JPWO2017119517A1 - 作業機械の制御システム、作業機械、作業機械の制御方法、及びナビゲーションコントローラ - Google Patents

Abstract

作業機械の制御システムは、作業機を有する作業機械が作業を行う作業現場についての複数の現況地形データを取得する取得部と、前記取得部が取得した複数の前記現況地形データから、所定の第１現況地形データと、第２現況地形データとを設定する設定部と、前記第１現況地形データと前記第２現況地形データとの差分を算出するとともに、前記差分と前記作業現場の現況地形に関するパラメータ情報とに基づいて前記第１現況地形データを修正するための修正データを求める演算部とを備える。

Description

本発明は、作業機械の制御システム、作業機械及び作業機械の制御方法に関する。

近年、ブルドーザ等の作業機械において、ＩＣＴ（Information and Communication Technology）の活用が進められている。例えば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems）等を搭載して自身の位置を検出し、その位置情報と作業現場の現況地形を示す現況地形データとを比較し、作業機の位置又は姿勢等を演算処理して求める作業機械等がある（例えば、特許文献１参照）。現況地形データは、例えば外部のサーバ等によって管理されており、このようなサーバから作業機械に送信されるようになっている。作業機械は、サーバから送信される１種類の現況地形データを受信して演算処理等を行っている。

特開２０１４−２０５９５５号公報

このような作業機械においては、近年、例えば現況地形データを用いて作業機の自動制御を精度よく行うことが求められる。この場合、管理装置から送信される現況地形データの精度によっては、作業機の自動制御を精度よく行うことが困難な場合がある。このため、現況地形データの精度を推定することが求められる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、現況地形データの精度を推定することが可能な作業機械の制御システム、作業機械及び作業機械の制御方法を提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、作業機を有する作業機械が作業を行う作業現場についての複数の現況地形データを取得する取得部と、前記取得部が取得した複数の前記現況地形データから、所定の第１現況地形データと、第２現況地形データとを設定する設定部と、前記第１現況地形データと前記第２現況地形データとの差分を算出するとともに、前記差分と前記作業現場の現況地形に関するパラメータ情報とに基づいて前記第１現況地形データを修正するための修正データを求める演算部とを備える作業機械の制御システムが提供される。

本発明の態様によれば、現況地形データの精度を推定することが可能となる。

図１は、本実施形態に係る作業機械の一例を示す図である。 図２は、本実施形態に係る作業機械の制御システムである制御システムの一例を示すブロック図である。 図３は、表示コントローラの一例を示すブロック図である。 図４は、現況地形データの一例を示す図である。 図５は、傾斜角度を算出する様子を示す模式図である。 図６は、角度群と推定誤差量との対応関係を示す表である。 図７は、推定誤差関数の一例を示すヒストグラムである。 図８は、グリッド領域毎に推定誤差量を求める処理を模式的に示す図である。 図９は、推定誤差量を調整する処理を模式的に示すグラフである。 図１０は、本実施形態に係る作業機械の制御方法の一例を示すフローチャートである。 図１１は、変形例に係る推定誤差関数を示すグラフである。

以下、本発明に係る作業機械の制御システム、作業機械及び作業機械の制御方法の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係る作業機械の一例を示す図である。本実施形態では、作業機械として、例えばブルドーザ１００を例に挙げて説明する。ブルドーザ１００は、車両本体１０と、作業機２０とを有する。本実施形態において、ブルドーザ１００は、例えば鉱山等の作業現場において用いられる。

図１に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、グローバル座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を示している。本実施形態においては、車両本体１０に対して作業機２０がある方向を前方とする。したがって、作業機２０に対して車両本体１０がある方向を後方とする。本実施形態においては、履帯１１ａが地面と接する接地面に対して車両本体１０ある方向を上方とし、車両本体１０から接地面に向かう方向、すなわち重力方向を下方する。なお、図１では、前後方向をＸ方向に一致させ、車幅方向をＹ方向に一致させ、上下方向をＺ方向に一致させた状態でブルドーザ１００を配置している。

車両本体１０は、走行部としての走行装置１１を有する。走行装置１１は、履帯１１ａを有する。履帯１１ａは、車両本体１０の左右のそれぞれに配置される。走行装置１１は、不図示の油圧モータにより履帯１１ａを回転させることにより、ブルドーザ１００を走行させる。

車両本体１０は、アンテナ１２を有する。アンテナ１２は、ブルドーザ１００の現在位置を検出するために用いられる。アンテナ１２は、グローバル座標演算装置１５と電気的に接続されている。グローバル座標演算装置１５は、ブルドーザ１００の位置を検出する位置検出装置である。グローバル座標演算装置１５は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう）を利用してブルドーザ１００の現在位置を検出する。以下の説明において、アンテナ１２を、適宜ＧＮＳＳアンテナ１２と称する。ＧＮＳＳアンテナ１２が受信したＧＮＳＳ電波に応じた信号は、グローバル座標演算装置１５に入力される。グローバル座標演算装置１５は、図１に示すグローバル座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）におけるＧＮＳＳアンテナ１２の設置位置を求める。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。ＧＮＳＳアンテナ１２は、例えば運転室１３の上端に設置されることが好ましい。

車両本体１０は、運転者が着座する運転席が設けられた運転室１３を有する。運転室１３には、各種の操作装置及び画像データを表示する表示部１４が配置される。表示部１４は、例えば、液晶表示装置等であるが、これに限定されるものではない。表示部１４は、例えば入力部と表示部を一体化したタッチパネルを用いることができる。また、運転室１３には、不図示の操作装置が設けられる。操作装置は、作業機２０及び走行装置１１の少なくとも１つを操作するための装置である。

作業機２０は、作業具であるブレード２１と、ブレード２１を支持するリフトフレーム２２と、リフトフレームを駆動するリフトシリンダ２３とを有する。ブレード２１は、刃先２１ｐを有する。刃先２１ｐは、ブレード２１の下端部に配置される。整地作業又は掘削作業等の作業において、刃先２１ｐは、地面に接触する。ブレード２１は、リフトフレーム２２を介して車両本体１０に支持される。リフトシリンダ２３は、車両本体１０とリフトフレーム２２とを連結する。リフトシリンダ２３は、リフトフレーム２２を駆動してブレード２１を上下方向に移動させる。作業機２０は、リフトシリンダセンサ２３ａを含む。リフトシリンダセンサ２３ａは、リフトシリンダ２３のストローク長さを示すリフトシリンダ長データＬａを検出する。

図２は、本実施形態に係る作業機械の制御システムである制御システム２００の一例を示すブロック図である。図２に示すように、制御システム２００は、グローバル座標演算装置１５と、角速度及び加速度を検出する状態検出装置であるＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）１６と、ナビゲーションコントローラ４０と、表示コントローラ３０と、作業機コントローラ５０と、を含む。

グローバル座標演算装置１５は、グローバル座標系で表されるアンテナ１２の位置データである基準位置データＰ１を取得する。グローバル座標演算装置１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサである処理部と、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置である記憶部とを有する。

グローバル座標演算装置１５は、基準位置データＰ１に基づいて、車両本体１０の位置を示す位置データＰを生成する。位置データＰは、グローバル座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における位置を示す。グローバル座標演算装置１５は、生成した位置データＰを、ナビゲーションコントローラ４０及び表示コントローラ３０に出力する。

ＩＭＵ１６は、ブルドーザ１００の動作を示す動作情報を検出する状態検出装置である。実施形態において、動作情報は、ブルドーザ１００の姿勢を示す情報を含んでいてもよい。ブルドーザ１００の姿勢を示す情報は、ブルドーザ１００のロール角、ピッチ角及び方位角が例示される。ＩＭＵ１６は、車両本体１０に取り付けられている。ＩＭＵ１６は、例えば運転室１３の下部に設置されてもよい。

ＩＭＵ１６は、ブルドーザ１００の角速度及び加速度を検出する。ブルドーザ１００の動作にともない、ブルドーザ１００には、走行時に発生する加速度、旋回時に発生する角加速度及び重力加速度といった様々な加速度が生じるが、ＩＭＵ１６は少なくとも重力加速度を検出して出力する。ここで、重力加速度は、重力に対する抗力に対応した加速度である。ＩＭＵ１６は、例えばグローバル座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度と、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸周りの角速度（回転角速度）とを検出する。

表示コントローラ３０は、表示部１４にガイダンス画面等の画像を表示させる。表示コントローラ３０は、通信部３２を有する。通信部３２は、外部の通信機器との間で通信が可能である。通信部３２は、例えば管理サーバ３００等から作業現場の現況地形データ７０及び設計地形データ８０を受信する。通信部３２は、ＵＳＢメモリ等の外部記憶装置、ＰＣ、携帯端末から作業現場の現況地形データ７０及び設計地形データ８０を受信してもよい。

ナビゲーションコントローラ４０は、ＣＰＵ等のプロセッサである処理部と、ＲＡＭ及びＲＯＭ等の記憶装置である記憶部とを有する。ナビゲーションコントローラ４０には、グローバル座標演算装置１５の検出値、ＩＭＵ１６の検出値、後述する作業機コントローラ５０からの出力値が入力される。ナビゲーションコントローラ４０は、グローバル座標演算装置１５の検出値及びＩＭＵ１６の検出値から、ブルドーザ１００の位置に関連する位置情報を求めて表示コントローラ３０に出力する。ナビゲーションコントローラ４０は、作業機コントローラ５０から刃先位置データが入力される。刃先位置データは、刃先２１ｐの３次元位置である刃先位置を示すデータである。ナビゲーションコントローラ４０は、刃先位置データに基づいて、目標刃先位置を示す目標刃先位置データを生成する。ナビゲーションコントローラ４０は、目標刃先位置データを生成する際、作業現場の現況地形を示す現況地形データを用いる。ナビゲーションコントローラ４０は、例えば現況地形データにより示される現況地形を所定距離だけ下方にオフセットした仮想目標地面を生成し、刃先２１ｐが当該仮想目標地面に沿うように目標刃先位置データを生成する。

作業機コントローラ（作業機制御部）５０は、ＣＰＵ等のプロセッサである処理部と、ＲＡＭ及びＲＯＭ等の記憶装置である記憶部とを有する。作業機コントローラ５０は、ブレード２１の位置情報を用いて、上記刃先位置データを検出し、ナビゲーションコントローラ４０に出力する。作業機コントローラ５０は、ナビゲーションコントローラ４０から目標刃先位置データが入力される。作業機コントローラ５０は、目標刃先位置データに基づいて、作業機２０の動作を制御する作業機指令値を生成して出力する。

図４は、現況地形データの一例を示す図である。図４に示すように、現況地形データ７０は、作業現場をグローバル座標系のＸ方向及びＹ方向に沿って複数のグリッド領域Ｇに区画した場合における、グリッド領域Ｇ毎の高さ位置（Ｚ座標）に関するデータである。なお、現況地形データ７０は、グリッド領域Ｇにおける任意の位置の高さデータに関するデータであればよく、例えばグリッド領域Ｇの中心位置の高さデータであってもよいし、グリッド領域Ｇの４隅の高さデータであってもよい。グリッド領域Ｇは、例えば正方形に設定されるが、これに限定されるものではなく、例えば長方形、平行四辺形、三角形等、他の形状であってもよい。

本実施形態において、現況地形データ７０は、例えば作業現場の現況地形を各種の測定手法を用いて測定することにより生成される。現況地形データ７０は、例えば測定手法等が異なる複数種類の現況地形データを含む。現況地形データ７０を生成するための測定手法としては、例えば、作業現場を走行する車両の位置情報を用いて現況地形を測定する手法、作業現場を走行するブルドーザ１００等の作業機械の位置情報を用いて現況地形を測定する手法、測量車を走行させて現況地形を測量する手法、静止した測量器を用いて現況地形を測量する手法、ステレオカメラを用いて現況地形を測定する手法、ドローン等の無人飛行体により現況地形を測定する手法等が挙げられる。なお、ドローン等による計測は、例えばカメラ等を用いて現況地形を撮影し、撮影結果から現況地形データを測定する手法であってもよいし、レーザスキャナを用いて現況地形データを測定してもよい。現況地形データ７０には、測定手法等を識別するための識別情報が付与されてもよい。

図３は、ナビゲーションコントローラ４０の一例を示すブロック図である。図３に示すように、ナビゲーションコントローラ４０は、処理部４４と、記憶部４５とを有する。ナビゲーションコントローラ４０は、処理部４４及び記憶部４５がバスライン４６等の信号線を介して接続される。

処理部４４は、例えばＣＰＵ等のプロセッサである。処理部４４は、現況地形データ算出部６１と、取得部６２と、設定部６３と、演算部６４と、補正部６５と、調整部６６とを有する。

現況地形データ算出部６１は、例えば作業現場のうちブルドーザ１００が通過した領域についての現況地形を示す現況地形データ７０を算出する。現況地形データ算出部６１は、例えばグローバル座標演算装置１５で出力される位置情報に基づいて現況地形データ７０を算出する。この場合、現況地形データ算出部６１は、例えばブルドーザ１００が通過した領域に対応するグリッド領域Ｇ毎のＺ座標を算出する。

取得部６２は、作業現場の現況地形を示す複数の現況地形データ７０を取得する。取得部６２が取得する現況地形データ７０は、例えば管理サーバ３００から受信する現況地形データ７０と、現況地形データ算出部６１で生成される現況地形データ７０とを含む。

取得部６２が取得する複数の現況地形データ７０は、測定手法等に応じて、精度やデータを有する範囲等が異なる場合がある。例えば、作業現場に車両を走行させて測定を行うことで得られる現況地形データ７０は、測定時の走行速度が速くなるため、測定精度が低くなる。一方、作業現場の広い領域に亘って走行させて現況地形データ７０を測定することにより、データの存在するグリッド領域Ｇの数を多くすることができる。

また、上記車両に比べて走行速度が低いブルドーザ１００を走行させることで得られる現況地形データ７０は、走行速度が低い分、測定精度が高くなる。一方、ブルドーザ１００は、例えば作業現場のうちブルドーザ１００が作業を行う箇所及び作業のために移動する箇所を主として走行するため、データの存在するグリッド領域Ｇの数が限られる。

したがって、取得部６２は、例えば、精度が高くかつデータの存在するグリッド領域Ｇの数が少ない現況地形データ７０と、精度が低くかつデータの存在するグリッド領域Ｇの数が多い現況地形データ７０とを取得する場合、すなわち精度が異なる複数の現況地形データ７０を混在して取得する場合がある。この場合、精度の高い現況地形データ７０の存在するグリッド領域Ｇについては、当該精度の高い現況地形データ７０を用いて処理を行うことが可能である。一方、精度の高い現況地形データ７０が存在しないグリッド領域Ｇについては、精度の低い現況地形データ７０を用いて処理を行うことになる。本実施形態では、この場合において、精度の低い現況地形データ７０を精度の高い現況地形データ７０を用いて修正することで、精度の低い現況地形データ７０の精度向上を図るものである。以下、相対的に精度が低い現況地形データ７０を第１現況地形データ７１とし、相対的に精度が高い現況地形データ７０を第２現況地形データ７２とする。

設定部６３は、取得部６２が取得した複数の現況地形データ７０から、上記の第１現況地形データ７１及び第２現況地形データ７２を設定する。設定部６３は、どのような方法で第１現況地形データ７１及び第２現況地形データ７２を設定してもよい。以下、例えば第１現況地形データ７１に設定される現況地形データ７０の測定方法と、第２現況地形データ７２に設定される現況地形データ７２の測定方法とを予め決めておき、現況地形データ７０が測定された方法に基づいて設定部６３が第１現況地形データ７１及び第２現況地形データ７２を設定する場合を例に挙げて説明する。

演算部６４は、同一位置におけるグリッド領域Ｇにおける第１現況地形データ７１と第２現況地形データ７２との高さデータの差分を各グリッド領域Ｇ毎に算出する。グリッド領域Ｇ毎に算出した複数の高さデータの差分は、差分データ８２として記憶部４５に記憶される。

また、演算部６４は、グリッド領域Ｇ毎に算出した複数の差分と、後述する作業現場の現況地形に関するパラメータ情報とに基づいて、第１現況地形データ７１を修正するための推定誤差関数を求める。推定誤差関数は、修正データの一例である。本発明者は、現況地形データ７０において、例えば水平面に対する傾斜角度が大きいグリッド領域Ｇほど上記の高さデータの差分が大きくなるという相関関係を見出した。したがって、本実施形態では、パラメータ情報として、各グリッド領域Ｇについての水平面に対する傾斜角度を例に挙げて説明する。この場合、演算部６４は、各グリッド領域Ｇについて水平面に対する傾斜角度を算出し、算出した傾斜角度を角度の大きさに基づいて各グリッド領域Ｇを複数のグループに分類し、当該グループをパラメータ情報として設定する。以下、演算部６４がパラメータ情報を設定する手順を説明する。

図５は、傾斜角度を算出する様子を示す模式図である。図５に示すように、１つのグリッド領域Ｇｔの傾斜角度を求める場合、演算部６４は、当該グリッド領域Ｇｔの周囲のグリッド領域との高さ位置の差を求める。本実施形態では、グリッド領域Ｇｔの周囲のグリッド領域として、グリッド領域Ｇｔと各辺を共有する４つのグリッド領域Ｇｎ、Ｇｓ、Ｇｅ、Ｇｗを含む。なお、グリッド領域Ｇｔの周囲のグリッド領域は、上記４つのグリッド領域Ｇｎ、Ｇｓ、Ｇｅ、Ｇｗに代えて又は上記４つのグリッド領域Ｇｎ、Ｇｓ、Ｇｅ、Ｇｗに加えて、グリッド領域Ｇｔに対して斜め方向に隣り合うグリッド領域Ｇを含んでもよい。

図５では、一例として、グリッド領域Ｇｔとグリッド領域Ｇｅとの間の高さ位置の差ｈが示されている。演算部６４は、このような高さ位置の差を、グリッド領域Ｇｎ、Ｇｓ、Ｇｅ、Ｇｗとの間について算出する。演算部６４は、算出した高さ位置の差と、グリッド領域のピッチｄとに基づいて角度αを算出する。この場合、角度αは、グリッド領域Ｇｔの中心点Ｏｔとグリッド領域Ｇｎ、Ｇｓ、Ｇｅ、Ｇｗの各中心点（図５では中心点Ｏｅを示す）とを結ぶそれぞれの直線が水平面との間に角度である。演算部６４は、算出した４つの角度αのうち、例えば最も大きい値をグリッド領域Ｇｔの傾斜角度とする。なお、演算部６４は、算出した４つの角度αの平均値をグリッド領域Ｇｔの傾斜角度としてもよい。

演算部６４は、傾斜角度を算出した場合、当該算出した傾斜角度を、角度の大きさに基づいて複数の角度群（グループ）に分類する。図６は、角度群と推定誤差量との対応関係を示す表である。図６に示すように、演算部６４は、傾斜角度を角度の大きさに基づいて、例えば第１群から第７群までの７つのグループのいずれかに分類する。

例えば、角度α１、α２、α３、α４、α５、α６が、α１＜α２＜α３＜α４＜α５＜α６という関係であった場合に、第１群は、傾斜角度が０°以上、α１°未満となるグリッド領域Ｇが属するグループである。第２群は、傾斜角度がα１°以上、α２°未満となるグリッド領域Ｇが属するグループである。第３群は、傾斜角度がα２°以上、α３°未満となるグリッド領域Ｇが属するグループである。第４群は、傾斜角度がα３°以上、α４°未満となるグリッド領域Ｇが属するグループである。第５群は、傾斜角度がα４°以上、α５°未満となるグリッド領域Ｇが属するグループである。第６群は、傾斜角度がα５°以上、α６°未満となるグリッド領域Ｇが属するグループである。第７群は、傾斜角度がα６°以上となるグリッド領域Ｇが属するグループである。このように、演算部６４は、複数の角度群（グループ）を設定することで、パラメータ情報を設定する。

演算部６４は、算出した複数の差分とパラメータ情報とに基づいて、第１現況地形データ７１を修正するための推定誤差関数を求める。以下、演算部６４が推定誤差関数を求める手順を説明する。本実施形態において、演算部６４は、パラメータ情報である角度群毎に推定誤差量を求める。具体的には、演算部６４は、各角度群に属する複数のグリッド領域Ｇ毎に同一位置におけるグリッド領域Ｇにおける第１現況地形データ７１と第２現況地形データ７２との高さデータの差分を求め、その差分の例えば平均値又は中央値を算出する。当該算出された結果がその角度群における推定誤差量である。図６に示すように、第１群から第７群の各グループについて、対応する推定誤差量（Ｅ１〜Ｅ７）が求められる。このように、演算部６４は、パラメータ情報である角度群（角度情報）と推定誤差量とを対応付けることにより、両者の関係を示す推定誤差関数Ｆ１を求める。本実施形態において、推定誤差関数Ｆ１は、第１群から第７群までの各角度群と、当該角度群毎の推定誤差量（Ｅ１〜Ｅ７）との関係をすべて含む。本実施形態において、演算部６４は、推定誤差関数Ｆ１の一形式として、例えば角度群と誤差推定量とが１対１で対応するヒストグラムを作成してもよい。

図７は、推定誤差関数を示すヒストグラムであり、具体的には、グリッド領域Ｇが属する角度群と推定誤差量との関係を示している。図７の横軸は角度群を示し、図７の縦軸は推定誤差量（単位：ｍ）を示す。図７に示すように、推定誤差量は、Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３＜Ｅ４＜Ｅ５＜Ｅ６＜Ｅ７となっている。図７から明らかなように、傾斜角度が大きい角度群に属するグリッド領域Ｇほど、そのグリッド領域Ｇにおける推定誤差量が大きくなる。

また、図８は、グリッド領域Ｇ毎に推定誤差量を求める処理を模式的に示す図である。演算部６４は、推定誤差関数Ｆ１に基づいて、グリッド領域Ｇ毎に、当該グリッド領域Ｇが属する角度群に対応した推定誤差量を求める。

補正部６５は、演算部６４で求めた推定誤差関数Ｆ１に基づいて第１現況地形データ７１を補正する。なお、補正部６５は、補正の前後で第１現況地形データ７１の値が小さくなる場合にのみ、第１現況地形データ７１の補正を行うようにしてもよい。この場合、現況地形データ７１の値が実際の現況地形よりも大きくなることを抑制できるため、作業機２０の自動制御を行う際にブレード２１の刃先２１ｐが地面から離れてしまうことを抑制できる。例えば、第２現況地形データ７２が無く、第１現況地形データ７１しか存在しないグリッド領域Ｇを、当該第１現況地形データ７１に基づいて作業機２０の自動制御を行う場合、補正部６５が第１現況地形データ７１の高さデータを推定誤差量分だけ下に修正することで、確実に作業現場の地面を掘削することができ、いわゆるブレード２１の空振りを防止できる。

調整部６６は、すでに推定誤差量Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６、Ｅ７が求められている状態において、新たに第２現況地形データ７２と第１現況地形データ７１との差分データ８２が得られた場合に、新たな差分データ８２を用いることにより、推定誤差量を更新する。例えば、それまで精度の高い第２現況地形データ７２が存在せず、相対的に精度の低い第１現況地形データ７１のみ存在していたグリッド領域Ｇをブルドーザ１００が新たに走行し、当該グリッド領域Ｇについての第２現況地形データ７２が新たに生成された場合、当該グリッド領域Ｇにおける差分データ８２を推定誤差量の算出に用いることにより、すでに計算されていた推定誤差量を更新できるようになる。

この場合、調整部６６は、演算部６４と同様に、各角度群に属する複数のグリッド領域Ｇについて差分を算出し、当該差分の例えば平均値又は中央値を算出する。図９は、推定誤差量を調整する処理を模式的に示すグラフであり、図７と同様に横軸は角度群を示し、縦軸は推定誤差量を示す。

例えば第３群に属する複数のグリッド領域Ｇについて、例えば調整部６６による調整処理前には第３群の推定誤差量がＥ３である。調整部６６における調整処理の結果、すなわち新たに追加された第２現況地形データ７２を用いて推定誤差量を再計算した結果、推定誤差量がＥ３ａとなった場合、図９に示すように、調整部６６は、第３群の推定誤差量をＥ３からＥ３ａに変更する。

また、記憶部４５は、現況地形データ７０と、設計地形データ８０と、差分データ８２と、推定誤差関数Ｆ１とを記憶する。また、記憶部４５は、処理部４４において各種の処理を行うためのプログラム及びデータ等が記憶される。

図１０は、本実施形態に係る作業機械の制御方法の一例を示すフローチャートである。ステップＳＴ１０において、ナビゲーションコントローラ４０の取得部６２は、現況地形データ７０を取得する。このような現況地形データ７０として、例えば管理サーバ３００から受信する現況地形データ７０と、現況地形データ算出部６１で生成される現況地形データ７０とが含まれる。

次に、設定部６３は、取得部６２が取得した複数の現況地形データ７０から、第１現況地形データ７１及び第２現況地形データ７２を設定する（ステップＳＴ２０）。ステップＳＴ２０において、第１現況地形データ７１を修正することを目的として、設定部６３は、第２現況地形データ７２を教師データ（修正するための基準となるデータ）とするべく、第２現況地形データ７２に実際の現況地形に近い方のデータ、つまり精度が高い方のデータを設定する。また、ステップＳＴ２０において、設定部６３は、どのような方法で第１現況地形データ７１及び第２現況地形データ７２を設定してもよいが、本実施形態では、例えば第１現況地形データ７１に設定する現況地形データ７０の測定方法と、第２現況地形データ７２に設定する現況地形データ７０の測定方法とを予め決めておき、現況地形データ７０が測定された方法に基づいて設定部６３が第１現況地形データ７１及び第２現況地形データ７２を設定する。

次に、演算部６４は、同一位置におけるグリッド領域Ｇにおける第２現況地形データ７２に対する第１現況地形データ７１の高さデータの差分を各グリッド領域Ｇ毎に算出する（ステップＳＴ３０）。次に、演算部６４は、各グリッド領域Ｇ毎にパラメータ情報を設定する（ステップＳＴ４０）。ステップＳＴ４０において、演算部６４は、パラメータ情報として各種情報を設定することができる。本実施形態において、演算部６４は、例えば各グリッド領域Ｇについて水平面に対する傾斜角度を算出し、算出した傾斜角度を角度の大きさに基づいて各グリッド領域Ｇを複数のグループに分類し、当該グループをパラメータ情報として設定する。演算部６４は、ステップＳＴ４０において、傾斜角度を角度の大きさに基づいて、例えば第１群から第７群までの角度群を設定することで、パラメータ情報を設定する。

次に、演算部６４は、算出した差分とパラメータ情報とに基づいて、推定誤差関数Ｆ１を導出する（ステップＳＴ５０）。演算部６４は、ステップＳＴ５０において、例えば角度群毎に推定誤差量（Ｅ１〜Ｅ７）を求め、角度群と推定誤差量とを対応付けることにより、推定誤差関数Ｆ１を導出する。

その後、例えば第２現況地形データ７２が無く、第１現況地形データ７１しか存在しないグリッド領域Ｇを、当該第１現況地形データ７１に基づいて作業機２０の自動制御を行う場合、補正部６５は、導出された推定誤差関数Ｆ１に基づいて第１現況地形データ７１を補正する（ステップＳＴ６０）。その後、ナビゲーションコントローラ４０及び作業機コントローラ５０は、現況地形データ７０として補正後の第１現況地形データ７１に基づいて作業機２０の制御を行ってもよい。この場合、精度が向上された第１現況地形データ７１に基づいて作業機２０の制御を行うため、作業機２０を精度良く制御することができる。また、作業機２０が確実に作業現場の地面を掘削することができるため、いわゆるブレード２１の空振りを防止できる。

なお、ステップＳＴ５０又はステップＳＴ６０の後、それまで精度の高い第２現況地形データ７２が存在せず、相対的に精度の低い第１現況地形データ７１のみ存在しているグリッド領域Ｇをブルドーザ１００が新たに走行し、当該グリッド領域Ｇについての第２現況地形データ７２が新たに生成された場合、調整部６６は、推定誤差関数Ｆ１を更新する処理を行ってもよい。この場合、調整部６６は、第２現況地形データ７２に対する第１現況地形データ７１の差分データ８２に基づいて推定誤差量を更新する。

以上のように、本実施形態に係る作業機械の制御システム２００は、ブルドーザ１００が作業を行う作業現場についての複数の現況地形データ７０を取得する取得部６２と、取得部６２が取得した複数の現況地形データ７０から、第１現況地形データ７１と、第２現況地形データ７２とを設定する設定部６３と、第１現況地形データ７１と第２現況地形データ７２との差分を算出し、差分と作業現場の現況地形に関するパラメータ情報とに基づいて第１現況地形データ７１を修正するための修正データである推定誤差関数Ｆ１を求める演算部６４とを備える。

また、本実施形態に係る作業機械の制御システム２００は、パラメータ情報として、各グリッド領域Ｇについての水平面に対する傾斜角度を求め、当該求めた傾斜角度を角度の大きさに基づいて複数の角度群に分類する。このため、傾斜角度を求めたグリッド領域Ｇの数が増加しても、パラメータ情報の数が増加することなく一定のままである。したがって、多くの情報を効率的に処理することができる。

この構成によれば、取得される複数の現況地形データ７０の中から第１現況地形データ７１と、第２現況地形データ７２とを設定し、第２現況地形データ７２を教師データとして第１現況地形データの推定誤差関数Ｆ１を算出し、推定誤差関数Ｆ１に基づいて第１現況地形データ７１を修正することができるため、第１現況地形データ７１の精度を向上することが可能となる。

以上、実施形態を説明したが、前述した内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも１つを行うことができる。例えば、ナビゲーションコントローラ４０が実行する各処理は、表示コントローラ３０、作業機コントローラ５０又はこれら以外のコントローラが実行してもよい。

また、上記実施形態では、作業機械として、ブルドーザ１００を例に挙げて説明したが、これに限定するものではなく、油圧ショベル又はホイールローダー等、他の作業機械であってもよい。また、上記実施形態における制御システム２００は、ブルドーザ１００等の作業機械に設けられてもよいし、管理サーバ３００等に設けられてもよいし、作業機械と管理サーバが分担してもよい。

また、上記実施形態では、例えば第１現況地形データ７１に設定する現況地形データ７０の測定方法と、第２現況地形データ７２に設定する現況地形データ７０の測定方法とを予め決めておき、現況地形データ７０が測定された方法に基づいて設定部６３が第１現況地形データ７１及び第２現況地形データ７２を設定する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば設定部６３は、作業者の指示又は入力に基づいて第１現況地形データ７１及び第２現況地形データ７２を設定してもよい。また、設定部６３は、現況地形データ７０の各測定方法に応じて例えば優先順位又は数値化された精度情報を設定しておき、当該優先順位又は精度情報に基づいて、第１現況地形データ７１及び第２現況地形データ７２を設定してもよい。また、設定部６３は、例えばレーザスキャナ等の測量器により予め測定された正確な現況地形データと、取得部６２が取得した複数の現況地形データ７０とを比較し、差分が大きい現況地形データ７０を第１現況地形データ７１とし、差分が小さい現況地形データ７０を第２現況地形データ７２としてもよい。

なお、上記実施形態では、設定部６３は、作業現場を走行する車両の位置情報を用いて現況地形を測定した場合の現況地形データ７０を第１現況地形データ７１に、作業現場を走行するブルドーザ１００等の作業機械の位置情報を用いて現況地形を測定した場合の現況地形データ７０を第２現況地形データ７２に設定したが、この例に限定されない。例えば、車両等の位置情報を用いて現況地形を測定する場合、各種センサの精度や計算アルゴリズムに応じて精度が異なる場合がある。したがって、車両の位置情報を用いて現況地形を測定した場合の現況地形データ７０を第２現況地形データ７２に、作業機械の位置情報を用いて現況地形を測定した場合の現況地形データ７０を第１現況地形データ７１に設定してもよい。

また、上記実施形態では、パラメータ情報として、グリッド領域Ｇについての水平面に対する傾斜角度を求め、当該求めた傾斜角度を角度の大きさに基づいて複数の角度群に分類したが、これに限定するものではない。図１１は、変形例に係る推定誤差関数を示すグラフである。

例えば、パラメータ情報としてグリッド領域Ｇについての水平面に対する傾斜角度を用いる場合において、演算部６４は、図１１に示すように、傾斜角度と推定誤差量との関係をグリッド領域Ｇ毎に求め、各値に基づいて近似曲線を導出し、当該近似曲線を推定誤差関数Ｆ２としてもよい。近似曲線については、最小二乗法等の近似法により求めることができる。また、近似曲線は、二次関数、又は三次以上の高次の関数により規定される曲線とすることができる。この場合、補正部６５は、推定誤差関数Ｆ２に基づいて第１現況地形データ７１を補正する。推定誤差関数Ｆ２は、修正データの一例である。

また、修正データは、上述した推定誤差関数Ｆ１及び推定誤差関数Ｆ２に限定されず、どのような形式のデータであってもよい。

また、上記実施形態では、パラメータ情報として、グリッド領域Ｇについての水平面に対する傾斜角度を用いる場合を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。例えば、アンテナ１２がＧＮＳＳ電波を受信する際、位置情報に加えて精度情報も受信する。この場合、ナビゲーションコントローラ４０は、受信した精度情報を位置情報に対応付けて、グリッド領域Ｇ毎のデータとして記憶部４５に記憶させる。演算部６４は、例えば現況地形データ算出部６１等でＧＮＳＳ電波に含まれる位置情報に基づいて現況地形データ７０を生成した場合には、ＧＮＳＳ電波に含まれる精度情報を第１現況地形データ７１のパラメータ情報として用いてもよい。

また、例えば作業現場において施工対象となる土砂の水分含有量、土又は岩の成分等の地質情報をパラメータ情報としてもよい。この場合、ナビゲーションコントローラ４０は、例えば計測機器等により計測した地質情報を位置情報に対応付けて、グリッド領域Ｇ毎のデータとして記憶部４５に記憶させる。これにより、演算部６４は、例えば計測機器等により計測した地質情報をパラメータ情報とすることができる。

また、例えば現況地形データ７０が生成された時刻、又は取得部６２が現況地形データ７０を取得した時刻を時間情報として現況地形データ７０に書き込むこととし、当該時間情報をパラメータ情報として用いてもよい。この場合、例えば時刻が古い現況地形データ７０ほど誤差が大きいと推定することが可能である。

また、例えばナビゲーションコントローラ４０は、現況地形データ７０を生成する際の測定方法を示す測定方法データを、現況地形データ７０に紐づけて、又はグリッド領域Ｇ毎のデータとして、記憶部４５に記憶させてもよい。この場合、設定部６３は、現況地形データ７０の測定方法に基づいて、第１現況地形データ７１と第２現況地形データ７２とを設定する。そして演算部６４は、第１現況地形データ７１と第２現況地形データ７２との測定方法の違いに基づく第１現況地形データ７１の修正量を予め定めておき、当該修正量に基づいて一律に第１現況地形データ７１を修正するようにしてもよい。

α 角度
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，Ｅ７ 推定誤差量
Ｆ１，Ｆ２ 推定誤差関数
Ｇ，Ｇｅ，Ｇｎ，Ｇｓ，Ｇｔ，Ｇｗ グリッド領域
１０ 車両本体
１１ 走行装置
１１ａ 履帯
２０ 作業機
２１ ブレード
２１ｐ 刃先
３０ 表示コントローラ
３１ 入力部
３２ 通信部
３３ 出力部
３４ 処理部
３５ 記憶部
４０ ナビゲーションコントローラ
５０ 作業機コントローラ
６１ 現況地形データ算出部
６２ 取得部
６３ 設定部
６４ 演算部
６５ 補正部
６６ 調整部
６７ 表示制御部
７０ 現況地形データ
７１ 第１現況地形データ
７２ 第２現況地形データ
８０ 設計地形データ
８１ 仮想設計データ
８２ 差分データ
１００ ブルドーザ
２００ 制御システム
３００ 管理サーバ

本発明は、作業機械の制御システム、作業機械、作業機械の制御方法、及びナビゲーションコントローラに関する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、現況地形データの精度を推定することが可能な作業機械の制御システム、作業機械、作業機械の制御方法、及びナビゲーションコントローラを提供することを目的とする。

Claims (7)

1. 作業機を有する作業機械が作業を行う作業現場についての複数の現況地形データを取得する取得部と、
   前記取得部が取得した複数の前記現況地形データから、所定の第１現況地形データと、第２現況地形データとを設定する設定部と、
   前記第１現況地形データと前記第２現況地形データとの差分を算出するとともに、前記差分と前記作業現場の現況地形に関するパラメータ情報とに基づいて前記第１現況地形データを修正するための修正データを求める演算部と
   を備える作業機械の制御システム。
2. 前記修正データに基づいて前記第１現況地形データを補正する補正部と、
   前記補正部により補正された前記第１現況地形データに基づいて前記作業機を制御する作業機制御部と
   を備える請求項１に記載の作業機械の制御システム。
3. 新たに取得された前記第２現況地形データに基づいて前記推定誤差関数を調整する調整部を更に備える
   請求項１又は請求項２に記載の作業機械の制御システム。
4. 前記設定部は、前記現況地形データの測定方法に基づいて、前記第１現況地形データ及び前記第２現況地形データを設定する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の作業機械の制御システム。
5. 前記パラメータ情報は、前記現況地形データにおける傾斜角度情報、前記作業現場の地質情報、精度情報、及び前記現況地形データを取得した時間情報のうち少なくとも１つを含む
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の作業機械の制御システム。
6. 前記作業機を搭載して走行する走行部と、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の作業機械の制御システムと
   を備える作業機械。
7. 作業機械が作業を行う作業現場についての複数の現況地形データを取得することと、
   前記取得部が取得した複数の前記現況地形データから、所定の第１現況地形データと、第２現況地形データとを設定することと、
   前記第１現況地形データと前記第２現況地形データとの差分を算出するとともに、前記差分と前記作業現場の現況地形に関するパラメータ情報とに基づいて前記第１現況地形データを修正するための修正データを求めることと
   を含む作業機械の制御方法。

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