KR20130069744A

KR20130069744A - 유압 셔블의 위치 유도 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20130069744A
Application number: KR1020137004695A
Authority: KR
Inventors: 료 후카노; 에쓰오 후지타; 마사오 안도
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-06-26
Also published as: KR101443769B1; CN103080434A; US20130158785A1; JP2012172428A; DE112012000107T5; DE112012000107B4; WO2012114871A1; JP5202667B2; CN103080434B; US8498806B2

Abstract

본 발명의 과제는, 유압 셔블(hydraulic shovel)을 작업에 적절한 위치까지 용이하게 이동시킬 수 있는 유압 셔블의 위치 유도 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것에 있다. 유압 셔블의 위치 유도 시스템에 있어서, 최적 작업 위치 연산부는, 목표면(70)과 작업 가능 범위(76)와의 중첩되는 굴삭 가능 범위(79)가 최대로 되는 차량 본체의 위치를 최적 작업 위치로서 산출한다. 표시부는, 최적 작업 위치를 나타내는 안내 화면을 표시한다.

Description

유압 셔블의 위치 유도 시스템 및 그 제어 방법{HYDRAULIC SHOVEL POSITION GUIDE SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING SAME}

본 발명은, 유압 셔블(hydraulic shovel)의 위치 유도 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

유압 셔블 등의 작업 차량을, 목표 작업 대상까지 유도하는 위치 유도 시스템이 알려져 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에 개시되어 있는 위치 유도 시스템은, 3차원의 설계 지형을 나타내는 설계 데이터를 가지고 있다. 설계 지형은 복수의 설계면에 의해 구성되어 있고, 설계면의 일부가 목표면으로서 선택된다. 또한, GPS 등의 위치 계측 수단에 의해, 유압 셔블의 현재 위치가 검출된다. 위치 유도 시스템은, 유압 셔블의 현재 위치를 나타내는 안내 화면을 표시부에 표시함으로써, 유압 셔블을 목표면까지 유도한다. 안내 화면은, 측면에서 볼 때의 유압 셔블과 목표면과 버킷(bucket)의 선단의 동작 범위를 포함한다.

일본공개특허 제2001―98585호 공보

상기한 위치 유도 시스템에서는, 오퍼레이터는, 안내 화면 상의 목표면과 버킷의 선단의 동작 범위의 위치 관계를, 유압 셔블이 작업에 적절한 위치에 있는지의 여부를 판단할 때의 참고로 할 수 있다. 그러나, 유압 셔블이 작업에 적절한 위치에 있는지의 여부를 정확하게 판단하는 것은 용이하지 않다. 또한, 안내 화면 상의 목표면과 버킷의 선단의 동작 범위의 위치 관계를 참고로 해도, 유압 셔블을 작업에 적절한 위치까지 이동시키는 것은 용이하지 않다.

본 발명의 과제는, 유압 셔블을 작업에 적절한 위치까지 용이하게 이동시킬 수 있는 유압 셔블의 위치 유도 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 제1 태양(態樣)에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템은, 유압 셔블을 작업 영역 내의 목표면까지 유도하는 위치 유도 시스템이다. 유압 셔블은, 차량 본체와, 차량 본체에 장착되는 작업기를 가진다. 위치 유도 시스템은, 지형 데이터 기억부와, 작업기 데이터 기억부와, 위치 검출부와, 최적 작업 위치 연산부와, 표시부를 구비한다. 지형 데이터 기억부는, 목표면의 위치를 나타내는 지형 데이터를 기억한다. 작업기 데이터 기억부는, 작업기 데이터를 기억한다. 작업기 데이터는, 작업기가 도달할 수 있는 차량 본체의 주위의 작업 가능 범위를 나타낸다. 위치 검출부는, 차량 본체의 현재 위치를 검출한다. 최적 작업 위치 연산부는, 지형 데이터와 작업기 데이터와 차량 본체의 현재 위치에 기초하여, 목표면과 작업 가능 범위가 중첩되는 굴삭 가능 범위가 최대로 되는 차량 본체의 위치를 최적 작업 위치로서 산출한다. 표시부는, 최적 작업 위치를 나타내는 안내 화면을 표시한다.

본 발명의 제2 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템은, 제1 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템으로서, 굴삭 가능 범위는, 측면에서 볼 때 목표면의 단면(斷面)을 나타내는 선분과 작업 가능 범위가 중첩되는 부분이다.

본 발명의 제3 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템은, 제1 태양의 유압 셔블의 위치 유도 시스템으로서, 안내 화면은, 측면에서 볼 때의 목표면의 단면과 유압 셔블과 최적 작업 위치를 나타내는 측면도를 포함한다.

본 발명의 제4 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템은, 제1 태양의 유압 셔블의 위치 유도 시스템으로서, 안내 화면은, 상면에서 볼 때의 목표면과 유압 셔블과 최적 작업 위치를 나타내는 상면도를 포함한다.

본 발명의 제5 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템은, 제1 태양의 유압 셔블의 위치 유도 시스템으로서, 현황면 검출부와, 현황면 기억부를 더 구비한다. 현황면 검출부는, 최신의 현황면을 검출한다. 현황면 기억부는, 현황면 검출부에 의해 검출된 최신의 현황면을 기억하고 갱신한다. 최적 작업 위치는, 차량 본체가 현황면 상에 위치하고 있을 때의 작업 가능 범위의 높이 위치에 기초하여 산출된다.

본 발명의 제6 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템은, 제1 태양의 유압 셔블의 위치 유도 시스템으로서, 현황면 검출부와, 현황면 기억부를 더 구비한다. 현황면 검출부는, 최신의 현황면을 검출한다. 현황면 기억부는, 현황면 검출부에 의해 검출된 최신의 현황면을 기억하고 갱신한다. 최적 작업 위치 연산부는, 현황면과 목표면과의 차이의 크기에 기초하여 목표면을 굴삭 완료 영역과 굴삭 미완료 영역으로 분류한다. 최적 작업 위치 연산부는, 차량 본체에 가장 가까운 굴삭 미완료 영역을 굴삭 가능 범위의 대상으로 한다.

본 발명의 제7 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템은, 제1 태양의 유압 셔블의 위치 유도 시스템으로서, 최적 작업 위치 연산부는, 현황면 또는 목표면의 경사각이 소정의 임계값 이상일 때는, 안내 화면에 최적 작업 위치를 표시되게 하지 않는다.

본 발명의 제8 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템은, 제1 태양의 유압 셔블의 위치 유도 시스템으로서, 목표면이 유압 셔블에서 볼 때 상향 경사면(upward slope) 또는 수평면인 경우, 최적 작업 위치는, 작업 가능 범위의 경계선과 목표면과의 교점 중 차량 본체로부터 먼 쪽이 목표면의 정상부와 일치하는 위치이다.

본 발명의 제9 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템은, 제1 태양의 유압 셔블의 위치 유도 시스템으로서, 목표면이 유압 셔블에서 볼 때 하향 경사면(downward slope)인 경우, 최적 작업 위치는, 작업 가능 범위의 경계선과 목표면과의 교점(交点) 중 차량 본체에 가까운 쪽이 목표면의 정상부와 일치하는 위치이다.

본 발명의 제10 태양에 관한 유압 셔블은, 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나에 기재된 유압 셔블의 위치 유도 시스템을 구비한다.

본 발명의 제11 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템의 제어 방법은, 유압 셔블을 작업 영역 내의 목표면까지 유도하는 위치 유도 시스템의 제어 방법이다. 유압 셔블은, 차량 본체와, 차량 본체에 장착되는 작업기를 가진다. 유압 셔블의 위치 유도 시스템의 제어 방법은, 다음의 스텝을 포함한다. 제1 스텝에서는, 차량 본체의 현재 위치를 검출한다. 제2 스텝에서는, 지형 데이터와 작업기 데이터와 차량 본체의 현재 위치에 기초하여, 목표면과 작업 가능 범위가 중첩되는 굴삭 가능 범위가 최대로 되는 차량 본체의 위치를 최적 작업 위치로서 산출한다. 지형 데이터는, 목표면의 위치를 나타낸다. 작업기 데이터는, 작업기가 도달할 수 있는 차량 본체의 주위의 작업 가능 범위를 나타낸다. 제3 스텝에서는, 최적 작업 위치를 나타내는 안내 화면을 표시한다.

본 발명의 제1 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 목표면과 작업 가능 범위가 중첩되는 굴삭 가능 범위가 최대로 되는 차량 본체의 위치가 최적 작업 위치로서 산출된다. 그리고, 최적 작업 위치를 나타내는 안내 화면이 표시부에 표시된다. 그러므로, 오퍼레이터는, 안내 화면 상의 최적 작업 위치를 목표로 하여 유압 셔블을 이동시킴으로써, 유압 셔블을 작업에 적절한 위치까지 용이하게 이동시킬 수 있다.

본 발명의 제2 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 측면에서 볼 때, 작업기가 도달 가능한 목표면의 범위가 최대로 되는 위치가 최적 작업 위치로서 산출된다. 그러므로, 오퍼레이터는, 최적 작업 위치에 있어서 작업기를 조작함으로써, 효율적으로 작업을 행할 수 있다.

본 발명의 제3 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 오퍼레이터는, 측면도에 의해 최적 작업 위치를 확인할 수 있다. 그러므로, 오퍼레이터는, 유압 셔블의 전후의 위치 조정을 용이하게 행할 수 있다.

본 발명의 제4 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 오퍼레이터는, 상면도에 의해 최적 작업 위치를 확인할 수 있다. 그러므로, 오퍼레이터는, 유압 셔블의 좌우의 위치 조정을 용이하게 행할 수 있다.

본 발명의 제5 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 차량 본체가 현황면 상에 위치하고 있을 때의 작업 가능 범위의 높이 위치에 기초하여, 최적 작업 위치가 산출된다. 작업 영역 내의 지면은, 반드시 평탄하지는 않고 기복(起伏)이 있는 경우가 많다. 따라서, 목표면으로부터 이격된 위치에서의 차량 본체의 높이 위치와, 그 후에 목표면에 가까워졌을 때의 차량 본체의 높이 위치가 상이한 경우가 있다. 그러므로, 만일 차량 본체의 현재 위치에서의 작업 가능 범위의 높이 위치에 기초하여 최적 작업 위치가 산출되면 최적 작업 위치를 양호한 정밀도로 산출하는 것은 곤란하다. 그래서, 본 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 목표면으로부터 이격된 위치에서 최적 작업 위치를 산출하는 경우라도, 차량 본체가 현황면 상에 위치하고 있을 때의 작업 가능 범위의 높이 위치에 기초하여, 최적 작업 위치가 산출된다. 이로써, 기복이 있는 작업 영역 내에 있어서도, 최적 작업 위치를 양호한 정밀도로 산출할 수 있다.

본 발명의 제6 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 단속적(斷續的) 굴삭에 의해 굴삭 미완료 영역과 굴삭 완료 영역이 혼재하는 경우라도, 이미 굴삭할 필요가 없는 굴삭 완료 영역이 최적 작업 위치의 산출로부터 제외된다. 그러므로, 유효한 최적 작업 위치를 양호한 정밀도로 산출할 수 있다.

본 발명의 제7 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 현황면 또는 목표면의 경사각이 소정의 임계값 이상일 때는, 최적 작업 위치가 안내 화면에 표시되지 않는다. 예를 들면, 소정의 임계값은, 유압 셔블이 안정적으로 작업을 행할 수 있는 한계를 나타내는 경사면의 각도로 설정된다. 이로써, 유압 셔블이 안정적으로 작업할 수 있는 범위 내에서 최적 작업 위치를 안내 화면에 나타내는 것이 가능하다.

본 발명의 제8 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 목표면이 유압 셔블에서 볼 때 상향 경사면 또는 수평면인 경우에는, 작업기를 신장시킨 상태에서 목표면의 정상부에 도달하는 위치가, 최적 작업 위치로서 산출된다. 그러므로, 예를 들면, 상향 경사면이 유압 셔블에 비해 매우 큰 경우에는, 정상부로부터 상향 경사면을 하강하면서 순차로 굴삭을 행하도록, 오퍼레이터는 유압 셔블을 조작할 수 있다.

본 발명의 제9 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 목표면이 유압 셔블에서 볼 때 하향 경사면인 경우에는, 작업기를 축소한 상태에서 목표면의 정상부에 도달하는 위치가, 최적 작업 위치로서 산출된다. 그러므로, 예를 들면, 차량 본체의 바로 앞쪽을 굴삭하면서, 하향 경사면을 내려가도록, 오퍼레이터는 유압 셔블을 조작할 수 있다.

본 발명의 제10 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 목표면과 작업 가능 범위가 중첩되는 굴삭 가능 범위가 최대로 되는 차량 본체의 위치가 최적 작업 위치로서 산출된다. 그리고, 최적 작업 위치를 나타내는 안내 화면이 표시부에 표시된다. 그러므로, 오퍼레이터는, 안내 화면 상의 최적 작업 위치를 목표로 하여 유압 셔블을 이동시킴으로써, 유압 셔블을 작업에 적절한 위치까지 용이하게 이동시킬 수 있다.

본 발명의 제11 태양에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에서는, 목표면과 작업 가능 범위가 중첩되는 굴삭 가능 범위가 최대로 되는 차량 본체의 위치가 최적 작업 위치로서 산출된다. 그리고, 최적 작업 위치를 나타내는 안내 화면이 표시부에 표시된다. 그러므로, 오퍼레이터는, 안내 화면 상의 최적 작업 위치를 목표로 하여 유압 셔블을 이동시킴으로써, 유압 셔블을 작업에 적절한 위치까지 용이하게 이동시킬 수 있다.

도 1은 유압 셔블의 사시도이다.
도 2는 유압 셔블의 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 유압 셔블이 구비하는 제어계의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 설계 지형 데이터에 의해 나타내는 설계 지형을 나타낸 도면이다.
도 5는 안내 화면을 나타낸 도면이다.
도 6은 버킷의 선단의 현재 위치를 구하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 최대 리치(reach) 자세에서의 작업기를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 최소 리치 자세에서의 작업기를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 작업 가능 범위의 산출 방법을 나타낸 도면이다.
도 10은 최적 작업 위치의 산출 방법을 나타낸 도면이다.
도 11은 최적 작업 위치의 산출 방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 12는 굴삭 미완료 영역과 굴삭 완료 영역과의 분류 방법을 나타낸 도면이다.
도 13은 최적 작업 위치의 산출 방법을 나타낸 도면이다.
도 14는 상향 경사면에서의 최적 작업 위치의 산출 방법을 나타낸 도면이다.
도 15는 하향 경사면에서의 최적 작업 위치의 산출 방법을 나타낸 도면이다.
도 16은 다른 실시형태에 관한 최적 작업 위치의 산출 방법을 나타낸 도면이다.

1. 구성

1―1. 유압 셔블의 전체 구성

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시형태에 관한 유압 셔블의 위치 유도 시스템에 대하여 설명한다. 도 1은, 위치 유도 시스템이 탑재되는 유압 셔블(100)의 사시도이다. 유압 셔블(100)은, 차량 본체(1)와 작업기(2)를 가진다. 차량 본체(1)는, 상부 선회체(3)와 운전실(4)과 주행 장치(5)를 가진다. 상부 선회체(3)는, 도시하지 않은 엔진이나 유압 펌프 등의 장치를 수용하고 있다. 운전실(4)은 상부 선회체(3)의 앞부분에 탑재되어 있다. 운전실(4) 내에는, 후술하는 표시 입력 장치(38) 및 조작 장치(25)가 배치된다(도 3 참조). 주행 장치(5)는 크롤러 트랙(crawler track)(5a, 5b)을 가지고 있고, 크롤러 트랙(5a, 5b)이 회전함으로써 유압 셔블(100)이 주행한다.

작업기(2)는, 차량 본체(1)의 앞부분에 장착되어 있고, 붐(boom)(6)과 암(arm)(7)과 버킷(8)과 붐 실린더(10)와 암 실린더(11)와 버킷 실린더(12)를 가진다. 붐(6)의 기단부(基端部)는, 붐 핀(13)을 통하여 차량 본체(1)의 앞부분에 요동(搖動) 가능하게 장착되어 있다. 암(7)의 기단부는, 암 핀(14)을 통하여 붐(6)의 선단부에 요동 가능하게 장착되어 있다. 암(7)의 선단부에는, 버킷 핀(15)을 통하여 버킷(8)이 요동 가능하게 장착되어 있다.

도 2는 유압 셔블(100)의 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2의 (a)는 유압 셔블(100)의 측면도이며, 도 2의 (b)는 유압 셔블(100)의 배면도이다. 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 붐(6)의 길이, 즉 붐 핀(13)으로부터 암 핀(14)까지의 길이는, L1이다. 암(7)의 길이, 즉 암 핀(14)으로부터 버킷 핀(15)까지의 길이는, L2이다. 버킷(8)의 길이, 즉 버킷 핀(15)으로부터 버킷(8)의 투스(tooth)의 선단까지의 길이는, L3이다.

도 1에 나타낸 붐 실린더(10)와 암 실린더(11)와 버킷 실린더(12)는, 각각 유압에 의해 구동되는 유압 실린더이다. 붐 실린더(10)는 붐(6)을 구동한다. 암 실린더(11)는, 암(7)을 구동한다. 버킷 실린더(12)는, 버킷(8)을 구동한다. 붐 실린더(10), 암 실린더(11), 버킷 실린더(12) 등의 유압 실린더와 도시하지 않은 유압 펌프와의 사이에는, 비례 제어 밸브(37)가 배치되어 있다(도 3 참조). 비례 제어 밸브(37)가 후술하는 작업기 컨트롤러(26)에 의해 제어됨으로써, 유압 실린더(10∼12)에 공급되는 작동유의 유량이 제어된다. 이로써, 유압 실린더(10∼12)의 동작이 제어된다.

도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 붐(6)과 암(7)과 버킷(8)에는, 각각 제1 ~ 제3 스트로크 센서(16∼18)가 설치되어 있다. 제1 스트로크 센서(16)는, 붐 실린더(10)의 스트로크 길이를 검출한다. 후술하는 위치 유도 컨트롤러(39)(도 3 참조)는, 제1 스트로크 센서(16)가 검출한 붐 실린더(10)의 스트로크 길이로부터, 후술하는 차량 본체 좌표계의 Za축(도 6 참조)에 대한 붐(6)의 경사각(이하, 「붐 각」이라고 함) θ1을 산출한다. 제2 스트로크 센서(17)는, 암 실린더(11)의 스트로크 길이를 검출한다. 위치 유도 컨트롤러(39)는, 제2 스트로크 센서(17)가 검출한 암 실린더(11)의 스트로크 길이로부터, 붐(6)에 대한 암(7)의 경사각(이하, 「암 각」이라고 함) θ2를 산출한다. 제3 스트로크 센서(18)는, 버킷 실린더(12)의 스트로크 길이를 검출한다. 위치 유도 컨트롤러(39)는, 제3 스트로크 센서(18)가 검출한 버킷 실린더(12)의 스트로크 길이로부터, 암(7)에 대한 버킷(8)의 경사각(이하, 「버킷 각」이라고 함) θ3를 산출한다.

차량 본체(1)에는, 위치 검출부(19)가 구비되어 있다. 위치 검출부(19)는, 유압 셔블(100)의 현재 위치를 검출한다. 위치 검출부(19)는, RTK―GNSS(Real Time Kinematic ― Global Navigation Satellite Systems, GNSS는 전체 지구 항법 위성 시스템을 말함)용의 2개의 안테나(21, 22)[이하, 「GNSS 안테나(21, 22)」라고 함]와, 3차원 위치 센서(23)와, 경사각 센서(24)를 가진다. GNSS 안테나(21, 22)는, 후술하는 차량 본체 좌표계 Xa―Ya―Za의 Ya축(도 6 참조)을 따라 일정 거리만큼 이격되어 배치되어 있다. GNSS 안테나(21, 22)에 의해 수신된 GNSS 전파에 따른 신호는 3차원 위치 센서(23)에 입력된다. 3차원 위치 센서(23)는, GNSS 안테나(21, 22)의 설치 위치 P1, P2의 위치를 검출한다. 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 경사각 센서(24)는, 중력 방향 즉 글로벌 좌표계에서의 연직 방향에 대한 차량 본체(1)의 차폭 방향의 경사각 θ4(이하, 「롤 각 θ4」라고 함)를 검출한다.

도 3은 유압 셔블(100)이 구비하는 제어계의 구성을 나타낸 블록도이다. 유압 셔블(100)은, 조작 장치(25)와, 작업기 컨트롤러(26)와, 작업기 제어 장치(27)와, 위치 유도 시스템(28)을 구비한다. 조작 장치(25)는, 작업기 조작 부재(31)와, 작업기 조작 검출부(32)와, 주행 조작 부재(33)와, 주행 조작 검출부(34)를 가진다. 작업기 조작 부재(31)는, 오퍼레이터가 작업기(2)를 조작하기 위한 부재이며, 예를 들면, 조작 레버이다. 작업기 조작 검출부(32)는, 작업기 조작 부재(31)의 조작 내용을 검출하여, 검출 신호로서 작업기 컨트롤러(26)에 보낸다. 주행 조작 부재(33)는, 오퍼레이터가 유압 셔블(100)의 주행을 조작하기 위한 부재이며, 예를 들면, 조작 레버이다. 주행 조작 검출부(34)는, 주행 조작 부재(33)의 조작 내용을 검출하여, 검출 신호로서 작업기 컨트롤러(26)에 보낸다.

작업기 컨트롤러(26)는, RAM이나 ROM 등의 기억부(35)나, CPU 등의 연산부(36)를 가지고 있다. 작업기 컨트롤러(26)는, 주로 작업기(2)의 제어를 행한다. 작업기 컨트롤러(26)는, 작업기 조작 부재(31)의 조작에 따라 작업기(2)를 동작시키기 위한 제어 신호를 생성하여, 작업기 제어 장치(27)에 출력한다. 작업기 제어 장치(27)는 비례 제어 밸브(37)를 가지고 있고, 작업기 컨트롤러(26)로부터의 제어 신호에 기초하여 비례 제어 밸브(37)가 제어된다. 작업기 컨트롤러(26)로부터의 제어 신호에 따라 유량의 작동유가 비례 제어 밸브(37)로부터 유출되어 유압 실린더(10∼12)에 공급된다. 유압 실린더(10∼12)는, 비례 제어 밸브(37)로부터 공급된 작동유에 따라 구동된다. 이로써, 작업기(2)가 동작한다.

1―2. 위치 유도 시스템(28)의 구성

위치 유도 시스템(28)은, 유압 셔블(100)을, 작업 영역 내의 목표면까지 유도하기 위한 시스템이다. 위치 유도 시스템(28)은, 전술한 제1 ~ 제3 스트로크 센서(16∼18), 3차원 위치 센서(23), 경사각 센서(24) 이외에, 표시 입력 장치(38)와 위치 유도 컨트롤러(39)를 가지고 있다.

표시 입력 장치(38)는, 터치 패널식의 입력부(41)와, LCD 등의 표시부(42)를 가진다. 표시 입력 장치(38)는, 작업 영역 내의 목표 작업 대상까지 유압 셔블(100)을 유도하기 위한 안내 화면을 표시한다. 또한, 안내 화면에는, 각종 키가 표시된다. 오퍼레이터는, 안내 화면 상의 각종 키에 접촉함으로써, 위치 유도 시스템(28)의 각종 기능을 실행시킬 수 있다. 안내 화면에 대해서는 후술한다.

위치 유도 컨트롤러(39)는, 위치 유도 시스템(28)의 각종 기능을 실행한다. 위치 유도 컨트롤러(39)와 작업기 컨트롤러(26)는, 무선 또는 유선의 통신 수단에 의해 서로 통신 가능하게 되어 있다. 위치 유도 컨트롤러(39)는, RAM이나 ROM 등의 기억부(43)와, CPU 등의 연산부(44)를 가지고 있다.

기억부(43)는, 연산부(44)에 있어서 실행되는 각종 처리에 필요한 데이터를 저장하고 있다. 기억부(43)는, 지형 데이터 기억부(46)와, 작업기 데이터 기억부(47)와, 현황면 기억부(48)를 가지고 있다. 지형 데이터 기억부(46)에는, 설계 지형 데이터가 미리 작성되어 기억되어 있다. 설계 지형 데이터는, 작업 영역 내의 3차원의 설계 지형의 형상 및 위치를 나타낸다. 구체적으로는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 설계 지형은, 삼각형 폴리곤에 의해 각각 표현되는 복수의 설계면(45)에 의해 구성되어 있다. 그리고, 도 4에서는 복수의 설계면 중 1개에만 부호 "45"가 부여되어 있고, 다른 설계면의 부호는 생략되어 있다. 오퍼레이터는, 이들 설계면(45) 중 1개, 또는 복수의 설계면을 목표면(70)으로서 선택한다.

작업기 데이터 기억부(47)는, 작업기 데이터를 기억하고 있다. 작업기 데이터는, 작업기(2)가 도달할 수 있는 차량 본체(1)의 주위의 작업 가능 범위(76)(도 5 참조)를 나타내는 데이터이다. 작업기 데이터는, 전술한 붐(6)의 길이 L1, 암(7)의 길이 L2, 버킷(8)의 길이 L3를 포함한다. 또한, 작업기 데이터는, 붐 각 θ1, 암 각 θ2, 버킷 각 θ3의 각각의 최소값 및 최대값을 포함한다.

현황면 기억부(48)는, 현황면 데이터를 기억하고 있다. 현황면 데이터는, 후술하는 현황면 검출부(50)에 의해 검출된 현황면(도 5의 부호 "78"을 참조)을 나타내는 데이터이다. 현황면은, 현재의 실제의 지형을 나타낸다. 현황면 검출부(50)는, 소정 시간마다 현황면의 검출을 반복 실행한다. 현황면 기억부(48)는, 현황면 검출부(50)으로 검출된 최신의 현황면을 나타내는 데이터에 현황면 데이터를 갱신한다.

연산부(44)는, 현재 위치 연산부(49)와 현황면 검출부(50)와 최적 작업 위치 연산부(51)를 가진다. 현재 위치 연산부(49)는, 위치 검출부(19)로부터의 검출 신호에 기초하여 차량 본체(1)의 글로벌 좌표계에서의 현재 위치를 검출한다. 또한, 현재 위치 연산부(49)는, 차량 본체(1)의 글로벌 좌표계에서의 현재 위치와, 전술한 작업기 데이터에 따라, 버킷(8)의 선단의 글로벌 좌표계에서의 현재 위치를 산출한다. 현황면 검출부(50)는, 최신의 현황면을 검출한다. 최적 작업 위치 연산부(51)는, 설계 지형 데이터와 작업기 데이터와 차량 본체(1)의 현재 위치에 기초하여, 최적 작업 위치를 산출한다. 최적 작업 위치는, 목표면(70)을 굴삭하기 위한 차량 본체(1)의 최적 위치를 나타낸다. 버킷(8)의 선단의 현재 위치의 산출 방법, 현황면의 검출 방법, 최적 작업 위치의 산출 방법에 대해서는 후술한다.

위치 유도 컨트롤러(39)는, 현재 위치 연산부(49)와 현황면 검출부(50)와 최적 작업 위치 연산부(51)와의 연산 결과에 기초하여, 안내 화면을 표시 입력 장치(38)에 표시하게 한다. 안내 화면은, 유압 셔블(100)을 목표면(70)까지 유도하기 위한 화면이다. 이하, 안내 화면에 대하여 상세하게 설명한다.

2. 안내 화면

2―1. 안내 화면의 구성

도 5에 안내 화면(52)을 나타낸다. 안내 화면(52)은, 상면도(52a)와 측면도(52b)를 포함한다.

상면도(52a)는, 작업 영역의 설계 지형과 유압 셔블(100)의 현재 위치를 나타낸다. 상면도(52a)는, 복수의 삼각형 폴리곤(polygon)에 의해 상면에서 볼 때의 설계 지형을 표현하고 있다. 또한, 목표면(70)은, 다른 설계면과 상이한 색으로 표시된다. 그리고, 도 5에서는, 유압 셔블(100)의 현재 위치가 상면에서 볼 때의 유압 셔블의 아이콘(61)으로 나타나 있지만, 다른 심볼에 의해 나타내도 된다.

상면도(52a)에는, 유압 셔블(100)을 목표면(70)까지 유도하기 위한 정보가 표시된다. 구체적으로는, 방위 인디케이터(directional indicator)(71)가 표시된다. 방위 인디케이터(71)는, 유압 셔블(100)에 대한 목표면(70)의 방향을 나타내는 아이콘이다. 또한, 상면도(52a)는, 최적 작업 위치를 나타내는 정보와, 유압 셔블(100)을 목표면(70)에 대하여 정대(正對; directly face-to-face)시키기 위한 정보를 더 포함하고 있다. 최적 작업 위치는, 유압 셔블(100)이 목표면(70)에 대하여 굴삭을 행하기 위해 최적의 위치이며, 목표면(70)의 위치와 후술하는 작업 가능 범위(76)로부터 산출된다. 최적 작업 위치는, 상면도(52a)에 있어서 직선(72)으로 나타나 있다. 유압 셔블(100)을 목표면(70)에 대하여 정대시키기 위한 정보는, 정대 컴퍼스(facing compass)(73)로서 표시된다. 정대 컴퍼스(73)는, 목표면(70)에 대한 정대 방향과 유압 셔블(100)을 선회시키려 하는 방향을 나타내는 아이콘이다. 오퍼레이터는, 정대 컴퍼스(73)에 의해, 목표면(70)으로의 정대도를 확인할 수 있다.

측면도(52b)는, 설계면선(74)과, 현황면선(78)과, 목표면선(84)과, 측면에서 볼 때 의한 유압 셔블(100)의 아이콘(75)과, 작업기(2)의 작업 가능 범위(76)와, 최적 작업 위치를 나타내는 정보를 포함한다. 설계면선(74)은, 목표면(70) 이외의 설계면(45)의 단면을 나타낸다. 현황면선(78)은, 전술한 현황면의 단면을 나타낸다. 목표면선(84)은 목표면(70)의 단면을 나타낸다. 설계면선(74)과 목표면선(84)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 버킷(8)의 선단 P3의 현재 위치를 지나는 평면(77)과 설계 지형과의 교선(80)을 산출함으로써 구해진다. 목표면선(84)은, 설계면선(74)과 상이한 색으로 표시된다. 그리고, 도 5에서는 선의 종류를 바꾸어 목표면선(84)과 설계면선(74)을 표현하고 있다. 작업 가능 범위(76)는, 작업기(2)에 의한 작업이 가능한 차량 본체(1)의 주위의 범위를 나타낸다. 작업 가능 범위(76)는, 전술한 작업기 데이터로부터 산출된다. 작업 가능 범위(76)의 산출 방법에 대해서는 후술한다. 측면도(52b)에 나타내는 최적 작업 위치는, 전술한 상면도(52a)에 나타내는 최적 작업 위치에 상당하고, 삼각형의 아이콘(81)으로 나타낸다. 또한, 차량 본체(1)의 기준 위치도 삼각형의 아이콘(82)에 의해 나타낸다. 오퍼레이터는, 기준 위치의 아이콘(82)가 최적 작업 위치의 아이콘(81)과 합치하도록 유압 셔블(100)을 이동시킨다.

이상과 같이, 안내 화면(52)은, 최적 작업 위치를 나타내는 정보와 유압 셔블(100)을 목표면(70)에 대하여 정대시키기 위한 정보를 포함한다. 그러므로, 오퍼레이터는, 안내 화면(52)에 의해, 목표면(70)에 대하여, 작업을 행하기 위해 최적의 위치 및 방향에 유압 셔블(100)을 배치할 수 있다. 따라서, 안내 화면(52)은, 주로 유압 셔블(100)의 위치 결정을 행할 때 참조된다.

2―2. 버킷(8)선단의 현재 위치의 산출 방법

전술한 바와 같이, 목표면선(84)은 버킷(8)의 선단의 현재 위치로부터 산출된다. 위치 유도 컨트롤러(39)는, 3차원 위치 센서(23), 제1 ~ 제3 스트로크 센서(16∼18), 경사각 센서(24) 등으로부터의 검출 결과에 따라, 글로벌 좌표계｛X, Y, Z｝에서의 버킷(8)의 선단 P3의 현재 위치를 산출한다. 구체적으로는, 버킷(8)의 선단 P3의 현재 위치는, 다음과 같이 하여 구해진다.

먼저, 도 6에 나타낸 바와 같이, 전술한 GNSS 안테나(21)의 설치 위치 P1을 원점으로 하는 차량 본체 좌표계｛Xa, Ya, Za｝를 구한다. 도 6의 (a)는 유압 셔블(100)의 측면도이다. 도 6의 (b)는 유압 셔블(100)의 배면도이다. 여기서는, 유압 셔블(100)의 전후 방향 즉 차량 본체 좌표계의 Ya축 방향이 글로벌 좌표계의 Y축 방향에 대하여 경사져 있는 것으로 한다. 또한, 차량 본체 좌표계에서의 붐 핀(13)의 좌표는(0, Lb1, ―Lb2)이며, 미리 위치 유도 컨트롤러(39)의 작업기 데이터 기억부(47)에 기억되어 있다.

3차원 위치 센서(23)는 GNSS 안테나(21, 22)의 설치 위치 P1, P2를 검출한다. 검출된 좌표 위치 P1, P2로부터 이하의 (1)식에 따라서 Ya축 방향의 단위 벡터가 산출된다.

Ya = P1―P2/｜P1―P2｜ … (1)

도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, Ya와 Z의 2개의 벡터에 의해 표현되는 평면을 지나고(passes through), Ya와 수직인 벡터 Z'를 도입하면 이하의 관계가 성립된다.

(Z', Ya) = 0 … (2)

Z' = (1―c)Z＋cYa … (3)

c는 상수(常數)이다.

(2)식 및 (3)식으로부터, Z'는 이하의 (4)식과 같이 표현된다.

Z' = Z＋｛(Z, Ya)/((Z, Ya)―1)｝(Ya―Z) … (4)

또한, Ya 및 Z'와 수직인 벡터를 X'로 하면, X'는 이하의 (5)식과 같이 표현된다.

X' = Ya⊥Z' … (5)

도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, 차량 본체 좌표계는, 이것을 Ya축 주위로 전술한 롤 각 θ4만큼 회전시킨 것이므로, 이하의 (6)식과 같이 표현된다.

… (6)

또한, 제1 ~ 제3 스트로크 센서(16∼18)의 검출 결과로부터, 전술한 붐(6), 암(7), 버킷(8)의 현재의 경사각 θ1, θ2, θ3이 산출된다. 차량 본체 좌표계 내에서의 버킷(8)의 선단 P3의 좌표(xat, yat, zat)는, 경사각 θ1, θ2, θ3 및 붐(6), 암(7), 버킷(8)의 길이 L1, L2, L3를 사용하여, 이하의 (7)식~(9)식에 의해 산출된다.

xat = 0 … (7)

yat = Lb1＋L1sinθ1＋L2sin(θ1＋θ2)＋L3sin(θ1＋θ2＋θ3) … (8)

zat = ―Lb2＋L1cosθ1＋L2cos(θ1＋θ2)＋L3cos(θ1＋θ2＋θ3) … (9)

그리고, 버킷(8)의 선단 P3는, 차량 본체 좌표계의 Ya―Za 평면 상에서 이동하는 것으로 한다.

그리고, 글로벌 좌표계에서의 버킷(8)의 선단 P3의 좌표가 이하의 (10)식으로부터 구해진다.

P3 = xat·Xa＋yat·Ya＋zat·Za＋P1 … (10)

도 4에 나타낸 바와 같이, 표시 컨트롤러(39)는, 상기한 바와 같이 산출한 버킷(8)의 선단의 현재 위치와, 기억부(43)에 기억된 설계 지형 데이터에 따라, 3차원 설계 지형과 버킷(8)의 선단 P3를 통과하는 Ya―Za 평면(77)과의 교선(80)을 산출한다. 그리고, 표시 컨트롤러(39)는, 이 교선 중 목표면(70)을 지나는 부분을 전술한 목표면선(92)으로서 안내 화면에 표시한다.

또한, 전술한 현황면 검출부(50)는, 차량 본체(1)의 바닥부의 이동의 궤적과 버킷(8)의 선단 P3의 이동의 궤적에 기초하여 현황면선(78)을 검출한다. 구체적으로는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 현황면 검출부(50)는, 차량 본체(1)의 현재 위치[GNSS 안테나(21)의 설치 위치 P1]로부터 검출 기준점 P5의 현재 위치를 산출한다. 검출 기준점 P5는, 크롤러 트랙(5a, 5b)의 바닥면에 위치하고 있다. 그리고, 현황면 검출부(50)는, 검출 기준점 P5의 궤적을 현황면 데이터로서 현황면 기억부(48)에 보존한다. 그리고, 전술한 현황면 기억부(48)에는, GNSS 안테나(21)의 설치 위치 P1과 검출 기준점 P5와의 위치 관계를 나타내는 데이터가 미리 보존되어 있다. 또한, 버킷(8)의 선단 P3의 궤적은, 전술한 현재 위치 연산부(49)가 검출한 버킷(8)의 선단 P3의 현재 위치를 기록함으로써 구해진다.

2―3. 작업 가능 범위(76)의 산출 방법

먼저, 작업 가능 범위(76)의 산출 방법에 대하여 설명하기 전에, 작업기(2)의 최대 리치 길이 Lmax와 최소 리치 길이 Lmin에 대하여 설명한다. 최대 리치 길이 Lmax는, 작업기(2)를 최대로 신장한 상태에서의 작업기(2)의 리치 길이이다. 그리고, 작업기(2)의 리치 길이는, 붐 핀(13)과 버킷(8)의 선단 P3와의 사이의 거리이다. 도 7에, 작업기(2)의 길이가 최대 리치 길이 Lmax로 될 때의 작업기(2)의 자세(이하, 「최대 리치 자세」라고 함)를 모식적으로 나타낸다. 도 7에 나타낸 좌표 평면 Yb―Zb는, 전술한 차량 본체 좌표계｛Xa, Ya, Za｝에 있어서 붐 핀(13)의 위치를 원점으로 한 것이다. 최대 리치 자세에서는, 암 각 θ2는 최소값으로 된다. 또한, 버킷 각 θ3은, 작업기(2)의 리치 길이가 최대가 되도록, 파라미터 최적화를 위한 수치 해석에 의해 산출된다. 이 때의 버킷 각 θ3의 값을 이하, 「최대 리치 각」이라고 한다.

최소 리치 길이 Lmin은, 작업기(2)를 최소로 축소한 상태에서의 작업기(2)의 리치 길이이다. 도 8에, 작업기(2)의 길이가 최소 리치 길이 Lmin으로 될 때의 작업기(2)의 자세(이하, 「최소 리치 자세」라고 함)를 모식적으로 나타낸다. 최소 리치 자세에서는, 암 각 θ2는 최대값으로 된다. 또한, 버킷 각 θ3는, 작업기(2)의 리치 길이가 최소로 되도록, 파라미터 최적화를 위한 수치 해석에 의해 산출된다. 이 때의 버킷 각 θ3의 값을 이하, 「최소 리치 각」이라고 한다.

다음에, 작업 가능 범위(76)의 산출 방법에 대해서도 9에 기초하여 설명한다. 작업 가능 범위는, 도달 가능 범위(83)로부터 차량 하부 영역(86)을 제외한 범위이다. 도달 가능 범위(83)는, 작업기(2)가 도달할 수 있는 범위를 나타낸다. 차량 하부 영역(86)은, 차량 본체(1)의 아래쪽에 위치하는 영역이다. 도달 가능 범위(83)는, 전술한 작업기 데이터와 차량 본체(1)의 현재 위치로부터 산출된다. 도달 가능 범위(83)의 경계선은, 복수의 원호 A1∼A4를 포함한다. 예를 들면, 도달 가능 범위(83)의 경계선은, 제1 원호 A1으로부터 제4 원호 A4를 포함한다. 제1 원호 A1은, 암 각 θ2가 최소값, 버킷 각 θ3이 최대 리치 각이며, 붐 각 θ1이 최소값과 최대값과의 사이에서 변화될 때의 버킷(8)의 선단이 그리는 궤적이다. 제2 원호 A2는, 붐 각 θ1이 최대, 버킷 각 θ3이 0°이며, 암 각 θ2가 최소값과 최대값과의 사이에서 변화될 때의 버킷(8)의 선단이 그리는 궤적이다. 제3 원호 A3는, 암 각 θ2가 최대값, 버킷 각 θ3이 최소 리치 각이며, 붐 각 θ1이 최소값과 최대값과의 사이에서 변화될 때의 버킷(8)의 선단이 그리는 궤적이다. 제4 원호 A4는, 붐 각 θ1이 최소값, 버킷 각 θ3이 0°이며, 암 각 θ2가 최소값과 최대값과의 사이에서 변화될 때의 버킷(8)의 선단이 그리는 궤적이다.

2―4. 최적 작업 위치의 산출 방법

다음에, 최적 작업 위치의 산출 방법에 대하여 설명한다. 최적 작업 위치 연산부(51)는, 목표면(70)과 작업 가능 범위(76)와의 중첩되는 굴삭 가능 범위(79)가 최대로 되는 차량 본체(1)의 위치를 최적 작업 위치로서 산출한다. 이하, 도 11에 나타낸 플로우차트에 기초하여 최적 작업 위치의 산출 방법을 설명한다.

스텝 S1에서는, 차량 본체(1)의 현재 위치가 검출된다. 여기서는, 전술한 바와 같이, 현재 위치 연산부(49)가, 위치 검출부(19)로부터의 검출 신호에 기초하여 차량 본체(1)의 글로벌 좌표계에서의 현재 위치를 산출한다.

스텝 S2에서는, 목표면선(84) 또는 현황면선(78)의 경사각이 소정의 표시 판정 임계값 이상인지의 여부가 판정된다. 소정의 표시 판정 임계값은, 유압 셔블(100)이 안정적으로 작업을 행할 수 있는 한계를 나타내는 경사면의 각도로 설정된다. 소정의 표시 판정 임계값은, 미리 구해져 작업기 데이터 기억부(47)에 기억되어 있다. 목표면선(84)의 경사각 θ5(도 10 참조)는, 지형 데이터 기억부(46)의 설계 지형 데이터로부터 취득된다. 현황면선(78)의 경사각 θ6(도 10 참조)은, 현황면 기억부(48)의 현황면 데이터로부터 취득된다. 목표면선(84)의 경사각 θ5 및 현황면선(78)의 경사각 θ6 중 적어도 한쪽이 소정의 표시 판정 임계값 이상일 때는, 스텝 S7에 있어서, 안내 화면(52) 상에서 최적 작업 위치가 비표시로 된다. 목표면선(84)의 경사각 θ5 또는 현황면선(78)의 경사각 θ6이 소정의 표시 판정 임계값 이상이 아닐 때는 스텝 S3로 진행한다. 즉, 목표면선(84)의 경사각 θ5와 현황면선(78)의 경사각 θ6과의 양쪽이 소정의 표시 판정 임계값보다 작을 때는 스텝 S3로 진행한다.

스텝 S3에서는, 굴삭 가능 범위 대상이 선정되고. 도 10에 나타낸 바와 같이, 굴삭 가능 범위(79)는, 측면에서 볼 때 목표면선(84)과 작업 가능 범위(76)와의 중첩되는 부분이다. 단, 도 12에 나타낸 바와 같이, 최적 작업 위치 연산부(51)는, 현황면선(78)과 목표면선(84)과의 사이의 거리 G1에 기초하여 목표면선(84)을 굴삭 완료 영역과 굴삭 미완료 영역으로 분류한다. 구체적으로는, 최적 작업 위치 연산부(51)는, 목표면선(84) 중, 현황면선(78)과의 사이의 거리 G1이 소정의 분류 판정 임계값 Gth 이상의 부분을 굴삭 미완료 영역으로 분류한다. 또한, 최적 작업 위치 연산부(51)는, 목표면선(84) 중, 현황면선(78)과의 사이의 거리 G1이 소정의 분류 판정 임계값 Gth보다 작은 부분을 굴삭 완료 영역으로 분류한다. 그리고, 최적 작업 위치 연산부(51)는, 차량 본체(1)에 가장 가까운 굴삭 미완료 영역을 굴삭 가능 범위(79)의 대상으로 결정한다.

스텝 S4에서는, 경사면 종류가 판정된다. 여기서는, 목표면(70)이 유압 셔블에서 볼 때 상향 경사면인지, 수평면인지, 하향 경사면인지가 판정된다. 최적 작업 위치 연산부(51)는, 지형 데이터 기억부(46)의 설계 지형 데이터와, 차량 본체(1)의 현재 위치에 기초하여 경사면 종류를 판정한다.

스텝 S5에서는, 최적 작업 위치가 산출된다. 여기서는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 목표면선(84)과 작업 가능 범위(76)와의 중첩되는 굴삭 가능 범위(79)의 길이 Le가 최대로 되는 차량 본체(1)의 위치가 최적 작업 위치로서 산출된다. 단, 스텝 S3에서 선정된 굴삭 가능 범위(79)의 대상이 되는 영역 내에서 굴삭 가능 범위(79)의 길이 Le가 최대로 되는 위치가 산출된다.

또한, 최적 작업 위치는, 차량 본체(1)가 현황면선(78) 상에 위치하고 있을 때의 작업 가능 범위(76)의 높이 위치에 기초하여 산출된다. 즉, 도 13에 나타낸 바와 같이, 목표면선(84)으로부터 이격되어 있을 때의 붐 핀(13)의 현재 위치 P4와 차량 본체(1)가 목표면선(84)의 근방에 위치하고 있을 때의 붐 핀(13)의 위치 P4'는, 현황면선(78)의 형상에 따라 상이하다. 그러므로, 작업 가능 범위(76)의 높이 위치도, 현황면선(78)의 높이의 변화에 맞추어 변화한다. 따라서, 최적 작업 위치는, 현황면선(78)에 따른 작업 가능 범위(76)의 높이 위치에 기초하여 산출된다. 구체적으로는, 크롤러 트랙(5a, 5b)의 바닥면의 검출 기준점 P5로부터 붐 핀(13)까지의 높이 Hb를 나타내는 데이터가 작업기 데이터 기억부(47)에 기억되어 있고, 현황면선(78)으로부터 붐 핀(13)의 높이 Hb만큼 위쪽의 위치가, 차량 본체(1)가 현황면선(78) 상에 위치하고 있을 때의 붐 핀(13)의 궤적 Tb로서 산출된다. 최적 작업 위치는, 붐 핀(13)이 이 궤적 Tb를 따라 이동했을 때의 작업 가능 범위(76)의 위치에 기초하여 산출된다.

또한, 전술한 스텝 S4에 있어서, 목표면(70)이 상향 경사면 또는 수평면인 것으로 판정된 경우에는, 도 14에 나타낸 바와 같이, 작업 가능 범위(76)의 경계선과 목표면선(84)과의 교점 중 차량 본체(1)로부터 먼 쪽의 교점 P6가 목표면선(84)의 정상부와 일치하는 위치가, 최적 작업 위치로서 산출된다. 또한, 스텝 S4에 있어서 목표면(70)이 하향 경사면인 것으로 판정된 경우에는, 도 15에 나타낸 바와 같이, 작업 가능 범위(76)의 경계선과 목표면선(84)과의 교점 중 차량 본체(1)에 가까운 쪽의 교점 P7가 목표면선(84)의 정상부와 일치하는 위치가, 최적 작업 위치로서 산출된다.

스텝 S6에서는, 최적 작업 위치를 나타내는 안내 화면(52)이 표시부(42)에 표시된다. 여기서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 안내 화면(52)의 상면도(52a)에, 최적 작업 위치를 나타내는 직선(72)이 표시된다. 또한, 안내 화면(52)의 측면도(52b)에 최적 작업 위치를 나타내는 삼각형의 아이콘(81)이 표시된다.

3. 특징

본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 위치 유도 시스템(28)에서는, 목표면선(84)과 작업 가능 범위(76)와의 중첩되는 굴삭 가능 범위(79)가 최대로 되는 차량 본체(1)의 위치가 최적 작업 위치로서 산출된다. 그리고, 최적 작업 위치를 나타내는 안내 화면(52)이 표시부(42)에 표시된다. 그러므로, 오퍼레이터는, 안내 화면(52) 상의 최적 작업 위치를 목표로 하여 유압 셔블(100)을 조종함으로써, 유압 셔블(100)을 굴삭 작업에 적절한 위치까지 용이하게 이동시킬 수 있다. 구체적으로는, 오퍼레이터는, 도 5에 나타낸 안내 화면(52)의 측면도(52b)에 표시되는 아이콘(81)에 의해 최적 작업 위치를 확인할 수 있다. 그러므로, 오퍼레이터는, 유압 셔블(100)의 전후의 위치 조정을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 오퍼레이터는, 안내 화면(52)의 상면도(52a)에 표시되는 직선(72)에 의해 최적 작업 위치를 확인할 수 있다. 그러므로, 오퍼레이터는, 유압 셔블(100)의 좌우의 위치 조정을 용이하게 행할 수 있다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 차량 본체(1)의 현재 위치에서의 작업 가능 범위(76)의 높이를 기준으로 하는 것이 아니라, 차량 본체(1)가 현황면선(78) 상에 위치하고 있을 때의 작업 가능 범위(76)의 높이 위치에 기초하여, 최적 작업 위치가 산출된다. 그러므로, 기복이 있는 작업 영역 내에 있어서도, 최적 작업 위치를 양호한 정밀도로 산출할 수 있다.

목표면선(84)이 굴삭 미완료 영역과 굴삭 완료 영역으로 분류되고, 굴삭 미완료 영역이 굴삭 가능 범위(79)의 대상으로 된다. 그러므로, 도 12에 나타낸 바와 같이, 단속적 굴삭에 의해 굴삭 미완료 영역과 굴삭 완료 영역이 혼재하는 경우라도, 이미 굴삭할 필요가 없는 굴삭 완료 영역이 최적 작업 위치의 산출로부터 제외된다. 그러므로, 유효한 최적 작업 위치를 양호한 정밀도로 산출할 수 있다.

목표면선(84)의 경사각 θ5 또는 현황면선(78)의 경사각 θ6이 소정의 표시 판정 임계값 이상일 때는, 최적 작업 위치가 안내 화면(52)에 표시되지 않는다. 이로써, 유압 셔블(100)을 안정적으로 작업할 수 있는 범위 내에서 최적 작업 위치를 안내 화면(52)에 나타내는 것이 가능하다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 목표면(70)이 유압 셔블(100)에서 볼 때 상향 경사면 또는 수평면인 경우에는, 작업기(2)를 신장시킨 상태에서 목표면선(84)의 정상부에 도달하는 위치가, 최적 작업 위치로서 산출된다. 그러므로, 예를 들면, 상향 경사면이 유압 셔블(100)에 비해 매우 클 경우에는, 정상부로부터 상향 경사면을 내려오면서 순차적으로 굴삭을 행하도록, 오퍼레이터는 유압 셔블(100)을 조작할 수 있다.

도 15에 나타낸 바와 같이, 목표면(70)이 유압 셔블(100)에서 볼 때 하향 경사면인 경우에는, 작업기(2)를 축소한 상태로 목표면선(84)의 정상부에 도달하는 위치가, 최적 작업 위치로서 산출된다. 그러므로, 예를 들면, 차량 본체(1)의 바로 앞쪽을 굴삭하면서, 하향 경사면을 내려가도록, 오퍼레이터는 유압 셔블(100)을 조작할 수 있다.

4. 다른 실시형태

이상, 본 발명의 일실시형태에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 각종 변경이 가능하다. 예를 들면, 위치 유도 시스템(28)의 기능의 일부, 또는 모두가, 유압 셔블(100)의 외부에 배치된 컴퓨터에 의해 실행되어도 된다. 상기한 실시형태에서는 작업기(2)는, 붐(6), 암(7), 버킷(8)을 가지고 있지만, 작업기(2)의 구성은 이에 한정되지 않는다.

상기한 실시형태에서는, 제1 ~ 제3 스트로크 센서(16∼18)에 의해, 붐(6), 암(7), 버킷(8)의 경사각을 검출하고 있지만, 경사각의 검출 수단은 이들에 한정되지 않는다. 예를 들면, 붐(6), 암(7), 버킷(8)의 경사각을 검출하는 각도 센서가 구비되어도 된다.

상기한 실시형태에서는, 버킷(8)의 선단 P3의 위치의 궤적, 및 크롤러 트랙(5a, 5b)의 바닥면의 검출 기준점 P5의 위치의 궤적이, 현황면선(78)으로서 검출되어 있다. 그러나, 현황면선(78)의 검출 방법은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 일본공개특허 제2002―328022호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 레이저 거리 측정 장치에 의해 현황면선(78)을 검출해도 된다. 또는, 일본공개특허 1999―211473호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 스테레오 카메라식의 계측 장치에 의해 현황면선(78)을 검출해도 된다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 상기한 실시형태에서는, 최적 작업 위치는, 현황면선(78)에 따른 작업 가능 범위(76)의 높이 위치에 기초하여 산출되어 있다. 그러나, 도 16에 나타낸 바와 같이, 최적 작업 위치는, 가상 지면선(90)으로부터의 작업 가능 범위(76)의 높이 위치에 기초하여 산출해도 된다. 가상 지면선(90)은, 유압 셔블(100)의 현재 위치에서의 바닥면의 검출 기준점 P5을 지나고 글로벌 좌표계에서의 Y축 방향으로 평행한 선이다.

[산업 상의 이용 가능성]

본 발명은, 유압 셔블을 작업에 적절한 위치까지 용이하게 이동시킬 수 있는 효과를 가지고, 유압 셔블의 위치 유도 시스템 및 그 제어 방법으로서 유용하다.

1: 차량 본체
2: 작업기
19: 위치 검출부
28: 위치 유도 시스템
42: 표시부
46: 지형 데이터 기억부
47: 작업기 데이터 기억부
48: 현황면 기억부
50: 현황면 검출부
51: 최적 작업 위치 연산부
52: 안내 화면
70: 목표면
76: 작업 가능 범위
100: 유압 셔블

Claims

차량 본체와 상기 차량 본체에 장착되는 작업기를 가지는 유압 셔블(hydraulic shovel)을, 작업 영역 내의 목표면까지 유도하는 유압 셔블의 위치 유도 시스템으로서,
상기 목표면의 위치를 나타내는 지형 데이터를 기억하는 지형 데이터 기억부;
상기 작업기가 도달할 수 있는 상기 차량 본체의 주위의 작업 가능 범위를 나타내는 작업기 데이터를 기억하는 작업기 데이터 기억부;
상기 차량 본체의 현재 위치를 검출하는 위치 검출부;
상기 지형 데이터와 상기 작업기 데이터와 상기 차량 본체의 현재 위치에 기초하여, 상기 목표면과 상기 작업 가능 범위가 중첩되는 굴삭 가능 범위가 최대로 되는 상기 차량 본체의 위치를 최적 작업 위치로서 산출하는 최적 작업 위치 연산부; 및
상기 최적 작업 위치를 나타내는 안내 화면을 표시하는 표시부;
를 포함하는, 유압 셔블의 위치 유도 시스템.
제1항에 있어서,
상기 굴삭 가능 범위는, 측면에서 볼 때 상기 목표면의 단면(斷面)을 나타내는 선분과 상기 작업 가능 범위가 중첩되는 부분인, 유압 셔블의 위치 유도 시스템.
제1항에 있어서,
상기 안내 화면은, 측면에서 볼 때의 상기 목표면의 단면과 상기 유압 셔블과 상기 최적 작업 위치를 나타내는 측면도를 포함하는, 유압 셔블의 위치 유도 시스템.
제1항에 있어서,
상기 안내 화면은, 상면에서 볼 때의 상기 목표면과 상기 유압 셔블과 상기 최적 작업 위치를 나타내는 상면도를 포함하는, 유압 셔블의 위치 유도 시스템.
제1항에 있어서,
최신의 현황면을 검출하는 현황면 검출부;
상기 현황면 검출부에 의해 검출된 최신의 현황면을 기억하고 갱신하는 현황면 기억부;
를 더 포함하고,
상기 최적 작업 위치는, 상기 차량 본체가 상기 현황면 상에 위치하고 있을 때의 상기 작업 가능 범위의 높이 위치에 기초하여 산출되는, 유압 셔블의 위치 유도 시스템.
제1항에 있어서,
최신의 현황면을 검출하는 현황면 검출부; 및
상기 현황면 검출부에 의해 검출된 최신의 현황면을 기억하고 갱신하는 현황면 기억부;
를 더 포함하고,
상기 최적 작업 위치 연산부는, 상기 현황면과 상기 목표면의 차이의 크기에 기초하여 상기 목표면을 굴삭 완료 영역과 굴삭 미완료 영역으로 분류하여, 상기 차량 본체에 가장 가까운 상기 굴삭 미완료 영역을 상기 굴삭 가능 범위의 대상으로 하는, 유압 셔블의 위치 유도 시스템.
제1항에 있어서,
상기 최적 작업 위치 연산부는, 상기 현황면 또는 상기 목표면의 경사각이 소정의 임계값 이상일 때는, 상기 안내 화면에 상기 최적 작업 위치가 표시되지 않게 하는, 유압 셔블의 위치 유도 시스템.
제1항에 있어서,
상기 목표면이 상기 유압 셔블에서 볼 때 상향 경사면 또는 수평면인 경우, 상기 최적 작업 위치는, 상기 작업 가능 범위의 경계선과 상기 목표면과의 교점(交点) 중 상기 차량 본체로부터 먼 쪽이 상기 목표면의 정상부와 일치하는 위치인, 유압 셔블의 위치 유도 시스템.
제1항에 있어서,
상기 목표면이 상기 유압 셔블에서 볼 때 하향 경사면인 경우, 상기 최적 작업 위치는, 상기 작업 가능 범위의 경계선과 상기 목표면과의 교점 중 상기 차량 본체에 가까운 쪽이 상기 목표면의 정상부와 일치하는 위치인, 유압 셔블의 위치 유도 시스템.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 유압 셔블의 위치 유도 시스템을 포함하는, 유압 셔블.
차량 본체와 상기 차량 본체에 장착되는 작업기를 가지는 유압 셔블을, 작업 영역 내의 목표면까지 유도하는 유압 셔블의 위치 유도 시스템의 제어 방법으로서,
상기 차량 본체의 현재 위치를 검출하는 스텝;
상기 목표면의 위치를 나타내는 지형 데이터와, 상기 작업기가 도달할 수 있는 상기 차량 본체의 주위의 작업 가능 범위를 나타내는 작업기 데이터와, 상기 차량 본체의 현재 위치에 기초하여, 상기 목표면과 상기 작업 가능 범위가 중첩되는 굴삭 가능 범위가 최대로 되는 상기 차량 본체의 위치를 최적 작업 위치로서 산출하는 스텝; 및
상기 최적 작업 위치를 나타내는 안내 화면을 표시하는 스텝;
을 포함하는, 유압 셔블의 위치 유도 시스템의 제어 방법.