JP5046218B2 - 土木用建設機械におけるgps使用の位置検出方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の可動部を介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械におけるGPS使用の位置検出方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
土木作業機械は、複数の可動部を介して施工端部(たとえばバケットの刃先)を支持する構成にしたアームを有する。そして、アームは、建設機械本体に旋回可能に取り付けられており、アームの旋回中心(一般にピンという)の回りに旋回する。それにより、現場の整地作業が行われる。
【0003】
建設機械本体に対するアーム先端の位置座標の検出は各可動部の状態に基づいて演算することが可能である。
【0004】
一方、建設機械本体の位置座標の測定と、アームの方向角の測定は、自動追尾式測量機やGPSにより行われてきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
自動追尾式測量機により建設機械の位置情報を得る場合、構造上、複数の対象物を自動追尾する事は出来ないことから、建設機械1台につき1台の自動追尾式測量機が必要となり、コストが高くなってしまう。
【0006】
その測量機を配置する際には初期設定を要するため、整地作業に入る前に様々な予備作業が必要となり、全体として考えると、多大な手間や時間がかかる。
【0007】
この発明の目的は、初期位置の設定を容易に行える土木用建設機械におけるGPS使用の位置検出方法及び装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決する手段】
この発明の好ましい解決手段は、請求項1〜6に記載のとおりである。
【0009】
【発明の実施の形態】
アームは、複数の可動部(ブームなど)を介して施工端部を支持する構成になっていて、建設機械本体に旋回可能に装着されている。施工端部は、そのアームの先端に位置している。
【0010】
GPS用のアンテナがアームの所定位置(好ましくは施工端部)と建設機械本体の所定位置(1か所又は2か所)の両方に取りつけられる。それによりアームの旋回中心位置(ピン位置)または施工端部(たとえばバケットの刃先)の位置を演算することで、アームの旋回中心位置(ピン位置)または施工端部の位置座標を高精度に検出する。そのため、仮に振動や衝撃による建設機械の位置ズレが発生しても、それによる影響に強く、アームの旋回中心位置(ピン位置)または施工端部の位置座標を高精度に検出することができる。
【0011】
アームは建設機械本体の支持部に旋回可能に取付られている。その支持部の位置座標(ピン位置)を随時高精度に検出可能とすることで、アームの施工端部 (バケットの刃先)の3次元位置座標を高精度に検出可能とする。
【0012】
たとえば、アームの施工端部に設けたGPS用アンテナと建設機械本体の所定位置に設けたGPS用のアンテナからの位置情報に基づき、アームの旋回中心位置の3次元位置座標を演算し、さらに、アームに設けた複数のポジションセンサからの出力に基づき、施工端部の3次元位置を演算する。
【0013】
複数のポジションセンサは、複数の可動部のそれぞれの状態を検出する。
【0014】
1つのアンテナをアームの所定位置と建設機械の所定位置に交互に設けることもできる。GPS用の2つ以上のアンテナを使用することもできる。いずれの場合も、アンテナからの3次元位置情報及び複数のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心位置および/又は施工端部の位置を演算する。
【0015】
このような構成の位置検出装置を使用すれば、アームとくに施工端部に作業中かなりの振動及び衝撃が加えられたとしても、アームのピン位置や施工端部の位置座標を高精度に検出することが可能である。
【0016】
また、アームのピン位置や施工端部の3次元位置座標を検出することで、高精度な自動制御を可能とし、土木作業を確実かつ安全に行うことが出来、操作者の負担が軽減されるだけでなく、非熟練者による操作が実現可能となる。
【0017】
建設用土木機械(エクスカベータ等)における施工端部(バケットの刃先)の3次元位置が高精度で演算可能になる。
【0018】
アームのピン位置や施工端部の位置情報を演算できることで、高精度な制御が可能になり、高度な施工作業の自動化や作業時の操作ミスによる整地の失敗を回避できるほか、周辺の作業者や操縦者の安全確保を確実に行うことが出来る。
【0019】
また、アームの旋回中心位置(ピン位置、支持部位置)を演算することで、演算が容易となる。
【0020】
なお、1つのアンテナをアームの所定位置と建設機械の所定位置に交互に設ける場合は、アンテナが1個で済むので、コスト的に有利である。
【0021】
この発明の好ましい1つの態様によれば、土木作業用の建設機械(たとえばエクスカベータ)にGPS用のアンテナを1個又は2個使用し、アームの旋回中心位置(ピン位置)の3次元位置座標を演算し、さらに、バケットの刃先の位置を演算する。1つ又は2つのアンテナの配置位置(1か所)は、アームの所定位置(1か所又は2か所)と建設機械の所定位置とする。
【0022】
施工端部の3次元位置座標は、演算により、アームの旋回中心位置(ピン位置)に対する比高及びアーム長により表現できる。
【0023】
位置座標としては関与しないが、施工時の重要なデータとして施工端部角度も検出するように構成できる。
【0024】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施例を説明する。
【0025】
図1〜5に示す土木用建設機械は油圧ショベルである。
【0026】
図1〜5に示す実施例においては、1つ又は2つのGPS用アンテナ1を用いる。
【0027】
土木用建設機械は、2つの可動部3、4を介して施工端部2を支持する構成にしたアーム6を有する。アーム6は建設機械本体9に対してピン10を中心として旋回する。
【0028】
位置検出装置は、2つの可動部3、4のそれぞれの状態を検出する2つのポジションセンサ7、8と、施工端部2の所定位置(1か所)と建設機械本体9の所定位置(1か所)に設けた合計2つのGPS用のアンテナ1と、それら2つのアンテナ1の各々の3次元位置情報を受信する受信装置と、受信装置からの2つのアンテナ1の3次元位置情報と複数のポジションセンサ7、8からの出力に基づき、ピン10および/または施工端部2の3次元位置を演算する演算手段を有する。
【0029】
アンテナ1は、アーム6の可動な面に対してほぼ垂直な水平面に配置される。
【0030】
図1〜5に示す建設機械におけるピン位置計算とキャリブレーション方法を説明する。
【0031】
GPS用アンテナ1を利用して、アーム6のピン10(旋回中心)の三次元座標を求め、つぎに、施工端部つまりバケット刃先2の三次元座標を計算する。
【0032】
キャリブレーションの際には、2つのGPS用アンテナ1をアーム6の施工端部5と建設機械本体9に設置し、これらの位置の三次元座標を求める。1つのアンテナ1をアーム6の施工端部5と建設機械本体9に交互に設置してもよい。
【0033】
図1の使用態様においては、アーム6側にアンテナ1が設けられていない。
【0034】
図2〜5の使用態様においては、アーム6側にアンテナ1が設けられている。
図1〜5のいずれの態様においても、建設機械本体9にはアンテナ1が設けられている。つまり、2つのアンテナ1が使用される。しかし、1つのアンテナ1を必要に応じて建設機械本体9側に設けたり、アーム6側に設けることも可能である。その場合、アンテナは1本ですむ。
【0035】
図1〜5の実施例によるピン位置や刃先位置の求め方は、後述の図6〜20の実施例によるピン位置や刃先位置の求め方と実質的に同一である。
【0036】
図6〜7に示す建設機械も、油圧ショベルである。
【0037】
図6〜7に示す実施例においては、2つ又は3つのGPS用アンテナ1を用いる。
【0038】
位置検出装置は、複数の可動部3、4、5のそれぞれの状態を検出する複数のポジションセンサ7、8、9と、アーム6の所定位置に設けるアンテナ1と、建設機械本体9の所定位置に設ける2つのGPS用のアンテナ1と、それら3つのアンテナ1の各々の3次元位置情報を受信する受信装置11と、受信装置11からの3つのアンテナ1の3次元位置情報と複数のポジションセンサ7、8、9からの出力に基づき、施工端部2の3次元位置を演算する演算手段12を有する。
【0039】
建設機械本体9に配置した2つのアンテナ1は、アーム6の可動な面に対してほぼ垂直な水平面に配置される。その2つのアンテナ1の1つをアーム6側に配置することもできる。その場合は、2本のアンテナ1ですむ。
【0040】
図6〜7に示す建設機械における刃先計算とキャリブレーション方法を説明する。
【0041】
GPS用アンテナ1を利用して、施工端部つまりバケット刃先2の三次元座標を計算する。アーム6のピン10(旋回中心)の三次元座標を求める。
【0042】
2つのGPS用アンテナ1を建設機械本体9に設置し、これらの位置の三次元座標を求める。
【0043】
アーム6のピン10の三次元座標は、事前にGPS用アンテナ1との相対関係を求めておけばよい。
【0044】
現場では、ピン10の回りには配管等が存在し、メジャーテープで測定することは困難である。
【0045】
このような観点から、キャリブレーション測定方法が、簡単かつ所要の精度が保てるような測定方法として好適である。
【0046】
2つの測定システム系を使用して、刃先2の三次元座標を求める。
【0047】
1つの測定システム系は、アーム6上に設置されたシステム系であり、ピン10から刃先2までの、アーム6の水平距離Hと比高Avを測定する。2つ目の測定システム系はGPSシステム系であり、アンテナ1の位置の三次元座標を測定する。
【0048】
このような2つの測定システム系を連携させるために、ピン10、アーム6およびGPSアンテナ1の相対的な関係を求める。
【0049】
図8〜10は、3つのシステム例を示す。
【0050】
ショベルの機種やGPSアンテナ1の設置方法により、図8〜10に示すような色々なパターンが考えられるが、いずれにしても、2台のGPSアンテナ1とピン10の相対位置(3次元)、2台のGPSアンテナ1とアーム6の方向がわかれば、刃先2の三次元座標を求めることができる。
【0051】
図11を参照して、ピン10およびアーム6とGPSアンテナ1の関係について述べる。
【0052】
刃先2のXY座標は、NO1、2のアンテナ1とピン10の座標が求められれば、方向角(B)、方向角(C)、水平距離(H)の3つのパラメータを事前に計算することができる。これらのパラメータを使って刃先2の2座標の計算を以下の手順で行う。
【0053】
(1)ベース方向(A)
2台のGPSアンテナ1の三次元座標を求める。この座標は現場の設計データに投影されたものとする。この2座標から、ベース方向(A)を求めることができる。
【0054】
(2)ピンの座標(Px,Py)計算
ピン10のPx、Pyは、NO1のアンテナ1のXY座標、アーム6の水平距離(H)、ベース方向(A)と方向角(B)から求めることができる。
【0055】
Px=H・sinB+x1
Py=H・cosB+y1
(3)刃先の座標(Bx,By)
ピン10の座標(Px、Py)、方向角(C)、前述のように得られたアーム6の水平距離Ahより求めることができる。
【0056】
Bx=H・sinC+x1
By=H・cosC+y1
次は、刃先2の座標(Bz)について述べる。
【0057】
NO1、2のGPS用アンテナ1のNo1,No2のZ座標とピン10のZ座標(Pz)、前述のように求められた比高Avから求めることができる。
【0058】
dz=(Z1+z2)/2−Pz Z1,Z2は、キャリブレーション時の座標である。
【0059】
GPS用アンテナ1とピン10中心の機械比高で1回のみ計算する。それは、次のとおりである。
【0060】
Bz=(Zno1+zno2)/2−dz+Av
ピン10の座標は次のように求める。すなわち、ピン10の三次元座標とアーム6の方向をキャリブレーションにより求められれば、刃先2の三次元座標をGPS2台で求めることができる。
【0061】
キャリブレーションは、図12〜13に示すように行う。
【0062】
GPSアンテナ2台の場合は先にNO2のGPSアンテナをバケット側へ取り付ける。そして、図14に示すように、可動部3、4、5を固定したまま、アーム6を旋回する。
【0063】
キャリブレーションに必要な作業は、GPSアンテナ3台を使用する場合、次のとおりである。
【0064】
1)偏心量ΔEをカタログ等からPCへ手入力。
【0065】
2)GPSアンテナ3台を、建設機械本体9の所定の位置(2か所)とアーム6の先端に取り付ける。
【0066】
3)1周水平旋回を行う。1周以上でもよいが、アーム6は固定。
【0067】
4)アーム6をできるだけ上方向にあげる。途中で、水平旋回はしない。
【0068】
5)以上でキャリブレーション作業は完了。
【0069】
GPSアンテナ2台を使用する場合には、キャリブレーションに必要な作業は次のとおりである。
【0070】
1)偏心量ΔEをカタログ等からパソコンへ手入力。
【0071】
2)GPSアンテナ2台を、建設機械本体9のNO1の位置とアーム6の先端に取り付ける。
【0072】
3)1周水平旋回を行う。もちろん1周以上でもよいが、アーム6は固定。
【0073】
4)アーム6をできるだけ上方向にあげる。途中で、水平旋回はしない。
【0074】
5)建設機械本体9のNO1の位置のGPSアンテナを建設機械本体9のNO2の位置に移動する。
【0075】
6)アーム6をできるだけ上方向にあげる。途中で、水平旋回はしない。
【0076】
7)以上でキャリブレーション作業は完了。
【0077】
なお、GPSアンテナが2〜3台の場合、アーム6の旋回→水平旋回でもよい。
【0078】
キャリブレーション計算の手順は、キャリブレーション作業の順番にかかわらず以下の通りである。
【0079】
1)旋回中心座標(x、y)計算:最小2乗法
2)旋回中心(x、y)からΔE偏心した座標(x、y)計算
3)アーム方向計算:最小2乗法
4)ピン座標(x、y、z)の計算
5)パラメータ、アーム方向角B、アーム方向角C、アーム水平距離H、NO1のアンテナ1とピン10の比高Avの計算
旋回中心座標(x、y)は、次のとおり計算する。図15に示すように、旋回中心座標は最小2乗法によって求める。
【0080】
1)ショベルの旋回中心は1点のみ。
【0081】
2)旋回中はバケットを前後に引かない。
【0082】
3)機械ガタはないとする。
【0083】
バケットとNO1のアンテナ1は、それぞれ中心座標を計算できる。これらを平均したものを最終中心座標とする。差が大きいときは、再測定する。
【0084】
図11に示すように、アーム方向の計算は次のとおりである。
【0085】
旋回中心(xc、yc)およびΔEは、すでにわかっている。
【0086】
偏心点は、アーム6の中心線と旋回中心10が直交する点で、旋回中心10からの離れ量ΔEは、カタログより入力される。
【0087】
1)ΔEの値は固定である
2)ピン座標、偏心点はアーム中心線上を通る
ピン座標の計算は次のとおりである。
【0088】
これは、旋回中心座標(x、y)の計算を縦にして考えた場合と全く同じである。
【0089】
水平方向旋回のように1周することは不可能なので、検証テストは十分行う。
図17〜19によく示すように、GPSアンテナ1の2点の三次元座標、ピン10の三次元座標、アーム6の方向を求めることができる。そして、必要に応じて、各種パラメータは、そのようにして求めたGPSアンテナ1の2点の三次元座標、ピン10の三次元座標、アーム6の方向から計算することができる。
【0090】
【発明の効果】
この発明によれば、建設機械の施工端部の3次元位置を高精度に検出可能であり、さらに、振動、衝撃による影響を受けにくい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1つの実施例による位置検出装置付きの土木用建設機械の概略を示す。
【図2】図1の位置検出装置付きの土木用建設機械の別の使用態様を示す。
【図3】図1の位置検出装置付きの土木用建設機械のさらに別の使用例を概略的に示す。
【図4】図1の位置検出装置付きの土木用建設機械のさらに別の使用例を概略的に示す。
【図5】図1の位置検出装置付きの土木用建設機械による検出のしかたの概念を概略的に示す。
【図6】本発明の1つの実施例による位置検出装置の概念を示す正面図。
【図7】本発明の1つの実施例による位置検出装置の概念を示す平面図。
【図8】図1の位置検出装置による検出のしかたの一例を概略的に示す。
【図9】図1の位置検出装置による検出のしかたの他の例を概略的に示す。
【図10】図1の位置検出装置による検出のしかたのさらに他の1例を概略的に示す。
【図11】図1の位置検出装置におけるピン、アーム、GPSの関係を示す。
【図12】キャリブレーションの説明図。
【図13】GPSアンテナのNO1、NO2とバケットの軌跡を示す。
【図14】GPSアンテナ2台の場合のNO2のアンテナの使用例を示す。
【図15】旋回中心座標の求め方を示す。
【図16】アーム方向の計算の原理を示す。
【図17】図1の位置検出装置の概念図。
【図18】図12の概念図から特にアームの可動域(平面)とGPSアンテナによる基線の関係を示す。
【図19】図12の概念図から特にアームとGPSアンテナ配置位置との関係を示す。
【図20】位置検出装置の制御システムの一例を示す。
【符号の説明】
1 GPS用アンテナ
2 施工端部
3、4、5 可動部
6 アーム
7、8、9 ポジションセンサ
10、14 ピン
11 受信装置
12 演算手段
A ベース方向
B、C 方向角
H 水平距離
Av 比高
Claims (4)
- 複数の可動部を介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械において、
複数のポジションセンサが複数の可動部のそれぞれの状態を検出し、
GPS用のアンテナがアームの施工端部及び建設機械本体に着脱可能又は着脱不可に設けられ、
演算手段が、キャリブレーションの際、前記アームの施工端部及び建設機械本体におけるアンテナの3次元位置情報と複数のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心の3次元位置を演算し、建設機械本体を水平旋回させながら計測することにより得られるアームの施工端部及び建設機械本体に設けたGPS用のアンテナからの位置情報より、建設機械本体の旋回中心位置を計算するとともに、建設機械のアームを上方向にあげながら計測することにより得られるアームの施工端部に設けたGPS用のアンテナからの位置情報より、アームの方向(α)を計算し、得られた建設機械本体の旋回中心位置及びアームの方向(α)を用いてアームの旋回中心の3次元位置を演算することを特徴とする、
土木用建設機械。 - 複数の可動部を介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械において、
複数のポジションセンサが複数の可動部のそれぞれの状態を検出し、
GPS用のアンテナがアームの施工端部と建設機械本体の所定位置の両方に設けられ、
演算手段が、キャリブレーションの際、前記アームの施工端部及び建設機械本体におけるアンテナの3次元位置情報と複数のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心の3次元位置を演算し、さらに、前記アームの旋回中心位置の3次元位置と複数のポジションセンサからの出力に基づき、施工端部の3次元位置を演算し、建設機械本体を水平旋回させながら計測することにより得られるアームの施工端部及び建設機械本体に設けたGPS用のアンテナからの位置情報より、建設機械本体の旋回中心位置を計算するとともに、建設機械のアームを上方向にあげながら計測することにより得られるアームの施工端部に設けたGPS用のアンテナからの位置情報より、アームの方向(α)を計算し、得られた建設機械本体の旋回中心位置及びアームの方向(α)を用いてアームの旋回中心の3次元位置を演算することを特徴とする、
土木用建設機械。 - 複数の可動部を介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械のための位置検出方法であって、
複数のポジションセンサにより複数の可動部のそれぞれの状態を検出し、
GPS用のアンテナがアームの施工端部及び建設機械本体に着脱可能又は着脱不可に設けられ、
キャリブレーションの際、前記アームの施工端部及び建設機械本体におけるアンテナの3次元位置情報と複数のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心の3次元位置を演算し、建設機械本体を水平旋回させながら計測することにより得られるアームの施工端部及び建設機械本体に設けたGPS用のアンテナからの位置情報より、建設機械本体の旋回中心位置を計算するとともに、建設機械のアームを上方向にあげながら計測することにより得られるアームの施工端部に設けたGPS用のアンテナからの位置情報より、アームの方向(α)を計算し、得られた建設機械本体の旋回中心位置及びアームの方向(α)を用いてアームの旋回中心の3次元位置を演算することを特徴とする、
土木用建設機械のための位置検出方法。 - 複数の可動部を介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械のための位置検出方法であって、
複数のポジションセンサにより複数の可動部のそれぞれの状態を検出し、
GPS用のアンテナがアームの施工端部と建設機械本体の所定位置の両方に設けられ、
キャリブレーションの際、前記アームの施工端部及び建設機械本体におけるアンテナの3次元位置情報と複数のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心の3次元位置を演算し、さらに、前記アームの旋回中心位置の3次元位置と複数のポジションセンサからの出力に基づき、施工端部の3次元位置を演算し、建設機械本体を水平旋回させながら計測することにより得られるアームの施工端部及び建設機械本体に設けたGPS用のアンテナからの位置情報より、建設機械本体の旋回中心位置を計算するとともに、建設機械のアームを上方向にあげながら計測することにより得られるアームの施工端部に設けたGPS用のアンテナからの位置情報より、アームの方向(α)を計算し、得られた建設機械本体の旋回中心位置及びアームの方向(α)を用いてアームの旋回中心の3次元位置を演算することを特徴とする、
土木用建設機械のための位置検出方法。
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