(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動部を介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械において、
複数のポジションセンサが複数の可動部のそれぞれの状態を検出し、
ＧＰＳ用のアンテナがアームの施工端部及び建設機械本体に着脱可能又は着脱不可に設けられ、
演算手段が、キャリブレーションの際、前記アームの施工端部及び建設機械本体におけるアンテナの３次元位置情報と複数のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心の３次元位置を演算し、建設機械本体を水平旋回させながら計測することにより得られるアームの施工端部及び建設機械本体に設けたＧＰＳ用のアンテナからの位置情報より、建設機械本体の旋回中心位置を計算するとともに、建設機械のアームを上方向にあげながら計測することにより得られるアームの施工端部に設けたＧＰＳ用のアンテナからの位置情報より、アームの方向（α）を計算し、得られた建設機械本体の旋回中心位置及びアームの方向（α）を用いてアームの旋回中心の３次元位置を演算することを特徴とする、
土木用建設機械。
【請求項２】
複数の可動部を介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械において、
複数のポジションセンサが複数の可動部のそれぞれの状態を検出し、
ＧＰＳ用のアンテナがアームの施工端部と建設機械本体の所定位置の両方に設けられ、
演算手段が、キャリブレーションの際、前記アームの施工端部及び建設機械本体におけるアンテナの３次元位置情報と複数のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心の３次元位置を演算し、さらに、前記アームの旋回中心位置の３次元位置と複数のポジションセンサからの出力に基づき、施工端部の３次元位置を演算し、建設機械本体を水平旋回させながら計測することにより得られるアームの施工端部及び建設機械本体に設けたＧＰＳ用のアンテナからの位置情報より、建設機械本体の旋回中心位置を計算するとともに、建設機械のアームを上方向にあげながら計測することにより得られるアームの施工端部に設けたＧＰＳ用のアンテナからの位置情報より、アームの方向（α）を計算し、得られた建設機械本体の旋回中心位置及びアームの方向（α）を用いてアームの旋回中心の３次元位置を演算することを特徴とする、
土木用建設機械。
【請求項３】
複数の可動部を介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械のための位置検出方法であって、
複数のポジションセンサにより複数の可動部のそれぞれの状態を検出し、
ＧＰＳ用のアンテナがアームの施工端部及び建設機械本体に着脱可能又は着脱不可に設けられ、
キャリブレーションの際、前記アームの施工端部及び建設機械本体におけるアンテナの３次元位置情報と複数のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心の３次元位置を演算し、建設機械本体を水平旋回させながら計測することにより得られるアームの施工端部及び建設機械本体に設けたＧＰＳ用のアンテナからの位置情報より、建設機械本体の旋回中心位置を計算するとともに、建設機械のアームを上方向にあげながら計測することにより得られるアームの施工端部に設けたＧＰＳ用のアンテナからの位置情報より、アームの方向（α）を計算し、得られた建設機械本体の旋回中心位置及びアームの方向（α）を用いてアームの旋回中心の３次元位置を演算することを特徴とする、
土木用建設機械のための位置検出方法。
【請求項４】
複数の可動部を介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械のための位置検出方法であって、
複数のポジションセンサにより複数の可動部のそれぞれの状態を検出し、
ＧＰＳ用のアンテナがアームの施工端部と建設機械本体の所定位置の両方に設けられ、
キャリブレーションの際、前記アームの施工端部及び建設機械本体におけるアンテナの３次元位置情報と複数のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心の３次元位置を演算し、さらに、前記アームの旋回中心位置の３次元位置と複数のポジションセンサからの出力に基づき、施工端部の３次元位置を演算し、建設機械本体を水平旋回させながら計測することにより得られるアームの施工端部及び建設機械本体に設けたＧＰＳ用のアンテナからの位置情報より、建設機械本体の旋回中心位置を計算するとともに、建設機械のアームを上方向にあげながら計測することにより得られるアームの施工端部に設けたＧＰＳ用のアンテナからの位置情報より、アームの方向（α）を計算し、得られた建設機械本体の旋回中心位置及びアームの方向（α）を用いてアームの旋回中心の３次元位置を演算することを特徴とする、
土木用建設機械のための位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の可動部を介して施工端部を支持する構成にしたアームが建設機械本体に旋回可能に設けられている土木用建設機械におけるＧＰＳ使用の位置検出方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
土木作業機械は、複数の可動部を介して施工端部（たとえばバケットの刃先）を支持する構成にしたアームを有する。そして、アームは、建設機械本体に旋回可能に取り付けられており、アームの旋回中心（一般にピンという）の回りに旋回する。それにより、現場の整地作業が行われる。
【０００３】
建設機械本体に対するアーム先端の位置座標の検出は各可動部の状態に基づいて演算することが可能である。
【０００４】
一方、建設機械本体の位置座標の測定と、アームの方向角の測定は、自動追尾式測量機やＧＰＳにより行われてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自動追尾式測量機により建設機械の位置情報を得る場合、構造上、複数の対象物を自動追尾する事は出来ないことから、建設機械１台につき１台の自動追尾式測量機が必要となり、コストが高くなってしまう。
【０００６】
その測量機を配置する際には初期設定を要するため、整地作業に入る前に様々な予備作業が必要となり、全体として考えると、多大な手間や時間がかかる。
【０００７】
この発明の目的は、初期位置の設定を容易に行える土木用建設機械におけるＧＰＳ使用の位置検出方法及び装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決する手段】
この発明の好ましい解決手段は、請求項１〜６に記載のとおりである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
アームは、複数の可動部（ブームなど）を介して施工端部を支持する構成になっていて、建設機械本体に旋回可能に装着されている。施工端部は、そのアームの先端に位置している。
【００１０】
ＧＰＳ用のアンテナがアームの所定位置（好ましくは施工端部）と建設機械本体の所定位置（１か所又は２か所）の両方に取りつけられる。それによりアームの旋回中心位置（ピン位置）または施工端部（たとえばバケットの刃先）の位置を演算することで、アームの旋回中心位置（ピン位置）または施工端部の位置座標を高精度に検出する。そのため、仮に振動や衝撃による建設機械の位置ズレが発生しても、それによる影響に強く、アームの旋回中心位置（ピン位置）または施工端部の位置座標を高精度に検出することができる。
【００１１】
アームは建設機械本体の支持部に旋回可能に取付られている。その支持部の位置座標（ピン位置）を随時高精度に検出可能とすることで、アームの施工端部  （バケットの刃先）の３次元位置座標を高精度に検出可能とする。
【００１２】
たとえば、アームの施工端部に設けたＧＰＳ用アンテナと建設機械本体の所定位置に設けたＧＰＳ用のアンテナからの位置情報に基づき、アームの旋回中心位置の３次元位置座標を演算し、さらに、アームに設けた複数のポジションセンサからの出力に基づき、施工端部の３次元位置を演算する。
【００１３】
複数のポジションセンサは、複数の可動部のそれぞれの状態を検出する。
【００１４】
１つのアンテナをアームの所定位置と建設機械の所定位置に交互に設けることもできる。ＧＰＳ用の２つ以上のアンテナを使用することもできる。いずれの場合も、アンテナからの３次元位置情報及び複数のポジションセンサからの出力に基づき、アームの旋回中心位置および／又は施工端部の位置を演算する。
【００１５】
このような構成の位置検出装置を使用すれば、アームとくに施工端部に作業中かなりの振動及び衝撃が加えられたとしても、アームのピン位置や施工端部の位置座標を高精度に検出することが可能である。
【００１６】
また、アームのピン位置や施工端部の３次元位置座標を検出することで、高精度な自動制御を可能とし、土木作業を確実かつ安全に行うことが出来、操作者の負担が軽減されるだけでなく、非熟練者による操作が実現可能となる。
【００１７】
建設用土木機械（エクスカベータ等）における施工端部（バケットの刃先）の３次元位置が高精度で演算可能になる。
【００１８】
アームのピン位置や施工端部の位置情報を演算できることで、高精度な制御が可能になり、高度な施工作業の自動化や作業時の操作ミスによる整地の失敗を回避できるほか、周辺の作業者や操縦者の安全確保を確実に行うことが出来る。
【００１９】
また、アームの旋回中心位置（ピン位置、支持部位置）を演算することで、演算が容易となる。
【００２０】
なお、１つのアンテナをアームの所定位置と建設機械の所定位置に交互に設ける場合は、アンテナが１個で済むので、コスト的に有利である。
【００２１】
この発明の好ましい１つの態様によれば、土木作業用の建設機械（たとえばエクスカベータ）にＧＰＳ用のアンテナを１個又は２個使用し、アームの旋回中心位置（ピン位置）の３次元位置座標を演算し、さらに、バケットの刃先の位置を演算する。１つ又は２つのアンテナの配置位置（１か所）は、アームの所定位置（１か所又は２か所）と建設機械の所定位置とする。
【００２２】
施工端部の３次元位置座標は、演算により、アームの旋回中心位置（ピン位置）に対する比高及びアーム長により表現できる。
【００２３】
位置座標としては関与しないが、施工時の重要なデータとして施工端部角度も検出するように構成できる。
【００２４】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施例を説明する。
【００２５】
図１〜５に示す土木用建設機械は油圧ショベルである。
【００２６】
図１〜５に示す実施例においては、１つ又は２つのＧＰＳ用アンテナ１を用いる。
【００２７】
土木用建設機械は、２つの可動部３、４を介して施工端部２を支持する構成にしたアーム６を有する。アーム６は建設機械本体９に対してピン１０を中心として旋回する。
【００２８】
位置検出装置は、２つの可動部３、４のそれぞれの状態を検出する２つのポジションセンサ７、８と、施工端部２の所定位置（１か所）と建設機械本体９の所定位置（１か所）に設けた合計２つのＧＰＳ用のアンテナ１と、それら２つのアンテナ１の各々の３次元位置情報を受信する受信装置と、受信装置からの２つのアンテナ１の３次元位置情報と複数のポジションセンサ７、８からの出力に基づき、ピン１０および／または施工端部２の３次元位置を演算する演算手段を有する。
【００２９】
アンテナ１は、アーム６の可動な面に対してほぼ垂直な水平面に配置される。
【００３０】
図１〜５に示す建設機械におけるピン位置計算とキャリブレーション方法を説明する。
【００３１】
ＧＰＳ用アンテナ１を利用して、アーム６のピン１０（旋回中心）の三次元座標を求め、つぎに、施工端部つまりバケット刃先２の三次元座標を計算する。
【００３２】
キャリブレーションの際には、２つのＧＰＳ用アンテナ１をアーム６の施工端部５と建設機械本体９に設置し、これらの位置の三次元座標を求める。１つのアンテナ１をアーム６の施工端部５と建設機械本体９に交互に設置してもよい。
【００３３】
図１の使用態様においては、アーム６側にアンテナ１が設けられていない。
【００３４】
図２〜５の使用態様においては、アーム６側にアンテナ１が設けられている。
図１〜５のいずれの態様においても、建設機械本体９にはアンテナ１が設けられている。つまり、２つのアンテナ１が使用される。しかし、１つのアンテナ１を必要に応じて建設機械本体９側に設けたり、アーム６側に設けることも可能である。その場合、アンテナは１本ですむ。
【００３５】
図１〜５の実施例によるピン位置や刃先位置の求め方は、後述の図６〜２０の実施例によるピン位置や刃先位置の求め方と実質的に同一である。
【００３６】
図６〜７に示す建設機械も、油圧ショベルである。
【００３７】
図６〜７に示す実施例においては、２つ又は３つのＧＰＳ用アンテナ１を用いる。
【００３８】
位置検出装置は、複数の可動部３、４、５のそれぞれの状態を検出する複数のポジションセンサ７、８、９と、アーム６の所定位置に設けるアンテナ１と、建設機械本体９の所定位置に設ける２つのＧＰＳ用のアンテナ１と、それら３つのアンテナ１の各々の３次元位置情報を受信する受信装置１１と、受信装置１１からの３つのアンテナ１の３次元位置情報と複数のポジションセンサ７、８、９からの出力に基づき、施工端部２の３次元位置を演算する演算手段１２を有する。
【００３９】
建設機械本体９に配置した２つのアンテナ１は、アーム６の可動な面に対してほぼ垂直な水平面に配置される。その２つのアンテナ１の１つをアーム６側に配置することもできる。その場合は、２本のアンテナ１ですむ。
【００４０】
図６〜７に示す建設機械における刃先計算とキャリブレーション方法を説明する。
【００４１】
ＧＰＳ用アンテナ１を利用して、施工端部つまりバケット刃先２の三次元座標を計算する。アーム６のピン１０（旋回中心）の三次元座標を求める。
【００４２】
２つのＧＰＳ用アンテナ１を建設機械本体９に設置し、これらの位置の三次元座標を求める。
【００４３】
アーム６のピン１０の三次元座標は、事前にＧＰＳ用アンテナ１との相対関係を求めておけばよい。
【００４４】
現場では、ピン１０の回りには配管等が存在し、メジャーテープで測定することは困難である。
【００４５】
このような観点から、キャリブレーション測定方法が、簡単かつ所要の精度が保てるような測定方法として好適である。
【００４６】
２つの測定システム系を使用して、刃先２の三次元座標を求める。
【００４７】
１つの測定システム系は、アーム６上に設置されたシステム系であり、ピン１０から刃先２までの、アーム６の水平距離Ｈと比高Ａｖを測定する。２つ目の測定システム系はＧＰＳシステム系であり、アンテナ１の位置の三次元座標を測定する。
【００４８】
このような２つの測定システム系を連携させるために、ピン１０、アーム６およびＧＰＳアンテナ１の相対的な関係を求める。
【００４９】
図８〜１０は、３つのシステム例を示す。
【００５０】
ショベルの機種やＧＰＳアンテナ１の設置方法により、図８〜１０に示すような色々なパターンが考えられるが、いずれにしても、２台のＧＰＳアンテナ１とピン１０の相対位置（３次元）、２台のＧＰＳアンテナ１とアーム６の方向がわかれば、刃先２の三次元座標を求めることができる。
【００５１】
図１１を参照して、ピン１０およびアーム６とＧＰＳアンテナ１の関係について述べる。
【００５２】
刃先２のＸＹ座標は、ＮＯ１、２のアンテナ１とピン１０の座標が求められれば、方向角（Ｂ）、方向角（Ｃ）、水平距離（Ｈ）の３つのパラメータを事前に計算することができる。これらのパラメータを使って刃先２の２座標の計算を以下の手順で行う。
【００５３】
（１）ベース方向（Ａ）
２台のＧＰＳアンテナ１の三次元座標を求める。この座標は現場の設計データに投影されたものとする。この２座標から、ベース方向（Ａ）を求めることができる。
【００５４】
（２）ピンの座標（Ｐｘ，Ｐｙ）計算
ピン１０のＰｘ、Ｐｙは、ＮＯ１のアンテナ１のＸＹ座標、アーム６の水平距離（Ｈ）、ベース方向（Ａ）と方向角（Ｂ）から求めることができる。
【００５５】
Ｐｘ＝Ｈ・ｓｉｎＢ＋ｘ１
Ｐｙ＝Ｈ・ｃｏｓＢ＋ｙ１
（３）刃先の座標（Ｂｘ，Ｂｙ）
ピン１０の座標（Ｐｘ、Ｐｙ）、方向角（Ｃ）、前述のように得られたアーム６の水平距離Ａｈより求めることができる。
【００５６】
Ｂｘ＝Ｈ・ｓｉｎＣ＋ｘ１
Ｂｙ＝Ｈ・ｃｏｓＣ＋ｙ１
次は、刃先２の座標（Ｂｚ）について述べる。
【００５７】
ＮＯ１、２のＧＰＳ用アンテナ１のＮｏ１，Ｎｏ２のＺ座標とピン１０のＺ座標（Ｐｚ）、前述のように求められた比高Ａｖから求めることができる。
【００５８】
ｄｚ＝（Ｚ１＋ｚ２）／２−Ｐｚ  Ｚ１，Ｚ２は、キャリブレーション時の座標である。
【００５９】
ＧＰＳ用アンテナ１とピン１０中心の機械比高で１回のみ計算する。それは、次のとおりである。
【００６０】
Ｂｚ＝（Ｚｎｏ１＋ｚｎｏ２）／２−ｄｚ＋Ａｖ
ピン１０の座標は次のように求める。すなわち、ピン１０の三次元座標とアーム６の方向をキャリブレーションにより求められれば、刃先２の三次元座標をＧＰＳ２台で求めることができる。
【００６１】
キャリブレーションは、図１２〜１３に示すように行う。
【００６２】
ＧＰＳアンテナ２台の場合は先にＮＯ２のＧＰＳアンテナをバケット側へ取り付ける。そして、図１４に示すように、可動部３、４、５を固定したまま、アーム６を旋回する。
【００６３】
キャリブレーションに必要な作業は、ＧＰＳアンテナ３台を使用する場合、次のとおりである。
【００６４】
１）偏心量ΔＥをカタログ等からＰＣへ手入力。
【００６５】
２）ＧＰＳアンテナ３台を、建設機械本体９の所定の位置（２か所）とアーム６の先端に取り付ける。
【００６６】
３）１周水平旋回を行う。１周以上でもよいが、アーム６は固定。
【００６７】
４）アーム６をできるだけ上方向にあげる。途中で、水平旋回はしない。
【００６８】
５）以上でキャリブレーション作業は完了。
【００６９】
ＧＰＳアンテナ２台を使用する場合には、キャリブレーションに必要な作業は次のとおりである。
【００７０】
１）偏心量ΔＥをカタログ等からパソコンへ手入力。
【００７１】
２）ＧＰＳアンテナ２台を、建設機械本体９のＮＯ１の位置とアーム６の先端に取り付ける。
【００７２】
３）１周水平旋回を行う。もちろん１周以上でもよいが、アーム６は固定。
【００７３】
４）アーム６をできるだけ上方向にあげる。途中で、水平旋回はしない。
【００７４】
５）建設機械本体９のＮＯ１の位置のＧＰＳアンテナを建設機械本体９のＮＯ２の位置に移動する。
【００７５】
６）アーム６をできるだけ上方向にあげる。途中で、水平旋回はしない。
【００７６】
７）以上でキャリブレーション作業は完了。
【００７７】
なお、ＧＰＳアンテナが２〜３台の場合、アーム６の旋回→水平旋回でもよい。
【００７８】
キャリブレーション計算の手順は、キャリブレーション作業の順番にかかわらず以下の通りである。
【００７９】
１）旋回中心座標（ｘ、ｙ）計算：最小２乗法
２）旋回中心（ｘ、ｙ）からΔＥ偏心した座標（ｘ、ｙ）計算
３）アーム方向計算：最小２乗法
４）ピン座標（ｘ、ｙ、ｚ）の計算
５）パラメータ、アーム方向角Ｂ、アーム方向角Ｃ、アーム水平距離Ｈ、ＮＯ１のアンテナ１とピン１０の比高Ａｖの計算
旋回中心座標（ｘ、ｙ）は、次のとおり計算する。図１５に示すように、旋回中心座標は最小２乗法によって求める。
【００８０】
１）ショベルの旋回中心は１点のみ。
【００８１】
２）旋回中はバケットを前後に引かない。
【００８２】
３）機械ガタはないとする。
【００８３】
バケットとＮＯ１のアンテナ１は、それぞれ中心座標を計算できる。これらを平均したものを最終中心座標とする。差が大きいときは、再測定する。
【００８４】
図１１に示すように、アーム方向の計算は次のとおりである。
【００８５】
旋回中心（ｘｃ、ｙｃ）およびΔＥは、すでにわかっている。
【００８６】
偏心点は、アーム６の中心線と旋回中心１０が直交する点で、旋回中心１０からの離れ量ΔＥは、カタログより入力される。
【００８７】
１）ΔＥの値は固定である
２）ピン座標、偏心点はアーム中心線上を通る
ピン座標の計算は次のとおりである。
【００８８】
これは、旋回中心座標（ｘ、ｙ）の計算を縦にして考えた場合と全く同じである。
【００８９】
水平方向旋回のように１周することは不可能なので、検証テストは十分行う。
図１７〜１９によく示すように、ＧＰＳアンテナ１の２点の三次元座標、ピン１０の三次元座標、アーム６の方向を求めることができる。そして、必要に応じて、各種パラメータは、そのようにして求めたＧＰＳアンテナ１の２点の三次元座標、ピン１０の三次元座標、アーム６の方向から計算することができる。
【００９０】
【発明の効果】
この発明によれば、建設機械の施工端部の３次元位置を高精度に検出可能であり、さらに、振動、衝撃による影響を受けにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施例による位置検出装置付きの土木用建設機械の概略を示す。
【図２】図１の位置検出装置付きの土木用建設機械の別の使用態様を示す。
【図３】図１の位置検出装置付きの土木用建設機械のさらに別の使用例を概略的に示す。
【図４】図１の位置検出装置付きの土木用建設機械のさらに別の使用例を概略的に示す。
【図５】図１の位置検出装置付きの土木用建設機械による検出のしかたの概念を概略的に示す。
【図６】本発明の１つの実施例による位置検出装置の概念を示す正面図。
【図７】本発明の１つの実施例による位置検出装置の概念を示す平面図。
【図８】図１の位置検出装置による検出のしかたの一例を概略的に示す。
【図９】図１の位置検出装置による検出のしかたの他の例を概略的に示す。
【図１０】図１の位置検出装置による検出のしかたのさらに他の１例を概略的に示す。
【図１１】図１の位置検出装置におけるピン、アーム、ＧＰＳの関係を示す。
【図１２】キャリブレーションの説明図。
【図１３】ＧＰＳアンテナのＮＯ１、ＮＯ２とバケットの軌跡を示す。
【図１４】ＧＰＳアンテナ２台の場合のＮＯ２のアンテナの使用例を示す。
【図１５】旋回中心座標の求め方を示す。
【図１６】アーム方向の計算の原理を示す。
【図１７】図１の位置検出装置の概念図。
【図１８】図１２の概念図から特にアームの可動域（平面）とＧＰＳアンテナによる基線の関係を示す。
【図１９】図１２の概念図から特にアームとＧＰＳアンテナ配置位置との関係を示す。
【図２０】位置検出装置の制御システムの一例を示す。
【符号の説明】
１  ＧＰＳ用アンテナ
２  施工端部
３、４、５  可動部
６  アーム
７、８、９  ポジションセンサ
１０、１４  ピン
１１  受信装置
１２  演算手段
Ａ  ベース方向
Ｂ、Ｃ  方向角
Ｈ  水平距離
Ａｖ  比高
【図１】
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【図２】
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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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