(57)【要約】【課題】  低コストで作業対象物の３次元形状を把握することができる建設機械の自動制御システムを提供する。【解決手段】  建設機械の自動制御システム３０は、バックホウ１０を地盤Ｇに対して水平方向に旋回させる旋回機構１３と、バックホウ１０に取り付けられ、地盤Ｇと垂直方向にレーザ光Ｌを走査し、計測対象物Ｔの垂直方向に沿った部分までの距離を計測する２次元レーザスキャナ３０２と、旋回機構１３によりバックホウ１０を旋回させ、２次元レーザスキャナ３０２の検出値を連続的に得ることにより、計測対象物Ｔの表面形状の３次元データを算出する表面形状算出部４０４と、計測対象物Ｔの目標形状の３次元データと現在の計測対象物Ｔの３次元データとの差分量に基づいて、バックホウ１０の駆動状態を制御する駆動制御部４１０とを備える。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物を所定の目標形状へと変形させるために用いられる建設機械の自動制御システムであって、
前記建設機械を第１の方向に旋回させる旋回部と、
前記建設機械に取り付けられ、前記第１の方向と直交する第２の方向にレーザ光を走査し、前記計測対象物の前記第２の方向に沿った部分までの距離を計測する２次元レーザスキャナと、
前記旋回部により前記建設機械を旋回させ、前記２次元レーザスキャナの検出値を連続的に得ることにより、前記計測対象物の表面形状の３次元データを算出する表面形状算出部と、
前記目標形状の３次元データを取得する目標形状取得部と、
前記目標形状の３次元データと前記表面形状の３次元データとの差分量を算出する差分算出部と、
前記差分量に基づいて、前記建設機械の駆動状態を制御する駆動制御部と、
を備えたことを特徴とする建設機械の自動制御システム。
【請求項２】
前記目標形状の３次元データには、各点の基準座標における座標データが含まれており、
前記建設機械の前記基準座標における位置情報を算出する機械位置情報算出部を更に備え、
前記表面形状算出部は、前記建設機械の前記位置情報に基づいて、前記表面形状の３次元データの各点について前記基準座標における座標データを算出し、
前記差分算出部は、前記表面形状の３次元データの座標データと、前記目標形状の３次元データの座標データとを用いて、前記表面形状の３次元データと前記目標形状の３次元データとの差分を算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の建設機械の自動制御システム。
【請求項３】
前記機械位置情報算出部は、前記建設機械に取り付けられた２つの衛星測位システム受信器で受信した信号に基づいて前記建設機械の前記基準座標における位置情報を算出する、
ことを特徴とする請求項２記載の建設機械の自動制御システム。
【請求項４】
前記機械位置情報算出部は、前記建設機械に取り付けられた単一の衛星測位システム受信器で受信した信号と、前記建設機械を中心とした方位情報とに基づいて前記建設機械の前記基準座標における位置情報を算出する、
ことを特徴とする請求項２記載の建設機械の自動制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械を自動制御する自動制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、操作者による建設機械の操作補助や無人での建設機械の遠隔操作補助などを目的として、作業対象となる地盤等の形状を３次元レーザスキャナによって計測し、表示等を行う技術が開発でされている。
例えば、下記特許文献１には、建設機械に搭載され、作業対象範囲の画像を取得する撮像部と、建設機械に搭載され、光線を対象物に投射して、点群データの集合である３次元距離データを取得する３次元スキャナーと、建設機械を無線により遠隔操作する操作入力部と、操作入力部の近傍に設置され、撮像部で取得された画像を表示する撮像画像表示部と、操作入力部の近傍に設置され、３次元スキャナーで取得された３次元距離データを表示するスキャナー画像表示部と、からなる遠隔操作装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０４３４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、３次元レーザスキャナは高価であることに加えて、振動や砂ぼこり、風雨などの影響が大きい土木現場での使用に耐え得るような耐久性を備えていない物がほとんどであるという課題がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、低コストで作業対象物の３次元形状を把握することができる建設機械の自動制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するため、請求項１の発明にかかる建設機械の自動制御システムは、計測対象物を所定の目標形状へと変形させるために用いられる建設機械の自動制御システムであって、前記建設機械を第１の方向に旋回させる旋回部と、前記建設機械に取り付けられ、前記第１の方向と直交する第２の方向にレーザ光を走査し、前記計測対象物の前記第２の方向に沿った部分までの距離を計測する２次元レーザスキャナと、前記旋回部により前記建設機械を旋回させ、前記２次元レーザスキャナの検出値を連続的に得ることにより、前記計測対象物の表面形状の３次元データを算出する表面形状算出部と、前記目標形状の３次元データを取得する目標形状取得部と、前記目標形状の３次元データと前記表面形状の３次元データとの差分量を算出する差分算出部と、前記差分量に基づいて、前記建設機械の駆動状態を制御する駆動制御部と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明にかかる建設機械の自動制御システムは、前記目標形状の３次元データには、各点の基準座標における座標データが含まれており、前記建設機械の前記基準座標における位置情報を算出する機械位置情報算出部を更に備え、前記表面形状算出部は、前記建設機械の前記位置情報に基づいて、前記表面形状の３次元データの各点について前記基準座標における座標データを算出し、前記差分算出部は、前記表面形状の３次元データの座標データと、前記目標形状の３次元データの座標データとを用いて、前記表面形状の３次元データと前記目標形状の３次元データとの差分を算出する、ことを特徴とする。
請求項３の発明にかかる建設機械の自動制御システムは、前記機械位置情報算出部は、前記建設機械に取り付けられた２つの衛星測位システム受信器で受信した信号に基づいて前記建設機械の前記基準座標における位置情報を算出する、ことを特徴とする。
請求項４の発明にかかる建設機械の自動制御システムは、前記機械位置情報算出部は、前記建設機械に取り付けられた単一の衛星測位システム受信器で受信した信号と、前記建設機械を中心とした方位情報とに基づいて前記建設機械の前記基準座標における位置情報を算出する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１の発明によれば、２次元レーザスキャナを搭載した建設機械を旋回させることにより計測対象物の表面形状の３次元データを得るので、３次元レーザスキャナを用いる場合と比較して低コストで計測対象物の３次元形状を把握することができる。また、２次元レーザスキャナは３次元レーザスキャナと比較して耐久性が高いため、振動などの影響が大きい土木現場での使用に耐えうる建設機械の自動制御システムを構築することができる。
請求項２の発明によれば、計測対象物の表面形状の３次元データの座標データと、目標形状の３次元データの座標データとを用いて３次元データを重畳するので、より精度よく３次元データの位置合わせをすることができる。
請求項３の発明によれば、２つの衛星測位システム受信器で受信した信号に基づいて建設機械の位置情報を算出するので、旋回により位置の変化に追従して精度よく建設機械の位置を算出する上で有利となる。
請求項４の発明によれば、衛星測位システム受信器で受信した信号および方位情報に基づいて建設機械の位置情報を算出するので、旋回により位置の変化に追従して精度よく建設機械の位置を算出する上で有利となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】自動制御システム３０が搭載されたバックホウ１０の側面図である。
【図２】バックホウ１０の平面図である。
【図３】２次元レーザスキャナ３０２の走査方向を示す説明図である。
【図４】２次元レーザスキャナ３０２の旋回方向を示す説明図である。
【図５】３次元データの重畳表示の一例を示す図である。
【図６】自動制御システム３０の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる建設機械の自動制御システム（以下「自動制御システム」という）の好適な実施の形態を詳細に説明する。
まず、本発明にかかる自動制御システムが搭載される建設機械について説明する。本実施の形態では、建設機械がバックホウである場合について説明する。
【０００９】
まず、バックホウの構成について説明する。
図１、図２に示すように、バックホウ１０は、下部走行体１２と、上部旋回体１４と、ブーム１６と、アーム１８と、バケット２０を含んで構成される。
【００１０】
下部走行体１２は、クローラ１２０２の回転により地盤Ｇ上を走行する。
上部旋回体１４は、下部走行体１２の上部に旋回軸を中心に水平旋回可能に設けられている。すなわち、上部旋回体１４は、旋回機構（旋回部）１３（図２参照）により、下部走行体１２および地盤Ｇに対して水平方向Ｈに旋回可能である。
上部旋回体１４には操作室１４０２が設けられ、操作室１４０２には、下部走行体１２の走行、上部旋回体１４の旋回、ブーム１６の揺動、アーム１８の揺動、バケット２０の揺動などを操作するためのいずれも不図示の操作レバーや操作ペダルなどの複数の操作装置が設置されている。なお、本実施の形態では後述する自動制御システム３０にバックホウ１０を自動運転制御するため、操作室１４０２に操作者は搭乗しない。
また、操作室１４０２の天面には、後述する２次元レーザスキャナ３０２およびＧＮＳＳ受信器３０４が載置されている。なお、２次元レーザスキャナ３０２およびＧＮＳＳ受信器３０４の配置位置は操作室１４０２の天面に限らず、各機器における測定や受信に支障がない位置であればよい。
【００１１】
ブーム１６は、その基端が水平方向に延在する支軸を介して上部旋回体１４に揺動可能に支持されている。
アーム１８は、その基端が水平方向に延在する支軸を介してブーム１６の先端に揺動可能に支持されている。
バケット２０は、その基端が水平方向に延在する支軸を介してアーム１８の先端に揺動可能に支持されている。バケット２０は、本実施の形態における計測対象物である土壌の掘削、すなわち変形作業を行う作業部材に対応する。
上部旋回体１４とブーム１６との間には、ブーム１６を揺動させるブームシリンダ１６０２が設けられている。
ブーム１６とアーム１８との間には、アーム１８を揺動させるアームシリンダ１８０２が設けられている。
アーム１８とバケット２０との間には、バケット２０を揺動させるバケットシリンダ２００２が設けられている。
これらブームシリンダ１６０２、アームシリンダ１８０２、バケットシリンダ２００２は油圧シリンダである。
したがって、ブームシリンダ１６０２が伸縮することにより上部旋回体１４に対してブーム１６が揺動される。
また、アームシリンダ１８０２が伸縮することによりブーム１６に対してアーム１８が揺動される。
また、バケットシリンダ２００２が伸縮することによりアーム１８に対してバケット２０が揺動される。
【００１２】
本実施の形態では、後述する駆動制御部４１０によりバックホウ１０の各部を自動制御して、バックホウ１０の前方（バケット２０）が位置する側に位置する作業対象土壌の掘削作業（変形作業）を行う。後述する自動制御システム３０では、作業対象土壌を計測対象物Ｔとしてその表面形状を算出する。
【００１３】
つぎに、バックホウ１０の操作を補助する自動制御システム３０について説明する。
図５は、自動制御システム３０の構成を示すブロック図である。
自動制御システム３０は、主に建設機械であるバックホウ１０に取り付けられるセンサ類およびコンピュータ４０によって構成される。
バックホウ１０には、２次元レーザスキャナ３０２、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）受信器３０４、傾斜センサ３０６が取り付けられている。
【００１４】
２次元レーザスキャナ３０２は、所定の方向にレーザ光Ｌを照射し、反射光を受光することによってレーザ照射位置までの距離を計測する。本実施の形態では、２次元レーザスキャナ３０２は、図３に示すように、地盤Ｇに対して垂直方向Ｖにレーザ光Ｌを走査して、この方向に沿った作業対象土壌（計測対象物Ｔ）の各点までの距離を計測する。すなわち、バックホウ１０を静止させた状態では、計測対象物Ｔのうち垂直方向Ｖに沿った１ラインの距離を計測可能である。
ここで、バックホウ１０の上部旋回体１４は、地盤Ｇに対して水平方向Ｈに回転可能に設けられている。よって、図４に示すように、上部旋回体１４を水平方向Ｈに旋回させながら２次元レーザスキャナ３０２を垂直方向Ｖに走査させることによって、計測対象物Ｔ全体の各点までの距離を計測することができる。
すなわち、２次元レーザスキャナ３０２は、建設機械であるバックホウ１０に取り付けられ、バックホウ１０の旋回方向である水平方向Ｈ（第１の方向）と直交する垂直方向Ｖ（第２の方向）にレーザ光Ｌを走査し、計測対象物Ｔの垂直方向Ｖに沿った部分までの距離を検出する。
【００１５】
ＧＮＳＳ受信器（衛星測位システム受信器）３０４は、バックホウ１０の天面に設置され、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信する。後述する機械位置情報算出部４０２は、ＧＮＳＳ受信器３０４で受信した信号に基づいてバックホウ１０のＧＮＳＳ受信器３０４の位置座標を算出する。
本実施の形態では、図２に示すようにバックホウ１０の天面にＧＮＳＳ受信器３０４が２つ設置されている。これは、バックホウ１０の旋回による位置変化を精度よく検出するためである。ＧＮＳＳ受信器３０４を２つ設置し、２か所の位置座標を算出することによって、バックホウ１０の旋回状態（ヨー角）を精度よく検出することができる。
なお、ＧＮＳＳ受信器３０４を２つ設置するのではなく、後述するように１つのＧＮＳＳ受信器３０４と１つの方位計を設置したり、方位計を内蔵したＧＮＳＳ受信器３０４を設置してもよい。
【００１６】
傾斜センサ３０６は、バックホウ１０の傾きを検出する。
本実施の形態では、バックホウ１０のロール角およびピッチ角を検出する傾斜センサ３０６が取り付けられているものとする。
【００１７】
コンピュータ４０は、ＣＰＵ、制御プログラムなどを格納・記憶するＲＯＭ、制御プログラムの作動領域としてのＲＡＭ、各種データを書き換え可能に保持するＥＥＰＲＯＭ、周辺回路等とのインターフェースをとるインターフェース部などを含んで構成される。
コンピュータ４０は、上記ＣＰＵが上記制御プログラムを実行することにより、機械位置情報算出部４０２、表面形状算出部４０４、目標形状取得部４０６、差分算出部４０８、駆動制御部４１０として機能する。
【００１８】
なお、以下の説明において、基準座標とはバックホウ１０が位置する空間に任意に設定された座標である。これに対して、絶対座標とはＧＮＳＳ受信器３０４で受信した信号に基づいて位置情報を算出する際に使用する座標であり、例えば緯度、経度、高さで表される。基準座標と絶対座標とのずれ量は既知であり、一方の座標における位置情報は他方の座標における位置情報に相互に変換可能である。
また、バックホウ１０の位置情報は、例えば２次元レーザスキャナ３０２のレーザ受光部（基準位置）Ｏの位置情報とする。
【００１９】
機械位置情報算出部４０２は、バックホウ１０（建設機械）の基準座標における位置情報を算出する。
本実施の形態では、機械位置情報算出部４０２は、バックホウ１０に取り付けられた２つのＧＮＳＳ受信器３０４で受信した信号に基づいて、バックホウ１０の基準座標における位置情報を算出する。まず、２つのＧＮＳＳ受信器３０４で受信した信号に基づいて、それぞれのＧＮＳＳ受信器３０４の絶対座標における位置情報を算出し、さらに基準座標上の位置情報に変換する。
つぎに、２つのＧＮＳＳ受信器３０４の位置情報からレーザ受光部Ｏの基準座標における位置情報を算出する。ＧＮＳＳ受信器３０４の取り付け位置は既知であることから、レーザ受光部ＯとＧＮＳＳ受信器３０４との位置のずれ量をオフセット値として設定することにより、ＧＮＳＳ受信器３０４の位置情報からレーザ受光部Ｏの位置情報を算出することができる。
また、機械位置情報算出部４０２は、傾斜センサ３０６の検出結果からバックホウ１０の傾きを検知して各位置情報を補正する。
【００２０】
本実施の形態では、２つのＧＮＳＳ受信器３０４を搭載しており、これら２つのＧＮＳＳ受信器３０４の位置情報の相対変化量からバックホウ１０の旋回状態（ヨー角）を精度よく算出することができる。
なお、２つのＧＮＳＳ受信器３０４を搭載するのではなく、単一のＧＮＳＳ受信器３０４と、バックホウ１０を中心とした方位を計測する方位計とを搭載することにより、バックホウ１０の旋回状態を算出してもよい。この場合、ＧＮＳＳ受信器３０４内に方位計が内蔵されているタイプであってもよいし、ＧＮＳＳ受信器３０４と方位計とをそれぞれ単独で設置してもよい。
【００２１】
表面形状算出部４０４は、旋回機構１３によりバックホウ１０を旋回させ、２次元レーザスキャナ３０２の検出値を連続的に得ることにより、計測対象物Ｔの表面形状の３次元データを算出する。上述のように、２次元レーザスキャナ３０２は、バックホウ１０の旋回方向（水平方向Ｈ）と直交する垂直方向Ｖにレーザ光Ｌを走査し、計測対象物Ｔの垂直方向Ｖに沿った部分までの距離（本実施の形態では、レーザ受光部Ｏからの距離）を検出する。表面形状算出部４０４は、バックホウ１０の旋回に伴って水平方向Ｈにも連続的に計測対象物Ｔの各点までの距離を検出可能である。そして、計測対象物Ｔの各点までの距離、および機械位置情報算出部４０２によって算出されたレーザ受光部Ｏの位置情報（基準座標における座標データ）に基づいて、計測対象物Ｔの各点の基準座標における座標データ（現時点における実座標データ）を算出する。
また、表面形状算出部４０４は、バックホウ１０を用いた作業中、逐次２次元レーザスキャナ３０２によりスキャンを行い、計測対象物Ｔの表面形状の３次元データを更新する。
表面形状算出部４０４で算出した３次元データは、スキャンを行った時刻の情報とともに、図示しないハードディスク装置等に記録される。これにより、例えば作業前の計測対象物Ｔの表面形状の３次元データを算出しておき、一定時間（例えば一作業単位日）作業した後の表面形状と比較したり、一定期間内の作業量（３次元データの差分）を算出したりすることが可能となる。
【００２２】
目標形状取得部４０６は、計測対象物Ｔの目標形状の３次元データを取得する。
本実施の形態では、計測対象物Ｔ（作業対象土壌）を所定の目標形状へと変形させるためにバックホウ１０を使用している。目標形状の３次元データとは、今回の作業の設計データに対応する。目標形状の３次元データ（設計データ）には、計測対象物Ｔの各点の基準座標における座標データ（目標座標データ）が含まれている。
目標形状取得部４０６は、例えば図示しないハードディスク装置から目標形状の３次元データを読み出したり、ネットワークを介して目標形状の３次元データを受信したりする。
【００２３】
差分算出部４０８は、目標形状の３次元データと計測対象物Ｔの表面形状の３次元データとの差分量を算出する。すなわち、差分算出部４０８は、設計データにおける土壌の形状と、現時点における土壌の形状との差分を算出する。差分は、３次元データの各点について算出され、例えば〇ｃｍ△ｍｍ、などの形で算出される。この差分は、バックホウ１０で作業すべき作業量（掘削量）となる。
【００２４】
駆動制御部４１０は、差分算出部４０８で算出された差分量に基づいて、バックホウ１０の駆動状態を制御する。
より詳細には、駆動制御部４１０は、クローラ１２０２の回転量や、ブームシリンダ１６０２、アームシリンダ１８０２、バケットシリンダ２００２の伸縮量を制御することにより、バケット２０を所望の位置に移動させ、土壌を掘削する。このとき、目標形状の３次元データ（設計データ）と計測対象物Ｔの表面形状の３次元データとの差分がゼロになるように、掘削位置および掘削する土壌量を制御する。
【００２５】
図６は、３次元データの重畳状態の一例を示す図であり、図６Ａは、３つの３次元データＤ１〜Ｄ３を重畳して表示した状態、図６Ｂは３つの３次元データＤ１〜Ｄ３を個別に表示した状態である。
３次元データＤ１は作業前の計測対象物Ｔの形状、３次元データＤ２は現時点の計測対象物Ｔの形状、３次元データＤ３は設計データにおける計測対象物Ｔの形状を示す。
これらを重畳して表示することによって、現時点までの作業量や目標形状までの作業量、作業すべき箇所などを算出することができる。
なお、３つの３次元データＤ１〜Ｄ３を全て重畳するのではなく、例えば現時点の形状を示す３次元データＤ２と、設計データの形状を示す３次元データＤ３を重畳するなど、組み合わせは自在である。
また、計測対象物Ｔの形状を３次元データで算出しているため、表示画像の視点についても任意に切り替え可能である。
【００２６】
以上説明したように、実施の形態にかかる自動制御システム３０は、２次元レーザスキャナ３０２を搭載したバックホウ１０を旋回させることにより計測対象物Ｔの表面形状の３次元データを得るので、３次元レーザスキャナを用いる場合と比較して低コストで計測対象物の３次元形状を把握することができる。また、２次元レーザスキャナ３０２は３次元レーザスキャナと比較して耐久性が高いため、振動などの影響が大きい土木現場での使用に耐えうる建設機械の自動制御システムを構築することができる。
また、自動制御システム３０は、計測対象物Ｔの表面形状の３次元データの座標データと、目標形状の３次元データの座標データとを用いて３次元データを重畳するので、より精度よく３次元データの位置合わせをすることができる。
また、自動制御システム３０は、２つのＧＮＳＳ受信器３０４で受信した信号に基づいてバックホウ１０の位置情報を算出するので、旋回により位置の変化に追従して精度よくバックホウ１０の位置を算出する上で有利となる。
【００２７】
なお、本実施の形態では、建設機械として旋回機構１３が設けられ上部旋回体１４が下部走行体１２に対して旋回可能なバックホウ１０を例にして説明したが、これに限らず、例えば建設機械を旋回台上に載置して、旋回台により旋回させることにより水平方向のスキャン位置を変更するようにしてもよい。このようにすることで、旋回機構１３が設けられていない建設機械にも本発明が適用可能となる。
【符号の説明】
【００２８】
１０  バックホウ
１２  下部走行体
１３  旋回機構
１４  上部旋回体
１６  ブーム
１８  アーム
２０  バケット
２８  モニタ
３０  自動制御システム
３０２  ３次元レーザスキャナ
３０４  ＧＮＳＳ受信器
３０６  傾斜センサ
４０  コンピュータ
４０２  機械位置情報算出部
４０４  表面形状算出部
４０６  目標形状取得部
４０８  差分算出部
４１０  駆動制御部
Ｇ  地盤
Ｌ  レーザ光
Ｏ  レーザ受光部
Ｔ  計測対象物
Ｈ  水平方向
Ｖ  垂直方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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