JP2008002842A - Method and device for measuring attitude of working machine - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、油圧ショベル、ブルドーザ、リフティングマグネット仕様のマテリアル・ハンドリング装置等の作業機械の姿勢計測方法及び計測装置に関する。 For example, the present invention relates to a posture measuring method and a measuring device of a work machine such as a hydraulic excavator, a bulldozer, a material handling device of a lifting magnet specification, and the like.
特許文献１に、走行式の建設機械の位置計測システムが開示されている。この計測システムは、図４に示されるように、油圧ショベル１に、ブーム１１の角度、アーム１２の角度、バケット１３の角度を検出する角度センサ２１、２２、２３、上部旋回体（作業機械の本体）３の前後方向の傾斜角を検出する傾斜センサ２４を組み込み、更に、２個のＧＰＳアンテナ３１、３２、ＧＰＳ受信機（図示略）、基準局からの補正データを無線アンテナ３３、３４を介して受信する無線機（図示略）、及び位置データを送信する無線アンテナ３５を組み込むようにしている。パネルコンピュータ（図示略）は、ＧＰＳ受信機からの位置データと上記の各種センサ２１〜２４からの角度データとに基づき、油圧ショベル１のバケット１３の先端（モニタポイント）の位置を演算する。
Patent Document 1 discloses a position measurement system for a traveling construction machine. As shown in FIG. 4, this measurement system includes an excavator 1,
しかしながら、この位置計測システムは、油圧ショベル１の基本的な姿勢を計測するために、ＧＰＳ装置を含む多くの機材やセンサを必要とし、装置が複雑であり、コストが高いという問題があった。 However, this position measurement system requires a lot of equipment and sensors including a GPS device in order to measure the basic attitude of the hydraulic excavator 1, and has a problem that the device is complicated and expensive.
また、角度センサ２１、２２、２３等を予め決められた取付位置に取付けなければならないという大きな問題があった。予め決められた取付位置に正確にセンサを取り付けるには、設計の段階から当該取付位置に予めタップ穴などを開けておかなければならない。この配慮のなされていない作業機械に対して、事後的に、現場において取付けるべき位置を確定して取付けるのは、物理的な取付技術と取付位置に関する相応の知識との双方が要求される作業となり、現実には必ずしも簡易とは言えない作業となる。そのため、既存の作業機械への適用が難しいという問題があったものである。自動制御系の開発に当たって、既存の多くの種類の作業機械の挙動に関するデータを数多く収集したい場合など、開発のためのシミュレーションのために、既存の作業機械に姿勢計測系を付設したいという要求は少なくない。しかしながら、従来の姿勢計測システムは、既存の作業機械への付設は、多くの困難を伴うことが多いというのが実情であった。
In addition, there is a big problem that the
本発明は、このような事情を考慮して開発されたもので、低コストで、且つ事前及び事後のいずれの場合においても、姿勢計測実施のための具体的な前作業が容易な作業機械の姿勢計測方法あるいは装置を提供することその課題としている。 The present invention has been developed in view of such circumstances, and is a low cost and a work machine that can easily perform a specific pre-work for posture measurement in both the pre- and post- cases. It is an object of the present invention to provide a posture measuring method or apparatus.
本発明は、旋回が可能な作業機械の姿勢を計測する方法において、前記センサとして傾斜センサを作業機械の計測しようとする被測定体上に配置する手順と、前記作業機械の旋回時における前記傾斜センサの出力情報を得る手順と、該旋回時における傾斜センサの出力情報を利用して、前記被測定体の運転中の傾斜角を含む姿勢を求める手順と、を含むことにより、上記課題を解決したものである。 The present invention relates to a method for measuring a posture of a work machine capable of turning, a procedure of disposing an inclination sensor as the sensor on a measured object to be measured by the work machine, and the inclination when the work machine is turned. The above-mentioned problem is solved by including a procedure for obtaining sensor output information and a procedure for obtaining a posture including the tilt angle during operation of the measured object using the output information of the tilt sensor during the turning. It is a thing.
本発明においては、作業機械の運転中の姿勢を計測するに当たって、そのセンサとして「傾斜センサ」を採用している。本発明によれば、基本的に「傾斜センサのみ」で作業機械の運転中の姿勢、特に、最も重要な被測定体の傾斜角を計測可能である。 In the present invention, a “tilt sensor” is employed as the sensor for measuring the posture of the work machine during operation. According to the present invention, the posture during operation of the work machine, in particular, the most important tilt angle of the measured object can be measured by “only the tilt sensor”.
傾斜センサは、従来、作業機械の本体、あるいはメンバ（例えば、ブーム、アーム、バケットなど）の「静的な角度」を計測するために用いられており、作業機械の運転中の姿勢、特に、メンバの運転中の傾斜角を計測するためのセンサとしては用いられていない。それは、傾斜センサがその構造上、メンバに掛かる遠心力の影響を受けてしまうためである。そのため、もし、実際に傾斜センサを作業機械の運転中の姿勢計測に適用する場合には、例えば、特開平５−３１９７８５号公報で開示されているように、旋回角をポテンショメータにより検出して、旋回の遠心力により発生するモーメントを考慮するというような補正作業が必須であった。 Inclination sensors are conventionally used to measure the “static angle” of the main body or member of a work machine (eg, boom, arm, bucket, etc.), It is not used as a sensor for measuring the tilt angle of a member during operation. This is because the tilt sensor is affected by the centrifugal force applied to the member due to its structure. Therefore, if the tilt sensor is actually applied to posture measurement during operation of the work machine, for example, as disclosed in JP-A-5-319785, the turning angle is detected by a potentiometer, Correction work such as taking into account the moment generated by the centrifugal force of rotation was essential.
一般に、旋回による遠心力の把握には、ポテンショメータ等の別途のセンサを必要とするだけでなく、遠心力は、旋回軸からの距離（即ちセンサの取り付け位置）が既知でないと求められず、この距離が動的に変化するため、補正には多大な工夫とコンピュータの演算力を必要とした。 In general, grasping the centrifugal force by turning requires not only a separate sensor such as a potentiometer, but also the centrifugal force cannot be obtained unless the distance from the turning axis (that is, the sensor mounting position) is known. Since the distance changes dynamically, the correction requires a great deal of ingenuity and computer computing power.
しかし、本発明では、この傾斜センサにおける「旋回の遠心力の影響を受けるという弱点」を逆に捉え、作業本体の旋回によって発生する遠心力を「姿勢計測のための有益な情報」として積極的に利用するようにしている。 However, in the present invention, the “weakness of being affected by the centrifugal force of the turning” in the tilt sensor is conversely captured, and the centrifugal force generated by the turning of the work body is actively used as “useful information for posture measurement”. I am trying to use it.
具体的な計測方法は、後に詳述するが、本発明では、被計測体（例えばブーム）に複数（場合によっては１個）の傾斜センサを任意の位置に取付けるだけで、作業本体の旋回の遠心力による影響を取り除いて被計測体の重力方向に対する角度（傾斜角）を正確に求めることができる。被計測体の傾斜角が求められれば（これだけでも十分な場合が多いが）、被計測体の長さは、設計上既知であるから、その先端（モニタポイント）の高さ等を演算によって容易に求めることもできる。 Although a specific measuring method will be described in detail later, in the present invention, by simply attaching a plurality of (in some cases, one) tilt sensors to a measured object (for example, a boom) at an arbitrary position, the rotation of the work body can be performed. The angle (inclination angle) with respect to the direction of gravity of the measurement object can be accurately obtained by removing the influence of the centrifugal force. If the tilt angle of the measured object is required (this is often sufficient), the length of the measured object is known by design, so the tip (monitor point) height, etc. can be easily calculated You can also ask for.
本発明においては、既知の情報が何もないときに基本的に必須なのは、旋回軸から距離の異なる３点に配置した３つの傾斜センサの出力情報と、該３つの傾斜センサ間の距離の情報である。計測に当たって基本的に必要な入力情報はこれだけである。 In the present invention, when there is no known information, what is basically essential is the output information of the three tilt sensors arranged at three points different from the pivot axis and the information of the distance between the three tilt sensors. It is. This is the only input information necessary for measurement.
後述するように、既に何らかの既知の情報や特有の条件が別途あるときは、この既知の情報や条件を取り込むことにより一層容易に姿勢計測系を構築できる。 As will be described later, when there is some known information or specific conditions, the posture measurement system can be constructed more easily by taking in the known information and conditions.
なお、本発明では、（必要に応じて）作業機械の本体の旋回角速度と旋回軸から傾斜センサまでの距離をも同時に算出することもできる（後述）。 In the present invention, the turning angular velocity of the main body of the work machine and the distance from the turning axis to the tilt sensor can be calculated at the same time (as will be described later).
本発明によれば、低コストで、且つ事前及び事後のいずれの場合においても、姿勢計測実施のための具体的な前作業が容易な姿勢計測が可能となる。 According to the present invention, it is possible to perform posture measurement at a low cost and easy for a specific pre-operation for performing posture measurement in both the pre- and post- cases.
以下、図面に基づいて本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail based on the drawings.
発明の性質上、構成とその作用とが不離一体の関係にあるため、ここでは敢えてこれらを分離することなく総合的に説明してゆくこととする。また、計測しようとする作業機械自体については、特に本発明の特徴を構成するものではないため、便宜上、図４を用いて既に説明した油圧ショベル（作業機械）１に関して付した符号を適宜援用して用いることとする。 Because of the nature of the invention, the configuration and its action are inseparably integrated, so here they will be described comprehensively without being separated. Further, the work machine itself to be measured does not particularly constitute the feature of the present invention, and therefore, for convenience, the reference numerals used for the hydraulic excavator (work machine) 1 already described with reference to FIG. Will be used.
本発明を適用して、例えば油圧ショベル１のブーム（被計測体）１１の傾斜角θを計測したい場合、第１の実施形態としては、図１に示されるように、該ブーム１１の任意の位置に一直線上に並ばない関係に（すなわち三角形Ｔの頂点相当位置に）３個の傾斜センサＳ１〜Ｓ３を配置する。その上で、この配置した３個の傾斜センサＳ１〜Ｓ３間の距離（三角形Ｔの各辺Ｔ１〜Ｔ３の長さ）Ｌ１〜Ｌ３を計測し、情報として入手しておく。この実施形態において、作業機械の姿勢計測に当たって要求されるハード系の構成は、基本的にこれだけである。 For example, when it is desired to measure the inclination angle θ of the boom (measurement object) 11 of the hydraulic excavator 1 by applying the present invention, as shown in FIG. Three inclination sensors S1 to S3 are arranged so that the positions do not line up in a straight line (that is, at positions corresponding to the vertices of the triangle T). Then, distances (lengths of the sides T1 to T3 of the triangle T) L1 to L3 between the three tilt sensors S1 to S3 arranged are measured and obtained as information. In this embodiment, the hardware configuration required for measuring the posture of the work machine is basically only this.
傾斜センサＳ１〜Ｓ３は、任意の位置に配置できるため、予めブーム１１に傾斜センサＳ１〜Ｓ３を取り付けるためのタップ穴等を形成しておく必要はない。そのため、各傾斜センサＳ１〜Ｓ３は、例えば磁石（図示略）や接着剤等の簡易な固定手段によって現場において素早く取りつけることが可能である。傾斜センサＳ１〜Ｓ３からの傾斜情報は、有線によって図示せぬコンピュータ（演算手段）にまで持ち込んでもよいが、公知の無線装置（図示略）を用いたデータ収集を行うようにすれば、ハード系の構築を一層簡易化することができる。
Since the inclination sensors S1 to S3 can be arranged at arbitrary positions, it is not necessary to form tap holes or the like for attaching the inclination sensors S1 to S3 to the
以下、図２を参照しながら姿勢計測の方法の例を詳細に説明する。 Hereinafter, an example of a posture measurement method will be described in detail with reference to FIG.
なお、以降の説明において、符号ψ１、ψ２、ψ３は傾斜センサＳ１〜Ｓ３の出力（読み値）、ωは油圧ショベル１の旋回角速度、θｏは傾斜センサＳ１〜Ｓ３の配置位置に関係する基準角度、θは基準角度θｏからのブーム１１の傾斜角をそれぞれ示している。なお、基準角度θｏで静止している状態での傾斜センサＳ１〜Ｓ３の値を零とする。
In the following description, reference signs ψ1, ψ2, and ψ3 are outputs (reading values) of the inclination sensors S1 to S3, ω is a turning angular velocity of the hydraulic excavator 1, and θo is a reference angle related to the arrangement position of the inclination sensors S1 to S3. , Θ represents the inclination angle of the
前記基準角度θｏは、ブーム１１の非旋回時において傾斜センサＳ１〜Ｓ３をとりつけたときの位置（図の破線相当位置）において、傾斜センサＳ１〜Ｓ３が形成する三角形Ｔの辺Ｔ１〜Ｔ３のうち、水平線Ｈに最も近い角度を有する辺（図２の例では辺Ｔ３）と該水平線Ｈとが形成する角度である。なお、基準角度θｏを較正するには、姿勢を保持した（即ちθ＝０の）まま旋回し、θ＝０と傾斜センサＳ１〜Ｓ３の出力（読み値）ψ１、ψ２、ψ３を後述の傾斜角θを求める式に代入してその値を求めればよい。なお、この基準角度θｏは、定義より、傾斜センサＳ１〜Ｓ３をブーム１１に配置するときに、もし、傾斜センサＳ１〜Ｓ３の内の２つが「水平」となるように配置したならば、その値が「０」ということになるため、（１０）〜（１２）式からわざわざ求める必要がなくなり、また傾斜角θを求めるための演算自体もより容易とすることができる。
The reference angle θo is the position of the sides T1 to T3 of the triangle T formed by the inclination sensors S1 to S3 at the position when the inclination sensors S1 to S3 are attached when the
なお、３辺の長さＬ１〜Ｌ３が既知の場合、三角形Ｔの３つの角度α１〜α３は、幾何学的に確定するため、演算、幾何学的な実測等の手法により、角度α１〜α３の情報を確保できる。 When the lengths L1 to L3 of the three sides are known, the three angles α1 to α3 of the triangle T are determined geometrically, and therefore the angles α1 to α3 are obtained by a method such as calculation and geometric measurement. Can be secured.
図２を参照しながら、今、傾斜センサＳ１〜Ｓ３の出力ψ１、ψ２、ψ３がどれも等しくなかったとする。この場合、各傾斜センサＳ１〜Ｓ３に発生する遠心力Ｆ１〜Ｆ３を考慮したときの角速度の関係式として（１）〜（３）式が成立する。 Suppose that the outputs ψ1, ψ2, and ψ3 of the inclination sensors S1 to S3 are not equal to each other with reference to FIG. In this case, equations (1) to (3) are established as relational expressions of angular velocities when considering the centrifugal forces F1 to F3 generated in the respective inclination sensors S1 to S3.
ｇ／ｒ１・ｔａｎ(Ψ１）＝ω2 …（１）
ｇ／ｒ２・ｔａｎ(Ψ２）＝ω2 …（２）
ｇ／ｒ３・ｔａｎ(Ψ３）＝ω2 …（３）
g / r1 · tan (Ψ1) = ω 2 (1)
g / r2 · tan (Ψ2) = ω 2 (2)
g / r3 · tan (Ψ3) = ω 2 (3)
ここで、符号Ψ１〜Ψ３は、傾斜センサＳ１〜Ｓ３の各位置における重力加速度ｇと遠心力Ｆ１〜Ｆ３の合成加速度の向きを鉛直方向から測った角度（基準合成角度）であり、傾斜センサＳ１〜Ｓ３は、この基準合成角度Ψ１〜Ψ３の方向を基準（出力０度）としてその時のブーム１１の傾斜を出力する。即ち、傾斜センサＳ１〜Ｓ３の実際の出力（読み値）ψ１、ψ２、ψ３は、それぞれ（４）〜（６）式のようになる。
Here, the symbols ψ1 to ψ3 are angles (reference combined angles) obtained by measuring the direction of the combined acceleration of the gravitational acceleration g and the centrifugal forces F1 to F3 at the respective positions of the inclination sensors S1 to S3 from the vertical direction, and the inclination sensor S1. ~ S3 outputs the inclination of the
ψ１＝θ−Ψ１ …（４）
ψ２＝θ−Ψ２ …（５）
ψ３＝θ−Ψ３ …（６）
ψ1 = θ−ψ1 (4)
ψ2 = θ−ψ2 (5)
ψ3 = θ−ψ3 (6)
今、ｒ２−ｒ１＝δ２１、ｒ３−ｒ１＝δ３１、ｒ３−ｒ２＝δ３２としたときに、該δ２１、δ３１、δ３２を、図２から幾何学的に求めると、（７）〜（９）式が成立する。 Now, when r2-r1 = δ21, r3-r1 = δ31, and r3-r2 = δ32, when δ21, δ31, and δ32 are geometrically determined from FIG. 2, equations (7) to (9) Is established.
δ２１＝ｒ２−ｒ１＝Ｌ３・ｃｏｓ（θｏ＋θ） …（７）
δ３１＝ｒ３−ｒ１＝Ｌ２・ｃｏｓ（θｏ＋θ＋α１） …（８）
δ３２＝ｒ３−ｒ２＝Ｌ１・ｃｏｓ（θｏ＋θ＋π−α２） …（９）
δ21 = r2−r1 = L3 · cos (θo + θ) (7)
δ31 = r3−r1 = L2 · cos (θo + θ + α1) (8)
δ32 = r3−r2 = L1 · cos (θo + θ + π−α2) (9)
以上の各式より重力加速度ｇ、旋回角速度ωを消去して整理し、左辺に傾斜角θの変化に依存するもの、右辺に傾斜角θの変化に依存しないものを纏めると、下記（１０）〜（１２）式が導かれる。 From the above equations, the gravitational acceleration g and the turning angular velocity ω are deleted and arranged, and the left side that depends on the change in the inclination angle θ and the right side that does not depend on the change in the inclination angle θ are summarized as follows (10). Equation (12) is derived.
これらの式を解析的に解くのは極めて困難であるため、３式、即ち（１０）〜（１２）式のいずれかを数値的に解くことによって傾斜角θを求める。 Since it is extremely difficult to solve these equations analytically, the inclination angle θ is obtained by numerically solving any one of the three equations, that is, the equations (10) to (12).
更に、このような処理によって傾斜角θが求まると、この求まった傾斜角θと傾斜センサＳ１〜Ｓ３の出力ψ１、ψ２、ψ３とから、（４）〜（６）式により基準合成角度Ψ１〜Ψ３が求まり、求まった基準合成角度Ψ１〜Ψ３と（１）〜（３）式、及び（７）〜（９）式を利用して、各傾斜センサＳ１〜Ｓ３の旋回半径（旋回軸Ｏｃからの距離）ｒ１、ｒ２、ｒ３及び旋回各速度ωを求めることもできる。 Further, when the inclination angle θ is obtained by such processing, the reference synthetic angles Ψ1 to Ψ1 are obtained from the obtained inclination angle θ and the outputs ψ1, ψ2, and ψ3 of the inclination sensors S1 to S3 by the equations (4) to (6). Ψ3 is obtained, and using the obtained reference composite angles Ψ1 to Ψ3, the expressions (1) to (3), and the expressions (7) to (9), the turning radius (from the turning axis Oc) of each of the inclination sensors S1 to S3. ) R1, r2, r3 and turning speeds ω can also be obtained.
一方、傾斜センサＳ１〜Ｓ３のうちどれか２つが等しい値（あるいは等しいと見なせる値）を示した場合には、演算をより簡易に行うことができる。例えば、傾斜センサＳ１の出力ψ１と同Ｓ３の出力ψ３が等しかった場合（ψ１＝ψ３の場合）には、傾斜角θｏ及びθの関係は（１３）式のように表すことができる。 On the other hand, when any two of the inclination sensors S1 to S3 indicate the same value (or a value that can be regarded as equal), the calculation can be performed more easily. For example, when the output ψ1 of the tilt sensor S1 is equal to the output ψ3 of the same S3 (when ψ1 = ψ3), the relationship between the tilt angles θo and θ can be expressed by the following equation (13).
θｏ＝（π／２）−θ−α１ …（１３） θo = (π / 2) −θ−α1 (13)
従って、この（１３）式によって求められた傾斜角θを利用することにより、同様に各傾斜センサＳ１〜Ｓ３の旋回半径ｒ１、ｒ２、ｒ３、及び旋回各速度ωを求めることができる。 Therefore, by using the inclination angle θ obtained by the equation (13), the turning radii r1, r2, r3 and the turning speeds ω of the respective inclination sensors S1 to S3 can be similarly obtained.
ところで、例えば、傾斜センサＳ１〜Ｓ３をブーム１１に配置するときに、もし、ブーム１１を最下位置とした状態において該傾斜センサＳ１〜Ｓ３の内の２つが「水平」となるように配置すれば、その基準角度θｏが「０」ということになるため、該基準角度θｏを（１０）〜（１２）式からわざわざ求める必要がなくなり、また傾斜角θを求めるための演算自体もより容易とすることができることを、先に述べた。
By the way, for example, when the inclination sensors S1 to S3 are arranged on the
同様に、実際の取り付け時においては、被測定体のどの位置に傾斜センサを取り付けたかが分かる場合もある。また、前述したように、油圧ショベル１自体の各種諸元は設計上当然に既知である。これらの既知の情報、或いはその現場にて成立している特有の条件等を利用すると、演算をより簡易化できるだけでなく、場合によっては、傾斜センサの設置を被測定体当たり１個で済ませるような体系を構築できる。 Similarly, at the time of actual attachment, it may be known at which position of the measurement object the inclination sensor is attached. As described above, various specifications of the hydraulic excavator 1 itself are known by design. Using these known information or specific conditions established at the site not only simplifies calculations, but in some cases, only one tilt sensor can be installed per measured object. Can build a simple system.
さまざまなバリエーションが考えられるが、一例として、作業機械本体、ブーム、バケットに各１個ずつ、計４個の傾斜センサで油圧ショベルの姿勢を計測する方法を示す。但し、各傾斜センサの取り付け位置が既知で、且つ、油圧ショベルが水平な地面上に置かれており、基準角度θｏが「０」であるとする。 Although various variations are possible, as an example, a method of measuring the attitude of a hydraulic excavator with a total of four tilt sensors, one each for the work machine main body, the boom, and the bucket is shown. However, it is assumed that the mounting position of each inclination sensor is known, the excavator is placed on a horizontal ground, and the reference angle θo is “0”.
図３に、ブーム１１に取り付けた傾斜センサＳｂ、及び作業機械本体３に取り付けた傾斜センサＳｓ周りの各諸元の関係を示す。
FIG. 3 shows the relationship between the specifications around the inclination sensor Sb attached to the
作業機械本体３に取り付けた傾斜センサＳｓの取り付け位置（旋回軸Ｏｃからの距離＝旋回半径ｒｓ）が既知であれば、発生する遠心力Ｆｓとの関係で、ｒｓ／ｇ＝ω2 が成立することから、作業機械本体の（従ってそれぞれの被測定体の）旋回角速度ωを求めることができる。なお、作業機械本体３における旋回軸Ｏｃに対して傾斜センサＳｓと対称の位置にもう１個の傾斜センサ（図示略）を取付けると、水平面上でなくても旋回角速度ωを求めることができる。
If the attachment position of the inclination sensor Ss attached to the work machine body 3 (distance from the turning axis Oc = turning radius rs) is known, rs / g = ω 2 is established in relation to the generated centrifugal force Fs. Thus, the turning angular velocity ω of the work machine main body (and hence each measured object) can be obtained. If another tilt sensor (not shown) is attached at a position symmetrical to the tilt sensor Ss with respect to the swing axis Oc in the work machine
旋回軸Ｏｃからブーム１１の回動中心１１Ａまでの距離Ｌｄは、油圧ショベル１の設計上既知である。ここで、該回動中心１１Ａからブーム１１に取り付けた傾斜センサＳｂまでの距離Ｌａが既知であるとすると、以下の各式が得られる。なお、各符号の定義は先の例に準じている。
The distance Ld from the turning axis Oc to the
ｇ／ｒａ・ｔａｎ(Ψａ）＝ω2 …（１４）
ｒａ−Ｌｄ＝Ｌａ・ｃｏｓθ …（１５）
ψａ＝θ−Ψａ …（１６）
g / ra · tan (Ψa) = ω 2 (14)
ra−Ld = La · cos θ (15)
ψa = θ−ψa (16)
したがって、（１４）〜（１６）より、
ｔａｎ（θ−ψａ）／（Ｌｄ＋Ｌａ・ｃｏｓθ）＝ω2 ／ｇ …（１７）
の関係が得られる。旋回角速度ωが傾斜センサＳｓの出力から既に演算済であるため、この（１７）式から、傾斜角θを求めることができる。
Therefore, from (14) to (16),
tan (θ−ψa) / (Ld + La · cos θ) = ω 2 / g (17)
The relationship is obtained. Since the turning angular velocity ω has already been calculated from the output of the tilt sensor Ss, the tilt angle θ can be obtained from the equation (17).
ブーム１１の回動中心１１Ａから該ブーム１１のアーム回動軸（図示略）までの距離は、設計上既知であるため、ブーム１１の回動中心１１Ａの位置と、ブーム１１の傾斜角θからアーム回動軸の位置が特定できる。したがって、あとは、全く同様にして、アーム１２の傾斜角を求めることができ、更に同様にしてバケット１３の傾斜角を順に求めることができる。この結果、最終的に、バケット１３の先端の位置も知ることができる。
Since the distance from the
このように、各傾斜センサ間の距離以外に既知の情報或いは特有の条件が存在する場合には、傾斜角θの演算をより簡素化でき、場合によっては、傾斜センサ自体の数を２個又は１個に減じることができる。バリエーションは、現場、或いは取付態様毎にさまざまに考えられるが、上記例からも明らかなように、作業機械本体に傾斜センサを取付けると、その取付位置は旋回軸に対して確定できる（動的に変化しない）ので、特に、旋回角速度の演算の簡素化に極めて有効に機能する場合が多い。 In this way, when there is known information or specific conditions other than the distance between the tilt sensors, the calculation of the tilt angle θ can be simplified, and in some cases, the number of tilt sensors themselves is two or Can be reduced to one. Variations can be considered in various ways on site or for each mounting mode. As is clear from the above example, when a tilt sensor is mounted on the work machine body, its mounting position can be determined with respect to the pivot axis (dynamically In particular, it often functions extremely effectively to simplify the calculation of the turning angular velocity.
上記実施形態においては、基本的に、３個の傾斜センサを（１直線上とならないようにだけ配慮して）任意の位置に取付け、各傾斜センサ間の距離を測るのみで計測のためのハード系の構築が完了する。すなわち、特別な「取付指定場所」は存在せず、センサの取付を前提として予め被測定体にタップ穴等を形成しておく必要もない。取り付けるのは「傾斜センサ」であるため、磁石や接着剤などで簡単に取り付けを行うことができ、ＧＰＳ受信機等の高価な設備も必要ない。このため、例えば作業機械の自動制御系の構築のために既存の多くの作業機械の挙動を確認するために、現に存在する作業機械に対して、現場で素早く姿勢計測システムを構築することも容易にできるようになる。 In the above embodiment, basically, three tilt sensors are mounted at arbitrary positions (considering not to be on one straight line), and the hardware for measurement is simply measured by measuring the distance between the tilt sensors. System construction is completed. That is, there is no special “attachment designation place”, and it is not necessary to previously form a tapped hole or the like in the measurement object on the premise that the sensor is attached. Since the “tilt sensor” is attached, it can be easily attached with a magnet or an adhesive, and expensive equipment such as a GPS receiver is not required. For this reason, for example, in order to check the behavior of many existing work machines for the construction of an automatic control system for work machines, it is easy to quickly build a posture measurement system on-site for existing work machines. To be able to.
言うまでもなく、作業機械の一層の高度化の実現に当たって、自動制御システムや運転補助システムを構築する場合に、該作業機械の姿勢を把握するのは非常に重要である。 Needless to say, it is very important to grasp the posture of the work machine when constructing an automatic control system or a driving assistance system in order to realize further advancement of the work machine.
例えば、今、作業機械のアタッチメント（被測定体）が最大限振り上げたトップ位置にあることが確認できれば、次の作業としてこれ以上振り上げることはあり得ないため（下降するしかないため）、更なる上げ指令に備えてエンジンのパワーをアイドル以上の所定位置に維持する必要がないことがわかる。従って、速やかにエンジンのパワーをアイドル相当のパワーにまで低下させることができる。これにより、作業上の不具合を何ら発生させることなく、省エネルギー化及び低騒音化を実現できる。 For example, if it can be confirmed that the attachment (measurement object) of the work machine is at the top position where it is swung up to the maximum, it cannot be swung up any more as the next work (because it can only be lowered). It can be seen that it is not necessary to maintain the engine power at a predetermined position equal to or higher than the idle in preparation for the raising command. Therefore, it is possible to quickly reduce the engine power to a power equivalent to an idle. Thereby, energy saving and noise reduction can be realized without causing any trouble in operation.
また、アタッチメントの旋回軸からの距離が大きいときは、同じ旋回角速度で旋回した場合でも、周速（アタッチメントの水平方向の移動速度）が大きくなるため、周囲の安全、及び作業機械自体の転倒防止のために、旋回角速度の上限を抑える等のさまざまな制御を行うことも可能となる。 Also, when the distance from the turning axis of the attachment is large, the peripheral speed (moving speed in the horizontal direction of the attachment) increases even when turning at the same turning angular speed, so the surroundings are safe and the work machine itself is prevented from falling. Therefore, various controls such as suppressing the upper limit of the turning angular velocity can be performed.
本発明においては、基本的に傾斜センサしか配置していないにも拘わらず、作業機械の旋回による影響を除去して純粋に被測定体の傾斜角等の姿勢を計測することができ、したがって適切なデータ処理を行うことによりモニタポイントの高さ及び旋回半径を得ることができ、更には、作業機械の旋回角速度や旋回軸から各傾斜センサまでの距離（旋回半径）をも得ることができる。 In the present invention, although only the tilt sensor is basically disposed, the influence of the turning of the work machine can be removed and the posture such as the tilt angle of the object to be measured can be measured purely. By performing such data processing, the height of the monitor point and the turning radius can be obtained, and further, the turning angular velocity of the work machine and the distance from the turning axis to each tilt sensor (turning radius) can be obtained.
なお、本発明は、傾斜センサのみで姿勢計測系を構築できるが、傾斜センサ以外のセンサの設置を否定するものではない。 In the present invention, an attitude measurement system can be constructed with only a tilt sensor, but installation of sensors other than the tilt sensor is not denied.
作業機械の自動制御システムの実現に当たって、被計測体の現時点での姿勢の把握（計測）を行ったり、あるいは自動制御システムの開発又は改良に当たって、種々の（新規の又は既存の）作業機械の挙動に関するシミュレーションに使用するデータの取得等に利用できる。 In realizing an automatic control system for work machines, grasping (measuring) the current posture of the object to be measured, or developing or improving an automatic control system, various (new or existing) work machine behaviors It can be used to acquire data used for simulation.
１１…ブーム（被測定体）
Ｓ１〜Ｓ３、Ｓｓ、Ｓｂ…傾斜センサ
Ｌ１〜Ｌ３…傾斜センサ間の距離
α１〜α３…各傾斜センサ同士が形成する辺の角度
ψ１、ψ２、ψ３…傾斜センサの出力（読み値）
ω…旋回角速度
θｏ…基準角度
Ψ１〜Ψ３…重力加速度と遠心力の合成加速度の向きを鉛直方向から測った角度（基準合成角度）
11 ... Boom (measurement object)
S1 to S3, Ss, Sb ... inclination sensors L1 to L3 ... distances between inclination sensors α1 to α3 ... angles of sides formed by the inclination sensors ψ1, ψ2, ψ3 ... inclination sensor outputs (reading values)
ω ... turning angular velocity θo ... reference angle Ψ1 to Ψ3 ... angle measured from the vertical direction of the combined acceleration of gravity acceleration and centrifugal force (reference combined angle)
Claims (6)
傾斜センサを作業機械の計測しようとする被測定体上に配置する手順と、
前記作業機械の旋回時における前記傾斜センサの出力情報を得る手順と、
該旋回時における傾斜センサの出力情報を利用して、前記被測定体の運転中の傾斜角を含む姿勢を求める手順と、
を含むことを特徴とする作業機械の姿勢計測方法。 In a method of measuring the attitude of a work machine capable of turning,
Procedure for placing the tilt sensor on the workpiece to be measured by the work machine,
A procedure for obtaining output information of the tilt sensor during turning of the work machine;
Using the output information of the tilt sensor at the time of turning, a procedure for obtaining a posture including the tilt angle during operation of the measured object;
A method for measuring a posture of a work machine, comprising:
前記傾斜センサとして３個の傾斜センサを作業機械の計測しようとする被測定体上の任意の位置に、一直線上に並ばない関係に配置すると共に、更に
該３個の傾斜センサ間の距離を測定する手順と、を備え、
前記旋回時における各傾斜センサの出力情報に、前記傾斜センサ間の距離情報を組み合わせることにより、前記被測定体の運転中の傾斜角を含む姿勢を求める
ことを特徴とする作業機械の姿勢計測方法。 In claim 1,
As the tilt sensors, three tilt sensors are arranged at an arbitrary position on the workpiece to be measured by the work machine so as not to be aligned in a straight line, and the distance between the three tilt sensors is further measured. And comprising the steps of:
A posture measurement method for a work machine, characterized in that a posture including a tilt angle during operation of the object to be measured is obtained by combining the output information of each tilt sensor at the time of turning with distance information between the tilt sensors. .
前記傾斜センサとして、１個又は２個の傾斜センサを作業機械の計測しようとする被測定体上の任意の位置に配置すると共に、
前記旋回時における該１個又は２個の傾斜センサの出力情報に、該傾斜センサ又は前記作業機械の特定の諸元情報に関して別途得られている１又は２以上の既知情報を組み合わせることにより、前記被測定体の運転中の傾斜角を含む姿勢を求める
ことを特徴とする作業機械の姿勢計測方法。 In claim 1,
As the tilt sensor, one or two tilt sensors are arranged at an arbitrary position on the measurement object to be measured by the work machine, and
By combining the output information of the one or two tilt sensors at the time of turning with one or more known information separately obtained with respect to specific specification information of the tilt sensor or the work machine, A method for measuring a posture of a work machine, characterized in that a posture including an inclination angle during operation of a measured object is obtained.
前記傾斜センサのほか、作業機械の本体の特定の位置に別途傾斜センサを配置すると共に、
該別途設けた傾斜センサによって求められた旋回角速度をも利用して前記被測定体の運転中の傾斜角を含む姿勢を求める
ことを特徴とする作業機械の姿勢計測方法。 In any one of Claims 1-3,
In addition to the tilt sensor, a separate tilt sensor is disposed at a specific position of the main body of the work machine,
An attitude measurement method for a work machine, characterized in that an attitude including an inclination angle during operation of the object to be measured is obtained also using a turning angular velocity obtained by the separately provided inclination sensor.
前記作業機械の計測しようとする被測定体上の任意の位置に配置した傾斜センサを備え、且つ
少なくとも該傾斜センサの前記作業機械の旋回中の出力情報を利用して、前記作業機械の前記被測定体の運転中の傾斜角を含む姿勢を演算する演算手段を備えた
ことを特徴とする作業機械の姿勢計測装置。 In a device that measures the attitude of a work machine capable of turning,
An inclination sensor disposed at an arbitrary position on the measurement object to be measured by the work machine, and at least using output information during turning of the work machine by the inclination sensor; An attitude measuring device for a working machine, comprising: an arithmetic means for calculating an attitude including an inclination angle during operation of the measuring body.
前記被測定体に配置した傾斜センサのほか、前記作業機械の本体にも傾斜センサを配置し、
前記演算手段が、前記被測定体に配置した傾斜センサの出力情報と、該作業機械の本体に配置した傾斜センサの出力情報とを利用して、前記被測定体の運転中の傾斜角を含む姿勢を演算する
ことを特徴とする作業機械の姿勢計測装置。 In claim 5,
In addition to the inclination sensor arranged on the measured object, an inclination sensor is also arranged on the main body of the work machine,
The calculation means includes an inclination angle during operation of the measurement object using output information of the inclination sensor arranged on the measurement object and output information of the inclination sensor arranged on the main body of the work machine. A posture measuring device for a work machine characterized by calculating a posture.
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