(57)【要約】【課題】建設機械の作業点位置の演算精度を保持するため、あらゆる施工現場で較正作業を作業者が容易に行えるようにすること。【解決手段】第１作業点位置演算部４０ｂは、基準線５１上の複数の基準点に作業点２３が位置するように作業機３を動作させたとき、複数の基準点での作業点２３の位置を算出する。較正値演算部４９ｂは、第１作業点位置演算部４０ｂが算出した複数の基準点での作業点２３の位置が基準線５１の一次方程式を充足し得ることを利用して、角度変換パラメータ（αｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋ）、寸法パラメータ（Ｌｂｍ，Ｌａｍ，Ｌｂｋ）及び直線パラメータ（傾きｔａｎθ及び切片Ｚｌｉｎｅ）の較正値を算出する。パラメータ更新部４９ｃは、較正値演算部４９ｂで算出された較正値を角度演算部４０ａ及び第１作業点位置演算部４０ｂのうち該当する演算部での演算に反映させる。【選択図】  図３
2018168584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両本体と、
前記車両本体に取り付けられ、複数のフロント部材からなる多関節型の作業機と、
前記複数のフロント部材の角度をそれぞれ検出する複数の角度センサと、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記複数の角度センサの出力信号と角度変換パラメータに基づいて、前記複数のフロント部材の角度を算出する角度演算部と、
前記角度演算部で算出された前記複数のフロント部材の角度、及び、前記複数のフロント部材の寸法パラメータに基づいて、前記作業機に任意に設定した作業点の前記作業機の動作平面における位置を算出する第１作業点位置演算部とを有する建設機械において、
前記第１作業点位置演算部は、前記動作平面上に設定された直線状の基準線上の複数の位置に前記作業点が位置するように前記作業機を動作させたとき、前記複数の位置での前記作業点の位置を算出し、
前記制御装置は、
前記第１作業点位置演算部が算出した前記複数の位置での前記作業点の位置に基づいて、前記角度変換パラメータ、前記寸法パラメータ及び前記基準線のパラメータの較正値を算出する較正値演算部と、
前記較正値演算部で算出された前記較正値を前記角度演算部及び前記第１作業点位置演算部のうち該当する演算部での演算に反映させるパラメータ更新部とを備えること
を特徴とする建設機械。
【請求項２】
前記動作平面をＸＺ平面と定義し、
前記第１作業点位置演算部は、前記基準線上の複数の位置に前記作業点が位置するように前記作業機を動作させたとき、前記基準線上の複数の位置での前記作業点の第１Ｘ座標及び第１Ｚ座標を算出し、
前記制御装置は、
前記第１作業点位置演算部が算出した前記複数の位置での前記作業点の第１Ｘ座標を前記基準線の式に入力することで、前記複数の位置での前記作業点の第２Ｚ座標を算出する第２作業点位置演算部をさらに備え、
前記較正値演算部は、前記複数の位置のうち同じ位置での前記第１Ｚ座標と前記第２Ｚ座標の乖離度を示す評価値が最小化するように、前記角度変換パラメータ、前記寸法パラメータ及び前記基準線のパラメータの較正値を算出すること
を特徴とする建設機械。
【請求項３】
請求項２の建設機械において、
水平面に対する前記車両本体の傾斜角度を算出する傾斜角度センサをさらに備え、
前記第２作業点位置演算部は、前記基準線の水平面に対する勾配と前記傾斜角度の差分を前記基準線の傾きとして設定し、その傾きを設定した基準線の式と、前記第１作業点位置演算部が算出した前記複数の位置での前記作業点の第１Ｘ座標とから、前記複数の位置での前記作業点の第２Ｚ座標を算出し、
前記較正値演算部は、前記複数の位置のうち同じ位置での前記第１Ｚ座標と前記第２Ｚ座標の前記評価値が最小化するように、前記角度変換パラメータの較正値と、前記基準線の切片を算出し、
前記パラメータ更新部は、前記較正値演算部で算出された前記角度パラメータの較正値を前記角度演算部での演算に反映させること
を特徴とする建設機械。
【請求項４】
請求項２の建設機械において、
前記建設機械に取り付けられ、前記基準線として、水平面に対して所定の勾配を有する基準線を作成する基準線作成装置をさらに備え、
前記第２作業点位置演算部は、前記所定の勾配を前記基準線の傾きとして設定し、その傾きを設定した基準線の式と、前記第１作業点位置演算部が算出した前記複数の位置での前記作業点の第１Ｘ座標とから、前記複数の位置での前記作業点の第２Ｚ座標を算出し、
前記較正値演算部は、前記複数の位置のうち同じ位置での前記第１Ｚ座標と前記第２Ｚ座標の前記評価値が最小化するように、前記角度変換パラメータの較正値を算出し、
前記パラメータ更新部は、前記較正値演算部で算出された前記角度パラメータの較正値を前記角度演算部での演算に反映させること
を特徴とする建設機械。
【請求項５】
請求項２の建設機械において、
前記第２作業点位置演算部は、前記第１作業点位置演算部が算出した前記複数の位置での前記作業点の第１Ｘ座標と、前記基準線の式とから、前記複数の位置での前記作業点の第２Ｚ座標を算出し、
前記較正値演算部は、前記複数の位置のうち同じ位置での前記第１Ｚ座標と前記第２Ｚ座標の前記評価値が最小化するように、前記複数のフロント部材のうち先端に位置する先端フロント部材の角度変換パラメータと寸法パラメータの較正値と、前記基準線の傾きと切片とを算出し、
前記パラメータ更新部は、前記較正値演算部で算出された前記先端フロント部材の角度変換パラメータ及び寸法パラメータの較正値を前記角度演算部及び第１作業点位置演算部での演算に反映させること
を特徴とする建設機械。
【請求項６】
請求項１の建設機械において、
前記基準線上の複数の位置に前記作業点が位置するように前記作業機を動作させた全ての場合の前記複数の角度センサの出力値を表示する表示装置をさらに備えること
を特徴とする建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は作業機を有する油圧ショベル等の建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベル等の建設機械は、ブーム、アーム及びバケット（作業具）などの複数のフロント部材から成る作業機と建設機械の移動を行うための走行装置を有し、オペレータは操作レバーを操作することにより、作業機や走行装置を動作させることができる。
【０００３】
施工現場における建設機械の作業は設計図面などにより決められており、目的通りの操作を行うためには、オペレータの目視による状況判断だけでは困難なため、丁張りや水糸などの目印を施工現場に設置することで、目標作業面をオペレータに教示していた。
【０００４】
ところで、丁張りや水糸は広大な施工現場に数多く設置するために手間がかかり、その上、目標通りに施工を行うためにはオペレータの技量を必要とした。このことから、近年では、建設機械にフロント部材用の角度センサや油圧シリンダ用のストロークセンサといった姿勢検出手段を設けて、検出した姿勢情報と作業機の寸法を元に作業点（例えばバケットの爪先）の現在位置を演算し、得られた作業点の現在位置と目標作業面との距離を図や数値で画面に表示するマシンガイダンスと呼ばれるシステムが普及し、オペレータへ容易に作業内容を把握させることが可能となった。
【０００５】
演算された作業点の現在位置の精度は、前述した姿勢情報や作業機の寸法などのパラメータに影響を受ける。精度低下の原因には、例えば、姿勢検出に用いるセンサの個体差や経年による特性変化、作業機の分解・再組立時のセンサ取り付け位置のずれによる姿勢情報の変化、フロント部材の製造誤差やガタ、塑性変形による寸法変化などがある。このため建設機械の出荷時や作業開始前など、作業点の現在位置について演算値と真値が一致するように前述のパラメータを定期的に較正することで、演算値の精度を保持する必要がある。
【０００６】
そこで、外部計測装置によって計測された実測値を真値とし、その実測値に基づき建設機械のパラメータを較正する技術が提案されている（例として、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５８２３０４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されている技術は、外部計測装置を用いて前述のパラメータを較正する。しかし、一般に外部計測装置は高精度なほど高価であり、取扱いに専門知識が不可欠であるため、限られた作業者しか較正作業が行なえない。また、外部計測装置は、建設機械が使用されるあらゆる現場で設置可能であるとは限らないことから、作業開始前の較正には不向きである。
【０００９】
本発明の目的は、建設機械の作業点位置の演算精度を保持するため、あらゆる施工現場で較正作業を作業者が容易に行えるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、車両本体と、前記車両本体に取り付けられ、複数のフロント部材からなる多関節型の作業機と、前記複数のフロント部材の角度をそれぞれ検出する複数の角度センサと、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記複数の角度センサの出力信号と角度変換パラメータに基づいて、前記複数のフロント部材の角度を算出する角度演算部と、前記角度演算部で算出された前記複数のフロント部材の角度、及び、前記複数のフロント部材の寸法パラメータに基づいて、前記作業機に任意に設定した作業点の前記作業機の動作平面における位置を算出する第１作業点位置演算部とを有する建設機械において、前記第１作業点位置演算部は、前記動作平面上に設定された直線状の基準線上の複数の位置に前記作業点が位置するように前記作業機を動作させたとき、前記複数の位置での前記作業点の位置を算出し、前記制御装置は、前記第１作業点位置演算部が算出した前記複数の位置での前記作業点の位置に基づいて、前記角度変換パラメータ、前記寸法パラメータ及び前記基準線のパラメータの較正値を算出する較正値演算部と、前記較正値演算部で算出された前記較正値を前記角度演算部及び前記第１作業点位置演算部のうち該当する演算部での演算に反映させるパラメータ更新部とを備えることとする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、あらゆる施工現場で容易に較正作業を行えるので、建設機械の作業点位置の演算精度を保持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】較正システムが搭載される油圧ショベル１の側面図。
【図２】油圧ショベル１の座標系及び寸法を簡略的に示す図。
【図３】油圧ショベル１に搭載されている車体制御システム２８、表示システム２９及び較正システム３０の概略構成図。
【図４】第１実施形態における較正処理のフローチャート。
【図５】第１実施形態において３種類の較正姿勢を取る油圧ショベル１の側面図。
【図６】作業機３に較正姿勢をとらせる際、作業者の操作を補助する表示装置１８の表示例。
【図７】第２実施形態に係る油圧ショベルの側面図。
【図８】第３実施形態における較正処理のフローチャート。
【図９】第３実施形態に係る油圧ショベルの側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る建設機械の較正システムについて油圧ショベルを例にとって説明する。
【００１４】
＜第１実施形態＞
第１の実施形態では、施工現場等でバケット爪先を位置させる直線（基準線５１）を定義する装置である基準線作成装置として、水平面に対する勾配計測機能を備えたポイントレーザー照射器４７（図５参照）を利用している。
【００１５】
図１は、本発明に係る較正システムが搭載される油圧ショベル１の側面図である。油圧ショベル１は、上部旋回体４及び下部走行体５を有する車両本体２と、上部旋回体４に取り付けられ、複数のフロント部材（リンク部材）６，７，８からなる多関節型の作業機（フロント作業機）３を備える。
【００１６】
作業機３は、ブームピン１９を介して上部旋回体４に回動可能に取り付けられたブーム６と、アームピン２０を介してブーム６の先端に回動可能に取り付けられたアーム７と、バケットピン２１を介してアーム７の先端に回動可能に取り付けられたバケット８とを備える。そして作業機３は、これらブーム６、アーム７及びバケット８を駆動するための油圧シリンダ（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及びバケットシリンダ１１を備える。本稿では、バケット８を、複数のフロント部材６，７，８からなる作業機３の先端に位置することから、「先端フロント部材」と称することがある。
【００１７】
下部走行体５は、左側の走行モータ１５ａ及び右側の走行モータ１５ｂと、この走行モータ１５ａ，１５ｂによりそれぞれ駆動される左右の履帯（無限軌道）１４ａ、１４ｂとを備える。走行モータ１５ａ，１５ｂが駆動されて履帯１４ａ，１４ｂが回転することで油圧ショベル１が走行する。下部走行体５としては図示のクローラ式のものに限らず複数の車輪を有するホイール式のものも利用可能である。
【００１８】
上部旋回体４は、下部走行体５の上部に旋回輪１６を介して旋回可能に取り付けられており、旋回駆動装置（旋回モータ）１３により旋回駆動される。上部旋回体４には、運転室１２と、油圧アクチュエータの作動油を吐出する油圧ポンプ（図示せず）と、その油圧ポンプを駆動するための原動機（例えば、エンジン、モータ）（図示せず）と、車体制御コントローラ３１、表示コントローラ３７及び較正コントローラ４５を含むコンピュータ等の装置が搭載されている。
【００１９】
運転室１２の中には、操作量に応じた操作信号を出力する車体操作装置１７と、種々の情報が表示される表示装置（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等）１８が設けられている。オペレータが車体操作装置１７を操作することにより操作信号が出力され、その操作信号を基にブームシリンダ９、アームシリンダ１０、バケットシリンダ１１、旋回駆動装置１３、走行モータ１５ａ、１５ｂをそれぞれ駆動させることが可能である。
【００２０】
本実施形態では車体操作装置１７として、ブーム６の上げ・下げとバケット８のダンプ・クラウドをそれぞれ指示するための第１操作レバーと、アーム７のダンプ・クラウドと上部旋回体４の左・右旋回をそれぞれ指示するための第２操作レバーと、走行モータ１５ａの正転・逆転を指示するため第１走行レバーと、走行モータ１５ｂの正転・逆転を指示するための第２走行レバー（いずれも図示せず）の複数のレバーを備えたものが搭載されている。第１操作レバーと第２操作レバーは２複合のマルチ機能操作レバーで、第１操作レバーの前後操作がブーム６の上げ・下げ、左右操作がバケット８のクラウド・ダンプ、第２操作レバーの前後操作がアーム７のダンプ・クラウド、左右操作が上部旋回体４の左・右回転に対応している。レバーを斜め方向に操作すると、該当する２つのアクチュエータが同時に動作する。第１走行レバーと第２走行レバーは単機能操作レバーで、第１走行レバーの前後操作が走行モータ１５ａの正転・逆転、第２走行レバーの前後操作が走行モータ１５ｂの正転・逆転に対応している。
【００２１】
車体操作装置１７には、第１及び第２操作レバー及び第１及び第２走行レバーの操作量を検出して、その検出信号を車体制御コントローラ３１へ送る操作量検出器（図示せず）が設けられている。
【００２２】
図２は油圧ショベル１の座標系及び寸法を簡略的に示す図である。  
油圧ショベル１の座標系｛Ｘｆ，Ｙｆ，Ｚｆ｝はブームピン１９の中心を原点とする。Ｚｆ軸は旋回輪１６の中心軸と平行にとり、上向きを正とする。Ｘｆ軸はバケット爪先２２（作業点２３）が可動する平面上（動作平面上）でＺｆ軸と垂直にとり、上部旋回体４の前方向を正とする。図示しないＹｆ軸は右手系に従ってとる。これによりＹｆ軸は図２の紙面に垂直な軸で、紙面の表側が正となる。
【００２３】
ブーム６の長さＬｂｍはブームピン１９からアームピン２０までの長さであり、アーム７の長さＬａｍはアームピン２０からバケットピン２１までの長さであり、バケット８の長さＬｂｋはバケットピン２１からバケット爪先２２までの長さである。バケット爪先２２における幅方向の中心を作業点２３とする。ブーム６、アーム７、バケット８の回動方向は、Ｙｆ軸周りで反時計回り方向を正とする。なお、作業点２３はバケット８の幅方向の点であれば幅方向の中心以外の点に設定しても良い。
【００２４】
油圧ショベル１には、作業機３を構成する複数のフロント部材６，７，８の角度をそれぞれ検出する角度センサとして、第１回転角度センサ２５、第２回転角度センサ２６および第３回転角度センサ２７が設けられている。
【００２５】
上部旋回体４に取り付けられた第１回転角度センサ２５は、例えば、ロータリーポテンショメータであり、上部旋回体４に対するブーム６の相対角度θｂｍをアナログ信号Ｖｂｍとして検出する。ブーム６に取り付けられた第２回転角度センサ２６は、例えば、ロータリーポテンショメータであり、ブーム６に対するアーム７の相対角度θａｍをアナログ信号Ｖａｍとして検出する。アーム７に取り付けられた第３回転角度センサ２７は、例えば、ロータリーポテンショメータであり、アーム７に対するバケット８の相対角度θｂｋをアナログ信号Ｖｂｋとして検出する。
【００２６】
上部旋回体４に取り付けられた前後傾斜角センサ２４は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ）であり、Ｙｆ軸周りの重力方向に対するＺｆ軸の角度θｐｉｔｃｈを検出する。角度θｐｉｔｃｈは反時計回り方向を正とする。
【００２７】
図３は、油圧ショベル１に搭載されている車体制御システム２８、表示システム２９及び較正システム３０の概略構成図である。
【００２８】
［車体制御システム２８］
車体制御システム２８は、車体操作装置１７、車体制御コントローラ（制御装置）３１、油圧制御装置３２、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１３、走行モータ１５ａ、１５ｂを有している。
【００２９】
車体制御コントローラ３１は、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器やデジタル入出力装置などで構成される入出力部３５と、ＣＰＵなどの演算部３６と、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部（図示せず）を有するコンピュータである。
【００３０】
車体制御コントローラ３１の入出力部３５は、車体操作装置１７と油圧制御装置３２より信号を入力し、演算部３６へ送る、また、演算部３６の演算結果を油圧制御装置３２へ送る。
【００３１】
車体制御コントローラ３１の演算部３６は、車体操作装置１７の操作量検出器が送る操作量や油圧制御装置３２の状態量に基づき、油圧制御装置３２への指令値を演算する。
【００３２】
油圧制御装置３２は、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１３及び走行モータ１５ａ、１５ｂの各アクチュエータを駆動するために、配分する作動油量を制御する装置であり、例えば、エンジン、エンジンによって駆動される油圧ポンプ、各油圧アクチュエータに供給される作動油の流量・方向を制御する油圧制御弁などで構成される。油圧制御装置３２は、車体制御コントローラ３１で演算された指令値に基づいて油圧アクチュエータ９−１１，１３，１５を制御する。
【００３３】
［表示システム２９］
表示システム２９は、表示コントローラ３７、表示操作装置３８、前後傾斜角センサ２４、第１〜３回転角度センサ２５−２７を有している。
【００３４】
表示コントローラ３７は、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器やデジタル入出力装置などの入出力部３９と、ＣＰＵなどの演算部４０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）と、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部４１を有するコンピュータである。
【００３５】
表示コントローラ３７の入出力部３９は、表示操作装置３８より操作情報を、前後傾斜角センサ２４及び第１〜第３回転角度センサ２５−２７のそれぞれよりアナログ信号（出力信号）を、較正コントローラ４２から較正されたパラメータを入力し、演算部４０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）へ送る。また、演算部４０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）の演算結果を表示操作装置３８や較正コントローラ４２へ送る。
【００３６】
表示コントローラ３７の演算部４０は、記憶部４１に格納されたプログラムに基づいて、角度演算部４０ａ、第１作業点位置演算部４０ｂ及び作業情報演算部４０ｃとして機能する。
【００３７】
表示コントローラ３７の記憶部４１は、角度変換パラメータ、車体寸法パラメータ、目標面情報を記憶している。角度変換パラメータには、第１〜第３回転角度センサ２５−２７のアナログ信号を角度へ変換する式の係数（αｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋ（後述））が含まれる。車体寸法パラメータには、前述したブーム６の長さＬｂｍ、アーム７の長さＬａｍ、バケット８の長さＬｂｋが含まれる。目標面情報には、油圧ショベル１が作業対象とする平面のＸｆ−Ｚｆ平面における断面の座標情報が少なくとも１つ含まれる。
【００３８】
［角度演算部４０ａ］
角度演算部４０ａは、入出力部３９より入力された第１〜第３回転角度センサ２５−２７のアナログ信号Ｖｂｍ，Ｖａｍ，Ｖｂｋを角度θｂｍ，θａｍ，θｂｋへ変換する。例えば、アナログ信号Ｖｂｍ，Ｖａｍ，Ｖｂｋを角度θｂｍ，θａｍ，θｂｋへ変換する演算は1次方程式で行われる。本実施形態の角度演算部４０ａは、以下の式（１）〜（３）により、第１〜第３回転角度センサ２５−２７のアナログ信号Ｖｂｍ，Ｖａｍ，Ｖｂｋと、このアナログ信号を角度θｂｍ，θａｍ，θｂｋに変換するために記憶部４１に記憶された角度変換パラメータαｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋとに基づいて角度θｂｍ，θａｍ，θｂｋを算出する。  
2018168584.tif 000003
【００３９】
［第１作業点位置演算部４０ｂ］
第１作業点位置演算部４０ｂは、油圧ショベル１の座標系｛Ｘｆ，Ｙｆ，Ｚｆ｝における作業点２３の位置Ｐｄ＝［Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ］を演算する。この演算は、角度演算部３１ａより求めた角度（θｂｍ、θａｍ、θｂｋ）と、記憶部４１に記憶された車体寸法パラメータ（Ｌｂｍ，Ｌａｍ，Ｌｂｋ）とに基づいて、以下の式（４）〜（６）により実行される。本稿では、後述する第２作業点位置演算部４９ｂで演算される作業点２３の座標と区別するために、第１作業点位置演算部４０ｂで演算された作業点２３の座標［Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ］をそれぞれ第１Ｘｆ座標、第１Ｙｆ座標、第１Ｚｆ座標と称することがある。
2018168584.tif 000004
【００４０】
作業情報演算部４０ｃは、表示操作装置３８による操作情報、第１作業点位置演算部４０ｂによる演算結果、記憶部４１に記憶された目標面情報に基づき、作業点２３と目標面の位置関係を示す数値情報や表示情報を演算する。
【００４１】
表示操作装置３８は、操作部４３と表示部４４を有している。操作部４３は、例えばスイッチである。作業者はこのスイッチを操作することで、表示装置１８に表示される表示情報の切り替えや、表示コントローラ３７の記憶部４１が記憶する目標面情報の設定を行う。表示部４４は、例えば液晶ディスプレイであり、作業者が作業内容を確認するために演算部４０の演算結果が表示される。
【００４２】
［較正システム３０］
較正システム３０は、作業点２３の位置演算の際に角度演算部４０ａ及び第１作業点位置演算部４０ｂで利用されるパラメータ（角度変換パラメータ及び寸法パラメータ等）を較正することで第１〜第３回転角度センサ２５−２７の較正するシステムであり、較正コントローラ４５と、較正操作装置４６と、基準線作成装置４７を備えている。
【００４３】
［基準線作成装置４７］
基準線作成装置４７は、図５に示すように、較正作業時に作業点２３を位置させる直線である基準線５１を生成し、その基準線５１の水平面に対する角度θｌｉｎｅを取得可能な装置である。基準線作成装置４７としては、例えば、水平面を基準とした勾配計測機能を備えたポイントレーザー照射器が利用できる。照射されるレーザーは、ポイントレーザーだけでなく、ラインレーザーでも良い。後者の場合、運転室１２内の作業者から常に基準線５１が視認可能になるので、基準線５１上に作業点２３を位置させ易い。本実施形態では図５に示すように基準線作成装置４７を三脚で地面に固定して基準線５１を生成しており、油圧ショベル１に定義されたＸｆ−Ｚｆ平面における基準線５１の傾きは傾斜角センサ２４で検出したθｐｉｔｃｈとθｌｉｎｅの差分の正接（ｔａｎ（θｌｉｎｅ−θｐｉｔｃｈ））で定義される。
【００４４】
較正操作装置４６は、操作部５２と表示部５３を有している。操作部５２は、例えばスイッチである。作業者はこのスイッチを操作することで、表示装置１８に表示される表示情報の切り替えや、表示コントローラ３７の記憶部４１が記憶する角度変換パラメータ及び車体寸法パラメータの設定・更新、較正コントローラ４５の記憶部５０が記憶する基準線５１の情報の設定、油圧ショベル１が作業点２３を基準線５１上に位置させる較正姿勢を取った時の確認等を行う。表示部５３は、例えば液晶ディスプレイやスピーカであり、作業者に示す較正作業手順の内容や演算部４９の演算結果を表示する。
【００４５】
［較正コントローラ４５］
較正コントローラ４５は、デジタル入出力装置などの入出力部４８、ＣＰＵなどの演算部４９、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部５０を有するコンピュータである。
【００４６】
較正コントローラ４５の入出力部４８は、表示コントローラ３７の演算部４０による演算結果や表示コントローラ３７の記憶部４１が記憶する角度変換パラメータ及び車体寸法パラメータ等を入力し、演算部４９へ送る。また、入出力部４８は演算部４９の演算結果を適宜表示コントローラ３７へ送り表示装置１８に表示させる。
【００４７】
較正コントローラ４５の記憶部５０は、基準線情報を記憶している。基準線情報は、基準線５１をＸｆ−Ｚｆ平面上に定義するために必要な情報であり、Ｘｆ−Ｚｆ平面において基準線５１を示す式（ＸｆとＺｆの一次方程式（式（１１）参照））や、Ｘｆ−Ｚｆ平面における基準線５１の傾き（ｔａｎθ）と切片（Ｚｌｉｎｅ）を含む直線パラメータを含んでいる。基準線５１としては、基準線５１上の複数の位置に作業点２３が位置するようにフロント作業機３を移動させることができるものであれば、任意の直線がＸｆ−Ｚｆ平面で選択可能である。本実施形態の基準線情報には、基準線５１の水平面に対するＹｆ軸周りの角度θｌｉｎｅが含まれている。角度θｌｉｎｅは、Ｙｆ軸周りの反時計回りを正とし、基準線作成装置４７の出力から取得できる。
【００４８】
較正コントローラ４５の演算部４９は、記憶部５０に格納されたプログラムに基づいて、第２作業点位置演算部４９ａ、較正値演算部４９ｂ及びパラメータ更新部４９ｃとして機能する。
【００４９】
［第２作業点位置演算部４９ａ］
第２作業点位置演算部４９ａは、基準線５１上の任意の点（「基準点」と称する）に作業点２３を位置させたときに第1作業点位置演算部４０ｂが算出した作業点２３の第１Ｘｆ座標を、基準線５１の式（ＸｆとＺｆの一次方程式）に入力することで作業点２３の第２Ｚｆ座標を算出する部分である。
【００５０】
［較正値演算部４９ｂ］
較正値演算部４９ｂは、第１作業点位置演算部４０ｂが算出した複数の基準点での作業点２３の座標値（第１Ｘｆ座標、第１Ｚｆ座標）と基準線５１の式（ＸｆとＺｆの一次方程式）とに基づいて、角度変換パラメータ、寸法パラメータ及び直線パラメータに含まれる任意のパラメータの較正値を算出する部分である。より具体的には、較正値演算部４９ｂは、第１作業点位置演算部４０ｂが算出した複数の基準点での作業点２３の座標値（第１Ｘｆ座標、第１Ｚｆ座標）が基準線５１の式（ＸｆとＺｆの一次方程式）を満たし得ることを利用して上記のパラメータの較正値を算出する。本実施形態では角度変換パラメータαｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋと、基準線５１の切片Ｚｌｉｎｅの較正値を算出している。
【００５１】
［パラメータ更新部４９ｃ］
パラメータ更新部４９ｃは、較正値演算部４９ｂで算出された任意のパラメータの較正値を角度演算部４０ａ及び第１作業点位置演算部４０ｂのうち該当する演算部での演算に反映させる処理を行う部分である。
【００５２】
［較正処理のフローチャート］
図４は、第１実施形態における較正処理のフローチャートであり、較正するパラメータを角度変換パラメータαｂｍ，βｂｍ，αａｍ，βａｍ，αｂｋ，βｂｋとした場合の演算処理の一例を示している。
【００５３】
まず、ステップＳ１において、演算部４９は、αｂｍ，βｂｍ，αａｍ，βａｍ，αｂｋ，βｂｋの初期値を設定する。設定する初期値は、第１〜第３回転角度センサ２５−２７の仕様値や取付図面などから得られる角度変換パラメータの理論値である。なお、αｂｍ，βｂｍ，αａｍ，βａｍ，αｂｋ，βｂｋの値が設定済みの場合、ステップＳ１は省略可能である。
【００５４】
ステップＳ２において、演算部４９は、基準線作成装置４７から得られる基準線５１の水平面に対する角度θｌｉｎｅを入力することを作業者に促すメッセージを表示装置１８に表示する。そして、較正操作装置４６の操作部５２を介して作業者が入力した角度θｌｉｎｅを入力するとともに、このときのＹｆ軸周りの重力方向に対する車体Ｚｆ軸の傾斜角度θｐｉｔｃｈを前後傾斜角センサ２４から取得する。
【００５５】
ステップＳ３において、演算部４９は、複数回の較正姿勢で測定値を取得するためのステップＳ４−Ｓ６の繰り返し処理を開始する。繰り返し処理の回数Ｎは、較正値を算出するパラメータの数と同じ回数が少なくとも必要である。本実施形態では、較正値を算出するパラメータは角度変換パラメータが６つと基準線５１のＺｆ切片が１つであるから、Ｎ≧７であれば良い。本実施形態ではＮ＝７とする。
【００５６】
ステップＳ４において、演算部４９は、作業機３で較正姿勢をとること、そして、その状態で操作部５２を操作することを作業者に促すメッセージを表示装置１８に表示する。較正姿勢は作業点２３を基準線５１上に位置させる任意の作業機３の姿勢である。
【００５７】
図５は、３種類の較正姿勢を取る油圧ショベル１の側面図である。図５の全ての較正姿勢は作業点２３が基準線５１上に位置している。Ｎ回のうち作業機３が取る全ての較正姿勢はそれぞれ異なっていなければならない。
【００５８】
図６は、作業者がステップＳ４で操作装置１７を操作して作業機３に較正姿勢をとらせる際、作業者の操作を補助する表示装置１８の表示例である。この表示画面では、前回までのステップＳ４−Ｓ６の繰り返し処理中に、基準線５１上の複数の位置に作業点２３が位置するように作業機３を動作させて取得した第１〜第３回転角度センサ２５−２７のアナログ信号Ｖｂｍ［ｐ］、Ｖａｍ［ｐ］、Ｖｂｋ［ｐ］の出力値（電圧値）が全て表示されている。ブーム６、アーム７、バケット８のうち１つを駆動させなくても全て異なる較正姿勢を取れるが、ブーム６、アーム７、バケット８はそれぞれの可動範囲内で大きく動かした方が可動範囲全体で最適化できる。そのため、図６に示すように、前回までの繰り返し処理で取得した第１〜第３回転角度センサ２５−２７のアナログ信号の電圧値を０〜５ボルトまでのアナログゲージ上に破線で表示し、現在のアナログ信号の電圧値を実線の矢印でゲージ上に表示するとともにゲージの下部にデジタル表示することで、Ｎ回の較正姿勢でブーム６、アーム７、バケット８の姿勢をそれぞれ異ならせることを補助している。
【００５９】
ステップＳ５では、作業者が車体操作装置１７によりブーム６、アーム７、バケット８を駆動して較正姿勢をとらせたタイミングで操作部５２を操作し、演算部４９はその操作部５２の操作をトリガーにしてｐ（１≦ｐ≦Ｎ）回目の繰り返し処理における第１〜第３回転角度センサ２５−２７のアナログ信号Ｖｂｍ［ｐ］、Ｖａｍ［ｐ］、Ｖｂｋ［ｐ］を測定する。
【００６０】
ステップＳ６において、演算部４９はステップＳ３から始まった繰り返し処理がＮ回行われた否かを判定する。ここで、繰り返し処理がＮ回行われたと判定された場合、繰り返し処理を終了しステップＳ７へ進み、それ以外の場合はｐを１増やし、ステップＳ３に戻り、繰り返し処理を続ける。
【００６１】
ステップＳ７では、演算部４９は、較正するパラメータと基準線５１のＺｆ切片を非線形最小二乗法により求めるためのステップＳ８−１３までの繰り返し処理を開始する。繰り返し処理は、後述する条件を満足するまで行われる。
【００６２】
ステップＳ８では、角度演算部４０ａは、Ｎ回の第１〜第３回転角度センサ２５−２７のアナログ信号の測定値に対し、式（１）〜（３）と同じ角度演算を行い、ブーム６、アーム７、バケット８の角度演算値θｂｍ［ｐ］、θａｍ［ｐ］、θｂｋ［ｐ］(１≦ｐ≦Ｎ)をそれぞれ求める。
【００６３】
ステップＳ９では、第１作業点位置演算部４０ｂは、ステップＳ８のＮ回の角度演算値に対し、式（４）、（６）と同じ作業点位置演算を行い、Ｘｆ−Ｚｆ平面における作業点位置演算値Ｘｄ［ｐ］、Ｚｄ［ｐ］(１≦ｐ≦Ｎ)をそれぞれ求める。
【００６４】
ステップＳ１０では、第２作業点位置演算部４９ｂは、較正の要否判定を行う。較正の要否判定は、一旦較正「要」と判断された後は省略が可能である。基準線５１上に存在するはずの作業点位置演算値について、基準線５１の座標に対して誤差が大きければ較正が必要と判断し、誤差が小さければ較正は不要と判断する。以下、ステップＳ１０の較正要否判定の詳細を説明する。
【００６５】
Ｘｆ−Ｚｆ平面において、基準線５１上の点（Ｘｂ、Ｚｂ）の取り得る値を示す一次方程式は、以下の式（１１）で表される。ただし、Ｚｌｉｎｅは図５に示す基準線５１のＸｆ−Ｚｆ平面におけるＺｆ切片であり、その初期値は（Ｘｂ，Ｚｂ）＝（Ｘｄ［１］，Ｚｄ［１］）とし、式（１１）を変形して求めた数値とする。
2018168584.tif 000005
【００６６】
第２作業点位置演算部４９ｂは、すべてのｐ(１≦ｐ≦Ｎ)に対して、第１Ｘｆ座標（Ｘｄ［ｐ］）を式（１１）に入力することで、第２Ｚｆ座標を算出する。
【００６７】
作業点位置演算値の許容高さ誤差をΔＺとおくと、すべてのｐ(１≦ｐ≦Ｎ)に対して、以下の式（１２）を満足する場合（すなわち、第１Ｚｆ座標（Ｚｄ［ｐ］）と第２Ｚｆ座標の差分の大きさがΔＺを越えない場合）、較正は不要と判断し、図４のフローチャートを終了する。反対に、いずれかのｐで式（１２）を満足しない場合には較正が必要と判断し、ステップＳ１１に進んで較正値演算部４９ｃにより較正値を演算する。
2018168584.tif 000006
【００６８】
ステップＳ１１−１３では、較正値演算部４９ｃは、基準線５１上の同じ基準点における第１Ｚｆ座標と第２Ｚｆ座標の乖離度（離れ度合）を示す評価値（後述の「評価式Ｆ」）が最小化するように、数値解析により較正対象の角度変換パラメータと基準線５１のＺｆ切片を算出する。以下、ステップＳ１１−１３の処理について詳述する。
【００６９】
ステップＳ１１では、較正値演算部４９ｃは、作業点位置演算値（第１Ｚｆ座標）と基準線５１（第２Ｚｆ座標）の評価関数Ｆを求める。評価関数Ｆは、作業点位置演算値と基準線５１の残差二乗和とし、以下の式（１３）を実行する。
2018168584.tif 000007
【００７０】
ステップＳ１２において、較正値演算部４９ｃは、評価関数Ｆを最小化するように、較正する角度変換パラメータと基準線５１のＺｆ切片を更新する演算を行う。例えば、最急降下法を用いることとする。ｑ(１≦ｑ)回目の繰り返し処理における、較正するパラメータと基準線５１のＺｆ切片をベクトルＶ［ｑ］＝［αｂｍ  βｂｍ  αａｍ  βａｍ  αｂｋ  βｂｋ  Ｚｌｉｎｅ］にまとめる。残差二乗和ＦとベクトルＶ［ｑ］よりヤコビアンＪを求めるため、較正値演算部４９ｃは以下の式（１４）を実行する。
2018168584.tif 000008
【００７１】
偏微分は差分法などの離散化手法により演算する。ヤコビアンＪと収束速度を決めるパラメータである学習率η（η＞０）より、次の繰り返し処理で用いられる更新されたベクトルＶ［ｑ＋１］を求めるため、以下の式（１５）を実行する。
2018168584.tif 000009
【００７２】
ステップＳ１３において、較正値演算部４９ｃは収束判定を行う。ベクトルＶ［ｑ］の要素をｖｋ［ｑ］（１≦ｋ≦７）とし、収束判定閾値をτｖとし、較正値演算部４９ｃは以下の式（１６）を実行する。
2018168584.tif 000010
【００７３】
式（１６）の条件を満たす場合はステップＳ１４へ進む。反対に式（１６）の条件を満たさず、かつ、繰り返し処理が設定した時間を超過した場合はステップＳ１５に進む。それ以外の場合は、ｑを１増やしてステップＳ８へ戻り、繰り返し処理を続ける。
【００７４】
ステップＳ１４では、パラメータ更新部４９ｃは、収束したベクトルＶ［ｑ＋１］から較正したパラメータαｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋを抜き出し、較正コントローラ４５の入出力部４８を介して表示コントローラ３７の記憶部４１に記憶し、角度演算部４０ａの演算式（１）〜（３）に反映し、図４のフローチャートを終了する。
【００７５】
ステップＳ１５では、演算部４９は、ベクトルＶ［ｑ＋１］は未収束と判定し、最後の繰り返し処理の演算結果から未収束の原因を判定し、判定した原因から対処方法が判る場合には較正操作装置４６の表示部５３に対処方法を表示し、図４のフローチャートを終了する。
【００７６】
［動作・効果］
以上のように構成された油圧ショベルにおいて角度センサ２５−２７の較正作業が必要になった場合、まず作業者は基準線作成装置４７を施工現場等に設置してバケット８の爪先２２が届く範囲に基準線５１を作成し、基準線５１の勾配である角度θｌｉｎｅを取得する。そして、油圧ショベルに搭乗して操作部５２を介して作業者が基準線５１の角度θｌｉｎｅを入力すると、これと前後傾斜角センサ２４で検出された傾斜角度θｐｉｔｃｈの差分によりＸｆ−Ｚｆ平面における基準線５１の傾き（勾配）が定義される。
【００７７】
その後、作業者が車両操作装置１７で作業機３を操作して爪先２２（作業点２３）を基準線５１上に位置させた状態で操作部５２を操作して各角度センサ２５−２７から出力されるアナログ信号Ｖｂｍ，Ｖａｍ，Ｖｂｋを測定する。作業点２３が基準線５１上に在るか否かの確認は、基準線作成装置４７から出力されるポイントレーザーがバケット８上の作業点２３に照射されていることを作業者が目視で確認することにより行う。これを異なる較正姿勢で７回（Ｎ回）繰り返す。その際、作業者が表示装置１８に表示される図６の画面を参照することで、７回の較正姿勢でブーム６、アーム７、バケット８の姿勢をそれぞれ異ならせることができる。
【００７８】
７回のアナログ信号計測が完了すると、較正コントローラ４５が、作業点２３の座標値（第１Ｚｆ座標）と基準線５１の一次方程式（第２Ｚｆ座標）の誤差が０に近づくように数値解析することで角度変換パラメータαｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋと切片Ｚｌｉｎｅの較正値を算出する。その後、算出された較正値で角度演算部４０ａが利用する各パラメータが更新されて較正が自動的に完了する。
【００７９】
以上のように、本実施形態によれば、基準線５１上の複数の基準点に作業点２３を合わせることで、作業点２３の座標値と基準線５１の一次方程式の誤差が０に近づくように数値解析がなされ自動的にパラメータが較正される。このため、較正作業に際して作業点２３の位置座標を実測等する必要がなく、較正作業時間を大幅に短縮できる。
【００８０】
また、本実施形態によれば、基準線作成装置４７の設置作業と、基準線５１上の複数の基準点に作業点２３を合わせる作業は一人の作業者によって滞りなく実施可能である。このため、較正に掛かる人員を他の作業に配置することができ、施工現場全体の作業効率の向上にも資することができる。
【００８１】
＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態との相違点は、基準線作成装置４７により作成される基準線５１の勾配が既知であるだけでなく位置も既知である点である。
【００８２】
図７は第２実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。本実施形態の基準線作成装置４７は、第１実施形態と同様にポイントレーザー照射器であるが、油圧ショベル１に取り付けられた治具を介して油圧ショベル１に固定されている。これにより基準線作成装置４７は油圧ショベル１の座標系｛Ｘｆ，Ｙｆ，Ｚｆ｝において常に一定の位置、姿勢で存在することになるので、基準線情報としてＸｆ−Ｚｆ平面における基準線５１のＸｆ軸に対するＹｆ軸周りの角度θ’ｌｉｎｅ（すなわち基準線５１の傾き）とＺｆ切片Ｚｌｉｎｅが既知となり第１実施形態よりも較正値の演算が容易になる。
【００８３】
本実施形態の油圧ショベルのハードウェア構成は上記の点を除いて第１実施形態と同じであり、以下では異なる部分について説明する。本実施形態で較正するパラメータは、第1実施形態と同様、角度変換パラメータαｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋとし、フローチャートの流れも図４と同じとなる。ここでは図４を参照しながら、フローチャート中の処理（ステップ）で第１実施形態と異なるものを主に説明し、以下で説明しない処理（ステップ）は第１実施形態と同じ処理を行うものとする。
【００８４】
ステップＳ２では、演算部４９は、記憶部５０に予め記憶されている基準線５１の油圧ショベル１の座標系に対する角度θ’ｌｉｎｅと基準線５１のＺｆ切片Ｚｌｉｎｅを入力する。
【００８５】
ステップＳ３において、演算部４９は、複数回の較正姿勢で測定値を取得するためのステップＳ４−Ｓ６の繰り返し処理を開始する。本実施形態では、較正値を算出するパラメータは角度変換パラメータが６つであるから、Ｎ≧６であれば良い。本実施形態ではＮ＝６とする。
【００８６】
ステップＳ１０において、第２作業点位置演算部４９ｂは、較正の要否判定を行う。以下、本実施形態でのステップＳ１０の較正要否判定の詳細を説明する。
【００８７】
Ｘｆ−Ｚｆ平面において、基準線５１上の点（Ｘｂ、Ｚｂ）の取り得る値を示す一次方程式は、以下の式（２１）で表される。
2018168584.tif 000011
【００８８】
作業点位置演算値の許容高さ誤差をΔＺとおくと、すべてのｐ(１≦ｐ≦Ｎ)に対して、以下の式（２２）を満足する場合（すなわち、第１Ｚｆ座標（Ｚｄ［ｐ］）と第２Ｚｆ座標の差分の大きさがΔＺを越えない場合）、較正は不要と判断し、図４のフローチャートを終了する。反対に、いずれかのｐで式（２２）を満足しない場合には較正が必要と判断し、ステップＳ１１に進んで較正値演算部４９ｃにより較正値を演算する。
2018168584.tif 000012
【００８９】
ステップＳ１１では、較正値演算部４９ｃは、作業点位置演算値（第１Ｚｆ座標）と基準線５１（第２Ｚｆ座標）の評価関数Ｆを求める。評価関数Ｆは、作業点位置演算値と基準線５１の残差二乗和とし、以下の式（２３）を実行する。
2018168584.tif 000013
【００９０】
ステップＳ１２において、較正値演算部４９ｃは、評価関数Ｆを最小化するように、較正する角度変換パラメータを更新する演算を行う。例えば、最急降下法を用いることとする。ｑ(１≦ｑ)回目の繰り返し処理における、較正するパラメータをベクトルＶ［ｑ］＝［αｂｍ  βｂｍ  αａｍ  βａｍ  αｂｋ  βｂｋ］にまとめる。残差二乗和ＦとベクトルＶ［ｑ］よりヤコビアンＪを求めるため、較正値演算部４９ｃは以下の式（２４）を実行する。
2018168584.tif 000014
【００９１】
偏微分は差分法などの離散化手法により演算する。ヤコビアンＪと収束速度を決めるパラメータである学習率η（η＞０）より、次の繰り返し処理で用いられる更新されたベクトルＶ［ｑ＋１］を求めるため、以下の式（２５）を実行する。
2018168584.tif 000015
【００９２】
ステップＳ１３において、較正値演算部４９ｃは収束判定を行う。ベクトルＶ［ｑ］の要素をｖｋ［ｑ］（１≦ｋ≦６）とし、収束判定閾値をτｖとし、較正値演算部４９ｃは以下の式（２６）を実行する。
2018168584.tif 000016
【００９３】
式（２６）の条件を満たす場合はステップＳ１４へ進む。反対に式（２６）の条件を満たさず、かつ、繰り返し処理が設定した時間を超過した場合はステップＳ１５に進む。それ以外の場合は、ｑを１増やしてステップＳ１６へ戻り、繰り返し処理を続ける。
【００９４】
ステップＳ１４において、パラメータ更新部４９ｃは、収束したベクトルＶ［ｑ＋１］から較正したパラメータαｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋを抜き出し、較正コントローラ４５の入出力部４８を介して表示コントローラ３７の記憶部４１に記憶し、角度演算部４０ａの演算式（１）〜（３）に反映し、図４のフローチャートを終了する。
【００９５】
［効果］
以上のように構成された油圧ショベルでは基準線作成装置４７が油圧ショベルに取り付けられているため、基準線作成装置４７を施工現場等に設置する手間と、基準線５１の勾配を較正コントローラ４５に入力する手間がない。また、較正姿勢をとる回数も第１実施形態よりも１回低減する。したがって、第１実施形態と比べてさらに較正作業時間を短縮できるとともに作業効率も向上できる。
【００９６】
＜第３実施形態＞
次に本発明の第３実施形態について説明する。第１及び第２実施形態との相違点は、基準線作成装置４７に作成される基準線５１は勾配（傾き）及び位置（Ｚｆ切片）の双方が未知である点と、角度変換パラメータだけでなく車体寸法パラメータの較正も行っている点である。
【００９７】
図９は第３実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。基準線作成装置４７は、地面に打ち付けた複数の杭と、これらに所望の角度で弛みなく張られた水糸であり、この水糸が基準線５１となる。油圧ショベル１の座標系｛Ｘｆ，Ｙｆ，Ｚｆ｝と基準線５１の関係を示す基準線情報は未知である。本実施形態の油圧ショベルのハードウェア構成は上記の点を除いて第１実施形態と同じであり、以下では較正処理のフローチャートについて主に説明する。
【００９８】
図８は、第３回転角度センサ２７とバケット８の長さＬｂｋの較正を行うための、第３実施形態における較正処理のフローチャートであり、較正するパラメータを角度変換パラメータαｂｋ、βｂｋと、車体寸法パラメータＬｂｋと、基準線５１の勾配（θｌｉｎｅ）とＺｆ切片（Ｚｌｉｎｅ）とした場合の演算処理の一例を示している。
【００９９】
まず、ステップＳ２１において、演算部４９は、αｂｋ，βｂｋ，Ｌｂｋの初期値を設定する。設定する初期値は、第３回転角度センサ２７の仕様値や取付図面などから得られる角度変換パラメータとバケット８の設計図などから得られる車体寸法パラメータの理論値である。なお、αｂｋ，βｂｋ，Ｌｂｋの値が設定済みの場合、ステップＳ２１は省略可能である。
【０１００】
ステップＳ２２において、演算部４９は、複数回の較正姿勢で測定値を取得するための繰り返し処理を開始する。繰り返し処理の回数Ｎは少なくとも推定するパラメータと同じ回数が必要である。本実施形態では、推定するパラメータは較正するパラメータと基準線５１の勾配とＺｆ切片であるから、Ｎ≧５であれば良い。本実施形態ではＮ＝５とする。
【０１０１】
ステップＳ２３において、演算部４９は、作業機３で較正姿勢をとること、そして、その状態で操作部５２を操作することを作業者に促すメッセージを表示装置１８に表示する。
【０１０２】
図９では３種類の較正姿勢がとられている。Ｎ回のうち作業機３が取る全ての較正姿勢はそれぞれ異なっていなければならない。
【０１０３】
ステップＳ２４では、作業者が車体操作装置１７によりブーム６、アーム７、バケット８を駆動して較正姿勢をとらせたタイミングで操作部５２を操作し、演算部４９はその操作部５２の操作をトリガーにしてｐ（１≦ｐ≦Ｎ）回目の繰り返し処理における第１〜第３回転角度センサ２５−２７のアナログ信号Ｖｂｍ［ｐ］、Ｖａｍ［ｐ］、Ｖｂｋ［ｐ］を測定する。
【０１０４】
ステップＳ２５において、演算部４９はステップＳ２３から始まった繰り返し処理がＮ回行われた否かを判定する。ここで、繰り返し処理がＮ回行われたと判定された場合、繰り返し処理を終了しステップＳ７へ進み、それ以外の場合はｐを１増やし、ステップＳ２２に戻り、繰り返し処理を続ける。
【０１０５】
ステップＳ２６では、演算部４９は、較正するパラメータと基準線５１のＺｆ切片を非線形最小二乗法により求めるためのステップＳ２７−３２までの繰り返し処理を開始する。繰り返し処理は、後述する条件を満足するまで行われる。
【０１０６】
ステップＳ２７では、角度演算部４０ａは、Ｎ回の第１〜第３回転角度センサ２５−２７のアナログ信号の測定値に対し、式（１）〜（３）と同じ角度演算を行い、ブーム６、アーム７、バケット８の角度演算値θｂｍ［ｐ］、θａｍ［ｐ］、θｂｋ［ｐ］(１≦ｐ≦Ｎ)をそれぞれ求める。
【０１０７】
ステップＳ２８では、第１作業点位置演算部４０ｂは、ステップＳ２７のＮ回の角度演算値に対し、式（４）、（６）と同じ作業点位置演算を行い、Ｘｆ−Ｚｆ平面における作業点位置演算値Ｘｄ［ｐ］、Ｚｄ［ｐ］(１≦ｐ≦Ｎ)をそれぞれ求める。
【０１０８】
ステップＳ２９では、第２作業点位置演算部４９ｂは、較正の要否判定を行う。較正の要否判定は、一旦較正「要」と判断された後は省略が可能である。基準線５１上に存在するはずの作業点位置演算値について、基準線５１の座標に対して誤差が大きければ較正が必要と判断し、誤差が小さければ較正は不要と判断する。以下、ステップＳ２９の較正要否判定の詳細を説明する。
【０１０９】
Ｘｆ−Ｚｆ平面において、基準線５１上の点（Ｘｂ、Ｚｂ）の取り得る値を示す一次方程式は、以下の式（３１）で表される。ただし、θ’ｌｉｎｅは図９に示す基準線５１の油圧ショベル１の座標系に対する角度、Ｚｌｉｎｅは図９に示す基準線５１のＸｆ−Ｚｆ平面におけるＺｆ切片であり、その初期値は（Ｘｂ，Ｚｂ）＝（Ｘｄ［１］，Ｚｄ［１］）及び（Ｘｂ，Ｚｂ）＝（Ｘｄ［２］，Ｚｄ［２］）とし、式（３１）にそれぞれ代入し、連立方程式と逆三角関数を解いた数値とする。
2018168584.tif 000017
【０１１０】
第２作業点位置演算部４９ｂは、すべてのｐ(１≦ｐ≦Ｎ)に対して、第１Ｘｆ座標（Ｘｄ［ｐ］）を式（３１）に入力することで、第２Ｚｆ座標を算出する。
【０１１１】
作業点位置演算値の許容高さ誤差をΔＺとおくと、すべてのｐ(１≦ｐ≦Ｎ)に対して、以下の式（３２）を満足する場合（すなわち、第１Ｚｆ座標（Ｚｄ［ｐ］）と第２Ｚｆ座標の差分の大きさがΔＺを越えない場合）、較正は不要と判断し、図８のフローチャートを終了する。反対に、いずれかのｐで式（３２）を満足しない場合には較正が必要と判断し、ステップＳ３３に進んで較正値演算部４９ｃにより較正値を演算する。
2018168584.tif 000018
【０１１２】
ステップＳ３０では、較正値演算部４９ｃは、作業点位置演算値（第１Ｚｆ座標）と基準線５１（第２Ｚｆ座標）の評価関数Ｆを求める。評価関数Ｆは、作業点位置演算値と基準線５１の残差二乗和とし、以下の式（３３）を実行する。
2018168584.tif 000019
【０１１３】
ステップＳ３１において、較正値演算部４９ｃは、評価関数Ｆを最小化するように、較正するパラメータと基準線５１の勾配とＺｆ切片を更新する演算を行う。例えば、最急降下法を用いることとする。ｑ(１≦ｑ)回目の繰り返し処理における、較正するパラメータと基準線５１の勾配とＺｆ切片をベクトルＶ［ｑ］＝［αｂｋ  βｂｋ  Ｌｂｋ  θ’ｌｉｎｅ  Ｚｌｉｎｅ］にまとめる。残差二乗和ＦとベクトルＶ［ｑ］よりヤコビアンＪを求めるため、以下の式（３４）を実行する。
2018168584.tif 000020
【０１１４】
偏微分は差分法などの離散化手法により演算する。ヤコビアンＪと収束速度を決めるパラメータである学習率η（η＞０）より、次の繰り返し処理で用いられる更新されたベクトルＶ［ｑ＋１］を求めるため、以下の式（３５）を実行する。
2018168584.tif 000021
【０１１５】
ステップＳ３２において、較正値演算部４９ｃは収束判定を行う。ベクトルＶ［ｑ］の要素をｖｋ［ｑ］（１≦ｋ≦５）とし、収束判定閾値をτｖとし、較正値演算部４９ｃは以下の式（３６）を実行する。
2018168584.tif 000022
【０１１６】
式（３６）の条件を満たす場合はステップＳ３３へ進む。反対に式（３６）の条件を満たさず、かつ、繰り返し処理が設定した時間を超過した場合はステップＳ３４に進む。それ以外の場合は、ｑを１増やしてステップＳ２７へ戻り、繰り返し処理を続ける。
【０１１７】
ステップＳ３３では、パラメータ更新部４９ｃは、収束したベクトルＶ［ｑ＋１］から較正したパラメータαｂｋ、βｂｋ、Ｌｂｋを抜き出し、較正コントローラ４５の入出力部４８を介して表示コントローラ３７の記憶部４１に記憶し、角度演算部４０ａの演算式（１）〜（３）と第１作業点位置演算部４０ｂの演算式（４）〜（６）に反映し、図８のフローチャートを終了する。
【０１１８】
ステップ３４では、演算部４９は、ベクトルＶ［ｑ＋１］は未収束と判定し、最後の繰り返し処理の演算結果から未収束の原因を判定し、判定した原因から対処方法が判る場合には較正操作装置４６の表示部５３に対処方法を表示し、図８のフローチャートを終了する。
【０１１９】
［効果］
以上のように較正された油圧ショベルでは、基準線５１の勾配を事前に取得する手間がなく、較正姿勢をとる回数も第１実施形態よりも２回低減する。したがって、第１実施形態と比べてさらに較正作業時間を短縮できるとともに作業効率も向上できる。
【０１２０】
＜特徴＞
上記の３つの実施形態に含まれる特徴についてまとめる。  
（１）上記の各実施形態では、車両本体２と、車両本体２に取り付けられ、複数のフロント部材６，７，８からなる多関節型の作業機３と、複数のフロント部材６，７，８の角度をそれぞれ検出する複数の角度センサ２５，２６，２７と、表示コントローラ３７とを備え、表示コントローラ３７は、複数の角度センサ２５，２６，２７の出力信号と角度変換パラメータ（αｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋ）に基づいて、複数のフロント部材６，７，８の角度を算出する角度演算部４０ａと、角度演算部４０ａで算出された複数のフロント部材６，７，８の角度、及び、複数のフロント部材６，７，８の寸法パラメータ（Ｌｂｍ，Ｌａｍ，Ｌｂｋ）に基づいて、作業機３に任意に設定した作業点２３の作業機３の動作平面（Ｘｆ−Ｚｆ平面）における位置を算出する第１作業点位置演算部４０ｂとを有する油圧ショベルにおいて、第１作業点位置演算部４０ｂは、基準線５１上の複数の基準点に作業点２３が位置するように作業機３を動作させたとき、複数の基準点での作業点２３の位置を算出し、較正コントローラ４５は、第１作業点位置演算部４０ｂが算出した複数の基準点での作業点２３の位置が基準線５１の式（一次方程式）を充足し得ることを利用して、角度変換パラメータ（αｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋ）、寸法パラメータ（Ｌｂｍ，Ｌａｍ，Ｌｂｋ）及び直線パラメータ（傾きｔａｎθ及び切片Ｚｌｉｎｅ）に含まれる任意のパラメータの較正値を算出する較正値演算部４９ｂと、較正値演算部４９ｂで算出された任意のパラメータの較正値を角度演算部４０ａ及び第１作業点位置演算部４０ｂのうち該当する演算部での演算に反映させるパラメータ更新部４９ｃとを備えることとした。
【０１２１】
（２）より具体的には、上記（１）の油圧ショベルでは、第１作業点位置演算部４０ｂは、基準線５１上の複数の基準点に作業点２３が位置するように作業機３を動作させたとき、複数の基準点での作業点２３の第１Ｘｆ座標及び第１Ｚｆ座標を算出し、較正コントローラ４５は、第１作業点位置演算部４０ｂが算出した複数の基準点での作業点２３の第１Ｘｆ座標を基準線５１の式（一次方程式）に入力することで、複数の基準点での作業点２３の第２Ｚｆ座標を算出する第２作業点位置演算部４９ａをさらに備え、較正値演算部４９ｂは、複数の基準点のうち同じ基準点での第１Ｚｆ座標と第２Ｚｆ座標の乖離度を示す評価式Ｆ（評価値）が最小化するように、角度変換パラメータ、寸法パラメータ及び直線パラメータに含まれる任意のパラメータの較正値を算出することとしている。
【０１２２】
このように建設機械を構成すると、基準線５１上の複数の基準点に作業点２３を合わせることで、作業点２３の座標値と基準線５１の一次方程式の誤差が０に近づくように較正値演算部４９ｂで数値解析がなされ自動的にパラメータが較正される。このため、較正作業に際して作業点２３の位置座標を実測等する必要がなく、較正作業時間を大幅に短縮できる。
【０１２３】
（３）第１実施形態では、上記（２）の特徴に加え、水平面に対する車両本体２の傾斜角度θｐｉｔｃｈを算出する傾斜角度センサ２４をさらに備え、第２作業点位置演算部４９ａは、水平面に対する基準線５１の勾配θｌｉｎｅと傾斜角度θｐｉｔｃｈの差分を基準線５１の傾きとして設定し、その傾きを設定した直線の式と、第１作業点位置演算部４０ｂが算出した複数の基準点での作業点２３の第１Ｘｆ座標とから、複数の基準点での作業点２３の第２Ｚｆ座標を算出し、較正値演算部４９ｂは、複数の基準点のうち同じ基準点での第１Ｚｆ座標と第２Ｚｆ座標の評価式Ｆが最小化するように、角度変換パラメータの較正値と、基準線５１の切片を算出し、パラメータ更新部４９ｃは、較正値演算部４９ｂで算出された角度パラメータの較正値を角度演算部４０ａでの演算に反映させることとした。
【０１２４】
このように構成した建設機械では、基準線作成装置４７で勾配θｌｉｎｅが既知の基準線５１を作成し、較正対象の角度変換パラメータの数に基準線５１の切片分の１を加えた回数だけ作業機３に構成姿勢をとらせるだけで較正作業を完了することができるので、較正作業時間を大幅に短縮できる。
【０１２５】
（４）第２実施形態では、上記（２）の特徴に加え、車両本体２（上部旋回体４）に取り付けられ、基準線５１として、水平面に対して所定の勾配θ’ｌｉｎｅを有する直線を作成する基準線作成装置４７をさらに備え、第２作業点位置演算部４９ａは、所定の勾配θ’ｌｉｎｅを基準線５１の傾き（勾配）として設定し、その傾きを設定した直線の式と、第１作業点位置演算部４０ｂが算出した複数の基準点での作業点２３の第１Ｘｆ座標とから、複数の基準点での作業点２３の第２Ｚｆ座標を算出し、較正値演算部４９ｂは、複数の基準点のうち同じ基準点での第１Ｚｆ座標と第２Ｚｆ座標の評価式Ｆが最小化するように、角度変換パラメータの較正値を算出し、パラメータ更新部４９ｃは、較正値演算部４９ｂで算出された角度パラメータの較正値を角度演算部４０ａでの演算に反映させることとした。
【０１２６】
以上のように構成された建設機械では基準線作成装置４７が車両本体２に取り付けられているため、基準線作成装置４７を施工現場等に設置する手間と、基準線５１の勾配を較正コントローラ４５に入力する手間がない。また、較正姿勢をとる回数も第１実施形態よりも１回低減する。したがって、第１実施形態と比べてさらに較正作業時間を短縮できるとともに作業効率も向上できる。
【０１２７】
（５）第３実施形態では、上記（２）の特徴に加え、第２作業点位置演算部４９ａは、第１作業点位置演算部４０ｂが算出した複数の基準点での作業点２３の第１Ｘｆ座標と、直線の式とから、複数の基準点での作業点２３の第２Ｚｆ座標を算出し、較正値演算部４９ｂは、複数の基準点のうち同じ基準点での第１Ｚｆ座標と第２Ｚｆ座標の評価式Ｆが最小化するように、複数のフロント部材６，７，８のうち先端に位置するバケット８の角度変換パラメータと寸法パラメータの較正値と、直線の傾きと切片とを算出し、パラメータ更新部４９ｃは、較正値演算部４９ｂで算出されたバケット８の角度変換パラメータ及び寸法パラメータの較正値を角度演算部４０ａ及び第１作業点位置演算部４０ｂでの演算に反映させることとした。
【０１２８】
以上のように較正された建設機械では、基準線５１の勾配を事前に取得する手間がなく、較正姿勢をとる回数も第１実施形態よりも２回低減する。したがって、第１実施形態と比べてさらに較正作業時間を短縮できるとともに作業効率も向上できる。
【０１２９】
（６）また、各実施形態では、上記（１）−（５）のいずれかの特徴に加え、基準線５１上の複数の基準点に作業点２３が位置するように作業機３を動作させた全ての場合の複数の角度センサ２５，２６，２７の出力値（電圧値）を表示する表示装置１８をさらに備えることとした。
【０１３０】
このようにすると、作業者が作業機３に較正姿勢をとらせる際に全て異なる姿勢にすることが容易になり、較正値の精度を向上できる。
【０１３１】
＜その他＞
本発明は、上記の実施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が含まれる。例えば、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、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。
【０１３２】
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以外の作業具を用いても良い。
【０１３３】
上記の実施形態では、作業機３はブーム６、アーム７、バケット８及びそれらを駆動するブームシリンダ９、アームシリンダ１０、バケットシリンダ１１で構成されるが、作業機３の構成要素が増減しても、推定するパラメータの個数以上の較正姿勢を取得すれば、較正は可能である。
【０１３４】
上記の実施形態では、作業点２３としてバケット爪先２２の中心を設定した場合が例示されているが、作業具（バケット８を含む）における任意の点に作業点を設定しても良い。
【０１３５】
上記の実施形態では、ブーム６、アーム７、バケット８の角度演算値θｂｍ、θａｍ、θｂｋを第１〜第３回転角度センサ２５−２７から求めているが、シリンダのストローク長からリンク計算により演算する方法や傾斜センサから重力に対する絶対角により演算する方法を利用しても良い。
【０１３６】
上記の実施形態では、第１〜第３回転角度センサ２５−２７の検出するアナログ信号から角度への変換は一次式とし、その変換パラメータαｂｍ、βｂｍ、αａｍ、βａｍ、αｂｋ、βｂｋを求めているが、角度に対するアナログ信号の関数で表され、かつ推定するパラメータの個数以上の較正姿勢を取得すれば、一次式以外でも較正は可能である。
【０１３７】
上記の実施形態について、較正するパラメータとして、ブーム６の長さＬｂｍ、アーム７の長さＬａｍの車体寸法パラメータを追加しても、推定するパラメータの個数以上の較正姿勢を取得すれば、較正は可能である。
【０１３８】
上記の実施形態では、基準線作成装置４７は任意の勾配、高さで設置可能とされているが、較正に適した勾配、高さ範囲を示しても良い。
【０１３９】
上記の実施形態では、Ｚｆ座標に着目して作業点位置演算値と基準線の評価関数Ｆを作成したが、Ｘｆ座標に着目して評価関数を作成しても良い。
【０１４０】
上記の実施形態では、非線形最小二乗法による評価関数Ｆを最小化するパラメータの導出手法として最急降下法が例示されているが、ニュートン法など他の手法を用いても良い。
【０１４１】
上記の実施形態では、非線形最小二乗法により最小化する評価関数Ｆを残差二乗和として例示されているが、点と直線の距離の総和や標準偏差を用いても良い。
【０１４２】
上記の各実施形態では、３つのコントローラ３１，３７，４５を搭載したが、これらの全てまたは一部を一体のコントローラに構成しても良く、反対に各コントローラ３１，３７，４５の機能をさらに分割して４つ以上のコントローラを搭載する構成を採用しても良い。
【０１４３】
また、上記の各実施形態の説明では、制御線や情報線は、当該実施形態の説明に必要であると解されるものを示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。
【符号の説明】
【０１４４】
１…油圧ショベル（建設機械）、３…作業機、４…上部旋回体、５…下部走行体、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、１３…旋回駆動装置（旋回モータ）、１５…走行モータ、１７…車両操作装置、１８…表示装置、２３…作業点、２４…前後傾斜角センサ、２５…第１回転角度センサ、２６…第２回転角度センサ、２７…第３回転角度センサ、３７…表示コントローラ、４０ａ…角度演算部、４０ｂ…第１作業点位置演算部、４５…較正コントローラ、４６…較正操作装置、４７…基準線作成装置、４９ａ…第２作業点位置演算部、４９ｂ…較正値演算部、４９ｃ…パラメータ更新部、５１…基準線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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