特許 6976412 単一の位置センサを用いる回転プラットフォームのヨーおよび回転中心の決定方法

(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】6976412

(24)【登録日】2021年11月11日

(45)【発行日】2021年12月8日

(54)【発明の名称】単一の位置センサを用いる回転プラットフォームのヨーおよび回転中心の決定方法

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/28 20060101AFI20211125BHJP

   G01S 19/49 20100101ALI20211125BHJP

   G01S 19/14 20100101ALI20211125BHJP

   E02F 9/20 20060101ALI20211125BHJP

【ＦＩ】

   E02F9/28 B

   G01S19/49

   G01S19/14

   E02F9/20 N

【請求項の数】20

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2020-505439(P2020-505439)

(86)(22)【出願日】2018年7月13日

(65)【公表番号】特表2020-530077(P2020-530077A)

(43)【公表日】2020年10月15日

(86)【国際出願番号】US2018041983

(87)【国際公開番号】WO2019027656

(87)【国際公開日】20190207

【審査請求日】2021年7月7日

(31)【優先権主張番号】15/667,488

(32)【優先日】2017年8月2日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】506196063

【氏名又は名称】キャタピラー トリンブル コントロール テクノロジーズ、 エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100137969

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 憲昭

(74)【代理人】

【識別番号】100104824

【弁理士】

【氏名又は名称】穐場 仁

(74)【代理人】

【識別番号】100121463

【弁理士】

【氏名又は名称】矢口 哲也

(72)【発明者】

【氏名】アラム，ニマ

【審査官】 彦田 克文

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００５／０９４４１２（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０３４８３４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５４３８７７１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／１３６３０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特許第５９０９０２９（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ０２Ｆ ９／２８

Ｇ０１Ｓ １９／４９

Ｇ０１Ｓ １９／１４

Ｅ０２Ｆ ９／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

掘削機プラットフォームのヨーおよび回転中心を、単一の全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ）デバイスおよび慣性計測ユニット（ＩＭＵ）を用いて決定するための方法であって、前記ＧＮＳＳデバイスの測定中心は、前記掘削機プラットフォーム上に前記回転中心から離れて置かれ、かつ前記回転中心とは既知の空間的関係性で配置され、前記方法は、
前記掘削機プラットフォームを、前記回転中心を中心にして、前記掘削機プラットフォームの第１の向きと前記掘削機プラットフォームの第２の向きとの間で回転させるステップであって、前記第１の向きは、前記第２の向きとは異なり、かつ前記掘削機プラットフォームの前記回転中心の位置は、前記第１の向きおよび前記第２の向きにおいて略同じである、ステップと、
前記ＩＭＵを用いて、前記第１の向きと前記第２の向きとの間の前記掘削機プラットフォームのピッチ、ロールおよびヨーの変化を決定するステップと、
前記ＧＮＳＳデバイスを用いて、前記第１の向きと前記第２の向きとの間の前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の位置の変化を決定するステップであって、前記位置の変化は、前記第１の向きにおける前記測定中心の第１の位置および前記第２の向きにおける前記測定中心の第２の位置に基づき、他の位置情報はなんら使用されない、ステップと、
前記第２の向きにおける前記掘削機プラットフォームのヨー、およびグローバル座標系における前記掘削機プラットフォームの前記回転中心の位置を決定するステップであって、前記ヨーおよび前記回転中心の位置は、
前記掘削機プラットフォームの前記ピッチ、前記ロールおよび前記ヨーの変化、
前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の前記位置の変化、
前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の前記第２の位置、
前記第２の向きにおける前記掘削機プラットフォームの前記ピッチおよび前記ロール、および、
前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心と前記回転中心との前記既知の空間的関係性、
に基づいて決定される、ステップを含む、
方法。

【請求項2】

前記第１の向きと前記第２の向きとの間の前記掘削機プラットフォームの回転は、約２０゜未満である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の向きと前記第２の向きとの間の前記掘削機プラットフォームの回転は、約１５゜未満である、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記第１の向きと前記第２の向きとの間の前記掘削機プラットフォームの回転は、約５゜〜約１５゜の間である、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の向きにおける前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の前記第１の位置、前記第２の向きにおける前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の前記第２の位置および前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の前記位置の変化は、前記ＧＮＳＳデバイスを用いて前記グローバル座標系で決定される、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記掘削機プラットフォームの前記ヨーの前記変化は、前記掘削機プラットフォームが前記第１の向きと前記第２の向きとの間で回転する際の回転速度に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記第２の向きにおける前記掘削機プラットフォームの前記ヨーは、前記グローバル座標系を参照して決定される、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心と前記回転中心との前記既知の空間的関係性は、前記掘削機プラットフォームの座標系における少なくとも１つの軸に沿った前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心と前記回転中心との距離を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

掘削機プラットフォームのヨーおよび回転中心を、単一の全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ）デバイスおよび慣性計測ユニット（ＩＭＵ）を用いて追跡するための方法であって、前記ＧＮＳＳデバイスの測定中心は、前記掘削機プラットフォーム上に前記回転中心から離れて置かれ、かつ前記回転中心とは既知の空間的関係性で配置され、前記方法は、
前記掘削機プラットフォームを、前記回転中心を中心にして、前記掘削機プラットフォームの第１の向きと前記掘削機プラットフォームの第２の向きとの間で回転させるステップであって、前記掘削機プラットフォームの前記第１の向きは、前記掘削機プラットフォームの前記第２の向きとは異なり、かつ前記掘削機プラットフォームの前記回転中心の第１の位置は、前記第１の向きおよび前記第２の向きにおいて略同じである、ステップと、
前記第２の向きにおける前記掘削機プラットフォームの前記ヨーを決定し、かつ前記回転中心の前記第１の位置をグローバル座標系において決定するステップであって、前記ヨーおよび前記回転中心の前記第１の位置は、部分的に、前記第１の向きと前記第２の向きとの間の前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の位置の変化に基づいて決定され、前記位置の変化は、前記第１の向きにおける前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の第１の位置、および前記第２の向きにおける前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の第２の位置に基づいて決定されるステップと、この後、
前記掘削機プラットフォームを、前記回転中心を中心にして第３の向きまで回転させるステップと、
前記第３の向きにおける前記掘削機プラットフォームの前記ヨーを決定し、かつ前記回転中心の前記第２の位置を前記グローバル座標系において決定するステップであって、前記ヨーおよび前記回転中心の前記第２の位置は、
前記第２の向きにおける前記掘削機プラットフォームの前記ヨー、
前記グローバル座標系における前記回転中心の前記第１の位置、
前記ＩＭＵからの観察結果、
前記第３の向きにおける前記掘削機プラットフォームのピッチおよびロール、
前記第３の向きにおける前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の第３の位置、および、
前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心と前記回転中心との前記既知の空間的関係性、
に基づいて決定される、ステップを含む、
方法。

【請求項10】

前記掘削機プラットフォームの前記回転中心の第１の位置は、前記第１の向きにおける前記測定中心の前記第１の位置および前記第２の向きにおける前記測定中心の前記第２の位置を除き、前記ＧＮＳＳデバイスの他の位置をなんら用いることなく決定される、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記掘削機プラットフォームの前記第１の向きと前記第２の向きとの間の回転は、約２０゜未満であり、かつ前記掘削機プラットフォームの前記第３の向きへの回転は、約２０゜未満である、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

前記掘削機プラットフォームの速度は、前記掘削機プラットフォームがトラムしている（ｔｒａｍｍｉｎｇ）かどうかを決定するために使用される、請求項９に記載の方法。

【請求項13】

前記ＩＭＵの前記観察結果は、直交する３軸のジャイロ測定値を含む、請求項９に記載の方法。

【請求項14】

前記第２の向きにおける前記掘削機プラットフォームの前記ヨーを決定することは、前記掘削機プラットフォームの回転速度を決定することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項15】

前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心と前記回転中心との前記既知の空間的関係性は、前記掘削機プラットフォームの座標系における少なくとも１つの軸に沿った前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心と前記回転中心との距離を含む、請求項９に記載の方法。

【請求項16】

外部座標系において回転プラットフォームのヨーおよび前記回転プラットフォームの回転中心を決定するためのシステムであって、前記システムは、
測定中心を前記回転プラットフォームの前記回転中心から離れた第１の場所に置かれ、かつ前記回転中心と既知の空間的関係性で配置されている全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ）デバイスであって、前記回転プラットフォームの位置情報を決定するように構成される、ＧＮＳＳデバイスと、
前記回転プラットフォームの前記回転中心から離れた第２の場所で前記回転プラットフォームへ結合される慣性計測ユニット（ＩＭＵ）であって、前記ＩＭＵは、前記回転プラットフォームのピッチ、ロールおよびヨーを測定するように構成される、ＩＭＵと、
前記ＧＮＳＳデバイスおよび前記ＩＭＵと通信可能に結合されるプロセッサであって、前記プロセッサは、前記回転プラットフォームの前記ヨー、および前記外部座標系における前記回転プラットフォームの前記回転中心の位置を決定するように構成される、プロセッサであって、前記プロセッサは、前記ヨーおよび前記回転中心の位置を、
前記回転プラットフォームの第１の向きと前記回転プラットフォームの第２の向きとの間の前記回転プラットフォームの前記ピッチ、前記ロールおよび前記ヨーの変化、
前記第１の向きと前記第２の向きとの間の前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の位置の変化であって、前記位置の変化は、前記第１の向きにおける前記測定中心の第１の位置および前記第２の向きにおける前記測定中心の第２の位置に基づき、他の位置情報はなんら使用されない、位置の変化、
前記ＧＮＳＳデバイスの前記測定中心の前記第２の位置、
前記第２の向きにおける前記回転プラットフォームの前記ピッチおよび前記ロール、および、
前記測定中心と前記回転中心との前記既知の空間的関係性、
に基づいて決定するように構成される、プロセッサを備える、
システム。

【請求項17】

前記回転中心の位置は、前記第１の向きおよび前記第２の向きにおいて略同じである、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記第１の向きと前記第２の向きとの間の前記回転プラットフォームの回転は、約２０゜未満である、請求項１６に記載のシステム。

【請求項19】

前記ＩＭＵは、直交する３軸の各々に関する情報を測定するためのジャイロおよび加速度計を含む、請求項１６に記載のシステム。

【請求項20】

前記回転プラットフォームは、掘削機プラットフォームであり、かつ前記外部座標系は、実世界座標系であり、前記システムは、さらに、前記掘削機プラットフォームへ結合されるバケットを備え、前記プロセッサは、さらに、前記バケットの掘削エッジの場所を前記実世界座標系において決定するように構成される、請求項１６に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１７年８月２日に提出された米国出願第１５／６６７，４８８号明細書の出願の利益を主張するものであり、該出願の内容は全て、あらゆる目的で参照により本願に組み込まれる。

【0002】

[0002]本明細書に記述する実施形態は、概して、掘削機で使用されるものなどの回転プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定することに関する。決定されるヨーおよび回転中心は、たとえば、掘削プロセス中のバケット先端の場所を推定するために使用され得る。

【背景技術】

【0003】

[0003]多くの場合、掘削機プラットフォームなどのプラットフォームの位置および向きを決定しかつ追跡することは、有益である。本明細書で使用する掘削機は、広義には、回転プラットフォームを含むあらゆるタイプの建設機械を指す。回転プラットフォームは、概して、軌道またはホイールを含む下部構造体の頂上にある。建設機械の一部のタイプは、回転プラットフォームへ連結されるバケットまたは他の器具を含む。プラットフォームの位置および向きは共に、たとえば、バケットまたは他の器具の空間における場所を決定するために必要とされることがある。この情報は、たとえば、掘削プロセスの間に有用である。

【0004】

[0004]位置および向きを決定するための従来技術は、プラットフォームの回転中にいくつかの位置測定値を取得し、かつ曲線の当てはめを用いて円弧を測定値に合わせる。これらの従来技術では、当てはめに適する曲線を提供するために、プラットフォームを最大１００゜またはそれ以上回転させなければならないことが多い。一例として、位置測定速度１０Ｈｚを想定すると、４秒間に渡る約１００゜の旋回は、曲線の当てはめ用に４０個のデータポイントを提供する。位置および向きが分かれば、プラットフォームを大きく旋回させる必要なしに、より小さい変化を追跡することができる。しかしながら、プラットフォームがある場所から別の場所へ移動される場合、新しい場所における位置および向きを決定するために、大きい回転を要する初期化プロセスが繰り返されなければならない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

[0005]この点に鑑みて、回転プラットフォームの位置および向きを決定するための改良された方法が望まれる。

【0006】

[0006]本明細書に記述する実施形態は、回転プラットフォームの位置および向きを決定するための改良されたシステムおよび方法を提供する。位置は、典型的にはプラットフォームの回転中心にあり、かつ向きは、概してプラットフォームのヨーを指す。他の軸（ピッチおよびロール）の向きは、重力に対し、傾斜計などのデバイスを用いて直に測定することができる。

【0007】

[0007]ヨーおよび回転中心は、いくつかの異なる測定デバイスを用いて決定することができる。本明細書に記述する実施形態は、概して、位置情報については全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ）デバイスを用い、かつ回転情報については慣性計測ユニット（ＩＭＵ）を用いる。同じ、または類似の情報を提供する他の測定デバイスが使用される場合もあることは、認識されるべきである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

[0008]ある実施形態によれば、掘削機プラットフォームのヨーおよび回転中心を、単一のＧＮＳＳデバイスおよびＩＭＵを用いて決定する方法が開示される。ＧＮＳＳデバイスの測定中心は、掘削機プラットフォーム上へ回転中心から離して置かれ、かつ回転中心とは既知の空間的関係性で配置される。本方法は、掘削機プラットフォームを、回転中心を中心にして、掘削機プラットフォームの第１の向きと掘削機プラットフォームの第２の向きとの間で回転させることを含む。第１の向きは、第２の向きとは異なり、かつ掘削機プラットフォームの回転中心の位置は、第１の向きおよび第２の向きにおいて略同じである。ＩＭＵは、掘削機プラットフォームの、第１の向きと第２の向きとの間のピッチ、ロールおよびヨーの変化を決定するために使用される。ＧＮＳＳデバイスは、第１の向きと第２の向きとの間のＧＮＳＳデバイスの測定中心の位置の変化を決定するために使用される。位置の変化は、第１の向きにおける測定中心の第１の位置、および第２の向きにおける測定中心の第２の位置を基礎とし、他の位置情報は存在しない。掘削機プラットフォームのヨーは、第２の向きにおいて決定され、かつ掘削機プラットフォームの回転中心の位置は、グローバル座標系で決定される。ヨーおよび回転中心の位置は、掘削機プラットフォームのピッチ、ロールおよびヨーの変化、ＧＮＳＳデバイスの測定中心の位置の変化、ＧＮＳＳデバイスの測定中心の第２の位置、第２の向きにおける掘削機プラットフォームのピッチおよびロール、およびＧＮＳＳデバイスの測定中心と回転中心との既知の空間的関係性を基礎として決定される。

【0009】

[0009]ある実施形態において、掘削機プラットフォームの第１の向きと第２の向きとの間の回転は、約２０゜未満であり、また実施形態によっては、約５゜〜約１５゜であってもよい。

【0010】

[0010]別の実施形態において、第１の向きにおけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の第１の位置、第２の向きにおけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の第２の位置およびＧＮＳＳデバイスの測定中心の位置の変化は、ＧＮＳＳデバイスを用いてグローバル座標系で決定される。

【0011】

[0011]別の実施形態において、掘削機プラットフォームのヨーの変化は、掘削機プラットフォームが第１の向きと第２の向きとの間で回転する際の回転速度に基づいて決定される。

【0012】

[0012]別の実施形態において、第２の向きにおける掘削機プラットフォームのヨーは、グローバル座標系を参照して決定される。

【0013】

[0013]さらに別の実施形態において、ＧＮＳＳデバイスの測定中心と回転中心との間の既知の空間的関係性は、掘削機プラットフォームの座標系における少なくとも１つの軸に沿ったＧＮＳＳデバイスの測定中心と回転中心との距離を含む。

【0014】

[0014]別の実施形態によれば、単一のＧＮＳＳデバイスおよびＩＭＵを用いて掘削機プラットフォームのヨーおよび回転中心を追跡するための方法は、掘削機プラットフォームを、回転中心を中心にして、掘削機プラットフォームの第１の向きと掘削機プラットフォームの第２の向きとの間で回転させることを含む。掘削機プラットフォームの第１の向きは、掘削機プラットフォームの第２の向きとは異なり、かつ掘削機プラットフォームの回転中心の第１の位置は、第１の向きおよび第２の向きにおいて略同じである。掘削機プラットフォームのヨーは、第２の向きにおいて決定され、かつ回転中心の第１の位置は、グローバル座標系で決定される。ヨーおよび回転中心の第１の位置は、部分的に、ＧＮＳＳデバイスの測定中心の第１の向きと第２の向きとの間の位置の変化を基礎として決定され、かつこの位置の変化は、第１の向きにおけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の第１の位置、および第２の向きにおけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の第２の位置を基礎として決定される。この後、掘削機プラットフォームは、回転中心を中心に第３の向きまで回転され、第３の向きにおける掘削機プラットフォームのヨーが決定され、かつ回転中心の第２の位置がグローバル座標系で決定される。ヨーおよび回転中心の第２の位置は、第２の向きにおける掘削機プラットフォームのヨー、グローバル座標系における回転中心の第１の位置、ＩＭＵからの観察結果、第３の向きにおける掘削機プラットフォームのピッチおよびロール、第３の向きにおけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の第３の位置、およびＧＮＳＳデバイスの測定中心と回転中心との既知の空間的関係性を基礎として決定される。

【0015】

[0015]ある実施形態において、掘削機プラットフォームの回転中心の第１の位置は、第１の向きにおける測定中心の第１の位置および第２の向きにおける測定中心の第２の位置を除き、ＧＮＳＳデバイスの他の位置をなんら用いることなく決定される。

【0016】

[0016]別の実施形態において、掘削機プラットフォームの第１の向きと第２の向きとの間の回転は、約２０゜未満であり、かつ掘削機プラットフォームの第３の向きへの回転は、約２０゜未満である。

【0017】

[0017]別の実施形態において、掘削機プラットフォームの速度は、掘削機プラットフォームがトラムしている（ｔｒａｍｍｉｎｇ）かどうかを決定するために使用される。

【0018】

[0018]さらに別の実施形態において、ＩＭＵの観察結果は、直交する３軸のジャイロ測定値を含む。

【0019】

[0019]さらに別の実施形態によれば、外部座標系において回転プラットフォームのヨーおよび回転プラットフォームの回転中心を決定するためのシステムは、測定中心を回転プラットフォームの回転中心から離れた第１の場所に置きかつ回転中心と既知の空間的関係性で配置しているＧＮＳＳデバイスを含む。ＧＮＳＳデバイスは、回転プラットフォームの位置情報を決定するように構成される。本システムは、回転プラットフォームの回転中心から離れた第２の場所において回転プラットフォームへ連結されるＩＭＵも含む。ＩＭＵは、回転プラットフォームのピッチ、ロールおよびヨーを測定するように構成される。本システムは、ＧＮＳＳデバイスおよびＩＭＵと通信可能式に連結されるプロセッサも含む。プロセッサは、回転プラットフォームのヨー、および外部座標系における回転プラットフォームの回転中心の位置を決定するように構成される。プロセッサは、ヨーおよび回転中心の位置を、回転プラットフォームの第１の向きと回転プラットフォームの第２の向きとの間の回転プラットフォームのピッチ、ロールおよびヨーの変化、第１の向きと第２の向きとの間のＧＮＳＳデバイスの測定中心の位置の変化、ＧＮＳＳデバイスの測定中心の第２の位置、第２の向きにおける回転プラットフォームのピッチおよびロール、および測定中心と回転中心との既知の空間的関係性、を基礎として決定するように構成される。位置の変化は、第１の向きにおける測定中心の第１の位置、および第２の向きにおける測定中心の第２の位置を基礎としてもよく、他の位置情報はなんら使用されない。

【0020】

[0020]ある実施形態において、ＩＭＵは、直交する３軸の各々に関する情報を測定するためのジャイロおよび加速度計を含む。

【0021】

[0021]別の実施形態において、回転プラットフォームは、掘削機プラットフォームであり、かつ外部座標系は、実世界座標系である。本システムは、掘削機プラットフォームへ連結されるバケットも含み、プロセッサは、実世界座標系におけるバケットの掘削エッジの場所を決定するように構成される。

【0022】

[0022]本明細書に記述する実施形態を用いれば、従来技術を凌ぐ多くの利点が達成される。たとえば、一部の実施形態は、プラットフォームの大きい回転を要することなく、ヨーおよび回転中心の決定を可能にする。実施形態によっては、ヨーおよび回転中心を正確に決定するための情報を提供するに当たって、たとえば、約５゜〜１５゜の小さい回転で足りる。掘削機のアプリケーションにおいて、これは、プラットフォームの大きい回転を要する個別の初期化ステップが不要であるという理由で、効率を高めることができる。他の実施形態において、ヨーおよび回転中心は、連続的または周期的に決定されて変化が明らかにされかつ追跡される。掘削機のアプリケーションでは、これにより、ユーザの操作を簡単にすることができる。実施形態に依存して、これらの利点のうちの１つまたはそれ以上が存在し得る。本明細書を通じ、添付の図面を参照して、これらの、および他の利点について説明する。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本明細書に記述する実施形態のうちのいくつかによって使用され得る掘削機を示す略側面図である。

【図2】いくつかの実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定しかつ追跡するための方法を示すフローチャートである。

【図3】ある実施形態による、プラットフォームの姿勢の変化を決定するための方法を示すフローチャートである。

【図4】ある実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定するための方法を示すフローチャートである。

【図5】ある実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心の変化を追跡するための方法を示すフローチャートである。

【図6】ある実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定するための方法を示すフローチャートである。

【図7】ある実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心を追跡するための方法を示すフローチャートである。

【図8】いくつかの実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定しかつ追跡するためのシステムを示す略ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

[0031]本明細書に記述する実施形態は、回転プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定しかつ追跡するための改良されたシステムおよび方法を提供する。実施形態によっては、第１および第２の向きにおけるプラットフォームの位置を決定するために、たとえば、ＧＮＳＳデバイスが使用されてもよい。各向きにおける位置は、プラットフォームのヨーおよび外部座標系における回転中心の位置を決定するために、他のＩＭＵ情報と併せて使用されてもよく、他の位置情報はなんら使用されない。実施形態によっては、第１の向きと第２の向きとの間のプラットフォームの回転は、僅か５゜であってもよい。

【0025】

[0032]このアプリケーションを通じて使用される回転プラットフォームの実際の一例は、可動軌道またはホイールへ連結される回転体を有する掘削機である。掘削機は、単に一例として使用されるものであり、本明細書に記述する実施形態が、回転プラットフォームを含む他のあらゆる機器、車両、機械装置またはデバイスによって使用され得ることは、認識されるべきである。掘削機で使用される場合、入手される情報は、既知の技術に従って、バケットまたは器具の場所を実世界座標系において決定するために使用されてもよい。

【0026】

[0033]図１は、回転プラットフォーム１１と、ブーム１２と、スティック１６と、バケット２０とを含む掘削機を示す略側面図である。ブーム１２は、旋回点（不図示）でプラットフォーム１１へ旋回可能に連結され、スティック１６は、旋回点１８でブーム１２へ旋回可能に連結され、かつバケット２０は、旋回点２２でスティック１６へ旋回可能に連結される。油圧デバイス２４、２６、２８は、ブーム１２、スティック１６およびバケット２０を動かすために設けられる。バケット２０は、掘削を支援し得る歯３０を含む。プラットフォーム１１は、作業現場周辺の掘削機の移動を容易にするホイールまたは軌道を含み得る下部構造体３２上に支持される運転室３１を含む。プラットフォーム１１は、油圧モータ３３により、略垂直な軸３５を中心にして回転されることが可能である。掘削機が、オーガ、トレンチャ、コンパクタなどの、バケット２０以外の他の器具またはツールと共に使用可能であることは、認識されるべきである。

【0027】

[0034]掘削機は、通常、様々なセンサを利用して、様々な機械エレメントの位置を監視しかつ／またはオペレータにエレメントの位置表示を提供する。一例として、プラットフォーム１１、ブーム１２、スティック１６およびバケット２０の間の角度は、エンコーダおよび／またはセンサを用いて決定されることが可能である。たとえば、これらの物体の角度は、ＩＭＵなどの傾斜計を用いて、重力との相対で決定されることが可能である。図１の例において、掘削機は、プラットフォーム１１上にＩＭＵ４２を、ブーム１２上にＩＭＵ４４を、スティック１６上にＩＭＵ４６を、かつバケット２０上にＩＭＵ４８を含む。これらのＩＭＵは、たとえば、重力に対するこれらの物体の角度を決定し、かつ１つまたは複数の軸（たとえば、ｘ、ｙおよび／またはｚ軸）を中心とするこれらの物体の回転を決定するために使用可能である。

【0028】

[0035]この実施例の掘削機は、関連するメモリを有するコントローラ５０を含む。コントローラ５０は、ＩＭＵに応答して、バケット２０の位置を物体の角度および回転に基づいて決定する。位置は、プラットフォーム１１に対して、またはプラットフォーム１１上の一点に対して決定されることが可能であり、または、プラットフォーム１１は、位置を外部座標系または実世界座標系で決定できるようにするＧＮＳＳデバイス３４などの位置センサを含んでもよい。本明細書で使用する実世界座標系またはグローバル座標系は、掘削機の外部にあって掘削機から独立している基準点を基礎とするものである。

【0029】

[0036]コントローラ５０も、プラットフォーム１１のヨーおよび回転中心の位置を決定し得る。この情報は、バケット２０の位置の決定および制御に使用されてもよい。回転中心は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の交点に位置決めされてもよい。図１の実施例において、プラットフォーム１１は、垂直軸３５と、水平軸３６と、紙面に垂直に延びる軸との交点に回転中心１４を有する。

【0030】

[0037]後にさらに詳しく説明するように、回転中心１４のヨーおよび位置は、ＧＮＳＳデバイス３４およびＩＭＵ４２を用いて決定されてもよい。ＧＮＳＳデバイス３４は、測定されるＧＮＳＳデバイス３４の位置がプラットフォーム１１の回転に伴って変わるように、プラットフォーム１１上へ回転中心１４とは別個の離れた場所に置かれる。ＧＮＳＳデバイス３４は、回転中心１４とは既知の空間的関係性で配置される。たとえば、ＧＮＳＳデバイス３４は、プラットフォーム１１の座標系における既知の場所に配置されてもよい。ＩＭＵ４２も、回転の測定を容易にするために、回転中心１４とは別個の離れた場所に置かれてもよい。

【0031】

[0038]ＧＮＳＳデバイス３４のアンテナが、ＧＮＳＳデバイス３４の受信機とは別個に位置決めされ得ることは、認識されるべきである。ＧＮＳＳデバイス３４が回転中心１４から離れた場所に置かれていると記述される場合、回転中心１４から離れて位置決めされるものは、アンテナの少なくとも１つの位相中心（または測定中心）である。したがって、受信機の場所に関わりなく、ＧＮＳＳデバイス３４による位置測定値は、プラットフォーム１１の回転に伴って変わる。これは、唯一の動きが回転である場合には変化し得ない回転中心１４の位置とは対照的である。

【0032】

[0039]ＧＮＳＳデバイス３４は、既知の技術に従って、衛星信号を用いて位置情報を決定するように構成される。ＧＮＳＳデバイス３４は、全地球測位システム（ＧＰＳ）、ＧＬＯＮＡＳＳ、ガリレオ、北斗またはこれらに類似するものなどのあらゆる衛星測位システムの一部であってもよい。実施形態によっては、単一のＧＮＳＳデバイス３４を用いて、プラットフォーム１１の回転中心１４の位置が決定されてもよい。

【0033】

[0040]ＩＭＵ４２は、既知の技術に従って、加速度計、ジャイロスコープおよび／または磁力計を用いてプラットフォーム１１の回転に関連づけられる特有の力、角速度および／または他の値を決定するように構成される。ＩＭＵ４２は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の各々について、加速度計、ジャイロスコープおよび／または磁力計を含んでもよい。実施形態によっては、単一のＩＭＵを用いてプラットフォーム１１のヨーが決定されてもよい。

【0034】

[0041]図２は、いくつかの実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定しかつ追跡するための方法を示すフローチャートである。この図に示す方法は、３つの主要なステップを含む。第１のステップは、回転プラットフォームの姿勢変化を決定するために使用されてもよく、次のステップは、回転プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定するために使用されてもよく、かつ最後のステップは、回転プラットフォームのヨーおよび回転中心を追跡するために使用されてもよい。これらの各ステップについては、以下、各ステップに関連づけられる入力および出力を含む図３〜図５に関連してより詳細に説明する。

【0035】

[0042]図３は、ある実施形態による、プラットフォームの姿勢の変化を決定するための方法を示すフローチャートである。姿勢変化は、プラットフォームの回転、および第１の向きから第２の向きへの変化によって生じる。

【0036】

[0043]図３において、入力変数は、プラットフォームの第１の向きにおける測定値に基づいて提供され、出力値は、プラットフォームの第１および第２の向きにおける測定値に基づいて決定される。プラットフォーム１１は、第１の向きが第２の向きとは異なるように回転される。プラットフォームは、回転中心を中心にして、回転中心の位置が第１の向きおよび第２の向きにおいて略同じであるように回転される。実施形態によっては、出力値が決定される間、プラットフォーム１１に直線的な動きはない。

【0037】

[0044]図３に示す入力変数は、プラットフォームの第１の向きにおける測定値に基づいて提供される。これらの変数には、下記が含まれる。
Ｐ_１ ＧＮＳＳデバイスにより提供されるプラットフォームの水平位置である。
θ_１ ＩＭＵにより提供されるプラットフォームのピッチである。
φ_１ ＩＭＵにより提供されるプラットフォームのロールである。
ω ＩＭＵにより提供されるジャイロ観察結果を含む。

【0038】

[0045]ジャイロ観察結果（ω）は、プラットフォームの回転速度を決定するために使用可能である。回転速度は、プラットフォームの回転を決定するために使用可能である。プラットフォームの回転は、約２０゜未満の回転であってもよく、かつ実施形態によっては、回転は、約５゜〜約１５゜の間であってもよい。回転の中心は、１つまたは複数の軸（たとえば、ピッチ、ロールおよび／またはヨー）であってもよい。

【0039】

[0046]図３に示す出力値は、プラットフォームの第１の向きとプラットフォームの第２の向きとの間の変化またはデルタ測定値である。出力変数には、下記が含まれる。
Δψ ＩＭＵにより提供されるプラットフォームのヨーの変化である。
Δθ ＩＭＵにより提供されるプラットフォームのピッチの変化である。
Δφ ＩＭＵにより提供されるプラットフォームのロールの変化である。
ΔＰ ＧＮＳＳデバイスの測定中心の水平位置の変化である。

【0040】

[0047]プラットフォームのヨーの変化は、プラットフォームが第１の向きと第２の向きとの間で回転する際の回転速度に基づいて決定されてもよい。位置の変化は、第１の向きにおけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の第１の位置、および第２の向きにおけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の第２の位置を基礎とする。位置の変化は、これらの２つの位置測定値から決定され得、これ以外の位置情報は使用されない。

【0041】

[0048]ある実施形態において、姿勢の変化は、次式を用いて決定されてもよい。

ここで、Δｔは、位置変化の時間、

は、ヨーレートである。

ここで、

、θおよびφは、各々プラットフォームのピッチおよびロールである。また、

ここで、

および

は、各々位置１および位置２におけるプラットフォームのピッチであり、かつ、

ここで、

および

は、各々位置１および位置２におけるプラットフォームのロールであり、かつ、

ここで、

および

は、各々位置１および位置２におけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の位置である。

【0042】

[0049]図４は、ある実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定するための方法を示すフローチャートである。ヨーおよび回転中心は、プラットフォームの第１の向きおよびプラットフォームの第２の向きにおいて取得される情報に基づいて決定される。ある実施形態において、ヨーおよび回転中心を決定するために使用される入力変数は、図３における姿勢変化の決定に使用される入力変数および出力値を含む。具体的には、入力変数は、下記を含んでもよい。
Δψ 第１の向きと第２の向きとの間のプラットフォームのヨーの変化である。
Δθ 第１の向きと第２の向きとの間のプラットフォームのピッチの変化である。
Δφ 第１の向きと第２の向きとの間のプラットフォームのロールの変化である。
ΔＰ 第１の向きと第２の向きとの間のＧＮＳＳデバイスの測定中心の水平位置の変化である。
Ｐ_２ 第２の向きにおけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の水平位置である。
θ_２ 第２の向きにおけるプラットフォームのピッチである。
φ_２ 第２の向きにおけるプラットフォームのロールである。
ｒ ＧＮＳＳデバイスの測定中心とプラットフォームの回転中心との間の既知の空間的関係性である。

【0043】

[0050]空間的関係性（ｒ）は、プラットフォームに関連づけられる座標系において、ＧＮＳＳデバイスの測定中心とプラットフォームの回転中心との関係性を画定する。空間的関係性（ｒ）は、ＧＮＳＳデバイスの測定中心と、プラットフォームに関連づけられる座標系における少なくとも１つの軸に沿った回転中心との距離を含んでもよい。

【0044】

[0051]出力値は、実世界座標系における、第２の向きにおけるプラットフォームのヨー、および回転中心の位置を含む。具体的には、出力値は、下記を含む。
Ψ_２ 第２の向きにおけるプラットフォームのヨーである。
Ｐ_ＣＯＲ 回転中心の位置である。

【0045】

[0052]第２の向きにおけるプラットフォームのヨーおよび回転中心の位置は、実世界座標系を参照して決定されてもよい。先に説明したように、プラットフォームの回転中心の場所は、第１の向きおよび第２の向きの双方において略同じであってもよい。ある実施形態において、ヨーおよび回転中心の位置は、次式を用いて決定されてもよい。

ここで、

かつ、

かつ、

かつ、

かつ、

かつ、

である。

【0046】

[0053]ヨーおよび回転中心の位置が決定されると、プラットフォームは、如何様に回転されてもよく、ヨーおよび回転中心の変化の追跡が可能である。たとえば、プラットフォームが掘削機の一部であれば、プラットフォームは、掘削プロセスの間に回転され得、これによりヨーが変化する。掘削プロセスは、掘削機の動きも引き起こし得、これにより、回転中心の位置が変化する。掘削機は、作業現場のある場所から別の場所へも移動し得、これにより、回転中心の位置が変わる。これらの変化は、本明細書に記述する実施形態を用いて連続的または周期的に追跡されてもよい。

【0047】

[0054]図５は、ある実施形態による、ヨーおよび回転中心の位置の変化を追跡するための方法を示すフローチャートである。この方法は、プラットフォームの第２の向きと、これに続くプラットフォームの第３の向きとの間の変化を追跡するために使用されてもよい。プラットフォームは、第２の向きと第３の向きとの間で回転されてもよく、かつ移動もされても（たとえば、ある場所から別の場所へ運ばれても）よい。図５の方法は、プラットフォームの任意の回転および／または移動の間または後の変化を追跡するために使用されてもよい。ヨーおよび回転中心の位置の追跡に使用される入力変数は、下記を含む。
Ψ_２ 第２の向きにおけるプラットフォームのヨーである。
Ｐ_ＣＯＲ 第２の向きにおける回転中心の位置である。
ω 第３の向きおよび／または位置におけるジャイロ観察結果を含む。
θ 第３の向きおよび／または位置におけるプラットフォームのピッチである。
φ 第３の向きおよび／または位置におけるプラットフォームのロールである。
Ｐ 第３の向きおよび／または位置におけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の水平位置である。
Ｖ 第２の向きおよび／または位置から第３の向きおよび／または位置へ移動する間のＧＮＳＳデバイスの測定中心の水平線形速度である。
ｒ ＧＮＳＳデバイスの測定中心とプラットフォームの回転中心との既知の空間的関係性である。

【0048】

[0055]位置（Ｐ）に関連する速度（Ｖ）およびプラットフォームのジャイロデータは、プラットフォームがある場所から別の場所へ移動している（または、運ばれている）か、プラットフォームの動きが回転のみであるか、を決定するために使用されてもよい。

【0049】

[0056]出力値は、実世界座標系における、第３の向きにおけるプラットフォームのヨー、および回転中心の位置を含む。具体的には、出力値は、下記を含む。

第３の向きにおけるプラットフォームのヨーである。

第３の向きおよび／または位置における回転中心の位置である。

【0050】

[0057]ある実施形態において、ヨーおよび回転中心は、状態ベクトルＸ：

を有するカルマンフィルタを用いて追跡されてもよく、
ここで、

であって、状態遷移行列Ｆは、

である。ここで、Ｔは、フィルタのサンプリング時間であり、観察モデルＨは、

であり、観察値Ｚは、

である。ここで、

は、既定のヨー変化（たとえば、各２゜のヨー変化）に利用可能となる次の向き３、４、５、他におけるヨーおよび回転中心の観察結果を示す。

【0051】

[0058]図６は、ある実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定するための方法を示すフローチャートである。本方法は、プラットフォームを、回転中心を中心にして、プラットフォームの第１の向きとプラットフォームの第２の向きとの間で回転させることを含む（６０２）。回転中心の位置は、第１の向きおよび第２の向きにおいて略同じであってもよい。第１の向きと第２の向きとの間のプラットフォームの回転は、約２０゜未満であってもよく、かつ実施形態によっては、約５゜〜約１５゜の間であってもよい。

【0052】

[0059]ＩＭＵは、プラットフォームの、第１の向きと第２の向きとの間のピッチ、ロールおよびヨーの変化を決定するために使用される（６０４）。

【0053】

[0060]ＧＮＳＳデバイスは、第１の向きと第２の向きとの間のＧＮＳＳデバイスの測定中心の位置の変化を決定するために使用される（６０６）。位置の変化は、第１の向きにおける測定中心の第１の位置、および第２の向きにおける測定中心の第２の位置を基礎としてもよく、他の位置情報はなんら使用されない。

【0054】

[0061]プラットフォームのヨーは、第２の向きにおいて決定され、かつ回転中心の位置は、グローバル座標系で決定される。（６０８）。ヨーおよび回転中心の位置は、掘削機プラットフォームのピッチ、ロールおよびヨーの変化、ＧＮＳＳデバイスの測定中心の位置の変化、第２の向きにおけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の第２の位置、第２の向きにおけるプラットフォームのピッチおよびロール、およびＧＮＳＳデバイスの測定中心と回転中心との既知の空間的関係性を基礎として決定されてもよい。

【0055】

[0062]図７は、ある実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心を追跡するための方法を示すフローチャートである。本方法は、プラットフォームを、回転中心を中心にして、プラットフォームの第１の向きとプラットフォームの第２の向きとの間で回転させることを含む（７０２）。回転中心の位置は、第１の向きおよび第２の向きにおいて略同じであってもよい。

【0056】

[0063]第２の向きにおけるプラットフォームのヨーが決定され、かつ回転中心の第１の位置がグローバル座標系において決定される（７０４）。ヨーおよび回転中心の第１の位置は、第１の向きと第２の向きとの間のＧＮＳＳデバイスの測定中心の位置の変化を部分的に基礎として決定されてもよい。ある実施形態において、測定中心の位置の変化は、第１の向きにおける測定中心の第１の位置、および第２の向きにおける測定中心の第２の位置を基礎として決定されてもよい。測定中心の位置の変化は、ＧＮＳＳデバイスの他の位置をなんら用いることなく決定されてもよい。

【0057】

[0064]プラットフォームは、回転中心を中心にして第３の向きまで回転され（７０６）、第３の向きにおける掘削機プラットフォームのヨーが決定され、かつプラットフォームの回転中心の第２の位置がグローバル座標系において決定される（７０８）。ある実施形態において、第３の向きにおけるヨーおよび回転中心の第２の位置は、第２の向きにおけるプラットフォームのヨー、グローバル座標系における回転中心の第１の位置、ＩＭＵからの観察結果、第３の向きにおけるプラットフォームのピッチおよびロール、第３の向きにおけるＧＮＳＳデバイスの測定中心の第３の位置、およびＧＮＳＳデバイスの測定中心と回転中心との既知の空間的関係性を基礎として決定されてもよい。ＩＭＵの観察結果は、直交する３軸のジャイロ測定値を含んでもよい。

【0058】

[0065]図６〜図７に例示する特有のステップが、一部の実施形態による特定の方法を提供するものであることは、認識されるべきである。代替実施形態によれば、他の順序のステップも実行され得る。たとえば、一部の実施形態は、概説した上述のステップを異なる順序で実行してもよい。さらに、図６〜図７に例示する個々のステップは、様々な順序で実行され得る複数のサブステップを含んでもよい。さらに、特定のアプリケーションに依存して、追加の手順が加えられても、取り除かれてもよい。

【0059】

[0066]図８は、いくつかの実施形態による、プラットフォームのヨーおよび回転中心を決定しかつ追跡するためのシステムを示す略ブロック図である。システムは、ＧＮＳＳデバイスと、ＩＭＵと、プロセッサとを含む。

【0060】

[0067]先に説明したように、ＧＮＳＳデバイスは、プラットフォームの回転中心から離れた第１の場所に置かれかつ回転中心とは既知の空間的関係性で配置される測定中心を有してもよい。ＧＮＳＳデバイスは、プラットフォームの位置情報を決定するように構成されてもよい。

【0061】

[0068]ＩＭＵは、やはりプラットフォームの回転中心から離れた第２の場所でプラットフォームへ結合されてもよい。ＩＭＵは、直交する３軸の各々に関する情報を測定するための少なくとも１つのジャイロおよび加速度計を含んでもよい。ＩＭＵは、プラットフォームのピッチ、ロールおよびヨーの変化を測定するように構成されてもよい。

【0062】

[0069]プロセッサは、ＧＮＳＳデバイスおよびＩＭＵへ通信可能に結合されてもよい。プロセッサは、広義には、メモリなどの他のコンポーネントを含み得る、かつプラットフォームのヨーおよび外部座標系におけるプラットフォームの回転中心の位置を決定するように構成され得るコンピューティングデバイスを表してもよい。構成によっては、プロセッサは、他の入力を受信しかつ／または情報をディスプレイへ出力するように構成されてもよい。

【0063】

[0070]実施形態によっては、プロセッサは、ヨーおよび回転中心の位置を、プラットフォームの第１の向きとプラットフォームの第２の向きとの間のプラットフォームのピッチ、ロールおよびヨーの変化、第１の向きと第２の向きとの間のＧＮＳＳデバイスの測定中心の位置の変化、第２の向きにおける測定中心の第２の位置、第２の向きにおけるプラットフォームのピッチおよびロール、および測定中心と回転中心との既知の空間的関係性、を基礎として決定するように構成されてもよい。

【0064】

[0071]第１の向きと第２の向きとの間のＧＮＳＳデバイスの測定中心の位置の変化は、第１の向きにおける測定中心の第１の位置、および第２の向きにおける測定中心の第２の位置を基礎としてもよく、他の位置情報はなんら使用されない。

【0065】

[0072]一部の実施形態が、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語またはこれらの任意の組合せによって実装され得ることは、認識されるべきである。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェアまたはマイクロコードに実装される場合、必要なタスクを実行するためのプログラムコードまたはコードセグメントは、記憶媒体などのコンピュータ可読媒体に記憶されてもよい。プロセッサは、必要なタスクを実行するように適合化されてもよい。「コンピュータ可読媒体」という用語は、ポータブルまたは固定式記憶デバイス、光学記憶デバイス、無線チャネル、シムカード、他のスマートカード、および命令あるいはデータを記憶し、包含しかつ伝送することができる他の様々な非一時的媒体を含むが、これらに限定されない。

【0066】

[0073]以上、本発明を特有の実施形態に関連して説明したが、当業者には、本発明の範囲が本明細書に記載した実施形態に限定されないことが明らかであるはずである。たとえば、本発明の１つまたは複数の実施形態の特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施形態の１つまたは複数の特徴と組み合わされてもよい。したがって、本明細書本文および図面は、制限的な意味ではなく、例示的と見なされるべきものである。したがって、本発明の範囲は、上述の明細書本文を参照して決定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲およびその等価物の全範囲を参照して決定されるべきものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】