JP7420694B2

JP7420694B2 - 作業車両

Info

Publication number: JP7420694B2
Application number: JP2020180252A
Authority: JP
Inventors: 喜久石川; 宏之村岡; 拡長田; 紘太朗松石
Original assignee: Yanmar Holdings Co Ltd
Current assignee: Yanmar Holdings Co Ltd
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2040-10-28
Also published as: JP2022071349A

Description

本発明は、障害物検出装置を備える作業車両に関する。

ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ－ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ）方式の距離画像センサが検出する測距データと測定光の反射光の受光量により、周囲に設定した監視領域の中に障害物が侵入したことを検出し、警報を出力する油圧ショベルなどの作業車両が知られている。（特許文献１参照）

特開２０２０－１０１４４２号公報

しかし、このような作業車両において、監視領域に侵入した人等の障害物が、監視領域の内外の境界付近に留まることがある。

障害物が人である場合は、監視領域に対して侵入退出を繰り返してしまう。その際、障害物を検出するセンサの検出した値が判定の境界付近の内外に不規則に存在することになり、この結果警報は出力と停止を繰り返し、作業車両のオペレーターは煩わしさを感じるという問題が発生する。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、障害物検出装置を備える作業車両において障害物検知による警報の出力と停止を繰り返すような煩わしさをオペレーターに感じさせることなく、快適に安全な作業を実施できる作業車両を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため本発明は、物体の位置を検出する第１検出手段と前記第１検出手段により検出された前記物体の位置に基づき設定された監視領域内に前記物体が存在するか否かを判定するコントローラと、を備える作業車両において、前記コントローラが、前記検出物が前記監視領域の内と外の境界を越えて前記監視領域外から前記監視領域内に侵入する際に設定した前記境界と作業車両の間の第１距離と、前記検出物が前記境界を越えて前記監視領域内から前記監視領域外に退出する際に設定した前記境界と前記作業車両の間の第２距離を異なる距離に設定することを特徴とする。

これにより、センサが検出した値が検出した対象物の状態を判定する判定の境界付近に在ることによる警報の発令や停止の繰り返しを少なくし、オペレーターが快適に安全な作業を実施することができる。

本発明が適用される障害物検出装置を有する作業車両の代表例である油圧ショベルの側面図である。障害物検出装置の制御ブロック図である。フレームごとの障害物検出装置の測距イメージセンサが受光する反射光の強度を表したグラフである。障害物検出装置の監視領域を示す図である。ＴＯＦカメラが第２監視領域の中で障害物及び反射材付きのベストを着用した人を検知した時のモニタに表示される画像である。ＴＯＦカメラが第１監視領域の中で障害物及び反射材付きのベストを着用した人を検知した時のモニタに表示される画像である。障害物検出装置の制御フローを示すフローチャートである。

以下、本発明に係る障害物検出装置を有する作業車両の実施形態について本発明が適用される油圧ショベル１００を例に挙げ図１を参照しつつ詳細に説明する。

油圧ショベル１００は、自走可能な下部走行体２００と、下部走行体２００上に旋回可能に支持された上部旋回体３００と、上部旋回体３００の前方に回動可能に支持された作業装置４００と、障害物検出装置５００と、を備えている。

下部走行体２００は、センターフレーム（図示せず）とセンターフレームに左右対称に対をなし前後方向に延びるサイドフレーム２１０（左側のみ図示）を有しており、サイドフレーム２１０は、後方一端側には走行モータ（図示せず）により駆動する駆動輪２１１（左側のみ図示）が設置され、前方一端に向け複数の遊動輪２１２（左側のみ図示）が設置されている。そして駆動輪２１１と遊動輪２１２は、履帯２１３（左側のみ図示）が巻装されている。

上部旋回体３００は、旋回ベアリング（図示せず）を介し、旋回モータ（図示せず）により旋回し、上部旋回体の上方には、キャビン６００が配置され、キャビン６００の内部には運転座席（図示せず）が配置されている。上部旋回体３００の後方には、運転座席を支持するシートマウント（図示せず）と、ボンネット３１０によって構成される機関室３１１が配置されている。機関室３１１内には、エンジン（図示せず）が配置されており、エンジンの出力軸に装着された油圧ポンプ（図示せず）によって、作業装置４００、下部走行体２００及び旋回モータを駆動させる。またキャビン６００の後方には、監視画像を撮像するためのカメラ５３０及びＴＯＦカメラ５２０が装着されている。

作業装置４００は、上部旋回体３００の先端に設けられたスウイングポスト３２０に、支持されるスウイングブラケット４１０と、スウイングブラケット４１０に上下に回動可能に支持されたブーム４２０と、ブーム４２０の先端に上下に回動可能に装着されたアーム４３０と、アーム４３０の先端に回動可能に装着されたバケット４４０とからなり、作業装置４００は、上部旋回体３００の下方に設置されたスウイングシリンダ（図示せず）により水平方向に回動し、ブーム４２０の下方に設置された、ブーム４２０を動かすブームシリンダ４２１と、ブーム４２０の上方に設置され、アーム４３０を動かすアームシリンダー４３１と、アーム４３０の上方に設置され、バケットリンク４４1,４４２（左側のみ図示）を介してバケット４４０を動かすバケットシリンダ４４３と、を備えている。

図２は、障害物検出装置５００の制御ブロック図である。

続いて図２に基づき障害物検出装置５００について説明する。障害物検出装置５００は、物体の位置を検出し、物体の反射する光の強度を測定するＴＯＦカメラ５２０と、ＴＯＦカメラ５２０の測定結果から物体が障害物もしくは、人であるか否か判定し、油圧ショベル１００の周辺に設定された監視領域内に障害物もしくは、人が存在するか否かを判定し警報信号を出力する障害物検出ＥＣＵ５１０と、油圧ショベルの周辺の監視画像を撮像するカメラ５３０と、警報信号に基づき警報音を鳴らすブザー５５０と、監視画像を表示し、監視画像に重ねて警告を表示するモニタ５４０と、から構成されている。

ＴＯＦカメラ５２０は、測距イメージセンサと、赤外線光源がユニット化されており、測距イメージセンサとしては、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサを用いることができ、赤外線光源としては、ＬＥＤを用いることができる。赤外線光源から赤外線が照射されると、油圧ショベル１００の周囲に物体が存在した場合、照射された赤外線は物体で反射され、その反射光を測距イメージセンサが受光し、対象物を検出することができる。その際照射した赤外線が検出した対象物に反射して戻ってくるまでの時間を計測することで、対象物までの距離を測定することができ、同時に受光した反射光の強度も測定することができる。そして受光した反射光の強度によって物体の種類を判別することができる。

ＴＯＦカメラ５２０は、油圧ショベル１００の周囲で作業する作業員に反射材付きのベストを着用させ、反射光の強度を恣意的に上昇させることにより、障害物検出ＥＣＵ５１０により対象物が作業員であると識別させることができる。

ＴＯＦカメラ５２０は、オペレーターの最も視界の悪い車体後方を監視するためにキャビン６００の後方に一台配置されているが、それに限定されるものでなく、キャビン左右後方、もしくは側方に複数台配置することにより監視領域を広げることができる。また油圧ショベル１００の大きさによってキャビン６００に配置するだけでなく、上部体旋回体３００後方側方のボンネット３１０に配置することができ、オペレーターの死角になる部分の監視を行うことができる。

障害物検出ＥＣＵ５１０は、演算部５１１と、判定部５１２と、記憶部５１３を有しており、本機に設置された１２ボルト電池と接続し、障害物検ＥＣＵ５１０内の各ブロックに安定した電圧を供給する電源と、デジタル入力信号をマイコンに入力できる信号レベルに変換する入力バッファーと、アナログ信号をマイコンに入力できるデジタル値に変換するＡＤコンバータと、演算部５１１及び判定部５１２に該当し、各種入力信号から制御量を演算し出力するマイコンと、記憶部５１３に該当し、電源から電力が供給されなくなっても、データを記憶するメモリーであるＥＥＰＲＯＭ（ＥＬｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅａｎｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）と、マイコンの出力信号に従い、アクチュエータが駆動できる信号の形態に変換したり電圧を増幅したりする出力ドライバと、マイコンの出力データを通信規格にてきした通信信号に変換する通信ドライバと、他のＥＣＵが送信する信号をマイコンに入力できるレベルに変換する通信レシーバから構成される。

演算部５１１は、ＴＯＦカメラ５２０から送られてくる赤外線光源の発光及び測距イメージセンサの受光タイミングの位相差情報（発光/受光タイミングの位相差情報）に基づき、赤外線が検知した対象物の位置情報を演算する。又測距イメージセンサへの蓄電時間と測距イメージセンサの読み出し時間の和を1フレームの時間として、任意のフレームの間の反射光の強度の平均値を演算することができる。後述する判定部５１２で判定する値として反射光の強度の平均値を使用することにより、油圧ショベル１００の周辺に砂埃が不規則に巻き上がり、測定光の反射光の受光量が障害物で在るか否かを判定する受光量の境界を瞬間的に下回ったとしても、値の振れを吸収することができるため警報の発令や停止の繰り返しを少なくし、オペレーターが快適に安全に作業を実施することができる。

記憶部５１３には、判定部５１２で演算部５１１により算出された反射光の強度の平均値と比較するための閾値が記憶されている。

図３は、フレームごとの障害物検出装置５００の測距イメージセンサが受光する反射光の強度を表したグラフであり、図３に基づいて記憶された閾値について説明する。

記憶された閾値は、閾値の大きさにより、赤外線が検出した対象物を障害物と判定するための第１閾値と、反射材付きのベストを着用した人なのかを判定するための第２閾値のほか、障害物もしくは、反射材付きのベストを着用した人であると判定した後に、赤外線が検出した対象物を障害物でないと判定するための第３閾値と、反射材付きのベストを着用した人でないと判定するための第４閾値が設定されている。第１閾値は第２閾値より小さく設定されており、第３閾値より大きく設定されている。第２閾値は第４閾値より大きく設定されている。

さらに記憶部５１３には、監視領域の位置情報が
記憶されている。

図４は、障害物検出装置の監視領域を示す図であり、図４に基づいて記憶された監視領域について説明する。

記憶された監視領域は、油圧ショベル１００の旋回中心から同心円状に複数設けられており旋回中心からの距離で定義されている。

旋回中心から距離Ａ１０離れた地点と、距離Ｂ離れた地点の間の領域を第１監視領域として記憶しており、距離Ｂは、旋回中心から履帯２１３の端部までの距離である。旋回中心からＴＯＦカメラまでの間は赤外線の非検知領域であり、履帯２１３を障害物として検知することを防止するために旋回中心から距離Ｂ離れた地点の間の領域は、監視領域から除外される。

旋回中心から距離Ａ２０＋Ａ１０離れた地点と、距離Ａ１０離れた地点の間の領域を第２監視領域として記憶しており、第１監視領域と第２監視領域の境界Ｃ１０を記憶している。

旋回中心から距離Ａ１１離れた地点と、距離Ｂ離れた地点の間の領域を第１監視領域として記憶している。

旋回中心から距離Ａ２１＋Ａ１０離れた地点と、距離Ａ１１離れた地点の間の領域を第２監視領域として記憶しており、第１監視領域と第２監視領域の境界Ｃ１１を記憶している。

旋回中心から距離Ａ３０＋Ａ２０＋Ａ１０離れた地点と、距離Ａ２０＋Ａ１０離れた地点の間の領域を第３監視領域として記憶しており、第２監視領域と第３監視領域の境界Ｃ２０を記憶している。

旋回中心から距離Ａ３０＋Ａ２０＋Ａ１０離れた地点と、距離Ａ２１＋Ａ１０離れた地点の間の領域を第３監視領域として記憶しており、第２監視領域と第３監視領域の境界Ｃ２１を記憶している。

判定部５１２は、演算部５１１の情報と、記憶部５１３に記憶された情報を比較して判定結果に基づく指令をモニタＥＣＵ５４１及びブザー５５０に発信する。

判定部５１２は、演算部５１１により算出された反射光の強度の平均値を記憶部５１３に記憶された第１閾値と比較して第１閾値より大きい場合は、対象物を障害物と判定する。そして対象物を障害物と判定した後反射光の強度の平均値が第３閾値より下回ると対象物は障害物でないと判定する。

ここで対象物の周辺に砂埃が不規則に巻き上がり、反射光の強度の平均値が障害物で在るか否かを判定する受光量の境界付近に留まったとしても、対象物を障害物と判定した場合、第１閾値より第３閾値を小さく設定しているため、砂埃による値の振れを安全側に吸収することができ警報の発令や停止の繰り返しを少なくするこができる。その結果オペレーターが快適にかつ安全に作業をすることができる。

判定部５１２は、反射光の強度の平均値が第２閾値より大きい場合は、障害物を反射材付きのベストを着用した人として判定する。そして障害物を反射材付きのベストを着用した人として判定した後反射光の強度の平均値が第４閾値より下回ると反射材付きのベストを着用した人でないと判定する。

ここで対象物の周辺に砂埃が不規則に巻き上がり、反射光の強度の平均値が反射材付きのベストを着用した人で在るか否かを判定する受光量の境界付近に留まったとしても、障害物を反射材付きのベストを着用した人と判定した場合、第２閾値より第４閾値を小さく設定しているため、砂埃による値の振れを安全側に吸収することができ警報の発令や停止の繰り返しを少なくすることができる。その結果オペレーターが快適に作業をすることができる。

続いて判定部５１２は、演算部５１１により算出された対象物の位置情報から対象物が第３監視領域から境界Ｃ２０を超えた場合、対象物が第２監視領域に存在すると判定する。

判定部５１２は、演算部５１１により算出された対象物の位置情報から対象物が第２監視領域から境界Ｃ２１を超えた場合、対象物が第３監視領域に存在すると判定する。

ここで境界Ｃ２１は、境界Ｃ２０よりショベル１００から離れた距離に設定されるため、監視領域に侵入した対象物が、監視領域の内外の境界付近に留まり監視領域に対して侵入退出を繰り返しても、警報の発令や停止の繰り返しを少なくし、オペレーターが快適にかつ安全に作業をすることができる。

判定部５１２は、演算部５１１により算出された対象物の位置情報から対象物が第２監視領域から境界Ｃ１０を超えた場合、対象物が第１監視領域に存在すると判定する。

判定部５１２は、演算部５１１により算出された対象物の位置情報から対象物が第１監視領域から境界Ｃ１１を超えた場合、対象物が第２監視領域に存在すると判定する。

ここで境界Ｃ１１は、境界Ｃ１０よりショベル１００から離れた距離に設定されるため、監視領域に侵入した対象物が、監視領域の内外の境界付近に留まり監視領域に対して侵入退出を繰り返しても、警報の発令や停止の繰り返しを少なくし、オペレーターが快適にかつ作業をすることができる。

モニタ５４０は、モニタＥＣＵ５４１と表示部５４２から構成されており、モニタＥＣＵ５４１は、障害物検出ＥＣＵ５１０の指令を基に、カメラ５３０の撮像画像に対象物が障害物又は反射材付きのベストを着用した人である旨の警告を表示部５４２に表示させる。

図５を使ってＴＯＦカメラ５２０が第２監視領域の中で障害物及び反射材付きのベストを着用した人を検知したことによりモニタ５４０の表示部５４２に表示される画像を説明する。

表示部５４２には、カメラ５３０の撮像画像５４３が表示されており、作業員５４３Ｃに対応する反射材付きのベストを着用した人の存在を警告するためのアイコン５４３Ａが赤色に彩色され表示されている。その隣には、柱５４３Ⅾに対応する障害物の存在を警告するアイコン５４３Ｂが黄色く彩色され表示されている。又作業員５４３Ｃが監視領域２から監視領域３に移動した場合アイコン５４３Ａは消失する。

続いて図６を使ってＴＯＦカメラ５２０が第１監視領域の中で障害物及び反射材付きのベストを着用した人を検知したことによりモニタ５４０の表示部５４２に表示される画像を説明する。

表示部５４２には、カメラ５３０の撮像画像５４４が表示されており、作業員５４４Ｃに対応する反射材付きのベストを着用した人の存在を警告するためのアイコン５４４Ａが赤色に彩色され点滅し表示されている。又アイコン５４４Ａを拡大して表示してもよい。そして５４４Ａの隣にはカラーコーン５４４Ⅾに対応する障害物の存在を警告するアイコン５４４Ｂが黄色く彩色され点滅し表示されている。又作業員５４４Ｃが監視領域１から監視領域２に移動した場合アイコン５４４Ａの点滅は、停止し、アイコン５４３Ａが表示される。なお監視領域２に存在する柱５４３Ｅに対応するアイコン５４３Ｂは、表示部５４２に表示されないが、表示させてもよい。

ブザー５５０は、ＴＯＦカメラ５２０が第１監視領域の中で反射材付きのベストを着用した人を検知したことにより、ブザー音を断続的に鳴らす。又第１監視領域の中に油圧ショベル１００により近い監視領域を設けて、ＴＯＦカメラ５２０がその領域内で反射材付きのベストを着用した人を検知した場合、ブザー音を断続的に鳴らしてもよい。なお第１監視領域で検知されたベストを着用した人が第２監視領域で検知されるとブザー音は停止する。

続いて図７を参照して、障害物検出装置の制御フローについて説明する。

ステップＳ１では、ＴＯＦカメラ５２０が検知した物体の位置情報に基づき判定部５１２は、検知した対象物が第２監視領域に侵入したか否か判定する。対象物が第２監視領域に侵入したと判定すると、ステップＳ１は、ステップＳ２に進み、対象物が第２監視領域に侵入しないと判定するとフローは終了する。

ステップＳ２では、ＴＯＦカメラ５２０が検知した物体の反射光の強度に基づき判定部５１２は、検知した対象物が障害物か否か判定する。検知した対象物が障害物であると判定するとステップＳ２は、ステップＳ３に進み、検知した対象物が障害物でないと判定するとフローは終了する。

ステップＳ３では、モニタ５４０に、カメラ５３０で撮像された油圧ショベル１００の周辺の監視画像に重ねて、障害物の存在を警告するアイコンを表示する。そしてステップＳ３は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、ステップＳ３で障害物と判定された対象物をＴＯＦカメラ５２０が検知した物体の反射光の強度に基づき判定部５１２で、反射材付きのベストを着用した人であるか否かを判定する。対象物が反射材付きのベストを着用した人であると判定した場合はステップＳ５に進む。対象物が反射材付きのベストを着用した人でないと判定した場合はステップＳ６に進む。

ステップＳ５では、ステップＳ３で表示されたアイコンの隣に反射材付きのベストを着用した人の存在を警告するためのアイコンをモニタ５４０に表示する。そしてステップＳ５は、ステップＳ７に進む。

ステップＳ６では、ステップＳ４で反射材付きのベストを着用した人でないと判定した対象物をＴＯＦカメラ５２０で検知した物体の位置情報に基づき判定部５１２で第３監視領域に侵入したか否か判定する。対象物が第３監視領域に侵入したと判定すると、対象物が第２監視領域を退出したとして、ステップＳ６はステップＳ１４に進み、モニタ５４０の表示はリセットされ、カメラ５３０で撮像された油圧ショベル１００の周辺の監視画像を表示し、フローは終了する。対象物が第３監視領域に侵入していないと判定すると、対象物が第２監視領域内にいるとしてステップＳ６は、ステップＳ４に戻る。

ステップＳ７では、ステップＳ４で反射材付きのベストを着用した人であると判定した対象物をＴＯＦカメラ５２０で検知した物体の位置情報に基づき判定部５１２で第３監視領域に侵入したか否か判定する。対象物が第３監視領域に侵入したと判定すると、対象物が第２監視領域を退出したとして、ステップＳ６はステップＳ１４に進み、モニタ５４０の表示はリセットされ、カメラ５３０で撮像された油圧ショベル１００の周辺の監視画像を表示し、フローは終了する。対象物が第３監視領域に侵入していないと判定すると、対象物が第２監視領域内にいるとしてステップＳ７は、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、ステップＳ４で反射材付きのベストを着用した人であると判定した対象物をＴＯＦカメラ５２０で検知した物体の位置情報に基づき判定部５１２で第１監視領域に侵入したか否か判定する。対象物が第１監視領域に侵入したと判定すると、ステップＳ８は、ステップＳ９に進む。対象物が第１監視領域に侵入していないと判定すると、ステップＳ８は、ステップＳ７に戻る。

ステップＳ９では、ステップＳ３で表示されたアイコンとステップＳ５で表示されたアイコンを点滅させ、オペレーターに危険を認知させる。そしてステップＳ９はステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０では、ブザー５５０は、警報音を鳴らし、さらにオペレーターに危険を認識させる。ステップＳ１０はステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１では、ステップＳ４で反射材付きのベストを着用した人であると判定した対象物をＴＯＦカメラ５２０で検知した物体の位置情報に基づき判定部５１２で第２監視領域に侵入したか否か判定する。対象物が第２監視領域に侵入していないと判定した場合、対象物は第１監視領域内に存在するとして、再びステップＳ１１を繰り返す。また対象物が第２監視領域に侵入していると判定した場合、対象物は第１監視領域内から退出したとして、ステップＳ１１は、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、ブザー５５０は、警報音を停止する。そしてステップＳ１２は、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、ステップＳ９で点滅させたアイコンの点滅を停止させ、ステップＳ１３は、ステップＳ７に進み上記の処理を繰り返す。

以上のように障害物検出ＥＣＵ５１０は、監視領域に侵入する際の監視領域の内と外の境界Ｃ１０，Ｃ２０から油圧シ
ョベル１００の旋回中心までの距離を監視領域退出する際の監視領域の内と外の境界Ｃ１１，Ｃ２１から油圧ショベル１００の旋回中心までの距離を異なる距離に設定することにより、センサが検出した値が検出した対象物の状態を判定する境界付近に在るような状態に相当する監視領域に侵入した対象物が、監視領域の内外の境界付近に留まり監視領域に対して侵入退出を繰り返す状態であっても、警報の発令や停止の繰り返しを少なくし、オペレーターが快適にかつ安全に作業をすることができる。

そして本発明は、油圧ショベルに限定されるものでなく、ホイルローダ及びトラクターなどの作業車両に適用でき、本発明は、説明した上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更をすることができる。

本発明は、障害物検出装置を備える作業車両に関するものであり産業上の利用可能性を有する。

Ｃ１０境界（監視領域外から監視領域内に侵入する際に設定された境界）Ｃ１１境界（監視領域内から監視領域外に退出する際に設定された境界）Ａ１０距離（第１距離）Ａ１１距離（第２距離）

Claims

物体の位置を検出する第１検出手段と、
前記第１検出手段により検出された前記物体の位置に基づき設定された監視領域内に前記物体が存在するか否かを判定するコントローラと、を備える作業車両において、
前記コントローラが、前記検出物が前記監視領域の内と外の境界を越えて前記監視領域外から前記監視領域内に侵入する際に設定した前記境界と作業車両の間の第１距離と、
前記検出物が前記境界を越えて前記監視領域内から前記監視領域外に退出する際に設定した前記境界と前記作業車両の間の第２距離を異なる距離に設定し、前記第１距離が前記第2距離より短いことを特徴とする作業車両。
前記第１の検出手段が測定光を前記物体に照射して反射する光を受光するまでの時間を計測することにより前記物体の位置を計測する手段であることを特徴とする請求項１記載の作業車両。
前記作業車両が前記反射する光の強度を検出する第２検出手段を有しており、前記コントローラは、前記反射する光の強度と比較する、閾値を有し、前記反射する光の強度が前記閾値を超えると前記物体の存在を検知する指令を出力し、前記指令を出力した後、前記反射する光の強度が他の閾値より低い場合、前記指令を停止し、前記他の閾値が前記閾値より小さいことを特徴とする請求項２記載の作業車両。
前記コントローラが前記第１検出手段の任意に定めたフレーム区間における前反射する光の強度の平均値と前記閾値又は前記他の閾値の少なくとも何れか１つを比較することを特徴とする請求項３記載の作業車両。