JP2020002708A - Work machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,油圧ショベルなど上部旋回体と下部走行体を備える作業機械に関する。 The present invention relates to a working machine including an upper swing body and a lower traveling body such as a hydraulic shovel.
近年,情報化施工への対応に伴い,作業機械において,ブーム,アーム及びバケットなどの複数のフロント部材を連結して構成される作業装置(フロント作業装置)の位置や姿勢をオペレータへ表示するマシンガイダンスや,作業装置の位置を目標施工面に沿って動くように制御するマシンコントロールの機能を有するものがある。代表的なものとしては,油圧ショベルのバケット先端位置とバケット角度をモニタへ表示したり,バケット先端が目標施工面に近づくと,目標施工面の下方にバケット先端が侵入しないように作業装置の動作に制限をかけたりするものが公知である。 In recent years, in response to information-oriented construction, a machine that displays the position and orientation of a working device (front working device) that is constructed by connecting a plurality of front members such as a boom, an arm, and a bucket to a working machine. Some machines have a function of guidance and a machine control function for controlling the position of a working device to move along a target construction surface. As a typical example, the position of the bucket tip and the bucket angle of the excavator are displayed on a monitor, and when the bucket tip approaches the target construction surface, the operation of the working device is performed so that the bucket tip does not enter below the target construction surface. It is known to place restrictions on the size.
この種の情報化施工対応型の作業機械では,各フロント部材の姿勢や上部旋回体の姿勢を検出するセンサとして慣性計測装置(IMU : Inertia Measurement Unit)が利用されることがある。 In this type of information processing-compatible work machine, an inertial measurement unit (IMU: Inertia Measurement Unit) may be used as a sensor for detecting the attitude of each front member and the attitude of the upper swing body.
この種の情報化施工対応型の作業機械には,衛星測位システム,いわゆる,GNSS(Global Navigation Satellite System)アンテナを上部旋回体上に2つ備えるものがある。各GNSSアンテナの測位結果を利用すれば上部旋回体の向き(方位)が演算でき,それにより作業装置の向き(方位)も演算することができる。この構成は,上部旋回体上にGNSSアンテナを備えるため,特定平面に対して「作業装置(上部旋回体)の向きを合致させて掘削動作」を行うという課題に対しては好適な構成であると言える。 As this type of information processing-compatible work machine, there is a work machine provided with two satellite positioning systems, a so-called GNSS (Global Navigation Satellite System) antenna, on an upper revolving unit. Using the positioning result of each GNSS antenna, the direction (azimuth) of the upper swing body can be calculated, and thereby the direction (azimuth) of the working device can be calculated. This configuration has a GNSS antenna on the upper revolving unit, so it is a suitable configuration for the problem of performing the “excavation operation by matching the orientation of the working device (upper revolving unit) to a specific plane”. It can be said.
しかしながら,上部旋回体上にGNSSアンテナを備えるため,GNSSの測位結果からは下部走行体の向きを判断することができない。つまり,「下部走行体が回転することなく,上部旋回体のみが回転している姿勢」(図17a参照)と,「下部走行体のみが回転し,上部旋回体は回転していない姿勢」(図17b参照)は両方とも,作業装置の向きが同一であるため,GNSSによる測位結果のみを参照すると,これらの2姿勢は同一姿勢とみなされる。しかし,この2姿勢は明らかに異なる姿勢である。 However, since the GNSS antenna is provided on the upper revolving unit, the orientation of the lower traveling unit cannot be determined from the GNSS positioning result. In other words, "a posture in which only the upper revolving structure is rotating without the lower traveling structure rotating" (see FIG. 17A) and a "posture in which only the lower traveling structure is rotating and the upper revolving structure is not rotating" ( 17b), the orientations of the working devices are the same, so that referring to only the positioning result by GNSS, these two postures are regarded as the same posture. However, these two positions are clearly different positions.
上記の下部走行体の向きがわからないことによって生じる不都合の例として,大きな作業面を施工する場合を考える。図18aのように下部走行体も作業面に正対していると,掘削作業後に一旦下部走行体の向きを変えて移動し,移動後に改めて作業装置を作業面に正対させるといった工程を踏むことになる。一方,図18bのように,下部走行体が作業面に対して水平状態になっていれば,走行しても作業装置は常に作業面に正対しているため,図18aの場合のような位置合わせ動作が不要になり,作業の効率化が図れる。このような作業を行う場合,上部旋回体の向きだけでなく,下部走行体の向きも重要になる。しかし,上述の通り,GNSSの測位結果だけでは下部走行体の向きを知ることは容易ではない。 As an example of the inconvenience caused by not knowing the orientation of the undercarriage, a case where a large work surface is constructed will be considered. If the undercarriage is also directly facing the work surface as shown in FIG. 18a, the undercarriage must be re-oriented once after the excavation work and moved, and after the movement, the working device must be again faced with the work surface. become. On the other hand, as shown in FIG. 18b, when the lower traveling body is in a horizontal state with respect to the work surface, the work device always faces the work surface even when traveling, so that the position as in FIG. The alignment operation is not required, and work efficiency can be improved. When performing such work, not only the direction of the upper revolving structure but also the direction of the lower traveling structure becomes important. However, as described above, it is not easy to know the orientation of the undercarriage only from the GNSS positioning results.
このような課題に対して,特許文献1では,上部旋回体の旋回角度を検出可能な回転角度センサを備えたスイベルジョイントを示している。 To solve such a problem, Patent Document 1 discloses a swivel joint provided with a rotation angle sensor capable of detecting a turning angle of an upper turning body.
2つのGNSSにて上部旋回体の向きを検出し,特許文献1の回転角度センサによって,上部旋回体と下部走行体の相対角を検出すれば,直ちに下部走行体の向きを算出することができると考えられる。また,特許文献1のように旋回回転軸に回転角度センサを備えれば,機構ガタや取り付け誤差の影響を受けずに,上部旋回体と下部走行体の相対角を正確に検出することが可能である。 If the orientation of the upper revolving unit is detected by the two GNSSs and the relative angle between the upper revolving unit and the lower traveling unit is detected by the rotation angle sensor of Patent Document 1, the orientation of the lower traveling unit can be calculated immediately. it is conceivable that. Further, if a turning angle sensor is provided on the turning rotary shaft as in Patent Document 1, it is possible to accurately detect the relative angle between the upper revolving unit and the lower traveling unit without being affected by mechanical play or mounting errors. It is.
しかしながら,このような構成をとると回転角度センサは旋回回転軸上に取り付けざるを得ないため,回転角度センサが故障してしまった場合のセンサの修理や交換作業が極めて困難である。また,移動クレーンなどの修理機材の搬入が困難な山間部でセンサ故障が生じた場合には,修理,交換ができず,施工現場の工程遅れになる可能性が考えられる。 However, with such a configuration, since the rotation angle sensor must be mounted on the rotation axis, it is extremely difficult to repair or replace the sensor when the rotation angle sensor fails. Also, if a sensor failure occurs in a mountainous area where it is difficult to carry in repair equipment such as a mobile crane, repair and replacement cannot be performed, and there is a possibility that the process at the construction site may be delayed.
このような課題に対して,特許文献2では,旋回軸にセンサを取り付けることなく,上部旋回体に取り付けられたGNSSの測位結果における水平方向成分の変化に基づいて上部旋回体に対する下部走行体の姿勢を演算する方法が提示されている。 In order to solve such a problem, in Patent Document 2, without attaching a sensor to the swing axis, the lower traveling body with respect to the upper swing body is changed with respect to the upper swing body based on a change in the horizontal component in the positioning result of the GNSS attached to the upper swing body. A method for calculating a posture has been proposed.
特許文献2には「水平方向成分の変化」について,具体的な内容が示されていない。しかし,当業者ならば,例えば次の算出方法によって,上部旋回体と下部走行体の相対角を算出することを考える。 Patent Literature 2 does not disclose specific contents of “change in horizontal component”. However, those skilled in the art will consider calculating the relative angle between the upper revolving unit and the lower traveling unit by, for example, the following calculation method.
<算出例>
まず,GNSSの測位結果を特定の測地系(例えば,世界測地系)の直交座標に変換し,GNSSアンテナ位置のx,y,z座標を得る。この座標系を利用して,「上部旋回体を回転させることなく,下部走行体のみを駆動(前進,後進)させた」場合を考える。
<Calculation example>
First, the GNSS positioning result is converted into rectangular coordinates of a specific geodetic system (for example, world geodetic system) to obtain x, y, and z coordinates of the GNSS antenna position. Using this coordinate system, consider the case where only the lower traveling body is driven (forward, backward) without rotating the upper rotating body.
ここで,図19に示したように,「水平方向の変化」をx座標における変化量Δxの変化と,y座標における変化量Δyの変化の組合せと捉えると,「水平方向の変化」はショベルの移動方向に等しい。そして,ショベルの移動方向と下部走行体の角度θrnが等しいと仮定すれば,下部走行体の角度θrnを次の(1)式で演算することが出来る。 Here, as shown in FIG. 19, when “the change in the horizontal direction” is regarded as a combination of the change in the change amount Δx in the x coordinate and the change in the change amount Δy in the y coordinate, the “horizontal change” Is equal to the direction of travel. Then, assuming that the moving direction of the shovel is equal to the angle θrn of the undercarriage, the angle θrn of the undercarriage can be calculated by the following equation (1).
以上の算出方法に従えば,旋回軸上に角度センサを設けずに下部走行体の角度を演算できるといえる。なお,図19では説明を容易にするためx軸をθrn=0度としているが,後述する本発明の実施形態は「x軸を0度とする」ことに限定されないことに注意されたい。なお,以降の図も説明の容易性を重視し,角度の取り方も図19に倣うとは限らないことに注意されたい。(<算出例>終わり) According to the above calculation method, it can be said that the angle of the undercarriage can be calculated without providing an angle sensor on the turning axis. Note that in FIG. 19, the x-axis is set to θrn = 0 degrees for ease of description, but it should be noted that embodiments of the present invention described below are not limited to “set the x-axis to 0 degrees”. It should be noted that the following figures also emphasize the ease of explanation, and that the angles are not necessarily set in accordance with FIG. (<Calculation example> end)
しかしながら,クローラ式の下部走行体を有する油圧ショベルでは,油圧ショベルを真っ直ぐに(たとえば,図19のx軸に平行に)走らせようとしても,路面によるスリップや走行油圧モータの圧力差などによって油圧ショベルが蛇行してしまう。すなわち,下部走行体を真っ直ぐに走らせるように操作しても走行の前後で下部走行体の角度は変化してしまう(本稿ではこの走行の前後で生じる下部走行体の角度の差を「逸脱角」と称する)。つまり,ショベルの移動方向と下部走行体の角度θrnが等しいという仮定は成り立たない。このため,単純に(1)式を使用しただけでは,下部走行体の角度を精度良く演算することはできない。特許文献2には,この課題に対する解決策は示されていない。 However, in the case of a hydraulic excavator having a crawler-type lower traveling body, even if the excavator is to be run straight (for example, parallel to the x-axis in FIG. 19), the hydraulic excavator may be slipped due to a road surface or a pressure difference of a traveling hydraulic motor. Meanders. That is, even if the lower vehicle is operated so as to run straight, the angle of the lower vehicle changes before and after traveling. (In this paper, the difference between the angles of the lower vehicle before and after traveling is referred to as the "deviation angle." "). That is, the assumption that the moving direction of the shovel is equal to the angle θrn of the undercarriage does not hold. For this reason, it is not possible to accurately calculate the angle of the undercarriage by simply using equation (1). Patent Document 2 does not show a solution to this problem.
また,GNSSを利用した測位では,補正データを利用する高精度な測位方法であるRTK(Real Time Kinematics)を利用したとしても,±2cm程度の誤差を生じることが知られている。 In addition, it is known that an error of about ± 2 cm occurs in positioning using GNSS even when using RTK (Real Time Kinematics), which is a highly accurate positioning method using correction data.
ここで,下部走行体の角度θrnが0度である場合を例に取り,この測位誤差が上述の(1)式に与える影響を考える。上述通り,特許文献2では「水平方向の変化」について何の言及もないが,一般的な測位システムのサンプリング周期(例えば1秒)ごとの測位結果の差分を「水平方向の変化」としよう。さらに,一般的な油圧ショベル(例えば車重20tクラス)の走行動作の最高速度は5km/h程度であるため,1周期(1秒)で1.4m(140cm)程度前進することになる。ここで,移動前後のy方向の誤差がそれぞれ−2cm,+2cmとすると(1)式で算出される角度は(2)式より約1.6度となる。 Here, taking the case where the angle θrn of the lower traveling body is 0 ° as an example, consider the influence of this positioning error on the above-mentioned equation (1). As described above, Patent Literature 2 makes no reference to “horizontal change”, but a difference between positioning results for each sampling cycle (for example, 1 second) of a general positioning system will be referred to as “horizontal change”. Further, since the maximum speed of the traveling operation of a general hydraulic excavator (for example, a vehicle weight of 20t class) is about 5 km / h, the vehicle moves forward by about 1.4 m (140 cm) in one cycle (one second). Here, assuming that the errors in the y direction before and after the movement are -2 cm and +2 cm, respectively, the angle calculated by Expression (1) is approximately 1.6 degrees from Expression (2).
(2)式から分かるように移動距離が長くなるほど(逆正接関数の分母の絶対値が大きくなるほど),測位誤差(逆正接関数の分子)の影響は抑制される。この原理は図20a,図20bに示したとおりであり,移動距離の短い図20aに比べて,移動距離が長い図20bのほうが誤差の影響が相対的に小さくなる。よって,GNSSの測位誤差の影響を減らす場合には,移動距離を延ばせば良いことが考えられる。 As can be seen from equation (2), the influence of the positioning error (numerator of the arc tangent function) is suppressed as the moving distance becomes longer (as the absolute value of the denominator of the arc tangent function becomes larger). This principle is as shown in FIGS. 20a and 20b, and the effect of the error is relatively smaller in FIG. 20b with a longer moving distance than in FIG. 20a with a shorter moving distance. Therefore, in order to reduce the influence of the positioning error of the GNSS, it is conceivable to extend the moving distance.
しかし,上記の議論はRTK測位が正確に行われた場合(FIX解の場合)に限られ,RTK測位が上手くいかない場合のFloat解の場合には測位誤差(逆正接関数の分子の絶対値)が大きくなり(例えば±20cm程度),(2)式で演算される走行角度θrnは大きく変化する。この課題に対しても,特許文献2には何ら言及がない。 However, the above discussion is limited to the case where RTK positioning is correctly performed (in the case of the FIX solution), and in the case of the Float solution where RTK positioning is not successful, the positioning error (the absolute value of the numerator of the arctangent function) ) Becomes large (for example, about ± 20 cm), and the traveling angle θrn calculated by the equation (2) greatly changes. Patent Document 2 does not mention this problem at all.
よって,実際の油圧ショベルにおいてGNSSの測位結果を利用して下部走行体の角度を精度良く算出することは当業者にとっても容易ではない。 Therefore, it is not easy for those skilled in the art to accurately calculate the angle of the undercarriage using the GNSS positioning result in an actual hydraulic excavator.
本発明は,上記特許文献2の課題を鑑みてなされたものであり,その目的は,情報化施工用の作業機械に備えられた既存のセンサ構成,つまり,GNSSから得られる情報によって,上部旋回体と下部走行体の相対角度を算出できる作業機械を提供することにある。 The present invention has been made in view of the problem of Patent Document 2 described above, and has as its object to use an existing sensor configuration provided in a working machine for computerized construction, that is, information obtained from the GNSS to turn the upper part. An object of the present invention is to provide a work machine capable of calculating a relative angle between a body and a lower traveling body.
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが,その一例を挙げるならば,クローラ式の下部走行体と,前記下部走行体の上部に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と,前記上部旋回体に取り付けられた第1アンテナ及び第2アンテナと,前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置をそれぞれ演算する測位端末と,前記上部旋回体と前記下部走行体の相対角度を算出するコントローラと,を備えた作業機械において,前記コントローラは,第1時刻において前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置,及び,前記第1時刻以降に前記下部走行体が走行動作を行った後の第2時刻において前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置を記憶する記憶装置と,前記第1時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置から前記第1時刻における前記上部旋回体の角度である第1車体角度を演算する車体角度演算部と,前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置を通る直線が所定の基準線となす角である走行変位角度を演算する走行変位角度演算部と,前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻において前記下部走行体が前記基準線となす角と前記走行変位角度との差である逸脱角を演算する逸脱角演算部と,前記走行変位角度に前記逸脱角を加算して前記走行変位角度を補正する走行変位角度補正部と,前記走行変位角度補正部によって補正された前記走行変位角度と前記第1車体角度に基づいて前記第1時刻における前記上部旋回体と前記下部走行体の相対角度を演算する相対角度演算部とを備える。 The present application includes a plurality of means for solving the above problems. For example, a crawler-type lower traveling body, an upper revolving body rotatably mounted on an upper portion of the lower traveling body, and an upper revolving body. A first antenna and a second antenna attached to a revolving superstructure, a positioning terminal for calculating positions of the first antenna and the second antenna, respectively, and a controller for calculating a relative angle between the upper revolving superstructure and the lower traveling structure And the position of the first antenna and the second antenna calculated by the positioning terminal at a first time and the traveling operation of the lower traveling body after the first time. A storage device for storing the positions of the first antenna and the second antenna calculated by the positioning terminal at a second time after performing the operation, and at the first time A vehicle body angle calculation unit configured to calculate a first vehicle body angle which is an angle of the upper revolving structure at the first time from the positions of the first antenna and the second antenna; and a vehicle body angle calculation unit configured to calculate the first vehicle angle at the first time and the second time. A travel displacement angle calculation unit that calculates a travel displacement angle that is an angle between a straight line passing through the position of the first antenna at the first time and the second time and a predetermined reference line, based on the position of the one antenna; Based on the positions of the first antenna and the second antenna at the first time and the second time, the difference between the angle formed by the lower traveling body with the reference line and the travel displacement angle at the first time is determined. A travel angle calculating section for calculating a certain travel angle, a travel displacement angle correction section for adding the travel angle to the travel displacement angle to correct the travel displacement angle, and a travel displacement angle correction section. And a relative angle calculation unit, wherein calculating a relative angle of the lower traveling body and the upper rotating body at the first time based and the traveling displacement angle that Tadashisa in the first vehicle body angle.
本発明によればGNSSの測位結果から上部旋回体と下部走行体の相対角度を演算できる。旋回軸に回転角度センサを備える構成と異なり,GNSSは万が一故障が生じたとしても交換や修理が非常に簡単であることが利点である。 According to the present invention, the relative angle between the upper turning body and the lower traveling body can be calculated from the positioning result of the GNSS. Unlike a configuration in which a rotation axis is provided with a rotation angle sensor, the GNSS has an advantage that even if a failure occurs, replacement and repair are very simple.
以下,本発明の実施の形態を,図面を参照しつつ説明する。なお,本実施の形態では,作業機械の一例として,フロント装置(フロント作業装置)の先端に作業具としてバケットを備える油圧ショベルを例示して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a hydraulic excavator having a bucket as a working tool at the tip of a front device (front working device) will be described as an example of a working machine.
図1は,本実施の形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。図1において,油圧ショベル100は,垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材(ブーム4,アーム5,バケット(作業具)6)を連結して構成された多関節型のフロント装置(フロント作業装置)1と,車体を構成する上部旋回体2及び下部走行体3とを備え,上部旋回体2は下部走行体3の上部に旋回可能に取り付けられている。下部走行体3はクローラ式の走行体であり,無限軌道とも呼ばれる。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an external appearance of a hydraulic shovel, which is an example of a work machine according to the present embodiment. In FIG. 1, a
フロント装置1のブーム4の基端は上部旋回体2の前部に垂直方向に回動可能に支持されており,アーム5の一端はブーム4の基端とは異なる端部(先端)に垂直方向に回動可能に支持されており,アーム5の他端にはバケット6が垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム4,アーム5,バケット6,上部旋回体2,及び下部走行体3は,油圧アクチュエータであるブームシリンダ4a,アームシリンダ5a,バケットシリンダ6a,旋回モータ2a,及び左右の走行モータ3a(ただし,一方の走行モータのみ図示)によりそれぞれ駆動される。
The base end of the boom 4 of the front device 1 is supported on the front part of the upper swing body 2 so as to be rotatable in the vertical direction, and one end of the arm 5 is perpendicular to an end (distal end) different from the base end of the boom 4. A bucket 6 is supported on the other end of the arm 5 so as to be rotatable in the vertical direction. The boom 4, the arm 5, the bucket 6, the upper swing body 2, and the
ブーム4,アーム5及びバケット6は,フロント装置1を含む平面上で動作し,以下ではこの平面を動作平面と称することがある。つまり動作平面とは,ブーム4,アーム5及びバケット6の回動軸に直交する平面であり,ブーム4,アーム5及びバケット6の幅方向の中心に設定することができる。 The boom 4, the arm 5, and the bucket 6 operate on a plane including the front device 1, and this plane may be hereinafter referred to as an operation plane. That is, the operating plane is a plane orthogonal to the rotation axis of the boom 4, the arm 5, and the bucket 6, and can be set at the center of the boom 4, the arm 5, and the bucket 6 in the width direction.
オペレータが搭乗する運転室(キャブ)9には,オペレータから入力される操作に基づいて,油圧アクチュエータ2a〜6aを操作するための操作信号,すなわちフロント装置1,上部旋回体2及び下部走行体3を操作するための操作信号を出力する操作レバー(操作装置)9a,9b,9c,9dが設けられている。
An operation signal for operating the
操作レバー9a,9bはそれぞれ前後左右に傾倒可能であり,操作レバー9a,9bの前後方向または左右方向には油圧アクチュエータ2a,4a,5a,6aの操作がそれぞれ割り当てられている。一方,操作レバー(走行レバー)9c,9はそれぞれ前後方向に傾倒可能であり,操作レバー9cの前後は左の走行モータ3の前後進に割り当てられており,操作レバー9dの前後は右の走行モータ3の前後進に割り当てられている。また操作レバー9a,9b,9c,9dは,レバーの傾倒方向及び傾倒量,すなわちレバー操作方向及び操作量を電気的に検知するセンサ(図示せず)をそれぞれ含んでおり,これらのセンサが検出したレバー操作方向及び操作量を操作信号として制御装置であるコントローラ16に電気配線を介して出力している。
The operation levers 9a and 9b can be tilted forward and backward and left and right, respectively, and the operations of the
以降,これら操作レバー9a,9b,9c,9dのレバー操作方向及び操作量を検知するセンサや,キャブ内9に設置されたコンソールパネル等の入力装置に対するオペレータの操作内容を検出するセンサ等のオペレータの操作を検出するセンサを操作検出装置C05と総称する。
Hereinafter, an operator such as a sensor for detecting a lever operation direction and an operation amount of these
ブームシリンダ4a,アームシリンダ5a,バケットシリンダ6a,旋回モータ2a及び左右の走行モータ3aの動作制御は,エンジンや電動モータなどの原動機によって駆動される油圧ポンプ装置7から各油圧アクチュエータ2a〜6aに供給される作動油の方向及び流量をコントロールバルブ8で制御することにより行う。コントロールバルブ8は,図示しないパイロットポンプから電磁比例弁を介して出力される駆動信号(パイロット圧)により行われる。操作レバー9a,9bからの操作信号に基づいてコントローラ16で電磁比例弁を制御することにより,各油圧アクチュエータ2a〜6aの動作が制御される。
The operation control of the boom cylinder 4a, the arm cylinder 5a, the
なお,操作レバー9a,9b,9c,9dは油圧パイロット方式であってもよく,それぞれオペレータにより操作される操作レバー9a,9b,9c,9dの操作方向及び操作量に応じたパイロット圧をコントロールバルブ8に駆動信号として供給し,各油圧アクチュエータ2a〜6aを駆動するように構成しても良い。
The operating levers 9a, 9b, 9c, 9d may be of a hydraulic pilot type, and the pilot pressure according to the operating direction and the operating amount of each of the
上部旋回体2には,所定の平面(例えば水平面)に対する上部旋回体2の傾斜角を検出する姿勢センサである慣性計測装置(IMU)12と,図2に示した2本のGNSSアンテナ13,14が取り付けられている。
The upper revolving unit 2 includes an inertial measurement unit (IMU) 12 which is an attitude sensor for detecting an inclination angle of the upper revolving unit 2 with respect to a predetermined plane (for example, a horizontal plane), and two
慣性計測装置12は,角速度及び加速度を計測するものである。例えば慣性計測装置12が取り付けられた上部旋回体2が静止している場合を考えると,慣性計測装置12に設定されたIMU座標系における重力加速度の方向(つまり,鉛直下向き方向)と,慣性計測装置12の取り付け状態(つまり,慣性計測装置12と上部旋回体2との相対的な位置関係)とに基づいて,上部旋回体2の前後方向への傾き(ピッチ角)を検出することができる。
The
フロント装置1の構成部材であるブーム4,アーム5,バケット6にはそれぞれの姿勢を計測するための姿勢センサとして,ポテンショメータ,慣性計測装置及びシリンダストロークセンサのいずれかが適切な位置に設置されている。以降,これらフロント装置1の姿勢を計測,演算するセンサを姿勢計測装置C02と総称する。 One of a potentiometer, an inertial measuring device, and a cylinder stroke sensor is installed at an appropriate position as an attitude sensor for measuring the attitude of each of the boom 4, arm 5, and bucket 6, which are components of the front device 1. I have. Hereinafter, the sensors that measure and calculate the attitude of the front device 1 are collectively referred to as an attitude measuring device C02.
図2は,図1の油圧ショベル100を側面から見た概略図であり,本図の通り,上部旋回体2上に2本のGNSSアンテナ13,14が取り付けられている。なお,説明の都合上,GNSSアンテナ13をメインアンテナ(第1アンテナ),GNSSアンテナ14をサブアンテナ(第2アンテナ)と呼ぶことがある。
FIG. 2 is a schematic view of the
GNSSアンテナ13,14それぞれで受信した衛星信号(好ましくは4基以上の衛星からの信号)に基づいて,運転室9または上部旋回体2の構造内に搭載された測位端末(位置計測装置)15は2つのアンテナ13,14の測位計算を行う。測位端末15は,処理装置(例えばCPU)と,2つのアンテナ13,14が受信した衛星信号から処理装置が2つのアンテナ13,14の位置を測定するためのプログラムが格納された記憶装置を有する測位用のコントローラである。測位端末15はそれぞれのGNSSアンテナ13,14の緯度,経度,ジオイド高さを含むNMEAフォーマットなどで2本のアンテナ13,14の測位結果を出力する。1つの測位端末で2つのアンテナ位置の測位を行っても良いし,アンテナごとに測位端末を備えていても良い。以降,簡単のため,2本のGNSSアンテナ13,14と測位端末15から構成される測位システムをまとめて位置計測装置C01と呼ぶ。
On the basis of satellite signals (preferably signals from four or more satellites) received by the
運転室9または上部旋回体2の構造内には,測位端末15と同様に,コントローラ16が配置されている。コントローラ16は,処理装置(例えばCPU)と,その処理装置が実行するプログラムが格納された記憶装置(例えばROM,RAM等の半導体メモリ)を有する。本実施形態のコントローラ16は各種センサ(慣性計測装置12,姿勢計測装置C02及び操作検出装置C05)や位置計測装置C01内の測位端末15から信号を受信して,ショベル100の動作に関する各種演算を行っている。
A
図3は本発明の実施形態に関わるコントローラ16の処理機能の概略を示した機能ブロック図である。コントローラ16には,GNSSアンテナ13,14及び測位端末15を含む位置計測装置C01,慣性計測装置12,姿勢計測装置C02,操作検出装置C05が検出した結果が入力されている。これらの情報に基づいて,コントローラ16は,運転室9内に備えられたディスプレイなどの表示装置C03に指示を表示するマシンガイダンス機能と,フロント装置1の動きを制御するためにコントロールバルブ8や各油圧アクチュエータ2a〜6aを駆動する油圧制御装置C04を制御するマシンコントロール機能を実装している。なお,コントローラ16にはショベル100を制御するための様々な機能が実装されているが,本発明に直接関係のない機能については説明を省略している。
FIG. 3 is a functional block diagram schematically showing the processing functions of the
図3のコントローラ16内の各部の具体的な演算内容を説明する。コントローラ16は,上部旋回体角度演算部C10と,相対角度演算部C11と,フロント姿勢演算部C12と,操作判断部C20,車体姿勢演算部C13と,操作指示演算部C14と,作業支援演算部C15を備えている。
Specific calculation contents of each unit in the
上部旋回体角度演算部C10は,位置計測装置C01と慣性計測装置12の検出値に従って,上部旋回体2における旋回中心座標とフロント装置1の向きを算出する。具体的には図4のように,測位端末15が演算するメインアンテナ13とサブアンテナ14の各座標より平面座標における2本のGNSSアンテナ13,14の位置を通過する直線の角度を演算し,さらに,各アンテナ13,14とフロント作業装置1の幾何学的な関係からフロント装置1の角度θを算出する。
The upper revolving unit angle calculation unit C10 calculates the turning center coordinates of the upper revolving unit 2 and the direction of the front device 1 according to the detection values of the position measuring device C01 and the
なお,油圧ショベル100が旋回動作を行っている場合には,上述のGNSSアンテナ13,14の位置から求めた角度θ0を起点として,慣性計測装置12で検出した角速度ωを積分することでフロント角度θを(3)式に従って算出しても良い。
When the
相対角演算部C11は上部旋回体2と下部走行体3が成す相対角αを演算する。相対角αの演算には,位置計測装置C01の検出値(下部走行体3による走行動作の前後におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置)が利用される。慣性計測装置12の検出値や操作判断部C20の出力を利用することもできる。相対角演算部C11の演算内容が本実施形態の主な特徴となるため,その詳細な内容は後述する。
The relative angle calculation unit C11 calculates a relative angle α formed between the upper revolving unit 2 and the
フロント姿勢演算部C12は,姿勢計測装置C02の検出値に基づいてフロント装置1の姿勢を演算する。フロント装置1の姿勢には各フロント部材4,5,6の姿勢の他,フロント装置1の先端であるバケット6のツメ先位置も含まれる。たとえば,図5のようにブーム4の回動中心であるブームフートピンを原点とする座標系(xb,yb,zb)において,ブーム4,アーム5,バケット6(正確には,ブーム長さLbm,アーム長さLam,及びバケット長さLbkの向き)の角度(姿勢角度)をそれぞれθbm,θam,θbkとすると,バケット6のツメ先位置を次の式(4)及び式(5)から求めることができる。 The front attitude calculation unit C12 calculates the attitude of the front device 1 based on the detection value of the attitude measurement device C02. The posture of the front device 1 includes not only the posture of each of the front members 4, 5, and 6 but also the claw tip position of the bucket 6, which is the tip of the front device 1. For example, as shown in FIG. 5, in a coordinate system (xb, yb, zb) whose origin is the boom foot pin which is the rotation center of the boom 4, the boom 4, the arm 5, and the bucket 6 (more precisely, the boom length L Assuming that the angles (posture angles) of the bm , the arm length L am and the bucket length L bk are θ bm , θ am and θ bk , respectively, the claw tip position of the bucket 6 is expressed by the following equation (4). It can be obtained from equation (5).
なお,姿勢計測装置C02としてポテンショメータを利用する場合は各姿勢角θbm,θam,θbkは直接的に取得できるが,慣性計測装置やシリンダストロークセンサを利用する場合には検出値を姿勢角θbm,θam,θbkに変換する演算も必要になる。 Note that when a potentiometer is used as the posture measuring device C02, the posture angles θ bm , θ am , and θ bk can be directly obtained. However, when an inertial measurement device or a cylinder stroke sensor is used, the detected value is used as the posture angle. Calculations for converting into θ bm , θ am , and θ bk are also required.
車体姿勢演算部C13は上部旋回体角度演算部C10,相対角演算部C11,フロント姿勢演算部C12の演算結果に基づいて,油圧ショベル100の姿勢に関する情報を統合する。より具体的には,上部旋回体角度演算部C10で演算した旋回中心座標,フロント装置1の向き,および,油圧ショベル100の寸法情報に従って,世界座標系におけるブームフートピンの座標を演算できる。その後,ブームフートピンの座標を原点として,フロント姿勢演算部C12で演算したバケットツメ先位置を統合すると,世界座標系におけるバケットツメ先位置が演算できる。また,上部旋回体角度演算部C10で演算した旋回中心座標を基準にして,相対角演算部C11で演算した上部旋回体2と下部走行体3の相対角αを利用することで,下部走行体3の向き(絶対角度)を演算することが出来る。
The body posture calculation unit C13 integrates information on the posture of the
操作支援演算部C14は,車体姿勢演算部C13の演算結果,および,操作判断部C20で判断された操作内容に基づいて,オペレータの操作を支援するマシンガイダンスに関する演算を行い,指示内容を表示装置C03へと出力する。支援内容としては,所定の目標面とバケットの位置関係を表示することや,その目標面の下方にバケット6の先端部が潜り込まないように車体姿勢演算部C13で演算したバケットの座標に応じてブーム上げレバー操作を促す表示をすることや,図18に示した作業のために下部走行体の向きを作業面に合わせるように走行レバー操作を促す表示をすること,などが挙げられる。なお,操作指示演算部C14には,他の作業に関するガイダンス機能を備えていても良いが,本実施形態と直接の関係が無いため説明は省略する。 The operation support operation unit C14 performs an operation related to machine guidance to assist the operation of the operator based on the operation result of the vehicle body posture operation unit C13 and the operation content determined by the operation determination unit C20, and displays the instruction content on a display device. Output to C03. The contents of the support include displaying the positional relationship between a predetermined target plane and a bucket, and according to the coordinates of the bucket calculated by the vehicle body posture calculation unit C13 so that the tip of the bucket 6 does not go under the target plane. A display that prompts the user to operate the boom raising lever, a display that prompts the user to operate the traveling lever so that the orientation of the lower traveling body matches the work surface for the operation shown in FIG. 18, and the like can be given. The operation instruction calculation unit C14 may be provided with a guidance function for other operations, but the description is omitted because it has no direct relation to the present embodiment.
作業支援演算部C15は,車体姿勢演算部C13の演算結果と,操作判断部C20で判断された操作内容とに基づいて,油圧ショベル100の動作を自動または半自動的に制御するマシンコントロールに関する演算を行い,この動作を実行するための指令値を油圧制御装置C04へと出力する。油圧制御装置C04は入力した指令値に基づいてフロント装置1を含む油圧ショベル100の動作を制御する。油圧ショベル100の動作の半自動制御の例としては,操作装置9a,9bの操作時にフロント装置1(より具体的にはバケット6のツメ先)が目標面上またはその上方に位置するようにフロント装置1が目標面に近づく速度を所定の制限速度以下に制限するものがある。
The work support calculation unit C15 performs calculation related to machine control for automatically or semi-automatically controlling the operation of the
次に相対角演算部C11の構成について図面を用いて詳細に説明する。 Next, the configuration of the relative angle calculation unit C11 will be described in detail with reference to the drawings.
<第1実施形態>
図6は,相対角演算部C11の実施形態の一例である。図6では,相対角演算部C11の入力として,位置計測装置C01の検出値のみを利用する場合を考える。なお,説明の都合上,時刻t1(第1時刻)において位置計測装置C01が演算したメインアンテナ13の座標(位置)を座標13a,同サブアンテナ14の座標(位置)を座標14a,時刻t2(第2時刻)において位置計測装置C01が演算したメインアンテナ13の座標(位置)を座標13b,同サブアンテナ14の座標(位置)を座標14bと呼ぶ。
<First embodiment>
FIG. 6 is an example of an embodiment of the relative angle calculation unit C11. In FIG. 6, a case is considered in which only the detection value of the position measurement device C01 is used as an input of the relative angle calculation unit C11. For convenience of explanation, the coordinates (position) of the
図6の相対角演算部C11は,第1位置情報記憶部A01と,第2位置情報記憶部A02と,第1車体角度演算部A03と,第2車体角度演算部A04と,走行変位角度演算部A05と,逸脱角度演算部A06と,走行変位角度補正部A07と,相対角度演算部A08とを備えている。 6 includes a first position information storage unit A01, a second position information storage unit A02, a first vehicle body angle calculation unit A03, a second vehicle body angle calculation unit A04, and a travel displacement angle calculation unit. A section A05, a deviation angle calculation section A06, a traveling displacement angle correction section A07, and a relative angle calculation section A08.
第1位置情報記憶部A01と第2位置情報記憶部A02は,コントローラ16内の記憶装置の記憶領域内に構成されている。
The first position information storage unit A01 and the second position information storage unit A02 are configured in a storage area of a storage device in the
第1位置情報記憶部A01は,時刻t1(第1時刻)におけるメインアンテナ位置13aとサブアンテナ位置14aを記憶する。第1位置情報記憶部A01は,測位端末15から出力されるDOP(Dilution Of Precision)や位置特定品質などの測位精度に関する情報を参照し,以降の演算に必要な精度で測位が行われているときの位置情報を記憶する。例えば,RTKを利用している場合には,位置特定品質が「RTK−FIX」になっていること,つまり,GNSSの標準フォーマットであるNMEAメッセージ中の「GGA」のクオリティが4になっていること,を確認して位置情報を記憶することで測位結果の誤差をおよそ2cm程度にできる。なお,時刻t1以降から上記の位置情報の記憶が行われるまでの間はショベル100を動作させないことが望ましい。
The first position information storage unit A01 stores the
第2位置情報記憶部A02は,時刻t2(第2時刻)におけるメインアンテナ位置13bとサブアンテナ位置14bを記憶する。第1位置情報記憶部A02も第1位置情報記憶部A01と同様に所望の測位精度が保証されたときの位置情報を記憶する。同様に位置情報の記憶が行われるまでの間,ショベル100を動作させないことが望ましい。
The second position information storage unit A02 stores the
以上の時刻t1,時刻t2の関係を図7のタイムチャートを用いて説明する。 The relationship between time t1 and time t2 will be described with reference to the time chart of FIG.
まず,時刻t1より前ではショベル100の動作に何ら制限を与えない。時刻t1にて位置計測装置C01から出力される位置情報の記憶を開始し,所望の精度(たとえば,RTK−FIXの2cm)が保証される時刻taまで間はショベル100を停止させる。そして時刻taにて位置情報の記憶を終了する。
First, before the time t1, the operation of the
時刻taにて位置情報の記憶を終了した以降は,再びショベル100の動作を許可する。ただし,後述の通り,時刻ta以降から時刻t2までは走行以外の操作を行わないことが望ましい。
After the end of storing the position information at the time ta, the operation of the
時刻t2にて再び位置計測装置C01から出力される位置情報の記憶を開始すると,位置精度が保証される時刻tbまでショベル100の動作を停止する。同様に時刻tbにて位置情報の記憶を終了する。
When the storage of the position information output from the position measurement device C01 is started again at the time t2, the operation of the
以上のような動作を実行することで,GNSSによる測位誤差に起因する下部走行体3と上部旋回体2の相対角αの演算誤差を抑制できる。なお,以下では簡単のため時刻t1,t2でも「RTK−FIX」の精度が保証されているものとして説明する。
By performing the above operation, it is possible to suppress the calculation error of the relative angle α between the
第1車体角度演算部A03は,第1位置情報記憶部A01に格納されている時刻t1におけるメインアンテナ座標13aとサブアンテナ座標14aに基づいて,時刻t1における上部旋回体の向き(角度)である第1車体角度θ1を演算する。具体的な演算は図4に準ずるが,ここでは説明を簡単にするため,十分に平滑な平面(高さ方向zへの変位がない)上に油圧ショベル100が配置されていると仮定する。そして,時刻t1のメインアンテナ13の平面座標13aを(x1,y1),サブアンテナ14の平面座標14aを(x2,y2)とすると,時刻t1において各アンテナ13,14を通過する直線が所定の基準線(図8,9では水平線)となす角度θ1を次の(6)式で与えることが出来る。
The first body angle calculation unit A03 is the direction (angle) of the upper revolving structure at time t1, based on the main antenna coordinates 13a and the sub-antenna coordinates 14a at time t1 stored in the first position information storage unit A01. It calculates the first vehicle body angle theta 1. Although the specific calculation is in accordance with FIG. 4, it is assumed here that the
第2車体角度演算部A04は,第2位置情報記憶部A02に格納されている時刻t2におけるメインアンテナ座標13bとサブアンテナ座標14bに基づいて,時刻t2における上部旋回体の向き(角度)である第2車体角度θ2を演算する。時刻t2のメインアンテナ13の平面座標13bを(x3,y3),サブアンテナ14の平面座標14bを(x4,y4)とすると,時刻t2において各アンテナ13,14を通過する直線が所定の基準線(図8,9では水平線)となす角度θ2(図8,9参照)を次の(7)式で与えることが出来る。
The second vehicle body angle calculation unit A04 is the direction (angle) of the upper revolving structure at time t2 based on the main antenna coordinates 13b and the sub-antenna coordinates 14b at time t2 stored in the second position information storage unit A02. calculating a second body angle theta 2. Assuming that the plane coordinates 13b of the
走行変位角度演算部A05は,第1位置情報記憶部A01と第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t1,t2における2つのアンテナ13,14の位置のうち一方のアンテナの位置に基づいて,時刻t1及び時刻t2におけるその一方のアンテナの位置を通る直線が所定の基準線となす角である走行変位角度ψ(φ)を演算する。走行変位角度ψ(φ)は時刻t1以降の時刻taから時刻t2の間に行われた下部走行体3の走行動作によって生じるGNSSアンテナの角度である。
The traveling displacement angle calculation unit A05 determines the position of one of the two
ここでは時刻t1,t2におけるメインアンテナ13の位置から走行変位角度ψを計算する。図7の時刻taから時刻t2の間に作業者が走行レバー操作のみを実施したとすると,走行前のメインアンテナ座標13aと走行後のメインアンテナ座標13bを通過する直線のなす角度ψを次の(8)式で計算する。
Here, the travel displacement angle ψ is calculated from the position of the
上記の演算の一例を図8に示す。下部走行体3の軌跡が完全にまっすぐであれば,走行前後のメインアンテナ座標13a,13bのx座標は同一であるため,図8に示すように走行変位角度ψ=0となる。また,θ1=θ2も成立する。
FIG. 8 shows an example of the above calculation. If the locus of the
また,図8とは下部走行体3と上部旋回体2の相対角αが異なる姿勢の例を図9に示す。図8と同様に,下部走行体3の軌跡が完全にまっすぐであれば,θ1=θ2が成立する。
FIG. 9 shows an example in which the relative angle α between the
図8,9からも分かるように(8)式で演算している角度ψは下部走行体3の絶対角に等しい。ただし,これは,走行動作中の下部走行体3の軌跡が完全に真っ直ぐである場合に限定されることに注意が必要である。つまり,通常はスリップ等で蛇行するので下部走行体3の軌跡は直線にならない。
8 and 9, the angle 9 calculated by the equation (8) is equal to the absolute angle of the
逸脱角度演算部A06は,第1位置情報記憶部A01及び第2位置情報記憶部A02に記憶された情報と,第1車体角度演算部A03の演算結果とに基づいて,下部走行体3の走行動作中の蛇行によって生じる角度である逸脱角δφの演算を行う。
The departure angle calculation unit A06 travels the
ここで,逸脱角δφが生じた場合のGNSSアンテナの座標の変化例を図10に示す。説明を簡単にするため,第1位置情報記憶部A01に記憶された時刻t1におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の座標13a,14aがX’座標上に乗っている場合を考える(二点13a,14aを結ぶようにX’軸を取ったものとして考えても良い)。図10以降は説明を簡単にするため,下部走行体3の走行変位角度は先述のψではなくX’軸を0度としたφを用いて説明する。図8.9のψとφには「ψ+φ=90度」の関係が成り立つため,容易に変換することができる。
Here, FIG. 10 shows an example of changes in the coordinates of the GNSS antenna when the deviation angle δφ occurs. For simplicity, consider a case where the
まず,下部走行体3の初期角度(t1における下部走行体3の角度)φ’に沿って下部走行体3が真っ直ぐに走行できたと仮定すると,時刻t2における各アンテナ13,14の座標は図10中の13c,14cとなる。真っ直ぐに走行できたのならば,メインアンテナ座標13cとサブアンテナ座標14cを結ぶベクトルは,X’軸(13aと14aの2座標を結ぶベクトル)と平行になることに注意されたい。
First, assuming that the
しかしながら,実際の走行動作においては,クローラ式の下部走行体3の履体と地面の間に滑りが生じて蛇行するため,第2位置情報記憶部A02に記憶される時刻t2における各アンテナ13,14の座標は例えば13b,14bとなる。このような場合,13b,14bの座標を利用して(8)式の計算を行うことで得られる角度φは,下部走行体3の初期角度(図10中のφ’)と異なる値になってしまう。このように生じる角度の差を本願では逸脱角δφと呼ぶ。図10から明らかなように,逸脱角δφは,時刻t1において下部走行体3が所定の基準線(X’軸)となす角φ’と走行変位角度φとの差(δφ=φ’−φ)でもある。
However, in the actual traveling operation, the crawler-type
(1)角度θcによる逸脱角δφの近似1
逸脱角δφの演算方法の一例を図11a,11bに従って説明する。この例は逸脱角δφが十分に小さい場合に精度が良い。
(1) Approximation 1 of deviation angle δφ by angle θc
An example of a method of calculating the deviation angle δφ will be described with reference to FIGS. 11A and 11B. This example is accurate when the deviation angle δφ is sufficiently small.
まず,図11aに示した通り,時刻t1から時刻t2の間におけるメインアンテナ13の移動距離をl1,同様に時刻t1から時刻t2の間におけるサブアンテナ14の移動距離をl2,メインアンテナ13とサブアンテナ14間の距離をHとすると,それぞれの値は時刻t1,t2における2本のアンテナ13,14の座標値を利用して次の(9)(10)(11)式で計算できる。
First, as shown in FIG. 11A, the moving distance of the
なお,(11)式では第1位置情報記憶部A01に記憶された時刻t1におけるメインアンテナ座標13aとサブアンテナ座標14aを利用しているが,第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t2における各座標13b,14bを使っても良い。
Note that, in the expression (11), the main antenna coordinates 13a and the sub-antenna coordinates 14a at the time t1 stored in the first position information storage unit A01 are used, but the time t2 stored in the second position information storage unit A02 is used. May be used as the
ここで,履体と地面の滑りによる軌道変化は遠点COを中心とした回転運動として近似できることに注目すると,メインアンテナ13の移動距離l1は半径(H+R)の円の外周の一部,サブアンテナ14の移動距離l2は半径Rの円の外周の一部とみなすことが出来る。このとき,それぞれの移動距離l1,l2を次式で近似できる。
Here, it is noted that the orbital change due to slippage between the footwear and the ground can be approximated as a rotational movement about the far point CO. When the movement distance l1 of the
(12),(13)において未知変数はRとθcの2変数なので,(12),(13)を連立することによって,数値的にRとθcを演算することが出来る。すなわち,本例では,2本のアンテナ13,14の移動距離l1,l2が,それぞれ,中心が同じで逸脱角δφを中心角θcとして有する扇形の円弧(但し半径はR+HとR)であるとみなして逸脱角δφを演算する。
In (12) and (13), since the unknown variables are two variables of R and θc, R and θc can be calculated numerically by simultaneously setting (12) and (13). That is, in this example, it is assumed that the moving distances l1 and l2 of the two
なお,第1位置情報記憶部A01と第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t1,t2におけるサブアンテナ座標14a,14bと遠点COを頂点とする三角形を考え,余弦定理より求まる下記(14)式を追加しても良い。 Considering a triangle having the sub-antenna coordinates 14a and 14b and the far point CO as vertices at times t1 and t2 stored in the first position information storage unit A01 and the second position information storage unit A02, 14) Equation may be added.
ただし,(14)式はサブアンテナ座標を利用する場合の式であるが,代わりにメインアンテナ座標13a,13bを用いても良い。 However, although equation (14) is an equation using the sub-antenna coordinates, the main antenna coordinates 13a and 13b may be used instead.
(2)角度θcによる逸脱角δφの近似2
さらに,第1位置情報記憶部A01に記憶された時刻t1におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の座標13a,14aを結ぶようにX’−Y’座標系を取った場合(図10)を考えると,図11bのように,時刻t2におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の座標13b,14bを通過する直線がX軸となす角度がθcとなるので,次の(15)式で規定される逆正接関数でθcを求めることも出来る。
(2) Approximation 2 of deviation angle δφ by angle θc
Further, let us consider a case where an X′-Y ′ coordinate system is used to connect the
なお,上記の(15)式における(x3’,y3’),(x4’,y4’)はX’−Y’座標系における第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t2におけるメインアンテナ座標13bおよびサブアンテナ座標14bである。
(X3 ′, y3 ′) and (x4 ′, y4 ′) in the above equation (15) are the main antenna coordinates at time t2 stored in the second position information storage unit A02 in the X′-Y ′ coordinate system. 13b and
(3)角度θdによる逸脱角δφの近似
逸脱角δφが十分に小さい場合にはδφ=θcとみなすことも出来るが,そうでない場合には近似精度が高くないことがある。次にθcで近似する場合よりも近似精度を上げる方法の一例を図12に従って説明する。
(3) Approximation of Deviation Angle δφ by Angle θd When the deviation angle δφ is sufficiently small, it can be considered that δφ = θc, but otherwise, the approximation accuracy may not be high. Next, an example of a method of increasing the approximation accuracy as compared with the case of approximation by θc will be described with reference to FIG.
まず,図12aのように,(8)式で計算されるメインアンテナ13の移動前後の角度φを利用して,第2時刻t2における仮想的なサブアンテナの座標14dを演算する。この座標14dは,時刻t1以降の時刻taから時刻t2の間に行われた走行動作により下部走行体3が走行変位角度φに沿って真っ直ぐ走行できたと仮定した場合の時刻t2におけるサブアンテナ14の仮想位置を示す。この仮想的なサブアンテナ14の座標14dを(xp,yp)とすると,具体的には次の(16)(17)式で与えることが出来る。
First, as shown in FIG. 12A, the
すなわち,xp,ypは,時刻t1から時刻t2の間におけるメインアンテナ13の移動距離l1と,時刻t1におけるサブアンテナ14の座標14a(x2,y2)と,走行変位角度φに基づいて規定できる。
That is, xp and yp can be defined based on the moving distance l1 of the
また,同一時刻におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の距離は一定(距離は(11)式のHで与えられる)であるので,第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t2におけるサブアンテナ座標14bと,時刻t2における仮想サブアンテナ座標14dとは,第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t2におけるメインアンテナ座標13bを中心とした半径Hの円周上に配置される。この様子を図12bに示す。
Since the distance between the
本例では,時刻t1におけるサブアンテナ座標14aと時刻t2における仮想サブアンテナ座標14dとを通過する直線と,時刻t2におけるサブアンテナ座標14bと時刻t2における仮想サブアンテナ座標14dとを通過する直線とがなす角θdで逸脱角δφを近似する。θdは,3つの座標14a,14b,14dを頂点に有し,図12bに示したa,b,cの3辺から成る三角形に余弦定理を利用することよって計算することが出来る。辺aは2つの頂点14a,14bを接続する辺で,辺bは2つの頂点14a,14dを接続する辺で,辺cは2つの頂点14d,14bを接続する辺である。
In this example, a straight line passing through the sub-antenna coordinates 14a at time t1 and the virtual sub-antenna coordinates 14d at time t2, and a straight line passing through the sub-antenna coordinates 14b at time t2 and the virtual sub-antenna coordinates 14d at time t2. The deviation angle δφ is approximated by the formed angle θd. θd can be calculated by using the cosine theorem for a triangle having three
なお,逸脱角δφが小さいときは,図12bにおいて,サブアンテナ座標14bが円周上に沿って,仮想サブアンテナ座標14dへと接近することで,θdは徐々に0へと近づいていく。同じく,サブアンテナ座標14bが円周上に沿って,仮想サブアンテナ座標14dへと接近することで,上述のθcも0へと近づいていくことが確認できる。これが,上述の「逸脱角が十分に小さい場合には,δφ=θcとみなすことも出来る」理由になっている。 When the deviation angle δφ is small, in FIG. 12B, the sub-antenna coordinates 14b approach the virtual sub-antenna coordinates 14d along the circumference, so that θd gradually approaches 0. Similarly, when the sub-antenna coordinates 14b approach the virtual sub-antenna coordinates 14d along the circumference, it can be confirmed that the above-described θc also approaches 0. This is the reason that "if the deviation angle is sufficiently small, it can be considered that δφ = θc".
ところで,図21に逸脱角δφとその近似計算値のθc,θdの関係を示す。
まず,θcは,(15)式に示した通り,実際に測定可能な時刻t2における2点13b,14bの座標値を利用してX’軸まわりの回転角度として演算される。
FIG. 21 shows the relationship between the deviation angle δφ and the approximate calculated values θc and θd.
First, as shown in Expression (15), θc is calculated as the rotation angle around the X ′ axis using the coordinate values of the two
一方,θdは,(18)〜(21)式に示した通り,実際に測定可能な時刻t1,t2における2点14a,14bの座標値と,演算によって求まる仮想的な測位点14dの座標値,すなわち3点の座標値を利用して,14a−14d,14b−14dの2直線が成す角度として演算される。
On the other hand, as shown in equations (18) to (21), θd is the coordinate value of the two
ここで直線14d−14bを延長して,X’軸との交点座標を14eと定義する。下部走行体3による走行距離が十分に長いと,直線14a−14cと直線14d−14eは近似的に平行な関係になる。この平行関係を利用すると,θdとδφが一致することが確認できる。これが,θdによって,δφを精度よく近似できる理由である。
Here, the
なお,図21の各点の幾何学的な関係に着目すると,逸脱角δφとθcの間に明確な関係性が無いようにもみえる。ただし,図12bに示した通り,下部走行体3の逸脱(逸脱角δφ)が小さくなると(すなわち14bと14dが近くなると)にθcとθdの値が徐々に近づく。θcとθdのこの関係が,逸脱角δφの演算にθcを利用することに相当の妥当性があることの理由である。ただし,θcは「δφの近似値であるθd」の近似値を求めているに過ぎず,精度の点ではθdに劣る場合が多いことに注意が必要である。
When attention is paid to the geometric relationship between the points in FIG. 21, it seems that there is no clear relationship between the deviation angles δφ and θc. However, as shown in FIG. 12B, the values of θc and θd gradually approach as the deviation (deviation angle δφ) of the
走行変位角度補正部A07は,走行変位角度演算部A05と逸脱角度演算部A06の演算結果に基づいて,走行で生じた逸脱角を考慮して走行変位角度φを補正することで,補正後の走行変位角度φ’を演算する。 The traveling displacement angle correction unit A07 corrects the traveling displacement angle φ by taking into account the deviation angle generated during traveling based on the calculation results of the traveling displacement angle calculation unit A05 and the deviation angle calculation unit A06. The traveling displacement angle φ 'is calculated.
より具体的には,次式によって補正を行う。すなわち走行変位角度φに逸脱角δφを加算した値を補正後の走行変位角度φ’とする。補正後の走行変位角度φ’は走行動作前(例えば時刻t1)における下部走行体3の角度(向き)である。
More specifically, the correction is performed by the following equation. That is, a value obtained by adding the deviation angle δφ to the traveling displacement angle φ is set as the corrected traveling displacement angle φ ′. The travel displacement angle φ 'after the correction is the angle (direction) of the
なお,図8,図9に示したように,下部走行体の移動が完全にまっすぐ行われた場合には逸脱角δφ=0が成り立つため,φ’=φとなる。 Note that, as shown in FIGS. 8 and 9, when the movement of the undercarriage is completely straight, the deviation angle δφ = 0 is established, so that φ ′ = φ.
相対角度演算部A08は,第1車体角度演算部A03と走行変位角度補正部A07の演算結果に基づいて,上部旋回体2と下部走行体3が成す相対角度αを演算する。具体的には「α=θ1−φ’」に従った計算すれば良い。すなわち,第1車体角度θ1から補正後の走行変位角度φ’を減じた値が時刻t1における上部旋回体2と下部走行体3の相対角度αとなる。
The relative angle calculation unit A08 calculates a relative angle α formed by the upper revolving unit 2 and the
以上のように,クローラ式の下部走行体3を備えた作業機械では,例えば走行前の時刻t1で下部走行体3の角度がφ’(図10)で,その状態のまま下部走行体3を直進させる操作を入力しても,走行中の滑り等で下部走行体3が蛇行してしまい,走行後の時刻t2での下部走行体3の角度は走行前の角度と異なる値φ(図10)となってしまう。そのため上部旋回体2に設置された2本のGNSSアンテナ13,14のいずれかの走行前後の位置の変化から移動方向φを演算しても,走行前の下部走行体3の角度φ’を正確に演算することは困難であった。
As described above, in the working machine provided with the crawler type
しかし,本実施形態の作業機械は,上記の演算を実行する相対角度演算部C11を有するコントローラ16を備えているため,走行動作中に下部走行体3が蛇行した結果生じた逸脱角δφ(δφ=φ’−φ)を他の角度θc,θdで精度良く近似することで,時刻t1における下部走行体3の角度φ’を演算できる。これにより時刻t1における上部旋回体2と下部走行体3の相対角αを演算できるので,これ以降は上部旋回体2の旋回角を積算していけば所望の時刻における上部旋回体2と下部走行体3の相対角αを演算できる。特に本実施形態では2本のGNSSアンテナ13,14の測位結果のみから一連の角度θc,θd,αを演算できる点がメリットとなる。GNSSの測位結果を利用する方法は,特許文献2で示される旋回軸に回転角度センサを備える構成と異なり,GNSS(位置計測装置C01)に万が一故障が生じたとしても交換や修理が非常に容易である。近年は情報化施工の進展によりGNSSアンテナを2本備える油圧ショベルが増えており,そのような油圧ショベルへの適用については専用の回転角度センサを備える構成と比較してイニシャルコストの点でも優位性がある。
However, since the work machine of the present embodiment includes the
また,上記のように演算した相対角αを例えば運転室9内の表示装置C03に表示すれば,フロント装置1による作業中にオペレータが下部走行体3の向きを失念してしまっても表示装置C03を参照すればいつでも上部旋回体2と下部走行体3の相対角度を把握できるため,フロント装置1による作業の終了後に走行動作を開始する際に誤った方向に前進することを防止できる。相対角αの用途はこれだけに限られず,マシンガイダンス機能やマシンコントロール機能において種々の形態での利用が可能である。
Further, if the relative angle α calculated as described above is displayed on the display device C03 in the cab 9, for example, the display device will be displayed even if the operator forgets the direction of the
<第2実施形態>
図13は第2実施形態における相対角演算部C11の機能ブロック図である。本実施形態の相対角演算部C11は,逸脱角演算部D06に慣性計測装置(IMU)12の出力を入力しており,それを逸脱角度演算部D06における演算内容に利用している点に特徴がある。以下に説明する内容を除き,その他の第1実施形態と同じ名称の部分については第1実施形態と同じ処理を実行するものとし説明は省略する。
<Second embodiment>
FIG. 13 is a functional block diagram of a relative angle calculation unit C11 according to the second embodiment. The relative angle calculation unit C11 of the present embodiment is characterized in that the output of the inertial measurement unit (IMU) 12 is input to the deviation angle calculation unit D06 and is used for the calculation contents in the deviation angle calculation unit D06. There is. Except for the contents described below, other parts having the same names as those of the first embodiment are assumed to execute the same processes as those of the first embodiment, and description thereof will be omitted.
慣性計測装置12では上部旋回体2の角速度ωuと下部走行体3の角速度ωbの和(ω=ωu+ωb)を検出することが出来る。ここで,時刻t1から時刻t2の間は上部旋回体2を回転させない(ωu=0)という条件を課せば,慣性計測装置12の検出値は下部走行体の角速度ω=ωbになる。したがって,この角速度を利用すれば,上述の角度θcを次の(23)式で計算できる。(23)式における積分区間は例えば時刻t1から時刻t2に設定できる。
The
すなわち本実施形態の逸脱角演算部D06は,慣性計測装置12により検出された角速度の時刻t1から時刻t2までの積分値を逸脱角δφとして演算している。このように逸脱角δφを演算しても上部旋回体2と下部走行体3の相対角αを演算することができる。ただし,本実施形態のように下部走行体3の角速度ωbの検出に高精度な慣性計測装置(IMU)12を利用した場合,GNSSの測位結果と(14),(15)式に基づいてθcを計算する第1実施形態の方法よりも正確な値を得ることが出来る。また,近年は情報化施工の進展により,上部旋回体2の傾斜角度を検出するために慣性計測装置(IMU)12を備える油圧ショベルが増えており,そのような油圧ショベルに本実施形態を適用する場合には専用の回転角度センサを備える構成と比較してイニシャルコストの点で優位性がある。
That is, the deviation angle calculation unit D06 of the present embodiment calculates the integral value of the angular velocity detected by the
なお,本実施形態では上部旋回体2に取り付けた慣性計測装置12で下部走行体の角速度ωbを取得したが,下部走行体3の角速度ωbを取得できるセンサであれば他の角速度検出センサを利用しても構わない。また,下部走行体3に慣性計測装置12を取り付けて角速度ωbを検出しても構わない。
In the present embodiment, the angular velocity ωb of the lower traveling body is acquired by the
<第3実施形態>
図14は第3実施形態における相対角演算部C11の機能ブロック図である。本実施形態では第2実施形態の構成に加えて,操作判断部C20の出力を相対角度演算部C11に入力し,逸脱角度演算部E06と走行変位角度演算部E05での演算に利用している。以下に説明する内容を除き,その他の第2実施形態と同じ名称の部分については第2実施形態と同じ処理を実行するものとし説明は省略する。
<Third embodiment>
FIG. 14 is a functional block diagram of a relative angle calculation unit C11 according to the third embodiment. In the present embodiment, in addition to the configuration of the second embodiment, the output of the operation determination unit C20 is input to the relative angle calculation unit C11, and is used for calculation in the departure angle calculation unit E06 and the travel displacement angle calculation unit E05. . Except for the contents described below, the other parts having the same names as those of the second embodiment execute the same processes as those of the second embodiment, and descriptions thereof will be omitted.
操作判断部C20は,操作検出装置C05から出力される信号を入力して,例えば操作レバー9a,9b,9c,9dの操作方向や操作量を監視し,オペレータがショベル100に対してどのような操作を入力したかを判断する。また,操作判断部C20は操作レバー9a,9b,9c,9dのみでなく,キャブ内9にあるコンソールパネルを含む入力装置から出力される信号も入力しており,これらの入力装置へ操作内容(入力内容)も取得できるように構成されている。 The operation determination unit C20 receives a signal output from the operation detection device C05 and monitors, for example, the operation direction and operation amount of the operation levers 9a, 9b, 9c, and 9d. Determine whether you have entered an operation. The operation determination unit C20 also receives not only the operation levers 9a, 9b, 9c, and 9d but also signals output from input devices including a console panel in the cab 9, and inputs the operation contents ( (Input contents).
逸脱角度演算部E06は,第2実施形態の逸脱角度演算部D06が行っていた演算に加えて,操作判断部C20の出力を利用した演算を行う。例えば下部走行体3の走行動作中に旋回操作が実施された場合は上部旋回体2が回転する(ωu≠0)ため,(19)式でθcを計算することが出来なくなる。このため,逸脱角度演算部E06は,操作判断部C20にて旋回操作が実施されていると判断された場合には,(19)式によるθcの計算を停止する。
The deviation angle calculation unit E06 performs a calculation using the output of the operation determination unit C20 in addition to the calculation performed by the deviation angle calculation unit D06 of the second embodiment. For example, if the turning operation is performed during the traveling operation of the
走行変位角度演算部E05も,先に説明した内容の演算だけでなく,操作判断部C20の出力を利用した演算を行っている。逸脱角δφが十分に小さいとすれば,次の(24)式で示すように,慣性計測装置(角速度検出センサ)12で検出した角速度の積分値は上部旋回体2の角度変化Δθと一致する。 The travel displacement angle calculation unit E05 performs not only the calculation described above, but also a calculation using the output of the operation determination unit C20. Assuming that the deviation angle δφ is sufficiently small, the integral value of the angular velocity detected by the inertial measurement device (angular velocity detection sensor) 12 coincides with the angle change Δθ of the upper swing body 2 as shown in the following equation (24). .
(24)式のΔθを利用すれば,時刻t1(第1時刻)と時刻t2(第2時刻)の間の走行動作中に旋回操作が実施された場合でも,走行変位角度φを演算することが出来る。具体的には,図15に示したように右旋回操作が行われると第2車体角度演算部A04で演算される角度θ2が第1車体角度演算部A03で演算される角度θ1よりもΔθの変化が生じる。そのため,時刻t2のメインアンテナ座標とサブアンテナ座標をそれぞれ旋回中心に対してΔθ分,旋回操作と逆方向(すなわち左旋回方向)に回転操作(座標変換)を行う。回転操作後に得られた時刻t2のメインアンテナ座標とサブアンテナ座標をそれぞれ(x3c,y3c),(x4c,y4c)と置き,これらの座標を第1実施形態の座標13b,14bとみなして第1実施形態と同様の演算を行えば相対角αを演算できる。
By using Δθ in equation (24), it is possible to calculate the travel displacement angle φ even when the turning operation is performed during the travel operation between time t1 (first time) and time t2 (second time). Can be done. Specifically, than the angle theta 1 which the angle theta 2 which the right turning operation as shown in FIG. 15 is calculated by the performed second body angle calculating unit A04 is calculated by the first vehicle body angle calculating unit A03 Also causes a change in Δθ. Therefore, the main antenna coordinates and the sub-antenna coordinates at time t2 are respectively rotated by Δθ with respect to the turning center in the direction opposite to the turning operation (ie, the left turning direction) (coordinate conversion). The main antenna coordinates and the sub-antenna coordinates at time t2 obtained after the rotation operation are set as (x3c, y3c) and (x4c, y4c), respectively, and these coordinates are regarded as the
なお,上記の演算は「逸脱角δφが十分に小さい」ということを前提としているため,旋回操作を実施した場合は,相対角αの演算精度の低下が起き易い。このため,オペレータが旋回操作を行わないように,相対角αの演算中(下部走行体3による走行動作中)は表示装置C03に旋回動作を行わない旨をオペレータに注意勧告する表示を出力することが望ましい。 Note that the above calculation is based on the premise that "the deviation angle δφ is sufficiently small". Therefore, when the turning operation is performed, the calculation accuracy of the relative angle α is likely to decrease. For this reason, during the calculation of the relative angle α (during the traveling operation by the lower traveling unit 3), a display for notifying the operator that the turning operation is not performed is output to the display device C03 so that the operator does not perform the turning operation. It is desirable.
上記のように構成された相対角演算部C11を備える本実施形態のコントローラ16の演算フローの一例について図16を用いて説明する。なお,第1,2実施形態のコントローラ16の演算フローでは,操作判断部C20及び慣性計測装置12が関連する処理(S01,S02,S07,S08a,S08b)を省略すれば良い。
An example of a calculation flow of the
電源をOFF状態からON状態に設定されるとコントローラ16は図16の処理を開始する。まず,S1にて,操作判断部C20は,オペレータが上部旋回体2と下部走行体3の相対角の較正を行う意思があるかを,運転室9内のコンソールの操作内容に基づいて判断する。コンソール上には,オペレータからの入力に基づいて,上部旋回体2と下部走行体3の相対角度の較正をコントローラ16に指示するための較正指示を出力する較正開始ボタン(入力装置)が設けられており,この較正開始ボタンがオペレータに押下されると,コントローラ16(操作判断部C20)に対して較正指示が出力される。この較正指示が入力されると,操作判断部C20はオペレータに相対角の較正を行う意思があると判断する。
When the power is set from the OFF state to the ON state, the
較正開始ボタンが押下されず,S01で相対角の較正が必要とされていないと操作判断部C20が判断した場合は処理をS02に遷移して通常動作を行う。通常動作とは,例えば,掘削動作を実施するのに必要なガイダンスや制御(マシンコントロール)の演算を行うことを意味する。 If the calibration start button is not pressed and the operation determination unit C20 determines that calibration of the relative angle is not required in S01, the process shifts to S02 to perform a normal operation. The normal operation means, for example, performing guidance and control (machine control) calculations necessary for performing an excavation operation.
較正開始ボタンが押下され,S01で相対角の較正が必要とされていると操作判断部C20が判断した場合は処理をS03に遷移する。S03では,操作指示演算部C14は,現在「較正モード」が選択されていることを表示装置C03に表示する。なお,較正モードの選択時には,操作指示演算部C14によって,例えば「旋回操作は行わないでください。」というメッセージを表示装置C03に表示し続けることで,オペレータが旋回操作を行わないように促して較正精度の確保を図ることが望ましい。 If the calibration start button is pressed and the operation determination unit C20 determines that calibration of the relative angle is required in S01, the process proceeds to S03. In S03, the operation instruction calculation unit C14 displays on the display device C03 that the "calibration mode" is currently selected. Note that, when the calibration mode is selected, the operator is prompted not to perform the turning operation by continuously displaying, for example, a message “Do not perform the turning operation” on the display device C03 by the operation instruction calculating unit C14. It is desirable to ensure calibration accuracy.
次にS04では,相対角演算部C11は,測位端末15によるメインアンテナ13及びサブアンテナ14それぞれの測位結果が十分な精度で実施されたか否かについて,位置特定品質が「RTK−FIX」になっているか否かで判断する。この判断は上述の通りDOPの値等で判断しても良い。精度が不十分である場合,操作指示演算部C14は,精度の良い測位が行われるまで非操作で待機する旨を表示装置C03に表示する。なお,GNSSの受信環境が悪く所定の時間を経過しても,所望の精度で測位が実施できない場合には,較正場所を変える(走行動作で別の場所に移動する)こと促すメッセージや図形を表示装置C03に表示しても良い。なお,S04は省略可能である。
Next, in S04, the relative angle calculation unit C11 determines whether or not the positioning results of the
S04で高精度な測位が行われたことが確認されたら処理をS05に遷移させる。S05では,相対角演算部C11は,測位結果を時刻t1(第1時刻)の2本のアンテナ13,14の位置情報として,第1位置情報記憶部A01に記憶する(第1位置記憶処理)。時刻t1における2本のアンテナ13,14の位置情報の記憶が行われたらS06に遷移する。
If it is confirmed in S04 that high-accuracy positioning has been performed, the process proceeds to S05. In S05, the relative angle calculation unit C11 stores the positioning result in the first position information storage unit A01 as the position information of the two
S06では,操作指示演算部C14は,例えば「直進操作を入力してください。」というメッセージを表示装置C03に表示し,オペレータに操作レバー9c,9dを介した下部走行体3に対する直進操作(具体的には2本の操作レバー9c,9dを同じ方向に同じ量だけ傾倒する)の入力を促す。この際,先述のθc,θdの近似精度を上げて相対角演算の精度を向上させる目的で,較正に適した最低走行距離を表示したり,直進操作入力後の走行距離を表示したりしても良い。下部走行体3の走行距離は,例えばGNSSの測位結果の変化から演算できる。また,走行油圧モータ3aや履帯の駆動輪の回転数をセンサで検出することで演算しても良い。
In S06, the operation instruction calculation unit C14 displays, for example, a message “Please input a straight-ahead operation” on the display device C03, and prompts the operator to perform a straight-ahead operation on the
次に,S07では,操作判断部C20にて,直進操作中にオペレータによって旋回操作が行われたか否かを判断する。旋回操作が行われなかったと判断した場合には処理をS09に遷移する。旋回操作が行われたと判断した場合にはS08aとS08bの処理を実行する。 Next, in S07, the operation determining unit C20 determines whether or not the turning operation has been performed by the operator during the straight-ahead operation. If it is determined that the turning operation has not been performed, the process proceeds to S09. If it is determined that the turning operation has been performed, the processing of S08a and S08b is executed.
S08aでは,走行変位角度演算部E05は,旋回操作時の角度変化Δθを計算するために,旋回操作中に慣性計測装置12で検出した角速度ωを時間で積分する。ここで演算したΔθは,後述のS12において,時刻t2のメインアンテナ座標とサブアンテナ座標をそれぞれ旋回中心に対してΔθ分,旋回操作と逆方向に回転操作(座標変換)を行うために利用される。図15を用いて説明したように,回転操作後に得られた時刻t2のメインアンテナ座標とサブアンテナ座標をそれぞれ(x3c,y3c),(x4c,y4c)と置き,これらの座標を第1実施形態の座標13b,14bとみなして第1実施形態と同様の演算を行えば相対角αを演算できる。
In S08a, the traveling displacement angle calculation unit E05 integrates the angular velocity ω detected by the
S08bでは,操作指示演算部C14は,例えば「走行中に旋回操作が行われたため相対角が低精度のおそれがあります。」というメッセージを表示装置C03に表示する。これにより,下部走行体3の走行動作中に旋回操作が行われたため相対角の演算結果が低精度になる可能性があることをオペレータに報知する。この種のメッセージに代えて,再度較正開始ボタンを押下して較正操作を再実施することをオペレータに促すメッセージを表示装置C03に表示しても良い。
In S08b, the operation instruction calculation unit C14 displays, for example, a message on the display device C03 that "the relative angle may have low accuracy because the turning operation was performed during traveling". As a result, the operator is informed that the calculation result of the relative angle may have low accuracy due to the turning operation being performed during the traveling operation of the
次にS09では,操作指示演算部C14は,S06から表示装置C03に表示していた直進走行指示を非表示にし,オペレータに操作レバー9a,9bによる走行操作を止めることを促す。これに代えて,直進操作を止めることを指示する表示を表示装置C03に表示しても良い。なお,θc,θdの近似精度を向上する目的で,S06の後にS09を実行する条件として,走行操作の入力開始から所定時間が経過したことを設定しても良いし,GNSSの測位結果が所定距離以上変化したことを設定しても良い。これにより十分な走行距離が確保できるためθc,θdの近似精度が向上し,結果的に相対角αの精度も向上する。 Next, in S09, the operation instruction calculation unit C14 hides the straight traveling instruction displayed on the display device C03 from S06, and urges the operator to stop the traveling operation by the operation levers 9a and 9b. Instead, a display instructing to stop the straight-ahead operation may be displayed on the display device C03. For the purpose of improving the approximation accuracy of θc and θd, a condition that a predetermined time has elapsed since the start of the input of the driving operation may be set as a condition for executing S09 after S06, or the positioning result of the GNSS may be set to a predetermined value. The fact that the distance has changed by more than the distance may be set. As a result, a sufficient traveling distance can be secured, so that the approximation accuracy of θc and θd is improved, and as a result, the accuracy of the relative angle α is also improved.
走行操作が停止したら,S10にて,S04と同様にGNSSの測位精度の判断を行う。十分な精度の測位が実施されたことを確認したらS11へと遷移する。 When the traveling operation is stopped, the positioning accuracy of the GNSS is determined in S10 as in S04. After confirming that the positioning with sufficient accuracy has been performed, the process proceeds to S11.
S11では,相対角演算部C11は,測位結果を時刻t2(第2時刻)の2本のアンテナ13,14の位置情報として,第2位置情報記憶部A02に記憶する(第2位置記憶処理)。時刻t2における2本のアンテナ13,14の位置情報の記憶が行われたらS12に遷移する。S11まで到達すると,図14の相対角度演算部C11の入力がすべて揃うため,S12の「相対角度演算」の処理に遷移して,相対角度αの演算を実施する。相対角度αの演算については先述の通りなので説明は省略する。
In S11, the relative angle calculation unit C11 stores the positioning result in the second position information storage unit A02 as the position information of the two
以上のように,本実施形態では,運転室9内に設けた較正開始ボタンの押下をトリガーにして較正モードに入り,相対角αの演算のために相対角度演算部C11で順次行われる処理の中で,走行操作が必要となるタイミングで走行操作の開始を指示する表示と(S06),その後走行操作が不要になったタイミングで走行操作の終了を指示する表示(S09)をすることとした。これにより,これらの表示をみたオペレータによって適切なタイミングで走行操作の開始と終了がなされることが促進されるので,スムーズな較正が可能になるとともに較正精度の向上が期待できる。 As described above, in the present embodiment, the calibration mode is triggered by the depression of the calibration start button provided in the operator's cab 9, and the processing sequentially performed by the relative angle calculation unit C11 for calculating the relative angle α is performed. Among them, a display for instructing the start of the traveling operation at a timing at which the traveling operation is required (S06) and a display for instructing the end of the traveling operation at a timing when the traveling operation is no longer necessary (S09) are made. . This facilitates the start and end of the traveling operation at an appropriate timing by the operator who sees these displays, so that smooth calibration can be performed and improvement in calibration accuracy can be expected.
また,本実施形態のコントローラ16では,運転室9内のコンソール上の較正開始ボタンを介して較正指示が入力されたときに測位端末15が演算したメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置を時刻t1におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置13a,14aとして第1位置情報記憶部A01に記憶し(S01),較正指示の入力後に操作装置9c,9dを介して走行操作が入力され,その後に走行操作の入力が停止したときに測位端末15が演算したメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置を時刻t2におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置13b,14bとして第2位置情報記憶部A02に記憶している(S11)。これにより下部走行体3による走行動作の開始前と終了後の適切なタイミングにおいて,相対角の演算に必要なメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置情報を自動的に取得できる。
Further, in the
なお,2本のアンテナ13,14の位置をコントローラ16に記憶するタイミングは,図16のフローのS04,S10で判断したように位置特定品質が「RTK−FIX」のとき,すなわち,測位端末15による測位結果のばらつきが所定の値以下になったときとすることが好ましい。このようにコントローラ16を構成すれば相対角αの精度を向上できる。
The timing at which the positions of the two
また本実施形態のコントローラ16では,較正開始ボタンによる較正指示の入力後(S03)から操作レバー9c,9dによる走行操作の入力が停止するまで(S09)の間,操作レバー9a,9b,9c,9dを利用した操作指示の表示としては,走行操作レバー9c,9dを介した走行操作指示のみを表示することとした(S06)。すなわち表示による操作許可は走行操作のみとした。これにより走行動作中にその他の操作である旋回操作が入力されて相対角αの近似精度が低下することを防止できる。なお,同期間中(S03−S09)に旋回操作を入力しないことを促すメッセージを表示装置C03に表示すれば,較正動作中(走行動作中も含む)に旋回操作がされることを抑制でき相対角の較正精度の確保が促進される。但しこの表示をするのは走行動作が要求されるS06−S09の期間に限っても良い。
Further, in the
<その他>
なお,上記の図10では,時刻t2のショベル(上部旋回体2)の姿勢が,時刻t1の姿勢と比較して右回転している場合(すなわち,走行中に右方向に蛇行した場合)を例示したが,左回転している場合(すなわち,左方向に蛇行する場合)があることはいうまでもなく,この場合も上記と同様の方法で相対角φを演算できる。
<Others>
Note that, in FIG. 10 described above, the case where the posture of the shovel (upper revolving superstructure 2) at time t2 is rotating clockwise compared to the posture at time t1 (that is, the case where the shovel meanders rightward during traveling). As an example, it is needless to say that there is a case where the vehicle is rotating left (that is, a case where the vehicle is meandering leftward). In this case, the relative angle φ can be calculated in the same manner as described above.
本発明は,上記の実施の形態に限定されるものではなく,その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば,本発明は,上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず,その構成の一部を削除したものも含まれる。また,ある実施の形態に係る構成の一部を,他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment, and includes various modifications without departing from the gist of the invention. For example, the present invention is not limited to one having all the configurations described in the above embodiments, but also includes one in which some of the configurations are deleted. Further, a part of the configuration according to one embodiment can be added to or replaced by the configuration according to another embodiment.
上記のコントローラ16に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は,それらの一部又は全部をハードウェア(例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等)で実現しても良い。また,上記のコントローラ16に係る構成は,演算処理装置(例えばCPU)によって読み出し・実行されることで当該コントローラ16の構成に係る各機能が実現されるプログラム(ソフトウェア)としてもよい。当該プログラムに係る情報は,例えば,半導体メモリ(フラッシュメモリ,SSD等),磁気記憶装置(ハードディスクドライブ等)及び記録媒体(磁気ディスク,光ディスク等)等に記憶することができる。
Even if some or all of the components related to the
1…フロント作業装置(フロント装置),2…上部旋回体,3…下部走行体,9c…走行操作レバー(操作装置),12…慣性計測装置(角速度検出センサ),13…メインアンテナ(第1アンテナ),14…サブアンテナ(第2アンテナ),15…測位端末,16…コントローラ,A01…第1位置情報記憶部(記憶装置),A02…第2位置情報記憶部(記憶装置),A03…第1車体角度演算部,A04…第2車体角度演算部,A05…走行変位角度演算部,A06…逸脱角度演算部,A07…走行変位角度補正部,A08…相対角度演算部,C03…表示装置,C20…操作判断部,θ1…第1車体角度(車体角度),ψ,φ…走行変位角度,δφ…逸脱角,φ’…補正後の走行変位角度,θc…逸脱角の近似角度,θd…逸脱角の近似角度 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Front work apparatus (front apparatus), 2 ... upper revolving superstructure, 3 ... lower traveling body, 9c ... traveling operation lever (operating device), 12 ... inertia measuring device (angular velocity detection sensor), 13 ... main antenna (1st) Antenna), 14 sub-antenna (second antenna), 15 positioning terminal, 16 controller, A01 first position information storage unit (storage device), A02 second position information storage unit (storage device), A03 A first vehicle body angle calculator, A04: second body angle calculator, A05: travel displacement angle calculator, A06: departure angle calculator, A07: travel displacement angle corrector, A08: relative angle calculator, C03: display device , C20: operation determination unit, θ 1 : first vehicle body angle (vehicle angle), ψ, φ: travel displacement angle, δφ: deviation angle, φ ': corrected travel displacement angle, θc: approximate angle of deviation angle, θd: approximate angle of deviation angle Every time
Claims (7)
前記コントローラは,
第1時刻において前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置,及び,前記第1時刻以降に前記下部走行体が走行動作を行った後の第2時刻において前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置を記憶する記憶装置と,
前記第1時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置から前記第1時刻における前記上部旋回体の角度である第1車体角度を演算する車体角度演算部と,
前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置を通る直線が所定の基準線となす角である走行変位角度を演算する走行変位角度演算部と,
前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻において前記下部走行体が前記基準線となす角と前記走行変位角度との差である逸脱角を演算する逸脱角演算部と,
前記逸脱角を利用して前記走行変位角度を補正する走行変位角度補正部と,
前記走行変位角度補正部によって補正された前記走行変位角度と前記第1車体角度に基づいて前記第1時刻における前記上部旋回体と前記下部走行体の相対角度を演算する相対角度演算部と
を備えることを特徴とする作業機械。 A lower traveling body of a crawler type; an upper revolving body pivotally mounted on the upper part of the lower traveling body; a first antenna and a second antenna mounted on the upper revolving body; In a working machine comprising: a positioning terminal that calculates the position of each of two antennas; and a controller that calculates a relative angle between the upper revolving unit and the lower traveling unit.
The controller is
The position of the first antenna and the second antenna calculated by the positioning terminal at a first time and the positioning terminal at a second time after the lower traveling body performs a running operation after the first time. A storage device for storing the calculated positions of the first antenna and the second antenna;
A vehicle body angle calculation unit configured to calculate a first vehicle body angle that is an angle of the upper revolving unit at the first time from the positions of the first antenna and the second antenna at the first time;
A travel in which a straight line passing through the position of the first antenna at the first time and the second time is an angle formed with a predetermined reference line based on the position of the first antenna at the first time and the second time. A travel displacement angle calculation unit for calculating a displacement angle,
Based on the positions of the first antenna and the second antenna at the first time and the second time, the difference between the angle formed by the lower traveling body with the reference line and the travel displacement angle at the first time is determined. A deviation angle calculator for calculating a certain deviation angle;
A travel displacement angle correction unit that corrects the travel displacement angle using the deviation angle;
A relative angle calculation unit configured to calculate a relative angle between the upper revolving unit and the lower traveling unit at the first time based on the traveling displacement angle corrected by the traveling displacement angle correction unit and the first vehicle body angle. A working machine characterized by that:
前記逸脱角演算部は,
前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻から前記第2時刻の間における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの移動距離と,前記第1アンテナと前記第2アンテナの距離とを演算し,
前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの移動距離が,それぞれ,中心が同じで前記逸脱角を中心角として有する扇形の円弧であるとみなして前記逸脱角を演算することを特徴とする作業機械。 The work machine according to claim 1,
The departure angle calculation unit includes:
Based on the positions of the first antenna and the second antenna at the first time and the second time, the moving distances of the first antenna and the second antenna between the first time and the second time are determined. , Calculating the distance between the first antenna and the second antenna,
A work machine for calculating the departure angle, assuming that the moving distances of the first antenna and the second antenna are each a sectoral arc having the same center and the departure angle as a central angle.
前記逸脱角演算部は,
前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻から前記第2時刻の間における前記第1アンテナの移動距離を演算し,
前記第1アンテナの移動距離,前記第1時刻における前記第2アンテナの位置,及び前記走行変位角度に基づいて,前記走行動作により前記下部走行体が前記走行変位角度に沿って真っ直ぐ走行できたと仮定した場合の前記第2時刻における前記第2アンテナの仮想位置を演算し,
前記第1時刻における前記第2アンテナの位置と前記第2時刻における前記第2アンテナの仮想位置とを通過する直線と,前記第2時刻における前記第2アンテナの位置と前記第2時刻における前記第2アンテナの仮想位置とを通過する直線とがなす角を前記逸脱角とし,その逸脱角を前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第2アンテナの位置と前記第2時刻における前記第2アンテナの仮想位置とに基づいて演算することを特徴とする作業機械。 The work machine according to claim 1,
The departure angle calculation unit includes:
Calculating a movement distance of the first antenna from the first time to the second time based on the position of the first antenna at the first time and the second time;
Based on the travel distance of the first antenna, the position of the second antenna at the first time, and the travel displacement angle, it is assumed that the traveling operation has allowed the lower traveling body to travel straight along the travel displacement angle. Calculating the virtual position of the second antenna at the second time in the case where
A straight line passing through the position of the second antenna at the first time and the virtual position of the second antenna at the second time, the position of the second antenna at the second time, and the position of the second antenna at the second time. The angle formed by a straight line passing through the virtual position of the two antennas is defined as the deviation angle, and the deviation angle is defined as the position of the second antenna at the first time and the second time and the second antenna at the second time. A work machine that calculates based on the virtual position of the work machine.
前記記憶装置に記憶された前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置及び前記第2アンテナの位置は,前記測位端末による前記第1アンテナの位置及び前記第2アンテナの位置の演算結果のばらつきが所定の値以下になったときのデータであることを特徴とする作業機械。 The work machine according to claim 1,
The position of the first antenna and the position of the second antenna at the first time and the second time stored in the storage device are the position of the first antenna and the position of the second antenna by the positioning terminal. A work machine characterized in that the data is data when a variation in a calculation result becomes equal to or less than a predetermined value.
オペレータからの入力に基づいて,前記上部旋回体と前記下部走行体の相対角度の較正を前記コントローラに指示するための較正指示を出力する入力装置と,
前記下部走行体に対する走行操作が入力される操作装置とをさらに備え,
前記コントローラは,
前記入力装置を介して前記較正指示が入力されたときに前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置を前記第1時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置として前記記憶装置に記憶し,
前記較正指示の入力後に前記操作装置を介して前記走行操作が入力され,その後に前記走行操作の入力が停止したときに前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置を前記第2時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置として前記記憶装置に記憶することを特徴とする作業機械。 The work machine according to claim 1,
An input device for outputting a calibration instruction for instructing the controller to calibrate a relative angle between the upper revolving unit and the lower traveling unit based on an input from an operator;
An operating device for inputting a traveling operation for the lower traveling body,
The controller is
The positions of the first antenna and the second antenna calculated by the positioning terminal when the calibration instruction is input via the input device are defined as the positions of the first antenna and the second antenna at the first time. Stored in the storage device,
The driving operation is input via the operating device after the input of the calibration instruction, and the position of the first antenna and the second antenna calculated by the positioning terminal when the input of the driving operation is stopped thereafter is calculated by the control unit. A work machine storing the positions of the first antenna and the second antenna at a second time in the storage device.
オペレータに対して前記操作装置を介した操作内容を指示する表示装置をさらに備え,
前記表示装置は,前記較正指示の入力後から前記走行操作の入力が停止するまでの間,前記操作装置を介して前記走行操作のみを入力することをオペレータに指示する表示を行うことを特徴とする作業機械。 The work machine according to claim 5,
A display device for instructing an operator to perform an operation via the operation device;
The display device performs a display for instructing an operator to input only the traveling operation via the operation device from after the input of the calibration instruction until the input of the traveling operation is stopped. Working machine.
前記上部旋回体に取り付けられた角速度検出センサをさらに備え,
前記逸脱角演算部は,前記角速度検出センサにより検出された角速度の前記第1時刻から前記第2時刻までの積分値を前記逸脱角として演算することを特徴とする作業機械。 The work machine according to claim 1,
An angular velocity detection sensor attached to the upper rotating body;
The work machine according to claim 1, wherein the deviation angle calculation unit calculates, as the deviation angle, an integral value of the angular velocity detected by the angular velocity detection sensor from the first time to the second time.
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