとによりバケット先端位置を計測するものも知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−９８５８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−９８５８５号公報に記載されているものでは、ＧＰＳの計測精度変化が問題となる。車体やバケット等の掘削作業機の位置を計測するための車載ＧＰＳは、ＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）−ＧＰＳを使用するのが一般的である。これは、基準局として車体とは別にＧＰＳ（以下、ＧＰＳ基準局とする）を設置し、このＧＰＳ基準局より送信される補正データを受信してＧＰＳ衛星からの信号と併せて処理することで、車載ＧＰＳアンテナの位置が約±１〜２ｃｍの精度（ＦＩＸ状態）で計測できるものである。
【０００６】
しかし、このＲＴＫ−ＧＰＳは、ＧＰＳ衛星からの信号とＧＰＳ基準局より送信される補正データの受信状態とにより、計測状態が左右され、受信できる衛星の数が減少したり、ＧＰＳ基準局からの補正データを受信できない場合、計測精度が約±２０〜３０ｃｍのＦＬＯＡＴ状態や、約±１ｍのＤＧＰＳ（デファレンシャルＧＰＳ）状態および約±１０ｍの単独計測状態へと変化することがある。
【０００７】
このように、車載ＧＰＳの計測精度が変化すると、管理を行う上で満足な計測結果が得られないため、作業を中断しなければならず、作業効率が低下してしまうという問題がある。特に、特開２００１−９８５８５号公報に記載のものにおいては、ＧＰＳの計測結果から間接的にバケット位置を計測しているため影響が大きいものである。
【０００８】
本発明の目的は、計測精度変化が生じた場合でもモニタポイントの位置を正確に計測でき、作業効率の高い作業機械の位置計測システムを提供することにある。
【０００９】
なお、本明細書中において「３次元空間の絶対位置」とは、建設機械の外部に設定された座標系により表現した位置のことであり、例えば３次元位置計測装置としてＧＰＳを用いる場合は、ＧＰＳで緯度、経度および高さの基準として用いる準拠楕円体に固定した座標系により表現した位置のことである。
【００１０】
また、本明細書では、この準拠楕円体に設定した座標系をグローバル座標系と呼ぶ。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、機械本体と作業機とを有する作業機械の位置計測システムにおいて、前記機械本体に設けられ、３次元空間における位置を計測する少なくとも２個の３次元位置計測手段と、前記少なくとも２個の位置計測手段によって計測された値に基づいて、モニタポイントの３次元空間における位置を演算する位置演算手段と、前記作業機械のヨウ角を計測するヨウ角計測手段とを備え、前記位置演算手段は、前記少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの３次元位置計測手段による計測精度が低下すると、前記ヨウ角計測手段によって計測されたヨウ角に基づいて前記モニタポイントの位置演算を補正するようにしている。
このように少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの３次元位置計測手段による計測精度が低下した場合には、ヨウ角計測手段によって計測されたヨウ角に基づいてモニタポイントの位置演算を補正することにより、計測精度変化が生じた場合でもモニタポイントの位置を正確に計測でき、作業効率を向上することができる。
【００１２】
（２）上記（１）において、好ましくは、さらに、前記作業機械の傾斜量を計測する傾斜量計測手段を備え、前記位置演算手段は、上記少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの３次元位置計測手段による計測精度が低下すると、前記ヨウ角計測手段によって計測されたヨウ角及び傾斜量計測手段によって計測された傾斜量に基づいて前記モニタポイントの位置演算を補正するようにしている。
【００１３】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記位置演算手段は、補正が行われる場合にはその旨をオペレータに知らせるようにする。
【００１４】
（４）上記（１）において、好ましくは、前記位置演算手段は、上記少なくとも２個の３次元位置計測手段のすべての計測精度が低下すると、前記車体の走行禁止をオペレータに知らせるようにする。
【００１５】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記位置演算手段は、上記少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの計測精度が復帰すると、前記車体の走行可能をオペレータに知らせるようにする。
【００１６】
（６）上記（３）〜（５）のいずれかにおいて、好ましくは、前記位置演算手段による演算結果に基づき前記モニタポイントの位置を表示する第１表示手段を備え、この第１表示手段にオペレータに対する通知を表示するようにする。
【００１７】
（７）上記（３）〜（５）のいずれかにおいて、好ましくは、前記位置演算手段による演算結果のモニタポイントの位置データを出力するデータ出力手段と、前記建設機械とは異なる位置に設置され、前記データ出力手段により出力された位置データを入力するデータ入力手段と、このデータ入力手段により入力した位置データに基づき前記モニタポイントの位置を表示する第２表示手段とを備え、この第２表示手段にオペレータに対する通知を表示するようにする。
【００１８】
（８）上記（１）〜（７）において、好ましくは、前記作業機は、回転可能な複数の部材で構成され、前記モニタポイントは前記作業機に設定され、前記作業機の複数の部材間の角度を検出する角度計測手段を備え、前記位置演算手段は、前記少なくとも２個の３次元位置計測手段及び前記角度計測手段によって計測された値に基づいて、前記モニタポイントの３次元空間における位置を演算するようにしたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１１を用いて、本発明の実施の形態による作業機械の位置計測システムについて説明する。本実施の形態は、作業機械の一つである建設機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用し、油圧ショベルのバケット先端にモニタポイントを設定したものである。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態による作業機械の位置計測システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
位置計測システムは、基準局からの補正データ（後述）をアンテナ３３を介して受信する無線機４１と、この無線機４１で受信した補正データを分配する分配機４２と、この分配機４２で分配した補正データとＧＰＳアンテナ３１，３２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号とに基づいてＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置をリアルタイムに計測するＧＰＳ受信機４３，４４と、このＧＰＳ受信機４３，４４からの位置データと角度センサ２１，２２，２３や傾斜センサ２４やジャイロ２５など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１のバケット７の先端（モニタポイント）の位置を演算し、さらに後述する３次元目標地形を示すデータが所定のメモリに記憶されているパネルコンピュータ４５と、このパネルコンピュータ４５により演算された位置データや３次元目標地形をイラスト等を交えて表示する表示装置４６と、パネルコンピュータ４５により演算された位置データ及びその演算状態データをアンテナ３５を介して送信するための無線機４７と、コンピュータ４５での演算状態を音声によりオペレータに知らせるためのスピーカ４８とを備えている。なお、ＧＰＳアンテナ３１とＧＰＳ受信機４３，ＧＰＳアンテナ３２とＧＰＳ受信機４４はそれぞれ１セットのＧＰＳ（Ｇｒｏｂａ１ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を構成している。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた油圧ショベルの外観を示す図である。
【００２３】
油圧ショベル１は下部走行体２と、下部走行体２上に旋回可能に設けられ、下部走行体２と共に本体を構成する上部旋回体３と、上部旋回体３に設けられたフロント作業機４とからなる。フロント作業機４は上部旋回体３に上下方向に回転可能に設けられたブーム５と、ブーム５の先端に上下方向に回転可能に設けられたアーム６と、アーム６の先端に上下方向に回転可能に設けられたバケット７とで構成され、それぞれ、ブームシリンダ８、アームシリンダ９、バケットシリンダ１０を伸縮することにより駆動される。上部旋回体３には運転室１１が設けられている。
【００２４】
また、油圧ショベル１には、上部旋回体３とブーム５との回転角（ブーム角度）を検出する角度センサ２１と、ブーム５とアーム６との回転角（アーム角度）を検出する角度センサ２２と、アーム６とバケット７との回転角（バケット角度）を検出する角度センサ２３と、上部旋回体３の前後方向の傾斜角（ピッチ角度）及び左右方向の傾斜角（ロール角度）を検出する傾斜センサ２４、油圧ショベル１のヨウ角度を検出するジャイロ２５とが設けられている。
【００２５】
更に、油圧ショベル１には、ＧＰＳ衛星からの信号を受信する２個のＧＰＳアンテナ３１，３２と、基準局からの補正データ（後述）を受信するための無線アンテナ３３と、位置データを送信する無線アンテナ３５が設けられている。２個のＧＰＳアンテナ３１，３２は上部旋回体３の旋回中心から外れた旋回体後部の左右に設置されている。
【００２６】
図３は、ＧＰＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成を示すブロック図である。
【００２７】
油圧ショベル１やバケット７等の位置や作業管理を行う事務所５１には、ＧＰＳ衛星からの信号を受信するＧＰＳアンテナ５２と、補正データを油圧ショベル１に送信する無線アンテナ５３と、油圧ショベル１から上述した油圧ショベル１やバケット７等の位置データ及びその演算状態データを受信する無線アンテナ５４と、予め計測された３次元位置データとＧＰＳアンテナ５２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号とに基づき、上述した油圧ショベル１のＧＰＳ受信機４３，４４でＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）計測を行うための補正データを生成するＧＰＳ基準局としてのＧＰＳ受信機５５，ＧＰＳ受信機５５で生成された補正データをアンテナ５３を介して送信するための無線機５６と、アンテナ５４を介して位置データを受信する無線機５７と、無線機５７により受信した位置データ及びその演算状態データに基づき油圧ショベル１やバケット７の位置を表示・管理したり３次元目標地形を示すデータを表示するための演算を行うコンピュータ５８と、このコンピュータ５８により演算した位置データ，演算状態データと管理データ、３次元目標地形をイラスト等を交えて表示する表示装置５９が設置されている。ＧＰＳアンテナ５２とＧＰＳ受信機５５は１セットのＧＰＳを構成する。
【００２８】
次に、本実施の形態に係わる位置計測システムの動作の概要を説明する。本実施の形態では高精度での位置計測を行うため、図１に示したＧＰＳ受信機４３，４４でそれぞれＲＴＫ計測を行う。このためには先ず、図３に示した補正データを生成するＧＰＳ基準局５５が必要となる。ＧＰＳ基準局５５は、上記のように予め３次元計測されたアンテナ５２の位置データとアンテナ５２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号とに基づいて、ＲＴＫ計測のための補正データを生成し、生成された補正データは、無線機５６によりアンテナ５３を介して一定周期で送信される。
【００２９】
一方、図１に示した車載側のＧＰＳ受信機４３，４４は、アンテナ３３を介して無線機４１，４２により受信される補正データと、アンテナ３１，３２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号に基づき、アンテナ３１，３２の３次元位置をＲＴＫ計測する、このＲＴＫ計測によって、アンテナ３１，３２の３次元位置が約±１〜２ｃｍの精度で計測される。そして、計測された３次元位置データはパネルコンピュータ４５に入力される。
【００３０】
また、傾斜センサ２４によって油圧ショベル１のピッチ角度及びロール角度、角度センサ２１〜２３によってそれぞれブーム５、アーム６及びバケット７の各角度、ジャイロ２５によって油圧ショベル１のヨウ角度が計測され、同様にパネルコンピュータ４５に入力される。
【００３１】
パネルコンピュータ２５はＧＰＳ受信機４３，４４からの位置データと、各種センサ２１〜２４からの各角度データに基づき、一般的なベクトル演算と座標変換を行って、バケット７の先端の３次元位置を演算する。
【００３２】
次に、図４〜図１１を用いてパネルコンピュータ４５における３次元位置演算処理について説明する。
【００３３】
図４は、バケット７の先端の３次元空問での絶対位置を演算するために使用する座標系を示す図である。
【００３４】
図４において、Σ０はＧＰＳの準拠楕円体の中心に原点Ｏ０を持つグローバル座標系、Σ１ａ，Σ２ａ，Σ２ｂ，Σ２ａ’およびΣ２ｂ’はそれぞれＧＰＳアンテナ３１および３２の計測位置を原点に持つＧＰＳ座標系、Σ５およびΣ５’は油圧ショベル１の上部旋回体３に固定され、旋回べースフレームと旋回中心との交点に原点を持つショベル座標系、Σ９はバケット７に固定され、バケット７の先端に原点を持つバケット先端座標系である。
【００３５】
なお、Ｇｐｒは傾斜センサ２４で計測される油圧ショベル１のピッチ角度θｐとロール角度θｒに基づいて求めらる油圧ショベル１の車体に垂直なベクトルを示す。
【００３６】
グローバル座標系Σ０でのＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置が分かれば、その位置関係からＧＰＳ座標系Σ１ａを求めることができ、さらに、油圧ショベル１のピッチ角度θｐとからＧＰＳ座標系Σ２ａおよびΣ２ｂを求めることができる。
【００３７】
そして、ＧＰＳアンテナ３１，３２の油圧ショベル１上における位置関係ｘｇａ，ｘｇｂ，ｙｇａ，ｙｇｂ，ｚｇａ，ｚｇｂおよびｄ５は既知であるので、ショベル座標系Σ５を求めことができる。
【００３８】
また、ショベル座標系Σ５の原点Ｏ５と、ブーム５の基端との位置関係ａ６およびｄ６と、ブーム５、アーム６およびバケット７の寸法ａ７，ａ８およびａ９は既知であるので、ブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８が分かれば、バケット先端座標系Σ９を求めることができる。
【００３９】
従って、ＧＰＳ受信機４３，４４で計測したＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置をグローバル座標系Σ０での値として求め、傾斜センサ２４で油圧ショベル１のピッチ角度θｐと計測し、角度センサ２１〜２３でブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８を計測して座標変換演算を行うことにより、バケット７の先端位置をグローバル座標系Σ０での値で求めることができる。
【００４０】
図５は、グローバル座標系の概念を説明する図である。
【００４１】
図５において、ＧはＧＰＳで用いる準拠楕円体であり、グローバル座標系Σ０の原点Ｏ０は準拠楕円体の中心に設定されている。また、グローバル座標系Σ０のｘ０軸方向は赤道Ａと子午線Ｂの交点Ｃと準拠楕円体Ｇの中心を通る線上に位置し、ｚ０軸方向は準拠楕円体Ｇの中心から南北に延ばした線上に位置し、ｙ０軸方向はｘ０軸とｚ０軸に直交する線上に位置している。ＧＰＳでは、地球上の位置を緯度および軽度と、準拠楕円体Ｇに対する高さで表現するので、このようにグローバル座標系Σ０を設定することで、ＧＰＳの位置情報をグローバル座標系Σ０での値に容易に変換することができる。
【００４２】
次に、図４を用いて車載ＧＰＳの計測精度変化が生じた場合の演算処理について説明する。
【００４３】
前述したように、車載ＧＰＳの計測精度は常に最良の状態（ＦＩＸ）とは限らない。従って、車載ＧＰＳの計測精度がＦＩＸ以外の場合は何らかの補正を行わなければならない。
【００４４】
先ず、第１のケースとして、ＧＰＳアンテナ３１とＧＰＳ受信機４３で構成されるＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外となった場合について説明する。
【００４５】
この場合は、ＧＰＳアンテナ３２とＧＰＳ受信機４４で構成されるＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ状態を保っているので、ＧＰＳ座標系Σ２ｂを基準として考えればよい。
【００４６】
ここで、ＧＰＳ＿ＡとＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸ状態、すなわち、ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外となる１サイクル前のＧＰＳ座標系Σ２ｂをΣ２ｂ＿ｐｒｖ、油圧ショベル１のヨウ角度をθｙ＿ｐｒｖ１とおく。そして、座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖをＧＰＳアンテナ３２の現在位置（Ｏ２ｂ’）に平行移動する。次に、平行移動した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸をＧＰＳアンテナ３２の現在位置（Ｏ２ｂ’）の重力軸に合致するように平行移動した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖを等価回転変換する。次に、等価回転変換した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸周りに等価回転変換した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ１）の回転を行う。次に、回転した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸を油圧ショベル１の車体に垂直な単位ベクトルＧｐｒに合致するように回転した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖを等価回転変換して座標系Σ２ｂ’を求める。
【００４７】
このようにして求めた座標系Σ２ｂ’と、既知データであるＸｂ，ｙｂ，Ｚｂおよびｄ５と、ブーム５の基端との位置関係ａ６およびｄ６と、ブーム５、アーム６およびバケット７の寸法ａ７，ａ８およびａ９、さらに、ブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８から求められるショベル座標系Σ５とバケット先端座標系Σ９により、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置を求めることができる。
【００４８】
従って、ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外となった場合でもバケット７の先端位置を高精度で求めることができ、さらに、油圧ショベル１の走行、旋回を含むフロント作業といった動作にいっさいの制限は生じない。
【００４９】
次に、第２のケースとして、ＧＰＳアンテナ３２とＧＰＳ受信機４４で構成されるＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外となった場合について説明する。
【００５０】
この場合は、ＧＰＳアンテナ３１とＧＰＳ受信機４３で構成されるＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ状態を保っているので、ＧＰＳ座標系Σ２ａを基準として考えればよい。
【００５１】
ここで、ＧＰＳ＿ＡとＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸ状態、すなわち、ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外となる１サイクル前のＧＰＳ座標系Σ２ａをΣ２ａ＿ｐｒｖ、油圧ショベル１のヨウ角度をθｙ＿ｐｒｖ１とおく。そして、座標系Σ２ａ＿ｐｒｖをＧＰＳアンテナ３１の現在位置（Ｏ２ａ’）に平行移動する。次に、平行移動した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸をＧＰＳアンテナ３１の現在位置（Ｏ２ａ’）の重力軸に合致するように平行移動した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを等価回転変換する。次に、等価回転変換した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸周りに等価回転変換した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ１）の回転を行う。次に、回転した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸を油圧ショベル１の車体に垂直な単位ベクトルＧｐｒに合致するように回転した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを等価回転変換して座標系Σ２ａ’を求める。
【００５２】
このようにして求めた座標系Σ２ａ’と、既知データであるｘａ，ｙａ，ｚａおよびｄ５と、ブーム５の基端との位置関係ａ６およびａ６と、ブーム５、アーム６およびバケット７の寸法ａ７，ａ８およびａ９、さらに、ブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８から求められるショベル座標系Σ５とバケット先端座標系Σ９により、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置を求めることができる。
【００５３】
従って、ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外となった場合でもバケット７の先端位置を高精度で求めることができ、さらに、油圧ショベル１の走行、旋回を含むフロント作業といった動作にいっさいの制限は生じない。
【００５４】
次に、第３のケースとして、ＧＰＳ＿ＡとＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸ以外となった場合について説明する。
【００５５】
この場合は、ショベル座標系Σ５を基準として考えればよい。
【００５６】
ここで、ＧＰＳ＿ＡとＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸ以外となる１サイクル前のグローバル座標系Σ０に対するショベル座標系Σ５をΣ５＿ｐｒｖ、油圧ショベル１のヨウ角度をθｙ＿ｐｒｖ２とおく。そして、座標系Σ５＿ｐｒｖのｙ軸周りに座標系Σ５＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ２）の回転を行って座標系Σ５ｂ’を求める。
【００５７】
このようにして求めた座標系Σ５ｂ’と、ブーム５の基端との位置関係ａ６およびｄ６と、ブーム５、アームおよびバケット７の寸法ａ７，ａ８およびａ９、さらに、ブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８により求められるバケット先端座標系Σ９とにより、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置を求めることができる。
【００５８】
従って、ＧＰＳ＿ＡとＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸ以外となった場合でもバケット７の先端位置を高精度で求めることがでる。ただし、この場合は油圧ショベル１を走行させてしまうと誤差が生じるため、旋回を含むフロント作業のみの動作にの制限される。
【００５９】
図６は全体の演算処理手順を示すフローチャートである。
【００６０】
図６において、最初に、演算スタートフラグおよび補正演算フラグをＯＦＦする（ステップＳ１００）。
【００６１】
次に、ＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置（緯度、経度、高さ）であるＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測データ及び、センサ２１，２２，２３，２４及びジャイロ２５の計測データを読み込む（ステップＳ１１０）。次に、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸかどうかを判定する（ステップＳ１２０）。共にＦＩＸの場合にはステップＳ２００に進み通常演算処理を実行し、いずれかがＦＩＸでない場合にはステップＳ１３０に進む。通常演算処理は、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸの場合、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの両方を用いてバケット先端位置を求める処理であり、その詳細については、図７を用いて後述する。
【００６２】
ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂのいずれかの計測精度がＦＩＸでない場合には、演算スタートフラグがＯＮかどうかを判定し（ステップＳ１３０）、ＯＮの場合はステップＳ１４０に進み、ＯＮでない場合はステップＳ１１０に戻りＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸとなるまで繰り返す。
【００６３】
ステップＳ１３０の判定でＯＮの場合は、補正演算フラグをＯＮし、表示装置４６もしくはスピーカ４７により、補正演算が行われる旨をオペレータに指示する（ステップＳ１４０）。
【００６４】
次に、ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸでＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外かどうかを判定する（ステップＳ１５０）。ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸでＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外の場合にはステップＳ３００に進みＧＰＳ＿Ａ補正演算処理を実行し、そうでない場合にはステップＳ１６０に進む。ＧＰＳ＿Ａ補正演算処理は、ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸでないので、ＧＰＳ＿Ｂの計測データを用いてバケット先端位置を求める処理であり、その詳細については、図８を用いて後述する。
【００６５】
ステップＳ１５０の判定結果が偽の場合は、ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸでＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外かどうかを判定する（ステップＳ１６０）。
ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸでＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外の場合にはステップＳ４００に進みＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理を実行し、そうでない場合にはステップＳ５００に進みショベル座標系基準演算処理を実行する。ＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理は、ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸでないので、ＧＰＳ＿Ａの計測データを用いてバケット先端位置を求める処理であり、その詳細については、図９を用いて後述する。ショベル座標系基準演算処理は、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸでない場合、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂを用いることができないため、ショベル座標系を用いてバケット先端位置を求める処理であり、その詳細については、図１０を用いて後述する。
【００６６】
通常演算処理（ステップＳ２００），ＧＰＳ＿Ａ補正演算処理（ステップＳ３００），ＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理（ステップＳ４００），ショベル座標系基準演算処理（ステップＳ５００）がそれぞれ終了すると、それぞれの処理で求められたグローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを緯度、経度、高さに変換する（ステップＳ１７０）。このための演算式は一般的によく知られているものなので、ここでは省略する。
【００６７】
次に、表示装置４６にバケット７の先端位置を表示する（ステップＳ１８０）。表示装置４６に表示されるバケット先端位置は、例えば、３次元地形データ上に、油圧ショベル本体と共にイラストにより表示する。次に、バケット先端位置データ及びバケット先端位置の演算状態（補正状態）に関するデータを無線機４７により事務所側に送信する（ステップＳ１９０）。そして、ステップＳ１１０に戻り繰り返し演算を実行する。
【００６８】
次に、図７を用いて通常演算処理の内容について説明する。
【００６９】
ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸの場合、最初に、演算スタートフラグがＯＦＦならばＯＮし、さらに、補正演算フラグがＯＮならばＯＦＦする（ステップＳ２１０）。
【００７０】
次に、ＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理を実行する（ステップＳ６００）、ＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理の詳細は、図１１に示されている。ＧＰＳ＿ＮＧフラグは、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸでないかどうかを示すフラグであり、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸでない場合に、図１０のショベル座標系基準演算処理において、このＮＧフラグがＯＮされており、そうでないときＯＦＦとなっている。図１１において、ＧＰＳ＿ＮＧフラグがＯＦＦか否かを判定し（ステップＳ６１０）、ＯＦＦのときはそのまま処理を終了し、ＯＮのときはステップＳ６２０に進む。ＧＰＳ＿ＮＧフラグがＯＮのときは、走行可能を指令し（ステップＳ６２０）、ＧＰＳ＿ＮＧフラグをＯＦＦにする（ステップＳ６３０）。すなわち、ステップＳ１３０の判定でＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸとなったので、ＮＧフラグをＯＮからＯＦＦにする。なお、ステップＳ５００の処理について後述するように、ＮＧフラグがＯＮの場合には下部走行体による走行を禁止しているので、それを解除して走行可能を指令する。
【００７１】
次に、ＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理が終了すると、図７に戻り、ＧＰＳ＿Ａ及びＧＰＳ＿Ｂ共に計測精度がＦＩＸである旨を表示装置４６に表示する（ステップＳ２２０）。次に、ジャイロ２５により計測される油圧ショベル１のヨウ角度θｙをθｙ＿ｐｒｖ１及びθｙ＿ｐｒｖ２として記憶する（ステップＳ２３０）。次に、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測データをそれぞれグローバル座標系Σ０での３次元位置Ｐａ，Ｐｂに変換する（ステップＳ２４０）。このための演算は一般的によく知られているものなので、ここでは省略する。次に、ＧＰＳアンテナ３１，３２のグローバル座標系Σ０での３次元位置Ｐａ，Ｐｂと、傾斜センサ２４で計測したピッチ角度θｐとにより、グローバル座標系に対するＧＰＳ座標系Σ２ａおよびΣ２ｂを求める（ステップＳ２５０）。この演算は座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。次に、ＧＰＳ座標系Σ２ａおよびΣ２ｂをそれぞれ、Σ２ａ＿ｐｒｖおよびΣ２ｂ＿ｐｒｖとして記憶する（ステップＳ２６０）。次に、ＧＰＳ座標系Σ２ａと、既知の寸法データから予め求めておいたＧＰＳ＿Ａから見たショベル座標系Σ５ａからグローバル座標系Σ０に対するショベル座標系Σ５＿ｐｒｖを求め、記憶する（ステップＳ２７０）。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。次に、既知の寸法データと、角度センサ２１〜２３で検出したブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８からショベル座標系Σ５ａに対するバケット先端座標系Σ９を求める（ステップＳ２８０）。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。
【００７２】
そして、ＧＰＳ座標系Σ２ａとショベル座標系Σ５およびバケット先端座標系Σ９から、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを求める（ステップＳ２９０）。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。
【００７３】
通常演算処理（ステップＳ２００）が終了すると、図６のステップＳ１７０で、求められたグローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを緯度、経度、高さに変換し、ステップＳ１１０に戻り繰り返し演算を実行する。
【００７４】
次に、図８を用いてＧＰＳ＿Ａ補正演算処理の内容について説明する。
【００７５】
ステップＳ６００においてＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理を実行した後、ＧＰＳ＿ＡがＦＩＸであり補正演算中である旨を表示装置４６に表示する（ステップＳ３１０）。次に、ジャイロ２５により計測される油圧ショベル１のヨウ角度θｙをθｙ＿ｐｒｖ２として記憶する（ステップＳ３２０）。次に、ＧＰＳ＿Ｂの計測データをグローバル座標系Σ０での３次元位置Ｐｂに変換し、Σ２ｂ＿ｐｒｖの原点をＰｂへ平行移動する（ステップＳ３３０）。次に、平行移動した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸を重力軸に合致するように、平行移動した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖを等価回転変換する（ステップＳ３４０）。次に、等価回転変換した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸周りに等価回転変換した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ１）の回転を行う（ステップＳ３５０）。次に、回転した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸を油圧ショベル１の車体に垂直なベクトルＧｐｒに含致するように、回転した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを等価回転変換してΣ２ｂ’を求める（ステップＳ３６０）。次に、ＧＰＳ座標系Σ２ｂ’ と、既知の寸法データから予め求めておいたＧＰＳ＿Ｂから見たショベル座標系Σ５ｂとから、グローバル座標系Σ０に対するショベル座標系Σ５＿ｐｒｖを求め、記憶する（ステップＳ３７０）。次に、既知の寸法データと、角度センサ２１〜２３で検出したブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８からショベル座標系に対するバケット先端座標系Σ９を求める（ステップＳ３８０）。そして、座標系Σ２ｂ’とショベル座標系Σ５およびバケット先端座標系Σ９から、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを求める（ステップＳ３９０）。そして、ステップＳ１８０へと移行して演算を繰り返す。
【００７６】
本実施形態では、ステップＳ３５０の処理のように、ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外の場合、ＧＰＳ＿Ｂについてヨウ角θｙで補正する点に特徴がある。
ステップＳ３４０，Ｓ３６０の処理は上部旋回体の傾斜角（ピッチ角度及びロール角度）に対する補正であり、上部旋回体が水平状態にある場合にはこの処理は必要ないものである。
【００７７】
次に、図９を用いてＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理の内容について説明する。
【００７８】
ステップＳ６００においてＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理を実行した後、ＧＰＳ＿ＢがＦＩＸであり補正演算中である旨を表示装置４６に表示する（ステップＳ４１０）。次に、ジャイロ２５により計測される油圧ショベル１のヨウ角度θｙをθｙ＿ｐｒｖ２として記憶する（ステップＳ４２０）。次に、ＧＰＳ＿Ａの計測データをグローバル座標系Σ０での３次元位置Ｐａに変換し、Σ２ａ＿ｐｒｖの原点をＰａへ平行移動する（ステップＳ４３０）。次に、平行移動した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸を重力軸に合致するように、平行移動した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを等価回転変換する（ステップＳ４４０）。次に、等価回転変換した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸周りに等価回転変換した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ１）の回転を行う（ステップＳ４５０）。
【００７９】
次に、回転した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸を油圧ショベル１の車体に垂直なベクトルＧｐｒに合致するように、回転した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを等価回転変換してΣ２ａ’を求める（ステップＳ４６０）。次に、ＧＰＳ座標系Σ２ａ’と、既知の寸法からデータ予め求めておいたＧＰＳ＿Ａから見たショベル座標系Σ５ａとからグローバル座標系Σ０に対するショベル座標系Σ５＿ｐｒｖを求め、記憶する（ステップＳ４７０）。
【００８０】
次に、既知の寸法データと、角度センサ２１〜２３で検出したブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８からショベル座標系に対するバケット先端座標系Σ９を求める（ステップＳ４８０）。そして、座標系Σ２ａ’とショベル座標系Σ５およびバケット先端座標系Σ９から、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを求める（ステップＳ４９０）。そして、ステップＳ１７０へと移行して演算を繰り返す。
【００８１】
本実施形態では、ステップＳ４５０の処理のように、ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外の場合、ＧＰＳ＿Ａについてヨウ角θｙで補正する点に特徴がある。
ステップＳ４４０，Ｓ４６０の処理は上部旋回体の傾斜角（ピッチ角度及びロール角度）に対する補正であり、上部旋回体が水平状態にある場合にはこの処理は必要ないものである。
【００８２】
次に、図１０を用いてショベル座標系基準演算処理の内容について説明する。
【００８３】
ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂが共にＦＩＸ以外であり補正演算中である旨を表示装置４６に表示する（ステップＳ５１０）。次に、表示装置４６もしくはスピーカ４７により、油圧ショベル１の走行動作を禁止する旨をオペレータに指示する（ステップＳ５２０）。次に、座標系Σ５＿ｐｒｖのｙ軸周りに座標系Σ５＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ２）の回転を行って、座標系Σ５’を求める（ステップＳ５３０）。
次に、既知の寸法データと、角度センサ２１〜２３で検出したブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８からバケット先端座標系Σ９を求める（ステップＳ５３０）。そして、座標系Σ５’とバケット先端座標系Σ９から、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを求める（ステップＳ５４０）。
次に、ＧＰＳ＿ＮＧフラグをＯＮする（ステップＳ５６０）。そして、ステップＳ１７０へと移行して演算を繰り返す。
【００８４】
以上のような演算を行うことによって、バケット７の前端位置の３次元空間での絶対位置を求めることができ、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が変化した場合でも、高い精度でバケット７の前端位置の３次元空間での絶対位置を求めることができる。
【００８５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、傾斜センサで油圧ショベルのピッチ角度およびロール角度、ジャイロによりヨウ角度を計測して補正を行うことにより、ＧＰＳの計測精度が変化した場合でも高い精度でモニタポイントの位置を計測することができ、位置計測システムの信頼性を向上することができる。したがって、作業効率および施工管理効率を高めることができる。
【００８６】
次に、図１２〜図１４を用いて、本発明の他の実施の形態による作業機械の位置計測システムについて説明する。本実施の形態は、前述の実施の形態と同様に、作業機械の一つである建設機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用し、油圧ショベルのバケット先端にモニタポイントを設定したものである。
【００８７】
本実施形態では、ジャイロによるヨウ角度の補正が行うが、傾斜角センサによる上部旋回体の傾斜角（ピッチ角度及びロール角度）に対する補正は行わないものである。特に、上部旋回体が水平状態にある場合に有効なものである。
【００８８】
本実施の形態による作業機械の位置計測システムの構成は、図１に示したものと同様である。本の実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた油圧ショベルの外観は、図２に示したものと同様である。但し、傾斜角に対する補正は行わないため、傾斜センサ２４は不要である。
【００８９】
ＧＰＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成は、図３に示したものと同様である。バケット７の先端の３次元空問での絶対位置を演算するために使用する座標系は、図４に示したものと同様である。グローバル座標系の概念は、図５に示したものと同様である。
【００９０】
全体の演算処理手順は、図６に示したものと同様である。但し、ステップＳ１１０においては、センサの計測データとして傾斜角センサの計測データの読み込みは行わない。
【００９１】
次に、図１２を用いて通常演算処理の内容について説明する。
【００９２】
通常演算処理の内容は、図７に示したものと同様であるが、ステップＳ２５０Ａにおいて、ＧＰＳアンテナ３１，３２のグローバル座標系Σ０での３次元位置Ｐａ，Ｐｂとにより、グローバル座標系に対するＧＰＳ座標系Σ２ａおよびΣ２ｂを求める。すなわち、傾斜センサ２４で計測したピッチ角度θｐは用いないものである。
【００９３】
次に、図１３を用いてＧＰＳ＿Ａ補正演算処理の内容について説明する。
【００９４】
ＧＰＳ＿Ａ補正演算処理の内容は、図８に示したものと同様であるが、ステップＳ３４０と、ステップＳ３６０の処理が省略されており、ステップＳ３５０の処理結果が直接ＧＰＳ座標系Σ２ｂ’ となる。
【００９５】
次に、図１４を用いてＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理の内容について説明する。
【００９６】
ＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理の内容は、図９に示したものと同様であるが、ステップＳ４４０と、ステップＳ４３６０の処理が省略されており、ステップＳ４５０の処理結果が直接ＧＰＳ座標系Σ２ａ’ となる。
【００９７】
ショベル座標系基準演算処理は、図１０に示したものと同様である。
【００９８】
以上のような演算を行うことによって、バケット７の前端位置の３次元空間での絶対位置を求めることができ、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が変化した場合でも、高い精度でバケット７の前端位置の３次元空間での絶対位置を求めることができる。
【００９９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ジャイロによりヨウ角度を計測して補正を行うことにより、ＧＰＳの計測精度が変化した場合でも高い精度でモニタポイントの位置を計測することができ、位置計測システムの信頼性を向上することができる。したがって、作業効率および施工管理効率を高めることができる。
【０１００】
なお、以上の説明では、ＧＰＳを利用した油圧ショベルのような建設機械に本発明を適当した実施の形態について説明したが、ＧＰＳの代わりに、レーザを利用したトータルステーションシステムに対しても、本発明は適用できるものである。トータルステーションシステムでは、レーザからの信号が途切れた場合、補正演算処理を行うことにより位置精度の低下を防止することができる。また、建設機械の場合には、下部走行体とその上部の上部旋回体から構成されるが、地雷探知機械や地雷破壊機械のように下部走行体のみを有する作業機械に対しても、本発明は適用できるものである。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明によれば、車載ＧＰＳの計測精度変化が生じた場合でもモニタポイントの位置を正確に計測でき、作業効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた作業位置計測システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係わる作業位置計測システムを搭載した油圧ショベルの外観を示す図である。
【図３】ＧＰＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成を示すブロック図である。
【図４】バケットの先端の３次元空間での絶対位置を演算するために使用する座標系を示す図である。
【図５】グローバル座標系の概要を説明する図である。
【図６】全体の演算処理手順を示すフローチャートである。
【図７】通常演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図８】ＧＰＳ＿Ａ補正演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図９】ＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図１０】ショベル座標系基準演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図１１】ＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理の内容を示すフローチャートである。
【図１２】他の実施の形態における通常演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図１３】他の実施の形態におけるＧＰＳ＿Ａ補正演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図１４】他の実施の形態におけるＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 油圧ショベル
２ 下部走行体
３ 上部旋回体
４ フロント作業機
５ ブーム
６ アーム
７ バケット
２１〜２３ 角度センサ
２４ 傾斜センサ
２５ ジャイロ
３１，３２ ＧＰＳアンテナ
３３，３５ 無線アンテナ
４１，４７ 無線機
４２ 分配器
４３，４４ ＧＰＳ受信機
４５ コンピュータ
４６ 表示装置
４８ スピーカ
５０ 事務所
５２ ＧＰＳアンテナ
５３，５４ 無線アンテナ
５５ ＧＰＳ受信機
５６，５７ 無線機
５８ コンピュータ
５９ 表示装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベル等の作業機械の位置計測システムに係り、特に、モニタポイントの３次元空間における絶対位置を計測するに好適な作業機械の位置計測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、建設施工現場においてＧＰＳ等の３次元位置計測装置を用いて建設機械のモニタポイントの位置を計測し、作業管理を行うことがなされている。モニタポイントの代表例としては、建設機械の作業装置の位置，例えば油圧ショベルのバケット先端位置がある。このバケット先端位置を計測できれば、その計測データを予め設定した地形データや目標形状データと比較することにより施工中の作業進行状況を把握でき、施工中の管理が行える。また、施工後も、計測データから出来形データ（例えば掘削地形データ）を生成することで、施工管理が行える。
【０００３】
このような位置計測システムの従来技術として、例えば、特開２００１−９８５８５号公報に記載のように、掘削用作業機（バケット）の３次元位置を計測して作業平面を演算し、３次元目標地形との交線を求めて、交線と掘削用作業機との相対位置を表示し、ブーム、アームおよびバケット角度センサと、車体前後に設置したＧＰＳとによりバケット先端位置を計測するものも知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−９８５８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−９８５８５号公報に記載されているものでは、ＧＰＳの計測精度変化が問題となる。車体やバケット等の掘削作業機の位置を計測するための車載ＧＰＳは、ＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）−ＧＰＳを使用するのが一般的である。これは、基準局として車体とは別にＧＰＳ（以下、ＧＰＳ基準局とする）を設置し、このＧＰＳ基準局より送信される補正データを受信してＧＰＳ衛星からの信号と併せて処理することで、車載ＧＰＳアンテナの位置が約±１〜２ｃｍの精度（ＦＩＸ状態）で計測できるものである。
【０００６】
しかし、このＲＴＫ−ＧＰＳは、ＧＰＳ衛星からの信号とＧＰＳ基準局より送信される補正データの受信状態とにより、計測状態が左右され、受信できる衛星の数が減少したり、ＧＰＳ基準局からの補正データを受信できない場合、計測精度が約±２０〜３０ｃｍのＦＬＯＡＴ状態や、約±１ｍのＤＧＰＳ（デファレンシャルＧＰＳ）状態および約±１０ｍの単独計測状態へと変化することがある。
【０００７】
このように、車載ＧＰＳの計測精度が変化すると、管理を行う上で満足な計測結果が得られないため、作業を中断しなければならず、作業効率が低下してしまうという問題がある。特に、特開２００１−９８５８５号公報に記載のものにおいては、ＧＰＳの計測結果から間接的にバケット位置を計測しているため影響が大きいものである。
【０００８】
本発明の目的は、計測精度変化が生じた場合でもモニタポイントの位置を正確に計測でき、作業効率の高い作業機械の位置計測システムを提供することにある。
【０００９】
なお、本明細書中において「３次元空間の絶対位置」とは、建設機械の外部に設定された座標系により表現した位置のことであり、例えば３次元位置計測装置としてＧＰＳを用いる場合は、ＧＰＳで緯度、経度および高さの基準として用いる準拠楕円体に固定した座標系により表現した位置のことである。
【００１０】
また、本明細書では、この準拠楕円体に設定した座標系をグローバル座標系と呼ぶ。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、機械本体と作業機とを有する作業機械の位置計測システムにおいて、前記機械本体に設けられ、３次元空間における位置を計測する少なくとも２個の３次元位置計測手段と、前記少なくとも２個の位置計測手段によって計測された値に基づいて、モニタポイントの３次元空間における位置を演算する位置演算手段と、前記作業機械のヨウ角を計測するヨウ角計測手段とを備え、前記位置演算手段は、前記少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの３次元位置計測手段による計測精度が低下すると、前記ヨウ角計測手段によって計測されたヨウ角に基づいて前記モニタポイントの位置演算を補正するようにしている。
このように少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの３次元位置計測手段による計測精度が低下した場合には、ヨウ角計測手段によって計測されたヨウ角に基づいてモニタポイントの位置演算を補正することにより、計測精度変化が生じた場合でもモニタポイントの位置を正確に計測でき、作業効率を向上することができる。
【００１２】
（２）上記（１）において、好ましくは、さらに、前記作業機械の傾斜量を計測する傾斜量計測手段を備え、前記位置演算手段は、上記少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの３次元位置計測手段による計測精度が低下すると、前記ヨウ角計測手段によって計測されたヨウ角及び傾斜量計測手段によって計測された傾斜量に基づいて前記モニタポイントの位置演算を補正するようにしている。
【００１３】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記位置演算手段は、補正が行われる場合にはその旨をオペレータに知らせるようにする。
【００１４】
（４）上記（１）において、好ましくは、前記位置演算手段は、上記少なくとも２個の３次元位置計測手段のすべての計測精度が低下すると、前記車体の走行禁止をオペレータに知らせるようにする。
【００１５】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記位置演算手段は、上記少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの計測精度が復帰すると、前記車体の走行可能をオペレータに知らせるようにする。
【００１６】
（６）上記（３）〜（５）のいずれかにおいて、好ましくは、前記位置演算手段による演算結果に基づき前記モニタポイントの位置を表示する第１表示手段を備え、この第１表示手段にオペレータに対する通知を表示するようにする。
【００１７】
（７）上記（３）〜（５）のいずれかにおいて、好ましくは、前記位置演算手段による演算結果のモニタポイントの位置データを出力するデータ出力手段と、前記建設機械とは異なる位置に設置され、前記データ出力手段により出力された位置データを入力するデータ入力手段と、このデータ入力手段により入力した位置データに基づき前記モニタポイントの位置を表示する第２表示手段とを備え、この第２表示手段にオペレータに対する通知を表示するようにする。
【００１８】
（８）上記（１）〜（７）において、好ましくは、前記作業機は、回転可能な複数の部材で構成され、前記モニタポイントは前記作業機に設定され、前記作業機の複数の部材間の角度を検出する角度計測手段を備え、前記位置演算手段は、前記少なくとも２個の３次元位置計測手段及び前記角度計測手段によって計測された値に基づいて、前記モニタポイントの３次元空間における位置を演算するようにしたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１１を用いて、本発明の実施の形態による作業機械の位置計測システムについて説明する。本実施の形態は、作業機械の一つである建設機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用し、油圧ショベルのバケット先端にモニタポイントを設定したものである。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態による作業機械の位置計測システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
位置計測システムは、基準局からの補正データ（後述）をアンテナ３３を介して受信する無線機４１と、この無線機４１で受信した補正データを分配する分配機４２と、この分配機４２で分配した補正データとＧＰＳアンテナ３１，３２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号とに基づいてＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置をリアルタイムに計測するＧＰＳ受信機４３，４４と、このＧＰＳ受信機４３，４４からの位置データと角度センサ２１，２２，２３や傾斜センサ２４やジャイロ２５など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１のバケット７の先端（モニタポイント）の位置を演算し、さらに後述する３次元目標地形を示すデータが所定のメモリに記憶されているパネルコンピュータ４５と、このパネルコンピュータ４５により演算された位置データや３次元目標地形をイラスト等を交えて表示する表示装置４６と、パネルコンピュータ４５により演算された位置データ及びその演算状態データをアンテナ３５を介して送信するための無線機４７と、コンピュータ４５での演算状態を音声によりオペレータに知らせるためのスピーカ４８とを備えている。なお、ＧＰＳアンテナ３１とＧＰＳ受信機４３，ＧＰＳアンテナ３２とＧＰＳ受信機４４はそれぞれ１セットのＧＰＳ（Ｇｒｏｂａ１ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を構成している。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた油圧ショベルの外観を示す図である。
【００２３】
油圧ショベル１は下部走行体２と、下部走行体２上に旋回可能に設けられ、下部走行体２と共に本体を構成する上部旋回体３と、上部旋回体３に設けられたフロント作業機４とからなる。フロント作業機４は上部旋回体３に上下方向に回転可能に設けられたブーム５と、ブーム５の先端に上下方向に回転可能に設けられたアーム６と、アーム６の先端に上下方向に回転可能に設けられたバケット７とで構成され、それぞれ、ブームシリンダ８、アームシリンダ９、バケットシリンダ１０を伸縮することにより駆動される。上部旋回体３には運転室１１が設けられている。
【００２４】
また、油圧ショベル１には、上部旋回体３とブーム５との回転角（ブーム角度）を検出する角度センサ２１と、ブーム５とアーム６との回転角（アーム角度）を検出する角度センサ２２と、アーム６とバケット７との回転角（バケット角度）を検出する角度センサ２３と、上部旋回体３の前後方向の傾斜角（ピッチ角度）及び左右方向の傾斜角（ロール角度）を検出する傾斜センサ２４、油圧ショベル１のヨウ角度を検出するジャイロ２５とが設けられている。
【００２５】
更に、油圧ショベル１には、ＧＰＳ衛星からの信号を受信する２個のＧＰＳアンテナ３１，３２と、基準局からの補正データ（後述）を受信するための無線アンテナ３３と、位置データを送信する無線アンテナ３５が設けられている。２個のＧＰＳアンテナ３１，３２は上部旋回体３の旋回中心から外れた旋回体後部の左右に設置されている。
【００２６】
図３は、ＧＰＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成を示すブロック図である。
【００２７】
油圧ショベル１やバケット７等の位置や作業管理を行う事務所５１には、ＧＰＳ衛星からの信号を受信するＧＰＳアンテナ５２と、補正データを油圧ショベル１に送信する無線アンテナ５３と、油圧ショベル１から上述した油圧ショベル１やバケット７等の位置データ及びその演算状態データを受信する無線アンテナ５４と、予め計測された３次元位置データとＧＰＳアンテナ５２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号とに基づき、上述した油圧ショベル１のＧＰＳ受信機４３，４４でＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）計測を行うための補正データを生成するＧＰＳ基準局としてのＧＰＳ受信機５５，ＧＰＳ受信機５５で生成された補正データをアンテナ５３を介して送信するための無線機５６と、アンテナ５４を介して位置データを受信する無線機５７と、無線機５７により受信した位置データ及びその演算状態データに基づき油圧ショベル１やバケット７の位置を表示・管理したり３次元目標地形を示すデータを表示するための演算を行うコンピュータ５８と、このコンピュータ５８により演算した位置データ，演算状態データと管理データ、３次元目標地形をイラスト等を交えて表示する表示装置５９が設置されている。ＧＰＳアンテナ５２とＧＰＳ受信機５５は１セットのＧＰＳを構成する。
【００２８】
次に、本実施の形態に係わる位置計測システムの動作の概要を説明する。本実施の形態では高精度での位置計測を行うため、図１に示したＧＰＳ受信機４３，４４でそれぞれＲＴＫ計測を行う。このためには先ず、図３に示した補正データを生成するＧＰＳ基準局５５が必要となる。ＧＰＳ基準局５５は、上記のように予め３次元計測されたアンテナ５２の位置データとアンテナ５２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号とに基づいて、ＲＴＫ計測のための補正データを生成し、生成された補正データは、無線機５６によりアンテナ５３を介して一定周期で送信される。
【００２９】
一方、図１に示した車載側のＧＰＳ受信機４３，４４は、アンテナ３３を介して無線機４１，４２により受信される補正データと、アンテナ３１，３２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号に基づき、アンテナ３１，３２の３次元位置をＲＴＫ計測する、このＲＴＫ計測によって、アンテナ３１，３２の３次元位置が約±１〜２ｃｍの精度で計測される。そして、計測された３次元位置データはパネルコンピュータ４５に入力される。
【００３０】
また、傾斜センサ２４によって油圧ショベル１のピッチ角度及びロール角度、角度センサ２１〜２３によってそれぞれブーム５、アーム６及びバケット７の各角度、ジャイロ２５によって油圧ショベル１のヨウ角度が計測され、同様にパネルコンピュータ４５に入力される。
【００３１】
パネルコンピュータ２５はＧＰＳ受信機４３，４４からの位置データと、各種センサ２１〜２４からの各角度データに基づき、一般的なベクトル演算と座標変換を行って、バケット７の先端の３次元位置を演算する。
【００３２】
次に、図４〜図１１を用いてパネルコンピュータ４５における３次元位置演算処理について説明する。
【００３３】
図４は、バケット７の先端の３次元空問での絶対位置を演算するために使用する座標系を示す図である。
【００３４】
図４において、Σ０はＧＰＳの準拠楕円体の中心に原点Ｏ０を持つグローバル座標系、Σ１ａ，Σ２ａ，Σ２ｂ，Σ２ａ’およびΣ２ｂ’はそれぞれＧＰＳアンテナ３１および３２の計測位置を原点に持つＧＰＳ座標系、Σ５およびΣ５’は油圧ショベル１の上部旋回体３に固定され、旋回べースフレームと旋回中心との交点に原点を持つショベル座標系、Σ９はバケット７に固定され、バケット７の先端に原点を持つバケット先端座標系である。
【００３５】
なお、Ｇｐｒは傾斜センサ２４で計測される油圧ショベル１のピッチ角度θｐとロール角度θｒに基づいて求めらる油圧ショベル１の車体に垂直なベクトルを示す。
【００３６】
グローバル座標系Σ０でのＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置が分かれば、その位置関係からＧＰＳ座標系Σ１ａを求めることができ、さらに、油圧ショベル１のピッチ角度θｐとからＧＰＳ座標系Σ２ａおよびΣ２ｂを求めることができる。
【００３７】
そして、ＧＰＳアンテナ３１，３２の油圧ショベル１上における位置関係ｘｇａ，ｘｇｂ，ｙｇａ，ｙｇｂ，ｚｇａ，ｚｇｂおよびｄ５は既知であるので、ショベル座標系Σ５を求めことができる。
【００３８】
また、ショベル座標系Σ５の原点Ｏ５と、ブーム５の基端との位置関係ａ６およびｄ６と、ブーム５、アーム６およびバケット７の寸法ａ７，ａ８およびａ９は既知であるので、ブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８が分かれば、バケット先端座標系Σ９を求めることができる。
【００３９】
従って、ＧＰＳ受信機４３，４４で計測したＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置をグローバル座標系Σ０での値として求め、傾斜センサ２４で油圧ショベル１のピッチ角度θｐと計測し、角度センサ２１〜２３でブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８を計測して座標変換演算を行うことにより、バケット７の先端位置をグローバル座標系Σ０での値で求めることができる。
【００４０】
図５は、グローバル座標系の概念を説明する図である。
【００４１】
図５において、ＧはＧＰＳで用いる準拠楕円体であり、グローバル座標系Σ０の原点Ｏ０は準拠楕円体の中心に設定されている。また、グローバル座標系Σ０のｘ０軸方向は赤道Ａと子午線Ｂの交点Ｃと準拠楕円体Ｇの中心を通る線上に位置し、ｚ０軸方向は準拠楕円体Ｇの中心から南北に延ばした線上に位置し、ｙ０軸方向はｘ０軸とｚ０軸に直交する線上に位置している。ＧＰＳでは、地球上の位置を緯度および軽度と、準拠楕円体Ｇに対する高さで表現するので、このようにグローバル座標系Σ０を設定することで、ＧＰＳの位置情報をグローバル座標系Σ０での値に容易に変換することができる。
【００４２】
次に、図４を用いて車載ＧＰＳの計測精度変化が生じた場合の演算処理について説明する。
【００４３】
前述したように、車載ＧＰＳの計測精度は常に最良の状態（ＦＩＸ）とは限らない。従って、車載ＧＰＳの計測精度がＦＩＸ以外の場合は何らかの補正を行わなければならない。
【００４４】
先ず、第１のケースとして、ＧＰＳアンテナ３１とＧＰＳ受信機４３で構成されるＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外となった場合について説明する。
【００４５】
この場合は、ＧＰＳアンテナ３２とＧＰＳ受信機４４で構成されるＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ状態を保っているので、ＧＰＳ座標系Σ２ｂを基準として考えればよい。
【００４６】
ここで、ＧＰＳ＿ＡとＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸ状態、すなわち、ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外となる１サイクル前のＧＰＳ座標系Σ２ｂをΣ２ｂ＿ｐｒｖ、油圧ショベル１のヨウ角度をθｙ＿ｐｒｖ１とおく。そして、座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖをＧＰＳアンテナ３２の現在位置（Ｏ２ｂ’）に平行移動する。次に、平行移動した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸をＧＰＳアンテナ３２の現在位置（Ｏ２ｂ’）の重力軸に合致するように平行移動した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖを等価回転変換する。次に、等価回転変換した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸周りに等価回転変換した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ１）の回転を行う。次に、回転した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸を油圧ショベル１の車体に垂直な単位ベクトルＧｐｒに合致するように回転した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖを等価回転変換して座標系Σ２ｂ’を求める。
【００４７】
このようにして求めた座標系Σ２ｂ’と、既知データであるＸｂ，ｙｂ，Ｚｂおよびｄ５と、ブーム５の基端との位置関係ａ６およびｄ６と、ブーム５、アーム６およびバケット７の寸法ａ７，ａ８およびａ９、さらに、ブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８から求められるショベル座標系Σ５とバケット先端座標系Σ９により、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置を求めることができる。
【００４８】
従って、ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外となった場合でもバケット７の先端位置を高精度で求めることができ、さらに、油圧ショベル１の走行、旋回を含むフロント作業といった動作にいっさいの制限は生じない。
【００４９】
次に、第２のケースとして、ＧＰＳアンテナ３２とＧＰＳ受信機４４で構成されるＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外となった場合について説明する。
【００５０】
この場合は、ＧＰＳアンテナ３１とＧＰＳ受信機４３で構成されるＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ状態を保っているので、ＧＰＳ座標系Σ２ａを基準として考えればよい。
【００５１】
ここで、ＧＰＳ＿ＡとＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸ状態、すなわち、ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外となる１サイクル前のＧＰＳ座標系Σ２ａをΣ２ａ＿ｐｒｖ、油圧ショベル１のヨウ角度をθｙ＿ｐｒｖ１とおく。そして、座標系Σ２ａ＿ｐｒｖをＧＰＳアンテナ３１の現在位置（Ｏ２ａ’）に平行移動する。次に、平行移動した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸をＧＰＳアンテナ３１の現在位置（Ｏ２ａ’）の重力軸に合致するように平行移動した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを等価回転変換する。次に、等価回転変換した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸周りに等価回転変換した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ１）の回転を行う。次に、回転した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸を油圧ショベル１の車体に垂直な単位ベクトルＧｐｒに合致するように回転した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを等価回転変換して座標系Σ２ａ’を求める。
【００５２】
このようにして求めた座標系Σ２ａ’と、既知データであるｘａ，ｙａ，ｚａおよびｄ５と、ブーム５の基端との位置関係ａ６およびａ６と、ブーム５、アーム６およびバケット７の寸法ａ７，ａ８およびａ９、さらに、ブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８から求められるショベル座標系Σ５とバケット先端座標系Σ９により、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置を求めることができる。
【００５３】
従って、ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外となった場合でもバケット７の先端位置を高精度で求めることができ、さらに、油圧ショベル１の走行、旋回を含むフロント作業といった動作にいっさいの制限は生じない。
【００５４】
次に、第３のケースとして、ＧＰＳ＿ＡとＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸ以外となった場合について説明する。
【００５５】
この場合は、ショベル座標系Σ５を基準として考えればよい。
【００５６】
ここで、ＧＰＳ＿ＡとＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸ以外となる１サイクル前のグローバル座標系Σ０に対するショベル座標系Σ５をΣ５＿ｐｒｖ、油圧ショベル１のヨウ角度をθｙ＿ｐｒｖ２とおく。そして、座標系Σ５＿ｐｒｖのｙ軸周りに座標系Σ５＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ２）の回転を行って座標系Σ５ｂ’を求める。
【００５７】
このようにして求めた座標系Σ５ｂ’と、ブーム５の基端との位置関係ａ６およびｄ６と、ブーム５、アームおよびバケット７の寸法ａ７，ａ８およびａ９、さらに、ブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８により求められるバケット先端座標系Σ９とにより、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置を求めることができる。
【００５８】
従って、ＧＰＳ＿ＡとＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸ以外となった場合でもバケット７の先端位置を高精度で求めることがでる。ただし、この場合は油圧ショベル１を走行させてしまうと誤差が生じるため、旋回を含むフロント作業のみの動作にの制限される。
【００５９】
図６は全体の演算処理手順を示すフローチャートである。
【００６０】
図６において、最初に、演算スタートフラグおよび補正演算フラグをＯＦＦする（ステップＳ１００）。
【００６１】
次に、ＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置（緯度、経度、高さ）であるＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測データ及び、センサ２１，２２，２３，２４及びジャイロ２５の計測データを読み込む（ステップＳ１１０）。次に、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸかどうかを判定する（ステップＳ１２０）。共にＦＩＸの場合にはステップＳ２００に進み通常演算処理を実行し、いずれかがＦＩＸでない場合にはステップＳ１３０に進む。通常演算処理は、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸの場合、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの両方を用いてバケット先端位置を求める処理であり、その詳細については、図７を用いて後述する。
【００６２】
ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂのいずれかの計測精度がＦＩＸでない場合には、演算スタートフラグがＯＮかどうかを判定し（ステップＳ１３０）、ＯＮの場合はステップＳ１４０に進み、ＯＮでない場合はステップＳ１１０に戻りＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸとなるまで繰り返す。
【００６３】
ステップＳ１３０の判定でＯＮの場合は、補正演算フラグをＯＮし、表示装置４６もしくはスピーカ４７により、補正演算が行われる旨をオペレータに指示する（ステップＳ１４０）。
【００６４】
次に、ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸでＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外かどうかを判定する（ステップＳ１５０）。ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸでＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外の場合にはステップＳ３００に進みＧＰＳ＿Ａ補正演算処理を実行し、そうでない場合にはステップＳ１６０に進む。ＧＰＳ＿Ａ補正演算処理は、ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸでないので、ＧＰＳ＿Ｂの計測データを用いてバケット先端位置を求める処理であり、その詳細については、図８を用いて後述する。
【００６５】
ステップＳ１５０の判定結果が偽の場合は、ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸでＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外かどうかを判定する（ステップＳ１６０）。
ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸでＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外の場合にはステップＳ４００に進みＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理を実行し、そうでない場合にはステップＳ５００に進みショベル座標系基準演算処理を実行する。ＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理は、ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸでないので、ＧＰＳ＿Ａの計測データを用いてバケット先端位置を求める処理であり、その詳細については、図９を用いて後述する。ショベル座標系基準演算処理は、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸでない場合、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂを用いることができないため、ショベル座標系を用いてバケット先端位置を求める処理であり、その詳細については、図１０を用いて後述する。
【００６６】
通常演算処理（ステップＳ２００），ＧＰＳ＿Ａ補正演算処理（ステップＳ３００），ＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理（ステップＳ４００），ショベル座標系基準演算処理（ステップＳ５００）がそれぞれ終了すると、それぞれの処理で求められたグローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを緯度、経度、高さに変換する（ステップＳ１７０）。このための演算式は一般的によく知られているものなので、ここでは省略する。
【００６７】
次に、表示装置４６にバケット７の先端位置を表示する（ステップＳ１８０）。表示装置４６に表示されるバケット先端位置は、例えば、３次元地形データ上に、油圧ショベル本体と共にイラストにより表示する。次に、バケット先端位置データ及びバケット先端位置の演算状態（補正状態）に関するデータを無線機４７により事務所側に送信する（ステップＳ１９０）。そして、ステップＳ１１０に戻り繰り返し演算を実行する。
【００６８】
次に、図７を用いて通常演算処理の内容について説明する。
【００６９】
ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸの場合、最初に、演算スタートフラグがＯＦＦならばＯＮし、さらに、補正演算フラグがＯＮならばＯＦＦする（ステップＳ２１０）。
【００７０】
次に、ＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理を実行する（ステップＳ６００）、ＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理の詳細は、図１１に示されている。ＧＰＳ＿ＮＧフラグは、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸでないかどうかを示すフラグであり、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸでない場合に、図１０のショベル座標系基準演算処理において、このＮＧフラグがＯＮされており、そうでないときＯＦＦとなっている。図１１において、ＧＰＳ＿ＮＧフラグがＯＦＦか否かを判定し（ステップＳ６１０）、ＯＦＦのときはそのまま処理を終了し、ＯＮのときはステップＳ６２０に進む。ＧＰＳ＿ＮＧフラグがＯＮのときは、走行可能を指令し（ステップＳ６２０）、ＧＰＳ＿ＮＧフラグをＯＦＦにする（ステップＳ６３０）。すなわち、ステップＳ１３０の判定でＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が共にＦＩＸとなったので、ＮＧフラグをＯＮからＯＦＦにする。なお、ステップＳ５００の処理について後述するように、ＮＧフラグがＯＮの場合には下部走行体による走行を禁止しているので、それを解除して走行可能を指令する。
【００７１】
次に、ＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理が終了すると、図７に戻り、ＧＰＳ＿Ａ及びＧＰＳ＿Ｂ共に計測精度がＦＩＸである旨を表示装置４６に表示する（ステップＳ２２０）。次に、ジャイロ２５により計測される油圧ショベル１のヨウ角度θｙをθｙ＿ｐｒｖ１及びθｙ＿ｐｒｖ２として記憶する（ステップＳ２３０）。次に、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測データをそれぞれグローバル座標系Σ０での３次元位置Ｐａ，Ｐｂに変換する（ステップＳ２４０）。このための演算は一般的によく知られているものなので、ここでは省略する。次に、ＧＰＳアンテナ３１，３２のグローバル座標系Σ０での３次元位置Ｐａ，Ｐｂと、傾斜センサ２４で計測したピッチ角度θｐとにより、グローバル座標系に対するＧＰＳ座標系Σ２ａおよびΣ２ｂを求める（ステップＳ２５０）。この演算は座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。次に、ＧＰＳ座標系Σ２ａおよびΣ２ｂをそれぞれ、Σ２ａ＿ｐｒｖおよびΣ２ｂ＿ｐｒｖとして記憶する（ステップＳ２６０）。次に、ＧＰＳ座標系Σ２ａと、既知の寸法データから予め求めておいたＧＰＳ＿Ａから見たショベル座標系Σ５ａからグローバル座標系Σ０に対するショベル座標系Σ５＿ｐｒｖを求め、記憶する（ステップＳ２７０）。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。次に、既知の寸法データと、角度センサ２１〜２３で検出したブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８からショベル座標系Σ５ａに対するバケット先端座標系Σ９を求める（ステップＳ２８０）。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。
【００７２】
そして、ＧＰＳ座標系Σ２ａとショベル座標系Σ５およびバケット先端座標系Σ９から、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを求める（ステップＳ２９０）。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。
【００７３】
通常演算処理（ステップＳ２００）が終了すると、図６のステップＳ１７０で、求められたグローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを緯度、経度、高さに変換し、ステップＳ１１０に戻り繰り返し演算を実行する。
【００７４】
次に、図８を用いてＧＰＳ＿Ａ補正演算処理の内容について説明する。
【００７５】
ステップＳ６００においてＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理を実行した後、ＧＰＳ＿ＡがＦＩＸであり補正演算中である旨を表示装置４６に表示する（ステップＳ３１０）。次に、ジャイロ２５により計測される油圧ショベル１のヨウ角度θｙをθｙ＿ｐｒｖ２として記憶する（ステップＳ３２０）。次に、ＧＰＳ＿Ｂの計測データをグローバル座標系Σ０での３次元位置Ｐｂに変換し、Σ２ｂ＿ｐｒｖの原点をＰｂへ平行移動する（ステップＳ３３０）。次に、平行移動した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸を重力軸に合致するように、平行移動した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖを等価回転変換する（ステップＳ３４０）。次に、等価回転変換した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸周りに等価回転変換した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ１）の回転を行う（ステップＳ３５０）。次に、回転した座標系Σ２ｂ＿ｐｒｖのｙ軸を油圧ショベル１の車体に垂直なベクトルＧｐｒに含致するように、回転した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを等価回転変換してΣ２ｂ’を求める（ステップＳ３６０）。次に、ＧＰＳ座標系Σ２ｂ’ と、既知の寸法データから予め求めておいたＧＰＳ＿Ｂから見たショベル座標系Σ５ｂとから、グローバル座標系Σ０に対するショベル座標系Σ５＿ｐｒｖを求め、記憶する（ステップＳ３７０）。次に、既知の寸法データと、角度センサ２１〜２３で検出したブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８からショベル座標系に対するバケット先端座標系Σ９を求める（ステップＳ３８０）。そして、座標系Σ２ｂ’とショベル座標系Σ５およびバケット先端座標系Σ９から、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを求める（ステップＳ３９０）。そして、ステップＳ１８０へと移行して演算を繰り返す。
【００７６】
本実施形態では、ステップＳ３５０の処理のように、ＧＰＳ＿Ａの計測精度がＦＩＸ以外の場合、ＧＰＳ＿Ｂについてヨウ角θｙで補正する点に特徴がある。
ステップＳ３４０，Ｓ３６０の処理は上部旋回体の傾斜角（ピッチ角度及びロール角度）に対する補正であり、上部旋回体が水平状態にある場合にはこの処理は必要ないものである。
【００７７】
次に、図９を用いてＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理の内容について説明する。
【００７８】
ステップＳ６００においてＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理を実行した後、ＧＰＳ＿ＢがＦＩＸであり補正演算中である旨を表示装置４６に表示する（ステップＳ４１０）。次に、ジャイロ２５により計測される油圧ショベル１のヨウ角度θｙをθｙ＿ｐｒｖ２として記憶する（ステップＳ４２０）。次に、ＧＰＳ＿Ａの計測データをグローバル座標系Σ０での３次元位置Ｐａに変換し、Σ２ａ＿ｐｒｖの原点をＰａへ平行移動する（ステップＳ４３０）。次に、平行移動した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸を重力軸に合致するように、平行移動した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを等価回転変換する（ステップＳ４４０）。次に、等価回転変換した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸周りに等価回転変換した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ１）の回転を行う（ステップＳ４５０）。
【００７９】
次に、回転した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖのｙ軸を油圧ショベル１の車体に垂直なベクトルＧｐｒに合致するように、回転した座標系Σ２ａ＿ｐｒｖを等価回転変換してΣ２ａ’を求める（ステップＳ４６０）。次に、ＧＰＳ座標系Σ２ａ’と、既知の寸法からデータ予め求めておいたＧＰＳ＿Ａから見たショベル座標系Σ５ａとからグローバル座標系Σ０に対するショベル座標系Σ５＿ｐｒｖを求め、記憶する（ステップＳ４７０）。
【００８０】
次に、既知の寸法データと、角度センサ２１〜２３で検出したブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８からショベル座標系に対するバケット先端座標系Σ９を求める（ステップＳ４８０）。そして、座標系Σ２ａ’とショベル座標系Σ５およびバケット先端座標系Σ９から、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを求める（ステップＳ４９０）。そして、ステップＳ１７０へと移行して演算を繰り返す。
【００８１】
本実施形態では、ステップＳ４５０の処理のように、ＧＰＳ＿Ｂの計測精度がＦＩＸ以外の場合、ＧＰＳ＿Ａについてヨウ角θｙで補正する点に特徴がある。
ステップＳ４４０，Ｓ４６０の処理は上部旋回体の傾斜角（ピッチ角度及びロール角度）に対する補正であり、上部旋回体が水平状態にある場合にはこの処理は必要ないものである。
【００８２】
次に、図１０を用いてショベル座標系基準演算処理の内容について説明する。
【００８３】
ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂが共にＦＩＸ以外であり補正演算中である旨を表示装置４６に表示する（ステップＳ５１０）。次に、表示装置４６もしくはスピーカ４７により、油圧ショベル１の走行動作を禁止する旨をオペレータに指示する（ステップＳ５２０）。次に、座標系Σ５＿ｐｒｖのｙ軸周りに座標系Σ５＿ｐｒｖを（θｙ−θｙ＿ｐｒｖ２）の回転を行って、座標系Σ５’を求める（ステップＳ５３０）。
次に、既知の寸法データと、角度センサ２１〜２３で検出したブーム角度φ６、アーム角度φ７およびバケット角度φ８からバケット先端座標系Σ９を求める（ステップＳ５３０）。そして、座標系Σ５’とバケット先端座標系Σ９から、グローバル座標系Σ０でのバケット７の先端位置Ｐｂｋを求める（ステップＳ５４０）。
次に、ＧＰＳ＿ＮＧフラグをＯＮする（ステップＳ５６０）。そして、ステップＳ１７０へと移行して演算を繰り返す。
【００８４】
以上のような演算を行うことによって、バケット７の前端位置の３次元空間での絶対位置を求めることができ、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が変化した場合でも、高い精度でバケット７の前端位置の３次元空間での絶対位置を求めることができる。
【００８５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、傾斜センサで油圧ショベルのピッチ角度およびロール角度、ジャイロによりヨウ角度を計測して補正を行うことにより、ＧＰＳの計測精度が変化した場合でも高い精度でモニタポイントの位置を計測することができ、位置計測システムの信頼性を向上することができる。したがって、作業効率および施工管理効率を高めることができる。
【００８６】
次に、図１２〜図１４を用いて、本発明の他の実施の形態による作業機械の位置計測システムについて説明する。本実施の形態は、前述の実施の形態と同様に、作業機械の一つである建設機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用し、油圧ショベルのバケット先端にモニタポイントを設定したものである。
【００８７】
本実施形態では、ジャイロによるヨウ角度の補正が行うが、傾斜角センサによる上部旋回体の傾斜角（ピッチ角度及びロール角度）に対する補正は行わないものである。特に、上部旋回体が水平状態にある場合に有効なものである。
【００８８】
本実施の形態による作業機械の位置計測システムの構成は、図１に示したものと同様である。本の実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた油圧ショベルの外観は、図２に示したものと同様である。但し、傾斜角に対する補正は行わないため、傾斜センサ２４は不要である。
【００８９】
ＧＰＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成は、図３に示したものと同様である。バケット７の先端の３次元空問での絶対位置を演算するために使用する座標系は、図４に示したものと同様である。グローバル座標系の概念は、図５に示したものと同様である。
【００９０】
全体の演算処理手順は、図６に示したものと同様である。但し、ステップＳ１１０においては、センサの計測データとして傾斜角センサの計測データの読み込みは行わない。
【００９１】
次に、図１２を用いて通常演算処理の内容について説明する。
【００９２】
通常演算処理の内容は、図７に示したものと同様であるが、ステップＳ２５０Ａにおいて、ＧＰＳアンテナ３１，３２のグローバル座標系Σ０での３次元位置Ｐａ，Ｐｂとにより、グローバル座標系に対するＧＰＳ座標系Σ２ａおよびΣ２ｂを求める。すなわち、傾斜センサ２４で計測したピッチ角度θｐは用いないものである。
【００９３】
次に、図１３を用いてＧＰＳ＿Ａ補正演算処理の内容について説明する。
【００９４】
ＧＰＳ＿Ａ補正演算処理の内容は、図８に示したものと同様であるが、ステップＳ３４０と、ステップＳ３６０の処理が省略されており、ステップＳ３５０の処理結果が直接ＧＰＳ座標系Σ２ｂ’ となる。
【００９５】
次に、図１４を用いてＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理の内容について説明する。
【００９６】
ＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理の内容は、図９に示したものと同様であるが、ステップＳ４４０と、ステップＳ４３６０の処理が省略されており、ステップＳ４５０の処理結果が直接ＧＰＳ座標系Σ２ａ’ となる。
【００９７】
ショベル座標系基準演算処理は、図１０に示したものと同様である。
【００９８】
以上のような演算を行うことによって、バケット７の前端位置の３次元空間での絶対位置を求めることができ、ＧＰＳ＿ＡおよびＧＰＳ＿Ｂの計測精度が変化した場合でも、高い精度でバケット７の前端位置の３次元空間での絶対位置を求めることができる。
【００９９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ジャイロによりヨウ角度を計測して補正を行うことにより、ＧＰＳの計測精度が変化した場合でも高い精度でモニタポイントの位置を計測することができ、位置計測システムの信頼性を向上することができる。したがって、作業効率および施工管理効率を高めることができる。
【０１００】
なお、以上の説明では、ＧＰＳを利用した油圧ショベルのような建設機械に本発明を適当した実施の形態について説明したが、ＧＰＳの代わりに、レーザを利用したトータルステーションシステムに対しても、本発明は適用できるものである。トータルステーションシステムでは、レーザからの信号が途切れた場合、補正演算処理を行うことにより位置精度の低下を防止することができる。また、建設機械の場合には、下部走行体とその上部の上部旋回体から構成されるが、地雷探知機械や地雷破壊機械のように下部走行体のみを有する作業機械に対しても、本発明は適用できるものである。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明によれば、車載ＧＰＳの計測精度変化が生じた場合でもモニタポイントの位置を正確に計測でき、作業効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた作業位置計測システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係わる作業位置計測システムを搭載した油圧ショベルの外観を示す図である。
【図３】ＧＰＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成を示すブロック図である。
【図４】バケットの先端の３次元空間での絶対位置を演算するために使用する座標系を示す図である。
【図５】グローバル座標系の概要を説明する図である。
【図６】全体の演算処理手順を示すフローチャートである。
【図７】通常演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図８】ＧＰＳ＿Ａ補正演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図９】ＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図１０】ショベル座標系基準演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図１１】ＧＰＳ＿ＮＧフラグ処理の内容を示すフローチャートである。
【図１２】他の実施の形態における通常演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図１３】他の実施の形態におけるＧＰＳ＿Ａ補正演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図１４】他の実施の形態におけるＧＰＳ＿Ｂ補正演算処理の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 油圧ショベル
２ 下部走行体
３ 上部旋回体
４ フロント作業機
５ ブーム
６ アーム
７ バケット
２１〜２３ 角度センサ
２４ 傾斜センサ
２５ ジャイロ
３１，３２ ＧＰＳアンテナ
３３，３５ 無線アンテナ
４１，４７ 無線機
４２ 分配器
４３，４４ ＧＰＳ受信機
４５ コンピュータ
４６ 表示装置
４８ スピーカ
５０ 事務所
５２ ＧＰＳアンテナ
５３，５４ 無線アンテナ
５５ ＧＰＳ受信機
５６，５７ 無線機
５８ コンピュータ
５９ 表示装置
Claims (8)
- 機械本体と作業機とを有する作業機械の位置計測システムにおいて、
前記機械本体に設けられ、３次元空間における位置を計測する少なくとも２個の３次元位置計測手段と、
前記少なくとも２個の位置計測手段によって計測された値に基づいて、モニタポイントの３次元空間における位置を演算する位置演算手段と、
前記作業機械のヨウ角を計測するヨウ角計測手段とを備え、
前記位置演算手段は、前記少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの３次元位置計測手段による計測精度が低下すると、前記ヨウ角計測手段によって計測されたヨウ角に基づいて前記モニタポイントの位置演算を補正することを特徴とする作業機械の位置計測システム。 - 請求項１記載の作業機械の位置計測システムにおいて、さらに、
前記作業機械の傾斜量を計測する傾斜量計測手段を備え、
前記位置演算手段は、上記少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの３次元位置計測手段による計測精度が低下すると、前記ヨウ角計測手段によって計測されたヨウ角及び傾斜量計測手段によって計測された傾斜量に基づいて前記モニタポイントの位置演算を補正することを特徴とする作業機械の位置計測システム。 - 請求項１記載の作業機械の位置計測システムにおいて、
前記位置演算手段は、補正が行われる場合にはその旨をオペレータに知らせることを特徴とする作業機械の位置計測システム。 - 請求項１記載の作業機械の位置計測システムにおいて、
前記位置演算手段は、上記少なくとも２個の３次元位置計測手段のすべての計測精度が低下すると、前記作業機械の走行禁止をオペレータに知らせることを特徴とする作業機械の位置計測システム。 - 請求項４記載の作業機械の位置計測システムにおいて、
前記位置演算手段は、上記少なくとも２個の３次元位置計測手段の内の少なくとも一つの計測精度が復帰すると、前記作業機械の走行可能をオペレータに知らせることを特徴とする作業機械の位置計測システム。 - 請求項３から請求項５のいずれかに記載の作業機械の位置計測システムにおいて、
前記位置演算手段による演算結果に基づき前記モニタポイントの位置を表示する第１表示手段を備え、
この第１表示手段にオペレータに対する通知を表示することを特徴とする作業機械の位置計測システム。 - 請求項３から請求項５のいずれかに記載の作業機械の位置計測システムにおいて、
前記位置演算手段による演算結果のモニタポイントの位置データを出力するデータ出力手段と、
前記作業機械とは異なる位置に設置され、前記データ出力手段により出力された位置データを入力するデータ入力手段と、
このデータ入力手段により入力した位置データに基づき前記モニタポイントの位置を表示する第２表示手段とを備え、
この第２表示手段にオペレータに対する通知を表示することを特徴とする作業機械の位置計測システム。 - 請求項１から請求項７のいずれかに記載の作業機械の位置計測システムにおいて、
前記作業機は、回転可能な複数の部材で構成され、
前記モニタポイントは前記作業機に設定され、
前記作業機の複数の部材間の角度を検出する角度計測手段を備え、
前記位置演算手段は、前記少なくとも２個の３次元位置計測手段及び前記角度計測手段によって計測された値に基づいて、前記モニタポイントの３次元空間における位置を演算することを特徴とする作業機械の位置計測システム。
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