JP7043471B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本開示は、たとえば情報化施工を行う作業機械に関する。

従来から作業機を備えた作業機械に用いられる作業機械の制御システムおよび作業機械に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。この従来の発明は、作業機械の位置を測位した結果に基づいて情報化施工を行う作業機械について、情報化施工が行われている際に作業機を的確に継続して制御すること、および、作業のガイダンス画面に適正な情報を表示することのうち、少なくとも１つを実現できる作業機械の制御システムおよび作業機械を提供することを目的としている。

特許文献１は、上記課題を解決するための手段として、作業具を有する作業機および走行装置を備える作業機械を制御するシステムであって、位置検出装置と、状態検出装置と、位置情報生成部と、目標値生成部と、を含む作業機械の制御システムを開示している（同文献、請求項１等を参照）。前記位置検出装置は、前記作業機械の位置を検出する。前記状態検出装置は、前記作業機械の動作を示す動作情報を検出する。前記位置情報生成部は、第１のモードと、第２のモードと、第３のモードとのいずれか１つで動作する。

前記位置情報生成部の第１のモードは、前記位置検出装置によって検出された位置の情報を前記作業機械の位置に関連する位置情報として出力するモードである。前記位置情報生成部の第２のモードは、前記位置検出装置による測位が異常となる前における前記作業機械の基準となる特定点および前記状態検出装置によって検出された前記動作情報の両方を用いて求めた位置の情報を前記位置情報として出力するモードである。前記位置情報生成部の第３のモードは、前記位置情報を出力しないモードである。

前記位置情報生成部は、前記位置検出装置による測位が正常である場合は前記第１のモードで動作する。また、前記位置情報生成部は、前記位置検出装置による測位が異常かつ前記作業機械が静定状態である場合には前記第２のモードで動作する。また、前記位置情報生成部は、前記位置検出装置による測位が異常かつ前記作業機械が非静定状態である場合には前記第３のモードで動作する。前記目標値生成部は、前記位置情報生成部から得られる前記位置情報に基づき前記作業機の位置を求める。

特開２０１６－２２４０３８号公報

前記従来の作業機械の制御システムは、前記位置検出装置による測位が異常であっても、前記位置検出装置が前記第２のモードまたは前記第３のモードで動作することで、前記目標値生成部によって前記作業機の位置を求めることができる。しかしながら、前記従来の作業機械の制御システムは、前記位置検出装置による測位が異常である場合に、前記作業機械が滑るなどして静定状態にもかかわらず位置が変化したり、前記作業機械の旋回動作が所定の条件を超えたりした場合に、前記作業機械の正確な位置を出力することができないという課題がある。

本開示は、作業機械の位置を検出する位置検出装置の異常時に、従来よりも正確に作業機械の位置を推定可能な作業機械を提供する。

本開示の一態様は、本体と、該本体に設けられた作業装置と、前記本体を走行させる走行装置と、前記本体に搭載された第１制御装置と、前記本体の位置を検出する第１位置検出装置と、前記本体と独立して移動可能な移動体と、該移動体に搭載された第２制御装置と、前記移動体の位置を検出する第２位置検出装置と、前記移動体と前記本体との相対位置を検出する相対位置検出装置と、を備えた作業機械であって、前記第１制御装置を構成する第１中央処理装置は、前記第１位置検出装置の異常を検出して前記第２制御装置へ通知し、前記第２制御装置を構成する第２中央処理装置は、前記通知があったときに、前記移動体を移動させ、前記第２位置検出装置によって前記移動体の位置を検出し、前記相対位置検出装置によって前記相対位置を検出し、前記第１中央処理装置は、前記第１位置検出装置の異常を検出した後に、前記移動体の前記位置および前記相対位置に基づいて前記本体の推定位置を算出することを特徴とする作業機械である。

本開示の上記一態様によれば、本体の第１位置検出装置の異常時に、移動体の第２位置検出装置と、移動体と本体との相対位置を検出する相対位置検出装置とにより、従来よりも正確に本体の位置を推定可能な作業機械を提供することができる。

本開示の作業機械の一実施形態を示す概略図。 本開示の作業機械の一実施形態を示す概略図。 図１と図２に示す作業機械の第１制御装置と第２制御装置の機能ブロック図。 図３に示す第１制御装置と第２制御装置による位置検出と位置推定のフロー図。 図３に示す第２制御装置による位置推定のフロー図。 図１と図２に示す作業機械の測位モードの遷移図。 図１と図２に示す作業機械の画像表示装置の画像の一例を示す画像図。

以下、図面を参照して本開示の作業機械の実施形態を説明する。

図１および図２は、本開示の作業機械の一実施形態を示す概略図である。本実施形態の作業機械１は、たとえば、情報化施工を補助するシステムを備えた油圧ショベルである。情報化施工は、たとえば資源採掘や建設工事の現場などでの施工において、情報通信技術を活用し、各プロセスから得られる電子情報をやり取りして、高効率、高精度の施工を実現する。より具体的には、たとえばＧＰＳ（Global Positioning System）やＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）などの衛星測位システムにより得られた作業機械１の三次元の位置情報を用いて、作業機械１の管理、施工状態の管理、および作業機械１の制御などを行う。

詳細については後述するが、本実施形態の作業機械１は、次の構成を特徴としている。作業機械１は、本体１０と、その本体１０に設けられた作業装置２０と、本体１０を走行させる走行装置３０と、を備えている。また、作業機械１は、本体１０に搭載された第１制御装置１００と、本体１０の位置を検出する第１位置検出装置４０と、本体１０と独立して移動可能な移動体５０と、を備えている。さらに、作業機械１は、移動体５０に搭載された第２制御装置２００と、移動体５０の位置を検出する第２位置検出装置６０と、移動体５０と本体１０との相対位置を検出する相対位置検出装置７０と、を備えている。第１制御装置１００を構成する第１中央処理装置１０１は、第１位置検出装置４０の異常を検出して第２制御装置２００へ通知する。第２制御装置２００を構成する第２中央処理装置２０１は、第１制御装置１００から前記通知があったときに、移動体５０を移動させ、第２位置検出装置６０によって移動体５０の位置を検出し、相対位置検出装置７０によって本体１０と移動体５０との相対位置を検出する。第１中央処理装置１０１は、第１位置検出装置４０の異常を検出した後に、移動体５０の位置、および、移動体５０と本体１０との相対位置に基づいて、本体１０の推定位置を算出する。

以下、本実施形態の作業機械１の構成をより詳細に説明する。作業機械１は、たとえば、前述の本体１０、作業装置２０、走行装置３０、第１位置検出装置４０、移動体５０、第２位置検出装置６０、相対位置検出装置７０、第１制御装置１００および第２制御装置２００に加えて、画像表示装置８０（図７）、給電装置９１、ケーブル９２、非常用電源９３、および第３制御装置３００を備えている。以下の説明では、作業機械１の前後方向に平行なＸ軸、作業機械１の幅方向に平行なＹ軸、作業機械１の高さ方向に平行なＺ軸からなる三次元の直交座標系を参照しながら、作業機械１の各部を説明する場合がある。

本体１０は、たとえば、走行装置３０の上に旋回可能に取り付けられている。本体１０は、たとえば、図示を省略する油圧モータまたは電動モータによって駆動される。具体的には、たとえばオペレータが運転室１１内の操作レバーを操作すると、本体１０は、その操作に応じて作業機械１の高さ方向（Ｚ方向）に平行な回転軸を中心に走行装置３０に対して旋回する。本体１０は、たとえば、図示を省略する原動機や、油圧ポンプおよび複数のバルブを含む油圧機構、第１制御装置１００および第３制御装置３００、ならびにカウンターウェイトなどを収容している。

作業機械１の前後方向（Ｘ方向）における本体１０の前部には、運転室１１が設けられている。一部は図示を省略するが、運転室１１の内部には、オペレータが着座する運転席、オペレータが操作する操作レバーおよび操作ペダル、ならびにオペレータが視認する画像表示装置８０（図７を参照）が設置されている。

作業装置２０は、たとえば、掘削作業などの作業を行う作業装置である。作業装置２０は、たとえば、本体１０の前後方向（Ｘ軸方向）における前部で、本体１０の車幅方向（Ｙ軸方向）における中央部に設けられ、運転室１１と車幅方向に隣接している。作業装置２０は、たとえば、ブーム２１と、アーム２２と、バケット２３と、を備えている。また、作業装置２０は、たとえば、ブームシリンダ２１ｓと、アームシリンダ２２ｓと、バケットシリンダ２３ｓと、リンク機構２３ｌとを有している。

ブーム２１の基端部は、たとえば、作業機械１の幅方向（Ｙ方向）に平行な、図示を省略する回転軸を介して本体１０に連結されている。ブーム２１は、たとえば、油圧アクチュエータであるブームシリンダ２１ｓによって駆動され、本体１０に取り付けられた図示を省略する回転軸を中心に所定の角度範囲で回動する。

アーム２２の基端部は、たとえば、作業機械１の幅方向（Ｙ方向）に平行な回転軸２２ａを介してブーム２１の先端部に連結されている。アーム２２は、たとえば、油圧アクチュエータであるアームシリンダ２２ｓによって駆動され、ブーム２１に取り付けられた回転軸２２ａを中心に所定の角度範囲で回動する。

バケット２３の基端部は、たとえば作業機械１の幅方向（Ｙ方向）に平行な回転軸２３ａ、およびリンク機構２３ｌを介して、アーム２２の先端部に連結されている。バケット２３は、たとえば、油圧アクチュエータであるバケットシリンダ２３ｓによって駆動され、アーム２２に取り付けられた回転軸２３ａを中心に所定の角度範囲で回動する。

ブームシリンダ２１ｓ、アームシリンダ２２ｓ、バケットシリンダ２３ｓは、それぞれ、シリンダチューブと、シリンダチューブの内周面に沿って軸方向に摺動可能に配置されたピストンと、そのピストンの一端に連結されたロッドを有している。シリンダチューブの内部は、ピストンによってロッド側のロッド室とロッドと反対側のボトム室とに区画されている。ブームシリンダ２１ｓ、アームシリンダ２２ｓ、およびバケットシリンダ２３ｓは、たとえば、本体１０の内部に収容された図示を省略する油圧機構の一部を構成している。

油圧機構は、オペレータが運転室１１内の操作レバーを操作すると、その操作に応じたパイロット圧を切換バルブに作用させるように構成されている。油圧機構は、油圧ポンプから圧送される作動油の流量および供給先を、切換バルブを含む各種のバルブによりパイロット圧に応じて変化させ、ブームシリンダ２１ｓ、アームシリンダ２２ｓ、バケットシリンダ２３ｓのそれぞれのボトム室またはロッド室へ作動油を供給する。これにより、ブームシリンダ２１ｓ、アームシリンダ２２ｓ、バケットシリンダ２３ｓのロッドが伸縮し、前述のように、ブーム２１、アーム２２、およびバケット２３が駆動される。

走行装置３０は、たとえば、無限軌道履帯を有する左右のクローラ３１と、図示を省略する左右の走行モータとを備えている。走行装置３０は、左右の走行モータによって左右のクローラ３１をそれぞれ駆動することで、作業機械１を走行させる。左右の走行モータは、たとえば、前述の油圧機構の一部を構成する油圧モータである。オペレータは、運転室１１内の操作レバーまたは操作ペダルを操作することで、走行装置３０の左右の走行モータを任意の方向へ回転させ、作業機械１を走行させることができる。

第１位置検出装置４０は、たとえば、本体１０に取り付けられて、ＲＴＫ－ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite System）を構成するアンテナ４１，４２を含んでいる。第１位置検出装置４０は、たとえば、運転室１１よりも後方で本体１０の上に離隔して配置された二つのアンテナ４１，４２を有している。第１位置検出装置４０は、本体１０に設けられた二つのアンテナ４１，４２のそれぞれの三次元の位置情報を検出することで、本体１０の位置および姿勢を検出する。

移動体５０は、たとえばドローンなどのＵＡＶ（Unmanned Aerial Vehicle）である。特に限定はされないが、図１および図２に示す例において、移動体５０は複数のプロペラを備えている。移動体５０は、たとえば複数のプロペラを回転させて自律的に飛行することで、本体１０と独立して移動可能である。

第２位置検出装置６０は、たとえば移動体５０に搭載され、移動体５０の位置を検出する。具体的には、第２位置検出装置６０は、たとえば移動体５０に取り付けられてＲＴＫ－ＧＮＳＳを構成するアンテナ６１，６２を含んでいる。なお、第２位置検出装置６０は、ＲＴＫ－ＧＮＳＳに限定されず、たとえば、３軸加速度センサやジャイロセンサを含む構成であってもよい。

相対位置検出装置７０は、たとえば移動体５０に搭載され、移動体５０と本体１０との相対位置を検出する。相対位置検出装置７０は、たとえば、単眼カメラやステレオカメラなどの撮像装置、またはＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）装置などの測距装置を用いることができる。なお、相対位置検出装置７０による本体１０の位置および姿勢の検出を容易にするために、本体１０は、相対位置検出装置７０によって検出される２以上のマーカーを有してもよい。具体的には、たとえば相対位置検出装置７０がＬＩＤＡＲ装置である場合、マーカーとして、レーザを反射するプリズムやミラーを用いることができる。

図７に示す画像表示装置８０は、たとえば本体１０に搭載されている。より具体的には、画像表示装置８０は、たとえば運転室１１内のオペレータから視認可能な位置に配置されている。画像表示装置８０は、たとえば、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置によって構成され、第１制御装置１００からの制御信号に基づいて画像を表示するように構成されている。画像表示装置８０は、たとえば、オペレータが情報を入力可能なタッチパネルなどの入力装置を含んでもよい。

給電装置９１は、たとえば本体１０に搭載され、ケーブル９２を介して移動体５０に電力を供給する。給電装置９１は、たとえば、本体１０に搭載された発電機またはバッテリーによって構成することができる。ケーブル９２は、たとえば、給電装置９１の出力端子と移動体５０の電源端子に接続された給電線を有し、給電装置９１から移動体５０へ電力を供給する。ケーブル９２は、たとえば、第１制御装置１００の信号入出力部と第２制御装置２００の信号入出力部とを接続する信号線を有している。

非常用電源９３は、移動体５０に搭載され、たとえばケーブル９２の断線などの非常時に、移動体５０の移動および制御に必要な電力を供給する。非常用電源９３は、たとえば、リチウムイオン二次電池や全固体リチウムイオン二次電池などのバッテリーによって構成することができる。

第１制御装置１００および第３制御装置３００は、たとえば、本体１０に搭載され、第２制御装置２００は、たとえば、移動体５０に搭載されている。第１制御装置１００、第２制御装置２００、および第３制御装置３００は、それぞれ、たとえば制御装置および演算装置を含む中央処理装置、主記憶装置、補助記憶装置、これらに記憶されたプログラム、ならびに入出力端子などを備える。以下では、第１制御装置１００を構成する中央処理装置を第１中央処理装置１０１、第２制御装置２００を構成する中央処理装置を第２中央処理装置２０１、第３制御装置３００を構成する中央処理装置を第３中央処理装置３０１と呼ぶ。

図３は、図１および図２に示す作業機械１の第１制御装置１００、第２制御装置２００、および第３制御装置３００の機能ブロック図である。第１制御装置１００は、たとえば、本体１０の位置検出機能Ｆ１１と、システムの状態管理機能Ｆ１２と、本体１０の位置・姿勢演算機能Ｆ１３と、移動体５０の移動指示機能Ｆ１４とを有している。なお、たとえば、ハードウェアの制約などによって、第１制御装置１００とは別の制御装置が位置検出機能Ｆ１１を有し、第１制御装置１００が位置検出機能Ｆ１１を有しない場合もある。

第２制御装置２００は、移動体５０の状態管理機能Ｆ２１と、移動体５０の位置・姿勢演算機能Ｆ２２と、移動体５０と本体１０との相対位置・姿勢演算機能Ｆ２３と、移動体５０の移動制御機能Ｆ２４とを有している。第３制御装置３００は、作業機械１の本体１０、作業装置２０、および走行装置３０を制御する車体制御機能Ｆ３１を有している。これらの各機能は、第１制御装置１００、第２制御装置２００、および第３制御装置３００を構成する中央処理装置、記憶装置、プログラム等によって実現されている。

図４は、第１制御装置１００と第２制御装置２００による位置検出と位置推定のフロー図である。作業機械１は、第１位置検出装置４０から第１制御装置１００の位置検出機能Ｆ１１に本体１０の位置に関する信号Ｓ１が入力されると、第１制御装置１００の位置検出機能Ｆ１１および状態管理機能Ｆ１２によって、第１位置検出装置４０が正常であるか否かを判定する処理Ｐ１を行う。

処理Ｐ１では、第１制御装置１００の位置検出機能Ｆ１１は、たとえば第１中央処理装置１０１によって、第１位置検出装置４０から入力された信号Ｓ１の状態を判定し、その判定結果を状態管理機能Ｆ１２に出力する。状態管理機能Ｆ１２は、たとえば、位置検出機能Ｆ１１の出力である第１位置検出装置４０の信号Ｓ１の状態と、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１の出力である移動体５０の各部の状態とを入力情報とする。状態管理機能Ｆ１２は、たとえばこれらの入力情報に基づいて、第１中央処理装置１０１によってシステム全体の状態を判定し、その判定結果を移動指示機能Ｆ１４および第３制御装置３００の車体制御機能Ｆ３１へ出力する。

処理Ｐ１において、第１制御装置１００の状態管理機能Ｆ１２は、たとえば第１位置検出装置４０の位置測定精度が所定の水準よりも低下しておらず、かつ、第１位置検出装置４０の信号Ｓ１の状態が異常ではない場合、第１中央処理装置１０１によって、第１位置検出装置４０は正常である（ＹＥＳ）と判定する。すると、その判定結果が入力された第１制御装置１００の移動指示機能Ｆ１４は、移動体５０を停止させる処理Ｐ２を実行する。

より具体的には、処理Ｐ２において、図１に示すように、移動体５０が本体１０の上のホームポジションに位置していれば、移動指示機能Ｆ１４は、第１中央処理装置１０１によって停止を維持する信号を第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４に出力する。これにより、第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４は、移動体５０がホームポジションに位置し、移動体５０が停止した状態を維持する。

一方、処理Ｐ２において、図２に示すように、移動体５０が本体１０から離れた位置に移動している場合には、第１制御装置１００の移動指示機能Ｆ１４は、移動体５０を本体１０の上のホームポジションに戻し、移動体５０を停止させる指示を、第１中央処理装置１０１によって、第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４へ出力する。これにより、第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４は、第２中央処理装置２０１によって、移動体５０のアクチュエータを制御し、移動体５０を本体１０の上のホームポジションに戻し、移動体５０を停止させる。

次に、処理Ｐ３において、第１制御装置１００の位置検出機能Ｆ１１は、第１位置検出装置４０から入力された信号Ｓ１に基づいて、第１中央処理装置１０１によって本体１０の三次元の位置を演算し、算出した位置を第３制御装置３００へ出力する。なお、第１位置検出装置４０から第１制御装置１００に本体１０の二点以上の位置を含む信号が入力される場合、第１中央処理装置１０１は、本体１０の三次元の位置および姿勢を演算し、これらの位置および姿勢を第３制御装置３００へ出力してもよい。

このように、第１位置検出装置４０が正常である場合、第３制御装置３００は、本体１０に搭載された第１位置検出装置４０の信号に基づく本体１０の位置および姿勢を用いて、本体１０の旋回、作業装置２０の駆動、および走行装置３０による作業機械１の走行を制御する。

一方、処理Ｐ１において、第１制御装置１００の状態管理機能Ｆ１２は、たとえば第１位置検出装置４０の位置測定精度が所定の水準よりも低下しており、または、第１位置検出装置４０の信号Ｓ１の状態が異常である場合、第１中央処理装置１０１によって、第１位置検出装置４０は正常ではない（ＮＯ）と判定する。すると、その判定結果が入力された第１制御装置１００の移動指示機能Ｆ１４は、第１中央処理装置１０１によって、第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４へ、第１位置検出装置４０の異常を通知する処理Ｐ４を実行する。

また、処理Ｐ４において、第１制御装置１００の状態管理機能Ｆ１２は、たとえば、第１位置検出装置４０の異常を検出したときに、第１中央処理装置１０１によって、図７に示す画像表示装置８０に、第１位置検出装置４０の異常を通知する画像Ｇ１を表示させる。次に、第１制御装置１００の移動指示機能Ｆ１４は、第１中央処理装置１０１によって、代替測位を開始する処理Ｐ５を実施する指示を、第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４へ出力する。

処理Ｐ５において、第２制御装置２００の移動指示機能Ｆ１４は、第２中央処理装置２０１によって、移動体５０を起動させ、移動体５０を本体１０から離れた位置に移動させる。より具体的には、第２中央処理装置２０１は、たとえばドローンなどのＵＡＶである移動体５０を、本体１０のホームポジションから離陸させて、本体１０の上空に滞空させる。また、処理Ｐ５において、第２中央処理装置２０１は、第２位置検出装置６０による移動体５０の位置の検出が可能で、かつ、相対位置検出装置７０による本体１０と移動体５０との相対位置の検出が可能な位置へ移動体５０を移動させる。

より具体的には、処理Ｐ５において、移動体５０に搭載された第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１は、信号Ｓ２に基づき、第２中央処理装置２０１によって、第２位置検出装置６０および相対位置検出装置７０の計測状態が良好であるか否か判定する。ここで、信号Ｓ２は、移動体５０に搭載された第２位置検出装置６０および相対位置検出装置７０の計測状態を含んでいる。さらに、状態管理機能Ｆ２１は、第２中央処理装置２０１による計測状態の判定結果を、移動制御機能Ｆ２４に出力する。状態管理機能Ｆ２１は、第２中央処理装置２０１によって移動体５０のアクチュエータを制御し、第２位置検出装置６０と相対位置検出装置７０の双方の計測状態が良好となる位置に移動体５０を移動させる。

次に、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１は、代替測位が正常であるか否かを判定する処理Ｐ６を実施する。処理Ｐ６では、まず、移動体５０に搭載された第２位置検出装置６０の出力である移動体５０の位置の信号Ｓ３が位置・姿勢演算機能Ｆ２２に入力される。そして、第２中央処理装置２０１によって、信号Ｓ３に基づく移動体５０の位置および姿勢が算出され、算出結果が状態管理機能Ｆ２１に入力される。また、処理Ｐ６では、相対位置検出装置７０の出力である信号Ｓ４が相対位置・姿勢演算機能Ｆ２３に入力され、第２中央処理装置２０１によって、信号Ｓ４に基づく本体１０と移動体５０との相対位置、相対姿勢が算出され、算出結果が状態管理機能Ｆ２１に入力される。

処理Ｐ６において、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１は、移動体５０の各部から入力された信号Ｓ２に移動体５０の各部の異常に関する情報が含まれておらず、移動体５０の位置および姿勢、および、本体１０と移動体５０との相対位置、相対姿勢の計測状態が良好であれば、第２中央処理装置２０１によって、代替測位は正常である（ＹＥＳ）と判定し、代替測位を実施する処理Ｐ７へ進む。

処理Ｐ７において、第２制御装置２００の位置・姿勢演算機能Ｆ２２は、第２中央処理装置２０１によって算出した移動体５０の位置および姿勢を、第１制御装置１００の位置・姿勢演算機能Ｆ１３へ出力する。また、第２制御装置２００の相対位置・姿勢演算機能Ｆ２３は、第２中央処理装置２０１によって算出した本体１０と移動体５０の相対位置および相対姿勢を、第１制御装置１００の位置・姿勢演算機能Ｆ１３へ出力する。

処理Ｐ７において、第１制御装置１００の位置・姿勢演算機能Ｆ１３は、第２制御装置２００から入力された、移動体５０の位置および姿勢、ならびに、本体１０と移動体５０の相対位置および相対姿勢に基づいて、第１中央処理装置１０１によって本体１０の推定位置および推定姿勢を算出する。第１制御装置１００は、位置・姿勢演算機能Ｆ１３で算出した本体１０の推定位置および推定姿勢を、第３制御装置３００の車体制御機能Ｆ３１へ出力する。

一方、処理Ｐ６において、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１は、移動体５０の各部の異常の有無を含む信号Ｓ２に異常に関する情報が含まれているか、または、移動体５０の位置および姿勢もしくは本体１０と移動体５０との相対位置、相対姿勢の計測状態が不良であれば、第２中央処理装置２０１によって、代替測位は正常ではない（ＮＯ）と判定し、第１制御装置１００の位置・姿勢演算機能Ｆ１３へ判定結果を出力して、代替測位を停止する処理Ｐ８へ進む。

処理Ｐ８において、第１制御装置１００の位置・姿勢演算機能Ｆ１３は、第１中央処理装置１０１により、代替測位が異常であることを示す信号を、移動指示機能Ｆ１４へ出力する。第１制御装置１００の移動指示機能Ｆ１４は、第１中央処理装置１０１により、移動体５０を停止させる指示を、第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４へ出力する。第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４は、第２中央処理装置２０１により、移動体５０のアクチュエータを制御し、移動体５０を図１に示す本体１０の上のホームポジションに着陸させる。

次に、第１制御装置１００の状態管理機能Ｆ１２は、たとえば、第１中央処理装置１０１によって代替測位の異常を通知する処理Ｐ９を行う。具体的には、処理Ｐ９において、状態管理機能Ｆ１２は、第１中央処理装置１０１により、たとえば図７に示す画像表示装置８０に、代替測位が異常であることを示す画像Ｇ２を表示させる。

さらに図５を参照して、移動体５０に搭載された第２制御装置２００による代替測位をより詳細に説明する。図５は、図３に示す第２制御装置２００による本体１０の位置推定のフロー図である。

移動体５０に搭載された第２制御装置２００による本体１０の代替測位では、まず、図５に示すように、第１制御装置１００から第１位置検出装置４０の異常を示す通知の有無を判定する処理Ｐ２０１が行われる。処理Ｐ２０１において、第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４は、たとえば、第１制御装置１００の移動指示機能Ｆ１４から、第１位置検出装置４０の異常を示す通知があるか否かを、第２中央処理装置２０１によって判定する。処理Ｐ２０１において、第１位置検出装置４０の異常を示す通知がない場合（ＮＯ）、処理Ｐ２０２へ進む。

処理Ｐ２０２において、移動制御機能Ｆ２４は、第２中央処理装置２０１によって、移動体５０を停止させた状態を維持する。なお、処理Ｐ２０２において、移動体５０が本体１０から離れた位置に移動している場合、移動制御機能Ｆ２４は、第２中央処理装置２０１によって、移動体５０のアクチュエータを制御して、移動体５０を本体１０の上のホームポジションに移動させ、移動体５０を停止させ、代替測位を終了する。

一方、処理Ｐ２０１において、第１位置検出装置４０の異常を示す通知がある場合（ＹＥＳ）、処理Ｐ２０３へ進む。処理Ｐ２０３において、第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４は、第２中央処理装置２０１によって、移動体５０のアクチュエータを制御して、移動体５０を本体１０のホームポジションから離陸させ、本体１０の上空に滞空させる。

このとき、移動制御機能Ｆ２４は、第１制御装置１００の移動指示機能Ｆ１４からの指示、移動体５０に搭載された第２位置検出装置６０および相対位置検出装置７０からの信号Ｓ３，Ｓ４に基づいて、第２中央処理装置２０１によって移動体５０のアクチュエータを制御する。これにより、移動体５０の滞空位置と姿勢が、第２中央処理装置２０１によって制御される。なお、第１制御装置１００の移動指示機能Ｆ１４からの指示である離陸直後の滞空位置、すなわち初期滞空位置は、たとえば、現場の状況に応じてオペレータが設定できるようにしてもよい。

次に、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１は、移動体５０が正常であるか否かを判定する処理Ｐ２０４を行う。処理Ｐ２０４において、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１は、移動体５０の各部の異常の有無を含む信号Ｓ２に基づいて、第２中央処理装置２０１により移動体５０の各部の異常の有無を判定する。ここで、信号Ｓ２に含まれる異常の情報が、移動体５０の飛行を継続不能にするものである場合、第２中央処理装置２０１は、移動体５０が正常ではない（ＮＯ）と判定し、移動体５０を停止させて異常を通知する処理Ｐ２０５へ進む。

処理Ｐ２０５において、第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４は、第２中央処理装置２０１により、移動体５０のアクチュエータを制御し、移動体５０を図１に示す本体１０の上のホームポジションに着陸させる。さらに、第１制御装置１００の状態管理機能Ｆ１２は、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１から入力された第２位置検出装置６０の異常を示す判定結果に基づいて、第１中央処理装置１０１によって、図７に示す画像表示装置８０に第２位置検出装置６０の異常を示す画像Ｇ２を表示させる。

より具体的には、たとえば、処理Ｐ２０４において、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１にケーブル９２の断線を示す信号Ｓ２が入力されると、第２中央処理装置２０１は、移動体５０が正常ではない（ＮＯ）と判定する。そして、処理Ｐ２０５において、第２制御装置２００の移動制御機能Ｆ２４は、第２中央処理装置２０１により非常用電源９３を用いて移動体５０を移動させ、移動体５０を図１に示す本体１０の上のホームポジションに着陸させ、画像表示装置８０に異常を通知する画像を表示させる。

一方、処理Ｐ２０４において、たとえば、信号Ｓ２に含まれる異常の情報が、移動体５０の飛行を継続不能にするものでない場合、第２中央処理装置２０１は、移動体５０が正常である（ＹＥＳ）と判定し、移動体５０の位置を検出する処理Ｐ２０６へ進む。処理Ｐ２０６において、第２制御装置２００の位置・姿勢演算機能Ｆ２２は、第２位置検出装置６０から入力された信号Ｓ３に基づいて、第２中央処理装置２０１によって移動体５０の位置および姿勢を算出する。次に、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１は、第２中央処理装置２０１によって、第２位置検出装置６０の計測状態が正常か否かを判定する処理Ｐ２０７を実行する。

処理Ｐ２０７において、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１は、位置・姿勢演算機能Ｆ２２から入力された移動体５０の位置および姿勢が正常であるか否かを、第２中央処理装置２０１によって判定する。処理Ｐ２０７において、第２位置検出装置６０に異常あるか、または、第２位置検出装置６０の計測精度が所定のレベルよりも低下している場合、第２中央処理装置２０１は、第２位置検出装置６０の計測状態が正常ではない（ＮＯ）と判定し、異常の継続時間を計測する処理Ｐ２０８へ進む。

処理Ｐ２０８において、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１は、第２位置検出装置６０の計測状態が正常ではない異常な状態の継続時間を、たとえば第２中央処理装置２０１によって計測し、計測した継続時間を時間のしきい値Ｔと比較する処理Ｐ２０９へ進む。処理Ｐ２０９において、状態管理機能Ｆ２１は、第２中央処理装置２０１によって、異常の継続時間と時間のしきい値Ｔとを比較し、異常の継続時間がしきい値Ｔ以上（ＹＥＳ）であれば、移動体５０を停止させて異常を通知する、前述の処理Ｐ２０５を実行する。一方、処理Ｐ２０９において、異常の継続時間がしきい値Ｔよりも小（ＮＯ）であれば、第２中央処理装置２０１は、図５に示すフローを終了し、再度、図５に示すフローを開始する。

また、処理Ｐ２０７において、第２位置検出装置６０に異常がなく、かつ第２位置検出装置６０の計測精度が所定のレベル以上である場合、第２中央処理装置２０１は、第２位置検出装置６０の計測状態が正常である（ＹＥＳ）と判定し、相対位置を検出する処理Ｐ２１０へ進む。処理Ｐ２１０において、第２制御装置２００の相対位置・姿勢演算機能Ｆ２３は、相対位置検出装置７０から入力された信号Ｓ４に基づいて、第２中央処理装置２０１によって、移動体５０と本体１０との相対位置および相対姿勢を算出して状態管理機能Ｆ２１へ出力する。

次に、第２制御装置２００の状態管理機能Ｆ２１は、相対位置検出装置７０の計測状態が正常であるか否かを判定する処理Ｐ２１１を実行する。処理Ｐ２１１において、状態管理機能Ｆ２１は、相対位置検出装置７０に異常があるか、または、相対位置検出装置７０の計測精度が所定のレベルよりも低下している場合に、第２中央処理装置２０１によって相対位置検出装置７０の計測状態は正常でない（ＮＯ）と判定し、異常な状態の継続時間を計測する前述の処理Ｐ２０８へ進む。

一方、処理Ｐ２１１において、位置・姿勢演算機能Ｆ２２は、相対位置検出装置７０に異常がなく、かつ、相対位置検出装置７０の計測精度が所定のレベル以上である場合に、第２中央処理装置２０１によって相対位置検出装置７０の計測状態は正常である（ＹＥＳ）と判定し、移動体５０と本体１０の相対位置および相対姿勢を送信する処理Ｐ２１２へ進む。処理Ｐ２１２において、第２制御装置２００の相対位置・姿勢演算機能Ｆ２３は、第２中央処理装置２０１によって、相対位置および相対姿勢を第１制御装置１００の位置・姿勢演算機能Ｆ１３へ出力し、通信が正常に行われたか否かを判定する処理Ｐ２１３へ進む。

処理Ｐ２１３において、状態管理機能Ｆ２１は、第２中央処理装置２０１によって、第２制御装置２００の相対位置・姿勢演算機能Ｆ２３と、第１制御装置１００の位置・姿勢演算機能Ｆ１３との間の通信が正常に行われたか否かを判定する。第２中央処理装置２０１は、通信が正常でない（ＮＯ）場合、異常な状態の継続時間を計測する前述の処理Ｐ２０８へ進む。一方、第２中央処理装置２０１は、通信が正常（ＹＥＳ）であれば図５に示すフローを終了し、再度、図５に示すフローを開始する。

図６は、作業機械１の測位モードの遷移図である。図６において、通常測位モードＭ１は、本体１０に搭載された第１位置検出装置４０によって本体１０の位置を測定する測位モードである。代替測位モードＭ２は、移動体５０に搭載された第２位置検出装置６０および相対位置検出装置７０によって本体１０の推定位置を算出する測位モードである。測位不可モードＭ３は、第１位置検出装置４０、および、第２位置検出装置６０または相対位置検出装置７０に異常が発生し、本体１０の位置が測定できない測位モードである。

作業機械１の測位モードは、起動時の初期モードが通常測位モードＭ１である。また、作業機械１の測位モードは、第１位置検出装置４０に異常があるか、または第１位置検出装置４０の位置測定精度が低下しているときに、代替測位モードＭ２に遷移する。また、代替測位モードＭ２において、第１位置検出装置４０が正常でかつ位置測定精度が所定のレベル以上である場合、作業機械１の測位モードは、代替測位モードＭ２から通常測位モードＭ１へ遷移する。

また、作業機械１の測位モードは、上記代替測位モードＭ２への遷移条件を満たし、かつ、第２位置検出装置６０または相対位置検出装置７０に異常があるか、もしくはこれらの測定精度が所定のレベルよりも低下しているときに、通常測位モードＭ１から測位不可モードＭ３へ遷移する。さらに、作業機械１の測位モードが測位不可モードＭ３であり、第１位置検出装置４０が正常でかつ位置測定精度が所定のレベル以上である場合、作業機械１の測位モードは測位不可モードＭ３から通常測位モードＭ１へ遷移する。

また、作業機械１の測位モードが測位不可モードＭ３であり、かつ上記代替測位モードＭ２への遷移条件を満たし、かつ第２位置検出装置６０および相対位置検出装置７０に異常がなく測定精度が所定のレベル以上である場合、作業機械１の測位モードは、測位不可モードＭ３から代替測位モードＭ２へ遷移する。図６に示す作業機械１の測位モードの遷移は、第１制御装置１００の第１中央処理装置１０１および第２制御装置２００の第２中央処理装置２０１によって自律的に実行され、オペレータによる操作を必要としない。

図７は、図１および図２に示す作業機械１の画像表示装置８０の画像の一例を示す画像図である。第１中央処理装置１０１および第２中央処理装置２０１は、たとえば、図６に示す作業機械１の測位モードの遷移を、画像表示装置８０に表示させてもよい。また、第１中央処理装置１０１および第２中央処理装置２０１は、前述のように、画像表示装置８０に第１位置検出装置４０の異常または精度低下を示す画像Ｇ１や、第２位置検出装置６０または相対位置検出装置７０の異常または精度低下を示す画像Ｇ２を表示させるようにしてもよい。

以下、従来の作業機械の制御システムと対比しつつ、本実施形態の作業機械１の作用を説明する。

従来の作業機械は、何らかの原因で三次元の位置情報を取得ができない場合、その時点で情報化施工による作業を行うことが不可能になる。特に、作業機械による掘削など施工中に作業機械の測位精度が低下した場合、施工の精度が低下するおそれがある。たとえば、前述の従来の作業機械の制御システムは、前記位置検出装置による測位が異常であっても、前記位置検出装置が前記第２のモードまたは前記第３のモードで動作することで、前記目標値生成部によって前記作業機の位置を求めることができる。しかしながら、前記従来の作業機械の制御システムは、前記位置検出装置による測位が異常である場合に、前記作業機械が滑るなどして静定状態にもかかわらず位置が変化したり、前記作業機械の旋回動作が所定の条件を超えたりした場合に、前記作業機械の正確な位置を出力することができないという課題がある。

これに対し、本実施形態の作業機械１は、前述のように、本体１０と、その本体１０に設けられた作業装置２０と、本体１０を走行させる走行装置３０と、を備えている。また、作業機械１は、本体１０に搭載された第１制御装置１００と、本体１０の位置を検出する第１位置検出装置４０と、本体１０と独立して移動可能な移動体５０と、を備えている。さらに、作業機械１は、移動体５０に搭載された第２制御装置２００と、移動体５０の位置を検出する第２位置検出装置６０と、移動体５０と本体１０との相対位置を検出する相対位置検出装置７０と、を備えている。第１制御装置１００を構成する第１中央処理装置１０１は、第１位置検出装置４０の異常を検出して第２制御装置２００へ通知する。第２制御装置２００を構成する第２中央処理装置２０１は、第１制御装置１００から前記通知があったときに、移動体５０を移動させ、第２位置検出装置６０によって移動体５０の位置を検出し、相対位置検出装置７０によって本体１０と移動体５０との相対位置を検出する。第１中央処理装置１０１は、第１位置検出装置４０の異常を検出した後に、移動体５０の位置、および、移動体５０と本体１０との相対位置に基づいて、本体１０の推定位置を算出する。

この構成により、本体１０の位置を検出する第１位置検出装置４０の異常時に、移動体５０の第２位置検出装置６０と、移動体５０と本体１０との相対位置を検出する相対位置検出装置７０とにより、従来よりも正確に本体１０の位置を推定可能な作業機械１を提供することができる。すなわち、作業機械１の本体１０に設けられた第１位置検出装置４０による測位精度が低下しても、作業機械１とは独立して移動可能な移動体５０が、適切な位置に移動して、本体１０の測位を続ける。これにより、第１位置検出装置４０の測位精度が低下している間に、作業機械１が走行、旋回により移動しても、本体１０の位置情報を用いた情報化施工の継続が可能になる。

また、本実施形態の作業機械１において、第１中央処理装置１０１は、たとえば、第１位置検出装置４０の異常を検出した後、その異常が検出されなくなったときに、第１位置検出装置４０によって検出した本体１０の位置を用いて作業装置２０および走行装置３０を制御する。この構成により、第１位置検出装置４０が異常から復帰したときに、作業機械１による情報化施工を停止することなく継続することが可能となる。

また、本実施形態の作業機械１は、たとえば、本体１０に搭載された画像表示装置８０を備えている。そして、第１中央処理装置１０１は、たとえば、第１位置検出装置４０の異常を検出したときに、画像表示装置８０に第１位置検出装置４０の異常を通知する画像Ｇ１を表示させる。また、第２中央処理装置２０１は、たとえば、第２位置検出装置６０の異常を検出したときに、画像表示装置８０に第２位置検出装置６０の異常を通知する画像Ｇ２を表示させる。この構成により、作業機械１を操作するオペレータは、作業機械１による作業中に、常時、第１位置検出装置４０および第２位置検出装置６０の状態を認識して、作業機械１による作業に反映することが可能になる。

また、本実施形態の作業機械１は、たとえば、本体１０に搭載された給電装置９１と、その給電装置９１から移動体５０へ電力を供給するケーブル９２と、移動体５０に搭載された非常用電源９３とを備えている。第２中央処理装置２０１は、ケーブル９２の断線を検出したときに、非常用電源９３を用いて移動体５０を移動させる。この構成により、作業機械１の稼働中、移動体５０は、本体１０に搭載された給電装置９１から、常時、電力の供給を受けて継続的に稼働することができる。また、たとえば、ケーブル９２の断線によって、給電装置９１から移動体５０への電力供給が途絶しても、非常用電源９３によって移動体５０を移動させ、移動体５０と作業機械１の他の部分や施工対象との衝突を回避しつつ、移動体５０を安全に停止させることが可能になる。

また、本実施形態の作業機械１において、第２中央処理装置２０１は、第１中央処理装置１０１から前記通知があったときに、第２位置検出装置６０による移動体５０の位置の検出が可能で、かつ、相対位置検出装置７０による本体１０と移動体５０との相対位置の検出が可能な位置へ移動体５０を移動させる。この構成により、第１位置検出装置４０による本体１０の測位が困難な環境においても、移動体５０に搭載された第２位置検出装置６０と相対位置検出装置７０によって、本体１０の位置を測位し続けることが可能となる。

また、本実施形態の作業機械１において、第２制御装置２００の第２中央処理装置２０１は、たとえば、相対位置検出装置７０によって、本体１０上の異なる２点以上に対して、それぞれ、移動体５０との相対位置を検出する。この構成により、第１中央処理装置１０１または第２中央処理装置２０１は、本体１０上の異なる２点以上と、移動体５０との相対位置に基づいて、本体１０の三次元位置だけでなく、本体１０の姿勢を検出することが可能になる。

また、本実施形態の作業機械１において、第２中央処理装置２０１は、たとえば、相対位置検出装置７０によって、本体１０の異なる２点以上の相対位置を検出する。そして、第１中央処理装置１０１は、第２位置検出装置６０で検出された本体１０の位置と、相対位置検出装置７０で検出された移動体５０と本体１０の異なる２点以上との相対位置に基づいて、本体１０および作業装置２０の位置および姿勢を算出する。この構成により、作業機械１は、第１位置検出装置４０による本体１０の測位精度が低下した場合でも、従来よりも正確に作業機械１の本体１０および作業装置２０の位置および姿勢を推定し、より高精度に情報化施工を継続することができる。

また、本実施形態の作業機械１は、本体１０に搭載されて作業装置２０および走行装置３０を制御する第３制御装置３００を備えている。第３制御装置３００を構成する第３中央処理装置３０１は、第２中央処理装置２０１が推定位置を算出したときに、その推定位置を用いて作業装置２０および走行装置３０を制御する。この構成により、作業機械１は、第１位置検出装置４０による本体１０の測位精度が低下した場合でも、自律的に走行および旋回を行って、従来よりも高精度に情報化施工を継続することができる。

以上、図面を用いて本開示に係る作業機械の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。たとえば、本開示の作業機械は、バックホウ、ドラグショベルなどの油圧ショベルに限定されず、たとえばローダー、バックホウ・ローダー、ダンプトラックを含む。また、移動体は、ＵＡＶに限定されず、たとえば地上を走行する無人走行体であってもよい。また、移動体がバッテリーを備える場合、移動体と本体とを接続するケーブルは必ずしも必要ではなく、移動体と本体との間の通信は無線通信であってもよい。

１ 作業機械
１０ 本体
２０ 作業装置
３０ 走行装置
４０ 第１位置検出装置
５０ 移動体
６０ 第２位置検出装置
７０ 相対位置検出装置
８０ 画像表示装置
９１ 給電装置
９２ ケーブル
９３ 非常用電源
１００ 第１制御装置
１０１ 第１中央処理装置
２００ 第２制御装置
２０１ 第２中央処理装置
３００ 第３制御装置
３０１ 第３中央処理装置
Ｇ１ 画像
Ｇ２ 画像

Claims (8)

1. 本体と、該本体に設けられた作業装置と、前記本体を走行させる走行装置と、前記本体に搭載された第１制御装置と、前記本体の位置を検出する第１位置検出装置と、前記本体と独立して移動可能な移動体と、該移動体に搭載された第２制御装置と、前記移動体の位置を検出する第２位置検出装置と、前記移動体と前記本体との相対位置を検出する相対位置検出装置と、を備えた作業機械であって、
   前記第１制御装置を構成する第１中央処理装置は、前記第１位置検出装置の異常を検出して前記第２制御装置へ通知し、
   前記第２制御装置を構成する第２中央処理装置は、前記通知があったときに、前記移動体を移動させ、前記第２位置検出装置によって前記移動体の位置を検出し、前記相対位置検出装置によって前記相対位置を検出し、
   前記第１中央処理装置は、前記第１位置検出装置の異常を検出した後に、前記移動体の前記位置および前記相対位置に基づいて前記本体の推定位置を算出することを特徴とする作業機械。
2. 前記第１中央処理装置は、前記第１位置検出装置の異常を検出した後、該異常が検出されなくなったときに、前記第１位置検出装置によって検出した前記本体の位置を用いて前記作業装置および前記走行装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
3. 前記本体に搭載された画像表示装置を備え、
   前記第１中央処理装置は、前記第１位置検出装置の異常を検出したときに、前記画像表示装置に前記第１位置検出装置の異常を通知する画像を表示させ、
   前記第２中央処理装置は、前記第２位置検出装置の異常を検出したときに、前記画像表示装置に前記第２位置検出装置の異常を通知する画像を表示させることを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
4. 前記本体に搭載された給電装置と、該給電装置から前記移動体へ電力を供給するケーブルと、前記移動体に搭載された非常用電源とを備え、
   前記第２中央処理装置は、前記ケーブルの断線を検出したときに、前記非常用電源を用いて前記移動体を移動させることを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
5. 前記第２中央処理装置は、前記通知があったときに、前記第２位置検出装置による前記位置の検出が可能で、かつ、前記相対位置検出装置による前記相対位置の検出が可能な位置へ前記移動体を移動させることを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
6. 前記第２中央処理装置は、前記相対位置検出装置によって前記本体の異なる２点以上の相対位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
7. 前記第２中央処理装置は、前記相対位置検出装置によって前記本体の異なる２点以上の相対位置を検出し、
   前記第１中央処理装置は、前記第２位置検出装置で検出された位置と、前記相対位置検出装置で検出された前記２点以上の相対位置に基づいて、前記本体および前記作業装置の位置および姿勢を算出することを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
8. 前記本体に搭載されて前記作業装置および前記走行装置を制御する第３制御装置を備え、
   前記第３制御装置を構成する第３中央処理装置は、前記第２中央処理装置が前記推定位置を算出したときに、前記推定位置を用いて前記作業装置および前記走行装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の作業機械。

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