DE112014000091T5

DE112014000091T5 - Kalibriersystem und Kalibrierverfahren für einen Bagger

Info

Publication number: DE112014000091T5
Application number: DE112014000091.4T
Authority: DE
Inventors: Masanobu Seki; Masashi Ichihara
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: JP5823046B1; US20150330060A1; CN105636658A; CN105636658B; DE112014000091B4; WO2015173920A1; KR101669787B1; JPWO2015173920A1; US9644346B2; KR20160003678A

Abstract

Die Kalibriervorrichtung enthält: eine Eingabeeinheit, in die Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen, die mindestens zwei durch eine externe Messvorrichtung gemessene Positionen eines Arbeitspunkts bei unterschiedlicher Stellung der Arbeitsmaschine und eine Position eines vorgegebene Referenzpunkts an einer Arbeitsebene der Arbeitsmaschine enthalten, Positionsinformationen der oberen Struktur, die mindestens drei Positionen des Arbeitspunkts bei unterschiedlichem Drehwinkel der obere Struktur bezüglich des Chassis enthalten, und durch die Vorrichtung zur Erfassung von Neigungsinformationen erfasste Informationen über die Neigung des Baggers in einer Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten entsprechend den Arbeitspunkten, die in den Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen enthalten sind, eingegeben werden; eine Korrektureinheit, die die Positionen des Arbeitspunkts, die in den Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen enthalten sind, auf der Basis der Neigungsinformationen korrigiert; eine Koordinatenumrechnungseinheit, die ein Koordinatensystem an der externen Messvorrichtung in ein Fahrzeugkörper-Koordinatensystem umrechnet; und eine Kalibrierrecheneinheit, die kalibrierte Werte der Parameter auf der Basis von Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von Positionen, die in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem umgerechnet wurden, berechnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Vorliegende Erfindung betrifft ein Kalibriersystem und ein Kalibrierverfahren für einen Bagger.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Es ist ein Bagger bekannt, der eine Positionsdetektionsvorrichtung zum Detektieren einer aktuellen Position eines Arbeitspunkts einer Arbeitsmaschine enthält. Bei dem Bagger, der zum Beispiel in Patentliteratur 1 angegeben ist, werden die Positionskoordinaten einer Schneidkante eines Baggerlöffels auf der Basis von Informationen von GPS-Antennen berechnet. Insbesondere werden die Positionskoordinaten der Schneidkante des Löffels auf der Basis von Parametern wie dem Positionsverhältnis zwischen den GPS-Antennen und einem Auslegerbolzen, den jeweiligen Längen eines Auslegers, eines Stiels und eines Löffels, den jeweiligen Richtungswinkeln des Auslegers, des Stiels und des Löffels und anderen Parametern berechnet.
ZITIERTE DOKUMENTE
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2002-181538

ÜBERSICHT
Technisches Problem
Die Genauigkeit der berechneten Positionskoordinaten der Schneidkante des Löffels unterliegt dem Einfluss der Genauigkeit der vorstehend genannten Parameter. Deshalb werden bei der Anfangseinstellung der Positionsdetektionsvorrichtung für den Bagger die Parameter für die Arbeitsmaschine des Baggers derart kalibriert, dass die gemessenen Werte der Positionskoordinaten mit den berechneten Werten der Positionskoordinaten übereinstimmen. Es gibt zum Beispiel ein Verfahren zum Messen der Positionen (Arbeitspunkte) eines Arbeitswerkzeugs durch eine externe Messvorrichtung und zum Kalibrieren der auf die Dimensionen der Arbeitsmaschine und dergleichen bezogenen Parameter auf der Basis der Messwerte. Dabei kann sich der Bagger unter dem Gewicht der Arbeitsmaschine neigen. Aus diesem Grund können die durch die externe Messvorrichtung gemessenen Daten von den ursprünglichen Positionen der Arbeitspunkte abweichen, wodurch gegebenenfalls die Genauigkeit der Kalibrierung der Parameter vermindert wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Minderung der Genauigkeit der Kalibrierparameter einer Arbeitsmaschine in einem Bagger zu steuern.
Problemlösung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kalibriersystem für einen Bagger den Bagger mit einem Chassis, einer auf dem Chassis drehbar angeordneten oberen Struktur, einer Arbeitsmaschine mit einem Ausleger, der an der oberen Struktur drehbar befestigt ist, einem Stiel, der an dem Ausleger drehbar befestigt ist und einem Arbeitswerkzeug, das an dem Stiel drehbar befestigt ist, und mit einer Recheneinheit zum Berechnen einer aktuellen Position, die eine aktuelle Position eines in dem Arbeitswerkzeug enthaltenden Arbeitspunkts auf der Basis einer Vielzahl von Parametern berechnet, die Dimensionen des Auslegers, des Stiels und des Arbeitswerkzeugs, einen Drehwinkel des Auslegers bezüglich der oberen Struktur, einen Drehwinkel des Stiels bezüglich des Auslegers und einen Drehwinkel des Arbeitswerkzeugs bezüglich des Stiels angeben; eine Kalibriervorrichtung, die konfiguriert ist für die Kalibrierung der Parameter; eine externe Messvorrichtung, die eine Position des Arbeitspunkts misst; und eine Vorrichtung zum Erfassen einer Neigungsinformation, die eine Information über die Neigung des Baggers in der Richtung von vorne nach hinten eines Fahrzeugkörpers erfasst.
Die Kalibriervorrichtung korrigiert eine Vielzahl von Positionen des durch die externe Messvorrichtung gemessenen Arbeitspunkts auf der Basis einer Information über die Neigung des Baggers in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten, die durch die Vorrichtung zur Erfassung der Neigungsinformation detektiert wird, und berechnet kalibrierte Werte des Parameter auf der Basis von Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von korrigierten Positionen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kalibriersystem für einen Bagger den Bagger mit einem Chassis, einer auf dem Chassis drehbar angeordneten oberen Struktur, einer Arbeitsmaschine mit einem Ausleger, der an der oberen Struktur drehbar befestigt ist, einem Stiel, der an dem Ausleger drehbar befestigt ist, und einem Arbeitswerkzeug, das an dem Stiel drehbar befestigt ist, einer Winkeldetektoreinheit zum Detektieren eines Drehwinkels des Auslegers bezüglich der oberen Struktur, eines Drehwinkels des Stiels bezüglich des Auslegers und eines Drehwinkels des Arbeitswerkzeugs bezüglich des Stiels, und einer Recheneinheit zum Berechnen einer aktuellen Position, die eine aktuelle Position eines in dem Arbeitswerkzeug enthaltenen Arbeitspunkts auf der Basis einer Vielzahl von Parametern berechnet, die die Dimensionen und die Drehwinkel des Auslegers, des Stiels und des Arbeitswerkzeugs beschreiben; eine Kalibriervorrichtung, die für das Kalibrieren der Parameter konfiguriert ist; eine externe Messvorrichtung, die eine Position des Arbeitspunkts misst; und eine Vorrichtung zur Erfassung von Neigungsinformationen, die Information über die Neigung des Baggers in einer Richtung eines Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten erfasst. Die Kalibriervorrichtung umfasst eine Eingabeeinheit, in die Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen, die mindestens drei durch die externe Messvorrichtung gemessene Positionen des Arbeitspunktes bei unterschiedlicher Stellung der Arbeitsmaschine enthalten, Positionsinformationen der oberen Struktur, die mindestens drei Positionen des Arbeitspunkts bei unterschiedlichem Drehwinkel der oberen Struktur bezüglich des Chassis enthalten, und eine durch die Vorrichtung zur Erfassung von Neigungsinformationen erfasste Information über die Neigung des Baggers in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten entsprechend den Positionen des Arbeitspunkts, die in den Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen enthalten sind, eingegeben werden; eine Korrektureinheit, die die in den Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen enthaltenen Positionen des Arbeitspunkts auf der Basis der Neigungsinformation korrigiert; eine Einheit zum Berechnen eines Fahrzeugkörper-Koordinatensystems, die einen ersten Einheitsnormalenvektor vertikal zu einer Arbeitsebene der Arbeitsmaschine auf der Basis der die korrigierten Positionen des Arbeitspunkts enthaltenden Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen berechnet, die einen zweiten Einheitsnormalenvektor vertikal zu einer Drehebene der oberen Struktur auf der Basis der Positionsinformationen der oberen Struktur berechnet und die einen dritten Einheitsnormalenvektor vertikal zu dem ersten Einheitsnormalenvektor und zu dem zweiten Einheitsnormalenvektor berechnet; eine Koordinatenumrechnungseinheit, die Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von durch die externe Messvorrichtung gemessenen Positionen von einem Koordinatensystem an der externen Messvorrichtung in ein Fahrzeugkörper-Koordinatensystem an dem Bagger umrechnet, unter Verwendung des ersten Einheitsnormalenvektors, des zweiten Einheitsnormalenvektors und des dritten Einheitsnormalenvektors; und eine Kalibrierrecheneinheit, die kalibrierte Werte der Parameter auf der Basis der Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von Positionen berechnet, die in das Koordinatensystem des Fahrzeugkörpers umgerechnet wurden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Neigungsinformation ein Längsneigungswinkel des Baggers.
Vorzugsweise berechnet die Einheit zum Berechnen des Koordinatensystems des Fahrzeugkörpers als den zweiten Einheitsnormalenvektor einen Überschneidungsvektor der Arbeitsebene der Arbeitsmaschine und der Drehebene der oberen Struktur und berechnet einen Einheitsnormalenvektor einer Ebene, die durch den Überschneidungsvektor der Arbeitsebene der Arbeitsmaschine und der Drehebene verläuft und vertikal auf der Arbeitsebene der Arbeitsmaschine steht.
Vorzugsweise enthalten die Informationen über die Position der Arbeitsmaschine zumindest die Position der Arbeitsmaschine in der vertikalen Richtung oder zumindest die Vielzahl von Positionen der Arbeitsmaschine, die in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten unterschiedlich sind.
Vorzugsweise enthalten die Parameter: eine erste Entfernung zwischen der Drehmitte des Auslegers mit Bezug auf die obere Struktur und der Drehmitte des Stiels mit Bezug auf den Ausleger; eine zweite Entfernung zwischen der Drehmitte des Stiels mit Bezug auf den Ausleger und der Drehmitte des Arbeitswerkzeugs mit Bezug auf den Stiel; und eine dritte Entfernung zwischen der Drehmitte des Arbeitswerkzeugs mit Bezug auf den Stiel und dem Arbeitspunkt, wobei die Einheit zum Berechnen der aktuellen Position die aktuelle Position des Arbeitspunkts in dem Koordinatensystem des Fahrzeugkörpers auf der Basis der ersten Entfernung, der zweiten Entfernung und der dritten Entfernung und der Drehwinkel berechnet und wobei die Kalibrierrecheneinheit kalibrierte Werte der Parameter zum Berechnen der ersten Entfernung, der zweiten Entfernung, der dritten Entfernung und der Drehwinkel auf der Basis der Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl der durch die externe Messvorrichtung gemessenen und in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem umgerechneten Positionen berechnet.
Vorzugsweise ist die externe Messvorrichtung eine Totalstation.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kalibrierverfahren für einen Bagger mit einem Chassis, einer auf dem Chassis drehbar angeordneten oberen Struktur und einer Arbeitsmaschine mit einem Ausleger, der an der oberen Struktur drehbar befestigt ist, einem Stiel, der an dem Ausleger drehbar befestigt ist und einem Arbeitswerkzeug, das an dem Stiel drehbar befestigt ist, wobei das Verfahren zum Kalibrieren einer Vielzahl von Parametern dient, die die Dimensionen und die Drehwinkel des Auslegers, des Stiels und der Arbeitswerkzeug beschreiben, die folgenden Schritte: das Beziehen einer Information über die Neigung des Baggers in einer Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten; das Korrigieren der Vielzahl von Positionen des in dem Arbeitswerkzeug enthaltenen Arbeitspunkts auf der Basis der Neigungsinformationen; und das Berechnen von kalibrierten Werten der Parameter auf der Basis von Koordinaten des Arbeitspunktes an der Vielzahl von korrigierten Positionen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kalibrierverfahren für einen Bagger mit einem Chassis, einer auf dem Chassis drehbar angeordneten oberen Struktur und einer Arbeitsmaschine mit einem Ausleger, der an der oberen Struktur drehbar befestigt ist, einem Stiel, der an dem Ausleger drehbar befestigt ist und einem Arbeitswerkzeug, das an dem Stiel drehbar befestigt ist, wobei das Verfahren zum Kalibrieren einer Vielzahl von Parametern dient, die die Dimensionen und die Drehwinkel des Auslegers, des Stiels und des Arbeitswerkzeugs beschreiben, die folgenden Schritte: das Beziehen von Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen, die mindestens zwei Positionen des Arbeitspunkts bei unterschiedlicher Stellung der Arbeitsmaschine und eine Position eines vorgegebenen Referenzpunkts an einer Arbeitsebene der Arbeitsmaschine enthalten oder mindestens drei Positionen des in dem Arbeitswerkzeug enthaltenen Arbeitspunkts bei unterschiedlicher Stellung der Arbeitsmaschine enthalten; von Positionsinformationen der oberen Struktur, die mindestens drei Positionen des Arbeitspunkts bei unterschiedlichem Drehwinkel der oberen Struktur bezüglich des Chassis enthalten, und von Informationen über die Neigung des Baggers in einer Richtung eines Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten entsprechend den Positionen des Arbeitspunkts, die in den Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen enthalten sind; das Korrigieren der Positionen des Arbeitspunkts, die in den Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen enthalten sind, auf der Basis der Neigungsinformationen; das Berechnen eines ersten Einheitsnormalenvektors vertikal zur Arbeitsebene der Arbeitsmaschine auf der Basis der Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen, die die korrigierten Positionen des Arbeitspunkts enthalten, das Berechnen eines zweiten Einheitsnormalenvektors vertikal zu einer Drehebene der oberen Struktur, auf der Basis von Positionsinformationen der oberen Struktur und das Berechnen eines dritten Einheitsnormalenvektors vertikal zu dem ersten Einheitsnormalenvektor und zu dem zweiten Einheitsnormalenvektor; das Umrechnen von Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von Positionen von einem Koordinatensystem an der externen Messvorrichtung in ein Fahrzeugkörper-Koordinatensystem an dem Bagger, unter Verwendung des ersten Einheitsnormalenvektors, des zweiten Einheitsnormalenvektors und des dritten Einheitsnormalenvektors; und das Berechnen von kalibrierten Werten der Parameter auf der Basis der Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von Positionen, die in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem umgerechnet wurden.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die Minderung der Genauigkeit der Kalibrierung der Parameter für die Arbeitsmaschine des Baggers zu steuern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Baggers, der mit einem Kalibriersystem gemäß einer Ausführungsform zu kalibrieren ist;
2-1 ist eine Seitenansicht des Baggers;
2-2 ist eine Rückansicht des Baggers;
2-3 ist eine Ansicht des Baggers von oben;
3 ist ein Blockdiagramm einer Konfiguration eines Steuersystems in dem Bagger und eines Kalibriersystems für den Bagger gemäß der Ausführungsform;
4 ist eine Auflistung der für die Positionsberechnung einer Schneidkante benötigten Parameter;
5 ist eine Seitenansicht eines Auslegers;
6 ist eine Seitenansicht eines Stiels;
7 ist eine Seitenansicht eines Löffels und des Stiels;
8 ist eine Seitenansicht des Löffels;
9 zeigt schematisch ein Verfahren zum Berechnen von Parametern, die die Länge eines Zylinders beschreiben;
10 ist ein Flussdiagramm eines Arbeitsablaufs während der Kalibrierung durch eine Bedienungsperson;
11 zeigt schematisch eine Einbauposition einer externen Messvorrichtung;
12 zeigt in einer Ansicht von oben drei Positionen einer oberen Struktur bei unterschiedlichem Drehwinkel;
13 zeigt in einer Seitenansicht Positionen einer Schneidkante einer Arbeitsmaschine 2 in fünf Stellungen;
14 ist eine Seitenansicht des Baggers;
15 zeigt schematisch eine erste Position bis fünfte Position des Baggers bei einer Neigung des Baggers unter dem Gewicht der Arbeitsmaschine in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten und eine erste bis fünfte ursprüngliche Position des Baggers;
16 zeigt die Positionen eines ersten Messpunkts und eines zweiten Messpunkts an einer Referenzantenne von oben;
17 zeigt einen dritten Messpunkt und einen vierten Messpunkt an einer Richtungsantenne von oben;
18 zeigt schematisch ein Beispiel eines Bedienungsbildschirms für die Kalibrierung;
19 ist ein Funktionsblockdiagramm zur Darstellung von Verarbeitungsfunktion, die sich auf eine Kalibrier-Recheneinheit beziehen;
20 ist eine Seitenansicht des Baggers;
21 zeigt schematisch ein Beispiel eines Verfahrens zum Kalibrieren einer durch die externe Messvorrichtung gemessenen Position einer Schneidkante;
22 zeigt schematisch ein Verfahren zum Berechnen einer Information für eine Koordinatenumrechnung;
23 zeigt schematisch ein Verfahren zum Berechnen einer Information für eine Koordinatenumrechnung.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Weise der praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung, im Folgenden als Ausführungsform bezeichnet, wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert.
<Gesamtkonfiguration des Baggers>
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Baggers 100, der mit einem Kalibriersystem gemäß einer Ausführungsform kalibriert werden soll. 2-1 ist eine Seitenansicht des Baggers 100. 2-2 ist eine Rückansicht des Baggers 100. 2-3 ist eine Ansicht der Baggers 100 von oben. 3 ist ein Blockdiagramm einer Konfiguration eines Steuersystems in dem Bagger 100 und eines Kalibriersystems 200 für den Bagger 100 gemäß der Ausführungsform.
Der Bagger 100 hat einen Fahrzeugkörper 1 und eine Arbeitsmaschine 2. Der Fahrzeugkörper 1 hat eine obere Struktur 3, eine Kabine 4 und ein Chassis 5. Die obere Struktur 3 kann sich auf dem Chassis 5 drehen. In der oberen Struktur 3 sind eine Hydraulikpumpe 37 (siehe 3) und nicht dargestellte Einrichtungen wie beispielsweise eine Antriebsmaschine untergebracht. Geländer 9 sind auf der oberen Struktur 3 befestigt. Die Kabine 4 liegt im vorderen Bereich der oberen Struktur 3. Eine Display-Eingabevorrichtung 38 und eine Bedienvorrichtung 25 (später beschrieben) sind in der Kabine 4 angeordnet (siehe 3). Das Chassis 5 ist ein Raupenfahrwerk und hat Raupenkettenanordnungen 5a und 5b. Der Bagger 100 fährt durch die Drehung der Raupenkettenanordnungen 5a und 5b.
Die Arbeitsmaschine 2 ist an dem vorderen Bereich des Fahrzeugkörpers 1 befestigt und hat einen Ausleger 6, einen Stiel 7, einen Löffel 8 als Arbeitswerkzeug, einen Auslegerzylinder 10, einen Stielzylinder 11 und einen Löffelzylinder 12. Ein unterer Endbereich des Auslegers 6 ist über einen Auslegerbolzen 13 drehbar an dem vorderen Bereich des Fahrzeugkörpers 1 befestigt. Das heißt, der Auslegerbolzen 13 ist äquivalent zur Drehachse des Auslegers 6 bezüglich der oberen Struktur 3. Ein unterer Endbereich des Stiels 7 ist über einen Stielbolzen 14 drehbar an einem vorderen Endbereich des Auslegers 6 befestigt. Das heißt, der Stielbolzen ist äquivalent zur Drehachse des Stiel 7 bezüglich des Auslegers 6. Der Löffel 8 ist über einen Löffelbolzen 15 drehbar an dem vorderen Endbereich des Stiels befestigt. Das heißt, der Löffelbolzen 15 ist äquivalent zur Drehachse des Löffels 89 bezüglich des Stiels 7.
Wie in 2-1 dargestellt ist, ist eine Länge des Auslegers 6, d. h. eine Entfernung zwischen dem Auslegerbolzen 13 und dem Stielbolzen 14 als L1 angegeben, wobei diese Entfernung äquivalent zu einer ersten Entfernung in der Ausführungsform ist. Eine Länge des Stiels 7, d. h. eine Entfernung zwischen dem Stielbolzen 14 und dem Löffelbolzen 15, ist als L2 angegeben, wobei diese Entfernung äquivalent zu einer zweiten Entfernung in der Ausführungsform ist. Eine Länge des Löffels 8, d. h. eine Entfernung zwischen dem Löffelbolzen 15 und einer Schneidkante P des Löffels 8 ist als L3 angegeben, wobei diese Entfernung äquivalent zu einer dritten Entfernung in der Ausführungsform ist.
Der Auslegerzylinder 10, der Stielzylinder 11 und der Löffelzylinder 12 in 1 sind durch Hydraulikdruck angesteuerte Hydraulikzylinder. Ein unteres Ende des Auslegerzylinders 10 ist über einen unteren Auslegerzylinderbolzen 10a drehbar an der oberen Struktur 3 befestigt. Ein vorderer Endbereich des Auslegerzylinders 10 ist über einen oberen Auslegerzylinderbolzen 10b drehbar an dem Ausleger 10 befestigt. Der Hydraulikzylinder 10 wird für den Antrieb des Auslegers 6 durch Hydraulikdruck ausgefahren und eingefahren.
Ein unterer Endbereich des Stielzylinders 11 ist über einen unteren Stielzylinderbolzen 11a drehbar an dem Ausleger 6 befestigt. Ein vorderer Endbereich des Stielzylinders 11 ist über einen oberen Stielzylinderbolzen 11b drehbar an dem Stiel 7 befestigt. Der Stielzylinder 11 wird für den Antrieb des Stiels 11 durch Hydraulikdruck ausgefahren und eingefahren.
Ein unterer Endbereich des Löffelzylinders 12 ist über einen unteren Löffelzylinderbolzen 12a drehbar an dem Stiel 7 befestigt. Ein vorderer Endbereich des Löffelzylinders 12 ist über einen oberen Löffelzylinderbolzen 12b an einem Ende eines ersten Verbindungselements 47 und an einem Ende eines zweiten Verbindungselements 48 drehbar befestigt. Das andere Ende des ersten Verbindungselements 47 ist über einen ersten Verbindungsbolzen 47a an dem vorderen Endbereich des Stiels 7 drehbar befestigt. Das andere Ende des zweiten Verbindungselements 48 ist über einen zweiten Verbindungsbolzen 48a an dem Löffel 8 drehbar befestigt. Der Löffelzylinder 12 wird für den Antrieb des Löffels 8 durch Hydraulikdruck ausgefahren und eingefahren.
Wie in 3 dargestellt ist, sind der Ausleger 6, der Stiel 7 und der Löffel 8 jeweils mit einer ersten Winkeldetektoreinheit 16, einer zweiten Winkeldetektoreinheit 17 und einer dritten Winkeldetektoreinheit 18 versehen. Die erste Winkeldetektoreinheit 16, die zweite Winkeldetektoreinheit 17 und die dritte Winkeldetektoreinheit 18 sind zum Beispiel Hubsensoren, die konfiguriert sind für die Detektion der Hublängen der Zylinder 10, 11 und 12, um dadurch einen Drehwinkel des Auslegers 6 bezüglich der Fahrzeugkörpers 1, einen Drehwinkel des Stiels 7 bezüglich des Auslegers 6 und einen Drehwinkel des Löffels 8 bezüglich des Stiels 7 indirekt zu detektieren.
Insbesondere detektiert die erste Winkeldetektoreinheit 16 eine Hublänge des Auslegerzylinders 10. Eine später beschriebene Displaysteuerung 39 berechnet einen Drehwinkel α mit Bezug auf die z-Achse des in 2-1 gezeigten Fahrzeugkoordinatensystems anhand der durch die erste Winkeldetektoreinheit 16 detektierten Hublänge des Auslegerzylinders 10. Die zweite Winkeldetektoreinheit 17 detektiert eine Hublänge des Stielzylinders 11. Die Displaysteuerung 39 berechnet den Drehwinkel β des Stiels 7 mit Bezug auf den Ausleger 6 anhand der durch die zweite Winkeldetektoreinheit 17 detektierten Hublänge des Stielzylinders 11. Die dritte Winkeldetektoreinheit 18 detektiert eine Hublänge des Löffelzylinders 12. Die Displaysteuerung 39 berechnet den Drehwinkel γ des Löffels 8 mit Bezug auf den Stiel 7 anhand der durch die dritte Winkeldetektoreinheit 18 detektierten Hublänge des Löffelzylinders 12. Das Verfahren zum Berechnen der Drehwinkel α, β und γ wird später im Einzelnen beschrieben.
Wie in 2-1 gezeigt ist, hat der Fahrzeugkörper 1 eine Positionsdetektoreinheit 19. Die Positionsdetektoreinheit 19 detektiert die aktuelle Position des Fahrzeugkörpers 1 des Baggers 100. Die Positionsdetektoreinheit 19 hat zwei Antennen 21 und 22 für RTK-GNSS (Globales Navigationssatellitensystem mit Echtzeitkinematik), die in 1 dargestellt sind, und einen dreidimensionalen Positionssensor 23, der in 2-1 dargestellt ist. Die Antennen 21 und 22 sind an Geländern 9 befestigt und sind entlang einer y-Achse eines später beschriebenen Fahrzeugkörper-Koordinatensystems x-y-z (siehe 2-3) durch einen vorgegebenen Abstand voneinander entfernt.
Signale, die GNSS-Funkwellen entsprechen und die durch die Antennen 21 und 22 empfangen werden, werden in den dreidimensionalen Positionssensor 23 eingegeben. Der dreidimensionale Positionssensor 23 detektiert die aktuellen Positionen der Antennen 21 und 22 in einem globalen Koordinatensystem Xg-Yg-Zg. Das globale Koordinatensystem ist ein durch GNSS gemessenes Koordinatensystem und auch ein Koordinatensystem, das sich auf einen Ursprung bezieht, der eine stationäre Position auf der Erde ist. Im Gegensatz dazu ist das später beschriebene Fahrzeugkörper-Koordinatensystem eine Koordinatensystem, das sich auf einen Ursprung bezieht, der eine stationäre Position an dem Fahrzeugkörper 1 (insbesondere an der oberen Struktur) ist. Die Antenne 21 (nachstehend als Referenzantenne 21 bezeichnet) dient zum Detektieren der aktuellen Position des Fahrzeugkörpers 1. Die Antenne 22 (nachstehend als Richtungsantenne bezeichnet) dient zum Detektieren der Richtung des Fahrzeugkörpers 1, insbesondere der Richtung der oberen Struktur 3. Die Positionsdetektoreinheit 19 detektiert Richtungswinkel der x-Achse und der y-Achse in dem später beschriebenen Fahrzeugkörper-Koordinatensystem in dem globalen Koordinatensystem anhand der Positionen der Referenzantenne 21 und der Richtungsantenne 22. Die Antennen 21 und 22 können GPS-Antennen (Antennen eines globalen Positionsbestimmungssystems) sein.
Wie in den 2-1 bis 2-3 gezeigt ist, hat der Fahrzeugkörper 1 eine IMU (inertiale Messeinheit) 24. In der Ausführungsform ist die IMU 24 in einem unteren Bereich der Kabine 4 installiert, wie in den 2-1 und 2-2 gezeigt ist. Die IMU 24 detektiert eine auf den Bagger 100 wirkende Beschleunigung und eine Winkelgeschwindigkeit. Die IMU 24 detektiert einen Neigungswinkel θr (im Folgenden als Querneigungswinkel θr bezeichnet) des Fahrzeugkörpers 1 in einer Breitenrichtung mit Bezug auf die Richtung der Schwerkraft (vertikale Linie), wie in 2-2 dargestellt.
In der Ausführungsform bezieht sich die Breitenrichtung auf die Breitenrichtung des Löffels 8, die mit einer Fahrzeugbreitenrichtung übereinstimmt. Wenn die Arbeitsmaschine 2 einen Kipplöffel als Arbeitswerkzeug hat, wie später beschrieben, stimmen die Breitenrichtung des Löffels 8 und die Fahrzeugbreitenrichtung unter Umständen nicht überein. Die IMU 24 detektiert einen Neigungswinkel θp (im Folgenden als Längsneigungswinkel bezeichnet, wenn zutreffend) des Fahrzeugkörpers 1 in Richtung von vorne nach hinten bezüglich der Richtung der Schwerkraft, wie in 2-1 dargestellt. In der Ausführungsform hat die IMU 24 die Funktion einer Vorrichtung zum Erfassen einer Neigungsinformation, um die Information bezüglich der Neigung des Baggers 100 in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten zu erfassen. Durch die Verwendung der IMU 24 als Vorrichtung zum Erfassen einer Neigungsinformation können für die Steuerung des Baggers 100 notwendige Informationen, wie zum Beispiel die Beschleunigung, die Winkelgeschwindigkeit und ein Querneigungswinkel des Baggers 100, mit nur einer Vorrichtung erworben werden. Anstelle der IMU 24 können ein Querneigungswinkelsensor und ein Längsneigungswinkelsensor derart ausgelegt sein, dass der erstere den Querneigungswinkel θr und der letztere den Längsneigungswinkel θp detektiert.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst das Kalibriersystem 200 für den Bagger 100 den Bagger 100, der in 1 dargestellt ist, eine Kalibriervorrichtung 60, die externe Messvorrichtung 62 und die IMU 24 als Vorrichtung zur Erfassung einer Neigungsinformation. Der Bagger 100 hat eine Bedienvorrichtung 25, eine Arbeitsmaschinen-Steuereinheit 26, eine Arbeitsmaschinen-Steuervorrichtung 27 und die Hydraulikpumpe 37. Die Bedienvorrichtung 25 enthält ein Arbeitsmaschinen-Bedienelement 31, eine Detektoreinheit 32 für die Arbeitsmaschinenbedienung, ein Fahrbetrieb-Bedienelement 33, eine Fahrbetrieb-Detektoreinheit 34, ein Drehbetrieb-Bedienelement 51 und eine Drehbetrieb-Detektoreinheit 52.
Das Arbeitsmaschinen-Bedienelement 31 ist ein Element für die Bedienung der Arbeitsmaschine 2 durch den Baggerführer des Baggers 100 und ist zum Beispiel ein Bedienhebel. Die Detektoreinheit 32 für die Arbeitsmaschinenbedienung detektiert den Inhalt der Bedienung des Arbeitsmaschinen-Bedienelements 31 und sendet den Inhalt der detektierten Bedienung des Arbeitsmaschinen-Bedienelements 31 als Detektionssignal an die Arbeitsmaschinen-Steuereinheit 26. Das Fahrbetrieb-Bedienelement 33 ist ein Element, das der Baggerführer für den Fahrbetrieb des Baggers 100 bedient, und ist zum Beispiel ein Bedienhebel. Die Fahrbetrieb-Detektoreinheit 34 detektiert den Inhalt der Bedienung des Fahrbetrieb-Bedienelements 33 und sendet den Inhalt der detektierten Bedienung des Fahrbetrieb-Bedienelements 33 als Detektionssignal an die Arbeitsmaschinen-Steuereinheit 26. Das Drehbetrieb-Bedienelement 51 ist ein Element, das der Baggerführer zum Drehen der oberen Struktur 3 bedient, und ist zum Beispiel ein Bedienhebel. Die Drehbetrieb-Detektoreinheit 52 detektiert den Inhalt der Bedienung des Drehbetrieb-Bedienelements 51 und sendet den Inhalt der Bedienung des Drehbetrieb-Bedienelements 51 als Detektionssignal an die Arbeitsmaschinen-Steuereinheit 26.
Die Arbeitsmaschinen-Steuereinheit 26 hat eine Speichereinheit 35, wie zum Beispiel ein RAM und ein ROM, und eine Recheneinheit 36, wie zum Beispiel eine CPU. Die Arbeitsmaschinen-Steuereinheit 26 steuert hauptsächlich den Betrieb der Arbeitsmaschine und den Drehbetrieb der oberen Struktur 3. Die Arbeitsmaschinen-Steuereinheit 26 erzeugt ein Steuersignal für den Betrieb der Arbeitsmaschine 2 entsprechend der Bedienung des Arbeitsmaschinen-Bedienelements 31 und gibt das Steuersignal an die Arbeitsmaschinen-Steuervorrichtung 27 aus. Die Arbeitsmaschinen-Steuervorrichtung 27 hat eine hydraulische Steuervorrichtung wie ein Proportionalsteuerventil. Die Arbeitsmaschinen-Steuervorrichtung 27 steuert die Flussrate des von der Hydraulikpumpe 37 geförderten Hydrauliköls zu den Hydraulikzylindern 10, 11 und 12 auf der Basis des Steuersignals von der Arbeitsmaschinen-Steuereinheit 26. Die Hydraulikzylinder 11, 12 und 13 werden durch Hydrauliköl angetrieben, das von der Arbeitsmaschinen-Steuervorrichtung 27 zugeführt wird. Dadurch wird die Arbeitsmaschine 2 betätigt. Außerdem erzeugt die Arbeitsmaschinen-Steuereinheit 26 ein Steuersignal zum Drehen der oberen Struktur 3 entsprechend der Bedienung des Drehbetrieb-Bedienelements 51 und gibt das Steuersignal zum Drehen der oberen Struktur an einen Drehmotor 49 aus. Dadurch wird der Drehmotor 49 angetrieben und die obere Struktur 3 gedreht.
<Konfiguration des Displaysystems 28>
Der Bagger 100 verfügt über ein Displaysystem 28. Das Displaysystem 28 ist ein System, das dem Baggerführer Informationen für die Bearbeitung des Geländes in einem Arbeitsbereich und für die Gestaltung des Geländes entsprechend den Vorgaben einer später beschriebenen Entwurfsfläche bereitstellt. Das Displaysystem 28 hat eine Display-Eingabevorrichtung 38 und eine Display-Steuereinheit 39.
Die Display-Eingabevorrichtung 38 hat eine Eingabeeinheit 41 in Form eines Touch Panel und eine Displayeinheit, wie zum Beispiel ein LCD. Die Display-Eingabevorrichtung 38 zeigt einen Leitbildschirm an, um Informationen für den Baggervorgang bereitzustellen. Der Leitbildschirm zeigt verschiedene Tasten. Der Baggerführer kann die verschiedenen Tasten auf dem Leitbildschirm berühren, damit das Displaysystem 28 verschiedene Funktionen ausführt. Der Leitbildschirm wird später beschrieben.
Die Display-Steuereinheit 39 führt verschiedene Funktionen des Displaysystems 28 aus. Die Display-Steuereinheit 39 und die Arbeitsmaschinen-Steuereinheit 26 können über drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationsmittel miteinander kommunizieren. Die Display-Steuereinheit 39 hat eine Speichereinheit 43, wie zum Beispiel ein RAM und ein ROM, und eine Recheneinheit 44, wie zum Beispiel eine CPU. Die Recheneinheit 44 führt verschiedene Berechnungen für die Anzeige des Leitbildschirms auf der Basis der in der Speichereinheit 43 gespeicherten verschiedenen Daten und der Ergebnisse der Detektion durch die Positionsdetektoreinheit 19 durch. Als nächstes wird ein Verfahren zum Berechnen der Position der Schneidkante des vorstehend beschriebenen Löffels 8 im Einzelnen beschrieben.
<Verfahren zum Berechnen der Position der Schneidkante>
4 zeigt eine Liste von Parametern, die zum Berechnen der Position der Schneidkante notwendig sind. Die Recheneinheit 44 der Display-Steuereinheit 39 berechnet die aktuelle Position der Schneidkante des Löffels 8 auf der Basis von Ergebnissen der Detektion durch die Positionsdetektoreinheit 19 und einer Vielzahl von Parametern, die in der Speichereinheit 43 gespeichert sind. Die Parameter enthalten Arbeitsmaschinenparameter und Antennenparameter. Die Arbeitsmaschinenparameter enthalten eine Vielzahl von Parametern, die die Dimensionen und Drehwinkel des Auslegers 6, des Stiels 7 und des Löffels 8 beschreiben. Die Antennenparameter enthalten eine Vielzahl von Parametern, die Positionsverhältnisse zwischen den Antennen 21 und 22 des Auslegers 6 beschreiben.
Wie in 3 dargestellt ist, hat die Recheneinheit 44 der Display-Steuereinheit 39 eine Recheneinheit 44a für eine erste aktuelle Position und eine Recheneinheit 44b für eine zweite aktuelle Position. Die Recheneinheit 44a für die erste aktuelle Position berechnet die aktuelle Position der Schneidkante des Löffels 8 in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem auf der Basis der Arbeitsmaschinenparameter. Die Recheneinheit 44b für die zweite aktuelle Position berechnet die aktuelle Position der Schneidkante des Löffels 8 in dem globalen Koordinatensystem anhand der Antennenparameter, der durch die Positionsdetektoreinheit 19 detektierten aktuellen Positionen der Antennen 21 und 22 in dem globalen Koordinatensystem und der durch die Recheneinheit 44a für die erste aktuelle Position berechneten aktuellen Position der Schneidkante des Löffels 8 in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Insbesondere wird die aktuelle Position der Schneidkante des Löffels 8 auf die nachstehend beschriebene Weise bestimmt.
Wie in den 2-1 bis 2-3 dargestellt ist, wird zunächst das später beschriebene Fahrzeugkörper-Koordinatensystem x-y-z mit dem durch eine Überschneidung der Achse des Auslegerbolzens 13 und der Arbeitsebene der Arbeitsmaschine 2 definierten Ursprung festgelegt. In der folgenden Beschreibung bezieht sich die Position des Auslegerbolzens 13 auf die Position eines Mittelpunkts des Auslegerbolzens 13 in der Fahrzeugbreitenrichtung. Aus den Ergebnissen der Detektion durch die erste Winkeldetektoreinheit 16, die zweite Winkeldetektoreinheit 17 und die dritte Winkeldetektoreinheit 18 werden die aktuellen Drehwinkel α, β und γ des Auslegers 6, des Stiels 7 und des Löffels 8 berechnet. Das Verfahren zum Berechnen der Drehwinkel α, β und γ wird später beschrieben. Die Koordinaten (x, y, z) der Schneidkante des Löffels 8 in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem werden unter Verwendung der Drehwinkel α, β und γ des Auslegers 6, des Stiels 7 und des Löffels 8 und der Längen L1, L2 und L3 des Auslegers 6, des Stiels 7 und des Löffels 8 durch die folgende Gleichung (1) berechnet. x = L1sinα + L2sin(α + β) + L3sin(α + β + γ) y = 0 z = L1cosα + L2cos(α + β) + L3cos(α + β + γ) (1)
Als nächstes wird ein Verfahren zum Berechnen der Drehwinkel α, β und γ des Auslegers 6, des Stiels 7 und des Löffels 8 anhand der Ergebnisse der Detektion durch die erste Winkeldetektoreinheit 16, die zweite Winkeldetektoreinheit 17 und die dritte Winkeldetektoreinheit 18 beschrieben.
<Verfahren zum Berechnen der Drehwinkel α, β und γ>
5 ist eine Seitenansicht des Auslegers 6. Der Drehwinkel α des Auslegers 6 wird durch die folgende Gleichung (2) angegeben, wobei die in 5 gezeigten Arbeitsmaschinenparameter verwendet werden.
Wie in 5 dargestellt ist, beschreibt der Parameter Lboom2_x eine Entfernung zwischen dem unteren Auslegerzylinderbolzen 10a und dem Auslegerbolzen 13 in einer horizontalen Richtung des Fahrzeugkörpers 2, an dem der Ausleger 6 befestigt ist, das heißt, in einer Richtung äquivalent zur Richtung der x-Achse des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems. Der Parameter Lboom2_z beschreibt eine Entfernung zwischen dem unteren Auslegerzylinderbolzen 10a und dem Auslegerbolzen 13 in einer vertikalen Richtung des Fahrzeugkörpers 2, an dem der Ausleger 6 befestigt ist, das heißt, in einer Richtung äquivalent zur Richtung der z-Achse des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems. Der Parameter Lboom1 beschreibt eine Entfernung zwischen dem oberen Auslegerzylinderbolzen 10b und dem Auslegerbolzen 13. Der Parameter Lboom2 beschreibt eine Entfernung zwischen dem unteren Auslegerzylinderbolzen 10a und dem Auslegerbolzen 13. Der Parameter boom_cyl beschreibt eine Entfernung zwischen dem unteren Auslegerzylinderbolzen 10a und dem oberen Auslegerzylinderbolzen 10b. Der Parameter Lboom1_z beschreibt eine Entfernung in Richtung einer zboom-Achse zwischen dem oberen Auslegerzylinderbolzen 10b und dem Auslegerbolzen 13. In einer Seitenansicht ist die Richtung, die den Auslegerbolzen 13 und den Stielbolzen 14 verbindet, als xboom-Achse angegeben, und die Richtung vertikal zur xboom-Achse ist als zboom-Achse angegeben. Der Parameter Lboom1_x beschreibt eine Entfernung in Richtung der xboom-Achse zwischen dem oberen Auslegerzylinderbolzen 10b und dem Auslegerbolzen 13.
6 ist eine Seitenansicht des Stiels 7. Der Drehwinkel β des Stiels wird durch die folgende Gleichung (3) angegeben, wobei die Arbeitsmaschinenparameter, die in den 5 und 6 angegeben sind, verwendet werden.
Wie in 5 gezeigt ist, beschreibt der Parameter Lboom3_z eine Entfernung zwischen dem unteren Stielzylinderbolzen 11a und dem Stielbolzen 14 in Richtung einer zboom-Achse. Der Parameter Lboom3_x beschreibt eine Entfernung zwischen dem unteren Stielzylinderbolzen 11a und dem Stielbolzen 14 in Richtung der xboom-Achse. Der Parameter Lboom3 beschreibt eine Entfernung zwischen dem unteren Stielzylinderbolzen 11a und dem Stielbolzen 14. Wie in 6 gezeigt ist, beschreibt der Parameter Larm2 eine Entfernung zwischen dem oberen Stielzylinderbolzen 11b und dem Stielbolzen 14. Wie 5 zeigt, beschreibt der Parameter arm_cyl eine Entfernung zwischen dem unteren Stielzylinderbolzen 11a und dem oberen Stielzylinderbolzen 11b. Wie 6 zeigt, beschreibt der Parameter Larm2_x eine Entfernung zwischen dem oberen Stielzylinderbolzen 11b und dem Stielbolzen 14 in Richtung einer xarm2-Achse. Der Parameter Larm2_z beschreibt eine Entfernung zwischen dem oberen Armzylinderbolzen 11b und dem Armbolzen 14 in Richtung einer zarm2-Achse. In einer Seitenansicht ist die Richtung, die den oberen Stielzylinderbolzen 11b und den Löffelbolzen 15 verbindet, als xarm2-Achse angegeben, und die Richtung vertikal zur xarm2-Achse ist als zarm2-Achse angegeben. Der Parameter Larm1_x beschreibt eine Entfernung in Richtung der xarm2-Achse zwischen dem Stielbolzen 14 und dem Löffelbolzen 15. Der Parameter Larm1_z beschreibt eine Entfernung in Richtung der zarm2-Achse zwischen dem Stielbolzen 14 und dem Löffelbolzen 15. In einer Seitenansicht ist die Richtung, die den Stielbolzen 14 und den Löffelbolzen 15 verbindet, als xarm1-Achse angegeben. Der Drehwinkel β des Stiels 7 wird durch die xboom-Achse und die xarm1-Achse gebildet.
7 ist eine Seitenansicht des Löffels 8 und des Stiels 7. 8 ist eine Seitenansicht des Löffels 8. 9 zeigt schematisch ein Verfahren zum Berechnen von Parametern, die die Länge eines Zylinders beschreiben. Der Drehwinkel a ~ des Löffels 8 wird durch die folgende Gleichung (4) angegeben, wobei die in den 6 bis 8 dargestellten Arbeitsmaschinenparameter verwendet werden.
Wie in 6 dargestellt ist, beschreibt der Parameter Larm3_z2 eine Entfernung zwischen dem ersten Verbindungsbolzen 47a und dem Löffelbolzen 15 in Richtung der zarm2-Achse. Der Parameter Larm3_x2 bezeichnet eine Entfernung zwischen dem ersten Verbindungsbolzen 47a und dem Löffelbolzen 15 in Richtung der xarm2-Achse. Wie in 7 gezeigt ist, beschreibt der Parameter Ltmp eine Entfernung zwischen dem oberen Löffelzylinderbolzen 12b und dem Löffelbolzen 15. Der Parameter Larm4 beschreibt eine Entfernung zwischen dem ersten Verbindungsbolzen 47a und dem Löffelbolzen 15. Der Parameter Lbucket1 beschreibt eine Entfernung zwischen dem oberen Löffelzylinderbolzen 12b und dem ersten Verbindungsbolzen 47a. Der Parameter Lbucket3 beschreibt eine Entfernung zwischen dem Löffelbolzen 15 und dem zweiten Verbindungsbolzen 48a. Der Parameter Lbucket2 beschreibt eine Entfernung zwischen dem oberen Löffelzylinderbolzen 12b und dem zweiten Verbindungsbolzen 48a. Wie 8 zeigt, beschreibt der Parameter Lbucket4_x eine Entfernung zwischen dem Löffelbolzen 15 und dem zweiten Verbindungsbolzen 48a in Richtung einer xbucket-Achse. Der Parameter Lbucket4_z beschreibt eine Entfernung zwischen dem Löffelbolzen 15 und dem zweiten Verbindungsbolzen 48a in Richtung einer zbucket-Achse. In einer Seitenansicht, ist die Richtung, die den Löffelbolzen 15 und die Schneidkante P des Löffels 8 verbindet, als xbucket-Achse angegeben, und die Richtung vertikal zur xbucket-Achse ist als zbucket-Achse angegeben. Der Drehwinkel γ des Löffels 8 ist ein Winkel, der durch die xbucket-Achse und die xarm1-Achse gebildet wird. Der vorstehende Parameter Ltmp wird durch Gleichung (5) angegeben.
Wie in 6 dargestellt ist, beschreibt der Parameter Larm3 eine Entfernung zwischen dem unteren Löffelzylinderbolzen 12a und dem ersten Verbindungsbolzen 47a. Der Parameter Larm3_x1 beschreibt eine Entfernung zwischen dem unteren Löffelzylinderbolzen 12a und dem Löffelbolzen in Richtung der xarm2-Achse. Der Parameter Larm3_z1 beschreibt eine Entfernung zwischen dem unteren Löffelzylinderbolzen 12a und dem Löffelbolzen 15 in Richtung der zarm2-Achse.
Der vorstehende Parameter boom_cyl nimmt einen Wert an, der erhalten wird, indem die minimale Länge b_min des Auslegerzylinders und des Auslegerzylinderversatzes boft zur Hublänge bss des Zylinders 10, die durch die erste Winkeldetektoreinheit 16 detektiert wird, hinzuaddiert wird, wie in 9 dargestellt ist. Ähnlich nimmt der Parameter arm_cyl einen Wert an, der erhalten wird, indem die minimale Länge a_min des Stielzylinders und der Stielzylinderversatz aoft zu der durch die zweite Winkeldetektoreinheit 17 detektierten Hublänge ass des Stielzylinders 11 hinzuaddiert wird. Ähnlich nimmt der Parameter bucket_cyl einen Wert an, der erhalten wird, indem die minimale Länge bk_min des Löffelzylinders 12 und des Löffelzylinderversatzes bkoft zu der durch die dritte Winkeldetektoreinheit 18 detektierten Hublänge bkss des Löffelzylinders 12 hinzuaddiert wird.
<Kalibriervorrichtung 60>
Die Kalibriervorrichtung 60 ist eine Vorrichtung zum Kalibrieren von Parametern, die für die Berechnung der vorgenannten Drehwinkel α, β und γ und für die Berechnung der Position der Schneidkante des Löffels 8 an dem Bagger 100 benötigt werden. Die Kalibriervorrichtung 60 ist auch geeignet für eine drahtlose oder drahtgebundene Datenkommunikation mit der Displaysteuerung 39. Die Kalibriervorrichtung 60 kalibriert die in 4 angegebenen Parameter auf der Basis der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen Informationen. Die Kalibrierung der Parameter wird vorgenommen, wenn der Bagger 100 verladen wird, oder bei der Anfangseinstellung des Baggers 100 nach der Wartung zum Beispiel.
5 ist ein Flussdiagramm eines Arbeitsablaufs während der Kalibrierung durch eine Bedienungsperson. 11 zeigt eine Einbauposition der externen Messvorrichtung 62. 12 zeigt drei Positionen der oberen Struktur 3 bei einem unterschiedlichen Drehwinkel von oben. Zunächst installiert die Bedienungsperson in Schritt S1 die externe Messvorrichtung. Dabei installiert die Bedienungsperson die externe Messvorrichtung 62 mit einem vorgegebenen Abstand von dem Auslegerbolzen 13, wie in 1 dargestellt.
In Schritt S2 gibt die Bedienungsperson Löffelinformationen in die Eingabeeinheit 63 der in 3 dargestellten Kalibriervorrichtung 60 ein. Die Löffelinformation bezieht sich auf die Dimension des Löffels 8. Die Löffelinformation enthält die Entfernung (Lbucket4_x) zwischen dem Löffelbolzen 15 und dem zweiten Verbindungsbolzen 48a in Richtung der xbucket-Achse und die Entfernung (Lbucket4_z) zwischen dem Löffelbolzen 15 und dem zweiten Verbindungsbolzen 48a in Richtung der zbucket-Achse. Die Bedienungsperson gibt als Löffelinformation Designwerte oder mit einem Messmittel wie beispielsweise einem Maßband gemessene Messwerte ein.
In Schritt S3 misst die Bedienungsperson drei Positionen der oberen Struktur 3 bei unterschiedlichem Drehwinkel. In der Ausführungsform, die in 12 dargestellt ist, bedient die Bedienungsperson das Drehbetrieb-Bedienelement 51 in 3, um die obere Struktur 3 zu drehen. Dabei bleibt die Arbeitsmaschine 2 in einer festen Stellung. Weiterhin benutzt die Bedienungsperson die externe Messvorrichtung 62, um mit Hilfe derselben die Position eines Prismas 62P zu messen, das an einem unteren Teil eines Gegengewichts WT in der oberen Struktur 3 angebracht ist. Es werden drei Positionen des Prismas 62P bei unterschiedlichem Drehwinkel als die Positionen der oberen Struktur 3 (im Folgenden als eine erste Drehposition P21, eine zweite Drehposition P22 und eine dritte Drehposition P23 bezeichnet) gemessen.
In der Ausführungsform können anstelle der Positionen des Prismas 62P drei Positionen der Schneidkante bei unterschiedlichem Drehwinkel als Positionen der oberen Struktur 3 gemessen werden. In diesem Fall bleibt die Arbeitsmaschine 2 ebenfalls in einer festen Stellung.
In Schritt S4 gibt die Bedienungsperson Positionsinformationen der oberen Struktur in die Eingabeeinheit 63 der Kalibriervorrichtung 60 ein. Die Positionsinformationen der oberen Struktur enthalten Koordinaten, die die erste Drehposition P21, die zweite Drehposition P22 und die dritte Drehposition P23 angeben, die die Bedienungsperson mit Hilfe der externen Messvorrichtung 62 in Schritt S3 gemessen hat.
In Schritt S5 benutzt die Bedienungsperson die externe Messvorrichtung 62 zum Messen der Position einer Mitte an einer Seitenfläche des Auslegerbolzens 13. Das Koordinatensystem der externen Messvorrichtung 62 ist das Erdschwerkraftkoordinatensystem X-Y-Z. Die Richtung der Z-Achse des Erdschwerkraftkoordinatensystems stimmt mit der Wirkungsrichtung der Schwerkraft überein. Die Richtung der X-Achse und die Richtung der Y-Achse sind orthogonal zur Richtung der Z-Achse, und die Richtung der X-Achse und die Richtung der Y-Achse sind zueinander orthogonal.
13 ist eine Seitenansicht von Positionen einer Schneidkante der Arbeitsmaschine 2 in fünf Stellungen. In Schritt S6 benutzt die Bedienungsperson die in 11 dargestellte externe Messvorrichtung 62 zum Messen der Positionen der Schneidkante der Arbeitsmaschine 2 in fünf Stellungen. Die Bedienungsperson bedient das Arbeitsmaschinen-Bedienelement 31 in 3, um die Schneidkante des Löffels 8 in fünf Positionen zu bringen, nämlich von der ersten Position P1 bis in die fünfte Position P5, wie in 13 gezeigt. Die erste bis fünfte Position P1 bis P5 entsprechen den Positionen des Arbeitspunkts. Dabei wird die obere Struktur 3 nicht gedreht, sondern bleibt in einem festen Zustand auf dem Chassis 5. Die Bedienungsperson misst die Koordinaten der Schneidkante an der ersten bis fünften Position P1 bis P5 mit Hilfe der externen Messvorrichtung 62.
Die erste Position P1 und die zweite Position P2 auf dem Boden GD sind in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten verschieden. Die dritte Position P3 und die vierte Position P4 in der Luft sind in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten verschieden. Die dritte Position P3 und die vierte Position P4 unterscheiden sich in der vertikalen Richtung von der ersten Position P1 und der zweiten Position P2. Die fünfte Position P5 liegt zwischen der ersten Position P2 und der dritten Position P4 und der vierten Position P4.
14 ist eine Seitenansicht des Baggers 100. 15 zeigt schematisch die erste Position PS1 bis fünfte Position PS5 des Baggers 100, wenn sich der Bagger 100 unter dem Gewicht der Arbeitsmaschine 2 in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten neigt, und die ursprüngliche erste Position P1 bis fünfte Position P5 des Baggers 100. Wenn in Schritt S6 die Position P der Schneidkante der Arbeitsmaschine 2 in den fünf Stellungen mit Hilfe der externen Messvorrichtung 62 gemessen wird, verschiebt sich die Position P der Schneidkante gegenüber der angenommenen Position infolge der Neigung des Baggers 100 unter dem Gewicht der Arbeitsmaschine 2 in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten. Dies kann zu einer Minderung der Genauigkeit der Kalibrierung führen. Speziell wenn sich der Bagger 100 unter dem Gewicht der Arbeitsmaschine 2 in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten neigt, wie in 14 dargestellt ist, liegt die mit der externen Messvorrichtung 62 gemessene Position PS der Schneidkante tiefer als die ursprüngliche Position P der Schneidkante. Die erste Position PS1 bis fünfte Position PS5, die mit der externen Messvorrichtung 62 gemessen wurden, liegen tiefer als die ursprüngliche erste Position P1 bis fünfte Position P5, wie in 15 dargestellt.
Wenn sich der Bagger 100 unter dem Gewicht der Arbeitsmaschine 2 in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten neigt, neigt sich der Bagger 100 zum Beispiel auf der Seite der Arbeitsmaschine 2 des Chassis 5 um die Unterseite eines Rads 5F, wie in 14 gezeigt. Der Stellungswinkel des Baggers 100, d. h. der Längsneigungswinkel, wird in diesem Fall mit θp angegeben. In der Ausführungsform wird der Längsneigungswinkel θp als Information über die Neigung des Baggers in der Richtung der Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten zum Korrigieren der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen ersten Position PS1 bis fünften Position PS5, d. h. der Positionen der Arbeitspunkte, in die ursprüngliche erste Position P1 bis fünfte Position Ü5 verwendet. Dann werden auf der Basis der Koordinaten an einer Vielzahl von korrigierten Positionen der Arbeitspunkte kalibrierte Werte der für die Berechnung der Position der Schneidkante benötigten Parameter berechnet. Dies steuert eine Minderung der Genauigkeit der Messung der Position der Schneidkante in der Höhenrichtung des Baggers 100. Die Kalibrierung erfolgt unter Verwendung der korrigierten Werte, um die Minderung der Genauigkeit der Kalibrierung zu steuern. Die Korrektur der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen Position der Schneidkante wird später beschrieben.
In Schritt S7 gibt die Bedienungsperson Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen in die Eingabeeinheit 63 der Kalibriervorrichtung 60 ein. Die Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen geben die Koordinaten der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen ersten Position P1 bis fünften Position P5 an. Die Bedienungsperson gibt die Koordinaten an der ersten Position P1 bis fünften Position P5 der Schneidkante de Löffels 8, die in Schritt S6 mit Hilfe der externen Messvorrichtung gemessen wurden, in die Eingabeeinheit 63 der Kalibriervorrichtung 60 ein.
16 zeigt Positionen eines ersten Messpunkts und eines zweiten Messpunkts an der Referenzantenne von oben. 17 zeigte einen dritten Messpunkt und einen vierten Messpunkt an der Richtungsantenne von oben. In Schritt S8 misst die Bedienungsperson die Positionen der Antennen 21 und 22 mit Hilfe der externen Messvorrichtung 62. Wie in 16 dargestellt ist, misst die Bedienungsperson hier die Positionen eines ersten Messpunkts P11 und eines zweiten Messpunkts P12 an der Referenzantenne 21 mit Hilfe der externen Messvorrichtung 62. Der erste Messpunkt P11 und der zweite Messpunkt P12 liegen symmetrisch zur Mitte auf einer Oberfläche der Bezugsantenne. Wie in den 16 und 17 dargestellt ist, sind der erste Messpunkt P11 und der zweite Messpunkt P12 zwei diagonale Punkte auf der Oberfläche der Referenzantenne 21, wenn die Oberfläche der Referenzantenne 21 rechteckig oder quadratisch ist.
Wie in 17 gezeigt ist, verwendet die Bedienungsperson die externe Messvorrichtung 62, um die Positionen eines dritten Messpunkts P13 und eines vierten Messpunkts P14 an der Richtungsantenne 22 zu messen. Der dritte Messpunkt P13 und der vierte Messpunkt P14 sind bezogen auf die Mitte auf einer Oberfläche der Richtungsantenne 22 symmetrisch angeordnet. Ähnlich wie der erste Messpunkt P11 und der zweite Messpunkt P12 sind der dritte Messpunkt P13 und der vierte Messpunkt P14 zwei diagonale Punkte auf der Oberfläche der Richtungsantenne 22. Der erste Messpunkt P11 bis vierte Messpunkt P14 haben vorzugsweise Markierungen versehen, um die Messung zu erleichtern. Die Markierungen können Bolzen oder ähnliches sein, die Teile der Antennen 21 und 22 sind.
In Schritt S9 gibt die Bedienungsperson Informationen über die Antennenposition in die Eingabevorrichtung der Kalibriereinheit 60 in 3 ein. Die Informationen über die Antennenposition enthalten die Koordinaten, die die Positionen des ersten Messpunkts P11 bis vierten Messpunkts P14 angeben, die die Bedienungsperson in Schritt S6 mit Hilfe der externen Messvorrichtung 62 gemessen hat. In Schritt S10 weist die Bedienungsperson die Kalibriervorrichtung 60 in 3 an, die Kalibrierung durchzuführen.
Im Folgenden wird der an der Kalibriervorrichtung 60 durchgeführte Prozess beschrieben. Wie 3 zeigt, hat die Kalibriervorrichtung 60 die Eingabeeinheit 63, eine Displayeinheit 64 und eine Recheneinheit 65, die in 3 dargestellt sind. Die Eingabeeinheit 63 ist eine Einheit, in welche die vorstehenden Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen, die Positionsinformationen der oberen Struktur, die Antennen-Positionsinformationen und die Informationen über den Baggerlöffel eingegeben werden. Die Konfiguration der Eingabeeinheit 63 ist dergestalt, dass die Bedienungsperson die vorgenannten Informationen manuell eingeben kann und dass zum Beispiel eine Vielzahl von Tasten vorgesehen sind. Die Eingabeeinheit 63 kann in Form eines Touch Panel vorgesehen sein, das die Eingabe von numerischen Werten erlaubt. Die Displayeinheit 64 ist zum Beispiel ein LCD, auf dem ein Bedienungsbildschirm für die Durchführung der Kalibrierung angezeigt wird.
18 zeigt schematisch ein Beispiel eines Bedienungsbildschirms der Kalibriervorrichtung 60. Eingabefelder 66 für die Eingabe der vorstehenden Informationen werden auf einem Bedienungsbildschirm 42D der Eingabeeinheit 42 angezeigt. Die Bedienungsperson bedient die Eingabeeinheit 63, um die vorstehenden Informationen in die Eingabefelder 66 auf dem Bedienungsbildschirm einzugeben. Die in die Eingabefelder 66 eingegebenen Informationen enthalten die Koordinaten an der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen ersten Position P1 bis fünften Position P5 und den durch die IMU 24 detektierten Längsneigungswinkel θp des Baggers 100, wie unter anderem in den 2-1 bis 2-3 und 3 dargestellt.
19 ist ein Funktionsblockdiagramm, das Verarbeitungsfunktionen bezüglich der Kalibrierung an der Recheneinheit 65 darstellt. Die Recheneinheit 65 führt den Kalibrierungsprozess an den Parametern auf der Basis der Informationen durch, die über die Eingabeeinheit 63 eingegeben wurden. Die Recheneinheit 65 hat eine Recheneinheit 65a zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems, eine Koordinatenumrechnungseinheit 65b, eine erste Kalibrierrecheneinheit 65c, eine zweite Kalibrierrecheneinheit 65d und eine Korrektureinheit 65e.
20 ist eine Seitenansicht des Baggers 100. 21 zeigt in einem Diagramm ein Beispiel eines Verfahrens zum Kalibrieren der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen Position PS der Schneidkante. Die Korrektureinheit 65e korrigiert die durch die externe Messvorrichtung 62 gemessene Position PS der Schneidkante auf der Basis des Längsneigungswinkels θp. Die Arbeitsmaschinen-Positionsinformation MI, d. h. die erste Position PS bis fünfte Position PS5, die durch die externe Messvorrichtung 62 gemessen werden, liegen infolge des Einflusses des Gewichts der Arbeitsmaschine 2 tiefer als die ursprünglichen Positionen. Daher korrigiert die Korrektureinheit 65e die erste Position PS bis fünfte Position PS5 in die ursprüngliche erste Position P1 bis fünfte Position P5 unter Verwendung des Längsneigungswinkels θp.
Nimmt man, dass sich der Bagger 100 auf der Seite der Arbeitsmaschine 2 in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten um die untere Seite des Rads 5F des Chassis 5 neigt, wie in 20 dargestellt ist, wird die Neigungsmitte als Position CF definiert. Der Längsneigungswinkel des Baggers 100, der sich in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten neigt, wird als Längsneigungswinkel θp definiert. Bei der Neigung des Baggers 100 in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten dreht sich der Auslegerbolzen 13 um die Position CP. Die Position des Auslegerbolzens 13 bei einer Neigung des Baggers 100 in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten ist mit dem Bezugszeichen 13S gekennzeichnet. Durch die Drehung des Auslegerbolzens 13 dreht sich auch die Arbeitsmaschine 2 um die Position CP, wodurch sich die Position der Schneidkante von der Position P in die Position PS ändert.
Wie in 21 dargestellt ist, sind in dem Erdschwerkraftkoordinatensystem X-Z, welches das Koordinatensystem der externen Messvorrichtung 62 ist, die Koordinaten an der Position CP mit (XC0, ZC0) bezeichnet. Ein Koordinatensystem Xc – Zc, dessen Ursprung die Position CP ist, wird nachstehend erläutert. Die Koordinaten des Ursprungs des Koordinatensystems Xc – Zc, das heißt, die Koordinaten (Xc0, Zc0) der Position CP, sind durch Xc0 in Richtung der X-Achse und durch Zc0 in Richtung der Y-Achse von dem Ursprungspunkt O (0, 0) in dem Erdschwerkraftkoordinatensystem getrennt.
Die Koordinaten der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen Position PS der Schneidkante in dem Erdschwerkraftkoordinatensystem X-Z sind mit (Xc', Zc') bezeichnet, und die Koordinaten der Position P der Schneidkante in der ursprünglichen Position der Arbeitsmaschine 2 in dem Erdschwerkraftkoordinatensystem X-Z sind mit (Xc, Yc) bezeichnet. Wie in 21 zu erkennen ist, wird die Position P der Schneidkante bestimmt, indem die Position PS der Schneidkante um den Längsneigungswinkel θp um die Position CP in Richtung nach oben gedreht wird. Die Koordinaten (Xc, Yc) der Position P der Schneidkante können bestimmt werden, indem die Koordinaten (Xc', Zc') der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen Position PS um den Ursprung des Koordinatensystems Xc – Zc, dessen Ursprung die Position CP ist, gedreht und umgerechnet werden.
Die Position P der Schneidkante in dem Koordinatensystem, dessen Ursprung die Position CP ist, ist definiert als Koordinaten (xc, zc). Durch die Verwendung der Koordinaten (Xc', Zc') der Position PS der Schneidkante in dem Erdschwerkraftkoordinatensystem X-Z wird die Position PS der Schneidkante zu den Koordinaten (Xc' – Xc0, Zc' – Zc0), wenn die Position CP als Ursprung bestimmt wird. Deshalb können die Koordinaten (xc, zc) der Position P der Schneidkante in dem Koordinatensystem mit der Position CP am Ursprung durch Gleichung (6) bestimmt werden. Die Koordinaten (Xc, Zc) der Position P der Schneidkante in dem Erdschwerkraftkoordinatensystem X-Z können unter Verwendung der durch Gleichung (6) ermittelten Koordinaten (xc, zc) und der Koordinaten (Xc0, Zc0) der Position CP als Koordinaten (Xc0 + xc, Zc0 + zc) bestimmt werden. Die Neigungsmitte ist nicht auf die Position CP beschränkt, sondern kann auf eine andere Position festgelegt werden. Zum Beispiel kann die Position einer Mitte einer Drehachse, die die obere Struktur 3 und das Chassis 5 verbindet, als Neigungsmitte festgelegt werden.
Die Korrektureinheit 65e korrigiert die erste Position PS1 bis fünfte Position PS5, die durch die externe Messvorrichtung 62 gemessen wurden, unter Anwendung von Gleichung (6) und Verwendung des Längsneigungswinkels θp. Die Korrektureinheit 65e gibt die korrigierte erste Position PS1 bis fünfte Position PS5 als Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition an die Einheit 65a zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems der Recheneinheit 65 in 19 aus. Auf diese Weise korrigiert die Korrektureinheit 65e die durch die externe Messvorrichtung 62 gemessene erste Position PS1 bis fünfte Position PS5 in die ursprüngliche erste Position P1 bis fünfte Position P5, wodurch eine Minderung der Genauigkeit der Messung der Position der Schneidkante in der Höhenrichtung des Baggers 100 gesteuert wird.
Die Einheit 65a zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems berechnet die Koordinatenumrechnungsinformation auf der Basis der Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition und der Information RI über die Position der oberen Struktur, die über die Eingabeeinheit 63 eingegeben wurden. Die Koordinatenumrechnungsinformation ist eine Information zum Umrechnen des Koordinatensystems auf der Basis der externen Messvorrichtung 62 in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Die vorstehende Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition (Arbeitsmaschinen-Positionsinformation MI) und die Antennen-Positionsinformation AI werden durch die externe Messvorrichtung 62 gemessen und werden deshalb durch das Erdschwerkraftkoordinatensystem X-Y-Z auf der Basis der externen Messvorrichtung 62 ausgedrückt. Die Koordinatenumrechnungsinformation TI ist eine Information zum Umrechnen der Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition und der Antennen-Positionsinformation AI von dem Erdschwerkraftkoordinatensystem auf der Basis der externen Messvorrichtung 62 in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem x-y-z. Im Folgenden wird ein Verfahren zum Berechnen der Koordinatenumrechnungsinformation TI beschrieben.
Die 22 und 23 zeigen schematisch ein Verfahren zum Berechnen einer Koordinatenumrechnungsinformation. Wie in 22 dargestellt ist, berechnet die Einheit 65a zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems einen ersten Einheitsnormalenvektor AH vertikal zu einer Arbeitsebene A der Arbeitsmaschine 2 auf der Basis der Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition. Die Einheit 65a zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems bestimmt durch die Anwendung der Methode der kleinsten Quadrate die Arbeitsebene der Arbeitsmaschine 2 anhand von fünf Positionen, die in der Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition enthalten sind, und berechnet dann den ersten Einheitsnormalenvektor AG auf der Basis der Arbeitsebene. Der erste Einheitsnormalenvektor AH kann auf der Basis von zwei Vektoren a1 und a2 berechnet werden, die anhand der Koordinaten von drei der fünf in der Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition enthaltenen Positionen bestimmt werden, die nicht wesentlich von den anderen beiden Positionen abweichen.
Als nächstes berechnet die Einheit 65a zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems einen zweiten Einheitsnormalenvektor vertikal zur Drehebene B der oberen Struktur 3 auf der Basis der Positionsinformationen der oberen Struktur RI. Insbesondere berechnet die Einheit 65a zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems einen zweiten Einheitsnormalenvektor BH' vertikal zu einer Drehebene B' auf der Basis von zwei Vektoren b1 und b2, die anhand der Koordinaten der ersten Drehposition P21, der zweiten Drehposition P22 und der dritten Drehposition P23, die in der Positionsinformation der oberen Struktur RI enthalten sind, bestimmt werden. Wie in 19 dargestellt ist, berechnet die Einheit 65a zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems anschließend einen Überschneidungsvektor DAB der vorstehenden Betriebsebene A und der Drehebene B' der Arbeitsmaschine 2.
Die Einheit 65a zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems berechnet einen Einheitsnormalenvektor einer Ebene B, die durch den Überschneidungssektor DAB und vertikal zur Arbeitsebene A der Arbeitsmaschine 2 verläuft, als korrigierten zweiten Einheitsnormalenvektor BH. Dann berechnet die Einheit 65a zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems einen dritten Einheitsnormalenvektor CH vertikal zu dem ersten Einheitsnormalenvektor AH und zu dem korrigierten zweiten Einheitsnormalenvektor BH.
Die Koordinatenumrechnungseinheit 65b verwendet die Koordinatenumrechnungsinformation zum Umrechnen der Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition und der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen und durch die Korrektureinheit 65e korrigierten Antennen-Positionsinformation AI von dem Koordinatensystem X-Y-Z an der externen Messvorrichtung 62 in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem (x-y-z) an dem Bagger 100. Die Koordinatenumrechnungsinformation enthält den vorgenannten ersten Einheitsnormalenvektor AH, den korrigierten zweiten Einheitsnormalenvektor BH und den dritten Einheitsnormalenvektor CH. Wie durch die folgenden Gleichung (7) angegeben ist, werden speziell die Koordinaten in dem Fahrzeugkörper-Koordinaten System durch das innere Produkt der Koordinaten in dem Koordinatensystem der externen Vorrichtung 62 berechnet, das durch den Vektor p und die Normalvektoren AH, BH und CH in der Koordinatenumrechnungsinformation angegeben wird. x = p·CH y = p·AH z = p·BH (7)
Die erste Kalibrierrecheneinheit 65c berechnet die kalibrierten Werte von Parametern unter Anwendung einer numerischen Analyse auf der Basis der Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition, die in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem umgerechnet wurde. Insbesondere berechnet die erste Kalibrierrecheneinheit 65c kalibrierte Werte von Parametern durch die Anwendung einer Methode der kleinsten Quadrate, wie in der folgenden Gleichung (8) angegeben.
Der Wert von k in Gleichung (8) entspricht der ersten Position P1 bis fünften Position P5 in der Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition. Deshalb gilt n = 5. Die Koordinaten (x1, z1) beziehen sich auf Koordinaten der ersten Position P1 in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Die Koordinaten (x2, z2) beziehen sich auf Koordinaten der zweiten Position P2 in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Die Koordinaten (x3, z3) beziehen sich auf Koordinaten der dritten Position P3 in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Die Koordinaten (x4, z4) beziehen sich auf Koordinaten der vierten Position P4 in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Die Koordinaten (x5, z5) beziehen sich auf Koordinaten der fünften Position P5 in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Die kalibrierten Werte der Arbeitsmaschinenparameter werden berechnet durch Auffinden eines Punkts, an dem die Funktion J von Gleichung (8) am kleinsten wird.
Insbesondere die kalibrierten Werte der Arbeitsmaschinenparameter Nr. 1 bis Nr. 29 in der Liste von 4. Von den Arbeitsmaschinenparametern, die in der Liste von 4 enthalten sind, werden als Löffelinformation eingegebene Werte bezüglich der Entfernung Lbucket4_x zwischen dem Löffelbolzen 15 und dem zweiten Verbindungsbolzen 48a in Richtung der xbucket-Achse und die Entfernung Lbucket4_z zwischen dem Löffelbolzen 15 und dem zweiten Verbindungsbolzen 48a in Richtung der in-zbucket-Achse verwendet.
Die zweite Kalibrierrecheneinheit 6d kalibriert Antennenparameter auf der Basis der Antennen-Positionsinformation AI, die in die Eingabeeinheit 63 eingegeben wird. Insbesondere berechnet die zweite Kalibrierrecheneinheit 65d die Koordinaten eines Mittelpunkts zwischen dem ersten Messpunkt P11 und dem zweiten Messpunkt P12 als Koordinaten der Position der Referenzantenne 21. Insbesondere werden die Koordinaten der Position der Referenzantenne 21 angegeben durch die Entfernung Lbbx zwischen dem vorgenannten Auslegerbolzen 13 und der Referenzantenne 21 in Richtung der x-Achse in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem, die Entfernung Lbby zwischen dem Auslegerbolzen 13 und der Referenzantenne 21 in Richtung der y-Achse des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems und der Entfernung Lbbz zwischen dem Auslegerbolzen 13 und der Referenzantenne 21 in Richtung der z-Achse des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems.
Die zweite Kalibrierrecheneinheit 65d berechnet auch die Koordinaten eines Mittelpunkts zwischen dem dritten Messpunkt P13 und dem vierten Messpunkt P14 als Koordinaten der Position der Richtungsantenne 22. Insbesondere werden die Koordinaten der Position der Richtungsantenne 22 angegeben durch die Entfernung Ldbx zwischen dem Auslegerbolzen 13 und der Richtungsantenne 22 in Richtung der x-Achse in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem, die Entfernung Ldby zwischen dem Auslegerbolzen 13 und der Richtungsantenne 22 in Richtung der y-Achse in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem und der Entfernung Lbbz zwischen dem Auslegerbolzen 13 und der Richtungsantenne 22 in Richtung der z-Achse des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems. Anschließend gibt die zweite Kalibrierrecheneinheit 65d die Koordinaten der Positionen der Antennen 21 und 22 als kalibrierte Werte der Antennenparameter Lbbx, Lbby, Lbbz, Lbdx, Lbdy und Lbdz aus.
Die Arbeitsmaschinenparameter, die durch die erste Kalibrierrecheneinheit 65a berechnet wurden, die Antennenparameter, die durch die zweite Kalibrierrecheneinheit 65d berechnet wurden, und die Löffelinformationen werden zur Verwendung bei der vorstehenden Berechnung der Schneidkantenposition in der Speichereinheit 43 der Displaysteuereinheit 39 gespeichert.
In dem Kalibriersystem 200 für den Bagger 100 werden die Koordinaten der Schneidkante des Löffels 8 an der Vielzahl der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen Positionen in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem umgerechnet. Danach werden die kalibrierten Werte der Parameter durch eine numerische Analyse auf der Basis der Koordinaten der Schneidkante des Löffels 8 an der Vielzahl von Positionen, die in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem umgerechnet wurden, automatisch berechnet. Dies ermöglicht eine Verringerung der Anzahl von Parametern, die eine tatsächliche Messung erfordern. Außerdem ist es nicht notwendig, die Werte der Parameter bei der Kalibrierung anzupassen, bis eine Übereinstimmung zwischen den gemessenen Werten und den berechneten Werten der Positionskoordinaten der Schneidkante des Löffels 8 erreicht ist. Die Genauigkeit der Positionsdetektion der Schneidkante kann daher verbessert und die Kalibrierungszeit in dem Kalibriersystem 200 für den Bagger 100 verkürzt werden.
Bei der Kalibrierung wird der durch die Positionsinformation(en) der oberen Struktur RI angegebene Einheitsnormalenvektor BH' vertikal zur Drehebene B' nicht als zweiter Einheitsnormalenvektor wie in 22 angegeben verwendet, sondern es wird zuerst der Überschneidungsvektor DAB zwischen der Arbeitsebene A der Arbeitsmaschine 2 und der Drehebene B' der oberen Struktur 3 berechnet, wie in 23 dargestellt. Dann wird der Einheitsnormalenvektor BH der Ebene B, die durch den Überschneidungsvektor DAB und vertikal zur Arbeitsebene A der Arbeitsmaschine 2 verläuft, als zweiter Einheitsnormalenvektor berechnet. Dies ermöglicht eine hochgenaue Berechnung des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems selbst dann, wenn die Arbeitsebene A der Arbeitsmaschine 2 und die Drehebene B' der oberen Struktur B' nicht genau vertikal zueinander sind. Die Genauigkeit der Detektion der Position der Schneidkante des Löffels 8 kann dadurch noch weiter verbessert werden.
Die Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition enthält die Koordinaten der ersten Position P1 bis fünften Position P5, die bei der Arbeitsmaschine 2 in der vertikalen Richtung des Fahrzeugkörpers und in dessen Richtung von vorne nach hinten unterschiedlich sind. Durch die Verwendung der Koordinaten der verschiedenen Positionen ist eine hochgenaue Berechnung der Koordinatenumrechnungsinformationen möglich. Ferner wird die Information MIC der korrigierten Arbeitsmaschinenposition ermittelt durch die Korrektur der durch die externe Messvorrichtung 62 gemessenen Arbeitsmaschinen-Positionsinformation MI unter Berücksichtigung der Neigung des Baggers 100 in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten, wodurch die Werte der Information näher an die ursprüngliche Position der Schneidkante heranreichen. Dies steuert bzw. kontrolliert eine Minderung der Genauigkeit der Messung der Position der Schneidkante in der Höhenrichtung des Baggers 100 und steuert bzw. kontrolliert dadurch eine Minderung der Genauigkeit der Kalibrierung. Es ist also möglich, die Minderung der Genauigkeit der kalibrierten Werte der Arbeitsmaschinenparameter zu steuern.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Die vorstehend beschriebenen grundlegenden Elemente können auch dem Fachmann bekannte Elemente sein, Elemente, die den vorstehenden grundlegenden Elementen nahezu gleichen, und Elemente, die zu den vorstehenden grundlegenden Elementen äquivalent sind. Ferner können die vorstehenden grundlegenden Elemente, soweit erforderlich, kombiniert werden. Ferner können im Rahmen der Erfindung grundlegende Elemente weggelassen, durch andere ersetzt oder modifiziert werden. Die Arbeitsmaschine 2 hat zum Beispiel einen Ausleger 6, einen Stiel 7 und einen Löffel 8. Das Arbeitswerkzeug, das an der Arbeitsmaschine 2 befestigt ist, ist jedoch nicht auf den Löffel 8 beschränkt.
Die Schneidkante des Löffels 8 ist als Beispiel eines Arbeitspunkts angegeben. Wenn jedoch nicht der Löffel 8, sondern stattdessen ein anderes Arbeitswerkzeug verwendet wird, kann der Arbeitspunkt ein Punkt sein, der sich mit dem Zielgegenstand in Kontakt befindet, wie zum Beispiel ein vorderes Ende des Arbeitswerkzeugs. Die Drehwinkel α, β und γ des Auslegers 6, des Stiels 7 und des Löffels 8 können durch Winkelsensoren direkt detektiert werden. Der Neigungswinkel θp kann zum Beispiel anhand der Ergebnisse der Detektion durch ein Nivellierinstrument bestimmt werden, das als Vorrichtung zum Erfassen der Neigungsinformation an dem Gegengewicht WT des Baggers 100 befestigt ist. Außerdem kann an dem Ausleger 6 ein Drucksensor vorgesehen sein, um ein Moment der Arbeitsmaschine 2 zu bestimmen, und um danach anhand des ermittelten Moments die Information über die Neigung des Baggers 100 in der Richtung des Fahrzeugkörpers von vorne nach hinten, z. B. den Längsneigungswinkel θp, zu bestimmen.
Die Arbeitsmaschinen-Positionsinformation MI beschränkt sich nicht auf die Koordinaten der fünf Positionen der Schneidkante des Löffels 8. Zum Beispiel kann die Arbeitsmaschinen-Positionsinformation MI mindestens drei Positionen des Arbeitspunkts in unterschiedlichen Stellungen der Arbeitsmaschine 2 enthalten. In diesem Fall sind die drei Positionen des Arbeitspunkts gegebenenfalls nicht in einer geraden Linie aneinandergreiht, sondern eine Position des Arbeitspunkts kann von einer die beiden anderen Arbeitspunkte verbindenden Linie in der Richtung des Fahrzeugkörpers von oben nach unten und von vorne nach hinten getrennt sein.
Die Arbeitsmaschinen-Positionsinformation MI, die Positionsinformationen der oberen Struktur RI und die Antennen-Positionsinformation AI können über ein drahtloses oder verdrahtetes Kommunikationsmittel von der externen Messvorrichtung 62 in die Eingabeeinheit 63 der Kalibriervorrichtung 60 eingegeben werden. Die externe Messvorrichtung 62 beschränkt sich nicht auf eine Totalstation, sondern kann auch eine andere Vorrichtung zum Messen der Position des Arbeitspunkts sein. In der Ausführungsform wird der durch die Korrektur des Einheitsnormalenvektors BH' vertikal zu der durch die Positionsinformationen der oberen Struktur RI angegebenen Drehebene B' ermittelte Einheitsnormalenvektor BH als Koordinatenumrechnungsinformation verwendet. Stattdessen kann jedoch auch der Einheitsnormalenvektor BH' als Koordinatenumrechnungsinformation verwendet werden.
Bezugszeichenliste

2: Arbeitsmaschine
3: obere Struktur
5: Chassis
6: Ausleger
7: Stiel
8: Löffel (Arbeitswerkzeug)
60: Kalibriervorrichtung
63: Eingabevorrichtung
62: externe Messvorrichtung
65a: Einheit zum Berechnen des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems
65b: Koordinatenumrechnungseinheit
65c: erste Kalibrierrecheneinheit
65d: zweite Kalibrierrecheneinheit
65e: Korrektureinheit
100: Bagger

Claims

Kalibriersystem für einen Bagger, umfassend: den Bagger, der ein Chassis, eine drehbar auf dem Chassis angeordnete obere Struktur, eine Arbeitsmaschine mit einem an der oberen Struktur drehbar befestigten Ausleger, einem an dem Ausleger drehbar befestigten Stiel und einem an dem Stiel drehbar befestigten Arbeitswerkzeug und eine Recheneinheit zum Berechnen einer aktuellen Position aufweist, die eine aktuelle Position eines in dem Arbeitswerkzeug enthaltenen Arbeitspunkts auf der Basis einer Vielzahl von Parametern berechnet, die Dimensionen des Auslegers, des Stiels und des Arbeitswerkzeugs, einen Drehwinkel des Auslegers mit Bezug auf die obere Struktur, einen Drehwinkel des Stiels mit Bezug auf den Ausleger und einen Drehwinkel des Arbeitswerkzeugs mit Bezug auf den Stiel angeben; eine Kalibriervorrichtung, die für das Kalibrieren der Parameter konfiguriert ist; eine externe Messvorrichtung, die eine Position des Arbeitspunkts misst; und eine Vorrichtung zur Erfassung einer Neigungsinformation, die eine Information über die Neigung des Baggers in einer Richtung von vorne nach hinten eines Fahrzeugkörpers erfasst, wobei die Kalibriervorrichtung eine Vielzahl von durch die externe Messvorrichtung gemessenen Positionen des Arbeitspunkts auf der Basis der durch die Vorrichtung zur Erfassung einer Neigungsinformation erfassten Information über die Neigung des Baggers in der Richtung von vorne nach hinten des Fahrzeugkörpers korrigiert und kalibrierte Werte der Parameter auf der Basis von Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von korrigierten Positionen berechnet.
Kalibriersystem für einen Bagger, umfassend: den Bagger, der ein Chassis, eine drehbar auf dem Chassis angeordnete obere Struktur, eine Arbeitsmaschine mit einem an der oberen Struktur drehbar befestigten Ausleger, einem an dem Ausleger drehbar befestigten Stiel und einem an dem Stiel drehbar befestigten Arbeitswerkzeug, eine Winkeldetektoreinheit, die einen Drehwinkel des Auslegers bezüglich der oberen Struktur, einen Drehwinkel des Stiels bezüglich des Auslegers und einen Drehwinkel des Arbeitswerkzeugs bezüglich des Stiels detektiert, und eine Recheneinheit zum Berechnen einer aktuellen Position aufweist, die eine aktuelle Position eines in dem Arbeitswerkzeug enthaltenen Arbeitspunkts auf der Basis einer Vielzahl von Parametern berechnet, die die Dimensionen und Drehwinkel des Auslegers, des Stiels und des Arbeitswerkzeugs angeben; eine Kalibriervorrichtung, die für das Kalibrieren der Parameter konfiguriert ist; eine externe Messvorrichtung, die eine Position des Arbeitspunkts misst; und eine Vorrichtung zur Erfassung einer Neigungsinformation, die eine Information über die Neigung des Baggers in einer Richtung von vorne nach hinten eines Fahrzeugkörpers erfasst, wobei die Kalibriervorrichtung umfasst: eine Eingabeeinheit, in die Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen, die mindestens drei durch die externe Messvorrichtung gemessene Positionen des Arbeitspunkts bei unterschiedlicher Stellung der Arbeitsmaschine enthalten, Positionsinformationen der oberen Struktur, die mindestens drei Positionen des Arbeitspunkts bei unterschiedlichem Drehwinkel der oberen Struktur bezüglich des Chassis enthalten, und eine durch die Vorrichtung zur Erfassung von Neigungsinformationen erfasste Informationen über die Neigung des Baggers in der Richtung von vorne nach hinten des Fahrzeugkörpers entsprechend den Positionen des Arbeitspunkts, die in den Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen enthalten sind, eingegeben werden; eine Korrektureinheit, die die in den Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen enthaltenen Positionen des Arbeitspunkts auf der Basis der Neigungsinformation korrigiert; eine Einheit zum Berechnen eines Fahrzeugkörper-Koordinatensystems, die einen ersten Einheitsnormalenvektor vertikal zu einer Arbeitsebene der Arbeitsmaschine auf der Basis der Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen, die die korrigierten Positionen des Arbeitspunkts enthalten, berechnet, die einen zweiten Einheitsnormalenvektor vertikal zu einer Drehebene der oberen Struktur auf der Basis der Positionsinformation der oberen Struktur berechnet und die einen dritten Einheitsnormalenvektor vertikal zu dem ersten Einheitsnormalenvektor und zu dem zweiten Einheitsnormalenvektor berechnet; eine Koordinatenumrechnungseinheit, die Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von durch die externe Messvorrichtung gemessenen Positionen von einem Koordinatensystem an der externen Messvorrichtung in ein Fahrzeugkörper-Koordinatensystem an dem Bagger umrechnet, unter Verwendung des ersten Einheitsnormalenvektors, des zweiten Einheitsnormalenvektors und des dritten Einheitsnormalenvektors; und eine Kalibrierrecheneinheit, die kalibrierte Werte der Parameter auf der Basis der Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem umgerechneten Positionen berechnet.
Kalibriersystem für einen Bagger nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Neigungsinformation ein Längsneigungswinkel des Baggers ist.
Kalibrierverfahren für einen Bagger, der ein Chassis, eine drehbar auf dem Chassis angeordnete obere Struktur und eine Arbeitsmaschine mit einem an der oberen Struktur drehbar befestigten Ausleger, einem an dem Ausleger drehbar befestigten Stiel und einem an dem Stiel drehbar befestigten Arbeitswerkzeug hat, wobei das Verfahren vorgesehen ist zum Kalibrieren einer Vielzahl von Parametern, die die Dimensionen und Drehwinkel des Auslegers, des Stiels und des Arbeitswerkzeugs beschreiben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das Beziehen einer Information über die Neigung des Baggers in einer Richtung von vorne nach hinten eines Fahrzeugkörpers; das Korrigieren der Vielzahl von Positionen des in dem Arbeitswerkzeug enthaltenen Arbeitspunkts auf der Basis der Neigungsinformation; und das Berechnen von kalibrierten Werten der Parameter auf der Basis von Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von korrigierten Positionen.
Kalibrierverfahren für einen Bagger, der ein Chassis, eine drehbar auf dem Chassis angeordnete obere Struktur und eine Arbeitsmaschine mit einem an der oberen Struktur drehbar befestigten Ausleger, einem an dem Ausleger drehbar befestigten Stiel und einem an dem Stiel drehbar befestigten Arbeitswerkzeug hat, wobei das Verfahren vorgesehen ist zum Kalibrieren einer Vielzahl von Parametern, die die Dimensionen und Drehwinkel des Auslegers, des Stiels und des Arbeitswerkzeugs beschreiben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das Beziehen von Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen, die mindestens zwei Positionen des Arbeitspunkts bei unterschiedlicher Stellung der Arbeitsmaschine und eine Position eines vorgegebenen Referenzpunkts an einer Arbeitsebene der Arbeitsmaschine enthalten oder mindestens drei Positionen des in dem Arbeitswerkzeug enthaltenen Arbeitspunkts bei unterschiedlicher Stellung der Arbeitsmaschine enthalten, von Positionsinformationen der oberen Struktur, die mindestens drei Positionen des Arbeitspunkts bei unterschiedlichem Drehwinkel der oberen Struktur bezüglich des Chassis enthalten, und von Informationen über die Neigung des Baggers in einer Richtung von vorne nach hinten eines Fahrzeugkörpers entsprechend den Positionen des Arbeitspunkts, die in den Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen enthalten sind; das Korrigieren der Positionen des Arbeitspunkts, die in den Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen enthalten sind, auf der Basis der Neigungsinformation; das Berechnen eines ersten Einheitsnormalenvektors vertikal zur Arbeitsebene der Arbeitsmaschine auf der Basis der Arbeitsmaschinen-Positionsinformationen, die die korrigierten Positionen des Arbeitspunkts enthalten, das Berechnen eines zweiten Einheitsnormalenvektors vertikal zu einer Drehebene der oberen Struktur auf der Basis der Positionsinformationen der oberen Struktur und das Berechnen eines dritten Einheitsnormalenvektors vertikal zu dem ersten Einheitsnormalenvektor und zu dem zweiten Einheitsnormalenvektor; das Umrechnen der Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von Positionen von einem Koordinatensystem an der externen Messvorrichtung in ein Fahrzeugkörper-Koordinatensystem an dem Bagger, unter Verwendung des ersten Einheitsnormalenvektors, des zweiten Einheitsnormalenvektors und des dritten Einheitsnormalenvektors; und das Berechnen von kalibrierten Werten der Parameter auf der Basis der Koordinaten des Arbeitspunkts an der Vielzahl von Positionen, die in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem umgerechnet wurden.