(57)【要約】【課題】複雑な３次元地形における法面形成作業に於いても、目標とする適切な掘削面の把握が容易であり、かつ掘削時の作業効率の向上した建設機械の掘削作業教示装置を提供することにある。【解決手段】表示装置４６には、３次元目標地形を構成する多数の小平面Ｇと、建設機械の本体Ｓ及び作業機の先端掘削部のバケットＢのイラストを第１画面４６ａとして表示する。かつその第１画面において、３次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法線方向が作業機の動作面と許容誤差の範囲内で平行であるものを掘削可能な小平面である目標掘削面ＴＧとして識別表示する。【選択図】　図１
2004107925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削用の作業機を動作させて３次元の地形を３次元の目標地形にする掘削作業を行う建設機械の掘削作業教示装置において、
前記建設機械の作業機の３次元位置を計測する位置計測手段と、
この位置計測手段の計測結果に応じて前記３次元目標地形と前記作業機の位置関係を表示する表示手段とを備え、
前記表示手段は、前記３次元目標地形を構成する多数の小平面と、前記建設機械の本体及び少なくとも前記作業機の先端部を含む前記建設機械の全体または一部分のイラストを第１画面として表示し、かつその第１画面において、前記３次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法線方向が前記作業機の動作面と許容誤差の範囲内で平行であるものを目標掘削面として識別表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。
【請求項２】
請求項１記載の建設機械の掘削作業教示装置において、
前記表示手段は、前記作業機の動作面と前記多数の小平面との交線、前記建設機械の全体または一部分のイラストを前記作業機の動作面における断面図である第２画面として、前記第１画面と同時に表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。
【請求項３】
請求項１記載の建設機械の掘削作業教示装置において、
前記表示手段は、前記目標掘削面が複数あるときは、前記作業機に最も近い距離にあるものを識別表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。
【請求項４】
請求項１記載の建設機械の掘削作業教示装置において、
前記表示手段は、前記目標掘削面が複数あるときは、それらの法線方向が前記作業機の動作面に最も近い距離にあるものから順番に色調を変えて表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。
【請求項５】
請求項１記載の建設機械の掘削作業教示装置において、
前記目標掘削面の選択を自動設定モードから手動設定モードに切り換える切換手段を更に備え、
前記表示手段は、前記切換手段により手動設定モードに切り換えられると、オペレータが選択した小平面を識別表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。
【請求項６】
請求項１記載の建設機械の掘削作業教示装置において、
前記表示手段は、前記３次元目標地形を構成する多数の小平面のうち前記建設機械から所定距離の範囲内にあるものについて識別表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。
【請求項７】
請求項１記載の建設機械の掘削作業教示装置において、
前記表示手段は、前記３次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法線方向が前記作業機の動作面と許容誤差の範囲内で平行になるものが存在しない場合は、その旨を表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。
【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建設機械の掘削作業教示装置に係り、特に、バケットなどの掘削用作業機を動作させて３次元の目標地形に関する掘削作業を行う際に目標とする掘削作業位置を教示するに好適な建設機械の掘削作業教示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
山間部などの傾斜地に道路を構築する際、まず油圧ショベルやブルドーザなどの建設機械を用いて最初に切土または盛土などの作業を行って必要な地盤を形成し、その周囲には地面の崩壊を防ぐため油圧ショベルなどを用いて法面を形成する。この法面形成作業は高精度な掘削成形作業であり、熟練を要する。特に、目標の掘削面の下まで過剰に掘削を行うと、単なる埋め戻しでは足りず、コンパクタなどの機械を用いて地山と同等の強度となるよう締め固めを行う必要となり、作業効率が大幅に低下する。そこで、オペレータは目標の掘削面を掘りすぎないよう、丁寧に法面の形成作業を行っている。
【０００３】
一方、目標掘削面をオペレータに教示する手段としては、現在原地形の測量を行った結果から、多数の代表位置に掘削の目標となる数値、たとえぱ法面勾配及びその深さに関する数値を記した杭や板を設置する（丁張り作業）。オペレータはこの丁張りを見て、目標の法面を形成するよう油圧ショベルの作業機を動作させる。しかし、山間部などの傾斜地など複雑な地形に法面を形成する場合、複雑な３次元地形に沿って目標となる杭や板を多数設置する必要があり、そのための測量作業や設置作業に多大な時間を必要としていた。
【０００４】
そこで、例えば、特開２００１−９８５８５号公報に記載されているように、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、その交線を本体と作業機のイラストとともに運転室内に設置した表示装置に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が知られている。
【０００５】
また、例えば、（株）トプコンの３Ｄ−ＭＣ　ＧＰＳショベルでは、３次元の地形を構成する三角形ポリゴンを運転室内に設置したタッチパネル式の表示装置に表示し、表示された三角形ポリゴンのうち目標の掘削面に相当するポリゴンを表示装置上で直接タッチして教示することにより目標の掘削面の色を変えて表示する装置が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−９８５８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−９８５８５号公報に記載された装置では、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本体と作業機のイラストとともに同一画面上に表示することにより、確かにその油圧ショベルが現在いる位置において掘削すべき面はわかるが、作業機の動作する方向が目標の法面の法線方向に向いていないと、バケットの幅の分が目標面に対して食い込んでしまうことになる。そこで、実際に法面形成作業を行う際は、作業機の幅を考慮して作業機の動作する方向を目標の法面の法線方向に向けるという合わせ作業が必要であり、作業が複雑となるという問題があった。
【０００８】
また、（株）トプコンの３Ｄ−ＭＣ　ＧＰＳショベルでは、作業機の動作する方向と目標の法面の法線方向との角度を本体と３次元目標地形との同一画面上に別枠で表示しており、オペレータはこの角度が０となるように本体を旋回または走行させるのであるが、目標掘削面を設定する度にこの合わせ作業が必要であり、特に小さな領域に多数の小平面が存在する場合、最終的にその全てを教示しなければならず、作業が非常に煩雑になるという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、複雑な３次元地形における法面形成作業においても、目標とする適切な掘削面の把握が容易であり、かつ掘削時の作業効率の向上した建設機械の掘削作業教示装置を提供することにある。
【００１０】
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。
【００１１】
また、ローカル平面直角座標系とは、測量法に定められたものであり、日本全土を２０地域に区分し、それぞれの地域内を平面とみなした直角座標系であり、それぞれの分割領域の特定の場所に原点を持つ３次元直角座標系である。本明細書中における３次元の目標地形の画像データはローカル平面直角座標系の値として作成されたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、掘削用の作業機を動作させて３次元の地形を３次元の目標地形にする掘削作業を行う建設機械の掘削作業教示装置において、前記建設機械の作業機の３次元位置を計測する位置計測手段と、この位置計測手段の計測結果に応じて前記３次元目標地形と前記作業機の位置関係を表示する表示手段とを備え、前記表示手段は、前記３次元目標地形を構成する多数の小平面と、前記建設機械の本体及び少なくとも前記作業機の先端部を含む前記建設機械の全体または一部分のイラストを第１画面として表示し、かつその第１画面において、前記３次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法線方向が前記作業機の動作面と許容誤差の範囲内で平行であるものを目標掘削面として識別表示するものである。
このように建設機械が移動するに応じて掘削すべき地形の形状が変化する複雑な３次元地形であっても、３次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法線方向が前記作業機の動作面と許容誤差の範囲内で平行であるものを目標掘削面として識別表示するため、オペレータは現在の建設機械の位置に応じた前記目標掘削面を容易に把握でき、掘削時の作業効率を向上することができる。
【００１３】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記表示手段は、前記作業機の動作面と前記多数の小平面との交線、前記建設機械の全体または一部分のイラストを前記作業機の動作面における断面図である第２画面として、前記第１画面と同時に表示するようにしている。
【００１４】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記表示手段は、前記目標掘削面が複数あるときは、それらの法線方向が前記作業機の動作面に最も近い距離にあるものを識別表示するようにしている。
【００１５】
（４）上記（１）において、好ましくは、前記表示手段は、前記目標掘削面が複数あるときは、それらの法線方向が前記作業機の動作面に最も近い距離にあるものから順番に色調を変えて表示するようにしている。
【００１６】
（５）上記（１）において、好ましくは、前記目標掘削面の選択を自動設定モードから手動設定モードに切り換える切換手段を更に備え、前記表示手段は、前記切換手段により手動設定モードに切り換えられると、オペレータが選択した小平面を識別表示するようにしている。
【００１７】
（６）上記（１）において、好ましくは、前記表示手段は、前記３次元目標地形を構成する多数の小平面のうち前記建設機械から所定距離の範囲内にあるものについて識別表示するようにしている。
【００１８】
（７）上記（１）において、好ましくは、前記表示手段は、前記３次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法線方向が前記作業機の動作面と許容誤差の範囲内で平行になるものが存在しない場合は、その旨を表示するようにしている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１３を用いて本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を油圧ショベルに適用した場合の例について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた作業位置計測システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
作業位置計測システムは、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と、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と、このＧＰＳ受信機４３，４４からの位置データと角度センサ２１，２２，２３や傾斜センサ２４や旋回角センサ２５などの各種センサ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）の位置を演算し、さらに後述する３次元目標地形を示すデータが所定のメモリに記憶されているパネルコンピュータ４５と、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や３次元目標地形をイラスト等を交えて表示する表示装置４６と、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と、パネルコンピュータ４５により選択された小平面が複数のうち、いずれの平面を目標とする掘削面とするかを設定指示する設定器４８とを備えている。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１セットのＧＰＳ（Ｇｒｏｂａ１　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）を構成している。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた油圧ショベルの外観を示す図である。
【００２３】
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と共に本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とからなる。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。
【００２４】
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と、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と、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と、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、下部走行体２と上部旋回体３との回転角（旋回角）を検出する旋回角センサ２５とが設けられている。
【００２５】
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と、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と、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。
【００２６】
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構成を示すブロック図である。
【００２７】
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５１には、ＧＰＳ衛星からの信号を受信するＧＰＳアンテナ５２と、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と、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と、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と、アンテナ５４を介して位置データを受信する無線機５７と、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・管理したり３次元目標地形を示すデータを表示するための演算を行うコンピュータ５８と、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、３次元目標地形をイラスト等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１セットのＧＰＳを構成する。
【００２８】
次に、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。本実施の形態では高精度での位置計測を行うため、図１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基準局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。
【００２９】
一方、図１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。
【００３０】
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。
【００３１】
パネルコンピュータ２５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。
【００３２】
次に、図４〜図６を用いてパネルコンピュータ４５における３次元位置演算処理について説明する。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。図４において、Σ０はＧＰＳの準拠楕円体の中心に原点Ｏ０を持つグローバル座標系、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Ｏ０を持つショベルベース座標系、Σ０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。
【００３３】
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の位置及び姿勢（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α３、α４及びアーム５、アーム６、バケツト７の寸法α５，α６，α７が既知であるので、ブーム角度θ５、アーム脅度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、バケット偶度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。
【００３４】
図５はグローバル座標系の概念を説明する図である。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。
【００３５】
図６は３次元位置演算処理手順を示すフローチャートである。図６において、まず、車載側のＧＰＳ受信機４３で求めたＧＰＳアンテナ３１の３次元位置（緯度、経度、高さ）を上記の考えに基づきグローバル座標系Σ０の値ＧＰ１に変換する（ステップＳ１０）、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。同様に、車載側のＧＰＳ受信機４４で求めたＧＰＳアンテナ３２の３次元位置をグローバル座標系Σ０の値ＧＰ２に変換する（ステップＳ２０）。次いで、傾斜センサ２４で計測したビッチ角度θ２を入力し（ステップＳ３０）、ステップＳ１０，２０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、そのピッチ角度θ２と、記憶装置に記憶し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Ｓ４０）。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、角度センサ２１〜２３で検出したブーム角度θ５，アーム角度θ６，バケット角度θ７を入力し、これらの値と記憶装置に記憶し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Ｓ５０）。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Ｓ４０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Ｓ５０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ＧＰＢＫを求める（ステップＳ６０）。そして、このグローバル座標系Σ０でのバケット先端位置ＧＰＢＫをローカル平面直角座標系に変換する。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。
【００３６】
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。
【００３７】
なお、求めたバケット先端の３次元位置は無線機４７によりアンテナ３５を介して送信する。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を介して無線機５７により受信され、コンビュータ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、パネルコンピュータ２５と同様に表示装置５９のモニタ上に油圧ショベルの本体及びバケットのイラストを予め所定のメモリーに記憶された３次元目標地形上の３次元位置に表示する。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。
【００３８】
次に図７〜図１０に表示装置４６の表示部に表示される画面の表示例を示す。
【００３９】
図７は、表示装置４６の表示部に表示される第１の位置表示例を示している。表示装置４６には、第１画面４６ａと、第２画面４６ｂが表示される。第１画面４６ａには、パネルコンピュータ４５における３次元位置演算処理により求められた３次元位置を用いて、図７に示すように油圧ショベルの本体Ｓ及び作業機の先端掘削部であるバケットＢのイラストを予め所定のメモリーに記憶された３次元目標地形Ｇ上の３次元位置に表示する。また、本実施の形態の掘削作業教示装置によって教示される目標掘削面ＴＧ（図中、斜線を施した面）は、他の掘削面に対して色を変えて表示する。表示装置４８に表示される表示画面は、設定器４８を操作して視点を任意に変えることが可能である。
【００４０】
また、パネルコンピュータ４５は、バケットの向いている方向を通過する縦断面の平面（バケットの動作面すなわちフロント作業機の動作に伴いバケットが動作する上部旋回体に固定された平面）と３次元の前記目標掘削面との３次元上の交線を演算し、第２画面４６ｂに、その交線と本体ＳとバケットＢとを表示してオペレータに作業状況を知らせる。
【００４１】
このように３次元位置表示と断面表示を同時に表示することにより、目標掘削面ＴＧに対する本体ＳやバケットＢの位置関係を直感的に表示することができる。
【００４２】
図８は、表示装置４６の表示部に表示される第２の位置表示例を示している。第１画面４６ａには、視点を上面としたときの２次元画像が表示される。パネルコンピュータ２５は、現在向いている油圧ショベルのバケットの動作する方向ＰＬ（バケット動作面を真上から見た直線）と３次元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で、バケットの動作方向ＰＬと小平面の法線方向の水平面への投影線ＧＬとが略平行である小平面を選択し、前記小平面を目標掘削面ＴＧとして自動的に選択設定し、また、表示する。また画面上には、油圧ショベルの本体Ｓの旋回中心Ｏも表示する。
【００４３】
図９は、表示装置４６の表示部に表示される第３の位置表示例を示している。バケット動作面と３次元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行である小平面が存在しない場合、パネルコンピュータ２５は掘削できる構成が存在しない旨の表示を表示装置４６の第２画面４６ｂに表示する。また、このとき、目標掘削面は選択できないため、第１画面４６ａには、図７に示したような目標掘削面ＴＧが表示されない。
【００４４】
図１０は、表示装置４６の表示部に表示される第４の位置表示例を示している。バケット動作面と３次元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行である小平面が複数存在するとき、第１画面４６ａには、その複数の構成面ＴＧ１，ＴＧ２を色を変えて表示する。このとき、本体の位置からの距離に応じて、色を変え、例えば、一番近い構成面ＴＧ１の色を、それよりも遠い構成面ＴＧ２の色よりも濃くするなど色調を変えて、いずれの構成面が近いかを一目で識別可能に表示する。ここでは、複数の構成面が２個の場合を図示したが、３個以上でも同様に色を変えて識別して表示することができる。
【００４５】
図１１は、表示装置４６の表示部に表示される第５の位置表示例を示している。表示装置４６の表示部は、左右に２分割されており、左側には、第１画面４６ａと、第２画面４６ｂが設けられ、右側には第３画面４６ｃが設けられている。第１画面４６ａには、図７と同様に、パネルコンピュータ４５における３次元位置演算処理により求められた３次元位置を用いて、図７に示すように油圧ショベルの本体Ｓ及びバケットＢのイラストを予め所定のメモリーに記憶された３次元目標地形Ｇ上の３次元位置に表示する。
【００４６】
また、第２画面４６ｂには、図７と同様に、バケットの向いている方向を通過する縦断面の平面と３次元の前記目標掘削面との３次元上の交線と本体ＳとバケットＢとを表示する。
【００４７】
さらに、第３画面４６ｃには、図８と同様に、視点を上面としたときの２次元画像が表示される。
【００４８】
図１２は本実施の形態に用いる設定器４８の外観斜視図である。設定器４８は、表示装置４６への表示開始をＯＮ／ＯＦＦするスイッチ４８ａと、目標掘削面を自動教示するか手動で設定するかを切り替える自動／手動スイッチ４８ｂと、自動教示時においてバケットを掘削したい掘削面に移動してスイッチを押すことによりダイレクトティーチ可能な目標掘削面選択スイッチ４８ｃと、手動設定時に手動で目標掘削面を設定するための手動設定スイッチ４８ｄと、３次元表示の視点を移動するためのジョイスティック４８ｅと、図８に示した上から見た２次元表示に表示装置の画面を切り替えるための２次元表示スイッチ４８ｆとを備えている。自動／手動スイッチ４８ｂは、１回押すと例えば自動教示が選択されＬＥＤ４８ｇが点灯する。さらにもう１回押すと手動設定に切り替わりＬＥＤ４８ｈが点灯する。
【００４９】
次に、図１３〜図１６に示すフローチャートを用いて、本実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンピュータ４５の処理機能について説明する。
【００５０】
パネルコンピュータ４５は、図７に示した油圧ショベルの本体及びバケットのイラストを予め所定のメモリーに記憶された３次元目標地形上の３次元位置に表示する際に、現在向いている油圧ショベルのバケット動作面と３次元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行である小平面を選択し、前記小平面を目標の掘削面として自動的に選択設定する。
【００５１】
ある目標掘削面をバケットを操作して掘削する際、バケットの横幅があるためバケットの動作面と目標掘削面の垂線がほぼ平行の状態でなければバケットのエッジが目標掘削面に食い込んだり、目標掘削面から浮いてしまうことになる。そこで、本発明では現在向いている油圧ショベルのバケット動作面と３次元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行である小平面、すなわち現在の油圧ショベルの姿勢において掘削可能な面を自動的に選択することにより、オペレータが目標掘削面を設定する作業を省くことができる。
【００５２】
図１３において、目標掘削面自動設定が選択されているかどうかを判定する（ステップＳ９０）。図１１に示した設定器４８の自動／手動スイッチ４８ｂの操作により、自動設定が選択されている場合には、自動設定処理が実行される（ステップＳ１００）。自動設定処理の詳細については図１４を用いて後述する。手設定が選択されている場合には、手動設定処理が実行される（ステップＳ３００）。手動設定処理の詳細については図１６を用いて後述する。
【００５３】
次に、図１４を用いて目標掘削面の自動設定処理の内容について説明する。図１４において、パネルコンピュータ４５は、３次元表示における視点を初期値に設定する（ステップＳ１０５）。次に設定器４８の３次元表示開始スイッチ４８ａがオンか否かを判定し（ステップＳ１１０）、オンであればステップＳ１１５に進む。パネルコンピュータ４５は、ＧＰＳ受信機４３，４４からアンテナ３１，３２の位置データを取得し、図４〜図６にて説明した方法によりバケット７の先端位置の３次元座標を演算する（ステップＳ１１５）。ステップＳ１０５，Ｓ１００の詳細は、図６のステップＳ１０〜Ｓ７０にて説明したとおりである。
【００５４】
次に設定器４８のジョイスティック４８ｅが操作されて視点が変更されたか否かを判断し（ステップＳ１２０）、変更された場合には変更された視点位置に対して３次元表示における視点の演算を行う（ステップＳ１２５）。そして図７に示したように３次元目標地形Ｇと本体ＳとバケットＢを表示装置４８の表示部に３元表示する（ステップＳ１３０）。
【００５５】
次にバケットの動作方向の演算を行う（ステップＳ１３５）。次にバケット動作方向に対して、ある範囲内に垂線を持つ３次元目標地形の構成面を選択する（ステップＳ１４０）。ステップＳ１４０の処理の詳細については、図１５を用いて後述する。
【００５６】
次にバケット動作方向に対して、ある範囲内に垂線を持つ３次元目標地形の構成面が１個以上あるか否かを判定し（ステップＳ１４５）、対応する構成面が一つの場合にはその構成面を選択し、また対応する構成面が複数ある場合には複数の構成面に対して距離によって優先順位を付け、最も近い構成面を選択し、さらに、選択した構成面を色を変えて表示する。（ステップＳ１５０）。
【００５７】
次に、画面表示モードとして２次元表示モードが選択されているか否かを判定する（ステップＳ１５５）。図１２に示した操作器４８の２次元表示スイッチ４８ｆが押されると、図８に示した２次元表示モードで表示する（ステップＳ１６０）。そうでないときはステップＳ１６５に進む。
【００５８】
そして、バケット動作方向と選択された構成面の３次元上の交線を演算し（ステップＳ１６５）、図１０に示したように表示装置４６のサブ画面４６ｂに本体側面から見た３次元上の交線，本体Ｓ及びバケットＢを表示する（ステップＳ７６０）。
【００５９】
一方、ステップＳ１４５において目標構成面が無い場合には、図９に示したように現在の姿勢において掘削できる目標掘削地形の構成面は存在しない旨を表示装置４６に表示する（ステップＳ１７５）。
【００６０】
図１５はステップＳ１４０における目標構成面の選択処理の詳細を示すフローチャートである。
【００６１】
図１５において、最初に、本体中心から所定の距離（例えば、バケットが届いて掘削可能な距離（１０ｍ））の範囲内にある構成面に対して、変数ｎとして、「１」〜「Ｎ」の番号を付与する。次に、変数ｎに初期値として「１」を設定する（ステップＳ２１０）。次にバケットの動作方向と複数の構成面の内ｎ番目の構成面Ａｎの法線方向とを比較して、両者の角度がある範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ２２０）。ある範囲内にあるときは、この構成面が目標構成面に前記当するとしてメモリー内部に一時記憶する（ステップＳ２３０）。その後、変数ｎを一つ増やす（ステップＳ２４０）。変数ｎの値が構成面の総数Ｎよりも大きいか否かを判定し（ステップＳ２５０）、小さい場合にはステップＳ２１０に戻りステップＳ２２０〜Ｓ２５０の処理を繰り返し、大きくなるとメモリーに記憶されている構成面が前記当する構成面とする（ステップＳ２６０）。
【００６２】
次に、図１６を用いて目標掘削面の手動設定処理の内容について説明する。ステップＳ３０５〜Ｓ３３５及びＳ３５０〜Ｓ３６５の処理内容は、図１４のステップＳ１０５〜Ｓ１３５及びＳ１５５〜Ｓ１７０の処理内容と同様である。
【００６３】
オペレータが目標としたい掘削面の付近にバケット先端を操作してもっていき、設定器４８の手動選択スイッチ４８ｄを押下することにより目標の掘削面をダイレクトティーチすると（ステップＳ３４０）、この選択された掘削面を目標掘削面として、表示色を変更する（ステップＳ３４５）。
【００６４】
なお、以上の説明では、通常表示装置４６には、図７に示したように、バケット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、その交線を前記表示装置に本体とバケットとを同一画面上に表示するようにしている。このとき、オペレータが設定器４８のスイッチ４８ｆを押下げることにより、図８に示したように、３次元の目標地形と本体、バケットを同一画面上に上面から見下ろした表示を行うこともできる。すなわち、オペレータは、表示選択スイッチを適宜切り換えて目標掘削面の確認を行い作業を行う。
【００６５】
目標掘削面を設定したらオペレータは、図７に示したバケットの向いている方向を通過する縦断面の平面と３次元の目標掘削面との３次元上の交線と本体及びバケットとを表示した画面を確認しながら、目標掘削面を掘削作業することにより、複雑な３次元地形であっても精度よく掘削することができる。
【００６６】
図１４のステップＳ１７５において現在の姿勢において掘削できる目標掘削地形の構成面は存在しない旨が表示装置４６に表示された場合には、オペレータが上部旋回体３を適宜旋回することにより、パネルコンピュータ４５は、改めて図１４の処理を実行して新らしく向いている油圧ショベルのバケット動作面と３次元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行である構成面を選択して表示する。もし適当な構成面が選択・表示されない場合には、オペレータは、下部走行体を適当な方向に移動し、さらに、上部旋回体を旋回することを繰り返すことにより、目標掘削面を選択して表示することができる。
【００６７】
なお、上記実施の形態はその詳細が上述の例に限定されず、種々の変形が可能である。一例として、上記実施の形態ではバケットと車体を表示したが、ｓくなくともバケット先端の掘削部を表示すれば油圧ショベルの全体またはその一部分を表示してもよい。また、現在向いている油圧ショベルのバケット動作面と３次元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行である小平面が複数存在する場合、目標掘削面の教示方法としてタッチパネルを採用し、指で直接画面上に表示される三角ポリゴンを指定してもよい。また、現在向いている油圧ショベルのバケット動作面と３次元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行である小平面を自動的に選択・設定するモードと、最初からオペレータが自分で目標掘削面を選択・設定するための設定切換モードスイッチを設けてもよい。また、フロント装置の各部材間の相対角度を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。また、検出したバケット先端の３次元位置を事務所のコンビュータ５８に送信しているが、特に事務所側での管理が必要なければ３次元位置データを送信しなくてもよい。
【００６８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、油圧ショベルが移動するに応じてまたバケットが移動するに応じて、そのバケットの下方の掘削すべき地形形状が変化する複雑な３次元地形であっても、現在の建設機械の位置に応じて目標掘削面を教示することにより作業機の向いている方向を通過する縦断面の平面とこの目標掘削面との３次元上の交線を演算し、その交線を前記表示装置に本体と作業機とを同一画面上に表示するため、オペレータは現在の建設機械の位置に応じた目標掘削面を把握でき、表示器に表示される目標掘削面と作業機を見ながら目標掘削面に沿って作業機を動作させれば３次元の目標地形を掘削できる。また、小平面の法線方向線と建設機械の作業機の向く方向線とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行である小平面を選択し、この小平面を目標の掘削面として設定し、かつ上面から見下ろした画面を同一画面内に表示することによりオペレータが現在いずれの平面を掘削できるのかを容易に把握することが可能なため、複雑な３次元地形における法面形成作業に於いても目標とする掘削面の把握が容易でかつ実際の掘削における作業効率を向上することができる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、複雑な３次元地形における法面形成作業においても、目標とする適切な掘削面の把握が容易であり、かつ掘削時の作業効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた作業位置計測システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一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。
【図３】ＧＰＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成を示すブロック図である。
【図４】バケットの先端の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。
【図５】グローバル座標系の概要を説明する図である。
【図６】３次元位置演算処理手順を示すフローチャートである。
【図７】表示装置の表示部に表示される第１の位置表示例を示している。
【図８】表示装置の表示部に表示される第２の位置表示例を示している。
【図９】表示装置の表示部に表示される第３の位置表示例を示している。
【図１０】表示装置の表示部に表示される第４の位置表示例を示している。
【図１１】表示装置の表示部に表示される第５の位置表示例を示している。
【図１２】本実施の形態に用いる設定器の外観斜視図である。
【図１３】本実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンピュータの処理機能を示すフローチャートである。
【図１４】本実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンピュータの処理機能を示すフローチャートである。
【図１５】本実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンピュータの処理機能を示すフローチャートである。
【図１６】本実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンピュータの処理機能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
２５　旋回角センサ
３１，３２，５２　ＧＰＳアンテナ
３３，３４，３５，５３，５４，　無線アンテナ
４１，４２，４７，５６，５７　無線機
４３，４４，５５　ＧＰＳ受信機
４５　パネルコンピュータ
４６，５９　表示装置
４６ａ　第１画面
４６ｂ　第２画面
４６ｃ　第３画面
４８　設定器
５１　事務所
５８　コンピュータ
【図１】
2004107925.tif 000003
【図２】
2004107925.tif 000004
【図３】
2004107925.tif 000005
【図４】
2004107925.tif 000006
【図５】
2004107925.tif 000007
【図６】
2004107925.tif 000008
【図７】
2004107925.tif 000009
【図８】
2004107925.tif 000010
【図９】
2004107925.tif 000011
【図１０】
2004107925.tif 000012
【図１１】
2004107925.tif 000013
【図１２】
2004107925.tif 000014
【図１３】
2004107925.tif 000015
【図１４】
2004107925.tif 000016
【図１５】
2004107925.tif 000017
【図１６】
2004107925.tif 000018