WO2022168447A1 - 自動作業システム - Google Patents

Abstract

自動作業システム１０の自動運転コントローラ４５は、油圧ショベル１の作業計画を記録する作業ＤＢ４５６と、作業計画中の作業順序に沿って作業内容を選択し、選択した作業内容とレーザスキャナ３４により計測された周囲環境の情報とに基づいて動作計画を作成し、動作計画に基づいて車体コントローラ４１に制御信号を出力する作業状態管理部４５２と、レーザスキャナ３４により計測された周囲環境の情報に基づいて作業現場に存在する異常物体を検知する異常物体検知部４５４を備える。作業状態管理部４５２は、異常物体の存在によって動作計画の実施が阻害されると判定した場合、作業計画の中から他の作業内容を選択する。

Description

自動作業システム

　本発明は、自動作業システムに関し、特に建設機械等の作業機械を自動運転で動作させる自動作業システムに関する。
　本願は、２０２１年２月２日に出願された日本国特願２０２１－０１４９８８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　建設機械が用いられる土木や建設等の作業現場において、作業者の業務負担の低減や安全性の向上を目的として、作業者等が指示を出すことで建設機械を自動運転で動作させる自動作業システムが開発されている。例えば特許文献１には、少人数の作業者によって複数の建設機械による自動運転を可能とする技術が記載されている。

　より具体的には、特許文献１に記載の技術では、施工管理部から複数の建設機械に施工位置情報をそれぞれ出力することにより、複数の建設機械に施工位置情報を用いて自動運転でそれぞれ作業させる。このように施工管理部の管理下で複数の建設機械を自動運転で作業させることにより、少人数の作業者でも高効率な施工を可能としている。

特開２０１６－１３２９１２号公報

　しかし、作業現場では例えば埋設物等の異常物体が出土して建設機械の自動運転を阻害する場合がある。特許文献１では、建設機械のオペレータが造成範囲を目視中に通常と異なる状況が発生した場合、その状況に応じて建設機械の作業停止等の操作を行うという記載がある。すなわち、通常と異なる状況が発生したことの認識とその対処の両方をオペレータが行う必要がある。このため、作業全体の生産性が低下してしまう問題が発生する。

　本発明は、作業継続を阻害する異常物体が出現した場合であっても、オペレータによる対処を必要とすることなく、作業現場における作業機械の自動運転を継続させ、生産性の低下を防止できる自動作業システムを提供することを目的とする。

　本発明に係る自動作業システムは、作業機械の周囲環境を計測する周囲環境計測装置と、前記作業機械の自動運転を制御する自動運転制御装置と、を備えた自動作業システムであって、前記自動運転制御装置は、前記作業機械の作業状態を管理するように、取得した作業計画中の作業順序に沿って作業内容を選択し、選択した作業内容と前記周囲環境計測装置により計測された前記周囲環境の情報とに基づいて前記作業機械の動作計画を作成し、作成した前記動作計画に基づいて前記作業機械に設けられた車体コントローラに制御信号を出力する作業状態管理部と、前記周囲環境計測装置により計測された前記周囲環境の情報に基づいて、前記作業計画を実施する作業現場に存在する異常物体を検知する異常物体検知部と、を備え、前記異常物体検知部によって異常物体が検知されたとき、前記作業状態管理部は、前記異常物体の存在によって前記動作計画の実施が阻害される否かを判定し、前記異常物体の存在によって前記動作計画の実施が阻害されると判定した場合に、前記作業計画の中から他の作業内容を選択することを特徴としている。

　本発明に係る自動作業システムでは、異常物体が検知されたとき、自動運転制御装置の作業状態管理部は、異常物体の存在によって動作計画の実施が阻害される否かを判定し、異常物体の存在によって動作計画の実施が阻害されると判定した場合に、作業計画の中から他の作業内容を選択する。従って、作業継続を阻害する異常物体が出現した場合であっても、作業状態管理部は、実施可能な他の作業を選択することで自動運転による作業継続が可能となり、生産性の低下を防止することができる。

　本発明によれば、作業継続を阻害する異常物体が出現した場合であっても、オペレータによる対処を必要とすることなく、作業現場における作業機械の自動運転を継続させ、生産性の低下を防止することができる。

油圧ショベルを示す斜視図である。 油圧ショベルの構成を示すブロック図である。 土木の作業現場の一例を示す図である。 第１実施形態に自動作業システムの構成を示すブロック図である。 作業現場において異常物体が検知された掘削地の一例を示す平面図である。 作業現場において異常物体が検知された掘削地の一例を示す側面図である。 作業現場において異常物体が検知された掘削地の一例を示す側面図である。 自動運転コントローラの制御処理を示すフローチャートである。 自動運転コントローラの制御処理を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る自動作業システムにおける自動運転コントローラの制御処理を示すフローチャートである。 モニタに表示される内容を示す例である。 第３実施形態に係る自動作業システムの構成を示すブロック図である。

　以下、図面を参照して本発明に係る自動作業システムの実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、本発明はこれらの図面に限定されず、一部の構成要素を用いない場合もあり、以下で説明する各実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。

[第１実施形態]
　本実施形態に係る自動作業システム１０は、例えば作業機械に搭載され、作業機械を自動運転で動作させるためのシステムである。ここでは、作業機械として油圧ショベル１を挙げて説明するため、本実施形態の自動作業システム１０は油圧ショベル１に搭載される。なお、作業機械は、油圧ショベル１に限定するものではなく、例えばホイールローダやブルドーザ等であっても良い。

[油圧ショベル]
　図１は油圧ショベルを示す斜視図であり、図２は油圧ショベルの構成を示すブロック図である。油圧ショベル１は、動力系により走行する下部走行体４と、下部走行体４に対して左右方向に旋回自在に取り付けられた上部旋回体３と、上部旋回体３に取り付けられるとともに掘削等の作業を行う作業機２とを備えている。下部走行体４は左右一対のクローラ４４を持ち、クローラ４４はそれぞれ走行油圧モータ２６ｂ、２６ｃによって駆動される。上部旋回体３は、旋回油圧モータ２６ａによって旋回駆動される。なお、以下の説明では、旋回油圧モータ２６ａ、走行油圧モータ２６ｂ、２６ｃをまとめて「油圧モータ２６」と称する場合がある。

　作業機２は、上部旋回体３に対して上下方向に回動可能に構成されている。この作業機２は、上部旋回体３に連結されたブーム２０と、ブーム２０に連結されたアーム２１と、アーム２１に連結されたバケット２２と、ブーム２０を駆動するブームシリンダ２３ａと、アーム２１を駆動するアームシリンダ２３ｂと、第１バケットリンク２４及び第２バケットリンク２５を介してバケット２２を駆動するバケットシリンダ２３ｃとを備えている。

　ブームシリンダ２３ａの両端は、それぞれ上部旋回体３とブーム２０に連結されている。ブーム２０は、ブームシリンダ２３ａの伸縮によって上部旋回体３に対して上下方向に回動する。アームシリンダ２３ｂの両端は、それぞれブーム２０とアーム２１に連結されている。アーム２１は、アームシリンダ２３ｂの伸縮によってブーム２０に対して上下方向に回動する。

　バケットシリンダ２３ｃの両端は、それぞれアーム２１と第１バケットリンク２４に連結されている。第１バケットリンク２４は、その一端がバケットシリンダ２３ｃと回動可能に連結され、他端が第２バケットリンク２５と回動可能に連結されている。そして、第２バケットリンク２５は、その一端が第１バケットリンク２４と連結され、他端がバケット２２と回動可能に連結されている。アーム２１、第１バケットリンク２４、第２バケットリンク２５及びバケット２２は、四節リンク機構を構成している。そして、バケットシリンダ２３ｃが伸縮すると、第１バケットリンク２４がアーム２１に対して相対的に回動し、それと連動して四節リンク機構を構成するバケット２２もアーム２１に対して上下方向に回動する。

　このように構成された油圧ショベル１は、ブームシリンダ２３ａ、アームシリンダ２３ｂ、バケットシリンダ２３ｃを適切な位置に駆動することにより、バケット２２を任意の位置、任意の姿勢に駆動し、掘削等の作業を行うことができる。ブームシリンダ２３ａ、アームシリンダ２３ｂ、及びバケットシリンダ２３ｃは、例えばそれぞれ油圧シリンダによって構成されている。なお、以下の説明では、これらのシリンダをまとめて「油圧シリンダ２３」と称する場合がある。

　上部旋回体３には、２つのＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｓｙｓｔｅｍ）アンテナ３１ａ、３１ｂが配置されている。ＧＮＳＳとは、全地球航法衛星システムであって、複数の測位衛星からの信号を受信し、地球上の自己位置を取得する衛星測位システムを指す。ＧＮＳＳアンテナ３１ａ、３１ｂ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（言い換えれば、電波）を受信し、受信した信号をＧＮＳＳコントローラ３２に出力する。ＧＮＳＳコントローラ３２は、ＧＮＳＳアンテナ３１ａ、３１ｂからの信号に基づいて各ＧＮＳＳアンテナ３１ａ、３１ｂの地球上の位置（例えば緯度、経度、標高）を演算する。

　なお、この衛星測位の方法には様々な種類が存在し、本発明はこれらを限定するものではない。例えば現場に配置した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良い。この場合、油圧ショベル１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、より精度良くＧＮＳＳアンテナ３１ａ、３１ｂの自己位置を測定することができる。

　また、上部旋回体３におけるＧＮＳＳアンテナ３１ａ、３１ｂの配置位置が予め分かれば、ＧＮＳＳアンテナ３１ａ、３１ｂの配置位置から逆算して上部旋回体３の地球上の位置を求めることができる。更に、ＧＮＳＳアンテナ３１ａ、３１ｂは２つとも上部旋回体３に搭載されているため、上部旋回体３の方位（例えばブーム２０、アーム２１、バケット２２がどの方向を向いているか）も取得することができる。なお、以下の説明では、ＧＮＳＳアンテナ３１ａ、３１ｂをまとめて「ＧＮＳＳアンテナ３１」と称する場合がある。

　また、上部旋回体３には、上部旋回体３の傾斜を計測するための車体ＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｕｎｉｔ、慣性計測装置）２８ａが取り付けられている。同様に、ブーム２０にはブーム２０の傾きを計測するためのブームＩＭＵ２８ｂ、アーム２１にはアーム２１の傾きを計測するためのアームＩＭＵ２８ｃ、第１バケットリンク２４には第１バケットリンク２４の傾きを計測するためのバケットＩＭＵ２８ｄがそれぞれ取り付けられている。なお、以下の説明では、これらのＩＭＵをまとめて「ＩＭＵ２８」と称する場合がある。

　ＩＭＵ２８は、加速度及び角速度を計測できるセンサユニットであり、計測した加速度及び角速度の結果を後述の自動運転コントローラ４５に出力する。自動運転コントローラ４５は、ＩＭＵ２８から出力された加速度及び角速度の計測値に基づいて、ＩＭＵ２８の姿勢を取得することができる。すなわち、自動運転コントローラ４５は、車体ＩＭＵ２８ａの計測結果に基づいて上部旋回体３の前後傾斜及び左右傾斜、ブームＩＭＵ２８ｂの計測結果に基づいてブーム２０の回動姿勢、アームＩＭＵ２８ｃの計測結果に基づいてアーム２１の回動姿勢をそれぞれ取得することができる。

　一方、バケット２２の回動姿勢については、自動運転コントローラ４５はバケットＩＭＵ２８ｄの計測結果に基づいて第１バケットリンク２４の回動姿勢をまず取得し、次にアーム２１の回動姿勢と、アーム２１、第１バケットリンク２４、第２バケットリンク２５及びバケット２２からなる四節リンク機構の寸法情報とを基に演算することで、該バケット２２の回動姿勢を取得することができる。

　このようにＧＮＳＳアンテナ３１と車体ＩＭＵ２８ａとに基づいて、上部旋回体３の位置、方位、前後傾斜、及び左右傾斜を取得することができるので、上部旋回体３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２０、アーム２１、バケット２２のそれぞれの寸法情報を持っていれば、これらの寸法情報と、ブームＩＭＵ２８ｂ、アームＩＭＵ２８ｃ、バケットＩＭＵ２８ｄから取得するブーム２０、アーム２１、バケット２２の各回動姿勢とに基づいて、上部旋回体３に対するバケット２２の先端２７の位置を取得することができる。すなわち、バケット２２を含む作業機２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。バケット２２の先端２７は、すなわち作業機２の先端であり、以下ではそれを単に「バケット先端２７」と称する。

　油圧ショベル１は、旋回角センサ３３及びレーザスキャナ３４を更に備えている。旋回角センサ３３は、上部旋回体３と下部走行体４との間の旋回角度を計測するセンサであり、例えばロータリーエンコーダ等によって構成されている。旋回角センサ３３は、その計測結果を自動運転コントローラ４５に出力する。

　レーザスキャナ３４は、特許請求の範囲に記載の「周囲環境計測装置」に相当するものであり、上部旋回体３の前後左右にそれぞれ配置され、油圧ショベル１の周囲環境（例えば周囲の地形及び物体）を計測する。より具体的には、レーザスキャナ３４は、水平方向及び垂直方向の一定範囲にレーザ光を照射することで油圧ショベル１の車体周囲の地形及び物体の３次元点群データを計測する。そして、レーザスキャナ３４は、計測した周囲環境の情報を自動運転コントローラ４５に出力する。例えば、レーザスキャナ３４は、計測した車体周囲の３次元点群データを、車体を基準とした位置情報として自動運転コントローラ４５へ出力する。このようにレーザスキャナ３４を備えることにより、油圧ショベル１周囲の地形及び物体の形状を計測可能となっている。

　本実施形態では、作業機２各部の姿勢を計測するのにＩＭＵ２８を用いているが、本発明はＩＭＵ２８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良い。更に、本実施形態では、車体周囲の地形及び物体の形状を計測するのにレーザスキャナ３４を用いているが、本発明はレーザスキャナ３４に限るものではなく、同様の情報が得られればステレオカメラ等を用いて良い。ステレオカメラを用いる場合には、三角測量法により３次元直交座標が取得される。そこで、センサの配置位置と取得された直交座標から、各点のセンサの計測中心を原点とする３次元極座標系を算出することで物体までの距離および計測距離の情報を取得することができる。

　図２に示すように、油圧ショベル１は、エンジン３５、パイロット油圧ポンプ３６、メイン油圧ポンプ３７、方向制御弁３８、遮断弁３９、制御弁４０ａ～４０ｌ、アーム操作レバー３０ａ、ブーム操作レバー３０ｂ、バケット操作レバー３０ｃ、旋回操作レバー３０ｄ、及び走行操作レバー３０ｅ、３０ｆからなる操作レバー３０、ＧＮＳＳコントローラ３２、車体コントローラ４１、モニタ４２、切替スイッチ４３、及び自動運転コントローラ４５を更に備えている。なお、以下の説明では、制御弁４０ａ～４０ｌをまとめて「制御弁４０」と称する場合がある。

　パイロット油圧ポンプ３６とメイン油圧ポンプ３７とは、それぞれエンジン３５により駆動され、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３６により供給される油をパイロット油、メイン油圧ポンプ３７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３６から供給されるパイロット油は、遮断弁３９と制御弁４０を通過し方向制御弁３８へ送られる。遮断弁３９と制御弁４０とは、それぞれ車体コントローラ４１と電気的に接続されており、車体コントローラ４１によって遮断弁３９の弁の開閉と、制御弁４０の弁開度を制御することが可能となっている。

　方向制御弁３８は、メイン油圧ポンプ３７から各油圧シリンダ２３及び各油圧モータ２６に供給される作動油の流量や方向を制御するものであり、制御弁４０を通過したパイロット油に応じて、どの油圧シリンダ２３又は油圧モータ２６にどれだけの作動油をどの方向に流すかが決まる。具体的には、制御弁４０ａを経由して方向制御弁３８に送られたパイロット油に応じて、アームシリンダ２３ｂを１つの方向に駆動するような作動油の流量が方向制御弁３８内で決まり、制御弁４０ｂを経由して方向制御弁３８に送られたパイロット油に応じて、アームシリンダ２３ｂをもう１つの方向に駆動するような作動油の流量が方向制御弁３８内で決まる。

　同様に、制御弁４０ｃ、４０ｄを経由したパイロット油によってブームシリンダ２３ａを駆動する作動油の流量、制御弁４０ｅ、４０ｆを経由したパイロット油によってバケットシリンダ２３ｃを駆動する作動油の流量、制御弁４０ｇ、４０ｈを経由したパイロット油によって旋回油圧モータ２６ａを駆動する作動油の流量、制御弁４０ｉ、４０ｊを経由したパイロット油によって走行油圧モータ２６ｂを駆動する作動油の流量、制御弁４０ｋ、４０ｌを経由したパイロット油によって走行油圧モータ２６ｃを駆動する作動油の流量が、それぞれ方向制御弁３８内で決まる。

　操作レバー３０は、各レバーの操作量に応じて電圧又は電流を出力するものであり、車体コントローラ４１と電気的に接続されている。そして、操作レバー３０の各操作量は、車体コントローラ４１で読み取り可能となっている。

　ここで、有人操作状態において車体コントローラ４１が車体操作を行うための基本的な処理について説明する。すなわち、車体コントローラ４１は、操作レバー３０からの操作入力を受けて、まず各アクチュエータ（すなわち、各油圧シリンダ及び各油圧モータ）をどの方向にどの程度の速度（言い換えれば、目標速度）で動作させるかを決定する。

　次に、車体コントローラ４１は、決定した方向と目標速度に基づいて、方向制御弁３８の各部に供給するパイロット油の圧力（言い換えれば、目標パイロット圧力）を決定する。このとき、車体コントローラ４１は、方向制御弁３８の各部にどれだけのパイロット圧力が供給されれば、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圧力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圧力に変換することができる。

　目標パイロット圧力が求まると、車体コントローラ４１は、動作させたいアクチュエータとその方向に対応するいずれかの制御弁４０の弁開度を調整し、方向制御弁３８に対して目標の流量通りのパイロット圧力が供給されるように制御する。このとき、制御弁４０の弁開度が車体コントローラ４１から出力される電流によって制御される場合、車体コントローラ４１は、制御弁４０毎にどれくらいの電流を流せばどれだけのパイロット圧力が供給されるかといった電流とパイロット圧力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圧力から制御弁４０への出力電流を求め、制御弁４０を通過するパイロット圧力が目標通り圧力となるように制御弁４０の弁開度を制御することができる。

　このようにすることで、有人操作状態において、車体コントローラ４１は、アーム操作レバー３０ａの操作量に応じて制御弁４０ａ、４０ｂの弁開度を制御し、ブーム操作レバー３０ｂの操作量に応じて制御弁４０ｃ、４０ｄの弁開度を制御し、バケット操作レバー３０ｃの操作量に応じて制御弁４０ｅ、４０ｆの弁開度を制御し、旋回操作レバー３０ｄの操作量に応じて制御弁４０ｇ、４０ｈの弁開度を制御し、走行操作レバー３０ｅの操作量に応じて制御弁４０ｉ、４０ｊの弁開度を制御し、走行操作レバー３０ｆの操作量に応じて制御弁４０ｋ、４０ｌの弁開度を制御する。従って、オペレータが各操作レバー３０をそれぞれ操作することにより、アーム２１、ブーム２０、バケット２２、上部旋回体３、左クローラ、右クローラを駆動することができ、操作レバー３０の操作によって油圧ショベル１を移動させる等の任意の作業を実施できる。

　また、上述のように、車体コントローラ４１は遮断弁３９の弁の開閉も制御できる。遮断弁３９が閉じると、パイロット油が制御弁４０及び方向制御弁３８に供給されることが遮断される。これによって、各アクチュエータが動作できなくなるので、車体コントローラ４１は、より確実に全てのアクチュエータの動作を停止させることができる。

　ＧＮＳＳコントローラ３２は、上述したように、ＧＮＳＳアンテナ３１より出力されたＧＮＳＳ衛星の信号に基づいて、ＧＮＳＳアンテナ３１の地球上の位置（例えば緯度、経度、標高）を演算し、演算した結果を自動運転コントローラ４５へ出力する。

　切替スイッチ４３は、油圧ショベル１の有人操作状態（言い換えれば、手動操縦）と無人自動運転状態（言い換えれば、自動操縦）を切り替えるためのスイッチであり、上部旋回体３の運転室内部及び外部の少なくとも一方に配置されている。切替スイッチ４３は、自動運転コントローラ４５及び車体コントローラ４１にそれぞれ接続され、切替スイッチ４３から得られる信号を基に自動運転コントローラ４５及び車体コントローラ４１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４２は、特許請求の範囲に記載の「情報入力装置」に相当するものであり、作業管理者やオペレータ等からの入力を受け付ける。具体的には、モニタ４２は、例えばタッチパネル式の入出力デバイスであり、上部旋回体３の運転室内部及び外部の少なくとも一方に配置されている。このモニタ４２は、無人自動運転の作業内容を入力するのに用いられる。例えば作業管理者が作業の内容（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４２を介して自動運転コントローラ４５に入力することができる。また、作業管理者やオペレータ等は、モニタ４２のタッチパネルを操作することで、作業ＤＢ４５６（後述する）に記録された作業計画を編集することができる。

　また、モニタ４２は、特許請求の範囲に記載の「情報表示装置」としての機能を兼ねており、作業状態管理部４５２により選択された作業内容、作業の実施範囲、動作計画の実施が阻害される異常物体の情報等を表示する。例えばモニタ４２は、作業ＤＢ４５６と電気的に接続されており、作業ＤＢ４５６に記録された作業計画を取得し、油圧ショベル１が現在実行している作業の内容や進捗状況等を表示する。また、モニタ４２は、作業ＤＢ４５６に記録された作業計画として表１又は下記表２の形で表示しても良い。更に、モニタ４２は、作業ＤＢ４５６に記録された作業計画が終了した際に、作業計画が終了したことを表示しても良い。また、モニタ４２は、作業状態管理部４５２（後述する）と電気的に接続され、作業状態管理部４５２から油圧ショベル１が有人操作状態であるか又は無人自動運転状態であるかの情報を取得して表示する。

　このように一つのモニタ４２で「情報入力装置」及び「情報表示装置」としての機能を兼ねることで、自動作業システム１０の構成部品を少なくすることができ、自動作業システム１０のコンパクト化を図ることができる。

　車体ＩＭＵ２８ａ、ブームＩＭＵ２８ｂ、アームＩＭＵ２８ｃ、バケットＩＭＵ２８ｄ、ＧＮＳＳコントローラ３２、旋回角センサ３３、レーザスキャナ３４、モニタ４２、及び切替スイッチ４３は、それぞれ自動運転コントローラ４５と接続されている。

　自動運転コントローラ４５は、特許請求の範囲に記載の「自動運転制御装置」に相当するものであり、油圧ショベル１の自動運転を制御する。この自動運転コントローラ４５は、例えば演算を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）と、演算のためのプログラムを記録した二次記憶装置としてのＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）と、演算経過の保存や一時的な制御変数を保存する一時記憶装置としてのＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）とを組み合わせてなるマイクロコンピュータにより構成されており、記憶されたプログラムの実行によって油圧ショベル１の自動運転に関する制御を行う。なお、本実施形態において、自動運転コントローラ４５は油圧ショベル１に搭載されていることを想定しているが、自動運転コントローラ４５を油圧ショベル１の外部に配置し、無線通信等を介して油圧ショベル１と通信可能に構成されても良い。

　本実施形態では、自動運転コントローラ４５は、油圧ショベル１が無人自動運転状態で作業を行う作業現場５（図３参照）において、作業計画（後述する）を完了するための作業指示を車体コントローラ４１に対して行うことで油圧ショベル１を自動運転で動作させる。

　図３は土木の作業現場の一例を示している。図３に示すように、作業現場５には複数の掘削地５１～５４が存在する。掘削地５１～５４は、油圧ショベル１が掘削を行うことで土を掘る領域である。掘削地５１～５４において、油圧ショベル１による掘削後に作成したい３次元地形形状は、設計地形６（図６参照）として作業計画で定義されている。また、作業計画には、油圧ショベル１がどの順番で複数の掘削地５１～５４を掘削するかといった掘削順序が記載されている。

　作業現場５において、油圧ショベル１は、まずブームシリンダ２３ａ、アームシリンダ２３ｂ、及びバケットシリンダ２３ｃを駆動させることにより、掘削を行うことでバケット２２に土を格納する。次に、油圧ショベル１は、旋回油圧モータ２６ａ、走行油圧モータ２６ｂ、２６ｃを駆動させることにより作業現場５に設けられた放土地５０まで移動し、更にブームシリンダ２３ａ、アームシリンダ２３ｂ及びバケットシリンダ２３ｃを駆動させることでバケット２２内の土を放土地５０に放土する。

　図４は第１実施形態に自動作業システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の自動作業システム１０は、上述のレーザスキャナ３４、車体コントローラ４１、モニタ４２、切替スイッチ４３及び自動運転コントローラ４５によって構成されている。そして、自動運転コントローラ４５は、計測データ処理部４５１、作業状態管理部４５２、演算部４５３、異常物体検知部４５４、物体ＤＢ（Ｄａｔａ　Ｂａｓｅ）４５５、及び作業ＤＢ（Ｄａｔａ　Ｂａｓｅ）４５６を備えている。一方、車体コントローラ４１は、車体制御部４１１を有するように構成されている。

[計測データ処理部]
　計測データ処理部４５１は、ＩＭＵ２８、ＧＮＳＳコントローラ３２、旋回角センサ３３、及びレーザスキャナ３４とそれぞれ電気的に接続され、ＩＭＵ２８、ＧＮＳＳコントローラ３２、旋回角センサ３３、及びレーザスキャナ３４からの情報に基づいて、上部旋回体３の傾斜角度及び位置、方位、旋回角度、作業機２各部の回動姿勢、車体周囲の現況地形を演算する。

　具体的には、自動運転コントローラ４５は、各ＩＭＵ２８からの加速度及び角速度の計測結果に基づいて、上部旋回体３の前後傾斜及び左右傾斜、ブーム２０の回動姿勢、アーム２１の回動姿勢、バケット２２の回動姿勢をそれぞれ演算する。例えば自動運転コントローラ４５は、ＩＭＵ２８から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、ＩＭＵ２８自体の重力方向に対する３次元角度を求め、各ＩＭＵ２８の油圧ショベル１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、各ＩＭＵ２８自体の傾斜角度から上部旋回体３、ブーム２０、アーム２１、第１バケットリンク２４の回動姿勢を取得し、更に上述したようにアーム２１及び第１バケットリンク２４の回動姿勢からバケット２２の回動姿勢を取得する。

　また、自動運転コントローラ４５は、ＧＮＳＳコントローラ３２によって演算されたＧＮＳＳアンテナ３１ａ、３１ｂの地球上の位置（例えば緯度、経度、標高）を取得する。

　また、自動運転コントローラ４５は、旋回角センサ３３の計測結果に基づいて、上部旋回体３と下部走行体４との間の旋回角度を取得する。

　更に、自動運転コントローラ４５は、レーザスキャナ３４により計測された車体周囲の３次元点群データと、上部旋回体３に対するレーザスキャナ３４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３４から得られた情報を車体基準での１つの３次元点群データに統合する。本実施形態では、上部旋回体３に４つのレーザスキャナ３４が配置されており、これらのレーザスキャナ３４から得られた情報を統合することで車体の全周囲の３次元点群データを計測する。なお、十分な計測範囲を持つセンサを使用する場合に、レーザスキャナ３４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良い。

　また、計測データ処理部４５１は、レーザスキャナ３４の車体配置位置を用いて、車体座標系におけるレーザスキャナ３４の車体配置位置を演算する。また、計測データ処理部４５１は、ＧＮＳＳアンテナ３１ａ、３１ｂの車体配置位置と地球上の位置、車体座標系におけるレーザスキャナ３４の車体配置位置を用いて、レーザスキャナ３４から取得した車体周囲の３次元点群データの位置情報を地球上の位置情報であるグローバル座標系に変換する。更に、計測データ処理部４５１は、レーザスキャナ３４から取得した車体周囲の３次元点群データに基づいて、油圧ショベル１の周囲の地形形状データである現況地形を演算する。

　そして、計測データ処理部４５１は、上部旋回体３の傾斜角度及び位置、方位、旋回角度、作業機各部の回動姿勢、車体周囲の現況地形の演算結果を演算部４５３に出力する。また、計測データ処理部４５１は、車体周囲の現況地形の演算結果を作業状態管理部４５２に出力する。

[作業ＤＢ]
　作業ＤＢ４５６は、特許請求の範囲に記載の「作業記録部」に相当するものである。作業ＤＢ４５６には、作業計画とその進捗状況が記録されている。作業計画は、少なくとも１台の油圧ショベル１が実施する作業内容及び作業順序等を含む。作業内容は例えば掘削積込、法面整形等であり、作業順序は例えば複数の掘削地にＩＤ番号が付与され、その付与されたＩＤ番号の順に決められる。上述の掘削順序は掘削作業（すなわち作業内容）の作業順序である。

　表１は作業ＤＢ４５６に記録された作業計画の一例である。表１に示すように、作業計画には、「作業ＩＤ」、「掘削地ＩＤ」、「作業状態」、「作業残量」及び「作業量」といった要素が少なくとも含まれているが、これら以外の要素も含まれても良い。

　「作業ＩＤ」は、各作業を識別するためのＩＤであり、本実施形態において「作業ＩＤ」の番号の昇順で作業が実施されることを想定している。「掘削地ＩＤ」は、各掘削地５１～５４を識別するためのＩＤであり、「掘削地ＩＤ」には油圧ショベル１の掘削動作で作成したい３次元地形形状である設計地形６が紐づけられている。「作業状態」は、「完了」、「中断」、「実行中」、「未着手」の４つの状態が存在する。「作業残量」は、各作業の残量を表す百分率である。「作業量」は、「作業開始前から設計地形を作成するまでに掘削する必要がある土量」である。

　「作業残量」は、「現在の地形から設計地形を作成するまでに掘削する必要がある土量」を「作業量」で除算し、百分率に換算した値である。「現在の地形から設計地形を作成するまでに掘削する必要がある土量」及び「作業開始前から設計地形を作成するまでに掘削する必要がある土量」は、作業状態管理部４５２において現況地形に基づいて体積として算出する。「作業残量」が０％に達した作業は「作業状態」が「完了」となる。「作業残量」が１００％の作業は「作業状態」が「未着手」となる。「作業残量」が０％に達さずに中断した作業は「作業状態」が「中断」となる。また、油圧ショベル１に対し作業指示を行っている作業は「作業状態」が「実行中」となる。そして、この「作業残量」及び「作業状態」は作業の進捗状況を示すパラメータでもある。なお、作業ＤＢ４５６に記録された作業計画の「掘削地ＩＤ」に紐づけられた３次元地形形状である設計地形６は、モニタ４２への入力を介して編集可能とされている。

[物体ＤＢ]
　物体ＤＢ４５５は、特許請求の範囲に記載の「物体記録部」に相当するものであり、作業現場５に存在すると予想される予想存在物体の情報及び該予想存在物体以外の非予想存在物体の情報のうち、少なくとも一方を記録している。本実施形態において、物体ＤＢ４５５には、油圧ショベル１が作業現場５において作業を行う上で作業の阻害要素となり得る異常物体７（すなわち、予想存在物体）の情報が記録されている。具体的には、大きな石、水道管、降雨による広範囲のぬかるみといったものを、作業の阻害要素となり得る異常物体７としている。また、物体ＤＢ４５５には、異常物体７を物体検知技術で検知するために必要な特徴量として、３次元点群データが記録されている。なお、物体ＤＢ４５５には、作業を行う上で作業の阻害要素となり得ない異常物体（すなわち、非予想存在物体）の情報が記録されても良い。このようにすれば、様々な異常物体の検出に幅広く対応できる。

[異常物体検知部]
　異常物体検知部４５４は、レーザスキャナ３４の計測結果に基づいて、上記作業計画を実施する作業現場に存在する異常物体を検知する。具体的には、異常物体検知部４５４は、まずレーザスキャナ３４から３次元点群データを取得し、点群の３次元座標情報を用いて油圧ショベル１周囲の物体の位置及び形状の情報を取得する。ここで、物体の位置とは、検知された物体を計測した各点の３次元座標を用いて算出した点群重心座標である。物体の形状とは、各点の３次元座標からＸ、Ｙ、Ｚ座標それぞれの最大値から最小値までの距離を、奥行き、幅、高さとして算出した直方体である。物体の位置及び形状の検知手法としては、例えば既に知られたＯＧＭ（Ｏｃｃｕｐａｎｃｙ　Ｇｒｉｄ　Ｍａｐ）法のような、３次元の点群から物体情報を取得できる手法であれば良い。

　次に、異常物体検知部４５４は、物体ＤＢ４５５に記録された３次元点群データである物体情報を習得し、レーザスキャナ３４から取得した物体の中に物体情報として記録された異常物体７が存在するか否かを判定することで異常物体の検知を行う。具体的には、異常物体検知部４５４は、例えばＤｅｅｐ　Ｌｅａｒｎｉｎｇを活用した物体検知技術であるＳＳＤ等を用いて、レーザスキャナ３４から取得した物体の３次元点群データと、習得した物体情報の３次元点群データとの一致率に基づいて、作業現場５に存在する異常物体を検知する。そして、例えばその一致率が予め設定された閾値以上になった場合に、異常物体検知部４５４は該物体を異常物体７として検知する。異常物体検知部４５４は、検知した異常物体７の位置、形状及び種類を異常物体情報として作業状態管理部４５２に出力する。

[演算部]
　演算部４５３は、計測データ処理部４５１と電気的に接続され、上部旋回体３の傾斜角度及び位置、方位、旋回角度、作業機各部の姿勢、現況地形の演算結果を計測データ処理部４５１から取得する。また、この演算部４５３は、切替スイッチ４３から油圧ショベル１が有人操作状態であるか又は無人自動運転状態であるかを取得し、有人操作状態又は無人自動運転状態に応じて演算等の処理を行う。

　例えば油圧ショベル１が無人自動運転状態である場合、演算部４５３は、作業状態管理部４５２から動作計画を取得し、取得した動作計画に基づいて下部走行体４の目標軌跡、バケット先端２７の目標軌跡及び各アクチュエータ（各油圧シリンダ２３、各油圧モータ２６）の目標動作速度等を演算し、演算した結果を作業状態管理部４５２に出力する。なお、動作計画には、現況地形上におけるバケット先端２７の接地位置が少なくとも含まれている。

　具体的には、演算部４５３は、まず計測データ処理部４５１から取得した演算結果に基づいて、バケット先端２７を現在地点から動作計画に含まれた指定位置に接地できる地点まで移動するための下部走行体４の目標軌跡を演算する。次に、演算部４５３は、バケット先端２７を作業状態管理部４５２で指定された接地位置まで移動させてバケット２２内に土を格納するまでの、バケット先端２７の目標軌跡を演算する。

　また、演算部４５３は、油圧ショベル１が放土地５０に放土するまでの下部走行体４の目標軌跡及びバケット先端２７の目標軌跡をそれぞれ演算する。なお、演算部４５３は、演算した下部走行体４の目標軌跡及びバケット先端２７の目標軌跡をグローバル座標系を基準として作成する。更に、演算部４５３は、演算した下部走行体４の目標軌跡とバケット先端２７の目標軌跡とに基づき、車体を動作させるために必要な各アクチュエータ（各油圧シリンダ２３、各油圧モータ２６）の目標動作速度を演算する。そして、演算部４５３は演算した結果を作業状態管理部４５２に出力する。

　一方、油圧ショベル１が有人操作状態である場合、演算部４５３は、作業状態管理部４５２から動作計画を取得せず、下部走行体４の目標軌跡、バケット先端２７の目標軌跡、及び各アクチュエータ（各油圧シリンダ２３、各油圧モータ２６）の目標動作速度の演算を行わない。

[作業状態管理部]
　作業状態管理部４５２は、油圧ショベル１の作業状態を管理するように、作業ＤＢ４５６に記録された作業計画中の作業順序に沿って作業内容を選択し、選択した作業内容とレーザスキャナ３４の計測結果等に基づいて油圧ショベル１の動作計画を作成する。

　具体的には、作業状態管理部４５２は、異常物体検知部４５４、作業ＤＢ４５６及び計測データ処理部４５１とそれぞれ電気的に接続され、異常物体検知部４５４から検知結果（例えば、異常物体の情報）と、作業ＤＢ４５６から作業計画と、計測データ処理部４５１から現況地形をそれぞれ取得する。作業状態管理部４５２は、まず作業ＤＢ４５６から取得した作業計画に基づいて、例えば作業計画中の作業順序に沿って作業内容を順次に選択する。次に、作業状態管理部４５２は、選択した作業内容について、少なくともバケット先端２７の接地位置を含む動作計画を作成する。

　次に、作業状態管理部４５２は、作成した動作計画を演算部４５３に出力し、該動作計画に基づいたバケット先端２７の目標軌跡、下部走行体４の目標軌跡及び各アクチュエータの目標動作速度の演算を演算部４５３に指示する。次に、作業状態管理部４５２は、演算部４５３からバケット先端２７の目標軌跡、下部走行体４の目標軌跡及び各アクチュエータの目標動作速度の演算結果を取得する。

　また、作業状態管理部４５２は、異常物体検知部４５４から取得した検知結果（例えば、異常物体の情報）と、演算部４５３から取得したバケット先端２７の目標軌跡及び下部走行体４の目標軌跡とに基づいて、異常物体検知部４５４により検知された異常物体の存在によって上記動作計画の実施が阻害される否かを判定する。

　そして、作業現場５上にバケット先端２７の目標軌跡及び下部走行体４の目標軌跡のいずれも阻害する異常物体が存在しない場合、作業状態管理部４５２は、該異常物体の存在によって前記動作計画の実施が阻害されないと判定する。このとき、作業状態管理部４５２は、演算部４５３から取得した各アクチュエータ（各油圧シリンダ２３、各油圧モータ２６）の目標動作速度を作業状態管理情報として車体コントローラ４１の車体制御部４１１に出力する。ここでの作業状態管理情報は、すなわち制御信号である。

　一方、作業現場５上にバケット先端２７の目標軌跡及び下部走行体４の目標軌跡の少なくとも一方を阻害する異常物体が存在する場合、作業状態管理部４５２は、該異常物体の存在によって動作計画の実施が阻害されると判定する。このとき、作業状態管理部４５２は、車体制御部４１１に対し実施中の作業の中断を指示する。次に、作業状態管理部４５２は、中断した作業（すなわち、阻害される作業）を「異常物体を含む範囲」と「異常物体を含まない範囲」で実施される作業に分割可能か否かを更に判定する。

　そして、中断した作業を「異常物体を含む範囲」と「異常物体を含まない範囲」で実施される作業に分割可能であると判定した場合、作業状態管理部４５２は、「異常物体を含まない範囲」の作業内容を選択し、該「異常物体を含まない範囲」において新たな作業計画を作成し、作業ＤＢ４５６に追加する。その後、作業状態管理部４５２は、「異常物体を含まない範囲」でのバケット先端２７の接地位置を新たな動作計画として演算部４５３に出力し、該動作計画に基づいたバケット先端２７の目標軌跡、下部走行体４の目標軌跡及び各アクチュエータの目標動作速度の演算を演算部４５３に指示する。言い換えれば、作業状態管理部４５２は、「異常物体を含まない範囲」での作業を実施するためのバケット先端２７の目標軌跡、下部走行体４の目標軌跡、及び各アクチュエータ（各油圧シリンダ２３、各油圧モータ２６）の目標動作速度の演算を演算部４５３に求める。

　なお、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６に記録された作業計画に実施可能な作業が存在しない場合、車体制御部４１１に対し作業終了を指示する。

　以下、図５～図７を基に異常物体７が検知された作業現場５において、「異常物体７を含む範囲」と「異常物体７を含まない範囲」に分割する例を詳細に説明する。

　図５～図７では、異常物体検知部４５４によって異常物体７が検知された「掘削地ｉ」を示している。また、図５～図７では、作業現場５上のある点を原点とすることで図示する方向にＸＹＺ空間の現場固有の座標系を定義しており、グローバル座標系で扱われる計測データ処理部４５１の各演算結果と演算部４５３により演算された各目標軌跡とは、現場固有の座標系にそれぞれ変換される。

　図５は作業現場５の平面図であり、図６及び図７は図５中の矢印に沿った作業現場５の側面図である。図６及び図７に示すように、「掘削地ｉ」の現況地形は斜面７２と平面７３で構成されている。本実施形態では、異常物体７は作業開始時に斜面７２から露出していることを想定する。図６に示すように、「掘削地ｉ」では、設計地形６で示される深さまでの掘削が油圧ショベル１によって実施される。

　図５～図７に示すように、「掘削地ｉ」において演算部４５３により演算されたバケット先端２７の目標軌跡（図中の破線部分参照）は、異常物体７の位置と重なっており、油圧ショベル１は作業を継続できない状態となっている。なお、本実施形態でいう異常物体７は、油圧ショベル１の作業を阻害する程度の大きさ（例えば大きな石）を有するものを指しており、従って比較的に小さい石のような異常物体が検知されても、実際に作業の阻害にならない。

　本実施形態では、「掘削地ｉ」において演算部４５３により演算された目標軌跡上に異常物体７が存在するため作業を継続できない場合においても、作業状態管理部４５２は、「掘削地ｉ」を「異常物体７を含む範囲」である「掘削地ｉ_１」と「異常物体７を含まない範囲」である「掘削地ｉ_２」に更に分割し、「異常物体７を含まない範囲」における作業状態管理情報を車体制御部４１１に指令することにより、油圧ショベル１による作業を継続させることができる。

[車体制御部]
　車体制御部４１１は、作業状態管理部４５２により作成された動作計画に基づいて油圧ショベル１の動作を制御する。図４に示すように、車体制御部４１１は、切替スイッチ４３と電気的に接続され、切替スイッチ４３から油圧ショベル１が有人操作状態であるか又は無人自動運転状態であるかを取得する。また、車体制御部４１１は、作業状態管理部４５２と電気的に接続され、作業状態管理部４５２から上述の作業状態管理情報を取得する。

　そして、油圧ショベル１が有人操作状態である場合、車体制御部４１１は、操作レバー３０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５５を駆動する。一方、油圧ショベル１が無人自動運転状態である場合、車体制御部４１１は、作業状態管理部４５２から作業状態管理情報として取得した各アクチュエータの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５５を駆動させる。そして、車体制御部４１１は、作業状態管理部４５２から全作業の終了が出力された場合、油圧ショベル１の動作を即時停止、あるいは予め指定された位置まで油圧ショベル１を移動させてから動作を停止する。なお、車体制御部４１１は、作業状態管理部４５２から全作業の終了が出力された場合、モニタ４２に作業計画が終了したことを出力しても良い。

　以下、図８及び図９を参照して自動作業システム１０の制御処理について説明する。図８は制御処理のステップＳ１０～ステップＳ２１を示すフローチャートであり、図９は制御処理のステップＳ２２～ステップＳ２７を示すフローチャートである。

　まず、ステップＳ１０では、作業ＩＤ番号（作業ｉ）が付与される。ここでは、「ｉ」を例えば５１とする。

　ステップＳ１０に続くステップＳ１１では、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６に記録されている作業計画から「作業ｉ」の情報を取得する。具体的には、作業状態管理部４５２は、作業ＩＤが「作業ｉ」である作業に関する「掘削地ＩＤ」、「作業状態」、「作業残量」及び「作業量」を取得する。

　ステップＳ１１に続くステップＳ１２では、作業状態管理部４５２は、演算部４５３に対し、取得した「作業ｉ」の情報の中から「掘削地ｉ」の情報を出力する。具体的には、作業状態管理部４５２は、「掘削地ｉ」と紐づけられた設計地形を演算部４５３に出力する。「掘削地ｉ」と紐づけられた設計地形は、油圧ショベル１がこれから掘削で作成したい３次元地形の形状である。

　ステップＳ１２に続くステップＳ１３では、作業状態管理部４５２は、まず作成した動作計画を演算部４５３に出力し、該動作計画に基づいたバケット先端２７の目標軌跡、下部走行体４の目標軌跡、及び各アクチュエータ（各油圧シリンダ２３、各油圧モータ２６）の目標動作速度を演算するように演算部４５３に指示する。次に、演算部４５３は、動作計画に基づいてバケット先端２７の目標軌跡、下部走行体４の目標軌跡及び各アクチュエータの目標動作速度をそれぞれ演算し、演算した結果を作業状態管理部４５２に出力する。これによって、作業状態管理部４５２は、上記の演算結果を取得する。

　ステップＳ１３に続くステップＳ１４では、作業状態管理部４５２は、異常物体検知部４５４から異常物体情報を取得する。ステップＳ１４に続くステップＳ１５では、作業状態管理部４５２は、「作業ｉ」の動作計画を阻害する異常物体が存在するか否かを判定する。このとき、作業状態管理部４５２は、ステップＳ１３で取得したバケット先端２７の目標軌跡及び下部走行体４の走行軌跡といった車体の３次元目標軌跡と、ステップＳ１４で取得した異常物体情報とに基づいて、車体の３次元目標軌跡上に異常物体情報に記載された物体（すなわち、異常物体）が存在するか否かを判定する。

　そして、車体の３次元目標軌跡上に異常物体が存在すると判定された場合、制御処理はステップＳ２２に進む。例えば、図５に示す作業現場５のように、現場固有の現場座標系においてバケット先端２７の目標軌跡上に異常物体７が存在した場合、制御処理はステップＳ２２に進むことになる。一方、車体の３次元目標軌跡上に異常物体が存在しないと判定された場合、制御処理はステップＳ１６に進む。

　ステップＳ１６では、作業状態管理部４５２は、車体制御部４１１に対し作業状態管理情報として出力する。具体的には、作業状態管理部４５２は、ステップＳ１３で取得した各アクチュエータの目標動作速度を車体制御部４１１に出力する。そして、車体制御部４１１は、各アクチュエータの目標動作速度に従って各アクチュエータを動作させる。これによって、油圧ショベル１が自動運転で作業を行う。

　ステップＳ１６に続くステップＳ１７では、作業状態管理部４５２は、「作業ｉ」の「作業残量」を算出し、作業ＤＢ４５６を更新する。具体的には、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６に記録された「掘削地ｉ」の設計地形と計測データ処理部４５１から取得した現況地形の３次元情報の差分から「作業ｉ」の「進捗状況」を算出し、作業ＤＢに記録された「作業ｉ」の「作業残量」を更新する。

　ステップＳ１７に続くステップＳ１８では、作業状態管理部４５２は、ステップＳ１７で算出した「作業ｉ」の「作業残量」が０％に達しているか否かを判定する。０％に達していると判定された場合、制御処理はステップＳ１９に進む。一方、０％に達していないと判定された場合、制御処理はステップＳ１１に戻る。

　ステップＳ１９では、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６に記録された「作業ｉ」の「作業状態」を「完了」に更新する。

　ステップＳ１９に続くステップＳ２０では、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６に記憶された作業計画において、「作業状態」に「未着手」の作業が存在するか否かを判定する。「未着手」の作業が存在すると判定した場合、制御処理はステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、ｉ＝ｉ＋１（すなわち、ｉ＝５２）と更新される。その後、制御処理はステップＳ１１に戻る。一方、「作業状態」が「未着手」の作業が存在しないと判定した場合、作業状態管理部４５２は、全作業の終了を車体制御部４１１に指示する。これによって、一連の制御処理が終了する。

　上述したように、ステップＳ１５で異常物体が存在すると判定された場合、制御処理はステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、作業状態管理部４５２は、「掘削地ｉ」を「阻害要素が存在する範囲」（すなわち、異常物体を含む範囲）と「阻害要素が存在しない範囲」（すなわち、異常物体を含まない範囲）に分割可能か否かを判定する。具体的には、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６に記録された図６に示す「作業ｉ」の「掘削地ｉ」を、図７に示すように「異常物体７を含む範囲」である「掘削地ｉ_１」と「異常物体７を含まない範囲」である「掘削地ｉ_２」に分割できるか否かを判定する。

　例えば図７に示す例では、異常物体７が作業現場５の斜面７２から出土したため、作業状態管理部４５２はＹ軸方向に沿って、斜面７２部分を「掘削地ｉ_１」として、平面７３部分を「掘削地ｉ_２」としてそれぞれ分割する。そして、「異常物体７を含む範囲」である「掘削地ｉ_１」は、図５に示すＸ、Ｙ座標において、異常物体７に対し「一定のマージン」を持つ長方形範囲形状として切り出される。該「一定のマージン」は、異常物体情報に記載された異常物体７の種類に基づき決定されても良く、予め全ての異常物体７に共通する一定値として決定されても良い。「掘削地ｉ」から「掘削地ｉ_1」を切り出した結果、「異常物体７を含まない範囲」である「掘削地ｉ_２」が図５、図７に示す範囲で生じる。

　なお、「掘削地ｉ」を「掘削地ｉ_１」と「掘削地ｉ_２」に分割可能か否かの判定は、例えば予め「作業量」に基づいて閾値を決めておき、「掘削地ｉ_２」が該閾値以上である場合に分割可能、該閾値より小さい場合に分割不可と判定する。

　そして、ステップＳ２２で分割不可と判定された場合、処理はステップＳ２３に進む。ステップＳ２３では、作業状態管理部４５２は「作業ｉ」の「作業状態」を「中断」に変更する。その後、制御処理はステップＳ２０に戻る。

　一方、ステップＳ２２で分割可能と判定された場合、制御処理はステップＳ２４に進む。ステップＳ２４では、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６に記録された「作業ｉ」の「掘削地ｉ」に対し、「阻害要素が存在する範囲」に「掘削地ｉ_１」、「阻害要素が存在しない範囲」に「掘削地ｉ_２」という名称の掘削地ＩＤをそれぞれ付与する。すなわち、作業状態管理部４５２は、「異常物体７を含む範囲」に「掘削地ｉ_１」、「異常物体７を含まない範囲」に「掘削地ｉ_２」という名称の掘削地ＩＤをそれぞれ付与する。

　ここでの処理は、例えば下記表２に示すように、「掘削地５２」を「掘削地５２_１」と「掘削地５２_２」に分割可能と判定された場合、作業状態管理部４５２は、「異常物体７を含む範囲」に「掘削地５２_１」、「異常物体７を含まない範囲」に「掘削地５２_２」という名称の掘削地ＩＤをそれぞれ付与する。

　ステップＳ２４に続くステップＳ２５では、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６に記録された「作業ｉ」の作業ＩＤを「作業ｉ_１」、掘削地ＩＤを「掘削地ｉ_１」に更新し、作業状態を「中断」に変更する。ここでの処理は、例えば下記表２に示すように、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６に記録された「作業５２」の作業ＩＤを「作業５２_１」、掘削地ＩＤを「掘削地５２_１」に更新し、その作業状態を「中断」に変更する。

　ステップＳ２５に続くステップＳ２６では、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６の作業ＩＤに「作業ｉ_２」、掘削地ＩＤに「掘削地ｉ_２」、作業状態に「未着手」をそれぞれ追加する。ここでの処理は、例えば下記表２に示すように、作業状態管理部４５２は、作業ＤＢ４５６の作業ＩＤに「作業５２_２」、掘削地ＩＤに「掘削地５２_２」、作業状態に「未着手」をそれぞれ追加する。

　ステップＳ２６に続くステップＳ２７では、作業ＩＤ番号（作業ｉ）が「ｉ_２」と更新される。その後、処理はステップＳ１１に戻る。

　本実施形態の自動作業システム１０では、異常物体７が検知されたとき、作業状態管理部４５２は、異常物体７の存在によって動作計画の実施が阻害される否かを判定し、異常物体７の存在によって動作計画の実施が阻害されると判定した場合に、「異常物体を含む範囲」と「異常物体７を含まない範囲」に分割可能か否かを更に判定する。そして、分割可能と判定した場合、作業状態管理部４５２は、「異常物体を含まない範囲」での作業を選択し、選択した作業の動作計画を作成して油圧ショベル１の自動運転による作業を継続させる。このようにすれば、作業現場５において油圧ショベル１の作業を阻害する異常物体７が出現した場合であっても、オペレータによる対処を必要とすることなく、作業状態管理部４５２は、実施可能な他の作業（すなわち、「異常物体７を含まない範囲」での作業）を選択することで自動運転による作業継続が可能となるので、生産性の低下を防止することができる。

[第２実施形態]
　以下、図８、図１０及び図１１を参照して第２実施形態の自動作業システムを説明する。本実施形態の自動作業システムは、その構成が第１実施形態と同様であるが、制御処理において第１実施形態と異なっている。以下では、第１実施形態との相違点のみ説明する。

　すなわち、本実施形態では、作業現場５に油圧ショベル１の作業を阻害する異常物体７が存在する場合、作業管理者の選択操作によって油圧ショベル１が実施する作業の内容が決定される。また、作業状態管理部４５２は、作業管理者の承認を受けてから「異常物体７を含まない範囲」で作業を継続するための作業状態管理情報を車体制御部４１１に出力する。また、作業管理者の選択操作によって、油圧ショベル１の無人自動運転状態が有人操作状態に切り替えられる。更に、異常物体７が作業管理者によって作業現場５から取り除かれた後に、油圧ショベル１が有人操作状態から無人自動運転状態に切り替えられることで、油圧ショベル１の自動運転による作業が継続される。

　作業管理者は、モニタ４２及び切替スイッチ４３の使用方法を習得している者であれば良い。また、作業管理者は、上部旋回体３の運転室内部、あるいは作業現場５の内外において油圧ショベル１の作業を監視できる場所に存在すれば良い。更に、モニタ４２及び切替スイッチ４３は、作業管理者が視認や操作できる場所に配置されれば良い。

　第２実施形態の自動作業システムの制御処理において、ステップＳ１０～ステップＳ２７は第１実施形態と同じであり、ステップＳ２８～ステップＳ３７は新たに加えた処理である。以下では、図１０を基に新たに加えたステップＳ２８～ステップＳ３７のみ説明する。また本実施形態において、異常物体検知部４５４は、レーザスキャナ３４の計測結果に基づいて油圧ショベル１の周囲に人が存在するか否かを判定し、人が存在すると判定した場合にその旨を作業状態管理部４５２に出力する。

　図１０に示すように、ステップＳ２２において「掘削地ｉ」を「阻害要素が存在する範囲」と「阻害要素が存在しない範囲」に分割不可と判定された場合、制御処理は第１実施形態と同様にステップＳ２３に進み、「作業ｉ」の「作業状態」が「中断」への変更が行われる。その後、制御処理はステップＳ２０に戻る。

　一方、ステップＳ２２において「掘削地ｉ」を「阻害要素が存在する範囲」と「阻害要素が存在しない範囲」に分割可能と判定された場合、制御処理はステップＳ２８に進む。ステップＳ２８では、作業状態管理部４５２は、図１１に示すように作業を阻害する異常物体７に関する異常物体情報をモニタ４２に表示することで、作業管理者に異常物体７の出現を知らせる。更に作業状態管理部４５２は、図１１に示すようにモニタ４２上に「異常物体７を含む範囲」である「掘削地ｉ_１」と「異常物体７を含まない範囲」である「掘削地ｉ_２」をモニタ４２上に表示し、作業管理者に「掘削地ｉ_１」と「掘削地ｉ_２」に分割可能であることを知らせる。

　ステップＳ２８に続くステップＳ２９では、作業管理者は、分割された「掘削地ｉ_２」において、作業を継続するか否かをモニタ４２を介して選択する（図１１参照）。作業管理者により作業を継続すると選択された場合、制御処理は上述のステップＳ２４に進む。一方、作業を継続しないと選択された場合、処理はステップＳ３０に進む。

　ステップＳ３０では、作業管理者は、異常物体７を作業現場５から排除するか否かをモニタ４２を介して選択する（図１１参照）。異常物体を排除しないと選択された場合、制御処理は上述のステップＳ２３に進む。一方、作業管理者により異常物体を排除すると選択された場合、制御処理はステップＳ３１に進む。

　ステップＳ３１では、作業管理者は、切替スイッチ４３を操作することで、油圧ショベル１を無人自動運転状態から有人操作状態に切り替える。ステップＳ３１に続くステップＳ３２では、作業状態管理部４５２は、有人操作状態の解除パスワードを発行し、モニタ４２を介して作業管理者に知らせる。

　ステップＳ３２に続くステップＳ３３では、作業管理者は、作業現場５から異常物体７を排除する。作業現場５から異常物体７を排除する方法として、作業管理者が操作レバー３０を操作することによって油圧ショベル１を動作させても良く、作業管理者の手作業によって行われても良い。

　ステップＳ３３に続くステップＳ３４では、作業管理者は、有人操作状態の解除パスワードをモニタ４２に入力し、切替スイッチ４３を操作する。ステップＳ３４に続くステップＳ３５では、作業状態管理部４５２は、異常物体検知部４５４からの結果に基づいて油圧ショベル１の周囲に人が存在するか否かを判定する。人が存在すると判定された場合、処理はステップＳ３６に進む。ステップＳ３６では、作業状態管理部４５２は、モニタ４２上に油圧ショベル１の周囲から人を退避させることをモニタ４２を介して作業管理者に対し勧告する。その後、制御処理はステップＳ３４に戻る。

　一方、ステップＳ３５で周囲に人が存在しないと判定された場合、制御処理はステップＳ３７に進む。ステップＳ３７では、切替スイッチ４３は、油圧ショベル１を有人操作状態から無人自動運転状態に切り替える。その後、制御処理は上述のステップＳ１７に戻り、油圧ショベル１の自動運転による作業が継続される。

　本実施形態の自動作業システムによれば、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、更に以下の作用効果を得られる。すなわち、「異常物体を含む範囲」と「異常物体を含まない範囲」に分割可能と判定された場合、作業管理者が油圧ショベル１を無人自動運転状態から有人操作状態に切り替えて異常物体７を作業現場５から取り除いた後、油圧ショベル１の作業開始指示が作業管理者により行われ且つ油圧ショベル１の周囲に人が検知されない場合、作業状態管理部４５２は、作業計画の中から他の作業を選択することで自動運転による作業継続が可能になる。このようにすることで、作業ＤＢ４５６に記載された作業計画を完全に実施することができるので、生産性の低下を一層防止できる。

[第３実施形態]
　図１２は第３実施形態に係る自動作業システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の自動作業システム１０Ａは、物体ＤＢ４６１及び作業ＤＢ４６２はサーバ４６に設けられる点において上述の第１実施形態と異なるが、その他の構成は第１実施形態と同様である。

　図１２に示すように、本実施形態の自動作業システム１０Ａでは、物体ＤＢ４６１及び作業ＤＢ４６２は、自動運転コントローラ４５Ａから独立され、サーバ４６に設けられている。サーバ４６は、例えば管理センターに配置され、自動運転コントローラ４５との間で通信可能に構成されている。なお、物体ＤＢ４６１は第１実施形態の物体ＤＢ４５５と同様な構造を有し、作業ＤＢ４６２は第１実施形態の作業ＤＢ４５６と同様な構造を有する。

　本実施形態の自動作業システム１０Ａによれば、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、物体ＤＢ４６１及び作業ＤＢ４６２はサーバ４６に設けられるので、自動運転コントローラ４５Ａのコンパクト化を図ることができる。

　なお、これまでに示した実施形態において、作業開始時に掘削地から異常物体が露出している場面を想定していたが、油圧ショベルによる掘削中に異常物体が出土した場面においても適用可能である。また、操作レバーが作業機械内に搭載された油圧ショベルを例として説明したが、油圧ショベルとは別に遠隔操作室内に操作レバーを設け、遠隔操作が可能な油圧ショベルにも適用可能である。

　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１　　油圧ショベル
２　　作業機
３　　上部旋回体
４　　下部走行体
１０，１０Ａ　　自動作業システム
２８ａ　　車体ＩＭＵ
２８ｂ　　ブームＩＭＵ
２８ｃ　　アームＩＭＵ
２８ｄ　　バケットＩＭＵ
３０　　操作レバー
３１ａ，３１ｂ　　ＧＮＳＳアンテナ
３２　　ＧＮＳＳコントローラ
３３　　旋回角センサ
３４　　レーザスキャナ（周囲環境計測装置）
３９　　遮断弁
４０　　制御弁
４１　　車体コントローラ
４２　　モニタ（情報入力装置、情報表示装置）
４３　　切替スイッチ
４５，４５Ａ　　自動運転コントローラ（自動運転制御装置）
４６　　サーバ
４１１　　車体制御部
４５１　　計測データ処理部
４５２　　作業状態管理部
４５３　　演算部
４５４　　異常物体検知部
４５５　　物体ＤＢ（物体記録部）
４５６　　作業ＤＢ（作業記録部）
４６１　　物体ＤＢ
４６２　　作業ＤＢ

Claims (9)

1. 　作業機械の周囲環境を計測する周囲環境計測装置と、前記作業機械の自動運転を制御する自動運転制御装置と、を備えた自動作業システムであって、
   　前記自動運転制御装置は、
   　前記作業機械の作業状態を管理するように、取得した作業計画中の作業順序に沿って作業内容を選択し、選択した作業内容と前記周囲環境計測装置により計測された前記周囲環境の情報とに基づいて前記作業機械の動作計画を作成し、作成した前記動作計画に基づいて前記作業機械に設けられた車体コントローラに制御信号を出力する作業状態管理部と、
   　前記周囲環境計測装置により計測された前記周囲環境の情報に基づいて、前記作業計画を実施する作業現場に存在する異常物体を検知する異常物体検知部と、
   を備え、
   　前記異常物体検知部によって異常物体が検知されたとき、前記作業状態管理部は、前記異常物体の存在によって前記動作計画の実施が阻害される否かを判定し、前記異常物体の存在によって前記動作計画の実施が阻害されると判定した場合に、前記作業計画の中から他の作業内容を選択することを特徴とする自動作業システム。
2. 　前記作業機械は、走行体と作業機とを備え、
   　前記自動運転制御装置は、前記動作計画に基づいて前記作業機の先端の目標軌跡及び前記走行体の目標軌跡を演算する演算部を更に備え、
   　前記作業状態管理部は、前記演算部により演算された前記作業機の先端の目標軌跡及び前記走行体の目標軌跡の少なくとも一方を阻害する前記異常物体が存在する場合、前記異常物体の存在によって前記動作計画の実施が阻害されると判定する請求項１に記載の自動作業システム。
3. 　前記作業現場に存在すると予想される予想存在物体の情報及び該予想存在物体以外の非予想存在物体の情報のうち、少なくとも一方を記録する物体記録部を更に備え、前記物体記録部は、前記自動運転制御装置又はサーバに設けられる請求項１又は２に記載の自動作業システム。
4. 　前記異常物体検知部は、前記周囲環境計測装置により計測された周囲環境中の物体の情報と、前記物体記録部に記録された物体の情報との一致率に基づいて、前記作業現場に存在する異常物体を検知する請求項３に記載の自動作業システム。
5. 　前記作業状態管理部は、前記異常物体の存在によって前記動作計画の実施が阻害されると判定した場合、阻害される作業を前記異常物体を含む範囲と前記異常物体を含まない範囲に分割可能か否かを更に判定し、分割可能と判定した場合、前記異常物体を含まない範囲の動作計画を作成する請求項１に記載の自動作業システム。
6. 　前記作業状態管理部により選択された作業内容、作業の実施範囲、及び前記動作計画の実施が阻害される前記異常物体の情報を表示する情報表示装置を更に備える請求項５に記載の自動作業システム。
7. 　少なくとも作業管理者からの入力を受け付ける情報入力装置を更に備え、
   　前記異常物体の存在によって前記動作計画の実施が阻害されると判定された場合において、前記作業管理者による前記情報入力装置への入力で作業の継続が指示されたとき、前記作業状態管理部は、前記異常物体を含まない範囲の作業計画を作成する請求項６に記載の自動作業システム。
8. 　前記作業機械が前記作業管理者により手動操縦に切り替えられ且つ前記異常物体が前記作業現場から取り除かれた後、前記作業機械の作業開始指示が前記作業管理者により行われ且つ前記周囲環境計測装置により計測された周囲環境の情報に基づいて前記作業機械の周囲に人が検知されない場合、前記作業状態管理部は、前記作業計画の中から他の作業を選択する請求項７に記載の自動作業システム。
9. 　前記作業計画を記録する作業記録部を更に備え、
   　前記作業計画は、少なくとも１台の作業機械が実施する作業内容及び作業順序を含み、前記作業記録部は、前記自動運転制御装置又はサーバに設けられる請求項１に記載の自動作業システム。

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