JP2011058269A - 作業機の位置管理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設備費を最小限に抑えて、容易に機体の位置と方位角を知ることができる作業機の位置管理装置を提供すること。
【解決手段】油圧ショベル５０は、上部旋回体２の中心線上に設置した１台のＧＰＳ１２と、上部旋回体２の旋回角を検出する旋回角センサ１０と、上部旋回体２の傾斜角を検出する傾斜センサ１１とを備えている。走行停止状態で、上部旋回体２を旋回して移動前と移動後のＧＰＳの２点の位置データを測定し、かつ同時に上部旋回体２の旋回角を検知して上部旋回体２の中心位置座標と方位とを求める。上部旋回体２の移動方向を検出するジャイロを上部旋回体２に備え、上部旋回体２の初期位置と方位をジャイロ１３の初期値として設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧ショベルなどのように、停止位置で作業をしたり移動しながら作業を行う作業機の位置管理装置に関する。

例えば、山間部の建造物工事、大規模の造成工事や等の大土工現場では、油圧ショベル等の作業機械を用いて、土砂の掘削作業が行われる。このような場合に、工事現場を管理するにあたり、作業機械の位置を把握できれば、工事がどの段階まで進展しているかの状況を把握することができる。また、作業機械を現場から離れた場所の管理システムから遠隔操作をすることがある。このような場合、ＧＰＳがあれば、作業機械の位置を把握できるが、ＧＰＳでは、位置を把握できても、作業機械がどの方向を向いているかは判定することができない。

従来の機械では、油圧ショベルの上部旋回体にＧＰＳを２台搭載して機体の位置を求め、かつバケットを操作する作業アームの関節に角度検出器を設けて、バケットの位置を検出している。従って、一つの作業機械に高価なＧＰＳを２台設置するため、製作コストの著しい増加を招き、経済的ではない。
製作コストを下げる方法として、特許文献１の「自走式の作業機械及び自走式の作業機械の遠隔操縦システム」が提案されている。当該特許文献１では、機体にＧＰＳを１台搭載して、機体を停止させた状態でシリンダなどのアクチュエータでＧＰＳを機体の前後に１ｍほど移動して、２点の位置座標を採り機体位置および方位を検出している。

特開２００７-２４２９号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、ＧＰＳを水平方向へ移動する装置が別途必要になり、設置場所のレイアウトも機体に別途必要となり制御も複雑化する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、設備費を最小限に抑えて、容易に機体の位置と方位角を知ることができる作業機の位置管理装置を提供することを目的とする。

本発明の作業機の位置管理装置は、上記目的を達成するために、作業車の機体の中心線上に設置した１台のＧＰＳと、機体の旋回角を検出する旋回角センサと、機体の傾斜角を検出する傾斜センサと、走行停止状態で、機体を旋回して移動前と移動後のＧＰＳの２点の位置データを測定し、かつ同時に機体の旋回角を検知し、ＧＰＳの２点の移動位置データと機体の旋回中心と、機体の旋回角をもとに機体の中心位置座標と方位とを求める。
上記作業機の位置管理装置は、機体の移動方向を検出するジャイロを前記機体に備え、前記機体の初期位置と方位をジャイロの初期値として設定し、作業車の走行中若しくは走行後の機体の移動方向と移動距離とを求めることが好ましい。
上記作業機の位置管理装置は、前記機体の作業アームの関節角を検出する角度センサと、機体の走行操作検出器とを設けることができる。
上記作業機の位置管理装置は、前記ＧＰＳによる前記機体中心位置データと、前記機体の旋回角データと、前記作業アームの角度センサのデータに基づき、走行停止状態における作業中にて、作業アームの姿勢と該作業アームの位置を絶対座標に変換することが好ましい。
上記作業機の位置管理装置は、前記作業車に機体の走行操作を禁止する走行停止電磁弁を設け、前記機体の中心位置座標と方位の測定中に作業車の移動を停止することができる。

本発明は、作業車の機体の中心線上に設置した１台のＧＰＳと、機体の旋回角を検出する旋回角センサと、機体の傾斜角を検出する傾斜センサと、走行停止状態で、機体を旋回して移動前と移動後のＧＰＳの２点の位置データを測定し、かつ同時に機体の旋回角を検知し、ＧＰＳの２点の移動位置データと機体の旋回中心と、機体の旋回角をもとに機体の中心位置座標と方位とを求めるようにしたので、ＧＰＳを一台にすることができ、かつＧＰＳの移動装置が不要になるので製作コストを下げることができる。旋回角センサを儲け、機体の旋回角を検出しているので、旋回速度が速くＧＰＳの出力が追従できない場合においても、旋回角を用いて作業時の作業アームの座標を検出することができる。
上記作業機の位置管理装置は、機体の移動方向を検出するジャイロを前記機体に備え、前記機体の初期位置と方位をジャイロの初期値として設定し、作業車の走行中若しくは走行後の機体の移動方向と移動距離とを求めるようにしたので、ＧＰＳの出カで機体の中心位置を測定してジャイロの初期位置および方位をその機体の中心位置として絶対座標とするので、機体の走行時における位置、方位を検出できる。
上記作業機に位置管理装置は、前記機体の作業アームの関節角を検出する角度センサと、機体の走行操作検出器とを備えたので、作業アームの姿勢を測定することができる。
上記作業機の位置管理装置は、前記ＧＰＳによる前記機体中心位置データと、前記機体の旋回角データと、前記作業アームの角度センサのデータに基づき、走行停止状態における作業中にて、作業アームの姿勢と該作業アームの位置を絶対座標に変換するようにしたので、作業車の走行中及び走行後の作業アームの姿勢を知ることができるので、作業アームの位置及び姿勢を知ることができ、無人操作に応用することができる。
上記作業機の位置管理装置は、前記作業車に機体の走行操作を禁止する走行停止電磁弁を設け、前記機体の中心位置座標と方位の測定中に作業車の移動を停止することができるので、機体の位置、方位測定中に作業車が移動することなく、測定の誤作動を防止できる。

本発明の実施形態の機器搭載図である。 本発明の実施形態のコントローラに関するシステム構成図である。 本発明の実施形態による油圧ショベルの上部旋回体の中心位置と方位を求めるための第１のフローチャートを示す。 本発明の実施形態による油圧ショベルの位置や方位の演算方法を説明するための平面図である。 本発明の実施形態による油圧ショベルの作業アームの絶対座標を求めるための第２のフローチャートを示す。

以下、本発明の作業機の位置管理装置について図面を参照しながら説明する。
本実施形態の作業機の位置管理装置は、掘削作業などを行う作業車の位置や方位を検出する装置であり、以下この装置について油圧ショベルを例にあげて説明する。
図１を参照にして、作業用車両である油圧ショベル５０は、履帯を装着した下部走行体１と、下部走行体１上に旋回自在に結合された上部旋回体（機体）２と、上部旋回体２から前方へ延出するように取り付けられている作業アーム６と、上部旋回体２の前方側端に配設されている運転室５３を備えている。

作業アーム６は、上部旋回体２に基端側が上下方向に回転可能に取付けられているブーム３と、ブーム３の先端部に基端側が上下方向に回転可能に取付けられているアーム４と、アーム４の先端に上下に回転可能に取付けられているバケット５とを備えている。ブーム３，アーム４及びバケット５はそれぞれ、対応する油圧シリンダ３ａ，４ａ，５ａにより駆動されて、角度を変えながら所望の作業を行なうことができるようになっている。
また、上部旋回体２には、該上部旋回体２の旋回角を検知する旋回角センサ１０と、上部旋回体２（油圧ショベル５０）の傾斜角を検出する機体傾斜センサ１１が配設されている。また、ＧＰＳ１２とジャイロ１３が配設されている。ＧＰＳ１２は、上部旋回体２の後部に設けられ、上部旋回体２の旋回中心を通る機体の中心線の延長上に配置している。ジャイロ１３は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の移動量を検出できる。

図２は、位置管理装置を制御する制御部のシステム構成図である。
図に示すように、コントローラ１５の入力ポートには、入力データとして上述したブーム角センサ７、アーム角センサ８、バケット角センサ９、旋回角センサ１０、機体傾斜センサ１１、ＧＰＳ１２、ジャイロ１３および走行操作検出器１４の信号が入力される。
これらのうち、ブーム角センサ７、アーム角センサ８及びバケット角センサ９によって、ブーム３の傾斜角、アーム４の傾斜角及びバケット５の傾斜角を把握することによって、上部旋回体２に対するブーム３、アーム４及びバケット５の姿勢を検出することができる。

詳しくは、機体傾斜センサ１１によって、上部旋回体２の傾斜角を検知し、車両の傾斜角を基準として、ブーム角センサ７の検知角度によってブーム３の傾斜角を検出することができ、このブーム３の傾斜角と、アーム角センサ８の検知角度によってアーム４の傾斜角を検出することができる。さらに、アーム４の傾斜角とバケット角センサ９の検知角度によってバケット９の傾斜角を検出することができる。
旋回角センサ１０は、下部走行体１に対する上部旋回体２の水平方向廻りへの旋回角を検知し、機体傾斜センサ１１は水平線に対する上部旋回体２の傾斜角を検出する。
コントローラ１５の出力ポートには、出力データとして、表示器１６および図示していない外部の基地局にデータを送信する通信装置１７に出力データが送られる。また、コントローラには、機体位置測定時に油圧ショベル５０の走行操作を禁止するための走行停止電磁弁１８を操作する出力ポートが設けられている。

次に、油圧ショベル５０の機体中心位置と方位を決定する手法について、図３の演算フローチャートと、図４の油圧ショベルの平面図を参照にして説明する。
先ず、ステップＳ１０に示すように、コントローラ１５によって走行停止電磁弁１８を駆動させて、油圧ショベル５０の走行操作を禁止する。
ステップＳ１１に示すように、上部旋回体２の旋回を停止した状態で、コントローラ１５はＧＰＳ１２から出力されるＧＰＳの座標データ（Ｘ１，Ｙ１）と旋回角センサ１０から出力される旋回角θ１を読み込む。旋回角θ１とは、ある基準線から線分Ｏ−Ａに対する角度であり、基準線が線分Ｏ−Ａであるならば、０度である。

次に、ステップＳ１２に示すように、上部旋回体２の旋回操作をするように、コントローラ１５は表示器１６（図２）に表示させる。オペレータが表示器１６の指示によって、上部旋回体２の旋回操作をすると、ステップＳ１３に示すように、コントローラ１５は上部旋回体２が規定角以上旋回したかを判定する。上部旋回体２の旋回角が規定以上と判定されると、コントローラは旋回を停止するように表示器１６に表示させる（ステップＳ１４）。旋回角が規定以内であれば精度が悪くなるからである。上部旋回体２の旋回角が規定に達していない場合はＣ１に戻り、表示器１６に旋回操作をする旨の表示が継続して出される。
ステップＳ１５では、上部旋回体２の旋回が停止したかを判定し、停止した場合はＧＰＳ１２の位置情報および旋回角センサ１０から出力される旋回角を読み込む（ステップＳ１６）。停止していない場合には、Ｃ２に戻り、表示器１６に旋回操作旋回操作を停止する旨の表示が継続して出される。

上部旋回体２の方位及び旋回中心の座標の演算は、以下のステップＳ１６〜Ｓ２３に示す通りである。
初めに上部旋回体２の傾きである方位角βについて説明する。
ステップＳ１１で読み込んだ位置情報をＧＰＳ１２で測定し、この測定値をＡ点（Ｘ_１，Ｙ_１）、とし、この状態から上部旋回体２を所定角だけ旋回させ、このときの旋回角をθ１とし（ステップＳ１６）、ＧＰＳ１２をＢ点まで移動する。このＢ点での位置情報をＧＰＳ１２でよみとり、Ｂ点の座標を（Ｘ_２，Ｙ_２とし）、このときの旋回角をθ２とする。旋回角θ２とは、ある基準線から線分Ｏ−Ｂに対する角度であり、基準線が線分Ｏ−Ａであるならば、旋回角はθである。
このように、ＧＰＳ１２がＡ点からＢ点に移動しただけでは、上部旋回体２の旋回中心ＯはＧＰＳ１２によるデータだけでは未だ定まっていないが、直線Ａ、Ｂの中点Ｃを通る垂線上にあることは分かる。旋回中心ＯからＧＰＳ１２までの長さＲは分かっているので、中点Ｃの両側の点Ｏまたは点Ｏ’に機体中心があることになり、それらの相体位置を計算で求めることができる。

ここで、方位角βを求めるため、ステップＳ１７にしたがって、絶対座標のＸ軸に対する直線Ａ−Ｂの角度αを先に求める。なお、本明細書での方位とは、Ｘ軸を基準とした図４に示す角度βである。
角度αは次式で与えられる。
α＝ｔａｎ^−１｛（Ｙ_２−Ｙ_１）／（Ｘ_２−Ｘ_１）｝・・・・（１）
ところで、図４に示すように、旋回角θが反時計回りにある場合は機体中心はＯ点になる。
一方、上部旋回体の中心位置座標がＯ’点にあると仮定すると、旋回角が時計回りになるので、ステップＳ１８で旋回に対する回転方向を判定する。
図示のように旋回が反時計回りの場合は、ステップＳ１９で方位角βを次式で求める。
β＝α＋９０°・・・・（２）
一方、旋回が時計回りの場合は、ステップＳ２０で方位角βを次式で求める。
β＝α−９０°・・・・（３）
このβの値が上部旋回体の方位角となる。

次に、上部旋回体の旋回中心の座標（Ｘ０，Ｙ０）を求める。
ステップＳ２１の次式を用いて、図４の直線Ａ−Ｂの中点Ｃの座標（Ｘ３，Ｙ３）を求める。
Ｘ３＝（Ｘ_１＋Ｘ_２）／２・・・・（４）
Ｙ３＝（Ｙ_１＋Ｙ_２）／２・・・・（５）
機体中心からＧＰＳ１２の水平距離をＲ、旋回角をθ、方位角をβとすると、ステップＳ２２で次式を用いて機体中心の座標（Ｘ_Ｏ，Ｙ_Ｏ）を求める。
Ｘ_０＝Ｘ３＋Ｒ・ｃｏｓ（θ／２）・ｃｏｓβ・・・・（６）
Ｙ_０＝Ｙ３＋Ｒ・ｃｏｓ（θ／２）・ｓｉｎβ・・・・（７）
ステップＳ２２における式の演算で求めた位置が、上部旋回体２の回転中心の座標（Ｘ_０，Ｙ_０）となり、この座標（Ｘ_０，Ｙ_０）と、方位βをジャイロ１３の初期値として設定する。

次に、油圧ショベル５０の作業時における座標計算について図５を参照しながら説明する。
図５に示すように、システムが起動されるとステップＴ１に入り、油圧ショベル５０を停止させた状態にて、油圧ショベル５０の機体位置、方位の演算タスクが起動される（ステップＳ１０〜Ｓ２３）。このステップＴ１によって、上述したように、上部旋回体２を旋回してＧＰＳ１２の位置を移動させて、ＧＰＳ１２の移動前と移動後の２箇所の位置を計測することによって、上部旋回体２の旋回中心（Ｘ_０，Ｙ_０）の座標と方位βを知ることができる。
そして、ステップＴ２で、ブーム角センサ７、アーム角センサ８、バケット角センサ９及び機体傾斜センサ１１の角度などの部材データをもとに作業アーム６の姿勢と上部旋回体２における位置を演算する。演算結果は、通信装置１７によって基地局に送信される。

次に、ステップＴ３に進み、油圧ショベル５０が走行するか否かを決定する。走行しない場合は、ステップＴ４に移り、走行操作検出器１４の信号をもとに走行フラグがＯＮかＯＦＦかを判定する。走行フラグがＯＦＦの場合は、油圧ショベル５０が移動していない状態であるので、ステップＴ７に進む。上部旋回体２の位置はステップＴ１で測定した位置にあるので、上述のＧＰＳ位置上方と、機体中心位置データ（旋回中心（Ｘ_０，Ｙ_０）の座標と方位β）をもとに、油圧ショベル５０のフロント姿勢を絶対座標に変換する。基地局は油圧ショベル５０の静止時における作業アーム６の正確な絶対座標を測定できる。その後、ステップＴ２に進む。

一方、走行フラグがＯＮの場合は、一度油圧ショベル５０が移動した後であるので、上部旋回体２の位置と方位を測定するため、ステップＴ５に移り、ステップＴ１と同様に機体位置、方位の測定を行った後、ステップＴ６で走行フラグをＯＦＦにする。ステップＴ５における作業は、ステップＴ１の作業と同じである。
次に、ステップＴ７に進み、ＧＰＳ１２の位置情報と、機体中心位置データをもとに、油圧ショベル５０のフロント姿勢を絶対座標に変換する。基地局は油圧ショベル５０の静止時における作業アーム６の正確な絶対座標を測定できる。その後、ステップＴ２に進む。

油圧ショベル５０を走行させる場合は、ステップＴ８に移り走行プラグをＯＮにする。そして、ステップＴ９に移り、ステップＴ１で行われた油圧ショベルの５１の機体位置、方位の演算を初期値として、ジャイロで位置、方位を計測する。
そして、ステップＴ２に戻り、ブーム角センサ７、アーム角センサ８、バケット角センサ９及び機体傾斜センサ１１の角度などの部材データをもとに作業アーム６の姿勢と上部旋回体２における位置を演算する。

このような油圧ショベルの作業方法の一例を以下に示す。
図１及び図４示す油圧ショベルが走行していないの状態では、機体中心Ｏ（Ｘ_０，Ｙ_０）の座標は一定である。機体中心Ｏの座標は、図３に示すフロー図のＴ１に沿って測定済みである。上部旋回体２の旋回操作をするとＧＰＳ１２の座標Ａが移動し、点Ｏの座標とＧＰＳを設置した点Ａの座標により上部旋回体２の方位βが求まる。従って、上部旋回体２の位置Ｏと上部旋回体２の方位βをもとに、ステップＴ２で求めた作業アーム６の位置を絶対座標に変換することができる（ステップＴ１）。
すなわち、ブーム３、アーム４及びバケット５の各長さが分かっており、ブーム角センサ７、アーム角センサ８及びバケット角センサ９によって、アーム６の姿勢を三角法によって演算することができる。
例えば、アーム６の姿勢と動きの変化の状態から、バケット５が土砂を掘り起こしているのかあるいは土砂を均しているのか、その動きから把握できる。
なお、上部旋回体２の旋回が速くＧＰＳ１２の信号が追従できない場合は、旋回角センサー１０で計測した旋回角と機体中心の座標Ｏをもとに作業アーム６の位置を絶対座標に随時、変換することもできる。

油圧ショベル５０の走行時における座標演算について、油圧ショベル５０が走行した場合には、ステップＴ８で走行フラグをＯＮにする。次に、ステップＴ９で機体位置、方位の測定タスクで求めた機体位置、方位を初期値として、ＧＰＳ１２とジャイロ１３によって機体位置および方位を求める。
すなわち、油圧ショベル５０の中心座標Ｏ（Ｘ_０，Ｙ_０）と方位βとが求められており、その位置をジャイロ１３の初期位置とし、例えば、油圧ショベル５０がＸ方向に２０ｍ移動し、Ｙ方向に１０ｍ移動した場合は、ジャイロ１３及びＧＰＳ１２がこの移動量を検知し、ジャイロ１３によって上部旋回体２の方位を求めコントローラ１５にデータを出力することができる。
このように、油圧ショベル５０が移動しているような場合は、例えば、油圧ショベル５０の位置情報と現地の地形データによって、例えば、作業がどのくらい進んでいるのか、進行状態を把握することができる。
このように、図示しない基地局では通信装置１７によって、油圧ショベル５０の位置を知ることができ、油圧ショベル５０の作業位置と機体動作を知ることができる。

上述したように、本実施形態による油圧ショベル５０は、ＧＰＳを一台にしても上部旋回体２の方位を測定することができるので製作コストを軽減することができる。
旋回角センサ１０によって、機体の旋回角を検出しているので、旋回速度が速くＧＰＳの出力が追従できない場合においても、旋回角を用いて作業時の作業アームの座標を検出することができる。
ＧＰＳの出カでジャイロの位置および方位を測定して走行時の位置、方位を検出するので、走行時の位置、方位を正確に検出できる。

以上、本発明を実施形態に基づいて添付図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、更に他の変形あるいは変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、作業用車両として油圧ショベル５０を例にあげたが、ＲＣ解体機、クレーン車などであれば、適用が可能である。

１ 下部走行体
２ 上部旋回体（機体）
３ ブーム
４ アーム
５ バケット
６ 作業アーム
７ ブーム角センサ
８ アーム角センサ
９ バケット角センサ
１０ 旋回角センサ
１１ 機体傾斜センサ
１２ ＧＰＳ
１３ ジャイロ
１５ コントローラ
１６ 表示器
１７ 通信装置
１８ 走行停止電磁弁
５１ 油圧ショベル

Claims (5)

1. 作業車の機体の中心線上に設置した１台のＧＰＳと、機体の旋回角を検出する旋回角センサと、機体の傾斜角を検出する傾斜センサと、
   走行停止状態で、機体を旋回して移動前と移動後のＧＰＳの２点の位置データを測定し、かつ同時に機体の旋回角を検知し、ＧＰＳの２点の移動位置データと機体の旋回中心と、機体の旋回角をもとに機体の中心位置座標と方位とを求めることを特徴とする作業機の位置管理装置。
2. 機体の移動方向を検出するジャイロを前記機体に備え、前記機体の初期位置と方位をジャイロの初期値として設定し、作業車の走行中若しくは走行後の機体の移動方向と移動距離を求めることを特徴とする請求項１に記載の作業機の位置管理装置。
3. 前記機体の作業アームの関節角を検出する角度センサと、機体の走行操作検出器とを設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の作業機の位置管理装置。
4. 前記ＧＰＳによる前記機体中心位置データと、前記機体の旋回角データと、前記作業アームの角度センサのデータに基づき、
   走行停止状態における作業中にて、作業アームの姿勢と該作業アームの位置を絶対座標に変換することを特徴とする請求項３に記載の作業機の位置管理装置。
5. 前記作業車に機体の走行操作を禁止する走行停止電磁弁を設け、前記機体の中心位置座標と方位の測定中に作業車の移動を停止するようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の作業機の位置管理装置。

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