JP6794667B2 - 建設機械の制御システム、及び制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、搭乗操作方式と、遠隔操作方式の双方に対応した建設機械の制御システム、及び制御プログラムに関する。

土木建設現場等で使用される建設機械は、運転者が搭乗して操作する搭乗操作方式と、操縦装置（遠隔マニュピュレータ）を使用して無線操縦する遠隔操作方式によるのが一般的である。

遠隔操作方式は、主として人間が近づけない危険な場所等で使用される。遠隔操作方式を使用した従来技術としては種々、提案されている（例えば、特許文献１−４）

特開２００２−００２５０５号公報 特開２０１５−１９２１６３号公報 実開平６−４８１３９号公報 特開２００７−２４２９号公報

しかし、従来技術では、単に、搭乗操作方式と遠隔操作方式の双方を切り替えて使用するだけの機能しかなく、柔軟性に欠けるという課題がある。特に、遠隔操作方式では、操縦装置側では、車両の運転状態等を十分に把握することができず、誤操作や誤作動が生じても適格に対応することができないという不具合がある。

本発明は上記課題に鑑み、搭乗操作方式と遠隔操作方式の双方において誤操作や誤作動が生じても適格に対応することができ、建設機械を安全側に導くことができる建設機械の制御システム、及び制御プログラムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するための実施形態は、制御対象車両である建設機械を遠隔操縦する操縦装置と、前記建設機械に設けられ車両側制御装置とが無線通信機により相互にブリッジ接続されて前記建設機械を制御する建設機械の制御システムであって、前記操縦装置内に設けられ、前記建設機械を統括制御する操縦装置側統括コンピュータと、前記車両側制御装置内に設けられ、前記操縦装置と協調して前記建設機械を統括制御する車両側統括コンピュータと、を備え、前記操縦装置側統括コンピュータ及び前記車両側統括コンピュータは、相互に協調して前記建設機械を安全側に導くフェールセーフ機能を有する。

本発明によれば、搭乗操作方式と遠隔操作方式の双方において誤操作や誤作動が生じても適格に対応することができ、建設機械を安全側に導くことができる。

実施形態における建設機械の制御システムの構成を示すブロック図である。 制御対象となる建設機械の外観構成を示す斜視図である。 建設機械の制御システムの作用を説明するブロック図である。 建設機械の制御システムの作用を説明するブロック図である。 建設機械の制御システムの作用を説明するブロック図である。 操縦装置側統括ＰＣ及び車両側統括ＰＣの各機能構成を示すブロック図である。 シリアル通信ブリッジモジュール群のデータフローを示す説明図である。 ＣＡＮ通信ブリッジモジュール群のデータフローを示す説明図である。 汎用通信ブリッジモジュール群のデータフローを示す説明図である。 フェールセーフ機能の一つとしてのエンジンオイル、冷却水及び作動油タンクの温度上昇時の処理手順を示すフローチャートである。 フェールセーフ機能の一つとしての通信途絶時の処理手順を示すフローチャートである。 フェールセーフ機能の一つとしての転覆回避処理における静的安定性の場合の説明図である。 フェールセーフ機能の一つとしての転覆回避処理における動的安定性の場合の説明図である。 図１２、図１３に示す転覆回避処理の手順を示すフローチャートである。

以下に、本発明の実施形態に係る建設機械の制御システムについて説明する。なお、本実施形態では、建設機械を、図２に示すような不整地運搬車２とする場合の例について示してある。

＜システム構成＞
図１は、実施形態における建設機械の制御システムの構成を示すブロック図、図２は、制御対象となる建設機械の外観構成を示す斜視図である。

図１に示すように、実施形態における建設機械の制御システム１０は、操縦装置２０と車両側制御装置５０とから構成されている。

本実施形態の建設機械としての不整地運搬車２は、図２に示すように、下部走行体として、たとえば、履帯（クローラ）式の下部走行体４を備えた構成とされている。

制御対象となる不整地運搬車２は、図２に示すように、左右の履帯４Ｌ，４Ｒにより不整地を移動する車両である。通常時は、運転席６の運転者の操作により、荷台８に載積された運搬物を運ぶが、本実施形態の不整地運搬車２では、運転者による操作と操縦装置２０を所持した操縦者による無線遠隔操縦による運転とが切替可能に構成されている。なお、図２中、３はＧＰＳアンテナ、５は遠隔非常停止用スイッチアンテナ、７はＧＰＳ用無線アンテナである。また、６２Ｌ，６２Ｒは不整地運搬車２の速度、加速度を検出するエンコーダ（後述）、６６はパトライト（登録商標）である。

操縦装置２０は、操縦装置側統括ＰＣ２２により統括制御されており、ジョイスティック（操縦桿とも称する）２４と、ディスプレイ２６と、ＡＣアダプタ２８と、ＬＥＤ／スイッチ３０と、センサ３２とを備えている。これら操縦装置側統括ＰＣ２２、ジョイスティック（操縦桿）２４、ディスプレイ２６、ＡＣアダプタ２８、ＬＥＤ／スイッチ３０及びセンサ３２は遠隔操縦ＢＯＸ３４に収納されている。遠隔操縦ＢＯＸ３４の外には、無線ＬＡＮハブ（ＨＵＢ）３６と、ＲＴＫ用基準局３８と、モニタ４０と、遠隔停止スイッチ（送信側）４４とを備えている。

車両側制御装置５０は、車両側統括ＰＣ５２により統括制御されており、該車両側統括ＰＣ５２には既設車両側装置５４が接続されている。

既設車両側装置５４は、車両操作に使用される既設ジョイスティック（操縦桿）５４ａと、遠隔操縦時には既設ジョイスティック（既設操縦桿）５４ａを信号ライン（ＣＡＮ２）から切り離す遠隔／搭乗操作切替スイッチ５４ｂと、車両の状態を表示する既設ディスプレイ５４ｃと、車両を電子制御するためのＣＰＵである既設コントローラ５４ｄとを備え、これらの機器はＣＡＮ２に接続されている。また、既設車両側装置５４は、並列化回路５４ｅと、非常停止ボタン５４ｆとを備えている。並列化回路５４ｅは非常停止ボタン５４ｆと後述する遠隔停止スイッチ７４とを並列に接続する。すなわち、送信側である操縦装置２０の遠隔停止スイッチ４４が操作されたときに、その信号を遠隔停止スイッチ７４が受信したとき、非常停止ボタン５４ｆの操作と同様に車両の運行を停止する。

また、車両側制御装置５０は、無線ＬＡＮハブ５６と、ＧＰＳ（ＧＮＳＳ）／ＩＭＵ装置５８と、ＬＥＤ／スイッチ６０と、エンコーダ６２（６２Ｌ，６２Ｒ、図２参照）と、追加ＩＯ用ＣＰＵ６４と、パトライト（登録商標）６６（図２参照）と、キーボード／マウス６８と、２４Ｖ車載バッテリー７０と、無停電装置７２と、前述した遠隔停止スイッチ（受信側）７４とを備えている。

このシステムにおいては、不整地運搬車２を遠隔操作するために、操縦装置２０と、車両側制御装置５０とが無線ＬＡＮにより相互にブリッジ接続され、操縦装置側統括ＰＣ２２、車両側統括ＰＣ５２内で遠隔操縦と搭乗操縦を切り替えて操縦するために必要な通信調停を行う。また、このシステムでは、操縦装置側統括ＰＣ２２及び車両側統括ＰＣ５２は、相互に協調して不整地運搬車を安全側に導くフェールセーフ機能を有する。操縦装置２０側（機外側）には不整地運搬車２を操作するためのインタフェースとして、ジョイスティック（操縦桿）２４、ディスプレイ２６があり、これは既設に取り付けられている車両側の機器と同一である。また、これらは機外で持ち運びながら使えるように全体がＢＯＸ（遠隔操縦ｂｏｘ３４）化されている。それらのＣＡＮバス（ＣＡＮ１，ＣＡＮ２（既設），ＣＡＮ３）の信号形式は全般的にＣＡＮ−Ｊ１９３９であり、不整地運搬車全般で使われている信号形式に相当する。このうちＣＡＮ１と既設のＣＡＮ２は一つのＣＡＮネットワークとして機能させる。ＣＡＮ３については独立した状態で運用される。

また、本実施形態に係る建設機械の制御システム１０は、以下の（１）〜（７）の各機能を有する。

（１）遠隔で車両を操縦するために、車載で使われていたＣＡＮ接続の既設ジョイスティック（操縦桿）５４ａ、既設ディスプレイ５４ｃを、無線通信を介した操縦装置２０側のジョイスティック（操縦桿）２４、ディスプレイ２６により遠隔操作が可能である。つまり、操縦装置２０と車両側制御装置５０のＣＡＮ通信を、無線通信（無線ＬＡＮなど）を介して同一のバスとして通信できる。例えば、図３に示すように、ＣＡＮバス（以下、ＣＡＮと略す）１が遠隔側で、ＣＡＮ２が電子化された不整地運搬車２の制御ＣＡＮであるとすると、既設ジョイスティック（操縦桿）５４ａなどはＣＡＮ２に直接接続されているのに対し、ジョイスティック（操縦桿）２４はＣＡＮ１に接続されていても無線ＬＡＮを用いてその通信を仲介できるような機能を有する。

（２）また、図４に示すように、遠隔側と車両側の各統括ＰＣ２２，５２の通信を無線ＬＡＮ経由でやりとりするときに、無線ＬＡＮに流す必要の無いメッセージをカットしたり、新たなメッセージを追加したり、コントローラモジュールで通信内容を把握したりするために、指定ＩＤのＣＡＮメッセージのフィルタリング、バイパス、インジェクション機能を有する。上部に新たに追加されたＬＡＮとＣＡＮの通信を行うために、ＣＡＮから流れてきたメッセージを抽出し、ＬＡＮ側や制御部へパケットの形式を整えて流すことができる。逆にＬＡＮ側や制御部から流れてきたパケットにある指令値をＣＡＮに変換してバスへ流すことができる。

（３）図５に示すように、車両の位置・姿勢の計測のために、遠隔側にＲＳ２３２Ｃで接続されたＲＴＫ用基準局３８からのＲＴＫ−ＧＰＳ補正データを、無線通信を介して車両側のＧＮＳＳ／ＩＭＵ５８へ同じ内容のままＲＳ２３２Ｃで出力することができる。ＲＴＫ−ＧＰＳ補正データの送受信は通常は専用に設けられた特定小電力無線を介して行うが、ＲＴＫ−ＧＰＳの位置データを無線ＬＡＮ経由で車両側から遠隔側に渡す必要があるため、補正データも遠隔操縦無線ＬＡＮに相乗りさせる形で実装される。

（４）操縦装置２０を用いて車両を遠隔操縦する場合には、車両側の既設ジョイスティック（操縦桿）５４ａの遠隔／搭乗操作切替スイッチ５４ｂを用いて搭乗操縦（有効）と遠隔操縦（無効）を切り替えることができる。また、切り替えたことを車両側統括ＰＣ５２のＤＩで検知して操縦装置側統括ＰＣ２２に対してその情報を送信する。また、送信とともに、操縦装置側統括ＰＣ２２のＤＩにおいても遠隔／搭乗切替スイッチ（図示せず）を遠隔操縦（ＯＮ）と搭乗操縦（ＯＦＦ）を切り替え、遠隔操縦を可能とする。

（５）操縦装置２０側で車両の状態やソフトウェアの動作状況をモニタリングし、車両の危険を予見できるような機能が追加できるように、ＣＡＮやＲＳ２３２Ｃの通信以外の汎用データを通信する機能を有する。

（６）上記（１）から（５）までの各機能を持つソフトウェアをコントロールできるＡＰＩを有する。

（７）全体、または一部の機器の電源断による誤動作の防止や、遠隔操縦機器の落下などに対するフェールセーフ、遠隔での非常停止ボタンを作動させる機能（遠隔停止スイッチ４４，７４による非常停止機能）を有する。

図６は実施形態に係る操縦装置側統括ＰＣ２２と車両側統括ＰＣ５２の各ソフトウェア（機能モジュール）構成を示すブロック図である。

図６に示すように、操縦装置側統括ＰＣ２２は、操縦装置側コントローラモジュール２２ａと、シリアル−ＬＡＮ変換モジュール２２ｂと、ＣＡＮ−ＬＡＮ変換モジュール２２ｃと、ＬＡＮモジュール２２ｄと、汎用通信モジュール２２ｅと、ロギングモジュール２２ｆと、３軸加速度センサモジュール２２ｇと、画面表示モジュール２２ｈとを備えている。一方の車両側統括ＰＣ５２は、車両装置側コントローラモジュール５２ａと、シリアル−ＬＡＮ変換モジュール５２ｂと、ＣＡＮ−ＬＡＮ変換モジュール５２ｃと、ＬＡＮモジュール５２ｄと、汎用通信モジュール５２ｅと、ロギングモジュール５２ｆとを備えている。

コントローラモジュール２２ａ，５２ａは、通信調整を指定する。また、各モジュールをコントロールし、通信／ロギング／表示データの統括を行う。また、ＣＡＮメッセージを生成してバスにインジェクションを行う制御も実行する。

シリアル−ＬＡＮ変換モジュール２２ｂ，５２ｂは、ＲＳ２３２Ｃ通信のＬＡＮを介してのブリッジ、バイパスを行う。通信の調整はコントローラモジュールから指定される。

ＣＡＮ−ＬＡＮ変換モジュール２２ｃ，５２ｃは、ＣＡＮ通信のＬＡＮを介してのブリッジ、指定ＩＤのバイパス／フィルタリング、任意メッセージのインジェクションを行う。通信の調整はコントローラモジュールから指定する。パトライト（登録商標）への点灯指令やエンコーダカウントの値は追加ＩＯ用ＣＰＵ６４へのＣＡＮメッセージを使って送受信を行う。

ＬＡＮモジュール２２ｄ，５２ｄは、操縦装置側統括ＰＣ２２と車両側統括ＰＣ５２との間の送受信を行う。

図７は、シリアル通信ブリッジモジュール群としてのシリアル−ＬＡＮ変換モジュール２２ｂ、ＬＡＮモジュール２２ｄ、シリアル−ＬＡＮ変換モジュール５２ｂ、ＬＡＮモジュール５２ｄのデータフローを示している。

図８は、ＣＡＮ通信ブリッジモジュール群のデータフローを示している。ＣＡＮ通信ブリッジモジュール群は、ＣＡＮ通信を送受信しＰＣ内の別モジュールへ送信する機能を有するＣＡＮ−ＬＡＮ変換モジュール２２ｃ，５２ｃと、他のＰＣとの通信を行うＬＡＮモジュール２２ｄ，５２ｄにより構成される。

汎用通信モジュール２２ｅ，５２ｅは、上記通信以外の制御、ステータス、デバッグなどの情報について、操縦装置側統括ＰＣ２２と車両側統括ＰＣ５２との間の送受信を行う。

図９は、汎用通信ブリッジモジュール群のデータフローを示している。汎用通信ブリッジモジュールは、ＣＡＮ／ＲＳ２３２Ｃ以外にコントローラモジュール２２ａ，５２ａが操縦装置側統括ＰＣ２２と車両側統括ＰＣ５２との間で送受信したいデータを通信する汎用通信モジュール２２ｅ，５２ｅと、他のＰＣとの通信を行うＬＡＮモジュール２２ｄ，５２ｄにより構成される。

ロギングモジュール２２ｆ，５２ｆは、コントローラモジュール２２ａ，５２ａから出力されるログデータをファイルへ出力し、記録する。

画面表示モジュール２２ｈは、遠隔操縦システムの通信状況や、車両の状態などといったステータスを遠隔側で提示する。

３軸加速度センサモジュール２２ｇは、遠隔操縦ＢＯＸ３４の落下検知によるフェールセーフ機能の動作のために使われる。ＵＳＢ接続の加速度センサ３２から１００ｍｓの周期でデータを読み取り、読み取りデータをコントローラモジュール２２ａへ送信する。この機能については、後述する。

＜フェールセーフ機能＞
以下、実施形態のフェールセーフ機能について説明する。操縦装置側統括ＰＣ２２及び車両側統括ＰＣ５２は、相互に協調して不整地運搬車を安全側に導くフェールセーフ機能を有する。

《車両暴走時の処理》
車両暴走は、操縦装置２０から不正な指令が出続けており、操縦装置側統括ＰＣ２２が不正な状態（ハングアップやフリーズ）となり、不正な値を出力し、操縦装置２０を通して指令が行えない状態をいう。この場合、制御対象となる建設機械が正規の走行指示から逸脱した状態で走行し続けるのを防止する。

〔対策１〕
操縦装置２０とは別系統、すなわち、無線ＬＡＮとは別系統で遠隔停止スイッチ４４を無線化するシステム（特定小電力無線）を用いて、車外で押された遠隔停止スイッチ４４の接点情報（ＯＮ／ＯＦＦ）を車両側に送信する。車両側では、車両に既設されている非常停止ボタン５４ｆに対して並列化回路５４ｅを介して並列に接続された遠隔停止スイッチ７４の接点が動作できるようにすることで、遠隔停止を動作させることができる。

また、同じ遠隔非常停止システムを介して別の接点が操縦装置側統括ＰＣ２２のリセットスイッチを動作できるようにすることで、操縦装置側統括ＰＣ２２をリセットさせ、車両を暴走させるような不正な出力を停止させることができる。

〔対策２〕
なお、ウォッチドックタイマ（ＷＤＴ）を用いてソフト的に対策を行う方法もある。ＷＤＴにより定期的に操縦装置側統括ＰＣ２２の特定のレジスタの値を監視しておき、一定時間以上書き換えられていない場合には異常事態を判断し、非常停止をＯＮとして、かつＰＣ２２をリセットさせる。

《温度上昇時の処理》
車両側統括ＰＣ５２は、不整地運搬車２のエンジンの状態をセンサで監視し、該状態が規定値以上となったときに、操縦装置２０に設けられたジョイスティック（操縦桿）２４からの入力を切断して走行を停止させて冷却する指令を出力し、該温度が危険温度以上となったときに、エンジンを停止させて冷却する指令を出力するとともに、前記操縦装置側統括コンピュータにアラートを出力するフェールセーフ機能を有する。ここで、温度上昇とは、車両のエンジンが動き続けてしまい、エンジン冷却水の温度が上昇してしまった状態をいう。

〔対策〕
温度上昇を抑えるためには、静止させてアイドリング状態でクーリングファンを回し続ける必要がある。エンジンの温度を計測する方法として、冷却水の温度を用いる方法がある。エンジンＥＣＵからは所定のＣＡＮメッセージが出力され、そのメッセージフィールドの所定ビットに−４０℃から２１０℃までの値が格納されている。そのため、以下の条件となった場合、ジョイスティック（操縦桿）入力を常に“０”入力させる（操作不能）状態とする。温度閾値はアラートが提示される温度近辺の値である。

図１０は、温度上昇時の処理を示すフローチャートである。エンジンオイル温度、冷却水温度、作動油タンク温度をそれぞれ計測する（ステップＳ２，Ｓ４，Ｓ６）。計測エンジンオイル温度が所定温度Ｔ１を超える状態となった場合（ステップＳ８YES）、または、冷却水温度が所定温度Ｔ２を超える状態となった場合（ステップＳ１０YES）、または、作動油タンク温度が所定温度Ｔ３を超える状態となった場合（ステップＳ１２YES）、アラートを出力し（ステップＳ１４）、車両を静止させてアイドリング状態へ移行させる（ステップＳ１６）。
このように、本実施形態の建設機械の制御システム１０ではフェールセーフ機能としてエンジンが所定温度以上にまで過熱する事態を未然に回避することが可能になる。

《通信途絶時の処理》
本実施形態の制御システムは多量の制御データを送受信するために、ラジコン用無線ではなく、無線ＬＡＮを用いている。そのため、無線ＬＡＮが切断されたり、多量の通信で帯域が圧迫されたりした場合に、制御信号が届かなくなり意図した操作ができない状況となる。これを“通信途絶”状態と定義する。

〔対策１〕
ＬＡＮが持つ機能を活用する。アプリケーションはデータ通信と平行して、別スレッドからＴＣＰ通信による相手先との生存確認をする。

図１０は通信途絶時の処理手順を示すフローチャートである。
車両側制御装置５０は、操縦装置２０からの信号を受信中に所定周期、例えば、１００ｍｓでpingコマンドを送信する（ステップＳ２２）。接続相手からpingコマンドを前回の受信から１００ｍｓ＋１０ｍｓ以内に受信できない場合、エラー発生とする（ステップＳ２４YES）。ただし、１０ｍｓは通信と処理のゆらぎを吸収するマージンである。pingコマンドを１００ｍｓで送信し、それが５回連続してエラー状態となったときに通信途絶と判定する（ステップＳ２６，Ｓ２８）。通信途絶と判定された場合には、車両側のメモリに保存されている過去のデータに基づきデータを補完して制御を継続させる（ステップＳ３０）。

〔対策２〕
アプリケーションはデータ通信と平行して、別スレッドからＵＤＰ通信による任意のＩＤを持つデータのソケット通信を相手先へ行う。この通信が仮に１００ｍｓ毎に行われるとした場合に、５回連続して受信できない（５００ｍｓ〜６００ｍｓ以上受信できない）場合には、エラー状態として通信途絶判定をＴＲＵＥとする。

ここで、データ補完機能について説明する。
＜無線通信が中断する場合＞
電源が中断する場合と同じであるが、無線ＬＡＮ−ＡＰや各種通信モジュールは逐次接続のリトライをかけ続ける。その間は、データは通信モジュールに蓄積されるが、一定量を超えると古いデータから削除される。

遠隔操縦に関連するＣＡＮデータは途中が欠落したとしても、通信回復後の操縦再開をジョイスティック（操縦桿）が中立状態から始めることで安全に再開が可能となる。ＧＰＳデータについては、通信途絶後から再開するまでの間の情報が無いが、その間には車両は速度を低下させて停止に向かうため、大きな変化がなく問題は無い。また汎用通信データについては、車両側と遠隔側でそれぞれローカルなロギングを行い、通信が回復したあとでそのデータを回収することで必要な情報を入手することが可能となる。またリアルタイムに必要な汎用通信データは、無線通信が中断した状態では機能を一時停止させる（車両を停止させる）こととし、その間の通信データについては利用しない。

ジョイスティック（操縦桿）２４のＣＡＮメッセージは、車両ＣＰＵ側で１００ｍｓ以上の間隔が開くと通信断として０が入力されてしまう。定常的な遅延であれば問題はないが、通信が不安定になり遅延のジッタが１００ｍｓを超えるような場合に０が入力されてしまうことが考えられる。程度問題としてどの程度の頻度でＣＡＮメッセージが欠落し、０が入力されるのか次第であるが、操作性に影響が出る可能性がある。その場合には、車両側ＰＣ内のコントローラモジュールの方でジョイスティック（操縦桿）２４のＣＡＮメッセージを監視（バイパス）し、一定時間以上の間隔が空いている場合には入力をインジェクションすることで操作性の向上を図る。ただし、インジェクションを行いすぎると安全系に影響を与えるため、間欠的なメッセージ無し時間の閾値（例えば、〜５００ｍｓ）と、長期的なメッセージ無し時間の閾値（例えば、〜１０００ｍｓ）を決める。そして、これら２つの時間を計測し、前者であれば入力をインジェクションし、後者であれば改めて入力を０とするようにする方法が考えられる。

このように、本実施形態の建設機械の制御システム１０ではフェールセーフ機能として、通信途絶状態が発生した場合にデータをインジェクションできるようにしているので、不整地運搬車２の制御を中断することなく継続することが可能になる。

なお、車両側統括ＯＣ５２及び操縦装置側統括ＰＣ２２は、特定小電力無線の通信強度（RSSI電圧）を監視して通信途絶の有無を判定し、車両側統括ＰＣ５２は、該通信強度が低下した場合には、車両の走行を停止するようにしてもよい。すなわち、車両側統括ＰＣ５２は、遠隔非常停止系の接点（遠隔停止スイッチ４４）を監視するだけでなく、遠隔停止スイッチ４４からの特定小電力無線のRSSI電圧を周期的に監視して、その電圧値の大小で通信可能か通信断かを判断する。通信断の場合には、安全のため車両を停止させる。

《転覆回避処理》
車両の転覆は、車両の傾きが大きくなりすぎた状況、またはその状況でより不安定な方向へ動作する状況が原因となる。転覆を回避するためには、図１２に示す車両が停止中（静的安定性）の場合の対策１と、図１３に示す車両が走行中（動的安定性）の場合の対策２を施す必要がある。

〔対策１：静的安定性の場合〕
履帯範囲と不整地運搬車２の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）と不整地運搬車２の姿勢とから、重心を地面に投影した地点が支持領域内にあるかどうかを計算することで判断する。重心が支持領域外に近づいた場合には、搭載側から操作側へアラートを出力する。図１２には、不整地運搬車２の前額面（同図（ａ））と、矢状面（同図（ｂ））におけるおおよその重心位置ｇと重力方向ｍｇを矢印で表す。矢印が真下を向いていない場合は、路面が傾いている状態を表している。このとき、矢印が不整地運搬車２の下にある支持領域（ｗ、ｄ）の内側か外側かを姿勢角（車体のピッチ角φ、車体のロール角θ）を用いて計算する。ただし、重心位置ｇは機械重量、燃料量、貨物量によって変化するため、極端な条件として、燃料満タン＋空荷の場合と、燃料無し＋満積載の場合で評価する。

図１４は転覆回避処理の手順を示すフローチャートである。同図に示すように、履帯範囲と重心位置と姿勢が検出され（ステップＳ４０）、重心位置と姿勢とから重力方向が求められる（ステップＳ４２）。そして、求められた重力方向が支持領域内にあるか否かが判定され、支持領域外である場合（ステップＳ４４YES）、アラートが出力される（ステップＳ４６）。

支持領域と重心ｇの関係が図１２の状態にあるとき、安定とはあ安定するには以下の条件式を満たす必要がある。ただし、重心位置ｇが中心線を挟んで反対側にある場合には、車両の中心線から重心ｇまでの距離ａとｂの値が負となり以下の条件式に代入される。ただし、εは任意の１以下の定数であり、マージンを示す。

図１２（ａ）の場合：
−εｔａｎ^−１｛（ｗ＋ａ）／ｃ｝＜φ＜−εｔａｎ^−１｛（ｗ−ａ）／ｃ｝・・・（１）
図１２（ｂ）の場合：
−εｔａｎ^−１｛（ｄ＋ｂ）／ｃ｝＜φ＜−εｔａｎ^−１｛（ｄ−ｂ）／ｃ｝・・・（２）
ただし、ｃ：地面（支持面）から重心ｇまでの距離、

〔対策２：動的安定性の場合〕
履帯範囲と不整地運搬車２の重心位置（ｘ，ｙ，ｚ）と姿勢と加速度を用いて、重心と慣性力が作用している系における床反力の中心点ＺＭＰ（Zero Moment Point）が支持領域内にあるかどうかを判断する。ただし、前額面内と矢状面内でそれぞれ以下のような状況で考える。

前額面が、最大３ｋｍ／ｈ（０．８３ｍ／ｓ）で走行時に、急に信地旋回走行へ移行した瞬間。旋回半径は重心位置と履帯の中心の間の距離である。
矢状面が、最大３ｋｍ／ｈ（０．８３ｍ／ｓ）で前進走行時に、急に入力をニュートラルとした瞬間又は後進最大速度で走行中に急に入力をニュートラルとした瞬間。

図１３（ａ）は、直進走行から信地旋回へ移行した瞬間、図１３（ｂ）は、加減速時の重力方向と支持領域を示している。

支持領域と重心の関係が図１３のような状態にある場合、安定とするためには以下の条件式を満たす必要がある。ただし、重心位置が中心線を挟んで反対側にある場合には、ａとｂの値が負となり以下の条件式に代入される。ここで、質量をｍ、前後進の加減速加速度ｓとする。加速度値にはノイズが含まれるため、マージンを広めとするか、オンラインフィルタリングが必要である。εは任意の１以下の定数であり、マージンを示す。

図１３（ａ）の状態で右信地旋回（右履帯が速度０）の場合、ｆ＝ｍｖ^２／（ｗ−ｔ＋ａ）となるため、以下の等式を評価する。

−εtan^−１｛（ｗ＋ａ）／ｃ｝＜Ａ＜−εtan^−１｛（ｗ−ａ）／ｃ｝
Ａ＝｛ｇsinφ＋ｖ^２／（ｗ−ｔ＋ａ）｝／ｇcosφ

図１３（ａ）の状態で左信地旋回（左履帯が速度０）の場合、ｆ＝ｍｖ^２／（ｗ−ｔ−ａ）となるため、以下の等式を評価する。
−εtan^−１｛（ｗ＋ａ）／ｃ｝＜Ｂ＜−εtan^−１｛（ｗ−ａ）／ｃ｝
Ｂ＝｛ｇsinφ−ｖ^２／（ｗ−ｔ−ａ）｝／ｇcosφ

図１３（ｂ）の場合、ｆ＝ｍｓとして、以下の等式を評価する。
−εtan^−１｛（ｄ＋ｂ）／ｃ｝＜Ｃ＜εtan^−１｛（ｄ−ｂ）／ｃ｝
Ｃ＝（ｇsinθ＋ｓ）／ｇcosθ
このように、本実施形態の建設機械の制御システム１０ではフェールセーフ機能として転覆回避機能を有するので、操縦装置２０による遠隔操作の場合にあっても不整地運搬車２の転覆を未然に回避することが可能になる。

《スリップ》
スリップは、履帯と地面との滑りが大きくなっている状態を意味する。スリップ率を計測し、スリップ率が大きくなった場合、操作者に速度を落とすように指示を行う。例えば，スリップ率が大きいほどランプの点滅速度が速く，小さいほど点滅速度は遅くする。スリップ率が一定値以上となった場合には、車両が何かに引っ掛かり指令した方向へ動かない状態であるスタックが発生したと判断する。

具体的には、車両側統括ＰＣ５２は、不整地運搬車２に設けられたエンコーダ６２Ｌ，６２Ｒから速度及び加速度を検出するとともに、ＧＮＳＳ／ＩＭＵ装置５８から不整地運搬車２の姿勢状態を検出してスリップを演算し、車両が動きにくい可能性がある場合には、その旨を操縦装置側統括ＰＣ２２に伝送する。

このように、本実施形態の建設機械の制御システム１０ではフェールセーフ機能として不整地運搬車２のスリップ発生を検出することができる。

《誤操作》
〔原因〕
誤操作とは、遠隔操縦ＢＯＸ３４を落下させた場合や， 倒した場合に不正な指令値が出力されてしまう状態をいう。

〔対策〕
遠隔操縦ＢＯＸ３４に加速度センサ３２を搭載する。加速度のノルムが一定値以下となった場合と，地面に衝突した時の衝撃を検出した場合、ジョイスティック（操縦桿）２４やボタンからの入力をカットする。また、重力加速度の向きを計測し、遠隔操縦ＢＯＸ３４が正しい向きとなっているかどうかを判断し、ジョイスティック（操縦桿）２４やボタンからの入力をカットする。

このように、本実施形態の建設機械の制御システム１０ではフェールセーフ機能として操縦装置２０内に加速度センサ３２を設け、操縦装置側統括ＰＣ２２は、加速度センサ３２からの信号を入力して操縦装置２０の落下が検出された場合には、操縦機能を停止させるようにした。このため、落下による誤作動を未然に防止することが可能となる。

＜その他のフェールセーフ機能＞
《電源電圧の消耗》
電源電圧の消耗は、エンジンを始動させずにバッテリーにより駆動する電子機器を使いすぎた状態をいう。

電源電圧が低下することにより，車両側統括ＰＣ５２やその他センサが正しく機能せず、その結果、操縦装置側統括ＰＣ２２が予期しない挙動をする可能性がある．そのため，電圧が一定以下となった場合には，表示やアラームで操作者へアラームを提示するとともに，エンジンをＯＮとするように促す。ただし、安全上の観点から、エンジンを自動でＯＮとはしない。

《燃料量低下》
燃料を使いすぎて燃料量が低下すると、走行不可となるため、燃料レベル値を取得し、燃料レベルが一定以下となった場合に画面表示やアラームで操作者へ警告する。

なお、以上説明した実施形態の各機能は、各機能を有する制御プログラムを車両側統括ＰＣ５２又は操縦装置側統括ＰＣ２２にインストールすることで実現可能である。

以上、各実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。
また、実施形態の各機能を有する制御プログラムを車両側統括ＰＣ５２又は操縦装置側統括ＰＣ２２にインストールすることで実現可能である。

２…不整地運搬車、４（４Ｌ，４Ｒ）…下部走行体（履帯）、６…運転席、８…荷台、１０…建設機械の制御システム、２０…操縦装置、２２…操縦装置側統括ＰＣ、２２ａ…操縦装置側コントローラモジュール、２２ｂ…シリアル−ＬＡＮ変換モジュール、２２ｃ…ＣＡＮ−ＬＡＮ変換モジュール、２２ｄ…ＬＡＮモジュール、２２ｅ…汎用通信モジュール、２２ｆ…ロギングモジュール、２２ｇ…３軸加速度センサモジュール、２２ｈ…画面表示モジュール、２４…ジョイスティック（操縦桿）、２６…ディスプレイ、３２…センサ（加速度センサ）、３６…無線ＬＡＮハブ、３８…ＲＴＫ用基準局、４０…モニタ、４４…遠隔停止スイッチ（送信側）、５０…車両側制御装置、５２…車両側統括ＰＣ、５２ａ…車両装置側コントローラモジュール、５２ｂ…シリアル−ＬＡＮ変換モジュール、５２ｃ…ＣＡＮ−ＬＡＮ変換モジュール、５２ｄ…ＬＡＮモジュール、５２ｅ…汎用通信モジュール、５２ｆ…ロギングモジュール、５４…既設車両側装置、５４ａ…既設ジョイスティック（既設操縦桿）、５４ｂ…遠隔／搭乗操作切替スイッチ、５４ｃ…既設ディスプレイ、５４ｄ…既設コントローラ、５４ｅ…並列化回路、５４ｆ…非常停止ボタン、５６…無線ＬＡＮハブ、５８…ＧＮＳＳ／ＩＭＵ装置、６２（６２Ｌ，６２Ｒ）…エンコーダ、６４…追加ＩＯ用ＣＰＵ、７４…遠隔停止スイッチ（受信側）。

Claims (9)

1. 制御対象車両である建設機械を遠隔操縦する操縦装置と、前記建設機械に設けられ車両側制御装置とが無線通信機により相互にブリッジ接続されて前記建設機械を制御する建設機械の制御システムであって、
   前記操縦装置内に設けられ、前記建設機械を統括制御する操縦装置側統括コンピュータと、
   前記車両側制御装置内に設けられ、前記操縦装置と協調して前記建設機械を統括制御する車両側統括コンピュータと、を備え、
   前記操縦装置側統括コンピュータ及び前記車両側統括コンピュータは、相互に協調して前記建設機械を安全側に導くフェールセーフ機能を有し、
   当該フェールセーフ機能として、前記車両側統括コンピュータは、前記建設機械のエンジンにおけるエンジンオイル温度、冷却水温度、作動油タンク温度をそれぞれセンサで監視し、該温度のいずれかが規定値以上となったときに、前記操縦装置に設けられた操縦桿からの入力を切断して走行を停止させて冷却する指令を出力し、該温度のいずれかが危険温度以上となったときに、エンジンを停止させて冷却する指令を出力するとともに、前記操縦装置側統括コンピュータにアラートを出力する建設機械の制御システム。
2. 制御対象車両である建設機械を遠隔操縦する操縦装置と、前記建設機械に設けられ車両側制御装置とが無線通信機により相互にブリッジ接続されて前記建設機械を制御する建設機械の制御システムであって、
   前記操縦装置内に設けられ、前記建設機械を統括制御する操縦装置側統括コンピュータと、
   前記車両側制御装置内に設けられ、前記操縦装置と協調して前記建設機械を統括制御する車両側統括コンピュータと、を備え、
   前記操縦装置側統括コンピュータ及び前記車両側統括コンピュータは、相互に協調して前記建設機械を安全側に導くフェールセーフ機能を有し、
   当該フェールセーフ機能として、前記車両側統括コンピュータ及び前記操縦装置側統括コンピュータは、相互に通信相手の生存確認を実行して通信途絶の有無を判定し、前記車両側統括コンピュータは、前記操縦装置側統括コンピュータからの通信が途絶した場合、途絶時間が予め設定された間欠的なデータ無し時間を定めた第１の閾値時間より短い場合には、車両側のメモリに保存されている過去のデータに基づきデータを補完して制御を継続させ、前記途絶時間が長期的なデータ無し時間を定めた第２の閾値時間を超える場合には、改めてデータの入力を０にするデータ補完機能を有する建設機械の制御システム。
3. 制御対象車両である建設機械を遠隔操縦する操縦装置と、前記建設機械に設けられ車両側制御装置とが無線通信機により相互にブリッジ接続されて前記建設機械を制御する建設機械の制御システムであって、
   前記操縦装置内に設けられ、前記建設機械を統括制御する操縦装置側統括コンピュータと、
   前記車両側制御装置内に設けられ、前記操縦装置と協調して前記建設機械を統括制御する車両側統括コンピュータと、を備え、
   前記操縦装置側統括コンピュータ及び前記車両側統括コンピュータは、相互に協調して前記建設機械を安全側に導くフェールセーフ機能を有し、
   当該フェールセーフ機能として、前記車両側統括コンピュータは、前記建設機械の駆動部に設けられたセンサから速度及び加速度を検出するとともに、位置や姿勢を計測するセンサから前記建設機械の姿勢状態を検出して転覆の可能性を演算し、転覆の可能性がある場合には、その旨を前記操縦装置側統括コンピュータに伝送し、
   前記転覆の可能性の演算は、前記建設機械が履帯車両で有る場合、その履帯範囲と重心位置と姿勢と加速度とを用いて、重心と慣性力が作用している系における床反力の中心点ＺＭＰ（Zero Moment Point）が支持領域内にあるかどうかを判断し、支持領域外である場合には、転覆の可能性があるとして、アラートを出力する、
   建設機械の制御システム。
4. 前記操縦装置に遠隔停止スイッチを設け、制御対象となる前記建設機械が正規の走行指示から逸脱した状態で走行中である場合、前記遠隔停止スイッチの操作によって、前記無線通信機とは別の無線通信ルートにより車両を停止させるフェールセーフ機能を有する請求項１乃至３の何れか１項に記載の建設機械の制御システム。
5. 前記車両側統括コンピュータ及び前記操縦装置側統括コンピュータは、無線通信の通信強度を監視して通信途絶の有無を判定し、前記車両側統括コンピュータは、該通信強度が低下した場合には、車両の走行を停止するフェールセーフ機能を有する請求項１乃至４の何れか１項に記載の建設機械の制御システム。
6. 前記車両側統括コンピュータは、前記建設機械の駆動部に設けられたセンサから速度及び加速度を検出するとともに、位置や姿勢を計測するセンサから前記建設機械の姿勢状態を検出してスリップを演算し、車両が動きにくい可能性がある場合には、その旨を前記操縦装置側統括コンピュータに伝送する請求項１乃至５の何れか１項に記載の建設機械の制御システム。
7. 前記操縦装置内に当該操縦装置の状態を計測するセンサを設け、
   前記操縦装置側統括コンピュータは、前記操縦装置の状態を計測するセンサからの信号を入力して自操縦装置の落下が検出された場合には、操縦機能を停止させて落下による誤作動を防止するフェールセーフ機能を有する請求項１乃至６の何れか１項に記載の建設機械の制御システム。
8. 請求項１〜６の何れか１項に記載のフェールセーフ機能を前記車両側統括コンピュータに実現させる建設機械の制御プログラム。
9. 請求項１、２、５、７の何れか１項に記載のフェールセーフ機能を前記操縦装置側統括コンピュータに実現させる建設機械の制御プログラム。