(57)【要約】  ブルドーザは、車体に固定されたＧＰＳレシーバと、アングルシリンダ長およびチルトシリンダ長の組み合わせがアングル角およびチルト角の組み合わせに対応づけられた変換テーブルを格納する角度取得部と、を備える。
2013047180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と
上下揺動可能に前記車体に取り付けられるリフトフレームと、
前記リフトフレームの先端に支持されるブレードと、
リフトシリンダと、
アングルシリンダと、
チルトシリンダと、
前記リフトシリンダのリフトシリンダ長、前記アングルシリンダのアングルシリンダ長および前記チルトシリンダのチルトシリンダ長に基づいて、リフト角、アングル角およびチルト角を取得する角度取得部と、
前記車体に固定され、自機の位置を示すＧＰＳデータを受信するＧＰＳレシーバと、
前記ＧＰＳレシーバによって受信される前記ＧＰＳデータと、前記角度取得部によって取得される前記リフト角、前記アングル角および前記チルト角に基づいて、グローバル座標系における前記ブレードの位置を取得するグローバル位置取得部と、
を備え、
前記角度取得部は、前記アングルシリンダ長および前記チルトシリンダ長の組み合わせが前記アングル角および前記チルト角の組み合わせに対応づけられた変換テーブルを格納している、
建設機械。
【請求項２】
前記変換テーブルは、前記リフトシリンダ長を前記リフト角に変換する、
請求項１に記載の建設機械。
【請求項３】
前記ＧＰＳレシーバは、前記車体上に配置される、
請求項１又は２に記載の建設機械。
【請求項４】
前記ＧＰＳレシーバは、車幅方向中央に配置される、
請求項３に記載の建設機械。
【請求項５】
前記変換テーブルは、前記車体、前記リフトフレーム、前記ブレード、前記リフトシリンダ、前記アングルシリンダおよび前記チルトシリンダの３次元モデルにおいて、前記アングルシリンダ長および前記チルトシリンダ長の組み合わせを前記アングル角および前記チルト角の組み合わせに順次対応づけることによって作成されている、
請求項１に記載の建設機械。
【請求項６】
前記車体に取り付けられる一対の履帯を含む走行装置
を備える請求項１に記載の建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレードのグローバル位置を認識可能な建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧＰＳ（Global Positioning System；全地球測位システム）を利用してグローバル座標系におけるブレードのグローバル位置を認識する手法が知られている（特許文献１参照）。特許文献１の手法では、自機のグローバル位置を示すＧＰＳデータに基づくブレードのグローバル位置の算出負荷を軽減することを目的として、ＧＰＳデータを受信するＧＰＳレシーバは、車体上ではなくブレード上に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１４１９５５号公報
【発明の概要】
【０００４】
（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、特許文献１の手法では、ＧＰＳレシーバがブレード上に配置されているため、ブレードの振動が直接ＧＰＳレシーバに伝わることによって正確なＧＰＳデータを受信できないおそれがある。また、ブレードによって跳ね上げられる土砂などからＧＰＳレシーバを保護する必要がある。一方で、ＧＰＳレシーバを車体上に配置すれば、ブレードのグローバル位置を演算するために、車体とブレードの間に設けられる複数のシリンダの長さを考慮する必要があるので、システム上の処理負荷が増大してしまう。
【０００５】
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、ＧＰＳレシーバを保護しつつＧＰＳデータを精度良く受信できるとともにブレードのグローバル位置を簡便に演算可能な建設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）
第１の態様に係る建設機械は、車体と、上下揺動可能に車体に取り付けられるリフトフレームと、リフトフレームの先端に支持されるブレードと、リフトシリンダと、アングルシリンダと、チルトシリンダと、リフトシリンダのリフトシリンダ長、アングルシリンダのアングルシリンダ長およびチルトシリンダのチルトシリンダ長に基づいて、リフト角、アングル角およびチルト角を取得する角度取得部と、車体に固定され、自機の位置を示すＧＰＳデータを受信するＧＰＳレシーバと、ＧＰＳレシーバによって受信されるＧＰＳデータと、角度取得部によって取得されるリフト角、アングル角およびチルト角に基づいて、グローバル座標系におけるブレードの位置を取得するグローバル位置取得部と、を備える。角度取得部は、アングルシリンダ長およびチルトシリンダ長の組み合わせがアングル角およびチルト角の組み合わせに対応づけられた変換テーブルを格納している。
【０００６】
第１の態様に係る建設機械によれば、ブレードの振動が直接ＧＰＳレシーバに伝わることを抑制できるので、ＧＰＳレシーバにおいてＧＰＳデータを精度良く受信することができる。また、ブレードによって跳ね上げられる土砂などからＧＰＳレシーバを保護できる。さらに、複雑な幾何計算によってアングルシリンダ長およびチルトシリンダ長からアングル角およびチルト角をその都度算出する場合に比べて、アングル角およびチルト角を極めて簡易に取得することができる。そのため、建設機械における処理負荷を低減することができる。
【０００７】
第２の態様に係る建設機械は、第１の態様に係り、変換テーブルは、リフトシリンダ長をリフト角に変換する。
【０００８】
第２の態様に係る建設機械によれば、リフトシリンダ長からリフト角を算出する必要がなくなるので、処理負荷をさらに低減することができる。
【０００９】
第３の態様に係る建設機械は、第１又は第２の態様に係り、ＧＰＳレシーバは、車体上に配置される。
【００１０】
第３の態様に係る建設機械によれば、ＧＰＳレシーバが車体の陰に隠れることを抑制できるので、ＧＰＳデータをより精度良く受信することができる。
【００１１】
第４の態様に係る建設機械は、第３の態様に係り、ＧＰＳレシーバは、車幅方向中央に配置される。
【００１２】
第５の態様に係る建設機械は、第１の態様に係り、変換テーブルは、車体、リフトフレーム、ブレード、リフトシリンダ、アングルシリンダおよびチルトシリンダの３次元モデルにおいて、アングルシリンダ長およびチルトシリンダ長の組み合わせをアングル角およびチルト角の組み合わせに順次対応づけることによって作成されている。
【００１３】
第６の態様に係る建設機械は、第１の態様に係り、車体に取り付けられる一対の履帯を含む走行装置を備える。
（発明の効果）
本発明によれば、ＧＰＳレシーバを保護しつつＧＰＳデータを精度良く受信できるとともにブレードのグローバル位置を簡便に演算可能な建設機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ブルドーザの全体構成を示す側面図
【図２Ａ】ブレードの側面図
【図２Ｂ】ブレードの上面図
【図２Ｃ】ブレードの正面図
【図３】ブレード位置認識システムの構成を示すブロック図
【図４】リフト角の算出方法を説明するための模式図
【図５】シリンダ長と角度との関係を示す変換テーブル
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１６】
以下、「建設機械」の一例であるブルドーザについて、図面を参照しながら説明する。以下の説明において、「上」「下」「前」「後」「左」「右」とは、運転席に着座したオペレータを基準とする用語である。
【００１７】
《ブルドーザ１００の全体構成》
図１は、実施形態に係るブルドーザ１００の全体構成を示す側面図である。
【００１８】
ブルドーザ１００は、車体１０と、走行装置２０と、リフトフレーム３０と、ブレード４０と、リフトシリンダ５０と、アングルシリンダ６０と、チルトシリンダ７０と、ＧＰＳレシーバ８０と、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）９０と、を備える。また、ブルドーザ１００は、ブレード位置認識システム２００を搭載している。ブレード位置認識システム２００の構成および動作については後述する。
【００１９】
車体１０は、運転室１１とエンジン室１２とを有する。運転室１１には、図示しないシートや各種操作装置が内装される。エンジン室１２は、運転室１１の前方に配置される。
【００２０】
走行装置２０は、一対の履帯（図１において、左側の履帯のみ図示）によって構成され、車体１０の下部に取り付けられている。一対の履帯が回転することによってブルドーザ１００は走行する。
【００２１】
リフトフレーム３０は、車幅方向において走行装置２０の内側に配置される。リフトフレーム３０は、車幅方向に平行な軸Ｘ（「第１軸」の一例）を中心として上下揺動可能に車体１０に取り付けられる。リフトフレーム３０は、球関節部３１と、ピッチ支持リンク３２と、支柱部３３とを介してブレード４０を支持している。
【００２２】
ブレード４０は、車体１０の前方に配置される。ブレード４０は、球関節部３１に連結される自在継手４１と、ピッチ支持リンク３２に連結されるピッチング継手４２とを介して、リフトフレーム３０に支持されている。ブレード４０は、リフトフレーム３０の上下揺動に伴って上下に移動する。ブレード４０の下端部には、整地時や掘削時に地面に挿入される刃先４０Ｐが形成されている。
【００２３】
リフトシリンダ５０は、車体１０とリフトフレーム３０とに連結される。リフトシリンダ５０が伸縮することによって、リフトフレーム３０は、軸Ｘを中心として上下揺動される。
【００２４】
アングルシリンダ６０は、リフトフレーム３０とブレード４０とに連結される。アングルシリンダ６０が伸縮することによって、ブレード４０は、自在継手４１およびピッチング継手４２それぞれの回動中心を通る軸Ｙ（「第２軸」の一例）を中心として揺動される。
【００２５】
チルトシリンダ７０は、リフトフレーム３０の支柱部３３とブレード４０の右上端部とに連結される。チルトシリンダ７０が伸縮することによって、ブレード４０は、球関節部３１とピッチ支持リンク３２の下端部とを結んだ軸Ｚ（「第３軸」の一例）を中心として揺動される。
【００２６】
ＧＰＳレシーバ８０は、車体１０上において車幅方向中央に配置される。車幅方向とは、運転席に着座したオペレータを基準とする左右方向である。ＧＰＳレシーバ８０は、ＧＰＳ（Global Positioning System；全地球測位システム）用のアンテナである。ＧＰＳレシーバ８０は、自機のグローバル位置を示すＧＰＳデータを受信する。ＧＰＳレシーバ８０は、受信したＧＰＳデータを後述するグローバル位置取得部２３０（図３参照）に送信する。
【００２７】
ＩＭＵ９０は、前後左右方向における車体傾斜角を示す車体傾斜角データを取得する。ＩＭＵ９０は、車体傾斜角データをグローバル位置取得部２３０に送信する。
【００２８】
ここで、図２は、ブルドーザ１００の構成を示す模式図である。具体的に、図２Ａは、ブレード４０の側面図であり、図２Ｂは、ブレード４０の上面図であり、図２Ｃは、ブレード４０の正面図である。また、図２Ａ〜図２Ｃでは、リフトフレーム３０の原点位置が二点鎖線で示されている。リフトフレーム３０が原点位置に位置する場合、ブレード４０の刃先４０Ｐは水平面に接地する。
【００２９】
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、ブルドーザ１００は、リフトシリンダセンサ５０Ｓと、アングルシリンダセンサ６０Ｓと、チルトシリンダセンサ７０Ｓと、を備える。リフトシリンダセンサ５０Ｓ、アングルシリンダセンサ６０Ｓおよびチルトシリンダセンサ７０Ｓそれぞれは、ロッドの位置を検出するための回転ローラと、ロッドの位置を原点復帰するための磁力センサと、によって構成されている。
【００３０】
図２Ａに示すように、リフトシリンダセンサ５０Ｓは、リフトシリンダ５０のストローク長さ（以下、「リフトシリンダ長Ｌ１」という。）を検出して、後述する角度取得部２１０（図３参照）に送信する。角度取得部２１０は、リフトシリンダ長Ｌ１に基づいてブレード４０のリフト角θ１を取得する。本実施形態に係るリフト角θ１は、ブレード４０の原点位置からの下降角度、すなわち、刃先４０Ｐの地中への貫入深さに対応している。リフト角θ１の算出方法については後述する。
【００３１】
図２Ｂに示すように、アングルシリンダセンサ６０Ｓは、アングルシリンダ６０のストローク長さ（以下、「アングルシリンダ長Ｌ２」という。）を検出して角度取得部２１０に送信する。図２Ｃに示すように、チルトシリンダセンサ７０Ｓは、チルトシリンダ７０のストローク長さ（以下、「チルトシリンダ長Ｌ３」という。）を検出して角度取得部２１０に送信する。角度取得部２１０は、アングルシリンダ長Ｌ２およびチルトシリンダ長Ｌ３に基づいて、ブレード４０のアングル角θ２およびチルト角θ３を取得する。
【００３２】
なお、本実施形態において、リフト角θ１は、リフトシリンダ長Ｌ１のみから算出可能である一方で、アングル角θ２は、アングルシリンダ長Ｌ２のみからは算出不可であり、チルト角θ３は、チルトシリンダ長Ｌ３のみからは算出不可である。これは、図２Ｂに示すように、アングルシリンダ６０のストローク長さを変更した場合、チルトシリンダ７０のストローク長さが一定でも、アングル操作に伴ってチルト動作が発生することに起因する。
【００３３】
《ブレード位置認識システム２００の構成》
図３は、実施形態に係るブレード位置認識システム２００の構成を示すブロック図である。
【００３４】
ブレード位置認識システム２００は、上述のリフトシリンダセンサ５０Ｓ、アングルシリンダセンサ６０Ｓ、チルトシリンダセンサ７０Ｓ、ＧＰＳレシーバ８０、ＩＭＵ９０に加えて、角度取得部２１０、ローカル位置取得部２２０およびグローバル位置取得部２３０を備える。
【００３５】
角度取得部２１０は、リフトシリンダ５０のリフトシリンダ長Ｌ１、アングルシリンダ６０のアングルシリンダ長Ｌ２およびチルトシリンダ７０のチルトシリンダ長Ｌ３に基づいて、軸Ｘ周りのリフト角θ１（図２Ａ参照）、軸Ｙ周りのアングル角θ２（図２Ｂ参照）および軸Ｚ周りのチルト角θ３（図２Ｃ参照）を取得する。
【００３６】
また、図３に示すように、角度取得部２１０は、リフト角幾何計算部２１１と、変換部２１２とを有する。
【００３７】
リフト角幾何計算部２１１は、リフトシリンダ長Ｌ１に基づいてリフト角θ１を算出する。ここで、図４は、図２（Ａ）の部分拡大図であり、リフト角θ１の算出方法を説明するための模式図である。図４に示すように、リフトシリンダ５０は、前側回動軸１０１においてリフトフレーム３０に回動可能に取り付けられており、後側回動軸１０２において車体１０に回動可能に取り付けられている。図４において、鉛直線１０３は、上下方向に沿った直線であり、原点指示線１０４は、ブレード４０の原点位置を示す直線である。また、第１長さＬａは、前側回動軸１０１とリフトフレーム３０の軸Ｘとを結ぶ直線の長さであり、第２長さＬｂは、後側回動軸１０２とリフトフレーム３０の軸Ｘとを結ぶ直線の長さである。さらに、第１角度θａは、軸Ｘを頂点として前側回動軸１０１と後側回動軸１０２とが成す角度であり、第２角度θｂは、軸Ｘを頂点として前側回動軸１０１とリフトフレーム３０の上辺とが成す角度であり、第３角度θｃは、軸Ｘを頂点として後側回動軸１０２と鉛直線１０３が成す角度である。第１長さＬａ、第２長さＬｂ、第２角度θｂおよび第３角度θｃは固定値であり、角度取得部２１０は、これらの固定値を記憶している。なお、第２角度θｂおよび第３角度θｃの単位はラジアンであるものとする。
【００３８】
まず、リフト角幾何計算部２１１は、余弦定理に基づく式（１）及び式（２）を用いて第１角度θａを算出する。
【００３９】
Ｌ１２＝Ｌａ２+Ｌｂ２−２ＬａＬｂ×cos（θａ）  ・・・（１）
θａ＝cos−１（(Ｌａ２+Ｌｂ２−Ｌ１２)/２ＬａＬｂ）  ・・・（２）
次に、リフト角幾何計算部２１１は、式（３）を用いてリフト角θ１を算出する。
【００４０】
θ１＝θａ+θｂ−θｃ−π/２  ・・・（３）
続いて、リフト角幾何計算部２１１は、算出したリフト角θ１をローカル位置取得部２２０に出力する。
【００４１】
変換部２１２は、アングルシリンダ長Ｌ２とチルトシリンダ長Ｌ３の組み合わせがアングル角θ２およびチルト角θ３の組み合わせに対応づけられた変換テーブルを格納している。図５は、変換部２１２が格納する変換テーブルの一例である。このような変換テーブルを参照することによって、変換部２１２は、アングル角θ２およびチルト角θ３を取得する。変換部２１２は、取得したアングル角θ２およびチルト角θ３をローカル位置取得部２２０に出力する。
【００４２】
なお、上述の変換テーブルは、車体１０、リフトフレーム３０、ブレード４０、リフトシリンダ５０、アングルシリンダ６０およびチルトシリンダ７０の３次元モデルにおいて、アングルシリンダ長Ｌ２とチルトシリンダ長Ｌ３の組み合わせをアングル角θ２およびチルト角θ３の組み合わせに順次対応づけることによって作成することができる。すなわち、ブルドーザ１００の３次元モデルデータを用いて、アングルシリンダ長Ｌ２とチルトシリンダ長Ｌ３の組み合わせを様々に変更しながら、アングル角θ２とチルト角θ３の組み合わせを３次元モデル解析ソフト上で演算することによって変換テーブルを作成することができる。
【００４３】
ただし、変換テーブルは、ブルドーザ１００の実機上における対応づけによって作成されてもよい。具体的には、ブルドーザ１００の実機を用いて、アングルシリンダ長Ｌ２とチルトシリンダ長Ｌ３との組み合わせを少しずつ実際に変更しながら、アングル角θ２とチルト角θ３との組み合わせを実測することによっても変換テーブルを作成することができる。
【００４４】
ローカル位置取得部２２０は、角度取得部２１０からリフト角θ１、アングル角θ２およびチルト角θ３を取得する。また、ローカル位置取得部２２０は、ブルドーザ１００全体の車体寸法データを記憶している。ローカル位置取得部２２０は、リフト角θ１、アングル角θ２、チルト角θ３および車体寸法データを考慮して、車体１０を基準とする座標系（以下、「ローカル座標系」という。）における刃先４０Ｐの位置（以下、「ローカル位置」という。）を取得する。ローカル位置取得部２２０は、ローカル位置をグローバル位置取得部２３０に出力する。
【００４５】
グローバル位置取得部２３０は、ローカル位置取得部２２０からローカル位置を取得する。また、グローバル位置取得部２３０は、ＧＰＳレシーバ８０からＧＰＳデータを取得し、ＩＭＵ９０から車体傾斜角データを取得する。グローバル位置取得部２３０は、ローカル位置、ＧＰＳデータおよび車体傾斜角データに基づいて、グローバル座標系における刃先４０Ｐの位置（以下、「グローバル位置」という。）を取得する。すなわち、グローバル位置取得部２３０は、刃先４０Ｐのローカル位置をグローバル位置に変換する。これによって、ブレード位置認識システム２００は、ブレード４０（刃先４０Ｐ）のグローバル位置を認識することができる。
【００４６】
なお、図示しないが、ブルドーザ１００は、掘削対象の目標形状を示す設計面とグローバル位置とを対応させることによって、設計面に対する刃先４０Ｐの相対位置を取得できる。このような相対位置を用いて、ブルドーザ１００は、設計面に刃先４０Ｐを追従させる周知の整地制御を実行することができる。
【００４７】
《作用および効果》
（１）ブルドーザ１００（建設機械の一例）は、車体１０に固定されたＧＰＳレシーバ８０を備える。
【００４８】
従って、ブレード４０の振動が直接ＧＰＳレシーバ８０に伝わることを抑制できるので、ＧＰＳレシーバ８０においてＧＰＳデータを精度良く受信することができる。また、ブレード４０によって跳ね上げられる土砂などからＧＰＳレシーバ８０を保護できる。
【００４９】
また、ブルドーザ１００は、アングルシリンダ長Ｌ２とチルトシリンダ長Ｌ３の組み合わせがアングル角θ２およびチルト角θ３の組み合わせに対応づけられた変換テーブルを格納する角度取得部２１０を備える。
【００５０】
従って、複雑な幾何計算によってアングルシリンダ長Ｌ２とチルトシリンダ長Ｌ３からアングル角θ２およびチルト角θ３をその都度算出する場合に比べて、アングル角θ２およびチルト角θ３を極めて簡易に取得することができるので、処理負荷を低減することができる。
【００５１】
以上より、本実施形態に係るブルドーザ１００によれば、ＧＰＳレシーバ８０を保護しつつＧＰＳデータを精度良く受信できるとともに刃先４０Ｐのグローバル位置を簡便に演算することができる。
【００５２】
（２）ブルドーザ１００において、ＧＰＳレシーバ８０は、車体１０上に配置されている。従って、ＧＰＳレシーバ８０が車体１０の陰に隠れることを抑制できるので、ＧＰＳデータをより精度良く受信することができる。
【００５３】
《その他の実施形態》
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、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。
【００５４】
（Ａ）上記実施形態において、角度取得部２１０が格納する変換テーブルは、アングルシリンダ長Ｌ２およびチルトシリンダ長Ｌ３の組み合わせがアングル角θ２およびチルト角θ３の組み合わせに対応づけられていることとしたが、これに限られるものではない。変換テーブルでは、リフトシリンダ長Ｌ１、アングルシリンダ長Ｌ２およびチルトシリンダ長Ｌ３の組み合わせがリフト角θ１、アングル角θ２およびチルト角θ３の組み合わせに対応づけられていてもよい。これによって、リフトシリンダ長Ｌ１からリフト角θ１を算出する必要が無くなるので、処理負荷をさらに低減することができる。
【００５５】
（Ｂ）上記実施形態において、ＧＰＳレシーバ８０は、車体１０上において車幅方向中央に配置されることとしたが、これに限られるものではない。ＧＰＳレシーバ８０は、例えばエンジン室１２上などに配置されていてもよい。
【００５６】
（C）上記実施形態では、図５に示す変換テーブルを用いてシリンダ長を角度に変換することとしたが、図５に示されていないシリンダ長から角度を求める場合には、補間計算を行えばよい。すなわち、図５に示されている２つのシリンダ長の間のシリンダ長を角度に変換する場合には、２つのシリンダ長に対応する２つの角度を用いて所望の角度を算出することができる。
【００５７】
（D）上記実施形態では、「建設機械」としてブルドーザを例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、モータグレーダなどであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の建設機械は、ＧＰＳレシーバを保護しつつＧＰＳデータを精度良く受信できるとともにブレードのグローバル位置を簡便に演算可能なため、建設機械分野に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
３０…リフトフレーム
４０…ブレード
５０…リフトシリンダ
６０…アングルシリンダ
７０…チルトシリンダ
２１０…角度取得部
８０…ＧＰＳレシーバ
２３０…グローバル位置取得部
【図１】
2013047180.tif 000003
【図２Ａ】
2013047180.tif 000004
【図２Ｂ】
2013047180.tif 000005
【図２Ｃ】
2013047180.tif 000006
【図３】
2013047180.tif 000007
【図４】
2013047180.tif 000008
【図５】
2013047180.tif 000009
【国際調査報告】
2013047180.tif 000010
2013047180.tif 000011
2013047180.tif 000012
2013047180.tif 000013