JP7149205B2 - 自動運転作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、無人での運転が可能な自動運転作業機械に関する。

近年、自動車と同様に作業機械の自動化が進んでおり、オペレータの操作に伴う作業機の動作を予め与えられた目標面に沿って自動調整するようなマシンコントロールと呼ばれる技術が開発されている。また、これらの自動化技術の進展により、一部の作業をオペレータの操作を必要とせずに無人で行う自動運転を実施可能な作業機械（自動運転作業機械）が開発されている。

このような自動運転作業機械に係る技術として、例えば、特許文献１には、教示操作により複数の位置が教示されて記憶されるとともに、再生操作により前記記憶された複数の位置に基づいて掘削から放土までの一連の動作を自動的に繰り返し行う自動運転ショベルにおいて、当該自動運転ショベルは、前記教示操作により教示されて記憶される前記複数の位置として、少なくとも、掘削位置、放土位置、および待機位置からなる位置を記憶する教示位置記憶手段と、前記待機位置への移動が指令された時、当該自動運転ショベルが前記掘削から放土までの一連の動作のいずれの動作状態にあるかを判別して、それぞれの動作状態に応じて所定の待機動作を行わせて、所定の待機位置に待機させる待機動作処理手段とを備える自動運転ショベルが開示されている。

特開２００１－９０１２０号公報

このような自動運転作業機械は、特定の作業を一定時間自動で行い、その間はオペレータの操作を必要としないため、オペレータが作業を指示して自動運転を開始した後は作業機械に乗っている必要はなく、別の場所で異なる作業に従事することができる。また、自動運転作業機械は、指示された作業が終了した場合、或いは、何らかの原因により作業を完遂できない場合などに、自動運転を終了し、次の自動運転の指示やオペレータの搭乗による操作があるまで待機することとなる。

このように自動運転建設機械が自動運転を終了して待機する場合には、作業機械の待機姿勢が重要であり、待機姿勢はできる限り車体が安定する状態であることが望ましく、加えて無人状態からオペレータが搭乗して操作する状態に切り換える可能性があることも考慮しなければならない。

上記従来技術においては、自動運転の終了時などに待機指令が発せられた場合は、ショベルを自動的に所定の待機動作を行わせるとともに、オペレータがショベルに乗降する場合には自動的に乗降しやすい位置（以下、待機位置という）へと移動させ、また、安定した姿勢であってオペレータの乗降時の安全性が確保しやすい所定の待機姿勢をとらせて待機させている。

しかしながら、上記従来技術における待機姿勢は予め設定されたものであり、周囲の状況によっては予め設定された待機姿勢が適さない場合や待機姿勢をとることができない場合が考えられる。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、自動運転が終了した際の周辺状況に応じて適した待機姿勢をとることができる自動運転作業機械を提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、車体本体と、前記車体本体に搭載された作業機と、前記作業機を操作するための操作装置と、前記操作装置の操作によって生成される手動運転指令信号に基づいて前記作業機を駆動するアクチュエータと、前記作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を取得する姿勢情報計測装置と、前記手動運転指令信号を代替する自動運転指令信号を生成することで前記作業機に所定の動作を自動的に行わせる自動運転を行う自動運転コントローラとを備えた自動運転作業機械において、前記自動運転作業機械の周囲の地形情報を取得する地形情報計測装置をさらに備え、前記自動運転コントローラは、前記自動運転が終了した際に、前記地形情報計測装置で取得した地形情報に基づいて前記作業機を設置可能な接地可能範囲を検出する検出処理を実施し、接地可能範囲が検出された場合には前記作業機を前記接地可能範囲に接地させる自動運転指令信号を生成し、接地可能範囲が検出されない場合には前記作業機を所定の待機姿勢にさせる自動運転指令信号を生成するものとする。

本発明によれば、通信ネットワークの通信性能に応じて適切に自動施工の継続実行を行うことができ、作業機械の作業効率を向上することができる。

第１の実施の形態に係る自動運転作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す外観図である。 自動運転作業機械に搭載される車体制御システムの一例を油圧回路システムなどの関連構成とともに抜き出して示す概略図である。 車体コントローラ及び自動運転コントローラの処理機能の詳細を示す図である。 自動運転待機時における動作計画部の処理内容を示すフローチャートである。 自動運転待機時における動作計画部の処理内容を示すフローチャートであり、図４における待機姿勢決定処理の処理内容を示すフローチャートである。 油圧ショベルの姿勢例を示す図である。 油圧ショベルの姿勢例を示す図である。 油圧ショベルの姿勢例を示す図である。 油圧ショベルの姿勢例を示す図である。 第２の実施の形態に係る自動運転待機時における動作計画部の処理内容を示すフローチャートであり、待機姿勢決定処理の処理内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

なお、本実施の形態では、自動運転作業機械の一例として、フロント装置（作業機）を備える油圧ショベルを例示して説明するが、例えば、ホイールローダやブルドーザなどのように作業機を備える他の自動運転作業機械にも本発明を適用することが可能である。

また、以下の説明では、同一の構成要素が複数存在する場合、符号（数字）の末尾にアルファベットを付すことがあるが、当該アルファベットを省略して当該複数の構成要素をまとめて表記することがある。例えば、４つの姿勢情報計測装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが存在するとき、これらをまとめて姿勢情報計測装置３と表記することがある。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１～図９を参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態に係る自動運転作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す外観図である。また、図２は、自動運転作業機械に搭載される車体制御システムの一例を油圧回路システムなどの関連構成とともに抜き出して示す概略図であり、図３は車体コントローラ及び自動運転コントローラの処理機能の詳細を示す図である。

図１～図３において、油圧ショベル１００は、垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材（ブーム１３、アーム１４、バケット１５）を連結して構成された多関節型の作業機１０と、車体本体を構成する上部旋回体１１及び下部走行体１２とを備えており、上部旋回体１１は下部走行体１２に対して旋回可能に設けられている。

作業機１０のブーム１３の基端は上部旋回体１１の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム１４の一端はブーム１３の基端とは異なる端部（先端）に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム１４の他端にはバケット１５が垂直方向に回動可能に支持されている。フロント部材（ブーム１３、アーム１４、バケット１５）は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ１８ａ、アームシリンダ１８ｂ、及びバケットシリンダ１８ｃによりそれぞれ駆動される。なお、以下の説明では、ブームシリンダ１８ａ、アームシリンダ１８ｂ、及び、バケットシリンダ１８ｃをまとめて油圧シリンダ１８と表記することがある。

作業機１０のアーム１４とバケット１５との間には、アーム１４及びバケット１５とともに四節リンク機構を構成するバケットリンク１６，１７が設けられている。バケットリンク１６の一端はアーム１４に回動可能に支持され、他端はバケットリンク１７の一端に回動可能に支持され、バケットリンク１７の他端はバケット１５に回動可能に支持されている。一端をアーム１４に、他端をバケットリンク１６にそれぞれ回動可能に支持されているバケットシリンダ１８ｃの伸縮に応じて、四節リンク機構を構成するバケットリンク１６がアーム１４に対して相対的に回動駆動され、このバケットリンク１６の回動駆動と連動して、四節リンク機構を構成するバケット１５がアーム１４に対して相対的に回動駆動される。

下部走行体１２には、左右一対のクローラをそれぞれ駆動する走行油圧モータ１９ｂ，１９ｃ（図示しない減速機構を含む）が設けられている。なお、図１において、下部走行体１２に設けられた左右一対の走行油圧モータ１９ｂ，１９ｃについては一方のみを図示して符号を付し、他方の構成については図中に括弧書きの符号のみを示して図示を省略する。上部旋回体１１は旋回油圧モータ１９ａ（図２参照）によって下部走行体１２に対して旋回駆動され、下部走行体１２の左右一対のクローラはそれぞれ左右の走行油圧モータ１９ｂ，１９ｃにより駆動される。上部旋回体１１と下部走行体１２との間の旋回駆動部には、下部走行体１２に対する上部旋回体１１の旋回角度を計測する旋回角センサ５６が配置されている。なお、以下の説明では、旋回油圧モータ１９ａ及び走行油圧モータ１９ｂ，１９ｃをまとめて油圧モータ１９と表記することがある。

以上のように構成した油圧ショベル１００の走行油圧モータ１９ｂ，１９ｃを駆動することにより車体本体を所望の位置に移動し、旋回油圧モータ１９ａを駆動することにより上部旋回体１１を所望の方向に旋回駆動し、ブームシリンダ１８ａ、アームシリンダ１８ｂ、バケットシリンダ１８ｃを適切な位置に駆動することにより、作業機１０の先端に設けられたバケット１５を任意の位置、姿勢に駆動して掘削などの所望の作業を行う。

上部旋回体１１、作業機１０のブーム１３、アーム１４、及びバケット１５のバケットリンク１６には、それぞれ、姿勢に関する情報である姿勢情報を取得する姿勢情報計測装置３ａ～３ｄが取り付けられている。姿勢情報は、姿勢情報計測装置３ａ～３ｄが取り付けられた部材のそれぞれの傾斜角度や傾斜方向を示すものであり、例えば、水平面に対して相対的に、或いは、他の部材に対して相対的に示される。本実施の形態では、姿勢情報計測装置３ａ～３ｄとしてＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）を用いる場合を例示して説明する。姿勢情報計測装置３ａ～３ｄは、各姿勢情報計測装置３ａ～３ｄに設定されたＩＭＵ座標系における加速度や角速度の計測値を姿勢情報として出力する。重力加速度は水平面に対して常に垂直であるので、これらの計測値と、姿勢情報計測装置３ａ～３ｄの取り付け状態（つまり、姿勢情報計測装置３ａ～３ｄと上部旋回体１１、ブーム１３、アーム１４、及び、バケットリンク１６）との相対的な位置関係）などの情報とを用いることで上部旋回体１１や作業機１０の各フロント部材（ブーム１３、アーム１４、バケット１５）の水平面に対する傾斜角度や傾斜方向を取得することができ、自己姿勢を知ることができる。特に、四節リンク機構を構成するバケット１５については、バケットリンク１６に設けられた姿勢情報計測装置３ｄからの計測結果に加え、アーム１４に設けられた姿勢情報計測装置３ｃからの計測結果と、四節リンク機構の寸法情報とに基づいて回転姿勢を知ることができる。なお、本実施の形態では姿勢情報計測装置としてＩＭＵを用いる場合を例示して説明している、これに限るものではなく、同様の情報が得られればポテンショメータやシリンダストロークセンサ等を用いてもよい。

また、上部旋回体１１の前部であって、作業機１０のブーム１３の基端の支持部の横側（本実施の形態では左側）には、オペレータが搭乗して油圧ショベル１００の運転を行うための運転室２０が配置されている。運転室２０には、作業機１０を操作する操作装置としてのアーム操作レバー５０ａ、ブーム操作レバー５０ｂ、及び、バケット操作レバー５０ｃと、上部旋回体１１の旋回動作を操作する操作装置としての旋回操作レバー５０ｄと、下部走行体１２の走行動作を操作する走行操作装置としての走行操作レバー５０ｅ，５０ｆとが配置されている（図２参照）。なお、以下の説明では、上記の操作レバー５０ａ～５０ｆをまとめて操作レバー５０と表記することがある。操作レバー５０はレバーの操作量に応じた電圧または電流を出力するものであって車体コントローラ５１（図２参照）に電気的接続されており、操作レバー５０の各操作量が車体コントローラ５１で読み取り可能となっている。

上部旋回体１１には、車体制御システムを構成する車体コントローラ５１や自動運転コントローラ５２、ＧＮＳＳコントローラ５３などのほかに、原動機であるエンジン４１と、エンジン４１によって駆動される固定容量型のパイロット油圧ポンプ４２および可変容量型のメイン油圧ポンプ４３と、メイン油圧ポンプ４３から吐出されてブームシリンダ１８ａ、アームシリンダ１８ｂ、バケットシリンダ１８ｃ、旋回油圧モータ１９ａ、及び、左右の走行油圧モータ１９ｂ，１９ｃなどの油圧アクチュエータに供給される作動油の方向及び流量を制御する方向制御弁４５と、車体コントローラ５１からの制御信号に基づいてパイロット油圧ポンプ４２の吐出圧から方向制御弁４５を制御するパイロット圧を生成する制御弁４７ａ～４７ｌが配置されており、これらによって油圧回路システムが構成されている。なお、以下の説明では、制御弁４７ａ～４７ｌをまとめて制御弁４７と表記することがある。

パイロット油圧ポンプ４２及びメイン油圧ポンプ４３は、エンジン４１により駆動されることで圧油を油圧回路内に供給する。ここで、パイロット油圧ポンプ４２により供給される油をパイロット油、メイン油圧ポンプ４３により供給される油を作動油と区別して呼ぶこととする。パイロット油圧ポンプ４２から供給されるパイロット油は、遮断弁４６、制御弁４７を経由して方向制御弁４５に送られる。遮断弁４６及び制御弁４７は車体コントローラ５１と電気的に接続されており、車体コントローラ５１からの制御信号によって遮断弁４６の弁の開閉や制御弁４７の弁開度が制御される。

方向制御弁４５は、メイン油圧ポンプ４３から各油圧シリンダ１８及び各油圧モータ１９に供給される作動油の量や方向を制御するものであり、制御弁４７を経由したパイロット油に応じて、どの油圧シリンダ１８または油圧モータ１９にどれだけの作動油をどの方向に流すかが制御される。具体的には、制御弁４７ａを経由して方向制御弁４５に送られたパイロット油に応じて、油圧シリンダ１８ｂを伸長又は縮退の一方に駆動するような作動油の量が方向制御弁４５内で決まり、制御弁４７ｂを経由して方向制御弁４５に送られたパイロット油に応じて、油圧シリンダ１８ｂを他方に駆動するような作動油の量が方向制御弁４５内で決まる。

同様に、制御弁４７ｃ、４７ｄを経由したパイロット油によって油圧シリンダ１８ａを駆動する作動油の量が、制御弁４７ｅ、４７ｆを経由したパイロット油によって油圧シリンダ１８ｃを駆動する作動油の量が、制御弁４７ｇ、４７ｈを経由したパイロット油によって旋回油圧モータ１９ａを駆動する作動油の量が、制御弁４７ｉ、４７ｊを経由したパイロット油によって走行油圧モータ１９ｂを駆動する作動油の量が、制御弁４７ｋ、４７ｌを経由したパイロット油によって走行油圧モータ１９ｃを駆動する作動油の量がそれぞれ方向制御弁４５内で決まる。

また、上部旋回体１１の上部の運転室２０の後方付近には、作業現場における油圧ショベル１００の地球座標系における位置を算出するためのＧＮＳＳを構成する２つのＧＮＳＳアンテナ２ａ，２ｂが配置されている。なお、以下の説明では、ＧＮＳＳアンテナ２ａ，２ｂをまとめてＧＮＳＳアンテナ２と表記することがある。

ＧＮＳＳとは複数の衛星からの信号を受信し、地球上の自己位置を知る衛星測位システムのことである。ＧＮＳＳアンテナ２は、地球上空に位置する複数のＧＮＳＳ衛星（図示しない）からの信号（電波）を受信するものであり、得られた信号をＧＮＳＳコントローラ５３（図２参照）に送って演算を行うことで、ＧＮＳＳアンテナ２ａ、２ｂの地球座標における位置が取得される。なお、本実施の形態においては、上部旋回体１１に設けた２つのＧＮＳＳアンテナ２ａ，２ｂの受信信号から位置を演算する場合を例示して説明するが、これに限定されるものではない。すなわち、測位の方法には様々な種類が存在し、例えば、現場に設置したＧＮＳＳアンテナを含む基準局から補正情報を受信し、より高精度に自己位置を取得するＲＴＫ－ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic-GNSS）という手法を用いてもよい。この場合には、油圧ショベル１００には基準局からの補正情報を受信するための受信機が必要となるが、ＧＮＳＳアンテナ２の自己位置をより精度良く測定することができる。

ＧＮＳＳコントローラ５３によって２つのＧＮＳＳアンテナ２ａ、２ｂの地球座標での位置（地球上の位置であって、例えば、緯度、経度、標高などの情報である）が得られる。また、予め上部旋回体１１のどの位置にＧＮＳＳアンテナ２が配置されているかという情報を持っていれば、ＧＮＳＳアンテナ２の位置から逆算して、上部旋回体１１の地球上の位置を求めることができる。また、２つのＧＮＳＳアンテナ２ａ，２ｂのそれぞれの位置を計測することにより、上部旋回体１１の向き、すなわち、作業機１０がどの方向を向いているかも知ることができる。

以上のように、ＧＮＳＳ（ＧＮＳＳアンテナ２及びＧＮＳＳコントローラ５３）と姿勢情報計測装置３ａとの計測結果から上部旋回体１１の位置、方位、前後傾斜、左右傾斜を知ることができ、上部旋回体１１が地球上のどの位置にどのような姿勢で存在するかを求めることができる。また、ブーム１３、アーム１４、バケット１５のそれぞれの寸法情報と、姿勢情報計測装置３ｂ～３ｄから得られるブーム１３、アーム１４、バケットリンク１６の各回転姿勢とから、上部旋回体１１に対するバケット１５のバケット先端１５０の位置を知ることができる。つまり、地球上のどの位置にどのような姿勢でバケット１５を含む作業機１０が存在するかを求めることができる。

上部旋回体１１には、油圧ショベル１００の周囲の地形情報を取得する地形情報計測装置としてのレーザスキャナ５７ａ～５７ｄが配置されている。本実施の形態では、運転室２０の上部に上部旋回体１１の前方を計測するレーザスキャナ５７ａを、上部旋回体１１の上部の右側に右側方を計測するレーザスキャナ５７ｂを、上部旋回体１１の上部の後方に後方を計測するレーザスキャナ５７ｃを、上部旋回体１１の上部の左側に左側方を計測するレーザスキャナ５７ｄをそれぞれ配置した場合を例示して説明する。なお、以下の説明では、レーザスキャナ５７ａ～５７ｄをまとめてレーザスキャナ５７と表記することがある。レーザスキャナ５７は水平方向、垂直方向の一定範囲にレーザ光を照射することで物体の三次元形状を計測可能なセンサであり、上部旋回体１１の前後左右にそれぞれ配置されたレーザスキャナ５７により、油圧ショベル１００の周辺の地形や物体の形状を計測する。なお、本実施の形態では、地形や物体の形状の計測にレーザスキャナを用いている場合を例示して説明しているが、これに限られず、同様の情報が得られればステレオカメラ等を用いても良い。

ここで、油圧ショベル１００の基本動作について説明する。

油圧ショベル１００の動作において、車体コントローラ５１は、まず、操作レバー５０からの操作入力を受けて、各アクチュエータ（油圧シリンダ１８ａ～１８ｃ、油圧モータ１９ａ～１９ｃ）をどの方向にどの程度の速度（目標速度）で動作させるかを決定する。次に、方向と目標速度から方向制御弁４５の各部に流すパイロット油（目標パイロット油）の流量を決定する。

このとき、車体コントローラ５１は方向制御弁４５の各部にどれだけのパイロット油が流れれば、各アクチュエータがどの方向にどれだけの速度で動作するかといった、パイロット油とアクチュエータ速度との変換マップを持っており、これを適用することで目標速度から目標パイロット油に変換することができる。目標パイロット油が求まると、車体コントローラ５１は、動作させたいアクチュエータとその方向に対応しているいずれかの制御弁４７の弁開度を調整し、方向制御弁４５に対して目標の流量通りのパイロット油が流れるように制御する。

また、制御弁４７が車体コントローラ５１から出力される電流によってその弁開度が制御されるものであったとすると、車体コントローラ５１は各制御弁４７毎にどれくらいの電流を流せばどれだけのパイロット油が流れるかという、電流とパイロット油との変換マップを持っており、これを適用することで目標パイロット油から制御弁４７への出力電流を求め、制御弁４７を通過するパイロット油が目標通りの流量となるように制御弁４７の弁開度を制御することができる。

このようにして、車体コントローラ５１は、有人操作状態のときは、操作レバー５０ａの操作量に応じて生成した手動運転指令信号によって制御弁４７ａ、４７ｂの弁開度を制御し、操作レバー５０ｂの操作量に応じて生成した手動運転指令信号によって制御弁４７ｃ、４７ｄの弁開度を制御し、操作レバー５０ｃの操作量に応じて生成した手動運転指令信号によって制御弁４７ｅ、４７ｆの弁開度を制御し、操作レバー５０ｄの操作量に応じて生成した手動運転指令信号によって制御弁４７ｇ、４７ｈの弁開度を制御し、操作レバー５０ｅの操作量に応じて生成した手動運転指令信号によって制御弁４７ｉ、４７ｊの弁開度を制御し、操作レバー５０ｆの操作量に応じて生成した手動運転指令信号によって制御弁４７ｋ、４７ｌの弁開度を制御する。

このような構成により、油圧ショベル１００は、操作レバー５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆをそれぞれ操作することにより、アーム１４、ブーム１３、バケット１５、上部旋回体１１、左クローラ、右クローラを駆動することができ、オペレータが操作レバー５０の操作によって車体を移動させて任意の作業を実施することができる。

また、車体コントローラ５１は前述の通り遮断弁４６の弁開閉も制御できる。遮断弁４６が閉じればパイロット油が制御弁４７や方向制御弁４５に供給されることを遮断でき、各アクチュエータが動作することはなくなるため、車体コントローラ５１は、制御弁４７の弁開度を制御することに加えて、より確実に全アクチュエータの動作を停止させることが可能となる。

ＧＮＳＳアンテナ２ａ、２ｂは、受信したＧＮＳＳ衛星からの信号をＧＮＳＳコントローラ５３へ送る。ＧＮＳＳコントローラ５３では、複数のＧＮＳＳ衛星からの信号を基にＧＮＳＳアンテナ２ａ、２ｂの地球上の位置（例えば緯度、経度、標高）を演算し、その結果を自動運転コントローラ５２へ送信する。自動運転コントローラ５２には、ＧＮＳＳコントローラ５３に加え、姿勢情報計測装置３ａ～３ｄやモニタ５４、旋回角センサ５６、レーザスキャナ５７、切替スイッチ５８などが接続されている。

姿勢情報計測装置３は、加速度、角速度などの計測結果を自動運転コントローラ５２へ送り、自動運転コントローラ５２ではそれらの情報を基に上部旋回体１１の前後傾斜、左右傾斜、ブーム１３の回転姿勢、アーム１４の回転姿勢、バケット１５の回転姿勢を演算する。具体的には、姿勢情報計測装置３であるＩＭＵの計測結果について、角速度の積分処理による角度や重力加速度の取得による重力方向との成す角度などの情報を利用する相補フィルタやカルマンフィルタなどを用いることで、ＩＭＵ（姿勢情報計測装置３）自体の重力方向に対する三次元角度が求まり、各姿勢情報計測装置３の油圧ショベル１００の各取り付け部に対する取付姿勢を予め較正しておくことで、姿勢情報計測装置３自体の傾斜角度から上部旋回体１１やブーム１３、アーム１４、バケットリンク１６の回転姿勢が得られ、アーム１４とバケットリンク１６の回転姿勢からバケット１５の回転姿勢が得られる。

旋回角センサ５６は、上部旋回体１１と下部走行体１２との間の旋回角度を計測するものであり、例えばロータリーエンコーダ等を用いることができる。旋回角センサ５６の計測結果は自動運転コントローラ５２へ送られ、自動運転コントローラ５２は上部旋回体１１と下部走行体１２との間の旋回角度を知ることができる。

レーザスキャナ５７は、車体周囲の地面や物体等の三次元形状を計測し、自動運転コントローラ５２へ形状情報（地形情報）を送信する。自動運転コントローラ５２では、レーザスキャナ５７から得られた車体周囲の形状情報と、上部旋回体１１に対するレーザスキャナ５７の配置箇所や配置姿勢情報とを基に、複数のレーザスキャナ５７から得られた情報を車体基準での一つの形状情報に統合する。本実施の形態では上部旋回体１１に四つのレーザスキャナ５７を配置しており、これらの情報を統合することで車体の全周囲の地形情報を計測可能となっている。ただし、十分な計測範囲を持つセンサを使用することで、この個数を減らすことも可能であるし、冗長性を持たせる等の理由から個数を増やしてもよい。

切替スイッチ５８は、上部旋回体１１の運転室内に設置されており、有人操作状態と無人自動運転状態を切り替えるスイッチである。切替スイッチ５８は自動運転コントローラ５２に接続されており、切替スイッチ５８から得られる信号を基に自動運転コントローラ５２で有人操作状態と無人自動運転状態が切り替わる。

モニタ５４は、上部旋回体１１の運転室２０内に設置されているタッチパネル式の入出力デバイスであり、無人自動運転の作業内容を入力するのに用いられる。例えば、作業の種類（掘削積込、法面整形、土羽打ち、等）、作業範囲、目標形状等をモニタ５４経由で自動運転コントローラ５２に入力することができる。

続いて、油圧ショベル１００の自動運転動作について説明する。

図３に示すように、自動運転コントローラ５２は、認識部５２１、状態管理部５２２、及び、動作計画部５２３の三つの処理部を有している。また、車体コントローラ５１は、車体制御部５１１を有している。

自動運転コントローラ５２の認識部５２１は、姿勢情報計測装置３、ＧＮＳＳコントローラ５３、旋回角センサ５６、及び、レーザスキャナ５７からの情報が入力され、上部旋回体１１の傾斜角度や位置、方位、旋回角度、作業機各部の回転姿勢、車体周囲の地形などが演算される。演算結果は、状態管理部５２２と動作計画部５２３とに送られる。

状態管理部５２２は、切替スイッチ５８の信号が入力されており、状態管理部５２２において有人操作状態と無人自動運転状態との切り換えを管理する。また、無人自動運転状態では、状態管理部５２２において、認識部５２１から得られる各認識情報と動作計画部５２３から得られる動作計画情報とに基づいて自動運転作業の進捗状況を管理し、与えられた自動運転作業が完了した場合は自動運転作業完了を動作計画部５２３に通知する。

動作計画部５２３は無人自動運転状態において、モニタ５４から得られる自動運転作業内容と認識部５２１から得られる認識情報とに基づいて具体的な車体の動作を計画し、計画した動作を実行する各アクチュエータ（各油圧シリンダ１８、各油圧モータ１９）の目標動作速度を演算する。例えば、自動運転作業として一定範囲の法面を整形するといった内容の場合、目標とする法面形状がモニタ５４経由で与えられると、下部走行体１２を制御して整形範囲付近まで走行させ、目標法面に正対するように上部旋回体１１を旋回させる動作計画を生成するとともに、バケット先端１５０が目標法面形状をなぞるような作業機１０の各部の一連の動作計画を生成し、動作計画から各アクチュエータ速度を生成する。

車体制御部５１１は、操作レバー５０の各操作量を取得すると共に、状態管理部５２２から得られる有人操作状態か無人自動運転状態かの情報と、無人自動運転状態の場合、動作計画部５２３から得られる各アクチュエータの目標動作速度を取得する。車体制御部５１１では、有人操作状態の場合、操作レバー５０の操作量に応じて各アクチュエータを動作させるよう制御弁４７を駆動し、無人自動運転状態の場合は動作計画部５２３から得られる目標動作速度に応じて各アクチュエータを動作させるよう制御弁４７を駆動する。

このような構成により、自動運転コントローラ５２は、オペレータの操作を代替する操作信号（自動運転指令信号）を生成し、車体コントローラ５１に操作指令を送ることで、オペレータの操作を必要とせず、無人で油圧ショベル１００を動かすことが可能となっている。

図４及び図５は、自動運転待機時における動作計画部の処理内容を示すフローチャートであり、図５は図４における待機姿勢決定処理の処理内容を示すフローチャートである。また、図６～図９は、油圧ショベルの姿勢例をそれぞれ示す図である。

図４において、動作計画部５２３は、まず、状態管理部５２２から渡される自動運転作業完了の情報を確認して、自動運転待機状態であるかどうかを判定し（ステップＳ１０１）、判定結果がＮＯである場合、すなわち、作業が完了していな位場合には処理を終了し、自動運転が継続される。

また、ステップＳ１０１での判定結果がＹＥＳである場合、すなわち、作業完了状態である場合には、レーザスキャナ５７からの情報を基に認識部５２１で演算された車体周囲の地面や物体の形状情報を取得する（ステップＳ１０２）。

続いて、ステップＳ１０２で取得した情報を基に、車体周囲で作業機を接地できる場所を探索する（ステップＳ１０３）。

なお、作業機接地可能範囲の探索は複数の方法が考えられ、例えば最も単純な方法では形状情報からバケット１５を接地できるだけの平らな場所を探索することが考えられる。他には、自動運転コントローラ５２が予め現場で測定されていた作業現場の現況地形情報を持っておき、現況地形と取得した地面や物体の形状情報との対応する箇所同士を比較し、現況地形に対して取得した形状が高さ方向に増加している箇所が一定範囲連続して存在する場合、その範囲を地面ではなく何らかの障害物であると認識してその箇所を作業機接地可能範囲から除外するといった方法も考えられる。

また、自動運転コントローラ５２に現況地形だけではなく作業現場の地図情報を与えておき、その地図に現場の機械が移動する走行範囲などの情報を付加しておけば、それらの範囲を作業機接地可能範囲から除外することも考えられる。この場合、これらの現況地形や地図情報は予め動作計画部５２３に与えられているものとする。

また、作業機接地可能範囲を探索する際、走行しなければ作業機が到達しない範囲の場合、その位置まで走行可能かどうか（途中に障害物等がないかどうか）、上部旋回体１１を旋回させなければならない範囲の場合、その位置まで旋回可能かどうかも考慮される。

ステップＳ１０３において作業機接地可能範囲を探索し終えたら、続いて、待機姿勢決定処理を行う（ステップＳ１０４）。

図５に示すように、待機姿勢決定処理（ステップＳ１０４）では、まず、ステップＳ１０３で探索した作業機接地可能範囲の結果に対して、作業機接地可能範囲が存在するかどうかを判定する（ステップＳ１１１）。

ステップＳ１１１での判定結果がＮＯの場合、すなわち、ステップＳ１０３の探索の結果、作業機接地可能範囲が全く存在しないと判定された場合は、予め定められた作業機未接地姿勢を待機姿勢に決定し、待機姿勢決定処理を終了して図４のステップＳ１０５に進む。ここで、作業機未接地姿勢とは、例えば図９に示すようにブーム１３を最大まで上げ、アーム１４を最大までブーム１３側に巻き込んだような姿勢であり、作業機を接地させない条件で最も車体が安定する姿勢である。

また、ステップＳ１１１での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、作業機接地可能範囲が存在していると判定された場合には、作業機接地位置を決定する（ステップＳ１１２）。作業機接地位置の決定は、例えば、作業機接地可能範囲の中で現在の作業機位置から最も近い位置とすることが考えられる。この場合、作業機を移動させる距離が最小化され、素早く待機姿勢へと移行することが可能となる。また、作業機接地可能範囲の中で現在の姿勢から上部旋回体１１の旋回角度が最小となる位置を作業機接地位置とすることも考えられる。この場合、上部旋回体１１の旋回動作が最小化され、より安全に待機姿勢へと移行することが可能となる。

ステップＳ１１２において作業機接地位置が決まると、続いて、作業機接地位置に作業機を接地させる待機姿勢を決定し（ステップＳ１１３）、待機姿勢決定処理を終了して図４のステップＳ１０５に進む。作業機接地での待機姿勢は、例えば図６～図８に示すようなものが考えられる。作業機接地での待機姿勢の基本は図６に示すようにアーム１４が垂直となりバケット１５の背面部が地面に接地する姿勢である。十分な作業機接地可能範囲がある場合、この姿勢が待機姿勢として決定される。アーム１４を垂直にした状態でバケット１５を地面に接地できないような場合（例えば、途中に埋設した土管などの障害物２００がある場合など）には、図７に示すようなブーム１３、アーム１４を前方に伸ばした状態でバケット１５の背面部を地面に接地させる姿勢とすることが考えられる。また、地面が傾斜している場合などには、図８に示すようなバケット１５のバケット先端１５０を地面に突き刺すように設置させる姿勢を待機姿勢とすることが考えられる。

ステップＳ１０４の待機姿勢決定処理が終了すると、現在の姿勢からステップＳ１０４で決定した待機姿勢まで移動する待機姿勢移行動作計画を生成して車体制御部５１１へ送り（ステップＳ１０５）、処理を終了する。

ここで、接地可能範囲および作業機接地位置の決定の手順についてさらに詳細に説明する。

接地可能範囲の決定に係る基本的な考え方としては、作業機の接地面よりも広く平らな場所であれば接地可能と考えるものとする。ただし、地面ではない(障害物など)、外部から与えられるマップで待機禁止エリアに指定されている、などの場合は接地可能範囲から除外する。

接地可能範囲の探索では、まず前提として、油圧ショベル１００（自動運転作業機械）には自動(無人)動作を行う際に作業許可領域が与えられており、作業機械はこの領域を出ないように作業を行う(作業許可領域を出てはならない)ものとする。また、形状計測手段(実施例ではレーザスキャナ)で計測可能な範囲の中で接地可能範囲を探索する(移動してまで探さない。ただし探索した結果移動しないと届かない場所なら移動する)。

この状態で、まず、形状計測手段で作業機械の周囲をスキャンし、３次元の立体形状を取得し、立体形状の中で地面である部分と地面ではない部分を分類し、地面ではない部分を障害物範囲とする（手順１）。

また、地面として分類された領域の中で、作業機接地面以上の一定の面積を持つ平らな面が存在する範囲をさらに絞り込み、得られた範囲に対して、以下の手順１－１～手順１－３の処理を行う。まず、作業許可領域以外の範囲を除外する（手順１－１）。続いて、手順１－１で残った領域について、待機禁止エリアが指定されている場合、待機禁止エリアをさらに除外する（手順１－２）。さらに、手順１－２で残った領域について、障害物によって走行や旋回ができず到達不可能な範囲を除外する（手順１－３）。これらの手順を経て残った範囲を接地可能範囲として決定する。

また、作業機接地位置の決定では、接地可能範囲に対して、できるだけアームが垂直となる姿勢（例えば、図６参照）でバケットが接地できる範囲を作業機接地位置とする。アームが垂直になれる範囲が複数存在する場合は、現在の姿勢から走行と旋回による移動量が少ない位置を作業機接地位置とする、すなわち、なるべく走行や旋回をせず、移動に伴うリスクを最小化することができる位置を作業機接地位置とする。

以上のように構成した本実施の形態における効果を説明する。

自動運転作業機械において、自動運転が終了した際に予め設定された待機姿勢しかとらないような従来技術においては、周囲の状況によって予め設定された待機姿勢が適さない場合や待機姿勢をとることができない場合が考えられる。

これに対して本実施の形態においては、自動運転が終了した際に、地形情報計測装置（レーザスキャナ５７）で取得した地形情報に基づいて作業機１０を設置可能な接地可能範囲を検出する検出処理を実施し、接地可能範囲が検出された場合には作業機１０を接地可能範囲に接地させる自動運転指令信号を生成し、接地可能範囲が検出されない場合には作業機１０を所定の待機姿勢にさせる自動運転指令信号を生成するように構成したので、自動運転が終了した際の周辺状況に応じて適した待機姿勢をとることができる。

すなわち、本実施の形態においては、油圧ショベル１００が自動運転を終了した際、自動的に周囲の状況を認識し、状況に応じて最適な待機姿勢を自ら決定したのち、その待機姿勢へと移行し待機することが可能となり、より安定した状態で待機することができる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図１０を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、第１の実施の形態に対して待機姿勢決定処理の処理内容が異なる場合を示すものである。

図１０は、本実施の形態における待機姿勢決定処理の処理内容を示すフローチャートである。図中、第１の実施の形態と同様の処理には同じ符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態における待機姿勢決定処理（ステップＳ１０４Ａ、図４のステップＳ１０４に相当する）においては、まず、認識部５２１から車体傾斜角度を取得する（ステップＳ１２１）。

次に、車体傾斜角度が閾値以上かどうかを判定し（ステップＳ１２２）、判定結果がＹＥＳである場合、すなわち、車体傾斜角度が閾値以上である場合には、待機姿勢のうち下部走行体１２の走行体姿勢を決定する（ステップＳ１２３）。車体が傾斜地にある場合、傾斜に対してより車体を安定させるためには、例えば図８に示したように下部走行体１２のクローラの長尺方向を傾斜方向と合わせることが望ましい。このため、車体傾斜角度が閾値以上の場合はステップＳ１２３において下部走行体１２が傾斜方向を向くよう走行体姿勢を決定する。

ステップＳ１２２での判定結果がＮＯの場合、すなわち、車体傾斜角度が閾値よりも小さい場合、或いは、ステップＳ１２３の処理が終了した場合には、ステップＳ１２４～Ｓ１２７の処理に進む。なお、ステップＳ１２４～Ｓ１２７の処理は、第一の実施の形態の図５のステップＳ１１１～Ｓ１１４に対応する処理であり詳細な説明を省略する。ただし、すでにステップＳ１２３で走行体姿勢が決定している場合は、ステップＳ１２６，Ｓ１２７において新たな走行体姿勢は上書きされないものとする。

すなわち、本実施の形態における作業機接地位置の決定に係る考え方としては、接地可能範囲に対して、まず車体が傾斜している場合、下部走行体の方向が傾斜方向を向くように移動（超信地旋回）し、その状態で図８で示した姿勢が取れるかどうかを判断し、不可能であれば第１の実施の形態と同じ手順で作業機接地位置を決定する、すなわち、傾斜に対してより安定する姿勢を取らせるものである。

その他の構成については第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また本実施の形態においては、傾斜地における待機姿勢をより安定したものとすることができ、車体の安定性をさらに向上することができる。

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態について説明する。

本実施の形態は、第１の実施の形態に対して待機姿勢決定処理の処理内容が異なる場合を示すものである。

本実施の形態では、図５のステップＳ１１２で決定した作業機接地位置に対して、ステップＳ１１３で決定する待機姿勢を下部走行体１２の油圧モータ１９が搭載されていない側（以下、下部走行体の前方方向と呼ぶ）が作業機接地位置を向く姿勢とする。このように下部走行体１２まで含んだ姿勢を決定することで、上部旋回体１１と下部走行体１２とが相対的に毎回所定の角度で待機させることが可能となる。

第１の実施の形態では下部走行体１２の向きを積極的に変化させることはせず、僅かな走行動作が入ることはあるが基本的には走行動作や（旋回機構がある場合は）旋回動作を最小化し、機械の移動に伴うリスクを低減させることを目的としている。一方、本実施の形態では、下部走行体１２と上部旋回体１１との相対角度を所定の範囲内に抑えることを目的とする。

このように下部走行体１２と上部旋回体１１とを互いの前方方向が略一致している場合、待機状態から有人手動運転に切替ることを考えると、オペレータが運転室内に乗り込みやすいという利点や、走行レバーを倒した際に進む方向が毎回一致することにより、オペレータの誤操作を低減できるということが考えられる。

無人自動運転から有人手動運転に移行する場合、オペレータは無人で動いていた間の機械の状態を知らないため、手動操作の最初は誤操作のリスクが相対的に高まる傾向がある。特に油圧ショベルにおける走行方向は上部旋回体１１と下部走行体１２とが０度と１８０度の旋回角度関係にある場合で、同じ向きに走行レバーを倒しても前後逆の動作をすることがあり、誤操作に繋がりやすい。

本実施の形態においては、作業機接地位置に対して常に下部走行体１２の前方方向を向けるようにしたので、誤操作のリスクを低減することが可能である。

すなわち、本実施の形態における作業機接地位置の決定に係る考え方としては、第１の実施の形態と同じ手順で作業機接地位置を決定するが、決定後に接地方向に下部走行体を向ける（超信地旋回）という動作を行う。これにより、下部走行体１２と上部旋回体１１が毎回同じ向きとなる、すなわち、相対角度が所定の範囲内となるとなるので、オペレータの乗り降りのしやすさや、走行レバーの向きと走行方向を毎回合わせて誤操作リスクを減らすことができる。

次に上記の各実施の形態の特徴について説明する。

（１）上記の実施の形態では、車体本体（例えば、下部走行体１２及び上部旋回体１１）と、前記車体本体に搭載された作業機１０と、前記作業機を操作するための操作装置（例えば、操作レバー５０）と、前記操作装置の操作によって生成される手動運転指令信号に基づいて前記作業機を駆動するアクチュエータ（例えば、油圧シリンダ１８）と、前記作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を取得する姿勢情報計測装置３と、前記手動運転指令信号を代替する自動運転指令信号を生成することで前記作業機に所定の動作を自動的に行わせる自動運転を行う自動運転コントローラ５２とを備えた自動運転作業機械（例えば、油圧ショベル１００）において、前記自動運転作業機械の周囲の地形情報を取得する地形情報計測装置（例えば、レーザスキャナ５７）をさらに備え、前記自動運転コントローラは、前記自動運転が終了した際に、前記地形情報計測装置で取得した地形情報に基づいて前記作業機を設置可能な接地可能範囲を検出する検出処理を実施し、接地可能範囲が検出された場合には前記作業機を前記接地可能範囲に接地させる自動運転指令信号を生成し、接地可能範囲が検出されない場合には前記作業機を所定の待機姿勢にさせる自動運転指令信号を生成するものとした。

これにより、自動運転が終了した際の周辺状況に応じて適した待機姿勢をとることができる。

（２）また、上記の実施の形態では、（１）の自動運転作業機械（例えば、油圧ショベル１００）において、前記車体本体は、下部走行体１２と、前記下部走行体に対して旋回可能に設けられ、前記手動運転指令信号に基づいて前記下部走行体に対して旋回動作される上部旋回体１１とから構成され、前記自動運転コントローラ５２は、前記自動運転が終了した際に、前記下部走行体と前記上部旋回体との相対的な旋回角度が予め定めた範囲内となるように前記上部旋回体を旋回動作させる自動運転指令信号を生成するものとした。

（３）また、上記の実施の形態では、（２）の自動運転作業機械（例えば、油圧ショベル１００）において、前記下部走行体を操作するための走行操作装置をさらに備え、前記自動運転コントローラ５２は、前記自動運転が終了した際に、前記走行操作装置の操作方向と前記走行操作装置の操作による前記下部走行体の走行方向との相対角度が予め定めた範囲内となるように前記上部旋回体を旋回動作させる自動運転指令信号を生成するものとした。

（４）また、上記の実施の形態では、（１）の自動運転作業機械（例えば、油圧ショベル１００）において、前記車体本体の傾斜角度および傾斜方向を姿勢情報として取得する姿勢情報計測装置をさらに備え、前記自動運転コントローラ５２は、前記自動運転が終了した際に、前記車体本体の傾斜角度が予め定めた範囲外の場合に、前記車体本体の走行方向と前記傾斜角度の傾斜方向との水平面投影における相対角度が予め定めた範囲内となるように前記車体本体を移動させる自動運転指令信号を生成するものとした。

＜付記＞
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

２ａ，２ｂ…ＧＮＳＳアンテナ、３ａ～３ｄ…姿勢情報計測装置、１０…作業機、１１…上部旋回体、１２…下部走行体、１３…ブーム、１４…アーム、１５…バケット、１６，１７…バケットリンク、１８ａ…ブームシリンダ、１８ｂ…アームシリンダ、１８ｃ…バケットシリンダ、１９ａ…旋回油圧モータ、１９ｂ，１９ｃ…走行油圧モータ、２０…運転室、４１…エンジン、４２…パイロット油圧ポンプ、４３…メイン油圧ポンプ、４５…方向制御弁、４６…遮断弁、４７ａ～４７ｌ…制御弁、５０ａ…アーム操作レバー、５０ｂ…ブーム操作レバー、５０ｃ…バケット操作レバー、５０ｄ…旋回操作レバー、５０ｅ，５０ｆ…走行操作レバー、５１…車体コントローラ、５２…自動運転コントローラ、５３…ＧＮＳＳコントローラ、５４…モニタ、５６…旋回角センサ、５７ａ～５７ｄ…レーザスキャナ、５８…切替スイッチ、１００…油圧ショベル、１５０…バケット先端、２００…障害物、５１１…車体制御部、５２１…認識部、５２２…状態管理部、５２３…動作計画部

Claims (4)

1. 車体本体と、前記車体本体に搭載された作業機と、前記作業機を操作するための操作装置と、前記操作装置の操作によって生成される手動運転指令信号に基づいて前記作業機を駆動するアクチュエータと、前記作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を取得する姿勢情報計測装置と、前記手動運転指令信号を代替する自動運転指令信号を生成することで前記作業機に所定の動作を自動的に行わせる自動運転を行う自動運転コントローラとを備えた自動運転作業機械において、
   前記自動運転作業機械の周囲の地形情報を取得する地形情報計測装置をさらに備え、
   前記自動運転コントローラは、前記自動運転が終了した際に、前記地形情報計測装置で取得した地形情報に基づいて前記作業機を設置可能な接地可能範囲を検出する検出処理を実施し、接地可能範囲が検出された場合には前記作業機を前記接地可能範囲に接地させる自動運転指令信号を生成し、接地可能範囲が検出されない場合には前記作業機を所定の待機姿勢にさせる自動運転指令信号を生成することを特徴とする自動運転作業機械。
2. 請求項１記載の自動運転作業機械において、
   前記車体本体は、下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回可能に設けられ、前記手動運転指令信号に基づいて前記下部走行体に対して旋回動作される上部旋回体とから構成され、
   前記自動運転コントローラは、前記自動運転が終了した際に、前記下部走行体と前記上部旋回体との相対的な旋回角度が予め定めた範囲内となるように前記上部旋回体を旋回動作させる自動運転指令信号を生成することを特徴とする自動運転作業機械。
3. 請求項２記載の自動運転作業機械において、
   前記下部走行体を操作するための走行操作装置をさらに備え、
   前記自動運転コントローラは、前記自動運転が終了した際に、前記走行操作装置の操作方向と前記走行操作装置の操作による前記下部走行体の走行方向との相対角度が予め定めた範囲内となるように前記上部旋回体を旋回動作させる自動運転指令信号を生成することを特徴とする自動運転作業機械。
4. 請求項１記載の自動運転作業機械において、
   前記車体本体の傾斜角度および傾斜方向を姿勢情報として取得する姿勢情報計測装置をさらに備え、
   前記自動運転コントローラは、前記自動運転が終了した際に、前記車体本体の傾斜角度が予め定めた範囲外の場合に、前記車体本体の走行方向と前記傾斜角度の傾斜方向との水平面投影における相対角度が予め定めた範囲内となるように前記車体本体を移動させる自動運転指令信号を生成することを特徴とする自動運転作業機械。

Images