WO2022030289A1 - 掘削情報処理装置、作業機械、掘削支援装置および掘削情報処理方法 - Google Patents

掘削情報処理装置、作業機械、掘削支援装置および掘削情報処理方法 Download PDF

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立太 奥脇
一尋 畠
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    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E02F3/439—Automatic repositioning of the implement, e.g. automatic dumping, auto-return

Definitions

  • the bucket, the ground, and the excavated object are recognized from the image taken by the stereo camera, and the excavation point is determined based on the recognition result.
  • the excavation point is the position where the bucket is first brought into contact with the excavated material during the excavation operation, and this excavation device determines that the excavated amount (excavated soil amount) is large, the ground is not scraped, and the excavated material does not collapse. .. Then, in this excavation device, excavation is performed by scooping up a bucket from this excavation point.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a work machine position / attitude measuring unit 30, a work machine control device 110, and an excavation information processing device 120 shown in FIG. 1. It is a side view which shows the hydraulic excavator 1 shown in FIG. 1 in a simplified manner. It is a system flow diagram which shows the operation example of the work machine control apparatus 110 and the excavation information treatment apparatus 120 shown in FIG. It is a flowchart which shows the operation example of the excavated soil amount estimation part 122 shown in FIG. It is a schematic diagram which shows the example of the point cloud data 400 measured by the 3D position information measurement unit 19 shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a hydraulic excavator 1 as a work machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the work machine position / attitude measuring unit 30, the work machine control device 110, and the excavation information processing device 120 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a side view showing the hydraulic excavator 1 shown in FIG. 1 in a simplified manner.
  • the power generator of the hydraulic excavator 1 may be, for example, a so-called hybrid type device in which an internal combustion engine, a generator motor, and a power storage device are combined. Further, the power generator of the hydraulic excavator 1 may be a device or the like that does not have an internal combustion engine and is a combination of a power storage device and a generator motor.
  • the upper swivel body 3 has a driver's cab 4.
  • the operator of the hydraulic excavator 1 gets on the driver's cab 4 and operates the hydraulic excavator 1. That is, the operator of the hydraulic excavator 1 operates the working machine 2 in the driver's cab 4, turns the upper swivel body 3, and runs the hydraulic excavator 1 by the traveling device 5.
  • a display device 40 for displaying various information, a control device for the work machine 2 operated by the operator, a control device for the traveling device 5, and the like, which are not shown, are installed.
  • the driver's cab 4 is installed on the side opposite to the side where the engine room 3EG of the upper swing body 3 is arranged.
  • the positional relationship between the driver's cab 4 and the engine room 3EG is not limited to this example.
  • a handrail 9 is attached above the upper swing body 3.
  • the hydraulic excavator 1 may be provided with tires instead of the tracks 5a and 5b, and may be provided with a traveling device capable of transmitting the driving force of the engine to the tires via the transmission and traveling.
  • a traveling device capable of transmitting the driving force of the engine to the tires via the transmission and traveling.
  • the hydraulic excavator 1 having such a form for example, there is a wheel type hydraulic excavator.
  • the side where the working machine 2 and the driver's cab 4 are arranged is the front, and the side where the engine room 3EG is arranged is the rear.
  • the front-rear direction of the upper swing body 3 is the y direction.
  • the left side facing forward is the left side of the upper turning body 3, and the right side facing forward is the right side of the upper turning body 3.
  • the left-right direction of the upper swivel body 3 is also referred to as a width direction or an x direction.
  • the traveling device 5 side is on the lower side with respect to the upper turning body 3, and the upper turning body 3 side is on the upper side with respect to the traveling device 5.
  • the boom cylinder 10, arm cylinder 11, and bucket cylinder 12 shown in FIG. 1 are hydraulic cylinders driven by the pressure of hydraulic oil discharged from the hydraulic pump, respectively.
  • the boom cylinder 10 drives the boom 6 to move up and down.
  • the arm cylinder 11 drives the arm 7 to rotate around the arm pin 14.
  • the bucket cylinder 12 drives the bucket 8 to rotate around the bucket pin 15.
  • the second stroke sensor 32 detects the length of the arm cylinder, which is the length of the arm cylinder 11, and outputs it to the work machine position / attitude information generation unit 34.
  • the third stroke sensor detects the bucket cylinder length, which is the length of the bucket cylinder 12, and outputs it to the work machine position / attitude information generation unit 34.
  • the first stroke sensor 31, the second stroke sensor 32, and the third stroke sensor 33 may be an angle detector or the like.
  • the work machine position / attitude information generation unit 34 has the posture and position of the work machine 2 based on the three-dimensional shape information (dimension information) of the work machine 2 and the inclination angles of the boom 6, the arm 7 and the bucket 8. Is generated and output as the work equipment position / attitude information, which is the information indicated in the local coordinate system.
  • the work equipment position / attitude information includes information indicating the position and angle (posture) of the bucket 8.
  • the hydraulic excavator 1 is provided with a three-dimensional position information measuring unit 19.
  • the three-dimensional position information measurement unit 19 is installed above, for example, the driver's cab 4, and as shown in FIG. 3, an object existing in the measurement range SA including the bucket 8 and the excavation target 300 such as earth and sand and earth and stone.
  • the three-dimensional position of (object) is measured at a plurality of points (multiple measurement points), the three-dimensional position of each measurement point is converted into point cloud data, and the point cloud data is output as object position information.
  • the three-dimensional position information measurement unit 19 outputs point cloud data in which the three-dimensional position of each measurement point is indicated by, for example, the x, y, and z coordinates of the local coordinate system as object position information.
  • a three-dimensional laser range finder or the like is also called LiDAR (Light Detection and Ringing; lidar) or the like, and pulse while sequentially scanning the measurement direction in a plurality of measurement directions (x, y, z directions) over a certain range.
  • LiDAR Light Detection and Ringing; lidar
  • a laser beam that emits light in a shape is irradiated, and for example, the distance and direction are measured based on the time until the reflected scattered light returns and the irradiation direction.
  • the three-dimensional position information measuring unit 19 is configured by using LiDAR.
  • the working machine control device 110 shown in FIG. 2 can be configured by using, for example, a microcomputer, a computer such as an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a computer and its peripheral circuits or peripheral devices.
  • the work equipment control device 110 has a position / attitude information acquisition unit 111 and excavation as a functional configuration composed of a combination of hardware such as a computer, peripheral circuits, and peripheral devices and software such as a program executed by the computer. It includes at least a control unit 112 and an embedding control unit 113.
  • the excavation information processing device 120 may be used as a single unit like the work machine control device 110, or integrally with the work machine control device 110 or another control device of the hydraulic excavator 1, for example, a computer such as a microcomputer or an FPGA. Alternatively, it can be configured by using a computer and its peripheral circuit, peripheral device, or the like.
  • the excavation information processing device 120 is a three-dimensional position information acquisition unit (acquisition) as a functional configuration composed of a combination of hardware such as a computer, peripheral circuits, and peripheral devices and software such as a program executed by the computer.
  • the excavated soil volume estimation unit 122 is based on the bucket position / attitude information indicating the position and attitude of the bucket 8 input from the position / attitude information acquisition unit 111 and the object position information acquired by the three-dimensional position information acquisition unit 121. Sequentially, when the bucket 8 is held at that time, the excavated soil amount SVA acquired by the bucket 8 is estimated and output.
  • the excavated soil amount estimation unit 122 may output the result of estimating the excavated soil amount SVA as, for example, the value of the volume of the excavated soil amount SVA or the value of the weight of the excavated soil amount SVA.
  • the volume or weight of the excavated soil amount SVA may be expressed as a value indicating a ratio to a predetermined reference value and output.
  • the excavated soil amount estimation unit 122 rotates the bucket 8 around the bucket pin 15 within the width 8 W of the bucket 8 from the object position information (point cloud data 400).
  • the measurement point 402 located inside the circle 8A drawn by the bucket cutting edge 8T is extracted, and the excavated soil amount is estimated based on the position information of the extracted measurement point 402.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the operation for one cycle when the excavated soil amount estimation unit 122 repeatedly estimates the excavated soil amount in a predetermined cycle during the excavation operation. That is, the excavated soil amount estimation unit 122 repeatedly executes the process shown in FIG. 5 at a predetermined cycle during the excavation operation.
  • FIGS. 8, 10 and 11 are side views (viewed from the x direction) schematically showing an example of the point cloud data 400 actually acquired during excavation control.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of the point cloud data 400.
  • the inside of the bucket width 8W is a range sandwiched between two straight lines 501 and 502 extending the width 8W of the bucket 8 along the y direction of the local coordinate system as shown in FIG. Further, the range inside the circle 8A of the bucket cutting edge 8T at the center of the bucket pin 15 and before the bucket surface 8S is within the range inside the circle 8A shown in FIG. 7 and not inside the bucket 8 from the bucket surface 8S. ..
  • step S12 The determination is repeated in a cycle (step S12). Further, in the excavation information processing apparatus 120, when the operation shown in FIG. 4 is started, the excavated soil amount estimation unit 122 estimates the excavated soil amount (step S21), and the determination unit 123 determines. It is determined whether or not the excavated soil amount estimated by the excavated soil amount estimation unit 122 has reached the target excavated soil amount (step S22).
  • the hydraulic excavator 1 may be an unmanned automatic control of the vehicle body 1B and the work machine 2, or may be a remote control, and may be an automatic control, a remote control, or a manual control by an operator. It may be controlled in combination.
  • the case where the coordinate information in the local coordinate system is mainly used is given as an example, but the coordinate information converted into the global coordinate system may be used.
  • the excavated soil amount can be easily adjusted to an arbitrary value.

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Abstract

本発明の一態様は、掘削対象物を複数点の位置情報で示す対象物位置情報を取得する取得部と、前記バケットの位置と姿勢を示すバケット位置姿勢情報と、前記対象物位置情報とに基づいて、逐次、その時点で前記バケットを抱え込んだ場合に前記バケットによって獲得される掘削土量を推定して出力する掘削土量推定部と、を備える掘削情報処理装置である。

Description

掘削情報処理装置、作業機械、掘削支援装置および掘削情報処理方法
　本発明は、掘削情報処理装置、作業機械、掘削支援装置および掘削情報処理方法に関する。本願は、２０２０年８月７日に、日本に出願された特願２０２０－１３４５５９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　特許文献１に記載されている掘削装置では、ステレオカメラで撮影した画像からバケットと地面と掘削物とが認識され、認識の結果に基づいて掘削地点が決定される。掘削地点は、掘削動作時にバケットを掘削物に最初に接触させる位置であり、この掘削装置では、掘削量（掘削土量）が多く、地面を削らず、掘削物が崩落しないように決定される。そして、この掘削装置では、この掘削地点からバケットを掬い上げることで掘削が行われる。
国際公開第２０１５／１６２７１０号
　特許文献１に記載されている掘削装置では、掘削土量が多くなるように決定された掘削地点からバケットを掬い上げることで掘削物が掘削される。特許文献１に記載されている掘削装置では、例えば、掘削土量を任意の値に調整することが困難であるという課題がある。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、掘削土量を任意の値に容易に調整することができる掘削情報処理装置、作業機械、掘削支援装置および掘削情報処理方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、掘削対象物を複数点の位置情報で示す対象物位置情報を取得する取得部と、前記バケットの位置と姿勢を示すバケット位置姿勢情報と、前記対象物位置情報とに基づいて、逐次、その時点で前記バケットを抱え込んだ場合に前記バケットによって獲得される掘削土量を推定して出力する掘削土量推定部と、を備える掘削情報処理装置である。
　本発明の掘削情報処理装置、作業機械、掘削支援装置および掘削情報処理方法によれば、掘削土量を任意の値に容易に調整することができる。
本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの構成例を示す斜視図である。 図１に示す作業機位置姿勢計測部３０、作業機制御装置１１０および掘削情報処理装置１２０の構成例を示すブロック図である。 図１に示す油圧ショベル１を簡略化して示す側面図である。 図２に示す作業機械制御装置１１０と掘削情報処置装置１２０の動作例を示すシステムフロー図である。 図２に示す掘削土量推定部１２２の動作例を示すフローチャートである。 図１に示す３次元位置情報計測部１９が計測した点群データ４００の例を示す模式図である。 図１に示すバケット８を模式的に示す側面図である。 図１に示す３次元位置情報計測部１９が計測した点群データ４００の例を模式的に示す側面図である。 本実施形態における点群データ４００の例を示す模式図である。 図１に示す３次元位置情報計測部１９が計測した点群データ４００の例を模式的に示す側面図である。 図１に示す３次元位置情報計測部１９が計測した点群データ４００の例を模式的に示す側面図である。 本実施形態における掘削土量の時間推移の例を示す模式図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、各図において同一または対応する構成には同一の符号を用いて説明を適宜省略する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る作業機械としての油圧ショベル１の構成例を示す斜視図である。図２は、図１に示す作業機位置姿勢計測部３０、作業機制御装置１１０および掘削情報処理装置１２０の構成例を示すブロック図である。図３は、図１に示す油圧ショベル１を簡略化して示す側面図である。
　図１に示す油圧ショベル１は、本体部としての車両本体１Ｂと作業機２とを有する。車両本体１Ｂは、旋回体である上部旋回体３と走行体としての走行装置５とを有する。上部旋回体３は、機関室３ＥＧの内部に、動力発生装置であるエンジンおよび油圧ポンプ等の装置を収容している。本実施形態において、油圧ショベル１は、動力発生装置であるエンジンに、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関を用いることができる。ただし、動力発生装置は内燃機関に限定されない。油圧ショベル１の動力発生装置は、例えば、内燃機関と発電電動機と蓄電装置とを組み合わせた、いわゆるハイブリッド方式の装置であってもよい。また、油圧ショベル１の動力発生装置は、内燃機関を有さず、蓄電装置と発電電動機とを組み合わせた装置等であってもよい。
　上部旋回体３は、運転室４を有する。油圧ショベル１のオペレータは、この運転室４に搭乗して油圧ショベル１を操縦する。すなわち、油圧ショベル１のオペレータは、運転室４内において、作業機２を動作させたり、上部旋回体３を旋回させたり、走行装置５によって油圧ショベル１を走行させたりする。運転室４には、各種情報を表示する表示装置４０、図示していない、オペレータが操作する作業機２の操縦装置、走行装置５の操縦装置等が設置されている。図１に示す例において、運転室４は、上部旋回体３の機関室３ＥＧが配置されている側とは反対の側に設置されている。ただし、運転室４と機関室３ＥＧの位置関係はこの例に限定されない。上部旋回体３の上方には、手すり９が取り付けられている。
　走行装置５は、旋回軸ＲＺを中心として走行装置５に対して旋回可能に上部旋回体３を搭載する。走行装置５は、履帯５ａおよび５ｂを有している。走行装置５は、左右に設けられた油圧モータ５ｃの一方または両方が駆動する。走行装置５の履帯５ａおよび５ｂが回転することにより、油圧ショベル１を走行させる。作業機２は、上部旋回体３の運転室４の側方側に取り付けられている。走行装置５は、上部旋回体３の旋回角度を計測するセンサを備える。
　なお、油圧ショベル１は、履帯５ａおよび５ｂの代わりにタイヤを備え、エンジンの駆動力を、トランスミッションを介してタイヤへ伝達して走行が可能な走行装置を備えたものであってもよい。このような形態の油圧ショベル１としては、例えば、ホイール式油圧ショベルがある。
　上部旋回体３は、作業機２および運転室４が配置されている側が前であり、機関室３ＥＧが配置されている側が後である。上部旋回体３の前後方向がｙ方向である。前に向かって左側が上部旋回体３の左であり、前に向かって右側が上部旋回体３の右である。上部旋回体３の左右方向は、幅方向またはｘ方向ともいう。油圧ショベル１または車両本体１Ｂは、上部旋回体３を基準として走行装置５側が下であり、走行装置５を基準として上部旋回体３側が上である。上部旋回体３の上下方向がｚ方向である。油圧ショベル１が水平面に設置されている場合、下は鉛直方向、すなわち重力の作用方向側であり、上は鉛直方向とは反対側である。このｘｙｚ座標系は、油圧ショベル１（上部旋回体３）を基準とする座標系であり、本実施形態ではローカル座標系という。なお、図１および他の図に示すｘ、ｙおよびｚの矢印は、ローカル座標系における各方向を示すものであるが、原点の位置を特定するものではない。
　作業機２は、ブーム６と、アーム７と、作業具であるバケット８と、ブームシリンダ１０と、アームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２とを有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して上部旋回体３の前部に回動可能に取り付けられている。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に回動可能に取り付けられている。アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が取り付けられている。バケット８は、バケットピン１５を中心として回動する。バケット８は、バケットピン１５とは反対側に複数の刃８Ｂが取り付けられている。刃先８Ｔは、刃８Ｂの先端である。また、本実施形態では、バケット上縁８Ｅによる擦り切り面をバケット面８Ｓという。なお、バケット８は、複数の刃８Ｂを有していなくてもよい。つまり、図１に示されるような刃８Ｂを有しておらず、刃先が鋼板によってストレート形状に形成されたようなバケットであってもよい。
　図１に示されるブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ油圧ポンプから吐出される作動油の圧力によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０はブーム６を駆動して、昇降させる。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動して、アームピン１４の周りを回動させる。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動して、バケットピン１５の周りを回動させる。
　また、作業機２は、作業機位置姿勢計測部３０を備える。作業機位置姿勢計測部３０は、図２に示すように、第１ストロークセンサ３１と、第２ストロークセンサ３２と、第３ストロークセンサ３３と、作業機位置姿勢情報生成部３４とを備えている。第１ストロークセンサ３１はブームシリンダ１０に、第２ストロークセンサ３２はアームシリンダ１１に、第３ストロークセンサ３３はバケットシリンダ１２に、それぞれ設けられている。第１ストロークセンサ３１は、ブームシリンダ１０の長さであるブームシリンダ長を検出して作業機位置姿勢情報生成部３４へ出力する。第２ストロークセンサ３２は、アームシリンダ１１の長さであるアームシリンダ長を検出して作業機位置姿勢情報生成部３４へ出力する。第３ストロークセンサは、バケットシリンダ１２の長さであるバケットシリンダ長を検出して作業機位置姿勢情報生成部３４へ出力する。
　ブームシリンダ長、アームシリンダ長及びバケットシリンダ長が決定されれば、作業機２の姿勢が決定される。なお、第１ストロークセンサ３１、第２ストロークセンサ３２および第３ストロークセンサ３３は、角度検出器等であってもよい。
　作業機位置姿勢情報生成部３４は、第１ストロークセンサ３１が検出したブームシリンダ長から、ローカル座標系における水平面と直交する方向（ｚ軸方向）に対するブーム６の傾斜角を算出する。作業機位置姿勢情報生成部３４は、また、第２ストロークセンサ３２が検出したアームシリンダ長から、ブーム６に対するアーム７の傾斜角を算出する。作業機位置姿勢情報生成部３４は、また、第３ストロークセンサ３３が検出したバケットシリンダ長から、アーム７に対するバケット８の傾斜角を算出する。また、作業機位置姿勢情報生成部３４は、作業機２の３次元形状情報（寸法情報）と、ブーム６、アーム７およびバケット８の各傾斜角とに基づいて、作業機２の姿勢および位置をローカル座標系において示す情報である作業機位置姿勢情報を生成して出力する。作業機位置姿勢情報は、バケット８の位置と角度（姿勢）を示す情報を含む。
　上部旋回体３の上部には、アンテナ２１および２２が取り付けられている。アンテナ２１および２２は、油圧ショベル１の現在位置を検出するために用いられる。アンテナ２１および２２は、例えば作業機制御装置１１０（またはその周辺回路）に接続されている。作業機制御装置１１０（またはその周辺回路）は、アンテナ２１および２２を用いて、ＲＴＫ－ＧＮＳＳ（Ｒｅａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ－Ｇｌｏｂａｌ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｓｙｓｔｅｍｓ、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう）による電波を受信し、油圧ショベル１の現在位置を検出する。アンテナ２１および２２が受信したＧＮＳＳ電波に応じた信号は、作業機制御装置１１０に入力され、グローバル座標系におけるアンテナ２１および２２の設置位置が算出される。全地球航法衛星システムの一例としては、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）が挙げられるが、全地球航法衛星システムは、これに限定されるものではない。
　アンテナ２１および２２は、図１に示されるように、上部旋回体３の上であって、油圧ショベル１の左右方向、すなわち幅方向に離れた両端位置に設置されることが好ましい。本実施形態において、アンテナ２１および２２は、上部旋回体３の幅方向両側にそれぞれ取り付けられた手すり９に取り付けられる。アンテナ２１および２２が上部旋回体３に取り付けられる位置は手すり９に限定されるものではないが、アンテナ２１および２２は、可能な限り離れた位置に設置される方が、油圧ショベル１の現在位置の検出精度は向上するので好ましい。また、アンテナ２１および２２は、オペレータの視界を極力妨げない位置に設置されることが好ましい。
　また、油圧ショベル１は、３次元位置情報計測部１９を備える。３次元位置情報計測部１９は、例えば運転室４の上方に設置され、図３に示すように、バケット８と、土砂、土石等の掘削対象物３００とを含む計測範囲ＳＡ内に存在する物体（対象物）の３次元位置を複数点（複数の計測点）で計測し、計測点それぞれの３次元位置を点群データに変換し、その点群データを対象物位置情報として出力する。ここで３次元位置情報計測部１９は、各計測点の３次元位置を例えばローカル座標系のｘ、ｙ、ｚ座標で示す点群データを、対象物位置情報として出力する。なお、本実施形態において点群データと対象物位置情報は同義であるとする。ただし、対象物位置情報は、点群データに限らず、例えばソリッドモデル等の３次元モデルを示す情報であってもよい。この点群データは、掘削前後の掘削対象物３００の形状（地形）を表す情報を含むとともに、掘削中のバケット８内外の掘削対象物３００の形状を表す情報を含む。３次元位置情報計測部１９は、例えば、三次元レーザーレンジファインダ、三次元レーザースキャナ、三次元距離センサ、ステレオカメラ等を用いて構成することができる。三次元レーザーレンジファインダ等は、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒａｎｇｉｎｇ；ライダー）等とも呼ばれ、一定の範囲にわたる複数の測定方向（ｘ、ｙ、ｚ方向）に対して、測定方向を順次走査させながらパルス状に発光するレーザ光を照射し、例えば反射した散乱光が戻ってくるまでの時間と照射方向に基づき距離と向きとを計測する。本実施形態では、３次元位置情報計測部１９がＬｉＤＡＲを用いて構成されているものとする。この場合、３次元位置情報計測部１９は、一走査周期毎に各計測点（各反射点）の測定結果を示す点群データを順次、記憶および更新して、対象物位置情報として出力する。対象物位置情報は、掘削対象物３００を複数点の位置情報で示す情報である。この対象物位置情報は、例えば、複数の計測点の各座標情報によって各計測点の各位置を示すとともに、隣接する各計測点を結ぶ線や面によって複数の計測点の形状を示す。図６は、本実施形態の３次元位置情報計測部１９が計測した点群データ４００の例を示す。点群データ４００は、複数の計測点４０１の３次元位置情報を含む。また、点群データ４００は、ブーム６、アーム７、バケット８および掘削対象物３００に対応する複数の計測点４０１の３次元位置情報を含む。なお、３次元位置情報計測部１９が出力する点群データは、各計測点の三次元座標値を示す点群データに限らず、各計測点までの距離と向きを示す点群データであってもよい。なお、３次元位置情報計測部１９をステレオカメラを用いて構成する場合、例えば、画像認識された複数の所定の特徴点を計測点４０１とすることができる。
　また、図１に示す油圧ショベル１は、図１および図２に示す、作業機制御装置１１０と、掘削情報処理装置（掘削支援装置）１２０とを備える。作業機制御装置１１０は、作業機２のブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを制御して、例えばバケット８の位置と姿勢を制御する。本実施形態において、作業機制御装置１１０は、所定の操縦装置を用いたオペレータの指示に従って手動でバケット８の位置と姿勢を制御したり、予め設定された位置や軌跡に基づきバケット８の位置と姿勢を自動で制御したりする。また、本実施形態において、作業機制御装置１１０は、掘削作業を自動で制御する機能を有する。掘削作業の自動制御は、例えば、次のような複数の制御の組み合わせで構成することができる。すなわち、掘削作業の自動制御は、例えば、バケット８の掘削開始位置への移動制御、掘削対象物３００をバケット８で掘り取る動作の制御である掘削制御（図３）、掘削対象物３００をバケット８で抱え込む動作の制御である抱込制御（図３）、バケット８の放土位置（あるいは積み込み位置）への移動制御、および、放土制御（積込制御）から構成することができる。本実施形態の作業機制御装置１１０は、これらの制御のうち、少なくとも、掘削制御と、抱込制御と、掘削制御から抱込制御への切り替え制御とを自動で行う。
　図２に示す作業機制御装置１１０は、例えば、マイクロコンピュータ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）等のコンピュータ、または、コンピュータとその周辺回路あるいは周辺装置等を用いて構成することができる。そして、作業機制御装置１１０は、コンピュータ、周辺回路、周辺装置等のハードウェアと、コンピュータが実行するプログラム等のソフトウェアとの組み合わせから構成される機能的構成として、位置姿勢情報取得部１１１、掘削制御部１１２、および抱込制御部１１３を少なくとも備える。
　位置姿勢情報取得部１１１は、作業機位置姿勢計測部３０から、作業機位置姿勢情報生成部３４が生成して出力した作業機位置姿勢情報を、例えば所定の周期で繰り返し取得する。また、位置姿勢情報取得部１１１は、取得した作業機位置姿勢情報を、掘削情報処理装置１２０へ出力する。
　掘削制御部１１２は、位置姿勢情報取得部１１１が取得した作業機位置姿勢情報に基づき、例えばバケット８の刃先８Ｔの軌跡が、バケット８で掘削対象物３００を掘り取る動作において目標とする軌跡に一致するようにバケット８の位置と姿勢を制御する。掘り取る動作において目標とする軌跡は、例えば、掘削土量の目標値や掘削形状の目標値と地形形状等に基づいて、掘削制御部１１２または図示していない他の制御部で、決定することができる。また、掘削制御部１１２は、掘削情報処理装置１２０が出力した抱込判定情報に基づいて、掘削制御から抱込制御への切り替え制御を行う。
　抱込制御部１１３は、掘削制御部１１２からの指示に応じて、例えばバケット８の刃先８Ｔの軌跡が、バケット８で掘削対象物３００を抱え込む動作において目標とする軌跡に一致するようにバケット８の位置と姿勢を制御する。抱え込む動作において目標とする軌跡は、例えば、バケット８が掘削対象物３００をさらに掘り取らないようにして、バケット面８Ｓが鉛直方向と直交する姿勢でかつ所定の高さまで移動するような軌跡とすることができる。
　また、掘削情報処理装置１２０は、作業機制御装置１１０と同様に単体として、または、作業機制御装置１１０もしくは油圧ショベル１の他の制御装置と一体として、例えば、マイクロコンピュータ、ＦＰＧＡ等のコンピュータ、または、コンピュータとその周辺回路あるいは周辺装置等を用いて構成することができる。そして、掘削情報処理装置１２０は、コンピュータ、周辺回路、周辺装置等のハードウェアと、コンピュータが実行するプログラム等のソフトウェアとの組み合わせから構成される機能的構成として、３次元位置情報取得部（取得部）１２１、掘削土量推定部１２２、判定部１２３および表示部１２４を備える。
　３次元位置情報取得部１２１は、３次元位置情報計測部１９から、掘削対象物を複数点の位置情報で示す対象物位置情報（点群データ４００）を例えば所定の周期で繰り返し取得し、掘削土量推定部１２２へ出力する。
　掘削土量推定部１２２は、位置姿勢情報取得部１１１から入力したバケット８の位置と姿勢を示すバケット位置姿勢情報と、３次元位置情報取得部１２１が取得した対象物位置情報とに基づいて、逐次、その時点でバケット８を抱え込んだ場合にバケット８によって獲得される掘削土量ＳＶＡを推定して出力する。掘削土量推定部１２２は、掘削土量ＳＶＡを推定した結果を、例えば、掘削土量ＳＶＡの体積の値で表して出力してもよいし、掘削土量ＳＶＡの重量の値で表して出力してもよいし、あるいは、掘削土量ＳＶＡの体積や重量の、所定の基準値に対する比率を示す値で表して出力してもよい。なお、体積から重量への変換は、例えば、次のようにして行うことができる。すなわち、例えば、１回目の掘削作業後（掬い上げた状態）の掘削土量の重量を、シリンダ圧力や作業機姿勢によって算出し、その算出した重量と推定された掘削土量との関係（比重等）を求め、その関係を用いて、体積を重量へ変換することができる。
　また、本実施形態において掘削土量推定部１２２は、図７に示す、バケット８の内部に溜め込まれている土量であるバケット内土量ＳＶＩを推定するとともに、バケット８が将来掬い取ると予測される土量であるバケット外土量ＳＶＯを推定し、バケット内土量ＳＶＩとバケット外土量ＳＶＯを合計して掘削土量ＳＶＡを算出する。すなわち、掘削土量推定部１２２は、掘削土量ＳＶＡを、掘削土量ＳＶＡ＝バケット内土量ＳＶＩ＋バケット外土量ＳＶＯの式にて算出する。なお、図７は、掘削動作中のバケット８を模式的に示す側面図（ｘ方向から見た図）である。図７は、掘削前の地形からバケット８による掘削動作によってバケット８手前の掘削対象物３００（地形）が盛り上がっている状態を示す。
　また、図７および図９に示すように、掘削土量推定部１２２は、対象物位置情報（点群データ４００）から、バケット８の幅８Ｗ内で、バケットピン１５を中心としてバケット８を回転させた場合にバケット刃先８Ｔが描く円８Ａの内側に位置する計測点４０２を抽出し、抽出した計測点４０２の位置情報に基づいて掘削土量を推定する。
　ここで、図５～図１１を参照して、掘削土量推定部１２２が掘削土量を推定する際の動作例について説明する。図５は、掘削動作中に掘削土量推定部１２２が所定の周期で繰り返し掘削土量を推定する際の１周期分の動作の例を示すフローチャートである。すなわち、掘削土量推定部１２２は、掘削動作中に図５に示す処理を所定の周期で繰り返し実行する。また、図８、図１０および図１１は、掘削制御時に実際に取得された点群データ４００の例を模式的に示す側面図（ｘ方向から見た図）である。また、図９は、点群データ４００の例を示す模式図である。
　図５に示すように、掘削土量推定部１２２は、まず、位置姿勢情報取得部１１１から取得した作業機位置姿勢情報から、バケット８の位置および角度情報を取得する（ステップＳ１０１）。次に掘削土量推定部１２２は、対象物位置情報（点群データ４００）から、バケット幅８Ｗ内の点群を抽出し（ステップＳ１０２）、さらに、バケットピン１５中心のバケット刃先８Ｔの円８Ａの内側でバケット面８Ｓより手前の点群を抽出する（ステップＳ１０３）。図９は、点群データ４００（複数の計測点４０１）から、ステップＳ１０２およびステップＳ１０３で抽出された点群（複数の計測点４０２）の例を示す。ここで、バケット幅８Ｗ内とは、図９に示すようにバケット８の幅８Ｗをローカル座標系のｙ方向に沿って延ばした２本の直線５０１および５０２で挟まれた範囲である。また、バケットピン１５中心のバケット刃先８Ｔの円８Ａの内側でバケット面８Ｓより手前の範囲とは、図７に示す円８Ａの内側でバケット面８Ｓよりバケット８内側に入っていない範囲内である。
　次に、掘削土量推定部１２２は、作業機位置姿勢情報と図面情報（寸法情報）に基づき、アーム７、ブラケット、リンク機構等の作業機２から取得される点群（計測点４０２の一部）を削除する（ステップＳ１０４）。
　次に、掘削土量推定部１２２は、バケット内土量ＳＶＩを推定する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５において、掘削土量推定部１２２は、例えば次のようにしてバケット内土量ＳＶＩを推定する。すなわち、例えば、掘削土量推定部１２２は、まず、ステップＳ１０２～ステップＳ１０４の処理で点群データ４００から抽出された複数の計測点４０２から、図９に示すように手前側（運転室４側）の計測点４０２（代表点Ａとする）と、奥側の計測点４０２（代表点Ｂとする）の２つを定める。次に、掘削土量推定部１２２は、図８に示すように、ｘ方向から見て、代表点Ａおよび代表点Ｂを結んだ直線ＬＡＢとバケット面８Ｓとバケット輪郭８Ｃとで囲まれた下部（鉛直方向下側）の領域（奥行き：バット幅８Ｗ）をバケット内土量ＳＶＩと推定する。
　次に、掘削土量推定部１２２は、バケット外土量ＳＶＯを推定する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６において、例えば、掘削土量推定部１２２は、次のようにしてバケット外土量ＳＶＯを推定する。すなわち、掘削土量推定部１２２は、例えば、ｘ方向から見て、ステップＳ１０５で定めた代表点Ａと代表点Ｂを結んだ直線ＬＡＢとバケット面８Ｓとが交差する場合（図１０）と交差しない場合（図１１）とに分けて２種類の算出手法でバケット外土量ＳＶＯを推定する。まず、直線ＬＡＢとバケット面８Ｓとが交差する場合、掘削土量推定部１２２は、図１０に示すように、ｘ方向から見て、代表点Ａおよび代表点Ｂを結んだ直線ＬＡＢとバケット面８Ｓと刃先８Ｔから直線ＬＡＢに向けて鉛直上向きに延ばした直線ＬＡＢＴとで囲まれた領域（奥行き：バット幅８Ｗ）をバケット外土量ＳＶＯと推定する。また、直線ＬＡＢとバケット面８Ｓが交差しない場合、掘削土量推定部１２２は、図１１に示すように、ｘ方向から見て、代表点Ａと代表点Ｂとバケットピン１５と刃先８Ｔを頂点とする四角形の領域（奥行き：バット幅８Ｗ）をバケット外土量ＳＶＯと推定する。
　次に、掘削土量推定部１２２は、ステップＳ１０５で推定したバケット内土量ＳＶＩと、ステップＳ１０６で推定したバケット外土量ＳＶＯを合計して、掘削土量ＳＶＡを算出する（ステップＳ１０７）。以上の処理によって、掘削土量推定部１２２は、掘削動作中に、逐次、その時点でバケット８を抱え込んだ場合にバケット８によって獲得される掘削土量ＳＶＡを推定する。
　また、判定部１２３は、掘削土量推定部１２２が推定した掘削土量が目標掘削土量に到達したか否かを判定し、判定結果を抱込判定情報として掘削制御部１１２へ出力する。目標掘削土量は、１回の掘削動作でバケット８が獲得する掘削対象物３００の体積または重量の目標値である。例えば、オペレータが設定したり、掘削制御部１１２によって自動的に設定したりすることができる。また、例えば、掘削対処物３００をダンプトラック等に積み込む作業の場合に複数回の掘削と積み込みを繰り返すとき、例えば最後の１回の掘削土量を調整することで積み込み土量を精度良く積み込み量を制御することができる。
　表示部１２４は、運転室４内に設置されている表示装置４０に、掘削土量推定部１２２が推定した掘削土量の値を、数値や時系列のグラフとして表示する。オペレータが掘削作業を手動で行う場合、オペレータは、例えば、表示装置４０に表示されている掘削土量の推定結果を参考にして、掘削から抱込への切替操作を行うことができる。この場合、３次元位置情報取得部（取得部）１２１と、掘削土量推定部１２２と、表示部１２４を備える掘削情報処理装置１２０は、掘削支援装置としての態様を有する。
　次に、図４を参照して、図２に示す作業機械制御装置１１０と掘削情報処置装置１２０の動作例について説明する。図４は、掘削制御と抱込制御とを１回自動で行う場合の図２に示す作業機械制御装置１１０と掘削情報処置装置１２０の動作例を示すシステムフロー図である。図４に示す動作は、例えば、予め目標掘削土量が設定されていて、また、バケット８が掘削開始位置へ移動された状態で、オペレータが掘削制御の開始を指示した場合に開始される。図４に示す動作が開始されると、作業機制御装置１１０では掘削制御部１１２が、掘削制御を行うとともに（ステップＳ１１）、抱込判定情報に基づき抱込制御に切り替えるか否かを所定の周期で繰り返し判定する（ステップＳ１２）。また、掘削情報処理装置１２０では、図４に示す動作が開始されると、所定の周期で繰り返し、掘削土量推定部１２２が掘削土量を推定するとともに（ステップＳ２１）、判定部１２３が、掘削土量推定部１２２によって推定された掘削土量が目標掘削土量に到達したか否かを判定する（ステップＳ２２）。
　掘削土量が目標掘削土量に到達した場合、判定部１２３が、掘削土量が目標掘削土量に到達した旨の抱込判定情報を出力する（ステップＳ２２で「ＹＥＳ」の場合）。掘削制御部１１２は、掘削土量が目標掘削土量に到達した旨の抱込判定情報を受信した場合、抱込制御への切り替えを行うと判定し（ステップＳ１２で「ＹＥＳ」）、抱込制御部１１３が、抱込制御を行う（ステップＳ１３）。
　図１２は、図４に示す動作における掘削土量の時間推移の例を示す模式図である。横軸は時間、縦軸は掘削土量である。掘削が開始されると、まず、バケット内土量ＳＶＩが徐々に増加し、バケット内土量ＳＶＩが一定程度増加したところからバケット外土量ＳＶＯが増加し始めている。そして、掘削土量ＳＶＡが目標掘削土量に達したところで抱込制御への切り替えが行われている。
　以上のように、本実施形態によれば、掘削作業中に掘削土量を逐次推定することができるので、掘削土量を任意の値に容易に調整することができる。
　以上、この発明の実施形態について図面を参照して説明してきたが、具体的な構成は上記実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
　例えば、油圧ショベル１は、車両本体１Ｂと作業機２を、無人で自動制御するものあってもよいし、遠隔操作するものであってもよいし、自動制御と遠隔制御やオペレータによる手動制御を組み合わせて制御するものであってもよい。また、上記実施形態では、ローカル座標系における座標情報を主に用いる場合を例に挙げたが、グローバル座標系に変換した座標情報を用いてもよい。
　また、上記実施形態でコンピュータが実行するプログラムの一部または全部は、コンピュータ読取可能な記録媒体や通信回線を介して頒布することができる。
　本発明の各態様によれば、掘削土量を任意の値に容易に調整することができる。
１…油圧ショベル、２…作業機、８…バケット、８Ｔ…刃先、１５…バケットピン、１９…３次元位置情報計測部、３０…作業機位置姿勢計測部、１１０…作業機制御装置、１１１…位置姿勢情報取得部、１１２…掘削制御部、１１３…抱込制御部、１２０…掘削情報処理装置、１２１…３次元位置情報取得部（取得部）、１２２…掘削土量推定部、１２３…判定部、１２４…表示部

Claims (7)

  1. 　掘削対象物を複数点の位置情報で示す対象物位置情報を取得する取得部と、
    　前記バケットの位置と姿勢を示すバケット位置姿勢情報と、前記対象物位置情報とに基づいて、逐次、その時点で前記バケットを抱え込んだ場合に前記バケットによって獲得される掘削土量を推定して出力する掘削土量推定部と、
    　を備える掘削情報処理装置。
  2. 　前記掘削土量が目標掘削土量に到達したか否かの判定結果を出力する判定部を、
    　さらに備える請求項１に記載の掘削情報処理装置。
  3. 　前記掘削土量推定部は、前記バケット内部に溜め込まれている土量であるバケット内土量を推定するとともに、前記バケットが将来掬い取ると予測される土量であるバケット外土量を推定し、前記バケット内土量と前記バケット外土量を合計して前記掘削土量を算出する
    　請求項１または２に記載の掘削情報処理装置。
  4. 　前記掘削土量推定部は、前記対象物位置情報から、前記バケットの幅内で、バケットピンを中心として前記バケットを回転させた場合にバケット刃先が描く円の内側に位置する前記点を抽出し、抽出した前記点の位置情報に基づいて前記掘削土量を推定する
    　請求項１または２項に記載の掘削情報処理装置。
  5. 　請求項１から４のいずれか１項に記載の掘削情報処理装置と、
    　前記バケットと、
    　を備える作業機械。
  6. 　掘削対象物を複数点の位置情報で示す対象物位置情報を取得する取得部と、
    　前記バケットの位置と姿勢を示すバケット位置姿勢情報と、前記対象物位置情報とに基づいて、逐次、その時点で前記バケットを抱え込んだ場合に前記バケットによって獲得される掘削土量を推定する掘削土量推定部と、
    　前記掘削土量を表示する表示部と、
    　を備える掘削支援装置。
  7. 　掘削対象物を複数点の位置情報で示す対象物位置情報を取得するステップと、
    　前記バケットの位置と姿勢を示すバケット位置姿勢情報と、前記対象物位置情報とに基づいて、逐次、その時点で前記バケットを抱え込んだ場合に前記バケットによって獲得される掘削土量を推定して出力するステップと、
    　を含む掘削情報処理方法。
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