CN103080433B - 挖掘机械的显示系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

在挖掘机械的显示系统中，算出上部边界线（La）的位置和下部边界线（Lb）的位置。上部边界线（La）表示显示对象面（78）的截面上端的高度位置。下部边界线（Lb）表示显示对象面（78）的截面下端的高度位置。在挖掘机械的当前位置（Po）位于上部边界线（La）和下部边界线（Lb）之间时，显示范围的规定的基准点（Pb）设定在上部边界线（La）和下部边界线（Lb）之间的规定位置。在挖掘机械的当前位置（Po）位于比上部边界线（La）靠近上方的位置时，基准点（Pb）设定在比规定位置靠近上方的位置。在挖掘机械的当前位置（Po）位于比下部边界线（Lb）靠近下方的位置时，基准点（Pb）设定在比规定位置靠近下方的位置。

Description

挖掘机械的显示系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及挖掘机械的显示系统及其控制方法。

背景技术

已知有显示表示液压挖掘机等挖掘机械和目标面的位置关系的导向画面的显示系统。目标面是作为作业对象从构成设计地形的多个设计面选择的平面。例如，专利文献1中所公开的显示系统根据液压挖掘机的铲斗的位置及姿势、目标面的位置及梯度等检测数据，运算铲斗和目标面的相对位置关系。显示系统在监视器上显示从侧面看的铲斗和目标面的示意图。此时，显示系统根据目标面和铲斗前端之间的距离变更图像的显示大小。另外，还公开有也可以以缩小为包含于同一画面的程度的比例固定液压挖掘机的车体、工作装置和目标面的整体并在监视器上显示上述图像的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：（日本）特开2001－123476号公报

发明内容

发明所要解决的课题

如专利文献1的显示系统，根据目标面和工作装置之间的距离变更图像的显示大小时，目标面和工作装置有可能被过度地缩小而显示，难以掌握目标面和工作装置的位置关系。另外，即使在以缩小包含于同一画面的程度的比例固定挖掘机械和目标面的整体并在监视器上显示图像的情况下，当目标面和工作装置之间的距离较大时，目标面和挖掘机械也会被过度缩小而显示。因此，难以掌握目标面和挖掘机械的位置关系。

本发明的课题在于，提供一种能够容易地掌握导向画面上所显示的显示对象面和挖掘机械的位置关系的挖掘机械的显示系统及其控制方法。

用于解决课题的技术方案

本发明第一方面提供一种挖掘机械的显示系统，其显示导向画面。导向画面表示挖掘机械的当前位置和表示挖掘对象的目标地形的一部分的显示对象面的侧视时的截面。挖掘机械的显示系统具备存储部、位置检测部、运算部和显示部。存储部存储表示显示对象面的位置的地形数据。位置检测部检测挖掘机械的当前位置。运算部对地形数据设定作为导向画面显示的规定的显示范围。运算部基于地形数据和挖掘机械的当前位置，计算上部边界线的位置和下部边界线的位置。上部边界线表示显示对象面的截面上端的高度位置。下部边界线表示显示对象面的截面下端的高度位置。运算部在挖掘机械的当前位置位于上部边界线和下部边界线之间时，将显示范围的规定的基准点设定在上部边界线和下部边界线之间的规定位置。运算部在挖掘机械的当前位置位于比上部边界线靠近上方的位置时，将基准点设定在比规定位置靠近上方的位置。运算部在挖掘机械的当前位置位于比下部边界线靠近下方的位置时，将基准点设定在比规定位置靠近下方的位置。显示部显示表示显示范围所包含的显示对象面的侧视时的截面和挖掘机械的当前位置的导向画面。

本发明第二方面的挖掘机械的显示系统在第一方面的挖掘机械的显示系统的基础上，运算部在挖掘机械的当前位置位于比上部边界线靠近上方的位置时，将显示范围的基准点设定在从规定位置向上方追加了挖掘机械的当前位置和上部边界线之间的距离的位置。另外，运算部在挖掘机械的当前位置位于比下部边界线靠近下方的位置时，将显示范围的基准点设定在从规定位置向下方追加了挖掘机械的当前位置和下部边界线之间的距离的位置。

本发明第三方面的挖掘机械具备第一或第二方面的挖掘机械的显示系统。

本发明第四方面提供一种挖掘机械的显示系统的控制方法，所述显示系统显示导向画面。导向画面表示挖掘机械的当前位置和表示挖掘对象的目标地形的一部分的显示对象面的侧视时的截面。该控制方法具备下面的步骤。在第一步骤中，检测挖掘机械的当前位置。在第二步骤中，对表示显示对象面的位置的地形数据设定作为导向画面显示的规定的显示范围。在第三步骤中，基于地形数据和挖掘机械的当前位置，计算上部边界线的位置和下部边界线的位置。上部边界线表示显示对象面的侧视时的截面上端的高度位置。下部边界线表示显示对象面的侧视时的截面下端的高度位置。在第四步骤中，在挖掘机械的当前位置位于上部边界线和下部边界线之间时，将显示范围的规定的基准点设定在上部边界线和下部边界线之间的规定位置。在第五步骤中，在挖掘机械的当前位置位于比上部边界线靠近上方的位置时，将基准点设定在比规定位置靠近上方的位置。在第六步骤中，在挖掘机械的当前位置位于比下部边界线靠近下方的位置时，将基准点设定在比规定位置靠近下方的位置。在第七步骤中，显示表示显示范围所包含的显示对象面的侧视时的截面和挖掘机械的当前位置的导向画面。

发明效果

在本发明第一方式的挖掘机械的显示系统中，在挖掘机械的当前位置位于上部边界线和下部边界线之间时，导向画面的显示范围的基准点固定于上部边界线和下部边界线之间的规定位置。因此，即使挖掘机械在上部边界线和下部边界线之间向上方或下方移动，在导向画面中，也会以显示对象面的截面不移动而挖掘机械向上方或下方移动的方式来显示。而且，当挖掘机械移动到比上部边界线靠近上方时，显示范围的基准点变更成比规定位置靠近上方的位置。由此，在导向画面中，以显示对象面的截面向下方移动而显示范围追逐挖掘机械向上方移动的方式来显示。另外，当挖掘机械移动到比下部边界线靠近下方时，显示范围的基准点变更成比规定位置靠近下方的位置。由此，在导向画面中，以显示对象面的截面向上方移动而显示范围追逐挖掘机械向下方移动的方式来显示。由此，可抑制目标面和挖掘机械被过度缩小而显示。因此，操作人员能够容易掌握目标面和挖掘机械的位置关系。

在本发明第二方面的挖掘机械的显示系统中，根据挖掘机械的当前位置从上部边界线向上方离开的距离，显示范围的基准点变更至比规定位置靠近上方的位置。另外，根据挖掘机械的当前位置从下部边界线向下方离开的距离，显示范围的基准点变更至比规定位置靠近下方的位置。由此，能够使导向画面顺畅地滚动。

在本发明第三方面的挖掘机械中，在挖掘机械的当前位置位于上部边界线和下部边界线之间时，导向画面的显示范围的基准点固定于上部边界线和下部边界线之间的规定位置。因此，即使挖掘机械在上部边界线和下部边界线之间向上方或下方移动，在导向画面中，也会以显示对象面的截面不移动而挖掘机械向上方或下方移动的方式来显示。而且，当挖掘机械移动到比上部边界线靠近上方时，显示范围的基准点变更至比规定位置靠近上方的位置。由此，在导向画面中，以显示对象面的截面向下方移动而显示范围追逐挖掘机械向上方移动的方式来显示。另外，当挖掘机械移动到比下部边界线靠近下方时，显示范围的基准点变更至比规定位置靠近下方的位置。由此，在导向画面中，以显示对象面的截面向上方移动而显示范围追逐挖掘机械向下方移动的方式来显示。由此，可抑制目标面和挖掘机械被过度缩小而显示。因此，操作人员能够容易掌握目标面和挖掘机械的位置关系。

在本发明第四方面的挖掘机械的显示系统的控制方法中，在挖掘机械的当前位置位于上部边界线和下部边界线之间时，导向画面的显示范围的基准点固定于上部边界线和下部边界线之间的规定位置。因此，即使挖掘机械在上部边界线和下部边界线之间向上方或下方移动，在导向画面中，也以显示对象面的截面不移动而挖掘机械向上方或下方移动的方式来显示。而且，当挖掘机械移动到比上部边界线靠近上方时，显示范围的基准点变更至比规定位置靠近上方的位置。由此，在导向画面中，以显示对象面的截面向下方移动而显示范围追逐挖掘机械向上方移动的方式来显示。另外，当挖掘机械移动到比下部边界线靠近下方时，显示范围的基准点变更至比规定位置靠近下方的位置。由此，在导向画面中，以显示对象面的截面向上方移动而显示范围追逐挖掘机械向下方移动的方式来显示。由此，可抑制目标面和挖掘机械被过度缩小而显示。因此，操作人员能够容易掌握目标面和挖掘机械的位置关系。

附图说明

图1是液压挖掘机的立体图；

图2是示意性地表示液压挖掘机结构的图；

图3是表示液压挖掘机所具备的控制系统结构的框图；

图4是表示基于设计地形数据显示的设计地形的图；

图5是表示行驶模式的导向画面的图；

图6是表示求得铲斗前端的当前位置的方法的图；

图7是表示粗挖掘模式导向画面的图；

图8是表示精挖掘模式导向画面的图；

图9是表示显示范围最优化控制的处理的流程图；

图10是表示显示范围最优化控制的处理的流程图；

图11是表示显示部上的显示区域的例子的图；

图12是表示显示范围的短边大小的表；

图13是表示工作装置的伸长长度为最大时的工作装置姿势的图；

图14是表示显示范围的例子的图；

图15是表示始点和终点的位置的一个例子的图；

图16是表示显示对象面线的一个例子和显示范围的基准点的设定方法的图；

图17是表示始点和终点的位置的一个例子的图；

图18是表示始点和终点的位置的一个例子的图；

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是表示设定精挖掘模式导向画面中显示范围的基准点的方法的图；

图21是表示图像在精挖掘模式导向画面中的变化的图；

图22是表示图像在行驶模式及粗挖掘模式导向画面中的变化的图；

图23是表示设定行驶模式及粗挖掘模式导向画面中显示范围的基准点的方法的图；

图24是表示图像在行驶模式及粗挖掘模式导向画面中的变化的图；

图25是表示设定行驶模式及粗挖掘模式导向画面中显示范围的基准点的方法的图；

图26是表示图像在行驶模式及粗挖掘模式导向画面中的变化的图；

图27是表示图像在行驶模式及粗挖掘模式导向画面中的变化的图。

具体实施方式

1.构成

1－1液压挖掘机的整体构成

下面，参照附图对本发明一实施方式的挖掘机械的显示系统进行说明。图1是搭载有显示系统的挖掘机械的一个例子即液压挖掘机100的立体图。液压挖掘机100具有车辆主体1和工作装置2。车辆主体1具有上部旋转体3、驾驶室4和行驶装置5。上部旋转体3收容有未图示的发动机、液压泵等装置。驾驶室4载置于上部旋转体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，通过履带5a,5b的旋转，使液压挖掘机100行驶。

工作装置2安装于车辆主体1的前部，具有大臂6、小臂7、铲斗8、大臂缸10、小臂缸11和铲斗缸12。大臂6的基端部经由大臂销13可摆动地安装于车辆主体1的前部。小臂7的基端部经由小臂销14可摆动地安装于大臂6的前端部。在小臂7的前端部经由铲斗销15可摆动地安装有铲斗8。

图2是示意性地表示液压挖掘机100结构的图。图2（a）是液压挖掘机100的侧视图，图2（b）是液压挖掘机100的后视图。如图2（a）所示，大臂6的长度即从大臂销13到小臂销14的长度为L1。小臂7的长度即从小臂销14到铲斗销15的长度为L2。铲斗8的长度即从铲斗销15到铲斗8的斗齿前端的长度为L3。

图1所示的大臂缸10、小臂缸11和铲斗缸12分别是由液压来驱动的液压缸。大臂缸10驱动大臂6。小臂缸11驱动小臂7。铲斗缸12驱动铲斗8。在大臂缸10、小臂缸11、铲斗缸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）。利用后述的工作装置控制器26控制比例控制阀37，由此控制向液压缸10～12供给的工作油的流量。由此，控制液压缸10～12的动作。

如图2（a）所示，在大臂6、小臂7和铲斗8上，分别设有第一～第三行程传感器16～18。第一行程传感器16检测大臂缸10的行程长度。后述的显示控制器39（参照图3）根据第一行程传感器16检测到的大臂缸10的行程长度，计算大臂6相对于后述的车辆主体坐标系中Za轴（参照图6）的倾角θ1。第二行程传感器17检测小臂缸11的行程长度。显示控制器39根据第二行程传感器17检测到的小臂缸11的行程长度，计算小臂7相对于大臂6的倾角θ2。第三行程传感器18检测铲斗缸12的行程长度。显示控制器39根据第三行程传感器18检测到的铲斗缸12的行程长度，计算铲斗8相对于小臂7的倾角θ3。

车辆主体1具备位置检测部19。位置检测部19检测液压挖掘机100的当前位置。位置检测部19具有：RTK－GNSS（Real Time Kinematic-GlobalNavigation Satellite Systems，GNSS称为全球导航卫星系统）用的两个天线21,22（下面，称为“GNSS天线21,22”）、三维位置传感器23和倾角传感器24。GNSS天线21,22沿着后述的车辆主体坐标系Xa-Ya-Za中的Ya轴（参照图6）分开一定距离而配置。与由GNSS天线21,22接收到的GNSS电波相应的信号输入三维位置传感器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）的倾角θ4（下面，称为“侧倾角θ4”）。

图3是表示液压挖掘机100所具备的控制系统统结构的框图。液压挖掘机100具备操作装置25、工作装置控制器26、工作装置控制装置27和显示系统28。操作装置25具有工作装置操作部件31、工作装置操作检测部32、行驶操作部件33和行驶操作检测部34。工作装置操作部件31是操作人员用于操作工作装置2的部件，例如为操作杆。工作装置操作检测部32检测工作装置操作部件31的操作内容，并作为检测信号发送至工作装置控制器26。行驶操作部件33是操作人员用于操作液压挖掘机100的行驶的部件，例如为操作杆。行驶操作检测部34检测行驶操作部件33的操作内容，并作为检测信号发送至工作装置控制器26。

工作装置控制器26具有RAM、ROM等存储部35及CPU等运算部36。工作装置控制器26主要进行工作装置2的控制。工作装置控制器26根据工作装置操作部件31的操作，生成用于使工作装置2动作的控制信号，并输出至工作装置控制装置27。工作装置控制装置27具有比例控制阀37，基于来自工作装置控制器26的控制信号控制比例控制阀37。与来自工作装置控制器26的控制信号相应的流量的工作油从比例控制阀37流出，供给至液压缸10～12。液压缸10～12根据自比例控制阀37供给的工作油来驱动。由此，工作装置2动作。

1－2显示系统28的结构

显示系统28是用于显示表示作业区域内的目标面和液压挖掘机100的当前位置关系的导向画面的系统。显示系统28除了具有上述的第一～第三行程传感器16～18、三维位置传感器23和倾角传感器24之外，还具有显示输入装置38和显示控制器39。

显示输入装置38具有触摸面板式输入部41和LCD等显示部42。显示输入装置38显示导向画面。另外，导向画面中显示有各种键。操作人员可以通过触摸导向画面上的各种键，执行显示系统28的各种功能。关于导向画面，将在后面进行详细说明。

显示控制器39执行显示系统28的各种功能。显示控制器39和工作装置控制器26可通过无线或有线通信装置可以相互通信。显示控制器39具有RAM、ROM等存储部43及CPU等运算部44。存储部43具有存储工作装置数据的工作装置数据存储部47和存储设计地形数据的地形数据存储部46。工作装置数据包含上述的大臂6的长度L1、小臂7的长度L2、铲斗8的长度L3。另外，工作装置数据包含大臂6的倾角θ1、小臂7的倾角θ2、铲斗8的倾角θ3各自的最小值及最大值。在地形数据存储部46中，预先制作并存储有表示作业区域内的三维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各种传感器的检测结果等数据，将导向画面显示在显示输入装置38。具体地讲，如图4所示，设计地形由通过三角多边形分别表示的多个设计面74构成。需要说明的是，在图4中，只对多个设计面中的一个设计面标注符号74，其它设计面的符号则省略表示。操作人员选择这些设计面74中的一个或多个设计面作为目标面70。显示控制器39使表示液压挖掘机100的当前位置和目标面70的位置关系的导向画面显示于显示输入装置38。

2.导向画面

下面，详细说明导向画面。在导向画面中具有图5所示的行驶模式导向画面（下面，称为“行驶模式画面52”）和图7及图8所示的挖掘模式导向画面53,54。行驶模式画面52是为了使液压挖掘机100行驶并引导至目标面70附近而表示液压挖掘机100的当前位置和目标面70的位置关系的画面。挖掘模式导向画面53,54是为了以使作为挖掘作业对象的地面形状与目标面70相同形状的方式引导液压挖掘机100的工作装置2而表示液压挖掘机100的当前位置和目标面70的位置关系的画面。挖掘模式导向画面53,54比行驶模式画面52更详细地表示目标面70和工作装置2的位置关系。挖掘模式导向画面53,54具有图7所示的粗挖掘模式导向画面53（下面，称为“粗挖掘画面53”）和图8所示的精挖掘模式导向画面54（下面，称为“精挖掘画面54”）。

2－1行驶模式画面52

图5中表示行驶模式画面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的当前位置的俯视图52a，和表示目标面70、液压挖掘机100和工作装置2的可作业范围76的侧视图52b。

在行驶模式画面52中显示多个操作键。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和挖掘模式导向画面53,54之间的切换的键。例如，当按一次画面切换键65时，显示有用于选择行驶模式画面52、粗挖掘画面53和精挖掘画面54的弹出画面。另外，在未显示弹出画面的通常显示状态下，行驶模式画面52、粗挖掘画面53和精挖掘画面54中与当前显示的导向画面对应的图标作为画面切换键65显示于导向画面。例如，在图5中，为了显示行驶模式画面52，表示行驶模式画面52的图标作为画面切换键65被显示。另外，如图7所示，在显示粗挖掘画面53时，表示粗挖掘画面53的图标作为画面切换键65被显示。

行驶模式画面52的俯视图52a表示作业区域的设计地形和液压挖掘机100的当前位置。俯视图52a通过多个三角多边形表示俯视时的设计地形。具体地讲，俯视图52a将整体坐标系的水平面作为投影面表现设计地形。另外，目标面70以与其它设计面不同的颜色来显示。需要说明的是，在图5中，虽然液压挖掘机100的当前位置用俯视时的液压挖掘机的图标61来表示，但也可以利用其它符号来表示。另外，俯视图52a包含用于将液压挖掘机100引导至目标面70的信息。具体地讲，显示有方位指示符71。方位指示符71是表示目标面70相对于液压挖掘机100的方向的图标。因此，操作人员能够根据行驶模式画面52，使液压挖掘机100容易地移动到目标面70附近。

另外，行驶模式画面52的俯视图52a还包含表示目标作业位置的信息和用于使液压挖掘机100与目标面70正对的信息。目标作业位置是液压挖掘机100为了对目标面70进行挖掘的最佳的位置，可根据目标面70的位置和后述的可作业范围76来计算。目标作业位置在俯视图52a中用直线72表示。用于使液压挖掘机100与目标面70正对的信息作为正对罗盘73来显示。正对罗盘73是表示相对于目标面70的正对方向和应使液压挖掘机100旋转的方向的图标。操作人员能够通过正对罗盘73确认向目标面70的正对度。

行驶模式画面52的侧视图52b包含表示设计面线91、目标面线92、侧视时的液压挖掘机100的图标75、工作装置2的可作业范围76、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的截面。目标面线92表示目标面70的截面。如图4所示，设计面线91及目标面线92通过计算经过铲斗8前端P3的当前位置的平面77和设计地形的交线80而求得。目标面线92用与设计面线91不同的颜色来显示。另外，在图5中，改变线种来表现目标面线92和设计面线91。

可作业范围76表示工作装置2能够实际到达的车辆主体1周围的范围。可作业范围76根据存储于存储部43的工作装置数据来计算。侧视图52b所示的目标作业位置相当于上述的俯视图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上的目标点由三角形的图标82来表示。操作人员以目标点的图标82与目标作业位置的图标81一致的方式移动液压挖掘机100。

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与目标面70正对的信息。因此，为了对目标面70进行作业，操作人员能够根据行驶模式画面52，在最佳的位置及方向上配置液压挖掘机100。因此，行驶模式画面52为了进行液压挖掘机100的定位而使用。

如上所述，目标面线92根据铲斗8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、第一～第三行程传感器16～18、倾角传感器24等的检测结果，计算整体坐标系｛X，Y，Z｝中的铲斗8前端的当前位置。具体地讲，铲斗8前端的当前位置如下求得。

首先，如图6所示，求得以上述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的侧视图。图6（b）是液压挖掘机100的后视图。在此，液压挖掘机100的前后方向即车辆主体坐标系的Ya轴向相对于整体坐标系的Y轴向倾斜。另外，车辆主体坐标系中的大臂销13的坐标为（0，Lb1，－Lb2），并预先存储于显示控制器39的存储部43。

三维位置传感器23检测GNSS天线21,22的设置位置P1、P2。根据检测到的坐标位置P1、P2，通过下面的式（1）计算出Ya轴向的单位矢量。

Ya＝（P1－P2）／｜P1－P2｜…（1）

如图6（a）所示，当通过用Ya和Z两个矢量表示的平面导入与Ya垂直的矢量Z’时，下面的关系成立。

（Z’，Ya）＝0…（2）

Z’＝（1－c）Z＋cYa…（3）

C为常数。

用式（2）及式（3），Z’如下面的式（4）那样表示。

Z’＝Z＋｛（Z，Ya）／（（Z，Ya）－1）｝（Ya－Z）…（4）

另外，将与Ya及Z’垂直的矢量设为X’时，X’如下面的式（5）那样表示。

X’＝Ya⊥Z’…（5）

如图6（b）所示，车辆主体坐标系是将其绕Ya轴转动上述侧倾角θ4而得到的，因此，如下面的式（6）那样表示。

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

另外，根据第一～第三行程传感器16～18的检测结果，计算上述大臂6、小臂7、铲斗8的当前的倾角θ1、θ2、θ3。车辆主体坐标系内的铲斗8前端P3的坐标（xat、yat、zat），使用倾角θ1、θ2、θ3及大臂6、小臂7、铲斗8的长度L1、L2、L3，通过下面的式（7）～（9）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）

需要说明的是，铲斗8前端P3设定为在车辆主体坐标系的Ya－Za平面上移动。

而且，整体坐标系中的铲斗8前端P3的坐标根据下面的式（10）求得。

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铲斗8前端的当前位置和存储于存储部43的设计地形数据，计算三维设计地形和穿过铲斗8前端P3的Ya－Za平面77的交线80。而且，显示控制器39将该交线中穿过目标面70的部分作为上述目标面线92显示于导向画面。

2－2粗挖掘画面53

图7中表示粗挖掘画面53。在粗挖掘画面53中显示有与上述行驶模式画面52相同的画面切换键65。粗挖掘画面53还包含表示作业区域的设计地形和液压挖掘机100的当前位置的俯视图53a及表示目标面70和液压挖掘机100的侧视图53b。

粗挖掘画面53的俯视图53a与上述行驶模式画面52的俯视图52a不同，将液压挖掘机100的旋转平面作为投影面表现设计地形。因此，俯视图53a是从液压挖掘机100的正上方观察的图，在液压挖掘机100倾斜时，设计面倾斜。粗挖掘画面53的侧视图53b包含表示设计面线91、目标面线92、侧视时的液压挖掘机100的图标75、铲斗8和目标面70的位置关系的信息。表示铲斗8和目标面70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是表示铲斗8前端和目标面线92的最短距离的数值。图形信息84是用图表表示铲斗8前端和目标面线92的最短距离的信息。具体地讲，图形信息84包含指示杆84a、表示指示杆84a中铲斗8前端和目标面线92的距离相当于零的位置的指示标记84b。指示杆84a根据铲斗8前端和目标面线92的最短距离点亮各指示杆84a。另外，也可以通过操作人员的操作可变更图形信息84的显示的接通/切断。

如上所述，在粗挖掘画面53中，详细地显示有目标面线92和液压挖掘机100的相对位置关系、表示铲斗8前端和目标面线92的最短距离的数值。操作人员通过铲斗8前端沿着表示目标面线92的线进行移动，能够以当前地形成为三维设计地形的方式容易地进行挖掘。

2－3精挖掘画面54

图8中表示精挖掘画面54。精挖掘画面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的位置关系。在精挖掘画面54中显示有与上述行驶模式画面52相同的画面切换键65。另外，在图8中，由于显示有精挖掘画面54，因此，表示精挖掘画面54的图标作为画面切换键65被显示。另外，精挖掘画面54包含表示目标面70和铲斗8的主视图54a、表示目标面70和铲斗8的侧视图54b。在精挖掘画面54的主视图54a中包含正面看的铲斗8的图标89和表示正面看的目标面70截面的线（下面，称为“目标面线93”）。在精挖掘画面54的侧视图54b中包含侧面看的铲斗8的图标90、设计面线91和目标面线92。另外，在精挖掘画面54的主视图54a和侧视图54b中分别显示有表示目标面70和铲斗8的位置关系的信息。

在主视图54a中，表示目标面70和铲斗8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表示铲斗8前端和目标面线93之间在Za方向上的距离。另外，角度信息86b是表示目标面线93和铲斗8之间的角度的信息。具体地讲，角度信息86b是通过铲斗8的多个斗齿前端的假想线和目标面线93之间的角度。

在侧视图54b中，表示目标面70和铲斗8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表示铲斗8前端和目标面线92之间的最短距离，即目标面线92的垂线方向上的铲斗8前端和目标面线92之间的距离。另外，角度信息87b是表示目标面线92和铲斗8之间的角度的信息。具体地讲，侧视图54b中所显示的角度信息87b是铲斗8的底面和目标面线92之间的角度。

另外，精挖掘画面54包含用图表表示铲斗8前端和目标面线92的最短距离的图形信息88。与粗挖掘画面53的图形信息84一样，图形信息88具有指示杆88a和指示标记88b。

如上所述，在精挖掘画面54中，显示有目标面线92,93和铲斗8的相对位置关系。操作人员通过使铲斗8前端沿着表示目标面线92、93的线进行移动，能够进一步以当前地形成为与三维设计地形相同的形状的方式容易地进行挖掘。

3.导向画面的显示范围最优化控制

接着，说明由显示控制器39的运算部44执行的导向画面的显示范围最优化控制。显示范围最优化控制是为了使操作人员容易地掌握目标面70和工作装置2的位置关系，将显示范围最优化的控制。显示范围表示对上述设计地形数据作为导向画面显示的范围。即，由设计地形数据表现的设计地形中被包含于显示范围的部分作为导向画面被显示。如上所述，行驶模式画面52及粗挖掘画面53分别包含俯视图52a,53a和侧视图52b,53b。另外，精挖掘画面54包含主视图54a和侧视图54b。本实施方式中的显示范围最优化控制是对于各导向画面的侧视图将显示范围最优化的控制。图9及图10是表示显示范围最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。在此，如上所述，运算部44基于来自位置检测部19的检测信号，计算车辆主体1的整体坐标系中的当前位置。

在步骤S2中，设定显示范围。在此，运算部44设定长方形的显示范围。运算部44根据显示部42的显示导向画面的部分（下面，称为“显示区域”）的画面长宽比，求得显示范围的短边是纵边和横边中的哪一个。例如，如图11（a）所示，在显示区域为纵长形状的情况下，横边作为短边求得。另外，如图11（b）所示，在显示区域为横长形状的情况下，纵边作为短边求得。另外，画面长宽比保存于显示输入装置38的未图示的存储部，由显示控制器39读出。运算部44以导向画面的规定范围收纳于显示范围的短边范围内的方式，确定用于在显示区域内显示导向画面的缩尺。具体地讲，如图12所示，以工作装置2的最大伸长长度为基准，设定显示范围的短边长度。例如，在行驶模式画面中，以显示范围的短边长度成为最大伸长长度的两倍的方式设定显示范围的缩尺。在粗挖掘画面中，以显示范围的短边长度成为最大伸长长度的1.5倍的方式设定显示范围的缩尺。在精挖掘画面中，以显示范围的短边长度成为最大伸长长度的1.2倍的方式设定显示范围的缩尺。

需要说明的是，工作装置2的最大伸长长度根据工作装置数据来计算。如图13所示，最大伸长长度是将工作装置2伸展到最大限度时的工作装置2的长度，即将工作装置2伸展到最大限度时的大臂销13和铲斗8前端P3之间的长度。图13示意性地表示工作装置2的长度成为最大伸长长度Lmax时的工作装置2的姿势（下面，称为“最大伸长长度姿势”）。图13所示的坐标平面Yb－Zb在上述车辆主体坐标系｛Xa，Ya，Za｝中，将大臂销13的位置设为原点。在最大伸长长度姿势中，小臂角θ2成为最小值。另外，铲斗角θ3以工作装置2的伸长长度成为最大的方式，通过用于参数最优化的数值解析来计算。而且，根据这些结果计算最大伸长长度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的长边大小根据上述短边大小和画面长宽比来计算。另外，显示范围55中的规定位置作为基准点Pb被设定。基准点Pb是对应于每个导向画面的种类来固定的。具体地讲，基准点Pb由来自显示范围55的一个角顶点的Y轴向的距离a1和Z轴向的距离b1来表示（下面，称为“偏置值”）。另外，基准点Pb的偏置值a1,b1在各个行驶模式画面52、粗挖掘画面53和精挖掘画面54中设定有固有的值。

返回到图9，在步骤S3中，确定显示对象面线。在此，如图15所示，运算部44基于地形数据、工作装置数据和车辆主体的当前位置，在目标面线92上的侧视时的截面中运算始点Ps和终点Pe。在目标面线92上，始点Ps是距车辆主体1最近的位置。终点Pe是从始点Ps离开工作装置2的最大伸长长度Lmax的位置。具体地讲，在Yb－Zb平面和目标面70的交线上，运算始点Ps和终点Pe的坐标。由此，例如如图16所示，计算目标面线92上的始点Ps和终点Pe的坐标，确定目标面线92中始点Ps和终点Pe之间的部分作为显示对象面线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，确定车辆原点Po的位置（在此，铲斗销13的当前位置）作为始点Ps的位置。另外，如图18所示，在目标面线92比最大伸长长度Lmax小的情况下，终点Pe位于目标面70的外侧。另外，如图17所示，在从始点Ps离开最大伸长长度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。在该情况下，如图19所示，计算目标面线92上的始点Ps和与目标面线92邻接的设计面线91上的终点Pe的坐标，确定目标面线92和设计面线91中始点Ps和终点Pe之间的部分作为显示对象面线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是否显示于显示部42。在行驶模式画面52或粗挖掘画面53未显示于显示部42的情况下，进入步骤S5。即，在精挖掘画面54显示于显示部42的情况下，进入步骤S5。

在步骤S5中，在显示对象面线78的始点Ps和终点Pe的平均位置设定基准点Pb。即，如图20所示，基准点Pb设定成始点Ps和终点Pe的中点Pm。而且，在图10所示的步骤S9中，显示导向画面即精挖掘画面54。如上所述，基准点Pb设定成始点Ps和终点Pe的中点Pm，因此，如图21（a）～（c）所示，在精挖掘画面54的侧视图54b中，显示对象面线78被固定地显示，且以铲斗8的图标89在精挖掘画面54的侧视图54b上移动的方式显示。

返回到图9，在步骤S4中判定为行驶模式画面52或粗挖掘画面53显示于显示部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坐标设定为车辆原点Po的Y坐标。

接着，在步骤S7中，判定车辆原点Po的Z坐标是否处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上端的高度位置。下部边界线表示显示对象面线78下端的高度位置。例如，如图16所示，上部边界线La是与穿过显示对象面线78的终点Pe的Y轴平行的线。另外，下部边界线Lb是与穿过显示对象面线78的始点Ps的Y轴平行的线。在判定为车辆原点Po的Z坐标处于上部边界线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。在此，如图16所示，基准点Pb的Z坐标被固定于上部边界线La和下部边界线Lb的中点Pm的Z坐标。而且，在步骤S9中显示导向画面。即，显示行驶模式画面52或粗挖掘画面53。例如，在显示有粗挖掘画面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之间上下移动时，在粗挖掘画面53的侧视图53b上固定地显示有显示对象面线78，且以液压挖掘机100的图标75在粗挖掘画面53的侧视图53b上上下移动的方式被显示。行驶模式画面52的侧视图52b也与粗挖掘画面53的侧视图53b一样地显示。

在步骤S7中判定为车辆原点Po的Z坐标未处于上部边界线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坐标是否处于上部边界线La之上。在此，如图23所示，在车辆原点Po的Z坐标处于上部边界线La之上的情况下，进入步骤S11。

在步骤S11中，将基准点Pb的Y坐标设定于在上部边界线La和下部边界线Lb的平均位置上加上车辆原点Po和上部边界线La之间的距离的位置。即，如图23所示，将在始点Ps和终点Pe的中点Pm的Z坐标上加上车辆原点Po和上部边界线La之间在Z轴向上的距离Da而得到的值设定为基准点Pb的Z坐标。在图23中，“Pb’”表示车辆原点Po的Z坐标处于上部边界线La和下部边界线Lb之间时的基准点的位置。

而且，在步骤S9中显示有导向画面。即，显示有行驶模式画面52或粗挖掘画面53。例如，在显示有粗挖掘画面53的情况下，如图24（a）～（c）所示，以车辆主体1越从上部边界线La向上方移动，显示对象面线78在粗挖掘画面53的侧视图53b上越逐渐向下方移动的方式显示。另外，在粗挖掘画面53的侧视图53b上，液压挖掘机100的图标75以上下方向的位置被固定的方式显示（参照图24（b）、（c））。行驶模式画面52的侧视图52b也与粗挖掘画面53的侧视图53b一样地显示。

在步骤S10中判定为车辆原点Po的Z坐标未处于上部边界线La之上的情况下，进入步骤S12。即，如图25所示，在判定为车辆原点Po的Z坐标处于比下部边界线Lb靠近下方的位置的情况下，进入步骤S12。

在步骤S12中，将基准点Pb的Z坐标设定于在上部边界线La和下部边界线Lb的平均位置上减去车辆原点Po和下部边界线Lb之间的距离的位置。即，如图25所示，将从始点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之间在Z轴向上的距离Db而得到的值设定为基准点Pb的Z坐标。

而且，在步骤S9中显示有导向画面。即，显示有行驶模式画面52或粗挖掘画面53。例如，在显示有粗挖掘画面53的情况下，如图26（a）～（c）所示，以车辆主体1越从下部边界线Lb向下方移动，显示对象面线78越在粗挖掘画面53的侧视图53b上逐渐向上方移动的方式显示。另外，在粗挖掘画面53的侧视图53b上，液压挖掘机100的图标75以上下方向的位置被固定的方式显示（参照图26（b）、（c））。行驶模式画面52的侧视图52b也与粗挖掘画面53的侧视图53b一样地显示。

如上所述，在显示有行驶模式画面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向Y轴向移动的情况下，如图27（a）～（c）所示，在导向画面上，以液压挖掘机100的图标75被固定且显示对象面线78沿Y轴向移动的方式显示。

4.特征

在本实施方式的显示系统28中，如图16所示，在行驶模式画面52及粗挖掘画面53中，当车辆原点Po位于上部边界线La和下部边界线Lb之间时，显示范围55的基准点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。因此，如图22所示，即使车辆原点Po在上部边界线La和下部边界线Lb之间向上方或下方移动，在导向画面中也会显示为显示对象面线78也不移动，而液压挖掘机100的图标75向上方或下方移动。而且，如图24所示，当车辆原点Po移动到比上部边界线La靠近上方的位置时，显示范围55的基准点Pb的Z坐标变更为比中点Pm的Z坐标靠近上方的位置。由此，在导向画面中显示为显示对象面线78向下方移动，且显示范围55追逐车辆主体1向上方移动。另外，如图26所示，当车辆原点Po移动到比下部边界线Lb靠近下方的位置时，显示范围55的基准点Pb的Z坐标变更为比中点Pm的Z坐标靠近下方的位置。由此，在导向画面中显示为显示对象面线78向上方移动，而显示范围55追逐车辆主体1向下方移动。由此，抑制目标面线92和车辆主体1被过度缩小而显示。因此，操作人员能够容易地掌握目标面70和车辆主体1的位置关系。

另外，与车辆原点Po的当前位置从上部边界线La向上方离开的距离对应，显示范围55的基准点Pb的Z坐标变更为比中点Pm的Z坐标靠近上方的位置。另外，与车辆主体1的当前位置从下部边界线Lb向下方离开的距离对应，显示范围55的基准点Pb的Z坐标变更为比中点Pm的Z坐标靠近下方的位置。由此，能够使导向画面顺畅地滚动。

5.其它实施方式

以上，对本发明的一实施方式进行说明，但本发明不限于上述实施方式，在不脱离发明的宗旨的范围内可以进行各种变更。例如，各导向画面的内容不限于上述内容，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外部的计算机来执行。另外，目标作业对象不限于如上所述的平面，也可以是点、线或三维的形状。显示输入装置38的输入部41不限于触摸面板式输入部，也可以由硬键、开关等操作部件构成。在上述实施方式中，工作装置2具有大臂6、小臂7和铲斗8，但工作装置2的结构不限于此。

在上述实施方式中，利用第一～第三行程传感器16～18检测大臂6、小臂7、铲斗8的倾角，但倾角的检测装置不限于此。例如，也可以具备检测大臂6、小臂7、铲斗8的倾角的角度传感器。

精挖掘画面54中的基准点Pb的坐标不限于始点Ps和终点Pe的中点Pm，也可以设定在其它的规定位置。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坐标不限于始点Ps和终点Pe的中点Pm的Z坐标，也可以设定为其它位置的Z坐标。

在上述实施方式中，表示车辆主体1的当前位置的车辆原点Po被设定在铲斗销15的位置，但也可以设定在车辆主体1的其它位置。

在上述实施方式中，在目标面70中，始点Ps和终点Pe之间的部分作为显示对象面线而设定，但也可以将目标面70的整体作为显示对象面线而设定。

各导向画面所包含的画面不限于上述画面。例如，在精挖掘画面54中，也可以代替上述的主视图54a而显示液压挖掘机100的俯视图。

工业实用性

本发明具有能够容易地掌握导向画面中所显示的显示对象面和挖掘机械的位置关系的效果，作为挖掘机械的显示系统及其控制方法是有用的。

符号说明

19位置检测部

28显示系统

42显示部

44运算部

46地形数据存储部

55显示范围

78显示对象面线

La上部边界线

Lb下部边界线

Pb基准点

100液压挖掘机

Claims (4)

1.一种挖掘机械的显示系统，其特征在于，显示导向画面，该导向画面表示挖掘机械的当前位置和表示挖掘对象的目标地形的一部分的显示对象面，该显示系统具备：

存储部，其存储表示所述显示对象面的位置的地形数据；

位置检测部，其检测所述挖掘机械的当前位置；

运算部，其对所述地形数据设定作为所述导向画面显示的规定的显示范围，基于所述地形数据和所述挖掘机械的当前位置，计算表示所述显示对象面的截面上端高度位置的上部边界线的位置和表示所述显示对象面的截面下端高度位置的下部边界线的位置，当所述挖掘机械的当前位置位于所述上部边界线和所述下部边界线之间时，将所述显示范围的规定的基准点设定在所述上部边界线和所述下部边界线之间的规定位置，当所述挖掘机械的当前位置位于比所述上部边界线靠近上方的位置时，将所述基准点设定在比所述规定位置靠近上方的位置，当所述挖掘机械的当前位置位于比所述下部边界线靠近下方的位置时，将所述基准点设定在比所述规定位置靠近下方的位置；

显示部，其显示表示所述显示范围所包含的所述显示对象面的侧视时的截面和所述挖掘机械的当前位置的所述导向画面。

2.如权利要求1所述的挖掘机械的显示系统，其特征在于，

当所述挖掘机械的当前位置位于比所述上部边界线靠近上方的位置时，所述运算部将所述基准点设定在从所述规定位置向上方追加了所述挖掘机械的当前位置和所述上部边界线之间的距离的位置，当所述挖掘机械的当前位置位于比所述下部边界线靠近下方的位置时，所述运算部将所述基准点设定在从所述规定位置向下方追加了所述挖掘机械的当前位置和所述下部边界线之间的距离的位置。

3.一种挖掘机械，其特征在于，具备权利要求1或2所述的挖掘机械的显示系统。

4.一种挖掘机械的显示系统的控制方法，其特征在于，该显示系统显示导向画面，该导向画面表示挖掘机械的当前位置和表示挖掘对象的目标地形的一部分的显示对象面，该控制方法包括：

检测所述挖掘机械的当前位置的步骤；

对表示所述显示对象面的位置的地形数据设定作为所述导向画面显示的规定的显示范围的步骤；

基于所述地形数据和所述挖掘机械的当前位置，计算表示所述显示对象面的侧视时的截面上端高度位置的上部边界线位置和表示所述显示对象面的侧视时的截面下端高度位置的下部边界线位置的步骤；

当所述挖掘机械的当前位置位于所述上部边界线和所述下部边界线之间时，将所述显示范围的规定的基准点设定在所述上部边界线和所述下部边界线之间的规定位置的步骤；

当所述挖掘机械的当前位置位于比所述上部边界线靠近上方的位置时，将所述基准点设定在比所述规定位置靠近上方的位置的步骤；

当所述挖掘机械的当前位置位于比所述下部边界线靠近下方的位置时，将所述基准点设定在比所述规定位置靠近下方的位置的步骤；

显示表示所述显示范围所包含的所述显示对象面的侧视时的截面和所述挖掘机械的当前位置的所述导向画面的步骤。

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