JP5202667B2 - 油圧ショベルの位置誘導システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベルの位置誘導システム及びその制御方法に関する。

油圧ショベルなどの作業車両を、目標作業対象まで誘導する位置誘導システムが知られている。例えば、特許文献１に開示されている位置誘導システムは、３次元の設計地形を示す設計データを有している。設計地形は複数の設計面によって構成されており、設計面の一部が目標面として選択される。また、ＧＰＳなどの位置計測手段によって、油圧ショベルの現在位置が検出される。位置誘導システムは、油圧ショベルの現在位置を示す案内画面を表示部に表示することによって、油圧ショベルを目標面まで誘導する。案内画面は、側面視における油圧ショベルと、目標面と、バケットの先端の動作範囲とを含む。

特開２００１−９８５８５号公報

上記の位置誘導システムでは、オペレータは、案内画面上の目標面とバケットの先端の動作範囲の位置関係を、油圧ショベルが作業に適した位置にいるか否かを判断する際の参考にすることができる。しかし、油圧ショベルが作業に適した位置にいるか否かを正確に判断することは容易ではない。また、案内画面上の目標面とバケットの先端の動作範囲の位置関係を参考にしても、油圧ショベルを作業に適した位置まで移動させることは容易ではない。

本発明の課題は、油圧ショベルを作業に適した位置まで容易に移動させることができる油圧ショベルの位置誘導システム及びその制御方法を提供することにある。

本発明の第１の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムは、油圧ショベルを作業エリア内の目標面まで誘導する位置誘導システムである。油圧ショベルは、車両本体と、車両本体に取り付けられる作業機とを有する。位置誘導システムは、地形データ記憶部と、作業機データ記憶部と、位置検出部と、最適作業位置演算部と、表示部と、を備える。地形データ記憶部は、目標面の位置を示す地形データを記憶する。作業機データ記憶部は、作業機データを記憶する。作業機データは、作業機が届くことができる車両本体の周囲の作業可能範囲を示す。位置検出部は、車両本体の現在位置を検出する。最適作業位置演算部は、地形データと作業機データと車両本体の現在位置とに基づいて、目標面と作業可能範囲との重なり合う掘削可能範囲が最大となる車両本体の位置を最適作業位置として算出する。表示部は、最適作業位置を示す案内画面を表示する。

本発明の第２の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムは、第１の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムであって、掘削可能範囲は、側面視において目標面の断面を示す線分と作業可能範囲との重なりあう部分である。

本発明の第３の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムは、第１又は第２の態様の油圧ショベルの位置誘導システムであって、案内画面は、側面視における目標面の断面と油圧ショベルと最適作業位置とを示す側面図を含む。

本発明の第４の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムは、第１から第３の態様のいずれかの油圧ショベルの位置誘導システムであって、案内画面は、上面視における目標面と油圧ショベルと最適作業位置とを示す上面図を含む。

本発明の第５の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムは、第１から第４の態様のいずれかの油圧ショベルの位置誘導システムであって、現況面検出部と、現況面記憶部とをさらに備える。現況面検出部は、最新の現況面を検出する。現況面記憶部は、現況面検出部で検出された最新の現況面を記憶し更新する。最適作業位置は、車両本体が現況面上に位置しているときの作業可能範囲の高さ位置に基づいて算出される。

本発明の第６の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムは、第１から第４の態様のいずれかの油圧ショベルの位置誘導システムであって、現況面検出部と、現況面記憶部とをさらに備える。現況面検出部は、最新の現況面を検出する。現況面記憶部は、現況面検出部で検出された最新の現況面を記憶し更新する。最適作業位置演算部は、現況面と目標面との差の大きさに基づいて目標面を掘削済領域と未掘削領域とに分類する。最適作業位置演算部は、車両本体に最も近い未掘削領域を掘削可能範囲の対象とする。

本発明の第７の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムは、第５又は第６の態様の油圧ショベルの位置誘導システムであって、最適作業位置演算部は、現況面又は目標面の傾斜角が所定の閾値以上であるときには、案内画面に最適作業位置を表示させない。

本発明の第８の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムは、第１から第７の態様のいずれかの油圧ショベルの位置誘導システムであって、目標面が油圧ショベルから見て上り斜面又は水平面である場合、最適作業位置は、作業可能範囲の境界線と目標面との交点のうち車両本体から遠い方が目標面の頂上部と一致する位置である。

本発明の第９の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムは、第１から第８の態様のいずれかの油圧ショベルの位置誘導システムであって、目標面が油圧ショベルから見て下り斜面である場合、最適作業位置は、作業可能範囲の境界線と目標面との交点のうち車両本体に近い方が目標面の頂上部と一致する位置である。

本発明の第１０の態様に係る油圧ショベルは、請求項１から９のいずれかに記載の油圧ショベルの位置誘導システムを備える。

本発明の第１１の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムの制御方法は、油圧ショベルを作業エリア内の目標面まで誘導する位置誘導システムの制御方法である。油圧ショベルは、車両本体と、車両本体に取り付けられる作業機とを有する。油圧ショベルの位置誘導システムの制御方法は、次のステップを備える。第１ステップでは、車両本体の現在位置を検出する。第２ステップでは、地形データと作業機データと車両本体の現在位置とに基づいて、目標面と作業可能範囲との重なり合う掘削可能範囲が最大となる車両本体の位置を最適作業位置として算出する。地形データは、目標面の位置を示す。作業機データは、作業機が届くことができる車両本体の周囲の作業可能範囲を示す。第３ステップでは、最適作業位置を示す案内画面を表示する。

本発明の第１の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、目標面と作業可能範囲との重なり合う掘削可能範囲が最大となる車両本体の位置が最適作業位置として算出される。そして、最適作業位置を示す案内画面が表示部に表示される。このため、オペレータは、案内画面上の最適作業位置を目指して油圧ショベルを移動させることにより、油圧ショベルを作業に適した位置まで容易に移動させることができる。

本発明の第２の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、側面視において、作業機が到達可能な目標面上の範囲が最大となる位置が最適作業位置として算出される。このため、オペレータは、最適作業位置において作業機を操作することにより、効率よく作業を行うことができる。

本発明の第３の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、オペレータは、側面図によって最適作業位置を確認することができる。このため、オペレータは、油圧ショベルの前後の位置調整を容易に行うことができる。

本発明の第４の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、オペレータは、上面図によって最適作業位置を確認することができる。このため、オペレータは、油圧ショベルの左右の位置調整を容易に行うことができる。

本発明の第５の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、車両本体が現況面上に位置しているときの作業可能範囲の高さ位置に基づいて、最適作業位置が算出される。作業エリア内の地面は、必ずしも平坦ではなく起伏を有していることが多い。従って、目標面から離れた位置での車両本体の高さ位置と、その後に目標面に近づいたときの車両本体の高さ位置とが異なる場合がある。このため、もし車両本体の現在位置での作業可能範囲の高さ位置に基づいて最適作業位置が算出されると、最適作業位置を精度よく算出することは困難である。そこで、本態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、目標面から離れた位置で最適作業位置を算出する場合であっても、車両本体が現況面上に位置しているときの作業可能範囲の高さ位置に基づいて、最適作業位置が算出される。これにより、起伏のある作業エリア内においても、最適作業位置を精度よく算出することができる。

本発明の第６の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、断続的な掘削によって未掘削領域と掘削済領域とが混在する場合であっても、既に掘削する必要のない掘削済領域が最適作業位置の算出から除外される。このため、有効な最適作業位置を精度よく算出することができる。

本発明の第７の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、現況面又は目標面の傾斜角が所定の閾値以上であるときには、最適作業位置が案内画面に表示されない。例えば、所定の閾値は、油圧ショベルが安定的に作業を行うことができる限界を示す斜面の角度に設定される。これにより、油圧ショベルが安定的に作業できる範囲内で最適作業位置を案内画面に示すことができる。

本発明の第８の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、目標面が油圧ショベルから見て上り斜面又は水平面である場合には、作業機を延ばした状態で目標面の頂上部に届く位置が、最適作業位置として算出される。このため、例えば、上り斜面が油圧ショベルに比べて非常に大きい場合には、頂上部から上り斜面を下りながら順に掘削を行うように、オペレータは油圧ショベルを操作することができる。

本発明の第９の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、目標面が油圧ショベルから見て下り斜面である場合には、作業機を縮めた状態で目標面の頂上部に届く位置が、最適作業位置として算出される。このため、例えば、車両本体の手前側を掘削しながら、下り斜面を降りていくように、オペレータは油圧ショベルを操作することができる。

本発明の第１０の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、目標面と作業可能範囲との重なり合う掘削可能範囲が最大となる車両本体の位置が最適作業位置として算出される。そして、最適作業位置を示す案内画面が表示部に表示される。このため、オペレータは、案内画面上の最適作業位置を目指して油圧ショベルを移動させることにより、油圧ショベルを作業に適した位置まで容易に移動させることができる。

本発明の第１１の態様に係る油圧ショベルの位置誘導システムでは、目標面と作業可能範囲との重なり合う掘削可能範囲が最大となる車両本体の位置が最適作業位置として算出される。そして、最適作業位置を示す案内画面が表示部に表示される。このため、オペレータは、案内画面上の最適作業位置を目指して油圧ショベルを移動させることにより、油圧ショベルを作業に適した位置まで容易に移動させることができる。

油圧ショベルの斜視図。 油圧ショベルの構成を模式的に示す図。 油圧ショベルが備える制御系の構成を示すブロック図。 設計地形データによって示される設計地形を示す図。 案内画面を示す図。 バケットの先端の現在位置を求める方法を示す図。 最大リーチ姿勢での作業機を模式的に示す図。 最小リーチ姿勢での作業機を模式的に示す図。 作業可能範囲の算出方法を示す図。 最適作業位置の算出方法を示す図。 最適作業位置の算出方法を示すフローチャート。 未掘削領域と掘削済領域との分類方法を示す図。 最適作業位置の算出方法を示す図。 登り斜面での最適作業位置の算出方法を示す図。 下り斜面での最適作業位置の算出方法を示す図。 他の実施形態にかかる最適作業位置の算出方法を示す図。

１．構成
１−１．油圧ショベルの全体構成
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの位置誘導システムについて説明する。図１は、位置誘導システムが搭載される油圧ショベル１００の斜視図である。油圧ショベル１００は、車両本体１と作業機２とを有する。車両本体１は、上部旋回体３と運転室４と走行装置５とを有する。上部旋回体３は、図示しないエンジンや油圧ポンプなどの装置を収容している。運転室４は上部旋回体３の前部に載置されている。運転室４内には、後述する表示入力装置３８及び操作装置２５が配置される（図３参照）。走行装置５は履帯５ａ，５ｂを有しており、履帯５ａ，５ｂが回転することにより油圧ショベル１００が走行する。

作業機２は、車両本体１の前部に取り付けられており、ブーム６とアーム７とバケット８とブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して車両本体１の前部に揺動可能に取り付けられている。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられている。アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が揺動可能に取り付けられている。

図２は、油圧ショベル１００の構成を模式的に示す図である。図２（ａ）は油圧ショベル１００の側面図であり、図２（ｂ）は油圧ショベル１００の背面図である。図２（ａ）に示すように、ブーム６の長さ、すなわち、ブームピン１３からアームピン１４までの長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１４からバケットピン１５までの長さは、Ｌ２である。バケット８の長さ、すなわち、バケットピン１５からバケット８のツースの先端までの長さは、Ｌ３である。

図１に示すブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ油圧によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０はブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２などの油圧シリンダと図示しない油圧ポンプとの間には、比例制御弁３７が配置されている（図３参照）。比例制御弁３７が後述する作業機コントローラ２６によって制御されることにより、油圧シリンダ１０−１２に供給される作動油の流量が制御される。これにより、油圧シリンダ１０−１２の動作が制御される。

図２（ａ）に示すように、ブーム６とアーム７とバケット８には、それぞれ第１〜第３ストロークセンサ１６−１８が設けられている。第１ストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１０のストローク長さを検出する。後述する位置誘導コントローラ３９（図３参照）は、第１ストロークセンサ１６が検出したブームシリンダ１０のストローク長さから、後述する車両本体座標系のＺａ軸（図６参照）に対するブーム６の傾斜角（以下、「ブーム角」と呼ぶ）θ１を算出する。第２ストロークセンサ１７は、アームシリンダ１１のストローク長さを検出する。位置誘導コントローラ３９は、第２ストロークセンサ１７が検出したアームシリンダ１１のストローク長さから、ブーム６に対するアーム７の傾斜角（以下、「アーム角」と呼ぶ）θ２を算出する。第３ストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１２のストローク長さを検出する。位置誘導コントローラ３９は、第３ストロークセンサ１８が検出したバケットシリンダ１２のストローク長さから、アーム７に対するバケット８の傾斜角（以下、「バケット角」と呼ぶ）θ３を算出する。

車両本体１には、位置検出部１９が備えられている。位置検出部１９は、油圧ショベル１００の現在位置を検出する。位置検出部１９は、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう。）用の２つのアンテナ２１，２２（以下、「ＧＮＳＳアンテナ２１，２２」と呼ぶ）と、３次元位置センサ２３と、傾斜角センサ２４とを有する。ＧＮＳＳアンテナ２１，２２は、後述する車両本体座標系Ｘａ−Ｙａ−ＺａのＹａ軸（図６参照）に沿って一定距離だけ離間して配置されている。ＧＮＳＳアンテナ２１，２２で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号は３次元位置センサ２３に入力される。３次元位置センサ２３は、ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の設置位置Ｐ１，Ｐ２の位置を検出する。図２（ｂ）に示すように、傾斜角センサ２４は、重力方向すなわちグローバル座標系における鉛直方向に対する車両本体１の車幅方向の傾斜角θ４（以下、「ロール角θ４」と呼ぶ）を検出する。

図３は、油圧ショベル１００が備える制御系の構成を示すブロック図である。油圧ショベル１００は、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、作業機制御装置２７と、位置誘導システム２８を備える。操作装置２５は、作業機操作部材３１と、作業機操作検出部３２と、走行操作部材３３と、走行操作検出部３４とを有する。作業機操作部材３１は、オペレータが作業機２を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。作業機操作検出部３２は、作業機操作部材３１の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。走行操作部材３３は、オペレータが油圧ショベル１００の走行を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。走行操作検出部３４は、走行操作部材３３の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。

作業機コントローラ２６は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部３５や、ＣＰＵなどの演算部３６を有している。作業機コントローラ２６は、主として作業機２の制御を行う。作業機コントローラ２６は、作業機操作部材３１の操作に応じて作業機２を動作させるための制御信号を生成して、作業機制御装置２７に出力する。作業機制御装置２７は比例制御弁３７を有しており、作業機コントローラ２６からの制御信号に基づいて比例制御弁３７が制御される。作業機コントローラ２６からの制御信号に応じた流量の作動油が比例制御弁３７から流出され、油圧シリンダ１０−１２に供給される。油圧シリンダ１０−１２は、比例制御弁３７から供給された作動油に応じて駆動される。これにより、作業機２が動作する。

１−２．位置誘導システム２８の構成
位置誘導システム２８は、油圧ショベル１００を、作業エリア内の目標面まで誘導するためのシステムである。位置誘導システム２８は、上述した第１〜第３ストロークセンサ１６−１８、３次元位置センサ２３、傾斜角センサ２４のほかに、表示入力装置３８と、位置誘導コントローラ３９とを有している。

表示入力装置３８は、タッチパネル式の入力部４１と、ＬＣＤなどの表示部４２とを有する。表示入力装置３８は、作業エリア内の目標作業対象まで油圧ショベル１００を誘導するための案内画面を表示する。また、案内画面には、各種のキーが表示される。オペレータは、案内画面上の各種のキーに触れることにより、位置誘導システム２８の各種の機能を実行させることができる。案内画面については後に詳細に説明する。

位置誘導コントローラ３９は、位置誘導システム２８の各種の機能を実行する。位置誘導コントローラ３９と作業機コントローラ２６とは、無線あるいは有線の通信手段により互いに通信可能となっている。位置誘導コントローラ３９は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部４３と、ＣＰＵなどの演算部４４とを有している。

記憶部４３は、演算部４４において実行される各種の処理に必要なデータを格納している。記憶部４３は、地形データ記憶部４６と、作業機データ記憶部４７と、現況面記憶部４８とを有している。地形データ記憶部４６には、設計地形データが予め作成されて記憶されている。設計地形データは、作業エリア内の３次元の設計地形の形状及び位置を示す。具体的には、図４に示すように、設計地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の設計面４５によって構成されている。なお、図４では複数の設計面のうちの１つのみに符号４５が付されており、他の設計面の符号は省略されている。オペレータは、これらの設計面４５のうちの１つ、或いは、複数の設計面を目標面７０として選択する。

作業機データ記憶部４７は、作業機データを記憶している。作業機データは、作業機２が届くことができる車両本体１の周囲の作業可能範囲７６（図５参照）を示すデータである。作業機データは、上述したブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２、バケット８の長さＬ３を含む。また、作業機データは、ブーム角θ１、アーム角θ２、バケット角θ３のそれぞれの最小値及び最大値を含む。

現況面記憶部４８は、現況面データを記憶している。現況面データは、後述する現況面検出部５０で検出された現況面（図５の符号７８参照）を示すデータである。現況面は、現在の実際の地形を示す。現況面検出部５０は、所定時間ごとに現況面の検出を繰り返し実行する。現況面記憶部４８は、現況面検出部５０で検出された最新の現況面を示すデータに現況面データを更新する。

演算部４４は、現在位置演算部４９と現況面検出部５０と最適作業位置演算部５１とを有する。現在位置演算部４９は、位置検出部１９からの検出信号に基づいて車両本体１のグローバル座標系における現在位置を検出する。また、現在位置演算部４９は、車両本体１のグローバル座標系における現在位置と、上述した作業機データとに基づいて、バケット８の先端のグローバル座標系における現在位置を算出する。現況面検出部５０は、最新の現況面を検出する。最適作業位置演算部５１は、設計地形データと作業機データと車両本体１の現在位置とに基づいて、最適作業位置を算出する。最適作業位置は、目標面７０を掘削するための車両本体１の最適位置を示す。バケット８の先端の現在位置の算出方法、現況面の検出方法、最適作業位置の算出方法については後に詳細に説明する。

位置誘導コントローラ３９は、現在位置演算部４９と現況面検出部５０と最適作業位置演算部５１との演算結果に基づいて、案内画面を表示入力装置３８に表示させる。案内画面は、油圧ショベル１００を目標面７０まで誘導するための画面である。以下、案内画面について詳細に説明する。

２．案内画面
２−１．案内画面の構成
図５に案内画面５２を示す。案内画面５２は、上面図５２ａと側面図５２ｂとを含む。

上面図５２ａは、作業エリアの設計地形と油圧ショベル１００の現在位置とを示す。上面図５２ａは、複数の三角形ポリゴンによって上面視による設計地形を表現している。また、目標面７０は、他の設計面と異なる色で表示される。なお、図５では、油圧ショベル１００の現在位置が上面視による油圧ショベルのアイコン６１で示されているが、他のシンボルによって示されてもよい。

上面図５２ａには、油圧ショベル１００を目標面７０まで誘導するための情報が表示される。具体的には、方位インジケータ７１が表示される。方位インジケータ７１は、油圧ショベル１００に対する目標面７０の方向を示すアイコンである。さらに、上面図５２ａは、最適作業位置を示す情報と、油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報をさらに含んでいる。最適作業位置は、油圧ショベル１００が目標面７０に対して掘削を行うために最適な位置であり、目標面７０の位置と後述する作業可能範囲７６とから算出される。最適作業位置は、上面図５２ａにおいて直線７２で示されている。油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報は、正対コンパス７３として表示される。正対コンパス７３は、目標面７０に対する正対方向と油圧ショベル１００を旋回させるべき方向とを示すアイコンである。オペレータは、正対コンパス７３により、目標面７０への正対度を確認することができる。

側面図５２ｂは、設計面線７４と、現況面線７８と、目標面線８４と、側面視による油圧ショベル１００のアイコン７５と、作業機２の作業可能範囲７６と、最適作業位置を示す情報を含む。設計面線７４は、目標面７０以外の設計面４５の断面を示す。現況面線７８は、上述した現況面の断面を示す。目標面線８４は目標面７０の断面を示す。設計面線７４と目標面線８４とは、図４に示すように、バケット８の先端Ｐ３の現在位置を通る平面７７と設計地形との交線８０を算出することにより求められる。目標面線８４は、設計面線７４と異なる色で表示される。なお、図５では線種を変えて目標面線８４と設計面線７４を表現している。作業可能範囲７６は、作業機２による作業が可能な車両本体１の周囲の範囲を示す。作業可能範囲７６は、上述した作業機データから算出される。作業可能範囲７６の算出方法については後に詳細に説明する。側面図５２ｂに示される最適作業位置は、上述した上面図５２ａに示される最適作業位置に相当し、三角形のアイコン８１で示される。また、車両本体１の基準位置も三角形のアイコン８２によって示される。オペレータは、基準位置のアイコン８２が最適作業位置のアイコン８１と合致するように油圧ショベル１００を移動させる。

以上のように、案内画面５２は、最適作業位置を示す情報と油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報とを含む。このため、オペレータは、案内画面５２により、目標面７０に対して、作業を行うために最適な位置及び方向に油圧ショベル１００を配置することができる。従って、案内画面５２は、主として油圧ショベル１００の位置決めを行うときに参照される。

２−２．バケット８先端の現在位置の算出方法
上述したように、目標面線８４はバケット８の先端の現在位置から算出される。位置誘導コントローラ３９は、３次元位置センサ２３、第１〜第３ストロークセンサ１６−１８、傾斜角センサ２４などからの検出結果に基づき、グローバル座標系｛Ｘ，Ｙ，Ｚ｝でのバケット８の先端Ｐ３の現在位置を算出する。具体的には、バケット８の先端Ｐ３の現在位置は、次のようにして求められる。

まず、図６に示すように、上述したＧＮＳＳアンテナ２１の設置位置Ｐ１を原点とする車両本体座標系｛Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ｝を求める。図６（ａ）は油圧ショベル１００の側面図である。図６（ｂ）は油圧ショベル１００の背面図である。ここでは、油圧ショベル１００の前後方向すなわち車両本体座標系のＹａ軸方向がグローバル座標系のＹ軸方向に対して傾斜しているものとする。また、車両本体座標系でのブームピン１３の座標は（０，Ｌｂ１，−Ｌｂ２）であり、予め位置誘導コントローラ３９の作業機データ記憶部４７に記憶されている。

３次元位置センサ２３はＧＮＳＳアンテナ２１，２２の設置位置Ｐ１，Ｐ２を検出する。検出された座標位置Ｐ１、Ｐ２から以下の（１）式よってＹａ軸方向の単位ベクトルが算出される。
Ｙａ＝（Ｐ１−Ｐ２）／｜Ｐ１−Ｐ２｜・・・（１）
図６（ａ）に示すように、ＹａとＺの２つのベクトルで表される平面を通り、Ｙａと垂直なベクトルＺ’を導入すると、以下の関係が成り立つ。
（Ｚ’，Ｙａ）＝０・・・（２）
Ｚ’＝（１−ｃ）Ｚ＋ｃＹａ・・・（３）
ｃは定数である。
（２）式および（３）式より、Ｚ’は以下の（４）式のように表される。
Ｚ’＝Ｚ＋｛（Ｚ，Ｙａ）／（（Ｚ，Ｙａ）−１）｝（Ｙａ−Ｚ）・・・（４）
さらに、ＹａおよびＺ’と垂直なベクトルをＸ’とすると、Ｘ’は以下の（５）式のようのように表される。
Ｘ’＝Ｙａ⊥Ｚ’・・・（５）
図６（ｂ）に示すように、車両本体座標系は、これをＹａ軸周りに上述したロール角θ４だけ回転させたものであるから、以下の（６）式のように示される。
・・・（６）

また、第１〜第３ストロークセンサ１６−１８の検出結果から、上述したブーム６、アーム７、バケット８の現在の傾斜角θ１、θ２、θ３が算出される。車両本体座標系内でのバケット８の先端Ｐ３の座標（ｘａｔ、ｙａｔ、ｚａｔ）は、傾斜角θ１、θ２、θ３およびブーム６、アーム７、バケット８の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を用いて、以下の（７）〜（９）式により算出される。
ｘａｔ＝０・・・（７）
ｙａｔ＝Ｌｂ１＋Ｌ１ｓｉｎθ１＋Ｌ２ｓｉｎ（θ１＋θ２）＋Ｌ３ｓｉｎ（θ１＋θ２＋θ３）・・・（８）
ｚａｔ＝−Ｌｂ２＋Ｌ１ｃｏｓθ１＋Ｌ２ｃｏｓ（θ１＋θ２）＋Ｌ３ｃｏｓ（θ１＋θ２＋θ３）・・・（９）
なお、バケット８の先端Ｐ３は、車両本体座標系のＹａ−Ｚａ平面上で移動するものとする。
そして、グローバル座標系でのバケット８の先端Ｐ３の座標が以下の（１０）式から求められる。
Ｐ３＝ｘａｔ・Ｘａ＋ｙａｔ・Ｙａ＋ｚａｔ・Ｚａ＋Ｐ１・・・（１０）
図４に示すように、位置誘導コントローラ３９は、上記のように算出したバケット８の先端Ｐ３の現在位置と、記憶部４３に記憶された設計地形データとに基づいて、３次元設計地形とバケット８の先端Ｐ３を通るＹａ−Ｚａ平面７７との交線８０を算出する。そして、位置誘導コントローラ３９は、この交線のうち目標面７０を通る部分を上述した目標面線８４として案内画面５２に表示する。

また、上述した現況面検出部５０は、車両本体１の底部の移動の軌跡と、バケット８の先端Ｐ３の移動の軌跡とに基づいて現況面線７８を検出する。具体的には、図６に示すように、現況面検出部５０は、車両本体１の現在位置（ＧＮＳＳアンテナ２１の設置位置Ｐ１）から検出基準点Ｐ５の現在位置を算出する。検出基準点Ｐ５は、履帯５ａ，５ｂの底面に位置している。そして、現況面検出部５０は、検出基準点Ｐ５の軌跡を現況面データとして現況面記憶部４８に保存する。なお、上述した現況面記憶部４８には、ＧＮＳＳアンテナ２１の設置位置Ｐ１と検出基準点Ｐ５との位置関係を示すデータが予め保存されている。また、バケット８の先端Ｐ３の軌跡は、上述した現在位置演算部４９が検出したバケット８の先端Ｐ３の現在位置を記録することによって求められる。

２−３．作業可能範囲７６の算出方法
まず、作業可能範囲７６の算出方法について説明する前に、作業機２の最大リーチ長さＬｍａｘと最小リーチ長さＬｍｉｎについて説明する。最大リーチ長さＬｍａｘは、作業機２を最大に伸ばした状態での作業機２のリーチ長さである。なお、作業機２のリーチ長さは、ブームピン１３とバケット８の先端Ｐ３との間の距離である。図７に、作業機２の長さが最大リーチ長さＬｍａｘとなるときの作業機２の姿勢（以下、「最大リーチ姿勢」と呼ぶ）を模式的に示す。図７に示す座標平面Ｙｂ−Ｚｂは、上述した車両本体座標系｛Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ｝においてブームピン１３の位置を原点としたものである。最大リーチ姿勢では、アーム角θ２は最小値となる。また、バケット角θ３は、作業機２のリーチ長さが最大となるように、パラメータ最適化のための数値解析によって算出される。このときのバケット角θ３の値を以下、「最大リーチ角」と呼ぶ。

最小リーチ長さＬｍｉｎは、作業機２を最小に縮めた状態での作業機２のリーチ長さである。図８に、作業機２の長さが最小リーチ長さＬｍｉｎとなるときの作業機２の姿勢（以下、「最小リーチ姿勢」と呼ぶ）を模式的に示す。最小リーチ姿勢では、アーム角θ２は最大値となる。また、バケット角θ３は、作業機２のリーチ長さが最小となるように、パラメータ最適化のための数値解析によって算出される。このときのバケット角θ３の値を以下、「最小リーチ角」と呼ぶ。

次に、作業可能範囲７６の算出方法について図９に基づいて説明する。作業可能範囲は、到達可能範囲８３から車両下部領域８６を除いた範囲である。到達可能範囲８３は、作業機２が届くことができる範囲を示す。車両下部領域８６は、車両本体１の下方に位置する領域である。到達可能範囲８３は、上述した作業機データと車両本体１の現在位置とから算出される。到達可能範囲８３の境界線は、複数の円弧Ａ１−Ａ４を含む。例えば、到達可能範囲８３の境界線は、第１円弧Ａ１から第４円弧Ａ４を含む。第１円弧Ａ１は、アーム角θ２が最小値、バケット角θ３が最大リーチ角で、ブーム角θ１が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。第２円弧Ａ２は、ブーム角θ１が最大、バケット角θ３が０°で、アーム角θ２が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。第３円弧Ａ３は、アーム角θ２が最大値、バケット角θ３が最小リーチ角で、ブーム角θ１が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。第４円弧Ａ４は、ブーム角θ１が最小値、バケット角θ３が０°で、アーム角θ２が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。

２−４．最適作業位置の算出方法
次に、最適作業位置の算出方法について説明する。最適作業位置演算部５１は、目標面７０と作業可能範囲７６との重なり合う掘削可能範囲７９が最大となる車両本体１の位置を最適作業位置として算出する。以下、図１１に示すフローチャートに基づいて最適作業位置の算出方法を説明する。

ステップＳ１では、車両本体１の現在位置が検出される。ここでは、上述したように、現在位置演算部４９が、位置検出部１９からの検出信号に基づいて車両本体１のグローバル座標系における現在位置を算出する。

ステップＳ２では、目標面線８４又は現況面線７８の傾斜角が所定の表示判定閾値以上であるか否かが判定される。所定の表示判定閾値は、油圧ショベル１００が安定的に作業を行うことができる限界を示す斜面の角度に設定される。所定の表示判定閾値は、予め求められて作業機データ記憶部４７に記憶されている。目標面線８４の傾斜角θ５（図１０参照）は、地形データ記憶部４６の設計地形データから取得される。現況面線７８の傾斜角θ６（図１０参照）は、現況面記憶部４８の現況面データから取得される。目標面線８４の傾斜角θ５及び現況面線７８の傾斜角θ６の少なくとも一方が所定の表示判定閾値以上であるときには、ステップＳ７において、案内画面５２上で最適作業位置が非表示とされる。目標面線８４の傾斜角θ５又は現況面線７８の傾斜角θ６が所定の表示判定閾値以上ではないときにはステップＳ３に進む。すなわち、目標面線８４の傾斜角θ５と現況面線７８の傾斜角θ６との両方が所定の表示判定閾値より小さいときにはステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、掘削可能範囲対象が選定される。図１０に示すように、掘削可能範囲７９は、側面視において目標面線８４と作業可能範囲７６との重なりあう部分である。ただし、図１２に示すように、最適作業位置演算部５１は、現況面線７８と目標面線８４との間の距離Ｇ１に基づいて目標面線８４を掘削済領域と未掘削領域とに分類する。具体的には、最適作業位置演算部５１は、目標面線８４のうち、現況面線７８との間の距離Ｇ１が所定の分類判定閾値Ｇｔｈ以上の部分を未掘削領域に分類する。また、最適作業位置演算部５１は、目標面線８４のうち、現況面線７８との間の距離Ｇ１が所定の分類判定閾値Ｇｔｈより小さい部分を掘削済領域に分類する。そして、最適作業位置演算部５１は、車両本体１に最も近い未掘削領域を掘削可能範囲７９の対象に決定する。

ステップＳ４では、斜面種類が判定される。ここでは、目標面７０が油圧ショベルから見て上り斜面であるのか、水平面であるのか、下り斜面であるのかが判定される。最適作業位置演算部５１は、地形データ記憶部４６の設計地形データと、車両本体１の現在位置とに基づいて斜面種類を判定する。

ステップＳ５では、最適作業位置が算出される。ここでは、図１０に示すように、目標面線８４と作業可能範囲７６との重なり合う掘削可能範囲７９の長さＬｅが最大となる車両本体１の位置が最適作業位置として算出される。ただし、ステップＳ３で選定された掘削可能範囲７９の対象となる領域内で掘削可能範囲７９の長さＬｅが最大となる位置が算出される。

また、最適作業位置は、車両本体１が現況面線７８上に位置しているときの作業可能範囲７６の高さ位置に基づいて算出される。すなわち、図１３に示すように、目標面線８４から離れているときのブームピン１３の現在位置Ｐ４と、車両本体１が目標面線８４の近傍に位置しているときのブームピン１３の位置Ｐ４’とは、現況面線７８の形状に応じて異なる。このため、作業可能範囲７６の高さ位置も、現況面線７８の高さの変化に合わせて変化する。従って、最適作業位置は、現況面線７８に応じた作業可能範囲７６の高さ位置に基づいて算出される。具体的には、履帯５ａ，５ｂの底面の検出基準点Ｐ５からブームピン１３までの高さＨｂを示すデータが作業機データ記憶部４７に記憶されており、現況面線７８からブームピン１３の高さＨｂだけ上方の位置が、車両本体１が現況面線７８上に位置しているときのブームピン１３の軌跡Ｔｂとして算出される。最適作業位置は、ブームピン１３がこの軌跡Ｔｂに沿って移動したときの作業可能範囲７６の位置に基づいて算出される。

また、上述したステップＳ４において、目標面７０が上り斜面又は水平面であると判定された場合には、図１４に示すように、作業可能範囲７６の境界線と目標面線８４との交点のうち車両本体１から遠い方の交点Ｐ６が目標面線８４の頂上部と一致する位置が、最適作業位置として算出される。また、ステップＳ４において目標面７０が下り斜面であると判定された場合には、図１５に示すように、作業可能範囲７６の境界線と目標面線８４との交点のうち車両本体１に近い方の交点Ｐ７が目標面線８４の頂上部と一致する位置が、最適作業位置として算出される。

ステップＳ６では、最適作業位置を示す案内画面５２が表示部４２に表示される。ここでは、図５に示すように、案内画面５２の上面図５２ａに、最適作業位置を示す直線７２が表示される。また、案内画面５２の側面図５２ｂに最適作業位置を示す三角形のアイコン８１が表示される。

３．特徴
本実施形態に係る油圧ショベル１００の位置誘導システム２８では、目標面線８４と作業可能範囲７６との重なり合う掘削可能範囲７９が最大となる車両本体１の位置が最適作業位置として算出される。そして、最適作業位置を示す案内画面５２が表示部４２に表示される。このため、オペレータは、案内画面５２上の最適作業位置を目指して油圧ショベル１００を操縦することにより、油圧ショベル１００を掘削作業に適した位置まで容易に移動させることができる。具体的には、オペレータは、図５に示す案内画面５２の側面図５２ｂに表示されるアイコン８１によって最適作業位置を確認することができる。このため、オペレータは、油圧ショベル１００の前後の位置調整を容易に行うことができる。また、オペレータは、案内画面５２の上面図５２ａに表示される直線７２によって最適作業位置を確認することができる。このため、オペレータは、油圧ショベル１００の左右の位置調整を容易に行うことができる。

図１３に示すように、車両本体１の現在位置における作業可能範囲７６の高さを基準とするのではなく、車両本体１が現況面線７８上に位置しているときの作業可能範囲７６の高さ位置に基づいて、最適作業位置が算出される。このため、起伏のある作業エリア内においても、最適作業位置を精度よく算出することができる。

目標面線８４が未掘削領域と掘削済領域とに分類され、未掘削領域が掘削可能範囲７９の対象とされる。このため、図１２に示すように、断続的な掘削によって未掘削領域と掘削済領域とが混在する場合であっても、既に掘削する必要のない掘削済領域が最適作業位置の算出から除外される。このため、有効な最適作業位置を精度よく算出することができる。

目標面線８４の傾斜角θ５又は現況面線７８の傾斜角θ６が所定の表示判定閾値以上であるときには、最適作業位置が案内画面５２に表示されない。これにより、油圧ショベル１００が安定的に作業できる範囲内で最適作業位置を案内画面５２に示すことができる。

図１４に示すように、目標面７０が油圧ショベル１００から見て上り斜面又は水平面である場合には、作業機２を延ばした状態で目標面線８４の頂上部に届く位置が、最適作業位置として算出される。このため、例えば、上り斜面が油圧ショベル１００に比べて非常に大きい場合には、頂上部から上り斜面を下りながら順に掘削を行うように、オペレータは油圧ショベル１００を操作することができる。

図１５に示すように、目標面７０が油圧ショベル１００から見て下り斜面である場合には、作業機２を縮めた状態で目標面線８４の頂上部に届く位置が、最適作業位置として算出される。このため、例えば、車両本体１の手前側を掘削しながら、下り斜面を降りていくように、オペレータは油圧ショベル１００を操作することができる。

４．他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、位置誘導システム２８の機能の一部、或いは、全てが、油圧ショベル１００の外部に配置されたコンピュータによって実行されてもよい。上記の実施形態では作業機２は、ブーム６、アーム７、バケット８を有しているが、作業機２の構成はこれに限られない。

上記の実施形態では、第１〜第３ストロークセンサ１６−１８によって、ブーム６、アーム７、バケット８の傾斜角を検出しているが、傾斜角の検出手段はこれらに限られない。例えば、ブーム６、アーム７、バケット８の傾斜角を検出する角度センサが備えられてもよい。

上記の実施形態では、バケット８の先端Ｐ３の位置の軌跡、及び、履帯５ａ，５ｂの底面の検出基準点Ｐ５の位置の軌跡が、現況面線７８として検出されている。しかし、現況面線７８の検出方法はこれに限られない。例えば、特開２００２−３２８０２２号公報に開示されているように、レーザー距離測定装置によって現況面線７８が検出されてもよい。或いは、特開平１１−２１１４７３号公報に開示されているように、ステレオカメラ式の計測装置によって現況面線７８が検出されてもよい。

図１３に示すように、上記の実施形態では、最適作業位置は、現況面線７８に応じた作業可能範囲７６の高さ位置に基づいて算出されている。しかし、図１６に示すように、最適作業位置は、仮想地面線９０からの作業可能範囲７６の高さ位置に基づいて算出されてもよい。仮想地面線９０は、油圧ショベル１００の現在位置における底面の検出基準点Ｐ５を通りグローバル座標系におけるＹ軸方向に平行な線である。

本発明は、油圧ショベルを作業に適した位置まで容易に移動させることができる効果を有し、油圧ショベルの位置誘導システム及びその制御方法として有用である。

１ 車両本体
２ 作業機
１９ 位置検出部
２８ 位置誘導システム
４２ 表示部
４６ 地形データ記憶部
４７ 作業機データ記憶部
４８ 現況面記憶部
５０ 現況面検出部
５１ 最適作業位置演算部
５２ 案内画面
７０ 目標面
７６ 作業可能範囲
１００ 油圧ショベル

Claims (11)

1. 車両本体と前記車両本体に取り付けられる作業機とを有する油圧ショベルを、作業エリア内の目標面まで誘導する位置誘導システムであって、
   前記目標面の位置を示す地形データを記憶する地形データ記憶部と、
   前記作業機が届くことができる前記車両本体の周囲の作業可能範囲を示す作業機データを記憶する作業機データ記憶部と、
   前記車両本体の現在位置を検出する位置検出部と、
   前記地形データと前記作業機データと前記車両本体の現在位置とに基づいて、前記目標面と前記作業可能範囲との重なり合う掘削可能範囲が最大となる前記車両本体の位置を最適作業位置として算出する最適作業位置演算部と、
   前記最適作業位置を示す案内画面を表示する表示部と、
   を備える油圧ショベルの位置誘導システム。
2. 前記掘削可能範囲は、側面視において前記目標面の断面を示す線分と前記作業可能範囲との重なりあう部分である、
   請求項１に記載の油圧ショベルの位置誘導システム。
3. 前記案内画面は、側面視における前記目標面の断面と前記油圧ショベルと前記最適作業位置とを示す側面図を含む、
   請求項１又は２に記載の油圧ショベルの位置誘導システム。
4. 前記案内画面は、上面視における前記目標面と前記油圧ショベルと前記最適作業位置とを示す上面図を含む、
   請求項１から３のいずれかに記載の油圧ショベルの位置誘導システム。
5. 最新の現況面を検出する現況面検出部と、
   前記現況面検出部で検出された最新の現況面を記憶し更新する現況面記憶部と、
   をさらに備え、
   前記最適作業位置は、前記車両本体が前記現況面上に位置しているときの前記作業可能範囲の高さ位置に基づいて算出される、
   請求項１から４のいずれかに記載の油圧ショベルの位置誘導システム。
6. 最新の現況面を検出する現況面検出部と、
   前記現況面検出部で検出された最新の現況面を記憶し更新する現況面記憶部と、
   をさらに備え、
   前記最適作業位置演算部は、前記現況面と前記目標面との差の大きさに基づいて前記目標面を掘削済領域と未掘削領域とに分類し、前記車両本体に最も近い前記未掘削領域を前記掘削可能範囲の対象とする、
   請求項１から４のいずれかに記載の油圧ショベルの位置誘導システム。
7. 前記最適作業位置演算部は、前記現況面又は前記目標面の傾斜角が所定の閾値以上であるときには、前記案内画面に前記最適作業位置を表示させない、
   請求項５又は６に記載の油圧ショベルの位置誘導システム。
8. 前記目標面が前記油圧ショベルから見て上り斜面又は水平面である場合、前記最適作業位置は、前記作業可能範囲の境界線と前記目標面との交点のうち前記車両本体から遠い方が前記目標面の頂上部と一致する位置である、
   請求項１から７のいずれかに記載の油圧ショベルの位置誘導システム。
9. 前記目標面が前記油圧ショベルから見て下り斜面である場合、前記最適作業位置は、前記作業可能範囲の境界線と前記目標面との交点のうち前記車両本体に近い方が前記目標面の頂上部と一致する位置である、
   請求項１から８のいずれかに記載の油圧ショベルの位置誘導システム。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の油圧ショベルの位置誘導システムを備える油圧ショベル。
11. 車両本体と前記車両本体に取り付けられる作業機とを有する油圧ショベルを、作業エリア内の目標面まで誘導する位置誘導システムの制御方法であって、
    前記車両本体の現在位置を検出するステップと、
    前記目標面の位置を示す地形データと、前記作業機が届くことができる前記車両本体の周囲の作業可能範囲を示す作業機データと、前記車両本体の現在位置とに基づいて、前記目標面と前記作業可能範囲との重なり合う掘削可能範囲が最大となる前記車両本体の位置を最適作業位置として算出するステップと、
    前記最適作業位置を示す案内画面を表示するステップと、
    を備える油圧ショベルの位置誘導システムの制御方法。