JP6540948B2 - カメラシステム - Google Patents

Description

本発明はカメラシステムおよび重機に関する。

特許文献１に開示されるように、掘削作業用建設機械の分野では油圧ショベルなどのアームとブームを有する重機のアームあるいはブームに取り付けられるカメラは一般に知られる。カメラの光軸はアームに平行に設定される。アームの先端に取り付けられたバケットに向けられる。このような重機が地面を掘り進める際に、運転席の運転手の視点では地面の縁から掘削穴の内部に死角が形成され、掘削穴の深い位置を視認することができない。カメラの映像は死角の解消に役立つ。

特開平８−３１９６４０号公報

運転手からの視点では同様に掘削穴の手前側は視認されることができない。運転手が気づかずに、掘削穴の手前側に掘削が進んでしまうと、足元の地面が崩落し、重機が掘削穴に落下してしまうおそれがある。掘削穴の手前側の様子を視覚的に観察することができれば、そうした落下の可能性を最小限に低減することができる。

本発明のいくつかの態様によれば、重機の落下の回避に役立つカメラシステムを提供することができる。

本発明の一態様は、車体とアームおよびブームを少なくとも備える重機の、前記アームまたは前記ブームの少なくともいずれか一方に取り付けられて、前記車体が置かれる基準平面上の前記車体の前方に仮想的に規定される前記基準面から垂直にかつ前記車体の直進方向と直交する向きで立設された垂直面から前傾する方向に光軸が向いた撮像ユニットと、前記撮像ユニットから出力される撮像信号を受信し、前記撮像ユニットが撮像した画像を上下方向に反転させ画像信号として出力する信号処理装置とを備えるカメラシステムに関する。

重機が地面を掘り進める際に、運転席の運転手の視点では地面の縁から掘削穴の内部に死角が形成される。運転手の視点から掘削穴の手前側を視認することはできない。像の入射方向が垂直面から前傾すると、重機の足元は撮像されることができる。このとき撮像ユニットの上下が反転していることからアームを下方向に動かすと撮像ユニットが撮像した画像を表示した画面上には掘削穴と地面との境界が上から下に向かって移動する様子が映し出されるため、運転手は違和感を感じる。アームを下げる動作は撮像ユニットの視点を段々と上から下に移動させる動作に等しいため、このときには掘削穴と地面との境界は画面下の方から上の方に移動する方がアームが下がっている動作と表示が一致するため状況を認識しやすい。このため、撮像した画像を上下方向に反転させ出力させる。これによりアームを下方向に動かすと掘削穴と地面との境界が下から上に向かって撮像ユニットが撮像した画像を表示した画面上を移動することとなり、運転手は良好に画像を確認することができる。こうしてカメラシステムは重機の落下の回避に役立つ。その一方で、像の入射方向が垂直面から後方に（運転席側に）傾くように撮像ユニットが配置される場合は、撮像ユニットの上下は反転していないため、撮像した画像は上下方向に反転させずに、そのまま出力させる。アームを下方向に動かすと画像は上から下に流れる様に動くこととなり、違和感は生じない。像の入射方向は例えばレンズの光軸で規定されることができる。あるいは、レンズレスであれば、撮像素子のアレイ表面から垂直方向に規定されることができる。

前記信号処理装置は、撮像した画像の上下を反転しない画像信号から、前記撮像された画像の上下を反転する前記画像信号に出力を切り替えてもよい。運転手は、掘削穴をのぞき込む感覚で、違和感なく画像を観察することができる。こうして運転手は良好に掘削穴の内部を把握することができる。

カメラシステムでは、前記光軸方向が前記垂直面に対して＋４５度を超えると、前記画像信号の出力は切り替えられてもよい。＋４５度未満では掘削穴と地面との境界を見下ろした状況であるため、撮像ユニットが撮像した画像を表示した画面上を掘削穴と地面との境界が上下することはない。よって上下反転の切り替えを行う必要はない。＋４５度を超えると掘削穴と地面との境界が撮像ユニットが撮像した画像を表示した画面を上下する表示となるため、上下を反転させる表示に切り替えることにより、運転手は良好に画像を把握することができる。

以上のように開示の態様によれば、カメラシステムは重機の落下の回避に役立つことができる。

油圧ショベルの一実施形態を示す側面図である。 カメラの光軸方向を示す概念図である。 カメラの光軸方向を示す概念図である。 カメラの光軸方向を示す概念図である。 掘削穴を撮像している概念図である。 検証の際に第１カメラで撮像された画像を示す写真である。 検証の際に第２カメラで撮像された画像を示す写真である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

（１）重機の構成
図１は重機の一具体例としての油圧ショベル１１を概略的に示す。油圧ショベル１１は車体１２を備える。車体１２は地表面Ｇに対して直交する垂直軸１３回りでクローラ１４に対して旋回自在に連結される。油圧ショベル１１はクローラ１４の働きで地表面Ｇを走行することができる。車体１２は垂直軸１３回りでクローラ１４に対して方向を変えることができる。

車体１２には運転席１５が搭載される。運転席１５は垂直軸１３に直交する基準平面１６上に設置される。運転席１５には座席が設置される。運転手は座席に着座して油圧ショベル１１を操作することができる。

車体１２にはブーム１７が搭載される。ブーム１７は地表面Ｇに対して起伏自在に車体１２に連結される。ブーム１７の起伏は第１回転軸１８回りで実現される。ブーム１７および車体１２の間には第１油圧シリンダ１９が連結される。第１油圧シリンダ１９の伸縮に応じてブーム１７の起伏は引き起こされる。

ブーム１７には第１位置検出装置２１が取り付けられる。第１位置検出装置２１は第１回転軸１８回りでブーム１７の伏角θを検出する。伏角θの検出にあたって例えば第１位置検出装置２１は第１油圧シリンダ１９でピストンやロッドの位置を検出すればよい。第１位置検出装置２１は伏角信号を出力する。伏角信号でブーム１７の伏角は特定される。第１位置検出装置２１はブーム１７に代わって車体１２に取り付けられてもよい。

ブーム１７にはアーム２２が支持される。アーム２２は第２回転軸２３回りで回転自在にブーム１７に連結される。第２回転軸２３は例えばブーム１７の先端に配置される。アーム２２およびブーム１７の間には第２油圧シリンダ２４が連結される。第２油圧シリンダ２４の伸縮に応じてアーム２２が動作する。

アーム２２には第２位置検出装置２５が取り付けられる。第２位置検出装置２５は第２回転軸２３回りでアーム２２の回転角γを検出する。回転角γの検出にあたって例えば第２位置検出装置２５は第２油圧シリンダ２４のピストンやロッドの位置を検出すればよい。第２位置検出装置２５は回転角信号を出力する。回転角信号でアーム２２の回転角γは特定される。第２位置検出装置２５はアーム２２に代わってブーム１７に取り付けられてもよい。

アーム２２にはバケット２６が支持される。バケット２６は第３回転軸２７回りで回転自在にアーム２２に連結される。第３回転軸２７は例えばアーム２２の先端に配置される。バケット２６およびアーム２２の間には第３油圧シリンダ２８が連結される。第３油圧シリンダ２８の伸縮に応じてアーム２２に対してバケット２６の相対回転は引き起こされる。ただし、アーム２２にはバケット２６以外に他のアタッチメントが取り付けられてもよい。

油圧ショベル１１にはカメラシステム３１が搭載される。カメラシステム３１は撮像ユニット３２を備える。撮像ユニット３２は第１カメラ３３ａを有する。第１カメラ３３ａはブーム１７に取り付けられる。第１カメラ３３ａの入射方向は例えばレンズの光軸で規定されることができる。あるいは、レンズレスであれば、撮像素子のアレイ表面から垂直方向に規定されることができる。

撮像ユニット３２は撮像する第２カメラ３３ｂをさらに有する。第２カメラ３３ｂはアーム２２に取り付けられ、例えば基準平面１６より下に穴を掘った際に穴の内部を撮像することができる。第２カメラ３３ｂの入射方向は例えばレンズの光軸で規定されることができる。あるいは、レンズレスであれば、撮像素子のアレイ表面から垂直方向に規定されることができる。第２カメラ３３ｂは第２撮像信号を出力する。撮像ユニット３２はブーム１７およびアーム２２のいずれにも取り付けられるだけでなくブーム１７およびアーム２２のいずれか一方に取り付けられてもよい。

第２カメラ３３ｂの取り付け位置および入射方向は基準平面１６上に運転席１５の前方に仮想的に規定される垂直面３４に基づき設定される。垂直面３４は、基準平面１６に直交し、第１回転軸１８に平行に広がってクローラ１４の前端に接する。ここでは、バケット２６が地表面Ｇ（基準平面１６）から最も離れて高い位置に位置する際に確立されるブーム１７の最大伏角θｍａｘと、バケット２６が最も深い位置に位置する際に確立されるブーム１７の最小伏角θｍｉｎとの間で特定される伏角範囲内で基準平面１６および垂直面３４の交線Ｐを撮像し続けるように第１カメラ３３ａの取り付け位置および入射方向は設定される。第１カメラ３３ａは第１撮像信号を出力する。

第２カメラ３３ｂの取り付け位置および入射方向は基準平面１６および垂直面３４に基づき設定されればよい。こうした第２カメラ３３ｂによれば、油圧ショベル１１の足元でバケット２６が作動する際に必ず第２カメラ３３ｂは掘削穴の手前側を撮像することができる。第２カメラ３３ｂは第２撮像信号を出力する。

カメラシステム３１は信号処理装置３７を備える。信号処理装置３７は第１カメラ３３ａおよび第２カメラ３３ｂに接続される。こうした接続にあたって有線が用いられてもよく無線が用いられてもよい。信号処理装置３７は第１カメラ３３ａから第１撮像信号を受信し第２カメラ３３ｂから第２撮像信号を受信する。信号処理装置３７は、第１カメラ３３ａおよび第２カメラ３３ｂの入射方向に応じて画像信号を生成する。画像信号は信号処理装置３７から出力される。

信号処理装置３７には第１位置検出装置２１および第２位置検出装置２５が接続される。第１位置検出装置２１から信号処理装置３７に伏角信号が供給される。第２位置検出装置２５から信号処理装置３７に回転角信号が供給される。信号処理装置３７は画像信号の生成にあたって伏角信号および回転角信号を参照する。

カメラシステム３１は表示装置３８を備える。表示装置３８は運転席１５内に設置される。表示装置３８は操作中の運転手の視界範囲に置かれる。こうして運転手は油圧ショベル１１の操作時に表示装置３８の画面で油圧ショベル１１の足元の様子を視認することができる。

（２）画像信号の生成
図２に示されるように、基準平面１６に直交する垂直面ＶＰから撮像ユニット３２の光軸が後方に（運転席１５側に）傾くとき、信号処理装置３７の画像信号は上下反転されず、そのままの像を出力する。第２カメラ３３ｂの光軸と基準平面１６との交点Ｐから基準平面１６に直交する垂直面ＶＰおよび第２カメラ３３ｂの光軸がなす傾き角αが＋４５度を超えない場合は、画像信号の上下を反転させない。尚、傾き角αは垂直面ＶＰを起点として時計回りの方向でプラスの角度となり、反時計回りの場合はマイナスの角度となる。

図３に示されるように、基準平面１６に直交する垂直面ＶＰから像の入射方向が前傾する（前方に傾く）とき、信号処理装置３７の上下反転された画像信号を出力する。信号処理装置３７は、第２カメラ３３ｂの光軸の延長線と基準平面１６との交点Ｐから基準平面１６に直交する垂直面ＶＰおよび第２カメラ３３ｂの光軸の延長線がなす傾き角αが＋４５度を超えると、画像信号の上下を反転させる。

（３）カメラシステムの動作
図５に示されるように、油圧ショベル１１が地面Ｇを掘り進める際に、運転席１５の運転手の視点では地面Ｇの縁から掘削穴４１の内部に死角４２が形成され視認することができない。運転手からの死角４２では同様に掘削穴４１の手前の掘削面４３は視認されることができない。伏角θの最大値から第１伏角範囲内では、画面の上端側にアーム２２の先端側の像を配置する画像信号に基づき表示装置３８の画面に画像が表示される。運転手の視線に対応して正像が表示される。運転手は、掘削穴４１をのぞき込む感覚で、違和感なく画面の画像を観察することができる。こうして運転手は良好に掘削穴４１の内部を把握することができる。

アーム２２が下方に変位しα２＜傾き角α≦α３に移行すると、図３及び図４に示されるように、第２カメラ３３ｂの光軸方向が垂直面ＶＰから前傾する。ここで図３に示すα２はα２＝４５度であり、図４に示すα３は油圧ショベル１１が可動させることができる最大の傾き角である。この範囲で画像は切り替えられる。撮像画像の上下は反転され表示される。運転手は良好に画像を確認することができる。こうしてカメラシステム３１は油圧ショベル１１の落下の回避に役立つ。その一方で、アーム２２が上方に変位しα１≦傾き角α≦α２に移行すると撮像画像の上下は反転されず、そのまま表示される。ここで図２に示すα１は油圧ショベル１１が可動させることができる最小の傾き角である。

カメラシステム３１では、入射方向が垂直面ＶＰに対して大きくても＋４５度を超えると、画面の上下が反転された画像信号に基づき画面に画像が表示される。＋４５度未満では基準平面１６と掘削穴４１との境界を見下ろした状況であるため、画面上を基準平面１６と掘削穴４１との境界が上下することはない。よって切り替えを行う必要はない。＋４５度を超えると画面上を基準平面１６と掘削穴４１との境界が画面を上下する表示となるため、上下を反転させる表示に切り替えることにより、運転手は良好に画像を把握することができる。

（４）検証
本発明者は画像を検証した。検証にあたって油圧ショベル１１の模型が用いられた。模型のブーム１７およびアーム２２には第１カメラ３３ａおよび第２カメラ３３ｂがそれぞれ取り付けられた。ブーム１７の伏角θおよびアーム２２の回転角γに応じて第１カメラ３３ａおよび第２カメラ３３ｂで撮像が実施された。図６に示されるように、ブーム１７の最大伏角θｍａｘおよびそれよりも小さい伏角θ_１ではブーム１７に搭載の第１カメラ３３ａの画像に違和感は生じない。伏角θ_１よりも小さい伏角θ_２では、垂直面ＶＰから像の光軸が前方に傾く。このとき、画像に違和感までは感じないものの、上下反転によって視認性の向上が認められた。伏角θ_２より小さい伏角θ_３では画像の上下を反転させると、画面に良好な画像が表示されることが確認された。図７に示されるように、アーム２２の最大回転角γでブーム１７の最大伏角θｍａｘが伏角θ_１に減少すると、アーム２２に搭載の第２カメラ３３ｂの光軸は垂直面ＶＰから前方に傾く。このとき、アーム２２の回転角γ_２、γ_３および伏角θ_２、θ_３に応じて画像の上下を反転させると、画面に良好な画像が表示されることが確認された。

１１ 重機（油圧ショベル）、１２ 車体、１５ 運転席、１６ 基準平面、１７ ブーム、２２ アーム、３１ カメラシステム、３４ 垂直面、３２ 撮像ユニット、３７ 信号処理装置、ＶＰ 垂直面。

Claims (1)

1. 基準平面に置かれる重機の車体に対して第１連結軸回りで動くブームと、前記ブームに対して前記第１連結軸に平行な第２連結軸回りで動くアームとのうち、少なくともいずれか一方に取り付けられて、前記アームおよび前記ブームの動きに応じて姿勢を変化させ前記基準平面に直交し前記第２連結軸に平行な垂直面に対して光軸を前傾させる撮像ユニットと、
   前傾の角度が前記垂直面に対して４５度以下のとき、前記撮像ユニットで撮像された画像の上下を反転せずに表示画像を特定する画像信号を出力し、前傾の角度が前記垂直面に対して４５度を超えると、撮像された画像の上下を反転させた表示画像を特定する画像信号を出力する信号処理装置と
   を備えることを特徴とするカメラシステム。