WO2005024144A1

WO2005024144A1 - 施工目標指示装置

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Publication number: WO2005024144A1
Application number: PCT/JP2004/012642
Authority: WO
Inventors: Yuki Yokoyama; Masato Kageyama; Keisuke Miyata
Original assignee: Komatsu Ltd.
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2005-03-17
Also published as: GB0513429D0; KR20060064558A; CN1738947A; CN100545359C; GB2413314A; JP4311577B2; JPWO2005024144A1; GB2413314B; US20070010925A1

Abstract

　建設機械１の操作者に操作を容易にするための情報を呈示する施工目標指示装置３０が提供される。施工目標指示装置３０では、建設機械１の運転室に設置されたレーザ測距装置２０が、施工面１５と基準目印１７とバケット６の実時間の位置を自動計測する。演算装置３２が、施工面１５とバケット６の断面形状を計算し、目標法面に相当する仮想線を計算し、そして、施工面１５とバケット６の断面形状と仮想線を示した画像を作成する。表示装置３４が、その画像を表示画面上に表示する。操作者は、表示画像上の仮想線に沿ってバケット６を動かすことで、正確な掘削作業を行うことができる。

Description

明細書

施工目標指示装置

技術分野

[0001] 本発明は、油圧ショベルなどの作業機械による施工面の掘削作業等に用レ、ることのできる施工目標指示装置に関する。

背景技術

[0002] 従来から、例えば、土木作業現場においては掘削する場所を、油圧ショベルなどの作業機械に指示するため、「丁張り」又は「トンボ」と呼ばれる基準目印（基準の面や線を表現した杭や杭間に張られた紐などの仮設物)を土木作業現場に設置している。設置した基準目印に油圧ショベルのパケット底部やパケット刃先などを合わせて、作業機械の操縦を行っている。しかし、従来から行われている施工方法では、バケツトが基準目印から離れていくに従って、目標が見えなくなり目標との間に位置ずれが生じてしまレ、、施工精度が低下してしまうとレ、つた問題がある。

[0003] この問題を解決するため、通常のレバー操作を行うことで作業機に直線的な動きをさせることができ、し力、もレバーの変位量にほぼ比例した速度による作業機操作と、微操作との切換えが簡単に行えるようにした作業機操作装置 (特許文献 1参照)や、水平な外部基準を設置して掘削施工を行う法面掘削制御装置 (特許文献 2参照）が提案されている。

[0004] 図 1に示すように特許文献 1に記載された作業機操作装置では、制御装置 40内に設けた切換え開閉器 41一 43に接続されたモード切換えスィッチ 44を操作すると、レバー変位センサ 45、 46の出力信号が直線モード制御部 47に入力され、直線モード制御部 47による制御指令信号がブーム駆動系 48、アーム駆動系 49、パケット駆動系 50に出力される。これにより、パケット回動支点またはパケット刃先を直線的に動かすことができる。

[0005] 特許文献 1に記載された作業機操作装置では、操作レバー 51、 52の操作方向並びに操作量と、作業機を構成する各要素の揺動とが対応できる円弧モードの制御方式と、操作レバー 51、 52の操作方向並びに操作量に基づいて、バケツトの回動支点またはパケット刃先を上下方向または前後方向に直線的に作動させる直線モードの制御方式とを行わせることができ、しかも、前記二つの制御方式をモード切換えスイツチ 44の操作のみで切換えることができるようにしている。

[0006] このため、作業機における直線制御のために特別の追加操作系を必要とせず、従来から使レ、慣れた通常のレバー操作によって直線制御を行わせることができる。また、直線モードでは、通常の作業機操作で、パケット回動支点またはパケット刃先を上下方向、または前後方向に動かすことができる。これによつて、レバー操作に違和感がなぐ作業機速度もレバー操作量によって無段階に調節することができるので、直線モードを使用する作業頻度の多い水平掘削や垂直掘りに対して、極めて簡単な操作で容易に対応することができ、作業能率の向上が可能となる利点を有している。

[0007] また、図 2に示すように特許文献 2に記載された法面掘削制御装置では、目標法面の進展方向に沿って水平な方向に外部基準 60を設置し、操縦席に設けた操作器により外部基準 60から目標法面上の基準点までの垂直距離 hry、水平距離 hrx、目標法面の角度 Θ rを設定する。パケット先端に設けたフロント基準 61を外部基準に一致させた状態で外部基準設定スィッチを ONすることにより、制御ユニットは車体中心 O から外部基準までの垂直距離 hfy、水平距離 hfxを演算し、これらを補正値として車体中心 Oに対する目標法面の基準点の垂直距離 hsy、水平距離 hsxを演算し、この値と設定器で入力した角度により車体 62を基準とした目標法面を設定し、これで領域制限掘削制御を行うものである。これにより、車体の横方向の移動により車体と既設の斜面との位置関係が変化しても、段差無く法面を掘削形成できる。

特許文献 1：特開平 5 - 295754号公報

特許文献 2：再公表特許 98/036131号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 特許文献 1に記載された作業機操作装置では、作業機における直線制御を可能としているが、直線制御を行うためには作業機の可動部にブーム角度センサ、アーム角度センサ、パケット角度センサをそれぞれ設置しなければならない。また、特許文献 2に記載された法面掘削制御装置では、外部基準 60を正確に水平に設置する作業が煩雑となり、機械操作者が目視で遠方にあるパケット基準 61と外部基準 60とを高精度で一致させなければならず、操作を簡単に行うことができない。

[0009] 本願発明の目的は、簡単な構成で、施工面の地形と基準目印の位置を自動的に計測して、作業機の操作を容易にする情報を操作者に呈示することのできる装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0010] 本発明に従う、作業機の操作者に指示するための装置は、作業機が作業している間、現在の作業対象である施工面及び施工面の近傍に存在する他物体の位置を計測する計測装置と、計測装置により計測された施工面及び他物体の位置の中から、施工面の近傍に設置された基準目印に相当する基準点を検出する基準点検出部と、基準点検出部により検出された基準点に基づいて、形成されるべき目標面に相当する仮想線を演算する仮想線演算部と、計測装置により計測された位置と仮想線演算部により演算された仮想線とに基づいて、少なくとも施工面と仮想線の位置を示す画像を表示するための表示データを作成する表示データ作成部と、表示データ作成部からの前記表示データを受けて前記画像を表示画面上に表示する表示装置とを備える。よって、現在の作業対象である施工面の位置と、形成されるべき目標面に相当する仮想線の位置を示す画像が表示画面上に表示される。作業機の操作者は、表示された画像力施工面と目標面との間の位置関係が判るので、作業機を操作して施工面にどの程度の加工をカ卩えるべきかについて、容易に判断できる。

[0011] 計測装置によって検出される施工面の近傍の他物体の位置も、施工面と仮想線の位置とともに表示されてよい。検出される他物体には、通常、施工面の近傍に設置された基準目印や、作業機の施工面に直接作用する作用コンポーネント (例えば、油圧ショベルの場合の掘削パケット）などが含まれる。人のパターン認識力は非常に高いから、操作者は、表示画像を見て、表示画像内のどれが作用コンポーネントであり、どれが施工面で、どれが仮想線であるか、容易に識別でき、作業機をどのように動かすべきか、容易に判断できる。

[0012] 好適な実施形態では、計測装置により検出された施工面と他物体 (基準目印や作用コンポーネントなど）の断面形状が演算され、また仮想線も演算され、そして、施工面と他物体の断面形状と仮想線とを示した画像が、表示画面上に表示される。

[0013] 前記計測装置は、作業機が移動又は方向転換したとき作業機と一緒に移動又は方向転換するように設置されること力できる。それにより、作業機が移動又は方向転換することにより施工面が移動しても、常に現在の施工面及び施工面の近傍に存在する他物体の位置が計測され、その現在の施工面と仮想線の位置が表示画面上に表示される。

[0014] 計測装置は、施工面及び他物体の位置を継続的に検出するようになっていてよい。それにより、作業機による作業が行われている間、施工面と仮想線の実質的に実時間の位置が表示画面上に表示される。

[0015] 前記基準点検出部は、計測装置により計測された施工面及び他物体の位置の中から、所定の幾何学的条件を満たす位置を基準点として自動的に検出するようになつていてよい、或いは、基準点検出部は、計測装置により計測された施工面及び他物体の位置の中から、操作者により指定された位置を基準点として検出するようになつていてもよい。

[0016] 基準点として複数の位置を検出し、その複数の基準点を通るように仮想線を演算するようにすることができる。

[0017] 本発明の指示装置は、作業機の上述した作用コンポーネントの位置を検出する作用コンポーネント検出部を更に備えてもよい。検出された作用コンポーネントの位置に基づいて、施工面と仮想線の位置とともに作用コンポーネントの位置も表示画面上に表示されるようにすることができる。

[0018] 作用コンポーネントの位置を検出する方法として、計測装置により計測された施工面及び他物体の位置の中から、例えばパターンマッチング或いは領域判定などの処理により、作用コンポーネントに相当する位置を検出する方法が採用できる。或いは、作業機がもつ複数のコンポーネントの変位を、それぞれのコンポーネントに取り付けた変位センサで測定し、測定された複数のコンポーネントの変位から作用コンポ一ネントの位置を求めてもょレ、。

[0019] さらに、検出された作用コンポーネントの位置を、所定のオフセット量を用いて補正し、補正された作用コンポーネントの位置を、施工面及び仮想線の位置と共に表示するようにしてもよレ、。好適な実施形態では、油圧ショベルの作用コンポーネントである掘削パケットの内側面の位置が計測装置によって計測され、その内側面の位置が、掘削バケツトの厚さ分のオフセット量で、掘削バケツトの外側面の位置にほぼ相当するように補正され、そして、補正された掘削パケットの内側面の位置が、施工面及び仮想線の位置とともに、表示される。操作者は、作用コンポーネントの位置を正しく巴握すること力 Sできる。

[0020] 操作者からの要求に応答して、施工面と仮想線の間の位置偏差を拡大してつまり強調して表示するようにしてもよい。それにより、操作者は、一層正確に作業機を操作することが容易になる。

[0021] 本発明の別の観点に従う、作業機を持つ建設機械の操作者に指示するための装置は、建設機械が移動し又はその作業機が方向転換するとき作業機と一緒に移動又は方向転換するように建設機械に取り付けられ、作業機が作業している間、現在の作業対象である施工面及び前記施工面の近傍に存在する他物体の位置を計測する計測装置と、計測装置により計測された施工面及び他物体の位置の中から、施工面の近傍に設置された基準目印に相当する基準点を検出する基準点検出部と、基準点検出部により検出された基準点に基づいて、形成されるべき目標面に相当する仮想線を演算する仮想線演算部と、計測装置により計測された位置と仮想線演算部により演算された仮想線とに基づいて、少なくとも施工面と仮想線の位置を示す画像を表示するための表示データを作成する表示データ作成部と、表示データ作成部からの表示データを受けて前記画像を表示画面に表示する表示装置とを備える。

[0022] 本発明のまた別の観点に従う、作業機の操作者に指示するための方法は、作業機が作業している間、現在の作業対象である施工面及び前記施工面の近傍に存在する他物体の位置を計測するステップと、計測された施工面及び他物体の位置の中から、施工面の近傍に設置された基準目印に相当する基準点を検出するステップと、検出された基準点に基づいて、形成されるべき目標面に相当する仮想線を演算するステップと、計測された位置と演算された仮想線とに基づいて、少なくとも施工面と仮想線の位置を示す画像を作成して表示画面に表示するステップと

を有する。図面の簡単な説明

[0023] [図 1]従来例における作業機駆動系の概略構成図である。

[図 2]従来例における作業状態を示す概略図である。

[図 3]油圧ショベルによると法面掘削状況の一例を示す斜視図である。

[図 4]油圧ショベルに搭載される本発明の一実施例に力、かる施工目標指示装置の構成を示すブロック図である。

[図 5]施工目標指示装置の演算装置 32の機能的構成を示すブロック図である。

[図 6]レーザ測距装置を用いて或る物点の直交座標を検出する方法を示す図である

[図 7]表示画面に表示された施工面の断面画像の例を示す図である。

[図 8]第 1の基準点の設定方法を示す図である。

[図 9]第 2の基準点の設定方法を示す図である。

[図 10]仮想線の設定方法を示す図である。

[図 11]自動的に基準点を検出し仮想線を設定する処理の流れを示す図である。

[図 12]自動的にパケットを検出しパケット形状を補正する処理の流れを示す図である

[図 13]パターンマッチングの流れを示す図である。

[図 14]地形断面画像の表示例を示す図である。

[図 15]地形断面画像の一部を強調して表示した例を示す図である。

[図 16]地形断面の強調表示のアルゴリズムを示す図である。

[図 17]地形断面の強調表示のアルゴリズムを説明する図である。

[図 18]地形断面の強調表示のアルゴリズムを説明する図である。

符号の説明

[0024] 1 油圧ショベル

2 上部旋回体

3

5 アーム 7 下部走行体

15 施工面

16 丁張り

17 紐

20 距離計測装置

21 地形線 (施工面の断面形状）

22a, 22b 基準点（基準目印に相当するドット）

23 仮想線

25 レーザ測距装置

26

28 法面

30 施工目標指示装置

32

34

36 入力装置

発明を実施するための最良の形態

[0025] 本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて以下において具体的に説明する。

[0026] 図 3は、本発明に従う施工目標指示装置の一実施形態が搭載された建設機械、例えば油圧ショベル、により法面を掘削する状況例を示す斜視図である。図 3に示された工事現場の手前側の領域では、油圧ショベル 1による掘削が終了して、法面 28が既に形成されている。この工事現場の奥側の領域にて、パケット 6の下方に、現在の掘削対象である施工面 15が存在する。施工面 15の上方近傍には、基準目印（複数本の杭 16、及び杭 16間に張られた一対の紐 17など、所謂「丁張り」）が予め設置されている。これら基準目印、とりわけ一対の紐 17は、それら通過する面が、掘削により形成されるべき目標の法面を指示している。すなわち、目標の法面の延長面上に一対の紐 17が配置されている。

[0027] 油圧ショベル 1は、油圧ショベル 1を移動させるための下部走行体 7と、下部走行体 7上で水平方向に方向転換 (旋回）可能な上部旋回体 2とを備える。上部旋回体 2は、運転室 3と作業機を備える。作業機は、ブーム 4と、ブーム 4の先端に取り付けられたアーム 5と、アーム 5の先端に取り付けられたバケツト 6を備える。ブーム 4、アーム 5 及びパケット 6はそれぞれ油圧シリンダにより駆動される。操作者は、作業機の施工面 15に直接作用するコンポーネントであるパケット 6を、基準目印 16， 17により指示される目標方面に沿って動かすことで、施工面 15を正しく掘削することができる。

[0028] 本発明に従う施工目標指示装置の一部である距離計測装置 20が、油圧ショベル 1 の運転室 3の上部に取り付けられる。上部旋回体 2の旋回動作により、距離計測装置 20は運転室 3及び作業機と一緒に旋回する。油圧ショベル 1が移動すれば、距離計測装置 20は油圧ショベル 1と一緒に移動する。距離計測装置 20として、例えばレーザ測距装置が使用される。このレーザ測距装置 (距離計測装置 20)は、水平回転角度において運転室 3の正面前方に相当する角度方向にレーザビームを照射し、そのレーザビームの仰角を所定の周期で常時変化させることで、運転室 3の正面前方に広がる扇形の走査領域 26をレーザビームで常時スキャンする。走査領域 26内には、現在の掘削対象である施工面 15が存在する。走査領域 26内には、また、施工面 15 の近傍の基準目印 16、 17、及びパケット 6も存在する。このレーザ測距装置（距離計測装置 20)は、走査領域 26内の施工面 15、基準目印 16, 17及びパケット 6で反射されたレーザビームを受信し、そして、それらの物体の各部の位置（すなわち、距離と仰角度）を測定する。このレーザ測距装置 (距離計測装置 20)から出力される走査領域 26内の施工面 15及びその他の物体（基準目印 16, 17、バケツト 6など）の各部の位置 (距離と仰角度）を示す測定データは、本発明に従う施工目標指示装置により処理される。

[0029] 図 4は、油圧ショベル 1に搭載された本発明に従う施工目標指示装置の一実施形態の構成を示す。

[0030] 図 4に示すように、施工目標指示装置 30は、上述した距離計測装置 20 (レーザ測距装置)と、演算装置 32と、表示装置 34と、入力装置 36とを有する。距離計測装置 20 (レーザ測距装置）は、上述したように、走查領域 26内の施工面 15、基準目印 16 , 17及びパケット 6の各部の位置情報 (距離と仰角度)を示す計測データを、演算装置 32に出力する。

[0031] 演算装置 32は、例えばプログラムを記憶した記憶装置とそのプログラムを実行する CPUをもつコンピュータにより実現することができる。演算装置 32は、距離計測装置 2 0からの計測データが示す施工面 15、基準目印 16, 17及びパケット 6の各部の位置 (距離と仰角度）に基づいて、施工面 15、基準目印 16, 17及びパケット 6の鉛直面に沿った断面形状 (輪郭形状)を演算する。そして、演算装置 32は、演算された施工面 15、基準目印 16， 17及びパケット 6の断面形状データから、施工面 15、基準目印 1 6, 17及びパケット 6の断面形状の画像を表した表示データを作成する。演算装置 3 2はその表示データを表示装置 34に出力する。表示装置 34は、運転室 3内のような操作者が見やすい場所に設置された、例えば液晶ディスプレイパネルである。表示装置 34は、表示データに応答して、施工面 15、基準目印 16, 17及びパケット 6の断面形状の画像を表示画面に表示する。

[0032] 表示装置 34に表示されるバケツト 6の断面形状は、通常、バケツト 6の外側面ではなく内側面の断面形状である。その理由は、パケット 6の外側面でなく内側面が運転室 3上の距離計測装置 20に向けられているからである。しかし、掘削作業はパケット 6の内側面ではなく外側面で行われるから、操作者にとっては、バケツト 6の内側面ではなく外側面の断面形状が表示画面に表示されることが望ましい。そこで、演算装置 32にて、バケツト 6の内側面の位置を、バケツト 6の肉厚分のオフセット量だけ外側方向へシフトすることにより、表示画面上でバケツト 6の外側面が存在する位置に、バケット 6の断面形状画像を表示することができる。

[0033] 入力装置 36は、操作者に、表示画面上に表示された施工面 15、基準目印 16, 17 及びパケット 6の断面形状画像中の所望の部分を指定させるためのポインティングデバイスである。入力装置 36としては、例えば、表示装置 34の表示画面に組み込まれたタツチパネル、表示画面上に表示されたカーソルを操作するためのマウス、及び/ 又は表示装置 34に組み込まれ或いは表示装置 34に接続されたキーボード（各種のスィッチ)などが採用され得る。

[0034] ところで、距離計測装置 20は、上述したレーザ測距装置だけに限定されない。施工面 15及びその近傍の物体の断面形状又は位置を自動的に計測することができる他の種々の装置が、距離計測装置 20として採用可能である。例えば、音波等を発射して距離を検出する測距装置を採用することができる。或いは、レーザ測距以外の光学的方法で施工面の断面形状を検出する装置を採用することもできる。或いは、複数のカメラ又は 1つのカメラを用いて異なる視点から施工面を見た複数の画像情報を得て、それらの画像情報力施工面の断面形状を検出する装置を採用することもできる。

[0035] 距離計測装置 20の取り付け位置は、図 3に示したような運転室 3の上部に限定されない。運転室 3内に設置することも、上部旋回体 2上の適宜の場所に設置することができる。いずれにしても、距離計測装置 20は、上部旋回体 2と一緒に旋回し、油圧ショベル 1と一緒に移動する。距離計測装置 20は、走査領域 26内を所定の周期で常時スキャンして、施工面 15と、その近傍の基準目印 16， 17及びバケツト 6の実質的に実時間の位置を検出する。よって、表示画面上に、施工面 15、基準目印 16， 17 及びパケット 6の実質的に実時間の断面形状画像が表示される。操作者は、掘削作業開始時、掘削作業中及び掘削終了時の何時でも、現在のパケット 6の位置が適切か否か、および掘削作業が正しく行われているか否かなどを、表示画面上で簡単に確認できる。

[0036] 図 5は、図 4に示した施工目標指示装置の演算装置 32の機能的構成を示している

[0037] 図 5に示すように、演算装置 32は、座標変換部 100、基準点検出部 102、仮想線演算部 104、パケット検出部 106、パケット形状補正部 108、表示データ作成部 110 及び入力座標特定部 112を有する。演算装置 32のこれらの機能部 100— 112は、プログラムを CPUで実行することにより実現することもできるし、或いは、ワイヤードハ一ドウエア回路により実現することもできる。

[0038] 座標変換部 100は、距離計測装置 20 (レーザ測距装置)からの施工面 15、基準目印 16, 17及びパケット 6の各部の位置 (距離と仰角度）を、直交座標系の座標値 (X 座標値と Y座標値）に変換する。この直交座標系の原点は、油圧ショベル 1に対して所定の相対位置にある場所 (例えば、距離計測装置 20の取付場所、運転室 3内の運転席の場所、あるいは油圧ショベル 1の中心点など）に設定されている。 [0039] 基準点検出部 102は、座標変換部 100からの施工面 15、基準目印 16, 17及びバケット 6の各部の座標点の中から、基準目印（とりわけ一対の紐 17)に相当する複数点（例えば 2点）の座標値（以下、「基準点」という）を検出する。この検出は、自動的に行われてもよいし、又は、入力装置 36による操作者からの座標指定に従って手動的に行われてもよい。仮想線演算部 104は、基準点検出部 102により検出された複数の基準点に基づいて、掘削により形成されるべき目標の法面の断面形状線を表す仮想線を演算する。

[0040] バケツト検出部 106は、座標変換部 100からの施工面 15、基準目印 16， 17及びバケット 6の各部の座標値の中から、パケット 6に相当する座標値群を自動的に検出する。この検出は、座標変換部 100からの座標値に専ら基づいて例えばパターンマツチングなどの方法行われても良いし、或いは、作業機の複数のコンポーネント（ブーム 4、アーム 5、バケツト 6)にそれぞれ設けられたそれぞれのコンポーネントの変位を検出する変位センサ 38 (例えば、ブーム 4、アーム 5、バケツト 6のそれぞれを動かす油圧シリンダのストロークを検出するストロークセンサ）からの検出信号を利用して行われてもよい。パケット形状補正部 108は、パケット検出部 106により検出されたバケット 6の座標値群 (パケット 6の内側断面形状を表す）を、パケット 6の所定厚み分に相当するオフセット量だけ外側方向へずらすことで、バケツト 6の外側面の座標値にほぼ相当するように補正する。

[0041] 表示データ作成部 110は、座標変換部 100からの座標値、基準点検出部 102により検出された基準点、仮想線演算部 104により演算された仮想線、パケット形状補正部 108により補正されたバケツト 6の座標値群に基づいて、施工面 15の断面形状の画像、基準点の画像、仮想線の画像、及びパケット 6の補正された断面形状の画像を表示するための表示データを作成し、その表示データを表示装置 34に出力する。

[0042] 表示装置 34は、その表示データに応答して、施工面 15の断面形状、基準点、仮想線、及びパケット 6の補正された断面形状を表した画像を表示する。この表示画像は、施工面 15、基準点、仮想線及びパケット 6の位置関係を明確に示す。

[0043] 後に説明するように、表示データ作成部 110は、また、表示された仮想線と施工面 15との位置偏差を操作者にとって見やすくするために、その位置偏差を拡大して強調して表した画像の表示データを作成して表示装置 34に出力することもできる。

[0044] 入力座標特定部 112は、操作者が入力装置 36を用いて表示画面上で指定した点の座標値を特定する。入力座標特定部 112により特定された座標値は、例えば手動的に基準点を検出する場合に、操作者によって指定された基準点の座標値として基準点検出部 102に入力される。また、入力座標特定部 112により特定された座標値は、例えば表示された仮想線と施工面 15との位置偏差を強調して表示する場合に、強調表示を行うべき表示画像内の領域を指定する座標値として表示データ作成部 1 10に入力される。

[0045] 図 6は、図 5に示した座標変換部 100にて、レーザ測距装置 25からの距離と仰角度を直交座標値に変換する方法を示してレ、る。

[0046] 図 6に示すように、レーザ測距装置 25により計測された物点 Pまでの距離 Riと仰角度 Θ iから、

(Xi, Yi) = (Ri- cos Θ i, Ri- sin Θ i)

の計算式で、その物点 Pの直交座標 (Xi, Yi)を求めることができる。

[0047] 図 7は、表示画面に表示された画像の一例を示している。図 7においては、バケツト

6の断面形状画像の表示は省略されている。

[0048] 図 7に示された表示画像において、連続した多数のドットからなる曲線 21が、施工面 15の断面形状（地形表面の位置データ）を示す地形線である。この地形線 21から離れて孤立する 2つのドット 22a, 22b力図 1に示された基準目印である一対の紐 1 7の画像である。また、因みに、図中の矢印で示す方向が、レーザ測距装置 25のスキャン方向であるが、このスキャン方向は図中の矢印方向に限定されるものではなく、矢印とは逆方向でも、往復方向でもよい。

[0049] 図 7に示すように、直交座標系の第 2象限に断面形状画像が位置するように、 X軸と Y軸が表示される。これは、図 3に示した現場において、施工面 15に向かって左側の視点から見た断面形状画像を表示してレ、ることを意味する。例えば表示装置 34に付属する図示せぬ表示方向切換スィッチ等を操作することにより、断面を見る視点を左側から右側へ反転させる（すなわち、図 7の画像に対して Y軸を中心に対称な画像を第 1象限に表示する）こともできる。 [0050] 図 8から図 10は、図 5に示した基準点検出部 102及び仮想線演算部 104により基準点の検出と仮想線の設定が行われる手順を説明している。

[0051] 図 8に示すように、表示画像の中から、基準目印（紐）に相当する一つのドット 22a が検出され、これが第 1の基準点として設定される。さらに、図 9に示すように、別の基準目印（紐）に相当する別のドット 22bが検出され、これが第 2の基準点として設定される。このような基準点の検出は、操作者の手動により行うことができる。すなわち、操作者が、入力装置 36 (例えば、表示画面に組み込まれたタツチパネル、表示画面上に表示されたカーソルを操作するマウスなど）を用いて、表示画像の中から基準目印（紐）に相当する点を指定すると、その点の座標値が基準点検出部 102によって基準点の座標として登録される。或いは、後述するように、基準点の検出を自動的に行うことちできる。

[0052] 2つの基準点 22a、 22bが設定されると、仮想線演算部 104により、図 10に示すように、基準点 22a、 22bの座標値 (XI , Yl)、（Χ2, Υ2)に基づいて、

Y-Y1 = (X-X1) · (Y2-Y1) / (X2-X1)

の関係式から仮想線 23が演算される。すなわち、仮想線 23は、基準点 22a、 22bを通る直線であり、これは、上述したように、掘削により形成されるべき目標法面の位置つまり断面形状を示す。そして、図 10に示すように、基準点 22a、 22bと仮想線 23の画像が、施工面 15の断面形状の地形線 21と共に、表示画面上に表示される。基準点 22a、 22bと仮想線 23と地形線 21は、識別し易いように、例えば別の色で表示すること力 Sできる。

[0053] ところで、仮想線の演算方法は、上述した 2つの基準点を通る直線を演算する方法に限られなレ、。例えば、 1つの基準点と予め設定しておいた基準角度とに基づいて、仮想線を演算することもできる。図 8から図 10を用いて説明した一連の作業のための入力操作を容易に行えるようにするために、演算装置 32から表示画面に入力操作手順を教えるガイドメッセージを出力するようにしてもよい。

[0054] 図 8から図 10に示した基準点検出と仮想線設定の処理は、操作者による手動の基準点指定によらずに、全て自動的に行われるようにすることもできる。図 11は、この自動的な処理の流れを示す。図 11に示す処理は、距離計測装置 20により計測された施工面 15や基準目印 16, 17などの検出物体の位置の中から、所定の幾何学的条件 (例えば、他の位置群から離れて孤立している位置）を満たすものを、基準点として見つけ出すようになつている。

[0055] 図 7に示したような検出物体の断面形状の画像が表示画面に表示された後、図 11 のステップ S1で、例えば表示装置 34に付属する図示しなレ、 [設定]スィッチが操作者によりターン ONされる。 [設定]スィッチがターン〇Nされると、図 5に示した基準点検出部 102が起動し、初期的に i= lとして、ステップ S2から S8の基準点検出処理を行う。ステップ S2では、座標変換部 100で変換された座標群中から、スキャンされた順序力番目である一つの座標（Xi, Yi)を選び、その選択座標 (Xi， Yi)を中心とした半径 Rd内に、スキャンされた順序において前順位の座標 (Xi— 1、 Yi— 1)又は次順位の座標 (Xi+1、 Yi+1)が存在するかの判断を行う。選択座標 (Xi, Yi)を中心とした半径 Rd内に前順位の座標も次順位の座標も存在しないときには、その選択座標 (Xi , Yi)は、施工面 15から離れて孤立する一つの紐 17 (基準目印）に相当すると判断する（ステップ S4)。こうして、検出された一つの紐の座標 (Xi, Yi)が第 1の基準点として設定される。

[0056] ステップ S2で、選択座標 (Xi, Yi)を中心とした半径 Rd内に前順位の座標 (Xi— 1、 Yi— 1)又は次順位の座標 (Xi+1、 Yi+1)が存在したときは、その選択座標 (Xi, Yi) は施工面 15上の点に相当すると判断し、ステップ S3で i=i+lとして、次順位の座標（ Xi, Yi)についてステップ S2の判断を続行する。

[0057] ステップ S4で第 1の基準点が設定された後、ステップ S5で i=i+ 1とし、ステップ S2 、 S3と同様のアルゴリズムが残りの座標について繰り返され（ステップ S6、 S7)、もう一つの紐 17 (基準目印）に相当する第 2の基準点が検出される（ステップ S8)。

[0058] ステップ S8で第 2の基準点が設定されると、ステップ S9で、 2つの基準点を通る直線が演算され、その直線が図 10に示したように仮想線 23として表示画面上に表示される。

[0059] 図 12は、図 5に示したパケット検出部 106とパケット形状補正部 108が行うパケットの検出と形状補正の処理の流れを示す。

[0060] 図 12の掘削作業が開始される前に、パケット 6の形状パターンを設定するための処理（ステップ S21から S28)が行われる。

[0061] ステップ S21では、バケツト 6が適当な位置にあるときに、距離計測装置 20 (レーザ測距装置 25)による走査領域 26の 1回目のスキャンが行われ、ステップ S22で、 1回目のスキャンで計測された施工面 15、基準目印 16, 17及びパケット 6の座標がバケット検出部 106に取り込まれ記憶される。その後、ステップ S23で、パケット 6を所定距離だけ移動させた後、ステップ 24で、距離計測装置 20 (レーザ測距装置 25)による 1 回目のスキャンが行われ、

ステップ S25で、 2回目のスキャンで計測された施工面 15、基準目印 16， 17及びバケット 6の座標がパケット検出部 106に取り込まれ記憶される。

[0062] ステップ 26で、 1回目と 2回目のスキャンで計測された座標が比較される。ステップ S 27で、比較の結果変化の生じたい座標群が、パケット 6に相当するものと認識され、ステップ 28で、パケット 6に相当すると認識された座標群力パケット 6の形状を表すパケットパターン 120として記憶される。これで、パケットパターンの設定処理が完了する。

[0063] 掘削作業が行われている間は、図 12のステップ S31から S36の実時間断面形状表示処理が、所定の高速周期で繰り返し実行される。

[0064] ステップ S31で、距離計測装置 20 (レーザ測距装置 25)による走査領域 26のスキヤンが行われ、ステップ 32で、そのスキャンで計測されたる施工面 15、基準目印 16, 1 7及びバケツト 6の座標がバケツト検出部 106に取り込まれ記憶される。ステップ S33 で、予め設定されているバケツトパターン 120と取り込まれた座標との間でパターンマツチングが行われる。それにより、或る程度に高いマッチ度をもってパケットパターン 1 20にマッチする座標群力 S、パケット 6に相当するものとして抽出される。

[0065] このパターンマッチングは、例えば図 13に示すような手順で行うことができる。すなわち、図 13のステップ S41で、取り込まれた座標の各群とバケツトパターン 120とのマツチ度を計算する。ステップ S42で、マッチ度が 90%以上の座標群を探す。そのような座標群が見つからなければ、ステップ S43で、マッチ度が 80%以上の座標群を探す。そのような座標群が見つからなければ、ステップ S44で、マッチ度が 70%以上の座標群を探す。このようにして、或る程度以上 (例えば 70%)以上のマッチ度範囲を数段階に分け、高い方の段階から順に、それ相当のマッチ度をもつ座標群を探す。その結果、最もマッチ度の高い座標群が優先的に検出される。それだけでなぐバケット 6の刃先が土中に入っているときでも、パケット 6の地上に出ている部分の形状を、パターンマッチングで検出することができる。し力、も、そのマッチ度から、バケツト 6の刃先が土中に入っているか否力、も推測でき、その推測結果から、パケット 6の土中に入ってレ、る刃先の位置も推定できる。

[0066] 再び図 12を参照して、ステップ S34では、パターンマッチングにより検出されたバケット 6の座標群（バケツト 6の内側面の断面形状を表す）に、予め設定されているバケット 6の厚み分のオフセット量が加算される。これにより、バケツト 6の内側面の座標群力パケット 6の外側面の大体の位置を表すように補正される。

[0067] ステップ S35では、補正されたバケツト 6の座標や、測定された施工面 15の座標値や、検出された基準点の座標値や、設定された仮想線の座標値に基づいて、それらの断面形状画像を表示するための表示データが作成され、そして、ステップ S36で、その表示データに基づいた画像が表示される。この表示画像は、図 14に例示するようなものであり、施工面 15の断面形状 21、基準点 22a, 22b、仮想線 23及びバケツト 6の断面形状 24を表示する。

[0068] ところで、測定された座標値の中力バケツト 6に相当するものを検出する方法には、上述したパターンマッチングに限られず、パターンマッチングに代えて又はこれと併用して、他の方法、例えば以下の（1)から（3)の方法を採用することもできる。

[0069] (1) 所定の領域内に存在する計測データをパケット 6に相当するものとみなす。すなわち、運転室 3上にある距離測定装置 20からの測定データにおいて、バケツト 6は距離測定装置 20から見て前方上方の領域に存在することが多い。そこで、その前方上方の領域内に存在する座標群を、パケット 6に相当するものとみなす。

[0070] (2) 作業機に取り付けた光リフレクタを用いてパケット 6の座標を特定する。すなわち、作業機 (例えばアーム 5及びパケット 6)の特定箇所に光リフレクタが予め取り付けられる。距離測定装置 20 (レーザ測距装置）の計測データに基づいてそれら光リフレクタを検出し、それら光リフレクタの位置関係に基づいてパケット 6の座標を特定する [0071] (3) 作業機に取り付けた作業機の複数コンポーネントの変位センサを用いてバケット 6の座標を特定する。すなわち、図 5に示した演算装置 32内に、パケット 6の形状と作業機 (例えばブーム 4、アーム 5及びパケット 6)の構造に関するデータが登録されている。作業機の複数のコンポーネント（例えばブーム 4、アーム 5及びバケツト 6) には、それぞれの変位を検出する変位センサ（例えば、油圧シリンダのストロークを検出するセンサ）が予め取り付けられている。作業機変位センサにより検出された作業機各コンポーネントの変位と、作業機の構造と、パケット 6の形状とに基づいて、バケット 6の座標を特定する。

[0072] 操作者は、図 14に例示した表示画像を見ながら施工面 15の掘削作業を行うことができる。操作者は、掘削作業中に、正確な掘削を行うために、仮想線 23と施工面 15 との位置偏差を拡大して見たいと思う場合がある。そこで、図 5に示した表示データ作成部 110は、表示画面上で操作者が指定した領域における、仮想線 23と施工面 1 5との位置偏差を拡大つまり強調して表示する機能を有する。

[0073] 図 15は、そのように偏差を強調して表示した画像の例を示す。図 15中、拡大表示領域 25において、地形断面形状 21の凹凸すなわち仮想線 23との偏差が、拡大つまり強調されて表示されている。

[0074] 図 16は、表示データ作成部 110が行うこの強調表示の処理のアルゴリズムを示す。図 17と図 18は、このァノレゴリズムを説明するための図である。

[0075] 図 16のステップ S51で、操作者が表示画面（図 17)上の所望の強調箇所 (Xt, Yt) を入力装置 36で指定すると、表示データ作成部 110によりステップ S52から S58の処理が実行される。

[0076] ステップ S52で、 i= l (初期値）として、指定された強調箇所 (Xt, Yt)を中心とした半径 Rt内に、施工面 15に相当する（つまり、バケツト 6にも基準点 22a， 22bにも相当しない) i番目の地形座標 (Xi， Yi)が存在するか否かの判断が行われる。ここで、強調箇所 (Xt， Yt)を中心とした半径 Rtとは、図 17に示した拡大表示領域 25に相当する。この拡大表示領域 25内に地形座標 (Xi， Yi)が存在しないときには、ステップ S5 3で i = i+ lとして、拡大表示領域 25内で地形座標（Xi， Yi)が見つかるまで、ステツプ S52及び S53の処理を繰り返す。 [0077] 拡大表示領域 25内で地形座標 (Xi, Yi)が見つかると、その地形座標 (Xi, Yi)は拡大対象点 (Xn, Yn)として登録され (ステップ S 54)、その拡大対象点 (Xn, Yn)についてステップ S55の拡大計算アルゴリズムが実行される。

[0078] ステップ S55の拡大計算アルゴリズムでは、図 18に示すように、仮想線 23を Y=a

*X+bとして、仮想線 23に直交して拡大対象点 (Xn、 Yn)を通る直線と、仮想線 23 との交点 (Xc， Yc)が次式により求められる（下記式中の「 *」は乗算を意味する）。

[0079] Xc= (Xn + a*Yn_a*b)/(a*a+l)

Yc=(a*Xn + a*a*Yn+b)/(a*a+l)

そして、予め設定された拡大倍率 Eを用いて、拡大対象点 (Xn, Yn)の拡大された座標（Xne, Yne)が、

Xne =(E* Xn- (E-l) * Xc

Yne = E*Yn-(E-l) *Yc

で計算される。

[0080] 拡大された座標 (Xne, Yne)力拡大表示領域 25内に位置する場合にのみ、拡大された座標（Xne, Yne)が表示される（ステップ S56、 S57、 S58)。拡大表示領域 2 5内で見つかった全ての地形座標（Xi, Yi)について、ステップ S54力 S57の処理が繰り返される。

[0081] 以上の処理の結果として、図 17に示したような、地形断面形状画像の一部を拡大つまり強調した画像が表示される。操作者は、この強調画像を見ながら施工面の掘削作業を行うことで、仮想面 23に高い精度で一致した法面を形成することができる。

[0082] 以上説明した本発明の実施形態によれば、距離計測装置 20が、作業機に対して旋回方向で常に一定の相対位置関係を保つことのできる部位、例えば、運転室に設置されており、そして、スキャンを常時行って施工面、基準目印及びパケットの実質的に実時間の位置を計測する。そのため、油圧ショベル 1が紐 17に対して平行でない方向へ移動しても、常に現在の施工面と目標法面を表した仮想線とを表示画面に表示することができる。操作者は、容易に精度の高い掘削作業を行うことができる。

[0083] 自動的に基準点を検出する場合、施工面から空間的に離れた位置にある物体が基準点として検出される。そのため、工事現場において丁張りのような基準目印を施工面から空間的に離れた位置に設置しておくことで、基準点を自動で検出して仮想線を自動的に設定することができる。

[0084] 距離計測装置によって計測されるパケットの内側面の断面形状は、予め設定されたバケツト厚分のオフセット量で補正されて、バケツトの外側面の断面系にほぼ相当するようになる。補正で得られたパケットの外側面の断面形状が、施工面の断面形状とともに表示される。操作者は、パケットにより施工面がどのように掘削されるかを、正確に把握できる。

[0085] また、必要に応じて、仮想線と施工面との位置偏差が拡大つまり強調して表示される。操作者は、より正確に掘削を行うことができる。

[0086] 上述した実施形態では、法面を形成する掘削作業の場合を例にとって説明を行つたが、本発明は法面形成以外の目的の掘削作業にも適用することができる。また、掘削作業だけに限らず、断面形状と所望の仮想線との間の位置関係を用いて行う作業を行う機械、例えば、建物等の出っ張り具合等を調べる装置等にも本発明の施工目標指示装置を適用することができる。本発明の施工目標指示装置は、作業機の一部として作業機に製造時に組み込まれるものであっても、或いは、作業機からは独立した製品であって、作業機に単純に取り付けられるようなものであっても良い。いずれにしても、本発明の施工目標指示装置を適用すれば、特許文献 1又は特許文献 2に開示されているような制御装置をもたない作業機であっても、正確な作業を行うことができる。

[0087] 以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなぐその他の様々な態様でも実施することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 作業機の操作者に指示するための装置 (30)におレ、て、

前記作業機が作業している間、現在の作業対象である施工面及び前記施工面の近傍に存在する他物体の位置を計測する計測装置 (20)と、

前記計測装置により計測された前記施工面及び他物体の位置の中から、前記施工面の近傍に設置された基準目印に相当する基準点を検出する基準点検出部（102) と、

前記基準点検出部により検出された前記基準点に基づいて、形成されるべき目標面に相当する仮想線を演算する仮想線演算部（ 104)と、

前記計測装置により計測された前記位置と前記仮想線演算部により演算された前記仮想線とに基づレ、て、少なくとも前記施工面と前記仮想線の位置を示す画像を表示するための表示データを作成する表示データ作成部（110)と、

前記表示データ作成部からの前記表示データを受けて前記画像を表示画面上に表示する表示装置（34)と

を備えた装置。

[2] 前記表示データ作成部（110)が、前記施工面と前記仮想線の位置とともに前記他物体の位置も示した画像が表示されるように、前記表示データを作成する請求項 1記

[3] 前記計測装置 (20)が、前記作業機が移動又は方向転換したとき前記作業機と一緒に移動又は方向転換するように設置されており、それにより、前記作業機が移動又は方向転換することにより前記施工面が移動しても、前記施工面及び前記施工面の近傍に存在する他物体の位置を計測して、前記施工面と前記仮想線の位置を示す画像を表示する請求項 1記載の装置。

[4] 前記計測装置（20)が、継続的に前記施工面及び他物体の位置を検出し、それにより、前記施工面と前記仮想線の実質的に実時間の位置を示す画像を表示画面上に表示する請求項 1記載の装置。

[5] 前記基準点検出部（102)が、前記計測装置により計測された前記施工面及び他物体の位置の中から、所定の幾何学的条件を満たす位置を前記基準点として検出する請求項 1記載の装置。

[6] 前記基準点検出部（102)が、前記計測装置により計測された前記施工面及び他物体の位置の中から、前記操作者により指定された位置を前記基準点として検出する請求項 1記載の装置。

[7] 前記基準点検出部（102)が、前記計測装置により計測された前記施工面及び他物体の位置の中力複数の位置を前記基準点として検出し、

前記仮想線演算手段（104)が、検出された前記複数の基準点を前記仮想線が通るように前記仮想線を演算する請求項 1記載の装置。

[8] 前記作業機の前記施工面に作用する作用コンポーネント (6)の位置を検出する作用コンポーネント検出部（106)を更に備え、

前記表示データ作成部（110)が、前記作用コンポーネント検出部により検出された前記作用コンポーネントの位置に基づいて、前記施工面と前記仮想線の位置とともに前記作用コンポーネントの位置も示した画像が表示されるように、前記表示データを作成する請求項 1記載の装置。

[9] 前記作用コンポーネント検出部（106)力前記計測装置により計測された前記施工面及び他物体の位置の中から、前記作用コンポーネントの位置を検出する請求項 8 記載の施工目標指示装置。

[10] 前記作用コンポーネント検出部により検出された前記作用コンポーネントの位置を、所定のオフセット量を用いて補正する作用コンポーネント位置補正部（108)を更に備え、

前記表示データ作成部（110)が、前記作用コンポーネント位置補正部により補正された前記作用コンポーネントの位置に基づレ、て、前記施工面と前記仮想線の位置とともに前記作用コンポーネントの補正された位置を示した画像が表示されるように、前記表示データを作成する請求項 9記載の装置。

[11] 前記作業機には前記作業機の複数のコンポーネントの変位を測定する変位センサが設けられており、

前記作用コンポーネント検出部（106)力前記変位センサにより測定された前記複数のコンポーネントの変位に基づレ、て、前記作用コンポーネントの位置を検出する請求項 1記載の装置。

[12] 前記表示データ作成部（110)が、前記操作者からの要求に応答して、前記施工面と前記仮想線の間の位置偏差を拡大して示す強調画像を表示するための強調表示データを作成し、

前記表示装置（34)が、前記表示データ作成部からの前記強調表示データを受けて前記強調画像を表示する請求項 1記載の装置。

[13] 作業機を持つ建設機械の操作者に指示するための装置 (30)において、

前記建設機械が移動し又は前記作業機が方向転換するとき前記作業機と一緒に移動又は方向転換するように前記建設機械に取り付けられ、前記作業機が作業している間、現在の作業対象である施工面及び前記施工面の近傍に存在する他物体の位置を計測する計測装置 (20)と、

前記表示データ作成部からの前記表示データを受けて前記画像を表示画面に表示する表示装置 (34)と

を備えた装置。

[14] 作業機の操作者に指示するための方法において、

前記作業機が作業している間、現在の作業対象である施工面及び前記施工面の近傍に存在する他物体の位置を計測するステップと、

計測された前記施工面及び他物体の位置の中から、前記施工面の近傍に設置された基準目印に相当する基準点を検出するステップと、

検出された前記基準点に基づいて、形成されるべき目標面に相当する仮想線を演計測された前記位置と演算された前記仮想線とに基づいて、少なくとも前記施工面と前記仮想線の位置を示す画像を作成して表示画面に表示す

を有する方法。