JP2004107926A - Digging work teaching device for construction machine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧ショベル等の建設機械の掘削作業教示装置に係り、特に、バケットなどの掘削用作業機を動作させて3次元の目標地形に関する掘削作業を行う際に目標とする掘削作業位置を教示するに好適な建設機械の掘削作業教示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
山間部などの傾斜地に道路を構築する際、まず油圧ショベルやブルドーザなどの建設機械を用いて最初に切土または盛土などの作業を行って必要な地盤を形成し、その周囲には地面の崩壊を防ぐため油圧ショベルなどを用いて法面を形成する。この法面形成作業は高精度な掘削成形作業であり、熟練を要する。特に、目標の掘削面の下まで過剰に掘削を行うと、単なる埋め戻しでは足りず、コンパクタなどの機械を用いて地山と同等の強度となるよう締め固めを行う必要となり、作業効率が大幅に低下する。そこで、オペレータは目標の掘削面を掘りすぎないよう、丁寧に法面の形成作業を行っている。
【0003】
一方、目標掘削面をオペレータに教示する手段としては、現在原地形の測量を行った結果から、多数の代表位置に掘削の目標となる数値、たとえぱ法面勾配及びその深さに関する数値を記した杭や板を設置する(丁張り作業)。オペレータはこの丁張りを見て、目標の法面を形成するよう油圧ショベルの作業機を動作させる。しかし、山間部などの傾斜地など複雑な地形に法面を形成する場合、複雑な3次元地形に沿って目標となる杭や板を多数設置する必要があり、そのための測量作業や設置作業に多大な時間を必要としていた。
【0004】
そこで、例えば、特開2001−98585号公報に記載されているように、油圧ショベルなどの建設機械の3次元位置及び作業機の方向と3次元の目標地形とを比較し、作業機の向いている方向を通過する縦断面の平面と3次元の目標地形との3次元上の交線を演算し、その交線を車体と作業機のイラストとともに運転室内に設置した表示装置に同一画面上に表示することにより、目標の掘削面をガイダンスする装置が知られている。
【0005】
また、例えば、(株)トプコンの3D−MC GPSショベルでは、3次元の地形を構成する三角形ポリゴンを運転室内に設置したタッチパネル式の表示装置に表示し、表示された三角形ポリゴンのうち目標の掘削面に相当するポリゴンを表示装置上で直接タッチして教示することにより目標の掘削面の色を変えて表示する装置が知られている。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−98585号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開2001−98585号公報に記載された装置では、作業機の向いている方向を通過する縦断面の平面と3次元の目標地形との3次元上の交線を演算し、その交線を運転室内に設置した表示装置に車体と作業機のイラストとともに同一画面上に表示することにより、確かにその油圧ショベルが現在いる位置において掘削すべき面はわかるが、作業機の動作する方向が目標の法面の垂線方向に向いていないと、バケットの幅の分が目標面に対して食い込んでしまうことになる。そこで、実際に法面形成作業を行う際は、作業機の幅を考慮して作業機の動作する方向を目標の法面の垂線方向に向けるという合わせ作業が必要であり、作業が複雑となるという問題があった。
【0008】
また、(株)トプコンの3D−MC GPSショベルでは、作業機の動作する方向と目標の法面の垂線方向との角度を車体と3次元目標地形との同一画面上に別枠で表示しており、オペレータはこの角度が0となるように車体を旋回または走行させるのであるが、実際にどちらの方向に車体を動作させればよいかの具体的な案内はなく、車体の動作方向はオペレータが自身で判断して動作する必要があり、不慣れなオペレータは車体の位置決めを容易に行えないという問題があった。
【0009】
本発明の目的は、複雑な3次元地形における法面形成作業においても、目標とする適切な掘削面の把握が容易であり、かつ掘削時の車体の位置決めが容易で、作業効率の向上した建設機械の掘削作業教示装置を提供することにある。
【0010】
なお、本願明細書中において、「3次元空間の絶対位置」とは、走行式建設機械の外部に設定された座標系により表現した位置のことであり、例えば3次元位置計測装置としてGPSを用いる場合は、GPSで高さの基準として用いる準拠楕円体に固定した座標系により表現した位置のことである。また、本願明細書では、この準拠楕円体に設定した座標系をグローバル座標系と呼ぶ。
【0011】
また、ローカル平面直角座標系とは、測量法に定められたものであり、日本全土を20地域に区分し、それぞれの地域内を平面とみなした直角座標系であり、それぞれの分割領域の特定の場所に原点を持つ3次元直角座標系である。本明細書中における3次元の目標地形の画像データはローカル平面直角座標系の値として作成されたものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
(1)上記目的を達成するために、本発明は、掘削用の作業機を作動させて3次元の地形を3次元の目標地形にする掘削作業を行う建設機械の掘削作業教示装置において、前記建設機械の作業機の3次元位置を計測する位置計測手段と、この位置計測手段の計測結果に応じて前記3次元目標地形と前記作業機の位置関係を表示する表示手段とを備え、前記表示手段は、前記3次元目標地形を構成する多数の小平面と、少なくとも前記作業機の先端部を含む前記建設機械の全体または一部分のイラストを第1画面として表示し、かつその第1画面において、前記3次元目標地形を構成する複数の小平面の内の目標掘削面の法線の水平面への投影線と現在向いている前記建設機械の作業機の動作する方向とを表示するようにしたものである。
このように建設機械が移動するに応じて掘削すべき地形の形状が変化する複雑な三次元地形であっても、目標掘削面の法線の投影線と現在向いている前記建設機械の作業機の動作する方向とを同一の画面に表示するため、目標掘削面を掘削するに好適な建設機械の設置位置を直感的に容易に把握でき、掘削時の作業効率を向上することができる。
【0013】
(2)上記(1)において、好ましくは、前記表示手段は、前記第1画面に、前記建設機械の車体の中心位置を同時に表示するようにしたものである。
【0014】
(3)上記(1)において、好ましくは、前記表示手段は、前記作業機の動作面と前記多数の小平面との交線、前記建設機械の全体または一部分のイラストを前記作業機の動作面における断面図である第2画面として、前記第1画面と同時に表示するようにしたものである。
【0015】
(4)上記(1)において、好ましくは、前記表示手段は、前記第1画面に、前記建設機械の走行体の移動する方向線を同時に表示するようにしたものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図11を用いて本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を油圧ショベルに適用した場合の例について説明する。
【0017】
図1は、本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた作業位置計測システムの構成を示すブロック図である。
【0018】
作業位置計測システムは、基準局からの補正データ(後述)をアンテナ33,34を介して受信する無線機41,42と、この無線機41,42で受信した補正データとGPSアンテナ31,32により受信されるGPS衛星からの信号とに基づいてGPSアンテナ31,32の3次元位置をリアルタイムに計測するGPS受信機43,44と、このGPS受信機43,44からの位置データと角度センサ21,22,23や傾斜センサ24や旋回角センサ25などの各種センサからの角度データとに基づき、油圧ショベル1のバケット7の先端(モニタポイント)の位置を演算し、さらに後述する3次元目標地形を示すデータが所定のメモリに記憶されているパネルコンピュータ45と、このパネルコンピュータ45により演算された位置データや3次元目標地形をイラスト等を交えて表示する表示装置46と、パネルコンピュータ45により演算された位置データをアンテナ35を介して送信するための無線機47と、予め掘削作業を行う目標となる掘削面を設定指示する設定器48とを備えている。GPSアンテナ31とGPS受信機43,GPSアンテナ32とGPS受信機44はそれぞれ1セットのGPS(Groba1 Positioning System)を構成している。
【0019】
図2は、本発明の実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた油圧ショベルの外観を示す図である。
【0020】
油圧ショベル1は下部走行体2と、下部走行体2上に旋回可能に設けられ、下部走行体2と共に車体を構成する上部旋回体3と、上部旋回体3に設けられたフロント作業機4とからなる。フロント作業機4は上部旋回体3に上下方向に回転可能に設けられたブーム5と、ブーム5の先端に上下方向に回転可能に設けられたアーム6と、アーム6の先端に上下方向に回転可能に設けられた先端掘削部であるバケット7とで構成され、それぞれ、ブームシリンダ8、アームシリンダ9、バケットシリンダ10を伸縮することにより駆動される。上部旋回体3には運転室11が設けられている。
【0021】
また、油圧ショベル1には、上部旋回体3とブーム5との回転角(ブーム角度)を検出する角度センサ21と、ブーム5とアーム6との回転角(アーム角度)を検出する角度センサ22と、アーム6とバケット7との回転角(バケット角度)を検出する角度センサ23と、上部旋回体3の前後方向の傾斜角(ピッチ角度)を検出する傾斜センサ24、下部走行体2と上部旋回体3との回転角(旋回角)を検出する旋回角センサ25とが設けられている。
【0022】
更に、油圧ショベル1には、GPS衛星からの信号を受信する2個のGPSアンテナ31,32と、基準局からの補正データ(後述)を受信するための無線アンテナ33,34と、位置データを送信する無線アンテナ35が設けられている。2個のGPSアンテナ31,32は上部旋回体3の旋回中心から外れた旋回体後部の左右に設置されている。
【0023】
図3は、GPS基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成を示すブロック図である。
【0024】
油圧ショベル1やバケット7等の位置や作業管理を行う事務所51には、GPS衛星からの信号を受信するGPSアンテナ52と、補正データを油圧ショベル1に送信する無線アンテナ53と、油圧ショベル1から上述した油圧ショベル1やバケット7等の位置データを受信する無線アンテナ54と、予め計測された3次元位置データとGPSアンテナ52により受信されるGPS衛星からの信号とに基づき、上述した油圧ショベル1のGPS受信機43,44でRTK(リアルタイムキネマティック)計測を行うための補正データを生成するGPS基準局としてのGPS受信機55,GPS受信機55で生成された補正データをアンテナ53を介して送信するための無線機56と、アンテナ54を介して位置データを受信する無線機57と、無線機57により受信した位置データに基づき油圧ショベル1やバケット7の位置を表示・管理したり3次元目標地形を示すデータを表示するための演算を行うコンピュータ58と、このコンピュータ58により演算した位置データと管理データ、3次元目標地形をイラスト等を交えて表示する表示装置59が設置されている。GPSアンテナ52とGPS受信機55は1セットのGPSを構成する。
【0025】
次に、本実施の形態に係わる作業位置計測システムの動作の概要を説明する。本実施の形態では高精度での位置計測を行うため、図1に示したGPS受信機43,44でそれぞれRTK計測を行う。このためには先ず、図3に示した補正データを生成するGPS基準局55が必要となる。GPS基準局55は、上記のように予め3次元計測されたアンテナ52の位置データとアンテナ52により受信されるGPS衛星からの信号とに基づいて、RTK計測のための補正データを生成し、生成された補正データは、無線機56によりアンテナ53を介して一定周期で送信される。
【0026】
一方、図1に示した車載側のGPS受信機43,44は、アンテナ33,34を介して無線機41,42により受信される補正データと、アンテナ31,32により受信されるGPS衛星からの信号に基づき、アンテナ31,32の3次元位置をRTK計測する、このRTK計測によって、アンテナ31,32の3次元位置が約±1〜2cmの精度で計測される。そして、計測された3次元位置データはパネルコンピュータ45に入力される。
【0027】
また、傾斜センサ24によって油圧ショベル1のピッチ角度、角度センサ21〜23によってそれぞれブーム5、アーム6及びバケット7の各角度が計測され、同様にパネルコンピュータ45に入力される。
【0028】
パネルコンピュータ25はGPS受信機43,44からの位置データと、各種センサ21〜24からの各角度データに基づき、一般的なベクトル演算と座標変換を行って、バケット7の先端の3次元位置を演算する。
【0029】
次に、図4〜図6を用いてパネルコンピュータ45における3次元位置演算処理について説明する。図4は、バケット7の先端の3次元空間での絶対位置を演算するために使用する座標系を示す図である。図4において、Σ0はGPSの準拠楕円体の中心に原点O0を持つグローバル座標系、Σ3は油圧ショベル1の上部旋回体3に固定され、旋回べースフレームと旋回中心との交点に原点O0を持つショベルベース座標系、Σ0はバケット7に固定され、バケット7の先端に中心O7を持つバケット先端座標系である。
【0030】
ショベルベース座標系Σ3の原点(旋回べースフレームと旋回中心との交点)O3に対するGPSアンテナ31,32の位置関係L1,L2,L3は既知であるので、グローバル座標系Σ0でのGPSアンテナ31,32の3次元位置と油圧ショベル1のピッチ角度θ2が分かれば、グローバル座標系Σ0でのショベルベース座標系Σ3の位置及び姿勢(上部旋回体3の方向)を求めることができる。また、ショベルベース座標系Σ3の原点(旋回べースフレームと旋回中心との交点)O3とブーム5の基端との位置関係α3、α4及びアーム5、アーム6、バケツト7の寸法α5,α6,α7が既知であるので、ブーム角度θ5、アーム脅度θ6、バケット角度θ7が分かれば、ショベルベース座標系Σ3でのバケット先端座標系Σ7の位置及び姿勢を求めることができる。従って、車載側のGPS受信機43,44で求めたGPSアンテナ31,32の3次元位置をグローバル座標系Σ0での値として求め、角度センサ24で油圧ショベル1のピッチ角度θ2を求め、角度センサ21〜23でブーム角度θ5、アーム角度θ6、バケット偶度θ7を求め、座標変換演算を行うことにより、バケット7の先端位置をグローバル座標系Σ0の値で求めることができる。
【0031】
図5はグローバル座標系の概念を説明する図である。図5において、GはGPSで用いる準拠楕円体であり、グローバル座標系Σ0の原点O0は準拠楕円体Gの中心に設定されている。また、グローバル座標系Σ0のx0軸方向は赤道Aと子午線Bの交点Cと準拠楕円体Gの中心とを通る線上に位置し、z0軸方向は準拠楕円体Gの中心から南北に延ばした線上に位置し、y0軸方向はx0軸とz0軸に直交する線上に位置している。GPSでは、地球上の位置を緯度及び経度と、準拠楕円体Gに対する高さ(深さ)で表現するので、このようにグローバル座標系Σ0を設定することで、GPSの位置情報をグローバル座標系Σ0の値に容易に変換することができる。
【0032】
図6は3次元位置演算処理手順を示すフローチャートである。図6において、まず、車載側のGPS受信機43で求めたGPSアンテナ31の3次元位置(緯度、経度、高さ)を上記の考えに基づきグローバル座標系Σ0の値GP1に変換する(ステップS10)、このための演算式は一般的によく知られているものなので、ここでは省略する。同様に、車載側のGPS受信機44で求めたGPSアンテナ32の3次元位置をグローバル座標系Σ0の値GP2に変換する(ステップS20)。次いで、傾斜センサ24で計測したビッチ角度θ2を入力し(ステップS30)、ステップS10,20で求めたGPSアンテナ31,32のグローバル座標系Σ0での3次元位置GP1,GP2と、そのピッチ角度θ2と、記憶装置に記憶したショベルベース座標系Σ3の原点(旋回べースフレームと旋回中心との交点)O3に対するGPSアンテナ31,32の位置関係L1,L2,L3とからショベルベース座標系Σ3の位置及び姿勢(上部旋回体3の方向)をグローバル座標系Σ0の値GPBで求める(ステップS40)。この演算は座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。次いで、角度センサ21〜23で検出したブーム角度θ5,アーム角度θ6,バケット角度θ7を入力し、これらの値と記憶装置に記憶したショベルベース座標系Σ3の原点(旋回べースフレームと旋回中心との交点)O3とブーム5の基端との位置関係α3,α4及びアーム5,アーム6,バケット7の寸法α5,α6,α7とからショベルベース座標系Σ3でバケット先端位置BPBKを求める(ステップS50)。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。次いで、ステップS40で求めたグローバル座標系Σ0でのショベルベース座標系Σ3の値GPBとステップS50で求めたショベルベース座標系Σ3でのバケット先端位置BPBKとからグローバル座標系Σ0でのバケット先端位置GPBKを求める(ステップS60)。そして、このグローバル座標系Σ0でのバケット先端位置GPBKをローカル直交座標系に変換する。このための演算式は一般的によく知られているものなので、ここでは省略する。
【0033】
以上のような演算を行うことによって、バケット7の先端位置の3次元空間での絶対位置を求めることができる。
【0034】
なお、求めたバケット先端の3次元位置は無線機47によりアンテナ35を介して送信する。送信されたバケット7の先端の位置データは、アンテナ54を介して無線機57により受信され、コンビュータ58に入力される。コンピュータ58は入力されたバケット7の先端の位置データを保存すると共に、パネルコンピュータ25と同様に表示装置59のモニタ上に油圧ショベルの車体及びバケットのイラストを予め所定のメモリーに記憶された3次元目標地形上の3次元位置に表示する。これにより事務所51において油圧ショベル1の作業状態を管理することができる。
【0035】
次に図7及び図8に表示装置46の表示部に表示される画面の表示例を示す。
【0036】
図7は、表示装置46の表示部に表示される第1の位置表示例を示している。表示装置46には、第1画面46aと、第2画面46bが表示される。第1画面46aには、パネルコンピュータ45における3次元位置演算処理により求められた3次元位置を用いて、図7に示すように油圧ショベルの車体S及びバケットBのイラストを予め所定のメモリーに記憶された3次元目標地形G上の3次元位置に表示する。また、本実施の形態の掘削作業教示装置によって教示される目標掘削面TG(図中、斜線を施した面)は、他の掘削面に対して色を変えて表示する。表示装置48に表示される表示画面は、設定器48を操作して視点を任意に変えることが可能である。
【0037】
また、パネルコンピュータ45は、バケットの向いている方向を通過する縦断面の平面(バケット動作面すなわちフロント作業機の動作に伴いバケットが動作する上部旋回体に固定された平面)と3次元の前記目標掘削面との3次元上の交線を演算し、第2画面46bに、その交線と車体SとバケットBとを表示してオペレータに作業状況を知らせる。
【0038】
このように3次元位置表示と断面表示を同時に表示することにより、目標掘削面TGに対する車体SやバケットBの位置関係を直感的に表示することができる。
【0039】
図8は、表示装置46の表示部に表示される第2の位置表示例を示している。第1画面46aには、視点を上面としたときの2次元画像が表示される。オペレータが設定器48を用いて、3次元の地形を構成する小平面の内目標の一面を設定すると、パネルコンピュータ25は、現在向いている油圧ショベルのバケットの動作する方向PL(バケット動作面を真上から見た直線)と、設定された目標小平面の法線の水平面への投影線GLと、油圧ショベルの車体Sの旋回中心Oも表示する。
【0040】
図9は本実施の形態に用いる設定器48の外観斜視図である。設定器48は、表示装置46への表示開始をON/OFFするスイッチ48aと、手動で目標掘削面を設定するための手動設定スイッチ48dと、3次元表示の視点を移動するためのジョイスティック48eと、図8に示した上から見た2次元表示に表示装置の画面を切り替えるための2次元表示スイッチ48fと、図7に示した3次元表示に表示装置の画面を切り替えるための3次元表示スイッチ48gとを備えている。
【0041】
次に、図10に示すフローチャートを用いて、本実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンピュータ45の処理機能について説明する。
【0042】
パネルコンピュータ45は、図8に示した油圧ショベルの車体及びバケットのイラストを予め所定のメモリーに記憶された3次元目標地形上の3次元位置に表示する際に、掘削作業のガイダンスとなる油圧ショベルのバケットの動作する方向線及び車体中心位置及び目標掘削面の垂線の水平面への投影線を同一画面上に表示する。
【0043】
設定された目標掘削面をバケットを操作して掘削する際、バケットの横幅があるためバケットの動作する方向線と目標掘削面の垂線の水平面への投影線がほぼ平行の状態でなければバケットのエッジが目標掘削面に食い込んだり、目標掘削面から浮くことになる。そこで、オペレータは表示装置の画面に表示されたバケットの動作する方向線及び車体中心位置及び目標掘削面の垂線の水平面への投影線を見ることにより、車体をどちらの方向にどれだけ移動させれば最も掘削作業に適しているか判断して車体を旋回動作したり、下部走行体を操作してバケットの動作する方向線と目標掘削面の垂線がほぼ平行の状態にすることができる。バケットの動作する方向線と目標掘削面の垂線がほぼ平行となったら、図7若しくは図8のサブ画面46bに示すバケットの向いている方向を通過する縦断面の平面と3次元の目標掘削面との3次元上の交線と車体及びバケットとを表示した画面を確認しながら、目標掘削面を掘削作業することにより、複雑な3次元地形であっても精度よく掘削することができる。
【0044】
バケットの動作する方向線と目標掘削面の垂線の水平面への投影線と平行でない場合、次のような手順で両者をほぼ平行にすることができる。第1は、図8に示した表示装置46の画像を見ながら、オペレータは、車体Sの中心Oを目標掘削面の垂線の水平面への投影線GLに近づくように下部走行体を走行し、次に、バケットの動作する方向線PLと目標掘削面の垂線の水平面への投影線GLがほぼ一致するように上部旋回体を旋回させることにより達成できる。第2には、バケットの動作する方向線PLと目標掘削面の垂線の水平面への投影線GLが平行になるように上部旋回体を旋回させることにより達成できる。
【0045】
ある目標掘削面をバケットを操作して掘削する際、バケットの横幅があるためバケットの動作する面と目標掘削面の垂線がほぼ平行の状態でなければバケットのエッジが目標掘削面に食い込んだり、目標掘削面から浮いてしまうことになる。それに対して、本実施の形態では油圧ショベルのバケットの動作する方向線及び車体中心位置及び目標掘削面の垂線の水平面への投影線を同一画面上に表示することにより、上部旋回体の旋回方向や下部走行体の移動方向を直感的に把握でき、車体の移動を容易にして、作業効率を向上できるものである。
【0046】
図10において、パネルコンピュータ45は、3次元表示における視点を初期値に設定する(ステップS105)。次に設定器48の3次元表示開始スイッチ48aがオンか否かを判定し(ステップS110)、オンであればステップS115に進む。パネルコンピュータ45は、GPS受信機43,44からアンテナ31,32の位置データを取得し、図4〜図6にて説明した方法によりバケット7の先端位置の3次元座標を演算する(ステップS115)。ステップS105,S100の詳細は、図6のステップS10〜S70にて説明したとおりである。
【0047】
次に設定器48のジョイスティック48eが操作されて視点が変更されたか否かを判断し(ステップS120)、変更された場合には変更された視点位置に対して3次元表示における視点の演算を行う(ステップS125)。そして図7に示したように3次元目標地形Gと車体SとバケットBを表示装置48の表示部に3元表示する(ステップS130)。次にバケットの動作方向の演算を行う(ステップS135)。
【0048】
次に設定器により構成面が選択されたか否かを判定し(ステップS140)、選択されるとステップS145に進む。オペレータが図12に示した設定器48の目標面設定スイッチ48dを用いて、3次元の地形を構成する小平面の内目標の一面を設定すると、ステップS145に進むことになる。
【0049】
構成面が選択されると、画面表示モードとして2次元表示モードが選択されているか否かを判定する(ステップS145)。図12に示した操作器48の2次元表示スイッチ48fが押されると、ステップS150に進み、そうでないときはステップS165に進む。
【0050】
2次元表示スイッチ48fが押されると、図8に示したように、表示装置46の第1画面46aには、視点を上面としたときの2次元画像が表示される。すなわち、オペレータが設定器48を用いて、3次元の地形を構成する小平面の内目標の一面を設定すると、パネルコンピュータ25は、現在向いている油圧ショベルのバケットの動作する方向PL(バケット動作面を真上から見た直線)と、3次元目標地形を構成する各小平面の垂線の水平面への投影線GLを表示する。また、油圧ショベルの車体Sの旋回中心Oも表示される。
【0051】
次にステップS140において選択された構成面の表示色を変更する(ステップS155)。すなわち、3次元表示の場合には、図7に示したように目標掘削面TGの表示色を他の構成面の表示色と変えて表示する。また、真上から見た2次元表示の場合には、図8に示したように目標掘削面TGの表示色を他の構成面の表示色と変えて表示する。
【0052】
そして、バケット動作方向と選択された構成面の3次元上の交線を演算し(ステップS160)、図10に示したように表示装置46のサブ画面46bに車体側面から見た3次元上の交線,車体S及びバケットBを表示する(ステップS165)。
【0053】
目標掘削面を設定したらオペレータは、図7に示したバケットの向いている方向を通過する縦断面の平面と3次元の目標掘削面との3次元上の交線と車体及びバケットとを表示した画面を確認しながら、目標掘削面を掘削作業することにより、複雑な3次元地形であっても精度よく掘削することができる。
【0054】
また、図11に示すように横方向にほぼ同じ方角で長い法面Gを形成する作業の場合、走行体Sを法面が走る方向に向けて順次移動しながら法面形成を行う。この場合、走行体Sの移動する方向線TLを同一画面上に表示することにより、法面Gのはしる方向と走行体Sの移動方向がほぼ平行であるかをオペレータは確認することができ、走行方向の微妙なずれにより逐一油圧ショベルの位置を修正する手間が削減でき、作業効率が向上する。
【0055】
なお、上記実施の形態はその詳細が上述の例に限定されず、種々の変形が可能である。一例として、上記実施の形態ではバケットと車体を表示したが、少なくともバケット先端の掘削部を表示すれば油圧ショベルの全体またはその一部分を表示してもよい。また、表示装置46,59に表示される目標掘削面の垂線方向線及び油圧ショベルなどの建設機械の作業機の動作する方向線及び車体中心位置、走行体の方向線は各々表示色を変えて表示してもよい。また、目標掘削面付近の複数の三角形ポリゴンの垂線方向線を同時に表示してもよい。また、目標掘削面を他の三角形ポリゴンとは異なる表示色で表示または点滅してもよい。一例として、目標掘削面の教示方法としてタッチパネルを採用し、指で直接画面上に表示される三角ポリゴンを指定してもよい。また、フロント装置の各部材間の相対角度を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。また、検出したバケット先端の3次元位置を事務所のコンビュータ58に送信しているが、特に事務所側での管理が必要なければ3次元位置データを送信しなくてもよい。
【0056】
以上説明したように、本実施の形態によれば、油圧ショベルが移動するに応じてまたバケットが移動するに応じて、そのバケットの下方の掘削すべき地形形状が変化する複雑な3次元地形であっても、現在の建設機械の位置に応じて目標掘削面を教示することにより作業機の向いている方向を通過する縦断面の平面とこの目標掘削面との三次元上の交線を演算し、その交線を前記表示装置に車体と作業機とを同一画面上に表示するため、オペレータは現在の建設機械の位置に応じた目標掘削面を把握でき、表示器に表示される目標掘削面と作業機を見ながら目標掘削面に沿って作業機を動作させれば三次元の目標地形を掘削できる。また、目標掘削面の垂線方向線と建設機械の作業機の向く方向線及び建設機械の中心位置を上面から見下ろした画面を同一の画面に表示するため、目標掘削面を掘削するに好適な建設機械の設置位置を直感的に容易に把握できる。さらに、建設機械の走行体の方向を示す方向線を同一画面上に表示する表示手段を有するため、走行動作により車体がどちらの方向に動作するかが直感的に把握でき、走行動作が無駄なく行え作業効率が向上する。
【0057】
【発明の効果】
本発明によれば、複雑な3次元地形における法面形成作業においても、目標とする適切な掘削面の把握が容易であり、かつ掘削時の車体の位置決めが容易で、作業効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた作業位置計測システムの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の一実施の形態に係わる作業位置計測システムを搭載した油圧ショベルの外観を示す図である。
【図3】GPS基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成を示すブロック図である。
【図4】バケットの先端の3次元空間での絶対位置を演算するために使用する座標系を示す図である。
【図5】グローバル座標系の概要を説明する図である。
【図6】3次元位置演算処理手順を示すフローチャートである。
【図7】表示装置の表示部に表示される第1の表示例を示している。
【図8】表示装置の表示部に表示される第2の表示例を示している。
【図9】本実施の形態に用いる設定器の外観斜視図である。
【図10】本実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンピュータの処理機能を示すフローチャートである。
【図11】表示装置の表示部に表示される第3の表示例を示している。
【符号の説明】
1 油圧ショベル
2 下部走行体
3 上部旋回体
4 フロント作業機
5 ブーム
6 アーム
7 バケット
21〜23 角度センサ
24 傾斜センサ
25 旋回角センサ
31,32 GPSアンテナ
33,34 無線アンテナ
35 無線アンテナ
41,42 無線機
43,44 GPS受信機
45 パネルコンピュータ
46 表示装置
47 無線機
48 設定器
51 事務所
52 GPSアンテナ
53 無線アンテナ
54 無線アンテナ
55 GPS受信機
56 無線機
57 無線機
58 コンピュータ
59 表示装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an excavation work teaching device for a construction machine such as a hydraulic excavator, and in particular, teaches a target excavation work position when performing an excavation work on a three-dimensional target terrain by operating an excavation work machine such as a bucket. The present invention relates to an excavation work teaching device for a construction machine suitable for performing
[0002]
[Prior art]
When constructing a road on a slope such as a mountain, first use a construction machine such as a hydraulic shovel or bulldozer to perform cutting or embankment work to form the necessary ground, and the surrounding ground collapses The slope is formed by using a hydraulic shovel or the like to prevent the occurrence of the slope. This slope forming operation is a highly accurate excavation forming operation, and requires skill. In particular, if excavation is carried out excessively below the target excavation surface, mere backfilling is not sufficient, and compaction must be carried out using a compactor or other machine to achieve the same strength as the ground, greatly increasing work efficiency. To decline. Therefore, the operator carefully performs a slope forming operation so as not to dug the target excavation surface too much.
[0003]
On the other hand, as a means for teaching the target excavation surface to the operator, numerical values that are targets for excavation, such as numerical values relating to the slope slope and its depth, are recorded at a number of representative positions based on the results of surveying the current topography. Install piles and boards that have been set up (towing work). The operator looks at the tent and operates the work machine of the excavator to form a target slope. However, when forming a slope on a complex terrain such as a slope such as a mountainous area, it is necessary to install a large number of target piles and boards along the complex three-dimensional terrain, which requires a great deal of surveying and installation work. Time was needed.
[0004]
Therefore, for example, as described in JP-A-2001-98585, the three-dimensional position and the direction of the work machine of a construction machine such as a hydraulic shovel are compared with the three-dimensional target terrain, and the work machine is turned. Calculates the three-dimensional intersection between the plane of the vertical section passing through the direction and the three-dimensional target terrain, and displays the intersection with the illustration of the vehicle body and the work equipment on the display device installed in the cab on the same screen 2. Description of the Related Art There is known an apparatus that displays a guidance for a target excavation surface.
[0005]
Further, for example, in the 3D-MC GPS excavator of Topcon Corporation, a triangular polygon constituting a three-dimensional terrain is displayed on a touch panel type display device installed in a driver's cab, and a target excavation among the displayed triangular polygons is performed. 2. Description of the Related Art There is known a device that changes the color of a target excavation surface and displays it by directly touching and teaching a polygon corresponding to a surface on a display device.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-98585 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-98585, a three-dimensional intersection line between a three-dimensional target terrain and a three-dimensional target terrain passing through the direction in which the work machine is directed is calculated. By displaying the lines on the same screen with illustrations of the vehicle body and the work machine on the display device installed in the cab, it is possible to know the surface to be excavated at the current position of the excavator, but the direction in which the work machine operates If they are not oriented in the direction perpendicular to the target slope, the width of the bucket will cut into the target surface. Therefore, when actually performing the slope forming work, it is necessary to consider the width of the working machine and to align the operating direction of the working machine in a direction perpendicular to a target slope, and the work becomes complicated. There was a problem.
[0008]
In the 3D-MC GPS excavator of Topcon Co., Ltd., the angle between the direction in which the working machine operates and the direction perpendicular to the target slope is displayed in a separate frame on the same screen as the vehicle body and the three-dimensional target terrain. However, the operator turns or runs the vehicle body so that the angle becomes 0, but there is no specific guidance in which direction the vehicle body should be actually operated. There is a problem in that it is necessary to determine and operate by itself, and an inexperienced operator cannot easily position the vehicle body.
[0009]
An object of the present invention is to improve the working efficiency by easily grasping an appropriate target excavation surface and easily positioning a vehicle body during excavation even in a slope forming operation on complicated three-dimensional terrain. An object of the present invention is to provide a machine excavation work teaching device.
[0010]
In the specification of the present application, the “absolute position in the three-dimensional space” is a position expressed by a coordinate system set outside the traveling construction machine. For example, a GPS is used as a three-dimensional position measuring device. The case is a position represented by a coordinate system fixed to a reference ellipsoid used as a height reference in GPS. In the present specification, the coordinate system set to the reference ellipsoid is called a global coordinate system.
[0011]
Also, the local plane rectangular coordinate system is defined by the surveying method, is a rectangular coordinate system that divides the whole of Japan into 20 regions, and regards each region as a plane, and specifies each divided region. Is a three-dimensional rectangular coordinate system having the origin at the location of. The image data of the three-dimensional target terrain in this specification is created as values in a local plane rectangular coordinate system.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
(1) In order to achieve the above object, the present invention relates to an excavation work teaching device for a construction machine that performs an excavation operation by operating a work machine for excavation to convert a three-dimensional terrain into a three-dimensional target terrain. Position measuring means for measuring a three-dimensional position of the working machine of the construction machine, and display means for displaying a positional relationship between the three-dimensional target terrain and the working machine according to a measurement result of the position measuring means, The means displays, as a first screen, an illustration of a whole or a part of the construction machine including at least the tip of the work machine, and a plurality of small planes constituting the three-dimensional target terrain, and on the first screen, A projection line on a horizontal plane of a normal of a target excavation surface among a plurality of small planes constituting the three-dimensional target terrain, and a direction in which a working machine of the construction machine is currently facing are displayed. It is.
Thus, even in the case of a complicated three-dimensional terrain in which the shape of the terrain to be excavated changes as the construction machine moves, the working machine of the construction machine that is currently facing the projection line of the normal of the target excavation surface Is displayed on the same screen, the installation position of the construction machine suitable for excavating the target excavation surface can be easily and intuitively grasped, and the work efficiency during excavation can be improved.
[0013]
(2) In the above (1), preferably, the display means simultaneously displays the center position of the vehicle body of the construction machine on the first screen.
[0014]
(3) In the above (1), preferably, the display means displays an intersection line between the operation surface of the work machine and the plurality of small planes and an illustration of the whole or a part of the construction machine on the operation surface of the work machine. Are displayed simultaneously with the first screen as a second screen which is a sectional view in FIG.
[0015]
(4) In the above (1), preferably, the display means simultaneously displays a direction line on which the traveling body of the construction machine moves on the first screen.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an example in which the excavation work teaching device for a construction machine according to an embodiment of the present invention is applied to a hydraulic shovel will be described with reference to FIGS. 1 to 11.
[0017]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a work position measuring system using an excavation work teaching device for a construction machine according to an embodiment of the present invention.
[0018]
The work position measurement system receives
[0019]
FIG. 2 is a diagram showing an external appearance of a hydraulic shovel using the excavating work teaching device for construction equipment according to the embodiment of the present invention.
[0020]
The hydraulic excavator 1 includes a lower traveling body 2, an upper revolving
[0021]
The hydraulic excavator 1 has an
[0022]
Further, the hydraulic excavator 1 transmits two
[0023]
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an office system having a role as a GPS reference station.
[0024]
An
[0025]
Next, an outline of the operation of the work position measuring system according to the present embodiment will be described. In the present embodiment, in order to perform position measurement with high accuracy, RTK measurement is performed by each of the
[0026]
On the other hand, the on-
[0027]
Further, the pitch angle of the excavator 1 is measured by the
[0028]
The
[0029]
Next, a three-dimensional position calculation process in the
[0030]
Since the positional relationships L1, L2, L3 of the
[0031]
FIG. 5 is a diagram for explaining the concept of the global coordinate system. In FIG. 5, G is a reference ellipsoid used in GPS, and the origin O0 of the global coordinate system # 0 is set at the center of the reference ellipsoid G. The x0 axis direction of the global coordinate system Σ0 is located on a line passing through the intersection C of the equator A and the meridian B and the center of the reference ellipsoid G, and the z0 axis direction is on a line extending from the center of the reference ellipsoid G to the north and south. , And the y0 axis direction is located on a line orthogonal to the x0 axis and the z0 axis. In the GPS, the position on the earth is expressed by latitude and longitude and the height (depth) with respect to the reference ellipsoid G. By setting the global coordinate system $ 0 in this manner, the GPS position information is converted into the global coordinate system. It can be easily converted to a value of $ 0.
[0032]
FIG. 6 is a flowchart showing the three-dimensional position calculation processing procedure. In FIG. 6, first, the three-dimensional position (latitude, longitude, height) of the
[0033]
By performing the above calculations, the absolute position of the tip end position of the bucket 7 in the three-dimensional space can be obtained.
[0034]
The obtained three-dimensional position of the bucket tip is transmitted by the wireless device 47 via the
[0035]
7 and 8 show display examples of screens displayed on the display unit of the
[0036]
FIG. 7 shows a first position display example displayed on the display unit of the
[0037]
Further, the
[0038]
By simultaneously displaying the three-dimensional position display and the cross-sectional display, the positional relationship of the vehicle body S and the bucket B with respect to the target excavation surface TG can be displayed intuitively.
[0039]
FIG. 8 shows a second position display example displayed on the display unit of the
[0040]
FIG. 9 is an external perspective view of the
[0041]
Next, the processing function of the
[0042]
The
[0043]
When digging the set target digging surface by operating the bucket, the bucket's lateral width causes the bucket's operating direction line and the projection line of the perpendicular to the target digging surface to the horizontal plane to be almost parallel, unless the bucket The edge cuts into the target excavation surface or floats from the target excavation surface. Therefore, the operator can move the vehicle body in any direction and how much by viewing the direction line on which the bucket operates, the vehicle body center position, and the projection line of the perpendicular line to the target excavation plane displayed on the horizontal plane displayed on the screen of the display device. For example, it is possible to judge whether or not the vehicle is most suitable for excavation work, or to turn the vehicle body, or to operate the lower traveling body so that the direction in which the bucket operates and the perpendicular to the target excavation surface are substantially parallel. When the direction line in which the bucket operates and the perpendicular to the target excavation plane are substantially parallel, the plane of the vertical section passing through the direction of the bucket shown in the sub-screen 46b of FIG. 7 or 8 and the three-dimensional target excavation plane By excavating the target excavation surface while checking the screen displaying the three-dimensional intersection of the vehicle and the body and the bucket, excavation can be accurately performed even on complicated three-dimensional terrain.
[0044]
If the direction line in which the bucket operates and the perpendicular to the target excavation plane are not parallel to the projection line on the horizontal plane, the two can be made substantially parallel by the following procedure. First, while watching the image on the
[0045]
When digging a target excavation surface by operating a bucket, the edge of the bucket cuts into the target excavation surface unless the perpendicular of the surface on which the bucket operates and the target excavation surface is substantially parallel because of the width of the bucket, It will float from the target excavation surface. On the other hand, in the present embodiment, the direction in which the bucket of the hydraulic shovel operates, and the projection line of the vertical line of the vehicle body center position and the target excavation plane onto the horizontal plane are displayed on the same screen, so that the turning direction of the upper revolving unit is displayed. It is possible to intuitively grasp the moving direction of the vehicle and the undercarriage, facilitate the movement of the vehicle body, and improve the working efficiency.
[0046]
In FIG. 10, the
[0047]
Next, it is determined whether or not the joystick 48e of the
[0048]
Next, it is determined whether or not a configuration surface has been selected by the setting device (step S140), and if it has been selected, the process proceeds to step S145. When the operator uses the target
[0049]
When the constituent surface is selected, it is determined whether or not the two-dimensional display mode is selected as the screen display mode (step S145). When the two-
[0050]
When the two-
[0051]
Next, the display color of the component surface selected in step S140 is changed (step S155). That is, in the case of the three-dimensional display, as shown in FIG. 7, the display color of the target excavation surface TG is displayed in a manner different from the display colors of the other constituent surfaces. In the case of two-dimensional display viewed from directly above, as shown in FIG. 8, the display color of the target excavation surface TG is displayed in a manner different from the display colors of the other constituent surfaces.
[0052]
Then, a three-dimensional intersection line between the bucket operation direction and the selected constituent surface is calculated (step S160), and as shown in FIG. The intersection, the vehicle body S, and the bucket B are displayed (step S165).
[0053]
After setting the target excavation surface, the operator displayed the three-dimensional intersection line between the plane of the longitudinal section passing through the direction of the bucket shown in FIG. 7 and the three-dimensional target excavation surface, the vehicle body, and the bucket. By excavating the target excavation surface while checking the screen, it is possible to excavate with high accuracy even on complicated three-dimensional terrain.
[0054]
In addition, in the case of forming a long slope G in the lateral direction in substantially the same direction as shown in FIG. 11, the slope is formed while the traveling body S is sequentially moved in the direction in which the slope runs. In this case, by displaying the direction line TL in which the traveling body S moves on the same screen, the operator can confirm whether the direction of the slope G and the traveling direction of the traveling body S are substantially parallel, The work of correcting the position of the hydraulic excavator one by one due to a slight shift in the traveling direction can be reduced, and the working efficiency is improved.
[0055]
The above embodiment is not limited in its details to the above example, and various modifications are possible. As an example, in the above embodiment, the bucket and the vehicle body are displayed, but if at least the excavated portion at the tip of the bucket is displayed, the entire hydraulic excavator or a part thereof may be displayed. In addition, the direction lines perpendicular to the target excavation surface, the direction line for operating the working machine of the construction machine such as the hydraulic shovel, the center line position of the vehicle body, and the direction line of the traveling body, which are displayed on the
[0056]
As described above, according to the present embodiment, in a complicated three-dimensional terrain in which the terrain shape to be excavated below the bucket changes as the excavator moves and as the bucket moves. Even if there is, the target excavation surface is taught according to the current position of the construction machine, and the three-dimensional intersection line between the plane of the longitudinal section passing through the direction of the work machine and this target excavation surface is calculated. Then, since the intersection line is displayed on the display device, the vehicle body and the work machine are displayed on the same screen, the operator can grasp the target excavation surface corresponding to the current position of the construction machine, and the target excavation surface displayed on the display is displayed. By operating the work machine along the target excavation surface while looking at the surface and the work machine, three-dimensional target terrain can be excavated. In addition, since a vertical line of the target excavation surface, a direction line of the working machine of the construction machine and a center position of the construction machine are displayed on the same screen, the construction suitable for excavating the target excavation surface is displayed. The installation position of the machine can be intuitively and easily grasped. Further, since the display means for displaying the direction line indicating the direction of the traveling body of the construction machine on the same screen, it is possible to intuitively know in which direction the vehicle body will be operated by the traveling operation, and the traveling operation can be performed without waste. The work efficiency is improved.
[0057]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is easy to grasp | ascertain the target appropriate excavation surface, and also to easily position the vehicle body at the time of excavation, and to improve the work efficiency even in the slope formation work on complicated three-dimensional terrain. Can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a work position measurement system using an excavation work teaching device for a construction machine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an external appearance of a hydraulic shovel equipped with a work position measuring system according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an office system having a role as a GPS reference station.
FIG. 4 is a diagram illustrating a coordinate system used to calculate an absolute position of a tip of a bucket in a three-dimensional space.
FIG. 5 is a diagram illustrating an outline of a global coordinate system.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a three-dimensional position calculation processing procedure;
FIG. 7 shows a first display example displayed on the display unit of the display device.
FIG. 8 shows a second display example displayed on the display unit of the display device.
FIG. 9 is an external perspective view of a setting device used in the present embodiment.
FIG. 10 is a flowchart showing processing functions of a panel computer as an excavation surface teaching device according to the present embodiment.
FIG. 11 shows a third display example displayed on the display unit of the display device.
[Explanation of symbols]
1 Hydraulic excavator
2 Undercarriage
3 Upper revolving superstructure
4 Front work machine
5 Boom
6 arm
7 buckets
21-23 Angle sensor
24 Tilt sensor
25 Rotation angle sensor
31, 32 GPS antenna
33,34 Wireless antenna
35 wireless antenna
41, 42 Radio
43,44 GPS receiver
45 Panel Computer
46 Display device
47 Radio
48 Setting device
51 offices
52 GPS antenna
53 wireless antenna
54 wireless antenna
55 GPS receiver
56 radio
57 Radio
58 Computer
59 Display device
Claims (4)
前記建設機械の作業機の3次元位置を計測する位置計測手段と、
この位置計測手段の計測結果に応じて前記3次元目標地形と前記作業機の位置関係を表示する表示手段とを備え、
前記表示手段は、前記3次元目標地形を構成する多数の小平面と、少なくとも前記作業機の先端部を含む前記建設機械の全体または一部分のイラストを第1画面として表示し、かつその第1画面において、前記3次元目標地形を構成する複数の小平面の内の目標掘削面の法線の水平面への投影線と現在向いている前記建設機械の作業機の動作する方向とを表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。In an excavation work teaching device of a construction machine for performing an excavation operation to make a three-dimensional terrain a three-dimensional target terrain by operating a digging work machine,
Position measuring means for measuring a three-dimensional position of the working machine of the construction machine;
Display means for displaying the positional relationship between the three-dimensional target terrain and the work implement according to the measurement result of the position measurement means,
The display means displays, as a first screen, an illustration of a whole or a part of the construction machine including at least a tip of the work machine, and a plurality of small planes constituting the three-dimensional target terrain, and the first screen thereof And displaying a projection line of a normal line of a target excavation surface on a horizontal plane among a plurality of small planes constituting the three-dimensional target terrain and a direction in which a working machine of the construction machine that is currently facing is operated. An excavation work teaching device for construction machinery.
前記表示手段は、前記第1画面に、前記建設機械の車体の中心位置を同時に表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。The excavation work instruction device for a construction machine according to claim 1,
The excavating work teaching device for a construction machine, wherein the display unit simultaneously displays a center position of a body of the construction machine on the first screen.
前記表示手段は、前記作業機の動作面と前記多数の小平面との交線、前記建設機械の全体または一部分のイラストを前記作業機の動作面における断面図である第2画面として、前記第1画面と同時に表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。The excavation work instruction device for a construction machine according to claim 1,
The display means may include an intersection line between the operation surface of the work machine and the plurality of small planes, and an illustration of the whole or a part of the construction machine as a second screen that is a cross-sectional view of the operation surface of the work machine, An excavation work instruction device for a construction machine, which is simultaneously displayed on one screen.
前記表示手段は、前記第1画面に、前記建設機械の走行体の移動する方向線を同時に表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。The excavation work instruction device for a construction machine according to claim 1,
The excavating work teaching device for a construction machine, wherein the display unit simultaneously displays a direction line on which the traveling body of the construction machine moves on the first screen.
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