JP2025014646A - AUTONOMOUS DRIVING INFORMATION CALCULATION SYSTEM AND AUTONOMOUS DRIVING INFORMATION CALCULATION METHOD - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、建設機械の自動運転に関する技術であり、より具体的には、油圧ショベルにおけるバケットなどその建設機械の作業用途を実現する機材の位置や角度を用いて自動運転を行う建設機械と、自動運転に必要な情報を出力するプログラムに関するものである。 This invention relates to technology related to the automatic operation of construction machinery, and more specifically, to construction machinery that performs automatic operation using the position and angle of equipment that realizes the work purpose of the construction machinery, such as a bucket in a hydraulic excavator, and a program that outputs information necessary for automatic operation.
近年、建設業界における人手不足の問題が深刻化しており、行政が計画している工事の遂行にも少なからず影響を及ぼしている。他方、災害現場や事故現場など人が立ち入るには危険な場所で施工することもあるが、その場合の安全対策は極めて慎重に行わなければならない。このような背景のもと、さらに情報通信技術や測位技術の飛躍的な進歩もあって、無人の建設機械によって施工を行う「無人施工」が実用化されるようになってきた。 In recent years, the labor shortage problem in the construction industry has become more serious, affecting the execution of construction projects planned by the government to a certain extent. On the other hand, construction work is sometimes carried out in places that are dangerous for people to enter, such as disaster sites or accident sites, and in such cases safety measures must be taken with extreme care. Against this background, and with the dramatic advances in information and communication technology and positioning technology, "unmanned construction," in which construction work is carried out using unmanned construction machinery, has come into practical use.
この無人施工は、遠隔操作形式と自動運転形式に大別することができる。遠隔操作形式は、人が建設機械から離れた位置に立ち、無線操作送信機を操作することによって建設機械を操る手法であり、一方の自動運転形式は、一連の作業を指令する処理が組み込まれたプログラムを、コンピュータが実行することによって建設機械が自動的に稼働する手法である。 This unmanned construction can be broadly divided into remote control and automatic operation. Remote control is a method in which a person stands away from the construction machinery and operates the machinery by operating a wireless control transmitter, while automatic operation is a method in which a computer executes a program that contains processes to command a series of tasks, causing the construction machinery to operate automatically.
建設機械による自動化施工に関しては、これまでにも様々な技術が提案されており、例えば特許文献1では、いわゆるティーチングデータとプレーバックによる手法を利用し、トラックの進入に応じて所定の作業を自動的に行う油圧ショベルについて提案している。
Various technologies have been proposed for automating construction work using construction machinery. For example,
特許文献1をはじめ従来の自動運転に係る技術は、特定の建設機械を対象とするものであった。すなわち、その建設機械に特有の諸条件やパラメータに基づいて当該建設機械が所定の動作を行うように計算し、そのうえで自動運転用のプログラムを作成していた。したがって、同種の建設機械、つまりその作業用途を実現するための機材(以下、「作業機材」という。)が共通する建設機械どうしでも、それぞれ建設機械ごとに計算し、プログラムを作成する必要があった。例えば、バケット(作業機械)を有するという点で共通する同じバックホウであっても、メーカーや仕様(バケット容量など)が異なれば、それぞれバックホウごとに自動運転用のプログラムを作成しなければならないわけである。
Conventional technologies related to automatic operation, such as that disclosed in
また従来技術では、建設機械を構成する種々の機材を対象としたうえで、その建設機械が所定の動作を行うように計算していた。例えば特許文献1では、旋回体とブーム、アーム、バケットを対象とし、それぞれの角度などを算出したうえで、プログラムを作成することとしていた。この場合、その計算が煩雑であるうえ、建設機械の安定性や効率など考えると実際には実施しないような動作を指示したり、あるいは論理的には可能であっても現実的には実施できない動作を指示したりすることが考えられる。
Furthermore, in conventional technology, calculations were made for the various components that make up a construction machine, and then calculations were made for the construction machine to perform a specified operation. For example, in
本願発明の課題は、従来技術が抱える問題を解決することであり、すなわち「作業機材」の挙動を指定するだけで所定の動作をする自動運転情報算出システムと、その自動運転に必要な情報を出力する自動運転情報算出方法を提供することである。 The objective of the present invention is to solve the problems of the conventional technology, that is, to provide an automatic driving information calculation system that performs a predetermined operation simply by specifying the behavior of "work equipment," and an automatic driving information calculation method that outputs the information necessary for the automatic driving.
本願発明は、同種の建設機械に共通する「作業機材」の挙動を指定することによって、種々の建設機械の自動運転に共通して利用することができる、という点に着目してなされたものであり、これまでにない発想に基づいて行われた発明である。 The present invention was made with a focus on the fact that by specifying the behavior of "work equipment" common to the same type of construction machinery, it can be used in common for the automatic operation of various types of construction machinery, and is an invention based on an unprecedented idea.
本願発明の自動運転情報算出システムは、建設機械を自動運転させるための情報を求めるシステムであって、中継情報算出手段を備えたものである。なお、この建設機械は、本体部と、本体部に取り付けられる中継機構、中継機構に取り付けられる作業機材を含んで構成される。また作業機材は、建設機械の作業用途を実現する機能を有するもので、中継機構は、作業機材の挙動を制御する機能を有するものである。中継情報算出手段は、作業機材に係る「機材挙動情報」に基づいて中継機構の「機構動作情報」を算出する手段である。機材挙動情報は、作業機材のうちあらかじめ設定された特定点に係る「機材位置情報」と、作業機材の姿勢を示す「機材姿勢情報」、「経過時刻」からなる複数の「ポイント挙動情報」を含む。また機材位置情報は、本体部のうちあらかじめ設定された基準点を原点とする座標系における3次元座標である。そして中継情報算出手段が、ポイント挙動情報の経過時刻において、作業機材がポイント挙動情報の機材位置情報と機材姿勢情報に適合するように機構動作情報を算出する。 The automatic driving information calculation system of the present invention is a system for obtaining information for automatically driving a construction machine, and is equipped with a relay information calculation means. The construction machine is configured to include a main body, a relay mechanism attached to the main body, and a work equipment attached to the relay mechanism. The work equipment has a function for realizing the work purpose of the construction machine, and the relay mechanism has a function for controlling the behavior of the work equipment. The relay information calculation means is a means for calculating "mechanism operation information" of the relay mechanism based on "equipment behavior information" related to the work equipment. The equipment behavior information includes "equipment position information" related to a specific point set in advance among the work equipment, "equipment attitude information" indicating the attitude of the work equipment, and a plurality of "point behavior information" consisting of "elapsed time". The equipment position information is three-dimensional coordinates in a coordinate system with a reference point set in advance among the main body as the origin. The relay information calculation means calculates the mechanism operation information so that the work equipment conforms to the equipment position information and equipment attitude information of the point behavior information at the elapsed time of the point behavior information.
本願発明の自動運転情報算出システムは、機構制御手段を有する建設機械をさらに備えたものとすることもできる。この機構制御手段は、中継情報算出手段によって算出された機構動作情報に基づいて中継機構を制御する手段である。なお、建設機械として油圧ショベルを利用することもできる。この場合の作業機材は地盤を掘削し、あるいは土砂を積み込むための「バケット」であり、中継機構は「アーム」と「ブーム」、「油圧シリンダ」を含んで構成される。そして機構制御手段が、油圧シリンダを制御することによって、機構動作情報に適合するように作業機材を制御する。 The automatic driving information calculation system of the present invention can also be further equipped with a construction machine having a mechanism control means. This mechanism control means is a means for controlling the relay mechanism based on the mechanism operation information calculated by the relay information calculation means. A hydraulic excavator can also be used as the construction machine. In this case, the work equipment is a "bucket" for excavating the ground or loading earth and sand, and the relay mechanism is composed of an "arm", a "boom" and a "hydraulic cylinder". The mechanism control means controls the hydraulic cylinder to control the work equipment so as to conform to the mechanism operation information.
本願発明の自動運転情報算出システムは、中継機構の旋回が拘束されたことを条件として機構動作情報を算出するものとすることもできる。 The automated driving information calculation system of the present invention can also calculate mechanism operation information on the condition that the rotation of the relay mechanism is restricted.
本願発明の自動運転情報算出システムは、中継機構が旋回可能であることを条件として機構動作情報を算出するものとすることもできる。 The automated driving information calculation system of the present invention can also calculate mechanism operation information on the condition that the relay mechanism is capable of turning.
本願発明の自動運転情報算出方法は、本願発明の建設機械を自動運転させるための「機構動作情報」を求める方法であって、挙動情報設定工程と中継情報算出工程を備えた方法である。この挙動情報設定工程では、作業機材に係る機材挙動情報を設定し、また中継情報算出工程では、機材挙動情報に基づいて中継機構の機構動作情報を算出する。 The automatic operation information calculation method of the present invention is a method for determining "mechanism operation information" for automatically operating the construction machine of the present invention, and is a method including a behavior information setting step and a relay information calculation step. In this behavior information setting step, equipment behavior information related to the work equipment is set, and in the relay information calculation step, the mechanism operation information of the relay mechanism is calculated based on the equipment behavior information.
本願発明の自動運転情報算出方法は、ポイント挙動情報取得工程をさらに備えた方法とすることもできる。このポイント挙動情報取得工程では、オペレータが建設機械を操作しながら、ポイント挙動情報を取得していく。この場合、挙動情報設定工程では、ポイント挙動情報取得工程で取得されたポイント挙動情報に基づいて、機材挙動情報を設定する。 The automatic driving information calculation method of the present invention can also be a method further including a point behavior information acquisition process. In this point behavior information acquisition process, the operator acquires point behavior information while operating the construction machine. In this case, in the behavior information setting process, the equipment behavior information is set based on the point behavior information acquired in the point behavior information acquisition process.
本願発明の自動運転情報算出システム、及び自動運転情報算出方法には、次のような効果がある。
(1)同種の建設機械に共通する「作業機材」の挙動を指定することによって、その建設機械は自動的に所定の作業を実施することができる。すなわち、メーカーや仕様などが異なる建設機械であっても、作業機材が共通する限り様々な建設機械に利用することができる。
(2)油圧ショベルにおける地盤の掘削や土砂の積み込みなど、その建設機械の作業用途を実現する作業機材の挙動を指定することから、建設機械に対して現実的かつ実現可能であって、しかも安定した動作を指令することができる。
(3)作業機材の挙動を指定するだけで建設機械による自動運転が可能となり、建設機械を構成する種々の機材(旋回体とブーム、アーム、バケットなど)をまとめて対象としたうえで、その動作を計算するといった煩雑な処理を行う必要がない。
The automatic driving information calculation system and the automatic driving information calculation method of the present invention have the following advantages.
(1) By specifying the behavior of "work equipment" common to the same type of construction machine, the construction machine can automatically perform a specific task. In other words, even if the construction machines are made by different manufacturers or have different specifications, they can be used for various construction machines as long as the work equipment is common.
(2) By specifying the behavior of the work equipment that will realize the work application of the construction machine, such as digging up ground or loading soil with a hydraulic excavator, it is possible to command the construction machine to perform operations that are realistic, feasible, and stable.
(3) Automatic operation of construction machinery is possible simply by specifying the behavior of the work equipment. There is no need to perform complicated processing such as calculating the movements of the various pieces of equipment that make up the construction machinery (rotating body, boom, arm, bucket, etc.) all at once.
本願発明の自動運転情報算出システム、及び自動運転情報算出方法の実施形態の例を図に基づいて説明する。 The following describes an example of an embodiment of the autonomous driving information calculation system and autonomous driving information calculation method of the present invention with reference to the drawings.
1.全体概要
本願発明は、建設機械が主目的としている作業(以下、「専用作業」という。)を直接実行する「作業機材」に着目するとともに、作業機材に係る挙動(いわば、振る舞い)を設定したうえで、その挙動を実現するように建設機械を制御することを技術的特徴の一つとしている。例えば、油圧ショベルの場合、まずは作業機材である「バケット」の挙動を設定し、その挙動を実現するように「アーム」と「ブーム」、「油圧シリンダ」の動きを制御するわけである。なお便宜上ここでは、油圧ショベルにおけるアームとブーム、油圧シリンダのように、作業機材(この場合、バケット)を直接的に制御する機構のことを「中継機構」ということとする。
1. Overall Overview One of the technical features of the present invention is that it focuses on the "work equipment" that directly performs the work that is the main purpose of the construction machine (hereinafter referred to as the "dedicated work"), and sets the behavior (i.e., the movement) of the work equipment, and then controls the construction machine to realize that behavior. For example, in the case of a hydraulic excavator, the behavior of the "bucket," which is the work equipment, is set first, and then the movements of the "arm,""boom," and "hydraulic cylinder" are controlled to realize that behavior. For convenience, the mechanism that directly controls the work equipment (in this case, the bucket), such as the arm, boom, and hydraulic cylinder of a hydraulic excavator, is referred to as the "relay mechanism."
これまで、多くの建設機械メーカーによって建設機械の自動運転技術が開発されており、主な建設機械については概ね自動運転が可能とされている。通常、建設機械にその専用作業を実施させるにあたっては、中継機構と作業機材、本体を含めた動作を解析することによって自動運転に関する情報(以下、「制御情報」という。)を求め、その制御情報にしたがって各部材を制御している。建設機械メーカーは、当然ながら建設機械の構成に精通しており、「所定の動作」が与えられるとそれを実現するための制御情報を求めることができる。ところが建設機械メーカーは、建設機械の専用作業に関しては、実際のオペレータのように詳しいわけではない。例えば、油圧ショベルで地盤を掘削する場合、如何にバケットを挙動させるべきかといったノウハウなどを、建設機械メーカーが十分に備えていないこともある。 Up until now, many construction machinery manufacturers have developed automatic driving technology for construction machinery, and it is generally believed that automatic driving is possible for most major construction machinery. Normally, when a construction machine is made to perform a specialized task, information regarding automatic driving (hereinafter referred to as "control information") is obtained by analyzing the operation of the relay mechanism, work equipment, and the main body, and each component is controlled according to the control information. Naturally, construction machinery manufacturers are familiar with the configuration of construction machinery, and when a "specified operation" is given, they can obtain the control information to achieve it. However, construction machinery manufacturers are not as knowledgeable about the specialized tasks of construction machinery as actual operators are. For example, when digging ground with a hydraulic excavator, construction machinery manufacturers may not have sufficient know-how on how the bucket should behave.
そこで本願発明では、作業機材の挙動に関する情報(以下、「機材挙動情報」という。)を設定し、その機材挙動情報に基づいて中継機構の動作に関する情報(以下、「機構動作情報」という。)を算出することとし、つまり機材挙動情報と機構動作情報によって制御情報を構成することとした。これにより、オペレータなど建設機械を操作する専門家によって機材挙動情報を設定することができ、そして建設機械メーカーなど建設機械に精通した者によって機構動作情報を算出することができるわけである。 Therefore, in the present invention, information on the behavior of the work equipment (hereinafter referred to as "equipment behavior information") is set, and information on the operation of the relay mechanism (hereinafter referred to as "mechanism operation information") is calculated based on the equipment behavior information; in other words, control information is composed of the equipment behavior information and the mechanism operation information. This allows the equipment behavior information to be set by an expert who operates the construction machinery, such as an operator, and the mechanism operation information to be calculated by someone familiar with construction machinery, such as a construction machinery manufacturer.
本願発明は、中継機構と作業機材を備えている限り種々の建設機械を対象として実施することができる。例えば、作業機材が「排土板(ブレード)」であって、その排土板を制御する「シリンダ」が中継機構であるブルドーザや、作業機材が「ローラ」であって、そのローラを制御する「アーム」が中継機構である振動ローラ、あるいは作業機材が「荷台」であって、その荷台をダンプアップする「シリンダ」が中継機構であるダンプトラックなどを挙げることができる。 The present invention can be applied to various construction machines as long as they are equipped with a relay mechanism and working equipment. For example, there are bulldozers in which the working equipment is a "blade" and the "cylinder" that controls the blade is the relay mechanism, vibrating rollers in which the working equipment is a "roller" and the "arm" that controls the roller is the relay mechanism, and dump trucks in which the working equipment is a "cargo platform" and the "cylinder" that dumps up the cargo platform is the relay mechanism.
2.自動運転情報算出システム
次に、本願発明の自動運転情報算出システムについて図を参照しながら詳しく説明する。なお、本願発明の自動運転情報算出システムと自動運転情報算出方法は、いずれも建設機械を自動運転させるための情報を求めるものであり、まずは本願発明の自動運転情報算出システムについて説明し、その後に本願発明の自動運転情報算出方法について説明することとする。
2. Automatic driving information calculation system Next, the automatic driving information calculation system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that both the automatic driving information calculation system and the automatic driving information calculation method of the present invention are for obtaining information for automatically driving a construction machine, so the automatic driving information calculation system of the present invention will be described first, and then the automatic driving information calculation method of the present invention will be described.
図1は、本願発明の自動運転情報算出システム100の主な構成を示すブロック図である。この図に示すように本願発明の自動運転情報算出システム100は、演算処理装置110を含んで構成され、さらに建設機械120を含んで構成することもできる。この演算処理装置110は、中継情報算出手段111を含んで構成され、さらに挙動情報入力手段112や管理側送受信手段113などを含んで構成することもできる。また建設機械120は、本体部121と中継機構122、作業機材123、機構制御手段124などを含んで構成され、計測手段125や機械側送受信手段126などを搭載することもできる。
Figure 1 is a block diagram showing the main components of the autonomous driving
演算処理装置110を構成する要素のうち中継情報算出手段111は、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。すなわち、所定のプログラムによってコンピュータ装置に演算処理を実行させることで、それぞれ手段特有の処理を行うわけである。このコンピュータ装置は、CPU等のプロセッサ、ROMやRAMといったメモリ、マウスやキーボード等の入力手段やディスプレイを具備するものであって所定のプログラムによって演算処理を実行するものであり、パーソナルコンピュータ(PC)やサーバー、iPad(登録商標)といったタブレット型PC、スマートフォンを含む携帯端末などによって構成することができる。
Of the elements constituting the
図1に示すように演算処理装置110は、管理棟や監督員詰所など作業現場から離れた場所に配置することができる。あるいは、図1の「建設機械B」のように、中継情報算出手段111と挙動情報入力手段112を含むコンピュータ装置を建設機械120に搭載することもできる。後述するように中継情報算出手段111は、「機材挙動情報(作業機材の挙動に関する情報)」を入力情報としたうえで、「機構動作情報(中継機構の動作に関する情報)」を算出する。そして、その機構動作情報を取得した機構制御手段124は、その機構動作情報にしたがって中継機構122を制御する。そのため演算処理装置110を管理棟などに配置する場合、無線や有線を利用した管理側送受信手段113によって機構動作情報を機械側送受信手段126に送信し、さらに機械側送受信手段126が機構制御手段124に機構動作情報を伝達する仕様にするとよい。
As shown in FIG. 1, the
本願発明の自動運転情報算出システム100は、1種類の建設機械120を制御するものとして実施することもできるし、図1に示すように複数種類(図では2種類)の建設機械120を同時に制御するものとして実施することもできる。例えば、同じ施工現場でバックホウとダンプトラックを同時に制御するわけである。この場合、当然ながら建設機械120ごとに機構動作情報が求められ、図1の例では建設機械Aのための機構動作情報と建設機械Bのための機構動作情報がそれぞれ求められる。また、複数の同種の建設機械120を制御するものとして実施することもできる。例えば、同じ施工現場で2台のバックホウと3台のダンプトラックを同時に制御するわけである。
The automatic driving
以下、本願発明の自動運転情報算出システム100を構成する主な要素ごとに詳しく説明する。なお便宜上ここでは、建設機械120を油圧ショベルとする例で説明する。
Below, we will explain in detail each of the main elements that make up the autonomous driving
(建設機械)
図2は、建設機械120としての油圧ショベル120Eを示す側面図であり、(a)は地盤を掘削する前の状態を示し、(b)は地盤を掘削している状態を示している。この図に示すように油圧ショベル120Eは、本体部121と中継機構122、バケット123B(作業機材123)を備えており、さらに機構制御手段124も備えている。このうち本体部121は、キャビン(運転席)や走行用のクローラなどを含んで構成される。また中継機構122は、ブーム122Bとアーム122A、ブームシリンダ122C1、アームシリンダ122C2、バケットシリンダ122C3を含んで構成される。ブーム122Bはその後方で本体部121に取り付けられ、アーム122Aはその後方でブーム122Bに連結されるとともにその前方ではバケット123Bに連結される。そして、機構制御手段124がブームシリンダ122C1を制御することによってブーム122Bが動作し、またアームシリンダ122C2を制御することによってアーム122Aが動作し、バケットシリンダ122C3を制御することによってバケット123Bが動作する。
(Construction machinery)
2 is a side view showing a
油圧ショベル120Eは、作業対象となる領域(以下、「対象領域」という。)を計測するための計測手段125を搭載することもできる。例えば図3に示すように、対象領域を区分した施工ブロック(図では、BL01~BL15)ごとに地盤を掘削することもある。この場合、対象領域の形状や寸法を把握したうえで施工ブロックを設定することになるが、このとき計測手段125を用いて対象領域を計測することができる。また計測手段125で計測することによって、地盤掘削の進捗状況を把握したり、掘削後の出来形を把握したりすることもできる。
The
計測手段125としては、例えばレーザーセンサを利用して計測を行うレーザー計測機や、写真計測(2枚1組のステレオペア画像を利用した計測)を行うための画像取得手段(カメラやビデオカメラなど)、トータルステーション(Total Station)などを利用することができる。 The measuring means 125 may be, for example, a laser measuring device that uses a laser sensor to perform measurements, an image acquisition means (such as a camera or video camera) for performing photomeasurements (measurements using a stereo pair of two images), or a total station.
(演算処理装置)
演算処理装置110を構成する中継情報算出手段111は、機材挙動情報を入力情報として機構動作情報を算出する手段である。この機材挙動情報は、建設機械が主目的とする「専用作業」を実行する際の作業機材123の挙動を示す情報である。例えば油圧ショベル120Eの場合、「地盤の掘削」や「土砂の積み込み」が専用作業であり、その専用作業の開始から終了までのバケット123B(作業機材123)の挙動を示す情報が機材挙動情報である。以下、機材挙動情報についてさらに詳しく説明する。
(Processing Device)
The relay information calculation means 111 constituting the
機材挙動情報は、専用作業の開始から終了まで刻々と変化するバケット123Bの位置と姿勢に関する情報の集合であって、図4に示すように専用作業(図では地盤掘削)におけるバケット123Bの軌跡(以下、「機材軌跡」という。)を示す情報である。そのため機材挙動情報は、専用作業の開始から経過した時間(以下、「経過時刻」という。)と、経過時刻におけるバケット123Bの位置を示す情報(以下、「機材位置情報」という。)、経過時刻におけるバケット123Bの姿勢を示す情報(以下、「機材姿勢情報」という。)を含んでいる。そして、経過時刻と機材位置情報、機材姿勢情報からなる情報(以下、「ポイント挙動情報」という。)を、機材軌跡に沿って集めたものが機材挙動情報である。例えば図5では、作業開始から完了まで機材軌跡に沿って19個所の地点(ポイント1~ポイント19)を設定し、それぞれの地点におけるポイント挙動情報によって機材挙動情報が構成されている。
The equipment behavior information is a collection of information about the position and attitude of the
ポイント挙動情報のうち機材位置情報は、作業機材123のうちあらかじめ設定された「特定点」の座標である。例えばバケット123Bの場合、図6(a)に示すように中央の刃先を特定点としたり、あるいはバケット123Bの背面中心を特定点としたりするなど、バケット123Bのうち所望の位置で特定点を設定することができる。また機材位置情報は、本体部121のうちあらかじめ設定された「基準点」を原点とする座標系における3次元座標とされる。例えば油圧ショベル120Eの場合、図6(b)に示すように本体部121の平面中心を基準点(つまり、座標原点)としたり、あるいはキャビン上部の任意点を基準点としたりするなど、本体部121のうち所望の位置で基準点を設定することができる。
The equipment position information in the point behavior information is the coordinates of a "specific point" that has been set in advance on the
ポイント挙動情報のうち機材姿勢情報は、作業機材123の姿勢を示す情報であり、作業機材123のうち着目した面に係る角度として設定することができる。例えばバケット123Bの場合、図6(a)に示すようにバケット123Bの背面が水平面となす角度を機材姿勢情報とすることができる。もちろん、バケット123B上面(開口面)が水平面となす角度を機材姿勢情報とすることもできるし、水平面との交差角に代えて鉛直面との交差角を機材姿勢情報とすることもできる。あるいは、角度に代えて2つの着目点をもって機材姿勢情報とすることもできる。この場合、着目点の3次元座標を用いて作業機材123の角度を求めることになる。例えば、機材姿勢情報としてバケット123Bの背面に2つの着目点を設定し、それら着目点の3次元座標に基づいてバケット123Bの背面角度を求めるわけである。
The equipment attitude information in the point behavior information is information indicating the attitude of the
一連のポイント挙動情報からなる機材挙動情報を設定するにあたっては、建設機械120の操作に詳しい専門家の経験や知識に基づいて設定することもできるし、例えば3次元CAD(Computer Aided Design)で仮想的に建設機械120のモデルを操作し、いわばシミュレーションによって機材挙動情報を設定することもできる。あるいは、熟練のオペレータが実際に建設機械120を操作しながら、経過時刻と機材位置情報、機材姿勢情報を定期的に測定し、その測定結果に基づいて機材挙動情報を設定することもできる。
When setting equipment behavior information consisting of a series of point behavior information, it can be set based on the experience and knowledge of an expert familiar with the operation of the
中継情報算出手段111は、作業機材123がそれぞれ経過時刻における機材位置情報と機材姿勢情報に適合するように、つまり作業機材123(特定点)が機材位置情報に係る位置となり、しかも作業機材123(着目した面)が機材姿勢情報に係る姿勢となるように、機構動作情報を算出する。このとき、使用する建設機械120に特有のパラメータ(部材寸法や能力など)に基づいて機構動作情報を算出するとよい。つまり、機材挙動情報は建設機械120の種別等に依存することはないものの、機構動作情報は建設機械120に応じて算出するわけである。なお、機材挙動情報はポイント挙動情報の集合であって、経過時刻ごとのいわば離散的なデータである。したがって中継情報算出手段111は、ポイント挙動情報とポイント挙動情報の間を補完するように機構動作情報を算出する。そのため、ポイント挙動情報とポイント挙動情報との時間間隔に上限(例えば、0.5秒以下など)を設定したり、ポイント挙動情報とポイント挙動情報との点間距離に上限(例えば、300mm以下など)を設定したりするとよい。
The relay information calculation means 111 calculates the mechanism operation information so that the
中継情報算出手段111は、中継機構122が略鉛直軸(鉛直軸を含む)周りの旋回(以下、「水平旋回」という。)を行わないことを条件(以下、「旋回拘束条件」という。)として機構動作情報を算出することもできるし、中継機構122が水平旋回することを条件(以下、「旋回条件」という。)として機構動作情報を算出することもできる。例えば、図2に示すように上方から地盤に向かってバケット123Bが降下し、バケット123Bが地盤を掘削し、バケット123Bが掘削土を掬い取るといった一連の動作を対象とする場合、ブーム122Bやアーム122A(中継機構122)が水平旋回しない「旋回拘束条件」のもと機構動作情報を算出するとよい。
The relay information calculation means 111 can calculate the mechanism operation information under the condition (hereinafter referred to as the "rotation constraint condition") that the
一方、バケット123Bが掘削土を掬い取った後、さらにブーム122Bやアーム122Aが水平旋回してバケット123Bがダンプトラックの荷台まで移動し、バケット123Bが掘削土を荷台に降ろし、バケット123Bが荷台上の掘削度を均すといった作業も含めて対象とする場合は、ブーム122Bやアーム122A(中継機構122)が水平旋回する「旋回条件」のもと機構動作情報を算出するとよい。また図7に示すように、施工領域内に境界壁が設置され、その境界壁に沿った掘削が強いられる場合も、「旋回条件」のもと機構動作情報を算出するとよい。
On the other hand, if the target work also includes the
既述したとおり、図3に示す施工ブロックを設定するにあたっては、計測手段125を用いて対象領域を計測するとよい。この場合、各施工ブロックの位置を示す座標を取得し、その座標に基づいて中継情報算出手段111は機構動作情報を算出する。ただし、施工ブロックごとに機材挙動情報を変更する必要はない。つまり、ブーム122Bやアーム122Aの動作は施工ブロックによって異なるものの、バケット123Bの挙動は施工ブロックによって変化しないこととして、機構動作情報を算出するわけである。なお、施工ブロックごとに地盤を掘削する場合、1サイクルの掘削作業(バケット123Bの降下~掘削土の掬い取り)を対象として機材挙動情報を設定するときは「旋回拘束条件」のもと機構動作情報を算出し、施工ブロックが完了するまでの作業を対象として機材挙動情報を設定するときは「旋回条件」のもと機構動作情報を算出するとよい。
As mentioned above, when setting the construction blocks shown in FIG. 3, it is advisable to measure the target area using the measuring means 125. In this case, the coordinates indicating the position of each construction block are obtained, and the relay information calculation means 111 calculates the mechanism operation information based on the coordinates. However, it is not necessary to change the equipment behavior information for each construction block. In other words, although the operation of the
演算処理装置110を構成する挙動情報入力手段112は、機材挙動情報を中継情報算出手段111に入力する手段である。この挙動情報入力手段112としては、ポインティングデバイス(マウスやタッチパネル、ペンタブレット、タッチパッド、トラックパッド、トラックボールなど)やキーボード等を利用することができる。
The behavior information input means 112 constituting the
3.自動運転情報算出方法
続いて、本願発明の自動運転情報算出方法について図を参照しながら説明する。なお、自動運転情報算出システム100で説明した内容と重複する説明は避け、本願発明の自動運転情報算出方法に特有の内容のみ説明することとする。すなわち、ここに記載されていない内容は、「2.自動運転情報算出システム」で説明したものと同様である。
3. Automatic driving information calculation method Next, the automatic driving information calculation method of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the description will avoid overlapping with the contents described in the automatic driving
図8は、本願発明の進入検知方法の主な工程を示すフロー図である。なお、この図のうち中央の列には実行する工程を示し、左列にはその工程に必要な情報を、右列にはその工程によって生ずる情報を示している。 Figure 8 is a flow diagram showing the main steps of the intrusion detection method of the present invention. Note that the center column of this diagram shows the steps to be performed, the left column shows the information required for each step, and the right column shows the information generated by each step.
建設機械120を自動運転させるにあたっては、図8に示すようにまずはモデル施工を行う(図8のStep201)。このモデル施工は、例えば熟練のオペレータによって、いわば理想的な専用作業を行うとよい。そして、オペレータが建設機械120を操作している間、レーザー計測機や、写真計測用の画像取得手段、トータルステーションといった計測機によって、定期的にポイント挙動情報を取得していく(ポイント挙動情報取得工程)。ポイント挙動情報が得られると、機材軌跡に沿った一連のポイント挙動情報に基づいて機材挙動情報を設定する(図8のStep202:挙動情報設定工程)。
To operate the
実際に専用作業を行う際には、計測手段125を用いて対象領域の計測を行う(図8のStep203)。そして、その計測結果と機材挙動情報に基づいて、機構動作情報を算出する(図8のStep204:中継情報算出工程)。図3に示すような施工ブロックを設定する場合、施工ブロックの位置を示す座標を取得するとともに、その座標に基づいて機構動作情報を算出するとよい。
When actually performing the dedicated work, the target area is measured using the measuring means 125 (
機構動作情報が得られると、機構制御手段124が中継機構122を制御する(図8のStep205)ことによって、作業機材123が専用作業を実行していく(図8のStep206)。
When the mechanism operation information is obtained, the mechanism control means 124 controls the relay mechanism 122 (
本願発明の自動運転情報算出システム、及び自動運転情報算出方法は、油圧ショベルのほか、ブルドーザや振動ローラ、ダンプトラックなど種々の建設機械に利用することができる。本願発明が、建設業界における人手不足の問題を解決し、また人の立ち入りが危険な場所での施工も可能にすることを考えれば、本願発明は産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献を期待し得る発明といえる。 The automatic driving information calculation system and the automatic driving information calculation method of the present invention can be used for various construction machines such as bulldozers, vibratory rollers, dump trucks, etc. in addition to hydraulic excavators. Considering that the present invention solves the problem of labor shortages in the construction industry and makes it possible to carry out work in places where human entry is dangerous, the present invention can be said to be an invention that can be expected to not only be used industrially but also to make a significant contribution to society.
100 本願発明の自動運転情報算出システム
110 (自動運転情報算出システムの)演算処理装置
111 中継情報算出手段
112 挙動情報入力手段
113 管理側送受信手段
120 (自動運転情報算出システムの)建設機械
120E 油圧ショベル
121 本体部
122 中継機構
122A アーム
122B ブーム
122C1 ブームシリンダ
122C2 アームシリンダ
122C3 バケットシリンダ
123 作業機材
123B バケット
124 機構制御手段
125 計測手段
126 機械側送受信手段
100 Automatic driving information calculation system of the present invention 110 (Automatic driving information calculation system)
Claims (7)
前記建設機械は、本体部と、該本体部に取り付けられる中継機構と、該中継機構に取り付けられる作業機材と、を含んで構成され、
前記作業機材は、前記建設機械の作業用途を実現する機能を有し、
前記中継機構は、前記作業機材の挙動を制御する機能を有し、
前記作業機材に係る機材挙動情報に基づいて、前記中継機構の機構動作情報を算出する中継情報算出手段を、備え、
前記機材挙動情報は、前記作業機材のうちあらかじめ設定された特定点に係る機材位置情報、該作業機材の姿勢を示す機材姿勢情報、及び経過時刻からなる複数のポイント挙動情報を含み、
前記機材位置情報は、前記本体部のうちあらかじめ設定された基準点を原点とする座標系における3次元座標であり、
前記中継情報算出手段は、前記ポイント挙動情報の前記経過時刻において、前記作業機材が該ポイント挙動情報の前記機材位置情報と前記機材姿勢情報に適合するように、前記機構動作情報を算出する、
ことを特徴とする自動運転情報算出システム。 A system for requesting information for automatically operating a construction machine,
The construction machine includes a main body, a relay mechanism attached to the main body, and a work implement attached to the relay mechanism,
The work equipment has a function of realizing a work purpose of the construction machine,
The relay mechanism has a function of controlling the behavior of the work equipment,
a relay information calculation means for calculating mechanism operation information of the relay mechanism based on equipment behavior information related to the work equipment,
the equipment behavior information includes equipment position information relating to a specific point of the work equipment that is set in advance, equipment attitude information indicating the attitude of the work equipment, and a plurality of point behavior information consisting of elapsed time,
the device position information is a three-dimensional coordinate in a coordinate system having an origin at a preset reference point in the main body,
the relay information calculation means calculates the mechanism operation information so that the work equipment matches the equipment position information and the equipment attitude information of the point behavior information at the elapsed time of the point behavior information.
An automatic driving information calculation system characterized by the above.
前記機構制御手段は、前記中継情報算出手段によって算出された前記機構動作情報に基づいて、前記中継機構を制御する、
ことを特徴とする請求項1記載の自動運転情報算出システム。 The construction machine further includes a mechanism control means, and the mechanism control means controls the relay mechanism based on the mechanism operation information calculated by the relay information calculation means.
2. The automatic driving information calculation system according to claim 1 .
前記作業機材が、地盤を掘削し、又は土砂を積み込むためのバケットであり、
前記中継機構は、アーム、ブーム、及び油圧シリンダを含んで構成され、
前記機構制御手段は、前記油圧シリンダを制御することによって、前記機構動作情報に適合するように前記作業機材を制御する、
ことを特徴とする請求項2記載の自動運転情報算出システム。 The construction machine is a hydraulic excavator,
The work equipment is a bucket for excavating the ground or loading earth and sand,
The relay mechanism includes an arm, a boom, and a hydraulic cylinder,
the mechanism control means controls the hydraulic cylinder to control the work equipment in accordance with the mechanism operation information.
3. The automatic driving information calculation system according to claim 2 .
ことを特徴とする請求項1記載の自動運転情報算出システム。 the relay information calculation means calculates the mechanism operation information on the condition that the rotation of the relay mechanism is restricted.
2. The automatic driving information calculation system according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項1記載の自動運転情報算出システム。 the relay information calculation means calculates the mechanism operation information on the condition that the relay mechanism is capable of turning.
2. The automatic driving information calculation system according to claim 1 .
前記建設機械は、本体部と、該本体部に取り付けられる中継機構と、該中継機構に取り付けられる作業機材と、を含んで構成され、
前記作業機材は、前記建設機械の作業用途を実現する機能を有し、
前記中継機構は、前記作業機材の挙動を制御する機能を有し、
前記作業機材に係る機材挙動情報を設定する挙動情報設定工程と、
前記機材挙動情報に基づいて、前記中継機構の機構動作情報を算出する中継情報算出工程と、を備え、
前記機材挙動情報は、前記作業機材のうちあらかじめ設定された特定点の機材位置情報、該作業機材の姿勢を示す機材姿勢情報、及び経過時刻からなる複数のポイント挙動情報を含み、
前記機材位置情報は、前記本体部のうちあらかじめ設定された基準点を原点とする座標系における3次元座標であり、
前記中継情報算出工程では、前記ポイント挙動情報の前記経過時刻において、前記作業機材が該ポイント挙動情報の前記機材位置情報と前記機材姿勢情報に適合するように、前記機構動作情報を算出する、
ことを特徴とする自動運転情報算出方法。 A method for obtaining information for automatically operating a construction machine, comprising:
The construction machine includes a main body, a relay mechanism attached to the main body, and a work implement attached to the relay mechanism,
The work equipment has a function of realizing a work purpose of the construction machine,
The relay mechanism has a function of controlling the behavior of the work equipment,
a behavior information setting step of setting equipment behavior information relating to the work equipment;
and calculating mechanism operation information of the relay mechanism based on the equipment behavior information,
the equipment behavior information includes equipment position information of a specific point of the work equipment that is set in advance, equipment attitude information indicating the attitude of the work equipment, and a plurality of point behavior information consisting of elapsed time,
the device position information is a three-dimensional coordinate in a coordinate system having an origin at a preset reference point in the main body,
In the relay information calculation step, the mechanism operation information is calculated so that the work equipment matches the equipment position information and the equipment attitude information of the point behavior information at the elapsed time of the point behavior information.
An automatic driving information calculation method comprising:
前記挙動情報設定工程では、前記ポイント挙動情報取得工程で取得された前記ポイント挙動情報に基づいて、前記機材挙動情報を設定する、
ことを特徴とする請求項6記載の自動運転情報算出方法。 The method further includes a point behavior information acquisition step of acquiring the point behavior information while an operator operates the construction machine,
In the behavior information setting step, the equipment behavior information is set based on the point behavior information acquired in the point behavior information acquisition step.
The method for calculating automatic driving information according to claim 6 .
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