JP7141883B2 - 作業機械の制御システム、作業機械、及び作業機械の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械の制御システム、作業機械、及び作業機械の制御方法に関する。

鉱山のような広域の作業現場において、無人で走行する作業機械が使用される場合がある。作業機械の位置は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）を利用して検出される。全地球航法衛星システムの検出精度が低下すると、作業機械の稼働が停止し、作業現場の生産性が低下する可能性がある。そのため、全地球航法衛星システムの検出精度が高いときに作業現場のマップデータを作成し、全地球航法衛星システムの検出精度が低下したときに非接触センサの検出データとマップデータとを照合して作業機械の位置を推定する技術が提案されている。

国際公開第２０１７／０７２９８０号

特許文献１には、非接触センサの検出データとマップデータとの照合結果に基づいて作業機械を走行させる照合航法に係る技術が開示されている。照合航法において、作業現場が鉱山である場合、作業機械に設けられている非接触センサは、作業機械の走行路の傍らに設けられた土手を検出する。全地球航法衛星システムの検出精度が高いとき、作業機械の位置が全地球航法衛星システムの位置センサによって検出され、位置センサの検出データ及び非接触センサの検出データに基づいて、土手のマップデータが作成される。全地球航法衛星システムの検出精度が低下したとき、土手を検出した非接触センサの検出データとマップデータとを照合することによって作業機械の位置が推定される。

非接触センサによる土手の検出点の数（データ数）は多いため、作業機械の位置を高精度に推定することができる。一方、土手は自然構造物であり、土手の形状によっては、非接触センサの検出データとマップデータとが適切に照合されず、作業機械の位置を高精度に推定することが困難となる可能性がある。例えば、一定形状の土手が作業機械の走行方向に長距離に亘って延在する場合、走行方向に関する作業機械の位置を高精度に推定することが困難となる可能性がある。また、土手の形状が一定で特徴点が少ない場合においても、作業機械の位置を高精度に推定することが困難となる可能性がある。

また、土手は自然構造物であり、荒天等の影響により土手の形状が変化する可能性がある。整地作業が実施された場合においても、土手の形状が変化する可能性がある。土手の形状（地形）が変化した場合においても、作業機械の位置を高精度に推定することが困難となる可能性がある。

本発明の態様は、非接触センサの検出データとマップデータとが適切に照合されない状況が発生しても、作業機械の位置の推定精度の低下を抑制することを目的とする。

本発明の態様に従えば、走行路を走行する作業機械の位置を検出する位置センサと、前記作業機械に設けられ、前記作業機械の周囲の物体の位置を検出する第１非接触センサと、前記作業機械に設けられ、前記作業機械の周囲の物体の位置を検出する第２非接触センサと、前記位置センサの検出データ及び前記第１非接触センサの検出データに基づいてマップデータを作成するマップデータ作成部と、前記マップデータと前記第１非接触センサの検出データとを照合して前記作業機械の第１位置を算出する第１位置算出部と、前記第２非接触センサの検出データに基づいて前記作業機械の第２位置を算出する第２位置算出部と、前記第１位置と前記第２位置とを統合して前記作業機械の統合位置を決定する統合位置決定部と、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、照合航法において非接触センサの検出データとマップデータとが適切に照合されない状況が発生しても、作業機械の位置の推定精度の低下を抑制することができる。

図１は、実施形態に係る管理システム及び作業機械の一例を模式的に示す図である。 図２は、実施形態に係る作業機械及び走行路を模式的に示す図である。 図３は、実施形態に係る非接触センサの一例を模式的に示す図である。 図４は、実施形態に係る作業機械の制御システムを示す機能ブロック図である。 図５は、実施形態に係る作業機械の制御方法を示すフローチャートである。 図６は、実施形態に係る作業機械の制御方法を示すフローチャートである。 図７は、実施形態に係る作業機械の制御方法を示すフローチャートである。 図８は、コンピュータシステムの一例を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

［管理システム］
図１は、本実施形態に係る管理システム１及び作業機械２の一例を模式的に示す図である。作業機械２は、無人車両である。無人車両とは、運転者による運転操作によらずに、制御指令に基づいて無人で走行する作業車両をいう。作業機械２は、管理システム１からの制御指令に基づいて走行する。制御指令は、走行条件データを含む。

作業機械２は、作業現場において稼働する。本実施形態において、作業現場は、鉱山又は採石場である。作業機械２は、作業現場を走行して積荷を運搬するダンプトラックである。鉱山とは、鉱物を採掘する場所又は事業所をいう。採石場とは、石材を採掘する場所又は事業所をいう。作業機械２に運搬される積荷として、鉱山又は採石場において掘削された鉱石又は土砂が例示される。

管理システム１は、管理装置３と、通信システム４とを備える。管理装置３は、コンピュータシステムを含み、作業現場の管制施設５に設置される。管制施設５に管理者が存在する。通信システム４は、管理装置３と作業機械２との間で通信を実施する。管理装置３に無線通信機６が接続される。通信システム４は、無線通信機６を含む。管理装置３と作業機械２とは、通信システム４を介して無線通信する。作業機械２は、管理装置３から送信された走行条件データに基づいて、作業現場の走行路ＨＬを走行する。

［作業機械］
作業機械２は、車両本体２１と、車両本体２１に支持されるダンプボディ２２と、車両本体２１を支持する走行装置２３と、速度センサ２４と、方位センサ２５と、姿勢センサ２６と、無線通信機２８と、位置センサ３１と、第１非接触センサ３２と、第２非接触センサ３３と、データ処理装置１０と、走行制御装置４０とを備える。

車両本体２１は、車体フレームを含み、ダンプボディ２２を支持する。ダンプボディ２２は、積荷が積み込まれる部材である。

走行装置２３は、車輪２７を含み、走行路ＨＬを走行する。車輪２７は、前輪２７Ｆと後輪２７Ｒとを含む。車輪２７にタイヤが装着される。走行装置２３は、駆動装置２３Ａと、ブレーキ装置２３Ｂと、操舵装置２３Ｃとを有する。

駆動装置２３Ａは、作業機械２を加速させるための駆動力を発生する。駆動装置２３Ａは、ディーゼルエンジンのような内燃機関を含む。なお、駆動装置２３Ａは、電動機を含んでもよい。駆動装置２３Ａで発生した駆動力が後輪２７Ｒに伝達され、後輪２７Ｒが回転する。後輪２７Ｒが回転することにより、作業機械２は自走する。ブレーキ装置２３Ｂは、作業機械２を減速又は停止させるための制動力を発生する。操舵装置２３Ｃは、作業機械２の走行方向を調整可能である。作業機械２の走行方向は、車両本体２１の前部の向きを含む。操舵装置２３Ｃは、前輪２７Ｆを操舵することによって、作業機械２の走行方向を調整する。

速度センサ２４は、作業機械２の走行において作業機械２の走行速度を検出する。速度センサ２４の検出データは、走行装置２３の走行速度を示す走行速度データを含む。

方位センサ２５は、作業機械２の走行において作業機械２の方位を検出する。方位センサ２５の検出データは、作業機械２の方位を示す方位データを含む。作業機械２の方位は、作業機械２の走行方向である。方位センサ２５は、例えばジャイロセンサを含む。

姿勢センサ２６は、作業機械２の走行において作業機械２の姿勢角度を検出する。作業機械２の姿勢角度は、ロール角及びピッチ角を含む。ロール角とは、作業機械２の前後方向に延在する回転軸を中心とする作業機械２の傾斜角度をいう。ピッチ角とは、作業機械２の左右方向に延在する回転軸を中心とする作業機械の傾斜角度をいう。姿勢センサ２６の検出データは、作業機械２の姿勢角度を示す姿勢角度データを含む。姿勢センサ２６は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を含む。

作業機械２の姿勢角度は、方位センサ２５によって検出される作業機械２のヨー角を含む。なお、作業機械２のヨー角が姿勢センサ２６によって検出されてもよい。

位置センサ３１は、走行路ＨＬを走行する作業機械２の位置を検出する。位置センサ３１の検出データは、作業機械２の絶対位置を示す絶対位置データを含む。作業機械２の絶対位置は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）を利用して検出される。位置センサ３１は、ＧＮＳＳ受信機を含む。全地球航法衛星システムは、緯度、経度、及び高度の座標データで規定される作業機械２の絶対位置を検出する。全地球航法衛星システムにより、グローバル座標系において規定される作業機械２の絶対位置が検出される。グローバル座標系とは、地球に固定された座標系をいう。

第１非接触センサ３２は、作業機械２の走行において作業機械２の周囲の少なくとも一部の物体を非接触で検出する。第１非接触センサ３２に検出される物体は、走行路ＨＬの傍らに設けられた土手ＢＫ（壁面）を含む。なお、第１非接触センサ３２に検出される物体として、土手ＢＫのみならず、作業機械２が走行する走行路ＨＬに存在する障害物、及び走行路ＨＬの轍のような、走行路ＨＬを走行する作業機械２が干渉する可能性がある物体が例示される。第１非接触センサ３２は、作業機械２の前方の障害物を非接触で検出する障害物センサとして機能する。

第１非接触センサ３２は、作業機械２の周囲の少なくとも一部の物体を走査して、物体との相対位置を検出する。物体との相対位置は、物体までの距離及び方位を含む。第１非接触センサ３２は、例えば車両本体２１の前部の下部に設けられる。作業機械２のローカル座標系（車体座標系）において、車両本体２１に取り付けられる第１非接触センサ３２の取付け位置と作業機械２の基準点との相対位置は予め決められている既知データである。作業機械２の基準点は、任意に規定することができる。作業機械２の基準点は、例えば車両本体２１の前部に規定されてもよいし中心に規定されてもよい。本実施形態において、作業機械２の基準点は、後輪２７Ｒに動力を伝達するリアアクスルの中心点に規定される。第１非接触センサ３２により第１非接触センサ３２と物体との相対位置が検出されることにより、作業機械２の基準点と物体との相対位置が検出される。すなわち、第１非接触センサ３２は、作業機械２と物体との相対位置を検出可能である。第１非接触センサ３２の検出データは、作業機械２と物体との相対位置を示す相対位置データを含む。本実施形態において、第１非接触センサ３２は、物体をレーザ光で走査して、作業機械２と物体の複数の検出点のそれぞれとの相対位置を検出可能なレーザセンサを含む。

第２非接触センサ３３は、作業機械２の走行において作業機械２の周囲の少なくとも一部の物体を検出する。第２非接触センサ３３に検出される物体は、走行路ＨＬの傍らに設置されたランドマークＬＭを含む。なお、第２非接触センサ３３に検出される物体として、ランドマークＬＭのみならず、走行路ＨＬの傍らに設置された標識板、及び作業機械２とは別の車両などが例示される。第２非接触センサ３３は、作業機械２の進行方向前方において走行路ＨＬの傍らに設置されたランドマークＬＭを非接触で検出するランドマークセンサとして機能する。

第２非接触センサ３３は、作業機械２の進行方向前方の物体を走査して、物体の位置を検出する。第２非接触センサ３３は、例えば車両本体２１の前部の下部に設けられる。作業機械２のローカル座標系（車体座標系）において、車両本体２１に取り付けられる第２非接触センサ３３の取付け位置と車両本体２１の基準点との相対位置は予め決められている既知データである。本実施形態において、第２非接触センサ３３は、物体を電波で走査して、作業機械２と物体との相対位置を検出可能なレーダセンサを含む。

以下の説明においては、レーザ光又は電波のような、物体を検出するために物体を走査するエネルギー波を適宜、検出波、と称する。

無線通信機２８は、管理装置３に接続された無線通信機６と無線通信する。通信システム４は、無線通信機２８を含む。

データ処理装置１０は、コンピュータシステムを含み、車両本体２１に配置される。データ処理装置１０は、少なくとも位置センサ３１の検出データ及び第１非接触センサ３２の検出データを処理する。

走行制御装置４０は、コンピュータシステムを含み、車両本体２１に配置される。走行制御装置４０は、作業機械２の走行装置２３の走行状態を制御する。走行制御装置４０は、駆動装置２３Ａを作動するためのアクセル指令、ブレーキ装置２３Ｂを作動するためのブレーキ指令、及び操舵装置２３Ｃを作動するためのステアリング指令を含む運転指令を出力する。駆動装置２３Ａは、走行制御装置４０から出力されたアクセル指令に基づいて、作業機械２を加速させるための駆動力を発生する。ブレーキ装置２３Ｂは、走行制御装置４０から出力されたブレーキ指令に基づいて、作業機械２を減速又は停止させるための制動力を発生する。操舵装置２３Ｃは、走行制御装置４０から出力されたステアリング指令に基づいて、作業機械２を直進又は旋回させるために前輪２７Ｆの向きを変えるための旋回力を発生する。

［走行路］
図２は、本実施形態に係る作業機械２及び走行路ＨＬを模式的に示す図である。走行路ＨＬは、鉱山の複数の作業場ＰＡに通じる。作業場ＰＡは、積込場ＰＡ１及び排土場ＰＡ２の少なくとも一方を含む。走行路ＨＬに交差点ＩＳが設けられてもよい。

積込場ＰＡ１とは、作業機械２に積荷を積載する積込作業が実施されるエリアをいう。積込場ＰＡ１において、油圧ショベルのような積込機７が稼働する。排土場ＰＡ２とは、作業機械２から積荷が排出される排出作業が実施されるエリアをいう。排土場ＰＡ２には、例えば破砕機８が設けられる。

管理装置３は、走行路ＨＬにおける作業機械２の走行条件を設定する。作業機械２は、管理装置３から送信された走行条件を示す走行条件データに基づいて、走行路ＨＬを走行する。

走行条件データは、作業機械２の目標走行速度及び目標走行コースＣＳを含む。図２に示すように、走行条件データは、走行路ＨＬに間隔をあけて設定された複数のポイントＰＩを含む。ポイントＰＩは、グローバル座標系において規定される作業機械２の目標位置を示す。なお、ポイントＰＩは、作業機械２のローカル座標系において規定されてもよい。

目標走行速度は、複数のポイントＰＩのそれぞれに設定される。目標走行コースＣＳは、複数のポイントＰＩを結ぶ線によって規定される。

走行路ＨＬの傍らにランドマークＬＭが設置される。ランドマークＬＭは、第２非接触センサ３３によって検出される位置基準部材である。ランドマークＬＭは、例えば８０［ｍ］以上１００［ｍ］以下の間隔をあけて複数設置される。ランドマークＬＭの位置は固定される。すなわち、ランドマークＬＭは静止体である。

［非接触センサ］
図３は、本実施形態に係る第１非接触センサ３２及び第２非接触センサ３３の一例を模式的に示す図である。第１非接触センサ３２及び第２非接触センサ３３のそれぞれは、作業機械２の車両本体２１の前部に配置される。第１非接触センサ３２及び第２非接触センサ３３のそれぞれは、単数でもよいし複数でもよい。本実施形態において、第１非接触センサ３２は、作業機械２に２つ設けられる。第２非接触センサ３３は、作業機械２に３つ設けられる。なお、第２非接触センサ３３は、作業機械２に５つ設けられてもよい。

走行路ＨＬの傍らに土手ＢＫが設けられる。土手ＢＫは、走行路ＨＬの傍らにおいて、作業機械２の走行方向に延在する。ランドマークＬＭは、走行路ＨＬに沿って、土手ＢＫに設置される。土手ＢＫは、自然構造物である。ランドマークＬＭは、人工構造物である。

第１非接触センサ３２は、検出波を発射可能な発射部と、検出波を受信可能な受信部とを有する。第１非接触センサ３２の検出範囲ＡＲｓは、放射状である。第１非接触センサ３２の検出波は、放射状の検出範囲ＡＲｓにおいて走査される。第１非接触センサ３２は、検出範囲ＡＲｓ内の土手ＢＫを検出波で走査して、土手ＢＫの３次元形状を示す点群データを取得する。点群データは、土手ＢＫの表面における複数の検出点の集合体である。検出点は、土手ＢＫの表面において検出波が照射された照射点を含む。第１非接触センサ３２は、作業機械２の周囲の少なくとも一部の土手ＢＫを検出波で走査して、土手ＢＫの複数の検出点のそれぞれとの相対位置を検出する。

第２非接触センサ３３は、検出波を発射可能な発射部と、検出波を受信可能な受信部とを有する。第２非接触センサ３３の検出範囲ＡＲｌは、放射状である。第２非接触センサ３３の検出波は、放射状の検出範囲ＡＲｌにおいて走査される。第２非接触センサ３３は、検出範囲ＡＲｌ内のランドマークＬＭを検出波で走査して、ランドマークＬＭとの相対位置を検出する。検出範囲ＡＲｌ内にランドマークＬＭが配置されることにより、第２非接触センサ３３は、ランドマークＬＭとの相対位置を検出することができる。ランドマークＬＭとの相対位置は、作業機械２とランドマークＬＭとの相対距離を含む。

ランドマークＬＭは、第２非接触センサ３３から発射された検出波を反射する反射面を有する。検出波（電波）に対するランドマークＬＭの反射面の反射強度（反射率）は、ランドマークＬＭの周囲の物体の反射強度（反射率）よりも高い。ランドマークＬＭの周囲の物体として、鉱山の岩石又は土手ＢＫが例示される。第２非接触センサ３３は、作業機械２の進行方向前方に検出波を発射して、物体で反射した検出波を受信することにより、ランドマークＬＭとランドマークＬＭの周囲の物体とを区別して検出することができる。

なお、ランドマークＬＭは、全地球航法衛星システムを利用して絶対位置を検出できるものであればよく、反射面を有しなくてもよい。

［制御システム］
図４は、本実施形態に係る作業機械２の制御システム９を示す機能ブロック図である。制御システム９は、データ処理装置１０と、走行制御装置４０とを有する。データ処理装置１０及び走行制御装置４０のそれぞれは、通信システム４を介して管理装置３と通信可能である。

管理装置３は、走行条件生成部３Ａと、通信部３Ｂとを有する。走行条件生成部３Ａは、作業機械２の走行条件を示す走行条件データを生成する。走行条件は、例えば管制施設に存在する管理者により決定される。管理者は、管理装置３に接続されている入力装置を操作する。走行条件生成部３Ａは、入力装置が操作されることにより生成された入力データに基づいて、走行条件データを生成する。通信部３Ｂは、走行条件データを作業機械２に送信する。作業機械２の走行制御装置４０は、通信部３Ｂから送信された走行条件データを、通信システム４を介して取得する。

＜データ処理装置＞
データ処理装置１０は、マップデータ作成部１１と、マップデータ記憶部１２と、第１位置算出部１３と、第２位置算出部１４と、ランドマーク登録位置記憶部１５と、統合位置決定部１６とを有する。

マップデータ作成部１１は、全地球航法衛星システムの検出精度が充足しているときにおいて、位置センサ３１の検出データ及び第１非接触センサ３２の検出データに基づいて、作業現場（土手ＢＫ）のマップデータを作成する。

位置センサ３１は、作業機械２の絶対位置を検出して、マップデータ作成部１１に出力する。作業機械２の絶対位置は、作業機械２に規定されている基準点の絶対位置を示す。上述のように、作業機械２の基準点として、後輪２７Ｒに動力を伝達するリアアクスルの中心点が例示される。第１非接触センサ３２は、土手ＢＫとの相対位置を検出して、マップデータ作成部１１に出力する。マップデータ作成部１１は、位置センサ３１の検出データ及び第１非接触センサ３２の検出データに基づいて、土手ＢＫのマップデータを作成する。

また、位置センサ３１は、作業機械２を測位できたことを示す測位信号と、作業機械２を測位できなかったことを示す非測位信号とを出力する。

マップデータ記憶部１２は、マップデータ作成部１１において作成されたマップデータを記憶する。

第１位置算出部１３は、全地球航法衛星システムの検出精度が不足しているときにおいて、マップデータ記憶部１２に記憶されているマップデータと第１非接触センサ３２の検出データとを照合して、作業機械２の位置（第１位置）を算出（推定）する。

第２位置算出部１４は、全地球航法衛星システムの検出精度が不足しているときにおいて、ランドマーク登録位置記憶部１５に記憶されているランドマークＬＭの登録位置データ及び第２非接触センサ３３の検出データに基づいて、作業機械２の位置（第２位置）を算出（推定）する。

第２非接触センサ３３は、第２非接触センサ３３とランドマークＬＭとの相対位置を検出する。第２非接触センサ３３とランドマークＬＭとの相対位置は、第２非接触センサ３３からランドマークＬＭの反射面までの距離及び方位を含む。

ランドマーク登録位置記憶部１５は、ランドマークＬＭの登録位置を記憶する。ランドマークＬＭの登録位置は、予め検出されたランドマークＬＭの絶対位置を示す。ランドマークＬＭは、例えば作業者によって走行路ＨＬの傍らに設置される。ランドマークＬＭを走行路ＬＭの傍らに設置した後、作業者は、ＧＮＳＳ受信機を含む位置検出装置を用いて、ランドマークＬＭの絶対位置を検出する。作業者は、検出されたランドマークＬＭの絶対位置をランドマーク登録位置記憶部１５に登録する。ランドマーク登録位置記憶部１５は、ランドマークＬＭの絶対位置を示す登録位置を記憶する。

第２位置算出部１４は、第２非接触センサ３３により検出されたランドマークＬＭの位置に基づいて、第２非接触センサ３３とランドマークＬＭとの第１相対位置を算出する。また、第２位置算出部１４は、位置センサ３１により検出された作業機械２の基準点の絶対位置と、予め決められている第２非接触センサ３３の取付け位置と作業機械２の基準点との相対位置と、ランドマーク登録位置記憶部１５に記憶されているランドマークＬＭの登録位置とに基づいて、第２非接触センサ３３とランドマークＬＭとの第２相対位置を算出する。作業機械２における第２非接触センサ３３の取付け位置、及び第２非接触センサ３３の取付け位置と作業機械２の基準点との相対位置は、作業機械２の設計データ又は諸元データから導出可能な既知データである。第２位置算出部１４は、位置センサ３１により検出された作業機械２の絶対位置と、既知である第２非接触センサ３３の取付け位置とに基づいて、第２非接触センサ３３の絶対位置を算出することができる。

統合位置決定部１６は、第１位置算出部１３において算出された作業機械２の第１位置と、第２位置算出部１４において算出された作業機械２の第２位置とを統合して、作業機械２の統合位置を決定する。

統合位置とは、第１位置と第２位置とを合わせることにより決定される１つの位置をいう。統合位置は、第１位置と第２位置との間に決定される。統合位置は、第１位置と第２位置との中心に決定されてもよいし、第１位置と第２位置との中心よりも第１位置に近い位置に決定されてもよいし、第１位置と第２位置との中心よりも第２位置に近い位置に決定されてもよい。なお、作業現場の場所によっては、第１位置及び第２位置の一方の位置を算出することができ、他方の位置を算出することができない場合がある。その場合、統合位置は、第１位置及び第２位置のうち算出することができた位置に決定される。

＜走行制御装置＞
走行制御装置４０は、管理装置３により生成された走行条件データに従って作業機械２が走行するように、走行装置２３を制御する。本実施形態において、走行制御装置４０は、ＧＮＳＳ走行モード及び外界センサ走行モードの少なくとも一方の走行モードに基づいて、作業機械２を走行させる。

ＧＮＳＳ走行モードは、位置センサ３１から測位信号が取得され、位置センサ３１により検出された作業機械２の絶対位置の検出精度が高精度であるときに実施される走行モードである。外界センサ走行モードは、位置センサ３１から非測位信号が取得され、位置センサ３１により検出された作業機械２の絶対位置の検出精度が低下しているときに実施される走行モードである。

なお、位置センサ３１の検出精度が低下する原因として、例えば太陽フレアによる電離層異常、及び全地球航法衛星システムとの通信異常等が例示される。例えば、露天掘り又は地下鉱山のような作業現場においては、全地球航法衛星システムとの通信異常が発生する可能性が高くなる。また、作業現場又は作業現場の周囲に障害物が存在する場合も、全地球航法衛星システムとの通信異常が発生する可能性が高くなる。

走行制御装置４０は、位置センサ３１から測位信号を取得し、位置センサ３１により検出された作業機械２の絶対位置の検出精度が高精度であると判定したとき、ＧＮＳＳ走行モードで作業機械２を走行させる。ＧＮＳＳ走行モードにおいて、走行制御装置４０は、位置センサ３１により検出される作業機械２の検出位置と、走行条件生成部３Ａにより生成された走行条件データとに基づいて、作業機械２の位置を補正しながら、作業機械２を走行させる。

走行制御装置４０は、位置センサ３１から非測位信号を取得し、位置センサ３１により検出された作業機械２の絶対位置の検出精度が低下していると判定したとき、外界センサ走行モードで作業機械２を走行させる。外界センサ走行モードにおいて、走行制御装置４０は、統合位置決定部１６において決定された作業機械２の統合位置と、走行条件生成部３Ａにより生成された走行条件データとに基づいて、作業機械２の位置を補正しながら、作業機械２を走行させる。

［作業機械の走行方法］
次に、本実施形態に係る作業機械２の走行方法の一例について説明する。走行制御装置４０は、管理装置３から送信された走行条件データに基づいて、走行装置２３を制御する。本実施形態において、作業機械２は、推測航法に基づいて走行路ＨＬを走行する。

推測航法とは、経度及び緯度が既知の起点からの作業機械２の移動距離及び方位（方位変化量）に基づいて、作業機械２の現在の位置を推測して走行する航法をいう。作業機械２の移動距離は、速度センサ２４により検出される。作業機械２の方位は、方位センサ２５により検出される。走行制御装置４０は、速度センサ２４の検出データ及び方位センサ２５の検出データを取得して、既知の起点からの作業機械２の移動距離及び方位変化量を算出して、作業機械２の現在の位置を推測しながら、走行装置２３を制御する。以下の説明において、速度センサ２４の検出データ及び方位センサ２５の検出データに基づいて推測される作業機械２の現在の位置を適宜、推測位置、と称する。

推測航法において、走行制御装置４０は、速度センサ２４の検出データ及び方位センサ２５の検出データに基づいて作業機械２の推測位置を算出して、作業機械２が目標走行コースＣＳに従って走行するように、走行装置２３を制御する。

推測航法において、作業機械２の走行距離が長くなると、速度センサ２４及び方位センサ２５の一方又は両方の検出誤差の蓄積により、作業機械２の推測位置と実際の位置との間に誤差が生じる可能性がある。その結果、作業機械２は、目標走行コースＣＳから逸脱する可能性がある。

本実施形態において、走行制御装置４０は、推測航法により走行する作業機械２の推測位置を補正する。ＧＮＳＳ走行モードにおいて、走行制御装置４０は、位置センサ３１の検出データに基づいて、推測航法により走行する作業機械２の推測位置を補正する。外界センサ走行モードにおいて、走行制御装置４０は、統合位置決定部１６において決定された作業機械２の統合位置の検出データに基づいて、推測航法により走行する作業機械２の推測位置を補正する。

＜ＧＮＳＳ走行モード＞
ＧＮＳＳ走行モードにおいて作業機械２の推測位置を補正する方法について説明する。全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の検出精度が高精度である場合、走行制御装置４０は、ＧＮＳＳ走行モードで作業機械２を走行させる。ＧＮＳＳ走行モードにおいて、走行制御装置４０は、推測航法により走行する作業機械２の推測位置を、位置センサ３１により検出された作業機械２の検出位置（絶対位置）を用いて補正しながら、作業機械２を走行させる。

すなわち、ＧＮＳＳ走行モードにおいて、走行制御装置４０は、速度センサ２４の検出データと、方位センサ２５の検出データと、位置センサ３１の検出データとに基づいて、作業機械２の推測位置を補正する。走行制御装置４０は、補正後の推測位置に基づいて、作業機械２が目標走行コースＣＳに従って走行するように、作業機械２の走行を制御する。

＜外界センサ走行モード＞
次に、外界センサ走行モードにおいて作業機械２の推測位置を補正する方法について説明する。全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の検出精度が低下した場合、走行制御装置４０は、外界センサ走行モードで作業機械２を走行させる。外界センサ走行モードにおいて、走行制御装置４０は、推測航法により走行する作業機械２の推測位置を、第１非接触センサ３２の検出データ及び第２非接触センサ３３の検出データに基づいて算出された作業機械２と統合位置を用いて補正しながら、作業機械２を走行させる。

すなわち、外界センサ走行モードにおいて、走行制御装置４０は、速度センサ２４の検出データと、方位センサ２５の検出データと、データ処理装置１０により算出された作業機械２の統合位置とに基づいて、作業機械２の推測位置を補正する。走行制御装置４０は、補正後の推測位置に基づいて、作業機械２が目標走行コースＣＳに従って走行するように、作業機械２の走行を制御する。

［制御方法］
次に、本実施形態に係る作業機械２の制御方法について説明する。図５、図６、及び図７のそれぞれは、本実施形態に係る作業機械２の制御方法を示すフローチャートである。図５は、本実施形態に係る作業機械２の走行モードの決定方法を示すフローチャートである。図６は、図５に示すステップＳＴ６の詳細を示すフローチャートである。図７は、図６に示すステップＳＴ６３の詳細を示すフローチャートである。

＜走行モードの決定方法＞
図５に示すように、走行制御装置４０は、目標走行コースＣＳに従って走行するように作業機械２を推測航法で走行させる（ステップＳＴ１）。

走行制御装置４０は、位置センサ３１の検出データに基づいて、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の検出精度が高精度か否かを判定する（ステップＳＴ２）。

ステップＳＴ２において、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の検出精度が高精度であると判定された場合（ステップＳＴ２：Ｙｅｓ），走行制御装置４０は、ＧＮＳＳ走行モードで作業機械２を走行させる（ステップＳＴ３）。

作業機械２がＧＮＳＳ走行モードで走行している状態で、マップデータ作成部１１は、位置センサ３１の検出データ及び第１非接触センサ３２の検出データに基づいて、土手ＢＫのマップデータを作成する（ステップＳＴ４）。

作業機械２がＧＮＳＳ走行モードで走行している状態で、位置センサ３１は、作業機械２の絶対位置を検出し、第１非接触センサ３２は、土手ＢＫとの相対位置を検出する。マップデータ作成部１１は、作業機械２の基準点の絶対位置と、第１非接触センサ３２と土手ＢＫとの相対位置と、既知である第１非接触センサ３２の取付け位置と作業機械２の基準点の位置との相対位置とに基づいて、土手ＢＫの絶対位置を含むマップデータを作成する。マップデータ作成部１１により作成されたマップデータは、マップデータ記憶部１２に記憶される。

ステップＳＴ２において、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の検出精度が低下していると判定された場合（ステップＳＴ２：Ｎｏ），走行制御装置４０は、外界センサ走行モードで作業機械２を走行させる（ステップＳＴ５）。

作業機械２が外界センサ走行モードで走行するとき、データ処理装置１０は、作業機械２の統合位置を算出する（ステップＳＴ６）。走行制御装置４０は、データ処理装置１０により算出された統合位置に基づいて、作業機械２を走行させる。

＜統合位置の算出方法＞
次に、図５に示したステップＳＴ６の詳細について、図６を参照しながら説明する。データ処理装置１０において、第１位置算出部１３は、第１非接触センサ３２の検出データと、マップデータ記憶部１２に記憶されているマップデータとを照合して、作業機械２の第１位置及び第１方位を算出する。第２位置算出部１４は、第２非接触センサ３３の検出データと、ランドマーク登録位置記憶部１５に記憶されているランドマークＬＭの登録位置とに基づいて、作業機械２の第２位置及び第２方位を算出する。

具体的には、第１位置算出部１３は、第１非接触センサ３２により検出された物体の位置をグローバル座標系における位置に座標変換する。同様に、第２位置算出部１４は、第２非接触センサ３３により検出された物体の位置をグローバル座標系における位置に座標変換する（ステップＳＴ６１）。

第１位置算出部１３は、第１非接触センサ３２により検出された物体の複数の検出点から土手ＢＫに係る検出点を抽出して間引きする。同様に、第２位置算出部１４は、第２非接触センサ３３により検出された物体の複数の検出点からランドマークＬＭに係る検出点を抽出して間引きする（ステップＳＴ６２）。

第１位置算出部１３は、速度センサ２４の検出データ、方位センサ２５の検出データ、第１非接触センサ３２の検出データ、及びマップデータ記憶部１２に記憶されているマップデータを、パーティクルフィルタにより統合して、作業機械２の第１位置及び第１方位を算出する。また、第２位置算出部１４は、速度センサ２４の検出データ、方位センサ２５の検出データ、第２非接触センサ３３の検出データ、及びランドマーク登録位置記憶部１５に記憶されている登録位置を、パーティクルフィルタにより統合して、作業機械２の第２位置及び第２方位を算出する（ステップＳＴ６３）。

＜パーティクルを用いる位置算出方法＞
次に、図６に示したステップＳＴ６３の詳細について、図７を参照しながら説明する。第１位置算出部１３は、第１非接触センサ３２の検出データと、マップデータ記憶部１２に記憶されているマップデータとを照合して、作業機械２の位置及び方位を算出する。計算コストの都合上、第１非接触センサ３２の検出データ量及びマップデータのデータ量は有限であり、第１非接触センサ３２の検出データから瞬時に真の作業機械２の位置及び方位を算出することは現実的に難しい。そのため、以下のように、ある規定時点において作業機械２が存在すると予測される範囲に仮想的に設定した複数の候補点（パーティクルＰＡ）を用いることにより、計算コストを抑えた上で真の値に近い作業機械２の位置及び方位を算出するようにしている。

具体的には、第１位置算出部１３は、速度センサ２４の検出データ及び方位センサ２５の検出データに基づいて、ある規定時点において作業機械２が存在すると予測される範囲に複数のパーティクルＰＡを仮想的に設定し、複数のパーティクルＰＡにおける位置及び方位を算出する（ステップＳＴ６３１）。なお、複数のパーティクルＰＡにおける位置及び方位の算出には、推測航法を用いてもよい。

次に、第１位置算出部１３は、複数のパーティクルそれぞれについて尤度を算出する（ステップＳＴ６３２）。

具体的には、第１位置算出部１３は、ステップＳＴ６３１において算出したある１つのパーティクルＰＡの位置及び方位から第１非接触センサ３２を用いて土手ＢＫの検出点を検出したときに予測される土手ＢＫの検出点の検出データを示す予測検出データを算出する。検出点は、マトリクス状に規定された複数のグリッドによって表される。

また、第１位置算出部１３は、規定時点において第１非接触センサ３２が実際に土手ＢＫの検出点を検出したときの検出データを示す実際検出データを取得する。第１位置算出部１３は、予測検出データと実際検出データとを照合して、その一致度合いから各パーティクルＰＡについて尤度算出（点数付け）を行う。マップデータにおける土手ＢＫが検出されている検出点（グリッド）と、第１非接触センサ３２により実際に検出された検出点（グリッド）とが一致しているほど尤度（点数）が高くなる。このような尤度の算出を各パーティクルについて行い、算出された尤度を正規化する。

第１位置算出部１３は、第１非接触センサ３２の検出データに基づいて算出された各パーティクルＰＡの位置及び方位と、それぞれのパーティクルの尤度から重みづけ等の処理を行い、最終的に作業機械２が最も存在する確率が高いであろう位置及び方位の最終推定値（期待値）を示す第１位置を算出する（ステップＳＴ６３３）。

最終推定値を示す第１位置は、必ずしもいずれかのパーティクルＰＡが存在していた位置から選ばれるわけではない。上記手法により、第１位置算出部１３は、マップデータにおける土手ＢＫが検出されている検出点は、第１非接触センサ３２により実際に検出された検出点に最も似る作業機械２の第１位置及び第１方位（最終推定値）を算出する。

第２非接触センサ３３の検出データについても、ステップＳＴ６３２及びステップＳＴ６３４と同様の処理が実施される。すなわち、第２位置算出部１４は、速度センサ２４の検出データ及び方位センサ２５の検出データに基づいて、ある規定時点において作業機械２が存在すると予測される範囲に複数のパーティクルＰＡを仮想的に設定し、複数のパーティクルＰＡにおける位置及び方位を算出した後、複数のパーティクルそれぞれについて尤度を算出する（ステップＳＴ６３４）。

具体的には、第２位置算出部１４は、１つのパーティクルＰＡの位置及び方位から第２非接触センサ３３を用いてランドマークＬＭの検出点を検出したときに予測されるランドマークＬＭの検出点の検出データを示す予測検出データを算出する。また、第２位置算出部１４は、規定時点において第２非接触センサ３３が実際にランドマークＬＭの検出点を検出したときの検出データを示す実際検出データを取得する。第２位置算出部１４は、予測検出データと実際検出データとを照合して、その一致度合いから各パーティクルＰＡについて尤度算出（点数付け）を行う。ランドマーク登録位置記憶部１５に記憶されている登録位置におけるランドマークＬＭ検出されている検出点（グリッド）と、第２非接触センサ３３により実際に検出された検出点（グリッド）とが一致しているほど尤度（点数）が高くなる。このような尤度の算出を各パーティクルについて行い、算出された尤度を正規化する。

第２位置算出部１４は、第２非接触センサ３３の検出データに基づいて算出された各パーティクルＰＡの位置及び方位と、それぞれのパーティクルの尤度から重みづけ等の処理を行い、最終的に作業機械２が最も存在する確率が高いであろう位置及び方位の最終推定値（期待値）を示す第２位置を算出する（ステップＳＴ６３５）。

最終推定値を示す第２位置は、必ずしもいずれかのパーティクルＰＡが存在していた位置から選ばれるわけではない。上記手法により、第２位置算出部１４は、登録位置におけるランドマークＬＭが検出されている検出点は、第２非接触センサ３３により実際に検出された検出点に最も似る作業機械２の第２位置及び第２方位（最終推定値）を算出する。

統合位置決定部１６は、ステップＳＴ６３３において算出された作業機械２の第１位置と、ステップＳＴ６３５において算出された作業機械２の第２位置とを統合して、作業機械２の統合位置を決定する（ステップＳＴ６３６）。

前記統合位置決定部１６は、前記統合位置を例えば第１位置と第２位置との間に決定する。なお、第１位置及び第２位置の少なくとも一方に重みが付けられた後、第１位置と第２位置とが統合されてもよい。

走行制御装置４０は、位置センサ３１の検出精度が低下した外界センサ走行モードにおいて、統合位置決定部１６により決定された作業機械２の統合位置に基づいて、目標走行コースＣＳに従って走行するように、作業機械２の走行を制御する。

［コンピュータシステム］
図８は、コンピュータシステム１０００の一例を示すブロック図である。上述の管理装置３、データ処理装置１０、及び走行制御装置４０のそれぞれは、コンピュータシステム１０００を含む。コンピュータシステム１０００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサ１００１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリを含むメインメモリ１００２と、ストレージ１００３と、入出力回路を含むインターフェース１００４とを有する。上述の管理装置３の機能、データ処理装置１０の機能、及び走行制御装置４０の機能は、プログラムとしてストレージ１００３に記憶されている。プロセッサ１００１は、プログラムをストレージ１００３から読み出してメインメモリ１００２に展開し、プログラムに従って上述の処理を実行する。なお、プログラムは、ネットワークを介してコンピュータシステム１０００に配信されてもよい。

［効果］
以上説明したように、本実施形態によれば、第１非接触センサ３２の検出データとマップデータとを照合することにより算出された作業機械２の第１位置と、ランドマークＬＭを検出した第２非接触センサ３３の検出データから算出された作業機械２の第２位置とが統合されて、作業機械２の統合位置が決定される。位置センサ３１の検出データを用いない外界センサ走行モードにおいては、作業機械２の統合位置に基づいて、推測航法により走行する作業機械２の位置が補正される。

作業現場が鉱山である場合、作業機械２に設けられている第１非接触センサ３２は、作業機械２の走行路ＨＬの傍らに設けられた土手ＢＫを検出する。全地球航法衛星システムの検出精度が高いとき、作業機械２の位置が全地球航法衛星システムの位置センサ３１によって検出され、位置センサ３１の検出データ及び第１非接触センサ３２の検出データに基づいて、土手ＢＫのマップデータが作成される。全地球航法衛星システムの検出精度が低下したとき、土手ＢＫを検出した第１非接触センサ３２の検出データとマップデータとを照合することによって作業機械２の位置が推定される。土手ＢＫは、作業機械２の走行方向に延在する。土手ＢＫの特徴点が少ない場合、第１非接触センサ３２の検出データとマップデータとが適切に照合されない可能性がある。その結果、作業機械２の位置の推定精度が低下する可能性がある。

本実施形態によれば、第１非接触センサ３２の検出データとマップデータとが適切に照合されない状況が発生しても、第１非接触センサ３２の検出データとマップデータとを照合することにより算出される第１位置は、ランドマークＬＭを検出した第２非接触センサ３３の検出データに基づいて算出された第２位置と統合される。ランドマークＬＭは土手ＢＫに比べて離散的に（例えば１００［ｍ］間隔で）配置されているものの、ランドマークＬＭの登録位置は、作業者によって計測される正確な位置を示す。また、土手ＢＫは自然構造物であって、荒天等の影響により形状が変化したり特徴点が少ない一定形状であったりする可能性があるのに対し、ランドマークＬＭは人工構造物であるため、形状は変化せず、適切な形状及び反射強度を有する。そのため、第１非接触センサ３２の検出データとマップデータとの照合により算出される第１位置の精度が低下した場合でも、その第１位置に第２位置が統合されることにより、作業機械２の統合位置は、作業機械２の真の位置に近付くことができる。したがって、作業機械２の位置（統合位置）を推定するときの推定精度の低下が抑制される。

［他の実施形態］
なお、上述の実施形態において、なお、ランドマークＬＭは、積込場ＰＡ１に設置されてもよいし、排土場ＰＡ２に設置されてもよい。また、ランドマークＬＭは、作業現場の任意の場所に設置されてもよい。

なお、上述の実施形態において、第２非接触センサ３３は、ランドマークＬＭを検出するレーダセンサであることとした。第２非接触センサ３３は、作業機械２の周囲の物体の画像データを取得する撮像センサを含んでもよい。撮像センサは、例えばステレオカメラを含んでもよい。第２位置算出部１４は、撮像センサの撮像データに基づいて、作業機械２の第２位置を算出してもよい。統合位置決定部１６は、第１非接触センサ３２の検出データとマップデータとを照合することにより算出された第１位置と、撮像データに基づいて算出された第２位置とを統合して、作業機械２の統合位置を算出してもよい。

なお、上述の実施形態において、データ処理装置１０の機能の少なくとも一部が管理装置３に設けられてもよいし、管理装置３の機能の少なくとも一部がデータ処理装置１０及び走行制御装置４０の少なくとも一方に設けられてもよい。例えば、上述の実施形態において、管理装置３が、第１位置算出部１３及び第２位置算出部１４の機能を有し、管理装置３で算出された第１位置及び第２位置が、通信システム４を介して、作業機械２のデータ処理装置１０に送信されてもよい。

１…管理システム、２…作業機械、３…管理装置、３Ａ…走行条件生成部、３Ｂ…通信部、４…通信システム、５…管制施設、６…無線通信機、７…積込機、８…破砕機、９…制御システム、１０…データ処理装置、１１…マップデータ作成部、１２…マップデータ記憶部、１３…第１位置算出部、１４…第２位置算出部、１５…ランドマーク登録位置記憶部、１６…統合位置決定部、２１…車両本体、２２…ダンプボディ、２３…走行装置、２３Ａ…駆動装置、２３Ｂ…ブレーキ装置、２３Ｃ…操舵装置、２４…速度センサ、２５…方位センサ、２６…姿勢センサ、２７…車輪、２７Ｆ…前輪、２７Ｒ…後輪、２８…無線通信機、３１…位置センサ、３２…第１非接触センサ、３３…第２非接触センサ、４０…走行制御装置、ＡＲｌ…検出範囲、ＡＲｓ…検出範囲、ＣＳ…目標走行コース、ＨＬ…走行路、ＩＳ…交差点、ＬＭ…ランドマーク、ＰＡ…作業場、ＰＡ１…積込場、ＰＡ２…排土場、ＰＩ…ポイント。

Claims (6)

1. 走行路を走行する作業機械の位置を検出する位置センサと、
   前記作業機械に設けられ、前記走行路の傍らにおいて前記作業機械の走行方向に延在する土手の位置を検出する第１非接触センサと、
   前記作業機械に設けられ、前記走行路に沿って前記土手に設置されたランドマークの位置を検出する第２非接触センサと、
   前記ランドマークの登録位置を記憶するランドマーク登録位置記憶部と、
   前記位置センサの検出データ及び前記第１非接触センサの検出データに基づいてマップデータを作成するマップデータ作成部と、
   前記マップデータと前記第１非接触センサの検出データとを照合して前記作業機械の第１位置を算出する第１位置算出部と、
   前記第２非接触センサの検出データと前記ランドマークの登録位置とに基づいて前記作業機械の第２位置を算出する第２位置算出部と、
   前記第１位置と前記第２位置とを統合して前記作業機械の統合位置を決定する統合位置決定部と、を備える
   作業機械の制御システム。
2. 前記第１位置算出部は、前記作業機械が存在すると予測される範囲に設定した複数のパーティクルから前記第１位置を算出し、
   前記第２位置算出部は、前記作業機械が存在すると予測される範囲に設定した複数のパーティクルから前記第２位置を算出し、
   前記統合位置決定部は、前記統合位置を前記第１位置と前記第２位置の間に決定する、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
3. 前記作業機械の走行速度を検出する速度センサと、
   前記作業機械の方位と検出する方位センサと、を備え、
   前記第１位置算出部は、前記速度センサの検出データ及び前記方位センサの検出データに基づいて、規定時点において前記作業機械が存在すると予測される範囲に複数のパーティクルを設定し、複数の前記パーティクルのそれぞれにおいて前記第１非接触センサが前記土手を検出したときの予測検出データと前記規定時点において第１非接触センサが前記土手を検出したときの実際検出データとを照合して、複数の前記パーティクルのそれぞれについて尤度を算出し、前記尤度に基づいて前記第１位置を算出し、
   前記第２位置算出部は、前記速度センサの検出データ及び前記方位センサの検出データに基づいて、規定時点において前記作業機械が存在すると予測される範囲に複数のパーティクルを設定し、複数の前記パーティクルのそれぞれにおいて前記第２非接触センサが前記ランドマークを検出したときの予測検出データと前記規定時点において第２非接触センサが前記ランドマークを検出したときの実際検出データとを照合して、複数の前記パーティクルのそれぞれについて尤度を算出し、前記尤度に基づいて前記第２位置を算出し、
   前記統合位置決定部は、前記統合位置を前記第１位置と前記第２位置との間に決定する、
   請求項１又は請求項２に記載の作業機械の制御システム。
4. 前記位置センサの検出精度が低下したとき、前記統合位置決定部により決定された前記統合位置に基づいて前記作業機械の走行を制御する走行制御装置を備える、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の作業機械の制御システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の作業機械の制御システムを備える作業機械。
6. 走行路を走行する作業機械の走行において前記作業機械の位置を検出した位置センサの検出データを取得することと、
   前記作業機械に設けられている第１非接触センサで検出された前記走行路の傍らにおいて前記作業機械の走行方向に延在する土手の位置の検出データを取得することと、
   前記作業機械に設けられている第２非接触センサで検出された前記走行路に沿って前記土手に設置されたランドマークの位置の検出データを取得することと、
   前記位置センサの検出データ及び前記第１非接触センサの検出データに基づいてマップデータを作成することと、
   前記マップデータと前記第１非接触センサの検出データとを照合して前記作業機械の第１位置を算出することと、
   前記第２非接触センサの検出データと前記ランドマークの登録位置とに基づいて前記作業機械の第２位置を算出することと、
   前記第１位置と前記第２位置とを統合して前記作業機械の統合位置を決定することと、
   前記統合位置に基づいて前記作業機械の走行を制御することと、を含む
   作業機械の制御方法。

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