JP2020041857A

JP2020041857A - 作業機械

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Publication number: JP2020041857A
Application number: JP2018168142A
Authority: JP
Inventors: 菅原　一宏; Kazuhiro Sugawara; 一宏菅原; 石橋　英人; Hideto Ishibashi; 英人石橋; 靖彦金成; Yasuhiko Kanari
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: JP7102071B2

Abstract

【課題】作業機械本体やフロント作業装置の向きを精度良く演算できる作業機械を提供すること。【解決手段】２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂがそれぞれ受信した航法信号に基づいて上部旋回体２及びフロント作業装置１の方位を計測する受信機６０とを備える油圧ショベル１００において，２つのＧＮＳＳアンテナは，それぞれ上部旋回体の上面におけるフロント作業装置の後方の第１領域とフロント作業装置の上面の第２領域の少なくとも一方の領域の上方に位置し，フロント作業装置の前後方向に間隔を介して配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は複数のＧＮＳＳアンテナを搭載した作業機械に関する。

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多関節型のフロント作業装置（作業装置）を備える作業機械（例えば油圧ショベル）には，フロント作業装置の先端位置を目標施工面とともに運転室内のモニタに表示するマシンガイダンス機能や，目標施工面の下方にフロント作業装置が侵入しないようにフロント作業装置の動作（すなわちフロント部材を駆動するアクチュエータの動作）に制限をかけるマシンコントロール機能を備えるものがある。これらの機能で利用される目標施工面はグローバル座標系（地理座標系）やグローバル座標系に関連付けられた所定の座標系で定義されていることがある。作業機械周辺の目標施工面を取得するためには，作業機械本体（例えば上部旋回体）のグローバル座標系における位置や方向が必要となる。

作業機械には，ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）アンテナを作業機械本体上の左右に搭載したものがある（特許文献１）。この２つのＧＮＳＳアンテナで受信した衛星信号（航法信号）から得た測位結果を利用すれば，グローバル座標系における作業機械本体の位置だけでなく，作業機械本体の向き（方位）が演算でき，それによりフロント作業装置の向き（方位）も演算できる。

特許第５２９６９４６号公報

上記のように演算した作業機械本体やフロント作業装置の向きに含まれる誤差が大きいと，作業機本体やフロント作業装置の実際の向きに即した正しい目標施工面が取得できず施工精度が低下するおそれがある。

ところで，ＧＮＳＳ衛星と作業機械のＧＮＳＳアンテナを結ぶ直線上またはその近傍にフロント作業装置が位置すると，そのＧＮＳＳ衛星から送信される電磁波（航法信号）の一部がフロント作業装置によって遮蔽されてＧＮＳＳアンテナに届くので，ＧＮＳＳアンテナの位置の計測誤差が大きくなることがある。１本のＧＮＳＳアンテナの位置を計測するには少なくとも４基以上のＧＮＳＳ衛星から電磁波を受信することが必要だが，この４基以上のＧＮＳＳ衛星の中にフロント作業装置で電磁波が遮蔽されるものが含まれていると測位誤差が発生し易い。

特許文献１のように上部旋回体の左右方向に間隔を介して２つのＧＮＳＳアンテナを配置した作業機械において，２つのＧＮＳＳアンテナによる測位結果を利用して作業機械本体やフロント作業装置の向きを高精度に演算するためには，２つのＧＮＳＳアンテナ双方の位置が精度良く演算される必要がある。しかし，例えば上部旋回体（フロント作業装置）の前方かつフロント作業装置の左側に或るＧＮＳＳ衛星が位置するとき，機体左側のＧＮＳＳアンテナはフロント作業装置による遮蔽の影響が少ない電磁波を受信できるものの，機体右側のＧＮＳＳアンテナはフロント作業装置による遮蔽の影響を受けた電磁波を受信することとなる（例えば，後述する図８における衛星２００ｂと２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの関係）。このように，特許文献１のように配置した２つのＧＮＳＳアンテナは，同じＧＮＳＳ衛星から電磁波を受信しても測位誤差が生じ得るので，その配置に改善の余地がある。

本発明の目的は作業機械本体やフロント作業装置の向き（方位）を精度良く演算できる作業機械を提供することにある。

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，下部走行体と，前記下部走行体の上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と，前記上部旋回体の前方に取り付けられ所定の動作平面上で動作する作業装置と，前記上部旋回体又は前記作業装置に固定された２つのＧＮＳＳアンテナと，前記２つのＧＮＳＳアンテナが受信した航法信号に基づいて前記上部旋回体及び前記作業装置の方位を計測する受信機とを備える作業機械において，前記２つのＧＮＳＳアンテナは，それぞれ前記上部旋回体の上面における前記作業装置の後方の領域と前記作業装置の上面の領域の上方に位置し，前記作業装置の前後方向に間隔を介して配置されているものとする。

本発明によれば作業機械本体やフロント作業装置の向き（方位）を精度良く演算できる。

本発明の第１実施形態に係る油圧ショベルの上面図。図１の油圧ショベル１の側面図。ＧＮＳＳ位置測定誤差の発生例（フロント作業装置を下ろした状態）。ＧＮＳＳ位置測定誤差の発生例（フロント作業装置を上げた状態）。３基の衛星からの電磁波を受信した場合におけるＧＮＳＳアンテナ４０ａの位置計測の説明図。ＧＮＳＳ衛星とＧＮＳＳアンテナ４０の間にフロント作業装置が位置する場合の電磁波の伝搬状態の説明図。図６における位置ｄ２でのフロントエリア付近の断面図。従来技術における課題の説明図。第１実施形態による作用の説明図。第１実施形態による効果の説明図。第１実施形態による効果の説明図。本発明の第２実施形態に係る油圧ショベルの外観図。本発明の第３実施形態に係る油圧ショベルの外観図。

以下，本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の第1実施形態に係る油圧ショベル１００の上面図であり，図２は図１の油圧ショベル１の側面図である。本稿では油圧ショベルの方向を図１，図２に示すように前後，左右，上下と定める。前後方向はフロント作業装置１及び上部旋回体２の長さ方向（軸線方向）であり，左右方向は同幅方向であり，上下方向は同高さ方向である。

油圧ショベル１００は，クローラ式の走行体（無限軌道とも呼ばれる。）である下部走行体３と，下部走行体３の上部に旋回可能に取り付けられている上部旋回体２と，上部旋回体２の前方に取り付けられた多関節型のフロント作業装置１と，複数のＧＮＳＳ衛星２００ａ−２００ｅ（図２参照）が送信する航法信号（電磁波）を受信するための２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを備えている。フロント作業装置１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１０，アーム２０，バケット（作業具）３０）を連結して構成されている。

フロント作業装置１のブーム１０の基端部は上部旋回体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２０の基端部はブーム１０の先端部に垂直方向に回動可能に支持されており，アーム２０の先端部にはバケット３０が垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム１０，アーム２０，バケット３０は，油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）であるブームシリンダ４，アームシリンダ５，バケットシリンダ６によりそれぞれ駆動される。

ブーム１０，アーム２０及びバケット３０は，フロント作業装置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１０，アーム２０及びバケット３０の回動軸に直交する平面であり，例えばブーム１０，アーム２０及びバケット３０の幅方向の中心（すなわち各フロント部材１０，２０，３０の回動軸の中心）に設定できる。本実施形態では，ブーム１０，アーム２０及びバケット３０の幅方向の中心を通過する面を動作平面Ｐｏ（図１参照）とする。

＜ＧＮＳＳアンテナ４０の配置＞
２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂは，それぞれマスト（アンテナ支持部材）４１ａ，４１ｂを介して上部旋回体２に固定されており，上部旋回体２の上面におけるフロント作業装置１の後方の領域（第１領域）とフロント作業装置１の上面の領域（第２領域）のいずれか一方の領域の上方にそれぞれ位置し，フロント作業装置１の前後方向に所定の間隔を介して配置されている。本実施形態の２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂは，図１等に示すように，上部旋回体２の上面（第１領域）と動作平面Ｐｏとの交線の上方に中心が位置するように配置されており，フロント作業装置１の前後方向に沿って配置されている。このように２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを配置すると，衛星からの電磁波がフロント作業装置１に遮蔽される領域を動作平面Ｐｏの延長面の近傍に限定でき，他の領域ではフロント作業装置１による電磁波の遮蔽は略行われないこととなる。

２本のマスト４１ａ，４１ｂはそれぞれ上部旋回体２の上方でＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを支持するためのポール状の支持部材である。本実施形態の２本のマスト４１ａ，４１ｂは，ＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂと同様に上部旋回体２の上面（第１領域）と動作平面Ｐｏの交線上に配置されている。図２に示した例では，各マスト４１ａ，４１ｂの基端は上部旋回体２の上面に固定されており，各マスト４１ａ，４１ｂは当該基端から略垂直に伸びている。そして各マスト４１ａ，４１ｂの先端には，中心部が軸方向に膨らんだ略円盤状の外形を有するＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂが取り付けられており，各マスト４１ａ，４１ｂは自身の中心軸心が各ＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの中心軸心を通過するように各アンテナ４０ａ，４０ｂを支持している。なお，ＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの支持部材は，ポール状のマスト４１ａ，４１ｂに限らず，種々の形状の支持部材による支持が可能である。

なお、２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの配置は次の場合も許容される。まず，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂは，フロント作業装置１の左右方向における左側最外端を通り動作平面Ｐｏに平行な第１仮想平面Ｐｖ１と，フロント作業装置１の左右方向における右側最外端を通り動作平面Ｐｏに平行な第２仮想平面Ｐｖ２とに挟まれた領域に位置するように配置することができる。ここで「フロント作業装置１の左右方向における左側最外端」とは，動作平面Ｐｏの左側（図１の紙面上では動作平面Ｐｏの下側）に位置するフロント作業装置１を構成する全ての部材上の点で動作平面Ｐｏから最も遠い位置に存在する点であり，同様に「フロント作業装置１の左右方向における右側最外端」とは，動作平面Ｐｏの右側（図１の紙面上では動作平面Ｐｏの上側）に位置するフロント作業装置１を構成する全ての部材上の点で動作平面Ｐｏから最も遠い位置に存在する点である。バケット３０の左右方向の幅にもよるが，例えば，フロント作業装置１の左右方向における左側最外端と右側最外端は，図1に示すようにバケット３０の左側最外端と右側最外端となることがある。

ただし，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂは，ブーム１０の左右方向における左側最外端を通り動作平面Ｐｏに平行な第３仮想平面Ｐｖ３と，ブーム１０の左右方向における右側最外端を通り動作平面Ｐｏに平行な第４仮想平面Ｐｖ４とに挟まれた領域に位置するように配置することが好ましい。これはフロント作業装置１を構成する部材の中で通常ブーム１０が最も大きいため衛星からの電磁波（航法信号）を遮蔽する力が強く，ＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの測位誤差に与える影響が大きいためである。なお，「ブーム１０の左右方向における左側最外端（右側最外端）」とは動作平面Ｐｏの左側（右側）に位置するブーム１０上の点で動作平面Ｐｏから最も遠い位置に存在する点である。図１ではブーム１０の左右幅は前後方向に一定であり第３，第４仮想平面Ｐｖ３，４はブーム１０の左右側面に位置している。なお，例えば基端に向かって左右方向の幅が拡大しているブーム１０であればブーム幅は基端で最大となるため，第３，第４仮想平面Ｐｖ３，４はそれぞれブーム１０の基端における左右端を通過する平面となる。

さらに，上記のような油圧ショベル１の左右方向の領域に２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを配置したうえで，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂはさらに次のように配置することが好ましい。すなわち，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂは，上部旋回体２及びフロント作業装置１の上面（すなわち第１領域及び第２領域）と動作平面Ｐｏとの交線の上方，または，上部旋回体２及びフロント作業装置１の上面（すなわち第１領域及び第２領域）と動作平面Ｐｏに平行な面との交線の上方に各ＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの中心が一直線上に位置するようにマスト４１ａ，４１ｂで支持して配置することが好ましい。

＜ＧＮＳＳ受信機６０＞
上部旋回体２には，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂと無線機６５に接続されたＧＮＳＳ受信機６０が設けられている。受信機６０は，処理装置（例えばＣＰＵ）と，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂが受信した航法信号から処理装置が２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂ間の相対位置を測定するためのムービングベース方式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。また，受信機６０はそれぞれのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの緯度，経度，ジオイド高さを含むＮＭＥＡフォーマットなどでＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの測位結果を出力可能である。

受信機６０は，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂがそれぞれ受信した航法信号に基づいてフロント作業装置１及び上部旋回体２の方位を計測する。より具体的には，受信機６０は，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂ間の相対位置（ベクトル）を演算し，さらに，各ＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂとフロント作業装置１及び上部旋回体２の幾何学的な位置関係からフロント作業装置１及び上部旋回体２の方向を演算する。本実施形態では，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの位置を通過する直線（ベクトル）の方向がフロント作業装置１の前後方向となり，その直線上で２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの間の位置からＧＮＳＳアンテナ４０ａに向かう方向がフロント作業装置１の前方向となる。

無線機６５は，基準局ＧＮＳＳアンテナ４５が設置されグローバル座標系（地理座標系）における位置が既知の基準局に設置されたＧＮＳＳ受信機７０から無線機７５を介して送信される補正情報を受信している。この補正情報はショベル１に搭載されたＧＮＳＳ受信機６０が位置を演算する際に利用される（詳細は後述する）。

＜ＧＮＳＳアンテナ４０の測位，上部旋回体２とフロント作業装置１の方位算出＞
図２に示したＧＮＳＳ衛星２００ａ〜２００ｅからは送信時刻情報を含んだ電磁波（航法信号）が送信されている。ＧＮＳＳ受信器６０，７０は，各ＧＮＳＳ衛星からの電磁波の受信時刻とその電磁波に含まれた送信時刻とから到達時間差を演算し，その到達時間差を基に各ＧＮＳＳ衛星とＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂ，４５との距離を推測してＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂ，４５の位置を算出する。ＧＮＳＳ衛星は精巧な時計を搭載しており，各衛星からの電磁波を復調して得られる到達時間差に電磁波の速度を乗算することにより各ＧＮＳＳ衛星とＧＮＳＳアンテナ間の距離を算出する。

また，電磁波には各衛星の軌道情報を変調したものが含まれており，これを復調することでＧＮＳＳ衛星２００ａ〜２００ｅの位置情報をＧＮＳＳ受信器６０，７０にて算出することができる。例えば図５のように３基の衛星からの電磁波をＧＮＳＳアンテナ４０ａで受信した場合を平面で示すと，各衛星の軌道情報より求めた衛星位置を中心とし距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を半径とする３つの球を描いても１点には収束しない。これは後述するように距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に誤差が含まれるためであるが，最小二乗法によりＧＮＳＳアンテナ４０ａの位置を推測することができる。

図５の例では合計３基の衛星からの電磁波で平面上の位置（Ｘ，Ｙ）を求めることができたが，合計で４基の衛星からの電磁波が受信できれば３次元空間での位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が計測可能である。衛星が４基の場合は衛星位置を中心とし距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を半径とする球は必ずしも１点で交差しないが，各球からの差が最も少なくなる点をＧＮＳＳアンテナ４０ａの位置と推測できる。また，図２のように衛星数が４個以上ある場合も同様に各球からの差が最も少なくなる点をＧＮＳＳアンテナの位置と推測することができる。

ここで，各衛星からの距離に応じた球の交点が１点にならない理由は，算出したＧＮＳＳ衛星とＧＮＳＳアンテナとの距離に誤差が含まれるためである。この誤差は，ＧＮＳＳ衛星とＧＮＳＳアンテナ間に存在する電離層や水蒸気によって発生する電磁波の速度変化が方位や仰角が異なる各ＧＮＳＳ衛星の位置毎に異なることや，各ＧＮＳＳ衛星より電磁波で送られる軌道情報が実際の位置と若干異なることや，各ＧＮＳＳ衛星間の時計情報に若干の誤差があること等の要因により発生する。

このような誤差はＲＴＫ−ＧＮＳＳ（リアルタイムキネマティックＧＮＳＳ）を利用することで低減できる。例えば，油圧ショベル１００の近くに（数ｋｍ以内）設置した絶対位置が既知の基準局ＧＮＳＳアンテナ４５の測位と補正情報の演算を基準局ＧＮＳＳ受信機７０で行い，その補正情報を無線機７５にてショベル１の受信機６５に送信する。そして２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ（４０ｂ），４５間の絶対位置ではなく相対位置（ベクトル）を測定することで誤差を低減することができる。

無線機７５より送信された補正情報は，油圧ショベル１００に搭載された無線機６５で受信されＧＮＳＳ受信機６０に送信される。ＧＮＳＳ受信機６０ではＧＮＳＳアンテナ４０ａ（移動局）で受信した航法信号と補正情報より得た基準局ＧＮＳＳアンテナ４５の信号を比較演算することにより，基準局ＧＮＳＳアンテナ４５とＧＮＳＳアンテナ４０ａ間の相対的な位置（方向と距離）を算出する。このとき，補正情報として基地局アンテナ４５が受信した衛星からの航法信号の搬送波位相情報を送信し，これを移動局アンテナ４０ａが受信した航法信号の搬送波位相情報とＧＮＳＳ受信機６０で比較演算する。これにより数ｃｍオーダーの移動局アンテナ４０ａの測位が可能となり，図３のようにほぼ一点に収束した高精度の相対測位が可能となる。さらに，前述した補正情報のなかに基準局ＧＮＳＳアンテナ４５の位置情報を含めることで，移動局であるＧＮＳＳアンテナ４０ａの絶対位置を求めることが可能となる。また，基準局ＧＮＳＳアンテナ４５とＧＮＳＳアンテナ４０ａの距離が近距離（一般的に数ｋｍ以内）の場合は，前述した誤差要因（電磁波の速度変化，各ＧＮＳＳ衛星間の時計情報誤差）をよく相殺することが可能となる。

ここで，本実施形態のＧＮＳＳ受信機６０の測位対象には２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂが存在するため，一方のＧＮＳＳアンテナ４０ａを基準局とし他方のＧＮＳＳアンテナ４０ｂを移動局とみなすことができる。このような手法がムービングベース方式である。ＧＮＳＳアンテナ４０ａの受信信号にて生成した補正情報をＧＮＳＳアンテナ４０ｂとの相対位置（ベクトル）の測定に利用することで２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂ間の相対位置（ベクトル）を測定することが可能となる。ムービングベース方式ではＧＮＳＳ受信機７０から送信される補正情報を利用することなく相対位置（ベクトル）を演算可能である。

また，別の方向算出方法として，基準局ＧＮＳＳアンテナ４５からＧＮＳＳアンテナ４０ａとＧＮＳＳアンテナ４０ｂの位置をそれぞれ演算して，その位置の差分から方向を求める方法もある。そして，このようにして演算した２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂ間の方向に，ショベル１００における２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの取り付け位置に起因した定数を考慮することにより，上部旋回体２（車体）及びフロント作業装置１の方角（方向）が算出可能である。

また，本実施形態では図２のように油圧ショベル１００とは別に基準局ＧＮＳＳアンテナ４５を設置して補正情報を送信して上部旋回体２やフロント作業装置１の方向を演算するシステムについて説明したが，ＶＲＳ（仮想基準点方式）や準天頂衛星等の補正情報をネットワークで配信するサービスを用いても同様に機能する。

なお，本実施形態では図示したように１つの受信機６０で２つのアンテナ位置の測位を行っているが，アンテナごとに受信機６０を備えても良い。

＜フロント作業装置１による測位誤差＞
次にＧＮＳＳ衛星とＧＮＳＳアンテナを結ぶ直線上またはその近傍にフロント作業装置１が位置する場合に発生する位置測定誤差について説明する。冒頭でも触れたが，ＧＮＳＳ衛星から送信される電磁波（航法信号）がフロント作業装置１によって遮蔽されると，ＧＮＳＳアンテナの位置の計測誤差が大きくなる。ここでＧＮＳＳ位置測定誤差の発生例を図３，図４に示す。図中の６０ａ，６０ｂはＧＮＳＳ基準局からの補正データを利用して，ＲＴＫ方式で１日の作業時間に相当する８時間測定したときのＧＮＳＳアンテナ４０位置のプロット結果である。図３のようにフロント作業装置１がＧＮＳＳアンテナ４０より低い姿勢で計測した場合は，測位結果は６０ａのようにおよそ直径０．０３ｍの範囲に収まる。これに対して図４のようにＧＮＳＳアンテナ４０より高い位置までフロント作業装置１を上げた姿勢で計測した場合は，測位結果は６０ｂに示すように矢印５０の方向にプロット範囲が広がっておよそ直径０．１２ｍの範囲となり，図３の４倍にプロット範囲が広がる。

次に図４あるいは図５のように，ＧＮＳＳ衛星とＧＮＳＳアンテナ間にフロント作業装置１が位置する場合に測位誤差が発生するプロセスについて図６，図７にて説明する。

図６に示すように，ＧＮＳＳ衛星側の送信アンテナ２１０とＧＮＳＳ受信機６０側の受信アンテナ４０間の電磁波（航法信号）はフレネルゾーンと呼ばれる幅を持った空間を伝搬している。電磁波の波長をλで表すと，空間内の電磁波の経路差がλ／２以内のエリアが第１フレネルゾーン２２１，経路差がλ以内のエリアが第２フレネルゾーン２２２である。図６のように２つのアンテナ２１０，４０間の距離をｄとし，２つのアンテナ２１０，４０からの距離がそれぞれｄ１，ｄ２（但し，ｄ＝ｄ１＋ｄ２）となる位置でのｎ番目のフレネルゾーン半径ｒｎは下記の式（１）で表現できる。

ここで，電磁波のエネルギーの大部分は第１フレネルゾーン２２１に集中しているため送信アンテナ２１０と受信アンテナ４０近傍までの距離ｄを２０万ｋｍとし，受信アンテナ４０からｄ２＝２ｍ離れた位置での第１フレネルゾーン半径ｒ１を計算するとｄ１はｄ２に比べて十分に大きいためｄ＝ｄ１＋ｄ２＝ｄ１と考えることができ下記の式（２）となる。

ここでＧＮＳＳ衛星からの電磁波の波長λを０．２ｍとするとｄ２＝２ｍでの第１フレネルゾーン半径は０．６３ｍと算出できる。

また，第１フレネルゾーン２２１は経路差がλ／２以内であり，第２フレネルゾーン２２２は経路差がλ以内でありことから，フレネルゾーンの中心部に比べて外周部では電磁波の経路長が長くなっており，これら経路長の異なる電磁波の集合体が実質的な電磁波としての経路長となる。

ここで，図６，図７に示すように第１フレネルゾーン２２１において受信アンテナ４０から距離ｄ２だけ離れた位置に，油圧ショベル１００のフロント作業装置１の一部の領域（例えば，ブーム１０の一部の領域。以下では「フロントエリア２３０」と称することがある。）が存在するとする。図７は，図６の２つのアンテナ２１０，４０を結ぶ直線に直交する面（但し，距離ｄ２の位置）によるフロントエリア２３０の断面図を示す。

図７に示すように第１フレネルゾーン２２１の周辺部分をフロントエリア２３０が遮る場合は，電磁波のうち経路長の長い成分が減少する。このため電磁波としてのＧＮＳＳ衛星（送信アンテナ２１０）とＧＮＳＳアンテナ４０間の距離は短くなる。また，第１フレネルゾーン２２１の中心部分をフロントエリア２３０が遮る場合は，経路長の短い成分が減少する。このため電磁波としてのＧＮＳＳ衛星（送信アンテナ２１０）とＧＮＳＳアンテナ４０間の距離は長くなる。

以上のように図４あるいは図５のように，ＧＮＳＳ衛星（送信アンテナ２１０）とＧＮＳＳアンテナ４０間にフロント作業装置１が位置する場合には，計測される距離に誤差が発生することがわかる。この誤差はフロント作業装置１による誤差のため，フロント作業装置１の影響を受けない基準局ＧＮＳＳアンテナ４５での計測では発生しない。このため，油圧ショベル１００のＧＮＳＳアンテナ４０ａではフロント作業装置１の影響を受けて例えば図４のようにフロント作業装置１の軸線方向（延伸方向）５０に沿って計測誤差が大きくなる。

図８に示すような油圧ショベル１００の上部旋回体２の左右方向に沿って２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを設置した従来技術では，フロント作業装置１の軸線方向に計測誤差が発生する。例えば図８において，ＧＮＳＳ衛星２００ａの電磁波をＧＮＳＳアンテナ４０ｂにて受信するときに，電磁波の第１フレネルゾーンの周辺部分がフロント作業装置１にて遮蔽されて電磁波のうち経路長の長い成分が減少した場合，ＧＮＳＳアンテナ４０ｂで計測されるアンテナ間距離Ｌ１ｂが実際よりも短く計測される。一方，ＧＮＳＳ衛星２００ｂの電磁波をＧＮＳＳアンテナ４０ａにて受信するときに，電磁波の第１フレネルゾーンの中心部分がフロント作業装置１にて遮蔽されて電磁波のうち経路長の短い成分が減少した場合，ＧＮＳＳアンテナ４０ａで計測されるアンテナ間距離Ｌ２ａが実際よりも長く計測される。すなわち，ＧＮＳＳアンテナ４０ａは矢印５２の方向にずれて実際よりも後方（例えば直線Ｌ２ａ上における点線４０ａ’の位置）に，ＧＮＳＳアンテナ４０ｂは矢印５１の方向にずれて実際よりも前方（例えば直線Ｌ１ｂ上における点線４０ｂ’の位置）に位置すると計測される。その結果，上部旋回体２およびフロント作業装置１の向き（方向）は実際よりも矢印５３の方向（上部旋回体２を上から見たときの時計回り方向）に回転して計測される。このようにＧＮＳＳ衛星（送信アンテナ２１０）とＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを接続する直線上またはその周辺にフロント作業装置１が位置する場合には，ＧＮＳＳ衛星からの電磁波の一部が遮蔽されてアンテナ間距離が実際よりも長くなったり短くなったりして測位誤差が生じ易く，その結果に基づいて演算される上部旋回体２やフロント作業装置１の向き（方位）にも誤差が生じてしまう。

＜作用・効果＞
これに対して本実施形態の２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂは，図１等に示すように，上部旋回体２の上面におけるフロント作業装置１の後方の領域（第１領域）の上方，かつ，上部旋回体２の上面と動作平面Ｐｏとの交線の上方に位置するように，フロント作業装置１の前後方向（軸線方向）に間隔を介して配置されている。このようにフロント作業装置１の軸線方向と一致させて２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを設置すると，図９に示すようにフロント作業装置１の略軸線方向の延長線上にＧＮＳＳ衛星２００ａが位置し，ＧＮＳＳ衛星２００ａからの電磁波の一部がフロント作業装置１で遮蔽される場合，２つのＧＮＳＳＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂがともに遮蔽による影響を受ける。そのため衛星と各ＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの距離が電磁波の遮蔽の影響によって実際よりも短くなっても長くなっても，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの測位結果から演算される上部旋回体２やフロント作業装置１の方向は影響を受けない。例えば，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの位置が電磁波の遮蔽により図中の矢印５３の方向にずれて点線４０ａ’，４０ｂ’の位置で計測されても，その結果から演算される方向と実際の位置から演算される方向に差異は生じない。すなわち本実施形態によれば上部旋回体２やフロント作業装置１の方向を精度良く演算できる。

なお，ＧＮＳＳ衛星２００ａの衛星信号がフロント作業装置１の影響を受けない場所にＧＮＳＳ衛星２００ａが移動した場合には，ＧＮＳＳ衛星２００ａから送信される電磁波はフロント作業装置１に遮蔽されることなく２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂに到達し得るので，上部旋回体２やフロント作業装置１の方向は精度良く演算される。

次に図１０，図１１にて，本実施形態によって上部旋回体２やフロント作業装置１の方向検出精度が高精度化されたことによる効果を説明する。ここでは図１０のように階段状の構造物を施工する場合を想定し，その場合に油圧ショベル１００を上面から俯瞰したものを図１１に示す。図８に例示した従来技術のようにフロント作業装置１の方向に時計回り方向の角度誤差が発生し，実際の方向（線５５）と異なる方向（線５６）がフロント作業装置１の方向であると検出され，目標面施工面は（ｃ）のように階段状に設定される。しかし，実際の目標施工面は（ｂ）のように平坦で実際の目標施工面と著しく形状が異なるため施工精度が低下してしまう。このように従来のアンテナ配置（図８参照）では衛星位置によっては電磁波の遮蔽が発生するため，特に上部旋回体２の旋回方向で形状の異なる目標施工面が設定されている場合には施工精度が低下するという課題があった。しかし，上記のようなアンテナ配置（図１等参照）とした本実施形態によれば衛星からの電磁波が遮蔽されても，演算されるフロント作業装置１の向きと実際の向きに差異が生じないため施工精度を維持することができる。

＜その他＞
なお，上記の説明では，上部旋回体２の上面におけるフロント作業装置１の後方の領域（第１領域）の上方に２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを配置する場合について説明したが，図１２に示すようにフロント作業装置１の上面の領域（第２領域）の上方に２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを配置しても良い。図示の例ではブーム１０の上面の上方にＧＮＳＳアンテナ４０ａを，アーム１０の上面の上方にＧＮＳＳアンテナ４０ｂを配置している。このようにフロント作業装置１の上面の領域にＧＮＳＳアンテナを設置した場合，上部旋回体２の上面に取り付ける場合に比べて衛星電波の障害となっていたフロント作業装置１の影響が低減され，上部旋回体２（車体）およびフロント作業装置１の方角（方向）精度及びアンテナ位置の測位精度が向上する。また，図１３に示すように第１領域の上方に２つのアンテナのうちの一方４０ｂを，第２領域の上方に２つのアンテナのうちの他方４０ａを配置しても良い。この場合には２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂ間の距離を大きくできるのでフロント作業装置１の方角（方位）の演算精度とアンテナ位置の測位精度が向上する。図１２，図１３の場合も，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂは動作平面Ｐｏ上に配置することが好ましいのは言うまでもない。

また，図１２，１３のようにフロント作業装置１の上面の領域の上方にＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを配置する場合，ＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂをその基端を中心に前後方向に回動可能とする回動機構を備えることが好ましい。このように回動機構を備えると，フロント作業装置１を掘削開始姿勢にした場合におけるＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの姿勢が略水平になるようにＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂ取り付け角度を変更することができる。また，回動機構を利用しない場合には，掘削開始姿勢にてＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂが略水平になる角度でＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂを固定することが好ましい。

また、上記では２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの位置と上部旋回体２及びフロント作業装置１の方向の計測をＧＮＳＳ受信機６０で行ったが，２つのＧＮＳＳアンテナ４０ａ，４０ｂの位置をＧＮＳＳ受信機６０から入力して油圧ショベル１００に搭載されたコントローラで演算する構成を採用しても良い。その場合，コントローラは油圧ショベル１００に搭載される必要はなく，受信機６０と通信可能な外部の管理センターなどに設置されたコンピュータを利用しても良い。

１…フロント作業装置（作業装置），２…上部旋回体，３…下部走行体，１０…ブーム，４０ａ…ＧＮＳＳアンテナ，４０ｂ…ＧＮＳＳアンテナ，４１ａ…マスト，４１ｂ…マスト，４５…基準局ＧＮＳＳアンテナ，６０…ＧＮＳＳ受信機，６５…無線機，７０…ＧＮＳＳ受信機，７５…無線機，２００…ＧＮＳＳ衛星，Ｐｏ…動作平面，Ｐｖ１…第1仮想平面，Ｐｖ２…第２仮想平面，Ｐｖ３…第３仮想平面，Ｐｖ４…第４仮想平面

Claims

下部走行体と，
前記下部走行体の上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と，
前記上部旋回体の前方に取り付けられ所定の動作平面上で動作する作業装置と，
前記上部旋回体又は前記作業装置に固定された２つのＧＮＳＳアンテナと，
前記２つのＧＮＳＳアンテナが受信した航法信号に基づいて前記上部旋回体及び前記作業装置の方位を計測する受信機とを備える作業機械において，
前記２つのＧＮＳＳアンテナは，それぞれ前記上部旋回体の上面における前記作業装置の後方の領域又は前記作業装置の上面の領域の上方に位置し，前記作業装置の前後方向に間隔を介して配置されている
ことを特徴とする作業機械。
請求項１の作業機械において，
前記２つのＧＮＳＳアンテナは，それぞれ，前記作業装置の左右方向における左側最外端を通り前記動作平面に平行な第１仮想平面と，前記作業装置の左右方向における右側最外端を通り前記動作平面に平行な第２仮想平面とに挟まれた領域に位置し、前記作業装置の前後方向に間隔を介して配置されている
ことを特徴とする作業機械。
請求項１の作業機械において，
前記２つのＧＮＳＳアンテナは，それぞれ，前記上部旋回体及び前記作業装置の上面と前記動作平面との交線の上方，または，前記上部旋回体及び前記作業装置の上面と前記動作平面に平行な面との交線の上方に配置されている
ことを特徴とする作業機械。
請求項１の作業機械において，
前記作業装置は，前記上部旋回体に回動可能に取り付けられたブームを有し，
前記２つのＧＮＳＳアンテナは，それぞれ，前記ブームの左右方向における左側最外端を通り前記動作平面に平行な第３仮想平面と，前記ブームの左右方向における右側最外端を通り前記動作平面に平行な第４仮想平面とに挟まれた領域に位置する
ことを特徴とする作業機械。
請求項１の作業機械において，
前記２つのＧＮＳＳアンテナをそれぞれ支持する２本のマストをさらに備え，
前記作業装置は，前記上部旋回体に回動可能に取り付けられたブームを有し，
前記２本のマストは，
それぞれ，前記ブームの左右方向における左側最外端を通り前記動作平面に平行な第３仮想平面と，前記ブームの左右方向における右側最外端を通り前記動作平面に平行な第４仮想平面とに挟まれた領域に位置するように前記上部旋回体の上面に配置されており，
さらに前記上部旋回体の上面と前記動作平面の交線上に配置されている
ことを特徴とする作業機械。