JP7598232B2

JP7598232B2 - 建設機械

Info

Publication number: JP7598232B2
Application number: JP2020199621A
Authority: JP
Inventors: 秀晃清水; 聡司阿部
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2024-12-11
Anticipated expiration: 2040-12-01
Also published as: JP2022087604A

Description

本発明は、建設機械に関し、特に遠隔操縦に適した建設機械に関する。

油圧ショベルなどの建設機械は、災害救助現場、災害復旧現場、建物解体現場などにおいてオペレータの安全を確保するニーズが存在しており、その解決策の一つとして、遠隔地から油圧ショベルを操縦する（すなわち、遠隔操縦）技術が注目されている。遠隔操縦の場合、オペレータは油圧ショベルに搭乗せずに作業現場から離れた場所から、油圧ショベルに搭載されたカメラにより撮像されて伝送された映像に基づいて操縦作業を行う。そして、オペレータが遠隔地の油圧ショベルを違和感なく操縦し、作業効率を上げるためには、高精細な映像を低遅延（リアルタイム）に伝送し、操縦と映像とのタイムラグをなくす必要がある。

近年、第５世代移動通信システム（いわゆる５Ｇ）が注目されている。そこで、５Ｇがもつ高速大容量、低遅延、多数同時接続の特徴を生かして油圧ショベル遠隔操縦の環境を改善することが検討されている。しかしながら、５Ｇはミリ波を使用するため、電波の直進性や指向性が高く、障害物に起因した速度低下などが発生しやすい。安定した通信を維持するためには、電波の指向性の方向を変えるビームフォーミングの活用が期待されている。

ビームフォーミングでは、基地局と移動局との位置関係に基づいて電波のビームを追従させるのが求められている。特にミリ波帯における通信では、より遠距離で安定した通信を行うために基地局だけでなく、移動局側もビームフォーミングを行い、基地局側に指向性を向ける必要がある。そして、ビームフォーミングの追従方法として、例えば特許文献１に記載されたように受信状況をフィードバックする方法が挙げられる。

特開２０１７－１２２０３７号公報

しかし、特許文献１に記載の方法では、フィードバック制御を行う必要があるため、ビームフォーミングの追従速度に限界がある。また、油圧ショベルの遠隔操縦や高精細な映像伝送のためにミリ波を利用した場合、油圧ショベルに移動局を搭載し、基地局側にビームフォーミングで追従することで通信を安定化する方法が考えられる。しかし、油圧ショベルは旋回動作を行うため、通信機のアンテナも同時に旋回する。これによって、ビームフォーミングの指向性方向の追従するためのフィードバックが追い付かなくなり、アンテナの指向性にズレが発生する。その結果、通信状況が悪化し、通信速度の低下や途切れなどが起きてしまう。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、通信状況を改善することができる建設機械を提供することを目的とする。

本発明に係る建設機械は、走行体と、前記走行体に対して旋回自在に設けられる旋回体とを有する建設機械であって、前記走行体に対する前記旋回体の旋回角度を検出する旋回角度検出部と、基地局装置に追従可能に設けられ、前記基地局装置との間でビームフォーミングを用いた通信を行う通信機と、前記旋回角度検出部により検出された旋回角度に基づいて、前記通信機から前記基地局装置に送信される電波のビームフォーミングを制御する制御部と、を備えることを特徴としている。

本発明に係る建設機械では、制御部は、旋回角度検出部により検出された旋回角度に基づいて、通信機から前記基地局装置に送信される電波のビームフォーミングを制御する。このようにすることで、旋回動作に起因した基地局装置に対するビームフォーミングの指向性の方向ズレを防止することができる。その結果、基地局装置に向けるビームフォーミングの追従を維持することができるので、通信状況を改善することができる。

本発明によれば、通信状況を改善することができる。

実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図である。実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。旋回角度を説明するための平面図である。走行時のビームフォーミングの追従を説明するための平面図である。旋回時のビームフォーミングの追従問題点を説明するための平面図である。制御部の制御処理を示すフローチャートである。制御部の制御処理の変形例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明に係る建設機械の実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。また、以下では、建設機械として油圧ショベルの例を挙げて説明するが、本発明は油圧ショベルに限定されず、クレーンなどの建設機械にも適用される。

図１は実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図であり、図２は実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。本実施形態に係る油圧ショベル１０は、油圧ショベル１０の下部に配置されて走行する走行体１１と、走行体１１の上部に旋回自在に設けられる旋回体１２と、旋回体１２に設けられる作業フロント１３と、基地局装置２０（図４及び図５参照）と通信する通信機１４と、油圧ショベル１０全体の制御を行う制御部１５とを備えている。この油圧ショベル１０では、例えば５Ｇで利用されているようなミリ波や通信容量を増やすＭａｓｓｉｖｅＭＩＭＯのような技術が使われている。

旋回体１２は、運転室１２１、機械室１２２及びカウンタウェイト１２３を有する。運転室１２１は、旋回体１２の左側部に設けられている。機械室１２２は、運転室１２１の後方に設けられている。カウンタウェイト１２３は、機械室１２２の後方、すなわち旋回体１２の最後部に設けられている。

作業フロント１３は、旋回体１２の前部の中央に配置されている。作業フロント１３は、ブーム１３１、アーム１３２、バケット１３３、ブーム１３１を駆動するためのブームシリンダ１３４、アーム１３２を駆動するためのアームシリンダ１３５、及びバケット１３３を駆動するためのバケットシリンダ１３６を有する。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とは、それぞれ油圧アクチュエータによって構成されている。

旋回体１２には、旋回モータ１２４が配置されている。旋回モータ１２４を駆動すると、旋回体１２は走行体１１に対して回転（言い換えれば、旋回）することになる。また、走行体１１には、左走行モータ１１１と右走行モータ１１２とがそれぞれ配置されている。これらの走行モータ１１１，１１２を駆動すると、左右の履帯１１３がそれぞれ駆動される。これによって、走行体１１は前進又は後進することができる。なお、旋回モータ１２４、左走行モータ１１１及び右走行モータ１１２は、それぞれ油圧アクチュエータから構成されている。

旋回モータ１２４、左走行モータ１１１、右走行モータ１１２、及び上述したブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、バケットシリンダ１３６は、油圧ポンプ（図示せず）によって吐出され、更に流量制御弁１６を介して供給された圧油によってそれぞれ駆動されている。これによって、油圧ショベル１０は旋回動作、走行動作及び掘削動作を行うことができる。なお、これらの油圧アクチュエータ、油圧ポンプ及び流量制御弁は、制御部１５によってそれぞれ制御されている。

また、旋回体１２には、旋回角度センサ１２５が取り付けられている。旋回角度センサ１２５は、特許請求の範囲に記載の「旋回角度検出部」に相当するものであって、例えばポテンショメータであり、走行体１１に対する旋回体１２の旋回角度θを検出し、検出した旋回角度θを制御部１５に出力する。旋回角度θは、例えば図３に示すように、走行体１１の進行方向を基準とし、走行体１１と旋回体との相対角度である。

通信機１４は、基地局装置２０に追従可能に設けられ、基地局装置２０との間でビームフォーミングを用いた通信を行っている。すなわち、通信機１４は、ビームフォーミング機能を有しており、基地局装置２０に送信される電波にビームフォーミング処理を行い、更にビームフォーミング処理した電波を基地局装置２０に向けて送信することができる。また、通信機１４は、基地局装置２０によりビームフォーミング処理されて送信された電波を受信することができる。

なお、基地局装置２０に送信される電波はミリ波であることが好ましい。この場合、ミリ波が持つ高い直進性及び指向性、大容量通信に適する特徴を利用し、データの伝送をスムーズに実現できるので、油圧ショベル１０の遠隔操縦の環境を改善することができる。

そして、通信機１４が基地局装置２０に向けるビームフォーミングの追従としては、例えば上記特許文献１（特開２０１７－１２２０３７号公報）に記載された方法や、その他の周知された技術を用いることができる。

通信機１４は、例えばパッチアレイアンテナ１４１を有するように構成されている。そして、パッチアレイアンテナ１４１が平板状の場合、その平面が旋回体１２の旋回面と平行になるように旋回体１２の上部に配置されるのが好ましい。このようにすれば、旋回体１２の旋回動作によるパッチアレイアンテナ１４１への影響を抑制し、安定した通信環境を確保することができる。

通信機１４は、制御部１５によって制御されている。具体的には、通信機１４は、その送信及び受信のみならず、通信機１４から送信される電波のビームフォーミングも制御部１５に制御されている。例えば、電波のビームフォーミングの絞り幅、指向角などが制御部１５によって制御されている。ここでの指向角とは、ビームフォーミングの指向性を示す方角を意味し、特に水平方向における方角を指す。

制御部１５は、例えば演算を実行するＣＰＵ(ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ)と、演算のためのプログラムを記憶した二次記憶装置としてのＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）と、演算経過の保存や一時的な制御変数を保存する一時記憶装置としてのＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）とを組み合わせてなるマイクロコンピュータにより構成されており、記憶されたプログラムの実行によって算出や判定などの処理を行う。

本実施形態に係る油圧ショベル１０には、油圧ショベル１０の周囲の映像を撮像するカメラ（図示せず）が搭載されても良い。例えば、３次元の映像を撮像できる３Ｄカメラが複数搭載されるのが好ましい。これらの３Ｄカメラによって撮像された映像は、通信機１４によるビームフォーミングを介して基地局装置２０に送信（言い換えれば、伝送）されるようになっている。このように複数の３Ｄカメラを搭載することで、油圧ショベル１０の遠隔操縦を実現しやすくなる。

ここで、図４及び図５を基に本発明に至った経緯を説明する。図４及び図５において、破線で又は二点鎖線で示す楕円１４２は、通信機１４によってビームフォーミングされた指向性を有するビーム（言い換えれば、電波）を模式的に表すものであり、破線で示す楕円２０１は、基地局装置２０によってビームフォーミングされた指向性を有するビーム（言い換えれば、電波）を模式的に表すものである。なお、ビーム１４２及びビーム２０１の楕円範囲は、ビームフォーミングされた電波の範囲を限定するものではない。

また、図４及び図５に示すように、ビーム１４２の方向とビーム２０１の方向とが一致している場合（すなわち、ビーム１４２とビーム２０１とが重なる場合）には、通信機１４と基地局装置２０との通信状況が安定し、通信速度が出やすい状態である。

一般的には、油圧ショベル１０は基地局装置２０からかなり離れた現場で稼働している。そのため、図４に示すように、油圧ショベル１０が走行（ここでは前進）するとき、油圧ショベル１０と基地局装置２０との距離Ｌ１に対して油圧ショベル１０の走行距離Ｌ２が小さいため、走行によって生じた油圧ショベル１０と基地局装置２０との相対角度αはさほど大きくなく、走行によるビームフォーミングの指向角は大きく変わらない。従って、通信機１４は従来の方法に基づいて基地局装置２０に向けるビームフォーミングの追従を行うことができる。

一方、油圧ショベル１０は、旋回動作も多く行っている。図５に示すように、油圧ショベル１０が旋回するときに、旋回速度が走行速度よりも速いので、ビームフォーミングの指向角に大きく影響する。このため、油圧ショベル１０の旋回動作によってビームフォーミングの指向角は大きく変わり、油圧ショベル１０の走行のみを想定するビームフォーミング制御では、追従できなくなる可能性が高い。その結果、通信速度の低下、通信の瞬断による映像などの途切れ、遅延などが発生してしまう。

そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ねった結果、油圧ショベル１０の旋回動作をビームフォーミングの指向角の制御に反映することで、基地局装置２０に向けるビームフォーミングの追従を維持することができ、安定した通信を実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。

従って、本実施形態では、制御部１５は、旋回角度センサ１２５によって検出された旋回角度に基づいて、通信機１４から基地局装置２０に送信される電波のビームフォーミングを制御するように構成されている。より具体的には、制御部１５は、通信機１４から基地局装置２０に向けて送信される電波のビームフォーミングの指向角を制御する。

次に、図６に基づいて制御部１５によるビームフォーミングの指向角の制御を説明する。図６に示す制御処理は、例えば所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１１では、制御部１５は、通信機１４に対して通常のビームフォーミング制御を行う。ここでの通常のビームフォーミング制御は、上述した従来の方法に基づいて基地局装置２０に向けるビームフォーミングの追従を行う制御である。

ステップＳ１１に続くステップＳ１２では、油圧ショベル１０が旋回動作をしているか否かが判定される。このとき、制御部１５は、入力された操作信号に基づいて判定を行う。操作信号は、オペレータが運転室１２１に配置された操作レバー（図示せず）を直接に操作する場合、操作レバーから入力される。一方、オペレータが遠隔操縦を行う場合、操作信号は遠隔操縦を行うコントローラ（図示せず）から送信（入力）される。

制御部１５は、入力された操作信号の中に旋回に関する信号の有無で旋回動作をしているかを判定する。そして、油圧ショベル１０が旋回動作をしていると判定された場合、制御処理はステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、制御部１５は、旋回角度センサ１２５から出力された旋回角度βを取得する（図５参照）。

ステップＳ１３に続くステップＳ１４では、制御部１５は、取得した旋回角度βに基づいてビームフォーミングの指向角（ここでは、－β）を算出し、算出した指向角を通信機１４に通知する。

ステップＳ１４に続くステップＳ１５では、制御部１５は、ビームフォーミングの指向角（ここでは、－β）を用いて通信機１４から送信されたビームフォーミングを制御する。これによって、通信機１４は、指向角－βを有するビームフォーミングを基地局装置２０に送信する。ステップＳ１５が終わると、一連の制御処理は終了する。

本実施形態の油圧ショベル１０では、制御部１５は、旋回角度センサ１２５によって検出された旋回角度に基づいて、通信機１４から送信されるビームフォーミングの指向角を制御する。このようにすることで、旋回動作に起因した基地局装置２０に対するビームフォーミングの指向性の方向ズレを防止することができ、基地局装置２０に向けるビームフォーミングの追従を維持することができるので、通信状況を改善することができる。

そして、このように通信状況を改善することによって、油圧ショベル１０に搭載されたカメラで撮像した映像をリアルタイムに基地局装置２０に伝送することができるので、映像の途切れや画質の低下、再送信による映像遅延などを防ぐことができる。更に、オペレータが伝送された映像に基づいて、油圧ショベル１０の遠隔操縦の信号を基地局装置２０を介して油圧ショベル１０に瞬時に送信する。その結果、映像と操縦とのタイムラグをなくすことができ、油圧ショベル１０の遠隔操縦をスムーズに実現でき、作業効率を向上することができる。

なお、制御部１５の制御処理は上述した内容に限定されず、様々な変形例が考えられる。例えば図７に示す変形例では、旋回角度βを取得するステップＳ１３と通信機へ指向角を通知するステップＳ１４との間に、旋回角度βが所定旋回角度θ_０以上か否かを判定するステップＳ１３’が更に設けられている。

すなわち、図７に示すように、ステップＳ１３に続くステップＳ１３’では、制御部１５は、ステップＳ１３で取得した旋回角度βが予め設定された所定旋回角度θ_０以上か否かを判定する。ここでの所定旋回角度θ_０は、例えばビームフォーミングの指向角と旋回角度との関係により、通信に影響が生じない範囲で設定された値である。

そして、旋回角度βが所定旋回角度θ_０より小さいと判定された場合、上述ステップＳ１５のようなビームフォーミングの制御が行われず、制御処理は終了する。一方、ステップＳ１３’において旋回角度βが所定旋回角度θ_０以上であると判定された場合、制御はステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、制御部１５は、取得した旋回角度βに基づいてビームフォーミングの指向角を算出し、算出した指向角を通信機１４に通知する。

ステップＳ１４に続くステップＳ１５では、制御部１５は、上述したようにビームフォーミングを制御する。そして、ステップＳ１５が終わると、一連の制御処理は終了する。

このように旋回角度を予め設定された所定旋回角度と比較し、旋回角度が所定旋回角度より小さい場合にビームフォーミングの制御を行わないようにすることで、制御部１５の処理負担を軽減する効果を期待できる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０油圧ショベル
１１走行体
１２旋回体
１３作業フロント
１４通信機
１５制御部
２０基地局装置
１２１運転室
１２２機械室
１２４旋回モータ
１２５旋回角度センサ

Claims

走行体と、前記走行体に対して旋回自在に設けられる旋回体とを有する建設機械であって、
前記走行体に対する前記旋回体の旋回角度を検出する旋回角度検出部と、
基地局装置に追従可能に設けられ、前記基地局装置との間でビームフォーミングを用いた通信を行う通信機と、
前記通信機から前記基地局装置に向ける前記ビームフォーミングの指向性方向に追従するようにフィードバック制御を行い、前記通信機から送信される電波の指向角を制御する第１のビームフォーミング制御と、前記旋回角度検出部により検出された旋回角度に基づいて、前記通信機から前記基地局装置に送信される電波の指向角を制御する第２のビームフォーミング制御とを行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、操作信号により旋回動作を判定すると、前記旋回角度検出部により検出された旋回角度βを取得し、前記旋回角度βが予め設定された所定旋回角度以上のときには、前記旋回角度βに基づいてビームフォーミングの指向角として（－β）を算出し、算出した前記ビームフォーミングの指向角（－β）を用いて前記指向角を（－β）とする前記第２のビームフォーミング制御を実施し、前記旋回動作が判定されないと前記第１のビームフォーミング制御を実施することを特徴とする建設機械。
前記電波はミリ波である請求項１に記載の建設機械。