安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020
報 告

建設機械の自動運転システムの開発と現場実証
武石 学 *1・千野雅紀 *2
就労者数の減少や高齢化が進んでいる建設業では，省人化・省力化といった施工の効率を高める技術開発が期待されている。その中でもダム，造成工事など重機土工の現場では，オペレータへのなり手不足により，これまで以上に施工の効率化が求められている。施工の効率を高める技術として，ICTを活用した建設機械の自動運転技術が注目されている。自動運転により特定の作業を自動化することで作業場所を無人化し，自動化した複数台の建設機械を1人で管理することができれば生産性の向上が大いに期待できる。
筆者らは，建設機械の自動化の第一歩として振動ローラとブルドーザの自動運転システムを開発し，現場での実証運転を行った。
キーワード： 建設機械，自動運転，省力化，省人化て自動で走行および転圧の動作を行うこととなる。

１．はじめに

２．
２ 振動ローラ本体の改造

就労者の減少や高齢化が進んでいる建設業では，施工技術の継承や効率化に向けた対応が求められている。ま自動運転を行うにあたり，振動ローラの操作系の改造た，他産業と比較しても多い労働災害を減少させるためと各種センサの搭載を行った。改造した振動ローラを写の対策も望まれている。当社はこれらの対応策として，

真 -１に示す。

ICT を活用した建設機械の自動運転システムの開発に取(1) 振動ローラの無線操縦化り組んでいる。建設現場での施工は，複数種の建設機械制御用 PC から指令を受けて，振動ローラを動かすたを使用して行う必要があり，これらが連携しながら自動めに，電磁弁を追加して電気信号で油圧バルブを駆動す運転で施工を進めることで生産性，安全性が向上するもるようにした。のと考えられる。そこで，振動ローラとブルドーザの自(2) 各種センサの搭載
振動ローラの位置を把握するために，GNSS および方位動運転システムを開発し 1),2),3),4)，振動ローラについて計を搭載した。また，操舵角を算出するために屈曲シリンは現場での実証実験を行ってきた。本報告では，開発しダストローク計，安全な姿勢で走行するために，車体の傾た自動運転システムの概要と精度確認および，現場実証斜や加速度を計測するジャイロセンサを搭載した。ステレ

実験について述べるものとする。

オカメラによる安全装置を装備しており，設定範囲内に近づいた人を検知した場合は自動的に運転を停止する。
また，

２．振動ローラの自動運転システムの開発取得したセンサ情報の制御用 PC への送信，および制御用PC から制御指令を受信するための通信機器を搭載した。

２．
１ システム概要
振動ローラは土工事やコンクリートダムなどの転圧作業で用いられるが，今回はダム現場におけるコンクリートの締固めを対象とし，コンクリート用の振動ローラ（酒井重工業 SD451）をベースマシンとして開発を行った。
本システムは遠隔地から操作指令を出す制御用コンピュータ（以下，制御用 PC という）と各種センサを搭載した振動ローラにより構成される。制御用 PC に搭載した自動運転プログラムで，自動運転のための操作指令を作成する。振動ローラが操作指令を受信し，指令にしたがっ*1 先端・環境研究部

写真 -１*2 先端技術開発部

1

振動ローラと搭載機器安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

２．
３ 自動運転プログラム
制御用 PC の自動運転プログラムは，施工条件（施工範囲・加振の有無・転圧回数）を入力することで，走行経路を算出するものである。制御用 PC から自動運転開始の指令を振動ローラに送信すると，算出した走行経路上を走行するように車体を制御し，指定回数の転圧を自動で行う。
施工範囲の設定は，1 レーン目の始点と終点の座標，施工幅を入力することで行う（図 -１）。設定された施工範囲に対して，自動運転プログラムは，転圧作業のた

図 -３

自動運転の制御画面

写真 -２

自動運転の実験状況

めの走行経路（走行レーンやレーンチェンジの位置など）を自動で算出する。
自動運転の全体フローを図 -２に，自動運転中の制御画面を図 -３に示す。

施工幅
終点

施工範
囲

２．
４ 動作状況の確認
開発した自動運転システムの動作状況と走行精度を確認するための実験を行った（写真 -２）。動作状況の確認では，システムの立ち上げ，制御用 PC と振動ローラとの通信接続，前進，後進，加振など基本的な機能と動始点
図 -１作を個別に確認した。それらの作動を確認した後に，シ施工範囲の設定ステムの起動から直進走行およびレーンチェンジを含めた一連の動作を自動で行い，システムが設計通りに動く開始ことを確認した。

施工条件入力２．
５ 実験概要走行経路生成走行精度の確認実験を直進走行およびレーンチェンジ
走行の 2 つの走行動作について行った。直進走行では，自動運転開始指令

直線 30m を走行した際の精度を確認した。このとき走行中の位置座標を GNSS で取得して，目標とする走行経路無振転圧※からの誤差を算出することで精度の確認を行った。なお，この場合の誤差は左右の区分のない絶対値である。

有振転圧※

レーンチェンジ走行では，幅 2.1m のレーンチェンジ

施工範囲内の転圧完了を行った際に算出した走行経路にしたがって走行していYesるかを確認した。

Noレーンチェンジ

２．
６ 実験結果(1) 直進走行精度の確認
直進走行の実験結果を表 -１に示す。自動運転での平終了
図 -２

※指定回数

均誤差は 68 mm で最大誤差は 249 mm であった。実際の施自動運転フロー工では，漏れのない転圧を行うために走行レーンのラップ

2

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

幅を考慮して 100 mm 以下の走行精度で直進走行を行うこ本システムは遠隔地から操作指令を出す制御用 PC ととが求められる。今回の実験では，自動運転での最大誤各種センサを搭載したブルドーザにより構成される。制差では実用の基準となる 100 mm を超えているが，平均誤御用 PC と自動運転プログラムからなるシステム機器構差では 100 mm 以下となっていることから，実用レベル上成と操作指令の方法は，ともに振動ローラの自動運転シほぼ問題のない走行精度を有しているといえる。最大誤ステムと同様である。

差は自動運転プログラムの制御設定値やシステム機器構

３．
２ ブルドーザ本体の改造成を見直すことで小さくすることができると考えている。
また，経験年数 18 年の熟練オペレータと経験年数が自動運転を行うにあたり，ブルドーザの操作系の改造

1 年に満たない非熟練オペレータ（2 名）が，それぞれと各種センサの搭載を行った。改造したブルドーザを写運転した場合の軌跡を取得し，走行精度を比較した。走真 -３に示す。以下に改造の具体的内容を示す。

行精度は熟練オペレータが一番高く，平均誤差は 46 mm

制御用 PC から指令を受けて，ブルドーザを動かすたであった。また，非熟練オペレータは平均誤差は 87 mm

めに外部からの操作指令を受け入れるように操作レバーおよび 93 mm であった。自動運転の精度は熟練オペレー部分を改造して無線操縦化した。
また，ブルドーザの位置，方位を把握するために 2 台タには劣ったものの，非熟練オペレータより高い精度で走行できることを確認した。の GNSS アンテナを搭載した。さらに，ブレードの上下(2) レーンチェンジ走行精度の確認

位置を算出するためのシリンダストローク計と安全な姿

レーンチェンジ走行を行った際の軌跡を図 -４に示勢で走行するために車体の傾斜や加速度を計測するジャす。曲がり始める部分で入力値と走行軌跡の差が最大イロセンサを搭載した。

165 mm 見られるが，レーンチェンジは概ね入力した走行加えて，取得したセンサ情報の制御用 PC への送信，経路にしたがって行われていることが分かる。この走行および制御用 PC から制御指令を受信するための通信機の目的は転圧の完了したレーンから次のレーンに移動す器を搭載した。

ることであり，十分な精度を確保しながらレーンチェン

３．
３ 自動運転プログラム

ジを行っていることが確認できた。

本自動運転プログラムは，施工範囲と撒き出し対象土

３．ブルドーザの自動運転システムの開発

砂の位置，押土方法を制御用 PC で入力して設定することで走行経路を自動的に生成し，施工範囲内で生成した経

３．
１ システム概要路にしたがって走行するように車体を制御して自動運転

開発対象としたブルドーザは CAT 製の D6T である。撒を行うものである。ここで施工範囲は，始点と終点の 3 次

き出し動作を行うためのブレード操作は，ブルドーザに元座標，施工幅を入力することで設定する。土砂山の位

オプション搭載されている MC 機能を用いた。

置は，基点となる 1 つ目の土砂山の位置を 3 次元座標で表 -１

入力し，個々の土砂山の間隔を入力することで格子状に直進走行精度の確認実験結果
平均誤差[mm]

標準偏差[mm]

最大誤差[mm]自動運転

6844249

熟練オペレータ4626129

非熟練オペレータA

8754250

非熟練オペレータB

9381441。自動運転の全体フ運転を開始することとなる（図 -５）ローを図 -６に，自動運転中の制御画面を図 -７に示す。
自動運転用GNSSアンテナ
MC用GNSSアンテナ
データ通信機器2.1

レーン幅 方向の 走行距 離[m]配列される。任意の土砂山の番号を指定することで自動1.8

傾斜計

1.5
1.2
0.90.6

目標軌跡

0.3

振動ローラ軌跡

0-0.3 02468101214進行距離

図 -４

シリンダストローク計

16[m]

レーンチェンジ走行軌跡

写真 -３3ブルドーザと搭載機器

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３．
４ 実験概要施工幅

終点

自動運転における走行精度と撒き出した土砂の広がり
36912形状を計測する実験を行った（写真 -４）。
ブルドーザでの作業を想定し，土砂を押さない無負荷

2

58

土砂
撒き出し位置1411施工範
囲での走行（ブルドーザ転圧）と土砂を押してブレードに負荷がある状態で土砂を乗り越える走行（撒き出し作業）間隔B7で実験を行った。15 m 程度走行する際の位置を GNSS で10取得し，目標となる走行経路と実際にブルドーザが走行間隔Aした軌跡のずれ量を計算で求めた。精度計算においては，始点ずれ量は絶対値を用いることで左右の区別をなくした。
図 -５

施工イメージ

走行精度の評価指標として平均ずれ量と標準偏差，最大ずれ量を用いることとした。

開始

自動運転における押土方法を確認するために，撒き出した土砂の広がり形状を計測する実験を実施した。具体

施工条件入力土砂撒き出し位置
走行経路

的には，5 m3 および 12 m3 の土砂を異なる複数の押土方法で撒き出し，撒き出した土砂の形状を計測した。なお，の算出

この実験では押土方法を変化させ，撒き出した土砂の形状に違いが生じるかを比較することで，土砂山の配置や走行経路の最適値を確認することを目的としている。

自動運転開始指令

３．
５ 実験結果自動走行
撒き出し作業(1) 走行精度の確認
走行実験の結果を表 -２に示す。ブルドーザ転圧の平図 -６

終了

均ずれ量は 88 mm，最大ずれ量は 373 mm であった。撒き自動運転フロー出し作業では平均ずれ量は 119 mm，最大ずれ量は 530 mmであった。ブレードに負荷がある撒き出し作業の方が平均ずれ量も最大ずれ量も大きくなった。転圧走行軌跡の一例を図 -８に示す。
ブルドーザ転圧では締固め管理のブロックサイズは250 mm となっており 5)，走行レーンごとの左右の誤差を加
表 -２
運転モード

図 -７ブルドーザ転圧
撒き出し作業

自動運転の制御画面

走行精度の確認実験結果
平均ずれ量 標準偏差 最大ずれ量
[ m]
[ m]
[ m]
0.088
0.062
0.373
0.1190.065
0.530

12 [ｍ]

10864

ブルドーザ転圧走行軌跡

2目標走行経路[ｍ]00

写真 -４

自動運転の実験状況

45101520

図 -８

自動運転走行の軌跡

25

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味すると，走行精度は 125 mm 以下である必要がある。こ度や位置を変えて押土した。異なる押土パターンにおけれに対して開発した自動運転システムでは，ブルドーザる撒き出し後の土砂形状を重ね合わせ，重複する部分の転圧と撒き出し作業のいずれも 125 mm を下回っており，面積（S0）を算定し，それぞれのパターンで広がった撒実施工への適用にほぼ問題のない走行精度を有している

き出し後の土砂の面積（S1 ～ 3）で除した値を重なり率とと言うことができる。

定義し，評価指標とした。

(2) 撒き出し土砂の広がり形状確認
撒き出し実験の計測結果の例を図 -９に示す。本実験

重なり率では，大別して 3 種類のパターンとなる押土方法で，角9その結果，重なり率の平均値は 5 m3 で 75.1 %，12 m3 で[m]は 82.0 % となった。押土方法によらず撒き出された土砂
撒き出し方向6の形状は 75 % 以上で一致しており，押土パターンの違いによる土砂の広がり方への影響は小さいものと考えられる。これは今回の実験においては，3 種類のパターンで3ﾊﾟﾀｰﾝ1

角度や走行位置を変えて押土を行っても，撒き出し後のﾊﾟﾀｰﾝ2

重複部分

ﾊﾟﾀｰﾝ300369

土砂形状には大きな差異が生じていないことから，その1215[m]他の要因が支配的であることを示している。このことから，土砂山の配置や走行経路の最適値の検討において，土砂の性状や形状の違いによる影響を別途確認することが必要であると考えられる。

４．現場実証図 -９

撒き出し土砂形状(1) 実証概要
開発した自動運転システムが現場で問題なく使用できる安定性，精度を有していることを確認するため現場実証実験を行った（写真 -５，６）。実験は振動ローラの自動運転システムを用いて，造成現場で実施した。実証内容としては，転圧作業の実施工を 600m2 自動運転で行い，システムの安定性と直進走行の精度を確認した。
(2) 実証結果
実証実験は振動ローラと制御用 PC との距離が最大100m 程度離れた状態で行ったが，通信や自動運転のシ

写真 -５

ステムも安定して動作しており，運用上の問題は生じな自動運転による施工状況かった。また，施工範囲を 3 次元座標で設定することで，走行ルートの自動生成と指定回数での転圧作業が問題なく行えることも確認した。走行精度は平均ずれ量で122 mm と以前に実施した走行精度の確認実験 1) での平均ずれ量 68 mm と比べて低下しているが，実用レベル上ほぼ問題のない走行精度を有していることを確認した。なお，今回の実験で走行精度が低下した原因としては，以下のことが考えられる。
以前に実施した走行精度の確認実験では，走行路盤が比較的締まっていたが，実施工では撒き出し後の締まっ
写真 -６

遠隔地からの自動運転監視ていない路盤を走行することから，路盤状態の違いによ5安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

参り振動ローラは走行中に様々な方向に傾斜することとな考文献る。加えて，GNSS アンテナはキャビン屋根上にあるため，

１）千野雅紀，武石学：振動ローラの自動運転システム

傾斜の影響から実際とは異なる車両位置を示して走行精に関する実験報告，土木学会第 73 回年次学術講演度に影響を与えたと考えられる。この傾斜に応じた車両

会講演集，VI-701，2018２）千野雅紀，武石学：ブルドーザの自動運転システム

位置の補正を行うことで，正しい車両位置が算定できるに関する撒き出し実験報告，土木学会第 74 回年次ようになり，走行精度が向上するものと考えている。

学術講演会講演集，VI-357，2019３）武石学，千野雅紀，永井裕之，西尾竜文：ICT を活５．まとめ用した建設機械の自動運転システムの開発と現場実証，土木建設技術発表会 2019，I-02，2019

振動ローラとブルドーザの自動運転システムを開発し，走行精度および撒き出し土砂形状に関する実証実験

４）千野雅紀，武石学：振動ローラの自動運転システムを行い，実用レベル上ほぼ問題のない走行精度を有しての開発と現場実証，建設機械，2020.1，p61，2020いることを確認した。また，撒き出し方法については，

５）国土交通省：TS・GNSS を用いた盛土の締固め管理要領，pp.22-24，2019

押し出す方向などを変化させても撒き出し形状への影響が小さいことを確認した。
現在は建設機械ごとの単体の自動運転システムであるが，今後は複数種類の自動化建設機械の連携技術について開発を行っていく予定である。さらに，新しい品質管理手法と組み合わせたシステム開発にも取り組んでおり，生産性と品質の向上を目指すことで，より大きな生産性の向上を図れるものと考えている。

Development of automatic operation system for construction machinery and field demonstration
Manabu TAKEISHI, Masaki CHINO

In the construction industry, where the number of workers is decreasing and the population isaging, technological development is expected to improve construction efficiency, such as time andlabor saving. As a technology to improve the efficiency of construction, the automatic operation
technology of construction machinery using ICT is drawing attention. If a work place can beunmanned by automating a specific work through automatic operation and multiple automatedconstruction machines can be managed by one person, a great improvement in productivity can beexpected. We developed an automatic operation system for vibrating rollers and bulldozers as thefirst step in automating construction machinery, and conducted demonstration operations on site.

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