WO2020179320A1

WO2020179320A1 - 作業機械

Info

Publication number: WO2020179320A1
Application number: PCT/JP2020/004152
Authority: WO
Inventors: 靖彦金成; 石橋　英人
Original assignee: 日立建機株式会社
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2020-09-10
Also published as: KR102500969B1; EP3933122A4; CN112639225B; US12000114B2; JP2020139933A; JP6961636B2; CN112639225A; US20220025615A1; EP3933122A1; KR20210034065A

Abstract

２つのＧＮＳＳアンテナで受信された衛星信号に基づいて上部旋回体の位置と方位角を演算する受信機と、受信機で演算された上部旋回体の位置及び方位角とに基づいてバケットの先端位置を演算するコントローラとを油圧ショベルに備える。コントローラは、２つのＧＮＳＳアンテナの設置位置と、フロント作業機の可動範囲と、上部旋回体の傾斜角度及び方位角とに基づいて、２つのＧＮＳＳアンテナのそれぞれについてフロント作業機が衛星信号の受信の妨げとなり得る範囲をマスク範囲として設定する。受信機は、マスク範囲に位置する衛星を除いた残りの衛星から送信される衛星信号に基づいて上部旋回体の位置と方位角を演算する。

Description

作業機械

　本発明は，油圧ショベル等の作業機械に係り，特に，作業装置に設定されたモニタポイントの３次元空間における絶対位置を衛星の衛星信号を用いて計測する位置計測システムが搭載された作業機械に関する。

　近年，建設施工現場において，作業機械に設定した所定の点（モニタポイント）の位置をＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）等の３次元位置計測システムを用いて計測し，作業管理を行うことがなされている。モニタポイントの代表例としては，作業機械が備える作業装置に設定した点，例えば油圧ショベルのバケット先端がある。このバケット先端の位置を計測できれば，その計測データを予め設定した地形データや目標形状データと比較することにより施工中の作業進行状況を把握でき，施工中の管理や制御が行える。また，施工終了時までの計測データの履歴から出来形データ（例えば掘削地形データ）を生成することで，施工後も施工管理が行える。

　ところで，例えば油圧ショベルにおいては，ブーム，アーム及びバケット等のＧＮＳＳアンテナより上方に位置し得る作業装置や周辺の障害物がＧＮＳＳ衛星から送信される信号（ＧＮＳＳ信号，衛星信号）の障害物となるため，ＧＮＳＳアンテナは，ＧＮＳＳ信号をマルチパスと呼ばれる回折波や反射波として受信する可能性がある。モニタポイントの測位に回折波や反射波を使用すると，測位結果に誤差を含む可能性が高い。マルチパスの影響を除去する解決手法として，例えば特許文献１の記載のものがある。

　特許文献１には，複数の送信機（複数の衛星）から信号を受信する受信装置を具備し，各送信機（複数の衛星）の送信機位置を判定し，その各送信機の位置と，前回判定された位置決め装置の位置と，マルチパス情報とに基づいて，信号の直接受信が可能である送信機（複数の衛星）を計算し，信号の直接受信が不可能である送信機を無視して位置決め装置の現在の位置を判定する位置決め装置が開示されている。

特表２０１０－５３４８４９号公報

　上述した特許文献１記載の技術では，障害物による反射や回折の影響を低減することはできるが，油圧ショベルのように，掘削，旋回，放土等の一連の動作を繰り返す作業機械においては，作業装置や上部旋回体の姿勢の変化に応じて作業機械と周辺の障害物との相対位置が容易に変化し得るため，測位に使用する衛星信号の組合せが絶えず切り替わる可能性がある。ＧＮＳＳによる測位では，測位に使用する衛星が切り替わると測位誤差が大きくなるという課題がある。

　本発明は上記課題を解決するためになされたものであって，その目的は，作業機械の作業中に作業装置や上部旋回体の姿勢が変化しても，ＧＮＳＳ測位の精度低下を抑制できる作業機械を提供することにある。

　上記目的を達成するために，本発明は，下部走行体と，前記下部走行体に旋回可能に設けられ，前記下部走行体と共に車体を構成する上部旋回体と，前記上部旋回体に回動可能に設けられた作業装置と，前記車体に設けられた傾斜計測装置と，前記作業装置に設けられた角度計測装置と，衛星の衛星信号に基づいて自身の３次元位置および方向を計算する３次元位置計測装置と，前記傾斜計測装置，前記角度計測装置，および前記３次元位置計測装置からの情報に基づいて，前記車体の３次元位置および姿勢，ならびに前記作業装置の所定位置の３次元位置を計算するコントローラとを備えた作業機械において，前記３次元位置計測装置は，衛星の衛星信号を受信し，衛星信号を受信した衛星のうち，前記３次元位置計測装置の３次元位置および方向の計算に使用する衛星を選択し，選択した衛星の衛星信号に基づいて，前記３次元位置計測装置の３次元位置および方向を計算し，前記作業機械は，前記３次元位置計測装置によって選択されている衛星の組み合わせを記憶するように指示するための記憶指示装置を更に備え，前記コントローラは，前記記憶指示装置を介して指示が入力されたときに，前記３次元位置計測装置によって選択されている衛星の組み合わせを衛星選択情報として記憶し，所定の変更条件が成立したときに，前記衛星選択情報を前記３次元位置計測装置に送信し，前記３次元位置計測装置は，前記コントローラから前記衛星選択情報を受信した場合に，衛星信号を受信した衛星のうち，前記衛星選択情報に含まれる衛星を優先的に選択するものとする。

　本発明によれば，作業中に作業装置や上部旋回体の姿勢が変化しても，ＧＮＳＳ測位の演算に使用する衛星信号の切替わりを抑制できるので，ＧＮＳＳによる測位精度の低下を抑制でき，ひいては作業精度を向上できる。

本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの外観を示す図である油圧ショベルに搭載された位置計測システムの装置構成を示すブロック図である。ＧＮＳＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの装置構成を示すブロック図である。油圧ショベルの掘削動作時の姿勢を模式的に示した図である。油圧ショベルの旋回動作時の姿勢を模式的に示した図である。油圧ショベルの掘削位置および放土位置，ならびにその時のＧＮＳＳアンテナの上空視界内にあるＧＮＳＳ衛星の配置を模式的に示した図である。油圧ショベルの掘削位置，その時のＧＮＳＳアンテナの上空視界内にあるＧＮＳＳ衛星の配置，および位置計算に使用されているＧＮＳＳ衛星の組み合わせを模式的に示した図である。油圧ショベルの放土位置，その時のＧＮＳＳアンテナの上空視界内にあるＧＮＳＳ衛星の配置，および位置計算に使用されているＧＮＳＳ衛星の組み合わせを模式的に示した図である。油圧ショベルの掘削位置，その時のＧＮＳＳアンテナの上空視界内にあるＧＮＳＳ衛星の配置，および位置計算に使用されているＧＮＳＳ衛星の組み合わせを模式的に示した図である。コントローラの処理を示すフローチャートである。図１０中のステップＳ４０で行われる処理の具体例の１つを示すフローチャートである。車体基準方位角とフロント遮蔽仰角αｆｔの関係の一例を示す図である。車体基準方位角の説明図である。車体基準方位角が１５度の場合における現況地形断面を横から見た図である。車体基準方位角と上部旋回体の方位角の関係図を示す図である。

　以下，本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。本実施の形態は，建設機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用し，油圧ショベルのバケット先端にモニタポイント（制御点）を設定した場合のものである。なお，各図中，同等の部材には同一の符号を付し，重複した説明は適宜省略する。

　図１は，本実施の形態に係る油圧ショベルの外観を示す図である。

　図１において，油圧ショベル１は，走行油圧モータ（図示せず）によって駆動されるクローラで走行する下部走行体２と，下部走行体２の上に旋回可能に取り付けられ，下部走行体２と共に車体を構成する上部旋回体３と，上部旋回体３に設けられたキャブ４と，上部旋回体３に取り付けられたフロント作業機（作業装置）５とを備えている。上部旋回体３は旋回油圧モータ（図示せず）によって左右に旋回駆動される。フロント作業機５は，上部旋回体３に上下方向に回転可能に設けられたブーム６と，ブーム６の先端に上下方向に回転可能に設けられたアーム７と，アーム７の先端に上下方向に回転可能に設けられたバケット（アタッチメント）８とを有する多関節型の作業装置である。ブーム６，アーム７，バケット８は，それぞれ，ブームシリンダ９，アームシリンダ１０，バケットシリンダ１１を伸縮することにより駆動される。ブーム６，アーム７及びバケット８をそれぞれフロント部材と称することがある。

　また，上部旋回体３には所定の平面（例えば水平面）に対する上部旋回体３の傾斜角（ピッチ角度）を検出する車体ＩＭＵ２１が取り付けられており，ブーム６には所定の平面（例えば水平面）に対するブーム６の角度（ブーム角度）を検出するブームＩＭＵ２２が，アーム７には所定の平面（例えば水平面）に対するアーム７の角度（アーム角度）を検出するアームＩＭＵ２３が，バケット８には所定の平面（例えば水平面）に対するバケット８の角度（バケット角度）を検出するバケットＩＭＵ２４が取り付けられている。なお，本稿ではブームＩＭＵ２２，アームＩＭＵ２３及びバケットＩＭＵ２４をフロントＩＭＵ(図２参照)と総称することがある。

　さらに，上部旋回体３には，複数のＧＮＳＳ衛星から送信される衛星信号（航法信号）を受信するための２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２と，基準局からのＲＴＫ補正データ（後述）を受信するためのＲＴＫ補正データ受信アンテナ３４が設置されている。２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２は上部旋回体３の旋回中心から外れた旋回体後部の左右に設置されている。

　図２は，油圧ショベル１に搭載された位置計測システムの構成図である。この図に示す位置計測システム２００は，無線機３５と，ＧＮＳＳ受信機３３と，コントローラ３８と，表示装置３９と，設定用スイッチ４０とを備えている。

　無線機３５は，基準局からのＲＴＫ補正データ（後述）をＲＴＫ補正データ受信アンテナ３４を介して受信し，ＲＴＫ補正データをＧＮＳＳ受信機３３に出力する。

　ＧＮＳＳ受信機３３は，無線機３５から入力したＲＴＫ補正データと，ＧＮＳＳアンテナ３１，３２により受信されるＧＮＳＳ衛星からの信号とに基づいて，２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２のうち一方のＧＮＳＳアンテナ３１の位置と，２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２のうち一方のＧＮＳＳアンテナ３１から他方のＧＮＳＳアンテナ３２へのベクトルとをリアルタイムに演算しており，これにより地理座標系（グローバル座標系）における上部旋回体３の位置と方位角が演算できる。

　コントローラ３８は，ＧＮＳＳ受信機３３で演算された位置及びベクトルデータとＩＭＵ２１～２４からの角度データを入力して，上部旋回体３の位置と方位角や，バケット８の先端（モニタポイント）の位置を演算する。コントローラ３８は，ハードウェアとして，演算処理装置（例えばＣＰＵ），記憶装置（例えば，ＲＯＭ，ＲＡＭ等の半導体メモリ），インタフェース（入出力装置）を備えており，記憶装置内に予め保存されているプログラム（ソフトウェア）を演算処理装置で実行し，プログラム内で規定されているデータとインタフェースから入力されたデータに基づいて演算処理装置が演算処理を行い，インタフェースから外部に信号（演算結果）を出力する。なお，図示はしないが，ＧＮＳＳ受信機３３もコントローラ３８と同種のハードウェアを備えることができる。

　表示装置（モニタ）３９は，コントローラ３８の演算結果及びそれを利用して取得される各種データを表示する。

　コントローラ３８には，設定用スイッチ（マスク範囲リセットスイッチ）４０が接続されている。設定用スイッチ４０は，その時に設定されている全てのマスク範囲（後述）を解除（消去）するためのスイッチであり，オペレータが希望するタイミングで押下され，それによりコントローラ３８は全てのマスク範囲を削除する。マスク範囲の設定の詳細や設定用スイッチ４０が利用される場面については後述する。

　また，コントローラ３８には，半導体メモリ等の外部記録媒体（外部記憶装置）４２を接続することができる。外部記録媒体４２には，現況地形データや目標地形データ（設計データとも称する）を含む地形データが記憶されており，オペレータはシステム起動時等の所定のタイミングで外部記録媒体４２をコントローラ３８に接続して，必要な場合にはコントローラ３８内の記憶装置にデータをダウンロードする。そして，作業終了時などには，例えばシステム起動中におけるバケット先端位置の軌跡データから生成される作業後の現況地形データが外部記録媒体４２に記録され施工管理に使用される。

　図３は，ＧＮＳＳ基準局としての役割を持つ事務所側計測システム（基準局システム）５０の構成図である。

　図３において，事務所側計測システム５０は，ＧＮＳＳアンテナ５２と，ＧＮＳＳ受信機５１と，無線機５３と，無線アンテナ５４を備えている。

　ＧＮＳＳアンテナ５２は，複数のＧＮＳＳ衛星から送信される衛星信号（航法信号）を受信するためのアンテナである。

　ＧＮＳＳ受信機５１は，ＧＮＳＳ基準局として機能し（以下では，ＧＮＳＳ受信機５１をＧＮＳＳ基準局５１と表記することがある），予め計測された３次元位置（例えばＧＮＳＳアンテナ５２の位置）のデータと，ＧＮＳＳアンテナ５２により受信される衛星信号とに基づいて，油圧ショベル１のＧＮＳＳ受信機３３でＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）計測を行うための補正データを生成し，無線機５３に出力する。

　無線機５３は，ＧＮＳＳ受信機５１から入力された補正データを無線アンテナ５４を介して油圧ショベル１の無線機３５に対して送信する。

　次に，本実施の形態に係わる位置計測システム２００の動作の概要を説明する。

　本実施の形態では高精度での位置計測を行うため，図２に示したＧＮＳＳ受信機３３でＲＴＫ計測を行う。このためには先ず，図３に示した補正データを生成するＧＮＳＳ基準局５１が必要となる。ＧＮＳＳ基準局５１は，上記のように予め３次元計測されたＧＮＳＳアンテナ５２の位置データと，ＧＮＳＳアンテナ５２により受信される複数のＧＮＳＳ衛星からの衛星信号とに基づいて，ＲＴＫ計測のための補正データを生成し，生成した補正データを無線機５３によりアンテナ５４を介して一定周期で送信する。

　一方，図２に示した油圧ショベル１側のＧＮＳＳ受信機３３は，アンテナ３４を介して無線機３５により受信される補正データと，ＧＮＳＳアンテナ３１，３２により受信される複数のＧＮＳＳ衛星からの衛星信号に基づき，ＧＮＳＳアンテナ３１の３次元位置と，ＧＮＳＳアンテナ３１からＧＮＳＳアンテナ３２へのベクトルとをＲＴＫ計測する。このＲＴＫ計測によって，地理座標系におけるＧＮＳＳアンテナ３１の３次元位置及びＧＮＳＳアンテナ３１からＧＮＳＳアンテナ３２へのベクトルが高精度で計測される。そして，計測された３次元位置データ及びベクトルデータはコントローラ３８に入力される。

　また，ＩＭＵ２１～２４によって油圧ショベル１（上部旋回体３）の傾斜角度（すなわち，ピッチ角度及びロール角度）とブーム６，アーム７及びバケット８の各角度が計測され，同様にコントローラ３８に入力される。

　コントローラ３８は入力された各種データに基づき，一般的なベクトル演算と座標変換を行って，所定の座標系（例えば，作業現場の地面に設定された現場座標系）における上部旋回体３の位置及び姿勢（方位角を含む）と，バケット８の先端（モニタポイント）の位置とを演算する。また，コントローラ３８は，演算した上部旋回体３の位置及び姿勢とバケット先端の位置と，外部記録媒体４１から入力した目標地形データとに基づいて，表示装置３９の画面上にバケットの画像と目標地形を表示してオペレータに作業状況を知らせることもできる。

　次に，本発明が課題とする，ＧＮＳＳ受信機３３による位置計測の再現性の悪化について，図４～９を用いて説明する。

　図４は，油圧ショベル１の掘削動作時の姿勢を模式的に示したものである。図４において，油圧ショベル１はいわゆる法面切り上げ作業を行っている。図４に示すイメージは，表示装置３９に表示される情報に概略等しく，オペレータはこの情報に基づいて，現地形６１が目標地形６２に近づくように，油圧ショベル１の掘削操作を行う。

　図５は，油圧ショベル１の旋回動作時の姿勢を模式的に示したものである。図５に示すように，通常，旋回動作は，掘削動作の終了後にブーム６を上げ，アーム７及びバケット８を巻き込み，バケット８と地面とのクリアランスを確保した状態で行う。そして，放土位置にてアーム７及びバケット８をダンプさせて，掘削土を所定位置に落とす。その後，掘削位置へ戻るための旋回動作を行い，掘削動作を繰り返す。

　図６は，油圧ショベル１の掘削位置および放土位置，ならびにその時のＧＮＳＳアンテナ３１，３２の上空視界内にあるＧＮＳＳ衛星８１～８７の配置を模式的に示したものである。図６において，フロント作業機５が上側に向いた状態を掘削位置７１，フロント作業機５が左側に向いた状態を放土位置７２とし，掘削位置７１から放土位置７２への移動は左旋回で行い，放土位置７２から掘削位置７１への移動は右旋回で行うものとする。

　ＧＮＳＳによる位置計測において，ＧＮＳＳ受信機３３は，ＧＮＳＳアンテナ３１，３２で受信されるＧＮＳＳ衛星からの衛星信号の品質や，衛星信号を受信しているＧＮＳＳ衛星の配置等，種々の条件判定を行って位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星（衛星信号）を選択している。

　ここで，ＧＮＳＳ衛星の配置はＤＯＰ（Ｄｉｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）という数値で評価されており，例えばＧＮＳＳ衛星が上空視界の一方向に偏って分布している場合などはＤＯＰが悪く（数値が大きい），結果として計算される位置精度が悪化する。これに対して，ＧＮＳＳ衛星が上空視界に偏りなく分布している場合はＤＯＰが良く（数値が小さい），計算される位置精度が向上する。これは，ＧＮＳＳによる位置計測が，三角測量を応用した計測システムであることに起因する。

　このため，捕捉可能なＧＮＳＳ衛星８１～８７が図６に示すような配置にある場合，掘削位置７１では位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星として，例えば図７に塗りつぶしで示す衛星８１，８３，８４，８６が選択される。

　しかし，油圧ショベル１の掘削動作が終了し，図５に示すような旋回姿勢を取って掘削位置７１から放土位置７２へと左旋回すると，ＧＮＳＳアンテナ３１，３２とＧＮＳＳ衛星８１，８６，８７との間をフロント作業機５が通過することにより，ＧＮＳＳ衛星８１，８６，８７の衛星信号が遮られることになる。

　この結果，放土位置７２の位置計算時には，例えば図８に塗りつぶしで示すＧＮＳＳ衛星８２～８５が選択されることになり，図７の掘削位置７１で選択された組み合わせから変化する場合がある。

　さらに，油圧ショベル１は右旋回で掘削位置７１へ戻り，掘削動作を繰り返すことになるが，放土位置７２から掘削位置７１へ右旋回する間はＧＮＳＳ衛星８２～８５の衛星信号はフロント作業機５によって遮られないため，掘削位置７１においても位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星の組み合わせが図９に示すようにＧＮＳＳ衛星８２～８５に保持され，前回の掘削動作時に選択されていたＧＮＳＳ衛星８１，８３，８４，８６の組み合わせから変化したままになってしまう場合がある。

　ＧＮＳＳによる位置計測では，ＤＯＰ以外にもＧＮＳＳ衛星の時計誤差や軌道情報の誤差等，各ＧＮＳＳ衛星で微妙に異なる誤差要因があり，油圧ショベル１が同じ位置にあっても，位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星の組み合わせが異なると，位置計算結果にズレが生じ，位置計算の再現性が悪化するおそれがある。

　このように，ＧＮＳＳ受信機３３による位置計算の再現性が悪化すると，表示装置３９に表示されるバケット８と目標地形６２との位置関係が掘削動作の前後で異なる可能性があり，ひいては出来形が不連続になってしまうといった問題が生じ得る。

　この問題を解決するための方法について，コントローラ３８で実行される使用衛星の選択ロジックについて，図１０のフローチャートを用いて説明する。図１０はコントローラ３８が実行する衛星選択ロジックの一例を示すフローチャートである。なお図１０のフローチャートは，一定周期（例えば１００ｍｓ）で繰返し演算される。

　ステップＳ１０では，コントローラ３８は，ＧＮＳＳ受信機３３からの情報が，ＲＴＫでＦｉｘ解が得られているかを判断する。この状態か否かは，ＧＮＳＳ受信機３３からの例えばＮＭＥＡメッセージのＧＧＡセンテンスを参照すれば判断できる。

　ステップＳ１０で，Ｆｉｘ解が得られていないと判断された場合は，正しい位置測位ができていないと判断し，ステップＳ２０に進み，コントローラ３８は，表示装置３９に正しい計測ができていない旨を表示し，初期状態に戻る（次に制御周期まで待機する）。一方，ステップＳ１０でＦｉｘ解が得られていると判断された場合は，ステップＳ３０に進む。

　ステップＳ３０では，コントローラ３８は，ＧＮＳＳ受信機３３から入力されるＧＮＳＳアンテナ３１の３次元位置と，ＧＮＳＳアンテナ３１からＧＮＳＳアンテナ３２へのベクトル情報と，ＩＭＵ２１～２４から入力される角度情報とに基づき，一般的なベクトル演算と座標変換を行って，現場座標系における上部旋回体３の位置及び姿勢とバケット８先端の位置を演算し，バケット８の姿勢情報や，外部記録媒体４２から取得した地形データに基づいて生成した現況地形や目標形状の情報を表示装置３９に表示する。

　次にステップＳ４０に進み，コントローラ３８は，図１１に示す判断方法で，油圧ショベル１が精度を要求する作業中か否かを判断する。ここで図１１を用いて，コントローラ３８がステップＳ４０で油圧ショベル１が精度を要求する掘削作業をしているか否かを判定するロジック（判定ロジック）について説明する。図１１はステップＳ４０で行われる処理の具体例の１つを示すフローチャートである。

　まずステップＳ４０１で，コントローラ３８は，フロント作業機５と目標面の距離（目標面距離）が所定値ｄ１以下であるか否かを判定する。目標面距離としては，例えば，バケット先端（爪先）位置と目標面の距離を利用できる。この場合，ステップＳ３０で演算されたバケット先端（モニタポイント）の位置から垂線を下ろし，その垂線が目標地形データで規定される目標地形表面と交差する点を演算し，その点とバケット先端までの距離を目標面距離とすることができる。目標面距離が所定値ｄ１より大きい場合は，コントローラ３８は，バケット先端が目標面から離れた位置にあるため，精度を要求する掘削作業をしていないと判断する。一方，目標面距離が所定値ｄ１以下であると判定された場合は，ステップＳ４０２に進む。

　ステップＳ４０２では，コントローラ３８は，キャブ４内に設置されたフロント作業機５（ブーム６，アーム７，バケット８）を操作する操作装置（図示せず）に対して掘削操作が入力されているか否かを判定する。掘削操作が入力されているか否かは，ここではアーム７（アームシリンダ１０）が駆動しているかどうかで判断する。アーム７（アームシリンダ１０）が駆動しているか否かは，例えば，操作装置から出力されるアーム７の操作パイロット圧を圧力センサで検出し，その検出圧力が所定値を超えるか否かを確認することで判断できる。

　このようにして，ステップＳ４０１とステップＳ４０２がともに肯定されると，コントローラ３８は油圧ショベル１が精度を求める掘削作業中であるとみなす。このようにすることで，ステップＳ４０１でバケット先端と目標面が所定値ｄ１以下であっても，ステップＳ４０２で掘削操作がされていないと判断された場合，例えば目標面通りに掘削された地形にバケット８の先端を接触させてアーム７を停止している状態などでは，掘削作業中ではないと判断されるので，後述するマスク範囲を必要以上に広げることを防止できる。また，ステップＳ４０１で目標面距離が所定値ｄ１を超えていると判断された場合，例えば粗仕上げ作業を行っている場合等も，後述するマスク範囲を必要以上に広げることを防止できる。なお，掘削操作の判定をアームの操作パイロット圧でのみ判定することとしたが，ブーム６やバケット８の操作パイロット圧を含めて掘削操作を判定してもよい。また，瞬間的な値でなく，過去の操作パイロット圧の連続性など（すなわち，検出された操作パイロット圧の時系列）を考慮して判断してもよい。また，操作パイロット圧ではなく，例えばアームシリンダ１０に加わる掘削反力等をアームシリンダ１０内に設置された圧力センサで検出して掘削操作を判断してもよい。また，ここでは，目標面距離の大小（ステップＳ４０１）と掘削操作の有無（ステップＳ４０２）の双方に基づいて油圧ショベル１が精度を要求する作業中か否かを判定したが，これら２つの処理（ステップＳ４０１，Ｓ４０２）のいずれかに基づいて判定を行っても良い。すなわち，これら２つの処理の少なくとも一方に基づいて判定しても良い。

　図７に戻り，ステップＳ４０で油圧ショベル１が精度を要求する作業中でないと判断された場合は，ステップＳ４５に進む。ステップＳ４５では，コントローラ３８は，精度を要求する作業中でないと判定された状態が継続している時間（継続時間）Ｔの計測を開始し，ステップＳ７０に進む。なお，ステップＳ４５に到達した際に既に当該時間Ｔの計測が開始されている場合には，その計測を継続するものとする。

　一方，ステップＳ４０で精度を要求する作業中であると判断された場合は，ステップＳ５０に進む。

　ステップＳ５０では，コントローラ３８は，２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２のそれぞれが複数のＧＮＳＳ衛星から衛星信号を受信する際にフロント作業機５が衛星信号の障害物となり得る範囲を地面に設定された座標系（例えば現場座標系）上にマスク範囲として設定する。後述のように，このマスク範囲に位置するＧＮＳＳ衛星からの衛星信号はＧＮＳＳ受信機３３で測位に利用される衛星信号から除外され得る。すなわちステップＳ５０では測位に使用しない方がよい衛星配置の範囲を演算する。

　本実施形態のコントローラ３８は，ステップＳ５０において，予めコントローラ３８の記憶装置内に記憶されている上部旋回体３（油圧ショベル１）における２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２の設置位置（例えば上部旋回体３に設定された車体座標系における座標位置）と，フロント作業機５（ブーム６，アーム７，バケット８）の可動範囲と，車体ＩＭＵ２１で検出される上部旋回体３の傾斜角度と，ＧＮＳＳアンテナ３１からＧＮＳＳアンテナ３２へのベクトル情報から演算される上部旋回体３の方位角とに基づいて，マスク範囲を設定する。マスク範囲は，２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２のそれぞれについて設定される。マスク範囲は，各ＧＮＳＳアンテナ３１，３２を基準にした方位角範囲（左右方向における角度範囲）と仰角範囲（上下方向における角度範囲）の組合せで定義できる。

　また，ステップＳ５０において，油圧ショベル１の周囲に存在して衛星信号の障害物となり得る障害物（例えば，現況地形，建物，構造物）の形状データ（形状データには位置も含まれる）が取得可能な場合には，コントローラ３８は，上記のフロント作業機５に起因するマスク範囲の設定に加えて，その障害物によって衛星信号が遮蔽され得る範囲もマスク範囲として設定することができる。例えば，コントローラ３８内の記憶装置に障害物の形状データとして外部記録媒体４２からの現況地形データを予め記憶しておき，ステップＳ５０で，コントローラ３８が，地理座標系（グローバル座標系）における上部旋回体３の位置及び方位角及び傾斜角と，上部旋回体３（油圧ショベル１）における２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２の設置位置と，現況地形データとに基づいて，上部旋回体３の方位角を基準とした所定の方位角方向における現況地形の断面形状を演算し，２つのＧＮＳＳアンテナ３１，３２のそれぞれが複数のＧＮＳＳ衛星から衛星信号を受信する際にその断面形状を有する現況地形が衛星信号の障害物となり得る範囲をさらに考慮してマスク範囲を設定しても良い。

　ここで，ステップＳ５０のマスク範囲の演算プロセスの一例について図１２－１５を用いて説明する。ここでは，説明の便宜上，ＧＮＳＳアンテナ３１のマスク範囲の演算について記載するが，ＧＮＳＳアンテナ３２のマスク範囲についても同様の方法で演算できる。

　マスク範囲の仰角範囲を規定する仰角マスク角は，水平面から上空方向をプラス方向とし，天頂方向が仰角９０度と定義する。このため，仰角マスク角は，下端が０度で，上端が最大で９０度となる。また，マスク範囲の方位角範囲を規定する方位角マスク角については，北方向を０度として，時計回りに正の方向として，０度から３６０度までの範囲と定義する。

　コントローラ３８内の記憶装置には，ＧＮＳＳアンテナ３１から見たフロント作業機５の遮蔽部分が，車体基準の方位角（車体基準方位角）ごとにフロント遮蔽仰角αｆｔとして記憶されている。図１２は車体基準方位角とフロント遮蔽仰角αｆｔの関係の一例を示す図であり，車体基準方位角ごとにフロント遮蔽仰角αｆｔが規定されている。各車体基準方位角においてフロント遮蔽仰角αｆｔ以下となる範囲が衛星信号の遮蔽される範囲（マスク範囲）となる。ここでの車体基準方位角とフロント遮蔽仰角αｆｔは，上部旋回体３に設定された車体座標系で規定されている。図１３に示すようにＧＮＳＳアンテナ３１を基準として油圧ショベル１の前方方向を車体基準方位角０度とし，時計回りを正の方向とすると，車体基準方位角が０度から３６０度に達するまでの間に，５度間隔でフロント遮蔽仰角αｆｔが規定されている。図１２の例では，車体基準方位角が１０度から２５度までの範囲以外は，フロント作業機５が衛星信号の障害物にならないため，フロント遮蔽仰角は０度となっている。図１３に車体基準方位角が１０度から２５度までの範囲をマスク範囲（方位角範囲）９０として図示している。なお，フロント遮蔽仰角αｆｔは，各フロント部材６，７，８の最大可動範囲から規定しても良いし，作業中に利用すると予測される予測可動範囲で規定してもよい。

　ここでは説明のために，車体基準方位角が１５度の場合における車体による影響の仰角マスク角の演算について図１４を用いて説明する。

　図１４は，車体基準方位角が１５度の場合における現況地形断面を横から見た図である。この図に示すように，現場座標系における車体（フロント作業機５）による仰角マスク角αｓは，車体座標系におけるフロント遮蔽仰角αｆｔと，車体ＩＭＵ２１より求まる車体の傾斜角αｂｄとによって，下記式（１）によって求まる。

　αｓ＝αｆｔ　－　αｂｄ　…式（１）
　次に，現場座標系での現況地形による仰角マスク角度αｇを演算する。図１４に示す現況地形は，車体基準方位角１５度方向の現況地形の断面を示している。ＧＮＳＳ受信機３３によって計測されるＧＮＳＳアンテナ３１の位置から現況地形の断面に接する直線を全て引き，その全ての直線がそれぞれ水平面と成す角度のうちの最大値を現況地形による仰角マスク角αｇとする。

　なお，図１５に示すように，現況地形データは北方位を０度（基準）とした現場座標系で表されるので，ＧＮＳＳ受信機３３で演算される上部旋回体３の方位角αｔに車体基準方位角αｂを加えた角度方向（すなわち，αｔ＋αｂ）で現況地形データの断面をとることで図１４に示した現況地形の断面を取得できる。

　以上で求めた，車体による仰角マスク角αｓと現況地形による仰角マスク角αｇのうち大きい方が，その方位角の仰角マスク角となる。図１４の例では，αｓ＞αｇなので，車体による仰角マスク角αｓが仰角マスク角となり，車体基準方位角が１５度の場合の仰角範囲におけるマスク範囲９０は図示の通りとなる。全ての方位において同様の演算をすることにより，全ての方位における仰角マスク角が演算される。そして，その結果に基づいて現場座標系にマスク範囲が設定される。なお，マスク範囲は，地面に設定された座標系に設定すれば良く，例えば地理座標系に設定しても良い。

　図１０に戻り，ステップＳ６０で，コントローラ３８は，現在の演算周期より前に設定されたマスク範囲（過去に設定されたマスク範囲（ただし，後述のステップＳ９０，１１０でリセットされたマスク範囲は除く））にステップＳ５０で演算されたマスク範囲（新たに設定されたマスク範囲）を加える（加算する）。このステップＳ６０により，例えば１周期前の処理から上部旋回体３の傾斜角が変化したり，上部旋回体３の旋回動作により方位角が変化したりした場合には，それらの変化に応じて新たなマスク範囲が設定される。そして，その新たなマスク範囲が過去のマスク範囲に加えられることで，上部旋回体３の傾斜角及び方位角の変化に応じてマスク範囲が拡がることになる。

　ステップＳ７０で，コントローラ３８は，記憶装置に記憶されているマスク範囲をＧＮＳＳ受信機３３に送信する。ステップＳ６０を経由してステップＳ７０に到達した場合には，ステップＳ６０のマスク範囲がＧＮＳＳ受信機３３に送信され，ステップＳ４５を経由してステップＳ７０に到達した場合には，最後にステップＳ６０で設定されたマスク範囲（ただし，ステップＳ９０，Ｓ１１０でマスク範囲がリセットされた後にステップ６０を一度も経由していない場合にはマスク範囲は送信されない）が送信される。

　ステップＳ８０では，コントローラ３８は，ＧＮＳＳ受信機３３からマスク範囲を設定した状態では測位ができないという情報を受信しているか否かを判断する。この判断に際しては以下に説明する処理がＧＮＳＳ受信機３３で行われる。すなわち，ＧＮＳＳ受信機３３は，ステップＳ７０でコントローラ３８から送信されたマスク範囲を受信し，衛星信号を受信可能な複数のＧＮＳＳ衛星からマスク範囲に位置する衛星を除き，その残りの衛星から送信される衛星信号に基づいて測位演算ができるかを判断する。ここで測位演算できると判断した場合には，ＧＮＳＳ受信機３３は，コントローラ３８に対してマスク範囲を設定した状態で測位が可能であることを示す情報を送信するとともに，ＧＮＳＳアンテナ３１の位置と，ＧＮＳＳアンテナ３１からＧＮＳＳアンテナ３２へのベクトルとを演算し，その演算結果をコントローラ３８に出力する。一方，マスク範囲を設定することにより，使用する衛星数が不十分（例えば５つ未満）で測位演算ができなかったり，使用する衛星配置に偏りがあるため（例えばＤＯＰが所定値以上のとき）精度低下の可能性があったりする場合には，後述するステップＳ９０でマスク範囲を解除した状態で測位演算するために，コントローラ３８に対してマスク範囲を設定した状態では測位ができないということを示す情報を送信する。

　なお，ここでは，コントローラ３８でマスクする方位角範囲と仰角範囲を演算し，ＧＮＳＳ受信機３３にその範囲（マスク範囲）を送信する場合について説明したが，コントローラ３８で，ＧＮＳＳ受信機３３から，衛星信号を受信可能な衛星番号とその衛星がある方位角と仰角の情報を取得し，コントローラ３８で演算されたマスク範囲内にある衛星番号を演算し，測位演算に使用しない衛星番号をＧＮＳＳ受信機３３に送信して上記の判断を実施してもよい。

　ステップＳ８０で，ＧＮＳＳ受信機３３からマスク範囲を設定した状態では測位ができないという情報を受信した場合には，コントローラ３８は，ステップＳ９０に進み，表示装置３９の画面上に測位精度が低下している可能性があることを表示するとともに，コントローラ３８に記憶されているマスク範囲の情報をリセットする。これにより全てのマスク範囲が消去される。なお，マスク範囲のリセットと同時に，ステップＳ４５で計測された継続時間Ｔもリセットするものとする。一方，ステップＳ８０で，ＧＮＳＳ受信機３３からマスク範囲を設定した状態でも測位が可能であるという情報を受信した場合（すなわち，マスク範囲を設定した状態では測位不可能であるという情報を受信していない場合）には，ステップＳ１００に進む。

　ステップＳ１００では，コントローラ３８は，マスク範囲をリセット（消去）する必要があるか否かを判断する。この判断では，ステップＳ４５で計測された時間Ｔが所定時間ｔ１以上（例えば１０分以上）継続した場合と，キャブ４内の操作装置による下部走行体２に対する走行操作により油圧ショベル１が所定距離以上（例えば３ｍ以上）移動した場合と，マスク範囲をリセットする旨のオペレータの要求が設定用スイッチ（マスク範囲リセットスイッチ）４０を介して入力された場合と，システム起動直後の最初の演算周期の場合とのいずれかの場合に，マスク範囲をリセットする必要があるとコントローラ３８は判断する。走行操作による油圧ショベル１の移動に関しては，例えば，走行用のパイロット圧検出と，ＧＮＳＳ受信機３３の測位演算を基に行われるショベル１の位置移動から検出することができる。

　ステップＳ１００でマスク範囲のリセットが必要と判断された場合は，コントローラ３８は，ステップＳ１１０に進み，マスク範囲のリセットを行い，同時に，ステップＳ４５で計測された時間Ｔもゼロにリセットする。

　以上のようにすることで，油圧ショベル１により精度を要求する作業が行われている場合には，フロント作業機５を含む障害物の影響を受ける可能性がある衛星信号を測位演算に使用しなくなるため，測位演算に使用する衛星の組合せが掘削途中で切り替わって測位演算の精度が低下することや，電波の回折の影響を受けた衛星信号を使って測位演算の精度が低下することを防止できる。

　－効果－
　以上のように構成された油圧ショベル１では，作業中の上部旋回体１の方位角と傾斜角に応じたマスク範囲が現場座標系に設定され，そのマスク範囲に位置するＧＮＳＳ衛星の衛星信号を利用することなくＧＮＳＳ受信機３３で測位演算が行われることになる。これにより，フロント作業機５の動作（主にブーム上げ動作）に伴う衛星の切り替わりや衛星信号の回折によりＧＮＳＳの測位精度が作業中に低下することが防止される。その結果，モニタポイントの位置演算結果が変動することが防止されるので，油圧ショベル１の制御精度を向上できる。
　特に，上記の油圧ショベル１では，精度を要求する作業が行われている間にマスク範囲を設定する仕様となっており，精度を要求しない作業が所定時間ｔ１以上継続している状態やマスク範囲の設定により測位精度が低下してしまう状態等ではマスク範囲の設定は解除される。すなわち，精度が必要な場面だけでマスク範囲を設定して測位精度を確保する一方で，精度が不要な場面や精度が出ない場面では精度よりも測位の即時性を優先することで，場面に即した測位を行うことができるように構成されている。

　また，上記の油圧ショベル１では，上部旋回体３の方位角や傾斜角が変わった場合には，それに応じて新たにマスク範囲が設定されるとともに，その新たなマスク範囲が過去に設定されたマスク範囲に加えられてマスク範囲が拡大する。すなわち，例えば，上部旋回体３が掘削位置から放土位置まで旋回した場合には，その旋回中の上部旋回体３の方位角の変化に応じてマスク範囲が設定され，過去のマスク範囲に合算される。これにより，掘削位置と放土位置で異なる衛星が選択されることが回避できるので，衛星の切り替わりにより測位精度が低下することを防止できる。

　また，障害物の形状データをコントローラ３８に予め記憶しておけば，フロント作業機５だけでなく当該障害物（例えば現況地形）が測位に与える影響も考慮してマスク範囲を設定でき，それにより当該障害物によって遮蔽される衛星の信号を利用することなく測位演算できるので，測位精度をさらに向上できる。

　以上，本発明の実施の形態について詳述したが，本発明は，上記した実施の形態に限定されるものではなく，様々な変形例が含まれる。例えば，上記した実施の形態は，本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり，必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

　例えば，上記の図１０のフローチャートでは精度を要求する作業が行われているか否かでマスク範囲の設定の有無を切り替えたが，全ての場合にマスク範囲を設定しても良い。

　また，上記のコントローラ（制御装置）３８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，上記のコントローラ３８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。

　１…油圧ショベル（作業機械），２…下部走行体，３…上部旋回体，４…キャブ，５…フロント作業機（作業装置），６…ブーム，７…アーム，８…バケット，９…ブームシリンダ，１０…アームシリンダ，１１…バケットシリンダ，２１…車体ＩＭＵ，２２…ブームＩＭＵ，２３…アームＩＭＵ，２４…バケットＩＭＵ，３１，３２…ＧＮＳＳアンテナ，３３…ＧＮＳＳ受信機，３４…ＲＴＫ補正データ受信アンテナ，３９…表示装置，４０…設定用スイッチ（マスク範囲リセットスイッチ），４２…外部記録媒体，５０…事務所側計測システム，５１…ＧＮＳＳ基準局（ＧＮＳＳ受信機），５２…ＧＮＳＳ基準局アンテナ，５３…無線機，５４…ＲＴＫ補正データ送信アンテナ，６１…現地形，６２…目標地形，７１…掘削位置，７２…放土位置，８１～８７…ＧＮＳＳ衛星，２００…位置計測システム

Claims

　走行体と、前記走行体の上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられた作業装置と、前記上部旋回体に設置された２つのＧＮＳＳアンテナと、複数の衛星から送信され前記２つのＧＮＳＳアンテナで受信された衛星信号に基づいて前記上部旋回体の位置と方位角を演算する受信機と、前記受信機で演算された前記上部旋回体の位置及び方位角とに基づいてモニタポイントの位置を演算するコントローラとを備えた作業機械において、
　前記コントローラは、前記作業機械における前記２つのＧＮＳＳアンテナの設置位置と、前記作業装置の可動範囲と、前記上部旋回体の傾斜角度と、前記上部旋回体の方位角とに基づいて、前記２つのＧＮＳＳアンテナのそれぞれが前記複数の衛星から衛星信号を受信する際に前記作業装置が衛星信号の障害物となり得る範囲を地面に設定された座標系上にマスク範囲として設定し、
　前記受信機は、前記複数の衛星から前記コントローラで設定された前記マスク範囲に位置する衛星を除いた残りの衛星から送信される衛星信号に基づいて前記上部旋回体の位置と方位角を演算することを特徴とする作業機械。
　請求項１の作業機械において、
　前記コントローラは、前記作業機械が精度を要求する作業中か否かを判定し、前記作業機械が精度を要求する作業中であると判定したとき前記マスク範囲を設定することを特徴とする作業機械。
　請求項２の作業機械において、
　前記コントローラは、前記作業機械が精度を要求する作業中でないと判定された状態が所定時間以上継続したとき、前記作業機械が所定距離以上移動したとき、前記残りの衛星から送信された衛星信号では前記上部旋回体の位置を演算できないとき、のいずれかに該当する場合、前記マスク範囲の設定を解除することを特徴とする作業機械。
　請求項１の作業機械において、
　前記コントローラは、前記作業装置と目標面の距離と、前記作業装置を操作する操作装置への入力操作との少なくとも一方に基づいて前記作業機械が精度を要求する作業中か否かを判定し、前記作業機械が精度を要求する作業中であると判定したとき前記マスク範囲を設定することを特徴とする作業機械。
　請求項１の作業機械において、
　前記コントローラは、前記上部旋回体の傾斜角及び方位角の変化に応じて前記マスク範囲を新たに設定し、その新たな前記マスク範囲を過去に設定した前記マスク範囲に加えることを特徴とする作業機械。
　請求項１の作業機械において、
　前記コントローラは、
　　前記作業機械の周囲の障害物の形状データが記憶された記憶装置を備え、
　　前記上部旋回体の位置及び方位角と前記障害物の形状データに基づいて、前記上部旋回体の方位角を基準とした所定の方位角方向で前記障害物を切断したときの断面形状を演算し、前記２つのＧＮＳＳアンテナのそれぞれが前記複数の衛星から衛星信号を受信する際に前記断面形状を有する障害物が与える影響をさらに考慮して前記マスク範囲を設定することを特徴とする作業機械。