挖掘机械的显示系统及挖掘机械的制作方法
【专利摘要】在挖掘机械的操作人员按照设计面来推进施工时，对操作人员易于理解地提供与铲斗的摆动相伴的挖掘缘部的位置。挖掘机械的显示系统包括：对与挖掘机械的当前位置相关的信息进行检测的工作机状态检测部；处理部。该处理部根据与挖掘机械的当前位置相关的信息、与主体部的姿态相关的信息、挖掘缘部的位置的信息及铲斗的外形信息，求出从上表面观察挖掘机械时的铲斗的图标显示及挖掘缘部的位置，并将目标面、铲斗的图标显示及表示挖掘缘部的位置的图像显示在显示装置的画面中。
【专利说明】挖掘机械的显示系统及挖掘机械
【技术领域】
[0001]本发明涉及挖掘机械的显示系统及具备其的挖掘机械。
【背景技术】
[0002]通常而言，液压挖掘机等挖掘机械通过作为操作者的操作人员对操作杆进行操作，由此对包括铲斗在内的工作机进行驱动，从而对工作对象的地面等进行挖掘。例如，在专利文献I中记载有如下的技术:通过检测铲斗的齿尖位置来确定埋设管的绝对位置与铲斗齿尖的绝对位置的关系，并根据该关系，通过挖掘位置?深度确定机构来确定基于铲斗的挖掘位置及挖掘深度。
[0003]【在先技术文献】
[0004]【专利文献】
[0005]【专利文献I】日本特开2003-056010号公报
【发明内容】
[0006]【发明要解决的课题】
[0007]采用液压挖掘机等挖掘机械，将施工对象的设计面的一部分作为目标面，在按照上述目标面对工作对象的地面进行挖掘时，挖掘机械的操作人员尤其需要目标面与铲斗齿尖(挖掘缘部)的相对位置信息。专利文献I的技术能够在侧视观察下的位置处来把握铲斗齿尖(挖掘缘部)的位置。但是，当采用专利文献I的技术时，在经由铲斗销而使铲斗摆动时，在俯视观察下，铲斗齿尖(挖掘缘部)被铲斗隐藏。并且，操作人员需要仅仅借助可把握的在侧视观察下的铲斗齿尖(挖掘缘部)的位置，来推测目标面与铲斗齿尖(挖掘缘部)的相对位置信息。由此 ，在专利文献I的技术中，存在无法易于理解地提供与铲斗的摆动相伴的铲斗齿尖(挖掘缘部)的位置的可能性。
[0008]本发明的目的在于，在挖掘机械的操作人员按照设计面来推进施工时，对操作人员易于理解地提供与铲斗的摆动相伴的挖掘缘部的位置。
[0009]【用于解决课题的手段】
[0010]根据本发明，提供一种挖掘机械的显示系统，该挖掘机械具有:包括具有挖掘缘部的铲斗在内的工作机；安装所述工作机的主体部，所述挖掘机械的显示系统包括:工作机状态检测部，其对与所述挖掘机械的当前位置相关的信息、与所述主体部的姿态相关的信息及所述挖掘缘部的位置的信息进行检测；储存部，其对表示设计地形的目标面的位置信息及所述铲斗的外形信息进行储存；处理部，其根据与所述挖掘机械的当前位置相关的信息、与所述主体部的姿态相关的信息、所述挖掘缘部的位置的信息及所述铲斗的外形信息，求出在从上表面观察所述挖掘机械时的所述铲斗及所述挖掘缘部的位置，并将所述目标面、表示所述铲斗的图像及表示所述挖掘缘部的位置的图像显示在显示装置的画面中。
[0011]在本发明中，优选的是，所述处理部以能够得知从上表面观察所述挖掘机械时的、所述挖掘缘部相对于表示所述铲斗的图像的相对位置的方式，将表示所述挖掘缘部的位置的图像始终显示在从上表面观察所述挖掘机械时的所述画面中。
[0012]在本发明中，优选的是，所述处理部将表示所述挖掘缘部的位置的图像显示作为表示所述挖掘缘部的位置的线段的图像，并由与表示所述铲斗的图像不同的形态来显示表示所述挖掘缘部的位置的线段的图像。
[0013]在本发明中，优选的是，所述线段表示所述挖掘缘部中的齿尖。
[0014]根据本发明，提供一种挖掘机械，其特征在于，具备上述的挖掘机械的显示系统。
[0015]本发明在挖掘机械的操作人员按照设计面来推进施工时，能够对操作人员易于理解地提供与铲斗的摆动相伴的挖掘缘部的位置。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本实施方式所涉及的液压挖掘机100的立体图。
[0017]图2是液压挖掘机100的侧视图。
[0018]图3是液压挖掘机100的后视图。
[0019]图4是表示液压挖掘机100所具备的控制系统的框图。
[0020]图5是表示由设计地形数据示出的设计地形的图。
[0021]图6是表示引导画面的一例的图。
[0022]图7是表示引导画面的一例的图。
[0023]图8是用于对求出挖掘缘部P3的当前位置的方法的一例进行说明的图。
[0024]图9是用于对求出挖掘缘部P3的当前位置的方法的一例进行说明的图。
[0025]图10是示出俯视观察下显示挖掘缘部P3的顺序的流程图。
[0026]图11是说明挖掘缘部P3的显示例的说明图。
[0027]图12是用于对挖掘缘部P3的旋转进行说明的立体图。
[0028]图13是用于对目标面距离DAi进行说明的侧视图。
[0029]图14是将俯视观察下显示了挖掘缘部P3的例子表示在显示部42的画面42P中的图。
[0030]图15是将俯视观察下显示了挖掘缘部P3的例子表示在显示部42的画面42P中的图。
【具体实施方式】
[0031]关于用于实施本发明的方式(实施方式)，边参考附图边进行详细的说明。并不是通过以下的实施方式所记载的内容来限定本发明。另外，以下的实施方式对作为挖掘机械的一例的液压挖掘机进行说明，但挖掘机械只要具有将对象挖掘或者回填的功能即可，并不是局限于液压挖掘机。
[0032]<挖掘机械的整体结构>
[0033]图1是本实施方式所涉及的液压挖掘机100的立体图。图2是液压挖掘机100的侧视图。图3是液压挖掘机100的后视图。图4是表示液压挖掘机100所具备的控制系统的框图。图5是表示由设计地形数据示出的设计地形的图。在本实施方式中，作为挖掘机械的液压挖掘机100具有作为主体部的车辆主体I和工作机2。车辆主体I具有上部回旋体3和行驶装置5。上部回旋体3在机械室3EG的内部收容有未图示的动力产生装置及液压泵等装置。机械室3EG配置在上部回旋体3的一端侧。
[0034]在本实施方式中，液压挖掘机100将例如柴油发动机等内燃机作为动力产生装置，但液压挖掘机100不局限于这样的结构。液压挖掘机100也可以为例如具备由内燃机、发电电动机及蓄电装置组合而成的、所谓的混合动力方式的动力产生装置的结构等。
[0035]上部回旋体3具有驾驶室4。驾驶室4载置在上部回旋体3的另一端侧。S卩，驾驶室4配置在与配置有机械室3EG的一侧的相反的一侧。在驾驶室4内配置有图4所示的显示输入装置38及操作装置25。关于这些装置在后叙述。行驶装置5具有履带5a、5b。行驶装置5通过使履带5a、5b旋转来行驶，从而使液压挖掘机100行驶。工作机2安装在上部回旋体3的驾驶室4侧。
[0036]上部回旋体3的、配置有工作机2及驾驶室4的一侧为前方，配置有机械室3EG的一侧为后方。面向前方的左侧为上部回旋体3的左方，面向前方的右侧为上部回旋体3的右方。另外，液压挖掘机100或者车辆主体I以上部回旋体3为基准而行驶装置5侧为下方，以行驶装置5为基准而上部回旋体3侧为上方。在液压挖掘机100设置在水平面上的情况下，下方为铅垂方向、即重力的作用方向侧，上方为铅垂方向的相反侧。
[0037]工作机2具有:斗杆6 ;动臂7 ;伊斗8 ;斗杆工作缸10 ;动臂工作缸11 ;铲斗工作缸12。斗杆6的基端部经由斗杆销13而能够摆动地安装在车辆主体I的前部。动臂7的基端部经由动臂销14而能够摆动地安装在斗杆6的前端部。在动臂7的前端部经由铲斗销15而安装有能够摆动的铲斗8。在铲斗8的凹部的缘部8A安装有齿(齿形构件)8B。齿SB的前端为工作机2产生挖掘力的挖掘缘部P3。由于铲斗8的种类的不同，存在铲斗8的凹部的缘部8A上没有齿SB的情况，在这种情况下，铲斗8的凹部的缘部8A为产生挖掘力的挖掘缘部P3。另外，铲斗8的凹部的底部被称为尾部8C，工作机2通过将尾部8C向地表压靠而能够平整地面。
[0038]如图2所示，斗杆6的长度、即从斗杆销13到动臂销14为止的长度为LI。动臂7的长度、即从动臂销14的中心到铲斗销15的中心为止的长度为L2。铲斗8的长度、即从铲斗销15的中心到铲斗8的挖掘缘部P3为止的长度为L3。
[0039]图1所示的斗杆工作缸10、动臂工作缸11及铲斗工作缸12分别为通过工作油的压力(以下，适当称为“液压”)来驱动的液压工作缸。斗杆工作缸10驱动斗杆6，使该斗杆6升降。动臂工作缸11驱动动臂7，使该动臂7围绕动臂销14摆动。铲斗工作缸12驱动铲斗8，使该铲斗8围绕铲斗销15摆动。在斗杆工作缸10、动臂工作缸11及铲斗工作缸12等液压工作缸与未图示的液压泵之间配置有图3所示的比例控制阀37。后述的工作机用电子控制装置26通过对比例控制阀37进行控制，由此对向斗杆工作缸10、动臂工作缸11及铲斗工作缸12供给的工作油的流量进行控制。其结果是，对斗杆工作缸10、动臂工作缸11及铲斗工作缸12的动作进行控制。
[0040]如图2所示，在斗杆6、动臂7及铲斗8上分别设有第一行程传感器16、第二行程传感器17及第三行程传感器18。第一行程传感器16对斗杆工作缸10的行程长度进行检测。后述的显示控制装置39 (参考图4)根据第一行程传感器16检测出的斗杆工作缸10的行程长度，来算出后述的斗杆6相对于车辆主体坐标系的Za轴的倾斜角Θ1。第二行程传感器17对动臂工作缸11的行程长度进行检测。显示控制装置39根据第二行程传感器17检测出的动臂工作缸11的行程长度，来算出动臂7相对于斗杆6的倾斜角Θ2。第三行程传感器18对铲斗工作缸12的行程长度进行检测。显示控制装置39根据第三行程传感器18检测出的铲斗工作缸12的行程长度，来算出铲斗8相对于动臂7的倾斜角Θ 3。
[0041]车辆主体I具备工作机状态检测部19。工作机状态检测部19对液压挖掘机100的当前位置、车辆主体I的姿态及挖掘缘部P3的当前位置进行检测。工作机状态检测部19 具有:RTK-GNSS(Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems, GNSS称为“全球导航卫星系统”)用的两个天线21、22(以下，适当称为“GNSS天线21、22”)；三维位置传感器23 ;倾斜角传感器24 ;第一行程传感器16 ;第二行程传感器17 ;第三行程传感器18。GNSS天线21、22设置在车辆主体1、更具体而言上部回旋体3上。在本实施方式中，GNSS天线21、22沿着后述的车辆主体坐标系的Ya轴而分离恒定距离地设置。GNSS天线21、22既可以沿着车辆主体坐标系的Xa轴而分离恒定距离，也可以在车辆主体坐标系的Xa轴-Ya轴的面内分离恒定距离。
[0042]GNSS天线21、22接收到的与GNSS电波相应的信号向三维位置传感器23输入。三维位置传感器23对GNSS天线21、22的设置位置P1、P2的位置进行检测。如图3所示，倾斜角传感器24对车辆主体I的宽度方向相对于重力所作用的方向、即铅垂方向Ng的倾斜角Θ4(以下，适当称为“倾滚角Θ4”)进行检测。需要说明的是，在本实施方式中，宽度方向是指铲斗8的宽度方向，且与上部回旋体3的宽度方向、即左右方向一致。不过，在工作机2具备后述的倾斜式铲斗的情况下，也有可能铲斗的宽度方向与上部回旋体3的宽度方向不一致。
[0043]液压挖掘机100具备:操作装置25 ;工作机用电子控制装置26 ;工作机控制装置27 ;挖掘机械的显示系统(以下，适当称为“显示系统”)28。操作装置25具有:工作机操作构件31 ;工作机操作检测部32 ;行驶操作构件33 ;行驶操作检测部34。工作机操作构件31为操作人员用于操作工作机2的构件,例如为控制手柄或者操作杆。工作机操作检测部32对工作机操作构件31的操作内容进行检测，并将其作为检测信号向工作机用电子控制装置26输送。行驶操作构件33为操作人员用于对液压挖掘机100的行驶进行操作的构件，例如为控制手柄或者操作杆。行驶操作检测部34对行驶操作构件33的操作内容进行检测，并将其作为检测信号向工作机用电子控制装置26输送。
[0044]工作机用电子控制装置26具有包括RAM (Random Access Memory)及ROM (ReadOnly Memory)中的至少一方的工作机侧储存部35及CPU (Central Processing Unit)等运算部36。工作机用电子控制装置26主要对工作机2进行控制。工作机用电子控制装置26生成用于与工作机操作构件31的操作对应而使工作机2动作的控制信号，并将该控制信号向工作机控制装置27输出。工作机控制装置27具有比例控制阀37，根据来自工作机用电子控制装置26的控制信号对比例控制阀37进行控制。与来自工作机用电子控制装置26的控制信号对应的流量的工作油从比例控制阀37流出，向斗杆工作缸10、动臂工作缸11及韦产斗工作缸12中的至少一个供给。于是，图1所示的斗杆工作缸10、动臂工作缸11及伊斗工作缸12与从比例控制阀37供给来的工作油对应地被驱动。其结果是，工作机2动作。
[0045]<显示系统28>
[0046]显示系统28为用于向操作人员提供用于对工作区域内的地面进行挖掘而形成为后述的设计面那样的形状的信息的系统。显示系统28除了具有上述的第一行程传感器16、第二行程传感器17及第三行程传感器18、三维位置传感器23及倾斜角传感器24以外，还具有作为显示装置的显示输入装置38、显示控制装置39、包括用于报知警报音的扬声器等在内的声音产生装置46。
[0047]显示输入装置38具有触摸面板式的输入部41和LCD (Liquid Crystal Display)等显示部42。显示输入装置38对用于提供进行挖掘用的信息的引导画面进行显示。另外，在引导画面中显示有各种键。作为操作者的操作人员(在对液压挖掘机100进行检查或者修理时修护人员)通过接触引导画面上的各种键，从而能够执行显示系统28的各种功能。关于引导画面在后进行详细的说明。
[0048]显示控制装置39执行显示系统28的各种功能。显示控制装置39为具有包括RAM及ROM中的至少一方在内的储存部43、CPU等处理部44的电子控制装置。储存部43储存有工作机数据。工作机数据包括上述的斗杆6的长度L1、动臂7的长度L2、铲斗8的长度L3。另外，工作机数据还包括斗杆6的倾斜角Θ 1、动臂7的倾斜角Θ 2及铲斗8的倾斜角Θ 3各自的最小值及最大值。
[0049]显示控制装置39和工作机用电子控制装置26能够经由无线或者有线的通信机构而彼此通信。显示控制装置39的储存部43储存有预先制成的设计地形数据。设计地形数据为与三维的设计地形的形状及位置相关的信息。设计地形表示作为工作对象的地面的目标形状。显示控制装置39根据设计地形数据及来自上述的各种传感器的检测结果等信息，使引导画面显示于显示输入装置38中。具体而言，如图5所示，设计地形通过由三角形多面体分别表现出的多个设计面45来构成。需要说明的是，在图5中，仅仅对于多个设计面中的一个标以符号45，其他的设计面的符号省略。目标工作对象为这些设计面45中的一个或者多个设计面。操作人员选择这些设计面45中的一个或者多个设计面作为目标面70。目标面70为多个设计面45中的自此被挖掘的面。显示控制装置39在显示输入装置38中显示用于将目标面70的位置向操作人员通报的引导画面。
[0050]〈引导画面〉
[0051]图6、图7是表不引导画面的一例的图。引导画面为表不目标面70与纟产斗8的挖掘缘部P3的位置关系，以使作为工作对象的地面形成为与目标面70相同的形状的方式对液压挖掘机100的工作机2进行引导的画面。如图6及图7所示，引导画面包括粗挖掘模式的引导画面(以下，适当称为“粗挖掘画面53”)和精细挖掘模式的引导画面(以下，适当称为“精细挖掘画面54”)。
[0052](粗挖掘画面53)
[0053]图6所示的粗挖掘画面53显示在显示部42的画面42P中。粗挖掘画面53包括:表示工作区域的设计地形和液压挖掘机100的当前位置的俯视图53a ;表示目标面70和液压挖掘机100的位置关系的侧视图53b。粗挖掘画面53的俯视图53a通过多个三角形多面体而表现出在俯视观察下的设计地形。更具体而言，俯视图53a将作为液压挖掘机100回旋的平面的回旋平面作为投影面而表现出设计地形。因而，俯视图53a为从液压挖掘机100的正上方观察时的俯瞰图，且在液压挖掘机100倾斜时设计面也倾斜。
[0054]另外，从多个设计面45作为目标工作对象所选择出的目标面70通过与其他的设计面45不同的颜色来表示。需要说明的是，在图6中，液压挖掘机100的当前位置由在俯视观察下的液压挖掘机100的图标61来表示，但也可以由其他的符号来表示。另外，俯视图53a包括用于使液压挖掘机100与目标面70正对的信息。用于使液压挖掘机100与目标面70正对的信息作为目标面正对罗盘73来表示。目标面正对罗盘73为例如箭头形状的指针731沿着箭头R方向旋转来表示相对于目标面70的正对方向和需要使液压挖掘机100回旋的方向的图标。液压挖掘机100的操作人员能够利用目标面正对罗盘73对向目标面70的正对度进行确认。
[0055]粗挖掘画面53的侧视图53b包括:表示目标面70和铲斗8的挖掘缘部P3的位置关系的图像；表示目标面70和铲斗8的挖掘缘部P3之间的距离的距离信息。具体而言，侧视图53b包括:表示设计面的剖面的线74 ;表示目标面的剖面的线79 ;在侧视观察下的液压挖掘机100的图标75。表示设计面的剖面的线74表示目标面70以外的设计面45的剖面。表示目标面的剖面的线79表示目标面70的剖面。如图5所示，表示设计面的剖面的线74和表示目标面的剖面的线79通过算出通过铲斗8的挖掘缘部P3的当前位置的平面77与设计面45的交线80而求出。交线80由显示控制装置39的处理部44求出。关于求出铲斗8的挖掘缘部P3的当前位置的方法在后进行说明。
[0056]在侧视图53b中，表示目标面的剖面的线79通过与表示设计面的剖面的线74不同的颜色来表示。需要说明的是，在图6中改变线种类来表现表示目标面的剖面的线79和表示设计面的剖面的线74。另外，在侧视图53b中，比表示目标面的剖面的线79及表示设计面的剖面的线74更靠地下侧的区域和比这些线段更靠空中侧的区域由不同的颜色来表示。在图6中，通过对于比表示目标面的剖面的线79及表示设计面的剖面的线74更靠地下侧的区域标以阴影，由此来表现出颜色的差异。
[0057]表示目标面70和铲斗8的挖掘缘部P3之间的距离的距离信息包括数值信息83和图形信息84。数值信息83为表示铲斗8的挖掘缘部P3与目标面70之间的最短距离的数值。图形信息84为以图形表示铲斗8的挖掘缘部P3与目标面70的距离的信息。图形信息84为用于表示铲斗8的挖掘缘部P3的位置的引导用的指标。具体而言，图形信息84包括:索引条84a ;表示索引条84a中的铲斗8的挖掘缘部P3与目标面70之间的距离相当于零的位置的索引标记84b。索引条84a对应于铲斗8的前端与目标面70的最短距离而使各索引条84a点亮。需要说明的是，图形信息84的显示的接通/断开可以设为通过液压挖掘机100的操作人员的操作来变更。
[0058]如上所述，在粗挖掘画面53中，显示出表示目标面的剖面的线79与液压挖掘机100的相对位置关系及表示铲斗8的挖掘缘部P3与表示目标面的剖面的线79的最短距离的数值。液压挖掘机100的操作人员通过使铲斗8的挖掘缘部P3沿着表示目标面的剖面的线79移动，由此能够容易地将当前的地形挖掘成为设计地形。需要说明的是，在粗挖掘画面53中显示有用于对引导画面进行切换的画面切换键65。操作人员通过对画面切换键65进行操作，由此能够从粗挖掘画面53向精细挖掘画面54切换。
[0059](精细挖掘画面54)
[0060]图7所示的精细挖掘画面54显示在显示部42的画面42P中。精细挖掘画面54与粗挖掘画面53相比，更为详细地示出了目标面70与液压挖掘机100的位置关系。S卩，精细挖掘画面54与粗挖掘画面53相比，更为详细地示出了目标面70与铲斗8的挖掘缘部P3的位置关系。精细挖掘画面54包括:表示目标面70与纟产斗8的主视图54a ;表示目标面70与铲斗8的侧视图54b。在精细挖掘画面54的主视图54a中包含有表示在主视观察下的铲斗8的图标89和表示在主视观察下的目标面70的剖面的线78。所谓“主视(主视观察)”，是指从车辆主体I侧观察图1、图2所示的铲斗8的情况，是与后述的车辆主体坐标系的Ya轴平行地观察的情况。
[0061]精细挖掘画面54的侧视图54b包括:在侧视观察下的纟产斗8的图标90 ;表示设计面的剖面的线74 ;表示目标面的剖面的线79。另外，在精细挖掘画面54的主视图54a和侧视图54b中分别显示有表示目标面70与铲斗8的位置关系的信息。所谓“侧视(侧视观察)”，是指从图1、图2所示的铲斗销15的延伸方向(铲斗8的摆动中心轴向)观察的情况，为与后述的车辆主体坐标系的Xa轴平行地观察的情况。
[0062]在主视图54a中表示目标面70与铲斗8的位置关系的信息包括距离信息86a和角度信息86b。距离信息86a表示铲斗8的挖掘缘部P3与目标面70之间的Za方向上的距离。该距离为铲斗8的挖掘缘部P3的宽度方向上的位置中的相对于目标面70的最接近位置与目标面70之间的距离。在主视图54a中，表示最接近位置的标记86c与铲斗8的主视图的图标89重叠显示出。角度信息86b为表示目标面70与铲斗8之间的角度的信息。具体而言，角度信息86b为通过铲斗8的挖掘缘部P3的虚拟线段与表示目标面的剖面的线78之间的角度。
[0063]在侧视图54b中，表示目标面70与铲斗8的位置关系的信息包括距离信息87a和角度信息87b。距离信息87a表示铲斗8的挖掘缘部P3与目标面70之间的最短距离、即目标面70的垂线方向上的铲斗8的前端与目标面70之间的距离。另外，角度信息87b为表示目标面70与铲斗8之间的角度的信息。具体而言，显示于侧视图54b中的角度信息87b为铲斗8的底面与表示目标面的剖面的线79之间的角度。
[0064]精细挖掘画面54包括以图形表示上述的铲斗8的挖掘缘部P3与目标面70的距离的图形信息84。图形信息84与粗挖掘画面53的图形信息84同样地，具有索引条84a和索引标记84b。如上所述，在精细挖掘画面54中，详细地示出了表示目标面的剖面的线78、79与铲斗8的挖掘缘部P3的相对位置关系。液压挖掘机100的操作人员通过使铲斗8的挖掘缘部P3沿着表示目标面的剖面的线78、79移动，由此能够进一步容易地将当前的地形挖掘成为与三维的设计地形相同的形状。需要说明的是，在精细挖掘画面54中与上述的粗挖掘画面53同样地显示有画面切换键65。操作人员通过对画面切换键65进行操作，由此能够从精细挖掘画面54向粗挖掘画面53切换。
[0065]<求出铲斗8的挖掘缘部P3的当前位置的方法>
[0066]表示目标面的剖面的线79根据铲斗8的挖掘缘部P3的当前位置来算出。显示控制装置39根据三维位置传感器23、第一行程传感器16、第二行程传感器17、第三行程传感器18及倾斜角传感器24等的检测结果，来求出全局坐标系{X，Y，Z}下的铲斗8的挖掘缘部P3的当前位置。在本实施方式中，铲斗8的挖掘缘部P3的当前位置如以下所述来求出。
[0067]图8、图9是用于对求出挖掘缘部P3的当前位置的方法的一例进行说明的图。图8是液压挖掘机100的侧视图，图9是液压挖掘机100的后视图。在求出铲斗8的挖掘缘部P3的当前位置时，显示控制装置39如图8所示，求出以上述的GNSS天线21的设置位置Pl为原点的车辆主体坐标系{Xa，Ya，Za}。在本例中，液压挖掘机100的前后方向、即车辆主体I的坐标系(车辆主体坐标系)COM的Ya轴方向相对于全局坐标系COG的Y轴方向倾斜。另外，车辆主体坐标系COM下的斗杆销13的坐标为(0，Lbl，-Lb2)，预先储存在显示控制装置39的储存部43中。在车辆主体坐标系COM中，液压挖掘机100的上部回旋体3在与Xa-Ya平面平行的平面内回旋。在车辆主体坐标系COM中，液压挖掘机100的工作机2通过斗杆工作缸10、动臂工作缸11及铲斗工作缸12来驱动，使斗杆6、动臂7及铲斗8沿着Ya-Za平面移动。当斗杆工作缸10、动臂工作缸11及铲斗工作缸12驱动时，动臂7沿着基于车辆主体I的姿态(倾斜)所确定的车辆主体坐标系COM中的Ya-Za平面移动，从而使铲斗8动作。
[0068]图4所示的三维位置传感器23对图2所示的GNSS天线21、22的设置位置P1、P2进行检测。根据检测出的设置位置P1、P2的坐标位置，利用式(I)而算出Ya轴方向的单位矢量。
[0069]【数I】
[0070]Ya = (P1-P2)/|P1-P2| — (I)
[0071]如图8所示，当将通过由Ya与Z这两个矢量表示的平面且与Ya垂直的矢量Z’导入时，式⑵及式⑶的关系成立。式⑶的c为常数。根据式⑵及式(3)，Z’如式(4)那样来表示。进而，当将与Ya及Z’垂直的矢量设为X’时，X’由式(5)来表示。
[0072]【数2】
[0073]{V，Ya) = 0...(2)
[0074]【数3】
[0075]V = (1-c) XZ+cXYa…(3)
[0076]【数4】`
`[0077]V = Z+{(Z，Ya)/((Z，`Ya)-1)} X (Ya-Z)…(4)
[0078]【数5】
[0079]V =Ya 丄 Z'…(5)
[0080]如图9所示，车辆主体坐标系COM为使其围绕Ya轴旋转了上述的倾滚角Θ 4的坐标系，故如式(6)那样来表不。
[0081]【数6】
cos Θ4 O sin Θ4
[0082][Xa YaZa] = [X'Ya Z'] O I O…(6)
—sin 04 O cos04
[0083]另外，根据第一行程传感器16、第二行程传感器17及第三行程传感器18的检测结果，算出上述的斗杆6、动臂7、铲斗8的当前的倾斜角Θ 1、Θ 2、Θ 3。车辆主体坐标系COM内的铲斗8的挖掘缘部P3的坐标(xat，yat，zat)可以利用倾斜角Θ 1、Θ 2、Θ 3及斗杆6、动臂7、铲斗8的长度L1、L2、L3而通过式(7)、式(8)及式(9)来求出。铲斗8的挖掘缘部P3在车辆主体坐标系COM的Ya-Za平面内移动。全局坐标系COG中的铲斗8的挖掘缘部P3的坐标可以通过式(10)来求出。全局坐标系COG中的挖掘缘部P3的坐标为挖掘缘部P3的位置。
[0084]【数7】
[0085]xat = 0...(7)
[0086]【数8】
[0087]yat = Lbl+Ll X sin Θ 1+L2 X sin ( θ 1+ θ 2) +L3 X sin ( θ 1+ θ 2+ θ 3)…(8)
[0088]【数9】[0089]zat = -Lb2+Ll X cos Θ 1+L2 X cos ( Θ 1+ Θ 2) +L3 X cos ( Θ 1+ Θ 2+ Θ 3)…(9)
[0090]【数10】
[0091]P3 = xat.Xa+yat.Ya+zat.Za+Pl...(10)
[0092]显示控制装置39根据如上述那样算出的铲斗8的挖掘缘部P3的当前位置和储存于储存部43中的设计地形数据，如图5所示那样，来算出三维设计地形与通过铲斗8的挖掘缘部P3的Ya-Za平面77相交的交线80。然后，显示控制装置39将该交线80中的通过目标面70的部分作为上述的表示目标面的剖面的线79而显示在引导画面中。接着，关于图4所示的显示控制装置39使铲斗8对作为工作对象的地面进行挖掘时的挖掘缘部P3的当前位置在俯视观察下显示在显示输入装置38的显示部42的画面42P中的例子进行说明。
[0093]<铲斗8的挖掘缘部P3的俯视观察显示>
[0094]图10是示出俯视观察下显示挖掘缘部P3的顺序的流程图。在将挖掘缘部P3显示在图4所示的显示部42的画面42P中时，在步骤SI中，显示控制装置39、更具体而言处理部44进行铲斗尺寸的确定。在工作机2中，铲斗8相对于动臂7装卸自如，从而能够向动臂7更换地安装铲斗8。在图4所示的显示控制装置39的储存部43中储存有从输入部41输入的、对铲斗8的尺寸进行确定的铲斗外形信息。
[0095]接着，在步骤S2中，处理部44对液压挖掘机100的当前位置进行检测。显示控制装置39根据来自三维位置传感器23的检测信号，对车辆主体I的当前位置及车辆主体I的姿态进行检测。
[0096]如上所述，在车辆主体坐标系COM中，液压挖掘机100的工作机2使斗杆6、动臂7及铲斗8沿着Ya-Za平面而由斗杆工作缸10、动臂工作缸11及铲斗工作缸12来驱动。当斗杆工作缸10、动臂工作缸11及铲斗工作缸12驱动时，动臂7沿着基于车辆主体I的姿态(倾斜)所确定的车辆主体坐标系COM中的Ya-Za平面移动，从而使铲斗8动作。在此，处理部44根据三维位置传感器23、第一行程传感器16、第二行程传感器17、第三行程传感器18及倾斜角传感器24等的检测结果，对工作机2的姿态状态进行检测(步骤S3)。
[0097]接着，在步骤S4中，处理部44确定铲斗8的挖掘缘部P3的位置。具体而言，车辆主体坐标系COM内的铲斗8的挖掘缘部P3的坐标(xat，yat, zat)可以利用倾斜角Θ 1、Θ2、Θ 3及斗杆6、动臂7、铲斗8的长度L1、L2、L3而通过式(7)、式(8)及式(9)来求出。
[0098]接着，在步骤S5中，处理部44在显示部42的画面42P中俯视显示设计地形(工作对象的目标形状)、铲斗8的图标及表示挖掘缘部P3的位置的图像。
[0099]处理部44通过设定铲斗8的挖掘缘部P3上的多个计算点来算出各计算点与目标面的距离，由此能够以可得知设计地形(工作对象的目标形状)与铲斗8的挖掘缘部P3的最短距离的方式显示在显示部42的画面42P中。图11是对挖掘缘部P3的显示例进行说明的说明图。如图11所示那样，运算通过铲斗8的多个齿SB的前端且与铲斗8的宽度方向尺寸一致的虚拟 线段LSI。需要说明的是，处理部44从在步骤SI中所确定的铲斗外形信息中读出铲斗8的宽度方向尺寸，来运算虚拟线段LSI。该虚拟线段LSI成为作为表示后述的挖掘缘部P3的位置的图像的例子的线段8AL。
[0100]接着，处理部44将虚拟线段LSl均等地分成多个(例如，四个)范围，并将表示各范围的边界及两端的五个点分别设定为第一计算点Cl、第二计算点C2、第三计算点C3、第四计算点C4、第五计算点C5。分割数i为自然数，且在本实施例中i为1、2、3、4、5。即，第一计算点Cl、第二计算点C2、第三计算点C3、第四计算点C4、第五计算点C5表示纟产斗8的挖掘缘部P3的宽度方向上的确定的多个位置。然后，根据在步骤S2中检测出的液压挖掘机100的当前位置，处理部44算出第一计算点Cl、第二计算点C2、第三计算点C3、第四计算点C4、第五计算点C5的当前位置。具体而言，处理部44通过上述的铲斗8的挖掘缘部P3的当前位置的算出方法而算出中央的第三计算点C3的当前位置。然后，处理部44根据中央的第三计算点C3的当前位置、铲斗8的宽度方向尺寸及虚拟线段LSl的延伸方向来算出其他的第一计算点Cl、第二计算点C2、第四计算点C4、第五计算点C5的当前位置。
[0101]图12是用于对挖掘缘部P3的旋转进行说明的立体图。图13是用于对目标面距离DAi进行说明的侧视图。如上所述，在动臂7的前端部经由铲斗销15而安装有能够摆动的铲斗8。铲斗8例如有时随着从目标面70的法面的最上端(法肩)71朝向目标面的最下端(法尾)72，使齿SB的前端以铲斗8的铲斗销15为中心而描绘出圆弧地旋转。由此，表示挖掘缘部P3的位置的线段8AL也描绘出圆弧地旋转。并且，上述的铲斗8的长度L3成为该旋转的圆弧的半径。
[0102]在将通过第i计算点Ci的Ya-Za平面与设计面45的交线设为Mi时，在步骤S4中，处理部44算出交线Mi所包含的各直线MA1-MCi与第i计算点Ci之间的距离。在此，关于交线Mi中所包含的各直线MA1-MCi，算出通过第i计算点Ci的垂线，从而算出各直线MA1-MCi与第i计算点Ci之间的距离。例如，如图13所示，在第i计算点Ci位于目标区域Al、A2、A3中的目标区域Al内时，算出通过第i计算点Ci的目标线MAi的垂线，从而算出第i计算点Ci与目标线MAi之间的最短距离(以下，称为“目标面距离DAi ”)。如此，处理部44根据图11所示的距离DAl来算出DA5，并将最短距离设为目标面距离DA1。该目标面距离DAl作为上述的图6所示的数值信息83来显示。
[0103]处理部44根据储存于储存部43中的、确定铲斗8的尺寸的铲斗外形信息，显示出俯视观察下的铲斗8的图标显示(图像)8BL。所谓“俯视(俯视观察)”，是指在与上述的车辆主体坐标系的Za轴平行的方向上从上方观察图1、图2所示的铲斗8的情况。处理部44从在步骤SI中所确定的铲斗外形信息读出铲斗8的铲斗宽度、铲斗长度、铲斗高度等尺寸的信息，并根据向与车辆主体坐标系的Za轴平行的方向投影的铲斗8的外形的信息，来求出俯视观察下的铲斗8的图标显示8BL的图像。处理部44以能够得知挖掘缘部P3相对于在俯视观察下的铲斗8的图标显示8BL的相对位置的方式，将表示挖掘缘部P3的位置的图像显示在显示部42P中。图14及图15是将表示俯视观察下的挖掘缘部P3的例子显示在显示部42的画面42P中的图。
[0104]图14及图15所示的精细挖掘画面55包括:表示有设计地形(工作对象的目标形状)与铲斗8的俯视图55a ;表示有表示目标面的剖面的线79与铲斗8的侧视图55b。精细挖掘画面55的俯视图55a包括在俯视观察下的目标面70。
[0105]精细挖掘画面55的侧视图55b包括:在侧视观察下的铲斗8的图标90 ;表示设计面的剖面的线74 ;表示目标面的剖面的线79。另外，在精细挖掘画面54的俯视图55a和侧视图55b中分别显示有表示目标面70与铲斗8的位置关系的信息。所谓“侧视观察”，是指从图1、图2所示的铲斗销15的延伸方向(铲斗8的摆动中心轴向)观察的情况。本实施方式的显示控制装置39通过使侧视图55b与俯视图55a同时显示，由此在操作人员按照设计面推进施工时，对操作人员易于理解地提供与铲斗8的摆动相伴的挖掘缘部的位置。显示控制装置39也可以将侧视图55b设为非显示而显示俯视图55a。在侧视图55b中显示有在侧视观察下的铲斗8的图标90。
[0106]图14所示的铲斗8在向目标面的法面的最上端(法肩)推进施工时，使挖掘缘部P3向上侧上摆。在这种情况下，在俯视图55a中，表示挖掘缘部P3的位置的线段8AL即使与韦产斗8的图标显示8BL同时显示,也显示在显示部42的画面42中。
[0107]图15所示的铲斗8在从目标面的法面的最上端(法肩)向目标面的最下端(法尾)推进施工时，使铲斗8的挖掘缘部P3从上侧向下侧摆动。在这种情况下，在俯视图55a中，表示挖掘缘部P3的位置的线段8AL来到由于铲斗8的图标显示8BL而原本看不见的位置。由此，在与车辆主体坐标系的Za轴平行的方向上从上方观察时(从上表面观察时)，处理部44显示出铲斗8的图标显示8BL，并且以能够得知挖掘缘部P3相对于铲斗8的图标显示8BL的相对位置的方式，始终将作为表示挖掘缘部P3的位置的图像的、线段8AL显示在显示部42P中。由此，即便挖掘缘部P3位于铲斗8的图标显示8BL的内部，操作人员也能够识别挖掘缘部P3的位置。
[0108]为了始终将表示挖掘缘部P3的位置的图像显示在显示部42P中，处理部44求出挖掘缘部P3相对于俯视观察下的纟产斗8的图标显示8BL的相对位置,并指示将表示挖掘缘部P3的位置的图像的显示层作为铲斗8的图标显示8BL的显示层之上而显示于显示部42中。由此，作为表示挖掘缘部P3的图像的线段8AL不会被铲斗8的图标显示8BL遮蔽而始终显示。
[0109]或者是，为了始终将表示挖掘缘部P3的位置的图像显示在显示部42P中，处理部44也可以对与表示挖掘缘部P3的位置的图像重叠的铲斗8的图标显示8BL中的至少一部分进行透过处理。在此，所谓“透过处理”，是指消除挖掘缘部P3重叠的一部分的铲斗8的显示或者进行透明的显示。由此，作为表示挖掘缘部P3的图像的线段8AL不会被铲斗8的图标显示8BL遮蔽而始终显示。
[0110]如上所述,与所显示的纟产斗8的图标显示8BL相比，处理部44优先在画面55a中显示俯视观察下的、表示挖掘缘部P3的位置的线段8AL。由此，即便在挖掘缘部P3来到并隐藏于由于铲斗8的外形而原本在俯视观察下看不见的位置的情况下，操作人员通过如图15的俯视图55a所示那样表示挖掘缘部P3的位置的图像(线段8AL)，也能够把握挖掘缘部P3的位置。其结果是，在操作人员按照设计面推进施工时，挖掘机械的显示系统28能够对操作人员易于理解地提供与铲斗8的摆动相伴的挖掘缘部P3的位置。
[0111]另外，与所显示的纟产斗8的图标显示8BL相比,处理部44优选在画面55a中显示俯视观察下的、作为表示挖掘缘部P3的位置的图像的线段8AL，且同时显示目标面70。由于铲斗8发生动作，由此铲斗8相对于目标面70的位置发生变化，但通过将图14及图15进行比较明确可知，由于同时显示目标面70、铲斗8的图标显示8BL及作为表示挖掘缘部P3的位置的图像的线段8AL，故操作人员变得容易直观地把握铲斗8相对于目标面70的相对位置及挖掘缘部P3相对于目标面70的相对位置。
[0112]需要说明的是，处理部44以与铲斗8的图标显示8BL不同的形态来显示作为表示挖掘缘部P3的位置的图像的线段8AL。作为不同的形态，例如，处理部44可以由与表示铲斗8的图标显示8BL的颜色不同的颜色来显示，来进行使线段8AL从周围显现出的增强显示。另外，处理部44也可以设为以比表示铲斗8的图标显示8BL的线宽粗的宽度来显示的线段8AL，来进行使线段8AL从周围显现出的增强显示。或者是，处理部44也可以设为以比表示铲斗8的图标显示8BL的亮度亮的亮度来显示的线段8AL，来进行使线段8AL从周围显现出的增强显示。在本实施方式中，通过实线示出了作为表示挖掘缘部P3的位置的图像的线段8AL，但不局限于此。例如，线段8AL也可以为实线、虚线、单点划线、双点划线等虚拟线。
[0113]处理部44作为表示挖掘缘部P3的位置的图像而使用了线段8AL，但不局限于此，例如也可以使用表示上述的第一计算点Cl、第二计算点C2、第三计算点C3、第四计算点C4、第五计算点C5的三角印或者箭头等。如此，在表示挖掘缘部P3的位置的图像中包含连续或者散布地存在点、文字、线条等图案而乍一看便能够辨别出挖掘缘部P3的位置的符号。
[0114]如以上所说明，挖掘机械的显示系统28为用于使包括由挖掘缘部P3产生挖掘力的铲斗8在内的工作机2和安装该工作机2的车辆主体I动作的系统。挖掘机械的显示系统28包括工作机状态检测部19、储存部43、处理部44。工作机状态检测部19对液压挖掘机100的当前位置、车辆主体I的姿态、挖掘缘部P3的当前位置进行检测。储存部43对表示工作对象的目标形状的目标面的位置信息及铲斗8的外形信息进行储存。
[0115]处理部44根据与液压挖掘机100的当前位置相关的信息、车辆主体I的姿态、挖掘缘部P3的当前位置及铲斗8的外形信息，求出从液压挖掘机100的上表面观察时的铲斗8的图标显示8BL及挖掘缘部P3的位置，并将目标面70、纟产斗8的图标显示8BL及表示挖掘缘部P3的位置的图像显示在显示部42的画面42P中。在此，表示挖掘缘部P3的位置的图像由线段8AL来示出。如此，即便在挖掘缘部P3来到并隐藏于由于铲斗8的外形而原本在俯视观察下看不见的位置的情况下，液压挖掘机100的操作人员通过表示挖掘缘部P3的位置的图像、例如线段8AL，也能够把握挖掘缘部P3的位置，从而能够借助显示部42的画面42P来确认铲斗8的挖掘缘部P3移动的状态。其结果是，操作人员通过对表示挖掘缘部P3的位置的图像、例如线段8AL进行视觉辨识，由此能够边确认挖掘缘部P3的位置边进行施工，从而工作效率得以提高。
[0116]在挖掘缘部P3的位置由线段8AL示出时，借助线段AL的长度，操作人员容易识别铲斗8的宽度。另外，线段AL表示齿尖，在上述的步骤SI中，在取入使用液压挖掘机100的时刻的齿8B的长度时，操作人员能够参考齿SB的磨损程度，按照设计面来推进施工。
[0117]在本实施方式中，对在上述的精细挖掘画面55中显示俯视图55a的例子进行了说明，但也可以在粗挖掘画面53中显示俯视图55a。需要说明的是，本实施方式的处理部44将上述的俯视图55a、侧视图55b作为车辆主体坐标系COM中的俯视图(与Za轴平行地观察所得的图)、侧视图(与Xa轴平行地观察所得的图)来显示。处理部44也可以将俯视图55a、侧视图55b中的至少一个作为全局坐标系中的俯视图(与Z轴平行地观察所得的图)、侧视图(与X轴平行地观察所得的图)来显示。
[0118]以上对于本实施方式进行了说明，但并不是通过上述的内容来对本实施方式加以限定。另外，上述的结构要素中包括本【技术领域】人员能够容易想到的要素、实质相同的要素。进而，上述的结构要素可以进行适当组合。进而，在不超出本实施方式的主旨的范围内，可以进行结构要素的各种各样的省略、置换或者变更。
[0119]例如，各引导画面的内容不局限于上述内容，也可以进行适当变更。另外，显示控制装置39的功能的一部分或者全部也可以通过配置在液压挖掘机100的外部的计算机来执行。另外，目标工作对象不局限于上述那样的平面，也可以为点、线或者三维的形状。显示输入装置38的输入部41不局限于触摸面板式的结构，也可以由硬键或开关等操作构件构成。
[0120]在上述的实施方式中，工作机2具有斗杆6、动臂7及铲斗8，但工作机2不局限于此，为至少具有铲斗8的结构即可。另外，在上述的实施方式中，通过第一行程传感器16、第二行程传感器17及第三行程传感器18对斗杆6、动臂7及铲斗8的倾斜角进行检测，但倾斜角的检测机构不局限于此。例如也可以具备对斗杆6、动臂7、铲斗8的倾斜角进行检测的角度传感器。
[0121]在上述的实施方式中，具有铲斗8，但铲斗不局限于此，也可以为倾斜式铲斗。所谓“倾斜式铲斗”，是指具备铲斗倾斜式工作缸，通过铲斗沿着左右倾动倾斜，由此即便液压挖掘机处于倾斜地面时，也能够将斜面、平地成形、平整为自由的形状，还能够实现基于底板的滚压工作的铲斗。[0122]【符号说明】
[0123]I车辆主体
[0124]2工作机
[0125]3上部回旋体
[0126]4驾驶室
[0127]5行驶装置
[0128]8 铲斗
[0129]8B 齿
[0130]19工作机状态检测部
[0131]21、22 天线
[0132]23三维位置传感器
[0133]24倾斜角传感器
[0134]28挖掘机械的显示系统(显示系统)
[0135]38显示输入装置
[0136]39显示控制装置
[0137]41输入部
[0138]42显示部
[0139]42P 画面
[0140]43储存部
[0141]44处理部
[0142]45设计面
[0143]46声音产生装置
[0144]70目标面
[0145]78、79表示目标面的剖面的线
[0146]84图形信息
[0147]100液压挖掘机
[0148]P3挖掘缘部
【权利要求】
1.一种挖掘机械的显示系统，该挖掘机械具有:包括具有挖掘缘部的铲斗在内的工作机；安装所述工作机的主体部， 所述挖掘机械的显示系统包括: 工作机状态检测部，其对与所述挖掘机械的当前位置相关的信息、与所述主体部的姿态相关的信息及所述挖掘缘部的位置的信息进行检测；储存部，其对表示设计地形的目标面的位置信息及所述铲斗的外形信息进行储存；处理部，其根据与所述挖掘机械的当前位置相关的信息、与所述主体部的姿态相关的信息、所述挖掘缘部的位置的信息及所述铲斗的外形信息，求出在从上表面观察所述挖掘机械时的所述铲斗及所述挖掘缘部的位置，并将所述目标面、表示所述铲斗的图像及表示所述挖掘缘部的位置的图像显示在显示装置的画面中。
2.如权利要求1所述的挖掘机械的显示系统,其中， 所述处理部以能够得知从上表面观察所述挖掘机械时的、所述挖掘缘部相对于表示所述铲斗的图像的相对位置的方式，将表示所述挖掘缘部的位置的图像始终显示在从上表面观察所述挖掘机械时的所述画面中。
3.如权利要求1或2所述的挖掘机械的显示系统，其中， 所述处理部将表示所述挖掘缘部的位置的图像显示作为表示所述挖掘缘部的位置的线段的图像，并由与表示所述铲斗的图像不同的形态来显示表示所述挖掘缘部的位置的线段的图像。
4.如权利要求3所述的挖掘机械的显示系统，其中， 所述线段表示所述挖掘缘部中的齿尖。
5.一种挖掘机械，其特征在于，具备权利要求1?4中任一项所述的挖掘机械的显示系统。
【文档编号】E02F9/26GK103857853SQ201280004106
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年11月27日 优先权日:2012年10月5日
【发明者】野村安昙, 山村正男, 岩永大司, 藤田悦夫, 森永英二 申请人:株式会社小松制作所