特許 6616679 建設機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6616679

(24)【登録日】2019年11月15日

(45)【発行日】2019年12月4日

(54)【発明の名称】建設機械

(51)【国際特許分類】

   G01B 21/22 20060101AFI20191125BHJP

   E02F 3/43 20060101ALI20191125BHJP

【ＦＩ】

   G01B21/22

   E02F3/43 E

【請求項の数】7

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-245120(P2015-245120)

(22)【出願日】2015年12月16日

(65)【公開番号】特開2017-110998(P2017-110998A)

(43)【公開日】2017年6月22日

【審査請求日】2018年8月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005522

【氏名又は名称】日立建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山田 弘幸

(72)【発明者】

【氏名】森木 秀一

(72)【発明者】

【氏名】坂本 博史

(72)【発明者】

【氏名】釣賀 靖貴

【審査官】 國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−００５１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−１２８９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０３３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１７８６７７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ２１／２２

Ｅ０２Ｆ ３／４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

車体と、前記車体に設けられ、回動可能な複数の部材で構成した作業機構と、前記作業機構を構成する各部材を操作する操作装置と、前記各部材と水平面とがなす角度である対地角度を検出する作業機構検出装置とを備えた建設機械において、
前記作業機構検出装置は、オペレータが操作する前記操作装置の操作量信号を取得する操作量取得装置と、前記各部材の角速度信号を取得する角速度取得装置と、前記各部材に作用する加速度信号を取得する加速度取得装置と、
前記操作量取得装置が取得する操作量信号の大きさに応じて、前記角速度取得装置が取得した角速度信号と前記加速度取得装置が取得した加速度信号の寄与度を決定し前記各部材の対地角度を算出する姿勢角検出装置とを備えた
ことを特徴とする建設機械。

【請求項2】

下部走行体と、前記下部走行体上に旋回可能に搭載された上部旋回体と、前記上部旋回体に設けられ、回動可能な複数の部材で構成した作業機構と、前記作業機構を構成する各部材を操作する操作装置と、前記各部材と水平面とがなす角度である対地角度を検出する作業機構検出装置とを備えた建設機械において、
前記作業機構検出装置は、前記各部材の角速度信号を取得する第１角速度取得装置と、前記上部旋回体の角速度信号を取得する第２角速度取得装置と、前記各部材に作用する加速度信号を取得する加速度取得装置と、
前記第１角速度取得装置および前記第２角速度取得装置が取得する角速度信号の大きさに応じて、前記第１角速度取得装置が取得した角速度信号と前記加速度取得装置が取得した加速度信号の寄与度を決定し前記各部材の対地角度を算出する姿勢角検出装置とを備えた
ことを特徴とする建設機械。

【請求項3】

請求項１に記載の建設機械において、
前記作業機構は、前記車体から直列に各部材が回転可能に連結されていて、
前記姿勢角検出装置は、前記操作量取得装置が取得する一の部材の操作装置の操作量信号の大きさに応じて、前記一の部材よりも前記車体から遠ざかる側に連結されている全ての他の部材の対地角度を、前記角速度取得装置が取得した角速度信号と前記加速度取得装置が取得した加速度信号の寄与度を補正して算出する
ことを特徴とする建設機械。

【請求項4】

請求項１に記載の建設機械において、
前記姿勢角検出装置は、前記操作量取得装置が取得する操作量信号が大きいほど、前記加速度信号よりも前記角速度信号の寄与度が大きくなるように補正する
ことを特徴とする建設機械。

【請求項5】

請求項２に記載の建設機械において、
前記姿勢角検出装置は、前記第１角速度取得装置または前記第２角速度取得装置が取得する角速度信号が大きいほど、前記加速度信号よりも前記第１角速度取得装置が取得した角速度信号の寄与度が大きくなるように補正する
ことを特徴とする建設機械。

【請求項6】

請求項１に記載の建設機械において、
前記姿勢角検出装置は、２つの軸方向の加速度信号と、１つの軸方向の角速度信号に基づいて前記各部材の対地角度を算出する
ことを特徴とする建設機械。

【請求項7】

請求項４に記載の建設機械において、
前記姿勢角検出装置は、カルマンフィルタを用いて前記各部材の対地角度を算出し、前記カルマンフィルタの計算処理内で、前記寄与度に基づいてシステム雑音または観測雑音の共分散行列の値を変更し、前記各部材の対地角度を算出する
ことを特徴とする建設機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、建設機械に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＩＣＴ（Information and Communication Technology ：情報通信技術）を建設施工に適用して、多様な情報の効率的な活用による施工の合理化を図る情報化施工の普及が進められている。建設機械の油圧ショベルにおいては、キャブ内に設けた表示装置に、予め入力した設計図と、作業機構を構成するバケットの実際の位置と角度を計測して並列表示することで、オペレータの操作を誘導するマシンガイダンスシステムや、制御装置に予め入力した設計データと作業機構を構成するバケットの実際の位置と角度を計測して入力し、バケット先端が目標施工面に近づくと、所定の距離以上は近接しないように作業機構の動作を制限制御するマシンコントロールシステムを搭載したものがある。

【0003】

これらのシステムの目的は、例えば、施工の合理化や安全性の向上と共に、施工仕上げ面の品質確保であるが、これらの実現のためには、作業機構を構成するブーム、アーム、バケット等の各部材の位置、姿勢を高精度に計測することが重要になる。

【0004】

建設機械の作業機構のような移動物体の三次元の姿勢角を高精度に測定することの可能な移動物体の三次元姿勢角測定方法および三次元姿勢角計測装置がある（例えば、特許文献１参照）。この移動物体の三次元姿勢角計測装置の特徴は、移動物体に搭載され、当該移動物体の独立な３軸方向の角速度を計測する角速度センサと、前記移動物体に搭載され、当該移動物体の独立な３軸方向の加速度を計測する加速度センサと、前記角速度センサにより得られた角速度の計測値を時間的に積分して移動物体の三次元姿勢角の計測値を算出するとともに、前記加速度センサから得られた重力加速度ベクトルを観測ベクトルとする拡張カルマンフィルタの適用により当該三次元姿勢角の計測値を補正する機能を有する演算装置と、を備えてなる移動物体の三次元姿勢角計測装置にある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平９−５１０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した従来技術によれば、雑音やドリフトによって角速度センサの計測値に誤差が生じても、加速度センサから重力方向を示す重力加速度ベクトルを得て、当該重力加速度ベクトルを絶対基準として姿勢情報の補正を行うので、誤差が累積せず高精度に移動物体の三次元姿勢角の測定及び計測をすることができる。

【0007】

建設機械の作業機構にこの三次元姿勢角計測装置を配設した場合、車体や作業機構が停止している状態であれば、作業機構の位置姿勢を精度良く計測可能であるが、作業機構が動作している状態や作業機構を搭載した車体そのものが移動している状態では、以下の問題が生じる。すなわち、このような状態では、作業機構や車体の動作による動的な加速度（力）が作業機構に作用するため、加速度センサは、重力加速度と動作による動的な加速度の両方を測定する。このため、加速度センサから測定された加速度を基に計算する重力加速度ベクトルが動的加速度の分だけ本来の重力方向からずれてしまうといった現象が発生する。

【0008】

このことにより、加速度センサから測定された加速度を基に算出した結果に基づいて補正される角速度の測定値にもその誤差が伝搬することとなる。この結果、作業機構を形成する各部材の姿勢角の測定に誤差が生じる可能性が生じ、最終的に作業機構の位置姿勢の計測精度に悪影響を与えることになる。

【0009】

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、作業機構を構成する各部材の位置姿勢を高精度に計測できる作業機構検出装置を備えた建設機械を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、車体と、前記車体に設けられ、回動可能な複数の部材で構成した作業機構と、前記作業機構を構成する各部材を操作する操作装置と、前記各部材と水平面とがなす角度である対地角度を検出する作業機構検出装置とを備えた建設機械において、前記作業機構検出装置は、オペレータが操作する前記操作装置の操作量信号を取得する操作量取得装置と、前記各部材の角速度信号を取得する角速度取得装置と、前記各部材に作用する加速度信号を取得する加速度取得装置と、前記操作量取得装置が取得する操作量信号の大きさに応じて、前記角速度取得装置が取得した角速度信号と前記加速度取得装置が取得した加速度信号の寄与度を決定し前記各部材の対地角度を算出する姿勢角検出装置とを備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、作業機構の動作により動的加速度が生じる場合でも作業機構を構成する各部材の位置姿勢を高精度に計測できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の建設機械の第１の実施の形態である油圧ショベルを示す側面図である。

【図2】本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成するセンサユニットを示す斜視図である。

【図3】本発明の建設機械の第１の実施の形態である油圧ショベルの油圧回路の一部を示す概念図である。

【図4】本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する作業機構検出装置の構成を示すブロック図である。

【図5】本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する作業機構検出装置のセンサユニットの設置方向を示す概念図である。

【図6】本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する作業機構検出装置のセンサユニットにおける座標系と重力加速度の関係を示す概念図である。

【図7】本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する作業機構検出装置の演算装置における処理内容の一例を示すブロック図である。

【図8】本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する作業機構検出装置の演算装置における寄与度パラメータの設定方法の一例を示すブロック図である。

【図9】本発明の建設機械の第１の実施の形態における操作装置の操作量（パイロット圧）と寄与度パラメータ信号と作業機構の姿勢角の時系列の動きを示す特性図である。

【図10】本発明の建設機械の第２の実施の形態を構成する作業機構検出装置の演算装置における寄与度パラメータの設定方法の一例を示すブロック図である。

【図11】本発明の建設機械の第３の実施の形態である油圧ショベルを示す側面図である。

【図12】本発明の建設機械の第３の実施の形態を構成する作業機構検出装置の構成を示すブロック図である。

【図13】本発明の建設機械の第３の実施の形態を構成する作業機構検出装置の演算装置における寄与度パラメータの設定方法の一例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、建設機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明は、建設機械全般（作業機械を含む）に適用が可能であり、たとえばホイールローダなど作業機構を有する他の建設機械にも適用可能である。

【実施例1】

【0014】

図１は本発明の建設機械の第１の実施の形態である油圧ショベルを示す側面図、図２は本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成するセンサユニットを示す斜視図、図３は本発明の建設機械の第１の実施の形態である油圧ショベルの油圧回路の一部を示す概念図である。

【0015】

図１に示す油圧ショベル１は、車体を下部走行体１２と、下部走行体１２上に旋回可能に搭載された上部旋回体１１とで構成し、上部旋回体１１の前部側に上下方向に回転可能な作業機構２０が設けられている。作業機構２０は、上部旋回体１１の前部側に俯仰動可能に取付けられたブーム１３と、該ブーム１３の先端側に俯仰動可能に取付けられたアーム１４と、該アーム１４の先端側に回動可能に取付けられたバケットリンク１６と、アーム１４及びバケットリンク１６の先端側に回動可能に取付けられたバケット１５と、ブーム１３を駆動するブームシリンダ１７と、アーム１４を駆動するアームシリンダ１８と、バケット１５をバケットリンク１６を介して駆動するバケットシリンダ１９とを備えている。

【0016】

作業機構２０の基端部に配置されるブーム１３の基端側は、上部旋回体１１に上下方向に回動可能に支持されていて、ブームシリンダ１７の伸縮によってブーム１３が上部旋回体１１に対して相対的に回転駆動される。ブーム１３の先端側にはアーム１４の一端側が回転可能に支持されていて、アームシリンダ１８の伸縮によってアーム１４がブーム１３に対して相対的に回転駆動される。アーム１４の先端側にはバケットリンク１６とバケット１５とが回動可能に支持されていて、バケットシリンダ１９の伸縮に応じてバケットリンク１６がアーム１４に対して相対的に回転駆動され、それに連動してバケット１５がアーム１４に対して相対的に回転駆動される。

【0017】

また、油圧ショベル１の上部旋回体１１には、上部旋回体１１の前後方向の傾斜角を検出する傾斜センサ３４が配置されている。作業機構２０のブーム１３には、ブーム１３に作用する加速度と角速度を検出するブームセンサユニット２ａが、アーム１４には、アーム１４に作用する加速度と角速度を検出するアームセンサユニット２ｂがそれぞれ設けられている。同様に、バケットリンク１６には、バケットリンク１６に作用する加速度と角速度を検出するバケットセンサユニット２ｃが設けられている。ブームセンサユニット２ａとアームセンサユニット２ｂとバケットセンサユニット２ｃは、同一のセンサユニット２であり、詳細は後述するが、加速度センサと角速度センサ等を備えている。

【0018】

更に、油圧ショベル１には、作業機構２０を構成する各部材（ブーム１３、アーム１４、バケット１５）の位置姿勢を演算する演算装置３１が設けられている。演算装置３１は、ブームセンサユニット２ａ、アームセンサユニット２ｂ、バケットセンサユニット２ｃ及び傾斜センサ３４からの各種検出信号を入力し、各部材の位置姿勢を演算する。演算された各部材の信号、例えば、バケット１５の位置姿勢信号は、運転席のモニタ装置（図示せず）の表示や、作業機構２０の動作を制御するためのフィードバック情報に用いられる。

【0019】

次に、センサユニット２について説明する。図２に示すように、センサユニット２は、２つの加速度センサ２１、２２と、角速度センサ２３と、変換器２４と、各センサ２１、２２、２３と変換器２４とが配置され、これらを電気的に接続する回路基板２５と、これらを内部に包含するハウジング２７とを備えている。

【0020】

ハウジング２７には、各センサ２１、２２、２３が検出した信号（各センサ信号）を外部へ出力するため、及び、電源を外部から受けるためのコネクタ（図示せず）が接続されるコネクタ接続部２６が設けられている。

【0021】

変換器２４は、各センサ信号を受信し、送信しやすい情報へ変換して（例えば、アナログセンサ信号をデジタル信号に変換して）出力するものである。このようなアナログ／デジタル変換は、伝送中のノイズを低減し、複数のセンサ信号を１つの信号にまとめることでセンサユニット２からの信号を受ける演算装置３１の入出力部の占有を防止する。しかし、アナログ／デジタル変換は、必須のものではなく、変換器２４を介さずに各センサ信号を直接出力する様に構成してもよい。

【0022】

ここで、説明の便宜上、センサユニット２に、図２に示すような直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の座標系を設定する。加速度センサ２１は、Ｘ軸方向の加速度を検出し、加速度センサ２２は、Ｚ軸方向の加速度を検出するように配置されている。角速度センサ２３はＹ軸回りの角速度を検出するよう配置されている。

【0023】

本実施の形態では、１つのセンサが１方向の加速度あるいは角速度を検出する例を示しているが、１つのセンサで複数方向の加速度を検出するものや、１つのセンサで加速度と角速度を両方検出するものなどを用いてもよい。また、本実施の形態においては、最小限のセンサ構成を示しているが、３軸方向の加速度や、３軸回りの角速度など、加速度や角速度を検出する軸を増やしても良い。この場合、より精度良く作業機構２０を構成する部材の位置姿勢を計測することができる。

【0024】

センサユニット２は、作業機構２０の各部材（ブーム１３、アーム１４、バケットリンク１６）にそれぞれ設置されるが、図２に示すＹ軸が各部材の回転軸と略平行となる方向で設置されている。このように設置することにより、加速度センサ２１、２２で重力加速度との成す角を検出でき、角速度センサ２３でブーム１３、アーム１４、バケットリンク１６のそれぞれ、あるいは複合された回転運動における角速度を検出できる。

【0025】

次に、本実施の形態における油圧ショベル１の油圧回路の一部について説明する。図３に示す油圧回路は、ブームシリンダ１７を駆動するための必要最小限の構成を示している。以下、ブームシリンダ１７を駆動する場合を例に操作装置を操作して油圧アクチュエータを駆動する際の油圧回路の構成、機能を説明するが、本内容はアームシリンダ１８、バケットシリンダ１９、旋回油圧モータを駆動する場合であっても同様である。

【0026】

図３において、本実施の形態の油圧回路は、エンジン４１によって駆動される油圧ポンプ４４及びパイロット油圧ポンプ４２と、油圧ポンプ４４から圧油が供給され、作業機構２０のブーム１３を駆動するブームシリンダ１７と、油圧ポンプ４４からブームシリンダ１７に供給される圧油の流れ（流量と方向）を制御するスプールバルブ４５と、ブーム１３の動作指令を出力しスプールバルブ４５を切り換えるブーム操作装置４３と、ブーム操作装置４３によって生成されるパイロット圧を検出する圧力センサ３２ａ，３３ａとを備えている。圧力センサ３２ａ，３３ａが検出したブーム操作装置４３のパイロット圧は、作業機構２０の位置姿勢を演算する演算装置３１に入力されている。

【0027】

油圧ポンプ４４はエンジン４１によって駆動され、吐出した圧油を、スプールバルブ４５と油路を介してブームシリンダ１７へ供給する。スプールバルブ４５は、左右何れかのパイロット受圧部に供給されたパイロット圧に応じて、中立位置から左右いずれかの方向にスプール部を移動させる。このことにより、油圧ポンプ４４から吐出された圧油がスプールバルブ４５の左右位置に形成されたメータイン油路を介してブームシリンダ１７に供給される。一方、ブームシリンダ１７から排出される戻り油は、スプールバルブ４５の左右位置に形成されたメータアウト油路を介してタンクに排出される。

【0028】

スプールバルブの左右端部に設けられたパイロット受圧部は、パイロット油路を介してブーム操作装置４３の出力ポートに接続されている。ブーム操作装置４３の入力ポートは、パイロット油路を介してパイロット油圧ポンプ４２に接続されている。ブーム操作装置４３は、パイロット油圧ポンプ４２の吐出圧を元圧として、ブーム操作装置４３の操作量に応じたパイロット圧を生成し、出力ポートより出力する。スプールバルブ４５は、左右パイロット受圧部に導かれたパイロット圧に応じて、中立位置から左右のいずれかの方向にスプール部を移動させる。同様に、オペレータが各操作装置を操作することにより各油圧アクチュエータを駆動できる。

【0029】

ブーム操作装置４３とスプールバルブ４５の左右パイロット受圧部との間の２つのパイロット油路には、それぞれ圧力センサ３２ａ、３３ａが設けられている。圧力センサ３２ａ，３３ａが検出したブーム操作装置４３のパイロット圧は、演算装置３１に入力されている。図示しないが、本実施の形態においては、各操作装置のパイロット圧を検出するために、アームパイロット圧を検出する圧力センサ３２ｂ，３３ｂと、バケットパイロット圧を検出する圧力センサ３２ｃ，３３ｃと、旋回パイロット圧を検出する圧力センサ３２ｄ，３３ｄとを備えている。演算装置３１は、各操作装置のパイロット圧信号を入力することで、各油圧アクチュエータの操作量信号を受け取ることができる。

【0030】

なお、本実施の形態では操作量信号にパイロット圧を用いる構成について示しているが、操作量信号はパイロット圧に限るものではなく、操作装置にポテンショメータなどの操作量信号を電気信号に変換する検出器を設け、直接電気信号として演算装置３１へ送信してもよいし、電気レバー式の建設機械であれば電気レバーの出力信号をそのまま利用してもよい。これらの構成の場合、パイロット圧を用いる方法に比べて構成が簡便になる可能性もある。

【0031】

次に、本実施の形態における油圧ショベル１の作業機構検出装置について図を用いて説明する。図４は本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する作業機構検出装置の構成を示すブロック図、図５は本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する作業機構検出装置のセンサユニットの設置方向を示す概念図、図６は本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する作業機構検出装置のセンサユニットにおける座標系と重力加速度の関係を示す概念図である。図４乃至図６において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

【0032】

図４に示すように、本実施の形態における作業機構検出装置は、ブームセンサユニット２ａと、アームセンサユニット２ｂと、バケットセンサユニット２ｃと、傾斜センサ３４と、圧力センサ３２ａ〜ｄ，３３ａ〜ｄと、これらセンサ等からの信号を入力し、作業機構２０の位置姿勢を演算する演算装置３１とを備えている。

【0033】

ブームセンサユニット２ａにおいて、加速度センサ２１により測定される加速度センサ信号をａ_ｘ１、加速度センサ２２により測定される加速度センサ信号をａ_ｚ１、角速度センサ３４により測定される角速度センサ信号をω_ｙ１と定義する。同様に、アームセンサユニット２ｂにより測定されるセンサ信号は、ａ_ｘ２、ａ_ｚ２、ω_ｙ２、バケットセンサユニット２ｃにより測定されるセンサ信号は、ａ_ｘ３、ａ_ｚ３、ω_ｙ３と定義する。傾斜センサ３４によって測定される傾斜角をθ_０と定義する。また、圧力センサ３２ａ、３３ａによって測定されるブームパイロット圧信号をＰ_ａ１、Ｐ_ｂ１と定義し、圧力センサ３２ｂ、３３ｂによって測定されるアームパイロット圧信号をＰ_ａ２、Ｐ_ｂ２と定義する。同様に、圧力センサ３２ｃ、３３ｃによって測定されるバケットパイロット圧信号をＰ_ａ３、Ｐ_ｂ３と定義し、圧力センサ３２ｄ、３３ｄによって測定される旋回パイロット圧信号をＰ_ａ４、Ｐ_ｂ４と定義する。

【0034】

図５は、図１に示す油圧ショベル１の一部であって、ブームセンサユニット２ａの設置方向の詳細を示している。本実施の形態においては、ブーム１３の基端部と上部旋回体１１との回転対偶部１３１（回転中心）と、ブーム１３の先端部とアーム１４との回転対偶部１３２（回転中心）を結んだ直線１３３に対して、ブームセンサユニット２ａのＸ軸が略平行となるようにブーム１３の側面に設置されている。これは、センサユニット２ａでの検出姿勢（水平方向に対する傾斜角度、以下対地角度という）とブーム１３の実際の姿勢とを容易に対応付けるため設置の仕方である。ここで、対地角度とは、各部材と水平面とがなす角度であり、例えば、各部材の両端の回動中心を結ぶ線と水平面とがなす角度として定義される。図５において、θ１は、ブーム１３の対地角度を示す。上述の通りセンサユニット２ａのＹ軸とブーム１３の上部旋回体１１に対する回転軸とは略平行となるように設置されている。なお、必ずしも直線１３３とセンサユニット２ａのＸ軸とを平行にしなければならないわけではない。センサユニット２ａを任意の角度に取り付けた場合は、直線１３３とセンサユニット２ａのＸ軸との成す角を事前に測定しておき、その角度分センサユニット２ａで検出された検出姿勢に加算あるいは減算しても良い。

【0035】

本実施の形態では、図示しないがアームセンサユニット２ｂ、バケットセンサユニット２ｃに関してもブームセンサユニット２ａと同様に設置されている。具体的には、アーム１４の両端に設けられた２つの回転対偶部を結んだ直線とアームセンサユニット２ｂのＸ軸が略並行となるようにアーム１４の側面に設置されている。バケット１５の回転対偶部とバケットの爪先とを結んだ直線とバケットセンサユニット２ｃのＸ軸が略並行となるようにバケットリンク１６の側面に設置されている。

【0036】

このように各センサユニット２ａ、２ｂ，２ｃが、各部材に設置されることにより、作業機構２０を構成する各部材の対地角度が検出できる。

【0037】

次に図６を用いて、２つの加速度センサから得られる加速度によりセンサユニット２の水平方向に対する傾斜角度（以下、姿勢角）を算出する方法を説明する。図６において、ＸとＺは、センサユニット２のＸ軸とＺ軸とを示し、ｇは重力加速度を示している。

【0038】

加速度センサ２１、２２はセンサユニット２が設置された部材が静止している場合、重力加速度ｇに起因する加速度を検出する。センサユニット２が図６に示すように水平方向に対して実際にθ_Ｓだけ傾斜していた場合、加速度センサ２１には加速度ａ_ｘが、加速度センサ２２には加速度ａ_ｚが作用する。このときのそれぞれの加速度と重力加速度と傾斜角との関係は次式の通りである。
ａ_ｘ＝ｇｓｉｎθ_Ｓ・・・・・式（１）
ａ_ｚ＝ｇｃｏｓθ_Ｓ・・・・・式（２）
加速度ａ_ｘ、ａ_ｚから求まるセンサユニット２の姿勢角（対地角度）をθ_ａとすると、姿勢角（対地角度）θ_ａは次式により求まる。
θ_ａ＝ｔａｎ^−１（ａ_ｘ／ａ_ｚ）・・・・・式（３）

【0039】

センサユニット２が設置された部材（例えば、ブーム１３）が静止している場合、加速度センサ２１、２２には重力加速度ｇのみ作用するため、θ_ａとθ_Ｓとは略一致する（加速度センサのノイズに起因する誤差等の分だけ僅かにずれる）。しかしながら、例えば、ブーム１３が動作して、センサユニット２が円弧運動した場合、円弧運動の速度と円弧の半径に応じた遠心力が加速度センサ２１に作用し、円弧運動の加速度に応じた角加速度の接線方向成分が加速度センサ２２に作用する。このため、加速度センサが検出した加速度から得られるセンサユニット２の姿勢角（対地角度）θ_ａは、センサユニット２が何らかの運動をしている場合は、運動の大きさによって実際のセンサユニット２の傾斜角（対地角度）θ_Ｓと大きく異なる可能性が生じる。

【0040】

このような問題を解決するために、実行される本実施の形態の演算装置３１の処理内容について図を用いて説明する。図７は本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する作業機構検出装置の演算装置における処理内容の一例を示すブロック図、図８は本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する作業機構検出装置の演算装置における寄与度パラメータの設定方法の一例を示すブロック図である。

【0041】

図７に示す演算ブロック３１０は、演算装置３１を構成するブロックの一部であって、センサユニット２により測定されたＸ軸方向及びＺ軸方向の加速度とＹ軸回りの角速度を基に、センサユニット２が設置された部材の姿勢角（対地角度）θ_Ｓを算出する。演算ブロック３１０は加速度ａ_ｘ、ａ_ｚ、角速度ω_ｙ、パラメータαの各種信号を入力し、姿勢角（対地角度）θ_Ｓを算出して出力するものであり、内部に演算ブロック３１１〜３１５等を備えている。以下、演算ブロック３１０の演算処理内容について説明する。

【0042】

演算ブロック３１１は、上述したように、加速度センサ２１によって測定された加速度ａ_ｘと加速度センサ２２によって測定された加速度ａ_ｚを入力し、式（３）を用いて姿勢角θ_ａを求め、演算ブロック３１３へ出力する。演算ブロック３１２は、角速度センサ２３によって測定された角速度ω_ｙを入力し、角速度センサ２３のサンプリング周期Ｔを乗算した値を第１加算器へ出力する。第１加算器は、角速度ω_ｙとサンプリング周期Ｔを乗算した値と演算ブロック３１５の出力とを加算して角速度センサから求まるセンサユニット２の姿勢角θ_ωを演算し、演算部ロック３１４へ出力する。

【0043】

演算ブロック３１３、３１４は、それぞれ入力に対して１−α、αを乗算した値を演算し、第２加算器へ出力する。第２加算器は、演算ブロック３１３の出力と、演算ブロック３１４の出力を加算して、姿勢角（対地角度）θ_Ｓを出力する。演算ブロック３１５は、第２加算器で出力した姿勢角（対地角度）θ_Ｓ信号を入力し、１サンプリング周期遅延させて、第１加算器へ出力する。

【0044】

角速度センサから求まるセンサユニット２の姿勢角をθ_ωは、角速度ω_ｙにサンプリング周期Ｔを乗じたものと、１サンプリング前に求まったセンサユニット２の姿勢角θ_Ｓを足した値となる。これは、１サンプリング前の姿勢角に、１サンプリング前から現在までの角度の変化量を加えたものである。

【0045】

このようにして求まるθ_ａとθ_ωに対して、演算ブロック３１３、３１４によってそれぞれ１−α、αを乗じた値を、第２加算器で加算したものを、センサユニット２の姿勢角（対地角度）θ_Ｓとして算出している。

【0046】

ここで、αは加速度センサと角速度センサの寄与度を決定するパラメータである。αは０以上１以下の値を設定するものであり、α＝０であれば加速度センサの寄与度が１００％、角速度センサの寄与度が０％であり、α＝０．５であれば加速度センサと角速度センサの寄与度がそれぞれ５０％ずつ、α＝１であれば角速度センサの寄与度が１００％、加速度センサの寄与度が０％となる。このように、本実施の形態においては、寄与度パラメータαの値を変更することで加速度センサと角速度センサの寄与度を任意に設定することができる。

【0047】

上述した演算ブロック３１０の処理内容は、以下の式で表すことができる。
θ_Ｓ＝（１−α）×ｔａｎ^−１（ａ_ｘ／ａ_ｚ）＋α×（ω_ｙ×Ｔ＋θ_Ｓｄ）・・・・式（４）
ここで、αは寄与度信号、ａｘ、ａｚは２つの軸方向の加速度信号、ω_ｙは角速度信号、Ｔは計算処理周期、θ_Ｓｄは前回計算時のセンサユニット２の姿勢角（対地角度）信号である。

【0048】

図８は演算装置３１内で処理される寄与度パラメータαの設定の方法を示したものである。圧力センサ３２ａ〜ｄにより測定されるパイロット圧力Ｐ_ａ１〜_ａ４と圧力センサ３３ａ〜ｄにより測定されるパイロット圧力Ｐ_ｂ１〜_ｂ４は、それぞれ演算ブロック３１６_ａ１〜_ａ４，３１６_ｂ１〜_ｂ４に入力される。これらの演算ブロック３１６はパイロット圧力信号を寄与度パラメータへ変換するブロックであり、例えば次式のような処理を行う。
ｆ(p)＝Ｐ×（α_ｍａｘ−α_ｍｉｎ）／（Ｐ_ｍａｘ−Ｐ_ｍｉｎ）＋（Ｐ_ｍａｘα_ｍｉｎ―Ｐ_ｍｉｎα_ｍａｘ）／（Ｐ_ｍａｘ−Ｐ_ｍｉｎ）・・・・・式（５）
ここで、Ｐは変換したいパイロット圧であり、Ｐ_ｍａｘ、Ｐ_ｍｉｎはブーム操作装置４３によって生成されるパイロット圧の上限値と下限値、α_ｍａｘは角速度センサの寄与度の最大値、α_ｍｉｎは加速度センサの寄与度の最大値である。

【0049】

この式は、パイロット圧がＰ_ｍｉｎのときに寄与度パラメータをα_ｍｉｎにし、パイロット圧がＰ_ｍａｘのときに寄与度パラメータをα_ｍａｘにする計算を示している。ただし、パイロット圧から寄与度パラメータへ変換する方法は式（５）に限ったものではなく、加速度センサや角速度センサの特性によって様々なものがあってよい。

【0050】

図８に示すブームパイロット圧信号Ｐ_ａ１、Ｐ_ｂ１は、演算ブロック３１６ａ１と３１６ｂ１とによって、寄与度パラメータに変換された後、演算ブロック３１７ａに入力する。演算ブロック３１７ａは、入力された複数の信号から最大の大きさのものを選択してβ１として出力する。同様に、アームパイロット圧信号Ｐ_ａ２、Ｐ_ｂ２を基に演算ブロック３１６ａ２と３１６ｂ２とを介して寄与度パラメータβ２を演算ブロック３１７ｂが出力し、バケットパイロット圧信号Ｐ_ａ３、Ｐ_ｂ３を基に演算ブロック３１６ａ３と３１６ｂ３とを介して寄与度パラメータβ３を演算ブロック３１７ｃが出力し、旋回パイロット圧信号Ｐ_ａ４、Ｐ_ｂ４を基に演算ブロック３１６ａ４と３１６ｂ４とを介して寄与度パラメータβ４を演算ブロック３１７ｄが出力する。

【0051】

センサユニット２の各センサ信号からセンサユニット２の姿勢角（対地角度）を演算する演算ブロック３１０は、センサユニット２の数だけ演算装置３１の中で処理される。本実施の形態においては、ブームセンサユニット２ａ用の演算ブロック３１０ａと、アームセンサユニット２ｂ用の演算ブロック３１０ｂと、バケットセンサユニット２ｃ用の演算ブロック３１０ｃとを備えている。各センサユニット２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの姿勢角（対地角度）をθ_Ｓ１、θ_Ｓ２、θ_Ｓ３とし、姿勢角（対地角度）θ_Ｓ１を演算する演算ブロック３１０ａに入力される寄与度パラメータをα１、姿勢角（対地角度）θ_Ｓ２を演算する演算ブロック３１０ｂに入力される寄与度パラメータをα２、姿勢角（対地角度）θ_Ｓ３を演算する演算ブロック３１０ｃに入力される寄与度パラメータをα３とすると、α１、α２、α３は、演算ブロック３１７ｅ，３１７ｆ，３１７ｇにより、次のように計算される。
・寄与度パラメータα１は、演算ブロック３１７ｅにて、β１とβ４の中で最大の値が選択される。
・寄与度パラメータα２は、演算ブロック３１７ｆにて、β１、β２、β４の中で最大が選択される。
・寄与度パラメータα３は、演算ブロック３１７ｇにて、β１、β２、β３、β４の中で最大の値が選択される。

【0052】

これらの処理は次の考えに基づく。すなわち、ブーム１３が動作しているとき（ブームパイロット圧が大きいとき＝寄与度パラメータβ１が大きいとき）は、ブーム１３よりも車体から遠ざかる側に連結されている部材であるアーム１４、バケット１５（バケットリンク１６）の全てが、ブームと同様に動作するため、センサユニット２ａ、２ｂ、２ｃの全ての寄与度パラメータを変更する。具体的には、寄与度パラメータβ１が３つの演算ブロック３１７ｅ，３１７ｆ，３１７ｇに入力されている。

【0053】

また、アーム１４が動作しているとき（アームパイロット圧が大きいとき＝寄与度パラメータβ２が大きいとき）は、アーム１４よりも車体から遠ざかる側に連結されている部材であるバケット１５（バケットリンク１６）が、アームと同様に動作するため、センサユニット２ｂ、２ｃの寄与度パラメータを変更する。具体的には、寄与度パラメータβ２が２つの演算ブロック３１７ｆ，３１７ｇに入力されている。

【0054】

また、バケット１５が動作しているとき（バケットパイロット圧が大きいとき＝寄与度パラメータβ３が大きいとき）はセンサユニット２ｃの寄与度パラメータを変更する。旋回動作中（旋回パイロット圧が大きいとき＝寄与度パラメータβ４が大きいとき）は、センサユニット２ａ、２ｂ、２ｃの全てに同様に遠心力や角加速度に起因する加速度が作用するため、センサユニット２ａ、２ｂ、２ｃの全ての寄与度パラメータを変更する。

【0055】

このようにして計算された寄与度パラメータを用いて、各演算ブロック３１０ａ〜ｃにより各センサ信号から各センサユニット２の姿勢角（対地角度）が演算される。これらの姿勢角（対地角度）と傾斜センサ３４により測定される上部旋回体１１の傾斜角θ_０を用いて、作業機構２０の各部材の対地角度が演算される。これらの演算結果を用いて、上部旋回体１１に対するバケット１５の位置姿勢（バケット先端の位置と角度）も、演算装置３１により演算できる。

【0056】

上部旋回体１１が水平方向に対してθ_０傾斜しているとすると、演算装置３１によって計算された各センサユニット２の姿勢角（対地角度）θ_Ｓ１、θ_Ｓ２、θ_Ｓ３はその影響が含まれるため、上部旋回体１１を基準とするブーム姿勢角（対地角度）θ１、アーム姿勢角（対地角度）θ２、バケットリンク姿勢角（対地角度）θ３はそれぞれのセンサユニット姿勢角から上部旋回体１１の傾斜角を減算した値となり、次式が演算装置３１により計算される。
θ_１＝θ_Ｓ１−θ_０・・・・・式（６）
θ_２＝θ_Ｓ２−θ_０・・・・・式（７）
θ_３＝θ_Ｓ３−θ_０・・・・・式（８）
このようにして計算されたブーム姿勢角（対地角度）θ_１、アーム姿勢角（対地角度）θ_２、バケットリンク姿勢角（対地角度）θ_３と、ブーム１３、アーム１４、バケット１５、バケットリンク１６などの幾何形状情報を基に、演算装置３１によって上部旋回体１１に対するバケット１５の位置姿勢が演算できる。

【0057】

これらのように構成された第１の実施の形態である油圧ショベル１の作業機構検出装置は、次のような特徴を持つ。
作業機構２０が静止しているときや動作速度が遅いときは、加速度センサの寄与度が大きくなり、角速度センサの寄与度が小さくなる。つまり、角速度センサのドリフトの影響を小さくでき、且つ動的加速度によるノイズが小さい状態の加速度センサによって精度良く作業機構２０の位置姿勢を計測できる。作業機構２０が速い動作速度で動作しているときは、加速度センサの寄与度が小さくなり、角速度センサの寄与度が大きくなる。つまり、動的加速度の影響で誤差の大きい加速度センサの影響を小さくでき、且つ短期間であればドリフトの誤差蓄積による精度悪化の心配が少ない角速度センサによって精度良く作業機構２０の位置姿勢を計測できる。このように、作業機構２０が静止しているときも動作中も高精度で作業機構の位置姿勢を計測可能となる。

【0058】

次に、本発明の建設機械の第１の実施の形態の動作について図９を用いて説明する、図９は本発明の建設機械の第１の実施の形態における操作装置の操作量（パイロット圧）と寄与度パラメータ信号と作業機構の姿勢角の時系列の動きを示す特性図である。図９において、横軸は時間を示していて、縦軸は（Ａ）が操作装置の操作量信号（パイロット圧）を、（Ｂ）がブームセンサユニット２ａ用の寄与度パラメータα１信号を、（Ｃ）がアームセンサユニット２ｂ用の寄与度パラメータα２信号を、（Ｄ）がバケットセンサユニット２ｃ用の寄与度パラメータα３信号を、（Ｅ）が作業機構の姿勢角（対地角度）を、（Ｆ）が寄与度を固定した場合の作業機構の姿勢角（対地角度）をそれぞれ示している。また、（Ｅ）のθ_Ｓ１、θ_Ｓ２、θ_Ｓ３は、ブームセンサユニット２ａ、アームセンサユニット２ｂ、バケットセンサユニット２ｃのそれぞれが出力する姿勢角（対地角度）を示している。同様に（Ｆ）の実線表示のθ_Ｓ１’、θ_Ｓ２’、θ_Ｓ３’は、寄与度固定の場合におけるブームセンサユニット２ａ、アームセンサユニット２ｂ、バケットセンサユニット２ｃのそれぞれが出力する姿勢角（対地角度）を示している。また、（Ｆ）の点線表示のθ_Ｓ１’、θ_Ｓ２’、θ_Ｓ３’は、（Ｅ）で示すθ_Ｓ１、θ_Ｓ２、θ_Ｓ３の特性を比較のために示している。

【0059】

また、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２の間は、（Ａ）に示すようにブーム操作装置の操作量信号であるパイロット圧Ｐ_ａ１が０から一端上限まで上昇してその後０に戻っている。具体的にはブーム上げ操作がなされた状態を示している。同様に、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４の間は、（Ａ）に示すようにアーム操作装置の操作量信号であるパイロット圧Ｐ_ｂ２が０から一端上限まで上昇してその後０に戻っている。具体的にはアームクラウド操作がなされた状態を示している。また、時刻ｔ_５から時刻ｔ_６の間は、（Ａ）に示すようにバケット操作装置の操作量信号であるパイロット圧Ｐ_ｂ３が０から一端上限まで上昇してその後０に戻っている。具体的にはバケットクラウド操作がなされた状態を示している。更に、時刻ｔ_７から時刻ｔ_８の間は、（Ａ）に示すように旋回操作装置の操作量信号であるパイロット圧Ｐ_ａ４が０から一端上限まで上昇してその後０に戻っている。具体的には旋回右操作がなされた状態を示している。

【0060】

（Ｂ）に示すブームセンサユニット２ａ用の寄与度パラメータα１信号は、ブームパイロット圧Ｐ_ａ１と旋回パイロット圧Ｐ_ａ４の大きさに応じて変化する。ブームセンサユニット２ｂの寄与度パラメータα２信号は、ブームパイロット圧Ｐ_ａ１とアームパイロット圧Ｐ_ｂ２と旋回パイロット圧Ｐ_ａ４の大きさに応じて変化する。また、バケットセンサユニット２ｃ用の寄与度パラメータα３信号は、ブームパイロット圧Ｐ_ａ１とアームパイロット圧Ｐ_ｂ２とバケットパイロット圧Ｐ_ｂ３と旋回パイロット圧Ｐ_ａ４の大きさに応じて変化する。

【0061】

このように、オペレータが作業機構２０の各部材の操作装置を操作したときに、各パイロット圧が上昇し、それぞれの寄与度パラメータが大きくなる。寄与度パラメータが大きくなると、姿勢角（対地角度）を演算する際に、加速度信号の値よりも角速度信号の値に大きく左右されるようになる。つまり、各部材が動作中には、動的な加速度がノイズ成分として作用するが、このときは、加速度の値が姿勢角（対地角度）の演算に殆ど寄与しないことになる。このため、大きな動的加速度が作用しても、各部材の姿勢角（対地角度）の演算結果に影響を及ぶことがない。

【0062】

通常、加速度と角速度の２種類の信号の値を用いて姿勢角（対地角度）を算出する場合、角速度の値だけでは積分誤差が溜まっていき、計測時間が長くなるほど誤差が大きくなるため、加速度の値を必ず用いて角速度の値を修正する処理が入る。このため、本実施の形態のような寄与度を変更するという処理が入らない場合には、加速度の値が姿勢角（対地角度）の演算結果に及ぼす影響は小さくない。図９の（Ｆ）におけるブームセンサユニット２ａ、アームセンサユニット２ｂ、バケットセンサユニット２ｃのそれぞれの姿勢角（対地角度）θ_Ｓ１’、θ_Ｓ２’、θ_Ｓ３’は、このような場合の演算結果を示しているが、パイロット圧が上昇しブーム１３、アーム１４、バケット１５の動作、もしくは上部旋回体の旋回動作がある間、遠心力等の動的加速度が作用し、この影響で姿勢角（対地角度）の演算結果に影響が出ている。

【0063】

具体的には、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２の間におけるブーム上げ操作により、全センサの姿勢角（対地角度）θ_Ｓ１’、θ_Ｓ２’、θ_Ｓ３’は、上昇するが、点線表示の寄与度を適切に変更する（Ｅ）の場合と比較して大きく揺らぎながら上昇しているのが判る。次に、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４の間におけるアームクラウド操作により、アームセンサユニット２ｂとバケットセンサユニット２ｃのそれぞれの姿勢角（対地角度）θ_Ｓ２’、θ_Ｓ３’は、下降するが、（Ｅ）の場合と比較して揺らぎながら下降している。時刻ｔ_５から時刻ｔ_６の間におけるバケットクラウド操作によるバケットセンサユニット２ｃの姿勢角（対地角度）θ_Ｓ３’も、（Ｅ）の場合と比較して揺らぎながら下降している。さらに、時刻ｔ_７から時刻ｔ_８の間における旋回操作によっても、全センサユニットの姿勢角（対地角度）θ_Ｓ１’、θ_Ｓ２’、θ_Ｓ３’は、（Ｅ）の場合と比較して揺らいでいる。これは、上述したように旋回遠心力が加速度センサに作用するためである。

【0064】

一方、本実施の形態のように、寄与度を適切に変更した場合の演算結果である全センサユニットの姿勢角（対地角度）θ_Ｓ１、θ_Ｓ２、θ_Ｓ３は、図９の（Ｅ）に示すように、動的加速度の影響を受けず正しく姿勢角（対地角度）を推定できている。このように、本実施の形態では、発明ではブーム１３、アーム１４、バケット１５の姿勢角（対地角度）を正しく推定し、それを基にバケット１５先端の位置とバケット１５の姿勢角を高精度に検出することができる。このことにより、高精度なマシンコントロールを行うことが可能となる。

【0065】

上述した本発明の建設機械の第１の実施の形態によれば、作業機構２０の動作により動的加速度が生じる場合でも作業機構２０を構成する各部材の位置姿勢を高精度に計測できる。

【実施例2】

【0066】

以下、本発明の建設機械の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図１０は本発明の建設機械の第２の実施の形態を構成する作業機構検出装置の演算装置における寄与度パラメータの設定方法の一例を示すブロック図である。図１０において、図１乃至図９に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

【0067】

本発明の建設機械の第２の実施の形態において、全体のシステムの構成は、大略第１の実施の形態と同じであるが、演算装置３１Ａ内の処理方法が異なる。具体的には、第１の実施の形態におけるブームセンサユニット２ａ用の演算ブロック３１０ａと、アームセンサユニット２ｂ用の演算ブロック３１０ｂと、バケットセンサユニット２ｃ用の演算ブロック３１０ｃとに代えて、カルマンフィルタ３１８を備え、特許文献１に記載のようにカルマンフィルタを用いて、作業機構２０の各部材の位置姿勢を演算する。

【0068】

特許文献１では、３軸の加速度センサと３軸の角速度センサを用いて３次元姿勢を計測する際のカルマンフィルタによる計算例が示されているが、このうち、２軸の加速度センサと１軸の角速度センサのみを用いる（その他のセンサ信号をゼロとする）こととすれば、１次元の姿勢を計算するカルマンフィルタとして本実施の形態の構成に適用可能である。

【0069】

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様、寄与度パラメータα１、α２、α３を演算装置３１ａにより演算する。計算された寄与度パラメータと、測定された加速度、角速度の各信号が、カルマンフィルタを含む演算ブロック３１８に入力され、演算ブロック３１８でカルマンフィルタを用いた各センサユニットの姿勢角（対地角度）θ_Ｓ１、θ_Ｓ２、θ_Ｓ３を算出する。

【0070】

カルマンフィルタの計算内容は例えば上述のように特許文献１に記載のような内容を用いることで可能である。また、カルマンフィルタにおける加速度センサと角速度センサの寄与度の変更は、特許文献１に記載の式（６）、式（７）に示される計測誤差ベクトルｗ_１とｖ_１、ｖ_２、あるいはこれらを基にした誤差共分散行列を変更することで可能である。ｗ_１が角速度センサの計測誤差ベクトルであり、ｖ_１、ｖ_２が加速度センサの計測誤差ベクトルであり、計測誤差ベクトルが大きいほどそのセンサの誤差が大きいこととなり、カルマンフィルタの処理の中で寄与度が下がる。つまり、例えばｗ_１を寄与度パラメータαで除算し、ｖ_１、ｖ_２を（１−α）で除算するなどのように、寄与度パラメータαが大きいほど相対的にｗ_１を小さく、αが小さいほど相対的にｖ_１、ｖ_２を小さくするような処理を行うことで、第１の実施の形態と同様に作業機構２０が静止しているときも動作中も高精度で作業機構２０の位置姿勢を計測することができる。

【0071】

更に、本実施の形態では過去の情報まで用いた統計的な処理によりデータの推定を行うカルマンフィルタを用いるため、第１の実施の形態と比べてより安定した誤差の少ない結果を得ることができる。

【0072】

上述した本発明の建設機械の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0073】

なお、本実施の形態では特許文献１を例として演算装置３１Ａで姿勢角（対地角度）を演算する方法を示したが、特許文献１の拡張カルマンフィルタ処理に限らず、さまざまなカルマンフィルタやパーティクルフィルタなどの推定手法でも同様のことができることは明らかであり、それぞれの手法でも加速度センサと角速度センサの寄与度を変更する処理を追加すれば本発明の目的を達成することができる。

【実施例3】

【0074】

以下、本発明の建設機械の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図１１
は本発明の建設機械の第３の実施の形態である油圧ショベルを示す側面図、図１２は本発明の建設機械の第３の実施の形態を構成する作業機構検出装置の構成を示すブロック図、図１３は本発明の建設機械の第３の実施の形態を構成する作業機構検出装置の演算装置における寄与度パラメータの設定方法の一例を示すブロック図である。図１１乃至図１３において、図１乃至図１０に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

【0075】

本発明の建設機械の第３の実施の形態においては、作業機構２０及び車体の動作状況を操作装置の操作量であるパイロット圧から判断するのではなく、作業機構２０の各部材の角速度信号と上部旋回体１１の角速度信号とを用いる点が第１の実施の形態と異なる。

【0076】

具体的には、図１１に示すように、油圧ショベル１０において、上部旋回体１１の旋回動作を検出する角速度センサ３５が、上部旋回体１１に設けられている。

【0077】

本実施の形態における油圧ショベル１の作業機構検出装置は、図１２に示すように、ブームセンサユニット２ａと、アームセンサユニット２ｂと、バケットセンサユニット２ｃと、傾斜センサ３４と、角速度センサ３５と、これらセンサからの信号を入力し、作業機構２０の位置姿勢を演算する演算装置３１Ｂとを備えている。なお、角速度センサ３５で測定される角速度をω_ｚとする。

【0078】

図１３は、本実施の形態における演算装置３１Ｂ内で処理される寄与度パラメータαの設定の方法を示したものである。センサユニット２ａ、２ｂ、２ｃ内の各角速度センサ２３により測定される角速度ω_ｙ１、ω_ｙ２、ω_ｙ３と、角速度センサ３５により測定される角速度ω_ｚは、それぞれ演算ブロック３１９ａ〜ｄに入力される。これらの演算ブロック３１９ａ〜ｄは、角速度信号を寄与度パラメータへ変換するブロックであり、例えば次式のような処理を行う。
ｆ(ω)＝ω×（α_ｍａｘ−α_ｍｉｎ）／（ω_ｍａｘ−ω_ｍｉｎ）＋（ω_ｍａｘα_ｍｉｎ―ω_ｍｉｎα_ｍａｘ）／（ω_ｍａｘ−ω_ｍｉｎ）・・・・・式（９）
ここで、式（９）のωは変換したい角速度であり、ω_ｍａｘ、ω_ｍｉｎは各角速度センサが作業機構２０や車体の動作を取得する際の、角速度の上限値と下限値、α_ｍａｘは角速度センサの寄与度の最大値、α_ｍｉｎは加速度センサの寄与度の最大値である。

【0079】

この式は、角速度がω_ｍｉｎのときに寄与度パラメータをα_ｍｉｎにし、角速度がω_ｍａｘのときに寄与度パラメータをα_ｍａｘにする計算を示している。ただし、角速度から寄与度パラメータへ変換する方法は式（９）に限ったものではなく、加速度センサや角速度センサの特性によって様々なものがあってよい。

【0080】

これらのように構成された油圧ショベル１０及びその作業機構検出装置は、上述した第１及び第２の実施形態と同様に次のような特徴を持つ。
作業機構２０が静止しているときや動作速度が遅いときは、加速度センサの寄与度が大きくなり、角速度センサの寄与度が小さくなる。つまり、角速度センサのドリフトの影響を小さくでき、且つ動的加速度によるノイズが小さい状態の加速度センサによって精度良く作業機構２０の位置姿勢を計測できる。作業機構２０が速い動作速度で動作しているときは、加速度センサの寄与度が小さくなり、角速度センサの寄与度が大きくなる。つまり、動的加速度の影響で誤差の大きい加速度センサの影響を小さくでき、且つ短期間であればドリフトの誤差蓄積による精度悪化の心配が少ない角速度センサによって精度良く作業機構２０の位置姿勢を計測できる。このように、作業機構２０が静止しているときも動作中も高精度で作業機構２０の位置姿勢を計測可能となる。

【0081】

また、本実施の形態における油圧ショベル１０及びその作業機構検出装置は、第１及び第２の実施の形態と比べて、操作装置の操作量を検出しないので、パイロット圧を検出する圧力センサの設置が不要になる。この結果、より安価な構成が可能となるので生産性が向上する。

【0082】

上述した本発明の建設機械の第３の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0083】

また、上述した本発明の建設機械の第３の実施の形態によれば、操作装置の操作量を検出しないので、パイロット圧を検出する圧力センサの設置が不要になる。この結果、より安価な構成が可能となるので生産性が向上する。

【0084】

本発明は上述した第１乃至第３の実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわ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。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

【符号の説明】

【0085】

１：油圧ショベル、１０：油圧ショベル、１１：上部旋回体、１２：下部走行体、１３：ブーム、１３１：ブームの回転対偶部、１３２：ブームの回転対偶部、１３３：ブームの回転対偶部を結んだ直線、１４：アーム、１５：バケット、１６：バケットリンク、１７：ブームシリンダ、１８：アームシリンダ、１９：バケットシリンダ、２：センサユニット、２ａ：ブームセンサユニット、２ｂ：アームセンサユニット、２ｃ：バケットセンサユニット、２１、２２：加速度センサ（加速度取得装置）、２３：角速度センサ（角速度取得装置）、２４：変換器、２５：回路基板、２６：コネクタ接続部、２７：ハウジング、３１：演算装置、３１０：演算ブロック（姿勢角検出装置）、３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７、３１８、３１９：演算ブロック、３２、３３：圧力センサ（操作量取得装置）、３４：傾斜センサ、３５：角速度センサ、４１：エンジン、４２：パイロット油圧ポンプ、４３：ブーム操作装置、４４：油圧ポンプ、４５：スプールバルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】