JPWO2021060533A1 - 作業機械 - Google Patents
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Abstract
コントローラは,アンテナの設置位置と,作業装置の可動範囲と,上部旋回体の姿勢と,上部旋回体の方位角とに基づいて,アンテナが複数の測位衛星から測位信号を受信する際に作業装置が障害物となり得る範囲を衛星マスク範囲として設定する。コントローラは,受信機から取得される衛星測位状況データに基づいて衛星マスク範囲の設定が受信機による測位演算精度を却って低下させると判断した場合に衛星マスク範囲の設定を解除する。衛星マスク範囲の設定が解除された場合には,受信機は,複数の測位衛星から送信される測位信号に基づいて上部旋回体の位置を演算する。
Description
本発明は,複数の衛星から受信した衛星信号に基づいて車体の位置を演算し,その演算結果と作業装置の姿勢とに基づいて作業機械上の制御点の位置を演算するコントローラを備えた作業機械に関する。
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,電子情報と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の位置及び姿勢を施工目標面の位置情報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次元座標情報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情報やフロント作業装置の姿勢情報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)の位置情報を演算する為に,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る為,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に記載のものがある。
特許文献1に記載の油圧ショベルでは,測位アンテナよりも上方に位置し得るフロント作業装置等の上部構造体の外面を電波吸収体で覆っており,これにより測位信号が上部構造体で反射して測位アンテナに受信されることを抑制し,位置計測精度の低下抑制を試みている。
しかしながら,特許文献1に記載の技術は,上部構造体(フロント作業装置)で反射する信号(反射波)の影響を低減できるが,上部構造体を回折する信号(回折波)の影響は低減できない。
一般的に油圧ショベルは,フロント作業装置を利用することで,掘削,旋回,放土等の一連の動作を繰り返して作業をおこなう作業機械であり,作業中のフロント作業装置の姿勢は頻繁に変化し得る。フロント作業装置の姿勢が変化すると,フロント作業装置で測位信号が遮られる測位衛星が変化し,それによって測位演算に使用する測位衛星の組合せが変化することがある。測位演算に使用する測位衛星の組合が変化すると,測位結果に大きなばらつきが生じたり,同じ位置で同じ作業を行っている場合でも測位結果の再現性が低下したりすることがある。その結果,フロント作業装置(バケット爪先)の位置演算精度が悪化し,実際に仕上げた面の形状が施工目標面と異なる等の課題が発生し得る。
本発明は上述した課題を解決するためになされたもので,その目的は,測位衛星からの測位信号に基づいて作業機械の位置を高精度に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,前記上部旋回体に回動可能に取り付けられた作業装置と,複数の測位衛星から測位信号を受信するためのアンテナと,前記アンテナで受信された測位信号に基づいて,前記上部旋回体の位置を演算する受信機と,前記上部旋回体及び前記作業装置の姿勢を検出するための姿勢センサと,前記受信機により演算された前記上部旋回体の位置と,前記上部旋回体の方位角と,前記姿勢センサにより検出された前記作業装置の姿勢と,前記作業装置の寸法データとに基づいて,前記作業装置に設定された制御点の位置を演算するコントローラとを備えた作業機械において,前記コントローラは,前記作業装置により精度の要求される作業がされていると判定した場合に,前記アンテナの設置位置と,前記作業装置の可動範囲と,前記姿勢センサにより検出された前記上部旋回体の姿勢と,前記上部旋回体の方位角とに基づいて,前記アンテナが前記複数の測位衛星から測位信号を受信する際に前記作業装置が障害物となり得る前記アンテナの上空視界の範囲をマスク範囲として設定し,前記コントローラが,前記受信機から取得される衛星測位状況データに基づいて前記マスク範囲の設定が前記受信機による前記上部旋回体の位置の演算精度を向上させると判断した第1の場合には,前記受信機は前記複数の測位衛星のうち前記マスク範囲に位置する測位衛星を除いた残りの測位衛星からの測位信号に基づいて前記上部旋回体の位置を演算し,前記コントローラが,前記受信機から取得される衛星測位状況データに基づいて前記マスク範囲の設定が前記受信機による前記上部旋回体の位置の演算精度を低下させると判断した第2の場合には,前記受信機は前記マスク範囲を使用せずに前記複数の測位衛星から送信される測位信号に基づいて前記上部旋回体の位置を演算するものとする。
本発明によれば,測位衛星からの測位信号に基づいて作業機械の位置を高精度に演算できる。
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。本実施の形態は,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,油圧ショベルのバケット先端に制御点(コントローラ100で位置を演算して制御対象とする油圧ショベル上の点)を設定した場合のものである。なお,制御点は油圧ショベルの何処に設定しても構わないし,フロント作業装置の作業具は以下で説明するバケットに限られない。また,測位衛星から測位信号をアンテナで受信してグローバル座標系における本体(上部旋回体)の位置を演算する受信機を備える作業機械であれば,以下で説明する油圧ショベルに限らず本発明が適用可能である。また,各図中,同じ部材には同じ符号を付し,重複した説明を省略することがある。
図1は油圧ショベル1の概略図である。図1において,油圧ショベル1は,車両本体2と,多関節型のフロント作業装置3で構成されている。車両本体2は,クローラ式の下部走行体5と,下部走行体5の上部に左右方向に旋回可能に取り付けられた上部旋回体4とを備えている。フロント作業装置3は,上部旋回体4に回動可能に取り付けられている。フロント作業装置3は,ブーム6,アーム7及びバケット8という複数のフロント部材により構成されており,それぞれ油圧シリンダであるブームシリンダ9,アームシリンダ10,及びバケットシリンダ11により駆動される。
フロント作業装置3には,フロント作業装置3の姿勢を検出するための複数の姿勢センサ20(20a,20b,20c)が搭載されている。複数の姿勢センサ20a,20b,20cはそれぞれフロント部材6,7,8に搭載されており,搭載されたフロント部材6,7,8の姿勢を演算するための姿勢データを出力する。出力された姿勢データからは各フロント部材6,7,8の姿勢が演算でき,それを組合わせることでフロント作業装置3の姿勢が演算できる。姿勢センサ20a,20b,20cとしては,例えば,所定の面(例えば水平面)に対する傾斜角を検出可能な慣性計測装置(IMU)の利用が可能である。
上部旋回体4には,上部旋回体4の姿勢(傾斜角度)を検出するための姿勢センサ20d(図3参照)が搭載されている。姿勢センサ20dが出力した姿勢データから上部旋回体4の姿勢が演算できる。姿勢センサ20dとしては,姿勢センサ20a−20cと同様に例えば慣性計測装置(IMU)の利用が可能である。
上部旋回体4には,運転室12と,旋回油圧モータ(旋回駆動装置)13と,エンジン(図示せず)と,エンジンにより駆動されて油圧ショベル内の油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプ(図示せず)などの装置が搭載されている。
さらに,上部旋回体4には,グローバル座標系における上部旋回体4の位置を検出するための衛星測位システム21(アンテナ21a,21b及び受信機21c)と,油圧ショベル1(フロント作業装置3を含む)に設定された制御点の位置(例えば現場座標系における位置)を演算可能なコントローラ100と,コントローラ100が外部サーバ102をはじめとする外部端末と通信をするための通信装置23(図2参照)が搭載されている。
運転室12の中には油圧ショベル内の油圧アクチュエータを操作するための複数の操作レバー(操作装置)18が設けられている。本実施形態では,オペレータが各操作レバー18を操作することにより,ブームシリンダ9,アームシリンダ10,バケットシリンダ11,旋回油圧モータ13,走行油圧モータ15a,15bをそれぞれ駆動させることが可能である。オペレータが各操作レバー18に入力する操作量は操作センサ17(図2参照)によって検出されてコントローラ100に出力される。例えば,操作レバー18が油圧パイロット式の場合,操作センサ17としては圧力センサが利用可能である。
また,運転室12には,施工目標面を生成するための設計面の3次元データ(3D設計面データ)をコントローラ100内の記憶装置(図示せず)に登録するための施工目標面設定装置24と,フロント作業装置3と施工目標面の位置関係をはじめとする各種情報を表示するためのモニタ(表示装置)19と,後述する制限制御(マシンコントロール)の制御モードとしてオペレータが粗掘削モードと仕上げモードのいずれかを選択するための制御モード選択スイッチ26と,コントローラ100に入出力される各種情報を記録するための装置である記録装置(例えば半導体メモリ)25(図2参照)が設けられている。本実施形態においては運転室12内部に設置しているが,コントローラ100や記録装置25は運転室12の外部に設置しても良い。また,記録装置25はコントローラ100内の記憶装置で代用しても良い。
下部走行体5は履帯14a,14bを左右両側に有しており,履帯14a,14bは走行油圧モータ15a,15bによりそれぞれ駆動されることで下部走行体5を走行させる。なお,図1では左側の履帯14a及び走行油圧モータ15aのみを示しており,右側の履帯14b及び走行油圧モータ15bは図示を省略している。上部旋回体4は下部走行体5に旋回輪16を介して回動可能に接続されており,旋回油圧モータ13により駆動される。
図2に本発明の実施形態における位置計測システムのシステム構成例を示す。
図2にいて,衛星測位システム21は,上部旋回体4に搭載された無線機30と接続されている。無線機30は,グローバル座標系における座標が既知の基準局に設置された衛星測位システムから送信される補正データを受信するためのものであり,受信した補正データは衛星測位システム21内の受信機21cに出力される。
衛星測位システム21は,図1に示すように上部旋回体4の上面に設置され,複数の測位衛星からの測位信号を受信するための2つのGNSSアンテナ21(第1GNSSアンテナ21a及び第2GNSSアンテナ21b)と,第1GNSSアンテナ21a及び第2GNSSアンテナ21bで受信された測位信号と無線機30で受信した補正データとに基づいて上部旋回体4の位置及び方位角をリアルタイムに演算できる受信機21cとを備えている。
第1GNSSアンテナ21a及び第2GNSSアンテナ21bは,RTK−GNSS(Real Time Kinematic- Global Navigation Satellite Systems)用のアンテナである。
受信機21cは,第1GNSSアンテナ21a及び第2GNSSアンテナ21bで受信した測位信号から各GNSSアンテナ21a,21bの位置データ(上部旋回体4の位置データ)を演算し,その2つのGNSSアンテナ21a,21bの位置データを利用して一方のGNSSアンテナから他方のGNSSアンテナへのベクトルを演算し,当該ベクトルの方向に基づいて上部旋回体4の向き(方位角)を算出する。受信機21cが演算した上部旋回体4の位置データと方位角データはコントローラ100に出力される。
姿勢センサ20(20a,20b,20c,20d)が検出した各フロント部材6,7,8と上部旋回体4の傾斜角データはコントローラ100に出力されている。
操作センサ17が検出した操作レバー18の操作量のデータはコントローラ100に出力されている。操作センサ17は操作レバー18による操作対象ごとに設けられており,ブーム6,アーム7,バケット8,上部旋回体4,及び下部走行体5の操作信号として出力される作動油の圧力(パイロット圧)を検出している。
操作レバー18には制御モード選択スイッチ26が備えられている。制御モード選択スイッチ26は,後述する制限制御(マシンコントロール)の制御モードとして,施工目標面の精度よりもフロント作業装置3の動作速度(例えばアーム7の動作速度)を優先する粗掘削モードと,フロント作業装置3の動作速度(例えばアーム7の動作速度)よりも施工目標面の精度を優先する仕上げモードとを選択することができるスイッチである。
粗掘削モードは,例えば,制限制御の実行中にアーム7(アームシリンダ10)の動作速度に制限を設けないモードである。このモードでは,アーム7の動作速度に制限が設けられず,アーム7はオペレータの操作通りの速度で動作するため,スピーディーな掘削作業が可能である。ただし,施工目標面にバケット8が近い状態でもアーム速度に制限が掛からないため,アーム速度によってはバケット8が施工目標面の下方に侵入する可能性がある。
仕上げモードは,例えば,制限制御の実行中にアーム7(アームシリンダ10)の動作速度に制限を設けるモードである。このモードでは,例えば,バケット8が施工目標面に近づくにつれてアーム7の動作速度の最大値が小さく設定される。この場合,施工目標面の近傍でのアーム速度はオペレータ操作が規定する速度よりも減速され易いが,バケット8を施工目標面上またはその上方に位置させることが容易になるので,施工目標面を傷つけることなく高精度な掘削作業が可能である。
制御モード選択スイッチ26としては,例えば,押しボタン式のスイッチが利用可能である。本実施形態においては,制御モード選択スイッチ26を押すことによって,オペレータが制限制御を利用して施工する際に希望の制御モードに切替えることができる。特にオペレータが施工精度を要求するような作業において,手元に備えられているスイッチを押すことで,高精度な施工が可能な仕上げモードと,そうでない粗掘削モードに切替えることができる。また,本実施形態においては,制御モード選択スイッチ26を操作レバー18に設ける例で説明したが,別途,運転室12内の他の場所に設けることや,モニタ19上に画像のスイッチとして設けることも可能である。
施工目標面設定装置24は,施工目標面を生成するための3D設計面データをコントローラ100内の記憶装置(図示せず)に登録するための装置である。施工目標面設定装置24は,例えば,情報化施工用に準備されているディスプレイを兼用したコントローラ(例えばタッチパネル式ディスプレイを備えたタブレット端末)であり,作業内容や各種設定を行うことができ,マシンガイダンスに関する設定も行うことができる。
3D設計面データは,例えば,不揮発性の半導体メモリなどを介して施工目標面設定装置24に入力することが可能である。また,ネットワークを介してサーバから入力することによっても3D設計面データを読み込むことができる。この装置は,コントローラ100と兼用になっているものでも良く,施工目標面設定装置24の機能をコントローラ100に搭載しても良い。
表示装置19は各種情報を表示する装置である。本実施形態では,表示装置19は運転室12内に設置される液晶ディスプレイのモニタであり,モニタ19上には,各姿勢センサ20により取得された情報をもとに生成された油圧ショベル1を側面視した画像及び施工目標面の断面形状などの情報がオペレータに対して提示される。
記録装置25は,各種情報を記録するための装置である。記録装置は,例えば半導体メモリ等の不揮発性記憶媒体であり,運転室12内にある専用の差し込み口を通じて着脱することも可能である。
通信装置23は,コントローラ100と外部の端末(例えば,外部管理用サーバ102)とのデータの送受信に利用される装置である。通信装置23は,例えば衛星通信を通じて,ショベル1と遠隔地にあるサーバ102との間のデータの送受信を行う。具体的には,通信装置23は記録装置25に記録されたデータ,又はそれらのデータに基づいて生成される二次的なデータを,基地局を通じてサーバ102に送信する。また,通信装置23は,携帯電話網や狭域無線通信網等を通じて,ショベル1と基地局との間のデータのやり取りを実現するようにしても良い。
次にコントローラ100で行われる処理を機能に分けて説明する。本実施形態において,コントローラ100で行われる処理の一部を機能ごとにブロック化した図(機能ブロック図)を図3に示す。
コントローラ100は,演算処理装置(例えばCPU(図示せず))及び記憶装置(例えば半導体メモリやハードディスクドライブ等(図示せず))を有するコンピュータであり,当該記憶装置に記憶されたプログラムを当該演算処理装置で実行することで,図3に示した各部(ショベル姿勢演算部42,異常状態判定部43,施工目標面演算部44,油圧システム制御部45,モニタ表示制御部46,精度要求判定部47,衛星マスク設定部48,情報記憶部49)として機能する。以下,各部で行われる処理を説明する。
ショベル姿勢演算部42は,位置情報検出部40と,姿勢演算部41として機能する。
位置情報検出部40は,衛星測位システム21の受信機21cで演算された第1GNSSアンテナ21aと第2GNSSアンテナ21bのグローバル座標系における位置データ(緯度,経度,高度)を,車体座標系における位置データ(座標値)に変換する演算を行う。例えば,第1GNSSアンテナ21aの車体座標系における座標値がショベル1の設計寸法やトータルステーションなどの測量機器による測定により既知であるので,車体座標系とグローバル座標系とは,上部旋回体4の傾斜角度(ピッチ角及びロール角)と,第1GNSSアンテナ21aの車体座標系における座標値と,グローバル座標系を元に求められる座標変換パラメータとを用いることで相互に変換可能である。そのため,車体座標系の原点であるブームピンの中心のグローバル座標系における座標値を算出可能である。車体座標系におけるショベル1の任意の点のグローバル座標系における座標値を演算できる。
姿勢演算部41では,姿勢センサ20a〜20dで演算された各フロント部材6,7,8及び上部旋回体4の角度情報に基づいて,油圧ショベル1(フロント作業装置3及び上部旋回体4)の姿勢を演算する。
ショベル姿勢演算部42は,位置情報検出部40で算出されたブームピン(車体座標系の原点)の位置座標データと,上部旋回体4の向き(方位角)と,姿勢演算部41で算出された姿勢データと,予め計測・記憶されている各フロント部材6,7,8の寸法データとにより,ショベル1が施工に使用するバケット8における制御点(例えば,バケット幅方向におけるバケット爪先の中心)の位置データ(座標値)を算出できる。また,ショベル1を側面視した画像をモニタ19に表示するときの姿勢を算出するための姿勢データも演算できる。なお,本実施形態では,制限制御を実行するために制御点をバケット爪先に設定したが,マシンコントロールの処理内容に応じて制御点を他の位置に適宜設定しても良い。
施工目標面演算部44では,施工目標面設定装置24から入力された3D設計面データと,ショベル姿勢演算部42で演算された現在のショベル1の位置データとに基づき,ショベル1が掘削するための施工目標面を演算し,油圧システム制御部45に出力する。施工目標面は,フロント作業装置3の動作平面と3D設計面データとの交線であり,フロント作業装置3の動作平面とは各フロント部材6,7,8及びブームピンに直交する平面であってブームピンの軸方向における中心を通過する面である。算出された施工目標面は,モニタ19で表示される施工目標面の形状としても利用可能であり,モニタ表示制御部46に出力される。また精度要求判定部47にも出力される。
モニタ表示制御部46では,施工目標面演算部44で演算された施工目標面と,ショベル姿勢演算部42で演算されたフロント作業装置3の姿勢とに基づいて,施工目標面とフロント作業装置3の位置関係を演算し,施工目標面とフロント作業装置3をモニタ19に表示する。これによって,例えば,ブーム6,アーム7,バケット8などのフロント作業装置3の姿勢や,バケット8の先端位置と角度をモニタ19に表示してオペレータの操作を支援するマシンガイダンスシステムとしての機能を実現する。
油圧システム制御部45では,油圧ポンプ,コントロールバルブ,及び各油圧アクチュエータ等からなる油圧ショベル1の油圧システムを制御する為の指令値を演算して出力する。本実施形態では,マシンコントロールとして,フロント作業装置3の動作範囲が施工目標面上及びその上方に制限されるように,フロント作業装置3と施工目標面との距離(目標面距離)に基づいてフロント作業装置3を制御する制限制御が実行可能である。
より具体的には,本実施形態における制限制御は,目標面距離がゼロに近づくにつれて,施工目標面に直交する方向のうち施工目標面に近づく方向におけるバケット爪先に速度成分がゼロに近づくように,オペレータが操作するアーム7の動作(例えばアームクラウド動作)に対して,コントローラ100が自動的にブーム6の上げ動作を追加するものである。これにより施工目標面上では,施工目標面に直交するバケット爪先の速度成分がゼロに保持される。その際,施工目標面に平行なバケット爪先の速度成分はゼロとはならないので,例えばオペレータが操作レバー18に対してアームクラウド操作を入力すれば,バケット8の爪先が施工目標面に沿って平行移動して施工目標面に沿った掘削が可能となる。コントローラ100によってブーム6の上げ動作を自動的に追加する際には,入力される制御信号に応じてパイロット圧を出力する電磁比例弁(図示せず)に対してコントローラ100から制御信号を出力し,当該パイロット圧によりブームシリンダ9の動作を制御するコントロールバルブ(図示せず)を制御することで行う。なお,本実施形態ではマシンコントロールとして制限制御について触れるが,例えば,油圧ショベル1の周囲に進入禁止領域を設定して,その進入禁止領域内に制御点が進入しないように各種油圧アクチュエータを自動的に制御する進入禁止制御などの他の制御にも利用可能である。
精度要求判定部47は,フロント作業装置3が精度を要求する作業中か否かを判定する部分である。詳細については後述する図8のフローチャートを用いて説明するが,精度要求判定部47は,操作レバー18やショベル姿勢演算部42で算出されたフロント作業装置3の位置データや,施工目標面演算部44で演算された施工目標面データ等により,油圧ショベル1の作業内容やオペレータの要求を把握し,油圧ショベル1に設定された制御点の位置制御に対する要求精度が高いか否かを判定する。
異常状態判定部43では,姿勢センサ20,衛星測位システム21,施工目標面設定装置24及び通信装置23等,ショベル1に搭載されている各機器に関する情報に基づいて,ショベル1に発生している異常が何かを判定する部分である。例えば,マシンガイダンス機能を搭載した情報化施工機では,オペレータはモニタ19に提示されたバケット8と施工目標面の位置関係を参照しながら,実際のバケット8の爪先が施工目標面に沿って移動するようにフロント作業装置3の操作をおこなう。それにもかかわらず,バケット8によって掘削された出来形が施工目標面に対して掘り過ぎてしまった場合には,オペレータは油圧ショベル1に何らかの異常が発生したと認識することになる。異常状態判定部43は,このような異常発生時において,その原因が機器の故障にあるのか,それとも測位衛星からの測位信号の受信状況や無線機30による補正データの受信状況が悪いことにあるのかを判断する。異常状態判定部43は,異常原因が衛星測位状況の悪化と判断した場合には「測位状況異常フラグ」を情報記憶部49及びモニタ表示制御部46に出力し,異常原因が機器の故障であると判断した場合には「機器異常フラグ」を情報記憶部49及びモニタ表示制御部46に出力する。
(測位状況異常フラグの出力)
測位状況異常フラグに関して,受信機21cは,自身(受信機21c)による測位の信頼度をコントローラ100に随時出力しており,異常状態判定部43(コントローラ100)は当該信頼度が所定値Vt1以下のときに異常原因が衛星測位状況の悪化にあると判定し,測位状況異常フラグをモニタ表示制御部46及び情報記憶部49に出力する。
測位状況異常フラグに関して,受信機21cは,自身(受信機21c)による測位の信頼度をコントローラ100に随時出力しており,異常状態判定部43(コントローラ100)は当該信頼度が所定値Vt1以下のときに異常原因が衛星測位状況の悪化にあると判定し,測位状況異常フラグをモニタ表示制御部46及び情報記憶部49に出力する。
測位状況異常フラグを入力した表示制御部46は,受信機21cによる測位の信頼性が低いことを示す情報(メッセージや画像)をモニタ19に表示する。これによりオペレータは衛星測位システム21による測位精度が悪化しているため,例えば,仕上げ作業に制限制御(マシンコントロール)を利用している場合には,測位精度が回復するまで作業を中断する必要があることを認識できる。
測位状況異常フラグを入力した情報記憶部49は,測位の信頼度が所定値Vt1以下となっている間に衛星測位状況データ(後述)を収集・記憶し,記憶した衛星測位状況データをそのデータの取得時刻とともに通信装置23を介して外部管理用サーバ102に出力する。このとき,衛星測位状況データを記録装置25に出力して油圧ショベル1側でも記憶しても良い。
衛星測位状況データは,受信機21cから出力される衛星測位状況を示すデータの総称であり,例えば,測位に利用した測位衛星の個数,衛星測位により演算された位置(緯度,経度,高度)のうち高さ方向における位置(高度)の分散,測位に利用した測位衛星の幾何学的配置から演算されるVDOP(Vertical Dilution of Precision:垂直精度低下率),及び,受信機21cの測位信頼度のうち少なくとも1つのデータが含まれる。衛星測位状況データを外部管理用サーバ102や記録装置25に記録することで,異常発生原因が機器の故障ではなく衛星測位状況にあったことを明確化でき,また,衛星測位状況が悪化した詳細な原因を事後的に特定できる可能性が高まる。
(機器異常フラグの出力)
機器異常フラグに関する機器としては,油圧ショベル1に搭載されているエンジン,油圧ポンプなどの標準的な機器に加えて,情報化施工用に搭載されている機器もある。情報化施工用機器としては,各フロント部材6,7,8や上部旋回体4に搭載されている姿勢センサ20や,衛星測位システム21における受信機21c,操作センサ(圧力センサ)17,通信装置23,無線機30などがある。異常状態判定部43は,異常発生を検知した際,これらの機器の稼働状況を検出する各種センサの出力値や当該機器から出力されるデータ等に基づいて,各機器に異常が発生しているか否かを判定し,異常が発生していると判断した場合には機器異常フラグをモニタ表示制御部46及び情報記憶部49に出力する。
機器異常フラグに関する機器としては,油圧ショベル1に搭載されているエンジン,油圧ポンプなどの標準的な機器に加えて,情報化施工用に搭載されている機器もある。情報化施工用機器としては,各フロント部材6,7,8や上部旋回体4に搭載されている姿勢センサ20や,衛星測位システム21における受信機21c,操作センサ(圧力センサ)17,通信装置23,無線機30などがある。異常状態判定部43は,異常発生を検知した際,これらの機器の稼働状況を検出する各種センサの出力値や当該機器から出力されるデータ等に基づいて,各機器に異常が発生しているか否かを判定し,異常が発生していると判断した場合には機器異常フラグをモニタ表示制御部46及び情報記憶部49に出力する。
機器異常フラグを入力した表示制御部46は,機器に異常(故障)が発生したことを示す情報(メッセージや画像)をモニタ19に表示する。これによりオペレータは機器に異常が発生したため,例えば,機器の交換要否の判断も含めて機器の詳細な異常診断を速やかに行う必要があることを認識できる。
機器異常フラグを入力した情報記憶部49は,そのフラグを受信した時刻の前後,所定時間における機器稼働状況データ(スナップショットデータ)を収集・記憶し,記憶した機器稼働状況データをそのデータの取得時刻とともに通信装置23を介して外部管理用サーバ102に出力する。このとき,機器稼働状況データを記録装置25に出力して油圧ショベル1側でも記憶しても良い。機器稼働状況データは,機器異常の有無を判断した際に利用した各種データの総称であり,例えば,フロント作業装置3を含む油圧ショベル1の位置データや姿勢データ,オペレータの操作量,各油圧アクチュエータやそれに接続される油路に設置した圧力センサで検出される作動油の圧力値などが含まれる。機器稼働状況データを外部管理用サーバ102や記録装置25に記録することで,異常発生原因が衛星測位状況ではなく機器の故障にあったことを明確化でき,また,機器が故障した詳細な原因を事後的に特定できる可能性が高まる。
外部管理用サーバ102には,3D設計面データや施工現場の土質情報,施工現場の周辺を含む地形情報,施工現場における通信可能エリア等が格納することができ,外部管理用サーバ102において通信状況についても把握可能な構成とすることができる。また,異常が起きた作業機械の周辺で作業している他の作業機械のデータも同時に外部管理用サーバ102にアップロードすることにより,衛星や通信等,環境に係る異常時データを把握することが可能となる。また,通信システムや衛星測位など環境にかかわるものにより,施工状態が悪化してしまう場合もあるため,本実施形態では,異常が起きた場合の衛星の配置状態(例えばVDOPを含むDOP値)やその時の信号レベル等がどうなっているかを調査し,レポートするために記録しておく。
特に,情報化施工を実施するにあたり,その中でも作業機械の一部の動作を自動化するようなマシンコントロールによる作業中には,施工目標面に対して深く掘り過ぎたり,施工目標面までバケット8が近づけなかったりといった事象の発生が考えられる。そういった場合に,従来は,サービス員が現場に行き,実際の機械の挙動を見たり,各種センサの状態などを確認したりすることで,機械の異常なのか,周囲状況の影響による測位状況の悪化なのか等を判断する必要があった。本実施形態においては,異常発生時における各種データを外部管理用サーバ102に送信した上で,作業内容や各搭載機器の状態を確認することができるので,異常発生後のサポートを効率良く行えるようになる。
次に,掘削作業時に衛星測位状況が悪化したシーンの一例について,図4−6を用いて説明する。
掘削動作中のフロント作業装置3によって測位衛星からの測位信号が遮られるシーンでの油圧ショベルの姿勢変化(姿勢A,姿勢B)を図4に示し,その時における第1GNSSアンテナ21aの上空視界を図5,図6にそれぞれ示す。
図4において,油圧ショベル1は法面の切上げ作業をしている。オペレータは,モニタ19に表示される施工目標面とバケット8の位置関係を参照しながら,バケット8の爪先が施工目標面に沿って移動するように油圧ショベルの掘削操作を行う。図6において破線で囲まれた領域60は,フロント作業装置3(ブーム6,アーム7,バケット8)が障害物となって測位信号がGNSSアンテナ21a,21bに到達するまでに遮られ得る領域(「遮蔽領域」と称することがある)を示し,この遮蔽領域60には測位信号が遮られる衛星(例えば衛星G1)が存在する。図4に示すような状況において,姿勢Aのようにブーム6を下げてショベル1よりも下方を掘削している状態では,図5に示すように衛星G1が見えているが,姿勢Bのようにアーム引きと同時にブーム6が上昇すると,図6に示すように衛星G1からの測位信号がブーム6に遮られる状況となる。よって,図4に示すような一連の動作をする間に,衛星G1の測位信号が直接受信できる場合(姿勢A)と,衛星G1の測位信号が反射・回折などの影響を受けている場合(姿勢B)とがあり,随時,変化していることになる。この場合,位置計算に使用する測位衛星の組合せが変化する可能性があり,位置計測結果のばらつきが大きくなる。
位置計測に際して受信機21cは,2つのGNSSアンテナ21a,21bで受信される衛星からの測位信号の品質や,測位信号を受信しているGNSS衛星の配置等,種々の条件判定を行って位置計算に使用する衛星(測位信号)を選択している。衛星の配置はDOP(Dilution Of Precision:精度低下率)という数値で評価されており,例えば測位衛星が上空視界の一方向に偏って分布している場合などはDOPが悪く(数値が大きい),結果として計算される位置精度が悪化する。これに対して,衛星が上空視界に偏りなく分布している場合はDOPが良く(数値が小さい),計算される位置精度が向上する。これは,衛星測位システム21による位置計測が,三角測量を応用した計測システムであることに起因する。衛星測位システム21による位置計測では,DOP以外にもGNSS衛星の時計誤差や軌道情報の誤差等,各衛星で微妙に異なる誤差要因があり,油圧ショベル1が同じ位置にあっても,位置計算に使用している衛星の組み合わせが異なると,位置の結果にズレが生じることがある。
また,上述したような施工においては,掘削動作の後に放土作業を行うこともあり,その場合,掘削動作の終了後にブーム6を上げてアーム7やバケット8を巻き込んだ姿勢で旋回操作を行って放土位置に移動する。放土位置にてアーム7及びバケット8をダンプさせて放土作業をおこなった後に,再度,旋回して掘削位置に戻って作業を行う。このようなシーンにおいても,旋回時にはこれまで補足できていた衛星が見えなくなったり,これまで補足できていなかった衛星が見えるようになったりと,測位に使用する衛星が変化する。そのため,フロント作業装置3が元の位置に戻った場合においても,位置計測の再現性が悪化してしまったりすることがある。このように,位置計算結果の再現性が悪化すると,モニタ19に表示されるバケット先端と施工目標面との位置関係が掘削作業毎に異なることになり,出来形が不連続になる等の問題が生じ得る。
この種の課題を解決するために,本実施形態では受信機21cが衛星測位に利用する測位衛星を限定するためにコントローラ100が衛星マスク範囲65(図6参照)を車体座標形上に設定する。衛星測位に際して,受信機21cは,コントローラ100に設定された衛星マスク範囲65に位置する測位衛星を除いた残りの測位衛星から送信される測位信号に基づいて第1GNSSアンテナ21aの位置を演算する処理を行う。
続いて本実施形態のコントローラ100による衛星マスク範囲65の設定処理の詳細について,図7の処理フローを用いて説明する。図7において,これらの処理フローは,一定周期間隔(例えば100ms)で繰返し演算される。
(衛星マスク範囲の設定処理(1))
ステップS101において,コントローラ100は,衛星測位システム21(受信機21c)で演算された第1GNSSアンテナ21aの位置データと,第1GNSSアンテナ21aから第2GNSSアンテナ21bへのベクトルデータとを取得する。
ステップS101において,コントローラ100は,衛星測位システム21(受信機21c)で演算された第1GNSSアンテナ21aの位置データと,第1GNSSアンテナ21aから第2GNSSアンテナ21bへのベクトルデータとを取得する。
ステップS102において,コントローラ100は,ショベル姿勢演算部42において,各フロント部材6,7,8及び上部旋回体4に取り付けられた姿勢センサ(IMU)20から出力されるデータ(姿勢センサデータ)に基づいて各部材5−8の姿勢データを演算する。続くステップS103では,ショベル姿勢演算部42は,ステップS101で取得した衛星測位システム21の演算データ(2つのGNSSアンテナ21a,21bの3次元位置と,第1GNSSアンテナ21aから第2GNSSアンテナ21bへのベクトルデータ)と,ステップS102で演算した各部材5−8の姿勢データとに基づいて,一般的なベクトル演算と座標変換を行って,グローバル座標系や現場座標系における,油圧ショベル1の位置及び姿勢と,バケット先端(制御点)の3次元位置を演算する。ステップS103で演算された油圧ショベル1の位置及び姿勢とバケット先端(制御点)の位置とは,異常状態判定部43,施工目標面演算部44,油圧システム制御部45,モニタ表示制御部46,精度要求判定部47,衛星マスク設定部48等,コントローラ100内で必要な箇所に出力される(ステップS110)。
ステップS104では,コントローラ100は,精度要求判定部47において,フロント作業装置3により精度の要求される作業がされているか否か(すなわち制御点(バケット先端)の位置演算について高精度の位置演算が要求されているか否か)を判定する。ここで,一旦図7の説明を中断し,精度が要求されているかどうかを精度要求判定部47が判断する処理(精度要求フラグの演算処理)の詳細について図8を用いて説明する。図8に精度要求フラグを演算する方法の処理フローを示す。図8のフローにおいて精度要求判定部47は,制御モード選択スイッチ26から出力される制御モードデータと,施工目標面演算部44から出力される施工目標面データと,ショベル姿勢演算部42から出力されるショベル姿勢データとに基づいて精度要求フラグを演算している(精度要求フラグのON・OFFを決定している)。
(精度要求フラグの演算処理)
ステップS201では,精度要求判定部47は,ショベル姿勢演算部42で演算されたショベル姿勢データ(図7のステップS103で演算されたデータ)を取得する。
ステップS201では,精度要求判定部47は,ショベル姿勢演算部42で演算されたショベル姿勢データ(図7のステップS103で演算されたデータ)を取得する。
次に,精度要求判定部47は,制御モード選択スイッチ26によって選択されている制御モード(制御モードデータ)をステップS202で入力し,ステップS203で選択されている制御モードが仕上げモードか否かを判定する。
ステップS203において仕上げモードが選択されていると判断された場合,仕上げモードは,そのモードの性質上,バケット先端の位置を高精度で算出する必要があるため,衛星測位の精度も高精度である必要がある。よって,精度要求判定部47は,ステップS204において精度要求フラグをONにして,その結果を衛星マスク設定部48に出力する。
一方,ステップS203において仕上げモードが選択されていないと判断された場合(つまり,本実施形態では粗掘削モードが選択されている場合)には,精度要求判定部47は,ステップS205において,施工目標面演算部44で演算された施工目標面データを取得する。続くステップS206では,精度要求判定部47は,ステップS201で取得したショベル姿勢データとステップS205で取得した施工目標面データとに基づいて,バケット先端(フロント作業装置3)と施工目標面までの距離を演算してステップS207に進む。ステップS207では,精度要求判定部47は,ステップS206で演算したバケット先端(フロント作業装置3)から施工目標面までの距離が所定値D1以下(例えば30cm以下)であるか否かを判定する。
ステップS207でバケット先端と施工目標面の距離が所定値D1より大きいと判定された場合には,精度要求判定部47はステップS210に進んで精度要求フラグをOFFにして,その結果を衛星マスク設定部48に出力する。
一方,ステップS207でバケット先端と施工目標面の距離が所定値D1以下と判定された場合には,精度要求判定部47は,ステップS208に進んでフロント作業装置3の姿勢変化を演算する。ステップS208では,精度要求判定部47は,1制御周期前に取得したショベル姿勢と今回のフローで取得したショベル姿勢の差分に基づいて,フロント作業装置3の姿勢変化を演算して,ステップS209に進む。ステップS209では,精度要求判定部47は,ステップS208で算出したショベル姿勢に変化があるか否かを判定する。
ステップS209でショベル姿勢に変化があると判断された場合には,バケット先端と施工目標面の距離が所定値D1以下で非常に近く,さらに,ショベル姿勢が変化しており,バケット先端が施工目標面を傷つける可能性があることを考慮して,バケット先端の位置を高精度に演算する必要がある。そこで,ステップS204に進んで精度要求フラグをONにして,その結果を衛星マスク設定部48に出力する。
一方,ステップS209でショベル姿勢に変化がないと判断された場合には,ステップS210に進んで精度要求フラグをOFFにして,その結果を衛星マスク設定部48に出力する。すなわち,この場合は,バケット先端と施工目標面との距離が所定値D1以下で近いときでも,油圧ショベル1が静止している状況であれば,フロント作業装置3が精度を要求する作業中ではないと判断する。なお,本実施形態では,フロント作業装置3が動作しているか否かを各フロント部材6,7,8の姿勢変化に基づいて演算したが(ステップS208),操作レバー18から入力される情報,すなわち操作センサ17から入力される情報に基づいて,フロント作業装置3の動作の有無を判定しても良い。また,油圧ショベル1の位置データ,姿勢センサデータ,操作レバー18の圧力(操作量)や施工目標面データに基づいて,ショベル1が掘削中であるかどうかを判定しても良い。また,上記情報のみでは,ショベル1が実際に掘削作業をしているかどうかが不明確であるため,各油圧シリンダ9,10,11に付けた圧力センサの出力を用いて判別しても良い。
なお,精度要求フラグは常にONにして,図8のフローは省略してもよい。また,ショベル1の姿勢データはステップS201ではなくて,制御モードが仕上げモードではないことが判明した後の例えばステップS205で取得しても良い。さらに,図8の例では,(1)選択されている制御モードが仕上げモードか否かと,(2)バケット先端と施工目標面の距離及びショベル姿勢の変化の有無の組み合わせとに基づいて精度要求フラグのON・OFFを決定したが,上記(1),(2)の少なくとも一方に基づいて精度要求フラグのON・OFFを決定しても良い。さらに(2)の条件からはショベル姿勢の変化の有無は省略しても良い。ショベル姿勢の変化には上記したフロント作業装置3の姿勢変化以外の姿勢変化も含めることができる。
(衛星マスク範囲の設定処理(2))
図7の説明に戻る。ステップS105では,コントローラ100は,衛星マスク設定部48において精度要求フラグがONか否かを判定する。当該判定において精度要求フラグがONであると判定された場合,衛星マスク設定部48はステップS106に処理を進める。
図7の説明に戻る。ステップS105では,コントローラ100は,衛星マスク設定部48において精度要求フラグがONか否かを判定する。当該判定において精度要求フラグがONであると判定された場合,衛星マスク設定部48はステップS106に処理を進める。
ステップS106において,衛星マスク設定部48は,GNSSアンテナ21a,21bがショベル上空の複数の測位衛星から測位信号を受信する際にフロント作業装置3が障害物となり得るGNSSアンテナ21a,21bの上空視界の範囲である衛星マスク範囲65を例えば車体座標系上に設定するために,衛星マスク範囲65の設定パラメータを演算する。衛星マスク範囲65の設定パラメータとしては,各GNSSアンテナ21a,21bの位置を基準として,マスクの方位角範囲を規定する最小方位角及び最大方位角と,マスクの仰角範囲を規定する最小仰角及び最大仰角がある(図6参照)。図6に示すように,衛星マスク範囲65は,最小方位角から最大方位角までの方位角範囲と,最小仰角から最大仰角までの仰角範囲の双方に囲まれた範囲となる。なお,図6に示すように,最小方位角を上部旋回体4の方位角(車体方位角)としても良い。
衛星マスク範囲65は,上部旋回体4(油圧ショベル1)における各GNSSアンテナ21a,21bの設置位置(例えば上部旋回体4に設定された車体座標系における座標位置)とフロント作業装置3(ブーム6,アーム7,バケット8)の可動範囲との位置関係と,姿勢センサ20dで検出される上部旋回体4の傾斜角度と,第1GNSSアンテナ21aから第2GNSSアンテナ21bへのベクトルデータから演算される上部旋回体4の方位角とに基づいて設定される。また,既存の建物や障害となり得る壁などがある場合においては,当該障害物に起因して測位に悪影響が発生する範囲を衛星マスク範囲65に追加しても良い。なお,衛星マスク範囲65の設定については,2つのGNSSアンテナ21a,21bそれぞれで設定することが可能である。また,図6に示した旋回角と仰角で規定される衛星マスク範囲65は一例に過ぎず,各GNSSアンテナ21a,21bを基準にして設定する領域であれば,その他のパラメータで衛星マスク範囲を規定しても構わない。
ステップS107において,衛星マスク設定部48は,衛星測位システム21内の受信機21cから出力される衛星測位状況を示すデータ(衛星測位状況データ)を受信する。衛星測位状況データには,測位に利用した測位衛星の個数,衛星測位により演算された位置(緯度,経度,高度)のうち高さ方向における位置(高度)の分散,VDOP(垂直精度低下率),及び受信機21cの測位信頼度などが含まれている。
ステップS108では,衛星マスク設定部48は,ステップS107で取得した衛星測位状況データに基づいて衛星マスク禁止フラグを演算し,衛星マスク範囲65を設定するか否かの判断を行う。ここで,再び図7の説明を中断し,ステップS108で衛星マスク設定部48が行う処理の詳細について図9を用いて説明する。
(衛星マスク禁止フラグの演算処理)
衛星マスク設定部48による衛星マスク処理の禁止フラグ(衛星マスク禁止フラグ)の算出方法に関する処理フローを図9に示す。ここでは,ステップS107で受信機21cから取得した衛星測位状況データを用いて,衛星マスク範囲65を設定するか否かを判断しており,衛星マスク範囲65を設定することで受信機21cによる測位演算(例えば上部旋回体4の位置データ)の精度が却って低下すると判断した場合には衛星マスク範囲65の設定を解除する。衛星測位状況データは,受信機21cで取得される複数の測位衛星に関する各種情報であり,例えば衛星測位の受信機21cから得られるNMEAメッセージ等がある。衛星測位状況データには受信機21cによる測位演算結果に関するデータも含めることができる。
衛星マスク設定部48による衛星マスク処理の禁止フラグ(衛星マスク禁止フラグ)の算出方法に関する処理フローを図9に示す。ここでは,ステップS107で受信機21cから取得した衛星測位状況データを用いて,衛星マスク範囲65を設定するか否かを判断しており,衛星マスク範囲65を設定することで受信機21cによる測位演算(例えば上部旋回体4の位置データ)の精度が却って低下すると判断した場合には衛星マスク範囲65の設定を解除する。衛星測位状況データは,受信機21cで取得される複数の測位衛星に関する各種情報であり,例えば衛星測位の受信機21cから得られるNMEAメッセージ等がある。衛星測位状況データには受信機21cによる測位演算結果に関するデータも含めることができる。
まず,ステップS301において,衛星マスク設定部48は,衛星測位システム21に関する各種情報である衛星測位状況データを取得する。本実施形態で取得される衛星測位状況データには,測位演算に用いる各測位衛星の信号レベル,測位信号を受信可能な測位衛星数,測位信号を測位に利用した測位衛星数,測位結果及びその分散,測位衛星の配置の悪さを表す指標であるVDOP(Vertical Dilution of Precision:垂直精度低下率),測位演算結果の信頼度(測位信頼度)が含まれている。
ステップS302では,衛星マスク設定部48は,ステップS301で取得した衛星測位状況データのうち,測位に利用した測位衛星の個数が所定の閾値Ns(例えば,Ns=4(個))以上か否かを判断する。衛星マスク処理は,測位信号がフロント部材6,7,8などの影響を受けそうなGNSSアンテナ21a,21bの上空視界の範囲に対して衛星マスク範囲65を設定して,その衛星マスク範囲65内に位置する衛星を除外して測位ことで,測位性能を向上させるものではある。しかし,衛星数が少ない場合に衛星をマスクしてしまうと測位演算に使用する衛星数が不足し,測位演算にとっては好ましくない状況となり得る。そのため本実施形態では,そのような場合には衛星マスク処理を実施することを禁止する。ステップS302の判定において,測位に利用した衛星数が閾値Ns未満であると判定された場合にはステップS306へ進み,衛星マスク禁止フラグをONにする。
一方,ステップS302で測位に利用した衛星数がNs以上であると判定された場合にはステップS303に進む。
なお,閾値Nsを4(個)と例示した理由は,3次元空間で位置を演算できる最小衛星数は3個であるが,時計の時差を修正するには4個の測位衛星からの測位信号が必要だからである。
ステップS303では,衛星マスク設定部48は,ステップS301で取得した衛星測位状況データを用いて,受信機21cで演算されるショベル1(上部旋回体4)の位置のうち高さ方向における位置(高度)のバラツキが所定の範囲に収まっているか否かに基づいて衛星マスク範囲65の設定要否を判断する。本実施形態での具体的な方法について説明すると,衛星マスク設定部48は,衛星測位で得られる高度の所定期間の平均値に対する偏差(高度の偏差)dhが所定の範囲内に収まっているか否かを判断する。ここで衛星マスク設定部48は,−σ<偏差dh<σが成立しているか否かを判断する。例えば,σは衛星測位で得られる高度の標準偏差である。高度の標準偏差は,衛星測位で得た高度と所定期間における高度の平均値との差を2乗した値の平均(高度の分散)の平方根である。偏差dhと標準偏差σは,受信機21cから出力される測位結果の時系列を基に衛星マスク設定部48で演算できる。
ステップS303で高度のバラツキが所定の範囲から外れていると判定された場合にはステップS306へ進み,衛星マスク禁止フラグをONにする。
一方,ステップS303で高度のバラツキが所定の範囲に収まっていると判定された場合にはステップS304に進む。
ステップS304では,衛星マスク設定部48は,ステップS301で取得した衛星測位状況データを用いて,衛星測位に利用した測位衛星の幾何学的配置から演算されるVDOPが所定の精度低下率閾値α(例えば,α=1)未満か否かに基づいて,衛星マスク範囲65の設定要否を判断する。DOPには,VDOPの他にも,PDOP(Position Dilution of Precision)やHDOP(Horizontal Dilution of Precision)があり,これらに基づく判定も可能であるが,VDOPの値で判定することが好ましい。
ステップS304でVDOPが精度低下率閾値α以上であると判定された場合には,衛星配置が悪いため,ステップS306へ進んで衛星マスク禁止フラグをONにする。反対に,ステップS304でVDOPが精度低下率閾値α未満であると判定された場合には,ステップS305に進んで衛星マスク禁止フラグをOFFにする。
(衛星マスク範囲の設定処理(3))
図7の説明に戻る。ステップS109では,コントローラ100は衛星マスク設定部48において衛星マスク禁止フラグがOFFか否かを判定する。当該判定にて衛星マスク禁止フラグがONであると判定された場合(第2の場合)には,ステップS111に進んで,衛星マスク設定部48は,衛星マスク範囲65の設定が受信機21cによる測位精度を低下させると判断し,ステップS106で演算した衛星マスク範囲65の設定パラメータ(例えば,最小方位角,最大方位角,最小仰角,最大仰角)をリセットする。これにより衛星マスク範囲65の設定が解除されるので,受信機21cはフロント作業装置3が障害物となり得る衛星からの測位信号も利用した測位が可能となる。
図7の説明に戻る。ステップS109では,コントローラ100は衛星マスク設定部48において衛星マスク禁止フラグがOFFか否かを判定する。当該判定にて衛星マスク禁止フラグがONであると判定された場合(第2の場合)には,ステップS111に進んで,衛星マスク設定部48は,衛星マスク範囲65の設定が受信機21cによる測位精度を低下させると判断し,ステップS106で演算した衛星マスク範囲65の設定パラメータ(例えば,最小方位角,最大方位角,最小仰角,最大仰角)をリセットする。これにより衛星マスク範囲65の設定が解除されるので,受信機21cはフロント作業装置3が障害物となり得る衛星からの測位信号も利用した測位が可能となる。
一方,ステップS109の判定で衛星マスク禁止フラグがOFFであると判定された場合(第1の場合)にはステップS112に進む。ステップS112では,衛星マスク設定部48は,衛星マスク範囲65の設定が受信機21cによる測位精度を向上させる(つまり,低下させるものではない)と判断し,ステップS106で演算した衛星マスク範囲65の設定パラメータを受信機21c(衛星測位システム21)に出力する。これにより設定パラメータに基づいた衛星マスク範囲65が設定されて,その衛星マスク範囲65内に位置する測位衛星から送信される測位信号は受信機21cによる測位に利用されることが中断される。
(効果)
以上のように構成された本実施形態の油圧ショベルでは,衛星マスク範囲65を設定することで,各GNSSアンテナ21a,21bからみてフロント作業装置3が測位信号の障害物となり得る範囲に位置する測位衛星が測位に利用されることを防止できるので,油圧ショベル1に設定した所定の制御点(例えばバケット爪先)の位置演算精度を向上でき,その結果,当該制御点の制御精度や施工精度も向上できる(第1の場合)。
以上のように構成された本実施形態の油圧ショベルでは,衛星マスク範囲65を設定することで,各GNSSアンテナ21a,21bからみてフロント作業装置3が測位信号の障害物となり得る範囲に位置する測位衛星が測位に利用されることを防止できるので,油圧ショベル1に設定した所定の制御点(例えばバケット爪先)の位置演算精度を向上でき,その結果,当該制御点の制御精度や施工精度も向上できる(第1の場合)。
また,本実施形態の油圧ショベルでは,精度要求フラグがONでフロント作業装置3の制御に高精度を要求する作業中であっても,使用可能な衛星数が不十分な場合や,測位結果のバラツキが大きい場合や,使用可能な衛星の配置に偏りがある場合(第2の場合)には,衛星マスク範囲65を設定することで却って測位精度が低下する可能性が高いため,これらの条件に該当する場合には衛星マスク禁止フラグをONに設定して衛星マスク範囲65の設定を解除することとした。これにより測位に利用可能な衛星数が増えるので,衛星マスク範囲を設定し続けた場合と比較して測位精度を向上できる。
特に本実施形態では,VDOPや測位結果のうち高度のバラツキといった高さ方向(垂直方向)のパラメータの変化に着目して衛星マスク禁止フラグを設定している。高精度が要求される作業に従事している油圧ショベル1では高さ方向の移動は通常は行われず,これらの高さ方向のパラメータの変化は限定的である。そのため,これらの高さ方向のパラメータに着目して衛星マスク禁止フラグのON/OFFを判断することにより,水平方向のパラメータを利用して同様の判断する場合と比較してその信頼性を向上できる。
(その他)
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。
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。
図9のフローでは,衛星数(ステップS302),高度のバラツキ(ステップS303),及びVDOP(ステップS304)の3つに基づいて衛星マスク禁止フラグのONとOFFを設定したが,これら3つのうち少なくとも1つに基づいて衛星マスク禁止フラグのONとOFFを設定しても良い。例えば,図9のフローでは,衛星数が所定の閾値以上のとき,かつ,高度のバラツキが所定の範囲に収まっているとき,かつ,VDOPが所定の閾値未満のときに衛星マスク禁止フラグをOFFとしたが,これら3つの条件のうち少なくとも1つが満たされた場合に衛星マスク禁止フラグをOFFとしても良い。また,衛星数(ステップS302),高度のバラツキ(ステップS303),及びVDOP(ステップS304)の3つを判定する順番は図9のフローに示した順番に限らず任意の順番に判定しても良い。
ステップS303でバラツキが所定の範囲に収まっているか否かを判定するのは図9に示した高度だけでなく,高度と同様に受信機21cで演算される緯度及び経度を利用して判定しても良い。その場合,高度,緯度,経度のうち少なくとも1つのバラツキが所定の範囲に収まっているか否かに基づいて判定して良い。また上記では,衛星測位で得られる位置(高度)の所定期間の平均値に対する偏差が±σの範囲(σ=標準偏差)内に収まっているか否かを判断すると説明したが,標準偏差の代わりに実際の数値,例えば±β[mm]の範囲に収まっているか否かを判断しても良い。±βの具体例としては±20[mm]が挙げられる。これはマシンガイダンスやマシンコントロールではフロント作業装置の先端に位置するバケットにおける精度を要求されるが,機械誤差やその他の姿勢センサの誤差を考慮すると,この数値の範囲内でバラツキが収まることが好ましいからである。
ステップS304で所定の精度低下率閾値未満か否かを判定するのは図9に示したVDOPだけでなく,HDOPやDOPについても判定しても良い。
また,上記のコントローラ100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,コントローラ100に係る構成は,演算処理装置(例えばCPU)によって読み出し・実行されることでコントローラ100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,3…フロント作業装置,4…上部旋回体,5…下部走行体,6…ブーム,7…アーム,8…バケット,9…ブームシリンダ,10…アームシリンダ,11…バケットシリンダ,12…運転室,13…旋回油圧モータ,14a…履帯,14b…履帯,15a…走行油圧モータ,15b…走行油圧モータ,16…旋回輪,17…操作センサ,18…操作レバー,19…モニタ(表示装置),20a−20d…姿勢センサ(IMU),21…衛星測位システム,21a…第1GNSSアンテナ,21b…第2GNSSアンテナ,21c…受信機,23…通信装置,24…施工目標面設定装置,25…記録装置,26…制御モード選択スイッチ,30…無線機,40…位置情報検出部,41…姿勢演算部,42…ショベル姿勢演算部,43…異常状態判定部,44…施工目標面演算部,45…油圧システム制御部,46…モニタ表示制御部,47…精度要求判定部,48…衛星マスク設定部,49…情報記憶部,60…遮蔽領域,65…衛星マスク範囲,100…コントローラ,102…外部管理用サーバ
Claims (7)
- 下部走行体と,
前記下部走行体に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と,
前記上部旋回体に回動可能に取り付けられた作業装置と,
複数の測位衛星から測位信号を受信するためのアンテナと,
前記アンテナで受信された測位信号に基づいて,前記上部旋回体の位置を演算する受信機と,
前記上部旋回体及び前記作業装置の姿勢を検出するための姿勢センサと,
前記受信機により演算された前記上部旋回体の位置と,前記上部旋回体の方位角と,前記姿勢センサにより検出された前記作業装置の姿勢と,前記作業装置の寸法データとに基づいて,前記作業装置に設定された制御点の位置を演算するコントローラと
を備えた作業機械において,
前記コントローラは,前記作業装置により精度の要求される作業がされていると判定した場合に,前記アンテナの設置位置と,前記作業装置の可動範囲と,前記姿勢センサにより検出された前記上部旋回体の姿勢と,前記上部旋回体の方位角とに基づいて,前記アンテナが前記複数の測位衛星から測位信号を受信する際に前記作業装置が障害物となり得る前記アンテナの上空視界の範囲をマスク範囲として設定し,
前記コントローラが,前記受信機から取得される衛星測位状況データに基づいて前記マスク範囲の設定が前記受信機による前記上部旋回体の位置の演算精度を向上させると判断した第1の場合には,前記受信機は前記複数の測位衛星のうち前記マスク範囲に位置する測位衛星を除いた残りの測位衛星からの測位信号に基づいて前記上部旋回体の位置を演算し,
前記コントローラが,前記受信機から取得される衛星測位状況データに基づいて前記マスク範囲の設定が前記受信機による前記上部旋回体の位置の演算精度を低下させると判断した第2の場合には,前記受信機は前記マスク範囲を使用せずに前記複数の測位衛星から送信される測位信号に基づいて前記上部旋回体の位置を演算する
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,
前記第1の場合とは,前記残りの測位衛星から送信される測位信号に基づいて前記受信機で演算された前記上部旋回体の位置のバラツキが所定の範囲に収まっているときと,前記残りの測位衛星の幾何学的配置から演算される精度低下率が所定の精度低下率閾値未満のときと,前記残りの測位衛星の個数が所定の閾値以上のときと,のうち少なくとも1つのときであり,
前記第2の場合とは,前記残りの測位衛星から送信される測位信号に基づいて前記受信機で演算された前記上部旋回体の位置のバラツキが前記所定の範囲から外れているとき,または,前記残りの測位衛星の幾何学的配置から演算される前記精度低下率が前記所定の精度低下率閾値以上のとき,または,前記残りの測位衛星の個数が前記所定の閾値未満のとき,である
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,
前記第1の場合とは,前記残りの測位衛星から送信される測位信号に基づいて前記受信機で演算された前記上部旋回体の位置のうち高さ方向における位置のバラツキが所定の範囲に収まっているときと,前記残りの測位衛星の幾何学的配置から演算される精度低下率が所定の精度低下率閾値未満のときと,前記残りの測位衛星の個数が所定の閾値以上のときと,のうち少なくとも1つのときであり,
前記第2の場合とは,前記残りの測位衛星から送信される測位信号に基づいて前記受信機で演算された前記上部旋回体の位置のうち高さ方向における位置のバラツキが前記所定の範囲から外れているとき,または,前記残りの測位衛星の幾何学的配置から演算される前記垂直精度低下率が前記所定の精度低下率閾値以上のとき,である
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,
外部サーバとデータを送受信するための通信装置をさらに備え,
前記コントローラは,前記受信機から入力される前記受信機による測位の信頼度が所定値以下のとき,前記残りの測位衛星の個数と,前記残りの測位衛星から送信される測位信号に基づいて前記受信機で演算された前記上部旋回体の位置のバラツキと,前記残りの測位衛星の前記精度低下率と,前記受信機から入力される前記受信機による前記測位の信頼度と,のうち少なくとも1つのデータを前記通信装置を介して前記外部サーバに出力する
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,
前記コントローラで演算される前記制御点の位置データと,前記作業装置の掘削作業により成形すべき施工目標面の位置データとに基づいて,前記作業装置と前記施工目標面の位置関係が表示されるモニタをさらに備え,
前記コントローラは,前記受信機から入力される前記受信機による測位の信頼度が所定値以下のとき,前記受信機による測位の信頼性が低いことを示す情報を前記モニタに表示する
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,
前記コントローラは,前記作業装置の動作範囲が所定の施工目標面上及びその上方に制限されるように,前記作業装置と前記施工目標面との距離に基づいて前記作業装置を制御する制限制御を実行可能であり,
前記制限制御の制御モードとして,前記施工目標面の精度よりも前記作業装置の動作速度を優先する粗掘削モードと,前記作業装置の動作速度よりも前記施工目標面の精度を優先する仕上げモードとを選択するためのモード選択スイッチをさらに備え,
前記コントローラは,前記モード選択スイッチで前記仕上げモードが選択されているとき,前記作業機械が精度を要求する作業中であると判定して前記マスク範囲を設定する
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,
前記コントローラは,前記モード選択スイッチで前記粗掘削モードが選択されているときであっても,前記作業装置と前記施工目標面との距離が所定値以下のとき,かつ,前記作業装置の姿勢が変化しているときには,前記作業機械が精度を要求する作業中であると判定して前記マスク範囲を設定する
ことを特徴とする作業機械。
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