JP2007147588A - Position measuring system for working machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、油圧ショベル等の作業機械の3次元空間における絶対位置と姿勢及び、当該作業機械に設定されたモニタポイントの3次元空間での絶対位置を演算する作業機械の位置計測システムに関する。 The present invention relates to a position measurement system for a work machine that calculates the absolute position and orientation of a work machine such as a hydraulic excavator in a three-dimensional space and the absolute position of a monitor point set in the work machine in the three-dimensional space.
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走行式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。 2. Description of the Related Art In recent years, work management is performed at a construction site by measuring the position of a monitor point of a traveling work machine using a three-dimensional position measuring device such as GPS.
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。このバケットの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照合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。このような位置計測システムの従来技術として、例えば特許文献1に記載のものがある。
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 excavator. If the tip position of the bucket can be measured, the progress of the work during construction can be grasped by comparing the measured 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. As a prior art of such a position measurement system, for example, there is one described in
特許文献1に記載の技術は、油圧ショベルの上部旋回体上に2個のGPSアンテナを設置し、このGPSアンテナの位置情報と、ブーム、アーム及びバケットの回転角度を検出する回転角センサの角度情報とからバケットの3次元空間での絶対位置を演算するものである。
In the technique described in
特許文献1では、油圧ショベル等の作業機械の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、その交線を運転室内に設置した表示装置に車体と作業機とを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を提案している。
In
上述した特許文献1記載の従来技術では、バケットの3次元空間での位置を演算するために、2個のGPSアンテナが受信した信号に基づいてそれぞれのGPS受信機により2個のGPSアンテナが位置する上部旋回体上の2点の位置をRTK(Real Time Kinematic)計測し、この計測された上部旋回体上の2点の位置から、油圧ショベルの位置と姿勢を表す車体座標系を求め、ブーム、アーム及びバケットに取り付けられた回転角センサの角度情報などを組み合わせて、バケットの3次元空間での絶対位置を演算している。
In the prior art described in
ところで、3次元位置計測装置であるGPSを用いて行うRTK計測では、天候や地形等の影響により計測状態が変化する。この計測状態には、FIX(約±1〜2cmの精度)、FLOAT(〜約±10cmの精度)、DGPS(〜±mの精度)等がある。FIXは正規の計測状態であり、FLOAT、DGPS等は正規の計測状態が得られない場合である。しかし、正規の計測状態(FIX)であっても、捕捉しているGPS衛星の配置や電離層の影響等によって、±1〜2cmの範囲で計測結果にバラツキが生じる。このため、当然、このGPSの計測結果に基づいて演算される車体座標系の値にもバラツキが生じることになるが、上記従来技術のように、複数のGPSを用いて演算する場合は、演算結果に与える影響がより大きく、操作レバーを操作せず車体が静止した状態においても、画面上に表示される油圧ショベルがふらついて表示されてしまうことになる。 By the way, in the RTK measurement performed using the GPS that is a three-dimensional position measurement device, the measurement state changes due to the influence of weather, topography, and the like. This measurement state includes FIX (accuracy of about ± 1 to 2 cm), FLOAT (accuracy of about ± 10 cm), DGPS (accuracy of about ± m), and the like. FIX is a normal measurement state, and FLOAT, DGPS, etc. are cases where a normal measurement state cannot be obtained. However, even in the normal measurement state (FIX), measurement results vary within a range of ± 1 to 2 cm due to the arrangement of captured GPS satellites, the influence of the ionosphere, and the like. For this reason, naturally, the value of the vehicle body coordinate system calculated based on the measurement result of GPS also varies. However, in the case of calculating using a plurality of GPSs as in the conventional technique, the calculation is performed. The influence on the result is greater, and even when the vehicle body is stationary without operating the operation lever, the hydraulic excavator displayed on the screen fluctuates and is displayed.
例えば、特許文献1記載のように油圧ショベルの上部旋回体上に2個のGPSアンテナを設置して油圧ショベルの車体座標系を求める場合、2個のGPSアンテナの位置の計測値は、それぞれ、±1〜2cmの範囲で変動するため、2個のGPSアンテナの位置を結ぶ直線の方向(姿勢)は、それらの計測値の変動とともに変動する。この場合、その直線の方向(姿勢)の変動は、2個のGPSアンテナの位置の計測値が車体前後方向の反対方向にそれぞれ±2cm変動したときに最も大きい。2個のGPSアンテナの位置の計測値に基づいて演算された車体座標系の姿勢(方向)の変動は2個のGPSアンテナの位置を結ぶ直線の方向(姿勢)の変動に対応しており、2個のGPSアンテナの位置の計測値が車体前後方向の反対方向にそれぞれ±2cm変動したときに車体座標系の姿勢(方向)も最も大きく変動し、表示装置に表示される車体と作業機が最も大きくふらつくことになる。この場合、特に作業機のバケットは作業機先端に位置し、2個のGPSアンテナから遠い位置にあるため、バケットの位置及び姿勢の計測値の変動は拡大し、それに応じてバケットは大きくふらついて表示される。
For example, as described in
その結果、バケットと目標地形との位置合わせに時間が掛かったり、計画とは違う場所を掘削してしまう等、作業効率の低下を招くといった問題が生じてしまう。 As a result, it takes time to align the bucket and the target terrain, and causes problems such as excavating a place different from the plan, resulting in a decrease in work efficiency.
この不具合を解決する方法として、位置と姿勢の演算値を時間軸上で移動平均処理したり、ローパスフィルタリング処理を行って、数値の変動を抑えるような処理を行うことが考えられる。しかし、この場合は、走行中或いは旋回中など、車体の位置又は姿勢を変化させた状態で行う作業では、位置と姿勢に関する演算結果及び表示の追従性が低下するため、周囲の地形に対する作業機械(車体)の位置関係の把握に遅れが生じ、作業効率が低下してしまう。 As a method for solving this problem, it is conceivable to perform a process for suppressing fluctuations in numerical values by performing a moving average process on the time axis and a low-pass filtering process on the position and orientation calculation values. However, in this case, the work performed in a state where the position or posture of the vehicle body is changed, such as during traveling or turning, the calculation result and display followability of the position and posture are deteriorated. A delay occurs in grasping the positional relationship of the (vehicle body), and work efficiency is reduced.
本発明の目的は、作業機械の3次元空間での位置と姿勢及び当該作業機械に設定されたモニタポイントの絶対位置を演算し、この演算結果に基づいて作業機械の画像を表示する際に、作業機械の車体が静止した状態にあるときは表示のふらつきを低減し、作業機械の車体が静止した状態にないときは表示の追従性の低下を抑え、ひいては作業効率を向上させることができる作業機械の位置計測システムを提供することにある。 The purpose of the present invention is to calculate the position and orientation of the work machine in the three-dimensional space and the absolute position of the monitor point set in the work machine, and when displaying an image of the work machine based on the calculation result, Work that reduces display wobbling when the machine body of the work machine is stationary, reduces the follow-up of the display when the machine body of the work machine is not stationary, and thus improves work efficiency It is to provide a position measurement system for a machine.
なお、本願明細書中において、「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。 In the present specification, the “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 measuring device. It is a position expressed 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 referred to as a global coordinate system.
上記の目的を達成するために、第1の発明は、作業機械の車体に設置され、それぞれ3次元空間での絶対位置を計測する複数の3次元位置計測装置と、前記複数の3次元位置計測装置の計測値を用いて、前記3次元空間での作業機械の位置と姿勢及び当該作業機械に設定されたモニタポイントの絶対位置を演算する位置姿勢演算手段と、前記位置姿勢演算手段の演算結果に基づいて前記作業機械の画像や目標地形等の地形情報とを表示するモニタ表示装置とを有する作業機械の位置計測システムにおいて、前記作業機械の動作状態を判定する判定手段と、前記判定手段の検出結果に応じて前記位置姿勢演算手段で演算される作業機械の位置と姿勢の演算値を平滑処理する平滑処理手段とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is provided on a vehicle body of a work machine, each of which includes a plurality of three-dimensional position measurement devices that measure absolute positions in a three-dimensional space, and the plurality of three-dimensional position measurements. Position and orientation calculation means for calculating the position and orientation of the work machine in the three-dimensional space and the absolute position of the monitor point set in the work machine using the measurement values of the apparatus, and the calculation result of the position and orientation calculation means In a position measurement system for a work machine having a monitor display device that displays an image of the work machine and terrain information such as a target terrain based on the determination unit, a determination unit that determines an operating state of the work machine, And a smoothing means for smoothing the calculated values of the position and orientation of the work machine calculated by the position and orientation calculation means according to the detection result.
また、第2の発明は、第1の発明において、前記判定手段は、前記作業機械における車体の作動検出する検出器からの信号を取り込み、前記作業機械の車体の静止を判定し、前記平滑処理手段は、前記判定手段から静止判定に基づいて前記位置姿勢演算手段で演算される作業機械の位置と姿勢の演算値を平滑処理することを特徴とする。 In a second aspect based on the first aspect, the determination means takes in a signal from a detector that detects the operation of the vehicle body in the work machine, determines whether the vehicle body of the work machine is stationary, and performs the smoothing process. The means smoothes the calculated values of the position and orientation of the work machine calculated by the position and orientation calculation means based on the stationary determination from the determination means.
更に、第3の発明は、第1の発明において、前記判定手段は、前記作業機械の車体及びこの車体上の旋回体の作動検出する検出器からの信号を取り込み、前記作業機械の車体及び旋回体の静止を判定し、前記平滑処理手段は、前記判定手段から静止判定に基づいて前記位置姿勢演算手段で演算される作業機械の位置と姿勢の演算値を平滑処理することを特徴とする。 Further, according to a third aspect, in the first aspect, the determination means takes in a signal from a detector that detects the operation of the vehicle body of the work machine and the swing body on the vehicle body, and the vehicle body and the turn of the work machine. It is characterized in that the body is stationary, and the smoothing means smoothes the calculated values of the position and orientation of the work machine calculated by the position and orientation calculation means based on the stationary determination from the determination means.
また、第4の発明は、第1の発明において、前記判定手段は、前記複数の3次元位置計測装置によって計測した前回の計測値と現在の計測値に基づいて、前記作業機械の車体及び旋回体の静止を判定し、前記平滑処理手段は、前記判定手段から静止判定に基づいて前記位置姿勢演算手段で演算される作業機械の位置と姿勢の演算値を平滑処理することを特徴とする。 In a fourth aspect based on the first aspect, the determination means is configured to determine whether the vehicle body and the turn of the work machine are based on the previous measurement value and the current measurement value measured by the plurality of three-dimensional position measurement devices. It is characterized in that the body is stationary, and the smoothing means smoothes the calculated values of the position and orientation of the work machine calculated by the position and orientation calculation means based on the stationary determination from the determination means.
更に、第5の発明は、第1の発明において、前記判定手段は、前記作業機械における車速を検出する検出器からの信号を取り込み、前記作業機械の動作状態を判定し、前記平滑処理手段は、前記判定手段から動作状態に基づいて前記位置姿勢演算手段で演算される作業機械の位置と姿勢の演算値を平滑処理することを特徴とする。 Further, according to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the determination means takes in a signal from a detector that detects a vehicle speed in the work machine, determines an operating state of the work machine, and the smoothing means The calculation values of the position and orientation of the work machine calculated by the position and orientation calculation means based on the operating state from the determination means are smoothed.
また、第6の発明は、第1乃至第5の発明のいずれかにおいて、前記平滑処理手段は、時間軸上でローパスフィルタリング処理を行うフィルタ処理演算手段であることを特徴とする。 Further, a sixth invention is characterized in that, in any one of the first to fifth inventions, the smoothing processing means is a filter processing arithmetic means for performing a low-pass filtering process on a time axis.
更に、第7の発明は、第1乃至第5の発明のいずれかにおいて、前記平滑処理手段は、時間軸上でローパスフィルタリング処理を行うフィルタ処理演算手段であり、前記フィルタ処理演算手段は、前記判定手段の判定結果に基づいて前記作業機械の車体が静止した状態にあるときは、第1カットオフ周波数を用いてローパスフィルタリング処理を行い、前記作業機械の車体が静止した状態にないときは、前記第1カットオフ周波数より高い第2カットオフ周波数を用いてローパスフィルタリング処理を行うことを特徴とする。 Furthermore, in a seventh aspect based on any one of the first to fifth aspects, the smoothing means is a filter processing arithmetic means for performing a low pass filtering process on a time axis, and the filter processing arithmetic means When the vehicle body of the work machine is in a stationary state based on the determination result of the determination means, low-pass filtering is performed using the first cutoff frequency, and when the vehicle body of the work machine is not in a stationary state, The low-pass filtering process is performed using a second cutoff frequency higher than the first cutoff frequency.
また、第8の発明は、第1乃至第5の発明のいずれかにおいて、前記平滑処理手段は、サンプリングを行う度に、その回のサンプリングデータを含めた過去の予め決められたサンプル数分のデータを平均し、これを現在のデータとして使用することにより演算値の平滑化を行う移動平均処理を行うことを特徴とする。 In addition, in an eighth invention according to any one of the first to fifth inventions, each time the sampling is performed, the smoothing means is equal to the past predetermined number of samples including the sampling data of that time. A moving average process is performed in which the data is averaged and the calculated values are smoothed by using the data as current data.
本発明によれば、作業機械の3次元空間での位置と姿勢及び当該作業機械に設定されたモニタポイントの絶対位置を演算し、この演算結果に基づいて作業機械の画像を表示する際に、作業機械の車体が静止した状態にあるときは表示のふらつきを低減し、作業機械の車体が静止した状態にないときは表示の追従性の低下を抑え、ひいては作業効率を向上させることができる。 According to the present invention, the position and orientation of the work machine in the three-dimensional space and the absolute position of the monitor point set in the work machine are calculated, and when displaying the image of the work machine based on the calculation result, When the vehicle body of the work machine is in a stationary state, display fluctuation can be reduced, and when the vehicle body of the work machine is not in a stationary state, a decrease in display followability can be suppressed, thereby improving work efficiency.
以下、本発明の作業機械の位置計測システムの実施の形態を、図面を用いて説明する。本実施の形態は、作業機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用し、油圧ショベルのバケット先端にモニタポイントを設定した場合のものである。 Embodiments of a position measurement system for a work machine according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, the present invention is applied to a crawler excavator as a work machine, and a monitor point is set at the bucket tip of the excavator.
図1は、本発明の作業機械の位置計測システムの一実施の形態を搭載した油圧ショベルの外観を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing an external appearance of a hydraulic excavator equipped with an embodiment of a position measurement system for a work machine according to the present invention.
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,
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、上部旋回体3と下部走行体2との回転角(旋回角度)を検出する角度センサ26が設けられている。
The
また、図1には示していないが、上部旋回体3の旋回操作時に生じるパイロット圧力(旋回パイロット圧力)を検出する圧力センサ27(図2参照)、下部走行体2の走行操作時に生じるパイロット圧力(走行パイロット圧力)を検出する圧力センサ28(図2参照)が設けられている。
Although not shown in FIG. 1, a pressure sensor 27 (see FIG. 2) that detects a pilot pressure (swing pilot pressure) generated when the upper swing body 3 is turned, and a pilot pressure generated when the
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
図2は、本発明の作業機械の位置計測システムの一実施の形態の全体構成を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram showing an overall configuration of an embodiment of a position measurement system for a work machine according to the present invention.
図2において、200は本発明の位置計測システムの一実施の形態を示し、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フロント作業機4の角度センサ21〜23、傾斜センサ24、旋回角度センサ26からの角度データ、パイロット圧力センサ27,28からの圧力データを入力し、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(Global Positioning System)受信部を構成している。
In FIG. 2,
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,
図3は、本発明の作業機械の位置計測システムに関連する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. 3 is a block diagram showing an apparatus configuration of an office side system having a role as a GPS reference station related to the position measurement system for work machines according to the present invention.
図3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. 3, 51 is an office that manages the position and work of the
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
次に、本発明の位置計測システムの一実施の形態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2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GPSアンテナ52の位置データと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。
Next, the outline of the operation of the embodiment of the position measurement system of the present invention will be described.
In the present embodiment, in order to perform position measurement with high accuracy, RTK measurement is performed by the
一方、図2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
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、旋回角度センサ26によって下部走行体2の回転角度、パイロット圧力センサ27,28によって旋回及び走行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。
Further, the rotation angle of the boom 5, the
車載コンピュータ46は、記憶部と演算部とを備え、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-
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
次に、図4〜図8を用いて本発明の位置計測システムの一実施の形態を構成する車載コンピュータ46における演算処理について説明する。
図4は、本発明の位置計測システムの一実施の形態に用いる油圧ショベル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。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、旋回体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。
Next, the arithmetic processing in the vehicle-mounted
FIG. 4 is a diagram showing a coordinate system used for calculating the position and posture of the
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
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及びブーム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。
Further, since the positional relationship α3, α4, β4 between the origin O3 of the upper-part turning body coordinate system Σ3 and the base end of the boom 5 and the dimensions α5, α6, α7 of the boom 5,
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 swing angle θSW is known, the position and posture of the
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26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
図5は、本発明の位置計測システムの一実施の形態に用いる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。
FIG. 5 is a diagram for explaining the concept of the global coordinate system used in one embodiment of the position measurement system of the present invention.
In FIG. 5, 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6は、本発明の位置計測システムの一実施の形態を構成する車載コンピュータ46の演算処理手順を示すフローチャート図である。
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)。
FIG. 6 is a flowchart showing a calculation processing procedure of the in-
6, first, the three-dimensional position (latitude, longitude, height) of the
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。
Next, the pitch angle θ2 measured by the
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の位置及び姿勢0Σ3をローパスフィルタリング処理する(ステップS50)。この処理の詳細については後述する。 Next, the position and posture 0Σ3 of the upper-part turning body coordinate system Σ3 in the global coordinate system Σ0 obtained in step S40 are subjected to low-pass filtering processing (step S50). Details of this processing will be described later.
次いで、旋回角度センサ26の計測値から求めた旋回角度θSWを入力し、上部旋回体3に対する下部走行体2の姿勢3P4を求める(ステップS60)。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S70)。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。
Next, the turning angle θSW obtained from the measured value of the
次いで、ステップS50でフィルタリング処理し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S70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S80)。 Next, the value 0Σ3 of the upper swing body coordinate system Σ3 in the global coordinate system Σ0 filtered in step S50 and the bucket tip position 3P7 in the upper swing body coordinate system Σ3 obtained in step S70 are used in the global coordinate system Σ0. The bucket tip position 0P7 is obtained (step S80).
次いで、以上のようにして求めた上部旋回体3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て表示する(ステップS90)。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のモニタ画面にも同様な画像が表示される。
Next, the position and orientation of the upper swing body 3 obtained as described above and the attitude 3P4 of the
図7は、本発明の位置計測システムの一実施の形態を構成する車載コンピュータ46のモニタ画面46a及びサーバコンピュータ58のモニタ画面に表示される画像の一例を示す。
図7において、100は原地形や目標地形等の地形であり、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。これにより、オペレータは地形とバケット7を含む油圧ショベル1の位置関係を正確に把握でき、安全に効率良く作業を行うことができる。
FIG. 7 shows an example of images displayed on the monitor screen 46a of the in-
In FIG. 7,
図8は、図6に示すフローチャートのステップS50におけるローパスフィルタリング処理の詳細を示すフローチャート図である。 FIG. 8 is a flowchart showing details of the low-pass filtering process in step S50 of the flowchart shown in FIG.
図8において、まず、圧力センサ27,28で計測される旋回パイロット圧力及び走行パイロット圧力を読み込む(ステップS51,S52)。
In FIG. 8, first, the turning pilot pressure and the traveling pilot pressure measured by the
次いで、旋回パイロット圧力及び走行パイロット圧力がそれぞれ閾値以上か否かを比較し油圧ショベル1が旋回動作しているか否か、或いは油圧ショベル1が走行動作をしているか否かを判定する(ステップS53)。ここで、それぞれの閾値は、上部旋回体3が動き出す値と、下部走行体2が動き出す値である。このような閾値を用いてステップS53の判定を行うことにより、油圧ショベル1が旋回動作しているか否か、或いは油圧ショベル1が走行動作をしているか否かを判定することができる。
Next, it is determined whether or not the swing pilot pressure and the traveling pilot pressure are equal to or higher than the threshold values, respectively, and it is determined whether or not the
ステップS53の判定結果が真(油圧ショベル1が旋回動作ないしは走行動作をしている)の場合は、ステップS54へ移行し、グローバル座標系Σ0での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3に対して、ノイズ成分の除去を目的とした、比較的高いカットオフ周波数(例えば5Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより、旋回中ないし走行中の演算結果及び表示の追従性を向上することができる。
If the determination result in step S53 is true (the
また、ステップS53の判定結果が偽(油圧ショベル1が旋回、走行のどちらの動作もしていない)の場合は、ステップS55へ移行し、グローバル座標系Σ0での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3に対して、モニタ表示における変動を抑えることを目的とした、比較的低いカットオフ周波数(例えば1Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより、作業機械が停止もしくはフロント作業機4のみ動作している場合の演算結果のバラツキが低減し、表示のふらつきを低減させることができる。
If the determination result in step S53 is false (the
以上において、GPSアンテナ31,32及びGPS受信機43,44と、無線アンテナ33及び無線機41は、作業機械である油圧ショベル1の車体(下部走行体2及び上部旋回体3)に設置され、それぞれ3次元空間での絶対位置を計測する複数の3次元位置計測装置を構成し、車載コンピュータ46の図6に示すフローチャートのステップS10〜S40及びステップS60〜S80の処理機能は、前記複数の3次元位置計測装置の計測値を用いて、3次元空間での作業機械の位置と姿勢及び当該作業機械に設定されたモニタポイント(バケット先端)の絶対位置を演算する位置姿勢演算手段を構成し、車載コンピュータ46の図6に示すフローチャートのステップS90の処理機能及びモニタ画面46aは、その位置姿勢演算手段の演算結果に基づいて作業機械や目標地形等の地形情報とを表示するモニタ表示装置を構成する。また、旋回パイロット圧力を検出する圧力センサ27及び走行パイロット圧力を検出する圧力センサ28は、作業機械の動作状況を検出する動作検出手段を構成し、車載コンピュータ46の図6に示すフローチャートのステップS50(図8のステップS51〜S55)の処理機能は、その動作検出手段の検出結果に応じて上記位置姿勢演算手段で演算される作業機械の位置と姿勢の演算値を平滑処理する平滑処理手段を構成する。
In the above, the
次に、上述した本発明の業機械の位置計測システムの一実施の形態の作用効果を説明する。
本発明が係わる油圧ショベル等の作業機械の位置計測システムでは、バケット7の3次元空間での位置を演算するために、2個のGPSアンテナ31,32が受信した信号に基づいてそれぞれのGPS受信機43,44により2個のGPSアンテナ31,32の位置(2個のGPSアンテナ31,32が位置する上部旋回体3上の2点の位置)をRTK計測し、この計測された上部旋回体3上の2点の位置から、油圧ショベル1の位置と姿勢を表す車体座標系(上部旋回体座標系0Σ3)を求め、ブーム5、アーム6及びバケット7に取り付けられた角度センサ21,22,23の角度情報などを組み合わせて、バケット7の3次元空間での絶対位置(バケット先端位置0P7)を演算している。
Next, the operation and effect of the embodiment of the position measurement system for the industrial machine according to the present invention described above will be described.
In the position measurement system for a work machine such as a hydraulic excavator according to the present invention, in order to calculate the position of the bucket 7 in the three-dimensional space, each GPS reception is performed based on the signals received by the two
ところで、3次元位置計測装置であるGPSを用いて行うRTK計測では、正規の計測状態(FIX)であっても、捕捉しているGPS衛星の配置や電離層の影響等によって、±1〜2cmの範囲で計測結果にバラツキが生じるため、当然、このGPSの計測結果に基づいて演算される車体座標系の値にもバラツキが生じる。本発明が係わる位置計測システムのように複数(2個)のGPSを用いて演算する場合は、計測結果のバラツキが演算結果に与える影響がより大きく、操作レバーを操作せず車体(下部走行体2及び上部旋回体3)が静止した状態においても、車載コンピュータ46のモニタ画面46a上に表示される油圧ショベル1がふらついて表示されてしまうことになる。
By the way, in RTK measurement performed using GPS, which is a three-dimensional position measurement device, ± 1 to 2 cm depending on the location of captured GPS satellites and the influence of the ionosphere, even in the normal measurement state (FIX) Since the measurement results vary in the range, naturally, the vehicle coordinate system values calculated based on the GPS measurement results also vary. When the calculation is performed using a plurality of (two) GPS as in the position measurement system according to the present invention, the variation of the measurement result has a greater influence on the calculation result, and the vehicle body (the lower traveling body is not operated without operating the operation lever). Even when the 2 and the upper swing body 3) are stationary, the
油圧ショベル等の作業機械は、掘削等の実作業においては車体(下部走行体2及び上部旋回体3)を静止させ、フロント作業機4のみの動作で作業する場合が多い。この場合、旋回操作ないしは走行操作をしていないにも係わらず、GPS計測値のバラツキによってモニタ画面46a上に表示される油圧ショベル1の画像がふらつくと、位置合わせをするのが難しくなり、位置関係の誤認をする等の作業効率の低下を招くことになる。
In actual work such as excavation, a work machine such as a hydraulic excavator often works by operating only the front work machine 4 with the vehicle body (the
例えば、法面掘削作業では、モニタ画面46aに表示された目標地形(目標法面)とバケットシンボルを見ながら目標地形に対するバケットの位置関係を確認し、目標地形(目標法面)を形成するようバケット7を操作して掘削を行う。このような作業において、モニタ画面46a上に油圧ショベル1の画像がふらついて表示されると、位置合わせに時間が掛かったり、目標地形とは違う箇所を掘削してしまう可能性がある。
For example, in the slope excavation work, the positional relationship of the bucket with respect to the target terrain is confirmed while looking at the target terrain (target slope) displayed on the monitor screen 46a and the bucket symbol, and the target terrain (target slope) is formed. Excavation is performed by operating the bucket 7. In such an operation, if the image of the
また、油圧ショベル移動後の現在位置の確認作業では、油圧ショベルを走行移動させた後の停止時に、現在の油圧ショベルの周囲地形に対する位置関係をモニタ画面46aに表示された地形データと油圧ショベルシンボルとにより確認し把握する。この場合も、モニタ画面46a上に油圧ショベル1の画像がふらついて表示されると、周囲地形に対する位置関係の確認に時間が掛かったり、目標とは違う場所で停止してしまう可能性がある。
Further, in the work for confirming the current position after moving the excavator, when the excavator is moved and stopped, the positional relationship of the current excavator with respect to the surrounding terrain is displayed on the monitor screen 46a and the excavator symbol. Confirm and grasp by. In this case as well, if the image of the
本実施の形態では、上記のように、油圧ショベル1が旋回動作しているか否か、或いは油圧ショベル1が走行動作をしているか否かを判定し(ステップS53)、油圧ショベル1が旋回、走行のどちらの動作もしていない場合は、グローバル座標系Σ0での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3に対して、モニタ表示における変動を抑えることを目的とした、比較的低いカットオフ周波数(例えば1Hz)を用いたローパスフィルタリング処理を行う(ステップS55)。これにより油圧ショベル1が停止もしくはフロント作業機4のみ動作している場合の油圧ショベル1の位置及び姿勢の演算結果のバラツキが低減し、表示のふらつきを低減させることができるため、上記のような法面掘削作業や油圧ショベル移動後の現在位置の確認作業において、モニタ画面46aにおける視認性が向上し、バケット刃先の位置合わせや周囲地形との位置関係の確認・把握が容易となり、作業効率を向上させることができる。
In the present embodiment, as described above, it is determined whether or not the
ここで、ローパスフィルタリング処理において、カットオフ周波数を低く設定した場合は演算結果及び表示の追従性が低下する。しかし、車体(下部走行体2及び上部旋回体3)が静止させて行う作業では、演算結果及び表示の追従性の低下に伴う悪影響は生じにくく、表示のふらつきが低減することによる視認性の向上によるメリットの方が大きい。
Here, in the low-pass filtering process, when the cut-off frequency is set low, the calculation result and the display followability deteriorate. However, in the work performed with the vehicle body (the
一方、走行中或いは旋回中など、車体(下部走行体2及び上部旋回体3)を動かした状態で行う作業では、車体(下部走行体2及び上部旋回体3)が静止した状態で行う作業と同様に低いカットオフ周波数(例えば1Hz)を用いてローパスフィルタリング処理を行うと、位置と姿勢に関する演算結果及び表示の追従性が低下し、モニタ画面46a上の表示に遅れが生じるため、周囲の地形に対する作業機械(車体)の位置関係の把握に遅れが生じ、作業効率が低下してしまう。
On the other hand, in an operation performed while the vehicle body (the
例えば、走行中の位置確認作業は、油圧ショベル1の走行中に、油圧ショベル1と周囲地形の位置関係をモニタ画面46aに表示された地形データと油圧ショベルシンボルとにより確認し把握する。また、旋回作業では、上部旋回体3の旋回中に、フロント作業機4と周囲地形との位置関係をモニタ画面46aに表示された地形データと油圧ショベルシンボルとにより確認し把握する。この場合、モニタ画面46a上の表示に遅れが生じると、周囲地形に対する実際の油圧ショベル1或いはフロント作業機4の位置関係と表示上の位置関係とにずれが生じてしまい、走行中或いは旋回中における目標地形(周囲地形)との位置合わせ性が低下する。
For example, during the traveling of the
本実施の形態では、上記のように、油圧ショベル1が旋回動作しているか否か、或いは油圧ショベル1が走行動作をしているか否かを判定し(ステップS53)、油圧ショベル1が旋回動作ないしは走行動作をしている場合は、グローバル座標系Σ0での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3に対して、ノイズ成分の除去を目的とした、比較的高いカットオフ周波数(例えば5Hz)のローパスフィルタリング処理を行う(ステップS54)。これにより旋回中ないし走行中の演算結果及び表示の追従性が向上するため、上記のような走行中の位置確認作業や旋回作業において、油圧ショベル1と周囲地形との位置関係を遅れなく把握でき、油圧ショベル1と目標地形との位置合わせ性が向上し、ひいては作業効率を向上させることができる。
In the present embodiment, as described above, it is determined whether or not the
また、走行中、旋回中の作業でも表示のふらつきが問題となる場合がある。例えば、細い一本道を移動するような走行中は、表示がふらつくと作業機械が道の外にはみ出して表示されてしまう。本実施の形態では、走行中或いは旋回中であっても、ノイズ成分の除去を目的とした、比較的高いカットオフ周波数(例えば5Hz)のローパスフィルタリング処理を行うので、表示の追従性を確保しつつ、表示のふらつきもある程度低減し、作業機械が目標地形(道)に対する表示性も向上させることができる。 In addition, the display wobbling may be a problem even when the vehicle is running or turning. For example, during traveling such as moving on a thin single road, if the display fluctuates, the work machine will be displayed outside the road. In this embodiment, even when the vehicle is running or turning, low-pass filtering processing with a relatively high cutoff frequency (for example, 5 Hz) is performed for the purpose of removing noise components, thereby ensuring display followability. However, the display wobbling can be reduced to some extent, and the work machine can also improve the display performance with respect to the target landform (road).
以上のように本実施の形態によれば、作業機械の3次元空間での位置と姿勢及び当該作業機械に設定されたモニタポイントの絶対位置を演算し、その演算結果に基づいて作業機械の画像を表示する際に、作業機械の車体が静止した状態にあるときは表示のふらつきを低減し、作業機械の車体が静止した状態にないときは表示の追従性の低下を抑え、ひいては作業効率を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the position and orientation of the work machine in the three-dimensional space and the absolute position of the monitor point set on the work machine are calculated, and the image of the work machine is calculated based on the calculation result. When the machine body of the work machine is stationary, the display fluctuation is reduced.When the machine body of the work machine is not stationary, the decrease in the follow-up performance of the display is suppressed. Can be improved.
図9は、本発明の位置計測システムの他の実施の形態におけるローパスフィルタリング処理の詳細を示すフローチャート図である。この図9において、図8のステップの符号と同符号のものは同一のステップである。 FIG. 9 is a flowchart showing details of low-pass filtering processing in another embodiment of the position measurement system of the present invention. In FIG. 9, the same reference numerals as those in FIG. 8 denote the same steps.
この実施の形態は、本発明の位置計測システムの一実施の形態を構成する車載コンピュータ46の演算処理手順中のローパスフィルタリング処理における作業機械の移動(車体の走行若しくは上部旋回体の旋回)の有無の判定処理を、2個のGPSアンテナ31,32の位置の移動量に基づいて行うようにしたものである。即ち、図9において、車載コンピュータ46において、GPSアンテナ31のグローバル座標系での位置(OP1)の1サイクル前の値と現在の値とからその移動距離L1を求める(ステップS51)。
In this embodiment, whether or not the work machine moves (runs the vehicle body or turns the upper-part turning body) in the low-pass filtering process during the calculation processing procedure of the in-
次に、GPSアンテナ32のグローバル座標系での位置(OP2)の1サイクル前の値と現在の値とからその移動距離L2を求める(ステップS52)。
Next, the movement distance L2 is obtained from the value one cycle before the position (OP2) in the global coordinate system of the
次に、移動距離L1,L2が、それぞれ閾値以上か否かを比較し油圧ショベル1が旋回動作しているか否か、或いは油圧ショベル1が走行動作をしているか否かを判定する(ステップS53)。ここで、それぞれの閾値は、RTK−GPSのFIX状態での計測精度(例えば、2cm)を設定する。ここで、この閾値は、上部旋回体3が動き出す値と、下部走行体2が動き出す値である。このような閾値を用いてステップS53の判定を行うことにより、油圧ショベル1が旋回動作しているか否か、或いは油圧ショベル1が走行動作をしているか否かを判定することができる。
Next, whether or not the movement distances L1 and L2 are equal to or greater than a threshold value is compared to determine whether or not the
その後は、前述した図8に示す処理と同様に、ステップS53の判定結果が真(油圧ショベル1が旋回動作ないしは走行動作をしている)の場合は、ステップS54へ移行し、グローバル座標系Σ0での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3に対して、ノイズ成分の除去を目的とした、比較的高いカットオフ周波数(例えば5Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより、旋回中ないし走行中の演算結果及び表示の追従性を向上することができる。
Thereafter, similarly to the process shown in FIG. 8 described above, if the determination result in step S53 is true (the
また、ステップS53の判定結果が偽(油圧ショベル1が旋回、走行のどちらの動作もしていない)の場合は、ステップS55へ移行し、グローバル座標系Σ0での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3に対して、モニタ表示における変動を抑えることを目的とした、比較的低いカットオフ周波数(例えば1Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより、作業機械が停止もしくはフロント作業機4のみ動作している場合の演算結果のバラツキが低減し、表示のふらつきを低減させることができる。
If the determination result in step S53 is false (the
この実施の形態によれば、前述した実施の形態と同様に作業機械の車体が静止した状態にあるときは表示のふらつきを低減し、作業機械の車体が静止した状態にないときは表示の追従性の低下を抑え、ひいては作業効率を向上させることができる。また、作業機械の動作状態を検出する検出器からの信号を取り込む必要がないので、そのための配線附設を省略することができる。 According to this embodiment, as in the above-described embodiment, the display fluctuation is reduced when the vehicle body of the work machine is stationary, and the display is followed when the vehicle body of the work machine is not stationary. It is possible to suppress the deterioration of the performance and to improve the work efficiency. Further, since it is not necessary to take in a signal from a detector that detects the operating state of the work machine, it is possible to omit wiring for that purpose.
なお、以上述べた実施の形態は、本発明の精神の範囲内で種々の変形が可能である。以下に変形例の幾つかを説明する。 The embodiment described above can be variously modified within the spirit of the present invention. Some of the modifications will be described below.
<変形例1>
上記実施の形態では、図6に示した車載コンピュータ46の演算処理手順のうち、ステップS50のローパスフィルタリング処理では、図8及び図9に示すように、油圧ショベル1が旋回動作しているか否か、或いは油圧ショベル1が走行動作をしているか否かを判定し(ステップS53)、その判定結果が真(油圧ショベル1が旋回動作ないしは走行動作をしている)の場合は、グローバル座標系Σ0での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3に対して、ノイズ成分の除去を目的とした、比較的高いカットオフ周波数(例えば5Hz)のローパスフィルタリング処理を行った(ステップS54)。
<
In the above embodiment, in the low-pass filtering process of step S50 in the calculation processing procedure of the in-
しかし、このステップS54の処理では、ローパスフィルタリング処理を行わず、グローバル座標系Σ0での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3をそのまま図6のステップS80において用い、グローバル座標系Σ0でのバケット先端位置0P7を求めてもよい。 However, in the process of step S54, the low-pass filtering process is not performed, and the value 0Σ3 of the upper swing body coordinate system Σ3 in the global coordinate system Σ0 is used as it is in step S80 of FIG. 6, and the bucket tip position in the global coordinate system Σ0 is used. 0P7 may be obtained.
本発明においてローパスフィルタリング処理(平滑処理)を行う主たる目的は、車体(下部走行体2及び上部旋回体3)を静止させ、フロント作業機4のみの動作で作業する場合など、車体が静止した状態あるときの車載コンピュータ46のモニタ画面46a上に表示される油圧ショベルの画像のふらつきの防止である。本変形例においても、図8のステップS55において、油圧ショベル1が旋回、走行のどちらの動作もしていない(車体が静止した状態ある)場合に、グローバル座標系Σ0での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3に対して、モニタ表示における変動を抑えることを目的とした、比較的低いカットオフ周波数(例えば1Hz)のローパスフィルタリング処理を行うことにより、演算結果及び表示のバラツキを低減することができ、当該目的を果たすことができる。また、油圧ショベル1が旋回動作ないしは走行動作をしている(車体が静止した状態にない)場合は、ローパスフィルタリング処理を行わないことにより、演算結果及び表示の追従性を向上することができる。
In the present invention, the main purpose of performing the low-pass filtering process (smoothing process) is a state in which the vehicle body is stationary, such as when the vehicle body (the
<変形例2>
上記実施の形態では、図6に示した車載コンピュータ46の演算処理手順のうちステップS50において、グローバル座標系Σ0での上部旋回体座標系Σ3の値0Σ3に対してローパスフィルタリング処理を行った(ステップS54,S55)。しかし、ローパスフィルタリング処理は平滑処理の一例であり、他の平滑処理を行ってもよい。他の平滑処理としては、例えば移動平均処理がある。移動平均処理は、サンプリングを行う度に、その回のサンプリングデータを含めた過去の予め決められたサンプル数分のデータを平均し、現在のデータとして使用することにより演算値の平滑化を行う処理であり、平均するサンプリング数を増減することにより、平滑度を変えることができる。
<
In the above embodiment, the low-pass filtering process is performed on the value 0Σ3 of the upper swing body coordinate system Σ3 in the global coordinate system Σ0 in step S50 in the calculation processing procedure of the in-
例えば、高い平滑度を必要としない旋回中或いは走行中(車体が静止状態にないとき)は、サンプル数を少なくし(例えば2個程度)、高い平滑度を必要とする旋回中又は走行中以外の場合(車体が静止状態にあるとき)は、サンプル数を多くし(例えば10個程度)、それぞれ、サンプル数分のデータを平均し、現在のデータとして使用する。これにより油圧ショベル1の車体が静止した状態にないときよりも静止した状態にあるときの方が、平滑度が高くなるよう平滑処理を行うことができ、車体が静止した状態あるときは、車載コンピュータ46のモニタ画面46a上に表示される油圧ショベルの画像のふらつきを防止し、車体が静止した状態にないときは、演算結果及び表示の追従性を向上することができる。
For example, during turning or running that does not require high smoothness (when the vehicle body is not stationary), the number of samples is reduced (for example, about 2), and other than turning or running that requires high smoothness In the case of (when the vehicle body is stationary), the number of samples is increased (for example, about 10), and the data corresponding to the number of samples is averaged and used as current data. As a result, the smoothing process can be performed so that the smoothness is higher when the body of the
なお、この場合も、車体が静止した状態にないときは、平滑処理(移動平均処理)を行わなくてもよい。 In this case as well, when the vehicle body is not stationary, smoothing processing (moving average processing) may not be performed.
<変形例3>
上記の実施の形態では、本発明を油圧ショベルの位置計測システムに適用したが、車体を備えたものであれば他の作業機械にも適用することができる。車体を備えた他の作業機械としては例えばホイール式ショベル、クレーン車両、ホイールローダ、ブルドーザ、テレハンドラー、地雷処理機等がある。ホイール式ショベル、クレーン車両等は油圧ショベルと同様に車体に旋回台を備えており、油圧ショベルに適用した場合と同等の効果が得られる。ホイールローダ、ブルドーザ、テレハンドラー等は旋回台を備えていないが、非走行作業時に平滑度の高い平滑処理を行うことにより表示のふらつきを防止することができ、作業効率を向上させることができる。地雷処理機としては、例えば特開2004−239566号公報に記載のような油圧ショベルを改造したものが知られており、このような地雷処理機の位置計測システムに本発明を適用することにより、モニタ画面の表示のふらつきが防止され、表示を見ながら車体静止時の地雷撤去作業を適切かつ安全に行うことができる。
<Modification 3>
In the above embodiment, the present invention is applied to the position measurement system of a hydraulic excavator. However, the present invention can also be applied to other work machines as long as the vehicle body is provided. Examples of other work machines equipped with a vehicle body include a wheeled excavator, a crane vehicle, a wheel loader, a bulldozer, a telehandler, and a mine disposal machine. A wheeled excavator, a crane vehicle, etc. have a swivel on the vehicle body in the same way as a hydraulic excavator, and the same effect as when applied to a hydraulic excavator can be obtained. Wheel loaders, bulldozers, telehandlers, etc. do not have a swivel, but display smoothing can be prevented by performing smoothing processing with high smoothness during non-traveling work, and work efficiency can be improved. As a landmine disposer, for example, a modified hydraulic excavator as described in JP-A-2004-239666 is known, and by applying the present invention to such a landmine disposer position measurement system, Fluctuation of the display on the monitor screen is prevented, and landmine removal work can be performed appropriately and safely when the vehicle is stationary while viewing the display.
図10乃至図13は、本発明の作業機械の位置計測システムの一実施の形態をホイルローダに適用した例を示すもので、図10は、本実施の形態に係わる位置計測システムを搭載したホイールローダの外観を示す図である。この図10において、101はホイールローダであり、ホイールローダ101は、車体102と、この車体12に設けた運転室103と、車体102の側部に設けたタイヤ104(104FL:前左、104FR:前右、104RL:後左、104RR:後右)と、車体101の後部側に設けたフロント作業機105とから構成されている。
10 to 13 show an example in which one embodiment of the position measurement system for a work machine according to the present invention is applied to a wheel loader. FIG. 10 shows a wheel loader equipped with the position measurement system according to this embodiment. It is a figure which shows the external appearance. In FIG. 10,
フロント作業機105は、フロント作業機の先端に設けられたアーム106と、アーム106の先端に回動可能に設けられたバケット107と、アーム106とバケット107をそれぞれ回動動作するためのシリンダ108、109とから構成され、フロント作業機105は車体102に対してシリンダ110(図示せず)により回動可能になっている。
The
ここで、アーム106は、左右一対のアーム106L(左側)と106R(右側)からなり、アーム106を回動動作させるシリンダ18もそれぞれ108L(左側)と108R(右側)で構成される。また、バケット107は、シリンダ109によりベルクランク110を介して回動動作される。
Here, the arm 106 includes a pair of left and right arms 106L (left side) and 106R (right side), and the cylinder 18 that rotates the arm 106 is also configured by 108L (left side) and 108R (right side), respectively. The
また、ホイールローダ101には、トランスミッションに組み込まれた車速を計測する車速センサ111(図示せず、後述する)と、車体102とフロント作業機105との回動角(ステアリング角度)を検出する角度センサ112(図示せず)と、フロント作業機105とアーム106との回動角(アーム角度)を検出する角度センサ113と、アーム106とバケット107との回動角(バケット角度)を検出する角度センサ114と、車体102の前後方向の傾斜角(ピッチ角度)を検出する傾斜センサ115(図示せず)とが設けられている。
Further, the
更に、ホイールローダ101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を受信するための無線アンテナ33と、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。
Furthermore, the
図11は、ホイールローダ101に搭載した本発明の作業機械の位置計測システムの一実施の形態の全体構成を示すブロック図である。この図11において、図10及び図2の符号と同符号のものは、同一または相当する部分である。
図11において、200は本発明に係わる位置計測システムであり、基準局からの補正データをアンテナ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1025,1026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1025,1026の3次元位置をリアルタイムに計測するGPS受信機31,32、このGPS受信機31,32からの位置データとフロント作業機105の角度センサ112〜114、傾斜センサ115からの角度データを入力し、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、ホイールローダ101の位置及び姿勢やバケット107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。
FIG. 11 is a block diagram showing an overall configuration of an embodiment of a position measurement system for a work machine according to the present invention mounted on a
In FIG. 11,
ここで、48はICカードであり、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, 48 is an IC card, which stores original terrain data, target terrain data, etc. of the work range planned by the server computer, and the operator connects the
なお、この実施の形態におけるホイールローダ101の位置及び姿勢やバケット107の先端(モニタポイント)の位置の座標系や演算手順に関しては、車体102部分までを考えればよく、図4における下部走行体をタイヤ、上部旋回体を車体、上部旋回体座標系Σ3を車体座標系Σ3と言葉を置き換えれば、同様に演算可能であるので、その説明は省略する。
In addition, regarding the coordinate system and calculation procedure of the position and posture of the
図12は、ローパスフィルタリング処理の詳細を示すフローチャートである。
この図12において、図8と同符号のものは同一のステップである。まず、車速センサ111で計測される車体速度BDvを読み込む(ステップS121)。
FIG. 12 is a flowchart showing details of the low-pass filtering process.
In FIG. 12, the same reference numerals as those in FIG. 8 denote the same steps. First, the vehicle body speed BDv measured by the vehicle speed sensor 111 is read (step S121).
次いで、車体速度BDvが第1閾値以上かどうかが判定される(ステップS122)。 Next, it is determined whether the vehicle body speed BDv is equal to or higher than the first threshold value (step S122).
ここで、第1閾値は例えば10km/hを設定する。このような閾値を用いてステップS122の判定を行うことにより、ホイールローダ1001が高速で走行をしているか否かを判定することができる。 Here, the first threshold is set to 10 km / h, for example. By performing the determination in step S122 using such a threshold value, it can be determined whether or not the wheel loader 1001 is traveling at a high speed.
ステップS122の判定結果が真(ホイールローダ101が高速で走行をしている)の場合は、ステップS121へ移行し、グローバル座標系Σ0での車体座標系Σ3の値0Σ3に対して、ノイズ成分の除去を目的とした、比較的高いカットオフ周波数(例えば5Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより、高速走行中の演算結果及び表示の追従性を向上することができる。
If the determination result in step S122 is true (the
また、ステップS122の判定結果が偽(ホイールローダ101が高速走行していない)の場合は、ステップS123へ移行し、車体速度BDvが第2閾値以上かどうかが判定される。
If the determination result in step S122 is false (the
ここで、第2閾値は例えば0.1km/hを設定する。このような閾値を用いてステップS1304の判定を行うことにより、ホイールローダ1が低速で走行しているか否かを判定することができる。
Here, the second threshold is set to 0.1 km / h, for example. By performing the determination in step S1304 using such a threshold value, it can be determined whether or not the
ステップS123の判定結果が真(ホイールローダ101が低速で走行をしている)の場合は、ステップS124へ移行し、グローバル座標系Σ0での車体座標系Σ3の値0Σ3に対して、ノイズ成分の除去を目的とした、中程度のカットオフ周波数(例えば3Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより、低速走行中の演算結果及び表示の追従性を向上することができる。
If the determination result in step S123 is true (the
また、ステップS123の判定結果が偽(ホイールローダ101が走行していないもしくは走行していても極低速)の場合は、ステップS125へ移行し、グローバル座標系Σ0での車体座標系Σ3の値0Σ3に対して、モニタ表示における変動を抑えることを目的とした、比較的低いカットオフ周波数(例えば1Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより、作業機械が走行していない場合の演算結果のバラツキが低減し、表示のふらつきを低減させることができる。
On the other hand, if the determination result in step S123 is false (the
図13は、ローパスフィルタリング処理の詳細を示すフローチャートである。
この図13において、図8と同符号のものは同一のステップである。まず、GPSアンテナ31とGPSアンテナ32の移動距離L1およびL2をそれぞれ、グローバル座標系での位置0P1の1サイクル前の値と現在の値、グローバル座標系での位置0P2の1サイクル前の値と現在の値とから求める(ステップS51,S52)。
FIG. 13 is a flowchart showing details of the low-pass filtering process.
In FIG. 13, the same reference numerals as those in FIG. 8 denote the same steps. First, the movement distances L1 and L2 of the
次いで、移動距離L1およびL2がそれぞれ第1閾値以上かどうかが判定される(ステップS131)。 Next, it is determined whether or not the movement distances L1 and L2 are each greater than or equal to the first threshold (step S131).
ここで、第1閾値は例えば数10cmを設定する。このような閾値を用いてステップS131の判定を行うことにより、ホイールローダ101が高速で走行をしているか否かを判定することができる。
Here, the first threshold is set to several tens of centimeters, for example. By performing the determination in step S131 using such a threshold value, it is possible to determine whether or not the
ステップS131の判定結果が真(ホイールローダ101が高速で走行をしている)の場合は、ステップS54へ移行し、グローバル座標系Σ0での車体座標系Σ3の値0Σ3に対して、ノイズ成分の除去を目的とした、比較的高いカットオフ周波数(例えば5Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより、高速走行中の演算結果及び表示の追従性を向上することができる。
If the determination result in step S131 is true (the
また、ステップS131の判定結果が偽(ホイールローダ101が高速走行していない)の場合は、ステップS132へ移行し、移動距離L1およびL2がそれぞれ第2閾値以上かどうかが判定される。
If the determination result in step S131 is false (the
ここで、第2閾値は、RTK−GPSのFIX状態での計測精度(例えば2cm)を設定する。このような閾値を用いてステップS132の判定を行うことにより、ホイールローダ1が低速で走行しているか否かを判定することができる。
Here, the second threshold value sets the measurement accuracy (for example, 2 cm) in the RTK-GPS FIX state. By performing the determination in step S132 using such a threshold value, it is possible to determine whether or not the
ステップS132の判定結果が真(ホイールローダ101が低速で走行をしている)の場合は、ステップS133へ移行し、グローバル座標系Σ0での車体座標系Σ3の値0Σ3に対して、ノイズ成分の除去を目的とした、中程度のカットオフ周波数(例えば3Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより、低速走行中の演算結果及び表示の追従性を向上することができる。
If the determination result in step S132 is true (the
また、ステップS132の判定結果が偽(ホイールローダ101が走行していないもしくは走行していても極低速)の場合は、ステップS134へ移行し、グローバル座標系Σ0での車体座標系Σ3の値0Σ3に対して、モニタ表示における変動を抑えることを目的とした、比較的低いカットオフ周波数(例えば1Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより、作業機械が走行していない場合の演算結果のバラツキが低減し、表示のふらつきを低減させることができる。
On the other hand, if the determination result in step S132 is false (the
この実施の形態によれば、上記のように、ホイールローダ101が走行(低速。高速判定含む)しているか否かを判定し、ホイールローダ101が走行していない場合は、グローバル座標系Σ0での車体座標系Σ3の値0Σ3に対して、モニタ表示における変動を抑えることを目的とした、比較的低いカットオフ周波数(例えば1Hz)を用いたローパスフィルタリング処理を行う。これによりホイールローダ101が走行していない場合のホイールローダ101の位置及び姿勢の演算結果のバラツキが低減し、表示のふらつきを低減させることができるため、モニタ画面46aにおける視認性が向上し、バケット刃先の位置合わせや周囲地形およびダンプトラックなどの周辺機械との位置関係の確認・把握が容易となり、作業効率を向上させることができる。
According to this embodiment, as described above, it is determined whether or not the
また、ホイールローダ101が低速で走行している場合は、グローバル座標系Σ0での車体座標系Σ3の値0Σ3に対して、ノイズ成分の除去を目的としながらもモニタ表示における変動もある程度抑えることを目的とした、中程度のカットオフ周波数(例えば3Hz)を用いたローパスフィルタリング処理を行う。これによりホイールローダ1001が低速で走行している場合のホイールローダ101の位置及び姿勢の演算結果のバラツキや表示のふらつきをある程度低減させるとともに、演算や表示の追従性もある程度確保できるため、例えばダンプトラックへの接近時などの位置関係の確認・把握が容易となり、作業効率を向上させることができる。
Further, when the
また、ホイールローダ101が走行をしている場合は、グローバル座標系Σ0での車体座標系Σ3の値0Σ3に対して、ノイズ成分の除去を目的とした、比較的高いカットオフ周波数(例えば5Hz)のローパスフィルタリング処理を行う。これにより走行中の演算結果及び表示の追従性が向上するため、走行中の位置確認作業において、ホイールローダ101と周囲地形との位置関係を遅れなく把握でき、ホイールローダ101と目標地形との位置合わせ性が向上し、ひいては作業効率を向上させることができる。
Further, when the
なお、この実施の形態においても、前述した変形例1,2を適用し得ることは、勿論である。 Of course, in this embodiment, the first and second modifications can be applied.
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
26 旋回角度センサ
27 旋回パイロット圧力センサ
28 走行パイロット圧力センサ
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
47
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