JP7065002B2

JP7065002B2 - 作業機械

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Publication number: JP7065002B2
Application number: JP2018175340A
Authority: JP
Inventors: 茂阪東; 博史坂本
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2022-05-11
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: JP2020045688A

Description

本発明は、作業機械に関する。

土木作業現場においては、現場の地形データの確認は非常に重要であり、測量者が作業範囲を測量し、掘削の目標としていわゆる丁張りを張る作業を行うことで、所望の作業結果が得られるように準備を行う。一方で、作業中に丁張りがずれてしまう場合もあり、このような場合には再度の測量と丁張りの調整をする必要が生じるため、丁張りにより掘削の目標を定める方法は、時間や手間暇のかかるものであった。

このような問題に対して、例えば、特許文献１では、掘削の目標を設定するのに要する時間と手間を省くことを目的として、レーザー測距装置と車体の位置と姿勢を取得する装置を搭載した建設機械により、自動的に作業現場の現在の地形を示した現況地形データを取得し、施工現場の設計データから計算した掘削の目標面と現況地形データを合わせてオペレータに提示している。

特許第４６７１３１７号公報

ところで、上記従来技術においては、前回の地形データを取得してから一定時間経過する毎に、レーザー測距装置により現況地形データを取得して、目標面と現況地形データを合わせて提示することで、建設機械のオペレータに対して掘削すべき個所のガイダンスを行っている。しかしながら、現況地形データの更新タイミングを前回の計測からの時間経過によって決定しているため、例えば、旋回動作中に計測が行われた場合には、作業を行っている地点がレーザー測距装置の視野を外れてしまい、十分な現況地形データを取得できないため、正しいガイダンスができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、オペレータに対して目標面と現況地形データを適切に提示することができる作業機械を提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、車体本体と、前記車体本体に取り付けられた作業装置と、前記車体本体及び前記作業装置の姿勢に関する情報および前記作業装置の方位を検出して作業機械姿勢情報として出力する作業機械姿勢検出装置と、前記車体本体の位置を検出して作業機械位置情報として出力する作業機械位置検出装置と、施工現場の現況地形を示す現況地形データを取得する現況地形データ取得装置と、前記施工現場の設計地形を示す設計地形データに基づいて設定される目標面の位置情報と前記作業機械姿勢情報と前記作業機械位置情報とを用いて、前記目標面と前記作業装置との相対位置の情報を含むガイダンス情報を演算するガイダンス制御装置と、前記現況地形データを記憶する記憶装置と、前記ガイダンス制御装置により演算された前記ガイダンス情報をオペレータに提示するモニタとを備えた作業機械において、前記ガイダンス制御装置は、前記作業機械位置情報と前記作業機械姿勢情報と前記目標面の位置情報とに基づいて、前記目標面と前記作業機械とが正対している正対状態であるかどうかを判定し、正対状態であると判定された場合に前記現況地形データ取得装置によって取得された前記現況地形データと目標面とを前記記憶装置に記憶するとともに、前記記憶装置に記憶した前記現況地形データを用いて前記ガイダンス情報を演算して前記モニタに表示するものとする。

本発明によれば、オペレータに対して目標面と現況地形データを適切に提示することができる。

本発明の一実施の形態に係る作業機械の一例として油圧ショベルの外観を模式的に示す右側面図である。本発明の一実施の形態に係る作業機械の一例として油圧ショベルの外観を模式的に示す左側面図である。ガイダンス制御装置の処理機能を関連構成とともに示す機能ブロック図である。ガイダンス制御装置によるガイダンス制御の処理内容を示すフローチャートであり、目標面設定処理の処理内容を示すフローチャートである。現場座標系における油圧ショベル及び目標面の一例を示す上面図である。車体座標系における油圧ショベル及び目標面の一例を示す上面図である。作業装置による現況地形データの遮蔽領域を示す図である。油圧ショベル、設計地形データ、及び、目標面の関係の一例を示す上面図である。ガイダンス制御装置によるガイダンス制御の処理内容を示すフローチャートであり、ガイダンス情報提示処理の処理内容を示すフローチャートである。ガイダンス情報の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

＜全体構成：油圧ショベル１００＞
図１及び図２は、本発明の一実施の形態に係る作業機械の一例として油圧ショベルの外観を模式的に示す側面図であり、図１は右側面図、図２は左側面図である。

図１及び図２において、油圧ショベル１００は、垂直方向にそれぞれ回動可能な複数のフロント部材（ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６）を連結して構成された多関節型の作業装置１０３と、車体本体を構成する上部旋回体１０２及び下部走行体１０１とを備えており、上部旋回体１０２は下部走行体１０１に対して旋回可能に設けられている。

上部旋回体１０２は、図示しない旋回フレーム上に各部材を配置して構成されており、図示しない旋回油圧モータの回転駆動によって下部走行体１０１に対して旋回可能となっている。

作業装置１０３のブーム１０４の基端は上部旋回体１０２の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム１０５の一端はブーム１０４の基端とは異なる端部（先端）に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム１０５の他端にはバケット１０６が垂直方向に回動可能に支持されている。作業装置１０３のブーム１０４、アーム１０５、及び、バケット１０６は油圧アクチュエータであるブームシリンダ１０７、アームシリンダ１０８、及び、バケットシリンダ１０９により駆動されて回動動作を行う。

作業装置１０３のブーム１０４、アーム１０５、及び、バケット１０６には、作業装置１０３姿勢に関する情報である作業機械姿勢情報（ここでは、相対角度）を取得するための作業機械姿勢検出装置２０２（後の図３参照）を構成する角度センサ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃが配置されている。角度センサ１１２Ａは、上部旋回体１０２に対するブーム１０４の回動角を検出する。同様に、角度センサ１１２Ｂはブーム１０４に対するアーム１０５の回動角を、角度センサ１１２Ｃはアーム１０５に対するバケット１０６の回動角をそれぞれ検出する。

なお、角度センサ１１２Ａ～１１２Ｃは、作業装置１０３を構成するブーム１０４、アーム１０５、及び、バケット１０６の作業機械姿勢情報を取得できれば良く、例えば、ブーム１０４、アーム１０５、及び、バケット１０６のそれぞれの角速度及び加速度を計測する慣性計測装置（IMU: Inertial Measurement Unit）や、水平２軸の傾斜を検出する２軸傾斜検出装置などを用いても良い。例えば、慣性計測装置を用いる場合には、作業装置１０３の各構成部材１０４，１０５，１０６にそれぞれ配置された各センサに予め設定されたＩＭＵ座標系における加速度や角速度を計測し、それらの計測値と、各慣性計測装置の取り付け状態（つまり、慣性計測装置と作業装置１０３の各構成部材１０４，１０５，１０６との相対的な位置関係）などの情報とを用いることで作業装置１０３の各構成部材１０４，１０５，１０６の姿勢を知ることができる。

下部走行体１０１は、左右一対のクローラフレーム１１ａ，１１ｂにそれぞれ掛け回された一対のクローラ１２ａ，１２ｂと、クローラ１２ａ，１２ｂをそれぞれ駆動する走行油圧モータ１３ａ，１３ｂ（図示しない減速機構を含む）とから構成されている。下部走行体１０１は、左右の走行油圧モータ１３ａ，１３ｂによりそれぞれ駆動されて走行動作を行う。

上部旋回体１０２を構成する旋回フレーム上には、図示しないが、エンジン等の原動機や、原動機によって駆動される油圧ポンプ、油圧ポンプから吐出されてブームシリンダ１０７、アームシリンダ１０８、バケットシリンダ１０９、旋回油圧モータ（図示せず）、及び左右の走行油圧モータ１３ａ，１３ｂなどの油圧アクチュエータに供給される作動油の方向及び流量を制御するコントロールバルブなどが配置されている。

上部旋回体１０２の前部であって、作業装置１０３のブーム１０４の基端の支持部の横側（本実施の形態では左側）には、オペレータが搭乗して油圧ショベル１００の運転を行うための運転席１１１が配置されている。

運転席１１１には、作業装置１０３の動作や上部旋回体１０２の旋回動作を指示するための操作レバー装置（図示せず）や、下部走行体１０１の走行動作を指示するための走行操作レバー装置（図示せず）などのほか、掘削作業等を支援するためのガイダンス情報（後述）をオペレータに提示する出力装置２０４が配置されている。

出力装置２０４は、モニタ１１４を有しており、ガイダンス情報として、例えば、施工現場の設計図から作成した３次元データ（以降、設計地形データと称する）とその設計地形データに対する作業装置１０３の相対的な位置情報とを表示してオペレータに提示し、オペレータに掘削すべき箇所を案内することにより、オペレータの操作を支援している。

運転席１１１の上部には、施工現場における油圧ショベル１００の前方の現在の地形の３次元形状を表す点群情報である地形データ（以降、現況地形データと称する）を取得するためのステレオカメラ５０４が設けられている。なお、ステレオカメラ５０４の代わりにレーザー測距装置を用いて現況地形データを取得するように構成しても良い。

上部旋回体１０２には、車体本体（油圧ショベル１００とも言える）の施工現場における位置を検出して作業機械位置情報として出力する作業機械位置検出装置２０１を構成するＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System：全地球航法衛星システム）５０２と、車体本体（上部旋回体１０２とも言える）の姿勢に関する情報（ここでは、対地姿勢（対地傾斜および方位））を取得するための作業機械姿勢検出装置２０２を構成するＡＨＲＳ（Attitude Heading Reference System）５０３とが配置されている。

作業機械位置検出装置２０１を構成するＧＮＳＳ５０２は、上部旋回体１０２の上部に配置された受信アンテナと図示しない演算装置により構成されており、受信アンテナにより受信した測位衛星からの電波を演算装置によって演算することで上部旋回体１０２の地球座標系（測地系）における３次元の位置情報（対地位置）を検出し、施工現場の中に定義された３次元の直交座標系（以降、現場座標系と称する）における位置に変換して作業機械位置情報として出力する。

作業装置１０３の角度センサ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃとともに作業機械姿勢検出装置２０２を構成するＡＨＲＳ５０３は、上部旋回体１０２の対地姿勢（対地傾斜および方位）を３軸の加速度値と角速度の積分値および地磁気により検出する。

なお、例えば、ＡＨＲＳ５０３を対地傾斜のみ検出可能な傾斜計に置き換えるとともに、ＧＮＳＳ５０２の受信アンテナを２つ設けたり、或いは、ＧＮＳＳ５０２自体を２つ設けたりすることによって、ＧＮＳＳ５０２による２点の観測点を上部旋回体１０２上に設け、ＧＮＳＳ５０２の２点の測位結果から上部旋回体１０２の向く絶対方位を検出するとともに、傾斜計の検出結果から対地傾斜をそれぞれ検出し、これらの検出結果をもってＡＨＲＳ５０３の検出結果（すなわち、対地傾斜および方位の情報を含む対地姿勢の情報）に代えてもよい。

また、上部旋回体１０２には、掘削作業におけるオペレータの操作を支援するためのガイダンス情報を演算し、出力装置２０４のモニタ１１４を介してオペレータに提示するガイダンス制御を行うガイダンス制御装置１１０が配置されている。

図３は、ガイダンス制御装置の処理機能を関連構成とともに示す機能ブロック図である。

図３において、ガイダンス制御装置１１０は、施工現場の設計地形を示す設計地形データを取得して出力する設計地形データ取得部２０６と、設計地形データに基づいて作業装置１０３による掘削作業の目標面を設定する目標面設定部２０７と、作業機械位置情報と作業機械姿勢情報と目標面とに基づいて、目標面と作業装置１０３との相対位置の情報を含むガイダンス情報を演算するガイダンス部２１１と、作業機械位置情報と作業機械姿勢情報と目標面とに基づいて、目標面と油圧ショベル１００とが正対している正対状態であるかどうかを判定する正対判定部２０８と、正対判定部２０８において正対状態であると判定されている場合の現況地形データと目標面とを対応付けて記憶する正対地形データ記憶部２０９と、設計地形データ取得部２０６で取得した設計地形データと正対地形データ記憶部２０９に記憶された現況地形データ及び目標面とに基づいて目標面を調整する目標面調整部２１０とを備えている。

ガイダンス制御装置１１０には、作業機械姿勢情報、作業機械位置情報、及び、現況地形データがそれぞれ所定の周期（例えば、０．１～１秒程度）で検出されて送られる。すなわち、油圧ショベル１００に搭載された作業機械姿勢検出装置２０２は所定の周期（例えば、０．１～１秒程度）で検出作業機械姿勢情報（すなわち、角度センサ１１２Ａで検出されたブーム１０４の回動角、角度センサ１１２Ｂで検出したアーム１０５の回動角、角度センサ１１２Ｃで検出したバケット１０６の回動角、ＡＨＲＳ５０３で検出した上部旋回体１０２の対地姿勢）を検出してガイダンス制御装置１１０に出力し、作業機械位置検出装置２０１は所定の周期（例えば、０．１～１秒程度）で作業機械位置情報（すなわち、ＧＮＳＳ５０２で検出した上部旋回体１０２の対地位置）を検出してガイダンス制御装置１１０に出力し、現況地形データ取得装置２０３は所定の周期（例えば、０．１～１秒程度）で取得した現況地形データ（すなわち、ステレオカメラ５０４で取得した施工現場の現在の地形の３次元形状を示す点群情報）をガイダンス制御装置１１０に出力する。

設計地形データ取得部２０６は、油圧ショベル１００の外部から無線通信や記憶媒体などを介して掘削の目標となる施工現場の設計地形データ２０５を取得し、目標面設定部２０７及び目標面調整部２１０に送る。

設計地形データ２０５は、施工現場の設計図から作成した３次元データであり、施工現場の中に定義された３次元の直交座標系（以降、現場座標系と称する）の３つの点の座標によってそれぞれ表現された複数の面（以降、部分設計面と称する）の情報がリストとなったものである。

例えば、設計地形データ２０５におけるリストのｎ番目の部分設計面の情報は、部分設計面（ｎ）＝｛｛ｘ＿ｄ＿１＿ｎ、ｙ＿ｄ＿１＿ｎ、ｚ＿ｄ＿１＿ｎ｝，｛ｘ＿ｄ＿２＿ｎ、ｙ＿ｄ＿２＿ｎ、ｚ＿ｄ＿２＿ｎ｝，｛ｘ＿ｄ＿３＿ｎ、ｙ＿ｄ＿３＿ｎ、ｚ＿ｄ＿３＿ｎ｝｝のように表現される。また、この面には表裏が定義されており、具体的には、部分設計面を表す３点の記録順序（指定順序）が時計回りとして見える面を表として扱うこととする。

ガイダンス制御装置１１０で演算されたガイダンス情報は、出力装置２０４に送られ、モニタ１１４に表示される目標面や現況地形データを示す画像としてオペレータに提示される。

現況地形データ取得装置２０３は、ステレオカメラ５０４の２つのカメラから得られる画像情報のマッチングを行って視差を計算し、撮影された物体の３次元形状情報を点群情報として出力する。

ステレオカメラ５０４は、油圧ショベル１００の運転席１１１上部に固定されており、例えば、油圧ショベル１００の回動中心に原点を設定した座標系（以降、車体座標系と称する）における位置（座標）は予め測定しておくことができる。したがって、この位置関係を用いた座標変換をステレオカメラ５０４から得られる３次元の形状情報に適用することで、油圧ショベル１００の車体座標系における座標で表現された現況地形データを得ることができる。なお、車体座標系、現場座標系、及び、地球座標系は、互いの関係が予め定義されており、相互に変換可能である。

目標面設定部２０７は、設計地形データ取得部２０６から取得される設計地形データ２０５と目標面調整部２１０から得られるオフセット量（後述）とを用いて、掘削の目標となる目標面を演算し、演算結果である目標面を正対判定部２０８とガイダンス部２１１とに出力する。

正対判定部２０８は、作業機械位置検出装置２０１より得られる作業機械位置情報と作業機械姿勢検出装置２０２で得られる作業機械姿勢情報と目標面設定部２０７によって得られる目標面の情報とを用いて、油圧ショベル１００と目標面とが正対している正対状態であるかどうか判定し、判定結果を正対地形データ記憶部２０９に出力するものであり、正対範囲設定部２１２と信頼度演算部２１３とを有している。

正対範囲設定部２１２は、作業機械位置検出装置２０１より得られる作業機械位置情報と、作業機械姿勢検出装置２０２で得られる作業機械姿勢情報とについて、正対判定部２０８において正対状態であるかどうかの判定に用いる作業機械位置情報の範囲（以降、位置範囲と称する）と作業機械姿勢情報の範囲（以降、姿勢範囲と称する）とを設定する。正対判定部２０８では、作業機械位置情報が位置範囲の範囲内であり、かつ、作業機械姿勢情報が姿勢範囲の範囲内である場合に正対状態であると判定する。

信頼度演算部２１３は、現況地形データ取得装置２０３で取得された現況地形データと作業機械姿勢検出装置２０２で検出された作業機械姿勢情報とに基づいて、施工現場の現在の地形（現況地形）のうち作業装置１０３によって現況地形データ取得装置２０３による現況地形データの取得が遮蔽される領域を遮蔽領域として演算し、現況地形データに対する遮蔽領域の割合を現況地形データの信頼度として演算し、演算結果である信頼度を正対地形データ記憶部２０９に出力する。なお、本実施の形態における遮蔽領域は、現況地形データ取得装置２０３のステレオカメラ５０４により現況地形を撮像した場合に作業装置１０３によって死角になり撮像されない領域のことである。

正対地形データ記憶部２０９は、正対判定部２０８により正対状態であると判定された場合（すなわち、判定結果が正対状態であるとする場合）には現況地形データ取得装置２０３により取得される現況地形データと目標面とを対応付けて記憶し、正対状態ではないと判定された場合（すなわち、判定結果が正対状態ではないとする場合）には現況地形データを記憶しない。ただし、正対地形データ記憶部２０９は、現在記憶されている現況地形データの信頼度と現況地形データ取得装置２０３で取得した最新の現況地形データの信頼度とを比較して信頼度の高い現況地形データを記憶する。

目標面調整部２１０は、正対地形データ記憶部２０９から得られる現況地形データと目標面との差分を演算し、その差分と設計地形データ２０５とを用いて設計地形データ２０５から目標面までのオフケット量を演算し、演算結果であるオフセット量を目標面設定部２０７に送る。

ガイダンス部２１１は、作業機械位置検出装置２０１より得られる作業機械位置情報と作業機械姿勢検出装置２０２より得られる作業機械姿勢情報と目標面設定部２０７から得られる目標面の情報とを用いて、オペレータに提示するガイダンス情報を演算し、演算結果であるガイダンス情報を出力装置２０４に出力する。

なお、ガイダンス制御装置１１０は、入力部と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、出力部とを有して構成されている。入力部は、ガイダンス制御装置１１０に入力される各種情報をＣＰＵが演算可能なように変換する。ＲＯＭは、ガイダンス制御装置１１０における各種演算処理を実行する制御プログラムと、演算処理の実行に必要な各種情報等が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵはＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って入力部及びＲＯＭやＲＡＭから取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。正対地形データ記憶部２０９は、記憶装置の記憶領域の一部で構成されている。出力部からは、出力装置２０４に表示するためのガイダンス情報などが出力される。なお、記憶装置は上記のＲＯＭ及びＲＡＭという半導体メモリに限られず、例えば、ハードディスクドライブ等の磁気記憶装置に代替可能である。

図４及び図９は、ガイダンス制御装置によるガイダンス制御の処理内容を示すフローチャートであり、図４は目標面設定処理の処理内容を示すフローチャート、図９はガイダンス情報提示処理の処理内容を示すフローチャートである。

ガイダンス制御装置１１０における目標面設定処理は、ガイダンス情報提示処理において用いる目標面を設定する処理であり、ガイダンス情報提示処理は、作業機械位置情報と作業機械姿勢情報と目標面とに基づいて、目標面と作業装置１０３との相対位置の情報を含むガイダンス情報を演算して出力装置２０４に出力し、オペレータに提示する処理である。

図４に示すように、目標面設定処理では、ガイダンス制御装置１１０は、まず、設計地形データ取得部２０６によって設計地形データを取得する（ステップＳ１００）。また、ガイダンス制御装置１１０は、作業機械位置検出装置２０１から作業機械位置情報を取得するとともに、作業機械姿勢検出装置２０２から作業機械姿勢情報を取得する（ステップＳ１１０）。

図５、現場座標系における油圧ショベル及び目標面の一例を示す上面図であり、図６は車体座標系における油圧ショベル及び目標面の一例を示す上面図である。図５に示すように、油圧ショベル１００の位置は上部旋回体１０２の旋回中心を油圧ショベル１００の基準位置とした場合に、現場座標系において｛ｘ＿ｓ，ｙ＿ｓ，ｚ＿ｓ｝として得られ、また、上部旋回体１０２の正面方向が向く方位は、ｘ軸方向に対して成す角θ＿ｓとして得られる。

続いて、目標面設定部２０７は、設計地形データと目標面調整部２１０から得られるオフセット量（初回の場合は予め定めた初期値）とに基づいて目標面を設定する（ステップＳ１２０）。

次に、正対判定部２０８は、作業機械位置情報及び作業機械姿勢情報と、目標面設定部２０７からの目標面とに基づいて、油圧ショベル１００と正対する部分目標面（後述）を検索する（ステップＳ１３０）。

目標面は、設計地形データと同様に複数の面（以降、部分目標面と称する）によって構成されており、ステップＳ１３０では、設計地形データを構成する全ての部分目標面を対象にして検索を行う。ステップＳ１３０における油圧ショベル１００と正対する部分目標面の検索では、まず、複数の部分目標面の中から判定対象とする部分目標面を１つずつ順番に選択する。

図５に示すように、設計地形データ２０５と同様に、部分目標面は３点で表現される。例えば、あるｎ番目の部分目標面３００の情報は、部分目標面（ｎ）＝｛｛ｘ＿ｔ＿１＿ｎ，ｙ＿ｔ＿１＿ｎ、ｚ＿ｔ＿１＿ｎ｝、｛ｘ＿ｔ＿２＿ｎ、ｙ＿ｔ＿２＿ｎ、ｚ＿ｔ＿２＿ｎ｝，｛ｘ＿ｔ＿３＿ｎ、ｙ＿ｔ＿３＿ｎ、ｚ＿ｔ＿３＿ｎ｝｝のように表現される。また、部分目標面３００の表裏の定義についても設計地形データ２０５と同様に、部分目標面３００を表す３点の記録順序（指定順序）が時計回りとして見える面を表として扱うこととする。

そして、部分目標面３００の３点の情報から部分目標面３００の重心位置３０１及び部分目標面３００の表面の向く方向を示す方向ベクトル３０２を演算し、部分目標面３００の面の重心位置３０１と方向ベクトル３０２からｎ番目の部分目標面３００が油圧ショベル１００と正対状態であるかどうかを判定する。

具体的には、図６に示すように、部分目標面３００の重心位置３０１と油圧ショベル１００の基準位置との距離Ｌが予め設定した範囲（以降、距離範囲と称する）内であり、かつ、重心位置３０１と油圧ショベル１００の基準位置（例えば、旋回中心）を結ぶ直線と上部旋回体１０２が向く方向との水平方向における角度差θ＿ｄｉｆｆ１が予め設定した範囲（以降、第一角度範囲と称する）内であり、かつ、部分目標面３００の方向ベクトル３０２と上部旋回体１０２が向く方向との水平方向における角度差θ＿ｄｉｆｆ２が予め設定された範囲（以降、第二角度範囲と称する）に入る場合に、部分目標面３００と油圧ショベル１００が正対状態にあると判定する。なお、距離範囲は位置範囲の一種であるとともに、第一角度範囲および第二角度範囲は姿勢範囲の一種であって、正対範囲設定部２１２において任意のタイミングで設定を行うことができ、正対状態の判定に用いるこれらの範囲を正対範囲設定部２１２で設定することにより、正対状態と判定される部分目標面の幅を調整することができる。

続いて、信頼度演算部２１３は、現況地形データ取得装置２０３で取得された現況地形データと作業機械姿勢検出装置２０２で検出された作業機械姿勢情報とに基づいて、現況地形データで示される現在の地形（現況地形）のうち作業装置１０３によって現況地形データ取得装置２０３による現況地形データの取得が遮蔽される領域を遮蔽領域として演算し（ステップＳ１４０）、現況地形データに対する遮蔽領域の割合を現況地形データの信頼度として演算する（ステップＳ１５０）。

図７は、作業装置による現況地形データの遮蔽領域を示す図である。図７に示すように、信頼度演算部２１３による遮蔽領域の演算は、現況地形３０３に対して取得された現況地形データ３０４とステレオカメラ５０４の視野範囲３０５と作業機械姿勢検出装置２０２より得られる作業装置１０３の作業機械姿勢情報とを用いる。作業装置１０３の作業機械姿勢情報と油圧ショベル１００の設計データとから、視野範囲３０５と作業装置１０３との位置関係を演算し、作業装置１０３によって遮蔽される遮蔽領域３０６を演算する。

また、信頼度演算部２１３による信頼度の演算は、遮蔽領域３０６を用いて、現況地形データ３０４から作業装置１０３に相当する形状情報を判別する。そして、現況地形データ３０４の３次元の点群の点数を母数とし、現況地形データ３０４から作業装置１０３に相当する部分を削除した３次元点群の点数を母数で割った値を遮蔽領域の割合として求める。この遮蔽領域の割合を現況地形データ３０４の信頼度とする。

続いて、正対地形データ記憶部２０９は、ステップＳ１３０で正対状態であると判定された部分目標面に対し、以前に対応づけて記憶された現況地形データの信頼度を参照し、現在の現況地形データの信頼度とを比較して、現在の現況地形データの方が信頼度が高いかどうかを判定し（ステップＳ１６０）、判定結果がＮＯの場合には処理を終了する。

また、正対地形データ記憶部２０９は、ステップＳ１６０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、現在の現況地形データの方が信頼度が高い場合には、記憶している目標面とそれに対応する現況地形データとを更新（上書き）するように、目標面と現在の現況地形データとを対応付けて記憶し（ステップＳ１７０）、目標面調整部２１０は、正対地形データ記憶部２０９に記憶された目標面と現況地形データとの差分を演算する（ステップＳ１８０）。具体的には、正対地形データ記憶部２０９は、部分目標面ごとに、部分目標面の重心位置から一定距離内にある現況地形データの点群情報を収集し、部分目標面と収集された点群情報とを対応付けて記憶する。本実施の形態においては、ステップＳ１７０の処理により、信頼度の低い現況地形データが正対地形データ記憶部２０９に記憶されることを防ぎ、目標面の更新によって生じる誤差を低減することができる。

続いて、目標面調整部２１０は、ステップＳ１７０で正対地形データ記憶部２０９において更新された目標面と現況地形データとの差分の値（差分値）を演算する（ステップＳ１８０）。具体的には、目標面と対応付けられた現況地形データの点群情報について、目標面に対する垂直方向の距離の平均値を差分値として算出する。なお、この差分値は、目標面の表面の向く方向の距離を正とし、例えば、目標面に対して現況地形が主に凸形状となる場合には、目標面に対する点群情報の垂直方向の距離の平均値が正となるので差分値も正の値をとると考えられ、また、主に凹形状となる場合は差分値も負の値をとると考えられる。

続いて、目標面調整部２１０は、ステップＳ１８０で算出された差分値に基づいて、目標面の調整が必要であるかどうかを判定し（ステップＳ１９０）、判定結果がＮＯの場合には処理を終了する。

図８は、油圧ショベル、設計地形データ、及び、目標面の関係の一例を示す上面図である。目標面調整部２１０におけるステップＳ１９０の判定では、図８に示すように、設計地形データ２０５のうち、ステレオカメラ５０４の視野範囲３０５（現況地形データが取得される範囲）において、正対状態と判定された全ての部分目標面３００（部分目標面３０７）における差分値の平均値を求め、この平均値が予め定めた範囲外となった場合に目標面の調整が必要であると判定する。

ステップＳ１９０における判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、目標面の調整が必要であると判定された場合には、目標面調整部２１０は、ステップＳ１８０で算出された差分値を用いて、設計地形データ２０５に対する目標面のオフセット値を決定する（ステップＳ２００）。具体的には、設計地形データ２０５に対し、予め設定した幅でオフセット値の候補を用意し、オフセット値を用いて目標面の候補（目標面候補）を演算する。そして、ステップＳ１８０と同様に現況地形データと目標面候補とについて差分値を演算し、目標面候補の中で現況地形データに対する差分値が、ステップＳ１８０で演算された目標面に対する現況地形データの差分値と近い候補を選び、この目標面の候補のオフセット値を次のオフセット値として決定する。

続いて、目標面設定部２０７は、ステップＳ２００で決定された目標面のオフセット値に基づき、新たな目標面の設定を行う。具体的には、設計地形データ２０５の面の法線方向に対してオフセット値の距離だけ平行移動した面の座標値を演算する。そして、正対地形データ記憶部２０９において、次の目標面の座標値を現況地形データと対応付けて記憶する。

図９に示すように、ガイダンス情報提示処理では、ガイダンス制御装置１１０のガイダンス部２１１は、まず、作業機械位置検出装置２０１から作業機械位置情報を取得するとともに、作業機械姿勢検出装置２０２から作業機械姿勢情報を取得する（ステップＳ３００）。また、ガイダンス部２１１は、目標面設定部２０７から目標面設定処理で設定された目標面を取得する（ステップＳ３１０）。

続いて、ガイダンス部２１１は、作業機械位置情報および作業機械姿勢情報に基づいて、作業装置１０３の作業平面３０８（図８参照）上から一定の範囲にある目標面を探索する（ステップＳ３２０）。具体的には、図８に示したように、作業装置１０３の作業平面３０８と交差する目標面の情報を収集する。

続いて、ガイダンス部２１１は、対応する目標面が存在するかどうか、すなわち、作業装置１０３の作業平面３０８と交差する目標面の個数が１以上であるかどうかを判定し（ステップＳ３３０）、判定結果がＮＯの場合には、ガイダンス情報の演算および出力を行わないと判定して処理を終了する。

また、ステップＳ３３０での判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ３２０で検索された目標面について、正対地形データ記憶部２０９に対応して記憶された現況地形データを取得する（ステップＳ３４０）。

次に、ガイダンス部２１１は、ステップＳ３２０で検索された目標面とステップＳ３４０で取得された現況地形データとから、オペレータに提示する掘削面の断面形状を演算する（ステップＳ３５０）。図１０は、出力装置のモニタに表示されるガイダンス情報の一例を示す図である。図１０に示すように、ステップＳ３５０では、作業平面３０８と目標面が交差する箇所の及び現況地形データの交差する箇所３０９と作業平面３０８と現況地形データが交差する箇所３１０を求め、作業平面３０８における断面図を出力する。

次に、ガイダンス部２１１は、ステップＳ３５０で算出した作業平面３０８での断面図に対して、ステップＳ３００で取得した作業機械位置情報と作業機械姿勢情報とを用いて作業平面３０８での断面図に対するバケット１０６の位置を算出し、バケット１０６を示すアイコン３１１を断面図に合成して、その画像情報を出力装置２０４のモニタ１１４に出力することによりオペレータに提示し（ステップＳ３６０）、処理を終了する。

以上のように構成した本実施の形態における作用効果を説明する。

従来技術としては、例えば、掘削の目標を設定するのに要する時間と手間を省くことを目的として、レーザー測距装置と車体の位置と姿勢を取得する装置を搭載した建設機械により、自動的に作業現場の現在の地形を示した現況地形データを取得し、施工現場の設計データから計算した掘削の目標面と現況地形データを合わせてオペレータに提示するものがある。この従来技術においては、前回の地形データを取得してから一定時間経過する毎に、レーザー測距装置により現況地形データを取得して、目標面と現況地形データを合わせて提示することで、建設機械のオペレータに対して掘削すべき個所のガイダンスを行っている。しかしながら、現況地形データの更新タイミングを前回の計測からの時間経過によって決定しているため、例えば、旋回動作中に計測が行われた場合には、作業を行っている地点がレーザー測距装置の視野を外れてしまい、十分な現況地形データを取得できないため、正しいガイダンスができないという問題があった。

これに対して、本実施の形態においては、車体本体（下部走行体１０１及び上部旋回体１０２）と、上部旋回体１０２に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材（ブーム１０４、アーム１０５、及びバケット１０６）からなる多関節型の作業装置１０３と、上部旋回体１０２及び作業装置１０３の姿勢に関する情報を検出して作業機械姿勢情報として出力する作業機械姿勢検出装置２０２と、油圧ショベル１００の施工現場における位置を検出して作業機械位置情報として出力する作業機械位置検出装置２０１と、施工現場の現在の地形の状態を示す現況地形データを取得して出力する現況地形データ取得装置２０３と、作業機械姿勢情報及び作業機械位置情報を用いてオペレータの作業装置１０３による掘削作業を支援するためのガイダンス情報を演算するガイダンス制御装置１１０と、ガイダンス制御装置１１０により演算されたガイダンス情報をオペレータに提示する出力装置２０４とを備えた油圧ショベル１００において、ガイダンス制御装置１１０は、施工現場の設計地形を示す設計地形データを取得して出力する設計地形データ取得部２０６と、設計地形データに基づいて作業装置１０３による掘削作業の目標面を設定する目標面設定部２０７と、作業機械位置情報と作業機械姿勢情報と目標面とに基づいて、目標面と作業装置１０３との相対位置の情報を含むガイダンス情報を演算するガイダンス部２１１と、作業機械位置情報と作業機械姿勢情報と目標面とに基づいて、目標面と作業機械１００とが正対している正対状態であるかどうかを判定する正対判定部２０８と、正対判定部２０８において正対状態であると判定されている場合の現況地形データと目標面とを対応付けて記憶する正対地形データ記憶部２０９と、設計地形データ取得部２０６で取得した設計地形データと正対地形データ記憶部２０９に記憶された現況地形データ及び目標面とに基づいて目標面を調整する目標面調整部２１０とを備えて構成したので、オペレータに対して目標面と現況地形データを適切に提示することができる。

以上のように構成した本実施の形態の特徴を説明する。

（１）上記の実施の形態では、車体本体（例えば、下部走行体１０１及び上部旋回体１０２）と、前記車体本体に取り付けられた作業装置１０３と、前記車体本体及び前記作業装置の姿勢に関する情報および前記作業装置の方位を検出して作業機械姿勢情報として出力する作業機械姿勢検出装置２０２と、前記車体本体の位置を検出して作業機械位置情報として出力する作業機械位置検出装置２０１と、施工現場の現況地形を示す現況地形データを取得する現況地形データ取得装置２０３と、前記施工現場の設計地形を示す設計地形データに基づいて設定される目標面の位置情報と前記作業機械姿勢情報と前記作業機械位置情報とを用いて、前記目標面と前記作業装置との相対位置の情報を含むガイダンス情報を演算するガイダンス制御装置１１０と、前記ガイダンス制御装置により演算された前記ガイダンス情報をオペレータに提示するモニタ１１４とを備えた作業機械において、前記ガイダンス制御装置は、前記作業機械位置情報と前記作業機械姿勢情報と前記目標面の位置情報とに基づいて、前記目標面と前記作業機械とが正対している正対状態であるかどうかを判定し、正対状態であると判定されている場合に前記現況地形データ取得装置によって取得された前記現況地形データを正対地形データ記憶部２０９に記憶するものとした。

これにより、オペレータに対して目標面と現況地形データを適切に提示することができる。

（２）また、上記の実施の形態では、上記（１）の作業機械（例えば、油圧ショベル１００）において、前記ガイダンス制御装置１１０は、前記正対地形データ記憶部２０９に記憶された前記現況地形データと前記目標面の位置情報と前記設計地形データとに基づいて、前記設計地形と前記現況地形との間に位置するように前記目標面の位置を調整するものとした。

（３）また、上記の実施の形態では、上記（１）の作業機械（例えば、油圧ショベル１００）において、前記ガイダンス制御装置１１０は、前記ガイダンス情報として、前記目標面と前記作業装置１０３との相対位置の情報に加え、前記現況地形データを前記モニタ１１４に表示するものとした。

（４）また、上記の実施の形態では、上記（１）の作業機械（例えば、油圧ショベル１００）において、前記ガイダンス制御装置１１０は、位置範囲と第一及び第二角度範囲とを予め設定し、前記目標面と前記車体本体（例えば、下部走行体１０１及び上部旋回体１０２）の距離が前記位置範囲内であり、かつ、前記目標面と前記車体本体の位置を結ぶ直線と前記作業装置１０３が向く方位との角度差及び前記目標面の向く方向との角度差がそれぞれ前記第一及び第二角度範囲内である場合に前記正対状態であると判定するものとした。

（５）また、上記の実施の形態では、上記（１）の作業機械（例えば、油圧ショベル１００）において、前記ガイダンス制御装置１１０は、前記現況地形データ及び前記作業機械姿勢情報に基づいて、前記施工現場の現在の地形のうち前記作業装置１０３によって前記現況地形データ取得装置２０３による前記現況地形データの取得が遮蔽される領域を遮蔽領域として演算し、前記遮蔽領域に基づいて前記現況地形データの信頼度を演算し、現在、前記正対地形データ記憶部２０９に記憶されている前記現況地形データの信頼度と前記現況地形データ取得装置で取得した最新の前記現況地形データの信頼度とを比較して信頼度の高い前記現況地形データを前記正対地形データ記憶部２０９記憶するものとした。

＜付記＞
なお、上記の実施の形態においては、作業腕を有する作業機械として油圧ショベルを例示して説明したが、作業腕を有する作業機械であれば他の作業機械であっても本願発明を適用可能である。

また、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１１ａ，１１ｂ…クローラフレーム、１２ａ，１２ｂ…クローラ、１３ａ，１３ｂ…走行油圧モータ、１００…油圧ショベル（作業機械）、１０１…下部走行体、１０２…上部旋回体、１０３…作業装置、１０４…ブーム、１０５…アーム、１０６…バケット、１０７…ブームシリンダ、１０８…アームシリンダ、１０９…バケットシリンダ、１１０…ガイダンス制御装置、１１１…運転席、１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ…角度センサ、１１４…モニタ、２０１…作業機械位置検出装置、２０２…作業機械姿勢検出装置、２０３…現況地形データ取得装置、２０４…出力装置、２０５…設計地形データ、２０６…設計地形データ取得部、２０７…目標面設定部、２０８…正対判定部、２０９…正対地形データ記憶部、２１０…目標面調整部、２１１…ガイダンス部、２１２…正対範囲設定部、２１３…信頼度演算部、３００…部分目標面、３０１…重心位置、３０２…方向ベクトル、３０３…現況地形、３０４…現況地形データ、３０５…視野範囲、３０６…遮蔽領域、３０７…部分目標面、３０８…作業平面、５０２…ＧＮＳＳ、５０３…ＡＨＲＳ、５０４…ステレオカメラ

Claims

車体本体と、
前記車体本体に取り付けられた作業装置と、
前記車体本体及び前記作業装置の姿勢に関する情報および前記作業装置の方位を検出して作業機械姿勢情報として出力する作業機械姿勢検出装置と、
前記車体本体の位置を検出して作業機械位置情報として出力する作業機械位置検出装置と、
施工現場の現況地形を示す現況地形データを取得する現況地形データ取得装置と、
前記施工現場の設計地形を示す設計地形データに基づいて設定される目標面の位置情報と前記作業機械姿勢情報と前記作業機械位置情報とを用いて、前記目標面と前記作業装置との相対位置の情報を含むガイダンス情報を演算するガイダンス制御装置と、
前記現況地形データを記憶する記憶装置と、
前記ガイダンス制御装置により演算された前記ガイダンス情報をオペレータに提示するモニタと
を備えた作業機械において、
前記ガイダンス制御装置は、前記作業機械位置情報と前記作業機械姿勢情報と前記目標面の位置情報とに基づいて、前記目標面と前記作業機械とが正対している正対状態であるかどうかを判定し、正対状態であると判定された場合に前記現況地形データ取得装置によって取得された前記現況地形データと目標面とを前記記憶装置に記憶するとともに、前記記憶装置に記憶した前記現況地形データを用いて前記ガイダンス情報を演算して前記モニタに表示することを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
前記ガイダンス制御装置は、前記記憶装置に記憶された前記現況地形データと前記目標面の位置情報と前記設計地形データとに基づいて、前記設計地形と前記現況地形との間に位置するように前記目標面の位置を調整することを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
前記ガイダンス制御装置は、前記ガイダンス情報として、前記目標面と前記作業装置との相対位置の情報に加え、前記現況地形データを前記モニタに表示することを特徴とする作業機械。
請求項１記載の作業機械において、
前記ガイダンス制御装置は、位置範囲と第一及び第二角度範囲とを予め設定し、前記目標面と前記車体本体の距離が前記位置範囲内であり、かつ、前記目標面と前記車体本体の位置を結ぶ直線と前記作業装置が向く方位との角度差及び前記目標面の向く方向との角度差がそれぞれ前記第一及び第二角度範囲内である場合に前記正対状態であると判定することを特徴とする作業機械。
請求項１記載の作業機械において、
前記ガイダンス制御装置は、前記現況地形データ及び前記作業機械姿勢情報に基づいて、前記施工現場の現在の地形のうち前記作業装置によって前記現況地形データ取得装置による前記現況地形データの取得が遮蔽される領域を遮蔽領域として演算し、前記遮蔽領域に基づいて前記現況地形データの信頼度を演算し、現在、前記記憶装置に記憶されている前記現況地形データの信頼度と前記現況地形データ取得装置で取得した最新の前記現況地形データの信頼度とを比較して信頼度の高い前記現況地形データを前記記憶装置に記憶することを特徴とする建設機械。