CN103080434B - 液压挖掘机的位置引导系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种能够使液压挖掘机容易地移动到适合于作业的位置的液压挖掘机的位置引导系统及其控制方法。在液压挖掘机的位置引导系统中，最佳作业位置运算部将目标面（70）和可作业范围（76）重合的可挖掘范围（79）成为最大的车辆主体的位置作为最佳作业位置进行计算。显示部显示表示最佳作业位置的导向画面。

Description

液压挖掘机的位置引导系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及液压挖掘机的位置引导系统及其控制方法。

背景技术

将液压挖掘机等作业车辆引导到目标作业对象的位置引导系统是公知的。例如，专利文献1中公开的位置引导系统具有表示三维设计地形的设计数据。设计地形由多个设计面构成，选择设计面的一部分作为目标面。另外，通过GPS等位置测量装置检测液压挖掘机的当前位置。位置引导系统在显示部显示表示液压挖掘机的当前位置的导向画面，由此，将液压挖掘机引导到目标面。导向画面包括侧视时的液压挖掘机、目标面和铲斗前端的动作范围。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：（日本）特开2001－98585号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在所述位置引导系统中，操作者能够将导向画面中的目标面和铲斗前端的动作范围的位置关系作为判断液压挖掘机是否在适合于作业的位置的参考。但是，正确地判断液压挖掘机是否位于适合进行作业的位置是并不容易的。即使参考导向画面中的目标面和铲斗前端的动作范围的位置关系，将液压挖掘机移动到适合进行作业的位置也是不容易的。

本发明的课题是提供一种能够使液压挖掘机容易地移动到适合于进行作业的位置的液压挖掘机的位置引导系统及其控制方法。

本发明第一方面提供一种液压挖掘机的位置引导系统，其将液压挖掘机引导到作业区域内的目标面。液压挖掘机具有车辆主体和安装于车辆主体上的工作装置。位置引导系统具备地形数据存储部、工作装置数据存储部、位置检测部、最佳作业位置运算部和显示部。地形数据存储部存储表示目标面的位置的地形数据。工作装置数据存储部存储工作装置数据。工作装置数据表示工作装置能够到达的车辆主体的周围的可作业范围。位置检测部检测车辆主体的当前位置。最佳作业位置运算部基于地形数据、工作装置数据和车辆主体的当前位置，将目标面与可作业范围重合的可挖掘范围成为最大的车辆主体的位置作为最佳作业位置算出。显示部显示表示最佳作业位置的导向画面。

本发明第二方面的液压挖掘机的位置引导系统在第一方面的液压挖掘机的位置引导系统的基础上，可挖掘范围是在侧视时表示目标面的截面的线段和可作业范围重叠起来的部分。

本发明第三方面的液压挖掘机的位置引导系统在第一方面的液压挖掘机的位置引导系统的基础上，导向画面包括表示侧视时的目标面的截面、液压挖掘机和最佳作业位置的侧视图。

本发明第四方面的液压挖掘机的位置引导系统在第一方面的液压挖掘机的位置引导系统的基础上，导向画面包括表示俯视时的目标面、液压挖掘机和最佳作业位置的俯视图。

本发明第五方面的液压挖掘机的位置引导系统在第一方面的液压挖掘机的位置引导系统的基础上，还具备现状面检测部和现状面存储部。现状面检测部检测最新的现状面。现状面存储部存储并更新由现状面检测部检测出的最新的现状面。最佳作业位置是基于车辆主体位于现状面上时的可作业范围的高度位置来计算的。

本发明第六方面的液压挖掘机的位置引导系统在第一方面的液压挖掘机的位置引导系统的基础上，还具备现状面检测部和现状面存储部。现状面检测部检测最新的现状面。现状面存储部存储并更新由现状面检测部检测出的最新的现状面。最佳作业位置运算部基于现状面和目标面之差的大小，将目标面分为已挖掘区域和未挖掘区域。最佳作业位置运算部将与车辆主体最近的未挖掘区域设为可挖掘范围的对象。

本发明第七方面的液压挖掘机的位置引导系统在第一方面的液压挖掘机的位置引导系统的基础上，最佳作业位置运算部在现状面或目标面的倾角为规定的阈值以上时，在导向画面中不显示最佳作业位置。

本发明第八方面的液压挖掘机的位置引导系统在第一方面的液压挖掘机的位置引导系统的基础上，在从液压挖掘机看目标面为上坡斜面或水平面的情况下，最佳作业位置为可作业范围的边界线和目标面的交点中距车辆主体远的一交点与目标面的顶上部一致的位置。

本发明第九方面的液压挖掘机的位置引导系统在第一方面的液压挖掘机的位置引导系统的基础上，在从液压挖掘机看目标面为下坡斜面的情况下，最佳作业位置为可作业范围的边界线和目标面的交点中距车辆主体主体近的一交点与目标面的顶上部一致的位置。

本发明第十方面提供一种液压挖掘机，其具备权利要求1～9中任一项所述的液压挖掘机的位置引导系统。

本发明第十一方面的液压挖掘机的位置引导系统的控制方法，其为将液压挖掘机引导到作业区域内的目标面的位置引导系统的控制方法。液压挖掘机具有车辆主体和安装于车辆主体的工作装置。液压挖掘机的位置引导系统的控制方法包括如下的步骤。在第一步骤中，检测车辆主体的当前位置。在第二步骤中，基于地形数据、工作装置数据和车辆主体的当前位置，计算目标面和可作业范围重合的可挖掘范围成为最大的车辆主体的位置作为最佳作业位置。地形数据表示目标面的位置。工作装置数据表示工作装置能够到达的车辆主体的周围的可作业范围。在第三步骤中，显示表示最佳作业位置的导向画面。

发明效果

在本发明的第一方面的液压挖掘机的位置引导系统中，计算目标面和可作业范围重合的可挖掘范围成为最大的车辆主体的位置作为最佳作业位置。而且，在显示部显示表示最佳作业位置的导向画面。因此，操作员以导向画面上的最佳作业位置为目标使液压挖掘机移动，由此能够将液压挖掘机容易地移动到适合进行作业的位置。

在本发明第二方面的液压挖掘机的位置引导系统中，计算在侧视时工作装置可到达的目标面上的范围成为最大的位置作为最佳作业位置。因此，操作员在最佳作业位置操作工作装置，由此能够高效地进行作业。

在本发明第三方面的液压挖掘机的位置引导系统中，操作员可以通过侧视图确认最佳作业位置。因此，操作员能够容易地进行液压挖掘机的前后的位置调整。

在本发明第四方面的液压挖掘机的位置引导系统中，由于操作员可以通过俯视图确认最佳作业位置。因此，操作员能够容易地进行液压挖掘机的左右位置调整。

在本发明第五方面的液压挖掘机的位置引导系统中，基于车辆主体位于现状面上时的可作业范围的高度位置计算最佳作业位置。作业区域内的地面未必是平坦的，而且多有起伏。因此，有时在从目标面离开的位置的车辆主体的高度位置和之后与目标面接近时的车辆主体的高度位置不同。因此，假如在基于车辆主体的当前位置的可作业范围的高度位置计算最佳作业位置时，难以精确地计算最佳作业位置。于是，在本方面的液压挖掘机的位置引导系统中，即使在从目标面离开的位置计算最佳作业位置的情况，也可基于车辆主体位于现状面上时的可作业范围的高度位置计算最佳作业位置。由此，即使在有起伏的某作业区域内，也能够精确地计算最佳作业位置。

在本发明第六方面的液压挖掘机的位置引导系统中，即使在因进行断续的挖掘而未挖掘区域和已挖掘区域混合的情况下，已经不需要挖掘的已挖掘区域从最佳作业位置的计算被排除。因此，能够精确地计算有效的最佳作业位置。

在本发明第七方面的液压挖掘机的位置引导系统中，在现状面或目标面的倾角为规定的阈值以上时，最佳作业位置不在导向画面中显示。例如，规定的阈值设定为表示液压挖掘机能够稳定地作业的界限的斜面的角度。由此，能够在液压挖掘机可稳定地作业的范围内，在导向画面中显示最佳作业位置。

在本发明第八方面的液压挖掘机的位置引导系统中，在从液压挖掘机看目标面为上坡斜面或水平面的情况下，计算以使工作装置伸长的状态到达目标面的顶上部的位置作为最佳作业位置。因此，例如在上坡斜面比液压挖掘机大得多的情况下，操作员能够操作液压挖掘机，从顶上部一边沿上坡斜面下降一边按顺序进行挖掘。

在本发明第九方面的液压挖掘机的位置引导系统中，在从液压挖掘机看目标面为下坡斜面的情况下，计算以缩回工作装置的状态到达目标面的顶上部的位置作为最佳作业位置。因此，例如操作员能够操作液压挖掘机，一边挖掘车辆主体的前侧，一边沿下坡斜面下降。

在本发明第十方面的液压挖掘机的位置引导系统中，计算目标面和可作业范围重合的可挖掘范围成为最大的车辆主体的位置作为最佳作业位置。而且，在显示部显示表示最佳作业位置的导向画面。因此，操作员能够以导向画面上的最佳作业位置为目标使液压挖掘机移动，由此将液压挖掘机容易地移动到适合作业的位置。

在本发明第十一方面的液压挖掘机的位置引导系统中，计算目标面和可作业范围重合的可挖掘范围成为最大的车辆主体的位置作为最佳作业位置。而且，在显示部显示表示最佳作业位置的导向画面。因此，操作员能够以导向画面上的最佳作业位置为目标使液压挖掘机移动，将液压挖掘机容易地移动到适合作业的位置。

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是表示由设计地形数据表示的设计地形的图；

图5是表示导向画面的图；

图6是表示求出铲斗前端的当前位置的方法的图；

图7是示意性地表示最大伸长姿势下的工作装置的图；

图8是示意性地表示最小伸长姿势下的工作装置的图；

图9是表示可作业范围的计算方法的图；

图10是表示最佳作业位置的计算方法的图；

图11是表示最佳作业位置的计算方法的流程图；

图12是表示未挖掘区域和已挖掘区域的分类方法的图；

图13是表示最佳作业位置的计算方法的图；

图14是表示上坡斜面上的最佳作业位置的计算方法的图；

图15是表示下坡斜面上的最佳作业位置的计算方法的图；

图16是表示其它实施方式的最佳作业位置的计算方法的图。

具体实施方式

1.构成

1～1液压挖掘机的整体结构

下面，参照附图，对本发明一实施方式的液压挖掘机的位置引导系统进行说明。图1是搭载有位置引导系统的液压挖掘机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容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具有履帯5a、5b，液压挖掘机100通过履帯5a、5b旋转而行驶。

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）。比例控制阀37由后述的工作装置控制器26来控制，由此控制向液压缸10～12供给的工作油的流量。由此，能够控制液压缸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。后述的位置引导控制器39（参照图3）根据第一行程传感器16所检测到的大臂缸10的行程长度，计算大臂6相对于后述的车辆主体坐标系的Za轴（参照图6）的倾角（以下，称为“大臂角”）θ1。第二行程传感器17检测小臂缸11的行程长度。位置引导控制器39根据第二行程传感器17所检测到的小臂缸11的行程长度，计算小臂7相对于大臂6的倾角（以下，称为“小臂角”）θ2。第三行程传感器18检测铲斗缸12的行程长度。位置引导控制器39根据第三行程传感器18所检测到的铲斗缸12的行程长度，计算铲斗8相对于小臂7的倾角（以下，称为“铲斗角”）θ3。

在车辆主体1上设置有位置检测部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－Global Navigation Satellite Systems，GNSS称为全球卫星导航系统）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、倾角传感器24。GNSS天线21,22沿后述的车辆主体坐标系Xa－Ya－Za的Ya轴（图6参照）隔开一定距离而配置。与用GNSS天线21,22接收的GNSS电波对应的信号被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即整体坐标系的铅垂方向的倾角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和位置引导系统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是操作员用于操作工作装置2的部件，例如是操作杆。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，并将其作为检测信号向工作装置控制器26发送。行驶操作部件33是操作员用于操作液压挖掘机100的行驶的部件，例如是操作杆。行驶操作检测部34检测行驶操作部件33的操作内容，并将其作为检测信号向工作装置控制器26发送。

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，并将其向工作装置控制装置27输出。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的控制信号来控制比例控制阀37。与来自工作装置控制器26的控制信号对应的流量的工作油从比例控制阀37流出，供给到液压缸10～12。液压缸10～12根据从比例控制阀37供给到的工作油来驱动。由此，使工作装置2动作。

1－2位置引导系统28的结构

位置引导系统28是用于将液压挖掘机100引导到作业区域内的目标面的系统。位置引导系统28除了上述第一～第三行程传感器16～18、三维位置传感器23、倾角传感器24之外，还具有显示输入装置38和位置引导控制器39。

显示输入装置38具有触控面板式输入部41和LCD等显示部42。显示输入装置38显示用于将液压挖掘机100引导到作业区域内的目标作业对象的导向画面。在导向画面中显示有各种键。操作员能够触碰导向画面中的各种键，执行位置引导系统28的各种功能。关于导向画面，将在后面详细说明。

位置引导控制器39执行位置引导系统28的各种功能。位置引导控制器39和工作装置控制器26可利用无线或有线的通信装置彼此通信。位置引导控制器39具有RAM及ROM等存储部43及CPU等运算部44。

存储部43存储有运算部44中执行的各种处理所需要的数据。存储部43具有地形数据存储部46、工作装置数据存储部47和现状面存储部48。在地形数据存储部46中预先制成并存储有地形数据。设计地形数据表示作业区域内的三维设计地形的形状及位置。具体而言，如图4所示，设计地形由用三角多边形分别表现的多个设计面45构成。在图4中，在多个设计面中仅一个设计面附带符号45，省略了其它设计面的符号。操作员选择这些设计面45中的一个或多个设计面作为目标面70。

工作装置数据存储部47存储有工作装置数据。工作装置数据是表示工作装置2能够到达的车辆主体1周围的可作业范围76（参照图5）的数据。工作装置数据包括上述大臂6的长度L1、小臂7的长度L2、铲斗8的长度L3。另外，工作装置数据包括大臂角θ1、小臂角θ2、铲斗角θ3各自的最小值及最大值。

现状面存储部48存储有现状面数据。现状面数据是表示用后述的现状面检测部50检测出的现状面（参照图5的符号78）的数据。现状面表示当前的实际地形。现状面检测部50每隔规定时间重复执行现状面的检测。现状面存储部48将现状面数据更新为用现状面检测部50检测出的表示最新的现状面的数据。

运算部44具有当前位置运算部49、现状面检测部50、最佳作业位置运算部51。当前位置运算部49基于来自位置检测部19的检测信号检测车辆主体1在整体坐标系中的当前位置。另外，当前位置运算部49基于车辆主体1在整体坐标系中的当前位置和上述工作装置数据，计算铲斗8前端在整体坐标系中的当前位置。现状面检测部50检测最新的现状面。最佳作业位置运算部51基于设计地形数据、工作装置数据和车辆主体1的当前位置计算最佳作业位置。最佳作业位置表示挖掘目标面70的车辆主体1的最佳位置。关于铲斗8前端的当前位置的计算方法、现状面的检测方法、最佳作业位置的计算方法，将在后面详细说明。

位置引导控制器39基于当前位置运算部49、现状面检测部50和最佳作业位置运算部51的运算结果，使导向画面在显示输入装置38中显示。导向画面是用于使压挖掘机100引导到目标面70的画面。下面，对导向画面进行详细说明。

2.导向画面

2－1导向画面的结构

图5表示导向画面52。导向画面52包括俯视图52a和侧视图52b。

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由多个三角多边形表现俯视时的设计地形。另外，目标面70用与其它设计面不同的颜色显示。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表示，也可以用其它的记号表示。

在俯视图52a中显示有用于将液压挖掘机100引导到目标面70的信息。具体而言，显示有方位指示器71。方位指示器71是表示目标面70相对于液压挖掘机100的方向的图标。另外，俯视图52a还包括表示最佳作业位置的信息和用于使液压挖掘机100正对目标面70的信息。最佳作业位置是液压挖掘机100对目标面70进行挖掘的最佳的位置，可以根据目标面70的位置和后述的可作业范围76来计算。最佳作业位置在俯视图52a中用直线72表示。用于使液压挖掘机100正对目标面70的信息作为正对罗盘73来显示。正对罗盘73是表示对于目标面70的正对方向和应该使液压挖掘机100旋转的方向的图标。操作员可以利用正对罗盘73确认朝向目标面70的正对度。

侧视图52b含有设计面线74、现状面线78、目标面线84、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和表示最佳作业位置的信息。设计面线74表示除目标面70以外的设计面45的截面。现状面线78表示上述现状面的截面。目标面线84表示目标面70的截面。如图4所示，设计面线74和目标面线84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来求出。目标面线84用与设计面线74不同的颜色显示。在图5中，改变线种而表现目标面线84和设计面线74。可作业范围76表示工作装置2可作业的车辆主体1周围的范围。可作业范围76根据上述工作装置数据来计算。关于可作业范围76的计算方法，将在后面详细说明。侧视图52b所示的最佳作业位置相当于上述俯视图52a所示的最佳作业位置，用三角形的图标81表示。另外，车辆主体1的基准位置也用三角形的图标82表示。操作员使液压挖掘机100移动，以使基准位置的图标82与最佳作业位置的图标81相一致。

如上所述，导向画面52包括表示最佳作业位置的信息和用于使液压挖掘机100正对目标面70的信息。因此，操作员能够根据导向画面52将液压挖掘机100配置在用于对目标面70进行作业的最佳的位置及方向。因此，导向画面52主要在进行液压挖掘机100的定位时参照。

2－2铲斗8前端的当前位置的计算方法

如上所述，目标面线84根据铲斗8前端的当前位置来计算。位置引导控制器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，计算在整体坐标系｛X，Y，Z｝中的铲斗8前端P3的当前位置。具体而言，铲斗8前端P3的当前位置如下求出。

首先，如图6所示，求出以上述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轴方向相对于整体坐标系的Y轴方向倾斜。另外，车辆主体坐标系中的大臂销13的坐标为（0，Lb1，－Lb2），预先存储在位置引导控制器39的工作装置数据存储部47。

三维位置传感器23检测GNSS天线21,22的设置位置P1,P2。根据所检测出的坐标位置P1,P2，通过下面的式（1）计算Ya轴方向的单位矢量。

Ya＝（P1－P2）／｜P1－P2｜……（1）

如图6（a）所示，如果导入经过用Ya和Z两个矢量表示的平面且与Ya垂直的矢量Z’时，则下面的关系成立。

（Z’，Ya）＝0……（2）

Z’＝（1－c）Z＋cYa……（3）

其中，c为常数。

根据式（2）及式（3），通过如下面的式（4）表示Z’。

Z’＝Z＋｛（Z，Ya）／（（Z，Ya）－1）｝（Ya－Z）……（4）

另外，在将与Ya及Z’垂直的矢量设为X’时，通过如下面的式（5）表示X’。

X’＝Ya⊥Z’……（5）

如图6（b）所示，车辆主体坐标系是将其绕Ya轴旋转上述侧倾角θ4的坐标系，因此，如下面的式（6）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。在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）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，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）求出。

P3＝xat·Xa＋yat·Ya＋zat·Za＋P1……（10）

如图4所示，位置引导控制器39基于如上所述计算出的铲斗8前端P3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经过铲斗8前端P3的Ya-Za平面77的交线80。然后，位置引导控制器39将该交线中经过目标面70的部分作为上述目标面线84显示于导向画面52中。

另外，上述现状面检测部50基于车辆主体1底部的移动轨迹和铲斗8前端P3的移动轨迹检测现状面线78。具体而言，如图6所示，现状面检测部50根据车辆主体1的当前位置（GNSS天线21的设置位置P1）计算检测基准点P5的当前位置。检测基准点P5位于履带5a,5b的底面。现状面检测部50将检测基准点P5的轨迹作为现状面数据保存于现状面存储部48。需要说明的是，在上述的现状面存储部48预先保存有表示GNSS天线21的设置位置P1和检测基准点P5的位置关系的数据。另外，铲斗8前端P3的轨迹通过记录上述当前位置运算部49检测到的铲斗8前端P3的当前位置而求出。

2－3可作业范围76的计算方法

首先，在说明可作业范围76的计算方法前，对工作装置2的最大伸长长度Lmax和最小伸长长度Lmin进行说明。最大伸长长度Lmax是使工作装置2伸长为最大的状态下的工作装置2的伸长长度。需要说明的是，工作装置2的伸长长度是大臂销13和铲斗8前端P3之间的距离。图7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“最大伸长姿势”）。图7所示的坐标平面Yb-Zb是在上述车辆主体坐标系｛Xa，Ya，Za｝中以大臂销13的位置为原点的平面。在最大伸长姿势下，小臂角θ2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，通过用于参数最佳化的数值分析来计算。将这时的铲斗角θ3的值称为“最大伸长角”。

最小伸长长度Lmin为使工作装置2缩回到最小的状态下的工作装置2的伸长长度。图8示意性地表示工作装置2的长度成为最小伸长长度Lmin时的工作装置2的姿势（下面称为“最小伸长姿势”）。在最小伸长姿势时，小臂角θ2为最大值。另外，铲斗角θ3以工作装置2的伸长长度成为最小的方式通过用于参数最佳化的数值分析来计算。将这时的铲斗角θ3的值称为“最小伸长角”。

其次，基于图9对可作业范围76的计算方法进行说明。可作业范围是从可到达范围83除去车辆下部区域86的范围。可到达范围83表示工作装置2能够到达的范围。车辆下部区域86为位于车辆主体1下方的区域。可到达范围83根据上述工作装置数据和车辆主体1的当前位置来计算。可到达范围83的边界线包含多个圆弧A1～A4。例如，可到达范围83的边界线包含第一圆弧A1～第四圆弧A4。第一圆弧A1为在小臂角θ2为最小值、铲斗角θ3为最大伸长角时，大臂角θ1在最小值和最大值之间变化时的铲斗8的前端所描绘的轨迹。第二圆弧A2为在大臂角θ1为最大、铲斗角θ3为0°时，小臂角θ2在最小值和最大值之间变化时的铲斗8的前端所描绘的轨迹。第三圆弧A3为在小臂角θ2为最大值、铲斗角θ3为最小伸长角时，大臂角θ1在最小值和最大值之间变化时的铲斗8的前端所描绘的轨迹。第四圆弧A4为在大臂角θ1为最小值、铲斗角θ3为0°时，小臂角θ2在最小值和最大值间变化时的铲斗8的前端所描绘的轨迹。

2－4最佳作业位置的计算方法

其次，对最佳作业位置的计算方法进行说明。最佳作业位置运算部51作为最佳作业位置计算出目标面70和可作业范围76重合的可挖掘范围79成为最大的车辆主体1的位置。下面，基于图11所示的流程图说明最佳作业位置的计算方法。

在步骤S1中，检测车辆主体1的当前位置。在此，如上所述，当前位置运算部49基于来自位置检测部19的检测信号，计算车辆主体1在整体坐标系中的当前位置。

在步骤S2中，判定目标面线84或现状面线78的倾角是否在规定的显示判定阈值以上。规定的显示判定阈值设定为表示液压挖掘机100能够稳定地作业的界限的斜面的角度。规定的显示判定阈值预先求出并存储于工作装置数据存储部47。目标面线84的倾角θ5（参照图10）从地形数据存储部46的设计地形数据取得。现状面线78的倾角θ6（图10参照）从现状面存储部48的现状面数据取得。在目标面线84的倾角θ5及现状面线78的倾角θ6中的至少一方在规定的显示判定阈值以上时，在步骤S7中，在导向画面52上不显示最佳作业位置。在目标面线84的倾角θ5或现状面线78的倾角θ6未在规定的显示判定阈值以上时进入步骤S3。即，在目标面线84的倾角θ5和现状面线78的倾角θ6双方比规定的显示判定阈值小时进入步骤S3。

在步骤S3中，选定可挖掘范围对象。如图10所示，可挖掘范围79在侧视时为目标面线84和可作业范围76重合的部分。但是，如图12所示，最佳作业位置运算部51基于现状面线78和目标面线84间的距离G1将目标面线84划分为已挖掘区域和未挖掘区域。具体而言，最佳作业位置运算部51将在目标面线84中与现状面线78间的距离G1为规定的分类判定阈值Gth以上的部分划分为未挖掘区域。另外，最佳作业位置运算部51将在目标面线84中与现状面线78间的距离G1比规定的分类判定阈值Gth小的部分划分为已挖掘区域。而且，最佳作业位置运算部51将与车辆主体1最近的未挖掘区域确定为可挖掘范围79的对象。

在步骤S4中，判定斜面种类。在此，判定从液压挖掘机看目标面70是上坡斜面，还是水平面，或者是下坡斜面。最佳作业位置运算部51基于地形数据存储部46的设计地形数据和车辆主体1的当前位置判定斜面种类。

在步骤S5中，计算最佳作业位置。在此，如图10所示，计算目标面线84和可作业范围76重合的可挖掘范围79的长度Le成为最大的车辆主体1的位置作为最佳作业位置。其中，在步骤S3所选定的成为可挖掘范围79的对象的区域内计算可挖掘范围79的长度Le成为最大的位置。

另外，最佳作业位置基于车辆主体1位于现状面线78上时的可作业范围76的高度位置来计算。即，如图13所示，从目标面线84离开时的大臂销13的当前位置P4和车辆主体1位于目标面线84附近时的大臂销13的位置P4’随着现状面线78的形状不同而不同。因此，可作业范围76的高度位置也与现状面线78的高度的变化对应而变化。因此，最佳作业位置基于与现状面线78对应的可作业范围76的高度位置进行计算。具体而言，表示从履带5a,5b的底面的检测基准点P5到大臂销13的高度Hb的数据存储于工作装置数据存储部47，计算距现状面线78高大臂销13的高度Hb的上方的位置作为车辆主体1位于现状面线78上时的大臂销13的轨迹Tb。最佳作业位置基于大臂销13沿该轨迹Tb移动时的可作业范围76的位置来计算。

另外，在上述步骤S4中，在判定目标面70为上坡斜面或水平面的情况下，如图14所示，计算可作业范围76的边界线和目标面线84的交点中距离车辆主体1远的一交点P6与目标面线84的顶上部一致的位置作为最佳作业位置。另外，在步骤S4中，在判定目标面70为下坡斜面的情况下，如图15所示，计算可作业范围76的边界线和目标面线84的交点中与车辆主体1近的一交点P7与目标面线84的顶上部一致的位置作为最佳作业位置。

在步骤S6中，表示最佳作业位置的导向画面52在显示部42中显示。在此，如图5所示，在导向画面52的俯视图52a中显示有表示最佳作业位置的直线72。另外，在导向画面52的侧视图52b中显示有表示最佳作业位置的三角形的图标81。

3.特征

在本实施方式的液压挖掘机100的位置引导系统28中，计算目标面线84和可作业范围76重合的可挖掘范围79成为最大的车辆主体1的位置作为最佳作业位置。然后，表示最佳作业位置的导向画面52在显示部42中显示。因此，操作员以导向画面52上的最佳作业位置为目标操纵液压挖掘机100，由此，能够使液压挖掘机100容易地移动到适合进行挖掘作业的位置。具体而言，操作员可以根据在图5所示的导向画面52的侧视图52b中显示的图标81确认最佳作业位置。因此，操作员能够容易地进行液压挖掘机100的前后的位置调整。另外，操作员可以根据在导向画面52的俯视图52a中显示的直线72确认最佳作业位置。因此，操作员能够容易地进行液压挖掘机100的左右位置调整。

如图13所示，不是以车辆主体1的当前位置下的可作业范围76的高度为基准，而是基于车辆主体1位于现状面线78上时的可作业范围76的高度位置计算最佳作业位置。因此，即使在起伏的作业区域内，也能够精确地计算最佳作业位置。

目标面线84被划分为未挖掘区域和已挖掘区域，未挖掘区域被设定为可挖掘范围79的对象。因此，如图12所示，在未挖掘区域和已挖掘区域因断续的挖掘而混合存在的情况下，已经不需要挖掘的已挖掘区域从最佳作业位置的计算中排除。因此，能够精确地计算有效的最佳作业位置。

在目标面线84的倾角θ5或现状面线78的倾角θ6为规定的显示判定阈值以上时，最佳作业位置不在导向画面52中显示。由此，可以在导向画面52中显示液压挖掘机100可稳定地作业的范围内的最佳作业位置。

如图14所示，在从液压挖掘机100看，目标面70为上坡斜面或水平面的情况下，计算以使工作装置2延长的状态到达目标面线84的顶上部的位置作为最佳作业位置。因此，例如在上坡斜面比液压挖掘机100大得多的情况下，操作员可以操作液压挖掘机100使其从顶上部一边沿上坡斜面下降一边按顺序进行挖掘。

如图15所示，在从液压挖掘机100看目标面70为下坡斜面的情况下，计算以缩回工作装置2的状态到达目标面线84的顶上部的位置作为最佳作业位置。因此，操作员可以操作液压挖掘机100例如一边挖掘车辆主体1的跟前侧一边沿下坡斜面下降。

4.其它实施方式

以上对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内可进行各种各样的变更。例如，位置引导系统28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。在上述的实施方式中，工作装置2具有大臂6、小臂7、铲斗8，但工作装置2的结构不限于此。

在上述实施方式中，由第一～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。

在上述实施方式中，检测铲斗8前端P3的位置轨迹及履带5a,5b的底面的检测基准点P5的位置轨迹作为现状面线78。但是，现状面线78的检测方法不限于此。例如，像日本特开2002－328022号公报公开的那样，也可以通过激光距离测定装置检测现状面线78。或者，像日本特开平11－211473号公报公开的那样，也可以通过立体摄像机式的测量装置检测现状面线78。

如图13所示，在上述实施方式中，最佳作业位置基于与现状面线78对应的可作业范围76的高度位置来计算。但是，如图16所示，最佳作业位置也可以基于从假想地面线90开始算起的可作业范围76的高度位置来计算。假想地面线90是经过液压挖掘机100的当前位置下的底面的检测基准点P5且与整体坐标系的Y轴方向平行的线。

工业实用性

本发明具有能够将液压挖掘机容易地移动到适合进行作业的位置的效果，作为液压挖掘机的位置引导系统及其控制方法是有用的。

符号说明

1   车辆主体

2   工作装置

19  位置检测部

28  位置引导系统

42  显示部

46  地形数据存储部

47  工作装置数据存储部

48  现状面存储部

50  现状面检测部

51  最佳作业位置运算部

52  导向画面

70  目标面

76  可作业范围

100 液压挖掘机

Claims (12)

1.一种液压挖掘机的位置引导系统，其特征在于，将具有车辆主体和安装于所述车辆主体的工作装置的液压挖掘机引导到作业区域内的目标面，该位置引导系统包括：

地形数据存储部，其存储表示所述目标面的位置的地形数据；

工作装置数据存储部，其存储表示所述工作装置能够到达的所述车辆主体周围的可作业范围的工作装置数据；

位置检测部，其检测所述车辆主体的当前位置；

最佳作业位置运算部，其基于所述地形数据、所述工作装置数据和所述车辆主体的当前位置，将所述目标面和所述可作业范围重合的可挖掘范围成为最大的所述车辆主体的位置作为最佳作业位置算出；

显示部，其显示表示所述最佳作业位置的导向画面。

2.如权利要求1所述的液压挖掘机的位置引导系统，其特征在于，

所述可挖掘范围是在侧视时表示所述目标面的截面的线段和所述可作业范围重合的部分。

3.如权利要求1所述的液压挖掘机的位置引导系统，其特征在于，

所述导向画面包括表示侧视时的所述目标面的截面、所述液压挖掘机和所述最佳作业位置的侧视图。

4.如权利要求1所述的液压挖掘机的位置引导系统，其特征在于，

所述导向画面包括表示俯视时的所述目标面、所述液压挖掘机和所述最佳作业位置的俯视图。

5.如权利要求1所述的液压挖掘机的位置引导系统，其特征在于，还包括：

现状面检测部，其检测最新的现状面；

现状面存储部，其存储并更新由所述现状面检测部检测到的最新的现状面；

基于所述车辆主体位于所述现状面上时的所述可作业范围的高度位置算出所述最佳作业位置。

6.如权利要求1所述的液压挖掘机的位置引导系统，其特征在于，还包括：

现状面检测部，其检测最新的现状面；

现状面存储部，其存储并更新由所述现状面检测部检测到的最新的现状面；

所述最佳作业位置运算部基于所述现状面与所述目标面之差的大小，将所述目标面分为已挖掘区域和未挖掘区域，将与所述车辆主体最近的所述未挖掘区域设为所述可挖掘范围的对象。

7.如权利要求5所述的液压挖掘机的位置引导系统，其特征在于，

所述最佳作业位置运算部在所述现状面或所述目标面的倾角为规定的阈值以上时，在所述导向画面中不显示所述最佳作业位置。

8.如权利要求6所述的液压挖掘机的位置引导系统，其特征在于，

所述最佳作业位置运算部在所述现状面或所述目标面的倾角为规定的阈值以上时，在所述导向画面中不显示所述最佳作业位置。

9.如权利要求1所述的液压挖掘机的位置引导系统，其特征在于，

在从所述液压挖掘机看所述目标面为上坡斜面或水平面的情况下，所述最佳作业位置是所述可作业范围的边界线和所述目标面的交点中距所述车辆主体远的一交点与所述目标面的顶上部一致的位置。

10.如权利要求1所述的液压挖掘机的位置引导系统，其特征在于，

在从所述液压挖掘机看所述目标面为下坡斜面的情况下，所述最佳作业位置是所述可作业范围的边界线和所述目标面的交点中距所述车辆主体近的一交点与所述目标面的顶上部一致的位置。

11.一种液压挖掘机，其特征在于，包括权利要求1～10中任一项所述的液压挖掘机的位置引导系统。

12.一种液压挖掘机的位置引导系统的控制方法，其特征在于，是将具有车辆主体和安装于所述车辆主体的工作装置的液压挖掘机引导到作业区域内的目标面的位置引导系统的控制方法，该控制方法包括：

检测所述车辆主体的当前位置的步骤；

基于表示所述目标面的位置的地形数据、表示所述工作装置能够到达的所述车辆主体周围的可作业范围的工作装置数据和所述车辆主体的当前位置，将所述目标面和所述可作业范围重合的可挖掘范围成为最大的所述车辆主体的位置作为最佳作业位置算出的步骤；

显示表示所述最佳作业位置的导向画面的步骤。