JP7016297B2 - Work machine - Google Patents
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Description
本発明は,油圧ショベルなど上部旋回体と下部走行体を備える作業機械に関する。 The present invention relates to a work machine including an upper swing body and a lower traveling body such as a hydraulic excavator.
近年,情報化施工への対応に伴い,作業機械において,ブーム,アーム及びバケットなどの複数のフロント部材を連結して構成される作業装置(フロント作業装置)の位置や姿勢をオペレータへ表示するマシンガイダンスや,作業装置の位置を目標施工面に沿って動くように制御するマシンコントロールの機能を有するものがある。代表的なものとしては,油圧ショベルのバケット先端位置とバケット角度をモニタへ表示したり,バケット先端が目標施工面に近づくと,目標施工面の下方にバケット先端が侵入しないように作業装置の動作に制限をかけたりするものが公知である。 In recent years, with the response to information-oriented construction, a machine that displays the position and posture of a work device (front work device) that is configured by connecting multiple front members such as booms, arms, and buckets to the operator. Some have guidance and machine control functions that control the position of the work equipment so that it moves along the target construction surface. As a typical example, the position and angle of the bucket tip of the hydraulic excavator are displayed on the monitor, and when the tip of the bucket approaches the target construction surface, the work device operates so that the tip of the bucket does not enter below the target construction surface. It is known that there are restrictions on the pressure.
この種の情報化施工対応型の作業機械では,各フロント部材の姿勢や上部旋回体の姿勢を検出するセンサとして慣性計測装置(IMU : Inertia Measurement Unit)が利用されることがある。 In this type of computerized construction compatible work machine, an inertial measurement unit (IMU) may be used as a sensor to detect the posture of each front member and the posture of the upper swivel body.
この種の情報化施工対応型の作業機械には,衛星測位システム,いわゆる,GNSS(Global Navigation Satellite System)アンテナを上部旋回体上に2つ備えるものがある。各GNSSアンテナの測位結果を利用すれば上部旋回体の向き(方位)が演算でき,それにより作業装置の向き(方位)も演算することができる。この構成は,上部旋回体上にGNSSアンテナを備えるため,特定平面に対して「作業装置(上部旋回体)の向きを合致させて掘削動作」を行うという課題に対しては好適な構成であると言える。 Some of these types of information-oriented construction-compatible work machines are equipped with two satellite positioning systems, so-called GNSS (Global Navigation Satellite System) antennas, on the upper swivel body. By using the positioning result of each GNSS antenna, the direction (direction) of the upper swivel body can be calculated, and thereby the direction (direction) of the working device can also be calculated. Since this configuration is equipped with a GNSS antenna on the upper swivel body, it is a suitable configuration for the problem of performing "excavation operation by matching the direction of the working device (upper swivel body)" with respect to a specific plane. It can be said that.
しかしながら,上部旋回体上にGNSSアンテナを備えるため,GNSSの測位結果からは下部走行体の向きを判断することができない。つまり,「下部走行体が回転することなく,上部旋回体のみが回転している姿勢」(図17a参照)と,「下部走行体のみが回転し,上部旋回体は回転していない姿勢」(図17b参照)は両方とも,作業装置の向きが同一であるため,GNSSによる測位結果のみを参照すると,これらの2姿勢は同一姿勢とみなされる。しかし,この2姿勢は明らかに異なる姿勢である。 However, since the GNSS antenna is provided on the upper swivel body, the direction of the lower traveling body cannot be determined from the positioning result of the GNSS. That is, "a posture in which only the upper swing body is rotating without rotating the lower traveling body" (see FIG. 17a) and "a posture in which only the lower traveling body is rotated and the upper turning body is not rotating" (see FIG. 17a). Since the orientations of the working devices are the same in both cases (see FIG. 17b), these two postures are regarded as the same posture when only the positioning result by GNSS is referred to. However, these two postures are clearly different postures.
上記の下部走行体の向きがわからないことによって生じる不都合の例として,大きな作業面を施工する場合を考える。図18aのように下部走行体も作業面に正対していると,掘削作業後に一旦下部走行体の向きを変えて移動し,移動後に改めて作業装置を作業面に正対させるといった工程を踏むことになる。一方,図18bのように,下部走行体が作業面に対して水平状態になっていれば,走行しても作業装置は常に作業面に正対しているため,図18aの場合のような位置合わせ動作が不要になり,作業の効率化が図れる。このような作業を行う場合,上部旋回体の向きだけでなく,下部走行体の向きも重要になる。しかし,上述の通り,GNSSの測位結果だけでは下部走行体の向きを知ることは容易ではない。 As an example of the inconvenience caused by not knowing the orientation of the lower traveling body, consider the case of constructing a large work surface. If the lower traveling body is also facing the work surface as shown in FIG. 18a, the lower traveling body is once moved by changing the direction after the excavation work, and after the movement, the work device is made to face the working surface again. become. On the other hand, as shown in FIG. 18b, if the lower traveling body is in a horizontal state with respect to the work surface, the work device always faces the work surface even when traveling, so that the position is as in the case of FIG. 18a. No matching operation is required, and work efficiency can be improved. When performing such work, not only the orientation of the upper swivel body but also the orientation of the lower traveling body is important. However, as described above, it is not easy to know the direction of the lower traveling body only from the positioning result of GNSS.
このような課題に対して,特許文献1では,上部旋回体の旋回角度を検出可能な回転角度センサを備えたスイベルジョイントを示している。
To solve such a problem,
2つのGNSSにて上部旋回体の向きを検出し,特許文献1の回転角度センサによって,上部旋回体と下部走行体の相対角を検出すれば,直ちに下部走行体の向きを算出することができると考えられる。また,特許文献1のように旋回回転軸に回転角度センサを備えれば,機構ガタや取り付け誤差の影響を受けずに,上部旋回体と下部走行体の相対角を正確に検出することが可能である。
If the orientation of the upper swing body is detected by two GNSSs and the relative angle between the upper swing body and the lower traveling body is detected by the rotation angle sensor of
しかしながら,このような構成をとると回転角度センサは旋回回転軸上に取り付けざるを得ないため,回転角度センサが故障してしまった場合のセンサの修理や交換作業が極めて困難である。また,移動クレーンなどの修理機材の搬入が困難な山間部でセンサ故障が生じた場合には,修理,交換ができず,施工現場の工程遅れになる可能性が考えられる。 However, with such a configuration, the rotation angle sensor has to be mounted on the rotation rotation shaft, so that it is extremely difficult to repair or replace the sensor when the rotation angle sensor fails. In addition, if a sensor failure occurs in a mountainous area where it is difficult to bring in repair equipment such as a mobile crane, it may not be possible to repair or replace it, and the process at the construction site may be delayed.
このような課題に対して,特許文献2では,旋回軸にセンサを取り付けることなく,上部旋回体に取り付けられたGNSSの測位結果における水平方向成分の変化に基づいて上部旋回体に対する下部走行体の姿勢を演算する方法が提示されている。 In response to such a problem, in Patent Document 2, the lower traveling body with respect to the upper turning body is provided based on the change in the horizontal component in the positioning result of the GNSS attached to the upper turning body without attaching the sensor to the turning shaft. A method of calculating the posture is presented.
特許文献2には「水平方向成分の変化」について,具体的な内容が示されていない。しかし,当業者ならば,例えば次の算出方法によって,上部旋回体と下部走行体の相対角を算出することを考える。 Patent Document 2 does not provide specific details regarding "changes in horizontal components". However, those skilled in the art will consider calculating the relative angle between the upper swivel body and the lower traveling body by, for example, the following calculation method.
<算出例>
まず,GNSSの測位結果を特定の測地系(例えば,世界測地系)の直交座標に変換し,GNSSアンテナ位置のx,y,z座標を得る。この座標系を利用して,「上部旋回体を回転させることなく,下部走行体のみを駆動(前進,後進)させた」場合を考える。
<Calculation example>
First, the GNSS positioning result is converted into the Cartesian coordinates of a specific geodetic system (for example, the world geodetic system), and the x, y, z coordinates of the GNSS antenna position are obtained. Consider the case where only the lower traveling body is driven (forward / backward) without rotating the upper swivel body by using this coordinate system.
ここで,図19に示したように,「水平方向の変化」をx座標における変化量Δxの変化と,y座標における変化量Δyの変化の組合せと捉えると,「水平方向の変化」はショベルの移動方向に等しい。そして,ショベルの移動方向と下部走行体の角度θrnが等しいと仮定すれば,下部走行体の角度θrnを次の(1)式で演算することが出来る。 Here, as shown in FIG. 19, if the "horizontal change" is regarded as a combination of the change of the change amount Δx in the x-coordinate and the change of the change amount Δy in the y-coordinate, the “horizontal change” is an excavator. Is equal to the moving direction of. Then, assuming that the moving direction of the excavator and the angle θrn of the lower traveling body are equal, the angle θrn of the lower traveling body can be calculated by the following equation (1).
以上の算出方法に従えば,旋回軸上に角度センサを設けずに下部走行体の角度を演算できるといえる。なお,図19では説明を容易にするためx軸をθrn=0度としているが,後述する本発明の実施形態は「x軸を0度とする」ことに限定されないことに注意されたい。なお,以降の図も説明の容易性を重視し,角度の取り方も図19に倣うとは限らないことに注意されたい。(<算出例>終わり) According to the above calculation method, it can be said that the angle of the lower traveling body can be calculated without providing the angle sensor on the turning axis. Although the x-axis is set to θrn = 0 degrees in FIG. 19 for the sake of simplicity, it should be noted that the embodiment of the present invention described later is not limited to “the x-axis is set to 0 degrees”. It should be noted that the following figures also emphasize the ease of explanation, and the method of taking the angle does not always follow that of FIG. (<Calculation example> End)
しかしながら,クローラ式の下部走行体を有する油圧ショベルでは,油圧ショベルを真っ直ぐに(たとえば,図19のx軸に平行に)走らせようとしても,路面によるスリップや走行油圧モータの圧力差などによって油圧ショベルが蛇行してしまう。すなわち,下部走行体を真っ直ぐに走らせるように操作しても走行の前後で下部走行体の角度は変化してしまう(本稿ではこの走行の前後で生じる下部走行体の角度の差を「逸脱角」と称する)。つまり,ショベルの移動方向と下部走行体の角度θrnが等しいという仮定は成り立たない。このため,単純に(1)式を使用しただけでは,下部走行体の角度を精度良く演算することはできない。特許文献2には,この課題に対する解決策は示されていない。 However, in a hydraulic excavator having a crawler type lower traveling body, even if the hydraulic excavator is tried to run straight (for example, parallel to the x-axis in FIG. 19), the hydraulic excavator may be caused by slip due to the road surface or the pressure difference of the traveling hydraulic motor. Will meander. That is, even if the lower traveling body is operated to run straight, the angle of the lower traveling body changes before and after the running (in this paper, the difference in the angles of the lower running body that occurs before and after this running is referred to as the "deviation angle". "). That is, the assumption that the moving direction of the shovel and the angle θrn of the lower traveling body are equal does not hold. Therefore, it is not possible to calculate the angle of the lower traveling body with high accuracy simply by using the equation (1). Patent Document 2 does not provide a solution to this problem.
また,GNSSを利用した測位では,補正データを利用する高精度な測位方法であるRTK(Real Time Kinematics)を利用したとしても,±2cm程度の誤差を生じることが知られている。 Further, it is known that in positioning using GNSS, an error of about ± 2 cm occurs even if RTK (Real Time Kinematics), which is a highly accurate positioning method using correction data, is used.
ここで,下部走行体の角度θrnが0度である場合を例に取り,この測位誤差が上述の(1)式に与える影響を考える。上述通り,特許文献2では「水平方向の変化」について何の言及もないが,一般的な測位システムのサンプリング周期(例えば1秒)ごとの測位結果の差分を「水平方向の変化」としよう。さらに,一般的な油圧ショベル(例えば車重20tクラス)の走行動作の最高速度は5km/h程度であるため,1周期(1秒)で1.4m(140cm)程度前進することになる。ここで,移動前後のy方向の誤差がそれぞれ-2cm,+2cmとすると(1)式で算出される角度は(2)式より約1.6度となる。 Here, taking the case where the angle θrn of the lower traveling body is 0 degrees as an example, the influence of this positioning error on the above equation (1) will be considered. As described above, Patent Document 2 does not mention "horizontal change", but let us assume that the difference in positioning results for each sampling cycle (for example, 1 second) of a general positioning system is "horizontal change". Further, since the maximum speed of the traveling operation of a general hydraulic excavator (for example, a vehicle weight of 20 tons class) is about 5 km / h, the vehicle advances by about 1.4 m (140 cm) in one cycle (1 second). Here, assuming that the errors in the y direction before and after the movement are -2 cm and +2 cm, respectively, the angle calculated by the equation (1) is about 1.6 degrees from the equation (2).
(2)式から分かるように移動距離が長くなるほど(逆正接関数の分母の絶対値が大きくなるほど),測位誤差(逆正接関数の分子)の影響は抑制される。この原理は図20a,図20bに示したとおりであり,移動距離の短い図20aに比べて,移動距離が長い図20bのほうが誤差の影響が相対的に小さくなる。よって,GNSSの測位誤差の影響を減らす場合には,移動距離を延ばせば良いことが考えられる。 As can be seen from Eq. (2), the longer the travel distance (the larger the absolute value of the denominator of the inverse tangent function), the more the influence of the positioning error (the molecule of the inverse tangent function) is suppressed. This principle is as shown in FIGS. 20a and 20b, and the influence of the error is relatively smaller in FIG. 20b having a long travel distance than in FIG. 20a having a short travel distance. Therefore, in order to reduce the influence of the positioning error of GNSS, it is conceivable to extend the moving distance.
しかし,上記の議論はRTK測位が正確に行われた場合(FIX解の場合)に限られ,RTK測位が上手くいかない場合のFloat解の場合には測位誤差(逆正接関数の分子の絶対値)が大きくなり(例えば±20cm程度),(2)式で演算される走行角度θrnは大きく変化する。この課題に対しても,特許文献2には何ら言及がない。 However, the above discussion is limited to the case where RTK positioning is performed accurately (in the case of FIX solution), and in the case of Float solution when RTK positioning does not work, the positioning error (absolute value of the molecule of the inverse tangent function). ) Becomes larger (for example, about ± 20 cm), and the traveling angle θrn calculated by Eq. (2) changes greatly. Patent Document 2 does not mention this problem at all.
よって,実際の油圧ショベルにおいてGNSSの測位結果を利用して下部走行体の角度を精度良く算出することは当業者にとっても容易ではない。 Therefore, it is not easy for those skilled in the art to accurately calculate the angle of the lower traveling body by using the positioning result of GNSS in an actual hydraulic excavator.
本発明は,上記特許文献2の課題を鑑みてなされたものであり,その目的は,情報化施工用の作業機械に備えられた既存のセンサ構成,つまり,GNSSから得られる情報によって,上部旋回体と下部走行体の相対角度を算出できる作業機械を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problem of Patent Document 2, and an object thereof is to turn upward by an existing sensor configuration provided in a work machine for information-oriented construction, that is, information obtained from GNSS. The purpose of the present invention is to provide a work machine capable of calculating the relative angle between the body and the lower traveling body.
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが,その一例を挙げるならば,クローラ式の下部走行体と,前記下部走行体の上部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第1アンテナ及び第2アンテナと,前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置をそれぞれ演算する測位端末と,前記上部旋回体と前記下部走行体の相対角度を算出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,第1時刻において前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置,及び,前記第1時刻以降に前記下部走行体が走行動作を行った後の第2時刻において前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置を記憶する記憶装置と,前記第1時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置から前記第1時刻における前記上部旋回体の角度である第1車体角度を演算する車体角度演算部と,前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置を通る直線が所定の基準線となす角である走行変位角度を演算する走行変位角度演算部と,前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻において前記下部走行体が前記基準線となす角と前記走行変位角度との差である逸脱角を演算する逸脱角演算部と,前記走行変位角度に前記逸脱角を加算して前記走行変位角度を補正する走行変位角度補正部と,前記走行変位角度補正部によって補正された前記走行変位角度と前記第1車体角度に基づいて前記第1時刻における前記上部旋回体と前記下部走行体の相対角度を演算する相対角度演算部とを備える。 The present application includes a plurality of means for solving the above problems, for example, a crawler type lower traveling body, an upper rotating body rotatably attached to the upper portion of the lower traveling body, and the upper portion. A positioning terminal that calculates the positions of the first antenna and the second antenna attached to the swivel body, the positions of the first antenna and the second antenna, respectively, and a controller that calculates the relative angle between the upper swivel body and the lower traveling body. In the work machine provided with, the controller has the positions of the first antenna and the second antenna calculated by the positioning terminal at the first time, and the lower traveling body operates after the first time. From the storage device that stores the positions of the first antenna and the second antenna calculated by the positioning terminal at the second time after the above, and the positions of the first antenna and the second antenna at the first time. The first time based on the position of the vehicle body angle calculation unit that calculates the first vehicle body angle, which is the angle of the upper swivel body at the first time, and the first antenna at the first time and the second time. A traveling displacement angle calculation unit that calculates a traveling displacement angle, which is an angle formed by a straight line passing through the position of the first antenna at the second time, and the first at the first time and the second time. A deviation angle calculation unit that calculates a deviation angle, which is the difference between the angle formed by the lower traveling body with the reference line and the traveling displacement angle at the first time, based on the positions of one antenna and the second antenna. The traveling displacement angle correction unit that adds the deviation angle to the traveling displacement angle to correct the traveling displacement angle, the traveling displacement angle corrected by the traveling displacement angle correction unit, and the first vehicle body angle. A relative angle calculation unit for calculating the relative angle between the upper swivel body and the lower traveling body at the first time is provided.
本発明によればGNSSの測位結果から上部旋回体と下部走行体の相対角度を演算できる。旋回軸に回転角度センサを備える構成と異なり,GNSSは万が一故障が生じたとしても交換や修理が非常に簡単であることが利点である。 According to the present invention, the relative angle between the upper swivel body and the lower traveling body can be calculated from the positioning result of GNSS. Unlike the configuration in which the rotation angle sensor is provided on the turning shaft, GNSS has the advantage that it is very easy to replace or repair even if a failure should occur.
以下,本発明の実施の形態を,図面を参照しつつ説明する。なお,本実施の形態では,作業機械の一例として,フロント装置(フロント作業装置)の先端に作業具としてバケットを備える油圧ショベルを例示して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, as an example of a work machine, a hydraulic excavator having a bucket as a work tool at the tip of a front device (front work device) will be described as an example.
図1は,本実施の形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。図1において,油圧ショベル100は,垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材(ブーム4,アーム5,バケット(作業具)6)を連結して構成された多関節型のフロント装置(フロント作業装置)1と,車体を構成する上部旋回体2及び下部走行体3とを備え,上部旋回体2は下部走行体3の上部に旋回可能に取り付けられている。下部走行体3はクローラ式の走行体であり,無限軌道とも呼ばれる。
FIG. 1 is a diagram schematically showing the appearance of a hydraulic excavator, which is an example of a work machine according to the present embodiment. In FIG. 1, the
フロント装置1のブーム4の基端は上部旋回体2の前部に垂直方向に回動可能に支持されており,アーム5の一端はブーム4の基端とは異なる端部(先端)に垂直方向に回動可能に支持されており,アーム5の他端にはバケット6が垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム4,アーム5,バケット6,上部旋回体2,及び下部走行体3は,油圧アクチュエータであるブームシリンダ4a,アームシリンダ5a,バケットシリンダ6a,旋回モータ2a,及び左右の走行モータ3a(ただし,一方の走行モータのみ図示)によりそれぞれ駆動される。
The base end of the
ブーム4,アーム5及びバケット6は,フロント装置1を含む平面上で動作し,以下ではこの平面を動作平面と称することがある。つまり動作平面とは,ブーム4,アーム5及びバケット6の回動軸に直交する平面であり,ブーム4,アーム5及びバケット6の幅方向の中心に設定することができる。
The
オペレータが搭乗する運転室(キャブ)9には,オペレータから入力される操作に基づいて,油圧アクチュエータ2a~6aを操作するための操作信号,すなわちフロント装置1,上部旋回体2及び下部走行体3を操作するための操作信号を出力する操作レバー(操作装置)9a,9b,9c,9dが設けられている。
In the driver's cab (cab) 9 on which the operator is boarded, operation signals for operating the
操作レバー9a,9bはそれぞれ前後左右に傾倒可能であり,操作レバー9a,9bの前後方向または左右方向には油圧アクチュエータ2a,4a,5a,6aの操作がそれぞれ割り当てられている。一方,操作レバー(走行レバー)9c,9はそれぞれ前後方向に傾倒可能であり,操作レバー9cの前後は左の走行モータ3の前後進に割り当てられており,操作レバー9dの前後は右の走行モータ3の前後進に割り当てられている。また操作レバー9a,9b,9c,9dは,レバーの傾倒方向及び傾倒量,すなわちレバー操作方向及び操作量を電気的に検知するセンサ(図示せず)をそれぞれ含んでおり,これらのセンサが検出したレバー操作方向及び操作量を操作信号として制御装置であるコントローラ16に電気配線を介して出力している。
The operating levers 9a and 9b can be tilted back and forth and left and right, respectively, and operations of the
以降,これら操作レバー9a,9b,9c,9dのレバー操作方向及び操作量を検知するセンサや,キャブ内9に設置されたコンソールパネル等の入力装置に対するオペレータの操作内容を検出するセンサ等のオペレータの操作を検出するセンサを操作検出装置C05と総称する。
Hereinafter, an operator such as a sensor for detecting the lever operation direction and operation amount of these
ブームシリンダ4a,アームシリンダ5a,バケットシリンダ6a,旋回モータ2a及び左右の走行モータ3aの動作制御は,エンジンや電動モータなどの原動機によって駆動される油圧ポンプ装置7から各油圧アクチュエータ2a~6aに供給される作動油の方向及び流量をコントロールバルブ8で制御することにより行う。コントロールバルブ8は,図示しないパイロットポンプから電磁比例弁を介して出力される駆動信号(パイロット圧)により行われる。操作レバー9a,9bからの操作信号に基づいてコントローラ16で電磁比例弁を制御することにより,各油圧アクチュエータ2a~6aの動作が制御される。
Operation control of the boom cylinder 4a,
なお,操作レバー9a,9b,9c,9dは油圧パイロット方式であってもよく,それぞれオペレータにより操作される操作レバー9a,9b,9c,9dの操作方向及び操作量に応じたパイロット圧をコントロールバルブ8に駆動信号として供給し,各油圧アクチュエータ2a~6aを駆動するように構成しても良い。
The operating levers 9a, 9b, 9c, 9d may be hydraulic pilot type, and the pilot pressure according to the operating direction and operating amount of the
上部旋回体2には,所定の平面(例えば水平面)に対する上部旋回体2の傾斜角を検出する姿勢センサである慣性計測装置(IMU)12と,図2に示した2本のGNSSアンテナ13,14が取り付けられている。
The upper swivel body 2 includes an inertial measurement unit (IMU) 12 which is an attitude sensor for detecting the tilt angle of the upper swivel body 2 with respect to a predetermined plane (for example, a horizontal plane), and two
慣性計測装置12は,角速度及び加速度を計測するものである。例えば慣性計測装置12が取り付けられた上部旋回体2が静止している場合を考えると,慣性計測装置12に設定されたIMU座標系における重力加速度の方向(つまり,鉛直下向き方向)と,慣性計測装置12の取り付け状態(つまり,慣性計測装置12と上部旋回体2との相対的な位置関係)とに基づいて,上部旋回体2の前後方向への傾き(ピッチ角)を検出することができる。
The
フロント装置1の構成部材であるブーム4,アーム5,バケット6にはそれぞれの姿勢を計測するための姿勢センサとして,ポテンショメータ,慣性計測装置及びシリンダストロークセンサのいずれかが適切な位置に設置されている。以降,これらフロント装置1の姿勢を計測,演算するセンサを姿勢計測装置C02と総称する。
A potentiometer, an inertial measurement unit, or a cylinder stroke sensor is installed at an appropriate position on the
図2は,図1の油圧ショベル100を側面から見た概略図であり,本図の通り,上部旋回体2上に2本のGNSSアンテナ13,14が取り付けられている。なお,説明の都合上,GNSSアンテナ13をメインアンテナ(第1アンテナ),GNSSアンテナ14をサブアンテナ(第2アンテナ)と呼ぶことがある。
FIG. 2 is a schematic view of the
GNSSアンテナ13,14それぞれで受信した衛星信号(好ましくは4基以上の衛星からの信号)に基づいて,運転室9または上部旋回体2の構造内に搭載された測位端末(位置計測装置)15は2つのアンテナ13,14の測位計算を行う。測位端末15は,処理装置(例えばCPU)と,2つのアンテナ13,14が受信した衛星信号から処理装置が2つのアンテナ13,14の位置を測定するためのプログラムが格納された記憶装置を有する測位用のコントローラである。測位端末15はそれぞれのGNSSアンテナ13,14の緯度,経度,ジオイド高さを含むNMEAフォーマットなどで2本のアンテナ13,14の測位結果を出力する。1つの測位端末で2つのアンテナ位置の測位を行っても良いし,アンテナごとに測位端末を備えていても良い。以降,簡単のため,2本のGNSSアンテナ13,14と測位端末15から構成される測位システムをまとめて位置計測装置C01と呼ぶ。
A positioning terminal (position measuring device) 15 mounted in the structure of the driver's cab 9 or the upper swing body 2 based on satellite signals (preferably signals from four or more satellites) received by each of the
運転室9または上部旋回体2の構造内には,測位端末15と同様に,コントローラ16が配置されている。コントローラ16は,処理装置(例えばCPU)と,その処理装置が実行するプログラムが格納された記憶装置(例えばROM,RAM等の半導体メモリ)を有する。本実施形態のコントローラ16は各種センサ(慣性計測装置12,姿勢計測装置C02及び操作検出装置C05)や位置計測装置C01内の測位端末15から信号を受信して,ショベル100の動作に関する各種演算を行っている。
Similar to the
図3は本発明の実施形態に関わるコントローラ16の処理機能の概略を示した機能ブロック図である。コントローラ16には,GNSSアンテナ13,14及び測位端末15を含む位置計測装置C01,慣性計測装置12,姿勢計測装置C02,操作検出装置C05が検出した結果が入力されている。これらの情報に基づいて,コントローラ16は,運転室9内に備えられたディスプレイなどの表示装置C03に指示を表示するマシンガイダンス機能と,フロント装置1の動きを制御するためにコントロールバルブ8や各油圧アクチュエータ2a~6aを駆動する油圧制御装置C04を制御するマシンコントロール機能を実装している。なお,コントローラ16にはショベル100を制御するための様々な機能が実装されているが,本発明に直接関係のない機能については説明を省略している。
FIG. 3 is a functional block diagram showing an outline of the processing function of the
図3のコントローラ16内の各部の具体的な演算内容を説明する。コントローラ16は,上部旋回体角度演算部C10と,相対角度演算部C11と,フロント姿勢演算部C12と,操作判断部C20,車体姿勢演算部C13と,操作指示演算部C14と,作業支援演算部C15を備えている。
The specific calculation contents of each part in the
上部旋回体角度演算部C10は,位置計測装置C01と慣性計測装置12の検出値に従って,上部旋回体2における旋回中心座標とフロント装置1の向きを算出する。具体的には図4のように,測位端末15が演算するメインアンテナ13とサブアンテナ14の各座標より平面座標における2本のGNSSアンテナ13,14の位置を通過する直線の角度を演算し,さらに,各アンテナ13,14とフロント作業装置1の幾何学的な関係からフロント装置1の角度θを算出する。
The upper swivel body angle calculation unit C10 calculates the swivel center coordinates and the orientation of the
なお,油圧ショベル100が旋回動作を行っている場合には,上述のGNSSアンテナ13,14の位置から求めた角度θ0を起点として,慣性計測装置12で検出した角速度ωを積分することでフロント角度θを(3)式に従って算出しても良い。
When the
相対角演算部C11は上部旋回体2と下部走行体3が成す相対角αを演算する。相対角αの演算には,位置計測装置C01の検出値(下部走行体3による走行動作の前後におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置)が利用される。慣性計測装置12の検出値や操作判断部C20の出力を利用することもできる。相対角演算部C11の演算内容が本実施形態の主な特徴となるため,その詳細な内容は後述する。
The relative angle calculation unit C11 calculates the relative angle α formed by the upper swivel body 2 and the
フロント姿勢演算部C12は,姿勢計測装置C02の検出値に基づいてフロント装置1の姿勢を演算する。フロント装置1の姿勢には各フロント部材4,5,6の姿勢の他,フロント装置1の先端であるバケット6のツメ先位置も含まれる。たとえば,図5のようにブーム4の回動中心であるブームフートピンを原点とする座標系(xb,yb,zb)において,ブーム4,アーム5,バケット6(正確には,ブーム長さLbm,アーム長さLam,及びバケット長さLbkの向き)の角度(姿勢角度)をそれぞれθbm,θam,θbkとすると,バケット6のツメ先位置を次の式(4)及び式(5)から求めることができる。
The front posture calculation unit C12 calculates the posture of the
なお,姿勢計測装置C02としてポテンショメータを利用する場合は各姿勢角θbm,θam,θbkは直接的に取得できるが,慣性計測装置やシリンダストロークセンサを利用する場合には検出値を姿勢角θbm,θam,θbkに変換する演算も必要になる。 When the potentiometer is used as the attitude measuring device C02, each attitude angle θ bm , θ am , and θ bc can be obtained directly, but when using the inertial measurement unit or the cylinder stroke sensor, the detected value is the attitude angle. An operation to convert to θ bm , θ am , and θ bk is also required.
車体姿勢演算部C13は上部旋回体角度演算部C10,相対角演算部C11,フロント姿勢演算部C12の演算結果に基づいて,油圧ショベル100の姿勢に関する情報を統合する。より具体的には,上部旋回体角度演算部C10で演算した旋回中心座標,フロント装置1の向き,および,油圧ショベル100の寸法情報に従って,世界座標系におけるブームフートピンの座標を演算できる。その後,ブームフートピンの座標を原点として,フロント姿勢演算部C12で演算したバケットツメ先位置を統合すると,世界座標系におけるバケットツメ先位置が演算できる。また,上部旋回体角度演算部C10で演算した旋回中心座標を基準にして,相対角演算部C11で演算した上部旋回体2と下部走行体3の相対角αを利用することで,下部走行体3の向き(絶対角度)を演算することが出来る。
The vehicle body posture calculation unit C13 integrates information on the posture of the
操作支援演算部C14は,車体姿勢演算部C13の演算結果,および,操作判断部C20で判断された操作内容に基づいて,オペレータの操作を支援するマシンガイダンスに関する演算を行い,指示内容を表示装置C03へと出力する。支援内容としては,所定の目標面とバケットの位置関係を表示することや,その目標面の下方にバケット6の先端部が潜り込まないように車体姿勢演算部C13で演算したバケットの座標に応じてブーム上げレバー操作を促す表示をすることや,図18に示した作業のために下部走行体の向きを作業面に合わせるように走行レバー操作を促す表示をすること,などが挙げられる。なお,操作指示演算部C14には,他の作業に関するガイダンス機能を備えていても良いが,本実施形態と直接の関係が無いため説明は省略する。
The operation support calculation unit C14 performs a calculation related to machine guidance that supports the operator's operation based on the calculation result of the vehicle body posture calculation unit C13 and the operation content determined by the operation judgment unit C20, and displays the instruction content. Output to C03. The support contents include displaying the positional relationship between the predetermined target surface and the bucket, and according to the bucket coordinates calculated by the vehicle body posture calculation unit C13 so that the tip of the
作業支援演算部C15は,車体姿勢演算部C13の演算結果と,操作判断部C20で判断された操作内容とに基づいて,油圧ショベル100の動作を自動または半自動的に制御するマシンコントロールに関する演算を行い,この動作を実行するための指令値を油圧制御装置C04へと出力する。油圧制御装置C04は入力した指令値に基づいてフロント装置1を含む油圧ショベル100の動作を制御する。油圧ショベル100の動作の半自動制御の例としては,操作装置9a,9bの操作時にフロント装置1(より具体的にはバケット6のツメ先)が目標面上またはその上方に位置するようにフロント装置1が目標面に近づく速度を所定の制限速度以下に制限するものがある。
The work support calculation unit C15 performs a calculation related to machine control that automatically or semi-automatically controls the operation of the
次に相対角演算部C11の構成について図面を用いて詳細に説明する。 Next, the configuration of the relative angle calculation unit C11 will be described in detail with reference to the drawings.
<第1実施形態>
図6は,相対角演算部C11の実施形態の一例である。図6では,相対角演算部C11の入力として,位置計測装置C01の検出値のみを利用する場合を考える。なお,説明の都合上,時刻t1(第1時刻)において位置計測装置C01が演算したメインアンテナ13の座標(位置)を座標13a,同サブアンテナ14の座標(位置)を座標14a,時刻t2(第2時刻)において位置計測装置C01が演算したメインアンテナ13の座標(位置)を座標13b,同サブアンテナ14の座標(位置)を座標14bと呼ぶ。
<First Embodiment>
FIG. 6 is an example of an embodiment of the relative angle calculation unit C11. In FIG. 6, consider a case where only the detection value of the position measuring device C01 is used as the input of the relative angle calculation unit C11. For convenience of explanation, the coordinates (position) of the
図6の相対角演算部C11は,第1位置情報記憶部A01と,第2位置情報記憶部A02と,第1車体角度演算部A03と,第2車体角度演算部A04と,走行変位角度演算部A05と,逸脱角度演算部A06と,走行変位角度補正部A07と,相対角度演算部A08とを備えている。 The relative angle calculation unit C11 of FIG. 6 includes a first position information storage unit A01, a second position information storage unit A02, a first vehicle body angle calculation unit A03, a second vehicle body angle calculation unit A04, and a traveling displacement angle calculation. A unit A05, a deviation angle calculation unit A06, a traveling displacement angle correction unit A07, and a relative angle calculation unit A08 are provided.
第1位置情報記憶部A01と第2位置情報記憶部A02は,コントローラ16内の記憶装置の記憶領域内に構成されている。
The first position information storage unit A01 and the second position information storage unit A02 are configured in the storage area of the storage device in the
第1位置情報記憶部A01は,時刻t1(第1時刻)におけるメインアンテナ位置13aとサブアンテナ位置14aを記憶する。第1位置情報記憶部A01は,測位端末15から出力されるDOP(Dilution Of Precision)や位置特定品質などの測位精度に関する情報を参照し,以降の演算に必要な精度で測位が行われているときの位置情報を記憶する。例えば,RTKを利用している場合には,位置特定品質が「RTK-FIX」になっていること,つまり,GNSSの標準フォーマットであるNMEAメッセージ中の「GGA」のクオリティが4になっていること,を確認して位置情報を記憶することで測位結果の誤差をおよそ2cm程度にできる。なお,時刻t1以降から上記の位置情報の記憶が行われるまでの間はショベル100を動作させないことが望ましい。
The first position information storage unit A01 stores the
第2位置情報記憶部A02は,時刻t2(第2時刻)におけるメインアンテナ位置13bとサブアンテナ位置14bを記憶する。第1位置情報記憶部A02も第1位置情報記憶部A01と同様に所望の測位精度が保証されたときの位置情報を記憶する。同様に位置情報の記憶が行われるまでの間,ショベル100を動作させないことが望ましい。
The second position information storage unit A02 stores the
以上の時刻t1,時刻t2の関係を図7のタイムチャートを用いて説明する。 The relationship between time t1 and time t2 will be described with reference to the time chart of FIG.
まず,時刻t1より前ではショベル100の動作に何ら制限を与えない。時刻t1にて位置計測装置C01から出力される位置情報の記憶を開始し,所望の精度(たとえば,RTK-FIXの2cm)が保証される時刻taまで間はショベル100を停止させる。そして時刻taにて位置情報の記憶を終了する。
First, the operation of the
時刻taにて位置情報の記憶を終了した以降は,再びショベル100の動作を許可する。ただし,後述の通り,時刻ta以降から時刻t2までは走行以外の操作を行わないことが望ましい。
After the storage of the position information is completed at the time ta, the operation of the
時刻t2にて再び位置計測装置C01から出力される位置情報の記憶を開始すると,位置精度が保証される時刻tbまでショベル100の動作を停止する。同様に時刻tbにて位置情報の記憶を終了する。
When the storage of the position information output from the position measuring device C01 is started again at the time t2, the operation of the
以上のような動作を実行することで,GNSSによる測位誤差に起因する下部走行体3と上部旋回体2の相対角αの演算誤差を抑制できる。なお,以下では簡単のため時刻t1,t2でも「RTK-FIX」の精度が保証されているものとして説明する。
By executing the above operation, it is possible to suppress the calculation error of the relative angle α between the
第1車体角度演算部A03は,第1位置情報記憶部A01に格納されている時刻t1におけるメインアンテナ座標13aとサブアンテナ座標14aに基づいて,時刻t1における上部旋回体の向き(角度)である第1車体角度θ1を演算する。具体的な演算は図4に準ずるが,ここでは説明を簡単にするため,十分に平滑な平面(高さ方向zへの変位がない)上に油圧ショベル100が配置されていると仮定する。そして,時刻t1のメインアンテナ13の平面座標13aを(x1,y1),サブアンテナ14の平面座標14aを(x2,y2)とすると,時刻t1において各アンテナ13,14を通過する直線が所定の基準線(図8,9では水平線)となす角度θ1を次の(6)式で与えることが出来る。
The first vehicle body angle calculation unit A03 is the direction (angle) of the upper swivel body at time t1 based on the main antenna coordinates 13a and the sub-antenna coordinates 14a stored in the first position information storage unit A01 at time t1. The first vehicle body angle θ 1 is calculated. The specific calculation is based on FIG. 4, but for the sake of simplicity, it is assumed that the
第2車体角度演算部A04は,第2位置情報記憶部A02に格納されている時刻t2におけるメインアンテナ座標13bとサブアンテナ座標14bに基づいて,時刻t2における上部旋回体の向き(角度)である第2車体角度θ2を演算する。時刻t2のメインアンテナ13の平面座標13bを(x3,y3),サブアンテナ14の平面座標14bを(x4,y4)とすると,時刻t2において各アンテナ13,14を通過する直線が所定の基準線(図8,9では水平線)となす角度θ2(図8,9参照)を次の(7)式で与えることが出来る。
The second vehicle body angle calculation unit A04 is the direction (angle) of the upper swivel body at time t2 based on the main antenna coordinates 13b and the sub antenna coordinates 14b stored in the second position information storage unit A02 at time t2. The second vehicle body angle θ 2 is calculated. Assuming that the plane coordinate 13b of the
走行変位角度演算部A05は,第1位置情報記憶部A01と第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t1,t2における2つのアンテナ13,14の位置のうち一方のアンテナの位置に基づいて,時刻t1及び時刻t2におけるその一方のアンテナの位置を通る直線が所定の基準線となす角である走行変位角度ψ(φ)を演算する。走行変位角度ψ(φ)は時刻t1以降の時刻taから時刻t2の間に行われた下部走行体3の走行動作によって生じるGNSSアンテナの角度である。
The traveling displacement angle calculation unit A05 is based on the position of one of the two
ここでは時刻t1,t2におけるメインアンテナ13の位置から走行変位角度ψを計算する。図7の時刻taから時刻t2の間に作業者が走行レバー操作のみを実施したとすると,走行前のメインアンテナ座標13aと走行後のメインアンテナ座標13bを通過する直線のなす角度ψを次の(8)式で計算する。
Here, the traveling displacement angle ψ is calculated from the position of the
上記の演算の一例を図8に示す。下部走行体3の軌跡が完全にまっすぐであれば,走行前後のメインアンテナ座標13a,13bのx座標は同一であるため,図8に示すように走行変位角度ψ=0となる。また,θ1=θ2も成立する。
An example of the above operation is shown in FIG. If the locus of the
また,図8とは下部走行体3と上部旋回体2の相対角αが異なる姿勢の例を図9に示す。図8と同様に,下部走行体3の軌跡が完全にまっすぐであれば,θ1=θ2が成立する。
Further, FIG. 9 shows an example of a posture in which the relative angles α of the
図8,9からも分かるように(8)式で演算している角度ψは下部走行体3の絶対角に等しい。ただし,これは,走行動作中の下部走行体3の軌跡が完全に真っ直ぐである場合に限定されることに注意が必要である。つまり,通常はスリップ等で蛇行するので下部走行体3の軌跡は直線にならない。
As can be seen from FIGS. 8 and 9, the angle ψ calculated by Eq. (8) is equal to the absolute angle of the
逸脱角度演算部A06は,第1位置情報記憶部A01及び第2位置情報記憶部A02に記憶された情報と,第1車体角度演算部A03の演算結果とに基づいて,下部走行体3の走行動作中の蛇行によって生じる角度である逸脱角δφの演算を行う。
The deviation angle calculation unit A06 travels the
ここで,逸脱角δφが生じた場合のGNSSアンテナの座標の変化例を図10に示す。説明を簡単にするため,第1位置情報記憶部A01に記憶された時刻t1におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の座標13a,14aがX’座標上に乗っている場合を考える(二点13a,14aを結ぶようにX’軸を取ったものとして考えても良い)。図10以降は説明を簡単にするため,下部走行体3の走行変位角度は先述のψではなくX’軸を0度としたφを用いて説明する。図8.9のψとφには「ψ+φ=90度」の関係が成り立つため,容易に変換することができる。
Here, FIG. 10 shows an example of the change in the coordinates of the GNSS antenna when the deviation angle δφ occurs. To simplify the explanation, consider the case where the
まず,下部走行体3の初期角度(t1における下部走行体3の角度)φ’に沿って下部走行体3が真っ直ぐに走行できたと仮定すると,時刻t2における各アンテナ13,14の座標は図10中の13c,14cとなる。真っ直ぐに走行できたのならば,メインアンテナ座標13cとサブアンテナ座標14cを結ぶベクトルは,X’軸(13aと14aの2座標を結ぶベクトル)と平行になることに注意されたい。
First, assuming that the
しかしながら,実際の走行動作においては,クローラ式の下部走行体3の履体と地面の間に滑りが生じて蛇行するため,第2位置情報記憶部A02に記憶される時刻t2における各アンテナ13,14の座標は例えば13b,14bとなる。このような場合,13b,14bの座標を利用して(8)式の計算を行うことで得られる角度φは,下部走行体3の初期角度(図10中のφ’)と異なる値になってしまう。このように生じる角度の差を本願では逸脱角δφと呼ぶ。図10から明らかなように,逸脱角δφは,時刻t1において下部走行体3が所定の基準線(X’軸)となす角φ’と走行変位角度φとの差(δφ=φ’-φ)でもある。
However, in the actual running operation, the crawler type
(1)角度θcによる逸脱角δφの近似1
逸脱角δφの演算方法の一例を図11a,11bに従って説明する。この例は逸脱角δφが十分に小さい場合に精度が良い。
(1) Approximation of deviation angle δφ by
An example of the calculation method of the deviation angle δφ will be described with reference to FIGS. 11a and 11b. This example is accurate when the deviation angle δφ is sufficiently small.
まず,図11aに示した通り,時刻t1から時刻t2の間におけるメインアンテナ13の移動距離をl1,同様に時刻t1から時刻t2の間におけるサブアンテナ14の移動距離をl2,メインアンテナ13とサブアンテナ14間の距離をHとすると,それぞれの値は時刻t1,t2における2本のアンテナ13,14の座標値を利用して次の(9)(10)(11)式で計算できる。
First, as shown in FIG. 11a, the moving distance of the
なお,(11)式では第1位置情報記憶部A01に記憶された時刻t1におけるメインアンテナ座標13aとサブアンテナ座標14aを利用しているが,第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t2における各座標13b,14bを使っても良い。 In the equation (11), the main antenna coordinates 13a and the sub-antenna coordinates 14a at the time t1 stored in the first position information storage unit A01 are used, but the time t2 stored in the second position information storage unit A02. The respective coordinates 13b and 14b in the above may be used.
ここで,履体と地面の滑りによる軌道変化は遠点COを中心とした回転運動として近似できることに注目すると,メインアンテナ13の移動距離l1は半径(H+R)の円の外周の一部,サブアンテナ14の移動距離l2は半径Rの円の外周の一部とみなすことが出来る。このとき,それぞれの移動距離l1,l2を次式で近似できる。
Here, paying attention to the fact that the trajectory change due to the slip of the foot and the ground can be approximated as a rotational motion around the far point CO, the moving distance l1 of the
(12),(13)において未知変数はRとθcの2変数なので,(12),(13)を連立することによって,数値的にRとθcを演算することが出来る。すなわち,本例では,2本のアンテナ13,14の移動距離l1,l2が,それぞれ,中心が同じで逸脱角δφを中心角θcとして有する扇形の円弧(但し半径はR+HとR)であるとみなして逸脱角δφを演算する。
Since the unknown variables in (12) and (13) are two variables, R and θc, R and θc can be calculated numerically by combining (12) and (13). That is, in this example, the moving distances l1 and l2 of the two
なお,第1位置情報記憶部A01と第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t1,t2におけるサブアンテナ座標14a,14bと遠点COを頂点とする三角形を考え,余弦定理より求まる下記(14)式を追加しても良い。 Consider the sub-antenna coordinates 14a and 14b stored in the first position information storage unit A01 and the second position information storage unit A02 at the times t1 and t2 and the triangle having the far point CO as the apex, and obtain the following from the cosine theorem ( 14) Equation may be added.
ただし,(14)式はサブアンテナ座標を利用する場合の式であるが,代わりにメインアンテナ座標13a,13bを用いても良い。 However, although the equation (14) is an equation when the sub-antenna coordinates are used, the main antenna coordinates 13a and 13b may be used instead.
(2)角度θcによる逸脱角δφの近似2
さらに,第1位置情報記憶部A01に記憶された時刻t1におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の座標13a,14aを結ぶようにX’-Y’座標系を取った場合(図10)を考えると,図11bのように,時刻t2におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の座標13b,14bを通過する直線がX軸となす角度がθcとなるので,次の(15)式で規定される逆正接関数でθcを求めることも出来る。
(2) Approximation of deviation angle δφ by angle θc 2
Further, consider the case where the X'-Y'coordinate system is taken so as to connect the
なお,上記の(15)式における(x3’,y3’),(x4’,y4’)はX’-Y’座標系における第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t2におけるメインアンテナ座標13bおよびサブアンテナ座標14bである。
Note that (x3', y3') and (x4', y4') in the above equation (15) are the main antenna coordinates at time t2 stored in the second position information storage unit A02 in the X'-Y' coordinate system. 13b and
(3)角度θdによる逸脱角δφの近似
逸脱角δφが十分に小さい場合にはδφ=θcとみなすことも出来るが,そうでない場合には近似精度が高くないことがある。次にθcで近似する場合よりも近似精度を上げる方法の一例を図12に従って説明する。
(3) Approximation of deviation angle δφ by angle θd If the deviation angle δφ is sufficiently small, it can be regarded as δφ = θc, but if not, the approximation accuracy may not be high. Next, an example of a method for improving the approximation accuracy as compared with the case of approximating with θc will be described with reference to FIG.
まず,図12aのように,(8)式で計算されるメインアンテナ13の移動前後の角度φを利用して,第2時刻t2における仮想的なサブアンテナの座標14dを演算する。この座標14dは,時刻t1以降の時刻taから時刻t2の間に行われた走行動作により下部走行体3が走行変位角度φに沿って真っ直ぐ走行できたと仮定した場合の時刻t2におけるサブアンテナ14の仮想位置を示す。この仮想的なサブアンテナ14の座標14dを(xp,yp)とすると,具体的には次の(16)(17)式で与えることが出来る。
First, as shown in FIG. 12a, the
すなわち,xp,ypは,時刻t1から時刻t2の間におけるメインアンテナ13の移動距離l1と,時刻t1におけるサブアンテナ14の座標14a(x2,y2)と,走行変位角度φに基づいて規定できる。
That is, xp and yp can be defined based on the moving distance l1 of the
また,同一時刻におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の距離は一定(距離は(11)式のHで与えられる)であるので,第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t2におけるサブアンテナ座標14bと,時刻t2における仮想サブアンテナ座標14dとは,第2位置情報記憶部A02に記憶された時刻t2におけるメインアンテナ座標13bを中心とした半径Hの円周上に配置される。この様子を図12bに示す。
Further, since the distance between the
本例では,時刻t1におけるサブアンテナ座標14aと時刻t2における仮想サブアンテナ座標14dとを通過する直線と,時刻t2におけるサブアンテナ座標14bと時刻t2における仮想サブアンテナ座標14dとを通過する直線とがなす角θdで逸脱角δφを近似する。θdは,3つの座標14a,14b,14dを頂点に有し,図12bに示したa,b,cの3辺から成る三角形に余弦定理を利用することよって計算することが出来る。辺aは2つの頂点14a,14bを接続する辺で,辺bは2つの頂点14a,14dを接続する辺で,辺cは2つの頂点14d,14bを接続する辺である。
In this example, a straight line passing through the sub-antenna coordinate 14a at time t1 and the virtual sub-antenna coordinate 14d at time t2, and a straight line passing through the sub-antenna coordinate 14b at time t2 and the virtual sub-antenna coordinate 14d at time t2. The deviation angle δφ is approximated by the angle θd formed. θd can be calculated by using the cosine theorem on the triangle consisting of the three sides a, b, and c shown in FIG. 12b, which has three
なお,逸脱角δφが小さいときは,図12bにおいて,サブアンテナ座標14bが円周上に沿って,仮想サブアンテナ座標14dへと接近することで,θdは徐々に0へと近づいていく。同じく,サブアンテナ座標14bが円周上に沿って,仮想サブアンテナ座標14dへと接近することで,上述のθcも0へと近づいていくことが確認できる。これが,上述の「逸脱角が十分に小さい場合には,δφ=θcとみなすことも出来る」理由になっている。 When the deviation angle δφ is small, θd gradually approaches 0 as the sub-antenna coordinate 14b approaches the virtual sub-antenna coordinate 14d along the circumference in FIG. 12b. Similarly, it can be confirmed that the above-mentioned θc also approaches 0 as the sub-antenna coordinate 14b approaches the virtual sub-antenna coordinate 14d along the circumference. This is the reason for the above-mentioned "when the deviation angle is sufficiently small, it can be regarded as δφ = θc".
ところで,図21に逸脱角δφとその近似計算値のθc,θdの関係を示す。
まず,θcは,(15)式に示した通り,実際に測定可能な時刻t2における2点13b,14bの座標値を利用してX’軸まわりの回転角度として演算される。
By the way, FIG. 21 shows the relationship between the deviation angle δφ and its approximate calculated values θc and θd.
First, θc is calculated as a rotation angle around the X'axis using the coordinate values of the two
一方,θdは,(18)~(21)式に示した通り,実際に測定可能な時刻t1,t2における2点14a,14bの座標値と,演算によって求まる仮想的な測位点14dの座標値,すなわち3点の座標値を利用して,14a-14d,14b-14dの2直線が成す角度として演算される。
On the other hand, θd is the coordinate values of the two
ここで直線14d-14bを延長して,X’軸との交点座標を14eと定義する。下部走行体3による走行距離が十分に長いと,直線14a-14cと直線14d-14eは近似的に平行な関係になる。この平行関係を利用すると,θdとδφが一致することが確認できる。これが,θdによって,δφを精度よく近似できる理由である。
Here, the
なお,図21の各点の幾何学的な関係に着目すると,逸脱角δφとθcの間に明確な関係性が無いようにもみえる。ただし,図12bに示した通り,下部走行体3の逸脱(逸脱角δφ)が小さくなると(すなわち14bと14dが近くなると)にθcとθdの値が徐々に近づく。θcとθdのこの関係が,逸脱角δφの演算にθcを利用することに相当の妥当性があることの理由である。ただし,θcは「δφの近似値であるθd」の近似値を求めているに過ぎず,精度の点ではθdに劣る場合が多いことに注意が必要である。
Focusing on the geometrical relationship of each point in FIG. 21, it seems that there is no clear relationship between the deviation angles δφ and θc. However, as shown in FIG. 12b, the values of θc and θd gradually approach each other as the deviation (deviation angle δφ) of the
走行変位角度補正部A07は,走行変位角度演算部A05と逸脱角度演算部A06の演算結果に基づいて,走行で生じた逸脱角を考慮して走行変位角度φを補正することで,補正後の走行変位角度φ’を演算する。 The traveling displacement angle correction unit A07 corrects the traveling displacement angle φ in consideration of the deviation angle generated during traveling based on the calculation results of the traveling displacement angle calculation unit A05 and the deviation angle calculation unit A06. Calculate the traveling displacement angle φ'.
より具体的には,次式によって補正を行う。すなわち走行変位角度φに逸脱角δφを加算した値を補正後の走行変位角度φ’とする。補正後の走行変位角度φ’は走行動作前(例えば時刻t1)における下部走行体3の角度(向き)である。
More specifically, the correction is made by the following equation. That is, the value obtained by adding the deviation angle δφ to the traveling displacement angle φ is defined as the corrected traveling displacement angle φ'. The corrected traveling displacement angle φ'is the angle (direction) of the
なお,図8,図9に示したように,下部走行体の移動が完全にまっすぐ行われた場合には逸脱角δφ=0が成り立つため,φ’=φとなる。 As shown in FIGS. 8 and 9, when the lower traveling body is completely moved straight, the deviation angle δφ = 0 holds, so φ'= φ.
相対角度演算部A08は,第1車体角度演算部A03と走行変位角度補正部A07の演算結果に基づいて,上部旋回体2と下部走行体3が成す相対角度αを演算する。具体的には「α=θ1-φ’」に従った計算すれば良い。すなわち,第1車体角度θ1から補正後の走行変位角度φ’を減じた値が時刻t1における上部旋回体2と下部走行体3の相対角度αとなる。
The relative angle calculation unit A08 calculates the relative angle α formed by the upper turning body 2 and the
以上のように,クローラ式の下部走行体3を備えた作業機械では,例えば走行前の時刻t1で下部走行体3の角度がφ’(図10)で,その状態のまま下部走行体3を直進させる操作を入力しても,走行中の滑り等で下部走行体3が蛇行してしまい,走行後の時刻t2での下部走行体3の角度は走行前の角度と異なる値φ(図10)となってしまう。そのため上部旋回体2に設置された2本のGNSSアンテナ13,14のいずれかの走行前後の位置の変化から移動方向φを演算しても,走行前の下部走行体3の角度φ’を正確に演算することは困難であった。
As described above, in the work machine provided with the crawler type
しかし,本実施形態の作業機械は,上記の演算を実行する相対角度演算部C11を有するコントローラ16を備えているため,走行動作中に下部走行体3が蛇行した結果生じた逸脱角δφ(δφ=φ’-φ)を他の角度θc,θdで精度良く近似することで,時刻t1における下部走行体3の角度φ’を演算できる。これにより時刻t1における上部旋回体2と下部走行体3の相対角αを演算できるので,これ以降は上部旋回体2の旋回角を積算していけば所望の時刻における上部旋回体2と下部走行体3の相対角αを演算できる。特に本実施形態では2本のGNSSアンテナ13,14の測位結果のみから一連の角度θc,θd,αを演算できる点がメリットとなる。GNSSの測位結果を利用する方法は,特許文献2で示される旋回軸に回転角度センサを備える構成と異なり,GNSS(位置計測装置C01)に万が一故障が生じたとしても交換や修理が非常に容易である。近年は情報化施工の進展によりGNSSアンテナを2本備える油圧ショベルが増えており,そのような油圧ショベルへの適用については専用の回転角度センサを備える構成と比較してイニシャルコストの点でも優位性がある。
However, since the work machine of the present embodiment includes the
また,上記のように演算した相対角αを例えば運転室9内の表示装置C03に表示すれば,フロント装置1による作業中にオペレータが下部走行体3の向きを失念してしまっても表示装置C03を参照すればいつでも上部旋回体2と下部走行体3の相対角度を把握できるため,フロント装置1による作業の終了後に走行動作を開始する際に誤った方向に前進することを防止できる。相対角αの用途はこれだけに限られず,マシンガイダンス機能やマシンコントロール機能において種々の形態での利用が可能である。
Further, if the relative angle α calculated as described above is displayed on the display device C03 in the driver's cab 9, for example, the display device is displayed even if the operator forgets the direction of the
<第2実施形態>
図13は第2実施形態における相対角演算部C11の機能ブロック図である。本実施形態の相対角演算部C11は,逸脱角演算部D06に慣性計測装置(IMU)12の出力を入力しており,それを逸脱角度演算部D06における演算内容に利用している点に特徴がある。以下に説明する内容を除き,その他の第1実施形態と同じ名称の部分については第1実施形態と同じ処理を実行するものとし説明は省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 13 is a functional block diagram of the relative angle calculation unit C11 in the second embodiment. The relative angle calculation unit C11 of the present embodiment is characterized in that the output of the inertial measurement unit (IMU) 12 is input to the deviation angle calculation unit D06, and the output is used for the calculation content in the deviation angle calculation unit D06. There is. Except for the contents described below, the same processing as that of the first embodiment shall be executed for the other parts having the same names as those of the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
慣性計測装置12では上部旋回体2の角速度ωuと下部走行体3の角速度ωbの和(ω=ωu+ωb)を検出することが出来る。ここで,時刻t1から時刻t2の間は上部旋回体2を回転させない(ωu=0)という条件を課せば,慣性計測装置12の検出値は下部走行体の角速度ω=ωbになる。したがって,この角速度を利用すれば,上述の角度θcを次の(23)式で計算できる。(23)式における積分区間は例えば時刻t1から時刻t2に設定できる。
The
すなわち本実施形態の逸脱角演算部D06は,慣性計測装置12により検出された角速度の時刻t1から時刻t2までの積分値を逸脱角δφとして演算している。このように逸脱角δφを演算しても上部旋回体2と下部走行体3の相対角αを演算することができる。ただし,本実施形態のように下部走行体3の角速度ωbの検出に高精度な慣性計測装置(IMU)12を利用した場合,GNSSの測位結果と(14),(15)式に基づいてθcを計算する第1実施形態の方法よりも正確な値を得ることが出来る。また,近年は情報化施工の進展により,上部旋回体2の傾斜角度を検出するために慣性計測装置(IMU)12を備える油圧ショベルが増えており,そのような油圧ショベルに本実施形態を適用する場合には専用の回転角度センサを備える構成と比較してイニシャルコストの点で優位性がある。
That is, the deviation angle calculation unit D06 of the present embodiment calculates the integrated value of the angular velocity detected by the
なお,本実施形態では上部旋回体2に取り付けた慣性計測装置12で下部走行体の角速度ωbを取得したが,下部走行体3の角速度ωbを取得できるセンサであれば他の角速度検出センサを利用しても構わない。また,下部走行体3に慣性計測装置12を取り付けて角速度ωbを検出しても構わない。
In the present embodiment, the
<第3実施形態>
図14は第3実施形態における相対角演算部C11の機能ブロック図である。本実施形態では第2実施形態の構成に加えて,操作判断部C20の出力を相対角度演算部C11に入力し,逸脱角度演算部E06と走行変位角度演算部E05での演算に利用している。以下に説明する内容を除き,その他の第2実施形態と同じ名称の部分については第2実施形態と同じ処理を実行するものとし説明は省略する。
<Third Embodiment>
FIG. 14 is a functional block diagram of the relative angle calculation unit C11 in the third embodiment. In this embodiment, in addition to the configuration of the second embodiment, the output of the operation determination unit C20 is input to the relative angle calculation unit C11 and used for the calculation in the deviation angle calculation unit E06 and the traveling displacement angle calculation unit E05. .. Except for the contents described below, the same processing as that of the second embodiment shall be executed for the other parts having the same names as those of the second embodiment, and the description thereof will be omitted.
操作判断部C20は,操作検出装置C05から出力される信号を入力して,例えば操作レバー9a,9b,9c,9dの操作方向や操作量を監視し,オペレータがショベル100に対してどのような操作を入力したかを判断する。また,操作判断部C20は操作レバー9a,9b,9c,9dのみでなく,キャブ内9にあるコンソールパネルを含む入力装置から出力される信号も入力しており,これらの入力装置へ操作内容(入力内容)も取得できるように構成されている。
The operation determination unit C20 inputs a signal output from the operation detection device C05, monitors, for example, the operation direction and the operation amount of the operation levers 9a, 9b, 9c, 9d, and what kind of operation the operator has with respect to the
逸脱角度演算部E06は,第2実施形態の逸脱角度演算部D06が行っていた演算に加えて,操作判断部C20の出力を利用した演算を行う。例えば下部走行体3の走行動作中に旋回操作が実施された場合は上部旋回体2が回転する(ωu≠0)ため,(19)式でθcを計算することが出来なくなる。このため,逸脱角度演算部E06は,操作判断部C20にて旋回操作が実施されていると判断された場合には,(19)式によるθcの計算を停止する。
The deviation angle calculation unit E06 performs a calculation using the output of the operation determination unit C20 in addition to the calculation performed by the deviation angle calculation unit D06 of the second embodiment. For example, if the turning operation is performed during the running operation of the
走行変位角度演算部E05も,先に説明した内容の演算だけでなく,操作判断部C20の出力を利用した演算を行っている。逸脱角δφが十分に小さいとすれば,次の(24)式で示すように,慣性計測装置(角速度検出センサ)12で検出した角速度の積分値は上部旋回体2の角度変化Δθと一致する。 The traveling displacement angle calculation unit E05 also performs not only the calculation of the contents described above but also the calculation using the output of the operation determination unit C20. Assuming that the deviation angle δφ is sufficiently small, the integrated value of the angular velocity detected by the inertial measurement unit (angular velocity detection sensor) 12 coincides with the angle change Δθ of the upper swing body 2 as shown by the following equation (24). ..
(24)式のΔθを利用すれば,時刻t1(第1時刻)と時刻t2(第2時刻)の間の走行動作中に旋回操作が実施された場合でも,走行変位角度φを演算することが出来る。具体的には,図15に示したように右旋回操作が行われると第2車体角度演算部A04で演算される角度θ2が第1車体角度演算部A03で演算される角度θ1よりもΔθの変化が生じる。そのため,時刻t2のメインアンテナ座標とサブアンテナ座標をそれぞれ旋回中心に対してΔθ分,旋回操作と逆方向(すなわち左旋回方向)に回転操作(座標変換)を行う。回転操作後に得られた時刻t2のメインアンテナ座標とサブアンテナ座標をそれぞれ(x3c,y3c),(x4c,y4c)と置き,これらの座標を第1実施形態の座標13b,14bとみなして第1実施形態と同様の演算を行えば相対角αを演算できる。
By using Δθ in Eq. (24), the traveling displacement angle φ can be calculated even when the turning operation is performed during the traveling operation between the time t1 (first time) and the time t2 (second time). Can be done. Specifically, as shown in FIG. 15, when the right turn operation is performed, the angle θ 2 calculated by the second vehicle body angle calculation unit A04 is calculated from the angle θ 1 calculated by the first vehicle body angle calculation unit A03. Also causes a change in Δθ. Therefore, the main antenna coordinates and the sub-antenna coordinates at time t2 are rotated by Δθ with respect to the turning center, respectively, in the direction opposite to the turning operation (that is, the left turning direction) (coordinate conversion). The main antenna coordinates and the sub-antenna coordinates at time t2 obtained after the rotation operation are set as (x3c, y3c) and (x4c, y4c), respectively, and these coordinates are regarded as the
なお,上記の演算は「逸脱角δφが十分に小さい」ということを前提としているため,旋回操作を実施した場合は,相対角αの演算精度の低下が起き易い。このため,オペレータが旋回操作を行わないように,相対角αの演算中(下部走行体3による走行動作中)は表示装置C03に旋回動作を行わない旨をオペレータに注意勧告する表示を出力することが望ましい。 Since the above calculation is based on the premise that the deviation angle δφ is sufficiently small, the calculation accuracy of the relative angle α tends to decrease when the turning operation is performed. Therefore, to prevent the operator from performing the turning operation, a display is output to the display device C03 to warn the operator that the turning operation is not performed during the calculation of the relative angle α (during the traveling operation by the lower traveling body 3). Is desirable.
上記のように構成された相対角演算部C11を備える本実施形態のコントローラ16の演算フローの一例について図16を用いて説明する。なお,第1,2実施形態のコントローラ16の演算フローでは,操作判断部C20及び慣性計測装置12が関連する処理(S01,S02,S07,S08a,S08b)を省略すれば良い。
An example of the calculation flow of the
電源をOFF状態からON状態に設定されるとコントローラ16は図16の処理を開始する。まず,S1にて,操作判断部C20は,オペレータが上部旋回体2と下部走行体3の相対角の較正を行う意思があるかを,運転室9内のコンソールの操作内容に基づいて判断する。コンソール上には,オペレータからの入力に基づいて,上部旋回体2と下部走行体3の相対角度の較正をコントローラ16に指示するための較正指示を出力する較正開始ボタン(入力装置)が設けられており,この較正開始ボタンがオペレータに押下されると,コントローラ16(操作判断部C20)に対して較正指示が出力される。この較正指示が入力されると,操作判断部C20はオペレータに相対角の較正を行う意思があると判断する。
When the power is set from the OFF state to the ON state, the
較正開始ボタンが押下されず,S01で相対角の較正が必要とされていないと操作判断部C20が判断した場合は処理をS02に遷移して通常動作を行う。通常動作とは,例えば,掘削動作を実施するのに必要なガイダンスや制御(マシンコントロール)の演算を行うことを意味する。 If the calibration start button is not pressed and the operation determination unit C20 determines in S01 that the calibration of the relative angle is not required, the process is shifted to S02 and normal operation is performed. Normal operation means, for example, performing guidance and control (machine control) operations necessary for performing excavation operation.
較正開始ボタンが押下され,S01で相対角の較正が必要とされていると操作判断部C20が判断した場合は処理をS03に遷移する。S03では,操作指示演算部C14は,現在「較正モード」が選択されていることを表示装置C03に表示する。なお,較正モードの選択時には,操作指示演算部C14によって,例えば「旋回操作は行わないでください。」というメッセージを表示装置C03に表示し続けることで,オペレータが旋回操作を行わないように促して較正精度の確保を図ることが望ましい。 When the calibration start button is pressed and the operation determination unit C20 determines that the relative angle calibration is required in S01, the process shifts to S03. In S03, the operation instruction calculation unit C14 displays on the display device C03 that the “calibration mode” is currently selected. When the calibration mode is selected, the operation instruction calculation unit C14 keeps displaying the message "Please do not perform the turning operation" on the display device C03 to urge the operator not to perform the turning operation. It is desirable to ensure calibration accuracy.
次にS04では,相対角演算部C11は,測位端末15によるメインアンテナ13及びサブアンテナ14それぞれの測位結果が十分な精度で実施されたか否かについて,位置特定品質が「RTK-FIX」になっているか否かで判断する。この判断は上述の通りDOPの値等で判断しても良い。精度が不十分である場合,操作指示演算部C14は,精度の良い測位が行われるまで非操作で待機する旨を表示装置C03に表示する。なお,GNSSの受信環境が悪く所定の時間を経過しても,所望の精度で測位が実施できない場合には,較正場所を変える(走行動作で別の場所に移動する)こと促すメッセージや図形を表示装置C03に表示しても良い。なお,S04は省略可能である。
Next, in S04, the relative angle calculation unit C11 sets the position identification quality to "RTK-FIX" as to whether or not the positioning results of the
S04で高精度な測位が行われたことが確認されたら処理をS05に遷移させる。S05では,相対角演算部C11は,測位結果を時刻t1(第1時刻)の2本のアンテナ13,14の位置情報として,第1位置情報記憶部A01に記憶する(第1位置記憶処理)。時刻t1における2本のアンテナ13,14の位置情報の記憶が行われたらS06に遷移する。
When it is confirmed that high-precision positioning has been performed in S04, the process is shifted to S05. In S05, the relative angle calculation unit C11 stores the positioning result in the first position information storage unit A01 as the position information of the two
S06では,操作指示演算部C14は,例えば「直進操作を入力してください。」というメッセージを表示装置C03に表示し,オペレータに操作レバー9c,9dを介した下部走行体3に対する直進操作(具体的には2本の操作レバー9c,9dを同じ方向に同じ量だけ傾倒する)の入力を促す。この際,先述のθc,θdの近似精度を上げて相対角演算の精度を向上させる目的で,較正に適した最低走行距離を表示したり,直進操作入力後の走行距離を表示したりしても良い。下部走行体3の走行距離は,例えばGNSSの測位結果の変化から演算できる。また,走行油圧モータ3aや履帯の駆動輪の回転数をセンサで検出することで演算しても良い。
In S06, the operation instruction calculation unit C14 displays, for example, a message "Please input a straight-ahead operation" on the display device C03, and causes the operator to perform a straight-ahead operation on the
次に,S07では,操作判断部C20にて,直進操作中にオペレータによって旋回操作が行われたか否かを判断する。旋回操作が行われなかったと判断した場合には処理をS09に遷移する。旋回操作が行われたと判断した場合にはS08aとS08bの処理を実行する。 Next, in S07, the operation determination unit C20 determines whether or not the turning operation has been performed by the operator during the straight-ahead operation. If it is determined that the turning operation has not been performed, the process shifts to S09. When it is determined that the turning operation has been performed, the processes of S08a and S08b are executed.
S08aでは,走行変位角度演算部E05は,旋回操作時の角度変化Δθを計算するために,旋回操作中に慣性計測装置12で検出した角速度ωを時間で積分する。ここで演算したΔθは,後述のS12において,時刻t2のメインアンテナ座標とサブアンテナ座標をそれぞれ旋回中心に対してΔθ分,旋回操作と逆方向に回転操作(座標変換)を行うために利用される。図15を用いて説明したように,回転操作後に得られた時刻t2のメインアンテナ座標とサブアンテナ座標をそれぞれ(x3c,y3c),(x4c,y4c)と置き,これらの座標を第1実施形態の座標13b,14bとみなして第1実施形態と同様の演算を行えば相対角αを演算できる。
In S08a, the traveling displacement angle calculation unit E05 integrates the angular velocity ω detected by the
S08bでは,操作指示演算部C14は,例えば「走行中に旋回操作が行われたため相対角が低精度のおそれがあります。」というメッセージを表示装置C03に表示する。これにより,下部走行体3の走行動作中に旋回操作が行われたため相対角の演算結果が低精度になる可能性があることをオペレータに報知する。この種のメッセージに代えて,再度較正開始ボタンを押下して較正操作を再実施することをオペレータに促すメッセージを表示装置C03に表示しても良い。
In S08b, the operation instruction calculation unit C14 displays, for example, a message on the display device C03, for example, "There is a possibility that the relative angle may be low accuracy because the turning operation was performed during traveling." As a result, the operator is notified that the calculation result of the relative angle may be low accuracy because the turning operation is performed during the traveling operation of the
次にS09では,操作指示演算部C14は,S06から表示装置C03に表示していた直進走行指示を非表示にし,オペレータに操作レバー9a,9bによる走行操作を止めることを促す。これに代えて,直進操作を止めることを指示する表示を表示装置C03に表示しても良い。なお,θc,θdの近似精度を向上する目的で,S06の後にS09を実行する条件として,走行操作の入力開始から所定時間が経過したことを設定しても良いし,GNSSの測位結果が所定距離以上変化したことを設定しても良い。これにより十分な走行距離が確保できるためθc,θdの近似精度が向上し,結果的に相対角αの精度も向上する。 Next, in S09, the operation instruction calculation unit C14 hides the straight-ahead travel instruction displayed on the display device C03 from S06, and urges the operator to stop the travel operation by the operation levers 9a and 9b. Instead of this, a display instructing to stop the straight-ahead operation may be displayed on the display device C03. For the purpose of improving the approximation accuracy of θc and θd, it may be set that a predetermined time has elapsed from the start of input of the traveling operation as a condition for executing S09 after S06, and the positioning result of GNSS is predetermined. It may be set that the change is equal to or greater than the distance. As a result, a sufficient mileage can be secured, so that the approximation accuracy of θc and θd is improved, and as a result, the accuracy of the relative angle α is also improved.
走行操作が停止したら,S10にて,S04と同様にGNSSの測位精度の判断を行う。十分な精度の測位が実施されたことを確認したらS11へと遷移する。 When the running operation is stopped, the positioning accuracy of GNSS is determined in S10 in the same manner as in S04. After confirming that positioning with sufficient accuracy has been performed, the process proceeds to S11.
S11では,相対角演算部C11は,測位結果を時刻t2(第2時刻)の2本のアンテナ13,14の位置情報として,第2位置情報記憶部A02に記憶する(第2位置記憶処理)。時刻t2における2本のアンテナ13,14の位置情報の記憶が行われたらS12に遷移する。S11まで到達すると,図14の相対角度演算部C11の入力がすべて揃うため,S12の「相対角度演算」の処理に遷移して,相対角度αの演算を実施する。相対角度αの演算については先述の通りなので説明は省略する。
In S11, the relative angle calculation unit C11 stores the positioning result in the second position information storage unit A02 as the position information of the two
以上のように,本実施形態では,運転室9内に設けた較正開始ボタンの押下をトリガーにして較正モードに入り,相対角αの演算のために相対角度演算部C11で順次行われる処理の中で,走行操作が必要となるタイミングで走行操作の開始を指示する表示と(S06),その後走行操作が不要になったタイミングで走行操作の終了を指示する表示(S09)をすることとした。これにより,これらの表示をみたオペレータによって適切なタイミングで走行操作の開始と終了がなされることが促進されるので,スムーズな較正が可能になるとともに較正精度の向上が期待できる。 As described above, in the present embodiment, the calibration mode is entered by pressing the calibration start button provided in the driver's cab 9, and the processing sequentially performed by the relative angle calculation unit C11 for the calculation of the relative angle α is performed. Among them, it was decided to display a display instructing the start of the running operation at the timing when the running operation is required (S06) and a display instructing the end of the running operation at the timing when the running operation is no longer necessary (S09). .. As a result, it is promoted that the operator who sees these displays starts and ends the running operation at an appropriate timing, so that smooth calibration is possible and improvement in calibration accuracy can be expected.
また,本実施形態のコントローラ16では,運転室9内のコンソール上の較正開始ボタンを介して較正指示が入力されたときに測位端末15が演算したメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置を時刻t1におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置13a,14aとして第1位置情報記憶部A01に記憶し(S01),較正指示の入力後に操作装置9c,9dを介して走行操作が入力され,その後に走行操作の入力が停止したときに測位端末15が演算したメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置を時刻t2におけるメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置13b,14bとして第2位置情報記憶部A02に記憶している(S11)。これにより下部走行体3による走行動作の開始前と終了後の適切なタイミングにおいて,相対角の演算に必要なメインアンテナ13とサブアンテナ14の位置情報を自動的に取得できる。
Further, in the
なお,2本のアンテナ13,14の位置をコントローラ16に記憶するタイミングは,図16のフローのS04,S10で判断したように位置特定品質が「RTK-FIX」のとき,すなわち,測位端末15による測位結果のばらつきが所定の値以下になったときとすることが好ましい。このようにコントローラ16を構成すれば相対角αの精度を向上できる。
The timing for storing the positions of the two
また本実施形態のコントローラ16では,較正開始ボタンによる較正指示の入力後(S03)から操作レバー9c,9dによる走行操作の入力が停止するまで(S09)の間,操作レバー9a,9b,9c,9dを利用した操作指示の表示としては,走行操作レバー9c,9dを介した走行操作指示のみを表示することとした(S06)。すなわち表示による操作許可は走行操作のみとした。これにより走行動作中にその他の操作である旋回操作が入力されて相対角αの近似精度が低下することを防止できる。なお,同期間中(S03-S09)に旋回操作を入力しないことを促すメッセージを表示装置C03に表示すれば,較正動作中(走行動作中も含む)に旋回操作がされることを抑制でき相対角の較正精度の確保が促進される。但しこの表示をするのは走行動作が要求されるS06-S09の期間に限っても良い。
Further, in the
<その他>
なお,上記の図10では,時刻t2のショベル(上部旋回体2)の姿勢が,時刻t1の姿勢と比較して右回転している場合(すなわち,走行中に右方向に蛇行した場合)を例示したが,左回転している場合(すなわち,左方向に蛇行する場合)があることはいうまでもなく,この場合も上記と同様の方法で相対角φを演算できる。
<Others>
In FIG. 10 above, the posture of the shovel (upper swivel body 2) at time t2 is rotated to the right as compared with the posture at time t1 (that is, when it meanders to the right while traveling). As an example, it goes without saying that there is a case of rotating counterclockwise (that is, a case of meandering to the left), and in this case as well, the relative angle φ can be calculated by the same method as described above.
本発明は,上記の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,ある実施の形態に係る構成の一部を,他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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications within the scope not deviating from the gist thereof. For example, the present invention is not limited to the one including all the configurations described in the above-described embodiment, and includes the one in which a part of the configurations is deleted. Further, it is possible to add or replace a part of the configuration according to one embodiment with the configuration according to another embodiment.
上記のコントローラ16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16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コントローラ16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。
Even if each configuration related to the
1…フロント作業装置(フロント装置),2…上部旋回体,3…下部走行体,9c…走行操作レバー(操作装置),12…慣性計測装置(角速度検出センサ),13…メインアンテナ(第1アンテナ),14…サブアンテナ(第2アンテナ),15…測位端末,16…コントローラ,A01…第1位置情報記憶部(記憶装置),A02…第2位置情報記憶部(記憶装置),A03…第1車体角度演算部,A04…第2車体角度演算部,A05…走行変位角度演算部,A06…逸脱角度演算部,A07…走行変位角度補正部,A08…相対角度演算部,C03…表示装置,C20…操作判断部,θ1…第1車体角度(車体角度),ψ,φ…走行変位角度,δφ…逸脱角,φ’…補正後の走行変位角度,θc…逸脱角の近似角度,θd…逸脱角の近似角度 1 ... front work device (front device), 2 ... upper swivel body, 3 ... lower traveling body, 9c ... traveling operation lever (operating device), 12 ... inertial measuring device (angle speed detection sensor), 13 ... main antenna (first Antenna), 14 ... Sub-antenna (second antenna), 15 ... Positioning terminal, 16 ... Controller, A01 ... First position information storage unit (storage device), A02 ... Second position information storage unit (storage device), A03 ... 1st vehicle body angle calculation unit, A04 ... 2nd vehicle body angle calculation unit, A05 ... Traveling displacement angle calculation unit, A06 ... Deviation angle calculation unit, A07 ... Traveling displacement angle correction unit, A08 ... Relative angle calculation unit, C03 ... Display device , C20 ... Operation judgment unit, θ 1 ... First vehicle body angle (vehicle body angle), ψ, φ ... Traveling displacement angle, δφ ... Deviation angle, φ'... Corrected traveling displacement angle, θc ... Approximate angle of deviation angle, θd ... Approximate angle of deviation angle
Claims (7)
前記コントローラは,
第1時刻において前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置,及び,前記第1時刻以降に前記下部走行体が走行動作を行った後の第2時刻において前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置を記憶する記憶装置と,
前記第1時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置から前記第1時刻における前記上部旋回体の角度である第1車体角度を演算する車体角度演算部と,
前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置を通る直線が所定の基準線となす角である走行変位角度を演算する走行変位角度演算部と,
前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻において前記下部走行体が前記基準線となす角と前記走行変位角度との差である逸脱角を演算する逸脱角演算部と,
前記逸脱角を利用して前記走行変位角度を補正する走行変位角度補正部と,
前記走行変位角度補正部によって補正された前記走行変位角度と前記第1車体角度に基づいて前記第1時刻における前記上部旋回体と前記下部走行体の相対角度を演算する相対角度演算部と
を備えることを特徴とする作業機械。 A crawler-type lower traveling body, an upper swivel body rotatably attached to the upper part of the lower traveling body, a first antenna and a second antenna attached to the upper swivel body, the first antenna and the first antenna. In a work machine equipped with a positioning terminal that calculates the position of each of the two antennas and a controller that calculates the relative angle between the upper swing body and the lower traveling body.
The controller is
The positioning terminal moves at the positions of the first antenna and the second antenna calculated by the positioning terminal at the first time, and at the second time after the lower traveling body performs the traveling operation after the first time. A storage device that stores the calculated positions of the first antenna and the second antenna, and
A vehicle body angle calculation unit that calculates a first vehicle body angle, which is an angle of the upper swing body at the first time, from the positions of the first antenna and the second antenna at the first time.
Based on the positions of the first antenna at the first time and the second time, a straight line passing through the positions of the first antenna at the first time and the second time is an angle formed by a predetermined reference line. A traveling displacement angle calculation unit that calculates the displacement angle, and
Based on the positions of the first antenna and the second antenna at the first time and the second time, the difference between the angle formed by the lower traveling body with the reference line and the traveling displacement angle at the first time. A deviation angle calculation unit that calculates a certain deviation angle, and
A traveling displacement angle correction unit that corrects the traveling displacement angle using the deviation angle, and a traveling displacement angle correction unit.
A relative angle calculation unit for calculating the relative angle between the upper turning body and the lower traveling body at the first time based on the traveling displacement angle corrected by the traveling displacement angle correction unit and the first vehicle body angle is provided. A work machine characterized by that.
前記逸脱角演算部は,
前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻から前記第2時刻の間における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの移動距離と,前記第1アンテナと前記第2アンテナの距離とを演算し,
前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの移動距離が,それぞれ,中心が同じで前記逸脱角を中心角として有する扇形の円弧であるとみなして前記逸脱角を演算することを特徴とする作業機械。 In the work machine of claim 1,
The deviation angle calculation unit is
Based on the positions of the first antenna and the second antenna at the first time and the second time, the moving distance of the first antenna and the second antenna between the first time and the second time. , Calculate the distance between the first antenna and the second antenna,
A working machine characterized in that the moving distances of the first antenna and the second antenna are each regarded as a fan-shaped arc having the same center and having the deviation angle as a central angle, and the deviation angle is calculated.
前記逸脱角演算部は,
前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置に基づいて,前記第1時刻から前記第2時刻の間における前記第1アンテナの移動距離を演算し,
前記第1アンテナの移動距離,前記第1時刻における前記第2アンテナの位置,及び前記走行変位角度に基づいて,前記走行動作により前記下部走行体が前記走行変位角度に沿って真っ直ぐ走行できたと仮定した場合の前記第2時刻における前記第2アンテナの仮想位置を演算し,
前記第1時刻における前記第2アンテナの位置と前記第2時刻における前記第2アンテナの仮想位置とを通過する直線と,前記第2時刻における前記第2アンテナの位置と前記第2時刻における前記第2アンテナの仮想位置とを通過する直線とがなす角を前記逸脱角とし,その逸脱角を前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第2アンテナの位置と前記第2時刻における前記第2アンテナの仮想位置とに基づいて演算することを特徴とする作業機械。 In the work machine of claim 1,
The deviation angle calculation unit is
Based on the positions of the first antenna at the first time and the second time, the moving distance of the first antenna between the first time and the second time is calculated.
It is assumed that the lower traveling body can travel straight along the traveling displacement angle by the traveling operation based on the moving distance of the first antenna, the position of the second antenna at the first time, and the traveling displacement angle. The virtual position of the second antenna at the second time is calculated in the case of
A straight line passing through the position of the second antenna at the first time and the virtual position of the second antenna at the second time, the position of the second antenna at the second time, and the second at the second time. The angle formed by the straight line passing through the virtual position of the two antennas is defined as the deviation angle, and the deviation angle is defined as the position of the second antenna at the first time and the second time and the second antenna at the second time. A work machine characterized in that it calculates based on the virtual position of.
前記記憶装置に記憶された前記第1時刻及び前記第2時刻における前記第1アンテナの位置及び前記第2アンテナの位置は,前記測位端末による前記第1アンテナの位置及び前記第2アンテナの位置の演算結果のばらつきが所定の値以下になったときのデータであることを特徴とする作業機械。 In the work machine of claim 1,
The position of the first antenna and the position of the second antenna at the first time and the second time stored in the storage device are the positions of the first antenna and the position of the second antenna by the positioning terminal. A work machine characterized in that it is data when the variation of the calculation result becomes a predetermined value or less.
オペレータからの入力に基づいて,前記上部旋回体と前記下部走行体の相対角度の較正を前記コントローラに指示するための較正指示を出力する入力装置と,
前記下部走行体に対する走行操作が入力される操作装置とをさらに備え,
前記コントローラは,
前記入力装置を介して前記較正指示が入力されたときに前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置を前記第1時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置として前記記憶装置に記憶し,
前記較正指示の入力後に前記操作装置を介して前記走行操作が入力され,その後に前記走行操作の入力が停止したときに前記測位端末が演算した前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置を前記第2時刻における前記第1アンテナ及び前記第2アンテナの位置として前記記憶装置に記憶することを特徴とする作業機械。 In the work machine of claim 1,
An input device that outputs a calibration instruction for instructing the controller to calibrate the relative angle between the upper swing body and the lower traveling body based on the input from the operator.
Further provided with an operating device for inputting a running operation for the lower traveling body.
The controller is
The positions of the first antenna and the second antenna calculated by the positioning terminal when the calibration instruction is input via the input device are set as the positions of the first antenna and the second antenna at the first time. Store in the storage device
After the input of the calibration instruction, the traveling operation is input via the operating device, and then when the input of the traveling operation is stopped, the positions of the first antenna and the second antenna calculated by the positioning terminal are set. A work machine characterized by storing in the storage device as the positions of the first antenna and the second antenna at a second time.
オペレータに対して前記操作装置を介した操作内容を指示する表示装置をさらに備え,
前記表示装置は,前記較正指示の入力後から前記走行操作の入力が停止するまでの間,前記操作装置を介して前記走行操作のみを入力することをオペレータに指示する表示を行うことを特徴とする作業機械。 In the work machine of claim 5,
Further equipped with a display device for instructing the operator of the operation content via the operation device.
The display device is characterized in that it displays an instruction to the operator to input only the traveling operation via the operating device from the input of the calibration instruction to the stop of the input of the traveling operation. Working machine to do.
前記上部旋回体に取り付けられた角速度検出センサをさらに備え,
前記逸脱角演算部は,前記角速度検出センサにより検出された角速度の前記第1時刻から前記第2時刻までの積分値を前記逸脱角として演算することを特徴とする作業機械。 In the work machine of claim 1,
Further equipped with an angular velocity detection sensor attached to the upper swing body,
The deviation angle calculation unit is a work machine characterized in that the integral value of the angular velocity detected by the angular velocity detection sensor from the first time to the second time is calculated as the deviation angle.
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