DE112015000068B4

DE112015000068B4 - Baumaschinensteuersystem und Baumaschinensteuerverfahren

Info

Publication number: DE112015000068B4
Application number: DE112015000068.2T
Authority: DE
Inventors: Shunichiro Kondo; Daiki Arimatsu; Yoshiki Kami; Yasuo Kanemitsu; Yuki Shimano; Yuto Fujii
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: KR101859263B1; CN105339759A; CN105339759B; US9617717B2; JPWO2015186845A1; DE112015000068T5; US20160376772A1; WO2015186845A1; JP5909029B1; KR20170003878A

Abstract

Baumaschinensteuersystem (200, 200a, 200b), das eine Baumaschine (100) steuert, die eine Fahrvorrichtung (5), ein Arbeitsgerät (2) mit einem Arbeitswerkzeug (8) und einen Drehwagen (3) umfasst, an dem das Arbeitsgerät (2) befestigt ist und der auf der Fahrvorrichtung (5) drehbar montiert ist, wobei das System umfasst:eine Positionsdetektionsvorrichtung (23), die eine erste Position (P1, P2) detektiert, welche eine Position eines Teilbereichs der Baumaschine (100) ist, und die die erste Position (P1, P2) als erste Positionsinformation (P1, P2) ausgibt;eine Zustandsdetektionsvorrichtung (24), die Betriebsinformation (MI), die über einen Betrieb der Baumaschine (100) Aufschluss geben, detektiert und ausgibt; undeine Verarbeitungsvorrichtung (39), die eine Position eines bestimmten Punkts, der ein Schnittpunkt zwischen einer Achse einer Schwenkmitte (z) des Drehwagens (3) und einer Ebene ist, die einer Geländefläche entspricht, mit welcher die Fahrvorrichtung (5) in Berührung kommt, welche eine Information ist, die aus der ersten Position (P1, P2) und der Betriebsinformation (MI) ermittelt wird, einem Glättungsprozess unterzieht, unter Verwendung der Position des bestimmten Punkts, die nach dem Glättungsprozess erhalten wird, eine zweite Position (P1i, P2i), die der Position des Teilbereichs entspricht und in welcher ein Einfluss einer Variation eines Positionsmessergebnisses der ersten Position (P1, P2) unterdrückt ist, berechnet und unter Verwendung der Information der zweiten Position (P1i, P2i) eine Position zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsgeräts (2) berechnet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Vorliegende Erfindung betrifft ein Baumaschinensteuersystem, das in einer Baumaschine mit einem Arbeitsgerät verwendet wird, und eine Baumaschine.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Verfahren für eine dreidimensionale Positionsbestimmung einer Baumaschine mittels eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) oder dergleichen, für ein Management der Baumaschine unter Verwendung der erhaltenen Informationen über die Position der Baumaschine, für ein Management des Fortschritts der Bauarbeiten, die mit der Baumaschine durchgeführt werden, und für eine Steuerung der Baumaschine ist bekannt (siehe z.B. Patentliteratur 1).
DOKUMENTELISTE
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentpublikation Nr. 2007-147588
ÜBERSICHT
Technisches Problem
Als Baumaschine mit einer Vorrichtung zur Positionsmessung derselben ist eine Baumaschine bekannt, bei der ein Bedienungs-Führungsbildschirm auf einer in einer Kabine vorgesehenen Displayvorrichtung angezeigt wird oder der Betrieb der Baumaschine unter Verwendung der Positionsinformationen, die durch die Vorrichtung erfasst werden, gesteuert wird. Eine Bauausführung unter Einsatz einer Baumaschine dieser Art wird als computergestützte Bauausführung bezeichnet.
In manchen Fällen wird ein Bauvorhaben computergestützt durchgeführt. Bei einer computergestützten Bauausführung wird erwartet, dass bei der Herstellung einer Böschung durch einen Bagger, der mit GPS-Antennen und dergleichen ausgestattet ist, die Bauzeit verkürzt wird oder das Problem eines Mangels an qualifizierten Baggerführern gelöst wird.
Die Ergebnisse der Positionsmessung können wegen des Einflusses einer Anordnung von GPS-Satelliten, der Ionosphäre, der Troposphäre oder geographischer Gegebenheiten in der Nähe einer GPS-Antenne variieren. Bei der computergestützten Bauausführung wird eine Schneidkantenposition eines Baggerlöffels auf der Basis des Ergebnisses der Positionsmessung berechnet und das Arbeitsgerät gesteuert und ein Führungsbildschirm angezeigt. Durch den Einfluss einer Variation des Ergebnisses der Positionsmessung kann es jedoch vorkommen, dass die Konstruktionsfläche oder die Schneidkante des Löffels, die auf dem Führungsbildschirm angezeigt werden, schwanken. Die fertige Konstruktionsfläche ist deshalb gegebenenfalls nicht gleichmäßig, und die Sichtbarkeit des Führungsbildschirms während der Bauarbeiten kann sich verschlechtern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einfluss einer Variation des Ergebnisses der Positionsmessung bei einer Baumaschine, die Bauarbeiten auf der Basis des Ergebnisses der Positionsmessung der Baumaschine computergestützt durchführt, auf eine computergestützte Bauausführung zu verringern.
Problemlösung
Erfindungsgemäß wird ein Baumaschinensteuersystem angegeben, das eine Baumaschine steuert, die eine Fahrvorrichtung, ein Arbeitsgerät mit einem Arbeitswerkzeug und einen Drehwagen umfasst, an dem das Arbeitsgerät befestigt ist und der auf der Fahrvorrichtung schwenkbar montiert ist, wobei das System umfasst: eine Positionsdetektionsvorrichtung, die eine erste Position detektiert, welche eine Position eines Teilbereichs der Baumaschine ist, und die erste Position als erste Positionsinformation ausgibt; eine Zustandsdetektionsvorrichtung, die Betriebsinformationen, die über den Betrieb der Baumaschine Aufschluss geben, detektiert und ausgibt; und eine Verarbeitungsvorrichtung, die eine Position eines bestimmten Punkts, der ein Schnittpunkt zwischen einer Achse einer Schwenkmitte des Drehwagens und einer Ebene ist, die einer Geländefläche entspricht, mit welcher die Fahrvorrichtung in Berührung kommt, welche eine Information ist, die aus der ersten Position und der Betriebsinformation ermittelt wird, einem Glättungsprozess unterzieht, unter Verwendung der Position des bestimmten Punkts, die nach dem Glättungsprozess erhalten wird, eine zweite Position, die der Position des Teilbereichs entspricht und in welcher ein Einfluss einer Variation eines Positionsmessergebnisses der ersten Position unterdrückt ist, berechnet und unter Verwendung der Information der zweiten Position eine Position zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsgeräts berechnet.
Erfindungsgemäß wird weiterhinein Baumaschinensteuersystem angegeben, das eine Baumaschine steuert, die eine Fahrvorrichtung, ein Arbeitsgerät mit einem Arbeitswerkzeug und einen Drehwagen umfasst, an dem das Arbeitsgerät befestigt ist und der auf der Fahrvorrichtung drehbar montiert ist. Das System umfasst dabei: eine Positionsdetektionsvorrichtung, die eine erste Position detektiert, welche eine Position eines Teilbereichs der Baumaschine ist, und die die erste Position als erste Positionsinformation ausgibt; eine Zustandsdetektionsvorrichtung, die Betriebsinformation , die über einen Betrieb der Baumaschine Aufschluss geben, detektiert und ausgibt; und eine Verarbeitungsvorrichtung, die auf Basis der Betriebsinformation die Geschwindigkeit einer Antenne berechnet, die mit der Positionsdetektionsvorrichtung verbunden ist und zum Detektieren einer Position der Baumaschine verwendet wird, die erste Position einem Glättungsprozess unterzieht, und dabei die Geschwindigkeit der Antenne verwendet, um eine zweite Position zu berechnen, die der Position des Teilbereichs entspricht und in welcher ein Einfluss einer Variation eines Positionsmessergebnisses der ersten Position unterdrückt ist, und unter Verwendung der Information der zweiten Position eine Position zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsgeräts berechnet.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt, dass die Verarbeitungsvorrichtung die Position zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsgeräts unter Verwendung der zweiten Position berechnet, wenn die durch die Positionsdetektionsvorrichtung detektierte Position der Baumaschine normal ist, der Fahrbetrieb der Baumaschine gestoppt wurde und der Drehwagen nicht geschwenkt wird.
Die Verarbeitungsvorrichtung setzt den Vorgang der Berechnung der zweiten Positionsinformation vorzugsweise aus, wenn die Baumaschine gestoppt und der Drehwagen geschwenkt wird.
Die Verarbeitungsvorrichtung berechnet vorzugsweise die Position zumindest des Teilbereichs des Arbeitsgeräts unter Verwendung der zweiten Positionsinformation, die erhalten wird, bevor der Vorgang der Berechnung der zweiten Position ausgesetzt wird, wenn die Schwenkbewegung des Drehwagens gestoppt wird.
Die Verarbeitungsvorrichtung stoppt vorzugsweise den Vorgang der Berechnung der zweiten Positionsinformation, wenn die Baumaschine zu fahren beginnt, wenn der Vorgang der Berechnung der zweiten Position ausgesetzt ist.
Die Verarbeitungsvorrichtung stoppt vorzugsweise den Vorgang der Berechnung der zweiten Position, wenn die Positionsdetektionsvorrichtung die Position der Baumaschine normal detektiert hat und die Fahrt der Baumaschine gestoppt wird.
Die Verarbeitungsvorrichtung enthält vorzugsweise eine Positionsschätzeinheit, die die Position der Baumaschine unter Verwendung der Betriebsinformation schätzt, die durch die Schätzung erhaltene geschätzte Position der Baumaschine korrigiert und die korrigierte Position als die zweite Position ausgibt, und eine Fehlerberechnungseinheit, die unter Verwendung zumindest der ersten Positionsinformation oder zumindest der Betriebsinformation einen in der geschätzten Position enthaltenen Fehler berechnet und den Fehler an die Positionsschätzeinheit ausgibt, wobei die Positionsschätzeinheit vorzugsweise die geschätzte Position unter Verwendung des von der Fehlerberechnungseinheit ausgegebenen Fehlers korrigiert.
Die Verarbeitungsvorrichtung wählt vorzugsweise eine Information, die in die Fehlerberechnungseinheit einzugeben ist, indem sie einen Detektionszustand der Position der Baumaschine durch die Positionsdetektionsvorrichtung und einen Betriebszustand der Baumaschine verwendet.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt, dass die Verarbeitungsvorrichtung auf Basis der von der Verarbeitungsvorrichtung berechneten Position des Teilbereichs des Arbeitsgeräts einen Betrieb des Arbeitsgeräts steuert oder bewirkt, dass eine in der Baumaschine enthaltene Displayeinheit die Position des Teilbereichs des Arbeitsgeräts anzeigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Baumaschine angegeben, die das Baumaschinensteuersystem enthält.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Baumaschinensteuerverfahren zum Steuern einer Baumaschine angegeben, die eine Fahrvorrichtung, ein Arbeitsgerät mit einem Arbeitswerkzeug und einen Drehwagen aufweist, an dem das Arbeitsgerät befestigt ist und der auf der Fahrvorrichtung schwenkbar montiert ist, wobei das Verfahren umfasst: das Berechnen einer Position eines bestimmten Punkts, der ein Schnittpunkt zwischen einer Achse einer Schwenkmitte des Drehwagens und einer Ebene ist, die einer Geländefläche entspricht, mit welcher die Fahrvorrichtung in Berührung kommt unter Verwendung einer ersten Position, welche eine Position eines Teilbereichs der Baumaschine ist, der durch eine in der Baumaschine enthaltene Positionsdetektionsvorrichtung detektiert wird, und der Betriebsinformationen der Baumaschine, die durch eine in der Baumaschine enthaltene Zustandsdetektionsvorrichtung detektiert werden; das die Position des bestimmten Punkts einem Glättungsprozess Unterziehen; das Berechnen einer zweiten Position, die der Position des Teilbereichs entspricht und in welcher ein Einfluss einer Variation eines Positionsmessergebnisses der ersten Position unterdrückt ist, unter Verwendung der Position des bestimmten Punkts, die nach dem Glättungsprozess erhalten wird; und das Berechnen einer Position von zumindest einem Teilbereich des Arbeitsgeräts unter Verwendung der zweiten Position.
Die zweite Position wird vorzugsweise berechnet unter Verwendung einer Position eines bestimmten Punkts, der ein Schnittpunkt zwischen einer Achse der Schwenkmitte des Drehwagens und einer Ebene ist, die einer Geländefläche entspricht, mit welcher die Fahrvorrichtung in Berührung ist, wobei dieser eine Information ist, die anhand der ersten Position und der Betriebsinformation ermittelt wird
Vorzugsweise wird die Position des bestimmten Punkts einem Glättungsprozess unterzogen, und die zweite Position wird unter Verwendung der Position des bestimmten Punkts, die nach dem Glättungsprozess erhalten wird, berechnet.
Vorzugsweise wird die erste Position einem Glättungsprozess unterzogen, wobei die Betriebsinformation zur Berechnung der zweiten Position verwendet werden.
Vorzugsweise wird bei der Berechnung der zweiten Position eine geschätzte Position berechnet, indem die Position der Baumaschine unter Verwendung der Betriebsinformation berechnet wird, ein in der geschätzten Position enthaltener Fehler wird unter Verwendung zumindest der ersten Position oder zumindest der Betriebsinformation berechnet, und der geschätzte Fehler wird unter Verwendung des Fehlers, der von der Fehlerberechnungseinheit ausgegeben wird, korrigiert.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Baumaschinensteuerverfahren zum Steuern einer Baumaschine angegeben, die eine Fahrvorrichtung, ein Arbeitsgerät mit einem Arbeitswerkzeug und einen Drehwagen umfasst, an dem das Arbeitsgerät befestigt ist und der auf der Fahrvorrichtung drehbar montiert ist. Dabei umfasst das Verfahren: das Berechnen der Geschwindigkeit einer Antenne, die zum Detektieren einer Position der Baumaschine verwendet wird, auf Basis einer von einer Zustandsdetektionsvorrichtung, die in der Baumaschine enthalten ist, detektierten Betriebsinformation der Baumaschine; das eine erste Position einem Glättungsprozess Unterziehen, welche eine durch eine Positionsdetektionsvorrichtung, die in der Baumaschine enthalten ist, detektierte Position eines Teilbereichs der Baumaschine ist, unter Verwendung der Geschwindigkeit der Antenne, um eine zweite Position zu berechnen, die der Position des Teilbereichs entspricht und in welcher ein Einfluss einer Variation eines Positionsmessergebnisses der ersten Position unterdrückt ist, und das Berechnen einer Position zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsgeräts unter Verwendung der Information der zweiten Position.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Einfluss zu reduzieren, den eine Variation des Ergebnisses der Positionsbestimmung bei einer Baumaschine, die die Bauarbeiten auf der Basis der Ergebnisse der Positionsbestimmung der Baumaschine computergestützt durchführt, auf eine computergestützte Bauausführung hat.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Baumaschine gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Konfiguration eines Steuersystems und eines Hydrauliksystems;
3 ist eine Seitenansicht eines Baggers;
4 ist eine Rückansicht eines Baggers;
5 ist ein Steuerblockdiagramm eines Steuersystems gemäß der ersten Ausführungsform;
6 ist eine Ansicht, die eine Stellung des Baggers von oben zeigt;
7 zeigt schematisch eine Positionsinformations-Berechnungseinheit, die in einer Vorrichtungssteuerung gemäß der ersten Ausführungsform enthalten ist;
8 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Prozesses des Steuersystems gemäß der ersten Ausführungsform;
9 ist ein Diagramm, das den Zustandsübergang eines Glättungsprozesses zeigt;
10 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Prozesses, in dem eine Vorrichtungssteuerung in den Zustand eines Glättungsprozesses übergeht, und insbesondere zur Darstellung des Prozesses im Zusammenhang mit der Aussetzung des Glättungsprozesses;
11 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Prozesses, in dem eine Vorrichtungssteuerung in den Zustand eines Glättungsprozesses übergeht, und insbesondere zur Darstellung des Prozesses im Zusammenhang mit dem Rücksetzen des Glättungsprozesses;
12 ist ein Steuerblockdiagramm eines Steuersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform;
13 zeigt schematisch eine Positionsinformations-Berechnungseinheit, die in einer Vorrichtungssteuerung gemäß der zweiten Ausführungsform enthalten ist;
14 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Beispiels des Prozesses des Steuersystems gemäß der zweiten Ausführungsform;
15 ist ein Steuerblockdiagramm eines Steuersystems gemäß der dritten Ausführungsform;
16 zeigt schematisch eine Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit, die in einer Vorrichtungssteuerung gemäß der dritten Ausführungsform enthalten ist;
17 ist ein Steuerblockdiagramm der Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit, die in der Vorrichtungssteuerung gemäß der dritten Ausführungsform enthalten ist;
18 zeigt ein Beispiel einer Tabelle, in der Informationen angegeben sind, die verwendet werden, wenn eine Fehlerberechnungseinheit eine anzuwendende Observationsgleichung wählt;
19 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Prozesses des Steuersystems gemäß der dritten Ausführungsform darstellt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Implementierungen (Ausführungsformen) der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Erste Ausführungsform
<Gesamtkonfiguration der Baumaschine>
1 ist eine perspektivische Ansicht der Baumaschine gemäß einer ersten Ausführungsform. 2 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Konfiguration eines Steuersystems 200 und eines Hydrauliksystems 300. Ein als Baumaschine dienender Bagger 100 hat einen Fahrzeugkörper 1 als Hauptkörper und ein Arbeitsgerät 2. Der Fahrzeugkörper 1 hat einen oberen Drehwagen 3, der eine Schwenkkonstruktion ist, und eine Fahrvorrichtung 5, die eine Fahrkonstruktion ist. Der obere Drehwagen 3 enthält einen Antriebsmaschinenraum 3EG, in dem eine Antriebsmaschine als Kraftgenerator und eine Hydraulikpumpe untergebracht sind.
In der vorliegenden Ausführungsform hat der Bagger 100 als Vorrichtung zum Erzeugen einer Antriebskraft eine Brennkraftmaschine wie beispielsweise eine Dieselmaschine, wobei die Vorrichtung zum Erzeugen einer Antriebskraft nicht auf eine Brennkraftmaschine beschränkt ist. Die Vorrichtung zum Erzeugen einer Antriebskraft des Baggers 100 kann zum Beispiel eine sogenannte Hybridvorrichtung sein, bei der eine Brennkraftmaschine, ein Generatormotor und ein Energiespeicher kombiniert sind. Darüber hinaus kann die Vorrichtung zum Erzeugen einer Antriebskraft des Baggers 100 eine Vorrichtung sein, die keine Brennkraftmaschine hat und bei der ein Energiespeicher und ein Generatormotor kombiniert sind.
Der obere Drehwagen 3 trägt eine Kabine 4. Die Kabine 4 ist auf der anderen Endseite des oberen Drehwagens 3 angeordnet, d.h. die Kabine 4 befindet sich auf der dem Antriebsmaschinenraum 3EG gegenüberliegenden Seite. Eine Displayeinheit 29 und eine Betätigungsvorrichtung 25, die in 2 gezeigt sind, sind in der Kabine 4 angeordnet. Auf der Oberseite des Drehwagens 3 ist ein Geländer 9 angebracht.
Auf der Fahrvorrichtung 5 ist der obere Drehwagen 3 montiert. Die Fahrvorrichtung 5 umfasst Raupenketten 5a, 5b. Die Fahrvorrichtung 5 wird durch einen oder beide Hydraulikmotoren 5c angetrieben, die auf ihrer rechten und linken Seite vorgesehen sind. Wenn sich die Raupenketten 5a, 5b der Fahrvorrichtung 5 drehen, bewegt sich der Bagger 100. Das Arbeitsgerät 2 ist auf der Seite der Kabine 4 des oberen Drehwagens 3 angeordnet.
Der Bagger 100 kann anstelle der Raupenketten 5a, 5b eine Fahrvorrichtung mit Rädern aufweisen, wobei die Fahrbewegung durch eine Übertragung der Antriebskraft der Antriebsmaschine über ein Getriebe auf die Räder ermöglicht wird. Ein Beispiel des Baggers 100 in dieser Form ist ein Radbagger.
Die Vorderseite des oberen Drehwagens 3 ist eine Seite, auf der das Arbeitsgerät 2 und die Kabine 4 liegen, und die Rückseite des oberen Drehwagens ist eine Seite, auf welcher der Antriebsmaschinenraum 3EG angeordnet ist. Die Richtung nach vorne und nach hinten des oberen Drehwagens 3 entspricht einer x-Achsenrichtung. Die linke Seite ist die linke Seite des oberen Drehwagens 3, wenn dieser nach vorne weist, und die rechte Seite ist die rechte Seite des oberen Drehwagens 3, wenn dieser nach vorne weist. Die Richtung nach links und nach rechts des oberen Drehwagens 3 wird auch als Breitenrichtung oder als y-Achsenrichtung bezeichnet. Die Unterseite des Baggers 100 oder des Fahrzeugkörpers 1 ist die Seite nahe der Fahrvorrichtung 5, bezogen auf den oberen Drehwagen 3, und seine Oberseite ist die Seite nahe des oberen Drehwagens 3, bezogen auf die Fahrvorrichtung 5. Die Richtung nach oben und nach unten des oberen Drehwagens 3 entspricht einer z-Achsenrichtung. Wenn der Bagger 100 auf einer horizontalen Ebene aufgestellt ist, ist die Unterseite eine vertikale Richtung (das heißt, die Seite, auf der die Schwerkraft wirkt), und die Oberseite ist die der vertikalen Richtung gegenüberliegende Seite.
Das Arbeitsgerät 2 hat einen Ausleger 6, einen Stiel 7, einen Löffel 8, der ein Arbeitswerkzeug ist, einen Auslegerzylinder 10, einen Stielzylinder 11 und einen Löffelzylinder 12. Ein unteres Ende des Auslegers 6 ist über einen zwischengeschalteten Auslegerbolzen 13 an einem vorderen Bereich des Fahrzeugkörpers 1 angelenkt. Das untere Ende des Stiels 7 ist über einen zwischengeschalteten Stielbolzen 14 an einem distalen Ende des Auslegers 6 angelenkt. Der Löffel 8 ist über einen zwischengeschalteten Löffelbolzen 15 an dem distalen Ende des Stiels 7 befestigt. Der Löffel 8 schwenkt um den Löffelbolzen 15. Der Löffel 8 hat mehrere Zähne 8B, die auf der dem Löffelbolzen 15 gegenüberliegenden Seite angebracht sind. Eine Schneidkante 8T ist ein distales End des Zahns 8B.
Der Löffel 8 hat nicht notwendigerweise die Vielzahl von Zähnen 8B. Das heißt, der Löffel 8 kann ein Löffel ohne solche Zähne 8B sein, wie in 1 dargestellt, und dessen Schneidkante mittels einer Stahlplatte gerade ausgebildet ist. Das Arbeitsgerät 2 kann zum Beispiel einem Kipplöffel mit einem einzelnen Zahn sein. Ein Kipplöffel ist ein Löffel, der einen Löffelkippzylinder hat und bei dem der Löffel in Richtung nach links und nach rechts gekippt werden kann, so dass der Bagger 100 an einer Böschung eine Schrägfläche und eine ebene Fläche beliebig formen und einebnen und mit einer Bodenplatte walzen und planieren kann. Das Arbeitsgerät 2 kann außerdem ein Arbeitsgerät wie einen Löffel für die Endbearbeitung einer Böschung oder einen Bohraufsatz mit einer Bohrspitze anstelle des Löffels 8 aufweisen.
Der Auslegerzylinder 10, der Stielzylinder 11 und der Löffelzylinder 12, die in 1 gezeigt sind, sind Hydraulikzylinder, die jeweils durch Arbeitsöldruck angetrieben werden. Der Druck des Arbeitsöls wird nachstehend zutreffend als Hydraulikdruck bezeichnet werden. Der Auslegerzylinder 10 treibt den Ausleger 6 an, um den Ausleger 6 zu heben und zu senken. Der Stielzylinder 11 treibt den Stiel 7 an, so dass der Stiel um den Stielbolzen 14 geschwenkt wird. Der Löffelzylinder 12 treibt den Löffel 8 an, so dass der Löffel 8 um den Löffelbolzen 15 geschwenkt wird.
Ein Richtungssteuerungsventil 64, das in 2 gezeigt ist, ist zwischen den Hydraulikzylindern, zum Beispiel dem Auslegerzylinder 10, dem Stielzylinder 11 und dem Löffelzylinder 12, und den in 2 gezeigten Hydraulikpumpen 36 und 37 angeordnet. Das Richtungssteuerungsventil 64 steuert die Durchflussrate des Betriebsöls, das von den Hydraulikpumpen 36 und 37 geliefert wird, zu dem Auslegerzylinder 10, dem Stielzylinder 11 und dem Löffelzylinder 12 und schaltet die Richtung um, in die das Arbeitsöl fließt. Das Richtungssteuerungsventil 64 umfasst ein Fahrbetrieb-Richtungssteuerungsventil für den Antrieb der Hydraulikmotoren 5c und ein Arbeitsgerät-Richtungssteuerungsventil zum Steuern des Auslegerzylinders 10, des Stielzylinders 11 und des Löffelzylinders 12 und ferner zum Steuern eines Schwenkmotors 38 zum Schwenken des oberen Drehwagens 3.
Wenn das Arbeitsöl, dessen Druck auf einen vorgegebenen Pilotdruck eingestellt ist, der von der Betätigungsvorrichtung 25 bereitgestellt wird, einen Schieber des Richtungssteuerungsventils 64 betätigt, wird die Durchflussrate des aus dem Richtungssteuerungsventil 64 ausströmenden Arbeitsöls eingestellt, und es wird die Durchflussrate des Arbeitsöls gesteuert, das von den Hydraulikpumpen 36 und 37 zu dem Auslegerzylinder 10, dem Stielzylinder 11, dem Löffelzylinder 12, dem Schwenkmotor 38 oder dem Hydraulikmotor 5c geleitet wird. In der Folge wird der Betrieb des Auslegerzylinders 10, des Stielzylinders 11, des Löffelzylinders 12 und dergleichen gesteuert.
Wenn ferner eine Vorrichtungssteuerung 39, die in 2 gezeigt ist, ein in 2 gezeigtes Steuerventil 27 ansteuert, erfolgt eine Steuerung der Durchflussrate des Arbeitsöls, das von dem Richtungssteuerungsventil 64 zu dem Auslegerzylinder 10, dem Armzylinder 11, dem Löffelzylinder 12 oder dem Schwenkmotor 38 geleitet wird, da der Pilotdruck des Betriebsöls, der von der Betätigungsvorrichtung dem Richtungssteuerungsventil 64 zugeführt wird, gesteuert wird. Folglich kann die Vorrichtungssteuerung 39 den jeweiligen Betrieb des Auslegerzylinders 10, des Stielzylinders 11, des Löffelzylinders 12 und des oberen Drehwagens 3 steuern.
Antennen 21 und 22 sind an dem oberen Bereich des oberen Drehwagens 3 angebracht. Die Antennen 21 und 22 werden zum Detektieren der aktuellen Position des Baggers 100 verwendet. Die Antennen 21 und 22 sind mit einer Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23, die in 2 dargestellt ist, elektrisch verbunden. Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ist eine Positionsdetektionsvorrichtung, die die Position des Baggers 100 detektiert. Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 detektiert die aktuelle Position des Baggers 100 (insbesondere die aktuelle Position eines Teilbereichs des Baggers 100) unter Verwendung eines globalen Navigationssatellitensystems mit Echtzeitkinematik (RTK-GNSS, wobei GNSS für globales Navigationssatellitensystem steht). Daher werden die Antennen 21 und 22 in der folgenden Beschreibung als GNSS-Antennen 21 und 22 bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform detektiert die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 die Position mindestens einer der Antennen 21 und 22 als die aktuelle Position eines Teilbereichs des Baggers 100. Die Signale, die GNSS-Funkwellen entsprechen, die von den GNSS-Antennen 21 und 22 empfangen werden, werden in die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 eingegeben. Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 berechnet die Installationsposition der GNSS-Antennen 21 und 22 in einem globalen Koordinatensystem. Wenngleich ein globales Positionsbestimmungssystem (GPS) als Beispiel eines globalen Navigationssatellitensystems verwendet werden kann, ist letzteres nicht darauf beschränkt.
Bei dem RTK-GNSS ändert sich ein Positionsbestimmungszustand aufgrund des Einflusses einer Anordnung der Positionsbestimmungssatelliten, der Ionosphäre, der Troposphäre oder der geographischen Gegebenheiten in der Nähe einer GNSS-Antenne. Beispiele der Positionsbestimmung sind unter anderem Fix (Genauigkeit: etwa ± 1 cm bis 2 cm), Float (Genauigkeit: etwa ± 10 cm bis einige Meter), Single Point Positioning (Genauigkeit: etwa ± einige Meter) und No Solution (es kann keine Lösung berechnet werden). In der folgenden Beschreibung wird der Positionsbestimmungszustand Fix als normal bezeichnet, und alle anderen Zustände außer Fix werden als anormal bezeichnet.
Wie in 1 dargestellt ist, sind die GNSS-Antennen 21 und 22 vorzugsweise an dem oberen Drehwagen 3 an beiden Endpositionen installiert, die in Richtung nach links und nach rechts (d.h. in der Breitenrichtung) des Baggers 100 auseinanderliegen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die GNSS-Antennen 21 und 22 an dem Geländer 9 angebracht, das in der Breitenrichtung des oberen Drehwagens auf beiden Seiten vorgesehen ist. Zwar ist die Position, in der die GNSS-Antennen 21 und 22 an dem oberen Drehwagen befestigt sind, nicht auf das Geländer 9 beschränkt, wird aber bevorzugt, weil sich die Detektionsgenauigkeit der aktuellen Position des Baggers 100 verbessert, wenn die GNSS-Antennen an Positionen angebracht sind, die möglichst weit voneinander entfernt sind. Darüber hinaus sind die GNSS-Antennen 21 und 22 vorzugsweise an einer Position angeordnet, in der sie die Sicht des Baggerführers so wenig wie möglich behindern. Zum Beispiel können die GNSS-Antennen 21 und 22 an einem Gegengewicht angeordnet sein, das sich auf der Rückseite des Maschinenraums 3EG befindet.
Wie in 2 dargestellt ist, umfasst das Hydrauliksystem 300 des Baggers 100 eine Antriebsmaschine 35 und die Hydraulikpumpen 36 und 37. Die Hydraulikpumpen 36 und 37 werden durch die Antriebsmaschine 35 angetrieben und liefern Arbeitsöl. Das Arbeitsöl aus den Hydraulikpumpen 36 und 37 wird dem Auslegerzylinder 10, dem Stielzylinder 11 und dem Löffelzylinder 12 zugeführt. Darüber hinaus enthält der Bagger 100 den Schwenkmotor 38. Der Schwenkmotor 38 ist ein Hydraulikmotor und wird durch das Arbeitsöl aus den Hydraulikpumpen 36 und 37 angetrieben. Der Schwenkmotor 3 ermöglicht eine Schwenkbewegung des oberen Drehwagens 3. In 2 sind die beiden Hydraulikpumpen 36 und 37 dargestellt. Es kann jedoch auch nur eine Hydraulikpumpe vorgesehen sein. Der Schwenkmotor 38 ist nicht auf den Hydraulikmotor beschränkt. Er kann ebenso ein Elektromotor sein.
Das Steuersystem 200, das ein Baumaschinensteuersystem ist, umfasst die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23, eine Trägheitsmesseinheit (IMU) 24, die eine Statusdetektionsvorrichtung ist, die eine Winkelgeschwindigkeit und eine Beschleunigung detektiert, die Betätigungsvorrichtung 25, die Vorrichtungssteuerung 39 als eine Verarbeitungsvorrichtung, eine Displaysteuerung 28 als eine Verarbeitungsvorrichtung und eine Displayeinheit 29. Die Betätigungsvorrichtung 25 ist eine Vorrichtung zum Betätigen zumindest des Arbeitsgeräts 2 oder zumindest des oberen Drehwagens 3 oder zumindest der Fahrvorrichtung 5 in 1. Die Betätigungsvorrichtung 25 wird von einem Baggerführer betätigt, um das Arbeitsgerät 2 oder dergleichen anzusteuern, und gibt einen Pilotdruck aus, der dem Betätigungsbetrag entspricht.
Die Betätigungsvorrichtung 25 umfasst einen linken Betätigungshebel 25L auf der linken Seite eines Baggerführers und einen rechten Betätigungshebel 25R auf der rechten Seite eines Baggerführers. Die Bewegungen des linken Betätigungshebels 25L und des rechten Betätigungshebels 25R nach vorne und nach hinten entsprechen einer Betätigung in zwei Achsen. Zum Beispiel entspricht die Betätigung des rechten Betätigungshebels 25R in Richtung nach vorne und nach hinten einer Betätigung des Auslegers 6. Die Betätigung des rechten Betätigungshebels 25R in Richtung nach links und nach rechts entspricht zum Beispiel einer Betätigung des Löffels 8. Die Betätigung des linken Betätigungshebels 25L in Richtung nach vorne und nach hinten entspricht zum Beispiel einer Betätigung des Stiels 7. Die Betätigung des linken Betätigungshebels 25L in Richtung nach links und nach rechts entspricht zum Beispiel einem Schwenken des oberen Drehwagens 3.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Betätigungsvorrichtung 25 eine Betätigungsvorrichtung des Pilottyps. Arbeitsöl, dessen Druck durch ein Druckreduzierventil (nicht dargestellt) auf einen vorgegebenen Pilotdruck reduziert wird, wird auf der Basis einer Betätigung des Auslegers, einer Betätigung des Löffels, einer Betätigung des Stiels, eines Schwenkbetriebs und eines Fahrbetriebs von der Hydraulikpumpe 36 zur Betätigungsvorrichtung 25 geleitet.
Die Zuleitung eines Pilotdrucks zu einem Pilotölkanal 450 wird entsprechend der Betätigung des rechten Betätigungshebels 25R in Richtung nach vorne und nach hinten ermöglicht, und es wird die Bedienereingabe für die Betätigung des Auslegers 6 entgegengenommen. Ein Ventilmechanismus, der in dem rechten Betätigungshebel 25R enthalten ist, wird entsprechend dem Betrag der Betätigung des rechten Betätigungshebels 25R geöffnet und das Pilotöl zu dem Pilotölkanal 450 geleitet. In diesem Fall detektiert ein Drucksensor 66 den Druck des Arbeitsöls in dem Pilotölkanal 450 als einen Pilotdruck. Der Drucksensor 66 überträgt den detektierten Pilotdruck als ein Auslegerbetätigungssignal MB zur Vorrichtungssteuerung 39.
Ein Drucksensor 68, ein Steuerventil (im Folgenden zutreffend als Interventionssteuerventil bezeichnet) 27C und ein Wechselventil 51 sind in dem Pilotölkanal 450 zwischen der Betätigungsvorrichtung 25 und dem Auslegerzylinder 10 vorgesehen. Die Zuleitung des Pilotdrucks zu dem Pilotölkanal 450 wird entsprechend der Betätigung des rechten Betätigungshebels 25R in Richtung nach links und nach rechts ermöglicht, und es wird die Bedienereingabe für die Betätigung des Löffels 8 entgegengenommen. Der Ventilmechanismus, der in dem rechten Betätigungshebel 25R enthalten ist, wird entsprechend dem Betrag des Betätigung des rechten Betätigungshebels 25R geöffnet und das Arbeitsöl zu dem Pilotölkanal 450 geleitet. In diesem Fall detektiert der Drucksensor 66 den Druck des Arbeitsöls in dem Pilotölkanal 450 als einen Pilotdruck. Der Drucksensor 66 überträgt den detektierten Pilotdruck als ein Löffelbetätigungssignal MT zur Vorrichtungssteuerung 39.
Die Zuleitung des Pilotdrucks zu dem Pilotölkanal 450 wird entsprechend der Betätigung des linken Betätigungshebels 25L in Richtung nach vorne und nach hinten ermöglicht, und es wird die Bedienereingabe für die Betätigung des Stiels 7 entgegengenommen. Ein Ventilmechanismus, der in dem linken Betätigungshebel 25L enthalten ist, wird entsprechend dem Betrag der Betätigung des linken Betätigungshebels 25L geöffnet und das Arbeitsöl zu dem Pilotölkanal 450 geleitet. In diesem Fall detektiert der Drucksensor 66 den Druck des Arbeitsöls in dem Pilotölkanal 450 als einen Pilotdruck. Der Drucksensor 66 überträgt den detektierten Pilotdruck als ein Stielbetätigungssignal MA zur Vorrichtungssteuerung 39.
Die Zuleitung des Pilotdrucks zu dem Pilotölkanal 450 wird entsprechend der Betätigung des linken Betätigungshebels 25L in Richtung nach links und nach rechts ermöglicht, und es wird die Bedienereingabe für den Schwenkbetrieb des oberen Drehwagens 3 entgegengenommen. Der Ventilmechanismus, der in dem linken Betätigungshebel 25L enthalten ist, wird entsprechend dem Betrag der Betätigung des linken Betätigungshebels 25L geöffnet und das Arbeitsöl zu dem Pilotölkanal 450 geleitet. In diesem Fall detektiert der Drucksensor 66 den Druck des Arbeitsöls in dem Pilotölkanal 450 als einen Pilotdruck. Der Drucksensor 66 überträgt den detektierten Pilotdruck als ein Schwenkbetriebssignal MR zur Vorrichtungssteuerung 39.
Wenn der rechte Betätigungshebel 25R betätigt wird, leitet die Betätigungsvorrichtung 25 einen Pilotdruck, dessen Größe dem Betrag der Betätigung des rechten Betätigungshebels 25R entspricht, zu dem Richtungssteuerungsventil 64. Wenn der linke Betätigungshebel 25L betätigt wird, leitet die Betätigungsvorrichtung 25 einen Pilotdruck, dessen Größe dem Betrag der Betätigung des linken Betätigungshebels 25L entspricht, zu dem Steuerventil 27. Mit dem Pilotdruck bewegt sich der Schieber des Richtungssteuerungsventils 64.
Das Steuerventil 27 ist in dem Pilotölkanal 450 vorgesehen. Die Beträge der Betätigung des rechten Betätigungshebels 25R und des linken Betätigungshebels 25L werden durch den Drucksensor 66 detektiert, der in dem Pilotölkanal 450 vorgesehen ist. Der durch den Drucksensor 66 detektierte Pilotdruck 66 wird in die Vorrichtungssteuerung 39 eingegeben. Die Vorrichtungssteuerung 39 gibt ein Steuersignal N des Pilotölkanals 450, das dem eingegebenen Pilotdruck entspricht, an das Steuerventil 27 aus, um den Pilotölkanal 450 zu öffnen oder zu schließen. Die Beziehung zwischen der Betätigungsrichtung des rechten Betätigungshebels 25R oder des linken Betätigungshebels 25L und dem Betätigungsziel (der Löffel 8, der Stiel 7, der Ausleger 6 und der obere Drehwagen 3) ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Beziehungen beschränkt. Andere Beziehungen sind ebenfalls möglich.
Die Betätigungsvorrichtung 25 umfasst Fahrhebel 25FL und 25FR. Da die Betätigungsvorrichtung 25 in der vorliegenden Ausführungsform eine Vorrichtung des Pilottyps ist, wird druckgemindertes Arbeitsöl von der Hydraulikpumpe 36 zu dem Richtungssteuerungsventil 64 geleitet, und der Schieber des Richtungsteuerungsventils 64 wird auf der Basis des Drucks des Arbeitsöls in dem Pilotölkanal 450 angesteuert. Das Arbeitsöl wird von den Hydraulikpumpen 36 und 37 zu den Hydraulikmotoren 5c, 5c geleitet, die in der Fahrvorrichtung 5 des Baggers 100 vorgesehen sind, wodurch ein Fahrbetrieb der Fahrvorrichtung 5 möglich ist. Der Druck des Arbeitsöls in dem Pilotölkanal 450 (d.h. der Pilotdruck) wird durch einen Drucksensor 27PC detektiert.
Wenn der Fahrer des Baggers 100 die Fahrvorrichtung 5 betätigt, bedient er die Fahrhebel 25FL und 25FR. Die Beträge der Betätigung der Fahrhebel 25FL und 25FR durch den Baggerfahrer werden durch den Drucksensor 27PC detektiert und als ein Betätigungssignal MD an die Vorrichtungssteuerung 39 ausgegeben.
Die Beträge der Betätigung des linken Betätigungshebels 25L und des rechten Betätigungshebels 25R können zum Beispiel durch ein Potentiometer, ein Hall-IC und dergleichen detektiert werden, und die Vorrichtungssteuerung 39 kann das Richtungssteuerungsventil 64 und das Steuerventil 27 auf der Basis dieser Detektionswerte steuern, um das Arbeitsgerät 2 zu steuern. Der linke Betätigungshebel 25L und der rechte Betätigungshebel 25R können daher elektrische Betätigungshebel sein.
Das Steuersystem 200 umfasst einen ersten Hubsensor 16, einen zweiten Hubsensor 17 und einen dritten Hubsensor 18. Zum Beispiel ist der erste Hubsensor 16 in dem Auslegerzylinder 10, der zweite Hubsensor 17 in dem Stielzylinder 11 und der dritte Hubsensor 18 in dem Löffelzylinder 12 vorgesehen. Der erste Hubsensor 16 detektiert einen Hubbetrag, der einem Ausfahren des Auslegerzylinders 10 entspricht, und gibt den Hubbetrag an die Vorrichtungssteuerung 39 aus. Der zweite Hubsensor 17 detektiert einen Hubbetrag, der einem Ausfahren des Stielzylinders 11 entspricht, und gibt den Hubbetrag an die Vorrichtungssteuerung 39 aus. Der dritte Hubsensor 18 detektiert einen Hubbetrag, der einem Ausfahren des Löffelzylinders 12 entspricht, und gibt den Hubbetrag an die Vorrichtungssteuerung 39 aus.
Die Vorrichtungssteuerung 39 umfasst eine Verarbeitungseinheit 39P, die ein Prozessor wie beispielsweise eine Zentraleinheit (CPU) ist, und eine Speichereinheit 39M, die eine Speichervorrichtung wie beispielsweise ein Arbeitsspeicher (RAM) oder ein Lesespeicher (ROM) ist. Die Vorrichtungssteuerung 39 empfängt den Detektionswert der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23, den Detektionswert der IMU 24, die Detektionswerte der Drucksensoren 27PC, 66 und 68, den Detektionswert des ersten Hubsensors 16, den Detektionswert des zweiten Hubsensors 17 und den Detektionswert des dritten Hubsensors 18. Die Vorrichtungssteuerung 39 berechnet auf den Bagger 100 bezogene Positionsinformationen IPL aus dem Detektionswert der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 und dem Detektionswert der IMU 24 und gibt die Positionsinformation IPL an die Displaysteuerung 28 aus. Die Vorrichtungssteuerung 39 steuert das Steuerventil 27 und das Interventionsventil 27C auf der Basis der Detektionswerte des Drucksensors 66, der in 2 dargestellt ist.
Das Richtungssteuerungsventil 64, das in 2 dargestellt ist, ist zum Beispiel ein Proportionalsteuerventil und wird durch das Arbeitsöl gesteuert, das von der Betätigungsvorrichtung 25 zugeführt wird. Das Richtungssteuerungsventil 64 ist zwischen den Hydraulikpumpen 36 und 37 und einen Hydraulikaktuator wie den Auslegerzylinder 10, den Stielzylinder 11, den Löffelzylinder 12 und den Schwenkmotor 38 geschaltet. Das Richtungssteuerungsventil 64 steuert die Durchflussrate des Arbeitsöl, das von den Hydraulikpumpen 36 und 37 geliefert wird, zu dem Auslegerzylinder 10, Stielzylinder 11, Löffelzylinder 12 und Schwenkmotor 38.
Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 empfängt Korrekturdaten C1 von einer Korrekturdaten-Empfangsvorrichtung 26, die in 2 gezeigt ist. Die Korrekturdaten-Empfangsvorrichtung 26 ist mit der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 verbunden. Die Korrekturdaten C1 sind eine Information, die in dem RTK-GNSS verwendet werden kann, durch einen außerhalb des Baggers 100 vorgesehenen GNSS-Empfänger generiert wird, und sind eine Information, die von einer Vorrichtung übertragen wird, die die gleiche Standardkommunikationsfunktion wie die Korrekturdaten-Empfangsvorrichtung 26 besitzt. Darüber hinaus kann die Korrekturdaten-Empfangsvorrichtung 26 als ein Modem für Telefonleitungen konfiguriert sein, und die Korrekturdaten C1 können unter Verwendung eines Korrekturdaten-Verteilungsdienstes von außen eingeholt werden. Die Korrekturdaten-Empfangsvorrichtung 26 gibt die Korrekturdaten C1 an die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 aus. Die GNSS-Antennen 21 und 22 empfangen Signale von einer Vielzahl von Positionsbestimmungssatelliten und geben die empfangenen Signale an die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 aus.
Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 misst Referenzpositionsdaten P1, welche die Position der GNSS-Antenne 21 sind, und Referenzpositionsdaten P2, welche die Position der GNSS-Antenne 22 sind, auf der Basis von Signalen des Positionsbestimmungssatelliten, die von den GNSS-Antennen 21 und 22 eingegeben werden, und der Korrekturdaten C1, die von der Korrekturdaten-Empfangsvorrichtung 26 empfangen werden. Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 berechnet Richtungsdaten Q des oberen Drehwagens aus der relativen Position zwischen den Referenzpositionsdaten P1, welche die Position der GNSS-Antenne 21 sind, und der Referenzpositionsdaten P2, welche die Position der GNSS-Antenne 22 sind. Die GNSS-Antennen 21 und 22 und die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 können einen GPS-Kompass zum Ermitteln der Richtungsdaten Q des oberen Drehwagens bilden.
Die GNSS-Antennen 21 und 22 sind in einem Bereich des Baggers 100 vorgesehen. Aus diesem Grund sind die Referenzpositionsdaten P1 und P2 Informationen, die die Position eines Teilbereichs des Baggers 100 (speziell die Position eines Bereichs, in dem die GNSS-Antennen 21 und 22 vorgesehen sind) angeben. In der folgenden Beschreibung wird die Position des Bereichs, in dem die GNSS-Antennen 21 und 22 vorgesehen sind, zutreffend als erste Position bezeichnet. Die Referenzpositionsdaten P1 und P2 sind eine erste Positionsinformation.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Richtungsdaten Q des oberen Drehwagens ein Winkel zwischen einer Richtung, die anhand der Referenzpositionsdaten P, die durch die GNSS-Antennen 21 und 22 erfasst werden (d.h. zumindest die Referenzpositionsdaten P1 oder zumindest die Referenzpositionsdaten P2), und einer Referenzrichtung (z.B. Nord) einer Globalkoordinate (d.h. ein Azimutwinkel). Der Azimutwinkel ist auch ein Gierwinkel des Baggers 100. Die Drehwagen-Richtungsdaten Q geben die Richtung an, in die der obere Drehwagen 3 (d.h. das Arbeitsgerät 2) zeigt.
Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 enthält eine Verarbeitungseinheit, die ein Prozessor wie beispielsweise eine CPU ist, und eine Speichereinheit, die eine Speichervorrichtung wie beispielsweise ein RAM und ein ROM ist. Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 gibt die beiden gemessenen Elemente der Referenzpositionsdaten P1 und P2 (d.h. die Referenzpositionsdaten P) und die Drehwagen-Richtungsdaten Q an die Vorrichtungssteuerung 39 aus.
Die Displaysteuerung 28 enthält eine Verarbeitungseinheit 28P, die ein Prozessor wie beispielsweise eine CPU ist, und eine Speichereinheit 28M, die eine Speichervorrichtung wie beispielsweise ein RAM und ein ROM ist. Die Displaysteuerung 28 generiert Löffelschneidkanten-Positionsdaten S, die eine Schneidkantenposition angeben, welche eine dreidimensionale Position der Schneidkante 8T des Löffels 8 ist, unter Verwendung der Positionsinformationen IPL des Baggers 100, die von der Vorrichtungssteuerung 39 eingeholt werden, und zeigt zum Beispiel eine Abbildung eines (später beschriebenen) Führungsbildschirms oder dergleichen auf der Displayeinheit 29 an. Die Displayeinheit 29 ist zum Beispiel eine Flüssigkristallanzeige 29 oder dergleichen, ist jedoch nicht auf eine solche beschränkt. Ein Touchpanel, in welches zum Beispiel eine Eingabeeinheit und eine Displayeinheit integriert sind, kann als Displayeinheit 29 verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist in der Nähe der Displayeinheit 29 ein Schalter 29S vorgesehen. Der Schalter 29S ist eine Eingabeeinheit für die Durchführung einer Aushubsteuerung (später beschrieben) und zum Stoppen der in Durchführung begriffenen Aushubsteuerung. Wird ein Touchpanel als Displayeinheit 29 verwendet, kann der Schalter 29S in die Eingabeeinheit des Touchpanel eingegliedert sein.
Die Displaysteuerung 28 kann eine Abbildung einer Ziel-Konstruktionsfläche eines durch das Arbeitsgerät 2 zu baggernden Objekts und eine Abbildung des Löffels 8, die unter Verwendung der Löffelschneidkanten-Positionsdaten S generiert wird, als Führungsbildschirm auf der Displayeinheit 29 anzeigen. Die Displaysteuerung 29 kann es dem Baggerführer des Baggers 100 ermöglichen, die Lagebeziehung zwischen der Ziel-Konstruktionsfläche und dem Löffel 8 mit Hilfe des Führungsbildschirms nachzuvollziehen, und entlastet auf diese Weise den Baggerführer bei der computergestützten Durchführung des Bauvorhabens.
Die IMU 24 ist eine Zustandsdetektionsvorrichtung, die die Betriebsinformation MT detektiert, die den Betrieb des Baggers 100 angeben. Der Betrieb des Baggers 100 umfasst entweder den Betrieb des oberen Drehwagens 3 oder den Betrieb der Fahrvorrichtung 5. In der vorliegenden Ausführungsform kann die Betriebsinformation MT Information(en) bezüglich der Stellung des Baggers 100 enthalten. Beispiele der Informationen bezüglich der Stellung des Baggers 100 sind u.a. ein Rollwinkel, ein Nickwinkel und ein Azimutwinkel des Baggers 100.
In der vorliegenden Ausführungsform detektiert die IMU 24 eine Winkelgeschwindigkeit und eine Beschleunigung des Baggers 100. Wenn der Bagger 100 in Betrieb ist, treten in dem Bagger 100 verschiedene Beschleunigungskomponenten auf, zum Beispiel eine Beschleunigung während des Fahrbetriebs, eine Winkelbeschleunigung und eine Schwerkraftbeschleunigung während des Schwenkbetriebs. Die IMU 24 detektiert eine Beschleunigung, die zumindest die Schwerkraftbeschleunigung einschließt, und gibt die detektierte Beschleunigung ohne Unterscheidung der jeweiligen Art der Beschleunigungskomponente aus. Die Schwerkraftbeschleunigung ist eine Beschleunigung, die der Schwerkraft entspricht. Die IMU 24 detektiert eine Beschleunigung a in der x-, y- und z-Achsenrichtung in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem (x, y, z), das in 1 dargestellt ist, und eine Winkelgeschwindigkeit (Drehwinkelgeschwindigkeit) ω um die x-, y- und z-Achse. Diese Werte bilden die Betriebsinformation MI. Das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem ist ein dreidimensionales Koordinatensystem auf der Basis des Baggers 100, das angegeben wird durch (x, y, z).
Die durch die IMU 24 detektierte Betriebsinformation MI enthält eine Winkelgeschwindigkeit ω, wenn der obere Drehwagen 3 um die z-Achse schwenkt, die als Achse der Schwenkmitte des oberen Drehwagens 3 dient. Die Schwenkwinkelgeschwindigkeit ω kann berechnet werden durch eine zeitliche Differenzierung des Schwenkwinkels des oberen Drehwagens 3, der aus den Informationen erfasst wird, die die Position der GNSS-Antennen 21 und 22 angeben. Durch eine Zeitintegration der Schwenkwinkelgeschwindigkeit ω ist es möglich, den Schwenkwinkel zu berechnen.
Die IMU 24 ist an dem oberen Drehwagen 3 befestigt. Die IMU 24 ist zum Beispiel vorzugsweise an der Achse der Schwenkmitte des oberen Drehwagens 3 des Baggers 100 befestigt, um die Beschleunigung und dergleichen mit größerer Genauigkeit zu detektieren. Die IMU 24 kann jedoch auch in einem unteren Bereich der Kabine 4 vorgesehen sein.
3 ist eine Seitenansicht des Baggers 100. 4 ist eine Rückansicht des Baggers 100. Ein Neigungswinkel θ4 in der Links-Rechts-Richtung (d.h. in der Breitenrichtung) des Fahrzeugkörpers 1 ist ein Rollwinkel des Baggers 100, ein Neigungswinkel θ5 in Vorwärts-Rückwärts-Richtung des Fahrzeugkörpers 1 ist ein Nickwinkel des Baggers 100, und der Winkel des oberen Drehwagens 3 um die z-Achse ist der Azimutwinkel des Baggers 100. Der Rollwinkel wird berechnet durch eine Zeitintegration der durch die IMU 24 detektierten Winkelgeschwindigkeit um die x-Achse. Der Nickwinkel wird berechnet durch eine Zeitintegration der durch die IMU 24 detektierten Winkelgeschwindigkeit um die y-Achse. Der Azimutwinkel wird berechnet durch eine Zeitintegration der durch die IMU 24 detektierten Winkelgeschwindigkeit um die z-Achse. Die Winkelgeschwindigkeit um die z-Achse ist die Winkelgeschwindigkeit ω beim Schwenken des Baggers 100. Das heißt, durch die Zeitintegration der Schwenkwinkelgeschwindigkeit ω ist es möglich, den Azimutwinkel des Baggers 100 (insbesondere des oberen Drehwagens 3) zu ermitteln.
Die IMU 24 aktualisiert die Beschleunigung und die Winkelgeschwindigkeit des Baggers 100 in einem vorgegebenen Zyklus. Der Aktualisierungszyklus der IMU 24 ist vorzugsweise kürzer als der Aktualisierungszyklus der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23. Die durch die IMU 24 detektierte Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit werden als Betriebsinformation MI an die Vorrichtungssteuerung 39 ausgegeben. Die Vorrichtungssteuerung 39 führt einen Filter- und Integrationsprozess an der von der IMU 24 erworbenen Betriebsinformation MI durch, um den Neigungswinkel θ4, der ein Rollwinkel ist, den Neigungswinkel θ5, der ein Nickwinkel ist, und den Azimutwinkel zu ermitteln. Die Vorrichtungssteuerung 39 gibt die ermittelten Neigungswinkel θ4 und θ5 und den Azimutwinkel als Positionsinformation IPL, die sich auf die Position des Baggers 100 bezieht, an die Displaysteuerung 28 aus.
Die Displaysteuerung 28 holt die Referenzpositionsdaten P und die Drehwagen-Richtungsdaten Q von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ein. Die Drehwagen-Richtungsdaten Q sind eine Information, die die Richtung des Baggers 100 angibt, und in der vorliegenden Ausführungsform eine Information, die die Richtung des oberen Drehwagens 3 angibt. Insbesondere sind die Drehwagen-Richtungsdaten Q der Azimutwinkel des oberen Drehwagens 3. In der vorliegenden Ausführungsform generiert die Displaysteuerung 28 Löffelschneidkanten-Positionsdaten S als Arbeitsgerät-Positionsdaten. Die Löffelschneidkanten-Positionsdaten S können von der Vorrichtungssteuerung 39 generiert werden. Darüber hinaus generiert die Displaysteuerung 28 Ziel-Aushubgeländeformdaten U, die eine Zielform eines Erdbearbeitungsobjekts angeben, unter Verwendung der Löffelschneidkanten-Positionsdaten S und der Ziel-Konstruktionsinformationen T. Die Ziel-Konstruktionsinformationen T werden in der Speichereinheit 28M (einer Ziel-Konstruktionsinformations-Speichereinheit 28C) der Displaysteuerung 28 gespeichert. Die Ziel-Konstruktionsinformationen T sind Informationen, die als Endbearbeitungsziel dienen, nachdem das an dem Bagger 100 vorgesehene Arbeitsgerät 2 das Erdbearbeitungsobjekt bearbeitet hat, und enthalten Informationen über eine Ziel-Konstruktionsfläche, die anhand von Entwurfsdaten ermittelt werden. Die Ziel-Aushubgeländeformdaten U sind Informationen, die die Position eines einzelnen oder einer Vielzahl von Knickpunkten angeben, die vor und nach einer Aushubobjektposition erscheinen, wenn die Aushubobjektposition definiert wird als Schnittpunkt zwischen der Ziel-Konstruktionsfläche und einer senkrechten Linie, die aktuell durch eine Schneidkantenposition der Schneidkante 8T in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem verläuft, und sind eine Winkelinformation der Linien, die vor und nach den Knickpunkten erscheinen.
Die Vorrichtungssteuerung 39 berechnet einen Neigungswinkel θ1 (siehe 3) des Auslegers 6 bezüglich der Richtung (z-Achsenrichtung) senkrecht zu einer horizontalen Ebene in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem aus einer Auslegerzylinderlänge, die durch den ersten Hubsensor 16 detektiert wird. Die Vorrichtungssteuerung 39 berechnet einen Neigungswinkel θ2 (siehe 3) des Stiels 7 bezüglich des Auslegers 6 aus einer Stielzylinderlänge, die durch den zweiten Hubsensor 17 detektiert wurde. Die Vorrichtungssteuerung 39 berechnet einen Neigungswinkel θ3 des Löffels 8 bezüglich des Stiels 7 aus einer Löffelzylinderlänge, die durch den dritten Hubsensor 18 detektiert wird. Die IMU 24 gibt die Schwenkwinkelgeschwindigkeit ω an die Vorrichtungssteuerung 39 aus.
Die Vorrichtungssteuerung 39 holt von der IMU 24 die Schwenkwinkelgeschwindigkeit ω des oberen Drehwagens 3 ein, wenn der obere Drehwagen 3 wie vorstehend beschrieben um die in 1 gezeigte z-Achse schwenkt. Außerdem holt die Vorrichtungssteuerung 39 von dem Auslegerdrucksensor 66 das Auslegerbetδtigungssignal MB, das Lφffelbetδtigungssignal MT, das Stielbetδtigungssignal MA und das Schwenkbetriebssignal MR ein.
Die Vorrichtungssteuerung 39 holt von der Displaysteuerung 28 die Ziel-Aushubgelδndeformdaten U ein. Die Vorrichtungssteuerung 39 berechnet die Position der Schneidkante 8T des Lφffels 8 (nachstehend in zutreffender Weise als Schneidkantenposition bezeichnet) aus den von ihr berechneten Winkeln (θ1, θ2 und θ3) des Arbeitsgeräts 2. Die Speichereinheit 39M der Vorrichtungssteuerung 39 speichert Daten des Arbeitsgeräts 2 (nachstehend in zutreffender Weise als Arbeitsgerätdaten bezeichnet). Die Arbeitsgerätdaten enthalten Abmessungen wie eine Länge L1 des Auslegers 6, eine Länge L2 des Stiels 7 und eine Länge L3 des Löffels 8. Wie in 3 dargestellt ist, entspricht die Länge L1 des Auslegers 6 der Länge zwischen dem Auslegerbolzen 13 und dem Stielbolzen 14. Die Länge L2 des Stiels 7 entspricht der Länge zwischen dem Stielbolzen 14 und dem Löffelbolzen 15. Die Länge L3 des Löffels 8 entspricht der Länge zwischen dem Löffelbolzen 15 und der Schneidkante 8T des Löffels 8. Die Schneidkante 8T ist ein distales Ende des Zahns 8B, der in 1 dargestellt ist. Darüber hinaus enthalten die Arbeitsgerätdaten Informationen über die Position des Auslegerbolzens 13 bezüglich einer Position PL des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems. Die Vorrichtungssteuerung 39 kann die Schneidkantenposition mit Bezug auf die Position PL berechnet, indem sie hierfür die Längen L1, L2 und L3 und die Neigungswinkel θ1, θ2 und θ3 und die Position PL heranzieht.
Die Vorrichtungssteuerung 39 stellt das Auslegerbetätigungssignal MB, das Löffelbetätigungssignal MT und das Stielbetätigungssignal MA, die auf der Basis der Ziel-Aushubgeländeformdaten U, die von der Betätigungsvorrichtung 25 eingegeben werden, des Abstands zwischen dem Löffel 8 und der Schneidkante 8T und der Geschwindigkeit der Schneidkante 8T des Löffels 8 ein, so dass sich die Schneidkante 8T des Löffels 8 entsprechend den Ziel-Aushubgeländeformdaten U bewegt. Die Vorrichtungssteuerung 39 generiert ein Steuersignal N zum Steuern des Arbeitsgeräts 2, so dass sich die Schneidkante 8T des Löffels 8 entsprechend den Ziel-Aushubgeländeformdaten U bewegt, und gibt das Steuersignal N and das Steuerventil 27 aus, das in 2 dargestellt ist. Mit einer solchen Vorgehensweise wird die Geschwindigkeit, mit welcher sich das Arbeitsgerät 2 den Ziel-Aushubgeländeformdaten U nähert, entsprechend der Entfernung zu den Ziel-Aushubgeländeformdaten U begrenzt.
Entsprechend dem Steuersignal N aus der Vorrichtungssteuerung 39 werden die beiden Steuerventile 27, die jeweils in dem Auslegerzylinder 10, Stielzylinder 11 und Löffelzylinder 12 vorgesehen sind, geöffnet und geschlossen. Der Schieber des Richtungssteuerungsventils 64 arbeitet auf der Basis der Betätigung des linken Betätigungshebels 25L oder des rechten Betätigungshebels 25R und eines Öffnungsbefehls/Schließbefehls des Steuerventils 27, und das Arbeitsöls wird zu dem Auslegerzylinder 10, Stielzylinder 11 und Löffelzylinder 12 geleitet.
Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 detektiert die Referenzpositionsdaten P1 und P2 der GNSS-Antennen 21 und 22 in dem globalen Koordinatensystem. In der vorliegenden Ausführungsform ist das globale Koordinatensystem zum Beispiel ein GNSS-Koordinatensystem. In 3 ist das globale Koordinatensystem ein dreidimensionales Koordinatensystem, das durch (Xg, Yg, Zg) angegeben ist. Ein lokales Koordinatensystem ist ein dreidimensionales Koordinatensystem auf der Basis einer Position PG eines Referenzpflocks 60, der zum Beispiel als Referenz dient und in einem Arbeitsbereich GA des Baggers 100 gesetzt ist. Das Koordinatensystem wird durch (X, Y, Z) angegeben. Wie 3 zeigt, liegt die Position PG zum Beispiel an einem distalen Ende 60T des Referenzpflocks 60, der in dem Arbeitsbereich GA gesetzt ist. Das globale Koordinatensystem (Xg, Yg, Zg) und das lokale Koordinatensystem (X, Y, Z) können in das jeweils andere umgerechnet werden.
Die Displaysteuerung 28, die in 2 dargestellt ist, berechnet die Position des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems in dem globalen Koordinatensystem auf der Basis des Detektionsergebnisses, das durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ermittelt wird. In der vorliegenden Ausführungsform zum Beispiel ist die Position PL des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems der Schnittpunkt zwischen der z-Achse, welche die Achse der Schwenkmitte des Drehwagens ist, und einer Ebene, die der Geländefläche entspricht, mit der die Fahrvorrichtung 5 in Berührung kommt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Koordinate der Position PL (0, 0, 0) in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Die Geländefläche, mit der die Fahrvorrichtung 5 in Berührung kommt, ist eine Fläche GD des Arbeitsbereichs GA, mit welcher die Raupenketten 5a und 5b in Berührung kommen. Die Ebene, die der Geländefläche entspricht, mit welcher die Fahrvorrichtung in Berührung kommt, kann die Fläche GD des Arbeitsbereichs GA sein und kann eine Ebene CP sein, die durch einen Geländebereich definiert wird, mit dem die Raupenketten 5a und 5b in Berührung kommen. Die Ebene CP, die durch den Geländebereich definiert wird, mit dem die Raupenketten 5a und 5b in Berührung kommen, wird anhand der Dimensionen des Baggers 100 in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem (x, y, z) einmalig bestimmt.
Die Position PL ist nicht auf den Schnittpunkt zwischen der z-Achse und der Ebene CP beschränkt. In der vorliegenden Ausführungsform kann ein Pseudo-Fixpunkt (später beschrieben) identisch sein mit der Position PL oder nicht. Die Position PL des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems kann an einer anderen Stelle liegen, und zum Beispiel kann der zentrale Punkt der axialen Länge des Auslegerbolzens 13 als Position PL definiert werden. Die Position PL kann an der Z-Achse und an einem Schwenkkreis, entlang desselben der obere Drehwagen 3 schwenkt, positioniert sein. Da die Vorrichtungssteuerung 39 die Schneidkantenposition wie vorstehend beschrieben mit Bezug auf die Position PL (d.h. die Schneidkantenposition in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem) berechnet, kann die Koordinate der Schneidkantenposition in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem in die Koordinate der Schneidkantenposition in dem globalen Koordinatensystem umgerechnet werden, solange die Koordinate der Position PL in dem globalen Koordinatensystem ermittelt wird.
Die Vorrichtungssteuerung 39 führt eine Steuerung durch, so dass die Geschwindigkeit in der Richtung, in der sich das Arbeitsgerät 2 dem Aushubobjekt nähert, kleiner oder gleich einer Grenzgeschwindigkeit ist, um zu verhindern, dass der Löffel 8 in die Ziel-Aushubgeländeform hineingräbt. Diese Steuerung wird zutreffend als Aushubsteuerung bezeichnet. Die Aushubsteuerung enthält die Steuerung der Geschwindigkeit in der Richtung, in der Richtung, in der sich das Arbeitsgerät 2 dem Aushubobjekt nähert, so dass die Geschwindigkeit keiner oder gleich der Grenzgeschwindigkeit ist, während sie die relative Position zwischen dem Arbeitsgerät 2 und dem Aushubobjekt auf der Basis der Ziel-Aushubgeländeformdaten U und der von der Displaysteuerung 29 eingeholten Schneidkantenpositionsdaten S berechnet. Die Durchführung einer solchen Steuerung ermöglicht die Gestaltung des Aushubobjekts in der Zielform (die durch die Ziel-Konstruktionsinformationen T angegebene Form). Im Folgenden wird das Steuersystem 200 im Detail beschrieben.
<Steuersystem 200>
5 ist ein Steuerblockdiagramm des Steuersystems 200 gemäß der ersten Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform können die Vorrichtungssteuerung 39 und die Displaysteuerung 28 des Steuersystems 200 über eine Signalleitung Informationen austauschen. Darüber hinaus kann die Vorrichtungssteuerung 39 über eine Signalleitung Informationen von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 einholen. Die Signalleitung, über welche Informationen innerhalb des Steuersystems 200 übertragen werden, kann eine fahrzeuginterne Signalleitung sein, zum Beispiel ein Controller Area Network (CAN) (= serielles Bussystem) sein. Bei dem Steuersystem 200 der vorliegenden Ausführungsform sind die Vorrichtungssteuerung 39 und die Displaysteuerung 28 separate Vorrichtungen, doch können beide Steuerungen auch als eine Vorrichtung ausgeführt sein.
Die Displaysteuerung 28 enthält eine Schneidkantenpositions-Berechnungseinheit 28A, eine Ziel-Aushubgeländeformdaten-Generierungseinheit 28B und eine Ziel-Konstruktionsinformations-Speichereinheit 28C. Die Schneidkantenpositions-Berechnungseinheit 28A und die Ziel-Aushubgeländeformdaten-Generierungseinheit 28B werden realisiert, wenn die Verarbeitungseinheit 28P ein Computerprogramm ausführt, das in der Speichereinheit 28M gespeichert ist. Die Ziel-Konstruktionsinformations-Speichereinheit 28C wird durch einen Teil des Speicherbereichs der Speichereinheit 28M realisiert.
Die Schneidkantenpositions-Berechnungseinheit 28A generiert auf der Basis der Positionsinformationen IPL, die von der Vorrichtungssteuerung 39 eingeholt werden, Schwenkmittenpositionsdaten XR, die die Position der Schwenkmitte des Baggers 100 angeben, die durch die z-Achse verläuft, die als Achse der Schwenkmitte des oberen Drehwagens 3 dient. Die Positionsinformationen IPL, die die Schneidkantenpositions-Berechnungseinheit 28A von der Vorrichtungssteuerung 39 einholt, enthält Referenzpositionsdaten P1c und P2c auf der Basis der Referenzpositionsdaten P1 und P2 und eines Stellungswinkels des Baggers 100. Der Stellungswinkel ist der Rollwinkel θ4, der Nickwinkel θ5 und ein Azimutwinkel θdc.
Die Schneidkantenpositions-Berechnungseinheit 28A generiert die Löffelschneidkanten-Positionsdaten S, die die aktuelle Position der Schneidkante 8T des Löffels 8 angeben, auf der Basis der Schwenkmittenpositionsdaten XR, der Neigungswinkel θ1, θ2 und θ3 des Arbeitsgeräts 2, der Länge L1 des Auslegers 6, der Länge L2 des Stiels 7 und der Länge L3 des Löffels 8 und gibt die Löffelschneidkanten-Positionsdaten S an die Ziel-Aushubgeländeformdaten-Generierungseinheit 28B aus. Die Löffelschneidkanten-Positionsdaten S sind eine Information, die die Position des Arbeitsgeräts 2 angibt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Position des Arbeitsgeräts 2 nicht auf die Schneidkantenposition (d.h. die dreidimensionale Position der Schneidkante 8T des Löffels 8) beschränkt, sondern kann die Position eines bestimmten Bereichs des Arbeitsgeräts 2 sein. Zum Beispiel kann die Position des Arbeitsgeräts 2 die Position der Rückseite des Löffels 8, die Position des Bodens eines Böschungslöffels oder die Position eines Bereichs sein, an dem das Anbaugerät des Arbeitsgeräts 2 befestigt ist.
Die Ziel-Aushubgeländeformdaten-Generierungseinheit 28B holt die Ziel-Konstruktionsinformationen T, die in der Ziel-Konstruktionsinformations-Speichereinheit 28C gespeichert sind, und die von der Schneidkantenpositions-Berechnungseinheit 28A ausgegebenen Löffelschneidkanten-Positionsdaten S ein. Die Ziel-Aushubgeländeformdaten-Generierungseinheit 28B legt den Schnittpunkt zwischen der Ziel-Konstruktionsfläche und einer senkrechten Linie, die durch die aktuelle die Schneidkantenposition der Schneidkante 8T in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem verläuft, als Aushubobjektposition fest. Die Ziel-Aushubgeländeformdaten-Generierungseinheit 28B generiert die Ziel-Aushubgeländeformdaten U auf der Basis der Ziel-Konstruktionsinformationen T und der Löffelschneidkanten-Positionsdaten S und gibt die Ziel-Aushubgeländeformdaten U eine (später beschriebene) Arbeitsgerätsteuereinheit 39C aus, die in der Verarbeitungseinheit 39P der Vorrichtungssteuerung 39 enthalten ist.
Die Verarbeitungseinheit 39P der Vorrichtungssteuerung 39 enthält eines Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A, eine Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B und die Arbeitsgerätsteuereinheit 39C. Die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A, die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B und die Arbeitsgerätsteuereinheit 39C werden verwirklicht, wenn die Verarbeitungseinheit 39P ein Computerprogramm durchführt, das in der Speichereinheit 39M gespeichert ist. In der vorliegenden Ausführungsform kann die Arbeitsgerätsteuereinheit 39C eine von der Vorrichtungssteuerung 39 unabhängige Steuervorrichtung sein.
Die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A empfängt die Beschleunigung a (ax, ay, az) und die Winkelgeschwindigkeit ω (d.h. die Betriebsinformation MI), welche die Detektionswerte der IMU 24 sind, und die Drehwagen-Richtungsdaten Q (Azimutwinkel θda), die der Detektionswert der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ist. Außerdem empfangen die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A und die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B der Verarbeitungseinheit 39P Detektionswerte STr und STd der Drucksensoren 66 und 27PC.
Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 generiert Statusinformationen SR, welche Informationen sind, die einen Empfangsstatus von Funkwellen oder einen Kommunikationsstatus mit der Vorrichtungssteuerung 39 angeben und gibt die Statusinformationen SR and die Verarbeitungseinheit 28P der Displaysteuerung 28 aus. Die Statusinformationen SR enthalten Informationen, die den Empfangsstatus oder den Kommunikationsstatus jeweils in dem Fall angeben, in dem die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 nicht in der Lage war, Funkwellen zu empfangen, der Empfangsstatus von Funkwellen sich verschlechtert hat oder in der Kommunikation zwischen der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 und der Vorrichtungssteuerung 39 ein Fehler aufgetreten ist. Die Informationen, die den Empfangsstatus oder den Kommunikationsstatus angeben, geben einen Positionsbestimmungsstatus der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 an. Wie vorstehend beschrieben wurde, sind Beispiele des Positionsbestimmungsstatus unter anderem ein Status mit guter Positionsbestimmungsgenauigkeit (Fix), ein Status, in dem eine Positionsbestimmung nicht möglich ist (No Solution), ein Status, in dem eine Positionsbestimmung möglich ist, jedoch nur eine kleine Menge an Informationen gesammelt wird, und ein Status mit schlechter Positionsbestimmungsgenauigkeit (Float, Single Point Positioning). Das heißt, die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ist eine Positionsbestimmungsstatus-Bestimmungsvorrichtung, die bestimmt, ob bei der RTK-GNSS-Positionsbestimmung ein Problem aufgetreten ist.
In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die Positionsbestimmungsstatus-Bestimmungsvorrichtung (d.h. die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23), dass der Status mit guter Positionsbestimmungsgenauigkeit (Fix) ein normaler Positionsbestimmungsstatus ist. Darüber hinaus bestimmt die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23, dass der Status, in dem eine Positionsbestimmung nicht möglich ist (No Solution), der Status, in dem eine Positionsbestimmung zwar möglich, aber die Menge der gesammelten Informationen gering ist, und der Status mit schlechter Positionsbestimmungsgenauigkeit (Float, Single Point Positioning) anormale Positionsbestimmungsstatus sind. Das heißt, die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 bestimmt den Positionsbestimmungsstatus Fix als normal und die anderen Status außer Fix als anormal.
Nach Erfassung der Statusinformationen SR zeigt die Displaysteuerung 28 auf der Displayeinheit 29 in 2 Informationen an, die dem Positionsbestimmungsstatus entsprechen. Wenn die Statusinformationen SR den Status angeben, in dem eine Positionsbestimmung nicht möglich ist, zeigt die Displaysteuerung 28 auf der Displayeinheit 29 in 2 eine Meldung an, die darauf hinweist, dass bei der RTK-GNSS-Positionsbestimmung eine Unregelmäßigkeit aufgetreten ist.
Die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A berechnet den Neigungswinkel 94, welcher der Rollwinkel des Baggers 100 ist, und den Neigungswinkel θ5, welcher der Nickwinkel des Baggers 100 ist, aus den Detektionswerten der IMU 24 und gibt die Winkel θ4 und θ5 an die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B und die Schneidkantenpositions-Berechnungseinheit 28A der Displaysteuerung 28 aus. Die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A kann einen Azimutwinkel θdi durch Integrieren der durch die IMU 24 detektierten Winkelgeschwindigkeit ω um die z-Achse berechnen. Der Rollwinkel θ4, der Nickwinkel θ5 und der Azimutwinkel θdi sind Stellungswinkel.
Die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A tauscht den von ihr selbst berechneten Azimutwinkel θdi und den von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 eingeholten Azimutwinkel θda entsprechend dem Status der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23, welche die Positionsdetektionsvorrichtung ist, und gibt den Azimutwinkel als Azimutwinkel θdc an die Schneidkantenpositions-Berechnungseinheit 28A der Displaysteuerung 28 oder an die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B aus. Das heißt, wenn die RTK-GNSS-Positionsbestimmung normal ist, werden die Löffelschneidkanten-Positionsdaten S unter Verwendung des von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 eingeholten Azimutwinkels θda berechnet. Ist die RTK-GNSS-Positionsbestimmung anormal, werden die Löffelschneidkanten-Positionsdaten S unter Verwendung des Azimutwinkels θdi, der durch Integrieren der durch IMU 24 detektierten Winkelgeschwindigkeit ω um die z-Achse ermittelt wird, berechnet. Darüber hinaus sind die Neigungswinkel θ4 und θ5 und der Azimutwinkel θdc, die von der Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A zur Displaysteuerung 28 übertragen werden, auf die Position des Baggers 100 bezogene Positionsinformationen IPL. In der folgenden Beschreibung wird der Neigungswinkel θ4 zutreffend als Rollwinkel θ4 und der Neigungswinkel θ5 zutreffend als Nickwinkel θ5 bezeichnet.
Wie vorstehend beschrieben, sind die Positionsinformationen IPL in der vorliegenden Ausführungsform Informationen, die sich auf die Position des Baggers 100 beziehen, der eine Baumaschine ist. Die Positionsinformationen IPL enthalten Informationen, die notwendig sind für die Berechnung der Position des Baggers 100 sowie Informationen der Position des Baggers 100 selbst. Beispiele der Informationen der Position des Baggers 100 enthalten unter anderem die Referenzpositionen P1 und P2 und die Löffelschneidkanten-Positionsdaten S, und Beispiele der zum Berechnen der Position des Baggers 100 notwendigen Informationen enthalten unter anderem die Neigungswinkel θ4 und θ5 und den Azimutwinkel (θda, θdi oder θdc).
Die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B berechnet die Position, die durch die Referenzpositionsdaten P1 und P2 angeben wird, unter Verwendung der Referenzpositionsdaten P1 und P2, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 eingeholt werden, und der Betriebsinformation MI, die von der IMU 24 eingeholt werden. Die Referenzpositionsdaten P1 und P2 sind die erste Positionsinformation. In der folgenden Beschreibung wird die Position, welche die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B aus den Referenzpositionsdaten P1 und P2 und der Betriebsinformation MI berechnet, zutreffend als zweite Position bezeichnet. Die zweite Positionsinformation sind die Referenzpositionsdaten P1i und P2i. Die Referenzpositionsdaten P1i und P2i werden durch die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B generiert. In der folgenden Beschreibung werden die Referenzpositionsdaten P1 und P2, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ausgegeben werden, zutreffend als erste Referenzpositionsdaten P1 und P2 bezeichnet, und die Referenzpositionsdaten P1i und P2i, die durch die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B generiert werden, werden zutreffend als zweite Referenzpositionsdaten P1i und P2i bezeichnet.
Die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i können berechnet werden auf der Basis des Rollwinkels θ4 und des Nickwinkels θ5, die die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A aus der Beschleunigung a (ax, ay, az) und der Winkelgeschwindigkeit ω (ωx, ωy, ωz), die Detektionswerte der IMU 24 sind, und aus dem Azimutwinkel θdc, der von der Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A ausgegeben wird, berechnet. Der Azimutwinkel θdc ist der Azimutwinkel θda, den die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 einholt, oder ein Azimutwinkel, der ermittelt wird durch die Addition eines durch Integration der Schwenkwinkelgeschwindigkeit ω ermittelten Winkels mit dem Azimutwinkel θda. In diesem Fall berechnet die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 den Azimutwinkel θda aus den ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 und gibt den Azimutwinkel θda an die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A aus. Ist die Schwenkwinkelgeschwindigkeit ω gleich 0, ist der von der Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A ausgegebene Azimutwinkel θdc der gleiche wie der Azimutwinkel θda, der von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 eingeholt wird. Auf diese Weise generiert die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i unter Verwendung der ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 und der Betriebsinformation MI. In der vorliegenden Ausführungsform kann die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 einholen und den Azimutwinkel θda unter Verwendung der ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 berechnen.
Das Ergebnis der Positionsmessung, das durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 erzielt wird, kann durch den Einfluss einer Anordnung von Positionsbestimmungssatelliten, der Ionosphäre, der Troposphäre oder der geographischen Gegebenheiten in der Nähe einer GNSS-Antenne variieren. Wenn das Ergebnis der Positionsmessung variiert, kann die Konstruktionsfläche bei der Aushubsteuerung schwanken und nicht als eine dem Entwurf entsprechende Fläche ausgeführt werden. Wenn das Ergebnis der Positionsmessung variiert, kann außerdem die auf dem Führungsbildschirm angezeigte Schneidkante des Löffels 8 schwanken, wodurch sich die Sichtbarkeit für den Baggerführer gegebenenfalls verschlechtert. Wenn die 2 gezeigte Betätigungsvorrichtung 25 eine Betätigungsvorrichtung des Pilottyps ist, kann in dem linken Betätigungshebel 25L oder in dem rechten Betätigungshebel 25R eine Öl-Lücke entstehen, die der Baggerführer gegebenenfalls als Inkongruenz empfindet.
Der Einfluss einer Variation des Ergebnisses der Positionsmessung, das durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 erzielt wird, kann unterdrückt werden, indem ein Glättungsprozess durchgeführt wird, zum Beispiel eine Tiefpassfilterung oder die Anwendung eines gleitenden Mittelwerts auf die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ausgegeben werden. Die Position der GNSS-Antennen 21 und 22 variiert auch, wenn bei dem Bagger 100 der Stellungswinkel während des Aushubs variiert. Wenn daher die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 direkt einem Glättungsprozess unterzogen werden, kann es in Verbindung mit dem Glättungsprozess zu einer Verzögerung bei der Berechnung der Position der GNSS-Antennen 21 und 22 kommen, die durch den Glättungsprozess berechnet wird. Das Ergebnis ist, dass sich die durch den Glättungsprozess berechnete Position der GNSS-Antennen 21 und 22 von der tatsächlichen Position der GNSS-Antennen 21 und 22 unterscheidet.
Wenn bei dem Bagger 100 ein Fixpunkt vorliegt, dessen absolute Position sich während der Betriebsphase des Baggers 100 nicht ändert, und wenn eine relative Beziehung zwischen der Position der GNSS-Antennen 21 und 22 und dem Fixpunkt bekannt ist, kann die Vorrichtungssteuerung 39 des Steuersystems 200 die absolute Position des Fixpunkts aus der Position der GNSS-Antennen 21 und 22 berechnen. Die Vorrichtungssteuerung 39 unterzieht die absolute Position des Fixpunkts einem Glättungsprozess, um einen Fixpunkt zu erhalten, bei dem eine Variation verhindert wird. Die Vorrichtungssteuerung 39 kann eine Variation der RTK-GNSS-Positionsbestimmung unterdrücken, ohne von der Verzögerung beeinflusst zu werden, die mit dem Glättungsprozess verbunden ist, indem die Position der GNSS-Antennen 21 und 22 aus der durch den Glättungsprozess berechneten absoluten Position des Fixpunkts berechnet wird.
In der Praxis jedoch wird eine ungefähre Position, die als Fixpunkt betrachtet werden kann, als Pseudo-Fixpunkt gewählt, da unter anderem durch den Betrieb des Arbeitsgeräts 2 und solange die Antriebsmaschine 35 des Baggers 100 in Betrieb ist Vibrationen auftreten. Die Vorrichtungssteuerung 39 des Steuersystems 200 kann die RTK-GNSS-Positionsbestimmung durch die Verwendung des Pseudo-Fixpunkts unterstützen, indem sie den gewählten Pseudo-Fixpunkt in der gleichen Weise behandelt wie den vorstehend beschriebenen Fixpunkt. Der Pseudo-Fixpunkt kann als Fixpunkt gelten, wenn sich der Bagger 100 nicht bewegt (d.h. die in 1 dargestellten Raupenketten 5a und 5b sich nicht bewegen).
In der vorliegenden Ausführungsform unterzieht das Steuersystem 200 (genauer die Vorrichtungssteuerung 39 des Steuersystems 200) den vorstehend beschriebenen Pseudo-Fixpunkt einem Glättungsprozess, um die Position der GNSS-Antennen 21 und 22 (d.h. die zweite Position) zu berechnen, und verwendet hierfür den durch den Glättungsprozess berechneten Pseudo-Fixpunkt. Da man den Pseudo-Fixpunkt als Pseudo-Fixpunkt ansehen kann, dessen absolute Position in der Betriebsphase des Baggers 100 sich nicht mit der Zeit ändert, wie später noch erläutert wird, kann der Einfluss der mit dem Glättungsprozess verbundenen Verzögerung ignoriert werden. Das Ergebnis ist, dass die Vorrichtungssteuerung 39 die durch den Glättungsprozess berechnete Position der GNSS-Antennen 21 und 22 an die tatsächliche Position der GNSS-Antennen 21 und 22 identisch angleichen kann. Auf diese Weise kann die Vorrichtungssteuerung 39 den Einfluss einer Variation des durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 erzielten Ergebnisses der Positionsmessung unterdrücken, indem sie den Pseudo-Fixpunkt einem Glättungsprozess unterzieht. Dadurch kann die Vorrichtungssteuerung 39 verhindern, dass die Genauigkeit der auf der Aushubsteuerung basierenden Bauausführung und die Sichtbarkeit des Führungsbildschirms sich verschlechtern.
Die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B holt den Detektionswert STr (entsprechend dem Schwenkbetriebssignal MR) von dem Drucksensor 66 ein, der den Pilotdruck des linken Betätigungshebels 25L in 2 detektiert, und holt den Detektionswert STd (entsprechend dem Betriebssignal MD) von dem Drucksensor 27C ein, der den Pilotdruck der Fahrhebel 25FL und 25FR detektiert. Die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B führt verschiedene Bestimmungen durch, unter anderem, ob auf der Basis der eingeholten Detektionswerte STr und STd der Glättungsprozess durchzuführen ist oder nicht.
Nachstehend wird der Pseudo-Fixpunkt erläutert. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Pseudo-Fixpunkt die Position PL des Baggers 100, der in 3 und 4 dargestellt ist. Wenngleich die Position PL als Ursprung des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems definiert ist, wie vorstehend beschrieben, kann der Ursprung des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems auch an einer anderen Position definiert sein. Deshalb wird der Pseudo-Fixpunkt in der folgenden Beschreibung gelegentlich als bestimmter Punkt bezeichnet. Wenn während des Betriebs des Baggers 100 eine Bewegung stattfindet, die eine Drehung generiert (nachfolgend bisweilen als Schwenk bezeichnet), bewegt sich der Stützpunkt der Drehung nicht. Wenn daher der Pseudo-Fixpunkt an dem Stützpunkt liegt, wird der Fehler in der durch das Steuersystem 200 berechneten Position (z.B. die Position eines bestimmten Bereichs des Arbeitsgeräts 2 oder die Position des Arbeitsgeräts 2, die die Position der Schneidkante 8T des Löffels 8 einschließt) am kleinsten. Selbst wenn es schwierig ist, den Pseudo-Fixpunkt an dem Drehstützpunkt festzulegen, lässt sich der Fehler in der durch das Steuersystem 200 berechneten Position (Position des Arbeitsgeräts 2) verringern, indem der Pseudo-Fixpunkt möglichst nahe an dem Stützpunkt festgelegt wird.
Da der Stützpunkt beim Schwenken des oberen Drehwagens 3 die Achse der Schwenkmitte (d.h. die z-Achse) ist, wird der Pseudo-Fixpunkt an der z-Achse festgelegt. Obwohl der Drehstützpunkt in der Richtung des Rollwinkels θ4 und in der Richtung des Nickwinkels θ5 kein fester Punkt ist, wird der Stützpunkt als stets auf der Geländefläche liegend betrachtet, mit der sich der Bagger 100 in Kontakt befindet. Wie vorstehend beschrieben, ist die Position PL in der vorliegenden Ausführungsform der Schnittpunkt zwischen der z-Achse, welche die Achse der Schwenkmitte des Drehwagens ist, und der Ebene, die der Geländefläche entspricht, mit welcher die Fahrvorrichtung 5 in Berührung ist. Indem der Pseudo-Fixpunkt in der vorliegenden Ausführungsform auf der Geländefläche festgelegt wird, mit welcher der Bagger 100 in Berührung ist, gilt der Pseudo-Fixpunkt als fester Punkt, auch wenn während des Betriebs des Baggers 100 eine Bewegung stattfindet, die eine Drehung generiert. Auf diese Weise lässt sich eine Variation der durch das Steuersystem 200 berechneten Position (speziell der absoluten Position der GNSS-Antennen 21 und 22) unterdrücken, wenn eine solche Variation bei der RTK-GNSS-Positionsbestimmung auftritt.
Wenngleich der Bagger 100 verschiedene Arbeiten ausführen kann, ist der Böschungsbau ein Beispiel eines Falls, in dem der Pseudo-Fixpunkt fest ist, selbst wenn bei dem Bagger 100 eine Drehung stattfindet. In diesem Fall kann der Bagger 100 mit der Betätigung des Arbeitsgeräts 2 oder des oberen Drehwagens 3 nur graben oder abtragen, wenn die Fahrvorrichtung 5 stillsteht. Wenn Bauarbeiten wie beispielsweise ein Böschungsbau mit dem Bagger 100 durchgeführt werden, der eine computergestützte Bauausführung erlaubt, berechnet das Steuersystem 200 die zweite Position des Baggers 100 (speziell die Position der GNSS-Antennen 21 und 22) unter Verwendung des Pseudo-Fixpunkts und des durch das RTK-GNSS erzielten Ergebnisses der Positionsmessung. Durch diese Vorgehensweise kann das Steuersystem 200 verhindern, dass die Genauigkeit der Aushubsteuerung abnimmt und dass sich die Sichtbarkeit bzw. Erkennbarkeit des Führungsbildschirms verschlechtert.
<Verfahren zum Berechnen des Pseudo-Fixpunkts>
Es wird nun ein Verfahren beschrieben, durch welches das Steuersystem 200 (speziell die Vorrichtungssteuerung 39) des Baggers 100 den Pseudo-Fixpunkt aus der absoluten Position der GNSS-Antennen 21 und 22 berechnet und die absolute Position der GNSS-Antennen 21 und 22 aus dem Pseudo-Fixpunkt berechnet.
Gleichung (1) ist eine Gleichung, die eine Differenz zwischen einem Positionsvektor der Position PL und einem Positionsvektor der GNSS-Antennen 21 und 22 in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem in eine Differenz zwischen einem Positionsvektor der Position PL und einem Positionsvektor der GNSS-Antennen 21 und 22 in dem in 3 dargestellten lokalen Koordinatensystem (X, Y, Z) umrechnet. Gleichung (2) ist eine Gleichung, die einen Positionsvektor Rfl der Position PL in dem lokalen Koordinatensystem aus dem Messwert Ral des Positionsvektors der GNSS-Antennen 21 und 22 in dem lokalen Koordinatensystem berechnet und ist eine Abwandlung von Gleichung (1). Gleichung (3) drückt die Gleichung aus, die den Messwert Ral des Positionsvektors der GNSS-Antennen 21 und 22 in dem lokalen Koordinatensystem aus dem Positionsvektor Rfl der Position PL in dem lokalen Koordinatensystem als Gleichung berechnet, die einen Rechenwert Ralc des Positionsvektors der GNSS-Antennen 21 und 22 in dem lokalen Koordinatensystem berechnet.
$Rfl - Ral = Clb (Rfb - Rab)$
$Rfl = Clb (Rfb - Rab) + Ral$
$Ralc = Clb (Rab - Rfb) + Rfl$

Rfb: Ein Kalibrierwert eines Positionsvektors der Position PL in einem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem
Rab: Ein Kalibrierwert eines Positionsvektors GNSS-Antennen 21 und 22 in einem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem
Rfl: Ein Rechenwert eines Positionsvektors der Position PL in einem lokalen Koordinatensystem
Ral: Ein Messwert eines Positionsvektors der GNSS-Antennen 21 und 22 in einem lokalen Koordinatensystem
Ralc: Ein Rechenwert eines Positionsvektors der GNSS-Antennen 21 und 22 in einem lokalen Koordinatensystem
Clb: Eine Koordinaten-Drehmatrix zur Drehung eines Fahrzeugkörper-Koordinatensystems in ein lokales Koordinatensystem

Die Kalibrierwerte sind die Werte der Position PL und der Position der GNSS-Antennen 21 und 22, die durch eine Messung der jeweiligen Positionen und Dimensionen der Bagger 100 ermittelt und zumindest in der Speichereinheit 39M der Vorrichtungssteuerung 39 oder zumindest in der Speichereinheit 28M der Displaysteuerung 28 gespeichert werden. Die Kalibrierwerte können auf den Abmessungen des Baggers 100 basieren, wobei diese von Bagger zu Bagger verschieden sind. Aus diesem Grund werden die Kalibrierwerte vorzugsweise durch Messung (Kalibrierung) ermittelt.
Die Koordinaten-Drehmatrix Clb wird als Gleichung (4) ausgedrückt, wobei der Rollwinkel θ4, der Nickwinkel θ5 und der Gierwinkel (d.h. der Azimutwinkel θd) einbezogen werden. Der Rollwinkel θ4, der Nickwinkel θ5 und der Azimutwinkel θd können durch die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A durch Zeitintegration der x-Achsen-Winkelgeschwindigkeit ωx, der y-Achsen-Winkelgeschwindigkeit ωy und der z-Achsen-Winkelgeschwindigkeit ωz, die durch die IMU 24 detektiert werden, berechnet werden. In Gleichung (4) gilt: sy ist sinθ4, sy ist sinθ5, sz ist sinθd, cx ist cosθ4, cy ist cos95 und cz ist cosθd. $C l b = [\begin{matrix} c z \cdot c y & - s z \cdot c x + c z \cdot s y \cdot s x & s z \cdot s x + c z \cdot s y \cdot c x \\ s z \cdot c y & c z \cdot c x + s z \cdot s y \cdot s x & - c z \cdot s x + s z \cdot s y \cdot c x \\ - s y & c y \cdot s x & c y \cdot c x \end{matrix}]$
Das Steuersystem 200 kann die Position des bestimmten Punkts (in der vorliegenden Ausführungsform die Position PL), welcher der Pseudo-Fixpunkt ist, durch Gleichung (2) berechnen. Darüber hinaus kann das Steuersystem 200 die absolute Position der GNSS-Antennen 21 und 22 (d.h. die Position in dem lokalen Koordinatensystem oder die Position in dem globalen Koordinatensystem) unter Verwendung des bestimmten Punkts, welcher der Pseudo-Fixpunkt ist, durch Gleichung (3) berechnen. Das Steuersystem 200 kann die absolute Position der GNSS-Antennen 21 und 22 durch Anwendung der Gleichungen (2) und (3) berechnen.
<Glättungsprozess>
In der vorliegenden Ausführungsform unterzieht die Vorrichtungssteuerung 39 die Position des bestimmten Punkts, welcher der Pseudo-Fixpunkt ist, einem Glättungsprozess. In der vorliegenden Ausführungsform wird in dem Glättungsprozess zum Beispiel ein Tiefpassfilter verwendet, das in Gleichung (5) dargestellt ist. $Rft = {(M - 1) \times Rftpr + Rfl} / M$
In Gleichung (5) ist Rft die Ausgabe eines Tiefpassfilters in einem aktuellen Steuerzyklus und Rftpr die Ausgabe eines Tiefpassfilters (nachstehend als Filter bezeichnet) in einem vorhergehenden Steuerzyklus. Diese Werte sind die Positionsvektoren des bestimmten Punkts. M ist eine Mittelungskonstante. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Anfangswert der Mittelungskonstante M gleich 1, und M wird immer dann um 1 vergrößert, wenn ein Steuerzyklus endet, und zwar bis der Wert M einen Einstellwert Mmax erreicht.
In der vorliegenden Ausführungsform speichert die Vorrichtungssteuerung 39 die Filterausgabe Rftpr in dem vorhergehenden Steuerzyklus vorübergehend in der Speichereinheit 39M, wenn der Glättungsprozess beginnt. Die Speichereinheit 39M speichert die Filterausgabe Rftpr in dem vorherigen Steuerzyklus bis zur Durchführung der Filterung in dem nächsten Steuerzyklus oder bis zum Rücksetzen eines laufenden Glättungsprozesses.
Die Vorrichtungssteuerung 39 berechnet den Positionsvektor Rfl, der die Position des bestimmten Punkts angibt, unter Anwendung von Gleichung (2), und der berechnete Positionsvektor Rfl wird in Gleichung (5) eingesetzt. Die Vorrichtungssteuerung 39 wendet bei jedem Steuerzyklus einen Glättungsprozess (speziell eine Tiefpassfilterung) gemäß Gleichung (5) auf den Positionsvektor Rfl des bestimmten Punkts an. Nach Durchführung der Tiefpassfilterung gibt die Vorrichtungssteuerung 39 den ausgegebenen Rft des Tiefpassfilters in dem aktuellen Steuerzyklus als Positionsvektor des bestimmten Punkts aus, der durch den Glättungsprozess erhalten wurde. In der folgenden Beschreibung wird der Positionsvektor des bestimmten Punkts nach dem Glättungsprozess als Positionsvektor Rft bezeichnet. Der Positionsvektor Rft bildet die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i. Die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i sind eine durch den Glättungsprozess erhaltene Information. Auf diese Weise unterzieht die Vorrichtungssteuerung 39 die Position des bestimmten Punkts einem Glättungsprozess, um unter Verwendung der durch den Glättungsprozess ermittelten Position des bestimmten Punkts die zweite Position zu berechnen, indem die in Gleichung (5) dargestellte Funktion des Tiefpassfilters ausgeführt wird.
Die Vorrichtungssteuerung 39 legt die Filterausgabe Rftpr in dem vorherigen Steuerzyklus auf Rfl in Gleichung (5) fest und setzt die Mittelungskonstante M in einem ersten Durchgang des Glättungsprozesses oder nach Rückstellung des Glättungsprozesses auf 1. Der erste Durchgang des Glättungsprozesses ist ein Fall, in dem die Vorrichtungssteuerung 39 nicht über die Filterausgabe Rftpr in dem vorherigen Steuerzyklus verfügt, wenn die Vorrichtungssteuerung 39 den Glättungsprozess startet.
Wird der Glättungsprozess aus irgendwelchen Gründen ausgesetzt, gibt die Vorrichtungssteuerung 39 die Filterausgabe Rft in dem aktuellen Steuerzyklus nicht aus, sondern behält die Filterausgabe Rftpr in dem vorherigen Steuerzyklus und die Mittelungskonstante M in dem vorherigen Steuerzyklus bei. In diesem Fall speichert die Vorrichtungssteuerung 39 die Mittelungskonstante M in dem vorherigen Steuerzyklus zusätzlich zu der Filterausgabe Rftpr in dem vorherigen Steuerzyklus in der Speichereinheit 39M. Wird der ausgesetzte Glättungsprozess wiederaufgenommen, setzt die Vorrichtungssteuerung 39 den Positionsvektor Rfl des bestimmten Punkts in dem aktuellen Steuerzyklus und die Filterausgabe Rftpr und die Mittelungskonstante M vor Aussetzung, die in der Speichereinheit 39M gespeichert sind, in Gleichung (5) ein. Durch diesen Prozess glättet die Vorrichtungssteuerung 39 den Positionsvektor Rfl des bestimmten Punkts.
Um den anormalen Wert in dem Ergebnis der Positionsmessung der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 zu umgehen, führt die Vorrichtungssteuerung 39 einen Bestimmungsprozess durch, wenn der Glättungsprozess beginnt (mit Ausnahme des Beginns des ersten Durchgangs des Glättungsprozesses) oder bei Rückkehr aus dem ausgesetzten Glättungsprozess. Bei Durchführung des Bestimmungsprozesses berechnet die Vorrichtungssteuerung 39 eine Differenz ΔRfl unter Anwendung von Gleichung (6). In Gleichung (6) ist Rfl ein Positionsvektor des bestimmten Punkts in dem aktuellen Steuerzyklus und Rftpr ist die Filterausgabe, die vor Beginn des Glättungsprozesses oder bei Rückkehr aus dem ausgesetzten Glättungsprozess (d.h. bei Wiederaufnahme des Glättungsprozesses) in der Speichereinheit 39M gespeichert wird. $Δ Rfl = | Rfl - Rftpr$
Wenn in dem Bestimmungsprozess die Differenz ARfl kleiner ist als ein vorgegebener Schwellwert, bestimmt die Vorrichtungssteuerung 39, dass der Positionsvektor Rfl des bestimmten Punkts in dem aktuellen Steuerzyklus normal ist und führt unter Verwendung des Positionsvektors Rfl des bestimmten Punkts in dem aktuellen Steuerzyklus einem Glättungsprozess durch. Ist die Differenz ARfl größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellwert, bestimmt die Vorrichtungssteuerung 39, dass der Positionsvektor Rfl des bestimmten Punkts in dem aktuellen Steuerzyklus anormal ist. Wenn bestimmt wird, dass der Positionsvektor anormal ist, berechnet die Vorrichtungssteuerung 39 die Filterausgabe Rft in Gleichung (5) und verwendet hierfür anstelle des Positionsvektors Rfl des bestimmten Punkts in dem aktuellen Steuerzyklus die in der Speichereinheit 39M gespeicherte Filterausgabe Rftpr. Mit einer solchen Vorgehensweise kann die Vorrichtungssteuerung eine Variation der Schneidkantenposition des Löffels 8 unterdrücken, die das Ergebnis des anormalen Werts ist, wenn in dem Ergebnis der Positionsmessung durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ein anormaler Wert erscheint. Hält ein Zustand, in dem die Differenz ARfl größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellwert ist, für eine vorgegebene Einstelldauer Nt (in Sekunden) an, führt die Vorrichtungssteuerung 39 einen Unterbrechungsprozess durch. Insbesondere setzt die Vorrichtungssteuerung 39 den Glättungsprozess zurück.
Beispiele eines Falls, in dem ein anormaler Wert in dem Ergebnis der Positionsmessung durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 erscheint, enthalten unter anderem einen Fall, in dem der von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ausgegebene Koordinatenwert der ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 einen anormalen Wert aufweist, einen Fall, in dem in der Kommunikation zwischen der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 und der Vorrichtungssteuerung 39 ein Fehler auftritt, einen Fall, in dem bei der RTK-GNSS-Positionsbestimmung ein Problem auftritt, und einen Fall, in dem die vorstehend beschriebenen Vorkommnisse gleichzeitig auftreten. Wenn die GNSS-Antennen 21 und 22 von den Positionsbestimmungssatelliten keine Funkwellen empfangen können oder es schwierig wird, Funkwellen zu empfangen, liegt in der RTK-GNSS-Positionsbestimmung ein Problem vor.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Tiefpassfilter nicht auf jenes beschränkt, das in Gleichung (5) dargestellt ist. Der Glättungsprozess ist nicht auf das Tiefpassfilter beschränkt und kann ebenso ein Prozess sein, in welchem ein gleitender Mittelwert der Position des bestimmten Punkts berechnet wird.
In der vorliegenden Ausführungsform führt die Vorrichtungssteuerung 39 den Glättungsprozess durch, wenn die RTK-GNSS-Positionsbestimmung normal ist. Wenn die Vorrichtungssteuerung 39 den bestimmten Punkt einem Glättungsprozess unterzieht, berechnet die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A der Vorrichtungssteuerung 39 den Rollwinkel θ4, den Nickwinkel θ5 und den Azimutwinkel θdc und gibt die Winkel an die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B und die Schneidkantenpositions-Berechnungseinheit 28A der Displaysteuerung 28 aus. Da der Azimutwinkel θdc (d.h. die Drehwagen-Richtungsdaten Q) aus den Referenzpositionsdaten P1 und P2, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 erhalten werden, ermittelt werden kann, kann die in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem ermittelte Position des Arbeitsgeräts 2 als die Position des Arbeitsgeräts 2 in dem lokalen Koordinatensystem berechnet werden.
6 zeigt in einer Ansicht die Stellung eines Baggers. Der Azimutwinkel θdc, der durch die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A berechnet wird, gibt eine Neigung der x-Achse, welche die Achse in Vorwärts-Rückwärts-Richtung des oberen Drehwagens 3 ist, bezüglich der Y-Achse des lokalen Koordinatensystems (X, Y, Z) an. Eine Richtung D1 des Baggers 100 wird durch den Azimutwinkel θdc bestimmt.
Die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B berechnet eine Koordinaten-Drehmatrix Clb aus dem Rollwinkel θ4, dem Nickwinkel θ5 und dem Azimutwinkel θdc, die durch die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A berechnet wurden. In diesem Fall setzt die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B den durch die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A berechneten Azimutwinkel θdc an die Stelle von θd in Gleichung (4) ein, um die Koordinaten-Drehmatrix Clb zu berechnen. Darüber hinaus berechnet die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B den Messwert Ral des Positionsvektors der GNSS-Antennen 21 und 22 in dem lokalen Koordinatensystem aus den Referenzpositionsdaten P1 und P2, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 in einem Zustand eingeholt wurden, in dem die RTK-GNSS-Positionsbestimmung normal war. Darüber hinaus setzt die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B die berechnete Koordinaten-Drehmatrix Clb und den berechneten Messwert Ral des Positionsvektors in Gleichung (2) ein, um den Positionsvektor Rfl der Position PL in dem lokalen Koordinatensystem zu berechnen. Der Positionsvektor Rfl ist ein Rechenwert.
Wenn der Positionsvektor Rfl ermittelt wird, setzt die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B den Positionsvektor Rfl in Gleichung (5) ein, um an dem Positionsvektor Rfl einen Glättungsprozess durchzuführen. Die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B setzt den nach dem Glättungsprozess erhaltenen Positionsvektor Rfl (d.h. die Tiefpassfilterausgabe Rft) für Rfl von Gleichung (3) ein, um den Positionsvektor der GNSS-Antennen 21 und 22 (d.h. die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i) in dem lokalen Koordinatensystem zu berechnen. Der Positionsvektor der GNSS-Antennen 21 und 22 in dem lokalen Koordinatensystem ist der in Gleichung (3) dargestellte Rechenwert Ralc. Die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B gibt die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i als Referenzpositionsdaten P1c und P2c an die Schneidkantenpositions-Berechnungseinheit 28A der Displaysteuerung 28 aus.
Es folgt nun die Beschreibung der Arbeitsgerät-Steuereinheit 39C, die in der Verarbeitungseinheit 39P der Vorrichtungssteuerung 39 enthalten ist. Die Arbeitsgerät-Steuereinheit 39C generiert ein Steuersignal N zum Steuern der Geschwindigkeit, mit welcher sich das Arbeitsgerät 2 den Ziel-Aushubgeländeformdaten U nähert, auf der Basis der Ziel-Aushubgeländeformdaten U, die von der Displaysteuerung 28 eingeholt werden. Die Arbeitsgerät-Steuereinheit 39C liefert das generierte Steuersignal N an das Steuerventil 27, um das Steuerventil 27 zu öffnen oder zu schließen und dadurch die Geschwindigkeit zu steuern, mit welcher sich das Arbeitsgerät 2 den Ziel-Aushubgeländeformdaten U nähert.
7 ist ein Diagramm, das die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B, die in der Vorrichtungssteuerung 39 gemäß der ersten Ausführungsform enthalten ist, darstellt. Die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B enthält eine Bestimmungseinheit 40A, eine Einheit 40B zum Berechnen des bestimmten Punkts, eine Glättungsverarbeitungseinheit 40C und eine Positionsberechnungseinheit 40D. Die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, ob die Vorrichtungssteuerung 39 den Glättungsprozess durchführen oder stoppen soll, den in Ausführung befindlichen Glättungsprozess aussetzen soll, den ausgesetzten Glättungsprozess wiederaufnehmen soll oder den Glättungsprozess zurücksetzen soll. Diese Bestimmungen erfolgen auf der Basis des Detektionswerts STr des Drucksensors 66 und des Detektionswerts STd des Drucksensors 27PC.
Die Einheit 40B zum Berechnen des bestimmten Punkts berechnet unter Anwendung von Gleichung (2) den Positionsvektor Rfl des bestimmten Punkts. Die Glättungsverarbeitungseinheit 40C führt an dem Positionsvektor Rfl des durch die Einheit 40B für die Berechnung des bestimmten Punkts berechneten Positionsvektors Rfl des bestimmten Punkts unter Anwendung von Gleichung (5) einen Glättungsprozess durch. Die Positionsberechnungseinheit 40D setzt den Positionsvektor Rft, der nach dem Glättungsprozess erhalten wurde, für Rfl in Gleichung (3) ein, um die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i zu berechnen, und gibt diese Datenelemente als Referenzpositionsdaten P1c und P2c and die Displaysteuerung 28 aus. Als nächstes wird ein Beispiel eines Prozess beschrieben, in dem das Steuersystem 200 gemäß vorliegender Erfindung einen Glättungsprozess durchführt, um die Schneidkantenposition des Löffels 8 zu berechnen.
<Beispiel des Prozesses des Steuersystems 200>
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Prozesses des Steuersystems 200 gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. In Schritt S101 bestimmt die Bestimmungseinheit 40A der Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B, die in der Vorrichtungssteuerung 39 des Steuersystems 200 enthalten ist, ob die Bedingungen die für die Durchführung des Glättungsprozesses durch die Vorrichtungssteuerung 39 notwendig sind, erfüllt sind. Die Durchführungsbedingungen sind erfüllt, wenn die RTK-GNSS-Positionsbestimmung normal ist, der Bagger 100 nicht fährt und der drehbare Oberwagen 3 nicht geschwenkt wird.
Sind die Startbedingungen erfüllt (Schritt S101: Ja), berechnet die Vorrichtungssteuerung 39 in Schritt S102 den bestimmten Punkt. Insbesondere berechnet die Einheit 40B der in der Vorrichtungssteuerung 39 enthaltenen Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B den bestimmten Punkt (insbesondere den Positionsvektor Rfl des bestimmten Punkts). In Schritt S103 unterzieht die Vorrichtungssteuerung 39 den durch die Einheit 40B zum Berechnen des bestimmten Punkts berechneten Positionsvektor Rfl des bestimmten Punkts einem Glättungsprozess. In Schritt S104 berechnet die Positionsberechnungseinheit 40D der Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B, die in der Vorrichtungssteuerung 39 enthalten ist, die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i unter Verwendung des Positionsvektors Rft, welcher der Positionsvektor Rfl ist, der nach dem Glättungsprozess erhalten wird. Darüber hinaus gibt die Positionsberechnungseinheit 40D die berechneten zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i als Referenzpositionsdaten P1c und P2c an die Displaysteuerung 28 aus.
In Schritt S105 berechnet die Verarbeitungseinheit 28P der Displaysteuerung 28 die Schneidkantenposition, welche die dreidimensionale Position der Schneidkante 8T des Löffels 8 ist, unter Verwendung der Positionsinformation IPL des Baggers 100, die von der Vorrichtungssteuerung 39 eingeholt wird. Insbesondere generiert die Verarbeitungseinheit 28P die Schneidkantenpositionsdaten S, die die Schneidkantenposition angeben. Die Positionsinformation IPL enthält die Referenzpositionsdaten P1c und P2c, den Rollwinkel θ4, den Nickwinkel θ5 und den Azimutwinkel θdc. Zur Fortsetzung der Beschreibung wird zu Schritt S101 zurückgekehrt. Wenn in Schritt S101 bestimmt wird, dass die Startbedingung nicht erfüllt sind (Schritt S101: Nein), beendet die Vorrichtungssteuerung 39 den Prozess. Das heißt, die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass die Durchführungsbedingungen nicht erfüllt sind, wenn mindestens eine der Bedingungen nicht erfüllt ist, nämlich, dass die RTK-GNSS-Positionsbestimmung normal ist, dass der Bagger 100 nicht fährt und dass der obere Drehwagen 3 nicht geschwenkt wird. Als nächstes wird ein Zustandsübergang eines Glättungsprozesses beschrieben.
<Zustandsübergang des Glättungsprozesses>
9 ist ein Diagramm zur Beschreibung eines Zustandsübergangs des Glättungsprozesses. In der vorliegenden Ausführungsform findet ein Übergang des Glättungsprozesses zwischen vier Zuständen statt: Zustand 1 (AN, Durchführung des Glättungsprozesses), Zustand 2 (AUS, Glättungsprozess gestoppt), Zustand 3 (AUSSETZEN, Aussetzen des in Ausführung befindlichen Glättungsprozess) und Zustand 4 (RÜCKSETZEN, Zurücksetzen des Glättungsprozesses).
Wenn die RTK-GNSS-Positionsbestimmung normal ist, die Fahrt des Baggers 100 gestoppt wird (Nicht-Fahrzustand) und der obere Drehwagen 3 nicht geschwenkt wird, ändert die Vorrichtungssteuerung den Zustand des Glättungsprozesses in den Zustand 1. Das heißt, Zustand 1 ist ein Zustand des Glättungsprozesses, in die vorstehend beschriebenen Durchführungsbedingungen erfüllt sind. Im Zustand 1 berechnet die Vorrichtungssteuerung 39 die Schneidkantenposition unter Verwendung der zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i, welche die zweite Positionsinformation sind.
Wenn die Durchführungsbedingungen nicht erfüllt sind (insbesondere wenn der Bagger fährt), veranlasst die Vorrichtungssteuerung 39 den Übergang des Glättungsprozesses von dem Zustand 1 in den Zustand 2 (I). Das heißt, die Vorrichtungssteuerung 39 stoppt den Vorgang der Berechnung der zweiten Position (d.h. den Glättungsprozess), wenn der Bagger 100 fährt. Im Zustand 2, wenn die RTK-GNSS-Positionsbestimmung normal ist, der Bagger 100 nicht fährt und der oberen Drehwagen 3 nicht geschwenkt wird, veranlasst die Vorrichtungssteuerung 39 den Übergang des Glättungsprozesses von dem Zustand 2 in den Zustand 1 (I).
Wenn die Durchführungsbedingungen in Zustand 1 nicht erfüllt sind (insbesondere wenn mindestens eine der Bedingungen, dass die RTK-GNSS-Positionsbestimmung anormal ist und dass der obere Drehwagen 3 geschwenkt wird, erfüllt ist), veranlasst die Vorrichtungssteuerung 39 den Übergang des Glättungsprozesses von dem Zustand 1 in den Zustand 3 (II). In Zustand 3 setzt die Vorrichtungssteuerung den Prozess der Berechnung der zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i, welche die zweite Positionsinformation sind, (d.h. den Glättungsprozess) aus. In Zustand 3, wenn die RTK-GNSS-Positionsbestimmung normal ist, der Bagger 100 nicht fährt und der obere Drehwagen 3 gestoppt ist (d.h. nicht geschwenkt wird), veranlasst die Vorrichtungssteuerung 39 den Übergang des Glättungsprozess von Zustand 3 in Zustand 1 (II). In diesem Fall nimmt die Vorrichtungssteuerung 39 den ausgesetzten Glättungsprozess wieder auf. Bei Wiederaufnahme des ausgesetzten Glättungsprozesses berechnet die Vorrichtungssteuerung 39 die Schneidkantenposition unter Verwendung der zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i, die vor dem Aussetzen des Glättungsprozesses ermittelt wurden.
Bei der Durchführung eines Prozesses zur Umgehung eines anormalen Werts in dem Ergebnis der Positionsmessung durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 oder bei einen Unterbrechungsvorgang veranlasst die Vorrichtungssteuerung 39 den Übergang des Glättungsprozesses von dem Zustand 1 in den Zustand 4 (III). In Zustand 4, wenn die RTK-GNSS-Positionsbestimmung normal ist, der Bagger 100 nicht fährt, der oberen Drehwagen 3 nicht geschwenkt wird und der Glättungsprozess komplett zurückgesetzt wurde, veranlasst die Vorrichtungssteuerung 39 den Übergang des Glättungsprozess von dem Zustand 4 in den Zustand 1 (III).
Wenn der Bagger 100 während der Aussetzung des Glättungsprozesses zu fahren beginnt, veranlasst die Vorrichtungssteuerung 39 den Übergang des Glättungsprozesses von dem Zustand 3 in den Zustand 2 (IV). Das heißt, die Vorrichtungssteuerung 39 stoppt den Glättungsprozess, welcher der Prozess zum Berechnen der zweiten Positionsinformation ist. In Zustand 4, wenn der Bagger 100 fährt, der obere Drehwagen 3 geschwenkt wird oder die RTK-GNSS-Positionsbestimmung anormal ist, veranlasst die Vorrichtungssteuerung 39 den Übergang des Glättungsprozesses von Zustand 4 in Zustand 2 (V).
<Bestimmung des Status des Baggers 100 und des Positionsbestimmungsstatus des RTK-GNSS>
Wenn die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B einen Zustandsübergang des Glättungsprozesses bewirkt, bestimmt die Bestimmungseinheit 40A der Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B in 7 den Status des Baggers 100 und den Positionsbestimmungsstatus des RTK-GNSS. Die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass der Bagger 100 fährt, wenn der Drucksensor 27PC den Pilotdruck von zumindest dem Fahrhebel 25FL oder zumindest dem Fahrhebel 25FR detektiert. Wenn der linke Betätigungshebel 25FL, der ein Betätigungshebel zum Ermöglichen des Schwenkbetriebs des drehbaren Oberwagens 3 ist, entweder nach links oder nach rechts betätigt wird und wenn der Drucksensor 66 den Pilotdruck detektiert, bestimmt die Bestimmungseinheit 40A, dass der obere Drehwagen 3 gerade geschwenkt wird. Wenn die durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 generierte Statusinformation SR darauf hinweist, dass der Bestimmungsstatus des RTK-GNSS anormal ist, bestimmt die Bestimmungseinheit 40A, dass der Positionsbestimmungsstatus anormal ist
<Ablauf des Zustandsübergangs des Glättungsprozesses>
10 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf darstellt, in dem die Vorrichtungssteuerung 39 einen Zustandsübergang des Glättungsprozesses veranlasst, und das insbesondere einen mit der Aussetzung des Glättungsprozesses verbundenen Ablauf darstellt. In Schritt S201, wenn die Vorrichtungssteuerung 39 den Glättungsprozess durchführt, bestimmt die Bestimmungseinheit 40A der Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B, die in der Vorrichtungssteuerung 39 enthalten, ist, ob eine Bedingung für die Aussetzung des Glättungsprozesses erfüllt ist. Die Bedingung für die Aussetzung des Glättungsprozesses ist erfüllt, wenn zumindest die Bedingung, dass die RTK-GNSS-Positionsbestimmung anormal ist oder zumindest die Bedingung, dass der obere Drehwagen 3 geschwenkt wird, erfüllt wird. Wenn die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass die Bedingung für die Aussetzung des Glättungsprozesses erfüllt ist (Schritt S201: Ja), setzt die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B der Vorrichtungssteuerung 39 den Glättungsprozess in Schritt S202 (II) aus.
In Schritt S203 bestimmt die Bestimmungseinheit 40A, ob der Bagger 100 fährt. Wenn die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass der Bagger 100 fährt (Schritt S203: Ja), stoppt die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B den ausgesetzten Glättungsprozess in Schritt S204 (IV). Die Beschreibung wird fortgesetzt, indem zu Schritt S201 zurückgekehrt wird. Wenn die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass die Bedingung für die Aussetzung des Glättungsprozesses nicht erfüllt ist (Schritt S201: Nein), beendet die Vorrichtungssteuerung 39 den Prozess.
Die Beschreibung wird fortgesetzt, indem zu Schritt S203 zurückgekehrt wird. Wenn die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass der Bagger 100 nicht fährt (Schritt S203: Nein), bestimmt die Bestimmungseinheit 40A in Schritt S205, ob die Durchführungsbedingungen erfüllt sind. Wenn die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass die Durchführungsbedingungen erfüllt sind (Schritt S205: Ja), führt die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B in Schritt S206 (II) den Glättungsprozess unter Verwendung der Informationen durch, die erfasst wurden, als der Glättungsprozess ausgesetzt war. Die Informationen die während des ausgesetzten Glättungsprozesses erfasst wurden, enthalten die Filterausgabe Rftpr und die Mittelungskonstante M, die vor der Aussetzung in der Speichereinheit 39M gespeichert wurden. Wenn die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass die Durchführungsbedingungen nicht erfüllt sind (Schritt S205: Nein), kehrt die Positionsinformations-Berechnungseinheit 38B zurück zu Schritt S202 und führt den auf Schritt S202 folgenden Prozess durch.
11 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses, in dem Vorrichtungssteuerung 39 einen Zustandsübergang in dem Glättungsprozess bewirkt, und zeigt insbesondere den Ablauf im Zusammenhang mit dem Zurücksetzen des Glättungsprozesses. In Schritt S301, wenn die Vorrichtungssteuerung 39 des Glättungsprozesses durchführt, bestimmt die Bestimmungseinheit 40A, ob eine Bedingung für das Zurücksetzen des Glättungsprozesses erfüllt ist. Die Bedingung für das Zurücksetzen des Glättungsprozesses ist erfüllt, wenn ein Unterbrechungsvorgang als Prozess zum Umgehen eines anormalen Werts in dem Ergebnis der Positionsmessung durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 durchgeführt wird und wenn ein Zustand, in dem ein anormaler Wert auftritt, über eine vorgegebene Zeitdauer anhält (eingestellte Dauer: Nt Sekunden). Wenn die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass die Bedingung für das Zurücksetzen des Glättungsprozesses erfüllt ist (Schritt S301: Ja), setzt die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B der Vorrichtungssteuerung 39 den Glättungsprozess in Schritt S302 (III) zurück.
In Schritt S303 bestimmt die Bestimmungseinheit 40A, ob eine Bedingung für die Rückkehr zu dem Glättungsprozess erfüllt ist. Die Bedingung für die Rückkehr zu dem Glättungsprozess ist erfüllt, wenn der Zustand des Glättungsprozesses der Zustand 4 ist, das RTK-GNSS normal ist, der Bagger 100 nicht fährt, der oberen Drehwagen 3 nicht geschwenkt wird und der Glättungsprozess vollständig zurückgesetzt wurde. Wenn die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass die Bedingung für eine Rückkehr zu dem Glättungsprozess erfüllt ist (Schritt S303: Ja), führt die Positionsinformations-Berechnungsvorrichtung 39B den Glättungsprozess in Schritt S304 (III) durch.
Die Beschreibung wird fortgesetzt, indem zu Schritt S301 zurückgekehrt wird. Wenn die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass die Bedingung für das Zurücksetzen des Glättungsprozesses nicht erfüllt ist (Schritt S301: Nein), setzt die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B den in Ausführung befindlichen Glättungsprozess fort. Für die weitere Beschreibung wird zu Schritt S303 zurückgekehrt. Wenn die Bestimmungseinheit 40A bestimmt, dass die Bedingung für die Rückkehr zu dem Glättungsprozess nicht erfüllt ist (Schritt S303: Nein), wird der Glättungsprozess in Schritt S306 (V) gestoppt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite Position, die der Position eines Teilbereichs des Baggers 100 entspricht, unter Verwendung der ersten Positionsinformation (d.h. der ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2) von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 und der Betriebsinformation MI von der IMU 24 berechnet, und die Position zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsgeräts 2 wird unter Verwendung der eingeholten zweiten Positionsinformation berechnet. In der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite Position unter Verwendung der ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 und der von der IMU 24 bezogenen Information über den bestimmten Punkt (d.h. dem Schnittpunkt zwischen der z-Achse, welche die Achse der Schwenkmitte des oberen Drehwagens 3 ist, und der Ebene, die der Geländefläche entspricht, mit welcher die Fahrvorrichtung 5 in Berührung kommt). Der bestimmte Punkt kann dahingehend betrachtet werden, dass sich seine absolute Position während des Betriebs des Baggers 100 nicht mit der Zeit ändert. Daher ist es möglich, den Einfluss der mit Glättungsprozess verbundenen Verzögerung zu ignorieren, selbst wenn die Vorrichtungssteuerung 39 den Glättungsprozess an der Position des bestimmten Punkts durchführt und die zweite Position unter Verwendung der Position des bestimmten Punkts, die nach dem Glättungsprozess erfasst wurde, berechnet. Da die zweite Position identisch an die Position eines Teilbereichs des Baggers 100 angeglichen werden kann, ist es in der zweiten Ausführungsform möglich, den Einfluss einer Variation des Positionsmessergebnisses auf die computergestützte Bauausführung bei einer Baumaschine zu verringern, die die Bauarbeiten auf der Basis des Ergebnisses der Positionsmessung der Baumaschine computergestützt durchführt. Zum Beispiel ist es möglich zu verhindern, dass die Genauigkeit der auf der Basis einer Aushubsteuerung durchgeführten Bauarbeiten abnimmt und dass sich die Sichtbarkeit des Führungsbildschirms verschlechtert.
Die Konfiguration der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform kann in geeigneter Weise auch bei den folgenden Ausführungsformen verwendet werden.
Zweite Ausführungsform
12 ist ein Steuerblockdiagramm eines Steuersystems 200a gemäß einer zweiten Ausführungsform. 13 zeigt schematisch eine Positionsinformations-Berechnungseinheit 39Ba, die in einer Vorrichtungssteuerung 39a gemäß der zweiten Ausführungsform enthalten ist. Das Steuersystem 200a ist das gleiche wie das Steuersystem 200 der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass die Betriebsinformation MI, welche der Detektionswert der IMU 24 ist, in die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39Ba, die in einer Verarbeitungseinheit 39Pa der Vorrichtungssteuerung 39a enthalten ist, eingegeben wird und dass sich die Konfiguration der Positionsinformations-Berechnungseinheit 39Ba von jener der Positionsinformations-Berechnungseinheit 39B der ersten Ausführungsform unterscheidet. Die Vorrichtungssteuerung 39a wird durch einen Prozessor wie beispielsweise eine CPU und durch eine Speichervorrichtung wie beispielsweise ein RAM und ein ROM implementiert, ähnlich wie in der ersten Ausführungsform. Die Funktion der Verarbeitungseinheit 39Pa der Vorrichtungssteuerung 39a wird ausgeführt, wenn die Verarbeitungseinheit 39Pa ein Computerprogramm für die Ausführung der Funktion aus der Speichereinheit 39M ausliest und das Computerprogramm ausführt.
Die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39Ba enthält die Bestimmungseinheit 40A, eine Geschwindigkeitsberechnungseinheit 40E und eine Glättungsverarbeitungseinheit 40Ba. Die Bestimmungseinheit 40A ist die gleiche wie die Bestimmungseinheit 40A der Vorrichtungssteuerung 39 gemäß der ersten Ausführungsform, so dass deren Beschreibung an dieser Stelle entfällt. Die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 40E berechnet die in den GNSS-Antennen 21 und 22 erzeugte Geschwindigkeit aus der Winkelgeschwindigkeit ω, welche die von der IMU 24 eingeholte Betriebsinformation MI ist, und einer relativen Lagebeziehung zwischen der IMU 24 und den GNSS-Antennen 21 und 22. Das heißt, eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit w wird erzeugt, wenn eine Bewegung in dem Fahrzeugkφrper 1 stattfindet und sich die in demselben Fahrzeugkφrper 1 wie die IMU 24 installierten GNSS-Antennen 21 und 22 bewegen. Eine relative Lagebeziehung (z.B. eine bauliche Dimension) zwischen der IMU 24 und den GNSS-Antennen 21 und 22 ist bekannt. Da die Bewegung (Bewegungsstrecke) der GNSS-Antennen 21 und 22 aus der Winkelgeschwindigkeit ω und der relativen Lagebeziehung berechnet wird, wird auf diese Weise der Weg, den sich die GNSS-Antennen 21 und 22 innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer bewegt haben (d.h. die Geschwindigkeit v) berechnet. Die Zeit td ist ein Steuerzyklus.
<Glättungsprozess>
In der vorliegenden Ausführungsform unterzieht die Vorrichtungssteuerung 39a (insbesondere die Glättungsverarbeitungseinheit 40Ba) die erste Position (insbesondere die Referenzpositionsdaten P1 und P2, welche die erste Positionsinformation sind) unter Verwendung der Geschwindigkeit v einem Glättungsprozess. In der vorliegenden Ausführungsform nutzt der Glättungsprozess ein Tiefpassfilter, das in Gleichung (7) dargestellt ist. $P_{i} = {P + (M - 1) \times (P_{i - 1} + vdt)} / M$
In Gleichung (7) steht P für die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2, welche die ersten Positionsinformation in einem aktuellen Steuerzyklus sind. P_i-i ist die Tiefpassfilterausgabe in dem vorherigen Steuerzyklus (d.h. die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2, welche die erste Positionsinformation sind, die in dem vorherigen Steuerzyklus einer Glättung unterzogen wurden). Die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 werden von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ausgegeben. In Gleichung (7) ist P_i die Tiefpassfilterausgabe in dem aktuellen Steuerzyklus und stellt die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i dar, welche die zweite Positionsinformation sind. In Gleichung (7) ist v die Geschwindigkeit der GNSS-Antennen 21 und 22, die durch die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 40E aus der durch die IMU 24 detektierten Winkelgeschwindigkeit ω und der relativen Lagebeziehung zwischen der IMU 24 und den GNSS-Antennen 21 und 22 berechnet wird. In Gleichung (7) ist dt ein Steuerzyklus der Vorrichtungssteuerung 39a. vdt ist der Weg, den der Bagger 100 in einem Steuerzyklus der Vorrichtungssteuerung 39a zurückgelegt hat. Die Mittelungskonstante M ist die gleiche wie in der ersten Ausführungsform. Die Glättungsverarbeitungseinheit 40Ba der Vorrichtungssteuerung 39a unterzieht die erste Position unter Verwendung der Betriebsinformation MI einem Glättungsprozess, um durch Ausführen der Funktion des in Gleichung (7) dargestellten Tiefpassfilters die zweite Position zu berechnen.
In der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 40E, die in der Positionsinformations-Berechnungseinheit 39Ba der Vorrichtungssteuerung 39a enthalten ist, die Geschwindigkeit in jedem Steuerzyklus, und die Glättungsverarbeitungseinheit 40Ba führt in jedem Steuerzyklus an den ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 ein Glättung durch und verwendet hierfür die Geschwindigkeit v. Die Geschwindigkeit v wird berechnet aus der Winkelgeschwindigkeit ω, die der Detektionswert der IMU 24 ist, und aus der relativen Lagebeziehung zwischen der IMU 24 und den GNSS-Antennen 21 und 22. Die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39Ba der Vorrichtungssteuerung 39a unterzieht die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ausgegeben werden, einem Glättungsprozess unter Verwendung des Detektionswerts der IMU 24. Auf diese Weise wendet die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39Ba den Glättungsprozess unter Heranziehen des Detektionswerts der IMU 24 an. Dadurch kann die Positionsinformations-Berechnungseinheit 39Ba die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i berechnen, indem sie den Einfluss einer Stellungsänderung des Baggers 100 während des Aushubs auf die Änderung der Position der GNSS-Antennen 21 und 22 mit dem Detektionswert der IMU 24 spiegelt. Das Ergebnis ist, dass eine Abnahme der Genauigkeit der auf der Basis einer Aushubsteuerung durchgeführten Bauarbeiten verringert und eine Abnahme der Sichtbarkeit des Führungsbildschirms verhindert werden kann, da die Vorrichtungssteuerung 39a den Einfluss einer Variation des Ergebnisses der Positionsmessung durch die Globalkoordinaten-Messvorrichtung 23 unterdrücken kann.
<Beispiel eines Prozesses des Steuersystems 200a>
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Prozesses des Steuersystems 200a gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. In Schritt S401 bestimmt die Bestimmungseinheit 40A der Positionsinformations-Berechnungseinheit 39Ba, die in der Vorrichtungssteuerung 39a des Steuersystems 200a enthalten ist, ob die Bedingungen, die notwendig sind, damit die Vorrichtungssteuerung 39a einen Glättungsprozess durchführt, erfüllt sind. Die Durchführungsbedingungen sind die gleichen wie jene, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurden.
Wenn die Startbedingungen erfüllt sind (Schritt S401: Ja), holt die Vorrichtungssteuerung 39a die Winkelgeschwindigkeit ω von der IMU 24 und die Referenzpositionsdaten P1 und P2 von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 in Schritt S402 ein. In Schritt S403 unterzieht die Glättungsverarbeitungseinheit 40Ba, die in der Positionsinformations-Berechnungseinheit 39Ba der Vorrichtungssteuerung 39a enthalten ist, die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 einem Glättungsprozess unter Verwendung der Geschwindigkeit v. Die Geschwindigkeit v wird durch die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 40E aus der Winkelgeschwindigkeit ω und der relativen Lagebeziehung zwischen der IMU 24 und den GNSS-Antennen 21 und 22 berechnet. Die relative Lagebeziehung zwischen der IMU 24 und den GNSS-Antennen 21 und 22 wird vorzugsweise auf der Basis einer Messung (Kalibrierung) als Kalibrierwert ermittelt.
In Schritt S404 gibt die Glättungsverarbeitungseinheit 40Ba, die in der Vorrichtungssteuerung 39a enthalten ist, die Filterausgabe (d.h. die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i) als Referenzpositionsdaten P1c und P2c an die Displaysteuerung 28 aus. In Schritt S405 berechnet die Verarbeitungseinheit 28P der Displaysteuerung 28 die Schneidkantenposition, welche die dreidimensionale Position der Schneidkante 8T des Löffels 8 ist, unter Verwendung der Positionsinformation IPL des Baggers 100, die von der Vorrichtungssteuerung 39 eingeholt wird. Zur Fortsetzung der Beschreibung wird zu Schritt S401 zurückgekehrt. Wenn in Schritt S401 bestimmt wird, dass die Startbedingungen nicht erfüllt sind (Schritt S401: Nein), beendet die Vorrichtungssteuerung 39a den Prozess. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Ablauf des Zustandsübergangs des Glättungsprozesses der gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite Position unter Verwendung der ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 und der Betriebsinformation MI von der IMU 24 berechnet, und die Position zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsgeräts 2 wird unter Verwendung der eingeholten zweiten Positionsinformation berechnet. In der ersten Ausführungsform wird die zweite Position unter Verwendung der ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 und der Information über den bestimmten Punkt, die von der IMU 24 eingeholt werden, berechnet. In der vorliegenden Ausführungsform jedoch wird die Geschwindigkeit aus den Betriebsinformation MI (insbesondere aus einer Winkelgeschwindigkeit oder dergleichen), die durch die IMU 24 detektiert wird, berechnet, und die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2, welche die erste Positionsinformation sind, werden unter Verwendung der ermittelten Geschwindigkeit einem Glättungsprozess unterzogen, um die zweite Position zu berechnen. In der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, die zweite Position zu berechnen, indem der Einfluss einer Stellungsänderung des Baggers 100 während des Aushubs auf die Änderung der Position der GNSS-Antennen 21 und 22 mit dem Detektionswert der IMU 24 (insbesondere der Winkelgeschwindigkeit) gespiegelt wird. Das Ergebnis ist, dass es in vorliegender Ausführungsform möglich ist, den Einfluss einer Variation des Ergebnisses der Positionsmessung durch die Globalkoordinaten-Messvorrichtung 23 auf die computergestützte Bauausführung zu unterdrücken.
Die Konfiguration der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform kann in geeigneter Weise in der folgenden Ausführungsform verwendet werden.
Dritte Ausführungsform
15 ist ein Steuerblockdiagramm eines Steuersystems 200b gemäß einer dritten Ausführungsform. 16 ist ein Diagramm, das eine Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit 39Bb darstellt, die in einer Vorrichtungssteuerung 39b gemäß der dritten Ausführungsform enthalten ist. In der dritten Ausführungsform wird in einem Verfahren zum Berechnen einer Position und Stellung ein Kalmanfilter verwendet. Das Steuersystem 200b ist das gleiche wie das Steuersystem 200 der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass das Steuersystem 200b die Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit 39Bb enthält und die Betriebsinformation MI, welche der Detektionswert der IMU 24 sind, in die Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit 39Bb, die in einer Verarbeitungseinheit 39Pb der Vorrichtungssteuerung 39b enthalten ist, eingegeben werden. Die Vorrichtungssteuerung 39b wird durch einen Prozessor wie eine CPU und durch eine Speichervorrichtung wie ein RAM und ein ROM implementiert, ähnlich wie in der ersten Ausführungsform. Die Funktion der Verarbeitungseinheit 39Pb der Vorrichtungssteuerung 39b wird ausgeführt, wenn die Verarbeitungseinheit 39Pb ein Computerprogramm für die Ausführung der Funktion aus der Speichereinheit 39M ausliest und das Computerprogramm ausführt.
Die Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit 39Bb enthält eine Positions-Schätzeinheit 40F, eine Fehlerberechnungseinheit 40Bb, eine Selektionseinheit 40Ab und die Einheit 40B zum Berechnen des bestimmten Punkts. Die Positions-Schätzeinheit 40F schätzt einen Positions- und Stellungsschätzwert wie die Position, die Geschwindigkeit, den Azimutwinkel und den Stellungswinkel des Baggers 100 unter Verwendung der durch die IMU 24 detektierten Betriebsinformation MI. Die Position des Baggers 100 ist die Position der GNSS-Antennen 21 und 22. In der vorliegenden Ausführungsform verwendet die Positions-Schätzeinheit 40F beim Schätzen des Positions- und Stellungswerts wie die Position, die Geschwindigkeit, der Azimutwinkel und der Stellungswinkel des Baggers 100 eine Trägheitsnavigation, um den Positions- und Stellungsschätzwert zu berechnen. Die Positions-Schätzeinheit 40F gibt die durch Schätzung ermittelte Position des Baggers 100 als die zweite Position (insbesondere als die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i) aus. Darüber hinaus korrigiert die Positions-Schätzeinheit 40F die zweite Position unter Verwendung einer Fehlerausgabe durch die Fehlerberechnungseinheit 40Bb.
Die Fehlerberechnungseinheit 40Bb berechnet die Position, die Geschwindigkeit, den Azimutwinkel und den Stellungswinkel des Baggers 100 oder einen hierin enthaltenen Fehler, die durch die Positions-Schätzeinheit 40F geschätzt wurden, unter Verwendung zumindest der ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 und der Geschwindigkeit v oder zumindest des Azimutwinkels θda oder zumindest des bestimmten Punkts (in der vorliegenden Ausführungsform die Position PL) und der Winkelgeschwindigkeit ω (= 0) während des Stoppens des Baggers 100 als Observationswert und gibt den Fehler an die Positions-Schätzeinheit 40F aus. Das heißt, die Fehlerberechnungseinheit 40Bb überträgt Informationen zur Korrektur des Positions- und Stellungsschätzwerts zur Positions-Schätzeinheit 40F. Die Positionsschätzeinheit 40F korrigiert einen Fehler in dem vorher berechneten Positions- und Stellungsschätzwerts unter Verwendung der Information zur Korrektur des Positions- und Stellungsschätzwerts. Danach berechnet die Positions-Schätzeinheit 40F die zweiten Positionsdaten aus dem korrigierten Positions- und Stellungsschätzwert. Die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 und die Geschwindigkeit V und der Azimutwinkel θda des Baggers 100 unter den Observationswerten, die von der Fehlerberechnungseinheit 40Bb verwendet werden, werden von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 bezogen. Die Fehlerberechnungseinheit 40Bb rechnet die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 und die Geschwindigkeit V in dem globalen Koordinatensystem, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 bezogen werden, in die entsprechenden Werte in dem lokalen Koordinatensystem um. Der bestimmte Punkt (in der vorliegenden Ausführungsform die Position PL) und der Positionsvektor Rfl des bestimmten Punkts werden durch die Einheit 40B zum Berechnen des bestimmten Punkts berechnet. In der vorliegenden Ausführungsform enthält die Fehlerberechnungseinheit 40Bb ein Kalmanfilter.
Die Selektionseinheit 40Ab wählt einen Observationswert, der von der Fehlerberechnungseinheit 40Bb zu verwenden ist, entsprechend dem Zustand des Baggers 100. Der Zustand des Baggers 100 umfasst einen stationären Zustand, einen nichtstationären Zustand, einen Schwenkzustand des oberen Drehwagens 3 und einen Fahrzustand des Baggers 100.
17 ist ein Steuerblockdiagramm der Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit 39Bb, die in der Vorrichtungssteuerung 39b gemäß der dritten Ausführungsform enthalten ist. Die Positions-Schätzeinheit 40F integriert die durch die IMU 24 gemessene Winkelgeschwindigkeit, um einen geschätzten Stellungswinkelwert und einen geschätzten Azimutwinkel des Fahrzeugkörpers zu berechnen. Die Positions-Schätzeinheit 40F integriert die durch die IMU 24 gemessene Beschleunigung, um eine geschätzte Beschleunigung und eine geschätzte Position des Baggers 100 zu berechnen.
Die Selektionseinheit 40Ab enthält eine Verhaltens-Detektionseinheit 42a, einen Determinator 42b und einen Selektor 42c. Die Verhaltens-Detektionseinheit 42a empfängt Fahrzeugkörperinformationen IFb und die Winkelgeschwindigkeit ω und die Beschleunigung a, welche die Detektionswerte der IMU 24 sind. In der vorliegenden Ausführungsform enthalten die Fahrzeugkörperinformationen IFb den Detektionswert STr des Drucksensors 66, der den Pilotdruck des linken Betätigungshebels 25L und des rechten Betätigungshebels 25R, die in 2 dargestellt sind, detektiert, und den Detektionswert STd des Drucksensors 27PC, der den Pilotdruck des Fahrhebels 25FL und des Fahrhebels 25FR detektiert. Die Verhaltens-Detektionseinheit 42a detektiert den Zustand des Baggers 100 unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeit ω, der Beschleunigung a und der Fahrzeugkörperinformationen IFb und gibt an den Determinator 42b ein dem Detektionsergebnis entsprechendes Signal aus.
Der Determinator 42b empfängt das Signal von der Verhaltens-Detektionseinheit 42a, die Fahrzeugkörperinformation IFb und die Zustandsinformation SR, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ausgegeben werden. Der Determinator 42b betätigt den Selektor 42c auf der eingegebenen Informationen und wählt einen Observationswert, der in die Fehlerberechnungseinheit 40Bb einzugeben ist. Der Selektor 42c empfängt Observationswerte, d.h. die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 empfangenen ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2, die Geschwindigkeit Vc und den Azimutwinkel θda des Baggers 100, den Positionsvektor Rfl des durch die Einheit 40B zum Berechnen des bestimmten Punkts berechneten Punkts und die Winkelgeschwindigkeit ω (= 0), wenn der Bagger 100 nicht geschwenkt wird. Die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 berechnet die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 und berechnet die Geschwindigkeit Vc des Baggers 100 unter Verwendung der Funkwellen (Signale) von Positionsbestimmungssatelliten. Der Azimutwinkel θda wird durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 aus den ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 berechnet.
Die Fehlerberechnungseinheit 40Bb empfängt den Observationswert, der dem Zustand des Baggers 100 entspricht, von dem Selektor 42c der Selektionseinheit 40Ab. Die Fehlerberechnungseinheit 40Bb erfasst einen Observationsvektor, korrigiert einen vorhergesagten Zustandsvektor durch eine Zustandsgleichung und berechnet einen a posteriori Schätzwert. Durch eine wiederholte Durchführung dieses Prozesses wird ein mehr wahrscheinlicher Schätzwert berechnet. Gleichung (8) ist eine Berechnungsformel des Kalmanfilters. X_k|k (X fettgedruck) ist ein Zustandsvektor, der durch Nachschätzung erhalten wird, X_k|k-1 (X fettgedruckt) ist ein Zustandsvektor, der durch eine frühere Schätzung erhalten wurde, K (K fettgedruckt) ist eine Kalman-Verstärkung, z_k (z fettgedruckt) ist ein Observationsvektor und H_k (H fettgedruckt) ist eine Observationsmatrix. Die Fehlerberechnungseinheit 40Bb berechnet den Zustandsvektor, der durch eine Nachschätzung mittels Gleichung (8) ermittelt wird.
$X_{|} X_{|} + K (|)$
Eine Kalman-Verstärkung K (K fettgedruckt) wird durch Gleichung (9) berechnet. P_k|k-1 (P fettgedruckt) ist eine Kovarianz eines Schätzfehlers und R_k (R fettgedruckt) ist eine Kovarianz eines Observationsfehlers. Durch Einstellen der Kovarianz P_k|k-1 des Schätzfehlers und der Kovarianz R_k des Observationsfehlers werden die Gewichtungsfaktoren des Zustandsvektors X_k|k (X fettgedruckt) und des Beobachtungsvektors z_k (z fettgedruckt) bestimmt.
$K = P_{k | k - 1} H_{k}^{T} {(H_{k} P_{k | k - 1} H_{k}^{T} + R_{k})}^{- 1}$
Es wird ein Zustandsvektor beschrieben. Wenn Prädiktionswerte normal gedruckt und Korrekturwerte kursiv gedruckt sind, wird ein Fehlerzustandsvektor durch die Gleichungen (10) bis (14) definiert. Darin ist:

δψⁿ _nb (ψ fettgedruckt): Ein Winkelfehlervektor [rad] des Baggers 100 in einem Navigationskoordinatensystem
δ⌷b (⌷b fettgedruckt): Ein Winkelgeschwindigkeits-Trendfehlervektor [rad/s] der IMU 24
δP^l _lb (P fettgedruckt): Ein Positionsfehlervektor [m] des Ursprungs einer Fahrzeugkörperkoordinate in einem lokalen Koordinatensystem um das lokale Koordinatensystem
δVⁿ _eb (V fettgedruckt): Ein Geschwindigkeitsfehlervektor [m/s] des Ursprungs einer Fahrzeugkörperkoordinate in einem lokalen Koordinatensystem um ein erdzentriertes erdgebundenes (ECEF) Koordinatensystem
δAb (Ab fettgedruckt): Ein Beschleunigungs-Trendfehlervektor [m/s²] der IMU 24
C_b ⁿ (C fettgedruckt): Eine Koordinaten-Drehmatrix von einem Fahrzeugkörperkoordinatensystem in ein Navigationskoordinatensystem
ψⁿ _nb (ψ fettgedruckt): Ein Winkelvektor [rad] des Baggers in einem Navigationskoordinatensystem
ωb (ωb fettgedruckt): Ein Winkelgeschwindigkeitsvektor [rad/s] der IMU 24
Ab (Ab fettgedruckt): Ein Beschleunigungsvektor [m/s²] der IMU 24
P^l _lb (P fettgedruckt): Ein Positionsvektor [m] des Ursprungs einer Fahrzeugkörperkoordinate in einem lokalen Koordinatensystem um das lokale Koordinatensystem
Vⁿ _eb (V fettgedruckt): Ein Geschwindigkeitsvektor [m/s] des Ursprungs einer Fahrzeugkörperkoordinate in einem lokalen Koordinatensystem um ein ECEF-Koordinatensystem
I: Eine Einheitsmatrix

$δ C_{b}^{n} = C_{b}^{n} C_{b}^{nT} = I + [δ Ψ^{n} {_{n b}}^{\land}]$
$δω b = ω b - ω b$
$δ P^{l}_{lb} = P^{l}_{lb} - P^{l}_{lb}$
$δ V^{n}_{e b} = V^{n}_{e b} - V^{n}_{e b}$
$δ Ab = Ab - Ab$
Es wird eine Zustandsgleichung beschrieben. Die Gleichungen (9) bis (11) sind Zustandsgleichungen auf der Basis eines Fehlerzustandsmodells. Rauschterme werden weggelassen. Darin ist:

ωⁿ _ie (ω fettgedruckt) : Ein Erddrehungsgeschwindigkeitsvektor [rad/s] in einem Navigationskoordinatensystem
Aⁿ _ib (A fettgedruckt): Ein Beschleunigungsvektor [m/s²] des Ursprungs einer Fahrzeugkörperkoordinate in einem Navigationskoordinatensystem um ein Trägheitskoordinatensystem.

$(δ Ψ^{n}_{n b}) / (d t) = - [ω^{n} {_{i e}}^{\land}] (δ Ψ^{n}_{n b}) - C_{b}^{n} (δω b)$
$(δω b) / (d t) = 0$
$(δ P^{l}_{l b}) / (d t) = (δ V^{l}_{l b}) = (δ V^{n}_{e b})$
$(δ V^{n}_{e b}) / (d t) = - [A^{n} {_{i b}}^{\land}] (δ Ψ^{n}_{n b}) - 2 [ω^{n} {_{i e}}^{\land}] (δ V^{n}_{e b}) - C_{b}^{n} (δ Ab)$
$(δ Ab) / (d t) = 0$
Observationsgleichungen der Observationswerte, die kursiv gedruckt sind, sind in den Gleichungen (20) bis (24) angegeben. Rauschterme wurden weggelassen. Gleichung (20) ist eine Observationsgleichung der Position der GNSS-Antennen 21 und 22, und Gleichung (21) ist eine Observationsgleichung der Geschwindigkeit der GNSS-Antennen 21 und 22. Gleichung (22) ist eine Observationsgleichung der Geschwindigkeit des bestimmten Punkts, der im Stoppzustand und im Schwenkzustand des Baggers 100 verwendet wird. Gleichung (23) ist eine Observationsgleichung einer Beschleunigung des Baggers 100 im gestoppten Zustand. Gleichung (23) ist eine Observationsgleichung des Azimutwinkels auf der Basis des GPS-Kompass im Nichtschwenkzustand des Baggers 100.

P^l _la (kursiv): Die Position [m] der GNSS-Antennen 21 und 22 in einem lokalen Koordinatensystem um das lokale Koordinatensystem
Vⁿ _ea (kursiv): Die Geschwindigkeit [m/s] der GNSS-Antennen 21 and 22 in einem Navigationskoordinatensystem um ein ECEF-Koordinatensystem
Vⁿ _eq (kursiv): Die Geschwindigkeit [m/s] des bestimmten Punkts in einem Navigationskoordinatensystem um ein ECEF-Koordinatensystem
ψ_z (kursiv): Ein gemessener Azimutwinkel [rad] des Baggers 100 auf der Basis eines GPS-Kompass
δC_b ^nT: Eine Drehmatrix (δC_b ^nT = I - [δψⁿ _nb^]) eines Stellungswinkelfehlers
δψ_z: Ein Azimutwinkelfehler (Z-Komponente von δψⁿ _nb) [rad] des Baggers 100
R^b _ba: Die Position [m] der GNSS-Antennen 21 und 22 in einem Fahrzeugkörperkoordinatensystem um das Fahrzeugkörperkoordinatensystem
R^b _bq: Die Position [m] des bestimmten Punkts in einem Fahrzeugkörperkoordinatensystem um das Fahrzeugkörperkoordinatensystem
ω^b _nb: Ein Winkelgeschwindigkeitsvektor [rad/s] eines Fahrzeugkörperkoordinatensystems in einem Fahrzeugkörperkoordinatensystem um ein Navigationskoordinatensystem
ψ_z: Ein Azimutwinkel [rad] des Baggers 100 auf der Basis einer Trägheitsnavigationsberechnung

$P^{l}_{l a} = (P^{l}_{l b} - δ P^{l}_{l b}) + (δ C_{b}^{n T}) C_{b}^{n} R^{b}_{b a}$
$V^{n}_{e a} = (V^{n}_{e b} - δ V^{n}_{e b}) + (δ C_{b}^{n T}) C_{b}^{n} (ω^{b}_{n b} + δω b) \times R^{b}_{b a}$
$V^{n}_{e q} (= 0) = (V^{n}_{e b} - δ V^{n}_{e b}) + (δ C_{b}^{n T}) C_{b}^{n} (ω^{b}_{n b} + δω b) \times R^{b}_{b q}$
$ω^{b}_{n b} (= 0) = ω^{b}_{n b} + δω b$
$Ψ_{z} = Ψ_{z} - δ Ψ_{z}$
Es werden [δψⁿ _nb^] (ψ fettgedruckt) in Gleichung (10), [ωⁿ _ie^] (ω fettgedruckt) in den Gleichungen (15) und (18) und [Aⁿ _ib] (A fettgedruckt) in Gleichung (18), an früherer Stelle erwähnt, beschrieben. Dabei wird angenommen, dass δψⁿ _nb (ψ fettgedruckt) , ωⁿ _ie, (ω fettgedruckt) and Aⁿ _ib (A fettgedruckt) die Vektoren in einem dreidimensionalen Koordinatensystem von (α, β, γ) oder die Vektoren der Roll-, Nick- und Gierrichtungen sind. Die Rollrichtung ist die Richtung um die α-Achse, die Nickrichtung ist die Richtung um die β-Achse, und die Gierrichtung ist die Richtung um die y-Achse. In diesem Fall wird [δψⁿ _nb^] (ψ fettgedruckt) angegeben durch Gleichung (25), [ωⁿ _ie^] (ω fettgedruckt) wird angegeben durch Gleichung (26), and [Aⁿ _ib] (A fettgedruckt) wird angegeben durch Gleichung (27) . δψ_α, δψ_β und δψ_γ sind die Winkelfehler des Baggers 100 um die α-, β- und γ-Achsen in dieser Reihenfolge. ωi_α, ωi_β, and ωi_γ sind die Erddrehungs-Geschwindigkeitskomponenten um die α-, β-, and γ-Achsen in dieser Reihenfolge. Aί_α, Ai_β and Ai_γ sind die Beschleunigungskomponenten des Ursprungs der Fahrzeugkörperkoordinate um die α-, β- and γ-Achsen in dieser Reihenfolge.
$[δ Ψ^{n} {_{n b}}^{\land}] = [\begin{array}{l} 0 & , & - δ Ψ_{r} & , & Ψ_{β} \\ Ψ_{r} & , & 0 & , & - Ψ_{α} \\ - Ψ_{β} & , & Ψ_{α} & , & 0 \end{array}]$
$[ω^{n} {_{i e}}^{\land}] = [\begin{array}{l} 0 & , & - ω i_{r} & , & ω i_{β} \\ ω i_{r} & , & 0 & , & - ω i_{α} \\ −ω i_{β} & , & ω i_{α} & , & 0 \end{array}]$
$[Α^{n} {_{i e}}^{\land}] = [\begin{array}{l} 0 & , & - A i_{r} & , & A i_{β} \\ A i_{r} & , & 0 & , & - A i_{α} \\ - A i_{β} & , & A i_{α} & , & 0 \end{array}]$
In einer früheren Schätzung kann die Fehlerberechnungseinheit 40Bb den früheren Schätzwert (d.h. den Zustandsvektor X_k|k-1) des in den Gleichungen (10) bis (14) dargestellten Zustandsvektors durch Lösen der in den Gleichungen (15) bis (19) dargestellten Zustandsgleichungen berechnen. In der vorliegenden Ausführungsform enthält der Zustandsvektor einen Winkelvektor δψⁿ _nb (ψ fettgedruckt) des Baggers 100 in einem Navigationskoordinatensystem, einen Winkelgeschwindigkeitsvektor ob (ob fettgedruckt) der IMU 24, einen Beschleunigungsvektor Ab (Ab fettgedruckt) der IMU 24, einen Positionsvektor P^l _lb (P fettgedruckt) des Ursprungseiner Fahrzeugkörperkoordinate in einem lokalen Koordinatensystem um das lokale Koordinatensystem und einen Geschwindigkeitsvektor δV^l _eb (V fettgedruckt) des Ursprungs einer Fahrzeugkörperkoordinate in einem lokalen Koordinatensystem um ein ECEF-Koordinatensystem. Bei der Berechnung des Zustandsvektors X_k|k-1 auf der Basis einer früheren Schätzung holt die Fehlerberechnungseinheit 40Bb den Stellungswinkel (den Rollwinkel θ4, den Nickwinkel θ5 und den Azimutwinkel θdc), die durch die Positions-Schätzeinheit 40F berechnet werden, die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i und die Geschwindigkeit V ein und verwendet diese als die Prädiktionswerte der Position, Geschwindigkeit und Stellung.
Die Observationsmatrix wird erhalten durch die Jacobi-Determinante einer Observationsgleichung. Die Fehlerberechnungseinheit 40Bb berechnet den Observationsvektor z_k (z fettgedruckt) unter Anwendung der Gleichungen (20) bis (24) und berechnet die Kalmanverstärkung K (K fettgedruckt) aus Gleichung (9). Darüber hinaus kann die Fehlerberechnungseinheit 40Bb den Zustandsvektor X_k|k berechnen, der ein a posteriori Schätzwert ist, indem der durch die frühere Schätzung ermittelte Zustandsvektor X_k|k-1, der Observationsvektor z_k (z fettgedruckt) und die Kalmanverstärkung K (K fettgedruckt) in Gleichung (8) eingeführt werden und die Gleichung gelöst wird.
Der Vektor des Winkelgeschwindigkeits-Trendfehlers FBa ist ein Winkelgeschwindigkeits-Trendfehlervektor δωb (ob fettgedruckt) der IMU 24. Der Vektor des Fahrzeugkörper-Winkelfehlers FBb ist ein Winkelfehlervektor δψⁿ _nb (ψ fettgedruckt) des Baggers 100 in einem Navigationskoordinatensystem. Der Vektor des Fahrzeugkörper-Geschwindigkeitsfehlers FBc ist ein Geschwindigkeitsfehlervektor δV^l _eb (V fettgedruckt) des Ursprungs einer Fahrzeugkörperkoordinate in einem lokalen Koordinatensystem um ein ECEF-Koordinatensystem. Der Vektor des Fahrzeugkörper-Positionsfehlers FBd ist ein Positionsvektor δP^l _lb (P fettgedruckt) des Ursprungs der Fahrzeugkörperkoordinate in einem lokalen Koordinatensystem um das lokale Koordinatensystem. Der Vektor des Beschleunigungs-Trendfehlers FBe ist ein Beschleunigungs-Trendfehlervektor δAb (Ab fettgedruckt) der IMU 24.
Wie vorstehend beschrieben wurde, entspricht der durch eine Nachschätzung ermittelte Zustandsvektor X_k|k dem Winkelgeschwindigkeits-Trendfehler FBa, dem Fahrzeugkörper-Winkelfehler FBb, dem Fahrzeugkörper-Geschwindigkeitsfehler FBc, dem Fahrzeugkörper-Positionsfehler FBd und dem Beschleunigungs-Trendfehler FBe. Die Fehlerberechnungseinheit 40Bb gibt den Zustandsvektor X_k|k, der auf der Basis einer Nachschätzung berechnet wird, an die Positions-Schätzeinheit 40F aus. Die Positions-Schätzeinheit 40F korrigiert den Positions- und Stellungsschätzwert unter Verwendung des Zustandsvektors X_k|k, der von der Fehlerberechnungseinheit 40Bb eingeholt wird. Insbesondere korrigiert die Positions-Schätzeinheit 40F den in dem Positions- und Stellungsschätzwert enthaltenen Fehler (korrigiert den Positions- und Stellungsschätzwert) unter Verwendung des Zustandsvektors X_k|k. Die Position, die durch die Positions-Schätzeinheit 40F ermittelt wird, die den Positions- und Stellungsschätzwert (geschätzte Position) unter Verwendung des Zustandsvektors X_k|k korrigiert, ist die zweite Position des Baggers 100. Auf diese Weise schätzt die Positions-Schätzeinheit 40F die Position des Baggers unter Verwendung der Betriebsinformation und korrigiert die ermittelte geschätzte Position unter Verwendung des Zustandsvektors X_k|k, um dadurch die zweite Position des Baggers zu berechnen.
18 zeigt ein Beispiel einer Tabelle 44, in der Informationen enthalten sind, die verwendet werden, wenn die Fehlerberechnungseinheit 40Bb die zu verwendende Observationsgleichung wählt. Die Tabelle 44 wird in der Speichereinheit 39M der Vorrichtungssteuerung 39b gespeichert, die in 15 dargestellt ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Observationswert, den die Fehlerberechnungseinheit 40Bb bei der Schätzung des Zustandsvektors X_k|k heranzieht, entsprechend dem Zustand des Baggers 100 gewählt. Dadurch unterscheidet sich die Observationsgleichung, die von der Fehlerberechnungseinheit 40Bb angewendet wird, abhängig von dem Observationswert, der von der Fehlerberechnungseinheit 40Bb verwendet wird. Bei der Schätzung des Zustandsvektors X_k|k, wählt die Fehlerberechnungseinheit 40Bb eine Observationsgleichung entsprechend dem Observationswert, der entsprechend dem Zustand des Baggers 100 gewählt wird, aus den Gleichungen (20) bis (24).
Wie in 18 dargestellt ist, wird der Zustand des Baggers 10 entsprechend einer Kombination des Positionsbestimmungszustands (d.h. Zustand A, Zustand B und Zustand C) des RTK-GNSS und des Betriebszustands (d.h. Stehend 1, Stehend 2 und Fahrend, wodurch der Zustand des Fahrzeugkörpers angegeben wird) des Baggers 100 bestimmt. Der Positionsbestimmungszustand des RTK-GNSS ist ein durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 detektierter Zustand der Position des Baggers 100. Da in der vorliegenden Ausführungsform drei Positionsbestimmungszustände und drei Fahrzeugkörperzustände verwendet werden, umfasst der Zustand des Baggers 100 insgesamt neun Zustände. Die Details des Inhalts des Positionsbestimmungszustands und des Betriebszustands werden nachstehend erläutert. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Anzahl und der Inhalte der Positionsbestimmungszustände und der Betriebszustände nicht auf die nachstehend angegebene Anzahl und den nachstehend angegebenen Inhalt beschränkt.

Zustand A: Der Positionsbestimmungszustand ist Fix
Zustand B: Der Positionsbestimmungszustand ist ein anderer als Fix und No Solution
Zustand C: Der Positionsbestimmungszustand ist No Solution

Stehend 1: Der Bagger 100 steht still, und der obere Drehwagen 3 steht ebenfalls still
Stehend 2: Der Bagger 100 steht still, und der obere Drehwagen 3 wird geschwenkt
Fahrend: Der Bagger fährt

Der Determinator 42b der Wähleinheit 40Ab bestimmt einen Betriebszustand auf der Basis eines Signals aus der Verhaltens-Detektionseinheit 42a und der Fahrzeugkörperinformationen IFb und bestimmt den Positionsbestimmungszustand auf der Basis der Zustandsinformation SR, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ausgegeben wird. Der Determinator 42b bestimmt einen Observationswert, der in die Fehlerberechnungseinheit 40Bb einzugeben ist, anhand der von der Fehlerberechnungseinheit 40Bb angewendeten Gleichung auf der Basis der Betriebsbedingungen und der Positionsbestimmungsbedingungen, die in der in der Speichereinheit 39M gespeicherten Tabelle 44 angegeben sind. Darüber hinaus betätigt der Determinator 42b den Selektor 42c, so dass der bestimmte Observationswert in die Fehlerberechnungseinheit 40Bb eingegeben wird.
Wenn die Observationsgleichung von Gleichung (20) angewendet wird, bestimmt der Determinator 42b als Observationswert, der in die Fehlerberechnungseinheit 40Bb einzugeben ist, die ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 entsprechend der Position der GNSS-Antennen 21 und 22, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 bezogen wird. Wenn die Observationsgleichung von Gleichung (21) angewendet wird, rechnet der Determinator 42b die ersten Referenzpositionsdaten, die der Position der GNSS-Antennen 21 und 22 entsprechen, die von der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 berechnet werden, in entsprechende Werte des lokalen Koordinatensystems um und bestimmt die umgerechneten Werte als die Oberservationswerte, die in die Fehlerberechnungseinheit 40Bb einzugeben sind. Wenn die Observationsgleichung von Gleichung (22) angewendet wird, bestimmt der Determinator 42b den Positionsvektor Rfl des bestimmten Punkts, der durch die in 16 dargestellte Einheit 40B zum Berechnen des bestimmten Punkts berechnet wird, als den Observationswert, der in die Fehlerberechnungseinheit 40Bb einzugeben ist. Wenn die Observationsgleichung von Gleichung (23) angewendet wird, bestimmt der Determinator 42b die Winkelgeschwindigkeit in einem gestoppten Zustand (d.h. die Winkelgeschwindigkeit ω (= 0), wenn der Bagger 100 stillsteht) als den Observationswert, der in die Fehlerberechnungseinheit 40Bb einzugeben ist. Wenn die Observationsgleichung von Gleichung (24) angewendet wird, bestimmt der Determinator 42b den Azimutwinkel θda des Baggers 100 auf der Basis des GPS-Kompasses, der durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 berechnet wird, als den Observationswert, der in die Fehlerberechnungseinheit 40Bb einzugeben ist.
Die Fehlerberechnungseinheit 40Bb berechnet den Observationsvektor z_k (z fettgedruckt) unter Anwendung der Observationsgleichung entsprechend dem Observationswert, der von dem Selektor 42c eingegeben wird. Da die Fehlerberechnungseinheit 40Bb die Observationsgleichung, die bei der Berechnung des Observationsvektors z_k (z fettgedruckt) anzuwenden ist, entsprechend dem Zustand des Baggers 100 (d.h. dem Positionsbestimmungszustand und dem Fahrzeugkörperzustand) ändert, ist es auf diese Weise möglich, die Anzahl von Observationsgleichungen abhängig von dem Zustand des Baggers 100 zu reduzieren. Dadurch verringert sich auch die Rechenlast der Fehlerberechnungseinheit 40Bb.
Wenn der Bagger 100 gestoppt wird und der obere Drehwagen 3 nicht geschwenkt wird, kann die Fehlerberechnungseinheit 40Bb den Observationsvektor z_k (z fettgedruckt) berechnen, indem sie den Observationswert verwendet, wonach die Geschwindigkeit des bestimmten Punkts des Baggers 100 gleich 0 und die Winkelgeschwindigkeit ω gleich 0 ist. Es ist daher möglich, den Einfluss einer Variation des Positionsmessergebnisses der Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 zu unterdrücken.
19 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Prozesses des Steuersystems 200b gemäß der dritten Ausführungsform darstellt. In Schritt S501 schätzt die Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit 39Bb der Vorrichtungssteuerung 39b den Zustandsvektor des Baggers 100 in der nächsten Periode (in der vorliegenden Ausführungsform der nächste Steuerzyklus) und erfasst einen Observationswert.
In Schritt S502 wählt die Fehlerberechnungseinheit 40Bb der Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit 39Bb eine Observationsgleichung, die bei der Berechnung des Observationsvektors z_k (z fettgedruckt) zu verwenden ist, gemäß dem Positionsbestimmungszustand und dem Fahrzeugkörperzustand. In Schritt S503 berechnet die Fehlerberechnungseinheit 40Bb den Zustandsvektor K_k|k, der ein Nach-Schätzwert ist, und gibt den Winkelgeschwindigkeits-Trendfehler FBa, den Fahrzeugkörper-Winkelfehler Fbb, den Fahrzeugkörper-Geschwindigkeitsfehler FBc, den Fahrzeugkörper-Positionsfehler FBd und den Beschleunigungs-Trendfehler FBe entsprechend dem Zustandsvektor an die Positions-Schätzeinheit 40F aus. Die Positions-Schätzeinheit 40F korrigiert die Winkelgeschwindigkeit ω und die Beschleunigung a, die durch die IMU 24 detektiert werden, den Winkel, den die Positions-Schätzeinheit 40F aus der Winkelgeschwindigkeit ω berechnet hat, und die Geschwindigkeit und Position, die von der Positions-Schätzeinheit 40F unter Verwendung des Winkelgeschwindigkeits-Trendfehlers FBa, des Fahrzeugkörper-Winkelfehlers FBb, des Fahrzeugkörper-Geschwindigkeitsfehlers FBc, der Fahrzeugkörper-Positionsfehlers FBd zbd des Beschleunigungs-Trendfehlers FBe, die von der Fehlerberechnungseinheit 40Bd eingeholt werden, aus der Beschleunigung a berechnet werden.
In Schritt S504 gibt die Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit 39Bb die zweiten Referenzpositionsdaten P1i und P2i, die durch vorstehende Korrektur ermittelt werden, als die Referenzpositionsdaten P1c und P2c an die Schneidkanten-Positionsberechnungseinheit 28A der Displaysteuerung 28 aus. In Schritt S505 berechnet die Verarbeitungseinheit 28P der Displaysteuerung 28 die Schneidkantenposition, welche die dreidimensionale Position der Schneidkante 8T des Löffels 8 ist, unter Verwendung der Positionsinformation IPL des Baggers 100, die von der Vorrichtungsteuerung 39 eingeholt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite Position berechnet unter Verwendung der ersten Positionsdaten P1 und P2, welche die erste Positionsinformation sind, und der Betriebsinformation MI aus der IMU 24, und es wird die Position von zumindest einem Teilbereich des Arbeitsgeräts 2 unter Verwendung der eingeholten zweiten Positionsinformation berechnet. In der ersten Ausführungsform wird die zweite Position unter Verwendung der ersten Referenzpositionsdaten P1 und P2 und der Information über den bestimmten Punkt, die von der IMU 24 eingeholt wird, berechnet. In der vorliegenden Ausführungsform kann die zweite Position ähnlich wie in der ersten Ausführungsform berechnet werden, indem der Observationsgleichung die Bedingung hinzugefügt wird, dass der bestimmte Punkt (der Pseudo-Fixpunkt) stillsteht.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Position des Baggers 100 durch Trägheitsnavigation geschätzt, und der in dem Positions- und Stellungsfehler des Baggers 100 enthaltene Fehler und der Fehler der IMU 24 werden durch das Kalmanfilter berechnet. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Position des Baggers 100 in der nächsten Periode durch Trägheitsnavigation geschätzt, und die geschätzte Position des Baggers 100 wird auf der Basis des Fehlers korrigiert, der unter Heranziehen der ersten Positionsinformation und der Betriebsinformation MI durch das Kalmanfilter berechnet wird. In der ersten und in der zweiten Ausführungsform wird die durch die Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung 23 ermittelte Positionsinformation dem Glättungsprozess unterzogen. In der vorliegenden Ausführungsform jedoch wird die durch Trägheitsnavigation im voraus geschätzte Position unter Verwendung eines durch das Kalmanfilter berechneten Fehlers korrigiert, oder es wird der Zustandsvektor, der im voraus durch Trägheitsnavigation geschätzt wird, unter Verwendung eines durch das Kalmanfilter berechneten Zustandsvektors korrigiert. In der vorliegenden Ausführungsform ist es daher möglich, den Einfluss einer mit dem Glättungsprozess verbundenen Verzögerung zu reduzieren. Daher kann der Einfluss einer Variation des Positionsmessergebnisses bei einer Baumaschine, die die Bauarbeiten auf der Basis des Ergebnisses der gemessenen Position der Baumaschine computergestützt ausführt, auf die computergestützte Bauausführung zuverlässiger verringert werden.
Vorstehend wurden die erste bis dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Jedoch sind diese Ausführungsformen nicht auf den beschriebenen Inhalt beschränkt. Bauelemente, die in den Ausführungsformen angegeben sind, können solche umfassen, die innerhalb des Fachwissens des Durchschnittsfachmanns liegen, und solche die zu diesen in Wesentlichen äquivalent sind, d.h. solche, die im Äquivalenzbereich liegen. Es ist weiterhin möglich, Bauelemente geeignet miteinander zu kombinieren.
Ferner können innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform Elemente entfallen, durch andere ersetzt werden oder geändert werden. Die jeweiligen Prozesse, die von der Vorrichtungssteuerung 39 durchgeführt werden, können von der Vorrichtungssteuerung 39, der Displaysteuerung 28, einer Pumpensteuerung oder einer andere Steuerung durchgeführt werden. Die Baumaschine ist nicht auf den Bagger 100 beschränkt. Die Baumaschine kann auch ein Radlader oder ein Bulldozer sein. Die Stellungswinkel-Berechnungseinheit 39A und die Positions- und Stellungswinkelinformations-Berechnungseinheit 39B, die in 5 dargestellt sind, sind in der Vorrichtungssteuerung 39 vorgesehen. Jedoch kann eine davon oder können beide in der Displaysteuerung 28 und ebenso in einer anderen Steuerung als der Displaysteuerung 28 vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeugkörper
2: Arbeitsgerät
3: oberer Drehwagen
5: Fahrvorrichtung
8: Löffel
8B: Zahn
8T: Schneidkante
21, 22: Antenne (GNSS-Antenne)
23: Globalkoordinaten-Berechnungsvorrichtung
25: Betätigungsvorrichtung
28: Displaysteuerung
28A: Schneidkanten-Positionsberechnungseinheit
28B: Ziel-Aushubgeländeformdaten-Generierungseinheit
28C: Ziel-Konstruktionsinformations-Speichereinheit
28M: Speichereinheit
28P: Verarbeitungseinheit
39, 39a, 39b: Vorrichtungssteuerung
39A: Stellungswinkel-Berechnungseinheit
39B, 39Ba: Positionsinformations-Berechnungseinheit
39Bb: Positions- und Stellungsinformations-Berechnungseinheit
39C: Arbeitsgerät-Steuereinheit
39M: Speichereinheit
39P, 39Pa, 39Pb: Verarbeitungseinheit
40A: Bestimmungseinheit
40Ab: Selektionseinheit
40B: Einheit zum Berechnen des bestimmten Punkts
40Ba, 40C: Glättungsverarbeitungseinheit
40D: Positionsberechnungseinheit
40E: Geschwindigkeits-Berechnungseinheit
40F: Positions-Schätzeinheit
40Bb: Fehlerberechnungseinheit
41a, 41g, 41p: Umrechnungseinheit des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems
41b,41c,41h,41j: Addierer/Subtrahierer
41d, 41f: Aktualisierungseinheit
41i: Umrechnungseinheit des lokalen
41k: Koordinatensystems Geschwindigkeits-Korrektureinheit
41m: Integrator
41n: Positions-Korrektureinheit
42a: Verhaltensdetektionseinheit
42b: Determinator
42c: Selektor
44: Tabelle
60: Referenzpfosten
100: Bagger
200, 200a, 200b: Steuersystem
FBa: Winkelgeschwindigkeits-Trendfehler
FBb: Fahrzeugkörper-Winkelfehler
FBc: Fahrzeugkörper-Geschwindigkeitsfehler
FBd: Fahrzeugkörper-Positionsfehler
FBe: Beschleunigungs-Trendfehler
K: Kalmanverstärkung
M: Mittelungskonstante
MI: Betriebsinformation
P, P1c, P2c: Referenzpositionsdaten
P1, P2: erste Referenzpositionsdaten
P1i, P2i: zweite Referenzpositionsdaten
SR: Zustandsinformation
a: Beschleunigung
g: Schwerkraftbeschleunigung
ω: Winkelgeschwindigkeit
θ4: Rollwinkel
θ5: Nickwinkel
θda, θdc, θdi: Azimutwinkel

Claims

Baumaschinensteuersystem (200, 200a, 200b), das eine Baumaschine (100) steuert, die eine Fahrvorrichtung (5), ein Arbeitsgerät (2) mit einem Arbeitswerkzeug (8) und einen Drehwagen (3) umfasst, an dem das Arbeitsgerät (2) befestigt ist und der auf der Fahrvorrichtung (5) drehbar montiert ist, wobei das System umfasst: eine Positionsdetektionsvorrichtung (23), die eine erste Position (P1, P2) detektiert, welche eine Position eines Teilbereichs der Baumaschine (100) ist, und die die erste Position (P1, P2) als erste Positionsinformation (P1, P2) ausgibt; eine Zustandsdetektionsvorrichtung (24), die Betriebsinformation (MI), die über einen Betrieb der Baumaschine (100) Aufschluss geben, detektiert und ausgibt; und eine Verarbeitungsvorrichtung (39), die eine Position eines bestimmten Punkts, der ein Schnittpunkt zwischen einer Achse einer Schwenkmitte (z) des Drehwagens (3) und einer Ebene ist, die einer Geländefläche entspricht, mit welcher die Fahrvorrichtung (5) in Berührung kommt, welche eine Information ist, die aus der ersten Position (P1, P2) und der Betriebsinformation (MI) ermittelt wird, einem Glättungsprozess unterzieht, unter Verwendung der Position des bestimmten Punkts, die nach dem Glättungsprozess erhalten wird, eine zweite Position (P1i, P2i), die der Position des Teilbereichs entspricht und in welcher ein Einfluss einer Variation eines Positionsmessergebnisses der ersten Position (P1, P2) unterdrückt ist, berechnet und unter Verwendung der Information der zweiten Position (P1i, P2i) eine Position zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsgeräts (2) berechnet.
Baumaschinensteuersystem (200, 200a, 200b), das eine Baumaschine (100) steuert, die eine Fahrvorrichtung (5), ein Arbeitsgerät (2) mit einem Arbeitswerkzeug (8) und einen Drehwagen (3) umfasst, an dem das Arbeitsgerät (2) befestigt ist und der auf der Fahrvorrichtung (5) drehbar montiert ist, wobei das System umfasst: eine Positionsdetektionsvorrichtung (23), die eine erste Position (P1, P2) detektiert, welche eine Position eines Teilbereichs der Baumaschine (100) ist, und die die erste Position (P1, P2) als erste Positionsinformation (P1, P2) ausgibt; eine Zustandsdetektionsvorrichtung (24), die Betriebsinformation (Mi), die über einen Betrieb der Baumaschine (100) Aufschluss geben, detektiert und ausgibt; und eine Verarbeitungsvorrichtung (39), die auf Basis der Betriebsinformation (MI) die Geschwindigkeit einer Antenne (21, 22) berechnet, die mit der Positionsdetektionsvorrichtung (23) verbunden ist und zum Detektieren einer Position der Baumaschine (100) verwendet wird, die erste Position (P1, P2) einem Glättungsprozess unterzieht und dabei die Geschwindigkeit der Antenne (21, 22) verwendet, um eine zweite Position (P1i, P2i) zu berechnen, die der Position des Teilbereichs entspricht und in welcher ein Einfluss einer Variation eines Positionsmessergebnisses der ersten Position (P1, P2) unterdrückt ist, und unter Verwendung der Information der zweiten Position (P1i, P2i) eine Position zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsgeräts (2) berechnet.
Baumaschinensteuersystem (200, 200a, 200b) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verarbeitungsvorrichtung (39) die Position von zumindest einem Teilbereich des Arbeitsgeräts (2) berechnet und dabei die Information der zweiten Position (P1i, P2i) verwendet, wenn die durch die Positionsdetektionsvorrichtung (23) detektierte Position der Baumaschine (100) normal ist, der Fahrbetrieb der Baumaschine (200) gestoppt wird und der Drehwagen (3) nicht geschwenkt wird.
Baumaschinensteuersystem (200, 200a, 200b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verarbeitungsvorrichtung (39) auf Basis der von der Verarbeitungsvorrichtung (39) berechneten Position des Teilbereichs des Arbeitsgeräts (2) einen Betrieb des Arbeitsgeräts (2) steuert oder bewirkt, dass eine in der Baumaschine (100) enthaltene Displayeinheit (29) die Position des Teilbereichs des Arbeitsgeräts (2) anzeigt.
Baumaschinensteuerverfahren zum Steuern einer Baumaschine (100), die eine Fahrvorrichtung (5), ein Arbeitsgerät (2) mit einem Arbeitswerkzeug (8) und einen Drehwagen (3) umfasst, an dem das Arbeitsgerät (2) befestigt ist und der auf der Fahrvorrichtung (5) drehbar montiert ist, wobei das Verfahren umfasst: das Berechnen einer Position eines bestimmten Punkts, der ein Schnittpunkt zwischen einer Achse einer Schwenkmitte (z) des Drehwagens (3) und einer Ebene ist, die einer Geländefläche entspricht, mit welcher die Fahrvorrichtung (5) in Berührung kommt, unter Verwendung einer ersten Position (P1, P2), welche eine Position eines Teilbereichs der Baumaschine (100) ist, die durch eine in der Baumaschine (100) enthaltene Positionsdetektionsvorrichtung (23) detektiert wird, und der Betriebsinformation (MI) der Baumaschine (100), die durch eine in der Baumaschine (100) enthaltene Zustandsdetektionsvorrichtung (24) detektiert werden; das die Position des bestimmten Punkts einem Glättungsprozess Unterziehen; das Berechnen einer zweiten Position (P1i, P2i), die der Position des Teilbereichs entspricht und in welcher ein Einfluss einer Variation eines Positionsmessergebnisses der ersten Position (P1, P2) unterdrückt ist, unter Verwendung der Position des bestimmten Punkts, die nach dem Glättungsprozess erhalten wird; und das Berechnen einer Position von zumindest einem Teilbereich des Arbeitsgeräts (2) unter Verwendung der zweiten Position (P1i, P2i).
Baumaschinensteuerverfahren zum Steuern einer Baumaschine (100), die eine Fahrvorrichtung (5), ein Arbeitsgerät (2) mit einem Arbeitswerkzeug (8) und einen Drehwagen (3) umfasst, an dem das Arbeitsgerät (2) befestigt ist und der auf der Fahrvorrichtung (5) drehbar montiert ist, wobei das Verfahren umfasst: das Berechnen der Geschwindigkeit einer Antenne (21, 22), die zum Detektieren einer Position der Baumaschine (100) verwendet wird, auf Basis einer von einer Zustandsdetektionsvorrichtung (24), die in der Baumaschine (100) enthalten ist, detektierten Betriebsinformation (MI) der Baumaschine (100); das eine erste Position (P1, P2) einem Glättungsprozess Unterziehen, welche eine durch eine Positionsdetektionsvorrichtung (23), die in der Baumaschine (100) enthalten ist, detektierte Position eines Teilbereichs der Baumaschine (100) ist, unter Verwendung der Geschwindigkeit der Antenne (21, 22), um eine zweite Position (P1i, P2i) zu berechnen, die der Position des Teilbereichs entspricht und in welcher ein Einfluss einer Variation eines Positionsmessergebnisses der ersten Position (P1, P2) unterdrückt ist, und das Berechnen einer Position zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsgeräts (2) unter Verwendung der Information der zweiten Position (P1i, P2i).