JP2022168304A - 積込機械の制御装置、遠隔操作システム、および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積込対象とバケットとが干渉しないように、バケットを掘削点へ移動させる。【解決手段】積込対象特定部は、積込対象の位置および形状を特定する。回避位置特定部は、積込対象の位置および形状に基づいて積込対象より所定距離だけ外側の位置である干渉回避位置を特定する。移動処理部は、バケットが干渉回避位置に到達するまで旋回体のみを駆動させてバケットを干渉回避位置へ移動させる操作信号を出力する。移動制御部は、バケットが干渉回避位置に到達した後に旋回体および作業機を駆動させてバケットを掘削対象上の掘削位置へ移動させる操作信号を出力する。【選択図】図３

Description

本発明は、積込機械の制御装置および制御方法に関する。

特許文献１には、積込機械の自動積込制御に関する技術が開示されている。自動積込制御とは、制御装置が積込機械のオペレータ等から積込点の指定を受け付け、制御装置が積込機械および作業機の動作を制御することで、バケットを積込点へ移動させる制御である。特許文献１に記載の技術によれば、制御装置は、予め作業機の位置の時系列を記憶しておき、当該時系列に従って作業機を作動させる。

特開平０９－２５６４０７号公報

特許文献１に記載の技術によれば、作業機は予め記憶された積込点まで自動的に移動し、積込点において排土がなされる。他方、積込点で排土した後に、自動的に掘削点まで移動させたいという要望がある。このとき、作業機は、バケットが積込対象に干渉しないように移動する必要がある。
本発明の目的は、積込対象とバケットとが干渉しないように、バケットを掘削点へ移動させることができる積込機械の制御装置および制御方法を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、積込機械の制御装置は、旋回中心回りに旋回する旋回体と、バケットを有し前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える積込機械の制御装置であって、積込対象の位置および形状を特定する積込対象特定部と、前記積込対象の位置および形状に基づいて前記積込対象より所定距離だけ外側の位置である干渉回避位置を特定する回避位置特定部と、前記バケットが前記積込対象上の積込位置から前記干渉回避位置に到達するまで前記旋回体のみを駆動させて前記バケットを前記干渉回避位置へ移動させる操作信号を出力し、前記バケットが前記干渉回避位置に到達した後に前記旋回体および前記作業機を駆動させて前記バケットを掘削対象上の掘削位置へ移動させる操作信号を出力する移動処理部とを備える。

上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、積込機械の制御装置は、積込対象とバケットとの干渉を防止しながら、バケットを掘削点へ移動させることができる。

第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削前のバケットの経路の例を示す図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削後のバケットの経路の例を示す図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
〈第１の実施形態〉
《積込機械の構成》
図１は、第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。
積込機械１００は、土砂を運搬車両などの積込点へ積込を行う作業機械である。第１の実施形態に係る積込機械１００は、油圧ショベルである。なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、油圧ショベル以外の積込機械であってもよい。また図１に示す積込機械１００はバックホウショベルであるが、フェイスショベルやロープショベルであってもよい。
積込機械１００は、走行体１１０と、走行体１１０に支持される旋回体１２０と、油圧により駆動し旋回体１２０に支持される作業機１３０とを備える。旋回体１２０は、旋回中心回りに旋回自在に支持される。

作業機１３０は、ブーム１３１と、アーム１３２と、バケット１３３と、ブームシリンダ１３４と、アームシリンダ１３５と、バケットシリンダ１３６と、ブームストロークセンサ１３７と、アームストロークセンサ１３８と、バケットストロークセンサ１３９とを備える。

ブーム１３１の基端部は、旋回体１２０にピンを介して取り付けられる。
アーム１３２は、ブーム１３１とバケット１３３とを連結する。アーム１３２の基端部は、ブーム１３１の先端部にピンを介して取り付けられる。
バケット１３３は、土砂などを掘削するための刃と掘削した土砂を搬送するための容器とを備える。バケット１３３の基端部は、アーム１３２の先端部にピンを介して取り付けられる。

ブームシリンダ１３４は、ブーム１３１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１３４の基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１３４の先端部は、ブーム１３１に取り付けられる。
アームシリンダ１３５は、アーム１３２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１３５の基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３５の先端部は、アーム１３２に取り付けられる。
バケットシリンダ１３６は、バケット１３３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１３６の基端部は、アーム１３２に取り付けられる。バケットシリンダ１３６の先端部は、バケット１３３を回動させるリンク機構に取り付けられる。

ブームストロークセンサ１３７は、ブームシリンダ１３４のストローク量を計測する。ブームシリンダ１３４のストローク量は、旋回体１２０に対するブーム１３１の傾斜角に換算可能である。以下、旋回体１２０に対する傾斜角を、絶対角度ともいう。つまり、ブームシリンダ１３４のストローク量は、ブーム１３１の絶対角度に換算可能である。
アームストロークセンサ１３８は、アームシリンダ１３５のストローク量を計測する。アームシリンダ１３５のストローク量は、ブーム１３１に対するアーム１３２の傾斜角に換算可能である。以下、ブーム１３１に対するアーム１３２の傾斜角を、アーム１３２の相対角度ともいう。
バケットストロークセンサ１３９は、バケットシリンダ１３６のストローク量を計測する。バケットシリンダ１３６のストローク量は、アーム１３２に対するバケット１３３の傾斜角に換算可能である。以下、アーム１３２に対するバケット１３３の傾斜角をバケット１３３の相対角度ともいう。
なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、ブームストロークセンサ１３７、アームストロークセンサ１３８、およびバケットストロークセンサ１３９に代えて、地平面に対する傾斜角または旋回体１２０に対する傾斜角を検出する角度センサを備えてもよい。

旋回体１２０には、運転室１２１が設けられる。運転室１２１の内部には、オペレータが着座するための運転席１２２、積込機械１００を操作するための操作装置１２３、検出方向に存在する対象物の３次元位置を検出するための検出装置１２４が設けられる。操作装置１２３は、オペレータの操作に応じて、ブーム１３１の上げ操作信号および下げ操作信号、アーム１３２の押し操作信号および引き操作信号、バケット１３３のダンプ操作信号および掘削操作信号、旋回体１２０の左右への旋回操作信号を生成し、制御装置１２８に出力する。また操作装置１２３は、オペレータの操作に応じて作業機１３０に自動掘削積込制御を開始させるための掘削積込指示信号を生成し、制御装置１２８に出力する。自動掘削積込制御とは、旋回体１２０を旋回させて掘削点へ作業機１３０を移動させ、掘削点の土砂を掘削し、旋回体１２０を旋回させてバケット１３３に収容された土砂を積込対象２００（例えば、運搬車両やホッパ）へ積み込む一連の動作を自動的に実行する制御である。
操作装置１２３は、例えばレバー、スイッチおよびペダルにより構成される。掘削積込指示信号は自動制御用のスイッチの操作により生成される。例えば、スイッチがＯＮになったときに、掘削積込指示信号が出力される。操作装置１２３は、運転席１２２の近傍に配置される。操作装置１２３は、オペレータが運転席１２２に座ったときにオペレータの操作可能な範囲内に位置する。
検出装置１２４の例としては、ステレオカメラ、ＬｉＤＡＲ装置、レーザスキャナなどが挙げられる。検出装置１２４は、例えば検出方向が積込機械１００の運転室１２１の前方を向くように設けられる。検出装置１２４は、対象物の３次元位置を、検出装置１２４の位置を基準とした座標系で特定する。
なお、第１の実施形態に係る積込機械１００は、運転席１２２に着座するオペレータの操作に従って動作するが、他の実施形態においてはこれに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、積込機械１００の外部で操作するオペレータの遠隔操作によって操作信号や掘削積込指示信号が送信され動作するものであってもよい。

積込機械１００は、位置方位演算器１２５、傾斜計測器１２６、油圧装置１２７、制御装置１２８を備える。

位置方位演算器１２５は、旋回体１２０の位置および旋回体１２０が向く方位を演算する。位置方位演算器１２５は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。２つの受信器は、それぞれ旋回体１２０の異なる位置に設置される。位置方位演算器１２５は、受信器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１２０の代表点（ショベル座標系の原点）の位置を検出する。
位置方位演算器１２５は、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体１２０の向く方位を演算する。旋回体１２０が向く方位とは、旋回体１２０の正面方向であって、作業機１３０のブーム１３１からバケット１３３へ伸びる直線の延在方向の水平成分に等しい。

傾斜計測器１２６は、旋回体１２０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１２０の姿勢（例えば、ロール角およびピッチ角）を検出する。傾斜計測器１２６は、例えば旋回体１２０の下面に設置される。傾斜計測器１２６は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いることができる。

油圧装置１２７は、作動油タンク、油圧ポンプ、および流量制御弁を備える。油圧ポンプは、図示しないエンジンの動力で駆動し、流量制御弁を介して走行体１１０を走行させる図示しない走行油圧モータ、旋回体１２０を旋回させる図示しない旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に作動油を供給する。流量制御弁はロッド状のスプールを有し、スプールの位置によって走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に供給する作動油の流量を調整する。スプールは、制御装置１２８から受信する制御指令に基づいて駆動される。つまり、走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に供給される作動油の量は、制御装置１２８によって制御される。上記のとおり、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６は共通の油圧装置１２７から供給される作動油によって駆動する。

制御装置１２８は、操作装置１２３から操作信号を受信する。制御装置１２８は、受信した操作信号に基づいて、作業機１３０、旋回体１２０、または走行体１１０を駆動させる。

《制御装置の構成》
図２は、第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置１２８は、プロセッサ１１００、メインメモリ１２００、ストレージ１３００、インタフェース１４００を備えるコンピュータである。ストレージ１３００は、プログラムを記憶する。プロセッサ１１００は、プログラムをストレージ１３００から読み出してメインメモリ１２００に展開し、プログラムに従った処理を実行する。

ストレージ１３００の例としては、ＨＤＤ、ＳＳＤ、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等が挙げられる。ストレージ１３００は、制御装置１２８の共通通信線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１４００を介して制御装置１２８に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ１３００は、一時的でない有形の記憶媒体である。

プロセッサ１１００は、プログラムの実行により、車両情報取得部１１０１、検出情報取得部１１０２、操作信号入力部１１０３、バケット位置特定部１１０４、マップ生成部１１０５、積込対象特定部１１０６、回避位置特定部１１０７、掘削対象特定部１１０８、掘削位置特定部１１０９、下げ停止判定部１１１０、積込位置特定部１１１１、移動処理部１１１２、操作信号出力部１１１３を備える。

車両情報取得部１１０１は、例えば旋回体１２０の旋回速度、位置および方位、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する。以下、車両情報取得部１１０１が取得する積込機械１００に係る情報を車両情報とよぶ。

検出情報取得部１１０２は、検出装置１２４から深度情報を取得する。深度情報は、検出範囲Ｒ内の複数の点の三次元位置を示す。深度情報の例としては、深度を表す複数の画素からなる深度画像や、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）で表現される複数の点からなる点群データが挙げられる。

操作信号入力部１１０３は、操作装置１２３から操作信号の入力を受け付ける。操作信号にはブーム１３１の上げ操作信号および下げ操作信号、アーム１３２の押し操作信号および引き操作信号、バケット１３３のダンプ操作信号および掘削操作信号、旋回体１２０の旋回操作信号、走行体１１０の走行操作信号、ならびに積込機械１００の掘削積込指示信号が含まれる。

図３は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削前のバケットの経路の例を示す図である。
バケット位置特定部１１０４は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、ショベル座標系におけるアーム１３２の先端部の位置Ｐ（図１参照）およびアーム１３２の先端からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂを特定する。バケット１３３の最下通過点とは、バケット１３３のダンプ操作の間に刃先と地表面との距離が最も短くなるときに刃先が位置する点をいう。すなわち、アーム１３２の先端からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂは、バケット１３３の基端部のピンから刃先までの長さと一致する。なお、バケット１３３の基端部はアーム１３２の先端部に接続されているため、アーム１３２の先端部の位置Ｐは、バケット１３３の基端部の位置に等しい。

具体的には、バケット位置特定部１１０４は、以下の手順でアーム１３２の先端部の位置Ｐを特定する。バケット位置特定部１１０４は、ブームシリンダ１３４のストローク量から求められるブーム１３１の絶対角度と既知のブーム１３１の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、ブーム１３１の先端部の位置を求める。バケット位置特定部１１０４は、ブーム１３１の絶対角度と、アームシリンダ１３５のストローク量から求められるアーム１３２の相対角度とに基づいて、アーム１３２の絶対角度を求める。バケット位置特定部１１０４は、ブーム１３１の先端部の位置と、アーム１３２の絶対角度と、既知のアーム１３２の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、アーム１３２の先端部の位置Ｐを求める。

マップ生成部１１０５は、車両情報取得部１１０１が取得した旋回体１２０の位置、方位、および姿勢と、検出情報取得部１１０２が取得した深度情報とに基づいて、現場座標系によって積込機械１００の周囲のうち少なくとも一部の形状を表す三次元マップを生成する。マップ生成部１１０５は、旋回体１２０が旋回することで、検出装置１２４が異なる検出範囲について検出した複数の深度情報を重ね合わせることで、積込対象２００および掘削対象を含む三次元マップを生成する。なお、他の実施形態においては、マップ生成部１１０５は、旋回体１２０を基準としたショベル座標系に係る三次元マップを生成してもよい。

積込対象特定部１１０６は、マップ生成部１１０５が生成した三次元マップに基づいて、積込対象２００の位置および形状を特定する。例えば、積込対象特定部１１０６は、三次元マップが示す三次元形状と積込対象２００の既知の形状とをマッチングすることで、積込対象２００の位置および形状を特定する。

回避位置特定部１１０７は、車両情報取得部１１０１が取得した積込機械１００の位置と、積込対象特定部１１０６が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて、作業機１３０と積込対象２００とが上方からの平面視において干渉しない点である干渉回避位置Ｐ０２を特定する。干渉回避位置Ｐ０２は、自動掘削積込制御の開始時のアーム１３２の先端の位置Ｐ（空荷旋回開始位置Ｐ０１）と同じ高さを有し、かつ旋回体１２０の旋回中心からの距離が、当該旋回中心から空荷旋回開始位置Ｐ０１までの距離と等しく、かつ下方に積込対象２００が存在しない位置である。回避位置特定部１１０７は、例えば、旋回体１２０の旋回中心を中心とし、当該旋回中心と空荷旋回開始位置Ｐ０１との距離を半径とする円を特定し、当該円上の位置のうち、バケット１３３の外形が上方からの平面視で積込対象２００と干渉せず、かつ空荷旋回開始位置Ｐ０１に最も近い位置を、干渉回避位置Ｐ０２と特定する。回避位置特定部１１０７は、積込対象２００の位置および形状、ならびにバケット１３３の既知の形状に基づいて、積込対象２００とバケット１３３とが干渉するか否かを判定することができる。ここで、「同じ高さ」、「距離が等しい」とは、必ずしも高さまたは距離が完全に一致するものに限られず、多少の誤差やマージンが許容されるものとする。

掘削対象特定部１１０８は、マップ生成部１１０５が生成した三次元マップに基づいて、掘削対象の掘削点Ｐ２２の位置を特定する。掘削点Ｐ２２は、例えばバケット１３３の刃先をその点からアーム１３２およびバケット１３３を掘削方向へ移動させることで、バケット１３３の最大容量に相当する量の土砂を掘削できる点である。例えば、掘削対象特定部１１０８は、三次元マップが示す三次元形状から掘削対象の土砂の分布を特定し、当該分布に基づいて掘削点Ｐ２２を特定する。

掘削位置特定部１１０９は、掘削対象特定部１１０８が特定した掘削点Ｐ２２から、バケット１３３の基端部から刃先までの距離だけ離れた点を、掘削位置Ｐ０５として特定する。つまり、バケット１３３は、ダンプ方向に刃先を向けた所定の掘削姿勢をとっている場合において、バケット１３３の刃先が掘削点Ｐ２２に位置するとき、アーム１３２の先端は掘削位置Ｐ０５に位置することとなる。掘削点Ｐ２２は三次元マップに基づいて特定されるため、掘削位置特定部１１０９は、検出装置１２４の検出結果に基づいて掘削位置Ｐ０５を特定しているといえる。なお、他の実施形態においては、掘削位置特定部１１０９は、積込機械１００のオペレータの指示に基づいて掘削位置Ｐ０５を特定してもよい。例えば、オペレータは、バケット１３３を掘削位置Ｐ０５に当てて所定のボタンを押下することで掘削位置Ｐ０５を指示してもよいし、タッチパネルなどの入力装置によって掘削位置Ｐ０５を指示してもよい。
また掘削位置特定部１１０９は、掘削位置Ｐ０５より所定高さだけ上方の位置を、旋回終了位置Ｐ０４に決定する。

下げ停止判定部１１１０は、旋回体１２０の空荷旋回と同時に作業機１３０の下げ操作をしているときに、アーム１３２の先端の高さが旋回終了位置Ｐ０４と同じ高さになったか否かを判定する。このときのアーム１３２の先端の位置を、下げ停止位置Ｐ０３という。

積込位置特定部１１１１は、積込対象特定部１１０６が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて、積込位置Ｐ０７を特定する。具体的には、積込位置特定部１１１１は、以下のように積込位置Ｐ０７を特定する。
図４は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削後のバケットの経路の例を示す図である。
積込位置特定部１１１１は、積込対象２００上の積込点Ｐ２１を、積込位置Ｐ０７の平面位置として特定する。つまり、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ０７に位置するとき、アーム１３２の先端は積込点Ｐ２１の上方に位置することとなる。積込点Ｐ２１の例としては、積込対象２００がダンプトラックの場合におけるベッセルの中心点、および積込対象２００がホッパの場合における開口の中心点が挙げられる。積込位置特定部１１１１は、積込対象２００の高さＨｔに、バケット位置特定部１１０４が特定したアーム１３２の先端からバケット１３３最下通過点までの高さＨｂと、バケット１３３の制御余裕分の高さとを加算することで、積込位置Ｐ０７の高さを特定する。なお、他の実施形態においては、積込位置特定部１１１１は、制御余裕分の高さを加算せずに積込位置Ｐ０７を特定してもよい。すなわち、積込位置特定部１１１１は、高さＨｔに高さＨｂを加算することで、積込位置Ｐ０７の高さを特定してもよい。なお、第１の実施形態に係る高さＨｔは、地面からベッセルの上面までの高さである。

移動処理部１１１２は、操作信号入力部１１０３が掘削積込指示信号の入力を受け付けた場合に、掘削位置特定部１１０９が特定した掘削位置Ｐ０５、回避位置特定部１１０７が特定した干渉回避位置Ｐ０２に基づいて、バケット１３３を掘削位置Ｐ０５まで移動させるための回動操作信号を生成する。すなわち、移動処理部１１１２は、空荷旋回開始位置Ｐ０１から、干渉回避位置Ｐ０２、下げ停止位置Ｐ０３、および旋回終了位置Ｐ０４を経由して、掘削位置Ｐ０５に到達するように、回動操作信号を生成する。移動処理部１１１２は、バケット１３３が掘削位置Ｐ０５に到達すると、バケット１３３を掘削方向へ回転させ、また移動させるための掘削操作信号を生成する。
移動処理部１１１２は、積込位置特定部１１１１が特定した積込位置Ｐ０７、回避位置特定部１１０７が特定した干渉回避位置Ｐ０２に基づいて、バケット１３３を積込位置Ｐ０７まで移動させるための回動操作信号を生成する。すなわち、移動処理部１１１２は、掘削完了位置Ｐ０５´から、積荷旋回開始位置Ｐ０６、および干渉回避位置Ｐ０２を経由して、積込位置Ｐ０７に到達するように、回動操作信号を生成する。このとき、移動処理部１１１２は、ブーム１３１およびアーム１３２が駆動してもバケット１３３の対地角度が変化しないように、バケット１３３の回動操作信号を生成する。移動処理部１１１２は、バケット１３３が積込位置Ｐ０７に到達すると、バケット１３３をダンプ方向へ回転させるためのダンプ操作信号を生成する。

操作信号出力部１１１３は、操作信号入力部１１０３に入力された操作信号、または移動処理部１１１２が生成した操作信号を出力する。具体的には、操作信号出力部１１１３は、自動掘削積込制御中である場合に、移動処理部１１１２が生成した自動制御に係る操作信号を出力し、自動掘削積込制御中でない場合に、操作信号入力部１１０３に入力されたオペレータの手動操作に係る操作信号を出力する。

《自動掘削積込制御》
積込機械１００のオペレータは、積込機械１００と積込対象２００とが積込処理可能な位置関係にあると判断すると、操作装置１２３の自動制御用のスイッチをＯＮにする。これにより、操作装置１２３は、掘削積込指示信号を生成し出力する。

図５－図７は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御を示すフローチャートである。制御装置１２８は、オペレータから掘削積込指示信号の入力を受け付けると、図５－図７に示す自動掘削積込制御を実行する。なお、自動掘削積込制御の開始時におけるバケット１３３の位置である空荷旋回開始位置Ｐ０１は、積込対象２００の上方であって、旋回によって積込対象２００と干渉しない位置である。自動掘削積込制御を連続して実行する場合には、空荷旋回開始位置Ｐ０１は、積込位置Ｐ０７と一致する。

車両情報取得部１１０１は、旋回体１２０の位置および方位、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する（ステップＳ１）。車両情報取得部１１０１は、取得した旋回体１２０の位置および方位に基づいて、旋回体１２０の旋回中心の位置を特定する（ステップＳ２）。

検出情報取得部１１０２は、検出装置１２４から、積込機械１００の周囲の深度を示す深度情報を取得する（ステップＳ３）。マップ生成部１１０５は、車両情報取得部１１０１が取得した旋回体１２０の位置、方位、および姿勢と、検出情報取得部１１０２が取得した深度情報とに基づいて、現場座標系における積込機械１００の周囲のうち少なくとも一部の形状を表す三次元マップを更新する（ステップＳ４）。つまり、マップ生成部１１０５は、過去に生成した三次元マップに、今回検出した深度情報を重ね合わせることで三次元マップを更新する。積込対象特定部１１０６は、更新したマップ情報に基づいて、積込対象２００の位置および形状を特定する（ステップＳ５）。

バケット位置特定部１１０４は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、掘削積込指示信号の入力時のアーム１３２の先端部の位置Ｐを、空荷旋回開始位置Ｐ０１に決定するとともに、アーム１３２の先端からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂを特定する（ステップＳ６）。

掘削対象特定部１１０８は、ステップＳ４で生成した三次元マップに基づいて掘削点Ｐ２２を特定する（ステップＳ７）。掘削位置特定部１１０９は、掘削対象特定部１１０８が特定した掘削点Ｐ２２の位置に基づいて、掘削位置Ｐ０５および旋回終了位置Ｐ０４を特定する（ステップＳ８）。
回避位置特定部１１０７は、ステップＳ６で決定した空荷旋回開始位置Ｐ０１と、積込対象特定部１１０６が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて干渉回避位置Ｐ０２を特定する（ステップＳ９）。

移動処理部１１１２は、アーム１３２の先端部の位置Ｐが旋回終了位置Ｐ０４に至ったか否かを判定する（ステップＳ１０）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが旋回終了位置Ｐ０４に至っていない場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、移動処理部１１１２は、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ０２を通過したか否かを判定する（ステップＳ１１）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ０２を通過していない場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、移動処理部１１１２は、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の操作信号を生成しない。つまり、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ０２を通過していない場合、移動処理部１１１２は、作業機１３０を下げる操作信号の出力を禁止する。

他方、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ０２を通過した場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、下げ停止判定部１１１０は、アーム１３２の先端の位置Ｐが、旋回終了位置Ｐ０４より高いか否かを判定する（ステップＳ１２）。アーム１３２の先端の位置Ｐが、旋回終了位置Ｐ０４より高い場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、移動処理部１１１２は、アーム１３２の先端部の位置Ｐを降下させるためのブーム１３１およびアーム１３２の操作信号を生成する（ステップＳ１３）。

他方、アーム１３２の先端の位置Ｐの高さが、旋回終了位置Ｐ０４の高さ以下である場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、移動処理部１１１２は、アーム１３２の先端部の位置Ｐを降下させるためのブーム１３１およびアーム１３２の操作信号の生成を一時停止する。

次に、移動処理部１１１２は、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端の平面位置が旋回終了位置Ｐ０４に到達するか否かを判定する（ステップＳ１４）。現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端の平面位置が旋回終了位置Ｐ０４に到達しない場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、移動処理部１１１２は、旋回操作信号を生成する（ステップＳ１５）。

他方、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端の平面位置が旋回終了位置Ｐ０４に到達する場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、移動処理部１１１２は、旋回操作信号を生成しない。つまり、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端の平面位置が旋回終了位置Ｐ０４に到達する場合、移動処理部１１１２は、旋回操作信号の出力を禁止する。これにより、慣性により旋回し続けようとする旋回体１２０は減速を始める。

ステップＳ１０からステップＳ１５の処理でブーム１３１およびアーム１３２の操作信号、並びに旋回体１２０の旋回操作信号の少なくともいずれか１つを生成すると、操作信号出力部１１１３は、生成した操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ１６）。

そして、車両情報取得部１１０１は、車両情報を取得する（ステップＳ１７）。これにより、車両情報取得部１１０１は、出力した操作信号によって駆動した後の車両情報を取得することができる。制御装置１２８は、処理をステップＳ１４に戻し、操作信号の生成を繰り返し実行する。

ステップＳ１０において、アーム１３２の先端部の位置Ｐが旋回終了位置Ｐ０４に至った場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、移動処理部１１１２は、ブーム１３１およびアーム１３２を下げる操作信号を生成し、操作信号出力部１１１３は、生成した操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ１８）。車両情報取得部１１０１は、車両情報を取得し、アーム１３２の先端部の位置Ｐが掘削位置Ｐ０５に至ったか否かを判定する（ステップＳ１９）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが掘削位置Ｐ０５に至っていない場合（ステップＳ１９：ＮＯ）、制御装置１２８はステップＳ２２に処理を戻し、作業機１３０を下げる操作信号の出力を継続する。したがって、アーム１３２の先端部の位置Ｐが旋回終了位置Ｐ０４から掘削位置Ｐ０５に移動する間、旋回体１２０は旋回しない。

アーム１３２の先端部の位置Ｐが掘削位置Ｐ０５に至った場合（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、移動処理部１１１２は、バケット１３３を掘削方向に駆動させる掘削操作信号を生成し、操作信号出力部１１１３は、生成した操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ２０）。これにより、制御装置１２８は、バケット１３３に掘削対象を掘削させることができる。

次に、車両情報取得部１１０１は、車両情報を取得する（ステップＳ２１）。また検出情報取得部１１０２は、検出装置１２４から、積込機械１００の周囲の深度を示す深度情報を取得する（ステップＳ２２）。マップ生成部１１０５は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報と、検出情報取得部１１０２が取得した深度情報とに基づいて三次元マップを更新する（ステップＳ２３）。積込対象特定部１１０６は、更新した三次元マップに基づいて積込対象２００の位置および形状を特定する（ステップＳ２４）。積込位置特定部１１１１は、積込対象特定部１１０６が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて、積込位置Ｐ０７の平面位置を特定する（ステップＳ２５）。積込位置特定部１１１１は、積込対象２００の高さＨｔに、ステップＳ６で特定したアーム１３２の先端部からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂと、バケット１３３の制御余裕分の高さとを加算することで、積込位置Ｐ０７の高さを特定する（ステップＳ２６）。

移動処理部１１１２は、アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ０７に至ったか否かを判定する（ステップＳ２７）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ０７に至っていない場合（ステップＳ２７：ＮＯ）、移動処理部１１１２は、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ０２の近傍にあるか否かを判定する（ステップＳ２８）。例えば、移動処理部１１１２は、アーム１３２の先端の高さと干渉回避位置Ｐ０２の高さとの差が所定の閾値未満であり、または旋回体１２０の旋回中心からアーム１３２の先端までの平面距離と旋回中心から干渉回避位置Ｐ０２までの平面距離との差が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ２８）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ０２の近傍にない場合（ステップＳ２８：ＮＯ）、移動処理部１１１２は、ブーム１３１およびアーム１３２を干渉回避位置Ｐ０２の高さまで上昇させる操作信号を生成する（ステップＳ２９）。このとき、移動処理部１１１２は、ブーム１３１およびアーム１３２の位置および速度に基づいて、操作信号を生成する。

また移動処理部１１１２は、生成したブーム１３１およびアーム１３２の操作信号に基づいてブーム１３１およびアーム１３２の角速度の和を算出し、当該角速度の和と同じ速度でバケット１３３を回動させる操作信号を生成する（ステップＳ３０）。これにより、移動処理部１１１２は、バケット１３３の対地角を保持する操作信号を生成することができる。

アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ０２の近傍にある場合（ステップＳ２８：ＹＥＳ）、移動処理部１１１２は、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の操作信号を生成しない。つまり、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ０２の近傍にある場合、移動処理部１１１２は、作業機１３０を積込点へ移動させるための作業機１３０の操作信号の出力を禁止する。

移動処理部１１１２は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、旋回体１２０の旋回速度が所定速度未満であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。すなわち、移動処理部１１１２は、旋回体１２０が旋回中であるか否かを判定する。
旋回体１２０の旋回速度が所定速度未満である場合（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、移動処理部１１１２は、バケット１３３の高さが掘削完了位置Ｐ０５´の高さから干渉回避位置Ｐ０２の高さに至るまでの時間である上昇時間を特定する（ステップＳ３２）。移動処理部１１１２は、バケット１３３の上昇時間に基づいて、現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ０２または干渉回避位置Ｐ０２より高い点を通過することになるか否かを判定する（ステップＳ３３）。現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ０２または干渉回避位置Ｐ０２より高い点を通過することになる場合（ステップＳ３３：ＹＥＳ）、移動処理部１１１２は、旋回操作信号を生成する（ステップＳ３４）。

現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ０２より低い点を通過することになる場合（ステップＳ３４：ＮＯ）、移動処理部１１１２は、旋回操作信号を生成しない。つまり、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ０２より低い点を通過することになる場合、移動処理部１１１２は、旋回操作信号の出力を禁止する。

旋回体１２０の旋回速度が所定速度以上である場合（ステップＳ３１：ＮＯ）、移動処理部１１１２は、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ０７に到達するか否かを判定する（ステップＳ３５）。なお、旋回体１２０は、旋回操作信号の出力の停止後、減速しながらも慣性により旋回し続け、その後停止する。現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ０７に到達する場合（ステップＳ３５：ＹＥＳ）、移動処理部１１１２は、旋回操作信号を生成しない。つまり、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ０７に到達する場合、移動処理部１１１２は、旋回操作信号の出力を禁止する。これにより、旋回体１２０は減速を始める。
他方、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ０７より手前で停止することになる場合（ステップＳ３５：ＮＯ）、移動処理部１１１２は、旋回操作信号を生成する（ステップＳ３６）。

ステップＳ２７からステップＳ３６の処理でブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の回動操作信号、並びに旋回体１２０の旋回操作信号の少なくともいずれか１つを生成すると、操作信号出力部１１１３は、生成した操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ３７）。

そして、車両情報取得部１１０１は、車両情報を取得する（ステップＳ３８）。これにより、車両情報取得部１１０１は、出力した操作信号によって作動した後の車両情報を取得することができる。制御装置１２８は、処理をステップＳ３１に戻し、操作信号の生成を繰り返し実行する。

他方、ステップＳ２７にて、アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ０７に至った場合（ステップＳ２７：ＹＥＳ）、移動処理部１１１２は、ダンプ操作信号を生成し、操作信号出力部１１１３は、ダンプ操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ３９）。これにより、バケット１３３に収容された土砂は、積込対象２００に積み込まれる。なお、アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ０７に至ったとき、旋回体１２０の旋回は停止している。

これにより、制御装置１２８は、自動掘削積込制御を終了する。または制御装置１２８は、処理をステップＳ１に戻し、積込対象２００の積載量が最大積載量を超えない範囲で、自動掘削積込制御を繰り返し実行する。

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、積込対象２００の位置および形状に基づいて積込対象２００より所定距離だけ外側の位置である干渉回避位置Ｐ０２を特定し、バケット１３３が干渉回避位置Ｐ０２に到達するまで旋回体１２０のみを駆動させてバケット１３３を干渉回避位置Ｐ０２へ移動させる。その後、制御装置１２８は、旋回体１２０および作業機１３０を駆動させてバケット１３３を掘削対象上の掘削位置Ｐ０５へ移動させる。これにより、制御装置１２８は、積込対象２００とバケット１３３との干渉を防止しながら、バケット１３３の刃先を掘削点Ｐ２２へ移動させることができる。

また、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、バケット１３３が干渉回避位置Ｐ０２に到達した後に旋回体１２０および作業機１３０を駆動させてバケット１３３を掘削位置Ｐ０５より上方の旋回終了位置Ｐ０４へ移動させる。その後、制御装置１２８は、作業機１３０のみを駆動させてバケット１３３を掘削位置Ｐ０５へ移動させる。これにより、バケット１３３の刃先を、刃の伸びる方向に沿って掘削対象に当てることができる。なお、旋回しながらバケット１３３を掘削対象に当てると、バケット１３３の刃に横方向の力が掛かり、刃の摩耗および作業機１３０の曲がりが生じやすくなる。

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。
例えば、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、積込点Ｐ２１を、深度情報を用いて特定するが、これに限られない。他の実施形態に係る制御装置１２８は、深度情報を用いずに、積込対象２００に位置方位演算器を設けて、積込対象特定部１１０６は積込対象２００の位置方位演算器が出力する積込対象２００の位置と方位と形状を受信して、積込位置特定部１１１１は積込点Ｐ２１を特定してもよい。
また、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、掘削点Ｐ２２を深度情報を用いて特定するが、これに限られない。他の実施形態に係る制御装置１２８は、掘削位置特定部１１０９は掘削点Ｐ２２をオペレータが教示できるようにして特定してもよい。具体的には、掘削位置特定部１１０９はオペレータが手動操作にて掘削操作を行ったときの掘削位置を記憶して、掘削点Ｐ２２としてもよい。あるいは、運転室１２１内に、掘削点Ｐ２２を指示するタッチパネル式のデータ入力端末装置を備えて、掘削位置特定部１１０９はデータ入力端末装置から指示されたデータを受信して、掘削点Ｐ２２を特定してもよい。
また、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、自動掘削積込制御を行うが、これに限られない。他の実施形態に係る制御装置１２８は自動掘削制御を行い、積込作業がオペレータの手動操作によって行われてもよい。 また、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、掘削点Ｐ２２を特定して、掘削点Ｐ２２への旋回操作のあとに掘削操作を実行するが、これに限らず、制御装置１２８は、掘削点Ｐ２２への旋回操作までを実行して制御を終了し掘削作業がオペレータの手動操作によって行われてもよい。
また、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、バケット１３３は積込対象２００の上方に位置する空荷旋回開始位置Ｐ０１にあって自動掘削積込制御を開始するが、これに限られない。他の実施形態に係る制御装置１２８は、バケット１３３は掘削終了位置Ｐ０５´’にあって、自動掘削積込制御を開始すると、バケット１３３を干渉回避位置Ｐ０２を通過して積込位置Ｐ０７へ移動して、ダンプ操作をした後に、バケット１３３を干渉回避位置Ｐ０２を通過して掘削点Ｐ２２へ移動してもよい。

また、第１の実施形態に係る制御装置１２８の積込対象特定部１１０６は、深度情報から生成されたマップ情報に基づいて積込対象２００の位置および形状を特定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態において、積込対象２００がＧＮＳＳなどによる測位機能を有する場合、積込対象特定部１１０６は、車車間通信により、ローディングポイントに到着した積込対象２００からその位置および方位に係る情報を受信することで、積込対象２００の位置および形状を特定してもよい。また他の実施形態において、積込対象２００が管制システムによって制御される無人車両である場合、積込対象特定部１１０６は、管制システムから積込対象２００の位置および方位に係る情報を受信することで、積込対象２００の位置および形状を特定してもよい。

また、第１の実施形態に係る積込機械１００はバケット１３３を備えるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、バックオールとクラムシェルとを開閉可能に備えるクラムバケットを備えるものであってもよい。

また、第１の実施形態に係る積込機械１００は、オペレータが搭乗して操作する有人運転車両であるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、遠隔の事務所にいるオペレータがモニタの画面を見ながら操作する遠隔操作装置から、通信により取得する操作信号によって作動する遠隔運転車両であってもよい。この場合、制御装置１２８の一部の機能が遠隔操作装置に設けられてもよい。

１００…積込機械 １１０…走行体 １２０…旋回体 １２１…運転室 １２２…運転席 １２３…操作装置 １２４…検出装置 １２５…位置方位演算器 １２６…傾斜計測器 １２７…油圧装置 １２８…制御装置 １３０…作業機 １３１…ブーム １３２…アーム １３３…バケット １３４…ブームシリンダ １３５…アームシリンダ １３６…バケットシリンダ １３７…ブームストロークセンサ １３８…アームストロークセンサ １３９…バケットストロークセンサ １１００…プロセッサ １２００…メインメモリ １３００…ストレージ １４００…インタフェース １１０１…車両情報取得部 １１０２…検出情報取得部 １１０３…操作信号入力部 １１０４…バケット位置特定部 １１０５…マップ生成部 １１０６…積込対象特定部 １１０７…回避位置特定部 １１０８…掘削対象特定部 １１０９…掘削位置特定部 １１１０…下げ停止判定部 １１１１…積込位置特定部 １１１２…移動処理部 １１１３…操作信号出力部 ２００…積込対象 Ｐ０１…空荷旋回開始位置 Ｐ０２…干渉回避位置 Ｐ０３…下げ停止位置 Ｐ０４…旋回終了位置 Ｐ０５…掘削位置 Ｐ０５´…掘削終了位置 Ｐ０６…積荷旋回開始位置 Ｐ０７…積込位置 Ｐ２１…積込点 掘削点Ｐ２２

本発明は、積込機械の制御装置、遠隔操作システム、および制御方法に関する。

Claims (6)

1. 旋回中心回りに旋回する旋回体と、バケットを有し前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える積込機械の制御装置であって、
   積込対象の位置および形状を特定する積込対象特定部と、
   前記積込対象の位置および形状に基づいて前記積込対象より所定距離だけ外側の位置である干渉回避位置を特定する回避位置特定部と、
   前記バケットが前記積込対象上の積込位置から前記干渉回避位置に到達するまで前記旋回体のみを駆動させて前記バケットを前記干渉回避位置へ移動させる操作信号を出力し、前記バケットが前記干渉回避位置に到達した後に前記旋回体および前記作業機を駆動させて前記バケットを掘削対象上の掘削位置へ移動させる操作信号を出力する移動処理部と を備える積込機械の制御装置。
2. 前記移動処理部は、前記バケットが前記干渉回避位置に到達した後に前記旋回体および前記作業機を駆動させて前記バケットを前記掘削位置より上方の旋回終了位置へ移動させる操作信号を出力し、前記バケットが前記旋回終了位置に到達した後に前記作業機のみを駆動させて前記バケットを前記掘削位置へ移動させる操作信号を出力する
   請求項１に記載の積込機械の制御装置。
3. 前記積込機械は、検出方向に存在する対象物の位置を検出する検出装置を備え、
   前記積込対象特定部は、前記検出装置の検出結果に基づいて前記積込対象の位置および形状を特定する
   請求項１または請求項２に記載の積込機械の制御装置。
4. 前記積込機械は、検出方向に存在する対象物の位置を検出する検出装置を備え、
   前記検出装置の検出結果に基づいて前記掘削位置を特定する掘削位置特定部を備える 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積込機械の制御装置。
5. 前記積込機械は、積込機械のオペレータの指示に基づいて前記掘削位置を特定する掘削位置特定部を備える
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積込機械の制御装置。
6. 旋回中心回りに旋回する旋回体と、バケットを有し前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える積込機械の制御方法であって、
   積込対象の位置および形状を特定するステップと、
   前記積込対象の位置および形状に基づいて前記積込対象より所定距離だけ外側の位置である干渉回避位置を特定するステップと、
   前記バケットが前記積込対象上の積込位置から前記干渉回避位置に到達するまで前記旋回体のみを駆動させて前記バケットを前記干渉回避位置へ移動させる操作信号を出力するステップと、
   前記バケットが前記干渉回避位置に到達した後に前記旋回体および前記作業機を駆動させて前記バケットを掘削対象上の掘削位置へ移動させる操作信号を出力するステップと を備える積込機械の制御方法。

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