(57)【要約】【課題】ジャイロセンサの検出軸と上部旋回体の旋回軸との位置決めを省略する。【解決手段】角速度算出手段１２は、Ｘ検出軸Ｘｂ、Ｙ検出軸Ｙｂ、及びＺ検出軸Ｚｂにより定義される検出用３次元座標系を、旋回軸に一致するＺ基準軸Ｚｊとこれに直交する平面上で互いに直交するＸ基準軸Ｘｊ及びＹ基準軸Ｙｊとにより定義される基準３次元座標系に座標変換することにより検出用３次元座標系と基準３次元座標系とのずれを補正してＺ基準軸Ｚｊ回りの角速度ωｚｊを算出する。【選択図】図２
2015001385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体と、予め設定された旋回軸回りに旋回可能となるように前記下部走行体上に設けられた上部旋回体とを備えた建設機械であって、
予め設定されたＸ検出軸回りの角速度を検出するＸ軸ジャイロセンサと、
前記Ｘ検出軸と直交するＹ検出軸回りの角速度を検出するＹ軸ジャイロセンサと、
前記Ｘ検出軸及び前記Ｙ検出軸と直交するＺ検出軸回りの角速度を検出するＺ軸ジャイロセンサと、
前記各ジャイロセンサによる検出結果に基づいて前記旋回軸回りの前記上部旋回体の角速度を算出する角速度算出手段とを備え、
前記角速度算出手段は、前記Ｘ検出軸、前記Ｙ検出軸、及び前記Ｚ検出軸により定義される検出用３次元座標系を、前記旋回軸に一致するＺ基準軸とこれに直交する平面上で互いに直交するＸ基準軸及びＹ基準軸とにより定義される基準３次元座標系に座標変換することにより前記検出用３次元座標系と前記基準３次元座標系とのずれを補正して前記Ｚ基準軸回りの角速度を算出するために、
（Ａ）前記Ｚ検出軸が前記Ｚ基準軸に対して前記Ｘ基準軸回りに第１角度回転し、かつ、前記Ｙ基準軸回りに第２角度回転している場合に、前記各ジャイロセンサによる検出結果、前記第１角度、及び前記第２角度を用いて前記基準３次元座標系における３軸回りの角速度をそれぞれ表す３つの関係式のうち前記Ｘ基準軸及び前記Ｙ基準軸に関する２つの関係式により表される角速度がそれぞれ０であることを利用して、これら２つの関係式に基づいて前記第１角度及び前記第２角度を算出し、
（Ｂ）前記３つの関係式のうち前記Ｚ基準軸に関する関係式と、算出された前記第１角度及び前記第２角度とに基づいて前記Ｚ基準軸回りの角速度を算出する、建設機械。
【請求項２】
前記Ｘ軸ジャイロセンサ、前記Ｙ軸ジャイロセンサ、及び前記Ｚ軸ジャイロセンサは、前記Ｘ検出軸、前記Ｙ検出軸、及び前記Ｚ検出軸が互いに直交した状態で、予め一体化されている、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、下部旋回体と、この下部旋回体上に旋回可能に設けられた上部旋回体とを備えた建設機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベルを例に挙げて説明する。
【０００３】
油圧ショベルは、下部走行体と、下部走行体上に旋回可能に設けられた上部旋回体と、上部旋回体に起伏可能に設けられたブームと、ブームの先端部に設けられたアームと、アームの先端に設けられたバケットとを備えている。
【０００４】
この種の油圧ショベルとして、その作業状態（作業姿勢）を特定するために、ブーム角、アーム角、バケット角、及び旋回角等を検出可能なセンサを備えたものが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
また、下部走行体に対する上部旋回体の旋回動作の角速度を検出するためのセンサを有する建設機械も知られている。
【０００６】
ここで、角速度を検出するセンサとしては、例えば、エンコーダ、レゾルバ、又はジャイロセンサを用いることができる。
【０００７】
しかし、エンコーダ及びレゾルバは、上部旋回体の旋回軸の回転位置に基づいて角速度を検出するため、旋回軸に対して機械的に取り付ける必要がある。
【０００８】
これに対し、ジャイロセンサは、その検出部に対し上部旋回体の旋回動作に応じて発生するコリオリの力に基づいて角速度を検出するため、上部旋回体における旋回軸以外の位置にも取り付けることができる。
【０００９】
したがって、ジャイロセンサは、エンコーダ及びレゾルバと比較して、上部旋回体に対する取り付けに関して有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−５８２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ここで、ジャイロセンサは、規定の検出軸回りの角速度を検出可能であるが、この検出軸と上部旋回体の旋回軸との平行度が保たれていないと、旋回動作の角速度を正確に検出することができない。
【００１２】
そのため、角速度を正確に検出するためにジャイロセンサの検出軸と旋回軸とを正確に位置決めした状態でジャイロセンサを上部旋回体に取り付けることが必要となり、取付位置の調整のための手間や時間が大きいという問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、ジャイロセンサの検出軸と上部旋回体の旋回軸との位置決めを省略することができる建設機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は、下部走行体と、予め設定された旋回軸回りに旋回可能となるように前記下部走行体上に設けられた上部旋回体とを備えた建設機械であって、予め設定されたＸ検出軸回りの角速度を検出するＸ軸ジャイロセンサと、前記Ｘ検出軸と直交するＹ検出軸回りの角速度を検出するＹ軸ジャイロセンサと、前記Ｘ検出軸及び前記Ｙ検出軸と直交するＺ検出軸回りの角速度を検出するＺ軸ジャイロセンサと、前記各ジャイロセンサによる検出結果に基づいて前記旋回軸回りの前記上部旋回体の角速度を算出する角速度算出手段とを備え、前記角速度算出手段は、前記Ｘ検出軸、前記Ｙ検出軸、及び前記Ｚ検出軸により定義される検出用３次元座標系を、前記旋回軸に一致するＺ基準軸とこれに直交する平面上で互いに直交するＸ基準軸及びＹ基準軸とにより定義される基準３次元座標系に座標変換することにより前記検出用３次元座標系と前記基準３次元座標系とのずれを補正して前記Ｚ基準軸回りの角速度を算出するために、（Ａ）前記Ｚ検出軸が前記Ｚ基準軸に対して前記Ｘ基準軸回りに第１角度回転し、かつ、前記Ｙ基準軸回りに第２角度回転している場合に、前記各ジャイロセンサによる検出結果、前記第１角度、及び前記第２角度を用いて前記基準３次元座標系における３軸回りの角速度をそれぞれ表す３つの関係式のうち前記Ｘ基準軸及び前記Ｙ基準軸に関する２つの関係式により表される角速度がそれぞれ０であることを利用して、これら２つの関係式に基づいて前記第１角度及び前記第２角度を算出し、（Ｂ）前記３つの関係式のうち前記Ｚ基準軸に関する関係式と、算出された前記第１角度及び前記第２角度とに基づいて前記Ｚ基準軸回りの角速度を算出する、建設機械を提供する。
【００１５】
上部旋回体の旋回動作時において、上部旋回体は、下部走行体に対してＺ基準軸（旋回軸）回りに動作する一方、このＺ基準軸と直交するＸ基準軸及びＹ基準軸回りには動作しない。
【００１６】
つまり、基準三次元座標系における３軸回りの角速度を表す３つの関係式のうちＸ基準軸及びＹ基準軸に関する２つの関係式により表される角速度は０となる。
【００１７】
本発明では、この点を利用して、前記２つの関係式に基づいて、基準３次元座標系に対する検出用３次元座標系のずれ（第１角度及び第２角度）を特定することができる。
【００１８】
そして、第１角度及び第２角度と残る１つの関係式とに基づいて、前記各座標系のずれの補正量が加味されたＺ基準軸回りの角速度を算出することができる。
【００１９】
そのため、上部旋回体に対する各ジャイロセンサの位置を細かく調整しなくても角速度算出手段によって各座標系のずれを補正して、Ｚ基準軸（旋回軸）回りの角速度を算出することができる。
【００２０】
したがって、本発明によれば、各ジャイロセンサの検出軸と上部旋回体の旋回軸（Ｚ基準軸）との位置決めを省略することができる。
【００２１】
前記建設機械において、前記Ｘ軸ジャイロセンサ、前記Ｙ軸ジャイロセンサ、及び前記Ｚ軸ジャイロセンサは、前記Ｘ検出軸、前記Ｙ検出軸、及び前記Ｚ検出軸が互いに直交した状態で、予め一体化されていることが好ましい。
【００２２】
この態様によれば、各検出軸が互いに直交するように各ジャイロセンサ同士を位置決めする手間をさらに低減することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ジャイロセンサの検出軸と上部旋回体の旋回軸との位置決めを省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る油圧ショベルの全体構成を示す右側面図である。
【図２】図１の油圧ショベルの電気的構成を示すブロック図である。
【図３】基準３次元座標系と検出用３次元座標系とのずれを示すＸ−Ｙ平面図である。
【図４】基準３次元座標系と検出用３次元座標系とのずれを示すＹ−Ｚ平面図である。
【図５】図２の角速度算出手段により実行される処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
【００２６】
図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る建設機械の一例としての油圧ショベル１について説明する。
【００２７】
油圧ショベル１は、クローラ２ａを有する下部走行体２と、下部走行体２上にＺ基準軸Ｚｊ（旋回軸）回りに旋回可能に設けられた上部旋回体３と、上部旋回体３に取り付けられた作業アタッチメント４と、上部旋回体３にそれぞれ設けられた角速度センサ１１及び角速度算出手段１２とを備えている。
【００２８】
作業アタッチメント４は、上部旋回体３に対して起伏可能に設けられたブーム５と、ブーム５の先端部に対して回動可能に取り付けられたアーム６と、アーム６の先端部に回動可能に取り付けられたバケット７とを備えている。
【００２９】
また、作業アタッチメント４は、上部旋回体３に対してブーム５を起伏させるブームシリンダ８と、ブーム５に対してアーム６を回動させるアームシリンダ９と、アーム６に対してバケット７を回動させるバケットシリンダ１０とを備えている。
【００３０】
図２〜図４を参照して、角速度センサ１１は、予め設定されたＸ検出軸Ｘｂ回りの角速度を検出するＸ軸ジャイロセンサ１１ａと、Ｘ検出軸Ｘｂと直交するＹ検出軸Ｙｂ回りの角速度を検出するＹ軸ジャイロセンサ１１ｂと、Ｘ検出軸Ｘｂ及びＹ検出軸Ｙｂと直交するＺ検出軸Ｚｂ回りの角速度を検出するＺ軸ジャイロセンサ１１ｃとを備えている。
【００３１】
ここで、角速度センサ１１は、Ｘ検出軸Ｘｂ、Ｙ検出軸Ｙｂ、及びＺ検出軸Ｚｂが互いに直交した状態で、各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃが予め一体化されたものである。
【００３２】
なお、以下の説明では、Ｘ検出軸Ｘｂ、Ｙ検出軸Ｙｂ、及びＺ検出軸Ｚｂにより定義される３次元座標系を検出用３次元座標系（図３及び図４で二点鎖線で示す）という。また、Ｚ基準軸Ｚｊ（旋回軸）とこれに直交する平面上で互いに直交するＸ基準軸Ｘｊ及びＹ基準軸Ｙｊとにより定義される３次元座標系を基準３次元座標系（図３及び図４で実線で示す）という。
【００３３】
角速度算出手段１２は、各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃによる検出結果に基づいてＺ基準軸Ｚｊ（旋回軸）回りの上部旋回体３の角速度を算出する。
【００３４】
具体的に、角速度算出手段１２は、各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃから検出結果を読み出す角速度検出手段１２ａと、検出用３次元座標系を基準３次元座標系に座標変換することにより検出用３次元座標系と基準３次元座標系とのずれを補正してＺ基準軸Ｚｊ回りの角速度を算出する角速度補正手段１２ｂとを備えている。
【００３５】
以下、図３及び図４に示すように、Ｚ検出軸ＺｂがＺ基準軸Ｚｊに対してＸ基準軸Ｘｊ回りに第１角度θ回転し、かつ、Ｙ基準軸Ｙｊ回りに第２角度α回転している場合において、角速度補正手段１２ｂがＺ基準軸Ｚｊ回りの角速度を算出する方法を説明する。
【００３６】
図３及び図４に示す状態において、検出用３次元座標系を基準３次元座標系に座標変換するための座標変換行列は、数１に示すものである。
【００３７】
【数１】
2015001385.tif 000003
【００３８】
つまり、数１は、Ｘ基準軸Ｚｊ回りに第１角度θだけ３次元座標系を回転し、Ｙ基準軸Ｙｊ回りに第２角度αだけ３次元座標系を回転させるためのものである。なお、数１における４行目及び４列目は、数１によって３次元座標系の平行移動が行なわれないことを示すものである。
【００３９】
この数１と、各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃにより検出されたＸ検出軸Ｘｂ回りの角速度ωｘｂ、Ｙ検出軸Ｙｂ回りの角速度ωｙｂ、及びＺ検出軸Ｚｂ回りの角速度ωｚｂとを用いて、Ｘ基準軸Ｘｊ回りの角速度ωｘｊ、Ｙ基準軸Ｙｊ回りの角速度ωｙｊ、及びＺ基準軸Ｚｊ回りの角速度ωｘｊを数２のように表すことができる。
【００４０】
【数２】
2015001385.tif 000004
【００４１】
この数２を展開することにより、以下の数３〜図５に示すように、各角速度ωｘｊ、ωｙｊ、ωｚｊを、検出された角速度ωｘｂ、ωｙｂ、ωｚｂ、第１角度θ、及び第２角度αを用いて表すことができる。
【００４２】
【数３】
2015001385.tif 000005
【００４３】
【数４】
2015001385.tif 000006
【００４４】
【数５】
2015001385.tif 000007
【００４５】
ここで、上部旋回体３の旋回動作時に、上部旋回体３は、Ｘ基準軸Ｘｊ回りに動作しないため、以下数６に示すように、Ｘ基準軸Ｘｊ回りの角速度ωｘｊの値は０である。
【００４６】
【数６】
2015001385.tif 000008
【００４７】
同様に、上部旋回体３の旋回動作時に、上部旋回体３は、Ｙ基準軸Ｙｊ回りに動作しないため、以下数７に示すように、Ｙ基準軸Ｙｊ回りの角速度ωｙｊの値も０である。
【００４８】
【数７】
2015001385.tif 000009
【００４９】
そして、この数７は、以下の数８のように変形することができ、この数８に基づいて数９に示すように第１角度θを各ジャイロセンサ１１ｂ、１１ｃによる検出値ωｙｂ、ωｚｂのみで表すことができる。したがって、数９に基づいて第１角度θを求めることができる。
【００５０】
【数８】
2015001385.tif 000010
【００５１】
【数９】
2015001385.tif 000011
【００５２】
一方、前記数６は、以下の数１０のように変形することができ、この数１０に基づいて数１１に示すように第２角度αを角速度ωｘｂ、ωｙｂ、ωｚｂと第１角度θとで表すことができる。したがって、上述のように求められた第１角度θを用い、数１１に基づいて第２角度αを求めることができる。
【００５３】
【数１０】
2015001385.tif 000012
【００５４】
【数１１】
2015001385.tif 000013
【００５５】
そして、このように求められた第１角度θ及び第２角度αを前記数５に代入することにより、Ｚ基準軸Ｚｊ（旋回軸）回りの角速度ωｚｊを求めることができる。
【００５６】
以下、図２及び図５を参照して、角速度算出手段１２により実行される処理について説明する。
【００５７】
まず、角速度検出手段１２ａによって各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃにより検出された角速度ωｘｂ、ωｙｂ、ωｚｂを検出する（ステップＳ１）。
【００５８】
次いで、ステップＳ１で検出された角速度ωｘｂ、ωｙｂ、ωｚｂと数９及び数１１に基づいて、第１角度θ及び第２角度αを算出する（ステップＳ２）。
【００５９】
そして、ステップＳ２で算出された第１角度θ及び第２角度αと数５とに基づいて、Ｚ基準軸Ｚｊ（旋回軸）回りの角速度ωｚｊを算出して、当該処理はリターンする。
【００６０】
以上説明したように、上部旋回体３の旋回動作時において、数３〜５の３つの関係式のうちＸ基準軸Ｘｊ及びＹ基準軸Ｙｊに関する２つの数４及び数５により表される角速度が０となる点を利用して、第１角度θ及び第２角度αを特定することができる。
【００６１】
そして、第１角度θ及び第２角度αと数５とに基づいて、検出用３次元座標系と基準３次元座標系とのずれの補正量が加味されたＺ基準軸Ｚｊ回りの角速度ωｚｊを算出することができる。
【００６２】
そのため、上部旋回体３に対する各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃの位置を細かく調整しなくても角速度算出手段によって各座標系のずれを補正して、Ｚ基準軸Ｚｊ（旋回軸）回りの角速度を算出することができる。
【００６３】
したがって、各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃの検出軸Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂと上部旋回体３の旋回軸（Ｚ基準軸Ｚｊ）との位置決めを省略することができる。
【００６４】
また、前記実施形態では、Ｘ検出軸Ｘｂ、Ｙ検出軸Ｙｂ、及びＺ検出軸Ｚｂが互いに直交するように各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃが予め一体化されているので、各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃ同士を位置決めする手間をさらに低減することができる。
【００６５】
なお、前記実施形態では、各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃが予め一体化された角速度センサ１１について説明したが、各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃは、一体化されていなくてもよい。
【００６６】
この場合においても、Ｘ検出軸Ｘｂ、Ｙ検出軸Ｙｂ、及びＺ検出軸Ｚｂが互いに直交するように各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃを位置決めするとともに、この状態で各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃを上部旋回体３に取り付けることにより、各ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｃの検出軸Ｘｂ、Ｙｂ、ＺｂとＺ基準軸Ｚｊ（旋回軸）と位置決めを省略することができる。
【符号の説明】
【００６７】
Ｘｂ    Ｘ検出軸（検出用３次元座標を定義するＸ軸）
Ｙｂ    Ｙ検出軸（検出用３次元座標を定義するＹ軸）
Ｚｂ    Ｚ検出軸（検出用３次元座標を定義するＺ軸）
Ｘｊ    Ｘ基準軸（基準３次元座標を定義するＸ軸）
Ｙｊ    Ｙ基準軸（基準３次元座標を定義するＹ軸）
Ｚｊ    Ｚ基準軸（基準３次元座標を定義するＺ軸：旋回軸）
θ    第１角度
α    第２角度
ωｘｂ    Ｘ検出軸回りの角速度
ωｙｂ    Ｙ検出軸回りの角速度
ωｚｂ    Ｚ検出軸回りの角速度
ωｘｊ    Ｘ基準軸回りの角速度（０となる角速度）
ωｙｊ    Ｙ基準軸回りの角速度（０となる角速度）
ωｚｊ    Ｚ基準軸回りの角速度
１    油圧ショベル（建設機械の一例）
２    下部走行体
３    上部旋回体
１１ａ    Ｘ軸ジャイロセンサ
１１ｂ    Ｙ軸ジャイロセンサ
１１ｃ    Ｚ軸ジャイロセンサ
１２    角速度算出手段
【図１】
2015001385.tif 000014
【図２】
2015001385.tif 000015
【図３】
2015001385.tif 000016
【図４】
2015001385.tif 000017
【図５】
2015001385.tif 000018