WO2017072877A1 - 作業機械の校正装置、作業機械及び作業機械の校正方法 - Google Patents

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正暢 関
市原 将志
健二郎 嶋田
了 新谷
佑基 島野
永至 石橋
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    • E02F9/22Hydraulic or pneumatic drives
    • E02F9/2278Hydraulic circuits
    • E02F9/2296Systems with a variable displacement pump

Definitions

  • the present invention relates to a calibration device for a work machine, a work machine, and a calibration method for the work machine.
  • Patent Document 1 a machine provided with a gyro sensor as a device for detecting and specifying a working posture
  • attitude detection apparatus An apparatus for detecting the attitude of the work machine (hereinafter appropriately referred to as an attitude detection apparatus) is attached to the work machine to detect an acceleration or detect an angular velocity.
  • the attitude detection device includes an error in the detected value when mounted offset with respect to the position of the reference to be mounted on the work machine. Since the posture of the work machine obtained using the detection value including the error also includes the error, it is necessary to correct the error included in the detection value of the posture detection device.
  • the posture angle of the work machine detected by the posture detection device may tilt.
  • the present invention corrects an error included in the detection value of the posture detection device caused by the occurrence of inclination by installing the posture detection device with the yaw angle shifted with respect to the front-rear direction of the working machine. With the goal.
  • the work machine in order to correct an error due to a deviation from the work machine of the posture detection device for outputting the posture of a work machine having a swing body to which a work machine is attached and swivels, the work machine takes a first posture.
  • the position of the portion is the position of the portion of the work machine
  • the first position is a position where the work machine is installed on the inclined surface and the rotating body is facing in the first direction.
  • the second position is a position where the work machine is installed on the inclined surface and the swing body is directed in a second direction.
  • the first position and the second position be positions when the pitch angle output by the posture detection device is 0 degree.
  • the position of the portion is the position of a portion of the work machine that the work machine has.
  • the first position and the second position are positions of the portion obtained with reference to a position other than the work machine, and are obtained using information on the attitude of the work machine output from the attitude detection device. Being preferred.
  • the recalculation of the first position and the second position is repeated while correcting the parameter for correcting the information on the attitude of the work machine, and the difference between the first position and the second position becomes equal to or less than a threshold. It is preferable to correct the error using the parameters at one time.
  • position of the said working machine is the pitch angle and roll angle which the said attitude
  • the present invention is a working machine having the above-described working machine calibration device.
  • the work machine in order to correct an error due to a deviation from the work machine of the posture detection device for outputting the posture of a work machine having a swing body to which a work machine is attached and swivels, the work machine takes a first posture.
  • the first position which is the position of the part of the work machine at a certain time is acquired, and the second position which is the position of the part when the work machine is in the second posture is acquired, the first position and the It is a calibration method of a working machine which corrects the above-mentioned error using the 2nd position.
  • the present invention corrects an error included in the detection value of the posture detection device caused by the occurrence of inclination by installing the posture detection device with the yaw angle shifted with respect to the front-rear direction of the working machine. Can.
  • FIG. 1 is a perspective view of a working machine according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a vehicle body coordinate system.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a calibration system of a work machine including the calibration device of the work machine according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a view showing a case where the IMU has a mounting error and does not have a mounting error when the hydraulic shovel is placed on a slope.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the position of the cutting edge when the IMU has no attachment error.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the position of the cutting edge when the IMU has a mounting error.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of processing of the calibration method of the working machine according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a side view showing a state where a hydraulic shovel is installed on an inclined surface in order to correct the measurement error of the IMU.
  • FIG. 9 is a view showing a first posture of the hydraulic shovel installed on the inclined surface.
  • FIG. 10 is a view showing a second posture of the hydraulic shovel installed on the inclined surface.
  • FIG. 11 is a side view showing a difference between the position of the work machine in the first posture and the position of the work machine in the second posture.
  • FIG. 12 is a front view showing a difference between the position of the work machine in the first posture and the position of the work machine in the second posture.
  • FIG. 13 is a view showing a modified example for obtaining the first attitude and the second attitude.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of measuring the first position in the first posture in the second embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of measuring the second position in the second posture in the second embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view of a working machine according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a vehicle body coordinate system.
  • the work machine is the hydraulic shovel 100.
  • the hydraulic shovel 100 has a vehicle body 1 and a work implement 2.
  • the vehicle body 1 has a revolving unit 3, a cab 4 and a traveling unit 5.
  • the revolving unit 3 is attached to the traveling unit 5 so as to be pivotable about a pivoting center axis Zr.
  • the revolving unit 3 accommodates devices such as a hydraulic pump and an engine.
  • the work implement 2 is attached and the revolving unit 3 is pivoted.
  • the handrail 9 is attached to the upper part of the revolving unit 3.
  • Antennas 21 and 22 are attached to the handrail 9.
  • the antennas 21 and 22 are antennas for RTK-GNSS (Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems, GNSS means Global Navigation Satellite System).
  • the antennas 21 and 22 are spaced apart by a constant distance along the Ym axis of the vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm).
  • the antennas 21 and 22 receive GNSS radio waves and output a signal corresponding to the received GNSS radio waves.
  • the antennas 21 and 22 may be antennas for GPS (Global Positioning System).
  • the operator's cab 4 is placed at the front of the revolving unit 3.
  • the traveling body 5 has crawler belts 5a and 5b.
  • the hydraulic shovel 100 travels as the crawler belts 5a and 5b rotate.
  • the work machine 2 is attached to the front of the vehicle body 1 and includes a boom 6, an arm 7, a bucket 8, a boom cylinder 10, an arm cylinder 11 and a bucket cylinder 12.
  • the base end of the boom 6 is rotatably attached to the front of the vehicle body 1 via a boom pin 13. That is, the boom pin 13 corresponds to the rotation center of the boom 6 with respect to the swing body 3.
  • the proximal end of the arm 7 is rotatably attached to the distal end of the boom 6 via an arm pin 14. That is, the arm pin 14 corresponds to the rotation center of the arm 7 with respect to the boom 6.
  • the bucket 8 is rotatably attached to the tip of the arm 7 via a bucket pin 15. That is, the bucket pin 15 corresponds to the rotation center of the bucket 8 with respect to the arm 7.
  • the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12 shown in FIG. 1 are hydraulic cylinders driven by hydraulic pressure.
  • the base end of the boom cylinder 10 is rotatably attached to the revolving unit 3 via a boom cylinder foot pin 10a.
  • the tip of the boom cylinder 10 is rotatably attached to the boom 6 via a boom cylinder top pin 10b.
  • the boom cylinder 10 drives the boom 6 by expanding and contracting hydraulically.
  • the base end of the arm cylinder 11 is rotatably attached to the boom 6 via an arm cylinder foot pin 11a.
  • the tip of the arm cylinder 11 is rotatably attached to the arm 7 via an arm cylinder top pin 11b.
  • the arm cylinder 11 drives the arm 7 by expanding and contracting hydraulically.
  • the base end of the bucket cylinder 12 is rotatably attached to the arm 7 via a bucket cylinder foot pin 12a.
  • the tip of the bucket cylinder 12 is rotatably attached to one end of the first link member 47 and one end of the second link member 48 via the bucket cylinder top pin 12 b.
  • the other end of the first link member 47 is rotatably attached to the tip of the arm 7 via a first link pin 47a.
  • the other end of the second link member 48 is rotatably attached to the bucket 8 via a second link pin 48a.
  • the bucket cylinder 12 drives the bucket 8 by expanding and contracting hydraulically.
  • the bucket 8 has a plurality of blades 8B.
  • the plurality of blades 8B are arranged in a line along the width direction of the bucket 8.
  • the tip of the blade 8B is a cutting edge 8BT.
  • the bucket 8 is an example of a work implement.
  • the work tool is not limited to the bucket 8.
  • the work tool may be, for example, a tilt bucket having a single blade, a slope bucket or a rock drilling attachment with a rock drilling tip, or any of these. Good.
  • the swing body 3 includes a position detection device 23, an IMU (Inertial Measurement Unit: inertial measurement device) 24 which is an example of a posture detection device, a calibration device 30 for a working machine, and a control device 25 for controlling the hydraulic shovel 100. Is attached.
  • the position detection device 23 receives signals from the antennas 21 and 22.
  • the position detection device 23 detects and outputs the current position of the antennas 21 and 22 and the orientation of the rotating body 3 in the global coordinate system (Xg, Yg, Zg) using the signals acquired from the antennas 21 and 22.
  • the orientation of the revolving unit 3 represents the orientation of the revolving unit 3 in the global coordinate system.
  • the orientation of the swing body 3 can be represented, for example, by the longitudinal direction of the swing body 3 around the Zg axis of the global coordinate system.
  • the azimuth of the rotating body 3 is represented by the azimuth angle ⁇ d.
  • the azimuth angle ⁇ d is a rotation angle of the reference axis in the front-rear direction of the rotating body 3 around the Zg axis of the global coordinate system.
  • the position detection device 23 calculates the azimuth angle ⁇ d from the relative position of the two antennas 21 and 22.
  • the vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm) described above is a coordinate system based on the origin fixed to the vehicle body 1, in the present embodiment, to the revolving unit 3.
  • the origin of the vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm) is, for example, the center of the swing circle of the revolving unit 3.
  • the center of the swing circle is on the swing center axis Zr of the swing body 3.
  • the Zm axis of the vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm) is an axis serving as the turning center axis Zr of the turning body 3, and the Xm axis is an axis extending in the front-rear direction of the turning body 3 and orthogonal to the Zm axis,
  • the Ym axis is an axis extending in the width direction of the revolving unit 3 which is orthogonal to the Zm axis and the Xm axis.
  • the Xm axis is a reference axis in the front-rear direction of the swing body 3.
  • the above-mentioned global coordinate system (Xg, Yg, Zg) is a coordinate system measured by GNSS, and is a coordinate system based on the origin fixed to the earth.
  • the IMU 24 has its own coordinate system (Xi, Yi, Zi) as shown in FIG.
  • the IMU 24 is installed below the cab 4.
  • the IMU 24 detects an acceleration acting on the hydraulic shovel 100.
  • the IMU 24 can detect an inclination angle in the width direction of the vehicle body 1, in the present embodiment, the swing body 3.
  • the width direction of the vehicle body 1 is a direction parallel to the axial direction of the boom pin 13.
  • the inclination angle in the width direction of the vehicle body 1 is an angle ⁇ r around the Xm axis of the vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm) shown in FIG.
  • the angle ⁇ r is appropriately referred to as a roll angle ⁇ r.
  • the IMU 24 can detect, from the detected angular velocity, an inclination angle in the front-rear direction of the vehicle body 1 with respect to the direction in which gravity acts, in the present embodiment, the revolving unit 3.
  • the longitudinal direction of the vehicle body 1 is a direction in which the Xm axis of the vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm) shown in FIG. 2 extends.
  • the inclination angle in the front-rear direction of the vehicle body 1 is an angle ⁇ p around the Ym axis of the vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm) shown in FIG.
  • the angle ⁇ p is appropriately referred to as a pitch angle ⁇ p.
  • the IMU 24 can obtain information necessary for control of the hydraulic shovel 100, such as acceleration, angular velocity, roll angle ⁇ r, pitch angle ⁇ p, and yaw angle ⁇ y of the hydraulic shovel 100 with one device.
  • the control device 25 controls the work machine 2 using the position of the work machine 2, for example, the position of the cutting edge 8BT of the bucket 8 in the global coordinate system.
  • the roll angle ⁇ r, the pitch angle ⁇ p, and the azimuth angle ⁇ d are used to obtain the position of the work machine 2 in the global coordinate system.
  • the calibration device 30 of the work machine obtains the position of the work machine 2, but the position of the work machine 2 may be obtained by the control device 25 or may be obtained by devices other than the control device 25. Good.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a calibration system 40 for a work machine including the calibration device 30 for a work machine according to the first embodiment.
  • the work machine calibration system 40 includes a work machine calibration device 30, a position detection device 23, an IMU 24, and an input / output device 26.
  • the position detection device 23 is not necessarily required in the present embodiment.
  • the calibration device 30 for the work machine is appropriately referred to as a calibration device 30, and the calibration system 40 for the work machine is appropriately referred to as a calibration system 40.
  • the calibration device 30 includes a processing unit 31, a storage unit 32, and an input / output unit 33.
  • the processing unit 31 includes a correction unit 31A and a position calculation unit 31B.
  • the processing unit 31 is, for example, a processor such as a central processing unit (CPU) and a memory.
  • the processing unit 31 executes the calibration method of the working machine according to the embodiment.
  • the correction unit 31A mainly installs the IMU 24 with the yaw angle shifted with respect to the front-rear direction of the hydraulic shovel 1 by executing the calibration method of the working machine according to the present embodiment, thereby generating inclination. And correct the errors contained in the detected values of the IMU 24.
  • the position calculation unit 31B mainly obtains the position of the work machine 2 using the corrected detection value of the IMU 24.
  • the storage unit 32 is, for example, a nonvolatile or volatile memory such as a random access memory (RAM), a random access memory (ROM), a flash memory, an erasable programmable random access memory (EPROM), and an electrically erasable programmable random access memory (EEPROM).
  • RAM random access memory
  • ROM random access memory
  • EPROM erasable programmable random access memory
  • EEPROM electrically erasable programmable random access memory
  • At least one of semiconductor memory, magnetic disk, flexible disk, and magneto-optical disk is used.
  • the storage unit 32 is a computer program for causing the processing unit 31 to execute the calibration method of the working machine according to the embodiment, and information used when the processing unit 31 executes the calibration method of the work machine according to the embodiment Remember.
  • the processing unit 31 implements the calibration method of the working machine according to the embodiment by reading and executing the computer program described above from the storage unit 32.
  • the input / output unit is an interface circuit for connecting the calibration device 30 and the devices.
  • the IMU 24, the position detection device 23, and the input / output device 26 are connected to the input / output unit 33.
  • the input / output device 26 has a display unit 26D and an input unit 26I.
  • the display unit 26D of the input / output device 26 displays, for example, the calculation result of the calibration device 30 and the information input to the calibration device 30.
  • the display unit 26D is a liquid crystal display or an organic EL (Electro Luminescence) display or the like, but is not limited thereto.
  • the input unit 26I is a button-type input key for inputting information to the calibration device 30, but is not limited to such.
  • the IMU 24 can not be disposed at the turning center of the turning body 3 which is the reference position of the car body coordinate system, the coordinate system (Xi, Yi, Zi) of the IMU 24 and the car body coordinate system (Xm, Ym, Zm) It is different.
  • the IMU 24 can be obtained from the angular velocity and acceleration detected by the IMU 24 if the Xi axis of the IMU 24 coordinate system (Xi, Yi, Zi) and the Xm axis of the vehicle coordinate system (Xm, Ym, Zm) are parallel. The accuracy of the roll angle ⁇ r and the pitch angle ⁇ p is guaranteed.
  • the Xi axis is the reference axis of the IMU 24.
  • the IMU 24 When the Xi axis of the IMU 24 has a yaw angle offset with respect to the Xm axis of the vehicle body coordinate system, ie, has an angle offset, the IMU 24 attached to the revolving unit 3 which is a part of the hydraulic shovel 100 It has an angular deviation with respect to it. Hereinafter, this angular deviation is appropriately referred to as a mounting error.
  • the deviation of the IMU 24 relative to the hydraulic shovel 100 is shown.
  • the pitch angle ⁇ p and the roll angle ⁇ r of the hydraulic shovel 100 detected by the IMU 24 and recognized by the calibration device 30 include errors. That is, the detection value of the IMU 24 includes an error due to the mounting error of the IMU 24.
  • this error is appropriately referred to as a measurement error.
  • FIG. 4 is a view showing the case where the IMU 24 has and does not have a mounting error when the hydraulic shovel 100 is placed on the inclined surface PD.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the position of the cutting edge 8BT when the IMU 24 has no mounting error.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the position of the cutting edge 8BT when the IMU 24 has a mounting error.
  • FIG. 4 shows the state of the IMU 24 when the hydraulic shovel 100 shown in FIG. 1 is placed on the inclined surface PD where the inclination angle from the horizontal surface is ⁇ .
  • a in FIG. 4 shows the case where the Xi axis of the coordinate system of the IMU 24 is parallel to the Xm axis of the vehicle coordinate system. That is, the case where the IMU 24 has no mounting error is shown.
  • B in FIG. 4 shows the case where the Xi axis of the coordinate system of the IMU 24 and the Xm axis of the vehicle coordinate system are not parallel. This example shows the case where the IMU 24 has a mounting error.
  • the swivel body 3 the Xi axis of the coordinate system of IMU 24 is the vehicle coordinates It is in a state of being shifted by an angle ⁇ y with respect to the Xm axis of the system. That is, the IMU 24 is mounted in a state where a shift in the yaw direction occurs with respect to the front-rear direction of the hydraulic shovel 100.
  • the pitch angle ⁇ p is 0 degrees
  • the roll angle ⁇ r is ⁇ .
  • the pitch angle ⁇ p has a value different from 0 degrees
  • the roll angle ⁇ r has a value different from ⁇ .
  • the actual height of the cutting edge 8BT of the bucket 8 of the work machine 2 is Hr, and the height of the cutting edge 8BT of the bucket 8 recognized by the calibration device 30 shown in FIG. .
  • the height Hb is the same as the actual height Hr.
  • the actual height Hr is the height from the reference surface PH to the position of the cutting edge 8BT.
  • the mounting error of the IMU 24 is about ⁇ 1 degree.
  • the height Hb of the cutting edge 8BT recognized by the calibration device 30 includes an error.
  • the height Hb of the cutting edge 8 BT recognized by the calibration device 30 causes the work machine 2 to operate along the design surface. It may include errors to the extent that the accuracy to perform can not be guaranteed.
  • the pitch angle ⁇ p affects the position of the blade edge 8BT of the bucket 8
  • the roll angle ⁇ r affects the parallelism of the blade edge of the bucket 8.
  • Skew correction is performed. It has been found that when the hydraulic shovel 1 becomes large, the mounting error of the IMU 24 has a large effect on the error of the pitch angle ⁇ p on the inclined surface, and therefore the positional accuracy of the cutting edge 8BT on the inclined surface is affected. Therefore, in this embodiment, the measurement error of the IMU 24 is corrected.
  • the error included in the height Hb of the blade tip 8BT recognized by the calibration device 30 is the maximum when the direction from the lower side of the slope on which the hydraulic shovel 100 is placed upward to the Xm axis of the vehicle body coordinate system is orthogonal It becomes.
  • the calibration device 30 and the calibration method according to the present embodiment correct the measurement error by correcting the detection value of the IMU 24 when the IMU 24 has a mounting error.
  • the calibration device 30 executes the calibration method according to the present embodiment to correct the measurement error of the IMU 24 will be described.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of processing of the calibration method of the working machine according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a side view showing the hydraulic shovel 100 installed on the inclined surface PD in order to correct the measurement error of the IMU 24.
  • FIG. 9 is a view showing a first posture FF of the hydraulic shovel 100 installed on the inclined surface PD.
  • FIG. 10 is a view showing a second posture FS of the hydraulic shovel 100 installed on the inclined surface PD.
  • FIG. 11 is a side view showing the difference between the position of the work implement 2 in the first posture FF and the position of the work implement 2 in the second posture FS.
  • FIG. 12 is a front view showing a difference between the position of the work implement 2 in the first posture FF and the position of the work implement 2 in the second posture FS.
  • the hydraulic shovel 100 having the IMU 24 to be corrected is installed on the inclined surface PD having the inclination angle ⁇ .
  • the correction unit 31A of the calibration device 30 obtains the first position Pf, which is the position of the portion Pm of the hydraulic shovel 100 when the hydraulic shovel 100 is in the first posture FF shown in FIGS. (Step S101).
  • the correction unit 31A of the calibration device 30 acquires a second position Ps, which is the position of the portion Pm of the hydraulic shovel 100 when the hydraulic shovel 100 has the second posture FS shown in FIGS. 10 and 11. (Step S102).
  • the first position Pf is a position where the hydraulic shovel 100 is installed on the inclined surface PD and the swing body 3 is facing in the first direction
  • the second position Ps is a position where the hydraulic shovel 100 is on the inclined surface PD It is a position in which it is installed and turning object 3 has turned to the 2nd direction. That is, the first position Pf and the second position Ps are two different positions when the orientation of the swing body 3 is different.
  • the part Pm of the hydraulic shovel 100 may be a part of the swing body 3 and the work implement 2 attached thereto, and may be a position other than the center of rotation of the swing body 3.
  • a portion Pm is a portion of the work implement 2, more specifically, a portion of the arm cylinder top pin 11b shown in FIG. 1, but is not limited to this portion.
  • the first attitude FF and the second attitude FS are attitudes when the pitch angle ⁇ p output by the IMU 24 is 0 degree. That is, the first position Pf and the second position Ps are positions when the pitch angle ⁇ p output by the IMU 24 is 0 degree.
  • a direction from the lower side to the upper side of the inclined surface PD is taken as an inclined direction DD.
  • the angle between the inclination direction DD and the horizontal plane is the inclination angle ⁇ .
  • the direction orthogonal to the tilt direction DD is parallel to the horizontal plane.
  • the case where the pitch angle ⁇ p output by the IMU 24 is 0 degrees is the case where the Yi axis in the coordinate system of the IMU 24 is parallel to the tilt direction DD.
  • the second posture FS is a posture in which the posture of the work machine 2 is different from that of the first posture FF.
  • the swing body 3 turns from the state of the first posture FF in which the pitch angle ⁇ p output by the IMU 24 is 0 degree, and the pitch angle ⁇ p output by the IMU 24 is 0 again Attitude when it comes to In this case, the swing body 3 swings 180 degrees.
  • the first position Pf and the second position Ps are two different positions when the orientation of the swing body 3 differs by 180 degrees, but the present invention is not limited to such a positional relationship.
  • the first position Pf and the second position Ps may be two different positions when the orientation of the swing body 3 is different by a size other than 180 degrees. In this case, it is necessary to correct the first position Pf and the second position Pf in accordance with the size between two different orientations. It is preferable to set the first position Pf and the second position Ps as two different positions when the orientation of the revolving unit 3 differs by 180 degrees, since the correction of the first position Pf and the second position Pf becomes unnecessary.
  • the first position Pf and the second position Ps are measured by the external measuring device TS shown in FIGS. 9 and 10.
  • the external measurement device TS is, for example, a measurement device called a total station, but is not limited to this.
  • the first position Pf and the second position Ps are positions in the global coordinate system (Xg, Yg, Zg), but are not limited thereto.
  • the first position Pf and the second position Ps may be input to the calibration device 30 from the input / output device 26 shown in FIG. Further, by connecting the external measurement device TS to the input / output unit 33 of the calibration device 30, the calibration device 30 may obtain the first position Pf and the second position Ps directly from the external measurement device TS.
  • the first position Pf and the second position Ps are different.
  • the height Hf of the first position Pf from the reference plane PH and the height Hs of the second position Ps from the reference plane PH are different.
  • a difference ⁇ h between the height Hf and the height Hs occurs.
  • the error D of the height of the portion Pm due to the mounting error of the IMU 24 is ⁇ h / 2.
  • the correction unit 31A of the calibration device 30 corrects the measurement error of the IMU 24 using the first position Pf and the second position Ps (step S103).
  • the calibration device 30 corrects the measurement error of the IMU 24 using the error D obtained from the difference ⁇ h between the first position Pf and the second position Ps.
  • the relationship between the true pitch angle ⁇ pt2 at the second attitude FS, the error D, and the distance L from the origin of the vehicle body coordinate system to the part Pm of the work machine 2 is calculated using the inclination angle ⁇ and the angle ⁇ y. It is calculated by the equation (1).
  • the distance L is a distance from the origin of the vehicle body coordinate system to a part Pm, and is a distance in the Xm direction of the vehicle body coordinate system.
  • the distance L is obtained from the attitude and dimensions of the work implement 2.
  • the inclination angle ⁇ is an inclination angle of the inclined surface PD on which the hydraulic shovel 100 is installed when measuring the first position Pf and the second position Ps.
  • the inclination angle ⁇ is a peak value of the roll angle ⁇ r detected and output by the IMU 24 when the swing body 3 turns when the hydraulic shovel 100 changes from the first attitude FF to the second attitude FS.
  • ⁇ y is a yaw angle error.
  • the yaw angle error ⁇ y is an angle formed between the Xi axis and the Xm axis when the Xi axis of the coordinate system of the IMU 24 is shifted with respect to the Xm axis of the vehicle body coordinate system.
  • the yaw angle error ⁇ y is an error generated when the IMU 24 is attached to the hydraulic shovel 100, in this embodiment, the swing body 3 by rotating around the Zi axis.
  • Equation (2) is obtained by modifying equation (1) and solving for the yaw angle error ⁇ y.
  • ⁇ y sin ⁇ 1 ⁇ (D / L) ⁇ (1 / sin ⁇ ) ⁇ (2)
  • the correction unit 31A of the calibration device 30 obtains the yaw angle error ⁇ y by giving the error D, the distance L, and the inclination angle ⁇ obtained from the detection value of the IMU 24 to Expression (2).
  • the correction unit 31A of the calibration device 30 stores the obtained yaw angle error ⁇ y in the storage unit 32 shown in FIG.
  • the processing unit 31 of the calibration device 30, more specifically, the position calculation unit 31B shown in FIG. 3 reads the yaw angle error ⁇ y from the storage unit 32, and uses this to detect and output the acceleration and angle detected by the IMU 24. Correct the
  • the equation (3) indicates the correction values Gxn, Gyn, Gzn of the acceleration that the IMU 24 detects and outputs.
  • the position calculation unit 31B corrects the equation (3) with the yaw angle error ⁇ y.
  • the position calculation unit 31B corrects the angle acquired from the IMU 24, in the present embodiment, the pitch angle ⁇ p and the roll angle ⁇ r, using the yaw angle error ⁇ y.
  • Formula (4) shows roll angle (theta) rn after correction
  • Formula (5) shows pitch angle (theta) pn after correction
  • the position calculation unit 31 B gives the yaw angle error ⁇ y read from the storage unit 32 and the roll angle ⁇ r and the pitch angle ⁇ p output from the IMU 24 to the equations (4) and (5), thereby correcting the corrected roll angle ⁇ rn.
  • the pitch angle ⁇ pn after correction is determined.
  • the position of the work implement 2 is determined using the corrected roll angle ⁇ rn, the corrected pitch angle ⁇ pn, and the azimuth angle ⁇ d.
  • a cutting edge position the position of the cutting edge 8BT of the bucket 8 (hereinafter, referred to as a cutting edge position) is obtained as the position of the work machine 2.
  • the blade position is PB
  • the blade position PB in the vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm) can be obtained from the dimensions and posture of the work machine 2.
  • the obtained blade tip position PB is converted from the vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm) to the value of the global coordinate system (Xg, Yg, Zg), for example, by the equation (1).
  • PBg R ⁇ PBm + T (6)
  • PBg is the edge position PB in the global coordinate system (Xg, Yg, Zg)
  • PBm is the edge position PB in the vehicle coordinate system
  • R is the rotation matrix shown in the equation (7)
  • T is the equation (8) It is a translation vector shown by).
  • the rotation matrix R includes the roll angle ⁇ r, the pitch angle ⁇ p, and the azimuth angle ⁇ d.
  • the roll angle ⁇ r and the pitch angle ⁇ p are values that the IMU 24 detects and outputs.
  • the azimuth angle ⁇ d is a value calculated and output from the relative position of the antennas 21 and 22 by the position detection device 23.
  • the translational vector T is obtained from the positional relationship between the positions of the antennas 21 and 22 in the global coordinate system (Xg, Yg, Zg) detected by the position detection device 23 and the vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm) .
  • the true pitch angle ⁇ pt2 at the second posture FS can be obtained by the equation (9) using the error D and the distance L from the origin of the vehicle body coordinate system to the part Pm of the work machine 2.
  • ⁇ pt2 sin ⁇ 1 (D / L) (9)
  • the correction unit 31A of the calibration device 30 obtains the true pitch angle ⁇ pt2 using Expression (9).
  • the relationship between the true pitch angle ⁇ pt2, the yaw angle error ⁇ y, and the roll angle ⁇ r and the pitch angle ⁇ p detected and output by the IMU 24 can be obtained from the equations (4) and (5).
  • FIG. 13 is a view showing a modified example for obtaining the first posture FF and the second posture FS.
  • the hydraulic shovel 100 is installed on the inclined surface PD.
  • a posture similar to that when the hydraulic shovel 100 is installed on the inclined surface PD can be created. it can.
  • the calibration apparatus 30 can correct the measurement error caused by the mounting error of the IMU 24 by preparing the table TB even in a place where the inclined surface PD does not exist.
  • the present embodiment and the modification thereof correct the error included in the detection value of the IMU 24 caused by the occurrence of the inclination by the IMU 24 being installed with the yaw angle shifted with respect to the front-rear direction of the hydraulic shovel 100 can do.
  • the mounting error in the yaw direction of IMU 24 hardly affects the accuracy when the position of work implement 2 is determined when the body 1 of hydraulic excavator 100 to which IMU 24 is attached is horizontal, but the hydraulic excavator on slopes When 100 is placed, the accuracy in determining the position of the work implement 2 decreases. In particular, in the posture in which the vehicle body 1 of the hydraulic shovel 100 rolls, the accuracy when the position of the work machine 2 is obtained is lowered.
  • the present embodiment and the modification thereof use IMU 24 by using two positions of a part of hydraulic excavator 100, which is measured in two attitudes including at least one attitude in which vehicle body 1 of hydraulic excavator 100 is inclined. Correct the measurement error caused by the mounting error of. As described above, since at least one, and in the present embodiment, two, postures in which the hydraulic shovel 100 inclined in which the mounting error of the IMU 24 is likely to be affected in the yaw direction is inclined, measurement errors due to the mounting error of the IMU 24 A correction amount for correcting the image is easily obtained.
  • the first position FF is the first position FF in which the vehicle body 1 of the hydraulic shovel 100 rolls, that is, the first position FF and the second position FS in which the pitch angle ⁇ p output by the IMU 24 is 0 degrees.
  • Pf and the second position Ps are measured. From the first position Pf and the second position Ps measured in this manner, a correction amount for correcting the mounting error of the IMU 24 in the yaw direction, that is, the yaw angle error ⁇ y is obtained.
  • the first position Pf and the second position Ps are obtained in the posture in which the accuracy of the position of the work machine 2 is greatly reduced, the difference between the two becomes large. As a result, the influence of the measurement error of the first position Pf and the second position Ps can be reduced, so that the above-described decrease in accuracy of the correction amount is suppressed.
  • the IMU 24 can correct the pitch angle ⁇ p and the roll angle ⁇ r detected and output with high accuracy. . Further, in the present embodiment and the modification thereof, since the measurement using the positioning satellite such as the GPS becomes unnecessary by the external measurement device TS, it is not influenced by the positioning error in the measurement using the positioning satellite. As a result, according to this embodiment and its modification, the pitch angle ⁇ p and the roll angle ⁇ r detected and output by the IMU 24 can be corrected with high accuracy.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of measuring the first position Pf at the first posture FF in the second embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of measuring the second position Ps in the second posture FS in the second embodiment.
  • the hydraulic shovel 100, the position detection device 23, the IMU 24, the control device 25, the calibration device 30, and the calibration system 40 are the same as in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • a processing example of the calibration method of the working machine according to the second embodiment will be described using the flowchart shown in FIG. 7.
  • the first position Pf and the second position Ps shown in FIG. 14 are obtained based on a part of the hydraulic shovel 100, in this example, a position other than the hydraulic shovel 100 (hereinafter referred to as measurement position as appropriate) Also, it is the position of a part Pm of the work implement 2.
  • the measurement position is a part PHbs of the reference surface PH.
  • the measurement position may be immobile or the same position when the first position Pf is measured and the second position Ps is measured, and is not limited to the part PHbs of the reference surface PH.
  • a part PHbs of the reference surface PH is appropriately referred to as a measurement position PHbs.
  • the first position Pf and the second position Ps are obtained using the information on the posture of the hydraulic shovel 100 output from the IMU 24.
  • As information on the posture of the hydraulic shovel 100 a roll angle ⁇ r, a pitch angle ⁇ p, and an azimuth angle ⁇ d are exemplified.
  • a part Pm of the work machine 2 is a cutting edge 8BT of the bucket 8.
  • the first position Pf is the position of the cutting edge 8BT when the cutting edge 8BT contacts the measurement position PHbs when the hydraulic shovel 100 has the first posture FF.
  • the second position Ps is the position of the cutting edge 8BT when the cutting edge 8BT contacts the measurement position PHbs when the hydraulic shovel 100 has the second posture FS.
  • the first position Pf and the second position Ps are obtained in a state where the same cutting edge 8BT of the bucket 8 is in contact with the same portion of the reference point.
  • the position of the blade tip 8BT using the roll angle ⁇ r and the pitch angle ⁇ p which are information related to the attitude of the hydraulic shovel 100 output from the IMU 24.
  • the position azimuth angle ⁇ d of the work machine 2 and the attitude and dimensions of the work machine 2 are used to obtain the position of the cutting edge 8BT.
  • the first posture FF is a posture of the hydraulic shovel 100 in a state where the hydraulic shovel 100 is installed on the reference plane PH.
  • the second posture FS is a posture of the hydraulic shovel 100 in a state where the hydraulic shovel 100 is installed on the inclined surface PD which is inclined with respect to the reference surface PH.
  • the correction unit 31A of the calibration device 30 acquires the first position Pf when the hydraulic shovel 100 is in the first posture FF (step S101 in FIG. 7).
  • the correction unit 31A of the calibration device 30 acquires the second position Ps when the hydraulic shovel 100 is in the second posture FS (step S102 in FIG. 7).
  • the first position Pf and the second position Ps do not match. If the yaw angle error ⁇ y exists, the pitch angle ⁇ p and the roll angle ⁇ r output by the IMU 24 also include errors.
  • the correction unit 31A of the calibration device 30 shown in FIG. 3 corrects the yaw angle error ⁇ y, and the correction is performed using the aforementioned equations (4) and (5).
  • the pitch angle ⁇ pn of and the roll angle ⁇ rn after correction are determined.
  • the position calculation unit 31B recalculates the first position Pf and the second position Ps using the corrected pitch angle ⁇ pn and the corrected roll angle ⁇ rn.
  • the correction unit 31A obtains a difference between the first position Pf and the second position Ps obtained by the position calculation unit 31B (hereinafter referred to as a position difference as appropriate), and compares it with a threshold. The correction unit 31A determines whether the position difference has become equal to or less than a threshold. When the position difference is larger than the threshold, the correction unit 31A and the position calculation unit 31B repeat the correction of the yaw angle error ⁇ y and the recalculation of the first position Pf and the second position Ps until the position difference becomes equal to or less than the threshold. The correction unit 31A stores the yaw angle error ⁇ y when the difference between the first position Pf and the second position Ps becomes equal to or less than the threshold in the storage unit 32 shown in FIG.
  • the position calculation unit 31B reads the yaw angle error ⁇ y from the storage unit 32, detects the IMU 24 using Equations (4) and (5), and corrects the output acceleration and the pitch angle ⁇ p and the roll angle ⁇ r.
  • the calibration apparatus 30 corrects the measurement error of the IMU 24 using the yaw angle error ⁇ y obtained using the first position Pf and the second position Ps (step S103 in FIG. 7).
  • the correction unit 31A repeats the recalculation of the first position Pf and the second position Ps while performing correction using a parameter for correcting information on the attitude of the hydraulic shovel 100, in the present embodiment, the yaw angle error ⁇ y. Then, the correction unit 31A of the calibration device 30 uses the yaw angle error ⁇ y when the difference between the first position Pf and the second position Ps (hereinafter appropriately referred to as a position difference) becomes equal to or less than the threshold value. Correct the measurement error caused by the mounting error of.
  • the calibration device 30 can correct the error included in the detection value of the IMU 24 caused by the occurrence of the deviation in the yaw direction due to the IMU 24 tilting relative to the front-rear direction of the hydraulic shovel 100 it can.
  • the correction unit 31A determines, for example, an initial value of the yaw angle error ⁇ y, and a direction in which the yaw angle error ⁇ y increases and decreases from the initial value.
  • the yaw angle error .DELTA..theta. Y is changed by a predetermined amount from the initial value.
  • the initial value of the yaw angle error ⁇ y can be 0 degrees
  • the predetermined magnitude can be 0.01 degrees, but is not limited to these values.
  • the threshold value to be compared with the position difference is not limited, for example, the absolute value of the distance is used.
  • the threshold can be, for example, about the measurement error of GNSS.
  • the yaw angle ⁇ y when the difference between the first position Pf and the second position Ps obtained by recalculation is equal to or less than a predetermined ratio of the difference between the first position Pf and the second position Ps before correction.
  • the measurement error may be corrected using
  • the threshold is a predetermined ratio of the difference between the first position Pf and the second position Ps before correction.
  • the predetermined percentage can be, for example, 1% or 5%, but is not limited to these values.
  • the position calculation unit 31B corrects the yaw angle error ⁇ y.
  • the position calculation unit 31B corrects the roll angle ⁇ r and the pitch angle ⁇ p detected and output by the IMU 24 by using, as a correction value, the yaw angle error ⁇ y when the position difference becomes equal to or less than the threshold.
  • the present embodiment is caused by the mounting error of the IMU 24 using the position of a part of the hydraulic shovel 100 measured in two postures including at least one posture in which the vehicle body 1 of the hydraulic shovel 100 is inclined. Correct the measurement error. At this time, the position of a part of the hydraulic shovel 100 is measured based on the measurement position PHbs other than the hydraulic shovel 100. As described above, the present embodiment uses at least one posture in which the hydraulic shovel 100 is inclined, which is easily affected by the mounting error of the IMU 24 in the yaw direction. Therefore, the correction amount for correcting the mounting error of the IMU 24 in the yaw direction Is easily obtained. In the present embodiment, since the external measuring device TS is unnecessary, even in a place without the external measuring device TS, for example, at a work site of the hydraulic shovel 100, it is possible to correct the measurement error caused by the mounting error of the IMU 24.
  • the blade tip 8BT of the bucket 8 is brought into contact with the measurement position PHbs of the reference surface PH, but if the positional relationship between the blade tip 8BT and the measurement position PHbs is known, the measurement position PHbs and the blade tip 8BT are not in contact with each other. It is also good.
  • the calibration device 30 may obtain the first position Pf and the second position Ps using the output of the IMU 24 when the blade tip 8BT is stopped at a predetermined position above the measurement position PHbs in the vertical direction.
  • the first position Pf and the second position Ps may be positions of parts of the hydraulic shovel 100 obtained based on the position other than the hydraulic shovel 100.
  • the position of a part of the hydraulic shovel 100 is not limited to the cutting edge 8 BT of the bucket 8, and may be, for example, the bottom of the bucket 8 or a part of the second link member 48 shown in FIG.
  • Embodiment 1 the modification, and Embodiment 2 were described, these are not limited by the content mentioned above.
  • the above-mentioned constituent elements include those which can be easily conceived by those skilled in the art, substantially the same ones, and so-called equivalent ranges.
  • the components described above can be combined as appropriate.
  • various omissions, replacements, or changes of the components can be made without departing from the subject matter of the first embodiment, its modification, and the second embodiment.
  • Reference Signs List 1 vehicle body 2 work machine 3 revolving body 4 cab 5 traveling body 6 boom 7 arm 8 bucket 8B blade 8 BT blade edge 10 boom cylinder 11 arm cylinder 12 bucket cylinder 13 boom pin 14 arm pin 15 bucket pin 23 position detection device 25 control device 26 input / output Device 30 Calibration device 31 Processing unit 31A Correction unit 31B Position calculation unit 32 Storage unit 33 Input / output unit 40 Calibration system 100 Hydraulic shovel D Error FF First attitude FS Second attitude L Distance PD Slope Pf First position PH Reference Surface PHbs Measurement position Pm Partial Ps Second position TB Table TS External measurement device ⁇ r Roll angle ⁇ p Pitch angle ⁇ y Yaw angle ⁇ Inclination angle ⁇ y Yaw angle error

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Abstract

作業機が取り付けられて旋回する旋回体を有する作業機械の姿勢を出力する姿勢検出装置の前記作業機械に対するずれに起因する誤差を補正するにあたり、前記作業機械が第1の姿勢であるときにおける前記作業機械の一部分の位置である第1位置と、前記作業機械が第2の姿勢であるときにおける前記一部分の位置である第2位置とを用いて前記誤差を補正する。

Description

作業機械の校正装置、作業機械及び作業機械の校正方法
 本発明は、作業機械の校正装置、作業機械及び作業機械の校正方法に関する。
 旋回体を備えた作業機械において、作業姿勢を検出し、特定するための装置としてジャイロセンサを備えたものが知られている(例えば、特許文献1)。
特開2015-001385号公報
 作業機械の姿勢を検出する装置(以下適宜、姿勢検出装置と称する)は、作業機械に取り付けられて、加速度を検出したり、角速度を検出したりする。姿勢検出装置は、作業機械に取り付けられるべき基準の位置に対してずれて取り付けられると、検出値に誤差を含む。誤差を含んだ検出値を用いて求められた作業機械の姿勢も誤差を含むので、姿勢検出装置の検出値に含まれる誤差を補正する必要がある。姿勢検出装置の基準となる軸が作業機械の前後方向における軸に対してヨー方向のずれが発生している場合、姿勢検出装置が検出する作業機の姿勢角が傾くことがある。
 本発明は、姿勢検出装置が作業機械の前後方向に対してヨー角がずれて設置されることで、傾きが発生することに起因する、姿勢検出装置の検出値に含まれる誤差を補正することを目的とする。
 本発明は、作業機が取り付けられて旋回する旋回体を有する作業機械の姿勢を出力する姿勢検出装置の前記作業機械に対するずれに起因する誤差を補正するにあたり、前記作業機械が第1の姿勢であるときにおける前記作業機械の一部分の位置である第1位置と、前記作業機械が第2の姿勢であるときにおける前記一部分の位置である第2位置とを用いて前記誤差を補正する、作業機械の校正装置である。
 前記一部分の位置は、前記作業機の一部の位置であり、前記第1位置は、前記作業機械が傾斜面に設置され、かつ前記旋回体が第1の方向を向いているときの位置であり、前記第2位置は、前記作業機械が傾斜面に設置され、かつ前記旋回体が第2の方向を向いているときの位置であることが好ましい。
 前記第1位置及び前記第2位置は、前記姿勢検出装置が出力したピッチ角が0度のときの位置であることが好ましい。
 前記一部分の位置は、前記作業機械が有する前記作業機の一部分の位置であることが好ましい。
 前記第1位置及び前記第2位置は、前記作業機械以外の位置を基準として得られた前記一部分の位置であり、前記姿勢検出装置から出力された、前記作業機械の姿勢に関する情報を用いて求められることが好ましい。
 前記作業機械の姿勢に関する情報を補正するためのパラメータを補正しながら、前記第1位置及び前記第2位置の再計算を繰り返し、前記第1位置と前記第2位置との差が閾値以下になったときの前記パラメータを用いて前記誤差を補正することが好ましい。
 前記作業機械の姿勢に関する情報は、前記姿勢検出装置が出力したピッチ角及びロール角であることが好ましい。
 本発明は、前述した作業機械の校正装置を有する、作業機械である。
 本発明は、作業機が取り付けられて旋回する旋回体を有する作業機械の姿勢を出力する姿勢検出装置の前記作業機械に対するずれに起因する誤差を補正するにあたり、前記作業機械が第1の姿勢であるときにおける前記作業機械の一部分の位置である第1位置を取得し、前記作業機械が第2の姿勢であるときにおける前記一部分の位置である第2位置を取得し、前記第1位置及び前記第2位置を用いて前記誤差を補正する、作業機械の校正方法である。
 本発明は、姿勢検出装置が作業機械の前後方向に対してヨー角がずれて設置されることで、傾きが発生することに起因する、姿勢検出装置の検出値に含まれる誤差を補正することができる。
図1は、実施形態1に係る作業機械の斜視図である。 図2は、車体座標系を説明するための図である。 図3は、実施形態1に係る作業機械の校正装置を含む作業機械の校正システムの一例を示す図である。 図4は、油圧ショベルが傾斜面に置かれた場合において、IMUが取付誤差を有する場合と有さない場合とを示す図である。 図5は、IMUが取付誤差を有さない場合における刃先の位置を説明するための図である。 図6は、IMUが取付誤差を有する場合における刃先の位置を説明するための図である。 図7は、実施形態1に係る作業機械の校正方法の処理例を示すフローチャートである。 図8は、IMUの計測誤差を補正するために油圧ショベルを傾斜面に設置した状態を示す側面図である。 図9は、傾斜面に設置された油圧ショベルの第1の姿勢を示す図である。 図10は、傾斜面に設置された油圧ショベルの第2の姿勢を示す図である。 図11は、第1の姿勢における作業機の位置と第2の姿勢における作業機の位置との差を示す側面図である。 図12は、第1の姿勢における作業機の位置と第2の姿勢における作業機の位置との差を示す正面図である。 図13は、第1の姿勢及び第の姿勢を得るための変形例を示す図である。 図14は、実施形態2において、第1の姿勢で第1位置を計測する例を示す図である。 図15は、実施形態2において、第2の姿勢で第2位置を計測する例を示す図である。
 本発明を実施するための形態(実施形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。
実施形態1.
<作業機械の全体構成>
 図1は、実施形態1に係る作業機械の斜視図である。図2は、車体座標系を説明するための図である。本実施形態において、作業機械は油圧ショベル100である。油圧ショベル100は、車体1及び作業機2を有する。車体1は、旋回体3、運転室4及び走行体5を有する。旋回体3は、走行体5に、旋回中心軸Zrを中心として旋回可能に取り付けられている。旋回体3は、油圧ポンプ及びエンジン等の装置を収容している。
 旋回体3は、作業機2が取り付けられて旋回する。旋回体3の上部には手すり9が取り付けられている。手すり9には、アンテナ21,22が取り付けられる。アンテナ21,22は、RTK-GNSS(Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite Systems、GNSSは全地球航法衛星システムをいう)用のアンテナである。アンテナ21,22は、車体座標系(Xm,Ym,Zm)のYm軸に沿って、一定距離だけ離れて配置されている。アンテナ21,22は、GNSS電波を受信し、受信したGNSS電波に応じた信号を出力する。アンテナ21,22は、GPS(Global Positioning System)用のアンテナであってもよい。
 運転室4は旋回体3の前部に載置されている。走行体5は、履帯5a,5bを有している。履帯5a,5bが回転することにより油圧ショベル100が走行する。
 作業機2は、車体1の前部に取り付けられており、ブーム6、アーム7、バケット8、ブームシリンダ10、アームシリンダ11及びバケットシリンダ12を有する。ブーム6の基端部は、ブームピン13を介して車体1の前部に回動可能に取り付けられている。すなわち、ブームピン13は、ブーム6の旋回体3に対する回動中心に相当する。アーム7の基端部は、アームピン14を介してブーム6の先端部に回動可能に取り付けられている。すなわち、アームピン14は、アーム7のブーム6に対する回動中心に相当する。アーム7の先端部には、バケットピン15を介してバケット8が回動可能に取り付けられている。すなわち、バケットピン15は、バケット8のアーム7に対する回動中心に相当する。
 図1に示されるブームシリンダ10、アームシリンダ11及びバケットシリンダ12は、それぞれ油圧によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ10の基端部は、ブームシリンダフートピン10aを介して旋回体3に回動可能に取り付けられている。ブームシリンダ10の先端部は、ブームシリンダトップピン10bを介してブーム6に回動可能に取り付けられている。ブームシリンダ10は、油圧によって伸縮することによって、ブーム6を駆動する。
 アームシリンダ11の基端部は、アームシリンダフートピン11aを介してブーム6に回動可能に取り付けられている。アームシリンダ11の先端部は、アームシリンダトップピン11bを介してアーム7に回動可能に取り付けられている。アームシリンダ11は、油圧によって伸縮することによって、アーム7を駆動する。
 バケットシリンダ12の基端部は、バケットシリンダフートピン12aを介してアーム7に回動可能に取り付けられている。バケットシリンダ12の先端部は、バケットシリンダトップピン12bを介して第1リンク部材47の一端及び第2リンク部材48の一端に回動可能に取り付けられている。第1リンク部材47の他端は、第1リンクピン47aを介してアーム7の先端部に回動可能に取り付けられている。第2リンク部材48の他端は、第2リンクピン48aを介してバケット8に回動可能に取り付けられている。バケットシリンダ12は、油圧によって伸縮することによって、バケット8を駆動する。
 バケット8は、複数の刃8Bを有する。複数の刃8Bは、バケット8の幅方向に沿って一列に並んでいる。刃8Bの先端は、刃先8BTである。バケット8は、作業具の一例である。作業具は、バケット8に限定されない。作業具は、例えば、単数の刃を有するチルトバケットであってもよいし、法面バケット又は削岩用のチップを備えた削岩用のアタッチメントであってもよいし、これら以外であってもよい。
 旋回体3には、位置検出装置23と、姿勢検出装置の一例であるIMU(Inertial Measurement Unit:慣性計測装置)24と、作業機械の校正装置30と、油圧ショベル100を制御する制御装置25とが取り付けられている。位置検出装置23は、アンテナ21,22からの信号が入力される。位置検出装置23は、アンテナ21,22から取得した信号を用いて、グローバル座標系(Xg,Yg,Zg)におけるアンテナ21,22の現在位置及び旋回体3の方位を検出して、出力する。旋回体3の方位は、グローバル座標系における旋回体3の向きを表す。旋回体3の向きは、例えば、グローバル座標系のZg軸周りにおける旋回体3の前後方向の向きで表すことができる。本実施形態では、方位角θdによって旋回体3の方位が表される。方位角θdは、旋回体3の前後方向における基準軸の、グローバル座標系のZg軸周りにおける回転角である。本実施形態において、位置検出装置23は、2個のアンテナ21,22の相対位置から方位角θdを算出する。
 次に、座標系について説明する。前述した車体座標系(Xm,Ym,Zm)は、車体1、本実施形態では旋回体3に固定された原点を基準とする座標系である。実施形態において、車体座標系(Xm,Ym,Zm)の原点は、例えば、旋回体3のスイングサークルの中心である。スイングサークルの中心は、旋回体3の旋回中心軸Zr上に存在する。車体座標系(Xm,Ym,Zm)のZm軸は旋回体3の旋回中心軸Zrとなる軸であり、Xm軸は旋回体3の前後方向に延び、かつZm軸と直交する軸であり、Ym軸はZm軸及びXm軸と直交する、旋回体3の幅方向に延びる軸である。Xm軸は、旋回体3の前後方向における基準軸である。前述したグローバル座標系(Xg,Yg,Zg)は、GNSSによって計測される座標系であり、地球に固定された原点を基準とした座標系である。IMU24は、図1に示されるように、自身の座標系(Xi,Yi,Zi)を有している。
 本実施形態において、IMU24は、運転室4の下方に設置される。IMU24は、油圧ショベル100に作用する加速度を検出する。IMU24は、車体1、本実施形態では旋回体3の幅方向の傾斜角を検出することができる。本実施形態において、車体1の幅方向は、ブームピン13の軸方向と平行な方向である。車体1の幅方向の傾斜角は、図2に示される車体座標系(Xm,Ym,Zm)のXm軸周りにおける角度θrである。以下において、角度θrを適宜、ロール角θrと称する。
 IMU24は、検出した角速度から、重力が作用する方向に対する車体1、本実施形態では旋回体3の前後方向の傾斜角を検出することができる。車体1の前後方向は、図2に示される車体座標系(Xm,Ym,Zm)のXm軸が延びる方向である。車体1の前後方向の傾斜角は、図2に示される車体座標系(Xm,Ym,Zm)のYm軸周りにおける角度θpである。以下において、角度θpを適宜、ピッチ角θpと称する。
 IMU24は、油圧ショベル100の加速度、角速度、ロール角θr、ピッチ角θp及びヨー角θyといった油圧ショベル100の制御に必要な情報を1つの装置で求めることができる。制御装置25は、作業機2の位置、例えばバケット8の刃先8BTの、グローバル座標系における位置を用いて、作業機2を制御する。グローバル座標系における作業機2の位置を求めるにあたり、ロール角θr、ピッチ角θp及び方位角θdが用いられる。本実施形態では、作業機械の校正装置30が作業機2の位置を求めるが、作業機2の位置は、制御装置25によって求められてもよいし、制御装置25以外の機器によって求められてもよい。
<作業機械の校正装置30及び作業機械の校正システム40>
 図3は、実施形態1に係る作業機械の校正装置30を含む作業機械の校正システム40の一例を示す図である。作業機械の校正システム40は、作業機械の校正装置30と、位置検出装置23と、IMU24と、入出力装置26とを含む。本実施形態において位置検出装置23は必ずしも必要ではない。以下において、作業機械の校正装置30を適宜、校正装置30と称し、作業機械の校正システム40を適宜、校正システム40と称する。
 校正装置30は、処理部31、記憶部32及び入出力部33を有する。処理部31は、補正部31A及び位置算出部31Bを有する。処理部31は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサ及びメモリである。処理部31は、実施形態に係る作業機械の校正方法を実行する。補正部31Aは、主に、本実施形態に係る作業機械の校正方法を実行することにより、IMU24が油圧ショベル1の前後方向に対してヨー角がずれて設置されることで、傾きが発生することに起因する、IMU24の検出値に含まれる誤差を補正する。位置算出部31Bは、主に、補正されたIMU24の検出値を用いて作業機2の位置を求める。
 記憶部32は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Random Access Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Random Access Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Random Access Memory)等の不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク及び光磁気ディスクのうち少なくとも1つが用いられる。
 記憶部32は、実施形態に係る作業機械の校正方法を処理部31に実行させるためのコンピュータプログラム、及び処理部31が実施形態に係る作業機械の校正方法を実行する際に使用される情報を記憶する。処理部31は、記憶部32から前述したコンピュータプログラムを読み込んで実行することにより、実施形態に係る作業機械の校正方法を実現する。入出力部は、校正装置30と、機器類とを接続するためのインターフェース回路である。入出力部33には、IMU24、位置検出装置23及び入出力装置26が接続される。
 入出力装置26は、表示部26Dと入力部26Iとを有する。入出力装置26の表示部26Dは、例えば、校正装置30の計算結果及び校正装置30へ入力する情報を表示する。表示部26Dは、液晶ディスプレイ又は有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ等であるが、これらに限定されない。入力部26Iは、校正装置30に情報を入力するボタン式の入力キーであるが、このようなものに限定されない。
 車体座標系の基準位置となる、旋回体3の旋回中心にIMU24を配置することはできないので、IMU24の座標系(Xi,Yi,Zi)と、車体座標系(Xm,Ym,Zm)とは異なる。IMU24は、IMU24の座標系(Xi,Yi,Zi)のXi軸と車体座標系(Xm,Ym,Zm)のXm軸とが平行になっていれば、IMU24が検出した角速度及び加速度から求められるロール角θr及びピッチ角θpの精度が保証される。本実施形態においては、Xi軸がIMU24の基準となる軸である。IMU24のXi軸が車体座標系のXm軸に対してヨー角のずれを有する、すなわち角度ずれを有すると、油圧ショベル100の一部である旋回体3に取り付けられたIMU24は、旋回体3に対して角度ずれを有する。この角度ずれを、以下においては適宜、取付誤差と称する。IMU24の油圧ショベル100に対するずれを表す。IMU24が取付誤差を有する場合、IMU24が検出し、校正装置30が認識する油圧ショベル100のピッチ角θp及びロール角θrは誤差を含む。すなわち、IMU24の検出値は、IMU24の取付誤差に起因する誤差を含む。この誤差を、以下においては適宜、計測誤差と称する。
 図4は、油圧ショベル100が傾斜面PDに置かれた場合において、IMU24が取付誤差を有する場合と有さない場合とを示す図である。図5は、IMU24が取付誤差を有さない場合における刃先8BTの位置を説明するための図である。図6は、IMU24が取付誤差を有する場合における刃先8BTの位置を説明するための図である。
 図4は、水平面からの傾斜角がφである傾斜面PDに、図1に示される油圧ショベル100が置かれたときのIMU24の状態を示している。図4中のAは、IMU24の座標系のXi軸と車体座標系のXm軸とが平行になっている場合を示す。すなわち、IMU24が取付誤差を有さない場合を示す。図4中のBは、IMU24の座標系のXi軸と車体座標系のXm軸とが平行になっていない場合を示す。この例は、IMU24が取付誤差を有する場合を示す。具体的には、図1に示されるIMU24の座標系のXi軸周りにIMU24が回転して車体1、本実施形態では旋回体3に取り付けられた結果、IMU24の座標系のXi軸が車体座標系のXm軸に対して角度Δθyだけずれている状態である。すなわち、IMU24が油圧ショベル100の前後方向に対してヨー方向のずれが発生して取り付けられている状態である。
 IMU24が取付誤差を有さない場合、ピッチ角θpは0度であり、ロール角θrはφになる。IMU24が取付誤差を有する場合、ピッチ角θpは0度とは異なる値となり、ロール角θrはφとは異なる値になる。
 図5及び図6において、作業機2が有するバケット8の刃先8BTの実際の高さはHr、図3に示される校正装置30が認識するバケット8の刃先8BTの高さはHbであるとする。IMU24の取付誤差を有さない油圧ショベル100が傾斜面PDに置かれている場合、図1に示される旋回体3が旋回すると、図5に示されるように校正装置30が認識する刃先8BTの高さHbは、実際の高さHrと変わらない。実際の高さHrは、基準面PHから刃先8BTの位置までの高さである。IMU24の取付誤差を有する油圧ショベル100が傾斜面PDに置かれている場合、図1に示される旋回体3が旋回すると、図6に示されるように校正装置30が認識する旋回体3の刃先8BTの高さHbは、実際の高さHrとは異なる。
 一例として、IMU24の座標系のXi軸が車体座標系のXm軸に対してずれている角度、すなわちIMU24の取付誤差が±1度程度である油圧ショベル100を考える。この油圧ショベル100が傾斜面PDに置かれている場合に旋回体3を回動させると、校正装置30が認識する刃先8BTの高さHbには誤差が含まれる。傾斜面PDの傾きが大きくなると、作業機2が最大リーチの状態になったとき、校正装置30が認識する刃先8BTの高さHbには、作業機2を設計面に沿って動作させる制御を行うための精度を保証できない程度の誤差が含まれることがある。
 ピッチ角θpはバケット8の刃先8BTの位置への影響があること、ロール角θrはバケット8の刃先の並行度に影響することから、IMU24のピッチ角θp及びロール角θrについては、設置時の傾き補正が行われる。油圧ショベル1が大型になると、IMU24の取付誤差が、傾斜面でピッチ角θpの誤差に与える影響が大きくなる結果、傾斜面における刃先8BTの位置精度に影響が出てくることが判明した。このため、本実施形態では、IMU24の計測誤差を補正する。
 校正装置30が認識する刃先8BTの高さHbに含まれる誤差は、油圧ショベル100が置かれる斜面の下方から上方に向かう方向と、車体座標系のXm軸とが直交する状態となるときに最大となる。校正装置30及び本実施形態に係る校正方法は、IMU24が取付誤差を有する場合に、IMU24の検出値を補正することにより計測誤差を補正する。次に、校正装置30が本実施形態に係る校正方法を実行して、IMU24の計測誤差を補正する処理を説明する。
<取付誤差の補正>
 図7は、実施形態1に係る作業機械の校正方法の処理例を示すフローチャートである。図8は、IMU24の計測誤差を補正するために油圧ショベル100を傾斜面PDに設置した状態を示す側面図である。図9は、傾斜面PDに設置された油圧ショベル100の第1の姿勢FFを示す図である。図10は、傾斜面PDに設置された油圧ショベル100の第2の姿勢FSを示す図である。図11は、第1の姿勢FFにおける作業機2の位置と第2の姿勢FSにおける作業機2の位置との差を示す側面図である。図12は、第1の姿勢FFにおける作業機2の位置と第2の姿勢FSにおける作業機2の位置との差を示す正面図である。
 本実施形態においてIMU24の計測誤差が補正される場合、図8に示されるように、補正対象のIMU24を有する油圧ショベル100は、傾斜角φである傾斜面PDに設置される。この状態で、校正装置30の補正部31Aは、油圧ショベル100が図9及び図11に示される第1の姿勢FFであるときにおける油圧ショベル100の一部分Pmの位置である第1位置Pfを取得する(ステップS101)。次に、校正装置30の補正部31Aは、油圧ショベル100が図10及び図11に示される第2の姿勢FSであるときにおける油圧ショベル100の一部分Pmの位置である第2位置Psを取得する(ステップS102)。
 第1位置Pfは、油圧ショベル100が傾斜面PDに設置され、かつ旋回体3が第1の方向を向いているときの位置であり、第2位置Psは、油圧ショベル100が傾斜面PDに設置され、旋回体3が第2の方向を向いているときの位置である。すなわち、第1位置Pfと第2位置Psとは、旋回体3の向きが異なるときにおける異なる2つの位置である。
 本実施形態において、油圧ショベル100の一部分Pmは、旋回体3及びこれに取り付けられた作業機2の一部であって、旋回体3の旋回中心上以外の位置であればよい。この例では、一部分Pmは、作業機2の一部分、より具体的には図1に示されるアームシリンダトップピン11bの部分であるが、この部分に限定されるものではない。
 第1の姿勢FF及び第2の姿勢FSは、IMU24が出力したピッチ角θpが0度となるときの姿勢である。すなわち、第1位置Pf及び第2位置Psは、IMU24が出力したピッチ角θpが0度となるときの位置である。傾斜面PDの下方から上方に向かう方向を傾斜方向DDとする。傾斜方向DDと水平面とのなす角度は傾斜角φである。傾斜方向DDと直交する方向は水平面と平行である。IMU24が出力したピッチ角θpが0度となった場合とは、IMU24の座標系におけるYi軸が傾斜方向DDと平行になった場合である。
 第2の姿勢FSは、作業機2の姿勢が第1の姿勢FFとは異なる姿勢である。本実施形態において、第2の姿勢FSは、IMU24が出力したピッチ角θpが0度である第1の姿勢FFの状態から旋回体3が旋回して、IMU24が出力したピッチ角θpが再び0度となったときの姿勢である。この場合、旋回体3は、180度旋回することになる。
 本実施形態において、第1位置Pf及び第2位置Psは、旋回体3の向きが180度異なるときにおける異なる2つの位置であるが、このような位置関係には限定されない。例えば、第1位置Pf及び第2位置Psは、旋回体3の向きが180度以外の大きさで異なるときにおける異なる2つの位置であってもよい。この場合、異なる2つの向きの間における大きさに応じて、第1位置Pf及び第2位置Pfを補正する必要がある。旋回体3の向きが180度異なるときにおける異なる2つの位置を、第1位置Pf及び第2位置Psとすることにより、第1位置Pf及び第2位置Pfの補正が不要になるので、好ましい。
 第1位置Pf及び第2位置Psは、図9及び図10に示される外部計測装置TSによって計測される。本実施形態において、外部計測装置TSは、例えば、トータルステーションと呼ばれる計測装置であるが、これに限定されない。本実施形態において、第1位置Pf及び第2位置Psは、グローバル座標系(Xg,Yg,Zg)における位置であるが、これに限定されない。第1位置Pf及び第2位置Psは、図3に示される入出力装置26から校正装置30に入力されてもよい。また、外部計測装置TSが校正装置30の入出力部33に接続されることにより、校正装置30は外部計測装置TSから直接第1位置Pf及び第2位置Psを取得してもよい。
 IMU24が取付誤差を有する場合、第1位置Pfと第2位置Psとは異なる。例えば、図11及び図12に示されるように、第1位置Pfの基準面PHからの高さHfと第2位置Psの基準面PHからの高さHsとが異なる。その結果、高さHfと高さHsとの差Δhが生じる。IMU24の取付誤差に起因する一部分Pmの高さの誤差Dは、Δh/2となる。
 本実施形態において、校正装置30の補正部31Aは、第1位置Pfと第2位置Psとを用いて、IMU24の計測誤差を補正する(ステップS103)。例えば、校正装置30は、第1位置Pfと第2位置Psとの差Δhから得られる誤差Dを用いてIMU24の計測誤差を補正する。第2の姿勢FSのときにおける真のピッチ角θpt2と、誤差Dと、車体座標系の原点から作業機2の一部分Pmまでの距離Lとの関係は、傾斜角φ及び角度Δθyを用いて、式(1)で求められる。
 sinθpt2=D/L=sinφ×sinΔθy・・・(1)
 距離Lは、車体座標系の原点から一部分Pmまでの距離であり、車体座標系のXm方向における距離である。距離Lは、作業機2の姿勢及び寸法から求められる。傾斜角φは、第1位置Pf及び第2位置Psの計測時に、油圧ショベル100が設置される傾斜面PDの傾斜角である。傾斜角φは、油圧ショベル100が第1の姿勢FFから第2の姿勢FSに変化する際に旋回体3が旋回したとき、IMU24が検出し、出力したロール角θrのピーク値である。Δθyは、ヨー角誤差である。ヨー角誤差Δθyは、IMU24の座標系のXi軸が車体座標系のXm軸に対してずれていたときのXi軸とXm軸とのなす角度である。ヨー角誤差Δθyは、IMU24がZi軸の周りに回転して油圧ショベル100、本実施形態では旋回体3に取り付けられることによって発生する誤差である。
 式(1)を変形してヨー角誤差Δθyについて解くと、式(2)が得られる。
 Δθy=sin-1{(D/L)×(1/sinφ)}・・・(2)
 校正装置30の補正部31Aは、式(2)に誤差Dと、距離Lと、IMU24の検出値から得られた傾斜角φとを与えてヨー角誤差Δθyを求める。校正装置30の補正部31Aは、得られたヨー角誤差Δθyを、図3に示される記憶部32に記憶させる。校正装置30の処理部31、より具体的には、図3に示される位置算出部31Bは、記憶部32からヨー角誤差Δθyを読み出し、これを用いてIMU24が検出し、出力した加速度及び角度を補正する。
 式(3)は、IMU24が検出し、出力した加速度の補正値Gxn,Gyn,Gznを示す。位置算出部31Bは、IMU24から取得した加速度を補正する場合、式(3)をヨー角誤差Δθyで補正する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 位置算出部31Bは、ヨー角誤差Δθyを用いて、IMU24から取得した角度、本実施形態ではピッチ角θp及びロール角θrを補正する。式(4)は、補正後のロール角θrnを示す。式(5)は、補正後のピッチ角θpnを示す。位置算出部31Bは、記憶部32から読み出したヨー角誤差Δθy、IMU24から出力されたロール角θr及びピッチ角θpを式(4)及び式(5)に与えることにより、補正後のロール角θrn及び補正後のピッチ角θpnを求める。作業機2の位置は、補正後のロール角θrn及び補正後のピッチ角θpn及び方位角θdを用いて求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 作業機2の位置として、バケット8の刃先8BTの位置(以下、刃先位置と称する)を求める例を説明する。刃先位置をPBとすると、車体座標系(Xm,Ym,Zm)における刃先位置PBは、作業機2の寸法及び姿勢から求められる。得られた刃先位置PBは、例えば、式(1)によって、車体座標系(Xm,Ym,Zm)からグローバル座標系(Xg,Yg,Zg)の値に変換される。
 PBg=R・PBm+T・・・(6)
 式(6)中のPBgはグローバル座標系(Xg,Yg,Zg)における刃先位置PB、PBmは車体座標系における刃先位置PB、Rは式(7)で示される回転行列、Tは式(8)で示される並進ベクトルである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 式(7)から分かるように、回転行列Rには、ロール角θr、ピッチ角θp及び方位角θdが含まれる。ロール角θr及びピッチ角θpはIMU24が検出し、出力した値である。方位角θdは、位置検出装置23がアンテナ21,22の相対位置から算出し、出力した値である。並進ベクトルTは、位置検出装置23によって検出された、グローバル座標系(Xg,Yg,Zg)におけるアンテナ21,22の位置と、車体座標系(Xm,Ym,Zm)との位置関係から求められる。
<変形例1>
 第2の姿勢FSのときにおける真のピッチ角θpt2は、誤差D及び車体座標系の原点から作業機2の一部分Pmまでの距離Lを用いると、式(9)で求められる。
 θpt2=sin-1(D/L)・・・(9)
 校正装置30の補正部31Aは、式(9)を用いて真のピッチ角θpt2を求める。真のピッチ角θpt2と、ヨー角誤差Δθyと、IMU24が検出し、出力したロール角θr及びピッチ角θpとの関係は、式(4)及び式(5)から求めることができる。
<変形例2>
 図13は、第1の姿勢FF及び第2の姿勢FSを得るための変形例を示す図である。前述した例では、図8に示されるように、油圧ショベル100を傾斜面PDに設置した。変形例は、図13に示されるように、油圧ショベル100の走行体5の一部を台TBに乗り上げさせることにより、油圧ショベル100を傾斜面PDに設置した場合と同様の姿勢を作り出すことができる。台TBを用いることにより、傾斜面PDが存在しない場所でも、台TBを用意することにより、校正装置30は、IMU24の取付誤差に起因する計測誤差を補正することができる。
 本実施形態及びその変形例は、IMU24が油圧ショベル100の前後方向に対してヨー角がずれて設置されることで、傾きが発生することに起因する、IMU24の検出値に含まれる誤差を補正することができる。IMU24のヨー方向の取付誤差は、IMU24が取り付けられる油圧ショベル100の車体1が水平な状態においては、作業機2の位置が求められる際の精度にはほとんど影響を与えないが、傾斜地に油圧ショベル100が置かれたときに、作業機2の位置が求められる際の精度は低下する。特に、油圧ショベル100の車体1がロールした姿勢で、作業機2の位置が求められる際の精度は低下する。
 本実施形態及びその変形例は、油圧ショベル100の車体1を傾斜させた姿勢を少なくとも1つ含む2つの姿勢で計測された、油圧ショベル100の一部の部分の位置を2つ用いて、IMU24の取付誤差に起因する計測誤差を補正する。このように、ヨー方向におけるIMU24の取付誤差の影響が出やすい油圧ショベル100が傾斜した姿勢が少なくとも1つ、本実施形態では2つ用いられるので、IMU24のヨー方向における取付誤差に起因する計測誤差を補正するための補正量が容易に得られる。
 本実施形態及びその変形例は、油圧ショベル100の車体1がロールした姿勢、すなわちIMU24が出力したピッチ角θpが0度である第1の姿勢FF及び第2の姿勢FSで、それぞれ第1位置Pf及び第2位置Psを計測する。このようにして計測された第1位置Pf及び第2位置Psから、IMU24のヨー方向における取付誤差を補正するための補正量、すなわちヨー角誤差Δθyが求められる。このように、第1位置Pfと第2位置Psとは、作業機2の位置の精度が大きく低下する姿勢で得られるので、両者の差分は大きくなる。その結果、第1位置Pf及び第2位置Psの計測誤差の影響を低減できるので、前述した補正量の精度低下が抑制される。
 本実施形態及びその変形例は、外部計測装置TSを用いて油圧ショベル100の一部分Pmを計測するので、IMU24が検出し、出力したピッチ角θp及びロール角θrを高い精度で補正することができる。また、本実施形態及びその変形例は、外部計測装置TSにより、GPS等の測位衛星を用いた計測が不要になるので、測位衛星を用いた計測における測位誤差の影響を受けない。その結果、本実施形態及びその変形例は、IMU24が検出し、出力したピッチ角θp及びロール角θrを高い精度で補正することができる。
 本実施形態及びその変形例の構成は、以下においても適宜適用できる。
実施形態2.
 図14は、実施形態2において、第1の姿勢FFで第1位置Pfを計測する例を示す図である。図15は、実施形態2において、第2の姿勢FSで第2位置Psを計測する例を示す図である。本実施形態において、油圧ショベル100、位置検出装置23、IMU24、制御装置25、校正装置30及び校正システム40は、実施形態1と同様なので、説明を省略する。次においては、図7に示されるフローチャートを用いて、実施形態2に係る作業機械の校正方法の処理例が説明される。
 本実施形態において、図14に示される第1位置Pf及び第2位置Psは、油圧ショベル100の一部分、この例では油圧ショベル100以外の位置(以下、適宜計測位置と称する)を基準として得られた、作業機2の一部分Pmの位置である。本実施形態において、計測位置は、基準面PHの一部PHbsである。計測位置は、第1位置Pfが計測されるときと第2位置Psが計測されるときとで不動又は同一の位置であればよく、基準面PHの一部PHbsには限定されない。以下において、基準面PHの一部PHbsを適宜、計測位置PHbsと称する。
 第1位置Pf及び第2位置Psは、IMU24から出力された、油圧ショベル100の姿勢に関する情報を用いて求められる。油圧ショベル100の姿勢に関する情報は、ロール角θr、ピッチ角θp及び方位角θdが例示される。
 本実施形態において、作業機2の一部分Pmは、バケット8の刃先8BTである。第1位置Pfは、油圧ショベル100が第1の姿勢FFであるときに、刃先8BTが計測位置PHbsに接したときにおける刃先8BTの位置である。第2位置Psは、油圧ショベル100が第2の姿勢FSであるときに、刃先8BTが計測位置PHbsに接したときにおける刃先8BTの位置である。このように、第1位置Pf及び第2位置Psは、バケット8の同じ刃先8BTが、基準とした点の同一部分に接した状態で得られる。刃先8BTの位置は、IMU24から出力された、油圧ショベル100の姿勢に関する情報であるロール角θr及びピッチ角θpを用いて、図3に示される校正装置30の位置算出部31Bが求める。本実施形態において、刃先8BTの位置を求めるにあたっては、IMU24から出力されたロール角θr及びピッチ角θpに加えて、作業機2の位置方位角θd、作業機2の姿勢及び寸法が用いられる。
 第1の姿勢FFは、油圧ショベル100が基準面PH上に設置されている状態での油圧ショベル100の姿勢である。第2の姿勢FSは、油圧ショベル100が、基準面PHに対して傾斜する傾斜面PD上に設置されている状態での油圧ショベル100の姿勢である。校正装置30の補正部31Aは、油圧ショベル100が第1の姿勢FFであるときにおける第1位置Pfを取得する(図7におけるステップS101)。次に、校正装置30の補正部31Aは、油圧ショベル100が第2の姿勢FSであるときにおける第2位置Psを取得する(図7におけるステップS102)。
 IMU24から出力されたヨー角θyがヨー角誤差Δθyを含む場合、第1位置Pfと第2位置Psとは一致しない。ヨー角誤差Δθyが存在すると、IMU24が出力するピッチ角θp及びロール角θrも誤差を含むからである。ピッチ角θp及びロール角θrを補正するため、図3に示される校正装置30の補正部31Aは、ヨー角誤差Δθyを補正し、前述した式(4)及び式(5)を用いて補正後のピッチ角θpn及び補正後のロール角θrnを求める。位置算出部31Bは、補正後のピッチ角θpn及び補正後のロール角θrnを用いて、第1位置Pf及び第2位置Psを再計算する。
 補正部31Aは、位置算出部31Bによって求められた第1位置Pfと第2位置Psとの差(以下、適宜、位置差分と称する)を求めて、閾値と比較する。補正部31Aは、位置差分が閾値以下になったか否かを判定する。位置差分が閾値よりも大きい場合、補正部31A及び位置算出部31Bは、位置差分が閾値以下になるまで、ヨー角誤差Δθyの補正及び第1位置Pf及び第2位置Psの再計算を繰り返す。補正部31Aは、第1位置Pfと第2位置Psとの差が閾値以下になったときのヨー角誤差Δθyを、IMU24のヨー方向における取付誤差として、図3に示される記憶部32に記憶させる。位置算出部31Bは、記憶部32からヨー角誤差Δθyを読み出し、式(4)及び式(5)を用いてIMU24が検出し、出力した加速度及びピッチ角θp及びロール角θrを補正する。このように、校正装置30は、第1位置Pf及び第2位置Psを用いて得られたヨー角誤差θyを用いて、IMU24の計測誤差を補正する(図7におけるステップS103)。
 補正部31Aは、油圧ショベル100の姿勢に関する情報を補正するためのパラメータ、本実施形態ではヨー角誤差Δθyを用いて補正しながら、第1位置Pf及び第2位置Psの再計算を繰り返す。そして、校正装置30の補正部31Aは、第1位置Pfと第2位置Psとの差(以下、適宜、位置差分と称する)が閾値以下になったときのヨー角誤差Δθyを用いて、IMU24の取付誤差に起因する計測誤差を補正する。
 このようにして、校正装置30は、IMU24が油圧ショベル100の前後方向に対して傾いてヨー方向のずれが発生していることに起因する、IMU24の検出値に含まれる誤差を補正することができる。本実施形態において補正部31Aがヨー角誤差Δθyを補正する場合、補正部31Aは、例えば、ヨー角誤差Δθyの初期値を定め、ヨー角誤差Δθyが初期値から増加する方向と減少する方向との両方に、初期値から所定の大きさでヨー角誤差Δθyを変化させる。例えば、ヨー角誤差Δθyの初期値は0度、所定の大きさは0.01度とすることができるがこれらの値には限定されない。
 位置差分と比較される閾値は限定されるものではないが、例えば、距離の絶対値が用いられる。この場合、閾値は、例えばGNSSの計測誤差程度とすることができる。また、再計算によって得られた第1位置Pfと第2位置Psとの差が、補正前における第1位置Pfと第2位置Psとの差の所定の割合以下になったときのヨー角θyを用いて、計測誤差を補正してもよい。この場合、閾値は、補正前における第1位置Pfと第2位置Psとの差の所定の割合となる。所定の割合は、例えば、1%又は5%とすることができるが、これらの値に限定されない。
 位置算出部31Bは、IMU24から取得した加速度を補正する場合、ヨー角誤差Δθyで補正する。位置算出部31Bは、IMU24によって検出され、出力されたロール角θr及びピッチ角θpを、位置差分が閾値以下になったときのヨー角誤差Δθyを補正値として用いることにより補正する。
 本実施形態は、油圧ショベル100の車体1を傾斜させた姿勢を少なくとも1つ含む2つの姿勢で計測された、油圧ショベル100の一部の部分の位置を用いて、IMU24の取付誤差に起因する計測誤差を補正する。このとき、油圧ショベル100の一部の部分の位置は、油圧ショベル100以外の計測位置PHbsを基準として計測される。このように、本実施形態は、ヨー方向におけるIMU24の取付誤差の影響が出やすい、油圧ショベル100が傾斜した姿勢を少なくとも1つ用いるので、IMU24のヨー方向における取付誤差を補正するための補正量が容易に得られる。本実施形態は、外部計測装置TSは不要なので、外部計測装置TSがない場所、例えば油圧ショベル100の作業現場であっても、IMU24の取付誤差に起因する計測誤差を補正できる。
 本実施形態において、基準面PHの計測位置PHbsにバケット8の刃先8BTを接触させたが、刃先8BTと計測位置PHbsとの位置関係が分かれば、計測位置PHbsと刃先8BTとを接触させなくてもよい。例えば、校正装置30は、計測位置PHbsの鉛直方向における上方の所定位置に、刃先8BTを静止させたときのIMU24の出力を用いて、第1位置Pf及び第2位置Psを求めてもよい。このように、第1位置Pf及び第2位置Psは、油圧ショベル100以外の位置を基準として得られた、油圧ショベル100の一部分の位置であればよい。また、油圧ショベル100の一部分の位置は、バケット8の刃先8BTに限定されず、例えば、バケット8の尻部又は図1に示される第2リンク部材48の一部であってもよい。
 以上、実施形態1、その変形例及び実施形態2を説明したが、上述した内容によりこれらが限定されるものではない。また、上述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、上述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、実施形態1、その変形例及び実施形態2の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
1 車体
2 作業機
3 旋回体
4 運転室
5 走行体
6 ブーム
7 アーム
8 バケット
8B 刃
8BT 刃先
10 ブームシリンダ
11 アームシリンダ
12 バケットシリンダ
13 ブームピン
14 アームピン
15 バケットピン
23 位置検出装置
25 制御装置
26 入出力装置
30 校正装置
31 処理部
31A 補正部
31B 位置算出部
32 記憶部
33 入出力部
40 校正システム
100 油圧ショベル
D 誤差
FF 第1の姿勢
FS 第2の姿勢
L 距離
PD 傾斜面
Pf 第1位置
PH 基準面
PHbs 計測位置
Pm 一部分
Ps 第2位置
TB 台
TS 外部計測装置
θr ロール角
θp ピッチ角
θy ヨー角
φ 傾斜角
Δθy ヨー角誤差

Claims (9)

  1.  作業機が取り付けられて旋回する旋回体を有する作業機械の姿勢を出力する姿勢検出装置の前記作業機械に対するずれに起因する誤差を補正するにあたり、
     前記作業機械が第1の姿勢であるときにおける前記作業機械の一部分の位置である第1位置と、前記作業機械が第2の姿勢であるときにおける前記一部分の位置である第2位置とを用いて前記誤差を補正する、作業機械の校正装置。
  2.  前記一部分の位置は、前記作業機の一部の位置であり、
     前記第1位置は、前記作業機械が傾斜面に設置され、かつ前記旋回体が第1の方向を向いているときの位置であり、
     前記第2位置は、前記作業機械が傾斜面に設置され、かつ前記旋回体が第2の方向を向いているときの位置である、
     請求項1に記載の作業機械の校正装置。
  3.  前記第1位置及び前記第2位置は、前記姿勢検出装置が出力したピッチ角が0度のときの位置である、請求項2に記載の作業機械の校正装置。
  4.  前記一部分の位置は、前記作業機械が有する前記作業機の一部分の位置である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の作業機械の校正装置。
  5.  前記第1位置及び前記第2位置は、前記作業機械以外の位置を基準として得られた前記一部分の位置であり、前記姿勢検出装置から出力された、前記作業機械の姿勢に関する情報を用いて求められる、請求項1に記載の作業機械の校正装置。
  6.  前記作業機械の姿勢に関する情報を補正するためのパラメータを補正しながら、前記第1位置及び前記第2位置の再計算を繰り返し、前記第1位置と前記第2位置との差が閾値以下になったときの前記パラメータを用いて前記誤差を補正する、請求項5に記載の作業機械の校正装置。
  7.  前記作業機械の姿勢に関する情報は、前記姿勢検出装置が出力したピッチ角及びロール角である、請求項6に記載の作業機械の校正装置。
  8.  請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の作業機械の校正装置を有する、作業機械。
  9.  作業機が取り付けられて旋回する旋回体を有する作業機械の姿勢を出力する姿勢検出装置の前記作業機械に対するずれに起因する誤差を補正するにあたり、
     前記作業機械が第1の姿勢であるときにおける前記作業機械の一部分の位置である第1位置を取得し、
     前記作業機械が第2の姿勢であるときにおける前記一部分の位置である第2位置を取得し、
     前記第1位置及び前記第2位置を用いて前記誤差を補正する、作業機械の校正方法。
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