(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機体に設けた機体の位置座標を測量する第１の測量装置と、
機体に設けた機体の角度を検出する第１の角度検出装置と、
１以上の第２の角度検出装置を具備する可動作業具と、
を有する建設作業機械の可動作業具の構成寸法と構成位置の計測及び較正を行う測位較正
方法であって、
前記可動作業具の複数の姿勢位置の位置座標を測量するために建設作業機械の外部に第２
の測量装置を設け、前記第２の測量装置によって前記可動作業具の前記複数の姿勢位置の
位置座標を測定し、当該測定位置座標のデータ及び前記可動作業具の前記第２の角度検出
装置によって検出された可動作業具の角度データを用いた計算によって前記可動作業具の
構成寸法と構成位置を求めること
に特徴を有する建設作業機械の測位較正方法。
【請求項２】
前記可動作業具の前記構成寸法と前記構成位置を基に、
前記建設作業機械の稼働時において、
前記機体の前記第1の角度検出装置及び前記第１の測量装置によりそれぞれ測定される前
記機体の稼働時位置測定データ及び稼働時姿勢データと、
前記可動作業具の前記第２の角度検出装置により測定される稼働時角度データとから、
前記可動作業具及び可動作業具先端部の稼働時の前記構成位置及び位置座標を測位し求め
ること
に特徴を有する請求項１に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項３】
前記建設作業機械がバックホー及び可動作業具の形態が前記バックホーと類似する建設作
業機械である場合は、前記可動作業具はバケット及びアーム及びブーム及びバケット若し
くはアーム若しくはブームのアタッチメント類であり、前記建設作業機械がブルドーザで
ある場合は、前記可動作業具はブレードであり、前記建設作業機械がクレーンである場合
は、前記可動作業具は先端フックであること、
前記第２の測量装置はトータルステーション（ＴＳ）を含む光学式測量装置であり、位置
測定は世界測地系の座標で行うこと、
及び前記第１の測量装置はＧＮＳＳ受信機(Global Navigation Satellite System / 全球
測位衛星システム)であり、位置測定は世界測地系の座標で行うこと、
ＧＮＳＳによる測定位置は、前記建設作業機械の外部の基準基地局若しくは衛星信号に含
む補正情報により位置を補正することができること、
更に前記第１及び第２の角度検出装置はＩＭＵ（Inertial Measurement Unit, 慣性計測
装置）を含む角度センサであること
に特徴を有する請求項２に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項４】
前記建設作業機械がバックホー及び可動作業具の形態が前記バックホーと類似する建設作
業機械であって、
前記可動作業具の構成寸法を前記第２の測量装置である前記光学式測量装置によって位置
測定し求める方法は、
前記バケットの先端部にプリズムを貼付し、前記可動作業具の前記複数の姿勢位置の測定
は、前記バケットを上下に回転させたときの２箇所、及び前記アームを上下に回転させた
ときの２箇所、及び前記ブームを上下に回転させたときの２箇所を含む複数箇所の姿勢位
置における前記プリズムの位置を、前記光学式測量装置によって測定するものであること
に加えて、
前記複数個所での位置の測定により得られた測定値と前記バケット及び前記アーム及び前
記ブームに各々具備された前記第２の角度検出装置によって計測された各々の前記複数箇
所に対する前記回転の角度値とを用いて前記バケット及び前記アーム及び前記ブームの各
々の前記構成寸法を求める測位方法であること
に特徴を有する請求項３に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項５】
前記建設作業機械がバックホー及び可動作業具の形態が前記バックホーと類似する建設作
業機械であって、
前記第１の測量装置によって前記機体の位置座標を世界測地系の位置座標として測定をす
る方法は、
前記ＧＮＳＳ受信機は前記機体の上部回転体に具備されており、前記ＧＮＳＳ受信機を用
いて前記上部回転体を回転させて計測された任意の３箇所の測位値と前記上部回転体に具
備された前記第１の角度検出装置によって計測された角度値とを用いて、前記上部回転体
の回転中心位置を前記機体の前記世界測地系の位置として求める測位方法であること
に特徴を有する請求項４に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項６】
前記建設作業機械がバックホー及び可動作業具の形態が前記バックホーと類似する建設作
業機械であって、
前記第１の測量装置によって前記可動作業具先端部の稼働時の前記構成位置及び前記位置
座標を測位し求める方法は、
前記上部回転体の回転中心位置を前記機体の前記世界測地系の位置座標として測位し、
且つ前記機体の前記世界測地系位置から前記可動作業具である前記ブームの回転中心位
置を前記世界測地系位置として測位し、
且つ前記ブームの回転中心位置の前記世界測地系位置座標から前記可動作業具先端部の
位置座標を世界測地系位置座標として求める測位方法であること
に特徴を有する請求項５に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項７】
前記建設作業機械がバックホー及び可動作業具の形態が前記バックホーと類似する建設
作業機械であって、
前記機体における前記可動作業具の前記構成位置を較正する方法は、
前記バケット及び前記アーム及び前記ブームを所定の位置に静置させ、前記可動作業具
の前記バケットの前記プリズムの位置を、前記第２の測量装置である前記光学式測量装置
によって測定し、
前記測定した前記可動作業具の前記バケットの前記プリズムの位置座標と、前記ブーム
の回転中心の前記世界測地系位置座標と、前記機体の前記世界測地系位置座標と、前記上
部回転体に具備された前記ＧＮＳＳ受信機の前記世界測地系位置との測位値を整合させる
ことで、前記機体における前記可動作業具の構成位置座標を求め、稼働時においては前記
求めた構成位置座標を基準として、前記機体における前記可動作業具の構成位置を求める
方法であること
に特徴を有する請求項６に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項８】
前記建設作業機械がブルドーザ及び可動作業具の形態が前記ブルドーザと類似する建設作
業機械であって、
前記可動作業具の構成寸法を前記第２の測量装置である前記光学式測量装置によって位置
測定し求める方法は、
前記ブレードの左右先端部若しくは中央部にプリズムを貼付し、前記可動作業具の前記複
数の姿勢位置の測定は、前記ブレードを上下ピッチ方向に回転させたときの２箇所以上及
びロール方向に回転させたときの２箇所以上を含む複数箇所の姿勢位置における前記プリ
ズムの位置を、前記光学式測量装置によって測定するものであることに加えて、
前記複数個所での位置測定により得られた測定値と前記ブレードに具備された前記第２の
角度検出装置によって計測された各々の前記複数箇所における前記回転の角度値とを用い
て、前記ブレードのフレームの前記構成寸法を求める測位方法であること
に特徴を有する請求項３に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項９】
前記建設作業機械がブルドーザ及び可動作業具の形態が前記ブルドーザと類似する建設作
業機械であって、
前記第１の測量装置によって前記機体の位置を前記機体の世界測地系位置座標として測定
をする方法は、
前記機体に具備された前記ＧＮＳＳ受信機を用いて計測された測位値と前記機体に具備さ
れた前記第１の角度検出装置によって計測された角度値及び移動値の変化量とを用いて、
前記機体の位置と移動方向を前記世界測地系位置座標として求め測位すること
に特徴を有する請求項８に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項１０】
前記建設作業機械がブルドーザ及び可動作業具の形態が前記ブルドーザと類似する建設作
業機械であって、
前記第１の測量装置によって前記可動作業具先端部の稼働時の前記構成位置及び位置座標
を測位し求める方法は、  
前記機体の位置を前記機体の前記世界測地系位置座標として測位し、
且つ前記機体の前記世界測地系位置座標から前記可動作業具である前記フレームの回転
中心位置を前記世界測地系位置座標として測位し、
且つ前記フレームの回転中心位置座標の前記世界測地系位置座標から前記ブレードの刃
先の位置座標を世界測地系位置座標として求める測位方法であること
に特徴を有する請求項９に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項１１】
前記建設作業機械がブルドーザ及び可動作業具の形態が前記ブルドーザと類似する建設
作業機械であって、
前記機体における前記可動作業具構成位置を較正する方法は、
前記ブレードを所定の位置に静置させ、前記可動作業具の前記ブレードの前記プリズムの
位置を、前記第２の測量装置である前記光学式測量装置によって測定し、
前記測定した前記可動作業具の前記ブレードの前記プリズムの位置座標と、前記フレー
ムの回転中心の前記世界測地系位置座標と、前記機体の前記世界測地系位置座標と、前記
機体に具備された前記ＧＮＳＳ受信機の前記世界測地系位置との測位値を整合させること
で、前記機体における前記可動作業具の構成位置を求め、稼働時においては前記求めた構
成位置を基準として、前記機体における前記可動作業具の構成位置を求める方法であるこ
と
に特徴を有する請求項１０に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項１２】
前記建設作業機械が、バックホー、ブルドーザのみならず、クレーン、ローダー、スク
レーバー、ホイールローダー若しくは作業はしご車であること
に特徴を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の建設作業機械の測位較正方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の建設作業機械の測位較正方法を実施するための
建設作業用機械の測位較正コントローラ。
【請求項１４】
請求項１３項に記載の前記測位較正コントローラを具備する建設作業用機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設作業機械の測位及び較正方法に係り、特に可動作業部のＧＮＳＳ位置検出の簡易化且つ高精度較正に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、従来、土木、建設分野では、整地、舗装等を行うに際し、建設作業機械としてバックホーが使用される。バックホーは油圧ショベルとも呼ばれる。近年このバックホーの操作において本体の移動や上部駆動体（可動作業部又は可動作業具、駆動作業具とも言う。）であるブーム、アーム、バケット等の駆動や回転を指定し、現場整地形状にあわせて自動的に制御したり、オペレータによる操作を補助したりするマシンガイダンス制御が行われている。このような制御を行うためには、バケットの刃先の位置（座標）を正確に把握しておく必要があり、上部旋回体（上部回転体とも言う。）、ブーム、アーム、バケット等の寸法と、各部材の傾斜角度を正確に把握しておく必要がある。
【０００３】
また、土木、建設分野では、整地、舗装を行うに際し、建設作業機械としてブルドーザが使用され、このブルドーザの操作、移動やブレード（排土板）の操作を予め指定して自動的に行うことも多い。このためオペレータによるブルドーザの操作を補助したりするマシンガイダンス制御が行われている。このような制御を行うためには、ブレードの刃先の位置を正確に把握しておく必要がある。
【０００４】
本発明における主な建設作業機械及び名称について概要を以下に説明する。
【０００５】
バックホー（油圧ショベル）とは、土表面を加工する作業機械であり、油圧ショベルと総称される建設機械のうち、バケットをオペレータ側向きに取り付けた形態である特徴を有する。オペレータ側向きのバケットでオペレータは自分に引き寄せる（抱え込む）方向に操作する。地表面より低い場所の掘削に適すブーム、アーム、バケットが連結され、それぞれが回転する駆動体としての作業具を備える。
【０００６】
ブルドーザは、土砂のかきおこしや盛土、整地に用いる建設機械であって、トラクターの前面に可動式のブレード（排土板）を装着していて、進行方向に土砂を押しだす機械の両脇から伸びたプッシュアームによって上下し、左右に回転するブレード（排土板）からなる作業具を備える。
【０００７】
マシンガイダンスとは、建設機械の作業具の現在位置と、設計面とを、運転席のモニタに表示し、オペレータが機械を円滑に正確に制御するのを支援するシステムである。
【０００８】
これらの建設作業機械を精度良く稼働させるためには、各回転又は駆動作業具の位置を精度良く把握してマシンガイダンスに誤差のないデータをインプットするための測位及び較正作業が必要となる。
【０００９】
バックホーにおいては、従来、傾斜センサの補正量を取得するには、ブームを既知の傾斜角度、例えば水平に設定し、この状態で傾斜センサの出力を得、これらを比較することで行われる。しかし 、従来の方法では、ブームの角度を既知の傾斜角度例えば水平にするためには他の傾斜角度測定装置が必要となる他、不安定な姿勢により角度誤差に影響しないよう注意をはらう必要がある。
【００１０】
ブルドーザも同様であり、位置測定装置を配置して位置補正量を設定するときには、設計図等に基づく各部材の寸法についての情報を用いることができる。しかし、このような既存のバックホー及びブルドーザの中にはこの情報がない場合があり、この場合は車体や車体からブーム、アーム、バケット、ブレード、ブレードを支持するリンク（フレーム、プッシュアーム等がある。）等の寸法を正確に測定する必要がある。しかし現場作業においては正確に測定できないという大きな問題がある。
【００１１】
たとえば、特許文献１では、建設作業機械に配置された回転可能な部材に配置された傾斜センサの補正量を取得する方法であって、前記傾斜センサが配置された部材である測定対象部材に複数の測定点を設定し、これらの測定点の座標を測量装置で測量し、測定した複数の測定点の座標から前記測定対象部材の傾斜角度を算出し、取得した傾斜角度と前記傾斜センサの出力値に基づいて前記傾斜センサの補正値を取得することを特徴とする建築作業機械における傾斜センサ補正量取得方法の技術思想が開示されている。
【００１２】
しかし、この例では、作業機械によっては部材の測定位置の曖昧さや部材の寸法によって測定値に大きな誤差が生じ、それらの誤差の累積による累積誤差が大きな問題となる。また建設現場等において正確な測定及び較正を行うことは難しく、精度の良い測位及び較正のための根本的な解決策を提示したことにはなっていない。
【００１３】
また特許文献２では、建設作業機械の車体に接続部を介して配置された排土板の刃先位置と、前記車体に配置された位置取得装置との位置補正量を取得する方法であって、前記建設作業機械の側方に配置した測量装置で前記位置取得装置の位置と、前記建設作業機械の各部の位置とを測定し、これらの測定値から前記位置取得装置から前記排土板の刃先位置までの位置補正量を演算することを特徴とする排土板の位置補正量取得方法についての技術思想が開示されている。
【００１４】
この例においても、上記と同様に部材の測定位置の曖昧さや部材の寸法によって測定値に大きな誤差が生じ、それらの誤差の累積による累積誤差が大きな問題となる。また、その建設現場等において正確な測定及び較正を行うことは難しく、精度の良い測位及び較正のための根本的な解決策を提示したことにはなっていない。
【００１５】
以上は、建設作業機械のバックホー及びブルドーザについて具体的に説明したが、本発明における建設作業機械とは、バックホー、ブルドーザのみならず、クレーン、ローダー、スクレーバー、ホイールローダー、作業はしご車等を包含した駆動作業具を具備する建設作業機械一般を意味していることを付け加える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０１８−１４６４０８号公報
【特許文献２】特開２０１８−１４５６９３号公報
【特許文献３】特開２０１８−１４６４０７号公報
【特許文献４】特開２００２−１８１５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、駆動作業具を備えた建設作業機械の駆動する作業具位置を捕捉することを目的としている。一般的に駆動作業具位置は、測量の諸手段によって測位しているが、測位を正確に行うには、測位に係る測定器の配置や相対位置を把握するための較正が必要となる。以下に記載するが、従来の較正方法は、測定器による測定とは別の仕掛けで処理されており、正確性には限界があった。
【００１８】
本発明によると、較正に係る測定器と、測位に係る測定器を同じものにすることで、較正を簡便にするとともに、較正の精度を向上することができる。また、測定器全体にかかる費用を安くすることができ、較正を含む測位のシステムは、既存の建設作業機械に後から設定することができる大きなメリットがある。
【００１９】
これまでの技術もしくは技術的思想では、例えば一般によく知られた方法であるが、まず機体（建設作業機械本体）の位置と姿勢を測る。具体的には、ＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite System / 全球測位衛星システム)受信機（のアンテナ）２台を機体の左右に置き、それによって機体の位置と、左右の傾きを測り、角度センサで、機体の前後の傾きを測る。そして、バックホーであればバケット剣先（先端部）の位置を測る。次にブーム、アーム、バケットの回転角度を、それぞれにつけられた角度センサで測る。（以下、全球測位衛星システムを「ＧＮＳＳ」と表現する。）
【００２０】
これによってブームの根本に対する剣先位置が計算上求められる。（図１参照）
それぞれ回転駆動するブームの長さをＡ、アームの長さをＢ、バケットの長さをＣとすると、
(A cos a + B cos b + C cos c, A sin a + B sin b + C sin c)によってバケット剣先（先端部）の座標位置が明確となる。次に、機体位置と、剣先の位置を機体の傾きだけ傾けた位置とを合わせ、座標の合成を行う。これでバックホーの測位が終了する。
【００２１】
次にバックホーの場合での従来の具体的な測位の較正方法を記載する。ＧＮＳＳアンテナの位置は、まずブームの回転軸の中心位置と、ＧＮＳＳアンテナのそれぞれとの相対位置を設定するために、ブーム回転軸と、各アンテナにプリズムを貼り、トータルステーションでその位置を測定し、その測定した位置から上記相対値を設定する。トータルステーション（ＴＳ）とは、基準座標点に設置し、測位対象物に貼付したプリズムとの間でレーザ光を往復させて、その角度と距離を測ることで対象物の座標を求める光学式測量装置の総称である。トータルステーションを以下「ＴＳ」と略す。
【００２２】
機体の稼働時の角度は、まず機体を水平の位置に置いて、角度センサの水平位置（基準点）を設定し、稼働時は、その水平位置からの差分の角度を測る角度センサで規定される。
【００２３】
そして、回転駆動する駆動作業部であるブーム、アーム、バケットの位置は、角度センサを取り付けることによって行う。まずブームの長さＡ、アームの長さＢ、バケットの長さＣを規定する。次に、ブームの回転角ａ、アームの回転角ｂ、バケットの回転角ｃを定めるための基準点を設定する。そして、水平面に機体を置き、ブーム、アーム、バケットを所定の形で水平面に置き、ブーム、アーム、バケットに係る回転軸にプリズムを貼り、トータルステーションでその位置を測定する。
【００２４】
このように測った各位置に基づき、回転軸間の水平距離と垂直距離を設定することで、ＡとＢを求め、バケットの長さを測ることでＣを求めることができる。水平位置に設定したところを基準点として、稼働時にａ、ｂ、ｃを測ることによってバックホーの稼働時測位の較正ができることになる。
【００２５】
ブーム、アーム、バケットの角度センサの従来の較正方法は、まずバックホーの駆動作業具を例えばブーム、アーム、バケットのそれぞれを下部方向に最大限回転させるような所定の姿勢にする（水平なところで作業具を寝かせるとも言う。）。そして、ブーム、アーム、バケットの各軸にシート型のプリズムを貼り、ＴＳで位置を測る。そして各寸法を入れることによりＡ、Ｂ、Ｃが決まりａ、ｂ、ｃを測りａ、ｂ、ｃの基準点が決まり較正ができる。
【００２６】
次にブルドーザの測位について記載する。一般によく知られたブルドーザのブレード（排土板）の位置と姿勢を測る測位方法は、次の２つがある。（図は割愛するが、図４において参照できる。）
【００２７】
方法１：ＧＮＳＳ受信機（のアンテナ）２台をブレード（排土板）の両端に置き、それによってブレードの上の受信機アンテナの位置を測る。次に角度センサでブレードの進行方向に向けた角度変化を測る（ブレードの上下に伴い向きが変わる）。ブレード自体がそのような動きをするわけではないが、ブレードの上下に伴って、その面の向き、従ってアンテナ支持棒の角度が変わりアンテナ位置が変わるため、その角度の認識が必要となる。そして、上記を組み合わせて、ブレード下部の各両端の刃先位置を認識する。ここで、ブレードの左右方向の高さの差は、ＧＮＳＳの位置により把握する。
【００２８】
方法２：ＧＮＳＳ受信機（のアンテナ）１台をブレード（排土板）の中央に置き、それによってブレードの上の受信機アンテナの位置を測る。角度センサでブレードの進行方向に向けた角度変化と、ブレードの左右方向の角度変化を測る。上記を組み合わせて、ブレード下部の各両端の刃先位置を認識する。
【００２９】
次にブルドーザにおける測位の較正について記載する。ＧＮＳＳアンテナの位置は、まずアンテナとブレードの下部あるいはアンテナと角度センサとの相対位置を設定し、ＧＮＳＳ受信機およびアンテナとその支持棒、およびブレードの大きさから上記相対位置を設定する。あるいは、対象箇所にプリズムを貼り、ＴＳで測る。機体の角度は、機体を水平の位置に置いて、角度センサの水平位置（基準点）を設定する。あるいは機体を所定距離（少し）前進させ、その際の角度センサの角度の偏位とアンテナ位置の移動とから、可読センサの基準位置を設定する。稼働時は、その水平位置からの差分の角度を測ることによって較正ができる。
【００３０】
バックホーについては別の方法も従来から行われている。ＧＮＳＳ受信機の代わりに、測定対象物にプリズムを設置し、ＴＳで位置を測定する方法である。ブーム、アーム、バケットの回転認識を油圧のストロークによって測る方法であり、機械構造が正確に分かっていれば測れるが、構造を測る箇所が増える欠点がある。ただし、機体の位置をＧＮＳＳで測るかＴＳで測るかにはよらない。
【００３１】
従来の方法は以上のようになるが、課題が多い。まず何よりも機体寸法の計測が難しく煩雑である。例えば、プリズム貼付が複数箇所に渡り、それぞれで貼付誤差が出る上に、それらが蓄積してしまう。また、機体の現実的な構造上の問題であるが、表面にはでこぼこ（凹凸）があり、正確に水平方向、垂直方向の長さを測ることが難しい。何よりも、較正時の手間が大きく煩雑であり、較正方法の理解が必要であり、広く一般の利用者（操縦者）が行うのは容易ではない。加えて、較正時の機体の水平設置は現場である場合も多く、原理的に精度を訴求できない。工場出荷時は精密な平均台で測ることはできるが、現場の日常使用では精度を求めるのは難しい。このように建設機械の測位及び較正には制約及び課題が多く、上記課題の根本的解決には至っていない。
【００３２】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、較正に係る測定器と、測位に係る測定器を同じものにすることで、較正を簡便にするとともに、較正の精度を向上することができ、且つ測定器全体にかかる費用を安くすることができることを目的とする。また、較正を含む測位のシステムは、既存の機械に後から設定できるものであり、建築作業機械の回転可能な駆動作業具に配置された傾斜センサ及び機体に配置されたＧＮＳＳアンテナにより補正量を簡単かつ確実に取得することができる建設作業機械における簡易測位及び較正方法を提供することを目的とする。
【００３３】
具体的には、作業具の構造そのものを測るのではなく、姿勢のいくつかをサンプリングし、それによって作業具の構造を推定することができ、バックホーやブルドーザなど、回転型の作業具を備える機械の較正に共通して適用できる。そして、機械の作業具の位置を測位する方法を、流用できる測位及び較正方法を提供することを本発明の課題及び目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
かかる課題を解決するため、本発明に係る建設作業機械の測位較正方法は、機体に設けた機体の位置座標を測量する第１の測量装置と、機体に設けた機体の角度を検出する第１の角度検出装置と、１以上の第２の角度検出装置を具備する可動作業具と、を有する建設作業機械の可動作業具の構成寸法と構成位置の計測及び較正を行う測位較正方法であって、前記可動作業具の複数の姿勢位置の位置座標を測量するために建設作業機械の外部に第２の測量装置を設け、前記第２の測量装置によって前記可動作業具の前記複数の姿勢位置の位置座標を測定し、当該測定位置座標のデータ及び前記可動作業具の前記第２の角度検出装置によって検出された可動作業具の角度データを用いた計算によって前記可動作業具の構成寸法と構成位置を求めることに特徴を有する。
【００３５】
また、本発明に係る建設作業機械の測位較正方法は、前記構成寸法と前記構成位置を基に、前記建設作業機械の稼働時において、前記可動作業具の前記構成寸法と前記構成位置を基に、前記建設作業機械の稼働時において、前記機体の前記第1の角度検出装置及び前記第１の測量装置によりそれぞれ測定される前記機体の稼働時位置測定データ及び稼働時姿勢データと、前記可動作業具の前記第２の角度検出装置により測定される稼働時角度データとから、前記可動作業具及び可動作業具先端部の稼働時の前記構成位置及び位置座標を測位し求めることができる。
【００３６】
本発明に係る建設作業機械の測位較正方法は、具体的には、前記建設作業機械がバックホー及び可動作業具の形態が前記バックホーと類似する建設作業機械である場合は、前記可動作業具はバケット及びアーム及びブーム及びバケット若しくはアーム若しくはブームのアタッチメント類（アタッチメント類については後述する）であり、前記建設作業機械がブルドーザである場合は、前記可動作業具はブレードであり、前記建設作業機械がクレーンである場合は、前記可動作業具は先端フックであること、前記第２の測量装置はトータルステーション（ＴＳ）を含む光学式測量装置であり、位置測定は世界測地系の座標で行うこと、及び前記第１の測量装置はＧＮＳＳ受信機(Global Navigation Satellite System / 全球測位衛星システム)であり、位置測定は世界測地系の座標で行うこと、ＧＮＳＳによる測定位置は、前記建設作業機械の外部の基準基地局若しくは衛星信号に含む補正情報により位置を補正することができること、更に前記第１及び第２の角度検出装置はＩＭＵ（Inertial Measurement Unit, 慣性計測装置）を含む角度センサであることに特徴を有する。
【００３７】
つまり本発明に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラにおける測位及び較正の方法は、作業具座標系と機体座標系と世界測地系とを整合測位し、作業時においても一点測位にて前記整合値を較正させて適用する建設作業機械の測位の較正方法である。またその方法を具備するコントローラ及び建設機械を権利範囲内とする。
【００３８】
上記において本発明に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラにおける建設作業機械とは、バックホー、ブルドーザのみならず、クレーン、ローダー、スクレーバー、ホイールローダー、作業はしご車等、駆動作業具を具備する建設作業機械一般を意味する。以下においては、バックホー及びブルドーザについて具体的な本発明について記載する。実施例詳細については後述する。
【００３９】
本発明に係る建設作業機械がバックホー及び可動作業具の形態が前記バックホーと類似する建設作業機械であって、前記可動作業具の構成寸法を前記第２の測量装置である前記光学式測量装置によって位置測定し求める方法は、
前記バケットの先端部にプリズムを貼付し、前記可動作業具の前記複数の姿勢位置の測定は、前記バケットを上下に回転させたときの２箇所、及び前記アームを上下に回転させたときの２箇所、及び前記ブームを上下に回転させたときの２箇所を含む複数箇所の姿勢位置における前記プリズムの位置を、前記光学式測量装置によって測定するものであることに加えて、
前記複数個所での位置の測定により得られた測定値と前記バケット及び前記アーム及び前記ブームに各々具備された前記第２の角度検出装置によって計測された各々の前記複数箇所に対する前記回転の角度値とを用いて前記バケット及び前記アーム及び前記ブームの各々の前記構成寸法を求める測位方法であることに特徴を有する。
【００４０】
前記建設作業機械がバックホー及び可動作業具の形態が前記バックホーと類似する建設作業機械であって、前記第１の測量装置によって前記機体の位置座標を世界測地系の位置座標として測定をする方法は、前記ＧＮＳＳ受信機は前記機体の上部回転体に具備されており、前記ＧＮＳＳ受信機を用いて前記上部回転体を回転させて計測された任意の３箇所の測位値と前記上部回転体に具備された前記第１の角度検出装置によって計測された角度値とを用いて、前記上部回転体の回転中心位置を前記機体の前記世界測地系の位置として求める測位方法であることに特徴を有する。
【００４１】
前記建設作業機械がバックホー及び可動作業具の形態が前記バックホーと類似する建設作業機械であって、前記第１の測量装置によって前記可動作業具先端部の稼働時の前記構成位置及び前記位置座標を測位し求める方法は、前記上部回転体の回転中心位置を前記機体の前記世界測地系の位置座標として測位し、
且つ前記機体の前記世界測地系位置から前記可動作業具である前記ブームの回転中心位置を前記世界測地系位置として測位し、且つ前記ブームの回転中心位置の前記世界測地系位置座標から前記可動作業具先端部の位置座標を世界測地系位置座標として求めることに特徴を有する。
【００４２】
前記建設作業機械がバックホー及び可動作業具の形態が前記バックホーと類似する建設作業機械であって、前記機体における前記可動作業具の前記構成位置を較正する方法は、前記バケット及び前記アーム及び前記ブームを所定の位置に静置させ、前記可動作業具の前記バケットの前記プリズムの位置を、前記第２の測量装置である前記光学式測量装置によって測定し、前記測定した前記可動作業具の前記バケットの前記プリズムの位置座標と、前記ブームの回転中心の前記世界測地系位置座標と、前記機体の前記世界測地系位置座標と、前記上部回転体に具備された前記ＧＮＳＳ受信機の前記世界測地系位置との測位値を整合させることで、前記機体における前記可動作業具の構成位置座標を求め、稼働時においては前記求めた構成位置座標を基準として、前記機体における前記可動作業具の構成位置を求める方法であることにも特徴を有する。
【００４３】
本発明に係る建設作業機械がブルドーザ及び可動作業具の形態が前記ブルドーザと類似する建設作業機械であって、前記可動作業具の構成寸法を前記第２の測量装置である前記光学式測量装置によって位置測定し求める方法は、前記ブレードの左右先端部若しくは中央部にプリズムを貼付し、前記可動作業具の前記複数の姿勢位置の測定は、前記ブレードを上下ピッチ方向に回転させたときの２箇所以上及びロール方向に回転させたときの２箇所以上を含む複数箇所の姿勢位置における前記プリズムの位置を、前記光学式測量装置によって測定するものであることに加えて、前記複数個所での位置測定により得られた測定値と前記ブレードに具備された前記第２の角度検出装置によって計測された各々の前記複数箇所における前記回転の角度値とを用いて、前記ブレードのフレームの前記構成寸法を求める測位方法であることに特徴を有する。
【００４４】
また同様に前記建設作業機械がブルドーザ及び可動作業具の形態が前記ブルドーザと類似する建設作業機械であって、前記第１の測量装置によって前記機体の位置を前記機体の世界測地系位置座標として測定をする方法は、前記機体に具備された前記ＧＮＳＳ受信機を用いて計測された測位値と前記機体に具備された前記第１の角度検出装置によって計測された角度値及び移動値の変化量とを用いて、前記機体の位置座標と移動方向を前記世界測地系位置座標として求め測位することに特徴を有する。
【００４５】
そして、前記建設作業機械がブルドーザ及び可動作業具の形態が前記ブルドーザと類似す
る建設作業機械であって、前記第１の測量装置によって前記可動作業具先端部の稼働時の
前記構成位置及び位置座標を測位し求める方法は、  
前記機体の位置を前記機体の前記世界測地系位置座標として測位し、
且つ前記機体の前記世界測地系位置座標から前記可動作業具である前記フレームの回転
中心位置を前記世界測地系位置座標として測位し、
且つ前記フレームの回転中心位置座標の前記世界測地系位置座標から前記ブレードの刃先の位置座標を世界測地系位置座標として求める測位方法であることも特徴とする。
【００４６】
加えて、本発明に係る建設作業機械の測位較正方法において、前記建設作業機械がブルドーザ及び可動作業具の形態が前記ブルドーザと類似する建設作業機械であって、前記機体における前記可動作業具の前記構成位置を較正する方法は、前記ブレードを所定の位置に静置させ、前記可動作業具の前記ブレードの前記プリズムの位置を、前記第２の測量装置である前記光学式測量装置によって位置測定し、前記測定した前記可動作業具の前記ブレードの前記位置座標と、前記フレームの回転中心の前記世界測地系位置座標と、前記機体の前記世界測地系位置座標と、前記機体に具備された前記ＧＮＳＳ受信機の前記世界測地系位置との測位値を整合させることで、前記機体における前記可動作業具の構成位置を求め、稼働時においては前記求めた構成位置を基準として、前記機体における前記可動作業具の構成位置を求める方法をとることもできる。
【００４７】
上記のようなバックホー及びブルドーザの具体的発明事項に加えて、本発明に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラは、その建設作業機械が、バックホー、ブルドーザのみならず、クレーン、ローダー、スクレーバー、ホイールローダー若しくは作業はしご車である形態をとることもできる。さらにバックホーにおいては、バケットのみならず、アーム先に装着するアタッチメントとして、杭打ち機、ドリル、ハンマー、グラスパー（掴み機）、クラッシャー（割り機）、カッター若しくはアームエクステンション（アームの延長機）である形態をとることもできる。これらはアタッチメント類と総称し、同様にアームやブームにもアタッチメント類は存在する。これらは本発明の均等論的対象と言える。
【００４８】
よって本発明に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラは、正しく上記に記載の建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械も本発明に包含するものである。
【００４９】
そして、本発明は上述した形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。これらは、均等論的対応を含めてすべて、本技術思想の一部であることを主張する。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば具体的効果として、プリズムは、バックホーで１箇所、ブルドーザで２箇所ないしは１箇所つければよいため貼付箇所が減り、また、剣先、刃先といった最終的に求めたい位置に貼るので、較正の確度が高い。また、プリズムをＴＳで測定した後は、システムが自動計算するため入力の手間が省けるし、建設現場で較正が必要となった場合でも、上記の処置のみをすればよく、機械の構造に基づいたデータ設定など、専門性を持たなくても、較正作業ができるようになる。特に、バックホーの機体座標の較正など、自動でできる上に、毎日の始業時の較正は、作業具を上方回転限界に置くなどの平易で手間の少ない処理で、正確に行えるようになる。
【００５１】
精度面においても、プリズム貼付が複数あることによる、貼付誤差とその蓄積がなくなるうえ、建設機械の機体の構造上の凸凹などにも影響されず、座標系の軸に沿った計測と較正ができるため精度が格段に向上する。較正処理は、外部の手段によらず、測位のシステムそのもので行うため、較正結果は測位でそのまま使えるものであり、較正と測位の確度の高いものとなる。機体をできるだけ水平に置くといった確度の低い方法を排除し、自機が持つ測位システムによって、高精度の較正ができる。加えて高価なＧＮＳＳ受信機とアンテナが１セットで済むという経済的メリットも大きい。
【００５２】
よって本発明によれば、較正に係る測定器と、測位に係る測定器を同じものにすることで、較正を簡便にするとともに、較正の精度を向上することができ、且つ測定器全体にかかる費用を安くすることができることを目的とする。また、較正を含む測位のシステムは、既存の機械に後から設定できるものであり、建築作業機械の回転可能な駆動作業部に配置された傾斜センサ及び機体に配置されたＧＮＳＳアンテナにより補正量を簡単かつ確実に取得することができる建設作業機械における簡易測位及び較正方法を提供することができる。
【００５３】
具体的には、本発明によると、較正に係る測定器と、測位に係る測定器を同じものにすることで、較正を簡便にするとともに、較正の精度を向上することができる。また、測定器全体にかかる費用を安くすることができ、較正を含む測位のシステムは、既存の機械に後から設定することができる測位及び較正方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】一般の建設作業機械の測位と較正方法におけるバックホー全体のイメージを示した斜視概念図である。
【図２】一般の建設作業機械の測位と較正方法におけるブルドーザ全体のイメージを示した斜視概念図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のバックホー全体の座標系のイメージを示した斜視概念図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザ全体の座標系のイメージを示した斜視概念図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械の機体座標系の設定と較正のイメージを示した概念図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械の機体座標系の設定と較正のイメージを示した概念図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のプリズム貼付位置のイメージを示した概念図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のバックホー駆動作業具の動きのイメージを示した概念図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のバックホー駆動作業具の動きのイメージを示した概念図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザの機体座標系設定のイメージを示した概念図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザのプリズム貼付位置のイメージを示した概念図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザのブレードの動きのイメージを示した概念図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザのブレードの動きのイメージを示した概念図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザのブレードの動きのイメージを示した概念図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザのブレードの動きのイメージを示した概念図である。
【図１６】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザの動きのイメージを示した概念図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザのブレード動きのイメージを示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。なお、以下では本発明の目的を達成するための説明に必要な範囲を模式的に示し、本発明の該当部分の説明に必要な範囲を主に説明することとし、説明を省略する箇所については公知技術によるものとする。
【００５６】
図１は、一般の建設機械の較正方法・測位方法及びそれらを内蔵する建設機械のバックホー全体のイメージを示した斜視概念図である。同図に示すように、建設機械であるバックホー１の操縦席１０を含む上部回転体（機体本体）１１と、駆動作業具であるブーム１２、アーム１３、バケット１４、そしてキタピラーである下部移動体１５から成る。
【００５７】
上部回転体１１の背部にはＧＮＳＳ受信機（アンテナ）１６が取り付けられ、ブーム１２、アーム１３、バケット１４、そして上部回転体１１の背部には、それぞれ傾斜角センサ１７であるチルトセンサが取り付けられている。操縦席１０には液晶画面であるコントローラ１８及びコントロールボックス１９が設置されている。また外部にはＧＮＳＳ固定局２０が存在する。
【００５８】
図２は、一般の建設機械の較正方法・測位方法及びそれらを内蔵する建設機械のブルドーザ全体のイメージを示した斜視概念図である。同図に示すように、建設機械であるブルドーザ２の操縦席１０を含む上部機体本体２１と、駆動作業具であるブレード（排土板）２２、そしてブレード２２を移動させるフレーム２３、キタピラーである下部移動体１５から成る。
【００５９】
ブレード２２の両端にはＧＮＳＳ受信機（アンテナ）１６、ブレード２２の略中央部には傾斜角センサ１７であるチルトセンサが取り付けられている。操縦席１０には液晶画面であるコントローラ１８及びコントロールボックス１９が設置されている。また外部にはＧＮＳＳ固定局２０が存在する。
【００６０】
まず座標系について説明する。
【００６１】
ＧＮＳＳの座標系は世界測地系（絶対座標系）の座標系であり地球上の各地点を座標系で示している。天頂をＺ軸とし、北をＸ軸、東をＹ軸で表す。最終的に建設機械であるバックホーバケット剣先、ブルドーザ２のブレード刃先２４位置を、この世界測地系で求めることが要求される。建設機械の施工現場の設計面は、世界測地系の座標系である（一般に座標系は右ねじ系であるが、世界測地系は左ねじ系となる。）。
【００６２】
建設機械の機体座標系は、機体本体の座標系で、バックホー１は上部回旋体（操縦席を含む）１１の回転軸を機体本体１１の座標系とし、ブルドーザ２も操縦席を含む上部を機体本体２１の座標系としている。これらの座標系は天頂をＺ軸、前方をＸ軸、操縦席１０から左方向をＹ軸としているが、世界測地系（絶対座標系）との測位においては軸名を変換するだけである。
【００６３】
駆動する作業具座標系は機体座標系に紐付けられている。つまりバックホー１のブーム１２、アーム１３、バケット１４の座標系やブルドーザ２のブレード２２の座標系は、機体座標系に紐付けられ、同時に世界測地系（絶対座標系）に換算して測位される。
【００６４】
次にバックホーでの具体的な実施例を説明する。
【００６５】
図３は、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを内蔵する建設機械のバックホー全体の座標系のイメージを示した斜視概念図である。同図に示すように、上部回旋体１１上に、ＧＮＳＳ受信機１６とアンテナが１セット設置されている。アンテナは上部回旋体１１の回転軸から離れた場所に設置されている。ＧＮＳＳ受信機１６とアンテナは一体型でもよい。上部回旋体１１上に、３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサからなるＩＭＵ(Inertial Measurement Unit, 慣性計測装置）３０が設置されている。（以降、３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサからなるＩＭＵ(Inertial Measurement Unit, 慣性計測装置を「ＩＭＵ」と略して記載する。)
【００６６】
ＩＭＵは、加速度センサ、ジャイロセンサ（=ジャイロスコープ=角速度センサ）を備えた、加速度や角速度を計測するデバイスであり、それによって、位置や姿勢を認識する。角度センサは、ＩＭＵのうち回転角度の検出に特化したもので、角速度を積分して、回転角度を求める。
その際、加速度センサで重力加速度を検出して、角度検出のドリフト（ずれ）を相殺するといった処理をすることができる。本願においては、角度センサを包含した概念としてＩＭＵを定義し記載する。もちろんチルトセンサ等も同様である。つまり本願は、角度センサをＩＭＵに包含する。
【００６７】
ブーム１２、アーム１３、バケット１４のそれぞれに、同様のＩＭＵが設定されている。（ブーム１２、アーム１３、バケット１４の回転面が鉛直から傾斜している量が少なく、剣先２５の位置の精度が厳しくないときは、１軸加速度センサと１軸ジャイロスコープからなるＩＭＵを搭載するのでもよい。その際は、下記で説明する演算は１軸回転のみを扱う。）
【００６８】
まず初期較正である機体座標系の設定を次のように行う。例えば、この設定は、計測装置の設置時、あるいは工場出荷時に行ってもよい。図５は、本発明の一実施形態に係る建設機械の較正方法・測位方法及びそれらを内蔵する建設機械の機体座標系の設定と較正のイメージを示した概念図である。図３及び図５を参照して説明する。
【００６９】
・図３に示すように、下部移動体１５を静止させ、上部回転体１１を旋回させながら、ＧＮＳＳ受信１６が安定する時間静止させて、３カ所で世界測地系でのＧＮＳＳアンテナ１６の位置P1, P2, P3を測定する（図５参照）。旋回する際には、ＩＭＵ３０でP1, P2, P3それぞれの間の回転角を測る（ＩＭＵのジャイロセンサの角速度を積分することで測る。）。
【００７０】
・P1P2P3平面上で、各２点とその間の角度で決まる二等辺三角形から回転中心を求めることができる。求めた３つの回転中心の平均位置を回転中心として機体座標系４の原点Oとする。３つの回転中心のばらつきが大きいときは計測する点を増やして誤差が安定する測定点数によって求めればよい。
【００７１】
・P1P2P3平面を、機体座標系のxy平面とする。このうち後述する作業具座標系５の水平回転面に並行となる軸をxとする。（これは、任意の直行方向にx軸y軸を設定して、座標系を変換する方法でもよい。）天頂方向をzとする。
・これで機体座標系４におけるＧＮＳＳアンテナ１６の位置が決まる
・同じ状態で、ＩＭＵ３０の現在の状態をＩＭＵ３０の原姿勢として保持する。つまりＩＭＵの加速度センサの重力加速度の方向を保持する。
【００７２】
次に機体稼働時の計測を行う。
【００７３】
図６は、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを内蔵する建設機械の機体座標系の設定と較正のイメージを示した概念図である。図３及び図６を参照して説明する。
【００７４】
・ＧＮＳＳアンテナがＧＮＳＳ１６の位置とずれている場合は、アンテナの位置をＧＮＳＳ固定局２０及びＧＮＳＳ１６により把握する。
・機体座標系４におけるＧＮＳＳアンテナ１６の位置、および、ＩＭＵ３０による姿勢認識から機体座標系４と世界測地系３の相対位置を認識する。これは原姿勢からの姿勢の相対的動きを３次元各軸での回転から認識することができる。
・機体座標系４の原点の世界測地系での位置と、機体座標系４と世界測地系３の各軸の回転角を把握する。ＩＭＵ３０による姿勢のずれは、各軸のジャイロセンサの角速度値を原姿勢の値から積分することで得ることができる。
・以上を、機体座標系４と世界測地系３との座標変換演算として用意しておく。
【００７５】
稼働時の再較正は、原点Oが静止していて機体の下部移動体１５の移動がないとき、アンテナ位置を２箇所以上安定して取れるときに、ＩＭＵ３０の原姿勢を再設定し、その後はその姿勢からの相対的動きを認識することができる。
【００７６】
作業具座標系の設定と較正について説明する。
【００７７】
図７は、本発明の一実施形態に係る建設機械の較正方法・測位方法及びそれらを内蔵する建設機械のプリズム貼付位置のイメージを示した概念図である。図８は、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを内蔵する建設機械のバックホー駆動作業具の動きのイメージを示した概念図である。図７及び図８を用いて、駆動作業具（ブーム１２、アーム１３、バケット１４）座標系５の設定と較正について説明する。
【００７８】
まず、駆動作業具の回転計測を行う。これは、機体座標系の設定と較正に引き続き行うものである。図７に示すように、例えばバケット剣先２５にプリズムを把持し、トータルステーション（ＴＳ）６によって、剣先の世界測地系座標３を測定する。測定は、バックホーの側面から行う。ＴＳから同じ深度で横方向位置だけを測るので精度の安定が期待できる。
【００７９】
・図８に示すように、ブーム１２、アーム１３を固定させ、バケット１４だけ回転させて、バケット剣先２５の２Piを世界測地系で測定する。
・アーム１３を回転させ、上記を行う。測定点は計４点となる。
・次にブーム１２を回転させ、上記を繰り返す。測定点は計８点となる。
・ブーム１２、アーム１３、バケット１４が上方回転限界でのO2 、O3、Piを測定し求めておく（P8と共用でもよい）。これを、作業具の原姿勢とする。
【００８０】
・上記８点以上から、ブーム１２、アーム１３、バケット１４の回転面を定める。
・回転面上で、P8とP7および回転角δ4から、二等辺三角形の頂点としてのO34および、バケット長L3を求める。
・以下同様にブーム回転中心O1、ブーム長L1、アーム長L2 、バケット長L3が求まる。各値が誤差安定しない場合は、測定点数を増やせばよい。
【００８１】
・次に、機体座標系４において、ブーム１２の回転中心O1と、ブーム１２、アーム１３、バケット１４の回転面を定める。較正時は、機体座標系４もこれらの値も世界測地系３で求められているので、合わせることができる。
・ブーム１２の回転中心O1を原点とし、機体座標系４のxy平面と平行でバケット１４に向かう軸をx、それと垂直で天頂方向の軸をyとした座標系を、作業具座標系５とする。（任意の直行方向にx軸y軸を設定して、座標系を変換するのでもよい。）
【００８２】
・作業具座標系５での、図８に示す上方回転限界におけるO2 、O3、Piの値を求めておく。稼働時の較正で使うことができる。この座標系の設定は低頻度でもよい。機体座標系４の設定と同じに行うのでもよい。機体座標系４と作業具座標系５の設定と較正は、機体や回転具に機構的な誤差や歪みが出て、それらが蓄積したときに再度行ってもよい。これらは、作業現場でできる。
【００８３】
以上、本発明の一実施形態に係る建設機械の較正方法・測位方法を行うことによって建設機械の稼働時の計測及び較正が簡易に現場でできることになる。機体稼働時の計測は以下となる。
・ブーム１２、アーム１３、バケット１４の各回転を測定し、作業具座標系５でのバケット剣先２５の位置を求める。
・作業具座標系５から機体座標系４に変換して、機体座標系４のバケット剣先２５の位置を求める。
・ＧＮＳＳアンテナ１６の位置、ＩＭＵ３０で認識した機体の回転から、機体座標系４から世界測地系３に変換して世界測地系３のバケット剣先２５の位置を求める。
【００８４】
機体稼働時の較正は以下となる。図９は、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラのバックホー駆動作業具の動きのイメージを示した概念図である。図９を参照して説明する。
・機械の始動時、図９に示すように、ブーム１２、アーム１３、バケット１４を上方回転限界で静止させ、それぞれの点を O2 、O3、Piに設定する。
・ＩＭＵの角度認識の誤差が蓄積した場合、上記の再設定を行う。例えば、事前評価により、誤差蓄積の時間を把握し、それによって操縦者に再設定を促すこともできる。
【００８５】
次にブルドーザでの実施例を説明する。
【００８６】
図４は、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラのブルドーザ全体の座標系のイメージを示した斜視概念図である。同図に示すように、機体上に、ＧＮＳＳ受信機１６とアンテナが１セット設置されている。（同図に示すようにＧＮＳＳ受信機１６とアンテナが一体型でもよい。）機体上に、３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサからなるＩＭＵ (Inertial Measurement Unit, 慣性計測装置）３０が設置されている。これらは、機体上の上部機体本体２１に載っている。
【００８７】
図４に示すように、ブレード（排土板）２２の上に、同様のＩＭＵが設定されている。ブレードの稼働構造は、機体中央部付近の回転軸を基に、フレーム（プッシュアーム）２３を回転させ、ブレード２２全体が上下するように動く。（この動きをピッチと言う。）また、ブレード２２の左右の高さが変わるように、ブレードが回転する。（この動きをロールという。）ブレード２２の左右が前後する回転もあるが（この動きをヨーと言う。）、前進しながら排土するというブルドーザ２の特性上、この回転は考慮しなくてよい。
【００８８】
まず機体座標系４の設定と較正について説明する。
【００８９】
図１０は、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを内蔵する建設機械のブルドーザの機体座標系設定のイメージを示した概念図である。同図に示すように、回転台である補助器具を設定する。つまりブルドーザの場合は、上部機体本体２１は旋回しないためである。
【００９０】
上部機体本体２１上に補助器具である回転台を載せる。（図１０には回転台は図示せず動きだけを示す。）ＧＮＳＳ受信機１６のアンテナを設置し、回転台を回すことで複数箇所での受信を行えるようにする。回転台は、左右に６０度又は１２０度ほど回転させるようにする。
【００９１】
初期較正と機体座標系の設定について説明する。この初期較正は、例えば計測装置の設置時、あるいは工場出荷時に行ってもよい。
【００９２】
・機体を静止させ、回転台を回転させながら、ＧＮＳＳ受信１６が安定する時間静止させて３カ所で世界測地系３でのアンテナ位置P1, P2, P3、および、ＩＭＵで回転角を測定する。計算は、バックホーと同じである。（もちろん機体作業時には1箇所に固定する。）
・P1P2P3平面を、機体座標系４のxy平面とする。このうち、後述する作業具座標系５のピッチ回転面に並行となる軸をxとする。（任意の直行方向にx軸y軸を設定して、座標系を変換するのでもよい。）天頂方向をzとする。これで機体座標系４におけるアンテナ位置が決まる
・同じ状態で、ＩＭＵ３０の現在の状態を、ＩＭＵの原姿勢として保持する。つまりＩＭＵの加速度センサの重力加速度の方向を保持する。
【００９３】
機体座標系の使用について説明する。
【００９４】
機体稼働時における計測はバックホーと同様である。稼働時の再較正は、Oが静止していて（機体下部の移動がないとき）、回転台を回して、アンテナ位置を２箇所以上安定して取得し、ＩＭＵの原姿勢を再設定し、その後はその姿勢からの相対的動きを認識することになる。
【００９５】
ブルドーザ２の作業具座標系５の設定と較正について説明する。図１１は、本発明の一実施形態に係る建設機械の較正方法・測位方法及びそれらを内蔵する建設機械のブルドーザのプリズム貼付位置のイメージを示した概念図である。図１２は、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを内蔵する建設機械のブルドーザのブレードの動きのイメージを示した概念図である。図１３も、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラのブルドーザのブレードの動きのイメージを示した概念図である。
【００９６】
まず、図１１、図１２、図１３を参照しながら、稼働作業具であるブレード２２のピッチ及びロールの回転計測を行う。ブレード２２下辺両端にプリズムを把持し、トータルステーション（ＴＳ）によって、プリズム位置の世界測地系座標３を測定する。
【００９７】
・プッシュアーム２３によりピッチを固定させ、ブレード２２をロールさせて、ブレード両端の変化点P1R 、P2R および、P1L 、P2L等を世界測地系３で測定する。
・P1R 、P2R および、P1L 、P2Lの回転面を求める。
・回転面上で、 P1R 、P2R および回転角d1から、二等辺三角形の頂点としてのO21、および、ブレード上の長さL2を求める。
・同様に、 P1L 、P2Lおよび回転角d1から、長さL3を求める
・プッシュアームを回転させ（ピッチ）、上記を同様に、２回行う
・O21、O22、O23から、ピッチ回転面を求める
・O21、O22、O23から、２つの二等辺三角形の頂点としてのO1と、プッシュアーム長L3を求める。
・ピッチ上方限界でのO2 、ロールいずれかの限界でのPiを測定し求めておく（ P4RあるいはP3Lと共用でもよい。）これを、作業具の原姿勢とする。各値が誤差安定しない場合は、測定点数を増やす。ロール中心に対して、ブレードが左右対称であることが見込めるのであれば、プリズムは片側に一つでもよい。その際、ロール毎のPは３つ取り、その平面上でO2を求める。
【００９８】
作業具座標系５の設定を説明する。
【００９９】
・機体座標系において、プッシュアーム２３の回転中心O1と、ピッチ回転面を求める。較正時に機体座標系もこれらの値も世界測地系３で求められているので、合わせられる。
・O1を原点、機体座標系のxy平面と平行でブレードのロール中心に向かう軸をx、それと垂直で天頂方向の軸をzとして、右ねじ系で決まるy軸とからなる座標系を、作業具座標系とする。
（任意の直行方向にx軸y軸を設定して、座標系を変換するのでもよい）
・作業具座標系５での、上方回転限界におけるO2 、Piの値を求めておく。稼働時較正で使うからである。
・この座標系の設定は、低頻度でよい。（機体座標系の設定と同じに行うのでよい。）
・機体座標系４と作業具座標系５の設定と較正は、機体や回転具に機構的な誤差や歪みが出て、それらが蓄積したときに再度行ってもよい。作業現場でできる。
【０１００】
ブルドーザの機体稼働時の計測について説明する。
【０１０１】
・ピッチ・ロールの各回転を測定し、作業具座標系での、ブレード両端の刃先位置を求める。
・作業具座標系５から機体座標系４に変換して、機体座標系４におけるブレード両端の刃先２４の位置を求める。
・ＧＮＳＳアンテナ１６の位置及びＩＭＵで認識した機体の回転から、機体座標系４から世界測地系３に変換して、世界測地系におけるブレード両端の刃先２４の位置を求める。
【０１０２】
次に、ブルドーザの機体稼働時の較正について説明する。図１４は、本発明の一実施形態に係る建設機械の較正方法・測位方法及びそれらを内蔵する建設機械のブルドーザのブレードの動きのイメージを示した概念図である。
・図１４に示すように、機械の始動時、プッシュアーム２３、ブレード２２を上方回転限界で静止させ、それぞれの点を O2 、Piに設定する。
・ＩＭＵの角度認識の誤差が蓄積した場合、上記の再設定を行う。例えば、事前評価により、誤差蓄積の時間を把握し、それによって操縦者に再設定を促すことになる。
【０１０３】
加えて、以降はブルドーザの作業具座標系の設定と較正について別の実施例を説明する。ブルドーザの機体上部は旋回しないため、機体座標系と作業具座標系とは一体として扱うことができるから、作業具座標系の設定において、ＧＮＳＳアンテナの位置もその座標系において特定される。つまり機体座標系の設定は作業具座標系の設定に取り込まれていることになる。よってその後、機体を前進等させ、その際のアンテナ位置の変化と、ＩＭＵが検出する加速度及び角度の偏差とから、ＩＭＵの姿勢を判定することができる。機体運転時には、アンテナ位置とＩＭＵの姿勢とから、作業具座標系の絶対位置（世界測地座標系）を把握し、さらに、ブレードのＩＭＵにより、ブレードの姿勢を認識することで、ブレード刃先の座標を認識することができる。
【０１０４】
図１５は、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザのブレードの動きのイメージを示した概念図である。この図１５及び図１２を用いて次に示す。
【０１０５】
まず作業具であるブレード２２のピッチとロールの回転計測を行う。
【０１０６】
・プッシュアーム（フレーム）２３のピッチを固定させ、ブレード２２をロールさせて、ブレード両端の変化点P1R 、P2R および、P1L 、P2L等を世界測地系で測定する。
・P1R 、P2R および、P1L 、P2Lの回転面を求める。
・次に、回転面上で、 P1R 、P2R および回転角d1から、二等辺三角形の頂点としてのO21および、ブレード上の長さL2を求める。
・同様に、 P1L 、P2Lおよび回転角d1から、長さL3を求める。
・プッシュアーム（フレーム）２３を回転させ（ピッチ回転）、上記を同様に、もう1回行う。
・ブレードのロール回転面と直交する平面上でO21、O22から、２つの二等辺三角形の頂点としてのO1と、プッシュアーム長L1を求める。
各値が誤差安定しない場合は、測定点数を増やせばよい。作業具原姿勢の計測のためには、ピッチ上方限界でのO2 、ロールいずれかの限界でのPiを測定し求めておけばよい。 P4RあるいはP3Lと共用でもよい。
【０１０７】
次に作業具座標系の設定を説明する。
【０１０８】
O1を原点とする。ブレードロール面と直交に設定されたブレードピッチ面において、IMUの重力加速度の方向と直交し、O1からブレードに向かう軸をx、それと垂直で天頂方向の軸をzとして、右ねじ系で決まるy軸とからなる座標系を、作業具座標系とする。重力加速度に関わらず、ブレードピッチ面における任意の軸をx軸とするのでもよい。作業具作業系を設定する際に測定されるＧＮＳＳのアンテナ位置（世界測地系）を、作業具座標系においても、作業具座標系における位置として定めておく。
【０１０９】
作業具原姿勢の設定を説明する。
【０１１０】
図１４及び図１５（図１７参照）に示すように、上方回転限界におけるO2 、Pi（世界測地系）の、作業具座標系での値を求める。これを、作業具の原姿勢とする。（以降、稼働時較正で使う。）稼働時に、角度計測の繰り返しにより誤差が蓄積した場合、上方回転限界野での作業具原姿勢の設定をやり直す。
【０１１１】
作業具座標系の設定は、低頻度でよい。例えば、出荷時あるいは測定機材であるＧＮＳＳとＩＭＵの装着時でもよい。作業具座標系の設定と較正は、機体や回転具に機構的な誤差や歪みが出て、それらが蓄積したときに、再度行ってもよい。作業現場でできるメリットが大きい。
【０１１２】
ＩＭＵの姿勢設定（初期設定）について説明する。
【０１１３】
図１６は、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザの動きのイメージを示した概念図である。同図を参照して説明する。
・機体を静止させて、上部機体本体２１のＧＮＳＳアンテナ位置とＩＭＵの角度情報を把握する。
・機体を所定距離移動させて（例えば、前方に３ｍ、誤差を抑えるためなるべく直線上にて）ＧＮＳＳアンテナ位置と、移動に至るＩＭＵの加速度情報と角度情報を把握する。
・始動地点と到達地点の位置情報（ＧＮＳＳによる世界測地系座標）、および、ＩＭＵの移動に係る加速度の変化と角速度の変化とから、到達地点での機体の移動方向を算出する。
・この移動方向のベクトルと、ＩＭＵが検出する重力加速度のベクトルとから、ＩＭＵの姿勢を決定できる。
・稼働時の測位では、このＩＭＵの姿勢を機体の原姿勢とし、それを基準として、その角度変化により、測位時点の姿勢を認識する。
【０１１４】
稼働時再較正について説明する。
【０１１５】
・基準姿勢からの角度変化による姿勢認識は、ドリフト（計算の積み重ねによる誤差の蓄積）が発生する。機体は、運用上しばしば停止するため、直線的な移動で且つ安定した停止が連続した時点で、上記の設定を繰り返し、ＩＭＵの基準姿勢を再設定すればよい。
【０１１６】
機体稼働時計測について説明する。
【０１１７】
図１７は、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラを具備する建設作業機械のブルドーザのブレード動きのイメージを示した概念図である。同図を用いて説明する。
・ブレードのＩＭＵによって、ピッチ・ロールの各回転を測定し、作業具原姿勢からの変化により、作業具座標系でのブレード両端の刃先位置を求める。
・作業具座標系から機体座標系に変換して、機体座標系におけるブレード両端の刃先位置を求める。
・ＧＮＳＳアンテナの位置、機体の原姿勢からのＩＭＵの角度変化、および作業具座標系でのブレード両端の刃先位置から、機体座標系を世界測地系に変換して世界測地系におけるブレード両端の刃先位置を求める。
【０１１８】
機体稼働時較正について説明する。図１７を参照する。
【０１１９】
・機械の始動時、プッシュアーム、ブレードを上方回転限界で静止させ、それぞれの点をO2 、Piに設定する。
・ブレードのＩＭＵの角度認識の誤差が蓄積した場合、上記の再設定を行う。例えば、事前評価により、誤差蓄積の時間を把握し、それによって操縦者に再設定を促してもよい。
【０１２０】
以上により、本発明の一実施形態に係る建設作業機械の測位較正方法及びその測位較正コントローラによれば下記のような効果が得られる。
・プリズムは、バックホーで１箇所、ブルドーザで２箇所ないしは１箇所つければよい。
・貼付箇所が減り、また、剣先、刃先といった最終的に求めたい位置に貼るので、較正の確度が高い。
・プリズムをＴＳで測定した後は、システムが自動計算するため入力の手間が省ける。
・建設現場で較正が必要となった場合でも、上記の処置のみをすればよく、機械の構造に基づいたデータ設定など、専門性を持たなくても、較正作業ができる。
・バックホーの機体座標の較正など、自動でできる。
・毎日の始業時の較正は、作業具を上方回転限界に置くなどの、平易で手間の少ない処理で正確に行える。
・精度は、プリズム貼付が複数あることによる、貼付誤差とその蓄積がなくなる。
・機体の構造上の凸凹などの影響を受けず、座標系の軸に沿った計測と較正ができるため精度が向上する。
・較正処理は、外部の手段によらず、ＴＳで複数箇所を測ってその長さを別途設定するなどすればよい上、測位のシステムそのもので行うため、較正結果は測位でそのまま使えるものであり、較正と測位の確度の高いものとなる。
・機体をできるだけ水平に置くといった確度の低い方法を排除し、自機が持つ測位システムによって、高精度の較正ができる。
・ＧＮＳＳとアンテナが１セットで済むため、安価なシステムで可能となる。
【０１２１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。これらはすべて、本技術思想の一部である。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明によれば、較正に係る測定器と、測位に係る測定器を同じものにすることで、較正を簡便にするとともに、較正の精度を向上することができ、且つ測定器全体にかかる費用を安くすることができることを目的とする。また、較正を含む測位のシステムは、既存の機械に後から設定できるものであり、建築作業機械の回転可能な駆動作業部に配置された傾斜センサ及び機体に配置されたＧＮＳＳアンテナにより補正量を簡単かつ確実に取得することができる建設作業機械における簡易測位及び較正方法を提供することができる。
【０１２３】
具体的には、本発明によると、較正に係る測定器と、測位に係る測定器を同じものにすることで、較正を簡便にするとともに、較正の精度を向上することができる。また、測定器全体にかかる費用を安くすることができ、較正を含む測位のシステムは、既存の機械に後から設定することができる測位及び較正方法を提供することができる。
【０１２４】
本発明によれば、建設機械の測位及び較正において、作業の安全性と作業性を格段に向上させつつ、経済効率も格段に向上させることの可能な測位及び較正が実現される。本発明は、その作業現場の如何を問わず利用・適用可能である。よって、本願は、建設業、土木業を伴う各種産業に対して大きな有益性をもたらすものである。
【符号の説明】
【０１２５】
１  バックホー
２  ブルドーザ
３  世界測地系（絶対座標系）
４  機体座標系
５  作業具座標系（駆動作業機座標系）
６    トータルステーション（ＴＳ）
１０  操縦席
１１  上部回転体（機体本体）
１２  ブーム
１３  アーム
１４  バケット
１５  下部移動体（キャタピラー）
１６  ＧＮＳＳ（(Global Navigation Satellite System / 全球測位衛星システム)全球測位衛星システム)受信機（アンテナ）
１７  傾斜角度センサ（チルトセンサ）
１８  コントローラ
１９  コントロールボックス
２０  ＧＮＳＳ固定局
２１  上部機体本体
２２  グレード
２３  フレーム
２４  ブレード刃先
２５  バケット剣先
３０  ３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサからなるIMU (Inertial Measurement Unit, 慣性計測装置）
３１  回転軸
３２  プリズム
３３  機体上部
【図１】
0006966108.tif 000002
【図２】
0006966108.tif 000003
【図３】
0006966108.tif 000004
【図４】
0006966108.tif 000005
【図５】
0006966108.tif 000006
【図６】
0006966108.tif 000007
【図７】
0006966108.tif 000008
【図８】
0006966108.tif 000009
【図９】
0006966108.tif 000010
【図１０】
0006966108.tif 000011
【図１１】
0006966108.tif 000012
【図１２】
0006966108.tif 000013
【図１３】
0006966108.tif 000014
【図１４】
0006966108.tif 000015
【図１５】
0006966108.tif 000016
【図１６】
0006966108.tif 000017
【図１７】
0006966108.tif 000018