JP7406202B2

JP7406202B2 - 自律走行システム

Info

Publication number: JP7406202B2
Application number: JP2020026233A
Authority: JP
Inventors: 洋一三村; 拓史千葉; 愛斗大谷; 峻一山崎; 将史西浦
Original assignee: Fujita Corp; IHI Corp
Current assignee: Fujita Corp; IHI Corp
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2023-12-27
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: JP2021131684A

Description

本発明は、建設機械を自律走行させる自律走行システムに関する。

従来、建設現場での作業を効率化するため、建設機械の自律走行技術が開発されている。例えば、下記特許文献１は、移動体の位置を推定するための技術であり、姿勢変化が可能なアームに設けられ、対象物との距離を計測する測域センサがスキャンして得た距離情報が示す対象物の位置に対応する点群情報に基づいてスキャンマッチングを行い、測域センサの移動量を推定するスキャンマッチング処理部と、アームを有する移動体に備えられた当該移動体の移動に関する情報を計測するセンサの計測値に基づいて移動体の移動量を推定するオドメトリ処理部と、アームの姿勢変化の有無に基づく指示情報に基づいて、オドメトリ処理部が推定した移動量とスキャンマッチング処理部が推定した移動量とのうち一方を選択し、選択した移動量に基づいて移動体の位置情報を推定する位置情報推定部と、を備える。

特開２０１８－０８４５４４号公報

上述した従来技術では、建設機械の位置を常時確認しながら作業を行っていく。一方で、特に限られたエリア内での作業に置いては、建設機械の位置を常に把握する必要がない場合もあり、より効率的に作業を行う上で改善の余地がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、建設現場における作業効率をより向上させることにある。

上述の目的を達成するため、本発明にかかる自律走行システムは、所定の作業領域全体に対して所定の作業機器を用いて所定の作業を行う建設機械を自律走行させる自律走行システムであって、前記建設機械に取り付けられ、前記建設機械と周囲の障害物との距離を計測する距離センサと、前記距離センサの計測結果に基づいて、前記建設機械の移動方向を制御する走行制御部と、を備え、前記走行制御部は、前記作業機器が前記作業領域の全領域を通過するよう前記建設機械の移動方向を制御する、ことを特徴とする。

本発明によれば、作業領域全体に対して作業機器を用いて所定の作業を行う建設機械を自律走行させるに当たり、建設機械と周囲の障害物との距離を計測する距離センサの計測結果に基づいて、作業機器が作業領域の全領域を通過するよう建設機械の移動方向を制御する。これにより、ＧＰＳ等の機材を用いることなく作業を自動化することができ、建設現場における作業効率を向上させる上で有利となる。

自律走行システムが適用される建設機械の構成を示す図である。自律走行システムの構成を示すブロック図である。建設機械の清掃作業時の動きの一例を示す説明図である。建設機械の清掃作業時の動きの一例を示す説明図である。建設機械の清掃作業時の動きの一例を示す説明図である。建設機械の清掃作業時の動きの一例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる自律走行システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。
図１は、自律走行システムが適用される建設機械の構成を示す図である。
本実施の形態では、建設機械２０は、ダム等の建設現場でコンクリートの打設面の清掃作業を行う清掃装置であるものとする。より詳細には、本実施の形態では、建設機械２０は、図３等に示すような矩形の作業領域Ｐ内をスイーパ２４により清掃する。作業領域Ｐは、土砂等で形成された型枠Ｆ（Ｆ１～Ｆ４）内に流し込まれたコンクリートの表面である。型枠Ｆは、作業領域Ｐに対して高さ５０ｃｍ程度に形成されている。型枠Ｆの一部（図３では紙面上方の長辺Ｆ１の中央部）は、作業領域Ｐへの進入路Ａを設けるため除去されている。また、矩形である作業領域Ｐの長辺をＬ、短辺をＳと表記する。
すなわち、本実施の形態では、建設機械２０は、所定の作業領域Ｐ全体に対して所定の作業機器（スイーパ２４）を用いて所定の作業（清掃作業）を行う。また、作業領域Ｐは略矩形の形状を有する。

図１に示すように、建設機械２０は、筐体２２、筐体２２の前面に位置するスイーパ２４、筐体の下面に位置するクローラ２６を備える。本実施の形態では、建設機械２０に作業員は搭乗せず、自動制御および遠隔操作により作業を行う。

筐体２２は、有人走行時に作業者が乗車する運転席や建設機械２０の操作に用いる操作機構、エンジン２０２（図２参照）等を収容する。
スイーパ２４は、作業領域内（本実施の形態ではコンクリートの打設面上）に堆積した土砂等の除去対象物を集積する。スイーパ２４は、筐体２２の左右に取り付けられた２本のアーム２４２の一端に取り付けられている。アーム２４２の他端は、筐体２２の後部に支軸２４４を介して取り付けられており、アーム２４２は図示しないアクチュエータの作動により、支軸２４４を中心に揺動可能である。よって、スイーパ２４は、図１のように地面に沿って位置する第１の姿勢と、地面より高い箇所に位置する第２の姿勢とを取ることが可能である。
クローラ２６は、駆動輪、遊動輪およびこれらの車輪を囲むように配置されたベルト（履帯）を備え、筐体２２を所定の方向に移動させる。

筐体２２の上方には、フレーム２８が取り付けられており、フレーム２８上にはＩＭＵ（ＩｎｅｒｔｉａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ）３０が載置されている。ＩＭＵ３０は、加速度センサ、角加速度センサ等がパッケージ化されたセンサユニットである。ＩＭＵ３０は後述するコンピュータ４０（図２参照）と接続されており、各センサの計測結果はコンピュータ４０に出力される。
ＩＭＵ３０を用いることによって、作業前後における建設機械２０の体勢の変化量や進行方向等を把握することができる。例えば、ＩＭＵ３０は、建設機械２０の周辺における方向を計測する方向センサとして機能する。建設機械２０の方向とは、例えば所定の基準位置における建設機械２０の向きに対する変位量として計測できる。

また、スイーパ２４の前端部および筐体２２の後端部下方には、測域センサ３２（３２Ａ，３２Ｂ）が取り付けられている。測域センサ３２は、光をスキャニングしながら測定対象物までの距離を計測する２次元操作型の光距離センサであり、２次元レーザスキャナ、２Ｄ－ＬｉＤＡＲセンサ等とも呼ばれる。より詳細には、測域センサ３２は、主に建設機械２０の前後方向に位置する測定対象物にレーザ光線を照射して反射光が返ってくるまでの時間を測定し、測定対象物までの距離（測定対象物の位置）と測定対象物の形状を計算する。
すなわち、測域センサ３２は、建設機械２０に取り付けられ、建設機械２０と周囲の物体との距離を計測する距離センサとして機能し、また建設機械２０が前進または後退する際に進行方向に位置する型枠Ｆの部分と衝突することを防止する衝突防止センサとして機能する。

また、筐体２２の後端部上方には、さらに測域センサ３３が取り付けられている。測域センサ３３は、主に建設機械２０の左右方向（幅方向）に位置する測定対象物にレーザ光線を照射して反射光が返ってくるまでの時間を測定し、測定対象物までの距離（測定対象物の位置）と測定対象物の形状を計算する。
すなわち、測域センサ３３は、建設機械２０の進行方向と直交する幅方向の型枠Ｆの形状や型枠Ｆまでの距離を計測する距離センサとして機能する。

すなわち、本実施の形態では、建設機械２０に計３台の測域センサ３２Ａ、３２Ｂ，３３を搭載し、前方の測域センサ３２Ａでは建設機械２０の前方における他の物体（型枠Ｆや他の障害物）との距離を計測し、後方下部の測域センサ３２Ｂでは建設機械２０の後方における他の物体との距離を計測し、後方上部の測域センサ３３では建設機械２０の幅方向における他の物体との距離を計測する。
なお、スイーパ２４を上昇させた場合、測域センサ３２Ａでは前方の測定ができなくなるため、筐体２２の前方にも測域センサを取り付けるようにしてもよい。
測域センサ３２，３３も後述するコンピュータ４０（図２参照）と接続されており、各測域センサ３２，３３の計測結果はコンピュータ４０に出力される。

図２は、自律走行システムの構成を示すブロック図である。
自律走行システム１０は、上述した建設機械２０（走行機構２１０）、ＩＭＵ３０、測域センサ３２の他、コンピュータ４０を含んで構成される。
建設機械２０の走行機構２１０は、エンジン２０２、油圧ポンプ２０４、コントロールバルブ２０６、左右の油圧モータ２０８（２０８Ａ，２０８Ｂ）を含んでいる。エンジン２０２は、油圧ポンプ２０４、コントロールバルブ２０６、左右の油圧モータ２０８（２０８Ａ，２０８Ｂ）を有する。エンジン２０２は、燃料の燃焼エネルギーにより回転力を発生させ、油圧ポンプ２０４を駆動させる。油圧ポンプ２０４により圧力がかけられた油（圧油）は、コントロールバルブ２０６を介して油圧モータ２０８を含む建設機械２０の各部（他には、例えばスイーパ２４を上げ下げするアクチュエータなど）に送られる。油圧モータ２０８（２０８Ａ，２０８Ｂ）は、クローラ２６の左右の駆動輪に対応してそれぞれ設けられている。コントロールバルブ２０６によりそれぞれの油圧モータ２０８Ａ，２０８Ｂに送出する油圧を調整することにより、クローラ２６の回転速度、すなわち建設機械２０の走行速度や進行方向を制御することができる。

コンピュータ４０は、ＣＰＵ、制御プログラムなどを格納・記憶するＲＯＭ、制御プログラムの作動領域としてのＲＡＭ、各種データを書き換え可能に保持するＥＥＰＲＯＭ、周辺回路等とのインターフェースをとるインターフェース部などを含んで構成される。コンピュータ４０は、例えば建設機械２０の筐体２２内に収容されていてもよいし、建設機械２０の外部に設置され無線通信等により他の構成と接続されていてもよい。

コンピュータ４０は、上記ＣＰＵが上記制御プログラムを実行することにより、作業領域検出部４００、走行経路算出部４０２、走行制御部４０４として機能する。
作業領域検出部４００は、建設機械２０で行う作業の今回の作業領域を検出する。作業領域検出部４００は、例えば作業領域Ｐ上の一点で測域センサ３２，３３を用い、建設機械２０から型枠Ｆまでの距離を周囲３６０度に渡り計測し、作業領域Ｐの形状を検出する。ここでは、例えば測域センサ３３により作業領域Pの短辺に沿った幅を検出する。または、例えば建設機械２０で作業領域Ｐ上を所定区間（例えば図３の長辺Ｌに沿って）走行しながら測域センサ３２で型枠Ｆまでの距離を計測してもよい。

走行経路算出部４０２は、作業領域Ｐ内での建設機械２０の走行経路を算出する。本実施の形態では、作業領域Ｐ内の清掃作業を目的としているため、スイーパ２４が作業領域Ｐ全体をくまなく通過するよう建設機械２０の走行経路を設定することが求められる。よって、走行経路算出部４０２は、例えば型枠の長辺Ｆ２に沿って走行し、長辺の端部まで到達した際には、スイーパ２４の横幅分だけ型枠Ｆ２から短辺方向に移動した上で再度長辺に沿って走行するよう走行経路を算出する。

走行制御部４０４は、距離センサである測域センサ３２，３３の計測結果に基づいて、建設機械２０の移動方向を制御する。この時、走行制御部４０４は、エンコーダ等により移動距離を計測して自己位置の推定を行ってもよい。
走行制御部４０４は、走行経路算出部４０２が算出した経路に沿って建設機械２０を移動させる。すなわち、走行制御部４０４は、スイーパ２４が作業領域Ｐ全体を通過するよう建設機械２０の移動方向を制御する。走行制御部４０４は、具体的には走行機構２１０のコントロールバルブ２０６に制御信号を送信し、左右それぞれの油圧モータ２０８Ａ，２０８Ｂに送出する油圧を調整することにより、建設機械２０の移動方向や移動速度を制御する。

走行制御部４０４は、測域センサ３２により計測される型枠Ｆからの距離に基づいて、建設機械２０の走行位置（作業領域Ｐ内における位置）を検出する。また、走行制御部４０４は、測域センサ３２によって建設機械２０の進行方向の前後に障害物（作業者や物体など）がないかを確認しながら建設機械２０を走行させる。なお、進行方向に障害物が検知された場合、走行制御部４０４は、建設機械２０を停止させたり、進行方向を変更したりする。また、遠隔地にある作業監視者にアラートを送信するようにしてもよい。

また、走行制御部４０４は、方位センサ（ＩＭＵ３０）の計測結果に基づいて建設機械２０の移動方向を制御する。これは、測域センサ３２の計測値のみでは、誤差が生じる可能性があるためである。走行制御部４０４は、移動開始時に建設機械２０が向いている方向（例えば真北に対して何度など）を把握し、この方角を維持するように走行することにより、より正確に作業領域Ｐ内を移動することができる。

同様に、走行制御部４０４は、ＩＭＵ３０に含まれる加速度センサまたは角加速度センサの少なくとも一方の計測結果に基づいて建設機械２０の移動方向を制御する。すなわち、加速度センサや角加速度センサの計測値を二重積分すれば、建設機械２０の移動距離または回転角度を算出することができる。走行制御部４０４でこれらの値を補助的に用いることにより、より正確に作業領域Ｐ内を移動することができる。

図３から図６は、建設機械の清掃作業時の動きの一例を示す説明図である。
図３に示すように、建設機械２０は、進入路Ａを通り作業領域Ｐに進入する（Ｓ１）。作業領域Ｐへの誘導は、建設機械２０の自動走行で行ってもよいし、遠隔操作で行ってもよい。
作業領域Ｐに進入した建設機械２０は、測域センサ３２，３３を用いて作業領域Ｐの形状（型枠Ｆまでの距離）を検出する（Ｓ２）。図３の例では、作業領域Ｐは略矩形であることを検知し、いずれかの角部から作業を開始するよう走行経路を算出する。図３の例では、紙面右下の角部Ｎ０から紙面左方向に向かって走行するよう経路を設定する。
また、建設機械２０は、ＩＭＵ３０を用いて建設機械２０の周辺における方向を計測する（Ｓ３）。

つぎに、図４に示すように、建設機械２０は、作業開始地点である角部Ｎ０に後退移動する（Ｓ４）。この時、走行制御部４０４は、後部の測域センサ３２Ｂ，３３で計測した建設機械２０と型枠Ｆ２との距離（側方距離）、および建設機械２０と型枠Ｆ３との距離（後方距離）が、それぞれ最低離間距離まで近づくように建設機械２０を移動させる。最低離間距離は、例えば建設機械２０のいかなる部位も型枠Ｆと接触しない程度の距離とする。
建設機械２０が作業開始地点である角部Ｎ０まで移動すると、走行制御部４０４は、測域センサ３２，３３で計測した型枠Ｆ２との距離を上記最低離間距離に保ったまま建設機械２０を前進させる（Ｓ５）。すなわち、走行制御部４０４は、作業領域Ｐの長辺Ｌに平行に作業機器（スイーパ２４）が移動するよう建設機械２０の移動方向を制御する。この時、スイーパ２４は、図１のように地面に沿って位置する第１の姿勢を取る。
また、この時走行制御部４０４は、ＩＭＵ３０の計測結果に基づいて、移動開始時に計測した方位を保つようにする。また、建設機械２０がX,Y,Z方向に対してどれだけ傾斜しているのかについてもＩＭＵ３０で計測し、建設機械２０の進行方向を把握することができる。

走行制御部４０４は、前部の測域センサ３２Ａで計測した建設機械２０と型枠Ｆ４との距離（前方距離）が最低離間距離まで近づくと（Ｓ６）、図５に示すように、型枠Ｆ３方向（紙面右側）に向かって建設機械２０を後退させる。また、型枠Ｆ３方向に後退する途中で、建設機械２０と型枠Ｆ２との距離が建設機械２０の幅（より詳細にはスイーパ２４の幅）だけ増加するように、建設機械２０を短辺に沿った方向（紙面上方向）に移動させる（Ｓ７）。
この結果、建設機械２０が型枠Ｆ３近傍まで到達した際には（Ｓ８）、型枠Ｆ３との距離（後方距離）は最低離間距離となり、型枠Ｆ２との距離はＭ（≒スイーパ２４の幅）となる。すなわち、走行制御部４０４は、作業機器の幅に基づいて建設機械２０の短辺方向の移動距離を制御する。これにより、既に作業した領域からずれた位置に建設機械２０を配置することができる。

その後、図６に示すように、走行制御部４０４は、測域センサ３２，３３で計測した型枠Ｆ２との距離を上記距離Ｍに保ったまま建設機械２０を前進させる（Ｓ９）。そして前部の測域センサ３２Ａで計測した建設機械２０と型枠Ｆ４との距離（前方距離）が最低離間距離まで近づくと（Ｓ１０）、型枠Ｆ３方向（紙面右側）に向かって建設機械２０を後退させる。以下、図５と同様に、型枠Ｆ３方向に後退する途中で、建設機械２０と型枠Ｆ２との距離が建設機械２０の幅（より詳細にはスイーパ２４の幅）だけ増加するように、建設機械２０を短辺に沿った方向（紙面上方向）に移動させる。この結果、建設機械２０が型枠Ｆ３近傍まで到達した際には、型枠Ｆ２との距離はおよそ２Ｍ（≒スイーパ２４の幅の２倍）となる。
このように、走行制御部４０４は、建設機械２０の前進と後退とをくり返して、スイーパ２４が作業領域Ｐ全体を通過するよう建設機械２０を移動させる。
その後、建設機械２０が作業領域Ｐ全体を移動して作業が終了した場合、または作業途中に除去対象物でスイーパ２４が満杯になった場合は、例えば遠隔操作等により建設機械２０を作業領域Ｐの外にある除去対象物保存エリアに移動させ、スイーパ２４から除去対象物を排出させる。

なお、図３～図６では、建設機械２０が紙面右側から左側に移動する様子のみ図示したが、この場合、型枠Ｆ３付近にスイーパ２４が通過していない箇所が生じる（例えば図４のＳ４において建設機械２０の筐体２２の直下にあたる領域）。よって、建設機械２０を紙面右側から左側に移動させて１回目の清掃作業を行った後、紙面左側から右側に移動させて２回目の清掃作業を行うようにしてもよい。これにより、１回目の清掃作業で清掃できなかった領域を漏れなく清掃することができる。
また、図３～図６では、型枠Ｆ４近傍（紙面左側）に到達した建設機械２０を後退させて型枠Ｆ３近傍（紙面右側）に移動させるものとしたが、これに限らず、例えば型枠Ｆ４近傍で建設機械２０を１８０度回転させて前進させることにより型枠Ｆ３近傍に移動させるようにしてもよい。

以上説明したように、実施の形態にかかる自律走行システム１０は、作業領域Ｐ全体に対してスイーパ２４を用いて清掃作業を行う建設機械２０を自律走行させるに当たり、建設機械２０と周囲の障害物との距離を計測する距離センサの計測結果に基づいて、スイーパ２４が作業領域Ｐの全領域を通過するよう建設機械２０の移動方向を制御する。これにより、ＧＰＳ等の機材を用いることなく作業を自動化することができ、建設現場における作業効率を向上させる上で有利となる。
また、加速度センサや角加速度センサ、方位センサをするＩＭＵ３０を更に備えることにより、建設機械２０の移動をより高精度に制御することができ、建設現場における作業効率をより向上させる上で有利となる。

なお、本発明にかかる自律走行システムが適用される建設機械は、清掃装置に限らず、従来公知の様々な用途の建設機械に適用可能であるが、特に予め定められた作業領域全体に対して所定の作業を行う建設機械（例えばロードローラなど）に好適である。

１０自律走行システム
２０建設機械
２２筐体
２４スイーパ
２６クローラ
２８フレーム
３０ＩＭＵ
３２（３２Ａ，３２Ｂ），３３測域センサ
４０コンピュータ
４００作業領域検出部
４００作業領域検出部
４０２走行経路算出部
４０４走行制御部
Ｆ（Ｆ１～Ｆ４）型枠
Ｐ作業領域

Claims

長辺と短辺とを有する略矩形の形状の所定の作業領域全体に対して所定の作業機器を用いて所定の作業を行う建設機械を自律走行させる自律走行システムであって、
前記建設機械に取り付けられ、前記建設機械と周囲の障害物との距離を計測する距離センサと、
前記距離センサの計測結果に基づいて、前記建設機械の移動方向を制御する走行制御部と、を備え、
前記走行制御部は、略矩形の前記作業領域の長辺に平行に前記作業機器が移動するよう前記建設機械の移動方向を制御し、前記作業機器の幅に基づいて前記建設機械の前記短辺方向の移動距離を制御し、前記作業機器が前記作業領域の全領域を通過するよう前記建設機械の移動方向を制御する、
ことを特徴とする自律走行システム。
前記建設機械の周辺における方向を計測する方向センサを更に備え、
前記走行制御部は、前記方向センサの計測結果に基づいて前記建設機械の移動方向を制御する、
ことを特徴とする請求項１記載の自律走行システム。
前記建設機械の加速度を計測する加速度センサまたは前記建設機械の角加速度を計測する角加速度センサの少なくとも一方を更に備え、
前記走行制御部は、前記加速度センサまたは前記角加速度センサの少なくとも一方の計測結果に基づいて前記建設機械の移動方向を制御する、
ことを特徴とする請求項１または２記載の自律走行システム。