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公開番号2021050542
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210401
出願番号2019174615
出願日20190925
発明の名称作業機械
出願人日立建機株式会社
代理人特許業務法人平木国際特許事務所
主分類E02F 9/26 20060101AFI20210305BHJP(水工;基礎;土砂の移送)
要約【課題】ローカライゼーションに必要な工数を削減し、施工現場座標系における作業機械の自己位置及び姿勢、周囲の地形形状を計測できる作業機械を提供する。
【解決手段】作業機械1は、設計データ取得装置29、地形計測装置30及び制御装置21を備える。制御装置21は、施工現場座標系の設計データから周辺領域形状データを抽出し、抽出した周辺領域形状データと現況地形座標系の現況地形データとの間の類似形状部分を対応付け、対応付けた類似形状部分の座標値の差が最小になるように現況地形座標系から施工現場座標系への変換を行う座標変換行列を演算し、演算した座標変換行列を用いて作業機械1の自己位置及び姿勢と現況地形データとを現況地形座標系の座標から施工現場座標系の座標へ変換する。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
走行可能な走行体と、
前記走行体に旋回自在に取り付けられた旋回体と、
前記旋回体に回動自在に取り付けられた作業フロントと、
施工完了後の地形データを有する設計データを3次元のデータとして取得する設計データ取得装置と、
周囲の地形データを3次元のデータとして計測する地形計測装置と、
前記設計データ取得装置で取得した地形データを予め定められた第1座標系の設計データとして処理する設計データ処理部と、前記地形計測装置で計測した地形データを前記地形計測装置の設置位置に基づいて定められた第2座標系の現況地形データとして生成する現況地形データ生成部と、前記現況地形データ生成部で生成した前記現況地形データに基づいて前記第2座標系における自己位置及び姿勢を推定する位置姿勢推定部とを有する制御装置と、
を備える作業機械において、
前記制御装置は、
前記第1座標系の設計データから周辺領域形状データを抽出し、抽出した前記周辺領域形状データと前記現況地形データとの間の類似形状部分を対応付け、対応付けた前記類似形状部分の座標値の差が最小になるように前記第2座標系から前記第1座標系への変換を行う座標変換行列を演算し、演算した前記座標変換行列を用いて前記作業機械の自己位置及び姿勢と前記現況地形データとを前記第2座標系の座標から前記第1座標系の座標へ変換することを特徴とする作業機械。
続きを表示(約 350 文字)【請求項2】
前記制御装置は、前記第1座標系の設計データに基づいて施工領域完成形状データを抽出し、抽出した前記施工領域完成形状データと前記現況地形データとを比較することにより施工完了領域を抽出し、抽出した前記施工完了領域の形状データと前記現況地形データとの間の類似形状部分を対応付ける請求項1に記載の作業機械。
【請求項3】
地球上における前記作業機械の位置座標を取得する位置取得装置と、
外部サーバとの間でデータの送受信を行う通信装置と、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記位置取得装置で取得した前記作業機械の位置座標と前記第1座標系における自己位置の座標とをまとめ、前記通信装置を介して前記外部サーバへ送信する請求項1又は2に記載の作業機械。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、作業機械に関し、特に情報化施工において施工現場の現況地形計測、自己位置及び姿勢の推定を行う作業機械に関する。
続きを表示(約 6,800 文字)【背景技術】
【0002】
建設施工現場では、少子化による人材不足問題の解決や生産効率向上などを目的として、情報通信技術を活用した情報化施工が普及されている。情報化施工期間において、施工現場の3次元出来形を管理することにより施工の進捗や品質などを管理することがある。3次元出来形を管理するためには、3次元出来形の計測が必要であり、UAV(Unmanned Aerial Vehicle)やTS(Total Station)などを用いた3次元出来形の計測技術も進んでいる。更に、より頻繁に施工現場における3次元形状を計測するために、作業機械から周囲の3次元出来形を計測する技術も進んでいる。
【0003】
特許文献1には、作業機械の旋回体にステレオカメラを取り付け、旋回しながら間欠的に撮像を行い、撮像した画像より各撮像における旋回体の旋回角度を推定し、推定した旋回角度に基づいて周囲の3次元形状を合成することにより、作業機械の周囲の3次元形状を計測する作業機械が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
国際公開第2018/079789号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述のように3次元出来形を管理するためには、施工現場座標系における3次元出来形が必要である。従って、特許文献1の作業機械では、GNSS(Global Navigation Satellite System)といった衛星測位に基づくGNSSアンテナを用いて施工現場座標系における作業機械の座標値を計測し、作業機械が計測した周囲の3次元形状を施工現場座標系における3次元形状に変換する。
【0006】
しかし、GNSSアンテナを用いる場合、緯度、経度、楕円体高からなる地理座標系座標値と、地理座標系座標値を施工現場座標系座標値に変換する座標変換パラメータが必要である。座標変換パラメータを求めるためには、施工現場に設定されている複数の施工現場座標系座標値が既知である既知点の地理座標系座標値を計測する、ローカライゼーション(位置測定)という作業が必要である。このため、作業者が施工現場に赴き、マーカを設置しマーカの地理座標系座標値をTSやGNSSを用いて計測する必要があり、作業工数が発生してしまう。
【0007】
本発明は上記課題を鑑みて、ローカライゼーションに必要な工数を削減し、施工現場座標系における作業機械の自己位置及び姿勢、周囲の地形形状を計測できる作業機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る作業機械は、走行可能な走行体と、前記走行体に旋回自在に取り付けられた旋回体と、前記旋回体に回動自在に取り付けられた作業フロントと、施工完了後の地形データを有する設計データを3次元のデータとして取得する設計データ取得装置と、周囲の地形データを3次元のデータとして計測する地形計測装置と、前記設計データ取得装置で取得した地形データを予め定められた第1座標系の設計データとして処理する設計データ処理部と、前記地形計測装置で計測した地形データを前記地形計測装置の設置位置に基づいて定められた第2座標系の現況地形データとして生成する現況地形データ生成部と、前記現況地形データ生成部で生成した前記現況地形データに基づいて前記第2座標系における自己位置及び姿勢を推定する位置姿勢推定部とを有する制御装置と、を備える作業機械において、前記制御装置は、前記第1座標系の設計データから周辺領域形状データを抽出し、抽出した前記周辺領域形状データと前記現況地形データとの間の類似形状部分を対応付け、対応付けた前記類似形状部分の座標値の差が最小になるように前記第2座標系から前記第1座標系への変換を行う座標変換行列を演算し、演算した前記座標変換行列を用いて前記作業機械の自己位置及び姿勢と前記現況地形データとを前記第2座標系の座標から前記第1座標系の座標へ変換することを特徴としている。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、ローカライゼーションに必要な工数を削減し、施工現場座標系における作業機械の自己位置及び姿勢、周囲の地形形状を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
第1実施形態に係る作業機械が適用される作業現場を示す概略図である。
第1実施形態に係る作業機械の構成を示す側面図である。
作業機械の構成を示す油圧回路図である。
作業機械の制御システムの構成を示す概略図である。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
設計データの形状の一例を示す概略図である。
起工測量の一例を示す概略図である。
設計データの作成例を示す概略図である。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
周辺領域の抽出例を示す概略図である。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
キーポイントの抽出例を示す側面図である。
類似形状部分を対応付ける例を示す概略図である。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
座標変換行列を求める例を説明する概略図である。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
座標変換の一例を示す概略図である。
第2実施形態に係る作業機械の制御システムの構成を示す概略図である。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
施工完了後の施工領域の抽出例を示す概略図である。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
第3実施形態に係る作業機械の制御システムの構成を示す概略図である。
制御装置の処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して本発明に係る作業機械の実施形態について説明する。以下の説明では、上下、左右、前後の方向及び位置は、作業機械の通常の使用状態、すなわち作業機械の走行体が地面に接地する状態を基準にする。
【0012】
[第1実施形態]
まず、図1を参照して第1実施形態に係る作業機械が適用される作業現場を説明する。図1に示すように、作業現場は、施工対象2に対して情報化施工を行う作業機械1と、施工対象2の上空を飛行しながら施工対象2の形状を計測して起工測量を行うUAV(Unmanned Aerial Vehicle)6によって構成されている。
【0013】
施工対象2には、施工境界3が設けられている。作業機械1は、施工境界3で囲まれた施工領域4の中で施工対象2が予め定められた設計データの形状になるように、施工対象2に対して掘削作業、盛り土作業、法面整形作業などの施工作業を行う。また、施工領域4に対して、周辺領域5が存在する。周辺領域5には、建築物5a,5b、自然物5c,5d,5e、地形5f,5gなどが含まれている。施工境界3の外側の周辺領域5に対して、作業機械1は施工を行わないので、周辺領域5は作業機械1の施工作業によってその形状が変化することはない。
【0014】
情報化施工において、施工完了後の施工対象2の形状データを有する設計データを作業機械1の制御装置21(後述する)に入力し、設計データに基づいて設定された目標施工面に沿って作業機械1のバケット先端が移動するように制御を行うマシンコントロール機能や、作業機械1に取り付けられた地形計測装置30(後述する)を用いて施工領域4の現況地形を計測し、施工領域4の出来形を管理する出来形管理機能などが活用されている。
【0015】
図2は第1実施形態に係る作業機械の構成を示す側面図である。本実施形態に係る作業機械1は、例えば油圧ショベルであり、走行可能な走行体10と、走行体10に対して左右方向に旋回自在に取り付けられた旋回体11と、旋回体11に対して上下方向に回動自在に取り付けられた作業フロント12とを備えている。
【0016】
走行体10は、作業機械1の下部に配置されており、例えばトラックフレーム42、フロントアイドラ43、スプロケット44及び履帯45を有するように構成されている。フロントアイドラ43及びスプロケット44は、それぞれトラックフレーム42に配置されており、履帯45はそれらの部材を介してトラックフレーム42を周回できるように配置されている。
【0017】
旋回体11は、走行体10の上方に配置されている。この旋回体11は、旋回するための旋回モータ19と、オペレータが乗り込んで作業機械1を操作する操作室20と、作業機械1の動作を制御する制御装置21と、操作室20内に設けられた操作レバー22a,22bと、操作室20の内部に設けられて作業機械1の車体情報などを表示する表示装置26と、操作室20内に設けられて設計データを3次元のデータとして取得する設計データ取得装置29とを備えている。
【0018】
また、旋回体11には、旋回体11周りの角速度を取得する旋回ジャイロスコープ27と、旋回体11の前後左右方向の傾斜角度を取得する傾斜センサ28とがそれぞれ取り付けられている。更に、旋回体11には、旋回体11が旋回しながら作業機械1の周囲の地形形状を3次元の地形データとして計測する地形計測装置30が取り付けられている。
【0019】
地形計測装置30は、例えば左右一対のカメラ(カメラ30a、30b)により構成されたステレオカメラであり、作業機械1の後方向きに取り付けられている。この地形計測装置30は、ステレオカメラ制御装置31と電気的に接続されており、撮像したステレオ画像をステレオカメラ制御装置31に送信する。なお、地形計測装置30の設置向きは後方とは限らない。また、地形計測装置30の台数は1台であっても良く、複数台であっても良い。更に、地形計測装置30としては、ステレオカメラの他、3次元距離測定センサなどを使用しても良い。
【0020】
ステレオカメラ制御装置31は、カメラ30aとカメラ30bの撮像を同期するための同期信号をカメラ30aとカメラ30bへ送り、カメラ30aとカメラ30bからの2枚の画像から距離情報に変換する演算を行い、演算した距離情報を制御装置21に送信する。
【0021】
作業フロント12は、旋回体11に回動自在に設けられたブーム13と、ブーム13の先端に回動自在に設けられたアーム14と、アーム14の先端に回動自在に設けられたバケット15と、ブーム13を駆動するブームシリンダ16と、アーム14を駆動するアームシリンダ17と、バケット15を駆動するバケットシリンダ18とを備えている。ブーム13、アーム14、バケット15の回動軸には、それぞれブーム角度センサ23、アーム角度センサ24、バケット角度センサ25が取り付けられている。これらの角度センサは、ブーム13、アーム14、バケット15の回動角度をそれぞれ取得し、取得した結果を制御装置21に出力する。
【0022】
図3は作業機械の構成を示す油圧回路図である。図3に示すように、作動油タンク41内の圧油は、メインポンプ39によって吐出され、更にコントロールバルブ35〜38を通してブームシリンダ16、アームシリンダ17、バケットシリンダ18、旋回モータ19にそれぞれ供給される。これによって、ブームシリンダ16、アームシリンダ17、バケットシリンダ18、旋回モータ19はそれぞれ駆動される。コントロールバルブ35〜38は、例えば電磁弁からなり、制御装置21によってそれぞれ制御されている。
【0023】
なお、メインポンプ39によって吐出される圧油は、圧力が過大にならないようにリリーフ弁40を通して調整されている。また、各シリンダ、旋回モータおよびリリーフ弁40を介した圧油は、再度作動油タンク41に戻るようになっている。
【0024】
操作レバー22a,22bから出力された電気信号は、制御装置21で受信した後、適切な電気信号に変換されてコントロールバルブ35〜38を駆動するようになっている。また、コントロールバルブ35〜38の開閉量は、操作レバー22a,22bの操作量に応じて変化するように構成されている。これによって、ブームシリンダ16、アームシリンダ17、バケットシリンダ18、旋回モータ19への圧油の供給量がそれぞれ調整される。
【0025】
制御装置21は、例えばブーム角度センサ23、アーム角度センサ24、バケット角度センサ25、旋回ジャイロスコープ27、傾斜センサ28、設計データ取得装置29、ステレオカメラ制御装置31からの信号を受信し、受信した信号を基に作業機械1の位置座標、作業機械1の姿勢及び作業機械1の周囲地形を演算し、演算した結果を表示装置26に表示させるように構成されている。
【0026】
図4は作業機械の制御システムの構成を示す概略図である。図4に示すように、作業機械1の制御システムは、制御装置21と、制御装置21と電気的に接続されたステレオカメラ制御装置31、設計データ取得装置29及び表示装置26などによって構成されている。設計データ取得装置29は、例えば外部記憶媒体32と接続可能なUSB(Universal Serial Bus)ポートである。
【0027】
制御装置21は、入出力部50と、処理部51と、記憶部52とを有する。入出力部50は、制御装置21とステレオカメラ制御装置31、設計データ取得装置29、表示装置26等の装置とを接続するためのインタフェースである。処理部51は、CPU(Central Processing Unit)とGPU(Graphics Processing Unit)を組み合わせてなるマイクロコンピュータによって構成されている。この処理部51は、更に、設計データ処理部51a、周辺領域抽出部51b、現況地形データ生成部51c、位置姿勢推定部51d、類似形状対応付け部51e、座標変換行列演算部51f、及び位置座標変換部51gを有する。
【0028】
設計データ処理部51aは、入出力部50を介して設計データ取得装置29に接続された外部記憶媒体32からの設計データを、設計データ座標系(第1座標系)のデータとして読み出し、読み出した設計データを記憶部52に書き込むように構成されている。周辺領域抽出部51bは、記憶部52に記憶される設計データを読み出し、読み出した設計データのうち施工を行わない周辺領域の形状データである周辺領域形状データを抽出し、抽出した周辺領域形状データを記憶部52に書き込むように構成されている。
【0029】
現況地形データ生成部51cは、地形計測装置30で計測してステレオカメラ制御装置31から入力された地形データを基に該地形計測装置30の設置位置(すなわち、作業機械1の設置位置)に基づいて定められた現況地形座標系(第2座標系)の現況地形データを生成し、生成した現況地形データを記憶部52に書き込むように構成されている。なお、ここでの現況地形データは作業機械1の周囲の地形形状に関するものである。
【0030】
位置姿勢推定部51dは、現況地形データ生成部51cが生成した現況地形データに基づいて現況地形座標系における作業機械1の自己位置及び姿勢(以下、「作業機械の自己位置及び姿勢」を単に「自己位置及び姿勢」という場合がある)を推定し、推定した作業機械1の自己位置及び姿勢の座標を記憶部52に書き込むように構成されている。
(【0031】以降は省略されています)

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