(57)【要約】【課題】走行式建設機械の位置計測システムにおいて、複数の３次元位置計測装置の動作が非同期であり、位置演算装置への位置情報の入力周期がずれていても、モニタポイントの位置を精度良く計測することができるようにする。【解決手段】最新データの保存エリア７１ａ，７１ｂのＧＰＳアンテナ３１，３２の位置データの時刻を比較し（ステップＳ３１０）、最新の位置データが同時刻でない場合は、両者の時刻の早い方の位置データをそのＧＰＳアンテナの演算用の位置データとし、それと同時刻の他方のＧＰＳアンテナの位置データを演算用の位置データとする（ステップＳ３３０，Ｓ３４０）。【選択図】  図９
2004212294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行式建設機械の車体に、それぞれ３次元空間での絶対位置を計測し位置情報と時刻情報を合わせ持つ計測値を出力する複数の３次元位置計測装置を設置し、これらの計測値を用いて走行式建設機械に設定されたモニタポイントの３次元空間での絶対位置を演算する走行式建設機械の位置計測システムにおいて、
前記複数の３次元位置計測装置のそれぞれの計測値を３次元位置計測装置毎に独立して時系列的に記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された複数の３次元位置計測装置の計測値のうち最新の計測値が同時刻であるかどうかを判断し、同時刻であればその最新の計測値を用いて前記モニタポイントの３次元空間での絶対位置を演算し、同時刻でない場合は最新の計測値のうちの時刻の早い方の３次元位置計測装置の計測値と、この計測値と同時刻の他方の３次元位置計測装置の計測値を用いて前記モニタポイントの３次元空間での絶対位置を演算する演算手段とを備えることを特徴とする走行式建設機械の位置計測システム。
【請求項２】
請求項１記載の走行式建設機械の位置計測システムにおいて、
前記演算手段は、前記記憶手段に記憶された複数の３次元位置計測装置の計測値のうち最新の計測値が同時刻でなく、かつ最新の計測値のうち時刻の早い方の３次元位置計測装置の計測値と同時刻の他方の３次元位置計測装置の計測値がない場合は、時刻の早い方の３次元位置計測装置の計測値と、この計測値の時刻よりも前の最も時刻の近い他方の３次元位置計測装置の計測値を用いて前記モニタポイントの３次元空間での絶対位置を演算する演算手段とを備えることを特徴とする走行式建設機械の位置計測システム。
【請求項３】
請求項１記載の走行式建設機械の位置計測システムにおいて、
前記車体の前部に装着されたフロント作業機の姿勢を検出する複数の角度センサを更に備え、
前記記憶手段は、前記複数の３次元位置計測装置のそれぞれの計測値を、これら計測値の入力時における前記複数の角度センサの計測値とセットで記憶し、
前記演算手段は、前記複数の３次元計測装置のそれぞれの計測値と、これらの計測値とセットで記憶された複数の角度センサの計測値のうち、先に記憶されたものを用いて前記モニタポイントの３次元空間での絶対位置を演算する演算手段とを備えることを特徴とする走行式建設機械の位置計測システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の走行式建設機械の位置計測システムにおいて、
前記３次元位置計測装置は人工衛星を使った測位システムの受信部であることを特徴とする走行式建設機械の位置計測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベル等の走行式建設機械に設定されたモニタポイントの３次元空間における絶対位置を計測する走行式建設機械の位置計測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、建設施工現場においてＧＰＳ等の３次元位置計測装置を用いて走行式建設機械のモニタポイントの位置を計測し、作業管理を行うことがなされている。モニタポイントの代表例としては建設機械の作業装置の位置、例えば油圧ショベルのバケット先端位置がある。このバケットの先端位置を計測できれば、その計測データを予め設定した地形データや目標形状データと照合することにより施工中の作業進行状況を把握でき、施工中の管理が行える。また、施工後も、計測データから出来形データ（例えば掘削地形データ）を生成することで、施工管理が行える。このような位置計測システムの従来技術として、例えば特許文献１や特許文献２に記載のものがある。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、油圧ショベルの上部旋回体上に２個のＧＰＳアンテナを設置し、このＧＰＳアンテナの位置情報と、ブーム、アーム及びバケヅトの回転角度を検出する回転角センサの角度情報とからバケットの３次元空間での絶対位置を演算するものである。特許文献１では油圧ショベルなどの建設機械の３次元位置及び作業機の方向と３次元の目標地形とを比較し、作業機の向いている方向を通過する縦断面の平面と３次元の目標地形との３次元上の交線を演算し、その交線を運転室内に設置した表示装置に車体と作業機とを同一画面上に表示することにより、目標の掘削面をガイダンスする装置を提案している。特許文献２では車体の傾斜計を備え、傾斜計からのデータを用いて車体が傾斜した際の位置の補正を行い、モニタポイントの位置を正確に計測することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−９８５８５号公報
【特許文献２】
特開２００２−３１０６５２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には次のような問題がある。
【０００６】
複数のＧＰＳアンテナの位置情報と、ブーム、アーム及びバケットの回転角度を検出する回転角センサの角度情報とからバケットの３次元空間での絶対位置を演算する際、その演算精度を保つためには、常に複数のＧＰＳアンテナについて同時刻の位置情報を用いてバケットの絶対位置を演算しなければならない。
【０００７】
ところで、ＧＰＳアンテナの位置情報は、ＧＰＳ受信機がＧＰＳアンテナの受信信号に基づいてＧＰＳアンテナの位置を演算し、この位置データを位置演算装置に割り込み処理によって入力することにより与えられる。ＧＰＳ受信機は、通常、数Ｈｚ〜１０Ｈｚ程度の演算周期を有し、位置演算装置に入力されるＧＰＳアンテナの位置情報も同様の周期、つまり数Ｈｚ〜１０Ｈｚ程度の周期で入力され、更新される。
【０００８】
ＧＰＳ受信機はＧＰＳアンテナのそれぞれに設けられ、それぞれが上記周期でＧＰＳアンテナの位置を演算している。しかし、ＧＰＳ受信機はそれぞれが独立しており、演算周期（演算タイミング）は非同期である。この非同期の複数のＧＰＳ受信機からのデータ（位置情報）がそれぞれ割り込みによって位置演算装置に入力されるため、位置演算装置内においてバケットの絶対位置を演算する際、位置演算装置において持っている最新のＧＰＳ受信機からのデータ（位置情報）が同時刻のものであるという保証はなく、位置演算装置における演算速度・割り込みの周期、タイミングによっては複数のＧＰＳアンテナ間の位置情報が数周期分ずれた値となっている可能性がある。
【０００９】
然るに、上記の従来技術ではこの点についての考慮がなされておらず、例えば油圧ショベルの旋回が非常に速い時などはＧＰＳアンテナの位置情報の数周期分のずれによりバケット先端の絶対位置が実際と大きくずれることになり、施工管理を行う上で不具合を生じる。
【００１０】
本発明の目的は、複数の３次元位置計測装置の動作が非同期であり、位置演算装置への位置情報の入力周期がずれていても、モニタポイントの位置を精度良く計測することができる走行式建設機械の位置計測システムを提供することである。
【００１１】
なお、本願明細書中において、「３次元空間の絶対位置」とは、走行式建設機械の外部に設定された座標系により表現した位置のことであり、例えば３次元位置計測装置としてＧＰＳを用いる場合は、ＧＰＳで高さの基準として用いる準拠楕円体に固定した座標系により表現した位置のことである。また、本願明細書では、この準拠楕円体に設定した座標系をグローバル座標系と呼ぶ。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目底を達成するために、本発明は、走行式建設機械の車体に、それぞれ３次元空間での絶対位置を計測し位置情報と時刻情報を合わせ持つ計測値を出力する複数の３次元位置計測装置を設置し、これらの計測値を用いて走行式建設機械に設定されたモニタポイントの３次元空間での絶対位置を演算する走行式建設機械の位置計測システムにおいて、前記複数の３次元位置計測装置のそれぞれの計測値を３次元位置計測装置毎に独立して時系列的に記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された複数の３次元位置計測装置の計測値のうち最新の計測値が同時刻であるかどうかを判断し、同時刻であればその最新の計測値を用いて前記モニタポイントの３次元空間での絶対位置を演算し、同時刻でない場合は最新の計測値のうちの時刻の早い方の３次元位置計測装置の計測値と、この計測値と同時刻の他方の３次元位置計測装置の計測値を用いて前記モニタポイントの３次元空間での絶対位置を演算する演算手段とを備えるものとする。
【００１３】
これにより複数の３次元位置計測装置の動作が非同期であり、位置演算装置への位置情報の入力周期がずれていても、同時刻の計測値を用いてモニタポイントの位置を演算するので、モニタポイントの位置を精度良く計測することができる。
【００１４】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記演算手段は、前記記憶手段に記憶された複数の３次元位置計測装置の計測値のうち最新の計測値が同時刻でなく、かつ最新の計測値のうち時刻の早い方の３次元位置計測装置の計測値と同時刻の他方の３次元位置計測装置の計測値がない場合は、時刻の早い方の３次元位置計測装置の計測値と、この計測値の時刻よりも前の最も時刻の近い他方の３次元位置計測装置の計測値を用いて前記モニタポイントの３次元空間での絶対位置を演算する演算手段とを備える。
【００１５】
これにより最新の計測値が同時刻でなくかつ時刻の早い方の計測値と同時刻の計測値がない場合でも、適切な位置データを用いて演算を行い、モニタポイントの位置を計測することができる。
【００１６】
（３）また、上記（１）において、好ましくは、前記車体の前部に装着されたフロント作業機の姿勢を検出する複数の角度センサを更に備え、前記記憶手段は、前記複数の３次元位置計測装置のそれぞれの計測値を、これら計測値の入力時における前記複数の角度センサの計測値とセットで記憶し、前記演算手段は、前記複数の３次元計測装置のそれぞれの計測値と、これらの計測値とセットで記憶された複数の角度センサの計測値のうち、先に記憶されたものを用いて前記モニタポイントの３次元空間での絶対位置を演算する演算手段とを備える。
【００１７】
これにより３次元位置計測装置の計測値の時刻により近い時点に入力された角度センサの計測値を用いてモニタポイントに位置演算を行うものとなり、演算精度を向上することができる。
【００１８】
（４）更に、上記（１）〜（３）において、好ましくは、前記３次元位置計測装置は人工衛星を使った測位システムの受信部である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。本実施の形態は、走行式建設機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用し、油圧ショベルのバケット先端にモニタポイントを設定した場合のものである。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係わる作業位置計測システムを搭載した油圧ショベルの外観を示す図である。
【００２１】
図１において、１は油圧ショベルであり、油圧ショベル１は下部走行体２と、下部走行体２上に旋回可能に設けられ、下部走行体２と共に車体を構成する上部旋回体３と、上部旋回体３に設けられたフロント作業機４とからなり、フロント作業機４は上部旋回体３に上下方向に回転可能に設けられたブーム５と、ブーム５の先端に上下方向に回転可能に設けられたアーム６と、アーム６の先端に上下方向に回転可能に設けられたバケット７とで構成され、それぞれ、ブームシリンダ８、アームシリンダ９、バケットシリンダ１０を伸縮することにより駆動される。上部旋回体３には運転室１１が設けられている。
【００２２】
また、油圧ショベル１には、上部旋回体３とブーム５との回転角（ブーム角度）を検出する角度センサ２１、ブーム５とアーム６との回転角（アーム角度）を検出する角度センサ２２、アーム６とバケット７との回転角（バケット角度）を検出する角度センサ２３、上部旋回体３の前後方向の傾斜角（ピッチ角度）を検出する傾斜センサ２４が設けられている。
【００２３】
更に、油圧ショベル１には、ＧＰＳ衛星からの信号を受信する２個のＧＰＳアンテナ３１，３２、基準局からの補正データ（後述）を受信するための無線アンテナ３３，３４、位置データを送信する無線アンテナ３５が設けられている。２個のＧＰＳアンテナ３１，３２は上部旋回体３の旋回中心から外れた旋回体後部の左右に設置されている。
【００２４】
角度センサ２１，２２，２３、傾斜センサ２４、ＧＰＳアンテナ３１，３２、無線アンテナ３３，３４、無線アンテナ３５は本実施の形態に係わる作業位置計測システムの一部を構成する。
【００２５】
図２は、本実施の形態に係わる作業位置計測システムの全体構成を示すブロック図である。
【００２６】
図２において、作業位置計測システムは、上述した角度センサ２１，２２，２３、傾斜センサ２４、ＧＰＳアンテナ３１，３２、無線アンテナ３３，３４、無線アンテナ３５と、基準局からの補正データ（後述）をアンテナ３３，３４を介して受信する無線機４１，４２、この無線機４１，４２で受信した補正データとＧＰＳアンテナ３１，３２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号とに基づいてＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置をリアルタイムに計測するＧＰＳ受信機４３，４４、このＧＰＳ受信機４３，４４からの位置データと上記の各種センサ２１〜２４からの角度データとに基づき、油圧ショベル１のバケット７の先端（モニタポイント）の位置を演算するパネルコンピュータ４５、このパネルコンピュータ４５により演算された位置データをイラスト等を交えて表示する表示装置４６、パネルコンピュータ４５により演算された位置データをアンテナ３５を介して送信するための無線機４７を備えている。ＧＰＳアンテナ３１とＧＰＳ受信機４３，ＧＰＳアンテナ３２とＧＰＳ受信機４４はそれぞれＧＰＳ（ｇｒｏｂａｌ  ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）の受信部を構成している。
【００２７】
図３は、ＧＰＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの装置構成を示すブロック図である。
【００２８】
図３において、５１は油圧ショベル１やバケット７等の位置や作業管理を行う事務所であり、事務所５１には、ＧＰＳ衛星からの信号を受信するＧＰＳアンテナ５２、補正データを油圧ショベル１に送信する無線アンテナ５３、油圧ショベル１から上述した油圧ショベル１やバケット７等の位置データを受信する無線アンテナ５４、予め計測された３次元位置データとＧＰＳアンテナ５２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号とに基づき、上述した油圧ショベル１のＧＰＳ受信機４３，４４でＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）計測を行うための補正データを生成するＧＰＳ基準局としてのＧＰＳ受信機５５，ＧＰＳ受信機５５で生成された補正データをアンテナ５３を介して送信するための無線機５６、アンテナ５４を介して位置データを受信する無線機５７、無線機５７により受信した位置データに基づき油圧ショベル１やバケット７の位置を表示・管理するための演算を行うコンピュータ５８、このコンピュータ５８により演算した位置データと管理データをイラストを交えて表示する表示装置５９が設置されている。ＧＰＳアンテナ５２とＧＰＳ受信機５５はＧＰＳの受信部を構成する。
【００２９】
本実施の形態に係わる作業位置計測システムの動作の概要を説明する。
【００３０】
本実施の形態では高精度での位置計測を行うため、図２に示したＧＰＳ受信機４３，４４でそれぞれＲＴＫ計測を行う。このためには先ず、図３に示した補正データを生成するＧＰＳ墓準局５５が必要となる。ＧＰＳ基準局５５は、上記のように予め３次元計測されたアンテナ５２の位置データとアンテナ５２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号とに基づいて、ＲＴＫ計測のための補正データを生成し、生成された補正データは、無線機５６によりアンテナ５３を介して一定周期で送信される。
【００３１】
一方、図２に示した車載側のＧＰＳ受信機４３，４４は、アンテナ３３，３４を介して無線機４１，４２により受信される補正データと、アンテナ３１，３２により受信されるＧＰＳ衛星からの信号に基づき、アンテナ３１，３２の３次元位置をＲＴＫ計測する。このＲＴＫ計測によって、アンテナ３１，３２の３次元位置が約±１〜２ｃｍの精度で計測される。そして、計測された３次元位置データはパネルコンピュータ４５に入力される。
【００３２】
また、傾斜センサ２４によって油圧ショベル１のピッチ角度、角度センサ２１〜２３によってそれぞれブーム５、アーム６及びバケット７の各角度が計測され、同様にパネルコンピュータ４５に入力される。
【００３３】
パネルコンピュータ４５はＧＰＳ受信機４３，４４からの位置データと、各種センサ２１〜２４からの各角度データに基づき、一般的なベクトル演算と座標変換を行って、バケット７の先端の３次元位置を演算する。また、求めた３次元位置を表示装置４６のモニタ上に表示してオペレータに作業状況を知らせると共に、無線機４７によりアンテナ３５を介して送信する。
【００３４】
送信されたバケット７の先端の位置データは、アンテナ５４を介して無繰機５７により受信され、コンピュータ５８に入力される。コンピュータ５８は入力されたバケット７の先端の位置データを保存すると共に、表示装置５９のモニタ上に表示する。これにより事務所５１において油圧ショベル１の作業状態を管理することができる。
【００３５】
次に、図４〜図６を用いてパネルコンピュータ４５における演算処理について説明する。
【００３６】
図４は、バケット７の先端の３次元空間での絶対位置を演算するために使用する座標系を示す図である。
【００３７】
図４において、Σ０はＧＰＳの準拠楕円体の中心に原点Ｏ０を持っグローバル座標系、Σ３は油圧ショベル１の上部旋回体３に固定され、旋回べースフレームと旋回中心との交点に原点Ｏ３を持つショベルベース座標系、Σ７はバケット７に固定され、バケット７の先端に中心Ｏ７を持つバケット先端座標系である。
【００３８】
ショベルベース座標系Σ３の原点（旋回べースフレームと旋回中心との交点）Ｏ３に対するＧＰＳアンテナ３１，３２の位置関係Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は既知であるので、グローバル座標系Σ０でのＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置と油圧ショベル１のピッチ角度θ２が分かれば、グローバル座標系Σ０でのショベルベース座標系Σ３の位置及ぴ姿勢（上部旋回体３の方向）を求めることができる。また、ショベルベース座標系Σ３の原点（旋回べースフレームと旋回中心との交点）Ｏ３とブーム５の基端との位置関係を規定する寸法α３、α４及びアーム５、アーム６、バケット７の寸法α５、α６、α７が既知であるので、ブーム角度θ５、アーム角度θ６、バケット角度θ７が分かれば、ショベルベース座標系Σ３でのバケット先端座標系Σ７の位置及び姿勢を求めることができる。従って、車載側のＧＰＳ受信機４３，４４で求めたＧＰＳアンテナ３１，３２の３次元位置をグローバル座標系Σ０での値として求め、角度センサ２４で油圧ショベル１のピッチ角度θ２を求め、角度センサ２１〜２３でブーム角度θ５、アーム角度θ６、バケット角度θ７を求め、座標変換演算を行うことにより、バケット７の先端位置をグローバル座標系Σ０の値で求めることができる。
【００３９】
図５はグローバル座標系の概念を説明する図である。
【００４０】
図５において、ＧはＧＰＳで用いる準拠楕円体であり、グローバル座標系Σ０の原点Ｏ０は準拠楕円体Ｇの中心に設定されている。また、グローバル座標系Σ０のｘ０軸方向は赤道Ａと子午線Ｂの交点Ｃと準拠楕円体Ｇの中心とを通る線上に位置し、ｚ０軸方向は準拠楕円体Ｇの中心から南北に延ばした線上に位置し、ｙ０軸方向はｘ０軸とｚ０軸に直交する線上に位置している。ＧＰＳでは、地球上の位置を緯度及び経度と、準拠楕円体Ｇに対する高さ（深さ）で表現するので、このようにグローバル座標系Σ０を設定することで、ＧＰＳの位置情報をグローバル座標系Σ０の値に容易に変換することができる。
【００４１】
図６は演算処理の全体手順を示すフローチャートである。
【００４２】
図６において、まず、ＧＰＳ受信機４３或いは４４からＧＰＳアンテナ３１又はＧＰＳアンテナ３２の位置データの信号入力割り込みがあったかどうかを判断する（ステップＳ１００）。Ｙｅｓならば計測データの保存・更新処理を行い（ステップＳ２００）、Ｎｏならば計測データの読み出し処理を行い（ステップＳ３００）、その計測データに基づいてバケット先端位置の演算処理を行う（ステップＳ４００）。
【００４３】
図７に計測データの保存・更新処理の詳細をフローチャートで示す。
【００４４】
図７において、図６のステップＳ１００の判断結果がＹｅｓであると、まず、入力割り込みのあった信号がＧＰＳ受信機４３からのものか或いはＧＰＳ受信機４４からのものか、つまり位置データがＧＰＳアンテナ３１，３２の何れのものかを判断し（ステップＳ２１０）、ＧＰＳアンテナ３１の位置データであれば、ＧＰＳアンテナ３１の位置データ及びブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の値を保存しているメモリの保存エリアの内容を一周期ずらして保存し直し（ステップＳ２２０）、ＧＰＳアンテナ３１の位置データ及びブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の最新データをメモリの最新データの保存エリアに保存する（ステップＳ２３０）。ＧＰＳアンテナ３２の位置データであれば、ＧＰＳアンテナ３２の位置データ及びブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の値を保存しているメモリの保存エリアの内容を一周期ずらして保存し直し（ステップＳ２４０）、ＧＰＳアンテナ３２の位置データ及びブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の最新データをメモリの最新データの保存エリアに保存する（ステップＳ２４０）。データを保存するメモリは例えば例えばパネルコンピュータ４５のＲＡＭである。
【００４５】
図８にデータ保存メモリに記憶されるデータの保存状態の一例を示す。
【００４６】
図８において、７１ａ，７１ｂは最新データの保存エリアであり、７２ａ、７２ｂは一周期前のデータの保存エリアであり、７３ａ，７３ｂは二周期前のデータの保存エリアである。保存エリアはＧＰＳアンテナ３１，３２の位置データ毎に独立しており、ＧＰＳアンテナ３１の位置データの入力割り込みがあると、その最新データはそのときのブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の角度データとともに最新データの保存エリア７１ａにセットで保存され、今まで保存エリア７１ａ，７２ａ，７３ａにあったデータは保存エリア７２ａ，７３ａ，…へと保存し直される。ＧＰＳアンテナ３２の位置データの入力割り込みがあった場合も同様に、その最新データはそのときのブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の角度データとともに最新データの保存エリア７１ｂにセットで保存され、今まで保存エリア７１ｂ，７２ｂ，７３ｂにあったデータは保存エリア７２ｂ，７３ｂ，…へと保存し直される。これによりＧＰＳアンテナ３１，３２の位置データは、保存エリア７１ａ，７２ａ，７３ａ，…及び保存エリア７１ｂ，７２ｂ，７３ｂ，…に、ＧＰＳアンテナ毎に独立してそのときの角度データとセットで時系列的に記憶される。
【００４７】
図９に計測データの保存・更新処理の詳細をフローチャートで示す。
【００４８】
図９において、メモリの保存エリア７１ａ，７１ｂに保存されたＧＰＳアンテナ３１，３２の最新の位置データの時刻を比較する（ステップＳ３１０）。ＧＰＳアンテナ３１，３２の最新の位置データが同時刻ならば保存エリア７１ａ，７１ｂに保存された最新データを呼び出し、演算に使用するデータとする（ステップＳ３２０）。つまり、ＧＰＳアンテナ３１，３２の位置データとしては保存エリア７１ａ，７１ｂに保存された最新の位置データを演算用のデータとする。また、ブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の角度データとしては、保存エリア７１ａ，７１ｂに保存されたもののうち、予め決めておいた一方、例えば保存エリア７１ａに保存されたデータを選択して演算用のデータとする。
【００４９】
ステップＳ３１０の比較でアンテナ３１，３２の最新の位置データが同時刻でなく、ＧＰＳアンテナ３１の位置データの時刻の方が遅ければ（ＧＰＳアンテナ３１の位置データの方が新しければ）、ＧＰＳアンテナ３２の最新の位置データ（保存エリア７１ｂの位置データ）をＧＰＳアンテナ３２の演算用の位置データとし、ＧＰＳアンテナ３２の最新の位置データと同時刻のデータを保存した保存エリア（図示の例では保存エリア７２ａ）のＧＰＳアンテナ３１の位置データをＧＰＳアンテナ３１の演算用の位置データとする（ステップＳ３３０）。つまり、ＧＰＳアンテナ３１，３２の最新の位置データのうち時刻の早い方の位置データをそのＧＰＳアンテナの演算用の位置データとし、それと同時刻の他方のＧＰＳアンテナの位置データを演算用の位置データとする。ブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の角度データとしては、それぞれの保存エリア（図示の例では、保存エリア７１ｂ，７２ａ）に保存されたもののうちの一方を選択して演算用のデータとする（ステップＳ３３０）。
【００５０】
一方、ステップＳ３１０の比較でＧＰＳアンテナ３２の位置データの時刻の方が遅い（ＧＰＳアンテナ３２の位置データの方が新しい）場合は、ＧＰＳアンテナ３１の最新の位置データ（保存エリア７１ａの位置データ）をＧＰＳアンテナ３１の演算用の位置データとし、ＧＰＳアンテナ３１の最新の位置データと同時刻のデータを保存した保存エリア（例えば保存エリア７２ｂ）のＧＰＳアンテナ３２の位置データをＧＰＳアンテナ３２の演算用の位置データとする（ステップＳ３４０）。つまり、この場合も、ＧＰＳアンテナ３１，３２の最新の位置データのうち時刻の早い方の位置データをそのＧＰＳアンテナ演算用の位置データとし、それと同時刻の他方のＧＰＳアンテナの位置データを演算用の位置データとする。ブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の角度データとしては、それぞれの保存エリアに保存されたもののうちの一方を選択して演算用のデータとする（ステップＳ３４０）。
【００５１】
２つの保存エリアに保存された角度データの一方を選択する方法には、下記の２通りがある。
【００５２】
１．予めＧＰＳアンテナ３１，３２の一方の側を決めておき、常に同じ側の保存エリアの角度データを選択する。
【００５３】
２．２つの保存エリアの角度データのうち、先に保存されたデータ（古い方のデータ）を選択する。
【００５４】
１は最も簡易な方法である。
【００５５】
２は位置データと角度データの時間的なずれを考慮したものもである。つまり、メモリに保存されるＧＰＳアンテナの位置データの時刻はＧＰＳ衛星がデータ送信時に付したものであるが、その位置データのパネルコンピュータ４５への入力は、ＧＰＳアンテナが位置情報を受信し、ＧＰＳ受信機がその位置情報に基づきＧＰＳアンテナの位置を計算した後、入力割り込み処理により行われるため、位置データの時刻はパネルコンピュータ４５への入力時よりも前の時刻となる。一方、角度データは位置データの入力割り込み周期よりも短い周期で時々刻々と入力されている。よって、２つの保存エリアの角度データのうち、先に保存されたものを選択すれば、位置データの時刻により近い時点に入力されたものが選択され、両者の時間差を短くし、演算精度を向上することができる。
【００５６】
図１０にバケット先端位置の演算処理の詳細をフローチャートで示す。
【００５７】
図１０において、まず、計測データの読み出し処理（ステップＳ３００）で読み出した計測データ（図９のステップＳ３２０，Ｓ３３０，Ｓ３４０で読み出した演算用の計測データ）のうちＧＰＳアンテナ３１，３２の位置データは緯度、経度、高さの位置情報であるので、これらをグローバル座標系Σ０の３次元位置の値ＧＰ１，ＧＰ２に変換する（ステップＳ４１０，Ｓ４２０）。このための演算式は一般的によく知られているものなので、ここでは省略する。次に、ステップＳ４１０，Ｓ４２０で求めたＧＰＳアンテナ３１，３２のグローバル座標系Σ０での３次元位置ＧＰ１，ＧＰ２と、計測データの読み出し処理（ステップＳ３００）で読み出した計測データのうちの角度データの１つであるピッチ角度θ２と、予め記憶しておいたショベルベース座標系Σ３の原点（旋回べースフレームと旋回中心との交点）Ｏ３に対するＧＰＳアンテナ３１，３２の位置関係Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３とからショベルベース座標系Σ３の位置及び姿勢（上部旋回体３の方向）をグローバル座標系Σ０の値ＧＰＢで求める（ステップＳ４３０）。この演算は座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。次いで、計測データの読み出し処理（ステップＳ３００）で読み出した計測データのうちの角度データであるブーム角度θ５、アーム角度θ６、バケット角度θ７と予め記憶しておいたショベルベース座標系Σ３の原点（旋回べースフレームと旋回中心との交点）Ｏ３とブーム５の基端との位置関係α３、α４及びアーム５、アーム６、バケット７の寸法α５、α６、α７とからショベルベース座標系Σ３でバケット先端位置ＢＰＢＫを求める（ステップＳ４４０）。この演算も座標変換であり、一般的な数学的手法により行うことができる。次いで、ステップＳ４３０で求めたグローバル座標系Σ０でのショベルベース座標系Σ３の値ＧＰＢとステップＳ４４０で求めたショベルベース座標系Σ３でのバケット先端位置ＢＰＢＫとからグローバル座標系Σ０でのバケット先端位置ＧＰＧＫを求める（ステップＳ４５０）。そして、このグローバル座標系Σ０でのバケット先端位直ＧＰＢＫを経度、緯度、高さに変換する。このための演算式も一般的によく知られているものなので、ここでは省略する。
【００５８】
以上のような演算を行うことによって、バケット７の先端位置の３次元空間での絶対位置を求めることができる。
【００５９】
動作の一例を具体的数値により説明する。
【００６０】
図１１はパネルコンピュータ４５の演算周期、ＧＰＳアンテナ３１の位置データ（ＧＰＳ受信機４３からの位置データ）の入力割り込み周期、ＧＰＳアンテナ３２の位置データ（ＧＰＳ受信機４４からの位置データ）の入力割り込み周期、角度データの入力周期を示すタイムチャートである。図中、ＧＰＳ受信機４３からの入力割り込み周期における□印は、ＧＰＳアンテナ３１の位置データを入力割り込み処理した時点を示し、ＧＰＳ受信機４４からの入力割り込み周期における△印は、ＧＰＳアンテナ３２の位置データを入力割り込み処理した時点を示し、角度データの入力周期における□印及び△印は、ＧＰＳアンテナ３１の位置データの入力時或いはＧＰＳアンテナ３２の位置データの入力時にそのときの角度データを入力処理した時点を示す。
【００６１】
ＧＰＳ受信機４３，４４の動作は非同期であるため、ＧＰＳアンテナ３１，３２が同じ時刻の位置情報を受信しても、パネルコンピュータ４５がＧＰＳ受信機４３，４４からの位置データを入力するタイミングはずれている。図示の例は、ＧＰＳ受信機４３よりＧＰＳ受信機４４の方が演算周期が遅い側にずれている場合であり、パネルコンピュータ４５の現在の演算周期では、ＧＰＳアンテナ３１の最新の位置データは時刻００：００：１０のものであり、ＧＰＳアンテナ３２の最新の位置データは時刻００：００：０９のものである。一方、角度データの入力周期は位置データの割り込み周期よりも短く、位置データの割り込み入力時にはそのときの角度データがリアルタイムで入力される。その結果、図８に示すメモリの最新データの保存エリア７１ａ，７１ｂにはそれぞれ時刻００：００：１０の位置データとそのときの角度データ及び時刻００：００：０９の位置データとそのときの角度データが保存され、一周期ずれたデータの保存エリア７２ａ，７２ｂにはそれぞれ時刻００：００：０９の位置データとそのときの角度データ及び時刻００：００：０８の位置データとそのときの角度データが保存され、二周期ずれたデータの保存エリア７３ａ，７３ｂにはそれぞれ時刻００：００：０８の位置データとそのときの角度データ及び時刻００：００：０７の位置データとそのときの角度データが保存される。
【００６２】
ここで、バケットの先端位置を演算するとき、もし、ＧＰＳアンテナ３１，３２の位置データとしてそれぞれ最新の位置データを使用すると、一方は時刻００：００：１０のもの、もう一方は時刻００：００：０９のものであるため、例えば油圧ショベル１の上部旋回体３を速い速度で旋回させた時などは、ＧＰＳアンテナ３１，３２の位置情報の１秒のずれによりバケット先端位置の演算値が実際と大きくずれることになり、施工管理を行う上で不具合を生じる。
【００６３】
これに対し、本実施の形態では、最新データの保存エリア７１ａ，７１ｂのＧＰＳアンテナ３１，３２の位置データの時刻を比較し（ステップＳ３１０）、最新の位置データが同時刻でない場合は、両者の時刻の早い方の位置データをそのＧＰＳアンテナの演算用の位置データとし、それと同時刻の他方のＧＰＳアンテナの位置データを演算用の位置データとするものである（ステップＳ３３０，Ｓ３４０）。図示の例では、ＧＰＳアンテナ３１の最新の位置データの時刻の方が遅いので（ＧＰＳアンテナ３１の最新の位置データの方が新しいので）、保存エリア７１ｂの時刻００：００：０９の位置データをＧＰＳアンテナ３２の演算用の位置データとし、これと同時刻の保存エリア７２ａの位置データがＧＰＳアンテナ３１の演算用の位置データとする。その結果、油圧ショベル１の上部旋回体３を速い速度で旋回させた時などでもバケット先端位置を精度良く計測することができる。
【００６４】
以上のように本実施の形態によれば、ＧＰＳ受信機４３，４４の動作が非同期であり、パネルコンピュータ４５へのＧＰＳアンテナの位置情報の入力周期がずれていても、モニタポイントであるバケット先端位置を精度良く計測することができる。
【００６５】
本発明の第２の実施の形態を図１２及び図１３により説明する。図８及び図９に示す部分と同等の部分には同じ符号を付している。
【００６６】
上記実施の形態では、最新データの保存エリア７１ａ，７１ｂのＧＰＳアンテナ３１，３２の位置データが同時刻のものでない場合、時刻の早い方の位置データと同時刻のデータが存在することを前提としたが、天候や機器の動作状態により位置データが欠落することがあり、メモリに常に同時刻のデータがあるとは限らない。本実施の形態はこのような場合を考慮したものである。
【００６７】
図１２は、位置データの一部が欠落した場合のデータ保存メモリのデータの保存状態の一例を示す図である。保存メモリ７２ａには、本来、時刻００：００：０９のＧＰＳアンテナ３１の位置データが保存されるべきであるが、当該データが欠落し、その代わりに時刻００：００：０８のＧＰＳアンテナ３１の位置データが保存されている。また、その結果、保存メモリ７３ａには時刻００：００：０７のＧＰＳアンテナ３１の位置データが保存されている。
【００６８】
図１３は、本実施の形態に係わる計測データの保存・更新処理の詳細を示すフローチャートである。
【００６９】
図１３において、メモリの保存エリア７１ａ，７１ｂに保存されたＧＰＳアンテナ３１，３２の最新の位置データの時刻を比較し（ステップＳ３１０）、それらが同時刻でなくＧＰＳアンテナ３１のデータの方が新しい場合は、更にＧＰＳアンテナ３２の最新の位置データ（保存エリア７１ｂの位置データ）と同時刻のデータがあるかどうかを判断し（ステップＳ３６０）、同時刻のデータがある場合は、ステップＳ３３０で第１の実施の形態と同様の処理を行う。
【００７０】
ステップＳ３６０で同時刻のデータがない場合は、保存エリア７２ａの位置データと保存エリア７１ｂの位置データをＧＰＳアンテナ３１，３２の演算用の位置データとする。つまり、ＧＰＳアンテナ３２の最新の位置データ（保存エリア７１ｂの位置データ）をＧＰＳアンテナ３２の演算用の位置データとし、それよりも前の最も時刻の近いＧＰＳアンテナ３１の位置データである一周期前のＧＰＳアンテナ３１の位置データ（保存エリア７２ａの位置データ）をＧＰＳアンテナ３１の演算用の位置データとする（ステップＳ３８０）。ブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の角度データとしては、それぞれの保存エリア（図示の例では、保存エリア７１ｂ，７２ａ）に保存されたもののうちの一方を選択して演算用のデータとする（ステップＳ３８０）。
【００７１】
また、ステップＳ３１０において、メモリの保存エリア７１ａ，７１ｂに保存されたＧＰＳアンテナ３１，３２の最新の位置データが同時刻でなく、ＧＰＳアンテナ３２のデータの方が新しい場合も同様の処理を行う。つまり、ＧＰＳアンテナ３１の最新の位置データ（保存エリア７１ｂの位置データ）と同時刻のデータがあるかどうかを判断し（ステップＳ３７０）、同時刻のデータがある場合は、ステップＳ３４０で第１の実施の形態と同様の処理を行う。
【００７２】
ステップＳ３７０で同時刻のデータがない場合は、保存エリア７１ａの位置データと保存エリア７２ｂの位置データをＧＰＳアンテナ３１，３２の演算用の位置データとする。つまり、ＧＰＳアンテナ３１の最新の位置データ（保存エリア７１ａの位置データ）をＧＰＳアンテナ３１の演算用の位置データとし、それよりも前の最も時刻の近いＧＰＳアンテナ３２の位置データである一周期前のＧＰＳアンテナ３２の位置データ（保存エリア７２ｂの位置データ）をＧＰＳアンテナ３２の演算用の位置データとする（ステップＳ３９０）。ブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度の角度データとしては、それぞれの保存エリア（図示の例では、保存エリア７１ａ，７２ｂ）に保存されたもののうちの一方を選択して演算用のデータとする（ステップＳ３９０）。
【００７３】
本実施の形態によれば、最新データの保存エリア７１ａ，７１ｂのＧＰＳアンテナ３１，３２の位置データが同時刻のものでなく、かつ時刻の早い方の位置データと同時刻のデータが欠落している場合でも、適切な位置データを用いて演算を行い、バケット先端位置を計測することができる。
【００７４】
なお、上記実施の形態では、３次元空間での絶対位置を計測し位置情報と時刻情報を合わせ持つ計測値を出力する３次元位置計測装置としてＧＰＳ（ＧＰＳアンテナ３１，３２とＧＰＳ受信機４３，４４）を用いたが、グロナス（Ｇｌｏｎａｓｓ）、ガリレオ（Ｇａｌｉｌｅｏ）等その他の人工衛星を使った測位システムを用いてもよい。また、人工衛星を使った測位システムが使用できない場所で用いるものとして疑似衛星を用いた測位システムが知られており、３次元位置計測装置は疑似衛星を用いた測位システムであってもよい。
【００７５】
また、上記実施の形態では、モニタポイントを油圧ショベルのバケット先端に設定した場合を説明したが、モニタポイントはそれ以外の箇所、例えば上部旋回体の後端に設定してもよい。モニタポイントを上部旋回体に設定した場合は、その位置を演算するのに角度センサの計測値は不要である。
【００７６】
更に、上記実施の形態では、走行式建設機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用した場合を説明したが、ホイールローダ等他の走行式建設機械であってもよい。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の３次元位置計測装置の動作が非同期であり、位置演算装置への位置情報の入力周期がずれていても、モニタポイントの位置を精度良く計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係わる位置計測システムを搭載した油圧ショベルの外観を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係わる位置計測システムの全体構成を示すブロック図である。
【図３】基準局としての役割を持つ事務所側システムの装置構成を示すブロック図である。
【図４】バケット先端の３次元空間での絶対位置を演算するために使用する座標系を示す図である。
【図５】グローバル座標系の概要を説明する図である。
【図６】演算処理の全体手順を示すフローチャートである。
【図７】図６に示した計測データの保存・更新処理の詳細を示すフローチャートである。
【図８】データ保存メモリに記憶されるデータの保存状態の一例を示す。
【図９】図６に示した計測データの保存・更新処理の詳細を示すフローチャートである。
【図１０】図６に示したバケット先端位置の演算処理の詳細を示すフローチャートである。
【図１１】パネルコンピュータの演算周期、２つのＧＰＳアンテナの位置データ（ＧＰＳ受信機からの位置データ）のそれぞれの入力割り込み周期、角度データの入力周期を示すタイムチャートである。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係わるデータ保存メモリに記憶されるデータの保存状態の一例を示す。
【図１３】第２の実施の形態に係わる計測データの保存・更新処理の詳細を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  油圧ショベル
２  下部走行体
３  上部旋回体
４  フロント作業機
５  ブーム
６  アーム
７  バケット
２１〜２３  角度センサ
２４  傾斜センサ
３１，３２  ＧＰＳアンテナ
３３，３４  無線アンテナ
３５  無線アンテナ
４１，４２  無線機
４３，４４  ＧＰＳ受信機
４５  パネルコンピュータ
４６  表示装置
４７  無線機
５１  事務所
５２  ＧＰＳアンテナ
５３  無線アンテナ
５４  無線アンテナ
５５  ＧＰＳ受信機
５６  無線機
５７  無線機
５８  コンピュータ
５９  表示装置
７１ａ〜７３ａ  メモリの保存エリア
７１ｂ〜７３ｂ  メモリの保存エリア
【図１】
2004212294.tif 000003
【図２】
2004212294.tif 000004
【図３】
2004212294.tif 000005
【図４】
2004212294.tif 000006
【図５】
2004212294.tif 000007
【図６】
2004212294.tif 000008
【図７】
2004212294.tif 000009
【図８】
2004212294.tif 000010
【図９】
2004212294.tif 000011
【図１０】
2004212294.tif 000012
【図１１】
2004212294.tif 000013
【図１２】
2004212294.tif 000014
【図１３】
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