JPH11247231A - 土工機械の自律制御のためのソフトウェア・アーキテクチュア - Google Patents

土工機械の自律制御のためのソフトウェア・アーキテクチュア

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JPH11247231A
JPH11247231A JP10361173A JP36117398A JPH11247231A JP H11247231 A JPH11247231 A JP H11247231A JP 10361173 A JP10361173 A JP 10361173A JP 36117398 A JP36117398 A JP 36117398A JP H11247231 A JPH11247231 A JP H11247231A
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sensor
data
software architecture
planner
motion planner
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JP10361173A
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Patrick Rowe
ローウェ パトリック
Jorgen Pedersen
ペーダーセン ジョルゲン
Anthony Stentz
ステンツ アンソニー
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for
    • E02F9/2045—Guiding machines along a predetermined path
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Operation Control Of Excavators (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自律的な土工機械の多数のソフトウェア機能
を統合し調整するためのソフトウェア・アーキテクチュ
アを提供する。 【解決手段】 センサ・パイプライン２０、センサデー
タ・コンシューマ３０及びモーション・プランナ４０を
備え、センサ・パイプライン２０は知覚センサから受け
取ったデータを他のシステム構成要素で使える形式に変
換し、センサデータ・コンシューマ３０はセンサデータ
を使用して他のシステム構成要素による使用のために土
工機械の環境に関する情報を生成し、モーション・プラ
ンナ４０はセンサデータ・コンシューマ３０から提供さ
れた情報を受け取って出力コマンドを土工機械のコント
ローラに与える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、土工機械用の
ソフトウェア・アーキテクチュア、さらに詳細に述べる
と、自律モードで土工機械を制御するためのソフトウェ
ア・アーキテクチュアに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】土工作業には、掘削機、バックホー、フ
ロント・ショベルなどのような機械を使用する。このよ
うな土工機械は、ブーム、スティック、バケットのリン
ク機構から成る作業器具を有している。ブームは、その
一端が掘削機に枢着され、またその他端がスティックに
枢着されている。バケットは、そのスティックの自由端
に枢着される。作業器具のリンク機構はそれぞれ、垂直
面内で動くように、少なくとも１つの油圧シリンダを使
って制御可能なように駆動される。オペレータは、一般
に作業器具を操作して、全土工作業サイクルを構成して
いる一連の異なる機能を実行する。
【０００３】代表的な作業サイクルでは、オペレータ
は、まず最初に、掘削位置に作業器具を置いて、バケッ
トが土に入り込むまで作業器具を下げる。次にオペレー
タは、掘削行程を実行してバケットを掘削機の方へ導
く。次にオペレータは、バケットをカールさせて、土を
捕らえる。捕らえられた土を降ろすために、オペレータ
は、作業器具を上げて、それを指定された荷降ろし位置
まで横方向に振って、スティックを伸ばしバケットをま
っすぐにすることで土を放す。次に、その作業器具を掘
削位置に戻して、再度、作業サイクルを開始する。
【０００４】いくつかの理由から、土工業界では土工機
械の作業サイクルを自動化する要求が高まっている。人
間のオペレータとは異なって、自動土工機械は、環境条
件や長い労働時間に関係なく、一貫して生産的である。
条件が人間にふさわしくないか、または人間に好ましく
ないような用途には、この自動土工機械が理想的であ
る。さらに自動機械を使えば、より正確な掘削が行え、
しかもオペレータの技量の不足も補償される。
【０００５】自動土工のための主な構成要素、例えば土
を掘る要素、土をトラックに積み込む要素、トラックの
位置と向きを認識する要素が現在開発中である。以上の
機能はすべて、コンピュータのソフトウェアにより実行
される。完全に自律的な土工機械の多数のソフトウェア
機能を統合し調整するために、ソフトウェア・アーキテ
クチュアが必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、上
述した問題の１つ以上を克服することを課題としてい
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明により、土工作業
を自動化するのに必要な構成要素を編成し調整し、かつ
それらの構成要素間のデータの流れを調整するモジュラ
・アーキテクチュアが開示されている。このアーキテク
チュアには、センサ・パイプライン、センサデータ・コ
ンシューマ、モーション・プランナ及びエグゼキュタと
いう３つの主要な部分がある。センサ・パイプライン
は、レーザ範囲調整器またはレーダ・システムのような
知覚センサから生のセンサデータを受け取って、そのデ
ータを、他のシステム構成要素で使える形式に変換す
る。センサデータは、他のソフトウェア・コンポーネン
トによる使用のために、周囲地面の地面高度マップの形
式で表すこともできる。システムの能力と要件に応じ
て、このソフトウェア・アーキテクチュアには、いかな
る数や型式のセンサシステムも追加することができる。
センサデータ・コンシューマは、特定のアルゴリズムへ
の入力としてセンサデータを使用して、他のシステム構
成要素による使用のために、土工機械の環境に関する情
報を生成する。モーション・プランナは、センサデータ
・コンシューマから提供された情報を受け取って、出力
コマンドを土工機械のコントローラに受け渡す。さら
に、モーション・プランナは計算して、コマンドを土工
機械のセンサシステムにも受け渡す。このレベルでは、
さらにプランナを追加して、他のシステム挙動やシステ
ム動作を調整する場合もある。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示す実施例に
ついて説明する。図１は、本発明による土工機械の自律
制御用のソフトウェア・アーキテクチュア１８の好適な
実施例を示している。実線枠内に記された各構成要素
は、単独に、理想的にはそれ自体のプロセッサで実行さ
れると、システム構成要素の固有の並行処理をエミュレ
ートすることができる。破線枠と破線は、このソフトウ
ェア・アーキテクチュア１８に追加できる構成要素を表
している。円は、土工機械自体の中にある知覚センサシ
ステムやコントローラのように、当該システムがやり取
りする任意の外部ハードウェアを表している。ソフトウ
ェア・アーキテクチュア１８の主な構成要素について以
下に説明する。
【０００９】センサ・パイプライン２０は、センサ・シ
ステム２４とソフトウェア・アーキテクチュア１８との
間のインタフェース２２を提供する。例えば、センサ・
パイプライン２０は、エンコーダ・ビットを、ラジアン
または度で表される角度に変換し、また対応する走査線
プロセッサ２６からセンサ・システム２４にコマンドを
送ることもできる。各センサ・インタフェース２２は、
特定のセンサ・システム２４に特有なものである。走査
線プロセッサ２６は、センサ・システム・インタフェー
ス２２からデータを受け取る。センサ・システム２４
は、レーダ、レーザ、ソナー、または赤外線センサに基
づくものも含め、様々な種類のものであってもよい。セ
ンサ・システム２４は、知覚センサのコンピュータ・シ
ミュレーションを含むこともできる。センサ・システム
２４で提供されるデータは、位置や速度などのセンサの
状態に関する情報だけでなく、その環境内にある対象物
に対応する二次元または三次元のレンジ・データおよび
／またはイメージ・データからも成る場合がある。セン
サ・システム２４で提供される他の情報も、そのデータ
ベースに格納できる。このレンジ・センサ・データは、
一般に、対象物に対する視線レンジ、方位角、高さも含
め、球座標内にある。走査線プロセッサ２６は、各デー
タポイントを、システム内の他のソフトウェア・モジュ
ールに共通の基準を与える大域基準枠の中で測定された
デカルト座標に変換する。これを行うために、走査線プ
ロセッサ２６は、掘削機の位置と向き、および、座標変
換で必要な他の任意の角度測定（例えば、掘削機の旋回
角）に関する情報を必要とする。この情報は、掘削機に
搭載の位置把握システム２７、例えば全地球測位システ
ム（ＧＰＳ）受信機、インクリノメータ、または慣性航
法システムにより提供される。
【００１０】地面マップ・サーバ２８は、センサデータ
について追加レベルの処理を行って、それを周囲地面の
高度マップの形式にする。この地面マップは、図１に示
されるソフトウェア・アーキテクチュア１８において、
センサデータ・コンシューマ３０として他のモジュール
で使用できる。地面マップ・サーバ２８には、集中デー
タサーバ（図示せず）において、１個以上の走査線プロ
セッサ２６からの処理済みデータを格納し、またこのデ
ータのうちの要求された部分をセンサデータ・コンシュ
ーマ３０に供給するための構成要素が含まれる。センサ
データ・コンシューマ３０は、問合せを地面マップ・サ
ーバ２８に送って、満たさなければならない任意の制約
条件と共に、対象の特定の位置または区域についてデー
タを指定する。このデータに課される制約条件は、デー
タを供給するセンサの種類によって様々であるが、例え
ば、センサの識別名、解像度、データを受け取った時
間、データ精度の信頼度を含む場合もある。問合せを受
け取ると、地面マップ・サーバ２８の処理手段と関連の
あるアルゴリズムは、データを新しい順に並び換えて、
指定された制約条件を満たすデータを見つける。様々な
種類のセンサシステム２４が、地面マップ・サーバ２８
に接続されて、その情報が、地面マップ・サーバ２８の
データの入力、出力、記憶容量に応じて１つ以上のセン
サデータ・コンシューマ３０によってアクセスされる。
地面マップ・サーバについてのこれ以上詳細な説明は、
この出願と同日に提出され、参照によってここに組み入
れられた「土工環境において三次元レンジ・データを受
取り、記憶させ、配布するための方法と装置」と題する
本出願人の同時係属出願において提供される。
【００１１】センサデータ・コンシューマ３０には一般
に、実行されるべきタスクと、求められるタスクをでき
るだけ効率的に達成するために掘削機を用いて行う運動
を決定するための、掘削機の状態と掘削環境に関するデ
ータを求めるソフトウェア・モジュールが含まれる。
「現場の基礎のために、この場所を掘削する」といった
全体的な掘削タスクは、一連のサブタスクに分割され、
それらのサブタスクの一部は、総合タスクが達成される
まで繰り返される。これらのサブタスクによって実行さ
れる仕事には、効率的に行われるように全体的タスクを
計画する工程、サブタスクを計画する工程、掘削環境に
おいて対象物を認識して、その対象物の位置と向きを決
定する工程、所望の掘削形状と掘削位置を生成する工
程、制御システム・パラメータを生成する工程、所望の
荷降ろし位置を決定する工程がある。これらのサブタス
クは、タスクの進行をモニタし、もし予見されない変化
または環境があれば、適宜調整を行うこともできる。
【００１２】組み込まれるサブタスクの１つは、掘削さ
れている地面の形状に応じて、次の掘削現場を計画する
掘削地点プランナ３２である。掘削地点プランナ３２の
好適な実施態様は、３つの異なる処理レベルを有する土
工作業のための計画法を含む。これらの処理レベルの１
つは、コアース・レベルのプランナであって、これは、
現場の形態と地面の目標形状を使用して、掘削領域をさ
らに小さい掘削区域の格子状のパターンに分けて、各区
域について境界線と掘削順序を決定する。次のレベル
は、リファインド・プランナであり、ここでは、実行で
きる最適な掘削軌道を求めて、コアース・プランナによ
り提供された掘削順序の順番に各掘削区域を探索する。
これは、掘削機の地理的制約を満たし、かつ掘削すべき
区域のほぼ境界線内にある候補掘削を選択することで達
成される。リファインド・プランナは、閉ループ・コン
トローラのシミュレート対象モデルを使用することによ
り、また掘削される土の量、消費されるエネルギー、お
よび時間などの性能基準に基づいて費用関数を最適化す
ることにより、このような候補掘削を評定し、その区域
の掘削を始めるのに最適な掘削機のバケットの位置と向
きを決定する。掘削プランナの第３のレベルは制御方式
であり、このレベルでは、閉ループ・コントローラを使
って、掘削機のバケット、スティック、ブームに加えら
れる力をモニタして被制御掘削軌道の実行を制御するこ
とにより、選択された掘削を実行する。このような掘削
地点プランナ３２の実施態様についてこれ以上詳細な説
明は、この出願と同一日に提出されて参照によってここ
に組み入れられた「土工作業を計画するための方法と装
置」と題する本出願人の同時係属出願において提供され
る。
【００１３】掘削中に実行できる他のサブタスクの１つ
は、次のバケット一杯の土をダンプトラックまたは他の
置場のどこに降ろすべきかを計画する、荷積み地点プラ
ンナ３４である。荷積み地点プランナ３４は、トラック
または置場にすでにある土の形状と、その所望の配分を
考慮に入れて、次の荷を降す最適な位置を決定すること
ができる。地面マップ・サーバ２８は、置場にある土の
荷のディジタル・マップに対応するデータを、荷積み地
点プランナ３４と関連するデータ処理手段（図示せず）
に提供する。荷のマップ・データは、一般に１つ以上の
センサ・システム２４で得られ、このデータは、置場に
ある土の高さと形状を含めるように処理される。置場に
おける土の理想的な配分パターンのテンプレートも提供
される。テンプレートとして様々な形状が選択でき、高
さデータをディジタル・コンピュータにあらかじめプロ
グラミングするか、あるいはユーザ入力に基づいて対話
形式で計算することができる。所望の荷配分のためのテ
ンプレートは、単純なパターンから、複雑なパターンま
で様々である。
【００１４】荷積み地点プランナ３４の一実施態様で
は、荷マップは格子部分に分けられて、各格子部分につ
いて高さを表す数値が計算される。格子部分の数値は、
所望の解像度とデータ処理能力に依存する。土の荷の理
想的配分と実際の配分との相関関係を表す値をそれぞれ
の格子部分について計算し、次の土の荷を置く最適な位
置を、その相関値から選択する。この相関アルゴリズム
で計算された値は、代りの荷積み現場や将来の荷積み現
場を選択するなどの、さらに高いレベルの計画にも使用
される。特定のｘｙ位置に対する相関値の計算は、周囲
の格子部分における土の高さだけでなく、特定のｘｙ位
置に対応する格子部分における土の高さも考慮に入れて
いる。荷積み地点プランナ３４と関連する処理手段は、
センサ信号のノイズなどの問題のために高さデータが利
用できない荷マップの格子部分に関するデータも推定す
る。これらの相関値を計算する処理時間を減らすため
に、荷積み地点プランナ３４に、格子の所定の部分（例
えば、中央格子部分）しか処理しない命令を含めること
もできる。このような荷積み地点を決定するための方法
は、この出願と同一日に提出されて参照によってここに
組み入れられた「容器内における積載物質の最適位置決
定方法及び装置」と題する本出願人の同時係属出願にお
いてさらに詳しく説明されている。
【００１５】オブジェクト・レコグナイザ３６は、この
ソフトウェア・アーキテクチュアに組み込んで、積み込
むトラックまたは他の置場の位置、向き、大きさを決定
することができる別のサブタスク・アルゴリズムであ
る。オブジェクト・レコグナイザ３６の一実施態様で
は、掘削された土を受け取るために対象物の位置と向き
を決定する方法および装置（例えば、建設現場または採
掘現場のダンプトラック）では、平面区域に区分された
レンジ・データを使用する。オブジェクト・レコグナイ
ザ３６と一体化できる線分を、形成するためのアルゴリ
ズムでは、走査線の範囲内にある隣接データポイントを
線分にまとめる。各走査線中の線分は併合されるが、た
だし、その結果得られた線分は、しきい値の範囲内で誤
差がある。この誤差は、最小二乗回帰、または他の形式
の回帰を用いれば計算できる。この処理をすべての線分
を併合して他の線分にするまで続ける。各走査線中の各
線分は、併合平面の誤差がしきい値の範囲内にある場
合、最適平面と併合される。ただし、結合面の誤差が第
２のしきい値の範囲内にある場合、平面は併合されて平
面対にされる。各平面に垂直なベクトルを計算して、平
面と、類似垂直面との可能な併合を計算する。可能なあ
らゆる併合を完了して得られた平面が、対象物認識ソフ
トウェアで用いられる。探索アルゴリズムは、レンジ・
データから得られた対象物の平面区域を、認識されてい
る対象物に類似した１つ以上のモデルの平面区域に合わ
せる。探索技法によって生成される一連の情景平面区域
をモデルの平面区域に合わせることから成る仮説が作ら
れる。次の段階は、そのレンジ平面区域が、その対象物
を申し分なく表現しているかどうか検証し、その平面対
象物の角の頂点の位置を決定することである。この検証
処理では、情景における対象物の可能な位置に関する領
域知識と共に、対象物の大きさの許容差と、平面区域間
の角度関係を用いて、たとえレンジ・データの一部が欠
けていても、対象物の角頂と、対象物のいくつかの平面
の閉塞を決定する。この検証処理は、ある程度平面から
成る土工環境において荷を受け取るために、対象物また
は対象物の一部の位置と向きを決定するタスクに特定さ
れる。オブジェクト・レコグナイザ３６のこの実施態様
のさらに詳しい説明は、本出願と同日に提出されて参照
によってここに組み入れられた「対象物の位置、大き
さ、向きを決定するための方法と装置」と題する本出願
人の同時係属出願において提供される。
【００１６】本発明のソフトウェア・アーキテクチュア
１８に組み込まれるオブジェクト・レコグナイザ３６の
別の実施態様は、走査センサから得られた増分レンジ・
データを用いて、ダンプトラックなどの対象物の位置と
向きを認識、決定することを含む。この認識方法は、一
般に土工環境において荷を受け取る対象物（例えば、ダ
ンプトラック）の形状特性とともに、走査センサで提供
されるデータの特性を利用している。走査センサ・シス
テムで提供される単一の走査線から得られるデータは、
走査線に切れ目があるかどうか判定するために処理され
る。さらに、この認識方法は、隣接走査線の切れ目は、
互いにきわめて接近しており、対象物のモデルの主要な
特徴に一致するという事実も利用している。ダンプトラ
ックの荷台などの対象物の最上縁と最下縁、および地面
の顕著な変化を探し出して、単一の走査線の切れ目とす
ることができる。これらの切れ目を用いて、対象物の位
置と向きについて可能な解釈が形成される。さらに多く
の走査線を受け取るにつれて、きわめて接近したところ
にある切れ目に類似したラベルが与えられる。ライン
も、これらの切れ目に適合され、対象物に関する可能な
解釈である１つ以上のモデルの縁と比較される。このモ
デルから得られた形状制約を用いて、実行できない解釈
を排除し、実行できる解釈を確認する。実行できる解釈
が形成されれば、その対象物は認識されたとみなされ
る。最適な解釈は、使用される走査線の数と、認められ
た大部分のモデル特徴に基づいて、対象物の最適な位置
と向きを決定するように処理される。走査線を受け取る
たびに、対象物の位置と向きは絶えず更新されて、他の
機械を制御するために他のサブシステムに提供される。
荷積み機械から荷を受け取る対象物の一般的な向きにつ
いても仮定を用いることができる。この認識法は、対象
物の位置と向きを決定するためにデータの処理を開始す
るまで、対象物全体と周囲領域の走査を必要としない。
オブジェクト・レコグナイザ３６のこの実施態様のさら
に詳しい説明は、本出願と同日に提出されて参照によっ
てここに組み入れられた「三次元の対象物の増分認識」
と題する本出願人の同時係属出願において提供される。
【００１７】モーション・プランナ４０の好適な実施態
様は、少なくとも３つのサブタスク・モーション・プラ
ンナを含む。センサ・モーション・プランナ４２は、定
義済みのセンサ・モーション・スクリプトと現在の機械
状態に基づいて、センサのモーションを計画する。掘削
モーション・プランナ４４は、バケット一杯の土を掘削
して捕らえるように設計されたアルゴリズムである。荷
積みモーション・プランナ４６は、トラックに向かって
移動して荷を降ろし、また戻って別の荷を掘削する機械
のモーションを計画し、実行する。
【００１８】モーション・プランナ４０は、一般に複雑
な自動運動を定める少なくとも１個のパラメータを含む
事前記憶命令を用いて、機械の複雑な自動運動を制御す
る。モーション・プランナ４０は、事前記憶命令の実行
中に各パラメータの値を決定するもので、前回の作業サ
イクルの結果に基づいて、これらのパラメータを変更し
て、機械の性能を所望の結果にさらに正確に一致させる
ようにする学習アルゴリズムを含む場合もある。行われ
た作業の結果、あるいは環境が変化した結果、複雑な自
動運動の変更を定めるために、必要に応じてパラメータ
を使用する。例えば、掘削機で実行される複雑な自動運
動は、掘削機のまわりの対象物の動き、位置、向きに影
響されうる。さらに、掘削機が、土を、ある位置から別
の位置へ移すことを必要とする作業を行っている場合に
は、開始位置か目的地のいずれかが変更され、運動の変
更が要求されることがある。掘削機に搭載されるか掘削
機の環境内のどこかに配置されたセンサを使用して、開
始位置と終了位置を検出することができる。これらの命
令の中のパラメータを変更すれば、複雑な自動運動の効
率を最大にすることができる。例えば、土を積み込んだ
時からトラックに土を降ろすまでアームの高速で効率的
な運動を得るために、掘削機リンク機構上で様々なリン
ク機構の運動をいつ開始すべきかを決定するパラメータ
を命令に含めることができる。モーション・プランナ４
０の好適な実施態様に関するこれ以上の詳細な説明は、
本出願と同日に提出されて参照によってここに組み入れ
られた「自律土工機械の制御を最適化するための学習シ
ステムと方法」と題する本出願人の同時係属出願におい
て提供される。パラメータ付きスクリプトの使用に関す
るさらに詳細な説明は、本出願人の同時係属出願でもあ
る「パラメータ付きスクリプトを用いて運動を制御する
ための自動システムと方法」と題する米国特許出願第０
８／７９６，８２４号にも記載されている。
【００１９】モーション・プランナ４０は、指定された
タスクを掘削機が達成するのに必要な運動を決定する。
このようなタスクを効率的に達成するために、モーショ
ン・プランナ４０は、サブタスク・モーション・プラン
ナ（例えば、センサ・モーション・プランナ４２、掘削
モーション・プランナ４４、荷積みモーション・プラン
ナ４６、障害物検出プランナ４８、あるいは、求められ
るタスクを達成するのに役立つ他の任意の種類のサブタ
スク・モーション・プランナ５４）の１つで生成される
所定の１組のモーション・コマンドに対する掘削機の応
答をあらかじめ定めることができる。モーション・プラ
ンナ４０の出力をマシン・コントローラ５２に送れば、
１つ以上の油圧ポンプを駆動させて、油圧掘削機などの
機械に搭載されたアクチュエータを動かすことができ
る。２つ以上のアクチュエータが、単一の油圧ポンプで
駆動される時には、サブタスク・モーション・プランナ
４２、４４、４６、４８、５４で要求される速度でアク
チュエータのすべてを駆動させるだけの油圧がない場合
もある。これらのアクチュエータの非線形応答と、これ
らのアクチュエータで駆動される可動部分の動きの最適
な組合せを決定するために、掘削機用のコントローラ
は、線形動的システムとしてモデル化される。これらの
アクチュエータの非線形応答は、掘削機のアクチュエー
タと油圧システムの内部変数に応じて変わるルックアッ
プ・テーブルを用いてモデル化できる。テーブル・ルッ
クアップ機能に供給される入力変数または独立変数の数
は、単一のポンプで駆動されるアクチュエータの数に比
例する。センサは、スプール弁の位置やシリンダ力など
の変数を含む、各アクチュエータの内部状態に関するデ
ータを提供する。これらの変数を用いて、各アクチュエ
ータの拘束面を表すデータが入っているテーブルに索引
を付ける。これらの拘束面はあらかじめ定められている
が、同一ポンプで駆動される他のアクチュエータの状態
に左右される。この機械の応答のモデル化技法について
さらに詳細な説明は、本出願と同日に提出されて参照に
よってここに組み入れられた「非線形油圧アクチュエー
タの応答のシミュレーション・モデル化」と題する本出
願人の同時係属出願に記載されている。
【００２０】センサ・モーション・プランナ４２では、
モーション・スクリプトを用いて、作業サイクルにおけ
る装置の進行の関数として、１つ以上のセンサシステム
用の走査パターンと走査速度を導くことができる。セン
サ・モーション・プランナ４２は、位置コマンドおよび
／または速度コマンドを、センサ・システム２４の１つ
以上に送ることができる。センサ・モーション・プラン
ナ４２は、該当するセンサ・インタフェース２２を通じ
て、１つ以上のセンサ・シンステム２４の現状に関する
情報を得ることができる。
【００２１】障害物検出プランナ４８は、地面マップ・
サーバ２８からのセンサデータと、機械の将来の状態の
予測を利用して、提案された運動経路に障害物があるか
どうかを判定する。もし障害物があれば、障害物検出プ
ランナ４８は、その障害物を迂回した進路を計画し、計
画された運動を実行し、制御をモーション・プランナ４
０に戻す。
【００２２】マシン・コントローラ・インタフェース５
０は、機械の可動構成要素に操作可能なように接続され
たコントローラと、ソフトウェア・アーキテクチュア１
８の他の部分との間にインタフェースを提供する。マシ
ン・コントローラ・インタフェース５０は、例えば、ラ
ジアンで表されたコマンドを、マシン・コントローラ５
２の１つ以上によって要求される形式に変換する。さら
に、マシン・コントローラ・インタフェース５０は、研
究開発目的で機械の実ハードウェアとコンピュータ・シ
ミュレーションとを置き換える方法も提供する。可動構
成要素の位置と速度、シリンダ圧力、機械の位置と向き
などの、機械の現状に関する情報を、マシン・コントロ
ーラ５２からマシン・コントローラ・インタフェース５
０に送ることができる。
【００２３】前に考察したサブタスクは、掘削機の自律
制御のための統合モジュラ・ソフトウェア・アーキテク
チュアの好適な実施態様を例示している。代替タスク
は、前に説明したものの他に、または前に説明されたも
のの代りに、１つ以上のサブタスクを必要とすることも
ある。本発明の重要な側面は、本発明が、多くの種類の
タスクおよび多くの種類の機械の特定要件を満たすよう
にできる点である。このソフトウェア・アーキテクチュ
ア１８と関連のあるロジックとデータだけでなく、本発
明と関連のあるセンサ・インタフェース２２、センサ・
パイプライン２０、センサデータ・コンシューマ３０、
プランナ５６のロジック部分も、コンピュータのソフト
ウェア、ファームウェア、またはハードウェア、あるい
はそれらを組み合わせたものに実装することができる。
これらの構成要素間でデータを転送するために、データ
バス式、無線式、衛星式、赤外線式、またはケーブル式
などの任意の適切な送受信手段が使用できる。
【００２４】上述の発明は、油圧掘削機などの、複数の
可動構成要素を有する油圧機械を自動化するのに役立
つ。多くの場合、掘削機は、土壌表面の掘進みなどの高
負荷条件のもとで、高速に働かなければならない。この
ソフトウェア・アーキテクチュアは、センサ、プラン
ナ、モーション・コントローラを調整し、追加のセンサ
・システム、計画アルゴリズム、および／またはマシン
・コントローラをサポートできるモジュラ構造を使用す
ることによりシステム成長を可能にしている。
【００２５】本発明を適合させることのできる土工機械
の具体的な例は、土、石、またはその他の物質を、ある
位置から別の位置へ（例えば、堆積山からダンプトラッ
クへ）移す掘削機である。このような物質を堆積山から
移す場合には、掘削が終了すると掘削機のアームの運動
開始点が変わる。さらに、ダンプトラックは、サイズ、
正確な位置、掘削機などに対する向きなどが変わる場合
がある。そのような変化をすべて考慮に入れて、最大の
効率を得るように、このような物質を最小限のこぼれで
開始位置からトラックへ移さなければならない。
【００２６】図２と図３は、掘削機２００が掘削面２０
２の上に配置され、ダンプトラック２０４が掘削機のバ
ケット２０６が届く範囲内に配置された代表的な掘削現
場を示している。掘削機２００が自律的に動作するため
には、掘削機の運動領域内における対象物と障害物の位
置と、掘削される地面の位置が分からなければならな
い。それゆえ、使用されるセンサシステムは、掘削機２
００に適当な応答時間を提供するのに十分な時間的余裕
をもって、運動領域のまわりの対象物の位置に関する現
在情報を提供できなければならない。このソフトウェア
・アーキテクチュアに用いられるセンサ構成に関するさ
らに詳細な説明は、本出願と同日に提出されて参照によ
ってここに組み入れられた「土工機械用のセンサ構成」
と題する本出願人の同時係属出願に記載されている。
【００２７】図２は、左右のセンサ２０８と２１０を、
掘削機２００上のブーム２１２の左側と右側のほぼ対称
的な位置に実装している本発明の実施例を示す。ダンプ
トラック２０４は、掘削された物質を受け取るために、
掘削機２００の近くに配置されている。掘削と荷積みの
サイクルの間、センサ・モーション・プランナ４２は、
左右のセンサ２０８と２１０に、バケット２０６と、隣
接領域をモニタするように指示する。掘削機２００が掘
削処理の完了に近づくと、センサ・モーション・プラン
ナ４２は、左のセンサ２０８に、ダンプトラック２０４
に向けてパンするように指示し、また障害物検出プラン
ナ４８は、掘削機２００の運動経路に障害物があるかど
うか確認する。オブジェクト・レコグナイザ３６は、荷
積み地点プランナ３４で用いるために、ダンプトラック
２０４の位置と向きを決定する。荷積みサイクルを完了
した後で、モーション・プランナ４０は、掘削面２０２
に向けてブーム２１２を戻す時に、センサ２１０の走査
速度を掘削機２００の枢軸回転と連携させて、掘削機２
００に適当な応答時間を与えるのに十分な時間的余裕を
もって障害物を検出する。
【００２８】左右のセンサ２０８と２１０を別々に動作
させて、効率を向上させることもできる。例えば、掘削
機２００がダンプトラック２０４に向けて旋回する時
に、右のセンサ２１０は、後退して（すなわち、反対方
向にパンして）、掘削区域を走査し、次の掘削部分を計
画するためのデータを提供する。同時に、左のセンサ２
０８は、ダンプトラック２０４のまわりの領域を走査す
る。左のセンサ２０８は、現在の情報を荷積み地点プラ
ンナとモーション・プランナ４０に提供して、たとえダ
ンプトラック２０４が最終荷積みサイクル以後移動した
としても、荷積み地点プランナ３４が、バケット２０６
を降ろす正確な位置を決定できるようにする。バケット
２０６の荷が降ろされている間、センサ・モーション・
プランナ４２は、右のセンサ２１０に、バケット２０６
の右側の区域と、その付近の区域を走査して、掘削面２
０２に向けての回転の準備をするように指示する。掘削
機２００が右方に回転する場合、右のセンサ２１０が先
に、掘削面２０２に向けてパンして、障害物検出プラン
ナ４８用の情報を得る。掘削モーション・プランナ４４
が、掘削機２００に、荷降ろし後に掘削面２０２に向け
て回転するように指示する時には、このセンサ・モーシ
ョン・プランナは、左のセンサ２０８に、後退してダン
プトラック２０４の荷台に載っている土の配分を観測さ
せ、その情報を荷積み地点プランナに提供して、荷台の
中で次のバケット一杯の土を降ろす位置を決定するよう
に指示する。バケット２０６が掘削面２０２の近くにく
ると、センサ・モーション・プランナ４２は、右のセン
サ２１０に、掘削領域を走査して、その情報を掘削地点
プランナ３２に提供するように指示する。左のセンサ２
０８がダンプトラック２０４の走査を完了すると、セン
サ・モーション・プランナ４２は、センサ２０８にも、
掘削区域を走査するように指示する。掘削処理の諸段階
は、モーション・プランナ４０がダンプトラックの荷台
が一杯になったか、または掘削が完了したことを判定す
るまで、上に略述される通りに繰り返される。センサデ
ータ・コンシューマ３０とプランナ５６はセンサ・シス
テム２４から地面マップ・サーバ２８に提供された情報
を使用して、ダンプトラック２０４が一杯になったり掘
削が完了したか、あるいは障害物が検出されたような時
に作業が一時停止されるべきかどうかを決定する。この
情報は装置の運動のナビゲーションにも使用される。
【００２９】掘削作業と荷積み作業への本発明の上記応
用例は、本発明で開示されたソフトウェア・アーキテク
チュアの効用を例示している。掘削機以外に、本発明
は、（１）作業現場全体にわたる移動性と、（２）バケ
ット、ショベル、ブレード、リッパ、突き固めホイール
などのような機械の工具または作業部分を用いて作業現
場の地形または地勢を変える能力のいずれをも示す他の
土工機械（例えば、ホイールローダ、キャタピラー型ト
ラクタ、突き固め機、モータグレーダ、農業機械、ペー
バー、アスファルト・レーヤなど）にも応用できる。
【００３０】本発明の他の態様、目的および利点は、図
面、説明、添付の特許請求の範囲の検討によって得られ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるソフトウェア・アーキテクチュア
の実施態様のブロック図である。
【図２】掘削面の上に掘削機を配置し、かつ掘削機のバ
ケットが届く所にダンプトラックを配置した掘削現場の
一例の上面図である。
【図３】掘削面の上に掘削機を配置した掘削現場の一例
の側面図である。
【符号の説明】
２０ センサ・パイプライン ２４ センサ・システム ３０ センサデータ・コンシューマ ４０ モーション・プランナ
フロントページの続き (72)発明者 ジョルゲン ペーダーセン アメリカ合衆国 15217 ペンシルバニア ピッツバーク アパートメント ８ ホ バート ストリート 5673 (72)発明者 アンソニー ステンツ アメリカ合衆国 15217 ペンシルバニア ピッツバーク スタンディッシュ ブル バード 50

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 土工機械の環境の関連部位に関するデー
    タを提供するように作動する少なくとも１つのセンサシ
    ステムと、 少なくとも１つのセンサシステムからデータを受け取
    り、そのデータをソフトウェア・アーキテクチュアの構
    成要素に配布するように作動するセンサ・パイプライン
    と、 そのデータを用いて環境内の対象物の認識、掘削する位
    置の選択、掘削された物質を置く位置の選択などの土工
    作業を計画するように作動する少なくとも１つのセンサ
    データ・コンシューマと、 少なくとも１つのセンサ・システムと土工機械の構成要
    素を動かして、土工作業の諸段階を同時に計画し実行す
    るコマンドを生成するように作動する少なくとも１つの
    モーション・プランナとを備えることを特徴とする土工
    機械の自律制御のためのソフトウェア・アーキテクチュ
    ア。
  2. 【請求項２】 センサ・パイプラインにはさらに、デー
    タの少なくとも一部を受け取り、受け取られたデータの
    少なくとも一部を処理して土工環境の少なくとも一部の
    地面マップを生成し、要請に基づき地面マップの少なく
    とも一部を、ソフトウェア・アーキテクチュアの少なく
    とも１つの構成要素に配布するように作動する地面マッ
    プ・サーバが備えられることを特徴とする請求項１記載
    のソフトウェア・アーキテクチュア。
  3. 【請求項３】 モーション・プランナが、土工機械の操
    作条件を用いて、土工機械の構成要素を動かして土工作
    業を実行するコマンドを生成することを特徴とする請求
    項１記載のソフトウェア・アーキテクチュア。
  4. 【請求項４】 モーション・プランナが、土工環境に伴
    う地理的条件を用いて、土工機械の構成要素を動かして
    土工作業を実行するコマンドを生成することを特徴とす
    る請求項１記載のソフトウェア・アーキテクチュア。
  5. 【請求項５】 センサ・パイプラインには、少なくとも
    １つのセンサ・システムからデータを受け取り、かつ少
    なくとも１つのセンサ・システムの運動を制御するため
    のコマンドを少なくとも１つのセンサシステムに送るよ
    うに作動するセンサ・インタフェースが少なくとも１つ
    含まれることを特徴とする請求項２記載のソフトウェア
    ・アーキテクチュア。
  6. 【請求項６】 センサ・パイプラインには、少なくとも
    １つのセンサ・インタフェースからデータを受け取り、
    そのデータを、ある座標系から別の座標系へ変換し、変
    換されたデータを地面マップ・サーバに送るように作動
    する走査線プロセッサが少なくとも１つ含まれることを
    特徴とする請求項５記載のソフトウェア・アーキテクチ
    ュア。
  7. 【請求項７】 少なくとも１つのセンサデータ・コンシ
    ューマが、地面マップ・データを使用して、土工作業を
    実行するための場所を決定するように作動することを特
    徴とする請求項２記載のソフトウェア・アーキテクチュ
    ア。
  8. 【請求項８】 少なくとも１つのセンサデータ・コンシ
    ューマが、地面マップ・データを使用して、土工機械で
    集められ掘削された物質を降ろすための位置を決定する
    ように作動することを特徴とする請求項２記載のソフト
    ウェア・アーキテクチュア。
  9. 【請求項９】 少なくとも１つのセンサデータ・コンシ
    ューマが、地面マップ・データを使用して、土工環境内
    に対象物があるかどうか決定するように作動することを
    特徴とする請求項２記載のソフトウェア・アーキテクチ
    ュア。
  10. 【請求項１０】 モーション・プランナにはさらに、少
    なくとも１つのセンサ・インタフェースからデータを受
    け取り、かつコマンドを少なくとも１つのセンサ・イン
    タフェースに送って少なくとも１つのセンサシステムの
    運動を制御するように作動するサブタスクが少なくとも
    １つ備えられることを特徴とする請求項５記載のソフト
    ウェア・アーキテクチュア。
  11. 【請求項１１】 モーション・プランナからコマンドを
    受け取り、マシン・コントローラからデータを受け取
    り、かつこのコマンドをマシン・コントローラに送り、
    そのデータをモーション・プランナに送るように作動す
    るマシン・コントローラ・インタフェースをさらに備え
    ることを特徴とする請求項２記載のソフトウェア・アー
    キテクチュア。
  12. 【請求項１２】 モーション・プランナがさらに、少な
    くとも１つのセンサデータ・コンシューマからデータを
    受け取り、かつコマンドをマシン・コントローラ・イン
    タフェースに送って、土工機械の運動を制御するように
    作動することを特徴とする請求項１１記載のソフトウェ
    ア・アーキテクチュア。
  13. 【請求項１３】 地面マップ・サーバ、マシン・コント
    ローラ・インタフェース、モーション・プランナからデ
    ータを受け取るように作動し、さらに、そのデータをマ
    シン・コントローラ・インタフェースとモーション・プ
    ランナに送るように作動する障害物検出プランナをさら
    に備えることを特徴とする請求項１２記載のソフトウェ
    ア・アーキテクチュア。
  14. 【請求項１４】 土工機械の位置に関するデータを少な
    くとも１つの走査線プロセッサに送るように作動する位
    置システムをさらに備えることを特徴とする請求項６記
    載のソフトウェア・アーキテクチュア。
  15. 【請求項１５】 少なくとも１つのセンサ・モーション
    ・プランナ、土工モーション・プランナ、荷積みモーシ
    ョン・プランナを含み、かつ土工作業の諸段階を事前に
    計画して総合調整し、また土工機械の構成要素を動かし
    て土工作業を実行するコマンドを生成するように作動す
    る複数のサブタスクを含むモーション・プランナを備え
    ることを特徴とする土工機械の自律制御のためのソフト
    ウェア・アーキテクチュア。
  16. 【請求項１６】 複数のサブタスクと連携し、土工機械
    を制御して土工環境において検出されるどんな障害物へ
    の衝突も回避するように作動する障害物検出プランナを
    さらに備えることを特徴とする請求項１５記載のソフト
    ウェア・アーキテクチュア。
JP10361173A 1997-12-19 1998-12-18 土工機械の自律制御のためのソフトウェア・アーキテクチュア Pending JPH11247231A (ja)

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US09/172420 1998-10-14
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