CN113454295B - 用于校正作业机械的系统、方法、及装置 - Google Patents

Abstract

姿态传感器输出表示车身的姿态的姿态数据。位置传感器安装于车身。存储装置存储机械数据。机械数据表示车身坐标系中的位置传感器的位置。输入装置接受校正数据的输入。校正数据包含外部的测量设备测定的作业机械中的规定的测量点的位置和外部的测量设备测定的位置传感器的位置。处理器基于校正数据和姿态数据校正机械数据。

Description

用于校正作业机械的系统、方法、及装置

技术领域

本发明涉及用于校正作业机械的系统、方法、及装置。

背景技术

目前，在推土机等作业机械中，利用检测作业机械的位置的技术。例如，在专利文献1中，作业机械具备：车身、工作装置、位置传感器、存储装置、以及控制器。工作装置被安装于车身。位置传感器检测车身的位置。存储装置存储机械数据。机械数据表示车身坐标系中的位置传感器的位置。控制器基于通过位置传感器获取到的位置数据和机械数据计算工作装置的位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2018－021348号公报

发明内容

发明所要解决的问题

机械数据受到车身的结构零件的公差的影响。因此，在如上述的位置传感器检测的位置的检测精度中，因作业机械的个体而容易产生偏差。另外，由于作业机械的结构零件的磨损，有时位置的检测精度降低。

通过使用全站仪等外部的测量设备校正机械数据，能够提高工作装置的位置的精度。但是，该情况下，由于测量点多，从而校正作业会变得麻烦。

本公开的目的在于简化作业机械的校正作业。

用于解决问题的技术方案

第一方面为用于使用外部的测量设备校正作业机械的系统。作业机械包含车身和安装于车身的工作装置。该系统具备姿态传感器、位置传感器、存储装置、输入装置、以及处理器。姿态传感器输出表示车身的姿态的姿态数据。位置传感器安装于车身。存储装置存储机械数据。机械数据表示车身坐标系中的位置传感器的位置。输入装置接受校正数据的输入。校正数据包含外部的测量设备测定的作业机械中的规定的测量点的位置和外部的测量设备测定的位置传感器的位置。处理器基于校正数据和姿态数据校正机械数据。

第二方面是为了使用外部的测量设备校正作业机械而被处理器执行的方法。作业机械包含车身、工作装置、姿态传感器、以及位置传感器。工作装置安装于车身。姿态传感器输出表示车身的姿态的姿态数据。位置传感器安装于车身。该方法包含以下的处理。第一处理是获取姿态数据。第二处理是获取校正数据。校正数据包含外部的测量设备测定的作业机械中的规定的测量点的位置和外部的测量设备测定的位置传感器的位置。第三处理是基于校正数据和姿态数据校正机械数据。机械数据表示车身坐标系中的位置传感器的位置。

第三方面为用于使用外部的测量设备校正作业机械的装置。作业机械包含车身、工作装置、姿态传感器、以及位置传感器。工作装置安装于车身。姿态传感器输出表示车身的姿态的姿态数据。位置传感器安装于车身。该装置具备输入装置和处理器。输入装置接受校正数据的输入。校正数据包含外部的测量设备测定的作业机械中的规定的测量点的位置和外部的测量设备测定的位置传感器的位置。处理器基于校正数据和姿态数据校正机械数据。机械数据表示车身坐标系中的位置传感器的位置。

发明效果

根据本发明，基于校正数据和姿态数据，校正机械数据。姿态数据由姿态传感器获取。因此，能够削减用于检测车身的姿态的测量点的数量。由此，能够将作业机械的校正作业简化。

附图说明

图1是表示实施方式的作业机械的侧视图。

图2是表示作业机械的控制系统的结构的框图。

图3是示意性地表示作业机械的侧视图。

图4是表示作业机械的俯仰角及倾侧角的图。

图5是表示当前地形数据的侧面剖视图。

图6是表示作业机械的校正处理的流程图。

图7是表示测量点的位置的作业机械的主视图。

图8是表示测量点的位置的作业机械的俯视图。

图9是表示控制系统的结构的第一变形例的框图。

图10是表示控制系统的结构的第二变形例的框图。

图11是表示测量点的第一变形例的图。

图12是表示测量点的第二变形例的图。

图13是表示测量点的第三变形例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式的作业机械进行说明。图1是表示实施方式的作业机械1的侧视图。本实施方式的作业机械1为推土机。作业机械1具备车身11、行驶装置12以及工作装置13。

车身11具有驾驶室14和发动机室15。在驾驶室14配置有未图示的驾驶座。发动机室15配置于驾驶室14的前方。行驶装置12安装于车身11的下部。行驶装置12包含左右的履带16a、16b。需要说明的是，图1中仅图示左侧的履带16a。通过履带16a、16b进行旋转，作业机械1进行行驶。

工作装置13安装于车身11。工作装置13包含提升框架17、刮板18以及提升缸19。提升框架17以轴线Ax1为中心，可上下动作地安装于车身11。轴线Ax1沿车宽方向延伸。提升框架17支承刮板18。

刮板18配置于车身11的前方。刮板18随着提升框架17的动作而上下移动。提升框架17也可以安装于行驶装置12。提升缸19与车身11和提升框架17连结。通过提升缸19进行伸缩，提升框架17以轴线Ax1为中心上下动作。

图2是表示作业机械1的控制系统3的结构的框图。在本实施方式中，控制系统3搭载于作业机械1。如图2所示，作业机械1具备发动机22、液压泵23以及动力传递装置24。

液压泵23通过发动机22驱动，排出工作油。从液压泵23排出的工作油向提升缸19供给。需要说明的是，图2中图示一个液压泵23，但也可以设置多个液压泵。

动力传递装置24向行驶装置12传递发动机22的驱动力。动力传递装置24例如也可以为HST(Hydro Static Transmission：静液压传动装置)。或者，动力传递装置24例如也可以为变矩器或具有多个变速齿轮的变速箱。

控制系统3具备输入装置25、控制器26以及控制阀27。输入装置25配置于驾驶室14。输入装置25接受操作员的操作，并输出与操作对应的操作信号。输入装置25向控制器26输出操作信号。输入装置25包含用于操作行驶装置12和工作装置13的操作杆、踏板、或开关等的操作件。输入装置25也可以包含触摸面板。对应于输入装置25的操作，控制作业机械1的前进及后退等行驶。对应于输入装置25的操作，控制工作装置13的上升及下降等动作。

控制器26被编程为基于获取到的数据控制作业机械1。控制器26包含存储装置28和处理器29。存储装置28包含ROM等非易失性存储器和RAM等易失性存储器。存储装置28也可以包含硬盘、或SSD(Solid State Drive：固态硬盘)等辅助存储装置。存储装置28为通过非暂时性的(non－transitory：非暂时性)计算机可读取的记录介质的一例。存储装置28存储用于控制作业机械1的计算机指令及数据。

处理器29例如为CPU(central processing unit：中央处理器)。处理器29根据程序执行用于控制作业机械1的处理。控制器26通过控制行驶装置12、或动力传递装置24，使作业机械1行驶。控制器26通过控制控制阀27，使刮板18上下移动。

控制阀27为比例控制阀，通过来自控制器26的指令信号而被控制。控制阀27配置于提升缸19等液压促动器和液压泵23之间。控制阀27控制从液压泵23向提升缸19供给的工作油的流量。控制器26生成对控制阀27的指令信号，以使刮板18进行动作。由此，控制提升缸19。需要说明的是，控制阀27也可以为压力比例控制阀。或者，控制阀27也可以为电磁比例控制阀。

控制系统3包含工作装置传感器34。工作装置传感器34获取工作装置位置数据。工作装置位置数据表示工作装置13相对于车身11的位置。工作装置位置数据包含提升角θlift。如图3所示，工作装置传感器34检测刮板18的提升角θlift。例如，工作装置传感器34检测提升缸19的行程长度。控制器26根据提升缸19的行程长度计算刮板18的提升角θlift。或者，工作装置传感器34也可以为直接检测刮板18的绕轴线Ax1的旋转角度的传感器。

如图2所示，控制系统3包含姿态传感器32和位置传感器33。姿态传感器32输出表示车身11的姿态的姿态数据。姿态传感器32例如包含IMU(惯性测量装置：InertialMeasurement Unit)。姿态数据包含俯仰角θpitch和倾侧角θroll。如图4A所示，俯仰角θpitch为车身11的前后方向相对于水平的角度。如图4B所示，倾侧角θroll为车身11的车宽方向相对于水平的角度。姿态传感器32向控制器26输出姿态数据。

例如如图3所示，位置传感器33包含GPS(Global Positioning System：全球定位系统)等GNSS(Global Navigation Satellite System：全球导航卫星系统)的接收机41和天线42。接收机41和天线42搭载于车身11。天线42安装于车身11的外表面。例如，天线42安装于驾驶室14的上表面。但是，天线42也可以安装于车身11的其它部分。

位置传感器33从卫星接收定位信号，根据定位信号获取车身位置数据。车身位置数据表示全球坐标系中的车身11的位置。全球坐标表示地理坐标系中的位置。详细而言，位置传感器33获取全球坐标系中的天线42的位置作为车身位置数据。位置传感器33向控制器26输出车身位置数据。控制器26根据车身位置数据获得作业机械1的行进方向和车速。

控制器26根据工作装置位置数据、车身位置数据以及姿态数据对工作装置13的刃尖位置PB进行运算。详细而言，控制器26基于车身位置数据计算全球坐标中的天线42的位置。控制器26基于工作装置位置数据和机械数据计算车身坐标系中的刃尖位置PB。车身坐标表示以车身11为基准的坐标系。

机械数据存储于存储装置28。机械数据表示工作装置13相对于车身11的位置。机械数据包含作业机械1中所含的多个结构要素的位置及尺寸。例如，机械数据包含相对于车身11上的规定的基准点的天线42的位置。机械数据包含相对于规定的基准点的轴线Ax1的位置。机械数据包含提升框架17的尺寸、及刮板18的尺寸。

控制器26基于全球坐标系中的车身11的位置、车身坐标系中的刃尖位置PB以及姿态数据，计算全球坐标系中的刃尖位置PB。控制器26获取全球坐标系中的刃尖位置PB作为刃尖位置数据。需要说明的是，位置传感器33也可以安装于刮板18上。该情况下，全球坐标系中的刃尖位置PB也可以通过位置传感器33直接获取。

控制器26获取当前地形数据。当前地形数据表示作业现场的当前地形。当前地形数据表示当前地形的三维测量图。图5是当前地形50的侧面剖视图。图5中，纵轴表示地形的高度，横轴表示作业机械1在行进方向上距当前位置的距离。

如图5所示，当前地形数据表示当前地形50上的多个地点Pn(n为整数)的位置。当前地形数据表示当前地形50上的多个地点Pn的全球坐标。当前地形数据表示多个地点Pn的高度Zn。多个地点Pn每隔规定间隔配置。规定间隔例如为1m。但是，规定间隔也可以为不同于1m的距离。

控制器26进行作业机械1的自动控制。需要说明的是，作业机械1的自动控制也可以为与操作员的手动操作配合进行的半自动控制。或者，作业机械1的自动控制也可以为没有操作员的手动操作而进行的完全自动控制。控制器26基于刃尖位置数据自动地控制工作装置13。

例如，如图5所示，控制器26确定工作装置13的目标轨道70。目标轨道70的至少一部分位于当前地形50的下方。控制器26按照目标轨道70使工作装置13动作。

详细而言，控制器26生成对工作装置13的指令信号，以使刮板18的刃尖位置PB按照目标轨道70移动。控制器26向控制阀27输出指令信号。由此，工作装置13按照目标轨道70进行动作。作业机械1一边前进，一边使工作装置13按照目标轨道70进行动作。由此，当前地形50通过工作装置13被挖掘。

或者，目标轨道70也可以位于比当前地形50靠上方的位置。该情况下，作业机械能够进行在当前地形50上堆土的作业。

接着，对用于校正机械数据的处理进行说明。控制器使用外部的测量设备100所测定的校正数据来校正机械数据。详细而言，控制器校正车身坐标系中的天线42的位置。图6是表示用于校正车身坐标系中的天线42的位置的处理的流程图。

需要说明的是，用于计算车身坐标系中的刃尖位置PB的机械数据为已完成校正的数据。另外，车身坐标系中的姿态传感器32的安装位置、及安装方位也为完成校正的数据。这些数据的校正也可以通过已知的校正方法来进行。

如图6所示，在步骤S101中，控制器26获取校正数据。校正数据经由输入装置25向控制器26输入。例如，操作员也可以向输入装置25输入表示校正数据的数值。

校正数据表示作业机械1中的规定的多个测量点A1－A4的位置。图7是表示多个测量点A1－A4的作业机械1的主视图。图8是表示多个测量点A1－A4的作业机械1的俯视图。多个测量点A1－A4的位置通过外部的测量设备100来测定。外部的测量设备100例如为全站仪。但是，外部的测量设备100也可以为全站仪以外的测量装置。

测量点A1－A4的位置由以作业机械1的外部为基准的外部坐标表示。外部坐标也可以为以外部的测量设备100为基准的坐标。或者，外部坐标也可以为上述的全球坐标。

需要说明的是，在图7及图8中，X1－Y1－Z1表示车身坐标系。X2－Y2－Z2表示外部坐标系。如图7所示，多个测量点A1－A4包含第一测量点A1、第二测量点A2、第三测量点A3以及第四测量点A4。第一测量点A1和第二测量点A2包含于工作装置13中。第三测量点A3和第四测量点A4包含于位置传感器33中。

详细而言，第一测量点A1和第二测量点A2为刮板18的刃尖上的两点，在作业机械1的车宽方向上相互分离。第一测量点A1和第二测量点A2位于比刃尖的左右的端部靠车宽方向上的内方。如图7所示，刮板18的刃尖包含左板部91、右板部92以及中央板部93。左板部91位于中央板部93的左方。右板部92位于中央板部93的右方。第一测量点A1位于左板部91和中央板部93的边界线上。第二测量点A2位于右板部92和中央板部93的边界线上。

第三测量点A3和第四测量点A4为用于将天线42安装于车身的托架43上的点。托架43具有多边形状。天线42位于托架43的中心。第三测量点A3和第四测量点A4位于托架43的角。控制器26根据第三测量点A3和第四测量点A4计算外部坐标系中的天线42的位置。

在步骤S102中，控制器26获取姿态数据。如上述，控制器26从姿态传感器32获取车身11的俯仰角θpitch和倾侧角θroll。

在步骤S103中，控制器26计算车身坐标和外部坐标的倾斜的偏差。控制器26根据从姿态传感器32获取到的车身11的俯仰角θpitch和倾侧角θroll，计算车身坐标和外部坐标之间的俯仰角θpitch方向的轴的偏差和倾侧角θroll方向的轴的偏差。

在步骤S104中，控制器26计算车身坐标和外部坐标的方位的偏差。控制器26根据第一测量点A1和第二测量点A2计算车身坐标和外部坐标的方位的偏差。

在步骤S105中，控制器26获取工作装置位置数据。控制器26通过工作装置传感器34获取车身坐标系中的第一测量点A1和第二测量点A2的工作装置位置数据。

在步骤S106中，控制器26校正机械数据。控制器26根据车身坐标和外部坐标的倾斜的偏差、方位的偏差以及工作装置位置数据，将外部坐标系中的天线42的位置转换为车身坐标系中的天线42的位置。控制器26将换算后的天线42的位置和机械数据中的天线42的位置的差作为校正值记录于存储装置28中。

在如上说明的本实施方式的作业机械1的控制系统3中，基于校正数据和姿态数据校正机械数据。姿态数据通过姿态传感器32来获取。因此，能够削减用于检测车身11的姿态的测量点的数量。由此，能够简化作业机械1的校正作业。

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，在不脱离发明的宗旨的范围内可以进行各种变更。

作业机械1不限于推土机，也可以为轮式装载机、平地机、液压挖掘机等其它车辆。作业机械1也可以为由电动马达驱动的车辆。该情况下，发动机22及发动机室15也可以省略。

控制器26也可以具有相互独立的多个控制器。上述的处理也可以分散到多个控制器26来执行。

作业机械1也可以为可远程操纵的车辆。该情况下，控制系统3的一部分也可以配置于作业机械1的外部。例如，如图9所示，控制器26也可以包含遥控器261和车载控制器262。遥控器261也可以配置于作业机械1的外部。例如，遥控器261也可以配置于作业机械1的外部的管理中心。车载控制器262也可以搭载于作业机械1。遥控器261和车载控制器262也可以经由通信装置38、39通过无线进行通信。

用于校正上述的机械数据的处理也可以通过遥控器261来执行。或者，用于校正机械数据的处理也可以通过车载控制器262来执行。或者，用于校正机械数据的一部分处理也可以通过遥控器261来执行，剩余的处理通过车载控制器262来执行。

输入装置25也可以配置于作业机械1的外部。输入装置25也可以从作业机械1中省略。该情况下，驾驶室也可以从作业机械1中省略。

如图10所示，也可以通过接受来自外部的装置的数据的其它输入装置37获取校正数据。输入装置37也可以通过无线来接收外部的测量设备100测量出的校正数据。或者，输入装置37也可以为记录介质的读取装置。控制器26也可以经由记录介质接收外部的测量设备100测量出的校正数据。

位置传感器33不限于接收机41及天线42，也可以为其它类型的传感器。例如，位置传感器33也可以为Lidar等测距装置。或者，位置传感器33也可以为立体照相机。或者，位置传感器33也可以为IMU(Inertial Measurement Unit：惯性测量单元)。控制器26也可以通过与上述的校正方法同样的方法来校正车身坐标系中的这些传感器的位置。

在上述的实施方式中，第一测量点A1和第二测量点A2包含于工作装置13中。但是，第一测量点A1和第二测量点A2也可以包含于车身11中。例如，如图11所示，作业机械1的行驶装置12包含用于驱动履带16a、16b的链轮45a、45b。

第一测量点A1和第二测量点A2也可以分别包含于左右的链轮45a、45b中。例如，第一测量点A1也可以为左链轮45a的中心。第二测量点A2也可以为右链轮45b的中心。或者，在车身11上除链轮45a、45b以外的部分的位置也可以作为第一测量点A1及第二测量点A2来测量。

在上述的实施方式中，位置传感器33以外的测量点的数量为两个。但是，位置传感器33以外的测量点的数量不限于两个，可以少于两个或也可以多于两个。

在上述的实施方式中，为了获取天线42的位置，两个测量点A3、A4通过外部的测量设备100来测量。但是，用于获取天线42的位置的测量点的数量不限于两个。用于获取天线42的位置的测量点的数量可以少于两个或也可以多于两个。例如，如图12所示，一个测量点A3也可以通过外部的测量设备100直接测量。测量点A5也可以表示天线42的中心的位置。

在上述的实施方式中，位置传感器33的数量为一个。但是，位置传感器的数量也可以为两个或两个以上。例如，如图13所示，作业机械1也可以具备第一位置传感器33a和第二位置传感器33b。该情况下，每个位置传感器33a、33b也可以通过与上述的实施方式同样的方法进行校正。需要说明的是，在图13中，测量点A3、A4为第一位置传感器33a的天线42a上的测量点。测量点A5、A6为第二位置传感器33b的天线42b上的测量点。

产业上的可利用性

根据本公开，能够提高作业机械的作业效率。

附图标记说明

1 作业机械

13 工作装置

16a 履带

25 输入装置

28 存储装置

29 处理器

32 姿态传感器

33 位置传感器

41 接收机

42 天线

45a 链轮

Claims (20)

1.一种作业机械的校正系统，用于使用外部的测量设备校正包含车身和安装于所述车身的工作装置的作业机械，其中，具备：

姿态传感器，其输出表示所述车身的姿态的姿态数据；

位置传感器，其安装于所述车身；

存储装置，其存储表示车身坐标系中的所述位置传感器的位置的机械数据；

输入装置，其接受校正数据的输入，该校正数据包含所述外部的测量设备测定的所述作业机械中的沿所述作业机械的车宽方向相互分离的至少两个规定的测量点的位置、和所述外部的测量设备测定的所述位置传感器的位置；

处理器，其基于所述至少两个测量点计算车身坐标和外部坐标的方位的偏差，基于所述姿态数据、所述车身坐标和所述外部坐标的方位的偏差、以及所述外部的测量设备测定的所述位置传感器的位置校正表示所述车身坐标系中的所述位置传感器的位置的所述机械数据。

2.如权利要求1所述的系统，其中，

所述处理器基于根据所述校正数据算出的所述位置传感器的位置和所述机械数据表示的所述位置传感器的位置之差，校正所述机械数据。

3.如权利要求1所述的系统，其中，

所述姿态数据包含所述车身的倾侧角。

4.如权利要求1所述的系统，其中，

所述姿态数据包含所述车身的俯仰角。

5.如权利要求1所述的系统，其中，

所述测量点包含于所述工作装置。

6.如权利要求5所述的系统，其中，

所述工作装置包含刃尖，

所述测量点包含在所述刃尖上沿所述作业机械的车宽方向相互分离的至少两个点。

7.如权利要求6所述的系统，其中，

所述至少两个点位于比所述刃尖的左右的端部更靠车宽方向上的内方的位置。

8.如权利要求1所述的系统，其中，

所述测量点包含于所述车身。

9.如权利要求8所述的系统，其中，

所述作业机械还包含履带和驱动履带的链轮，

所述测量点包含于所述链轮。

10.如权利要求1所述的系统，其中，

所述位置传感器包含来自卫星的定位信号的接收机和天线，

所述位置传感器的位置为所述天线的位置。

11.一种作业机械的校正方法，其被处理器执行以使用外部的测量设备校正作业机械，该作业机械包含车身、安装于所述车身的工作装置、输出表示所述车身的姿态的姿态数据的姿态传感器、及安装于所述车身的位置传感器，其中，所述方法具备：

获取所述姿态数据的处理；

获取包含所述外部的测量设备测定的所述作业机械中的沿所述作业机械的车宽方向相互分离的至少两个规定的测量点的位置、和所述外部的测量设备测定的所述位置传感器的位置的校正数据的处理；

基于所述至少两个测量点计算车身坐标和外部坐标的方位的偏差的处理；

基于所述姿态数据、所述车身坐标和所述外部坐标的方位的偏差、以及所述外部的测量设备测定的所述位置传感器的位置校正表示车身坐标系中的所述位置传感器的位置的机械数据的处理。

12.如权利要求11所述的方法，其中，

校正所述机械数据的处理包含：基于根据所述校正数据算出的所述位置传感器的位置和所述机械数据表示的所述位置传感器的位置之差校正所述机械数据的处理。

13.如权利要求11所述的方法，其中，

所述姿态数据包含所述车身的倾侧角。

14.如权利要求11所述的方法，其中，

所述姿态数据包含所述车身的俯仰角。

15.如权利要求11所述的方法，其中，

所述测量点包含于所述工作装置。

16.如权利要求15所述的方法，其中，

所述工作装置包含刃尖，

所述测量点包含在所述刃尖上沿所述作业机械的车宽方向相互分离的至少两个点。

17.如权利要求16所述的方法，其中，

所述至少两个点位于比所述刃尖的左右的端部更靠车宽方向上的内方的位置。

18.如权利要求11所述的方法，其中，

所述测量点包含于所述车身。

19.如权利要求18所述的方法，其中，

所述作业机械还包含履带和驱动履带的链轮，

所述测量点包含于所述链轮。

20.一种作业机械的校正装置，其用于使用外部的测量设备校正作业机械，该作业机械包含车身、安装于所述车身的工作装置、输出表示所述车身的姿态的姿态数据的姿态传感器、及安装于所述车身的位置传感器，其中，所述装置具备：

输入装置，其接受包含所述外部的测量设备测定的所述作业机械中的沿所述作业机械的车宽方向相互分离的至少两个规定的测量点的位置和所述外部的测量设备测定的所述位置传感器的位置的校正数据的输入；

处理器，其基于所述至少两个测量点计算车身坐标和外部坐标的方位的偏差，基于所述姿态数据、所述车身坐标和所述外部坐标的方位的偏差、以及所述外部的测量设备测定的所述位置传感器的位置校正表示车身坐标系中的所述位置传感器的位置的机械数据。

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