JP2022001836A - 校正装置および校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業機械に取り付けられた距離センサを校正する。【解決手段】距離取得部は、車載距離センサによって計測された、作業機械の外部の任意の位置に設置された第１基準物が存在する範囲の距離データである第１距離データを取得する。位置計算部は、第１距離データに基づいて所定の座標系における第１基準物の位置を計算する。関係取得部は、第１基準物と、座標系における位置が既知である第２基準物との位置関係を取得する。校正部は、第１距離データと位置関係とに基づいて、車載距離センサの距離データから座標系における位置を計測するために用いられるパラメータを校正する。【選択図】図２

Description

本開示は、作業機械に備えられる車載距離センサを校正する校正装置および校正方法に関する。

特許文献１には、作業機と撮像装置とを有する作業機械における距離センサの校正を行う技術が開示されている。具体的には、特許文献１に記載の校正システムは、距離センサが作業機に設けられたターゲットの距離を計測し、画像から距離センサとターゲットとの位置関係を求め、作業機の姿勢と距離データから求めた位置関係とに基づいて、距離センサの校正を行う。

国際公開第２０１６／１４８３０９号

ところで、作業機械が備える距離センサは、必ずしも作業機械の正面を向けて設けられるとは限らない。例えば、距離センサは作業機械の側面に設けられることがある。この場合、距離センサの計測範囲内に作業機が存在しないため、特許文献１に開示された校正方法を実行することができない。また、すべての作業機械が作業機を備えるとは限らない。この場合にも、特許文献１に開示された校正方法を実行することができない。
本開示の目的は、距離センサの計測範囲に作業機が写るか否かに関わらず距離センサを校正することができる校正装置および校正方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、校正装置は、作業機械に備えられた車載距離センサを校正する校正装置であって、前記車載距離センサによって計測された、前記作業機械の外部の任意の位置に設置された第１基準物が存在する範囲の距離データである第１距離データを取得する距離取得部と、前記第１距離データに基づいて所定の座標系における前記第１基準物の位置を計算する位置計算部と、前記第１基準物と、前記座標系における位置が既知である第２基準物との位置関係を取得する関係取得部と、前記第１距離データと前記位置関係とに基づいて、前記車載距離センサの距離データから前記座標系における位置を計測するために用いられるパラメータを校正する校正部とを備える。

上記態様によれば、校正装置は、距離センサの計測範囲に作業機が写るか否かに関わらず距離センサを校正することができる。

作業機械の姿勢の例を示す図である。 第１の実施形態に係る作業機械の構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る運転室の内部の構成を示す図である。 第１の実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係る作業機械の距離センサの校正方法の概略を示す図である。 第１の実施形態に係る作業機械の距離センサの校正方法を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る作業機械の距離センサの校正方法の概略を示す図である。 第２の実施形態に係る作業機械の距離センサの校正方法を示すフローチャートである。 第３の実施形態に係る作業機械の距離センサの校正方法の概略を示す図である。 第３の実施形態に係る作業機械の距離センサの校正方法を示すフローチャートである。

〈座標系〉
図１は、作業機械１００の姿勢の例を示す図である。
以下の説明においては、三次元の現場座標系（Ｘｇ、Ｙｇ、Ｚｇ）、三次元の車体座標系（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）、および三次元のセンサ座標系（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）を規定して、これらに基づいて位置関係を説明する。

現場座標系は、施工現場に設けられたＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）基準局の位置を基準点として南北に伸びるＸｇ軸、東西に伸びるＹｇ軸、鉛直方向に伸びるＺｇ軸から構成される座標系である。ＧＮＳＳの例としては、ＧＰＳ（Global Positioning System）が挙げられる。なお、他の実施形態においては、現場座標系に代えて緯度および経度などで表されるグローバル座標系を用いてもよい。
車体座標系は、作業機械１００の旋回体１３０に規定された代表点Ｏを基準として、後述する運転室１７０内のオペレータの着座位置から見て前後に伸びるＸｍ軸、左右に伸びるＹｍ軸、上下に伸びるＺｍ軸から構成される座標系である。旋回体１３０の代表点Ｏを基準として前方を＋Ｘｍ方向、後方を−Ｘｍ方向、左方を＋Ｙｍ方向、右方を−Ｙｍ方向、上方向を＋Ｚｍ方向、下方向を−Ｚｍ方向とよぶ。
現場座標系と車体座標系とは、現場座標系における作業機械１００の位置および傾きを特定することで、互いに変換することができる。

センサ座標系は、作業機械１００が備える距離センサの位置を基準として、距離センサの計測方向に伸びるＸｓ軸、左右に伸びるＹｓ軸、上下に伸びるＺｓ軸から構成される座標系である。
距離センサは車体に固定されるため、車体における距離センサの設置位置が分かれば、センサ車体座標系とセンサ座標系とは互いに変換することができる。

〈第１の実施形態〉
《作業機械１００の構成》
図２は、第１の実施形態に係る作業機械１００の構成を示す概略図である。
作業機械１００は、施工現場にて稼働し、土砂などの掘削対象を施工する。第１の実施形態に係る作業機械１００は、油圧ショベルである。
作業機械１００は、走行体１１０、旋回体１３０、作業機１５０、運転室１７０を備える。
走行体１１０は、作業機械１００を走行可能に支持する。走行体１１０は、例えば左右１対の無限軌道である。旋回体１３０は、走行体１１０に旋回中心回りに旋回可能に支持される。作業機１５０は、油圧により駆動する。作業機１５０は、旋回体１３０の前部に上下方向に駆動可能に支持される。運転室１７０は、オペレータが搭乗し、作業機械１００の操作を行うためのスペースである。運転室１７０は、旋回体１３０の前部に設けられる。

《旋回体１３０の構成》
図２に示すように、旋回体１３０は、位置方位検出器１３１、傾斜検出器１３２、および距離センサ１３３を備える。

位置方位検出器１３１は、旋回体１３０の現場座標系における位置および旋回体１３０が向く方位を演算する。位置方位検出器１３１は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つのアンテナを備える。２つのアンテナは、それぞれ旋回体１３０の異なる位置に設置される。例えば２つのアンテナは、旋回体１３０のカウンターウェイト部に設けられる。位置方位検出器１３１は、２つのアンテナの少なくとも一方が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における旋回体１３０の代表点Ｏの位置を検出する。位置方位検出器１３１は、２つのアンテナのそれぞれが受信した測位信号を用いて、現場座標系において旋回体１３０が向く方位を検出する。

傾斜検出器１３２は、旋回体１３０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１３０の傾き（例えば、Ｘｍ軸に対する回転を表すロール、およびＹｍ軸に対する回転を表すピッチ）を検出する。傾斜検出器１３２は、例えば運転室１７０の下方に設置される。傾斜検出器１３２の例としては、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）が挙げられる。

距離センサ１３３は、旋回体１３０に設けられ、計測範囲における対象物との距離を検出する。距離センサ１３３は、旋回体１３０の両側面に設けられ、旋回体１３０の幅方向に伸びる軸（Ｘｓ軸）を中心とする計測範囲において、施工対象を含む周囲の距離を検出する。これにより、作業機械１００が作業機１５０によって土砂を掘削しているときに、距離センサ１３３は、作業機械１００の側方に停車する土砂の積込対象の運搬車両（図示せず）の距離を検出することができる。また、作業機械１００が土砂を運搬車両に積み込んでいるときに、距離センサ１３３は、施工対象の距離を検出することができる。
距離センサ１３３は、その計測範囲に作業機１５０が干渉しない位置に設けられる。つまり、距離センサ１３３は、作業機１５０が写らない範囲の距離を計測する。距離センサ１３３の例としては、例えば、ＬｉＤＡＲ装置、レーダ装置、ステレオカメラなどが挙げられる。距離センサ１３３は、その計測範囲に作業機１５０が干渉しない位置であれば、旋回体１３０の側面以外の箇所に設けられてもよい。例えば、距離センサ１３３は、旋回体１３０の上部かつ車体の側方の距離を検出できる箇所に設けられてもよい。また、距離センサ１３３は、旋回体１３０の一側面にのみ設けられるものであってもよい。
距離センサ１３３は、旋回体１３０に対して着脱可能に設けられる。距離センサ１３３は、車載距離センサの一例である。

《作業機１５０の構成》
図２に示すように、作業機１５０は、ブーム１５１、アーム１５２、およびバケット１５５を備える。

ブーム１５１の基端部は、旋回体１３０にブームピンＰ１を介して取り付けられる。
アーム１５２は、ブーム１５１とバケット１５５とを連結する。アーム１５２の基端部は、ブーム１５１の先端部にアームピンＰ２を介して取り付けられる。
バケット１５５は、土砂などを掘削するための刃先と掘削した土砂を収容するための収容部とを備える。バケット１５５の基端部は、アーム１５２の先端部にバケットピンＰ５を介して取り付けられる。

作業機１５０は、動力を発生させるアクチュエータである複数の油圧シリンダを備える。具体的には、作業機１５０は、ブームシリンダ１５６、アームシリンダ１５７、およびバケットシリンダ１５８を備える。
ブームシリンダ１５６は、ブーム１５１を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１５６の基端部は、旋回体１３０に取り付けられる。ブームシリンダ１５６の先端部は、ブーム１５１に取り付けられる。ブームシリンダ１５６には、ブームシリンダ１５６のストローク量を検出するブームシリンダストロークセンサ１５６１が設けられる。
アームシリンダ１５７は、アーム１５２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１５７の基端部は、ブーム１５１に取り付けられる。アームシリンダ１５７の先端部は、アーム１５２に取り付けられる。アームシリンダ１５７には、アームシリンダ１５７のストローク量を検出するアームシリンダストロークセンサ１５７１が設けられる。
バケットシリンダ１５８は、バケット１５５を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ１５８の基端部は、アーム１５２に取り付けられる。バケットシリンダ１５８の先端部は、バケット１５５に取り付けられる。バケットシリンダ１５８には、バケットシリンダ１５８のストローク量を検出するバケットシリンダストロークセンサ１５８１が設けられる。

《運転室１７０の構成》
図３は、第１の実施形態に係る運転室の内部の構成を示す図である。
図３に示すように、運転室１７０内には、運転席１７１、操作装置１７２および制御装置１７３が設けられる。

操作装置１７２は、オペレータの手動操作によって走行体１１０、旋回体１３０および作業機１５０を駆動させるためのインタフェースである。操作装置１７２は、左操作レバー１７２１、右操作レバー１７２２、左フットペダル１７２３、右フットペダル１７２４、左走行レバー１７２５、右走行レバー１７２６を備える。

左操作レバー１７２１は、運転席１７１の左側に設けられる。右操作レバー１７２２は、運転席１７１の右側に設けられる。

左操作レバー１７２１は、旋回体１３０の旋回動作、ならびに、アーム１５２の引き動作および押し動作を行うための操作機構である。具体的には、オペレータが左操作レバー１７２１を前方に倒すと、アームシリンダ１５７が駆動し、アーム１５２が押し動作する。また、オペレータが左操作レバー１７２１を後方に倒すと、アームシリンダ１５７が駆動し、アーム１５２が引き動作する。また、オペレータが左操作レバー１７２１を右方向に倒すと、旋回体１３０が右旋回する。また、オペレータが左操作レバー１７２１を左方向に倒すと、旋回体１３０が左旋回する。

右操作レバー１７２２は、バケット１５５の掘削動作およびダンプ動作、ならびに、ブーム１５１の上げ動作および下げ動作を行うための操作機構である。具体的には、オペレータが右操作レバー１７２２を前方に倒すと、ブームシリンダ１５６が駆動し、ブーム１５１の下げ動作が実行される。また、オペレータが右操作レバー１７２２を後方に倒すと、ブームシリンダ１５６が駆動し、ブーム１５１の上げ動作が実行される。また、オペレータが右操作レバー１７２２を右方向に倒すと、バケットシリンダ１５８が駆動し、バケット１５５のダンプ動作が行われる。また、オペレータが右操作レバー１７２２を左方向に倒すと、バケットシリンダ１５８が駆動し、バケット１５５の掘削動作が行われる。
なお、左操作レバー１７２１および右操作レバー１７２２の操作方向と、作業機１５０の動作方向および旋回体１３０の旋回方向の関係は、上述の関係でなくてもよい。

左フットペダル１７２３は、運転席１７１の前方の床面の左側に配置される。右フットペダル１７２４は、運転席１７１の前方の床面の右側に配置される。左走行レバー１７２５は、左フットペダル１７２３に軸支され、左走行レバー１７２５の傾斜と左フットペダル１７２３の押し下げが連動するように構成される。右走行レバー１７２６は、右フットペダル１７２４に軸支され、右走行レバー１７２６の傾斜と右フットペダル１７２４の押し下げが連動するように構成される。

左フットペダル１７２３および左走行レバー１７２５は、走行体１１０の左側履帯の回転駆動に対応する。具体的には、走行体１１０の駆動輪が後方にある場合、オペレータが左フットペダル１７２３または左走行レバー１７２５を前方に倒すと、左側履帯は前進方向に回転する。また、オペレータが左フットペダル１７２３または左走行レバー１７２５を後方に倒すと、左側履帯は後進方向に回転する。

右フットペダル１７２４および右走行レバー１７２６は、走行体１１０の右側履帯の回転駆動に対応する。具体的には、走行体１１０の駆動輪が後方にある場合、オペレータが右フットペダル１７２４または右走行レバー１７２６を前方に倒すと、右側履帯は前進方向に回転する。また、オペレータが右フットペダル１７２４または右走行レバー１７２６を後方に倒すと、右側履帯は後進方向に回転する。

制御装置１７３は、オペレータの操作に基づいて、走行体１１０、旋回体１３０、および作業機１５０を制御する。制御装置１７３は、入出力装置であり、作業機械１００が有する複数の機能に係る情報を表示するディスプレイ１７３１を備える。制御装置１７３は、校正装置の一例である。第１の実施形態に係る制御装置１７３の入力手段は、ハードキーである。なお、他の実施形態においては、タッチパネル、マウス、またはキーボード等を入力手段として用いてもよい。また、第１の実施形態に係る制御装置１７３は、ディスプレイ１７３１と一体に設けられるが、他の実施形態においては、ディスプレイ１７３１が制御装置１７３と別個に設けられていてもよい。

《制御装置１７３の構成》
図４は、第１の実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
制御装置１７３は、プロセッサ２１０、メインメモリ２３０、ストレージ２５０、インタフェース２７０を備えるコンピュータである。

ディスプレイ１７３１は、インタフェース２７０を介してプロセッサ２１０に接続される。
ストレージ２５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。ストレージ２５０の例としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ２５０は、制御装置１７３のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース２７０または通信回線を介して制御装置１７３に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ２５０は、距離センサ１３３を校正するための校正プログラムを記憶する。

校正プログラムは、制御装置１７３に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、校正プログラムは、ストレージ２５０に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、制御装置１７３は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサ２１０によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。

プロセッサ２１０は、校正プログラムを実行することで、表示制御部２１１、取得部２１２、位置計算部２１３、姿勢特定部２１４、校正部２１５、座標変換部２１６、パラメータ記憶部２１７として機能する。

表示制御部２１１は、ディスプレイ１７３１に表示させる画面データを生成し、画面データをディスプレイ１７３１に出力する。

取得部２１２は、各種センサから計測データを取得する。具体的には、取得部２１２は、位置方位検出器１３１、傾斜検出器１３２、距離センサ１３３、ブームシリンダストロークセンサ１５６１、アームシリンダストロークセンサ１５７１、およびバケットシリンダストロークセンサ１５８１の計測データを取得する。

位置計算部２１３は、取得部２１２が取得した距離センサ１３３の計測データ（以下、距離データという）に基づいて、距離センサ１３３の校正に用いるマーカＭのセンサ座標系における位置を計算する。マーカＭとしては、所定の反射率を有する反射材を用いることができる。これにより、位置計算部２１３は、距離センサ１３３の計測データのうち、所定の反射率に係る部分を探索することで、マーカＭの位置を特定することができる。

姿勢特定部２１４は、取得部２１２が取得したブームシリンダストロークセンサ１５６１、アームシリンダストロークセンサ１５７１、およびバケットシリンダストロークセンサ１５８１の計測データに基づいて、車体座標系におけるバケット１５５の刃先の位置を特定する。以下、図１を参照しながら姿勢特定部２１４によるバケット１５５の刃先の位置の特定方法について説明する。まず姿勢特定部２１４は、ブームシリンダストロークセンサ１５６１の計測データからブーム１５１の傾斜角αを算出する。姿勢特定部２１４は、算出した傾斜角αと既知のブームピンＰ１の車体座標系の位置と既知のブーム１５１の長さＬ１とに基づいて、車体座標系におけるアームピンＰ２の位置を特定する。姿勢特定部２１４は、アームシリンダストロークセンサ１５７１の計測データからアーム１５２の傾斜角βを算出する。姿勢特定部２１４は、算出した傾斜角βとアームピンＰ２の車体座標系の位置と既知のアーム１５２の長さＬ２とに基づいて、車体座標系におけるバケットピンＰ５の位置を特定する。姿勢特定部２１４は、バケットシリンダストロークセンサ１５８１の計測データからバケット１５５の傾斜角γを算出する。姿勢特定部２１４は、算出した傾斜角γとバケットピンＰ５の車体座標系の位置と既知のバケット１５５の長さＬ３とに基づいて、車体座標系におけるバケット１５５の刃先の位置を特定する。

校正部２１５は、マーカＭの位置とバケット１５５の刃先の位置とに基づいて、センサ座標系の位置と車体座標系における位置とを相互に変換するために用いるパラメータを算出する。校正部２１５は、算出したパラメータをパラメータ記憶部２１７に記憶させる。パラメータの例としては、例えば作業機械１００における距離センサ１３３の位置および傾き（外部パラメータ）が挙げられる。

座標変換部２１６は、取得部２１２が取得した位置方位検出器１３１および傾斜検出器１３２の計測データに基づいて、車体座標系の位置と現場座標系の位置とを相互に変換する。また、座標変換部２１６は、パラメータ記憶部２１７が記憶するパラメータに基づいて、センサ座標系の位置と車体座標系における位置とを相互に変換する。

《距離センサの校正方法》
図５は、第１の実施形態に係る作業機械１００の距離センサ１３３の校正方法の概略を示す図である。
第１の実施形態では、作業機械１００に取り付けられた距離センサ１３３の計測範囲Ｒ内に複数のマーカＭを設置してマーカＭの位置を計測した後に、オペレータが作業機械１００を操作して各マーカＭにバケット１５５の刃先を合わせる。これにより、作業機械１００の制御装置１７３は、距離センサ１３３が計測したマーカＭの位置とバケット１５５の刃先位置から計算されるマーカＭの位置とが一致するように、距離センサ１３３のパラメータを校正することができる。なお、他の実施形態においては、制御装置１７３は、複数のマーカＭではなく、１つのマーカＭを用いて距離センサ１３３のパラメータを校正してもよい。ただし、パラメータの校正には複数のマーカＭを用いることが好ましい。複数のマーカＭの位置を用いることで、車体の傾きが生じる場合においても精度よくパラメータを校正することができる。

図６は、第１の実施形態に係る作業機械１００の距離センサ１３３の校正方法を示すフローチャートである。
オペレータが制御装置１７３を操作し、距離センサ１３３の校正機能を起動させると、制御装置１７３は、図６に示す校正処理を開始する。

まず、表示制御部２１１は、距離センサ１３３の計測範囲Ｒ内に複数のマーカＭの設置を促す設置指示画面をディスプレイ１７３１に出力する（ステップＳ１）。設置指示画面は、例えば「距離センサの計測範囲内にマーカを４つ設置してください。」などの案内文を含む。また設置指示画面には、距離センサ１３３の計測データに基づいて生成された計測範囲Ｒの形状を示す三次元データが含まれているとよい。これによりオペレータは、設置指示画面を視認して、マーカＭが計測範囲Ｒ内に設置されているか否かを判断することができる。

オペレータは、マーカＭの設置を完了すると、制御装置１７３を操作し、処理を進める。次に、取得部２１２は、各種センサから計測データを取得する（ステップＳ２）。位置計算部２１３は、ステップＳ２で取得した計測データに基づいて、センサ座標系におけるマーカＭの位置を特定する（ステップＳ３）。

次に、表示制御部２１１は、複数のマーカＭの１つにバケット１５５の刃先が合うように作業機械１００の操作を促す操作指示画面をディスプレイ１７３１に出力する（ステップＳ４）。操作指示画面は、例えば「マーカに刃先を合わせてください。」などの案内文を含む。また操作指示画面には、ステップＳ２で取得した計測データに基づいて生成された計測範囲Ｒの形状を示す三次元データが含まれているとよい。
オペレータは、操作装置１７２を操作し、旋回体１３０を旋回させ、作業機１５０を駆動させて、バケット１５５の刃先を複数のマーカＭの１つに当てる。オペレータは、刃先を複数のマーカＭの１つに当てると、制御装置１７３を操作し、バケット１５５の移動完了を制御装置１７３に入力する（ステップＳ５）。例えば、オペレータは、操作指示画面に含まれる三次元データに含まれる複数のマーカＭのうち、バケット１５５の刃先を当てたマーカＭが写る部分をタッチすることで、バケット１５５の移動完了を入力しつつ、複数のマーカＭのうちバケット１５５を当てたマーカＭを制御装置１７３に入力することができる。

次に、取得部２１２は、各種センサから計測データを取得する（ステップＳ６）。姿勢特定部２１４は、ステップＳ６で取得したブームシリンダストロークセンサ１５６１、アームシリンダストロークセンサ１５７１、およびバケットシリンダストロークセンサ１５８１の計測データに基づいて、車体座標系におけるバケット１５５の刃先の位置を特定する（ステップＳ７）。このときのバケット１５５の刃先の位置は、マーカＭの位置と略一致する。つまり、姿勢特定部２１４は、マーカＭとバケット１５５の刃先との位置関係を取得する関係取得部の一例である。

座標変換部２１６は、ステップＳ２で取得した位置方位検出器１３１および傾斜検出器１３２の計測データと、ステップＳ６で取得した位置方位検出器１３１および傾斜検出器１３２の計測データに基づいて、ステップＳ７で算出したバケット１５５の刃先の位置を、ステップＳ２時点の現場座標系の位置に変換する（ステップＳ８）。つまり、座標変換部２１６は、ステップＳ２で取得した位置方位検出器１３１および傾斜検出器１３２の計測データと、ステップＳ７で取得した位置方位検出器１３１および傾斜検出器１３２の計測データとの差分を取ることで、位置、旋回角、および傾きの変化量を算出する。そして、座標変換部２１６は、ステップＳ７で算出した位置を、算出した位置、旋回角、および傾きの変化量に基づいて変形することで、ステップＳ２の時点における現場座標系の位置を得ることができる。

校正部２１５は、複数のマーカＭすべてについて、バケット１５５の刃先を当てたか否かを判定する（ステップＳ９）。例えば、校正部２１５は、ステップＳ５による移動完了の入力がステップＳ１で指定したマーカＭの数だけなされたか否かを判定する。バケット１５５の刃先を当てていないマーカＭが存在する場合（ステップＳ９：ＮＯ）、制御装置１７３は、処理をステップＳ４に戻し、操作指示画面をディスプレイ１７３１に出力する。

他方、複数のマーカＭすべてについて、バケット１５５の刃先を当てた場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、校正部２１５は、ステップＳ３で算出したセンサ座標系におけるマーカの位置と、ステップＳ８で取得した各マーカＭに応じたバケット１５５の刃先の位置とに基づいて、距離センサ１３３のパラメータを算出する（ステップＳ１０）。すなわち、ステップＳ８で取得したバケット１５５の刃先の位置は、ステップＳ２の時点における車体座標系におけるマーカＭの位置を示す。そのため、校正部２１５は、ステップＳ８で取得した複数のバケット１５５の刃先の位置にステップＳ３で算出した複数のマーカＭの位置を一度の座標変換で全ての位置が重なるような行列を求めることなどにより当てはめることで、作業機械１００における距離センサ１３３の位置および傾きを特定することができる。
校正部２１５は、ステップＳ１０で算出したパラメータをパラメータ記憶部２１７に記憶させる（ステップＳ１１）。

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る制御装置１７３は、以下のように距離センサのパラメータを校正する。
取得部２１２は、距離センサ１３３によって計測された、作業機械１００の外部の任意の位置に設置されたマーカＭが存在する範囲の距離データを取得する。位置計算部２１３は、距離データに基づいてマーカＭの位置を計算する。姿勢特定部２１４は、マーカＭと、車体座標系および現場座標系における位置が既知であるバケット１５５の刃先との位置関係として、バケット１５５の刃先をマーカＭに接触させたときの刃先の位置を取得する。校正部２１５は、バケット１５５の刃先をマーカＭに接触させたときの刃先の位置と距離センサ１３３で計測したマーカＭの位置に基づいて、車体座標系における距離センサ１３３の位置および傾きを特定するパラメータを校正する。
これにより、第１の実施形態に係る制御装置１７３は、作業機１５０が写らない範囲の距離を計測する距離センサ１３３を校正することができる。

〈第２の実施形態〉
第１の実施形態に係る制御装置１７３は、距離センサ１３３の校正のために作業機械１００を旋回させ、また作業機１５０を駆動させる必要がある。これに対し、第２の実施形態に係る制御装置１７３は、作業機械１００を操作することなしに、距離センサ１３３を校正する。

図７は、第２の実施形態に係る作業機械１００の距離センサ１３３の校正方法の概略を示す図である。
第２の実施形態では、作業機械１００から取り外された距離センサ１３３を用いて複数のマーカＭとバケット１５５の刃先の位置を計測した後に、当該距離センサ１３３を作業機械１００に設置して、再度各マーカＭの位置を計測する。これにより、作業機械１００の制御装置１７３は、取り外された距離センサ１３３が計測したマーカＭとバケット１５５の刃先の位置関係と、取り付けられた距離センサ１３３が計測したマーカＭの位置およびシリンダストロークセンサによって計測されるバケット１５５の刃先の位置の関係とが一致するように、距離センサ１３３のパラメータを構成することができる。

《距離センサの校正方法》
図８は、第２の実施形態に係る作業機械１００の距離センサ１３３の校正方法を示すフローチャートである。
オペレータが制御装置１７３を操作し、距離センサ１３３の校正機能を起動させると、制御装置１７３は、図８に示す校正処理を開始する。

まず、表示制御部２１１は、距離センサ１３３の計測範囲Ｒ内に複数のマーカＭの設置を促す設置指示画面をディスプレイ１７３１に出力する（ステップＳ３１）。設置指示画面は、例えば「距離センサの計測範囲内にマーカを４つ設置してください。」などの案内文を含む。また設置指示画面には、距離センサ１３３の計測データに基づいて生成された計測範囲Ｒの形状を示す三次元データが含まれているとよい。これによりオペレータは、設置指示画面を視認して、マーカＭが計測範囲Ｒ内に設置されているか否かを判断することができる。

オペレータは、マーカＭの設置を完了すると、制御装置１７３を操作し、処理を進める。
次に、取得部２１２は、各種センサから計測データを取得する（ステップＳ３２）。姿勢特定部２１４は、ステップＳ３２で取得したブームシリンダストロークセンサ１５６１、アームシリンダストロークセンサ１５７１、およびバケットシリンダストロークセンサ１５８１の計測データに基づいて、車体座標系におけるバケット１５５の刃先の位置を特定する（ステップＳ３３）。

次に、表示制御部２１１は、距離センサ１３３を作業機械１００から取り外し、距離センサ１３３によって複数のマーカＭとバケット１５５の刃先とを含む範囲を計測することを促す計測指示画面をディスプレイ１７３１に出力する（ステップＳ３４）。計測指示画面は、例えば「距離センサを取り外し、マーカとバケットの刃先の距離を計測した後に、距離センサを再度取り付けてください。」などの案内文を含む。
オペレータは、距離センサ１３３を作業機械１００から取り外し、バケット１５５の刃先と複数のマーカＭとを含む範囲を計測する。距離センサ１３３は、例えば、計測ボタンを有しており、オペレータが当該計測ボタンを押下することにより、距離センサ１３３による手動の計測がなされてよい。

オペレータによって距離センサ１３３が作業機械１００に取り付けられると、取得部２１２は、距離センサ１３３が取り外されている間に計測された距離データを取得する（ステップＳ３５）。距離センサ１３３が取り外されたときに計測された距離データは、バケット１５５の刃先およびマーカＭとが存在する範囲の距離データである。つまり、取得部２１２は、マーカＭとバケット１５５の刃先との位置関係を取得する関係取得部の一例である。位置計算部２１３は、ステップＳ３５で取得した計測データに基づいて、距離センサ取り外し時のセンサ座標系におけるバケット１５５の刃先およびマーカＭの位置を特定する（ステップＳ３６）。

次に、取得部２１２は、距離センサ１３３から取り付け後に計測された距離データを取得する（ステップＳ３７）。位置計算部２１３は、ステップＳ３６で取得した計測データに基づいて、距離センサ取り付け後のセンサ座標系におけるマーカＭの位置を特定する（ステップＳ３８）。

次に、校正部２１５は、ステップＳ３３で取得したバケット１５５の刃先の位置と、ステップＳ３６で計算した距離センサ取り外し時のセンサ座標系におけるバケット１５５の刃先およびマーカＭの位置とに基づいて、各マーカＭの車体座標系における位置を特定する（ステップＳ３９）。校正部２１５は、ステップＳ３６で得られたバケット１５５の刃先およびマーカＭの位置に、車体座標系における刃先の位置を車体座標系に当てはめることで、車体座標系におけるマーカＭの位置を特定することができる。

次に、校正部２１５は、ステップＳ３８で特定した距離センサ取り付け後のセンサ座標系におけるマーカＭの位置と、ステップＳ３９で特定したマーカＭの車体座標系における位置とに基づいて、作業機械１００における距離センサ１３３の設置位置および傾きを示すパラメータを算出する（ステップＳ４０）。校正部２１５は、ステップＳ３８で算出したパラメータをパラメータ記憶部２１７に記憶させる（ステップＳ４１）。

《作用・効果》
このように、第２の実施形態に係る制御装置１７３は、以下のように距離センサのパラメータを校正する。
取得部２１２は、作業機械１００に取り付けられた距離センサ１３３によって計測された、作業機械１００の外部の任意の位置に設置されたマーカＭが存在する範囲の第１距離データを取得する。また取得部２１２は、マーカＭと、車体座標系および現場座標系における位置が既知であるバケット１５５の刃先との位置関係として、作業機械１００から取り外された距離センサ１３３によって計測された、バケット１５５の刃先とマーカＭとが写る範囲の第２距離データを取得する。校正部２１５は、第１距離データと第２距離データとに基づいて、距離センサ１３３の距離データから車体座標系における位置を計測するために用いられるパラメータを校正する。
これにより、第２の実施形態に係る制御装置１７３は、作業機１５０が写らない範囲の距離を計測する距離センサ１３３を校正することができる。

なお、第２の実施形態によれば、第２距離データとして作業機械１００から取り外された距離センサ１３３によって計測された距離データを用いるが、他の実施形態においてはこれに限られない。例えば、他の実施形態によれば、第２距離データとして距離センサ１３３とは別に用意された外部の距離センサによって計測された距離データを用いてもよい。

〈第３の実施形態〉
第１の実施形態に係る制御装置１７３は、距離センサ１３３の校正のために作業機械１００を旋回させ、また作業機１５０を駆動させる必要がある。これに対し、第３の実施形態に係る制御装置１７３は、作業機械１００を操作することなしに、距離センサ１３３を校正する。第３の実施形態に係る制御装置１７３は、外部に設けられる外部距離センサ３００の計測データを用いて、距離センサ１３３を校正する。外部距離センサ３００は、自身の現場座標系における位置を測位する測位機能を有する。制御装置１７３は、外部距離センサ３００と無線または有線で通信可能に接続される。制御装置１７３は、リムーバブルメディア等を介して外部距離センサ３００からデータを取得可能に構成されるものであってもよい。

図９は、第３の実施形態に係る作業機械１００の距離センサ１３３の校正方法の概略を示す図である。
第３の実施形態では、距離センサ１３３の計測範囲Ｒ内に、複数のマーカＭと外部距離センサ３００を設置し、当該外部距離センサ３００を用いて複数のマーカＭの位置を計測する。これにより、作業機械１００の制御装置１７３は、距離センサ１３３が計測したマーカＭの位置と外部距離センサ３００が計測したマーカＭの位置とを合わせたときの車体座標系における外部距離センサの位置と、既知の外部距離センサの現場座標系の位置とに基づいて、距離センサ１３３のパラメータを構成することができる。

《距離センサの校正方法》
図１０は、第３の実施形態に係る作業機械１００の距離センサ１３３の校正方法を示すフローチャートである。
オペレータが制御装置１７３を操作し、距離センサ１３３の校正機能を起動させると、制御装置１７３は、図１０に示す校正処理を開始する。

まず、表示制御部２１１は、距離センサ１３３の計測範囲Ｒ内に複数のマーカＭと外部計測装置の設置を促す設置指示画面をディスプレイ１７３１に出力する（ステップＳ５１）。設置指示画面は、例えば「距離センサの計測範囲内にマーカを４つ設置し、さらに当該計測範囲内に、４つのマーカが写るように外部距離センサを設置してください。」などの案内文を含む。また設置指示画面には、距離センサ１３３の計測データに基づいて生成された計測範囲Ｒの形状を示す三次元データが含まれているとよい。これによりオペレータは、設置指示画面を視認して、マーカＭおよび外部距離センサ３００が計測範囲Ｒ内に設置されているか否かを判断することができる。

オペレータは、マーカＭおよび外部距離センサ３００の設置を完了すると、制御装置１７３を操作し、処理を進める。取得部２１２は、各種センサから計測データを取得する（ステップＳ５２）。位置計算部２１３は、ステップＳ５２で取得した距離データに基づいて、センサ座標系におけるマーカＭおよび外部距離センサ３００の位置を特定する（ステップＳ５３）。座標変換部２１６は、パラメータ記憶部２１７が記憶するパラメータとステップＳ５２で取得した位置方位検出器１３１および傾斜検出器１３２の計測データに基づいて、ステップＳ５３で特定したマーカＭおよび外部距離センサ３００の位置を現場座標系の位置に変換する（ステップＳ５４）。
また、取得部２１２は、外部距離センサ３００から、外部距離センサ３００の現場座標系における位置を示す位置データと計測データとを取得する（ステップＳ５５）。

校正部２１５は、ステップＳ５５で取得した外部距離センサ３００の位置データおよび計測データから、各マーカＭの現場座標系における位置を特定する（ステップＳ５６）。次に、校正部２１５は、ステップＳ５４で特定したマーカＭおよび外部距離センサ３００の位置を現場座標系の位置と、ステップＳ５５で取得した外部距離センサ３００の位置データおよびステップＳ５６で特定したマーカＭの現場座標系における位置との差が最小となるように、作業機械１００における距離センサ１３３の位置および傾きであるパラメータを特定する（ステップＳ５７）。
校正部２１５は、ステップＳ５７で算出したパラメータをパラメータ記憶部２１７に記憶させる（ステップＳ５８）。

《作用・効果》
このように、第３の実施形態に係る制御装置１７３は、以下のように距離センサのパラメータを校正する。
取得部２１２は、作業機械１００に取り付けられた距離センサ１３３によって計測された、作業機械１００の外部の任意の位置に設置されたマーカＭおよび外部距離センサ３００が存在する範囲の第１距離データを取得する。また取得部２１２は、マーカＭと、車体座標系および現場座標系における位置が既知である外部距離センサ３００との位置関係として、外部距離センサ３００によって計測された、マーカＭが写る範囲の第２距離データを取得する。校正部２１５は、第１距離データと第２距離データとに基づいて、距離センサ１３３の距離データから車体座標系における位置を計測するために用いられるパラメータを校正する。
これにより、第３の実施形態に係る制御装置１７３は、作業機１５０が写らない範囲の距離を計測する距離センサ１３３を校正することができる。

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。

例えば、他の実施形態においては、ＧＮＳＳ−ＲＴＫ（Real Time Kinematic）ローバを用いて、複数のマーカＭの現場座標系における位置を特定し、当該現場座標系の位置に基づいて距離センサ１３３を校正してもよい。
具体的には、他の実施形態に係る制御装置１７３は、以下の手順で距離センサ１３３を校正してよい。制御装置１７３は、ＧＮＳＳ−ＲＴＫローバを用いて計測された３つ以上のマーカＭそれぞれの現場座標系における位置の入力を受け付ける。制御装置１７３は、位置方位検出器１３１および傾斜検出器１３２から得られる計測データに基づいて、距離センサ１３３によって計測されたマーカＭの位置を現場座標系に変換する。制御装置１７３は、変換された複数のマーカＭの位置とＧＮＳＳ−ＲＴＫローバによって特定された複数のマーカＭの位置とが一致するように、距離センサ１３３のパラメータを校正する。
また、他の実施形態に係る制御装置１７３は、以下の手順で距離センサ１３３を校正してもよい。制御装置１７３は、ＧＮＳＳ−ＲＴＫローバを用いて計測された１つのマーカＭの現場座標系における位置の入力を受け付ける。オペレータは、作業機械１００を操作し、マーカＭが距離センサ１３３の計測範囲Ｒ内に位置する３つ以上の異なる地点において、距離センサ１３３によってマーカＭの位置を計測する。制御装置１７３は、位置方位検出器１３１および傾斜検出器１３２から得られる計測データに基づいて、異なる位置から計測されたマーカＭの位置を現場座標系に変換する。制御装置１７３は、変換された複数のマーカＭの位置とＧＮＳＳ−ＲＴＫローバによって特定されたマーカＭの位置とが一致するように、距離センサ１３３のパラメータを校正する。

上述した実施形態に係る制御装置１７３は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、制御装置１７３の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで制御装置１７３として機能するものであってもよい。このとき、制御装置１７３を構成する一部のコンピュータが作業機械１００の内部に搭載され、他のコンピュータが作業機械１００の外部に設けられてもよい。

上述の実施形態によれば、作業機１５０の姿勢をシリンダストロークセンサの計測データに基づいて求めるが、他の実施形態においてはこれに限られない。例えば、他の実施形態においては、シリンダストロークセンサに代えて、ブーム１５１、アーム１５２、およびバケット１５５のそれぞれに取り付けられたＩＭＵや、各ピンの回転量を計測するエンコーダなどに基づいて作業機１５０の姿勢が特定されてもよい。

１００…作業機械 １３３…距離センサ １５０…作業機 ２１２…取得部 ２１３…位置計算部 ２１４…姿勢特定部 ２１５…校正部

Claims (7)

1. 作業機械に備えられた車載距離センサを校正する校正装置であって、
   前記車載距離センサによって計測された、前記作業機械の外部の任意の位置に設置された第１基準物が存在する範囲の距離データである第１距離データを取得する距離取得部と、
   前記第１距離データに基づいて所定の座標系における前記第１基準物の位置を計算する位置計算部と、
   前記第１基準物と、前記座標系における位置が既知である第２基準物との位置関係を取得する関係取得部と、
   前記第１距離データと前記位置関係とに基づいて、前記車載距離センサの距離データから前記座標系における位置を計測するために用いられるパラメータを校正する校正部と
   を備える校正装置。
2. 前記第２基準物は、前記作業機械が備える作業機であって、
   前記関係取得部は、前記作業機の一部を前記第１基準物に接触させたときの前記作業機の位置を取得する
   請求項１に記載の校正装置。
3. 前記第２基準物は、前記作業機械が備える作業機であって、
   前記関係取得部は、前記作業機械の外部に設けられた外部距離センサによって計測された、前記作業機および前記第１基準物とが存在する範囲の距離データである第２距離データを取得する
   請求項１に記載の校正装置。
4. 前記車載距離センサは前記作業機械に着脱可能に設けられ、
   前記外部距離センサは、前記作業機械から取り外された前記車載距離センサである
   請求項３に記載の校正装置。
5. 前記第２基準物は、前記作業機械の外部に設けられた測位機能を有する外部距離センサであって、
   前記関係取得部は、前記外部距離センサによって計測された、前記第１基準物が存在する範囲の距離データを取得する
   請求項１に記載の校正装置。
6. 前記第１距離データは、前記外部距離センサおよび前記第１基準物が存在する範囲の距離データである
   請求項５に記載の校正装置。
7. 作業機械に備えられた車載距離センサの校正方法であって、
   前記車載距離センサによって前記作業機械の外部の任意の位置に設置された第１基準物が存在する範囲を計測して第１距離データを取得するステップと、
   前記第１基準物と、位置が既知である第２基準物との位置関係を取得するステップと、
   前記第１距離データと前記位置関係とに基づいて、前記車載距離センサの距離データから前記座標系における位置を計測するために用いられるパラメータを校正するステップと
   を備える校正方法。

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