KR102507573B1

KR102507573B1 - 작업 기계

Info

Publication number: KR102507573B1
Application number: KR1020217028416A
Authority: KR
Inventors: 준영 노; 히로시 사카모토; 요헤이 도리야마; 나오키 하야카와
Original assignee: 히다치 겡키 가부시키 가이샤
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2023-03-09
Also published as: CN113508209A; KR20210125516A; EP3919692A1; CN113508209B; US20220170243A1; WO2021060195A1; EP3919692B1; JP2021050542A; JP7165638B2; EP3919692A4

Abstract

작업 기계(1)는 설계 데이터 취득 장치(29), 지형 계측 장치(30) 및 제어 장치(21)를 구비한다. 제어 장치(21)는, 시공 현장 좌표계의 설계 데이터로부터 주변 영역 형상 데이터를 추출하고, 추출한 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 좌표계의 현황 지형 데이터와의 사이의 유사 형상 부분을 대응짓고, 대응지은 유사 형상 부분의 좌표값의 차가 최소가 되도록 현황 지형 좌표계로부터 시공 현장 좌표계로의 변환을 행하는 좌표 변환 행렬을 연산하고, 연산한 좌표 변환 행렬을 이용하여 작업 기계(1)의 자기 위치 및 자세와 현황 지형 데이터를 현황 지형 좌표계의 좌표로부터 시공 현장 좌표계의 좌표로 변환한다.

Description

작업 기계

본 발명은 작업 기계에 관한 것으로서, 특히 정보화 시공에 있어서 시공 현장의 현황 지형 계측, 자기 위치 및 자세의 추정을 행하는 작업 기계에 관한 것이다.

본원은, 2019년 9월 25일에 출원된 일본 특원2019-174615호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

건설 시공 현장에서는, 소자화(少子化)에 의한 인재 부족 문제의 해결이나 생산 효율 향상 등을 목적으로 하여, 정보 통신 기술을 활용한 정보화 시공이 보급되어 있다. 정보화 시공 기간에 있어서, 시공 현장의 3차원 완성형을 관리함으로써 시공의 진척이나 품질 등을 관리하는 경우가 있다. 3차원 완성형을 관리하기 위해서는, 3차원 완성형의 계측이 필요하고, UAV(Unmanned Aerial Vehicle)나 TS(Total Station) 등을 이용한 3차원 완성형의 계측 기술도 진행되고 있다. 또한, 보다 빈번하게 시공 현장에 있어서의 3차원 형상을 계측하기 위하여, 작업 기계로부터 주위의 3차원 완성형을 계측하는 기술도 진행되고 있다.

특허문헌 1에는, 작업 기계의 선회체에 스테레오 카메라를 장착하여, 선회하면서 간헐적으로 촬상을 행하고, 촬상한 화상으로부터 각 촬상에 있어서의 선회체의 선회 각도를 추정하고, 추정한 선회 각도에 기초하여 주위의 3차원 형상을 합성함으로써, 작업 기계의 주위의 3차원 형상을 계측하는 작업 기계가 기재되어 있다.

국제공개 제2018/079789호

상술한 바와 같이 3차원 완성형을 관리하기 위해서는, 시공 현장 좌표계에 있어서의 3차원 완성형이 필요하다. 따라서, 특허문헌 1의 작업 기계에서는, GNSS(Global Navigation Satellite System)와 같은 위성 측위에 기초한 GNSS 안테나를 이용하여 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계의 좌표값을 계측하고, 작업 기계가 계측한 주위의 3차원 형상을 시공 현장 좌표계에 있어서의 3차원 형상으로 변환한다.

그러나, GNSS 안테나를 이용하는 경우, 위도, 경도, 타원체 높이로 이루어지는 지리 좌표계 좌표값과, 지리 좌표계 좌표값을 시공 현장 좌표계 좌표값으로 변환하는 좌표 변환 파라미터가 필요하다. 좌표 변환 파라미터를 구하기 위해서는, 시공 현장에 설정되어 있는 복수의 시공 현장 좌표계 좌표값이 기지(旣知)인 기지점의 지리 좌표계 좌표값을 계측하는, 로컬라이제이션(위치 측정)이라는 작업이 필요하다. 이 때문에, 작업자가 시공 현장으로 가, 마커를 설치하여 마커의 지리 좌표계 좌표값을 TS나 GNSS를 이용하여 계측할 필요가 있어, 작업 공수가 발생되어 버린다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여, 로컬라이제이션에 필요한 공수를 삭감하고, 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계의 자기 위치 및 자세, 주위의 지형 형상을 계측할 수 있는 작업 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관련된 작업 기계는, 주행 가능한 주행체와, 상기 주행체에 선회 자유롭게 장착된 선회체와, 상기 선회체에 회동(回動) 자유롭게 장착된 작업 프론트와, 시공 완료 후의 지형 데이터를 갖는 설계 데이터를 3차원의 데이터로서 취득하는 설계 데이터 취득 장치와, 주위의 지형 데이터를 3차원의 데이터로서 계측하는 지형 계측 장치와, 상기 설계 데이터 취득 장치에 의해 취득한 지형 데이터를 미리 정해진 제 1 좌표계의 설계 데이터로서 처리하는 설계 데이터 처리부와, 상기 지형 계측 장치에 의해 계측한 지형 데이터를 상기 지형 계측 장치의 설치 위치에 기초하여 정해진 제 2 좌표계의 현황 지형 데이터로서 생성하는 현황 지형 데이터 생성부와, 상기 현황 지형 데이터 생성부에 의해 생성한 상기 현황 지형 데이터에 기초하여 상기 제 2 좌표계에 있어서의 자기 위치 및 자세를 추정하는 위치 자세 추정부를 갖는 제어 장치를 구비하는 작업 기계에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 제 1 좌표계의 설계 데이터로부터 주변 영역 형상 데이터를 추출하고, 추출한 상기 주변 영역 형상 데이터와 상기 현황 지형 데이터와의 사이의 유사 형상 부분을 대응짓고, 대응지은 상기 유사 형상 부분의 좌표값의 차가 최소가 되도록 상기 제 2 좌표계로부터 상기 제 1 좌표계로의 변환을 행하는 좌표 변환 행렬을 연산하고, 연산한 상기 좌표 변환 행렬을 이용하여 상기 작업 기계의 자기 위치 및 자세와 상기 현황 지형 데이터를 상기 제 2 좌표계의 좌표로부터 상기 제 1 좌표계의 좌표로 변환하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의하면, 로컬라이제이션에 필요한 공수를 삭감하고, 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계의 자기 위치 및 자세, 주위의 지형 형상을 계측할 수 있다.

도 1은 제 1 실시 형태에 관련된 작업 기계가 적용되는 작업 현장을 나타내는 개략도이다.
도 2는 제 1 실시 형태에 관련된 작업 기계의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 3은 작업 기계의 구성을 나타내는 유압회로도이다.
도 4는 작업 기계의 제어 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5는 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 6은 설계 데이터의 형상의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 7은 기공 측량의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 8은 설계 데이터의 작성례를 나타내는 개략도이다.
도 9는 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 10은 주변 영역의 추출례를 나타내는 개략도이다.
도 11은 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 12는 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 13은 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 14는 키포인트의 추출례를 나타내는 측면도이다.
도 15는 유사 형상 부분을 대응짓는 예를 나타내는 개략도이다.
도 16은 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 17은 좌표 변환 행렬을 구하는 예를 설명하는 개략도이다.
도 18은 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 19는 좌표 변환의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 20은 제 2 실시 형태에 관련된 작업 기계의 제어 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 21은 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 22는 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 23은 시공 완료 후의 시공 영역의 추출례를 나타내는 개략도이다.
도 24는 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 25는 제 3 실시 형태에 관련된 작업 기계의 제어 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 26은 제어 장치의 처리를 나타내는 플로우차트이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관련된 작업 기계의 실시 형태에 대하여 설명한다. 이하의 설명에서는 상하, 좌우, 전후의 방향 및 위치는, 작업 기계의 통상의 사용 상태, 즉 작업 기계의 주행체가 지면에 접지하는 상태를 기준으로 한다.

[제 1 실시 형태]

먼저, 도 1을 참조하여 제 1 실시 형태에 관련된 작업 기계가 적용되는 작업 현장을 설명한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 작업 현장은, 시공 대상(2)에 대하여 정보화 시공을 행하는 작업 기계(1)와, 시공 대상(2)의 상공을 비행하면서 시공 대상(2)의 형상을 계측하여 기공 측량을 행하는 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)(6)에 의해서 구성되어 있다.

시공 대상(2)에는 시공 경계(3)가 마련되어 있다. 작업 기계(1)는, 시공 경계(3)로 둘러싸인 시공 영역(4) 중에서 시공 대상(2)이 미리 정해진 설계 데이터의 형상이 되도록, 시공 대상(2)에 대하여 굴삭 작업, 성토(盛土) 작업, 법면 정형 작업 등의 시공 작업을 행한다. 또, 시공 영역(4)에 대하여, 주변 영역(5)이 존재한다. 주변 영역(5)에는 건축물(5a, 5b), 자연물(5c, 5d, 5e), 지형(5f, 5g) 등이 포함되어 있다. 시공 경계(3)의 외측의 주변 영역(5)에 대하여, 작업 기계(1)는 시공을 행하지 않으므로, 주변 영역(5)은 작업 기계(1)의 시공 작업에 의해서 그 형상이 변화되는 경우는 없다.

정보화 시공에 있어서, 시공 완료 후의 시공 대상(2)의 형상 데이터를 갖는 설계 데이터를 작업 기계(1)의 제어 장치(21)(후술함)에 입력하고, 설계 데이터에 기초하여 설정된 목표 시공면을 따라서 작업 기계(1)의 버킷 선단(先端)이 이동하도록 제어를 행하는 머신 컨트롤 기능이나, 작업 기계(1)에 장착된 지형 계측 장치(30)(후술함)를 이용하여 시공 영역(4)의 현황 지형을 계측하고, 시공 영역(4)의 완성형을 관리하는 완성형 관리 기능 등이 활용되고 있다.

도 2는 제 1 실시 형태에 관련된 작업 기계의 구성을 나타내는 측면도이다. 본 실시 형태에 관련된 작업 기계(1)는, 예를 들면 유압 셔블이며, 주행 가능한 주행체(10)와, 주행체(10)에 대하여 좌우 방향으로 선회 자유롭게 장착된 선회체(11)와, 선회체(11)에 대하여 상하 방향으로 회동 자유롭게 장착된 작업 프론트(12)를 구비하고 있다.

주행체(10)는, 작업 기계(1)의 하부에 배치되어 있고, 예를 들면 트럭 프레임(42), 프론트 아이들러(43), 스프로킷(44) 및 크롤러(45)를 갖도록 구성되어 있다. 프론트 아이들러(43) 및 스프로킷(44)은, 각각 트럭 프레임(42)에 배치되어 있고, 크롤러(45)는 그들 부재를 개재하여 트럭 프레임(42)을 주회(周回)할 수 있도록 배치되어 있다.

선회체(11)는 주행체(10)의 상방(上方)에 배치되어 있다. 이 선회체(11)는, 선회하기 위한 선회 모터(19)와, 오퍼레이터가 올라타서 작업 기계(1)를 조작하는 조작실(20)과, 작업 기계(1)의 동작을 제어하는 제어 장치(21)와, 조작실(20) 내에 마련된 조작 레버(22a, 22b)와, 조작실(20)의 내부에 마련되어 작업 기계(1)의 차체 정보 등을 표시하는 표시 장치(26)와, 조작실(20) 내에 마련되어 설계 데이터를 3차원의 데이터로서 취득하는 설계 데이터 취득 장치(29)를 구비하고 있다.

또, 선회체(11)에는, 선회체(11) 주위의 각(角)속도를 취득하는 선회 자이로스코프(27)와, 선회체(11)의 전후 좌우 방향의 경사 각도를 취득하는 경사 센서(28)가 각각 장착되어 있다. 또한, 선회체(11)에는, 선회체(11)가 선회하면서 작업 기계(1)의 주위의 지형 형상을 3차원의 지형 데이터로서 계측하는 지형 계측 장치(30)가 장착되어 있다.

지형 계측 장치(30)는, 예를 들면 좌우 한 쌍의 카메라(카메라(30a, 30b))에 의해 구성된 스테레오 카메라이며, 작업 기계(1)의 후방 방향으로 장착되어 있다. 이 지형 계측 장치(30)는, 스테레오 카메라 제어 장치(31)와 전기적으로 접속되어 있고, 촬상한 스테레오 화상을 스테레오 카메라 제어 장치(31)에 송신한다. 또한, 지형 계측 장치(30)의 설치 방향은 후방으로 한정되지 않는다. 또, 지형 계측 장치(30)의 대수는 1대여도 되고 복수대여도 된다. 또한, 지형 계측 장치(30)로서는, 스테레오 카메라 외에, 3차원 거리 측정 센서 등을 사용해도 된다.

스테레오 카메라 제어 장치(31)는, 카메라(30a)와 카메라(30b)의 촬상을 동기하기 위한 동기 신호를 카메라(30a)와 카메라(30b)에 보내고, 카메라(30a)와 카메라(30b)로부터의 2매의 화상으로부터 거리 정보로 변환하는 연산을 행하고, 연산한 거리 정보를 제어 장치(21)에 송신한다.

작업 프론트(12)는, 선회체(11)에 회동 자유롭게 마련된 붐(13)과, 붐(13)의 선단에 회동 자유롭게 마련된 암(14)과, 암(14)의 선단에 회동 자유롭게 마련된 버킷(15)과, 붐(13)을 구동하는 붐 실린더(16)와, 암(14)을 구동하는 암 실린더(17)와, 버킷(15)을 구동하는 버킷 실린더(18)를 구비하고 있다. 붐(13), 암(14), 버킷(15)의 회동축에는, 각각 붐 각도 센서(23), 암 각도 센서(24), 버킷 각도 센서(25)가 장착되어 있다. 이들 각도 센서는, 붐(13), 암(14), 버킷(15)의 회동 각도를 각각 취득하고, 취득한 결과를 제어 장치(21)에 출력한다.

도 3은 작업 기계의 구성을 나타내는 유압회로도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 작동유 탱크(41) 내의 압유는, 메인 펌프(39)에 의해서 토출되고, 또한 컨트롤 밸브(35∼38)를 통하여 붐 실린더(16), 암 실린더(17), 버킷 실린더(18), 선회 모터(19)에 각각 공급된다. 이에 의해서, 붐 실린더(16), 암 실린더(17), 버킷 실린더(18), 선회 모터(19)는 각각 구동된다. 컨트롤 밸브(35∼38)는, 예를 들면 전자 밸브로 이루어지고, 제어 장치(21)에 의해서 각각 제어되어 있다.

또한, 메인 펌프(39)에 의해서 토출되는 압유는, 압력이 과대해지지 않도록 릴리프 밸브(40)를 통하여 조정되고 있다. 또, 각 실린더, 선회 모터 및 릴리프 밸브(40)를 거친 압유는, 다시 작동유 탱크(41)로 되돌아가게 되어 있다.

조작 레버(22a, 22b)로부터 출력된 전기 신호는, 제어 장치(21)에 의해 수신한 후, 적절한 전기 신호로 변환되어 컨트롤 밸브(35∼38)를 구동하도록 되어 있다. 또, 컨트롤 밸브(35∼38)의 개폐량은, 조작 레버(22a, 22b)의 조작량에 따라서 변화하도록 구성되어 있다. 이에 의해서, 붐 실린더(16), 암 실린더(17), 버킷 실린더(18), 선회 모터(19)로의 압유의 공급량이 각각 조정된다.

제어 장치(21)는, 예를 들면 붐 각도 센서(23), 암 각도 센서(24), 버킷 각도 센서(25), 선회 자이로스코프(27), 경사 센서(28), 설계 데이터 취득 장치(29), 스테레오 카메라 제어 장치(31)로부터의 신호를 수신하고, 수신한 신호를 기초로 작업 기계(1)의 위치 좌표, 작업 기계(1)의 자세 및 작업 기계(1)의 주위 지형을 연산하고, 연산한 결과를 표시 장치(26)에 표시시키도록 구성되어 있다.

도 4는 작업 기계의 제어 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 작업 기계(1)의 제어 시스템은, 제어 장치(21)와, 제어 장치(21)와 전기적으로 접속된 스테레오 카메라 제어 장치(31), 설계 데이터 취득 장치(29) 및 표시 장치(26) 등에 의해서 구성되어 있다. 설계 데이터 취득 장치(29)는, 예를 들면 외부 기억 매체(32)와 접속 가능한 USB(Universal Serial Bus) 포트이다.

제어 장치(21)는 입출력부(50)와 처리부(51)와 기억부(52)를 갖는다. 입출력부(50)는, 제어 장치(21)와 스테레오 카메라 제어 장치(31), 설계 데이터 취득 장치(29), 표시 장치(26) 등의 장치를 접속하기 위한 인터페이스이다. 처리부(51)는, CPU(Central Processing Unit)와 GPU(Graphics Processing Unit)를 조합하여 이루어지는 마이크로 컴퓨터에 의해서 구성되어 있다. 이 처리부(51)는, 추가로, 설계 데이터 처리부(51a), 주변 영역 추출부(51b), 현황 지형 데이터 생성부(51c), 위치 자세 추정부(51d), 유사 형상 대응짓기부(51e), 좌표 변환 행렬 연산부(51f), 및 위치 좌표 변환부(51g)를 갖는다.

설계 데이터 처리부(51a)는, 입출력부(50)를 통하여 설계 데이터 취득 장치(29)에 접속된 외부 기억 매체(32)로부터의 설계 데이터를, 설계 데이터 좌표계(제 1 좌표계)의 데이터로서 판독하고, 판독한 설계 데이터를 기억부(52)에 기록하도록 구성되어 있다. 주변 영역 추출부(51b)는, 기억부(52)에 기억되는 설계 데이터를 판독하고, 판독한 설계 데이터 중 시공을 행하지 않는 주변 영역의 형상 데이터인 주변 영역 형상 데이터를 추출하고, 추출한 주변 영역 형상 데이터를 기억부(52)에 기록하도록 구성되어 있다.

현황 지형 데이터 생성부(51c)는, 지형 계측 장치(30)에 의해 계측하여 스테레오 카메라 제어 장치(31)로부터 입력된 지형 데이터를 기초로 당해 지형 계측 장치(30)의 설치 위치(즉, 작업 기계(1)의 설치 위치)에 기초하여 정해진 현황 지형 좌표계(제 2 좌표계)의 현황 지형 데이터를 생성하고, 생성한 현황 지형 데이터를 기억부(52)에 기록하도록 구성되어 있다. 또한, 여기에서의 현황 지형 데이터는 작업 기계(1)의 주위의 지형 형상에 관한 것이다.

위치 자세 추정부(51d)는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)가 생성한 현황 지형 데이터에 기초하여 현황 지형 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 자기 위치 및 자세(이하, 「작업 기계의 자기 위치 및 자세」를 간단하게 「자기 위치 및 자세」라고 하는 경우가 있음)를 추정하고, 추정한 작업 기계(1)의 자기 위치 및 자세의 좌표를 기억부(52)에 기록하도록 구성되어 있다.

유사 형상 대응짓기부(51e)는, 주변 영역 추출부(51b)에 의해 추출한 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 데이터 생성부(51c)에 의해 생성한 현황 지형 데이터와의 사이의 유사 형상 부분을 탐색하고, 탐색한 유사 형상 부분을 대응짓도록 구성되어 있다. 좌표 변환 행렬 연산부(51f)는, 유사 형상 대응짓기부(51e)로부터 대응지어진 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 데이터의 유사 형상 부분을 이용하여, 대응지어진 유사 형상 부분의 좌표값의 차가 최소가 되도록 현황 지형 좌표계로부터 설계 데이터 좌표계로의 변환을 행하는 좌표 변환 행렬을 연산하고, 연산한 좌표 변환 행렬을 기억부(52)에 기록하도록 구성되어 있다.

위치 좌표 변환부(51g)는, 좌표 변환 행렬 연산부(51f)에 의해 연산한 좌표 변환 행렬을 이용하여, 위치 자세 추정부(51d)에 의해 추정한 자기 위치 및 자세와 현황 지형 데이터를 현황 지형 좌표계의 좌표로부터 설계 데이터 좌표계의 좌표로 변환하도록 구성되어 있다.

한편, 기억부(52)는, RAM(Random Access Memory) 등의 메모리와 하드 디스크 드라이브나 솔리드 스테이트 드라이브 등의 스토리지에 의해서 구성되어 있다. 이 기억부(52)는, 처리부(51)와 전기적으로 접속되어 있고, 처리부(51)에 의한 각 기록 작업 및 판독 작업에 대응할 수 있도록 구성되어 있다. 예를 들면, 기억부(52)는, 처리부(51)의 각 처리를 행하기 위한 소프트웨어의 소스 코드를 기억하고 있다.

다음으로, 도 5∼도 22를 참조하여 제어 장치(21)의 제어 처리를 설명한다. 제어 장치(21)의 제어 처리는, 예를 들면 일정한 주기마다 실행되고 있다.

도 5는 처리부(51)의 설계 데이터 처리부(51a)의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 단계 S100에서는, 설계 데이터 처리부(51a)는, 입출력부(50)를 통하여, 설계 데이터 취득 장치(29)에 접속된 외부 기억 매체(32)로부터 설계 데이터를 판독한다.

여기에서, 설계 데이터의 일례에 대하여 도 6∼도 8을 이용하여 설명한다. 설계 데이터는 시공 완료 후의 시공 대상(2)의 데이터이다. 설계 데이터에는, 지형 데이터, 시공 현장 좌표계의 기준점(60) 및 시공 경계(3)의 정보가 포함되어 있고, 설계 데이터의 형상이 시공 영역(4)과 주변 영역(5)의 어느 것에 해당하는지의 정보도 포함되어 있다. 여기에서는, 설계 데이터 좌표계를 이용하여 시공을 행하기 때문에, 시공 현장 좌표계가 설계 데이터 좌표계와 동일해지고, 따라서, 설계 데이터는 시공 현장 좌표계의 설계 데이터가 된다. 또한, 이하의 설명에 있어서 설계 데이터 좌표계를 시공 현장 좌표계라고 부르는 경우가 있다.

설계 데이터는, 기공 측량에 의해 계측한 시공 전의 지형 데이터와 시공의 도면 데이터를 이용하여 생성된다. 도 7은 기공 측량의 일례를 나타내는 개략도이다. 기공 측량에서는, UAV(6)를 이용하여 시공 전의 시공 대상(2)의 지형 형상을 계측한다. UAV(6)에는, UAV(6)로부터 내려다보아 시공 대상(2)의 지형 형상을 계측할 수 있도록, 레이저 스캐너나 카메라 등의 계측 장치가 하향으로 장착되어 있다.

도 8은 설계 데이터의 작성례를 나타내는 개략도이며, 도 8의 상단(上段)은 시공 대상(2)의 시공 전의 지형 데이터를 나타낸다. 시공 전의 지형 데이터에는, 시공 전의 지형 데이터의 좌표계의 기준점(62)이 포함되어 있다. 도 8의 중단(中段)은 CAD 등에 의해 작성된 시공 도면의 데이터를 나타낸다. 시공 도면에는, 기준점(61)과 시공 경계(3)의 정보가 포함되어 있다. 도 8의 하단(下段)은 설계 데이터를 나타낸다. 설계 데이터는, 시공 완료 후의 시공 대상(2)의 형상에 관한 데이터이며, 시공 전의 지형 데이터에 도면 데이터를 겹쳐 맞춤으로써 작성된다. 작성한 설계 데이터 좌표계의 기준점(60)은, 시공 도면의 좌표계의 기준점(61)을 이용한다. 그리고, 설계자나 시공 관리자 등에 의해서 작성된 설계 데이터는, 외부 기억 매체(32)에 보존되고, 설계 데이터 취득 장치(29)를 경유하여 제어 장치(21)에 수집되고 있다.

단계 S100에 이어지는 단계 S101에서는, 설계 데이터 처리부(51a)는, 판독한 설계 데이터를 기억부(52)에 기록한다.

도 9는 주변 영역 추출부(51b)의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 단계 S200에서는, 주변 영역 추출부(51b)는 기억부(52)로부터 설계 데이터를 판독한다. 단계 S200에 이어지는 단계 S201에서는, 주변 영역 추출부(51b)는, 판독한 설계 데이터로부터 주변 영역 형상 데이터를 추출한다. 주변 영역 형상 데이터는, 시공 영역(4)을 제외한 주변 영역(5)의 형상 데이터이며, 설계 데이터에 포함되어 있는 시공 경계(3), 시공 영역(4), 및 주변 영역(5)에 관한 정보를 이용하여 용이하게 추출할 수 있다. 설계 데이터로부터 추출한 주변 영역 형상 데이터의 예를 도 10에 나타낸다. 주변 영역 형상 데이터의 좌표계의 기준점(63)은, 설계 데이터 좌표계의 기준점(60)(도 6 참조)과 동일하다.

단계 S201에 이어지는 단계 S202에서는, 주변 영역 추출부(51b)는, 추출한 주변 영역 형상 데이터를 기억부(52)에 기록한다.

다음으로, 이동 로봇 분야 등에서 자주 이용되는 SLAM(Simultaneous Localization And Mapping) 기술을 이용하여, 현황 지형 데이터 생성부(51c)에 의한 현황 지형 데이터의 생성, 위치 자세 추정부(51d)에 의한 작업 기계(1)의 자기 위치 및 자세의 추정에 대하여, 도 11∼도 13을 참조하여 설명한다. 또한, 위치 자세 추정부(51d)에 의한 작업 기계(1)의 자기 위치 및 자세의 추정은, 현황 지형 데이터 생성부(51c)가 생성한 현황 지형 데이터와 동일한 좌표계(즉, 현황 지형 좌표계)를 이용한다.

도 11은 위치 자세 추정부(51d)가 자기 위치 및 자세를 추정하는 플로우차트이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 단계 S300에서는, 위치 자세 추정부(51d)는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)에 의해서 기록된 현황 지형 데이터가 기억부(52)에 존재하는지를 판정한다. 기억부(52)에 현황 지형 데이터가 존재한다고 판정된 경우, 제어 처리는 단계 S301로 진행된다. 한편, 존재하지 않는다고 판정된 경우, 제어 처리는 단계 S305로 진행된다.

단계 S301에서는, 위치 자세 추정부(51d)는, 기억부(52)로부터 현황 지형 데이터를 판독한다. 단계 S301에 이어지는 단계 S302에서는, 위치 자세 추정부(51d)는, 당해 위치 자세 추정부(51d)의 처리의 1사이클 전의 자기 위치 및 자세의 데이터를 기억부(52)로부터 판독한다.

단계 S302에 이어지는 단계 S303에서는, 위치 자세 추정부(51d)는 스테레오 카메라 제어 장치(31)로부터 지형 정보를 취득한다. 예를 들면, 위치 자세 추정부(51d)는, 스테레오 카메라 제어 장치(31)로부터 지형 계측 장치(30)의 계측 범위에 있어서의 지형 정보(즉, 지형 데이터)를 취득한다.

단계 S303에 이어지는 단계 S304에서는, 위치 자세 추정부(51d)는, 단계 S301에서 판독한 현황 지형 데이터에 기초하여, 당해 현황 지형 데이터 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 자기 위치 및 자세를 추정한다. 예를 들면, 위치 자세 추정부(51d)는, 단계 S301에서 판독한 현황 지형 데이터와 단계 S302에서 판독한 1사이클 전의 자기 위치 및 자세의 데이터를 이용하여, 단계 S303에서 취득한 지형 정보로부터 전(前) 사이클의 위치의 근방에서 형상 매칭 수법을 사용하여, 단계 S303에서 취득한 지형 정보가 얻어지도록 자기 위치 및 자세를 추정한다. 또, 위치 자세 추정부(51d)는, 지형 계측 장치(30)로부터 취득한 영상을 이용하여 옵티컬 플로우를 연산함으로써, 자기 위치 및 자세를 추정해도 된다.

단계 S304에 이어지는 단계 S306에서는, 위치 자세 추정부(51d)는, 단계 S304에서 추정한 현황 지형 좌표계에 있어서의 자기 위치 및 자세를 기억부(52)에 기록한다.

한편, 단계 S305에서는, 위치 자세 추정부(51d)는, 제어 처리를 행하고 있는 현 시점의 자기 위치 및 자세(즉, 현재 자기 위치 및 자세)를 현황 지형 좌표계의 기준점으로서 설정한다. 그리고, 설정한 기준점은, 현황 지형 데이터 생성부(51c)가 생성하는 현황 지형 데이터의 기준점이 된다. 단계 S305에 이어지는 단계 S306에서는, 위치 자세 추정부(51d)는, 단계 S305에서 설정한 현황 지형 좌표계에 있어서의 자기 위치 및 자세를 기억부(52)에 기록한다.

도 12는 현황 지형 데이터 생성부(51c)가 현황 지형 데이터를 생성하는 플로우차트이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 단계 S400에서는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)는 기억부(52)에 자기 위치 및 자세의 데이터가 존재하는지를 판정한다. 기억부(52)에 자기 위치 및 자세의 데이터가 존재한다고 판정된 경우, 제어 처리는 단계 S401로 진행된다. 한편, 존재하지 않는다고 판정된 경우, 단계 S400이 반복해서 행해진다.

단계 S400에 이어지는 단계 S401에서는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)는 기억부(52)로부터 자기 위치 및 자세의 데이터를 판독한다. 단계 S401에 이어지는 단계 S402에서는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)는, 기억부(52)에 현황 지형 데이터가 존재하는지를 판정한다. 기억부(52)에 현황 지형 데이터가 존재한다고 판정된 경우, 제어 처리는 단계 S403으로 진행된다. 한편, 존재하지 않는다고 판정된 경우, 제어 처리는 단계 S404로 진행된다.

단계 S402에 이어지는 단계 S403에서는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)는 기억부(52)로부터 현황 지형 데이터를 판독한다. 단계 S403에 이어지는 단계 S404에서는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)는, 스테레오 카메라 제어 장치(31)로부터 지형 계측 장치(30)의 계측 범위에 있어서의 지형 정보(즉, 지형 데이터)를 취득한다.

단계 S404에 이어지는 단계 S405에서는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)는 작업 기계(1)의 주위의 현황 지형 데이터를 생성한다. 구체적으로는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)는, 단계 S403에서 판독한 현황 지형 데이터와, 단계 S401에서 판독한 자기 위치 및 자세의 데이터와, 자기 위치 및 자세와 지형 계측 장치(30)의 위치 관계를 이용하여 현황 지형 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 지형 계측 장치(30)의 위치 및 자세를 연산하고, 또한 단계 S404에서 취득한 지형 데이터를 현황 지형 좌표계에 있어서의 지형 데이터로 변환하여, 현황 지형 데이터의 생성 및 갱신을 행한다. 또한, 현황 지형 데이터의 갱신은, 지형 계측 장치(30)에 의해 계측한 지형 데이터가 이전의 현황 지형 데이터와 중복된 경우에 행해진다.

단계 S405에 이어지는 단계 S406에서는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)는 단계 S405에서 생성한 현황 지형 데이터를 기억부(52)에 기록한다.

도 11에 나타내는 위치 자세 추정부의 처리와 도 12에 나타내는 현황 지형 데이터 생성부의 처리는, 병렬 관계를 갖는다. 즉, 위치 자세 추정부(51d)의 처리에서는, 현황 지형 데이터 생성부(51c)의 생성 결과가 이용되고, 현황 지형 데이터 생성부(51c)의 처리에서는, 위치 자세 추정부(51d)의 추정 결과도 이용된다.

이하, 유사 형상 대응짓기부(51e)가 주변 영역 추출부(51b)에 의해서 추출된 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 데이터 생성부(51c)에 의해서 생성된 현황 지형 데이터와의 사이의 유사 형상 부분을 탐색하고, 유사 형상 부분을 대응짓는 것에 대하여, 도 13∼도 15를 참조하여 설명한다.

도 13은 유사 형상 대응짓기부(51e)의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 단계 S500에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는 기억부(52)로부터 현황 지형 데이터 생성부(51c)가 생성한 현황 지형 데이터를 판독한다. 단계 S500에 이어지는 단계 S501에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는, 단계 S500에서 판독한 현황 지형 데이터로부터 현황 지형 데이터의 키포인트를 추출한다. 키포인트는, 예를 들면 지형 중에서 경사가 갑자기 변화하는 점이나 정점 등 특징이 있는 점을 말한다. 예를 들면, 도 14에서 나타내는 바와 같이, 선회체(11)에 장착된 지형 계측 장치(30)에 의해서 계측된 지형 데이터(65) 중에서, 지형의 경사가 변경하는 점(65a)과 점(65b)이 키포인트가 된다. 키포인트는, 지형이 점군(點群) 정보이면 Uniform Sampling 등의 알고리즘을 이용함으로써 추출하는 것도 가능하다.

단계 S501에 이어지는 단계 S502에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는, 주변 영역 추출부(51b)에 의해서 추출된 주변 영역 형상 데이터를 기억부(52)로부터 판독한다. 단계 S502에 이어지는 단계 S503에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는, 단계 S502에서 판독한 주변 영역 형상 데이터의 키포인트를 추출한다.

단계 S503에 이어지는 단계 S504에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는, 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 데이터와의 사이의 유사 형상 부분을 대응짓는다. 보다 구체적으로는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는, 단계 S501에서 추출한 현황 지형 데이터의 키포인트와 단계 S503에서 추출한 주변 영역 형상 데이터의 키포인트를 비교하여, 매칭에 의해 형상이 유사한 부분(즉, 유사 형상 부분)을 순차 탐색하고, 유사 형상 부분을 대응짓는다.

도 15는 유사 형상 부분을 대응짓는 처리의 일례를 나타낸다. 도 15의 상단은 주위 지형의 형상 데이터와 그 키포인트이며, 도 15의 하단은 현황 지형 데이터와 그 키포인트이다. 도 15의 상단 및 하단의 각각의 키포인트끼리의 위치 관계를 이용함으로써, 유사 형상 부분을 대응짓는 것이 가능하다. 예를 들면, 도 15의 상단의 키포인트(66)와 도 15의 하단의 키포인트(68)는 대응 관계를 갖고, 도 15의 상단의 키포인트(67)와 도 15의 하단의 키포인트(69)는 대응 관계를 갖는다. 또한, 도 15 중의 70, 71은 좌표계의 기준점이다.

단계 S504에 이어지는 단계 S505에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는, 단계 S504에서 행한 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 데이터와의 대응 관계(환언하면, 대응지어진 유사 형상 부분)를 기억부(52)에 기록한다.

다음으로, 상술의 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 데이터의 대응 관계를 이용하여, 현황 지형 좌표계로부터 주변 영역 형상 데이터의 좌표계인 시공 현장 좌표계로의 좌표 변환 행렬을 연산하는 것에 대하여, 도 16 및 도 17을 참조하여 설명한다.

도 16은 좌표 변환 행렬 연산부(51f)의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 도 16에 나타내는 바와 같이, 단계 S600에서는, 좌표 변환 행렬 연산부(51f)는, 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 데이터의 대응 관계를 기억부(52)로부터 판독한다. 단계 S600에 이어지는 단계 S601에서는, 좌표 변환 행렬 연산부(51f)는, 대응지어진 키포인트의 수(Nkeypoint)를 미리 정해진 역치(Nthreshold)와 비교한다.

역치(Nthreshold)는, 생성된 현황 지형 데이터와 주변 영역 형상 데이터의 사이에서 대응지어진 키포인트가 없는 경우, 또는 대응지어진 키포인트의 수가 적어 주변 영역 형상 데이터와 생성된 현황 지형 데이터의 위치맞춤이 일의적으로 정해지지 않는 경우, 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형의 키포인트의 위치맞춤이 되지 않는 것을 방지하기 위하여 설정되어 있다. 예를 들면, 2차원의 형상이면, 위치맞춤을 위하여 대응지어진 3개의 키포인트의 쌍이 필요하므로, Nthreshold＝3으로 되고, 3차원이면, 4개의 키포인트의 쌍이 필요하므로, Nthreshold＝4로 된다. 또한, 역치(Nthreshold)는 3이나 4보다 커도 된다.

대응지어진 키포인트의 수(Nkeypoint)가 역치(Nthreshold) 이상인 경우, 제어 처리는 단계 S602로 진행된다. 한편, 대응지어진 키포인트(Nkeypoint)가 역치(Nthreshold) 미만인 경우, 제어 처리는 단계 S604로 진행된다.

단계 S602에서는, 좌표 변환 행렬 연산부(51f)는, 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 데이터 생성부(51c)가 생성한 현황 지형 데이터와의 위치맞춤을 행하고, 좌표 변환 행렬을 연산한다. 예를 들면, 2차원의 형상 데이터이면, 좌표 변환 행렬 연산부(51f)는, 주변 영역 형상 데이터의 기준점과 현황 지형 데이터의 기준점의 위치관계를 나타내는 좌표 변환 행렬(H)을 구한다. 좌표 변환 행렬(H)은, 평행 이동 행렬(T), 회전 행렬(R) 및 확대 축소 행렬(S)을 이용하여 이하의 식 (1)에 의해 구해진다.

H＝T×R×S 식 (1)

식 (1)의 평행 이동 행렬(T), 회전 행렬(R), 확대 축소 행렬(S)에, x 방향의 평행 이동(x), y 방향의 평행 이동(y), 회전각(θ), 확대 축소율(s)의 값을 이용하면 이하의 식 (2)∼식 (4)가 된다.

T＝(1 0 x;

0 1 y;

0 0 1) 식 (2)

R＝(cos(θ) －sin(θ) 0;

sin(θ) cos(θ) 0;

0 0 1) 식 (3)

S＝(s 0 0;

0 s 0;

0 0 1) 식 (4)

평행 이동 행렬(T)의 x, y, 회전 행렬(R)의 θ, 확대 축소 행렬(S)의 s는 ICP(Iterative Closest Point), Softassign, EM-ICP 등의 알고리즘을 이용함으로써 연산할 수 있다. 예를 들면, 대응지어진 키포인트를 이용하여, 현황 지형 데이터의 키포인트를 시공 현장 좌표계에 있어서의 좌표값으로 변환하고, 시공 현장 좌표계에 있어서의 현황 지형 데이터의 키포인트와 대응하고 있는 주변 영역 형상 데이터의 키포인트간의 거리가 최소가 되도록 하는 x, y, θ, s를 반복 연산에 의해, 평행 이동 행렬(T), 회전 행렬(R), 확대 축소 행렬(S)로부터 좌표 변환 행렬(H)을 구한다.

그리고, 현황 지형 좌표계에서의 좌표값 (X1, Y1)을 시공 현장 좌표계에 있어서의 좌표값 (X2, Y2)로 변환하는 경우, 이하의 식 (5)를 이용함으로써 연산할 수 있다.

tr(X2 Y2 1)＝H×tr(X1 Y1 1) 식 (5)

도 17은 위치맞춤을 행한 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 데이터의 일례를 나타낸다. 좌표 변환 후의 대응지어진 키포인트간의 거리가 최소가 되도록, 환언하면 대응지은 유사 형상 부분의 좌표값의 차가 최소가 되도록, x 방향의 평행 이동의 72a, 72b, y 방향의 평행 이동(73a, 73b), 회전각(74a, 74b), 확대 축소율(s)을 구한다. 확대 축소율(s)은 확대한 배율의 역수이며, 예를 들면 현황 지형 좌표계를 2배로 확대한 경우, s는 0.5가 된다. 확대 축소율(s)＝1의 예인 도 17의 예에서는, 도 17의 상단 쪽보다 하단 쪽이, 대응지어진 키포인트간의 거리가 작고, 좌표 변환 행렬(H)을 구하기 위한 x, y, θ, s로서는, 도 17의 하단의 72b, 73b, 74b가 적절하다. 또한, 도 17 중의 70a, 70b, 71a, 71b는 좌표계의 기준점이다.

단계 S602로 이어지는 단계 S603에서는, 좌표 변환 행렬 연산부(51f)는, 단계 S602에서 연산한 좌표 변환 행렬(H)을 기억부(52)에 기록한다. 한편, 단계 S604에서는, 좌표 변환 행렬 연산부(51f)는 에러 처리를 행한다. 예를 들면, 좌표 변환 행렬 연산부(51f)는, 입출력부(50)를 통하여 표시 장치(26)에 「계측점 부족. 작업 기계를 주행 또는 선회해 주십시오.」와 같은 메시지를 표시시킨다.

다음으로, 위치 좌표 변환부(51g)가 좌표 변환 행렬(H)을 이용하여 시공 현장 좌표계에서 있어서의 작업 기계 위치의 좌표값을 구하는 연산에 대하여, 도 18및 도 19를 참조하여 설명한다.

도 18은 위치 좌표 변환부(51g)의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 도 18에 나타내는 바와 같이, 단계 S700에서는, 위치 좌표 변환부(51g)는 기억부(52)로부터 좌표 변환 행렬(H)을 판독한다. 단계 S700에 이어지는 단계 S701에서는, 위치 좌표 변환부(51g)는, 위치 자세 추정부(51d)가 추정한 현황 지형 좌표계에 있어서의 자기 위치 및 자세를 기억부(52)로부터 판독한다. 단계 S701에 이어지는 단계 S702에서는, 위치 좌표 변환부(51g)는 현황 지형 데이터 생성부(51c)가 생성한 현황 지형 데이터를 기억부(52)로부터 판독한다.

단계 S702에 이어지는 단계 S703에서는, 위치 좌표 변환부(51g)는, 단계 S700에서 판독한 좌표 변환 행렬(H)과 단계 S701에서 판독한 현황 지형 좌표계에 있어서의 자기 위치 및 자세의 좌표(P1)에 기초하여, 이하의 식 (6)을 이용하여 시공 현장 좌표계에 있어서의 자기 위치 및 자세의 좌표(P2)를 연산한다.

P2＝H×P1 식 (6)

또한, 현황 지형 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 방위각을 θ1, 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 방위각을 θ2라고 하면, 좌표 변환 행렬(H)의 θ를 이용하여 식 (7)로부터 작업 기계(1)의 방위각(θ2)을 구할 수 있다.

θ2＝θ1＋θ 식 (7)

단계 S703에 이어지는 단계 S704에서는, 위치 좌표 변환부(51g)는, 단계 S700에서 판독한 좌표 변환 행렬(H)과 단계 S702에서 판독한 현황 지형 데이터를 이용하여, 시공 현장 좌표계에 있어서의 현황 지형 데이터를 연산한다. 예를 들면 현황 지형 데이터를 점군으로 나타내는 경우, 현황 지형 좌표계에 있어서의 점군의 좌표값을 좌표 변환 행렬(H)에 의해서 좌표 변환함으로써, 시공 현장 좌표계에 있어서의 현황 지형 데이터를 연산할 수 있다.

도 19에, 위치 좌표 변환부(51g)가 연산한 현장 좌표계에 있어서의 현황 지형 데이터와 자기 위치 및 자세를 나타내는 일례이다. 도 19의 상단은, 현황 지형 데이터 생성부(51c)가 생성한 현황 지형 데이터와 위치 자세 추정부(51d)가 추정한 자기 위치 및 자세를 나타낸다. 그리고, 단계 S703과 단계 S704에서 좌표 변환 행렬(H)을 이용하여 좌표 변환을 행함으로써, 도 19의 하단과 같이 시공 현장 좌표계에 있어서의 현황 지형 데이터와 시공 현장 좌표계에 있어서의 자기 위치 및 자세를 구할 수 있다.

단계 S704에 이어지는 단계 S705에서는, 위치 좌표 변환부(51g)는, 단계 S703에서 연산한 시공 현장 좌표계에 있어서의 자기 위치 및 자세의 좌표와, 단계 S704에서 연산한 시공 현장 좌표계에 있어서의 현황 지형 데이터를 기억부(52)에 기록한다.

본 실시 형태에 관련된 작업 기계(1)에 있어서, 제어 장치(21)의 처리부(51)는, 시공 현장 좌표계의 설계 데이터로부터 주변 영역 형상 데이터를 추출하는 주변 영역 추출부(51b)와, 추출한 주변 영역 형상 데이터와 현황 지형 좌표계의 현황 지형 데이터와의 사이의 유사 형상 부분을 탐색하여 대응짓는 유사 형상 대응짓기부(51e)와, 대응지은 유사 형상 부분의 좌표값의 차가 최소가 되도록 현황 지형 좌표계로부터 시공 현장 좌표계로의 변환을 행하는 좌표 변환 행렬을 연산하는 좌표 변환 행렬 연산부(51f)와, 연산한 좌표 변환 행렬을 이용하여 작업 기계(1)의 자기 위치 및 자세와 현황 지형 데이터를 현황 지형 좌표계의 좌표로부터 시공 현장 좌표계의 좌표로 변환하는 위치 좌표 변환부(51g)를 갖는다. 따라서, 시공에 의해서 형상이 불변인 주변 영역을 이용함으로써, 로컬라이제이션에 필요한 공수를 삭감하고, 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 자기 위치 및 자세, 주위의 지형 형상을 계측할 수 있다.

[제 2 실시 형태]

이하, 도 20∼도 24를 참조하여 작업 기계의 제 2 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태의 작업 기계(1A)는, 처리부(51A)가 시공 영역 완성 형상 추출부(51h) 및 시공 완료 영역 추출부(51i)를 더 갖는 점에 있어서 상술한 제 1 실시 형태와 다르다. 그 외의 구조는 제 1 실시 형태와 마찬가지이기 때문에, 중복 설명을 생략한다.

도 20은 제 2 실시 형태에 관련된 작업 기계의 제어 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 20에 나타내는 바와 같이, 작업 기계(1A)의 처리부(51A)가 시공 영역 완성 형상 추출부(51h)와 시공 완료 영역 추출부(51i)를 더 갖는다.

먼저, 도 21을 참조하여, 시공 영역 완성 형상 추출부(51h)가 설계 데이터로부터 시공 영역에 있어서의 시공 완료 후의 형상 데이터를 추출하는 것에 대하여 설명한다.

도 21은 시공 영역 완성 형상 추출부(51h)의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 도 21에 나타내는 바와 같이, 단계 S800에서는, 시공 영역 완성 형상 추출부(51h)는, 설계 데이터 처리부(51a)에 의해서 기록된 설계 데이터를 기억부(52)로부터 판독한다. 단계 S800에 이어지는 단계 S801에서는, 시공 영역 완성 형상 추출부(51h)는, 도 6에 나타낸 바와 같은 설계 데이터로부터 시공 영역(4)에 있어서의 시공 완료 후의 형상 데이터(즉, 시공 영역 완성 형상 데이터)를 추출한다. 시공 영역 완성 형상 데이터는, 설계 데이터에 포함되어 있는 시공 경계(3), 시공 영역(4), 주변 영역(5)에 관한 정보를 이용함으로써 용이하게 추출할 수 있다. 시공 영역 완성 형상 데이터의 좌표계의 기준점은, 설계 데이터 좌표계의 기준점(60)과 동일하다. 또, 시공 영역 완성 형상 데이터에는, 시공 경계(3)의 정보도 포함되어 있다.

단계 S801에 이어지는 단계 S802에서는, 시공 영역 완성 형상 추출부(51h)는, 추출한 시공 영역 완성 형상 데이터를 기억부(52)에 기록한다.

계속해서, 도 22 및 도 23을 참조하여, 시공 완료 영역 추출부(51i)가 시공 영역(4) 내의 시공 대상의 일부가 시공 완료가 되었는지 여부를 판정하고, 시공 완료라고 판정한 영역을 추출하는 것에 대하여 설명한다.

도 22는 시공 완료 영역 추출부(51i)의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 도 22에 나타내는 바와 같이, 단계 S900에서는, 시공 완료 영역 추출부(51i)는, 시공 영역 완성 형상 추출부(51h)에 의해서 기록된 시공 영역 완성 형상 데이터를 기억부(52)로부터 판독한다. 단계 S900에 이어지는 단계 S901에서는, 시공 완료 영역 추출부(51i)는, 위치 좌표 변환부(51g)에 의해서 기록된 시공 현장 좌표계에 있어서의 현황 지형 데이터를 기억부(52)로부터 판독한다.

단계 S901에 이어지는 단계 S902에서는, 시공 완료 영역 추출부(51i)는, 단계 S900에서 판독한 시공 영역 완성 형상 데이터의 시공 경계(3)의 데이터와 단계 S901에서 판독한 현황 지형 데이터를 이용하여, 시공 영역에 있어서의 현황 지형 데이터를 추출한다. 여기에서, 시공 경계(3)의 데이터의 좌표계와 현황 지형 데이터의 좌표계가 동일하기 때문에, 시공 영역에 있어서의 현황 지형 데이터를 용이하게 구할 수 있다.

단계 S902에 이어지는 단계 S903에서는, 시공 완료 영역 추출부(51i)는, 단계 S900에서 판독한 시공 영역 완성 형상 데이터와 단계 S902에서 추출한 시공 영역에 있어서의 현황 지형 데이터의 키 서피스를 추가로 추출한다. 키 서피스는, 예를 들면 형상 데이터에서 키포인트에 둘러싸인 평면이라고 판정되는 면을 가리킨다. RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 알고리즘 등을 이용하여 형상 데이터로부터 추출한 평면이 키포인트에 둘러싸여 있는 경우, 그 평면을 키 서피스로서 구할 수 있다.

단계 S903에 이어지는 단계 S904에서는, 시공 완료 영역 추출부(51i)는, 단계 S903에서 추출한 시공 영역 완성 형상 데이터의 키 서피스와 시공 영역에 있어서의 현황 지형 데이터의 키 서피스의 좌표값을 비교함으로써, 시공 완료 영역을 추출한다. 예를 들면 도 23에 나타내는 바와 같이, 시공 영역(4) 중에서 완성된 법면(75)이 존재하는 시공 현장에 있어서, 현황 지형 데이터로서 지형 계측 장치(30)가 법면(75)을 계측한 경우, 완성된 법면(75)은 시공 영역에 있어서의 현황 지형 데이터의 키 서피스로서 단계 S903에서 구해진다.

또, 시공 영역 완성 형상 데이터가 시공 완료 후의 형상이기 때문에, 시공 영역 완성 형상 데이터의 키 서피스에는 법면(75)이 반드시 포함되어 있다. 그리고, 시공 영역 완성 형상 데이터와 시공 영역에 있어서의 현황 지형 데이터의 공통 키 서피스는 현황 지형이 시공 완료 후의 형상이 된다고 간주할 수 있기 때문에, 공통 키 서피스를 시공 완료 영역이라고 판정할 수 있다. 이 때문에, 시공 완료 영역 추출부(51i)는, 공통 키 서피스를 시공 완료 영역으로서 추출한다.

단계 S904에 이어지는 단계 S905에서는, 시공 완료 영역 추출부(51i)는, 단계 S904에서 추출한 시공 완료 영역의 형상 데이터를 추가로 추출한다. 예를 들면, 시공 완료 영역 추출부(51i)는, 단계 S900에서 판독한 시공 영역 완성 형상 데이터로부터 시공 완료 영역에 해당하는 형상 데이터를 추출한다. 시공 완료 영역의 형상 데이터의 좌표계의 기준점은, 설계 데이터 좌표계의 기준점(60)과 동일하다. 단계 S905에 이어지는 단계 S906에서는, 시공 완료 영역 추출부(51i)는, 단계 S905에서 추출한 시공 완료 영역의 형상 데이터를 기억부(52)에 기록한다.

본 실시 형태에 있어서, 작업 기계(1A)의 처리부(51A)가 시공 영역 완성 형상 추출부(51h)와 시공 완료 영역 추출부(51i)를 더 갖기 때문에, 유사 형상 대응짓기부(51e)의 처리가 제 1 실시 형태에서 서술한 유사 형상 대응짓기부(51e)의 처리와 다르다. 보다 구체적으로는, 도 24에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 유사 형상 대응짓기부(51e)의 처리는, 제 1 실시 형태에서 서술한 도 13의 플로우차트와 비교하여, 단계 S502와 단계 S503의 사이에 단계 S506 및 단계 S507이 추가되고, 또한 도 13에 나타내는 단계 S503이 단계 S508로 변경된 것이다. 이하, 그 추가된 내용 및 변경된 내용만을 설명한다.

즉, 단계 S506에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는, 시공 완료 영역 추출부(51i)가 추출한 시공 완료 영역의 형상 데이터를 기억부(52)로부터 판독한다. 단계 S506에 이어지는 단계 S507에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는, 단계 S502에서 판독한 주변 영역 형상 데이터에 단계 S506에서 판독한 시공 완료 영역의 형상 데이터를 합성한 형상 데이터를 불변 영역의 형상 데이터로서 작성한다. 주변 영역 형상 데이터 및 시공 완료 영역의 형상 데이터의 좌표계의 기준점은 각각 시공 현장 좌표계의 기준점에서 동일하기 때문에, 예를 들면 점군 데이터의 합집합으로서 용이하게 구할 수 있다.

단계 S507에 이어지는 단계 S508에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는, 단계 S507에서 작성한 불변 영역의 형상 데이터로부터 불변 영역의 형상 데이터의 키포인트를 추출한다. 단계 S508에 이어지는 단계 S504에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는, 단계 S501에서 추출한 현황 지형 데이터의 키포인트와 단계 S508에서 추출한 불변 영역의 형상 데이터의 키포인트를 비교하여 유사 형상 부분을 순차 탐색하고, 유사 형상 부분을 대응지음으로써, 불변 영역의 형상 데이터와 현황 지형 데이터와의 대응 관계를 구한다.

그리고, 단계 S504에 이어지는 단계 S505에서는, 유사 형상 대응짓기부(51e)는 단계 S504에서 구한 대응 관계를 기억부(52)에 기록한다.

본 실시 형태에 관련된 작업 기계(1A)에 의하면, 시공이 완료된 영역을 판정하고, 시공 완료 영역을 주변 영역과 합하여 불변 영역으로 함으로써, 로컬라이제이션의 공수를 삭감하고, 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계의 자기 위치 및 자세, 주위의 지형 형상을 계측할 수 있다.

[제 3 실시 형태]

이하, 도 25 및 도 26을 참조하여 작업 기계의 제 3 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태의 작업 기계는, 측위 위성으로부터의 신호를 수신하고, 지구상에 있어서의 작업 기계(1)의 위도, 경도, 타원체 높이의 지리 좌표와 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 위치 좌표를 통합하고, 통합한 위치 좌표를 외부 서버에 송신하는 점에 있어서 상술한 제 1 실시 형태와 다르다. 그 외의 구조는 제 1 실시 형태와 마찬가지이기 때문에, 중복 설명을 생략한다.

도 25는 제 3 실시 형태에 관련된 작업 기계의 제어 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 25에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관련된 작업 기계의 제어 시스템은, 제 1 실시 형태에서 서술한 제어 시스템과 비교하여 GNSS(Global Navigation Satellite System) 안테나(위치 취득 장치)(33)와 무선 통신 안테나(통신 장치)(34)를 더 구비하고 있고, 또한 처리부(51B)가 위치 정보 송신부(51j)를 더 갖는다.

도 26은 위치 정보 송신부(51j)의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 도 26에 나타내는 바와 같이, 단계 S1000에서는, 위치 정보 송신부(51j)는, GNSS 안테나(33)를 이용하여 측위 위성으로부터 지구상에 있어서의 작업 기계(1)의 위도, 경도, 타원체 높이의 정보를 취득한다. 단계 S1000에 이어지는 단계 S1001에서는, 위치 정보 송신부(51j)는, 위치 좌표 변환부(51g)에 의해 구한 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 위치 정보(즉, 작업 기계(1)의 자기 위치의 좌표)를 기억부(52)로부터 판독한다.

단계 S1001에 이어지는 단계 S1002에서는, 단계 S1000과 단계 S1001에서 취득한 위치 정보를 통합하고, 위도, 경도, 타원체 높이와 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 위치 정보를 쌍으로 하여 무선 통신 안테나(34)를 통하여 예를 들면 시공 현장의 사무실에 설치된 외부 서버에 송신한다. 또한, 외부 서버의 설치 장소는 시공 현장에 한정하지 않고, 클라우드 서버여도 된다.

본 실시 형태에 의하면, 제 1 실시 형태와 마찬가지로 로컬라이제이션의 공수를 삭감하고, 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 위치 자세와 주위의 지형 형상을 계측할 수 있는 것 외에, 추가로 복수의 위도, 경도, 타원체 높이와 시공 현장 좌표계에 있어서의 작업 기계(1)의 위치 정보의 쌍이 외부 서버에 송신되므로, 위도, 경도, 타원체 높이와 시공 현장 좌표계에 있어서의 자기 위치의 좌표와의 대응 관계를 유도하는 것이 가능하게 된다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상술하였지만, 본 발명은, 상기의 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지의 설계 변경을 행할 수 있는 것이다.

1, 1A 작업 기계
10 주행체
11 선회체
12 작업 프론트
21 제어 장치
26 표시 장치
29 설계 데이터 취득 장치
30 지형 계측 장치
30a, 30b 카메라
31 스테레오 카메라 제어 장치
32 외부 기억 매체
33 GNSS 안테나(위치 취득 장치)
34 무선 통신 안테나(통신 장치)
50 입출력부
51, 51A, 51B 처리부
51a 설계 데이터 처리부
51b 주변 영역 추출부
51c 현황 지형 데이터 생성부
51d 위치 자세 추정부
51e 유사 형상 대응짓기부
51f 좌표 변환 행렬 연산부
51g 위치 좌표 변환부
51h 시공 영역 완성 형상 추출부
51i 시공 완료 영역 추출부
51j 위치 정보 송신부

Claims

주행 가능한 주행체와,
상기 주행체에 선회 자유롭게 장착된 선회체와,
상기 선회체에 회동 자유롭게 장착된 작업 프론트와,
시공 완료 후의 지형 데이터를 갖는 설계 데이터를 3차원의 데이터로서 취득하는 설계 데이터 취득 장치와,
주위의 지형 데이터를 3차원의 데이터로서 계측하는 지형 계측 장치와,
상기 설계 데이터 취득 장치에 의해 취득한 지형 데이터를 미리 정해진 제 1 좌표계의 설계 데이터로서 처리하는 설계 데이터 처리부와, 상기 지형 계측 장치에 의해 계측한 지형 데이터를 상기 지형 계측 장치의 설치 위치에 기초하여 정해진 제 2 좌표계의 현황 지형 데이터로서 생성하는 현황 지형 데이터 생성부와, 상기 현황 지형 데이터 생성부에서 생성한 상기 현황 지형 데이터에 기초하여 상기 제 2 좌표계에 있어서의 자기 위치 및 자세를 추정하는 위치 자세 추정부를 갖는 제어 장치
를 구비하는 작업 기계에 있어서,
상기 제어 장치는,
상기 제 1 좌표계의 설계 데이터로부터 주변 영역 형상 데이터를 추출하고, 추출한 상기 주변 영역 형상 데이터와 상기 현황 지형 데이터와의 사이의 유사 형상 부분을 대응짓고, 대응지은 상기 유사 형상 부분의 좌표값의 차가 최소가 되도록 상기 제 2 좌표계로부터 상기 제 1 좌표계로의 변환을 행하는 좌표 변환 행렬을 연산하고, 연산한 상기 좌표 변환 행렬을 이용하여 상기 작업 기계의 자기 위치 및 자세와 상기 현황 지형 데이터를 상기 제 2 좌표계의 좌표로부터 상기 제 1 좌표계의 좌표로 변환하는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 제 1 좌표계의 설계 데이터에 기초하여 시공 영역 완성 형상 데이터를 추출하고, 추출한 상기 시공 영역 완성 형상 데이터와 상기 현황 지형 데이터를 비교함으로써 시공 완료 영역을 추출하고, 추출한 상기 시공 완료 영역의 형상 데이터와 상기 현황 지형 데이터의 사이의 유사 형상 부분을 대응짓는 작업 기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
지구상에 있어서의 상기 작업 기계의 위치 좌표를 취득하는 위치 취득 장치와,
외부 서버와의 사이에서 데이터의 송수신을 행하는 통신 장치
를 더 구비하며,
상기 제어 장치는, 상기 위치 취득 장치에 의해 취득한 상기 작업 기계의 위치 좌표와 상기 제 1 좌표계에 있어서의 자기 위치의 좌표를 합쳐, 상기 통신 장치를 통하여 상기 외부 서버로 송신하는 작업 기계.