JP7305823B2 - ショベル及びショベルの計測システム - Google Patents

Description

本発明は、ショベル及びショベルの計測システムに関する。

バケット内に配置された回動可能な検知板により、バケット内の土砂量を検出するショベルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３－２０８９２０号公報

ショベルは、土砂の掘削中に、一度に一定量以上の土砂を掘削しようとするとバケットに掛かる反力が大きくなり、掘削作業を停止させてしまうおそれがある。バケットに掛かる反力は、バケット内の土砂だけでなく、バケットの掘削方向に位置するバケット外の土砂山も影響している。

しかし、特許文献１に係るショベルは、バケット内の土砂量のみを検出する構成であり、バケットの掘削方向に位置するバケット外の土砂山については考慮していない。

上記課題に鑑み、バケット内からバケット外に及ぶ土砂山を測定できるショベルを提供することが望ましい。

本発明の一実施形態に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回自在に搭載された上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられたブーム、アーム、及びバケットを含むアタッチメントと、掘削を実行中において、前記バケットの掘削方向に位置する地面までの距離を計測する距離測定装置と、前記距離測定装置の出力に基づいて、前記バケットの掘削している地面の土砂の形状を算出する土砂形状算出部と、を有し、前記土砂の形状と前記バケットの位置とに基づいて、掘削を実行中における、前記バケットの掘削方向に位置し且つ前記バケット外の近傍に位置する土砂の形状の情報を得る、ことを有する。

上述の手段により、バケット内からバケット外に及ぶ土砂山を測定できるショベルを提供できる。

本発明の実施例に係るショベルの側面図である。 コントローラの構成例を示す図である。 推定体積を説明する図である。 本発明の実施例に係るショベルの掘削制御処理を示すフローチャートである。 ショベルの概略図である。 距離画像の一例を示す図である。 ステレオカメラから見た方向θとその方向θに存在する地物までの距離Ｔとの関係を示す図である。 ショベルの側面図である。 ショベルの側面図である。

図１は、本発明の実施例に係るショベルを示す側面図である。

ショベルは、自走可能なクローラ式の下部走行体１と、この下部走行体１上に旋回機構２を介して旋回可能に搭載された上部旋回体３を有している。

上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはエンドアタッチメントとしてのバケット６が取り付けられている。

ブーム４、アーム５、及びバケット６によりアタッチメントが構成され、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。ブーム４には位置検出部としてのブーム角度センサＳ１が取り付けられ、アーム５には位置検出部としてのアーム角度センサＳ２が取り付けられ、バケット６には位置検出部としてのバケット角度センサＳ３が取り付けられる。

ブーム角度センサＳ１はブーム４の姿勢を計測する。本実施例では、ブーム角度センサＳ１は水平面に対する傾斜を検出して上部旋回体３に対するブーム４の回動角度を検出する加速度センサである。

アーム角度センサＳ２はアーム５の姿勢を計測する。本実施例では、アーム角度センサＳ２は水平面に対する傾斜を検出してブーム４に対するアーム５の回動角度を検出する加速度センサである。

バケット角度センサＳ３はバケット６の姿勢を計測する。本実施例では、バケット角度センサＳ３は水平面に対する傾斜を検出してアーム５に対するバケット６の回動角度を検出する加速度センサである。

ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３は、可変抵抗器を利用したポテンショメータ、対応する油圧シリンダのストローク量を検出するストロークセンサ、連結ピン回りの回動角度を検出するロータリエンコーダ等であってもよい。

ブーム４には距離測定装置が設けられている。距離測定装置は、地面等の周囲の地物までの距離を測定することで、バケット６が掘削している地面の土砂の形状を測定する。ステレオカメラＳ４は、距離測定装置の一例である。ステレオカメラＳ４は、対象物を複数の異なる方向から同時に撮影することでその対象物までの距離を測定できるようにしたカメラである。本実施例では、ステレオカメラＳ４は、例えば、ブーム４の腹面に取り付けられている。そして、測定対象の地表に存在する土砂山を２つの異なる方向から同時に撮影することで得られる２つの画像間の視差情報に基づいてその土砂山の土砂形状を測定する。具体的には、ステレオカメラＳ４は、ステレオカメラＳ４からの距離の違いを色、輝度等で表す距離画像を出力する。距離測定装置は、レーザ距離計、レーザレンジファインダ、距離画像センサ等の測域センサであってよい。ステレオカメラＳ４はアーム５（典型的にはその腹面）に設けられていてよい。また、ステレオカメラＳ４はブーム４（典型的にはその腹面）とアーム５（典型的にはその腹面）の両方に設けられていてよい。また、距離測定装置は、ブーム４以外にも、アーム５又はバケット６に取り付けてもよい。また、距離測定装置は、キャビン１０外の上部に取り付けられてもよく、キャビン１０内の天井に取り付けられてもよい。

上部旋回体３には運転室としてのキャビン１０が設けられ且つエンジン１１等の動力源が搭載される。また、キャビン１０には通信装置Ｓ５が設けられている。

上部旋回体３には、エンジン１１の他に油圧ポンプ、コントロールバルブなどの油圧制御装置、及びアタッチメントに掛かる負荷を検出する負荷検出部としての圧力センサ４０が搭載されている。圧力センサ４０は、油圧ポンプや、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９などに接続されている。

通信装置Ｓ５は、ショベルと外部との間の通信を制御する装置である。通信装置Ｓ５は、例えば、他の場所にある管理装置とショベルとの間の無線通信を制御する。

キャビン１０内には、入力装置Ｄ１、音声出力装置Ｄ２、表示装置Ｄ３、制御部としてのコントローラ３０が設置される。

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う主制御部として機能する。本実施例では、コントローラ３０は、ＣＰＵ及び内部メモリを含む演算処理装置で構成される。コントローラ３０の各種機能は、ＣＰＵが内部メモリに格納されたプログラムを実行することで実現される。

入力装置Ｄ１は、ショベルの操作者がコントローラ３０などに各種情報を入力するための装置である。本実施例では、入力装置Ｄ１は、表示装置Ｄ３の周囲に取り付けられるメンブレンスイッチである。入力装置Ｄ１としてタッチパネル等が用いられてもよい。

音声出力装置Ｄ２は、コントローラ３０などからの音声出力指令に応じて各種音声情報を出力する。本実施例では、音声出力装置Ｄ２として、コントローラ３０に直接接続される車載スピーカが利用される。なお、音声出力装置Ｄ２として、ブザー等の警報器が利用されてもよい。

表示装置Ｄ３は、コントローラ３０からの指令に応じて各種画像情報を出力する。本実施例では、キャビン１０内で運転席に向かって取り付けられる表示装置Ｄ３として、コントローラ３０に直接接続される車載液晶ディスプレイが利用される。

次に、図２を参照しながら、コントローラ３０の各種機能要素について説明する。図２は、コントローラ３０の構成例を示す機能ブロック図である。

本実施例では、コントローラ３０は、ショベル全体の動作の制御に加えて、バケット６内からバケット６外に及ぶ土砂山の推定体積を推定し、推定体積と体積閾値との比較、及び圧力値と圧力閾値との比較に基づいて、警告又はアタッチメントの制御を行う。

コントローラ３０は、様々な機能を担う機能部を含む。本実施例では、コントローラ３０は、土砂形状算出部３１、爪先位置算出部３２、推定体積算出部３３、判定部３４を含む。

土砂形状算出部３１は、バケット６が掘削している地面の土砂の形状を算出する機能要素である。土砂形状算出部３１は、例えば、ステレオカメラＳ４からの測定情報に基づいて、バケット６内からバケット６外に及ぶ土砂山の土砂形状を算出する。ステレオカメラＳ４の測定情報は、例えば輝度データである。輝度データは、例えば、距離画像における輝度データであり、値が大きいほどステレオカメラＳ４からの距離が近いことを表す。掘削時の反力は、バケット６内の土砂ばかりでなく、バケット６外の土砂の影響も受ける。例えば、掘削動作を完了させたときにバケット６から溢れ出てしまう土砂も影響する。本実施例の「バケット６内からバケット６外に及ぶ土砂山」は、実行中の条件で掘削動作を完了させたときにバケット６から溢れ出てしまう土砂を含む。したがって本実施例の「バケット６内からバケット６外に及ぶ土砂山」は、実行中の掘削動作において掘削負荷になると推定される土砂である。以下、「バケット６内からバケット６外に及ぶ土砂山」との記載は、推定負荷土砂とも表記する。

爪先位置算出部３２は、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、バケット角度センサＳ３からの検出値に基づいて、バケット６の爪先位置を算出する。爪先位置算出部３２は、爪先位置だけでなくバケット６の姿勢も算出してよい。

推定体積算出部３３は、土砂形状算出部３１が算出した土砂形状情報と、爪先位置算出部３２が算出したバケット６の爪先位置情報とに基づいて、推定負荷土砂の推定体積を算出する。

判定部３４は、推定体積算出部３３が算出した推定体積と、圧力センサ４０から出力された圧力値を監視し、警告やアタッチメント制御を行うか否かを判定する。本実施例では圧力値として、バケットシリンダ９に接続された圧力センサからのシリンダ圧が使用されてよい。判定部３４は、推定体積と体積閾値との比較、及び圧力値と圧力閾値との比較に基づいて、警告やアタッチメント制御を行うか否かを判定する。

次に、図３を参照しながら推定体積について説明する。図３は推定体積を説明する図である。推定負荷土砂Ｋは、バケット６内の土砂Ｋ１と、バケット６の掘削方向に位置するバケット６外の近傍に位置する土砂Ｋ２を有している。推定体積Ｖは、土砂Ｋ１の土砂体積Ｖ_１と、土砂Ｋ２の土砂体積Ｖ_２とを有している。Ｘは、バケット６の爪先位置である。本実施例のバケット６外の近傍に位置する土砂Ｋ２は、地表面Ｇから掘削動作によって盛り上がっている。土砂Ｋ２は、このまま掘削動作が継続された場合にバケット６ですくい上げられると推定される土砂である。なお地表面Ｇとは、掘削前の掘削位置における地表面を指す。

推定体積算出部３３は、土砂形状算出部３１が算出した推定負荷土砂Ｋの土砂形状と、爪先位置算出部３２が算出したバケット６の爪先位置とに基づいて、推定体積Ｖを算出できる。

なお、推定体積算出部３３が算出した推定体積Ｖは、体積情報であり重量に関する情報は含まれていない。掘削反力は、掘削する土砂の体積と重量に大きく依存する。したがって、本実施例のコントローラ３０は、推定体積Ｖと、そのときの圧力センサ４０の圧力値（シリンダ圧）とに基づいた制御を行う。この点は後述する。

本実施例では、掘削される土砂の体積の算出方法として、以下の方法を用いてよい。

第１の方法では、コントローラ３０は、先ず掘削開始判断をバケット６に加わる負荷で判断する。この場合、バケットシリンダ圧等を用いる。その後、バケット６に負荷が加わっている間、掘削が継続されていると判断する。そして、掘削される土砂の体積を、地表面Ｇの形状とバケット６の爪先の軌跡情報により算出する。地表面Ｇの形状は、ステレオカメラＳ４で求めてもよいし、前回掘削時の爪先軌跡から算出してもよい。

第２の方法では、コントローラ３０は、図３に示すように、掘削対象地面の形状の変化を、ステレオカメラＳ４を用いて算出する。その後、バケット６の爪先位置、バケット６の角度（姿勢）、及びステレオカメラＳ４で算出した掘削対象地面の形状の変化から、掘削される土砂の体積を算出する。

なお、本実施例において土砂Ｋ２の形状は、ステレオカメラＳ４により計測値とバケットの爪先位置に基づいて、推定される。

次に、図４を参照しながら、コントローラ３０が実行する本実施例の掘削制御処理について説明する。図４は、掘削制御処理のフローチャートである。この処理は、所定のバケット姿勢において１回実行されてもよいし、複数のバケット姿勢において繰り返し実行されてもよい。

掘削作業がスタートし所定のバケット姿勢になると、コントローラ３０の推定体積算出部３３は、ステップ（以下、ＳＴと略す）１で、バケット６内からバケット６外に及ぶ土砂山（推定負荷土砂Ｋ）の推定体積Ｖを算出する。具体的には推定体積算出部３３は、土砂形状算出部３１が算出した推定負荷土砂Ｋの土砂形状と、爪先位置算出部３２が算出したバケット６の爪先位置とに基づいて、推定負荷土砂Ｋの推定体積Ｖを算出する。

コントローラ３０は、ＳＴ２で、バケットシリンダ９に接続された圧力センサ４０からシリンダ圧Ｐを取得する。

その後、コントローラ３０の判定部３４は、推定体積算出部３３が算出した推定体積Ｖが、第１体積閾値としての所定値Ｖ_ＴＨ１以上であるかを判定する（ＳＴ３）。本実施例の所定値Ｖ_ＴＨ１は、バケット容積の２～３倍の体積に設定されている。

推定体積Ｖが所定値Ｖ_ＴＨ１以上の場合（ステップＳＴ３のＹ）、判定部３４は、圧力センサ４０から取得したシリンダ圧Ｐが、圧力閾値としての所定値Ｐ_ＴＨ１以上であるかを判定する（ＳＴ４）。

シリンダ圧Ｐが所定値Ｐ_ＴＨ１以上の場合（ステップＳＴ４のＹ）、判定部３４は、警告信号を音声出力装置Ｄ２へ出力する（ＳＴ５）。判定部３４は、警告信号を表示装置Ｄ３へ出力して、画面上に表示させてもよい。また、判定部３４は、アタッチメントを制御して、アタッチメントに掛かる負荷を軽減する軽減動作制御を行わせる信号を出力する。本実施例においてコントローラ３０は、ブーム４を上げる動作制御を行う。このときコントローラ３０は、ブームシリンダ７へ作動油を流入させブーム４を上げる制御を行うことが好ましい。

一方、ＳＴ３で推定体積Ｖが所定値Ｖ_ＴＨ１未満であると判定した場合（ステップＳＴ３のＮ）、判定部３４は、ＳＴ６でシリンダ圧Ｐが、所定値Ｐ_ＴＨ２以上であるかを判定する。所定値Ｐ_ＴＨ２と所定値Ｐ_ＴＨ１との関係は、「Ｐ_ＴＨ２＞Ｐ_ＴＨ１」である。

シリンダ圧Ｐが所定値Ｐ_ＴＨ２未満の場合、（ステップＳＴ６のＮ）、コントローラ３０は、ＳＴ５を実行せずに処理を終了する。

シリンダ圧Ｐが所定値Ｐ_ＴＨ２以上の場合、（ステップＳＴ６のＹ）、判定部３４は、警告信号を音声出力装置Ｄ２へ出力する（ＳＴ５）。また、判定部３４は、アタッチメントを制御して、アタッチメントに掛かる負荷を軽減する軽減動作制御を行う。本実施例においてコントローラ３０は、ブーム４を上げる動作制御を行う。

また、ＳＴ４でシリンダ圧Ｐが所定値Ｐ_ＴＨ１未満の場合、（ステップＳＴ４のＮ）、判定部３４は、推定体積算出部３３がＳＴ１で算出した推定体積Ｖが、第２体積閾値としての所定値Ｖ_ＴＨ２以上であるかを判定する（ＳＴ７）。所定値Ｖ_ＴＨ２と所定値Ｖ_ＴＨ１との関係は、「Ｖ_ＴＨ２＞Ｖ_ＴＨ１」である。

推定体積Ｖが所定値Ｖ_ＴＨ２未満の場合、（ステップＳＴ７のＮ）、コントローラ３０は、ＳＴ５を実行せずに処理を終了する。

一方、推定体積Ｖが所定値Ｖ_ＴＨ２以上の場合、（ステップＳＴ７のＹ）、判定部３４は、警告信号を音声出力装置Ｄ２へ出力する（ＳＴ５）。また、判定部３４は、アタッチメントを制御して、アタッチメントに掛かる負荷を軽減する軽減動作制御を行う。本実施例においてコントローラ３０は、ブーム４を上げる動作制御を行う。

上述のように、本実施例のショベルは、ステレオカメラＳ４をアタッチメントとしてのブーム４に取り付けたので、バケット６内からバケット６外に及ぶ土砂山の土砂形状を検出できる。また、本実施例のコントローラ３０は、推定体積と体積閾値との比較、及び圧力値と圧力閾値との比較に基づいて、警告又はアタッチメントの負荷を軽減する軽減動作制御を行う構成とした。したがって、本発明のショベルは、常に適切な土砂量を掘削して、掘削作業の効率を向上できる。

上述の実施例では、土砂形状算出部３１は、ステレオカメラＳ４の出力に基づいて、バケット６が掘削している地面の土砂の形状を算出する。土砂形状算出部３１は、例えば、ステレオカメラＳ４が出力する距離画像に基づいて掘削対象地面の形状を認識する。

しかしながら、土砂形状算出部３１は、アタッチメントの形状と掘削対象地面の形状とを区別できないおそれがある。アタッチメントの先端が掘削対象地面に埋まっている場合、両者が一体となっているためである。具体的には、ステレオカメラＳ４からアタッチメントの先端までの距離が、ステレオカメラＳ４から掘削対象地面までの距離にほぼ等しいためである。アタッチメントの形状と掘削対象地面の形状とを区別できない場合、土砂形状算出部３１は、例えば、アタッチメントの形状の一部を土砂の形状として認識してしまい、バケット６が掘削している地面の土砂の形状を正確に算出できないおそれがある。

そこで、土砂形状算出部３１は、距離測定装置としてのステレオカメラＳ４の出力に基づいてアタッチメントの形状と掘削対象地面の形状とを区別する。

ここで、図５～図７を参照し、アタッチメントの形状と掘削対象地面の形状とを区別する処理について説明する。図５は、ショベルの概略図であり、図５（Ａ）が側面図を示し、図５（Ｂ）が上面図を示す。図６は、ステレオカメラＳ４が出力する距離画像ＧＤを示す。図７は、ステレオカメラＳ４から見た方向θとその方向θに存在する地物までの距離Ｔとの関係を示す図である。

ステレオカメラＳ４は、図５（Ａ）に示すように、ブーム４の腹面に取り付けられている。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）のドットハッチングで表される領域ＲはステレオカメラＳ４の撮影範囲を示す。

ステレオカメラＳ４が出力する距離画像ＧＤは、例えば、横３２０画素×縦２４０画素の画像である。コントローラ３０は、距離画像ＧＤの各画素の値に基づき、ステレオカメラＳ４と各画素に写っている被写体（地物）との距離を算出できる。本実施例では、被写体（地物）は、アタッチメントの腹面及び掘削対象地面を含む。

ステレオカメラＳ４は、アタッチメントを縦断する仮想鉛直面ＶＰ（図５（Ｂ）参照。）とアタッチメントの腹面及び掘削対象地面のそれぞれとの交線ＩＬ上の各点までの距離を取得する。図５（Ａ）の一点鎖線は、交線ＩＬの一部を示し、交線ＩＬ上の各点は、点Ｐ０～点Ｐ３を含む。

点Ｐ０は、アーム５の腹面上の点であり、図６に示すように、距離画像ＧＤの中心画素ＧＣを含む縦方向の画素列ＧＬの最も上に位置する画素Ｇ０に対応している。コントローラ３０は、画素Ｇ０の画素値に基づき、ステレオカメラＳ４と点Ｐ０との距離Ｔ０を算出できる。

点Ｐ１は、アタッチメントと掘削対象地面との境界上の点（以下、「境界点」とする。）であり、図６に示すように、中心画素ＧＣよりも上にある画素Ｇ１に対応している。コントローラ３０は、画素Ｇ１の画素値に基づき、ステレオカメラＳ４と点Ｐ１との距離Ｔ１を算出できる。角度θ１は、線分Ｓ４－Ｐ０と線分Ｓ４－Ｐ１との間に形成される角度であり、画素Ｇ１に予め対応付けられている。

点Ｐ２は、掘削対象地面上の点であり、図６に示すように、中心画素ＧＣよりも下にある画素Ｇ２に対応している。コントローラ３０は、画素Ｇ２の画素値に基づき、ステレオカメラＳ４と点Ｐ２との距離Ｔ２を算出できる。角度θ２は、線分Ｓ４－Ｐ０と線分Ｓ４－Ｐ２との間に形成される角度であり、画素Ｇ２に予め対応付けられている。

点Ｐ３は、掘削対象地面上の点であり、図６に示すように、距離画像ＧＤの中心画素ＧＣを含む縦方向の画素列ＧＬの最も下に位置する画素Ｇ３に対応している。コントローラ３０は、画素Ｇ３の画素値に基づき、ステレオカメラＳ４と点Ｐ３との距離Ｔ３を算出できる。

図７（Ａ）は、角度θと距離Ｔとの関係を示すグラフである。角度θは、線分Ｓ４－Ｐ０と線分Ｓ４－Ｐｎ（ステレオカメラＳ４と交線ＩＬ上の任意の点Ｐｎとを結ぶ線分）との間に形成される角度である。図７（Ｂ）は、角度θと距離Ｔを角度θで１回微分した値（ｄＴ／ｄθ）との関係を示すグラフである。図７（Ｃ）は、角度θと距離Ｔを角度θで２回微分した値の絶対値（｜ｄ^２Ｔ／ｄθ^２｜）との関係を示すグラフである。

図７（Ａ）に示すように、土砂形状算出部３１は、所定の角度間隔Δθで交線ＩＬ上の各点までの距離Ｔを取得する。具体的には、図６の画素列ＧＬにおける各画素の画素値を取得する。画素列ＧＬにおける各画素の画素値を上から順に並べることで、土砂形状算出部３１は、図７（Ａ）に示すような各画素に対応した距離Ｔの推移を取得できる。

その後、土砂形状算出部３１は、距離Ｔを角度θで１回微分した値（ｄＴ／ｄθ）を算出する。具体的には、画素列ＧＬにおける隣接する画素値（距離Ｔ）の差を１回微分値（ｄＴ／ｄθ）として算出する。これにより、土砂形状算出部３１は、図７（Ｂ）に示すような１回微分値（ｄＴ／ｄθ）の推移を取得できる。

その後、土砂形状算出部３１は、距離Ｔを角度θで２回微分した値の絶対値（｜ｄ^２Ｔ／ｄθ^２｜）を算出する。具体的には、隣接する１回微分値（ｄＴ／ｄθ）の差の絶対値を２回微分絶対値（｜ｄ^２Ｔ／ｄθ^２｜）として算出する。これにより、土砂形状算出部３１は、図７（Ｃ）に示すような２回微分絶対値（｜ｄ^２Ｔ／ｄθ^２｜）の推移を取得できる。

その後、土砂形状算出部３１は、２回微分絶対値（｜ｄ^２Ｔ／ｄθ^２｜）と所定の閾値ＴＨ１とを比較し、２回微分絶対値（｜ｄ^２Ｔ／ｄθ^２｜）が閾値ＴＨ１を上回ったときの角度θに対応する点を境界点として導き出す。本実施例では、土砂形状算出部３１は、角度θ１に対応する点Ｐ１を境界点として導き出している。

このように、土砂形状算出部３１は、アタッチメントを縦断する仮想鉛直面ＶＰとアタッチメントの腹面及び地面のそれぞれとの交線ＩＬ上の各点までの距離Ｔを取得する。そして、その交線ＩＬに沿って順に並べられた各点の距離Ｔの変化に基づいてアタッチメントとバケット６が掘削している地面とを区別する。例えば、角度θに関する距離Ｔの変化率が急変するところをアタッチメントと地面の境界点として導き出す。本実施例では、２回微分絶対値（｜ｄ^２Ｔ／ｄθ^２｜）が閾値ＴＨ１を上回ったときの角度に対応する交線ＩＬ上の点を、角度θに関する距離Ｔの変化率が急変するところとして導き出す。但し、土砂形状算出部３１は、角度θに関する距離Ｔの変化率が急変するところを他の方法で導き出してもよい。

その後、土砂形状算出部３１は、角度θ１以上の角度に対応する各点を、地面を表す点として導き出すことで、バケット６が掘削している地面の土砂の形状を算出する。本実施例では、角度θ１以上の角度に対応する各点を、地面を表す点として導き出した上で、バケット６が掘削している地面の土砂の形状を算出する。

その後、土砂形状算出部３１は、算出した土砂の形状を表示装置Ｄ３に表示してもよい。土砂形状算出部３１は、例えば、アタッチメントの姿勢、アタッチメントにおけるステレオカメラＳ４の取り付け位置、方向θ、及び距離Ｔに基づき、ショベル中心点を基準として掘削対象地面の形状を表示装置Ｄ３に表示する。ショベル中心点は、例えば、ショベルの旋回軸とショベルの仮想接地面との交点である。土砂形状算出部３１は、掘削対象地面の形状を３次元で立体的に表示してもよく、仮想鉛直面ＶＰにおける断面を２次元で表示してもよい。図７（Ｄ）は、仮想鉛直面ＶＰにおける断面の表示例を示す。原点Ｏは、ショベル中心点に対応し、Ｚ軸は鉛直軸に対応し、Ｘ軸はアタッチメントの延在方向に延びる水平軸に対応する。また、一点鎖線は地面の形状を表し、破線はアタッチメントの形状を表す。

また、土砂形状算出部３１は、閾値ＴＨ１と比較される２回微分絶対値（｜ｄ^２Ｔ／ｄθ^２｜）の数を限定してもよい。境界点はアタッチメントの先端付近に存在すると考えられるためである。また、無駄な演算処理を避けるためである。例えば、土砂形状算出部３１は、角度範囲Ｗ内の角度θのそれぞれに対応する２回微分絶対値（｜ｄ^２Ｔ／ｄθ^２｜）と閾値ＴＨ１とを比較し、角度範囲Ｗ外の角度θのそれぞれに対応する２回微分絶対値（｜ｄ^２Ｔ／ｄθ^２｜）と閾値ＴＨ１との比較を省略する。土砂形状算出部３１は、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３の出力に基づいて導き出されるアタッチメントの姿勢に応じて角度範囲Ｗを変えてもよい。また、土砂形状算出部３１は、同様の方法で、ブーム４とアーム５の境界点、アーム５とバケット６の境界点を導き出してもよい。

次に、図８を参照し、アタッチメントの形状と掘削対象地面の形状とを区別する別の処理について説明する。図８は、ショベルの側面図であり、図５（Ａ）に対応する。図８の構成は、距離測定装置としてレーザレンジファインダＳ４Ａを採用している点で、距離測定装置としてステレオカメラＳ４を採用している図５（Ａ）の構成と異なるが、その他の点で共通する。そのため、共通部分の説明を省略し、相違部分を詳説する。

レーザレンジファインダＳ４Ａは、図８に示すように、ブーム４の腹面に取り付けられている。レーザレンジファインダＳ４Ａは、所定の角度間隔Δθで出射方向θを変えながらレーザを出射し、レーザ光を反射する地物までの距離Ｔを測定する。

土砂形状算出部３１は、レーザレンジファインダＳ４Ａの出力に基づき、所定の角度間隔Δθで交線ＩＬ上の各点までの距離Ｔを取得する。取得した距離Ｔを時系列で並べることで、土砂形状算出部３１は、ステレオカメラＳ４が採用されたときと同様に、図７（Ａ）に示すような距離Ｔの推移を取得できる。

この構成により、土砂形状算出部３１は、ステレオカメラＳ４が採用されたときと同様に境界点を導き出すことができる。そして、土砂形状算出部３１は、境界点に対応する角度以上の角度に対応する各点を、地面を表す点として導き出す。これにより、アタッチメントの形状と区別して、バケット６が掘削している地面の土砂の形状を導き出すことができる。

次に、図９を参照し、アタッチメントの形状と掘削対象地面の形状とを区別する更に別の処理について説明する。図９は、ショベルの側面図であり、図５（Ａ）に対応する。図９の構成は、ステレオカメラＳ４の撮影範囲の点で図５（Ａ）の構成と異なるが、その他の点で共通する。そのため、共通部分の説明を省略し、相違部分を詳説する。

図９では、ステレオカメラＳ４は、ブーム４の先端側の一部の腹面、アーム５の腹面、バケット６の腹面（内面）、及び地面を撮影できるようにブーム４の腹面に取り付けられている。図９のドットハッチングで表される領域ＲはステレオカメラＳ４の撮影範囲を示す。

この構成により、土砂形状算出部３１は、バケット６と掘削対象地面との境界点ばかりでなく、ブーム４とアーム５の境界点、及び、アーム５とバケット６の境界点を導き出すことができる。ステレオカメラＳ４の代わりにレーザレンジファインダＳ４Ａが採用された場合についても同様である。

上述のように、土砂形状算出部３１は、アタッチメントとバケット６が掘削している地面とを区別して、バケット６が掘削している地面の土砂の形状を導き出す。そのため、アタッチメントの形状が土砂の形状として認識されてしまうのを防止できる。或いは、土砂の形状がアタッチメントの形状として認識されてしまうのを防止できる。その結果、土砂形状算出部３１は、土砂の形状を正確に導出できる。

また、上述の実施例では、コントローラ３０は、土砂形状算出部３１が算出した土砂形状情報と、爪先位置算出部３２が算出したバケット６の爪先位置情報とに基づいて、推定負荷土砂の推定体積を算出する。そして、コントローラ３０は、推定体積算出部３３が算出した推定体積と、圧力センサ４０から出力された圧力値を監視し、警告やアタッチメント制御を行うか否かを判定する。但し、コントローラ３０は、土砂形状算出部３１が算出した土砂形状情報を掘削負荷の算出等の他の用途に用いてもよい。

また、土砂形状算出部３１は、ステレオカメラＳ４、レーザレンジファインダＳ４Ａ等の距離測定装置の出力に基づいてアタッチメントとバケット６が掘削している地面とを区別できる。そのため、距離測定装置は、その測定範囲内にアタッチメントが進入するのを回避する必要はない。したがって、距離測定装置の取り付け位置が過度に制限されることはない。そのため、距離測定装置は、例えば、アタッチメントの腹面と掘削対象地面を撮影できるように上部旋回体３に取り付けられてもよい。

また、土砂形状算出部３１は、アタッチメントと地面とを区別するときと同様の方法でアタッチメントの姿勢を認識してもよい。例えば、距離測定装置の出力に基づき、上部旋回体３とブーム４の境界点、ブーム４とアーム５の境界点、アーム５とバケット６の境界点等を導き出してもよい。また、土砂形状算出部３１は、上部旋回体３に対するブーム４の角度、ブーム４に対するアーム５の角度、アーム５に対するバケット６の角度等を導き出してもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限
されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び
置換を加えることができる。

１・・・下部走行体 ２・・・旋回機構 ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０・・・キャビン １１・・・エンジン ３０・・・コントローラ ３１・・・土砂形状算出部 ３２・・・爪先位置算出部 ３３・・・推定体積算出部 ３４・・・判定部 Ｓ１・・・ブーム角度センサ Ｓ２・・・アーム角度センサ Ｓ３・・・バケット角度センサ Ｓ４・・・ステレオカメラ Ｓ４Ａ・・・レーザレンジファインダ Ｓ５・・・通信装置 Ｄ１・・・入力装置 Ｄ２・・・音声出力装置 Ｄ３・・・表示装置 ＧＤ・・・距離画像

Claims (6)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に対して旋回自在に搭載された上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられたブーム、アーム、及びバケットを含むアタッチメントと、
   掘削を実行中において、前記バケットの掘削方向に位置する地面までの距離を計測する距離測定装置と、
   前記距離測定装置の出力に基づいて、前記バケットの掘削している地面の土砂の形状を算出する土砂形状算出部と、を有し、
   前記土砂の形状と前記バケットの位置とに基づいて、掘削を実行中における、前記バケットの掘削方向に位置し且つ前記バケット外の近傍に位置する土砂の形状の情報を得る、
   ことを特徴とするショベル。
2. 前記土砂の形状と前記バケットの位置とに基づいて、前記バケット内の土砂と、前記バケットの掘削方向に位置し且つ前記バケット外の近傍に位置する土砂と、の合計の体積を得る、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記距離測定装置は、前記バケットによる掘削動作の進展により押し出される地面までの距離を計測する、
   請求項１又は２に記載のショベル。
4. 前記距離測定装置は、前記アタッチメントの下方に位置する地面までの距離を計測する、
   請求項１乃至３のいずれか一つに記載のショベル。
5. 下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回自在に搭載された上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられたブーム、アーム、及びバケットを含むアタッチメントと、を備えるショベルに用いられるショベルの計測システムであって、
   掘削を実行中において、前記バケットの掘削方向に位置する地面までの距離を計測する距離測定装置と、
   前記距離測定装置の出力に基づいて、前記バケットの掘削している地面の土砂の形状を算出する土砂形状算出部と、を有し、
   前記土砂の形状と前記バケットの位置とに基づいて、掘削を実行中における、前記バケットの掘削方向に位置し且つ前記バケット外の近傍に位置する土砂の形状の情報を得る、
   ことを特徴とするショベルの計測システム。
6. 前記土砂の形状と前記バケットの位置とに基づいて、前記バケット内の土砂と、前記バケットの掘削方向に位置し且つ前記バケット外の近傍に位置する土砂と、の合計の体積を得る、
   請求項５に記載のショベルの計測システム。

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