WO2013047180A1 - 建設機械 - Google Patents

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WO2013047180A1
WO2013047180A1 PCT/JP2012/073135 JP2012073135W WO2013047180A1 WO 2013047180 A1 WO2013047180 A1 WO 2013047180A1 JP 2012073135 W JP2012073135 W JP 2012073135W WO 2013047180 A1 WO2013047180 A1 WO 2013047180A1
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angle
cylinder
lift
tilt
blade
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PCT/JP2012/073135
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English (en)
French (fr)
Inventor
林 和彦
光彦 竃門
智裕 中川
Original Assignee
株式会社小松製作所
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Publication date
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/76Graders, bulldozers, or the like with scraper plates or ploughshare-like elements; Levelling scarifying devices
    • E02F3/80Component parts
    • E02F3/84Drives or control devices therefor, e.g. hydraulic drive systems
    • E02F3/844Drives or control devices therefor, e.g. hydraulic drive systems for positioning the blade, e.g. hydraulically
    • E02F3/847Drives or control devices therefor, e.g. hydraulic drive systems for positioning the blade, e.g. hydraulically using electromagnetic, optical or acoustic beams to determine the blade position, e.g. laser beams
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26Indicating devices
    • E02F9/264Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/01Determining conditions which influence positioning, e.g. radio environment, state of motion or energy consumption
    • G01S5/018Involving non-radio wave signals or measurements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/53Determining attitude

Definitions

  • the present invention relates to a construction machine that can recognize the global position of a blade.
  • Patent Document 1 a technique for recognizing the global position of a blade in a global coordinate system using GPS (Global Positioning System) is known (see Patent Document 1).
  • a GPS receiver that receives GPS data is arranged on the blade instead of the vehicle body for the purpose of reducing the calculation load of the global position of the blade based on the GPS data indicating the global position of the aircraft. Has been.
  • a construction machine includes a vehicle body, a lift frame attached to the vehicle body so as to be swingable up and down, a blade supported at the tip of the lift frame, a lift cylinder, an angle cylinder, a tilt cylinder, a lift Based on the lift cylinder length of the cylinder, the angle cylinder length of the angle cylinder, and the tilt cylinder length of the tilt cylinder, an angle acquisition unit that acquires the lift angle, the angle angle, and the tilt angle, and is fixed to the vehicle body and indicates the position of the aircraft
  • a global position that acquires the position of the blade in the global coordinate system based on the GPS receiver that receives the GPS data, the GPS data received by the GPS receiver, and the lift angle, angle angle, and tilt angle acquired by the angle acquisition unit
  • the vibration of the blade can be suppressed from being directly transmitted to the GPS receiver, the GPS data can be accurately received by the GPS receiver.
  • the GPS receiver can be protected from earth and sand that is flipped up by the blade.
  • the angle angle and the tilt angle can be obtained very easily compared to the case where the angle angle and the tilt angle are calculated from the angle cylinder length and the tilt cylinder length each time by complicated geometric calculation. Therefore, the processing load on the construction machine can be reduced.
  • the construction machine according to the second aspect relates to the first aspect, and the conversion table converts the lift cylinder length into a lift angle.
  • the processing load can be further reduced.
  • the construction machine according to the third aspect relates to the first or second aspect, and the GPS receiver is disposed on the vehicle body.
  • GPS data can be received with higher accuracy.
  • the construction machine according to the fourth aspect relates to the third aspect, and the GPS receiver is arranged at the center in the vehicle width direction.
  • a construction machine relates to the first aspect, and the conversion table is a three-dimensional model of a vehicle body, a lift frame, a blade, a lift cylinder, an angle cylinder, and a tilt cylinder. It is created by sequentially associating a combination with a combination of an angle angle and a tilt angle.
  • a construction machine relates to the first aspect, and includes a traveling device including a pair of crawler belts attached to the vehicle body. (The invention's effect) According to the present invention, it is possible to provide a construction machine that can receive GPS data with high accuracy while protecting the GPS receiver and can easily calculate the global position of the blade.
  • FIG. 1 is a side view showing an overall configuration of a bulldozer 100 according to an embodiment.
  • the bulldozer 100 includes a vehicle body 10, a traveling device 20, a lift frame 30, a blade 40, a lift cylinder 50, an angle cylinder 60, a tilt cylinder 70, a GPS receiver 80, an IMU (Inertial Measurement Unit) 90, .
  • the bulldozer 100 is equipped with a blade position recognition system 200. The configuration and operation of the blade position recognition system 200 will be described later.
  • the vehicle body 10 has a cab 11 and an engine compartment 12.
  • the cab 11 is equipped with seats and various operation devices (not shown).
  • the engine compartment 12 is disposed in front of the cab 11.
  • the traveling device 20 is composed of a pair of crawler belts (only the left crawler belt is shown in FIG. 1), and is attached to the lower portion of the vehicle body 10.
  • the bulldozer 100 travels as the pair of crawler belts rotate.
  • the lift frame 30 is disposed inside the traveling device 20 in the vehicle width direction.
  • the lift frame 30 is attached to the vehicle body 10 so as to be swingable up and down around an axis X (an example of a “first axis”) parallel to the vehicle width direction.
  • the lift frame 30 supports the blade 40 via the ball joint portion 31, the pitch support link 32, and the support column portion 33.
  • the blade 40 is disposed in front of the vehicle body 10.
  • the blade 40 is supported by the lift frame 30 via a universal joint 41 connected to the ball joint portion 31 and a pitching joint 42 connected to the pitch support link 32.
  • the blade 40 moves up and down as the lift frame 30 swings up and down.
  • a blade tip 40P that is inserted into the ground during leveling or excavation is formed at the lower end of the blade 40.
  • the lift cylinder 50 is connected to the vehicle body 10 and the lift frame 30. As the lift cylinder 50 expands and contracts, the lift frame 30 swings up and down around the axis X.
  • the angle cylinder 60 is connected to the lift frame 30 and the blade 40. As the angle cylinder 60 expands and contracts, the blade 40 is swung around an axis Y (an example of a “second axis”) that passes through the rotation centers of the universal joint 41 and the pitching joint 42.
  • axis Y an example of a “second axis”
  • the tilt cylinder 70 is connected to the column 33 of the lift frame 30 and the upper right end of the blade 40. As the tilt cylinder 70 expands and contracts, the blade 40 is swung around an axis Z (an example of a “third axis”) connecting the ball joint portion 31 and the lower end portion of the pitch support link 32.
  • the GPS receiver 80 is disposed on the vehicle body 10 at the center in the vehicle width direction.
  • the vehicle width direction is the left-right direction based on the operator seated on the driver's seat.
  • the GPS receiver 80 is an antenna for GPS (Global Positioning System).
  • the GPS receiver 80 receives GPS data indicating the global position of the own device.
  • the GPS receiver 80 transmits the received GPS data to a global position acquisition unit 230 (see FIG. 3) described later.
  • the IMU 90 acquires vehicle body tilt angle data indicating the vehicle body tilt angle in the front-rear and left-right directions.
  • the IMU 90 transmits the vehicle body inclination angle data to the global position acquisition unit 230.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the bulldozer 100.
  • FIG. 2A is a side view of the blade 40
  • FIG. 2B is a top view of the blade 40
  • FIG. 2C is a front view of the blade 40.
  • the origin position of the lift frame 30 is indicated by a two-dot chain line.
  • the cutting edge 40P of the blade 40 contacts the horizontal plane.
  • the bulldozer 100 includes a lift cylinder sensor 50S, an angle cylinder sensor 60S, and a tilt cylinder sensor 70S.
  • Each of the lift cylinder sensor 50S, the angle cylinder sensor 60S, and the tilt cylinder sensor 70S includes a rotating roller for detecting the position of the rod and a magnetic sensor for returning the position of the rod to the origin.
  • the lift cylinder sensor 50S detects the stroke length of the lift cylinder 50 (hereinafter referred to as “lift cylinder length L1”) and transmits it to an angle acquisition unit 210 (see FIG. 3) described later. To do.
  • the angle acquisition unit 210 acquires the lift angle ⁇ 1 of the blade 40 based on the lift cylinder length L1.
  • the lift angle ⁇ 1 according to the present embodiment corresponds to the descending angle of the blade 40 from the origin position, that is, the penetration depth of the blade tip 40P into the ground. A method for calculating the lift angle ⁇ 1 will be described later.
  • the angle cylinder sensor 60S detects the stroke length of the angle cylinder 60 (hereinafter referred to as “angle cylinder length L2”) and transmits it to the angle acquisition unit 210.
  • the tilt cylinder sensor 70S detects the stroke length of the tilt cylinder 70 (hereinafter referred to as “tilt cylinder length L3”) and transmits it to the angle acquisition unit 210.
  • the angle acquisition unit 210 acquires the angle angle ⁇ 2 and the tilt angle ⁇ 3 of the blade 40 based on the angle cylinder length L2 and the tilt cylinder length L3.
  • the lift angle ⁇ 1 can be calculated only from the lift cylinder length L1, while the angle angle ⁇ 2 cannot be calculated from only the angle cylinder length L2, and the tilt angle ⁇ 3 is the tilt cylinder length. It cannot be calculated only from L3. This is because, as shown in FIG. 2B, when the stroke length of the angle cylinder 60 is changed, even if the stroke length of the tilt cylinder 70 is constant, a tilt operation occurs in accordance with the angle operation.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the blade position recognition system 200 according to the embodiment.
  • the blade position recognition system 200 includes an angle acquisition unit 210, a local position acquisition unit 220, and a global position acquisition unit 230 in addition to the lift cylinder sensor 50S, angle cylinder sensor 60S, tilt cylinder sensor 70S, GPS receiver 80, and IMU 90 described above. Prepare.
  • the angle acquisition unit 210 determines the lift angle ⁇ 1 around the axis X (see FIG. 2A), the axis based on the lift cylinder length L1 of the lift cylinder 50, the angle cylinder length L2 of the angle cylinder 60, and the tilt cylinder length L3 of the tilt cylinder 70.
  • An angle angle ⁇ 2 around Y (see FIG. 2B) and a tilt angle ⁇ 3 around the axis Z (see FIG. 2C) are acquired.
  • the angle acquisition unit 210 includes a lift angle geometry calculation unit 211 and a conversion unit 212.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 2A and is a schematic diagram for explaining a method of calculating the lift angle ⁇ 1.
  • the lift cylinder 50 is rotatably attached to the lift frame 30 on the front rotation shaft 101 and is rotatably attached to the vehicle body 10 on the rear rotation shaft 102.
  • the vertical line 103 is a straight line along the vertical direction
  • the origin indication line 104 is a straight line indicating the origin position of the blade 40.
  • the first length La is the length of a straight line connecting the front rotation shaft 101 and the axis X of the lift frame 30, and the second length Lb is the axis of the rear rotation shaft 102 and the lift frame 30. This is the length of a straight line connecting X.
  • the first angle ⁇ a is an angle formed by the front rotation shaft 101 and the rear rotation shaft 102 with the axis X as a vertex
  • the second angle ⁇ b is lifted with the front rotation shaft 101 with the axis X as a vertex.
  • the third angle ⁇ c is an angle formed by the rear rotation shaft 102 and the vertical line 103 with the axis X as an apex.
  • the first length La, the second length Lb, the second angle ⁇ b, and the third angle ⁇ c are fixed values, and the angle acquisition unit 210 stores these fixed values.
  • the unit of the second angle ⁇ b and the third angle ⁇ c is assumed to be radians.
  • the lift angle geometry calculation unit 211 calculates the first angle ⁇ a using the equations (1) and (2) based on the cosine theorem.
  • L1 2 La 2 + Lb 2 ⁇ 2LaLb ⁇ cos ( ⁇ a) (1)
  • ⁇ a cos ⁇ 1 ((La 2 + Lb 2 ⁇ L1 2 ) / 2LaLb) (2)
  • the lift angle geometry calculation unit 211 calculates the lift angle ⁇ 1 using Equation (3).
  • the lift angle geometry calculation unit 211 outputs the calculated lift angle ⁇ 1 to the local position acquisition unit 220.
  • the conversion unit 212 stores a conversion table in which the combination of the angle cylinder length L2 and the tilt cylinder length L3 is associated with the combination of the angle angle ⁇ 2 and the tilt angle ⁇ 3.
  • FIG. 5 is an example of a conversion table stored in the conversion unit 212. By referring to such a conversion table, the conversion unit 212 acquires the angle angle ⁇ 2 and the tilt angle ⁇ 3. The conversion unit 212 outputs the acquired angle angle ⁇ 2 and tilt angle ⁇ 3 to the local position acquisition unit 220.
  • the above conversion table is based on the angle angle ⁇ 2 in the combination of the angle cylinder length L2 and the tilt cylinder length L3 in the three-dimensional model of the vehicle body 10, the lift frame 30, the blade 40, the lift cylinder 50, the angle cylinder 60, and the tilt cylinder 70.
  • the tilt angle ⁇ 3 can be sequentially associated with each other. That is, using the three-dimensional model data of the bulldozer 100, the combination of the angle angle ⁇ 2 and the tilt angle ⁇ 3 is calculated on the three-dimensional model analysis software while various combinations of the angle cylinder length L2 and the tilt cylinder length L3 are changed.
  • a conversion table can be created.
  • the conversion table may be created by associating the bulldozer 100 on the actual machine. Specifically, by actually changing the combination of the angle cylinder length L2 and the tilt cylinder length L3 little by little using the actual machine of the bulldozer 100, the combination of the angle angle ⁇ 2 and the tilt angle ⁇ 3 is actually measured.
  • a conversion table can be created.
  • the local position acquisition unit 220 acquires the lift angle ⁇ 1, the angle angle ⁇ 2, and the tilt angle ⁇ 3 from the angle acquisition unit 210. Further, the local position acquisition unit 220 stores vehicle body dimension data of the entire bulldozer 100. The local position acquisition unit 220 considers the lift angle ⁇ 1, the angle angle ⁇ 2, the tilt angle ⁇ 3, and the vehicle body dimension data, and the cutting edge 40P of the cutting edge 40P in the coordinate system based on the vehicle body 10 (hereinafter referred to as “local coordinate system”). A position (hereinafter referred to as “local position”) is acquired. The local position acquisition unit 220 outputs the local position to the global position acquisition unit 230.
  • the global position acquisition unit 230 acquires a local position from the local position acquisition unit 220.
  • the global position acquisition unit 230 acquires GPS data from the GPS receiver 80 and acquires vehicle body tilt angle data from the IMU 90.
  • the global position acquisition unit 230 acquires the position of the cutting edge 40P in the global coordinate system (hereinafter referred to as “global position”) based on the local position, GPS data, and vehicle body tilt angle data. That is, the global position acquisition unit 230 converts the local position of the blade edge 40P into a global position. Thereby, the blade position recognition system 200 can recognize the global position of the blade 40 (the cutting edge 40P).
  • the bulldozer 100 can acquire the relative position of the cutting edge 40P with respect to the design surface by associating the design surface indicating the target shape to be excavated with the global position. Using such a relative position, the bulldozer 100 can execute well-known leveling control for causing the cutting edge 40P to follow the design surface.
  • the bulldozer 100 (an example of a construction machine) includes a GPS receiver 80 fixed to the vehicle body 10.
  • the GPS receiver 80 can receive GPS data with high accuracy. Further, the GPS receiver 80 can be protected from the earth and sand that is splashed by the blade 40.
  • the bulldozer 100 includes an angle acquisition unit 210 that stores a conversion table in which the combination of the angle cylinder length L2 and the tilt cylinder length L3 is associated with the combination of the angle angle ⁇ 2 and the tilt angle ⁇ 3.
  • GPS data can be received with high accuracy while protecting the GPS receiver 80, and the global position of the cutting edge 40P can be easily calculated.
  • the GPS receiver 80 is disposed on the vehicle body 10. Therefore, since the GPS receiver 80 can be suppressed from being hidden behind the vehicle body 10, GPS data can be received with higher accuracy.
  • the combination of the angle cylinder length L2 and the tilt cylinder length L3 is associated with the combination of the angle angle ⁇ 2 and the tilt angle ⁇ 3.
  • a combination of the lift cylinder length L1, the angle cylinder length L2, and the tilt cylinder length L3 may be associated with a combination of the lift angle ⁇ 1, the angle angle ⁇ 2, and the tilt angle ⁇ 3.
  • the GPS receiver 80 is arranged at the center in the vehicle width direction on the vehicle body 10, but is not limited thereto.
  • the GPS receiver 80 may be disposed, for example, on the engine room 12.
  • the cylinder length is converted into an angle using the conversion table shown in FIG. 5, but when the angle is obtained from the cylinder length not shown in FIG. 5, interpolation calculation is performed. Just do it. That is, when the cylinder length between the two cylinder lengths shown in FIG. 5 is converted into an angle, a desired angle can be calculated using the two angles corresponding to the two cylinder lengths.
  • the bulldozer has been described as an example of the “construction machine”, but is not limited thereto, and may be a motor grader or the like.
  • the construction machine of the present invention can be widely applied to the construction machine field because it can receive GPS data with high accuracy while protecting the GPS receiver and can easily calculate the global position of the blade.

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Abstract

 ブルドーザは、車体に固定されたGPSレシーバと、アングルシリンダ長およびチルトシリンダ長の組み合わせがアングル角およびチルト角の組み合わせに対応づけられた変換テーブルを格納する角度取得部と、を備える。

Description

建設機械
 本発明は、ブレードのグローバル位置を認識可能な建設機械に関する。
 従来、GPS(Global Positioning System;全地球測位システム)を利用してグローバル座標系におけるブレードのグローバル位置を認識する手法が知られている(特許文献1参照)。特許文献1の手法では、自機のグローバル位置を示すGPSデータに基づくブレードのグローバル位置の算出負荷を軽減することを目的として、GPSデータを受信するGPSレシーバは、車体上ではなくブレード上に配置されている。
特開平10-141955号公報
(発明が解決しようとする課題)
 しかしながら、特許文献1の手法では、GPSレシーバがブレード上に配置されているため、ブレードの振動が直接GPSレシーバに伝わることによって正確なGPSデータを受信できないおそれがある。また、ブレードによって跳ね上げられる土砂などからGPSレシーバを保護する必要がある。一方で、GPSレシーバを車体上に配置すれば、ブレードのグローバル位置を演算するために、車体とブレードの間に設けられる複数のシリンダの長さを考慮する必要があるので、システム上の処理負荷が増大してしまう。
 本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、GPSレシーバを保護しつつGPSデータを精度良く受信できるとともにブレードのグローバル位置を簡便に演算可能な建設機械を提供することを目的とする。
(課題を解決するための手段)
 第1の態様に係る建設機械は、車体と、上下揺動可能に車体に取り付けられるリフトフレームと、リフトフレームの先端に支持されるブレードと、リフトシリンダと、アングルシリンダと、チルトシリンダと、リフトシリンダのリフトシリンダ長、アングルシリンダのアングルシリンダ長およびチルトシリンダのチルトシリンダ長に基づいて、リフト角、アングル角およびチルト角を取得する角度取得部と、車体に固定され、自機の位置を示すGPSデータを受信するGPSレシーバと、GPSレシーバによって受信されるGPSデータと、角度取得部によって取得されるリフト角、アングル角およびチルト角に基づいて、グローバル座標系におけるブレードの位置を取得するグローバル位置取得部と、を備える。角度取得部は、アングルシリンダ長およびチルトシリンダ長の組み合わせがアングル角およびチルト角の組み合わせに対応づけられた変換テーブルを格納している。
 第1の態様に係る建設機械によれば、ブレードの振動が直接GPSレシーバに伝わることを抑制できるので、GPSレシーバにおいてGPSデータを精度良く受信することができる。また、ブレードによって跳ね上げられる土砂などからGPSレシーバを保護できる。さらに、複雑な幾何計算によってアングルシリンダ長およびチルトシリンダ長からアングル角およびチルト角をその都度算出する場合に比べて、アングル角およびチルト角を極めて簡易に取得することができる。そのため、建設機械における処理負荷を低減することができる。
 第2の態様に係る建設機械は、第1の態様に係り、変換テーブルは、リフトシリンダ長をリフト角に変換する。
 第2の態様に係る建設機械によれば、リフトシリンダ長からリフト角を算出する必要がなくなるので、処理負荷をさらに低減することができる。
 第3の態様に係る建設機械は、第1又は第2の態様に係り、GPSレシーバは、車体上に配置される。
 第3の態様に係る建設機械によれば、GPSレシーバが車体の陰に隠れることを抑制できるので、GPSデータをより精度良く受信することができる。
 第4の態様に係る建設機械は、第3の態様に係り、GPSレシーバは、車幅方向中央に配置される。
 第5の態様に係る建設機械は、第1の態様に係り、変換テーブルは、車体、リフトフレーム、ブレード、リフトシリンダ、アングルシリンダおよびチルトシリンダの3次元モデルにおいて、アングルシリンダ長およびチルトシリンダ長の組み合わせをアングル角およびチルト角の組み合わせに順次対応づけることによって作成されている。
 第6の態様に係る建設機械は、第1の態様に係り、車体に取り付けられる一対の履帯を含む走行装置を備える。
(発明の効果)
 本発明によれば、GPSレシーバを保護しつつGPSデータを精度良く受信できるとともにブレードのグローバル位置を簡便に演算可能な建設機械を提供することができる。
ブルドーザの全体構成を示す側面図 ブレードの側面図 ブレードの上面図 ブレードの正面図 ブレード位置認識システムの構成を示すブロック図 リフト角の算出方法を説明するための模式図 シリンダ長と角度との関係を示す変換テーブル
 次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
 以下、「建設機械」の一例であるブルドーザについて、図面を参照しながら説明する。以下の説明において、「上」「下」「前」「後」「左」「右」とは、運転席に着座したオペレータを基準とする用語である。
 《ブルドーザ100の全体構成》
 図1は、実施形態に係るブルドーザ100の全体構成を示す側面図である。
 ブルドーザ100は、車体10と、走行装置20と、リフトフレーム30と、ブレード40と、リフトシリンダ50と、アングルシリンダ60と、チルトシリンダ70と、GPSレシーバ80と、IMU(Inertial Measurement Unit)90と、を備える。また、ブルドーザ100は、ブレード位置認識システム200を搭載している。ブレード位置認識システム200の構成および動作については後述する。
 車体10は、運転室11とエンジン室12とを有する。運転室11には、図示しないシートや各種操作装置が内装される。エンジン室12は、運転室11の前方に配置される。
 走行装置20は、一対の履帯(図1において、左側の履帯のみ図示)によって構成され、車体10の下部に取り付けられている。一対の履帯が回転することによってブルドーザ100は走行する。
 リフトフレーム30は、車幅方向において走行装置20の内側に配置される。リフトフレーム30は、車幅方向に平行な軸X(「第1軸」の一例)を中心として上下揺動可能に車体10に取り付けられる。リフトフレーム30は、球関節部31と、ピッチ支持リンク32と、支柱部33とを介してブレード40を支持している。
 ブレード40は、車体10の前方に配置される。ブレード40は、球関節部31に連結される自在継手41と、ピッチ支持リンク32に連結されるピッチング継手42とを介して、リフトフレーム30に支持されている。ブレード40は、リフトフレーム30の上下揺動に伴って上下に移動する。ブレード40の下端部には、整地時や掘削時に地面に挿入される刃先40Pが形成されている。
 リフトシリンダ50は、車体10とリフトフレーム30とに連結される。リフトシリンダ50が伸縮することによって、リフトフレーム30は、軸Xを中心として上下揺動される。
 アングルシリンダ60は、リフトフレーム30とブレード40とに連結される。アングルシリンダ60が伸縮することによって、ブレード40は、自在継手41およびピッチング継手42それぞれの回動中心を通る軸Y(「第2軸」の一例)を中心として揺動される。
 チルトシリンダ70は、リフトフレーム30の支柱部33とブレード40の右上端部とに連結される。チルトシリンダ70が伸縮することによって、ブレード40は、球関節部31とピッチ支持リンク32の下端部とを結んだ軸Z(「第3軸」の一例)を中心として揺動される。
 GPSレシーバ80は、車体10上において車幅方向中央に配置される。車幅方向とは、運転席に着座したオペレータを基準とする左右方向である。GPSレシーバ80は、GPS(Global Positioning System;全地球測位システム)用のアンテナである。GPSレシーバ80は、自機のグローバル位置を示すGPSデータを受信する。GPSレシーバ80は、受信したGPSデータを後述するグローバル位置取得部230(図3参照)に送信する。
 IMU90は、前後左右方向における車体傾斜角を示す車体傾斜角データを取得する。IMU90は、車体傾斜角データをグローバル位置取得部230に送信する。
 ここで、図2は、ブルドーザ100の構成を示す模式図である。具体的に、図2Aは、ブレード40の側面図であり、図2Bは、ブレード40の上面図であり、図2Cは、ブレード40の正面図である。また、図2A~図2Cでは、リフトフレーム30の原点位置が二点鎖線で示されている。リフトフレーム30が原点位置に位置する場合、ブレード40の刃先40Pは水平面に接地する。
 図2A~図2Cに示すように、ブルドーザ100は、リフトシリンダセンサ50Sと、アングルシリンダセンサ60Sと、チルトシリンダセンサ70Sと、を備える。リフトシリンダセンサ50S、アングルシリンダセンサ60Sおよびチルトシリンダセンサ70Sそれぞれは、ロッドの位置を検出するための回転ローラと、ロッドの位置を原点復帰するための磁力センサと、によって構成されている。
 図2Aに示すように、リフトシリンダセンサ50Sは、リフトシリンダ50のストローク長さ(以下、「リフトシリンダ長L1」という。)を検出して、後述する角度取得部210(図3参照)に送信する。角度取得部210は、リフトシリンダ長L1に基づいてブレード40のリフト角θ1を取得する。本実施形態に係るリフト角θ1は、ブレード40の原点位置からの下降角度、すなわち、刃先40Pの地中への貫入深さに対応している。リフト角θ1の算出方法については後述する。
 図2Bに示すように、アングルシリンダセンサ60Sは、アングルシリンダ60のストローク長さ(以下、「アングルシリンダ長L2」という。)を検出して角度取得部210に送信する。図2Cに示すように、チルトシリンダセンサ70Sは、チルトシリンダ70のストローク長さ(以下、「チルトシリンダ長L3」という。)を検出して角度取得部210に送信する。角度取得部210は、アングルシリンダ長L2およびチルトシリンダ長L3に基づいて、ブレード40のアングル角θ2およびチルト角θ3を取得する。
 なお、本実施形態において、リフト角θ1は、リフトシリンダ長L1のみから算出可能である一方で、アングル角θ2は、アングルシリンダ長L2のみからは算出不可であり、チルト角θ3は、チルトシリンダ長L3のみからは算出不可である。これは、図2Bに示すように、アングルシリンダ60のストローク長さを変更した場合、チルトシリンダ70のストローク長さが一定でも、アングル操作に伴ってチルト動作が発生することに起因する。
 《ブレード位置認識システム200の構成》
 図3は、実施形態に係るブレード位置認識システム200の構成を示すブロック図である。
 ブレード位置認識システム200は、上述のリフトシリンダセンサ50S、アングルシリンダセンサ60S、チルトシリンダセンサ70S、GPSレシーバ80、IMU90に加えて、角度取得部210、ローカル位置取得部220およびグローバル位置取得部230を備える。
 角度取得部210は、リフトシリンダ50のリフトシリンダ長L1、アングルシリンダ60のアングルシリンダ長L2およびチルトシリンダ70のチルトシリンダ長L3に基づいて、軸X周りのリフト角θ1(図2A参照)、軸Y周りのアングル角θ2(図2B参照)および軸Z周りのチルト角θ3(図2C参照)を取得する。
 また、図3に示すように、角度取得部210は、リフト角幾何計算部211と、変換部212とを有する。
 リフト角幾何計算部211は、リフトシリンダ長L1に基づいてリフト角θ1を算出する。ここで、図4は、図2(A)の部分拡大図であり、リフト角θ1の算出方法を説明するための模式図である。図4に示すように、リフトシリンダ50は、前側回動軸101においてリフトフレーム30に回動可能に取り付けられており、後側回動軸102において車体10に回動可能に取り付けられている。図4において、鉛直線103は、上下方向に沿った直線であり、原点指示線104は、ブレード40の原点位置を示す直線である。また、第1長さLaは、前側回動軸101とリフトフレーム30の軸Xとを結ぶ直線の長さであり、第2長さLbは、後側回動軸102とリフトフレーム30の軸Xとを結ぶ直線の長さである。さらに、第1角度θaは、軸Xを頂点として前側回動軸101と後側回動軸102とが成す角度であり、第2角度θbは、軸Xを頂点として前側回動軸101とリフトフレーム30の上辺とが成す角度であり、第3角度θcは、軸Xを頂点として後側回動軸102と鉛直線103が成す角度である。第1長さLa、第2長さLb、第2角度θbおよび第3角度θcは固定値であり、角度取得部210は、これらの固定値を記憶している。なお、第2角度θbおよび第3角度θcの単位はラジアンであるものとする。
 まず、リフト角幾何計算部211は、余弦定理に基づく式(1)及び式(2)を用いて第1角度θaを算出する。
   L1=La+Lb-2LaLb×cos(θa) ・・・(1)
   θa=cos-1((La+Lb-L1)/2LaLb) ・・・(2)
 次に、リフト角幾何計算部211は、式(3)を用いてリフト角θ1を算出する。
   θ1=θa+θb-θc-π/2 ・・・(3)
 続いて、リフト角幾何計算部211は、算出したリフト角θ1をローカル位置取得部220に出力する。
 変換部212は、アングルシリンダ長L2とチルトシリンダ長L3の組み合わせがアングル角θ2およびチルト角θ3の組み合わせに対応づけられた変換テーブルを格納している。図5は、変換部212が格納する変換テーブルの一例である。このような変換テーブルを参照することによって、変換部212は、アングル角θ2およびチルト角θ3を取得する。変換部212は、取得したアングル角θ2およびチルト角θ3をローカル位置取得部220に出力する。
 なお、上述の変換テーブルは、車体10、リフトフレーム30、ブレード40、リフトシリンダ50、アングルシリンダ60およびチルトシリンダ70の3次元モデルにおいて、アングルシリンダ長L2とチルトシリンダ長L3の組み合わせをアングル角θ2およびチルト角θ3の組み合わせに順次対応づけることによって作成することができる。すなわち、ブルドーザ100の3次元モデルデータを用いて、アングルシリンダ長L2とチルトシリンダ長L3の組み合わせを様々に変更しながら、アングル角θ2とチルト角θ3の組み合わせを3次元モデル解析ソフト上で演算することによって変換テーブルを作成することができる。
 ただし、変換テーブルは、ブルドーザ100の実機上における対応づけによって作成されてもよい。具体的には、ブルドーザ100の実機を用いて、アングルシリンダ長L2とチルトシリンダ長L3との組み合わせを少しずつ実際に変更しながら、アングル角θ2とチルト角θ3との組み合わせを実測することによっても変換テーブルを作成することができる。
 ローカル位置取得部220は、角度取得部210からリフト角θ1、アングル角θ2およびチルト角θ3を取得する。また、ローカル位置取得部220は、ブルドーザ100全体の車体寸法データを記憶している。ローカル位置取得部220は、リフト角θ1、アングル角θ2、チルト角θ3および車体寸法データを考慮して、車体10を基準とする座標系(以下、「ローカル座標系」という。)における刃先40Pの位置(以下、「ローカル位置」という。)を取得する。ローカル位置取得部220は、ローカル位置をグローバル位置取得部230に出力する。
 グローバル位置取得部230は、ローカル位置取得部220からローカル位置を取得する。また、グローバル位置取得部230は、GPSレシーバ80からGPSデータを取得し、IMU90から車体傾斜角データを取得する。グローバル位置取得部230は、ローカル位置、GPSデータおよび車体傾斜角データに基づいて、グローバル座標系における刃先40Pの位置(以下、「グローバル位置」という。)を取得する。すなわち、グローバル位置取得部230は、刃先40Pのローカル位置をグローバル位置に変換する。これによって、ブレード位置認識システム200は、ブレード40(刃先40P)のグローバル位置を認識することができる。
 なお、図示しないが、ブルドーザ100は、掘削対象の目標形状を示す設計面とグローバル位置とを対応させることによって、設計面に対する刃先40Pの相対位置を取得できる。このような相対位置を用いて、ブルドーザ100は、設計面に刃先40Pを追従させる周知の整地制御を実行することができる。
 《作用および効果》
 (1)ブルドーザ100(建設機械の一例)は、車体10に固定されたGPSレシーバ80を備える。
 従って、ブレード40の振動が直接GPSレシーバ80に伝わることを抑制できるので、GPSレシーバ80においてGPSデータを精度良く受信することができる。また、ブレード40によって跳ね上げられる土砂などからGPSレシーバ80を保護できる。
 また、ブルドーザ100は、アングルシリンダ長L2とチルトシリンダ長L3の組み合わせがアングル角θ2およびチルト角θ3の組み合わせに対応づけられた変換テーブルを格納する角度取得部210を備える。
 従って、複雑な幾何計算によってアングルシリンダ長L2とチルトシリンダ長L3からアングル角θ2およびチルト角θ3をその都度算出する場合に比べて、アングル角θ2およびチルト角θ3を極めて簡易に取得することができるので、処理負荷を低減することができる。
 以上より、本実施形態に係るブルドーザ100によれば、GPSレシーバ80を保護しつつGPSデータを精度良く受信できるとともに刃先40Pのグローバル位置を簡便に演算することができる。
 (2)ブルドーザ100において、GPSレシーバ80は、車体10上に配置されている。従って、GPSレシーバ80が車体10の陰に隠れることを抑制できるので、GPSデータをより精度良く受信することができる。
 《その他の実施形態》
 以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
 (A)上記実施形態において、角度取得部210が格納する変換テーブルは、アングルシリンダ長L2およびチルトシリンダ長L3の組み合わせがアングル角θ2およびチルト角θ3の組み合わせに対応づけられていることとしたが、これに限られるものではない。変換テーブルでは、リフトシリンダ長L1、アングルシリンダ長L2およびチルトシリンダ長L3の組み合わせがリフト角θ1、アングル角θ2およびチルト角θ3の組み合わせに対応づけられていてもよい。これによって、リフトシリンダ長L1からリフト角θ1を算出する必要が無くなるので、処理負荷をさらに低減することができる。
 (B)上記実施形態において、GPSレシーバ80は、車体10上において車幅方向中央に配置されることとしたが、これに限られるものではない。GPSレシーバ80は、例えばエンジン室12上などに配置されていてもよい。
 (C)上記実施形態では、図5に示す変換テーブルを用いてシリンダ長を角度に変換することとしたが、図5に示されていないシリンダ長から角度を求める場合には、補間計算を行えばよい。すなわち、図5に示されている2つのシリンダ長の間のシリンダ長を角度に変換する場合には、2つのシリンダ長に対応する2つの角度を用いて所望の角度を算出することができる。
 (D)上記実施形態では、「建設機械」としてブルドーザを例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、モータグレーダなどであってもよい。
 本発明の建設機械は、GPSレシーバを保護しつつGPSデータを精度良く受信できるとともにブレードのグローバル位置を簡便に演算可能なため、建設機械分野に広く適用可能である。
30…リフトフレーム
40…ブレード
50…リフトシリンダ
60…アングルシリンダ
70…チルトシリンダ
210…角度取得部
80…GPSレシーバ
230…グローバル位置取得部

Claims (6)

  1.  車体と
     上下揺動可能に前記車体に取り付けられるリフトフレームと、
     前記リフトフレームの先端に支持されるブレードと、
     リフトシリンダと、
     アングルシリンダと、
     チルトシリンダと、
     前記リフトシリンダのリフトシリンダ長、前記アングルシリンダのアングルシリンダ長および前記チルトシリンダのチルトシリンダ長に基づいて、リフト角、アングル角およびチルト角を取得する角度取得部と、
     前記車体に固定され、自機の位置を示すGPSデータを受信するGPSレシーバと、
     前記GPSレシーバによって受信される前記GPSデータと、前記角度取得部によって取得される前記リフト角、前記アングル角および前記チルト角に基づいて、グローバル座標系における前記ブレードの位置を取得するグローバル位置取得部と、
    を備え、
     前記角度取得部は、前記アングルシリンダ長および前記チルトシリンダ長の組み合わせが前記アングル角および前記チルト角の組み合わせに対応づけられた変換テーブルを格納している、
    建設機械。
  2.  前記変換テーブルは、前記リフトシリンダ長を前記リフト角に変換する、
    請求項1に記載の建設機械。
  3.  前記GPSレシーバは、前記車体上に配置される、
    請求項1又は2に記載の建設機械。
  4.  前記GPSレシーバは、車幅方向中央に配置される、
    請求項3に記載の建設機械。
  5.  前記変換テーブルは、前記車体、前記リフトフレーム、前記ブレード、前記リフトシリンダ、前記アングルシリンダおよび前記チルトシリンダの3次元モデルにおいて、前記アングルシリンダ長および前記チルトシリンダ長の組み合わせを前記アングル角および前記チルト角の組み合わせに順次対応づけることによって作成されている、
    請求項1に記載の建設機械。
  6.  前記車体に取り付けられる一対の履帯を含む走行装置
    を備える請求項1に記載の建設機械。
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