KR20210151964A - 건설 기계 - Google Patents

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KR20210151964A
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신지 이시하라
시호 이즈미
신이치 고타케
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히다찌 겐끼 가부시키가이샤
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Abstract

프론트 작업기의 상승 하강 등의 건설 기계의 자세 변화에 관계없이, GNSS를 이용하여 정확한 방위각을 산출할 수 있도록 한다. 그러기 위해, 컨트롤러(20)는, 위치 자세 연산부(20a)에 있어서, 차체 IMU(13)에 의해 취득한 상부 선회체(2)의 자세각과 붐 IMU(14)에 의해 취득한 프론트 작업기(1)의 자세각 중 적어도 한쪽이 역치 이상일 때에 GNSS 수신기(17c)에 의해 산출한 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 낮다고 판단하고, 방위각의 품질과 GNSS 수신기(17c)에 의해 산출한 상부 선회체(2)의 방위각에 기초하여 바이어스 제거 연산을 실행하고, GNSS 수신기(17c)에 의해 산출한 상부 선회체(2)의 방위각과, 자이로 바이어스를 제거한 상부 선회체(2)의 각속도에 기초하여 상부 선회체(2)의 수정 방위각을 산출하고, 이 수정 방위각을 사용하여 프론트 작업기(1)의 3차원의 위치 및 자세를 연산한다.

Description

건설 기계
본 발명은, 상부 선회체가 하부 주행체에 대해 회전 가능한 유압 셔블 등의 건설 기계에 관한 것이다.
정보화 시공에의 대응에 수반하여, 다관절형의 프론트 작업기의 위치나 자세를 오퍼레이터에게 표시하는 머신 가이던스나, 프론트 작업기의 위치나 자세를 목표 시공면을 따라 움직이도록 제어하는 머신 컨트롤의 기능을 갖는 유압 셔블이 개발되어 있다.
이러한 유압 셔블에 있어서, 3차원 정보화 시공(3D 정보화 시공)에 대응시키기 위해서는, 시공 현장에 있어서의 유압 셔블 자신의 위치(좌표)와 방위(프론트 작업기의 방향)를 제공할 필요가 있다. 이들 정보를 제공하기 위해, 종래는 상부 선회체에 2개의 GNSS(Global Navigation Satellite System) 안테나가 설치되어, GNSS 측위를 행하는 유압 셔블이 개발되어 있다.
2개의 GNSS 안테나를 사용하여 GNSS 측위를 행하는 유압 셔블에 있어서는, GNSS 안테나가 필요한 수의 위성 신호를 포착할 수 없는 경우, GNSS 측위가 정상적으로 실시되지 않게 된다. 이러한 상태에서는, 위치나 방위 정보를 제공할 수 없기 때문에, 머신 가이던스나 머신 컨트롤의 동작을 정지시킬 수밖에 없어, 작업 효율이 저하될 수 있다.
특허문헌 1에서는, 2개의 GNSS 안테나에 의한 GNSS 측위에 더하여, 시공 현장에 준비된 기준국과의 무선 통신에 의해 송신되는 보정 데이터를 수신하여, 위치 정보에 대해 RTK(Real Time Kinematic) 측위를 실시함과 함께, 자이로 등의 요각 계측 수단을 구비함으로써 유압 셔블의 차체(상부 선회체)의 방위각을 산출하고, RTK 측위가 정상이 아닐 때에 그 방위각을 사용하여 위치 정보를 계측할 수 있도록 한 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2004-125580호 공보
2개의 GNSS 안테나를 이용하여 차체(상부 선회체)의 방위각을 산출하는 경우, 2개의 GNSS 안테나 중 하나를 메인 안테나, 다른 하나를 서브 안테나로서 사용하고, 이들 메인, 서브 안테나 사이에서 RTK 측위를 행하는 것이 일반적으로 행해지고 있다. 이에 의해 시공 현장에 설치된 기준국과의 통신의 가부에 관계없이, 차체의 방위각에 대해서는 RTK 측위를 실시할 수 있다.
그런데 유압 셔블의 프론트 작업기는 금속 부재로 구성되므로, GNSS의 위성 신호가 프론트 작업기에 의해 반사, 혹은 차단되는 것을 생각할 수 있다.
또한, 유압 셔블의 굴삭 동작에 있어서는, 프론트 작업기가 상하 동작을 반복하기 때문에, 위성 신호의 반사나 두절이 반복하여 발생하는 GNSS의 사용 환경이 된다. 이러한 사용 환경에 있어서는, 위성 배치가 현저하게 치우치기 때문에, 차체의 방위각의 연산 정밀도가 저하된다.
그리고 유압 셔블에서는 프론트 작업기의 상승 하강 작업을 빈번히 행하기 때문에, 상부 선회체를 선회하고 있지 않음에도 불구하고, GNSS에 의해 산출된 차체의 방위각이 변동되어 버린다. 이 산출 결과를 머신 가이던스에 이용하면, 상부 선회체가 흔들거리며 동작하고 있는 것처럼 보이게 된다.
또한, RTK 측위를 실시하려면 최저 4개 이상의 위성이 보충되어 있으면 된다. 이 때문에, 상기한 바와 같이 작업기를 상승 하강시킨 것만으로, 기준국으로부터의 보정 데이터에 의한 RTK 측위 자체를 실시할 수 없게 되는 일은 드물고, GNSS 수신기는 정상적인 측위(RTK-Fix 상태)를 계속한다.
이 때문에, RTK 측위가 이상해졌을 때에 대책을 실시하는 특허문헌 1의 기술로는 상술한 과제를 해결할 수는 없다. 즉, 방위각의 산출로 한정하면, GNSS 측위가 이상해지는 장면이 특허문헌 1과는 다르며, 특허문헌 1의 기술로는, 프론트 작업기의 상승 하강 등의 건설 기계의 자세 변화에 의한 차체(상부 선회체)의 방위각의 연산 정밀도의 저하를 방지할 수는 없다.
또한, 2개의 GNSS 안테나를 전후 방향으로 직선상으로 나열하여 배치하면, 차폐 영역이 좌우 대칭으로 되지 않으므로(후술하는 도 15b 및 도 15c 참조), 상기한 현상은 다소 완화되지만, 차폐 영역이 발생하는 현상 자체는 해소되지 않는다. 따라서, 상기 과제의 근본적인 해결은 되지 않는다.
또한, 프론트 작업기의 최고 지점보다 GNSS 안테나를 높게 하면, 프론트 작업기에 의한 차폐의 영향이 없어진다. 그러나 GNSS 안테나가 길어지면 구조적으로 GNSS 안테나가 진동해 버려, 오히려 측위 정밀도가 저하될 우려가 있다.
본 발명은, 상술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 프론트 작업기의 상승 하강 등 프론트 작업기의 자세 변화에 관계없이, GNSS를 이용하여 정확한 차체의 방위각을 산출할 수 있는 건설 기계를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 하부 주행체와, 하부 주행체에 대해 선회 가능한 상부 선회체와, 상부 선회체에 대해 수직 방향으로 회전 가능하게 설치된 다관절형의 프론트 작업기와, 상기 상부 선회체에 설치된 2개의 GNSS 안테나와, 상기 GNSS 안테나가 수신한 위성 신호에 기초하여 상기 GNSS 안테나의 3차원 좌표와 상기 상부 선회체의 방위각을 산출하는 GNSS 수신기를 갖는 GNSS 시스템과, 상기 상부 선회체에 설치되고, 상기 상부 선회체의 각속도를 취득하는 각속도 취득 장치와, 상기 상부 선회체에 설치되고, 상기 상부 선회체의 자세각을 취득하는 차체 자세각 취득 장치와, 상기 프론트 작업기의 자세각을 취득하는 프론트 자세각 취득 장치와, 컨트롤러를 구비하고, 상기 컨트롤러는, 상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 GNSS 안테나의 3차원 좌표 및 상기 상부 선회체의 방위각과, 상기 차체 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 상부 선회체의 자세각, 상기 각속도 취득 장치에 의해 취득한 상기 상부 선회체의 각속도 및 상기 프론트 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 프론트 작업기의 자세각에 기초하여 상기 프론트 작업기의 위치 및 자세를 연산하고, 상기 프론트 작업기의 위치 및 자세에 기초하여 상기 프론트 작업기의 동작을 제어하는 건설 기계에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 차체 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 상부 선회체의 자세각과 상기 프론트 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 프론트 작업기의 자세각 중 적어도 한쪽에 기초하여 상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 상부 선회체의 방위각의 품질을 판단하고, 상기 방위각의 품질의 판단 결과와, 상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 상부 선회체의 방위각에 기초하여, 상기 각속도 취득 장치에 의해 취득한 상기 상부 선회체의 각속도로부터 자이로 바이어스를 제거하는 바이어스 제거 연산을 실행하고, 또한 상기 자이로 바이어스를 제거한 상기 상부 선회체의 각속도에 기초하여 상기 상부 선회체의 선회 동작의 유무를 판단하고, 상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 상부 선회체의 방위각과, 상기 자이로 바이어스를 제거한 상기 상부 선회체의 각속도와, 상기 상부 선회체의 선회 동작의 판단 결과에 기초하여 상기 상부 선회체의 수정 방위각을 산출하고, 상기 수정 방위각을 사용하여 상기 프론트 작업기의 위치 및 자세를 연산하는 것으로 한다.
본 발명에 따르면, 프론트 작업기의 상승 하강 등의 건설 기계의 자세 변화에 관계없이, GNSS를 이용하여 정확한 상부 선회체의 방위각을 산출하여, 상부 선회체의 방위각을 고정밀도이면서 로버스트하게 취득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 건설 기계의 일례인 유압 셔블의 외관 및 내부 구조의 일부를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유압 셔블에 탑재되는 컨트롤러의 처리 기능의 일부를 도시하는 블록도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 특징 부분인 컨트롤러의 위치 자세 연산부의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
도 4는 수정 방위각 연산부의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
도 5a는 방위각 품질 판단부의 품질 판단 처리의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5b는 방위각 품질 판단부의 품질 판단 처리의 다른 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은 수정 방위각 연산부의 연산 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 수정 방위각 연산부의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 유압 셔블의 외관과 그 주위의 상황을 도시하는 도면이다.
도 9는 제3 실시 형태에 있어서의 컨트롤러의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
도 10은 제3 실시 형태에 있어서의 수정 방위각 연산부의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 컨트롤러의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
도 12는 제4 실시 형태에 있어서의 수정 방위각 연산부의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
도 13은 유압 셔블의 상면도이다.
도 14a는 유압 셔블의 프론트 작업기가 내려가 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다.
도 14b는 유압 셔블의 프론트 작업기가 내려가 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다.
도 14c는 유압 셔블의 프론트 작업기가 내려가 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다.
도 15a는 유압 셔블의 프론트 작업기가 올라가 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다.
도 15b는 유압 셔블의 프론트 작업기가 올라가 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다.
도 15c는 유압 셔블의 프론트 작업기가 올라가 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다.
도 15d는 유압 셔블의 프론트 작업기가 올라가 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다.
도 16은 유압 셔블이 경사면에 배치되어 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다.
도 17은 유압 셔블의 배면에 급준한 경사면이 있는 경우의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 따라서 설명한다.
<제1 실시 형태>
도 1은 본 발명에 관한 건설 기계의 일례인 유압 셔블의 외관 및 내부 구조의 일부를 도시하는 도면이다.
도 1에 있어서, 유압 셔블(100)은, 수직 방향으로 각각 회동하는 복수의 피구동 부재인 붐(4), 암(5), 버킷(작업구)(6)을 연결하여 구성된 다관절형의 프론트 작업기(1)와, 차체를 구성하는 상부 선회체(2) 및 하부 주행체(3)를 구비하고, 상부 선회체(2)는 하부 주행체(3)에 대해 선회 가능하게 탑재되어 있다. 또한, 프론트 작업기(1)의 붐(4)의 기단은 상부 선회체(2)의 전방부에 수직 방향으로 회동 가능하게 지지되고, 암(5)의 일단은 붐(4)의 선단에 수직 방향으로 회동 가능하게 지지되고, 암(5)의 타단에는 버킷(6)이 수직 방향으로 회동 가능하게 지지되어 있다. 붐(4), 암(5), 버킷(6), 상부 선회체(2), 및 하부 주행체(3)는, 유압 액추에이터인 붐 실린더(4a), 암 실린더(5a), 버킷 실린더(6a), 선회 모터(2a), 및 좌우의 주행 모터(3a, 3b)에 의해 각각 구동된다.
붐(4), 암(5) 및 버킷(6)은, 프론트 작업기(1)를 포함하는 평면 상에서 동작하고, 이하에서는 이 평면을 동작 평면이라고 칭하는 경우가 있다. 즉, 동작 평면이란, 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)의 회동 축에 직교하는 평면이며, 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)의 폭 방향의 중심 위치로 설정할 수 있다.
오퍼레이터가 탑승하는 캐빈(9) 내(운전실)에는, 유압 액추에이터(2a, 4a 내지 6a)를 조작하기 위한 조작 신호를 생성하는 조작 레버 장치(9a, 9b)나 모니터(11) 등이 설치되어 있다.
조작 레버 장치(9a, 9b)는 이른바 전기 레버 방식이며, 각각, 전후 좌우로 경도 가능한 조작 레버와, 이들 조작 레버의 경도량인 레버 조작량을 전기적으로 검지하는 도시하지 않은 검출 장치를 포함하고, 검출 장치는 검출한 레버 조작량을 전기적인 조작 신호로서 제어 장치인 컨트롤러(20)에 전기 배선을 통해 출력한다. 또한, 조작 레버 장치(9a, 9b)의 조작 레버의 전후 방향 또는 좌우 방향으로, 유압 액추에이터(2a, 4a 내지 6a)의 조작 지령이 각각 할당되어 있다.
선회 모터(2a), 붐 실린더(4a), 암 실린더(5a), 버킷 실린더(6a)의 동작 제어는, 엔진이나 전동 모터 등의 원동기(40)에 의해 구동되는 유압 펌프 장치(7)로부터 유압 액추에이터(2a, 4a 내지 6a)에 공급되는 작동유의 방향 및 유량을 컨트롤 밸브(8) 내의 각각의 스풀을 제어함으로써 행한다. 컨트롤 밸브(8) 내의 스풀은, 도시하지 않은 파일럿 펌프로부터 전자 비례 밸브(10a, 10b …)(도 2 참조)를 통해 출력되는 구동 신호(파일럿압)에 의해 조작되고. 컨트롤러(20)는, 조작 레버 장치(9a, 9b)로부터 출력되는 조작 신호에 기초하여 제어 신호를 생성하고, 그 제어 신호를 전자 비례 밸브(10a, 10b …)에 출력함으로써, 전자 비례 밸브(10a, 10b …)로부터 구동 신호(파일럿압)를 컨트롤 밸브(8) 내의 각각의 스풀에 출력하여, 각 유압 액추에이터(2a 내지 6a)의 동작이 제어된다.
또한, 조작 레버 장치(9a, 9b)는 유압 파일럿 방식이어도 된다. 이 경우, 조작 레버 장치(9a, 9b)는, 각각 조작 레버의 조작 방향 및 조작량에 따른 파일럿압을 생성하고, 이 파일럿압이 컨트롤 밸브(8)에, 직접 구동 신호로서 공급되어, 각 유압 액추에이터(2a 내지 6a)의 동작이 제어된다.
상부 선회체(2)에는, 관성 계측 장치(IMU: Inertial Measurement Unit)(13)가 배치되어 있다.
관성 계측 장치(13)는, 상부 선회체(2)의 각속도 및 가속도를 계측하는 것이며, 본 발명에 있어서, 관성 계측 장치(13)는 상부 선회체의 각속도를 취득하는 각속도 취득 장치를 구성한다.
관성 계측 장치(13)에 의해 계측되는 상부 선회체(2)의 각속도는, 상부 선회체(2)의 전후 방향의 각속도와, 좌우 방향의 각속도와, 선회 방향의 각속도를 포함한다.
또한, 계측한 상부 선회체(2)의 전후 방향의 각속도, 좌우 방향의 각속도, 선회 방향의 각속도를 각각 시간으로 적분함으로써, 상부 선회체(2)의 전후 방향의 기울기(피치각)와, 좌우 방향의 기울기(롤각)와, 선회 방향의 기울기(요각)를 각각 계측할 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서, 관성 계측 장치(13)는, 각속도 취득 장치에 더하여, 상부 선회체(2)의 자세각을 취득하는 차체 자세각 취득 장치를 구성한다.
또한, 자세각의 취득에 가속도를 이용한 방법을 이용해도 된다. 구체적으로는, 관성 계측 장치(13)가 배치된 상부 선회체(2)가 정지하고 있는 경우를 생각하면, 관성 계측 장치(13)에 설정된 차체 좌표계에 있어서의 연직 방향(즉, 중력 가속도가 작용하는 방향)과, 관성 계측 장치(13)가 실제로 검출한 가속도를 비교함으로써, 상부 선회체(2)의 전후 방향으로의 기울기(피치각), 좌우 방향으로의 기울기(롤각)를 각각 검출할 수 있다.
도 1에 있어서, Σm은 차체 좌표계를 나타내고 있다. 차체 좌표계 Σm은 상부 선회체(2)에 설정된 3차원의 직교 좌표계이다. 그 일례로서, 차체 좌표계 Σm은, 상부 선회체(2)의 선회 중심의 축선 S(도 2 참조)와 상부 선회체(2)의 베이스 프레임(선회 프레임) 상면의 교점을 원점으로 하고, 선회 중심의 축선 S를 z축(도 2 참조), z축에 직교하는 전후 방향의 축선을 x축, z축과 x축에 직교하는 좌우 방향의 축선을 y축으로 한 직교 좌표계이다.
상술한 상부 선회체(2)의 전후 방향의 각속도는 차체 좌표계 Σm의 y축 방향의 각속도이고, 좌우 방향의 각속도는 동 x축 방향의 각속도이고, 선회 방향의 각속도는 동 z축 방향의 각속도이다. 또한, 상부 선회체(2)의 전후 방향의 기울기는 차체 좌표계 Σm의 y축 방향의 기울기(피치각)이고, 좌우 방향의 기울기는 동 x축 방향의 기울기(롤각)이고, 선회 방향의 기울기는 동 z축 방향의 기울기(요각)이다.
또한, 본 실시 형태에서는, 이들 기울기(각도)의 연산 기능이 관성 계측 장치에 실장되어 있는 센서 이용을 상정하고 있지만, 관성 계측 장치(13)에 각도의 산출 기능이 내장되어 있지 않은 경우에는, 컨트롤러(20) 내에 각도 연산 기능을 준비하면, 본 발명을 실현할 수 있는 것은 물론이다.
상부 선회체(2)에는 2개의 GNSS 안테나(17a, 17b)가 설치되어 있다. GNSS 안테나(17a, 17b) 각각에서 수신한 위성 신호는 GNSS 수신기(17c)(도 2 및 도 3 등 참조)에 있어서, GNSS 안테나(17a, 17b)의 3차원 좌표의 산출이나 상부 선회체(2)의 방위각의 산출 등의 각종 측위 연산이 실행된다. GNSS 수신기(17c)에 있어서, GNSS 안테나(17a, 17b)의 3차원 좌표는 글로벌 좌표계의 좌푯값으로서 연산된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 2개의 GNSS 안테나(17a, 17b) 중 하나를 메인 안테나, 다른 하나를 서브 안테나로서 사용하고, GNSS 수신기(17c)는 이들 메인, 서브 안테나 사이에서 RTK(Real Time Kinematic) 측위를 실시한다. 이 때문에, 시공 현장에 설치된 기준국과 무선 통신으로 접속하지 않아도, 혹은 기준국과의 무선 통신의 가부에 관계없이, 상부 선회체(2)의 방위각에 대해서는 RTK 측위를 실시할 수 있다. 한편, 3차원 좌표의 위치 정보에 대해서는, 시공 현장에 설치된 기준국과 무선 통신으로 접속함으로써 기준국으로부터 송신되는 보정 정보, 혹은 네트워크 경유로 배신되는 보정 정보를 이용한 RTK 측위를 실시하여, 위치 정보를 취득한다.
이하에 있어서, 설명을 간략화하기 위해, GNSS 안테나(17a, 17b)와 GNSS 수신기(17c)를 통합하여 GNSS 시스템(17)이라고 칭하는 경우가 있다.
프론트 작업기(1)의 각 구성 요소인 붐(4), 암(5), 버킷(6)에는, 각각의 자세(자세각)를 계측하기 위해 관성 계측 장치(14, 15, 16)가 적절한 위치에 설치되어 있다. 관성 계측 장치(14 내지 16)는, 본 발명에 있어서 프론트 작업기(1)의 자세각을 취득하는 프론트 자세각 취득 장치를 구성한다.
이하에 있어서, 관성 계측 장치(13, 14, 15, 16)를 각각 구별하기 위해, 설치 장소에 따라서, 적절하게 차체 IMU(13), 붐 IMU(14), 암 IMU(15), 버킷 IMU(16)라고 칭한다. 본 발명에 있어서, 차체 IMU(13)는, 상부 선회체(2)에 설치된 적어도 하나의 차체 경사 센서를 구성하고, 붐 IMU(14)는 프론트 작업기(1)에 설치된 적어도 하나의 프론트 경사 센서를 구성한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유압 셔블(100)에 탑재되는 컨트롤러(20)의 처리 기능의 일부를 도시하는 블록도이다.
도 2에 있어서, 컨트롤러(20)는, 유압 셔블(100)의 동작을 제어하기 위한 다양한 기능을 갖고 있고, 그 일부로서, 위치 자세 연산부(20a), 시공 목표면 연산부(20b), 모니터 표시 제어부(20c), 및 유압 시스템 제어부(20d)의 각 기능을 갖고 있다. 위치 자세 연산부(20a), 시공 목표면 연산부(20b), 모니터 표시 제어부(20c), 및 유압 시스템 제어부(20d)는 CPU에 의해 구성되어 있다.
또한, 컨트롤러(20)는 데이터베이스로서의 기억 장치(20e)와, 연산 도중의 값을 기억하는 기억 장치(예를 들어 RAM)(20f)와, 프로그램이나 설정값 등을 기억하는 도시하지 않은 기억 장치(예를 들어 ROM)를 갖고 있다.
위치 자세 연산부(20a)는, 관성 계측 장치(13 내지 16)로부터의 검출 결과(상부 선회체(2)의 각속도 및 자세각(피치각)과 프론트 작업기(1)의 자세각)와, GNSS 수신기(17c)로부터의 연산 결과(GNSS 안테나(17a, 17b)의 3차원 좌표 및 상부 선회체(2)의 방위각)를 입력하고, 그들 입력값에 기초하여, 예를 들어 상부 선회체(2)에 설정된 차체 좌표계 Σm에 있어서의 프론트 작업기(1)의 3차원의 위치와 자세를 연산하는 위치 자세 연산 처리를 행한다.
시공 목표면 연산부(20b)는, 시공 관리자에 의해 기억 장치(20e)에 미리 기억되어 있는 3차원 시공 도면 등의 시공 정보(21)와, 위치 자세 연산부(20a)에 의해 연산된 프론트 작업기(1)의 3차원의 위치와 자세에 기초하여 시공 대상의 목표 형상을 정의하는 시공 목표면을 연산한다.
모니터 표시 제어부(20c)는, 캐빈(9) 내에 마련된 모니터(11)의 표시를 제어하는 것이며, 시공 목표면 연산부(20b)에 의해 연산된 시공 목표면과, 위치 자세 연산부(20a)에 의해 연산된 프론트 작업기(1)의 위치와 자세에 기초하여, 오퍼레이터에 대한 조작 지원의 지시 내용을 연산하여, 캐빈(9) 내의 모니터(11)에 표시한다. 즉, 모니터 표시 제어부(20c)는, 예를 들어 붐(4), 암(5), 버킷(6) 등의 피구동 부재를 갖는 프론트 작업기(1)의 자세나, 버킷(6)의 선단 위치와 각도를 모니터(11)에 표시하여 오퍼레이터의 조작을 지원하는 머신 가이던스 시스템으로서의 기능의 일부를 담당하고 있다.
유압 시스템 제어부(20d)는, 유압 펌프 장치(7)나 컨트롤 밸브(8), 전자 비례 밸브(10a, 10b …), 유압 액추에이터(2a 내지 6a) 등으로 이루어지는 유압 셔블(100)의 유압 시스템을 제어하는 것이며, 조작 레버 장치(9a, 9b)로부터 출력되는 조작 신호(전기 신호)에 기초하여 프론트 작업기(1)의 피구동 부재의 목표 동작 속도를 연산하고, 그 목표 동작 속도를 실현하도록 유압 셔블(100)의 유압 시스템을 제어한다. 또한, 유압 시스템 제어부(20d)는, 시공 목표면 연산부(20b)에 의해 연산된 시공 목표면과, 위치 자세 연산부(20a)에 의해 연산된 프론트 작업기(1)의 위치와 자세에 기초하여, 프론트 작업기(1)의 피구동 부재의 목표 동작 속도를 연산하고, 그 목표 동작 속도를 실현하도록 조작 레버 장치(9a, 9b)로부터 출력된 대응하는 조작 신호를 보정하여, 유압 셔블(100)의 유압 시스템을 제어한다. 이에 의해 유압 시스템 제어부(20d)는, 예를 들어 버킷(6) 등의 작업구의 선단이 목표 시공면에 일정 이상 근접하지 않도록 동작에 제한을 가하거나, 작업구(예를 들어, 버킷(6)의 클로 끝)가 목표 시공면을 따라 움직이도록 제어하거나 하는 머신 컨트롤 시스템으로서의 기능의 일부를 담당하고 있다.
이와 같이 컨트롤러(20)는, GNSS 수신기(17c)에 의해 산출된 GNSS 안테나(17a, 17b)의 3차원 좌표 및 상부 선회체(2)의 방위각과, 차체 IMU(13)(차체 자세각 취득 장치)에 의해 취득한 상부 선회체(2)의 자세각, 차체 IMU(13)(각속도 취득 장치)에 의해 취득한 상부 선회체(2)의 각속도, 및 붐 IMU(14), 암 IMU(15) 및 버킷 IMU(16)(프론트 자세각 취득 장치)에 의해 취득한 프론트 작업기(1)의 자세각에 기초하여 프론트 작업기(1)의 위치 및 자세를 연산하고, 프론트 작업기(1)의 위치 및 자세에 기초하여 프론트 작업기(1)의 동작을 제어한다.
또한, 컨트롤러(20)는, 본 발명의 특징으로서, 위치 자세 연산부(20a)에 있어서 이하의 연산 처리를 행한다.
먼저 컨트롤러(20)는, 위치 자세 연산부(20a)에 있어서, 차체 IMU(13)(차체 자세각 취득 장치)에 의해 취득한 상부 선회체(2)의 자세각과 붐 IMU(14)(프론트 자세각 취득 장치)에 의해 취득한 프론트 작업기(1)의 자세각 중 적어도 한쪽에 기초하여 GNSS 수신기(17c)에 의해 산출된 상부 선회체(2)의 방위각의 품질을 판단하고, 방위각의 품질의 판단 결과와, GNSS 수신기(17c)에 의해 산출된 상부 선회체(2)의 방위각에 기초하여, 차체 IMU(13)(각속도 취득 장치)에 의해 취득한 상부 선회체(2)의 각속도로부터 자이로 바이어스를 제거하는 바이어스 제거 연산을 실행 하고, 또한 자이로 바이어스를 제거한 상부 선회체(2)의 각속도에 기초하여 상부 선회체(2)의 선회 동작의 유무를 판단하고, GNSS 수신기(17c)에 의해 산출된 상부 선회체(2)의 방위각과, 자이로 바이어스를 제거한 상부 선회체(2)의 각속도와, 상부 선회체(2)의 선회 동작의 판단 결과에 기초하여 상부 선회체(2)의 수정 방위각을 산출하고, 이 수정 방위각을 사용하여 프론트 작업기(1)의 위치 및 자세를 연산한다.
또한, 컨트롤러(20)는, 차체 IMU(13)(차체 경사 센서)에 의해 검출한 상부 선회체(2)의 자세각과 붐 IMU(14)(프론트 경사 센서)에 의해 검출한 프론트 작업기(1)의 자세각 중 적어도 한쪽에 기초하여 GNSS 수신기(17c)에 의해 산출된 상부 선회체(2)의 방위각의 품질을 판단하고, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 저하되어 있다고 판단하였을 때에 바이어스 제거 연산을 실행한다. 또한, 본 명세서에 있어서 「상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 저하되어 있다」는 것은, 위치 자세 연산부(20a)(후술하는 3차원 위치 자세 연산부(20a-2))가 GNSS 수신기(17c)에 의해 산출된 상부 선회체(2)의 방위각을 사용하여 프론트 작업기(1)의 3차원의 위치 및 자세를 연산할 때, 그 연산 정밀도가 유압 시스템 제어부(20d)에 있어서 프론트 작업기(1)의 적절한 동작 제어를 확보할 수 없게 될 정도로 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 열화되는 것을 의미한다. 또한, 이하의 설명에서는, 「상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 저하되어 있다」를 「상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 낮다」, 「상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 불량이다」 등이라고도 하고, 그렇지 않은 경우를 「상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 높다」, 「상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 양호하다」 등 이라고도 한다.
또한, 컨트롤러(20)는, 위치 자세 연산부(20a)에 있어서, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 높다고 판단하였을 때의 방위각을 기억하는 기억 장치(20f)(방위각 기억 장치)를 구비하고, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 낮다고 판단하고, 상부 선회체(2)의 선회 동작 없음을 판단하였을 때는, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 낮다고 판단하기 직전에 기억 장치(20f)(방위각 기억 장치)에 기억한 방위각을 수정 방위각으로서 사용하여, 프론트 작업기(1)의 위치 및 자세를 연산한다.
또한, 컨트롤러(20)는, 위치 자세 연산부(20a)에 있어서, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 낮다고 판단하고, 또한 상부 선회체(2)의 선회 동작 있음을 판단한 후, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 낮은 상태 그대로 소정의 시간을 경과하였을 때에는, 상부 선회체(2)의 방위각의 정밀도가 낮을 가능성이 있음을 유저에게 통지한다.
이하에, 상술한 위치 자세 연산부(20a)의 처리 내용의 상세를 도 3에 따라서 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 실시 형태의 특징 부분인 컨트롤러(20)의 위치 자세 연산부(20a)의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
도 3에 있어서, 위치 자세 연산부(20a)는, 수정 방위각 연산부(20a-1)와 3차원 위치 자세 연산부(20a-2)를 갖고 있다.
수정 방위각 연산부(20a-1)에는, 차체 IMU(13), 붐 IMU(14), GNSS 시스템(17)에 의해 계측, 혹은 연산한 값(신호)이 입력된다. 보다 구체적으로는, GNSS 수신기(17c)에 의해 산출한 상부 선회체(2)의 방위각, 차체 IMU(13)에 의해 계측한 상부 선회체(2)의 각속도와 자세각, 붐 IMU(14)에 의해 산출한 붐(4)의 자세각이 입력된다.
수정 방위각 연산부(20a-1)는 GNSS 수신기(17c)가 산출한 상부 선회체(2)의 방위각에 후술하는 보정 연산을 실시하여, 수정 방위각을 산출한다. 또한, 수정 방위각을 충분한 정밀도로 연산할 수 없는 경우에는, 그 상태를 오퍼레이터에게 통지하기 위한 저정밀도 경고의 플래그를 산출한다. 그리고 저정밀도 경고 플래그가 유효가 된 경우는, 모니터 표시 제어부(20c)를 통해, 모니터(11) 상에 메시지를 띄우거나 하여 오퍼레이터에게 통지를 행한다.
3차원 위치 자세 연산부(20a-2)에는, IMU(13 내지 16)에 의해 검출한 자세각, GNSS 수신기(17c)에 의해 산출한 GNSS 안테나(17a, 17b)의 3차원 좌표, 수정 방위각 연산부(20a-1)에 의해 산출한 수정 방위각이 입력된다.
3차원 위치 자세 연산부(20a-2)는, GNSS 시스템(17)에 의해 취득한 GNSS 안테나(17a, 17b)의 3차원 좌표에 기초하여, 예를 들어 차체 좌표계 Σm에 있어서의 유압 셔블(100)의 위치와 자세를 연산한다.
3차원 위치 자세 연산부(20a-2)는, 차체 좌표계 Σm에 있어서의 유압 셔블(100)의 위치와 자세와, IMU(13 내지 16)에 의해 검출한 자세각과, 수정 방위각 연산부(20a-1)에 의해 산출한 수정 방위각에 기초하여, 예를 들어 차체 좌표계 Σm에 있어서의 프론트 작업기(1)의 3차원의 위치 및 자세를 연산하고, 전술한 바와 같이 이 연산값이 시공 목표면 연산부(20b), 모니터 표시 제어부(20c) 및 유압 시스템 제어부(20d)로 보내진다.
3차원 위치 자세 연산부(20a-2)는, 차체 좌표계 Σm 대신에 유압 셔블(100)의 주위에 설정된 현장 좌표계에 있어서의 프론트 작업기(1)의 3차원의 위치 및 자세를 산출해도 되고, 차체 좌표계 Σm으로 산출한 프론트 작업기(1)의 3차원의 위치 및 자세를 현장 좌표계로 변환하여 제어에 사용해도 된다.
본 실시 형태에 있어서의 GNSS 시스템(17)은, 전술한 바와 같이, 2개의 GNSS 안테나(17a, 17b) 사이에서 RTK 측위를 실시함으로써, 상부 선회체(2)의 방위각을 취득한다. 이 때문에, 유압 셔블(100)의 자세 변화가 방위각의 품질에 영향을 미친다(후술).
한편, 3차원 좌표의 위치 정보에 대해서는, 시공 현장에 설치된 기준국과 무선 통신으로 접속함으로써 기준국으로부터 송신되는 보정 정보, 혹은 네트워크 경유로 배신되는 보정 정보를 이용한 RTK 측위를 실시한다. 이 때문에, 유압 셔블(100)의 자세 변화가 3차원 위치 정보에 미치는 영향은 방위각에 비해 매우 작다. 또한, 3차원 자세 연산부(20a-2)에서 이용되는 3차원 좌표는, 2개의 GNSS 안테나(17a, 17b) 중, 후술하는 도 15b 및 도 15c에 있어서, DOP(Dilution Of Precision)의 악화율이 낮은 GNSS 안테나(17a 또는 17b)를 기점으로 하면 된다. 즉, 도 15b 및 도 15c와 같이, 천정 방향의 일부가 가려진 상태에서, 위성의 배치가 특정한 장소에 치우치지 않는 측의 GNSS 안테나를 위치 연산에 이용하면 된다. 따라서, 유압 셔블(100)의 자세 변화에 의해 GNSS 시스템(17)이 취득하는 방위각의 품질이 저하된 경우라도, GNSS 시스템(17)의 RTK 측위에 의해 취득한 3차원 좌표의 위치 정보의 정밀도의 저하는 적고, 3차원 위치 자세 연산부(20a-2)에 있어서 그 3차원의 위치 정보를 이용 가능하다.
이러한 생각에 기초하여 본 발명은 3차원 자세 연산부(20a-2)에 있어서, 유압 셔블(100)의 상부 선회체(2)의 방위각에, 수정 방위각 연산부(20a-1)에 의해 산출한 수정 방위각을 사용하고, 또한 측위 정밀도의 저하가 적은 GNSS 안테나(17a, 17b)의 3차원 좌표를 사용하여 프론트 작업기(1)의 3차원의 위치 및 자세를 연산하는 것이다. 3차원 자세 연산부(20a-2)에 있어서의 그 이외의 연산은, 종래와 특별히 바뀌는 점은 없으므로, 상세한 설명은 생략한다.
이하에, 본 발명의 특징이 되는 수정 방위각 연산부(20a-1)에 대해, 도 4를 사용하여 상세하게 설명한다. 도 4는 수정 방위각 연산부(20a-1)의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
도 4에 있어서, 수정 방위각 연산부(20a-1)는, 방위각 품질 판단부(MH01), 바이어스 제거 실행부(MH02), 선회 동작 판단부(MH03), 방위각 통합 연산부(MH04)의 4개의 연산 기능을 갖고 있다.
<방위각 품질 판단부(MH01)>
방위각 품질 판단부(MH01)는, 유압 셔블(100)의 자세 정보를 이용하여, GNSS 시스템(17)이 산출한 상부 선회체(2)의 방위각의 품질을 판단한다. 본 실시 형태에서는, 유압 셔블(100)의 자세 정보로서, 차체 IMU(13)와 붐 IMU(14)에 의해 취득한 자세각 정보를 사용한다.
여기서, 먼저, GNSS 시스템(17)이 산출한 상부 선회체(2)의 방위각의 품질을 판단할 필요성을 설명한다.
유압 셔블(100)의 프론트 작업기(1)는 금속 부재로 구성되므로, GNSS의 위성 신호가 프론트 작업기(1)에 의해 반사, 혹은 차단되는 것을 생각할 수 있다.
또한, 유압 셔블(100)의 굴삭 동작에 있어서는, 프론트 작업기(1)가 상하 동작을 반복하므로, 위성 신호의 반사나 두절이 반복하여 발생하는 환경이 된다.
이러한 사용 환경에 있어서, GNSS 안테나(17a, 17b)를 사용하여 GNSS 측위를 행하는 경우의 과제를 도 13 내지 도 16을 사용하여 설명한다.
도 13은 유압 셔블(100)의 상면도이다. 도 14a 내지 도 14c는 프론트 작업기(1)가 내려가 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다. 도 15a 내지 도 15d는 프론트 작업기(1)가 올라가 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다. 도 16은 유압 셔블(100)이 경사면에 배치되어 있는 상태에서의 위성 신호의 수신 상황을 도시하는 도면이다.
도 13에 도시하는 바와 같이, GNSS 안테나(17a, 17b)가 프론트 작업기(1)의 중심선(1a)의 좌우에 배치되어 있다.
도 14a에 도시하는 바와 같이, 붐(4)이 하강 자세에 있고, 프론트 작업기(1)가 내려가 있는 상태에서는, GNSS 안테나(17a, 17b)보다 프론트 작업기(1)는 낮은 위치에 있으므로, GNSS 안테나(17a, 17b)의 천정 방향의 위성 신호 수신 가능 영역(200)에 대한 차폐물의 이미지는 도 14b 및 도 14c와 같이 된다. 도 14b는 도 13에 있어서 좌측에 배치된 GNSS 안테나(17a), 도 14c는 도 13에 있어서 우측에 배치된 GNSS 안테나(17b)의 상면도에 대응한다. 도 14b 및 도 14c에 도시하는 바와 같이, 각각의 GNSS 안테나(17a, 17b)의 상공에 차폐물이 전혀 없으므로, 위성 신호의 차단이나 반사는 일어나기 어려운 상황이다.
한편, 도 15a에 도시하는 바와 같이, 붐(4)이 상승 자세에 있고, 프론트 작업기(1)가 올라가 있는 상태에서는, GNSS 안테나(17a, 17b)보다 프론트 작업기(1)가 높은 위치에 있다. 이러한 상황에서는, GNSS 안테나(17a, 17b)의 천정 방향의 위성 신호 수신 가능 영역(200)이 프론트 작업기(1)에 의해 부분적으로 차단되어, 프론트 작업기(1)가 존재하는 방향의 위성 신호를 GNSS 안테나(17a, 17b)가 수신할 수 없게 된다. 또한, GNSS 안테나(17a, 17b)는 프론트 작업기(1)에 대해 좌우에 배치되므로, 차단되는 영역은 도 15b 및 도 15c에 도시하는 바와 같이 대칭적인 관계가 되는 것에 주의해야 한다. 도 15b는 도 13에 있어서 좌측에 배치된 GNSS 안테나(17a), 도 15c는 도 13에 있어서 우측에 배치된 GNSS 안테나(17b)의 상면도에 대응한다.
또한, 도 15b 및 도 15c에 있어서 흑색으로 칠해져 있는 개소는 어느 1시각에 있어서 프론트 작업기(1)가 위성 신호를 차단하는 영역을 나타내고 있고, 회색으로 칠해져 있는 개소는 프론트 작업기(1)의 연속적인 자세 변화에 의해 위성 신호가 차폐되는 영역을 모식적으로 도시한 것이다.
그런데 상술한 바와 같이, 2개의 GNSS 안테나(17a, 17b)를 사용하여 상부 선회체(2)의 방위각을 산출하는 경우는, GNSS 안테나(17a, 17b) 중 한쪽을 메인 안테나, 다른 쪽을 서브 안테나로 한 RTK 측위를 실시한다. 이때, 2개의 GNSS 안테나(17a, 17b)를 공통으로 이용할 수 있는 위성만이 측위에 이용되므로, 도 15d에 도시하는 바와 같이, 각각의 GNSS 안테나(17a, 17b)에서의 차단 영역을 조합한 영역에 있어서, 위성 신호가 차단되는 상황이 된다. 즉, 프론트 작업기(1)를 상승시키는 것만으로, 천정 방향의 절반의 위성 신호를 측위에 이용할 수 없게 되어 버릴 우려가 있다. 이러한 상황에서는 위성 신호를 이용할 수 있는 위성 배치가 현저하게 치우치므로, 방위각의 연산 정밀도가 저하된다.
또한, 유압 셔블(100)에서는 프론트 작업기(1)의 상승 하강을 빈번하게 행하므로, 상부 선회체(2)를 선회하고 있지 않음에도 불구하고, GNSS 측위에 의해 산출된 방위각이 변동되어 버린다. 이 산출 결과를 머신 가이던스에 이용하면, 상부 선회체(2)가 흔들거리며 동작하고 있는 것처럼 보이게 된다.
또한, 도 16에 도시하는 바와 같이, 경사지에 유압 셔블(100)이 배치되어 있는 경우 등, 유압 셔블(100)의 차체(상부 선회체(2))가 전후 방향으로 기울기를 갖고 있는 경우에도, 붐 하강 자세라도, 천정 방향이 차폐되는 상황이 발생할 수 있다. 이러한 상황에서도 위성 신호를 이용할 수 있는 위성 배치가 치우치므로, 방위각의 연산 정밀도가 저하된다.
도 4로 되돌아가, 방위각 품질 판단부(MH01)에 있어서의 방위각 품질의 판단 조건을 설명한다.
도 14a에 도시하는 바와 같이, 붐(4)이 하강 자세에 있을 때에는, GNSS 안테나(17a, 17b)의 상공부에 장애물이 존재하지 않으므로, GNSS 시스템(17)이 연산한 상부 선회체(2)의 방위각의 품질은 좋다고 판단한다. 한편, 도 15a에 도시한 바와 같이, 붐(4)이 상승 자세에 있을 때에는, 특정 방향의 위성 신호가 차단되므로, GNSS 시스템(17)이 연산한 상부 선회체(2)의 방위각의 품질은 떨어진다고 판단한다. 방위각 품질 판단부(MH01)는, 이러한 사고 방식에 기초하여 방위각 품질을 판단한다. 즉, 붐 IMU(14)에 의해 취득한 붐각을 프론트 작업기(1)의 자세각으로서 입력하고, 붐각(자세각)이 소정값 이상일 때에는, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질은 양호하고, 소정값보다 작으면 방위각의 품질은 떨어진다고 판단한다. 여기서, 소정값은, 예를 들어 수평면을 기준으로 하여 30deg이다.
또한, 도 16에 도시한 바와 같이, 경사지에 유압 셔블(100)이 배치되어 있는 경우에도, 도 14a의 상황과 비교하여, GNSS 시스템(17)이 연산한 방위각의 품질은 떨어진다고 판단한다. 따라서, 이 경우도, 방위각 품질 판단부(MH01)는, 차체 IMU(13)에 의해 취득한 차체 경사각(상부 선회체(2)의 전후 방향(y축 방향)의 기울기인 피치각)을 차체 자세각으로서 입력하고, 차체 자세각(피치각)이 소정값 이상일 때에는, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질은 양호하고, 소정값보다 작으면 방위각의 품질은 떨어진다고 판단한다. 여기서, 소정값은, 예를 들어 수평면을 기준으로 하여 15deg이다.
상기 붐각과 차체 경사각의 소정값은, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질을 판단하기 위한 판정값으로서, 컨트롤러(20)의 기억 장치(예를 들어 ROM)에 기억되어 있다.
도 5a는 방위각 품질 판단부(MH01)에 있어서의 품질 판단 처리의 다른 예를 도시하는 도면이다.
방위각 품질 판단부(MH01)는 도 5a에 도시하는 바와 같은 방위각 품질 연산부(MH01-A)를 갖고 있어도 된다. 방위각 품질 연산부(MH01-A)는, 상술한 판단 조건에 기초하여, 붐 각도와 차체 경사 각도(차체 자세각, 즉 상부 선회체(2)의 전후 방향(y축 방향)의 기울기인 피치각)를 입력으로 하고, 방위각 품질을 출력으로 하는 3차원 테이블로서 구성되어 있다. 이 3차원 테이블에 있어서, 방위각 품질은 0부터 1까지의 수치로 나타나 있고, 방위각 품질이 낮아질수록 방위각 품질의 수치는 커지도록 설정되어 있다. 즉, 수치가 0일의 때가 가장 방위각 품질이 좋고, 1일 때가 가장 방위각 품질이 나쁜 것을 의미한다.
방위각 품질 연산부(MH01-A)의 3차원 테이블은 이하와 같이 구성되어 있다.
먼저, 3차원 테이블은, 예를 들어 붐 각도가 최솟값(붐이 내려가 있음)이라도, 차체 경사각(피치각)이 크면 방위각 품질은 1이 되도록 설정되어 있다. 또한, 3차원 테이블은, 차체 경사 각도(피치각)가 최솟값(차체가 수평을 유지하고 있을 때)이라도, 붐 각도가 크면(붐이 올라가 있으면), 방위각 품질은 1이 되도록 설정되어 있다. 또한, 3차원 테이블은, 예를 들어 차체 경사 각도(피치각)가 0도이고 붐 각도가 10도일 때에 산출되는 방위각 품질의 값(A)보다, 차체 경사 각도(피치각)가 10도이고 붐 각도가 10도일 때에 산출되는 방위각 품질의 값(B) 쪽이 커지도록(A＜B) 설정되어 있다.
도 5b는 방위각 품질 판단부(MH01)에 있어서의 품질 판단 처리의 또 다른 일례를 도시하는 도면이다.
방위각 품질 판단부(MH01)는 도 5b에 도시하는 바와 같은 방위각 품질 연산부(MH01-B)를 갖고 있어도 된다. 방위각 품질 연산부(MH01-B)는, 도 5b에 도시하는 바와 같이, 붐 각도가 소정 위치 이상일 때에 방위각 품질이 1이 되는 2차원 테이블 T1과, 차체 경사 각도(피치각)가 소정값 이상일 때에 방위각 품질이 1이 되는 2차원 테이블 T2를 갖고, 이들 2개의 2차원 테이블 T1, T2에서 산출된 방위각 품질의 값을 가산하여, 가산 후의 값을 1로 포화시킴으로써 방위각 품질을 산출한다.
방위각 품질 판단부(MH01)는, 방위각 품질 연산부(MH01-A 또는 BMH01-B)에 있어서 산출된 방위각 품질을 사용하여, 그 방위각 품질이 소정값, 예를 들어 0.8 이상이면 방위각 품질은 양호하고, 소정값보다 작으면 방위각 품질은 떨어진다고 판단한다.
<바이어스 제거 실행부(MH02)>
바이어스 제거 실행부(MH02)는, 차체 IMU(13)가 검출한 각속도(선회 방향(z축 방향)의 각속도)의 바이어스, 이른바 자이로 바이어스의 제거를 실시한다.
자이로 바이어스의 제거는, 칼만 필터(KF: Kalman Filter)나 옵저버를 적용하는 방법이 일반적이다. 본 발명의 실시 형태에서는, 칼만 필터를 이용한 자이로 바이어스의 제거 방법에 대해서만을 설명한다. 칼만 필터의 상세에 대해서는, 예를 들어 「아다치, 마루타: 칼만 필터의 기초, 도쿄 덴키 다이가쿠 출판국, 2012」를 참조하기 바란다.
여기서, 상부 선회체(2)의 방위각을 θ, 실제의 상부 선회체의 각속도를 ω, 차체 IMU(13)가 검출한 각속도를 ωmes, 자이로 바이어스를 ωb, 컨트롤러(20)의 연산 주기를 Δt라 하면, 다음 식 (1), (2)가 성립된다.
Figure pct00001
Figure pct00002
또한, 아랫첨자 k, k-1은 각 연산에 있어서의 시각을 나타내는 기호이다. 식 (1), (2)에 대해, 상태 벡터 xk를 식 (3)과 같이 정의한다.
Figure pct00003
또한, GNSS 수신기(17c)가 산출한 방위각 θ를 관측값 yk라고 하면, 다음 식 (4), (5)를 도출할 수 있다.
Figure pct00004
Figure pct00005
식 (4), (5)에 KF를 적용하기 위해, 식 (4), (5)의 각 행렬을 간략화한 표현으로 한다.
Figure pct00006
Figure pct00007
여기서, 새롭게 추가된 wk-1, vk는 각각 프로세스 잡음, 관측 잡음이다. 프로세스 잡음, 관측 잡음 모두 평균값이 0인 정규 분포에 따르는 잡음이며, wk의 분산은 Qk, vk의 분산은 Rk이다. 이들 Qk, Rk 모두 설계값으로서 다루어진다.
상태 벡터 x의 추정값을 x∧(∧는 x 위에 붙음), 상태 벡터 x의 공분산 행렬을 P라고 하면, 칼만 필터의 예측식 (a3) 내지 (a6), 및 갱신식 (a7) 내지 (a9)를 다음 식으로 부여할 수 있다.
Figure pct00008
Figure pct00009
Figure pct00010
Figure pct00011
Figure pct00012
Figure pct00013
Figure pct00014
이상의 연산에 의해, 방위각 θk와 자이로 바이어스 ωb로 구성되는 상태 벡터 x∧(∧는 x 위에 붙음)를 축차 추정할 수 있다.
단, 방위각 품질 판단부(MH01)에서 산출되는 방위각 품질이 낮은 경우에는, 관측값 yk인 방위각이 실제 방위각에 대해 편차를 갖고 있으므로, 자이로 바이어스 ωb의 추정값에 오차를 발생할 가능성이 높다. 이 현상을 해결하기 위해서는, 방위각 품질이 높은 경우에만, 자이로 바이어스의 추정이 유효해지도록 로직을 구축하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 칼만 필터를 사용하는 경우, 방위각 품질이 낮은 경우에는 관측 잡음의 분산 R을 매우 큰 값으로 설정한다. 관측 잡음의 분산 R을 큰 값으로 하면, 식 (a5)의 Pxy가 큰 값을 취하게 된다. 따라서, 식 (a7)의 역행렬이 0에 가까워짐으로써 카르만 게인도 0에 가까워진다.
카르만 게인 K가 0이 되었을 때, 칼만 필터에 의한 갱신식 (a8), (a9)는 다음과 같이 간략화할 수 있다.
Figure pct00015
Figure pct00016
식 (a10), (a11)은 예측식 (a3), (a4)가 그대로 출력되는 식이나 다름없다. 또한, 식 (a3)은 식 (3), (4)로부터
Figure pct00017
가 되므로, 자이로 바이어스의 추정값의 갱신이 정지되게 된다.
바이어스 제거 실행부(MH02)는, 차체 IMU(13)가 산출한 각속도 ωmes로부터, 상술한 연산에 의해 산출된 자이로 바이어스 ωb의 추정값(상기 식 (a12)의 값)을 뺀 값을, 자이로 바이어스를 제거한 각속도 ω로서 출력한다.
<선회 동작 판단부(MH03)>
선회 동작 실행 판단부(MH03)는, 바이어스 제거 실행부(MH02)에서 산출한 자이로 바이어스를 제거한 각속도 ω를 사용하여, 상부 선회체(2)의 선회 동작의 유무를 판단한다. 구체적으로는 각속도 ω의 절댓값이 소정값(예를 들어, 0.5deg/s) 이상일 때에 상부 선회체(2)가 선회하고 있다고 판단한다. 이 소정값은, 차체 IMU(13)의 성능에 따라서 설계할 필요가 있는 것은 물론이다.
또한, 각속도 ω의 절댓값을 취하는 이유는, 상부 선회체(2)는 좌측 방향(+의 각속도), 우측 방향(-의 각속도)의 회전을 자유롭게 행할 수 있기 때문이다.
<방위각 통합 연산부(MH04)>
방위각 연산 통합 연산부(MH04)는, 방위각 품질 판단부(MH01), 바이어스 제거 연산 실행부(MH02), 선회 동작 실행 판단부(MH03)의 각각의 연산 결과와, GNSS 시스템(17)으로부터 출력된 상부 선회체(2)의 방위각을 사용하여, 수정 방위각의 산출을 행한다. 구체적인 처리 내용을 이하에 나타낸다.
먼저, 방위각 품질 판단부(MH01)에서 연산된 방위각 품질이 양호한 경우, 선회 동작 실행 판단부(MH03)에 있어서의 선회 동작의 유무에 관계없이, GNSS 수신기(17c)로부터의 산출값인 상부 선회체(2)의 방위각 θ를 그대로 수정 방위각 θm으로서 출력한다. 즉, θm＝θ가 된다.
단, GNSS 수신기(17c)의 샘플링 주기가 차체 IMU(13)의 샘플링 주기보다 늦은 경우에는, 각 샘플링 주기 사이의 방위각을, 바이어스 제거 연산 실행부(MH02)에서 산출한 각속도 ω에 의해 보간해도 된다. 예를 들어, 컨트롤러(20)의 연산 주기 Δt에 따라서, GNSS 시스템(17)이 출력한 방위각 θ에 「Δt×ω」를 축차 가산하면 된다.
이하에, 방위각 품질 판단부(MH01)에서 연산된 방위각 품질이 불량인 경우의 방위각 통합 연산부(MH04)의 연산 내용을 설명한다.
먼저, 선회 동작 실행 판단부(MH03)에서 선회 동작이 없다고 판단된 경우, 방위각 통합 연산부(MH04)는, 방위각 품질이 불량이라고 판단되기 직전의 방위각 θ0을 수정 방위각 θm으로서 출력한다.
이것은, 선회 동작이 실시되지 않는 한, 방위각에 변화가 일어나지 않는다고 하는 사실을 이용하는 것이다. 또한, 컨트롤러(20)는, GNSS 수신기(17c)로부터의 산출값인 상부 선회체(2)의 방위각 θ를, 축차 기억 장치(20f)(도 2 참조)에 기억하고, 방위각 품질이 불량이라고 판단되었을 때, 그 직전에 기억 장치(20f)에 기억된 방위각 θ를 방위각 θ0으로서 읽어들임으로써, 방위각 품질이 불량이라고 판단되기 직전의 방위각 θ0을 수정 방위각 θm으로서 출력할 수 있다.
다음으로, 선회 동작 실행 판단부(MH03)에서 선회 동작이 있다고 판단된 경우이며, 또한 방위각 품질이 불량이라고 판단되고 나서의 시간 t가 소정값 Tmax 미만일 때, 방위각 통합 연산부(MH04)는, 방위각 품질이 불량이라고 판단되기 직전의 방위각 θ0을 기준값으로 하고, 이 방위각 θ0에 자이로 바이어스 제거 실행부(MH02)의 출력 ω의 적산값을 가산한 값을, 수정 방위각 θm으로서 출력한다. 즉 수정 방위각 θm은 다음 식으로 부여된다.
Figure pct00018
또한, 선회 동작 실행 판단부(MH03)에서 선회 동작이 있다고 판단된 경우이며, 또한 방위각 품질이 불량이라고 판단되고 나서의 시간 t가 소정값 Tmax 이상일 때, 방위각 통합 연산부(MH04)는 저정밀도 경고 플래그를 유효로 한다. 이 상태는, 바이어스 제거 실행부(MH02)에서 산출한 각속도의 적분값으로는, 충분한 정밀도의 방위각을 산출할 수 없음을 의미한다. 이 때문에, 수정 방위각 θm은 식 (7)의 값에서 정지하는 것이 바람직하다. 또한, 정수 N은 소정 시간까지의 샘플수이며, 「Tmax÷Δt」이다.
Figure pct00019
지금까지 설명한 수정 방위각 연산부(20a-1)의 연산 수순을 도 6의 흐름도에 따라서 설명한다.
스텝 FC01에서, 컨트롤러(20)의 연산 주기마다 각종 센서(IMU(13 내지 16), GNSS 시스템(17))로부터 정보 취득을 행한다.
스텝 FC02에서는, IMU(13 내지 16)로부터 취득한 각 자세각이 방위각 품질을 저하시킬 수 있는 값으로 되어 있지 않은지의 확인을 행한다. 예를 들어, 붐각이 소정값(예를 들어, 수평면을 기준으로 하여 30deg 등) 이상인 경우는, "예" 판정이 이루어지고 스텝 FC03으로 천이한다. 스텝 FC03으로 천이하면, 방위각 품질이 양호한 것이 기억 장치(20f)(도 2 참조)에 기억된다. 한편, "아니오" 판정이 이루어진 경우에는, 스텝 FC04로 천이하고, 방위각 품질이 불량이라고 기억 장치(20f)에 기억된다.
또한, 스텝 FC02 내지 FC04는 방위각 품질 판단부(MH01)의 연산 내용이므로, 판단부를 통하지 않고, 도 5와 같이 테이블 참조로 해도 된다.
스텝 FC05에서는, 스텝 FC03, FC04에서 기억 장치(20f)에 기억한 방위각 품질을 참조하고, 이 값이 양호("예")인 경우는 스텝 FC06, 불량("아니오")인 경우에는 스텝 FC07로 천이를 행하는 판단을 한다.
스텝 FC06으로 천이한 경우, GNSS 시스템(17)으로부터 취득한 방위각의 신뢰성이 높기 때문에, 관측 잡음의 분산 R을 작은 값으로 한다. 한편, 스텝 FC07로 천이한 경우, GNSS 시스템(17)으로부터 취득한 방위각의 신뢰성이 낮으므로, 관측 잡음의 분산 R을 큰 값으로 한다.
스텝 FC08에서는, 스텝 FC06, FC07에서 결정한 분산 R을 이용한 칼만 필터(KF)의 연산을 행하여, 자이로 바이어스를 추정한다.
스텝 FC08의 처리가 완료되면, 스텝 FC21로 천이한다. 스텝 FC21에서는, 차체 IMU(13)가 취득한 각속도 ωmes로부터 스텝 FC08에서 추정한 자이로 바이어스 ωb를 감산함으로써 자이로 바이어스 제거 조작을 실시한다.
이상의 스텝 FC05 내지 FC08의 일련의 연산은, 자이로 바이어스 제거 실행부(MH02)에 상당한다.
스텝 FC09에서는, 자이로 바이어스 제거 실행부(MH02)에서 산출한 각속도 ω와 소정값을 비교한다. 각속도 ω의 절댓값이 소정값 미만("예")이면, 스텝 FC10으로 천이하여, 선회 동작이 없다고 판단한다. 한편, 각속도 ω의 절댓값이 소정값 이상("아니오")이면, 스텝 FC11로 천이하여, 선회 동작이 있다고 판단한다.
이상의 스텝 FC09 내지 FC11의 일련의 연산은, 선회 동작 실행 판단부(MH03)에 상당한다.
스텝 FC12에서는, 다시 기억 장치(20f)에 기억한 방위각 품질을 참조하여, 방위각 품질이 양호("예")인 경우는 스텝 FC13으로, 불량("아니오")인 경우는 스텝 FC15로 각각 천이한다.
스텝 FC13으로 천이한 경우, 방위각 품질이 양호하므로, 수정 방위각 θm은 GNSS 시스템(17)이 출력한 방위각 θ를 수정 방위각 θm으로서 출력한다. 그 후, 스텝 FC14로 천이하여, 저정밀도 경고에 관한 플래그를 무효로 하고, 연산을 종료한다.
스텝 FC15로 천이한 경우, 스텝 FC10, FC11에서 결정한 선회 동작의 유무를 참조하여, 선회 동작이 없는 경우("예"인 경우)는 스텝 FC16으로 천이하고, 한편 선회 동작이 있는 경우("아니오"인 경우)에는 스텝 FC17로 천이한다.
스텝 FC16으로 천이한 경우, 방위각 품질이 불량이라도, 선회 동작이 실시되어 있지 않으므로, 방위각 품질이 불량이 되기 직전의 방위각 θ0을 수정 방위각 θm으로서 출력한다. 그 후, 스텝 FC14로 천이하여, 저정밀도 경고에 관한 플래그를 무효로 하고, 연산을 종료한다.
스텝 FC17로 천이한 경우, 방위각 품질이 불량이 되고 나서의 경과 시간 t가 소정 시간 Tmax 미만인지를 확인한다. 경과 시간 t가 소정 시간 미만("예")인 경우는 스텝 FC18로 천이한다. 한편, 경과 시간이 소정값 이상("아니오")인 경우는 스텝 FC19로 천이한다.
스텝 FC18로 천이한 경우, 수정 방위각 θm은 식 (6)에 의해 산출된다. 그 후, 스텝 FC14로 천이하여, 저정밀도 경고에 관한 플래그를 무효로 하고, 연산을 종료한다.
스텝 FC19로 천이한 경우, 수정 방위각 θm은 식 (7)에 의해 산출된다. 그 후, 스텝 FC20으로 천이하여, 저정밀도 경고에 관한 플래그를 유효로 하고, 연산을 종료한다.
이상과 같이 본 실시 형태에 있어서는, 컨트롤러(20)는, 위치 자세 연산부(20a)에 있어서, 차체 IMU(13)(차체 자세각 취득 장치)에 의해 취득한 상부 선회체(2)의 자세각과 붐 IMU(14)(프론트 자세각 취득 장치)에 의해 취득한 프론트 작업기(1)의 자세각 중 적어도 한쪽이 소정값 이상일 때에 GNSS 수신기(17c)에서 산출된 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 낮다고 판단하고, 방위각의 품질과, GNSS 수신기(17c)에서 산출된 상부 선회체(2)의 방위각에 기초하여, 차체 IMU(13)(각속도 취득 장치)에 의해 취득한 상부 선회체(2)의 각속도로부터 자이로 바이어스를 제거하는 바이어스 제거 연산을 실행하고, 또한 자이로 바이어스를 제거한 상부 선회체(2)의 각속도에 기초하여 상부 선회체(2)의 선회 동작의 유무를 판단하고, GNSS 수신기(17c)에서 산출된 상부 선회체(2)의 방위각과, 자이로 바이어스를 제거한 상부 선회체(2)의 각속도와, 상부 선회체(2)의 선회 동작의 판단 결과에 기초하여 상부 선회체(2)의 수정 방위각을 산출하므로, 프론트 작업기(1)의 상승 하강 등의 유압 셔블(100)의 자세 변화에 관계없이, GNSS를 이용하여 정확한 상부 선회체(2)의 방위각을 산출하여, 상부 선회체(2)의 방위각을 고정밀도이면서 로버스트하게 취득할 수 있다. 이 때문에 머신 가이던스나 머신 컨트롤의 동작을 정지시키는 빈도를 저감하여, 작업 효율을 향상시킬 수 있다.
<제2 실시 형태>
제1 실시 형태는, 유압 셔블(100)에 추가하여 설치된 센서만을 사용하는 구성이었다.
본 발명의 제2 실시 형태는, 유압 셔블(100)에 원래 설치되어 있는 센서를 이용함으로써, 연산 내용의 용이화, 혹은 로버스트화를 달성하는 것이다.
먼저, 본 실시 형태의 특징을 개략적으로 설명하면 이하와 같다.
본 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(20)는, GNSS 수신기(17c)에서 산출된 상부 선회체(2)의 방위각의 품질의 판단 시에, 붐 IMU(14)(프론트 자세각 취득 장치)에 의해 취득한 프론트 작업기(1)의 자세각의 백업으로서 붐(4)의 상승 동작(프론트 작업기(1)의 동작)을 지시하는 조작 레버 장치(9a)(제1 조작 레버 장치)의 조작 신호를 입력하고, 이 조작 레버 장치(9a)의 조작 신호에 기초하여, 조작 레버 장치(9a)의 프론트 작업기(1)의 상승 방향 조작이 소정 시간 이상 계속되었을 때, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 낮다고 판단한다. 소정 시간은, 예를 들어 프론트 작업기(1)가 붐 상승 개시 시의 표준적인 자세에 있을 때에 조작 레버 장치(9a)를 붐 상승 방향으로 풀 조작하여, 붐(4)의 각도가 전술한 소정값에 도달할 때까지의 경과 시간이며, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질을 판단하기 위한 판정값으로서, 컨트롤러(20)의 기억 장치(예를 들어 ROM)에 기억되어 있다.
또한, 컨트롤러(20)는, 상부 선회체(2)의 선회 동작의 유무의 판단 시에, 자이로 바이어스를 제거한 상부 선회체(2)의 각속도의 백업으로서 조작 레버 장치(9b)(제2 조작 레버 장치)의 조작 신호를 입력하고, 이 조작 레버 장치(9b)의 조작 신호에 기초하여, 조작 레버 장치(9b)의 조작 신호의 크기가 소정값 이상일 때, 상부 선회체(2)의 선회 동작이 있다고 판단한다. 소정값은, 조작 신호를 발생시켰을 때, 선회 모터(2a)가 회전하기 시작하는 조작 신호의 값이며, 상부 선회체(2)의 선회 동작의 유무의 판정값으로서, 컨트롤러(20)의 기억 장치(예를 들어 ROM)에 기억되어 있다.
이하에, 상술한 컨트롤러(20)의 처리 내용의 상세를 도 7에 기초하여 설명한다. 도 7은 본 실시 형태에 있어서의 수정 방위각 연산부(20a-1)의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
본 실시 형태에 있어서의 수정 방위각 연산부(20a-1)는, 도 4에 도시하는 방위각 품질 판단부(MH01) 및 선회 동작 실행 판단부(MH03)에, 조작 레버 장치(9a, 9b)의 조작 신호(전기 신호)가 추가 신호로서 또한 입력된다.
방위각 품질 판단부(MH01)는, 상술한 차체 IMU(13) 및 붐 IMU(14)로부터 출력되는 자세각 정보를 사용한 판단에 더하여, 조작 레버 장치(9a)로부터 출력되는 붐 상승의 조작 신호를 이용함으로써도 방위각 품질을 판단한다. 예를 들어, 조작 레버 장치(9a)로부터 출력되는 붐 상승의 조작 신호에 기초하는 붐 상승의 조작이 소정 시간 계속되면, 붐 실린더(4a)가 점차 신장되어 최종적으로 도 15a의 자세에 도달한다. 즉, 붐 IMU(14)의 자세각을 취득하지 않아도 붐 상승의 조작 신호와 그 경과 시간을 이용함으로써도, 방위각 품질의 판단에 필요한 프론트 작업기(1)의 자세를 추측할 수 있다.
이와 같이, 조작 레버 장치(9a)의 조작 신호를 이용하면, 만일 고장 등에 의해 붐 IMU(14)의 신호를 이용할 수 없는 상황이 발생한 경우라도 방위각 품질의 판단을 계속할 수 있어, 시스템으로서의 로버스트성의 향상을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서의 선회 동작 실행 판단부(MH03)는, 바이어스 제거 실행부(MH02)로부터 출력되는 각속도 ω를 사용한 판단에 더하여, 조작 레버 장치(9b)로부터 출력되는 선회의 조작 신호를 이용함으로써 선회 동작의 유무를 판단한다.
선회 조작에 관한 조작 신호의 값이 소정값 미만(예를 들어, 파일럿압 환산값으로 0.5㎫ 미만)인 경우는, 선회 모터(2a)에 압유가 유입되지 않으므로 상부 선회체(2)는 회전하지 않지만, 조작 신호의 값이 선회 모터(2a)가 회전하는 조작 신호의 하한값인 소정값 이상(예를 들어, 파일럿압 환산값으로 1.0㎫ 이상)이 되면, 선회 모터(2a)에 압유가 유입되어 상부 선회체(2)가 회전한다.
이 때문에, 선회 동작에 관한 조작 신호를 확인하면, 차체 IMU(13)가 각속도의 변화를 검출하기 전부터 선회 동작의 유무를 판단 가능해진다. 이와 같이 선회의 조작 신호를 사용한 선회 동작의 판정은, 자이로 바이어스 제거 실행부(MH02)에서의 자이로 바이어스의 제거 성능이 불충분하여, 도 6의 흐름도에 있어서의 스텝 FC09의 선회 동작을 판단하기 위한 각속도의 역치를 충분히 낮출 수 없는 경우에, 특히 유효하다.
또한, 제1 및 제2 실시 형태에서는, 방위각 품질 판단 연산부(MH01)에, 붐 IMU(14)의 자세각만을 입력하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 프론트 작업기(1)의 자세를 보다 정확하게 판단하고자 하는 경우에는, 붐 IMU(14), 암 IMU(15), 버킷 IMU(16)의 모든 자세각을 입력하도록 변경하면 된다.
또한, 제2 실시 형태에서는, 조작 레버 장치(9a, 9b)가 전기 레버 방식인 경우에 대해 설명하였지만, 조작 레버 장치(9a, 9b)가 유압 파일럿 방식인 경우는, 각각의 조작 레버의 조작 방향 및 조작량에 따른 파일럿압을 검출하는 압력 센서를 마련하여, 그 압력 센서의 신호를 입력하도록 하면 된다.
이와 같이 본 실시 형태에 의하면, 조작 레버 장치(9a, 9b)의 조작 신호를 프론트 작업기(1)의 자세각 혹은 상부 선회체(2)의 각속도의 백업으로서 사용하므로, 시스템으로서의 로버스트성을 더욱 향상시킬 수 있어, 작업 효율을 향상시킬 수 있다.
<제3 실시 형태>
제1 및 제2 실시 형태는, 프론트 작업기(1)에 IMU로 대표되는 경사각 검출기를 사용하는 것이었지만, 본 발명은 프론트 작업기(1)에 경사각 검출기를 사용하지 않아도 실시 가능하다.
먼저, 본 실시 형태의 특징을 개략적으로 설명하면 이하와 같다.
본 실시 형태에 있어서, 유압 셔블(100)은, 차체 IMU(13)(차체 자세각 취득 장치) 및 붐 IMU(14)(프론트 자세각 취득 장치) 중 적어도 한쪽의 자세각 취득 장치로서 화상 인식 장치(35)(도 8 참조)를 구비하고, 화상 인식 장치(35)는, 적어도 1대의 카메라(30 또는 32 또는 33)(도 8 참조)로부터 취득한 화상 정보에 기초하여 상부 선회체(2)의 자세각과 프론트 작업기(1)의 자세각 중 적어도 한쪽을 인식하고, 컨트롤러(20)는, 화상 인식 장치(35)로 인식한 상부 선회체(2)의 자세각과 프론트 작업기(1)의 자세각 중 적어도 한쪽에 기초하여 GNSS 수신기(17c)에 의해 산출된 상부 선회체(2)의 방위각의 품질을 판단하고, 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 낮다고 판단하였을 때에 바이어스 제거 연산을 실행한다.
이하, 제3 실시 형태의 상세를 도 8 내지 도 10을 사용하여 설명한다.
도 8은 본 실시 형태에 있어서의 유압 셔블(100)의 외관과 그 주위의 상황을 도시하는 도면이다. 또한, 설명을 간략화하기 위해, 도 1과 동일한 구성 요소를 나타내는 부호는 도시를 생략하고 있다.
본 실시 형태에 관한 유압 셔블(100)은, 캐빈(9)의 정상부 전방측에 설치된 스테레오 카메라(30)와, 캐빈(9)의 정상부 후방측에 설치된 무선 통신기(31a)를 구비하고 있다. 무선 통신기(31a)는 작업 현장 내에 구비된 다른 무선 통신기(31b)와 무선 통신을 행한다. 무선 통신기(31b)는 작업 현장 내에 구비된 관리용 카메라(32)가 촬영한 화상 정보를 작업 현장 내에 배신한다. 또한, 관리용 카메라(32)는 작업 현장 내에 고정된 카메라에 한정되지 않는다. 예를 들어, 작업 현장 내를 자유롭게 비행 가능한 무인 항공기(드론)(34)에 카메라(33)와 무선 통신기(31c)를 탑재해도 된다.
도 9는 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(20)의 처리 기능을 도시하는 블록도이다. 또한, 설명을 간단하게 하기 위해, 도 3에 도시된 시공 목표면 연산부(20b) 및 유압 시스템 제어부(20d)는 도시를 생략하고 있다.
본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(20)의 처리 기능은, 도 8에 도시하는 유압 셔블에 설치된 스테레오 카메라(30) 및 무선 통신기(31b)의 정보가 입력되도록 변경되어 있는 점을 제외하고, 도 3에 도시한 제1 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(20)의 처리 기능과 동일하다. 컨트롤러(20)는, 그 기능의 변경 부분으로서, 취득한 화상 정보에 기초하여 프론트 작업기의 자세 정보를 산출하는 화상 인식부(20g)가 추가되어 있다. 스테레오 카메라(30), 관리용 카메라(32), 화상 인식부(20g)를 통합한 것이, 전술한 화상 인식 장치(35)에 상당한다.
화상 인식 장치(35)의 화상 인식부(20g)에 의해 산출되는 자세 정보는, 스테레오 카메라(30)와 관리용 카메라(32)의 성능(해상도 등)에 크게 의존한다. 본 발명에서는, 프론트 작업기(1)가 상승 자세(도 15a)인지, 하강 자세(도 14a)인지를 판단할 수 있는 성능을 갖고 있으면 충분하다.
본 실시 형태에서는, 상술한 화상 인식부(20g)에 의해 연산한 자세 정보를 수정 방위각 연산부(20a-1)에서 이용한다.
도 10은 본 실시 형태에 있어서의 수정 방위각 연산부(20a-1)의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
도 10에 있어서, 수정 방위각 연산부(20a-1)에는, 도 4에 도시하는 방위각 품질 판단부(MH01) 및 선회 동작 실행 판단부(MH03)에, 화상 인식부(20g)로부터의 신호가 추가 신호로서 또한 입력된다.
방위각 품질 판정부(MH01)는, 차체 IMU(13)에 의해 취득한 차체 경사각의 정보에 더하여, 화상 인식부(20g)에서 연산한 프론트 작업기(1)의 상승 자세, 하강 자세 정보를 사용하여 방위각 품질을 판단한다. 즉, 화상 인식부(20g)에서 연산한 자세 정보에 있어서, 프론트 작업기(1)가 상승 자세이면, 방위각 품질이 떨어진다고 판단한다.
또한, 드론(34)에 설정한 관리용 카메라(33)를 이용하는 경우, 유압 셔블(100) 자신뿐만 아니라 유압 셔블(100)의 주변의 화상 정보의 취득이 가능해진다. 이러한 경우에는, 방위각 품질 연산부(MH01)는 유압 셔블(100) 자신의 자세 정보뿐만 아니라, 주변 장애물의 정보도 가미하여 방위각 품질을 산출해도 된다.
또한, 화상 인식부(20g)에 있어서, 프론트 작업기(1)의 자세각뿐만 아니라, 상부 선회체(2)의 자세각도 연산하고, 방위각 품질 연산부(MH0)에서 그 상부 선회체(2)의 자세각을 이용해도 된다. 단, 그 경우의 자세각은 화상 처리에 의한 자세 정보이기 때문에, 방위각 품질의 판단 정밀도는 차체 IMU(13)보다 떨어지므로, 백업으로서의 이용에 그치는 것이 바람직하다.
선회 동작 실행 판단부(MH03)에도, 화상 인식부(20g)에 의해 취득한 상부 선회체(2)의 자세 정보를 이용해도 된다. 단, 이 경우도, 화상 처리에 의한 자세 정보에 기초하는 선회 동작의 유무의 판단 정밀도는 차체 IMU(13)보다 떨어지므로, 백업으로서의 이용에 그치는 것이 바람직하다.
또한, 도 8의 유압 셔블(100)에서는 스테레오 카메라(30)와 관리용 카메라(32)의 양쪽을 사용한 구성으로 하고 있지만, 어느 한쪽으로도 본 발명을 실행할 수 있는 것은 물론이다.
이와 같이 본 실시 형태에 의하면, 붐 IMU(14) 또는 차체 IMU(13)를 사용하지 않아도, 프론트 작업기(1)의 상승 하강 등의 유압 셔블(100)의 자세 변화에 관계없이, GNSS를 이용하여 정확한 상부 선회체(2)의 방위각을 산출하여, 상부 선회체(2)의 방위각을 고정밀도이면서 로버스트하게 취득할 수 있다.
또한, 화상 인식 장치(35)에 의해 취득한 자세 정보를 붐 IMU(14) 혹은 차체 IMU(13)의 백업으로서 사용하는 경우는, 시스템으로서의 로버스트성을 더욱 향상시켜, 작업 효율을 향상시킬 수 있다.
<제4 실시 형태>
예를 들어, 산간부의 작업 현장에서는, 도 17에 도시하는 바와 같이 유압 셔블(100)의 배후에 급준한 경사면이 있는 경우가 있다. 이러한 상황에서는, 유압 셔블(100)의 배면의 위성 신호를 수신할 수 없으므로 방위각의 품질도 당연히 저하된다.
본 발명의 제4 실시 형태는, 그러한 상황에 비추어 이루어진 것이다.
먼저, 본 실시 형태의 특징을 개략적으로 설명하면 이하와 같다.
본 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(20)는, 유압 셔블(100)(건설 기계)의 주변의 지형 정보를 기억하고 있는 지형 정보 기억 장치(20g)(도 11 참조)를 구비하고, GNSS 수신기(17c)에 의해 산출한 GNSS 안테나(17a, 17b)의 3차원 좌표에 기초하여, 지형 정보 기억 장치(20g)에 기억한 유압 셔블(100)(건설 기계)의 주변의 지형 정보를 읽어들이고, 차체 IMU(13)(차체 자세각 취득 장치)에 의해 취득한 상부 선회체(2)의 자세각과 붐 IMU(14)(프론트 자세각 취득 장치)에 의해 취득한 프론트 작업기(1)의 자세각에 기초하는 상부 선회체(2)의 방위각의 품질 판단에 더하여, 혹은 그 판단에 대신에, 유압 셔블(100)(건설 기계)의 주변 지형이 GNSS 안테나(17a, 17b)의 위성 신호 수신 가능 영역(200)을 차단할 가능성이 있을 때, GNSS 수신기(17c)에서 산출된 상부 선회체(2)의 방위각의 품질이 낮다고 판단하여, 바이어스 제거 연산을 실행한다.
이하에, 컨트롤러(20)의 처리 내용의 상세를 도 11에 기초하여 설명한다. 도 11은 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(20)의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
본 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(20)는, 주변 지형 참조부(20h)를 더 구비하고 있다.
주변 지형 참조부(20h)는, GNSS 시스템(17)에 의해 취득한 GNSS 안테나(17a, 17b)의 3차원 좌표 정보를 입력하여, 유압 셔블 주변의 지형 정보를 참조하고, 이 참조한 지형 정보를 수정 방위각 연산부(20a-1)에 출력한다.
도 12는 본 실시 형태에 있어서의 수정 방위각 연산부(20a-1)의 처리 기능을 도시하는 블록도이다.
본 실시 형태에 있어서의 수정 방위각 연산부(20a-1)는, 도 12에 도시하는 바와 같이, 유압 셔블(100)의 자세 정보(프론트 작업기(1)의 상승 하강 등의 유압 셔블(100)의 자세 변화)뿐만 아니라, 주변의 지형 정보로부터도 방위각 품질을 결정할 수 있는 것에 특징이 있다. 즉, 자차 위치의 주변에 위성 신호를 차단하는 지형(도 17의 급경사면 등)이 있는 경우, 유압 셔블(100)의 자세에 관계없이, 방위각 품질이 저하되어 있다고 판단한다.
본 실시 형태에 의하면, 프론트 작업기(1)의 상승 하강 등의 유압 셔블(100)의 자세 변화에 관계없이, 또한/또는 유압 셔블(100)의 주변 지형에 관계없이, 상부 선회체(2)의 방위각을 고정밀도이면서 로버스트하게 취득하여, 작업 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 이상에 있어서 제1 내지 제4 실시 형태를 설명하였지만, 이들 실시 형태의 어느 2개 이상을 조합한 구성으로 해도 되고, 그 구성도 본 발명의 범위에 해당되는 것은 언급할 필요도 없다.
1: 프론트 작업기
2: 상부 선회체
3: 하부 주행체
4: 붐
5: 암
6: 버킷
9: 캐빈
9a, 9b: 조작 레버 장치
11: 모니터
13: 관성 계측 장치(차체 IMU)(각속도 취득 장치)(차체 자세각 취득 장치)(차체 경사 센서)
14: 관성 계측 장치(붐 IMU)(프론트 자세각 취득 장치)(프론트 경사 센서)
15: 관성 계측 장치(암 IMU)(프론트 자세각 취득 장치)
16: 관성 계측 장치(버킷 IMU)(프론트 자세각 취득 장치)
17: GNSS 시스템
17a, 17b: GNSS 안테나
17c: GNSS 수신기
20: 컨트롤러
20a: 위치 자세 연산부
20a-1: 수정 방위각 연산부
20a-2: 3차원 위치 자세 연산부
20b: 시공 목표면 연산부
20c: 모니터 표시 제어부
20d: 유압 시스템 제어부
20e: 기억 장치
20f: 기억 장치
20g: 화상 인식부
20h: 주변 지형 참조부
30: 스테레오 카메라
31a: 무선 통신기
31b: 무선 통신기
31c: 무선 통신기
32: 관리용 카메라
33: 카메라
34: 무인 항공기(드론)
35: 화상 인식 장치
100: 유압 셔블
200: 위성 신호 수신 가능 영역
Σm: 차체 좌표계
MH01: 방위각 품질 판단부
MH02: 바이어스 제거 실행부
MH03: 선회 동작 판단부
MH04: 방위각 통합 연산부

Claims (8)

  1. 하부 주행체와,
    하부 주행체에 대해 선회 가능한 상부 선회체와,
    상부 선회체에 대해 수직 방향으로 회전 가능하게 설치된 다관절형의 프론트 작업기와,
    상기 상부 선회체에 설치된 2개의 GNSS 안테나와, 상기 GNSS 안테나가 수신한 위성 신호에 기초하여 상기 GNSS 안테나의 3차원 좌표와 상기 상부 선회체의 방위각을 산출하는 GNSS 수신기를 갖는 GNSS 시스템과,
    상기 상부 선회체에 설치되고, 상기 상부 선회체의 각속도를 취득하는 각속도 취득 장치와,
    상기 상부 선회체에 설치되고, 상기 상부 선회체의 자세각을 취득하는 차체 자세각 취득 장치와,
    상기 프론트 작업기의 자세각을 취득하는 프론트 자세각 취득 장치와,
    컨트롤러를 구비하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 GNSS 안테나의 3차원 좌표 및 상기 상부 선회체의 방위각과, 상기 차체 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 상부 선회체의 자세각, 상기 각속도 취득 장치에 의해 취득한 상기 상부 선회체의 각속도 및 상기 프론트 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 프론트 작업기의 자세각에 기초하여 상기 프론트 작업기의 위치 및 자세를 연산하고, 상기 프론트 작업기의 위치 및 자세에 기초하여 상기 프론트 작업기의 동작을 제어하는 건설 기계에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 차체 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 상부 선회체의 자세각과 상기 프론트 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 프론트 작업기의 자세각 중 적어도 한쪽에 기초하여 상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 상부 선회체의 방위각의 품질을 판단하고,
    상기 방위각의 품질의 판단 결과와, 상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 상부 선회체의 방위각에 기초하여, 상기 각속도 취득 장치에 의해 취득한 상기 상부 선회체의 각속도로부터 자이로 바이어스를 제거하는 바이어스 제거 연산을 실행하고, 또한 상기 자이로 바이어스를 제거한 상기 상부 선회체의 각속도에 기초하여 상기 상부 선회체의 선회 동작의 유무를 판단하고,
    상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 상부 선회체의 방위각과, 상기 자이로 바이어스를 제거한 상기 상부 선회체의 각속도와, 상기 상부 선회체의 선회 동작의 판단 결과에 기초하여 상기 상부 선회체의 수정 방위각을 산출하고, 상기 수정 방위각을 사용하여 상기 프론트 작업기의 위치 및 자세를 연산하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차체 자세각 취득 장치는, 상기 상부 선회체에 설치된 적어도 하나의 차체 경사 센서이고,
    상기 프론트 자세각 취득 장치는, 상기 프론트 작업기에 설치된 적어도 하나의 프론트 경사 센서이고,
    상기 컨트롤러는, 상기 차체 경사 센서에 의해 검출한 상기 상부 선회체의 자세각과 상기 프론트 경사 센서에 의해 검출한 상기 프론트 작업기의 자세각 중 적어도 한쪽에 기초하여 상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 상부 선회체의 방위각의 품질을 판단하고, 상기 상부 선회체의 방위각의 품질이 저하되어 있다고 판단하였을 때에 상기 바이어스 제거 연산을 실행하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차체 자세각 취득 장치 및 상기 프론트 자세각 취득 장치 중 적어도 한쪽의 자세각 취득 장치로서 화상 인식 장치를 구비하고,
    상기 화상 인식 장치는, 적어도 1대의 카메라로부터 취득한 화상 정보에 기초하여 상기 상부 선회체의 자세각과 상기 프론트 작업기의 자세각 중 적어도 한쪽을 인식하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 화상 인식 장치에 의해 인식한 상기 상부 선회체의 자세각과 상기 프론트 작업기의 자세각 중 적어도 한쪽에 기초하여 상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 상부 선회체의 방위각의 품질을 판단하고, 상기 상부 선회체의 방위각의 품질이 저하되어 있다고 판단하였을 때에 상기 바이어스 제거 연산을 실행하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 건설 기계의 주변의 지형 정보를 기억하고 있는 지형 정보 기억 장치를 구비하고,
    상기 GNSS 수신기에 의해 산출한 상기 GNSS 안테나의 3차원 좌표에 기초하여, 상기 지형 정보 기억 장치에 기억한 상기 건설 기계의 주변의 지형 정보를 읽어들이고,
    상기 차체 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 상부 선회체의 자세각과 상기 프론트 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 프론트 작업기의 자세각에 기초하는 상기 상부 선회체의 방위각의 품질의 판단에 더하여, 혹은 그 판단 대신에, 상기 건설 기계의 주변 지형이 상기 GNSS 안테나의 위성 신호 수신 가능 영역을 차단할 가능성이 있을 때, 상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 상부 선회체의 방위각의 품질이 낮다고 판단하고, 상기 바이어스 제거 연산을 실행하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 상부 선회체의 방위각의 품질이 높다고 판단하였을 때의 방위각을 기억하는 방위각 기억 장치를 구비하고,
    상기 상부 선회체의 방위각의 품질이 낮다고 판단하고, 상기 상부 선회체의 선회 동작 없음을 판단하였을 때는, 상기 상부 선회체의 방위각의 품질이 낮다고 판단하기 직전에 상기 방위각 기억 장치에 기억한 방위각을 수정 방위각으로서 사용하여, 상기 프론트 작업기의 위치 및 자세를 연산하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 상부 선회체의 방위각의 품질이 낮다고 판단하고, 또한 상기 상부 선회체의 선회 동작 있음을 판단한 후, 상기 상부 선회체의 방위각의 품질이 낮은 상태 그대로 소정의 시간을 경과하였을 때는, 상기 상부 선회체의 방위각의 정밀도가 낮을 가능성이 있음을 유저에게 통지하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프론트 작업기의 동작을 지시하는 제1 조작 레버 장치를 더 구비하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 GNSS 수신기에 의해 산출된 상기 상부 선회체의 방위각의 품질의 판단 시에, 상기 프론트 자세각 취득 장치에 의해 취득한 상기 프론트 작업기의 자세각의 백업으로서 상기 제1 조작 레버 장치의 조작 신호를 입력하고, 이 제1 조작 레버 장치의 조작 신호에 기초하여, 상기 제1 조작 레버 장치의 상기 프론트 작업기의 상승 방향 조작이 소정 시간 이상 계속되었을 때, 상기 상부 선회체의 방위각의 품질이 낮다고 판단하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상부 선회체의 동작을 지시하는 제2 조작 레버 장치를 더 구비하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 상부 선회체의 선회 동작의 유무의 판단 시에, 상기 자이로 바이어스를 제거한 상기 상부 선회체의 각속도의 백업으로서 상기 제2 조작 레버 장치의 조작 신호를 입력하고, 이 제2 조작 레버 장치의 조작 신호에 기초하여, 상기 제2 조작 레버 장치의 조작 신호의 크기가 소정값 이상일 때, 상기 상부 선회체의 선회 동작이 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
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