WO2004031689A1

WO2004031689A1 - 作業機械の位置計測システム

Info

Publication number: WO2004031689A1
Application number: PCT/JP2003/012391
Authority: WO
Inventors: Hideto Ishibashi; Kazuo Fujishima
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co., Ltd.
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2004-04-15
Also published as: EP1548402A1; JP2004125580A; EP1548402B1; EP1548402A4; US7831362B2; US20050080559A1

Abstract

本発明の目的は、車載GPSの計測精度変化が生じた場合でもモニタポイントの位置を正確に計測でき、作業効率の高い建設機械の位置計測システムを提供することにある。パネルコンピュータ(45)は、GPS受信機(43,44)及び角度センサ(21,22,23)によって計測された値に基づいて、作業機に設定されたモニタポイントの3次元空間における位置を演算する。パネルコンピュータ(45)は、少なくとも2個のGPS受信機の少なくとも一つのGPS受信機による計測精度が低下すると、車体のヨウ角を計測するジャイロ(25)によって計測されたヨウ角に基づいてモニタポイントの位置演算を補正する。

Description

明細書作業機械の位置計測システム技術分野

本発明は、油圧ショベル等の作業機械の位置計測システムに係り、特に、モニタボイントの 3次元空間における絶対位置を計測するに好適な作業機械の位置計測システムに関する。背景技術

近年、建設施工現場において GP S等の 3次元位置計測装置を用いて建設機械のモニタポイントの位置を計測し、作業管理を行うことがなされている。モニタポイントの代表例としては、建設機械の作業装置の位置，例えば油圧ショベルのパケット先端位置がある。このバゲット先端位置を計測できれば、その計測デ一夕を予め設定した地形デ一夕や目標形状データと比較することにより施工中の作業進行状況を把握でき、施工中の管理が行える。また、施工後も、計測データから出来形データ（例えば掘削地形データ）を生成することで、施工管理が行える。このような位置計測システムの従来技術として、例えば、特開 2001— 98

585号公報に記載のように、掘削用作業機（バゲット）の 3次元位置を計測して作業平面を演算し、 3次元目標地形との交線を求めて、交線と掘削用作業機との相対位置を表示し、ブーム、アームおよびバケツト角度センサと、車体前後に設置した G P Sとによりバゲット先端位置を計測するものも知られている。発明の開示

しかしながら、特開 2001— 98585号公報に記載されているものでは、 GPSの計測精度変化が問題となる。車体やバケツト等の掘削作業機の位置を計測するための車載 GP Sは、 RTK (リアルタイムキネマティック） —GPSを使用するのが一般的である。これは、基準局として車体とは別に GPS (以下、 GPS基準局とする）を設置し、この GPS基準局より送信される補正データを受信して G P S衛星からの信号と併せて処理することで、車載 G P Sァンテナの位置が約 ±1〜2 cmの精度（F I X状態）で計測できるものである。

しかし、この RTK— GPSは、 GP S衛星からの信号と GP S基準局より送信される補正データの受信状態とにより、計測状態が左右され、受信できる衛星の数が減少したり、 GPS基準局からの補正データを受信できない場合、' 計測精度が約 ± 20〜30 cmの FLOAT状態や、約土 lmの DGPS (デフアレンシャル GPS) 状態および約 ± 10mの単独計測状態へと変化することがある。このように、車載 GPSの計測精度が変化すると、管理を行う上で満足な計測結果が得られないため、作業を中断しなければならず、作業効率が低下してしまうという問題がある。特に、特開 2001— 98585号公報に記載のものにおいては、 GPSの計測結果から間接的にバケツト位置を計測しているため影響が大きいものである。

本発明の目的は、計測精度変化が生じた場合でもモニタボイントの位置を正確に計測でき、作業効率の高い作業機械の位置計測システムを提供することにある。なお、本明細書中において「3次元空間の絶対位置」とは、建設機械の外部に設定された座標系により表現した位置のことであり、例えば 3次元位置計測装置として GPSを用いる場合は、 GPSで緯度、経度および高さの基準として用いる準拠楕円体に固定した座標系により表現した位置のことである。

また、本明細書では、この準拠楕円体に設定した座標系をグローバル座標系と呼ぶ。

(1) 上記目的を達成するために、本発明は、機械本体と作業機とを有する作業機械の位置計測システムにおいて、前記機械本体に設けられ、 3次元空間における位置を計測する少なくとも 2個の 3次元位置計測手段と、前記少なくとも 2 個の位置計測手段によって計測された値に基づいて、モニタボイントの 3次元空間における位置を演算する位置演算手段と、前記作業機械のヨウ角を計測するョゥ角計測手段とを備え、前記位置演算手段は、前記少なくとも 2個の 3次元位置計測手段の内の少なくとも一つの 3次元位置計測手段による計測精度が低下すると、前記ヨウ角計測手段によって計測されたヨウ角に基づいて前記モニタポイントの位置演算を補正するようにしている。このように少なくとも 2個の 3次元位置計測手段の内の少なくとも一つの 3次元位置計測手段による計測精度が低下した場合には、ョゥ角計測手段によって計測されたヨウ角に基づいてモニタポイントの位置演算を補正することにより、計測精度変化が生じた場合でもモニタボイントの位置を正確に計測でき、作業効率を向上することができる。

( 2 ) 上記（1 ) において、好ましくは、さらに、前記作業機械の傾斜量を計測する傾斜量計測手段を備え、前記位置演算手段は、上記少なくとも 2個の 3次元位置計測手段の内の少なくとも一つの 3次元位置計測手段による計測精度が低下すると、前記ヨウ角計測手段によつて計測されたヨウ角及び傾斜量計測手段によって計測された傾斜量に基づいて前記モニタボイントの位置演算を補正するようにしている。

( 3 ) 上記（1 ) において、好ましくは、前記位置演算手段は、補正が行われる場合にはその旨をォペレ一夕に知らせるようにする。

( 4 ) 上記（1 ) において、好ましくは、前記位置演算手段は、上記少なくとも 2個の 3次元位置計測手段のすべての計測精度が低下すると、前記車体の走行禁止をオペレータに知らせるようにする。

( 5 ) 上記（4 ) において、好ましくは、前記位置演算手段は、上記少なくとも 2個の 3次元位置計測手段の内の少なくとも一つの計測精度が復帰すると、前記車体の走行可能をオペレータに知らせるようにする。

( 6 ) 上記（3 ) において、好ましくは、前記位置演算手段による演算結果に基づき前記モニタボイントの位置を表示する第 1表示手段を備え、この第 1表示手段にォペレ一夕に対する通知を表示するようにする。

( 7 ) 上記（3 ) において、好ましくは、前記位置演算手段による演算結果のモニタポイントの位置データを出力するデータ出力手段と、前記建設機械とは異なる位置に設置され、前記データ出力手段により出力された位置データを入力するデータ入力手段と、このデータ入力手段により入力した位置データに基づき前記モニタボイントの位置を表示する第 2表示手段とを備え、この第 2表示手段にオペレータに対する通知を表示するようにする。

( 8 ) 上記（1 ) において、好ましくは、前記作業機は、回転可能な複数の部材で構成され、前記モニタポイントは前記作業機に設定され、前記作業機の複数の部材間の角度を検出する角度計測手段を備え、前記位置演算手段は、前記少なくとも 2個の 3次元位置計測手段及び前記角度計測手段によって計測された値に基づいて、前記モニタポイントの 3次元空間における位置を演算するようにしたものである。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた作業位置計測システムの構成を示すブロック図である。

図 2は、本発明の一実施の形態に係わる作業位置計測システムを搭載した油圧ショベルの外観を示す図である。

図 3は、 G P S基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成を示すプロック図である。

図 4は、バケツトの先端の 3次元空間での絶対位置を演算するために使用する座標系を示す図である。

図 5は、グローバル座標系の概要を説明する図である。

図 6は、全体の演算処理手順を示すフローチャートである。

図 7は、通常演算処理の内容を示すフローチャートである。

図 8は、 G P S— A補正演算処理の内容を示すフローチャートである。

図 9は、 G P S—B補正演算処理の内容を示すフロ一チャートである。

図 1 0は、ショベル座標系基準演算処理の内容を示すフローチャートである。図 1 1は、 G P S—N Gフラグ処理の内容を示すフローチャートである。図 1 2は、他の実施の形態における通常演算処理の内容を示すフローチャートである。

図 1 3は、他の実施の形態における G P S— A補正演算処理の内容を示すフロ一チヤ一トである。

図 1 4は、他の実施の形態における G P S—B補正演算処理の内容を示すフロ一チヤ一卜でめる。発明を実施するための最良の形態

以下、図 1〜図 11を用いて、本発明の実施の形態による作業機械の位置計測システムについて説明する。本実施の形態は、作業機械の一つである建設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ツト先端にモニタポイントを設定したものである。

図 1は、本発明の一実施の形態による作業機械の位置計測システムの構成を示すブロック図である。

位置計測システムは、基準局からの補正データ（後述）をアンテナ 33を介して受信する無線機 41と、この無線機 41で受信した補正データを分配する分配機 42と、この分配機 42で分配した補正データと GP Sアンテナ 31， 32により受信される GP S衛星からの信号とに基づいて GP Sアンテナ 31, 32の 3次元位置をリアルタイムに計測する GPS受信機 43， 44と、この GPS受信機 43 , 44からの位置データと角度センサ 21 , 22, 23や傾斜センサ 2 4やジャイロ 25などの各種センサからの角度データとに基づき、油圧ショベル 1のパケット 7の先端（モニタポイント）の位置を演算し、さらに後述する 3次元目標地形を示すデータが所定のメモリに記憶されているパネルコンピュータ 4 5と、このパネルコンピュータ 45により演算された位置デ一夕や 3次元目標地形をイラスト等を交えて表示する表示装置 46と、パネルコンピュータ 45により演算された位置デ一夕及びその演算状態データをアンテナ 35を介して送信するための無線機 47と、コンピュータ 45での演算状態を音声によりオペレータに知らせるためのスピーカ 48とを備えている。なお、 GPSアンテナ 31と G PS受信機 43, GPSアンテナ 32と GP S受信機 44はそれぞれ 1セットの GPS (Grobal Positioning System) を構成している。

図 2は、本発明の実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた油圧ショベルの外観を示す図である。

油圧ショベル 1は下部走行体 2と、下部走行体 2上に旋回可能に設けられ、下部走行体 2と共に本体を構成する上部旋回体 3と、上部旋回体 3に設けられたフロント作業機 4とからなる。フロント作業機 4は上部旋回体 3に上下方向に回転可能に設けられたブーム 5と、ブーム 5の先端に上下方向に回転可能に設けられたアーム 6と、アーム 6の先端に上下方向に回転可能に設けられたバケツト 7とで構成され、それぞれ、ブームシリンダ 8、ァ一ムシリンダ 9、バケツトシリンダ 1 0を伸縮することにより駆動される。上部旋回体 3には運転室 1 1が設けられている。

また、油圧ショベル 1には、上部旋回体 3とブーム 5との回転角（ブーム角度）を検出する角度センサ 2 1と、ブーム 5とアーム 6との回転角（アーム角度）を検出する角度センサ 2 2と、アーム 6とパケット 7との回転角（バゲット角度）を検出する角度センサ 2 3と、上部旋回体 3の前後方向の傾斜角（ピッチ角度）及び左右方向の傾斜角（ロール角度）を検出する傾斜センサ 2 4、油圧ショベル 1のヨウ角度を検出するジャイロ 2 5とが設けられている。

更に、油圧ショベル 1には、 G P S衛星からの信号を受信する 2個の G P Sァンテナ 3 1 , 3 2と、基準局からの補正データ（後述）を受信するための無線ァンテナ 3 3と、位置データを送信する無線アンテナ 3 5が設けられている。 2個の G P Sアンテナ 3 1， 3 2は上部旋回体 3の旋回中心から外れた旋回体後部の左右に設置されている。

油圧ショベル 1やバケツト 7等の位置や作業管理を行う事務所 5 1には、 G P S衛星からの信号を受信する G P Sアンテナ 5 2と、補正データを油圧ショベル 1に送信する無線アンテナ 5 3と、油圧ショベル 1から上述した油圧ショベル 1 やバケツト 7等の位置データ及びその演算状態データを受信する無線アンテナ 5 4と、予め計測された 3次元位置データと G P Sァンテナ 5 2により受信される G P S衛星からの信号とに基づき、上述した油圧ショベル 1の G P S受信機 4 3， 4 4で尺丁1^ (リアルタイムキネマティック）計測を行うための補正データを生成する G P S基準局としての G P S受信機 5 5， G P S受信機 5 5で生成された補正データをアンテナ 5 3を介して送信するための無線機 5 6と、アンテナ 5 4 を介して位置データを受信する無線機 5 7と、無線機 5 7により受信した位置デ一夕及びその演算状態データに基づき油圧ショベル 1やバケツト 7の位置を表示 •管理したり 3次元目標地形を示すデータを表示するための演算を行うコンビュ一夕 58と、このコンピュータ 58により演算した位置データ，演算状態データと管理デ一夕、 3次元目標地形をイラスト等を交えて表示する表示装置 59が設置されている。 GPSアンテナ 52と GPS受信機 55は 1セットの GPSを構成する。

次に、本実施の形態に係わる位置計測システムの動作の概要を説明する。本実施の形態では高精度での位置計測を行うため、図 1に示した GP S受信機 43, 44でそれぞれ RTK計測を行う。このためには先ず、図 3に示した補正データを生成する GP S基準局 55が必要となる。 0 基準局55は、上記のように予め 3次元計測されたアンテナ 52の位置デ一夕とアンテナ 52により受信される GPS衛星からの信号とに基づいて、 RTK計測のための補正デ一夕を生成し、生成された補正データは、無線機 56によりアンテナ 53を介して一定周期で送信される。

一方、図 1に示した車載側の GPS受信機 43， 44は、アンテナ 33を介して無線機 41， 42により受信される補正データと、アンテナ 31, 32により受信される GP S衛星からの信号に基づき、アンテナ 31， 32の 3次元位置を RTK計測する、この RTK計測によって、アンテナ 31, 32の 3次元位置が約 ± 1〜 2 cmの精度で計測される。そして、計測された 3次元位置データはパネルコンピュータ 45に入力される。

また、傾斜センサ 24によって油圧ショベル 1のピッチ角度及びロール角度、角度センサ 21〜23によってそれぞれブーム 5、アーム 6及びバケツト 7の各角度、ジャイロ 25によって油圧ショベル 1のヨウ角度が計測され、同様にパネルコンピュータ 45に入力される。

パネルコンピュータ 25は GP S受信機 43， 44からの位置デ一夕と、各種センサ 21〜24からの各角度データに基づき、一般的なベクトル演算と座標変換を行って、バケツト 7の先端の 3次元位置を演算する。

次に、図 4〜図 1 1を用いてパネルコンピュータ 45における 3次元位置演算処理について説明する。

図 4は、バゲット 7の先端の 3次元空問での絶対位置を演算するために使用する座標系を示す図である。図 4において、 ∑ 0は G P Sの準拠楕円体の中心に原点 O 0を持つグローバル座標系、 ∑la, ∑2a, ∑2b, ∑2a'および∑2b'はそれぞれ GP Sアンテナ 3 1および 32の計測位置を原点に持つ GP S座標系、 ∑ 5および∑ 5'は油圧ショベル 1の上部旋回体 3に固定され、旋回ベースフレームと旋回中心との交点に原点を持つショベル座標系、 ∑9はバケツト 7に固定され、バケツト 7の先端に原点を持つバケット先端座標系である。

なお、 Gprは傾斜センサ 24で計測される油圧ショベル 1のピッチ角度 0 pと口ール角度 0 rに基づいて求めらる油圧ショベル 1の車体に垂直なべクトルを示す。グローバル座標系∑0での GPSアンテナ 31, 32の 3次元位置が分かれば、その位置関係から GP S座標系∑laを求めることができ、さらに、油圧ショベル 1のピッチ角度とから GP S座標系∑ 2aおよび∑ 2bを求めることができる。そして、 GPSアンテナ 31， 32の油圧ショベル 1上における位置関係 xga, xgb, yga, ygb, z ga, z gbおよび d 5は既知であるので、ショベル座標系∑5 を求めことができる。

また、ショベル座標系∑5の原点〇5と、ブーム 5の基端との位置関係 a 6および d6と、ブーム 5、アーム 6およびバケツト 7の寸法 a 7, a 8および a 9は既知であるので、ブーム角度 Φ6、アーム角度 Φ7およびパケット角度 φ8が分かれば、バケット先端座標系∑9を求めることができる。

従って、 0 3受信機43， 44で計測した GP Sアンテナ 31, 32の 3次元位置をグローバル座標系∑0での値として求め、傾斜センサ 24で油圧ショベル 1のピッチ角度と計測し、角度センサ 2 1〜23でブーム角度 Φ6、アーム角度およびバケツ卜角度 Φ8を計測して座標変換演算を行うことにより、バケツト 7の先端位置をグローバル座標系∑0での値で求めることができる。

図 5は、グローバル座標系の概念を説明する図である。

図 5において、 Gは GP Sで用いる準拠楕円体であり、グローバル座標系∑0の原点 00は準拠楕円体の中心に設定されている。また、グロ一バル座標系∑0の X 0軸方向は赤道 Αと子午線 Βの交点 Cと準拠楕円体 Gの中心を通る線上に位置し、 z 0軸方向は準拠楕円体 Gの中心から南北に延ばした線上に位置し、 yO軸方向は χθ軸と ζθ軸に直交する線上に位置している。 GPSでは、地球上の位置を緯度および軽度と、準拠楕円体 Gに対する高さで表現するので、このようにグローバル座標系∑0を設定することで、 GP Sの位置情報をグローバル座標系∑0での値に容易に変換することができる。

次に、図 4を用いて車載 GPSの計測精度変化が生じた場合の演算処理について説明する。

前述したように、車載 GPSの計測精度は常に最良の状態（F I X) とは限らない。従って、車載 GPSの計測精度が F I X以外の場合は何らかの補正を行わなければならない。

先ず、第 1のケースとして、 GP Sアンテナ 31と GP S受信機 43で構成される GP S— Aの計測精度が F I X以外となった場合について説明する。

この場合は、 GPSアンテナ 32と GPS受信機 44で構成される&?3—8 の計測精度が F I X状態を保っているので、 GPS座標系∑2bを基準として考えればよい。

ここで、 GPS— Aと GPS— Bの計測精度が共に F I X状態、すなわち、 G PS_Aの計測精度が F I X以外となる 1サイクル前の GPS座標系∑2bを∑2b _prv、油圧ショベル 1のヨウ角度を 0y— prvlとおく。そして、座標系∑2b_prvを GPSアンテナ 32の現在位置（02b') に平行移動する。次に、平行移動した座標系∑2b_prvの y軸を GP Sアンテナ 32の現在位置（02b') の重力軸に合致するように平行移動した座標系∑2b一 prvを等価回転変換する。次に、等価回転変換した座標系∑ 2b— prvの y軸周りに等価回転変換した座標系∑ 2b— prvを（ 0 y— 0 y _prvl) の回転を行う。次に、回転した座標系∑ 2b— prvの y軸を油圧ショベル 1の車体に垂直な単位べクトル Gprに合致するように回転した座標系∑2b_prvを等価回転変換して座標系∑2b'を求める。

このようにして求めた座標系∑2b'と、既知データである Xb, yb, Zbおよび d5と、ブーム 5の基端との位置関係 a 6および d 6と、ブーム 5、アーム 6およびバケツト 7の寸法 a 7， a 8および a 9、さらに、ブーム角度 φ 6、アーム角度 φ 7およびバケツト角度 Φ8から求められるショベル座標系∑5とバケツト先端座標系∑ 9により、グローバル座標系∑0でのバケツト 7の先端位置を求めることができる。従って、 GPS— Αの計測精度が F I X以外となった場合でもバゲット 7の先端位置を高精度で求めることができ、さらに、油圧ショベル 1の走行、旋回を含むフロント作業といった動作にいっさいの制限は生じない。

次に、第 2のケースとして、 GPSアンテナ 32と GPS受信機 44で構成される GP S— Bの計測精度が F I X以外となった場合について説明する。

この場合は、 GP Sアンテナ 31と GP S受信機 43で構成される GP S— A の計測精度が F I X状態を保っているので、 GPS座標系∑2aを基準として考えればよい。

ここで、 GPS— Aと GPS— Bの計測精度が共に F I X状態、すなわち、 G PS— Bの計測精度が F I X以外となる 1サイクル前の GPS座標系∑2aを∑2a 一 prv、油圧ショベル 1のヨウ角度を 0y_prvlとおく。そして、座標系∑2a— prvを GPSアンテナ 31の現在位置（02a') に平行移動する。次に、平行移動した座標系∑2a_prvの y軸を GPSアンテナ 31の現在位置（〇2a') の重力軸に合致するように平行移動した座標系∑2a—prvを等価回転変換する。次に、等価回転変換した座標系∑ 2a— prvの y軸周りに等価回転変換した座標系∑ 2a— prvを（ 0 y_ 0 y _prvl) の回転を行う。次に、回転した座標系∑2a_prvの y軸を油圧ショベル 1の車体に垂直な単位べクトル Gprに合致するように回転した座標系∑2a_prvを等価回転変換して座標系∑2a'を求める。

このようにして求めた座標系∑2a'と、既知データである xa, ya, zaおよび d5と、ブーム 5の基端との位置関係 a6および a6と、ブーム 5、アーム 6およびバケツト 7の寸法 a 7, a 8および a 9、さらに、ブーム角度 Φ 6、アーム角度 φ 7およびバケツト角度 φ 8から求められるショベル座標系∑ 5とバケツト先端座標系∑ 9により、グローバル座標系∑0でのバケツト 7の先端位置を求めることができる。従って、 GPS— Βの計測精度が F I X以外となった場合でもパケット 7の先端位置を高精度で求めることができ、さらに、油圧ショベル 1の走行、旋回を含むフロント作業といった動作にいっさいの制限は生じない。

次に、第 3のケースとして、 GP S_Aと GP S— Βの計測精度が共に F I X 以外となった場合について説明する。

この場合は、ショベル座標系∑ 5を基準として考えればよい。

ここで、 GP S— Aと GP S— Bの計測精度が共に F I X以外となる 1サイクル前のグ口一バル座標系∑ 0に対するショベル座標系∑ 5を∑ 5— prv、油圧ショベル 1のヨウ角度を 0y— prv2とおく。そして、座標系∑5一 prvの y軸周りに座標系∑5 —prvを（0y_0y— prv2) の回転を行って座標系∑5b'を求める。

このようにして求めた座標系∑ 5b'と、ブーム 5の基端との位置関係 a 6および d6と、ブ一ム 5、アームおよびバケツト 7の寸法 a 7， a 8および a 9、さらに、ブーム角度 Φ6、アーム角度 Φ7およびバケツト角度 Φ8により求められるバケツト先端座標系∑ 9とにより、グローバル座標系∑0でのバケツ卜 7の先端位置を求めることができる。

従って、 GPS— Αと GPS— Βの計測精度が共に F I X以外となった場合でもパケット 7の先端位置を高精度で求めることがでる。ただし、この場合は油圧ショベル 1を走行させてしまうと誤差が生じるため、旋回を含むフロント作業のみの動作にの制限される。

図 6は全体の演算処理手順を示すフロ一チヤ一トである。

図 6において、最初に、演算スタートフラグおよび補正演算フラグを OFFする（ステップ S 100) 。

次に、 GPSアンテナ 31， 32の 3次元位置（緯度、経度、高さ）である G PS— Aおよび GPS— Bの計測データ及び、センサ 21， 22, 23, 24及びジャイロ 25の計測データを読み込む（ステップ S 110) 。次に、 GPS— Aおよび GPS— Bの計測精度が共に F I Xかどうかを判定する（ステップ S 1 20) 。共に F I Xの場合にはステップ S 200に進み通常演算処理を実行し、いずれかが F I Xでない場合にはステップ S 130に進む。通常演算処理は、 G P S— Aおよび GP S— Bの計測精度が共に F I Xの場合、 GP S— Aおよび G P S— Bの両方を用いてバケツト先端位置を求める処理であり、その詳細については、図 7を用いて後述する。 '

GP S— Aおよび GP S— Bのいずれかの計測精度が F I Xでない場合には、演算スタートフラグが ONかどうかを判定し（ステップ S 130) 、 ONの場合はステップ S 140に進み、 ONでない場合はステップ S 1 10に戻り GPS— Aおよび GPS— Bの計測精度が共に F I Xとなるまで繰り返す。

ステップ S 130の判定で ONの場合は、補正演算フラグを ONし、表示装置 46もしくはスピーカ 47により、補正演算が行われる旨をォペレ一夕に指示する（ステップ S 140) 。

次に、 GP S— Bの計測精度が F I Xで GP S— Aの計測精度が F I X以外かどうかを判定する（ステップ S 150) 。 GPS— Bの計測精度が F I Xで GP S— Aの計測精度が F I X以外の場合にはステップ S 300に進み GP S— A補正演算処理を実行し、そうでない場合にはステップ S 160に進む。 GPS— A 補正演算処理は、 GPS— Aの計測精度が F I Xでないので、 GPS— Bの計測データを用いてパケット先端位置を求める処理であり、その詳細については、図 8を用いて後述する。

ステップ S 150の判定結果が偽の場合は、 GP S— Aの計測精度が F I Xで GPS— Bの計測精度が F I X以外かどうかを判定する (ステップ S 160) 。

GP S— Aの計測精度が F I Xで GP S— Bの計測精度が F I X以外の場合にはステップ S 400に進み GPS— B補正演算処理を実行し、そうでない場合にはステップ S 500に進みショベル座標系基準演算処理を実行する。 GPS— B補正演算処理は、 GP S— Bの計測精度が F I Xでないので、 GPS— Aの計測デ —夕を用いてバケツト先端位置を求める処理であり、その詳細については、図 9 を用いて後述する。ショベル座標系基準演算処理は、 GPS— Aおよび GPS— Bの計測精度が共に F I Xでない場合、 GP S— Aおよび GP S— Bを用いることができないため、ショベル座標系を用いてバケツト先端位置を求める処理であり、その詳細については、図 10を用いて後述する。

通常演算処理（ステップ S 200) ， GPS— A補正演算処理（ステップ S 3 00) , GPS— B補正演算処理（ステップ S 400) , ショベル座標系基準演算処理（ステップ S 500) がそれぞれ終了すると、それぞれの処理で求められたグローバル座標系∑0でのバケツト 7の先端位置 Pbkを緯度、経度、高さに変換する（ステップ S 170) 。このための演算式は一般的によく知られているものなので、ここでは省略する。

次に、表示装置 46にパケット 7の先端位置を表示する（ステップ S 180) 。表示装置 46に表示されるパケット先端位置は、例えば、 3次元地形データ上に、油圧ショベル本体と共にイラストにより表示する。次に、パケット先端位置デー夕及びパケット先端位置の演算状態（補正状態）に関するデータを無線機 47により事務所側に送信する（ステップ S 190) 。そして、ステップ S 1 10に戻り繰り返し演算を実行する。

次に、図 7を用いて通常演算処理の内容について説明する。

GPS— Aおよび GPS— Bの計測精度が共に F I Xの場合、最初に、演算ス夕一トフラグが OFFならば ONし、さらに、補正演算フラグが ONならば OF Fする（ステップ S 210) 。

次に、 GP S— NGフラグ処理を実行する（ステップ S 600) 、 GPS— N Gフラグ処理の詳細は、図 11に示されている。 GPS— NGフラグは、 GPS — Aおよび GP S— Bの計測精度が共に F I Xでないかどうかを示すフラグであり、 GP S— Aおよび GP S— Bの計測精度が共に F I Xでない場合に、図 10 のショベル座標系基準演算処理において、この NGフラグが ONされており、そうでないとき OFFとなっている。図 1 1において、 GPS— NGフラグが OF Fか否かを判定し（ステップ S 610) 、 OFFのときはそのまま処理を終了し、 ONのときはステップ S 620に進む。 GP S— NGフラグが ONのときは、走行可能を指令し（ステップ S 620) 、 GP S— NGフラグを OFFにする（ステツプ S 630) 。すなわち、ステップ S 130の判定で GP S— Aおよび GP S— Bの計測精度が共に F I Xとなったので、 NGフラグを ONから OFFにする。なお、ステップ S 500の処理について後述するように、' NGフラグが ON の場合には下部走行体による走行を禁止しているので、それを解除して走行可能を指令する。 '

次に、 GP S— NGフラグ処理が終了すると、図 7に戻り、 GPS— A及び G P S— B共に計測精度が F I Xである旨を表示 g置 46に表示する（ステップ S 220) 。次に、ジャイロ 25により計測される油圧ショベル 1のヨウ角度 0yを 0y— prvl及び 0y_prv2として記憶する（ステップ S 230) 。次に、 GPS— A および G P S—Bの計測データをそれぞれグローバル座標系∑ 0での 3次元位置 P a, Pbに変換する（ステップ S 240) 。このための演算は一般的によく知られているものなので、ここでは省略する。次に、 GPSアンテナ 31， 32のグロ一バル座標系∑0での 3次元位置 Pa， Pbと、傾斜センサ 24で計測したピッチ角度とにより、グロ一バル座標系に対する GPS座標系∑ 2aおよび∑2bを求める

(ステップ S 250) 。この演算は座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。次に、 GP S座標系∑ 2aおよび∑ 2bをそれぞれ、 ∑2a一 prvおよび∑2b— prvとして記憶する（ステップ S 260) 。次に、 GPS座標系∑2aと、既知の寸法データから予め求めておいた G P S— Aから見たショベル座標系∑ 5a からグローバル座標系∑ 0に対するショベル座標系∑ 5を求め、 ∑ 5— prvを記憶する

(ステップ S 270) 。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。次に、既知の寸法データと、角度センサ 21〜23で検出したブーム角度 Φ 6、アーム角度 Φ 7およびバケツト角度 8からショベル座標系∑ 5 aに対するバケツト先端座標系∑9を求める（ステップ S 280) 。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。

そして、 GP S座標系∑ 2aとショベル座標系∑5およびバケツト先端座標系∑ 9 から、グロ一バル座標系∑0でのバゲット 7の先端位置 Pbkを求める（ステップ S 290) 。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。

通常演算処理（ステップ S 200) が終 7*すると、図 6のステップ S 1 70で、求められたグローバル座標系∑0でのバゲット 7の先端位置 Pbkを緯度、経度、高さに変換し、ステップ S 1 10に戻り繰り返し演算を実行する。

次に、図 8を用いて GP S— A補正演算処理の内容について説明する。

ステップ S 600において GP S— NGフラグ処理を実行した後、 GP S— A が F I Xであり補正演算中である旨を表示装置 46に表示する（ステップ S 31 0) 。次に、ジャイロ 25により計測される油圧ショベル 1のヨウ角度 0yを 0y _prv2として記憶する（ステップ S 320) 。次に、 G P S— Bの計測データをグローバル座標系∑ 0での 3次元位置 Pbに変換し、 ∑ 2b— prvの原点を Pbへ平行移動する（ステップ S 330) 。次に、平行移動した座標系∑ 2b— prvの y軸を重力軸に合致するように、平行移動した座標系∑ 2b— prvを等価回転変換する（ステツプ S 340) 。次に、等価回転変換した座標系∑2b一 prvの y軸周りに等価回転変換した座標系∑ 2b— prvを（6»y— 0y_prvl) の回転を行う（ステップ S 350) 。次に、回転した座標系∑ 2 b_prvの y軸を油圧ショベル 1の車体に垂直なべクトル Gprに含致するように、回転した座標系∑2a_prvを等価回転変換して∑ 2b'を求める（ステップ S 360) 。次に、 GPS座標系∑2b' と、既知の寸法データから予め求めておいた GP S— Bから見たショベル座標系∑5bとから、グローバル座標系∑0に対するショベル座標系∑ 5を求め、 ∑5— prvを記憶する（ステップ S 3 70) 。次に、既知の寸法データと、角度センサ 21〜23で検出したブーム角度 Φ6、アーム角度 φ 7およびバケツト角度 Φ 8からショベル座標系に対するバケツト先端座標系∑9を求める（ステップ S 380) 。そして、座標系∑2 とショべル座標系∑5およびバケツト先端座標系∑9から、グロ一バル座標系∑0でのバケツト 7の先端位置 Pbkを求める（ステップ S 390) 。そして、ステップ S 180 へと移行して演算を繰り返す。

本実施形態では、ステップ S 350の処理のように、 GPS— Aの計測精度が F I X以外の場合、 GPS— Bについてヨウ角 0yで補正する点に特徴がある。ステツプ S 340, S 360の処理は上部旋回体の傾斜角（ピッチ角度及びロール角度）に対する補正であり、上部旋回体が水平状態にある場合にはこの処理は必要ないものである。

次に、図 9を用いて GP S—B補正演算処理の内容について説明する。

ステップ S 600において GP S— NGフラグ処理を実行した後、 GP S— B が F I Xであり補正演算中である旨を表示装置 46に表示する（ステップ S 41 0) 。次に、ジャイロ 25により計測される油圧ショベル 1のヨウ角度 0yを 0y — prv2として記憶する（ステップ S 420) 。次に、 G P S— Aの計測データをグローバル座標系∑0での 3次元位置 Paに変換し、 ∑2a— prvの原点を P aへ平行移動する（ステップ S 430) 。次に、平行移動した座標系∑2a_prvの y軸を重力軸に合致するように、平行移動した座標系∑2a— prvを等価回転変換する（ステツプ S 440) 。次に、等価回転変換した座標系∑2a— prvの y軸周りに等価回転変換した座標系∑2a_prvを（0y_0y_prvl) の回転を行う（ステップ S 450) 。次に、回転した座標系∑2a— prvの y軸を油圧ショベル 1の車体に垂直なべクトル Gprに合致するように、回転した座標系∑2a_prvを等価回転変換して∑2a'を求める（ステップ S 460) 。次に、 0 3座標系∑ 'と、既知の寸法からデータ予め求めておいた GP S—Aから見たショベル座標系∑ 5aとからグローバル座標系∑0に対するショベル座標系∑5を求め、 ∑5— prvを記憶する（ステップ S 47 0) 。

次に、既知の寸法データと、角度センサ 21〜23で検出したブーム角度 Φ6、アーム角度 Φ7およびバケツ卜角度 Φ8からショベル座標系に対するバケツト先端座標系∑9を求める（ステップ S 480) 。そして、座標系∑ 2a'とショベル座標系∑5およびバケツト先端座標系∑9から、グローバル座標系∑0でのバケツト 7の先端位置 Pbkを求める（ステップ S 490) 。そして、ステップ S 170へと移行して演算を繰り返す。

本実施形態では、ステップ S 450の処理のように、 GPS— Bの計測精度が F I X以外の場合、 GP S— Aについてヨウ角 0yで補正する点に特徴がある。ステツプ S 440, S 460の処理は上部旋回体の傾斜角（ピッチ角度及びロール角度）に対する補正であり、上部旋回体が水平状態にある場合にはこの処理は必要ないものである。

次に、図 10を用いてショベル座標系基準演算処理の内容について説明する。 GP S— Aおよび GP S— Bが共に F I X以外であり補正演算中である旨を表示装置 46に表示する（ステップ S 510) 。次に、表示装置 46もしくはスピ一力 47により、油圧ショベル 1の走行動作を禁止する旨をオペレータに指示する（ステップ S 520) 。次に、座標系∑ 5— prvの y軸周りに座標系∑ 5— prvを (0y- 0y_prv2) の回転を行って、座標系∑5'を求める（ステップ S 530) 。次に、既知の寸法データと、角度センサ 21〜23で検出したブーム角度 06、ァーム角度 Φ7およびバケツト角度 Ψ8からバケツト先端座標系∑9を求める（ステツプ S 530) 。そして、座標系∑5'とバケツト先端座標系∑9から、グロ一バル座標系∑0でのバゲット 7の先端位置 Pbkを求める（ステップ S 540) 。次に、 G P S— NGフラグを ONする（ステップ S 560) 。そして、ステップ S 170 へと移行して演算を繰り返す。

以上のような演算を行うことによって、バケツト 7の前端位置の 3次元空間での絶対位置を求めることができ、 G P S— Aおよび G P S— Bの計測精度が変化した場合でも、高い精度でバケツト 7の前端位置の 3次元空間での絶対位置を求めることができる。以上説明したように、本実施の形態によれば、傾斜センサで油圧ショベルのピツチ角度およびロール角度、ジャイロによりヨウ角度を計測して補正を行うことにより、 G P Sの計測精度が変化した場合でも高い精度でモニタボイン卜の位置を計測することができ、位置計測システムの信頼性を向上することができる。したがって、作業効率および施工管理効率を高めることができる。

次に、図 1 2〜図 1 4を用いて、本発明の他の実施の形態による作業機械の位置計測システムについて説明する。本実施の形態は、前述の実施の形態と同様に、作業機械の一つである建設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ツト先端にモニタポイントを設定したものである。

本実施形態では、ジャイロによるヨウ角度の補正が行うが、傾斜角センサによる上部旋回体の傾斜角（ピッチ角度及びロール角度）に対する補正は行わないものである。特に、上部旋回体が水平状態にある場合に有効なものである。

本実施の形態による作業機械の位置計測システムの構成は、図 1に示したものと同様である。本の実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた油圧ショベルの外観は、図 2に示したものと同様である。但し、傾斜角に対する補正は行わないため、傾斜センサ 2 4は不要である。

G P S基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成は、図 3に示したものと同様である。バケツト 7の先端の 3次元空問での絶対位置を演算するために使用する座標系は、図 4に示したものと同様である。グローバル座標系の概念は、図 5に示したものと同様である。

全体の演算処理手順は、図 6に示したものと同様である。但し、ステップ S 1 1 0においては、センサの計測データとして傾斜角センサの計測データの読み込みは行わない。

次に、図 1 2を用いて通常演算処理の内容について説明する。

通常演算処理の内容は、図 7に示したものと同様であるが、ステップ S 2 5 0 Aにおいて、 G P Sアンテナ 3 1 , 3 2のグローバル座標系∑0での 3次元位置 P a, P bとにより、グローバル座標系に対する G P S座標系∑2aおよび∑2bを求める。すなわち、傾斜センサ 2 4で計測したピッチ角度 0 pは用いないものである。次に、図 1 3を用いて G P S— A補正演算処理の内容について説明する。 G P S— A補正演算処理の内容は、図 8に示したものと同様であるが、ステツプ S 3 4 0と、ステップ S 3 6 0の処理が省略されており、ステップ S 3 5 0の処理結果が直接 G P S座標系∑ 2b' となる。

次に、図 1 4を用いて G P S—B補正演算処理の内容について説明する。 G P S— B補正演算処理の内容は、図 9に示したものと同様であるが、ステツプ S 4 4 0と、ステップ S 4 3 6 0の処理が省略されており、ステップ S 4 5 0 の処理結果が直接 G P S座標系∑ 2a' となる。

ショベル座標系基準演算処理は、図 1 0に示したものと同様である。

以上のような演算を行うことによって、パケット 7の前端位置の 3次元空間での絶対位置を求めることができ、 G P S一 Aおよび G P S— Bの計測精度が変化した場合でも、高い精度でバケツト 7の前端位置の 3次元空間での絶対位置を求めることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ジャイロによりヨウ角度を計測して補正を行うことにより、 G P Sの計測精度が変化した場合でも高い精度でモ二夕ポイントの位置を計測することができ、位置計測システムの信頼性を向上することができる。したがって、作業効率および施工管理効率を高めることができる。 .

なお、以上の説明では、 G P Sを利用した油圧ショベルのような建設機械に本発明を適当した実施の形態について説明したが、 G P Sの代わりに、レーザを利用した 1 タルステーションシステムに対しても、本発明は適用できるものである。トータルステーションシステムでは、レーザからの信号が途切れた場合、補正演算処理を行うことにより位置精度の低下を防止することができる。また、建設機械の場合には、下部走行体とその上部の上部旋回体から構成されるが、地雷探知機械や地雷破壊機械のように下部走行体のみを有する作業機械に対しても、本発明は適用できるものである。産業上の利用可能性

本発明によれば、車載 G P Sの計測精度変化が生じた場合でもモニタポイントの位置を正確に計測でき、作業効率を向上することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 機械本体と作業機とを有する作業機械の位置計測システムにおいて、

前記機械本体に設けられ、 3次元空間における位置を計測する少なくとも 2個の 3次元位置計測手段 (43, 44)と、

前記少なくとも 2個の位置計測手段によって計測された値に基づいて、モニタポイントの 3次元空間における位置を演算する位置演算手段 (45)と、

前記作業機械のヨウ角を計測するヨウ角計測手段 (25)とを備え、

前記位置演算手段 (45)は、前記少なくとも 2個の 3次元位置計測手段 (43, 44)の内の少なくとも一つの 3次元位置計測手段による計測精度が低下すると、前記ョゥ角計測手段 (25)によって計測されたヨウ角に基づいて前記モニタポイントの位置演算を補正することを特徴とする作業機械の位置計測システム。

2 . 請求項 1記載の作業機械の位置計測システムにおいて、さらに、

前記作業機械の傾斜量を計測する傾斜量計測手段 (24)を備え、

前記位置演算手段 (45)は、上記少なくとも 2個の 3次元位置計測手段の内の少なくとも一つの 3次元位置計測手段による計測精度が低下すると、前記ヨウ角計測手段によつて計測されたヨウ角（25)及び傾斜量計測手段 (24)によつて計測された傾斜量に基づいて前記モニタボイントの位置演算を補正することを特徴とする作業機械の位置計測システム。

3 . 請求項 1記載の作業機械の位置計測システムにおいて、

前記位置演算手段 (45)は、補正が行われる場合にはその旨をオペレータに知らせることを特徴とする作業機械の位置計測システム。

4 . 請求項 1記載の作業機械の位置計測システムにおいて、

前記位置演算手段 (45)は、上記少なくとも 2個の 3次元位置計測手段 (43, 44)のすべての計測精度が低下すると、前記作業機械の走行禁止をオペレータに知らせることを特徴とする作業機械の位置計測システム。

5 . 請求項 4記載の作業機械の位置計測システムにおいて、

前記位置演算手段 (45)は、上記少なくとも 2個の 3次元位置計測手段 (43， 44)の内の少なくとも一つの計測精度が復帰すると、前記作業機械の走行可能をォペレ —夕に知らせる ζとを特徴とする作業機械の位置計測システム。

6 . 請求項 3記載の作業機械の位置計測システムにおいて、

前記位置演算手段 (45)による演算結果に基づき前記モニタボイントの位置を表示する第 1表示手段 (46)を備え、

この第 1表示手段にォペレ一夕に対する通知を表示することを特徴とする作業機械の位置計測システム。

7 . 請求項 3記載の作業機械の位置計測システムにおいて、

前記位置演算手段 (45)による演算結果のモニタポイントの位置データを出力するデータ出力手段 (47)と、

前記作業機械とは異なる位置に設置され、前記データ出力手段により出力された位置データを入力するデータ入力手段（56)と、

このデ一夕入力手段により入力した位置データに基づき前記モニタポイントの位置を表示する第 2表示手段 (59)とを備え、

この第 2表示手段にオペレータに対する通知を表示することを特徴とする作業機械の位置計測システム。

8 . 請求項 1記載の作業機械の位置計測システムにおいて、

前記作業機 (4)は、回転可能な複数の部材 (5， 6, 7)で構成され、

前記モニタボイン卜は前記作業機に設定され、

前記作業機の複数の部材間の角度を検出する角度計測手段 (21 , 2, 23)を備え、前記位置演算手段 (46)は、前記少なくとも 2個の 3次元位置計測手段 (43, 44)及び前記角度計測手段（21， 22, 23)によって計測された値に基づいて、前記モニタポイン卜の 3次元空間における位置を演算することを特徴とする作業機械の位置計測システム。