CN103080432A - 液压挖掘机的显示系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

在液压挖掘机的显示系统中运算单元设定对于地形数据作为引导画面来显示的规定的显示范围(55)引导画面。引导画面表示显示范围(55)所含的目标面的侧视时的剖面和液压挖掘机的当前位置。运算单元基于地形数据、作业机数据和车辆主体的当前位置，在目标面的侧视时的剖面中，计算最接近车辆主体的起点(Ps)的位置和距起点(Ps)的距离为作业机的最大伸展长度的终点(Pe)的位置。运算单元基于起点(Ps)和终点(Pe)的位置，计算显示范围(55)的规定的基准点(Pb)的位置。

Description

液压挖掘机的显示系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及液压挖掘机的显示系统及其控制方法。

背景技术

目前，已知有显示表示液压挖掘机和目标面之间的位置关系的引导画面(guidance picture)的显示系统。目标面是从构成设计地形的多个设计面中作为作业对象选择的平面。例如，专利文献1公开的显示系统，从液压挖掘机的挖斗的位置及姿态和目标面的位置及斜度等检测数据，来运算挖斗和目标面之间的相对位置关系。而且，显示系统将侧视时的包含挖斗和目标面在内的图像显示在监视器上。此时，显示系统根据目标面和挖斗的前端之间的距离，变更图像的显示标度(scale)。另外，还公开了如下的技术，即，也可以固定为液压挖掘机的车身及作业机和目标面的整体包含在同一画面中的程度的缩小比例尺，从而将上述的图像显示在监视器上。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2001-123476号公报

发明内容

发明要解决的课题

如专利文献1的显示系统，在根据目标面和作业机之间的距离来变更图像的显示标度的情况下，有可能导致过大地显示目标面和作业机，目标面的一部分超出显示画面。或者，有可能导致过小地显示目标面和作业机，难以掌握目标面和作业机之间的位置关系。另外，在固定为液压挖掘机和目标面的整体包含在同一画面中的程度的缩小比例尺而将图像显示在监视器上的情况下，在目标面大时，导致过小地显示目标面和液压挖掘机。因此，难以掌握目标面和液压挖掘机之间的位置关系。

本发明的课题在于，提供能够容易地掌握目标面和液压挖掘机之间的位置关系的液压挖掘机的显示系统及其控制方法。

用于解决课题的方案

本发明第1方式的液压挖掘机的显示系统是，显示表示液压挖掘机的当前位置和目标面的引导画面的显示系统。液压挖掘机具有车辆主体、安装于车辆主体的作业机。目标面从构成设计地形的多个设计面中选择。显示系统具备地形数据存储单元、作业机数据存储单元、位置检测单元、运算单元、显示单元。地形数据存储单元存储表示目标面的位置的地形数据。作业机数据存储单元存储表示作业机的最大伸展长度的作业机数据。位置检测单元检测车辆主体的当前位置。运算单元设定对于地形数据作为引导画面来显示的规定的显示范围。运算单元基于地形数据、作业机数据和车辆主体的当前位置，在目标面的侧视时的剖面中，计算最接近车辆主体的起点的位置、距起点的距离为作业机的最大伸展长度的终点的位置。运算单元基于起点和终点的位置，计算显示范围的规定的基准点的位置。显示单元显示引导画面。引导画面表示显示范围所含的目标面的侧视时的剖面和液压挖掘机的当前位置。

本发明第2方式的液压挖掘机的显示系统，在第1方式的液压挖掘机的显示系统中，在目标面的剖面小于最大伸展长度的情况下，终点位于目标面的外侧。

本发明第3方式的液压挖掘机的显示系统，在第1方式的液压挖掘机的显示系统中，显示范围具有长方形的形状。运算单元从显示单元的显示引导画面的部分的画面纵横尺寸比，求显示范围的短边是纵边还是横边。运算单元确定显示范围的缩小比例尺，以使引导画面的规定范围收敛在显示范围的短边的范围内。

本发明第四方式的液压挖掘机包括第1方式至第3方式中的任一方式的液压挖掘机的显示系统。

本发明第五方式的液压挖掘机的显示系统的控制方法是，显示表示液压挖掘机的当前位置和目标面的引导画面的显示系统的控制方法。液压挖掘机包括车辆主体和安装于车辆主体的作业机。目标面从构成设计地形的多个设计面中选择。该控制方法具备以下步骤。在第1步骤中，检测车辆主体的当前位置。在第2步骤中，设定对于表示目标面的位置的地形数据作为引导画面来显示的规定的显示范围。在第3步骤中，基于地形数据、作业机数据和车辆主体的当前位置，计算起点的位置和终点的位置。作业机数据表示作业机的最大伸展长度。起点是在目标面的侧视时的剖面中最接近车辆主体的地点。终点是在目标面的侧视时的剖面中距起点的距离为作业机的最大伸展长度的地点。在第四步骤中，基于起点和终点的位置，计算显示范围的规定的基准点的位置。在第五步骤中，显示引导画面。引导画面表示显示范围所含的目标面的侧视时的剖面和液压挖掘机的当前位置。

发明效果

在本发明第1方式的液压挖掘机的显示系统中，基于起点的位置和终点的位置，确定显示范围的基准点的坐标。因此，不一定是目标面的整体显示于引导画面，而是目标面中起点和终点之间的部分优先显示于引导画面。因此，既不会过大又不会过小地显示目标面和液压挖掘机，驾驶员能够容易掌握目标面和液压挖掘机的之间的位置关系。另外，液压挖掘机不能对超过作业机的最大伸展长度的范围进行挖掘，因此即使难以显示目标面中远于最大伸展长度的部分，给作业性带来的影响也小。

在本发明第2方式的液压挖掘机的显示系统中，在目标面的剖面小于最大伸展长度的情况下，考虑到目标面的外侧的部分，确定基准点的坐标。因此，位于作业机到达的范围的目标面以外的设计面也能够适当地显示于引导画面。

在本发明第3方式的液压挖掘机的显示系统中，求显示范围的短边是纵边还是横边。而且，确定显示范围的缩小比例尺，以使引导画面的规定范围收敛在显示范围的短边的范围内。因此，不论显示单元的显示引导画面的部分是纵长的形状还是横长的形状，都能够将引导画面的规定范围适当地显示于显示单元。

在本发明第四方式的液压挖掘机中，基于起点的位置和终点的位置，确定显示范围的基准点的坐标。因此，不一定是目标面的整体显示于引导画面，而是目标面中起点和终点之间的部分优先显示于引导画面。因此，既不过大又不会过小地显示目标面和液压挖掘机，驾驶员能够容易掌握目标面和液压挖掘机之间的位置关系。另外，液压挖掘机不能对超过作业机的最大伸展长度的范围进行挖掘，因此即使难以显示目标面中远于最大伸展长度的部分，给作业性带来的影响也小。

在本发明第五方式的液压挖掘机的显示系统的控制方法中，基于起点的位置和终点的位置，确定显示范围的基准点的坐标。因此，不一定是目标面的整体显示于引导画面，而是目标面中起点和终点之间的部分优先显示于引导画面。因此，既不会过大又不会过小地显示目标面和液压挖掘机，驾驶员能够容易掌握目标面和液压挖掘机之间的位置关系。另外，液压挖掘机不能对超过作业机的最大伸展长度的范围进行挖掘，因此即使难以显示目标面中远于最大伸展长度的部分，给作业性带来的影响也小。

附图说明

图1是液压挖掘机的立体图。

图2是示意地表示液压挖掘机的结构的图。

图3是表示液压挖掘机具备的控制系统的结构的方框图。

图4是表示由设计地形数据表示的设计地形的图。

图5是表示行驶模式的引导画面的图。

图6是表示求挖斗的前端的当前位置的方法的图。

图7是表示粗挖掘模式的引导画面的图。

图8是表示细挖掘模式的引导画面的图。

图9是表示显示范围优化控制的处理的流程图。

图10是表示显示范围优化控制的处理的流程图。

图11是表示显示单元上的显示区域的例子的图。

图12是表示显示范围的短边的大小的表。

图13是表示作业机的伸展长度为最大时的作业机的姿态的图。

图14是表示显示范围的例子的图。

图15是表示起点和终点的位置的一例的图。

图16是表示显示对象面线的一例和显示范围的基准点的设定方法的图。

图17是表示起点和终点的位置的一例的图。

图18是表示起点和终点的位置的一例的图。

图19是表示显示对象面线和显示范围的基准点的设定方法的图。

图20是表示细挖掘模式的引导画面的显示范围的基准点的设定方法的图。

图21是表示细挖掘模式的引导画面的图像的变化的图。

图22是表示行驶模式及粗挖掘模式的引导画面的图像的变化的图。

图23是表示行驶模式及粗挖掘模式的引导画面的显示范围的基准点的设定方法的图。

图24是表示行驶模式及粗挖掘模式的引导画面的图像的变化的图。

图25是表示行驶模式及粗挖掘模式的引导画面的显示范围的基准点的设定方法的图。

图26是表示行驶模式及粗挖掘模式的引导画面的图像的变化的图。

图27是表示行驶模式及粗挖掘模式的引导画面的图像的变化的图。

标号说明

具体实施方式

1.结构

1-1.液压挖掘机的整体结构

下面，参照附图，说明本发明的一实施方式的液压挖掘机的显示系统。图1是搭载有显示系统的液压挖掘机100的立体图。液压挖掘机100包括车辆主体1和作业机2。车辆主体1具有上部回转体3、驾驶室4和行驶装置5。上部回转体3收纳有未图示的发动机及液压泵等装置。驾驶室4载置于上部回转体3的前部。在驾驶室4内配置有后述的显示输入装置38及操作装置25(参照图3)。行驶装置5具有履带5a、5b，液压挖掘机100通过履带5a、5b旋转来行驶。

作业机2安装于车辆主体1的前部，具有动臂6、挖掘臂(am)7、挖斗8、动臂液压缸(boom cylinder)10、挖掘臂液压缸11、以及挖斗液压缸12。动臂6的基端部经由动臂销13，可摆动地安装于车辆主体1的前部。挖掘臂7的基端部经由挖掘臂销14，可摆动地安装于动臂6的前端部。在挖掘臂7的前端部，经由挖斗销15，可摆动地安装有挖斗8。

图2是示意地表示液压挖掘机100的结构的图。图2(a)是液压挖掘机100的侧面图，图2(b)是液压挖掘机100的背面图。如图2(a)所示，动臂6的长度即从动臂销13到挖掘臂销14的长度为L1。挖掘臂7的长度即从挖掘臂销14到挖斗销15的长度为L2。挖斗8的长度即从挖斗销15到挖斗8的斗齿的前端的长度为L3。

图1所示的动臂动臂缸10、挖掘臂液压缸11、挖斗液压缸12分别是通过液压来驱动的液压缸。动臂液压缸10驱动动臂6。挖掘臂液压缸11驱动挖掘臂7。挖斗液压缸12驱动挖斗8。在动臂液压缸10、挖掘臂液压缸11、挖斗液压缸12等液压缸和未图示的液压泵之间配置有比例控制阀37(参照图3)。比例控制阀37通过由后述的作业机控制器26控制，控制供给到液压缸10～12的液压油的流量。由此，控制液压缸10-12的动作。

如图2(a)所示，在动臂6、挖掘臂7和挖斗8上分别设有第1行程传感器16～第3行程传感器18。第1行程传感器16检测动臂液压缸10的行程长度。后述的显示控制器39(参照图3)从第1行程传感器16检测到的动臂动臂缸10的行程长度，计算动臂6相对于后述的车辆主体坐标系的Za轴(参照图6)的倾斜角θ1。第2行程传感器17检测挖掘臂液压缸11的行程长度。显示控制器39从第2行程传感器17检测到的挖掘臂液压缸11的行程长度，计算挖掘臂7相对于动臂6的倾斜角θ2。第3行程传感器18检测挖斗液压缸12的行程长度。显示控制器39从第3行程传感器18检测到的挖斗液压缸12的行程长度，计算挖斗8相对于挖掘臂7的倾斜角θ3。

在车辆主体1上配有位置检测单元19。位置检测单元19检测液压挖掘机100的当前位置。位置检测单元19具有RTK-GNSS(Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems、GNSS指的是全球卫星导航系统)用的两个天线21、22(以下称为“GNSS天线21、22”)、三维位置传感器23、倾斜角传感器24。GNSS天线21、22沿着后述的车辆主体坐标系Xa-Ya-Za的Ya轴(参照图6)隔开一定距离来配置。由GNSS天线21、22接收到的GNSS电波相应的信号输入到三维位置传感器23。三维位置传感器23检测GNSS天线21、22的设置位置P1、P2的位置。如图2(b)所示，倾斜角传感器24检测车辆主体1的车宽方向相对于重力方向(铅垂线)的倾斜角θ4(以下称为“侧滚角θ4”)。

图3是表示液压挖掘机100具备的控制系统的结构的方框图。液压挖掘机100包括操作装置25、作业机控制器26、作业机控制装置27、以及显示系统28。操作装置25包括作业机操作构件31、作业机操作检测单元32、行驶操作构件33、以及行驶操作检测单元34。作业机操作构件31是驾驶员用于操作作业机2的构件，例如，操作杆。作业机操作检测单元32检测作业机操作构件31的操作内容，作为检测信号传送到作业机控制器26。行驶操作构件33是驾驶员用于对液压挖掘机100的行驶进行操作的构件，例如，操作杆。行驶操作检测单元34检测行驶操作构件33的操作内容，作为检测信号传送到作业机控制器26。

作业机控制器26包括RAM及ROM等存储单元35、CPU等运算单元36。作业机控制器26主要进行作业机2的控制。作业机控制器26根据作业机操作构件31的操作，生成用于使作业机2动作的控制信号，输出到作业机控制装置27。作业机控制装置27具有比例控制阀37，基于来自作业机控制器26的控制信号，对比例控制阀37进行控制。与来自作业机控制器26的控制信号相应的流量的液压油从比例控制阀37流出，供给到液压缸10～12。液压缸10～12随着从比例控制阀37供给的液压油而被驱动。由此，作业机2进行动作。

1-2.显示系统28的结构

显示系统28是用于显示引导画面的系统，引导画面表示作业区域内的目标面和液压挖掘机100的当前位置之间的关系。显示系统28除了包括上述的第1行程传感器16～第3行程传感器18、三维位置传感器23、倾斜角传感器24以外，还包括显示输入装置38和显示控制器39。

显示输入装置38具有触摸式的输入单元41、LCD等显示单元42。显示输入装置38显示引导画面。另外，在引导画面上显示各种键(key)。驾驶员通过触摸引导画面上的各种键，能够执行显示系统28的各种功能。关于引导画面，后面进行详细地说明。

显示控制器39执行显示系统28的各种功能。显示控制器39和作业机控制器26通过无线或有线的通信方式而可相互通信。显示控制器39具有RAM及ROM等存储单元43、CPU等运算单元44。存储单元43具有：存储作业机数据的作业机数据存储单元47、以及存储设计地形数据的地形数据存储单元46。作业机数据包含上述的动臂6的长度L1、挖掘臂7的长度L2、挖斗8的长度L3。另外，作业机数据包含动臂6的倾斜角θ1、挖掘臂7的倾斜角θ2、挖斗8的倾斜角θ3各自的最小值及最大值。在地形数据存储单元46中，事先生成并存储表示作业区域内的三维的设计地形的形状及位置的设计地形数据。显示控制器39基于设计地形数据及来自上述的各种传感器的检测结果等数据，将引导画面显示于显示输入装置38。具体而言，如图4所示，设计地形由分别由三角形多面体表现的多个设计面74构成。另外，在图4中，仅对多个设计面中的一个设计面附加标号74，省略其他设计面的标号。驾驶员将这些设计面74中的一个或多个设计面作为目标面70来选择。显示控制器39将表示液压挖掘机100的当前位置和目标面70之间的位置关系的引导画面显示于显示输入装置38。

2.引导画面

下面，详细说明引导画面。在引导画面上具有图5所示的行驶模式的引导画面(以下称为“行驶模式画面52”)、图7及图8所示的挖掘模式的引导画面53、54。行驶模式画面52是为使液压挖掘机100行驶并将其引导到目标面70附近而表示液压挖掘机100的当前位置和目标面70之间的位置关系的画面。挖掘模式的引导画面53、54是为了引导液压挖掘机100的作业机2而表示液压挖掘机100的当前位置和目标面70之间的位置关系的画面，以使挖掘作业的对象即地面与目标面70变成相同的形状。挖掘模式的引导画面53、54与行驶模式画面52相比，更详细地表示目标面70和作业机2之间的位置关系。挖掘模式的引导画面53、54具有图7所示的粗挖掘模式的引导画面53(以下称为“粗挖掘画面53”)和图8所示的细挖掘模式的引导画面54(以下称为“细挖掘画面54”)。

2-1.行驶模式画面52

图5表示的是行驶模式画面52。行驶模式画面52包含：表示作业区域的设计地形和液压挖掘机100的当前位置的顶视图(top view)52a、表示目标面70、液压挖掘机100和作业机2的可作业的范围76的侧面图52b。

在行驶模式画面52上显示多个操作键。操作键包含画面切换键65。画面切换键65是用于执行行驶模式画面52和挖掘模式的引导画面53、54之间的切换的键。例如，当按一下画面切换键65时，就显示用于选择行驶模式画面52、粗挖掘画面53、细挖掘画面54的弹出画面(pop-up picture)。另外，在未显示有弹出画面的通常的显示状态下，行驶模式画面52、粗挖掘画面53和细挖掘画面54中与当前显示的引导画面对应的图标作为画面切换键65而显示在引导画面上。例如，在图5中，由于在显示行驶模式画面52，因此表示行驶模式画面52的图标作为画面切换键65来显示。另外，如图7所示，在显示有粗挖掘画面53时，表示粗挖掘画面53的图标作为画面切换键65来显示。

行驶模式画面52的顶视图52a表示的是作业区域的设计地形和液压挖掘机100的当前位置。顶视图52a通过多个三角形多面体，来表现俯视时的设计地形。具体而言，顶视图52a以世界坐标系的水平面为投影面而表现设计地形。另外，目标面70以不同于其他设计面的颜色来显示。另外，在图5中，液压挖掘机100的当前位置用俯视时的液压挖掘机的图标61来表示，但也可以利用其他符号来表示。另外，顶视图52a包含用于将液压挖掘机100引导到目标面70的信息。具体而言，显示方位指示器71。方位指示器71是表示相对于液压挖掘机100的目标面70的方向的图标。因此，驾驶员通过行驶模式画面52，能够使液压挖掘机100容易地移动到目标面70的附近。

另外，行驶模式画面52的顶视图52a还包含：表示目标作业位置的信息、以及用于使液压挖掘机100相对于目标面70而面对的信息。目标作业位置是为使液压挖掘机100对目标面70进行挖掘而优选的位置，从目标面70的位置和后述的可作业的范围76来计算。目标作业位置在顶视图52a中，用直线72来表示。用于使液压挖掘机100相对于目标面70而正视的信息作为面对罗盘(facing compass)73来显示。面对罗盘73是表示相对于目标面70的面对方向和要使液压挖掘机100回转的方向的图标。驾驶员通过面对罗盘73，能够确认向目标面70的面对度。

行驶模式画面52的侧面图52b包含设计面线91、目标面线92、侧视时的液压挖掘机100的图标75、作业机2的可作业的范围76、以及表示目标作业位置的信息。设计面线91表示目标面70以外的设计面74的剖面。目标面线92表示目标面70的剖面。如图4所示，设计面线91及目标面线92通过计算穿过挖斗8的前端P3的当前位置的平面77和设计地形的交叉线80来求。目标面线92以不同于设计面线91的颜色来显示。另外，在图5中，改变线型来表现目标面线92和设计面线91。

可作业的范围76表示作业机2实际能够到达的车辆主体1的周围的范围。可作业的范围76从存储于存储单元43的作业机数据来计算。侧面图52b所示的目标作业位置相当于上述的顶视图52a所示的目标作业位置，用三角形的图标81来表示。另外，液压挖掘机100上的目标点通过三角形的图标82来表示。驾驶员使液压挖掘机100移动，以使目标点的图标82与目标作业位置的图标81一致。

如上所述，行驶模式画面52包含表示目标作业位置的信息和用于使液压挖掘机100相对于目标面70而面对的信息。因此，驾驶员通过行驶模式画面52，能够将液压挖掘机100配置在为对于目标面70进行作业而优选的位置及方向上。因此，行驶模式画面52用于进行液压挖掘机100的定位。

另外，如上所述，目标面线92从挖斗8的前端的当前位置来计算。显示控制器39基于来自三维位置传感器23、第1行程传感器16～第3行程传感器18、倾斜角传感器24等的检测结果，计算世界坐标系{X，Y，Z}的挖斗8的前端的当前位置。具体而言，挖斗8的前端的当前位置如下来求。

首先，如图6所示，求以上述的GNSS天线21的设置位置P1为原点的车辆主体坐标系{Xa，Ya，Za}。图6(a)是液压挖掘机100的侧面图。图6(b)是液压挖掘机100的背面图。这里，液压挖掘机100的前后方向即车辆主体坐标系的Ya轴方向相对于世界坐标系的Y轴方向而倾斜。另外，车辆主体坐标系的动臂销13的坐标为(0，Lb1，-Lb2)，预存储于显示控制器39的存储单元43。

三维位置传感器23检测GNSS天线21、22的设置位置P1、P2。从检测到的坐标位置P1、P2，通过下面的式(1)，计算Ya轴方向的单位向量。

Ya＝(P1-P2)/|P1-P2|              …(1)

如图6(a)所示，当将穿过由Ya和Z这两个向量表示的平面且垂直于Ya的向量Z’导入时，下面的关系成立。

(Z’，Ya)＝0           …(2)

Z’＝(1-c)Z+cYa        …(3)

c为常数。

根据(2)式及(3)式，Z’如下面的(4)式所示。

Z’＝Z+{(Z，Ya)/((Z，Ya)-1)}(Ya-Z)    …(4)

另外，当设与Ya及Z’都垂直的向量为X’时，X’如下面的(5)式所示。

X’＝Ya⊥Z’    …(5)

如图6(b)所示，车辆主体坐标系由于是使其绕Ya轴旋转上述的侧滚角θ4的坐标系，因此如下面的(6)式所示。

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{Xa}& \mathrm{Ya}& \mathrm{Za}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{X}^{\′}& \mathrm{Ya}& Z^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}4& 0& \sin \mathrm{\θ}4\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}4\end{array}\right]\·\·\·\left(6\right)$

另外，从第1行程传感器16～第3行程传感器18的检测结果，计算上述的动臂6、挖掘臂7、挖斗8的当前的倾斜角θ1、θ2、θ3。车辆主体坐标系内的挖斗8的前端P3的坐标(xat、yat、zat)，利用倾斜角θ1、θ2、θ3及动臂6、挖掘臂7、挖斗8的长度L1、L2、L3，通过下面的(7)～(9)式来计算。

xat＝0                                                  …(7)

yat＝Lb1+L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)+L3sin(θ1+θ2+θ3)     …(8)

zat＝-Lb2+L1cosθ1+L2cos(θ1+θ2)+L3cos(θ1+θ2+θ3)    …(9)

另外，挖斗8的前端P3设为在车辆主体坐标系的Ya-Za平面上进行移动。

而且，世界坐标系的挖斗8的前端P3的坐标从下面的(10)式来求。

P3＝xat·Xa+yat·Ya+zat·Za+P1                         …(10)

如图4所示，显示控制器39基于如上所述算出的挖斗8的前端的当前位置和存储于存储单元43的设计地形数据，计算三维设计地形和穿过挖斗8的前端P3的Ya-Za平面77的交叉线80。然后，显示控制器39将该交叉线中穿过目标面70的部分作为上述的目标面线92而显示于引导画面。

2-2.粗挖掘画面53

图7表示的是粗挖掘画面53。在粗挖掘画面53上显示与上述的行驶模式画面52同样的画面切换键65。另外，粗挖掘画面53包含表示作业区域的设计地形和液压挖掘机100的当前位置的顶视图53a、以及表示目标面70和液压挖掘机100的侧面图53b。

粗挖掘画面53的顶视图53a与上述的行驶模式画面52的顶视图52a不同，是以液压挖掘机100的回转平面为投影面来表现设计地形。因此，顶视图53a是从液压挖掘机100的正上方看到的图，在液压挖掘机100倾斜时，设计面会倾斜。粗挖掘画面53的侧面图53b包含设计面线91、目标面线92、侧视时的液压挖掘机100的图标75、以及表示挖斗8和目标面70之间的位置关系的信息。表示挖斗8和目标面70之间的位置关系的信息包含数值信息83和图形信息84。数值信息83是表示挖斗8的前端和目标面线92之间的最短距离的数值。图形信息84是用图形来表示挖斗8的前端和目标面线92之间的最短距离的信息。具体而言，图形信息84包含索引栏(index bar)84a、索引栏84a中表示挖斗8的前端和目标面线92之间的距离相当于零的位置的索引标记84b。索引栏84a根据挖斗8的前端和目标面线92之间的最短距离，点亮各索引栏84a。另外，图形信息84的显示的通/断也可以设为通过驾驶员的操作而可变更。

如上所述，在粗挖掘画面53中，详细地显示目标面线92和液压挖掘机100的相对位置关系、以及表示挖斗8的前端和目标面线92之间的最短距离的数值。驾驶员通过使挖斗8的前端沿着目标面线92移动，能够容易地进行挖掘，以使当前的地形变成三维设计地形。

2-3.细挖掘画面54

图8表示的是细挖掘画面54。细挖掘画面54比粗挖掘画面53更详细地表示目标面70和液压挖掘机100之间的位置关系。在细挖掘画面54上，显示与上述的行驶模式画面52同样的画面切换键65。另外，在图8中，由于显示有细挖掘画面54，因此表示细挖掘画面54的图标作为画面切换键65来显示。另外，细挖掘画面54包含表示目标面70和挖斗8的正面图54a、以及表示目标面70和挖斗8的侧面图54b。细挖掘画面54的正面图54a中，包含正视时的挖斗8的图标89、以及表示正视时的目标面70的剖面的线(以下称为“目标面线93”)。细挖掘画面54的侧面图54b中，包含侧视时的挖斗8的图标90、设计面线91、以及目标面线92。另外，在细挖掘画面54的正面图54a和侧面图54b上分别显示表示目标面70和挖斗8之间的位置关系的信息。

在正面图54a中，表示目标面70和挖斗8之间的位置关系的信息包含距离信息86a和角度信息86b。距离信息86a表示挖斗8的前端和目标面线93之间的Za方向的距离。另外，角度信息86b表示目标面线93和挖斗8之间的角度的信息。具体而言，角度信息86b是穿过挖斗8的多个斗齿的前端的假想线和目标面线93之间的角度。

在侧面图54b中，表示目标面70和挖斗8之间的位置关系的信息包含距离信息87a和角度信息87b。距离信息87a表示挖斗8的前端和目标面线92之间的最短距离，即，目标面线92的垂线方向的挖斗8的前端和目标面线92之间的距离。另外，角度信息87b表示目标面线92和挖斗8之间的角度的信息。具体而言，侧面图54b中显示的角度信息87b是挖斗8的底面和目标面线92之间的角度。

另外，细挖掘画面54包含用图形来表示挖斗8的前端和目标面线92之间的最短距离的图形信息88。与粗挖掘画面53的图形信息84同样，图形信息88具有索引栏88a和索引标记88b。

如上所述，在细挖掘画面54中，显示目标面线92、93和挖斗8之间的相对位置关系。驾驶员通过使挖斗8的前端沿着表示目标面线92、93的线移动，能够更加容易地进行挖掘，以使当前的地形变成与三维设计地形相同。

3.引导画面的显示范围优化控制

接着，说明由显示控制器39的运算单元44执行的引导画面的显示范围优化控制。显示范围优化控制是为驾驶员容易掌握目标面70和作业机2之间的位置关系而优化显示范围的控制。显示范围表示对于上述的设计地形数据显示作为引导画面的范围。即，由设计地形数据表现的设计地形中包含在显示范围中的部分作为引导画面来显示。另外，如上所述，行驶模式画面52及粗挖掘画面53分别包含顶视图52a、53a和侧面图52b、53b。另外，细挖掘画面54包含正面图54a和侧面图54b。本实施方式的显示范围优化控制将各引导画面相对于侧面图的显示范围进行优化。图9及图10是表示显示范围优化控制的处理的流程图。

在步骤S1中，检测车辆主体1的当前位置。这里，如上所述，运算单元44基于来自位置检测单元19的检测信号，计算车辆主体1的世界坐标系的当前位置。

在步骤S2中，设定显示范围。这里，运算单元44设定长方形的显示范围。运算单元44从显示单元42的显示引导画面的部分(以下称为“显示区域”)的画面纵横尺寸比，求显示范围的短边是纵边还是横边。例如，如图11(a)所示，在显示区域为纵长形状的情况下，横边作为短边来求。另外，如图11(b)所示，在显示区域为横长形状的情况下，纵边作为短边来求。另外，画面纵横尺寸比保存于显示输入装置38的未图示的存储单元，由显示控制器39读出。然后，运算单元44确定用于将引导画面显示于显示区域内的缩小比例尺，以使引导画面的规定范围收敛在显示范围的短边的范围内。具体而言，如图12所示，以作业机2的最大伸展长度为基准，设定显示范围的短边的长度。例如，在行驶模式画面中，设定显示范围的缩小比例尺，以使显示范围的短边的长度达到最大伸展长度的2倍。在粗挖掘画面中，设定显示范围的缩小比例尺，以使显示范围的短边的长度达到最大伸展长度的1.5倍。在细挖掘画面中，设定显示范围的缩小比例尺，以使显示范围的短边的长度达到最大伸展长度的1.2倍。

另外，作业机2的最大伸展长度从作业机数据来计算。如图13所示，最大伸展长度是使作业机2延伸到最大限度时的作业机2的长度，即，使作业机2延伸到最大限度时的动臂销13和挖斗8的前端P3之间的长度。图13是示意地表示作业机2的长度成为最大伸展长度Lmax时的作业机2的姿态(以下，称为“最大伸展姿态”)的图。图13所示的坐标平面Yb-Zb是在上述的车辆主体坐标系{Xa，Ya，Za}中以动臂销13的位置为原点的坐标平面。在最大伸展姿态时，挖掘臂角θ2成为最小值。另外，挖斗角θ3通过用于参数优化的数值分析来计算，以使作业机2的伸展长度成为最大。然后，从这些结果，计算最大伸展长度Lmax。

通过以上的处理，设定如图14所示的显示范围55。显示范围55的长边的大小从上述的短边的大小和画面纵横尺寸比来计算。另外，显示范围55的规定的位置设定为基准点Pb。每一种引导画面都固定地设定有基准点Pb。具体而言，基准点Pb用来自显示范围55一个角的顶点的Y轴方向的距离a1和Z轴方向的距离b1来表示(以下称为“偏离值”)。而且，基准点Pb的偏离值a1、b1在行驶模式画面52、粗挖掘画面53和细挖掘画面54各画面中，都设定有固有的值。

返回到图9，在步骤S3中，确定显示对象面线。这里，如图15所示，运算单元44基于地形数据、作业机数据和车辆主体的当前位置，在目标面线92上，运算起点Ps和终点Pe。起点Ps是在目标面线92上最接近车辆主体1的位置。终点Pe是距起点Ps的距离为作业机2的最大伸展长度Lmax的位置。具体而言，在Yb-Zb平面和目标面70的交叉线上，运算起点Ps和终点Pe的坐标。由此，例如，如图16所示，计算目标面线92上的起点Ps和终点Pe的坐标，目标面线92中起点Ps和终点Pe之间的部分确定为显示对象面线78。但是，如图17所示，在车辆主体1位于目标面70上的情况下，车辆原点Po的位置(在此，挖斗销13的当前位置)确定为起点Ps的位置。另外，如图18所示，在目标面线92小于最大伸展长度Lmax的情况下，终点Pe位于目标面70的外侧。另外，如图17所示，在距起点Ps的距离为最大伸展距离的位置位于目标面70的外侧的情况下，终点Pe也位于目标面70的外侧。在这种情况下，如图19所示，计算目标面线92上的起点Ps和与目标面线92邻接的设计面线91上的终点Pe的坐标，目标面线92和设计面线91中起点Ps和终点Pe之间的部分确定为显示对象面线78。

返回到图9，在步骤S4中，判断行驶模式画面52或粗挖掘画面53是否显示于显示单元42。在行驶模式画面52或粗挖掘画面53不显示于显示单元42的情况下，进入步骤S5。即，在细挖掘画面54显示于显示单元42的情况下，进入步骤S5。

在步骤S5中，将基准点Pb设定在显示对象面线78的起点Ps和终点Pe的平均位置。即，如图20所示，基准点Pb被设定在起点Ps和终点Pe的中点Pm。然后，在图10所示的步骤S9中，显示引导画面即细挖掘画面54。如上所述，由于基准点Pb设定在起点Ps和终点Pe的中点Pm，因此如图21(a)～(c)所示，在细挖掘画面54的侧面图54b上，对显示对象面线78固定地显示，显示挖斗8的图标89以使其在细挖掘画面54的侧面图54b上移动。

返回到图9，在步骤S4中，在判定为行驶模式画面52或粗挖掘画面53显示于显示单元42时，进入图10所示的步骤S6。在步骤S6中，如图16所示，基准点Pb的Y坐标设定于车辆原点Po的Y坐标。

接着，在步骤S7中，判定车辆原点Po的Z坐标是否位于上部边界线和下部边界线之间。上部边界线表示显示对象面线78的上端的高度位置。下部边界线表示显示对象面线78的下端的高度位置。例如，如图16所示，上部边界线La是穿过显示对象面线78的终点Pe的平行于Y轴的线。另外，下部边界线Lb是穿过显示对象面线78的起点Ps的平行于Y轴的线。在判定为车辆原点Po的Z坐标位于上部边界线La和下部边界线Lb之间时，进入步骤S8。

在步骤S8中，将基准点Pb的Z坐标设定在上部边界线La和下部边界线Lb的平均位置。这里，如图16所示，基准点Pb的Z坐标固定于上部边界线La和下部边界线Lb之间的中点Pm的Z坐标。然后，在步骤S9中，显示引导画面。即，显示行驶模式画面52或粗挖掘画面53。例如，在显示粗挖掘画面53的情况下，如图22(a)～(c)所示，当车辆主体1在上部边界线La和下部边界线Lb之间进行上下移动时，在粗挖掘画面53的侧面图53b上，对显示对象面线78固定地显示，显示液压挖掘机100的图标75，以使其在粗挖掘画面53的侧面图53b上进行上下移动。行驶模式画面52的侧面图52b也与粗挖掘画面53的侧面图53b同样地显示。

在步骤S7中判定为车辆原点Po的Z坐标不在上部边界线La和下部边界线Lb之间的情况下，进入步骤S10。在步骤S10中，判定车辆原点Po的Z坐标是否位于上部边界线La更上方。这里，如图23所示，在车辆原点Po的Z坐标位于上部边界线La更上方的情况下，进入步骤S11。

在步骤S11中，将基准点Pb的Y坐标设定在上部边界线La和下部边界线Lb的平均位置加上车辆原点Po和上部边界线La之间的距离所得的位置。即，如图23所示，将起点Ps和终点Pe的中点Pm的Z坐标加上车辆原点Po和上部边界线La之间的Z轴方向的距离Da所得的值设定为基准点Pb的Z坐标。另外，在图23中，“Pb’”表示车辆原点Po的Z坐标位于上部边界线La和下部边界线Lb之间时的基准点的位置。

然后，在步骤S9中，显示引导画面。即，显示行驶模式画面52或粗挖掘画面53。例如，在显示粗挖掘画面53的情况下，如图24(a)～(c)所示，车辆主体1从上部边界线La越向上方移动，越显示在粗挖掘画面53的侧面图53b上，以使显示对象面线78逐渐向下方移动。另外，在粗挖掘画面53的侧面图53b上，显示液压挖掘机100的图标75，以使其上下方向的位置固定(参照图24(b)、(c))。行驶模式画面52的侧面图52b也与粗挖掘画面53的侧面图53b同样地显示。

在步骤S10中判定为车辆原点Po的Z坐标不在上部边界线La更上方的情况下，进入步骤S12。即，如图25所示，在判定为车辆原点Po的Z坐标位于下部边界线Lb更下方的情况下，进入步骤S12。

在步骤S12中，将基准点Pb的Z坐标设定在上部边界线La和下部边界线Lb的平均位置减去车辆原点Po和下部边界线Lb之间的距离所得的位置。即，如图25所示，将起点Ps和终点Pe的中点Pm的Z坐标减去车辆原点Po和下部边界线Lb之间的Z轴方向的距离Db所得的值设定为基准点Pb的Z坐标。

然后，在步骤S9中，显示引导画面。即，显示行驶模式画面52或粗挖掘画面53。例如，在显示粗挖掘画面53的情况下，如图26(a)～(c)所示，车辆主体1从下部边界线Lb越向下方移动，越显示在粗挖掘画面53的侧面图53b上，以使显示对象面线78逐渐向上方移动。另外，在粗挖掘画面53的侧面图53b上，显示液压挖掘机100的图标75，以使其上下方向的位置固定(参照图26(b)、(c))。行驶模式画面52的侧面图52b也与粗挖掘画面53的侧面图53b同样地显示。

另外，如上所述，在显示行驶模式画面52或粗挖掘画面53时，基准点Pb的Y坐标设定为车辆原点Po的Y坐标(参照图16)。因此，在车辆主体1沿Y轴方向移动的情况下，如图27(a)～(c)所示，在引导画面上，液压挖掘机100的图标75被固定，显示对象面线78被显示，以使其沿Y轴方向移动。

4.特征

在本实施方式的显示系统28中，运算单元44基于起点Ps和终点Pe的坐标来确定显示范围55的基准点Pb的坐标。因此，不一定是目标面线92的整体显示于引导画面，而是目标面线92中起点Ps和终点Pe之间的部分即显示对象面线78优先地显示于引导画面。因此，与显示目标面线92的整体的情况相比，既不会过大又不会过小地显示目标面线92和车辆主体1，驾驶员能够容易地掌握目标面线92和车辆主体1之间的位置关系。另外，由于车辆主体1不能对超过作业机2的最大伸展长度Lmax的范围进行挖掘，因此即使目标面线92中难以显示更远离最大伸展长度Lmax的部分，给作业性带来的影响也小。

如图18所示，在目标面线92小于最大伸展长度Lmax的情况下，考虑到目标面70的外侧的部分，确定基准点Pb的坐标。因此，位于作业机2到达的范围内的目标面线92以外的设计面线91也能够适当地显示于引导画面。

如图11所示，从画面纵横尺寸比来判定显示范围55的短边是纵边还是横边。然后，确定显示范围55的缩小比例尺，以使引导画面的规定范围收敛于显示范围55的短边的范围内。另外，引导画面的规定范围因所显示的引导画面的种类而不同。具体而言，如图12所示，引导画面的规定范围通过作业机2的最大伸展长度Lmax乘以规定的倍率所得的值来表示。而且，规定的倍率因所显示的引导画面的种类而不同。例如，在行驶模式画面52的情况下，与其他引导画面相比，以比较宽阔的范围收敛于显示范围55的短边的范围内的方式确定缩小比例尺。另外，在细挖掘画面54的情况下，与其他引导画面相比，以比较狭窄的范围收敛于显示范围55的短边的范围内的方式确定缩小比例尺。因此，不论显示单元42中显示引导画面的显示区域的形状是纵长还是横长，都能够适当地显示引导画面的所期望的范围。

5.其他实施方式

以上，说明了本发明的一个实施方式，但本发明不局限于上述实施方式，在不脱离本发明精神的范围内，可进行种种变更。例如，各引导画面的内容不局限于上述的内容，也可以适当变更。另外，显示控制器39的功能的一部分或全部也可以由配置于液压挖掘机100的外部的电脑来执行。另外，目标作业对象不局限于如上所述的平面，也可以为点、线或三维的形状。显示输入装置38的输入单元41不局限于触摸式，也可以由硬按键(hard key)及开关等操作构件构成。在上述的实施方式中，作业机2具有动臂6、挖掘臂7、挖斗8，但作业机2的结构不局限于此。

在上述的实施方式中，由第1行程传感器16～第3行程传感器18来检测动臂6、挖掘臂7、挖斗8的倾斜角，但倾斜角的检测方式不局限于这些。例如，也可以具备检测动臂6、挖掘臂7、挖斗8的倾斜角的角度传感器。

与显示范围的短边对应的引导画面的规定范围不局限于图12所示的范围，相对于最大伸展长度的倍率也可以适当地变更为其他值。另外，也可以不基于最大伸展长度Lmax而基于其他基准来定义与显示范围的短边对应的引导画面的规定范围。

细挖掘画面54的基准点Pb的坐标不局限于起点Ps和终点Pe的中点Pm，也可以设定在其他的规定的位置。同样，在行驶模式画面52及粗挖掘画面53中，车辆原点Po位于上部边界线La和下部边界线Lb之间时的基准点Pb的Z坐标不局限于起点Ps和终点Pe的中点Pm的Z坐标，也可以设定在其他位置的Z坐标。

在上述的实施方式中，表示车辆主体1的当前位置的车辆原点Po设定在挖斗销15的位置，但也可以设定在车辆主体1的其他位置。

各引导画面所含的画面不局限于上述的画面。例如，在细挖掘画面54中，也可以显示液压挖掘机100的顶视图，来代替上述的正面图54a。

工业实用性

本发明具有能够容易地掌握目标面和液压挖掘机之间的位置关系的效果，作为液压挖掘机的显示系统及其控制方法是很有用的。

Claims (5)

1.一种液压挖掘机的显示系统，其显示引导画面，所述引导画面表示液压挖掘机的当前位置和从构成设计地形的多个设计面中选择的目标面，所述液压挖掘机具有车辆主体和安装于所述车辆主体的作业机，所述液压挖掘机的显示系统包括：

地形数据存储单元，存储表示所述目标面的位置的地形数据；

作业机数据存储单元，存储表示所述作业机的最大伸展长度的作业机数据；

位置检测单元，检测所述车辆主体的当前位置；

运算单元，设定对于所述地形数据作为所述引导画面来显示的规定的显示范围，基于所述地形数据、所述作业机数据和所述车辆主体的当前位置，在所述目标面的侧视时的剖面中，计算最接近所述车辆主体的起点的位置、距所述起点的距离为所述作业机的最大伸展长度的终点的位置，然后基于所述起点和所述终点的位置，计算所述显示范围的规定的基准点的位置；以及

显示单元，显示所述引导画面，所述引导画面表示所述显示范围所含的所述目标面的侧视时的剖面和所述液压挖掘机的当前位置。

2.如权利要求1所述的液压挖掘机的显示系统，

在所述目标面的剖面小于所述最大伸展长度的情况下，所述终点位于所述目标面的外侧。

3.如权利要求1所述的液压挖掘机的显示系统，

所述显示范围具有长方形的形状，

所述运算单元从所述显示单元的显示所述引导画面的部分的画面纵横尺寸比，求所述显示范围的短边是纵边还是横边，然后以所述引导画面的规定范围收敛在所述显示范围的短边的范围内的方式确定所述显示范围的缩小比例尺。

4.一种液压挖掘机，包括权利要求1至权利要求3中的任一项所述的液压挖掘机的显示系统。

5.一种液压挖掘机的显示系统的控制方法，所述显示系统显示引导画面，所述引导画面表示液压挖掘机的当前位置和从构成设计地形的多个设计面中选择的目标面，所述液压挖掘机具有车辆主体和安装于所述车辆主体的作业机，所述显示系统的控制方法具备如下步骤：

检测所述车辆主体的当前位置；

设定对于表示所述目标面的位置的地形数据作为所述引导画面来显示的规定的显示范围；

基于所述地形数据、表示所述作业机的最大伸展长度的作业机数据、所述车辆主体的当前位置，在所述目标面的侧视时的剖面中，计算最接近所述车辆主体的起点的位置、距所述起点的距离为所述作业机的最大伸展长度的终点的位置；

基于所述起点和所述终点的位置，计算所述显示范围的规定的基准点的位置；以及

显示所述引导画面，所述引导画面表示所述显示范围所含的所述目标面的侧视时的剖面和所述液压挖掘机的当前位置。

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