(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地ならし環境内での地ならし機の自律制御システムであって、
掘削領域及び載荷領域を含む地ならし環境内の領域に対応したデータを与えることができる走査センサシステムを設けた地ならし機と、
該走査センサシステムからデータを受け取って、前記掘削領域での前記地ならし機の制御に関連したタスクを計画し、同時に前記載荷領域での前記地ならし機の制御に関連した別のタスクを実行することができる計画及び制御モジュールと、
前記走査センサシステムからデータを受け取って、地ならし環境内に物体が存在するかどうかを決定し、障害物が検出された時に前記地ならし機の作動を停止させる障害物検出器を備え、
前記走査センサシステムは、前記地ならし機の周囲の第１平面上で０度より大きい視界を走査するように、回転する第１センサと、前記地ならし機の周囲の第２平面上で０度より大きい視界を走査するように、回転する第２センサとを含み、
前記第１平面及び第２平面は、垂直面であり、
前記第１・第２センサは前記地ならし機上に配置され、独立的に調節可能な視界及び走査パターンを有して、
掘削作業の完了前に、前記第１・第２センサの少なくとも一方が前記地ならし機又は地ならし機の可動構成部材の移動経路を走査し、
掘削作業の完了後に、前記第１・第２センサの他方が前記掘削領域を走査するとともに、前記第１・第２センサの一方が前記載荷領域を走査し、
載荷サイクル中に、前記第１・第２センサの少なくとも他方が前記移動経路を走査し、
載荷サイクル完了後に、前記第１・第２センサの一方が前記載荷領域を走査するとともに、前記第１・第２センサの他方が前記掘削領域を走査し、
前記第１センサ及び第２センサが現在情報を前記計画及び制御モジュールに与えることにより、
少なくとも１つの地ならしタスクを計画して実行するシステム。
【請求項２】
前記走査センサシステムは、地ならし環境を走査するために軸線回りに移動可能なレーザー距離計を有している請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記走査センサシステムは、地ならし環境を走査するために軸線回りに移動可能な別のレーザー距離計をさらに有している請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記走査センサシステムは、地ならし環境を走査するために軸線回りに移動可能なレーダー距離計を有している請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記走査センサシステムは、地ならし環境を走査するために軸線回りに移動可能な別のレーダー距離計をさらに有している請求項４記載のシステム。
【請求項６】
地ならし環境内の障害物の存在を検出する障害物検出器をさらに備えている請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記障害物検出器は、地ならし環境内で障害物が検出されたことを表す信号と、地ならし環境の作業を停止させる信号とを発生する請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記計画及び制御モジュールは、前記掘削領域での前記地ならし機の制御を開始するための開始位置を地ならし環境内で選択することができる請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記計画及び制御モジュールは、載荷容器の位置及び向きを決定し、該載荷容器内で被掘削物を入れる位置を決定することができる請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記計画及び制御モジュールは、前記走査センサシステムの作動を制御するコマンドを発生することができる請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記計画及び制御モジュールからコマンドを受け取って、該コマンドを前記地ならし機に送って前記地ならし機の作動を制御することができる地ならし機コントローラインターフェースをさらに備えている請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
地ならし環境内での前記地ならし機の位置に関するデータを送ることができる位置システムをさらに備えている請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
地ならし機の自律制御システムであって、
掘削領域及び載荷領域を含む地ならし環境内の領域に対応したデータを与えることができる走査センサシステムを設けた地ならし機と、
前記走査センサシステムからデータを受け取って、前記掘削領域内での前記地ならし機の制御に関連したタスクを計画し、同時に前記載荷領域内での前記地ならし機の制御に関連した別のタスクを実行することができる計画及び制御モジュールと、
前記走査センサシステムからデータを受け取って、地ならし環境内で障害物の存在を検出し、障害物が検出された時に前記地ならし機の作動を停止させる信号を発生する障害物検出器とを備え、
該走査センサシステムは、前記地ならし機の周囲の第１平面上で０度より大きい視界を走査するように回転する第１センサと、前記地ならし機の周囲の第２平面上で０度より大きい視界を走査するように回転する第２センサとを含み、
前記第１平面及び第２平面は、垂直面であり、
前記前記第１・第２センサは前記地ならし機上に配置され、独立的に調節可能な視界及び走査パターンを有して、
掘削作業の完了前に、前記第１・第２センサの少なくとも一方が前記地ならし機又は地ならし機の可動構成部材の移動経路を走査し、
掘削作業の完了後に、前記第１・第２センサの他方が前記掘削領域を走査するとともに、前記第１・第２センサの一方が前記載荷領域を走査し、
載荷サイクル中に、前記第１・第２センサの少なくとも他方が前記移動経路を走査し、
載荷サイクル完了後に、前記第１・第２センサの一方が前記載荷領域を走査するとともに、前記第１・第２センサの他方が前記掘削領域を走査し、
前記第１センサ及び第２センサが現在情報を前記計画及び制御モジュールに与えることにより、
少なくとも１つの地ならしタスクを計画して実行するシステム。
【請求項１４】
前記走査センサシステムは、地ならし環境を走査するために軸線回りに移動可能なレーザー距離計を有している請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記走査センサシステムは、地ならし環境を走査するために軸線回りに移動可能な別のレーザー距離計をさらに有している請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記走査センサシステムは、地ならし環境を走査するために軸線回りに移動可能なレーダー距離計を有している請求項１３記載のシステム。
【請求項１７】
前記走査センサシステムは、地ならし環境を走査するために軸線回りに移動可能な別のレーダー距離計をさらに有している請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
前記計画及び制御モジュールは、前記掘削領域での前記地ならし機の制御を開始するための開始位置を地ならし環境内で選択することができる請求項１３記載のシステム。
【請求項１９】
前記計画及び制御モジュールは、載荷容器の位置及び向きを決定し、該載荷容器内で被掘削物を入れる位置を決定することができる請求項１３記載のシステム。
【請求項２０】
前記障害物検出器は、地ならし環境を表すマップと、地ならし環境内の特定区域を表す暫定マップとを作成し、前記障害物検出器は、該２つのマップを比較して、該２つのマップ間に変化があるかどうかを決定する請求項１３記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自律掘削用のシステム、特に自律掘削機で掘削及び載荷タスクを実施するためのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地ならし作業に掘削機、バックホー、フロントシャベルなどの機械が使用される。これらの地ならし機は一般的にブーム、スティック及びバケット連結機構からなる作業器具を有している。ブームは一端部で掘削機に回動可能に取り付けられ、他端部にスティックが回動可能に取り付けられている。バケットはスティックの自由端部に回動可能に取り付けられている。各作業器具連結機構は少なくとも１つの油圧シリンダで制御可能に作動して、垂直平面上を移動する。オペレータが作業器具を操縦して、地ならし作業の完全な地ならしサイクルを構成する一連の個別機能を実施する。
【０００３】
地ならし現場で一般的に見られる種類の機械に、除去すべき土砂の山の上方に配置される掘削機がある。掘削機の一般的な作業サイクルにおいて、オペレータは従来の経験を利用して掘削すべき最適位置を決定し、作業器具を所定位置に配置する。オペレータは次に作業器具を降下させて、バケットを土砂に食い込ませ、バケットを掘削機の方に近づける掘削ストロークを実施する。オペレータは続いてバケットを回転させて土砂をすくう。すくった土砂を放下するため、オペレータは作業器具を上昇させ、横方向に旋回させて特定の放下場所、例えばダンプトラックに進め、放下場所内に所望の分布が得られるように土砂を入れる最適場所を決定してから、スティックを伸長させると共にバケットを逆回転させて土砂を空ける。その後、作業器具は溝位置に戻って作業サイクルを繰り返す。
【０００４】
地ならし現場に一般的に見られる他の種類の機械に、除去すべき土砂の山に向き合わせて配置されることが多いフロントローダがある。フロントローダの典型的な作業サイクルは、掘削機の作業サイクルと幾分異なっている。フロントローダの場合、オペレータは最初に土砂を山から除去する最適場所を決定してから、その選択場所に向かって移動する前に作業器具のバケットを地面に降ろす。オペレータはバケットを土砂に入り込ませてから、バケットを土砂内で上昇させる掘削ストロークを実施する。オペレータは続いて作業器具を上昇させ、バケットをローダの方に傾斜させて土砂をすくう。すくった土砂を放下するため、オペレータは機械を山から後退させ、土砂の荷下ろし位置を決定し、選択された放下位置に向かって移動し、バケットを下向きに傾斜させることによって土砂を空ける。次に、作業器具は載荷容器から後退して土砂の山に戻り、作業サイクルを再開する。
【０００５】
地ならし産業では幾つかの理由から掘削機の作業サイクルを自動化したいという要求が高まっている。人間のオペレータとは異なって、自動掘削機は、環境状態や長い作業時間に関係なく、一貫した生産性を保持する。環境状態が人間に不適当か、望ましくない用例では、自動または自律地ならし機が理想的である。自動地ならし機はまた、より正確な掘削を行うことができ、オペレータの技量または能力不足を補う。
【０００６】
掘削を自動化するための主要な要素は、掘削過程の最初から最後までの間に土砂の掘削、土砂の載荷容器への載荷、及び載荷点の位置及び向きの認識などの段階を含む。自律地ならし機ができる限り効率的に作業できるようにするために、そのような地ならし機に必要な多くの要素及びタスクを整理して調整するためのシステムが必要である。これは、地ならし環境内の様々な部分または場所に関する最新データを与えることができるセンサシステムを用いることによって達成できるであろう。そのシステムは、コンピュータで作動し、最新データを使用して地ならしタスクの１つまたは複数の部分または段階を、同時に計画及び実行する計画及び制御モジュールなどの構成部材を含むことができる。また、システムがセンサのデータを使用して地ならし環境内の移動及び静止障害物を検出することによって、様々な計画及び実行構成部材がそれに対応するために十分な時間が得られるようにすることが望ましい。さらに、計画及び制御モジュールが掘削方法の決定及び実施において、熟練オペレータが自発的に発見した方法を組み込めるようにすることが望ましい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明は、上記問題の１つまたは複数を解決することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この地ならし環境内での地ならし機の自律制御システムは、掘削領域及び載荷領域を含む地ならし環境内の領域に関するデータを与えることができる走査センサシステムを設けた地ならし機と、走査センサシステムからデータを受け取って、地ならし機の制御に関連したタスクを計画し、同時に地ならし機の制御に関連した別のタスクを実行することができる計画及び制御モジュールとを備えている。
【０００９】
本発明の別の形式は、掘削領域及び載荷領域を含む地ならし環境内の領域に対応したデータを与えることができる走査センサシステムを設けた地ならし機と、走査センサシステムからデータを受け取って、掘削領域内での地ならし機の制御に関連したタスクを計画し、同時に載荷領域内での地ならし機の制御に関連した別のタスクを実行することができる計画及び制御モジュールと、地ならし環境内で障害物の存在を検出し、障害物が検出された時に地ならし機の作動を停止させる信号を発生する障害物検出器とを備えた地ならし機の自律制御システムである。
【００１０】
本発明のさらに別の形式では、掘削領域及び載荷領域を含む地ならし環境内の領域に対応したデータを与えることができる走査センサシステムを設けた地ならし機を備えており、走査センサシステムは、地ならし機の周囲の第１平面上で０度より大きい視界を走査するように回転する第１センサと、地ならし機の周囲の第２平面上で０度より大きい視界を走査するように回転する第２センサとを含み、これらのセンサは地ならし機上に配置され、独立的に調節可能な視界及び走査パターンを有して、少なくとも１つの地ならしタスクを計画して実行できるように地ならし環境の様々な区域に対して距離データを与えることができ、さらに、走査センサシステムからデータを受け取って地ならし環境内に物体が存在するかどうかを決定し、障害物が検出された時に地ならし機の作動を停止させる障害物検出器を備えた地ならし機の自律制御システムが開示されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図面を参照しながら説明すると、図１は、本発明に従った地ならし機２２の自律制御用の自立掘削システム２０の好適な実施例の機能ブロック図である。本システム２０は、地ならし環境２６内での地ならし機２２に関する感知情報を与えるセンサシステム２４を有しており、そのような情報には、地ならし機２２及びそれに関連した可動構成部材の位置及び速度、掘削する区域、被掘削物を入れる物または場所、地ならし環境２６内の静止及び移動障害物が含まれる。センサシステム２４は、このセンサシステム２４から送られた感知情報を処理する感知アルゴリズムプロセッサ２８に接続されている。また、感知アルゴリズムプロセッサ２８は処理済みの感知情報をセンサシステム２４に送る。感知アルゴリズムプロセッサ２８の出力すなわち結果を使用して、どこを掘削するか、掘削物をどこに載置するか、掘削作業中に掘削機２２をどのように移動させるかを含む、掘削方法を決定する計画及び制御モジュール３０もセンサシステム２４に接続されている。計画及び制御モジュール３０は、地ならし機２２の一部である１つまたは複数のアクチュエータ３２に接続されている。アクチュエータ３２は、地ならし機２２及びそれの様々な構成部材または器具の移動を制御するために使用される。計画及び制御モジュール３０は、アクチュエータ３２にコマンドを与えて、掘削中の地ならし機２２及びそれに関連した可動構成部材の移動を制御する。センサシステム２４と計画及び制御モジュール３０の好適な実施例を以下にさらに詳細に説明する。
【００１２】
図２は、センサシステム２４、感知アルゴリズムプロセッサ２８及び計画ならびに制御モジュール３０を含むシステム２０の重要な構成部材の一部の詳細な機能ブロック図を示している。特に、センサシステム２４は、左センサ４０、右センサ４２及び位置システム４４を含む。好適な実施例では、左センサ４０及び右センサ４２は、地ならし機２２上及び／または地ならし環境２６内の位置に取り付けられて地ならし環境２６の所望区域の距離データまたは情報を与える走査レーザ測距センサである。左センサ４０及び右センサ４２の両方は、それぞれを独立的及び／または協働的に制御することができる視界を有することによって、地ならし環境２６全体を適用範囲に入れて、地ならしタスクの計画及び実行を同時に実施しやすくする。
【００１３】
左センサ４０は、感知アルゴリズムプロセッサ２８の構成要素である左センサインターフェース４６にリード線４８を経てデータを送る。右センサ４２も、リード線５２で右センサインターフェース５０にデータを送る。左センサインターフェース４６は左走査線プロセッサ５４に接続されており、左センサインターフェース４６からのデータがリード線５６で左走査線プロセッサ５４に送られる。また、右センサインターフェース５０は右走査線プロセッサ６８に接続されており、右センサインターフェース５０からのデータがリード線６０を経て送られる。走査線プロセッサ５４及び５８は、位置システム４４から与えられた対応データを使用して、センサインターフェース４６及び５０から受け取ったデータを極座標からデカルト座標に変換する。三次元距離点の形を取ることができるこの情報は、システム２０内の他の構成部材によるそれ以上の使用または処理が可能であろう。走査線プロセッサ５４及び５８は、それぞれリード線６２及び６４で位置システム４４に接続されている。
【００１４】
計画及び制御モジュール３０は、物体認識装置６６、載荷点計画装置６８及び掘削点計画装置７０を含むように図示されている。左走査線プロセッサ５４からの情報は、リード線７２で物体認識装置６６に、またリード線７４で載荷点計画装置６８にも送られる。物体認識装置６６は、トラックなどの物体を認識することができると共に、物体の寸法及び位置を測定することもできる。また、右走査線プロセッサ５８からのデータは、リード線７６を経て掘削点計画装置７０に送られる。計画及び制御モジュール３０は、さらにセンサ動作計画装置７８、載荷動作計画装置８０、掘削計画装置８２及び障害物検出器８４を含むように図示されており、データまたは情報がこれらの計画装置７８、８０及び８２間で共用されるため、これらは互いに接続されている。センサ動作計画装置７８はリード線８６を経てセンサ４０及び４２に接続されている。物体認識装置６６は、それぞれリード線８８及び９０を経て載荷点計画装置６８及び載荷動作計画装置８０の両方に情報を与える。同様に、載荷点計画装置６８は、リード線９２を経て載荷動作計画装置８０にデータを与える。掘削位置計画装置７０はリード線９４を経て掘削動作計画装置８２に接続されている。図示のように、障害物検出器８４はリード線９６を経て右走査線プロセッサ５８から情報を受け取る。障害物検出器８４は左走査線プロセッサ５４からも情報を受け取るが、その接続は図示されていない。リード線９８が障害物検出器８４を掘削動作計画装置８２に接続しており、障害物検出器８４はセンサ動作計画装置７８及び載荷動作計画装置８０にも接続できるが、その接続は図示されていない。
【００１５】
載荷点計画装置６８は、トラックの荷台に土砂を積み込むための一連の放下点を計画するために使用される。掘削点計画装置７０は、地ならし環境２６内の面を削るための一連の掘削点を計画するために使用される。載荷動作計画装置８０は、地ならし機２２のバケットに入った土砂のトラックへの放下を制御すると共に、地ならし環境２６内の土砂をさらに掘削するための地ならし機２２の戻りを制御する。掘削動作計画装置８２は、地ならし環境２６内の特定場所での掘削中の地ならし機２２を制御する。
【００１６】
計画及び制御モジュール３０は、地ならし機２２にコマンドを送るために使用される地ならし機コントローラインターフェース１００をも備えている。地ならし機コントローラインターフェース１００は、リード線１０２で地ならし機２２に接続されている。地ならし機コントローラインターフェース１００を地ならし機２２に関連したアクチュエータ３２に接続することによって、地ならし機２２の作動及び移動を制御することができる。
【００１７】
計画及び制御モジュール３０内の計画装置６８、７０、７８、８０及び８２の各々はソフトウェアで実現でき、個別のデータプロセッサで実行することによって、地ならし機２２及びシステム２０内の構成部材の並行性をエミュレートすることができる。あるいは、計画装置６８、７０、７８、８０及び８２の２つ以上を同一データプロセッサで実行してもよい。計画及び制御モジュール３０は一般的に、実行すべきタスクと、その必要タスクをできる限り効率的に達成すべく地ならし機２２が行う動きとを決定するために、地ならし機２２及び掘削環境２６の状態に関するデータを必要とするソフトウェアモジュールを有している。掘削タスク全体、例えば「ある場所をその位置の基まで掘る」タスクは、一連のサブタスクに分解され、タスク全体が完了するまで、その一部が繰り返される。サブタスクで実行される機能には、効率的に実施するためのタスク全体の計画、サブタスクの計画、環境内の物体の認識とそれらの位置及び向きの決定、所望の掘削形状及び位置の生成、制御システムのパラメータの生成、及び所望の載荷場所の決定が含まれる。サブタスクは、タスクの進行を監視し、予期しない変化または状況が生じた時に、それに応じて調整を行うこともできる。
【００１８】
位置システム４４は、二次元または三次元空間での地ならし機２２の位置に関する情報を与える。慣性ジャイロ、レーザー、全地球測位システム（ＧＰＳ）、ＧＰＳ／レーザー結合装置及びレーダーを含むがこれらに限定されない様々な位置システム４４が本発明に使用するのに適している。一定の形式の位置システム４４、例えばＧＰＳシステムでは、位置センサは地ならし機２２から離れており、送受信器が位置センサに接続されて、位置データを受信器に送信する。受信器は計画及び制御モジュール３０にこのデータを送る。このデータは、位相差ＧＰＳ受信器を用いてＧＰＳセンサシステムから得た三次元位置情報を含むことができる。そのようなＧＰＳ受信器は、全地球測位衛星から送られた信号と共に、既知の位置座標の基準受信器を有する地域内基地局からの差分信号を用いて、位置座標データを既知正確度で生成する。
【００１９】
本発明に使用するのに適したセンサシステム２４の一部である左センサシステム４０の一例が図３に示されている。図示のように、左センサシステム４０は、地ならし機２２の運転室１５０の、破断して図示されてた部分に取り付けられている。左センサ４０は、軸線１６０回りに回転することができる距離測定センサ１５８に接続されたシャフト１５６を持つパンニング機構またはモータ１５４を有している。距離測定センサ１５８は、回転ミラー、すなわち反射鏡１６４に出力信号またはビーム１６２を送り、この反射器はそのビーム１６２を地ならし環境２６内の地形１６６に反射する。戻り信号またはビーム１６８が地形１６６から反射され、さらにミラー１６４で反射されて距離測定センサ１５８に戻る。ミラー１６４は、ミラー１６４を走査軸線１７４回りに回転させることができる走査モータ１７２のシャフト１７０に取り付けられている。走査モータ１７２は、距離測定センサ１５８に接続されたアーム１７６に接続されている。
【００２０】
距離測定センサ１５８で発生した出射ビーム１６２は、レーダー、赤外線、レーザーまたはソナー送信器に見られる所望の性能特徴を有することができる。そのような左センサシステム４０の好適な実施例として、走査レーザー距離計がある。左センサシステム４０は１２ｋＨｚのサンプル速度を有することができ、動力駆動されるミラー１６４は出射ビーム１６２を垂直面上で円形に掃引することができる。パンニングモータ１５４は毎秒１２０度までの速度でパンしてもよく、それによってビーム１６２をその方向に回転させることができる。地ならし環境２６の環境因子、例えば砂塵風または雪が、使用するセンサの形式の適合性を決定するであろう。ビーム１６８は、地ならし環境２６の距離マップを作成するために左センサシステム４０によって使用されて、左センサシステム４０の視界内の物体及び地形に対応した距離データを与える。また、走査方向を調節することによって、タスク及び地ならし環境２６の場所に応じてほぼ垂直または水平面付近の情報を与えることができる。一般的に、走査は垂直方向に行われ、センサシステム４０をもっと低速でパンしてもよい。
【００２１】
右センサシステム４２の構造及び作動は、左センサシステム４０のそれと同様である。使用する構成部材とタスク要求に応じて、走査速度を高めることも可能である。この情報により、地ならし環境２６の障害物を常に監視することができる。地ならし機２２の効率的な計画及び実施も、全視界情報を与える高走査速度の左右センサシステム４０及び４２によって容易になる。センサ４０または４２の視界及び走査パターンの各々を独立的に調節することによって、問題の区域のさらに高密度の走査を、従ってさらに詳細で正確なデータを与えることができる。レーダー、レーザー、赤外線及びソナーセンサに基づいたシステムを含めた他の幾つかの形式の走査センサシステムも、本発明に使用するのに適している。同一形式または異なった形式を組み合わせたセンサシステムからなる複数のセンサを本発明に組み込むこともできる。
【００２２】
次に図４を参照すると、掘削面２０４を感知するように左センサ４０及び右センサ４２が掘削機２０２のブーム２００の各側に配置され、被掘削物を受け取るようにダンプトラック２０６が掘削機２０２の近くに配置されている。掘削及び載荷サイクル中、計画及び制御モジュール３０は、左右センサ４０、４２にブーム２００と組み合わされたバケット２０８及び近接領域２１０を監視するように命令する。掘削機２０２の掘削作業が完了に近づくと、計画及び制御モジュール３０は左センサ４０に対してダンプトラック２０６の方にパンしてブーム２００の移動経路上の障害物を調べると共に、ダンプトラック２０６の位置及び向きを決定するように命令する。載荷サイクルが完了した後、掘削機２０２がブーム２００を掘削面２０４の方に戻す時、センサ４０及び４２の走査速度を掘削機２０２の回動と調和させることによって、障害物を十分に前もって検出し、それに対応または停止できる十分な時間を掘削機２０２に与えることができるようにする。
【００２３】
計画及び制御モジュール３０は、効率を改善するように左センサ４０及び右センサ４２を独立的に作動させることもできる。例えば、掘削機２０２がダンプトラック２０６の方へ旋回する時、右センサ４２が後退（すなわち、反対方向にパン）し掘削面２０４を走査して、次の掘削部分を計画するためのデータを与えることができる。同時に、左センサ４０がダンプトラック２０６の周囲の領域２１０を走査する。センサ４０及び４２が現在情報を計画及び制御モジュール３０に与えることによって、直前の載荷サイクルの後にダンプトラック２０６が移動した場合でも、計画及び制御モジュール３０はバケット２０８を空けるためのダンプトラック２０６内の適当な位置２１２を決定する。バケット２０８を空けている間、右センサ４２はバケット２０８付近及びその右側の領域を走査して、掘削面２０４の方へ回転する準備をする。掘削機２０２が右方向に回転する時、右センサ４２が前もって掘削面２０４の方へパンし、障害物検出の情報を収集して送る。掘削機２０２が放下後に掘削面２０４の方へ回転し始めた時、左センサ４０が後退してダンプトラック２０６内の土砂の分布を観察し、次のバケットを空ける荷台上の位置を決定する。バケット２０８が掘削面２０４付近に到着すると、右センサ４２が掘削面２０４を走査する。左センサ４０がダンプトラック２０６の走査を完了すると、計画及び制御モジュール３０は左センサ４０にも掘削面２０４を走査するように命令する。ダンプトラック２０６が満杯になるか、掘削が完了するまで、掘削処理の段階を以上に概略的に述べたように繰り返す。計画及び制御モジュール３０は左右センサ４０及び４２から与えられた情報を使用して、ダンプトラック２０６が満杯になるか、掘削が完了するか、障害物が検出された時などに作業を中止すべきかどうかを決定する。その情報は、地ならし機２２の移動を誘導するためにも使用される。センサシステム２４に接続されている感知アルゴリズムプロセッサ２８は、センサシステム２４から情報を受け取り、この情報を使用して物体を認識し、それの位置、大きさ及び地ならし環境２６内での向きを知る。センサ４０及び４２は地ならし環境内の３６０度全体について距離データを与え、そのデータは高速で更新される。
【００２４】
ホィールローダ２２０などの他の大型の地ならし機に用いられた本発明のさらなる用例が図５に示されている。ホィールローダ２２０は、土面２２２を掘ってダンプトラック２２４に空けるために使用される。左センサ２２６及び右センサ２２８がホィールローダ２２０の運転室２３０の各側に取り付けられている。他のセンサ（図示せず）をホィールローダ２２０の前、後、側部または他の位置に、またはホィールローダ２２０から離れた位置に配置することもできる。左センサ２２６及び右センサ２２８の役割及び作動は、掘削機２０２について以上に説明したものとほぼ同一であるが、重要な相違点として、左センサ２２６及び右センサ２２８からの情報が作業中のホィールローダ２２０の誘導にも使用される。ホィールローダ２２０はさらに、土砂２３４を土面２２２からすくい上げるために使用されるバケット２３２を備えている。土砂２３４をバケット２３２ですくい上げる時、左右センサ２２６及び２２８がバケット２３２及びそれに近接する領域２３６を監視する。従って、その領域２３６について障害物と共にバケット２３２の載荷状態を監視することができる。バケット２３２が満杯になった時、左右センサ２２６及び２２８から与えられる情報を使用し、ホィールローダ２２０が土面２２２に対して後退または接近移動する時にホィールローダ２２０の背後の領域を監視することができる。ホィールローダ２２０が後退する時、各センサ２２６及び２２８がホィールローダ２２０の左右の領域に関する情報を与えることによって、物体がホィールローダ２２０の経路を塞いでいる場合、十分な対応時間が得られる。ホィールローダ２２０が回動点に到達すると、それは方向を逆にし、バケット２３２を最上高さまで上昇させた時点でホィールローダ２２０が停止する。この期間中、右センサ２２８からの情報を使用して土面２２２の距離マップを構築し、それを使用して次の掘削を計画する。バケット２３２を最上高さまで上昇させた時、ホィールローダ２２０がダンプトラック２２４に対して接近または後退移動する際に、左右センサ２２６及び２２８はフロントホィールローダ２２０の各側を走査する。ホィールローダ２２０がダンプトラック２２４に接近した時、左センサ２２６及び右センサ２２８の両方からの情報を使用して、ホィールローダ２２０とダンプトラック２２４との間の隙間を監視する。バケット２３２を空けた後、両センサ２２６及び２２８は、回動点まで後退する時のホィールローダ２２０の背後を走査するために再び使用される。左右センサ２２６及び２２８は、ホィールローダ２２０が土面２２２に接近する時にはそれの前方の領域を走査し続ける。
【００２５】
また、ダンプトラック２２４の到達時に、左センサ２２６を使用してダンプトラック２２４を走査し、それによって得られた情報でダンプトラック２２４の位置及び向きを決定する。ホィールローダ２２０で掘削を行うのと同時に、右センサ２２８はダンプトラック２２４を走査している。ダンプトラック２２４に接近する毎に、両センサ２２６及び２２８を使用してバケット２３２とダンプトラック２２４との間の隙間を計算することができる。
【００２６】
図６及び図７を参照しながら、地形または地ならし環境２６の形状を削り取る一連の掘削点を計画する掘削点計画装置７０を説明する。図６は、図７に示されている掘削機３２０用の掘削点計画装置７０の好適な実施例の機能ブロック図を示している。掘削点計画装置７０は、センサシステム２４から送られる情報またはデータから地形マップ３００を作成する。地形マップ３００は、粗計画装置３０２及び精細計画装置３０４の両方に与えられる。粗計画装置３０２は、地形の地理及び地形の目標形状に関する情報を使用して掘削区域３０６の順序を計画する。掘削区域３０６を表すデータを精細計画装置３０４に送り、それがその区域に実施できる最良の掘削目標３０８を決定する。最後に、掘削目標３０８に基づき、閉ループコントローラ３１０によって掘削力及び位置が制御される。粗計画装置３０２は、多数の掘削点全体に均一な性能が確実に得られるようにする。精細計画装置３０４は、到達し易さや衝突などの地理的制約に適合すると共に容積、エネルギ及び時間を含めた費用関数を局部的に最適化する掘削点を選択する。
【００２７】
掘削点計画装置７０によって計算された除去方法が、図７に示されている。特に、各ボックス３２２が掘削区域３０６を示し、各ボックス３２２内の数字が、各区域３０６を精細計画装置３０４に送る順序を表している。この方法では、左から右へ、上から下へ除去が行われる。この特別な方法には幾つかの理由がある。ほとんどの場合、掘削機３２０の運転室が掘削機３２０の左側に位置するので、オペレータは遮られることなく掘削領域３０６を見ることができる。左から右へ掘削することによって、掘削機３２０は、土砂をダンプトラックまで旋回させる時に土砂に触れないように通り抜けることができる高さまでバケット３２４、スティック３２６またはブーム３２８を上昇させる必要がない。上から下へ掘削する場合、上側の土砂の重量に逆らって作業する必要がないため、バケット３２４、スティック３２６またはブーム３２８が必要とする力は小さくなる。
【００２８】
載荷点計画装置６８は、バケットに入った土砂をダンプトラックまたは他の容器に空ける場所を計画するために使用される。載荷点計画装置６８は、トラックまたは容器内にすでに入っている土砂の形状と土砂の所望分布とを考慮して、次の土砂を放下する最適位置を決定する。また、トラックに均一状態で満杯に載荷することが望ましい。感知アルゴリズムプロセッサ２６は、容器内の土砂の載荷に関する載荷マップを作成し、載荷点計画装置６８に組み込まれたデータ処理手段に送る。次に図８ないし図１０を参照すると、図８は特に、ダンプトラック２０６（図４）の一部であるダンプトラック荷台３５０を示しており、それに掘削された土砂３５２が保管されている。載荷点計画装置６８はテンプレートに基づいた方法を用いて、トラック荷台３５０内で土砂の分布が低い領域を粗状態に見つけだす。図９に示されている載荷マップ３５４は、トラック荷台３５０内に分布した土砂３５２に対応するか、それを表しており、センサシステム２４を使用して一般的に得られるか、作成される。載荷マップ３５４はセル３５６を含み、一般的な載荷マップ３５４は５００個程度のセル３５６を含むことができる。載荷マップ３５４は、簡単なガウスフィルタを使用して処理または平滑化され、センサシステム２４が捕捉したノイズを除去する。平滑化された載荷マップが、図１０に示されているテンプレート３５８として現れる。テンプレート３５８は、容器またはダンプトラック荷台３５０内の土砂すなわち土砂の分布の理想的分布パターンである。テンプレート３５８に様々な形状を選択でき、高さデータはデジタルコンピュータに事前にプログラムしてもよいが、ユーザ入力に基づいて対話式に計算してもよい。所望の載荷分布用のテンプレート３５８は、単純なパターンからもっと複雑なパターンに変更することもできる。テンプレート３５８を使用して、ダンプトラック荷台３５０に均一に載荷するために土砂を放下する場所を決定することができる。
【００２９】
さらに、ダンプトラック荷台３５０内に堆積した土砂の閉塞が重大な問題であることがわかっている。この問題に対応するため、またむしろトラック荷台３５０内に見えない領域が無いと仮定しないで、載荷点計画装置６８は載荷マップ３５４内の見えないセル３５６に、既知セル３５６の平均高さを当てる。その結果、感知された土砂分布が最初は若干不正確になるが、多くの土砂がトラック荷台３５０に載せられるのに伴ってこれは軽減され、載荷マップ３５４が更新される。
【００３０】
載荷動作計画装置８０は、少なくとも１つのパラメータを含んで複雑な自動的動作をほぼ定める事前記憶命令を使用して、地ならし機２２の複雑な自動的動作を制御する。載荷動作計画装置８０は、事前記憶命令の実行中に各パラメータの値を決定し、先の作業サイクルの結果に基づいてパラメータを変更する学習アルゴリズムを含むことによって、地ならし機２２の性能を所望結果にさらにうまく適合させるようにしてもよい。必要に応じてパラメータを使用して、実施された作業または地ならし環境２６の変化の結果として複雑な自動的動作を変化させることができる。例えば、地ならし機２２が実施する複雑な自動的動作は、機械の周囲の物体の動き、位置及び向きによって影響される場合がある。また、地ならし機２２が、１つの場所から別の場所への土砂の移動を含む作業を実施する時、開始位置または目的地のいずれかが変化して、動作の変更が必要になるであろう。地ならし機２２か、地ならし機２２から離れた場所に取り付けられたセンサシステム２４を使用して、開始点及び終了点を検出することができる。複雑な自動的動作の効率を最大にするように、命令内のパラメータを変更することができる。例えば土砂が載せられた時からその土砂をトラックに降ろすまで、アームを迅速かつ効率的に動作させるべく、地ならし機２２の様々なリンク機構の移動をいつ開始するかを決定するために、命令にパラメータを含むことができる。
【００３１】
計画及び制御モジュール３０は、指定されたタスクを完了するために地ならし機２２が必要とする動作を決定する。タスクを効率的に完了するために、計画及び制御モジュール３０は、それぞれの動作コマンド組に対する地ならし機２２の応答を予め決定している。計画及び制御モジュール３０の出力を地ならし機コントローラインターフェース１００に送って、地ならし機２２のアクチュエータ３２を移動させるために、１つまたは複数の油圧ポンプを駆動することができる。２つ以上のアクチュエータ３２を１つの油圧ポンプで駆動する時、計画及び制御モジュール３０が要求する速度ですべてのアクチュエータ３２を駆動するだけの十分な油圧がない場合がある。アクチュエータ３２の非線形応答と、アクチュエータ３２によって駆動される可動部品の移動との最適組み合わせを決定するために、地ならし機２２用のコントローラは、線形動的システムとしてモデル化されている。アクチュエータ３２の非線形応答は、アクチュエータ３２及び油圧システムの内部変数の関数であるルックアップテーブルを使用してモデル化することができる。ルックアップテーブルに送られる入力変数の数は、１つのポンプで駆動されるアクチュエータ３２の数に比例している。センサシステム２４は、スプール弁位置やシリンダ力などの変数を含む各アクチュエータの内部状態に関するデータを与える。これらの変数は、アクチュエータ３２の各々に関連した拘束表面を表すデータを含むテーブルに索引を付けるために使用される。拘束表面は事前に決定され、同一ポンプによって駆動される他のアクチュエータの状態によって決まる。
【００３２】
センサ動作計画装置７８は、作業サイクル中の地ならし機２２の進行の関数として、センサシステム２４の走査パターン及び走査速度を案内するために使用できる動作スクリプトを有している。センサ動作計画装置７８は、位置及び／または速度コマンドをセンサシステム２４に送ることができる。センサ動作計画装置７８は、左センサインターフェース４８または右センサインターフェース５０などのセンサインターフェースを介して、センサシステム２４の実際の状態に関する情報を得ることができる。
【００３３】
障害物検出器８４は、センサのデータと地ならし機２２の未来状態の予測を使用して、提案されている移動経路上に障害物が存在するかどうかを決定する。障害物が存在する場合、障害物検出器８４は障害物を迂回する経路を計画し、計画された動作を実行し、載荷作業または掘削作業の実施などの制御を計画及び制御モジュール３０に戻す。センサシステム２４が地ならし機２２の動きより十分に先に走査し、予測が十分な未来まで行われ、地ならし機２２が完全に停止するか、障害物を迂回できる十分な時間及び空間があることが重要である。先取り距離は、地ならし機２２の速度の関数である。地ならし機２２の位置の予測は、地ならし機２２の閉ループ動特性の単純化モデルを使用して決定される。センサシステム２４は、障害物検出器８４に地ならし環境２６に関するデータを距離データの形で与える。距離データを処理して、格子状の高度マップを作成する。マップは地ならし機２２を中心にしており、地ならし機２２の各移動の前に作成される。高度マップ内の各格子は、そのセルに入る最高データ点の高さを含み、高度マップは地ならし機２２付近の地点の地ならし環境２６の高さの無難な予想値を与える。
【００３４】
さらに、約１００ミリ秒の各サイクル中に、障害物検出器８４は地ならし機２２に関連した様々な構成部材の位置及び速度、例えば図７に示されているような掘削機３２０のバケット３２４、スティック３２６及びブーム３２８の位置及び速度を決定する。この情報が収集されると、障害物検出器８４は様々な構成部材の経路を予測するシミュレーションを開始する。障害物検出器８４は地ならし機２２の状態を十分に未来まで予測して、潜在的衝突を検出して地ならし機２２を停止させる。最大角速度が毎秒約５０度の地ならし機２２の構成部材の動作をシミュレートする時、地ならし機２２の構成部材が高度マップ内の１つの格子セルの幅を超えない程度に移動するように、シミュレーション速度が選択される。一般的なシステム２０では、シミュレーション時間段階が０．１ミリ秒より短く、各１００ミリ秒サイクル中のシミュレーションに必要な全計算時間は２ミリ秒未満である。
【００３５】
各シミュレーション時間段階で、地ならし機２２の構成部材の簡単な幾何学的表象が部材の予測角度に基づいて計算される。この幾何学的モデルは一連の点で構成されており、各点が位置する格子セルを計算し、その点の高さをセルに記憶されている高さと比較することによって、その点が障害物と衝突する可能性を調べる。その点の高さがセルの高さに安全保留分を加えた高さより小さい場合、システム２０に潜在的な衝突の可能性が通知され、緊急停止コマンドが発生する。
【００３６】
衝突を予測するためには、地ならし機２２が移動中の地ならし環境２６のデータを、高度マップが含む必要がある。これを確実にするために、センサシステム２４は十分に前もって、すなわち先取りしてパンすることによって、シミュレーションプロセスが地ならし機２２を停止させるための十分な情報またはデータを有するようにしなければならない。先取り計算には、センサシステム２４に関する２つのパン角度が関係している。先取り角度である第１パン角度は、センサシステム２４または走査センサ４０及び４２が地ならし機２２の構成部材の旋回移動中にパンしなければならない最大角度である。トリガ角度である第２角度は、地ならし機２２の構成部材の旋回移動が開始される前に走査センサ４０及び４２が達していなければならない角度である。これらの角度は、オフラインで計算でき、ルックアップテーブルに記憶することができる。障害物検出器８４が旋回コマンドを決定した後、障害物検出器８４はルックアップテーブルから先取り及びトリガ角度を決定する。掘削または放下作業が完了する前にトリガ角度に到達するために、走査センサ４０及び４２は掘削または放下作業中にルックアップテーブルから得られた角度までパンする。
【００３７】
障害物検出器８４は、物体または傷害物が予想外に地ならし機２２に接近しているかどうかも決定する。これを行うために、障害物検出器８４はセンサシステム２４から距離データを収集し、暫定高度マップを作成する。暫定高度マップは最新高度データを保持し、定期的に蓄積高度マップと比較する。セル高度の増加は移動物体の存在を表すことができ、減少は物体または障害物の位置が変化したことを表すであろう。暫定高度マップは、各セルの高度やセルの特殊な性質を表す状態フラグなどのデータを含んでいる。暫定マップを初期化して、各セルの状態フラグを空にする。センサシステム２４からデータを受け取った時、データ点を暫定高度マップと照合し、必要に応じて補間点を計算する。各セルは、センサの誤った読取りの影響を最小限に抑えるために１つの最高点は捨てて、そのセル内の２つの最高点の高さを記憶する。データ点がセル内にある時はいつも、セルの状態フラグがセット状態に、またはデータ点が補間されてセルが前は空であった場合には補間状態に変わる。セルが前は空であると表されている場合だけ、セルの高さを設定するために補間点が使用される。感知された実際のデータ点が常に補間データに基づいたセル高さをオーバーライドする。これは、視点妨害（occlusion）が前の実際のセル高さより高い補間セル高さを発生するのを妨げる。暫定マップセルが空状態から設定または補間状態に変化する毎に、それが変更セルリストに加えられる。これによって、変更されたセルへのアクセスが速くなり、これらのセルを蓄積マップに併合することができる。
【００３８】
蓄積高度マップは、暫定マップの変更セルから漸増的に形成される。暫定マップの各変更セルを蓄積マップ内の対応セルと比較して高さ変化を検出し、蓄積マップ高さを更新することができる。蓄積マップと比較する前に暫定マップ全体を完成することも可能であるが、これによって移動物体の検出の待ち時間が相当に長くなるであろう。代わりに、蓄積マップはデータを受け取った暫定マップの小部分と比較される。これによって待ち時間が相当に短縮され、マップの更新が半秒毎に行われる。
【００３９】
地ならし機コントローラインターフェース１００は、地ならし機２２に関連した可動部材の動作に連結するコントローラと、計画及び制御モジュール３０との間のインターフェースである。地ならし機コントローラインターフェース１００は、例えばラジアンで表されたコマンドを、地ならし機２２内の１つまたは複数のコントローラで必要とされる形式に翻訳する。可動部材の位置及び速度、シリンダ圧力、及び機械２２の位置及び向きを含めた機械２２の実際の状態に関する情報が、地ならし機２２のセンサ４０及び４２から地ならし機コントローラインターフェース１００に送られる。
【００４０】
以上に記載した計画装置、モジュールまたはプロセッサは、地ならし機２２の自律制御を行うためのシステム２０の好適な実施例を示している。変更形の地ならしタスクは、上記のものに追加されるか、それに代わる１つまたは複数の計画装置、モジュールまたはプロセッサを必要とする場合もある。本発明の重要な態様は、多くの形式のタスク及び地ならし機の特定要件を満たすように適合させることができることにある。本発明に関連したセンサ４０及び４２のロジック部分、感知アルゴリズムプロセッサ２８及び計画及び制御モジュール３０は、コンピュータソフトウェア、ファームウェアまたはハードウェアあるいはそれらの組み合わせで実現することができる。データを部材間で転送するための適当な手段、例えばデータバス、無線、衛星、赤外線またはケーブル送受信手段を使用することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上に記載した発明は、油圧掘削機２０２またはフロントホィールローダ２２０などの複数の可動部材を有する地ならし機２２の自動化に有用である。多くの状況において、地ならし機２２は土面の掘削などの高負荷状態で迅速に作動しなければならない。本システム２０は、センサシステム２４と計画及び制御モジュール３０とを調和させる共に、追加のセンサシステム２４、感知アルゴリズムプロセッサ２６及び計画及び制御モジュール３０を補助するモジュラー構造を使用することによってシステム２０を成長させることができる。本システム２０では、さらに掘削処理の開始時及び作業中を通して、センサシステム２４がデータを与え、そのデータからダンプトラックまたは鉄道車両などの載荷容器の位置及び寸法及び掘削する土砂の位置及び形状の情報を決定することができるため、地ならし環境２６の事前知識を必要としない。
【００４２】
本発明に従った自動地ならし機２２の例が、図４には土砂、石または他の物質（これらを土砂と総称）を１つの場所から別の場所へ、例えば掘削面２０４からダンプトラック２０６へ移す掘削機２０２として、図５には土砂を土面２２２からダンプトラック２２４へ移すフロントホィールローダ２２０として示されている。土砂を移動させる時、地ならし機２２の可動部材、例えば掘削機２０２のブーム２００及びバケット２０８や、フロントホィールローダ２２０のバケット２３２の位置が変化するであろう。また、ダンプトラックは寸法、正確な位置及び地ならし機２２に対する向きが変化するであろう。そのような変化をすべて考慮に入れることによって、土砂を開始場所から載荷容器へ最小量のこぼれで移す際の効率を最大にすることができる。
【００４３】
図４及び図５は、一般的な掘削現場を示している。掘削機２０２及びホィールローダ２２０が自律作動するために、それらの移動領域内での物体及び障害物の位置及び地形の掘削位置がわからなければならない。従って、センサシステム２４は、移動領域付近の物体の位置に関する現在情報を十分に前もって与えることによって、掘削機２０２及びホィールローダ２２０に十分な対応時間を与えることができる。
【００４４】
本発明を掘削及び載荷作業用の掘削機２０２及びホィールローダ２２０に適用した例は、本発明の有用性を示している。システム２０を組み込むことができる他の多くの用例、例えばフォークトラック、鉱山機械、建築機械及び農業用機械がある。
【００４５】
本発明の他の態様、目的及び利点は、図面、開示内容及び請求項を読めば明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成された自律掘削システムの機能ブロック図である。
【図２】本発明に従って構成された自律掘削システムのさらに詳細なブロック図である。
【図３】本発明に使用されている走査センサの構成部材の側面図である。
【図４】本発明の自律掘削システムを組み込んだ掘削機及び掘削現場の上面図であり、掘削機が掘削面の上方に位置し、ダンプトラックが掘削機のバケットのリーチ内に位置している。
【図５】本発明の自律掘削システムを組み込んだフロントホィールローダ及び掘削現場の上面図であり、フロントホィールローダが掘削面の前方に位置し、ダンプトラックがフロントホィールローダの側部に沿って位置している。
【図６】自律掘削システムの一部である掘削点計画装置の機能ブロック図である。
【図７】本発明の自律掘削システムを組み込んだ掘削機及び掘削現場の斜視図であり、掘削機が掘削面の上方に位置している。
【図８】土砂を満載したダンプトラックの荷台の斜視図である。
【図９】図８に示されているトラック荷台内の土砂の分布のグラフ表示である。
【図１０】図９に示されているグラフ表示の平滑化したグラフ表示である。
【符号の説明】
２０  自律掘削システム
２２  地ならし機
２４  センサシステム
２６  地ならし環境
２８  感知アルゴリズムプロセッサ
３０  計画及び制御モジュール
３２  アクチュエータ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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