JP2005061024A - Position measuring display system for working machine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a position measuring display system for a working machine for safely and efficiently performing work by correctly displaying the attitudes of a swiveling upper structure and a traveling lower structure to the surrounding situation. <P>SOLUTION: The attitude of the lower structure 2 to the upper structure 3 is obtained from a turning angle θsw obtained from the measured value of a gyroscope 26, and a bucket tip position 3P7 is obtained in a upper structure coordinate system Σ3 from a boom angle θ5, an arm angle θ6 and a bucket angle θ7 detected by angle sensors 21-23. A bucket tip position OP7 in a global coordinate system ΣO is obtained from a value OΣ3 of the upper structure coordinate system Σ3 in the global coordinate system ΣO and the bucket tip position 3P7 in the upper structure coordinate system Σ3, and the position relation of a hydraulic shovel 1 including the upper structure 3, a bucket 7 and the lower structure 2, to topographic features is displayed superposed on a monitor screen 46a. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、油圧ショベル等の作業機械の上部旋回体と作業装置の3次元空間での位置及び姿勢を計測、演算し、周囲状況に対する上部旋回体及び作業装置との位置関係を表示する作業機械の位置計測表示システムに関する。   The present invention measures and calculates the position and orientation of an upper swing body of a work machine such as a hydraulic excavator and a work device in a three-dimensional space, and displays the positional relationship between the upper swing body and the work device with respect to the surrounding situation. The present invention relates to a position measurement display system.

近年、建設施工現場においてGPS等の3次元位置計測装置を用いて作業機械のモニタポイントの位置を計測し、作業管理を行うことがなされている。モニタポイントの代表例としては、作業機械の作業装置の位置、例えば油圧ショベルのバケット先端位置がある。このバケット先端位置を計測できれば、その計測データを予め設定した地形データや目標形状データと比較することにより施工中の作業進行状況を把握でき、施工中の管理が行える。また、施工後も、計測データから出来形データ(例えば掘削地形データ)を生成することで、施工管理が行える。   2. Description of the Related Art In recent years, work management is performed by measuring the position of a monitor point of a work machine using a three-dimensional position measurement device such as a GPS at a construction site. As a representative example of the monitor point, there is a position of a working device of a work machine, for example, a bucket tip position of a hydraulic shovel. If the bucket tip position can be measured, it is possible to grasp the work progress status during construction by comparing the measurement data with preset terrain data and target shape data, and management during construction can be performed. Moreover, even after construction, construction management can be performed by generating finished shape data (for example, excavation landform data) from the measurement data.

このような位置計測表示システムの従来技術として、例えば、特開2001−98585号公報に記載のように、掘削用作業機の3次元位置を計測して作業平面を演算し、3次元目標地形との交線を求めて、交線と掘削用作業機との相対位置を表示するものが知られている。実施例において、掘削用作業機はバケットであり、ブーム、アーム及びバケット角度センサと、上部旋回体に設置したGPSアンテナと、その受信機とによりバケットの先端位置が計測される。   As a prior art of such a position measurement display system, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-98585, a three-dimensional position of an excavating work machine is measured to calculate a work plane, It is known to display the relative position between the intersection line and the excavating work machine. In the embodiment, the excavating work machine is a bucket, and the tip position of the bucket is measured by a boom, an arm and a bucket angle sensor, a GPS antenna installed on the upper swing body, and its receiver.

また、国際公開公報WO03/000997A1に記載のように、建設機械の遠隔制御システムにおいて、目標掘削面とバケット先端位置との位置関係を表示するものもある。このシステムにおいて、図17〜図20に示される実施例では、角度センサにより旋回角度を検出し、この旋回角度とGPSの3次元位置計測値とから下部走行体に固定したショベルベース座標系の位置と姿勢をグローバル座標系の値として求め、この値を用いてグローバル座標系でのバケット先端位置を計算する。また、周囲の作業状況である地形データも合わせて表示してもよいとしている。   In addition, as described in International Publication No. WO03 / 000997A1, there is a remote control system for construction machines that displays a positional relationship between a target excavation surface and a bucket tip position. In this system, in the embodiment shown in FIGS. 17 to 20, the turning angle is detected by an angle sensor, and the position of the excavator base coordinate system fixed to the lower traveling body from the turning angle and the three-dimensional position measurement value of GPS. And the posture as a value of the global coordinate system, and the bucket tip position in the global coordinate system is calculated using this value. It is also possible to display terrain data, which is the surrounding work situation.

特開2001−98585号JP 2001-98585 A

国際公開公報WO03/000997A1International Publication No. WO03 / 000997A1

しかしながら、上記従来技術には次のような問題がある。   However, the above prior art has the following problems.

特開2001−98585号公報に記載の技術では、GPSを上部旋回体に設置し、ブーム、アームおよびバケット角度センサと組み合わせて、上部旋回体とバケット先端の3次元位置を計測しているが、履体(以下、下部走行体とする)に関しては記述がない。これは即ち、表示画面上にて表示される下部走行体の姿勢は実際の姿勢とは異なる(周囲の作業状況に対する下部走行体の位置関係が実際と違う)ことを意味する。   In the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-98585, the GPS is installed on the upper swing body, and the three-dimensional positions of the upper swing body and the bucket tip are measured in combination with the boom, arm, and bucket angle sensor. There is no description regarding the footwear (hereinafter referred to as the undercarriage). This means that the posture of the lower traveling body displayed on the display screen is different from the actual posture (the positional relationship of the lower traveling body with respect to the surrounding work situation is different from the actual posture).

機械のオペレータは作業中、表示画面を確認しながら作業をすることになるので、前述のように、表示画面上の下部走行体の姿勢と実際の姿勢が異なっていると、次のような不具合を生じる場合がある。   Since the machine operator works while checking the display screen during the work, if the posture of the lower traveling body on the display screen is different from the actual posture as described above, the following problems will occur. May occur.

例えば、走行操作をした場合に、オペレータが表示画面を見て予測した走行方向とは異なる方向へ機械が動き出す可能性がある。この時、例えば機械の設置スペースが狭い崖のような場所での作業だった場合、最悪のケースとしては転落といったことも考えられる。よって、オペレータには慎重な操作が要求され、安全に効率良く作業を行うことができない。   For example, when a traveling operation is performed, there is a possibility that the machine starts to move in a direction different from the traveling direction predicted by the operator looking at the display screen. At this time, for example, when the work is performed in a place such as a cliff where the installation space of the machine is narrow, the worst case may be a fall. Therefore, a careful operation is required for the operator, and the work cannot be performed safely and efficiently.

また、掘削作業中であっても、掘削した土砂を下部走行体の近くに放土する場合など、下部走行体との関連で位置関係を確認しながら作業を行う場合があり、このような作業では、周囲状況に対する下部走行体の表示位置が実際の位置と違うと混乱を招き、安全に効率良く作業を行うことができない。   In addition, even during excavation work, there are cases where work is performed while checking the positional relationship with the lower traveling body, such as when the excavated earth and sand is released near the lower traveling body. Then, if the display position of the lower traveling body with respect to the surrounding situation is different from the actual position, confusion is caused and the work cannot be performed safely and efficiently.

国際公開公報WO03/000997A1に記載の技術は、旋回角度を検出し、下部走行体に固定したショベルベース座標系の位置と姿勢をグローバル座標系の値として求めている。しかし、その目的はバケット先端位置をグローバル座標系の値として求めるためであり、下部走行体と周囲状況との位置関係を表示するという考えはない。よって、この従来技術にも同様の問題がある。   The technology described in International Publication No. WO03 / 000997A1 detects the turning angle and obtains the position and orientation of the shovel base coordinate system fixed to the lower traveling body as the value of the global coordinate system. However, the purpose is to obtain the bucket tip position as a value in the global coordinate system, and there is no idea of displaying the positional relationship between the lower traveling body and the surrounding situation. Therefore, this conventional technique has the same problem.

なお、作業機械としては浚渫船のように下部支持体が走行体ではないものもあるが、このようなもので作業装置と下部支持体と周囲状況との位置関係を表示して作業を行う場合、周囲状況に対する下部支持体の位置関係が実際と違うと混乱を招き、安全に効率良く作業を行うことができない。   In addition, some work machines, such as dredgers, the lower support is not a traveling body, but when doing work by displaying the positional relationship between the work device, the lower support and the surrounding situation, If the position of the lower support relative to the surrounding situation is different from the actual situation, it will be confused and the work cannot be performed safely and efficiently.

本発明の目的は、周囲状況に対する上部旋回体と下部走行体の姿勢を正しく表示することで、安全に効率良く作業を行うことのできる作業機械の位置計測表示システムを提供することである。   An object of the present invention is to provide a position measurement and display system for a work machine that can perform work safely and efficiently by correctly displaying the postures of the upper swing body and the lower traveling body with respect to the surrounding situation.

なお、本明細書中において「3次元空間の絶対位置」とは、作業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で緯度、経度および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。   In this specification, “absolute position in the three-dimensional space” is a position expressed by a coordinate system set outside the work machine. For example, when GPS is used as a three-dimensional position measurement device, A position expressed by a coordinate system fixed to a reference ellipsoid used as a reference for latitude, longitude, and height by GPS. Further, in this specification, the coordinate system set to the reference ellipsoid is referred to as a global coordinate system.

(1)上記目的を達成するために、本発明は、上部旋回体及び下部支持体と、上部旋回体に設けられた作業装置とを有する建設機械に備えられ、前記上部旋回体に対する作業装置の位置と姿勢に関する状態量を計測する作業位置計測手段、前記上部旋回体に設置された複数の3次元位置計測手段、及び前記作業域計測手段及び3次元位置計測手段の計測値を用いて前記上部旋回体と作業装置の3次元空間での位置及び姿勢を演算する第1演算手段を有し、この第1演算手段の演算値を用いて前記上部旋回体及び作業装置と周囲の作業状況との位置関係を表示する作業機械の位置計測表示システムにおいて、前記下部支持体に対する上部旋回体の旋回角度を計測する旋回角度計測手段と、この旋回角度計測手段の計測値を用いて前記上部旋回体に対する下部支持体の姿勢を演算する第2演算手段と、前記第1演算手段及び第2演算手段の演算値を用いて周囲状況に対する前記上部旋回体及び作業装置と前記下部支持体との位置関係を表示する表示手段とを備えるものとする。   (1) In order to achieve the above object, the present invention is provided in a construction machine having an upper swing body and a lower support body, and a work device provided on the upper swing body, and the work device for the upper swing body is provided. Work position measurement means for measuring a state quantity related to position and orientation, a plurality of three-dimensional position measurement means installed on the upper swing body, and the upper area using measurement values of the work area measurement means and the three-dimensional position measurement means First calculating means for calculating the position and orientation of the revolving unit and the working device in a three-dimensional space, and using the calculated value of the first calculating unit, the upper revolving unit, the working device, and the surrounding work situation In a position measurement display system for a work machine that displays a positional relationship, a turning angle measuring unit that measures a turning angle of the upper turning body with respect to the lower support, and the upper turning body using a measurement value of the turning angle measuring means Positional relationship between the upper swing body and the working device and the lower support with respect to the surroundings using second calculation means for calculating the attitude of the lower support relative to the surroundings, and using the calculated values of the first calculation means and the second calculation means Display means for displaying.

このように旋回角度計測手段と第2演算手段と表示手段とを設け、第1演算手段及び第2演算手段の演算値を用いて周囲状況に対する上部旋回体及び作業装置と下部支持体との位置関係を表示することにより、周囲状況に対する下部支持体の姿勢を含めた全体の位置関係(周囲状況に対する上部旋回体及作業装置と下部支持体との位置関係)が正しく表示され、安全に効率良く作業を行うことのできる   Thus, the turning angle measuring means, the second calculating means, and the display means are provided, and the positions of the upper turning body, the working device, and the lower support with respect to the surrounding situation using the calculated values of the first calculating means and the second calculating means. By displaying the relationship, the overall positional relationship including the posture of the lower support relative to the surrounding situation (the positional relationship between the upper swinging body and work device and the lower support relative to the surrounding situation) is displayed correctly, and it is safe and efficient. Can do the work

(2)上記(1)において、好ましくは、前記旋回角度計測手段は、前記上部旋回体のヨウ角度を計測するヨウ角度計測手段と、このヨウ角度計測手段により計測されたヨウ角度に基づいて前記上部旋回体の旋回角度を演算する旋回角度演算手段とを有する。   (2) In the above (1), preferably, the turning angle measuring means is based on the yaw angle measuring means for measuring the yaw angle of the upper turning body, and the yaw angle measured by the yaw angle measuring means. Turning angle calculating means for calculating a turning angle of the upper turning body.

これにより旋回角度の検出に角度センサを用いる場合に比べてヨウ角度計測手段は設置位置の制約が少ないので、取り付けが容易となる。また、構造の複雑化やコストアップを最小にすることができる。   Thereby, compared with the case where an angle sensor is used for the detection of the turning angle, the yaw angle measuring means has less restrictions on the installation position, so that the installation becomes easy. Further, the complexity of the structure and the cost increase can be minimized.

(3)また、上記(2)において、好ましくは、前記旋回角度計測手段は、前記上部旋回体が旋回中であるかどうかを判定する旋回判定手段を更に有し、前記旋回角度演算手段は、前記旋回判定手段により上部旋回体が旋回中であると判定される間に、前記ヨウ角度計測手段により計測されたヨウ角度に基づいて上部旋回体の旋回角度を演算する。   (3) In the above (2), preferably, the turning angle measuring means further includes turning determination means for determining whether or not the upper turning body is turning, and the turning angle calculation means includes: While the turning determination means determines that the upper turning body is turning, the turning angle of the upper turning body is calculated based on the yaw angle measured by the yaw angle measurement means.

これにより旋回角度計測手段は、走行で旋回した場合にヨウ角度計測手段によりヨウ角度の変化が計測されても、上部旋回体が旋回しない限り旋回角度は演算されず、正確に旋回角度を計測することができる。   As a result, the turning angle measuring means accurately measures the turning angle without calculating the turning angle unless the upper turning body turns even if the change in the yaw angle is measured by the yaw angle measuring means when turning by traveling. be able to.

(4)更に、上記(2)において、好ましくは、前記旋回角度計測手段は、前記旋回角度を所定値にリセットする旋回角度リセット手段を更に有する。   (4) Further, in the above (2), preferably, the turning angle measuring means further includes a turning angle reset means for resetting the turning angle to a predetermined value.

これにより作業開始時や、旋回と走行動作が複合で行われたときなど計測され集積した誤差をキャンセルし、正確に旋回角度を計測することができる。   As a result, errors that have been measured and accumulated, such as when work is started or when turning and traveling are performed in combination, can be canceled and the turning angle can be accurately measured.

(5)また、上記(1)において、好ましくは、前記表示手段は、周囲状況に対する前記上部旋回体及び作業装置と前記下部支持体との位置関係を鳥瞰図で表示する。   (5) In the above (1), preferably, the display means displays, in a bird's-eye view, a positional relationship between the upper swing body and the work device and the lower support body with respect to a surrounding situation.

これにより周囲状況に対する上部旋回体及び作業装置と下部支持体との位置関係の表示は見やすくなり、安全に効率良く作業を行うことができる。   Thereby, the display of the positional relationship between the upper swing body and the working device and the lower support relative to the surrounding situation becomes easy to see, and the work can be performed safely and efficiently.

本発明によれば、周囲状況に対する上部旋回体と下部走行体の姿勢を正しく表示することで、安全に効率良く作業を行うことのできる。   According to the present invention, it is possible to perform work safely and efficiently by correctly displaying the postures of the upper swing body and the lower traveling body with respect to the surrounding situation.

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。本実施の形態は、作業機械として建設機械の代表例であるクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用した場合のものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the present invention is applied to a crawler hydraulic excavator which is a typical example of a construction machine as a work machine.

図1は、本実施の形態に係わる作業位置計測表示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。   FIG. 1 is an external view of a hydraulic excavator equipped with a work position measurement display system according to the present embodiment.

図1において、1は油圧ショベルであり、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とからなり、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。   In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a hydraulic excavator. The hydraulic excavator 1 is provided on a lower traveling body 2, a lower traveling body 2, and an upper revolving body 3 that forms a vehicle body together with the lower traveling body 2. The front work machine 4 includes a boom 5 provided on the upper swing body 3 so as to be rotatable in the vertical direction, and is provided at the tip of the boom 5 so as to be rotatable in the vertical direction. The arm 6 and a bucket 7 provided at the tip of the arm 6 so as to be rotatable in the vertical direction are driven by expanding and contracting the boom cylinder 8, the arm cylinder 9, and the bucket cylinder 10, respectively. The upper swing body 3 is provided with a cab 11.

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、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、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、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が設けられている。   The hydraulic excavator 1 includes an angle sensor 21 that detects a rotation angle (boom angle) between the upper swing body 3 and the boom 5, an angle sensor 22 that detects a rotation angle (arm angle) between the boom 5 and the arm 6, An angle sensor 23 that detects a rotation angle (bucket angle) between the arm 6 and the bucket 7 and an inclination sensor 24 that detects an inclination angle (pitch angle) in the front-rear direction of the upper swing body 3 are provided.

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、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、位置データを送信する無線アンテナ34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。   Further, the excavator 1 includes two GPS antennas 31 and 32 that receive signals from GPS satellites, a wireless antenna 33 that receives correction data (described later) from a reference station, and a wireless antenna 34 that transmits position data. Is provided. The two GPS antennas 31 and 32 are installed on the left and right of the rear part of the revolving unit that is off the turning center of the upper revolving unit 3.

また、上部旋回体3上には、上部旋回体3のヨウ方向の回転角度を計測するジャイロ26が設置され、運転室11内にはジャイロ26の計測値から求めた旋回角度(後述)を所定値にリセットする旋回角度リセットスイッチ28(図4参照)が設けられている。   A gyro 26 for measuring the rotation angle in the yaw direction of the upper swing body 3 is installed on the upper swing body 3, and a turning angle (described later) obtained from the measured value of the gyro 26 is set in the cab 11. A turning angle reset switch 28 (see FIG. 4) for resetting the value is provided.

図2は油圧ショベル1の油圧駆動系を示す油圧回路図である。   FIG. 2 is a hydraulic circuit diagram showing a hydraulic drive system of the excavator 1.

図2において、油圧ショベル1の油圧駆動系は可変容量型の油圧ポンプ101,102と、弁装置103と、上記のブームシリンダ8、アームシリンダ9、バケットシリンダ10を含む複数のアクチュエータ8,9,10,105,106,107,108とを有している。アクチュエータ105は上部旋回体3を下部走行体2に対して旋回させるための油圧モータ(旋回モータ)であり、アクチュエータ106,107は下部走行体2の左右の履帯を駆動するための油圧モータ(左右の走行モータ)であり、アクチュエータ108はバケット7を他のアタッチメントに付け替えた場合にそのアタッチメントを駆動するための予備のアクチュエータである。   In FIG. 2, the hydraulic drive system of the hydraulic excavator 1 includes variable displacement hydraulic pumps 101 and 102, a valve device 103, and a plurality of actuators 8 and 9 including the boom cylinder 8, arm cylinder 9, and bucket cylinder 10. 10, 105, 106, 107, 108. The actuator 105 is a hydraulic motor (swing motor) for turning the upper swing body 3 with respect to the lower traveling body 2, and the actuators 106 and 107 are hydraulic motors (right and left) for driving the left and right crawler tracks of the lower traveling body 2. The actuator 108 is a spare actuator for driving the attachment when the bucket 7 is replaced with another attachment.

弁装置103は、流量制御弁103a〜103dと流量制御弁103e〜103iの2つの弁グループを有し、流量制御弁103a〜103dは油圧ポンプ101の吐出路111につながるセンタバイパスライン103j上に位置し、流量制御弁103e〜103iは油圧ポンプ102の吐出路112につながるセンタバイパスライン103k上に位置している。吐出路111,112には油圧ポンプ101,102の吐出圧力の最大圧力を決定するメインリリーフ弁103mが設けられている。   The valve device 103 has two valve groups of flow control valves 103 a to 103 d and flow control valves 103 e to 103 i, and the flow control valves 103 a to 103 d are positioned on a center bypass line 103 j connected to the discharge path 111 of the hydraulic pump 101. The flow control valves 103e to 103i are located on the center bypass line 103k connected to the discharge path 112 of the hydraulic pump 102. In the discharge passages 111 and 112, a main relief valve 103m for determining the maximum discharge pressure of the hydraulic pumps 101 and 102 is provided.

流量制御弁103a〜103d及び流量制御弁103e〜103iはセンタバイパスタイプであり、油圧ポンプ101,102から吐出された圧油はこれらの流量制御弁によりアクチュエータ8〜10,105〜108の対応するものに供給される。流量制御弁103aは走行右用、流量制御弁103bはバケット用、流量制御弁103cは第1ブーム用、流量制御弁103dは第2アーム用、流量制御弁103eは旋回用、流量制御弁103fは第1アーム用、流量制御弁103gは第2ブーム用、流量制御弁103hは予備用、流量制御弁103iは走行左用であり、ブームシリンダ8に対しては2つの流量制御弁103g,103cが設けられ、アームシリンダ9に対しても2つの流量制御弁103d,103fが設けられ、ブームシリンダ8とアームシリンダ9のボトム側には、それぞれ、2つの油圧ポンプ101,102からの圧油が合流して供給可能になっている。   The flow control valves 103a to 103d and the flow control valves 103e to 103i are center bypass types, and the pressure oil discharged from the hydraulic pumps 101 and 102 corresponds to the actuators 8 to 10 and 105 to 108 by these flow control valves. To be supplied. The flow control valve 103a is for right travel, the flow control valve 103b is for bucket, the flow control valve 103c is for the first boom, the flow control valve 103d is for the second arm, the flow control valve 103e is for turning, and the flow control valve 103f is For the first arm, the flow control valve 103g is for the second boom, the flow control valve 103h is for standby, the flow control valve 103i is for traveling left, and the boom cylinder 8 is provided with two flow control valves 103g and 103c. Two flow control valves 103d and 103f are also provided for the arm cylinder 9. Pressure oil from the two hydraulic pumps 101 and 102 joins the bottom side of the boom cylinder 8 and the arm cylinder 9, respectively. Can be supplied.

図3は流量制御弁103a〜103iの操作パイロット系を示す図である。   FIG. 3 is a diagram showing an operation pilot system of the flow control valves 103a to 103i.

流量制御弁103i,103aは操作装置135の操作パイロット装置139,138からの操作パイロット圧TR1,TR2及びTR3,TR4により、流量制御弁103b及び流量制御弁103c,103gは操作装置136の操作パイロット装置140,141からの操作パイロット圧BKC,BKD及びBOD,BOUにより、流量制御弁103d,103f及び流量制御弁103eは操作装置137の操作パイロット装置142,143からの操作パイロット圧ARC,ARD及びSW1,SW2により、流量制御弁103hは操作パイロット装置144からの操作パイロット圧AU1,AU2により、それぞれ切り換え操作される。
操作パイロット装置138〜144は、それぞれ、1対のパイロット弁(減圧弁)138a,138b〜144a,144bを有し、操作パイロット装置138,139,144はそれぞれ更に操作ペダル138c,139c、144cを有し、操作パイロット装置140,141は更に共通の操作レバー140cを有し、操作パイロット装置142,143は更に共通の操作レバー142cを有している。操作ペダル138c,139c、144c及び操作レバー140c,142cを操作すると、その操作方向に応じて関連する操作パイロット装置のパイロット弁が作動し、操作量に応じた操作パイロット圧が生成される。
The flow control valves 103i and 103a are operated by the operation pilot pressures TR1, TR2 and TR3 and TR4 from the operation pilot devices 139 and 138 of the operation device 135, and the flow control valve 103b and the flow control valves 103c and 103g are operated by the operation pilot device of the operation device 136. Due to the operation pilot pressures BKC, BKD and BOD, BOU from 140, 141, the flow control valves 103d, 103f and the flow control valve 103e are operated pilot pressures ARC, ARD and SW1, from the operation pilot devices 142, 143 of the operation device 137. By SW2, the flow control valve 103h is switched by operating pilot pressures AU1 and AU2 from the operating pilot device 144, respectively.
The operation pilot devices 138 to 144 have a pair of pilot valves (reducing valves) 138a, 138b to 144a, and 144b, respectively, and the operation pilot devices 138, 139, and 144 further have operation pedals 138c, 139c, and 144c, respectively. The operation pilot devices 140 and 141 further have a common operation lever 140c, and the operation pilot devices 142 and 143 further have a common operation lever 142c. When the operation pedals 138c, 139c, 144c and the operation levers 140c, 142c are operated, the pilot valve of the related operation pilot device is operated according to the operation direction, and the operation pilot pressure according to the operation amount is generated.

また、操作パイロット装置138〜144の各パイロット弁の出力ラインにはシャトル弁151〜163が階層的に接続され、シャトル弁151,153,154,155,158,159,161により操作パイロット装置138,140,141,142の操作パイロット圧の最高圧力が油圧ライン171に導出され、油圧ポンプ1のポジティブ制御のパイロット圧PP1として用いられ、シャトル弁152,154,155,156,157,159,160,162,163により操作パイロット装置139,141,142,143,144の操作パイロット圧の最高圧力が油圧ライン172に導出され、油圧ポンプ2のポジティブ制御のパイロット圧PP2として用いられる。また、シャトル弁156により旋回用の操作パイロット装置143の操作パイロット圧が油圧ライン173に導出され、圧力センサ27により旋回パイロット圧Psとして検出される。   Shuttle valves 151 to 163 are hierarchically connected to the output lines of the pilot valves of the operation pilot devices 138 to 144. The shuttle valves 151, 153, 154, 155, 158, 159 and 161 operate the operation pilot devices 138, The maximum operating pilot pressure of 140, 141, 142 is led out to the hydraulic line 171 and used as the positive control pilot pressure PP1 of the hydraulic pump 1, and shuttle valves 152, 154, 155, 156, 157, 159, 160, The maximum operating pilot pressure of the operating pilot devices 139, 141, 142, 143, and 144 is led out to the hydraulic line 172 by 162 and 163, and used as the pilot pressure PP 2 for positive control of the hydraulic pump 2. Further, the operation pilot pressure of the turning operation pilot device 143 is led out to the hydraulic line 173 by the shuttle valve 156 and detected as the turning pilot pressure Ps by the pressure sensor 27.

図4は、上記油圧ショベル1に搭載される本実施の形態に係わる位置計測表示システムの全体構成を示すブロック図である。   FIG. 4 is a block diagram showing the overall configuration of the position measurement display system according to the present embodiment mounted on the hydraulic excavator 1.

図4において、200は本実施の形態に係わる位置計測表示システムであり、基準局からの補正データ(後述)をアンテナ33を介して受信する無線機41、この無線機41で受信した補正データを分配する分配機42、分配機42からの補正データと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、このGPS受信機43,44からの位置データと上記のフロント角度センサ21〜23、傾斜センサ24、ジャイロ26からの角度データ、旋回パイロット圧力センサ27からの圧力データ、旋回角度リセットスイッチ28からの操作信号を入力し集約するコントローラ45、これらの集約された各種データに基づき、油圧ショベル1の位置及び姿勢やバケット7の先端(モニタポイント)の位置を演算し表示するモニタ画面46aを備えた車載コンピュータ46、車載コンピュータ46により演算された位置データをアンテナ34を介して送信するための無線機47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(Grobal Positioning System)受信部を構成している。   In FIG. 4, reference numeral 200 denotes a position measurement display system according to the present embodiment. A wireless device 41 receives correction data (described later) from a reference station via an antenna 33, and distributes correction data received by the wireless device 41. A GPS receiver 43 that measures the three-dimensional positions of the GPS antennas 31 and 32 in real time based on the correction data from the distributor 42 and the signals from the GPS satellites received by the GPS antennas 31 and 32. 44, position data from the GPS receivers 43 and 44, the front angle sensors 21 to 23, the tilt sensor 24, the angle data from the gyro 26, the pressure data from the turning pilot pressure sensor 27, and the turning angle reset switch 28. The controller 45 that inputs and aggregates the operation signals of the controller, based on these aggregated various data An in-vehicle computer 46 having a monitor screen 46a for calculating and displaying the position and posture of the excavator 1 and the position of the tip (monitor point) of the bucket 7, and the position data calculated by the in-vehicle computer 46 are transmitted via the antenna 34. A wireless device 47 is provided. Each of the GPS antenna 31 and the GPS receiver 43, and the GPS antenna 32 and the GPS receiver 44 constitute a set of GPS (Grobal Positioning System) receivers.

ここで、48はICカードであり、後述するサーバコンピュータで計画された作業範囲の原地形データや目標地形データなどが記憶されており、オペレータはシステム起動時にICカード48を車載コンピュータ46に接続してデータを入力する。そして、作業終了時には計測データをICカード48に記録し、サーバコンピュータに接続して計測データを入力し、施工管理に使用する。   Here, reference numeral 48 denotes an IC card, which stores original terrain data and target terrain data of a work range planned by a server computer, which will be described later. The operator connects the IC card 48 to the in-vehicle computer 46 when the system is started. Enter the data. At the end of the work, the measurement data is recorded on the IC card 48, connected to the server computer, input the measurement data, and used for construction management.

図5は、GPS基準局としての役割を持つ事務所側システムの装置構成を示すブロック図である。   FIG. 5 is a block diagram showing a device configuration of an office side system having a role as a GPS reference station.

図5において、51は油圧ショベル1及びバケット7等の位置や作業の管理を行う事務所であり、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、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、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、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、アンテナ54を介して位置データを受信する無線機57、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・管理するための演算及び表示を行うサーバコンピュータ58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受信部を構成する。   In FIG. 5, 51 is an office that manages the position and work of the hydraulic excavator 1 and bucket 7, etc. The office 51 receives a GPS antenna 52 that receives signals from GPS satellites, and correction data is transmitted to the hydraulic excavator 1. From the excavator 1, the radio antenna 54 that receives the position data of the hydraulic excavator 1, the bucket 7, etc. from the excavator 1, the three-dimensional position data measured in advance and the GPS satellite 52 received from the GPS satellite 52 Based on the signal, the GPS receiver 43 and 44 of the excavator 1 described above generates correction data for performing RTK (real-time kinematic) measurement. The wireless device 56 for transmitting the corrected data through the antenna 53 and the antenna 54 Radio 57 for receiving data, the server computer 58 for performing computation and display for displaying and managing the location of the hydraulic excavator 1 and the bucket 7 on the basis of the position data received is established by radio 57. The GPS antenna 52 and the GPS receiver 55 constitute a set of GPS receivers.

また、サーバコンピュータ58にはICカード48が接続可能になっており、原地形データや目標地形データさらに、計測データ等の入出力を行う。   An IC card 48 can be connected to the server computer 58 to input / output original terrain data, target terrain data, measurement data, and the like.

本実施の形態に係わる位置計測表示システムの動作の概要を説明する。   An outline of the operation of the position measurement display system according to the present embodiment will be described.

本実施の形態では高精度での位置計測を行うため、図4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5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。   In this embodiment, in order to perform position measurement with high accuracy, RTK measurement is performed by the GPS receivers 43 and 44 shown in FIG. For this purpose, first, the GPS reference station 55 for generating the correction data shown in FIG. 5 is required. The GPS reference station 55 generates and generates correction data for RTK measurement based on the position data of the antenna 52 measured in advance three-dimensionally as described above and the signal from the GPS satellite received by the antenna 52. The correction data is transmitted by the wireless device 56 through the antenna 53 at a constant cycle.

一方、図4に示した車載側のGPS受信機43,44は、アンテナ33を介して無線機41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次元位置データはコントローラ45に入力される。   On the other hand, the GPS receivers 43 and 44 on the vehicle side shown in FIG. 4 are based on correction data received by the wireless device 41 via the antenna 33 and signals from GPS satellites received by the antennas 31 and 32. RTK measurement is performed on the three-dimensional positions of the antennas 31 and 32. By this RTK measurement, the three-dimensional positions of the antennas 31 and 32 are measured with an accuracy of about ± 1 to 2 cm. The measured three-dimensional position data is input to the controller 45.

また、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の回転角度、傾斜センサ24によって油圧ショベル1のピッチ角度、ジャイロ26により上部旋回体3のヨウ方向の回転角度、圧力センサ27によって旋回パイロット圧がそれぞれ計測され同様にコントローラ45に入力されるとともに、旋回角度リセットスイッチ28の操作信号もコントローラ45に入力される。   Further, the rotation angle of the boom 5, the arm 6 and the bucket 7 by the angle sensors 21 to 23, the pitch angle of the hydraulic excavator 1 by the inclination sensor 24, the rotation angle in the yaw direction of the upper swing body 3 by the gyro 26, and the pressure sensor 27, respectively. The turning pilot pressure is measured and similarly input to the controller 45, and the operation signal of the turning angle reset switch 28 is also input to the controller 45.

車載コンピュータ46はコントローラ45に入力された各種データに基づき、一般的なベクトル演算と座標変換を行って、油圧ショベル1の位置及び姿勢とバケット7の先端の3次元位置を演算する。また、求めた3次元位置と、ICカード48から入力した地形データとに基づき、車載コンピュータ46のモニタ画面46a上に表示してオペレータに作業状況を知らせるとともに、無線機47によりアンテナ34を介して送信する。   The in-vehicle computer 46 performs general vector calculation and coordinate conversion based on various data input to the controller 45 to calculate the position and posture of the excavator 1 and the three-dimensional position of the tip of the bucket 7. Further, based on the obtained three-dimensional position and the terrain data input from the IC card 48, the information is displayed on the monitor screen 46a of the in-vehicle computer 46 to inform the operator of the work status, and the wireless device 47 via the antenna 34. Send.

送信された油圧ショベル1の位置及び姿勢とバケット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、サーバコンピュータ58に入力される。サーバコンピュータ58は入力された油圧ショベル1の位置及び姿勢とバケット7の先端の位置データを保存するとともに、サーバコンピュータ58のモニタ画面上に表示する。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。   The transmitted position and orientation of the excavator 1 and the position data of the tip of the bucket 7 are received by the wireless device 57 via the antenna 54 and input to the server computer 58. The server computer 58 stores the input position and posture of the excavator 1 and the position data of the tip of the bucket 7 and displays them on the monitor screen of the server computer 58. Thereby, the working state of the excavator 1 can be managed in the office 51.

次に、図6〜図9を用いて車載コンピュータ46における演算処理について説明する。   Next, arithmetic processing in the in-vehicle computer 46 will be described with reference to FIGS.

図6は、油圧ショベル1の位置及び姿勢と、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。   FIG. 6 is a diagram showing a coordinate system used for calculating the position and posture of the excavator 1 and the absolute position of the tip of the bucket 7 in the three-dimensional space.

図6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O3を持つ上部旋回体座標系、Σ7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。Ocは下部走行体2の地面との接地面と旋回中心との交点である。   In FIG. 6, Σ0 is a global coordinate system having an origin O0 at the center of a GPS-compliant ellipsoid, Σ3 is fixed to the upper swing body 3 of the excavator 1, and has an origin O3 at the intersection of the swing base frame and the swing center. The upper swing body coordinate system, Σ 7, is a bucket tip coordinate system that is fixed to the bucket 7 and has a center O 7 at the tip of the bucket 7. Oc is the intersection of the ground contact surface of the lower traveling body 2 with the ground and the turning center.

上部旋回体座標系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xga,xgb,yga,ygb,zga,zgb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での上部旋回体座標系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。   Since the positional relationship xga, xgb, yga, ygb, zga, zgb of the GPS antennas 31 and 32 with respect to the origin (intersection of the turning base frame and the turning center) O3 of the upper turning body coordinate system Σ3 is known, the global coordinate system Σ0 If the three-dimensional positions of the GPS antennas 31 and 32 and the pitch angle θ2 of the hydraulic excavator 1 are known, the position and orientation of the upper swing body coordinate system Σ3 in the global coordinate system Σ0 (the direction of the upper swing body 3) can be obtained. Can do.

また、上部旋回体座標系Σ3の原点O3とブーム5の基端との位置関係α3,α4,β4及びアーム5、アーム6、バケット7の寸法α5,α6,α7が既知であるので、ブーム角度θ5、アーム角度θ6、バケット角度θ7が分かれば、上部旋回体座標系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。   In addition, since the positional relationship α3, α4, β4 between the origin O3 of the upper swing body coordinate system Σ3 and the base end of the boom 5 and the dimensions α5, α6, α7 of the arm 5, arm 6, and bucket 7 are known, the boom angle If θ5, arm angle θ6, and bucket angle θ7 are known, the position and orientation of bucket tip coordinate system Σ7 in upper swing body coordinate system Σ3 can be obtained.

また、当然ながら上部旋回体座標系Σ3の原点O3とOcとの位置関係αcは既知であるので、旋回角度θswが分かれば、上部旋回体座標系Σ3での下部走行体2の位置及び姿勢を求めることができる。   Naturally, since the positional relationship αc between the origins O3 and Oc of the upper swing body coordinate system Σ3 is known, if the turning angle θsw is known, the position and posture of the lower traveling body 2 in the upper swing body coordinate system Σ3 can be determined. Can be sought.

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、バケット角度θ7を求め、旋回角度センサ25で旋回角度θswを求め、座標変換演算を行うことにより、油圧ショベル1の位置及び姿勢(上部旋回体3の位置及び姿勢と、下部走行体2の位置及び姿勢)と、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。   Accordingly, the three-dimensional positions of the GPS antennas 31 and 32 obtained by the GPS receivers 43 and 44 on the vehicle side are obtained as values in the global coordinate system Σ0, the pitch angle θ2 of the hydraulic excavator 1 is obtained by the angle sensor 24, and the angle sensor The boom angle θ5, the arm angle θ6, and the bucket angle θ7 are obtained from 21 to 23, the turning angle θsw is obtained by the turning angle sensor 25, and the coordinate conversion calculation is performed, whereby the position and posture of the excavator 1 (the upper turning body 3 The position and orientation, the position and orientation of the lower traveling body 2), and the tip position of the bucket 7 can be obtained from the values of the global coordinate system Σ0.

図7はグローバル座標系の概念を説明する図である。   FIG. 7 is a diagram for explaining the concept of the global coordinate system.

図7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。   In FIG. 7, G is a compliant ellipsoid used in GPS, and the origin O0 of the global coordinate system Σ0 is set at the center of the compliant ellipsoid G. Further, 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 a line extending from the center of the reference ellipsoid G to the north and south. The y0 axis direction is located on a line orthogonal to the x0 axis and the z0 axis. In 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 Σ0 in this way, the GPS position information is expressed in the global coordinate system. It can be easily converted to a value of Σ0.

図8は演算処理手順を示すフローチャートである。   FIG. 8 is a flowchart showing a calculation processing procedure.

図8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0P1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0P2に変換する(ステップS20)。次いで、傾斜センサ24で計測したピッチ角度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0P1,0P2と、そのピッチ角度θ2と、記憶装置に記憶した上部旋回体座標系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xga,xgb,yga,ygb,zga,zgbとから上部旋回体座標系Σ3の位置及び姿勢をグローバル座標系Σ0の値0Σ3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、ジャイロ26の計測値から求めた旋回角度θsw(後述)を入力し、上部旋回体3に対する下部走行体2の姿勢を求める(ステップS50)。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上部旋回体座標系Σ3の原点O3とブーム5の基端との位置関係α3,α4,β4及びアーム5、アーム6、バケット7の寸法α5,α6,α7とから上部旋回体座標系Σ3でバケット先端位置3P7を求める(ステップS60)。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での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3とステップS60で求めた上部旋回体座標系Σ3でのバケット先端位置3P7とからグローバル座標系Σ0でのバケット先端位置0P7を求める(ステップS70)。   In FIG. 8, first, the three-dimensional position (latitude, longitude, height) of the GPS antenna 31 obtained by the GPS receiver 43 on the vehicle-mounted side is converted into the value 0P1 of the global coordinate system Σ0 based on the above idea (step S10). ). An arithmetic expression for this is generally well known and is omitted here. Similarly, the three-dimensional position of the GPS antenna 32 obtained by the in-vehicle side GPS receiver 44 is converted into a value 0P2 of the global coordinate system Σ0 (step S20). Next, the pitch angle θ2 measured by the tilt sensor 24 is input (step S30), the three-dimensional positions 0P1, 0P2 in the global coordinate system Σ0 of the GPS antennas 31 and 32 obtained in steps S10 and 20 and the pitch angle θ2 thereof. And the positional relationship xga, xgb, yga, ygb, zga, zgb of the GPS antennas 31 and 32 with respect to the origin (intersection of the turning base frame and the turning center) O3 of the upper turning body coordinate system Σ3 stored in the storage device. The position and orientation of the revolving body coordinate system Σ3 are obtained from the value 0Σ3 of the global coordinate system Σ0 (step S40). This calculation is coordinate transformation and can be performed by a general mathematical method. Next, the turning angle θsw (described later) obtained from the measured value of the gyro 26 is input, and the posture of the lower traveling body 2 with respect to the upper turning body 3 is obtained (step S50). Next, the boom angle θ5, the arm angle θ6, and the bucket angle θ7 detected by the angle sensors 21 to 23 are input, and these values and the origin O3 of the upper-part turning body coordinate system Σ3 and the base end of the boom 5 stored in the storage device are input. The bucket tip position 3P7 is obtained in the upper swing body coordinate system Σ3 from the positional relations α3, α4, β4 and the dimensions α5, α6, α7 of the arms 5, 6 and 7 (step S60). This calculation is also coordinate transformation and can be performed by a general mathematical method. Next, the bucket tip in the global coordinate system Σ0 from the value 0Σ3 of the upper swing body coordinate system Σ3 in the global coordinate system Σ0 obtained in step S40 and the bucket tip position 3P7 in the upper swing body coordinate system Σ3 obtained in step S60. A position 0P7 is obtained (step S70).

次いで、以上のようにして求めた上部旋回体の位置及び姿勢0Σ3と上部旋回体3に対する下部走行体2の姿勢3P4(以下0Σ3と3P4を合わせて適宜油圧ショベルの位置と姿勢という)とバケット先端位置0P7の各データと、ICカード48から入力した地形データとに基づき表示データを作成し、車載コンピュータ46のモニタ画面46aに地形に対する上部旋回体3及びバケット7と下部走行体2を含む油圧ショベル1との位置関係を重ね合わせ表示する(ステップS80)。また、油圧ショベルの位置と姿勢とバケット先端位置データは無線機47によりアンテナ34を介して送信され、サーバコンピュータ58のモニタ画面にでも同様な画像を表示する。   Next, the position and posture of the upper swing body determined as described above, 0Σ3, the posture 3P4 of the lower traveling body 2 with respect to the upper swing body 3 (hereinafter, 0Σ3 and 3P4 are collectively referred to as the position and posture of the hydraulic excavator) and the bucket tip Display data is created based on each data of the position 0P7 and the terrain data input from the IC card 48, and the excavator including the upper turning body 3 and the bucket 7 and the lower traveling body 2 with respect to the terrain on the monitor screen 46a of the in-vehicle computer 46. 1 is superimposed and displayed (step S80). Further, the position and posture of the excavator and the bucket tip position data are transmitted by the radio 47 via the antenna 34, and a similar image is displayed on the monitor screen of the server computer 58.

以上において、角度センサ21〜23及びステップS60の処理は、上部旋回体3に対する作業装置(バケット)7の位置と姿勢に関する状態量を計測する作業位置計測手段を構成し、GPSアンテナ31,32及びその受信機43,44等は、上部旋回体3に設置された複数の3次元位置計測装置を構成し、ステップS10〜S40及びステップS70の処理は、作業位置計測手段及び3次元位置計測手段の計測値を用いて上部旋回体3と作業装置(バケット)7の3次元空間での位置及び姿勢を演算する第1演算手段を構成し、ジャイロ26及びステップS50の処理は、下部支持体2に対する上部旋回体3の旋回角度を計測する旋回角度計測手段を構成し、ステップS50の処理は、この旋回角度計測手段の計測値を用いて上部旋回体3に対する下部支持体2の姿勢を演算する第2演算手段を構成し、ステップS89の処理及びモニタ画面46aは、第1演算手段及び第2演算手段の演算値を用いて周囲状況に対する上部旋回体3及び作業装置(バケット)7と下部支持体2との位置関係を表示する表示手段を構成する。   In the above, the processing of the angle sensors 21 to 23 and step S60 constitutes work position measuring means for measuring the state quantity regarding the position and posture of the work device (bucket) 7 with respect to the upper swing body 3, and the GPS antennas 31, 32 and The receivers 43, 44, etc. constitute a plurality of three-dimensional position measuring devices installed on the upper swing body 3, and the processes in steps S10 to S40 and step S70 are performed by the work position measuring means and the three-dimensional position measuring means. The first calculation means for calculating the position and orientation of the upper swing body 3 and the work device (bucket) 7 in the three-dimensional space using the measured values is configured, and the processing of the gyro 26 and step S50 is performed on the lower support body 2. The turning angle measuring means for measuring the turning angle of the upper turning body 3 is configured, and the process of step S50 is performed by using the measured value of the turning angle measuring means. The second calculating means for calculating the posture of the lower support 2 with respect to the processing is configured, and the processing of step S89 and the monitor screen 46a are performed on the upper swing body 3 with respect to the surrounding situation using the calculated values of the first calculating means and the second calculating means. And the display means which displays the positional relationship of the working apparatus (bucket) 7 and the lower support body 2 is comprised.

図9は車載コンピュータ46のモニタ画面46a及びサーバコンピュータ58のモニタ画面46aに表示される画像の一例を示す。   FIG. 9 shows an example of images displayed on the monitor screen 46 a of the in-vehicle computer 46 and the monitor screen 46 a of the server computer 58.

図9中、100は原地形や目標地形などの地形であり、この地形100に油圧ショベル1が重ね合わせて表示されている。油圧ショベル1の位置と姿勢データは上部旋回体の位置及び姿勢0Σ3と上部旋回体3に対する下部走行体2の姿勢3P4を含むので、油圧ショベル1の下部走行体2と上部旋回体3との位置関係は実際と一致し、地形100に対する下部走行体2の姿勢も含めた全体の位置関係(地形100に対する上部旋回体3及びバケット7と下部走行体2との位置関係)が正しく表示されている。これによりモニタ画面46aを見ながら作業しているオペレータが意図しない方向への走行を防止することができ、安全に効率良く作業を行うことができる。また、掘削作業中に掘削した土砂を下部走行体2の近くに放土する場合にも、モニタ画面46aを見ながら周囲状況(地形)に対する下部走行体の位置関係を正確に把握でき、安全で効率良く作業を行うことができる。   In FIG. 9, reference numeral 100 denotes a terrain such as an original terrain or a target terrain, and the excavator 1 is displayed superimposed on the terrain 100. Since the position and orientation data of the excavator 1 includes the position and orientation 0Σ3 of the upper swing body and the posture 3P4 of the lower traveling body 2 with respect to the upper swing body 3, the positions of the lower traveling body 2 and the upper swing body 3 of the excavator 1 The relationship coincides with the actual situation, and the entire positional relationship including the posture of the lower traveling body 2 with respect to the terrain 100 (the positional relationship between the upper swing body 3 and the bucket 7 and the lower traveling body 2 with respect to the terrain 100) is correctly displayed. . As a result, it is possible to prevent the operator who is working while looking at the monitor screen 46a from traveling in an unintended direction, and to work safely and efficiently. In addition, when the earth and sand excavated during excavation work is released near the lower traveling body 2, the positional relationship of the lower traveling body with respect to the surrounding situation (terrain) can be accurately grasped while viewing the monitor screen 46a, which is safe. Work can be done efficiently.

また、地形100(周囲状況)に対する上部旋回体3及びバケット(作業装置)7と下部走行体2との位置関係は鳥瞰図で表示されている。これにより最も見やすい表示状態が得られ、安全に効率良く作業を行うことができる。なお、鳥瞰図に代えて上面図を表示してもよく、この場合もほぼ同様の効果が得られる。また、側面図を合わせ表示してもよいし、選択的に表示できるようにしてもよい。更に、地形データに代え或いは地形データと共に地図データを表示してもよい。   Further, the positional relationship between the upper swing body 3 and the bucket (working device) 7 and the lower traveling body 2 with respect to the terrain 100 (surrounding situation) is displayed in a bird's eye view. As a result, the most visible display state can be obtained, and the work can be performed safely and efficiently. Note that a top view may be displayed instead of the bird's eye view, and in this case, substantially the same effect can be obtained. Further, side views may be displayed together or may be selectively displayed. Further, the map data may be displayed in place of the terrain data or together with the terrain data.

図10は、ジャイロ26の計測値から旋回角度θswを求めるステップS50の処理の詳細を示すフローチャートである。   FIG. 10 is a flowchart showing details of the process in step S50 for obtaining the turning angle θsw from the measured value of the gyro 26.

まず、ジャイロ変化角度=ジャイロの出力角度現在値−ジャイロの出力角度前回値の計算を行い、ジャイロ変化角度を求める(ステップS51)。次いで、圧力センサ27(図3)により検出された旋回パイロット圧Psが閾値以上かどうかを判定し(ステップS53)、閾値以上であれば旋回操作がなされたと判断し、旋回角度=旋回角度+ジャイロ変化角度の計算により旋回角度を求める。次いで、旋回角度リセットスイッチ28がONかどうかを判断し、旋回角度リセットスイッチ28がONでなければ処理を終了し、ONであれば旋回角度を0にする(ステップS55)。ステップS52で旋回パイロット圧が閾値以上でなければ、旋回操作はされていないと判断し、直接ステップS54へと処理をすすめる。   First, the gyro change angle = the current output value of the gyro-the previous value of the output angle of the gyro is calculated to obtain the gyro change angle (step S51). Next, it is determined whether or not the turning pilot pressure Ps detected by the pressure sensor 27 (FIG. 3) is equal to or greater than a threshold value (step S53). If it is equal to or greater than the threshold value, it is determined that a turning operation has been performed, and turning angle = turning angle + gyro. The turning angle is obtained by calculating the change angle. Next, it is determined whether or not the turning angle reset switch 28 is ON. If the turning angle reset switch 28 is not ON, the process is terminated, and if it is ON, the turning angle is set to 0 (step S55). If the turning pilot pressure is not greater than or equal to the threshold value in step S52, it is determined that the turning operation has not been performed, and the process proceeds directly to step S54.

旋回操作がなされたときにのみ旋回角度を演算する目的は走行旋回の影響を回避するためである。ジャイロ26は上部旋回体3上に設置され、上部旋回体3の地球(地面)に対するヨウ角度を計測するものである。したがって、これだけでは油圧ショベル1が上部旋回体3の旋回動作によってヨウ方向への回転をしたのか、下部走行体2の走行動作によって回転をしたのか判断できない。そこで、旋回パイロット圧の圧力センサ27を設けて旋回操作を検出し、旋回中であるときだけ上部旋回体3と下部走行体2間の旋回角度が変化したと判定し、旋回角度を計測する。これにより走行動作による回転の影響を受けず、正確に旋回角度を計測することができる。   The purpose of calculating the turning angle only when the turning operation is performed is to avoid the influence of traveling turning. The gyro 26 is installed on the upper swing body 3 and measures the yaw angle of the upper swing body 3 with respect to the earth (ground). Therefore, it is not possible to determine whether the excavator 1 has been rotated in the yaw direction by the turning operation of the upper revolving structure 3 or by the traveling operation of the lower traveling structure 2. Therefore, a turning pilot pressure sensor 27 is provided to detect the turning operation, and it is determined that the turning angle between the upper turning body 3 and the lower traveling body 2 has changed only when turning, and the turning angle is measured. As a result, the turning angle can be accurately measured without being affected by the rotation due to the traveling operation.

なお、旋回パイロット圧を検出する圧力センサに代えて走行パイロット圧を検出する圧力センサを設けて走行操作を検出し、走行していないときのみ上部旋回体と下部走行体の間の旋回角度が変化したと判断し、旋回角度を演算しても良いよい。   In addition, instead of the pressure sensor that detects the turning pilot pressure, a pressure sensor that detects the traveling pilot pressure is provided to detect the traveling operation, and the turning angle between the upper and lower traveling bodies changes only when not traveling. It may be determined that the turning angle may be calculated.

図11は、旋回角度リセットスイッチ28をONするときの油圧ショベル1の姿勢を示す。作業開始時や旋回角度に誤差が累積してきた場合などに、オペレータは油圧ショベル1を操作して、図11に示すように上部旋回体3と下部走行体2を平行状態にする。そして、旋回角度リセットスイッチ28をONにする。このとき、コントローラ45では図9のステップS54,S55の処理がなされ、旋回角度を0にする。これによりジャイロを用いて旋回角度を計測するときの誤差の蓄積を回避し、正確な旋回角度の計測が可能となる。   FIG. 11 shows the attitude of the excavator 1 when the turning angle reset switch 28 is turned ON. The operator operates the hydraulic excavator 1 to bring the upper swing body 3 and the lower traveling body 2 into a parallel state as shown in FIG. Then, the turning angle reset switch 28 is turned ON. At this time, the controller 45 performs steps S54 and S55 in FIG. Thereby, accumulation of errors when measuring the turning angle using the gyro is avoided, and accurate turning angle measurement is possible.

以上のように本実施の形態によれば、周囲状況に対する上部旋回体と下部走行体の姿勢を正しく表示することで、安全に効率良く作業を行うことができる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to perform work safely and efficiently by correctly displaying the postures of the upper swing body and the lower traveling body with respect to the surrounding situation.

また、上部旋回体の旋回角度を計測するためには一般的には角度センサが用いられ、本発明も角度センサの使用を排除するものではない。しかし、角度センサの取り付けには上部旋回体3と下部走行体2の接続部を改造する必要があり、取り付けが難しく、かつ構造の複雑化やコストアップといった問題も少なからずある。本実施の形態では、上記のようにジャイロ(ヨウ角度計測手段)26を用いて上部旋回体の旋回角度を計測することで、角度センサを使用しなくても旋回角度を計測することができるのため、角度センサを用いる場合のような取り付けの問題はなく、取り付けが容易で、かつ構造の複雑化やコストアップを最小にすることができる。   In addition, an angle sensor is generally used to measure the turning angle of the upper turning body, and the present invention does not exclude the use of the angle sensor. However, it is necessary to remodel the connection part of the upper revolving unit 3 and the lower traveling unit 2 to attach the angle sensor, which makes it difficult to attach, and there are not a few problems such as complicated structure and increased cost. In the present embodiment, as described above, the turning angle of the upper turning body is measured using the gyroscope (yaw angle measuring means) 26, so that the turning angle can be measured without using an angle sensor. Therefore, there is no problem of attachment as in the case of using the angle sensor, the attachment is easy, and the complexity and cost increase of the structure can be minimized.

また、旋回パイロット圧の圧力センサ27を設けて旋回操作を検出し、旋回中であるときだけ上部旋回体3と下部走行体2間の旋回角度が変化したと判定し、旋回角度を計測するので、走行動作による回転の影響を受けず、正確に旋回角度を計測することができる。   In addition, a turning pilot pressure sensor 27 is provided to detect a turning operation, and it is determined that the turning angle between the upper turning body 3 and the lower traveling body 2 has changed only when turning, and the turning angle is measured. Therefore, it is possible to accurately measure the turning angle without being affected by the rotation caused by the traveling operation.

更に、旋回リセットスイッチ28を設け、上部旋回体3と下部走行体2を平行状態にして旋回リセットスイッチ28ONし、旋回角度を0にするリセットを行うので、集積誤差がキャンセルされ、正確に旋回角度を計測することができる。   In addition, a turning reset switch 28 is provided, the upper turning body 3 and the lower traveling body 2 are placed in a parallel state, the turning reset switch 28 is turned ON, and the turning angle is reset to 0, so that the accumulation error is canceled and the turning angle is accurately set. Can be measured.

また、地形100(周囲状況)に対する上部旋回体3及びバケット(作業装置)7と下部走行体2との位置関係を鳥瞰図で表示するので、表示状態が見やくなり、安全に効率良く作業を行うことができる。   Moreover, since the positional relationship between the upper swing body 3 and the bucket (working device) 7 and the lower traveling body 2 with respect to the terrain 100 (surrounding conditions) is displayed in a bird's eye view, the display state becomes clear and the work is performed safely and efficiently. be able to.

なお、以上の実施の形態は、作業機械として油圧ショベルに本発明を適用した場合のものであるが、油圧ショベル以外の作業機械にも本発明を適用し、同様の効果が得られる。例えば、最近、クローラ式の油圧ショベルをベースマシンとした地雷処理機が開発されている。この地雷処理機においては、事前に埋設地雷を検出し、埋設地雷の表示データを見ながら埋設地雷に近づき、ロータリカッタ等の処理具で地雷を破壊してゆく。この場合も、本発明を適用し、周囲状況に対する下部走行体の位置関係を正しく表示することで、埋設地雷に的確に接近することができ、安全に効率良く作業を行うことができる。   In addition, although the above embodiment is a thing when this invention is applied to a hydraulic shovel as a working machine, the present invention is applied also to working machines other than a hydraulic shovel, and the same effect is acquired. For example, recently, a landmine disposer based on a crawler hydraulic excavator has been developed. In this land mine disposer, the buried land mine is detected in advance, approaching the buried land mine while looking at the display data of the buried land mine, and the land mine is destroyed by a processing tool such as a rotary cutter. Also in this case, by applying the present invention and correctly displaying the positional relationship of the lower traveling body with respect to the surrounding situation, it is possible to accurately approach the buried land mine, and the work can be performed safely and efficiently.

また、作業機械としては浚渫船のように下部支持体(船体)が走行体ではないものもある。このようなものに本発明を適用した場合も、周囲状況に対する船体の位置関係が正しく表示されることで、浚渫した土砂の船上での放土作業を混乱なく速やかに行うことができ、安全に効率良く作業を行うことができる。   In addition, as a work machine, there is a work machine in which the lower support (hull) is not a traveling body like a dredger. Even when the present invention is applied to such a thing, the positional relationship of the hull with respect to the surrounding situation is correctly displayed, so that the dredging work of dredged earth and sand can be carried out quickly and without confusion, and it can be done safely. Work can be done efficiently.

また、上記実施の形態は、油圧ショベルの運転室にオペレータが搭乗して作業を行う場合のものであるが、サーバコンピュータ58のモニタ画面に表示された画像を見て遠隔操作で作業を行ってもよい。   Further, the above embodiment is for the case where an operator gets on the cab of a hydraulic excavator to perform the work, but the work is performed remotely by looking at the image displayed on the monitor screen of the server computer 58. Also good.

本発明の一実施の形態に係わる位置計測表示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。It is a figure which shows the external appearance of the hydraulic excavator carrying the position measurement display system concerning one embodiment of this invention. 油圧ショベルの油圧駆動系を示す油圧回路図である。It is a hydraulic circuit diagram which shows the hydraulic drive system of a hydraulic shovel. 流量制御弁の操作パイロット系を示す図である。It is a figure which shows the operation pilot system of a flow control valve. 置計測表示システムの装置構成を示す図である。It is a figure which shows the apparatus structure of an apparatus measurement display system. 基準局としての役割も持つ事務所側システムの装置構成をを示す図である。It is a figure which shows the apparatus structure of the office side system which also serves as a reference station. 油圧ショベル位置及び姿勢と、バケット先端の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。It is a figure which shows the coordinate system used in order to calculate the absolute position in the three-dimensional space of a hydraulic shovel position and attitude | position, and a bucket front-end | tip. グローバル座標系の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of a global coordinate system. 演算処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an arithmetic processing procedure. モニタ画面に表示される画像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the image displayed on a monitor screen. ジャイロの計測値から旋回角度を求める処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the process which calculates | requires a turning angle from the measured value of a gyro. 旋回角度リセットスイッチをONするときの油圧ショベルの姿勢を示す図である。It is a figure which shows the attitude | position of the hydraulic shovel when turning a turning angle reset switch.

符号の説明Explanation of symbols

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 旋回角度センサ
26 ジヤイロ
27 旋回パイロット圧力センサ
28 旋回角度リセットスイッチ
31,32 GPSアンテナ
33,34 無線アンテナ
41 無線機
43,44 GPS受信機
45 コントローラ
46 車載コンピュータ
46a モニタ画面(表示画面)
47 無線機
48 ICカード
51 事務所
52 GPSアンテナ
53,54 無線アンテナ
55 GPS受信機
56,57 無線機
58 サーバコンピュータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydraulic excavator 2 Lower traveling body 3 Upper turning body 4 Front work machine 5 Boom 6 Arm 7 Bucket 21-23 Angle sensor 24 Inclination sensor 25 Turning angle sensor 26 Gyro 27 Turning pilot pressure sensor 28 Turning angle reset switch 31, 32 GPS antenna 33, 34 Radio antenna 41 Radio 43, 44 GPS receiver 45 Controller 46 In-vehicle computer 46a Monitor screen (display screen)
47 Radio 48 IC card 51 Office 52 GPS antenna 53, 54 Radio antenna 55 GPS receiver 56, 57 Radio 58 Server computer

Claims (5)

上部旋回体及び下部支持体と、上部旋回体に設けられた作業装置とを有する建設機械に備えられ、前記上部旋回体に対する作業装置の位置と姿勢に関する状態量を計測する作業位置計測手段、前記上部旋回体に設置された複数の3次元位置計測手段、及び前記作業位置計測手段及び3次元位置計測手段の計測値を用いて前記上部旋回体と作業装置の3次元空間での位置及び姿勢を演算する第1演算手段を有し、この第1演算手段の演算値を用いて前記上部旋回体及び作業装置と周囲の作業状況との位置関係を表示する作業機械の位置計測表示システムにおいて、
前記下部支持体に対する上部旋回体の旋回角度を計測する旋回角度計測手段と、
この旋回角度計測手段の計測値を用いて前記上部旋回体に対する下部支持体の姿勢を演算する第2演算手段と、
前記第1演算手段及び第2演算手段の演算値を用いて周囲状況に対する前記上部旋回体及び作業装置と前記下部支持体との位置関係を表示する表示手段とを備えることを特徴とする作業機械の位置計測表示システム。
Work position measuring means provided in a construction machine having an upper swing body and a lower support body, and a work device provided on the upper swing body, and measuring a state quantity related to the position and posture of the work device with respect to the upper swing body, The position and posture of the upper swing body and the work device in the three-dimensional space are measured using a plurality of three-dimensional position measurement means installed on the upper swing body and the measurement values of the work position measurement means and the three-dimensional position measurement means. In a position measurement display system for a work machine that has a first calculation means for calculating, and displays a positional relationship between the upper swing body and the work device and a surrounding work situation using a calculated value of the first calculation means.
A turning angle measuring means for measuring a turning angle of the upper turning body with respect to the lower support;
Second calculation means for calculating the posture of the lower support relative to the upper swing using the measurement value of the turning angle measuring means;
A work machine comprising: display means for displaying a positional relationship between the upper swing body and the work device and the lower support body with respect to a surrounding situation using the calculated values of the first calculation means and the second calculation means. Position measurement display system.
請求項1記載の作業機械の位置計測表示システムにおいて、
前記旋回角度計測手段は、前記上部旋回体のヨウ角度を計測するヨウ角度計測手段と、このヨウ角度計測手段により計測されたヨウ角度に基づいて前記上部旋回体の旋回角度を演算する旋回角度演算手段とを有することを特徴とする作業機械の位置計測表示システム。
In the work machine position measurement display system according to claim 1,
The turning angle measuring means includes a yaw angle measuring means for measuring the yaw angle of the upper turning body, and a turning angle calculation for calculating the turning angle of the upper turning body based on the yaw angle measured by the yaw angle measuring means. A position measurement and display system for a work machine.
請求項2記載の作業機械の位置計測表示システムにおいて、
前記旋回角度計測手段は、前記上部旋回体が旋回中であるかどうかを判定する旋回判定手段を更に有し、
前記旋回角度演算手段は、前記旋回判定手段により上部旋回体が旋回中であると判定される間に、前記ヨウ角度計測手段により計測されたヨウ角度に基づいて上部旋回体の旋回角度を演算することを特徴とする作業機械の位置計測表示システム。
In the work machine position measurement display system according to claim 2,
The turning angle measuring means further includes turning determination means for determining whether or not the upper turning body is turning,
The turning angle calculating means calculates the turning angle of the upper turning body based on the yaw angle measured by the yaw angle measuring means while the turning determination means determines that the upper turning body is turning. A position measurement and display system for a work machine.
請求項2記載の作業機械の位置計測表示システムにおいて、
前記旋回角度計測手段は、前記旋回角度を所定値にリセットする旋回角度リセット手段を更に有することを特徴とする作業機械の位置計測表示システム。
In the work machine position measurement display system according to claim 2,
The position measurement display system for a work machine, wherein the turning angle measuring means further includes turning angle resetting means for resetting the turning angle to a predetermined value.
請求項1記載の作業機械の位置計測表示システムにおいて、
前記表示手段は、前記周囲状況に対する前記上部旋回体及び作業装置と前記下部支持体との位置関係を鳥瞰図で表示することを特徴とする作業機械の位置計測表示システム。
In the work machine position measurement display system according to claim 1,
The position measurement and display system for a work machine, wherein the display means displays, in a bird's-eye view, a positional relationship between the upper swing body and work device and the lower support with respect to the surrounding situation.
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