(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行体と、前記走行体に旋回可能に取り付けられた旋回体と、前記旋回体に回動可能に取り付けられたブームと前記ブームに回動可能に取り付けられたアームと前記アームに回動可能に取り付けられた作業具とを含む作業機と、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と、前記旋回体に対する前記ブームの回動角と、前記ブームに対する前記アームの回動角と、前記アームに対する前記作業具の回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と、
前記パラメータを較正するための較正装置と、
前記作業具に含まれる作業点の位置を計測する外部計測装置と、
前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報を検出する傾斜情報検出装置と、を備え、
前記較正装置は、
前記傾斜情報検出装置によって検出された前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報に基づいて、前記外部計測装置によって計測された前記作業点の複数の位置を補正し、補正後の前記作業点の複数の位置での座標に基づいて、前記パラメータの較正値を演算する、油圧ショベルの較正システム。
【請求項２】
走行体と、前記走行体に旋回可能に取り付けられた旋回体と、前記旋回体に回動可能に取り付けられたブームと前記ブームに回動可能に取り付けられたアームと前記アームに回動可能に取り付けられた作業具とを含む作業機と、前記旋回体に対する前記ブームの回動角と前記ブームに対する前記アームの回動角と前記アームに対する前記作業具の回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角度検出部が検出した回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と、
前記パラメータを較正するための較正装置と、
前記作業具に含まれる作業点の位置を計測する外部計測装置と、
前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報を検出する傾斜情報検出装置と、を備え、
前記較正装置は、
前記外部計測装置が計測した、前記作業機の姿勢が異なる少なくとも３つの前記作業点の位置を含む作業機位置情報と、前記旋回体の前記走行体に対する旋回角度が異なる少なくとも３つの前記作業点の位置を含む旋回体位置情報と、前記傾斜情報検出装置によって検出された、前記作業機位置情報に含まれるそれぞれの前記作業点に対応した、前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報と、が入力される入力部と、
前記傾斜情報に基づいて前記作業機位置情報に含まれるそれぞれの前記作業点の位置を補正する補正部と、
補正後の前記作業点を含む前記作業機位置情報に基づいて前記作業機の動作平面に垂直な第１単位法線ベクトルを演算し、前記旋回体位置情報に基づいて前記旋回体の旋回平面に垂直な第２単位法線ベクトルを演算し、前記第１単位法線ベクトルと前記第２単位法線ベクトルとに垂直な第３単位法線ベクトルを演算する車体座標系演算部と、
前記外部計測装置で計測された前記作業点の複数の位置での座標を、前記第１単位法線ベクトルと前記第２単位法線ベクトルと前記第３単位法線ベクトルとを用いて、前記外部計測装置における座標系から前記油圧ショベルにおける車体座標系に変換する座標変換部と、
前記車体座標系に変換された前記作業点の複数の位置での座標に基づいて、前記パラメータの較正値を演算する較正演算部と、
を含む、油圧ショベルの較正システム。
【請求項３】
前記傾斜情報は、前記油圧ショベルのピッチ角である、請求項１又は請求項２に記載の油圧ショベルの較正システム。
【請求項４】
走行体と、前記走行体に旋回可能に取り付けられた旋回体と、前記旋回体に回動可能に取り付けられたブームと前記ブームに回動可能に取り付けられたアームと前記アームに回動可能に取り付けられた作業具とを含む作業機と、を含む油圧ショベルにおいて、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と前記旋回体に対する前記ブームの回動角とを示す複数のパラメータを較正するための方法であって、
前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報を取得し、
前記傾斜情報に基づいて、前記作業具に含まれる作業点の複数の位置を補正し、
補正後の前記作業点の複数の位置での座標に基づいて、前記パラメータの較正値を演算する、油圧ショベルの較正方法。
【請求項５】
走行体と、前記走行体に旋回可能に取り付けられた旋回体と、前記旋回体に回動可能に取り付けられたブームと前記ブームに回動可能に取り付けられたアームと前記アームに回動可能に取り付けられた作業具とを含む作業機と、を含む油圧ショベルにおいて、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と前記旋回体に対する前記ブームの回動角とを示す複数のパラメータを較正するための方法であって、
前記作業機の姿勢が異なる少なくとも２つの、前記作業具に含まれる作業点の位置と前記作業機の動作平面上の所定の基準点の位置とを含む、又は前記作業機の姿勢が異なる少なくとも３つの、前記作業具に含まれる作業点の位置を含む作業機位置情報と、前記旋回体の前記走行体に対する旋回角度が異なる少なくとも３つの前記作業点の位置を含む旋回体位置情報と、前記作業機位置情報に含まれるそれぞれの前記作業点に対応した、前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報とを取得し、
前記傾斜情報に基づいて前記作業機位置情報に含まれるそれぞれの前記作業点の位置を補正し、
補正後の前記作業点を含む前記作業機位置情報に基づいて前記作業機の動作平面に垂直な第１単位法線ベクトルを演算し、前記旋回体位置情報に基づいて前記旋回体の旋回平面に垂直な第２単位法線ベクトルを演算し、前記第１単位法線ベクトルと前記第２単位法線ベクトルとに垂直な第３単位法線ベクトルを演算し、
前記作業点の複数の位置での座標を、前記第１単位法線ベクトルと前記第２単位法線ベクトルと前記第３単位法線ベクトルとを用いて、前記作業点の位置を計測する外部計測装置における座標系から前記油圧ショベルにおける車体座標系に変換し、
前記車体座標系に変換された前記作業点の複数の位置での座標に基づいて、前記パラメータの較正値を演算する、油圧ショベルの較正方法。
【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較正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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に記載されている油圧ショベルは、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等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、前述したパラメータの精度の影響を受ける。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、位置座標の実測値と計算値とが一致するように、油圧ショベルが備える作業機のパラメータが較正される。例えば、外部計測装置により作業具のある位置（作業点）を計測し、その計測値に基づいて作業機の寸法等に関するパラメータを較正する方法がある。このとき、作業機の自重によって油圧ショベルが傾くことがある。このため、外部計測装置によって計測された作業点は、本来の作業点の位置と異なる可能性があるので、パラメータの較正の精度低下を招く可能性がある。【０００５】
本発明は、油圧ショベルが備える作業機のパラメータを較正するにあたって、精度低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、走行体と、前記走行体に旋回可能に取り付けられた旋回体と、前記旋回体に回動可能に取り付けられたブームと前記ブームに回動可能に取り付けられたアームと前記アームに回動可能に取り付けられた作業具とを含む作業機と、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と、前記旋回体に対する前記ブームの回動角と、前記ブームに対する前記アームの回動角と、前記アームに対する前記作業具の回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と、前記パラメータを較正するための較正装置と、前記作業点の位置を計測する外部計測装置と、前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報を検出する傾斜情報検出装置と、を備え、前記較正装置は、前記傾斜情報検出装置によって検出された前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報に基づいて、前記外部計測装置によって計測された前記作業点の複数の位置を補正し、補正後の前記作業点の複数の位置での座標に基づいて、前記パラメータの較正値を演算する、油圧ショベルの較正システムである。【０００７】
本発明は、走行体と、前記走行体に旋回可能に取り付けられた旋回体と、前記旋回体に回動可能に取り付けられたブームと前記ブームに回動可能に取り付けられたアームと前記アームに回動可能に取り付けられた作業具とを含む作業機と、前記旋回体に対する前記ブームの回動角と前記ブームに対する前記アームの回動角と前記アームに対する前記作業具の回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回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と、前記パラメータを較正するための較正装置と、前記作業点の位置を計測する外部計測装置と、前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報を検出する傾斜情報検出装置と、を備え、前記較正装置は、前記外部計測装置が計測した、前記作業機の姿勢が異なる少なくとも３つの前記作業点の位置を含む作業機位置情報と、前記旋回体の前記走行体に対する旋回角度が異なる少なくとも３つの前記作業点の位置を含む旋回体位置情報と、前記傾斜情報検出装置によって検出された、前記作業機位置情報に含まれるそれぞれの前記作業点に対応した、前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報と、が入力される入力部と、前記傾斜情報に基づいて前記作業機位置情報に含まれるそれぞれの前記作業点の位置を補正する補正部と、補正後の前記作業点を含む前記作業機位置情報に基づいて前記作業機の動作平面に垂直な第１単位法線ベクトルを演算し、前記旋回体位置情報に基づいて前記旋回体の旋回平面に垂直な第２単位法線ベクトルを演算し、前記第１単位法線ベクトルと前記第２単位法線ベクトルとに垂直な第３単位法線ベクトルを演算する車体座標系演算部と、前記外部計測装置で計測された前記作業点の複数の位置での座標を、前記第１単位法線ベクトルと前記第２単位法線ベクトルと前記第３単位法線ベクトルとを用いて、前記外部計測装置における座標系から前記油圧ショベルにおける車体座標系に変換する座標変換部と、前記車体座標系に変換された前記作業点の複数の位置での座標に基づいて、前記パラメータの較正値を演算する較正演算部と、を含む、油圧ショベルの較正システムである。【０００８】
前記傾斜情報は、前記油圧ショベルのピッチ角であることが好ましい。【０００９】
前記車体座標系演算部は、前記作業機の動作平面と前記旋回体の旋回平面との交線ベクトルを演算し、前記作業機の動作平面と前記旋回平面との交線ベクトルを通り前記作業機の動作平面に垂直な平面の単位法線ベクトルを、前記第２単位法線ベクトルとして演算することが好ましい。【００１０】
前記作業機位置情報は、前記作業機の上下方向における位置及び車体前後方向における位置が異なる複数の位置のうち少なくとも一方の座標を含むことが好ましい。【００１１】
前記パラメータは、前記ブームの前記旋回体に対する回動中心と前記アームの前記ブームに対する回動中心との間の第１距離と、前記アームの前記ブームに対する回動中心と前記作業具の前記アームに対する回動中心との間の第２距離と、前記作業具の前記アームに対する回動中心と前記作業点との間の第３距離とを含み、前記現在位置演算部は、前記第１距離と前記第２距離と前記第３距離と前記回動角とに基づいて前記車体座標系における前記作業点の現在位置を演算し、前記較正演算部は、前記外部計測装置によって計測され前記車体座標系に変換された前記作業点の複数の位置での座標に基づいて、前記第１距離と前記第２距離と前記第３距離と前記回動角を算出するためのパラメータとの較正値を演算することが好ましい。【００１２】
前記外部計測装置は、トータルステーションであることが好ましい。【００１３】
本発明は、走行体と、前記走行体に旋回可能に取り付けられた旋回体と、前記旋回体に回動可能に取り付けられたブームと前記ブームに回動可能に取り付けられたアームと前記アームに回動可能に取り付けられた作業具とを含む作業機と、を含む油圧ショベルにおいて、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と前記回動角とを示す複数のパラメータを較正するための方法であって、前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報を取得し、前記傾斜情報に基づいて、前記作業具に含まれる前記作業点の複数の位置を補正し、補正後の前記作業点の複数の位置での座標に基づいて、前記パラメータの較正値を演算する、油圧ショベルの較正方法である。【００１４】
本発明は、走行体と、前記走行体に旋回可能に取り付けられた旋回体と、前記旋回体に回動可能に取り付けられたブームと前記ブームに回動可能に取り付けられたアームと前記アームに回動可能に取り付けられた作業具とを含む作業機と、を含む油圧ショベルにおいて、前記ブームと前記アームと前記作業具との寸法と前記回動角とを示す複数のパラメータを較正するための方法であって、前記作業機の姿勢が異なる少なくとも２つの前記作業点の位置と前記作業機の動作平面上の所定の基準点の位置とを含む、又は前記作業機の姿勢が異なる少なくとも３つの、前記作業具に含まれる作業点の位置を含む作業機位置情報と、前記旋回体の前記走行体に対する旋回角度が異なる少なくとも３つの前記作業点の位置を含む旋回体位置情報と、前記作業機位置情報に含まれるそれぞれの前記作業点に対応した、前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報とを取得し、前記傾斜情報に基づいて前記作業機位置情報に含まれるそれぞれの前記作業点の位置を補正し、補正後の前記作業点を含む前記作業機位置情報に基づいて前記作業機の動作平面に垂直な第１単位法線ベクトルを演算し、前記旋回体位置情報に基づいて前記旋回体の旋回平面に垂直な第２単位法線ベクトルを演算し、前記第１単位法線ベクトルと前記第２単位法線ベクトルとに垂直な第３単位法線ベクトルを演算し、前記作業点の複数の位置での座標を、前記第１単位法線ベクトルと前記第２単位法線ベクトルと前記第３単位法線ベクトルとを用いて、前記外部計測装置における座標系から前記油圧ショベルにおける車体座標系に変換し、前記車体座標系に変換された前記作業点の複数の位置での座標に基づいて、前記パラメータの較正値を演算する、油圧ショベルの較正方法である。【００１５】
本発明は、油圧ショベルが備える作業機のパラメータを較正するにあたって、精度低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本実施形態に係る較正システムによる較正が行われる油圧ショベルの斜視図である。
【図２−１】図２−１は、油圧ショベルの側面図である。
【図２−２】図２−２は、油圧ショベルの背面図である。
【図２−３】図２−３は、油圧ショベルの上面図である。
【図３】図３は、油圧ショベルが備える制御系の構成及び本実施形態に係る油圧ショベルの較正システムを示すブロック図である。
【図４】図４は、刃先位置を算出するために必要となるパラメータのリストを示す図である。
【図５】図５は、ブームの側面図である。
【図６】図６は、アームの側面図である。
【図７】図７は、バケット及びアームの側面図である。
【図８】図８は、バケットの側面図である。
【図９】図９は、シリンダの長さを示すパラメータの演算方法を示す図である。
【図１０】図１０は、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である。
【図１１】図１１は、外部計測装置の設置位置を示す図である。
【図１２】図１２は、旋回角の異なる３つの旋回体の位置を示す上面図である。
【図１３】図１３は、作業機２の５つの姿勢での刃先の位置を示す側面図である。
【図１４】図１４は、油圧ショベルの側面図である。
【図１５】図１５は、作業機２の自重により油圧ショベルが車体前後方向に傾斜した場合の第１位置から第５位置及び本来の第１位置から第５位置を示す図である。
【図１６】図１６は、基準アンテナ上の第１計測点と第２計測点との位置を示す上面図である。
【図１７】図１７は、方向アンテナ上の第３計測点と第４計測点との位置を示す上面図である。
【図１８】図１８は、較正装置の操作画面の一例を示す図である。
【図１９】図１９は、演算部の較正に係わる処理機能を示す機能ブロック図である。
【図２０】図２０は、油圧ショベルの側面図である。
【図２１】図２１は、外部計測装置が計測した刃先の位置を補正する方法の一例を示す図である。
【図２２】図２２は、座標変換情報の演算方法を示す図である。
【図２３】図２３は、座標変換情報の演算方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１８】
＜油圧ショベルの全体構成＞
図１は、本実施形態に係る較正システムによる較正が行われる油圧ショベル１００の斜視図である。図２−１は、油圧ショベル１００の側面図である。図２−２は、油圧ショベル１００の背面図である。図２−３は、油圧ショベル１００の上面図である。図３は、油圧ショベル１００が備える制御系の構成及び本実施形態に係る油圧ショベル１００の較正システム２００を示すブロック図である。
【００１９】
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）及び図示しないエンジン等の装置を収容している。旋回体３の上部には手すり９が取り付けられている。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。
【００２０】
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と作業具としてのバケット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の前部に回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に対する回動中心に相当する。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に回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に対する回動中心に相当する。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が回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に対する回動中心に相当する。
【００２１】
図２−１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であり、本実施形態の第１距離に相当する。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であり、本実施形態の第２距離に相当する。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であり、本実施形態の第３距離に相当する。
【００２２】
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に回動可能に取り付けられている。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に回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。
【００２３】
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に回動可能に取り付けられている。まアームシリンダ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に回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。
【００２４】
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に回動可能に取り付けられている。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の一端に回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の先端部に回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に回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。
【００２５】
図３に示すように、ブーム６とアーム７とバケット８とには、それぞれ第１角度検出部１６と、第２角度検出部１７と、第３角度検出部１８とが設けられている。第１角度検出部１６、第２角度検出部１７及び第３角度検出部１８は、例えばストロークセンサであり、各シリンダ１０、１１、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の回動角と、ブーム６に対するアーム７の回動角と、アーム７に対するバケット８の回動角とを間接的に検出する。
【００２６】
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２−１に示す車体座標系のｚ軸に対するブーム６の回動角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の回動角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の回動角γを演算する。回動角α、β、γの演算方法については後詳する。
【００２７】
図２−１に示すように、車体１には、位置検出部１９が備えられている。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。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２−１に示す３次元位置センサ２３とを有する。アンテナ２１、２２は、手すり９に取り付けられ、かつ後述する車体座標系ｘ−ｙ−ｚのｙ軸（図２−３参照）に沿って一定距離だけ離れて配置されている。
【００２８】
アンテナ２１、２２が受信し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、グローバル座標系Ｘｇ−Ｙｇ−Ｚｇにおけるアンテナ２１、２２の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と称する）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と称する）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ｘ軸及びｙ軸のグローバル座標系での方向角を検出する。アンテナ２１、２２は、ＧＰＳ（Global  Positioning  System）用のアンテナであってもよい。
【００２９】
図２−１から図２−３に示すように、車体１には、ＩＭＵ（Inertial  Measurement  Unit：慣性計測装置）２４が備えられている。本実施形態において、ＩＭＵ２４は、図２−１及び図２−２に示すように、運転室４の下方に設置される。ＩＭＵ２４は、油圧ショベル１００に作用する加速度及び角速度を検出する。ＩＭＵ２４は、図２−２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θｒ（以下、ロール角θｒと称する）を検出する。
【００３０】
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。作業機２が、後述するチルトバケットを作業具として備える場合には、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。ＩＭＵ２４は、図２−１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θｐ（以下、適宜ピッチ角θｐと称する）を検出する。本実施形態において、ＩＭＵ２４は、油圧ショベル１００の車体前後方向における傾斜情報を検出する傾斜情報検出装置として機能する。ＩＭＵ２４を傾斜情報検出装置として用いることにより、油圧ショベル１００の加速度、角速度及びロール角等といった油圧ショベル１００の制御に必要な情報を１つの装置で取得することができる。ＩＭＵ２４の代わりにロール角センサ及びピッチ角センサを用意して、前者がロール角θｒを検出し、後者がピッチ角θｐを検出してもよい。
【００３１】
図３に示すように、油圧ショベル１００の較正システム２００は、図１に示す油圧ショベル１００と、較正装置６０と、外部計測装置６２と、傾斜情報検出装置としてのＩＭＵ２４とを備える。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。
【００３２】
作業機操作部材３１は、油圧ショベル１００の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。
【００３３】
作業機コントローラ２６は、ＲＡＭ及びＲＯＭ等の記憶部３５並びにＣＰＵ等の演算部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、比例制御弁等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、１１、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、１１、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。その結果、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。その結果、旋回モータ４９が駆動され、旋回体３が旋回する。
【００３４】
＜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。
【００３５】
表示入力装置３８は、タッチパネル式の入力部４１と、ＬＣＤ等の表示部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述する。
【００３６】
表示コントローラ３９は、表示システム２８の各種の機能を実現する。表示コントローラ３９と作業機コントローラ２６とは、無線又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及びＲＯＭ等の記憶部４３と、ＣＰＵ等の演算部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。次に、前述したバケット８の刃先位置の演算方法について詳細に説明する。
【００３７】
＜刃先位置の演算方法＞
図４は、刃先位置を算出するために必要となるパラメータのリストを示す図である。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。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との寸法及びこれらの回動角を示す複数のパラメータを含む。アンテナパラメータは、アンテナ２１、２２とブーム６との位置関係を示す複数のパラメータを含む。
【００３８】
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を演算する。具体的には、バケット８の刃先の現在位置は、次のように求められる。
【００３９】
まず、図２−１から図２−３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ｘ−ｙ−ｚが設定される。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。第１角度検出部１６、第２角度検出部１７及び第３角度検出部１８の検出結果から、前述したブーム６、アーム７、バケット８の現在の回動角α、β、γが演算される。回動角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（ｘ、ｙ、ｚ）は、ブーム６、アーム７、バケット８の回動角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、次の数１式により演算される。
【００４０】
【数１】
0005823046.tif 000002
【００４１】
次に、第１角度検出部１６、第２角度検出部１７及び第３角度検出部１８の検出結果から、ブーム６、アーム７、バケット８の現在の回動角α、β、γを演算する方法について説明する。
【００４２】
＜回動角α、β、γの演算方法＞
図５は、ブーム６の側面図である。ブーム６の回動角αは、図５に示されている作業機パラメータを用いて、次の数２式によって表される。
【００４３】
【数２】
0005823046.tif 000003
【００４４】
図５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ｘ軸方向に相当する方向の距離である。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ｚ軸方向に相当する方向の距離である。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。
【００４５】
図６は、アーム７の側面図である。アーム７の回動角βは、図５及び図６に示されている作業機パラメータを用いて、次の数３式によって表される。
【００４６】
【数３】
0005823046.tif 000004
【００４７】
図５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６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５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６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の回動角βは、ｘｂｏｏｍ軸とｘａｒｍ１軸との間のなす角である。
【００４８】
図７は、バケット８及びアーム７の側面図である。図８は、バケット８の側面図である。図９は、シリンダの長さを示すパラメータの演算方法を示す図である。バケット８の回動角γは、図６から図８に示されている作業機パラメータを用いて、次の数４式によって表される。
【００４９】
【数４】
0005823046.tif 000005
【００５０】
図６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７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８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の回動角γは、ｘｂｕｃｋｅｔ軸とｘａｒｍ１軸との間のなす角である。前述したＬｔｍｐは以下の数５式によって表される。
【００５１】
【数５】
0005823046.tif 000006
【００５２】
図６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。
【００５３】
前述したｂｏｏｍ＿ｃｙｌは、図９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にブームシリンダの最小長さｂ＿ｍｉｎとブームシリンダオフセットｂｏｆｔとを加えた値である。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にアームシリンダの最小長さａ＿ｍｉｎとアームシリンダオフセットａｏｆｔとを加えた値である。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の最小長さｂｋ＿ｍｉｎとバケットシリンダオフセットｂｋｏｆｔとを加えた値である。
【００５４】
＜較正装置６０＞
較正装置６０は、油圧ショベル１００において、前述した回動角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装置である。また、較正装置６０は、有線又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、外部計測装置６２によって計測された情報に基づいて図４に示すパラメータを較正する。パラメータの較正は、例えば、油圧ショベル１００の出荷時又はメンテナンス後の初期設定において実行される。
【００５５】
図１０は、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である。図１１は、外部計測装置６２の設置位置を示す図である。図１２は、旋回角の異なる３つの旋回体３の位置を示す上面図である。まず、ステップＳ１において、オペレータは、外部計測装置６２を設置する。このとき、オペレータは、図１１に示すように、ブームピン１３の横に所定の距離を隔てて外部計測装置６２を設置する。
【００５６】
ステップＳ２において、オペレータは、バケット情報を図３に示す較正装置６０の入力部６３に入力する。バケット情報は、バケット８の寸法に関する情報である。バケット情報は、前述したバケットピン１５と第２リンクピン４８ａとの間のｘｂｕｃｋｅｔ軸方向の距離（Ｌｂｕｃｋｅｔ4＿ｘ）と、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）とを含む。オペレータは、設計値又はメジャーテープ等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する。
【００５７】
ステップＳ３において、オペレータは、旋回角の異なる３つの旋回体３の位置を測定する。本実施形態では、図１２に示すように、オペレータは、図３に示す旋回操作部材５１を操作して、旋回体３を旋回させる。このとき、作業機２の姿勢は固定された状態に維持される。そして、オペレータは、外部計測装置６２を用いて、旋回体３のカウンタウエイトＷＴの下方に取り付けられたプリズム６２Ｐの位置を、外部計測装置６２によって測定する。このとき、旋回角の異なる３つのプリズム６２Ｐの位置を、旋回体３の位置（以下、第１旋回位置Ｐ２１、第２旋回位置Ｐ２２、第３旋回位置Ｐ２３と称する）として測定する。
【００５８】
本実施形態において、プリズム６２Ｐの位置の他に、旋回角の異なる３つの刃先の位置が、旋回体３の位置として測定されてもよい。この場合も、作業機２の姿勢は固定された状態に維持される。
【００５９】
ステップＳ４において、オペレータは、旋回体位置情報を較正装置６０の入力部６３に入力する。旋回体位置情報は、ステップＳ３において、オペレータが外部計測装置６２を用いて計測した第１旋回位置Ｐ２１と第２旋回位置Ｐ２２と第３旋回位置Ｐ２３とを示す座標を含む。
【００６０】
ステップＳ５において、オペレータは、外部計測装置６２を用いてブームピン１３の側面中心位置を測定する。外部計測装置６２の座標系は、地球の重力座標系Ｘ−Ｙ−Ｚである。地球の重力座標系Ｘ−Ｙ−Ｚは、Ｚ軸方向が重力の作用方向に一致する。Ｘ軸方向及びＹ軸方向はＺ軸方向に直交し、Ｘ軸方向とＹ軸方向とは互いに直交する。
【００６１】
図１３は、作業機２の５つの姿勢での刃先の位置を示す側面図である。ステップＳ６において、オペレータは、図１１に示す外部計測装置６２を用いて作業機２の５つの姿勢での刃先の位置を測定する。オペレータは、図３に示す作業機操作部材３１を操作して、図１３に示す第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５までの５つの位置にバケット８の刃先の位置を移動させる。第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５は、作業点の位置に相当する。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が維持される。オペレータは、第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５の各位置での刃先の座標を、外部計測装置６２を用いて測定する。
【００６２】
第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２は、地面ＧＤ上において車体前後方向に異なる位置である。第３位置Ｐ３及び第４位置Ｐ４は、空中において車体前後方向に異なる位置である。第３位置Ｐ３及び第４位置Ｐ４は、第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２に対して、上下方向に異なる位置である。第５位置Ｐ５は、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２と第３位置Ｐ３と第４位置Ｐ４との間の位置である。
【００６３】
図１４は、油圧ショベル１００の側面図である。図１５は、作業機２の自重により油圧ショベル１００が車体前後方向に傾斜した場合の第１位置ＰＳ１から第５位置ＰＳ５及び本来の第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５を示す図である。ステップＳ６において、作業機２の姿勢を変えた５つの姿勢での刃先位置Ｐが外部計測装置６２によって計測される際、作業機２の自重による車体前後方向の傾斜により、想定位置より刃先の位置Ｐがずれてしまう。このため、較正の精度が低下する可能性がある。具体的には、作業機２の自重により、図１４に示すように、油圧ショベル１００が車体前後方向に傾斜する結果、外部計測装置６２によって計測される刃先の位置ＰＳは、本来の刃先の位置Ｐよりも下方になる。このため、外部計測装置６２によって計測された第１位置ＰＳ１から第５位置ＰＳ５は、図１５に示すように、本来の第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５よりも下方になる。
【００６４】
作業機２の自重により油圧ショベル１００が車体前後方向に傾斜する場合、油圧ショベル１００は、例えば図１４に示すように、走行体５の作業機２側の転輪５Ｆの下方を中心として傾斜する。その場合の油圧ショベル１００の姿勢角、すなわちピッチ角はθｐである。本実施形態においては、油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報としてピッチ角θｐを用いて、外部計測装置６２によって計測された第１位置ＰＳ１から第５位置ＰＳ５、すなわち作業点の複数の位置が、本来の第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５となるように補正される。そして、補正後における作業点の複数の位置での座標に基づいて、刃先位置を算出するために必要となるパラメータの較正値が演算される。このようにすることで、油圧ショベル１００の高さ方向における刃先の位置が計測される際の精度低下が抑制される。補正後の値を用いて較正が実行されることにより、較正の精度低下が抑制される。外部計測装置６２によって計測された刃先の位置の補正については後述する。
【００６５】
ステップＳ７において、オペレータは、作業機位置情報を、較正装置６０の入力部６３に入力する。作業機位置情報は、外部計測装置６２で計測されたバケット８の刃先の第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５での座標を示す。オペレータは、ステップＳ６において外部計測装置６２を用いて計測したバケット８の刃先の第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５での座標を、較正装置６０の入力部６３に入力する。
【００６６】
図１６は、基準アンテナ上の第１計測点と第２計測点との位置を示す上面図である。図１７は、方向アンテナ上の第３計測点と第４計測点との位置を示す上面図である。ステップＳ８において、オペレータは、外部計測装置６２を用いてアンテナ２１、２２の位置を測定する。ここでは、図１６に示すように、オペレータは、基準アンテナ２１上の第１計測点Ｐ１１と第２計測点Ｐ１２との位置を、外部計測装置６２を用いて計測する。第１計測点Ｐ１１及び第２計測点Ｐ１２は、基準アンテナ２１の上面の中心を基準にして対称に配置されている。図１６及び図１７に示すように、基準アンテナ２１の上面の形状が長方形又は正方形である場合には、第１計測点Ｐ１１及び第２計測点Ｐ１２は、基準アンテナ２１の上面上の対角の２点である。
【００６７】
図１７に示すように、オペレータは、方向アンテナ２２上の第３計測点Ｐ１３と第４計測点Ｐ１４との位置を、外部計測装置６２を用いて計測する。第３計測点Ｐ１３及び第４計測点Ｐ１４は、方向アンテナ２２の上面の中心を基準にして対称に配置されている。第１計測点Ｐ１１及び第２計測点Ｐ１２と同様に、第３計測点Ｐ１３及び第４計測点Ｐ１４は、方向アンテナ２２の上面上の対角の２点である。第１計測点Ｐ１１から第４計測点Ｐ１４には計測を容易にするために目印が付されていることが好ましい。例えば、アンテナ２１、２２の部品として含まれるボルト等が目印として用いられてもよい。
【００６８】
ステップＳ９において、オペレータは、アンテナ位置情報を図３に示す較正装置６０の入力部に入力する。アンテナ位置情報は、ステップＳ６において、オペレータが外部計測装置６２を用いて計測した第１計測点Ｐ１１から第４計測点Ｐ１４の位置を示す座標を含む。ステップＳ１０において、オペレータは、図３に示す較正装置６０に較正の実行を指示する。
【００６９】
次に、較正装置６０で実行される処理について説明する。図３に示すように、較正装置６０は、入力部６３と、表示部６４と、演算部６５とを有する。入力部６３は、前述した作業機位置情報、旋回体位置情報、アンテナ位置情報、バケット情報が入力される部分である。入力部６３は、オペレータが前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。
【００７０】
図１８は、較正装置６０の操作画面の一例を示す図である。表示部４２の操作画面４２Ｄには、前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に前述した情報を入力する。入力欄６６に入力される情報としては、例えば、外部計測装置６２によって計測された第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５の座標及び図２−１から図２−３及び図３に示すＩＭＵ２４が検出した油圧ショベル１００のピッチ角θｐ等がある。
【００７１】
図１９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、入力部６３を介して入力された情報に基づいて、パラメータを較正する処理を実行する。演算部６５は、車体座標系演算部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、補正部６５ｅとを有している。
【００７２】
図２０は、油圧ショベル１００の側面図である。図２１は、外部計測装置６２が計測した刃先の位置ＰＳを補正する方法の一例を示す図である。補正部６５ｅは、外部計測装置６２が計測した刃先の位置ＰＳを、ピッチ角θｐに基づいて補正する。作業機位置情報ＭＩ、すなわち外部計測装置６２が計測した第１位置ＰＳから第５位置ＰＳ５は、作業機２の自重の影響を受けて本来の位置よりも低い位置にある。このため、補正部６５ｅは、本来の第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５となるように、ピッチ角θｐを用いて第１位置ＰＳから第５位置ＰＳ５を補正する。
【００７３】
図２０に示すように、油圧ショベル１００は、走行体５の作業機２側の転輪５Ｆの下方を中心として車体前後方向に傾斜するものとし、傾斜の中心を位置ＣＰとする。また、油圧ショベル１００が車体前後方向に傾斜したときのピッチ角をθｐとする。油圧ショベル１００が車体前後方向に傾斜すると、ブームピン１３は、位置ＣＰを中心として回動する。油圧ショベル１００が車体前後方向に傾斜したときのブームピン１３の位置を符号１３Ｓで示す。ブームピン１３の回動により、作業機２も位置ＣＰを中心として回動する結果、刃先は、位置Ｐから位置ＰＳに変化する。
【００７４】
図２１に示すように、外部計測装置６２の座標系である地球の重力座標系Ｘ−Ｚにおいて、位置ＣＰの座標は（ＸＣ０、ＺＣ０）である。位置ＣＰを原点とした座標系Ｘｃ−Ｚｃを考える。座標系Ｘｃ−Ｚｃの原点の座標、すなわち位置ＣＰの座標（Ｘｃ０、Ｚｃ０）は、地球の重力座標系Ｘ−Ｚの原点Ｏ（０、０）からＸ軸方向にＸｃ０、Ｙ軸方向にＺｃ０だけ離れた位置にある。
【００７５】
地球の重力座標系Ｘ−Ｚにおける外部計測装置６２が測定した刃先の位置ＰＳの座標を（Ｘｃ’、Ｚｃ’）、地球の重力座標系Ｘ−Ｚにおける作業機２の本来の位置における刃先の位置Ｐに座標を（Ｘｃ、Ｙｃ）とする。図２１から分かるように、刃先の位置Ｐは、位置ＣＰ、すなわち座標系Ｘｃ−Ｚｃの原点を中心として、刃先の位置ＰＳをピッチ角θｐだけ上方Ｕに向かって回転させた位置になる。刃先の位置Ｐの座標（Ｘｃ、Ｙｃ）は、外部計測装置６２が測定した刃先の位置ＰＳの座標（Ｘｃ’、Ｚｃ’）を、位置ＣＰを原点とした座標系Ｘｃ−Ｚｃの原点を中心として回転変換させることにより、求めることができる。
【００７６】
位置ＣＰを原点とした座標系における刃先の位置Ｐを座標（ｘｃ、ｚｃ）とする。位置ＣＰを原点とした刃先の位置ＰＳは、地球の重力座標系Ｘ−Ｚにおける刃先の位置ＰＳの座標（Ｘｃ’、Ｚｃ’）を用いると、座標（Ｘｃ’−Ｘｃ０、Ｚｃ’−Ｚｃ０）となる。したがって、位置ＣＰを原点とした座標系における刃先の位置Ｐを座標（ｘｃ、ｚｃ）は、数６式で求めることができる。地球の重力座標系Ｘ−Ｚにおける刃先の位置Ｐの座標（Ｘｃ、Ｚｃ）は、数６式で得られた座標（ｘｃ、ｚｃ）及び位置ＣＰの座標（Ｘｃ０、Ｚｃ０）を用いて、座標（Ｘｃ０＋ｘｃ、Ｚｃ０＋ｚｃ）で求めることができる。傾斜の中心は位置ＣＰに限らず、他の位置であってもよい。例えば、旋回体３と走行体５を結ぶ旋回軸の中心位置を傾斜の中心としてもよい。
【００７７】
【数６】
0005823046.tif 000007
【００７８】
補正部６５ｅは、外部計測装置６２が計測した第１位置ＰＳ１から第５位置ＰＳ５を、数６式及びピッチ角θｐを用いて補正する。補正部６５ｅは、補正後の第１位置ＰＳ１から第５位置ＰＳ５を、補正後作業機位置情報ＭＩＣとして図１９に示す演算部６５の車体座標系演算部６５ａに出力する。このように補正部６５ｅは、外部計測装置６２によって計測された第１位置ＰＳ１から第５位置ＰＳ５を、本来の第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５となるように補正するので油圧ショベル１００の高さ方向における刃先の位置が計測される際の精度低下が抑制される。
【００７９】
車体座標系演算部６５ａは、入力部６３によって入力された補正後作業機位置情報ＭＩＣと旋回体位置情報ＲＩとに基づいて、座標変換情報を演算する。座標変換情報は、外部計測装置６２を基準とした座標系を車体座標系に変換するための情報である。前述した補正後作業機位置情報ＭＩＣ（作業機位置情報ＭＩ）とアンテナ位置情報ＡＩとは、外部計測装置６２によって計測されたものであるため、外部計測装置６２を基準とした地球の重力座標系Ｘ−Ｙ−Ｚによって表わされている。座標変換情報ＴＩは、補正後作業機位置情報ＭＩＣとアンテナ位置情報ＡＩとを、外部計測装置６２を基準とした地球の重力座標系から車体座標系ｘ−ｙ−ｚに変換するための情報である。次に、座標変換情報ＴＩの演算方法について説明する。
【００８０】
図２２及び図２３は、座標変換情報の演算方法を示す図である。まず、図２２に示すように、車体座標系演算部６５ａは、補正後作業機位置情報ＭＩＣに基づいて作業機２の動作平面Ａに垂直な第１単位法線ベクトルＡＨを演算する。車体座標系演算部６５ａは、補正後作業機位置情報ＭＩＣに含まれる５つの位置より最小二乗法を用いて作業機２の動作平面を算出し、それに基づいて第１単位法線ベクトルＡＨを演算する。なお、第１単位法線ベクトルＡＨは、補正後作業機位置情報ＭＩＣに含まれる５つの位置のうち他の２つの位置より外れていない３つの位置の座標から求められる２つのベクトルａ１、ａ２に基づいて演算されてもよい。
【００８１】
次に、車体座標系演算部６５ａは、旋回体位置情報ＲＩに基づいて旋回体３の旋回平面Ｂに垂直な第２単位法線ベクトルを演算する。具体的には、車体座標系演算部６５ａは、旋回体位置情報ＲＩに含まれる第１旋回位置Ｐ２１、第２旋回位置Ｐ２２、第３旋回位置Ｐ２３の座標から求められる２つのベクトルｂ１、ｂ２に基づいて、旋回平面Ｂ’に垂直な第２単位法線ベクトルＢＨ’を演算する。次に、図１９に示すように、車体座標系演算部６５ａは、前述した作業機２の動作平面Ａと、旋回平面Ｂ’との交線ベクトルＤＡＢを演算する。
【００８２】
車体座標系演算部６５ａは、交線ベクトルＤＡＢを通り作業機２の動作平面Ａに垂直な平面Ｂの単位法線ベクトルを、補正された第２単位法線ベクトルＢＨとして演算する。そして、車体座標系演算部６５ａは、第１単位法線ベクトルＡＨと補正された第２単位法線ベクトルＢＨとに垂直な第３単位法線ベクトルＣＨを演算する。
【００８３】
座標変換部６５ｂは、外部計測装置６２で計測され、補正部６５ｅで補正された補正後作業機位置情報ＭＩＣとアンテナ位置情報ＡＩとを、座標変換情報を用いて、外部計測装置６２における座標系Ｘ−Ｙ−Ｚから油圧ショベル１００における車体座標系ｘ−ｙ−ｚ）に変換する。座標変換情報は、前述した第１単位法線ベクトルＡＨと補正された第２単位法線ベクトルＢＨと第３単位法線ベクトルＣＨとを含む。具体的には次の数７式に示すように、ベクトルｐで示されている外部計測装置６２の座標系での座標と、座標変換情報の各法線ベクトルＡＨ、ＢＨ、ＣＨとの内積により車体座標系での座標が演算される。
【００８４】
【数７】
0005823046.tif 000008
【００８５】
第１較正演算部６５ｃは、車体座標系に変換された補正後作業機位置情報ＭＩＣに基づいて、数値解析を用いることにより、パラメータの較正値を演算する。具体的には、次の数８式に示すように、最小二乗法によりパラメータの較正値を演算する。
【００８６】
【数８】
0005823046.tif 000009
【００８７】
数８式中のｋの値は、補正後作業機位置情報ＭＩＣ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。
【００８８】
具体的には、図４のリストにおいてＮｏ．１〜Ｎｏ．２９の作業機パラメータの較正値が演算される。なお、図４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された値が用いられる。
【００８９】
第２較正演算部６５ｄは、入力部６３に入力されたアンテナ位置情報ＡＩに基づいてアンテナパラメータを較正する。具体的には、第２較正演算部６５ｄは、第１計測点Ｐ１１と第２計測点Ｐ１２との中点の座標を基準アンテナ２１の位置の座標として演算する。具体的には、基準アンテナ２１の位置の座標は前述したブームピン１３と基準アンテナ２１との間の車体座標系のｘ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ｙ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ｚ軸方向の距離Ｌｂｂｚとによって表される。
【００９０】
また、第２較正演算部６５ｄは、第３計測点Ｐ１３と第４計測点Ｐ１４との中点の座標を方向アンテナ２２の位置の座標として演算する。具体的には、方向アンテナ２２の位置の座標は、ブームピン１３と方向アンテナ２２との間の車体座標系のｘ軸方向の距離Ｌｄｂｘ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ｙ軸方向の距離Ｌｄｂｙ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ｚ軸方向の距離Ｌｂｂｚとによって表される。そして、第２較正演算部６５ｄは、これらのアンテナ２１，２２の位置の座標をアンテナパラメータＬｂｂｘ、Ｌｂｂｙ、Ｌｂｂｚ、Ｌｂｄｘ、Ｌｂｄｙ、Ｌｂｄｚの較正値として出力する。
【００９１】
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、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、前述した刃先位置の演算に用いられる。
【００９２】
油圧ショベル１００の較正システム２００は、外部計測装置６２で計測されたバケット８の刃先の複数の位置での座標が車体座標系に変換される。そして、車体座標系に変換されたバケット８の刃先の複数の位置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。このため、油圧ショベル１００の較正システム２００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、較正作業時間を短縮することができる。
【００９３】
較正においては、図２２に示すように、旋回体位置情報ＲＩから特定される旋回平面Ｂ’に垂直な単位法線ベクトルＢＨ’を第２単位法線ベクトルとして用いるのではなく、まず、図２３に示すように、作業機２の動作平面Ａと旋回体３の旋回平面Ｂ’との交線ベクトルＤＡＢが演算される。そして、交線ベクトルＤＡＢを通り作業機２の動作平面Ａに垂直な平面Ｂの単位法線ベクトルＢＨが、第２単位法線ベクトルとして演算される。このため、作業機２の動作平面Ａと旋回体３の旋回平面Ｂ’とが厳密に垂直ではない場合であっても、車体座標系を精度よく演算することができる。その結果、バケット８の刃先の位置検出の精度をより向上させることができる。
【００９４】
補正後作業機位置情報ＭＩＣは、作業機２の上下方向における位置及び車体前後方向における位置が異なる第１位置Ｐ１〜第５位置Ｐ５の座標を含む。このように多様な位置の座標が用いられるため、座標変換情報を精度よく演算することができる。さらに、補正後作業機位置情報ＭＩＣは、外部計測装置６２によって計測された作業機位置情報ＭＩが、油圧ショベル１００の車体前後方向における傾斜を考慮して補正されているので、本来の刃先の位置により近い値となる。その結果、油圧ショベル１００の高さ方向における刃先の位置が計測される際の精度低下が抑制されるので、較正の精度低下が抑制される。このため、作業機パラメータの較正値の精度低下が抑制される。
【００９５】
以上、本実施形態を説明したが、前述した内容により本実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも１つを行うことができる。例えば、作業機２は、ブーム６、アーム７、バケット８を有しているが、作業機２に装着される作業具はバケット８には限定されない。
【００９６】
作業点としてバケット８の刃先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る場合には、作業点は、作業具の先端に位置する点等、作業対象物と接触する部分であってもよい。ブーム６、アーム７、バケット８の回動角α、β、γは、角度センサによって直接検出されてもよい。ピッチ角θｐは、例えば、油圧ショベル１００のカウンタウエイトＷＴに取り付けた水準器を傾斜情報検出装置として、その検出結果から求めてられもよい。また、ブーム６に圧力センサを設けて作業機２のモーメントを求め、得られたモーメントから油圧ショベル１００の車体前後方向における傾斜情報、例えばピッチ角θｐを求めてもよい。
【００９７】
作業機位置情報ＭＩは、前述したバケット８の刃先の５つの位置の座標に限られない。例えば、作業機位置情報ＭＩは、作業機２の姿勢が異なる少なくとも３つの作業点の位置を含むものであればよい。この場合、３つの作業点の位置は、一直線上に並ぶのではなく、１つの作業点の位置が他の２つの作業点を結ぶ直線に対して、上下方向又は車体前後方向に離れていればよい。
【００９８】
作業機位置情報ＭＩ、旋回体位置情報ＲＩ及びアンテナ位置情報ＡＩは、有線又は無線の通信手段によって、外部計測装置６２から較正装置６０の入力部６３に入力されてもよい。外部計測装置６２は、トータルステーションに限らず、作業点の位置を計測する他の装置であってもよい。本実施形態では、旋回体位置情ＲＩから特定される旋回平面Ｂ’に垂直な単位法線ベクトルＢＨ’を補正した単位法線ベクトルＢＨが座標変換情報として用いられているが、単位法線ベクトルＢＨ’が座標変換情報として用いられてもよい。
【符号の説明】
【００９９】
２  作業機
３  旋回体
５  走行体
６  ブーム
７  アーム
８  バケット（作業具）
６０  較正装置
６３  入力部
６２  外部計測装置
６５ａ  車体座標系演算部
６５ｂ  座標変換部
６５ｃ  第１較正演算部
６５ｄ  第２較正演算部
６５ｅ  補正部
１００  油圧ショベル
【要約】
較正装置は、外部計測装置が計測した、作業機の姿勢が異なる少なくとも２つの作業点の位置と前記作業機の動作平面上の所定の基準点の位置とを含む作業機位置情報と、前記旋回体の前記走行体に対する旋回角度が異なる少なくとも３つの前記作業点の位置を含む旋回体位置情報と、前記傾斜情報検出装置によって検出された、前記作業機位置情報に含まれるそれぞれの前記作業点に対応した、前記油圧ショベルの車体前後方向における傾斜情報と、が入力される入力部と、前記傾斜情報に基づいて前記作業機位置情報に含まれるそれぞれの前記作業点の位置を補正する補正部と、前記外部計測装置における座標系から前記油圧ショベルにおける車体座標系に変換する座標変換部と、前記車体座標系に変換された前記作業点の複数の位置での座標に基づいて、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。【図１】
0005823046.tif 000010
【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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