(57)【要約】【課題】建設機械のディスプレイ装置に関し、簡素な構成で、ＧＰＳをはじめとする自動測位装置が使用できない環境下においても正確な測位を実施し、作業性をさらに向上させる。【解決手段】建設機械の初期位置を手動で入力するための初期位置入力手段１と、該建設機械の該初期位置からの相対変位を算出する相対変位算出手段２と、該初期位置及び該相対変位に基づいて推定位置を算出する推定位置算出手段５と、を備える。  また、該建設機械の姿勢を算出する姿勢算出手段３と、該建設機械のキャブ内に搭乗するオペレータの目視位置を算出する視点算出手段４と、を備える。  さらに、該推定位置，該姿勢及び該目視位置に基づいて施工計画図のキャブガラス上への投影図データを演算する投影図演算手段６と、投影図演算手段で演算された該投影図データを該キャブガラス上に表示する表示手段２９とを備える。【選択図】図４
2011001775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲の地形に重ね合わせて施工計画図をキャブガラス上に表示する建設機械のディスプレイ装置であって、
該建設機械の初期位置を手動で入力するための初期位置入力手段と、
該建設機械の該初期位置からの相対変位を算出する相対変位算出手段と、
該初期位置及び該相対変位に基づいて該建設機械の推定位置を算出する推定位置算出手段と、
該建設機械の姿勢を算出する姿勢算出手段と、
該建設機械のキャブ内に搭乗するオペレータの目視位置を算出する視点算出手段と、
該推定位置，該姿勢及び該目視位置に基づいて該施工計画図の該キャブガラス上への投影図データを演算する投影図演算手段と、
該投影図演算手段で演算された該投影図データを該キャブガラス上に表示する表示手段と、を備えた
ことを特徴とする、建設機械のディスプレイ装置。
【請求項２】
該建設機械の地球座標系での絶対位置を計測する絶対位置計測手段と、
該推定位置演算手段で算出された該推定位置と該絶対位置計測手段で計測された該絶対位置との何れか一方を車両位置として選択する切り替え手段と、を備え、
該投影図演算手段が、該車両位置，該姿勢及び該目視位置に基づいて該投影図データを演算する
ことを特徴とする、請求項１記載の建設機械のディスプレイ装置。
【請求項３】
該オペレータの操作により該表示手段に表示された該投影図データの位置を調整する補正手段をさらに備え、
該補正手段が、該推定位置算出部で算出される該推定位置を補正する位置補正手段を有する
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の建設機械のディスプレイ装置。
【請求項４】
該補正手段が、該姿勢算出手段で算出される該姿勢を補正する姿勢補正手段を有する
ことを特徴とする、請求項３記載の建設機械のディスプレイ装置。
【請求項５】
該補正手段が、該相対変位算出手段で算出された該相対変位が所定変位量以上となった場合に、該投影図データの位置の調整を停止する
ことを特徴とする、請求項３又は４記載の建設機械のディスプレイ装置。
【請求項６】
該キャブ内における該オペレータの視点を検出する視点位置検出手段を備えるとともに、
該視点算出手段が、該視点位置検出手段で検出された該オペレータの視点に基づき、該キャブに固定された座標系における第一目視位置を算出する第一目視位置算出手段と、
該第一目視位置に基づき、該建設機械の近傍の地面に固定された座標系における第二目視位置を検出する第二目視位置算出手段と、
該第二目視位置に基づき、地球座標系における第三目視位置を検出する第三目視位置算出手段と、を有し
該投影図演算手段が、該推定位置，該姿勢及び該第三目視位置に基づいて該投影図データを演算する
ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の建設機械のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベルに代表される建設機械のディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、油圧ショベルや油圧クレーン等の建設機械において、オペレータが搭乗するキャブの前面に実際の施工部像と重ね合わせて施工案内図を表示するディスプレイ装置が開発されている。
例えば、特許文献１には、キャブの前面配置された半透明の球面反射鏡に施工案内図形パターンを投影する施工案内装置（ディスプレイ装置）が記載されている。この技術では、ＧＰＳ装置及びジャイロを用いて油圧ショベルの位置及び向きを検出するとともに、頭部位置検出センサ及び瞳検出センサを用いてオペレータの視点位置を検出し、実際の施工部像と重合する施工案内図パターンを演算して球面反射鏡上に表示させている。このような制御により、オペレータが施工データを施工部に重ね合わせて視覚的にわかりやすく視認でき、作業性を向上させることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１４６８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、施工案内図パターンを正確に演算するために常時ＧＰＳ装置を作動させる必要がある。つまり、ＧＰＳ衛星から送信される信号を受信できる場所でなければ、油圧ショベルの位置を特定することができない。そのため、例えばトンネル内での掘削作業や屋根のある建築物の内部で作業する場合に、施工データを正確に把握できないという課題がある。
【０００５】
また、仮にＧＰＳ衛星からの信号を受信できたとしても電波の強度が十分ではなく、ＧＰＳ装置の計測誤差により実際の施工部像と施工案内図パターンとが一致しない場合がある。この場合、オペレータはこのようなずれを頭の中で補正し、あるいは、着座姿勢や頭の角度等を変更することによって補正しなければならず、作業性が著しく低下してしまう。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、簡素な構成で、ＧＰＳをはじめとする自動測位装置が使用できない環境下においても正確な測位を実施でき、作業性をさらに向上させることができるようにした、建設機械のディスプレイ装置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】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明の建設機械のディスプレイ装置は、周囲の地形に重ね合わせて施工計画図をキャブガラス上に表示する建設機械のディスプレイ装置であって、該建設機械の初期位置を手動で入力するための初期位置入力手段と、該建設機械の該初期位置からの相対変位を算出する相対変位算出手段と、該初期位置及び該相対変位に基づいて該建設機械の推定位置を算出する推定位置算出手段と、該建設機械の姿勢を算出する姿勢算出手段と、該建設機械のキャブ内に搭乗するオペレータの目視位置を算出する視点算出手段と、該推定位置，該姿勢及び該目視位置に基づいて該施工計画図の該キャブガラス上への投影図データを演算する投影図演算手段と、該投影図演算手段で演算された該投影図データを該キャブガラス上に表示する表示手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
ここでいう初期位置とは、準拠楕円体を基準とする座標系（例えば、地球座標系）における基準位置であって、具体例としては、緯度，経度及び高度によって規定される位置のことを意味している。また、ここでいう姿勢とは、水平面（準拠楕円体の接平面、又はこれに平行な平面）に対する傾斜の大きさ及び傾斜方向（方位）のことを意味している。
また、請求項２記載の本発明の建設機械のディスプレイ装置は、請求項１記載の構成に加え、該建設機械の地球座標系での絶対位置を計測する絶対位置計測手段と、該推定位置演算手段で算出された該推定位置と該絶対位置計測手段で計測された該絶対位置との何れか一方を車両位置として選択する切り替え手段と、を備え、該投影図演算手段が、該車両位置，該姿勢及び該目視位置に基づいて該投影図データを演算することを特徴としている。
【０００９】
ここでいう地球座標系における絶対位置とは、いわゆるＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）などを利用した自動測位装置によって得られる位置のことを意味しており、初期位置と同様に準拠楕円体を基準とする座標系（すなわち、地球座標系）における位置（車両位置）である。
また、請求項３記載の本発明の建設機械のディスプレイ装置は、請求項１又は２記載の構成に加え、該オペレータの操作により該表示手段に表示された該投影図データの位置を調整する補正手段をさらに備え、該補正手段が、該推定位置算出部で算出される該推定位置を補正する位置補正手段を有することを特徴としている。
【００１０】
また、請求項４記載の本発明の建設機械のディスプレイ装置は、請求項３記載の構成に加え、該補正手段が、該姿勢算出手段で算出される該姿勢を補正する姿勢補正手段を有することを特徴としている。
また、請求項５記載の本発明の建設機械のディスプレイ装置は、請求項３又は４記載の構成に加え、該補正手段が、該相対変位算出手段で算出された該相対変位が所定変位量以上となった場合に、該投影図データの位置の調整を停止することを特徴としている。
【００１１】
また、請求項６記載の本発明の建設機械のディスプレイ装置は、請求項１〜５の何れか１項に記載の構成に加え、該キャブ内における該オペレータの視点を検出する視点位置検出手段を備えるとともに、該視点算出手段が、該視点位置検出手段で検出された該オペレータの視点に基づき、該キャブに固定された座標系における第一目視位置を算出する第一目視位置算出手段と、該第一目視位置に基づき、該建設機械の近傍の地面に固定された座標系における第二目視位置を検出する第二目視位置算出手段と、該第二目視位置に基づき、地球座標系における第三目視位置を検出する第三目視位置算出手段と、を有し該投影図演算手段が、該推定位置，該姿勢及び該第三目視位置に基づいて該投影図データを演算することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の建設機械のディスプレイ装置（請求項１）によれば、建設機械の初期位置を手動で入力するための初期位置入力手段を備えたことにより、ＧＰＳ装置をはじめとする自動測位装置が使用できない環境下（坑道やトンネル内，屋根のある建築物の内部）においても測位が可能となり、周囲の施工計画図の投影図を対象地形に正確に重ねて表示することができる。
【００１３】
また、本発明の建設機械のディスプレイ装置（請求項２）によれば、絶対位置計測手段としての自動測位装置（例えばＧＰＳ装置など）を使用できる環境下ではこれを利用して正確な測位に基づく画像表示が可能となる。また、自動測位装置が使用できない環境下でも測位が可能であり、画像表示が可能となる。このように、建設機械の位置情報を把握するにあたって、自動設定と手動設定とを切り替えることができる。
【００１４】
また、本発明の建設機械のディスプレイ装置（請求項３）によれば、位置補正手段を設けることにより、車両位置（すなわち、建設機械の座標）の誤差を吸収することができる。これにより、施工計画図を正確に対象地形に重ね合わせることができる。
また、本発明の建設機械のディスプレイ装置（請求項４）によれば、姿勢補正手段を設けることにより、姿勢（すなわち、建設機械の傾斜と向き）の誤差を吸収することができる。これにより、施工計画図を正確に対象地形に重ね合わせることができる。
【００１５】
また、本発明の建設機械のディスプレイ装置（請求項５）によれば、補正された投影図データの位置が建設機械の移動によって大きくずれてしまう現象を防止することができる。
また、本発明の建設機械のディスプレイ装置（請求項６）によれば、視点位置検出手段で検出された視点に基づき、オペレータの目視位置を段階的に座標変換することにより、極めて正確に投影中心を把握することができ、表示手段に表示される施工計画図と周囲の地形とを正確に一致させて重畳表示させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るディスプレイ装置を備えた油圧ショベルの全体構成を説明するための側面図である。
【図２】本ディスプレイ装置での演算に係る座標系を説明するための模式図であり、（ａ）は地球座標系を示し、（ｂ）は局地座標系を示し、（ｃ）は車体を基準とする座標系を示すものである。
【図３】図１の油圧ショベルのキャブ内の側断面図である。
【図４】本ディスプレイ装置に接続された入出力装置及び本ディスプレイ装置の内部構成を模式的に示すブロック構成図である。
【図５】本ディスプレイ装置での制御内容を示すフローチャートである。
【図６】本ディスプレイ装置によって表示される投影図データをキャブ内のオペレータ視点から見た斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
［１．油圧ショベル構成］
本ディスプレイ装置は、図１に示す油圧ショベル２０に適用される。この油圧ショベル２０は、クローラ式の油圧走行装置を装備した下部走行体２１と、下部走行体２１の上に旋回自在に搭載された上部旋回体２２とを備えて構成されている。下部走行体２１には油圧式の走行モータ２６が設けられ、上部旋回体２２には油圧式の旋回モータ２７が設けられている。
【００１８】
上部旋回体２２には、機体前方へ向けて延出する油圧駆動式の作業装置２４やオペレータ（運転者）が搭乗するキャブ２３が設けられている。また、上部旋回体２２の後端部には、ＧＰＳ装置７が設置されている。
ＧＰＳ装置７は、ＧＰＳ衛星から送信される信号を受信して、油圧ショベル２０の絶対位置の座標(xA,yA,zA)を計測するものである。ここでいう絶対位置とは、図２（ａ）に示すように、準拠楕円体Ａ（地球の平均海面に近似された楕円体）を基準とする座標系（地球座標系）における位置であって、例えば緯度，経度及び高度によって規定される位置である。
【００１９】
なお、本実施形態では以下に列挙する三種類の座標系が用いられる。
１．地球座標系（準拠楕円体を基準とする座標系）
２．局地座標系（地面を基準とする座標系）
３．車体を基準とする座標系
上記１の座標系は、ＧＰＳ装置７で計測される油圧ショベル２０の位置の座標系である。
【００２０】
上記２の座標系は、油圧ショベル２０の近傍の地面に対して固定された座標系である。例えば、図２（ｂ）に示すように、油圧ショベル２０の重心点を通る水平面（あるいはこの水平面に平行な水平面Ｂ）を基準として、機体（上部旋回体）の前後方向にＸ軸を設定し、垂直上下方向にＹ軸を設定し、機体（上部旋回体）の左右方向にＺ軸を設定した座標系などが考えられる。
【００２１】
上記３の座標系は、油圧ショベル２０のキャブ２３に対して固定された座標系である。例えば、図２（ｃ）に示すように、キャブ２３の床面（あるいはこの床面に平行な平面Ｃ）を基準として、キャブ２３の前後方向にＸ軸を設定し、垂直上下方向にＹ軸を設定し、キャブ２３の左右方向にＺ軸を設定した座標系などが考えられる。なお、キャブ２３は上部旋回体２２に固定されているため、上記３の座標系は油圧ショベル２０の上部旋回体２２に対して固定された座標系であるとみなすことができる。
【００２２】
上部旋回体２２には、傾斜センサ１１，方位センサ１２及び旋回角度センサ１３が装備されている。傾斜センサ１１は、局地座標系に対する上部旋回体２２の傾斜の大きさを計測するものである。ここでは例えば、上部旋回体２２の前後方向及び左右方向の傾斜角度が計測される。また、方位センサ１２は、例えば地磁気を利用して上部旋回体２２の方位（上部旋回体の正面が向いている方角）を検出するものである。
【００２３】
旋回角度センサ１３は、下部走行体２１に対する上部旋回体２２の旋回角度を検出するものであり、旋回モータ２７に付設されている。また、下部走行体２１の走行モータ２６には、回転数センサ１４が付設されている。回転数センサ１４は走行モータ２６の回転数を検出するものである。これらの傾斜センサ１１，方位センサ１２，旋回角度センサ１３及び回転数センサ１４は、後述するコントローラ１０に対して電気的に接続されており、これらのセンサでの検出情報がコントローラ１０へ入力されている。
【００２４】
［２．キャブ内構成］
図３にオペレータ（運転者）が着座した状態のキャブ２３の内部を示す。キャブ２３の前面及び側面のほぼ全面が透明ガラス張りとされており、広い視界が確保されている。なお、キャブ２３の天井面に形成された図示しない開口部には、ポリカーボネイト製の半透明の天板が取り付けられている。以下、キャブ２３の前面の透明ガラスのことをキャブガラス２５と呼ぶ。
【００２５】
キャブガラス２５の室内側には、ディスプレイフィルム２９（表示手段）が貼り付けられている。ディスプレイフィルム２９は、フレキシブル有機ＥＬ（Electro Luminescence）デバイス等を用いて形成された半透明の画像表示装置であり、キャブガラス２５面から入射する光をキャブ２３内へ透過しつつ、任意の画像を表示可能に構成されている。したがって、オペレータはディスプレイフィルム２９上に表示された画像をキャブガラス２５の外側の景色に重ね合わせた状態（重畳状態）で視認する。
【００２６】
本ディスプレイ装置は、このディスプレイフィルム２９上に表示される画像を演算し制御するものである。ここでは、図１に示すように、オペレータの瞳の位置を投影中心とし、ディスプレイフィルム２９の面上を投影面として、実際の施工面に対応する施工計画図（施工が完了した時点での地形の形状を示す完成図であり、三次元の図面情報）を投射したものが演算され、その画像がディスプレイフィルム２９上に表示される。このような演算を実施して画像をディスプレイフィルム２９に表示させるコントローラ１０が、オペレータの座席側方に設けられたコンソール１９内に配置されている。
【００２７】
コントローラ１０は、マイクロコンピュータで構成された電子制御装置であり、例えば周知のマイクロプロセッサやＲＯＭ，ＲＡＭを集積したＬＳＩデバイス等として提供されている。また、コントローラ１０には記憶媒体１８が接続されている。記憶媒体１８は、例えばＨＤＤやＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＯＭ等から構成された外部記憶装置であり、ここには予め油圧ショベル２０の作業に係る施工計画図のデータや、キャブ２３の室内形状データ、キャブガラス２５の三次元形状データ等が格納されている。
【００２８】
また、図３に示すように、オペレータの座席後方の上部には、キャブ２３内におけるオペレータの瞳の位置（目視位置、いわゆる視点）を検出するためのヘルメット位置検出装置１５（視点位置検出手段）が設けられている。ヘルメット位置検出装置１５は、キャブ２３に対して固設された検出器１５ａと、オペレータが着装するヘルメット３０に固定された発信器１５ｂとから構成されている。
【００２９】
検出器１５ａは、検出器１５ａに対する発信器１５ｂの相対位置（ヘルメット３０の位置）を検出するセンサであり、例えばレーダーセンサや超音波センサ等を備えて構成される。
オペレータの座席前方には、モニタコンソール１が設置されている。モニタコンソール１は、油圧ショベル２０の作業モードや各種設定値を入力するための装置であり、かつ、それらに関する情報を表示するための装置である。本実施形態では、ＧＰＳ装置７の代わりにモニタコンソール１から油圧ショベル２０の位置を手動で入力することができるようになっている。
【００３０】
以下、モニタコンソール１から手動で入力される油圧ショベル２０の位置のことを初期位置と呼び、その座標を(x0,y0,z0)とする。ここでいう初期位置とは、絶対位置と同様に、地球座標系における位置であって、例えば緯度，経度及び高度によって規定される。この初期位置は、ＧＰＳ装置７が使用できない環境下における測位の基準点となる。
コンソール１９の上面には、自動／手動切り替えスイッチ１６及びオフセット器１７が設置されている。自動／手動切り替えスイッチ１６は、油圧ショベル２０の現在位置の測位を自動で行うか（ＧＰＳ装置７を利用するか）、それとも手動で行うか（ＧＰＳ装置７を利用しないか）を選択するための二位置スイッチである。
【００３１】
自動／手動切り替えスイッチ１６が「自動」の位置に操作されているときにはＧＰＳ装置７が利用され、油圧ショベル２０の絶対位置の座標(xA,yA,zA)に基づく画像がコントローラ１０で生成される。一方、「手動」の位置に操作されているときにはＧＰＳ装置７が利用されず、モニタコンソール１から入力される初期位置の座標(x0,y0,z0)に基づく画像が生成される。なお、具体的な画像の生成手順については後述する。
【００３２】
オフセット器１７は、ディスプレイフィルム２９に表示された画像の画面上での位置をオペレータが微調整するための入力装置である。このオフセット器１７には、コントローラ１０で把握されている油圧ショベル２０の位置の調整量を設定するための車両位置調整ボリュームスイッチ１７ａ〜１７ｃと、コントローラ１０で把握されている油圧ショベル２０の姿勢の調整量を設定するための姿勢調整ボリュームスイッチ１７ｄ，１７ｅと、これらの微調整の実施／不実施を指定するための調整スイッチ１７ｆとを備えて構成される。
【００３３】
ここで調整量が設定される油圧ショベル２０の位置，姿勢とは、コントローラ１０の内部で演算される仮想的な位置，姿勢のことである。これらの演算値には、ＧＰＳ装置７，傾斜センサ１１，方位センサ１２等の測定精度に応じた誤差が含まれているため、ディスプレイフィルム２９上に表示された画像のずれをオフセット器１７で校正できるようにしている。
【００３４】
車両位置調整ボリュームスイッチ１７ａ〜１７ｃ及び姿勢調整ボリュームスイッチ１７ｄ，１７ｅは全てボリューム式のスイッチである。各車両位置調整ボリュームスイッチ１７ａ〜１７ｃは、図２（ｂ）中に示す局地座標系におけるＸ軸方向への調整量，Ｙ軸方向への調整量，Ｚ軸方向への調整量を各スイッチへの操作量に応じて設定する。また、各姿勢調整ボリュームスイッチ１７ｄ，１７ｅは図２（ｂ）の局地座標系のＸ軸回りの回転調整量，Ｚ軸回りの回転調整量を各スイッチへの操作量に応じて設定する。ここで、上記のボリュームスイッチ１７ａ〜１７ｅの操作量をそれぞれ、Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3，Ｃ4，Ｃ5とする。
【００３５】
調整スイッチ１７ｆは、各スイッチ１７ａ〜１７ｅへの入力操作の有効／無効を設定するものであり、調整スイッチ１７ｆで「オン」位置が選択されているときにこれらの調整が有効となり、「オフ」位置が選択されているときには調整されない。操作量Ｃ1〜Ｃ5の初期値は全て０であり、「オフ」位置が選択された時点でリセットされる。
なお、図２（ｂ）中に示すＹ軸周りの回転調整量は、調整スイッチ１７ｆが「オン」である状態で上部旋回体２２を下部走行体２１に対して旋回させることによって設定するものとする。
【００３６】
上述のモニタコンソール１，ヘルメット位置検出装置１５，自動／手動切り替えスイッチ１６及び記憶媒体１８はコントローラ１０に対して電気的に接続されている。これにより、コントローラ１０には油圧ショベル２０の初期位置やオペレータの目視位置の情報等が入力される。
【００３７】
［３．コントローラ構成］
図４を用いて、ソフトウェアとしてコントローラ１０の内部に記憶されているプログラムの機能を概念的に説明する。コントローラ１０は、相対変位算出部２，姿勢算出部３，視点算出部４，推定位置算出部５，投影図データ演算部６，切り替え部８及び補正部９としての機能を有している。
【００３８】
姿勢算出部３は、傾斜センサ１１及び方位センサ１２での検出情報に基づいて油圧ショベル２０の姿勢（三次元姿勢）を算出するものである。ここには、傾斜センサ１１及び方位センサ１２での検出情報が入力される。ここでいう姿勢とは、局地座標系における上部旋回体２２の傾斜の大きさ及び傾斜方向（方位）であり、これをキャブ２３の姿勢とみなす。
【００３９】
油圧ショベル２０の姿勢は、図２（ｂ）に示すような局地座標軸におけるＸ軸回りの回転量θx，Ｙ軸回りの回転量θy，Ｚ軸回りの回転量θzを用いて(θx,θy,θz)と表される。算出された姿勢(θx,θy,θz)は、相対変位算出部２及び補正部９へと入力される。なお、姿勢算出部３は、オフセット器１７の調整スイッチ１７ｆが「オン」であるときには、それまでに算出した姿勢(θx,θy,θz)の情報を保持する。
【００４０】
相対変位算出部２は、油圧ショベル２０の初期位置からの相対変位を算出するものである。ここには、姿勢算出部３で算出された上部旋回体２２の姿勢(θx,θy,θz)と、旋回角度センサ１３及び回転数センサ１４で検出された検出情報が入力される。
まず、相対変位算出部２では、上部旋回体２２の姿勢と旋回角度センサ１３の検出情報に基づいて、下部走行体２１の傾斜及び向きが算出される。旋回角度センサ１３で検出される旋回角度は下部走行体２１と上部旋回体２２との相対的な回転角であるから、上部旋回体２１の姿勢を座標変換することにより下部走行体２１の姿勢が算出される。
【００４１】
また、相対変位算出部２では、回転数センサ１４の検出情報と上述した下部走行体２１の姿勢とに基づいて、油圧ショベル２０の移動量及び移動方向が算出される。下部走行体２１の姿勢から移動方向が把握され、走行モータ２６の回転数から油圧走行装置の作動量（すなわち、移動量）が把握される。ここで算出された油圧ショベル２０の移動量及び移動方向は、相対変位(Δx,Δy,Δz)として推定位置算出部５へ入力される。なお、この相対変位(Δx,Δy,Δz)は、モニタコンソール１に初期位置の座標(x0,y0,z0)が入力された時点でリセットされるものとする。
【００４２】
推定位置算出部５は、地球座標系における油圧ショベル２０の推定位置の座標(xB,yB,zB)を算出するものである。ここでいう推定位置とは、実測された位置のことではなく、各種センサ１１〜１４から得られた情報に基づいて推定される計算上の位置のことを意味する。本実施形態では、自動／手動切り替えスイッチ１６が「手動」に設定されている限り、初期位置(x0,y0,z0)からの移動量に基づいて推定位置の座標(xB,yB,zB)を随時把握している。つまり、本発明では推定位置が絶対位置の代わりに用いられているといえる。
【００４３】
推定位置算出部５には、モニタコンソール１で入力された初期位置の座標(x0,y0,z0)と、相対変位算出部２で算出された相対変位(Δx,Δy,Δz)とが入力される。推定位置算出部５は、以下の式１に示すように、初期位置の座標(x0,y0,z0)に相対変位(Δx,Δy,Δz)を加算（又は減算）したものを油圧ショベル２０の推定位置の座標(xB,yB,zB)として切り替え部８へ出力する。ここで算出される推定位置は地球座標系の位置である。
【００４４】
【数１】
2011001775.tif 000003
【００４５】
切り替え部８は、投影図データの作成に際し、ＧＰＳ装置７で計測された絶対位置を用いるか、それとも手動設定に基づく演算で求められた推定位置を用いるかを選択的に切り替えるものである。
切り替え部８には、自動／手動切り替えスイッチ１６の操作状態が入力されるとともに、ＧＰＳ装置７で計測された絶対位置の座標(xA,yA,zA)及び推定位置算出部５で算出された推定位置の座標(xB,yB,zB)が入力される。ここでは、自動／手動切り替えスイッチ１６が「自動」の位置に操作されているときには絶対位置の座標(xA,yA,zA)が選択され、「手動」の位置に操作されているときには推定位置の座標(xB,yB,zB)が選択される。ここで選択された座標の情報は、車両位置の座標(x,y,z)として補正部９へ出力される。
【００４６】
補正部９は、ディスプレイフィルム２９上での画像の位置の補正演算を行うものである。図４に示すように、補正部９は位置補正部９ａ及び姿勢補正部９ｂという二種類の補正のための構成を備えている。また、補正部９にはオフセット器１７での各操作量Ｃ1〜Ｃ5の情報と調整スイッチ１７ｆの操作位置の情報が入力されている。
位置補正部９ａは、調整スイッチ１７ｆで「オン」位置が選択されているときに、切り替え部８から入力される車両位置の座標(x,y,z)を補正するものである。ここでは、以下の式２に示すように、車両位置調整ボリュームスイッチ１７ａ〜１７ｃの操作量Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3が各座標に加算（又は減算）される。なお、(x′,y′,z′)は補正された車両位置の座標を表す。
【００４７】
【数２】
2011001775.tif 000004
【００４８】
姿勢補正部９ｂは、調整スイッチ１７ｆで「オン」位置が選択されているときに、姿勢算出部３で算出された姿勢(θx,θy,θz)を補正するものである。ここでは、以下の式３に示すように、姿勢調整ボリュームスイッチ１７ｄ，１７ｅの操作量Ｃ4，Ｃ5が姿勢(θx,θy,θz)に加算（又は減算）される。なお、(θx′,θy′,θz′)は補正された姿勢を表す値である。また、θy′はオフセット器１７ではなく旋回操作によって（すなわち、実際の地形を画像に合わせるように機体の向きを操作することによって）調整される。
【００４９】
【数３】
2011001775.tif 000005
【００５０】
これらの位置補正部９ａ及び姿勢補正部９ｂで補正された位置(x′,y′,z′)及び姿勢(θx′,θy′,θz′)の情報は、視点算出部４へ入力される。
目視算出部４は、描画に係る投影中心の座標を算出するものである。ここには上述の三種類の座標系に対応して、第一目視位置算出部４ａ，第二目視位置算出部４ｂ及び第三目視位置算出部４ｃが備えられている。
【００５１】
第一目視位置算出部４ａは、車体を基準とする座標系での目視位置（オペレータの瞳の位置）を算出するものである。ここには、ヘルメット位置検出装置１５での検出情報と、記憶媒体１８に予め記憶されているキャブ２３の室内形状データ，油圧ショベル２０上での位置データ等が入力される。第一目視位置算出部４ａは、ヘルメット３０及びオペレータの瞳の位置関係が一定であるものとして、目視位置（第一目視位置）の座標(x1,y1,z1)を算出する。ここで算出された目視位置の座標(x1,y1,z1)は、第二目視位置算出部４ｂへ入力される。
【００５２】
第二目視位置算出部４ｂは、局地座標系での目視位置（第二目視位置）を算出するものである。ここには、第一目視位置算出部４ａで算出された目視位置の座標(x1,y1,z1)と、姿勢補正部９ｂで算出された姿勢の値 (θx′,θy′,θz′)とが入力される。第二目視位置算出部４ｂは、局地座標系に対してキャブ２３が姿勢の値 (θx′,θy′,θz′)分だけ傾いているものとして第二目視位置の座標(x2,y2,z2)を算出する。この座標は第三目視位置算出部４ｃへ入力される。
【００５３】
第三目視位置算出部４ｃは、地球座標系での目視位置（第三目視位置）を算出するものである。ここには、第二目視位置算出部４ｂで算出された第二目視位置の座標(x2,y2,z2)と、位置補正部９ａで算出された位置(x′,y′,z′)とが入力される。第三目視位置算出部４ｃは、地球座標系で(x′,y′,z′)の座標に油圧ショベル２０が位置しているものとして、第三目視位置の座標(x3,y3,z3)を算出する。この座標は、投影図データ演算部６へ入力される。
【００５４】
本実施形態では、上記のようにオペレータの目視位置を段階的に座標変換することにより、極めて正確に投影中心を把握することが可能とされており、これにより施工計画図と周囲の地形とを正確に一致させて重畳表示させることができるようになっている。
投影図データ演算部６は、施工計画図をキャブガラス２５上へ投影したときの画像を投影図データとして演算し、これをディスプレイフィルム２９に表示させるものである。ここには、第三目視位置算出部４ｃで算出された第三目視位置の座標(x3,y3,z3)と、記憶媒体１８に記憶された施工計画図の三次元情報と、キャブガラス２５の三次元形状データが入力される。また、姿勢補正部９ｂで算出された姿勢の値(θx′,θy′,θz′)も併せて入力される。
【００５５】
これにより、オペレータの瞳の位置，ディスプレイフィルム２９の向きと形状，施工計画図の三次元情報が全て地球座標系で統一された状態で把握される。投影図データ演算部６は、キャブガラス２５の外側の実際の施工面と重なり合う施工計画図の投射図形を演算し、その画像をディスプレイフィルム２９上に表示させる。
【００５６】
［４．フローチャート］
図５に示すフローチャートを用いて、コントローラ１０の内部で繰り返し実施される制御内容を説明する。
まずステップＳ１では、第一目視位置算出部４ａにおいて、ヘルメット位置検出装置１５から入力されるヘルメット３０の位置と予め記憶媒体１８に記憶されている車体形状データとに基づき、車体を基準とする座標系での目視位置の座標(x1,y1,z1)が算出される。
続いてステップＳ２では、姿勢算出部３において、傾斜センサ１１から入力される上部旋回体２２の前後方向及び左右方向の傾斜角度と、方位センサ１２から入力される上部旋回体２２の方位とに基づき、局地座標系での上部旋回体２２及びキャブ２３の姿勢の値(θx,θy,θz)が算出される。
【００５７】
続くステップＳ３では、オフセット器１７の調整スイッチ１７ｆの操作状態が「オン」であるか否かが判定される。調整スイッチ１７ｆが「オン」である場合にはステップＳ４へ進み、「オフ」である場合にはステップＳ４をスキップしてステップＳ５へ進む。
ステップＳ４は、油圧ショベル２０の車体姿勢を補正するステップである。ここでは姿勢補正部９ｂにおいて、姿勢調整ボリュームスイッチ１７ｄ，１７ｅの操作量Ｃ4，Ｃ5に基づき、補正された姿勢の値(θx′,θy′,θz′)が算出される。
【００５８】
ステップＳ５では、第二目視位置算出部４ｂにおいて、補正された姿勢の値(θx′,θy′,θz′)とステップＳ１で算出された目視位置の座標(x1,y1,z1)とに基づき、局地座標系での第二目視位置の座標(x2,y2,z2)が算出される。
続くステップＳ６では、切り替え部８において、自動／手動切り替えスイッチ１６が「手動」の位置に操作されているか否かが判定される。ここで、操作位置が「手動」でない場合（すなわち、操作位置が「自動」である場合）にはステップＳ１０へ進み、ＧＰＳ装置７において油圧ショベル２０の地球座標系での絶対位置の座標(xA,yA,zA)が計測される。ここで計測された絶対位置の座標(xA,yA,zA)は、そのまま油圧ショベル２０の車両位置の座標(x,y,z)として利用される。一方、ステップＳ６において操作位置が「手動」である場合にはステップＳ７へ進む。
【００５９】
ステップＳ７では、モニタコンソール１において油圧ショベル２０の初期位置の座標(x0,y0,z0)が設定される。なお、事前にオペレータがモニタコンソール１に入力しておく構成としてもよいし、あるいはステップＳ６の判定後にオペレータに初期位置の入力を促す構成としてもよい。
続くステップＳ８では、相対変位算出部２において、姿勢算出部３で算出された上部旋回体２２の姿勢(θx,θy,θz)と旋回角度センサ１３及び回転数センサ１４で検出された検出情報に基づき、油圧ショベル２０の初期位置からの相対変位(Δx,Δy,Δz)が算出される。
【００６０】
さらにステップＳ９では、推定位置算出部５において、初期位置の座標(x0,y0,z0)及び相対変位(Δx,Δy,Δz)に基づき、油圧ショベル２０の推定位置の座標(xB,yB,zB)が算出される。なお、ステップＳ９に進むのは自動／手動切り替えスイッチ１６が「手動」に操作されている場合に限られるため、このステップで算出された推定位置の座標(xB,yB,zB)が車両位置の座標(x,y,z)として用いられることになる。
【００６１】
ステップＳ１１では、再びオフセット器１７の調整スイッチ１７ｆの操作状態が「オン」であるか否かが判定される。調整スイッチ１７ｆが「オン」である場合にはステップＳ１２へ進み、「オフ」である場合にはステップＳ１２をスキップしてステップＳ１３へ進む。
ステップＳ１２は、油圧ショベル２０の車両位置を補正するステップである。ここでは位置補正部９ａにおいて、車両位置調整ボリュームスイッチ１７ａ〜１７ｃの操作量Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3に基づき、補正された車両位置の座標(x′,y′,z′)が算出される。
【００６２】
ステップＳ１３では、第三目視位置算出部４ｃにおいて、ステップＳ５で算出された第二目視位置の座標(x2,y2,z2)と前ステップで算出された車両位置の座標(x′,y′,z′)とに基づき、地球座標系での第三目視位置の座標(x3,y3,z3)が算出される。
そしてステップＳ１４では、投影図データ演算部６において、第三目視位置の座標(x3,y3,z3)と、記憶媒体１８に記憶された施工計画図及びキャブガラス２５の三次元情報とに基づき、投影図データが演算される。ここで演算される投影図データは、油圧ショベル２０の車両位置や車体姿勢だけでなく、オフセット器１７から入力された手動での調整量も考慮されたものとなる。また、自動／手動切り替えスイッチ１６が「手動」の位置に操作されている場合には、オペレータが入力した初期位置の座標(x0,y0,z0)を測位の基準点として、油圧ショベル２０の移動量が考慮された上で、さらに手動での調整量が考慮されたものとなる。そして続くステップＳ１５では、前ステップで演算された施工計画図の投影図データがディスプレイ２９に表示される。
【００６３】
［５．作用，効果］
［５−１．自動測位の場合］
まず、自動／手動切り替えスイッチ１６が「自動」の位置に操作されているときには、ＧＰＳ装置７で油圧ショベル２０の絶対位置の座標(xA,yA,zA)が計測され、切り替え部８を介して車両位置の座標(x,y,z)として補正部９へ入力される。
【００６４】
ここで、オフセット器１７の調整スイッチ１７ｆが「オフ」である場合、従来の一般的なディスプレイ装置と同様の動作が実現される。すなわち、ＧＰＳ装置７で検出された測位情報に基づいて施工計画図がディスプレイフィルム２９上に描画される。これにより、オペレータは施工計画図と油圧ショベル２０の周囲の地形とを重ね合わせた状態で視認することができる。
【００６５】
また、ＧＰＳ装置７の計測誤差によりによりディスプレイフィルム２９上の施工計画図と実際の地形とが一致しない場合には、オフセット器１７を用いてこれらのずれを微調整することができる。
図６に示すように、ディスプレイフィルム２９上の施工計画図と実際の地形とが一致していないとする。ここで、図６中の実線が実際の地形を示し、破線がディスプレイフィルム２９上に描かれた施工計画図とする。
【００６６】
このようなずれを解消するには、まず、オフセット器１７の調整スイッチ１７ｆを「オン」位置に操作し、その後、車両位置調整ボリュームスイッチ１７ａ〜１７ｃや姿勢調整ボリュームスイッチ１７ｄ，１７ｅを用いて、あるいは、旋回動作により破線の施工計画図が実線の地形に重合するように移動させる。
例えば、車両位置調整ボリュームスイッチ１７ｂを回転させると、破線の施工計画図が図６中の上下方向に移動する。また、姿勢調整ボリュームスイッチ１７ｄを回転させると、破線の施工計画図が図２（ｂ）中に示すＸ軸まわりに回転するように移動する。このように、コントローラ１０の内部で演算される油圧ショベル２０の仮想的な位置及び姿勢を任意に調整することができ、誤差を吸収することができる。これにより、施工計画図を正確に対象地形に重ね合わせることができ、施工性を高めることができる。
【００６７】
また、このような微調整の結果がディスプレイフィルム２９上の施工計画図にリアルタイムに反映されるため、オペレータにとって調整作業が容易であり、利便性が極めて高い。
なお、ここで吸収することのできる誤差には、ＧＰＳ装置７の測定誤差だけでなく、傾斜センサ１１，方位センサ１２，旋回角度センサ１３，回転数センサ１４，ヘルメット位置検出装置１５等の測定誤差も含まれる。
【００６８】
［５−２．手動測位の場合］
一方、坑道やトンネル内，屋根のある建築物の内部での作業時には、自動／手動切り替えスイッチ１６を「手動」の位置に操作すればよい。この場合、例えばモニタコンソール１に油圧ショベル２０の初期位置の入力を促す表示がなされる。オペレータが初期位置の座標(x0,y0,z0)を入力すると、入力された初期位置を測位の基準点として、油圧ショベル２０の移動量に基づいて推定位置の座標(xB,yB,zB)が随時算出され、絶対位置の代わりに用いられる。
【００６９】
したがって、ＧＰＳ装置７のような自動測位装置が使用できない環境下においても、ＧＰＳ装置７と同様に正確な測位が可能となり、周囲の施工計画図の投影図を対象地形に正確に重ねて表示することができる。また、自動／手動切り替えスイッチ１６の操作だけでこのような機能の切り替えを実施することができ、優れた利便性を提供することができる。
【００７０】
また、自動測位のときと同様に、オフセット器１７を用いた調整が可能であり、各種センサ類の検出誤差を吸収することができ、施工性を高めることができる。
なお、ここで吸収することのできる誤差には、初期位置の座標(x0,y0,z0)の誤差も含まれる。つまり、予めオフセット器１７による調整作業を想定しておくならば、初期位置の座標にはそれほど高い精度が求められない。逆に考えると、初期位置の座標が不確かな場合であっても正確な調整作業によって施工計画図を正しく対象地形に重ね合わせることができ、施工性を高めることができる。
【００７１】
［６．その他］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。少なくとも、油圧ショベル２０の初期位置を手動で入力するための構成を備え、初期位置からの相対変位を算出するとともに推定位置を算出する構成を備えたものとすればよい。したがって、例えばＧＰＳ装置７や切り替え部８，補正部９等は必須の構成要素ではない。
【００７２】
また、上述の実施形態では、傾斜センサ１１や方位センサ１２を用いて油圧ショベル２０の姿勢を算出しているが、具体的なセンサ類の種類は任意であり、例えばこれらのセンサの代わりにジャイロセンサ等を用いた構成としてもよい。相対変位を算出する構成に関しても同様である。
また、上述の実施形態において、相対変位算出部２で算出される相対変位の大きさが予め設定された所定値以上となったような場合（すなわち、油圧ショベル２０が初期位置から大きく移動した場合）に、補正部９における補正を強制的にリセットする構成としてもよいし、あるいは推定位置算出部５に記憶されている初期位置の情報をリセットする構成としてもよい。初期位置の情報をリセットする場合には、新たな初期位置の設定を促すメッセージをモニタコンソール１に表示することが好ましい。このような構成により、油圧ショベル２０の移動に伴って増大しうる投影図データの位置ずれを防止することができる。
【００７３】
また、上述の実施形態では、キャブガラス２５の室内側に貼り付けられたディスプレイフィルム２９に施工計画図を表示する構成とされているが、投影図データの表示手段はこれに限定されるものではなく、例えば特許文献１に記載されたようなプロジェクタ装置を用いて施工計画図を表示する構成としてもよい。
また、上述の実施形態では本発明を油圧ショベル２０に適用したものを例示したが、本発明の適用対象はこれに限定されず、ホイールローダや油圧式クレーン装置等、種々の建設機械のディスプレイ装置として利用することが考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、油圧ショベルや油圧式クレーン等の建設機械の製造産業全般に利用可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１  モニタコンソール（初期位置入力手段）
２  相対変位算出部（相対変位算出手段）
３  姿勢算出部（姿勢算出手段）
４  視点算出部（視点算出手段）
４ａ  第一目視位置算出部（第一目視位置算出手段）
４ｂ  第二目視位置算出部（第二目視位置算出手段）
４ｃ  第三目視位置算出部（第三目視位置算出手段）
５  推定位置算出部（推定位置算出手段）
６  投影図データ演算部（投影図演算手段）
７  ＧＰＳ装置（絶対位置計測手段）
８  切り替え部（切り替え手段）
９  補正部（補正手段）
９ａ  位置補正部（位置補正手段）
９ｂ  姿勢補正部（姿勢補正手段）
１０  コントローラ
１１  傾斜センサ
１２  方位センサ
１３  旋回角度センサ
１４  回転数センサ
１５  ヘルメット位置検出装置（視点位置検出手段）
１５ａ  検出器
１５ｂ  発信器
１６  自動／手動切り替えスイッチ
１７  オフセット器
１７ａ〜１７ｃ  車両位置調整ボリュームスイッチ
１７ｄ，１７ｅ  姿勢調整ボリュームスイッチ
１７ｆ  調整スイッチ
１８  記憶媒体
１９  コンソール
２０  油圧ショベル
２１  下部走行体
２２  上部旋回体
２３  キャブ
２４  フロント作業装置
２５  キャブガラス
２６  走行モータ
２７  旋回モータ
２９  ディスプレイフィルム（表示手段）
３０  ヘルメット
(xA,yA,zA)  絶対位置の座標
(xB,yB,zB)  推定位置の座標
(x0,y0,z0)  初期位置の座標
(Δx,Δy,Δz)  相対変位
(x,y,z)  車両位置の座標
(θx,θy,θz)  姿勢
(x′,y′,z′)  補正された車両位置の座標
(θx′,θy′,θz′)  補正された姿勢
(x1,y1,z1)  車体を基準とする座標系での目視位置の座標（第一目視位置）
(x2,y2,z2)  局地座標系での目視位置（第二目視位置）
(x3,y3,z3)  地球座標系での目視位置（第三目視位置）
【図１】
2011001775.tif 000006
【図２】
2011001775.tif 000007
【図３】
2011001775.tif 000008
【図４】
2011001775.tif 000009
【図５】
2011001775.tif 000010
【図６】
2011001775.tif 000011