JP2020033704A

JP2020033704A - 作業機械

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Publication number: JP2020033704A
Application number: JP2018158533A
Authority: JP
Inventors: 拓久哉中; Takuya Naka; 坂本　博史; Hiroshi Sakamoto; 博史坂本
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2038-08-27
Also published as: JP7023813B2

Abstract

【課題】作業機械に設置された地形計測装置によって地形形状を計測する際の手間を省略しつつ、高精度な計測データを取得する作業機械の提供する。【解決手段】作業機械は、機械本体及びフロント作業機を備え、フロント作業機の姿勢を検知する姿勢センサからの出力に基づいて、機械本体及びフロント作業機の位置及び姿勢を取得し、フロント作業機の位置及び姿勢に基づいてフロント作業機が周辺地形に対して施工作業を行った周辺地形上にある作業領域の位置を特定する。地形計測装置の機械本体における取付位置及び取付方向と機械本体の位置及び姿勢とに基づいて、地形計測装置を起点とし地形計測装置の検知限界までを包含する３次元形状からなる地形計測装置の検知範囲を算出し、検知範囲内に作業領域が存在し、かつ検知範囲に遮蔽物がない場合に作業領域の検知が可能と判定し、可能と判定した場合にのみ、地形計測装置から取得した計測データをモニタに出力する。【選択図】図５

Description

本発明は作業機械に係り、特に作業機械の施工に伴う地形変化を検出するための、現況地形を高頻度かつ高精度に計測する技術に関する。

作業機械においては、工程管理や品質管理を行うために、作業中の地形変化や作業機械の動きを記録する要求が高まっており、建設現場の施工作業によって生じる地形変化を高頻度に高精度に検出する技術が要求されている。地形変化を検出する技術の一例として、特許文献１には「撮像装置の画角外に作業機を移動させるステップと、作業機を撮像装置の画角外に移動させた状態で、作業機が作業を行う作業領域を撮像装置により撮像するステップと、撮像された作業領域の画像データを生成するステップと、を備えている（要約抜粋）」画像データ生成方法が開示されている。

また特許文献２には、「本発明の実施例に係るショベルは、掘削アタッチメントと、二次元走査型距離計測装置と、二次元走査型距離計測装置の出力に基づいて地形を検知するコントローラとを備える。二次元走査型距離計測装置は、走査面を含む平面が掘削アタッチメントの作業空間範囲ＷＳを幅方向に分割するように取り付けられる（要約抜粋）」建設機械が開示されている。

国際公開第２０１７／０５６２６９号特開２０１６−８４８４号公報

特許文献１に開示の技術では、現況地形を計測するために作業機械をステレオカメラの視野外に移動する必要があり、現況地形を頻繁に計測するために手間が生じ高頻度で地形計測するのが困難である。また、特許文献２に開示の技術では、作業機械の掘削アタッチメントと地面とが接近している場合、計測されたデータから掘削アタッチメントと地面とを適切に分離するのが難しくなり、現況地形の計測精度が低下する恐れがある。

本発明は、上記事項に鑑みてなされたもので、作業機械に設置された地形計測装置によって地形形状を計測する際の手間を省略しつつ、高精度な計測データを取得する作業機械の提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、作業機械の周辺の地形形状を計測する作業機械であって、機械本体と、前記機械本体に俯仰可能に連結され、前記作業機械の周辺地形に対して施工作業を行うフロント作業機と、前記機械本体及び前記フロント作業機の姿勢を検出する姿勢センサと、前記フロント作業機の周辺の地形形状を計測して計測データを生成する地形計測装置と、前記計測データの出力先である出力装置と、前記姿勢センサ、前記地形計測装置、及び前記出力装置の其々に接続された情報コントローラと、を備え、前記情報コントローラは、前記姿勢センサからの出力に基づいて、前記機械本体及び前記フロント作業機の位置及び姿勢を算出し、前記機械本体の位置及び前記フロント作業機の姿勢に基づいて、前記フロント作業機が前記周辺地形に対して施工作業を行った前記周辺地形における作業領域の位置を特定し、前記地形計測装置の前記機械本体における取付位置及び取付方向と前記機械本体の位置及び姿勢とに基づいて、前記地形計測装置を起点とし前記地形計測装置の検知限界までを包含する３次元形状からなる前記地形計測装置の検知範囲を算出し、前記検知範囲内に前記作業領域が存在し、かつ前記検知範囲に遮蔽物がない場合に前記作業領域の検知が可能と判定し、前記作業領域の検知が可能である場合にのみ、前記計測データを前記出力装置に出力する、ことを特徴とする。

本発明によれば、作業機械に設置された地形計測装置によって地形形状を計測する際の手間を省略しつつ、高精度な計測データを取得する作業機械の提供することが可能となる。上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

油圧ショベルの概観を示す図油圧ショベルの制御システムの概要を示す図車体座標系について説明する図車体座標系、センサ座標系及びサイト座標系の関係を説明する図情報コントローラの機能ブロック図情報コントローラに実装された機能の処理フローを示すフローチャート法面を掘削するシーンにおいて作業機械を上げている様子を示す図法面を掘削するシーンにおいて作業機械を下げている様子を示す図法面を掘削するシーンにおいて作業機械が作業領域の方向を向いている様子を示す図法面を掘削するシーンにおいて作業機械が旋回している様子を示す図地形計測装置の検知範囲に作業領域が存在するか判定する処理の様子を示す図作業領域の地形計測を妨げる遮蔽物が存在するか判定する処理の様子を示す図車体座標系及び各センサ座標系の関係を示す図ブーム座標系を説明する図アーム座標系を説明する図バケット座標系を説明する図路肩で施工作業を行うシーンを示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。全図を通じて同一の構成には同一の符号を付し、重複説明を省略する。

［構成］
まず、図１を参照して本実施形態に用いる油圧ショベル１００の概略構成を説明する。図１は、油圧ショベル１００の概観を示す図である。

図１の油圧ショベル１００は、多関節フロント作業機１１０と機械本体１３０とを備える。

機械本体１３０は、下部走行体１３２と下部走行体１３２上に搭載された上部旋回体１３１とを備える。上部旋回体１３１は、旋回モータ１２４の駆動により旋回し、下部走行体１３２は右走行モータ１２５、及び左走行モータ１２６（図２参照）の駆動により前後方向に走行する。

多関節フロント作業機１１０は、基端が上部旋回体１３１に俯仰可能に連結されたブーム１１１と、ブーム１１１の先端に揺動可能に連結されたアーム１１２と、アーム１１２の先端に揺動可能に連結されたバケット１１３とを備える。ブーム１１１とアーム１１２とバケット１１３とは、それぞれ、ブームシリンダ１２１とアームシリンダ１２２とバケットシリンダ１２３からなる各アクチュエータにより駆動され、掘削及び土砂の運搬を行う。

また、上部旋回体１３１は、運転室１５１を備える。運転室１５１には、操作レバー１５２、モニタ１５３、ブザー１５４（図２参照）が設置される。

更に、ブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３、及び、上部旋回体１３１は、それぞれの回転角（関節角度ともいう）を検出するブーム角度検出器１８１、アーム角度検出器１８２、バケット角度検出器１８３、及び、旋回体角度検出器１８４を備える。これら各種角度検出器１８１〜１８４は、姿勢センサに相当する。

また、油圧ショベル１００は、障害物情報を取得する障害物センサ１５６（図２参照）を備える。障害物センサ１５６は、例えば、カメラ、レーダ、レーザスキャナ等である。

また、油圧ショベル１００は、周囲の地形を検知して地形形状を示す情報（地形形状情報）を生成する地形計測装置１７０を備える。地形計測装置１７０は、例えば、ステレオカメラ、レーザスキャナ等である。

また、油圧ショベル１００は、右ＧＮＳＳ受信機１７１及び左ＧＮＳＳ受信機１７２を備える。

また、油圧ショベル１００は、車体の重力に対する傾斜角度を検出する姿勢検出装置１７３を備える。姿勢検出装置１７３は例えばＩＭＵ（ＩｎｅｒｔｉａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ）などである。姿勢検出装置１７３は姿勢センサに相当する。

［制御システム］
次に、図２を参照して油圧ショベル１００の制御システムの概要を説明する。図２は、油圧ショベル１００の制御システムの概要を示す図である。

図２に示すように、油圧ショベル１００は、更にエンジン１４３と、油圧ポンプ１４２と、コントロールバルブ１４１と、メインコントローラ１６２と、情報コントローラ１６１とを備える。油圧ポンプ１４２は、エンジン１４３の動力によって作動する。オペレータが操作レバー１５２を操作すると、その操作情報は、メインコントローラ１６２で制御信号に変換される。制御信号は、油圧ポンプ１４２とコントロールバルブ１４１とエンジン１４３に送られる。そして制御信号に従って、旋回モータ１２４と、右走行モータ１２５、左走行モータ１２６、ブームシリンダ１２１、アームシリンダ１２２、バケットシリンダ１２３が駆動する。

情報コントローラ１６１は、ＣＰＵ１６１１、ＲＡＭ１６１２、ＲＯＭ１６１３、及び外部Ｉ／Ｆ１６１４がバス１６１５により互いに接続されたコンピュータを用いて構成される。

外部Ｉ／Ｆ１６１４は、メインコントローラ１６２、ブザー１５４、モニタ１５３、及び記憶媒体１５５に接続される。情報コントローラ１６１は、ブザー１５４及びモニタ１５３を介したオペレータへの情報提示やメインコントローラ１６２へのコントロールバルブ１４１の制御信号の出力を行う。

また外部Ｉ／Ｆ１６１４は、右ＧＮＳＳ受信機１７１、左ＧＮＳＳ受信機１７２、各種角度検出器１８１〜１８４、姿勢検出装置１７３、地形計測装置１７０、及び障害物センサ１５６に接続される。

また、情報コントローラ１６１は、無線通信装置１５７に接続され、無線通信装置１５７を介して油圧ショベル１００の外部装置（例えば管制サーバ）に接続される。情報コントローラ１６１は、油圧ショベル１００の外部装置との間で地形形状情報や管制データの送受信を行う。無線通信装置１５７は、無線ＬＡＮ、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、携帯回線などに接続する通信機器である。無線通信装置１５７及びモニタ１５３は、地形計測装置１７０が地形形状を計測して生成した地形形状情報の出力先である出力装置に相当する。

図３、図４を参照して本実施形態で用いる座標系について説明する。図３は本形態で用いる車体座標系９００について説明する図である。図４は車体座標系９００、センサ座標系９１０及びサイト座標系９３０の関係を説明する図である。

本実施形態では、図３に示す機械本体１３０に固定された車体座標系９００、及び図４に示す地形計測装置１７０に固定されたセンサ座標系９１０、施工現場の基準となる位置に固定されたサイト座標系９３０を用いる。サイト座標系９３０として以下ではＧＮＳＳ座標系を用いるが、施工現場内で車体と施工現場の地面７００と障害物とに共通するローカル座標系でもよい。

［情報コントローラ］
図３に示す車体座標系９００は、油圧ショベル１００の旋回中心と下部走行体１３２が地面７００に接触する面とが交わる点を原点とし、水平面上にＸ軸とＹ軸とを取り、鉛直方向にＺ軸を取る直交座標系である。本明細書では、機械本体１３０の左右方向にＸ軸をとり、水平面上でＸ軸に直交する方向をＹ軸とする。

次に、図４を参照して地形計測装置１７０が計測した計測点９２０のセンサ座標系９１０から車体座標系９００への座標変換について説明する。図４において、計測点９２０は、センサ座標系９１０上でＰｓ（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）と表され、車体座標系９００上のＰｖ（ｘｖ，ｙｖ，ｚｙ）に変換される。このときの座標変換式は、例えば、以下の通りに表される。

Ｒｓｖはセンサ座標系９１０から車体座標系９００への回転行列であり、αｓ、βｓ、γｓ、はそれぞれ、センサ座標系９１０と車体座標系９００のＸ軸同士、Ｙ軸同士、Ｚ軸同士がなす角である。地形計測装置１７０が油圧ショベル１００の上部旋回体１３１に設置されている場合、上部旋回体１３１における設置角を予め計測しておき、記憶媒体１５５に保存しておく。また、上部旋回体１３１が回転する場合は、旋回体角度検出器１８４によって得られる上部旋回体１３１の回転角に基づきなす角を算出すればよい。なお、地形計測装置１７０が上部旋回体１３１上で回転や並進運動をしながら地形を計測するタイプの装置である場合は、地形計測装置１７０にエンコーダやＩＭＵなどの姿勢検出装置１７３を備えて、上部旋回体１３１に対する姿勢角を検出して座標変換を行えばよい。

また、Ｔｓｖはセンサ座標系９１０から車体座標系９００への並進行列である。ｘｓｖ、ｙｓｖ、ｚｓｖは車体座標系９００からみたセンサ座標系９１０の原点座標に等しい。地形計測装置１７０の取り付け位置は、油圧ショベル１００に対して固定されている場合が多く、これらの値は、例えば、予め位置を計測し、記憶媒体１５５に保存される。

次に、センサ座標系９１０からサイト座標系９３０への座標変換について説明する。図４において、計測点９２０は、センサ座標系９１０上でＰｓ（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）と表され、車体座標系９００上のＰｇ（ｘｇ，ｙｇ，ｚｇ）に変換される。このときの座標変換式は、例えば、以下の通りに表される。

Ｒｖｇは車体座標系９００からサイト座標系９３０への回転行列であり、θｒ、θｐ、θｙはそれぞれ、車体座標系９００とサイト座標系９３０のＸ軸同士、Ｙ軸同士、Ｚ軸同士がなす角である。θｒ及びθｐは、例えば、油圧ショベル１００に備え付けられた姿勢検出装置１７３の出力から重力に対する傾斜角度を算出し、それらを用いる。また、θｙは油圧ショベル１００に備え付けられた右ＧＮＳＳ受信機１７１及び左ＧＮＳＳ受信機１７２が受信した測位データから算出した油圧ショベル１００の方位を用いても良い。

また、Ｔｖｇはサイト座標系９３０から車体座標系９００への並進行列である。ｘｖｇ、ｙｖｇ、ｚｖｇはサイト座標系９３０からみた車体座標系９００の原点座標に等しく、これらの値は、例えば、右ＧＮＳＳ受信機１７１及び左ＧＮＳＳ受信機１７２が受信した測位データから算出した油圧ショベル１００の位置を用いる。

次に、図５を参照して情報コントローラ１６１で実施される処理内容について説明する。図５は、情報コントローラの機能ブロック図である。図５に示すように、情報コントローラ１６１には、機械状態取得部５００、作業領域特定部５０１、検知範囲算出部５０２、作業領域検出可否判定部５０３、計測データ取得判定部５０４、計測データ取得部５０５の６つの機能ブロックが実装されている。

以降、各処理部の働きについて、図６のフローチャート及び図７〜図１２を参照して説明する。図６は、情報コントローラ１６１に実装された機能の処理フローを示すフローチャートである。図７〜図１０は、法面を掘削するシーンを示す図である。このうち、図７及び図８に示す油圧ショベル１００では、図に示すように地形計測装置１７０は運転室１５１の天井部分に車体前方を向くように設置されているとする。図１１は、地形計測装置１７０の検知範囲７０１に作業領域７１０が存在するか判定する処理の様子を示す図である。図１２は、作業領域７１０の地形計測を妨げる遮蔽物（多関節フロント作業機１１０）が存在するか判定する処理の様子を示す図である。

また、図９及び図１０に示す油圧ショベル１００は、地形計測装置１７０が上部旋回体１３１の上に車体側面を向くように設置されているとする。

更に図７及び図８と同様に傾斜のついた地面７００を油圧ショベル１００が掘削する作業を行っているシーンを扱い、図１０は掘削した土を放土するために上部旋回体１３１及び油圧ショベル１００を旋回及び移動させる作業を行っているシーンとする。

まず、図６のフローチャートにおけるステップＳ６０１にて、機械状態取得部５００は、油圧ショベル１００の機械本体１３０と多関節フロント作業機１１０との位置及び姿勢を検出するために、各種角度検出器１８１、１８２、１８３、１８４と、右ＧＮＳＳ受信機１７１、左ＧＮＳＳ受信機１７２と姿勢検出装置１７３とからセンサデータを取得する（Ｓ６０１）。機械状態取得部５００は取得したセンサデータに基づき、車体座標系９００やサイト座標系９３０における上部旋回体１３１の位置や方位、多関節フロント作業機１１０のブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の関節角度や関節位置及びバケット１１３の先端位置を算出する。

ステップＳ６０２にて、作業領域特定部５０１は、機械状態取得部５００で得られる油圧ショベル１００の位置や方位及び多関節フロント作業機１１０の関節角度や関節位置及びバケット１１３の先端位置を基に、掘削や盛土などの地形変化の生じうる施工作業を行った周辺地形上における作業領域の特定を行う（Ｓ６０２）。

作業領域特定部５０１に含まれる動作識別器５０１ａは、上部旋回体１３１の位置や方位、多関節フロント作業機１１０のブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の関節角度や関節位置及びバケット１１３の先端位置を示すリアルタイム時系列データを機械状態取得部５００から随時取得する。リアルタイム時系列データは、多関節フロント作業機１１０のリアルタイムの動作パターンを示すデータである。

次に動作識別器５０１ａはリアルタイム時系列データと動作識別器５０１ａが予め備える教師データとの照合結果に基づいて、油圧ショベル１００が現在施工作業を行っているかどうかを特定する。例えば、リアルタイム時系列データが示す動作パターンと教師データが示す動作パターンとの類似度が閾値以上あれば掘削や盛土等の既知の施工作業を行っていると判定する。ここでいう「教師データ」とは、油圧ショベル１００に掘削や盛土などの既知の施工作業を実施させ、その際に機械状態取得部５００が取得した上部旋回体１３１の関節位置や方位、多関節フロント作業機１１０のブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の関節角度や関節位置及びバケット１１３の先端位置を示す時系列データを動作識別器５０１ａに入力して、多関節フロント作業機１１０の動作パターンとして機械学習させて得られたデータである。

施工作業が行われていると判定された場合、油圧ショベル１００や多関節フロント作業機１１０の位置及び姿勢から車体座標系９００及びサイト座標系９３０における作業領域の位置を特定する。

例えば、図７〜図１０に示す施工作業の事例においては、斜線で示す領域が作業領域７１０として特定される。なお、作業領域７１０を特定する方法は上記以外の方法を用いても良い。例えば、多関節フロント作業機１１０の各関節に取り付けたトルクセンサやブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３のシリンダ内の圧力変化に基づき掘削や盛土を行った際に生じる荷重変化や衝撃力を計測する事で施工作業を行っているか判定しても良い。また、地形計測装置１７０から得られる現況地形の計測データに基づき、地形変化の生じている領域を識別することで作業領域７１０を特定してもよい。本実施形態では作業領域を特定する方法は限定しない。

ステップＳ６０３にて、検知範囲算出部５０２は、機械状態取得部５００で得られる油圧ショベル１００の動作と、記憶媒体１５５に格納されている地形計測装置１７０の設置位置や姿勢、検知角度、検知距離の情報に基づき、地形計測装置１７０の車体座標系９００及びサイト座標系９３０における検知範囲を算出する（Ｓ６０３）。図１１に示すように地形計測装置１７０の検知角度や、地形計測装置１７０から検知限界までの距離（検知距離）が分かると、地形計測装置１７０を起点とし検知限界までを包含する３次元立体形状として検知範囲を表現することができる。

ここで、図１１における点７０１ｏは地形計測装置１７０の原点７０１ｏを表し、点７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ、７０１ｄは地形計測装置１７０の検知限界を示す境界位置を表している。境界位置は、地形計測装置１７０の上下及び左右の検知角度の限界（検知限界角度）と検知距離の限界（検知限界距離）により定まる。ここで地形計測装置１７０の上下の検知限界角度をθｖ（図１１におけるＸｓ‐Ｙｓ平面に対する角度である）、左右の検知限界角度をθｈ（図１１におけるＹｓ‐Ｚｓ平面に対する角度である）、検知限界距離をＬｔｈとすると、センサ座標系９１０における点７０１ａ、点７０１ｂ、点７０１ｃ、点７０１ｄの座標はそれぞれ次式（７）〜（１０）で表される。

式（７）〜（１０）で示す４つの点と原点７０１ｏとの座標値を式（１）〜式（６）に基づき座標変換することで車体座標系９００やサイト座標系９３０における検知範囲７０１を算出することができる。なお、図７〜図１０に示す検知範囲７０１は検知範囲算出部５０２によって算出された検知範囲７０１を表している。

検知範囲７０１は、地形計測装置１７０の原点７０１ｏを頂点とし、点７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ、７０１ｄを底面とする四角錐からなる立体形状として説明したが、地形計測装置１７０の原点７０１ｏとする錐体状の立体形状であれば四角錐には限定されない。例えば境界位置を規定する点７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ、７０１ｄは４点に限らず、それよりも多い点又は少ない点でもよく、検知範囲７０１は円錐状や三角錐でもよい。更に、境界位置を規定する点を含む平面だけではなく、曲面（地形計測装置１７０を中心として外に凸な曲面や半球面でもよい）を用いてもよい。

更に、地形形状に変化が生じるのは、バケット１１３の先端が届く範囲なので、検知限界距離Ｌｔｈはブーム１１１、アーム１１２を最も伸ばした状態でバケット１１３の先端が描く先端軌跡上の点、又はそのバケット１１３の先端軌跡から地形変化が及ぶ距離を考慮して定めたマージンを加えた軌跡上の点を用いて規定してもよい。検知限界距離Ｌｔｈが長すぎると地形形状の空間分解能の低下が懸念されるので、検知限界距離Ｌｔｈをバケット１１３の先端が届く位置に基づいて規定することで、地形計測装置１７０のスペックから決まる検知限界よりも手前に、検知範囲７０１を規定するための検知限界（境界位置）を設定することで、検知範囲７０１が無用に広くなることを抑止し、計測データの空間分解能を良好に保ってもよい。

ステップＳ６０４では、作業領域特定部５０１は作業領域７１０が存在すると判定するか否かに応じて処理を分岐させる。作業領域７１０が存在する場合は（Ｓ６０４／Ｙｅｓ）ステップＳ６０５の処理に進み、存在しない場合は（Ｓ６０４／Ｎｏ）今回の処理を終了させる。

ステップＳ６０５では、作業領域特定部５０１によって特定された作業領域７１０を検出可能な地形計測装置１７０が存在するか、機械状態取得部５００で得られる油圧ショベル１００の動作と、検知範囲算出部５０２で検出された地形計測装置１７０の検知範囲７０１とに基づき、作業領域検出可否判定部５０３にて判定する（Ｓ６０５）。

まず、作業領域検出可否判定部５０３は作業領域特定部５０１によって特定された作業領域７１０が地形計測装置１７０の検知範囲７０１に含まれているか判定する（第１の判定処理）。第１の判定方法は、例えば図１１に示すように地形計測装置１７０の検知範囲７０１を表す四角錐内に、作業領域７１０に属する点群が存在するか否かの内外判定を行えばよい。作業領域７１０の点群は、作業領域７１０を所定サイズの正立方体で分割した場合の正立方体の中心点とすればよく、所定サイズは地形計測装置１７０の計測精度や施工管理上必要とされる立体寸法に応じて設定すれば良い。

図７、図８、図１０、図１１では地形計測装置１７０の検知範囲７０１に作業領域７１０が含まれている。一方、図９では、地形計測装置１７０の検知範囲７０１に作業領域７１０が含まれていない。

次に、作業領域検出可否判定部５０３は、遮蔽物が検知範囲７０１の内側に含まれているかを判定する（第２の判定）。本実施形態では遮蔽物を多関節フロント作業機１１０とする。地形計測装置１７０で作業領域７１０の現況地形を計測する際に、作業領域７１０が多関節フロント作業機１１０によって遮蔽されていると作業領域７１０の地形を正確に計測する事ができない。すなわち、検知範囲７０１の一部又は全部が遮蔽された状態で地形計測装置１７０が計測データを取得したとしても、その計測データには多関節フロント作業機１１０が写りこんでいることから地形形状を正確に表したものとはいえず、不必要な計測データを取得することとなる。このように多関節フロント作業機１１０が写りこんだ計測データを取得すると、地形計測精度の低下を招く恐れが生じる。

従って、多関節フロント作業機１１０による作業領域７１０の遮蔽有無を判定し、遮蔽されていない地形計測装置１７０の計測データのみを取得するようにすれば地形計測精度の低下を減らす事ができる。

また、作業領域７１０の近くに多関節フロント作業機１１０が存在すると多関節フロント作業機１１０の計測データと作業領域７１０の計測データとの区別が困難となり地形計測精度が低下する恐れがある。従って、作業領域検出可否判定部５０３は、作業領域７１０の遮蔽有無だけではなく、たとえ作業領域７１０が遮蔽されないとしても、作業領域７１０の近傍に多関節フロント作業機１１０が位置している場合は計測データを取得しない方が望ましい。

よって、本実施形態では、近傍の範囲をどの程度とするかの一例として、検知範囲７０１内に多関節フロント作業機１１０が写りこんで入れば作業領域７１０の遮蔽の有無に限らず、作業領域７１０の近傍にあると判定する。

別例として、作業領域７１０及び作業領域７１０の外縁からマージンを加えた領域を包含する領域を判定用作業領域として設定し、この判定用作業領域内に多関節フロント作業機１１０が含まれなければ、多関節フロント作業機１１０が作業領域７１０の近傍にはないと判定してもよい。

作業領域検出可否判定部５０３による第２の判定方法として、図１２に示す例では、作業領域７１０の境界（図１２では簡易的に四角形で表現）を表す４つの点７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ、７０１ｄと地形計測装置１７０の原点７０１ｏを結んで形成される検知範囲７０１内に、多関節フロント作業機１１０のブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の一部でも存在すれば遮蔽されていると判定する。ブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の位置や形状は、機械状態取得部５００で得られる関節角度や記憶媒体１５５に記録されている形状データを基に算出すればよい。

作業領域検出可否判定部５０３は、検知範囲７０１内にブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の一部が存在するかを判断するためにまずブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３上の任意の点のセンサ座標系における座標値を算出する。そのために、例えば、図１３に示すようにブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の座標系を定義する。以下、図１３〜図１６を参照して各座標系について説明する。図１３は、車体座標系及び各センサ座標系の関係を示す図である。図１４は、ブーム座標系を説明する図である。図１５は、アーム座標系を説明する図である。図１６は、バケット座標系を説明する図である。

ブーム座標系１０１０は、図１３及び図１４に示すように点１０００（車体座標系９００の原点）及び点１００１（ブーム１１１及びアーム１１２の連結部の中心位置）を通過する軸をＸ軸とする座標系であり、車体座標系９００のＹ軸に対して角度θ１だけ回転している。

アーム座標系１０２０は、図１３及び図１５に示すように点１００１及び点１００２（アーム１１２及びバケット１１３の連結部の中心位置）を通過する軸をＸ軸とする座標系であり、ブーム座標系１０１０のＹ軸に対して角度θ２だけ回転している。

バケット座標系１０３０は、図１３及び図１６に示すように点１００２及び点１００３（バケット１１３の先端の中心位置）を通過する軸をＸ軸とする座標系であり、アーム座標系１０２０のＹ軸に対して角度θ３だけ回転している。なお、θ１、θ２、θ３は機械状態取得部５００で得られるブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の関節角度である。

ここで、記憶媒体１５５に記録されているブーム１１１の形状データよりブーム１１１上に任意の点Ｐ１００５（図１４参照）が存在するとし、点Ｐ１００５の座標値を（Ｘ１ｐ，Ｙ１ｐ，Ｚ１ｐ）とすると、点Ｐ１００５のＹ１軸に対する角度θｐ及びブーム座標系原点から点Ｐまでの距離Ｌｐは次式（１１）、（１２）で算出される。

従って、車体座標系９００における点Ｐの座標値は次式（１３）となる。

更に、センサ座標系における点Ｐ１００５の座標値は式（２）及び（３）を基に座標変換を行って算出することができる。次に、点Ｐ１００５が立体形状からなる検知範囲７０１内に存在するか判定するためには、例えば検知範囲７０１を構成する平面に対して点Ｐの位置が裏か表かを判定する手法を利用すればよい。検知範囲７０１は図１２に示すように点７０１ｏ、点７０１ｂ、点７０１ｃから構成される平面Ａと、点７０１ｏ、点７０１ａ、点７０１ｂから構成される平面Ｂと、点７０１ｏ、点７０１ｄ、点７０１ａから構成される平面Ｃと、点７０１ａ、点７０１ｄ、点７０１ｃ、点７０１ｂから構成される平面Ｄの４つの平面から構成されており、点Ｐが検知範囲７０１内に存在する条件は次式（１４）で表される。

点Ｐ１００５は、ブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の立体形状をメッシュ構造で表現しておき、各メッシュの頂点として設定する。そして全てのメッシュの頂点に対して式（１４）の判定を行うことでブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３が検知範囲７０１内に存在するか判定することができる。

上記方法を適用すると、図７、図９、図１０に示すシーンでは、作業領域検出可否判定部５０３は検知範囲７０１に多関節フロント作業機１１０が含まれないため作業領域７１０を検出可能な地形計測装置１７０が存在すると判定する。図７に示すシーンでは、検知範囲７０１内にバケット１１３が含まれているが、図１２に示す４つの境界位置を示す点７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ、７０１ｄと地形計測装置１７０の原点７０１ｏとを結んで形成される３次元形状（遮蔽判定範囲１２１０）内にバケット１１３は含まれていない。この状態で計測データの一例として生成した撮像画像７５０には、バケット１１３が写りこんでいるものの作業領域７１０には重なっていない。この場合、計測データを取得する。

一方、図８に示すシーンでは、遮蔽判定範囲１２１０内に多関節フロント作業機１１０が含まれる。このときの撮像画像８５０（図８）ではバケット１１３が撮像画像８５０に写りこんでおり、かつ作業領域７１０にも重複しているので、地形形状が正確に取得できないことから、計測データは取得しない。

ステップＳ６０６では、作業領域検出可否判定部５０３は作業領域７１０を検出可能な地形計測装置１７０が存在するか判定された結果に応じて処理を分岐させる。検出可能な地形計測装置１７０が存在する場合は（Ｓ６０６／Ｙｅｓ）ステップＳ６０７の処理に進み、存在しない場合は（Ｓ６０６／Ｎｏ）、今回の処理を終了させる。

ステップＳ６０７では、作業領域検出可否判定部５０３は作業領域７１０を検出可能と判定された地形計測装置１７０の計測データを取得する処理を計測データ取得判定部５０４を介して計測データ取得部５０５に行わせる（Ｓ６０７）。

地形計測装置１７０は、一定のサンプリング周期で計測データを生成し、計測データ取得部５０５がその計測データを受信する。計測データ取得判定部５０４は、計測データの取得条件が成立する、即ち、作業領域７１０が検知範囲７０１に含まれ、かつ検知範囲７０１に遮蔽物が無いと判定すると、計測データ取得部５０５に対して受信した計測データをモニタ１５３に出力される。この出力処理が本実施形態でいう「計測データの取得」であり、地形計測装置１７０による計測データの生成処理とは異なる。

計測データの取得条件が不成立なら計測データ取得部５０５は、受信した計測データを廃棄してモニタ１５３には出力しない。

図７〜図１０に示す事例では、図１０のシーンにおける地形計測装置１７０が計測データを取得することになる。

最後にステップＳ６０８では、計測データ取得部５０５で取得された地形計測装置１７０の現況地形の計測データをモニタ１５３に表示する（Ｓ６０８）。

以上により、本実施形態によれば、計測データを取得するために多関節フロント作業機１１０を移動させる必要が無い。更に遮蔽判定範囲１２１０に多関節フロント作業機１１０が入っていれば計測データを取得しないので、多関節フロント作業機１１０と作業領域７１０とが密接した状態の計測データは取得されない。また、地形変化が生じている作業領域７１０を特定し、その作業領域７１０が多関節フロント作業機１１０により遮蔽されている場合は、計測データを取得しない。これらにより作業領域７１０の地形の計測データが正確に取得できる場合にのみ計測データを取得するので、地形計測精度の低下を防ぐ事ができる。

また、機械本体１３０に複数の地形計測装置１７０、例えば前方カメラ、右カメラ、左カメラ等の複数の地形計測装置１７０が設置されている場合は、地形計測装置１７０の機械本体１３０における取付位置や取付方向に関わらず、各地形計測装置１７０の検知範囲７０１の位置と作業領域７１０の位置との関係、及び検知範囲７０１の位置と多関節フロント作業機１１０の位置との関係に応じて作業領域７１０を検知可能な地形計測装置１７０を適切に選択することができる。これにより、作業領域７１０の地形を計測するために多関節フロント作業機１１０を地形計測装置１７０の検知範囲７０１外に意図的に移動させる必要がなく、高頻度に地形を計測することが可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更及び修正が可能である。例えば、作業領域検出可否判定部５０３において多関節フロント作業機１１０の遮蔽以外にも地形による遮蔽によって作業領域が検出できないことを判定してもよい。

図１７を参照して遮蔽物が周辺地形である場合について説明する。図１７は、路肩で施工作業を行うシーンを示す図である。図１７では、油圧ショベル１００は傾斜のついた地面７００を掘削する作業を行っている際に上部旋回体１３１を回転させずに多関節フロント作業機１１０のみ移動させる作業を行っているものとする。本例のように路肩の補修工事などで傾斜面の掘削や盛土作業するシーンに適用するために、記憶媒体１５５に施工環境（周辺地形）の３次元形状情報からなる地形データを予め保持しておき、多関節フロント作業機１１０の遮蔽判定と同様に地形データに対して遮蔽判定してもよい。図１７の例では、作業領域７１０が斜面によって遮蔽されているので、作業領域７１０の検知は不可と判定される。

１００：油圧ショベル
１１０：多関節フロント作業機
１３０：機械本体
１３１：上部旋回体
１３２：下部走行体
１６１：情報コントローラ
１７０：地形計測装置
７０１：検知範囲
７１０：作業領域
７５０：撮像画像
８５０：撮像画像
９００：車体座標系
９１０：センサ座標系
９２０：計測点
９３０：サイト座標系
１２１０：遮蔽判定範囲

Claims

作業機械の周辺の地形形状を計測する作業機械であって、
機械本体と、
前記機械本体に俯仰可能に連結され、前記作業機械の周辺地形に対して施工作業を行うフロント作業機と、
前記機械本体及び前記フロント作業機の姿勢を検出する姿勢センサと、
前記フロント作業機の周辺の地形形状を計測して計測データを生成する地形計測装置と、
前記計測データの出力先である出力装置と、
前記姿勢センサ、前記地形計測装置、及び前記出力装置の其々に接続された情報コントローラと、を備え、
前記情報コントローラは、
前記姿勢センサからの出力に基づいて、前記機械本体及び前記フロント作業機の位置及び姿勢を算出し、
前記機械本体の位置及び前記フロント作業機の姿勢に基づいて、前記フロント作業機が前記周辺地形に対して施工作業を行った前記周辺地形における作業領域の位置を特定し、
前記地形計測装置の前記機械本体における取付位置及び取付方向と前記機械本体の位置及び姿勢とに基づいて、前記地形計測装置を起点とし前記地形計測装置の検知限界までを包含する３次元形状からなる前記地形計測装置の検知範囲を算出し、
前記検知範囲内に前記作業領域が存在し、かつ前記検知範囲に遮蔽物がない場合に前記作業領域の検知が可能と判定し、
前記作業領域の検知が可能である場合にのみ、前記計測データを前記出力装置に出力する、
ことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械であって、
前記遮蔽物は前記フロント作業機であり、
前記情報コントローラは、前記機械本体に対する前記フロント作業機の位置を算出し、
前記地形計測装置を起点とし前記作業領域までを包含する３次元形状からなる遮蔽判定範囲を算出し、当該遮蔽判定範囲に前記フロント作業機が含まれない場合に、前記作業領域の検知は可能と判定する、
ことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械であって、
前記遮蔽物は前記周辺地形であり、
前記情報コントローラは、前記作業機械の周辺地形の形状を示す地形データを取得し、
前記地形データに基づき、前記検知範囲内において前記作業領域が前記周辺地形によって遮蔽されている場合は前記作業領域の検知は不可と判定する、
ことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械であって、
前記情報コントローラは、前記地形計測装置の位置を頂点とし、前記検知範囲を包含する錐体状の立体形状からなる検知範囲を算出する、
ことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械であって、
前記フロント作業機の前記機械本体に対する角度を検出する角度検出器を更に備え、
前記情報コントローラは、前記角度検出器から取得した角度に基づいて、前記フロント作業機の動作パターンを算出して、
前記フロント作業機が施工作業を行っているときの前記フロント作業機の動作パターンを教師データとして保持し、当該教師データと前記算出されたフロント作業機の動作パターンとの照合結果に基づいて、前記フロント作業機が施工作業を行ったかを判定し、施工作業を行ったと判定した場合の前記機械本体及び前記フロント作業機の位置及び姿勢を基に前記作業領域の位置を特定する、
ことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械であって、
前記機械本体には複数の地形計測装置が搭載され、
各地形計測装置の前記検知範囲はそれぞれ異なっており、
前記情報コントローラは、いずれの地形計測装置の検知範囲に前記作業領域が含まれるかを判定し、検知範囲に前記作業領域が含まれる地形計測装置を特定する、
ことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械であって、
前記作業機械は、
下部走行体と、
前記下部走行体上に搭載される上部旋回体と、を備え、
前記フロント作業機は、前記上部旋回体に基端が俯仰可能に連結されたブームと、前記ブームの先端に揺動可能に連結されたアームと、前記アームの先端に揺動可能に連結されたバケットと、を含む多関節フロント作業機であり、
前記姿勢センサは、前記ブームの角度を検知するブーム角度検出器、前記アームの角度を検知するアーム角度検出器、及び前記バケットの角度を検知するバケット角度検出器からなる、
ことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械であって、
前記地形計測装置は、ステレオカメラ又はレーザスキャナの少なくとも一つにより構成される、
ことを特徴とする作業機械。