油圧ショベルの較正システム及び油圧ショベルの較正方法
【課題】本発明の課題は、作業点の位置検出の精度を向上させると共に、較正作業時間を短縮することができる油圧ショベルの較正システム及び較正方法を提供することにある。
【解決手段】油圧ショベルの較正システムは、形状検出部５４と、座標検出部６５ａと、較正演算部６５ｃ，６５ｄとを備える。形状検出部５４は、車体に取り付けられている。形状検出部５４は、作業具の形状を検出する。座標検出部６５ａは、形状検出部５４が検出した作業具の形状から作業点の位置を認識して作業点の位置座標を検出する。較正演算部６５ｃ，６５ｄは、作業点位置情報に基づいて、パラメータの較正値を演算する。作業点位置情報は、座標検出部６５ａによって検出された複数の位置での作業点の位置座標を示す。
【解決手段】油圧ショベルの較正システムは、形状検出部５４と、座標検出部６５ａと、較正演算部６５ｃ，６５ｄとを備える。形状検出部５４は、車体に取り付けられている。形状検出部５４は、作業具の形状を検出する。座標検出部６５ａは、形状検出部５４が検出した作業具の形状から作業点の位置を認識して作業点の位置座標を検出する。較正演算部６５ｃ，６５ｄは、作業点位置情報に基づいて、パラメータの較正値を演算する。作業点位置情報は、座標検出部６５ａによって検出された複数の位置での作業点の位置座標を示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベルの較正システム及び油圧ショベルの較正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、作業機の作業点の現在位置を検出する位置検出装置を備える油圧ショベルが知られている。例えば、特許文献１に開示されている油圧ショベルでは、ＧＰＳアンテナからの位置情報に基づいて、バケットの刃先の位置座標が演算される。具体的には、ＧＰＳアンテナとブームピンとの位置関係、ブームとアームとバケットとのそれぞれの長さ、ブームとアームとバケットとのそれぞれの方向角などのパラメータに基づいて、バケットの刃先の位置座標が演算される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８１５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
演算されたバケットの刃先の位置座標の精度は、上述したパラメータの精度の影響を受ける。しかし、これらのパラメータは、設計値に対して誤差を有することが通常である。このため、油圧ショベルの位置検出装置の初期設定時には、パラメータをメジャーテープなどの計測手段によって計測することが行われる。しかし、上記のようにパラメータをメジャーテープなどの計測手段によって精度よく計測することは容易ではない。また、パラメータの数が多い場合には、それらのパラメータを全て測定するために多くの時間が必要であり、煩雑である。
【０００５】
また、測定されたパラメータを位置検出装置に入力した後に、位置検出装置による位置検出の精度の確認が行われる。例えば、ＧＰＳによりバケットの刃先の位置座標が直接的に測定される。そして、位置検出装置によって演算されたバケットの刃先の位置座標と、ＧＰＳ計測装置によって直接的に測定されたバケットの刃先の位置座標とが比較される。位置検出装置によって演算されたバケットの刃先の位置座標と、ＧＰＳ計測装置によって直接的に測定されたバケットの刃先の位置座標とが一致していない場合には、これらの位置座標が一致するまで、メジャーテープによるパラメータの測定と位置検出装置への入力とが繰り返される。すなわち、位置座標の実測値と計算値とが一致するまで、人による試行錯誤によるパラメータの値の合わせ込みが行われる。このような較正作業には非常に多くの時間が必要であり、煩雑である。
【０００６】
本発明の課題は、作業点の位置検出の精度を向上させると共に、較正作業時間を短縮することができる油圧ショベルの較正システム及び較正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様に係る油圧ショベルの較正システムは、油圧ショベルにおいて、複数のパラメータを較正するための較正システムである。油圧ショベルは、車体と、作業機と、角度検出部と、現在位置演算部とを含む。作業機は、ブームと、アームと、作業具とを含む。ブームは、車体に揺動可能に取り付けられる。アームは、ブームに揺動可能に取り付けられる。作業具は、アームに揺動可能に取り付けられる。角度検出部は、車体に対するブームの揺動角と、ブームに対するアームの揺動角と、アームに対する作業具の揺動角とを検出する。現在位置演算部は、複数のパラメータに基づいて作業具に含まれる作業点の現在位置を演算する。複数のパラメータは、ブームとアームと作業具との寸法と揺動角とを示す。較正システムは、形状検出部と、座標検出部と、較正演算部とを備える。形状検出部は、車体に取り付けられている。形状検出部は、作業具の形状を検出する。座標検出部は、形状検出部が検出した作業具の形状から作業点の位置を認識して作業点の位置座標を検出する。較正演算部は、作業点位置情報に基づいて、パラメータの較正値を演算する。作業点位置情報は、座標検出部によって検出された複数の位置での作業点の位置座標を示す。
【０００８】
本発明の第２の態様に係る油圧ショベルの較正システムは、第１の態様の油圧ショベルの較正システムであって、油圧ショベルは、車体に取り付けられる位置検出部をさらに備える。位置検出部は、位置検出部の現在位置のグローバル座標系における座標を検出する。現在位置演算部は、複数の第１パラメータに基づいて車体座標系における作業点の現在位置の座標を演算する。複数の第１パラメータは、ブームとアームと作業具との寸法と揺動角とを示す。車体座標系は、車体に含まれる所定位置を原点とする座標系である。現在位置演算部は、作業点の現在位置の車体座標系における座標と、第２パラメータと、位置検出部が検出した位置検出部の現在位置のグローバル座標系における座標とに基づいて、作業点の現在位置のグローバル座標系における座標を演算する。第２パラメータは、位置検出部と車体座標系における原点との位置関係を示す。油圧ショベルの較正システムは、入力部をさらに備える。入力部には、基準位置情報が入力される。基準位置情報は、油圧ショベルの外部に位置する所定の基準位置のグローバル座標系における座標を示す。較正演算部は、作業点が所定の基準位置に位置している状態で座標検出部によって検出された作業点のグローバル座標系における位置座標と、基準位置情報とに基づいて、第２パラメータの較正値を演算する。
【０００９】
本発明の第３の態様に係る油圧ショベルの較正システムは、第１又は第２の態様の油圧ショベルの較正システムであって、車体は運転室を有する。形状検出部は、運転室に取り付けられている。形状検出部は、所定の検出範囲内を移動する作業具の形状を検出する。所定の検出範囲は運転室の前方に位置する。座標検出部は、作業具が検出範囲内を移動している間に、作業点の複数の位置での位置座標を検出する。
【００１０】
本発明の第４の態様に係る油圧ショベルの較正システムは、第３の態様の油圧ショベルの較正システムであって、形状検出部は、運転室の室内に取り付けられている。
【００１１】
本発明の第５の態様に係る油圧ショベルの較正システムは、第１から第４の態様のいずれかの油圧ショベルの較正システムであって、較正演算部は、数値解析によりパラメータの較正値を演算する。
【００１２】
本発明の第６の態様に係る油圧ショベルの較正方法は、油圧ショベルにおいて、複数のパラメータを較正するための較正方法である。油圧ショベルは、車体と、作業機と、角度検出部と、現在位置演算部とを含む。作業機は、ブームと、アームと、作業具とを含む。ブームは、車体に揺動可能に取り付けられる。アームは、ブームに揺動可能に取り付けられる。作業具は、アームに揺動可能に取り付けられる。角度検出部は、車体に対するブームの揺動角と、ブームに対するアームの揺動角と、アームに対する作業具の揺動角とを検出する。現在位置演算部は、複数のパラメータに基づいて作業具に含まれる作業点の現在位置を演算する。複数のパラメータは、ブームとアームと作業具との寸法と揺動角とを示す。較正方法は、次のステップを備える。第１ステップでは、形状検出部が、作業具の形状を検出する。形状検出部は、車体に取り付けられている。第２ステップでは、第１ステップにおいて検出された作業具の形状から作業点の位置を認識して作業点の位置座標を検出する。第３ステップでは、作業点位置情報に基づいて、パラメータの較正値を演算する。作業点位置情報は、第２ステップにおいて検出された複数の位置での作業点の位置座標を示す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、形状検出部によって作業具の形状が検出される。また、座標検出部によって、作業具の形状から作業点の位置が認識され、作業点の位置座標が検出される。そして、検出された作業点の複数の位置での位置座標に基づいて、パラメータの較正値が演算される。このため、パラメータの値をメジャーテープなどの測定手段によって実測する必要がない。或いは、実測が必要なパラメータの数を低減することができる。また、位置座標の実測値と計算値とが一致するまでパラメータの値の合わせ込みを行う必要がない。これにより、第１の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、作業点の位置検出の精度を向上させることができると共に、較正作業時間を大幅に短縮することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、作業点が所定の基準位置に位置している状態で座標検出部によって検出された作業点のグローバル座標系における位置座標と、基準位置情報とに基づいて、第２パラメータの較正値が演算される。基準位置情報については、所定の基準位置のグローバル座標系における座標を予め外部装置によって計測しておくことによって、精度の高い値を得ることができる。このため、第２パラメータの較正値を精度よく演算することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、座標検出部は、作業具が検出範囲内を移動している間に、作業点の複数の位置での位置座標を検出する。このため、オペレータが作業機を操作している間に自動的に作業点の複数の位置での位置座標が検出される。或いは、作業機が自動制御によって移動している間に、自動的に作業点の複数の位置での位置座標が検出される。このため、作業点の複数の位置での位置座標を容易に取得することができる。
【００１６】
本発明の第４の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、形状検出部が運転室の室内に取り付けられているため、形状検出部が外部からの衝撃によって適正な位置からずれる恐れが少ない。このため、座標検出部が検出する作業点の位置座標の信頼性が高い。
【００１７】
本発明の第５の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、数値解析によりパラメータの較正値が演算される。これにより、パラメータの較正値を容易に演算することができる。
【００１８】
本発明の第６の態様に係る油圧ショベルの較正方法では、形状検出部によって作業具の形状が検出される。また、形状検出部によって検出された作業具の形状から作業点の位置が認識され、作業点の位置座標が検出される。そして、検出された作業点の複数の位置での位置座標に基づいて、パラメータの較正値が演算される。このため、パラメータの値をメジャーテープなどの測定手段によって実測する必要がない。或いは、実測が必要なパラメータの数を低減することができる。また、位置座標の実測値と計算値とが一致するまでパラメータの値の合わせ込みを行う必要がない。これにより、第６の態様に係る油圧ショベルの較正方法では、作業点の位置検出の精度を向上させることができると共に、較正作業時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの斜視図。
【図２】油圧ショベルの構成を模式的に示す図。
【図３】油圧ショベルが備える制御系の構成を示すブロック図。
【図４】設計地形の構成の一例を示す図。
【図５】案内画面の一例を示す図。
【図６】パラメータのリストを示す図。
【図７】ブームの側面図。
【図８】アームの側面図。
【図９】バケット及びアームの側面図。
【図１０】バケットの側面図。
【図１１】シリンダの長さを示すパラメータの演算方法を示す図。
【図１２】運転室の斜視図
【図１３】較正システムの操作画面の一例を示す図。
【図１４】較正システムの較正に係わる処理機能を示す機能ブロック図。
【図１５】オペレータが較正時に行う作業手順を示すフローチャート。
【図１６】第１作業点位置情報の検出方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
１．構成
１−１．油圧ショベルの全体構成
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの較正システム及び較正方法について説明する。図１は、較正システムによる較正が実施される油圧ショベル１００の斜視図である。油圧ショベル１００は、車体１と作業機２とを有する。車体１は、旋回体３と運転室４と走行体５とを有する。旋回体３は、走行体５に旋回可能に取り付けられている。旋回体３は、油圧ポンプ３７（図３参照）や図示しないエンジンなどの装置を収容している。運転室４は旋回体３の前部に載置されている。運転室４内には、後述する表示入力装置３８及び操作装置２５が配置される（図３参照）。走行体５は履帯５ａ，５ｂを有しており、履帯５ａ，５ｂが回転することにより油圧ショベル１００が走行する。
【００２１】
作業機２は、車体１の前部に取り付けられており、ブーム６とアーム７とバケット８とブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して車体１の前部に揺動可能に取り付けられている。すなわち、ブームピン１３は、ブーム６の旋回体３に対する揺動中心に相当する。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられている。すなわち、アームピン１４は、アーム７のブーム６に対する揺動中心に相当する。アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が揺動可能に取り付けられている。すなわち、バケットピン１５は、バケット８のアーム７に対する揺動中心に相当する。
【００２２】
図２は、油圧ショベル１００の構成を模式的に示す図である。図２（ａ）は油圧ショベル１００の側面図である。図２（ｂ）は油圧ショベル１００の背面図である。図２（ｃ）は油圧ショベル１００の上面図である。図２（ａ）に示すように、ブーム６の長さ、すなわち、ブームピン１３とアームピン１４との間の長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１４とバケットピン１５との間の長さは、Ｌ２である。バケット８の長さ、すなわち、バケットピン１５とバケット８の刃先Ｐとの間の長さは、Ｌ３である。
【００２３】
図１に示すブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ油圧によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０の基端部は、ブームシリンダフートピン１０ａを介して旋回体３に揺動可能に取り付けられている。また、ブームシリンダ１０の先端部は、ブームシリンダトップピン１０ｂを介してブーム６に揺動可能に取り付けられている。ブームシリンダ１０は、油圧によって伸縮することによって、ブーム６を駆動する。アームシリンダ１１の基端部は、アームシリンダフートピン１１ａを介してブーム６に揺動可能に取り付けられている。また、アームシリンダ１１の先端部は、アームシリンダトップピン１１ｂを介してアーム７に揺動可能に取り付けられている。アームシリンダ１１は、油圧によって伸縮することによって、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２の基端部は、バケットシリンダフートピン１２ａを介してアーム７に揺動可能に取り付けられている。また、バケットシリンダ１２の先端部は、バケットシリンダトップピン１２ｂを介して第1リンク部材４７の一端及び第２リンク部材４８の一端に揺動可能に取り付けられている。第1リンク部材４７の他端は、第1リンクピン４７ａを介してアーム７の先端部に揺動可能に取り付けられている。第２リンク部材４８の他端は、第２リンクピン４８ａを介してバケット８に揺動可能に取り付けられている。バケットシリンダ１２は、油圧によって伸縮することによって、バケット８を駆動する。
【００２４】
図３は、油圧ショベル１００が備える制御系の構成を示すブロック図である。ブーム６とアーム７とバケット８には、それぞれ第１〜第３角度検出部１６−１８が設けられている。第１〜第３角度検出部１６−１８は、ストロークセンサであり、各シリンダ１０−１２のストローク長さを検出することにより、車体１に対するブーム６の揺動角と、ブーム６に対するアーム７の揺動角と、アーム７に対するバケット８の揺動角とを間接的に検出する。具体的には、第１角度検出部１６は、ブームシリンダ１０のストローク長さを検出する。後述する表示コントローラ３９は、第１角度検出部１６が検出したブームシリンダ１０のストローク長さから、図２（ａ）に示す車体座標系のz軸に対するブーム６の揺動角αを演算する。第２角度検出部１７は、アームシリンダ１１のストローク長さを検出する。表示コントローラ３９は、第２角度検出部１７が検出したアームシリンダ１１のストローク長さから、ブーム６に対するアーム７の揺動角βを演算する。第３角度検出部１８は、バケットシリンダ１２のストローク長さを検出する。表示コントローラ３９は、第３角度検出部１８が検出したバケットシリンダ１２のストローク長さから、アーム７に対するバケット８の揺動角γを演算する。揺動角α，β，γの演算方法については後に詳細に説明する。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、車体１には、位置検出部１９が取り付けられている。位置検出部１９は、位置検出部１９の現在位置のグローバル座標系における座標を検出する。すなわち、位置検出部１９は、油圧ショベル１００の車体１の現在位置を検出する。具体的には、位置検出部１９は、図１に示すＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう。）用の２つのアンテナ２１，２２と、図２（ａ）に示す３次元位置センサ２３とを有する。アンテナ２１，２２は、後述する車体座標系ｘｍ−ｙｍ−ｚｍのｙｍ軸（図２（ｃ）参照）に沿って一定距離だけ離間して配置されている。アンテナ２１，２２で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号は３次元位置センサ２３に入力される。３次元位置センサ２３は、アンテナ２１，２２のグローバル座標系における現在位置を検出する。なお、グローバル座標系は、ＧＮＳＳによって計測される座標系であり、地球に固定された原点を基準とした座標系である。これに対して、後述する車体座標系は、車体１（具体的には旋回体３）に固定された原点を基準とする座標系である。アンテナ２１（以下、「基準アンテナ２１」と呼ぶ）は、車体１の現在位置を検出するためのアンテナである。アンテナ２２（以下、「方向アンテナ２２」と呼ぶ）は、車体１（具体的には旋回体３）の向きを検出するためのアンテナである。位置検出部１９は、基準アンテナ２１と方向アンテナ２２との位置によって、後述する車体座標系のｘｍ軸のグローバル座標系での方向角を検出する。なお、アンテナ２１，２２は、ＧＰＳ用のアンテナであってもよい。
【００２６】
車体１には、車体傾斜角度検出部が備えられている。車体傾斜角度検出部は、作業機２の鉛直方向に対する傾斜角を検出する。具体的には、図３に示すように、車体１には、ロール角センサ２４と、ピッチ角センサ２９とが備えられている。ロール角センサ２４は、図２（ｂ）に示すように、重力方向（鉛直線）に対する車体１の幅方向の傾斜角θ１（以下、「ロール角θ１」と呼ぶ）を検出する。なお、本実施形態において、幅方向とは、バケット８の幅方向を意味しており、車幅方向と一致している。ただし、作業機２が後述するチルトバケットを備える場合には、バケット８の幅方向と車幅方向とが一致しないことがあり得る。ピッチ角センサ２９は、図２（ａ）に示すように、重力方向に対する車体１の前後方向の傾斜角θ２（以下、「ピッチ角θ２」と呼ぶ）を検出する。
【００２７】
図３に示すように、油圧ショベル１００は、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、作業機制御装置２７と、油圧ポンプ３７と、を備える。操作装置２５は、作業機操作部材３１と、作業機操作検出部３２と、走行操作部材３３と、走行操作検出部３４と、旋回操作部材５１と、旋回操作検出部５２とを有する。作業機操作部材３１は、オペレータが作業機２を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。作業機操作検出部３２は、作業機操作部材３１の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。走行操作部材３３は、オペレータが油圧ショベル１００の走行を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。走行操作検出部３４は、走行操作部材３３の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。旋回操作部材５１は、オペレータが旋回体３の旋回を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。旋回操作検出部５２は、旋回操作部材５１の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。
【００２８】
作業機コントローラ２６は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部３５や、ＣＰＵなどの演算部３６を有している。作業機コントローラ２６は、主として作業機２の動作及び旋回体３の旋回の制御を行う。作業機コントローラ２６は、作業機操作部材３１の操作に応じて作業機２を動作させるための制御信号を生成して、作業機制御装置２７に出力する。作業機制御装置２７は、比例制御弁などの油圧制御機器を有している。作業機制御装置２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号に基づいて、油圧ポンプ３７から油圧シリンダ１０−１２に供給される作動油の流量を制御する。油圧シリンダ１０−１２は、作業機制御装置２７から供給された作動油に応じて駆動される。これにより、作業機２が動作する。また、作業機コントローラ２６は、旋回操作部材５１の操作に応じて旋回体３を旋回させるための制御信号を生成して、旋回モータ４９に出力する。これにより、旋回モータ４９が駆動され、旋回体３が旋回する。
【００２９】
１−２．表示システム２８の構成
油圧ショベル１００には、表示システム２８が搭載されている。表示システム２８は、作業エリア内の地面を掘削して後述する設計面のような形状に形成するための情報をオペレータに提供するためのシステムである。表示システム２８は、表示入力装置３８と、表示コントローラ３９とを有している。
【００３０】
表示入力装置３８は、タッチパネル式の入力部４１と、ＬＣＤなどの表示部４２とを有する。表示入力装置３８は、掘削を行うための情報を提供するための案内画面を表示する。また、案内画面には、各種のキーが表示される。オペレータは、案内画面上の各種のキーに触れることにより、表示システム２８の各種の機能を実行させることができる。案内画面については後に詳細に説明する。
【００３１】
表示コントローラ３９は、表示システム２８の各種の機能を実行する。表示コントローラ３９と作業機コントローラ２６とは、無線あるいは有線の通信手段により互いに通信可能となっている。表示コントローラ３９は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部４３と、ＣＰＵなどの演算部４４とを有している。演算部４４は、記憶部４３に記憶されている各種のデータと、位置検出部１９の検出結果とに基づいて、案内画面を表示するための各種の演算を実行する。
【００３２】
表示コントローラ３９の記憶部４３には、設計地形データが予め作成されて記憶されている。設計地形データは、３次元の設計地形の形状及び位置に関する情報である。設計地形は、作業対象となる地面の目標形状を示す。表示コントローラ３９は、設計地形データや上述した各種のセンサからの検出結果などのデータに基づいて、案内画面を表示入力装置３８に表示させる。具体的には、図４に示すように、設計地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の設計面４５によって構成されている。なお、図４では複数の設計面のうちの一部のみに符号４５が付されており、他の設計面の符号は省略されている。オペレータは、これらの設計面４５のうちの１つ、或いは、複数の設計面４５を目標面７０として選択する。表示コントローラ３９は、目標面７０の位置をオペレータに知らせるための案内画面を表示入力装置３８に表示させる。
【００３３】
２．案内画面
以下、案内画面について詳細に説明する。案内画面は、目標面７０とバケット８の刃先との位置関係を示し、作業対象である地面が目標面７０と同じ形状になるように油圧ショベル１００の作業機２を誘導するための画面である。
【００３４】
２−１．案内画面の構成
図５に案内画面５３を示す。案内画面５３は、作業エリアの設計地形と油圧ショベル１００の現在位置とを示す上面図５３ａと、目標面７０と油圧ショベル１００との位置関係を示す側面図５３ｂとを含む。
【００３５】
案内画面５３の上面図５３ａは、複数の三角形ポリゴンによって上面視による設計地形を表現している。より具体的には、上面図５３ａは、油圧ショベル１００の旋回平面を投影面として設計地形を表現している。従って、上面図５３ａは、油圧ショベル１００の真上から見た図であり、油圧ショベル１００が傾いたときには設計面４５が傾くことになる。また、複数の設計面４５から選択された目標面７０は、他の設計面４５と異なる色で表示される。なお、図５では、油圧ショベル１００の現在位置が上面視による油圧ショベルのアイコン６１で示されているが、他のシンボルによって示されてもよい。また、上面図５３ａは、油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報を含んでいる。油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報は、正対コンパス７３として表示される。正対コンパス７３は、目標面７０に対する正対方向と油圧ショベル１００を旋回させるべき方向とを示すアイコンである。オペレータは、正対コンパス７３により、目標面７０への正対度を確認することができる。
【００３６】
案内画面５３の側面図５３ｂは、目標面７０とバケット８の刃先との位置関係を示す画像と、目標面７０とバケット８の刃先との間の距離を示す距離情報８８とを含む。具体的には、側面図５３ｂは、設計面線８１と、目標面線８２と、側面視による油圧ショベル１００のアイコン７５とを含む。設計面線８１は、目標面７０以外の設計面４５の断面を示す。目標面線８２は目標面７０の断面を示す。設計面線８１と目標面線８２とは、図４に示すように、バケット８の刃先の幅方向における中点Ｐ（以下、単に「バケット８の刃先」と呼ぶ）の現在位置を通る平面７７と設計面４５との交線８０を演算することにより求められる。バケット８の刃先の現在位置を演算する方法については後に詳細に説明する。
【００３７】
以上のように、案内画面５３では、設計面線８１と、目標面線８２と、バケット８を含む油圧ショベル１００と、の相対位置関係が画像によって表示される。オペレータは、目標面線８２に沿ってバケット８の刃先を移動させることによって、現在の地形が設計地形になるように、容易に掘削することができる。
【００３８】
２−２．刃先位置の演算方法
次に、上述したバケット８の刃先位置の演算方法について詳細に説明する。表示コントローラ３９の演算部４４は、位置検出部１９の検出結果、及び、記憶部４３に記憶されている複数のパラメータに基づいて、バケット８の刃先の現在位置を演算する。図６に、記憶部４３に記憶されているパラメータのリストを示す。パラメータは、作業機パラメータと、アンテナパラメータとを含む。作業機パラメータは、ブーム６とアーム７とバケット８との寸法と揺動角とを示す複数のパラメータを含む。すなわち、作業機パラメータは、本発明の第１パラメータに相当する。アンテナパラメータは、アンテナ２１，２２と後述する車体座標系の原点との位置関係を示す複数のパラメータを含む。すなわち、アンテナパラメータは、本発明の第２パラメータに相当する。図３に示すように、表示コントローラ３９の演算部４４は、第１現在位置演算部４４ａと、第２現在位置演算部４４ｂとを有する。第１現在位置演算部４４ａは、作業機パラメータに基づいて、バケット８の刃先の車体座標系における現在位置を演算する。第２現在位置演算部４４ｂは、アンテナパラメータと、位置検出部１９が検出したアンテナ２１，２２のグローバル座標系における現在位置の座標と、第１現在位置演算部４４ａが演算したバケット８の刃先の車体座標系における現在位置の座標とから、バケット８の刃先のグローバル座標系における現在位置の座標を演算する。具体的には、バケット８の刃先の現在位置の座標は、次のように求められる。
【００３９】
まず、図２に示すように、ブームピン１３の軸と後述する作業機２の動作平面との交点を原点とする車体座標系ｘｍ−ｙｍ−ｚｍを設定する。なお、以下の説明においてブームピン１３の位置は、ブームピン１３の車幅方向における中点の位置を意味するものとする。また、第１〜第３角度検出部１６−１８の検出結果から、上述したブーム６、アーム７、バケット８の現在の揺動角α、β、γが演算される。揺動角α、β、γの演算方法については後述する。車体座標系でのバケット８の刃先の座標（ｘｍ，ｙｍ，ｚｍ）は、ブーム６、アーム７、バケット８の揺動角α、β、γと、ブーム６、アーム７、バケット８の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３とを用いて、以下の数１式により演算される。
【００４０】
【数１】
【００４１】
また、数１から求められた車体座標系でのバケット８の刃先の座標（ｘｍ，ｙｍ，ｚｍ）は、以下の数２式により、グローバル座標系での座標（X，Y，Z）に変換される。
【００４２】
【数２】
【００４３】
ただし、ω，ψ，κは以下のように表される。
【００４４】
【００４５】
ここで、上述したとおり、θ１はロール角である。θ２はピッチ角である。また、θ３は、Ｙａｗ角であり、上述した車体座標系のｘｍ軸のグローバル座標系での方向角である。従って、Ｙａｗ角θ３は、位置検出部１９によって検出された基準アンテナ２１と方向アンテナ２２との位置に基づいて演算される。（A,B,C）は、車体座標系の原点のグローバル座標系での座標である。上述したアンテナパラメータは、アンテナ２１，２２と車体座標系の原点との位置関係、すなわち、アンテナ２１，２２とブームピン１３の車幅方向における中点との位置関係を示す。具体的には、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、アンテナパラメータは、ブームピン１３と基準アンテナ２１との間の車体座標系のｘｍ軸方向の距離Lbbxと、ブームピン１３と基準アンテナ２１との間の車体座標系のｙｍ軸方向の距離Lbbyと、ブームピン１３と基準アンテナ２１との間の車体座標系のｚｍ軸方向の距離Lbbzとを含む。また、アンテナパラメータは、ブームピン１３と方向アンテナ２２との間の車体座標系のｘｍ軸方向の距離Lbdxと、ブームピン１３と方向アンテナ２２との間の車体座標系のｙｍ軸方向の距離Lbdyと、ブームピン１３と方向アンテナ２２との間の車体座標系のｚｍ軸方向の距離Lbdzとを含む。（A,B,C）は、アンテナ２１，２２が検出したグローバル座標系におけるアンテナ２１，２２の座標と、アンテナパラメータとに基づいて、演算される。
【００４６】
図４に示すように、表示コントローラ３９は、上記のように演算したバケット８の刃先Ｐの現在位置と、記憶部４３に記憶された設計地形データとに基づいて、３次元設計地形とバケット８の刃先を通る平面７７との交線８０を演算する。そして、表示コントローラ３９は、この交線８０のうち目標面７０を通る部分を上述した目標面線８２として演算する。この交線８０のうち目標面線８２以外の部分を設計面線８１として演算する。
【００４７】
２−３．揺動角α、β、γの演算方法
次に、第１〜第３角度検出部１６−１８の検出結果から、ブーム６、アーム７、バケット８の現在の揺動角α、β、γを演算する方法について説明する。
【００４８】
図７は、ブーム６の側面図である。ブーム６の揺動角αは、図７に示されている作業機パラメータを用いて、以下の数３式によって表される。
【００４９】
【数３】
【００５０】
図７に示すように、Lboom2_xは、ブームシリンダフートピン１０ａとブームピン１３との間のブーム６が取り付けられる車体２の水平方向（すなわち車体座標系のｘｍ軸方向に相当する）の距離である。Lboom2_zは、ブームシリンダフートピン１０ａとブームピン１３との間のブーム６が取り付けられる車体２の鉛直方向（すなわち車体座標系のｚｍ軸方向に相当する）の距離である。Lboom1は、ブームシリンダトップピン１０ｂとブームピン１３との間の距離である。Lboom２は、ブームシリンダフートピン１０ａとブームピン１３との間の距離である。boom_cylは、ブームシリンダフートピン１０ａとブームシリンダトップピン１０ｂとの間の距離である。Lboom１_zは、ブームシリンダトップピン１０ｂとブームピン１３との間のzboom軸方向の距離である。なお、側面視においてブームピン１３とアームピン１４とを結ぶ方向をxboom軸とし、xboom軸に垂直な方向をzboom軸とする。Lboom１_xは、ブームシリンダトップピン１０ｂとブームピン１３との間のxboom軸方向の距離である。
【００５１】
図８は、アーム7の側面図である。アーム7の揺動角βは、図７及び図８に示されている作業機パラメータを用いて、以下の数４式によって表される。
【００５２】
【数４】
【００５３】
図７に示すように、Lboom３_zは、アームシリンダフートピン１１ａとアームピン１４との間のzboom軸方向の距離である。Lboom３_xは、アームシリンダフートピン１１ａとアームピン１４との間のxboom軸方向の距離である。Lboom３は、アームシリンダフートピン１１ａとアームピン１４との間の距離である。図８に示すように、Larm２は、アームシリンダトップピン１１ｂとアームピン１４との間の距離である。図７に示すように、arm_cylは、アームシリンダフートピン１１ａとアームシリンダトップピン１１ｂとの間の距離である。図８に示すように、Larm２_xは、アームシリンダトップピン１１ｂとアームピン１４との間のxarm2軸方向の距離である。Larm２_zは、アームシリンダトップピン１１ｂとアームピン１４との間のzarm2軸方向の距離である。なお、側面視においてアームシリンダトップピン１１ｂとバケットピン１５とを結ぶ方向をxarm2軸とし、xarm2軸に垂直な方向をzarm2軸とする。Larm１_xは、アームピン１４とバケットピン１５との間のxarm2軸方向の距離である。Larm１_zは、アームピン１４とバケットピン１５との間のzarm2軸方向の距離である。また、側面視においてアームピン１４とバケットピン１５とを結ぶ方向をxarm1軸とする。アーム７の揺動角βは、ｘｍboom軸とxarm1軸との間のなす角である。
【００５４】
図９は、バケット８及びアーム７の側面図である。図１０は、バケット８の側面図である。バケット８の揺動角γは、図８から図１０に示されている作業機パラメータを用いて、以下の数５式によって表される。
【００５５】
【数５】
【００５６】
図８に示すように、Larm3_z2は、第1リンクピン４７ａとバケットピン１５との間のzarm2軸方向の距離である。Larm3_x2は、第1リンクピン４７ａとバケットピン１５との間のxarm2軸方向の距離である。図９に示すように、Ltmpは、バケットシリンダトップピン１２ｂとバケットピン１５との間の距離である。Larm４は、第1リンクピン４７ａとバケットピン１５との間の距離である。Lbucket１は、バケットシリンダトップピン１２ｂと第1リンクピン４７ａとの間の距離である。Lbucket3は、バケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間の距離である。Lbucket２は、バケットシリンダトップピン１２ｂと第２リンクピン４８ａとの間の距離である。図１０に示すように、Lbucket4_xは、バケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間のxbucket軸方向の距離である。Lbucket4_zは、バケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間のzbucket軸方向の距離である。なお、側面視においてバケットピン１５とバケット８の刃先Ｐとを結ぶ方向をxbucket軸とし、xbucket軸に垂直な方向をzbucket軸とする。バケット８の揺動角γは、xbucket軸とxarm1軸との間のなす角である。上述したLtmpは以下の数６式によって表される。
【００５７】
【数６】
【００５８】
なお、図８に示すように、Larm3は、バケットシリンダフートピン１２ａと第1リンクピン４７ａトの間の距離である。Larm3_x1は、バケットシリンダフートピン１２ａとバケットピン１５との間のxarm2軸方向の距離である。Larm3_z1は、バケットシリンダフートピン１２ａとバケットピン１５との間のzarm2軸方向の距離である。
【００５９】
また、上述したboom_cylは、図１１に示すように、第１角度検出部１６が検出したブームシリンダ１０のストローク長bssにブームシリンダオフセットboftを加えた値である。同様に、arm_cylは、第２角度検出部１７が検出したアームシリンダ１１のストローク長assにアームシリンダオフセットaoftを加えた値である。同様に、bucket_cylは、第３角度検出部１８が検出したバケットシリンダ１２のストローク長bkssにバケットシリンダ１２の最小距離を含んだバケットシリンダオフセットbkoftを加えた値である。
【００６０】
３．較正システム５０
較正システム５０は、油圧ショベル１００において、上述した揺動角α，β，γの演算、及び、バケット８の刃先の位置を演算するために必要なパラメータを較正するためのシステムである。図３に示すように、較正システム５０は、形状検出部５４と較正装置６０とを有する。
【００６１】
形状検出部５４は、ステレオカメラである。形状検出部５４は、車体１に取り付けられている。具体的には、形状検出部５４は、旋回体３に取り付けられている。図１２は、運転室４の斜視図である。図１２に示すように、形状検出部５４は、運転室４に取り付けられている。さらに具体的には、形状検出部５４は、運転室４の室内に取り付けられている。形状検出部５４は、第１カメラ部５４ａと第２カメラ部５４ｂとを有する。第１カメラ部５４ａと第２カメラ部５４ｂとは、それぞれ図示しないレンズ機構やシャッター機構などを有する。第１カメラ部５４ａと第２カメラ部５４ｂとは、運転室４内において車幅方向に間隔を空けて配置されている。形状検出部５４は、運転室４の前窓４ａの上部の後方に配置されている。形状検出部５４は、運転室４の前方に位置する所定の検出範囲Ａ１（図１６参照）内を移動するバケット８の３次元的な形状及び位置を検出する。
【００６２】
較正装置６０は、有線または無線によって表示コントローラ３９とデータ通信を行うことができる。較正装置６０は、形状検出部５４によって計測された形状情報に基づいて図６に示すパラメータの較正を行う。パラメータの較正は、例えば、油圧ショベル１００の出荷時やメンテナンス後の初期設定において実行される。図３に示すように、較正装置６０は、入力部６３と、記憶部６７と、表示部６４と、演算部６５とを有する。
【００６３】
入力部６３は、パラメータの較正処理に必要な情報が入力される部分である。入力部６３は、オペレータが上述した情報を手入力するための構成を備えており、例えば複数のキーを有する。入力部６３は、数値の入力が可能であればタッチパネル式のものであってもよい。表示部６４は、例えばLCDであり、較正を行うための操作画面が表示される部分である。図１３は、較正装置６０の操作画面の一例を示す。操作画面には、上述した情報を入力するための入力欄６６が表示される。オペレータは、入力部６３を操作することにより、操作画面の入力欄６６に上述した情報を入力する。記憶部６７は、ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリによって構成されている。記憶部６７は、パラメータの較正処理に必要な各種の情報を記憶する。記憶部６７は、入力部６３を介して入力された情報を記憶する。
【００６４】
演算部６５は、入力部６３を介して入力された情報に基づいて、パラメータの較正処理を実行する。図１４は、演算部６５の較正に係わる処理機能を示す機能ブロック図である。演算部６５は、座標検出部６５ａと、座標変換部６５ｂと、第１較正演算部６５ｃと、第２較正演算部６５ｄとの各機能を有している。オペレータが較正装置６０に較正処理の実行を指示すると、較正装置６０は図１５に示すフローチャートに基づいて、パラメータの較正処理を実行する。以下、図１４及び図１５に基づいてパラメータの較正処理について説明する。
【００６５】
まず、図１５に示すステップＳ１において、バケット８の形状が検出される。ここでは、図１４に示すように、形状検出部５４が形状情報を検出する。形状情報は、バケット８の形状及び位置を示す情報である。形状検出部５４は次のようにして形状情報を検出する。図１６は、運転室４内のオペレータから見た運転４の前方の視界を示している。図１６に示すように、オペレータは、作業機操作部材３１を操作して、バケット８の刃先を基準杭９１の上端部に向けて移動させる。このとき、旋回体３は旋回させずに走行体５に対して固定された状態を維持する。バケット８の刃先が基準杭９１に向けて移動している間に、バケット８の刃先は、形状検出部５４の検出範囲Ａ１内を通過する。バケット８の刃先が形状検出部５４の検出範囲Ａ１内を通過している間、形状検出部５４はバケット８を撮影して、形状情報を取得する。すなわち、形状情報は、バケット８を含む画像情報である。形状情報は、形状検出部５４の検出範囲Ａ１内の異なる位置でのバケット８の画像情報を含む。
【００６６】
次に、ステップＳ２において、第１作業点位置情報が検出される。ここでは、図１４に示すように、座標検出部６５ａが、形状検出部５４が検出した形状情報から第１作業点位置情報を検出する。具体的には、座標検出部６５ａは、形状情報からバケット８の刃先の位置を認識する。そして、座標検出部６５ａは、認識したバケット８の刃先の位置に基づいて刃先の位置座標を検出する。より具体的には、座標検出部６５ａは、形状検出部５４が撮影したバケット８を含む画像を解析することにより、バケット８の刃先の位置座標を演算する。座標検出部６５ａは、バケット８が形状検出部５４の検出範囲Ａ１内を移動している間に、刃先の複数の位置での位置座標を第１作業点位置情報として検出する。例えば、図１６に示すように、バケット８の刃先の第１位置Ｐ１〜第５位置Ｐ５での座標が、第１作業点位置情報として検出される。
【００６７】
ステップＳ３において、第２作業点位置情報が検出される。ここでは、図１４に示すように、座標検出部６５ａが、形状検出部５４が検出した形状情報から第２作業点位置情報を検出する。具体的には、座標検出部６５ａは、形状検出部５４が検出した形状情報からバケット８の刃先の位置を認識する。特に、図１６に示すように、バケット８の刃先の規準位置Ｐ０での座標が、第２作業点位置情報として検出される。すなわち、第２作業点位置情報は、バケット８の刃先が基準位置Ｐ０に位置している状態で座標検出部６５ａによって検出された座標である。基準位置Ｐ０は、基準杭９１の上端部に位置している。なお、図１６において、８’は、バケット８の刃先が規準位置Ｐ０に位置している状態を示している。
【００６８】
ステップＳ４において、第１作業点位置情報及び第２作業点位置情報が車体座標系に変換される。図１４に示すように、座標検出部６５ａによって検出された第１作業点位置情報及び第２作業点位置情報は、形状検出部５４によって検出された形状情報に基づいて演算されているため、形状検出部５４の座標系ｘｃ−ｙｃ−ｚｃを基準とした座標である。このため、座標変換部６５ｂは、座標変換情報を用いて、第１作業点位置情報及び第２作業点位置情報を、形状検出部５４の座標系ｘｃ−ｙｃ−ｚｃから車体座標系ｘｍ−ｙｍ−ｚｍに変換する。座標変換情報は、形状検出部５４の座標系ｘｃ−ｙｃ−ｚｃの座標を車体座標系ｘｍ−ｙｍ−ｚｍの座標に変換するための情報である。具体的には、座標変換情報は、回転行列Rと並進行列Hとを含む。回転行列Rと並進行列Hとは、形状検出部５４の取付位置及び取付姿勢などから予め演算される。座標変換情報は、例えば油圧ショベル１００の出荷時に入力部６３に入力されて、記憶部６７に保存されている。座標変換部６５ｂは、以下の数７式により、形状検出部５４の座標系ｘｃ−ｙｃ−ｚｃの座標を車体座標系ｘｍ−ｙｍ−ｚｍの座標に変換する。
【００６９】
【数７】
【００７０】
次に、ステップＳ５において、作業機パラメータの較正値が演算される。ここでは図１４に示すように、第１較正演算部６５ｃが、車体座標系に変換された第１作業点位置情報に基づいて、数値解析を用いることにより、作業機パラメータの較正値を演算する。具体的には、第１較正演算部６５ｃは、以下の数８式に示すように、最小二乗法により作業機パラメータの較正値を演算する。
【００７１】
【数８】
【００７２】
上記のｋの値は、第１作業点位置情報の第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５に相当する。従って、ｎ＝５である。（x1,z1）は、車体座標系での第１位置Ｐ１の座標である。（x2,z2）は、車体座標系での第２位置Ｐ２の座標である。（x3,z3）は、車体座標系での第３位置Ｐ３の座標である。（x4,z4）は、車体座標系での第４位置Ｐ４の座標である。（x5,z5）は、車体座標系での第５位置Ｐ５の座標である。この数８式の関数Jが最小になる点を探索していることにより、作業機パラメータの較正値が演算される。具体的には図６のリストにおいてNo.１〜２９の作業機パラメータの較正値が演算される。
【００７３】
なお、図６のリストに含まれる作業機パラメータのうち、バケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間のxbucket軸方向の距離Lbucket4_x、及び、バケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間のzbucket軸方向の距離Lbucket4_zは、バケット情報として入力部６３に入力された値が用いられる。バケット情報は、バケット８の寸法に関する情報である。オペレータは、設計値又はメジャーテープなどの計測手段によって計測した値を、バケット情報として入力部６３に入力する。
【００７４】
ステップＳ６において、アンテナパラメータの較正値が演算される。ここでは、図１４に示すように、第２較正演算部６５ｄが、基準位置情報と第２作業点位置情報とに基づいてアンテナパラメータを較正する。基準位置情報は、油圧ショベル１００の外部に位置する所定の基準位置Ｐ０のグローバル座標系の座標を示す。具体的には、基準位置情報は、上述した基準杭９１の上端部の位置のグローバル座標系の座標である。基準位置情報は、予め油圧ショベル１００の外部のＧＮＳＳ装置によって計測されている。基準位置Ｐ０は、例えば油圧ショベル１００が使用される作業現場内に配置されている。基準位置情報は、例えば、油圧ショベル１００が当該作業現場に搬送されたときに、入力部６３に入力される（図１３参照）。第２較正演算部６５ｄは、車体座標系による第２作業点位置情報を、アンテナパラメータを用いてグローバル座標系に変換する。そして、第２較正演算部６５ｄは、第２作業点位置情報として取得されたグローバル座標系による基準位置Ｐ０の座標と、基準位置情報として取得されたグローバル座標系による基準位置Ｐ０の座標との差を最小にするアンテナパラメータの補正量を、最小二乗法を用いて演算する。これにより、第２較正演算部６５ｄは、アンテナパラメータの較正値を演算する。
【００７５】
第１較正演算部６５ｃによって演算された作業機パラメータと、第２較正演算部６５ｄによって演算されたアンテナパラメータと、入力部６３に入力されたバケット情報とは、表示コントローラ３９の記憶部４３に保存され、上述した刃先位置の演算に用いられる。
【００７６】
４．特徴
本実施形態に係る油圧ショベル１００の較正システム５０は、以下のような特徴を有する。
【００７７】
形状検出部５４および座標検出部６５ａによって検出されたバケット８の刃先の複数の位置Ｐ１−Ｐ５での座標に基づいて、パラメータの較正値が数値解析により自動的に演算される。このため、実測が必要なパラメータの数を低減することができる。また、較正時に、バケット８の刃先の位置座標の実測値と計算値とが一致するまでパラメータの値の合わせ込みを行う必要がない。これにより、本実施形態に係る油圧ショベル１００の較正システム５０では、刃先の位置検出の精度を向上させることができると共に、較正作業時間を大幅に短縮することができる。
【００７８】
本実施形態に係る油圧ショベル１００では、シリンダのストローク長からブーム６とアーム７とバケット８との揺動角α、β、γを演算している。この場合、角度センサによって揺動角を演算する場合と比べて、演算に必要なパラメータが多くなる。このため、全てのパラメータをメジャーテープなどの測定手段によって測定する場合には、較正作業時間が増大してしまう。しかし、本実施形態に係る油圧ショベル１００の較正システム５０では、パラメータが数値解析により自動的に演算されるため、パラメータの数が多くなっても、較正作業時間の増大を抑えることができる。
【００７９】
バケット８の刃先の複数の位置Ｐ１−Ｐ５での座標は、形状検出部５４がバケット８を撮影して、座標検出部６５ａが撮影された画像を解析することによって、自動的に検出される。作業機２の寸法をメジャーテープを用いて計測する場合と異なり、オペレータが、作業機２に触れる必要ない。従って、安全にパラメータの較正を行うことができる。また、形状検出部５４が、移動中のバケット８を撮影することにより、バケット８の刃先の複数の位置Ｐ１−Ｐ５を連続的に検出することができる。このため、バケット８の刃先の位置Ｐ１−Ｐ５を検出するためにバケット８の動作を止める必要がない。従って、迅速にバケット８の刃先の複数の位置Ｐ１−Ｐ５での座標を検出することができる。さらに、人がバケット８の刃先の位置Ｐ１−Ｐ５を計測する場合と比べて、バケット８の刃先の位置Ｐ１−Ｐ５の検出精度が高い。このため、パラメータの較正を精度良く行うことができる。
【００８０】
形状検出部５４の車体座標系における正確な位置と姿勢とを事前に求めておくことにより、精度の高い座標変換情報を容易に取得することができる。また、座標変換情報は記憶部６７に保存されているため、座標検出部６５ａによって検出された第１作業点位置情報と第２作業点位置情報とを車体座標系に瞬時に変換することができる。このため、座標検出部６５ａによってバケット８の刃先の全ての位置Ｐ１−Ｐ５，Ｐ０での座標の検出が完了したときに、作業機パラメータとアンテナパラメータとの較正を直ちに実施することができる。
【００８１】
基準位置Ｐ０は、正確なグローバル座標系での座標が既知の点であればよい。このため、基準杭９１を、設置の容易な安全な場所に設置することができる。
【００８２】
５．他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００８３】
上記の実施形態では、作業具としてバケット８が例示されているが、バケット８以外の作業具が用いられもよい。また、作業点としてバケット８の刃先が例示されているが、作業点はバケット８の刃先以外の部分であってもよい。また、バケット８以外の作業具が用いられる場合には、作業点は、作業具の先端に位置する点など、作業対象物と接触する部分であればよい。
【００８４】
上記の実施形態ではブーム６、アーム７、バケット８の揺動角α、β、γは、シリンダのストローク長から演算されているが、傾斜計やIMU（Inertial Measurement Unit）などの角度センサによって直接的に検出されてもよい。この場合、上述した作業機パラメータの較正方法と同様の手法によって、角度センサの較正値が演算されてもよい。
【００８５】
第１作業点位置情報は、上述した５つの位置の座標に限られない。第１作業点位置情報のバケット８の刃先の位置の数は、４点以下、或いは６点以上であってもよい。ただし、較正の精度を向上させる観点からは、第１作業点位置情報のバケット８の刃先の位置は、５つ以上であることが好ましい。また、較正時にオペレータが手動で作業機２を操作するのではなく、作業機２が自動で制御されることによって第１作業点位置情報が検出されてもよい。
【００８６】
基準位置は１つに限らず、複数の基準位置が用いられてもよい。較正の精度を向上させる観点からは、複数の基準位置が較正に用いられることが好ましい。
【００８７】
上記の実施形態では、形状検出部５４はステレオカメラであるが、計測対象物の形状及び位置を検出する装置であれば３次元レーザースキャナなどの他の装置であってもよい。
【００８８】
上記の実施形態では、較正装置６０は、表示コントローラ３９とは別の装置であるが、表示コントローラ３９と一体化されてもよい。すなわち、表示コントローラ３９が較正装置６０の機能を有してもよい。
【００８９】
第１較正演算部６５ｃによって演算されるパラメータは、上記の実施形態で述べたパラメータに限られない。例えば、上述したバケット情報を含む全ての作業機パラメータが、演算によって求められてもよい。また、車体傾斜角度検出部によって検出される車体の傾斜角の較正値が演算によって求められてもよい。具体的には、上述した実施形態におけるロール角センサ２４及び／又はピッチ角センサ２９の出力の較正値が演算されてもよい。
【００９０】
上記の実施形態では、最小二乗法によってパラメータの較正値が演算されている。しかし、最小二乗法に限らず他の数学的解法によって較正値が演算されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明によれば、作業点の位置検出の精度を向上させることができると共に、較正作業時間を短縮することができる油圧ショベルの較正システム及び較正方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１・・・車体、２・・・作業機、４・・・運転室、６・・・ブーム、７・・・アーム、８・・・バケット（作業具）、１０・・・ブームシリンダ、１１・・・アームシリンダ、１２・・・バケットシリンダ（作業具シリンダ）、１６−１８・・・角度検出部、１９・・・位置検出部、４４ａ，４４ｂ・・・現在位置演算部、５０・・・較正システム、５４・・・形状検出部、６３・・・入力部、６５ａ・・・座標検出部、６５ｃ，６５ｄ・・・較正演算部、１００・・・油圧ショベル、α・・・ブームの揺動角、β・・・アームの揺動角、γ・・・バケットの揺動角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベルの較正システム及び油圧ショベルの較正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、作業機の作業点の現在位置を検出する位置検出装置を備える油圧ショベルが知られている。例えば、特許文献１に開示されている油圧ショベルでは、ＧＰＳアンテナからの位置情報に基づいて、バケットの刃先の位置座標が演算される。具体的には、ＧＰＳアンテナとブームピンとの位置関係、ブームとアームとバケットとのそれぞれの長さ、ブームとアームとバケットとのそれぞれの方向角などのパラメータに基づいて、バケットの刃先の位置座標が演算される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８１５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
演算されたバケットの刃先の位置座標の精度は、上述したパラメータの精度の影響を受ける。しかし、これらのパラメータは、設計値に対して誤差を有することが通常である。このため、油圧ショベルの位置検出装置の初期設定時には、パラメータをメジャーテープなどの計測手段によって計測することが行われる。しかし、上記のようにパラメータをメジャーテープなどの計測手段によって精度よく計測することは容易ではない。また、パラメータの数が多い場合には、それらのパラメータを全て測定するために多くの時間が必要であり、煩雑である。
【０００５】
また、測定されたパラメータを位置検出装置に入力した後に、位置検出装置による位置検出の精度の確認が行われる。例えば、ＧＰＳによりバケットの刃先の位置座標が直接的に測定される。そして、位置検出装置によって演算されたバケットの刃先の位置座標と、ＧＰＳ計測装置によって直接的に測定されたバケットの刃先の位置座標とが比較される。位置検出装置によって演算されたバケットの刃先の位置座標と、ＧＰＳ計測装置によって直接的に測定されたバケットの刃先の位置座標とが一致していない場合には、これらの位置座標が一致するまで、メジャーテープによるパラメータの測定と位置検出装置への入力とが繰り返される。すなわち、位置座標の実測値と計算値とが一致するまで、人による試行錯誤によるパラメータの値の合わせ込みが行われる。このような較正作業には非常に多くの時間が必要であり、煩雑である。
【０００６】
本発明の課題は、作業点の位置検出の精度を向上させると共に、較正作業時間を短縮することができる油圧ショベルの較正システム及び較正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様に係る油圧ショベルの較正システムは、油圧ショベルにおいて、複数のパラメータを較正するための較正システムである。油圧ショベルは、車体と、作業機と、角度検出部と、現在位置演算部とを含む。作業機は、ブームと、アームと、作業具とを含む。ブームは、車体に揺動可能に取り付けられる。アームは、ブームに揺動可能に取り付けられる。作業具は、アームに揺動可能に取り付けられる。角度検出部は、車体に対するブームの揺動角と、ブームに対するアームの揺動角と、アームに対する作業具の揺動角とを検出する。現在位置演算部は、複数のパラメータに基づいて作業具に含まれる作業点の現在位置を演算する。複数のパラメータは、ブームとアームと作業具との寸法と揺動角とを示す。較正システムは、形状検出部と、座標検出部と、較正演算部とを備える。形状検出部は、車体に取り付けられている。形状検出部は、作業具の形状を検出する。座標検出部は、形状検出部が検出した作業具の形状から作業点の位置を認識して作業点の位置座標を検出する。較正演算部は、作業点位置情報に基づいて、パラメータの較正値を演算する。作業点位置情報は、座標検出部によって検出された複数の位置での作業点の位置座標を示す。
【０００８】
本発明の第２の態様に係る油圧ショベルの較正システムは、第１の態様の油圧ショベルの較正システムであって、油圧ショベルは、車体に取り付けられる位置検出部をさらに備える。位置検出部は、位置検出部の現在位置のグローバル座標系における座標を検出する。現在位置演算部は、複数の第１パラメータに基づいて車体座標系における作業点の現在位置の座標を演算する。複数の第１パラメータは、ブームとアームと作業具との寸法と揺動角とを示す。車体座標系は、車体に含まれる所定位置を原点とする座標系である。現在位置演算部は、作業点の現在位置の車体座標系における座標と、第２パラメータと、位置検出部が検出した位置検出部の現在位置のグローバル座標系における座標とに基づいて、作業点の現在位置のグローバル座標系における座標を演算する。第２パラメータは、位置検出部と車体座標系における原点との位置関係を示す。油圧ショベルの較正システムは、入力部をさらに備える。入力部には、基準位置情報が入力される。基準位置情報は、油圧ショベルの外部に位置する所定の基準位置のグローバル座標系における座標を示す。較正演算部は、作業点が所定の基準位置に位置している状態で座標検出部によって検出された作業点のグローバル座標系における位置座標と、基準位置情報とに基づいて、第２パラメータの較正値を演算する。
【０００９】
本発明の第３の態様に係る油圧ショベルの較正システムは、第１又は第２の態様の油圧ショベルの較正システムであって、車体は運転室を有する。形状検出部は、運転室に取り付けられている。形状検出部は、所定の検出範囲内を移動する作業具の形状を検出する。所定の検出範囲は運転室の前方に位置する。座標検出部は、作業具が検出範囲内を移動している間に、作業点の複数の位置での位置座標を検出する。
【００１０】
本発明の第４の態様に係る油圧ショベルの較正システムは、第３の態様の油圧ショベルの較正システムであって、形状検出部は、運転室の室内に取り付けられている。
【００１１】
本発明の第５の態様に係る油圧ショベルの較正システムは、第１から第４の態様のいずれかの油圧ショベルの較正システムであって、較正演算部は、数値解析によりパラメータの較正値を演算する。
【００１２】
本発明の第６の態様に係る油圧ショベルの較正方法は、油圧ショベルにおいて、複数のパラメータを較正するための較正方法である。油圧ショベルは、車体と、作業機と、角度検出部と、現在位置演算部とを含む。作業機は、ブームと、アームと、作業具とを含む。ブームは、車体に揺動可能に取り付けられる。アームは、ブームに揺動可能に取り付けられる。作業具は、アームに揺動可能に取り付けられる。角度検出部は、車体に対するブームの揺動角と、ブームに対するアームの揺動角と、アームに対する作業具の揺動角とを検出する。現在位置演算部は、複数のパラメータに基づいて作業具に含まれる作業点の現在位置を演算する。複数のパラメータは、ブームとアームと作業具との寸法と揺動角とを示す。較正方法は、次のステップを備える。第１ステップでは、形状検出部が、作業具の形状を検出する。形状検出部は、車体に取り付けられている。第２ステップでは、第１ステップにおいて検出された作業具の形状から作業点の位置を認識して作業点の位置座標を検出する。第３ステップでは、作業点位置情報に基づいて、パラメータの較正値を演算する。作業点位置情報は、第２ステップにおいて検出された複数の位置での作業点の位置座標を示す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、形状検出部によって作業具の形状が検出される。また、座標検出部によって、作業具の形状から作業点の位置が認識され、作業点の位置座標が検出される。そして、検出された作業点の複数の位置での位置座標に基づいて、パラメータの較正値が演算される。このため、パラメータの値をメジャーテープなどの測定手段によって実測する必要がない。或いは、実測が必要なパラメータの数を低減することができる。また、位置座標の実測値と計算値とが一致するまでパラメータの値の合わせ込みを行う必要がない。これにより、第１の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、作業点の位置検出の精度を向上させることができると共に、較正作業時間を大幅に短縮することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、作業点が所定の基準位置に位置している状態で座標検出部によって検出された作業点のグローバル座標系における位置座標と、基準位置情報とに基づいて、第２パラメータの較正値が演算される。基準位置情報については、所定の基準位置のグローバル座標系における座標を予め外部装置によって計測しておくことによって、精度の高い値を得ることができる。このため、第２パラメータの較正値を精度よく演算することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、座標検出部は、作業具が検出範囲内を移動している間に、作業点の複数の位置での位置座標を検出する。このため、オペレータが作業機を操作している間に自動的に作業点の複数の位置での位置座標が検出される。或いは、作業機が自動制御によって移動している間に、自動的に作業点の複数の位置での位置座標が検出される。このため、作業点の複数の位置での位置座標を容易に取得することができる。
【００１６】
本発明の第４の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、形状検出部が運転室の室内に取り付けられているため、形状検出部が外部からの衝撃によって適正な位置からずれる恐れが少ない。このため、座標検出部が検出する作業点の位置座標の信頼性が高い。
【００１７】
本発明の第５の態様に係る油圧ショベルの較正システムでは、数値解析によりパラメータの較正値が演算される。これにより、パラメータの較正値を容易に演算することができる。
【００１８】
本発明の第６の態様に係る油圧ショベルの較正方法では、形状検出部によって作業具の形状が検出される。また、形状検出部によって検出された作業具の形状から作業点の位置が認識され、作業点の位置座標が検出される。そして、検出された作業点の複数の位置での位置座標に基づいて、パラメータの較正値が演算される。このため、パラメータの値をメジャーテープなどの測定手段によって実測する必要がない。或いは、実測が必要なパラメータの数を低減することができる。また、位置座標の実測値と計算値とが一致するまでパラメータの値の合わせ込みを行う必要がない。これにより、第６の態様に係る油圧ショベルの較正方法では、作業点の位置検出の精度を向上させることができると共に、較正作業時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの斜視図。
【図２】油圧ショベルの構成を模式的に示す図。
【図３】油圧ショベルが備える制御系の構成を示すブロック図。
【図４】設計地形の構成の一例を示す図。
【図５】案内画面の一例を示す図。
【図６】パラメータのリストを示す図。
【図７】ブームの側面図。
【図８】アームの側面図。
【図９】バケット及びアームの側面図。
【図１０】バケットの側面図。
【図１１】シリンダの長さを示すパラメータの演算方法を示す図。
【図１２】運転室の斜視図
【図１３】較正システムの操作画面の一例を示す図。
【図１４】較正システムの較正に係わる処理機能を示す機能ブロック図。
【図１５】オペレータが較正時に行う作業手順を示すフローチャート。
【図１６】第１作業点位置情報の検出方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
１．構成
１−１．油圧ショベルの全体構成
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの較正システム及び較正方法について説明する。図１は、較正システムによる較正が実施される油圧ショベル１００の斜視図である。油圧ショベル１００は、車体１と作業機２とを有する。車体１は、旋回体３と運転室４と走行体５とを有する。旋回体３は、走行体５に旋回可能に取り付けられている。旋回体３は、油圧ポンプ３７（図３参照）や図示しないエンジンなどの装置を収容している。運転室４は旋回体３の前部に載置されている。運転室４内には、後述する表示入力装置３８及び操作装置２５が配置される（図３参照）。走行体５は履帯５ａ，５ｂを有しており、履帯５ａ，５ｂが回転することにより油圧ショベル１００が走行する。
【００２１】
作業機２は、車体１の前部に取り付けられており、ブーム６とアーム７とバケット８とブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して車体１の前部に揺動可能に取り付けられている。すなわち、ブームピン１３は、ブーム６の旋回体３に対する揺動中心に相当する。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられている。すなわち、アームピン１４は、アーム７のブーム６に対する揺動中心に相当する。アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が揺動可能に取り付けられている。すなわち、バケットピン１５は、バケット８のアーム７に対する揺動中心に相当する。
【００２２】
図２は、油圧ショベル１００の構成を模式的に示す図である。図２（ａ）は油圧ショベル１００の側面図である。図２（ｂ）は油圧ショベル１００の背面図である。図２（ｃ）は油圧ショベル１００の上面図である。図２（ａ）に示すように、ブーム６の長さ、すなわち、ブームピン１３とアームピン１４との間の長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１４とバケットピン１５との間の長さは、Ｌ２である。バケット８の長さ、すなわち、バケットピン１５とバケット８の刃先Ｐとの間の長さは、Ｌ３である。
【００２３】
図１に示すブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ油圧によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０の基端部は、ブームシリンダフートピン１０ａを介して旋回体３に揺動可能に取り付けられている。また、ブームシリンダ１０の先端部は、ブームシリンダトップピン１０ｂを介してブーム６に揺動可能に取り付けられている。ブームシリンダ１０は、油圧によって伸縮することによって、ブーム６を駆動する。アームシリンダ１１の基端部は、アームシリンダフートピン１１ａを介してブーム６に揺動可能に取り付けられている。また、アームシリンダ１１の先端部は、アームシリンダトップピン１１ｂを介してアーム７に揺動可能に取り付けられている。アームシリンダ１１は、油圧によって伸縮することによって、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２の基端部は、バケットシリンダフートピン１２ａを介してアーム７に揺動可能に取り付けられている。また、バケットシリンダ１２の先端部は、バケットシリンダトップピン１２ｂを介して第1リンク部材４７の一端及び第２リンク部材４８の一端に揺動可能に取り付けられている。第1リンク部材４７の他端は、第1リンクピン４７ａを介してアーム７の先端部に揺動可能に取り付けられている。第２リンク部材４８の他端は、第２リンクピン４８ａを介してバケット８に揺動可能に取り付けられている。バケットシリンダ１２は、油圧によって伸縮することによって、バケット８を駆動する。
【００２４】
図３は、油圧ショベル１００が備える制御系の構成を示すブロック図である。ブーム６とアーム７とバケット８には、それぞれ第１〜第３角度検出部１６−１８が設けられている。第１〜第３角度検出部１６−１８は、ストロークセンサであり、各シリンダ１０−１２のストローク長さを検出することにより、車体１に対するブーム６の揺動角と、ブーム６に対するアーム７の揺動角と、アーム７に対するバケット８の揺動角とを間接的に検出する。具体的には、第１角度検出部１６は、ブームシリンダ１０のストローク長さを検出する。後述する表示コントローラ３９は、第１角度検出部１６が検出したブームシリンダ１０のストローク長さから、図２（ａ）に示す車体座標系のz軸に対するブーム６の揺動角αを演算する。第２角度検出部１７は、アームシリンダ１１のストローク長さを検出する。表示コントローラ３９は、第２角度検出部１７が検出したアームシリンダ１１のストローク長さから、ブーム６に対するアーム７の揺動角βを演算する。第３角度検出部１８は、バケットシリンダ１２のストローク長さを検出する。表示コントローラ３９は、第３角度検出部１８が検出したバケットシリンダ１２のストローク長さから、アーム７に対するバケット８の揺動角γを演算する。揺動角α，β，γの演算方法については後に詳細に説明する。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、車体１には、位置検出部１９が取り付けられている。位置検出部１９は、位置検出部１９の現在位置のグローバル座標系における座標を検出する。すなわち、位置検出部１９は、油圧ショベル１００の車体１の現在位置を検出する。具体的には、位置検出部１９は、図１に示すＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう。）用の２つのアンテナ２１，２２と、図２（ａ）に示す３次元位置センサ２３とを有する。アンテナ２１，２２は、後述する車体座標系ｘｍ−ｙｍ−ｚｍのｙｍ軸（図２（ｃ）参照）に沿って一定距離だけ離間して配置されている。アンテナ２１，２２で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号は３次元位置センサ２３に入力される。３次元位置センサ２３は、アンテナ２１，２２のグローバル座標系における現在位置を検出する。なお、グローバル座標系は、ＧＮＳＳによって計測される座標系であり、地球に固定された原点を基準とした座標系である。これに対して、後述する車体座標系は、車体１（具体的には旋回体３）に固定された原点を基準とする座標系である。アンテナ２１（以下、「基準アンテナ２１」と呼ぶ）は、車体１の現在位置を検出するためのアンテナである。アンテナ２２（以下、「方向アンテナ２２」と呼ぶ）は、車体１（具体的には旋回体３）の向きを検出するためのアンテナである。位置検出部１９は、基準アンテナ２１と方向アンテナ２２との位置によって、後述する車体座標系のｘｍ軸のグローバル座標系での方向角を検出する。なお、アンテナ２１，２２は、ＧＰＳ用のアンテナであってもよい。
【００２６】
車体１には、車体傾斜角度検出部が備えられている。車体傾斜角度検出部は、作業機２の鉛直方向に対する傾斜角を検出する。具体的には、図３に示すように、車体１には、ロール角センサ２４と、ピッチ角センサ２９とが備えられている。ロール角センサ２４は、図２（ｂ）に示すように、重力方向（鉛直線）に対する車体１の幅方向の傾斜角θ１（以下、「ロール角θ１」と呼ぶ）を検出する。なお、本実施形態において、幅方向とは、バケット８の幅方向を意味しており、車幅方向と一致している。ただし、作業機２が後述するチルトバケットを備える場合には、バケット８の幅方向と車幅方向とが一致しないことがあり得る。ピッチ角センサ２９は、図２（ａ）に示すように、重力方向に対する車体１の前後方向の傾斜角θ２（以下、「ピッチ角θ２」と呼ぶ）を検出する。
【００２７】
図３に示すように、油圧ショベル１００は、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、作業機制御装置２７と、油圧ポンプ３７と、を備える。操作装置２５は、作業機操作部材３１と、作業機操作検出部３２と、走行操作部材３３と、走行操作検出部３４と、旋回操作部材５１と、旋回操作検出部５２とを有する。作業機操作部材３１は、オペレータが作業機２を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。作業機操作検出部３２は、作業機操作部材３１の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。走行操作部材３３は、オペレータが油圧ショベル１００の走行を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。走行操作検出部３４は、走行操作部材３３の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。旋回操作部材５１は、オペレータが旋回体３の旋回を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。旋回操作検出部５２は、旋回操作部材５１の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。
【００２８】
作業機コントローラ２６は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部３５や、ＣＰＵなどの演算部３６を有している。作業機コントローラ２６は、主として作業機２の動作及び旋回体３の旋回の制御を行う。作業機コントローラ２６は、作業機操作部材３１の操作に応じて作業機２を動作させるための制御信号を生成して、作業機制御装置２７に出力する。作業機制御装置２７は、比例制御弁などの油圧制御機器を有している。作業機制御装置２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号に基づいて、油圧ポンプ３７から油圧シリンダ１０−１２に供給される作動油の流量を制御する。油圧シリンダ１０−１２は、作業機制御装置２７から供給された作動油に応じて駆動される。これにより、作業機２が動作する。また、作業機コントローラ２６は、旋回操作部材５１の操作に応じて旋回体３を旋回させるための制御信号を生成して、旋回モータ４９に出力する。これにより、旋回モータ４９が駆動され、旋回体３が旋回する。
【００２９】
１−２．表示システム２８の構成
油圧ショベル１００には、表示システム２８が搭載されている。表示システム２８は、作業エリア内の地面を掘削して後述する設計面のような形状に形成するための情報をオペレータに提供するためのシステムである。表示システム２８は、表示入力装置３８と、表示コントローラ３９とを有している。
【００３０】
表示入力装置３８は、タッチパネル式の入力部４１と、ＬＣＤなどの表示部４２とを有する。表示入力装置３８は、掘削を行うための情報を提供するための案内画面を表示する。また、案内画面には、各種のキーが表示される。オペレータは、案内画面上の各種のキーに触れることにより、表示システム２８の各種の機能を実行させることができる。案内画面については後に詳細に説明する。
【００３１】
表示コントローラ３９は、表示システム２８の各種の機能を実行する。表示コントローラ３９と作業機コントローラ２６とは、無線あるいは有線の通信手段により互いに通信可能となっている。表示コントローラ３９は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部４３と、ＣＰＵなどの演算部４４とを有している。演算部４４は、記憶部４３に記憶されている各種のデータと、位置検出部１９の検出結果とに基づいて、案内画面を表示するための各種の演算を実行する。
【００３２】
表示コントローラ３９の記憶部４３には、設計地形データが予め作成されて記憶されている。設計地形データは、３次元の設計地形の形状及び位置に関する情報である。設計地形は、作業対象となる地面の目標形状を示す。表示コントローラ３９は、設計地形データや上述した各種のセンサからの検出結果などのデータに基づいて、案内画面を表示入力装置３８に表示させる。具体的には、図４に示すように、設計地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の設計面４５によって構成されている。なお、図４では複数の設計面のうちの一部のみに符号４５が付されており、他の設計面の符号は省略されている。オペレータは、これらの設計面４５のうちの１つ、或いは、複数の設計面４５を目標面７０として選択する。表示コントローラ３９は、目標面７０の位置をオペレータに知らせるための案内画面を表示入力装置３８に表示させる。
【００３３】
２．案内画面
以下、案内画面について詳細に説明する。案内画面は、目標面７０とバケット８の刃先との位置関係を示し、作業対象である地面が目標面７０と同じ形状になるように油圧ショベル１００の作業機２を誘導するための画面である。
【００３４】
２−１．案内画面の構成
図５に案内画面５３を示す。案内画面５３は、作業エリアの設計地形と油圧ショベル１００の現在位置とを示す上面図５３ａと、目標面７０と油圧ショベル１００との位置関係を示す側面図５３ｂとを含む。
【００３５】
案内画面５３の上面図５３ａは、複数の三角形ポリゴンによって上面視による設計地形を表現している。より具体的には、上面図５３ａは、油圧ショベル１００の旋回平面を投影面として設計地形を表現している。従って、上面図５３ａは、油圧ショベル１００の真上から見た図であり、油圧ショベル１００が傾いたときには設計面４５が傾くことになる。また、複数の設計面４５から選択された目標面７０は、他の設計面４５と異なる色で表示される。なお、図５では、油圧ショベル１００の現在位置が上面視による油圧ショベルのアイコン６１で示されているが、他のシンボルによって示されてもよい。また、上面図５３ａは、油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報を含んでいる。油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報は、正対コンパス７３として表示される。正対コンパス７３は、目標面７０に対する正対方向と油圧ショベル１００を旋回させるべき方向とを示すアイコンである。オペレータは、正対コンパス７３により、目標面７０への正対度を確認することができる。
【００３６】
案内画面５３の側面図５３ｂは、目標面７０とバケット８の刃先との位置関係を示す画像と、目標面７０とバケット８の刃先との間の距離を示す距離情報８８とを含む。具体的には、側面図５３ｂは、設計面線８１と、目標面線８２と、側面視による油圧ショベル１００のアイコン７５とを含む。設計面線８１は、目標面７０以外の設計面４５の断面を示す。目標面線８２は目標面７０の断面を示す。設計面線８１と目標面線８２とは、図４に示すように、バケット８の刃先の幅方向における中点Ｐ（以下、単に「バケット８の刃先」と呼ぶ）の現在位置を通る平面７７と設計面４５との交線８０を演算することにより求められる。バケット８の刃先の現在位置を演算する方法については後に詳細に説明する。
【００３７】
以上のように、案内画面５３では、設計面線８１と、目標面線８２と、バケット８を含む油圧ショベル１００と、の相対位置関係が画像によって表示される。オペレータは、目標面線８２に沿ってバケット８の刃先を移動させることによって、現在の地形が設計地形になるように、容易に掘削することができる。
【００３８】
２−２．刃先位置の演算方法
次に、上述したバケット８の刃先位置の演算方法について詳細に説明する。表示コントローラ３９の演算部４４は、位置検出部１９の検出結果、及び、記憶部４３に記憶されている複数のパラメータに基づいて、バケット８の刃先の現在位置を演算する。図６に、記憶部４３に記憶されているパラメータのリストを示す。パラメータは、作業機パラメータと、アンテナパラメータとを含む。作業機パラメータは、ブーム６とアーム７とバケット８との寸法と揺動角とを示す複数のパラメータを含む。すなわち、作業機パラメータは、本発明の第１パラメータに相当する。アンテナパラメータは、アンテナ２１，２２と後述する車体座標系の原点との位置関係を示す複数のパラメータを含む。すなわち、アンテナパラメータは、本発明の第２パラメータに相当する。図３に示すように、表示コントローラ３９の演算部４４は、第１現在位置演算部４４ａと、第２現在位置演算部４４ｂとを有する。第１現在位置演算部４４ａは、作業機パラメータに基づいて、バケット８の刃先の車体座標系における現在位置を演算する。第２現在位置演算部４４ｂは、アンテナパラメータと、位置検出部１９が検出したアンテナ２１，２２のグローバル座標系における現在位置の座標と、第１現在位置演算部４４ａが演算したバケット８の刃先の車体座標系における現在位置の座標とから、バケット８の刃先のグローバル座標系における現在位置の座標を演算する。具体的には、バケット８の刃先の現在位置の座標は、次のように求められる。
【００３９】
まず、図２に示すように、ブームピン１３の軸と後述する作業機２の動作平面との交点を原点とする車体座標系ｘｍ−ｙｍ−ｚｍを設定する。なお、以下の説明においてブームピン１３の位置は、ブームピン１３の車幅方向における中点の位置を意味するものとする。また、第１〜第３角度検出部１６−１８の検出結果から、上述したブーム６、アーム７、バケット８の現在の揺動角α、β、γが演算される。揺動角α、β、γの演算方法については後述する。車体座標系でのバケット８の刃先の座標（ｘｍ，ｙｍ，ｚｍ）は、ブーム６、アーム７、バケット８の揺動角α、β、γと、ブーム６、アーム７、バケット８の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３とを用いて、以下の数１式により演算される。
【００４０】
【数１】
【００４１】
また、数１から求められた車体座標系でのバケット８の刃先の座標（ｘｍ，ｙｍ，ｚｍ）は、以下の数２式により、グローバル座標系での座標（X，Y，Z）に変換される。
【００４２】
【数２】
【００４３】
ただし、ω，ψ，κは以下のように表される。
【００４４】
【００４５】
ここで、上述したとおり、θ１はロール角である。θ２はピッチ角である。また、θ３は、Ｙａｗ角であり、上述した車体座標系のｘｍ軸のグローバル座標系での方向角である。従って、Ｙａｗ角θ３は、位置検出部１９によって検出された基準アンテナ２１と方向アンテナ２２との位置に基づいて演算される。（A,B,C）は、車体座標系の原点のグローバル座標系での座標である。上述したアンテナパラメータは、アンテナ２１，２２と車体座標系の原点との位置関係、すなわち、アンテナ２１，２２とブームピン１３の車幅方向における中点との位置関係を示す。具体的には、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、アンテナパラメータは、ブームピン１３と基準アンテナ２１との間の車体座標系のｘｍ軸方向の距離Lbbxと、ブームピン１３と基準アンテナ２１との間の車体座標系のｙｍ軸方向の距離Lbbyと、ブームピン１３と基準アンテナ２１との間の車体座標系のｚｍ軸方向の距離Lbbzとを含む。また、アンテナパラメータは、ブームピン１３と方向アンテナ２２との間の車体座標系のｘｍ軸方向の距離Lbdxと、ブームピン１３と方向アンテナ２２との間の車体座標系のｙｍ軸方向の距離Lbdyと、ブームピン１３と方向アンテナ２２との間の車体座標系のｚｍ軸方向の距離Lbdzとを含む。（A,B,C）は、アンテナ２１，２２が検出したグローバル座標系におけるアンテナ２１，２２の座標と、アンテナパラメータとに基づいて、演算される。
【００４６】
図４に示すように、表示コントローラ３９は、上記のように演算したバケット８の刃先Ｐの現在位置と、記憶部４３に記憶された設計地形データとに基づいて、３次元設計地形とバケット８の刃先を通る平面７７との交線８０を演算する。そして、表示コントローラ３９は、この交線８０のうち目標面７０を通る部分を上述した目標面線８２として演算する。この交線８０のうち目標面線８２以外の部分を設計面線８１として演算する。
【００４７】
２−３．揺動角α、β、γの演算方法
次に、第１〜第３角度検出部１６−１８の検出結果から、ブーム６、アーム７、バケット８の現在の揺動角α、β、γを演算する方法について説明する。
【００４８】
図７は、ブーム６の側面図である。ブーム６の揺動角αは、図７に示されている作業機パラメータを用いて、以下の数３式によって表される。
【００４９】
【数３】
【００５０】
図７に示すように、Lboom2_xは、ブームシリンダフートピン１０ａとブームピン１３との間のブーム６が取り付けられる車体２の水平方向（すなわち車体座標系のｘｍ軸方向に相当する）の距離である。Lboom2_zは、ブームシリンダフートピン１０ａとブームピン１３との間のブーム６が取り付けられる車体２の鉛直方向（すなわち車体座標系のｚｍ軸方向に相当する）の距離である。Lboom1は、ブームシリンダトップピン１０ｂとブームピン１３との間の距離である。Lboom２は、ブームシリンダフートピン１０ａとブームピン１３との間の距離である。boom_cylは、ブームシリンダフートピン１０ａとブームシリンダトップピン１０ｂとの間の距離である。Lboom１_zは、ブームシリンダトップピン１０ｂとブームピン１３との間のzboom軸方向の距離である。なお、側面視においてブームピン１３とアームピン１４とを結ぶ方向をxboom軸とし、xboom軸に垂直な方向をzboom軸とする。Lboom１_xは、ブームシリンダトップピン１０ｂとブームピン１３との間のxboom軸方向の距離である。
【００５１】
図８は、アーム7の側面図である。アーム7の揺動角βは、図７及び図８に示されている作業機パラメータを用いて、以下の数４式によって表される。
【００５２】
【数４】
【００５３】
図７に示すように、Lboom３_zは、アームシリンダフートピン１１ａとアームピン１４との間のzboom軸方向の距離である。Lboom３_xは、アームシリンダフートピン１１ａとアームピン１４との間のxboom軸方向の距離である。Lboom３は、アームシリンダフートピン１１ａとアームピン１４との間の距離である。図８に示すように、Larm２は、アームシリンダトップピン１１ｂとアームピン１４との間の距離である。図７に示すように、arm_cylは、アームシリンダフートピン１１ａとアームシリンダトップピン１１ｂとの間の距離である。図８に示すように、Larm２_xは、アームシリンダトップピン１１ｂとアームピン１４との間のxarm2軸方向の距離である。Larm２_zは、アームシリンダトップピン１１ｂとアームピン１４との間のzarm2軸方向の距離である。なお、側面視においてアームシリンダトップピン１１ｂとバケットピン１５とを結ぶ方向をxarm2軸とし、xarm2軸に垂直な方向をzarm2軸とする。Larm１_xは、アームピン１４とバケットピン１５との間のxarm2軸方向の距離である。Larm１_zは、アームピン１４とバケットピン１５との間のzarm2軸方向の距離である。また、側面視においてアームピン１４とバケットピン１５とを結ぶ方向をxarm1軸とする。アーム７の揺動角βは、ｘｍboom軸とxarm1軸との間のなす角である。
【００５４】
図９は、バケット８及びアーム７の側面図である。図１０は、バケット８の側面図である。バケット８の揺動角γは、図８から図１０に示されている作業機パラメータを用いて、以下の数５式によって表される。
【００５５】
【数５】
【００５６】
図８に示すように、Larm3_z2は、第1リンクピン４７ａとバケットピン１５との間のzarm2軸方向の距離である。Larm3_x2は、第1リンクピン４７ａとバケットピン１５との間のxarm2軸方向の距離である。図９に示すように、Ltmpは、バケットシリンダトップピン１２ｂとバケットピン１５との間の距離である。Larm４は、第1リンクピン４７ａとバケットピン１５との間の距離である。Lbucket１は、バケットシリンダトップピン１２ｂと第1リンクピン４７ａとの間の距離である。Lbucket3は、バケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間の距離である。Lbucket２は、バケットシリンダトップピン１２ｂと第２リンクピン４８ａとの間の距離である。図１０に示すように、Lbucket4_xは、バケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間のxbucket軸方向の距離である。Lbucket4_zは、バケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間のzbucket軸方向の距離である。なお、側面視においてバケットピン１５とバケット８の刃先Ｐとを結ぶ方向をxbucket軸とし、xbucket軸に垂直な方向をzbucket軸とする。バケット８の揺動角γは、xbucket軸とxarm1軸との間のなす角である。上述したLtmpは以下の数６式によって表される。
【００５７】
【数６】
【００５８】
なお、図８に示すように、Larm3は、バケットシリンダフートピン１２ａと第1リンクピン４７ａトの間の距離である。Larm3_x1は、バケットシリンダフートピン１２ａとバケットピン１５との間のxarm2軸方向の距離である。Larm3_z1は、バケットシリンダフートピン１２ａとバケットピン１５との間のzarm2軸方向の距離である。
【００５９】
また、上述したboom_cylは、図１１に示すように、第１角度検出部１６が検出したブームシリンダ１０のストローク長bssにブームシリンダオフセットboftを加えた値である。同様に、arm_cylは、第２角度検出部１７が検出したアームシリンダ１１のストローク長assにアームシリンダオフセットaoftを加えた値である。同様に、bucket_cylは、第３角度検出部１８が検出したバケットシリンダ１２のストローク長bkssにバケットシリンダ１２の最小距離を含んだバケットシリンダオフセットbkoftを加えた値である。
【００６０】
３．較正システム５０
較正システム５０は、油圧ショベル１００において、上述した揺動角α，β，γの演算、及び、バケット８の刃先の位置を演算するために必要なパラメータを較正するためのシステムである。図３に示すように、較正システム５０は、形状検出部５４と較正装置６０とを有する。
【００６１】
形状検出部５４は、ステレオカメラである。形状検出部５４は、車体１に取り付けられている。具体的には、形状検出部５４は、旋回体３に取り付けられている。図１２は、運転室４の斜視図である。図１２に示すように、形状検出部５４は、運転室４に取り付けられている。さらに具体的には、形状検出部５４は、運転室４の室内に取り付けられている。形状検出部５４は、第１カメラ部５４ａと第２カメラ部５４ｂとを有する。第１カメラ部５４ａと第２カメラ部５４ｂとは、それぞれ図示しないレンズ機構やシャッター機構などを有する。第１カメラ部５４ａと第２カメラ部５４ｂとは、運転室４内において車幅方向に間隔を空けて配置されている。形状検出部５４は、運転室４の前窓４ａの上部の後方に配置されている。形状検出部５４は、運転室４の前方に位置する所定の検出範囲Ａ１（図１６参照）内を移動するバケット８の３次元的な形状及び位置を検出する。
【００６２】
較正装置６０は、有線または無線によって表示コントローラ３９とデータ通信を行うことができる。較正装置６０は、形状検出部５４によって計測された形状情報に基づいて図６に示すパラメータの較正を行う。パラメータの較正は、例えば、油圧ショベル１００の出荷時やメンテナンス後の初期設定において実行される。図３に示すように、較正装置６０は、入力部６３と、記憶部６７と、表示部６４と、演算部６５とを有する。
【００６３】
入力部６３は、パラメータの較正処理に必要な情報が入力される部分である。入力部６３は、オペレータが上述した情報を手入力するための構成を備えており、例えば複数のキーを有する。入力部６３は、数値の入力が可能であればタッチパネル式のものであってもよい。表示部６４は、例えばLCDであり、較正を行うための操作画面が表示される部分である。図１３は、較正装置６０の操作画面の一例を示す。操作画面には、上述した情報を入力するための入力欄６６が表示される。オペレータは、入力部６３を操作することにより、操作画面の入力欄６６に上述した情報を入力する。記憶部６７は、ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリによって構成されている。記憶部６７は、パラメータの較正処理に必要な各種の情報を記憶する。記憶部６７は、入力部６３を介して入力された情報を記憶する。
【００６４】
演算部６５は、入力部６３を介して入力された情報に基づいて、パラメータの較正処理を実行する。図１４は、演算部６５の較正に係わる処理機能を示す機能ブロック図である。演算部６５は、座標検出部６５ａと、座標変換部６５ｂと、第１較正演算部６５ｃと、第２較正演算部６５ｄとの各機能を有している。オペレータが較正装置６０に較正処理の実行を指示すると、較正装置６０は図１５に示すフローチャートに基づいて、パラメータの較正処理を実行する。以下、図１４及び図１５に基づいてパラメータの較正処理について説明する。
【００６５】
まず、図１５に示すステップＳ１において、バケット８の形状が検出される。ここでは、図１４に示すように、形状検出部５４が形状情報を検出する。形状情報は、バケット８の形状及び位置を示す情報である。形状検出部５４は次のようにして形状情報を検出する。図１６は、運転室４内のオペレータから見た運転４の前方の視界を示している。図１６に示すように、オペレータは、作業機操作部材３１を操作して、バケット８の刃先を基準杭９１の上端部に向けて移動させる。このとき、旋回体３は旋回させずに走行体５に対して固定された状態を維持する。バケット８の刃先が基準杭９１に向けて移動している間に、バケット８の刃先は、形状検出部５４の検出範囲Ａ１内を通過する。バケット８の刃先が形状検出部５４の検出範囲Ａ１内を通過している間、形状検出部５４はバケット８を撮影して、形状情報を取得する。すなわち、形状情報は、バケット８を含む画像情報である。形状情報は、形状検出部５４の検出範囲Ａ１内の異なる位置でのバケット８の画像情報を含む。
【００６６】
次に、ステップＳ２において、第１作業点位置情報が検出される。ここでは、図１４に示すように、座標検出部６５ａが、形状検出部５４が検出した形状情報から第１作業点位置情報を検出する。具体的には、座標検出部６５ａは、形状情報からバケット８の刃先の位置を認識する。そして、座標検出部６５ａは、認識したバケット８の刃先の位置に基づいて刃先の位置座標を検出する。より具体的には、座標検出部６５ａは、形状検出部５４が撮影したバケット８を含む画像を解析することにより、バケット８の刃先の位置座標を演算する。座標検出部６５ａは、バケット８が形状検出部５４の検出範囲Ａ１内を移動している間に、刃先の複数の位置での位置座標を第１作業点位置情報として検出する。例えば、図１６に示すように、バケット８の刃先の第１位置Ｐ１〜第５位置Ｐ５での座標が、第１作業点位置情報として検出される。
【００６７】
ステップＳ３において、第２作業点位置情報が検出される。ここでは、図１４に示すように、座標検出部６５ａが、形状検出部５４が検出した形状情報から第２作業点位置情報を検出する。具体的には、座標検出部６５ａは、形状検出部５４が検出した形状情報からバケット８の刃先の位置を認識する。特に、図１６に示すように、バケット８の刃先の規準位置Ｐ０での座標が、第２作業点位置情報として検出される。すなわち、第２作業点位置情報は、バケット８の刃先が基準位置Ｐ０に位置している状態で座標検出部６５ａによって検出された座標である。基準位置Ｐ０は、基準杭９１の上端部に位置している。なお、図１６において、８’は、バケット８の刃先が規準位置Ｐ０に位置している状態を示している。
【００６８】
ステップＳ４において、第１作業点位置情報及び第２作業点位置情報が車体座標系に変換される。図１４に示すように、座標検出部６５ａによって検出された第１作業点位置情報及び第２作業点位置情報は、形状検出部５４によって検出された形状情報に基づいて演算されているため、形状検出部５４の座標系ｘｃ−ｙｃ−ｚｃを基準とした座標である。このため、座標変換部６５ｂは、座標変換情報を用いて、第１作業点位置情報及び第２作業点位置情報を、形状検出部５４の座標系ｘｃ−ｙｃ−ｚｃから車体座標系ｘｍ−ｙｍ−ｚｍに変換する。座標変換情報は、形状検出部５４の座標系ｘｃ−ｙｃ−ｚｃの座標を車体座標系ｘｍ−ｙｍ−ｚｍの座標に変換するための情報である。具体的には、座標変換情報は、回転行列Rと並進行列Hとを含む。回転行列Rと並進行列Hとは、形状検出部５４の取付位置及び取付姿勢などから予め演算される。座標変換情報は、例えば油圧ショベル１００の出荷時に入力部６３に入力されて、記憶部６７に保存されている。座標変換部６５ｂは、以下の数７式により、形状検出部５４の座標系ｘｃ−ｙｃ−ｚｃの座標を車体座標系ｘｍ−ｙｍ−ｚｍの座標に変換する。
【００６９】
【数７】
【００７０】
次に、ステップＳ５において、作業機パラメータの較正値が演算される。ここでは図１４に示すように、第１較正演算部６５ｃが、車体座標系に変換された第１作業点位置情報に基づいて、数値解析を用いることにより、作業機パラメータの較正値を演算する。具体的には、第１較正演算部６５ｃは、以下の数８式に示すように、最小二乗法により作業機パラメータの較正値を演算する。
【００７１】
【数８】
【００７２】
上記のｋの値は、第１作業点位置情報の第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５に相当する。従って、ｎ＝５である。（x1,z1）は、車体座標系での第１位置Ｐ１の座標である。（x2,z2）は、車体座標系での第２位置Ｐ２の座標である。（x3,z3）は、車体座標系での第３位置Ｐ３の座標である。（x4,z4）は、車体座標系での第４位置Ｐ４の座標である。（x5,z5）は、車体座標系での第５位置Ｐ５の座標である。この数８式の関数Jが最小になる点を探索していることにより、作業機パラメータの較正値が演算される。具体的には図６のリストにおいてNo.１〜２９の作業機パラメータの較正値が演算される。
【００７３】
なお、図６のリストに含まれる作業機パラメータのうち、バケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間のxbucket軸方向の距離Lbucket4_x、及び、バケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間のzbucket軸方向の距離Lbucket4_zは、バケット情報として入力部６３に入力された値が用いられる。バケット情報は、バケット８の寸法に関する情報である。オペレータは、設計値又はメジャーテープなどの計測手段によって計測した値を、バケット情報として入力部６３に入力する。
【００７４】
ステップＳ６において、アンテナパラメータの較正値が演算される。ここでは、図１４に示すように、第２較正演算部６５ｄが、基準位置情報と第２作業点位置情報とに基づいてアンテナパラメータを較正する。基準位置情報は、油圧ショベル１００の外部に位置する所定の基準位置Ｐ０のグローバル座標系の座標を示す。具体的には、基準位置情報は、上述した基準杭９１の上端部の位置のグローバル座標系の座標である。基準位置情報は、予め油圧ショベル１００の外部のＧＮＳＳ装置によって計測されている。基準位置Ｐ０は、例えば油圧ショベル１００が使用される作業現場内に配置されている。基準位置情報は、例えば、油圧ショベル１００が当該作業現場に搬送されたときに、入力部６３に入力される（図１３参照）。第２較正演算部６５ｄは、車体座標系による第２作業点位置情報を、アンテナパラメータを用いてグローバル座標系に変換する。そして、第２較正演算部６５ｄは、第２作業点位置情報として取得されたグローバル座標系による基準位置Ｐ０の座標と、基準位置情報として取得されたグローバル座標系による基準位置Ｐ０の座標との差を最小にするアンテナパラメータの補正量を、最小二乗法を用いて演算する。これにより、第２較正演算部６５ｄは、アンテナパラメータの較正値を演算する。
【００７５】
第１較正演算部６５ｃによって演算された作業機パラメータと、第２較正演算部６５ｄによって演算されたアンテナパラメータと、入力部６３に入力されたバケット情報とは、表示コントローラ３９の記憶部４３に保存され、上述した刃先位置の演算に用いられる。
【００７６】
４．特徴
本実施形態に係る油圧ショベル１００の較正システム５０は、以下のような特徴を有する。
【００７７】
形状検出部５４および座標検出部６５ａによって検出されたバケット８の刃先の複数の位置Ｐ１−Ｐ５での座標に基づいて、パラメータの較正値が数値解析により自動的に演算される。このため、実測が必要なパラメータの数を低減することができる。また、較正時に、バケット８の刃先の位置座標の実測値と計算値とが一致するまでパラメータの値の合わせ込みを行う必要がない。これにより、本実施形態に係る油圧ショベル１００の較正システム５０では、刃先の位置検出の精度を向上させることができると共に、較正作業時間を大幅に短縮することができる。
【００７８】
本実施形態に係る油圧ショベル１００では、シリンダのストローク長からブーム６とアーム７とバケット８との揺動角α、β、γを演算している。この場合、角度センサによって揺動角を演算する場合と比べて、演算に必要なパラメータが多くなる。このため、全てのパラメータをメジャーテープなどの測定手段によって測定する場合には、較正作業時間が増大してしまう。しかし、本実施形態に係る油圧ショベル１００の較正システム５０では、パラメータが数値解析により自動的に演算されるため、パラメータの数が多くなっても、較正作業時間の増大を抑えることができる。
【００７９】
バケット８の刃先の複数の位置Ｐ１−Ｐ５での座標は、形状検出部５４がバケット８を撮影して、座標検出部６５ａが撮影された画像を解析することによって、自動的に検出される。作業機２の寸法をメジャーテープを用いて計測する場合と異なり、オペレータが、作業機２に触れる必要ない。従って、安全にパラメータの較正を行うことができる。また、形状検出部５４が、移動中のバケット８を撮影することにより、バケット８の刃先の複数の位置Ｐ１−Ｐ５を連続的に検出することができる。このため、バケット８の刃先の位置Ｐ１−Ｐ５を検出するためにバケット８の動作を止める必要がない。従って、迅速にバケット８の刃先の複数の位置Ｐ１−Ｐ５での座標を検出することができる。さらに、人がバケット８の刃先の位置Ｐ１−Ｐ５を計測する場合と比べて、バケット８の刃先の位置Ｐ１−Ｐ５の検出精度が高い。このため、パラメータの較正を精度良く行うことができる。
【００８０】
形状検出部５４の車体座標系における正確な位置と姿勢とを事前に求めておくことにより、精度の高い座標変換情報を容易に取得することができる。また、座標変換情報は記憶部６７に保存されているため、座標検出部６５ａによって検出された第１作業点位置情報と第２作業点位置情報とを車体座標系に瞬時に変換することができる。このため、座標検出部６５ａによってバケット８の刃先の全ての位置Ｐ１−Ｐ５，Ｐ０での座標の検出が完了したときに、作業機パラメータとアンテナパラメータとの較正を直ちに実施することができる。
【００８１】
基準位置Ｐ０は、正確なグローバル座標系での座標が既知の点であればよい。このため、基準杭９１を、設置の容易な安全な場所に設置することができる。
【００８２】
５．他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００８３】
上記の実施形態では、作業具としてバケット８が例示されているが、バケット８以外の作業具が用いられもよい。また、作業点としてバケット８の刃先が例示されているが、作業点はバケット８の刃先以外の部分であってもよい。また、バケット８以外の作業具が用いられる場合には、作業点は、作業具の先端に位置する点など、作業対象物と接触する部分であればよい。
【００８４】
上記の実施形態ではブーム６、アーム７、バケット８の揺動角α、β、γは、シリンダのストローク長から演算されているが、傾斜計やIMU（Inertial Measurement Unit）などの角度センサによって直接的に検出されてもよい。この場合、上述した作業機パラメータの較正方法と同様の手法によって、角度センサの較正値が演算されてもよい。
【００８５】
第１作業点位置情報は、上述した５つの位置の座標に限られない。第１作業点位置情報のバケット８の刃先の位置の数は、４点以下、或いは６点以上であってもよい。ただし、較正の精度を向上させる観点からは、第１作業点位置情報のバケット８の刃先の位置は、５つ以上であることが好ましい。また、較正時にオペレータが手動で作業機２を操作するのではなく、作業機２が自動で制御されることによって第１作業点位置情報が検出されてもよい。
【００８６】
基準位置は１つに限らず、複数の基準位置が用いられてもよい。較正の精度を向上させる観点からは、複数の基準位置が較正に用いられることが好ましい。
【００８７】
上記の実施形態では、形状検出部５４はステレオカメラであるが、計測対象物の形状及び位置を検出する装置であれば３次元レーザースキャナなどの他の装置であってもよい。
【００８８】
上記の実施形態では、較正装置６０は、表示コントローラ３９とは別の装置であるが、表示コントローラ３９と一体化されてもよい。すなわち、表示コントローラ３９が較正装置６０の機能を有してもよい。
【００８９】
第１較正演算部６５ｃによって演算されるパラメータは、上記の実施形態で述べたパラメータに限られない。例えば、上述したバケット情報を含む全ての作業機パラメータが、演算によって求められてもよい。また、車体傾斜角度検出部によって検出される車体の傾斜角の較正値が演算によって求められてもよい。具体的には、上述した実施形態におけるロール角センサ２４及び／又はピッチ角センサ２９の出力の較正値が演算されてもよい。
【００９０】
上記の実施形態では、最小二乗法によってパラメータの較正値が演算されている。しかし、最小二乗法に限らず他の数学的解法によって較正値が演算されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明によれば、作業点の位置検出の精度を向上させることができると共に、較正作業時間を短縮することができる油圧ショベルの較正システム及び較正方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１・・・車体、２・・・作業機、４・・・運転室、６・・・ブーム、７・・・アーム、８・・・バケット（作業具）、１０・・・ブームシリンダ、１１・・・アームシリンダ、１２・・・バケットシリンダ（作業具シリンダ）、１６−１８・・・角度検出部、１９・・・位置検出部、４４ａ，４４ｂ・・・現在位置演算部、５０・・・較正システム、５４・・・形状検出部、６３・・・入力部、６５ａ・・・座標検出部、６５ｃ，６５ｄ・・・較正演算部、１００・・・油圧ショベル、α・・・ブームの揺動角、β・・・アームの揺動角、γ・・・バケットの揺動角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と、前記車体に揺動可能に取り付けられるブームと前記ブームに揺動可能に取り付けられるアームと前記アームに揺動可能に取り付けられる作業具とを含む作業機と、前記車体に対する前記ブームの揺動角と前記ブームに対する前記アームの揺動角と前記アームに対する前記作業具の揺動角とを検出する角度検出部と、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と前記揺動角とを示す複数のパラメータに基づいて前記作業具に含まれる作業点の現在位置を演算する現在位置演算部と、を含む油圧ショベルにおいて、前記パラメータを較正するための較正システムであって、
前記車体に取り付けられ、前記作業具の形状を検出する形状検出部と、
前記形状検出部が検出した前記作業具の形状から前記作業点の位置を認識して前記作業点の位置座標を検出する座標検出部と、
前記座標検出部によって検出された複数の位置での前記作業点の位置座標を示す作業点位置情報に基づいて、前記パラメータの較正値を演算する較正演算部と、
を備える油圧ショベルの較正システム。
【請求項２】
前記油圧ショベルは、前記車体に取り付けられる位置検出部をさらに備え、
前記位置検出部は、前記位置検出部の現在位置のグローバル座標系における座標を検出し、
前記現在位置演算部は、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と前記揺動角とを示す複数の第１パラメータに基づいて前記車体に含まれる所定位置を原点とする車体座標系における前記作業点の現在位置の座標を演算し、
前記現在位置演算部は、前記車体座標系の原点と前記位置検出部との位置関係を示す第２パラメータと、前記作業点の現在位置の車体座標系における座標と、前記位置検出部が検出した前記位置検出部の現在位置のグローバル座標系における座標とに基づいて、前記作業点の現在位置のグローバル座標系における座標を演算し、
前記油圧ショベルの較正システムは、
前記油圧ショベルの外部に位置する所定の基準位置のグローバル座標系における座標を示す基準位置情報が入力される入力部をさらに備え、
前記較正演算部は、前記作業点が前記所定の基準位置に位置している状態で前記座標検出部によって検出された前記作業点のグローバル座標系における位置座標と、前記基準位置情報とに基づいて、前記第２パラメータの較正値を演算する、
請求項１に記載の油圧ショベルの較正システム。
【請求項３】
前記車体は運転室を有し、
前記形状検出部は、前記運転室に取り付けられており、前記運転室の前方に位置する所定の検出範囲内を移動する前記作業具の形状を検出し、
前記座標検出部は、前記作業具が前記検出範囲内を移動している間に、前記作業点の複数の位置での位置座標を検出する、
請求項１又は２に記載の油圧ショベルの較正システム。
【請求項４】
前記形状検出部は、前記運転室の室内に取り付けられている、
請求項３に記載の油圧ショベルの較正システム。
【請求項５】
前記較正演算部は、数値解析により前記パラメータの較正値を演算する、
請求項１から４のいずれかに記載の油圧ショベルの較正システム。
【請求項６】
車体と、前記車体に揺動可能に取り付けられるブームと前記ブームに揺動可能に取り付けられるアームと前記アームに揺動可能に取り付けられる作業具とを含む作業機と、前記車体に対する前記ブームの揺動角と前記ブームに対する前記アームの揺動角と前記アームに対する前記作業具の揺動角とを検出する角度検出部と、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と前記揺動角とを示す複数のパラメータに基づいて前記作業具に含まれる作業点の現在位置を演算する現在位置演算部と、を含む油圧ショベルにおいて、前記パラメータを較正するための較正方法であって、
前記車体に取り付けられた形状検出部が前記作業具の形状を検出するステップと、
検出された前記作業具の形状から前記作業点の位置を認識して前記作業点の位置座標を検出するステップと、
検出された複数の位置での前記作業点の位置座標を示す作業点位置情報に基づいて、前記パラメータの較正値を演算するステップと、
を備える油圧ショベルの較正方法。
【請求項１】
車体と、前記車体に揺動可能に取り付けられるブームと前記ブームに揺動可能に取り付けられるアームと前記アームに揺動可能に取り付けられる作業具とを含む作業機と、前記車体に対する前記ブームの揺動角と前記ブームに対する前記アームの揺動角と前記アームに対する前記作業具の揺動角とを検出する角度検出部と、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と前記揺動角とを示す複数のパラメータに基づいて前記作業具に含まれる作業点の現在位置を演算する現在位置演算部と、を含む油圧ショベルにおいて、前記パラメータを較正するための較正システムであって、
前記車体に取り付けられ、前記作業具の形状を検出する形状検出部と、
前記形状検出部が検出した前記作業具の形状から前記作業点の位置を認識して前記作業点の位置座標を検出する座標検出部と、
前記座標検出部によって検出された複数の位置での前記作業点の位置座標を示す作業点位置情報に基づいて、前記パラメータの較正値を演算する較正演算部と、
を備える油圧ショベルの較正システム。
【請求項２】
前記油圧ショベルは、前記車体に取り付けられる位置検出部をさらに備え、
前記位置検出部は、前記位置検出部の現在位置のグローバル座標系における座標を検出し、
前記現在位置演算部は、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と前記揺動角とを示す複数の第１パラメータに基づいて前記車体に含まれる所定位置を原点とする車体座標系における前記作業点の現在位置の座標を演算し、
前記現在位置演算部は、前記車体座標系の原点と前記位置検出部との位置関係を示す第２パラメータと、前記作業点の現在位置の車体座標系における座標と、前記位置検出部が検出した前記位置検出部の現在位置のグローバル座標系における座標とに基づいて、前記作業点の現在位置のグローバル座標系における座標を演算し、
前記油圧ショベルの較正システムは、
前記油圧ショベルの外部に位置する所定の基準位置のグローバル座標系における座標を示す基準位置情報が入力される入力部をさらに備え、
前記較正演算部は、前記作業点が前記所定の基準位置に位置している状態で前記座標検出部によって検出された前記作業点のグローバル座標系における位置座標と、前記基準位置情報とに基づいて、前記第２パラメータの較正値を演算する、
請求項１に記載の油圧ショベルの較正システム。
【請求項３】
前記車体は運転室を有し、
前記形状検出部は、前記運転室に取り付けられており、前記運転室の前方に位置する所定の検出範囲内を移動する前記作業具の形状を検出し、
前記座標検出部は、前記作業具が前記検出範囲内を移動している間に、前記作業点の複数の位置での位置座標を検出する、
請求項１又は２に記載の油圧ショベルの較正システム。
【請求項４】
前記形状検出部は、前記運転室の室内に取り付けられている、
請求項３に記載の油圧ショベルの較正システム。
【請求項５】
前記較正演算部は、数値解析により前記パラメータの較正値を演算する、
請求項１から４のいずれかに記載の油圧ショベルの較正システム。
【請求項６】
車体と、前記車体に揺動可能に取り付けられるブームと前記ブームに揺動可能に取り付けられるアームと前記アームに揺動可能に取り付けられる作業具とを含む作業機と、前記車体に対する前記ブームの揺動角と前記ブームに対する前記アームの揺動角と前記アームに対する前記作業具の揺動角とを検出する角度検出部と、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と前記揺動角とを示す複数のパラメータに基づいて前記作業具に含まれる作業点の現在位置を演算する現在位置演算部と、を含む油圧ショベルにおいて、前記パラメータを較正するための較正方法であって、
前記車体に取り付けられた形状検出部が前記作業具の形状を検出するステップと、
検出された前記作業具の形状から前記作業点の位置を認識して前記作業点の位置座標を検出するステップと、
検出された複数の位置での前記作業点の位置座標を示す作業点位置情報に基づいて、前記パラメータの較正値を演算するステップと、
を備える油圧ショベルの較正方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−２３３３５３（Ｐ２０１２−２３３３５３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０３１１１（Ｐ２０１１−１０３１１１）
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
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