(57)【要約】油圧ショベル１に目標作業面を形成するようフロント作業機の動作を制御する領域制限掘削制御機能を搭載し、管理事務所に油圧ショベル１を無線操縦する遠隔操作端末１０２を設け、目標掘削面の設定情報の入力と無線操縦を遠隔操作端末１０２側で行えるようにし、かつ遠隔操作端末に油圧ショベル１と目標掘削面との位置関係を表示する表示装置７１ｂを設ける。オペレータは表示装置７１ｂの画面を見ながら遠隔で目標掘削面の設定を行うことができるとともに、ジョイスティック７２により遠隔でフロント作業機７を操縦し、領域制限掘削制御装置の制御機能を利用して目標掘削面を形成することができ、これにより目標掘削面の遠隔設定と油圧ショベル１の遠隔操縦を容易に行うことができる。
2003000997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多関節型のフロント作業機（７）を構成する上下方向に回動可能な複数のフロント部材（８，９，１０）を含む複数の被駆動部材と、前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータ（１１，１２，１３）と、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁（２４，２５，２６）と、この複数の油圧制御弁を制御し予め設定された目標作業面を形成するよう前記フロント作業機の動作を制御するフロント制御手段（５３，５６；６３３；６３３Ｂ）とを備えた建設機械（１；１Ａ；１Ｂ）の遠隔制御システムにおいて、
前記建設機械（１；１Ａ；１Ｂ）に搭載された機体側制御手段（１０１；１０１Ａ；１０１Ｂ）と、前記建設機械を無線操縦する遠隔操作端末（１０２；１０２Ａ；１０２Ｂ）とを備え、
前記遠隔操作端末は、前記複数の被駆動部材（８，９，１０）の動作を指示する無線操縦信号を出力する遠隔操作手段（７２）と、前記目標作業面の設定情報を入力する入力手段（７１，７１ｃ；７１Ａ，６４５；７１Ｂ，６４５）と、前記無線操縦信号と設定情報を前記建設機械に送信する第１無線通信手段（７３，７４；７３Ａ，７４）と、前記建設機械と目標作業面との位置関係を表示する表示手段（７１，７１ｂ；７１Ａ，６４４；７１Ｂ，６４４）とを有し、
前記機体側制御手段は、前記遠隔操作端末から前記無線操縦信号と設定情報を受信する第２無線通信手段（５４；５４Ａ）を有し、
前記フロント制御手段（５３，５６；６３３；６３３Ｂ）は、前記無線操縦信号と設定情報に基づき前記油圧制御弁（２４，２５，２６）を制御し前記目標作業面を形成するよう前記フロント作業機（７）の動作を制御することを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項２】
請求項１記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記遠隔操作端末（１０２；１０２Ａ；１０２Ｂ）の入力手段（７１，７１ｃ；７１Ａ，６４５；７１Ｂ，６４５）は、前記建設機械（１；１Ａ；１Ｂ）の外部基準（Ｒ；ΣＧ）に関連付けられた設定情報を入力する手段であり、前記表示手段（７１，７１ｂ；７１Ａ，６４４；７１Ｂ，６４４）は、前記建設機械と目標作業面との位置関係を前記外部基準に関連付けて表示する手段であり、
前記機体側制御手段（１０１；１０１Ａ；１０１Ｂ）と遠隔操作端末（１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ）のいずれか一方は、前記建設機械の外部基準に関連付けられた目標作業面の設定情報を、建設機械と目標作業面の位置関係に変換する設定情報変換手段（５２，５３，５５，５５ｄ；５３１，５３２，６４３，Ｓ５１０−Ｓ５５０；７２５，７６２，７６４，６４３Ｂ，Ｓ７１０−Ｓ７９０）を更に有し、
前記フロント制御手段（５３，５６；６３３；６３３Ｂ）は、前記無線操縦信号と、前記建設機械と目標作業面の位置関係に変換された設定情報とに基づき前記油圧制御弁（２４，２５，２６）を制御し前記目標作業面を形成するよう前記フロント作業機（７）の動作を制御することを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項３】
請求項２記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記外部基準（Ｒ）はレーザ燈台（５１）が発するレーザ光により形成されるレーザ基準面であり、前記入力手段（７１，７１ｃ）は、前記設定情報として前記レーザ基準面と目標作業面の位置関係を入力する手段であり、前記設定情報変換手段（５２，５３，５５，５５ｄ）は、前記建設機械（１）と前記レーザ基準面の位置関係を計測する計測手段（５２，５５ｂ）と、前記設定手段で入力したレーザ基準面と目標作業面の位置関係と前記計測手段で計測した建設機械とレーザ基準面の位置関係とを用いて建設機械と目標作業面の位置関係を求める演算手段（５５ｄ）とを有することを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項４】
請求項２記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記遠隔操作端末（１０２）の表示手段（７１ｂ）は、設定モードと遠隔操作モードに切り換え可能であり、前記設定モードにあるときは、前記外部基準（Ｒ）と目標作業面と建設機械（１）の位置関係を表示し、前記遠隔操作モードに切り換えられると、前記目標作業面と前記フロント作業機（７）の位置関係を表示することを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項５】
請求項２記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記外部基準（ΣＧ）は、前記建設機械（１Ａ；１Ｂ）の外側に設定され、位置及び姿勢が既知である外部座標系であり、
前記入力手段（７１Ａ，６４４；７１Ｂ，６４４）は、前記設定情報として前記外部座標系に関連付けられた施工データを入力する手段であり、
前記設定情報変換手段（５３１，５３２，６４３，Ｓ５１０−Ｓ５５０；７２５，７６２，７６４，６４３Ｂ，Ｓ７１０−Ｓ７９０）は前記遠隔操作端末（１０２Ａ；１０２Ｂ）に備えられ、前記施工データから前記外部座標系での目標作業面の設定情報を生成し、この設定情報を前記建設機械に設定された機体座標系（ΣＳＢ）での目標作業面の設定情報に変換する手段であることを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項６】
請求項５記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記外部座標系（ΣＧ）は、地球の準拠楕円体の中心を原点とする直交座標系であることを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項７】
請求項５記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記設定情報変換手段（５３１，５３２，６４３，Ｓ５１０−Ｓ５５０；７２５，７６２，７６４，６４３Ｂ，Ｓ７１０−Ｓ７９０）は、前記機体座標系（ΣＳＢ）の位置及び姿勢を前記外部座標系（ΣＧ）の値として求める機体座標計測演算手段（５３１，５３２，Ｓ５１０−Ｓ５３０；７２５，７６２，７６４，Ｓ７１０−Ｓ７７０）と、この機体座標計測演算手段で求めた外部座標系での機体座標系の位置及び姿勢に基づき、前記外部座標系での目標作業面の設定情報を前記機体座標系での目標作業面の設定情報に変換する設定情報演算手段（Ｓ５５０；Ｓ７９０）とを有することを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項８】
請求項７記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記設定情報変換手段（６４３，Ｓ５１０−Ｓ５５０；６４３Ｂ，Ｓ７１０−Ｓ７９０）は、前記外部座標系（ΣＧ）での機体座標系（ΣＳＢ）の位置及び姿勢と前記施工データとを比較して、前記機体座標系の位置及び姿勢における施工データ部分を抽出し、その施工データ部分から前記外部座標系での目標作業面の設定情報を生成する手段（Ｓ５４０；Ｓ７８０）を更に有することを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項９】
請求項７記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記機体座標計測演算手段（５３１，５３２，Ｓ５１０−Ｓ５３０）は、
前記建設機械（１Ａ）の異なる位置に設置された少なくとも２個のＧＰＳ受信手段（５３１，５３２）と、
前記２個のＧＰＳ受信手段の受信情報に基づき、前記機体座標系（ΣＳＢ）の位置及び姿勢を前記外部座標系（ΣＧ）の値として求める座標位置演算手段（Ｓ５１０−Ｓ５３０）とを有することを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項１０】
請求項９記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記機体座標計測演算手段（５３１，５３２，Ｓ５１０−Ｓ５３０）は、前記建設機械の傾斜量を計測する傾斜量計測手段（５２４）を更に有し、
前記座標位置演算手段（Ｓ５１０−Ｓ５３０）は、前記２個のＧＰＳ受信手段（５３１，５３２）の受信情報と前記傾斜量計測手段の計測結果とに基づき、前記機体座標系（ΣＳＢ）の位置及び姿勢を前記外部座標系（ΣＧ）の値として求めることを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項１１】
請求項９記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記建設機械（１Ａ）は、下部走行体（２）と、この下部走行体上に旋回可能に搭載された上部旋回体（３）とを有し、前記フロント作業機（７）は前記上部旋回体上下方向に回動可能に取り付けられており、
前記２個のＧＰＳ受信手段（５３１，５３２）は前記上部旋回体上の異なる位置に設置された２個のＧＰＳアンテナを有し、
前記機体座標系（ΣＳＢ）は、前記上部旋回体の回転軸近傍の位置で前記下部走行体に固定して設定された直交座標系であり、
前記機体座標計測演算手段（５３１，５３２，Ｓ５１０−Ｓ５３０）は、前記下部走行体に対する上部旋回体の回転角を計測する角度計測手段（５２０）を更に有し、
前記座標位置演算手段（Ｓ５１０−Ｓ５３０）は、前記２個のＧＰＳ受信手段の受信情報と前記角度計測手段の計測結果とに基づき、前記機体座標系の位置及び姿勢を前記外部座標系（ΣＧ）の値として求めることを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項１２】
請求項７記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記機体座標計測演算手段（７２５，７６２，７６４，Ｓ７１０−Ｓ７７０）は、
前記外部座標系（ΣＧ）に対する位置関係が既知である地上の特定位置に設置され、その特定位置から前記建設機械（１Ｂ）の特定位置までの距離と方位を計測する３次元位置計測手段（７６２）と、
前記建設機械に設置されたレーザ受光器（７２５）と、
前記レーザ受光器に向けてレーザ光を発するレーザ灯台（７６４）と、
前記レーザ受光器が前記レーザ灯台の発するレーザ光を受光したことをトリガーとして前記地上の特定位置に対する前記レーザ光の位置関係を演算し、この演算結果と前記３次元位置計測手段の計測結果とに基づき、前記地上の特定位置に対する前記機体座標系（ΣＳＢ）の位置及び姿勢を求める座標位置演算手段（Ｓ７１０−Ｓ７９０）とを有することを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記機体座標計測演算手段（７２５，７６２，７６４，Ｓ７１０−Ｓ７７０）は、前記建設機械（１Ｂ）の傾斜量を計測する傾斜量計測手段（５２４）を更に有し、
前記座標位置演算手段（Ｓ７１０−Ｓ７９０）は、前記地上の特定位置に対する前記レーザ光の位置関係の演算結果と前記３次元位置計測手段（７６２）の計測結果と前記傾斜量計測手段の計測結果とに基づき、前記地上の特定位置に対する前記機体座標系（ΣＳＢ）の位置及び姿勢を求めることを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項１４】
請求項１２記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記建設機械（１Ｂ）は、下部走行体（２）と、この下部走行体上に旋回可能に搭載された上部旋回体（３）とを有し、前記フロント作業機（７）は前記上部旋回体上下方向に回動可能に取り付けられており、
前記機体座標系（ΣＳＢ）が設定される建設機械の特定位置は前記上部旋回体の回転軸近傍の位置であり、
前記機体座標系（ΣＳＢ）は前記下部走行体に固定して設定された直交座標系であり、
前記機体座標計測演算手段（７２５，７６２，７６４，Ｓ７１０−Ｓ７７０）は、前記下部走行体に対する上部旋回体の回転角を計測する角度計測手段（５２０）を更に有し、
前記座標位置演算手段（Ｓ７１０−Ｓ７９０）は、前記地上の特定位置に対する前記レーザ光の位置関係の演算結果と前記３次元位置計測手段（７６２）の計測結果と前記角度計測手段の計測結果とに基づき、前記地上の特定位置に対する前記機体座標系（ΣＳＢ）の位置及び姿勢を求めることを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記レーザ受光器（７２５）は前記フロント作業機（７）に設置され、
前記機体座標計測演算手段（７２５，７６２，７６４，Ｓ７１０−Ｓ７７０）は、前記フロント作業機を構成する複数のフロント部材の位置と姿勢を計測する位置・姿勢計測手段（３４，３５，３６）を更に有し、
前記座標位置演算手段（Ｓ７１０−Ｓ７９０）は、前記地上の特定位置に対する前記レーザ光の位置関係の演算結果と前記３次元位置計測手段（７６２）の計測結果と前記角度計測手段の計測結果と前記位置・姿勢計測手段の計測結果とに基づき、前記地上の特定位置に対する前記機体座標系（ΣＳＢ）の位置及び姿勢を求めることを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項１６】
請求項１２記載の建設機械の遠隔制御システムにおいて、
前記３次元位置計測手段（７６２）は、前記建設機械の特定位置に設置されたリフレクタ（７６１）を追尾しその距離と方位を計測するレーザ追尾装置であることを特徴とする建設機械の遠隔制御システム。
【請求項１７】
多関節型のフロント作業機（７）を構成する上下方向に回動可能な複数のフロント部材（８，９，１０）を含む複数の被駆動部材と、前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータ（１１，１２，１３）と、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁（２４，２５，２６）と、この複数の油圧制御弁を制御し予め設定された目標作業面を形成するよう前記フロント作業機の動作を制御するフロント制御手段（６３３；６３３Ｂ）とを備えた建設機械（１Ａ，１Ｂ）の遠隔設定システムにおいて、
前記建設機械（１Ａ，１Ｂ）に搭載された機体側制御手段（１０１Ａ；１０１Ｂ）と、遠隔操作端末（１０２Ａ；１０２Ｂ）とを備え、
前記遠隔操作端末は、前記目標作業面の設定情報として、建設機械（１Ａ；１Ｂ）の外側に設定された位置及び姿勢が既知である外部座標系に関連付けられた施工データを入力する入力手段（７１Ａ，６４５；７１Ｂ，６４５）と、前記施工データから前記外部座標系での目標作業面の設定情報を生成し、この設定情報を前記建設機械に設定された機体座標系（ΣＳＢ）での目標作業面の設定情報に変換する設定情報変換手段（５３１，５３２，６４３，Ｓ５１０−Ｓ５５０；７２５，７６２，７６４，６４３Ｂ，Ｓ７１０−Ｓ７９０）と、前記機体座標系（ΣＳＢ）での目標作業面の設定情報を前記建設機械に送信する第１無線通信手段（７３Ａ，７４）と、前記建設機械と目標作業面との位置関係を前記外部座標系に関連付けて表示する表示手段（７１Ａ，６４４；７１Ｂ，６４４）とを有し、
前記機体側制御手段は、前記遠隔操作端末から前記機体座標系（ΣＳＢ）での目標作業面の設定情報を受信する第２無線通信手段（５４Ａ）を有し、
前記フロント制御手段（６３３；６３３Ｂ）は、前記機体座標系（ΣＳＢ）での目標作業面の設定情報に基づき前記油圧制御弁（２４，２５，２６）を制御し前記目標作業面を形成するよう前記フロント作業機（７）の動作を制御することを特徴とする建設機械の遠隔設定システム。
【請求項１８】
請求項１７記載の建設機械の遠隔設定システムにおいて、
前記外部座標系（ΣＧ）は、地球の準拠楕円体の中心を原点とする直交座標系であることを特徴とする建設機械の遠隔設定システム。
【請求項１９】
請求項１７記載の建設機械の遠隔設定システムにおいて、
前記設定情報変換手段（５３１，５３２，６４３，Ｓ５１０−Ｓ５５０；７２５，７６２，７６４，６４３Ｂ，Ｓ７１０−７９０）は、前記機体座標系（ΣＳＢ）の位置及び姿勢を前記外部座標系（ΣＧ）の値として求める機体座標計測演算手段（５３１，５３２，Ｓ５１０−Ｓ５３０；７２５，７６２，７６４，Ｓ７１０−Ｓ７７０）と、この機体座標計測演算手段で求めた外部座標系での機体座標系の位置及び姿勢に基づき、前記外部座標系での目標作業面の設定情報を前記機体座標系での目標作業面の設定情報に変換する設定情報演算手段（Ｓ５５０；Ｓ７９０）とを有することを特徴とする建設機械の遠隔設定システム。
【請求項２０】
請求項１９記載の建設機械の遠隔設定システムにおいて、
前記設定情報変換手段（６４３，Ｓ５１０−Ｓ５５０；６４３Ｂ，Ｓ７１０−Ｓ７９０）は、前記外部座標系（ΣＧ）での機体座標系（ΣＳＢ）の位置及び姿勢と前記施工データとを比較して、前記機体座標系の位置及び姿勢における施工データ部分を抽出し、その施工データ部分から前記外部座標系での目標作業面の設定情報を生成する手段（Ｓ５４０；Ｓ７８０）を更に有することを特徴とする建設機械の遠隔設定システム。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、油圧ショベル等の多関節型のフロント作業機を有する建設機械の遠隔制御システム及び遠隔設定システムに係わり、特に、目標作業面の設定情報を用いてその目標作業面を形成するようフロント作業機の動作を制御する領域制限掘削制御等のフロント制御手段を備えた建設機械の遠隔制御システム及び遠隔設定システムに関する。
背景技術
建設機械の代表例として、油圧ショベルがある。油圧ショベルでは、フロント作業機を構成するブーム、アームなどのフロント部材を、それぞれの手動操作レバーによって操作しているが、それぞれが関節部によって連結され回動運動を行うものであるため、これらフロント部材を操作して所定の領域、特に直線状に設定された領域を掘削することは非常に困難な作業である。そこで、このような作業を自動化して行うためのものとして、例えば国際公開番号ＷＯ９５／３００５９号公報の提案がある。この提案は、車体基準で掘削可能領域を設定し、フロント作業機の一部、例えば、バケットが掘削可能領域の境界に近づくと、バケットの当該境界に向かう方向の動きのみを減速し、バケットが掘削可能領域の境界に達すると、バケットは掘削可能領域の外には出ないが掘削可能領域の境界に沿っては動けるようにしている。
また、そのような作業を自動化して行う場合、車体が移動すると作業現場の地形の変化で油圧ショベル自身の姿勢、高さが変化し、車体基準で設定していた領域を車体が移動するごとに設定し直さなくてはならない。そこで、このような不具合を解決するものとして特開平３−２９５９３３号公報や特開２０００−２０４５８０号公報の提案がある。この提案は、掘削地表面に設置したレーザ発振器のレーザ光により車体に設置したセンサにて車体の高さを検出し、その検出した車体高さに基づいて掘削深さ（前者の例の制限領域に相当する）を決定して車体を停止した状態で所定長さだけ直線掘削し、その後に車体を所定距離走行させて停止状態で再び直線掘削する際に前記レーザ光により車体高さ変位量を検出し、その高さ変位量によって掘削深さを補正するものである。
更に、そのような自動掘削制御でレーザ光などの外部基準を用い目標掘削面の設定を容易に行えるようにしたものとして国際公開番号ＷＯ０１／２５５４９号公報に記載の設定装置がある。この設定装置では、車体に制御ユニットと表示装置を搭載し、表示装置に車体と外部基準と目標掘削面の位置関係を表示し、この画面を見ながら外部基準に対する位置関係で目標掘削面を設定できるようにするものである。
一方、油圧ショベル等の建設機械の遠隔操作に関する従来技術として特許番号第２６２８００４号公報や特開昭５８−２６１３０号公報に記載にものがある。特許番号第２６２８００４号公報では、油圧ショベルの動作状況を監視カメラで撮影し、現場事務所に設置したコンピュータのモニタテレビにその画像を表示すると共に、溝や法面の設計線をそのカメラ画像に重ねて表示できるようにしており、操作員はその画像を見ながら油圧ショベルを遠隔操作し掘削することができる。特開昭５８−２６１３０号公報では、建設機械の位置を基準点との情報交換によって検出し、建設機械を全自動で運転する技術を開示している。この場合、自動運転の制御プログラムは遠隔設置のコンピュータ側に記憶し、自動制御が開始されるとそのプログラムに基づく指令信号を建設機械に無線で送信し、建設機械から種々のセンサ情報を無線で受信する。制御プログラムには、作業現場や地域によりその都度変更される作業仕様プログラムが含まれる。
発明の開示
建設機械は、近年、遠隔操縦に対する要望が大きく、例えば、災害地域の復旧作業には安全性の観点から遠隔操縦のできる建設機械を用いて、土砂の除去や泥流ダムの造成を行わなければならない場合が多々ある。このような作業を行う場合、建設機械が今いる場所はもちろんのこと、どこをどの程度掘削しなければならないかを計画して作業を行わなければならない。従来は、作業する建設機械を遠くからカメラ等で監視するか、建設機械にカメラ等を装着し、そのカメラ画像等で掘削作業位置を確認して作業を行っていた。しかし、災害地域は道路はもとよりほとんど土砂で埋もれているため、掘削作業位置を正確に特定することは困難であった。また、遠隔で建設機械を操縦するため、水平引きや法面形成作業等は特に熟練が必要であり、またカメラ画像を見ての作業であるため作業効率の低いものであった。
ＷＯ９５／３００５９号公報や特開平３−２９５９３３号公報、特開２０００−２０４５８０号公報及びＷＯ０１／２５５４９号公報に記載の技術は、全て建設機械にオペレータが乗車して操作を行うものであり、遠隔操作で建設機械を操縦したり、遠隔操作で目標掘削面を設定することはできなかった。
特許番号第２６２８００４号公報に記載の技術は、溝や法面の設計線を作業現場のカメラ画像に重ねて表示することによりオペレータはそれを見ながら遠隔で掘削作業を行うことができる。しかし、油圧ショベルの操作は手動で行われるため、設計線通りに掘削するようオペレータは注意深く作業を行わなければならず、オペレータの負担が大きいという問題があった。
特開昭５８−２６１３０号公報に記載の技術は、全自動であるためオペレータに負担はかからない。しかし、全自動であるため種々の作業現場にきめ細かく迅速に対応するのは困難であり、実用化は難しい。
また、近年、建設ＣＡＬＳ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  ＆  Ｌｉｆｅｃｙｃｌｅ  Ｓｕｐｐｏｒｔ；生産・調達・運用支援統合情報システム）が叫ばれる中、電子データを持って施工図面が管理され、更にこの電子データを持って車体の制御に応用しようとする動きが見られる。具体的には、施工現場における車体の位置を計測し、車体に持たせた施工図面を参照して自動的に車体を制御しようするものである。しかし、施工現場によって状況は異なるが、一般に施工データは車体に記憶させるには膨大なデジタルデータであり、車体に記憶できる施工データは全体のほんの一部である場合がほとんどである。よって、上記のような制御を行う場合、頻繁に施工データを車体に記憶させる必要がある。また、ＣＤ−Ｒのような記憶メディアを車体に設置し、施工データを随時読み込み更新する手段もあるが、ＣＤ−Ｒを駆動する装置を車体に設置せねばならず、高価なものになってしまう。更に、建設機械のように衝撃や温度・湿度などに対する環境性も問われるため、決して有効な方法とは言えない。
本発明の第１の目的は、種々の作業現場における目標作業面の遠隔設定と建設機械の遠隔操縦を容易に行うことのできる建設機械の遠隔制御システムを提供することである。
本発明の第２の目的は、膨大な電子データである施工データを利用した目標作業面の遠隔設定を容易に行うことのできる建設機械の遠隔制御システム及び遠隔設定システムを提供することである。
（１）上記第１の目的を達成するために、本発明は、多関節型のフロント作業機を構成する上下方向に回動可能な複数のフロント部材を含む複数の被駆動部材と、前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁と、この複数の油圧制御弁を制御し予め設定された目標作業面を形成するよう前記フロント作業機の動作を制御するフロント制御手段とを備えた建設機械の遠隔制御システムにおいて、前記建設機械に搭載された機体側制御手段と、前記建設機械を無線操縦する遠隔操作端末とを備え、前記遠隔操作端末は、前記複数の被駆動部材の動作を指示する無線操縦信号を出力する遠隔操作手段と、前記目標作業面の設定情報を入力する入力手段と、前記無線操縦信号と設定情報を前記建設機械に送信する第１無線通信手段と、前記建設機械と目標作業面との位置関係を表示する表示手段とを有し、前記機体側制御手段は、前記遠隔操作端末から前記無線操縦信号と設定情報を受信する第２無線通信手段を有し、前記フロント制御手段は、前記無線操縦信号と設定情報に基づき前記油圧制御弁を制御し前記目標作業面を形成するよう前記フロント作業機の動作を制御するものとする。
このように目標作業面を形成するようフロント作業機の動作を制御するフロント制御手段を備えた建設機械に対し、機体側制御手段と遠隔操作端末を設け、その目標作業面の設定情報の入力と無線操縦を遠隔操作端末側で行えるようにし、かつ遠隔操作端末に建設機械と目標作業面との位置関係を表示する表示手段を設けることにより、オペレータは表示手段の画面を見ながら遠隔で目標作業面の設定を行うことができるとともに、遠隔でフロント作業機を操縦し、フロント制御手段の制御機能を利用して目標作業面を形成することができ、これにより目標作業面の遠隔設定と建設機械の遠隔操縦を容易に行うことができる。
また、フロント制御手段は、遠隔操作手段の無線操縦信号と設定情報に基づいてフロント作業機の動作を制御する半自動制御方式であるので、手動方式に比べオペレータの負担は格段に減り、かつ設定情報を変えるだけで種々の作業現場に容易に対応することができる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記遠隔操作端末の入力手段は、前記建設機械の外部基準に関連付けられた設定情報を入力する手段であり、前記表示手段は、前記建設機械と目標作業面との位置関係を前記外部基準に関連付けて表示する手段であり、前記機体側制御手段と遠隔操作端末のいずれか一方は、前記建設機械の外部基準に関連付けられた目標作業面の設定情報を、建設機械と目標作業面の位置関係に変換する設定情報変換手段を更に有し、前記フロント制御手段は、前記無線操縦信号と、前記建設機械と目標作業面の位置関係に変換された設定情報とに基づき前記油圧制御弁を制御し前記目標作業面を形成するよう前記フロント作業機の動作を制御する。
このように遠隔操作端末側での目標作業面の設定情報の入力を建設機械の外部基準に関連付けられたデータにより行い、機体側制御手段と遠隔操作端末のいずれか一方で、目標作業面の設定情報を建設機械と目標作業面の位置関係に変換することにより、外部基準を用いて目標作業面を設定することができる。また、このとき遠隔操作端末の表示手段に建設機械と目標掘削面との位置関係を外部基準に関連付けて表示するので、オペレータは表示手段の画面を見ながら容易に目標作業面を設定することができる。
（３）上記（２）において、好ましくは、前記外部基準はレーザ燈台が発するレーザ光により形成されるレーザ基準面であり、前記入力手段は、前記設定情報として前記レーザ基準面と目標作業面の位置関係を入力する手段であり、前記設定情報変換手段は、前記建設機械と前記レーザ基準面の位置関係を計測する計測手段と、前記設定手段で入力したレーザ基準面と目標作業面の位置関係と前記計測手段で計測した建設機械とレーザ基準面の位置関係とを用いて建設機械と目標作業面の位置関係を求める演算手段とを有する。
これにより外部基準としてレーザ基準面を用い、目標作業面の遠隔設定と建設機械の遠隔操縦を容易に行うことができる。
（４）上記（２）において、好ましくは、前記遠隔操作端末の表示手段は、設定モードと遠隔操作モードに切り換え可能であり、前記設定モードにあるときは、前記外部基準と目標作業面と建設機械の位置関係を表示し、前記遠隔操作モードに切り換えられると、前記目標作業面と前記フロント作業機の位置関係を表示するものとする。
これにより遠隔操作時は表示手段を遠隔操作モードに切り換えることにより、遠隔操作時も表示手段の画面を見ながら遠隔操縦でき、遠隔操作時の操作性が一層良好となる。
（５）また、上記第２の目的を達成するために、本発明は、上記（２）において、前記外部基準は、前記建設機械の外側に設定され、位置及び姿勢が既知である外部座標系であり、前記入力手段は、前記設定情報として前記外部座標系に関連付けられた施工データを入力する手段であり、前記設定情報変換手段は前記遠隔操作端末に備えられ、前記施工データから前記外部座標系での目標作業面の設定情報を生成し、この設定情報を前記建設機械に設定された機体座標系での目標作業面の設定情報に変換する手段であるものとする。
これにより外部座標系に関連付けられた施工データを用い、建設機械に設定された機体座標系での目標作業面の設定情報を生成することができる。また、設定手段と設定情報変換手段は遠隔操作端末に備えられるので、施工データが膨大な電子データであっても、その施工データを機体側制御手段に記憶する必要がなくなり、膨大な電子データである施工データを利用した目標作業面の遠隔設定と建設機械の遠隔操縦を容易に行うことができる。
（６）上記（５）において、好ましくは、前記外部座標系は、地球の準拠楕円体の中心を原点とする直交座標系である。
これにより地球の緯度、経度、高さ情報を用いて作成した施工データを外部座標系（地球の準拠楕円体の中心を原点とする直交座標系）に関連付けられた施工データとして利用することができ、地球の緯度、経度、高さ情報を用いて作成した施工データを利用した目標作業面の遠隔設定と建設機械の遠隔操縦を容易に行うことができる。
（７）上記（５）において、好ましくは、前記設定情報変換手段は、前記機体座標系の位置及び姿勢を前記外部座標系の値として求める機体座標計測演算手段と、この機体座標計測演算手段で求めた外部座標系での機体座標系の位置及び姿勢に基づき、前記外部座標系での目標作業面の設定情報を前記機体座標系での目標作業面の設定情報に変換する設定情報演算手段とを有する。
これにより建設機械が移動しても、その都度、機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系の値として求めることにより外部座標系に対する建設機械の位置及び姿勢を特定し、機体座標系での目標作業面の設定情報を生成することができる。
（８）上記（７）において、好ましくは、前記設定情報変換手段は、前記外部座標系での機体座標系の位置及び姿勢と前記施工データとを比較して、前記機体座標系の位置及び姿勢における施工データ部分を抽出し、その施工データ部分から前記外部座標系での目標作業面の設定情報を生成する手段を更に有する。
これにより膨大な電子データである施工データから必要なデータのみ抽出し、外部座標系での目標作業面の設定情報を生成することができる。
（９）上記（７）において、好ましくは、前記機体座標計測演算手段は、前記建設機械の異なる位置に設置された少なくとも２個のＧＰＳ受信手段と、前記２個のＧＰＳ受信手段の受信情報に基づき、前記機体座標系の位置及び姿勢を前記外部座標系の値として求める座標位置演算手段とを有する。
これにより少なくとも２個のＧＰＳ受信手段を用いて機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系（グローバル座標系）の値として求め、機体座標系での目標作業面の設定情報を生成することができる。
（１０）上記（９）において、好ましくは、前記機体座標計測演算手段は、前記建設機械の傾斜量を計測する傾斜量計測手段を更に有し、前記座標位置演算手段は、前記２個のＧＰＳ受信手段の受信情報と前記傾斜量計測手段の計測結果とに基づき、前記機体座標系の位置及び姿勢を前記外部座標系の値として求める。
これにより建設機械が傾斜していても機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系の値として精度良く求めることができる。
（１１）上記（９）において、好ましくは、前記建設機械は、下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に搭載された上部旋回体とを有し、前記フロント作業機は前記上部旋回体上下方向に回動可能に取り付けられており、前記２個のＧＰＳ受信手段は前記上部旋回体上の異なる位置に設置された２個のＧＰＳアンテナを有し、前記機体座標系は、前記上部旋回体の回転軸近傍の位置で前記下部走行体に固定して設定された直交座標系であり、前記機体座標計測演算手段は、前記下部走行体に対する上部旋回体の回転角を計測する角度計測手段を更に有し、前記座標位置演算手段は、前記２個のＧＰＳ受信手段の受信情報と前記角度計測手段の計測結果とに基づき、前記機体座標系の位置及び姿勢を前記外部座標系の値として求める。
これによりＧＰＳ受信手段が上部旋回体に設置されていても、下部走行体に固定して設定された機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系の値として求めることができる。
（１２）上記（７）において、好ましくは、前記機体座標計測演算手段は、前記外部座標系に対する位置関係が既知である地上の特定位置に設置され、その特定位置から前記建設機械の特定位置までの距離と方位を計測する３次元位置計測手段と、前記建設機械に設置されたレーザ受光器と、前記レーザ受光器に向けてレーザ光を発するレーザ灯台と、前記レーザ受光器が前記レーザ灯台の発するレーザ光を受光したことをトリガーとして前記地上の特定位置に対する前記レーザ光の位置関係を演算し、この演算結果と前記３次元位置計測手段の計測結果とに基づき、前記地上の特定位置に対する前記機体座標系の位置及び姿勢を求める座標位置演算手段とを有する。
これによりＧＰＳを直接用いずに、機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系（グローバル座標系）の値として求め、機体座標系での目標作業面の設定情報を生成することができる。
また、直接ＧＰＳを用いずに機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系（グローバル座標系）の値として求めることができるので、建設機械が地下、ビル内、山間部などＧＰＳ衛星を捕捉できないような作業現場にあっても、またＧＰＳでは衛星からの電波が受信できないような気象条件であっても、それらに左右されず機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系（グローバル座標系）の値として求めることができる。
（１３）上記（１２）において、好ましくは、前記機体座標計測演算手段は、前記建設機械の傾斜量を計測する傾斜量計測手段を更に有し、前記座標位置演算手段は、前記地上の特定位置に対する前記レーザ光の位置関係の演算結果と前記３次元位置計測手段の計測結果と前記傾斜量計測手段の計測結果とに基づき、前記地上の特定位置に対する前記機体座標系の位置及び姿勢を求めるものである。
これにより建設機械が傾斜していても、直接ＧＰＳを用いずに機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系の値として精度良く求めることができる。
（１４）上記（１２）において、好ましくは、前記建設機械は、下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に搭載された上部旋回体とを有し、前記フロント作業機は前記上部旋回体上下方向に回動可能に取り付けられており、前記機体座標系が設定される建設機械の特定位置は前記上部旋回体の回転軸近傍の位置であり、前記機体座標系は前記下部走行体に固定して設定された直交座標系であり、前記機体座標計測演算手段は、前記下部走行体に対する上部旋回体の回転角を計測する角度計測手段を更に有し、前記座標位置演算手段は、前記地上の特定位置に対する前記レーザ光の位置関係の演算結果と前記３次元位置計測手段の計測結果と前記角度計測手段の計測結果とに基づき、前記地上の特定位置に対する前記機体座標系の位置及び姿勢を求めるものである。
これによりＧＰＳ受信手段が上部旋回体に設置されていても、直接ＧＰＳを用いずに下部走行体に固定して設定された機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系の値として求めることができる。
（１５）上記（１４）において、好ましくは、前記レーザ受光器は前記フロント作業機に設置され、前記機体座標計測演算手段は、前記フロント作業機を構成する複数のフロント部材の位置と姿勢を計測する位置・姿勢計測手段を更に有し、前記座標位置演算手段は、前記地上の特定位置に対する前記レーザ光の位置関係の演算結果と前記３次元位置計測手段の計測結果と前記角度計測手段の計測結果と前記位置・姿勢計測手段の計測結果とに基づき、前記地上の特定位置に対する前記機体座標系の位置及び姿勢を求めるものである。
これにより多関節型のフロント作業機が上部旋回体上下方向に回動可能に取り付けられ、レーザ受光器がそのフロント作業機に設置されていても、下部走行体に固定して設定された機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系の値として求めることができる。
（１６）上記（１２）において、好ましくは、前記３次元位置計測手段は、前記建設機械の特定位置に設置されたリフレクタを追尾しその距離と方位を計測するレーザ追尾装置である。
これにより自動追尾トータルステーションシステムとして知られている既存のシステムを用いて３次元位置計測手段を構成することができる。
（１７）また、上記第２の目的を達成するために、本発明は、多関節型のフロント作業機を構成する上下方向に回動可能な複数のフロント部材を含む複数の被駆動部材と、前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁と、この複数の油圧制御弁を制御し予め設定された目標作業面を形成するよう前記フロント作業機の動作を制御するフロント制御手段とを備えた建設機械の遠隔設定システムにおいて、前記建設機械に搭載された機体側制御手段と、遠隔操作端末とを備え、前記遠隔操作端末は、前記目標作業面の設定情報として、建設機械の外側に設定された位置及び姿勢が既知である外部座標系に関連付けられた施工データを入力する入力手段と、前記施工データから前記外部座標系での目標作業面の設定情報を生成し、この設定情報を前記建設機械に設定された機体座標系での目標作業面の設定情報に変換する設定情報変換手段と、前記機体座標系での目標作業面の設定情報を前記建設機械に送信する第１無線通信手段と、前記建設機械と目標作業面との位置関係を前記外部座標系に関連付けて表示する表示手段とを有し、前記機体側制御手段は、前記遠隔操作端末から前記機体座標系での目標作業面の設定情報を受信する第２無線通信手段を有し、前記フロント制御手段は、前記機体座標系での目標作業面の設定情報に基づき前記油圧制御弁を制御し前記目標作業面を形成するよう前記フロント作業機の動作を制御するものとする。
これにより外部座標系に関連付けられた施工データを用い、建設機械に設定された機体座標系での目標作業面の設定情報を生成することができる。また、設定手段と設定情報変換手段は遠隔操作端末に備えられるので、施工データが膨大な電子データであっても、その施工データを機体側制御手段に記憶する必要がなくなり、膨大な電子データである施工データを利用した目標作業面の遠隔設定を容易に行うことができる。
（１８）上記（１７）において、好ましくは、前記外部座標系は、地球の準拠楕円体の中心を原点とする直交座標系である。
これにより地球の緯度、経度、高さ情報を用いて作成した施工データを外部座標系（地球の準拠楕円体の中心を原点とする直交座標系）に関連付けられた施工データとして利用することができ、地球の緯度、経度、高さ情報を用いて作成した施工データを利用した目標作業面の遠隔設定を容易に行うことができる。
（１９）上記（１７）において、好ましくは、前記設定情報変換手段は、前記機体座標系の位置及び姿勢を前記外部座標系の値として求める機体座標計測演算手段と、この機体座標計測演算手段で求めた外部座標系での機体座標系の位置及び姿勢に基づき、前記外部座標系での目標作業面の設定情報を前記機体座標系での目標作業面の設定情報に変換する設定情報演算手段とを有する。
これにより建設機械が移動しても、その都度、機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系の値として求めることにより外部座標系に対する建設機械の位置及び姿勢を特定し、機体座標系での目標作業面の設定情報を生成することができる。
（２０）上記（１９）において、好ましくは、前記設定情報変換手段は、前記外部座標系での機体座標系の位置及び姿勢と前記施工データとを比較して、前記機体座標系の位置及び姿勢における施工データ部分を抽出し、その施工データ部分から前記外部座標系での目標作業面の設定情報を生成する手段を更に有する。
これにより膨大な電子データである施工データから必要なデータのみ抽出し、外部座標系での目標作業面の設定情報を生成することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態である建設機械の遠隔制御システムの全体構成を示す図である。
図１において、１は油圧ショベルであり、１００は油圧ショベル１から離れた場所に設置された管理事務所である。
油圧ショベル１は下部走行体２、上部旋回体３、フロント作業機７を有し、上部旋回体３は下部走行体に対して旋回可能に搭載され、フロント作業機７は上部旋回体３の前部に上下動可能に取り付けられている。上部旋回体３は収納室４、カウンタウェイト５、運転室６等から構成されている。フロント作業機７はブーム８、アーム９、バケット１０を有する多関節構造であり、ブーム８はブームシリンダ１１により、アーム９はアームシリンダ１２により、バケット１０はバケットシリンダ１３によりそれぞれ回転駆動される。下部走行体２は図示しない左右走行モータ走行駆動され、上部旋回体３は図示しない旋回モータにより旋回駆動される。
ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２、バケットシリンダ１３はそれぞれ制御弁２４，２５，２６を介して油圧ポンプ１９に接続され、流量制御弁２４，２５，２６によって油圧ポンプ１９から各シリンダ１１，１２，１３に供給される圧油の流量及び方向が調整される。ここで、図の簡単のため省略したが、上記左右走行モータ及び旋回モータに対しても同様に左右走行制御弁、旋回制御弁が設けられている。
制御弁２４，２５，２６及び旋回用制御弁に対しては操作レバー装置３０３Ｌ，３０３Ｒが設けられ、操作レバー３０３Ｌ，３０３Ｒはそれぞれ操作レバー３１，３２とポテンショメータ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂとを有し、操作レバー３１が前後方向Ａに操作されるとその操作量をポテンショメータ３１ａが検出し、当該操作量に応じた電気的な操作信号Ｘ１を出力し、操作レバー３１が左右方向Ｂに操作されるとその操作量をポテンショメータ３１ｂが検出し、当該操作量に応じた電気的な操作信号Ｘ２出力し、操作レバー３２が前後方向Ｃに操作されるとその操作量をポテンショメータ３２ａが検出し、当該操作量に応じた電気的な操作信号Ｘ３を出力し、操作レバー３２が左右方向Ｄに操作されるとその操作量をポテンショメータ３２ｂが検出し、当該操作量に応じた電気的な操作信号Ｘ４を出力する。
ポテンショメータ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂから出力された操作信号Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は制御ユニット５２に送られ、この制御ユニット５２は操作信号Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４に基づいて所定の演算を行い、電磁比例弁２４Ｌ，２４Ｒ，２５Ｌ，２５Ｒ，２６Ｌ，２６Ｒ及び図示しない旋回用制御弁に設けられた電磁比例弁に制御信号を出力する。電磁比例弁２４Ｌ，２４Ｒ，２５Ｌ，２５Ｒ，２６Ｌ，２６Ｒは制御弁２４，２５，２６のそれぞれの油圧駆動に対応して設けられ、制御弁２４，２５，２６は電磁比例弁２４Ｌ，２４Ｒ，２５Ｌ，２５Ｒ，２６Ｌ，２６Ｒにより指示されるパイロット圧力により応じて切り替え方向及び開度を調整し、旋回用制御弁の電磁比例弁も同様であり、これにより油圧ポンプ１９からブームシリンダ１１、アームシリンダ１２、バケットシリンダ１３、及び図示しない旋回モータへ供給される圧油の方向及び流量が制限される。
図示しない左右走行制御弁に対してはそれぞれ操作レバーと操作ペダルが設けられ、操作レバーと操作ペダルの一方が操作されると同様に左右走行制御弁の切り替え方向及び開度が調整される。
以上のような油圧ショベル１に本発明の遠隔制御システムが備えられている。この遠隔制御システムは、油圧ショベル１に装備された機体側制御装置１０１と事務所１００に設置された遠隔操作端末１０２とで構成されている。まず、機体側制御装置１０１について説明する。
ブーム８にはブーム８の回転角度を検出する角度センサ３４が、アーム９にはアーム９の回転角度を検出する角度センサ３５が、バケット１０にはバケット１０の回転角度を検出する角度センサ３６がそれぞれ設けられており、角度センサ３４，３５，３６は、それぞれフロント作業機７の姿勢に応じて電気的な角度信号α、β、γを出力する。
更に、運転室６内には車体の左右傾斜角度を検出する傾斜センサ３７が備えられており、車体の左右傾斜角度に応じて電気的な角度信号σを出力する。
油圧ショベル１の外部にはレーザ光を発するレーザ灯台５１が設置され、油圧ショベル１のアーム９の側面にはレーザ光Ｒを受光するとパルス信号τを発生するレーザ受光器５２が取り付けられている。レーザ灯台５１が発するレーザ光は外部基準となるレーザ基準面Ｒを形成する。
角度センサ３４，３５，３６、傾斜センサ３７から出力された角度信号α、β、γ、σ及びレーザ受光器５２から出力されたパルス信号τは、制御ユニット５３に入力される。制御ユニット５３は無線通信装置５４を備え、各角度信号α、β、γ、σ及びパルス信号τと、管理事務所Ｇから送信され無線通信装置５４により受信する目標掘削面の設定情報に基づき、バケット１０の先端位置や車体に対する目標掘削面の位置関係などを演算し、自動制御の設定値として記憶すると共に表示情報を無線通信装置５４により管理事務所１００の遠隔操作端末１０２に送信する。また、制御ユニット５３は、管理事務所１００の遠隔操作端末１０２から送信され無線通信装置５４により受信する設定情報や自動制御の開始指示（後述）及び無線操縦信号に従い、フロント作業機７が設定された範囲を出ないように制御する範囲制限制御、フロント作業機７が設定された範囲から出そうになるとその範囲に沿って動作させる領域制限掘削制御、あるいは設定された軌跡に沿ってフロント作業機７を動作させる軌跡制御などを行う。
管理事務所１００において、遠隔操作端末１０２はパソコン７１とジョイスティック７２と無線通信装置７３，７４とを有している。パソコン７１は制御装置７１ａ、表示装置７１ｂ、操作装置７１ｃからなり、油圧ショベル１の自動制御の設定手段として用いられる。表示装置７１ｂは例えばＬＣＤからなる画像表示部７１ｄを備えている。操作装置７１ｃは、公知の如く、文字入力キー、カーソル移動キー（上下左右）、リターンキー、数値入力キー（テンキー）等を備えたキーボード及びマウスである。ジョイスティック７２は油圧ショベル１の無線操縦を行うための遠隔操作手段であり、油圧ショベル１に設けられた上述の操作レバー装置３０３Ｌ，３０３Ｒ及び図示しない走行用の操作レバーと同等の機能を有し、ジョイスティック７２を操作するとフロント作業機７に係わる制御弁２４，２５，２６及び図示しない旋回制御弁、左右走行制御弁に対する操作信号が出力される。
無線通信装置７３はパソコン７１の制御装置７１ａに接続され、制御装置７１ａはこの無線通信装置７３を介して油圧ショベル１の制御ユニット５３と情報のやりとりを行う。無線通信装置７４はジョイスティック７２に接続され、ジョイスティック７２は操作信号をこの無線通信装置７４を介して油圧ショベル１の制御ユニット５３に送信する。
無線通信装置５４，７３，７４は、それぞれ、無線通信装置本体５４ａ，７３ａ，７４ａとアンテナ５４ｂ，７３ｂ，７４ｂを備えている。
図２に制御ユニット５３及び無線通信装置５４の構成を示す。制御ユニット５３は、角度センサ３４，３５，３６、傾斜センサ３７からそれぞれ入力される角度信号α，β，γ，σ、レーザ受光器５２から入力されるパルス信号τ、及びポテンショメータ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂから入力される操作信号Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１１０、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１２０、制御手順のプログラムや制御に必要な定数を格納するリードオンリーメモリー（ＲＯＭ）１３０、演算結果あるいは演算途中の数値を一時的に記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１４０、無線通信装置５４の本体５４ａと通信を行うためのシリアルコミュニケーションインターフェース（ＳＣＩ）１５０、ディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１６０を含むシングルチップマイコン１６５と、機種別あるいはグレード別の制御定数、寸法データなどを記憶しておく不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１７０と、増幅器１８０とで構成されている。
無線通信装置５４の本体５４ａは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）３１０、演算のプログラムや演算に必要な定数を格納するリードオンリーメモリー（ＲＯＭ）３２０、演算結果あるいは演算途中の数値を一時的に記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３３０、制御ユニット５３と通信を行うためのシリアルコミュニケーションインターフェース（ＳＣＩ）３４０、無線通信用アンテナ５４ｂで受信した信号を増幅する増幅器３５０とで構成されている。
図３にパソコン７１の制御装置７１ａ及び無線通信装置７３の構成を示す。制御装置７１ａは、操作装置７１ｃからの操作信号を取り込むインターフェース（Ｉ／Ｏ）２１０、中央演算処理装置（ＣＰＵ）２２０、制御手順のプログラムや制御に必要な定数を格納するリードオンリーメモリー（ＲＯＭ）２３０、演算結果あるいは演算途中の数値を一時的に記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２４０、無線通信装置７３の本体７３ａと通信を行うためのシリアルコミュニケーションインターフェース（ＳＣＩ）２５０を含むシングルチップマイコン２５５と、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）２６０と、表示装置７１ｂに表示する表示内容を描画したり加工するためのメモリ２７０と、表示装置７１ｂに表示させるための演算を行う表示演算部２８０と、表示演算部２８０で作成された表示内容を表示装置７１ｂに出力するためのインターフェース２９０とで構成されている。
無線通信装置７３の本体７３ａは、無線通信装置本体５４ａと同様、中央演算処理装置（ＣＰＵ）４１０、リードオンリーメモリー（ＲＯＭ）４２０、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４３０、シリアルコミュニケーションインターフェース（ＳＣＩ）４４０、増幅器４５０とで構成されている。ジョイスティック７２の無線通信装置７４の本体７４ａも同様に構成されている。
図４に、制御ユニット５３のＲＯＭ１３０に記憶された制御プログラムの概要を機能ブロック図で示す。制御ユニット５３は、目標掘削面を設定すると共に遠隔操作端末１０２に送信する表示情報の演算を行う設定・表示処理部５５と、領域制限掘削制御を行う掘削制御部５６とを有している。
設定・表示処理部５５は、角度センサ３４，３５，３６、傾斜センサ３７の角度信号α，β，γ，σ、レーザ受光器５２のパルス信号τと遠隔操作端末１０２からの設定情報（後述）を入力し、油圧ショベル１の下部走行体２と上部旋回体３からなる車体に関して設定されたｘ−ｚ座標系により目標掘削面及びレーザ基準面を演算し、目標掘削面を設定すると共に、遠隔操作端末１０２の表示装置７１ｂに表示される表示情報を演算する。
掘削制御部５６は、設定・表示処理部５５で設定された目標掘削面に基づき、公知の領域制限掘削制御を行うよう制御弁２６，２７，２８に対する指令信号を生成する処理を行う。
図５に設定・表示処理部５５の処理機能をブロック線図で示す。設定・表示処理部５５は、バケット爪先の座標演算部５５ａと、車体とレーザ基準面の位置関係演算部５５ｂと、レーザ基準面と目標掘削面の位置関係（深さ）記憶部５５ｃと、車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部５５ｄと、バケットの爪先深さなどの数値データ演算部５５ｅと、目標掘削面とバケットの位置関係演算部５５ｆと、レーザ基準面と目標掘削面と車体との位置関係演算部５５ｇの各機能を有している。
バケット爪先の座標演算部５５ａは、油圧ショベル１の車体に関して設定されたｘ−ｚ座標系及び各部寸法と角度センサ３４，３５，３６の角度信号α，β，γに基づいて、バケット爪先のｘ−ｚ座標系の座標値（Ｐｖｘ，Ｐｖｚ）を演算する。
車体とレーザ基準面の位置関係演算部５５ｂは、レーザ受光器５２によってレーザ光を受光した際のレーザ受光器５２のｘ−ｚ座標系の座標値（ＰＬｘ，ＰＬｚ）と、傾斜センサ３７の角度信号σと遠隔操作端末１０２で設定された目標掘削面の勾配εとから、ｘ−ｚ座標系におけるレーザ基準面Ｒの一次式を演算する。
レーザ基準面と目標掘削面の位置関係（深さ）記憶部５５ｃは、遠隔操作端末１０２で設定されたレーザ基準面Ｒに対する目標掘削面の深さ（位置関係）ＬｄをＲＡＭ１４０に記憶する。
車体と目標掘削面の位置関係演算・記憶部５５ｄは演算部５５ｂによって演算された車体とレーザ基準面との位置関係と、記憶部５５ｃに記憶された深さ設定値Ｌｄとから、ｘ−ｚ座標系における目標掘削面の一次式を演算する。この目標掘削面の一次式はＲＡＭ１４０に記憶され、掘削制御部５６において領域制限掘削制御の目標掘削面の設定値として用いられる。
数値データ演算部５５ｅは、演算部５５ａによって演算されたバケット爪先の座標値と、演算部５５ｂによって演算された車体とレーザ基準面の位置関係と、演算部５５ｄによって演算された車体と目標掘削面の位置関係とからバケットの爪先深さ、バケット勾配、目標掘削面の設定深さ、勾配などの数値を演算し表示情報とする。
目標掘削面とバケットの位置関係演算部５５ｆは、演算部５５ａによって演算されたバケット爪先の座標値と、演算部５５ｄによって演算された車体と目標掘削面の位置関係とから目標掘削面とバケットの位置関係を演算し表示情報とする。
レーザ基準面と目標掘削面と車体との位置関係演算部５５ｇは、演算部５５ｂによって演算された車体とレーザ基準面の位置関係と、演算部５５ｄによって演算された車体と目標掘削面の位置関係とからレーザ基準面と目標掘削面と車体との位置関係を演算し表示情報とする。
演算部５５ｅ，５５ｆ，５５ｇで演算された数値及び位置関係は表示情報として遠隔操作端末１０２に送信される。
図６に掘削制御部５６の処理機能をブロック線図で示す。掘削制御部５６は、操作信号の最大値選択部５６ａと領域制限掘削制御演算部５６ｂの各機能を有している。最大値選択部５６ａでは操作レバー装置３０３Ｌ，３０３Ｒからの操作信号Ｘ１〜Ｘ３と遠隔操作端末１０２のジョイスティック７２からの無線操縦のための操作信号の対応するものを比較し最大値を選択する。領域制限掘削制御演算部５６ｂでは、その最大値として選択された操作信号と、角度センサ３４，３５，３６の角度信号α，β，γと遠隔操作端末１０２の操作装置７１ｃからの制御開始・終了信号と上記演算・記憶部５５で記憶した目標掘削面の設定情報を入力し、領域制限掘削制御を行うよう演算処理を行い、流量制御弁２４，２５，２６に制御信号を出力する。
ここで、領域制限掘削制御とは、車体基準で目標掘削面を設定し、操作レバーを操作しフロント作業機７の一部、例えば、バケット１０が目標掘削面に近づくと、バケットの目標掘削面に向かう方向の動きのみを減速し、バケット１０が目標掘削面に達すると、バケット１０は目標掘削面の外には出ないが目標掘削面に沿っては動けるようにフロント作業機７を半自動で制御するものであり、その一例が国際公開番号ＷＯ９５／３００５９号公報に開示されている。また、領域制限掘削制御演算部５６ｂは油圧制御弁２４，２５，２６を制御し目標掘削面を形成するようフロント作業機７の動作を制御するフロント制御手段を構成する。
図７に、パソコン７１の制御装置７１ａのＲＯＭ２３０に記憶された制御プログラムの概要を機能ブロック図で示す。制御ユニット７１ａは、パソコン７１の操作装置７１ｃにより入力した目標掘削面の深さ・勾配及び制御の開始・終了指示情報を送信可能な信号に処理する通信処理部８１と、油圧ショベル１から送信された表示情報と操作装置７１ｃからの操作信号に基づき表示演算処理を行い、その処理データを表示装置７１ｂに表示させる表示演算処理部８２とを有している。
表示演算処理部８２の処理内容を図８〜図１６により説明する。
まず、表示装置７１ｂの画像表示部７１ｄに表示する内容を説明する。
図８及び図９は画像表示部７１ｄに選択的に表示する２種類の画面を示すものであり、図８は自動制御のための目標掘削面の深さ、勾配の設定状態を表示する掘削設定画面６１を、図９は掘削設定画面で設定した目標掘削面とバケットの相対位置を拡大表示する掘削モニタ画面６２をそれぞれ示している。これら画面６１，６２はそれぞれ目的とする情報を表示する主画面領域６３と、その右側に位置する副画面領域としてのメニュー領域６４とを有し、メニュー領域６４にはそれぞれの画面情報に応じて複数の項目が設定されている。また、メニュー領域６４の各項目の選択・実行は、例えばパソコン７１の操作装置（キーボード）７１ｃのカーソル移動キー（上下左右）とリターンキーを用いて行う。つまり、メニュー領域６４には各項目を反転表示するカーソルが表示されており、操作装置７１ｃの上下のカーソル移動キーを操作してカーソルを上下に移動し、メニュー領域６４上の希望する項目を選び、リターンキーを押すことで反転表示した項目の内容を決定し実行する。これらのキーを用いる代わりにマウスを用い項目を選択し、クリックすることで決定・実行を行ってもよい。
掘削設定画面６１及び掘削モニタ画面６２の詳細を説明する。
図８において、掘削設定画面６１の主画面領域６３は、車体をシンボルで表示すると共に、自動制御のための目標掘削面の深さ、勾配の設定状態を数値と設定値に応じて動く直線で表示する。また、レーザ基準面を外部基準として用いた場合は、当該レーザ基準面を上下に動く破線で表示する。
また、掘削設定画面６１のメニュー領域６４には「制御ＯＮ／ＯＦＦ」、「勾配］、「深さ」、「画面切換」の各項目がある。操作装置７１ｃの上下のカーソル移動キーを用いてメニュー領域６４の「勾配」を選択し、数値入力キーを操作して数値を入力することで目標掘削面の勾配を設定することができる。このとき、数値を入力すると画面上の勾配の数値が変更され、かつ目標掘削面を示す直線の傾きが変化する。また、レーザ基準面を用いるときは、目標掘削面はレーザ基準面に平行に表示され、数値入力キーを操作するとレーザ基準面を示す破線の傾きも変化する。レーザ基準面は、前述したようにフロント作業機のアームに取り付けたレーザ受光器５２がレーザ基準面一致したときに、レーザ受光器５２がパルス信号を出力することにより設定・表示される。レーザ基準面を用いないときは、目標掘削面の勾配は例えば車体下面の中心を基準として設定・表示される。
また、同様に上下のカーソル移動キーを用いて「深さ」を選択し、数値入力キーを操作して数値を入力することで目標掘削面の深さを設定することができる。このとき、数値を入力すると画面上の設定深さの数値が変更され、かつ目標掘削面を示す直線が上下に移動する。また、レーザ基準面を用いるときは、目標掘削面の深さはレーザ基準面からの値として設定され、レーザ基準面に対して上下に移動する。レーザ基準面を用いないときは、目標掘削面の深さは例えば地面を基準として設定・表示される。
操作装置７１ｃの上下のカーソル移動キーとリターンキーを用いてメニュー領域６４の「制御ＯＮ／ＯＦＦ」を選択・実行すると自動制御が開始される。制御中は画面中に図示の如く「制御中」の表示を行う。この「制御中」の表示は他画面、つまりこれから説明する図９に示す掘削モニタ画面６２に切り換えたときにも行う。また、上記の目標掘削面の設定は制御のＯＮ／ＯＦＦに係わらず行える。再度、「制御ＯＮ／ＯＦＦ」を選択・実行すると自動制御を終了させる。
メニュー領域６４の「画面切換」を選択・実行すると、掘削設定画面６１から掘削モニタ画面６２に切り替わる。
掘削モニタ画面６２の主画面領域６３は、掘削設定画面６１で設定した目標掘削面とバケット１０の位置関係を数値と動くイラストで拡大表示する。目標掘削面の表示は、掘削設定画面６１と同様、設定状態に応じて動く直線を表示することにより行う。バケット１０のイラスト表示は、油圧ショベル１側の制御ユニット５３で計算されたバケット１０の姿勢及び目標掘削面との位置関係に応じて移動、回転するバケットのシンボルを表示することにより行う。管理事務所のオペレータはこの画面を見ることでバケット先端の位置と目標掘削面との位置を常時確認しながら作業することができる。また、自動制御がＯＦＦでもこの画面でジョイスティック７２を用いてそのような作業を行うことができる。
掘削モニタ画面６２のメニュー領域６４には「角度単位」、「画面切換」の各項目がある。操作装置７１ｃの上下のカーソル移動キーとリターンキーを用いて、メニュー領域６４の「角度単位」を選択・実行すると、主画面領域６３に表示される左右傾斜角度とバケット角の角度単位を「°」→「％」→「割分」表示に順次切り替えることができる。
メニュー領域６４の「画面切換」を選択・実行すると、掘削モニタ画面６２から掘削設定画面６１に切り替わる。
図１０は前述した「掘削設定画面６１」と「掘削モニタ画面６２」の画面遷移を示す。オペレータは操作装置７１ｃの上下のカーソル移動キーとリターンキーを用い、上述したように各画面でメニュー領域６４の「画面切換」を選択し実行することで、自由に表示内容を切り換えることができる。
図１１〜図１６に上記のような表示制御を行う表示演算処理部８２の処理手順をフローチャートで示す。
図１１はパソコン７１の制御装置７１ａに電源が投入されたときの処理手順を示すフローチャートである。制御装置７１ａの電源が投入されると、初期画面として掘削設定画面６１を表示し、メニュー領域６４のカーソル初期位置を「画面切換」に設定する（ステップＳ１０４）。次いで、操作装置７１ｃのリターンキーが押され決定操作がなされたかどうか（ステップＳ１４１）、あるいは上下のカーソル移動キーが押されメニュー（上）又は（下）操作がなされたかかどうかを判断する（ステップＳ１４２、１４３）。このとき、メニュー領域のカーソルは「画面切換」にあり、操作装置７１ｃのリターンキーが押されると、掘削モニタ画面６２に切り換え（ステップＳ１４４）、上カーソル移動キーが押されるとカーソルを「深さ」に移動し（ステップＳ１４５）、下カーソル移動キーが押されるとカーソルを「制御ＯＮ／ＯＦＦ」に移動する（ステップＳ１４６）。
図１２は、図１１に示したフローチャートのステップＳ１４５で、掘削設定画面６１のメニュー領域６４のカーソルを「深さ」に移動したときの処理手順を示すフローチャートである。操作装置７１ｃの上下のカーソル移動キーが押されたかどうか（ステップＳ１５１、１５１２）、あるいは数値入力キーが押された数値が入力されたかどうかを判断する（ステップＳ１５３）。上カーソル移動キーが押されるとカーソルを「勾配」に移動させ（ステップＳ１５５）、下カーソル移動キーが押されるとカーソルを「画面切換」に移動させる（ステップＳ１５６）。また、数値入力キーが押されると深さ設定値の数値を入力した数値に変更する（ステップＳ１５７）。
図１３は、図１２に示したフローチャートのステップＳ１５５で、掘削設定画面６１のメニュー領域６４のカーソルを「勾配」に移動したときの処理手順を示すフローチャートである。操作装置７１ｃの上下のカーソル移動キーが押されたかどうか（ステップＳ１６１、１６２）、あるいは数値入力キーが押され数値が入力されたかどうかを判断する（ステップＳ１６３）。上カーソル移動キーが押されるとカーソルを「制御ＯＮ／ＯＦＦ」に移動させ（ステップＳ１６５）、下カーソル移動キーが押されるとカーソルを「深さ」に移動させる（ステップＳ１６６）。また、数値入力キーが押されると勾配設定値の数値を入力した数値に変更する（ステップＳ１６７）。
図１４は、図１３に示したフローチャートのステップＳ１６５で、掘削設定画面６１のメニュー領域６４のカーソルを「制御ＯＮ／ＯＦＦ」に移動させたときの処理手順を示すフローチャートである。操作装置７１ｃの上下のカーソル移動キーが押されたかどうか（ステップＳ１７１、１７２）、あるいはリターンキーが押されたかどうかを判断する（ステップＳ１７２）。上カーソル移動キーが押されるとカーソルを「画面切換」に移動させ（ステップＳ１７４）、下カーソル移動キーが押されるとカーソルを「勾配」に移動させる（ステップＳ１７５）。リターンキーが押されると、制御状態で「制御中」が表示されているかどうかを判断し（ステップＳ１７６）、制御状態であると「制御中」の表示をＯＦＦにし、かつ制御ユニットに制御ＯＦＦ指令のコマンドを送る（ステップＳ１７７）。制御状態でないと「制御中」を表示し、かつ制御ユニット５２に制御ＯＮ指令のコマンドを送る（ステップＳ１７８）。
図１５は、図１１に示したフローチャートのステップＳ１４４で、掘削モニタ画面６２に切り換えたときの処理手順を示すフローチャートである。このとき、カーソルは「画面切換」位置にある。また、掘削モニタ画面６２に表示されるバケット角の角度の単位の初期値は「°」を表示する。次いで、操作装置７１ｃのリターンキーが押されたかどうか（ステップＳ１８１）、あるいは上下のカーソル移動キーが押されたかどうかを判断する（ステップＳ１８２，１８３）。リターンキーが押されると掘削設定画面６１に切り換える（ステップＳ１８２）。上カーソル移動キーまたはしたカーソル移動キーが押されるとカーソルを「角度単位」に移動させ（ステップＳ１８４）。
図１６は、図１５に示したフローチャートのステップＳ１８４で、カーソルを「角度単位」に移動させたときの処理手順を示すフローチャートである。操作装置７１ｃのリターンキーが押されたかどうか（ステップＳ１１１）、あるいは上下のカーソル移動キーが押されたかどうかを判断する（ステップＳ１１２、１１３）。リターンキーが押されると、現在の角度単位が「°」であるかどうか（ステップＳ１１４）、あるいは「％」であるかどうか（ステップＳ１１６）が判断され、その判断結果に応じて角度単位を「％」（ステップＳ１１５）、「割分」（ステップＳ１１７）、「°」（ステップＳ１１８）に設定する。掘削モニタ画面６２にはバケット角の角度単位の初期値として「°」が表示されており、電源投入後、始めてリターンキーが押された場合は、現在の角度単位が「°」であるのでステップＳ１１４で肯定され、ステップＳ１１５で角度単位を「％」に変更する。その後、再度リターンキーが押されると、ステップＳ１１４で否定され、ステップＳ１１５で肯定され、ステップＳ１１７で角度単位を「割分」に変更する。その後、更にリターンキーが押されると、ステップＳ１１４，Ｓ１１５で否定され、ステップＳ１１８で角度単位を「°」に変更する。
また、上カーソル移動キー又は下カーソル移動キーが押されるとカーソルを「画面切換」に移動する（ステップＳ１２０）。
以上の遠隔制御システムを用いた作業例を説明する。
まず、作業現場において、これから掘削しようとする目標掘削面の近くに油圧ショベル１を移動設置し、かつレーザ灯台５１を適所に設置する。レーザ灯台５１の設置箇所としては、目標掘削面に平行にレーザ基準面（外部基準）Ｒを形成できかつ油圧ショベル１のアーム９に取り付けたレーザ受光器５２がそのレーザ基準面のレーザ光を受光できる場所を選択する。次いで、レーザ基準面Ｒの角度をこれから掘削しようとする目標掘削面の角度に合わせるようレーザ灯台５１のレーザ光の発射方向を調整するとともに、制御ユニット５３の電源を入れ、作業現場での準備作業を完了する。作業員は準備作業の完了を携帯電話などで管理事務所１００側のオペレータに知らせる。
一方、遠隔操作端末１０２を設置した管理事務所１００においては、パソコン７１の電源を入れ、表示装置７１ｂの表示部に掘削設定画面６１を表示する。ここで、制御ユニット５３の電源ＯＮ時、目標掘削面の深さ及びレーザ基準面の一次式の初期値としてはそれらが掘削設定画面６１に表示されない値が設定されるようにしておく。これにより掘削設定画面６１の初期画面では建設機械１の車体は表示されるが、目標掘削面及びレーザ基準面は表示されない。また、目標掘削面の勾配としては０°を設定しておく。
作業現場から準備作業が完了したことを知らされると、管理事務所のオペレータはジョイスティック７１を操作して油圧ショベル１のフロント作業機７を遠隔で操縦し、レーザ受光器５２にレーザ灯台５１のレーザ光を受光させる。レーザ受光器５２がレーザ光を受光すると、前述したように油圧ショベル１に搭載された制御ユニット５３の設定・表示処理部５５において、演算部５５ｂにて車体とレーザ基準面の位置関係が演算され、演算部５５ｇにてレーザ基準面と目標掘削面と車体との位置関係が演算される。演算部５５ｇの演算結果は表示情報として管理事務所側に無線で送信され、表示装置７１ｂの掘削設定画面６１には油圧ショベル１の車体とレーザ基準面が表示される。このとき、目標掘削面の設定情報としては上述した初期値が用いられるので、掘削設定画面６１ではレーザ基準面は水平に表示される。
次いで、管理事務所側では、オペレータはパソコン７１の操作装置７１ｃを用いて目標掘削面の深さと勾配（設定情報）を入力する。この操作は、掘削設定画面６１のメニュー領域６４の「深さ」又は「勾配」の項目を選択し、主画面領域６３を見ながら行う。オペレータが入力した設定情報は無線で油圧ショベル１の制御ユニット５３に送信され、演算部５５ｂ，５５ｄにてその設定情報を用いて車体とレーザ基準面の位置関係、車体と目標掘削面の位置関係が演算され、演算部５５ｇにてレーザ基準面と目標掘削メント車体の位置関係が演算される。その演算結果は表示情報として管理事務所側に無線で送り戻され、表示装置７１ｂの掘削設定画面６１にオペレータの入力値に応じてレーザ基準面と目標掘削面が表示される。例えば、目標掘削面の勾配を入力すれば、それに応じて掘削設定画面６１に表示されるレーザ基準面の角度が変わり、目標掘削面の深さを入力すれば、それに応じた位置にレーザ基準面と平行に目標掘削面が表示され、目標掘削面の深さの数値を変えれば、それに応じて目標掘削面はレーザ基準面に対し平行移動する。このようにオペレータは、掘削設定画面６１を見ながら最適の位置に目標掘削面を設定することができる。
一方、油圧ショベル１側では、その目標掘削面は、制御ユニット５３の演算部５５ｄにて車体と目標掘削面の位置関係（車体のｘ−ｚ座標系における一次式）として記憶される。
なお、このように設定操作を行うとき、作業現場の作業員と携帯電話で連絡を取り合ったり、作業現場をカメラで撮影し、その画像情報を管理事務所１００側のモニタテレビに表示できるようにしておくことが好ましく、管理事務所１００のオペレータはその携帯電話による連絡やモニタテレビの画像を通じて現場の地形情報を把握し、これにより一層適切に目標掘削面を設定することができる。
以上のように目標掘削面が設定されると、管理事務所１００側のオペレータは、掘削設定画面６１のメニュー領域６４で「制御ＯＮ／ＯＦＦ」の項目を選択実行し、油圧ショベル１の領域制限掘削制御を開始する。この領域制限掘削制御では、オペレータはジョイスティック７２を操作し、油圧ショベル１のフロント作業機７を無線操縦することで、油圧ショベル１はバケット先端が目標掘削面を超えないように半自動で制御され、目標掘削面を容易に形成することができる。
また、この無線操縦による半自動制御では、表示装置７１ｂの画面を掘削モニタ画面６２に切り換えてもよい。掘削モニタ画面６２では、バケットシンボルと目標掘削面の位置関係が拡大表示されているので、オペレータはその画面を見ながらバケットと目標掘削面の位置関係を常時確認しながら作業を行うことができる。
以上のように構成した本実施の形態によれば次の効果が得られる。
１）油圧ショベル１にフロント作業機７の動作を半自動で制御する領域制限掘削制御機能を搭載し、この油圧ショベル１に対し遠隔操作端末１０２を設け、目標掘削面の設定情報の入力と無線操縦を遠隔操作端末１０２側で行えるようにし、かつ遠隔操作端末１０２に油圧ショベル１と目標掘削面との位置関係を表示する表示装置７１ｂを設けたので、オペレータは表示装置７１ｂの画面を見ながら遠隔で目標掘削面の設定を行うことができるとともに、遠隔でフロント作業機７を操縦し、領域制限掘削制御の半自動制御機能を利用して目標掘削面を形成することができ、これにより目標掘削面の遠隔設定と油圧ショベル１の遠隔操縦を容易に行うことができる。
２）領域制限掘削制御は、ジョイスティック７２の無線操縦信号と操作装置７１ｃの設定情報に基づいてフロント作業機の動作を制御する半自動制御であるので、手動方式に比べオペレータの負担は格段に減り、かつ設定情報を変えるだけで種々の作業現場に容易に対応することができる。
３）遠隔操作端末１０２側での目標掘削面の設定情報の入力は、油圧ショベル１のレーザ基準面に対する目標掘削面の位置関係を入力することにより行い、油圧ショベル１側でその設定情報を油圧ショベル１に対する位置関係に変換するので、オペレータは外部基準であるレーザ基準面を用いて目標掘削面を設定することができる。また、このとき、遠隔操作端末１０２の表示装置７１ｂにレーザ基準面と目標掘削面と油圧ショベル１の位置関係を表示するので、オペレータは表示装置の画面を見ながら容易に目標掘削面を設定することができる。
なお、上記実施の形態では、油圧ショベル１側の制御ユニット５３の設定・表示処理部５５にバケットの爪先深さなどの数値データ演算部５５ｅと、目標掘削面とバケットの位置関係演算部５５ｆと、レーザ基準面と目標掘削面と車体との位置関係演算部５５ｇを設けたが、これらの演算部は遠隔操作端末１０２側の制御装置７１ａに設けてもよい。
また、遠隔操作端末１０２のパソコン７１とジョイスティック７２を離れた場所に設置してもよい。
また、遠隔操作端末１０２ではパソコン７１用の無線通信装置７３とジョイスティック７２用の無線通信装置７４とを別個に構成したが、これらの無線通信装置は１つにまとめてもよい。
更に、上記実施の形態では、管理事務所１００側のみに表示装置７１ｂと操作装置７１ｃを設置したが、油圧ショベル１側にも表示装置と操作装置を設置してもよく、この場合は、状況に応じ、油圧ショベル１にオペレータが搭乗し、有人で設定及び制御操作を行うことができる。
更に、上記の実施の形態では、自動制御に係わる作業の目標となる面や領域の設定状態を数値と動くイラストで表示する画面（掘削設定画面６１）以外の画面として掘削モニタ画面６２を設けたが、これに代え、或いはこれに加え、別の画面を表示するようにしてもよい。別の画面としては、例えば燃料計、油圧温度計、エンジン冷却水温時計等の計器情報を表示する計器情報画面や、水温異常や油温異常を表示する異常警告情報画面、エンジン回転数、掘削負荷、走行負荷、旋回負荷等の稼動情報を表示する稼動情報画面等が考えられる。
本発明の他の実施の形態を説明する。
上記の実施の形態では、外部基準としてレーザ基準面を用いたが、位置及び姿勢が既知である外部座標系を外部基準として用いることができる。位置及び姿勢が既知である外部座標系の代表例としてはＧＰＳ（ｇｒｏｂａｌ  ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）で用いるグローバル座標系がある。グローバル座標系とは地球の準拠楕円体の中心に原点を持つ直交座標系である。ＧＰＳによりグローバル座標系を外部基準として油圧ショベル１の位置・方向を計測・把握するとともに、表示装置にＧＰＳ情報と関連づけられた地形データと設計データを表示することにより、その設計データを目標作業面として用いることができる。
つまり、車体にＧＰＳアンテナを一個若しくは複数個設置し、複数のＧＰＳ衛星からの信号を用いてＧＰＳアンテナの位置を地球上の緯度・経度・海抜高さ情報として検出し、その情報をグローバル座標系の値に変換し、所定の演算処理を行うことにより油圧ショベルの位置や車体の方向を把握する。この演算処理は油圧ショベルに設置した制御装置で行ってもよいが、好ましくは管理事務所に設置したパソコンの制御装置で行う。パソコンの制御装置には地球上の緯度・経度・海抜高さ情報を用いて三次元に加工した施工データを設定しておく。この施工データには地形データと施工計画線（設計データ）が含まれる。パソコンの表示装置は油圧ショベルの位置・方向情報と三次元の施工データを入力し、それらを表示する。また、パソコンの制御装置は油圧ショベルの位置・方向情報と三次元の施工データとを比較して、現在の車体位置・方向における目標の掘削面を演算し、この目標掘削面の設定情報を油圧ショベルの車体基準の設定情報に変換し、油圧ショベルに送信する。油圧ショベルはその設定情報を記憶し、自動制御に使用する。施工データから得た目標掘削面の設定情報は油圧ショベルに送信し、油圧ショベル１でその設定情報を車体基準の設定情報に変換してもよい。
図１７〜図２０は、グローバル座標系における油圧ショベルの位置・方向を特定する方法として２個のＧＰＳアンテナを用いるものを本発明の第２の実施の形態として示すものである。図中、図１に示した部材と同等のものには同じ符号を付している。
図１７は本実施の形態に係わる油圧ショベルの外観を示す図である。油圧ショベル１Ａには、ブーム回転角検出器３４、アーム回転角検出器３５、バケット回転角検出器３６に加え、下部走行体２と上部旋回体３の回転角（旋回角度）を検出する角度センサ５２０、上部旋回体３の前後方向の傾斜角（ピッチ角度）と左右方向の傾斜角（ロール角度）を検出する傾斜センサ５２４が設けられている。
また、油圧ショベル１Ａには、ＧＰＳ衛星からの位置信号を受信する２個のＧＰＳアンテナ５３１，５３２、受信した位置信号を管理事務所１００に送信するための無線アンテナ５３３、各種センサ３４〜３６，５２０，５２４の信号を管理事務所１００に送信し、管理事務所１００から無線操縦信号や目標掘削面の設定情報及び表示情報（後述）の各種データを受信する無線アンテナ５３５が設けられている。２個のＧＰＳアンテナ５３１，５３２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。
図１８は本実施の形態に係わる遠隔制御システム及び遠隔設定システムの全体構成を示す図である。
機体側制御装置１０１Ａは、車体コントローラ６３３と、表示装置６３４と、無線アンテナ５３５及び無線機６３５からなる無線通信装置５４Ａと、ＧＰＳアンテナ５３１，５３２及びＧＰＳ受信機５４３，５４４と、無線アンテナ５３３及び無線機５４７からなる無線通信装置５４８とを備えている。
遠隔操作端末１０２Ａは、制御装置６４３、表示装置６４４、操作装置６４５からなるパソコン７１Ａと、無線アンテナ６４１及び無線機６４２からなる無線通信装置７３Ａと、ジョイスティック７２と、無線機７４ａ及び無線アンテナ７４ｂからなる無線通信装置７４と、ＧＰＳアンテナ５５２、無線アンテナ５５３及び無線機５５６からなる無線通信装置５５４と、ＧＰＳアンテナ５５２、ＧＰＳ受信機５５５及びＧＰＳコンピュータ５５７とを備えている。
機体側制御装置１０１Ａ側の動作は、車体コントローラ６３３がセンサ３４〜３６，５２０，５２４の信号を入力しアンテナ５３５及び無線機６３５を介して遠隔操作端末１０２Ａに送信する点、アンテナ５３５及び無線機６３５を介して遠隔操作端末１０２Ａから表示情報を受信し表示装置６３４に表示させる点、ＧＰＳ受信機５４３，５４４が受信したＧＰＳアンテナ５３１，５３２の位置情報をアンテナ５３３及び無線機５４７を介して遠隔操作端末１０２Ａに送信する点を除いて、第１の実施の形態と実質的に同じである。
遠隔操作端末１０２Ａ側では、機体側制御装置１０１Ａから送信されたセンサ３４〜３６，５２０，５２４の信号をアンテナ６４１及び無線機６４２で受信し、パソコン７１Ａの制御装置６４３に入力するとともに、機体側制御装置１０１Ａから送信されたＧＰＳアンテナ５３１，５３２の位置情報をアンテナ５５３及び無線機５５６で受信し、ＧＰＳコンピュータ５５７で補正した後、パソコン７１Ａの制御装置６４３に入力する。
本実施の形態では高精度での位置計測を行うため、ＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）計測を行う。ＧＰＳアンテナ５５２、ＧＰＳ受信機５５５及びＧＰＳコンピュータ５５７はそのための基準局としての役割も持つものであり、ＧＰＳコンピュータ５５７は予め計測したアンテナ５２の３次元位置データと、ＧＰＳアンテナ５５２により受信されるＧＰＳ衛星からの位置信号とに基づき、ＲＴＫ計測のための補正データを生成し、この補正データを用いてＧＰＳアンテナ５３１，５３２により受信したＧＰＳ衛星からの位置情報を補正し、ＧＰＳアンテナ５３１，５３２の３次元位置のＲＴＫ計測を行う。このＲＴＫ計測によって、ＧＰＳアンテナ５３１，５３２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ソコン７１Ａの制御装置６４３に入力される。
制御装置６４３には、地球上の緯度・経度・海抜高さ情報を用いて三次元に加工した施工データを入力し、記憶装置に記憶しておく。施工データの入力は操作装置６４５を用いて行う。この場合、操作装置６４５により施工データを作成し、記憶させてもよいし、外部で作成した施工データをＭＯ等の記録メディアを用いて制御装置６４３にインストールし、記憶させてもよい。このとき、その施工データを更に加工してもよい。この施工データには地形データと施工計画線（設計データ）が含まれるのが好ましいが、施工計画線（設計データ）だけであってもよい。制御装置６４３は、無線機６４２及びＧＰＳコンピュータ５５７から入力した情報に基づき、グローバル座標系にて現在の車体位置・方向における目標の掘削面を演算し、その目標掘削面を油圧ショベルのイラスト及び該当する施工データ部分とともに表示装置６４４に表示させる。また、制御装置６４３は、その目標掘削面の設定情報を油圧ショベルの車体基準の設定情報に変換し、機体側制御装置１０１Ａに送信する。機体側制御装置１０１Ａではその設定情報を制御ユニット６４３に記憶し、フロント作業機７の制御に使用する。
また、油圧ショベルの作業状態や施工状態を監視するため、制御装置６４３はフロント作業機７のバケット先端位置をグローバル座標系にて演算し、表示装置６４４に表示させるとともに、その表示情報を目標掘削面、油圧ショベルのイラストの表示情報とともに機体側制御装置１０１Ａに送信する。機体側制御装置１０１Ａではその表示情報を制御ユニット６４３を介して表示装置６３４に表示させる。これにより、状況に応じ、油圧ショベル１Ａにオペレータが搭乗し、有人で制御操作を行うことができる。
図１９はグローバル座標系の概念を説明する図である。
図１９において、Ｇは地球の準拠楕円体であり、グローバル座標系ΣＧ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ΣＧ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ΣＧを設定することで、ＧＰＳの位置情報をグローバル座標系ΣＧの値に容易に変換することができる。
図２０は制御装置６４３の演算処理手順の一例を示すフローチャートである。
まず、ＧＰＳコンピュータ５５７で求めたＧＰＳアンテナ５３１の３次元位置（緯度、経度、高さ）をグローバル座標系ΣＧの値ＧＰ１に変換する（ステップＳ５１０）。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、ＧＰＳコンピュータ５５７で求めたＧＰＳアンテナ５３２の３次元位置をグローバル座標系ΣＧの値ＧＰ２に変換する（ステップＳ５２０）。次いで、そのようにして求めたＧＰＳアンテナ５３１，５３２のグローバル座標系ΣＧでの３次元位置ＧＰ１，ＧＰ２と、旋回角度センサ５２０で検出した旋回角度、傾斜センサ５２４で検出した傾斜角度（ピッチ角度及びロール角度）と、記憶装置に記憶したショベルベース座標系ΣＳＢの原点に対するＧＰＳアンテナ５３１，５３２の位置関係とからショベルベース座標系ΣＳＢの位置及び姿勢（下部走行体２の方向）をグローバル座標系ΣＧの値ＧΣＳＢで求める（ステップＳ５３０）。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。
ここで、ショベルベース座標系ΣＳＢとは、油圧ショベルの下部走行体２に固定して設定され、３軸のうちの１軸が上部旋回体３の回転軸上或いはその近傍に位置する直交座標系をいう。
次いで、制御装置６４３の記憶装置に記憶した施工データを読みだし、それをグローバル座標系ΣＧのデータに変換し、この施工データをグローバル座標系でのショベルベース座標系ＧΣＳＢと比較して、ショベルベース座標系ＧΣＳＢの位置・方向における２次元データとしての施工データ部分を抽出し、この施工データ部分から目標掘削面（ΣＧ）を演算する（ステップＳ５４０）。次いで、ショベルベース座標系ＧΣＳＢの座標データを用いてその目標掘削面（ΣＧ）をショベルベース座標系ΣＳＢの値に変換する（ステップＳ５５０）。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。ショベルベース座標系ΣＳＢの値に変換した目標掘削面（ΣＳＢ）はアンテナ６４１及び無線機６４２を介して機体側制御装置１０１Ａに送信する（ステップＳ５６０）。機体側制御装置１０１Ａでは、その設定情報を制御ユニット６４３に記憶し、フロント作業機７の制御に使用する。
次いで、角度センサ３４〜３６で検出したブーム角度、アーム角度、バケット角度と、旋回角度センサ５２０で検出した旋回角度と、記憶装置に記憶したショベルベース座標系ΣＳＢの原点とブーム８の基端との位置関係及びブーム８、アーム９、バケット１０の寸法とからショベルベース座標系ΣＢにてバケット先端位置ＢＰＢＫを求める（ステップＳ５７０）。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Ｓ５３０で求めたグローバル座標系ΣＧでのショベルベース座標系の値ＧΣＳＢとステップＳ５７０で求めたショベルベース座標系でのバケット先端位置ＢＰＢＫとからグローバル座標系ΣＧでのバケット先端位置ＧＰＢＫを求める（ステップＳ５８０）。そして、ステップＳ５４０で求めたグローバル座標系での目標掘削面（ΣＧ）及びステップＳ５８０で求めたグローバル座標系でのバケット先端位置ＧＰＢＫを経度、緯度、高さの３次元データに変換する（ステップＳ５９０）。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。
次いで、経度、緯度、高さの３次元データに変換した目標掘削面及びバケット先端位置を表示装置６４４に表示させ（ステップＳ６００）、更にその目標掘削面及びバケット先端位置の情報をアンテナ６４１及び無線機６４２を介して機体側制御装置１０１Ａに送信する（ステップＳ６１０）。機体側制御装置１０１Ａでは、その情報を制御ユニット６４３を介して表示装置６３４に表示させる。なお、このとき、ステップＳ５４０で抽出したショベルベース座標系ＧΣＳＢの位置・方向における２次元データとしての施工データ部分に含まれる地形データも経度、緯度、高さの３次元データに変換し、表示装置６４４，６３４に表示してもよい。
以上のように構成した本実施の形態においては、油圧ショベル１Ａの車体の一部である上部旋回体３に搭載した２個のＧＰＳアンテナ５３１，５３２を用いてグローバル座標系での油圧ショベル１Ａの車体（下部走行体２）の位置及び方向（グローバル座標系でのショベルベース座標系ＧΣＳＢの位置及び姿勢）を特定するので、地球上の緯度・経度・海抜高さ情報を用いて三次元に加工した施工データを利用した目標作業面の遠隔設定と油圧ショベルの遠隔操縦を容易に行うことができる。また、油圧ショベルが走行し移動しても、車体の位置及び方向を特定することができるので、油圧ショベルの移動に係わらず施工データを利用した目標作業面の遠隔設定と油圧ショベルの遠隔操縦が可能となる。
更に、作業装置であるバケット７の先端（モニタポイント）の位置を計測するので、作業状態や施工状態を監視することができる。
また、本実施の形態によれば、油圧ショベルが目標とする掘削面の設定情報が管理事務所の遠隔操作端末１０２Ａから無線を通じて送られてくるので、膨大な電子データである施工データを機体側制御装置１０１Ａに記憶する必要が無く、かつ管理事務所で現在の車体位置における目標の掘削面を表示装置６３４を見ながら把握することが可能となる。また、ＣＤ−Ｒのように車体に記録メディアを駆動する装置を必要としないので、安価なシステムであり、耐環境性も良く信頼性に優れる。
なお、上記の実施の形態では、２個のＧＰＳアンテナ５３１，５３２と上部旋回体３の傾斜角を検出する傾斜センサ５２４とを用いてグローバル座標系でのショベルベース座標系の位置及び姿勢を求めたが、傾斜センサを設けずに、上部旋回体３の旋回中心から外れた３カ所に３個のＧＰＳアンテナを設けてもよく、この場合も３個のＧＰＳアンテナの位置情報でグローバル座標系でのショベルベース座標系の位置及び姿勢を求めることができる。
また、油圧ショベル１Ａにオペレータが搭乗し、有人で制御操作を行う方式に特化する場合は、遠隔操作手段であるジョイスティック７２及び無線通信装置７４は無くてもよい。
既知の外部座標系における油圧ショベルの位置・方向を特定する方法として直接ＧＰＳを用いない方法を本発明の第３の実施の形態として図２１〜図２７により説明する。図中、図１及び図１７に示した部材と同等のものには同じ符号を付している。
図２１は本実施の形態に係わる油圧ショベルの外観を示す図である。油圧ショベル１Ｂの上部旋回体３の上部にはレーザ光のリフレクタ７６１が設けられ、フロント作業機７のアーム９の側面にはレーザ受光器７２５が設けられている。リフレクタ７６１は上部旋回体３の旋回中心である旋回軸近傍の位置に立てた柱の上端に設けられている。アンテナ類としては、各種センサ３４〜３６，５２０，５２４の信号及びレーザ受光器７２５の信号を管理事務所１００に送信し、管理事務所１００から無線操縦信号や目標掘削面の設定情報及び表示情報（後述）の各種データを受信する無線アンテナ５３５が設けられているだけである。
また、油圧ショベル１Ｂの外部には、リフレクタ７６１の位置をリアルタイムに追尾し、その距離と方位を計測するレーザ追尾装置７６２と、レーザ受光器７２５に対してレーザ光波面７６３を投影するレーザ灯台７６４が設置されている。レーザ追尾装置７６２とレーザ灯台７６４は共に地上に設置されている。リフレクタ７６１とレーザ追尾装置７６２は自動追尾トータルステーションシステムとして知られているものである。なお、レーザ追尾装置７６２の設置位置にワールド座標系が設定される（後述）。
ここで、レーザ追尾装置７６２の設置位置は事前に計測し、その位置を緯度、経度、高さの３次元データとして把握しておく。これによりその位置と前述したグローバル座標系との位置関係は既知となり、その位置に設定されたワールド座標系とグローバル座標系との位置関係も既知となる。
図２２は本実施の形態に係わる遠隔制御システム及び遠隔設定システムの全体構成を示す図である。
機体側制御装置１０１Ｂは、車体コントローラ６３３Ｂにレーザ受光器７２５の受光信号が更に入力され、その受光信号もアンテナ５３５及び無線機６３５を介して送信される点、図１８に示したＧＰＳ受信システムが無い点を除いて、図１８に示した実施の形態のものと実質的に同じである。
遠隔操作端末１０２Ｂは、アンテナ６４１及び無線機６４２で機体側制御装置１０１Ｂから送信されたレーザ受光器７２５の受光信号を更に受信し、パソコン７１Ｂの制御装置６４３Ｂに入力する点、図１８に示したＧＰＳ受信処理システムの代わりに、レーザ追尾装置７６２で追尾している油圧ショベル１Ｂ上のリフレクタ７６１の位置信号を有線又は無線によりパソコン７１Ｂの制御装置６４３Ｂに入力する点を除いて、図１８に示した実施の形態のものと実質的に同じである。
レーザ追尾装置７６２の設置位置（ワールド座標系）に対する下部走行体２の位置と方向（姿勢）を同定する方法の詳細を図２３及び図２４を用いて説明する。
図２１に示した法面掘削では、レーザ灯台７６４の発光するレーザ光波面７６３を、掘削動作を行うフロント作業機７の適当な位置でレーザ受光器７２５がよぎるように設置することができる。機体側制御装置１０１Ｂでは、各種角度センサ３４〜３６，５２０の信号、傾斜計５２４の信号及びレーザ受光器２５の信号を車体コントローラ６３３Ｂに取り込み、全ての入力データを遠隔操作端末１０２Ｂ側に送信する。遠隔操作端末１０２Ｂの制御装置６４３Ｂではこれらのデータを受信する。オペレータの操作によりフロント作業機７を動かし、レーザ受光器７２５がレーザ灯台７６４の発するレーザ光波面７６３を受光したとき、遠隔操作端末１０２Ｂの制御装置６４３Ｂでは、そのことをトリガーとしてそのときの受信データを用いて下部走行体２の位置と方向を特定するための演算を開始する。
油圧ショベル１Ｂが水平に位置していると仮定すると、受信データのうちブーム角度計３４とアーム角度計３５の値から、リフレクタ７６１を基準点としてレーザ受光器７２５までの水平距離（水平面に対する投影長さ）ｌＢＫと、水平面に対する仰角αが求まる。実際には、油圧ショベル１Ｂは水平面に対し微少に傾斜して位置することが多い。このため、更に傾斜計５２４も用い、上記の値を補正してリフレクタ７６１を基準点としたレーザ受光器７２５の水平距離ｌＢＫと仰角αを求める。
レーザ追尾装置７６２を設置した位置とグローバル座標系との位置関係は既知であり、グローバル座標系の位置と方向は既知であるため、前述したようにその設置位置に便宜的な指標としてワールド座標系ΣＷを設定する。リフレクタ７６１の位置は、レーザ追尾装置７６２による計測結果により既知である。これをワールド座標系で表現しＷＰｒｆとする。ここでＰは位置ベクトルであることを、左上付き添え宇Ｗはワールド座標系であることを、右下付き添え宇ｒｆはリフレクタを表すものとする。
上記ｌＢＫとαとＷＰｒｆとからレーザ受光器７２５が存在する可能性がある水平面内の領域をワールド座標系による円の方程式で表すことができる。これを受光器存在可能円と呼ぶことにする。
一方、レーザ光波面７６３とレーザ追尾装置７６２との位置関係は予め設定可能であり、既知であり、面の方程式で表現できる。例えば、油圧ショベル１Ｂが水平に位置していると仮定すると、レーザ光波面７６３を垂直方向に設定した場合は、レーザ追尾装置７６２とレーザ灯台７６４の距離（ワールド座標系のｙＷ座標値）でレーザ光波面７６３を表現できる。レーザ光波面７６３とレーザ追尾装置７６２との位置関係の一般的な同定方法については後述する。
上記受光器存在可能円とレーザ光波面の方程式よりそれらの交点であるＷＰＬ，ＷＰＬ′の２点が求まる。油圧ショベル１Ｂの作業状況は、作業進行計画或いは監視カメラ等により把握でき、その作業状況に応じてＷＰＬ，ＷＰＬ′のうちの一方であるＷＰＬを選択することで、レーザ受光器２５の位置を特定できる。
ここで、リフレクタ７６１の位置ＷＰｒｆはワールド座標系での上部旋回体３の位置に該当し、レーザ受光器７２５の位置ＷＰＬはワールド座標系での上部旋回体３の方向に該当する。つまり、ＷＰｒｆとＷＰＬによりワールド座標系での上部旋回体３の位置と方向を特定できる。
このようにしてワールド座標系での上部旋回体３の位置と方向を特定できれば、角度センサ５２０で検出した旋回角度の値θＳＷと傾斜センサ５２４で検出したピッチ角とロール角の値から、ワールド座標系での下部走行体２の位置と方向を特定できる。またこれにより、油圧ショベル１Ｂの下部走行体２に固定して設定した、油圧ショベル１Ｂの動作を表現するベースとなる座標系であるショベルベース座標系ＷΣＳＢが特定できる。
また、一度ショベルベース座標系が特定できれば、走行操作をしないか、あるいは下部走行体２が位置ずれを起こさない限り、再度、ショベルベース座標系を演算する必要はない。図２１に示した法面掘削作業では、前述したように、上部旋回体３を旋回させることではバケット１０の先端が掘削したい位置に届かなくなると、油圧ショベル１Ｂを走行移動するので、このように油圧ショベルを移動させた場合は、再度、オペレータはフロント作業機７を動かし、受光器７２５の受光信号をトリガーとして上記の演算を行わせ、ショベルベース座標系ＷΣＳＢを特定する。
以上のような演算を行うことによって、油圧ショベル１Ｂの位置が変わっても常にワールド座標系でのショベルベース座標系ＷΣＳＢを求めることができる。
ここで、ワールド座標系ΣＷを設定したレーザ追尾装置７６２の設置位置とグローバル座標系との位置関係は既知であるため、ワールド座標系でのショベルベース座標系ＷΣＳＢは容易にグローバル座標系での値ＧΣＳＢに変換することができ、このグローバル座標系ΣＧでのショベルベース座標系ＧΣＳＢを用いることにより、地球上の緯度・経度・海抜高さ情報を用いて三次元に加工した施工データを利用することが可能となる。
図２５及び図２６は、上記の考え方に基づく遠隔操作端末１０２Ｂの制御装置６４３Ｂ内での演算処理手順の一例を示すフローチャートである。
図２５において、まず、各種角度センサ３４〜３６，５２０、傾斜センサ５２４の値、レーザ受光器７２５が受光状態であるかどうかを示す信号、リフレクタ７６１の位置ＷＰｒｆの入力を行う（ステップＳ７１０）。角度センサ３４〜３６，５２０、傾斜センサ５２４の値とレーザ受光器７２５が受光状態であるかどうかを示す信号に関しては、機体側制御装置１０１Ｂからアンテナ６４１、無線機６４２を介して入力する。リフレクタ７６１の位置ＷＰｒｆはレーザ追尾装置７６２より入力する。
次に、レーザ受光器７２５が受光状態であるかどうかを判定し（ステップＳ７２０）、受光状態ならステップＳ７３０へ進み、受光状態でなければステップＳ７６７へ飛ぶ。ステップＳ７３０では、受光器存在可能円の方程式を求める（ステップＳ７３０）。つまり、まず、角度センサ３４，３５のブーム角度、アーム角度と傾斜センサ５２４のピッチ角及びロール角とから上述したようにレーザ受光器７２５のリフレクタ７６１に対する水平距離ｌＢＫと水平面からの傾きαを求める。次に、この演算値ｌＢＫ，αとリフレクタ７６１の位置ＷＰｒｆとから水平面と平行な受光器存在可能円の方程式を求める。
次に、予め設定されているレーザ光波面の方程式とステップＳ７３０で求めた受光器存在可能円の方程式から、それらの交点ＷＰＬ，ＷＰＬ′を演算する（ステップＳ７４０）。そして、作業現場の条件（この例では、レーザ追尾装置７６２に近い側）により、レーザ受光器７２５の位置としてＷＰＬを選択する（ステップＳ７５０）。
以上のようにして求めたＷＰｒｆとＷＰＬによりワールド座標系での上部旋回体３の位置と方向を特定し、角度センサ５２０の旋回角度、傾斜センサ５２４のピッチ角及びロール角の値より、ワールド座標系におけるショベルベース座標系ΣＳＢの値ＷΣＳＢ（位置と方向）を求める（ステツプＳ７６０）。
次いで、制御装置６４３Ｂの記憶装置に記憶したグローバル座標系でのワールド座標系の値ＧΣＷを読みだし、ステップＳ７６０で求めたワールド座標系でのショベルベース座標系値ＷΣＳＢとそのグローバル座標系でのワールド座標系ＧΣＷとからショベルベース座標系ΣＳＢの位置及び姿勢（下部走行体２の方向）をグローバル座標系の値ＧΣＳＢで求める（ステップＳ７７０）。
次いで、図２０に示したステップＳ５４０，Ｓ５５０，Ｓ５６０と同様の処理を行う。つまり、制御装置６４３Ｂの記憶装置に記憶した緯度・経度・海抜高さ情報に加工した施工データを読みだし、それをグローバル座標系ΣＧのデータに変換し、この施工データをグローバル座標系でのショベルベース座標系ＧΣＳＢと比較して、ショベルベース座標系ＧΣＳＢの位置・方向における２次元データとしての施工データ部分を抽出し、この施工データ部分から目標掘削面（ΣＧ）を演算する（ステップＳ７８０）。次いで、ショベルベース座標系ＧΣＳＢの座標データを用いてその目的掘削面（ΣＧ）をショベルベース座標系ΣＳＢの値に変換する（ステップＳ７９０）。ショベルベース座標系ΣＳＢの値に変換した目標掘削面（ΣＳＢ）はアンテナ６４１及び無線機６４２を介して機体側制御装置１０１Ｂに送信する（ステップＳ８００）。機体側制御装置１０１Ｂでは、その設定情報を制御ユニット６４３Ｂに記憶し、フロント作業機７の制御に使用する。
次いで、計算不可能状態が設定されていればそれをクリアし（ステップＳ８１０）、ステップＳ８２０に進む。ステップＳ８２０では、図２６に示す表示データの演算とその出力処理を行う。
図２６において、まず、計算不可能状態であるかどうかを判断し（ステップＳ８３０）、計算不可能状態であればステップＳ８４０に飛び、計算不可能状態でなければ、更にオペレータが走行操作中であるかどうか判断し（ステップＳ８５０）、走行操作中であればステップＳ８４０に飛ぶ。ステップＳ８４０では、計算不可能状態であることを表示装置６４４に表示して、ステップＳ７１０に戻る。
ステップＳ８５０で走行操作中で無ければステップＳ８６０に行く。ステップＳ８６０では、油圧ショベル１Ｂの旋回中心が一定以上ずれたかどうか判定する。このためリフレクタ７６１の前回の位置と今回の位置を比較し、その差分がΔＸ以上であればステップＳ８４０へ飛ぶ。差分がΔＸ以下であればステップＳ８７０〜Ｓ９１０へ進む。
ステップＳ８７０〜Ｓ９１０の処理は図２０に示したステップＳ５７０〜Ｓ６１０の処理と実質的に同じである。つまり、角度センサ３４〜３６で検出したブーム角度、アーム角度、バケット角度と、旋回角度センサ５２０で検出した旋回角度と、記憶装置に記憶したショベルベース座標系ΣＳＢの原点とブーム８の基端との位置関係及びブーム８、アーム９、バケット１０の寸法とからショベルベース座標系ΣＢにてバケット先端位置ＢＰＢＫを求める（ステップＳ８７０）。次いで、ステップＳ７７０で求めたグローバル座標系ΣＧでのショベルベース座標系の値ＧΣＳＢとステップＳ８７０で求めたショベルベース座標系でのバケット先端位置ＢＰＢＫとからグローバル座標系ΣＧでのバケット先端位置ＧＰＢＫを求める（ステップＳ８８０）。そして、ステップＳ７８０で求めたグローバル座標系での目標掘削面（ΣＧ）及びステップＳ８８０で求めたグローバル座標系でのバケット先端位置ＧＰＢＫを経度、緯度、高さの３次元データに変換する（ステップＳ８９０）。
次いで、経度、緯度、高さの３次元データに変換した目標掘削面及びバケット先端位置を表示装置６４４Ｂに表示させ（ステップＳ９００）、更にその目標掘削面及びバケット先端位置の情報をアンテナ６４１及び無線機６４２を介して機体側制御装置１０１Ｂに送信する（ステップＳ９１０）。機体側制御装置１０１Ｂでは、その情報を制御ユニット６４３Ｂを介して表示装置６３４に表示させる。なお、この場合も、ステップＳ７８０で抽出したショベルベース座標系ＧΣＳＢの位置・方向における２次元データとしての施工データ部分に含まれる地形データも経度、緯度、高さの３次元データに変換し、表示装置６４４，６３４に表示してもよい。
以上の処理が終了したらステップＳ７１０に戻り、処理を繰り返す。
レーザ灯台７６４から出力するレーザ光波面７６３とレーザ追尾装置７６２との位置関係（レーザ光波面７６３のワールド座標系での方程式）を同定する方法及び装置の一例を、図２７により説明する。
レーザ灯台７６４には、レーザ灯台７６４の位置を特定するための代表点としてリフレクタ７６１Ａを装着する。このときリフレクタ７６１Ａの位置とレーザ灯台７６４の発光の中心点の位置関係は、リフレクタ７６１Ａの取付部材の寸法等から既知である。一方、２つの地上設置型のレーザ受光器７６５，７６６を用意する。レーザ受光器７６５にはリフレクタ７６１Ｂが、レーザ受光器７６６にはリフレクタ７６１Ｃがそれぞれ装着されている。レーザ受光器７６５の受光部とリフレクタ７６１Ｂの位置関係、レーザ受光器７６６の受光部とリフレクタ７６１Ｃの位置関係は、リフレクタ７６１Ｂ，７６１Ｃの取付部材の寸法等から既知である。
レーザ灯台７６４から発光するレーザ光波面７６３を受光できる位置にレーザ受光器７６５とレーザ受光器７６６とを設置する。この状態でレーザ追尾装置７６２を使用して、リフレクタ７６１Ａ、リフレクタ７６１Ｂ、リフレクタ７６１Ｃそれぞれの位置を計測する。計測した３点より、レーザ灯台７６４の発光の中心点の位置、レーザ受光器７６５の受光部の位置、レーザ受光器７６６の受光部の位置が演算でき、この演算した３点の位置を含む平面の方程式を求めることができる。これによりレーザ灯台７６４から出力するレーザ光波面７６３の方程式を同定することができる。
上記の例では２つのレーザ受光器７６５，７６６を用いたが、レーザ受光器が１つだげの場合でも位置をずらし、それぞれの位置でリフレクタの位置を計測することにより、上記と同じくレーザ光波面７６３上の３点の位置を計測でき、同様にレーザ光波面７６３の方程式を同定することができる。
以上のように構成した本実施の形態においては、第２の実施の形態と同様、油圧ショベルの位置に係わらず地球上の緯度・経度・海抜高さ情報を用いて三次元に加工した施工データを利用した目標作業面の遠隔設定と油圧ショベルの遠隔操縦を容易にかつ安価な構成で行うことができる。
また、本実施の形態では、直接ＧＰＳ情報を用いずに、グローバル座標系での油圧ショベル１Ａの車体（下部走行体２）の位置及び方向（グローバル座標系でのショベルベース座標系ＧΣＳＢの位置及び姿勢）を常に演算することができるので、油圧ショベルが地下、ビル内、山間部などＧＰＳ衛星を捕捉できないような作業現場にあっても、またＧＰＳでは衛星からの電波が受信できないような気象条件であっても、それらに左右されず地球上の緯度・経度・海抜高さ情報を用いて三次元に加工した施工データを利用した目標作業面の遠隔設定と油圧ショベルの遠隔操縦を行うことができる。
なお、本実施の形態においても、油圧ショベル１Ｂにオペレータが搭乗し、有人で制御操作を行う方式に特化する場合は、遠隔操作手段であるジョイスティック７２及び無線通信装置７４は無くてもよい。
以上、本発明の幾つかの実施の形態を説明したが、本発明はそれに制限されるものではなく、本発明の精神の範囲内で種々の変更、追加が可能である。例えば、上記実施の形態では、油圧ショベル１で目標作業面として目標掘削面を形成する場合について説明したが、油圧ショベル１のフロント作業機７にハンドリング装置を取り付け、コンクリートブロックを敷設する作業に本発明を適用しても良く、この場合はコンクリートブロック敷設面が目標作業面となる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、オペレータは表示手段の画面を見ながら遠隔で目標作業面の設定を行うことができるとともに、遠隔でフロント作業機を操縦し、フロント制御手段の制御機能を利用して目標作業面を形成することができるので、目標作業面の遠隔設定と建設機械の遠隔操縦を容易に行うことができる。
また、フロント制御手段は、遠隔操作手段の無線操縦信号と設定情報に基づいてフロント作業機の動作を制御する半自動制御方式であるので、手動方式に比べオペレータの負担は格段に減り、かつ設定情報を変えるだけで種々の作業現場に容易に対応することができる。
また、本発明によれば、遠隔操作端末側での目標作業面の設定情報の入力を建設機械の外部基準に関連付けられたデータにより行い、機体側制御手段と遠隔操作端末のいずれか一方で、目標作業面の設定情報を建設機械と目標作業面の位置関係に変換するので、オペレータは外部基準を用いて目標作業面を設定することができる。また、このとき隔操作端末の表示手段に外部基準と目標作業面と建設機械の位置関係を表示するので、オペレータは表示手段の画面を見ながら容易に目標作業面を設定することができる。
また、本発明によれば、外部座標系に関連付けられた施工データが膨大な電子データであっても、その施工データを用いて建設機械に設定された機体座標系での目標作業面の設定情報を設定手段と設定情報変換手段は遠隔操作端末に備えられるので、施工データが膨大な電子データであっても、その施工データを機体側制御手段に記憶する必要がなくなり、膨大な電子データである施工データを利用した目標作業面の遠隔設定を容易に行うことができ、更にその設定情報を用いて建設機械の遠隔操縦を容易に行うことができる。また、ＣＤ−Ｒのように建設機械の車体に記録メディアを駆動する装置を必要としないので、安価なシステムであり、耐環境性も良く信頼性に優れる。
更に、本発明によれば、建設機械が移動しても、外部座標系に対する建設機械の位置及び姿勢を特定し、機体座標系での目標作業面の設定情報を生成することができる。
また、本発明によれば、直接ＧＰＳを用いずに機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系（グローバル座標系）の値として求めることができるので、建設機械が地下、ビル内、山間部などＧＰＳ衛星を捕捉できないような作業現場にあっても、またＧＰＳでは衛星からの電波が受信できないような気象条件であっても、それらに左右されず機体座標系の位置及び姿勢を外部座標系（グローバル座標系）の値として求めることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施の形態に係わるよる建設機械の遠隔制御システムの全体構成を示す図である。
図２は、油圧ショベルに搭載された制御ユニット及び無線通信装置の構成を示す図である。
図３は、遠隔操作端末側に設置されたパソコンの制御装置及び無線通信装置の構成を示す図である。
図４は、油圧ショベルに搭載された制御ユニットのＲＯＭに記憶された制御プログラムの概要を示す機能ブロック図である。
図５は、制御ユニットの設定・表示処理部の処理機能を示すブロック線図である。
図６は、制御ユニットの掘削制御部の処理機能を示すブロック線図である。
図７は、遠隔操作端末側に設置されたパソコンの制御装置のＲＯＭに記憶された制御プログラムの概要を示す機能ブロック図である。
図８は、上側にパソコンの表示装置に表示される掘削設定画面を示し、下側にその表示内容を説明する図である。
図９は、上側に同表示装置の掘削モニタ画面を示し、下側にその表示内容を説明する図である。
図１０は、同表示装置に表示される画面の遷移を示す図である。
図１１は、パソコンの制御装置に電源が投入されたときの処理手順を示すフローチャートである。
図１２は、掘削設定画面のメニュー領域のカーソルを「深さ」に移動したときの処理手順を示すフローチャートである。
図１３は、掘削設定画面のメニュー領域のカーソルを「勾配」に移動したときの処理手順を示すフローチャートである。
図１４は、掘削設定画面のメニュー領域のカーソルを「制御ＯＮ／ＯＦＦ」に移動させたときの処理手順を示すフローチャートである。
図１５は、掘削設定画面から掘削モニタ画面に切り換えたときの処理手順を示すフローチャートである。
図１６は、掘削モニタ画面のメニュー領域のカーソルを「角度単位」に移動したときの処理手順を示すフローチャートである。
図１７は、本発明の第２の実施の形態に係わる油圧ショベルの外観を示す図である。
図１８は、第２の実施の形態に係わる遠隔制御システム及び遠隔設定システムの全体構成を示す図である。
図１９は、グローバル座標系の概要を説明する図である。
図２０は、演算処理手順を示すフローチャートである。
図２１は、本発明の第３の実施の形態に係わる油圧ショベルの外観とその周辺の作業状況及び装置を示す図である。
図２２は、第３の実施の形態に係わる遠隔制御システム及び遠隔設定システムの全体構成を示す図である。
図２３は、第３の実施の形態における計測原理を説明するための各部材の幾何学的関係を示す図である。
図２４は、第３の実施の形態における計測原理を説明するための各部材の幾何学的関係を示す図である。
図２５は、演算処理手順を示すフローチャートである。
図２６は、演算処理手順を示すフローチャートである。
図２７は、レーザ灯台から出力するレーザ光波面とレーザ追尾装置との位置関係（レーザ光波面のワールド座標系での方程式）を同定する方法及び装置の一例を示す図である。
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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