JP7039746B1 - 作業機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】作業装置の動作に伴う衛星測位精度の低下を抑制し得る作業機械を提供すること。【解決手段】作業機械に備えたコントローラ40には,受信機51によるアンテナ50の位置の演算に利用する測位衛星を選択するための複数のマスク範囲であって,作業装置6及び旋回体3の姿勢に基づいてアンテナを基準に設定される大きさの異なる複数のマスク範囲21A,22Aが記憶されている。コントローラは,複数のマスク範囲のそれぞれを利用して選択される測位衛星の衛星関連データと,複数のマスク範囲のいずれも利用することなく選択される測位衛星の衛星関連データとに基づいて複数の測位精度をそれぞれ演算し,受信機51は,演算した前記複数の測位精度の中で最も測位精度が良い場合に選択される測位衛星の衛星信号に基づいてアンテナの位置を演算する。【選択図】 図6
Description
本発明は測位衛星システムを用いた位置検出が行われる作業機械に関する。
近年,施工現場において情報化施工の導入が進められている。情報化施工とは,調査,設計,施工,検査,管理などからなる一連の建設工程のうち,施工に注目して,電子データとICT(Information and Communication Technology:情報通信技術)の活用により施工の高効率化を実現するシステムである。情報化施工に対応する機械としては,車体位置やフロント作業装置(作業装置と称すこともある)の位置及び姿勢を施工目標面の位置データとともにモニタに表示するガイダンス機能や,バケットが施工目標面を掘り過ぎないようにフロント作業装置を制御するマシンコントロール機能を搭載する油圧ショベルに代表される作業機械が知られている。このような情報化施工に対応した作業機械は,3次元座標データを持つ情報化施工データをもとに,オペレータに対して情報提示し,作業支援,運転支援する機能を提供する。例えば油圧ショベルのマシンガイダンスにおいては,車体の位置及び姿勢のデータやフロント作業装置の姿勢データからバケット先端位置が演算され,施工目標面に対するバケットの位置がモニタを介してオペレータに提示される。
この種の油圧ショベルには,グローバル座標系(地理座標系)における上部旋回体(車体)の位置を演算する為に,上部旋回体に取り付けられた測位アンテナを介して測位衛星からの測位信号を受信することで上部旋回体の位置を演算する衛星測位システム(例えばGNSS(Global Navigation Satellite System:全球測位衛星システム))が搭載されることがある。しかし,油圧ショベルにおいては,ブーム,アーム,バケット等のフロント部材が,衛星測位システムの測位アンテナよりも上方に存在することがあり,これらが直線的なルートによる測位信号の受信を妨害することがある。このような場合,測位アンテナは,測位信号をマルチパスと呼ばれる回折波や反射波として受信する可能性が高い。回折波や反射波を受信して測位演算に使用すると測位結果に誤差を含む可能性が高くなる。
そこで,マルチパスの影響の低減を試みた技術として,例えば特許文献1のものがある。特許文献1には,GPS受信機の周囲の電波障害物の配置などに基づいて定めたGPS衛星の選択規則を表すマスク範囲(マスク情報)を所定地域毎にデータベースに記憶し,当該データベースからGPS信号の受信地域に対応するマスク範囲を取得し,天空を航行する複数のGPS衛星のうち当該マスク範囲の外に位置するGPS衛星の中から測位に利用するGPS衛星を選択するGPS受信機の制御装置が開示されている。
特許文献1に記載の技術は,移動しない電波障害物のみを想定しており,油圧ショベルのフロント作業装置のように移動し得る電波障害物が測位アンテナの周囲に存在する場合のマスク範囲には触れられていない。つまり,作業機械の分野における衛星測位精度の向上には,移動し得る電波障害物であるフロント作業装置の姿勢を考慮したマスク範囲を設定することが重要である。
そこでフロント作業装置の姿勢の変化に応じて衛星選択に利用するマスク範囲を都度変更すると(または変化させると)測位精度の低下を抑制できそうだが話はそう単純ではない。まず,作業機械ではフロント作業装置を動作させて作業を行うため,フロント作業装置の姿勢変更(例えばブームの上げ下げ動作)が頻繁に行われる。その姿勢変更に合わせてマスク範囲を変更すると,測位演算に利用される衛星が頻繁に切り替わってしまい,マスク範囲を変更した方が却って測位精度が低下する可能性がある。また,測位演算に利用可能な衛星が極端に少ない場合にフロント作業装置の姿勢に応じたマスク範囲を利用すると,その少ない衛星でさえも測位に利用できない時間帯が出てくるため,マスク範囲を利用しない方が却って測位精度の低下を抑えられる場合もある。
このように電波障害物たり得るフロント作業装置の姿勢が作業中に頻繁に変化し得る作業機械では,フロント作業装置が存在する領域に位置する衛星を測位演算の際に単純に除外するだけでは作業中の測位精度の低下を抑制できない場合がある。
なお,上記では主に衛星配置に起因した測位精度低下について触れたが,上記の他に例えば衛星数や衛星信号のSN比(信号とノイズの比)に起因した測位精度低下も起こりうる。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり,その目的は,作業装置の動作に伴う衛星測位精度の低下を抑制し得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,前記上部旋回体に取り付けられた多関節型の作業装置と,前記作業装置及び前記上部旋回体の姿勢を検出するための複数の姿勢センサと,前記上部旋回体に取り付けられ,複数の測位衛星からの衛星信号を受信するための測位アンテナと,前記測位アンテナで受信される衛星信号に基づいて前記測位アンテナの位置を演算する受信機と,前記複数の姿勢センサの検出信号に基づいて,前記作業装置の姿勢と前記上部旋回体の姿勢とを演算するコントローラとを備えた作業機械において,前記コントローラには,前記受信機による前記測位アンテナの位置の演算に利用する測位衛星を選択するために,前記作業装置及び前記上部旋回体の姿勢に基づいて前記測位アンテナを基準に設定される大きさの異なる複数のマスク範囲が記憶されており,前記コントローラは,前記複数のマスク範囲のそれぞれを利用して測位衛星を選択した場合のそれぞれの測位精度と,前記複数のマスク範囲のいずれも利用することなく測位衛星を選択した場合の測位精度とを含む複数の測位精度を,選択した前記測位衛星の衛星関連データに基づいて演算し,前記受信機は,前記複数の測位精度のうち最も測位精度が良い場合に選択した前記測位衛星の衛星信号に基づいて前記測位アンテナの位置を演算することを特徴とする。
本発明によれば,フロント作業装置の動作とともにフロント作業装置の姿勢を反映したマスク範囲が変化しても,最も測位精度が良いマスク範囲が選択される。これにより作業装置の動作に伴う測位精度の低下が抑制でき,作業機械による作業精度を向上させることができる。
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。以下の実施の形態は,作業機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用したものであり,バケット先端と施工目標面の位置関係を運転室内のモニタに表示するマシンガイダンス機能と,バケット先端が施工目標面を超えないように作業装置の動作(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とを有している。なお,各図において同じ部分には同じ符号を付し,重複した説明は適宜省略するものとする。
<対象機械>
図1は本発明の実施形態に係る油圧ショベル1及びGNSS基準局8の側面図である。この図に示す油圧ショベル1は,クローラ式の走行体(下部走行体)2と,走行体2の上部に旋回可能に取り付けられた旋回体(上部旋回体)3と,一端(基端)が旋回体3の前方に取り付けられた多関節型のリンク機構よりなるフロント作業装置(単に「作業装置」と称することもある)6とを備えている。図中の符号30は地面を表す。
図1は本発明の実施形態に係る油圧ショベル1及びGNSS基準局8の側面図である。この図に示す油圧ショベル1は,クローラ式の走行体(下部走行体)2と,走行体2の上部に旋回可能に取り付けられた旋回体(上部旋回体)3と,一端(基端)が旋回体3の前方に取り付けられた多関節型のリンク機構よりなるフロント作業装置(単に「作業装置」と称することもある)6とを備えている。図中の符号30は地面を表す。
フロント作業装置6は,一端が旋回体3に連結されたブーム6Aと,一端がブーム6Aの他端に連結されたアーム6Bと,一端がアーム6Bの他端に連結されたバケット6Cとを有しており,これら各フロント部材6A,6B,6Cは,それぞれ上下方向に回動するように構成されている。
また,各フロント部材6A,6B,6Cの回動を行うアクチュエータ(油圧シリンダ)として,ブームシリンダ11A,アームシリンダ11B,バケットシリンダ11Cが備えられている。旋回体3は図示しない旋回モータによって旋回中心軸Oを中心に左右に旋回駆動可能である。
ブーム6A,アーム6B及びバケット6Cは,フロント作業装置6を含む共通の平面上で動作し,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6A,アーム6B及びバケット6Cの回動軸に直交する平面であり,例えばブーム6A,アーム6B及びバケット6Cの幅方向の中心(すなわち各フロント部材6A,6B,6Cの回動軸の中心)に設定できる。
<姿勢センサ>
油圧ショベル1には,フロント作業装置6と旋回体3の姿勢を検出するための複数の姿勢センサ75A,75B,75C,23が備えられている。本実施形態では各姿勢センサに,角度(または角速度)と加速度を検出可能な慣性計測装置(IMU:Inertial Measurement Unit)を用いている。これら姿勢センサのうち,ブーム6Aにはブーム姿勢センサ75Aが,アーム6Bにはアーム姿勢センサ75Bが,バケット6Cにはバケット姿勢センサ75Cが取り付けられている(図1参照)。また,旋回体3には旋回体姿勢センサ23が取り付けられており(図1参照),それにより旋回体3の傾斜角度(ピッチ角及びロール角),旋回速度及び旋回角度の計測が可能となっている。姿勢センサ75A,75B,75C,23の出力(検出信号)は,接続線を介してコントローラ40に入力されている。なお,フロント作業装置6の姿勢センサとしては,各フロント部材の回動角度を検出する角度センサ(例えば,ポテンショメータやロータリエンコーダ)を用いても良い。またバケット姿勢センサ75Cはバケットでなくバケットリンクに取り付けられていてもよい。
油圧ショベル1には,フロント作業装置6と旋回体3の姿勢を検出するための複数の姿勢センサ75A,75B,75C,23が備えられている。本実施形態では各姿勢センサに,角度(または角速度)と加速度を検出可能な慣性計測装置(IMU:Inertial Measurement Unit)を用いている。これら姿勢センサのうち,ブーム6Aにはブーム姿勢センサ75Aが,アーム6Bにはアーム姿勢センサ75Bが,バケット6Cにはバケット姿勢センサ75Cが取り付けられている(図1参照)。また,旋回体3には旋回体姿勢センサ23が取り付けられており(図1参照),それにより旋回体3の傾斜角度(ピッチ角及びロール角),旋回速度及び旋回角度の計測が可能となっている。姿勢センサ75A,75B,75C,23の出力(検出信号)は,接続線を介してコントローラ40に入力されている。なお,フロント作業装置6の姿勢センサとしては,各フロント部材の回動角度を検出する角度センサ(例えば,ポテンショメータやロータリエンコーダ)を用いても良い。またバケット姿勢センサ75Cはバケットでなくバケットリンクに取り付けられていてもよい。
旋回体3には,オペレータによって操作される複数の操作レバー(図示せず),バケット6Cと施工目標面の位置関係等が表示されるモニタ60が設置された運転席4と,複数の測位衛星(GNSS衛星)から衛星信号を受信するための2つのGNSSアンテナ(測位アンテナ)50A,50Bと,基準局8から送信されるGNSS補正データを受信するための無線機7と,2つのGNSSアンテナ50A,50Bのうち少なくとも1つのGNSSアンテナの地理座標系(グローバル座標系)における位置座標と,2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位(すなわち旋回体3の方位)とを演算するGNSS受信機51と,GNSS受信機51で演算された位置及び方位と,複数の姿勢センサ75A,75B,75C,23の検出信号とに基づいて,フロント作業装置6上の所望の位置座標を演算するコンピュータであるコントローラ40とが備えられている。なお,本実施形態では2つのGNSSアンテナ50A,50Bの位置及び旋回体3の方位角を1つのGNSS受信機で演算する構成を採っているが,2つのGNSSアンテナ50A,50Bのそれぞれに対応する2つのGNSS受信機51A,51Bを搭載する構成を採っても良い。
<GNSS基準局>
油圧ショベル1の無線機7に対してGNSS補正データを無線送信するGNSS基準局8について説明する。地理座標系における座標位置が既知であるGNSS基準局8には,複数の測位衛星(GNSS衛星)から衛星信号を受信するためのGNSSアンテナ80と,GNSSアンテナ80で受信された衛星信号(衛星信号には衛星のコード,キャリア,衛星軌道及び衛星信号受信レベル等が含まれる)に基づいてGNSSアンテナ80の地理座標系における位置座標を演算するGNSS受信機81と,GNSSアンテナ80で受信された複数の衛星信号に基づいて無線機7に無線送信するためのGNSS補正データを生成する基準局コントローラ82と,基準局コントローラ82で生成されたGNSS補正データを無線機7に送信する無線機87が備えられている。GNSS基準局アンテナ80に接続されたGNSS受信機81は,基準局コントローラ82を経由して無線機87よりGNSS補正データを無線送信する。無線機7で受信されたGNSS補正データをGNSS受信機51での測位に利用するとセンチメートル級の高精度な測位が可能となる。
油圧ショベル1の無線機7に対してGNSS補正データを無線送信するGNSS基準局8について説明する。地理座標系における座標位置が既知であるGNSS基準局8には,複数の測位衛星(GNSS衛星)から衛星信号を受信するためのGNSSアンテナ80と,GNSSアンテナ80で受信された衛星信号(衛星信号には衛星のコード,キャリア,衛星軌道及び衛星信号受信レベル等が含まれる)に基づいてGNSSアンテナ80の地理座標系における位置座標を演算するGNSS受信機81と,GNSSアンテナ80で受信された複数の衛星信号に基づいて無線機7に無線送信するためのGNSS補正データを生成する基準局コントローラ82と,基準局コントローラ82で生成されたGNSS補正データを無線機7に送信する無線機87が備えられている。GNSS基準局アンテナ80に接続されたGNSS受信機81は,基準局コントローラ82を経由して無線機87よりGNSS補正データを無線送信する。無線機7で受信されたGNSS補正データをGNSS受信機51での測位に利用するとセンチメートル級の高精度な測位が可能となる。
<GNSSアンテナ50>
2つのGNSSアンテナ50A,50Bは,それぞれマスト(アンテナ支持部材)52a,52bを介して上部旋回体3に固定されており,上部旋回体3の上面にそれぞれ位置し,フロント作業装置6の前後方向に所定の間隔を介して配置されている。
2つのGNSSアンテナ50A,50Bは,それぞれマスト(アンテナ支持部材)52a,52bを介して上部旋回体3に固定されており,上部旋回体3の上面にそれぞれ位置し,フロント作業装置6の前後方向に所定の間隔を介して配置されている。
2本のマスト52a,52bはそれぞれ上部旋回体3の上方でGNSSアンテナ50A,50B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52a,52bは,GNSSアンテナ50A,50Bと同様に上部旋回体3の上面(第1領域)に配置されている。各マスト52a,52bの基端は上部旋回体3の上面に固定されており,各マスト52a,52bは当該基端から略垂直に伸びている。そして各マスト52a,52b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50A,50Bが取り付けられており,各マスト52a,52bは自身の中心軸心が各GNSSアンテナ50A,50Bの中心軸心を通過するように各アンテナ50A,50Bを支持している。なお,GNSSアンテナ50A,50Bの支持部材は,ポール状のマスト52a,52b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。
<GNSS受信機51>
GNSS受信機51は,2つのGNSSアンテナ50A,50Bで受信される複数の衛星信号(衛星のコード,キャリア,衛星軌道及び衛星信号受信レベル等が含まれる)に基づいて,2つのGNSSアンテナ50A,50Bのうち少なくとも1つのGNSSアンテナ(例えば,GNSSアンテナ50B)の地理座標系(グローバル座標系)における位置座標と,2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位(すなわち旋回体3やフロント作業装置6の方位(ヘディングとも称する))とを演算する。
GNSS受信機51は,2つのGNSSアンテナ50A,50Bで受信される複数の衛星信号(衛星のコード,キャリア,衛星軌道及び衛星信号受信レベル等が含まれる)に基づいて,2つのGNSSアンテナ50A,50Bのうち少なくとも1つのGNSSアンテナ(例えば,GNSSアンテナ50B)の地理座標系(グローバル座標系)における位置座標と,2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位(すなわち旋回体3やフロント作業装置6の方位(ヘディングとも称する))とを演算する。
複数の測位衛星からは送信時刻情報を含んだ電磁波(衛星信号)が送信されている。GNSS受信機51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50A,50Bとの距離を推測してGNSSアンテナ50A,50B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アンテナ間の距離が算出される。
算出した各GNSS衛星と各GNSSアンテナとの距離に誤差が含まれ得る。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,GNSS基準局8から送信されるGNSS補正データを受信して測位する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1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80の測位とGNSS補正データの演算を基準局GNSS受信機81で行い,その補正データを無線機87にてショベル1の受信機51に送信する。そして2つのGNSSアンテナ50A(50B),80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。
GNSS基準局8の無線機87より送信された補正データは,油圧ショベル1に搭載された無線機7で受信されGNSS受信機51に送信される。GNSS受信機51ではGNSSアンテナ50A(移動局)で受信した衛星信号と補正データより得た基準局GNSSアンテナ80の信号を比較演算することにより,基準局GNSSアンテナ80とGNSSアンテナ50A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80が受信した衛星からの衛星信号の搬送波位相情報を送信し,これを移動局アンテナ50Aが受信した衛星信号の搬送波位相情報とGNSS受信機51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50Aの測位が可能となり,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,前述した補正データのなかに基準局GNSSアンテナ80の位置情報を含めることで,移動局であるGNSSアンテナ50A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80とGNSSアンテナ50A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。2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位や,もう1つのGNSSアンテナ50Bの位置についても同様に演算できる。GNSS受信機51はそれぞれのGNSSアンテナ50A,50B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50A,50Bの測位結果を出力可能である。
ところで,本実施形態のGNSS受信機51の測位対象には2つのGNSSアンテナ50A,50Bが存在するため,一方のGNSSアンテナ50Aを基準局とし他方のGNSSアンテナ50B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50Aの受信信号にて生成した補正データをGNSSアンテナ50B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50A,50B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無線機87から送信される補正データ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80からGNSSアンテナ50AとGNSSアンテナ50B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50A,50B間の方向に,ショベル1における2つのGNSSアンテナ50A,50B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6の方角(方向)が算出可能である。
また,本実施形態では基準局GNSSアンテナ80から補正データを無線送信して上部旋回体3やフロント作業装置6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データをネットワークで配信するサービスを用いても良い。なお,言うまでもないが,測位精度が許容される範囲であれば,基準局8等からの補正データを利用することなくGNSSアンテナ50A,50Bの測位をしても良い。
<コントローラ40>
図2は図1の油圧ショベル1に搭載されたコントローラ40の機能ブロック図である。
図2は図1の油圧ショベル1に搭載されたコントローラ40の機能ブロック図である。
コントローラ40は,GNSS受信機51で演算された2つのGNSSアンテナ50A,50Bの位置と旋回体3の方位(ヘディング)と,複数の姿勢センサ75A,75B,75C,23の検出信号に基づいて,フロント作業装置6を構成する各フロント部材6A,6B,6Cの位置座標を演算するコンピュータである。
コントローラ40は,演算処理装置(例えばCPU(図示せず)),記憶装置(例えば,ROM,RAM等の半導体メモリ)56,インタフェース(入出力装置(図示せず))を備えており,記憶装置56内に予め保存されているプログラム(ソフトウェア)を演算処理装置で実行し,プログラム内で規定されているデータとインタフェースから入力されたデータに基づいて演算処理装置が演算処理を行い,インタフェースから外部に信号(演算結果)を出力する。なお,GNSS受信機51,81もコントローラ40と同種のハードウェアを備えることができる。また,記憶装置56はコントローラ40から独立した装置としても良い。
コントローラ40は,インタフェースを介して,GNSS受信機51,姿勢センサ75A,75B,75C,23,モニタ60,及び無線機7と接続されており,データの入出力が可能になっている。
コントローラ40の記憶装置56には,例えば,油圧ショベル1の施工対象である施工目標面の位置を定義した施工目標面データ55と,車体形状寸法データと,演算処理装置によって実行される各種プログラム等が記憶されている。
コントローラ40は,記憶装置56内に格納されたプログラムを実行することで,作業装置位置・姿勢演算部41,測位結果入力部42,衛星位置抽出部43,除外衛星決定部44,マスク範囲演算部45,精度演算部46,及びマスク選択部47として機能する。
(測位結果入力部42)
測位結果入力部42は,GNSS受信機51で演算される地理座標系における2つのGNSSアンテナ50A,50Bの位置データと,2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位データ(上部旋回体3のヘディングデータ)とを入力する。
測位結果入力部42は,GNSS受信機51で演算される地理座標系における2つのGNSSアンテナ50A,50Bの位置データと,2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位データ(上部旋回体3のヘディングデータ)とを入力する。
(マスク範囲演算部45)
マスク範囲演算部45は,GNSS受信機51による2つのGNSSアンテナ50A,50Bの位置の演算(測位)に利用する測位衛星を選択するために用いられる複数のマスク範囲を演算する。マスク範囲演算部45によって演算された複数のマスク範囲はコントローラ40内の記憶装置56に記憶される。マスク範囲演算部45は,2つのGNSSアンテナ50A,50Bのそれぞれを基準にして複数のマスク範囲を演算(設定)する。ここで演算されるマスク範囲には,大きさの異なる複数のマスク範囲が含まれており,その中には演算時(言い換えると姿勢センサ75A-75C,23による姿勢検出時)のフロント作業装置6及び上部旋回体3の姿勢に基づいて変化するマスク範囲が含まれ得る。以下では,主にGNSSアンテナ50Aのマスク範囲の演算や設定について説明するが,GNSSアンテナ50Bについても同様にマスク範囲の演算や設定が行われる。
マスク範囲演算部45は,GNSS受信機51による2つのGNSSアンテナ50A,50Bの位置の演算(測位)に利用する測位衛星を選択するために用いられる複数のマスク範囲を演算する。マスク範囲演算部45によって演算された複数のマスク範囲はコントローラ40内の記憶装置56に記憶される。マスク範囲演算部45は,2つのGNSSアンテナ50A,50Bのそれぞれを基準にして複数のマスク範囲を演算(設定)する。ここで演算されるマスク範囲には,大きさの異なる複数のマスク範囲が含まれており,その中には演算時(言い換えると姿勢センサ75A-75C,23による姿勢検出時)のフロント作業装置6及び上部旋回体3の姿勢に基づいて変化するマスク範囲が含まれ得る。以下では,主にGNSSアンテナ50Aのマスク範囲の演算や設定について説明するが,GNSSアンテナ50Bについても同様にマスク範囲の演算や設定が行われる。
(第1マスク範囲21A及び第2マスク範囲22A)
GNSSアンテナ50Aのマスク範囲には,GNSSアンテナ50Aが衛星信号を受信する際にフロント作業装置6が障害物となり得る範囲に設定された第1マスク範囲21Aと,第1マスク範囲21Aに包含される範囲に設定された第2マスク範囲22Aが含まれる。
GNSSアンテナ50Aのマスク範囲には,GNSSアンテナ50Aが衛星信号を受信する際にフロント作業装置6が障害物となり得る範囲に設定された第1マスク範囲21Aと,第1マスク範囲21Aに包含される範囲に設定された第2マスク範囲22Aが含まれる。
第1マスク範囲21Aは,上部旋回体3におけるGNSSアンテナ50Aの取付位置と,旋回体姿勢センサ23を介して検出された上部旋回体3の姿勢と,フロント作業装置6の最大可動領域とに基づいて,GNSSアンテナ50Aが衛星信号を受信する際にフロント作業装置が障害物となり得る最大範囲に設定しても良い。
第2マスク範囲22Aは,上部旋回体3におけるGNSSアンテナ50Aの取付位置と,旋回体姿勢センサ23を介して検出された上部旋回体3の姿勢と,姿勢センサ75A-75Cを介して検出されたフロント作業装置6の姿勢とに基づいて,フロント作業装置6の姿勢演算時(姿勢検出時)におけるフロント作業装置6が,GNSSアンテナ50Aが衛星信号を受信する際にフロント作業装置が障害物となる範囲に設定しても良い。
本実施形態では,第1マスク範囲21A及び第2マスク範囲22Aを,GNSSアンテナ50Aを基準とする座標系を利用して,例えば地理座標系上に設定している。なお,GNSSアンテナ50Aを基準とする座標系を第1アンテナ座標系と称し,同様にGNSSアンテナ50Bを基準とする座標系を第2アンテナ座標系と称することがある。また,第1マスク範囲21A及び第2マスク範囲22Aを設定する座標系は地理座標系に限られず,例えば作業現場上に原点を有する現場座標系に設定しても良い。
第1アンテナ座標系の定義について説明する。
図3はGNSSアンテナ50Aを基準とする第1アンテナ座標系を表す図であり,図3Aは第1アンテナ座標系の斜視図,図3Bは第1アンテナ座標系におけるZ軸上から油圧ショベル1を見下ろした図(平面図),図3Cは第1アンテナ座標系における+Y軸方向から油圧ショベル1を見た図(側面図)である。
図3Aに示すように,第1アンテナ座標系は,旋回体3に搭載されたGNSSアンテナ50Aの中心を原点とする座標系であり,GNSSアンテナ50A,すなわち旋回体3に固定されている。第1アンテナ座標系のX軸は旋回体3の前後方向に沿って延びる直線であり,旋回体3の前方が正の方向である。Y軸は旋回体3の左右方向に沿って延びる直線であり,旋回体3の左方向が正の方向である。Z軸はX軸及びY軸に直交しており,上方が正の方向である。各座標軸X,Y,Zを中心とした回転角(ロール角,ピッチ角,ヨー角(ヘディング))の+方向が図中に記入されている。
図3B中に示したヘディング(heading)は,旋回体3やフロント作業装置6が向いている方向(方位)であり,第1アンテナ座標系のX軸を水平面に正射影した線と真北の成す角度で表される。本実施形態では,真北の方向を0度と定義し,X軸を鉛直上方から見下ろして時計回り方向が正とする。これによりヘディングは0度から360度の間で規定される。つまり,ヘディングはGNSS受信機51で演算される方位に一致する。
地理座標系における座標値は緯度,経度及び楕円体高からなり,平面直角座標系,地心直交座標系及び現場座標系の座標値はX,Y,Z座標等からなる3次元直交座標系である。地理座標系座標値はガウス・クリューゲルの等角投影法などを用いて平面直角座標系などの3次元直交座標系に変換可能である。また,平面直角座標系,地心直交座標系及び現場座標系はアフィン変換またはヘルマート変換などを用いることで相互に変換可能である。
図4を用いてフロント作業装置6の姿勢を規定する角度であって姿勢センサ75A-75Cによって検出される角度(ブーム角,アーム角,バケット角)について説明する。この図において,ブーム角は,ブーム6Aの回動軸であるブームピンの中心から水平に延びる直線(車体X軸(図3AのX軸と同様))を基準として,ブームピンの中心とアーム6Bの回動軸であるアームピンの中心を通る直線71が回転した角度である。アーム角は,直線71を基準として,アームピンの中心とバケット6Cの回動軸であるバケットピンの中心を通る直線72が回転した角度である。バケット角は,直線72を基準として,バケットピンの中心とバケット先端を通る直線73が回転した角度である。ブーム角,アーム角,バケット角は,それぞれ,ブーム姿勢センサ75A,アーム姿勢センサ75B,バケット姿勢センサ75Cによって検出される。
マスク範囲演算部45は,ブーム姿勢センサ75A,アーム姿勢センサ75B,バケット姿勢センサ75Cの検出信号に基づいて,ブーム角,アーム角,バケット角を演算する。次に演算した3つの角度を利用して,記憶装置56に記憶されたフロント作業装置6の3次元モデルに回転移動と平行移動を適宜加え,その3次元モデルの姿勢を実際のフロント作業装置6の姿勢に合わせる。また,マスク範囲演算部45は旋回体姿勢センサ23の検出信号に基づいて旋回体3の傾斜角であるロール角及びピッチ角を演算し,実際と同じ姿勢のフロント作業装置6の3次元モデルに対して,演算したロール角及びピッチ角の値と,GNSS受信機51で演算されたヘディング(旋回体3の方位)の値とを加えて回転させる。ここでは地理座標系におけるGNSSアンテナ50Aの中心の座標を(X0,Y0,Z0)とし,同様にフロント作業装置6上の任意の点Pnの座標を(Xn,Yn,Zn)とおく。ただしnは自然数であり,その最大値はフロント作業装置6の3次元モデルを規定する頂点の数である。このときGNSSアンテナ50Aの中心からフロント作業装置6上の任意の点PnまでのベクトルVは下記の式1で表すことが出来る。ただし,X’n=Xn-X0, Y’n=Yn-Y0, Z’n=Zn-Z0とする。ベクトルVを示す座標(X’n,Y’n,Z’n)は第1アンテナ座標系上の座標である。
このベクトルVを第1アンテナ座標系におけるXY平面上に投影したベクトルVxyは下記の式2で表すことが出来る。
XY平面上で北方向からベクトルVxyまでの角を方位角θan(図3B参照)と表すと,その角度は第1アンテナ座標系上の座標値X’n,Y’nとヘディング(ヘディング角)とを利用して下記の式3で表すことができる。なお,下記式3では,X’n,Y’nの組み合わせに応じて方位角θanの演算式を5つの場合に分けている。
ベクトルVxyとベクトルVのなす角を仰角θen(図3C参照)と表すと,その角度は第1アンテナ座標系上の座標値X’n,Y’n,Z’nを利用して下記の式4の通り計算できる。なお,下記式4では,X’n,Y’n,Z’nの組み合わせに応じて仰角θenの演算式を5つの場合に分けている。
上記の式3,4より,方位角θan及び仰角θenはフロント作業装置6上の点Pnの第1アンテナ座標系における座標値から演算できる。フロント作業装置6(ブーム6A,アーム6B,バケット6C)の寸法は既知である(例えば,車体形状寸法データ(詳細は後述)として予め記憶装置56に格納されている)ため,姿勢センサ75A-75Cによってフロント作業装置6の姿勢(ブーム角,アーム角,バケット角)を特定すれば,その姿勢におけるフロント作業装置6上の任意の点Pnに係る方位角θan及び仰角θenを演算できる。
本実施形態では,マスク範囲を方位角θanの範囲と仰角θenの範囲の組み合わせによって定義した。つまり,本実施形態のマスク範囲は2つの方位角θanと2つの仰角θenという4つのパラメータによって規定されている。
図5はGNSSアンテナ50Aに設定される第1マスク範囲21A及び第2マスク範囲22Aの一例をスカイプロット(衛星配置図)上に示した図である。図5ではGNSSアンテナ50Aを基準とする天空を方位角及び仰角の2つをパラメータとする二次元座標で表しており,マスク範囲にドットを付してグレーで表している。円の中心がGNSSアンテナ50Aの中心を示し,当該円の周方向が方位角を,当該円の径方向が仰角を示している。図中のアルファベットG,Rと2桁の数字を内包する複数の円は,それぞれ,GNSS受信機51によって補足された測位衛星の位置を示し,アルファベットG,Rと2桁の数字は各測位衛星の番号(衛星番号)である。
図5Aに第1マスク範囲21Aの一例を示す。この図の第1マスク範囲21Aは,方位角がα1以上かつα2以下の範囲(但しα2>α1)であって,仰角がα3以上かつα4以下の範囲(但しα4>α3)に設定されている。α1,α2,α3,α4はフロント作業装置6の最大可動領域に基づいて決定されている。α1は旋回体3がフロント作業装置6を最大可動領域内で動作させた場合に方位角θenが取り得る値の最小値であり,α2は同条件で方位角θenが取り得る値の最大値である。同様に,α3は同条件で仰角θenが取り得る値の最小値であり,α4は同条件で仰角θenが取り得る値の最大値である。例えば,図5Aの場合,α1=130,α2=210,α3=0,α4=75である。第1マスク範囲21A及びそれを規定する4つのパラメータは,油圧ショベル1(旋回体3)が旋回動作や走行動作をしない限り固定される。
図5Bに第2マスク範囲22Aの一例を示す。この図の第2マスク範囲22Aは,方位角がβ1以上かつβ2以下の範囲(但しβ2>β1)であって,仰角がβ3以上かつβ4以下の範囲(但しβ4>β3)に設定されている。β1,β2,β3,β4は,フロント作業装置6と旋回体3の姿勢(ブーム角,アーム角,バケット角,ピッチ角,ロール角,ヘディング)を演算した時刻tにおけるフロント作業装置6の姿勢がGNSSアンテナ50Aの上空を覆う範囲に基づいて決定されている。
具体的には,第2マスク範囲22Aの演算に際してマスク範囲演算部45は,上記の式(3),(4)を利用して,フロント作業装置6と旋回体3の姿勢(ブーム角,アーム角,バケット角,ピッチ角,ロール角,ヘディング)を演算した或る時刻tにおけるフロント作業装置6の3次元モデル上の全ての頂点Pnについて方位角θanと仰角θenの組み合わせを求める。ここでは,時刻tにおける方位角θanと仰角θenの組み合わせを,(θa1(t),θe1(t)),(θa2(t),θe2(t)),(θa3(t),θe3(t)),…(θan(t),θen(t))と表す。マスク範囲演算部45は,求めた組み合わせの中から最も大きい方位角θa_max(t)と最も大きい仰角θe_max(t)と最も小さい方位角θa_min(t)と最も小さい仰角θe_min(t)を選択する。第1マスク範囲21Aと同様,第2マスク範囲22Aも4つのパラメータ(β1,β2,β3,β4)によって規定されており,β1=θa_min(t),β2=θa_max(t),β3=θe_min(t),β4=θe_max(t)とする。例えば,図5Bの場合,β1=147,α2=185,α3=0,α4=38である。第2マスク範囲22A及びそれを規定する4つのパラメータは,例えば,フロント作業装置6の姿勢が変更される都度演算される。第2マスク範囲22Aは,その性質上,第1マスク範囲21Aよりも小さくかつ第1マスク範囲21Aに内包される(図5B参照)。
なお,図5Aの場合にはヘディングとα1を同じ値で表現できたが,図5Bの場合には,ヘディングとβ1が異なる。よって,必ずしもヘディングがθa_min(t)になるとは限らない。
上記のように生成されるマスク範囲21A,22Aは旋回体3に搭載されたGNSSアンテナ50Aの位置を基準に生成されるため,旋回体3を走行動作させたり旋回動作させたりすることでGNSSアンテナ50Aの地理座標系上における位置を変化させてもGNSSアンテナ50Aと共に動く。つまり,地理座標系を基準にしてマスク範囲21A,22Aが固定される訳ではなく,図3Aに示した第1アンテナ座標系に固定されることになる。
なお,本実施形態では4つのパラメータによってマスク範囲を規定するが,例えば,フロント作業装置6Aを最大可動領域内で動作させた場合にGNSSアンテナ50Aの上空を覆うフロント作業装置6Aの輪郭を第1マスク範囲21の輪郭に設定しても良い。
(精度演算部46)
精度演算部46は,マスク範囲演算部45で演算された複数のマスク範囲(例えば,第1マスク範囲21A,第2マスク範囲22A)のそれぞれを利用して測位衛星を選択した場合と,当該複数のマスク範囲のいずれも利用することなく測位衛星を選択した場合(マスク範囲による衛星選択を中断した場合)とを含む複数の場合におけるGNSS受信機51の測位精度をそれぞれ演算(推定)する部分である。ここにおける「複数の場合」の数Nは,GNSSアンテナ50A,50Bごとに存在し,各GNSSアンテナ50A,50Bに設定されたマスク範囲の総数のそれぞれに1(つまり,マスク範囲を使用しない場合)を加えた数値が該当する。すなわち,GNSSアンテナ50Aに2つマスク範囲が設定されている場合にはN=3となる。なお,GNSSアンテナ50BのNの数値はGNSSアンテナ50AのNの数値と異なっていても良い。Nをマスク範囲の選択パターンの数と称することもある。
精度演算部46は,マスク範囲演算部45で演算された複数のマスク範囲(例えば,第1マスク範囲21A,第2マスク範囲22A)のそれぞれを利用して測位衛星を選択した場合と,当該複数のマスク範囲のいずれも利用することなく測位衛星を選択した場合(マスク範囲による衛星選択を中断した場合)とを含む複数の場合におけるGNSS受信機51の測位精度をそれぞれ演算(推定)する部分である。ここにおける「複数の場合」の数Nは,GNSSアンテナ50A,50Bごとに存在し,各GNSSアンテナ50A,50Bに設定されたマスク範囲の総数のそれぞれに1(つまり,マスク範囲を使用しない場合)を加えた数値が該当する。すなわち,GNSSアンテナ50Aに2つマスク範囲が設定されている場合にはN=3となる。なお,GNSSアンテナ50BのNの数値はGNSSアンテナ50AのNの数値と異なっていても良い。Nをマスク範囲の選択パターンの数と称することもある。
GNSS受信機51の測位精度とは,GNSS受信機51による各GNSSアンテナ50A,50Bの測位結果の精度であり,以下では単に「測位精度」と称することもある。この測位精度は,各マスク範囲を利用した後に選択可能な測位衛星に関連するデータ(測位に利用可能な測位衛星の数や配置(例えば,PDOP(Position Dilution of Precision))と,測位に利用可能な測位衛星から受信した衛星信号のSN比やレベルなど(以下,これらを「衛星関連データ」と称することがある))から演算できる。測位精度は上記した衛星関連データのうち少なくとも1つに基づいて演算できるが,測位精度の演算に利用する衛星関連データはN個の場合全てで一致させることが好ましい。なお,上記のようにN=3の場合,精度演算部46によって演算される測位精度の個数も3となる。
一般的に,衛星数が多いほど,PDOPの値が小さいほど,衛星信号のSN比やレベルが高いほど,測位精度は良くなる。本実施形態では,このことを勘案して衛星関連データから測位精度を示す指標値(測位精度指標値)を演算し,その指標値の高低により精度を評価するものとする。以下では測位精度指標値が高いほど精度が良いものとして説明する。なお,衛星関連データは,GNSS受信機51から受信しても良いし,GNSSアンテナ50A,50Bで受信した衛星信号に基づいてコントローラ40で演算しても良い。GNSS受信機51から受信する場合には,衛星関連データの演算に利用する際に除外する衛星のリスト(後述の除外衛星リスト)をコントローラ40から送信しても良い。
精度演算部46には,GNSS受信機51が捕捉している衛星の情報が衛星位置抽出部43から入力される。精度演算部46は,各GNSSアンテナ50に設定された複数のマスク範囲のうちの或るマスク範囲(ここでいう「マスク範囲」にはマスクを使用しない場合も含まれるものとする)を利用した後に選択可能な衛星の衛星関連データを,衛星位置抽出部43から入力される複数の衛星の中から当該或るマスク範囲に含まれる衛星を除いた残りの衛星の情報から取得している。
この点を具体例で説明する。図5の例では,精度演算部46は,第1マスク範囲21Aを利用した場合,第2マスク範囲22Aを利用した場合,いずれのマスク範囲も利用しない場合の測位精度を演算する。
すなわち,第1マスク範囲21Aを利用して測位衛星を選択する場合(第1の場合)の測位精度(第1測位精度)は,GNSS受信機51が補足したスカイプロット上の全衛星から第1マスク範囲21Aに含まれる衛星(G17,G19,R12,R22)を除外した衛星の衛星関連データに基づいて精度演算部46によって演算される。第2マスク範囲22Aを利用して測位衛星を選択する場合(第2の場合)の測位精度(第2測位精度)は,GNSS受信機51が補足したスカイプロット上の全衛星から第2マスク範囲22Aに含まれる衛星(G17)を除外した衛星の衛星関連データに基づいて精度演算部46によって演算される。いずれのマスク範囲も利用せずに測位衛星を選択する場合(第3の場合)の測位精度(第3測位精度)は,GNSS受信機51が補足したスカイプロット上の全衛星の衛星関連データに基づいて精度演算部46によって演算される。
精度演算部46で演算されたN個の場合の測位精度はマスク選択部47に出力される。
(マスク選択部47)
マスク選択部47は,精度演算部46で演算されたN個の場合の測位精度の中で,最も測位精度が良い場合を選択する。最も測位精度が良い場合には,各GNSSアンテナ50A,50Bに設定された複数のマスク範囲のうち1つが選択されるだけでなく,マスク範囲を利用しない場合が選択されることもある。マスク選択部47で選択されたマスク範囲の情報は除外衛星決定部44に出力される。
マスク選択部47は,精度演算部46で演算されたN個の場合の測位精度の中で,最も測位精度が良い場合を選択する。最も測位精度が良い場合には,各GNSSアンテナ50A,50Bに設定された複数のマスク範囲のうち1つが選択されるだけでなく,マスク範囲を利用しない場合が選択されることもある。マスク選択部47で選択されたマスク範囲の情報は除外衛星決定部44に出力される。
(衛星位置抽出部43)
衛星位置抽出部43は,GNSS受信機51が衛星信号を捕捉している複数の衛星の位置(地理座標系における仰角及び方位角)を抽出し,除外衛星決定部44と精度演算部46に出力する。
衛星位置抽出部43は,GNSS受信機51が衛星信号を捕捉している複数の衛星の位置(地理座標系における仰角及び方位角)を抽出し,除外衛星決定部44と精度演算部46に出力する。
(除外衛星決定部44)
除外衛星決定部44は,マスク選択部47で選択されたマスク範囲と,衛星位置抽出部43から入力するGNSS受信機51が捕捉している測位衛星の位置(仰角・方位角)とに基づいて,GNSS受信機51が測位演算に利用しない除外衛星を決定する。具体的には,除外衛星決定部44は,衛星位置抽出部43で抽出された複数の衛星の中からマスク選択部47で選択されたマスク範囲に位置する衛星を除外衛星として決定し,その除外衛星のリストをGNSS受信機51に出力する。
除外衛星決定部44は,マスク選択部47で選択されたマスク範囲と,衛星位置抽出部43から入力するGNSS受信機51が捕捉している測位衛星の位置(仰角・方位角)とに基づいて,GNSS受信機51が測位演算に利用しない除外衛星を決定する。具体的には,除外衛星決定部44は,衛星位置抽出部43で抽出された複数の衛星の中からマスク選択部47で選択されたマスク範囲に位置する衛星を除外衛星として決定し,その除外衛星のリストをGNSS受信機51に出力する。
(GNSS受信機51)
GNSS受信機51は,除外衛星決定部44から出力される除外衛星のリストを取得し,その時点で衛星信号を捕捉可能な複数の測位衛星の中から当該リストに含まれる衛星を除外した衛星の衛星信号に基づいて,地理座標系における少なくとも1つのGNSSアンテナ50の位置と,2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位(上部旋回体3の方位)とを演算する。これによりGNSS受信機51は,精度演算部46が演算したN個の測位精度の中で最も測位精度が良い場合に選択される測位衛星の衛星信号に基づいて地理座標系における少なくとも1つのGNSSアンテナ50の位置と,2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位を演算することとなる。演算された位置と方位は測位結果入力部42に入力される。
GNSS受信機51は,除外衛星決定部44から出力される除外衛星のリストを取得し,その時点で衛星信号を捕捉可能な複数の測位衛星の中から当該リストに含まれる衛星を除外した衛星の衛星信号に基づいて,地理座標系における少なくとも1つのGNSSアンテナ50の位置と,2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位(上部旋回体3の方位)とを演算する。これによりGNSS受信機51は,精度演算部46が演算したN個の測位精度の中で最も測位精度が良い場合に選択される測位衛星の衛星信号に基づいて地理座標系における少なくとも1つのGNSSアンテナ50の位置と,2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位を演算することとなる。演算された位置と方位は測位結果入力部42に入力される。
なお,GNSS受信機51から出力される位置計測結果は,上記の地理座標系の他にも,平面直角座標系,地心直交座標系,及び現場座標系の少なくとも1つ以上の座標系の座標値を出力可能にしても良い。
(作業装置位置・姿勢演算部41)
作業装置位置・姿勢演算部41は,測位結果入力部42から入力するGNSSアンテナ50A,50Bの位置及び上部旋回体3の方位と,複数の姿勢センサ(75A,75B,75C,23)の出力から演算される各フロント部材6A,6B,6Cの角度値及び上部旋回体3の傾斜角(ピッチ角及びロール角)と,記憶装置56に記憶された車体形状寸法データとに基づいて,作業装置6の位置及び姿勢(例えば,現場座標系におけるバケット6Cの先端位置及び姿勢)を演算する。作業装置6の位置及び姿勢の演算に利用される車体形状寸法データとしては,例えば,ブーム6Aの両端に位置する2つのピン間の長さ(ブームピン間長LB(図4参照))と,アーム6Bの両端に位置する2つのピン間の長さ(アームピン間長)と,バケット6Cの先端とバケットピン間の長さ(バケット先端長)と,上部旋回体3における2つのGNSSアンテナ50A,50Bの位置関係を車体座標系における方位角で規定したGNSS取付オフセット方位角と,上部旋回体3における2つのGNSSアンテナ50A,50Bの車体座標系おける取付位置(アンテナ取付位置)と,2つのGNSSアンテナ50A,50Bのそれぞれを基準としたフロント作業装置6の最大可動領域がある。
作業装置位置・姿勢演算部41は,測位結果入力部42から入力するGNSSアンテナ50A,50Bの位置及び上部旋回体3の方位と,複数の姿勢センサ(75A,75B,75C,23)の出力から演算される各フロント部材6A,6B,6Cの角度値及び上部旋回体3の傾斜角(ピッチ角及びロール角)と,記憶装置56に記憶された車体形状寸法データとに基づいて,作業装置6の位置及び姿勢(例えば,現場座標系におけるバケット6Cの先端位置及び姿勢)を演算する。作業装置6の位置及び姿勢の演算に利用される車体形状寸法データとしては,例えば,ブーム6Aの両端に位置する2つのピン間の長さ(ブームピン間長LB(図4参照))と,アーム6Bの両端に位置する2つのピン間の長さ(アームピン間長)と,バケット6Cの先端とバケットピン間の長さ(バケット先端長)と,上部旋回体3における2つのGNSSアンテナ50A,50Bの位置関係を車体座標系における方位角で規定したGNSS取付オフセット方位角と,上部旋回体3における2つのGNSSアンテナ50A,50Bの車体座標系おける取付位置(アンテナ取付位置)と,2つのGNSSアンテナ50A,50Bのそれぞれを基準としたフロント作業装置6の最大可動領域がある。
モニタ60は,作業装置位置・姿勢演算部41で演算された現場座標系における作業装置6の位置及び姿勢データと,記憶装置56に記憶された現場座標系における施工目標面の位置データとに基づいて演算される作業装置6と施工目標面の位置関係を表示できる。この表示によりオペレータは施工目標面に対する作業装置6の位置・姿勢を容易に把握することができる。
なお,コントローラ40により,作業装置位置・姿勢演算部41で演算された現場座標系における作業装置6の位置及び姿勢データと,記憶装置56に記憶された現場座標系における施工目標面の位置データとに基づいて,バケット先端が施工目標面を超えないように作業装置6の動作(すなわちフロント部材6A,6B,6Cを駆動するアクチュエータ11A,11B,11Cの動作)に制限をかけるマシンコントロールを実行しても良い。
また,上記のマスク範囲演算部45はマスク範囲を方位角と仰角で規定したが,方位角だけでマスク範囲を規定しても良い。
次に,上述したマスク範囲について図5を用いて説明を追加する。
図5Aが,フロント作業装置6が障害物としてGNSSアンテナ50Aの上空視界を最も遮った場合のスカイプロットを表しているとする。この場合,第1マスク範囲21Aと第2マスク範囲22Aが同じ範囲になり,第1マスク範囲21Aにまとめて表すことができる。
しかし,図5Bの場合にはブーム6Aが図5Aの場合よりも下がっており,フロント作業装置6が障害物としてGNSSアンテナ50Aの上空視界を遮蔽する範囲が図5Aの場合よりも狭くなっている。この場合,第1マスク範囲21Aと第2マスク範囲22Aが異なるため,それぞれのマスク範囲21A,22Aを利用した場合に選択される衛星数も変わる。図5Bの場合に第1マスク範囲21Aを測位に適用すると,当該第1マスク範囲21Aによって衛星R12,G19,R22,G17の合計4つの衛星が測位時に使える衛星から除外される。しかし,図5Bの場合に第2マスク範囲22Aを測位に適用すると,当該第2マスク範囲22Aによって衛星G17のみが測位時に使える衛星から除外される。そのため,第1マスク範囲21Aを利用した場合よりも測位に使える衛星数が3つ増えて測位精度を上げられる。
このように精度演算部46は各マスク範囲を適用した場合(但し,いずれのマスク範囲も利用しない場合を含めても良い)に測位に使える衛星を抽出し,抽出後の衛星の衛星関連データに基づいて各マスク範囲を利用した場合の測位精度を演算する。マスク選択部47は,精度演算部46が演算した複数の測位精度を比較し,最も良い測位精度を出すマスク範囲を決定し,そのマスク範囲を利用してGNSS受信機51によってGNSSアンテナ50の測位が行われる。以上の一連の流れを図6のフローチャートで説明する。
<測位処理のフローチャート>
図6は本実施形態に係るコントローラ40及びGNSS受信機51によるGNSSアンテナ50Aの測位処理のフローチャートである。この処理フローは,一定周期間隔(例えば100ms)で繰返し演算される。なお,ここではGNSSアンテナ50Aの測位についてのみ説明するが,GNSSアンテナ50Bについても同様の処理が行われ,両方のGNSSアンテナ50A,50Bの測位結果に基づいて2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位の演算が行われるものとする。
図6は本実施形態に係るコントローラ40及びGNSS受信機51によるGNSSアンテナ50Aの測位処理のフローチャートである。この処理フローは,一定周期間隔(例えば100ms)で繰返し演算される。なお,ここではGNSSアンテナ50Aの測位についてのみ説明するが,GNSSアンテナ50Bについても同様の処理が行われ,両方のGNSSアンテナ50A,50Bの測位結果に基づいて2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位の演算が行われるものとする。
ステップ51において,コントローラ40(衛星位置抽出部43)は,GNSS受信機51が衛星信号を捕捉している複数の衛星のデータ(位置データなどを含む)をGNSS受信機51から取得する。
ステップ52において,コントローラ40(マスク範囲演算部45)は,旋回体姿勢センサ23の検出信号に基づいて旋回体3の姿勢(ピッチ角,ロール角)を演算する。
ステップ53において,コントローラ40(マスク範囲演算部45)は,3つの姿勢センサ75A,75B,75Cの検出信号に基づいてフロント作業装置6の姿勢を演算する。
ステップ54において,コントローラ40(マスク範囲演算部45)は,ステップ52で演算した旋回体3の姿勢と,記憶装置56に記憶されたフロント作業装置6の最大可動領域と,前回の周期で演算され記憶装置56に記憶されたGNSSアンテナ50Aの位置と,前回の周期で演算され記憶装置56に記憶された旋回体3の方位(この方位(ヘディング)は,前回の周期で演算された2つのGNSSアンテナ50A,50B間の方位に基づいて演算されて記憶装置56に記憶されている)とに基づいて,第1マスク範囲21Aを演算する。また,コントローラ40(マスク範囲演算部45)は,ステップ52で演算した旋回体3の姿勢と,ステップ53で演算したフロント作業装置6の姿勢と,前回の周期に演算したGNSSアンテナ50Aの位置と,前回の周期に演算した旋回体3の方位(ヘディング)とに基づいて,第1マスク範囲21Aに包含される第2マスク範囲22Aを演算する。
ステップ55において,コントローラ40(精度演算部46)は,第1マスク範囲21Aに位置する衛星を除外して残りの衛星を選択する第1の場合に補足される衛星の衛星関連データ(衛星関連データは,例えば,衛星数,PDOP(衛星配置),衛星信号のSN比の少なくとも1つであり,衛星位置抽出部43を介してGNSS受信機51から取得できる)に基づいて第1の場合における測位精度である第1測位精度を演算する。同様に,第2マスク範囲22Aに位置する衛星を除外して残りの衛星を選択する第2の場合に補足される衛星の衛星関連データ(但し,第1測位精度を演算した際に利用したものと同じ種類とする)に基づいて第2の場合における測位精度である第2測位精度を演算し,いずれのマスク範囲も利用せずに衛星を選択する第3の場合における衛星関連データ(但し,第1測位精度を演算した際に利用したものと同じ種類とする)に基づいて第3の場合における測位精度である第3測位精度を演算する。
ステップ56において,コントローラ40(マスク選択部47)は,ステップ55で演算した第1測位精度と第2測位精度を比較する。第1測位精度が第2測位精度よりも測位精度が良い場合にはステップ57に進み,第1測位精度が第2測位精度と測位精度が同じまたは悪い場合にはステップ59に進む。
ステップ57において,コントローラ40(マスク選択部47)は,ステップ51で位置が取得された複数の衛星の中から第1マスク範囲21Aに位置する衛星を除外衛星として決定し,その除外衛星のリスト(除外衛星リスト)をGNSS受信機51に出力する。
ここで,第1測位精度が第2測位精度よりも測位精度が良い場合,すなわち,第2マスク範囲22Aよりも大きい第1マスク範囲21Aを利用した方が測位精度が良くなる場合の具体例について図7を用いて説明する。図7はブーム6Aの角度(ブーム角度)とPDOPの時間変化の一例を示した図である。この図において短時間にブーム角度が上昇するタイミングは2回あるが,このタイミングではフロント作業装置6におけるブーム上げ操作と旋回体3の旋回動作が複合され,ダンプトラックなどへの放土作業が行われる。一方,ブーム角度が50度未満に保持される期間が3回あるが,このタイミングではフロント作業装置6による掘削作業が行われる。すなわち,図7は掘削と放土(旋回動作)が繰り返し行われている状況を示している。この図のように掘削と旋回動作を繰り返す場合に第2マスク範囲22Aの利用を継続すると,ブーム6Aの姿勢変化と旋回角度(旋回体3の方位)の変化によって遮蔽される衛星が大きく変化して図に示すようにブーム上げのタイミングの前後でPDOPが大きくなる,すなわち測位精度が低下することがある。そのため,このような場合には,より範囲の広い第1マスク範囲21Aを利用してマスク範囲の変動を抑制した方が第2マスク範囲22Aを利用するよりも測位精度が向上する可能性がある。
ステップ58において,GNSS受信機51は,ステップ51でコントローラ40にデータを送信した衛星からステップ57の除外衛星リストに含まれる衛星を除外し,その残りの衛星の衛星信号に基づいてGNSSアンテナ50Aの位置を演算し,それをGNSSアンテナ50Aの測位結果としてコントローラ40に出力する。
ステップ59において,コントローラ40(マスク選択部47)は,ステップ55で演算した第2測位精度と第3測位精度を比較する。第2測位精度が第3測位精度よりも測位精度が良い場合にはステップ60に進み,第2測位精度が第3測位精度と測位精度が同じ又は悪い場合にはステップ62に進む。
ステップ60において,コントローラ40(マスク選択部47)は,ステップ51で位置が取得された複数の衛星の中から第2マスク範囲22Aに位置する衛星を除外衛星として決定し,その除外衛星のリスト(除外衛星リスト)をGNSS受信機51に出力する。
ステップ61において,GNSS受信機51は,ステップ51でコントローラ40にデータを送信した衛星からステップ60の除外衛星リストに含まれる衛星を除外し,その残りの衛星の衛星信号に基づいてGNSSアンテナ50Aの位置を演算し,それをGNSSアンテナ50Aの測位結果としてコントローラ40に出力する。
ステップ62において,GNSS受信機51は,ステップ51でコントローラ40にデータを送信した衛星の衛星信号に基づいてGNSSアンテナ50Aの位置を演算し,それをGNSSアンテナ50Aの測位結果としてコントローラ40に出力する。
ここで,第3測位精度が第2測位精度よりも測位精度が良い場合,すなわち,いずれのマスク範囲も使用しない方が第2マスク範囲22Aを使用するよりも測位精度が良くなる場合(ステップ62に進む場合)の具体例について図8を用いて説明する。図8は或る時刻の衛星配置と第2マスク範囲22Aを示す図である。この図の場合,フロント作業装置6の方位に存在する衛星は1つ(G28)のみであり,フロントの方位の反対側の方位(180度加えた方位)に存在する衛星数も少ない。このような場合,第2マスク範囲22Aで衛星G28を除外してしまうと衛星数が充分でなく測位精度が低下し易い。つまり,第2マスク範囲22Aを利用すると却って測位精度が低下するため,いずれのマスク範囲も使用しない方が測位精度が良くなる。
上記のように構成された油圧ショベル1では,複数のマスク範囲が設定されている場合に,各マスク範囲を利用した場合の衛星関連データに基づいてコントローラ40が各マスク範囲を利用した場合の測位精度を演算し,当該演算した測位精度に基づいて当該複数のマスク範囲の中からGNSSアンテナ50A,50Bの測位に利用するマスク範囲を1つ選択する。これによりフロント作業装置6の姿勢に基づいてマスク範囲を選択する場合よりも測位精度が向上し得る。
図6のフローチャートでは,コントローラ40は,大きさの異なる複数のマスク範囲を利用した場合(マスク範囲を設定しない場合も含む)におけるそれぞれの衛星関連データに基づいて各場合の測位精度を演算し,その中から最も測位精度が良い場合に係るマスク範囲を1つ選択する。つまり,マスク範囲の選択に衛星関連データが考慮されることにより,フロント作業装置6の姿勢とともにマスク範囲(上記実施形態では第2マスク範囲22A)を変化させる場合よりも測位精度の低下を抑制できるので,結果的に油圧ショベル1による作業精度を向上させることができる。
特に本実施形態では,マスク範囲の候補として,フロント作業装置6の可動領域の全てをカバーする第1マスク範囲21Aと,そのときのフロント作業装置6の姿勢で隠れる領域をカバーする第2マスク範囲22Aとが含まれる。これによりマスク範囲の選択及び測位精度の演算にフロント作業装置6の姿勢が考慮されることになり,フロント作業装置6が測位信号を遮蔽することが測位精度に与える影響も小さくできる。
<その他>
図6のフローにおいて,ステップ56で第1測位精度が第2測位精度より精度が良いと判定された場合には,さらに第1測位精度と第3測位精度を比較する判定処理を追加しても良い。この判定処理において,第1測位精度の方が精度が良いと判定された場合にはステップ57に進み,第3測位精度の方が精度が良いと判定された場合にはステップ62と同じ処理(すなわち,いずれのマスク範囲を使うことなく測位する処理)を行うようにしても良い。
図6のフローにおいて,ステップ56で第1測位精度が第2測位精度より精度が良いと判定された場合には,さらに第1測位精度と第3測位精度を比較する判定処理を追加しても良い。この判定処理において,第1測位精度の方が精度が良いと判定された場合にはステップ57に進み,第3測位精度の方が精度が良いと判定された場合にはステップ62と同じ処理(すなわち,いずれのマスク範囲を使うことなく測位する処理)を行うようにしても良い。
本実施形態では2つのマスク範囲21A,22Aを利用する場合について説明したが,各マスク範囲が異なっていれば,利用可能なマスク範囲の数に限定はない。例えば,第1マスク範囲より大きいものを設定しても良い。また,油圧ショベルで繰り返し行われる作業(例えば,掘削作業,運搬作業,放土作業)のうち,同一の作業におけるフロントの動作範囲を考慮してマスク範囲を設定し,油圧ショベルで行われる作業を推定して当該作業に設定されたマスク範囲を利用するようにしても良い。後者の場合のマスク範囲は,第1マスク範囲21Aより小さく,第2マスク範囲22Aより大きくなることが想定される。
なお,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。
また,上記のコントローラ40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40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40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。
また,上記の各実施の形態の説明では,制御線や情報線は,当該実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが,必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。
1…油圧ショベル,2…走行体(下部走行体),3…旋回体(上部旋回体),4…運転席,6…フロント作業装置,6A…ブーム,6B…アーム,6C…バケット,7…無線機,8…GNSS基準局,8…基準局,11A…ブームシリンダ,11B…アームシリンダ,11C…バケットシリンダ,21A…第1マスク範囲,22A…第2マスク範囲,23…旋回体姿勢センサ,40…コントローラ,41…作業装置位置・姿勢演算部,42…測位結果入力部,43…衛星位置抽出部,44…除外衛星決定部,45…マスク範囲演算部,46…精度演算部,47…マスク選択部,50A…GNSSアンテナ(測位アンテナ),50B…GNSSアンテナ(測位アンテナ),51…GNSS受信機,56…記憶装置,60…モニタ,75A…ブーム姿勢センサ,75B…アーム姿勢センサ,75C…バケット姿勢センサ,80…基準局GNSSアンテナ,81…GNSS受信機,82…基準局コントローラ,87…無線機
Claims (9)
- 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,
前記上部旋回体に取り付けられた多関節型の作業装置と,
前記作業装置及び前記上部旋回体の姿勢を検出するための複数の姿勢センサと,
前記上部旋回体に取り付けられ,複数の測位衛星からの衛星信号を受信するための測位アンテナと,
前記測位アンテナで受信される衛星信号に基づいて前記測位アンテナの位置を演算する受信機と,
前記複数の姿勢センサの検出信号に基づいて,前記作業装置の姿勢と前記上部旋回体の姿勢とを演算するコントローラとを備えた作業機械において,
前記コントローラには,前記受信機による前記測位アンテナの位置の演算に利用する測位衛星を選択するために,前記作業装置及び前記上部旋回体の姿勢に基づいて前記測位アンテナを基準に設定される大きさの異なる複数のマスク範囲が記憶されており,
前記コントローラは,前記複数のマスク範囲のそれぞれを利用して測位衛星を選択した場合のそれぞれの測位精度と,前記複数のマスク範囲のいずれも利用することなく測位衛星を選択した場合の測位精度とを含む複数の測位精度を,選択した前記測位衛星の衛星関連データに基づいて演算し,
前記受信機は,前記複数の測位精度のうち最も測位精度が良い場合に選択した前記測位衛星の衛星信号に基づいて前記測位アンテナの位置を演算する
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,
前記複数のマスク範囲には,
前記測位アンテナが衛星信号を受信する際に前記作業装置が障害物となり得る範囲に設定された第1マスク範囲と,
前記第1マスク範囲に包含される範囲に設定された第2マスク範囲と
が含まれていることを特徴とする作業機械。 - 請求項2の作業機械において,
前記第1マスク範囲は,演算した前記上部旋回体の姿勢と,前記作業装置の最大可動領域とに基づいて,前記測位アンテナが衛星信号を受信する際に前記作業装置が障害物となり得る最大範囲に設定されており,
前記第2マスク範囲は,演算した前記上部旋回体の姿勢と,演算した前記作業装置の姿勢とに基づいて,前記作業装置の姿勢演算時における前記作業装置が,前記測位アンテナが前記複数の測位衛星から衛星信号を受信する際に障害物となる範囲に設定されている
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項2または3の作業機械において,
前記コントローラは,
前記第1マスク範囲を利用した第1の場合における前記衛星関連データに基づいて前記第1の場合における測位精度である第1測位精度を演算し,
前記第2マスク範囲を利用した第2の場合における前記衛星関連データに基づいて前記第2の場合における測位精度である第2測位精度を演算し,
いずれのマスク範囲も利用しない第3の場合における前記衛星関連データに基づいて前記第3の場合における測位精度である第3測位精度を演算し,
前記受信機は,前記第1測位精度,前記第2測位精度および前記第3測位精度の中で最も測位精度が良い場合に選択される測位衛星の衛星信号に基づいて前記測位アンテナの位置を演算する
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項2または3の作業機械において,
前記コントローラは,
前記第1マスク範囲を利用した第1の場合における前記衛星関連データに基づいて前記第1の場合における測位精度である第1測位精度を演算し,
前記第2マスク範囲を利用した第2の場合における前記衛星関連データに基づいて前記第2の場合における測位精度である第2測位精度を演算し,
いずれのマスク範囲も利用しない第3の場合における前記衛星関連データに基づいて前記第3の場合における測位精度である第3測位精度を演算し,
前記受信機は,前記第1測位精度が前記第2測位精度よりも測位精度が良い場合には,前記受信機は,前記第1マスク範囲を利用した場合に選択される測位衛星の衛星信号に基づいて前記測位アンテナの位置を演算する
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項5の作業機械において,
前記第1測位精度が前記第2測位精度と測位精度が同じ又は悪い場合であって,前記第2測位精度が前記第3測位精度よりも測位精度が良い場合には,前記受信機は,前記第2マスク範囲を利用した場合に選択される測位衛星の衛星信号に基づいて前記測位アンテナの位置を演算する
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項6の作業機械において,
前記第1測位精度が前記第2測位精度と測位精度が同じ又は悪い場合であって,前記第2測位精度が前記第3測位精度と測位精度が同じ又は悪い場合には,前記受信機は,いずれの衛星マスクも利用することなく選択される測位衛星の衛星信号に基づいて前記測位アンテナの位置を演算する
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,
前記衛星関連データには,測位に利用可能な測位衛星の数と,測位に利用可能な測位衛星の配置と,測位に利用可能な測位衛星の衛星信号のSN比とのうち少なくとも1つが含まれ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,
前記測位アンテナは第1測位アンテナであり,
前記上部旋回体に取り付けられ,前記複数の測位衛星からの衛星信号を受信するための第2測位アンテナをさらに備え,
前記受信機は,前記第1測位アンテナ及び前記第2測位アンテナの2つの測位アンテナで受信される衛星信号に基づいて,前記2つの測位アンテナ間の方位を演算し,
前記コントローラは,前記第1測位アンテナの位置と,前記2つの測位アンテナ間の方位とに基づいて,前記上部旋回体の方位を演算し,
前記複数のマスク範囲は,前記作業装置及び前記上部旋回体の姿勢と,前記上部旋回体の方位とに基づいて設定されている
ことを特徴とする作業機械。
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