特開 2023-154782 建設機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023154782

(43)【公開日】2023-10-20

(54)【発明の名称】建設機械

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/26 20060101AFI20231013BHJP

【ＦＩ】

E02F9/26 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022064338

(22)【出願日】2022-04-08

(71)【出願人】

【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】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】石原 新士

(72)【発明者】

【氏名】泉 枝穂

(72)【発明者】

【氏名】田中 宏明

(72)【発明者】

【氏名】中城 健太

【テーマコード（参考）】

2D015

【Ｆターム（参考）】

2D015HA03

2D015HB03

2D015HB04

2D015HB05

(57)【要約】

【課題】マシンガイダンスシステムまたはマシンコントロールシステムの校正精度を向上させることが可能な建設機械を提供する。
【解決手段】コントローラ２０は、作業機１の姿勢を作業機１の第１所定位置（バケット爪先位置）の座標に変換するための変換パラメータ（取付角度Δθ、リンク長Ｌ）の校正が指示された後の所定の時間の間に姿勢検出装置１４～１６が検出した作業機１の姿勢に基づいて、作業機１が静定しているか否かを判定し、作業機１が静定していると判定した場合に、前記所定の時間の間に姿勢検出装置１４～１６が検出した作業機１の姿勢と、前記変換パラメータの校正の指示がされた後に外部計測装置５０で計測された作業機１の第２所定位置（ピン位置ｐ０，ｐ１，ｐ２）の座標とに基づいて前記変換パラメータの更新値を算出する。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

下部走行体と、
前記下部走行体に回動可能に取り付けられた上部旋回体と、
前記上部旋回体に回動可能に取り付けられた多関節型の作業機と、
前記作業機に取り付けられた姿勢検出装置と、
前記姿勢検出装置で検出した前記作業機の姿勢を所定の変換パラメータを用いて前記作業機の第１所定位置の座標に変換するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記姿勢検出装置で検出した前記作業機の姿勢と外部計測装置で計測した前記作業機の第２所定位置の座標とに基づいて前記変換パラメータの更新値を算出して校正を行う建設機械において、
前記コントローラは、
前記変換パラメータの校正の指示がされた後の所定の時間の間に前記姿勢検出装置が検出した前記作業機の姿勢に基づいて、前記作業機が静定しているか否かを判定し、
前記作業機が静定していると判定した場合に、前記所定の時間の間に前記姿勢検出装置が検出した前記作業機の姿勢と、前記変換パラメータの校正の指示がされた後に前記外部計測装置で計測された前記第２所定位置の座標とに基づいて前記変換パラメータの更新値を算出する
ことを特徴とする建設機械。

【請求項2】

請求項１に記載の建設機械において、
前記コントローラから入力された情報を出力可能な報知装置を備え、
前記コントローラは、前記変換パラメータを校正する際に、前記作業機が静定していないと判定した場合は、再校正を促す情報を前記報知装置に出力する
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、
前記コントローラは、
前記作業機の回動中心位置が移動しない複数の姿勢において前記外部計測装置で計測した前記作業機の非回動中心位置の座標を取得し、
前記複数の姿勢における前記非回動中心位置の水平方向の変化量が第１閾値を上回る場合に、前記外部計測装置の座標軸が適切でないと判定し、
前記変換パラメータを校正する際に、前記作業機が静定していると判定した場合であっても、前記外部計測装置の座標軸が適切でないと判定した場合は、前記更新値を算出しない
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、
前記コントローラは、
前記作業機の回動中心位置が移動しない複数の姿勢において前記外部計測装置で計測した前記回動中心位置および前記作業機の非回動中心位置の座標を取得し、
前記複数の姿勢における前記回動中心位置と前記非回動中心位置との距離の変化量が第２閾値を上回る場合に、前記外部計測装置で計測した座標が適切でないと判定し、
前記変換パラメータを校正する際に、前記作業機が静定していると判定した場合であっても、前記外部計測装置で計測した座標が適切でないと判定した場合は、前記更新値を算出しない
ことを特徴とする建設機械。

【請求項5】

請求項１に記載の建設機械において、
前記コントローラから入力された情報を出力可能な報知装置を備え、
前記コントローラは、
前記作業機の回動中心が移動しない複数の姿勢において前記外部計測装置で計測した前記作業機の回動中心位置および非回動中心位置の座標を取得し、
前記複数の姿勢における前記非回動中心位置の水平方向の変化量が第１閾値を上回る場合に、前記外部計測装置の座標軸が適切でないと判定し、
前記複数の姿勢における前記回動中心位置と前記非回動中心位置との距離の変化量が第２閾値を上回る場合に、前記外部計測装置で計測した座標が適切でないと判定し、
前記変換パラメータを校正する際に、前記作業機が静定していると判定した場合であっても、前記外部計測装置で計測した座標軸が適切でないと判定した場合、または、前記外部計測装置で計測した座標が適切でないと判定した場合は、前記更新値を算出せず、
前記作業機が静定していないと判定した場合、前記外部計測装置で計測した座標軸が適切でないと判定した場合、または、前記外部計測装置で計測した座標が適切でないと判定した場合は、再校正を促す情報を前記報知装置に出力する
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、
前記コントローラから入力された情報を出力可能な報知装置を備え、
前記コントローラは、前記変換パラメータを校正する際に、前記作業機が静定していると判定した場合に、前記外部計測装置による計測を促す情報を前記報知装置に出力する
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、フロント作業機を有する油圧ショベルなどの建設機械に関し、特に、マシンガイダンスシステムまたはマシンコントロールシステムを搭載した建設機械に関する。

【背景技術】

【0002】

情報化施工への対応に伴い、ブーム、アーム、バケットなどの作業機構の位置や姿勢をオペレータへ表示するマシンガイダンスや、作業機構の位置を目標施工面に沿って動くように制御するマシンコントロールの機能を有する油圧ショベルが開発されている。

【0003】

施工現場における自車の座標を利用して、マシンガイダンスやマシンコントロールの作業支援を行うものを３次元情報化施工（３Ｄ情報化施工）と呼ぶ。この３Ｄ情報化施工に対応する建設機械は自車位置を取得するためにＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）が備え付けられている。油圧ショベルのようにフロント作業機を備える建設機械では、自車の位置だけでなく、作業機が向いている方向（方位）も作業支援に必要になるため、上部旋回体に２つのＧＮＳＳアンテナを備えた建設機械が公知である。

【0004】

マシンガイダンスシステムにおいては、バケットの先端位置（爪先位置）が施工目標面に沿って動作するようにオペレータに各種情報を提示するため、自車の位置だけでなく、フロント作業機の姿勢情報が重要になる。このため、ブーム、アーム、バケットの角度を取得するために何らかのセンサが取り付けられている。この角度センサには、取付けの容易性や、角度センサの応答性の観点でＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）センサが選定されることが多い。

【0005】

マシンガイダンスシステムではフロント作業機の各部材（ブーム、アーム、バケット）の傾斜角を利用してショベルの爪先位置を算出するが、ＩＭＵセンサは自身の傾斜角を取得するものである。このため、ＩＭＵセンサが各部材に対して、どのくらい回転して取り付けられているかを示す「取付角度」を利用して、ＩＭＵセンサの傾斜角を各部材の傾斜角へと変換する。各部材の傾斜角の正確さが爪先座標の算出精度に影響するため、取付角度を正確に取得する必要がある。このような爪先座標の演算に必要なパラメータを正確な値に更新する作業を校正、またはキャリブレーションと呼ぶ。取付角度のキャリブレーション方法を開示する先行技術文献として、特許文献１が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７－１８１３４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１では、外部計測装置（トータルステーション）で各部材の回転中心である連結部（回動ピン中心）の座標を取得し、各座標から算出される各部材の傾斜角と、傾斜センサ（ＩＭＵセンサ）が出力した傾斜角を比較することで取付角度を算出する方法を提示している。

【0008】

例えば、ブームに取り付けられているＩＭＵセンサの取付角度を取得する場合、ブームフートピン位置ｐ０の座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０）とブーム先端ピン位置ｐ１の座標（ｘ１，ｙ１，ｚ１）をトータルステーションで取得する。フロント作業機がトータルステーションの座標軸Ｘと並行に設置されていると仮定する（つまり、ｙ０＝ｙ１が成立する）と、ブームの角度θＢＭ－ＴＳは数１式で与えられる。

【0009】

【数1】

【0010】

この作業と並行して、ＩＭＵセンサが出力した角度θＢＭ－ＩＭＵを記録しておくことで、数２式を用いて取付角度ΔθＢＭを算出できる。

【0011】

【数2】

【0012】

トータルステーションは各座標を同時に取得することはできず、一点ずつ座標の計測を行うことになる。よって、各座標を取得する際に油圧ショベルの姿勢が変化すると正しく取付角度を算出することができなくなる恐れがある。
例えば、［１］ブームフートピン位置ｐ０の座標を取得し、［２］ＩＭＵセンサの角度情報を取得し、［３］ブーム先端ピン位置ｐ１の座標を取得する、という３つの手順で作業を行ったとする。この作業において、［２］から［３］の作業中にブーム先端ピン位置ｐ１の座標が（ｘ１，ｙ１，ｚ１）から（ｘ１＋δｘ，ｙ１，ｚ１＋δｚ）に変化すると、ブームの角度θＢＭ－ＴＳは数３式のようになる。

【0013】

【数3】

【0014】

数１式と数３式で算出される角度θＢＭ－ＴＳは異なるため、取付角度ΔθＢＭも異なる値として算出されることになる。つまり、キャリブレーション作業中にフロント作業機の姿勢が変化してしまうと取付角度を正しく取得できない可能性がある。

【0015】

当然、キャリブレーション作業を行う際には姿勢変化が起きないようにレバーを操作してはならないと注意喚起がなされる。ただし、オペレータが意図的にレバー操作を行わなくてもフロント作業機の姿勢変化は発生し得る。

【0016】

例えば、フロント作業機は油圧シリンダで駆動されているため、温度変化で圧油が膨張、収縮するとシリンダ長が変化することで姿勢変化が発生する。その他、圧油がリークすることでシリンダのボトム圧、またはロッド圧が低下するとシリンダ長が変化する。また、シリンダ長の変化がない場合でも、油圧ショベルが軟土の地形に設置されていると、油圧ショベルの自重によって、地面への沈み込みが生じる場合もある。このような沈み込みが発生するとトータルステーションで計測する座標が変化するため、取付角度を正確に取得できず、キャリブレーションの精度が低下する可能性がある。

【0017】

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、マシンガイダンスシステムまたはマシンコントロールシステムの校正精度を向上させることが可能な建設機械を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0018】

上記目的を達成するために、本発明は、下部走行体と、前記下部走行体に回動可能に取り付けられた上部旋回体と、前記上部旋回体に回動可能に取り付けられた多関節型の作業機と、前記作業機に取り付けられた姿勢検出装置と、前記姿勢検出装置で検出した前記作業機の姿勢を所定の変換パラメータを用いて前記作業機の第１所定位置の座標に変換するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記姿勢検出装置で検出した前記作業機の姿勢と外部計測装置で計測した前記作業機の第２所定位置の座標とに基づいて前記変換パラメータの更新値を算出して校正を行う建設機械において、前記コントローラは、前記変換パラメータの校正の指示がされた後の所定の時間の間に前記姿勢検出装置が検出した前記作業機の姿勢に基づいて、前記作業機が静定しているか否かを判定し、前記作業機が静定していると判定した場合に、前記所定の時間の間に前記姿勢検出装置が検出した前記作業機の姿勢と、前記変換パラメータの校正の指示がされた後に前記外部計測装置で計測された前記第２所定位置の座標とに基づいて前記変換パラメータの更新値を算出するものとする。

【0019】

以上のように構成した本発明によれば、作業機が静定している状態で取得された作業機の姿勢および座標を用いて、作業機の姿勢を作業機の第１所定位置の座標に変換するための変換パラエータが更新される。これにより、マシンガイダンスシステムまたはマシンコントロールシステムの校正精度を向上させることが可能となる。

【発明の効果】

【0020】

本発明に係る建設機械によれば、マシンガイダンスシステムまたはマシンコントロールシステムの校正精度を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の第１の実施例における油圧ショベルの外観を模式的に示す図

【図2】本発明の第１の実施例におけるコントローラの処理機能の一部を模式的に示す図

【図3】本発明の第１の実施例におけるコントローラの機能ブロック図

【図4】キャリブレーション実施時にモニタに表示される内容の一例を示す図

【図5】姿勢検出結果記録部に記録されたＩＭＵデータの一例を示す図

【図6】本発明の第１の実施例におけるキャリブレーション実行部の処理を示すフローチャート

【図7】本発明の第２の実施例におけるコントローラの機能ブロック図

【図8】本発明の第２の実施例におけるキャリブレーション実行部の処理を示すフローチャート

【図9】外部計測装置で設定された座標軸が座標計測に与える影響を説明する図

【図10】キャリブレーション実施時の姿勢の一例を示す図

【図11】本発明の第３の実施例の変形例におけるコントローラの機能ブロック図

【図12】本発明の第３の実施例におけるコントローラに記録されるデータのイメージを示す図

【図13】本発明の第３の実施例におけるキャリブレーション実行部の処理を示すフローチャート

【図14】本発明の第４の実施例におけるコントローラの機能ブロック図

【図15】本発明の第４の実施例におけるキャリブレーション実行部の処理を示すフローチャート

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施形態に係る建設機械として油圧ショベルを例に挙げ、図面を参照して説明する。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。

【実施例0023】

図１は、本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。図１において、油圧ショベル１００は、垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材（ブーム４、アーム５、バケット（作業具）６）を連結して構成された多関節型のフロント作業機１と、車体を構成する上部旋回体２及び下部走行体３とを備える。上部旋回体２は、下部走行体３に対して旋回可能に設けられている。

【0024】

フロント作業機１のブーム４の基端は上部旋回体２の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム５の一端はブーム４の他端（先端）に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム５の他端（先端）にはバケット６が垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム４はブームフートピン４ｂ（図２に示す）を中心に回動し、アーム５はアームピン（ブーム先端ピン）５ｂを中心に回動し、バケット６はバケットピン６ｂを中心に回動する。ブーム４、アーム５、バケット６、上部旋回体２、及び下部走行体３は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、旋回モータ（図示せず）、及び左右の走行モータ３ａ（一方のみ図示）によりそれぞれ駆動される。

【0025】

オペレータが搭乗する運転室９には、油圧アクチュエータ２ａ～６ａを操作するための操作信号を出力する操作レバー９ａ，９ｂが設けられている。操作レバー９ａ，９ｂはそれぞれ前後左右方向に傾倒可能であり、各方向に油圧アクチュエータ２ａ～６ａの操作がそれぞれ割り当てられている。操作レバー９ａ，９ｂは、操作信号であるレバーの傾倒量（レバー操作量）を電気的に検知する検出装置（図示せず）を含み、検出装置が検出したレバー操作量を制御装置であるコントローラ２０に電気配線を介して出力する。

【0026】

ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、旋回モータ２ａ、及び左右の走行モータ３ａの動作制御は、エンジンや電動モータなどの原動機によって駆動される油圧ポンプ装置７から各油圧アクチュエータ２ａ～６ａに供給される作動油の方向及び流量をコントロールバルブ８で制御することにより行う。コントロールバルブ８は、パイロットポンプ（図示せず）から電磁比例弁を介して出力される駆動信号（パイロット圧）により操作される。操作レバー９ａ，９ｂからの操作信号に基づいてコントローラ２０で電磁比例弁を制御することにより、各油圧アクチュエータ２ａ～６ａの動作が制御される。なお、操作レバー９ａ，９ｂは油圧パイロット方式であっても良い。その場合、操作レバー９ａ，９ｂは、レバー操作量に応じたパイロット圧を出力するパイロット弁（図示せず）を含み、コントロールバルブ８は、パイロット弁から出力されるパイロット圧により操作される。

【0027】

上部旋回体２には、姿勢センサとして慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）１３が配置されている。慣性計測装置１３は、角速度及び加速度を計測するものであり、姿勢検出装置を構成している。慣性計測装置１３が配置された上部旋回体２が静止している場合を考えると、慣性計測装置１３に設定されたＩＭＵ座標系における重力加速度の方向（鉛直下向き方向）と、慣性計測装置１３の取り付け状態（慣性計測装置１３と上部旋回体２との相対的な位置関係）とに基づいて、上部旋回体２の前後方向への傾き（ピッチ角）、左右方向への傾き（ロール角）をそれぞれ算出することができる。なお、ＩＭＵには角速度センサが内蔵されているため、角速度を積分することによって上部旋回体２の回転角度（ヨー角）を算出することもできるが、角速度センサの定常的な誤差（ジャイロバイアス）によって、正確な回転角度を算出することは容易ではないことに注意が必要である。なお、本実施例では、上記の傾き（角度）の演算機能が慣性計測装置に実装されていることを想定しているが、慣性計測装置に角度の算出機能が実装されていない場合は、後述のコントローラ２０に角度演算機能を実装すればよい。

【0028】

また、上部旋回体２には２つのＧＮＳＳアンテナ１７ａ，１７ｂが取り付けられている。それぞれのＧＮＳＳアンテナで受信した衛星信号はＧＮＳＳ受信機１７ｃ（図２に示す）に入力され、アンテナ座標の演算や方位角の演算などの各種測位演算に利用される。ＧＮＳＳアンテナ１７ａ，１７ｂ及びＧＮＳＳ受信機１７ｃは、位置情報検出装置１７（図３に示す）を構成している。

【0029】

ＧＮＳＳ受信機１７ｃは現場内に設置されたＧＮＳＳ固定局と無線通信によって接続することで、位置情報についてＲＴＫ（Real Time Kinematic）測位を実施する。ＧＮＳＳ固定局がない現場の場合には、インターネットを介して電子基準局の情報を取得するネットワーク型ＲＴＫを利用してもよい。以下、現場内の固定局の有無を問わず、ＧＮＳＳ受信機１７ｃはＲＴＫ測位が実行可能であることを想定する。

【0030】

フロント作業機１の構成要素であるブーム４、アーム５、バケット６にはそれぞれの姿勢を計測するために慣性計測装置１４～１６が適切な位置に設置されている。慣性計測装置１４～１６も、上部旋回体２に取り付けられた慣性計測装置１３と同様に、姿勢検出装置を構成している。以降、各慣性計測装置１３～１６を区別するため、設置場所に応じて、適宜、車体ＩＭＵ１３、ブームＩＭＵ１４、アームＩＭＵ１５、バケットＩＭＵ１６と呼ぶ。なお、バケットＩＭＵ１６はバケット６でなく、バケット６と連動して回動するリンク部材（バケットリンク）１８に設置しても良い。バケットリンク１８にＩＭＵを設置した場合は、幾何学的な関係性を利用して、バケットリンク１８の傾きをバケット６の傾きに変換すればよい。

【0031】

図２は、油圧ショベル１００に搭載されるコントローラ２０の処理機能を模式的に示す図である。図２において、コントローラ２０は、油圧ショベル１００の動作を制御するための種々の機能を有するものであり、その一部としてポジショニング演算部２１、モニタ表示制御部２２、油圧システム制御部２３、施工目標面演算部２４、及びキャリブレーション実行部２５の各機能を有している。なお、図２では、処理機能２１～２５を一つのコントローラで実行するように描いているが、各処理機能を複数のコントローラで実行しても良い。例えば油圧ショベル１００に５つのコントローラが備えられている場合、各処理機能２１～２５をそれぞれ別のコントローラで実行しても良い。また、キャリブレーション実行部２５は油圧ショベル１００に搭載されたコントローラ２０に実装されなくても良く、別の端末に実装されていても良い。

【0032】

ポジショニング演算部２１は、ＧＮＳＳ受信機１７ｃで算出した位置情報と慣性計測装置１３～１６の検出結果に基づいて、油圧ショベル１００の作業現場内での座標、方位、及びフロント作業機１の姿勢を算出する姿勢演算処理を行う。ポジショニング演算部２１で作業機１の姿勢を算出するには、油圧ショベル１００の各種寸法（後述するリンク長）やセンサの取り付け情報（取付角度）を変換パラメータとして利用する必要がある。これらの変換パラメータを正確な値（以下、更新値）で更新する作業を校正またはキャリブレーションと呼ぶ。このキャリブレーションに関わる演算はキャリブレーション実行部２５で実行される。

【0033】

モニタ表示制御部２２は、運転室９に設けられたモニタ３０（図４に示す）の表示を制御するものであり、施工目標面演算部２４で算出された施工目標面と、ポジショニング演算部２１で算出されたフロント作業機１の姿勢とに基づいて、オペレータに対する操作支援の指示内容を算出し、モニタ３０に表示する。すなわち、モニタ表示制御部２２は、例えば、ブーム４、アーム５、バケット６などの被駆動部材を有するフロント作業機１の姿勢や、バケット６の先端位置と角度をモニタ３０に表示してオペレータの操作を支援するマシンガイダンスシステムとしての機能の一部を担っている。モニタ３０は単なる表示デバイスでなく、タッチパネルを備えたタブレット端末に置き換えて入力デバイスとして利用することが望ましい。以下、モニタ３０がタブレット端末で構成されているものとして説明する。

【0034】

油圧システム制御部２３は、油圧ポンプ装置７やコントロールバルブ８、各油圧アクチュエータ２ａ～６ａ等からなる油圧ショベル１００の油圧システムを制御するものであり、施工目標面演算部２４で算出された施工目標面と、ポジショニング演算部２１で算出されたフロント作業機１の姿勢とに基づいて、フロント作業機１の動作を算出し、その動作を実現するように油圧ショベル１００の油圧システムを制御する。すなわち、油圧システム制御部２３は、例えば、バケット６の先端が目標施工面に一定以上近づかないように動作に制限をかけたり、バケット６の先端位置が目標施工面に沿って動くよう制御したりするマシンコントロールシステムとしての機能の一部を担っている。

【0035】

施工目標面演算部２４は、施工管理者によって予め記憶装置４０に記憶されている３次元施工図面などの施工情報と、ポジショニング演算部２１で算出した油圧ショベル１００の位置情報および姿勢情報とに基づいて、施工対象の目標形状を定義する施工目標面を算出する。モニタ表示制御部２２および施工目標面演算部２４はマシンガイダンスシステムを構成し、油圧システム制御部２３および施工目標面演算部２４はマシンコントロールシステムを構成している。

【0036】

キャリブレーション実行部２５は、姿勢検出装置１３～１６で取得したデータと外部計測装置５０で取得したデータを利用して、各種パラメータ（具体的には、油圧ショベルの各種寸法やＩＭＵセンサの取付角度）を算出する。算出したパラメータはポジショニング演算部２１及びモニタ表示制御部２２で利用される。

【0037】

図３は、コントローラ２０の機能ブロック図である。図３では、説明を簡略するため、図２に示した機能の一部（ポジショニング演算部２１、モニタ表示制御部２２、キャリブレーション実行部２５以外）を省略している。

【0038】

本実施例におけるキャリブレーション実行部２５は、姿勢検出結果記録部２５ａ、姿勢情報変化検出部２５ｂ、外部計測結果記録部２５ｃ、及び校正値演算部２５ｄ、校正結果記録部２５ｅで構成される。

【0039】

姿勢検出結果記録部２５ａは、姿勢検出装置１３～１６が出力した検出情報を記録する。検出情報の記録開始のタイミングと記録終了のタイミングは任意に変更することができ、キャリブレーション作業時にオペレータまたはコントローラ２０の指示によって記録開始、終了が制御される。

【0040】

オペレータの指示で記録開始を行う場合の記録開始と終了のタイミングの一例を図４を用いて説明する。図４は、キャリブレーション実施時にモニタ３０に表示される内容の一例を示している。オペレータはモニタ３０に表示される指示に従って操作を行う。ここでは、ブーム４を対象としたキャリブレーションを例に説明するが、その他の部材（アーム５、バケット６）についても同様である。

【0041】

まず、キャリブレーション開始時に図４（ａ）のように、油圧ショベル１００がキャリブレーションを行う姿勢になったことをオペレータに確認する指示をモニタ３０に表示する。オペレータが油圧ショベル１００の姿勢を図４（ａ）に合わせることができたと判断すると、画面上の「はい」をタップする。姿勢検出結果記録部２５ａは「はい」をタップしたことをトリガとして、ブームＩＭＵ１４のデータの記録を始める。その後、モニタ３０には図４（ｂ）に示すように外部計測装置５０で座標を取得すべき位置ｐ０，ｐ１の指示が表示される。オペレータはモニタに表示された位置ｐ０，ｐ１の座標を外部計測装置５０で取得した後に画面上の「はい」をタップする。このタップのタイミングに合わせて、姿勢検出結果記録部２５ａはブームＩＭＵ１４のデータの記録を停止する。

【0042】

なお、外部計測装置５０、コントローラ２０、モニタ３０がそれぞれ情報の授受ができる構成になっている場合、図４（ｂ）中のピン位置ｐ０，ｐ１それぞれの座標を外部計測装置５０で取得した時点で自動的に「はい」がタップされたものとしても良い。つまり、ピン位置ｐ０の座標を外部計測装置５０で取得すると同時に姿勢検出結果記録部２５ａがデータの記録を開始し、ピン位置ｐ１の座標を外部計測装置５０で取得すると同時に姿勢検出結果記録部２５ａがデータの記録を終了する仕組みとしても良い。本機能は後述の外部計測結果記録部２５ｃに記録された座標データを参照することで実行される。また、姿勢検出結果記録部２５ａは、ＩＭＵセンサが出力するサンプリング周期（例えば１０ｍｓ）のデータをそのまま記録しても良いし、記憶容量を節約するため、ＩＭＵが出力したデータを等間隔に間引いて１００ｍｓごとのデータを記録する方式にしても良い。

【0043】

姿勢情報変化検出部２５ｂは、姿勢検出結果記録部２５ａに記録されているＩＭＵデータを解析し、図４（ａ）の姿勢でキャリブレーションを行っているときにフロント作業機１に姿勢変化が生じていないことを確認する。取得したＩＭＵデータに基づいて姿勢変化の有無を判定する方法を図５を用いて説明する。

【0044】

図５（ａ）は、フロント作業機１の姿勢に変化が生じなかった場合に姿勢検出結果記録部２５ａに記録されたＩＭＵデータの一例を示している。図中の黒点が各時刻で取得したデータを表している。

【0045】

ＩＭＵセンサの出力は、各種ノイズやエンジン振動の影響によって、常にばらついている。このため、姿勢変化がない場合でもＩＭＵセンサの出力は変化し得る。このばらつきを「姿勢変化」として誤判定しないように、各時刻のデータが初期値またはデータ全体の平均値に対して許容範囲を設け、この許容範囲を逸脱するデータがない限り姿勢変化はないと判断する。この許容範囲は、ＩＭＵセンサの仕様書に記載されているセンサ精度を参考に設定してもよいし、フロント作業機１に姿勢変化が生じないようにバケット爪先を地面（望ましくは定盤）上に設置した図５（ｂ）のような状態で取得したＩＭＵデータを解析して得られた分散値σ^２を利用して、±３σの範囲を許容範囲としてもよい。

【0046】

図５（ｃ）は、フロント作業機１の姿勢が変化してしまった場合に姿勢検出結果記録部２５ａに記録されたＩＭＵデータの一例を示している。前述のとおり、取得したデータは設定した許容範囲を逸脱する。このような判定を行うことで、図４（ｂ）に示したピン位置ｐ０，ｐ１の座標取得を行う間の姿勢変化を検出できる。一般にマシンガイダンスに採用されるＩＭＵセンサは０．１～０．３ｄｅｇ程度の角度検出精度があるため、フロント作業機１のわずかな姿勢変化も検出することが可能である。

【0047】

外部計測結果記録部２５ｃは、外部計測装置５０で取得した座標データをコントローラ２０内の記憶領域に記録する。座標データは３次元空間の座標（ｘ，ｙ，ｚ）である。

【0048】

校正値演算部２５ｄは、姿勢検出結果記録部２５ａに記録されているＩＭＵデータと外部計測結果記録部２５ｃに記録されている座標データを利用して変換パラメータを算出する。姿勢検出結果記録部２５ａに記録されているＩＭＵデータはばらつきを有するため、ばらつきの影響を抑制するため、例えば、数４式のような平均処理を行う。

【0049】

【数4】

【0050】

なお、数４式のθｉはサンプリングステップｉに記録されたＩＭＵデータを示し、Ｎは姿勢検出結果記録部２５ａに記録されているＩＭＵデータの個数を意味する。

【0051】

一方、外部計測結果記録部２５ｃに記録されている、図４（ｂ）におけるブームフートピン位置ｐ０の座標を（ｘ０，ｙ０，ｚ０）、ブーム先端ピン位置ｐ１の座標を（ｘ１，ｙ１，ｚ１）とすると、数１式よりブーム４の角度θＢＭ－ＴＳを算出できる。そして、数１式１と数４式を利用し、数２式に倣った数５式によってブームＩＭＵ１４の取付角度ΔθＢＭを算出できる。

【0052】

【数5】

【0053】

また、外部計測結果記録部２５ｃに記録されている座標データを利用すれば、ブーム４のリンク長ＬＢＭは数６式で与えられる。

【0054】

【数6】

【0055】

前述のとおり、数１式および数５式はフロント作業機１の姿勢が変化していないときにのみ成立する。よって、校正値演算部２５ｄは姿勢情報変化検出部２５ｂにて、姿勢変化が検出されなかったときにのみ実行されることが望ましい。

【0056】

校正結果記録部２５ｅは、校正値演算部２５ｄで算出した取付角度Δθとリンク長Ｌを記録する。なお、姿勢情報変化検出部２５ｂで姿勢変化が検出された場合は、校正値演算部２５ｄの演算が実行されないため、取付角度Δθ、リンク長Ｌともに記録されない。校正結果記録部２５ｅに記録された取付角度Δθ、リンク長Ｌは、ポジショニング演算部２１による姿勢演算や、モニタ表示制御部２２による油圧ショベル１００の描画に反映される。

【0057】

図６は、キャリブレーション実行部２５の処理を示すフローチャートである。図６に示す処理は、フロント作業機１の各部材（ブーム４、アーム５、バケット６）ごとに実施される。以下、各ステップについて順に説明する。

【0058】

まず、ステップＦＣ１０１で、キャリブレーション実施時の所定の姿勢を作成するようオペレータに指示する。本実施例では、モニタ表示制御部２２がキャリブレーション実施時の姿勢（図４（ａ）に一例を示す）をモニタ３０に表示する。オペレータは、フロント作業機１の姿勢をモニタ３０に表示されているキャリブレーション姿勢に合わせる。

【0059】

ステップＦＣ１０１に続き、ステップＦＣ１０２で、フロント作業機１の姿勢の準備が完了した否かをオペレータに確認する。オペレータが姿勢の準備が完了したと判断し、図４（ａ）に示すモニタ３０上の「はい」をタップすると、ステップＦＣ１０２でＹＥＳと判定され、ステップＦＣ１０３に遷移する。姿勢の準備が完了するまでステップＦＣ１０２でＮＯと判定され、ステップＦＣ１０１に遷移する。

【0060】

ステップＦＣ１０３でＩＭＵデータの記録を開始する。この処理は姿勢検出結果記録部２５ａにより実行される。ＩＭＵデータの記録を開始した後、ステップＦＣ１０４に遷移する。

【0061】

ステップＦＣ１０４で、外部計測装置５０による座標計測および記録が実行される。この処理は外部計測結果記録部２５ｃにより実行される。必要な座標データが取得されるまでステップＦＣ１０５でＮＯと判定され、オペレータは外部計測装置５０による計測を継続する。必要な座標データが取得されるとステップＦＣ１０５でＹＥＳと判定され、ステップＦＣ１０６に遷移する。

【0062】

ステップＦＣ１０６でＩＭＵデータの記録を終了する。この処理も姿勢検出結果記録部２５ａにより実行される。ＩＭＵデータの記録を終了した後、ステップＦＣ１０７に遷移する。

【0063】

ステップＦＣ１０７で、記録されたＩＭＵデータを処理し、ステップＦＣ１０８で作業機１の姿勢変化の有無を判定する。姿勢変化がない場合はステップＦＣ１０８でＹＥＳと判定され、ステップＦＣ１０９に遷移する。ステップＦＣ１０７，ＦＣ１０８の処理は姿勢情報変化検出部２５ｂによって実行される。

【0064】

ステップＦＣ１０９で、記録されたＩＭＵデータおよび座標データを用いて変換パラメータ（取付角度Δθ、リンク長Ｌ）を算出する。この処理は校正値演算部２５ｄによって実行される。変換パラメータを算出すると、ステップＦＣ１１０に遷移する。

【0065】

ステップＦＣ１１０では、算出した変換パラメータをコントローラ２０のメモリに記録する。この処理は校正結果記録部２５ｅによって実行される。

【0066】

ステップＦＣ１０８で姿勢変化がある（ＮＯ）と判定した場合、記録されているＩＭＵデータおよび座標データが変換パラメータの算出に適していないため、変換パラメータを算出することなく当該フローを終了する。

【0067】

（まとめ）
本実施例では、下部走行体３と、下部走行体３に回動可能に取り付けられた上部旋回体２と、上部旋回体２に回動可能に取り付けられた多関節型の作業機１と、作業機１に取り付けられた姿勢検出装置１４～１６と、姿勢検出装置１４～１６で検出した作業機１の姿勢を所定の変換パラメータ（取付角度Δθ、リンク長Ｌ）を用いて作業機１の第１所定位置（バケット爪先位置）の座標に変換するコントローラ２０とを備え、コントローラ２０は、姿勢検出装置１４～１６で検出した作業機１の姿勢と外部計測装置５０で計測した作業機１の第２所定位置（ピン位置ｐ０，ｐ１，ｐ２）の座標とに基づいて前記変換パラメータの更新値を算出して校正を行う油圧ショベル（建設機械）１００において、コントローラ２０は、前記変換パラメータの校正の指示がされた後の所定の時間（ステップＦＣ１０３～ＦＣ１０６）の間に姿勢検出装置１４～１６が検出した作業機１の姿勢に基づいて、作業機１が静定しているか否かを判定し、作業機１が静定していると判定した場合に、前記所定の時間の間に姿勢検出装置１４～１６が検出した作業機１の姿勢と、前記変換パラメータの校正の指示がされた後に外部計測装置５０で計測された前記第２所定位置の座標とに基づいて前記変換パラメータの更新値を算出する。

【0068】

以上のように構成された本実施例によれば、作業機１が静定している状態で取得した作業機１の姿勢および座標を用いて、作業機１の姿勢を作業機１の第１所定位置（バケット爪先位置）の座標に変換するための変換パラエータ（取付角度Δθ、リンク長Ｌ）が更新される。これにより、作業機１の第１所定位置（バケット爪先位置）の座標を算出する機能を有するマシンガイダンスシステムまたはマシンコントロールシステムの校正精度を向上させることが可能となる。

【実施例0069】

本発明の第２の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。図７は、本実施例におけるコントローラ２０の機能ブロック図である。図７において、第１の実施例（図３に示す）との相違点は、キャリブレーション実行部２５に再校正通知部２５ｆを追加した点である。再校正通知部２５ｆは、姿勢情報変化検出部２５ｂで姿勢変化があると判定した場合に、再校正を促す情報をモニタ３０に表示するようモニタ表示制御部２２に指示する。

【0070】

図８は、本実施例におけるキャリブレーション実行部２５の処理を示すフローチャートである。図８において、ステップＦＣ２０１～ＦＣ２１０は第１の実施例におけるステップＦＣ１０１～ＦＣ１１０と同一の処理である。第１の実施例（図６に示す）との相違点は、ステップＦＣ２１１を追加した点である。ステップＦＣ２０８でフロント作業機１の姿勢変化がある（ＹＥＳ）と判定した場合は、ステップＦＣ２１１で再校正を促す情報をオペレータに通知し、当該フローを終了する。この処理は再校正通知部２５ｆによって実行される。

【0071】

（まとめ）
本実施例における油圧ショベル（建設機械）１００は、コントローラ２０から入力された情報を出力可能なモニタ（報知装置）３０を備え、コントローラ２０は、変換パラメータを校正する際に、フロント作業機１が静定していないと判定した場合は、再校正を促す情報をモニタ（報知装置）３０に出力する。

【0072】

以上のように構成された本実施例によれば、キャリブレーション実施中にフロント作業機１の姿勢が変化した場合に、オペレータが速やかにキャリブレーションをやり直すことが可能となる。