JP4202209B2 - 作業機械の位置計測表示システム - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の作業機械の上部旋回体と作業装置の３次元空間での位置及び姿勢を計測、演算し、周囲状況に対する上部旋回体及び作業装置との位置関係を表示する作業機械の位置計測表示システムに関する。

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作業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、作業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。

このような位置計測表示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するものが知られている。実施例において、掘削用作業機はバケットであり、ブーム、アーム及びバケット角度センサと、上部旋回体に設置したＧＰＳアンテナと、その受信機とによりバケットの先端位置が計測される。

また、国際公開公報ＷＯ０３／０００９９７Ａ１に記載のように、建設機械の遠隔制御システムにおいて、目標掘削面とバケット先端位置との位置関係を表示するものもある。このシステムにおいて、図１７〜図２０に示される実施例では、角度センサにより旋回角度を検出し、この旋回角度とＧＰＳの３次元位置計測値とから下部走行体に固定したショベルベース座標系の位置と姿勢をグローバル座標系の値として求め、この値を用いてグローバル座標系でのバケット先端位置を計算する。また、周囲の作業状況である地形データも合わせて表示してもよいとしている。

特開２００１−９８５８５号

国際公開公報ＷＯ０３／０００９９７Ａ１

しかしながら、上記従来技術には次のような問題がある。

特開２００１−９８５８５号公報に記載の技術では、ＧＰＳを上部旋回体に設置し、ブーム、アームおよびバケット角度センサと組み合わせて、上部旋回体とバケット先端の３次元位置を計測しているが、履体（以下、下部走行体とする）に関しては記述がない。これは即ち、表示画面上にて表示される下部走行体の姿勢は実際の姿勢とは異なる（周囲の作業状況に対する下部走行体の位置関係が実際と違う）ことを意味する。

機械のオペレータは作業中、表示画面を確認しながら作業をすることになるので、前述のように、表示画面上の下部走行体の姿勢と実際の姿勢が異なっていると、次のような不具合を生じる場合がある。

例えば、走行操作をした場合に、オペレータが表示画面を見て予測した走行方向とは異なる方向へ機械が動き出す可能性がある。この時、例えば機械の設置スペースが狭い崖のような場所での作業だった場合、最悪のケースとしては転落といったことも考えられる。よって、オペレータには慎重な操作が要求され、安全に効率良く作業を行うことができない。

また、掘削作業中であっても、掘削した土砂を下部走行体の近くに放土する場合など、下部走行体との関連で位置関係を確認しながら作業を行う場合があり、このような作業では、周囲状況に対する下部走行体の表示位置が実際の位置と違うと混乱を招き、安全に効率良く作業を行うことができない。

国際公開公報ＷＯ０３／０００９９７Ａ１に記載の技術は、旋回角度を検出し、下部走行体に固定したショベルベース座標系の位置と姿勢をグローバル座標系の値として求めている。しかし、その目的はバケット先端位置をグローバル座標系の値として求めるためであり、下部走行体と周囲状況との位置関係を表示するという考えはない。よって、この従来技術にも同様の問題がある。

なお、作業機械としては浚渫船のように下部支持体が走行体ではないものもあるが、このようなもので作業装置と下部支持体と周囲状況との位置関係を表示して作業を行う場合、周囲状況に対する下部支持体の位置関係が実際と違うと混乱を招き、安全に効率良く作業を行うことができない。

本発明の目的は、周囲状況に対する上部旋回体と下部走行体の姿勢を正しく表示することで、安全に効率良く作業を行うことのできる作業機械の位置計測表示システムを提供することである。

なお、本明細書中において「３次元空間の絶対位置」とは、作業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。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。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、上部旋回体及び下部支持体と、上部旋回体に設けられた作業装置とを有する建設機械に備えられ、前記上部旋回体に対する作業装置の位置と姿勢に関する状態量を計測する作業位置計測手段、前記上部旋回体に設置された複数の３次元位置計測手段、及び前記作業位置計測手段及び３次元位置計測手段の計測値を用いて前記上部旋回体と作業装置の３次元空間での位置及び姿勢を演算する第１演算手段を有する作業機械の位置計測表示システムにおいて、前記下部支持体に対する上部旋回体の旋回角度を計測する旋回角度計測手段と、この旋回角度計測手段の計測値を用いて前記上部旋回体に対する下部支持体の姿勢を演算する第２演算手段と、前記第１演算手段及び第２演算手段の演算値と予め入力した地形データを用いて周囲の地形に対する前記上部旋回体及び作業装置と前記下部支持体との位置関係を重ね合わせ表示する表示手段とを備え、前記旋回角度計測手段は、前記上部旋回体のヨウ角度を計測するヨウ角度計測手段と、このヨウ角度計測手段により計測されたヨウ角度に基づいて前記上部旋回体の旋回角度を演算する旋回角度演算手段と、前記上部旋回体が旋回中であるかどうかを判定する旋回判定手段を有し、前記旋回角度演算手段は、前記旋回判定手段により上部旋回体が旋回中であると判定される間に、前記ヨウ角度計測手段により計測されたヨウ角度に基づいて上部旋回体の旋回角度を演算するものとする。

このように旋回角度計測手段と第２演算手段と表示手段とを設け、第１演算手段及び第２演算手段の演算値と予め入力した地形データを用いて周囲の地形に対する上部旋回体及び作業装置と下部支持体との位置関係を重ね合わせ表示することにより、周囲状況に対する下部支持体の姿勢を含めた全体の位置関係（周囲状況に対する上部旋回体及作業装置と下部支持体との位置関係）が正しく表示され、安全に効率良く作業を行うことのできる
また、旋回角度計測手段として上部旋回体のヨウ角度を計測するヨウ角度計測手段を用いることにより、旋回角度の検出に角度センサを用いる場合に比べてヨウ角度計測手段は設置位置の制約が少ないので、取り付けが容易となる。また、構造の複雑化やコストアップを最小にすることができる。
更に、旋回判定手段により上部旋回体が旋回中であると判定される間に、ヨウ角度計測手段により計測されたヨウ角度に基づいて上部旋回体の旋回角度を演算することにより、旋回角度計測手段は、走行で旋回した場合にヨウ角度計測手段によりヨウ角度の変化が計測されても、上部旋回体が旋回しない限り旋回角度は演算されず、正確に旋回角度を計測することができる。

（２）更に、上記（１）において、好ましくは、前記旋回角度計測手段は、前記旋回角度を所定値にリセットする旋回角度リセット手段を更に有する。

これにより作業開始時や、旋回と走行動作が複合で行われたときなど計測され集積した誤差をキャンセルし、正確に旋回角度を計測することができる。

（３）また、上記（１）において、好ましくは、前記表示手段は、前記周囲の地形に対する前記上部旋回体及び作業装置と前記下部支持体との位置関係を鳥瞰図で表示する。

これにより周囲状況に対する上部旋回体及び作業装置と下部支持体との位置関係の表示は見やすくなり、安全に効率良く作業を行うことができる。

本発明によれば、周囲状況に対する上部旋回体と下部走行体の姿勢を正しく表示することで、安全に効率良く作業を行うことのできる。
また、旋回角度の検出に角度センサを用いる場合に比べてヨウ角度計測手段は設置位置の制約が少ないので、取り付けが容易となり、かつ構造の複雑化やコストアップを最小にすることができる。
更に、旋回角度計測手段は、走行で旋回した場合にヨウ角度計測手段によりヨウ角度の変化が計測されても、上部旋回体が旋回しない限り旋回角度は演算されず、正確に旋回角度を計測することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。本実施の形態は、作業機械として建設機械の代表例であるクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用した場合のものである。

図１は、本実施の形態に係わる作業位置計測表示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１において、１は油圧ショベルであり、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と共に車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とからなり、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。

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、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、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、上部旋回体３の前後方向の傾斜角（ピッチ角度）を検出する傾斜センサ２４が設けられている。

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、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、位置データを送信する無線アンテナ３４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。

また、上部旋回体３上には、上部旋回体３のヨウ方向の回転角度を計測するジャイロ２６が設置され、運転室１１内にはジャイロ２６の計測値から求めた旋回角度（後述）を所定値にリセットする旋回角度リセットスイッチ２８（図４参照）が設けられている。

図２は油圧ショベル１の油圧駆動系を示す油圧回路図である。

図２において、油圧ショベル１の油圧駆動系は可変容量型の油圧ポンプ１０１，１０２と、弁装置１０３と、上記のブームシリンダ８、アームシリンダ９、バケットシリンダ１０を含む複数のアクチュエータ８，９，１０，１０５，１０６，１０７，１０８とを有している。アクチュエータ１０５は上部旋回体３を下部走行体２に対して旋回させるための油圧モータ（旋回モータ）であり、アクチュエータ１０６，１０７は下部走行体２の左右の履帯を駆動するための油圧モータ（左右の走行モータ）であり、アクチュエータ１０８はバケット７を他のアタッチメントに付け替えた場合にそのアタッチメントを駆動するための予備のアクチュエータである。

弁装置１０３は、流量制御弁１０３ａ〜１０３ｄと流量制御弁１０３ｅ〜１０３ｉの２つの弁グループを有し、流量制御弁１０３ａ〜１０３ｄは油圧ポンプ１０１の吐出路１１１につながるセンタバイパスライン１０３ｊ上に位置し、流量制御弁１０３ｅ〜１０３ｉは油圧ポンプ１０２の吐出路１１２につながるセンタバイパスライン１０３ｋ上に位置している。吐出路１１１，１１２には油圧ポンプ１０１，１０２の吐出圧力の最大圧力を決定するメインリリーフ弁１０３ｍが設けられている。

流量制御弁１０３ａ〜１０３ｄ及び流量制御弁１０３ｅ〜１０３ｉはセンタバイパスタイプであり、油圧ポンプ１０１，１０２から吐出された圧油はこれらの流量制御弁によりアクチュエータ８〜１０，１０５〜１０８の対応するものに供給される。流量制御弁１０３ａは走行右用、流量制御弁１０３ｂはバケット用、流量制御弁１０３ｃは第１ブーム用、流量制御弁１０３ｄは第２アーム用、流量制御弁１０３ｅは旋回用、流量制御弁１０３ｆは第１アーム用、流量制御弁１０３ｇは第２ブーム用、流量制御弁１０３ｈは予備用、流量制御弁１０３ｉは走行左用であり、ブームシリンダ８に対しては２つの流量制御弁１０３ｇ，１０３ｃが設けられ、アームシリンダ９に対しても２つの流量制御弁１０３ｄ，１０３ｆが設けられ、ブームシリンダ８とアームシリンダ９のボトム側には、それぞれ、２つの油圧ポンプ１０１，１０２からの圧油が合流して供給可能になっている。

図３は流量制御弁１０３ａ〜１０３ｉの操作パイロット系を示す図である。

流量制御弁１０３ｉ，１０３ａは操作装置１３５の操作パイロット装置１３９，１３８からの操作パイロット圧TR1,TR2及びTR3,TR4により、流量制御弁１０３ｂ及び流量制御弁１０３ｃ，１０３ｇは操作装置１３６の操作パイロット装置１４０，１４１からの操作パイロット圧BKC,BKD及びBOD,BOUにより、流量制御弁１０３ｄ，１０３ｆ及び流量制御弁１０３ｅは操作装置１３７の操作パイロット装置１４２，１４３からの操作パイロット圧ARC,ARD及びSW1,SW2により、流量制御弁１０３ｈは操作パイロット装置１４４からの操作パイロット圧AU1,AU2により、それぞれ切り換え操作される。
操作パイロット装置１３８〜１４４は、それぞれ、１対のパイロット弁（減圧弁）１３８ａ，１３８ｂ〜１４４ａ，１４４ｂを有し、操作パイロット装置１３８，１３９，１４４はそれぞれ更に操作ペダル１３８ｃ，１３９ｃ、１４４ｃを有し、操作パイロット装置１４０，１４１は更に共通の操作レバー１４０ｃを有し、操作パイロット装置１４２，１４３は更に共通の操作レバー１４２ｃを有している。操作ペダル１３８ｃ，１３９ｃ、１４４ｃ及び操作レバー１４０ｃ，１４２ｃを操作すると、その操作方向に応じて関連する操作パイロット装置のパイロット弁が作動し、操作量に応じた操作パイロット圧が生成される。

また、操作パイロット装置１３８〜１４４の各パイロット弁の出力ラインにはシャトル弁１５１〜１６３が階層的に接続され、シャトル弁１５１，１５３，１５４，１５５，１５８，１５９，１６１により操作パイロット装置１３８，１４０，１４１，１４２の操作パイロット圧の最高圧力が油圧ライン１７１に導出され、油圧ポンプ１のポジティブ制御のパイロット圧PP1として用いられ、シャトル弁１５２，１５４，１５５，１５６，１５７，１５９，１６０，１６２，１６３により操作パイロット装置１３９，１４１，１４２，１４３，１４４の操作パイロット圧の最高圧力が油圧ライン１７２に導出され、油圧ポンプ２のポジティブ制御のパイロット圧PP2として用いられる。また、シャトル弁１５６により旋回用の操作パイロット装置１４３の操作パイロット圧が油圧ライン１７３に導出され、圧力センサ２７により旋回パイロット圧Psとして検出される。

図４は、上記油圧ショベル１に搭載される本実施の形態に係わる位置計測表示システムの全体構成を示すブロック図である。

図４において、２００は本実施の形態に係わる位置計測表示システムであり、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、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、分配機４２からの補正データと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、このＧＰＳ受信機４３，４４からの位置データと上記のフロント角度センサ２１〜２３、傾斜センサ２４、ジャイロ２６からの角度データ、旋回パイロット圧力センサ２７からの圧力データ、旋回角度リセットスイッチ２８からの操作信号を入力し集約するコントローラ４５、これらの集約された各種データに基づき、油圧ショベル１の位置及び姿勢やバケット７の先端（モニタポイント）の位置を演算し表示するモニタ画面４６ａを備えた車載コンピュータ４６、車載コンピュータ４６により演算された位置データをアンテナ３４を介して送信するための無線機４７を備えている。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（Grobal Positioning System）受信部を構成している。

ここで、４８はＩＣカードであり、後述するサーバコンピュータで計画された作業範囲の原地形データや目標地形データなどが記憶されており、オペレータはシステム起動時にＩＣカード４８を車載コンピュータ４６に接続してデータを入力する。そして、作業終了時には計測データをＩＣカード４８に記録し、サーバコンピュータに接続して計測データを入力し、施工管理に使用する。

図５は、ＧＰＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの装置構成を示すブロック図である。

図５において、５１は油圧ショベル１及びバケット７等の位置や作業の管理を行う事務所であり、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、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、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等の位置データを受信する無線アンテナ５４、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、アンテナ５４を介して位置データを受信する無線機５７、無線機５７により受信した位置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・管理するための演算及び表示を行うサーバコンピュータ５８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受信部を構成する。

また、サーバコンピュータ５８にはＩＣカード４８が接続可能になっており、原地形データや目標地形データさらに、計測データ等の入出力を行う。

本実施の形態に係わる位置計測表示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４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５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。

一方、図４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次元位置データはコントローラ４５に入力される。

また、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の回転角度、傾斜センサ２４によって油圧ショベル１のピッチ角度、ジャイロ２６により上部旋回体３のヨウ方向の回転角度、圧力センサ２７によって旋回パイロット圧がそれぞれ計測され同様にコントローラ４５に入力されるとともに、旋回角度リセットスイッチ２８の操作信号もコントローラ４５に入力される。

車載コンピュータ４６はコントローラ４５に入力された各種データに基づき、一般的なベクトル演算と座標変換を行って、油圧ショベル１の位置及び姿勢とバケット７の先端の３次元位置を演算する。また、求めた３次元位置と、ＩＣカード４８から入力した地形データとに基づき、車載コンピュータ４６のモニタ画面４６ａ上に表示してオペレータに作業状況を知らせるとともに、無線機４７によりアンテナ３４を介して送信する。

送信された油圧ショベル１の位置及び姿勢とバケット７の先端の位置データは、アンテナ５４を介して無線機５７により受信され、サーバコンピュータ５８に入力される。サーバコンピュータ５８は入力された油圧ショベル１の位置及び姿勢とバケット７の先端の位置データを保存するとともに、サーバコンピュータ５８のモニタ画面上に表示する。これにより事務所５１において油圧ショベル１の作業状態を管理することができる。

次に、図６〜図９を用いて車載コンピュータ４６における演算処理について説明する。

図６は、油圧ショベル１の位置及び姿勢と、バケット７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６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、Σ３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Ｏ３を持つ上部旋回体座標系、Σ７はバケット７に固定され、バケット７の先端に中心Ｏ７を持つバケット先端座標系である。Ｏｃは下部走行体２の地面との接地面と旋回中心との交点である。

上部旋回体座標系Σ３の原点（旋回べースフレームと旋回中心との交点）Ｏ３に対するＧＰＳアンテナ３１，３２の位置関係ｘga，ｘgb，ｙga，ｙgb，ｚga，ｚgbは既知であるので、グローバル座標系Σ０でのＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置と油圧ショベル１のピッチ角度θ２が分かれば、グローバル座標系Σ０での上部旋回体座標系Σ３の位置及び姿勢（上部旋回体３の方向）を求めることができる。

また、上部旋回体座標系Σ３の原点Ｏ３とブーム５の基端との位置関係α３，α４，β４及びアーム５、アーム６、バケット７の寸法α５，α６，α７が既知であるので、ブーム角度θ５、アーム角度θ６、バケット角度θ７が分かれば、上部旋回体座標系Σ３でのバケット先端座標系Σ７の位置及び姿勢を求めることができる。

また、当然ながら上部旋回体座標系Σ３の原点Ｏ３とＯｃとの位置関係αｃは既知であるので、旋回角度θｓｗが分かれば、上部旋回体座標系Σ３での下部走行体２の位置及び姿勢を求めることができる。

従って、車載側のＧＰＳ受信機４３，４４で求めた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、角度センサ２４で油圧ショベル１のピッチ角度θ２を求め、角度センサ２１〜２３でブーム角度θ５、アーム角度θ６、バケット角度θ７を求め、旋回角度センサ２５で旋回角度θｓｗを求め、座標変換演算を行うことにより、油圧ショベル１の位置及び姿勢（上部旋回体３の位置及び姿勢と、下部走行体２の位置及び姿勢）と、バケット７の先端位置をグローバル座標系Σ０の値で求めることができる。

図７はグローバル座標系の概念を説明する図である。

図７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Ｇ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の中心と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及び経度と、準拠楕円体Ｇに対する高さ（深さ）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の値に容易に変換することができる。

図８は演算処理手順を示すフローチャートである。

図８において、まず、車載側のＧＰＳ受信機４３で求めたＧＰＳアンテナ３１の３次元位置（緯度、経度、高さ）を上記の考えに基づきグローバル座標系Σ０の値０Ｐ１に変換する（ステップＳ１０）。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。同様に、車載側のＧＰＳ受信機４４で求めたＧＰＳアンテナ３２の３次元位置をグローバル座標系Σ０の値０Ｐ２に変換する（ステップＳ２０）。次いで、傾斜センサ２４で計測したピッチ角度θ２を入力し（ステップＳ３０）、ステップＳ１０，２０で求めたＧＰＳアンテナ３１，３２のグローバル座標系Σ０での３次元位置０Ｐ１，０Ｐ２と、そのピッチ角度θ２と、記憶装置に記憶した上部旋回体座標系Σ３の原点（旋回べースフレームと旋回中心との交点）Ｏ３に対するＧＰＳアンテナ３１，３２の位置関係ｘga，ｘgb，ｙga，ｙgb，ｚga，ｚgbとから上部旋回体座標系Σ３の位置及び姿勢をグローバル座標系Σ０の値０Σ３で求める（ステップＳ４０）。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。次いで、ジャイロ２６の計測値から求めた旋回角度θｓｗ（後述）を入力し、上部旋回体３に対する下部走行体２の姿勢を求める（ステップＳ５０）。次いで、角度センサ２１〜２３で検出したブーム角度θ５、アーム角度θ６、バケット角度θ７を入力し、これらの値と記憶装置に記憶した上部旋回体座標系Σ３の原点Ｏ３とブーム５の基端との位置関係α３，α４，β４及びアーム５、アーム６、バケット７の寸法α５，α６，α７とから上部旋回体座標系Σ３でバケット先端位置３Ｐ７を求める（ステップＳ６０）。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。次いで、ステップＳ４０で求めたグローバル座標系Σ０での上部旋回体座標系Σ３の値０Σ３とステップＳ６０で求めた上部旋回体座標系Σ３でのバケット先端位置３Ｐ７とからグローバル座標系Σ０でのバケット先端位置０Ｐ７を求める（ステップＳ７０）。

次いで、以上のようにして求めた上部旋回体の位置及び姿勢０Σ３と上部旋回体３に対する下部走行体２の姿勢３Ｐ４（以下０Σ３と３Ｐ４を合わせて適宜油圧ショベルの位置と姿勢という）とバケット先端位置０Ｐ７の各データと、ＩＣカード４８から入力した地形データとに基づき表示データを作成し、車載コンピュータ４６のモニタ画面４６ａに地形に対する上部旋回体３及びバケット７と下部走行体２を含む油圧ショベル１との位置関係を重ね合わせ表示する（ステップＳ８０）。また、油圧ショベルの位置と姿勢とバケット先端位置データは無線機４７によりアンテナ３４を介して送信され、サーバコンピュータ５８のモニタ画面にでも同様な画像を表示する。

以上において、角度センサ２１〜２３及びステップＳ６０の処理は、上部旋回体３に対する作業装置（バケット）７の位置と姿勢に関する状態量を計測する作業位置計測手段を構成し、ＧＰＳアンテナ３１，３２及びその受信機４３，４４等は、上部旋回体３に設置された複数の３次元位置計測装置を構成し、ステップＳ１０〜Ｓ４０及びステップＳ７０の処理は、作業位置計測手段及び３次元位置計測手段の計測値を用いて上部旋回体３と作業装置（バケット）７の３次元空間での位置及び姿勢を演算する第１演算手段を構成し、ジャイロ２６及びステップＳ５０の処理は、下部支持体２に対する上部旋回体３の旋回角度を計測する旋回角度計測手段を構成し、ステップＳ５０の処理は、この旋回角度計測手段の計測値を用いて上部旋回体３に対する下部支持体２の姿勢を演算する第２演算手段を構成し、ステップＳ８９の処理及びモニタ画面４６ａは、第１演算手段及び第２演算手段の演算値を用いて周囲状況に対する上部旋回体３及び作業装置（バケット）７と下部支持体２との位置関係を表示する表示手段を構成する。

図９は車載コンピュータ４６のモニタ画面４６ａ及びサーバコンピュータ５８のモニタ画面４６ａに表示される画像の一例を示す。

図９中、１００は原地形や目標地形などの地形であり、この地形１００に油圧ショベル１が重ね合わせて表示されている。油圧ショベル１の位置と姿勢データは上部旋回体の位置及び姿勢０Σ３と上部旋回体３に対する下部走行体２の姿勢３Ｐ４を含むので、油圧ショベル１の下部走行体２と上部旋回体３との位置関係は実際と一致し、地形１００に対する下部走行体２の姿勢も含めた全体の位置関係（地形１００に対する上部旋回体３及びバケット７と下部走行体２との位置関係）が正しく表示されている。これによりモニタ画面４６ａを見ながら作業しているオペレータが意図しない方向への走行を防止することができ、安全に効率良く作業を行うことができる。また、掘削作業中に掘削した土砂を下部走行体２の近くに放土する場合にも、モニタ画面４６ａを見ながら周囲状況（地形）に対する下部走行体の位置関係を正確に把握でき、安全で効率良く作業を行うことができる。

また、地形１００（周囲状況）に対する上部旋回体３及びバケット（作業装置）７と下部走行体２との位置関係は鳥瞰図で表示されている。これにより最も見やすい表示状態が得られ、安全に効率良く作業を行うことができる。なお、鳥瞰図に代えて上面図を表示してもよく、この場合もほぼ同様の効果が得られる。また、側面図を合わせ表示してもよいし、選択的に表示できるようにしてもよい。更に、地形データに代え或いは地形データと共に地図データを表示してもよい。

図１０は、ジャイロ２６の計測値から旋回角度θｓｗを求めるステップＳ５０の処理の詳細を示すフローチャートである。

まず、ジャイロ変化角度＝ジャイロの出力角度現在値−ジャイロの出力角度前回値の計算を行い、ジャイロ変化角度を求める（ステップＳ５１）。次いで、圧力センサ２７（図３）により検出された旋回パイロット圧Ｐsが閾値以上かどうかを判定し（ステップＳ５３）、閾値以上であれば旋回操作がなされたと判断し、旋回角度＝旋回角度＋ジャイロ変化角度の計算により旋回角度を求める。次いで、旋回角度リセットスイッチ２８がＯＮかどうかを判断し、旋回角度リセットスイッチ２８がＯＮでなければ処理を終了し、ＯＮであれば旋回角度を０にする（ステップＳ５５）。ステップＳ５２で旋回パイロット圧が閾値以上でなければ、旋回操作はされていないと判断し、直接ステップＳ５４へと処理をすすめる。

旋回操作がなされたときにのみ旋回角度を演算する目的は走行旋回の影響を回避するためである。ジャイロ２６は上部旋回体３上に設置され、上部旋回体３の地球（地面）に対するヨウ角度を計測するものである。したがって、これだけでは油圧ショベル１が上部旋回体３の旋回動作によってヨウ方向への回転をしたのか、下部走行体２の走行動作によって回転をしたのか判断できない。そこで、旋回パイロット圧の圧力センサ２７を設けて旋回操作を検出し、旋回中であるときだけ上部旋回体３と下部走行体２間の旋回角度が変化したと判定し、旋回角度を計測する。これにより走行動作による回転の影響を受けず、正確に旋回角度を計測することができる。

なお、旋回パイロット圧を検出する圧力センサに代えて走行パイロット圧を検出する圧力センサを設けて走行操作を検出し、走行していないときのみ上部旋回体と下部走行体の間の旋回角度が変化したと判断し、旋回角度を演算しても良いよい。

図１１は、旋回角度リセットスイッチ２８をＯＮするときの油圧ショベル１の姿勢を示す。作業開始時や旋回角度に誤差が累積してきた場合などに、オペレータは油圧ショベル１を操作して、図１１に示すように上部旋回体３と下部走行体２を平行状態にする。そして、旋回角度リセットスイッチ２８をＯＮにする。このとき、コントローラ４５では図９のステップＳ５４，Ｓ５５の処理がなされ、旋回角度を０にする。これによりジャイロを用いて旋回角度を計測するときの誤差の蓄積を回避し、正確な旋回角度の計測が可能となる。

以上のように本実施の形態によれば、周囲状況に対する上部旋回体と下部走行体の姿勢を正しく表示することで、安全に効率良く作業を行うことができる。

また、上部旋回体の旋回角度を計測するためには一般的には角度センサが用いられる。しかし、角度センサの取り付けには上部旋回体３と下部走行体２の接続部を改造する必要があり、取り付けが難しく、かつ構造の複雑化やコストアップといった問題も少なからずある。本実施の形態では、上記のようにジャイロ（ヨウ角度計測手段）２６を用いて上部旋回体の旋回角度を計測することで、角度センサを使用しなくても旋回角度を計測することができるのため、角度センサを用いる場合のような取り付けの問題はなく、取り付けが容易で、かつ構造の複雑化やコストアップを最小にすることができる。

また、旋回パイロット圧の圧力センサ２７を設けて旋回操作を検出し、旋回中であるときだけ上部旋回体３と下部走行体２間の旋回角度が変化したと判定し、旋回角度を計測するので、走行動作による回転の影響を受けず、正確に旋回角度を計測することができる。

更に、旋回リセットスイッチ２８を設け、上部旋回体３と下部走行体２を平行状態にして旋回リセットスイッチ２８ＯＮし、旋回角度を０にするリセットを行うので、集積誤差がキャンセルされ、正確に旋回角度を計測することができる。

また、地形１００（周囲状況）に対する上部旋回体３及びバケット（作業装置）７と下部走行体２との位置関係を鳥瞰図で表示するので、表示状態が見やくなり、安全に効率良く作業を行うことができる。

なお、以上の実施の形態は、作業機械として油圧ショベルに本発明を適用した場合のものであるが、油圧ショベル以外の作業機械にも本発明を適用し、同様の効果が得られる。例えば、最近、クローラ式の油圧ショベルをベースマシンとした地雷処理機が開発されている。この地雷処理機においては、事前に埋設地雷を検出し、埋設地雷の表示データを見ながら埋設地雷に近づき、ロータリカッタ等の処理具で地雷を破壊してゆく。この場合も、本発明を適用し、周囲状況に対する下部走行体の位置関係を正しく表示することで、埋設地雷に的確に接近することができ、安全に効率良く作業を行うことができる。

また、作業機械としては浚渫船のように下部支持体（船体）が走行体ではないものもある。このようなものに本発明を適用した場合も、周囲状況に対する船体の位置関係が正しく表示されることで、浚渫した土砂の船上での放土作業を混乱なく速やかに行うことができ、安全に効率良く作業を行うことができる。

また、上記実施の形態は、油圧ショベルの運転室にオペレータが搭乗して作業を行う場合のものであるが、サーバコンピュータ５８のモニタ画面に表示された画像を見て遠隔操作で作業を行ってもよい。

本発明の一実施の形態に係わる位置計測表示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。 油圧ショベルの油圧駆動系を示す油圧回路図である。 流量制御弁の操作パイロット系を示す図である。 置計測表示システムの装置構成を示す図である。 基準局としての役割も持つ事務所側システムの装置構成をを示す図である。 油圧ショベル位置及び姿勢と、バケット先端の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。 グローバル座標系の概要を示す図である。 演算処理手順を示すフローチャートである。 モニタ画面に表示される画像の一例を示す図である。 ジャイロの計測値から旋回角度を求める処理の詳細を示すフローチャートである。 旋回角度リセットスイッチをＯＮするときの油圧ショベルの姿勢を示す図である。

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 旋回角度センサ
２６ ジヤイロ
２７ 旋回パイロット圧力センサ
２８ 旋回角度リセットスイッチ
３１，３２ ＧＰＳアンテナ
３３，３４ 無線アンテナ
４１ 無線機
４３，４４ ＧＰＳ受信機
４５ コントローラ
４６ 車載コンピュータ
４６ａ モニタ画面（表示画面）
４７ 無線機
４８ ＩＣカード
５１ 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 サーバコンピュータ

Claims (3)

1. 上部旋回体及び下部支持体と、上部旋回体に設けられた作業装置とを有する建設機械に備えられ、前記上部旋回体に対する作業装置の位置と姿勢に関する状態量を計測する作業位置計測手段、前記上部旋回体に設置された複数の３次元位置計測手段、及び前記作業位置計測手段及び３次元位置計測手段の計測値を用いて前記上部旋回体と作業装置の３次元空間での位置及び姿勢を演算する第１演算手段を有する作業機械の位置計測表示システムにおいて、
   前記下部支持体に対する上部旋回体の旋回角度を計測する旋回角度計測手段と、
   この旋回角度計測手段の計測値を用いて前記上部旋回体に対する下部支持体の姿勢を演算する第２演算手段と、
   前記第１演算手段及び第２演算手段の演算値と予め入力した地形データを用いて周囲の地形に対する前記上部旋回体及び作業装置と前記下部支持体との位置関係を重ね合わせ表示する表示手段とを備え、
   前記旋回角度計測手段は、前記上部旋回体のヨウ角度を計測するヨウ角度計測手段と、このヨウ角度計測手段により計測されたヨウ角度に基づいて前記上部旋回体の旋回角度を演算する旋回角度演算手段と、前記上部旋回体が旋回中であるかどうかを判定する旋回判定手段を有し、
   前記旋回角度演算手段は、前記旋回判定手段により上部旋回体が旋回中であると判定される間に、前記ヨウ角度計測手段により計測されたヨウ角度に基づいて上部旋回体の旋回角度を演算することを特徴とする作業機械の位置計測表示システム。
2. 請求項１記載の作業機械の位置計測表示システムにおいて、
   前記旋回角度計測手段は、前記旋回角度を所定値にリセットする旋回角度リセット手段を更に有することを特徴とする作業機械の位置計測表示システム。
3. 請求項１記載の作業機械の位置計測表示システムにおいて、
   前記表示手段は、前記周囲の地形に対する前記上部旋回体及び作業装置と前記下部支持体との位置関係を鳥瞰図で表示することを特徴とする作業機械の位置計測表示システム。

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