CN107208404B - 工程机械的显示系统 - Google Patents

Abstract

工程机械的显示系统具备：移动方向运算部(111b)，其运算铲斗(1c)的预测移动方向；作业工具显示控制部(111e)，由移动方向运算部预测出了铲斗的移动的情况下，该作业工具显示控制部(111e)根据预测移动方向来改变铲斗图像的显示位置，使得在监视器(12)的显示画面上从铲斗图像(50)起到位于预测移动方向侧的区域的面积与将铲斗图像显示于基准位置的情况下的面积相比变大，在不能由移动方向运算部预测出铲斗的移动的情况下，该作业工具显示控制部(111e)在显示画面上的基准位置(C)显示铲斗图像；和目标面显示控制部(111d)，其将在由作业工具显示控制部决定了的显示位置显示了铲斗图像时显示画面内所含的目标面的图像(52，54，56)显示于显示画面。

Description

工程机械的显示系统

技术领域

本发明涉及在通过设置于工程机械的作业装置的前端的作业工具形成规定的目标面时使用的工程机械的显示系统。

背景技术

已知有下述工程机械的显示系统：在通过设置于工程机械的作业装置的前端的作业工具来进行挖掘作业或堆土作业从而形成规定的目标形状时，通过将形成该目标形状的一部分的面(目标面)和作业工具的图像显示于显示画面从而明示两者的位置关系以支援挖掘作业。

日本特开2001-123476号公报中公开了下述显示系统：根据作业工具(铲斗)与目标面的铅垂距离来改变显示画面的比例尺，从而即使作业工具与目标面(目标挖掘面)的铅垂距离发生变化，也能将目标面和作业工具这两方收敛于显示画面内。

另外，在日本特开2012-233404号公报中公开了下述显示系统：在将工程机械(挖掘机械)和目标面(显示对象象面)显示于显示画面(引导画面)时，算出表示目标面的截面的上端的高度位置的上部边界线的位置和表示目标面的截面的下端的高度位置的下部边界线的位置，根据该算出的上部边界线或下部边界线与工程机械的位置的上下方向上的位置关系来决定显示画面的显示范围，由此，使显示画面中的目标面的显示位置在上下方向上移动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2001-123476号公报

专利文献2:日本特开2012-233404号公报

发明内容

发明要解决的课题

在挖掘作业中，有时操作员不仅想预先把握作业工具的当前位置的周边目标面的形状，而且还想预先把握计划使作业工具从此处开始移动的场所周边的目标面的形状(例如、存在于显示画面外和/或显示画面的端部的目标面形状)。例如，在配合目标面使目标形状的表面变平坦的完工作业(平整作业)中，与使作业工具的前端在上下方向上反复移动而积极地向前挖掘挖掘对象相比，为了形成平面(目标面)而在目标面附近使作业工具在工程机械的前后方向上移动的情况更多。因此，有时能预先把握与作业工具的当前位置相比靠前方的目标面，会容易地顺畅地前进到完工作业。

关于这一点，日本特开2001-123476号公报的技术：以作业工具的当前位置为基准决定了显示范围，因此，有时若不使作业工具实际移动至期望进行目标面的形状把握的场所近傍则其形状不会显现在画面上。

另一方面，日本特开2012-233404号公报的技术：以挖掘机械的上下方向上的当前位置为基准决定了显示范围，因此，有时若不使挖掘机械实际移动至期望进行目标面的形状把握的场所近傍则其形状不会显现在画面上。另外，在搭载于工程机械的驾驶室内的显示器上，通常需要显示操作工程机械时所需要的各种各样的信息(例如，通常有剩余燃料、发动机转速、错误信息、对周围进行拍摄的拍摄装置的信息以及作业模式信息等)，因此，显示挖掘机械和目标面的空间很有限。因此，若扩展显示挖掘机械和目标面时的范围来扩大能把握目标面形状的范围，则挖掘机械、作业工具以及目标面的图像尺寸变小，挖掘机械以及作业工具的当前位置和目标面的形状的把握很有可能变得困难。

因此，在上述二篇文献的技术中，例如在作业工具的移动目的地的目标面的形状不同于操作员预测出的形状的情况下，需要在判明了目标面的形状的时间点开始进行作业工具的位置的修正操作，恐会阻碍顺畅的完工作业。

本发明的目的在于提供一种能容易地把握位于作业工具的移动方向上的目标面的形状的工程机械的显示系统。

用于解决课题的技术方案

本申请包含多个解决上述课题的技术方案，如果要举出一例则设为下述工程机械的显示系统：在通过设置于工程机械的作业装置的前端的作业工具来挖掘规定的目标面时，将所述作业工具的图像和所述目标面的图像显示于显示画面来表示所述作业工具与所述目标面的位置关系，其特征在于，具备：

位置姿势运算部，其基于与所述作业装置的位置和姿势有关的状态量来运算所述作业工具的位置和姿势；

移动方向运算部，其基于所述位置姿势运算部的运算值和所述作业装置的操作装置的操作量中的至少一方来运算所述作业工具的预测移动方向；

作业工具显示控制部，在由所述移动方向运算部预测出了所述作业工具的移动的情况下，所述作业工具显示控制部根据所述预测移动方向来改变所述作业工具的图像的显示位置，使得在所述显示画面上从所述作业工具的图像起到位于所述预测移动方向侧的区域的面积与将所述作业工具的图像显示于基准位置的情况下的面积相比变大，在不能由所述移动方向运算部预测出所述作业工具的移动的情况下，所述作业工具显示控制部将所述作业工具的图像显示在所述显示画面上的所述基准位置；和

目标面显示控制部，其将在由所述作业工具显示控制部决定了的显示位置显示了所述作业工具的图像时所述显示画面内所含的所述目标面的图像显示于所述显示画面。

发明的效果

根据本发明，位于作业工具的移动方向上的区域在显示画面上广阔地映现出来，因此能容易地把握位于作业工具的移动方向上的目标面的形状。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式涉及的液压挖掘机的电路图。

图2是本发明的第1实施方式涉及的液压挖掘机的外观图。

图3是本发明的第1实施方式涉及的控制单元的硬件构成图。

图4是本发明的第1实施方式涉及的控制单元的功能框图。

图5是本发明的第1实施方式涉及的距离运算部110的功能框图。

图6是本发明的第1实施方式涉及的液压挖掘机的坐标系(X-Z坐标系)和各部分的尺寸的说明图。

图7是本发明的第1实施方式涉及的合成显示部111的功能框图。

图8是本发明的第1实施方式涉及的移动方向运算部111b所执行的处理的流程图。

图9是本发明的第1实施方式涉及的监视器的显示画面的坐标系(U-W坐标系)和铲斗图像的爪尖位置的说明图。

图10是本发明的第1实施方式涉及的显示位置校正部111c所执行的处理的流程图。

图11A是表示由本发明的第1实施方式涉及的工程机械的显示系统显示的显示画面的一例的图。

图11B是表示由本发明的第1实施方式涉及的工程机械的显示系统显示的显示画面的一例的图。

图11C是表示由本发明的第1实施方式涉及的工程机械的显示系统显示的显示画面的一例的图。

图12A是表示由本发明的第1实施方式涉及的工程机械的显示系统显示的显示画面的一例的图。

图12B是表示由本发明的第1实施方式涉及的工程机械的显示系统显示的显示画面的一例的图。

图13是关于本发明的第1实施方式涉及的监视器的显示画面上的铲斗图像的爪尖位置的其他确定方法的说明图。

图14是本发明的第2实施方式涉及的液压挖掘机的电路图。

图15是本发明的第1实施方式涉及的控制单元和目标面运算单元的功能框图。

具体实施方式

以下，关于本发明的实施方式利用附图进行说明。此外，在本文中，对将工程机械的显示系统适用于液压挖掘机的例子进行说明，但是，以下实施方式的适用对象不限于液压挖掘机，只要是具有作业装置、并通过设置于该作业装置的前端的作业工具通过挖掘作业或堆土作业来形成规定的目标面的工程机械都可适用。

图1所示的液压挖掘机具有：液压泵2；包括由来自该液压泵2的压力油驱动的动臂油缸(boom cylinder)3a、斗杆油缸(arm cylinder)3b、铲斗油缸(bucket cylinder)3c、回转马达3d和左右的行驶马达3e、3f的多个液压执行机构；对应于这些液压执行机构3a～3f的每个而设置的多个操作杆装置4a～4f；由这些操作杆装置4a～4f控制、并控制被供给到液压执行机构3a～3f的压力油的流量的多个流量控制阀5a～5f；在液压泵2的排出压力变为设定值以上的情况下打开的溢流阀6；和输入操作杆装置4a～4f的操作信号并具有控制流量控制阀5a～5f的功能的控制单元9，这些部分构成液压挖掘机的驱动被驱动部件的液压驱动装置。

在本实施方式中，操作杆装置4a～4f是输出电气信号来作为操作信号的电气杆装置，流量控制阀5a～5f是电气信号变换成先导压力(pilot pressure)的电气液压变换装置、例如在两端具备比例电磁阀的电气·液压操作方式的阀。控制单元9输入操作杆装置4a～4f的操作信号、生成与输入信号相应的流量控制阀驱动信号而对流量控制阀5a～5f进行驱动、控制。

另外，如图2所示，液压挖掘机由下述部分构成：包括上部回转体1d和下部行驶体1e的车身1B；和包括分别在垂直方向上转动的动臂(boom)1a、斗杆(arm)1b以及铲斗1c、并安装于上部回转体1d的前方的多关节型的作业装置1A，作业装置1A的动臂1a的基端被支撑于上部回转体1d的前部。

图2的动臂1a、斗杆1b、铲斗1c、上部回转体1d以及下部行驶体1e，分别由图1所示的动臂油缸3a、斗杆油缸3b、铲斗油缸3c、回转马达3d以及左右的行驶马达3e、3f驱动，它们的工作由操作杆装置4a～4f来指示。

在以上那样的液压挖掘机设置有本实施方式涉及的挖掘控制装置和作业状态显示装置。这些装置具备：用于目标面的设定的设定器7；角度检测器8a、8b、8c，分别设置于动臂1a、斗杆1b以及铲斗1c的转动支点，并检测它们的转动角来作为与作业装置1A的位置和姿势相关的状态量；设置于驾驶室内的显示监视器(显示装置)12；和作为执行后述的处理功能的计算机(例如微型计算机)的控制单元9。

图3示出控制单元9的硬件构成。控制单元9具有输入部91、作为处理器的中央处理装置(CPU)92、作为存储装置的只读存储器(ROM)93和随机存取存储器(RAM)94、以及输出部95。输入部91输入来自操作杆装置4a～4f的操作信号、来自设定器7的指示信号(设定信号和主开关信号)、来自角度检测器8a、8b、8c的角度信号，并进行A/D转换。ROM93是存储有控制程序(后述)的存储介质，CPU92按照ROM93中存储的控制程序对从输入部91和存储器93、94获取的信号进行规定的运算处理。输出部95制作与CPU92中的运算结果相应的输出用的信号，将该信号输出到流量控制阀5a～5f和/或监视器12，从而又对液压执行机构3a～3f进行驱动·控制，又使车身1B、铲斗1c以及目标面等的图像显示在监视器12的显示画面上。此外，图3的控制单元9具备ROM93和RAM94之类的半导体存储器来作为存储装置，但是也可以具备硬盘驱动器等磁性存储装置，在其中存储控制程序。

设定器7由例如设置在操作杆装置4a～4f的手柄(grip)上的多个开关或与其类似的操作装置构成。本实施方式的设定器7具备用于目标面的设定的开关7a和将暂且设定了目标面解除的开关7b。若开关7a被按下则此时铲斗1c的爪尖的位置被存储于控制单元9。若反复进行开关7a的按下操作则2个点以上的地点被存储于控制单元9，通过由该2个点以上的地点定义的形状来设定目标面。另一方面，若开关7b被按下则能解除由开关7a设定的目标面。

此外，在本实施方式中，由开关7a定义的所有的点设为设定于后述的X-Z坐标(参照图6)上的点，将包括通过X-Z坐标上的2个点定义的直线(线段)且与X-Z坐标所形成的面正交的面设为目标面，从而能够通过2个点来进行目标面的设定。

通过开关7a设定的目标面，也可以构成为：在监视器12上或作为模式图来显示或通过数值来显示，操作员能确认设定了的目标面。

在图4中，通过功能框图示出控制单元9的ROM93中存储的控制程序的概要。控制单元9具有：进行挖掘控制的挖掘控制部10；和一起进行目标面的设定处理和监视器12的显示处理的设定显示处理部11。挖掘控制部10进行基于来自操作杆装置4a～4f的操作信号生成针对流量控制阀5a～5f的指令信号的处理。

设定显示处理部11基于从设定器7输出的信号对于液压挖掘机的坐标系(参照图6)运算、设定目标面，将该目标面的模式图(图像)显示于监视器12。另外，设定显示处理部11基于角度检测器8a、8b、8c的检测信号来运算铲斗1c的位置和姿势，将从液压挖掘机侧面观察该运算出的位置和姿势的铲斗1c时的模式图(图像)显示于监视器12。由此，对从液压挖掘机侧面观察时的铲斗1c和目标面的模式图进行合成处理，并显示于监视器12。

设定显示处理部11具备距离运算部110和合成处理部111。距离运算部110输入来自角度检测器8a、8b、8c的检测信号的信号，运算铲斗1c的姿势，根据该姿势与设定了的目标面的位置关系来运算铲斗1c的爪尖与目标面的铅垂距离。合成处理部111根据铲斗1c的姿势与目标面的铅垂距离、目标面的位置以及坡度来运算铲斗1c与目标面的相对位置关系，对从液压挖掘机侧面观察时的铲斗1c和目标面的模式图进行合成处理，并显示于在驾驶室内设定的表示监视器12上。

接下来，利用图5对距离运算部110的处理功能进行说明。图5是利用框图来表示距离运算部110的处理功能的图，距离运算部110具备铲斗1c的位置姿势运算部110a、车身1B与目标面的位置关系运算存储部110b、以及铲斗爪尖与目标面的距离运算部110c。

铲斗位置姿势运算部110a基于图6所示的液压挖掘机的坐标系和各部分尺寸通过以下的式(1)、(2)来运算铲斗爪尖的X-Z坐标(Pvx，Pvz)。LV是从铲斗爪尖到铲斗转动中心的距离，LA是从铲斗转动中心到斗杆转动中心的距离，LB是从斗杆转动中心到动臂转动中心的距离。动臂转动中心的坐标设为(LF1，LF2)。

Pvx＝LV×cos(αB+αA+αV)+LA×cos(αB+αA)+LB×cosαB+LF1 (1)

Pvz＝-LV×sin(αB+αA+αV)-LA×sin(αB+αA)-LB×sinαB+LF2 (2)

另外，铲斗的位置姿势运算部110a通过以下的式(3)来运算铲斗背面相对于地面的角度αG。

αG＝-αB-αA-αV-αtip+180° (3)

车身与目标面的位置关系运算存储部110b，在从设定器7的开关7a输入了信号的情况下，存储由铲斗位置姿势运算部110a运算出的铲斗爪尖坐标(Pvx，Pvz)。而且，每次开关7a被按压而输入信号时都存储铲斗爪尖坐标，在开关7a被按压了2次以上的情况下(设定了2个以上的点的情况下)，运算通过这2个以上的点来规定目标面的1次式，将该一次式作为表示目标面的位置的式子来存储。作为设定了3个以上的点的情况下的目标面的设定方法，有例如：通过以设定了的顺序将点连结起来而描绘出的X-Z平面上的折线来规定目标面的方法；和虽然设定了3个点以上的点但是仅通过最接近的2个点来规定目标面的方法等等，但是其他的设定方法也是可以的。此外，在通过直线规定了目标面的情况下，规定目标面的1次式存在多个(具体而言，1次式存在与构成折线的线段的数量相当的个数)。

在图6的例子中，作为铲斗爪尖坐标而存储于位置关系运算存储部110b的点，有4个点T1、T2、T3、T4。通过这4个点中在X方向上相邻的2点来定义折线状的目标面。

铲斗爪尖与目标面的距离运算部110c通过在铲斗的位置姿势运算部110a中运算出的当前的铲斗爪尖坐标(Pvx，Pvz)和在车身与目标面的位置关系运算存储部110b中运算出的目标面的一次式，来运算铲斗爪尖与目标面的铅垂距离Ltip。具体而言，运算铲斗爪尖坐标(Pvx，Pvz)与目标面的一次式所规定的直线的距离来作为铅垂距离Ltip。此外，在表示目标面的一次式(直线)存在多个的情况下，运算从当前的铲斗爪尖位置到存在于在Z方向上最接近的位置的直线(也就是存在于铲斗爪尖的正下或正上的直线之中最接近的直线)的铅垂距离Ltip。

接下来利用图7来说明合成处理部111的处理功能。图7是通过框图来表示合成处理部111的处理功能的图，合成处理部111具备作业工具显示控制部111e、移动方向运算部111b以及目标面显示控制部111d。

作业工具显示控制部111e，在通过移动方向运算部111b预测出了铲斗1c的移动的情况下执行根据预测移动方向来变更铲斗1c的图像的显示位置的处理，使得在监视器12的显示画面上从铲斗1c的图像到位于该预测移动方向侧的区域的面积，与将铲斗1c的图像显示于基准位置(成为在显示画面上显示铲斗1c的图像时的基准的位置，例如图9的点C符合要求)的情况下的面积相比变大。另外，在上述以外的情况下(例如、无法通过移动方向运算部111b来特定铲斗1c的预测移动方向的情况、不伴随预测移动方向而进行铲斗1c的图像的显示位置变更处理的情况)，作业工具显示控制部111e在监视器12的显示画面上的基准位置显示铲斗1c的图像。为了执行该处理，作业工具显示控制部111e具备通常显示决定部111a和显示位置校正控制部111c。

通常显示决定部111a基于铲斗位置姿势运算部110a的运算值来决定在监视器12的显示画面上在成为显示铲斗1c的图像时的基准的位置(基准位置)显示铲斗1c的图像时的铲斗1c的姿势。

通常显示决定部111a是基于铲斗位置姿势运算部110a的运算值来决定在监视器12的显示画面上在预先设定的基准位置显示铲斗1c的图像时的姿势的部分。所谓“基准位置”是在将铲斗1c的图像的爪尖显示在显示画面上时的成为基准的位置，是按设定于监视器12的显示画面的坐标系U-W的坐标而设定了的点(图9的点C)。图9示出设定于监视器12的显示画面的坐标系U-W的一例，显示画面的右下设定为点O。图9中用粗线示出的矩形表示显示画面的轮廓，将W方向的显示画面尺寸设为MLW、将U方向的显示画面尺寸设为MLU。图9上的点C(MLU/2,MLW-MLU/4)为基准位置。

移动方向运算部111b是进行基于位置姿势运算部110a的运算值和控制作业装置1A的3个操作杆4a～4c的操作量(操作信号)中的至少一方来运算显示画面的U-W平面中的铲斗1c的预测移动方向的处理的部分。

在此，利用图8的流程图对移动方向运算部111b的处理进行说明。当图8的流程图开始时，前进到S100，判断在移动方向运算部111b中没有输入来自3个操作杆4a～4c中任一操作杆的操作信号。

当在S100中判定为有操作信号输入的情况下(即、作业装置1A正在工作的情况下)，前进到S110，基于从操作杆4a～4c输入的操作信号和根据位置姿势运算部110a的运算值求出的此时的作业装置1A的姿势来运算铲斗1c的预测移动方向。更具体而言，首先，移动方向运算部111b运算根据位置姿势运算部110a的运算值求出的此时的动臂1a、斗杆1b、铲斗1c的角度αB、αA、αV。另外，在控制单元9内的存储装置中存户有针对各操作杆4a～4c的操作量的各液压缸3a～3c的工作速度，移动方向运算部111b基于角度αB、αA、αV、各操作杆4a～4c的操作量以及根据该操作量推导出的工作速度来求出动臂1a、斗杆1b、铲斗1c各自的规定控制周期后的转动角，从而进行铲斗爪尖的预测移动方向的运算。

在S110的运算中得到的预测移动方向用X-Z平面上的矢量表示，在本实施方式中为了使说明和处理简略化而仅将该矢量的X分量视为预测移动方向。即，预测移动方向成为图6中的左方向(+X方向)或右方向(-X方向)。此外，当在S110的运算不能特定预测移动方向的情况下(例如、没有X分量的情况(上方向或下方向)、不明确向左右方向的哪个方向移动的情况)，视为“不能预测”。

另一方面，当在S100中判定为没有输入操作信号的情况下(即、在作业装置1A静止的情况下)，前进到S120，仅基于根据位置姿势运算部110a的运算值求出的此时的作业装置1A的姿势来运算铲斗1c的预测移动方向。

作为在S120中仅基于作业装置1A的姿势来运算预测移动方向的运算方法的一例，在本实施方式中采用下面的方法。首先，如图6中所示，将使动臂1a、斗杆1b以及铲斗1c工作时铲斗1c的爪尖的可达到的水平距离的最大值设为Rmax，进一步从上部回转体1d的旋回中心朝向Rmax依次设定3个闭合区域(第1区域S1、第2区域S2、第3区域S3)。接着，基于作业装置1A的姿势，(1)在判断为铲斗爪尖处于第3区域S3内的情况下，视为此后铲斗1c会朝向第2区域S2的方向移动，将接近上部回转体1d的方向(图6中的-X方向)设为铲斗1c的预测移动方向，另外，(2)在判断为铲斗爪尖处于第1区域S1内的情况下，视为此后铲斗1c会朝向第2区域S2的方向移动，将从上部回转体1d离开的方向(图6中的+X方向)设为铲斗1c的预测移动方向，(3)在判断为铲斗爪尖处于第2区域S2内的情况下，因为有可能向接近上部回转体1d的方向和离开上部回转体1d的方向中的任何方向运动所以判断为不能特定预测移动方向(不能预测)。

如果S110或S120的处理结束了，则移动方向运算部111b将运算出的预测移动方向输出到显示位置校正部111c，待机直至下一个控制周期。

通常显示决定部111a决定在监视器12的显示画面上的基准位置显示铲斗1c的图像时的显示方式(通常显示)的部分。本实施方式的通常显示决定部111a基于铲斗位置姿势运算部110a的运算值来决定将铲斗1c的图像显示于基准位置时的该图像的“姿势”。具体而言，按由铲斗的位置姿势运算部110a运算出的铲斗背面相对于地面的角度αG，显示使铲斗背面按该角度αG倾斜了的铲斗侧视图(含一方的侧面的正投影图)的图像来自作为铲斗图像。铲斗侧视图的图像不仅可以是用准确的尺度来显示铲斗1c的侧面的图面、照片等的图像，只要能识别爪尖也可以是变形了的图像。另外，铲斗侧视图的图像的比例尺设为预先设定的值。若事先将比例尺固定了，则与变更比例尺的情况相比操作员变得容易把握铲斗爪尖与目标面的距离感。

通过上述处理，由通常显示决定部111a决定的通常显示，显示使铲斗背面按角度αG倾斜了的规定比例尺的铲斗图像(铲斗侧视图的图像)使得该图像的爪尖位于基准位置C。

显示位置校正部111c是执行根据移动方向运算部111b所运算出的预测移动方向来将显示画面上的铲斗图像的显示位置从基准位置(点C)开始变更的处理的部分。在由显示位置校正部111c进行了显示位置的变更处理之后仍保持由通常显示决定部111a决定了的铲斗图像的姿势。在显示位置校正部111c中，输入通常显示决定部111a决定的显示位置(基准位置C)以及铲斗图像的姿势和移动方向运算部111b运算出的预测移动方向。

利用图10的流程图来说明显示位置校正部111c的处理。当图10的流程图开始时，首先，判断移动方向运算部111b运算出的预测移动方向是不是+X方向(S200)，在是+X方向(从上部回转体1d离开的方向)的情况下，将铲斗图像的爪尖位置从基准位置C变更到点F(参照图9)，以使得爪尖位于点F的方式显示铲斗图像(S210)。点F的坐标为(MLU/4,MLW-MLU/4)。点F设定于比点C接近上部回转体1d的位置，因此，将铲斗图像显示于点F时在显示画面上从铲斗图像起到位于预测移动方向侧(+X方向(+U方向))的区域的面积与将铲斗图像显示于点C(MLU/2,MLW-MLU/4)的情况下的面积相比变大。接着，显示位置校正部111c向目标面显示控制部111d输出在点F显示爪尖的情况。

当在S200中判断为预测移动方向不是+X方向的情况下，接着判断预测移动方向是不是-X方向(接近上部回转体1d的方向)(S220)。当在S220中判断为是-X方向的情况下，显示位置校正部111c将铲斗图像的爪尖位置从基准位置C变更为点N(参照图9)，以使得爪尖位于点N的方式显示铲斗图像(S230)。点N的坐标为(3MLU/4,MLW-MLU/4)。点N设定于与点C相比远离上部回转体1d的位置，因此，将铲斗图像显示于点N时在显示画面上从铲斗图像起位于预测移动方向侧(-X方向(-U方向))的区域的面积与将铲斗图像显示于点C(MLU/2,MLW-MLU/4)的情况下的面积相比变大。接着，显示位置校正部111c向目标面显示控制部111d输出在点N显示爪尖的要求。

当在S220中判断为预测移动方向不是-X方向的情况下(例如、预测移动方向不能特定(不能预测)的情况下)，显示位置校正部111c以使得铲斗图像的爪尖位置仍为基准位置C、爪尖位于点C的方式显示铲斗图像(S240)。另外，显示位置校正部111c向目标面显示控制部111d输出在点C显示爪尖的要求。

当在S210、230、240中将铲斗图像显示在显示画面上时，通过3个点C、F、N中的任意点的坐标、规定的比例尺系数以及角度αG的信息来描绘铲斗图像。所谓规定的比例尺系数是使得铲斗图像整体显示在显示画面上那样的值或预先设定于该范围的小于1的数值。

此外，图9所示的例子中的3个点C、F、N的W坐标(Mvw)为“MLW-MLU/4”是共通的，各点的U坐标(Mvu)将把显示画面的横向宽度(MLU)4等分的点定为基准，但是这只不过是一例而已，只要3个点F、C、N从0起沿着+U方向依次配置，则这3个点的U坐标并非必须为上述值，另外，该3个点的W坐标并非必须如上述那样相同。

回到图7，目标面显示控制部111d是执行下述处理的部分：将在由作业工具显示控制部111e(通常显示决定部111a和显示位置校正控制部111c)决定了的显示位置(点C、F、N中的任意点)显示了铲斗图像时包含于显示画面内的目标面的轮廓的图像，显示于显示画面。

在显示画面上显示目标面时，利用U-W平面相对于X-Y平面的比例尺(显示画面的比例尺)、X-Y平面和U-W平面中的铲斗爪尖位置的坐标、X-Y平面中的目标面的位置信息、以及X-Y平面中的铲斗爪尖与目标面的铅垂距离Ltip。

在图11A、图11B、图11C中示出将以上的运算结果显示于显示画面的例子。图11A是判断为铲斗向-X方向运动的情况下(经过了图10的S230的情况下)的显示画面例，图11B是判断为铲斗向+X方向运动的情况下(经过了图10的S210的情况下)的显示画面例，图11C是判断为不明确铲斗向+X方向和-X方向中哪个方向运动的情况下(经过了图10的S240的情况下)的显示画面例。此外，在图11中显示了点N、C、F，这些用于使图9与图11的关系性的把握变得容易，优选，在实际的画面上点N、C、F设为非显示。

根据上述那样构成的本实施方式涉及的工程机械的显示系统，在判断为铲斗1c的预测移动方向为-X方向的情况下，如图11A那样在点N显示铲斗图像50的爪尖，从铲斗图像50起位于-X方向(预测移动方向)的区域在显示画面上广阔地映现出来，因此，能容易地把握位于铲斗1c的移动方向(-X方向)上的目标面56的形状。同样地，在判断为铲斗1c的预测移动方向为+X方向的情况下，如图11B那样在点F显示铲斗图像50的爪尖，从铲斗图像起位于+X方向(预测移动方向)的区域在显示画面上广阔地映现出来，因此，能容易地把握位于铲斗1c的移动方向(+X方向)上的目标面52的形状。另外，在铲斗1c的预测移动方向不能特定的情况下，如图11C那样在点C显示铲斗图像50的爪尖，从铲斗图像到位于+X方向的区域与到位于-X方向的区域的面积变得大致相同，因此，使铲斗1c向任意方向移动都能把握位于该移动方向上的目标面52、56的形状。

另外，在监视器12的显示画面上，显示铲斗和目标面的图像的空间是有限的，但是若如本实施方式那样根据铲斗1c的预测移动方向来变更铲斗图像的显示位置、则能根据预测移动方向来变更显示目标面的空间，因此即使在保持着显示画面的尺寸的状态下、位于作业工具的移动方向上的目标面的形状把握也变得容易。

但是，存在从位于铲斗爪尖的垂直上方向或垂直下方向的目标面(也就是，位于铲斗爪尖的正下或正上的目标面)到铲斗爪尖的距离充分地分离开而不能在显示画面上显示该目标面的情况。在该情况下，优选是进一步具备目标面方向导向部111f(参照图7)，该目标面方向导向部111f用文字、图形、记号等(例如箭头)在显示画面上显示该目标面存在的方向，并且/或者对该目标面存在的方向进行声音导向。

在本实施方式的目标面方向导向部111f中，从目标面显示控制部111d输入了铲斗1c的显示位置，从车身与目标面的位置关系运算存储部110b输入了目标面的位置信息。目标面方向导向部111f基于这些输入信息，进行位于铲斗爪尖的正下或正上的目标面能否在显示画面内显示的判断，在判断为不能显示该目标面(也就是该目标面存在于显示画面外)的情况下，用记号(箭头60)在显示画面上显示该目标面存在的方向。

在图12A、图12B中示出用箭头60的图像表示了存在于显示画面外的目标面的方向的显示画面的例子。图12A是因为位于铲斗爪尖的正下的目标面存在于显示画面外、而显示了表示显示画面的下端的箭头60的图像的显示画面例。图12B是因为位于铲斗爪尖的正上的目标面存在于显示画面外、而显示了表示显示画面的上端的箭头60的图像的显示画面例。需要说明的是，作为如图12B那样目标面位于铲斗1c的上方的具体的场面，进行堆土时和/或过度挖掘了目标面的时候符合要求。

在图12A和图12B的例子中示出了目标面的一部分，但是在将显示画面的比例尺保持为规定值时等情况下，也有仅铲斗图像50显现在画面上、目标面完全没有显现的情况。在这样难以进行目标面的把握的情况或者完全不能进行目标面的把握的情况下，如果使用上述那样具备目标面方向导向部111f的工程机械的显示系统，则即使在显示画面上不显现目标面的情况下，也能容易地把握存在于显示画面外的目标面存在于哪个方向。由此，无需为了把握目标面的形状而进行无谓的操作，能防止作业效率的降低。

需要说明的是，在上述的例子中显示于画面的箭头60的长度设为固定，但是，也可以根据从铲斗爪尖到目标面的距离来变更箭头的长度进行显示。

另外，在图12A、图12B中，举出铲斗图像50的爪尖位于点C(未图示)的情况为例进行了说明，不言而喻，但是当然爪尖位于点F或点N的情况也是同样的。

进一步，在上述的例子中，将位于铲斗爪尖的正下或正上的目标面存在的方向显示在了显示画面上，但是，既可以将最接近铲斗爪尖的目标面存在的方向显示在显示画面上，也可以将满足其他条件的目标面存在的方向显示在显示画面上。总之将满足特定条件的目标面存在的方向显示在显示画面上即可。

但是，在上述中在图8的S110和S120中，从说明和处理的简略化的观点出发仅通过X分量定义了预测移动方向，但是在S110和S120的任一步骤中也都可以考虑Z分量来求出预测移动方向。作为该情况下的铲斗图像的爪尖位置的决定方法，例如有下面这样的方法。首先，在XZ坐标系上生成在S110或S120中运算出的预测移动方向的矢量的相反矢量，将该相反矢量与规定的比例尺系数相乘等等而变换成UW坐标系上的矢量。接着，以使得该变换后的相反矢量的始点与基准位置C(MLU/2，MLW/2)一致的方式在UW坐标上移动，在移动后的相反矢量V1r上或者在其延长线上将从基准位置C离开规定距离R的点设定为显示铲斗图像的爪尖的位置P(参照图13)。也就是，将朝向通过移动方向运算部111b运算出的预测移动方向的相反方向从基准位置C离开规定距离R的位置设为显示画面上的铲斗图像的显示位置P。若这样设定铲斗图像的显示位置，则在预测移动方向的相反的方向显示铲斗图像，在预测移动方向侧确保空间，因此，能将位于该空间的目标面显示于显示画面。

需要说明的是，在图13中将基准位置C设定成了显示画面的中心，但是设定为其他位置也可以。图13的矢量V1是将在XZ坐标系上生成的预测移动方向的矢量变换成UW坐标系上的矢量而得的矢量。

在上述中，仅基于预测移动方向变更了铲斗图像的爪尖的显示位置，但是也可以除预测移动方向外也推测预测移动速度，基于预测移动方向和预测移动速度来变更铲斗图像的爪尖的显示位置。预测移动速度在决定规定距离R(参照图13)的值时使用，例如、有以使得预测移动速度与距离R存在比例关系的方式使两者相关联的方法。若这样设定，则在预测移动速度大的情况下铲斗图像配置于显示画面的周围，在预测移动速度下的情况下铲斗图像配置于显示画面的中央附近。也就是，能根据预测移动速度的大小来增大要确保的空间的大小。

在上述的图8的S110中，基于操作杆4a～4c的操作信号和作业装置1A的姿势运算出了铲斗1c的预测移动方向，但是，也可以仅基于操作杆4a～4c的操作信号来运算铲斗1c的预测移动方向。在采用了该方法的情况下，例如在液压缸3a～3c中的至少1个伸长或收缩而无法移动铲斗1c时、如果对操作杆4a～4c进行操作则会输出操作信号，因此，能使显示画面上的铲斗图像的显示位置与操作杆4a～4c的操作相关联，另一方面，能与铲斗1c的移动方向分离开。由此，在实际的铲斗爪尖存在于Rmax(参照图6)上且无法将铲斗1c移动到比Rmax离得更远的位置的情况下，例如进行斗杆翻卸(dump)操作、若预测移动方向为前方则使合成显示部111识别到该斗杆翻卸操作，因而能将比Rmax离得远的位置的目标面显示在画面上，操作员能把握其形状。

在上述中，作为S120中仅根据作业装置1A的姿势来运算预测移动方向的运算方法的一例，事先使预测移动方向与沿着X方向3分割而规定的3个闭合区域S1、S2、S3相关联，基于铲斗爪尖位于这3个闭合区域中的哪个闭合区域推定了预测移动方向，但是也可以除X方向之外也在Z方向上规定多个闭合区域，基于铲斗爪尖位于哪个闭合区域来推定预测移动方向。X方向、Z方向的分割数不限于3，可以利用任意数值。

仅将对作业装置1A进行控制的3个操作杆4a～4c用于铲斗1c的预测移动方向的运算，但是，即便使回转体1d和/或行驶体1e也工作，因为铲斗1c会移动所以除对这些进行控制的操作杆4d、4e、4f的操作信号之外也可以运算预测移动方向。

在上述的说明中，作为检测与作业装置1A的位置和姿势有关的状态量的传感器利用了角度检测器8a、8b、8c，但是也可以利用检测动臂1a、斗杆1b以及铲斗1c的倾斜角的倾斜角检测器、以及检测动臂油缸3a、斗杆油缸3b以及铲斗油缸3c的伸缩量的检测器等。

在上述说明中将铲斗侧视图的图像的比例尺设为固定，但是，例如，也可以根据最接近的目标面与铲斗爪尖的距离将比例尺设为可变比例尺，从而进行控制使得该最接近的目标面和铲斗显现于显示画面上。

也可以与铲斗1c和目标面的图像一起将从铲斗的爪尖到目标面的距离信息、铲斗角度的信息等文字信息显示在显示画面上。

也可以将下述的被称为区域限制的技术搭载于上述的工程机械：基于目标面的位置信息和铲斗爪尖的位置信息来自动地对作业装置的运动进行控制，使得仅能挖掘目标面上及其上方(使得铲斗爪尖位于目标面上及其上方)。

在上述的说明中，列举操作杆4a～4c输出电气信号来作为操作信号的电气杆的情况为例进行了说明，但是也可以利用输出液压信号作为操作信号的液压先导方式的杆。在该情况下，能通过压力传感器来检测操作信号的液压、根据该检测压来计测操作量。

在上述的说明中，对于将从左侧面观察液压挖掘机时所见的铲斗图像显示在监视器12的显示画面上的例子进行了说明，但是，也可以将从右侧面液压挖掘机观察时所见的铲斗图像显示在监视器12上。另外，也可以构成为能根据操作员的喜好来对两者进行切换。

在上述中，对设定器7进行操作而基于存储的2个点以上的铲斗爪尖坐标设定了目标面，但是，也可以另行设置输入装置，基于经由该输入装置输入的表示目标面的位置以及坡度的任意数值来设定目标面。另外，目标面也可以例如适当地读入控制单元9内的存储装置或者控制单元9外的存储装置(例如、液压挖掘机外部的存储装置)中存储的数据而进行设定。接着，利用图14和图15对利用控制单元9外的存储装置所保存的目标面来将存在于铲斗1c的预测移动方向的目标面显示到画面上时的实施方式进行说明。此外，对与之前的图相同的部分标注相同的符号，有时会省略说明。

图14是应用了本发明的第2实施方式的工程机械的显示系统的液压挖掘机的概略构成图。需要说明的是，对于本实施方式涉及的液压挖掘机的外观和坐标，使之与第1实施方式相同。

图14所示的液压挖掘机具备：用于检测液压挖掘机或铲斗1c自身的全球定位位置的位置检测装置(例如、GPS接收器)13A；用于检测液压挖掘机或铲斗1c自身的全球定位方位的方位检测装置(例如、GPS接收器和/或陀螺传感器)13B；和提取在监视器12的显示画面表示的目标面的目标面运算单元9B。

目标面运算单元9B是计算机(例如微型计算机)，具备与控制单元9同样的硬件构成。目标面运算单元9B和控制单元9具备能相互进行信息通信的接口。

图15是用功能框图示出存储于控制单元9的存储装置(ROM93)和目标面运算单元9B的存储装置的控制程序的概要的图。

控制单元9除显示处理部11和挖掘控制部10之外具备显示范围指令部16。显示处理部11执行从第1的实施方式的设定显示处理部11所执行的处理中去除了目标面的设定处理后的处理。这是为了在本实施方式中从目标面运算单元9B输入目标面的数据。

目标面运算单元9B具备：存储有目标面的三维数据的目标面存储部17；和数据提取部18，该数据提取部18从存储于目标面存储部17的目标面的三维数据中提取包含于以铲斗1c的当前位置为基准的规定范围的目标面的数据。

本实施方式的数据提取部18具备二维目标面生成部14和部分二维目标面生成部15。

二维目标面生成部14根据铲斗1c的方位来规定经过包括铲斗1c的作业装置1A的中心的平面(图6的X-Z平面与该平面相当)，提取用该平面对三维数据进行切断而显现的二维图形来作为目标面的数据(二维目标面数据)。通常，在此所获得的二维图形为折线。

部分二维目标面生成部15从二维目标面生成部14所提取出的二维目标面数据中提取以铲斗1c的位置为基准的规定范围中所含的数据，将该数据作为部分二维目标面数据输出到控制单元9内的显示处理部11。作为由部分二维目标面生成部15进行数据提取的例子有下述的方法：以铲斗1c的位置为基准，仅将在车身前后方向(+X方向和-X方向)上位于规定的距离范围内的数据作为目标面数据的方法；和从显示范围指令部16输入显示画面上的铲斗1c的爪尖位置(监视器位置)，将该监视器位置作为基准，仅将在车身前后方向上位于规定的距离范围内的数据作为目标面数据的方法。

显示范围指令部16根据从显示位置校正部111c输入的铲斗爪尖的监视器位置(铲斗图像的显示位置)将从二维目标面数据提取部分二维目标面数据的范围输出到部分二维目标面生成部15。提取范围有时通过以铲斗爪尖位置为基准的+X方向和-X方向上的距离来定义。另外，通常，二维目标面数据通过将多个点(图6中的点T1、点T2、点T3、点T4符合要求)连结起来而成的折线来定义，因此，也可以通过以铲斗爪尖位置为基准的+X方向和-X方向上的点的数量来定义。另外，在通过距离和点的数量中的任一方来定义的情况下，因为铲斗爪尖的监视器位置会根据铲斗的预测移动方向而变化，所以，也优选，根据监视器位置的变化来改变提取目标面数据的车身前后方向上的距离或者点的数量。此外，在不根据铲斗爪尖的监视器位置(U-W坐标系)、而是根据全球定位坐标系中的铲斗爪尖位置来决定部分二维目标面数据的提取范围的情况下，因为仅通过部分二维目标面生成部15就能决定提取范围，所以显示范围指令部16可以省略。

显示处理部11内的目标面显示控制部111d基于从部分二维目标面生成部15输入的部分二维目标面数据而将目标面的图像显示于显示画面。

根据以上那样构成的本实施方式的工程机械的显示系统，当在目标面运算单元9B与控制单元9之间进行目标面的发送接收的情况下，限定于监视器12的显示范围或者接近其的范围的目标面的数据进行发送接收，因此能抑制发送接收的数据量的增加，由此能抑制伴随数据的发送接收的处理延迟的发生。

需要说明的是，在上述说明中，对于控制单元9和目标面运算单元9B由不同的计算机构成的情况进行了说明，但是也可以由1台计算机构成两者。进一步，也可以使控制单元9和目标面运算单元9B的各功能适当地分散于3台以上的计算机。在该情况下，能抑制在多台计算机之间或者在单一计算机内发送接收的数据量的增加，因此能抑制处理延迟的发生。

另外，在上述说明中从目标面的三维数据中提取了二维目标面数据和部分二维目标面数据，但是也可以构成为从目标面的二维数据中提取部分二维目标面数据。

此外，本发明不限定于上述的各实施方式，包含不脱离其主旨的范围内的各种各样的变形例。例如，本发明不限于具备上述各实施方式中说明了的所有构成的方案，也包含删除了其一部分构成后的方案。另外，也可以将某一实施方式涉及的构成的一部分追加于或置换成其他实施方式涉及的构成。

另外，上述的计算机(控制单元9、目标面运算单元9B)涉及的各构成和/或该各构成的功能以及执行处理等，也可以通过硬件(例如通过集成电路来设计执行各功能的逻辑设计等)来执行它们的一部分或全部。另外，上述计算机涉及的构成，也可以设为通过由运算处理装置(例如CPU)读出、执行来实现该计算机的构成涉及的各功能的程序(软件)。该程序涉及的信息能存储于例如半导体存储器(闪存存储器、SSD等)、磁性存储装置(硬盘驱动器等)以及记录介质(磁盘、光盘等)等。

另外，在上述的各实施方式的说明中，控制线和/或信息线表示被理解为是该实施方式的说明所必需的线，但是也未必就表示了产品涉及的所有控制线和/或信息线。实际上也可以认为几乎所有的构成相互连接。

附图标记说明

1A…作业装置、1c…铲斗(作业工具)、8a，8b，8c…角度检测器、12…监视器、14…二维目标面生成部、15…部分的二维目标面生成部、110a…铲斗位置姿势运算部(位置姿势运算部)、111a…通常显示决定部、111b…移动方向运算部、111c…显示位置校正部、111d…目标面显示控制部、111e…作业工具显示控制部、111f…目标面方向导向部、17…目标面存储部、18…数据提取部、50…铲斗图像(作业工具的图像)、52，54，56…目标面的图像

Claims (5)

1.一种工程机械，包括：

作业装置，其用于通过设置于所述作业装置的前端的作业工具来挖掘规定的目标面；

操作杆装置，其用于对所述作业装置进行操作；

显示装置，将所述作业工具的图像和所述目标面的图像显示于显示画面来表示所述作业工具与所述目标面的位置关系；以及

控制单元，其控制所述显示装置的显示，

所述控制单元具备：

目标面存储部，存储有所述目标面的三维数据；

位置姿势运算部，其基于与所述作业装置的位置和姿势有关的状态量来运算在工程机械的坐标系中的所述作业工具的位置和姿势；

作业工具显示控制部，其基于在所述工程机械的坐标系中的所述作业工具的位置和姿势，在设定于所述显示画面的、在显示画面的坐标系中设定的基准位置显示所述作业工具的图像；

目标面显示控制部，其基于在所述工程机械的坐标系中的所述作业工具的位置和姿势以及所述目标面的位置，将在所述作业工具的图像显示于所述基准位置时所述显示画面内所包含的所述目标面的图像显示于所述显示画面；和

移动方向运算部，其基于所述位置姿势运算部的运算值和所述操作杆装置的操作量中的至少一方来运算所述作业工具的预测移动方向，

所述作业工具显示控制部在由所述移动方向运算部预测出了所述作业工具的移动的情况下，将所述显示画面上的所述作业工具的图像的显示位置从所述基准位置变更为其他位置，

所述目标面显示控制部基于在所述工程机械的坐标系中的所述作业工具的位置和姿势以及所述目标面的位置，将在将所述作业工具的图像变更为所述其他位置时所述显示画面内所包含的所述目标面的图像显示于所述显示画面，

所述其他位置是以使得在所述显示画面上从所述作业工具的图像起到位于所述预测移动方向侧的区域的面积与将所述作业工具的图像显示于基准位置的情况下的面积相比变大的方式设定于所述显示画面的坐标系中的位置。

2.根据权利要求1所述的工程机械，其特征在于，

所述作业工具显示控制部以使所述工程机械的主体位于所述显示画面的左右方向的一方的方式，显示所述作业工具的图像，

在由所述移动方向运算部预测出所述预测移动方向为从所述工程机械的主体远离的方向的情况下，所述作业工具显示控制部将所述显示画面上与所述基准位置相比接近所述工程机械的主体的位置作为所述其他位置而显示所述作业工具的图像，

在由所述移动方向运算部预测出所述预测移动方向为接近所述工程机械的主体的方向的情况下，所述作业工具显示控制部将所述显示画面上与所述基准位置相比远离所述工程机械的主体的位置作为所述其他位置而显示所述作业工具的图像，

在不能由所述移动方向运算部预测出所述作业工具的移动的情况下，所述作业工具显示控制部在所述显示画面上的所述基准位置显示所述作业工具的图像。

3.根据权利要求1所述的工程机械，其特征在于，

所述其他位置是从所述基准位置朝向所述预测移动方向的相反方向离开规定距离的位置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的工程机械，其特征在于，

所述控制单元还具备目标面方向导向部，当在所述显示画面内不显示所述目标面的图像的情况下，所述目标面方向导向部将该目标面所存在的方向显示在所述显示画面上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的工程机械，其特征在于，

所述控制单元还具备：

数据提取部，其从存储于所述目标面存储部的所述目标面的数据中提取以所述作业工具的位置为基准的规定范围所含的数据，

所述目标面显示控制部基于由所述数据提取部提取到的数据将所述目标面的图像显示于所述显示画面。