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公開番号2021050486
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210401
出願番号2019172822
出願日20190924
発明の名称作業機械
出願人日立建機株式会社
代理人特許業務法人開知国際特許事務所
主分類E02F 9/26 20060101AFI20210305BHJP(水工;基礎;土砂の移送)
要約【課題】測位衛星からの測位信号を用いる位置検出装置による測位精度を適切に評価することによって、施工精度の確保と作業効率低下の抑制とを両立することができる作業機械を提供すること。
【解決手段】オペレータへの作業案内を行うガイダンスシステムは、慣性計測装置13〜16で検出された、上部旋回体2及びフロント作業機1の姿勢に関する情報である姿勢情報と、GNSSシステム17で検出された上部旋回体2の位置情報の分散とに基づいて、フロント作業機1に設定された参照点の位置の分散を算出し、参照点の位置の分散に基づいて参照点の位置の精度判定処理を行い、精度判定処理で低精度状態であると判定した場合には、その旨をオペレータに通知する。
【選択図】 図3
特許請求の範囲【請求項1】
下部走行体と、
前記下部走行体に対して旋回可能に設けられた上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材からなる多関節型のフロント作業機と、
前記上部旋回体及び前記フロント作業機に設けられ、前記上部旋回体及び前記フロント作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、
前記上部旋回体に設けられ、前記上部旋回体の位置情報及び前記位置情報の分散を測位衛星からの測位信号を用いて検出する位置情報検出装置と、
前記姿勢情報検出装置で検出した姿勢情報と前記位置情報検出装置で検出した位置情報とに基づいて、オペレータへの作業案内を行うガイダンスシステムとを備えた作業機械において、
前記ガイダンスシステムは、前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報と前記位置情報検出装置で検出された位置情報の分散とに基づいて、前記フロント作業機に設定された参照点の位置の分散を算出し、前記参照点の位置の分散に基づいて前記参照点の位置の精度判定処理を行い、前記精度判定処理で低精度状態であると判定した場合には、その旨を前記オペレータに通知することを特徴とする作業機械。
続きを表示(約 930 文字)【請求項2】
請求項1記載の作業機械において、
前記ガイダンスシステムは、前記低精度状態であると判定した場合には、前記作業案内を停止することを特徴とする作業機械。
【請求項3】
請求項1記載の作業機械において、
前記ガイダンスシステムは、前記精度判定処理において、前記参照点の位置の分散が、予め定めた作業目標面と前記参照点との距離と前記作業目標面について予め定めた許容誤差との和よりも大きい場合には低精度状態であると判定することを特徴とする作業機械。
【請求項4】
請求項1記載の作業機械において、
前記ガイダンスシステムは、前記精度判定処理において、参照点を平均値とする正規分布に従う確率密度関数の予め定めた作業目標面の許容誤差以下の領域の積分値である逸脱確率を算出し、前記逸脱確率が予め定めた閾値よりも大きい場合には低精度状態であると判定することを特徴とする作業機械。
【請求項5】
請求項1記載の作業機械において、
姿勢情報検出装置は、姿勢情報として前記上部旋回体の方位角を含む情報を検出し、
前記ガイダンスシステムは、前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報と前記位置情報検出装置で検出された位置情報の分散とに基づいて、前記フロント作業機に設定された参照点の位置の分散を算出し、前記参照点の位置の分散に基づいて前記参照点の位置の精度判定処理を行うことを特徴とする作業機械。
【請求項6】
請求項1記載の作業機械において、
前記ガイダンスシステムは、前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報と前記位置情報検出装置で検出された位置情報の分散とに基づいて、前記フロント作業機に設定された参照点の位置の分散を算出し、前記参照点の位置の分散に予め定めた倍率設定値を乗算した値に基づいて前記参照点の位置の精度判定処理を行うことを特徴とする作業機械。
【請求項7】
請求項1記載の作業機械において、
前記ガイダンスシステムは、作業モードに応じて前記精度判定処理における判定条件を変更することを特徴とする作業機械。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、作業装置を有する作業機械に関する。
続きを表示(約 8,300 文字)【背景技術】
【0002】
近年、情報化施工への対応に伴い、ブーム、アーム、バケットなどの被駆動部材を有する作業装置(フロント作業機)の姿勢やバケット等の作業具の位置をオペレータに対して表示するマシンガイダンス機能や、バケット等の作業具が施工目標面に沿って動くよう制御するマシンコントロール機能などを有する作業機械が実用化されている。特に、施工現場における自車の座標を利用してマシンガイダンスやマシンコントロールの作業支援を行うものを3次元情報化施工(3D情報化施工)と呼ぶ。3D情報化施工に対応する作業機械では、例えば、位置検出装置としての機能を有する汎地球測位航法衛星システム(GNSS:Global Navigation Satellite System)によって自車の位置情報や方位情報(向きに関する情報)を取得している。
【0003】
一方、GNSSにおいては、十分な数の衛星信号(測位信号)を捕捉できない場合には衛星測位が正常に実施されなくなり、位置情報や方位情報を取得できなくなってしまう。位置情報や方位情報を取得できなければ、マシンガイダンスシステムやマシンコントロールシステムの機能を停止せざるを得ない。つまり、マシンガイダンスやマシンコントロールを停止する頻度が高くなると作業効率が著しく低下してしまう。
【0004】
そこで、例えば、特許文献1には、作業具を有する作業機を備える作業機械を制御する制御システムであって、前記作業機械の位置情報を検出する位置検出装置と、前記位置検出装置によって検出された位置情報に基づき前記作業機の位置を求め、かつ目標形状を示す目標施工面の情報から前記作業機の掘削対象の目標形状を示す目標掘削地形情報を生成する生成部と、前記生成部から取得した前記目標掘削地形情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行する作業機制御部と、を含み、前記作業機制御部は、前記掘削制御を実行中に前記目標掘削地形情報を取得できない場合、取得できなくなった時点よりも前の前記目標掘削地形情報を用いて前記掘削制御を継続する、作業機械の制御システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
国際公開第2015/181990号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記従来技術においては、GNSSを構成する測位衛星から送信される基準位置データを作業機械のGNSSアンテナで受信できなくなった場合でも、作業機械が走行または旋回を実施しない限りにおいてマシンコントロールを継続することにより作業効率の低下の抑制を図っている。
【0007】
ところで、作業機械の一つである油圧ショベルのフロント作業機は金属部材で構成されるため、GNSSアンテナで受信すべき衛星信号がフロント作業機によって反射されたり遮断されたりすることが考えられる。また、油圧ショベルの掘削動作においては、フロント作業機が上下動作を繰り返すため、衛星信号の反射や遮断が繰り返し発生するような環境になる。このような使用環境においては、GNSSアンテナが受信可能な衛星信号数は変化するものの、測位演算には十分な衛星信号数が確保できるため、GNSS受信機は測位演算を継続することができる。しかしながら、GNSSアンテナが受信している衛星信号数や衛星信号の受信対象である衛星の配置が結果的に変わってしまうため、測位結果がばらついてしまうことが考えられる。
【0008】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、測位衛星からの測位信号を用いる位置検出装置による測位精度を適切に評価することによって、施工精度の確保と作業効率低下の抑制とを両立することができる作業機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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、前記下部走行体に対して旋回可能に設けられた上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材からなる多関節型のフロント作業機と、前記上部旋回体及び前記フロント作業機に設けられ、前記上部旋回体及び前記フロント作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、前記上部旋回体に設けられ、前記上部旋回体の位置情報及び前記位置情報の分散を測位衛星からの測位信号を用いて検出する位置情報検出装置と、前記姿勢情報検出装置で検出した姿勢情報と前記位置情報検出装置で検出した位置情報とに基づいて、オペレータへの作業案内を行うガイダンスシステムとを備えた作業機械において、前記ガイダンスシステムは、前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報と前記位置情報検出装置で検出された位置情報の分散とに基づいて、前記フロント作業機に設定された参照点の位置の分散を算出し、前記参照点の位置の分散に基づいて前記参照点の位置の精度判定処理を行い、前記精度判定処理で低精度状態であると判定した場合には、その旨を前記オペレータに通知するものとする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、測位衛星からの測位信号を用いる位置検出装置による測位精度を適切に評価することによって、施工精度の確保と作業効率低下の抑制とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
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。
油圧ショベルに搭載されるコントローラの処理機能の一部を模式的に示す図である。
コントローラの処理機能の詳細を模式的に示す図である。
施工現場に設定される座標系を油圧ショベルとともに模式的に示す図である。
フロント作業機に設定される参照点の一例を示す図である。
フロント作業機に設定される参照点の一例を示す図である。
フロント作業機に設定される参照点の一例を示す図である。
フロント作業機に設定される参照点の一例を示す図である。
フロント作業機に設定される参照点の一例を示す図である。
フロント作業機に設定される参照点の一例を示す図である。
フロント作業機に設定される参照点の一例を示す図である。
精度判定部における精度判定処理の基本的な考え方を説明する図である。
精度判定部における精度判定処理の基本的な考え方を説明する図である。
精度判定部における精度判定処理の基本的な考え方を説明する図である。
精度判定処理の処理内容について説明する図である。
精度判定処理の処理内容について説明する図である。
精度判定処理の処理内容について説明する図である。
ポジショニング演算部における処理内容を示すフローチャートである。
第2の実施の形態に係るコントローラの処理機能の詳細を模式的に示す図である。
第2の実施の形態に係る精度判定処理の処理内容について説明する図である。
第2の実施の形態に係る精度判定処理の処理内容について説明する図である。
第2の実施の形態に係る精度判定処理の処理内容について説明する図である。
第2の実施の形態に係る精度判定処理の処理内容について説明する図である。
第2の実施の形態に係るポジショニング演算部における処理内容を示すフローチャートである。
第4の実施の形態に係るコントローラの処理機能の詳細を模式的に示す図である。
第4の実施の形態に係るコントローラの処理機能の詳細を模式的に示す図である。
第4の実施の形態に係る方位角の算出方法を説明する図である。
本発明の効果を説明する図である。
本発明の効果を説明する図である。
本発明の効果を説明する図である。
本発明の効果を説明する図である。
本発明の効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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油圧ショベルを例示して説明するが、フロント作業機を有する他の作業機械においても本発明を適用することも可能である。
【0013】
<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態を図1〜図10を参照しつつ説明する。
【0014】
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。
【0015】
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被駆動部材(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作業機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に対して旋回可能に設けられている。また、フロント作業機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。
【0016】
オペレータが搭乗する運転室9には、種々の情報が表示されるモニタ30(後の図2参照)のほか、油圧アクチュエータ2a〜6a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が設けられている。図示はしないが操作レバー9a,9bはそれぞれ前後左右に傾倒可能であり、操作信号であるレバーの傾倒量、すなわちレバー操作量を電気的に検知する図示しない検出装置を含み、検出装置が検出したレバー操作量を制御装置であるコントローラ20(後の図2参照)に電気配線を介して出力する。つまり、操作レバー9a,9bの前後方向または左右方向に、油圧アクチュエータ2a〜6aの操作がそれぞれ割り当てられている。なお、詳述を省略するが、運転室9には走行モータ3aを操作するための操作信号を出力する走行操作レバーも設けられている。
【0017】
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、図示しない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20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。
【0018】
なお、操作レバー9a,9b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。
【0019】
上部旋回体2、ブーム4、アーム5、及びバケット6には、それぞれ、姿勢センサとして慣性計測装置(IMU: Inertial Measurement Unit)13〜16が配置されている。以降、これらの慣性計測装置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13、ブーム慣性計測装置14、アーム慣性計測装置15、及びバケット慣性計測装置16と称する。
【0020】
慣性計測装置13〜16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13〜16が配置された上部旋回体2や各被駆動部材4〜6が静止している場合を考えると、各慣性計測装置13〜16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、各慣性計測装置13〜16の取り付け状態(つまり、各慣性計測装置13〜16と上部旋回体2や各被駆動部材4〜6との相対的な位置関係)とに基づいて、各被駆動部材4〜6の向き(対地角度:水平方向に対する角度)、及び、上部旋回体2の前後方向の対地角度(ピッチ角)や左右方向の対地角度(ロール角)を姿勢に関する情報として検出することができる。ここで、慣性計測装置14〜16は、複数の被駆動部材4〜6及び上部旋回体2のそれぞれの姿勢に関する情報(以降、姿勢情報と称する)を検出する姿勢情報検出装置を構成している。なお、本実施の形態においては、慣性計測装置14〜16が各角度を演算する機能を実装する場合を例示して説明するが、例えば、慣性計測装置に角度の演算機能が実装されていない場合には、後述するコントローラ20に角度の演算機能を実装すれば同様の処理を行うことができる。
【0021】
上部旋回体2の上部には、GNSS(Global Navigation Satellite System)用の受信アンテナ(GNSSアンテナ)17a,17bが配置されている。GNSSとは複数の測位衛星からの測位信号を受信し、地球上の自己位置を知る衛星測位システムのことである。GNSSアンテナ17a,17bは、地球上空に位置する複数の測位衛星からの測位信号を受信するものであり、得られた測位信号に基づいてGNSS受信機17c(後の図3参照)で演算を行うことにより、GNSSアンテナ17a,17bの地球座標系における位置を取得することができる。油圧ショベル100に対するGNSSアンテナ17a,17bの搭載位置は予め分かっているので、GNSSアンテナ17a,17bの地球座標系における位置を取得することで、施工現場の基準点に対する油圧ショベル100の位置や向き(方位角)を位置情報として取得することができる。また、GNSS受信機17cは、位置情報(位置、方位角)の演算にカルマンフィルタ(KF: Kalman Filter)などによる統計処理を用いているため、位置情報(位置、方位角)の分散を位置情報と同時にそれぞれ計算している。ここで、GNSSアンテナ17a,17bおよびGNSS受信機17cは、上部旋回体2の位置情報及び位置情報の分散を測位衛星からの測位信号を用いて検出する位置情報検出装置としてのGNSSシステム17を構成している。
【0022】
なお、本実施の形態に係るGNSSシステム17は、施工現場内に設置されたGNSS固定局と無線通信によって接続することによって位置情報のRTK測位(Real Time Kinematic 測位)を実施するRTK−GNSSである場合を考える。また、GNSS固定局がない施工現場の場合には、インターネットを介して電子基準局の情報を取得するネットワーク型RTKを利用してもよい。以下の説明において、GNSSシステム17は、施工現場内の固定局の有無を問わずにRTK測位が実行可能であるとする。
【0023】
図2は、油圧ショベルに搭載されるコントローラの処理機能の一部を模式的に示す図である。また、図3は、コントローラの処理機能の詳細を模式的に示す図である。
【0024】
図2及び図3において、コントローラ20は、油圧ショベル100の所定の位置に搭載されるものであって、油圧ショベル100の動作を制御するための種々の機能を有しており、その一部として、ポジショニング演算部20a、モニタ表示制御部20b、油圧システム制御部20c、及び作業目標面演算部20dの各機能部を有している。
【0025】
ポジショニング演算部20aは、GNSSシステム17で演算した位置情報と慣性計測装置13〜16の検出結果(姿勢情報)とに基づいて、油圧ショベル100の施工現場内における位置座標、向き(方位角)、姿勢、及び、フロント作業機1の姿勢などの情報(3次元姿勢情報)を演算する3次元姿勢情報演算処理を行う。また、ポジショニング演算部20aは、GNSSシステム17による位置の検出精度を判定する精度判定処理を行い、検出精度が低下していると判定した場合には、低精度警告フラグを出力する。
【0026】
作業目標面演算部20dは、施工管理者によって図示しない記憶装置などに予め記憶されている3次元施工図面などの施工情報21(施工目標面)と、ポジショニング演算部20aで算出した3次元姿勢情報とに基づいて、施工対象の目標形状である作業目標面を演算する。
【0027】
モニタ表示制御部20bは、運転室9に設けられたモニタ30の表示を制御するものであり、作業目標面演算部20dで演算された作業目標面と、ポジショニング演算部20aで演算された3次元姿勢情報(詳しくは、フロント作業機1の姿勢)とに基づいて、オペレータに対する操作支援の指示内容を演算し、運転室9のモニタに表示する。すなわち、モニタ表示制御部20bは、例えば、ブーム4、アーム5、及び、バケット6などの被駆動部材を有するフロント作業機1の姿勢や、バケット6の先端位置と角度とをモニタに表示してオペレータの操作を支援するマシンガイダンスシステムとしての機能の一部を担っている。
【0028】
また、モニタ表示制御部20bは、GNSSシステム17による測位結果に異常が生じた場合、すなわち、ポジショニング演算部20aから低精度警告フラグが出力された場合には、運転室9内のモニタ30に警告を表示することでガイダンス機能の中断をオペレータに伝える機能を有している。モニタ30は音声(警告音を含む)を出力することができるので、モニタ表示制御部20bの制御に従って、画面表示だけでなく音による作業指示や注意喚起を行うことも可能である。
【0029】
なお、モニタ30は単なる表示デバイスでなくタッチパネルなどの入力デバイスとしての機能を備えるものであり、例えば、表示デバイスと入力デバイスとの両方の機能を備えたタブレット端末である。以下の説明においては、モニタ30がタブレット端末30である場合を例示して説明する。
【0030】
油圧システム制御部20cは、油圧ポンプ装置7やコントロールバルブ8、各油圧アクチュエータ2a〜6a等からなる油圧ショベル100の油圧システムを制御するものであり、作業目標面演算部20dで演算された作業目標面と、ポジショニング演算部20aで演算された3次元姿勢(詳しくは、フロント作業機1の姿勢)とに基づいてフロント作業機1の動作を演算し、演算した動作を実現するように油圧ショベル100の油圧システムを制御する。すなわち、油圧システム制御部20cは、例えば、バケット6などの作業具の先端が目標面に一定以上近づかないように動作に制限をかけたり、作業具が目標面に沿って動くよう制御したりするマシンコントロールシステムとしての機能の一部を担っている。なお、GNSSシステム17による測位結果に異常が生じ、モニタ表示制御部20bでタブレット端末30に警告を表示する状態となった場合、すなわち、ポジショニング演算部20aから低精度警告が出力された場合は、油圧システム制御部20cもマシンコントロール機能を停止する。
(【0031】以降は省略されています)

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