JP7739072B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械に関する。

情報化施工に対応した油圧ショベルなどの作業機械においては、例えば、ＧＮＳＳを用いることによって自身の地球座標系における位置座標を計測している。ＧＮＳＳに用いられる測位衛星は地球上を周回しているものもあるため、測位衛星の位置の変化によってＧＮＳＳによる位置計測の精度が時々刻々と変化する。また、ＧＮＳＳによる位置計測は様々な誤差要因を含んでいる。したがって、ＧＮＳＳを利用するシステムが位置情報などをユーザへ提供する場合には、測位の信頼度に関わる情報も併せてユーザへ提供する必要がある。

ＧＮＳＳを用いた測位情報の信頼度をユーザへ提供する従来技術としては次のものが知られている。例えば、特許文献１には、衛星からの受信電波に基づく衛星測位を行う衛星測位部を備えたナビゲーション装置であって、前記衛星測位部が衛星測位可能な期間中、当該衛星測位部が衛星測位した位置に基づいて現在位置を算定する現在位置算定手段と、前記衛星測位部が衛星測位不能な期間中に推定現在位置を、少なくとも当該推定現在位置が交差点に到達するまで算定する現在位置推定手段と、地図上に当該ナビゲーション装置の現在の位置を表すマークを配置した案内画像を表示する案内画像表示手段とを有し、前記現在位置推定手段は、前記衛星測位部が衛星測位不能となる直前に前記現在位置算定手段が算定した現在位置から、順次、前記推定現在位置を、前記衛星測位部が衛星測位不能となる直前に前記現在位置算定手段が算定した現在位置が位置する道路上を所定の移動速度で前記衛星測位部が衛星測位不能となる直前の進行方面に進めていくことにより前記推定現在位置を算定し、前記案内画像表示手段は、前記衛星測位部が衛星測位可能な期間中、地図上の、前記現在位置算定手段が算定した現在位置に対応する位置に前記マークを配置し、前記衛星測位部が衛星測位不能となってから、前記現在位置推定手段が算定した前記推定現在位置が交差点に到達するまでの期間中、前記地図上の、前記現在位置推定手段が算定した前記推定現在位置に対応する位置に前記マークを配置し、前記衛星測位部が衛星測位不能な期間中の、前記現在位置推定手段が算定した前記推定現在位置が交差点に到達した後の期間中、前記地図上の、当該到達した交差点に対応する位置に前記マークを配置するナビゲーション装置が開示されている。

特開２０１４－１３７３１３号公報

ところで、情報化施工において油圧ショベルなどの作業機械による施工精度は測位精度に大きく影響を受ける。このため、作業機械の利用者が作業の段取りを行う際には、作業機械の測位精度を考慮する必要がある。しかしながら、ＧＮＳＳによる測位精度は、作業現場における作業機械や測位衛星の位置、作業現場の環境などによって変化するため、作業の段取りを適切に設定することは容易ではない。また、作業の段取りを適切に設定することができない場合には、施工全体の効率の低下が懸念される。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、ＧＮＳＳの測位精度に係る情報を作業機械の利用者に適切に提供することにより作業の段取りを支援し、施工全体の効率化を図ることができる作業機械を提供することを目的とする。

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、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、作業具を含む複数の被駆動部材が互いに回動可能に連結されて構成され、前記上部旋回体に回動可能に支持された作業装置と、前記上部旋回体および前記複数の被駆動部材のそれぞれの姿勢情報を計測する姿勢情報計測装置と、測位衛星からの航法信号に基づいて前記車体の施工現場における位置および向きを演算する位置計測装置と、前記位置計測装置からの演算結果、及び、前記姿勢情報計測装置からの姿勢情報に基づいて、前記施工現場の目標形状である設計データから得られる作業目標面と前記作業装置の先端に設けられた作業具との距離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、前記設計データに基づいて前記施工現場を複数の領域に分割し、分割した前記複数の領域のそれぞれについて代表位置を設定し、前記測位衛星の軌道情報と、前記施工現場を含む周辺地域の地形データと、前記地形データの範囲に含まれる構造物の位置及び形状を示す構造物データとに基づいて、前記位置計測装置による測位精度を前記複数の領域の代表位置についてそれぞれ演算し、前記測位精度と前記複数の領域のそれぞれの代表位置とを紐づけて示す測位信頼度マップを生成するものとする。

本発明によれば、ＧＮＳＳの測位精度に係る情報を作業機械の利用者に適切に提供することにより作業の段取りを支援し、施工全体の効率化を図ることができる。

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。 油圧ショベル全体の動作を制御する制御システムのうちマシンガイダンスシステムの関連構成を抜き出して示す機能ブロック図である。 基準局としての機能を有する外部システムの一例を示す図である。 マシンガイダンス部の処理機能をＧＮＳＳ受信機の一部機能を含む関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。 測位信頼度演算部の処理機能をＧＮＳＳ受信機の一部機能を含む関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。 自己位置信頼度演算部の処理機能をＧＮＳＳ受信機の一部機能を含む関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。 施工情報記録部の処理機能を示す機能ブロック図である。 代表位置座標取得部の処理内容を示すフローチャートである。 構造物・地形データ取得部の処理内容を示すフローチャートである。 可視衛星特定部、測位精度演算部、及び測位信頼度マップ生成部の処理内容を示すフローチャートである。 自己位置信頼度演算部の処理内容を示すフローチャートである。 施工情報記録部の処理内容を示すフローチャートである。 表示装置における測位信頼度マップの表示の一例を示す図である。 表示装置における推定鉛直誤差の表示の一例を示す図である。

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、フロント作業機を備える油圧ショベルを例示して説明するが、これに限られず、ＧＮＳＳなどによる測位結果を用いて作業を行う他の作業機械においても本発明を適用することが可能である。

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１の外観を模式的に示す図である。また、図２は、油圧ショベル１全体の動作を制御する制御システムのうちマシンガイダンスシステム２００の関連構成を抜き出して示す機能ブロック図である。

図１において、油圧ショベル１は、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム６、アーム７、バケット８）を連結して構成された多関節型のフロント作業機（作業装置）５と、車体を構成する上部旋回体３及び下部走行体２とを備え、上部旋回体３は下部走行体２に対して旋回可能に設けられている。

フロント作業機５のブーム６の基端は上部旋回体３の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム７の一端はブーム６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７の他端にはバケット８が垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム６、アーム７、バケット８、上部旋回体３、及び下部走行体２は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ９、アームシリンダ１０、バケットシリンダ１１、旋回モータ（図示せず）、及び左右の走行モータ（図示せず）によりそれぞれ駆動される。

車体（詳しくは上部旋回体３）、ブーム６、アーム７、及びバケット８には、それぞれ慣性計測装置（IMU: Inertial Measurement Unit）２１～２４が配置されている。以降、これらの慣性計測装置２１～２４を区別する必要が有る場合は、それぞれ、車体慣性計測装置２１、ブーム慣性計測装置２２、アーム慣性計測装置２３、及びバケット慣性計測装置２４と称する。

慣性計測装置２１～２４は、角速度及び加速度を計測するものである。慣性計測装置２１～２４が配置された上部旋回体３及び被駆動部材６～８が静止している場合を考えると、慣性計測装置２１～２４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２１～２４の取り付け状態（つまり、慣性計測装置２１～２４と上部旋回体３及び被駆動部材６～８との相対的な位置関係）とに基づいて、上部旋回体３及び被駆動部材６～８の向き（対地角度）を姿勢情報として検出することができる。

慣性計測装置２１の検出結果からは、上部旋回体３の前後方向の傾斜角度（ピッチ角度）や左右方向の傾斜角度（ロール角度）を算出することができる。また、慣性計測装置２１～２４の検出結果からは、上部旋回体３及び被駆動部材６～８のそれぞれの相対角度、すなわち、上部旋回体３に対するブーム６の回転角（ブーム角度）、ブーム６に対するアーム７の回転角（アーム角度）、及び、アーム７に対するバケット８の回転角（バケット角度）をそれぞれ算出することができる。また、慣性計測装置２１で検出される角速度に基づいて上部旋回体３の旋回角度を検出することができる。すなわち、慣性計測装置２１～２４は、上部旋回体３及び被駆動部材６～８の相対角度を検出する角度検出器ともいえる。なお、上部旋回体３の旋回部や被駆動部材６～８の結合部などに慣性計測装置２１～２４に代えて角度検出装置を用いても良い。ここで、慣性計測装置２１～２４は、油圧ショベル１の姿勢に関する情報である姿勢情報を計測して出力する姿勢情報計測装置を構成している。

上部旋回体３の上部前方には、オペレータが搭乗する運転室４が配置されている。運転室４には、複数の油圧アクチュエータ（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、旋回モータ、走行モータ）を操作するための操作信号を出力する複数の操作レバー（図示せず）が設けられており、複数の油圧アクチュエータの操作がそれぞれ割り当てられている。

また、運転室４には、オペレータに情報を通知する機能と、オペレータによる情報の入力を可能とする機能を有する表示装置３６が配置されている。表示装置３６の画面には、例えば、表層に形成されたタッチパネルが設けられており、このタッチパネルの機能によりオペレータからの入力を受け付けることができる。

上部旋回体３上部の、例えば、運転室４の後方には、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System)による測位のための２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２が配置されている。ＧＮＳＳアンテナ３１，３２は、上空を飛行している測位衛星から出力される航法信号を受信して、ＧＮＳＳ受信機３３（図２参照）に送る。ＧＮＳＳ受信機３３は、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２で受信した航法信号に基づいてＧＮＳＳアンテナ３１，３２の地球座標系における位置を演算して位置情報として出力する。なお、施工現場に設定される現場座標系と地球座標系とは容易に変換可能であり、地球座標系における位置は現場座標系における位置と同義であるといえる。

ＧＮＳＳアンテナ３１，３２の上部旋回体３に対する相対位置は固定かつ既知であるため、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２で計測される位置情報から油圧ショベル１の地球座標系における位置を算出することができる。また、２つのＧＮＳＳアンテナ３１，３２でそれぞれ計測される位置情報の偏差から、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２間の方向ベクトルを算出することができ、上部旋回体１３１の向きを算出することができる。

ここで、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２を含むＧＮＳＳ受信機３３は、作業機械である油圧ショベル１の施工現場における位置を計測し、計測結果を位置情報として出力する位置計測装置を構成している。

また、例えば、運転室４の後側面上部には、ＲＴＫ（Real time kinematic）測位に用いる補正データ（以降、ＲＴＫ補正データと称する）を基準局から受信するための無線機３４が配置されている。

図３は、基準局としての機能を有する外部システム３８の一例を示す図である。

図３に示すように、外部システム３８は、ＧＮＳＳによる測位のためのＧＮＳＳアンテナ３９と、ＧＮＳＳアンテナ３９で受信した航法信号に基づいてＧＮＳＳアンテナ３９の地球座標系における位置を演算し、演算結果に示されるＧＮＳＳアンテナ３９の位置と予め高精度に別途計測されたＧＮＳＳアンテナ３９の位置とに基づいてＲＴＫ補正データを生成するＧＮＳＳ受信機４０と、ＧＮＳＳ受信機４０で生成したＲＴＫ補正データを無線機アンテナ４１ａを介して出力する無線機４１とを有している。

図２に示すように、マシンガイダンスシステム２００は、ＧＮＳＳ受信機３３、無線機３４、コントローラ３５、表示装置３６、慣性計測装置２１～２４、及びこれらの関連部材により構成されている。また、コントローラ３５には、外部記憶媒体（記憶装置）３７が接続されている。外部記憶媒体（記憶装置）３７には、施工現場の目標形状である三次元設計データ、施工現場を含む周辺地域の三次元地形データ、及び、三次元地形データの範囲に含まれる地形以外の構造物の位置及び形状を示す三次元構造物データが記憶されている。

マシンガイダンスシステム２００は、無線機３４の無線機アンテナ３４ａによって基準局から受信したＲＴＫ補正データと、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２によって測位衛星から受信した航法信号に基づいてＧＮＳＳ受信機３３で演算された位置および向きの情報と、慣性計測装置２１～２４からの姿勢情報と、外部記憶媒体３７に記憶された情報とに基づいて、コントローラ３５により、油圧ショベル１の位置や姿勢、作業具（バケット８）の先端位置などを演算するコントローラ３５を備えている。コントローラ３５は、例えば、作業目標面とバケット８との距離を演算し、演算結果を表示装置３６に出力して表示させる。

図示しないが、コントローラ３５は、処理装置としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）と、処理装置が実行するプログラム、及びそのプログラムの実行に必要なデータ等が格納される記憶装置（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等の半導体メモリ、或いは、バードディスクドライブなど）を有するコンピュータ相当のハードウェアである。なお、コントローラ３５がＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などの集積回路を用いて構成されている場合には、コントローラ３５の機能の一部または全部は、これら集積回路によって実現されてもよい。

コントローラ３５は、油圧ショベル１の位置姿勢と三次元設計データの位置関係を演算し、オペレータへの作業支援を行うマシンガイダンス部３５ａと、施工現場全体のＧＮＳＳ測位の信頼度を演算する測位信頼度演算部３５ｂと、油圧ショベル１の位置におけるＧＮＳＳ測位の信頼度を演算する自己位置信頼度演算部３５ｃと、油圧ショベル１のバケット８の先端の位置座標データとＧＮＳＳ測位の信頼度データをと紐づけて記録する施工情報記録部３５ｄとを備えている。

図４は、マシンガイダンス部３５ａの処理機能をＧＮＳＳ受信機３３の一部機能を含む関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。

図４において、ＧＮＳＳ受信機３３は、無線機３４を介してＲＴＫ補正データを受信するＲＴＫ補正データ受信部１００と、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２を介して航法信号を受信する衛星信号受信部１０１と、衛星信号強度や衛星配置などに基づいて位置演算に使用する測位衛星を選択する衛星選択部１０２と、ＧＮＳＳアンテナ３１の位置及びＧＮＳＳアンテナ３１からＧＮＳＳアンテナ３２へのベクトルを演算するＧＮＳＳ位置・ベクトル演算部１０３とを有している。

また、図４において、マシンガイダンス部３５ａは、車体に設けられた慣性計測装置２１からの姿勢情報に基づいて車体の姿勢を演算する車体姿勢演算部１０４と、フロント作業機５に設けられた慣性計測装置２２～２４からの姿勢情報に基づいてフロント作業機５の姿勢を演算するフロント姿勢演算部１０５と、外部記憶媒体３７に記憶された三次元設計データ（施工現場の目標形状）３７ａを取得する三次元設計データ取得部１０６と、ＧＮＳＳ受信機３３からの演算結果と車体姿勢演算部１０４からの演算結果とに基づいて車体の現場座標系における位置と姿勢とを演算する車体位置姿勢演算部１０７と、車体位置姿勢演算部１０７の演算結果とフロント姿勢演算部１０５からの演算結果とを統合して、フロント作業機５を含む油圧ショベル１全体の現場座標系における位置と姿勢とを出力する位置姿勢統合部１０８と、位置姿勢統合部１０８からの情報と三次元設計データ取得部１０６からの情報とに基づいて、フロント作業機５を含むように設定する作業平面における三次元設計データ３７ａの断面を演算する断面演算部１０９と、位置姿勢統合部１０８からの情報と断面演算部１０９からの演算結果とに基づいて、三次元設計データから得られる作業目標面とフロント作業機５との距離（具体的には、作業目標面とバケット８の爪先の距離）を演算し、表示装置３６に表示させる距離演算部１１０とを備えている。

マシンガイダンス部３５ａでは、高精度の位置情報を必要とするため、ＧＮＳＳ受信機３３でＲＴＫ測位を行って算出した位置情報を用いる。ＲＴＫ補正データ受信部１００は、基準局（外部システム）３８で生成されて一定周期で送信されるＲＴＫ補正データを無線機３４を介して受信する。

ＧＮＳＳ受信機３３では、無線機３４を介して受信されるＲＴＫ補正データと、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２により受信される測位衛星からの信号に基づいて、アンテナ３１の三次元位置とアンテナ３１からアンテナ３２へのベクトルをＲＴＫ測位を行う。このＲＴＫ測位によって、アンテナ３１の三次元位置及びアンテナ３１からアンテナ３２へのベクトルが高精度で計測される。

コントローラ３５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、油圧ショベル１の位置及び姿勢と、バケット８の先端の三次元位置を演算する。また、油圧ショベル１の位置及び姿勢と外部記憶媒体３７から入力した三次元設計データ３７ａに基づいて、三次元設計データ３７ａの断面形状及び、バケット８の先端と目標面の距離を演算する。

コントローラ３５による演算結果を表示装置３６へ出力することにより、オペレータは、高精度に計測された油圧ショベル１と三次元設計データとの位置関係を参照することができるため、土砂の整形作業を高い品質で行うことができる。

図５は、測位信頼度演算部３５ｂの処理機能をＧＮＳＳ受信機３３の一部機能を含む関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。

図５において、ＧＮＳＳ受信機３３は、無線機３４を介して各測位衛星の衛星軌道情報を受信する衛星軌道情報受信部１１１を有している。衛星軌道情報受信部１１１は、例えば、基準局（外部システム３８）のＧＮＳＳ受信機４０に記憶され、無線機４１を介して送信された衛星軌道情報を無線機３４を介して受信している。

また、図５において、測位信頼度演算部３５ｂは、外部記憶媒体３７に記憶された構造物位置・形状データ（すなわち、三次元地形データ、三次元構造物データ）３７ｂを取得し、逐次記憶されている施工現場の現状の地形を表す現況地形データ３００と統合する構造物・地形データ取得部１１２と、外部記憶媒体３７に記憶された三次元設計データ（施工現場の目標形状）３７ａを取得する三次元設計データ取得部１０６（マシンガイダンス部３５ａ等と共用の機能部）と、三次元設計データ取得部１０６で取得した三次元設計データ３７ａの座標範囲に基づいて、施工現場を予め定めた大きさの複数の領域（ブロック）に分割し、分割した複数の領域のそれぞれについて代表位置（例えば、重心位置）を取得する代表位置座標取得部１１３と、構造物位置・形状データ３７ｂと衛星軌道情報とに基づいて、代表位置座標取得部１１３で取得した複数の領域のそれぞれの代表位置における任意の時間の可視衛星（すなわち、当該代表位置において航法信号を受信可能な測位衛星）を特定する可視衛星特定部１１４と、可視衛星特定部１１４を介して得られる構造物位置・形状データ３７ｂと衛星軌道情報とに基づき、可視衛星特定部１１４で特定した可視衛星について、ＧＮＳＳ受信機３３による測位精度に係る情報（例えば、精度指標の一つである位置精度低下率（ＰＤＯＰ：Position Dilution of Precision））を複数の領域の代表位置についてそれぞれ演算する測位精度演算部１１５と、測位精度に係る情報（例えば、位置精度低下率：ＰＤＯＰ）と複数の領域のそれぞれの代表位置とを紐づけて示す測位信頼度マップを生成し、表示装置３６に出力して表示させる測位信頼度マップ生成部１１６とを有している。

図８～図１０は、測位信頼度演算部３５ｂの処理内容を示すフローチャートであり、図８は代表位置座標取得部の処理内容を示すフローチャート、図９は構造物・地形データ取得部１１２の処理内容を示すフローチャート、図１０は可視衛星特定部、測位精度演算部、及び測位信頼度マップ生成部の処理内容を示すフローチャートである。

測位信頼度演算部３５ｂは、油圧ショベル１の作業エリアである施工現場全体におけるＧＮＳＳ測位の信頼度を算出するため、各領域の代表位置における衛星配置をＧＮＳＳ受信機３３を介して予め取得している。

図８に示すように、測位信頼度演算部３５ｂは、まず、三次元設計データ３７ａを取得し（ステップＳ１００）、三次元設計データ３７ａの平面座標（＝作業エリア）を予め定めた大きさの領域に分割し、各領域の代表位置の座標を取得する（ステップＳ１１０）。

また、図９に示すように、測位信頼度演算部３５ｂは、構造物位置・形状データ（すなわち、三次元地形データ、三次元構造物データ）３７ｂを取得する（ステップＳ２００）。各代表位置における可視衛星を特定するためには、測位衛星の信号を遮蔽する障害物の情報が必要となる。施工現場では、現場周囲の構造物や現場の地形が障害物となる。これら障害物のデータはそれぞれ取得方法が異なっており、現場周囲の構造物は日々大きく変わらないため外部記憶媒体３７に構造物の位置及び形状データを示す構造物位置・形状データ３７ｂを持たせておくことでコントローラ３５はこの情報を取得することができる。

また、図示しない記憶領域に保持している現況地形データ３００を読み出して取得する（ステップＳ２１０）。現場の地形は作業によって時々刻々と変化するため、油圧ショベル１のバケット８の先端の位置データを現況地形データ３００としてコントローラ３５内に保持しておく。

続いて、構造物位置・形状データ３７ｂと現況地形データ３００とを統合する（ステップＳ２２０）。このように情報を統合することで、施工現場内の各代表位置において測位衛星からの航法信号を遮る可能性のある障害物の形状と位置の情報を得ることができる。

また、図１０に示すように、測位信頼度演算部３５ｂは、衛星軌道情報を取得する（ステップＳ３００）。各作業位置における衛星配置を取得するため、ＧＮＳＳ受信機３３の無線機３４を介して外部システム３８からすべての測位衛星に係る衛星軌道情報を取得する。ここで、衛星軌道情報とは、各測位衛星の飛行起動と、過去及び未来の各時刻における位置を示す情報であり、測位衛星の管理者等により予め特定されて公開されている情報である。なお、各測位衛星は地球の周囲を一定の周期で周回しているため、数時間後の衛星軌道情報（衛星配置の時系列データ）をあらかじめ取得することもできる。

続いて、測位衛星の配置情報、各代表位置の座標、及び、障害物の形状データから、各代表位置における可視衛星を特定する（ステップＳ３１０）。

本実施の形態においては、複数の領域の各代表位置と測位衛星の位置とを結ぶ直線の間に障害物が存在しない場合においては、その測位衛星を可視衛星とする。例えば、ある測位衛星の位置をＰｉ、作業位置をｐｉ、障害物の形状を構成するある面の法線をｎ、頂点をそれぞれａ、ｂ、ｃとすると、下記の（式１）～（式３）を用いて交差判定を行うことにより、その測位衛星が可視衛星であるか否かを判定することができる。

ここで、Ｒ（ｔ）は障害物の形状を構成するある面と衛星Ｐｉから作業位置ｐｉへの直線が交差する交点の座標であり、ｔは衛星Ｐｉから交点Ｒ（ｔ）までの距離を表す。また、ｕ、ｖはそれぞれ面の内側に交点Ｒ（ｔ）が存在するかどうかを判定するための変数である。

続いて、可視衛星の位置情報を用いて各代表位置の位置精度低下率（ＰＤＯＰ）を演算する（ステップＳ３２０）。

位置精度低下率（ＰＤＯＰ）は、衛星配置に起因するＧＮＳＳ測位の精度指標として広く用いられており、下記の（式４）により求めることができる。

ここで、上記（式４）のσｘｘ＾２、σｙｙ＾２、σｚｚ＾２は、下記の（式５）及び（式６）により求められる。

上記の（式５）及び（式６）では、衛星位置と作業位置の幾何学的な位置関係により求められる共分散行列Ｇのトレースを用いている。なお、上記（式６）のＥＬ、ＡＺはそれぞれ衛星の位置を表す仰角と方位角である。

続いて、得られた各代表位置の位置精度低下率（ＰＤＯＰ）を複数の領域のそれぞれと紐づけて測位信頼度マップを生成する（ステップＳ３３０）。なお、位置精度低下率（ＰＤＯＰ）は、衛星配置の時系列データ（衛星軌道情報）を用いることで、同様の手順により、現在の値だけではなく、数時間後の値を演算することも可能である。すなわち、任意の日時・時刻の測位信頼度マップを生成することができる。

図１３は、表示装置３６における測位信頼度マップの表示の一例を示す図である。

図１３に示すように、表示装置３６には、施工現場における三次元設計データ３７ａの俯瞰図１２３に、施工現場における油圧ショベル１の位置や向きを示すショベルアイコン１２４が重畳表示されている。ショベルアイコン１２４は、例えば、マシンガイダンス部３５ａから出力される油圧ショベル１の位置姿勢に基づいて描画されるため、三次元設計データ３７ａの俯瞰図１２３とショベルアイコン１２４の位置関係は正しく表示されている。また、信頼度マップ１２５は、三次元設計データ３７ａの俯瞰図１２３に重畳表示されており、各領域（ブロック）の代表位置の位置精度低下率（ＰＤＯＰ）が、例えば、位置精度低下率に対応する色情報などを用いて描画されている。なお、本実施の形態においては、ハッチング等により位置精度低下率を例示している。また、時刻調整バー１２６が表示されており、オペレータによって時刻調整バー１２６の１２６ａが操作されることにより、現在から数時間後（任意の時間）のある時点における位置精度低下率（ＰＤＯＰ）を反映した測位信頼度マップに表示を切り換えることができる。

以上のように、オペレータは現在および数時間後（任意の時刻）の施工現場全体について、各位置における衛星測位の信頼度を知ることができるので、最適な段取り（作業位置の経路）を検討することができ、作業効率を向上することができる。

図６は、自己位置信頼度演算部３５ｃの処理機能をＧＮＳＳ受信機３３の一部機能を含む関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。

図６において、ＧＮＳＳ受信機３３は、アンテナ３１の位置のばらつき（位置分散データ）を演算する位置分散演算部１１７を有している。

また、図６において、自己位置信頼度演算部３５ｃは、ＧＮＳＳ受信機３３から位置分散データを取得する位置分散取得部１１８と、外部記憶媒体３７に記憶された三次元設計データ（施工現場の目標形状）３７ａを取得する三次元設計データ取得部１０６と、ＧＮＳＳ受信機３３からの演算結果と車体姿勢演算部１０４からの演算結果とに基づいて車体の現場座標系における位置と姿勢とを演算する車体位置姿勢演算部１０７と、車体位置姿勢演算部１０７の演算結果とフロント姿勢演算部１０５からの演算結果とを統合して、フロント作業機５を含む油圧ショベル１全体の現場座標系における位置と姿勢とを出力する位置姿勢統合部１０８と、三次元設計データ取得部１０６で取得した三次元設計データ３７ａと位置姿勢統合部１０８で統合した油圧ショベル１の位置及び姿勢の情報とから、三次元設計データ３７ａを構成する多数の面のうち油圧ショベル１の作業対象となる目標面を取得する目標面取得部１１９と、位置分散取得部１１８で取得した位置分散データと目標面取得部１１９で取得した目標面と車体位置姿勢演算部１０７で算出した車体の位置及び姿勢（すなわち、マシンガイダンス部３５ａが演算する油圧ショベル１の方向ベクトル）とに基づいて、目標面に対する作業具（バケット８）の鉛直方向（高さ方向）の位置の誤差（目標面とバケットとの距離の誤差）である推定鉛直誤差を演算する推定鉛直誤差演算部１２０とを有している。なお、三次元設計データ取得部１０６、車体位置姿勢演算部１０７、位置姿勢統合部１０８は、マシンガイダンス部３５ａ等との共用の機能部である。

図１１は、自己位置信頼度演算部３５ｃの処理内容を示すフローチャートである。

自己位置信頼度演算部３５ｃは、油圧ショベル１の目標面の掘削精度に対するＧＮＳＳ測位の精度の影響を掘削方向である鉛直方向の誤差として算出する機能部である。

図１１に示すように自己位置信頼度演算部３５ｃは、まず、三次元設計データ３７ａを取得し（ステップＳ４００）、バケット８の先端位置を取得して（ステップＳ４１０）、これらの情報から、多数の面により構成される三次元設計データ３７ａのうち油圧ショベル１の現在の作業対象である目標面を特定し、目標面のデータを取得する（ステップＳ４２０）。なお、本実施の形態においては、目標面をシステムが自動で特定する場合を例示しているが、オペレータが手動で選択するように構成してもよい。

掘削作業を行う場合、油圧ショベル１のバケット８の先端は目標面上にあるため、バケット８の先端の位置から鉛直方向に引いた直線と三次元設計データ３７ａを構成する面との交差判定を行うことで、現在の作業対象である目標面を特定することができる。目標面の特定は、衛星信号と障害物の交差判定と同様に上記の（式１）～（式３）を代用することにより実現することができる。なお、特定した目標面と隣接する隣接面について、目標面の法線ベクトルと隣接面の法線ベクトルが一致している場合は隣接面を目標面の一部として扱う。

続いて、油圧ショベル１の方向ベクトル、作業対象の目標面、及び、ＧＮＳＳ受信機３３が演算するアンテナ３１の位置分散データを取得し（ステップＳ４３０）、現在の油圧ショベル１の位置における衛星測位の信頼度を表す推定鉛直誤差を算出する（ステップＳ４４０）。

推定鉛直誤差の算出は、下記の（式７）及び（式８）により行う。

まず、上記の（式７）により、水平分散σｘｘ，σｙｙを用いて水平方向の誤差Ｅｈを求める。誤差Ｅｈは、一般的に指標として用いられている２ＤＲＭＳとしている。次に、上記の（式８）により、鉛直分散σｚｚと上記の（式７）で算出した水平誤差Ｅｈとを用いてバケット８と目標面との距離の推定鉛直誤差Ｅｄを求める。目標面の勾配θｍは、フロント作業機５（ブーム６、アーム７、バケット８）を通る平面と目標面とのなす交線の対地角度である。

なお、上記の（式７）及び（式８）では、水平位置分散と鉛直位置分散とを用いてバケット８と目標面との距離を算出したが、ＧＮＳＳ受信機３３は、アンテナ間のベクトル（基線ベクトル）から方位角と方位角分散も演算する。そこで、上記のバケット８と目標面との鉛直距離の推定鉛直誤差Ｅｄを求める際に、水平位置分散に加えて方位角分散を用いてバケット８の水平位置の誤差を算出してもよい。

図１４は、表示装置３６における推定鉛直誤差の表示の一例を示す図である。

図１４に示すように、表示装置３６には、マシンガイダンス部３５ａが出力するバケット８の先端から目標面までの距離を表す数値情報１２７と、距離を表示面積と色で表すライトバー１２８とが表示されている。

自己位置信頼度演算部３５ｃから出力される推定鉛直誤差１２９は、距離を表す数値情報１２７に付加して表示されている。なお、図示しないが、ライトバー１２８の色情報を推定鉛直誤差の大きさに応じて変化させてもよい。

以上のように構成することにより、オペレータはバケット８の先端から目標面までの距離情報をどの程度信頼すべきかを判断することができる。また、もし、推定鉛直誤差が施工現場に求められる精度を超えるような値だった場合は、測位信頼度演算部３５ｂが出力する信頼度マップを確認し、施工の段取りを再検討することができる。

図７は、施工情報記録部３５ｄの処理機能を示す機能ブロック図である。

図７において、施工情報記録部３５ｄは、車体位置姿勢演算部１０７の演算結果とフロント姿勢演算部１０５からの演算結果とを統合して、フロント作業機５を含む油圧ショベル１全体の現場座標系における位置と姿勢とを出力する位置姿勢統合部１０８と、位置分散取得部１１８で取得した位置分散データと目標面取得部１１９で取得した目標面と車体位置姿勢演算部１０７で算出した車体の位置及び姿勢（すなわち、マシンガイダンス部３５ａが演算する油圧ショベル１の方向ベクトル）とに基づいて、目標面に対する作業具（バケット８）の推定鉛直誤差を演算する推定鉛直誤差演算部１２０と、可視衛星特定部１１４を介して得られる構造物位置・形状データ３７ｂと衛星軌道情報とに基づき、可視衛星特定部１１４で特定した可視衛星について、ＧＮＳＳ受信機３３による測位精度に係る情報（例えば、精度指標の一つである位置精度低下率（ＰＤＯＰ：Position Dilution of Precision））を複数の領域の代表位置についてそれぞれ演算する測位精度演算部１１５と、現在の油圧ショベル１のバケット８の先端の位置座標に基づいて、施工現場の現状の土砂の形状を表す現況地形データ３００を更新するか否かを判定する現況地形データ更新判定部１２１と、現況地形データ３００を更新する際にＧＮＳＳ測位の信頼度を合わせて記録する現況地形・測位信頼度記録部１２２とを有している。なお、位置姿勢統合部１０８、測位精度演算部１１５、現況地形データ３００は、マシンガイダンス部３５ａ、測位信頼度演算部３５ｂ、自己位置信頼度演算部３５ｃ等との共用の機能部である。

図１２は、施工情報記録部３５ｄの処理内容を示すフローチャートである。

施工情報記録部３５ｄは、油圧ショベル１の掘削作業により変化した現況地形の形状を表す三次元位置データを、バケット８の先端の位置座標を用いて計測し、バケット８の先端の位置座標と測位信頼度演算部３５ｂが演算する位置精度低下率（ＰＤＯＰ）及び自己位置信頼度演算部３５ｃが出力する推定鉛直誤差を紐づけて記録する機能部である。

図１２に示すように、まず、施工情報記録部３５ｄは、マシンガイダンス部３５ａが演算するバケット８の先端の位置座標データ（現在位置座標と呼ぶ）を取得する（ステップＳ５００）。

続いて、現在位置座標のＸＹ座標における現況地形データ（過去位置座標と称する）を取得し（ステップＳ５１０）、現在位置座標のＺ座標値と過去位置座標のＺ座標の値とを比較して、現況地形データ３００を更新するか否かを判定する（ステップＳ５２０）。ステップＳ５２０においては、現在位置座標のＺ成分が過去位置座標のＺ成分より小さい場合は、現況地形データ３００を現在位置座標に更新する（ＹＥＳ）と判断する。また、現在位置座標のＺ成分が過去位置座標のＺ成分より大きい場合は、現況地形データ３００を現在位置座標に更新しない（ＮＯ）と判断する。

ステップＳ５２０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、現況地形データを更新すると判定した場合には、位置精度低下率（ＰＤＯＰ）及び推定鉛直誤差（すなわち、測位信頼度）を取得し（ステップＳ５３０）、現在位置座標とその時の位置精度低下率（ＰＤＯＰ）及び推定鉛直誤差（すなわち、測位信頼度）を現況地形データと紐づけてコントローラ３５の図示しない記憶領域に現況地形データ３００として記録する（ステップＳ５４０）。

以上のように構成することにより、コントローラ３５内に記録された施工履歴情報は、外部記憶媒体３７へと出力され、オペレータ及び施工管理者は施工履歴情報を油圧ショベル１の稼働データとして活用することができる。すなわち、油圧ショベル１によって整形された現況地形とその形状の信頼度を参照することができるため、現況地形データ３００を出来形管理等に用いるかどうかを判断することができる。

以上のように構成した本実施の形態における効果を説明する。

情報化施工において油圧ショベルなどの作業機械による施工精度は測位精度に大きく影響を受ける。このため、作業機械の利用者が作業の段取りを行う際には、作業機械の測位精度を考慮する必要がある。しかしながら、ＧＮＳＳによる測位精度は、作業現場における作業機械や測位衛星の位置、作業現場の環境などによって変化するため、作業の段取りを適切に設定することは容易ではない。また、作業の段取りを適切に設定することができない場合には、施工全体の効率の低下が懸念される。

これに対して、本実施の形態においては、下部走行体と、下部走行体に旋回可能に設けられ、下部走行体と共に車体を構成する上部旋回体と、作業具を含む複数の被駆動部材が互いに回動可能に連結されて構成され、上部旋回体に回動可能に支持された作業装置と、上部旋回体および複数の被駆動部材のそれぞれの姿勢情報を計測する姿勢情報計測装置と、測位衛星からの航法信号に基づいて車体の施工現場における位置および向きを演算する位置計測装置と、施工現場の目標形状である設計データ、施工現場を含む周辺地域の地形データ、及び、地形データの範囲に含まれる構造物の位置及び形状を示す構造物データを記憶する記憶装置と、位置計測装置からの演算結果、及び、姿勢情報計測装置からの姿勢情報に基づいて、設計データから得られる作業目標面と作業装置の先端に設けられた作業具との距離を演算するコントローラとを備えた作業機械において、コントローラは、設計データに基づいて施工現場を複数の領域に分割し、分割した複数の領域のそれぞれについて代表位置を設定し、測位衛星の軌道情報と地形データと構造物データとに基づいて、位置計測装置による測位精度を複数の領域の代表位置についてそれぞれ演算し、測位精度と複数の領域のそれぞれの代表位置とを紐づけて示す測位信頼度マップを生成するように構成したので、ＧＮＳＳの測位精度に係る情報を作業機械の利用者に適切に提供することにより作業の段取りを支援し、施工全体の効率化を図ることができる。

すなわち、マシンガイダンス部３５ａが演算する作業支援情報と合わせてＧＮＳＳ測位の信頼度を施工現場全体と現在の機械位置について得ることができる。その結果、オペレータは現在の作業を継続すべきかどうかの判断および他の作業位置への移動を検討できるため、段取りの効率が向上し、ひいては作業全体の効率を向上することが可能となる。

＜付記＞
なお、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や組み合わせが含まれる。また、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、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１…油圧ショベル、２…下部走行体、３…上部旋回体、４…運転室、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、２１～２４…慣性計測装置（ＩＭＵ）、３１，３２…ＧＮＳＳアンテナ３４…無線機、３４ａ…無線機アンテナ、３５…コントローラ、３５ａ…マシンガイダンス部、３５ｂ…測位信頼度演算部、３５ｃ…自己位置信頼度演算部、３５ｄ…施工情報記録部、３６…表示装置、３７…外部記憶媒体（記憶装置）、３７ａ…三次元設計データ、３７ｂ…構造物位置・形状データ、３８…基準局（外部システム）、３９…ＧＮＳＳアンテナ、４０…ＧＮＳＳ受信機、４１…無線機、４１ａ…無線機アンテナ、１００…ＲＴＫ補正データ受信部、１０１…衛星信号受信部、１０２…衛星選択部、１０３…ＧＮＳＳ位置・ベクトル演算部、１０４…車体姿勢演算部、１０５…フロント姿勢演算部、１０６…三次元設計データ取得部、１０７…車体位置姿勢演算部、１０８…位置姿勢統合部、１０９…断面演算部、１１０…距離演算部、１１１…衛星軌道情報受信部、１１２…構造物・地形データ取得部、１１３…代表位置座標取得部、１１４…可視衛星特定部、１１５…測位精度演算部、１１６…測位信頼度マップ生成部、１１７…位置分散演算部、１１８…位置分散取得部、１１９…目標面取得部、１２０…推定鉛直誤差演算部、１２１…現況地形データ更新判定部、１２２…現況地形・測位信頼度記録部、１２３…俯瞰図、１２４…ショベルアイコン、１２５…信頼度マップ、１２６…時刻調整バー、１２７…数値情報、１２８…ライトバー、１２９…推定鉛直誤差、１３１…上部旋回体、２００…マシンガイダンスシステム、３００…現況地形データ

Claims (5)

1. 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、
   作業具を含む複数の被駆動部材が互いに回動可能に連結されて構成され、前記上部旋回体に回動可能に支持された作業装置と、
   前記上部旋回体および前記複数の被駆動部材のそれぞれの姿勢情報を計測する姿勢情報計測装置と、
   測位衛星からの航法信号に基づいて前記車体の施工現場における位置および向きを演算する位置計測装置と、
   前記位置計測装置からの演算結果、及び、前記姿勢情報計測装置からの姿勢情報に基づいて、前記施工現場の目標形状である設計データから得られる作業目標面と前記作業装置の先端に設けられた作業具との距離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、
   前記設計データに基づいて前記施工現場を複数の領域に分割し、
   分割した前記複数の領域のそれぞれについて代表位置を設定し、
   前記測位衛星の軌道情報と、前記施工現場を含む周辺地域の地形データと、前記地形データの範囲に含まれる構造物の位置及び形状を示す構造物データとに基づいて、前記位置計測装置による測位精度を前記複数の領域の代表位置についてそれぞれ演算し、
   前記測位精度と前記複数の領域のそれぞれの代表位置とを紐づけて示す測位信頼度マップを生成するとともに、
   前記作業装置の先端に配置された前記作業具と前記作業目標面との距離に基づいて、前記作業具の座標を記録するか否かを判定し、
   前記作業具の座標を記録すると判定した場合には、前記作業具の座標と前記測位精度とを紐づけて記憶装置に記憶させることを特徴とする作業機械。
2. 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、
   作業具を含む複数の被駆動部材が互いに回動可能に連結されて構成され、前記上部旋回体に回動可能に支持された作業装置と、
   前記上部旋回体および前記複数の被駆動部材のそれぞれの姿勢情報を計測する姿勢情報計測装置と、
   測位衛星からの航法信号に基づいて前記車体の施工現場における位置および向きを演算する位置計測装置と、
   前記位置計測装置からの演算結果、及び、前記姿勢情報計測装置からの姿勢情報に基づいて、前記施工現場の目標形状である設計データから得られる作業目標面と前記作業装置の先端に設けられた作業具との距離を演算するコントローラとを備えた作業機械において、
   前記位置計測装置は、前記車体の施工現場における位置の演算結果のばらつきである位置分散を演算し、
   前記コントローラは、
   前記設計データに基づいて前記施工現場を複数の領域に分割し、
   分割した前記複数の領域のそれぞれについて代表位置を設定し、
   前記測位衛星の軌道情報と、前記施工現場を含む周辺地域の地形データと、前記地形データの範囲に含まれる構造物の位置及び形状を示す構造物データとに基づいて、前記位置計測装置による測位精度を前記複数の領域の代表位置についてそれぞれ演算し、
   前記測位精度と前記複数の領域のそれぞれの代表位置とを紐づけて示す測位信頼度マップを生成し、
   前記位置分散に基づいて、前記作業目標面に対する鉛直方向における前記作業具の位置の精度である推定鉛直誤差を演算するとともに、
   前記作業装置の先端に配置された前記作業具と前記作業目標面との距離に基づいて、前記作業具の座標を記録するか否かを判定し、
   前記作業具の座標を記録すると判定した場合には、前記作業具の座標と前記推定鉛直誤差とを紐づけて記憶装置に記憶させることを特徴とする作業機械。
3. 請求項１記載の作業機械において、
   前記コントローラは、前記測位信頼度マップに前記車体の三次元位置および向きの情報を重畳表示した俯瞰図画像を生成して表示装置に表示することを特徴とする作業機械。
4. 請求項１記載の作業機械において、
   前記位置計測装置は、前記車体の施工現場における位置の演算結果のばらつきである位置分散を演算し、
   前記コントローラは、前記位置分散に基づいて、前記作業目標面に対する鉛直方向における前記作業具の位置の精度である推定鉛直誤差を演算することを特徴とする作業機械。
5. 請求項４記載の作業機械において、
   前記コントローラは、前記推定鉛直誤差に基づいて、前記作業装置の先端に配置された前記作業具と前記作業目標面との距離と、前記推定鉛直誤差とを同時に表示した距離表示画像を生成して表示装置に表示することを特徴とする作業機械。