JPH11350534A - 土工機械のための走査センサ設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 土工機械による作業において、作業の進行を
モニタしながら次の作業の計画を立て得るようにする。 【解決手段】 土工機械の第１の位置に取り付けた第１
の走査センサ・システム１０と、土工機械の第２の位置
に取り付けた第２の走査センサ・システム１２とを備
え、走査センサ・システムは、土工機械の周囲のほぼ水
平な平面内、及びほぼ垂直な平面内において、０度を超
える視界を走査する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、可動機械
における走査センサ・システムの利用に関するものであ
り、より詳細には、個別に、また協働して動作する２つ
以上の走査センサ・システムの土工機械における利用に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在のところ、自律または半自律可動機
械における制御システムは、ナビゲーション及び障害物
検出のために作業環境のレンジ・マップを作成する何ら
かの形式の走査センサ・システムを利用している。こう
したシステムには、一般に、機械に固定され、固定パタ
ーンの走査を行う１つのセンサを含んでいる。しかし、
このタイプの構成は、機械が同時に動作する多関節部分
を備えているか、あるいは、機械が単一スキャナでは支
援不可能な速度で作業を実施する状況において、不具合
を生じる。例えば、大型土工機械を必要とする作業の場
合、材料の投棄の進行をモニタしながら、同時に掘削場
所を走査して、次の積載物の取得計画を立てることが望
ましい。走査パターンが固定された１つのスキャナで
は、一方の区域がセンサの視界外にある場合、地面にお
ける２つの別々な区域をモニタすることはできない。ま
た、センサを利用して、装置の可動部分の経路に沿って
障害物のチェックを行うことも望ましい。障害物を検出
した場合には十分な応答時間が得られるように、障害物
の走査を装置の移動に先行させるのが理想的である。セ
ンサを１つ利用する場合には、掘削または荷降ろしとい
った現在の作業を完了してしまわなければ、障害物の走
査といった別の作業を開始することができないので、遅
延が導入される。１つのスキャナでは不十分なもう１つ
の状況が生じるのは、装置の構造、作業現場における障
害物、または、センサの走査パターンの限界によって、
センサによる作業現場の諸部分の検出を妨げる盲点が生
じる場合である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、上述の問題の１つ以上を克服することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の実施態様の１つ
では、２つ以上の走査センサ・システムが制御システム
と一体化されて、独立した、また協働した動作を行う。
制御システムが、センサ・システムを個別に操作する場
合、各センサ・システムは周囲の異なる領域に関する情
報を提供する。これによって、制御システムは、複数の
作業に関する情報を同時に処理し、最適な移動及び動作
タイミングを判定して、装置を制御することが可能にな
る。センサが協働するように利用される場合、同じ領域
に関して、より有効な作業実施を可能にする情報が提供
される。個別に動作するか協働して動作するかに関係な
く、センサは、環境の所望の部分の走査を可能にする、
機械または作業現場に近い位置に配置される。用途に応
じて、全方向情報、あるいは、選択された領域に制限さ
れた情報を交互に提供することが可能なセンサを本発明
に組み込むことが可能である。センサ走査パターンは可
変であり、ナビゲーション、障害物検出、掘削、積載及
び投棄、建造、探査、及び、組立ライン作業といったさ
まざまな作業について個別に及び協働するように制御可
能である。

【０００５】

【発明の実施の形態】次に図面を参照すると、図１に
は、本発明を取り入れた自律土工機械のコンポーネント
に関するブロック図が示されている。第１の走査センサ
・システム１０及び第２の走査センサ・システム１２
は、制御システム１４に入力を供給する。３つ以上のセ
ンサを利用することも可能である。他の装置からの入力
と、走査センサ・システム１０、１２によって出力され
るデータを利用して、制御システム１４は、土工機械を
移動させるためのアクチュエータ１６を含む装置、及
び、その動作を制御するためのセンサ・システム１０、
１２に対して出力されるコマンドを発生する。制御シス
テム１４には、マイクロプロセッサ、読み取り／書き込
みメモリ、データ記憶及び検索装置、入力／出力機能を
備え、特定のアプリケーションに関連したソフトウェア
を実行することが可能な、コンピュータのような処理手
段が含まれている。走査センサ・システム１０、１２に
は、各センサの視界及び走査パターンを含めて、センサ
システム１０、１２の動作を個別に制御する制御システ
ム１４から入力を受信する処理手段を含めることも可能
である。イメージ処理及び認識を行うための処理手段
は、センサ・システム１０、１２と制御システム１４の
両方にインターフェイスすることが可能である。データ
は、メモリにあらかじめプログラムされていたり、オペ
レータにより入力されたり、センサによって供給された
り、あるいは、処理手段によって生成されたりといっ
た、さまざまな情報源により得られる。

【０００６】図２には、左右のセンサ・システム２０、
２２が、作業現場における作業区域及び対象をモニタす
るため、土工機械に配置された、本発明の望ましい実施
例が示されている。センサ・システム２０、２２は、土
工機械上のほぼ対称位置に配置されて、個別に駆動さ
れ、作業現場の異なるが相補性の領域に関する情報を提
供する。こうして、一方のセンサ・システムが、進行中
の作業箇所を取り巻く領域をモニタし、もう一方のセン
サ・システムが、装置が働くことになる次の領域をモニ
タすることが可能になる。本発明における個別に動作す
るセンサ・システム２０、２２の場合、単一センサ・シ
ステムが利用可能になるのを待つ必要がないので、作業
を事前に計画し時間遅延を短縮することができる。特定
の用途では３つ以上のセンサ・システムが必要な場合も
あるが、その場合には、複数のセンサ・システムをさま
ざまな位置に配置することによって、必要なデータを提
供することが可能である。

【０００７】センサ・システム２０、２２を協働するよ
うに駆動して、作業現場の特定の区域に関してより完全
な情報が得られるようにすることも可能である。例え
ば、作業現場の一部が、土工装置の構造によって第１の
センサ・システムの視界から遮断されるような作業中、
第２のセンサ・システムは、第１のセンサ・システムに
よって得ることのできない情報を提供するため、土工装
置またはその近くの異なる有利な場所を占めるように配
置される。センサ・システムの走査能力、装置の構造、
周囲の障害物、及び、成し遂げるべき作業に応じて、同
じか、または、異なるタイプの２つ以上のセンサ・シス
テムを利用して、必要な情報を提供することができる。

【０００８】図３には、本発明に用いるのに適した走査
センサ・システムの例が示されている。センサ・システ
ム３０は、図示のように、土工機械のキャブ３２の切り
取り部分に取り付けられている。センサの走査機構は、
センサの距離測定ビーム３４に隣接して、ある角度をな
すように取り付けられた円形リフレクタ３３から構成さ
れる。リフレクタ３３は、走査軸３６まわりにおいて、
約３６００ｒｐｍまでの周波数でリフレクタを回転させ
る走査モータ３５のシャフトに取り付けられている。こ
の構成によれば、障害のない１８０度の走査において、
出力距離測定ビームが反射されて、地面または対象３８
からの戻り信号がセンサ・システムの受信器３９に送ら
れる。１８０度の走査方向は、作業及び作業現場の位置
に従って、垂直平面または水平平面に関する情報が得ら
れるように調整可能である。例えば、作業区域が、セン
サの水平線より低い掘削現場である場合、走査は、水平
線毎に下方に向けて行われる。ダンプ・トラックにバケ
ットの中身をあけるといったように、作業区域が装置の
前方にある場合、走査は垂直方向に行われる。３６０度
の視界を得るため、センサ・システム３０は、垂直軸４
１のまわりで回転するモータ４０のシャフトに取り付け
られる。垂直軸４１まわりにおける回転は、「パン」と
呼ばれ、センサ・システム３０の距離測定ビーム３４
は、これによって、実質的に水平な平面において３６０
度まで走査し、一方で、垂直平面の走査を続行すること
が可能になる。

【０００９】距離測定ビーム３４は、レーダ、レーザ、
または、ソーナ送信器のような所望の性能特性を備えた
センサ送信器によって発生することが可能である。吹き
付けるほこりまたは雪といった作業現場の環境要因が、
用いるセンサ・タイプの適合性に影響する可能性があ
る。センサ・システムによって作業現場のレンジ・マッ
プが得られ、また、その視界内における対象及び地面に
対するレンジ・データが得られる。センサ・システムま
たは土工機械の制御システムに関連したソフトウェアに
は、データからイメージを認識し、その位置、サイズ、
及び配向を導き出すアルゴリズムを含むことが可能であ
る。図３に示すセンサ・システムは、高速度で更新され
る１８０度の走査によって、完全な３６０度にわたるレ
ンジ・データを提供する。現在の能力には、走査軸まわ
りにおける３６００ｒｐｍまでのセンサ回転速度、及
び、パン軸まわりにおける１０ｒｐｍのセンサ回転速度
が含まれる。用いられるコンポーネント及び作業要件に
従って、さらに走査速度を速めることも可能である。こ
の情報によって、作業現場を障害物に対して絶えずモニ
タすることができる。走査速度が迅速で、完全な視界情
報を提供するセンサ・システムによって、土工機械の作
業の効率的なプランニング及び実行も促進される。各セ
ンサの視界及び走査パターンを個別に調整して、より集
中した走査を行うことによって、問題の所定の区域に関
してより詳細かつ正確なデータを得ることもできる。

【００１０】レーダ、レーザ、赤外線、及び、ソーナ・
センサをベースにしたシステムを含めて、本発明に用い
るのに適した他のタイプの走査センサ・システムがいく
つか存在する。本発明には、同じタイプから構成される
複数のセンサ、または、異なるタイプのセンサ・システ
ムの組み合わせを組み込むことが可能である。

【００１１】本発明は、土工環境で、土工機械の自律ま
たは半自律制御が所望される状況において適用可能であ
る。図４及び５には、掘削機４６が掘削面５２より上方
に配置され、ダンプ・トラック４８が、掘削機のバケッ
ト５０が届く距離内に位置する、典型的な掘削現場が示
されている。掘削機４６が自律的に動作するためには、
掘削機の移動区域内における対象と障害物の位置、及
び、掘削すべき地面の位置を知らなければならない。本
発明に用いられるセンサは、従って、掘削機に十分な応
答時間を与えるため、移動区域の周囲における対象の位
置に関する現在の情報を十分早めに提供することができ
なければならない。

【００１２】図４には、左右のセンサ４２、４３が、掘
削機４６のブーム４４の左右にほぼ対称的な位置に取り
付けられた、本発明の実施例が示されている。ダンプ・
トラック４８は、掘削された材料を受け取るために掘削
機４６の近くに配置されている。掘削及び積み込みサイ
クルの間、制御システム（不図示）は、左右のセンサ４
２、４３に命じて、バケット５０及び隣接区域をモニタ
させる。掘削機４６による掘削プロセスが完了に近づく
と、制御システムは、左のセンサ４２に命じて、ダンプ
・トラック４８に向かってパンさせ、掘削機４６の移動
経路における障害物の有無をチェックし、ダンプ・トラ
ック４８の位置及び配向を確認する。積み込みサイクル
の完了後、掘削機４６がブーム４４を掘削面５２に向か
って戻す際、かなり早めに障害物を検出して、掘削機４
６に十分な応答時間を与えることができるように、セン
サの走査速度と掘削機４６の旋回運動の調整がとられ
る。

【００１３】制御システムは、左右のセンサ４２、４３
を個別に操作して、効率を向上させる。例えば、掘削機
４６がダンプ・トラック４８に向かって旋回する際、右
のセンサ４３は逆行し（すなわち、逆方向にパンし）、
掘削区域を走査して、次の掘削部分の計画を立てるため
のデータを提供する。同時に、左のセンサ４２は、ダン
プ・トラック４８のまわりの区域を走査する。走査セン
サ４２は制御システムに現在の情報を提供して、ダンプ
・トラック４８が最後の積載サイクル以後に移動したと
しても、制御システムがバケット５０の中身をあける正
確な場所を判定できるようにする。バケット５０の中身
をあけている間に、右のセンサ４３が、掘削面５２に向
かう回転に備えて、バケット５０に近い、バケット５０
の右側の区域を走査する。掘削機４６が右に回転する
際、右のセンサ４３は掘削面５２に向かって先にパン
し、障害物検出のための情報を提供する。掘削機４６が
荷降ろし後に掘削面５２に向かって回転を始めると、左
のセンサ４２が逆行し、ダンプ・トラック４８の荷台に
おける土砂の分布を検分し、次のバケットの材料をあけ
る荷台の場所を決定する。バケット５０が掘削面５２に
達すると、右側のセンサ４３が掘削区域を走査する。左
のセンサ４２がダンプ・トラック４８の走査を完了する
と、制御システムはセンサ４２に命じて、掘削区域の走
査も行う。掘削プロセスにおけるステップは、ダンプ・
トラックの荷台が一杯になるか、あるいは、掘削が完了
するまで、上記概略説明のように繰り返される。制御シ
ステムは、センサ・システムによって提供される情報を
利用して、例えば、ダンプ・トラックが一杯になるか、
掘削が完了するか、あるいは、障害物が検出されるとい
った場合に、作業を停止するか否かの判定を行う。この
情報は、装置の移動をナビゲートするためにも利用され
る。

【００１４】キャブの両側に左右のセンサ６２、６４が
取り付けられた、地面を掘削してダンプ・トラックにあ
けるホイール・ローダ６０のような大型土工機械に関す
る本発明のもう１つの適用例が、図６及び７に示されて
いる。それに代わるものとして、センサを土工機械の前
部と後部に配置してもよい。センサ６２、６４の役割
は、掘削機に関してほぼ同じであるが、重要な相違は、
作業時にセンサの前方走査平面と後方走査平面の両方か
らの情報を利用してホイール・ローダ６０をナビゲート
するという点にある。土砂をバケット６６でかき集める
とき、左右のセンサ６２、６４とも、バケット６６及び
隣接区域をモニタする。従って、障害物、並びに、バケ
ット６６の充填状況についてその区域のモニタが可能に
なる。バケット６６が一杯になると、ホール・ローダ
が、地面６８から後退するか、または、地面６８に向か
って進む際、後部センサによる走査を利用してホイール
・ローダの背後の区域をモニタする。ホイール・ローダ
６０が後退する際、ある物体によってホイール・ローダ
６０の経路が妨げられる場合には、移動を停止すること
ができるように、各センサがホイール経路の左右の情報
を提供する。ホイール・ローダ６０は、逆方向への旋回
点に達すると、図７に示すようにバケット６６が最大限
の高さまで持ち上げられる間、停止する。この期間、右
のスキャナ６４の走査平面によって、次の掘削の計画に
利用される地面６８のレンジ・マップが得られる。バケ
ット６６が完全に持ち上げられると、ホイール・ローダ
６０がダンプ・トラック７０に向かうか、または、そこ
から離れる際、左右のセンサ６２、６３は、前方ホイー
ル経路の両側を走査する。ホイール・ローダ６０がトラ
ック７０に接近すると、両センサ６２、６４からの情報
を利用してホイール・ローダ６０とダンプ・トラック７
０との間隔がモニタされる。バケット６６の中身があけ
られると、ホイール・ローダ６０が旋回点まで後退する
際、両センサ６２、６４を利用してホイール・ローダ６
０の背後が走査される。ホイール・ローダ６０が地面６
８に接近する際、センサ６２、６４は再度ホイール・ロ
ーダ６０の前方区域を走査する。

【００１５】ダンプ・トラック７０が到着すると、左の
センサ６２は、トラック７０の走査に利用され、その位
置及び配向を確認するための情報を提供する。右のセン
サ６４によって掘削過程を十分にモニタすることができ
るので、ホイール・ローダ６０の掘削中にトラック７０
を走査することが可能である。トラック７０への各接近
毎に、両センサ６２、６４を利用して、バケット６６と
トラック７０の間隔を計算することが可能である。

【００１６】掘削及び積載作業に対する本発明の適用例
が、２センサ構成の有用性を明らかにしている。特定の
作業及び必要な視界に基づいて、互いに相補するように
２つ以上のセンサを協働させる方法が、他にも数多く存
在する。土工環境における機械に対して可能性のある適
用例には、（１）作業現場のあちこちを、あるいは、そ
の全体にわたって移動することができ、かつ、（２）バ
ケット、ショベル、ブレード、リッパ、突き固めホイー
ル等のような土工機械のツールまたは作動部分によって
作業現場の地形または地勢を変えることができるところ
を示す、掘削機、ホイール・ローダ、トラック・タイプ
のトラクタ、突き固め機、モータ・グレーダ、農業機
械、ペーバ、アスファルト舗装機等が含まれる。自律シ
ステムの場合、走査スクリプトによって、作業サイクル
における装置の進行の関数として、各センサ・システム
毎に走査パターン及び走査速度をガイドすることが可能
である。

【００１７】本発明の他の態様、目的及び利点について
は、図面、説明及び付属の請求項を検討することによっ
て得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】複数の走査センサから入力を受信し、土工機械
のアクチュエータに対する出力を発生する制御システム
のブロック図である。

【図２】本発明による土工装置における典型的な２走査
センサ構成の正面図である。

【図３】本発明に用いられるあるタイプの走査センサの
コンポーネントの正面図である。

【図４】掘削現場における本発明の適用例の平面図であ
る。

【図５】掘削現場における本発明の別の適用例の側面図
である。

【図６】ホイール・ローダに対する本発明の別の適用例
の平面図である。

【図７】ホイール・ローダに対する本発明の別の適用例
の側面図である。

【符号の説明】

１０ 第１の走査センサ・システム １２ 第２の走査センサ・システム １４ 制御システム １６ アクチュエータ ２０ センサ・システム ２２ センサ・システム ３０ センサ・システム ３２ キャブ ３３ 円形リフレクタ ３４ 距離測定ビーム ３５ 走査モータ ３６ 走査軸 ３８ 対象 ３９ 受信器 ４０ モータ ４１ 垂直軸 ４２ センサ ４３ センサ ４４ ブーム ４６ 掘削機 ４８ ダンプ・トラック ５０ バケット ５２ 掘削面 ６０ ホイール・ローダ ６２ センサ ６４ センサ ６６ バケット ６８ 地面 ７０ ダンプ・トラック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン ベアーズ アメリカ合衆国 15090 ペンシルバニア ウェックスフォード ハイビュー ロー ド 390 (72)発明者 スコット ベームケ アメリカ合衆国 15217 ペンシルバニア ピッツバーク モニター ストリート 6342 (72)発明者 クリス レガー アメリカ合衆国 15203 ペンシルバニア ピッツバーク アパートメント ３ サ ウス エイティーンス ストリート 147

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 土工機械の第１の位置に取り付けられた
   第１の走査センサ・システムと、土工機械の第２の位置
   に取り付けられた第２の走査センサ・システムを含み、
   個別に制御可能な視界と走査パターンとを備え、走査セ
   ンサ・システムの少なくとも一方は回転して、土工機械
   の周囲のほぼ水平な平面内において０度を超える視界を
   走査する働きをし、走査センサ・システムはさらに、回
   転して土工機械の周囲のほぼ垂直な平面内において０度
   を超える視界を走査する働きをし、第１と第２の走査セ
   ンサ・システムは土工作業のそれぞれの第１と第２の部
   分を計画しかつ実行するための第１と第２の組をなすレ
   ンジ・データを提供する働きをすることを特徴とする土
   工機械のための走査センサ設備。
2. 【請求項２】 さらに第１と第２の走査センサ・システ
   ムの少なくとも一方から出力されるレンジ・データ内に
   おいて対象を識別する働きをする処理手段を含むことを
   特徴とする請求項１記載のセンサ設備。
3. 【請求項３】 さらに第１と第２の走査センサ・システ
   ムの少なくとも一方について、視界及び走査パターンを
   制御するコマンドを発生する働きをする処理手段を含む
   ことを特徴とする請求項２記載のセンサ設備。
4. 【請求項４】 複数の走査センサを有し、各走査センサ
   は土工機械の異なる位置に取り付けられ、走査センサの
   少なくとも１つは回転して、土工機械の周囲のほぼ水平
   な平面内において、０度を超える視界を走査する働きを
   し、走査センサ・システムはさらに、回転して土工機械
   の周囲のほぼ垂直な平面内において０度を超える視界を
   走査する働きをし、走査センサは土工機械に配置されて
   おり、個別に調整可能な視界と走査パターンを備え、少
   なくとも１つの土工作業を計画しかつ実行するための土
   工環境のさまざまな領域に関するレンジ・データを提供
   することを特徴とする土工機械のための走査センサ設
   備。
5. 【請求項５】 さらに走査センサ・システムの少なくと
   も１つから出力されるイメージ・データ内において対象
   を識別する働きをする処理手段を含むことを特徴とする
   請求項４記載のセンサ設備。
6. 【請求項６】 さらに走査センサ・システムの少なくと
   も１つについて、視界及び走査パターンを制御するため
   のコマンドを発生する働きをする処理手段を含むことを
   特徴とする請求項５記載のセンサ設備。
7. 【請求項７】 土工機械上の間隔をあけた位置に取り付
   けられた複数の走査センサ・システムを備え、走査セン
   サ・システムの少なくとも１つは回転して土工機械の周
   囲のほぼ水平な平面内において０度を超える視界を走査
   し、それに基づくイメージ・データを出力する働きを
   し、走査センサ・システムの少なくとも１つは、個別に
   調整可能な視界と走査パターンを備え、走査センサ・シ
   ステムの少なくとも１つは、他の走査センサ・システム
   の少なくとも１つの走査から、障害物によって遮断され
   た領域に関するレンジ・データを得る位置に配置され、
   出力レンジ・データ内において対象を識別し、走査セン
   サ・システムの少なくとも１つについて視界及び走査パ
   ターンを制御するコマンドを発生して、少なくとも１つ
   の土工作業を計画し実行するための情報を提供する働き
   をする処理手段とを含むことを特徴とする土工機械のた
   めの走査センサ設備。
8. 【請求項８】 走査センサ・システムの少なくとも１つ
   は走査レーダ・センサを含むことを特徴とする請求項７
   記載のセンサ設備。
9. 【請求項９】 走査センサ・システムの少なくとも１つ
   は走査レーザ・センサを含むことを特徴とする請求項７
   記載のセンサ設備。
10. 【請求項１０】 走査センサ・システムの少なくとも１
    つはあるタイプのセンサを含み、他の走査センサ・シス
    テムの少なくとも１つは別のタイプのセンサを含むこと
    を特徴とする請求項７記載のセンサ設備。
11. 【請求項１１】 土工機械の周囲の水平な平面内におい
    て０度を超える視界を走査することによってそれに基づ
    くレンジ・データを出力する働きをし、それぞれ個別に
    制御可能な視界及び走査パターンを備えた複数の走査セ
    ンサ・システムを土工機械に取り付け、走査センサ・シ
    ステムの少なくとも１つを、他の走査センサ・システム
    の少なくとも１つの走査から、障害物によって遮断され
    た領域に関するレンジ・データを得る位置に配置し、出
    力レンジ・データ内において対象を識別し、少なくとも
    １つの土工作業を計画しかつ実行すべくレンジ・データ
    を処理することを特徴とする土工機械のためのイメージ
    ・センサの構成方法。
12. 【請求項１２】 さらに、走査センサ・システムの少な
    くとも１つについて視界及び走査パターンを制御するた
    めのコマンドを発生するデータ処理のステップを含むこ
    とを特徴とする請求項１１記載の方法。