JP6910995B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の作業機械に係り、特に、作業装置に設定されたモニタポイントの３次元空間における絶対位置を衛星の測位信号を用いて計測する位置計測システムが搭載された作業機械に関する。

近年、建設施工現場においてＧＮＳＳ等の３次元位置計測装置を用いて作業機械のモニタポイントの３次元空間における絶対位置（以下、３次元位置）を計測し、作業管理を行うことがなされている。モニタポイントの代表例としては、作業機械の作業装置の所定位置、例えば油圧ショベルのバケット先端位置がある。このバケット先端位置を計測できれば、その計測データを予め設定した地形データや目標形状データと比較することにより施工中の作業進行状況を把握でき、施工中の管理や制御が行える。また、施工後も、計測データから出来形データ（例えば掘削地形データ）を生成することで、施工管理が行える。このような位置計測システムの従来技術として、例えば特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載の技術は、油圧ショベルの上部旋回体上に２個のＧＮＳＳアンテナを設置し、このＧＮＳＳアンテナの位置情報と、ブーム、アーム及びバケットの傾斜角を検出する傾斜角度センサの角度情報とからバケットの３次元位置を演算するものである。

特許文献１は、油圧ショベル等の作業機械の３次元位置及び作業機の方向と３次元目標地形とを比較し、作業機の向いている方向を通過する縦断面の平面と３次元目標地形との交線を演算し、その交線を運転室内に設置した表示装置に車体と作業機とを同一画面上に表示することにより、日標の掘削面をガイダンスする装置を提案している。

特許文献１記載の技術では、バケットの３次元位置を演算するために、２個のＧＮＳＳアンテナが受信した信号に基づいて、２個のＧＮＳＳアンテナが位置する上部旋回体上の２点の位置をＲＴＫ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ）計測し、この計測された上部旋回体上の２点の位置から、油圧ショベルの位置と姿勢を表す車体座標系を求め、ブーム、アーム及びバケットに取り付けられた傾斜角度センサの角度情報などを組み合わせて、バケットの３次元位置を演算している。

３次元位置計測装置であるＧＮＳＳは、測位衛星からの測位信号を受信することで位置計算を行っているが、信号経路やＧＮＳＳアンテナ近傍に障害物があると、この障害物による回折信号や反射信号がＧＮＳＳアンテナへ入射し、位置計測の精度低下要因となる。この問題を解決するために、例えば特許文献２に記載の技術が提案されている。

特許文献２に記載の技術は、測位アンテナより上方に位置する作業装置等の上部構造体の外面に電波吸収体を設け、これにより、測位衛星からの測位信号が上部構造体で反射して測位アンテナに受信されることを抑制し、位置計測精度の悪化を防止するものである。

特開２００１−９８５８５号公報

特開２０１７−７５８２０号公報

３次元位置計測装置であるＧＮＳＳ受信機は、ＧＮＳＳアンテナで受信される衛星からの測位信号の品質や、測位信号を受信しているＧＮＳＳ衛星の配置等、種々の条件判定を行って位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星を選択している。

一般的に油圧ショベルは、掘削作業時に、掘削、旋回、放土という一連の動作を繰り返し行う。旋回動作中は、フロント作業装置によって測位信号が遮られる測位衛星が時々刻々と変化する。そのため、掘削動作中に使用される測位衛星の組み合わせが旋回動作の前後で変化する場合がある。測位衛星の組み合わせが変化すると、車体及び作業装置の位置及び姿勢が同一であっても、旋回動作の前後でモニタポイントの位置計算結果にズレが生じ、位置計算の再現性が悪化するおそれがある。このような位置計測結果に基づいて掘削作業を行った場合、旋回動作の前後で出来形形状が不連続になる等の問題が生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い施工精度が要求される作業において、作業装置に設定されたモニタポイントの位置計算の再現性を向上し、ひいては作業効率を向上することができる作業機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に設けられ、前記下部走行体と共に車体を構成する上部旋回体と、前記上部旋回体に回動可能に設けられた作業装置と、前記車体に設けられた傾斜計測装置と、前記作業装置に設けられた角度計測装置と、衛星の測位信号に基づいて自身の３次元位置および方向を計算する３次元位置計測装置と、前記傾斜計測装置、前記角度計測装置、および前記３次元位置計測装置からの情報に基づいて、前記車体の３次元位置および姿勢、ならびに前記作業装置の所定位置の３次元位置を計算するコントローラとを備えた作業機械において、前記３次元位置計測装置は、衛星の測位信号を受信し、測位信号を受信した衛星のうち、前記３次元位置計測装置の３次元位置および方向の計算に使用する衛星を選択し、選択した衛星の測位信号に基づいて、前記３次元位置計測装置の３次元位置および方向を計算し、前記作業機械は、前記３次元位置計測装置によって選択されている衛星の組み合わせを記憶するように指示するための記憶指示装置を更に備え、前記コントローラは、前記記憶指示装置を介して指示が入力されたときに、前記３次元位置計測装置によって選択されている衛星の組み合わせを衛星選択情報として記憶し、所定の変更条件が成立したときに、前記衛星選択情報を前記３次元位置計測装置に送信し、前記３次元位置計測装置は、前記コントローラから前記衛星選択情報を受信した場合に、測位信号を受信した衛星のうち、前記衛星選択情報に含まれる衛星を優先的に選択するものとする。

以上のように構成した本発明によれば、オペレータが記憶指示装置を介して指示を入力することにより、３次元位置計測装置で選択されている衛星の組み合わせが衛星選択情報としてコントローラに記憶され、所定の変更条件が成立したときに、前記衛星選択情報に含まれる衛星が３次元位置計測装置によって優先的に選択される。これにより、高い施工精度が求められる作業において、３次元位置計測装置の位置計算に使用される衛星の組み合わせを極力統一することができるため、作業装置の位置計算の再現性を向上し、ひいては作業効率を向上することが可能となる。

本発明によれば、高い施工精度が要求される作業において、作業装置の位置計算に使用される衛星の組み合わせを可能な限り統一することにより、作業装置の位置計算の再現性を向上し、ひいては作業効率を向上することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの外観を示す図である 油圧ショベルに搭載された位置計測システムの装置構成を示すブロック図である。 ＧＮＳＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの装置構成を示すブロック図である。 ＧＮＳＳ受信機及びコントローラに備わる位置姿勢演算機能を示すブロック図である。 油圧ショベルの掘削動作時の姿勢を模式的に示した図である。 油圧ショベルの旋回動作時の姿勢を模式的に示した図である。 油圧ショベルの掘削位置および放土位置、ならびにその時のＧＮＳＳアンテナの上空視界内にあるＧＮＳＳ衛星の配置を模式的に示した図である。 油圧ショベルの掘削位置、その時のＧＮＳＳアンテナの上空視界内にあるＧＮＳＳ衛星の配置、および位置計算に使用されているＧＮＳＳ衛星の組み合わせを模式的に示した図である。 油圧ショベルの放土位置、その時のＧＮＳＳアンテナの上空視界内にあるＧＮＳＳ衛星の配置、および位置計算に使用されているＧＮＳＳ衛星の組み合わせを模式的に示した図である。 油圧ショベルの掘削位置、その時のＧＮＳＳアンテナの上空視界内にあるＧＮＳＳ衛星の配置、および位置計算に使用されているＧＮＳＳ衛星の組み合わせを模式的に示した図である。 コントローラおよびＧＮＳＳ受信機の処理を示すフローチャートである。 図１１に示すスイッチ入力判定処理の詳細を示すフローチャートである。 図１１に示すＧＮＳＳ衛星情報記憶処理の詳細を示すフローチャートである。 図１１に示す車体位置姿勢情報記憶処理の詳細を示すフローチャートである。 図１１に示すＧＮＳＳ衛星変更処理（位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星を人為的に変更する場合）の詳細を示すフローチャートである。 図１１に示すＧＮＳＳ衛星変更処理（位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星を自動的に変更する場合）の詳細を示すフローチャートである。 図２に示す表示装置に表示される画面の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。本実施の形態は、建設機械としてクローラ式の油圧ショベルに本発明を適用し、油圧ショベルのバケット先端にモニタポイントを設定した場合のものである。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

図１は、本実施の形態に係る油圧ショベルの外観を示す図である。

図１において、油圧ショベル１は、下部走行体２と、下部走行体２上に旋回可能に設けられ、下部走行体２と共に車体を構成する上部旋回体３と、上部旋回体３に設けられたキャブ４及びフロント作業機５とを備えている。フロント作業機５は、上部旋回体３に上下方向に回転可能に設けられたブーム６と、ブーム６の先端に上下方向に回転可能に設けられたアーム７と、アーム７の先端に上下方向に回転可能に設けられたバケット８とを有する。ブーム６、アーム７、バケット８は、それぞれ、ブームシリンダ９、アームシリンダ１０、バケットシリンダ１１を伸縮することにより駆動される。

また、油圧ショベル１には、上部旋回体３の前後方向の傾斜角（ピッチ角度）を検出する車体ＩＭＵ２１、上部旋回体３に対するブーム６の回転角（ブーム角度）を検出するブームＩＭＵ２２、ブーム６に対するアーム７の回転角（アーム角度）を検出するアームＩＭＵ２３、アーム７に対するバケット８の回転角（バケット角度）を検出するバケットＩＭＵ２４が設けられている。

さらに、油圧ショベル１には、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信する２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２、基準局からのＲＴＫ補正データ（後述）を受信するためのＲＴＫ補正データ受信アンテナ３４、位置等の車体データを送信する車体データ送信アンテナ３６が設けられている。２個のＧＮＳＳアンテナ３１，３２は上部旋回体３の旋回中心から外れた旋回体後部の左右に設置されている。

図２は、油圧ショベル１に搭載された位置計測システムの装置構成を示すブロック図である。

位置計測システム２００は、基準局からのＲＴＫ補正データ（後述）をアンテナ３４を介して受信する無線機３５、ＲＴＫ補正データとＧＮＳＳアンテナ３１，３２により受信されるＧＮＳＳ衛星からの信号とに基づいてＧＮＳＳアンテナ３１の位置と、ＧＮＳＳアンテナ３１からＧＮＳＳアンテナ３２へのベクトルをリアルタイムに計測するＧＮＳＳ受信機３３、ＧＮＳＳ受信機３３からの位置及びベクトルデータとＩＭＵ２１〜２４からの角度データを入力して油圧ショベル１の位置及び姿勢やバケット８の先端（モニタポイント）の位置を演算するコントローラ３８、コントローラ３８の演算結果を表示する表示装置３９、コントローラ３８により演算された位置等の車体データをアンテナ３６を介して送信する無線機３７を備えている。

コントローラ３８には、記憶スイッチ４０及び手動合わせスイッチ４１が接続されている。記憶スイッチ４０は、コントローラ３８で演算する油圧ショベル１の位置及び姿勢やバケット８の先端位置の精度に対して、再現性を維持して高精度の結果が必要である場合に、ＧＮＳＳの衛星や車体の情報を記憶するように指示するためのスイッチである。手動合わせスイッチ４１は、前述の記憶情報と照合して、位置計算に使用するためのＧＮＳＳ衛星の組み合わせを変更するように指示するためのスイッチである。記憶スイッチ４０及び手動合わせスイッチ４１の詳細については後述する。

また、コントローラ３８には、ＩＣカード等の外部記録媒体４２を接続することができる。外部記録媒体４２には、後述するサーバコントローラ５５（図３に示す）で計画された作業範囲の原地形データや目標地形データなどが記憶されており、オペレータはシステム起動時に外部記録媒体４２をコントローラ３８に接続してデータを入力する。そして、作業終了時には計測データを外部記録媒体４２に記録し、サーバコントローラ５５に接続して計測データを入力し、施工管理に使用する。

図３は、ＧＮＳＳ基準局としての役割を持つ事務所側システムの装置構成を示すブロック図である。

図３において、事務所機器５０は、油圧ショベル１及びバケット８等の位置や作業の管理を行う機器であり、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信するＧＮＳＳアンテナ５２、ＲＴＫ補正データを油圧ショベル１に送信する無線アンテナ５４、油圧ショベル１から上述した油圧ショベル１やバケット８の位置等の車体データを受信する無線アンテナ５７、予め計測された３次元位置データとＧＮＳＳアンテナ５２により受信されるＧＮＳＳ衛星からの信号とに基づき、上述した油圧ショベル１のＧＮＳＳ受信機３３（図２に示す）でＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）計測を行うためのＲＴＫ補正データを生成するＧＮＳＳ基準局としてのＧＮＳＳ受信機５１、ＧＮＳＳ受信機５１で生成されたＲＴＫ補正データをアンテナ５４を介して送信する無線機５３、アンテナ５７を介して車体データを受信する無線機５６、無線機５６により受信した車体データに基づき油圧ショベル１やバケット８の位置を表示・管理するための演算及び表示を行うサーバコントローラ５５を備えている。

また、サーバコントローラ５５には、外部記録媒体４２を接続することができる。サーバコントローラ５５は、外部記録媒体４２を介して、位置計測システム２００（図２に示す）との間で、原地形データ、目標地形データ及び計測データの入出力を行う。

図４は、ＧＮＳＳ受信機３３及びコントローラ３８に備わる位置姿勢演算機能を示すブロック図である。

図４において、ＧＮＳＳ受信機３３は、無線機３５を介してＧＮＳＳ受信機５１（図３に示す）からのＲＴＫ補正データを受信するＲＴＫ補正データ受信部１００と、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２からのＧＮＳＳ信号を受信する衛星信号受信部１０１と、衛星信号強度や衛星配置等から位置演算に使用する衛星を選択する衛星選択部１０２と、ＧＮＳＳアンテナ３１の位置、及びＧＮＳＳアンテナ３１から３２へのベクトルを演算するＧＮＳＳ位置及びベクトル演算部１０３とを有する。

コントローラ３８は、記憶スイッチ４０及び手動合わせスイッチ４１の入力に基づいてＧＮＳＳ及び車体情報を記憶する測位状態記憶部１０４と、車体ＩＭＵ２１の計測結果に基づいて油圧ショベル１の傾斜角度を演算する車体傾斜演算部１０５と、ＧＮＳＳ位置及びベクトル演算部１０３と車体傾斜演算部１０５の演算結果に基づいて油圧ショベル１の位置及び姿勢を演算する車体位置姿勢演算部１０６と、フロントＩＭＵ２２〜２４の計測結果に基づいてブーム６、アーム７及びバケット８の角度を演算するフロント角度演算部１０７と、車体位置姿勢演算部１０６とフロント角度演算部１０７の演算結果に基づいてモニタポイントの位置を演算するバケット先端位置演算部１０８とを有する。

次に、本実施の形態に係わる位置計測システム２００（図２に示す）の動作の概要を説明する。

本実施の形態では高精度での位置計測を行うため、図２に示したＧＮＳＳ受信機３３でＲＴＫ計測を行う。このためには、まず、図３に示したＲＴＫ補正データを生成するＧＮＳＳ基準局５１が必要となる。ＧＮＳＳ基準局５１は、上記のように予め３次元計測されたアンテナ５２の位置データとアンテナ５２により受信されるＧＮＳＳ衛星からの信号とに基づいて、ＲＴＫ計測のためのＲＴＫ補正データを生成する。生成されたＲＴＫ補正データは、無線機５３によりアンテナ５４を介して一定周期で送信される。

一方、図２及び図４に示した車載側のＧＮＳＳ受信機３３は、アンテナ３４を介して無線機３５により受信されるＲＴＫ補正データと、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２により受信されるＧＮＳＳ衛星からの信号に基づき、アンテナ３１の３次元位置とアンテナ３１からアンテナ３２へのベクトルをＲＴＫ計測する。このＲＴＫ計測によって、アンテナ３１の３次元位置及びアンテナ３１からアンテナ３２へのベクトルが高精度で計測される。そして、計測された３次元位置データはコントローラ３８に入力される。

また、車体ＩＭＵ２１によって油圧ショベル１のピッチ角度、フロントＩＭＵ２２〜２４によってそれぞれブーム６、アーム７及びバケット８の各角度が計測され、同様にコントローラ３８に入力される。

コントローラ３８は入力された各種データに基づき、一般的なベクトル演算と座標変換を行って、油圧ショベル１の位置及び姿勢と、バケット８の先端の３次元位置を演算する。また、これらの演算結果を、外部記録媒体４２から入力した地形データと合わせて、表示装置３９の上に表示してオペレータに作業状況を知らせると共に、無線機３７によりアンテナ３６を介して送信する。

送信された油圧ショベル１の位置及び姿勢とバケット８の先端の位置データは、アンテナ５７を介して無線機５６により受信され、サーバコントローラ５５に入力される。サーバコントローラ５５は入力された油圧ショベル１の位置及び姿勢とバケット８の先端の位置データを保存すると共に、モニタ上に表示する。これにより事務所において油圧ショベル１の作業状態を管理することができる。

次に、本発明が課題とする、位置計算の再現性の悪化について、図５〜図１０を用いて説明する。

図５は、油圧ショベル１の掘削動作時の姿勢を模式的に示したものである。図５において、油圧ショベル１はいわゆる法面切り上げ作業を行っている。図５に示すイメージは、表示装置３９に表示される情報に概略等しく、オペレータはこの情報に基づいて、現地形６１が目標地形６２に近づくように、油圧ショベル１の掘削操作を行う。

図６は、油圧ショベル１の旋回動作時の姿勢を模式的に示したものである。図６に示すように、通常、旋回動作は、掘削動作の終了後にブーム６を上げ、アーム７及びバケット８を巻き込み、バケット８と地面とのクリアランスを確保した状態で行う。そして、放土位置にてアーム７及びバケット８をダンプさせて、掘削土を所定位置に落とす。その後、掘削位置へ戻るための旋回動作を行い、掘削動作を繰り返す。

図７は、油圧ショベル１の掘削位置および放土位置、ならびにその時のＧＮＳＳアンテナ３１，３２の上空視界内にあるＧＮＳＳ衛星８１〜８７の配置を模式的に示したものである。図７において、フロント作業機５が上側に向いた状態を掘削位置７１、フロント作業機５が左側に向いた状態を放土位置７２とし、掘削位置７１から放土位置７２への移動は左旋回で行い、放土位置７２から掘削位置７１への移動は右旋回で行うものとする。

ＧＮＳＳによる位置計測において、ＧＮＳＳ受信機３３は、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２で受信されるＧＮＳＳ衛星からの測位信号の品質や、測位信号を受信しているＧＮＳＳ衛星の配置等、種々の条件判定を行って位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星（測位信号）を選択している。

ここで、ＧＮＳＳ衛星の配置はＤＯＰ（Ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）という数値で評価されており、例えばＧＮＳＳ衛星が上空視界の一方向に偏って分布している場合などはＤＯＰが悪く（数値が大きい）、結果として計算される位置精度が悪化する。これに対して、ＧＮＳＳ衛星が上空視界に偏りなく分布している場合はＤＯＰが良く（数値が小さい）、計算される位置精度が向上する。これは、ＧＮＳＳによる位置計測が、三角測量を応用した計測システムであることに起因する。

このため、捕捉可能なＧＮＳＳ衛星８１〜８７が図７に示すような配置にある場合、掘削位置７１では位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星として、例えば図８に塗りつぶしで示す衛星８１，８３，８４，８６が選択される。

しかし、油圧ショベル１が掘削動作が終了し、図６に示すような旋回姿勢を取って掘削位置７１から放土位置７２へと左旋回すると、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２とＧＮＳＳ衛星８１，８６，８７との間をフロント作業機５が通過することにより、ＧＮＳＳ衛星８１，８６，８７の測位信号が遮られることになる。

この結果、放土位置７２の位置計算時には、例えば図９に塗りつぶしで示すＧＮＳＳ衛星８２〜８５が選択されることになり、図８の掘削位置７１で選択された組み合わせから変化する。

さらに、油圧ショベル１は右旋回で掘削位置７１へ戻り、掘削動作を繰り返すことになるが、放土位置７２から掘削位置７１へ右旋回する間はＧＮＳＳ衛星８２〜８５の測位信号はフロント作業機５によって遮られないため、掘削位置７１においても位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星の組み合わせが図１０に示すようにＧＮＳＳ衛星８２〜８５に保持され、前回の掘削動作時に選択されていたＧＮＳＳ衛星８１，８３，８４，８６の組み合わせから変化したままになってしまう。

ＧＮＳＳによる位置計測では、ＤＯＰ以外にもＧＮＳＳ衛星の時計誤差や軌道情報の誤差等、各ＧＮＳＳ衛星で微妙に異なる誤差要因があり、油圧ショベル１が同じ位置にあっても、位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星の組み合わせが異なると、位置計算結果にズレが生じ、位置計算の再現性が悪化するおそれがある。

このように、位置計算の再現性が悪化すると、表示装置３９に表示されるバケット８と目標地形６２との位置関係が掘削動作の前後で異なることになり、ひいては出来形が不連続になってしまうといった問題が生じる。

この問題を解決するため、本実施の形態では、図２に示す記憶スイッチ４０を設け、記憶スイッチ４０からの入力をトリガとして、その時の位置計算に使用されているＧＮＳＳ衛星や車体位置及び姿勢などの情報を記憶し、手動合わせスイッチ４１の入力信号や車体位置及び姿勢等の照合情報に基づいて、位置計算に使うＧＮＳＳ衛星として、記憶されたＧＮＳＳ衛星を優先的に選択することで、位置計算の再現性を向上させる。

次に、図１１〜図１７を用いて、油圧ショベル１の位置及び姿勢と、モニタポイントとしてのバケット８先端の位置計算手順ならびに、ＧＮＳＳ衛星の選択手順について説明する。

まず、ステップＳ１０１でスイッチ入力判定処理を実行する。スイッチ入力判定処理（ステップＳ１０１）の詳細を図１２に示す。

図１２において、まず、ステップＳ２０１で記憶スイッチ４０がＯＮされたか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ２０２へ移行し、判定結果がＮＯの場合はステップＳ２０３へ移行する。

ステップＳ２０２で記憶フラグをＯＮにする。

ステップＳ２０３で手動合わせスイッチ４１がＯＮされたか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ２０４へ移行し、ＮＯの場合はスイッチ入力判定処理（ステップＳ１０１）を終了する。

ステップＳ２０４で手動合わせフラグをＯＮにし、スイッチ入力判定処理（ステップＳ１０１）を終了する。

図１１に戻り、ステップＳ１０２でＧＮＳＳ衛星を捕捉する。ここでいう捕捉とは、地球上を周回している多数のＧＮＳＳ衛星の中から測位信号を受信できる衛星を選別することである。この時のＧＮＳＳ衛星の配置は、例えば図７に示した通りである。

ステップＳ１０３で、ステップＳ１０２で捕捉したＧＮＳＳ衛星から、位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星を選択する。この選択は、ＧＮＳＳアンテナ３１，３２で受信されるＧＮＳＳ衛星からの測位信号の品質や、測位信号を受信しているＧＮＳＳ衛星の配置等、種々の条件判定に基づいて行われ、例えば図８に示す掘削位置７１においては、ＧＮＳＳ衛星８１，８３，８４，８６が選択される。本実施例の記載においては、模式化のために仰角表現はせず、少ない衛星数で説明を行っているが、実運用時においても基本的な仕組みは同様である。

ステップＳ１０４でＧＮＳＳ衛星情報記憶処理を実行する。ＧＮＳＳ衛星情報記憶処理（ステップＳ１０４）の詳細を図１３に示す。

図１３において、まず、ステップＳ３０１で記憶フラグがＯＮか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ３０２へ移行し、判定結果がＮＯの場合はＧＮＳＳ衛星情報記憶処理（ステップＳ１０４）を終了する。

ステップＳ３０２で位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星情報を記憶し、ＧＮＳＳ衛星情報記憶処理（ステップＳ１０４）を終了する。ここで、記憶するＧＮＳＳ衛星情報は例えば、衛星番号、Ｓ／Ｎ比、仰角及びＤＯＰ等である。

図１１に戻り、ステップＳ１０５でＧＮＳＳ衛星変更処理を実行する。ステップＳ１０５の処理内容の詳細については後述する。

ステップＳ１０６で、ステップＳ１０３で選択された（またはステップＳ１０５で変更された）ＧＮＳＳ衛星信号に基づくＲＴＫ測位により、ＧＮＳＳアンテナ３１の位置と、ＧＮＳＳアンテナ３１からＧＮＳＳアンテナ３２へのベクトルを計算する。

ステップＳ１０７で、ステップＳ１０６の計算結果と、車体ＩＭＵ２１及びフロントＩＭＵ２２〜２４の計測結果に基づき、油圧ショベル１の位置及び姿勢と、バケット８先端の位置を計算する。

ステップＳ１０８で、車体位置姿勢情報記憶処理を実行する。車体位置姿勢情報記憶処理（ステップＳ１０８）の詳細を図１４に示す。

図１４において、まず、ステップＳ４０１で記憶フラグがＯＮか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ４０２へ移行し、判定結果がＮＯの場合は車体位置姿勢情報記憶処理（ステップＳ１０８）を終了する。

ステップＳ４０２で油圧ショベル１の位置及び姿勢を記憶する。ステップＳ４０２で記憶される姿勢は、例えば油圧ショベル１のフロント作業機５が向いている方向を示すヘディング角度であり、この値は、ステップＳ１０７で計算される。

ステップＳ４０３で記憶フラグをＯＦＦにする。

ステップＳ４０４で変更情報格納フラグをＯＮにし、車体位置姿勢情報記憶処理（ステップＳ１０８）を終了する。

次に、図１５及び１６を用いて位置計算の再現性を向上させるためのＧＮＳＳ衛星変更処理（ステップＳ１０５）の詳細について説明する。ここで、図１５は、油圧ショベル１のオペレータの指示に基づいて、位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星を人為的に指示する場合の例であり、図１６は、油圧ショベル１の位置や姿勢などの車体情報に基づいて、位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星を自動的に変更する場合の例である。

図１５に示す人為的変更の場合は、まず、ステップＳ５０１で手動合わせフラグと変更情報格納フラグが共にＯＮか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ５０２へ移行し、判定結果がＮＯの場合はＧＮＳＳ衛星選択処理（ステップＳ１０５）を終了する。

ステップＳ５０２で、ステップＳ３０２で記憶したＧＮＳＳ衛星とステップＳ１０３で選択したＧＮＳＳ衛星とが一致するか否かを判定する。

ステップＳ５０２の判定結果がＹＥＳの場合はＧＮＳＳ衛星選択処理（ステップＳ１０５）を終了する。これにより、位置計算に同じＧＮＳＳ衛星が使用されることになるため、位置計算の再現性は良い状態に保たれる。

ステップＳ５０２の判定結果がＮＯの場合はステップＳ５０３へ移行し、ステップＳ３０２で記憶したＧＮＳＳ衛星が、現在も位置計算に使用できる状態にあるか否かを判定する。具体的には、まず、ステップＳ１０２で捕捉されたＧＮＳＳ衛星にステップＳ３０２で記憶したＧＮＳＳ衛星が全て含まれているかを判定する。１個でも含まれていないＧＮＳＳ衛星があれば、記憶時と同じＧＮＳＳ衛星の組み合わせでの位置計算が不可能となるため、ステップＳ５０４へ移行し、表示装置３９で位置計算の再現性が悪化している旨を表示してオペレータに注意を促す。表示方法の一例を図１７に示す。図１７において、表示装置３９（図２に示す）に表示される画面３９ａの下段には、油圧ショベル１と目標地形６２との位置関係を示す側面図が表示され、上段には上面図が表示される。オペレータはこの画面３９ａを見ながら施工する。位置計算の再現性が悪化している場合は、画面３９ａ上のメッセージ表示領域３９ｂを点灯表示させ、オペレータに注意を促す。

一方、ステップＳ１０２で捕捉されたＧＮＳＳ衛星にステップＳ３０２で記憶したＧＮＳＳ衛星が全て含まれていると判定した場合は、さらに、同一ＧＮＳＳ衛星において、記憶時のＳ／Ｎ比、仰角、ＤＯＰからの変化量がそれぞれ許容値内かを判定する。許容値内にある場合はステップＳ５０５へ移行し、そうでない場合はステップＳ５０４へ移行する。

ステップＳ５０５で、位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星をステップＳ３０２で記憶したものへと変更し、ステップＳ５０６で手動合わせフラグをＯＦＦにし、ＧＮＳＳ衛星変更処理（ステップＳ１０５）を終了する。これにより、同一ＧＮＳＳ衛星を使った位置計算が可能となるため、位置計算の再現性を向上させることができる。

図１６に示す自動的変更の場合は、まず、ステップＳ６０１で変更情報格納フラグがＯＮか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ６０２へと移行し、判定結果がＮＯの場合はＧＮＳＳ衛星変更処理（ステップＳ１０５）を終了する。

ステップＳ６０２で、車体情報の変化が閾値以下か否かを判定する。具体的には、ステップＳ４０２で記憶した油圧ショベル１の位置及びヘディング角度に対して、現在の位置及びヘディング角度の変化量がそれぞれ閾値以下か否かを判定する。油圧ショベル１が位置計算の再現性を維持しつつ作業を行う状況は、例えば道路土工等の法面成型作業であり、この場合、油圧ショベル１のヘディング角度の変化は少なく、走行で横に少しずつ移動しながらの作業になることが多い。このため、本処理ステップでの判定を行うことで、位置計算の再現性を維持したい状況かどうかを自動的に判定することができる。判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ６０３へ移行し、判定結果がＮＯの場合（再現性の維持が必要でない場合）は、ＧＮＳＳ衛星を変更することなく、ＧＮＳＳ衛星変更処理（ステップＳ１０５）を終了する。

ステップＳ６０３で、ステップＳ３０２で記憶したＧＮＳＳ衛星とステップＳ１０３で選択したＧＮＳＳ衛星とが一致するか否かを判定する。

ステップＳ６０３の判定結果がＹＥＳの場合は、ＧＮＳＳ衛星を変更することなく、ＧＮＳＳ衛星変更処理（ステップＳ１０５）を終了する。この場合、位置計算に同じＧＮＳＳ衛星が使用されることになるため、位置計算の再現性は良い状態となる。

ステップＳ６０３の判定結果がＮＯの場合はステップＳ６０４へ移行する。

ステップＳ６０４で、ステップＳ３０２で記憶したＧＮＳＳ衛星が、現在も位置計算に使用できる状態にあるか否かを判定する。この判定では、まず、ステップＳ１０２で捕捉したＧＮＳＳ衛星にステップＳ３０２で記憶したＧＮＳＳ衛星が全て含まれているかを調べる。１個でも含まれていないＧＮＳＳ衛星がある場合は、記憶時と同じＧＮＳＳ衛星の組み合わせを実現できなくなるため、ステップＳ６０５へ移行し、表示装置３９へ位置計算の再現性が悪化していることを表示してオペレータに注意を促す。

一方、ステップＳ１０２で捕捉されたＧＮＳＳ衛星にステップＳ３０２で記憶したＧＮＳＳ衛星が全て含まれている場合は、さらに、同一ＧＮＳＳ衛星において、記憶時のＳ／Ｎ比、仰角、ＤＯＰからの変化量がそれぞれ許容値内かを調べ、すべて許容値内にある場合はステップＳ６０６へ移行し、位置計算に使用するＧＮＳＳ衛星をステップＳ３０２で記憶したものへと変更する。これにより、同一ＧＮＳＳ衛星を使った位置計算が可能となるため、位置計算の再現性を向上させることができる。

本実施の形態では、下部走行体２と、下部走行体２に旋回可能に設けられ、下部走行体２と共に車体を構成する上部旋回体３と、上部旋回体に回動可能に設けられた作業装置５と、車体３に設けられた傾斜計測装置２１と、作業装置５に設けられた角度計測装置２２〜２４と、衛星８１〜８７の測位信号に基づいて自身の３次元位置および方向を計算する３次元位置計測装置３３と、傾斜計測装置２１、角度計測装置２２〜２４、および３次元位置計測装置３３からの情報に基づいて、車体３の３次元位置および姿勢、ならびに作業装置５に設定されたモニタポイントの３次元位置を計算するコントローラ３８とを備えた作業機械１において、３次元位置計測装置３３は、衛星８１〜８７の測位信号を受信し、測位信号を受信した衛星のうち、３次元位置計測装置３３の３次元位置および方向の計算に使用する衛星を選択し、選択した衛星の測位信号に基づいて、３次元位置計測装置３３の３次元位置および方向を計算し、作業機械１は、３次元位置計測装置３３によって選択されている衛星の組み合わせを記憶するように指示するための記憶指示装置４０を更に備え、コントローラ３８は、記憶指示装置４０を介して指示が入力されたときに、３次元位置計測装置３３によって選択されている衛星の組み合わせを衛星選択情報として記憶し、所定の変更条件が成立したときに、前記衛星選択情報を３次元位置計測装置３３に送信し、３次元位置計測装置３３は、コントローラ３８から前記衛星選択情報を受信した場合に、測位信号を受信した衛星のうち、前記衛星選択情報に含まれる衛星を優先的に選択する。

以上のように構成した本実施の形態によれば、オペレータが記憶指示装置４０を介して指示を入力することにより、３次元位置計測装置３３で選択されている衛星の組み合わせが衛星選択情報としてコントローラ３８に記憶され、所定の変更条件が成立したときに、前記衛星選択情報に含まれる衛星が３次元位置計測装置３３によって優先的に選択される。これにより、高い施工精度が求められる作業において、３次元位置計測装置３３の位置計算に使用される衛星の組み合わせを極力統一することができるため、作業装置５の位置計算の再現性を向上し、ひいては作業効率を向上することが可能となる。

また、コントローラ３８は、記憶指示装置４０を介して指示が入力されたときに、前記衛星選択情報と共に、前記衛星選択情報に含まれる各衛星の方位角と仰角と測位信号のＳ／Ｎ比、および当該各衛星の配置を表すＤＯＰを記憶し、前記所定の変更条件が成立し、かつ、前記衛星選択情報に含まれる各衛星の現在の配置、測位信号のＳ／Ｎ比、および仰角と、前記衛星選択情報を記憶した時点の配置、測位信号のＳ／Ｎ比、および仰角との差分がそれぞれ所定値以下である場合に、前記衛星選択情報を３次元位置計測装置３３に送信する。これにより、作業装置５の位置計算に使用する衛星の組み合わせを変更する際に、各衛星の配置、測位信号のＳ／Ｎ比、および仰角の変化量がそれぞれ所定値以内に抑えることができるため、作業装置５の位置計算の再現性をさらに向上することが可能となる。

また、作業機械１は、作業機械１の位置および姿勢、ならびに現地形および目標地形の情報を表示する表示装置３９を更に備え、コントローラ３８は、前記所定の変更条件が成立し、かつ、前記衛星選択情報を３次元位置計測装置３３に送信しなかった場合に、モニタポイントの位置計算の再現性が悪化している旨の情報を表示装置３９に出力する。これにより、モニタポイントの位置計算の再現性が悪化していることをオペレータが把握することが可能となる。

また、作業機械１は、３次元位置計測装置３３の位置および方向の演算に使用する衛星の組み合わせを変更するように指示するための変更指示装置４１を更に備え、コントローラ３８は、変更指示装置４１を介して指示が入力されたときに、前記所定の変更条件が成立したと判定する。これにより、オペレータが変更指示装置４１を介して指示を入力することにより、コントローラ３８に記憶されている衛星選択情報に含まれる衛星が３次元位置計測装置３３によって優先的に選択されるため、オペレータの判断により作業装置５の位置計算の再現性を向上することが可能となる。

また、コントローラ３８は、車体３の現在の３次元位置および姿勢と前記衛星選択情報を記憶した時点の３次元位置および姿勢との差分がそれぞれ所定値以下となったときに、前記所定の変更条件が成立したと判定する。これにより、車体３の位置および姿勢が衛星選択情報を記憶した時点の位置および姿勢に近づいたときに、コントローラ３８に記憶されている衛星選択情報に含まれる衛星が３次元位置計測装置３３によって優先的に選択されるため、オペレータの判断によらず作業装置５の位置計算の再現性を向上することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１…油圧ショベル（作業機械）、２…下部走行体（車体）、３…上部旋回体（車体）、４…キャブ、５…フロント作業機（作業装置）、６…ブーム、７…アーム、８…バケット、９…ブームシリンダ、１０…アームシリンダ、１１…バケットシリンダ、２１…車体ＩＭＵ（傾斜計測装置）、２２…ブームＩＭＵ（角度計測装置）、２３…アームＩＭＵ（角度計測装置）、２４…バケットＩＭＵ（角度計測装置）、３１，３２…ＧＮＳＳアンテナ、３３…ＧＮＳＳ受信機（３次元位置計測装置）、３４…ＲＴＫ補正データ受信アンテナ、３５…無線機、３６…車体データ送信アンテナ、３７…無線機、３８…コントローラ、３９…表示装置、３９ａ…画面、３９ｂ…メッセージ表示領域、４０…記憶スイッチ（記憶指示装置）、４１…手動合わせスイッチ（変更指示装置）、４２…外部記録媒体、５０…事務所機器、５１…ＧＮＳＳ基準局（ＧＮＳＳ受信機）、５２…ＧＮＳＳ基準局アンテナ、５３…無線機、５４ｉ…ＲＴＫ補正データ送信アンテナ、５５…サーバコントローラ、５６…無線機、５７…車体データ受信アンテナ、６１…現地形、６２…目標地形、７１…掘削位置、７２…放土位置、８１〜８７…ＧＮＳＳ衛星、１００…ＲＴＫ補正データ受信部、１０１…衛星信号受信部、１０２…衛星選択部、１０３…ＧＮＳＳ位置及びベクトル演算部、２００…位置計測システム。

Claims (5)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に旋回可能に設けられ、前記下部走行体と共に車体を構成する上部旋回体と、
   前記上部旋回体に回動可能に設けられた作業装置と、
   前記車体に設けられた傾斜計測装置と、
   前記作業装置に設けられた角度計測装置と、
   衛星の測位信号に基づいて自身の３次元位置および方向を計算する３次元位置計測装置と、
   前記傾斜計測装置、前記角度計測装置、および前記３次元位置計測装置からの情報に基づいて、前記車体の３次元位置および姿勢、ならびに前記作業装置の所定位置に設定されたモニタポイントの３次元位置を計算するコントローラとを備えた作業機械において、
   前記３次元位置計測装置は、
   衛星の測位信号を受信し、
   測位信号を受信した衛星のうち、前記３次元位置計測装置の３次元位置および方向の計算に使用する衛星を選択し、
   選択した衛星の測位信号に基づいて、前記３次元位置計測装置の３次元位置および方向を計算し、
   前記作業機械は、前記３次元位置計測装置によって選択されている衛星の組み合わせを記憶するように指示するための記憶指示装置を更に備え、
   前記コントローラは、前記記憶指示装置を介して指示が入力されたときに、前記３次元位置計測装置によって選択されている衛星の組み合わせを衛星選択情報として記憶し、所定の変更条件が成立したときに、前記衛星選択情報を前記３次元位置計測装置に送信し、
   前記３次元位置計測装置は、前記コントローラから前記衛星選択情報を受信した場合に、測位信号を受信した衛星のうち、前記衛星選択情報に含まれる衛星を優先的に選択する
   ことを特徴とする作業機械。
2. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記コントローラは、
   前記記憶指示装置を介して指示が入力されたときに、前記衛星選択情報と共に、前記衛星選択情報に含まれる各衛星の方位角と仰角と測位信号のＳ／Ｎ比、および当該各衛星の配置を表すＤＯＰを記憶し、
   前記所定の変更条件が成立し、かつ、前記衛星選択情報に含まれる各衛星の現在の配置、測位信号のＳ／Ｎ比、および仰角と、前記衛星選択情報を記憶した時点の配置、測位信号のＳ／Ｎ比、および仰角との差分がそれぞれ所定値以下である場合に、前記衛星選択情報を前記３次元位置計測装置に送信する
   ことを特徴とする作業機械。
3. 請求項２に記載の作業機械において、
   前記作業機械の位置および姿勢、ならびに現地形および目標地形の情報を表示する表示装置を更に備え、
   前記コントローラは、前記所定の変更条件が成立し、かつ、前記衛星選択情報を前記３次元位置計測装置に送信しなかった場合に、前記モニタポイントの位置計算の再現性が悪化している旨の情報を前記表示装置に出力する
   ことを特徴とする作業機械。
4. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記３次元位置計測装置の位置および方向の演算に使用する衛星の組み合わせを変更するように指示するための変更指示装置を更に備え、
   前記コントローラは、前記変更指示装置を介して指示が入力されたときに、前記所定の変更条件が成立したと判定する
   ことを特徴とする作業機械。
5. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記コントローラは、前記車体の現在の３次元位置および姿勢と前記衛星選択情報を記憶した時点の３次元位置および姿勢との差分がそれぞれ所定値以下となったときに、前記所定の変更条件が成立したと判定する
   ことを特徴とする作業機械。

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