JPH09500700A - 作業機械の位置と方向を決定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 作業用地での掘削用具（１２０）の位置を求めるための装置（７０２、７０４、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６）が提供される。装置（７０２、７０４、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６）は、アンダーキャリッジ（１０６）と、該アンダーキャリッジ（１０６）に回転可能に接続された車体（１０４）と、該車体（１０４）に接続されたレシーバ（１２５）と、３次元空間でのレシーバ（１２５）の位置を求める位置決めシステム（７０４、８０５、８０６）と、円弧に沿う複数の点でレシーバ（１２５）の位置を求める位置決めシステム（７０４、８０４、８０６）と、複数の点の位置に応じて車体（１０４）の位置と方向を求めるプロセッサ（７０４、８１８、８２４）と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】 作業機械の位置と方向を決定する方法と装置 技術分野 本発明は、一般に、作業機械の制御に関する。より詳細には、外部基準に応じ て作業機械の位置と方向を求める方法と装置に関する。 背景技術 エキスカベータ、バックホウ、フロントショベル、等のような作業機械が、掘 削作業に使用されている。これらの掘削機械は、ブーム、スティック、バケット ・リンケージからなる作業用具を有する。ブームの一端は、掘削機械にピボット 式に取付けられ、反対側の端部にはスティックがピボット式に取付けられる。バ ケットが、該スティックの自由端にピボット式に取付けられる。作業用具リンケ ージのそれぞれが、垂直面で動作するように、少なくとも一つの油圧シリンダに よって制御可能に作動される。特に、オペレータは、完全な掘削作業周期を構成 する一連の異なる機能を果たすように作業用具を動かす。 土砂移動の業界では、幾つかの理由から、掘削機械の作業周期を自動化するこ とについての要望が高まりつつある。人間のオペレータと異なって、自動化され た掘削機械は周囲の状況や長期の作業時間にかかわらず、安定した生産力を存続 する。人間に対して危険で、不適当で、望ましくないような場所での適用に関し て、自動化された掘削機械は好都合である。自動化された機械は又、より正確な 掘削ができ、オペレータの技能のどんな欠如も補償する。 多くの努力が、自動掘削アルゴリズムの開発に費やされてきた。この開発にお いて、掘削位置すなわちバケット位置はエキスカベータ車体との関係で表される 。車体位置が知られている場合には、車体が地面に水平に置かれている（傾斜も 前後の倒れもない）かぎり、バケット位置を計算で求めることができる。エキス カベータの方向を変える時、補償のために付加センサを追加して、ピッチとロー ルを求める。ボディの高さを求めるために、レーザシステムが度々、使用されて 、車体上の複数の検出器が方向を求めるために使用される。今のところ、作業用 地内でのエキスカベータのx,y 位置に関して、役に立つ情報は何もない。 本発明は、前述の問題の一つか二つ以上を解決するものである。 発明の開示 開示された発明は、信号センサから作業機械に対してｘ、ｙ、ｚの位置と、ロ ールとピッチ情報を提供する。 本発明の一態様において、作業用地での掘削用具の位置を求めるための装置が 提供される。アンダーキャリッジと、アンダーキャリッジに回転可能に連結され た車体と、車体に連結されたレシーバと、円弧に沿った複数の点でのレシーバの 位置を求めて、３次元空間でのレシーバの位置を求める位置決めシステムと、該 複数の点の位置に応じて車体の位置と方向を求めるプロセッサと、を備える。 本発明の二番目の態様において、アンダーキャリッジと、アンダーキャリッジ に回転可能に接続された車体とを備える作業機械の作業用地での位置を求める方 法を提供する。この方法は、車体を回転し、外部基準信号源からの信号を受け取 り、車体の回転中に、３次元空間でのレシーバの位置を求めて、レシーバの位置 を複数の点で求め、該複数の点の位置に応じて、車体の位置と方向を求める段階 を備える。 本発明は又、図面と明細書をさらに詳細に検討することにより明らかになる他 の目的と利点を持つものである。 図面の簡単な説明 本発明のよりよい理解のために、添付の図について言及する。 図１は、作業用地で作動する油圧式エキスカベータの概略図である。 図２は、作業用地で作動する油圧式エキスカベータの概略図である。 図３は、油圧式エキスカベータの略平面図である。 図４は、機械制御のブロック図である。 図５は、相関システムを説明するブロック図である。 図６は、相関システムを説明するブロック図である。 図７は、相関システムを説明するブロック図である。 図８は、システムの点が基底になるジオメトリーを示す。 図９a から図９e は、本発明の一実施例で使用されるアルゴリズムのフローチ ャートを示す。 発明を実施するための最良の形態 作業機械が図１、図２、図３に示され、エキスカベータ、パワーショベル、等 を備える。作業機械１０２は、アンダーキャリッジ１０６に連結される回転可能 な車体１０４を備える。作業機械１０２は又、ブーム１１０、スティック１１５ 、バケット１２０を備えることができる。ブーム１１０は、ブームピボットピン によって掘削機械１０５にピボット式に設置される。スティック１１５は、ステ ィックピボットピンでブーム１１０の自由端にピボット式に連結される。バケッ ト１２０は、バケットピボットピンでスティック１１５にピボット式に取付けら れる。 図２、図３に示すように、レシーバ１２５が、車体１０４に連結される。該レ シーバは、車体１０４の回転軸から変位して配置し、車体１０４がアンダーキャ リッジ１０６に対して揺動する時、該回転軸の周りを回転するように構成するこ とが有利である。好適実施例では、レシーバ１２５は、例えば（これに限定する ものではないが）、３次元レーザ、衛星測位方式（ＧＰＳ）、衛星測位方式（Ｇ ＰＳ）／レーザの組み合わせ、無線三角測量、マイクロ波、レーダのような外部 基準を伴う既知の３次元位置決めシステムの一部である。レシーバ１２５は用具 リンケージの反対側の車体１０４の背面に設置されるように示されているが、オ ペレータ室の上部のような別の場所も同様に可能であることが明らかである。 図４を参照すると、作業機械１０２に関連した電気油圧システム２００のブロ ック図が示されている。手段２０５が、作業用具１００の位置に応じて位置信号 を発生する。該手段２０５は、ブーム油圧シリンダ、スティック油圧シリンダ、 バケット油圧シリンダでのシリンダ伸び量をそれぞれに感知する変位センサ２１ ０、２１５、２２０を備える。1988年 4月12日にビターに付与された米国特許第 4,737,705 号に述べられた無線周波数のセンサを使用することができる。 バケット位置は又、作業用具接合角測定値から導き出せる。作業用具位置信号 を発生する他の装置は、例えば、ブーム１１０とスティック１１５とバケット１ ２０との間の角度を測定する回転ポテンショメータのような回転角センサを備え る。作業用具位置は、油圧シリンダ伸張測定値、又は三角関数の方法による接合 角測定値のどちらか一方から計算できる。バケット位置を測定するそのような技 術は当業者には公知であり、例えば、1976年12月14日にティーチにより付与され た米国特許第3,997,071 号と、1983年 3月22日にイヌイにより付与された米国特 許第4,377,043 号とに見出せる。 回転ポテンショメータのような、作業用具ピボット点に設置されたスイング角 センサ２４３が、スイング軸の周囲で作業用具回転量に対応する角測定値を発生 する。 位置信号が、信号調整器２４５に伝えられる。該信号調整器２４５は、通常の 信号励磁と濾過を与えるものである。例えば、メジャーメンツ・グループ・イン コーポレーテッドによって製造されたビシャイ信号調整増幅器２３００システム が、そのような目的に使用できる。調整された位置信号が、論理手段２５０に伝 えられる。論理手段２５０は、ソフトウェアプログラムによるプロセスを制御す るために算術演算装置を利用するようなマイクロプロセッサをベースとするシス テムである。特に、プログラムは、読み取り専用メモリ、又はランダムアクセス メモリ、又は同様のものに記憶される。プログラムは、以下に述べる種々のフロ ーチャートとの関係で表される。 論理手段２５０が、２つの別の信号源、すなわち、複数のジョイ・スティック 制御レバー２５５とオペレータインタフェース２６０からの入力を含む。制御レ バー２５５は、作業用具の手動制御を備える。制御レバー２５５の出力が、バケ ット運動方向と速度を求める。 インタフェース２６０のための装置は、英数字キーパッドのついた液晶ディス プレイスクリーンを備えることができる。接触感応スクリーンを採用することも 又、適当である。さらに、オペレータインタフェース２６０は又、オペレータに 対して種々の掘削条件調整をするように複数のダイアルとかスイッチを備えるこ とができる。 図５に本発明の方法を図式的に示す。作業用地内で機械が作動する時、例えば （これに限定するものではないが）、３次元レーザ、衛星測位方式（ＧＰＳ）、 衛星測位方式（ＧＰＳ）／レーザの組み合わせ、無線三角測量、マイクロ波、レ ーダのような外部基準を持つ既知の３次元位置測定システムを使用して、レシー バ位置座標がブロック６０２により求められる。これらの座標は、一連の個別の 点として即座に６０４において識別アルゴリズムに供給される。そして、位置と 方向の情報がディスプレイ段階６１０でオペレータに利用可能にされ、人間が解 読可能な形式で、前もって測量した作業用地での作業機械１０２の実時間位置表 示を与える。ディスプレイからの情報を使用して、オペレータは、６１２で機械 の手動制御を有効にモニターし、制御することができる。 これに加えて、又はこれに代わるものとして、ダイナミック更新情報を６１４ で自動機械制御システムに供給することができる。例えば、オペレータの提案し た作用が機械に負荷をかけ過ぎると、この制御は、機械作業を最小限度に少なく し、手動制御を制限するようにオペレータアシストを与えることができる。別の 場合には、ダイナミック・データ・ベースからの用地更新情報を使用して、完全 に自動的な機械／器具制御を与えることができる。 図６を参照すると、ＧＰＳ信号を受け取り、本発明を実行するように処理する ことができる装置がブロック図形式で示されており、この装置は、局所参照アン テナと衛星アンテナのついたＧＰＳレシーバ装置７０２と、識別アルゴリズムを 用い、７０２からの位置信号を受け取るように接続されたデジタルプロセッサ７ ０４と、プロセッサ７０４によってアクセスされ、更新されたデジタル記憶検索 設備７０６と、プロセッサ７０４からの信号を受け取るような７０８でのオペレ ータディスプレイ或いは自動機械制御と、を備える。 ＧＰＳレシーバシステム７０２は、地球規模の位置を測定する衛星からの信号 を受け取る衛星アンテナと、局所参照アンテナと、を備える。ＧＰＳレシーバシ ステム７０２は、移動する物体に対してセンチメートル精度で３次元での位置座 標データを生じるように、衛星アンテナからの位置信号と、局所参照アンテナか らの微分修正信号と、を使用する。他の方法として、参照アンテナからの未処理 のデータをこのシステムによって処理して、位置座標データを求めることができ る。 ＧＰＳレシーバ７０２の座標サンプリング速度が許せば、この位置情報は、実 時間基準でデジタルプロセッサ７０４に供給される。デジタル記憶設備７０６が 、作業用地の用地モデルを記憶する。機械位置と用地モデルが、用地にわたって 機械の作動を指図するように７０８でオペレータ・ディスプレイ、又は自動機械 制御に供給される。 図７を参照すると、図６によるシステムのもっと詳細な図式が、位置基準信号 に対して運動学的ＧＰＳを使用して示される。基準参照モジュール８０２と位置 モジュール８０４が同時に用地に関するレシーバ１２５の３次元座標を決定し、 一方、機械とバケット位置のモジュール８０６が、この位置情報を機械を正確に モニターし、制御するために使用できるような機械、バケット、作業用地の実時 間表示に変換する。 基準参照モジュール８０２が、固定ＧＰＳレシーバ８０８と、該レシーバ８０ ８からの入力を受け取るコンピュータ８１０と、コンピュータ８１０に一時的に 或いは永久的に記憶される標準レシーバＧＰＳソフトウェア８１２と、標準コン ピュータモニタスクリーン８１４と、デジタルデータ・ストリームが送信可能で コンピュータに接続する、デジタルトランシーバ型無線８１６と、を備える。実 施例では、基準参照レシーバ８０８は、高精度の運動学的ＧＰＳレシーバであり 、コンピュータ８１０は、例えば、ハード駆動、８メガバイト・ランダム・アク セス・メモリ（ＲＡＭ）、２つの連続連結ポート、プリンタポート、外部モニタ ポート、外部キーボードポート、を持つ486DX コンピュータであり、モニタスク リーン８１４は、受動マトリックスカラー液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、又はＶ ＧＡのような他の適当なディスプレイ型であり、無線８１６は商業的に入手可能 なデジタルデータトランシーバである。 位置モジュール８０４は、整合運動学的ＧＰＳレシーバ１２５と、レシーバ１ ２５からの入力を受け取る整合コンピュータ８１８と、該コンピュータ８１８に 永久的に或いは一時的に記憶される運動学的ＧＰＳソフトウェア８２０と、基準 参照モジュール８０２内の無線８１６から信号を受け取る整合デジタルトランシ ーバ型無線８２２と、を備える。実施例において、作業用地にわたって共に移動 するように位置モジュール８０４は採掘ショベル上に配置される。 図示された実施例で又、機械に搭乗された機械及びバケット位置モジュール８ ０６は、付加的論理手段２５０を備え、位置モジュール８０４からの入力と、デ ジタル式にコンピュータメモリに記憶又はロードされた１つ又は２つ以上のデジ タル化した用地モデル８２６と、又、論理手段２５０のメモリに記憶又はロード されたダイナミックデータベース更新モジュール８２８と、論理手段２５０に連 結されたカラーディスプレイスクリーンを備えるオペレータインタフェース２６ ０と、を受け取る。オペレータインタフェース２６０の代わりに、又はそれに加 えて、自動機械制御は、自律的又は半自律的方法で機械を作動する信号を受け取 るようにコンピュータに接続されることができる。さらに、論理手段２５０に対 して作業機械１０２の作動による情報を供給する時、図４に示されたセンサと入 力が又、論理手段２５０に連結される。 機械及びバケット位置モジュール８０６が移動機械に設置されて示されるが、 ある部分又は全部の部分が遠隔的に配置されてよい。例えば、論理手段２５０、 用地モデル８２６、ダイナミック・データベース８２８は、無線データリンクに よって位置モジュール８０４とオペレータインタフェース２６０に連結すること ができる。次いで、位置及び用地更新情報は、ディスプレイ或いは機械上又は機 械の外にいるオペレータ又は管理者によって使用するために機械に向けて、或い は機械から無線放送されることができる。 基準参照局８０２は、作業用地に対し既知の３次元座標の点で固定される。基 準参照局８０２が、レシーバ８０８を通してＧＰＳ衛星集合体から位置情報を受 け取り、標準ＧＰＳソフトウェア８１２を使用して、ある瞬間に起きる誤差量又 は修正係数を既知の方法で引き出す。この修正係数は、無線リンク８１６、８２ ２を介して移動機械上の基地局８０２から控地局８０４に無線放送される。他の 場合には、未処理位置データが、無線リンク８１６、８２２を介して基地局８０ ２から控地局８０４に送られ、コンピュータ８１８によって処理される。 機械 設置レシーバ１２５が衛星集合体から位置情報を受け取り、一方、運動学的ＧＰ Ｓソフトウェア８２０が、数センチメートルの範囲内で基地局８０２と作業用地 に関係したレシーバ１２５の位置を求めるために、レシーバ１２５からの信号と 基地局８０２からの修正係数とを組み合わせる。この位置情報は、３次元（例え ば、緯度と経度と高度、Ｘ座標とＹ座標とＺ座標、等）であり、ＧＰＳシステム のサンプリング速度による一点ごとの基底で有効である。 機械及びバケット位置モジュール８０６を参照すると、用地のデジタル化され たプラン又はモジュールが論理手段２５０にロードされると、位置モジュール８ ０４から受け取った位置情報が、用地上で機械の実際の位置と方向に対応するオ ペレータインタフェース２６０上の実際の用地モデルに載せられた機械のグラフ ィックアイコンを発生するように、データベース８２８と同時に論理手段２５０ によって使用される。 機械が作動する時、位置モジュール８０４のサンプリング速度が、位置座標点 間での時間／距離遅延を生じるので、実時間でレシーバ１２５の経路を求め、更 新するために、本発明のダイナミック・データベース８２８は、識別アルゴリズ ムを使用する。 用地に関する機械の精密な位置の知識と、用地についてのデジタル化表現と、 それについての機械の進行により、オペレータは、用地の表面にわたって配置さ れた物理的目印を当てにすることなく材料を掘削するようにバケットを操縦でき る。オペレータが作業用地内で機械を作動する時、ダイナミック・データベース ８２８は、用地に関係する機械の位置と、バケットの位置と方向との両方を動的 に更新するように、モジュール８０４からの入力位置情報を読み取り、操縦し続 ける。 作業機械１０２には、高精度の機械の位置を測定することができる位置決めシ ステムが備えつけてあり、好適実施例において、車体１０４に関係して固定され た既知の座標で、位相微分ＧＰＳレシーバ１２５が機械に設置される。機械設置 レシーバ１２５は、図７に述べられるように、無線リンク８１６、８２２を介し て、ＧＰＳ集合体からの位置信号と基準参照レシーバ８０８からの誤差／修正信 号とを受け取る。３次元空間での位置を正確に測定するように、システムが衛星 信号と、基準参照レシーバ８０８からの誤差／修正信号との両方を使用する。他 の場合には、未修正位置データを、基準参照モジュール８０２から送信すること ができ、同じ結果を得るように機械設置レシーバシステムによって既知の様式で 処理される。本発明と共に使用するための運動学的ＧＰＳ上の情報と適当なシス テムは、例えば、ハッチに付与された、1989年 3月14日付けの米国特許第4,812, 991 号と、1990年10月16日付けの米国特許第4,963,889 号に見出すことができる 。外部基準点からの運動学的ＧＰＳ又は他の適当な３次元位置信号を使用して、 作業機械１０２が作業用地内で作動する時、レシーバ１２５の位置を、数センチ メートルの範囲内で一点ごとの基底上で正確に測定することができる。実例とな る位置決めシステムを使用する座標点に対する本発明のサンプリング速度は、１ 秒につきおよそ１点である。 基準レシーバ８０８の座標は、ＧＰＳ位置決め又は従来の測量術のような、ど んな既知の様式によっても測定することができる。空港のような固定され、国に より測量された場所にＧＰＳ参照点を配置する試みが又、米国内又は外国でとら れつつある。基地局がそのような国により測量された場所及び局所的ＧＰＳレシ ーバの範囲内（現在はおよそ38120 キロメートル（２０マイル））であると、該 局所的レシーバを基準参照点として使用することができる。任意に、三脚台設置 ＧＰＳレシーバと中継放送送信機を有する８０８のような携帯用レシーバを、使 用することができる。携帯用レシーバ８０８は、作業用地、又はその近隣で測量 される。 好適実施例において、詳細な地形的構図を提供するように、前もって作業用地 を測量しておく。ごみ処理地、鉱業場、建設用地のような光学的測量や他の技術 を伴う用地の地理的、又は地形的構図の創設は当業者には公知であり、標点が用 地にわたって格子上でプロットされ、構図上で用地輪郭を作るように連結又は補 充される。標点の数が多い程、マップの詳細さが増す。 現在は、システムとソフトウェアが、地理的用地のデジタル化された３次元マ ップを作るために役に立つ。例えば、敷地計画は、最初の用地の地理、又は地形 の３次元のデジタル化されたモデルに変えることができる。用地輪郭は、既知の 様式で均一な格子構成要素の基準格子の上に重ねることができる。デジタル化さ れた敷地計画は、重ねられ、種々の角度（例えば、側面の輪郭と平面図）から２ 次元又は３次元で検分され、用地が掘削されることを要する範囲を明示するよう に色分けすることができる。また、入手可能なソフトウェアによって費用の見積 を行ったり、地面の上、又は下の種々の用地の特徴と障害物を表示することがで きる。 作業用地内で作業機械の位置と方向が論理手段２５０によって得られると、作 業機械自身に対してではなく、むしろ作業用地に対して掘削を制御するように、 このデータは、既知の自動掘削システムによって使用することができる。本発明 に関して有効な自動掘削システムの例が、1991年11月12日にサームに付与された 米国特許第5,065,326 号で開示されている。 図４で以前に図示されたリンケージ位置センサが、エキスカベータの回転の中 心に対してバケットの位置を示すように、既知の方法によって利用される。以下 に述べるアルゴリズムによって得られる機械基準フレームでのバケットの位置及 び方向と、外部基準フレームでの機械の位置及び方向と、を組み合わせることに よって、既知の幾何学的平行移動を使用してバケットの位置と方向を変換し、外 部基準フレーム内でのバケットの位置と方向を確定することができる。このよう に、作業用地に関してバケットの位置が、調整され、制御される。 図８を参照すると、車体１０４の位置と方向と、論理手段２５０によって実行 されるバケット１２０の位置との計算が、説明される。以下に述べるように、エ キスカベータのロールとピッチは左右と前後スロープに関係する。エキスカベー タは回転するので、多くの作動環境においてオペレータの視野からロールとピッ チは絶えず変化する。それゆえに、車体１０４が回転する平面の方程式が計算さ れ、この方程式から、スロープ、又はロールとピッチが所望のどんな基準のフレ ームを使用してもディスプレイすることができる。非常に一般的な基準のフレー ムの２つが、南北（Ｎ−Ｓ）と東西（Ｅ−Ｗ）、又は機械前後軸に対して並行方 向と横方向によって決定される、垂直な軸を使用することによって、表面にディ スプレイされる。 以下に表示した計算で、レシーバ１２５によって抽出された３点のｘ，ｙ，ｚ 座標から平面の方程式を求める。平易に理解するために、任意の値がサンプル計 算を与えるように選択されたが、使用されるどんな値も、本発明とこれらの式の 大部分をどんな方法においても制限するものではない。 抽出された３点を通る回転の平面を計算する。 pt1=(pt1x,pt1y,pt1z) （１，１，３）PNT1 pt2=(pt2x,pt2y,pt2z) （７，２，２）PNT2 pt3=(pt3x,pt3y,pt3z) （２，５，１）PNT3 pt1x^* A+pt1y^* B+pt1z^* C+D=0 pt2x^* A+pt2y^* B+pt2z^* C+D=0 pt3x^* A+pt3y^* B+pt3z^* C+D=0 前述の式を解くことにより、以下の解が得られる。 -.02439 ^* pt＿x-.13414 ^* pt＿y-.28049 ^* pt＿z+1=0 一つの単純な例において、オペレータは、北（この例において正のｙ方向）に 向かっていると仮定する。左右のロールが、正のｙ方向に垂直な平面上に、任意 の２つのｘの値を選び、ｚの値を計算することによって計算される。 X=0，Y=0，Z=3.56519 X=7，Y=0，Z=2.9565 Side-Side roll=(2.9565-3.56519)/(7-0)=.08696 西より東が高い状態 =4.96度 同様に、前後のピッチが計算できる。 X=7，Y=0，Z=3.56519 X=7，Y=5，Z=1.17402 Fore-Aft pitch=(1.17402-3.56519)/(5-0)=.47823 北より南が高い状態 =25.56度 好適実施例において、アンテナの回転と抽出された３つの点によって説明され た円弧の回転の中心が、３平面の交わりを定めることにより求められる。一つの 平面は、アンテナの回転によって求められる。２番目の平面は、点１と点２を結 ぶ線に垂直で、その中点を通って拡がっている。３番目の平面は、点２と点３を 結ぶ線に垂直で、その中点を通って拡がっている。レシーバ回転の回転の中心を 求めるためのサンプル計算が、以下に記される。 次の２点の中点を通って、点１と点２を結ぶ線に垂直な平面を計算する。 pt1=(pt1x,pt1y,pt1z) （１，１，３） pt2=(pt2x,pt2y,pt2z) （７，２，２） midpt＿1＿2=((pt1x+pt2x/2,(pt1y+pt2y)/2,(pt1z+pt2z)/2) midpt＿1＿2=( 4,1.5,2.5) dir＿num＿x=pt2x-pt1x=6 dir＿num＿y=pt2y-pt1y=1 dir＿num＿z=pt2z-pt1z=-1 dir＿num＿x、dir＿num＿y、dir＿num＿zが、それぞれにｘ、ｙ、ｚでの方向 比を示す。 0=dir＿num＿x ^* (X-midpt＿1＿2＿x)+dir＿num＿y ^* (Y-midpt＿1＿2＿y) +dir＿num＿z ^* (Z-midpt＿1＿2＿z) midpt＿1＿2＿x、midpt＿1＿2＿y、midpt＿1＿2＿zが、それぞれに点１と点２ を結ぶ線の中点のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標を示す。 平面の方程式の解を与える。 0=6pt＿x+pt＿y-pt＿z-23 同様に、点２と点３を結ぶ線の中点を通り、垂直な平面を計算する。 pt2=(pt2x,pt2y,pt2z) （７，２，２） pt3=(pt3x,pt3y,pt3z) （２，５，１） midpt＿2＿3=((pt2x+pt3x/2,(pt2y+pt3y)/2,(pt2z+pt3z)/2) midpt＿2＿3=(4.5,3.5,1.5) dir＿num＿x=pt3x-pt2x=-5 dir＿num＿y=pt3y-pt2y=3 dir＿num＿z=pt3z-pt2z=-1 0=dir＿num＿x ^* (X-midpt＿2＿3＿x)+dir＿num＿y ^* (Y-midpt＿2＿3＿y) +dir＿num＿z ^* (Z-midpt＿2＿3＿z) 0=-5pt＿x+3pt＿y-pt＿z+13.5 回転の平面と、点１と点２の中点に垂直な平面と、点２と点３の中点に垂直な平 面との間の交わりの点を計算する。 -.02439 ^* pt＿x-.13414 ^* pt＿y-.28049 ^* pt＿z+1=0 =回転の平面 6pt＿x+pt＿y-pt＿z-23=0 =点１と点２の中点に垂直な平面 -5pt＿x+3pt＿y-pt＿z+13.5=0 =点２と点３の中点に垂直な平面 23pt＿y-11pt＿z-34=0 =中点を通る、２平面の交わり レシーバの回転の中心点を計算する。 -.02439 ^* pt＿x-.13414 ^* pt＿y-.28049 ^* pt＿z+1=0 6pt＿x+pt＿y-pt＿z-23=0 pt＿y=-2.1876pt＿z+6.96909 pt＿z＿ant＿rot＿center= 2.05968 pt＿y＿ant＿rot＿center=(11pt＿z+34)/23= 2.46333 pt＿x＿ant＿rot＿center=(-pt＿y+pt＿z+23)/6= 3.76606 レシーバ１２５は車体１０４に対して固定されているので、回転の半径と地面 上の高さは、既知である。車体回転の線と地面の交わりは、以下に示すように計 算することができる。z座標は機械のすぐ下の地面の高度を示すので、この点は 重要である。 以前に引き出されたようなアンテナ回転の中心を通る平面に垂直な線の方程式は 以下の通りである。 -.02439 ^* pt＿x-.13414 ^* pt＿y-.28049 ^* pt＿z+1=0 pt＿x＿ant＿rot＿center=3.76606 pt＿y＿ant＿rot＿center=2.46333 pt＿z＿ant＿rot＿center=2.05968 pt＿x＿gnd＿rot＿center=3.76606-.02439t pt＿y＿gnd＿rot＿center=2.46333-.13414t pt＿z＿gnd＿rot＿center=2.05968-.28049t 仮の高度=5=((-.02439t)^2+(.13414t) ^2+(.28049t) ^2)^.5 5=.31187t；t=16.03231 pt＿x＿gnd＿rot＿center=3.76606-.02439t=3.37503 pt＿y＿gnd＿rot＿center=2.46333-.13414t= .31276 pt＿z＿gnd＿rot＿center=2.05968-.28049t=2.43722 pt＿x＿gnd＿rot＿center、pt＿y＿gnd＿rot＿center、 pt＿z＿gnd＿rot＿centerは、それぞれ、地面での回転の軸の交わりのｘ座標、 ｙ座標、ｚ座標である。 ここで、周囲に対する作業機械をディスプレイするために、十分な情報がわか っている。外部基準フレームでの作業機械の既知の位置及び方向に関して、外部 基準フレームでのバケットの位置が、外部基準フレームと機械基準フレーム内の バケットの位置との間で既知の運動学的平行移動を使用することによって得られ 、センサから得た信号を図４について説明した。 本発明の一実施例において、論理手段２５０によって実行される予定のアルゴ リズムのフローチャートを図９a −図９e に示す。ＧＰＳ基地局８０２、作業機 械１０２、機内搭載電子機器が、ブロック１２０２で始動される。機械構造と用 地データが、それぞれにブロック１２０４と１２０６でのデータベース８２８か ら論理手段２５０にアップロードされる。ブロック１２０８内に表示される変数 と標識が、初期設定される。レシーバ１２５のＧＰＳ位置が抽出され、ブロック １２１０で時刻印をおされる。 用具制御信号が、ブロック１２１２で抽出される。走行指令が、走行に関連し た制御レバー２５５が作動しているかどうかを求めることによって、ブロック１ ２１４で抽出される。走行指令がブロック１２２６で「真」であると、静止セッ トアップ標識と回転セットアップ標識が「偽」に等しくセットされ、制御がブロ ック１２６２に移行する。同様に、回転セットアップがブロック１２２８で「真 」であると、ブロック１２６２への移行を制御する。静止セットアップがブロッ ク１２３０で「真」であると、制御がブロック１２３８に移行する。 オペレータは、機械が静止初期化の準備ができていることを示すために、オペ レータインタフェースに備えられたキーパッドを使用する。静止のための準備標 識が「真」に等しくセットされると、レシーバ１２５位置が所定の時間の長さに 対して抽出され、平均化される。「静止セットアップ実行」の用語は、オペレー タョンインタフェース２６０上にディスプレイされ、静止セットアップ標識がブ ロック１２３６で「真」に等しくセットされる。 ブロック１２３０、１２３４、１２３６に関して説明した静止セットアップル ーチンは一般論としてのみであり、一実施例のみを表す。第一点がブロック１２ ２６でほぼ０に等しい走行指令に応じて自ダイナミックに抽出され、アルゴリズ ムが回転セットアップを開始するようにブロック１２３８に前進する静止セット アップなしに、図９のアルゴリズムは操作できる。 ブロック１２３８で、オペレータインタフェース２６０がメッセージ「車体を スイングせよ」をディスプレイする。車体がスイングすることを示すスイングセ ンサ２４３に応じてスイング指令が「真」である時、オペレータがキーパッドを 介して、ブロック１２４２で回転抽出を遂行することを示すまで、運動学的ＧＰ Ｓシステムによって引き出されたレシーバの位置が規則正しい間隔で記憶される 。しかし、３点が得られるまで、オペレータは回転セットアップを終結すること を妨げる。オペレータインタフェース２６０は、「回転セットアップが遂行する 」ことを示し、回転セットアップ標識が「真」に等しくセットされる。機械位置 カウントが、ブロック１２４６で増加される。 レシーバ１２５の回転の平面が、図８に関連して上述したようにブロック１２ ４８内で計算される。採掘シャベルの作動の間、処理時間を節約するように、３ ６０°の回転のそれぞれに対する車体の前後のピッチと左右のロールを、論理手 段２５０がブロック１２５０で計算する。計算の回数を増加することによって、 もっと精密なコースに到達できる。 ブロック１２５２で、レシーバ回転の平面の回転の中心が、図１０について前 述したように計算される。車体１０６の平面に垂直な回転の線の方程式が、ブロ ック１２５６で計算される。地面での回転の線の交わりの座標が、ブロック１２ ６０で決定される。レシーバ１２５の位置と、前述の計算された値と、図４で示 したセンサからの信号とに応じて、バケット１０８の位置がブロック１２６２で 決定される。 走行指令が、ブロック１２６４で真であることと、現在レシーバ位置と最終の レシーバ位置とが、作業機械１０２の位置を計算するために使用される。好適実 施例では、車体１０４の前面がアンダーキャリッジ走行の方向に向かっている時 だけ、走行が生じることを意図する。走行の間、この仮定が機械の軌道を平易に する。 他の場合には、作業機械の位置が計算されるのみであり、円周の定義に適合す る抽出された点に応じて、作業用地に機械がディスプレイされる。アンダーキャ リッジが固定される時のみ、これは一般に生じるであろう。 作動において、本発明は、作業機械１０２の位置と方向を求めるための単純な システムを提供する。運動学的ＧＰＳシステムが作業機械１０２上に設置される ので、測定可能な量によって回転の中心から離れる。車体が左右に回転する時、 レシーバ１２５は円弧を描く。この円弧は単平面（ｘ）にあるか、又はある角度 に沿って傾斜されたり、ある角度に沿って傾けられたりのどちらか一方である。 ｘ、ｙ、ｚでのトレースを計算することによって、エキスカベータの台の傾斜角 が計算される。入手可能なパラメタを組み合わせて、ｘ、ｙ、ｚでの機械の位置 とその位置での機械のロールとピッチが、計算される。 この発明の精神及び範囲から逸脱することなしに広範囲に異なる実施態様を構 成することができることは明白なので、この発明は添付の特許請求において限定 した以外はその特定の実施態様に制約されるものではない。 本発明の他の目的と利点は、図面と説明及び添付の特許請求の範囲から明らか になるであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ザーム ウィリアム シー アメリカ合衆国 イリノイ州 61615 ピ オーリア ノース スリーピー ハロウ 10621

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．アンダーキャリッジ（１０６）と、 該アンダーキャリッジ（１０６）に回転可能に接続された車体（１０４）と、 該車体（１０４）に接続されたレシーバ（１２５）と、 ３次元空間で前記レシーバ（１２５）の位置を求める位置決めシステム手段（ ７０４、８０４、８０６）と、 前記レシーバ（１２５）が円弧を介して移動し、前記位置決めシステム手段（ ７０４、８０４、８０６）が前記円弧に沿って複数の点で前記レシーバ（１２５ ）の位置を求める前記車体（１０４）を回転する手段（２００、７０４、８３０ ）と、 ３つ又は４つ以上の複数の前記点の位置に応じて前記車体（１０４）の位置を 求める処理手段（７０４、８１８、８２４）と、 を備えることを特徴とする作業用地での掘削用具（１２０）の位置を求める装置 （７０２、７０４、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６）。 ２．前記処理手段（７０４、８１８、８２４）が、前記レシーバ（１２５）の 回転面を求めることを特徴とする請求項１に記載の装置（７０２、７０４、７０ ６、７０８、８０２、８０４、８０６）。 ３．前記処理手段（７０４、８１８、８２４）が、前記レシーバ（１２５）の 回転の中心を計算することを特徴とする請求項２に記載の装置（７０２、７０４ 、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６）。 ４．前記処理手段（７０４、８１８、８２４）が、地面で前記レシーバ（１２ ５）の回転の軸の交点の位置を求めることを特徴とする請求項１に記載の装置（ ７０２、７０４、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６）。 ５．前記処理手段（７０４、８１８、８２４）が車体（１０４）の完全な回転 に対して前後のピッチと左右のロールの表を計算することを特徴とする請求項１ に記載の装置（７０２、７０４、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６）。 ６．アンダーキャリッジ（１０６）と、 該アンダーキャリッジ（１０６）に回転可能に接続された車体（１０４）と、 該車体（１０４）に接続された用具リンケージ（１１０、１１５）と、 掘削用具（１２０）を備える前記用具リンケージ（１１０、１１５）の構成を 示すリンケージ信号を発生する１つ又は２つ以上のセンサ手段（２１０、２１５ 、２２０）と、 前記車体（１０４）に接続されたレシーバ（１２５）と、 ３次元空間での前記レシーバ（１２５）の位置を求める位置決め手段（７０４ 、８０４、８０６）と、 前記レシーバ（１２５）が円弧に沿って移動し、前記位置決め手段（７０４、 ８０４、８０６）が前記円弧に沿って複数の点で前記レシーバ（１２５）の位置 を求めるように前記車体（１０４）を回転する手段（２００、７０８、８３０） と、 ３つ又は４つ以上の複数の前記点と前記リンケージ信号に応じて、前記掘削用 具（１２０）の位置を求める処理手段（２０５、７０４、８１８、８２４）と、 を備えることを特徴とする作業用地での掘削用具（１２０）の位置を求める装置 （７０２、７０４、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６）。 ７．前記処理手段（２０５、７０４、８１８、８２４）が、地面で前記レシー バ（１２５）の回転の軸の交点の位置を求めることを特徴とする請求項６に記載 の装置（７０２、７０４、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６）。 ８．前記処理手段（２０５、７０４、８１８、８２４）が、車体の完全な回転 に対して前後のピッチと左右のロールの表を計算することを特徴とする請求項６ に記載の装置（７０２、７０４、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６）。 ９．前記車体（１０４）を回転し、 外部基準信号源（８０２）からの信号を受け取り、 前記レシーバ（１２５）の位置が円弧に沿った複数の点で決定される前記車体 （１０４）が回転するとき、３次元空間でのレシーバの位置を決定し、 ３つ又は４つ以上の複数の前記点の位置に応じて、前記車体（１０４）の位置 を求める、 段階を備える、アンダーキャリッジ（１０６）と、該アンダーキャリッジ（１０ ６）に回転可能に接続された車体（１０４）とを備える作業機械（１０２）の作 業用地での位置を求める方法（６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、６１ ２、６１４）。 １０．前記レシーバ（１２５）の回転面を求める段階を備えることを特徴とす る請求項９に記載の方法（６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、６１２、 ６１４）。 １１．前記レシーバ（１２５）の回転の中心を計算する段階を備えることを特 徴とする請求項１０に記載の方法（６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、 ６１２、６１４）。 １２．地面で前記レシーバ（１２５）の回転の軸の交点の位置を求める段階を 備えることを特徴とする請求項９に記載の方法（６０２、６０４、６０６、６０ ８、６１０、６１２、６１４）。 １３．車体の完全な回転に対して前後のピッチと左右のロールの表を計算する 段階を備えることを特徴とする請求項９に記載の方法（６０２、６０４、６０６ 、６０８、６１０、６１２、６１４）。 １４．作業機械（１０２）が、前記車体（１０４）に接続された用具リンケー ジ（１１０、１１５）と、該用具リンケージ（１１０、１１５）に接続されたバ ケット（１２０）とを備え、 前記用具リンケージ（１１０、１１５）の構成を示すリンケージ信号を発生し て、 前記リンケージ信号と複数の前記点の位置とに応じて、前記バケット（１２０ ）の位置を求める、 段階を備えることを特徴とする請求項９に記載の方法（６０２、６０４、６０６ 、６０８、６１０、６１２、６１４）。 １５．アンダーキャリッジ（１０６）と、 該アンダーキャリッジ（１０６）に回転可能に接続された車体（１０４）と、 該車体（１０４）に接続されたレシーバ（１２５）と、 ３次元空間での前記レシーバ（１２５）の位置を求める位置決めシステム手段 （７０４、８０４、８０６）と、 前記レシーバ（１２５）が円弧を介して移動し、前記位置決めシステム手段（ ７０４、８０４、８０６）が前記円弧に沿って複数の点で前記レシーバ（１２５ ）の位置を求める前記車体（１０４）を回転する手段（２００、７０８、８３０ ）と、 ３つ又は４つ以上の複数の前記点の位置に応じて、前記車体（１０４）の方向 を求める処理手段（７０４、８１８、８２４）と、 を備えることを特徴とする作業用地での掘削用具（１２０）の位置を求める装置 （７０２、７０４、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６）。 １６．処理手段（７０４、８１８、８２４）が、３つ又は４つ以上の複数の前 記点の位置に応じて前記車体（１０４）の位置を求めることを特徴とする請求項 １５に記載の装置（７０２、７０４、７０６、７０８、８０２、８０４、８０６ ）。 １７．前記車体（１０４）を回転し、 外部基準発信源（８０２）からの信号を受け取り、 前記レシーバ（１２５）の位置が円弧に沿った複数の点で決定される前記車体 （１０４）が回転するとき、３次元空間でのレシーバの位置を決定し、 ３つ又は４つ以上の複数の前記点の位置に応じて、前記車体（１０４）の方向 を求める、 段階を備える、アンダーキャリッジ（１０６）と、該アンダーキャリッジ（１０ ６）に回転可能に接続された車体（１０４）とを備える作業機械（１０２）の作 業用地での位置を求める方法（６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、６１ ２、６１４）。 １８．３つ又は４つ以上の複数の前記点の位置に応じて、前記車体（１０４） の位置を求める段階を備えることを特徴とする請求項１７に記載の方法（６０２ 、６０４、６０６、６０８、６１０、６１２、６１４）。