JP6965050B2 - ガイド情報表示装置およびこれを備えたクレーンおよびガイド情報表示方法 - Google Patents
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Description
このような特許文献1記載のガイド情報表示装置(高さ情報通知システム)では、ガイド情報によって、吊荷および吊荷周辺の物体の位置情報と高さ情報をオペレータに伝えることで、吊荷が周辺の物体に接触することを抑制している。
図1に示す如く、クレーン1は、本発明の一実施形態に係るガイド情報表示装置の適用対象たるクレーンの一例であり、所望の場所に移動可能な移動式クレーンである。
クレーン1は、走行車両10、クレーン装置20を備えている。
走行車両10の四方角部には、アウトリガ12が設けられている。アウトリガ12は、走行車両10の幅方向両側に油圧によって延伸可能な張り出しビーム12aと地面に垂直な方向に延伸可能な油圧式のジャッキシリンダ12bとから構成されている。そして、走行車両10は、ジャッキシリンダ12bを接地させることにより、クレーン1を作業可能な状態とすることができ、張り出しビーム12aの延伸長さを大きくすることにより、クレーン1の作業可能範囲(作業半径)を広げることができる。
クレーン装置20は、メインフックブロック23の他に、吊荷Wを引掛けて吊り下げるためのサブフックブロック24をさらに備えており、サブフックブロック24には、吊荷Wを吊るサブフック33が設けられている。
メインウインチ26は、メインワイヤロープ27が巻きつけられるメインドラムがメイン用油圧モータによって回転されるように構成されている。メインウインチ26は、メイン用油圧モータが一方向へ回転するように作動油が供給されることでメインドラムに巻きつけられているメインワイヤロープ27を繰り出し、メイン用油圧モータが他方向へ回転するように作動油が供給されることでメインワイヤロープ27をメインドラムに巻きつけて繰り入れるように構成されている。
X軸方向(側線方向とも呼ぶ)は、伸縮ブーム22の起伏支点の軸方向に対して平行な水平方向である。また、Y軸方向(標高方向とも呼ぶ)は、鉛直方向である。さらに、Z軸方向(奥行方向とも呼ぶ)は、伸縮ブーム22の起伏支点の軸方向に対して垂直な水平方向である。即ち、XYZ座標系は、図2に示すように、伸縮ブーム22を基準としたローカル座標系として規定している。
クレーン1は、図3に示すようなガイド情報表示装置50を備えている。
ガイド情報表示装置50は、本発明に係るガイド情報表示装置の一例であり、図1に示すようなクレーン1による作業を効率よく、かつ、安全に行うことを可能にするために、吊荷Wを含む領域(以下、吊荷領域WAと言う)の情報(以下、ガイド情報と言う)を映像で表示し、オペレータに提示するための装置である。
「吊荷領域WA」は、クレーン1における伸縮ブーム22のトップブーム部材22fの直下を含む領域として設定され、吊荷領域WA内に存在する吊荷W、地表面F、地物Cが、ガイド情報表示装置50による測定対象物となる。「吊荷領域WA」は、伸縮ブーム22の旋回動作、起伏動作、伸縮動作に応じて変位する。
ガイド情報表示装置50では、レーザスキャナ62によって、リアルタイムに平面的な三次元点群データを取得する。
フレーム体64は、5枚の板材を組み合わせて構成された略直方体状の物体である。フレーム体64は、4枚の板材で直方体の四方の側面部を構成するとともに、残り1枚の板材で、直方体の上面部を構成し、下方に開口部を有する形状に構成されている。データ取得部60では、カメラ61とレーザスキャナ62を、フレーム体64の側面部内側に付設し、IMU63を、フレーム体64の上面部に付設している。図7(A)に示すように、カメラ61の撮像素子中心位置とレーザスキャナ62のレーザ中心位置は、Y軸方向視において、Z軸方向に距離Δzhで離間している。尚、レーザ中心位置とは、レーザスキャナ62におけるレーザの回転中心であり、Z軸上に位置している。
また、図7(B)に示すように、カメラ61の撮像素子中心位置とレーザスキャナ62のレーザ中心位置は、X軸方向視において、Y軸方向に距離Δyvで離間している。
データ取得部60は、フレーム体64の四方の側面部のうち、対面する一対の側面部の一方がZ軸に対して垂直となり、対面する一対の側面部の他方がX軸に対して垂直となる姿勢で配置される。また、データ取得部60は、フレーム体64の上面部が、Y軸に対して垂直となる姿勢で配置される。
尚、以下の数式では、カメラ61の撮像素子とレーザ中心の位置の水平方向の差分をΔzhとし(図7(A)参照)、カメラ画像の横幅をwh、カメラ61の水平画角をθh、一時変数をtmp1としている。
tmp1=(y−Δzh)×tan(π×θh/360)・・・(1)
Xc=wh/2−wh×x/(2×tmp1)・・・(2)
図5(B)に示すように、点(y,z)からレーザ中心までのZ軸方向の距離をdv、カメラ61の水平方向の最大画面幅をwvとしている。また、点(y,z)は、画面中心からZ軸方向の位置をzとしている。このとき、カメラ空間における点(y,z)のZc座標は、以下の数式(3)(4)で表される。
尚、以下の数式では、カメラ61の撮像素子とレーザスキャナ62のレーザ中心の位置の垂直方向の差分をΔyv(図7(B)参照)、カメラ画像の縦幅をwv、カメラ61の垂直画角をθv、一時変数をtmp2としている。
tmp2=Y×tan(π×θv/360)・・・(3)
Zc=wv/2+wv×(Z−Δyv)/(2×tmp2)・・・(4)
また、データ処理部70は、クレーン1のコントローラ34と電気的に接続されており、コントローラ34から出力される「クレーン情報」が、データ処理部70に入力される。
データ表示部80には、図8(A)に示すように、カメラ61によって撮影した吊荷領域WAの映像Mをリアルタイムに表示する。
そして、データ表示部80には、データ処理部70で生成したガイド情報GDと映像Mが重畳して表示される。
データ取得部60とデータ処理部70間のデータの伝送は、有線LANによることが好ましい。尚、データ取得部60とデータ処理部70間のデータの伝送は、無線LANを採用してもよく、あるいは、電力線通信を採用してもよい。
データ取得部60では、カメラ61によって、吊荷領域WAを連続的に撮影し、吊荷領域WAの映像Mを取得する。
データ処理部70による点群データPのデータ処理では、点群データPのストリームデータから、1フレーム分の点群データPを切り出して出力する。1フレーム分の点群データPは、レーザスキャナ62によるレーザの照射方向がZ軸回りに1周する間に取得する点データpの集合である。
データ処理部70は、1フレーム分の点群データPに含まれる点データpを、IMU63によって取得した姿勢データQと同期させる。
具体的には、個々の点データpにおいて、その点データpの取得時間tpに最も近い個別姿勢データqの取得時間tqを探索し、該取得時間tqにおける個別姿勢データqを、その点データpに対応付けることで同期する。
そして、図11に示すように、データ処理部70は、距離aおよび照射角度bとに基づいて、レーザスキャナ62のレーザ中心位置から点データpまでの距離hを算出する。尚、ここで言う「距離h」は、レーザスキャナ62のレーザ中心位置から点データpが存在する水平面までの距離である。
ガイド情報表示装置50では、このような構成によって、オペレータに対して、より的確なガイド情報GDを提示することが可能になっている。
ガイド情報表示装置50では、データ表示部80およびデータ入力部90において地表面の位置を指定することで、基準となる地表面Fを決定することができる。
手動による場合、まず図14上図に示すように、オペレータがデータ表示部80に表示される映像上で、地表面であることが明らかな位置を指定する。すると、データ処理部70は、図14中図に示すように、その指定された位置(点)を中心とする所定半径の基準円を生成する。そして、データ処理部70は、図14下図に示すように、レーザ側線上にある点データpとの重なりを検出し、基準円内に含まれる複数の点データpを選択する。
そして、データ処理部70は、距離hと基準高H0から、点データpの標高値Hを算出する。図10に示すように、標高値Hは、点データpの基準高H0からの高さである。
上記説明ではオペレータが地表面Fを指定する構成を示したが、ガイド情報表示装置50では、データ処理部70によって、地表面Fを自動的に推定する構成としてもよい。
このときデータ処理部70は、分割した各グループに個別のグループID(ここでは、ID:001〜006とする)を付与し、各点データpをグループIDに関連付ける。
そして、データ処理部70は、図17および図18下図に示すように、選択した2つの点データp・pの2点間距離L1を算出する(点間距離算出工程:STEP−202)。
そして、データ処理部70は、図17および図20下図に示すように、近傍点たる点データpが見つかれば(STEP−207)、その近傍点たる点データpも、先に選択した2つの点データp・pと同一平面上にあるものとみなす(近傍点平面みなし工程:STEP−208)。
そして、データ処理部70は、新たな重心を算出しながら近傍点を探索し、近傍点たる点データpが検出されなくなるまで(STEP−205)から(STEP−208)までの処理を順に繰り返して行う。
データ処理部70は、点群データPを、同一平面上にあるとみなされた点データpに切り分けて、平面クラスタCL1を設定する(図16下図参照)。平面クラスタCL1に属する各点データpによれば、平面(即ち、吊荷Wおよび地物Cの「上面」)を規定することができる。尚、同一のグループIDが付与されたグループ内には、複数の平面クラスタCL1が存在する場合もある。
即ち、本実施形態で示した上面推定方法は、例えば、ブームを備える作業車両(例えば、高所作業車等)のブーム先端部やドローン等にレーザスキャナを設けて、上空からその鉛直下方に存在する測定対象物の点群データを取得し、取得した点群データに基づいて測定対象物の上面を推定する場合に広く適用することができる。
データ処理部70は、図23および図24上図に示すように、推定された平面クラスタCL1のうち、異なるグループIDが付与された2つの平面クラスタCL1・CL1を選択し、各平面クラスタCL1の標高値Hの差異dHを算出する(STEP−301:標高値差異算出工程)。
平面クラスタCL1によって規定される平面は、吊荷Wおよび地物Cにおいて上向きに存在する平面であり、即ち、吊荷Wおよび地物Cの上面である。
また、このような平面の推定方法では、吊荷Wや地物Cの上面を推定することによって、吊荷Wや地物Cの側面の点データpを取得せずに、吊荷Wや地物Cの立体的形状を把握することができる。
ここで、二つの平面クラスタCL1・CL1が、Y軸方向視において重なっている場合には、データ処理部70は、図25下図に示すように、これらの平面クラスタCL1・CL1を「同一領域」にあるものとみなし、これらの平面クラスタCL1・CL1によって、同一領域クラスタCL2を形成する。
データ処理部70は、「同一領域のクラスタリング処理」において作成した地物Cの木構造を取得する。そして、データ処理部70は、木構造を構成する各平面クラスタCL1に含まれる点データpを取得する。
次に、データ処理部70は、図27上図に示すように、「子」の平面クラスタCL1の点データpから、Z軸方向において最も奥に位置するレーザ側線上の各点データpを取得する。そして、データ処理部70は、隣り合うレーザ側線との距離の1/2だけZ軸方向に離れており、かつ、各点データpを囲むことができるX軸方向の幅を有する矩形を作成する。
そして、データ処理部70は、対象となるレーザ側線上の点データpが無くなるまで隣接するレーザ側線上に点データpを探索し、上記処理を繰り返す。
最後に、データ処理部70は、選択した木構造に含まれる全ての平面クラスタCL1を外包する外形線を作成する。
ガイド枠GD1として出力する条件は、例えば、図28(A)に示すように、地物Cの大枠たる外形線のみを表示する条件を選択することができる。この条件を選択した場合には、データ表示部80には、その地物Cに対して、地物Cの全体を囲む一つのガイド枠GD1が表示される。
ここでは、図5(A)(B)に示した通り、XYZ座標系で取得した点群データPをカメラ空間座標系の座標値に変換して、カメラ61によって撮影した映像M上に同期(位置合わせ)して、データ表示部80へと出力する。
データ処理部70は、生成した同一領域クラスタCL2の情報に基づいて、ガイド情報GDを生成し、データ表示部80に出力する。
尚、「ガイド表示処理」に際しては、クレーン1のコントローラ34から出力される「クレーン情報」を利用する。ここで利用する「クレーン情報」には、伸縮ブーム22の長さ、起伏角度、クレーン1の作業半径、吊荷Wの重量等に係る情報が含まれる。
ガイド情報表示装置50では、データ表示部80によって、ガイド情報GDを表示する。データ表示部80によって表示するガイド情報GDには、図8(B)に示すような、オペレータによる地表面Fの指定位置に係る情報が含まれている。
地表面Fと吊荷Wの指定位置に係る情報は、円等の図形で表したマーカーによって表示される。
ガイド情報表示装置50では、このような構成によって、吊荷Wの高さ情報GD2と地物Cの高さ情報GD3を見間違えることがないようにしている。
ガイド情報表示装置50では、オペレータが、吊荷Wに係る情報(以下「吊荷情報」と呼ぶ)を、予めデータ処理部70に入力する。このオペレータによる「吊荷情報」の入力は、データ入力部90から行われる。そして、データ処理部70は、「吊荷情報」を利用して、吊荷Wの高さを取得する。
ガイド情報表示装置50では、このような構成によって、地物Cと高さ情報GD3の対応関係を明確にしている。
ガイド情報表示装置50では、このような構成によって、オペレータがガイド枠GD1を見ることで、吊荷Wや地物Cのおおまかな標高値(高さ)を感覚的に知覚することができる。このため、ガイド情報表示装置50では、吊荷Wと地物Cの高さをより的確に提示することができる。
ガイド情報表示装置50では、このような構成によって、オペレータが高さ情報GD2を見ることで、吊荷Wや地物Cのおおまかな標高値(高さ)を感覚的に知覚できる。このため、ガイド情報表示装置50では、吊荷Wと地物Cの高さをより的確に提示することができる。
データ処理部70は、「クレーン情報」に基づいて、クレーン1の作業半径を算出し、その作業半径を示す円弧を生成し、作業半径情報GD4として出力する。
また、データ処理部70は、「クレーン情報」に基づいて、伸縮ブーム22の軸線方向を算出し、その軸線方向を示す直線を生成し、軸線情報GD5として出力する。
ガイド情報表示装置50では、破線の長さや間隔を基準長さ(例えば、1m)で表示することで、オペレータが、ガイド情報GDから吊荷Wや地物Cのスケール感を感じることができる構成としている。
データ処理部70は、吊荷Wと地物Cを水平面に投影した際の水平距離が、所定の閾値(例えば、1m)以下であり、かつ、鉛直方向の距離が所定の閾値(例えば、1m)以下であった場合に、接触の恐れがあるものと判断する。
50 ガイド情報表示装置
60 データ取得部
61 カメラ
62 レーザスキャナ
70 データ処理部
80 データ表示部
P 点群データ
W 吊荷
F 地表面
C 地物
M (カメラで撮影した)映像
GD ガイド情報
GD1 ガイド枠
GD2 (吊荷下面の)高さ情報
GD3 (地物上面の)高さ情報
WA 吊荷領域
CL1 平面クラスタ
CL2 同一領域クラスタ
HD 水平距離
WD 吊荷幅
WP 吊り下げ位置
JA 除外領域
Claims (5)
- カメラと、レーザスキャナと、データ処理部と、データ表示部と、を備えるクレーンのガイド情報表示装置であって、
前記カメラが、前記クレーンの作業領域の一部を撮影し、
前記レーザスキャナが、前記カメラが撮影している前記作業領域の点群データを取得し、
前記データ処理部が、前記レーザスキャナで取得した点群データから、前記クレーンによって吊り下げられている吊荷と前記クレーンのブームの先端部との間に存在する点群データを除外し、残りの点群データに基づいて前記吊荷の上面と、前記作業領域の地表面と、前記作業領域に存在する地物の上面とを推定するとともに前記吊荷の上面および前記地物の上面をそれぞれ囲むガイド枠画像を生成し、前記カメラで撮影した映像に前記データ処理部で生成した前記ガイド枠画像を重ね合わせて、前記データ表示部に表示するガイド情報表示装置。 - 前記データ処理部は、
前記クレーンによって吊り下げられている吊荷と前記クレーンのブームの先端部との間において、任意の標高値から所定の標高差内にある点群データを同一平面上にあると推定して平面クラスタを形成し、
前記吊荷の重心と前記ブームの先端部における前記吊荷の吊り下げ位置とを結ぶ直線を算出し、
前記直線方向からの平面視において前記吊荷の重心位置から最も離間している前記吊荷の外周までの吊荷幅を算出し、
前記平面クラスタの重心と前記直線との水平距離を算出し、
前記水平距離が前記吊荷幅よりも小さい場合、または鉛直方向からの平面視おいて前記吊荷と前記平面クラスタが重なっている場合、前記平面クラスタを形成する前記点群データを前記レーザスキャナで取得した点群データから除外する点群データとする請求項1に記載のガイド情報表示装置。 - 前記データ処理部は、
前記吊荷と前記ブームの先端部との間に除外領域を設定し、
前記除外領域において取得した前記点群データを前記レーザスキャナで取得した点群データから除外する点群データとする請求項1に記載のガイド情報表示装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のガイド情報表示装置を備えるクレーン。
- クレーンの作業領域の一部を撮影するカメラと、
前記作業領域において、吊荷の上方から点群データを取得するレーザスキャナと、
前記レーザスキャナによって、前記カメラが撮影している前記作業領域の点群データを取得するデータ取得部と、
前記点群データに基づいて前記吊荷の上面と、前記作業領域の地表面と、前記作業領域に存在する地物の上面とを推定するとともに前記吊荷の上面および前記地物の上面をそれぞれ囲むガイド枠画像を生成するデータ処理部と、
前記カメラで撮影した映像に前記データ処理部で生成した前記ガイド枠画像を重ね合わせて表示するデータ表示部と、
を備えたガイド情報表示装置におけるガイド情報表示方法であって、
任意の標高値から所定の標高差内にある前記点群データを同一平面上にあると推定して形成される平面クラスタを取得する平面クラスタ取得工程と、
前記平面クラスタの外形線において最も標高値が高い外形線を取得する外形線取得工程と、
前記外形線の重心を前記クレーンのブームの先端部における前記吊荷の吊り下げ位置とみなして算出する吊り下げ位置算出工程と、
前記吊荷の重心から前記吊り下げ位置までを結ぶ直線を算出する直線算出工程と、
前記平面クラスタの重心と前記直線との水平距離を算出する水平距離算出工程と、
前記水平距離が前記直線方向からの平面視における前記吊荷の重心位置から最も離間している前記吊荷の外周までの距離である吊荷幅よりも小さい場合、または鉛直方向からの平面視おいて前記吊荷と前記平面クラスタが重なっている場合、前記平面クラスタを形成する前記点群データを前記レーザスキャナで取得した点群データから除外する平面クラスタ除外工程と、を有するガイド情報表示方法。
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