JP6918948B2 - 掘削機械の表示システム、掘削機械、及び掘削機械の表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、掘削機械の表示システム、掘削機械、及び掘削機械の表示方法に関する。

油圧ショベルのような掘削機械においては、作業レバーのような操作装置がオペレータに操作されることによって作業機が作動する。作業機のバケットで掘削対象の目標形状を示す目標掘削地形に従って掘削するとき、オペレータが作業機の状況を目視するだけでは掘削対象が正確に掘削されているか否かを判断することは困難である。また、バケットで掘削対象を正確に掘削するためにはオペレータに熟練した技能が要求される。そのため、特許文献１に開示されているように、バケットと目標掘削地形との相対位置を示す画像を運転室に設けられている表示装置に表示して、オペレータによる操作装置の操作を補助する技術が提案されている。

特許第５８８６９６２号

表示装置にはバケット及び目標掘削地形をある方向から見た画像が表示される。バケット及び目標掘削地形を見る方向によっては、バケットと目標掘削地形を示す目標線との相対位置を的確に表示できない可能性がある。例えばチルトバケットのような複数の回転軸を有するバケットと目標線との相対位置を示す画像を表示装置に表示する場合、バケット及び目標線を見る方向によっては、バケットの回転により、バケットと目標線との相対位置を的確に表示できない可能性がある。その結果、オペレータが表示装置に表示された画像に違和感を覚えたり、オペレータによる操作装置の操作が十分に補助されなかったりする可能性がある。

本発明の態様は、バケットと目標線とを的確に表示できる技術を提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、掘削機械の車体の位置及び姿勢を示す車両状態データと、前記車体に支持される作業機の外形及び寸法を示す作業機外形データと、前記作業機の姿勢を示す作業機状態データとに基づいて、前記作業機のバケットの幅方向に延在し前記バケットの規定部位を通る基準ベクトルを算出する算出部と、前記基準ベクトルと直交する方向から見た前記バケットと目標線とを表示装置に表示させる表示制御部と、を備える掘削機械の表示システムが提供される。

本発明の態様によれば、バケットと目標線とを的確に表示できる技術が提供される。

図１は、本実施形態に係る掘削機械の一例を示す斜視図である。 図２は、本実施形態に係るバケットの一例を示す正面図である。 図３は、本実施形態に係る掘削機械を模式的に示す側面図である。 図４は、本実施形態に係る掘削機械を模式的に示す背面図である。 図５は、本実施形態に係る掘削機械を模式的に示す平面図である。 図６は、本実施形態に係る作業機を模式的に示す正面図である。 図７は、本実施形態に係る掘削機械の制御システムの一例を示す機能ブロック図である。 図８は、本実施形態に係る目標掘削地形の一例を模式的に示す図である。 図９は、本実施形態に係る刃先ベクトルを説明するための図である。 図１０は、本実施形態に係る案内画面の一例を示す図である。 図１１は、本実施形態に係る案内画面の一例を示す図である。 図１２は、本実施形態に係るバケット正面視における目標線の導出方法を説明するための図である。 図１３は、本実施形態に係るバケット正面視におけるバケット及び目標掘削地形のそれぞれを示す画像を説明するための図である。 図１４は、オペレータ正面視における目標線を説明するための図である。 図１５は、オペレータ正面視におけるバケット及び目標掘削地形のそれぞれを示す画像を説明するための図である。 図１６は、本実施形態に係る案内画面の一例を示す図である。 図１７は、本実施形態に係る表示方法の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

以下の説明においては、３次元のグローバル座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）、及び３次元の車体座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）を規定して、各部の位置関係について説明する。

グローバル座標系とは、地球に固定された原点を基準とする座標系をいう。グローバル座標系は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）によって規定される座標系である。ＧＮＳＳとは、全地球航法衛星システムをいう。全地球航法衛星システムの一例として、ＧＰＳ（Global Positioning System）が挙げられる。ＧＮＳＳは、複数の測位衛星を有する。ＧＮＳＳは、緯度、経度、及び高度の座標データで規定される位置を検出する。

グローバル座標系は、水平面内のＸｇ軸と、水平面内においてＸｇ軸と直交するＹｇ軸と、Ｘｇ軸及びＹｇ軸と直交するＺｇ軸とによって規定される。Ｘｇ軸と平行な方向をＸｇ軸方向とし、Ｙｇ軸と平行な方向をＹｇ軸方向とし、Ｚｇ軸と平行な方向をＺｇ軸方向とする。また、Ｘｇ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＸｇ方向とし、Ｙｇ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＹｇ方向とし、Ｚｇ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＺｇ方向とする。Ｚｇ軸方向は鉛直方向である。

車体座標系とは、掘削機械に固定された原点を基準とする座標系をいう。

車体座標系は、掘削機械の車体に固定された原点を基準として一方向に延在するＸｍ軸と、Ｘｍ軸と直交するＹｍ軸と、Ｘｍ軸及びＹｍ軸と直交するＺｍ軸とによって規定される。Ｘｍ軸と平行な方向をＸｍ軸方向とし、Ｙｍ軸と平行な方向をＹｍ軸方向とし、Ｚｍ軸と平行な方向をＺｍ軸方向とする。また、Ｘｍ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＸｍ方向とし、Ｙｍ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＹｍ方向とし、Ｚｍ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＺｍ方向とする。Ｘｍ軸方向は掘削機械の前後方向であり、Ｙｍ軸方向は掘削機械の車幅方向であり、Ｚｍ軸方向は掘削機械の上下方向である。

［掘削機械］
図１は、本実施形態に係る掘削機械１の一例を示す斜視図である。本実施形態においては、掘削機械１が油圧ショベルである例について説明する。以下の説明においては、作業機械１を適宜、油圧ショベル１、と称する。

図１に示すように、油圧ショベル１は、油圧により作動する作業機２と、作業機２を支持する車体である旋回体３と、旋回体３を支持する走行装置５とを備える。

旋回体３は、走行装置５に支持された状態で旋回軸Ｚｒを中心に旋回可能である。旋回体３は、運転室４と、機関室３ＥＧとを有する。油圧ショベル１のオペレータは、運転室４に搭乗する。機関室３ＥＧは、動力源及び油圧ポンプを収容する。動力源は、例えばディーゼルエンジンのような内燃機関を含む。なお、動力源は、内燃機関と発電電動機と蓄電装置とを組み合わせたハイブリッド方式の動力源でもよい。

また、旋回体３には、グローバル座標系における旋回体３の位置の検出に使用されるＧＮＳＳアンテナ２１，２２が設けられる。

走行装置５は、旋回体３を支持する。走行装置５は、一対の履帯５Ｃを有する。履帯５Ｃの回転により、油圧ショベル１が走行する。なお、走行装置５が車輪（タイヤ）を有してもよい。

作業機２は、旋回体３に支持される。作業機２は、ブームピン１４を介して旋回体３に連結されるブーム６と、アームピン１５を介してブーム６に連結されるアーム７と、バケットピン１６を介してアーム７に連結される連結部材８と、チルトピン１７を介して連結部材８に連結されるバケット９とを有する。バケット９は、チルトバケットである。バケット９は、刃先９Ｔを有する。バケット９の刃先９Ｔは、凸形状の刃の先端部である。刃先９Ｔは、バケット９の幅方向に複数設けられる。なお、バケット９の刃先９Ｔは、ストレート形状の刃の先端部でもよい。

ブーム６は、ブームピン１４を通る回転軸ＡＸ１を中心に旋回体３に対して回転可能である。アーム７は、アームピン１５を通る回転軸ＡＸ２を中心にブーム６に対して回転可能である。連結部材８は、バケットピン１６を通る回転軸ＡＸ３を中心にアーム７に対して回転可能である。バケット９は、チルトピン１７を通る回転軸ＡＸ４を中心に連結部材８に対して回転可能である。

回転軸ＡＸ１と回転軸ＡＸ２と回転軸ＡＸ３とは平行である。回転軸ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３と旋回軸Ｚｒと平行な軸とは直交する。回転軸ＡＸ３と回転軸ＡＸ４とは異なる方向を向く。本実施形態において、回転軸ＡＸ３と回転軸ＡＸ４と平行な軸とは直交する。

回転軸ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３は、車体座標系のＹｍ軸と平行である。旋回軸Ｚｒは、車体座標系のＺｍ軸と平行である。回転軸ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３と平行な方向は、旋回体３の車幅方向を示す。旋回軸Ｚｒと平行な方向は、旋回体３の上下方向を示す。回転軸ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３及び旋回軸Ｚｒの両方と直交する方向は、旋回体３の前後方向を示す。

運転室４を基準として作業機２が存在する方向が前方であり、運転室４を基準として機関室３ＥＧが存在する方向が後方である。旋回体３を基準として走行装置５が存在する方向が下方であり、走行装置５を基準として旋回体３が存在する方向が上方である。運転室４に配置されている前方を向く運転席を基準としてブーム６から離れる方向が左方であり、運転席を基準としてブーム６に近付く方向が右方である。

作業機２は、油圧シリンダが発生する動力により作動する。作業機２を作動させる油圧シリンダは、ブーム６を作動させるブームシリンダ１０と、アーム７を作動させるアームシリンダ１１と、連結部材８を作動させるバケットシリンダ１２と、バケット９を作動させるチルトシリンダ１３とを含む。ブームシリンダ１０は、回転軸ＡＸ１を中心にブーム６を回転させる動力を発生可能である。アームシリンダ１１は、回転軸ＡＸ２を中心にアーム７を回転させる動力を発生可能である。バケットシリンダ１２は、回転軸ＡＸ３を中心に連結部材８を回転させる動力を発生可能である。チルトシリンダ１３は、回転軸ＡＸ４を中心にバケット９を回転させる動力を発生可能である。

［バケット］
図２は、本実施形態に係るバケット９の一例を示す正面図である。図１及び図２に示すように、バケット９は、連結部材８を介してアーム７に連結される。連結部材８は、回転軸ＡＸ３を中心に回転可能にアーム７に連結される。バケット９は、回転軸ＡＸ４を中心に回転可能に連結部材８に連結される。回転軸ＡＸ３を中心に連結部材８が回転することによって、回転軸ＡＸ３を中心にバケット９が回転する。すなわち、バケット９は、アーム７に対して、回転軸ＡＸ３（第１回転軸）及び回転軸ＡＸ３とは異なる方向を向く回転軸ＡＸ４（第２回転軸）のそれぞれを中心に回転可能に支持される。

以下の説明においては、回転軸ＡＸ３を適宜、バケット回転軸ＡＸ３、と称し、回転軸ＡＸ４を適宜、チルト回転軸ＡＸ４、と称する。また、以下の説明においては、バケット回転軸ＡＸ３を中心とするバケット９の回転を適宜、バケット回転、と称し、チルト回転軸ＡＸ４を中心とするバケット９の回転を適宜、チルト回転、と称する。図１に示す矢印ＳＷは、バケット９のバケット回転の方向を示す。図１及び図２に示す矢印ＴＩＬは、バケット９のチルト回転の方向を示す。

バケット９は、複数の刃先９Ｔを有する。複数の刃先９Ｔは、バケット９の幅方向に配列される。バケット９の幅方向は、チルト回転軸ＡＸ４と直交する方向である。複数の刃先９Ｔにより、刃先列９ＴＧが形成される。刃先列９ＴＧとは、刃先９Ｔの集合体をいう。以下の説明においては、複数の刃先９Ｔを結ぶ直線を適宜、刃先ラインＬＢＴ、と称する。

なお、バケット９がストレート形状の刃先９Ｔを有する場合、刃先ラインＬＢＴは、ストレート形状の刃先９Ｔの延在方向に規定される。

チルトシリンダ１３は、連結部材８及びバケット９のそれぞれに連結される。チルトシリンダ１３は、Ｙｍ軸方向において、連結部材８の一方側及び他方側のそれぞれに配置される。一方のチルトシリンダ１３が伸び他方のチルトシリンダ１３が縮むことにより、バケット９はチルト回転する。なお、チルトシリンダ１３は１つでもよい。

図２に示すように、バケット回転軸ＡＸ３及びチルト回転軸ＡＸ４の両方と直交する軸ＡＸＺを規定したとき、バケット９がチルト回転することにより、バケット９の刃先ラインＬＢＴは、軸ＡＸＺに対して傾斜する。刃先ラインＬＢＴと軸ＡＸＺとが直交するとき、バケット９の幅方向と旋回体３の車幅方向とは一致する。

［検出システム］
次に、本実施形態に係る油圧ショベル１の検出システム１８について説明する。図３は、本実施形態に係る油圧ショベル１を模式的に示す側面図である。図４は、本実施形態に係る油圧ショベル１を模式的に示す背面図である。図５は、本実施形態に係る油圧ショベル１を模式的に示す平面図である。図６は、本実施形態に係る作業機２を模式的に示す正面である。

検出システム１８は、旋回体３の位置を検出する位置検出装置２０と、作業機２の角度を検出する作業機角度検出装置１９とを有する。

位置検出装置２０は、旋回体３の位置を検出する位置演算器２３と、旋回体３の姿勢を検出する姿勢演算器２４とを含む。

位置演算器２３は、ＧＰＳ受信機を含む。位置演算器２３は、旋回体３に設けられる。位置演算器２３は、グローバル座標系における旋回体３の位置Ｐｇを検出する。旋回体３の位置Ｐｇは、Ｘｇ軸方向の座標データ、Ｙｇ軸方向の座標データ、及びＺｇ軸方向の座標データを含む。

旋回体３にＧＮＳＳアンテナ２１，２２が設けられる。ＧＮＳＳアンテナ２１，２２は、測位衛星から電波を受信して、受信した電波に基づいて生成した信号を位置演算器２３に出力する。位置演算器２３は、ＧＮＳＳアンテナ２１，２２からの信号に基づいて、グローバル座標系におけるＧＮＳＳアンテナ２１，２２の位置Ｐ１，Ｐ２を検出する。位置演算器２３は、ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の位置Ｐ１，Ｐ２に基づいて、旋回体３の位置Ｐｇを検出する。

ＧＮＳＳアンテナ２１，２２は、車幅方向に設けられる。位置演算器２３は、位置Ｐ１及び位置Ｐ２の少なくとも一方に基づいて演算処理を実施して、旋回体３の位置Ｐｇを算出する。本実施形態において、旋回体３の位置Ｐｂは、位置Ｐ１である。なお、旋回体３の位置Ｐｇは、位置Ｐ２でもよいし、位置Ｐ１と位置Ｐ２との間の位置でもよい。

姿勢演算器２４は、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）を含む。姿勢演算器２４は、旋回体３に設けられる。姿勢演算器２４は、姿勢演算器２４に作用する加速度及び角速度を検出する。姿勢演算器２４に作用する加速度及び角速度が検出されることにより、旋回体３に作用する加速度及び角速度が検出される。姿勢演算器２４は、旋回体３に作用する加速度及び角速度に基づいて演算処理を実施して、ロール角θ５及びピッチ角θ６を含む旋回体３の姿勢を算出する。ロール角θ５とは、水平面に対する車幅方向における旋回体３の傾斜角度をいう。ピッチ角θ６は、水平面に対する前後方向における旋回体３の傾斜角度をいう。

また、位置演算器２３の検出データに基づいて方位角θ７（ヨー角）が算出される。方位角θ７とは、基準方位に対する旋回体３の傾斜角度をいう。基準方位は、例えば北である。位置演算器２３は、ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の位置Ｐ１，Ｐ２に基づいて、旋回体３の方位角θ７を算出することができる。位置演算器２３は、位置Ｐ１と位置Ｐ２とを結ぶ直線を算出し、算出した直線と基準方位とがなす角度に基づいて、旋回体３の方位角θ７を算出することができる。なお、姿勢演算器２４が、旋回体３に作用する加速度及び角速度に基づいて演算処理を実施して、方位角θ７を算出してもよい。

作業機角度検出装置１９は、ブームシリンダ１０のストローク値を検出するブームストロークセンサ１９Ａと、アームシリンダ１１のストローク値を検出するアームストロークセンサ１９Ｂと、バケットシリンダ１２のストローク値を検出するバケットストロークセンサ１９Ｃと、チルトシリンダ１３のストローク値を検出するチルトストロークセンサ１９Ｄと、傾斜角度演算器とを有する。傾斜角度演算器は、ブームストロークセンサ１９Ａで検出されたストローク値に基づいて、車体座標系のＺｍ軸に対するブーム６の傾斜角度θ１を算出する。傾斜角度演算器は、アームストロークセンサ１９Ｂで検出されたストローク値に基づいて、ブーム６に対するアーム７の傾斜角度θ２を算出する。傾斜角度演算器は、バケットストロークセンサ１９Ｃで検出されたストローク値に基づいて、アーム７に対するバケット９の刃先９Ｔの傾斜角度θ３を算出する。傾斜角度演算器は、チルトストロークセンサ１９Ｄで検出されたストローク値に基づいて、軸ＡＸＺに対するバケット９の傾斜角度θ４を算出する。図６に示すように、バケット９の傾斜角度θ４は、軸ＡＸＺと、バケット９の刃先ラインＬＢＴと直交するラインとがなす角度である。

なお、傾斜角度θ１，θ２，θ３，θ４は、例えば作業機２に設けられた角度センサにより検出されてもよい。

［制御システム］
次に、本実施形態に係る油圧ショベル１の制御システム１００について説明する。図７は、本実施形態に係る油圧ショベル１の制御システム１００の一例を示す機能ブロック図である。

図７に示すように、油圧ショベル１は、車両制御装置２５と、油圧システム２６と、操作装置３０と、表示システム２００とを備える。

操作装置３０は、作業機２の作動、旋回体３の旋回、及び走行装置５の走行のためにオペレータに操作される。操作装置３０は、運転室４に配置される。操作装置３０は、油圧ショベル１のオペレータに操作される操作部材を含む。操作装置３０は、作業機２及び旋回体３を操作するための作業レバー３１と、走行装置５を操作するための走行レバー３２とを含む。

作業レバー３１は、右作業レバー３１Ｒと、左作業レバー３０Ｌと、チルトレバー３０Ｔとを含む。走行レバー３２は、右走行レバー３２Ｒと、左走行レバー３２Ｌとを含む。

右作業レバー３１Ｒが前後方向に操作されると、ブーム６が下げ動作又は上げ動作する。右作業レバー３１Ｒが左右方向に操作されると、バケット９がバケット回転して掘削動作又はダンプ動作する。チルトレバー３１Ｔが操作されると、バケット９がチルト回転して軸ＡＸＺに対して刃先ラインＬＢＴが右側又は左側に傾斜する。なお、オペレータの足によって操作される操作ペダルの操作により、バケット９がチルト回転してもよい。

左作業レバー３１Ｌが前後方向に操作されると、アーム７がダンプ動作又は掘削動作する。左作業レバー３１Ｌが左右方向に操作されると、旋回体３が左旋回又は右旋回する。

右走行レバー３２Ｒが前後方向に操作されると、一対の履帯５Ｃのうち右側の履帯５Ｃが前進又は後進するように回転する。左走行レバー３２Ｌが前後方向に操作されると、一対の履帯５Ｃのうち左側の履帯５Ｃが前進又は後進するように回転する。

車両制御装置２５は、入出力インターフェースと、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリ及びＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリを含む記憶装置と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサを含む演算処理装置とを有する。車両制御装置２５は、作業機２及び旋回体３を制御するための制御信号を出力する。

油圧システム２６は、作動油を吐出する油圧ポンプ２７と、作業機２を作動させるための油圧シリンダ（１０，１１，１２，１３）に供給される作動油の供給量及び供給方向を調整する流量制御弁２８と、流量制御弁２８に作用するパイロット圧を調整する比例制御弁２９とを有する。作業レバー３１の操作量に基づいて、流量制御弁２８に作用するパイロット圧が調整される。パイロット圧に基づいて流量制御弁２８のスプールが移動することによって、油圧シリンダに供給される作動油の供給量及び供給方向が調整される。なお、作業レバー３１は、パイロット圧方式でもよいし電気方式でもよい。作業レバー３１が電気方式である場合、作業レバー３１の操作量がポテンショメータのような操作量センサによって検出され、操作量センサの検出信号が車両制御装置２５に出力される。車両制御装置２５は、操作量センサの検出信号に基づいて、比例制御弁２９を制御するための制御信号を出力することができる。

また、油圧システム２６は、走行装置５を走行させるための油圧モータを有する。走行レバー３２の操作により、油圧ポンプ２７から油圧モータに供給される作動油の供給量及び供給方向が調整される。走行レバー３２は、パイロット圧方式でもよいし電気方式でもよい。

［表示システム］
表示システム２００は、作業機２のバケット９と掘削対象との相対位置を表示して、オペレータによる操作装置３０の操作を補助する。

図６に示すように、表示システム２００は、位置検出装置２０と、作業機角度検出装置１９と、入力装置３３と、表示装置３４と、音出力装置３５と、制御装置４０とを有する。入力装置３３、表示装置３４、及び音出力装置３５のそれぞれは、運転室４に設けられる。本実施形態において、入力装置３３と表示装置３４と音出力装置３５は、一体に構成されている。なお、入力装置３３と表示装置３４と音出力装置３５は、別体に構成されてもよい。

位置検出装置２０は、位置演算器２３と、姿勢演算器２４とを含む。作業機角度検出装置１９は、ブームストロークセンサ１９Ａと、アームストロークセンサ１９Ｂと、バケットストロークセンサ１９Ｃと、チルトストロークセンサ１９Ｄとを含む。

入力装置３３は、オペレータに操作される。入力装置３３が操作されることにより、表示システム２００を操作するための入力信号が生成される。入力装置３３として、操作スイッチ、操作ボタン、タッチパネル、及びキーボードの少なくとも一つが例示される。

表示装置３４は、オペレータによる操作装置３０の操作を補助する表示データを表示する。表示装置３４に表示される表示データは、バケット９と掘削対象との相対位置を示す画像を含む。表示装置３４として、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）又は有機ＥＬディスプレイ（ＯＥＬＤ：Organic Electroluminescence Display）のようなフラットパネルディスプレイが例示される。

音出力装置３５は、警告音を発して、オペレータによる操作装置３０の操作を補助する。音出力装置３５として、スピーカー、サイレン、及び音声出力装置の少なくとも一つが例示される。

制御装置４０は、入出力インターフェース４０Ａと、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリ及びＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリを含む記憶装置４０Ｂと、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサを含む演算処理装置４０Ｃとを有する。

入出力インターフェース４０Ａは、記憶装置４０Ｂ及び演算処理装置４０Ｃと外部機器とを接続するインターフェース回路を含む。入出力インターフェース４０Ａは、位置検出装置２０、作業機角度検出装置１９、入力装置３３、表示装置３４、及び音出力装置３５のそれぞれと接続される。

記憶装置４０Ｂは、作業機外形データ記憶部４１と、目標掘削地形データ記憶部４２とを有する。

作業機外形データ記憶部４１は、作業機外形データを記憶する。作業機外形データは、作業機２の外形及び寸法を示す。作業機外形データは、油圧ショベル１の設計データ又は諸元データから分かる既知データであり、作業機外形データ記憶部４１に記憶されている。

作業機外形データは、ブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２、連結部材８の長さＬ３、及びバケット９の長さＬ４を含む。図３に示すように、ブーム６の長さＬ１は、ブームピン１４の中心からアームピン１５の中心までの長さである。アーム７の長さＬ２は、アームピン１５の中心からバケットピン１６の中心までの長さである。連結部材８の長さＬ３は、バケットピン１６の中心からチルトピン１７の中心までの長さである。バケット９の長さＬ４は、チルトピン１７の中心からバケット９の刃先９Ｔまでの長さである。

また、作業機外形データは、バケット９の外形及び寸法を示すバケット外形データを含む。バケット外形データは、バケット９の幅Ｗ、及びバケット９の座標データを含む。バケット９の座標データは、バケット９の刃先９Ｔの座標データ、及びバケット９の外面の複数の点のそれぞれの座標データを含む。なお、バケット９が交換された場合、交換されたバケット９についてのバケット外形データが入力装置３３を介して作業機データ記憶部４１に入力される。

目標掘削地形データ記憶部４２は、掘削対象の目標掘削地形を示す目標掘削地形データを記憶する。目標掘削地形は、掘削対象の目標形状を示す。目標掘削地形は、予め作成され、目標掘削地形データ記憶部４２に記憶されている。

目標掘削地形データは、掘削対象の３次元の目標形状を示す３次元データを含む。３次元データは、目標掘削地形の表面の複数の点のそれぞれの３次元座標データを含む。

演算処理装置４０Ｃは、車両状態データ取得部４３と、作業機状態データ取得部４４と、目標掘削地形データ取得部４５と、算出部４６と、表示制御部４７とを有する。

車両状態データ取得部４３は、旋回体３の位置及び姿勢を示す車両状態データを位置検出装置２０から取得する。旋回体３の位置は、グローバル座標系における位置Ｐｇである。旋回体３の姿勢は、ロール角θ５、ピッチ角θ６、及び方位角θ７によって表される。位置演算器２３は、グローバル座標系における旋回体３の位置Ｐｇを検出する。姿勢演算器２４は、ロール角θ５、ピッチ角θ６、及び方位角θ７を含む旋回体３の姿勢を検出する。車両状態データ取得部４３は、グローバル座標系における旋回体３の位置Ｐｇと、ロール角θ５、ピッチ角θ６、及び方位角θ７を含む旋回体３の姿勢とを含む車両状態データを取得する。

作業機状態データ取得部４４は、作業機２の姿勢を示す作業機状態データを取得する。作業機２の姿勢は、車体座標系のＺｍ軸に対するブーム６の傾斜角度θ１、ブーム６に対するアーム７の傾斜角度θ２、アーム７に対するバケット９の刃先９Ｔの傾斜角度θ３、及び軸ＡＸＺに対するバケット９の傾斜角度θ４によって表される。上述のように、作業機角度検出装置１９の傾斜角度演算器によって、傾斜角度θ１，θ２，θ３，θ４が算出される。作業機状態データ取得部４４は、作業機角度検出装置１９から、作業機２の傾斜角度を含む作業機状態データを取得する。

目標掘削地形データ取得部４５は、掘削対象の目標掘削地形を示す目標掘削地形データを目標掘削地形データ記憶部４２から取得する。

図８は、本実施形態に係る目標掘削地形の一例を模式的に示す図である。図８に示すように、目標掘削地形は、三角形ポリゴンによって表現される複数の設計面Ｆａを含む。複数の設計面Ｆａから１つ又は複数の設計面Ｆａが目標面Ｆｍとして選択される。目標面Ｆｍは、バケット９によって掘削される掘削対象面の目標形状を示す。目標掘削地形データ取得部４５は、バケット９の刃先９Ｔを通り回転軸ＡＸ３と直交する動作平面ＷＰを規定する。バケット９の刃先９Ｔの位置は、作業機状態データ取得部４４によって算出される。また、目標掘削地形データ取得部４５は、目標面Ｆｍにおいて、動作平面ＷＰを通りバケット８との垂直距離が最も近い点ＡＰを規定する。また、目標掘削地形データ取得部４５は、動作平面ＷＰと目標面Ｆｍを含む設計面Ｆａとの交線ＬＸを算出する。動作平面ＷＰは、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２の少なくとも一つの作動によりバケット９の刃先９Ｔが移動する平面であり、ＺｍＸｍ平面と平行である。

算出部４６は、車両状態データ取得部４３から車両状態データを取得し、作業機外形データ記憶部４１から作業機外形データを取得し、作業機状態データ取得部４４から作業機状態データを取得する。算出部４６は、車両状態データと、作業機外形データと、作業機状態データに基づいて、作業機２のバケット９の幅方向に延在しバケット９の規定部位を通る基準ベクトルＢを算出する。

本実施形態において、バケット９の規定部位は、バケット９の刃先９Ｔである。基準ベクトルＢは、バケット９の刃先９Ｔを通るように規定される。以下の説明において、基準ベクトルＢを適宜、刃先ベクトルＢ、と称する。

図９は、本実施形態に係る刃先ベクトルＢを説明するための図である。図９に示すように、刃先ベクトルＢは、バケット９の幅方向に延在する。バケット９の幅方向とは、刃先ラインＬＢＴと平行な方向をいう。刃先ベクトルＢは、チルト回転軸ＡＸ４と平行な軸と直交する。

刃先ベクトルＢは、バケット９の幅方向に配列されているバケット９の複数の刃先９Ｔを通る。刃先ベクトルＢは、バケット９の刃先ラインＬＢＴと平行である。刃先ベクトルＢは、車両状態データ取得部４３に取得された車両状態データと、作業機状態データ取得部４４に取得された作業機状態データと、作業機データ記憶部４１に記憶されている作業機外形データとに基づいて算出される。

算出部４６は、作業機状態データ取得部４４に取得された傾斜角度θ１、傾斜角度θ２、傾斜角度θ３、及び傾斜角度θ４を含む作業機状態データと、作業機外形データ記憶部４１に記憶されているブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２、連結部材８の長さＬ３、バケット９の長さＬ４、及びバケット９の幅Ｗを含む作業機外形データとに基づいて、車体座標系における旋回体３の基準点に対するバケット９の複数の点のそれぞれの位置を算出することができる。旋回体３の基準点は、旋回体３の旋回軸Ｚｒに設定される。なお、旋回体３の基準点は、回転軸ＡＸ１に設定されてもよい。算出部４６は、車体座標系におけるバケット９の複数の点のそれぞれの位置に基づいて、車体座標系におけるバケット９の姿勢を算出することができる。

算出部４６は、バケット９の複数の点のうちバケット９の幅方向の最も一端側の刃先９ＴＡの位置ＰＡと、最も他端側の刃先９ＴＢの位置ＰＢとを算出する。また、算出部４６は、算出した刃先９ＴＡと刃先９ＴＢとを結ぶことで、刃先ベクトルＢを算出する。

以下、刃先ベクトルＢの算出方法の一例について説明する。算出部４６は、長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３と傾斜角度θ１，θ２，θ３とに基づいて、車体座標系におけるチルト回転軸ＡＸ４の位置Ｐｔの座標（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）を算出する。

算出部４６は、傾斜角度θ４と、作業機外形データ記憶部４１に記憶されているバケット９の長さＬ４と、作業機外形データ記憶部４１に記憶されているバケット９の幅Ｗとに基づいて、車体座標系における位置ＰＡ及び位置ＰＢを算出する。幅Ｗは、刃先９ＴＡと刃先９ＴＢとの距離である。位置ＰＡの座標（ｘｍＡ，ｙｍＡ，ｚｍＡ）は、（１）式、（２）式、及び（３）式に基づいて算出される。位置ＰＢの座標（ｘｍＢ，ｙｍＢ，ｚｍＢ）は、（４）式、（５）式、及び（６）式に基づいて算出される。

チルト回転軸ＡＸ４の位置Ｐｔの座標（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）を基準とした場合の車体座標系における刃先９ＴＡの位置ＰＡの座標（ｘｍｔＡ，ｙｍｔＡ，ｚｍｔＡ）は、（７）式、（８）式、及び（９）式に基づいて算出される。チルト回転軸ＡＸ４の位置Ｐｔの座標（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）を基準とした場合の車体座標系における刃先９ＴＡの位置ＰＢの座標（ｘｍｔＢ，ｙｍｔＢ，ｚｍｔＢ）は、（１０）式、（１１）式、及び（１２）式に基づいて算出される。

算出部４６は、刃先９ＴＡの座標（ｘｍｔＡ，ｙｍｔＡ，ｚｍｔＡ）及び刃先９ＴＢの座標（ｘｍｔＢ，ｙｍｔＢ，ｚｍｔＢ）に基づいて、刃先ベクトルＢを算出することができる。

また、算出部４６は、位置検出装置２０で検出された旋回体３の位置Ｐｇと、旋回体３の基準点とバケット９の複数の点のそれぞれとの相対位置とに基づいて、グローバル座標系におけるバケット９の複数の点のそれぞれの位置を算出可能である。位置Ｐｇと旋回体３の基準点との相対位置は、油圧ショベル１の諸元データから導出される既知データである。算出部４６は、旋回体３の位置Ｐｇと、旋回体３の基準点とバケット９の複数の点のそれぞれとの相対位置と、作業機データと、作業機２の傾斜角度（θ１，θ２，θ３，θ４）とに基づいて、グローバル座標系におけるバケット９の複数の点のそれぞれの位置を算出することができる。算出部４６は、グローバル座標系におけるバケット９の複数の点のそれぞれの位置に基づいて、グローバル座標系におけるバケット９の姿勢を算出することができる。

また、算出部４６は、表示装置３４に表示させる表示データを生成する。算出部４６は、バケット９と目標掘削地形の少なくとも一部との相対位置を示す画像を含む表示データを生成する。算出部４６は、刃先ベクトルＢと目標掘削地形とに基づいて、刃先ベクトルＢと直交する方向から見たバケット９を示す画像と目標掘削地形の少なくとも一部である目標線Ｌｒを示す画像とを生成する。算出部４６は、刃先ベクトルＢと直交する方向から見たバケット９と目標線Ｌｒとの相対位置を示す画像を生成する。目標線Ｌｒは、刃先ベクトルＢを含み掘削対象の目標掘削地形における目標面Ｆｍと直交する面と目標面Ｆｍとの交線によって規定される。算出部４６は、生成した画像を表示制御部４７に出力する。

表示制御部４７は、算出部４６で生成された表示データを表示装置３４に表示させる。表示制御部４７は、バケット９と目標線Ｌｒとを含む表示データを表示装置３４に表示させる。表示制御部４７は、刃先ベクトルＢと直交する方向から見たバケット９と目標線Ｌｒとを表示装置３４に表示させる。表示制御部４７は、刃先ベクトルＢと直交する方向から見たバケット９と目標線Ｌｒとの相対位置を示す画像を表示装置３４に表示させる。

表示装置３４は、オペレータによる操作装置３０の操作を補助するための案内画面５０を表示する。案内画面５０は、バケット９と目標面Ｆｍとの相対位置を示す画像、及び刃先ベクトルＢと直交する方向から見たバケット９と目標線Ｌｒとの相対値を示す画像を含む。目標線Ｌｒについては後述する。

［案内画面］
図１０及び図１１は、本実施形態に係る案内画面５０の一例を示す図である。案内画面５０は、バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの相対位置を表示して、目標面Ｆｍに従って掘削対象が掘削されるように油圧ショベル１のオペレータによる操作装置３０の操作を案内する画面である。本実施形態において、案内画面５０は、図１０に示す粗掘削モードの粗掘削画面５１と、図１１に示す繊細掘削モードの繊細掘削画面５２とを含む。案内画面５０は、表示装置３４の画面３４Ｐに表示される。繊細掘削画面５２は、粗掘削画面５１よりもバケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの相対位置を詳細に示す画面である。粗掘削画面５１と繊細掘削画面５２は各場面の左下のボタンを押し下げすることにより遷移させることができる。

図１０に示すように、粗掘削画面５１は、油圧ショベル１と目標面Ｆｍ及び設計面Ｆａとの相対位置を示す正面図５１Ａと、油圧ショベル１と目標面Ｆｍとの相対位置を示す側面図５１Ｂとを含む。

正面図５１Ａは、油圧ショベル１及び目標掘削地形を正面から見たときの画像を表示する。正面図５１Ａは、車体座標系のＸｍ軸と直交する面内における画像を表示する。正面図５１Ａは、油圧ショベル１と目標面Ｆｍとの相対位置を示す画像を表示する。

表示制御部４７は、複数の三角形ポリゴンによって表現される目標面Ｆｍを含む設計面Ｆａを表示装置３４に表示させる。図１１に示す例においては、目標掘削地形が法面であり、油圧ショベル１が法面と対向している状態が表示される。また、複数の設計面Ｆａから選択された目標面Ｆｍは、他の設計面Ｆａとは異なる色彩で表示される。

また、正面図５１Ａには、油圧ショベル１の位置を示すアイコン６１が表示される。アイコン６１は、油圧ショベル１の外形を模擬した画像である。図１０に示す例においては、油圧ショベル１を後方から見たときの油圧ショベル１の外形を模擬したアイコン６１が表示される。

正面図５１Ａは、車体座標系における画像を表示する。例えば油圧ショベル１が傾斜したとき、正面図５１Ａにおける目標面Ｆｍを含む設計面Ｆａも傾斜する。なお、正面図５１Ａは、グローバル座標系における画像を表示するもできる。

なお、正面図５１Ａには、バケット９の刃先９Ｔの位置を示す画像が表示されていればよく、油圧ショベル１の外形を模擬したアイコン６１でなくてもよい。

また、表示制御部４７は、バケット９の刃先ベクトルＢ（刃先ラインＬＢＴ）と目標掘削地形の目標線Ｌｒ（目標面Ｆｍ）とを正対させるための案内表示データ７０を表示装置３４に表示させる。本実施形態において、案内表示データ７０は、矢印形状の指針７１の画像を含むインジケータである。以下の説明においては、案内表示データ７０を適宜、正対コンパス７０、と称する。

バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとが正対であるとは、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが向き合った状態であることをいう。すなわち、刃先ベクトルＢと目標面Ｆｍの法線ベクトルＮとが直交する状態を含み、刃先ベクトルＢとベクトルＮが直交する状態より所定範囲の角度誤差を含むことをいう。

図１０は、バケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが正対していない状態を示す。

側面図５１Ｂは、油圧ショベル１及び目標掘削地形を側方から見たときの画像を表示する。側面図５１Ｂは、車体座標系のＹｍ軸と直交する面内における画像を表示する。側面図５１Ｂは、バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの相対位置を示す画像を表示する。バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの相対位置は、バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの距離を含む。

側面図５１Ｂには、目標線Ｌｍと、油圧ショベル１の位置を示すアイコン６２とが表示される。アイコン６２は、油圧ショベル１の外形を模擬した画像データである。図９に示す例においては、油圧ショベル１を側方から見たときの油圧ショベル１の外形を模擬したアイコン６２が表示される。

目標線Ｌｍは、目標面Ｆｍの断面を示す。表示制御部４７は、動作平面ＷＰと目標面Ｆｍとの交線ＬＸに基づいて、目標線Ｌｍを算出する。上述のように、動作平面ＷＰは、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２の少なくとも一つの作動によりバケット９の刃先９Ｔが移動する平面であり、ＸｍＺｍ平面と平行である。

バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの距離とは、刃先９Ｔと、刃先９Ｔを通り目標面Ｆｍと直交する線と目標面Ｆｍとの交点との距離である。なお、バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの距離は、刃先９Ｔと、刃先９Ｔを通りＺｇ軸と平行な線と目標面Ｆｍとの交点との距離でもよい。

バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの距離は、グラフィック６３によって表示される。図１０に示すように、グラフィック６３は、バケット９の刃先９Ｔの位置を示す複数のインデックスバー６３Ａと、バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの距離がゼロになるときのバケット９の刃先９Ｔの位置を示すインデックスマーク６３Ｂとを含む。

なお、側面図５１Ｂには、油圧ショベル１の位置を示す画像データが表示されていればよく、油圧ショベル１の外形を模擬したアイコン６２でなくてもよい。

なお、バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの距離が、文字又は数字によって表示されてもよい。

図１１に示すように、繊細掘削画面５２は、バケット９と目標面Ｆｍとの相対位置を示す正面図５２Ａと、バケット９と目標面Ｆｍとの相対位置を示す側面図５２Ｂと、バケット９と目標面Ｆｍとの相対位置を示す平面図５２Ｃとを含む。

正面図５２Ａは、バケット９及び目標面Ｆｍを正面から見たときの画像を表示する。正面図５２Ａは、刃先ベクトル８と平行な面内における画像を表示する。正面図５２Ａは、バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの相対位置を示す画像を表示する。

正面図５２Ａには、正対コンパス７０と、目標線Ｌｒと、バケット９の位置を示すアイコン６４と、刃先ラインＬＢＴ（基準ベクトルＢ）の位置を示すライン画像６６とが表示される。ライン画像６６は、バケット９の刃先９Ｔの位置を示す画像である。なお、正面図５２Ａは、繊細掘削画面における実施形態として説明するが、荒掘削画面において表示するように設定してもよい。また、正面図５２Ａ、側面図５２Ｂ、及び平面図５２Ｃは、設定により、画面表示の有無や表示の大きさを任意とすることができる。

図１１は、バケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行となった状態における画像を示す。

アイコン６４は、バケット９の外形を模擬した画像である。表示制御部４７は、基準ベクトルＢと直交する方向から見たバケット９を示すアイコン６４を表示装置３４に表示させる。本実施形態において、表示制御部４７は、基準ベクトルＢ及びチルト回転軸ＡＸ４のそれぞれと直交する方向から見たバケット９を示すアイコン６４を表示装置３４に表示させる。すなわち、表示制御部４７は、刃先ベクトル８と平行であり、チルト回転軸ＡＸ４と直交する面内における画像を表示装置３４に表示させる。

図１１に示す例においては、刃先ベクトルＢと直交する方向であってバケット９の外面を見ることができる方向から見たときのバケット９の外形を模擬したアイコン６４が表示される。

目標線Ｌｒは、目標掘削地形の少なくとも一部の形状を示し、目標掘削地形の目標面Ｆｍの断面を示す。目標線Ｌｒは、刃先ベクトルＢ（刃先ラインＬＢＴ）を含み目標面Ｆｍと直交する断面における形状を示す。目標線Ｌｒは、刃先ベクトルＢを含み目標面Ｆｍと直交する面と目標面Ｆｍとの交線によって規定される。すなわち、目標線Ｌｒは、刃先ベクトルＢと直交する方向から目標面Ｆｍを見たときの目標掘削地形の目標面Ｆｍの断面を示す。

以下の説明においては、正面図５２Ａに示すような、刃先ベクトルＢと直交する方向から見ることを適宜、バケット正面視、と称する。すなわち、バケット正面視とは、刃先ベクトルＢと直交する視線で見ることをいう。

正面図５２Ａは、バケット正面視におけるバケット９を示す画像であるアイコン６４、バケット９の刃先ラインＬＢＴを示すライン画像６６、及び目標線Ｌｒを示す画像を表示する。図１１は、バケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとの状態を示す。正面図５２Ａにおいて、ライン画像６６と目標線Ｌｒが平行となった状態を表示している。

側面図５２Ｂは、油圧ショベル１及び目標掘削地形を側方から見たときの画像を表示する。側面図５２Ｂは、車体座標系のＹｍ軸と直交する面内における画像を表示する。側面図５２Ｂは、バケット９の刃先９Ｔと目標面Ｆｍとの相対位置を示す画像を表示する。側面図５２Ｂには、作業機２の位置を示すアイコン６２と、目標線Ｌｍとが表示される。

平面図５２Ｃは、バケット９及び目標掘削地形を上方から見たときの画像を表示する。平面図５２Ｃは、車体座標系のＺｍ軸と直交する面内における画像を表示する。平面図５２Ｃは、バケット９と目標面Ｆｍとの相対位置を示す画像を表示する。平面図５２Ｃには、バケット９の位置を示すアイコン６５Ｔと、刃先ラインＬＢＴの位置を示すライン画像６７とが表示される。アイコン６５Ｔは、バケット９の外形を模擬した画像データである。図１１に示す例においては、バケット９を上方から見たときのバケット９の外形を模擬したアイコン６５Ｔが表示される。また、複数の設計面Ｆａから選択された目標面Ｆｍは、他の設計面Ｆａとは異なる色彩で表示される。

［バケット正面視の画像及びオペレータ正面視の画像］
図１２は、本実施形態に係るバケット正面視における目標線Ｌｒの導出方法を説明するための図である。図１２は、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行である状態を示す。また、目標面Ｆｍは、法面（傾斜面）である。図１２においては、目標面Ｆｍの傾斜方向が分かりやすいように、目標面Ｆｍに等高線ＣＴが付してある。

図１２に示すように、目標線Ｌｒは、刃先ラインＬＢＴ（基準ベクトルＢ）を通り基準面Ｆｍと直交する面と基準面Ｆｍとの交線によって規定される。

バケット正面視の画像は、基準ベクトルＢ及び車体座標系のＺｍ軸のそれぞれと直交する方向から見た画像である。バケット９がチルト回転すると、バケット正面視の視点は、チルト回転に同期して、チルト回転軸ＡＸ４を中心に旋回する。

図１２に示すように、車体座標系のＹｍ軸と刃先ラインＬＢＴとが平行でない状態においても、オペレータは、操作装置３０を操作して、バケット９をチルト回転させることにより、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍにおける目標線Ｌｒとを平行にすることができる。ここで刃先ラインＬＢＴと目標線Ｌｒの平行とは、刃先ラインＬＢＴにおける刃先９ＴＡと目標線Ｌｒの距離と、刃先ラインＬＢＴ刃先９ＴＢと目標線Ｌｒの距離が等しくなることを意味する。

図１３は、本実施形態に係るバケット正面視におけるバケット９及び目標掘削地形のそれぞれを示す画像を説明するための図である。図１３は、図１１に示した正面図５２Ａに相当する。図１３は、図１２を参照して説明したような刃先ラインＬＢＴと目標線Ｌｒとが平行であるときのバケット正面視の画像を示す。

図１２に示したように、車体座標系のＹｍ軸と刃先ラインＬＢＴとが平行でない状態から、バケット９のチルト回転により、刃先ラインＬＢＴと目標線Ｌｒとが平行とすることができる。このとき、図１３に示すように、バケット正面視の画像においては、刃先ラインＬＢＴを示すライン画像６６と目標線Ｌｒとは平行に表示される。

図１３に示すように、実際のバケット９の操作に基づいて刃先ラインＬＢＴと目標線Ｌｒとの相対関係を表示することにより、刃先ラインＬＢＴと目標線Ｌｒが平行となったことをオペレータは認識することができるようになる。

図１４は、オペレータ正面視における目標線Ｌｎを説明するための図である。図１２と同様、図１４も、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行である状態を示す。また、目標面Ｆｍは、法面（傾斜面）である。

オペレータ正面視とは、車体座標系のＹｍ軸と直交する方向から見ることをいう。すなわち、オペレータ正面視とは、運転室４に視点が存在し、Ｘｍ軸と平行な視線で見ることをいう。オペレータ正面視の画像とは、車体座標系のＹｍ軸と直交する方向から見た画像をいう。すなわち、オペレータ正面視の画像は、車体座標系のＸｍ軸と平行な面内における画像である。

図１４に示すように、オペレータ正面視における目標線Ｌｎは、車体座標系のＹｍ軸と平行なラインＬＳを通り基準面Ｆｍと直交する面と基準面Ｆｍとの交線によって規定される。ラインＬＳは、刃先９Ｔを通る。

図１４に示すように、車体座標系のＹｍ軸と刃先ラインＬＢＴとが平行でない状態においても、オペレータは、操作装置３０を操作して、バケット９をチルト回転させることにより、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとを平行にすることができる。

図１５は、オペレータ正面視におけるバケット９及び目標掘削地形のそれぞれを示す画像を説明するための図である。図１５は、図１４を参照して説明したような刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行であるときのバケット正面視の画像を示す。

図１４に示したように、車体座標系のＹｍ軸と刃先ラインＬＢＴとが平行でない状態においても、バケット９のチルト回転により、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとは平行になる。図１５に示すように、オペレータ正面視の画像においては、刃先ラインＬＢＴを示すライン画像６６に対して目標線Ｌｒは傾斜するように表示される。

すなわち、実際のバケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行である場合において、オペレータ正面視の画像におけるライン画像６６と目標線Ｆｒとは、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行であることを示すことができず、刃先ラインＬＢＴに対して目標面Ｆｍが傾斜していることを示してしまう。

実際のバケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行であるにもかかわらず、オペレータ正面視の画像においてはライン画像６６に対して目標線Ｌｎが傾斜するように表示される原因として、オペレータ正面視の画像は、車体座標系のＹｍ軸と平行なラインＬＳを通る平面内における画像であることが挙げられる。

図１５に示すように、オペレータ正面視の画像におけるライン画像６６及び目標線Ｌｎは、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行であることを的確に示していない。その結果、オペレータは、表示装置３４に表示された画像に違和感を覚えたり、オペレータによる操作装置３５の操作が十分に補助されなかったりする可能性がある。

本実施形態によれば、バケット正面視の画像が表示装置３４に表示させる。バケット正面視の画像は、刃先ベクトルＢと直交する方向から見た画像である。そのため、図１３を参照して説明したように、実際のバケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行である場合において、バケット正面視の画像におけるライン画像６６及び目標線Ｌｒも、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行であることを示すことができる。これにより、オペレータが表示装置３４に表示された画像に違和感を覚えることが抑制され、オペレータによる操作装置３５の操作が十分に補助される。

図１６は、本実施形態に係る繊細案内画面５２の一例を示す図である。図１６においては、目標線Ｌｒが水平面と平行である例について説明した。図１６は、目標線Ｌｒが水平面に対して傾斜している例を示す。

図１６において、繊細案内画面５２は、バケット正面視の画像を表示する正面図５２Ａと、側面図５２Ｂと、油圧ショベル１及び目標面Ｆｍを斜め上方から見た俯瞰図５２Ｄとを含む。俯瞰図５２Ｄには、油圧ショベル１の位置を示すアイコン６８が表示される。目標面Ｆｍは、油圧ショベル１の走行装置５よりも下方に存在する斜面である。走行装置５は、目標面Ｆｍの周囲の水平な地面に位置付けられている。

オペレータは、操作装置３０を操作して、バケット９をチルト回転させることによって、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとを平行にすることができる。車体座標系のＹｍ軸と刃先ラインＬＢＴとが平行でない状態においても、バケット９のチルト回転により、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行になる。図１６の正面図５２Ａに示すように、バケット正面視の画像においては、ライン画像６６と目標線Ｌｒとは平行に表示される。なお、図１６に示す例においては、目標線Ｌｒは水平面に対して傾斜しているため、刃先ラインＬＢＴを示すライン画像６６も傾斜して表示される。

図１６に示す例においても、実際のバケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行である場合において、バケット正面視の画像におけるライン画像６６と目標線Ｌｒとは、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行であることを示すことができる。

［表示方法］
次に、本実施形態に係る表示方法について説明する。図１７は、本実施形態に係る表示方法の一例を示すフローチャートである。

位置検出装置２０は、検出した車両状態データを車両状態データ取得部４３に出力する。また、作業機角度検出装置１９は、算出した作業機状態データを作業機状態データ取得部４４に出力する。車両状態データ取得部４３は、位置検出装置２０から車両状態データを取得する（ステップＳＴ１）。作業機状態データ取得部４４は、作業機角度検出装置１９から作業機状態データを取得する（ステップＳＴ２）。なお、ステップＳＴ１とステップＳＴ２との順番は逆でもよいし、ステップＳＴ１とステップＳＴ２とが同時に行われてもよい。

車両状態データ取得部４３は、取得した車両状態データを算出部４６に出力する。また、作業機状態データ取得部４４は、取得した作業機状態データを算出部４６に出力する。 算出部４６は、車両状態データ取得部４３から車両状態データを取得する（ステップＳＴ３）。また、算出部４６は、作業機状態データ取得部４４から作業機状態データを取得する（ステップＳＴ４）。また、算出部４６は、作業機外形データ記憶部４１から作業機外形データを取得する（ステップＳＴ５）。なお、ステップＳＴ３とステップＳＴ４とステップＳＴ５との順番は任意であり、同時に行われてもよい。

算出部４６は、車両状態データと、作業機外形データと、作業機状態データとに基づいて、刃先ベクトルＢを算出する（ステップＳＴ６）。

また、算出部４６は、目標掘削地形データ記憶部４２から目標掘削地形データを取得する（ステップＳＴ７）。

算出部４６は、算出した基準ベクトルＢと取得した目標掘削地形とに基づいて、基準ベクトルＢと直交する方向から見たバケット９と目標面Ｆｍとの相対位置を示す画像、すなわちバケット正面視の画像を生成する（ステップＳＴ８）。すなわち、算出部４６は、バケット正面視のバケット９を示す画像であるアイコン６４及び目標掘削地形の基準面Ｆｍの表面の断面を示す画像である目標線Ｌｒを生成する。

算出部４６は、生成したバケット正面視の画像を表示制御部４７に出力する。表示制御部４７は、バケット正面視の画像を算出部４６から取得する。表示制御部４７は、基準ベクトルＢと直交する方向から見たバケット９と目標面Ｆｍとの相対位置を示す画像、すなわちバケット正面視の画像を表示装置３４に出力する（ステップＳＴ９）。すなわち、表示制御部４７は、バケット正面視のバケット９を示す画像であるアイコン６４及び目標掘削地形の基準面Ｆｍの表面の断面を示す画像である目標線Ｌｒを表示装置３４に表示させる。

本実施形態において、表示制御部４７は、バケット正面視の画像を表示装置３４に表示させるとき、刃先ベクトルＢと、車体座標系のＺｍ軸と平行なベクトルＺとによって規定される平面の法線ベクトルＦを算出する。すなわち、表示制御部４７は、（１３）式に基づいて、法線ベクトルＦを算出する。

刃先ベクトルＢとベクトルＺとは直交していない。表示制御部４７は、刃先ベクトルＢを含みベクトルＺと直交する平面に存在する刃先ベクトルＢ’を算出する。すなわち、表示制御部４７は、（１４）式に基づいて、刃先ベクトルＢ’を算出する。

表示制御部４７は、横軸を刃先ベクトルＢ’とし、縦軸をベクトルＺとする座標系において、バケット正面視の画像を表示させる。図１１に示した例においては、正面図５２Ａにおいて、横軸が刃先ベクトルＢ’であり、縦軸がベクトルＺである。

このような座標変換を実施することにより、実際のバケット９がチルト回転したとき、表示制御部４７は、固定された目標線Ｌｒと、回転するアイコン６４とを表示装置３４に表示させることができる。

［効果］
以上説明したように、本実施形態によれば、作業機外形データ及び作業機状態データに基づいて基準ベクトルＢが算出され、基準ベクトルＢと掘削対象の目標形状を示す目標面Ｆｍとに基づいて、バケット正面視の画像が生成され、表示装置３４に表示される。これにより、実際のバケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行であるとき、バケット正面視の画像においても、刃先ラインＬＢＴと目標線Ｌｒとは平行に表示される。

図１４及び図１５を参照して説明したように、オペレータ正面視の画像においては、実際のバケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行でも、刃先ラインＬＢＴに対して目標線Ｌｎが傾斜して表示される可能性がある。このように、バケット９及び掘削対象の目標面Ｆｍを見る方向によっては、バケット９と目標面Ｆｍとの相対位置を的確に表示できない可能性がある。バケット９と目標面Ｆｍとの相対位置が的確に表示されないと、オペレータが表示装置３４に表示された画像に違和感を覚えたり、オペレータによる操作装置３５の操作が十分に補助されなかったりする可能性がある。

本実施形態によれば、バケット正面視の画像が生成されるため、実際のバケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行であるとき、表示装置３４に表示される刃先ラインＬＢＴと目標線Ｌｒとは平行である。バケット９と目標面Ｆｍとの相対位置が的確に表示されるので、オペレータが表示装置３４に表示された画像に違和感を覚えることが抑制され、オペレータによる操作装置３５の操作が十分に補助される。

また、本実施形態においては、バケット９は、第１回転軸であるバケット回転軸ＡＸ３及び第２回転軸であるチルト回転軸ＡＸ４のそれぞれを中心に回転可能なチルトバケットである。刃先ベクトルＢは、チルト回転軸ＡＸ４と平行な軸と直交する。オペレータ正面視の画像においては、バケット９のチルト回転により、実際のバケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとの相対位置と、オペレータ正面視の画像によって表示される刃先ラインＬＢＴと目標線Ｌｎとの相対位置とが一致しない可能性が高く、バケット９と目標掘削地形との相対位置を的確に表示できない可能性が高い。本実施形態においては、バケット正面視の画像は、刃先ベクトルＢと直交する方向から見た画像である。したがって、バケット正面視の画像は、実際のバケット９の刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとの相対位置を的確に表示することができる。

また、本実施形態においては、図１４及び１５を参照して説明したように、オペレータ正面視の画像は、車体座標系のＹｍ軸を基準に生成される。そのため、図１５を参照して説明する比較例においては、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行である場合に、オペレータ正面視の画像は、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行であることを示すことができない。この場合、オペレータが表示装置３４に表示された画像に違和感を覚えたり、オペレータによる操作装置３５の操作が十分に補助されなかったりする可能性がある。一方、本実施形態によれば、刃先ラインＬＢＴと目標面Ｆｍとが平行であることを示すことができる。そのため、オペレータが表示装置３４に表示された画像に違和感を覚えることが抑制され、オペレータによる操作装置３５の操作は十分に補助される。

［他の実施形態］
なお、上述の実施形態においては、基準ベクトルＢは、刃先９Ｔを通ることとした。基準ベクトルＢは、バケットＢの幅方向に延在していればよく、刃先９Ｔを通らなくてもよい。例えば、基準ベクトルＢは、バケット９の外面の規定部位を通ってもよい。

なお、上述の実施形態においては、バケット正面視の画像として、バケット９の位置を示す画像であるアイコン６４と、刃先ラインＬＢＴの位置を示す画像であるライン画像６６との両方が表示装置３４に表示されることとした。上述のように、ライン画像６６は、バケット９の刃先９Ｔの位置を示す画像である。表示制御部４７は、表示装置３４にアイコン６４を表示させずにライン画像６６を表示させてもよい。アイコン６４が表示されなくても、ライン画像６６及び目標線Ｌｒが表示装置３４に表示されることにより、オペレータは、バケット９と基準面Ｌｍとの相対位置を認識することができる。また、表示制御部４７は、表示装置３４にライン画像６６を表示させずにアイコン６４を表示させてもよい。

バケット正面視の画像は、例えば、基準ベクトルＢと目標掘削地形の少なくとも一部の相対位置が分かればよく、例えばバケット９の刃先９Ｔの位置９ＴＡと目標線Ｌｒのうち位置９ＴＡとの距離が最短である点との相対位置、及びバケット９の刃先９Ｔの位置９ＴＢと目標線Ｌｒのうち一部を示す位置９ＴＢとの距離が最短である点を示す画像が表示されるなどとすれば、目標線Ｌｒ全体が表示されなくてもよい。

なお、上述の実施形態においては、バケット９がチルトバケットであり、バケット回転軸である回転軸ＡＸ３とチルト回転軸である回転軸ＡＸ４と平行な軸とは直交することとした。作業機２は、回転軸ＡＸ３と回転軸ＡＸ４と平行な軸とが直交しない作業機でもよい。回転軸ＡＸ３と回転軸ＡＸ４と平行な軸とが直交しない場合においても、その作業機の作業機データが作業機データ記憶部４１に記憶されていることにより、表示制御部４７は、バケット正面視の画像を表示装置３４に表示させることができる。

なお、上述の実施形態においては、バケット９が２つの回転軸ＡＸ３，ＡＸ４を中心にアーム７に対して回転可能であることとした。バケット９は、アーム７に対して回転軸ＡＸ３のみを中心に回転するバケット（チルト機能を有しないバケット）でもよい。

なお、掘削機械は、掘削を行う機械であれば、本発明で開示する油圧ショベルに限定されない。また本発明においてはオペレータが搭乗する機械を例に説明するが、油圧ショベル外から操作指令を送信する遠隔機能を備える掘削機械等に適用してもよい。

１…油圧ショベル（掘削機械）、２…作業機、３…旋回体、３ＥＧ…機関室、４…運転室、５…走行装置、５Ｃ…履帯、６…ブーム、７…アーム、８…連結部材、９…バケット、９Ｔ…刃先、９ＴＧ…刃先列、１０…ブームシリンダ、１１…アームシリンダ、１２…バケットシリンダ、１３…チルトシリンダ、１４…ブームピン、１５…アームピン、１６…バケットピン、１７…チルトピン、１８…検出システム、１９…作業機角度検出装置、１９Ａ…ブームストロークセンサ、１９Ｂ…アームストロークセンサ、１９Ｃ…バケットストロークセンサ、１９Ｄ…バケット角度センサ、２０…位置検出装置、２１，２２…ＧＮＳＳアンテナ、２３…位置演算器、２４…姿勢演算器、２５…車両制御装置、２６…油圧システム、２７…油圧ポンプ、２８…流量制御弁、２９…比例制御弁、３０…操作装置、３１…作業レバー、３１Ｌ…左作業レバー、３１Ｒ…右作業レバー、３１Ｔ…チルトレバー、３２…走行レバー、３２Ｌ…左走行レバー、３２Ｒ…右走行レバー、３３…入力装置、３４…表示装置、３５…音出力装置、４０…制御装置、４０Ａ…入出力インターフェース、４０Ｂ…記憶装置、４０Ｃ…演算処理装置、４１…作業機データ記憶部、４２…目標掘削地形データ記憶部、４３…車両状態データ取得部、４４…作業機状態データ取得部、４５…目標掘削地形データ取得部、４６…算出部、４７…表示制御部、５０…案内画面、５１…粗掘削画面、５１Ａ…正面図、５１Ｂ…側面図、５２…繊細掘削画面、５２Ａ…正面図、５２Ｂ…側面図、５２Ｃ…平面図、６１…アイコン、６２…アイコン、６３…グラフィック、６３Ａ…インデックスバー、６３Ｂ…インデックスマーク、６４…アイコン、６５…アイコン、６６…ライン画像、６７…ライン画像、７０…正対コンパス（案内表示データ）、７１…指針、１００…制御システム、２００…表示システム、ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３，ＡＸ４…回転軸、ＡＸＺ…軸、Ｂ…刃先ベクトル（基準ベクトル）、Ｆａ…設計面、Ｆｍ…目標面、ＬＢＴ…刃先ライン、Ｌｍ…目標線、Ｌｒ…目標線、ＬＸ…交線、Ｎ…法線ベクトル、ＷＰ…動作平面、θ１…傾斜角度、θ２…傾斜角度、θ３…傾斜角度、θ４…傾斜角度、θ５…ロール角、θ６…ピッチ角、θ７…方位角。

Claims (7)

1. 掘削機械の車体の位置及び姿勢を示す車両状態データと、前記車体に支持される作業機の外形及び寸法を示す作業機外形データと、前記作業機の姿勢を示す作業機状態データとに基づいて、前記作業機のバケットの幅方向に延在し複数の回転軸に基づき回転可能な前記バケットの規定部位を通る基準ベクトルを算出する算出部と、
   前記基準ベクトルと直交する方向から見た前記複数の回転軸に基づき回転可能なバケットと目標線との相対位置を表示装置に表示させる表示制御部と、を備える
   掘削機械の表示システム。
2. 前記目標線は、前記基準ベクトルを含み掘削対象の目標掘削地形における目標面と直交する面と前記目標面との交線によって規定される、
   請求項１に記載の掘削機械の表示システム。
3. 前記作業機は、前記バケットを支持するアームを有し、
   前記バケットは、前記アームに対して第１回転軸及び前記第１回転軸とは異なる方向を向く第２回転軸のそれぞれを中心に回転可能である、
   請求項１又は請求項２に記載の掘削機械の表示システム。
4. 前記規定部位は、前記バケットの刃先を含む、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の掘削機械の表示システム。
5. 前記表示制御部は、前記基準ベクトルと前記目標線とを正対させるための案内表示データを前記表示装置に表示させる、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の掘削機械の表示システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の掘削機械の表示システムを備える掘削機械。
7. 演算処理装置が、
   掘削機械の車体の位置及び姿勢を示す車両状態データと、前記車体に支持される作業機の外形及び寸法を示す作業機外形データと、前記作業機の姿勢を示す作業機状態データとを取得し、
   前記車両状態データと、前記作業機外形データと、前記作業機状態データとに基づいて、前記作業機のバケットの幅方向に延在し複数の回転軸に基づき回転可能な前記バケットの規定部位を通る基準ベクトルを算出し、
   前記基準ベクトルと直交する方向から見た前記複数の回転軸に基づき回転可能なバケットと目標線との相対位置を表示装置に出力する、
   掘削機械の表示方法。

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