JP2019167720A - 建設機械の自動制御システム - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (4)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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