JP6289731B2 - 作業機械の制御システム、作業機械の制御方法、及びナビゲーションコントローラ - Google Patents

Description

本発明は、作業機械の制御システム、作業機械の制御方法、及びナビゲーションコントローラに関する。

近年、ブルドーザ等の作業機械において、ＩＣＴ（Information and Communication Technology）の活用が進められている。例えば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems）等を搭載して自身の位置を検出し、その位置情報と作業現場の現況地形を示す現況地形データとを比較し、作業機の位置又は姿勢等を演算処理して求める作業機械等がある（例えば、特許文献１参照）。現況地形データは、例えば外部のサーバ等によって管理されており、このようなサーバから作業機械に送信されるようになっている。作業機械は、サーバから送信される１種類の現況地形データを受信して演算処理等を行っている。

特開２０１４−２０５９５５号公報

このような作業機械においては、近年、例えば現況地形データを用いて作業機の自動制御を精度よく行うことが求められる。この場合、管理装置から送信される現況地形データの精度によっては、作業機の自動制御を精度よく行うことが困難な場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高精度の現況地形データを用いて作業機の自動制御を精度よく行うことが可能な作業機械の制御システム、作業機械の制御方法、及びナビゲーションコントローラを提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、作業機械が作業を行う作業現場の現況地形を示す複数の現況地形データを取得する取得部と、前記取得部で取得された複数の前記現況地形データに基づいて、所定の規則に基づいて前記作業現場の合成現況地形データを生成する合成部とを備える作業機械の制御システムが提供される。

本発明の態様によれば、高精度の現況地形データを用いて作業機の自動制御を精度よく行うことが可能となる。

図１は、本実施形態に係る作業機械の一例を示す図である。 図２は、本実施形態に係る作業機械の制御システムである制御システムの一例を示すブロック図である。 図３は、表示コントローラの一例を示すブロック図である。 図４は、現況地形データの一例を示す図である。 図５は、参照地点の一例を示す図である。 図６は、合成現況地形データを生成する処理を模式的に示す図である。 図７は、合成現況地形データを生成する処理を模式的に示す図である。 図８は、合成現況地形データの一例を示す図である。 図９は、設計地形データ、合成現況地形データ及び仮想設計データを対応させて示す図である。 図１０は、本実施形態に係る作業機械の制御方法の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る作業機械の制御システム及び作業機械の制御方法の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係る作業機械の一例を示す図である。本実施形態では、作業機械として、例えばブルドーザ１００を例に挙げて説明する。ブルドーザ１００は、車両本体１０と、作業機２０とを有する。本実施形態において、ブルドーザ１００は、例えば建設現場、鉱山等の作業現場において用いられる。

図１に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、グローバル座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を示している。本実施形態においては、車両本体１０に対して作業機２０がある方向を前方とする。したがって、作業機２０に対して車両本体１０がある方向を後方とする。本実施形態においては、履帯１１ａが地面と接する接地面に対して車両本体１０ある方向を上方とし、車両本体１０から接地面に向かう方向、すなわち重力方向を下方する。なお、図１では、前後方向をＸ方向に一致させ、車幅方向をＹ方向に一致させ、上下方向をＺ方向に一致させた状態でブルドーザ１００を配置している。

車両本体１０は、走行部としての走行装置１１を有する。走行装置１１は、履帯１１ａを有する。履帯１１ａは、車両本体１０の左右のそれぞれに配置される。走行装置１１は、不図示の油圧モータにより履帯１１ａを回転させることにより、ブルドーザ１００を走行させる。

車両本体１０は、アンテナ１２を有する。アンテナ１２は、ブルドーザ１００の現在位置を検出するために用いられる。アンテナ１２は、グローバル座標演算装置１５と電気的に接続されている。グローバル座標演算装置１５は、ブルドーザ１００の位置を検出する位置検出装置である。グローバル座標演算装置１５は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう）を利用してブルドーザ１００の現在位置を検出する。以下の説明において、アンテナ１２を、適宜ＧＮＳＳアンテナ１２と称する。ＧＮＳＳアンテナ１２が受信したＧＮＳＳ電波に応じた信号は、グローバル座標演算装置１５に入力される。グローバル座標演算装置１５は、図１に示すグローバル座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）におけるＧＮＳＳアンテナ１２の設置位置を求める。全地球航法衛星システムの一例としては、ＧＰＳ（Global Positioning System）が挙げられるが、全地球航法衛星システムは、これに限定されるものではない。ＧＮＳＳアンテナ１２は、例えば運転室１３の上端に設置されることが好ましい。なお、ＧＮＳＳアンテナ１２は、例えば２つ配置されてもよい。この場合、２つのＧＮＳＳアンテナ１２から得られるデータを用いて方位データを生成可能である。

車両本体１０は、運転者が着座する運転席が設けられた運転室１３を有する。運転室１３には、各種の操作装置及び画像データを表示する表示部１４が配置される。表示部１４は、例えば、液晶表示装置等であるが、これに限定されるものではない。表示部１４は、例えば入力部と表示部を一体化したタッチパネルを用いることができる。また、運転室１３には、不図示の操作装置が設けられる。操作装置は、作業機２０及び走行装置１１の少なくとも１つを操作するための装置である。

作業機２０は、作業具であるブレード２１と、ブレード２１を支持するリフトフレーム２２と、リフトフレームを駆動するリフトシリンダ２３とを有する。ブレード２１は、刃先２１ｐを有する。刃先２１ｐは、ブレード２１の下端部に配置される。整地作業又は掘削作業等の作業において、刃先２１ｐは、地面に接触する。ブレード２１は、リフトフレーム２２を介して車両本体１０に支持される。リフトシリンダ２３は、車両本体１０とリフトフレーム２２とを連結する。リフトシリンダ２３は、リフトフレーム２２を駆動してブレード２１を上下方向に移動させる。作業機２０は、リフトシリンダセンサ２３ａを含む。リフトシリンダセンサ２３ａは、リフトシリンダ２３のストローク長さを示すリフトシリンダ長データＬａを検出する。

図２は、本実施形態に係る作業機械の制御システムである制御システム２００の一例を示すブロック図である。図２に示すように、制御システム２００は、グローバル座標演算装置１５と、角速度及び加速度を検出する状態検出装置であるＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）１６と、ナビゲーションコントローラ４０と、表示コントローラ３０と、作業機コントローラ（作業機制御部）５０と、を含む。

グローバル座標演算装置１５は、グローバル座標系で表されるアンテナ１２の位置データである基準位置データＰ１を取得する。グローバル座標演算装置１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサである処理部と、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置である記憶部とを有する。

グローバル座標演算装置１５は、基準位置データＰ１に基づいて、車両本体１０の位置を示す位置データＰを生成する。位置データＰは、グローバル座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における位置を示す。グローバル座標演算装置１５は、生成した位置データＰを、ナビゲーションコントローラ４０及び表示コントローラ３０に出力する。

ＩＭＵ１６は、ブルドーザ１００の動作を示す動作情報を検出する状態検出装置である。実施形態において、動作情報は、ブルドーザ１００の姿勢を示す情報を含んでいてもよい。ブルドーザ１００の姿勢を示す情報は、ブルドーザ１００のロール角、ピッチ角及び方位角が例示される。ＩＭＵ１６は、車両本体１０に取り付けられている。ＩＭＵ１６は、例えば運転室１３の下部に設置されてもよい。

ＩＭＵ１６は、ブルドーザ１００の角速度及び加速度を検出する。ブルドーザ１００の動作にともない、ブルドーザ１００には、走行時に発生する加速度、旋回時に発生する角加速度及び重力加速度といった様々な加速度が生じるが、ＩＭＵ１６は少なくとも重力加速度を検出して出力する。ここで、重力加速度は、重力に対する抗力に対応した加速度である。ＩＭＵ１６は、例えばグローバル座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度と、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸周りの角速度（回転角速度）とを検出する。

表示コントローラ３０は、表示部１４にガイダンス画面等の画像を表示させる。表示コントローラ３０は、通信部３２を有する。通信部３２は、外部の通信機器との間で通信が可能である。通信部３２は、例えば管理サーバ３００等から作業現場の現況地形データ７０及び設計地形データ８０を受信する。通信部３２は、ＵＳＢメモリ等の外部記憶装置、ＰＣ、携帯端末から作業現場の現況地形データ７０及び設計地形データ８０を受信してもよい。

ナビゲーションコントローラ４０は、ＣＰＵ等のプロセッサである処理部と、ＲＡＭ及びＲＯＭ等の記憶装置である記憶部とを有する。ナビゲーションコントローラ４０には、グローバル座標演算装置１５の検出値、ＩＭＵ１６の検出値、後述する作業機コントローラ５０からの出力値が入力される。ナビゲーションコントローラ４０は、グローバル座標演算装置１５の検出値及びＩＭＵ１６の検出値から、ブルドーザ１００の位置に関連する位置情報を求めて表示コントローラ３０に出力する。ナビゲーションコントローラ４０は、表示コントローラ３０から出力される仮想設計データ８１が入力される。ナビゲーションコントローラ４０は、仮想設計データ８１に基づいてブレード２１の刃先２１ｐの目標刃先位置を設定し、作業機コントローラ５０に出力する。

ナビゲーションコントローラ４０は、作業機コントローラ５０から刃先位置データが入力される。刃先位置データは、刃先２１ｐの３次元位置である刃先位置を示すデータである。ナビゲーションコントローラ４０は、刃先位置データに基づいて、目標刃先位置を示す目標刃先位置データを生成する。ナビゲーションコントローラ４０は、目標刃先位置データを生成する際、作業現場の現況地形を示す現況地形データを用いる。ナビゲーションコントローラ４０は、例えば現況地形データにより示される現況地形を所定距離だけ下方にオフセットした仮想目標地面を生成し、刃先２１ｐが当該仮想目標地面に沿うように目標刃先位置データを生成する。

作業機コントローラ５０は、ＣＰＵ等のプロセッサである処理部と、ＲＡＭ及びＲＯＭ等の記憶装置である記憶部とを有する。作業機コントローラ５０は、ブレード２１の位置情報を用いて、上記刃先位置データを検出する。作業機コントローラ５０は、ナビゲーションコントローラ４０から出力される目標刃先位置が入力される。作業機コントローラ５０は、目標刃先位置データに基づいて、作業機２０の動作を制御する作業機指令値を生成して出力する。また、作業機コントローラ５０は、リフトシリンダセンサ２３ａから出力されるリフトシリンダ長データＬａが入力される。作業機コントローラ５０は、リフトシリンダ長データＬａに基づいて、ブレード２１のリフト角θａ（図１参照）を算出する。リフト角θａは、ブレード２１の原点位置からの下降角度、すなわち、刃先２１ｐの地中への貫入深さ又は地上からの高さに対応する。図１において、リフトフレーム２２及びブレード２１の原点位置が二点鎖線で示されている。リフトフレーム２２及びブレード２１が原点位置に位置する場合、ブレード２１の刃先２１ｐは地面に接触する。ブレード２１を原点位置から下降させた状態でブルドーザ１００が前進することによって、ブルドーザ１００による整地作業及び掘削作業を行う。作業機コントローラ５０は、リフトシリンダセンサ２３ａの検出値に基づいて、現在の刃先２１ｐの位置に関する刃先位置及びリフト角θａを示す信号をナビゲーションコントローラ４０に出力する。

図３は、ナビゲーションコントローラ４０の一例を示すブロック図である。図３に示すように、ナビゲーションコントローラ４０は、処理部４４と、記憶部４５とを有する。ナビゲーションコントローラ４０は、処理部４４及び記憶部４５がバスライン４６等の信号性を介して接続される。また、記憶部４５は、処理部４４において各種の処理を行うためのプログラム及びデータ等を記憶する。記憶部４５は、例えば、後述する現況地形データ７０と、設計地形データ８０と、合成現況地形データ７３とを記憶する。

図４は、現況地形データの一例を示す図である。図４に示すように、現況地形データ７０は、作業現場を複数のグリッド領域Ｇに区画した場合における、グリッド領域Ｇ毎の高さ位置（Ｚ座標）に関するデータである。グリッド領域Ｇは、グローバル座標系のＸ方向及びＹ方向に所定間隔ごとに設けられている。各グリッド領域Ｇは、グローバル座標系の位置データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が蓄積されている。なお、現況地形データ７０は、グリッド領域Ｇにおける任意の位置の高さデータに関するデータであればよく、例えばグリッド領域Ｇの中心位置の高さデータであってもよいし、グリッド領域Ｇの４隅の高さデータであってもよい。グリッド領域Ｇは、例えば正方形に設定されるが、これに限定されるものではなく、例えば長方形、平行四辺形、三角形等、他の形状であってもよい。

本実施形態において、現況地形データ７０は、例えば作業現場の現況地形を各種の測定手法を用いて測定することにより生成される。現況地形データ７０は、例えば測定手法等が異なる複数種類の現況地形データを含む。現況地形データ７０を生成するための測定手法としては、例えば、作業現場を走行する車両の位置情報を用いて現況地形を測定する手法、作業現場を走行するブルドーザ１００等の作業機械の位置情報を用いて現況地形を測定する手法、測量車を走行させて現況地形を測量する手法、静止した測量器を用いて現況地形を測量する手法、ステレオカメラを用いて現況地形を測定する手法、ドローン等の無人飛行体により現況地形を測定する手法等が挙げられる。なお、ドローン等による計測は、例えばカメラ等を用いて現況地形を撮影し、撮影結果から現況地形データを測定する手法であってもよいし、レーザスキャナを用いて現況地形データを測定してもよい。現況地形データ７０には、測定手法等を識別するための識別情報が付与されてもよい。

処理部４４は、例えばＣＰＵ等のプロセッサである。処理部４４は、取得部６２と、検定部６３と、合成部６４と、生成部６５と、表示制御部６６と、現況地形データ算出部６１とを有する。

現況地形データ算出部６１は、例えば作業現場のうちブルドーザ１００が通過した領域についての現況地形を示す現況地形データ７０を算出する。現況地形データ算出部６１は、例えばグローバル座標演算装置１５で出力される位置情報に基づいて現況地形データ７０を算出する。この場合、現況地形データ算出部６１は、例えばブルドーザ１００が通過した領域に対応するグリッド領域Ｇ毎のＺ座標を算出する。

取得部６２は、作業現場の現況地形を示す複数の現況地形データ７０を取得する。取得部６２が取得する現況地形データ７０は、例えば管理サーバ３００から受信する現況地形データ７０と、現況地形データ算出部６１で生成される現況地形データ７０とを含む。

取得部６２が取得する複数の現況地形データ７０は、測定手法等に応じて、精度やデータを有する範囲等が異なる場合がある。例えば、作業現場における車両の位置情報を用いて測定を行うことで得られる現況地形データ７０は測定時の走行速度が速くなるため、測定精度が低くなる。一方、作業現場の広い領域に亘って走行させて現況地形データ７０を測定することにより、データの存在するグリッド領域Ｇの数を多くすることができる。

また、上記車両に比べて走行速度が低いブルドーザ１００等の作業機械の位置情報を用いて得られる現況地形データ７０は、走行速度が低い分、測定精度が高くなる。一方、ブルドーザ１００は、例えば作業現場のうちブルドーザ１００が作業を行う箇所及び作業のために移動する箇所を主として走行するため、データの存在するグリッド領域Ｇの数が限られる。

検定部６３は、取得部６２で取得される現況地形データ７０の検定を行う。検定部６３は、現況地形データ７０の取得時刻及び現況地形データ７０の精度のうち少なくとも一方に基づいて検定を行う。検定部６３は、検定結果により、所定の基準を満たす現況地形データ７０を採用し、所定の基準を満たさない現況地形データ７０を破棄する。なお、検定部６３は、設けられなくてもよい。

合成部６４は、合成現況地形データ７３を生成する。合成現況地形データ７３は、作業現場のうち所定の参照地点の現況地形を示す現況地形データである。

図５は、参照地点の一例を示す図である。図５では、ブルドーザ１００を矩形により模式的に示している。図５に示すように、参照地点７５は、ブルドーザ１００の走行装置１１の走行方向に対応して設定される複数の地点である。各参照地点７５は、ブルドーザ１００の現在位置を基準として、走行方向の前方及び後方に直線方向に設定される。各参照地点７５の設定数及び参照地点７５同士の間隔は任意である。したがって、例えば各参照地点７５は、図５に記載されているように等間隔に設定されてもよい。また、現在位置に対して前方と後方とで参照地点７５の設定数が等しくてもよいし、異なってもよい。複数の参照地点７５は、グローバル座標演算装置１５で出力される位置情報に基づいて設定される。なお、参照地点７５は、上記に限定されず、どのような位置に設定してもよい。なお、各参照地点７５におけるＸ座標及びＹ座標は、ブルドーザ１００の位置情報、ブルドーザ１００の向き情報に基づいて求められる。

ここで、合成部６４により合成現況地形データ７３を生成する処理の一例を説明する。合成部６４は、合成現況地形データ７３を生成する場合、複数の現況地形データ７０の対応する又は同一の位置における位置データを所定の規則に基づいて合成し、１つの合成現況地形データ７３を生成する。本実施形態の一例として、以下参照地点７５を用いて合成現況地形データ７３を生成する場合について説明する。まず合成部６４は、１つの現況地形データ７０における各グリッド領域Ｇにおける位置データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と、参照地点７５におけるＸ方向及びＹ方向についての位置データ（Ｘ、Ｙ）とに基づいて、参照地点７５における高さデータ（Ｚ座標）を求める。この場合、合成部６４は、Ｚ座標を求めようとする参照地点７５について、当該参照地点７５の周囲にあるグリッド領域Ｇ（例えば４つ）の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に基づいて、例えば線形補間によりＺ座標を計算する。このような処理を参照地点７５毎に行い、各参照地点７５のＺ座標の集合（以下、部分現況地形データと表記する）を算出する。なお、本実施形態において、部分現況地形データは、現況地形データの一例である。

図６及び図７は、各参照地点７５についてＺ座標を算出する処理を模式的に示す図である。まず、合成部６４が複数種類の現況地形データ７０のうち、例えばブルドーザ１００等の作業機械の位置情報を用いて現況地形を測定して得られた現況地形データ７０を第１現況地形データ７１として設定した場合を説明する。この場合、第１現況地形データは、ブルドーザ１００が走行したグリッド領域Ｇについては位置データが算出されてデータが存在するが、ブルドーザ１００が走行していないグリッド領域Ｇについては位置データが存在しない。位置データが存在するグリッド領域Ｇを有効グリッド領域Ｇ１、位置データが存在しないグリッド領域Ｇを無効グリッド領域Ｇ２と定義する。図６（ａ）では、ブルドーザ１００が通過したグリッド領域Ｇが有効グリッド領域Ｇ１となり、ブルドーザ１００が通過していないグリッド領域Ｇが無効グリッド領域Ｇ２となっていることを示している。合成部６４は、有効グリッド領域Ｇ１における位置情報を用いて算出可能な範囲で、各参照地点７５のＺ座標を算出する。図６（ａ）に示すように、合成部６４は、有効グリッド領域Ｇ１の近傍に存在する参照地点７５（７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅ）について、当該有効グリッド領域Ｇ１の位置データを用いてＺ座標を算出する。また、合成部６４は、図６（ａ）における位置データを有しない無効グリッド領域Ｇ２の近傍に存在する参照地点７５（７５ｆ、７５ｇ、５７ｈ）については、Ｚ座標を算出しない。この結果、合成部６４は、参照地点７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅの位置情報の集合を第１部分現況地形データ７１として生成する。

図６（ｂ）は、第１部分現況地形データ７１における各参照地点７５のＺ座標を示している。Ｚ座標が求められた参照地点７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅには、高さデータが存在しているものの、Ｚ座標が求められなかった参照地点７５ｆ、７５ｇ、５７ｈには、高さデータが存在していない。

次に、合成部６４が複数種類の現況地形データ７０のうち、例えば車両の位置情報を用いて現況地形を測定して得られた現況地形データ７０を第２現況地形データとして設定した場合を説明する。図７（ａ）は、例えば検定部６３により一部のデータが破棄された場合の例を示している。図７（ａ）に示すように、合成部６４は、破棄されたグリッド領域Ｇを、データが存在しない無効グリッド領域Ｇ４として取り扱う。このため、図７（ａ）に示す場合、合成部６４は、有効グリッド領域Ｇ３の近傍の位置情報を用いて算出可能な範囲で、参照地点７５のＺ座標を算出する。図７（ａ）に示すように、合成部６４は、有効グリッド領域Ｇ３の近傍に存在する参照地点７５（７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅ、７５ｆ、５７ｈ）については、当該有効グリッド領域Ｇ３の位置情報を用いてＺ座標を算出する。また、合成部６４は、無効グリッド領域Ｇ４の近傍に存在する参照地点７５ｇについては、Ｚ座標を算出しない。この結果、合成部６４は、参照地点７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅ、７５ｆ、５７ｈの位置情報の集合を第２部分現況地形データ７２として生成する。

図７（ｂ）は、第２部分現況地形データ７２における各参照地点７５のＺ座標を示している。Ｚ座標が求められた参照地点７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅ、７５ｆ、５７ｈには、高さデータが存在しているものの、Ｚ座標が求められなかった参照地点７５ｇには、高さデータが存在していない。

なお、上記の例において、参照地点７５ｇについては、第１部分現況地形データ７１及び第２部分現況地形データ７２のいずれにおいてもＺ座標が存在しない。このような場合、合成部６４は、上記の無効グリッド領域Ｇ４の周囲に配置される有効グリッド領域Ｇ３の位置情報に基づいて、線形補間等の方法により無効グリッド領域Ｇ４の位置情報を補完してもよい。そして、合成部６４は、当該無効グリッド領域Ｇ４を有効グリッド領域Ｇ３とした場合、当該有効グリッド領域Ｇ３の位置情報を用いて参照地点７５ｇのＺ座標を計算することができる。

また、上記の例では、合成部６４が第１部分現況地形データ７１及び第２部分現況地形データ７２の２種類の部分現況地形データを算出する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、合成部６４は、３種類以上の部分現況地形データを算出してもよい。また、合成部６４は、上記とは異なる種類もしくは異なる測定方法により求められた現況地形データ７０から、部分現況地形データを求めてもよい。

合成部６４は、複数の部分現況地形データを算出した後、各部分現況地形データに含まれるデータを合成して、合成現況地形データを生成する。合成部６４は、部分現況地形データを合成する場合、例えば所定の規則に基づいて合成する。所定の規則としては、例えば、現況地形データ７０毎に予め設定された優先順位がある。現況地形データ７０毎に予め設定された優先順位を用いる場合、合成部６４は、優先順位の高い現況地形データ７０から算出された部分現況地形データの各参照地点７５のＺ座標を優先的に採用する構成としてもよい。この優先順位は、例えば現況地形データ７０の測定手法毎に設定される。例えば、精度が低い測定手法により求められた現況地形データ７０には、優先順位を低く設定するようにしてもよい。

図８（ａ）は、合成現況地形データ７３の一例を示す図である。合成部６４は、例えば各参照地点７５について、所定の規則に基づいて第１部分現況地形データ７１及び第２部分現況地形データ７２の高さデータを合成することで、図８（ａ）に示すような合成現況地形データ７３を生成する。本実施形態においては、所定の規則として、各現況地形データ７０に設定される優先順位に基づいて、各参照地点７５毎における高さデータを求める、すなわちいずれかの部分現況地形データ７１，７２から高さデータを抽出する、という規則を採用する場合について説明する。本実施形態においては、第１現況地形データ（第１部分現況地形データ）７１が第２現況地形データ（第２部分現況地形データ）７２よりも優先順位が高い場合を例に挙げて説明する。

合成現況地形データ７３は、第１現況地形データ（第１部分現況地形データ）７１が第２現況地形データ（第２部分現況地形データ）７２よりも優先するという規則の下、参照地点７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅにおいては、第１部分現況地形データ７１から高さデータを抽出する。また、合成現況地形データ７３は、参照地点７５ｆ、７５ｈにおいては、第２部分現況地形データ７２から高さデータを抽出する。参照地点７５ｇは、Ｚ座標のデータを有しない。

図８（ｂ）は、合成現況地形データ７３における各参照地点７５のＺ座標を示している。参照地点７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅにおいては、第１部分現況地形データ７１から抽出された高さデータが、参照地点７５ｆ、７５ｈにおいては、第２部分現況地形データ７２から抽出された高さデータが記載されている。参照地点７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅにおける破線の高さデータは、優先順位が低く採用されなかった第２部分現況地形データ７２における高さデータである。

なお、上述のように第２部分現況地形データ７２における無効グリッドＧ４を補完して得られた位置情報に基づいて参照地点７５ｇの高さデータを取得してもよい。また、例えば図８（ｂ）における参照地点７５ｇ´にあるように、参照地点７５ｆ及び参照地点７５ｈの高さデータから線形補間して参照地点７５ｇの高さデータを取得してもよい。

生成部６５は、合成部６４で生成された合成現況地形データ７３に基づいて作業現場の仮想設計データ８１を生成する。図９は、設計地形データ８０と、図８に示す各参照地点７５における合成現況地形データ７３と、仮想設計データ８１と、を対応させて示す図である。設計地形データ８０は、施工現場における最終的な目標面を意味している。仮想設計データ８１は、作業現場の現況地形から設計地形に到達するための中間設計地形を示す設計データである。中間設計地形は、例えばブルドーザ１００が１回又は数回の掘削作業により到達するよう設定される目標地形である。図９に示すように、仮想設計データ８１は、合成現況地形データ７３と設計地形データ８０との間の値であり、一例として、合成現況地形データ７３をＺ座標下方向にオフセットして形成してもよい。また、仮想設計データ８１は、例えば、現況地形を平滑化処理した上でＺ座標下方向にオフセットさせた形状に形成してもよい。仮想設計データ８１に基づいて作業機２０の自動制御を段階的に複数回行うことにより、作業現場の地形を最終設計データの形状に近づけることができる。この複数回の作業により、作業現場の地形を徐々に凹凸が少なくなるようにすることができる。

図１０は、本実施形態に係る作業機械の制御方法の一例を示すフローチャートである。ステップＳＴ１０において、表示コントローラ３０の取得部６２は、記憶部３５に記憶された複数の現況地形データ７０を取得する。このような現況地形データ７０として、上記のように、例えば車両の位置情報を用いて現況地形を測定して得られた現況地形データ７０、ブルドーザ１００等の作業機械の位置情報を用いて現況地形を測定して得られた現況地形データ７０、測量車を走行させて現況地形を測量して得られた現況地形データ７０、静止した測量器を用いて現況地形を測量して得られた現況地形データ７０、ステレオカメラを用いて現況地形を測定する手法、ドローン等の無人飛行体により現況地形を撮影して撮影結果から現況地形を求めて得られた現況地形データ７０等が挙げられる。なお、ステップＳＴ１０の後、検定部６３は、取得した現況地形データ７０の検定処理を行ってもよい。

次に、ステップＳＴ２０において、合成部６４は、取得した複数種類の現況地形データ７０について、グリッド領域Ｇの位置情報に基づいて、例えば各参照地点７５のＺ座標の集合である部分現況地形データを算出する。次に、ステップＳＴ３０において、合成部６４は、所定の規則に基づいて、各部分現況地形データに含まれるデータを合成して合成現況地形データを生成する。合成部６４は、生成した合成現況地形データ７３を記憶部３５に記憶する。次に、ステップＳＴ４０において、生成部６５は、記憶部３５に記憶された当該合成現況地形データ７３に基づいて、仮想設計データ８１を生成する。

次に、ステップＳＴ５０において、ナビゲーションコントローラ４０及び作業機コントローラ５０は、生成された仮想設計データ８１に基づいて作業機２０の制御を行う。この場合、ナビゲーションコントローラ４０は、生成した仮想設計データ８１に基づいて、ブレード２１の刃先２１ｐの目標刃先位置を設定し、作業機コントローラ５０に出力する。作業機コントローラ５０は、ナビゲーションコントローラ４０から出力される目標刃先位置の値に基づいて、作業機２０の動作を制御する作業機指令値を出力する。このように、作業機２０の動作は、仮想設計データ８１に基づいて制御される。

以上のように、本実施形態に係る作業機械の制御システムは、ブルドーザ１００が作業を行う作業現場の現況地形を示す複数の現況地形データ７０を取得する取得部６２と、取得部６２で取得された複数の現況地形データ７０に基づいて、所定の規則に基づいて作業現場の合成現況地形データ７３を生成する合成部６４とを備える。また、本実施形態に係る作業機械の制御方法は、ブルドーザ１００が作業を行う作業現場の現況地形を示す複数の現況地形データ７０を取得することと、取得された複数の現況地形データ７０に基づいて、所定の規則に基づいて作業現場の合成現況地形データ７３を生成することとを含む。この構成によれば、複数種類の現況地形データ７０を用いて合成現況地形データ７３を生成することにより、作業現場の現況地形データを広範囲にかつ高精度に残すことができる。これにより、高精度な現況地形データである合成現況地形データ７３を用いて作業機２０の自動制御を精度よく行うことが可能となる。

本実施形態に係る作業機械の制御システム２００は、合成現況地形データ７３と、作業現場の設計地形を示す設計地形データ８０とに基づいて作業現場の仮想設計データ８１を生成する生成部６５を更に備える。この構成によれば、合成現況地形データ７３に基づいて仮想設計データ８１を生成するため、高精度な仮想設計データ８１を用いて作業機２０を制御することが可能となる。

以上、実施形態を説明したが、前述した内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも１つを行うことができる。例えば、ナビゲーションコントローラ４０が実行する各処理は、表示コントローラ３０、作業機コントローラ５０又はこれら以外のコントローラが実行してもよい。

また、上記実施形態では、作業機械として、ブルドーザ１００を例に挙げて説明したが、これに限定するものではなく、油圧ショベル又はホイールローダー等、他の作業機械であってもよい。また、上記実施形態における制御システム２００は、ブルドーザ１００等の作業機械に設けられてもよいし、管理サーバ３００等に設けられてもよいし、作業機械と管理サーバが分担してもよい。

また、上記実施形態では、現況地形データ７０として、ブルドーザ１００等の作業機械の位置情報を用いて測定される第１現況地形データと、車両の位置情報を用いて測定される第２現況地形データとを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、現況地形データ７０として、上述したように例えば測量器を用いた測量結果、又は、ドローン等の無人飛行体を用いて現況地形を検出した場合の検出結果等が用いられてもよい。

また、上記実施形態では、合成部６４が合成現況地形データ７３を生成する際の所定の規則として、予め現況地形データ７０に設定された優先順位に基づいて合成現況地形データ７３を生成する構成を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、合成部６４は、第１部分現況地形データ７１と第２部分現況地形データ７２におけるある位置（Ｘ、Ｙ座標）における高さデータ（Ｚ座標）の平均値または中央値を算出し、算出結果を合成現況地形データ７３として採用してもよい。また、この場合、合成部６４は、第１部分現況地形データ７１と第２部分現況地形データ７２とを所定の条件に基づいて、重み付け平均した結果を合成現況地形データ７３としてもよい。また、合成部６４は、例えば複数の部分現況地形データにおける対応した位置（Ｘ，Ｙ座標）毎に最もＺ座標の低いデータ又は最もＺ座標の高いデータを採用し合成現況地形データ７３としてもよい。また、ＧＮＳＳ電波に含まれる精度情報や、当該現況地形データ７０を測定した手法を示した情報（測定手法情報）、又は現況地形データ７０を測定した時間を示す時間情報を、現況地形データ７０における位置情報に付与しておき、当該精度情報や当該測定手法情報に基づいて、優先順位づけ又は重み付け平均を行って合成現況地形データ７３としてもよい。また、例えば、複数の現況地形データ７０毎に測定手法情報を付与しておき、予め定められた測定手法に応じた優先順位または重み付け平均に基づいて、合成部６４が合成現況地形データ７３を生成するようにしてもよい。また、現況地形データ７０の各測定方法に応じて例えば優先順位又は数値化された精度情報を設定しておいてもよい。

また、例えば、車両等の位置情報を用いて現況地形を測定する場合、各種センサの精度や計算アルゴリズムに応じて精度が異なる場合がある。したがって、各種センサの精度や計算アルゴリズムに応じて、現況地形データ７０に測定手法情報又は精度情報を付与してもよい。

また、上記実施形態においては、合成部６４が、部分現況地形データ７１，７２を用いて合成現況地形データ７３を生成したが、その実施形態に限定されない。例えば、合成部６４は、部分現況地形データを用いずに、複数の現況地形データ７０を所定の規則により合成し、合成現況地形データ７３とするようにしてもよい。

また、上記実施形態では、合成部６４が部分現況地形データ７１，７２として参照地点７５毎にＺ座標を算出する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、合成部６４は、現況地形データ７０から部分現況地形データを算出せずに、複数の現況地形データ７０をその状態で合成し、合成現況地形データ７３とするようにしてもよい。すなわち、合成部６４は、合成現況地形データ７３において高さデータが存在する位置として、各参照地点７５に代えて、グリッド領域Ｇにおいて位置情報を有する地点の位置となるよう、合成現況地形データ７３を生成してもよい。

また、上記実施形態では、合成現況地形データが、参照地点７５のような特定の地点における位置データの集合である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、合成現況地形データは、作業現場の一部又はすべての領域における位置データの集合であってもよい。

Ｇ グリッド領域
Ｇ１、Ｇ３ 有効グリッド領域
Ｇ２、Ｇ４ 無効グリッド領域
１０ 車両本体
１１ 走行装置
１１ａ 履帯
１２ アンテナ
２０ 作業機
２１ ブレード
２１ｐ 刃先
３０ 表示コントローラ
４０ ナビゲーションコントローラ
５０ 作業機コントローラ
６１ 現況地形データ算出部
６２ 取得部
６３ 検定部
６４ 合成部
６５ 生成部
６６ 表示制御部
７０ 現況地形データ
７１ 第１部分現況地形データ
７２ 第２部分現況地形データ
７３ 合成現況地形データ
７５，７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ，７５ｅ，７５ｆ，７５ｇ，７５ｈ 参照地点
８０ 設計地形データ
８１ 仮想設計データ
１００ ブルドーザ
２００ 制御システム
３００ 管理サーバ

Claims (8)

1. 作業機械が作業を行う作業現場の現況地形を示す位置データからなる複数の現況地形データを取得する取得部と、
   前記取得部で取得された複数の前記現況地形データにおける精度情報によって設定された優先順位に基づいて、前記作業現場の合成現況地形データを生成する合成部と
   を備え、
   前記複数の現況地形データには、少なくとも走行している前記作業機械の位置情報を用いて測定された現況地形データが含まれる、
   作業機械の制御システム。
2. 前記合成部は、前記取得部で取得された複数の前記現況地形データにおける測定手法情報又は精度情報に基づいて、前記作業現場の合成現況地形データを生成する、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
3. 前記合成部は、優先順位又は重み付け平均を用いて前記作業現場の合成現況地形データを生成する、
   請求項１又は２に記載の作業機械の制御システム。
4. 前記合成現況地形データに基づいて作業機を制御する作業機制御部を更に備える
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の作業機械の制御システム。
5. 前記合成現況地形データは、前記現況地形データの一部である部分現況地形データに基づいて生成される
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の作業機械の制御システム。
6. 前記合成部は、前記取得部で取得された複数の前記現況地形データにおける高さデータを比較し、最も高い又は最も低い前記高さデータを抽出することにより、前記作業現場の合成現況地形データを生成する、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
7. 作業機械が作業を行う作業現場の現況地形を示す位置データからなる複数の現況地形データを取得することと、
   取得された複数の前記現況地形データにおける精度情報によって設定された優先順位に基づいて、前記作業現場の合成現況地形データを生成することと
   を含み、
   前記複数の現況地形データには、少なくとも走行している前記作業機械の位置情報を用いて測定された現況地形データが含まれる、
   作業機械の制御方法。
8. 作業機械が作業を行う作業現場の現況地形を示す位置データからなる複数の現況地形データを取得する取得部と、
   前記取得部で取得された複数の前記現況地形データにおける精度情報によって設定された優先順位に基づいて、前記作業現場の合成現況地形データを生成する合成部と
   を備え、
   前記複数の現況地形データには、少なくとも走行している前記作業機械の位置情報を用いて測定された現況地形データが含まれる、
   ナビゲーションコントローラ。

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