JP7408761B2 - 作業機械の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械の制御装置および制御方法に関する。

特許文献１には、土工作業の計画方法が開示されている。特許文献１に記載の方法によれば、掘削現場を格子状の小区域に分割し、各区域の掘削順序を決定する。特許文献１には、掘削順序を掘削現場の上方の部位を優先して設定することで、下方の区域を掘削するときに作業機に求められる力が小さくなり、また上方の土で下方の土が遮られることを防ぐことができるという効果が記載されている。

特開平１１－２４７２３０号公報

ところで、掘削現場においては、土砂を運搬する運搬車両が走行可能な走行面が設けられる。掘削積込の効率のため、走行面は掘削対象に隣接して設けられる。このとき、特許文献１に記載されているように、掘削現場の上方から土砂を掘削すると、掘削対象が崩れ、またはバケットから土砂がこぼれたときに、当該土砂が斜面を流れ、土砂が走行面に散乱する可能性がある。土砂が走行面に散乱すると、運搬車両の走行の妨げとなる。
本発明の目的は、土砂が走行面に散乱しないように掘削を計画する制御装置および制御方法を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、制御装置は、走行体と、前記走行体に支持され、旋回中心回りに旋回可能な旋回体と、前記旋回体に設けられバケットを有する作業機とを備える作業機械の制御装置であって、前記作業機械の周囲の形状を示す三次元マップを取得する三次元マップ取得部と、前記三次元マップが表す地形のうち、運搬車両が走行可能な面である走路面と前記作業機による掘削対象との境界線である走路境界線を特定する境界特定部と、前記走路境界線上または前記走路境界線より上方の点を、前記作業機による掘削開始点に決定する掘削開始点決定部とを備える。

上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、制御装置は、土砂が走行面に散乱しないように掘削を計画することができる。

第１の実施形態に係る掘削積込作業の例を示す図である。 第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 作業機の可動範囲の例を示す図である。 作業機械と掘削対象との位置関係を示す上面図である。 第１の実施形態に係る自動掘削制御を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 第２の実施形態に係る三次元マップの形状の補完方法の例を示す図である。 第３の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 第３の実施形態に係る掘削禁止領域の例を示す図である。 第３の実施形態に係る自動掘削制御を示すフローチャートである。 第４の実施形態に係る掘削積込作業の例を示す図である。

〈第１の実施形態〉
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
図１は、第１の実施形態に係る掘削積込作業の例を示す図である。
第１の実施形態では、バックホウショベルによる掘削積込作業について説明する。バックホウショベルである積込機械１００は、掘削対象Ｌの山の上段に配置され、掘削対象Ｌの下段である走路面Ｆに位置する運搬車両２００に掘削した土砂を積み込む。走路面Ｆは、運搬車両２００が走行可能となるように、平らにならされている。

《積込機械の構成》
図２は、第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。
積込機械１００は、土砂を運搬車両などの積込点へ積込を行う作業機械である。
積込機械１００は、走行体１１０と、走行体１１０に支持される旋回体１２０と、油圧により作動し旋回体１２０に支持される作業機１３０とを備える。旋回体１２０は、旋回中心回りに旋回自在に支持される。

作業機１３０は、ブーム１３１と、アーム１３２と、バケット１３３と、ブームシリンダ１３４と、アームシリンダ１３５と、バケットシリンダ１３６とを備える。

ブーム１３１の基端部は、旋回体１２０にピンを介して取り付けられる。
アーム１３２は、ブーム１３１とバケット１３３とを連結する。アーム１３２の基端部は、ブーム１３１の先端部にピンを介して取り付けられる。
バケット１３３は、土砂などを掘削するための刃と掘削した土砂を搬送するための容器とを備える。バケット１３３の基端部は、アーム１３２の先端部にピンを介して取り付けられる。第１の実施形態に係るバケット１３３は、刃先が旋回体１２０の後方を向くように取り付けられる。そのため、第１の実施形態における掘削時のバケット１３３の移動方向は、アーム１３２の引き方向である。

ブームシリンダ１３４は、ブーム１３１を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１３４の基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１３４の先端部は、ブーム１３１に取り付けられる。
アームシリンダ１３５は、アーム１３２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１３５の基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３５の先端部は、アーム１３２に取り付けられる。
バケットシリンダ１３６は、バケット１３３を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ１３６の基端部は、アーム１３２に取り付けられる。バケットシリンダ１３６の先端部は、バケット１３３を回動させるリンク機構に取り付けられる。

ブームストロークセンサ１３７は、ブームシリンダ１３４のストローク量を計測する。ブームシリンダ１３４のストローク量は、旋回体１２０に対するブーム１３１の傾斜角に換算可能である。以下、旋回体１２０に対する傾斜角を、絶対角度ともいう。つまり、ブームシリンダ１３４のストローク量は、ブーム１３１の絶対角度に換算可能である。
アームストロークセンサ１３８は、アームシリンダ１３５のストローク量を計測する。アームシリンダ１３５のストローク量は、ブーム１３１に対するアーム１３２の傾斜角に換算可能である。以下、ブーム１３１に対するアーム１３２の傾斜角を、アーム１３２の相対角度ともいう。
バケットストロークセンサ１３９は、バケットシリンダ１３６のストローク量を計測する。バケットシリンダ１３６のストローク量は、アーム１３２に対するバケット１３３の傾斜角に換算可能である。以下、アーム１３２に対するバケット１３３の傾斜角をバケット１３３の相対角度ともいう。
なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、ブームストロークセンサ１３７、アームストロークセンサ１３８、およびバケットストロークセンサ１３９に代えて、地平面に対する傾斜角または旋回体１２０に対する傾斜角を検出する角度センサを備えてもよい。

旋回体１２０には、運転室１２１が設けられる。運転室１２１の内部には、オペレータが着座するための運転席１２２、積込機械１００を操作するための操作装置１２３が設けられる。操作装置１２３は、オペレータの操作に応じて、ブーム１３１の上げ操作信号および下げ操作信号、アーム１３２の押し操作信号および引き操作信号、バケット１３３のダンプ操作信号および掘削操作信号、旋回体１２０の左右への旋回操作信号を生成し、制御装置１２８に出力する。また操作装置１２３は、オペレータの操作に応じて作業機１３０に自動駆動制御を開始させるための駆動指示信号を生成し、制御装置１２８に出力する。自動駆動制御とは、旋回体１２０を旋回させて掘削点へ作業機１３０を自動的に移動させる制御である。
操作装置１２３は、例えばレバー、スイッチおよびペダルにより構成される。駆動指示信号は自動制御用のスイッチの操作により生成される。例えば、スイッチがＯＮになったときに、駆動指示信号が出力される。操作装置１２３は、運転席１２２の近傍に配置される。操作装置１２３は、オペレータが運転席１２２に座ったときにオペレータの操作可能な範囲内に位置する。
なお、第１の実施形態に係る積込機械１００は、運転席１２２に着座するオペレータの操作に従って動作するが、他の実施形態においてはこれに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、積込機械１００の外部で操作するオペレータの遠隔操作によって操作信号や駆動指示信号が送信され動作するものであってもよい。

積込機械１００は、検出方向に存在する対象物の３次元位置を検出するための深度検出装置１２４、位置方位演算器１２５、傾斜計測器１２６、油圧装置１２７、制御装置１２８を備える。

深度検出装置１２４は、運転室１２１内に設けられ、旋回体１２０の前方に伸びる軸を中心とする検出範囲において施工対象を含む周囲の物体の深度を検出する。深度とは、深度検出装置１２４から対象までの距離である。深度検出装置１２４の例としては、例えば、ＬｉＤＡＲ装置、レーダ装置、ステレオカメラなどが挙げられる。

位置方位演算器１２５は、旋回体１２０の位置および旋回体１２０が向く方位を演算する。位置方位演算器１２５は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。２つの受信器は、それぞれ旋回体１２０の異なる位置に設置される。位置方位演算器１２５は、受信器が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における旋回体１２０の代表点（ショベル座標系の原点）の位置を検出する。
位置方位演算器１２５は、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体１２０の向く方位を演算する。旋回体１２０が向く方位とは、旋回体１２０の正面方向であって、作業機１３０のブーム１３１からバケット１３３へ伸びる直線の延在方向の水平成分に等しい。

傾斜計測器１２６は、旋回体１２０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１２０の姿勢（例えば、ロール角およびピッチ角）を検出する。傾斜計測器１２６は、例えば旋回体１２０の下面に設置される。傾斜計測器１２６は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いることができる。

油圧装置１２７は、作動油タンク、油圧ポンプ、および流量制御弁を備える。油圧ポンプは、図示しないエンジンの動力で駆動し、流量制御弁を介して走行体１１０を走行させる図示しない走行油圧モータ、旋回体１２０を旋回させる図示しない旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に作動油を供給する。流量制御弁はロッド状のスプールを有し、スプールの位置によって走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に供給する作動油の流量を調整する。スプールは、制御装置１２８から受信する制御指令に基づいて駆動される。つまり、走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に供給される作動油の量は、制御装置１２８によって制御される。上記のとおり、走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６は共通の油圧装置１２７から供給される作動油によって駆動する。なお、走行油圧モータまたは旋回油圧モータが斜板式可変容量モータである場合、制御装置１２８は斜板の傾転角により回転速度を調整してもよい。

制御装置１２８は、操作装置１２３から操作信号を受信する。制御装置１２８は、受信した操作信号に基づいて、作業機１３０、旋回体１２０、または走行体１１０を駆動させる。

《制御装置の構成》
図３は、第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置１２８は、プロセッサ１１００、メインメモリ１２００、ストレージ１３００、インタフェース１４００を備えるコンピュータである。ストレージ１３００は、プログラムを記憶する。プロセッサ１１００は、プログラムをストレージ１３００から読み出してメインメモリ１２００に展開し、プログラムに従った処理を実行する。

ストレージ１３００の例としては、ＨＤＤ、ＳＳＤ、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等が挙げられる。ストレージ１３００は、制御装置１２８の共通通信線に直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース１４００を介して制御装置１２８に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ１３００は、一時的でない有形の記憶媒体である。

プロセッサ１１００は、プログラムの実行により、車両情報取得部１１０１、検出情報取得部１１０２、操作信号入力部１１０３、マップ生成部１１０４（三次元マップ取得部）、掘削可能範囲特定部１１０５、境界特定部１１０６、掘削位置特定部１１０７、移動処理部１１０８、操作信号出力部１１０９を備える。

車両情報取得部１１０１は、例えば旋回体１２０の旋回速度、位置および方位、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する。以下、車両情報取得部１１０１が取得する積込機械１００に係る情報を車両情報とよぶ。

検出情報取得部１１０２は、深度検出装置１２４から深度情報を取得する。深度情報は、検出範囲内の複数の点の三次元位置を示す。深度情報の例としては、深度を表す複数の画素からなる深度画像や、直交座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表現される複数の点からなる点群データが挙げられる。

操作信号入力部１１０３は、操作装置１２３から操作信号の入力を受け付ける。操作信号にはブーム１３１の上げ操作信号および下げ操作信号、アーム１３２の押し操作信号および引き操作信号、バケット１３３のダンプ操作信号および掘削操作信号、旋回体１２０の旋回操作信号、走行体１１０の走行操作信号、ならびに積込機械１００の駆動指示信号が含まれる。

マップ生成部１１０４は、車両情報取得部１１０１が取得した旋回体１２０の位置、方位、および姿勢と、検出情報取得部１１０２が取得した深度情報とに基づいて、現場座標系における積込機械１００の周囲の形状を表す三次元マップを生成する。マップ生成部は、三次元マップ取得部の一例である。なお、他の実施形態においては、マップ生成部１１０４は、旋回体１２０を基準としたショベル座標系に係る三次元マップを生成してもよい。

図４は、作業機の可動範囲の例を示す図である。
掘削可能範囲特定部１１０５は、既知の作業機１３０の可動範囲Ｒ１に基づいて、三次元マップが表す地形のうち、積込機械１００が走行せずに掘削可能な範囲である掘削可能範囲Ｒ２を特定する。作業機１３０の可動範囲Ｒ１は、図４に示すように、作業機１３０のピンに直交する平面において、旋回体１２０の位置を基準とした平面図形として表すことができる。そのため、掘削可能範囲特定部１１０５は、例えば、既知の可動範囲Ｒ１を旋回体１２０の旋回中心軸Ａ回りに回転させた回転図形と、三次元マップとが重なる範囲を、掘削可能範囲Ｒ２と特定することができる。

境界特定部１１０６は、三次元マップが表す地形のうち、運搬車両２００が走行可能な面である走路面Ｆと、作業機１３０による掘削対象Ｌとの境界線である走路境界線Ｂ１を特定する。例えば、境界特定部１１０６は、三次元マップが表す地形のうち、水平面に対する傾きが所定角度を超える部分を掘削対象Ｌと特定し、掘削対象Ｌより下方に位置し水平面に対する傾きが所定角度以下の部分を走路面Ｆと特定する。これにより、境界特定部１１０６は、走路面Ｆと掘削対象Ｌとの境界線である走路境界線Ｂ１を特定することができる。
また、別の方法として、運搬車両２００がＧＮＳＳ等による測位を行う測位装置を有している場合に、境界特定部１１０６は、以下の手順で走路境界線Ｂ１を特定してもよい。境界特定部１１０６は、運搬車両２００が積込機械１００の近くにいるときの運搬車両２００の高さを測位装置から取得する。境界特定部１１０６は、三次元マップが表す地形のうち、運搬車両２００のタイヤが接地する高さとの差が所定範囲内である部分を走路面Ｆと特定する。境界特定部１１０６は、特定した走路面Ｆより上方の部分を掘削対象Ｌと特定することで、走路面Ｆと掘削対象Ｌとの走路境界線Ｂ１を特定することができる。
また、検出情報取得部１１０２が取得した深度情報のノイズや、走路面F上の散乱した土砂でも運搬車両２００の走行に支障ない程度の大きさのものを検知する場合に、境界特定部１１０６は、特定した走路境界線Ｂ１をさらに平滑化して、走路境界線Ｂ１としてもよい。具体的には、バケット１３３の幅よりも十分に小さい走路境界線Ｂ１の凸凹を平滑化して滑らかにする。

図５は、作業機械と掘削対象との位置関係を示す上面図である。
掘削位置特定部１１０７は、掘削可能範囲特定部１１０５が特定した掘削可能範囲Ｒ２と、境界特定部１１０６が特定した走路境界線Ｂ１とに基づいて、作業機１３０による掘削開始点Ｐを特定する。具体的には、掘削位置特定部１１０７は、掘削可能範囲Ｒ２のうち走路境界線Ｂ１上の点であって、旋回中心軸Ａから当該点までの距離が最も長い点を、掘削開始点Ｐに決定する。掘削開始点Ｐは、アーム１３２の押し方向側、すなわち掘削時のバケット１３３の移動方向の後方側における掘削可能範囲Ｒ２の境界線である後方境界線Ｂ２と走路境界線Ｂ１との距離が最も短くなる走行境界線Ｂ１上の点でもある。
また、掘削位置特定部１１０７は、決定した掘削開始点Ｐを所定の高さだけ上方にオフセットしてもよい。つまり、掘削開始点Ｐは、走路境界線Ｂ１上の点に限られず、走路境界線Ｂ１の上方の点であってもよい。これは、走路境界線Ｂ１より低い部分は掘削対象ではなく地盤が固く、走路境界線Ｂ１上の高さを掘削開始点として掘削を開始する場合に掘削しにくいために、走路境界線Ｂ１よりも所定の高さだけ上方にオフセットした高さを掘削開始点とすることで掘削しやすくするためである。

移動処理部１１０８は、操作信号入力部１１０３が駆動指示信号の入力を受け付けた場合に、バケット１３３を掘削開始点Ｐへ移動させるための旋回体１２０および作業機１３０の操作信号を生成する。

操作信号出力部１１０９は、操作信号入力部１１０３に入力された操作信号、または移動処理部１１０８が生成した操作信号を出力する。具体的には、操作信号出力部１１０９は、自動駆動制御中である場合に、移動処理部１１０８が生成した操作信号を出力し、自動駆動制御中でない場合に、操作信号入力部１１０３に入力された操作信号を出力する。

《自動駆動制御》
積込機械１００のオペレータは、積込機械１００と掘削対象Ｌとが掘削処理可能な位置関係にあると判断すると、操作装置１２３のスイッチをＯＮにする。これにより、操作装置１２３は、駆動指示信号を生成し出力する。

図６は、第１の実施形態に係る自動駆動制御を示すフローチャートである。制御装置１２８は、オペレータから駆動指示信号の入力を受け付けると、図６に示す自動駆動制御を実行する。

車両情報取得部１１０１は、旋回体１２０の位置、方位、および姿勢を取得する（ステップＳ１）。車両情報取得部１１０１は、取得した旋回体１２０の位置および方位に基づいて、旋回体１２０の旋回中心軸Ａの位置を特定する（ステップＳ２）。

検出情報取得部１１０２は、深度検出装置１２４から、積込機械１００の前方の深度を示す深度情報を取得する（ステップＳ３）。マップ生成部１１０４は、車両情報取得部１１０１が取得した旋回体１２０の位置、方位、および姿勢と、検出情報取得部１１０２が取得した深度情報とに基づいて、現場座標系によって積込機械１００の前方の形状を表す三次元マップを生成する（ステップＳ４）。

掘削可能範囲特定部１１０５は、掘削可能範囲特定部１１０５は、既知の可動範囲Ｒ１をステップＳ２で特定した旋回中心軸Ａ回りに回転させた回転図形を生成する（ステップＳ５）。掘削可能範囲特定部１１０５は、三次元マップと回転図形とが重なる範囲を、掘削可能範囲Ｒ２と特定する（ステップＳ６）。

境界特定部１１０６は、三次元マップが表す地形のうち、水平面に対する傾きが所定角度を超える部分を掘削対象Ｌと特定し、掘削対象Ｌより下方に位置し水平面に対する傾きが所定角度以下の部分を走路面Ｆと特定する（ステップＳ７）。境界特定部１１０６は、特定した走路面Ｆと掘削対象Ｌとの境界線である走路境界線Ｂ１を特定する（ステップＳ８）。

掘削位置特定部１１０７は、検出範囲のうち、旋回体１２０の旋回中心軸Ａを基準とした方位ごとに、走路境界線Ｂ１と旋回中心軸Ａとの距離を算出する（ステップＳ９）。このとき、掘削位置特定部１１０７は、距離の算出対象となる方位の範囲を、運搬車両２００の停車位置から所定角度（例えば９０度）以内の範囲に限定してもよい。掘削位置特定部１１０７は、算出した距離が最も長くなる走路境界線Ｂ１上の点を、掘削開始点Ｐに決定する（ステップＳ１０）。

移動処理部１１０８は、旋回体１２０が向く方向と、旋回中心軸Ａから掘削開始点Ｐへ向かう方向とがなす角に基づいて、旋回体１２０の目標旋回角を算出する（ステップＳ１１）。移動処理部１１０８は、目標旋回角に基づいて旋回操作信号を生成し、操作信号出力部１１０９は、当該旋回操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ１２）。 そして、移動処理部１１０８は、バケット１３３の刃先を掘削開始点Ｐへ移動させるための作業機１３０の操作信号を生成し、操作信号出力部１１０９は、当該作業機操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ１３）。なお、ステップＳ１２の旋回操作とステップＳ１３の作業機操作とは、同時になされてもよいし、ステップＳ１２の旋回操作の後にステップＳ１３の作業機操作がなされてもよい。
上述の自動駆動制御により、積込機械１００は、バケット１３３の刃先を掘削開始点へ自動的に移動させることができる。オペレータは、この後、操作装置１２３による掘削操作を行うことができる。また他の実施形態においては、制御装置１２８が所定の軌跡に従った自動掘削制御を行ってもよいし、制御装置１２８が自動掘削制御の後にさらに自動積込制御を行ってもよい。

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る積込機械１００の制御装置１２８は、積込機械１００の周囲の形状を示す三次元マップが表す地形に基づいて掘削可能範囲Ｒ２と走路境界線Ｂ１とを特定し、走路境界線Ｂ１上の点を、作業機１３０による掘削開始点Ｐに決定する。これにより、積込機械１００は、掘削対象Ｌを、斜面の下側から掘削することができる。斜面の下側から掘削対象Ｌを掘削することで、斜面の一部が崩れたとしても崩れた土砂が走路面Ｆまで流れる距離が短くなる。これにより、土砂の流れ速度を抑え、走路面Ｆに土砂が散乱することを防ぐことができる。

また、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、走路境界線Ｂ１上の点であって旋回中心軸Ａからの距離が最も長くなる点を、掘削開始点Ｐに決定する。すなわち制御装置１２８は、走路境界線Ｂ１上の点であって後方境界線Ｂ２との距離が最も短くなる点を、掘削開始点Ｐに決定する。これにより、制御装置１２８は、運搬車両２００の走行可能な範囲を早期に広げることができる。また、走路境界線Ｂ１と斜面の上段からの距離が短いほど、その斜面が急である可能性が高い。そのため、前方境界線Ｂ２との距離が最も長くなる点を掘削開始点Ｐとすることで、斜面の崩壊の可能性を低減することができる。なお、他の実施形態に係る制御装置１２８は、他の条件に基づいて掘削開始点Ｐに決定してもよい。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２８は、走路境界線Ｂ１上の点であって旋回角が最も小さくなる点を、掘削開始点Ｐに決定してもよい。

〈第２の実施形態〉
第１の実施形態に係る積込機械１００は、掘削対象の上段に位置し、斜面の下方から土砂を掘削する。このとき、斜面の上方の掘削対象Ｌによって、斜面の下方の掘削対象Ｌが隠れ、その三次元位置を特定することができない可能性がある。第２の実施形態に係る制御装置１２８は、隠れた部分における掘削対象Ｌの形状を推定し、これに基づいて掘削開始点Ｐを決定する。

図７は、第２の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
第２の実施形態に係る制御装置１２８は、第１の実施形態の構成に加え、さらにバケット位置特定部１１１０および高さ補完部１１１１を備える。

バケット位置特定部１１１０は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、ショベル座標系におけるバケット１３３の刃先の位置を特定する。具体的には、バケット位置特定部１１１０は、以下の手順でバケット１３３の刃先の位置を特定する。バケット位置特定部１１１０は、ブームシリンダ１３４のストローク量から求められるブーム１３１の絶対角度と既知のブーム１３１の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、ブーム１３１の先端部の位置を求める。バケット位置特定部１１１０は、ブーム１３１の絶対角度と、アームシリンダ１３５のストローク量から求められるアーム１３２の相対角度とに基づいて、アーム１３２の絶対角度を求める。バケット位置特定部１１１０は、ブーム１３１の先端部の位置と、アーム１３２の絶対角度と、既知のアーム１３２の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、アーム１３２の先端部の位置を求める。そしてバケット位置特定部１１１０は、アーム１３２の先端部の位置と、バケット１３３の絶対角度と、既知のバケット１３３の長さ（基端部のピンから刃先までの距離）とに基づいて、バケット１３３の刃先の位置を求める。

図８は、第２の実施形態に係る三次元マップの形状の補完方法の例を示す図である。 高さ補完部１１１１は、バケット１３３の刃先の位置の履歴に基づいて、三次元マップのうち掘削対象Ｌによって遮蔽された遮蔽部分Ｈの形状を補完する。具体的には、高さ補完部１１１１は、バケット位置特定部１１１０が特定したバケット１３３の刃先の軌跡Ｔに基づいて、バケット１３３によって掘削された箇所の三次元形状を推定する。高さ補完部１１１１は、三次元マップのうち上方からの平面視において高さの値が欠落した部分を遮蔽部分Ｈと特定し、当該遮蔽部分Ｈの高さを、軌跡Ｔから推定した三次元形状に係る高さで補完する。

このように、第２の実施形態によれば、制御装置１２８は、バケット１３３の刃先の位置の履歴に基づいて、三次元マップの遮蔽部分Ｈの高さを補完し、補完された三次元マップに基づいて走路境界線Ｂ１を特定する。これにより、第２の実施形態に係る制御装置１２８は、斜面の上方の掘削対象Ｌによって、斜面の下方の掘削対象Ｌが隠れる場合にも、適切に掘削開始点Ｐを特定することができる。

〈第３の実施形態〉
掘削対象Ｌの斜面は、急なほど崩れる可能性が高い。第３の実施形態に係る積込機械１００は、積込機械１００の足場が崩れることを防ぎながら、適切な掘削開始点Ｐを特定する。

図９は、第３の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
第３の実施形態に係る制御装置１２８は、第１の実施形態の構成に加え、さらに後退判定部１１１２を備える。

図１０は、第３の実施形態に係る掘削禁止領域の例を示す図である。
後退判定部１１１２は、掘削位置特定部１１０７が特定した掘削開始点Ｐが走行体１１０の位置から斜め下方に広がる掘削禁止領域Ｒ３内にある場合、走行体１１０を後退させることを決定する。つまり、後退判定部１１１２は、掘削開始点Ｐが掘削禁止領域Ｒ３内にある場合に、当該掘削開始点Ｐを採用しない。これにより、制御装置１２８は、掘削対象Ｌの斜面の傾きが急になることを防ぐ。掘削禁止領域Ｒ３の傾きは、例えば掘削対象Ｌの安息角に基づいて決定される。

《自動駆動制御》
図１１は、第３の実施形態に係る自動駆動制御を示すフローチャートである。制御装置１２８は、オペレータから駆動指示信号の入力を受け付けると、図１１に示す自動駆動制御を実行する。

制御装置１２８は、第１の実施形態のステップＳ１からステップＳ１０と同様の方法により、掘削開始点Ｐを求める。次に、後退判定部１１１２は、掘削開始点Ｐが走行体１１０の位置から斜め下方に広がる掘削禁止領域Ｒ３内にあるか否かを判定する（ステップＳ４１）。掘削開始点Ｐが掘削禁止領域Ｒ３内にない場合（ステップＳ４１：ＮＯ）、制御装置１２８は、第１の実施形態のステップＳ１１からステップＳ１３と同様の方法により、自動駆動制御を行う。他方、掘削開始点Ｐが掘削禁止領域Ｒ３内にある場合（ステップＳ４１：ＹＥＳ）、移動処理部１１０８は、走行体１１０を後退させる走行操作信号を生成し、操作信号出力部１１０９は、当該走行操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ４２）。そして制御装置１２８は、処理をステップＳ１に戻し、再度掘削開始点を決定する。

《作用・効果》
このように、第３の実施形態に係る積込機械１００の制御装置１２８は、掘削開始点Ｐが走行体１１０の位置から斜め下方に広がる掘削禁止領域Ｒ３内にある場合、走行体１１０を後退させる。つまり、制御装置１２８は、走路境界線Ｂ１上の点であって掘削禁止領域Ｒ３の外の点を、掘削開始点Ｐに決定する。これにより、掘削対象Ｌの掘削による斜面の崩れによって、積込機械１００の足場が崩れることを防ぐことができる。なお、第３の実施形態に係る制御装置１２８は、掘削開始点Ｐが掘削禁止領域Ｒ３内にある場合に走行体１１０を後退させるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２８は、掘削開始点Ｐが掘削禁止領域Ｒ３内にある場合に、現在の積込機械１００の位置では掘削ができない旨の警報を出力してもよい。

〈第４の実施形態〉
第１から第３の実施形態は、バックホウショベルによる掘削に係る実施形態である。第４の実施形態では、フェイスショベルによる掘削について説明する。
図１２は、第４の実施形態に係る掘削積込作業の例を示す図である。積込機械１００は、走路面Ｆに配置され、前方の掘削対象Ｌを掘削し、運搬車両２００に掘削した土砂を積み込む。

第４の実施形態に係るバケット１３３は、刃先が旋回体１２０の前方を向くように取り付けられる。そのため、第４の実施形態における掘削時のバケット１３３の移動方向は、アーム１３２の押し方向である。
第４の実施形態に係る掘削位置特定部１１０７は、掘削可能範囲Ｒ２のうち走路境界線Ｂ１上の点であって、旋回中心軸Ａから当該点までの距離が最も短い点を、掘削開始点Ｐに決定する。掘削開始点Ｐは、アーム１３２の引き方向側、すなわち掘削時のバケット１３３の移動方向の後方側における掘削可能範囲Ｒ２の境界線である後方境界線Ｂ２と走路境界線Ｂ１との距離が最も短くなる点でもある。

このように、第４の実施形態に係る制御装置１２８も、掘削時のバケット１３３の移動方向とは反対側における掘削可能範囲Ｒ２の境界線である後方境界線Ｂ２と走路境界線Ｂ１との距離が最も短くなる点を掘削開始点Ｐとする。これにより、第１の実施形態と同様に、運搬車両２００の走行可能な範囲を早期に広げ、また斜面の崩壊による走路面Ｆへの土砂の散乱を抑制することができる。

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。

また、上述の実施形態に係る積込機械１００は、オペレータが搭乗して操作する有人運転車両であるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、遠隔の事務所にいるオペレータがモニタの画面を見ながら操作する遠隔操作装置から、通信により取得する操作信号によって作動する遠隔運転車両であってもよい。この場合、制御装置１２８の一部の機能が遠隔操作装置に設けられてもよい。

１００…積込機械 １１０…走行体 １２０…旋回体 １２１…運転室 １２２…運転席 １２３…操作装置 １２４…深度検出装置 １２５…位置方位演算器 １２６…傾斜計測器 １２７…油圧装置 １２８…制御装置 １３０…作業機 １３１…ブーム １３２…アーム １３３…バケット １３４…ブームシリンダ １３５…アームシリンダ １３６…バケットシリンダ １３７…ブームストロークセンサ １３８…アームストロークセンサ １３９…バケットストロークセンサ ２００…運搬車両 １１０１…車両情報取得部 １１０２…検出情報取得部 １１０３…操作信号入力部 １１０４…マップ生成部 １１０５…掘削可能範囲特定部 １１０６…境界特定部 １１０７…掘削位置特定部 １１０８…移動処理部 １１０９…操作信号出力部 １１１０…バケット位置特定部 １１１１…高さ補完部 １１１２…後退判定部 Ｆ…走路面 Ｌ…掘削対象 Ｐ…掘削開始点 Ａ…旋回中心軸 Ｂ１…走路境界線 Ｂ２…前方境界線 Ｒ１…可動範囲 Ｒ２…掘削可能範囲 Ｒ３…掘削禁止領域 Ｈ…遮蔽部分 Ｔ…軌跡

Claims (10)

1. 走行体と、前記走行体に支持され、旋回中心回りに旋回可能な旋回体と、前記旋回体に設けられバケットを有する作業機とを備える作業機械の制御装置であって、
   前記作業機械の周囲の形状を示す三次元マップを取得する三次元マップ取得部と、
   前記三次元マップが表す地形のうち、前記作業機械が走行せずに掘削可能な範囲を掘削可能範囲として特定する掘削可能範囲特定部と、
   前記三次元マップが表す地形のうち、運搬車両が走行可能な面である走路面と前記作業機による掘削対象との境界線である走路境界線を特定する境界特定部と、
   前記掘削可能範囲のうち、前記旋回中心を基準とした方位ごとの前記走路境界線上または前記走路境界線より上方の複数の点の中から、前記旋回中心から前記走路境界線との距離に基づいて、前記作業機による掘削開始点を決定する掘削位置特定部と
   を備える制御装置。
2. 前記掘削位置特定部は、前記掘削可能範囲特定部が特定した前記掘削可能範囲と前記境界特定部が特定した前記走路境界線とに基づいて、前記走路境界線上または前記走路境界線より上方の点を、前記掘削開始点に決定する
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記掘削可能範囲特定部は、前記掘削開始点を、前記旋回中心からの距離に基づいて決定する
   請求項１または請求項２に記載の制御装置。
4. 前記掘削可能範囲特定部は、前記作業機の可動範囲を前記旋回体の旋回中心軸回りに回転させた回転図形と三次元マップとが重なる範囲を、前記掘削可能範囲として特定する
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記掘削位置特定部は、前記走路境界線上の点であって、掘削時のバケットの移動方向の後方側における前記掘削可能範囲の境界線である後方境界線との距離が最も短くなる点を、前記掘削開始点に決定する
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 前記掘削位置特定部は、前記走路境界線上の点であって、前記作業機械の位置から斜め下方に広がる掘削禁止領域の外の点を、前記掘削開始点に決定する
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の制御装置。
7. 前記掘削開始点に基づいて、前記旋回体および前記作業機を操作する操作信号を出力する操作信号出力部を備える
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の制御装置。
8. 前記バケットの刃先の位置を特定するバケット位置特定部と、
   前記バケットの刃先の位置の履歴に基づいて、前記三次元マップのうち前記掘削対象によって遮蔽された遮蔽部分の高さを補完する高さ補完部と
   を備え、
   前記境界特定部は、前記遮蔽部分の高さが補完された三次元マップに基づいて前記走路境界線を特定する
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の制御装置。
9. 前記掘削位置特定部は、前記走路境界線上の点を所定の高さだけ上方にオフセットした点を掘削開始点に決定する
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の制御装置。
10. 走行体と、前記走行体に支持され、旋回中心回りに旋回可能な旋回体と、前記旋回体に設けられバケットを有する作業機とを備える作業機械の制御方法であって、
    前記作業機械の周囲の形状を示す三次元マップを取得するステップと、
    前記三次元マップが表す地形のうち、前記作業機械が走行せずに掘削可能な範囲を掘削可能範囲として特定するステップと、
    前記三次元マップが表す地形のうち、運搬車両が走行可能な面である走路面と前記作業機による掘削対象との境界線である走路境界線を特定するステップと、
    前記掘削可能範囲のうち、前記旋回中心を基準とした方位ごとの前記走路境界線上または前記走路境界線より上方の複数の点の中から、前記旋回中心から前記走路境界線との距離に基づいて、前記作業機による掘削開始点を決定するステップと
    を備える制御方法。

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