CN112639225B - 作业机械 - Google Patents

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Abstract

液压挖掘机具备：接收器，其基于由两个GNSS天线接收到的卫星信号来运算上部旋转体的位置和方位角；和控制器，其基于由接收器运算出的上部旋转体的位置及方位角来运算铲斗的前端位置。控制器基于两个GNSS天线的设置位置、前作业机的可动范围、和上部旋转体的倾斜角度及方位角，分别针对两个GNSS天线将前作业机可能成为卫星信号的接收障碍的范围设定为遮蔽范围。接收器基于从除去位于遮蔽范围内的卫星而剩余的卫星发送的卫星信号来运算上部旋转体的位置和方位角。

Description

作业机械
技术领域
本发明涉及液压挖掘机等作业机械，尤其涉及搭载有位置测量系统的作业机械，该位置测量系统使用卫星的卫星信号来测量设定于作业装置上的监测点在三维空间中的绝对位置。
背景技术
近几年，在工程施工现场，使用GNSS(Global Navigation Satellite System：全球导航卫星系统)等三维位置测量系统来测量设定于作业机械上的规定点(监测点)的位置，并进行作业管理。作为监测点的代表例有设定于作业机械所具备的作业装置上的点，例如液压挖掘机的铲斗前端。若能测量该铲斗前端的位置，则通过将其测量数据与预先设定的地形数据或目标形状数据进行比较，能够掌握施工过程中的作业进展状况，并能进行施工过程中的管理和控制。另外，通过根据直到施工结束时为止的测量数据的历史来生成生成地形数据(例如挖掘地形数据)，在施工之后也能进行施工管理。
不过，例如在液压挖掘机中，由于动臂、斗杆及铲斗等的与GNSS天线相比可能位于上方的作业装置和周边的障碍物会成为从GNSS卫星发送的信号(GNSS信号、卫星信号)的障碍物，所以GNSS天线有可能将GNSS信号作为被称为多路径(multipath)的衍射波或反射波来接收。当在监测点的位置测定中使用衍射波或反射波时，位置测定结果中包含误差的可能性很高。作为消除多路径的影响的解决方法，例如有专利文献1记载的方法。
在专利文献1中公开了一种定位装置，其具备从多个发送器(多个卫星)接收信号的接收装置，判定各发送器(多个卫星)的发送器位置，并基于该各发送器的位置、上次判定的定位装置的位置、和多路径信息，来计算能够直接接收信号的发送器(多个卫星)，忽视无法直接接收信号的发送器而判定定位装置的当前位置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2010-534849号公报
发明内容
在上述专利文献1记载的技术中，能够降低由障碍物引起的反射和/或衍射的影响，但在像液压挖掘机那样反复进行挖掘、旋转、卸载等一系列动作的作业机械中，由于作业机械与周边障碍物的相对位置可能容易根据作业装置、上部旋转体的姿势变化而变化，所以在位置测定中使用的卫星信号的组合可能会不断切换。在GNSS的位置测定中，存在当切换在位置测定中使用的卫星时位置测定误差变大的课题。
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种作业机械，即使作业装置和/或上部旋转体的姿势在作业机械的作业过程中发生变化，也能抑制GNSS位置测定的精度下降。
为了达成上述目的，本发明的作业机械具备：下部行驶体；能够旋转地设于所述下部行驶体、并与所述下部行驶体一起构成车身的上部旋转体；能够转动地设于所述上部旋转体的作业装置；设于所述车身的倾斜测量装置；设于所述作业装置的角度测量装置；基于卫星的卫星信号来计算自身的三维位置及方向的三维位置测量装置；以及基于来自所述倾斜测量装置、所述角度测量装置及所述三维位置测量装置的信息而对所述车身的三维位置及姿势、和所述作业装置的规定位置的三维位置进行计算的控制器，在所述作业机械中，所述三维位置测量装置接收卫星的卫星信号，从接收到卫星信号的卫星中选择在所述三维位置测量装置的三维位置及方向的计算中使用的卫星，并基于所选择的卫星的卫星信号来计算所述三维位置测量装置的三维位置及方向，所述作业机械还具备用于指示存储由所述三维位置测量装置选择的卫星的组合的存储指示装置，当经由所述存储指示装置输入了指示时，所述控制器将由所述三维位置测量装置选择的卫星的组合存储为卫星选择信息，并在规定的变更条件成立时将所述卫星选择信息发送至所述三维位置测量装置，所述三维位置测量装置在从所述控制器接收到所述卫星选择信息的情况下，从接收到卫星信号的卫星中优先选择所述卫星选择信息所包含的卫星。
发明效果
根据本发明，即使作业装置和/或上部旋转体的姿势在作业过程中发生变化，也能抑制在GNSS位置测定的运算中使用的卫星信号的切换，因此能够抑制GNSS的位置测定精度的下降，进而能够提高作业精度。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的液压挖掘机的外观的图。
图2是表示搭载于液压挖掘机的位置测量系统的装置构成的框图。
图3是表示具有作为GNSS基站的作用的事务所侧系统的装置构成的框图。
图4是示意性表示液压挖掘机的挖掘动作时的姿势的图。
图5是示意性表示液压挖掘机的旋转动作时的姿势的图。
图6是示意性表示液压挖掘机的挖掘位置及卸载位置、和当时处于GNSS天线的上空视野内的GNSS卫星的配置的图。
图7是示意性表示液压挖掘机的挖掘位置、当时处于GNSS天线的上空视野内的GNSS卫星的配置、以及在位置计算中使用的GNSS卫星的组合的图。
图8是示意性表示液压挖掘机的卸载位置、当时处于GNSS天线的上空视野内的GNSS卫星的配置、以及在位置计算中使用的GNSS卫星的组合的图。
图9是示意性表示液压挖掘机的挖掘位置、当时处于GNSS天线的上空视野内的GNSS卫星的配置、以及在位置计算中使用的GNSS卫星的组合的图。
图10是表示控制器的处理的流程图。
图11是表示在图10中的步骤S40中进行的处理的具体例之一的流程图。
图12是表示车身基准方位角与前遮蔽仰角αft的关系的一个例子的图。
图13是车身基准方位角的说明图。
图14是从侧面观察到的车身基准方位角为15度的情况下的现状地形截面的图。
图15是表示车身基准方位角与上部旋转体的方位角的关系图的图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。本实施方式是对作为工程机械的履带式液压挖掘机应用本发明、并在液压挖掘机的铲斗前端设定有监测点(控制点)的情况。需要说明的是，在各图中，对相同的部件标注相同的附图标记并适当省略重复的说明。
图1是表示本实施方式的液压挖掘机的外观的图。
在图1中，液压挖掘机1具备：利用由行驶液压马达(未图示)驱动的履带而行驶的下部行驶体2；能够旋转地安装于下部行驶体2之上并与下部行驶体2一起构成车身的上部旋转体3；设于上部旋转体3的驾驶室4；和安装于上部旋转体3的前作业机(作业装置)5。上部旋转体3由旋转液压马达(未图示)向左右旋转驱动。前作业机5是多关节型的作业装置，具有能够在上下方向上旋转地设于上部旋转体3的动臂6、能够在上下方向上旋转地设于动臂6的前端的斗杆7、和能够在上下方向上旋转地设于斗杆7的前端的铲斗(附属装置)8。动臂6、斗杆7、铲斗8分别通过使动臂液压缸9、斗杆液压缸10、铲斗液压缸11伸缩而被驱动。有时将动臂6、斗杆7及铲斗8分别称为前部件。
另外，在上部旋转体3上安装有检测上部旋转体3相对于规定平面(例如水平面)的倾斜角(俯仰角度)的车身IMU21，在动臂6上安装有检测动臂6相对于规定平面(例如水平面)的角度(动臂角度)的动臂IMU22，在斗杆7上安装有检测斗杆7相对于规定平面(例如水平面)的角度(斗杆角度)的斗杆IMU23，在铲斗8上安装有检测铲斗8相对于规定平面(例如水平面)的角度(铲斗角度)的铲斗IMU24。此外，在本说明书中有时将动臂IMU22、斗杆IMU23及铲斗IMU24总称为前IMU(参照图2)。
另外，在上部旋转体3设置有用于接收从多个GNSS卫星发送的卫星信号(导航信号)的两个GNSS天线31、32、和用于接收来自基站的RTK修正数据(后述)的RTK修正数据接收天线34。两个GNSS天线31、32设置在从上部旋转体3的旋转中心偏离的旋转体后部的左右。
图2是搭载于液压挖掘机1的位置测量系统的结构图。该图所示的位置测量系统200具备无线通信设备35、GNSS接收器33、控制器38、显示装置39和设定用开关40。
无线通信设备35经由RTK修正数据接收天线34接收来自基站的RTK修正数据(后述)，并将RTK修正数据输出至GNSS接收器33。
GNSS接收器33基于从无线通信设备35输入的RTK修正数据和由GNSS天线31、32接收的来自GNSS卫星的信号，实时运算两个GNSS天线31、32中的一个GNSS天线31的位置、和从两个GNSS天线31、32中的一个GNSS天线31到另一个GNSS天线32的矢量，由此，能够运算地理坐标系(全局坐标系)中的上部旋转体3的位置和方位角。
控制器38输入由GNSS接收器33运算出的位置及矢量数据和来自IMU21～24的角度数据，以运算上部旋转体3的位置和方位角、铲斗8的前端(监测点)的位置。控制器38作为硬件而具备运算处理装置(例如CPU)、存储装置(例如ROM、RAM等半导体存储器)、接口(输入输出装置)，利用运算处理装置执行存储装置内预先保存的程序(软件)，由运算处理装置基于程序内规定的数据和从接口输入的数据进行运算处理，并从接口向外部输出信号(运算结果)。此外，虽未图示，但GNSS接收器33也能具备与控制器38同种的硬件。
显示装置(监视器)39显示控制器38的运算结果及利用该运算结果获取的各种数据。
在控制器38连接有设定用开关(遮蔽范围重置开关)40。设定用开关40是用于将当时设定的全部遮蔽(mask)范围(后述)解除(消去)的开关，在操作员所希望的时机被按下，由此，控制器38删除全部遮蔽范围。关于遮蔽范围的设定的详情和利用设定用开关40的场景见后述。
另外，在控制器38上能够连接半导体存储器等外部记录介质(外部存储装置)42。在外部记录介质42内存储有包括现状地形数据和目标地形数据(也称为设计数据)的地形数据，操作员在系统启动时等规定时机将外部记录介质42与控制器38连接，并在必要情况下将数据下载到控制器38内的存储装置。而且，在作业结束时等，例如将根据系统启动过程中的铲斗前端位置的轨迹数据而生成的作业后的现状地形数据记录到外部记录介质42并使用于施工管理。
图3是具有作为GNSS基站的作用的事务所侧测量系统(基站系统)50的结构图。
在图3中，事务所侧测量系统50具备GNSS天线52、GNSS接收器51、无线通信设备53和无线天线54。
GNSS天线52是用于接收从多个GNSS卫星发送的卫星信号(导航信号)的天线。
GNSS接收器51作为GNSS基站发挥功能(以下有时将GNSS接收器51记载为GNSS基站51)，基于预先测量出的三维位置(例如GNSS天线52的位置)的数据和由GNSS天线52接收的卫星信号，生成用于由液压挖掘机1的GNSS接收器33进行RTK(实时动态)测量的修正数据，并将其输出至无线通信设备53。
无线通信设备53将从GNSS接收器51输入的修正数据经由无线天线54对液压挖掘机1的无线通信设备35发送。
接着，对本实施方式的位置测量系统200的动作概要进行说明。
在本实施方式中，为了进行高精度的位置测量而利用图2所示的GNSS接收器33进行RTK测量。为此，首先需要图3所示的生成修正数据的GNSS基站51。GNSS基站51如上所述基于预先三维测量出的GNSS天线52的位置数据和由GNSS天线52接收的来自多个GNSS卫星的卫星信号来生成用于RTK测量的修正数据，并通过无线通信设备53将所生成的修正数据经由天线54以固定周期进行发送。
另一方面，图2所示的液压挖掘机1侧的GNSS接收器33基于由无线通信设备35经由天线34接收的修正数据和由GNSS天线31、32接收的来自多个GNSS卫星的卫星信号，对GNSS天线31的三维位置和从GNSS天线31到GNSS天线32的矢量进行RTK测量。通过该RTK测量，能够以高精度测量地理坐标系中的GNSS天线31的三维位置及从GNSS天线31到GNSS天线32的矢量。然后，所测量出的三维位置数据及矢量数据被输入至控制器38。
另外，液压挖掘机1(上部旋转体3)的倾斜角度(即俯仰角度及侧倾角度)和动臂6、斗杆7及铲斗8的各角度由IMU21～24测量，并同样被输入至控制器38。
控制器38基于所输入的各种数据进行通常的矢量运算和坐标变换，运算规定的坐标系(例如设定于作业现场的地面上的现场坐标系)中的上部旋转体3的位置及姿势(包括方位角)和铲斗8的前端(监测点)的位置。另外，控制器38也能基于所运算出的上部旋转体3的位置及姿势和铲斗前端的位置、以及从外部记录介质41输入的目标地形数据，在显示装置39的画面上显示铲斗的图像和目标地形，以将作业状况通知操作员。
接着，使用图4～9对本发明的课题、即由GNSS接收器33进行的位置测量的再现性的恶化进行说明。
图4是示意性表示液压挖掘机1的挖掘动作时的姿势的图。在图4中，液压挖掘机1正在进行所谓的坡面修整作业。图4所示的图像大致等同于显示装置39上显示的信息，操作员基于该信息进行液压挖掘机1的挖掘操作以使当前地形61接近目标地形62。
图5是示意性表示液压挖掘机1的旋转动作时的姿势的图。如图5所示，通常，旋转动作在挖掘动作结束后以抬升动臂6、收回斗杆7及铲斗8、并确保铲斗8与地面的间隙的状态进行。然后，在卸载位置使斗杆7及铲斗8放出，使挖掘的土落在规定位置。之后，进行用于向挖掘位置返回的旋转动作，并重复挖掘动作。
图6是示意性表示液压挖掘机1的挖掘位置及卸载位置、和当时处于GNSS天线31、32的上空视野内的GNSS卫星81～87的配置的图。在图6中，将前作业机5朝向上侧的状态作为挖掘位置71，将前作业机5朝向左侧的状态作为卸载位置72，从挖掘位置71向卸载位置72的移动通过左旋转来进行，从卸载位置72向挖掘位置71的移动通过右旋转来进行。
在由GNSS进行的位置测量中，GNSS接收器33进行由GNSS天线31、32接收的来自GNSS卫星的卫星信号的质量、和正在接收卫星信号的GNSS卫星的配置等各种条件判定而选择在位置计算中使用的GNSS卫星(卫星信号)。
在此，GNSS卫星的配置用DOP(Dilution of Precision：精度因子)这一数值来评价，例如在GNSS卫星偏向上空视野的一个方向而分布的情况等之下DOP差(数值大)，作为结果而计算的位置精度恶化。相对于此，在GNSS卫星均匀分布于上空视野的情况下DOP良好(数值小)，所计算的位置精度提高。这是因为，GNSS的位置测量是应用了三角测量的测量系统。
因此，在能够捕获的GNSS卫星81～87处于图6所示的配置的情况下，在挖掘位置71处，选择例如图7中以填充方式表示的卫星81、83、84、86作为在位置计算中使用的GNSS卫星。
但是，当液压挖掘机1的挖掘动作结束并采取图5所示的旋转姿势从挖掘位置71向卸载位置72左旋转时，前作业机5会从GNSS天线31、32与GNSS卫星81、86、87之间通过，由此，GNSS卫星81、86、87的卫星信号会被遮蔽。
其结果是，当进行卸载位置72的位置计算时，存在选择例如图8中以填充方式表示的GNSS卫星82～85、从而与在图7的挖掘位置71所选择的组合相比发生变化的情况。
另外，液压挖掘机1通过右旋转向挖掘位置71返回，并重复挖掘动作，在从卸载位置72向挖掘位置71右旋转的期间内，由于GNSS卫星82～85的卫星信号不会被前作业机5遮蔽，所以存在以下情况，即，即使当处于挖掘位置71时也将在位置计算中使用的GNSS卫星的组合如图9所示保持为GNSS卫星82～85，保持与上次挖掘动作时所选择的GNSS卫星81、83、84、86的组合相比发生了变化的状态。
在由GNSS进行的位置测量中，除DOP以外还存在GNSS卫星的时钟误差、轨道信息的误差等在各GNSS卫星中略有不同的误差因素，即使液压挖掘机1处于相同位置，若在位置计算中使用的GNSS卫星的组合不同，则也有位置计算结果产生偏差而位置计算的再现性恶化之虞。
这样，当由GNSS接收器33进行的位置计算的再现性恶化时，显示装置39上显示的铲斗8与目标地形62的位置关系有可能在挖掘动作的前后不同，进而可能产生生成地形变得不连续的问题。
关于用于解决该问题的方法，使用图10的流程图对由控制器38执行的使用卫星的选择逻辑进行说明。图10是表示控制器38执行的卫星选择逻辑的一个例子的流程图。此外，图10的流程图以固定周期(例如100ms)重复运算。
在步骤S10中，控制器38判断来自GNSS接收器33的信息是否已通过RTK获得了固定解(Fix)。只要参照来自GNSS接收器33的例如NMEA消息的GGA语句就能判断是否处于该状态。
在步骤S10中判断为尚未获得固定解的情况下，判断为尚未实现正确的位置测定，并进入步骤S20，控制器38在显示装置39上显示尚未实现正确的测量的内容，并返回至初始状态(接着待机到控制周期)。另一方面，在步骤S10中判断为已获得固定解的情况下，进入步骤S30。
在步骤S30中，控制器38基于从GNSS接收器33输入的GNSS天线31的三维位置、从GNSS天线31到GNSS天线32的矢量信息、和从IMU21～24输入的角度信息，进行通常的矢量运算和坐标变换，运算现场坐标系中的上部旋转体3的位置及姿势和铲斗8前端的位置，并将铲斗8的姿势信息、基于从外部记录介质42所获取的地形数据而生成的现状地形和/或目标形状的信息显示于显示装置39。
接着，进入步骤S40，控制器38利用图11所示的判断方法来判断液压挖掘机1是否处于要求精度的作业过程中。在此，使用图11对控制器38在步骤S40中判定液压挖掘机1是否正在进行要求精度的挖掘作业的逻辑(判定逻辑)进行说明。图11是表示在步骤S40中进行的处理的具体例之一的流程图。
首先，在步骤S401中，控制器38判定前作业机5与目标面的距离(目标面距离)是否在规定值d1以下。作为目标面距离，例如能够利用铲斗前端(齿尖)位置与目标面的距离。在该情况下，能够从在步骤S30中运算出的铲斗前端(监测点)的位置向下引一条垂线，运算该垂线与由目标地形数据规定的目标地形表面相交叉的点，并将该点与铲斗前端之间的距离作为目标面距离。若目标面距离比规定值d1大，则由于铲斗前端处于远离目标面的位置，所以控制器38判断为并未进行要求精度的挖掘作业。另一方面，若判定为目标面距离在规定值d1以下，则进入步骤S402。
在步骤S402中，控制器38判定是否对操作设置于驾驶室4内的前作业机5(动臂6、斗杆7、铲斗8)的操作装置(未图示)输入了挖掘操作。在此，通过斗杆7(斗杆液压缸10)是否正在进行驱动来判断是否输入了挖掘操作。关于斗杆7(斗杆液压缸10)是否正在进行驱动，例如能够通过利用压力传感器检测从操作装置输出的斗杆7的操作先导压并确认该检测压力是否超过规定值来判断。
这样，若步骤S401和步骤S402均被肯定，则控制器38视为液压挖掘机1处于要求精度的挖掘作业过程中。由此，即使步骤S401中铲斗前端与目标面的距离在规定值d1以下，当在步骤S402中判断为并未进行挖掘操作的情况下、例如在使铲斗8的前端与按照目标面挖掘后的地形接触并使斗杆7停止的状态等下，也判断为并非处于挖掘作业过程中，因此能够防止超出必要地扩大后述的遮蔽范围。另外，在步骤S401中判断为目标面距离超过规定值d1的情况、例如在进行粗略修整作业的情况等下，也能防止超出必要地扩大后述的遮蔽范围。此外，虽然将挖掘操作的判定设为仅利用斗杆的操作先导压来进行判定，但也可以将动臂6和/或铲斗8的操作先导压包括在内来判定挖掘操作。另外，也可以并非考虑瞬时值而是考虑过去的操作先导压的连续性等(即所检测出的操作先导压的时间序列)来进行判断。另外，也可以并非检测操作先导压而是利用设置于斗杆液压缸10内的压力传感器检测例如对斗杆液压缸10施加的挖掘反作用力等来判断挖掘操作。另外，在此基于目标面距离的大小(步骤S401)和有无挖掘操作(步骤S402)这两者来判定液压挖掘机1是否处于要求精度的作业过程中，但也可以基于这两个处理(步骤S401、S402)中的某一个来进行判定。即，也可以基于这两个处理中的至少一方来进行判定。
返回至图7，若在步骤S40中判断为液压挖掘机1未处于要求精度的作业过程中，则进入步骤S45。在步骤S45中，控制器38开始测量被判定为未处于要求精度的作业过程中的状态所持续的时间(持续时间)T，并进入步骤S70。此外，在当到达步骤S45时已经开始该时间T的测量的情况下，继续该测量。
另一方面，若在步骤S40中判断为处于要求精度的作业过程中，则进入步骤S50。
在步骤S50中，控制器38将当两个GNSS天线31、32分别从多个GNSS卫星接收卫星信号时前作业机5可能成为卫星信号的障碍物的范围，在设定于地面的坐标系(例如现场坐标系)上设定为遮蔽范围。如后所述，来自位于该遮蔽范围内的GNSS卫星的卫星信号能够从由GNSS接收器33利用于位置测定的卫星信号中排除。即，在步骤S50中运算不宜在位置测定中使用的卫星配置的范围。
本实施方式的控制器38在步骤S50中基于预先存储于控制器38的存储装置内的上部旋转体3(液压挖掘机1)上的两个GNSS天线31、32的设置位置(例如设定于上部旋转体3上的车身坐标系中的坐标位置)、前作业机5(动臂6、斗杆7、铲斗8)的可动范围、由车身IMU21检测的上部旋转体3的倾斜角度、和根据从GNSS天线31到GNSS天线32的矢量信息而运算的上部旋转体3的方位角，来设定遮蔽范围。遮蔽范围针对两个GNSS天线31、32分别设定。遮蔽范围能够通过以各GNSS天线31、32为基准的方位角范围(左右方向上的角度范围)和仰角范围(上下方向上的角度范围)的组合来定义。
另外，在步骤S50中，在能够获取存在于液压挖掘机1周围而可能成为卫星信号的障碍物的障碍物(例如现状地形、建筑物、构造物)的形状数据(形状数据中也包含位置)的情况下，控制器38能够在上述由前作业机5造成的遮蔽范围的设定的基础上将可能由该障碍物遮蔽卫星信号的范围也设定为遮蔽范围。例如，也可以是，在控制器38内的存储装置内作为障碍物的形状数据而预先存储有来自外部记录介质42的现状地形数据，在步骤S50中，控制器38基于地理坐标系(全局坐标系)中的上部旋转体3的位置及方位角及倾斜角、上部旋转体3(液压挖掘机1)上的两个GNSS天线31、32的设置位置、和现状地形数据，来运算以上部旋转体3的方位角为基准的规定的方位角方向上的现状地形的截面形状，并进一步考虑当两个GNSS天线31、32分别从多个GNSS卫星接收卫星信号时具有该截面形状的现状地形可能成为卫星信号的障碍物的范围来设定遮蔽范围。
在此，使用图12～15对步骤S50的遮蔽范围的运算过程的一个例子进行说明。在此，为了便于说明而对GNSS天线31的遮蔽范围的运算进行记载，但对于GNSS天线32的遮蔽范围也能利用同样的方法来运算。
关于对遮蔽范围的仰角范围进行规定的仰角遮蔽角，相对于水平面将上空方向设为正方向，并将天顶方向定义为仰角90度。因此，仰角遮蔽角的下端为0度、上端最大为90度。另外，关于对遮蔽范围的方位角范围进行规定的方位角遮蔽角，将北方向设为0度，将顺时针方向设为正方向，从而定义为0度到360度的范围。
在控制器38内的存储装置内，从GNSS天线31观察到的前作业机5的遮蔽部分针对每个车身基准的方位角(车身基准方位角)而存储为前遮蔽仰角αft。图12是表示车身基准方位角与前遮蔽仰角αft的关系的一个例子的图，针对每个车身基准方位角规定了前遮蔽仰角αft。在各车身基准方位角中，前遮蔽仰角αft以下的范围成为卫星信号被遮蔽的范围(遮蔽范围)。此处的车身基准方位角和前遮蔽仰角αft在设定于上部旋转体3上的车身坐标系中规定。如图13所示，当以GNSS天线31为基准将液压挖掘机1的前方方向设为车身基准方位角0度、并将顺时针方向设为正方向时，在车身基准方位角从0度到360度的期间内以5度间隔来规定前遮蔽仰角αft。在图12的例子中，在车身基准方位角为10度到25度的范围以外，由于前作业机5不会成为卫星信号的障碍物，所以前遮蔽仰角为0度。在图13中，将车身基准方位角为10度到25度的范围图示为遮蔽范围(方位角范围)90。此外，前遮蔽仰角αft也可以根据各前部件6、7、8的最大可动范围来规定，还可以通过被预测为利用于作业过程中的预测可动范围来规定。
在此，为了进行说明而使用图14对车身基准方位角为15度的情况下的受车身影响的仰角遮蔽角的运算进行说明。
图14是从侧面观察到的车身基准方位角为15度的情况下的现状地形截面的图。如该图所示，现场坐标系中的基于车身(前作业机5)的仰角遮蔽角αs通过车身坐标系中的前遮蔽仰角αft和由车身IMU21求得的车身的倾斜角αbd根据下述式(1)而求出。
αs＝αft－αbd…式(1)
接着，运算现场坐标系中的基于现状地形的仰角遮蔽角αg。图14所示的现状地形表示车身基准方位角15度方向上的现状地形的截面。从由GNSS接收器33测量出的GNSS天线31的位置引出与现状地形的截面相切的全部直线，将该全部直线分别与水平面所成的角度中的最大值设为基于现状地形的仰角遮蔽角αg。
此外，如图15所示，由于现状地形数据通过以北方位为0度(基准)的现场坐标系来表示，所以在由GNSS接收器33运算出的上部旋转体3的方位角αt与车身基准方位角αb相加而得到的角度方向(即αt+αb)上截取现状地形数据的截面，由此，能够获取图14所示的现状地形的截面。
以上所求出的基于车身的仰角遮蔽角αs和基于现状地形的仰角遮蔽角αg中的较大一方成为该方位角的仰角遮蔽角。在图14的例子中，由于αs＞αg，所以基于车身的仰角遮蔽角αs成为仰角遮蔽角，车身基准方位角为15度的情况下的仰角范围内的遮蔽范围90如图所示。通过在全部方位上进行同样的运算，能够运算全部方位上的仰角遮蔽角。然后，基于其结果在现场坐标系中设定遮蔽范围。此外，遮蔽范围只要在设定于地面上的坐标系中设定即可，例如也可以在地理坐标系中设定。
返回至图10，在步骤S60中，控制器38使在当前的运算周期之前设定的遮蔽范围(过去设定的遮蔽范围(但在后述的步骤S90、110中重置后的遮蔽范围除外))与在步骤S50中运算出的遮蔽范围(新设定的遮蔽范围)相加(进行加法)。通过该步骤S60，例如在上部旋转体3的倾斜角从一个周期前的处理发生了变化、或因上部旋转体3的旋转动作而方位角发生了变化的情况下，根据这些变化设定新的遮蔽范围。然后，通过使该新的遮蔽范围与过去的遮蔽范围相加，遮蔽范围根据上部旋转体3的倾斜角及方位角的变化而扩大。
在步骤S70中，控制器38将存储于存储装置内的遮蔽范围发送至GNSS接收器33。在经由步骤S60到达步骤S70的情况下，将步骤S60的遮蔽范围发送至GNSS接收器33；在经由步骤S45到达步骤S70的情况下，发送最后在步骤S60中设定的遮蔽范围(但是，在步骤S90、S110中将遮蔽范围重置之后从未经由步骤60的情况下不发送遮蔽范围)。
在步骤S80中，控制器38判断是否从GNSS接收器33接收到在设定了遮蔽范围的状态下无法进行位置测定这一信息。当进行该判断时，以下说明的处理由GNSS接收器33进行。即，GNSS接收器33接收在步骤S70中从控制器38发送的遮蔽范围，从能够接收卫星信号的多个GNSS卫星中除去位于遮蔽范围的卫星，并基于从剩余卫星发送的卫星信号来判断能否进行位置测定运算。在此，若判断为能够进行位置测定运算，则GNSS接收器33对控制器38发送表示在设定了遮蔽范围的状态下能够进行位置测定的信息，并运算GNSS天线31的位置和从GNSS天线31到GNSS天线32的矢量，将其运算结果输出至控制器38。另一方面，在因设定遮蔽范围，从而使用的卫星数量不够(例如不足五个)而未能进行位置测定运算、或者因使用的卫星配置有偏差(例如DOP在规定值以上时)而有可能精度下降的情况下，为了在后述的步骤S90中以遮蔽范围解除后的状态进行位置测定运算，对控制器38发送表示在设定了遮蔽范围的状态下无法进行位置测定的信息。
此外，在此对利用控制器38运算要遮蔽的方位角范围和仰角范围并向GNSS接收器33发送该范围(遮蔽范围)的情况进行了说明，但也可以利用控制器38从GNSS接收器33获取能够接收卫星信号的卫星编号及该卫星所处的方位角和仰角的信息，运算处于由控制器38运算出的遮蔽范围内的卫星编号，将不会在位置测定运算中使用的卫星编号发送至GNSS接收器33来实施上述判断。
在步骤S80中从GNSS接收器33接收到在设定了遮蔽范围的状态下无法进行位置测定这一信息的情况下，控制器38进入步骤S90，在显示装置39的画面上显示位置测定精度有可能下降，并重置控制器38内存储的遮蔽范围的信息。由此，能够消去全部遮蔽范围。此外，在重置遮蔽范围的同时也重置在步骤S45中测量的持续时间T。另一方面，在步骤S80中从GNSS接收器33接收到即使在设定了遮蔽范围的状态下也能进行位置测定这一信息的情况下(即并未接收到在设定了遮蔽范围的状态下无法进行位置测定这一信息的情况下)，进入步骤S100。
在步骤S100中，控制器38判断是否需要重置(消去)遮蔽范围。在该判断中，控制器38在以下任一种情况下都判断为需要重置遮蔽范围：在步骤S45中测量的时间T持续了规定时间t1以上(例如10分钟以上)的情况；通过驾驶室4内的操作装置对下部行驶体2的行驶操作而使液压挖掘机1移动了规定距离以上(例如3m以上)的情况；经由设定用开关(遮蔽范围重置开关)40输入了操作员的重置遮蔽范围的要求的情况；以及系统刚刚启动后的最初的运算周期的情况。关于因行驶操作而导致的液压挖掘机1的移动，例如能够根据基于行驶用的先导压检测和GNSS接收器33的位置测定运算而进行的挖掘机1的位置移动来检测。
在步骤S100中判断为需要进行遮蔽范围的重置的情况，控制器38进入步骤S110，进行遮蔽范围的重置，同时将在步骤S45中测量的时间T也重置为零。
由此，在通过液压挖掘机1进行要求精度的作业的情况下，将不再在位置测定运算中使用有可能受到包括前作业机5在内的障碍物的影响的卫星信号，因此，能够防止在位置测定运算中使用的卫星的组合在挖掘中途切换而使位置测定运算的精度下降的情况、和使用受到电波衍射影响的卫星信号而使位置测定运算的精度下降的情况。
-效果-
在像以上那样构成的液压挖掘机1中，在现场坐标系中设定与作业过程中的上部旋转体1的方位角和倾斜角相应的遮蔽范围，在不利用位于该遮蔽范围的GNSS卫星的卫星信号的情况下由GNSS接收器33进行位置测定运算。由此，能够防止因伴随前作业机5的动作(主要是动臂抬升动作)产生的卫星切换和/或卫星信号的衍射而使GNSS的位置测定精度在作业过程中下降的情况。其结果是，能够防止监测点的位置运算结果变动，因此能够提高液压挖掘机1的控制精度。
尤其是，在上述的液压挖掘机1中，成为在进行要求精度的作业的期间内设定遮蔽范围的方案，并在不要求精度的作业持续了规定时间t1以上的状态和因遮蔽范围的设定而使位置测定精度下降的状态等下解除遮蔽范围的设定。即，仅在需要精度的场景下设定遮蔽范围来确保位置测定精度，而在不需要精度的场景和精度不高的场景下使位置测定的即时性优先于精度，由此，构成为能够进行符合场景的位置测定。
另外，在上述的液压挖掘机1中，在上部旋转体3的方位角和/或倾斜角发生了变化的情况下，与其相应地重新设定遮蔽范围，并使该新的遮蔽范围与过去设定的遮蔽范围相加而扩大遮蔽范围。即，例如在上部旋转体3从挖掘位置旋转到卸载位置的情况下，根据该旋转过程中的上部旋转体3的方位角的变化来设定遮蔽范围，并将其与过去的遮蔽范围合计。由此，能够避免在挖掘位置和卸载位置选择不同的卫星，从而能够防止因卫星的切换而使位置测定精度下降。
另外，若将障碍物的形状数据预先存储于控制器38，则能够不仅考虑前作业机5对位置测定造成的影响还考虑该障碍物(例如现状地形)对位置测定造成的影响来设定遮蔽范围，由此，能够在不利用被该障碍物遮蔽的卫星信号的情况下进行位置测定运算，从而能够进一步提高位置测定精度。
以上，对本发明的实施方式进行了详述，但本发明并不限定于上述实施方式，还包括各种各样的变形例。例如，上述实施方式为了易于理解地说明本发明而进行了详细说明，并不一定限定为具备所说明的全部结构。
例如，在上述图10的流程图中根据是否正在进行要求精度的作业来切换有无遮蔽范围的设定，但也可以在所有情况下都设定遮蔽范围。
另外，上述控制器(控制装置)38的各结构和该各结构的功能及执行处理等也可以通过硬件(例如在集成电路中设计执行各功能的逻辑等)来实现其中的一部分或全部。另外，上述控制器38也可以构成为通过由运算处理装置(例如CPU)读取并执行来实现该控制装置的结构的各功能的程序(软件)。该程序的信息例如能够存储在半导体存储器(闪存、SSD等)、磁存储装置(硬盘驱动器等)及记录介质(磁盘、光盘等)等内。
另外，在上述各实施方式的说明中，控制线和信息线表示应理解为是该实施方式的说明所需，但并不一定限于表示产品的所有控制线和信息线。实际上可以认为几乎所有结构都相互连接。
附图标记说明
1：液压挖掘机(作业机械)，2：下部行驶体，3：上部旋转体，4：驾驶室，5：前作业机(作业装置)，6：动臂，7：斗杆，8：铲斗，9：动臂液压缸，10：斗杆液压缸，11：铲斗液压缸，21：车身IMU，22：动臂IMU，23：斗杆IMU，24：铲斗IMU，31，32：GNSS天线，33：GNSS接收器，34：RTK修正数据接收天线，39：显示装置，40：设定用开关(遮蔽范围重置开关)，42：外部记录介质，50：事务所侧测量系统，51：GNSS基站(GNSS接收器)，52：GNSS基站天线，53：无线通信设备，54：RTK修正数据发送天线，61：当前地形，62：目标地形，71：挖掘位置，72：卸载位置，81～87：GNSS卫星，200：位置测量系统。

Claims (5)

1.一种作业机械，具备：行驶体；能够旋转地安装于所述行驶体之上的上部旋转体；安装于所述上部旋转体的作业装置；设置于所述上部旋转体的两个GNSS天线；基于从多个卫星发送并由所述两个GNSS天线接收到的卫星信号来运算所述上部旋转体的位置和方位角的接收器；和基于由所述接收器运算出的所述上部旋转体的位置及方位角来运算监测点的位置的控制器，该作业机械的特征在于，
所述控制器基于所述作业机械中的所述两个GNSS天线的设置位置、所述作业装置的可动范围、所述上部旋转体的倾斜角度、和所述上部旋转体的方位角，将在所述两个GNSS天线分别从所述多个卫星接收卫星信号时所述作业装置可能成为卫星信号的障碍物的范围在设定于地面的坐标系上设定为遮蔽范围，
所述接收器基于从所述多个卫星中除去位于由所述控制器设定的所述遮蔽范围内的卫星而剩余的卫星所发送的卫星信号，来运算所述上部旋转体的位置和方位角，
所述控制器判定所述作业机械是否处于要求精度的作业过程中，并在判定为所述作业机械处于要求精度的作业过程中时设定所述遮蔽范围。
2.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，
所述控制器在符合以下任一种情况时解除所述遮蔽范围的设定，该情况为：被判定为所述作业机械未处于要求精度的作业过程中的状态持续了规定时间以上时；所述作业机械移动了规定距离以上时；以及根据从所述剩余的卫星发送的卫星信号无法运算所述上部旋转体的位置时。
3.一种作业机械，具备：行驶体；能够旋转地安装于所述行驶体之上的上部旋转体；安装于所述上部旋转体的作业装置；设置于所述上部旋转体的两个GNSS天线；基于从多个卫星发送并由所述两个GNSS天线接收到的卫星信号来运算所述上部旋转体的位置和方位角的接收器；和基于由所述接收器运算出的所述上部旋转体的位置及方位角来运算监测点的位置的控制器，该作业机械的特征在于，
所述控制器基于所述作业机械中的所述两个GNSS天线的设置位置、所述作业装置的可动范围、所述上部旋转体的倾斜角度、和所述上部旋转体的方位角，将在所述两个GNSS天线分别从所述多个卫星接收卫星信号时所述作业装置可能成为卫星信号的障碍物的范围在设定于地面的坐标系上设定为遮蔽范围，
所述接收器基于从所述多个卫星中除去位于由所述控制器设定的所述遮蔽范围内的卫星而剩余的卫星所发送的卫星信号，来运算所述上部旋转体的位置和方位角，
所述控制器基于所述作业装置与目标面的距离、和针对操作所述作业装置的操作装置的输入操作中的至少一方来判定所述作业机械是否处于要求精度的作业过程中，并在判定为所述作业机械处于要求精度的作业过程中时设定所述遮蔽范围。
4.一种作业机械，具备：行驶体；能够旋转地安装于所述行驶体之上的上部旋转体；安装于所述上部旋转体的作业装置；设置于所述上部旋转体的两个GNSS天线；基于从多个卫星发送并由所述两个GNSS天线接收到的卫星信号来运算所述上部旋转体的位置和方位角的接收器；和基于由所述接收器运算出的所述上部旋转体的位置及方位角来运算监测点的位置的控制器，该作业机械的特征在于，
所述控制器基于所述作业机械中的所述两个GNSS天线的设置位置、所述作业装置的可动范围、所述上部旋转体的倾斜角度、和所述上部旋转体的方位角，将在所述两个GNSS天线分别从所述多个卫星接收卫星信号时所述作业装置可能成为卫星信号的障碍物的范围在设定于地面的坐标系上设定为遮蔽范围，
所述接收器基于从所述多个卫星中除去位于由所述控制器设定的所述遮蔽范围内的卫星而剩余的卫星所发送的卫星信号，来运算所述上部旋转体的位置和方位角，
所述控制器根据所述上部旋转体的倾斜角及方位角的变化而重新设定所述遮蔽范围，并将该新的所述遮蔽范围与过去设定的所述遮蔽范围相加。
5.一种作业机械，具备：行驶体；能够旋转地安装于所述行驶体之上的上部旋转体；安装于所述上部旋转体的作业装置；设置于所述上部旋转体的两个GNSS天线；基于从多个卫星发送并由所述两个GNSS天线接收到的卫星信号来运算所述上部旋转体的位置和方位角的接收器；和基于由所述接收器运算出的所述上部旋转体的位置及方位角来运算监测点的位置的控制器，该作业机械的特征在于，
所述控制器基于所述作业机械中的所述两个GNSS天线的设置位置、所述作业装置的可动范围、所述上部旋转体的倾斜角度、和所述上部旋转体的方位角，将在所述两个GNSS天线分别从所述多个卫星接收卫星信号时所述作业装置可能成为卫星信号的障碍物的范围在设定于地面的坐标系上设定为遮蔽范围，
所述接收器基于从所述多个卫星中除去位于由所述控制器设定的所述遮蔽范围内的卫星而剩余的卫星所发送的卫星信号，来运算所述上部旋转体的位置和方位角，
所述控制器具备存储有所述作业机械周围的障碍物的形状数据的存储装置，
所述控制器基于所述上部旋转体的位置及方位角和所述障碍物的形状数据，运算在以所述上部旋转体的方位角为基准的规定的方位角方向上切断所述障碍物时的截面形状，进一步考虑当所述两个GNSS天线分别从所述多个卫星接收卫星信号时具有所述截面形状的障碍物所带来的影响而设定所述遮蔽范围。
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