WO2015016159A1 - 作業機械の相対位置演算システム - Google Patents

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WO2015016159A1
WO2015016159A1 PCT/JP2014/069765 JP2014069765W WO2015016159A1 WO 2015016159 A1 WO2015016159 A1 WO 2015016159A1 JP 2014069765 W JP2014069765 W JP 2014069765W WO 2015016159 A1 WO2015016159 A1 WO 2015016159A1
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satellite
work machine
distance
relative position
satellites
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PCT/JP2014/069765
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幹雄 板東
佐藤　隆之
石本　英史
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining 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
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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
    • G01S19/28—Satellite selection

Definitions

  • the present invention relates to a relative position calculation system for a work machine including a dump truck moving in a mine.
  • each vehicle communicates the position (GPS position) measured by using a global positioning system (hereinafter referred to as GPS) with two vehicles.
  • GPS global positioning system
  • a method for calculating the relative position of the two vehicles is disclosed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-164280 discloses a method of transmitting a GPS position measured by each machine to a monitoring station and distributing it from the monitoring station to another device. If these methods are used, the relative position between vehicles can be calculated.
  • the relative position includes a positioning error for each vehicle, and the relative position cannot be measured with sufficient accuracy.
  • An object of the present invention is to provide a relative position calculation system that can reduce the influence of positioning errors due to the satellite positioning system as described above and can improve the relative position calculation accuracy between two work machines.
  • the present invention provides a first work machine that receives navigation signals from at least one of a plurality of satellites, and a second work machine that receives navigation signals from at least one of the plurality of satellites. Relatively calculating a relative position between the first work machine and the second work machine based on navigation signals received by the first work machine and the second work machine from a common satellite among the plurality of satellites.
  • a position calculation device is provided.
  • the relative position calculation accuracy can be improved.
  • the structural example of the relative position calculation system which concerns on the 1st Embodiment of this invention The flow of the relative position calculation process which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 3 shows an example of the structure of data stored in the data storage device according to the first embodiment of the present invention. Processing flow of recalculation of own aircraft position using satellite information of other aircraft. Relative position calculation processing flow. The figure which extracted and showed a part of relative position calculation processing flow which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.
  • the working machine relative position calculation system calculates a relative position of a plurality of large dump trucks (mine dumps) mainly used in a mine as a working machine. This is an example in the case where there is no mutual information before calculation.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a relative position calculation system according to the first embodiment of the present invention.
  • Each of the plurality of dump trucks 101 and 111 included in the relative position calculation system shown in this figure receives navigation signals transmitted from a plurality of GPS satellites 120 and calculates its own position.
  • the GPS satellite 120 seven satellites 120a to 120g are shown.
  • dump trucks 101 and 111 Although only two dump trucks 101 and 111 are shown in FIG. 1, the number of dump trucks constituting this system may be three or more. Further, for simplification, only the configuration of the dump truck 101 is shown in FIG. 1, but the dump truck 111 is assumed to have the same configuration. Further, here, a system using only the dump trucks 101 and 111 will be described as an example of a work machine. However, the system may be configured by other work machines such as a hydraulic excavator and a wheel loader, A system may be constructed including other work machines.
  • the dump truck 101 may be referred to as “own machine” or “first work machine”, and the dump truck 111 may be referred to as “other machine” or “second work machine”.
  • the plurality of dump trucks 101 and 111 included in the system according to the present embodiment are all managed based on a common time (for example, the world coordinated time (UTC time)). Is assumed to be sufficiently close to the distance to each GPS satellite 120, and it can be assumed that each dump truck 101, 111 is on the same plane.
  • UTC time world coordinated time
  • each dump truck 101, 111 communicates with other dump trucks (for example, dump truck 111) or a computer of a control center (not shown) by wireless communication and information (for example, information included in a navigation signal and the relevant information).
  • Communication device 103 for exchanging information (satellite information) calculated from information, a signal receiving device (GPS receiving device) 104 for receiving a navigation signal (navigation signal) transmitted from each GPS satellite 120, and navigation
  • GPS receiving device GPS receiving device
  • a data storage device 105 for storing GPS satellite 120 information (for example, satellite number, navigation signal transmission time, satellite orbit information, satellite position) and other information included in the signal, and a relative position between the own aircraft and the other aircraft.
  • a relative position calculation device 102 for calculating is provided.
  • the relative position calculation device 102 is configured by a computer, and includes a position estimation unit 106 that calculates the position of the own aircraft based on the navigation signal acquired by the signal reception device 104, and the navigation signal acquired by the signal reception device 104.
  • a satellite selection unit 107 that narrows down what is actually used for positioning, a position correction unit 108 that recalculates the position of the own device based on the correction value Lci, and a relative position calculation unit 109 that measures the relative position with other dump trucks It has.
  • the direction of the arrow of the line segment that connects each unit related to the relative position calculation device 102 and the communication device 103 indicates the flow of data.
  • FIG. 2 shows a flow of the relative position calculation process.
  • step 201 the relative position calculation device 102 is activated and the process proceeds to step 202.
  • step 202 activation of the relative position calculation device 102, the signal reception device 104, the data storage device 105, and the communication device 103 is performed in synchronization with the activation of the dump truck 101.
  • Step 202 and Step 203 are processes executed in the signal receiving device 104.
  • step 202 navigation signals transmitted from a plurality of GPS satellites 120 are received by the signal receiving device 104, and converted into satellite information are stored in the data storage device 105, and the process proceeds to step 203.
  • the navigation signal received in step 202 includes the number of the satellite that output the navigation signal (satellite number), information indicating the position of the satellite itself, and the time (t s ) when the navigation signal is output. included.
  • the distance r to the satellite can be obtained by the following equation (1) based on the time (t s ) when the navigation signal is output and the time (t t ) received by the receiving device 104. Where c is the speed of light.
  • FIG. 3 shows an example of the structure of data stored in the data storage device 105 of the own device 101 or the other device 111.
  • the total number of information stored at the time is stored as the total information number 301.
  • the total number of information 301 is the sum of the number of own aircraft information 302 indicating the total number of satellites 120 from which the aircraft received navigation signals and the number of other aircraft information 309 indicating the total number of satellites 120 from which other aircraft have received navigation signals. .
  • the total number of satellites 303 indicating the total number of satellites 120 that the aircraft received navigation signals
  • the satellite number 304 of each satellite 120 that received the navigation signals and the satellites 120 that received the navigation signals.
  • 305 a distance error 306 to each satellite 120 from which the aircraft received the navigation signal
  • the time 308 when the aircraft received the navigation signal is stored as the UTC time.
  • information related to other devices stored in the data storage device 105 for example, information 311, 312, and 313 related to satellites used by other devices for positioning are stored, and this data will be described later.
  • the satellite number 304 and the satellite position 307 are included as information in the navigation signal from each satellite 120.
  • the distance 305 (first satellite distance) can be calculated by the above equation (1) based on the navigation signal from each satellite 120 and the time 308. The description and calculation method of the distance error 306 will be described later. Note that the initial value of the distance error 306 is 0, and the distance error 306 is sequentially rewritten with the value calculated after position estimation in step 205 described later.
  • step 203 it is determined whether it is a position calculation cycle. If it is a position calculation cycle, a message is transmitted to the position estimation unit 106, and the process proceeds to step 204. If it is not the position calculation cycle, the process returns to step 202.
  • the position calculation cycle is not particularly limited, and a predetermined time may be measured with a timer, or a message received via the communication device 103 may be used as a trigger.
  • Steps 204 to 206 are processes executed in the position estimation unit 106.
  • step 204 it is determined whether the satellite information stored in step 202 has been sufficiently accumulated for positioning. Since it is necessary to receive navigation signals from at least three or more satellites for position estimation (positioning), in step 204 according to the present embodiment, whether or not sufficient satellite information for positioning has been accumulated. Judgment is made based on whether navigation signals have been received from three or more satellites 120. If it is determined in step 204 that the accumulated satellite information is sufficient, the process proceeds to step 205. If it is determined that the satellite information is insufficient, the process proceeds to step 206.
  • step 205 the position of the aircraft is calculated from the navigation signals received from three or more satellites 120.
  • the position s calculated by the above formula (2) and the like and the error s are taken into consideration, and the position is calculated by using a probabilistic model filter such as a Kalman filter to estimate the maximum likelihood position from the received signal.
  • a probabilistic model filter such as a Kalman filter
  • the distance from the own apparatus 101 to each satellite 120 (second satellite distance) is calculated.
  • a distance error ⁇ 306 is calculated from the difference between the calculated distance and the distance (first satellite distance) 305 to the satellite calculated from the navigation signal from each satellite 120. That is, the distance error ⁇ i 306 of the i-th satellite position is defined as (Px, Py, Pz) as the own position obtained by the equation (2), and the position of the i-th satellite is (Xi, Yi, Zi), and when the distance to the i-th satellite (first satellite distance) 305 is r i , it is expressed by the following equation (3).
  • the distance error ⁇ 306 of the satellite i calculated here is stored in the data storage device 105, and further transmitted to the other device 111 via the communication device 103 together with the satellite information 303 to 307 stored in the data storage device 105.
  • the processing related to Steps 201, 202, 203, 204, 205, and 206 described above using the own device 101 is also executed in the other device 111 and stored in the data storage device 105 of the other device 111.
  • information relating to the satellite used by the other device 111 for positioning in the data storage device 105 shown in FIG. 3, the satellite number 311, the satellite distance (third satellite distance) 312, and the distance error 313 are stored.
  • the data storage device 105 of the other device 111 stores the number of other device information 309, the total number of satellites 310, the satellite number 311, the distance 312 to the satellite, and the distance error 313. Has been.
  • the position estimation unit 106 of the own device 101 sends an end message to the satellite selection unit 107 and proceeds to step 207.
  • step 204 if it is determined in step 204 that sufficient satellite information for positioning has not been accumulated, positioning of the own device 101 is impossible, and in step 206, the result of position unpositioning is output. Then, a message is sent to the relative position calculation unit 109, and the process proceeds to step 214.
  • Steps 207 to 209 are processing of the satellite selection unit 107.
  • step 207 it is determined whether the satellite information related to the satellite used by the other device 111 for positioning is received from the communication device 103. If it has been received, the process proceeds to step 208. If it has not been received, a message indicating that the satellite cannot be selected is sent to the relative position calculation unit 109, and the process proceeds to step 214.
  • the communication device 103 of the own device 101 passively waits for communication from the other device 111, and data received via the communication device 103 is stored in the data storage device 105.
  • the data of the other device 111 received by the own device 101 via the communication device 103 includes three or more satellite numbers 311 used for positioning by the other device 111 receiving the navigation signal and the three or more satellites 120. 312 and the distance error 313 are present as many as the number of satellites used by the other aircraft 111 for positioning.
  • these data 311, 312, and 313 are stored in the data storage device 105 only (one set) used / calculated by the other device 111 in one positioning, and thereafter
  • new data 311, 312, 313 used / calculated by the other device 111 is transmitted, the old data is deleted and the new data is recorded in the data storage device 105. That is, the data 311, 312, 313 related to the other device 111 of the data storage device 105 is rewritten for each set.
  • the time measured based on the navigation signal received by the other device 111 (the time when the navigation signal was received may be) 314.
  • the difference between the speed vector 316 and the attitude vector 317 of the other device 111 calculated at the time of the positioning and the mounting position of the signal receiving device (GPS receiver) 104 with respect to the vehicle body reference position of the other device 111 (GPS mounting position) 318 It is included.
  • step 208 the satellite selection unit 107 reads all the satellite numbers 311 used for positioning by the other device 111 from the data storage device 105, sends a satellite selection completion message to the position correction unit 108, and proceeds to step 209.
  • step 209 the satellite number 311 used for positioning by the other device 111 read in step 208 is compared with the satellite number 304 received by the own device 101, and the data 305 of the own device 101 relating to the satellite number that overlaps in both. , 306, 307 (satellite distance 305, distance error 306, satellite position 307) are read out, and the process proceeds to step 210. More specifically, in step 209, among the plurality of satellites 120, both the own aircraft 101 and the other aircraft 111 can receive the navigation signal, and are data related to the common satellite used for their own positioning, A distance 305 from 101 to each of the common satellites, a distance error 306 thereof, and a position 307 of each of the common satellites are read out. For example, in the example of FIG. 1, data 305, 306, and 307 related to three satellites 120a, 120b, and 120c are read out.
  • Step 210 to step 212 are processing of the position correction unit 108.
  • step 210 the position correction unit 108 determines whether or not the satellite distance 305, the distance error 306, and the satellite position 307 acquired in step 209 are sufficient for re-positioning of the own device 101 according to step 212 described later. . Whether or not repositioning is sufficient is determined based on whether or not data relating to three or more satellites 120 has been acquired in step 209, as in step 204. That is, if there are three or more overlapping satellite numbers in step 209, it is determined that positioning is sufficient. If the positioning is sufficient, the process proceeds to step 211. On the other hand, if the positioning is insufficient, a message is sent to the relative position calculation unit 109 and the process proceeds to step 214.
  • step 211 the position correction unit 108 acquires the distance 312 and distance error 313 of the other aircraft 111 related to the overlapping satellite number in step 209 in addition to the satellite distance 305, distance error 306, and satellite position 307 acquired in step 209. Then, the process proceeds to step 212.
  • step 212 the correction value Lci is calculated based on the information obtained in steps 209 and 211, and the position of the own device 101 is calculated again (repositioning of the own device 101).
  • the processing flow of recalculation of the position of the own device 101 using the satellite information of the other device 111 will be described in more detail with reference to FIG.
  • step 401 all satellite information necessary for re-positioning is acquired, and the process proceeds to step 402.
  • the satellite information acquired here includes the satellite information related to the satellite number duplicated in the other device 111 and the own device 101 acquired in step 209 and step 211 (specifically, the distance 305 from the own device 101 to each satellite, Distance error 306 and satellite position 307, and distance 312 and distance error 313) from other aircraft 111 to each satellite.
  • the position correction unit 108 determines the satellite number i from the own aircraft 101 based on the distance errors 306 and 313 related to the n satellites and the distance errors 306 and 313 related to the satellite of the satellite number i selected in step 402.
  • a correction value Lci used for correcting the distance ri305 to the satellite is calculated.
  • the correction value Lci is common to the own device 101 and the other device 111, the distance error ⁇ ai 313 to the satellite i calculated by the other device 111, the distance error ⁇ si 306 to the satellite i calculated by the own device 101. Calculation is performed based on the following equation (4) from the number n of all satellites that have received the navigation signal.
  • the correction value Lci of the distance ri305 from the own aircraft 101 to each of the n satellites 120 is calculated based on the distance from the other aircraft 111 to each of the n satellites 120. .
  • the process proceeds to step 404.
  • the distance error ⁇ ai may be calculated as the distance error ⁇ si and the distance error ⁇ si may be calculated as the distance error ⁇ ai in the following equation (4). .
  • step 404 the distance is corrected by subtracting the correction value Lci acquired in step 403 from the distance 305ri from the satellite associated with the satellite number i selected in step 402 to the own aircraft 101.
  • the distance from the satellite associated with the satellite number i to the own device 101 is corrected based on the distance from the satellite associated with the satellite number i to the other device 111.
  • the process proceeds to step 405.
  • step 405 it is confirmed whether or not all the satellite numbers acquired in step 401 have been processed from step 402 to 404. If the distance correction processing to the satellites related to all the satellite numbers has been completed, the process proceeds to step 406. If it has not been completed, the process returns to step 402 to repeat the processes of steps 402 to 404.
  • step 406 positioning of the own device 101 is executed again using the corrected distance rmi obtained in the processing from step 401 to step 405.
  • the relative position calculation unit 109 calculates the relative position between the own device 101 and the other device 111 based on the position of the own device 101 calculated again in Step 212 and the position 315 of the other device 111. calculate.
  • an example of the relative position calculation processing flow executed in step 213 will be described in more detail with reference to FIG. In the example of FIG.
  • the relative position calculation unit 109 calculates the position of the own device 101 calculated again in step 212, the reception time 308 of the own device acquired from the data storage device 105, the positioning time 314 of the other device, and the positioning Based on the position 315, the velocity vector 316, the attitude vector 317, and the GPS attachment position 318, the relative position between the own device 101 and the other device 111 is calculated.
  • the relative position calculation unit 109 determines that the own device 101 is traveling from the known mounting position (GPS position) of the signal receiving device (GPS receiving device) 104 of the own device 101 in step 501. And the point obtained by projecting the position of the own device 101 recalculated in step 212 onto the plane is set as the new position of the own device 101.
  • step 502 the positioning position 315, positioning time 314, speed vector 316, attitude vector 317, and GPS attachment position 318 of the other device 111 are acquired from the data storage device 105, and the process proceeds to step 503.
  • step 503 the vector is extended in the direction of the attitude vector 317 starting from the positioning position 315 of the other device 111 acquired in step 502, and the point where the vector intersects the plane of step 501 is defined as the position on the plane of the other device 111. To do.
  • step 504 a communication delay time is obtained from the difference between the reception time 308 of the own device 101 and the positioning time 314 of the other device 111 stored in the data storage device 105, and the delay time and the speed vector 316 of the other device 111 are obtained. Then, the moving direction and moving distance of the other device 111 during the delay time are calculated, and the moving distance is added to the plane position of the other device calculated in step 502 on the plane of step 501. Thereby, the position of the other device 111 at the reception time 308 of the own device 101 can be estimated. Here, the position of the other device 111 is calculated using the positioning time 314 of the other device 111. However, as described above, the navigation signal reception time of the other device 111 is used instead of the positioning time 314. May be.
  • step 505 the relative position between the own device 101 and the other device 111 is calculated by taking the difference between the planar position of the own device 101 calculated in step 502 and the planar position of the other device 111 calculated in step 504. .
  • the process proceeds to step 215.
  • step 214 is a process executed when it is determined that the relative distance cannot be calculated in any of the determinations of step 204, step 207, and step 210.
  • the relative position calculation unit 109 calculates the relative position. Is output that the calculation is impossible, and the process proceeds to step 215.
  • step 215 it is determined whether or not the own device 101 is stopped. If the own device 101 is stopped, the processing of the relative position calculation device 102 is terminated. On the other hand, if the own device 101 is not stopped, the process returns to step 202 and the processes in and after step 202 are repeated.
  • the method of calculating the relative position of the GPS by taking the difference between the GPS positions measured individually by the own aircraft and the other aircraft, all the GPS satellites used for both positioning The error caused by the error and the error caused by the GPS receiver are added to the relative position.
  • the error caused by the satellite is corrected by using a common navigation satellite (GPS satellite) between the own aircraft and the other aircraft, Compared to the conventional method, the relative position between the own device and the other device can be calculated with higher accuracy.
  • GPS satellite common navigation satellite
  • the relative position is calculated based on the navigation signals from the satellites used for positioning in each of the own aircraft and the other aircraft (see, for example, FIG. 4).
  • the relative position may be calculated based on the navigation signal from the satellite that has received the navigation signal. That is, a navigation signal that is not used for positioning may be used as long as it can be received by both the own device and the other device.
  • the distance 312 and distance error 313 of the other device 111 used when calculating the relative position are only those related to the satellite used for positioning of the other device 111 (see steps 208 and 209).
  • the relative position may be calculated using the distance 312 and the distance error 313 related to the satellite that could receive the navigation signal but was not used for the actual positioning of the other aircraft 111.
  • the distance from the own device 101 to the satellite 120 is corrected with the correction value Lci as the distance from the other device 111 to the satellite 120.
  • the correction value may be calculated based on either the distance from the other machine or the distance from the own machine.
  • the correction value should be calculated based on which one of the satellites 120 is better viewed (that is, the distance 305 (312) between the own device 101 and the other device 111 and the distance). Some of them are selected based on the smaller error 306 (313) difference). If the correction value is calculated based on the better visibility of the satellite, the accuracy of the relative position can be improved than when the other value is used as a reference.
  • satellite 101 related to all satellites from which other aircraft 111 was able to receive the navigation signal was received by own aircraft 101, and the work machine used as the reference for the correction value was changed according to the appearance of satellite 120.
  • a second embodiment of the present invention for calculating the relative position will be described below.
  • FIG. 6 is a diagram showing only the changed part (the part replaced from step 207 to step 212 in FIG. 2) extracted from the processing of the relative position calculation apparatus 102 according to the second embodiment of the present invention. .
  • Step 2 is executed.
  • the satellite selection unit 107 receives a message indicating that the processing has been completed from the position estimation unit 106 in step 205, the processing of FIG. 6 is started.
  • Steps 601 to 602 are processing of the satellite selection unit 107.
  • the satellite selection unit 107 determines in step 601 whether satellite information relating to all satellites for which the other aircraft 111 has received the navigation signal from the communication device 103 has been received. If received, the process proceeds to step 602. On the other hand, if not received, a message indicating that the satellite cannot be selected is sent to the relative position calculation unit 109, and the process proceeds to step 214 (see FIG. 2).
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the structure of data stored in the data storage device 105 of the own device 101 in the second embodiment of the present invention.
  • the total number of satellites 701 is the total number of satellites from which the other aircraft 111 has received the navigation signal
  • the satellite number 702 is the number of all satellites from which the other aircraft 111 has received the navigation signal.
  • the distance 703 is the distance from the other aircraft 111 to all the satellites from which the other aircraft 111 has received the navigation signal
  • the distance error 704 is the distance from the other aircraft 111 to all the satellites from which the other aircraft 111 has received the navigation signal. It is an error.
  • the data storage device 105 also stores a positioning error 705 when the other device 111 performs positioning. Since the received and stored data other than the above are the same as the data shown in FIG. Note that the data storage device 105 of the other device 111 stores a device in which the own device and the other device are interchanged in FIG.
  • the total number of satellites 701, the satellite number 702, the distance 703 to the satellite, the distance error 704, and the positioning error 705 of the data received via the communication device 103 are: Assume that only one set is stored, and the data in the data storage device 105 is rewritten for each set.
  • the satellite selection unit 107 reads out the satellite numbers 702 related to all the satellites from which the other aircraft 111 has received the navigation signal from the data storage device 105. Then, the satellite number 702 is compared with the satellite number 304 received by the own device 101, and the data 305, 306, 307 (satellite distance 305, distance error 306, satellites) of the own device 101 relating to the satellite numbers that overlap in both. Position 307) and data 703, 704 (satellite distance 703, distance error 704) of the other aircraft 111 related to the overlapping satellite number are read, a satellite selection completion message is sent to the position correction unit 108, and the process proceeds to step 603. .
  • Steps 603 to 606 are processing of the position correction unit 108.
  • step 603 it is determined whether the information acquired in step 602 is sufficient for positioning based on whether there are three or more overlapping satellite numbers in step 602.
  • step 604 the process proceeds to step 604
  • step 214 the process proceeds to step 214.
  • step 604 the own device 101 and the other device 111 perform a process of selecting the one with the better view of the satellite related to the overlapping satellite number in step 602. Specifically, the distance error 306 of the own device 101 calculated in step 205 is compared with the distance error 704 of the other device 111 stored in the data storage device 105, and the one with the smaller distance error is compared with the appearance of the satellite. Select which is better. The best way to get a job will be. The first one .. I ’m glad you know it is good .. I want you. _.... _ !. _! -___-..__
  • a correction value Lci is calculated based on the dump truck selected in step 604 (hereinafter sometimes referred to as a selected dump truck), and the dump truck not selected in step 604 using the correction value Lci. Recalculate the position (hereinafter sometimes referred to as non-selected dump).
  • the calculation of the correction value Lci in step 605 and the positioning calculation using the correction value Lci are performed in the same manner as the processing flow of FIG. 4 described above. Here, these calculations will be described with reference to FIG.
  • step 801 all satellite information necessary for re-positioning is acquired, and the process proceeds to step 802.
  • the satellite information acquired here is the satellite information related to the satellite number duplicated in the other device 111 and the own device 101 acquired in step 602.
  • the position correcting unit 108 selects the dump truck selected in step 604 from the distance errors 306 and 704 related to the n satellites and the distance errors 306 and 704 related to the satellite of satellite number i selected in step 802.
  • a correction value Lci used for correcting the distance ri from satellite to satellite number i is calculated.
  • the correction value Lci is the distance error ⁇ ai from the selected dump to the satellite i, the distance error ⁇ si from the unselected dump to the satellite i, and all the satellites that have received the navigation signal in common with the own aircraft 101 and the other aircraft 111 From the number n, calculation is made based on the above equation (4).
  • the correction value Lci of the distance ri from the non-selected dump to each of the n satellites 120 is calculated based on the selected dump by the above formula (4).
  • the process proceeds to step 804.
  • step 804 the correction value Lci acquired in step 803 is subtracted from the distance ri from the satellite associated with satellite number i selected in step 802 to the non-selected dump to correct the distance, and the process proceeds to step 805.
  • step 805 it is checked whether all the satellite numbers acquired in step 801 have been processed from step 802 to 804. If the distance correction processing for all satellite numbers has been completed, the process proceeds to step 806. If it has not been completed, the process returns to step 802 to repeat the processes of steps 802 to 804.
  • step 806 positioning of the non-selected dump is executed again using the corrected distance rmi obtained in the processing from step 801 to step 805.
  • the corrected position of the non-selected dump (x, y, z) is a simultaneous expression of the above equation (5). It can be calculated by solving.
  • the recalculation of the position of the non-selected dump is completed, the result is output and the process proceeds to step 213.
  • step 213 the relative position calculation unit 109 calculates the relative position between the own device 101 and the other device 111 based on the position of the non-selected dump calculated again in step 605 and the position of the selected dump in the data storage device 105.
  • the specific processing in step 213 may be performed by replacing “own device” with “non-selected dump” and “other device” with “selected dump” in the description of FIG. 5 of the first embodiment. Therefore, explanation is omitted here.
  • the error caused by the satellite is corrected by using a common navigation satellite for the own aircraft and the other aircraft. Can be calculated with high accuracy.
  • an example of a dump truck is given as the work machine.
  • the type of the work machine to which the present invention can be applied is not limited to the dump truck.
  • the present invention can be applied to any self-propelled working machine in which a receiving device capable of receiving a navigation signal from a navigation satellite such as a hydraulic excavator or a wheel loader can be mounted.
  • the relative position calculation device 102 is mounted on a dump truck as a work machine, but the installation location is not limited.
  • the relative position calculation device 102 is installed in the building of a control center that manages the operation status of a plurality of work machines, and the relative position calculation device 102 and the signal receiving device 104 and the data storage device 105 mounted on each work machine. May be configured to be capable of data communication.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications within the scope not departing from the gist thereof.
  • the present invention is not limited to the one having all the configurations described in the above embodiment, and includes a configuration in which a part of the configuration is deleted.
  • a part of the configuration according to one embodiment can be added to or replaced with the configuration according to the other embodiment.
  • each configuration related to the relative position calculation device 102, functions and execution processing of each configuration, etc. are partly or entirely hardware (for example, logic for executing each function is designed by an integrated circuit). It may be realized with.
  • the configuration related to the relative position calculation device 102 may be a program (software) that realizes each function related to the configuration of the control device by being read and executed by the calculation processing device (for example, CPU).
  • Information related to the program can be stored in, for example, a semiconductor memory (flash memory, SSD, etc.), a magnetic storage device (hard disk drive, etc.), a recording medium (magnetic disk, optical disc, etc.), and the like.
  • control line and the information line are shown to be understood as necessary for the description of the embodiment, but all the control lines and information lines related to the product are not necessarily included. It does not always indicate. In practice, it can be considered that almost all the components are connected to each other.

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Abstract

　複数の衛星（１２０）の少なくとも１基から航法信号を受信する第１ダンプトラック（１０１）と、複数の衛星（１２０）の少なくとも１基から航法信号を受信する第２ダンプトラック（１１１）と、複数の衛星（１２０）のうち共通の衛星から第１ダンプトラック（１０１）と第２ダンプトラック（１１１）がそれぞれ受信した航法信号に基づいて、第１ダンプトラック（１０１）と第２ダンプトラック（１１１）の相対位置を算出する相対位置演算装置（１０２）とを備える。これにより衛星測位システムによる測位誤差の影響が少なくなり、２つのダンプトラック（１０１，１１１）間の相対位置算出精度を向上できる。

Description

作業機械の相対位置演算システム
　本発明は、鉱山で移動するダンプトラックを含む作業機械の相対位置演算システムに関する。
　鉱山で移動するダンプトラックを含む作業機械は、その走行路が限られており、追い越しや擦れ違い、また、油圧ショベルをはじめとする他の作業機械に接近する必要に迫られる。特に鉱山で利用される作業機械（鉱山機械）は大型であることが多いため、機械同士が接近した際に接触すると大きな事故になることが多く、衝突防止の機能が強く求められている。衝突防止のためには他機との相対位置を知る必要があり、従来の技術にも複数の車両間の相対位置を取得する方法が開示されている。
　例えば、特開２０１１－２２１８６９号公報では、各車両が単独でグローバルポジショニングシステム(Global Positioning System：以下、GPSと称する)を使用して測位した位置（GPS位置）を２台の車両で通信し合い、当該２台の車両の相対的な位置を算出する方法が開示されている。また、特開２００７－１６４２８０号公報では、各機械で測位したGPS位置を監視局に送信し、監視局から他機へ配信する方法が開示されている。これらの方法を用いれば、各車両間の相対位置を計算することができる。
特開２０１１－２２１８６９号公報 特開２００７－１６４２８０号公報
　しかし、上記のように２台の車両がそれぞれに衛星測位システム（GPS）で測位した結果を用いて相対位置を算出する手法では、各車両の測位の途中で含まれる誤差（測位誤差）の影響で、その相対位置には各車両分の測位誤差が含まれてしまい、十分な精度で相対位置を計測できない。
　本発明の目的は、上記のような衛星測位システムによる測位誤差の影響を少なくし、２つの作業機械間の相対位置算出精度を向上できる相対位置演算システムを提供することにある。
　本発明は、上記目的を達成するために、複数の衛星の少なくとも1基から航法信号を受信する第１作業機械と、前記複数の衛星の少なくとも１基から航法信号を受信する第２作業機械と、前記複数の衛星のうち共通の衛星から前記第１作業機械と前記第２作業機械がそれぞれ受信した航法信号に基づいて、前記第１作業機械と前記第２作業機械の相対位置を算出する相対位置演算装置とを備えるものとする。
　本発明によれば相対位置算出精度を向上できる。
本発明の第１の実施の形態に係る相対位置演算システムの構成例。 本発明の第１の実施の形態に係る相対位置演算処理のフロー。 本発明の第１の実施の形態におけるデータ記憶装置に記憶されているデータの構造例。 他機の衛星情報を用いた自機の位置の再計算の処理フロー。 相対位置の計算処理フロー。 本発明の第２の実施の形態に係る相対位置演算処理フローの一部を抽出して示した図。 本発明の第２の実施の形態におけるデータ記憶装置に記憶されているデータの構造例。 本発明の第２の実施の形態における非選択作業機械の位置の再計算の処理フロー
（第１の実施の形態）
　まず、本発明の第１の実施の形態について図面を用いて説明する。第１の実施の形態に係る作業機械の相対位置演算システムは、作業機械として、主に鉱山で利用される複数の大型ダンプトラック（鉱山ダンプ）の相対位置を演算するものであり、相対位置を計算する前にはお互いの情報が無い場合の例である。
　図１に本発明の第１の実施の形態に係る相対位置演算システムの構成例を示す。この図に示す相対位置演算システムに含まれる複数のダンプトラック１０１，１１１は、それぞれ、複数のGPS衛星１２０から送信される航法信号を受信して自己の位置を計算している。図１中には、GPS衛星１２０として、７基の衛星１２０ａ～１２０ｇが示されている。図１に示した状態では、当該７基の衛星１２０ａ～１２０ｇのうち２台のダンプトラック１０１，１１１の双方が航法信号を受信できているものは、３基（衛星１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ）存在している。
　なお、図１中には２台のダンプトラック１０１，１１１のみを示しているが本システムを構成するダンプトラックの台数は３台以上でも良い。また、簡略化して図１中にはダンプトラック１０１の構成のみを示すが、ダンプトラック１１１も同様の構成を備えるものとする。さらに、ここでは、作業機械の一例としてダンプトラック１０１，１１１のみを利用したシステムについて説明するが、油圧ショベルやホイールローダなどの他の作業機械でシステムを構成しても良いし、ダンプトラックにこれら他の作業機械を含めてシステムを構築しても良い。
　ここでは、ダンプトラック１０１を「自機」または「第１作業機械」と称することがあり、ダンプトラック１１１を「他機」または「第２作業機械」と称することがある。また、本実施の形態に係るシステムに含まれる複数のダンプトラック１０１，１１１は、全て共通の時刻（例えば、世界協定時刻（UTC時刻））に基づいて管理されており、各ダンプトラック１０１，１１１の相対距離は各GPS衛星１２０までの距離に比べて充分に近く、各ダンプトラック１０１，１１１は同一平面上に存在すると仮定できるものとする。
　図１において、各ダンプトラック１０１，１１１は、無線通信により他のダンプトラック（例えば、ダンプトラック１１１）や管制センタ（図示せず）のコンピュータ等と情報（例えば、航法信号に含まれる情報および当該情報から算出される情報（衛星情報））を交換するための通信装置１０３と、各GPS衛星１２０から送信される航法信号（航法信号）を受信する信号受信装置（GPS受信装置）１０４と、航法信号に含まれるGPS衛星１２０の情報（例えば、衛星番号、航法信号の送信時刻、衛星軌道情報、衛星位置）やその他の情報を記憶するデータ記憶装置１０５と、自機と他機の相対位置を算出する相対位置演算装置１０２を備えている。
　相対位置演算装置１０２は、コンピュータで構成されており、信号受信装置１０４で取得した航法信号を基に自機の位置を算出する位置推定部１０６と、信号受信装置１０４で取得した航法信号のうち実際に測位に用いるものを絞り込む衛星選択部１０７と、補正値Lciに基づいて自機の位置を改めて算出する位置補正部１０８と、他のダンプトラックとの相対位置を計測する相対位置演算部１０９を備えている。図１において相対位置演算装置１０２に係る各部および通信装置１０３を接続する線分の矢印の向きは、データの流れを示している。
　次にダンプトラック１０１で実行される相対位置算出処理について説明する。図２に相対位置算出処理のフローを示す。この図に示すように、ステップ２０１では相対位置演算装置１０２を起動しステップ２０２へ移行する。本実施の形態では、相対位置演算装置１０２、信号受信装置１０４、データ記憶装置１０５、通信装置１０３の起動は、ダンプトラック１０１の起動と同期して行われる。
　ステップ２０２およびステップ２０３は信号受信装置１０４内で実行される処理である。ステップ２０２では、複数のGPS衛星１２０から送信される航法信号を信号受信装置１０４にて受信し、これを衛星情報に変換したものをデータ記憶装置１０５に記憶し、ステップ２０３へ移行する。
　ステップ２０２で受信される航法信号には、当該航法信号を出力した衛星の番号（衛星番号）と、当該衛星自身の位置を示す情報と、当該航法信号が出力された時刻（ts）とが含まれる。そして、衛星までの距離rは、航法信号が出力された時刻（ts）と、受信装置１０４で受信した時刻（tt）により、下記の式（１）により求めることができる。ただし、cは光速とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、図３に自機１０１または他機１１１のデータ記憶装置１０５に記憶されているデータの構造例を示す。データ記憶装置１０５には、当該時刻において記憶されている全ての情報の記憶数が総情報数３０１として記憶されている。総情報数３０１は、自機が航法信号を受信した衛星１２０の総数を示す自機情報数３０２と、他機が航法信号を受信した衛星１２０の総数を示す他機情報数３０９の合計である。
　さらに、自機が航法信号を受信した衛星１２０の総数を示す総衛星数３０３と、自機が航法信号を受信した各衛星１２０の衛星番号３０４、自機が航法信号を受信した各衛星１２０までの距離３０５、自機が航法信号を受信した各衛星１２０までの距離誤差３０６、自機が航法信号を受信した各衛星１２０の位置（衛星位置）３０７が記憶されている。
　また、データ記憶装置１０５には、自機が航法信号を受信した時刻３０８がUTC時刻で記憶されている。また、データ記憶装置１０５に記憶された他機に係る情報としては、例えば、他機が測位に使用した衛星に係る情報３１１，３１２，３１３が記憶されており、このデータについては後述する。
　データ記憶装置１０５に記憶されたデータうち、衛星番号３０４および衛星位置３０７は各衛星１２０からの航法信号に情報として含まれている。距離３０５（第１衛星距離）は、各衛星１２０からの航法信号と時刻３０８に基づいて、上記式（１）によって算出できる。距離誤差３０６の説明および算出方法については後述する。なお、距離誤差３０６の初期値は０であり、後述のステップ２０５で位置推定後に計算される値をもって順次書き換えられる。
　ステップ２０３では、位置算出周期であるかを判断し、位置算出周期であれば、位置推定部１０６へメッセージを送信し、ステップ２０４へ移行する。位置算出周期でなければステップ２０２へ戻る。位置算出周期に特に限定は無く、タイマで所定の時間経過を計測しても良いし、通信装置１０３を介して受信するメッセージ等をトリガとしても良い。
　次にステップ２０４から２０６について説明する。ステップ２０４からステップ２０６は位置推定部１０６内で実行される処理である。
　ステップ２０４では、ステップ２０２で記憶した衛星情報が、測位をするために十分蓄積されたかどうかを判断する。位置の推定（測位）には少なくとも３基以上の衛星から航法信号を受信する必要があるため、本実施の形態に係るステップ２０４では、測位のための十分な衛星情報が蓄積されたか否かの判断を、３基以上の衛星１２０から航法信号が受信できたかどうかで判断している。ステップ２０４において、蓄積した衛星情報が十分であると判断された場合にはステップ２０５へ移行し、不十分であると判断された場合にはステップ２０６へ移行する。
　ステップ２０５では、３基以上の衛星１２０から受信した航法信号から自機位置を算出する。ステップ２０５における位置の算出には三角測量の原理を用いる。例えば、全部でN基の衛星１２０からの航行信号が受信でき、そのうちの第i番目（i=1, 2, …, N）の衛星の位置を(Xi、Yi、Zi)とし、当該第i番目の衛星から受信した航法信号から算出される当該衛星までの距離（第１衛星距離）３０５をriとし、誤差をsとすると、自機１０１の位置(x、y、z)は、下記式（２）で表される方程式を連立して解くことで推定できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、上記式（２）などで算出した位置と共にその誤差ｓを考慮し、位置算出に、カルマンフィルタなどの確率モデルフィルタを使用して、受信した信号から最尤な位置推定を行う。
　次に，上記式（２）の解から推定された自機位置と、各衛星１２０の位置３０７とに基づいて、自機１０１から各衛星１２０までの距離（第２衛星距離）を算出し、当該算出距離と、各衛星１２０からの航法信号から算出される衛星までの距離（第１衛星距離）３０５との差分から距離誤差ε３０６を算出する。すなわち、第i番目の衛星位置の距離誤差εi３０６は、式（２）によって求められた自機位置を（Px,Py,Pz）とし、第i番目の衛星の位置を(Xi、Yi、Zi)とし、当該第i番目の衛星までの距離（第１衛星距離）３０５をriとすると、次の式（３）によって表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで計算された衛星iの距離誤差ε３０６は、データ記憶装置１０５に保存され、さらに、データ記憶装置１０５に保存された衛星情報３０３から３０７とともに通信装置１０３を介して他機１１１へ向け送信される。なお、他機１１１でも同様に、上記において自機１０１を用いて説明したステップ２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６に係る処理が実行されており、他機１１１のデータ記憶装置１０５に保存された衛星情報のうち他機１１１が測位に使用した衛星に係る情報（図３に示したデータ記憶装置１０５において、衛星番号３１１、衛星距離（第３衛星距離）３１２、距離誤差３１３として記憶されるデータ）は、他機１１１の通信装置１０３を介して自機１０１の通信装置１０３に向けて送信される。なお、他機１１１のデータ記憶装置１０５には、図３に示すように、他機情報数３０９と、総衛星数３１０と、衛星番号３１１と、衛星までの距離３１２と、距離誤差３１３が記憶されている。
　他機１１１への衛星情報３０３から３０７の送信が完了したら、自機１０１の位置推定部１０６は、終了メッセージを衛星選択部１０７へ送り、ステップ２０７へ移行する。
　一方、ステップ２０４において、測位のための十分な衛星情報が蓄積されていないと判断された場合には、自機１０１の測位が不可能であるので、ステップ２０６において位置未測位の結果を出力し、相対位置演算部１０９へメッセージを送り、ステップ２１４へ移行する。
　次にステップ２０７から２０９について説明する。ステップ２０７からステップ２０９は衛星選択部１０７の処理である。
　ステップ２０７では、通信装置１０３から他機１１１が測位に使用した衛星に係る衛星情報を受信しているかを判断する。受信していた場合はステップ２０８へ移行し、受信していない場合は、相対位置演算部１０９へ衛星選択不能のメッセージを送り、ステップ２１４へ移行する。
　自機１０１の通信装置１０３は、他機１１１からの通信を受動的に待ち受けており、通信装置１０３を介して受信したデータはデータ記憶装置１０５に記憶される。自機１０１が通信装置１０３を介して受信する他機１１１のデータには、他機１１１が航法信号を受信して測位に使用した３基以上の衛星番号３１１と、当該３基以上の衛星１２０までの距離３１２と、その距離誤差３１３が含まれており、これらは他機１１１が測位に使用した衛星の数だけ存在する。自機１０１では、これらのデータ３１１，３１２，３１３は、他機１１１で１回の測位で利用・算出したもの（１セットとする）だけをデータ記憶装置１０５に記憶しておくものとし、その後の測位で他機１１１が利用・算出した新たなデータ３１１，３１２，３１３が送信されてきた場合には、古いデータを削除して当該新たなデータをデータ記憶装置１０５へ記録する。すなわち、データ記憶装置１０５の他機１１１に係るデータ３１１，３１２，３１３は、１セット毎に書き換えられる。
　また、自機１０１が通信装置１０３を介して受信する他機１１１のデータには、さらに、他機１１１が受信した航法信号に基づいて測位した時刻（当該航法信号を受信した時刻でも良い）３１４と、当該測位時に同時に計算された他機１１１の速度ベクトル３１６および姿勢ベクトル３１７と、他機１１１の車体基準位置に対する信号受信装置（GPS受信機）１０４の取り付け位置の差（GPS取付位置）３１８が含まれている。
　ステップ２０８では、衛星選択部１０７は、他機１１１が測位に使用した衛星番号３１１をデータ記憶装置１０５から全て読み出し、位置補正部１０８へ衛星選択完了のメッセージを送り、ステップ２０９へ移行する。
　ステップ２０９では、ステップ２０８で読み出した他機１１１が測位に使用した衛星番号３１１と、自機１０１が受信した衛星番号３０４とを比較し、両者で重複する衛星番号に係る自機１０１のデータ３０５，３０６，３０７（衛星距離３０５、距離誤差３０６、衛星位置３０７）を読み出し、ステップ２１０へ移行する。具体的には、ステップ２０９において、複数の衛星１２０のうち自機１０１と他機１１１の双方が航法信号を受信でき、それぞれ自己の測位に利用した共通の衛星に係るデータであって、自機１０１から当該共通の衛星のそれぞれまでの距離３０５と、その距離誤差３０６と、当該共通の衛星のそれぞれの位置３０７が読み出される。例えば、図１の例では、３基の衛星１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃに係るデータ３０５，３０６，３０７が読み出される。
　次にステップ２１０からステップ２１２について説明する。ステップ２１０からステップ２１２は位置補正部１０８の処理である。
　ステップ２１０では、位置補正部１０８は、ステップ２０９で取得した衛星距離３０５、距離誤差３０６および衛星位置３０７が、後述するステップ２１２に係る自機１０１の再測位に十分であるか否かを判断する。再測位に十分か否かは、ステップ２０４と同様に、３基以上の衛星１２０に係るデータがステップ２０９で取得できたか否かで判断する。すなわち、ステップ２０９の重複する衛星の番号が３つ以上存在すれば測位に十分であると判断される。ここで測位に十分な場合にはステップ２１１へ移行する。一方、測位に不十分である場合は、相対位置演算部１０９にメッセージを送ってステップ２１４へ移行する。
　ステップ２１１では、位置補正部１０８は、ステップ２０９で取得した衛星距離３０５、距離誤差３０６および衛星位置３０７に加え、ステップ２０９の重複する衛星番号に係る他機１１１の距離３１２および距離誤差３１３を取得し、ステップ２１２へ移行する。
　ステップ２１２では、ステップ２０９およびステップ２１１で得た情報を基に補正値Lciを算出し、自機１０１の位置を改めて計算する（自機１０１の再測位）。ここで、この他機１１１の衛星情報を用いた自機１０１の位置の再計算の処理フローについて図４を用いて更に詳しく説明する。
　図４において、ステップ４０１では、再測位に必要な衛星情報を全て取得し、ステップ４０２に移行する。ここで取得する衛星情報には、ステップ２０９およびステップ２１１で取得した他機１１１と自機１０１で重複した衛星番号に係る衛星情報（具体的には、自機１０１から各衛星までの距離３０５、距離誤差３０６および衛星位置３０７と、他機１１１から各衛星までの距離３１２および距離誤差３１３）である。
　ステップ４０２では、ステップ４０１で取得したｎ基の衛星に係る衛星番号の中から、一つの衛星番号iを選び出し、ステップ４０３へ移行する（i＝１，２，…ｎ（但し、ｎは３以上））。
　ステップ４０３において、位置補正部１０８は、ｎ基分の衛星に係る距離誤差３０６，３１３と、ステップ４０２で選び出した衛星番号iの衛星に係る距離誤差３０６，３１３から、自機１０１から衛星番号iの衛星までの距離ri３０５の補正に利用する補正値Lciを算出する。補正値Lciは、他機１１１が計算した衛星iまでの距離誤差εai３１３と、自機１０１が計算した衛星iまでの距離誤差εsi３０６と、自機１０１および他機１１１で共通して航法信号を受信した全衛星数ｎとから、下記式（４）に基づいて計算する。下記式（４）では、他機１１１からｎ基の衛星１２０のそれぞれまでの距離を基準にして、自機１０１からｎ基の衛星１２０のそれぞれまでの距離ri３０５の補正値Lciを計算している。補正値Lciの計算が終わったらステップ４０４に進む。なお、自機１０１を基準にした補正値を計算する場合には、下記式（４）において、距離誤差εaiを距離誤差εsiとし、距離誤差εsiを距離誤差εaiとして計算すれば良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ステップ４０４では、ステップ４０２で選択した衛星番号iに係る衛星から自機１０１までの距離３０５riからステップ４０３で取得した補正値Lciを差し引いて当該距離を補正する。これにより衛星番号iに係る衛星から他機１１１までの距離を基準にして、衛星番号iに係る衛星から自機１０１までの距離が補正される。衛星番号iに係る衛星から自機１０１までの距離の補正が終了したらステップ４０５へ移行する。ここでは補正後の距離をrmiとする（i＝１，２，…ｎ（但し、ｎは３以上））。
　ステップ４０５では、ステップ４０１で取得した全衛星番号についてステップ４０２から４０４まで処理したかを確認し、全ての衛星番号に係る衛星までの距離の補正処理が完了している場合は、ステップ４０６へ移行し、完了していない場合はステップ４０２へ戻り、ステップ４０２から４０４の処理を繰り返す。
　ステップ４０６では、ステップ４０１からステップ４０５までの処理で得た補正後の距離rmiを用いて自機１０１の測位を再度実行する。自機１０１の測位計算は以下のように計算する。ステップ４０１で得た衛星情報がN基分であった場合、第i番目（i＝１，２，…N（但し、Nは３以上））の衛星の位置を(Xi、Yi、Zi)とし、他機１１１から取得した情報により補正した第i番目の衛星の距離rmiとすると、補正後の自機１０１の位置(x、y、z)は、下記式（５）で表される方程式を連立して解くことで算出できる。自機１０１の位置の再計算が終了したら、その結果を出力し、ステップ２１３へ移行する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図２に戻り、ステップ２１３において、相対位置演算部１０９は、ステップ２１２で改めて計算した自機１０１の位置と、他機１１１の位置３１５に基づいて、自機１０１と他機１１１の相対位置を計算する。ここで、ステップ２１３で実行される相対位置の計算処理フローの一例について図５を用いて更に詳しく説明する。図５の例では、相対位置演算部１０９は、ステップ２１２で改めて計算した自機１０１の位置と、データ記憶装置１０５から取得される自機の受信時刻３０８と、他機の測位時刻３１４、測位位置３１５、速度ベクトル３１６、姿勢ベクトル３１７およびGPS取付位置３１８とに基づいて、自機１０１と他機１１１の相対位置を計算している。
　図５において、相対位置演算部１０９は、ステップ２１２が終了したら、ステップ５０１において、既知の自機１０１の信号受信装置（GPS受信装置）１０４の取付位置（GPS位置）から自機１０１が走行中の平面を推定し、ステップ２１２で再計算した自機１０１の位置を該平面へ射影した点を新たな自機１０１の位置とする。
　次にステップ５０２では、他機１１１の測位位置３１５、測位時刻３１４、速度ベクトル３１６、姿勢ベクトル３１７およびGPS取付位置３１８をデータ記憶装置１０５から取得し、ステップ５０３へ移行する。
　ステップ５０３では、ステップ５０２で取得した他機１１１の測位位置３１５を始点にして姿勢ベクトル３１７の方向へベクトルを伸ばし、当該ベクトルがステップ５０１の平面と交わった点を他機１１１の平面上位置とする。
　次にステップ５０４では、データ記憶装置１０５に記憶された、自機１０１の受信時刻３０８と他機１１１の測位時刻３１４の差から通信遅延時間を求め、当該遅延時間と他機１１１の速度ベクトル３１６から、遅延時間中の他機１１１の移動方向および移動距離を算出し、ステップ５０１の平面上で当該移動距離をステップ５０２で計算した他機の平面上位置に足し合わせる。これにより自機１０１の受信時刻３０８における他機１１１の位置を推定できる。なお、ここでは、他機１１１の測位時刻３１４を利用して他機１１１の位置を算出したが、先述のように、測位時刻３１４に代えて、他機１１１の航法信号の受信時刻を利用しても良い。
　次にステップ５０５にて、ステップ５０２で計算した自機１０１の平面位置とステップ５０４で計算した他機１１１の平面位置の差を取ることで、自機１０１と他機１１１の相対位置を計算する。相対位置の計算を終了したら、ステップ２１５に移行する。
　ところで、ステップ２１４は、ステップ２０４、ステップ２０７およびステップ２１０のいずれかの判断で相対距離算出が不可能であると判断された場合に実行される処理であり、相対位置演算部１０９は、相対位置が算出不能である旨の通知を出力し、ステップ２１５へ移行する。
　ステップ２１５では、自機１０１が停止しているか否かを判断し、自機１０１が停止している場合には、相対位置演算装置１０２の処理を終了する。一方、自機１０１が停止していない場合には、ステップ２０２へ戻って、ステップ２０２以降の処理を繰り返す。
　冒頭で述べた従来技術における手法のように、自機と他機で個別に測位したGPS位置の差を取って両者の相対位置を算出する方法では、両者の測位に使用された全てのGPS衛星に起因する誤差およびGPS受信機に起因する誤差が相対位置に付与されてしまう。これに対して、上記のように構成した本実施の形態によれば、自機と他機で共通の航法衛星（GPS衛星）を使用することで、衛星に起因する誤差が補正されるため、従来の方法よりも、自機と他機の相対位置を高精度に算出することが可能になる。
　なお、上記の実施の形態では、自機と他機のそれぞれで測位に利用した衛星からの航法信号に基づいて相対位置を算出したが（例えば図４参照）、自機と他機の双方で航法信号を受信できた衛星からの航法信号に基づいて相対位置の算出をしても良い。すなわち、自機と他機の双方で受信できていれば、測位に利用しなかった航法信号を利用しても良い。
　ところで、上記の実施の形態では、相対位置の算出時に利用する他機１１１の距離３１２および距離誤差３１３は、他機１１１の測位に使用した衛星に係るもののみであった（ステップ２０８，２０９参照）。しかし、相対位置の算出には、航法信号は受信できていたが実際の他機１１１の測位には利用しなかった衛星に係る距離３１２および距離誤差３１３を利用しても良い。このように相対位置を算出する場合には、他機１１１から自機１０１へのデータ転送量と、相対位置の算出にともなう計算量が増加するものの、図２のステップ２１０において十分な衛星情報が存在する可能性を大幅に高めることができ、相対位置が算出不能となる機会を大幅に減らすことができる。
　また、上記の実施の形態では、ステップ４０３や式（４）で示したように、他機１１１から衛星１２０までの距離として、自機１０１から衛星１２０までの距離を補正値Lciで補正したが、他機からの距離と自機からの距離のどちらを基準として補正値を算出しても良い。自機１０１と他機１１１のどちらを基準として補正値を算出すべきかについては、各衛星１２０の見え方が良い方（すなわち、自機１０１と他機１１１のうち、距離３０５（３１２）と距離誤差３０６（３１３）の差が小さい方）を基準として選択するものがある。衛星の見え方が良い方を基準として補正値を計算すると、他方を基準とする場合よりも、相対位置の精度を高めることができる。
　上記２点を踏まえて、他機１１１が航法信号を受信できた全ての衛星に係る衛星情報を自機１０１で受信し、衛星１２０の見え方で補正値の基準とする作業機械を変更して相対位置を計算する本発明の第２の実施の形態について以下に述べる。
　本発明の第２の実施の形態に係る相対位置演算システムの基本構成は、図１に示したものと同じであり、図示は省略する。また、第２の実施の形態の相対位置算出処理フローは、図２のものとステップ２０７からステップ２１２までが異なるが、他のステップは同じであり、同じステップについては説明を省略する。図６は、本発明の第２の実施の形態に係る相対位置演算装置１０２の処理のうち変更部分（図２のステップ２０７からステップ２１２に代替する部分）だけを抽出して示した図である。
　図２に示したステップ２０１からステップ２０５の一連の処理が実行され、ステップ２０５において、衛星選択部１０７が位置推定部１０６から処理を終了したメッセージを受信すると、図６の処理が開始される。ステップ６０１からステップ６０２は衛星選択部１０７の処理である。
　図６の処理が開始されると、衛星選択部１０７は、ステップ６０１において、通信装置１０３から他機１１１が航法信号を受信した全ての衛星に係る衛星情報が受信されているかを判断する。受信していた場合はステップ６０２へ移行する。一方、受信していない場合は、相対位置演算部１０９へ衛星選択不能のメッセージを送り、ステップ２１４（図２参照）へ移行する。
　通信装置１０３は受動的に通信を待ち受けており、通信装置１０３を介して自機１０１が受信する他機１１１のデータは、全てデータ記憶装置１０５に記憶される。図７は、本発明の第２の実施の形態において自機１０１のデータ記憶装置１０５に記憶されるデータの構造例を示した図である。
　図７において、総衛星数７０１は、他機１１１が航法信号を受信した衛星の総数であり、衛星番号７０２は、他機１１１が航法信号を受信した全ての衛星の番号であり、衛星までの距離７０３は、他機１１１から他機１１１が航法信号を受信した全ての衛星までの距離であり、距離誤差７０４は、他機１１１から他機１１１が航法信号を受信した全ての衛星までの距離誤差である。また、データ記憶装置１０５には、他機１１１が測位した際の測位誤差７０５も記憶される。上記以外の受信および記憶データは図３に示されたデータと同じであるため、説明は省略する。なお、他機１１１のデータ記憶装置１０５には、図７において自機と他機を入れ替えたものが記憶されている。
　また、便宜上、第１の実施の形態と同様に、通信装置１０３を介して受信したデータのうち、総衛星数７０１、衛星番号７０２、衛星までの距離７０３、距離誤差７０４および測位誤差７０５は、１セット分だけを蓄積し、１セット毎にデータ記憶装置１０５のデータを書き換えるものとする。
　ステップ６０２では、衛星選択部１０７は、他機１１１が航法信号を受信した全ての衛星に係る衛星番号７０２をデータ記憶装置１０５から読み出す。そして、当該衛星番号７０２と、自機１０１が受信した衛星番号３０４とを比較し、両者で重複する衛星番号に係る自機１０１のデータ３０５，３０６，３０７（衛星距離３０５、距離誤差３０６、衛星位置３０７）と、当該重複する衛星番号に係る他機１１１のデータ７０３，７０４（衛星距離７０３、距離誤差７０４）を読み出し、位置補正部１０８へ衛星選択完了のメッセージを送り、ステップ６０３へ移行する。
　ステップ６０３からステップ６０６は位置補正部１０８の処理である。ステップ６０３では、ステップ６０２の重複する衛星の番号が３つ以上存在するか否かに基づいて、ステップ６０２で取得した情報が測位に十分であるかを判断する。ここで、十分な場合はステップ６０４へ移行し、測位に不十分である場合はステップ２１４へ移行する。
　ステップ６０４では、自機１０１と他機１１１で、ステップ６０２の重複する衛星の番号に係る衛星の見え方が良い方を選択する処理を行う。具体的には、ステップ２０５で計算した自機１０１の距離誤差３０６と、データ記憶装置１０５に記憶されている他機１１１の距離誤差７０４の比較を行い、距離誤差の小さい方を衛星の見え方が良い方として選択する。
　ステップ６０５では、ステップ６０４で選択されたダンプトラック（以下、選択ダンプと称することがある）を基準にして補正値Lciを計算し、その補正値Lciを用いてステップ６０４で選択されなかったダンプトラック（以下、非選択ダンプと称することがある）の位置を再計算する。ステップ６０５における補正値Lciの計算と、補正値Lciを利用した測位計算は、先述の図４の処理フローと同様に行われるが、ここでは図８を参照してこれらの計算について説明する。
　図８において、ステップ８０１では、再測位に必要な衛星情報を全て取得し、ステップ８０２に移行する。ここで取得する衛星情報には、ステップ６０２で取得した他機１１１と自機１０１で重複した衛星番号に係る衛星情報である。
　ステップ８０２では、ステップ８０１で取得したｎ基の衛星に係る衛星番号の中から、一つの衛星番号iを選び出し、ステップ８０３へ移行する（i＝１，２，…ｎ（但し、ｎは３以上））。
　ステップ８０３において、位置補正部１０８は、ｎ基分の衛星に係る距離誤差３０６，７０４と、ステップ８０２で選び出した衛星番号iの衛星に係る距離誤差３０６，７０４から、ステップ６０４で選択したダンプトラックから衛星番号iの衛星までの距離riの補正に利用する補正値Lciを算出する。補正値Lciは、選択ダンプから衛星iまでの距離誤差εaiと、非選択ダンプから衛星iまでの距離誤差εsiと、自機１０１および他機１１１で共通して航法信号を受信した全衛星数ｎとから、上記式（４）に基づいて計算する。ここでは、上記式（４）によって、選択ダンプを基準にして非選択ダンプからｎ基の衛星１２０のそれぞれまでの距離riの補正値Lciを計算している。補正値Lciの計算が終わったらステップ８０４に進む。
　ステップ８０４では、ステップ８０２で選択した衛星番号iに係る衛星から非選択ダンプまでの距離riからステップ８０３で取得した補正値Lciを差し引いて当該距離を補正し、ステップ８０５へ移行する。ここでは補正後の距離をrmiとする（i＝１，２，…ｎ（但し、ｎは３以上））。
　ステップ８０５では、ステップ８０１で取得した全衛星番号についてステップ８０２から８０４まで処理したかを確認し、全ての衛星番号に係る衛星までの距離の補正処理が完了している場合は、ステップ８０６へ移行し、完了していない場合はステップ８０２へ戻り、ステップ８０２から８０４の処理を繰り返す。
　ステップ８０６では、ステップ８０１からステップ８０５までの処理で得た補正後の距離rmiを用いて非選択ダンプの測位を再度実行する。非選択ダンプの測位計算は以下のように計算する。ステップ８０１で得た衛星情報がN基分であった場合、第i番目（i＝１，２，…N（但し、Nは３以上））の衛星の位置を(Xi、Yi、Zi)とし、選択ダンプから取得した情報により補正した第i番目の衛星の距離rmiとすると、補正後の非選択ダンプの位置(x、y、z)は、上記式（５）で表される方程式を連立して解くことで算出できる。非選択ダンプの位置の再計算が終了したら、その結果を出力し、ステップ２１３へ移行する。
　ステップ２１３では、相対位置演算部１０９は、ステップ６０５で改めて計算した非選択ダンプの位置と、データ記憶装置１０５内の選択ダンプの位置に基づいて、自機１０１と他機１１１の相対位置を計算する。ステップ２１３の具体的な処理は、第１の実施の形態の図５の説明において、「自機」を「非選択ダンプ」と読み替えて、「他機」を「選択ダンプ」と読み替えればよいので、ここでは説明は省略する。
　このように構成した本実施の形態によっても、自機と他機で共通の航法衛星を使用することで、衛星に起因する誤差が補正されるため、従来の方法よりも、自機と他機の相対位置を高精度に算出することが可能になる。
　ところで、上記の実施の形態では、作業機械としてダンプトラックの例を挙げたが、本発明が適用可能な作業機械の種類はダンプトラックに限らない。例えば、油圧ショベルや、ホイールローダなど、航法衛星からの航法信号が受信可能な受信装置が搭載可能な自走式の作業機械であれば、本発明は適用可能である。
　また、上記の実施の形態では、相対位置演算装置１０２を作業機械であるダンプトラックに搭載する場合について説明したが、その設置場所に限定はない。例えば、複数の作業機械の稼働状況を管理する管制センタの建屋内に相対位置演算装置１０２を設置し、当該相対位置演算装置１０２と各作業機械に搭載された信号受信装置１０４およびデータ記憶装置１０５とをデータ通信可能に構成しても良い。
　なお、本発明は、上記の各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、一方の実施の形態に係る構成の一部を、他方の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。
　また、上記の相対位置演算装置１０２に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、上記の相対位置演算装置１０２に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該制御装置の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。
　また、上記の各実施の形態の説明では、制御線や情報線は、当該実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。
　１０１…ダンプトラック（自機）、１０２…相対位置演算装置、１０３…通信装置、１０４…信号受信装置、１０５…データ記憶装置、１０６…位置推定部、１０７…衛星選択部、１０８…位置補正部、１０９…相対位置演算部、１１１…ダンプトラック（他機）、１２０…GPS衛星、３０５…自機から衛星までの距離（第１衛星距離）、３０６…自機から衛星までの距離誤差、３０７…衛星位置、３１２…他機から衛星までの距離（第３衛星距離）、３１３…他機から衛星までの距離誤差、Lci…補正値

Claims (4)

  1. 　複数の衛星の少なくとも1基から航法信号を受信する第１作業機械と、
    　前記複数の衛星の少なくとも１基から航法信号を受信する第２作業機械と、
    　前記複数の衛星のうち共通の衛星から前記第１作業機械と前記第２作業機械がそれぞれ受信した航法信号に基づいて、前記第１作業機械と前記第２作業機械の相対位置を算出する相対位置演算装置とを備えることを特徴とする作業機械の相対位置演算システム。
  2. 　請求項１に記載の作業機械の相対位置演算システムにおいて、
    　前記共通の衛星は、前記複数の衛星のうち前記第１作業機械と前記第２作業機械の双方が航法信号を受信できた３基以上の衛星であり、
    　前記相対位置演算装置は、
    　　前記複数の衛星から前記第１作業機械と前記第２作業機械が受信した航法信号に基づいて、前記第１作業機械の位置と前記第２作業機械の位置をそれぞれ算出し、
    　　その算出結果に基づいて前記第１作業機械から前記共通の衛星のそれぞれまでの距離を補正して前記第１作業機械の位置を改めて算出し、
    　　当該改めて算出した前記第１作業機械の位置と前記第２作業機械の位置から前記第１作業機械と前記第２作業機械の相対位置を算出する相対位置演算装置を備えることを特徴とする相対位置演算システム。
  3. 　請求項２に記載の作業機械の相対位置演算システムにおいて、
    　前記相対位置演算装置は、
    　　前記複数の衛星のいずれかから前記第１作業機械が受信した航法信号に基づいて、前記第１作業機械から当該航法信号を送信した衛星までの距離である第１衛星距離を算出し、
    　　当該第１衛星距離と、前記第１作業機械が受信した前記航法信号を送信した衛星の位置とに基づいて、前記第１作業機械の位置を算出し、
    　　当該第１作業機械の位置と、前記第１作業機械が受信した前記航法信号を送信した衛星の位置とに基づいて、前記第１作業機械から当該航法信号を送信した衛星までの距離である第２衛星距離を算出し、
    　　前記複数の衛星のいずれかから前記第２作業機械が受信した航法信号に基づいて、前記第２作業機械から当該航法信号を送信した衛星までの距離である第３衛星距離を算出し、
    　　当該第３衛星距離と、前記第２作業機械が受信した前記航法信号を送信した衛星の位置とに基づいて、前記第２作業機械の位置を算出し、
    　　当該第２作業機械の位置と、前記第２作業機械が受信した前記航法信号を送信した衛星の位置とに基づいて、前記第２作業機械から当該航法信号を送信した衛星までの距離である第４衛星距離を算出し、
    　　前記第１衛星距離と前記第２衛星距離の差分と、前記第３衛星距離と前記第４衛星距離の差分とに基づいて、前記第２作業機械を基準とした前記第１衛星距離の補正値を算出し、
    　　当該第１衛星距離の補正値と、前記第１衛星距離に基づいて、前記第１作業機械の位置を改めて算出し、
    　　当該改めて算出した前記第１作業機械の位置と、前記第２作業機械の位置とから、前記第１作業機械と前記第２作業機械の相対位置を算出することを特徴とする作業機械の相対位置演算システム。
  4. 　請求項３に記載の作業機械の相対位置演算システムにおいて、
    　前記第３衛星距離と前記第４衛星距離の差分は、前記第１衛星距離と前記第２衛星距離の差分よりも小さいことを特徴とする作業機械の相対位置演算システム。
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