特開 2025-104123 計画装置、作業機械、運搬車両および計画方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025104123

(43)【公開日】2025-07-09

(54)【発明の名称】計画装置、作業機械、運搬車両および計画方法

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/20 20060101AFI20250702BHJP

   E02F 9/26 20060101ALI20250702BHJP

   G05D 1/43 20240101ALI20250702BHJP

   G05D 1/617 20240101ALI20250702BHJP

【ＦＩ】

E02F9/20 Q

E02F9/20 M

E02F9/26 B

G05D1/43

G05D1/617

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023221989

(22)【出願日】2023-12-27

(71)【出願人】

【識別番号】000001236

【氏名又は名称】株式会社小松製作所

(71)【出願人】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤本 康孝

(72)【発明者】

【氏名】王 家奕

(72)【発明者】

【氏名】宮下 駿平

(72)【発明者】

【氏名】根田 知樹

(72)【発明者】

【氏名】内薗 豊仁

【テーマコード（参考）】

2D003

2D015

5H301

【Ｆターム（参考）】

2D003AA01

2D003AB01

2D003AC10

2D003BA02

2D003BA03

2D003DB04

2D003DB05

2D003FA02

2D015HA03

2D015HB04

2D015HB05

5H301AA03

5H301AA10

5H301BB02

5H301CC03

5H301CC06

5H301CC10

5H301DD07

5H301DD15

5H301GG07

5H301GG08

5H301GG09

5H301GG16

5H301GG17

5H301LL06

(57)【要約】

【課題】省力化を図ることができる計画装置、作業機械、運搬車両および計画方法を提供する。
【解決手段】計画装置は、作業機械を用いて対象物を運搬車両に積み込む積込作業において、前記作業機械の走行位置経路を計画する装置であって、積み込まれる前記対象物の量、および作業機械と運搬車両との情報に基づいた評価関数を用いて、前記走行位置経路を探索する経路探索部を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

作業機械を用いて対象物を運搬車両に積み込む積込作業において、前記作業機械の走行位置経路を計画する装置であって、
積み込まれる前記対象物の量、および作業機械と運搬車両との情報に基づいた評価関数を用いて、前記走行位置経路を探索する経路探索部
を備える計画装置。

【請求項2】

前記走行位置経路は複数の中間走行位置を含み、
前記走行位置経路を計画するとともに、前記複数の中間走行位置のいずれかに対応する複数の中間積込位置を通る前記運搬車両の積込位置経路を計画し、
前記経路探索部は、前記評価関数を用いて前記積込位置経路を探索する
請求項１に記載の計画装置。

【請求項3】

前記経路探索部は、前記各中間走行位置と対応する前記各中間積込位置との組において、積み込まれる前記対象物の量を前記評価関数を大きくする変数とするとともに、前記運搬車両の移動経路の長さ、前記運搬車両と前記作業機械間の相対距離、前記運搬車両と前記作業機械間の相対角度、もしくは、前記作業機械の移動経路の長さの少なくとも一つを前記評価関数を小さくする変数として、前記評価関数を最大化する前記走行位置経路と前記積込位置経路とを探索するか、または、積み込まれる前記対象物の量を前記評価関数を小さくする変数とするとともに、前記運搬車両の移動経路の長さ、前記運搬車両と前記作業機械間の相対距離、前記運搬車両と前記作業機械間の相対角度、もしくは、前記作業機械の移動経路の長さの少なくとも一つを前記評価関数を大きくする変数として、前記評価関数を最小化する前記走行位置経路と前記積込位置経路とを探索する
請求項２に記載の計画装置。

【請求項4】

前記積込作業は、前記作業機械が前記対象物を掘削し、掘削した前記対象物を前記作業機械が前記運搬車両に積み込む作業であり、
前記経路探索部は、前記作業機械が前記対象物を掘削した場所を前記作業機械の走行禁止領域に設定して、前記走行禁止領域外で前記走行位置経路を探索する
請求項３に記載の計画装置。

【請求項5】

前記経路探索部は、前記作業機械が前記対象物を掘削した場所を前記運搬車両の積込位置禁止領域に設定して、前記積込位置禁止領域外で前記積込位置経路を探索する
請求４に記載の計画装置。

【請求項6】

前記作業機械を各前記中間走行位置に順次移動させながら、各前記中間走行位置における前記作業機械の掘削方向を計画する掘削計画部を備え、
前記掘削計画部は、前記作業機械の位置情報と、前記対象物からなる地形を表す地形情報と、掘削によって形成する前記地形の目標面である設計面を表す設計面情報とに基づいて計算された当該中間走行位置において掘削可能な領域の体積に基づいて、前記作業機械を次の前記中間走行位置へ移動させるか否かを判定する
請求項５に記載の計画装置。

【請求項7】

前記作業機械を各前記中間走行位置に順次移動させながら、各前記中間走行位置における前記作業機械の掘削方向を計画する掘削計画部を備え、
前記掘削計画部は、当該中間走行位置において、前記作業機械の掘削可能範囲内にある積込可能な前記対象物の量と、前記対象物の掘削に要する時間とに基づいて、前記作業機械を次の前記中間走行位置へ移動させるか否かを判定する
請求項５に記載の計画装置。

【請求項8】

前記作業機械を各前記中間走行位置に順次移動させながら、各前記中間走行位置における前記作業機械の掘削方向を計画する掘削計画部を備え、
前記掘削計画部は、前記運搬車両の最大可能積載量に基づいて、前記作業機械を次の前記中間走行位置へ移動させるか否かを判定する
請求項５に記載の計画装置。

【請求項9】

請求項６、７、または、８のいずれか１項に記載の計画装置を備える
作業機械。

【請求項10】

請求項６、７、または、８のいずれか１項に記載の前記走行位置経路に基づいて自動走行する
作業機械。

【請求項11】

請求項６、７、または、８のいずれか１項に記載の前記積込位置経路に基づいて自動走行する
運搬車両。

【請求項12】

請求項６、７、または、８のいずれか１項に記載の前記走行位置経路に基づいて遠隔操作される
作業機械。

【請求項13】

作業機械を用いて対象物を運搬車両に積み込む積込作業において、前記作業機械の走行位置経路を計画する方法であって、
積み込まれる前記対象物の量、および作業機械と運搬車両との情報に基づいた評価関数を用いて、前記走行位置経路を探索するステップ
を含む計画方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、計画装置、作業機械、運搬車両および計画方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、掘削位置、積込位置、または、放土位置を、積載荷重に応じて、作業機械の移動先である目標位置に設定する作業機械の制御システムが記載されている。特許文献１に記載されている制御システムでは、掘削位置、積込位置、および、放土位置は、パーソナルコンピュータ、タブレット端末、スマートフォン等を用いて、作業指示として入力される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１５４０５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されている制御システムでは、掘削位置、積込位置等の位置情報を人手で決定し、入力する必要があるため、作業機械を用いた自動運転における省力化に向上の余地があるという課題あった。

【0005】

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、作業機械の効率的な掘削、積込、および走行作業を自動で計画し、省力化を図ることができる計画装置、作業機械、運搬車両および計画方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の計画装置は、作業機械を用いて対象物を運搬車両に積み込む積込作業において、前記作業機械の走行位置経路を計画する装置であって、積み込まれる前記対象物の量、および作業機械と運搬車両との情報に基づいた評価関数を用いて、前記走行位置経路を探索する経路探索部を備える。

【0007】

本開示の作業機械は、上記計画装置を備える。

【0008】

本開示の作業機械は、上記走行位置経路に基づいて自動走行する。

【0009】

本開示の運搬車両は、本開示の計画装置が計画した積込位置経路に基づいて自動走行する。

【0010】

本開示の作業機械は、上記走行位置経路に基づいて遠隔操作される。

【0011】

本開示の計画方法は、作業機械を用いて対象物を運搬車両に積み込む積込作業において、前記作業機械の走行位置経路を計画する方法であって、積み込まれる前記対象物の量、および作業機械と運搬車両との情報に基づいた評価関数を用いて、前記走行位置経路を探索するステップを含む。

【発明の効果】

【0012】

本開示の計画装置、作業機械、運搬車両および計画方法は、省力化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示の実施形態に係る自動運転システムの構成例を示す概略図である。

【図2】本開示の実施形態に係る計画装置等の構成例を示すブロック図である。

【図3】本開示の実施形態に係る作業エリアの概要を示す模式図である。

【図4】本開示の実施形態に係る施工範囲の例を示す模式図である。

【図5】本開示の実施形態に係る処理の概略を示すフローチャートである。

【図6】本開示の実施形態に係る３次元ボクセルマップの例を示す模式図である。

【図7】本開示の実施形態に係る作業機械と運搬車両の位置および向きの定義の仕方の例を示す模式図である。

【図8】本開示の実施形態に係る最適走行経路計画の例を説明するための模式図である。

【図9】本開示の実施形態に係る計画装置の動作例を示すフローチャートである。

【図10】本開示の実施形態に係る最適走行経路計画の作成例を示すフローチャートである。

【図11】本開示の実施形態に係る仮掘削モデルの例を示す模式図である。

【図12】本開示の実施形態に係る仮掘削モデルの例を示す模式図である。

【図13】本開示の実施形態に係る仮掘削モデルの例を示す模式図である。

【図14】本開示の実施形態に係るスポッティング位置禁止エリアおよび走行位置禁止エリアの例を示す模式図である。

【図15】本開示の実施形態に係るスポッティング位置禁止エリアを説明するための模式図である。

【図16】本開示の実施形態に係る最適掘削計画の作成例を示すフローチャートである。

【図17】本開示の実施形態に係る掘削可能な量の例を示す模式図である。

【図18】本開示の実施形態に係る動作例を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して本開示の実施形態について説明する。なお、各図において同一または対応する構成には同一の符号を用いて説明を適宜省略する。

【0015】

（自動運転システムの概要）
図１は、本開示の実施形態に係る自動運転システムの構成例を示す概略図である。図１に示す自動運転システム１は、作業機械１００と、運搬車両２００と、計画装置３００とを備える。図１に示す自動運転システム１は、計画装置３００が計画した作業機械１００の走行位置経路と、運搬車両２００の積込位置経路とに基づき、作業機械１００を用いて対象物４０１を運搬車両２００に積み込む積込作業を自動運転で実行する。なお、本実施形態では、一例として、積込作業は、作業機械１００が対象物４０１を掘削し、掘削した対象物４０２を作業機械１００が運搬車両２００に積み込む作業であるとする。ただし、運搬車両２００に積み込む対象物は、作業機械１００が掘削した対象物に限定されない。積込の対象物としては、例えば、廃棄物等の掘削物以外の物であってもよいし、作業機械１００が過去に掘削し、あるいは、作業機械１００とは異なる他の作業機械が掘削し、堆積等されている物であってもよい。

【0016】

（作業機械１００の構成）
図１に示す作業機械１００は、施工現場にて例えば自動運転され、土砂などの施工対象を施工する。また、作業機械１００は、遠隔運転制御による無人車両であってもよいし、搭乗したオペレータによって操作されてもよい。本開示の実施形態に係る作業機械１００は、例えば油圧ショベルである。ただし、本開示の作業機械は、例えば、運搬車両に所定の対象物を積み込むことができる作業機械であれば限定はなく、例えばフェースショベル、電動ショベルなどの他の作業機械であってもよい。作業機械１００は、走行体１１０、旋回体１２０、および、作業機１３０を備える。

【0017】

走行体１１０は、作業機械１００を走行可能に支持する。走行体１１０は、左右に設けられた２つの履帯１１１と、各履帯１１１を駆動するための２つの走行モータ１１２を備える。旋回体１２０は、走行体１１０に旋回中心回りに旋回可能に支持される。

【0018】

作業機１３０は、油圧により駆動する。作業機１３０は、旋回体１２０の前部に上下方向に駆動可能に支持される。

【0019】

旋回体１２０は、エンジン、油圧ポンプ、ＥＰＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）弁、メインバルブ、旋回モータ、作業機械自動制御装置１５０等を備える。エンジンは、油圧ポンプを駆動する原動機である。エンジンは、動力源の一例である。エンジンにはセルモータが設けられる。ＥＰＣ弁は、作業機械自動制御装置１５０が出力した所定の制御信号に基づき、メインバルブに流れる作動油を制御する。油圧ポンプは、例えばエンジンにより駆動される可変容量ポンプである。油圧ポンプは、メインバルブを介して各アクチュエータに作動油を供給する。各アクチュエータは、ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、バケットシリンダ１３３Ｃ、走行モータ１１２、旋回モータ等を含む。メインバルブは、油圧ポンプから供給される作動油の流量を制御する。旋回モータは、メインバルブを介して油圧ポンプから供給される作動油によって駆動し、旋回体１２０を旋回軸１２０Ｃ（旋回中心）周りに旋回させる。

【0020】

（作業機１３０の構成）
作業機１３０は、ブーム１３１、アーム１３２、バケット１３３、ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、およびバケットシリンダ１３３Ｃを備える。

【0021】

ブーム１３１の基端部は、旋回体１２０にブームピンを介して取り付けられる。アーム１３２は、ブーム１３１とバケット１３３とを連結する。アーム１３２の基端部は、ブーム１３１の先端部にアームピンを介して取り付けられる。バケット１３３は、土砂などを掘削するための刃１３３Ｔと掘削した土砂を収容するための収容部とを備える。バケット１３３の基端部は、アーム１３２の先端部に取り付けられる。図１では、対象物４０１から掘削した対象物４０２がバケット１３３に収容されている。

【0022】

ブームシリンダ１３１Ｃは、ブーム１３１を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１３１Ｃの基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１３１Ｃの先端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３２Ｃは、アーム１３２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１３２Ｃの基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３２Ｃの先端部は、アーム１３２に取り付けられる。バケットシリンダ１３３Ｃは、バケット１３３を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ１３３Ｃの基端部は、アーム１３２に取り付けられる。バケットシリンダ１３３Ｃの先端部は、バケット１３３に接続されるリンク部材に取り付けられる。

【0023】

（センサ等）
作業機械１００は、各種センサを備える。作業機械１００は、３次元形状センサ、姿勢角センサ、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ；全球測位衛星システム）センサ、ＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ；慣性計測装置）、積み込まれる（あるいは積み込まれた）対象物の量を計測するための計測手段等を備える。

【0024】

３次元形状センサの例としては、ステレオカメラ、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）装置、ミリ波レーダなど、あるいは１または複数のそれらのセンサの組み合わせ等が挙げられる。これらのセンサは、対象物４０１の３次元位置を、各センサの位置を基準とした座標系で特定する。３次元形状センサは、例えば、検出範囲内の複数の点の３次元位置を示す深度情報を出力する。深度情報の例としては、深度を表す複数の画素からなる深度画像や、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）で表現される複数の点からなる点群データが挙げられる。

【0025】

姿勢角センサは、例えば、各シリンダに装着された各ストロークセンサを含み、各ストロークセンサが計測した各シリンダ長に基づきブーム１３１、アーム１３２、およびバケット１３３の各姿勢角が算出される。なお、ストロークセンサ以外に、ＩＭＵを旋回体１２０、ブーム１３１、アーム１３２、およびバケット１３３のそれぞれに装着して各軸の姿勢角を計測しても良い。

【0026】

ＧＮＳＳセンサは、旋回体１２０の位置および旋回体１２０が向く方位角を演算する。ＧＮＳＳセンサは、例えば、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。この場合、２つの受信器は、それぞれ旋回体１２０の異なる位置に設置される。ＧＮＳＳセンサは、受信器が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における旋回体１２０の代表点（ショベル座標系の原点）の位置を検出する。ＧＮＳＳセンサは、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体１２０の向く方位角を演算する。旋回体１２０が向く方位角とは、旋回体１２０の正面方向である。旋回体１２０が向く方位角は、作業機１３０のブーム１３１からバケット１３３へ伸びる直線の延在方向の水平成分に等しい。

【0027】

ＩＭＵは、旋回体１２０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１２０の姿勢（例えば、ロール角およびピッチ角）を検出する。ＩＭＵは、例えば旋回体１２０の下面に設置される。

【0028】

対象物の量を計測するための計測手段としては、例えば、作業機械１００のシリンダ圧力センサの計測値と作業機姿勢情報から、積み込まれる対象物の重量を推定する手段としたり、運搬車両２００側のペイロード計から重量を推定する手段としたり、三次元形状センサから対象物の体積情報と事前に地盤調査から得た土の比重情報から積み込まれた対象物の重量を推定する手段としたりすることができる。

【0029】

また、作業機械１００は、例えば、運搬車両２００等の周辺の他車両等と車車間通信を行うための近距離通信装置、遠隔地のサーバ等と通信接続するための移動体通信装置等を備えている。例えば、他の実施形態に係る作業機械１００は、作業機械１００の外部の遠隔操作装置によって操作するオペレータの遠隔操作によって計画装置３００が計画した作業機械１００の走行位置経路等に基づいて操作指令信号等が生成および送信され動作するものであってもよい。

【0030】

（運搬車両２００の構成）
図１に示す運搬車両２００は、施工現場にて例えば自動運転され、作業機械１００によって積み込まれた土砂などの対象物４０１を運搬する。本開示の実施形態に係る運搬車両２００は、例えばダンプトラックである。ただし、本開示の運搬車両は、作業機械によって積み込まれた対象物を運搬することができる車両であれば限定はなく、例えば対象物の収納容器を備えた作業車両等であってもよい。また、運搬車両２００は１台とは限らない。例えば複数の運搬車両２００を同一の現場で同時に運用することができる。図１に示す運搬車両２００は、運転室２０１、荷台２０２、操舵輪２０３、駆動輪２０４、および、運搬車両自動制御装置２５０を備える。運搬車両２００は、エンジン、トランスミッション、油圧機構、種々のアクチュエータ、例えば、ＧＮＳＳセンサ、撮像装置等の種々のセンサを備え、運搬車両自動制御装置２５０の制御の下、エンジン、トランスミッション、操舵輪２０３、駆動輪２０４等を制御して自動走行したり、荷台２０２を傾斜させて、積荷を自動で荷下ろししたりする。また、運搬車両２００は、作業機械１００等との間で所定の信号を送受信する。また、運搬車両２００は、遠隔運転制御による無人車両であってもよいし、搭乗したオペレータによって操作されてもよい。

【0031】

（計画装置３００等の構成例）
図２は、本開示の実施形態に係る計画装置等の構成例を示すブロック図である。計画装置３００は、例えばマイクロコントローラ、組み込みシステム等のコンピュータを用いて構成することができ、コンピュータ、コンピュータの周辺装置、周辺回路等のハードウェアと、そのコンピュータが実行するプログラム等のソフトウェアとの組み合わせ等から構成される。また、構成される機能的構成として、経路探索部３０１、掘削計画部３０２、計画送信部３０３、および、通信部３０４を備える。

【0032】

本実施形態において、計画装置３００は、作業機械１００を用いて対象物４０１を運搬車両２００に積み込む積込作業において、複数の中間走行位置を通る作業機械１００の走行位置経路と、複数の中間走行位置のいずれかに対応する複数の中間積込位置を通る運搬車両２００の積込位置経路とを計画する装置である。中間走行位置とは、作業機械１００が走行を停止して、掘削および積込み作業を行う位置をいう。また、中間積込位置とは、中間走行位置に位置する作業機械１００によって掘削した対象物４０２が積み込みされる運搬車両２００の積込位置であり、運搬車両２００は停止している。なお 、中間走行位置、走行位置経路、中間積込位置、および積込位置経路についての詳細は後述する。また、計画装置３００は、走行位置経路または積込位置経路の一方を計画する装置であってもよい。

【0033】

経路探索部３０１は、作業機械１００によって掘削され、運搬車両２００に積み込まれる対象物４０１の量、および作業機械１００と運搬車両２００との情報に基づいた評価関数を用いて、走行位置経路および積込位置経路を評価する。作業機械１００と運搬車両２００との情報とは、例えば、作業機械１００および運搬車両２００の移動距離、作業機械１００と運搬車両２００間の相対距離、および作業機械１００から運搬車両２００への旋回角度等の少なくとも一つを含む情報である。例えば、経路探索部３０１は、作業機械１００および運搬車両２００の移動距離、作業機械１００と運搬車両２００間の相対距離、および作業機械１００から運搬車両２００への旋回角度に対する掘削量を評価する評価関数を用いて、掘削量を評価する。つまり、経路探索部３０１は、例えば、各中間走行位置と対応する各中間積込位置との組において、積み込まれる対象物である掘削した対象物４０２の量が評価関数を大きくする変数であり、運搬車両２００の移動経路の長さ、運搬車両２００と作業機械１００間の相対距離、運搬車両２００と作業機械１００間の相対角度、および、作業機械１００の移動経路の長さの少なくとも一つを、その評価関数を小さくする変数として、その評価関数を最大化する走行位置経路と積込位置経路とを探索する。あるいは、経路探索部３０１は、各中間走行位置と対応する各中間積込位置との組において、積み込まれる対象物である掘削した対象物４０２の量を評価関数を小さくする変数とするとともに、運搬車両２００の移動経路の長さ、運搬車両２００と作業機械１００間の相対距離、運搬車両２００と作業機械１００間の相対角度、もしくは、作業機械１００の移動経路の長さの少なくとも一つを評価関数を大きくする変数として、評価関数を最小化する走行位置経路と積込位置経路とを探索する。本実施形態では、経路探索部３０１が探索した作業機械１００の走行位置経路と、運搬車両２００の積込位置経路とを示す計画を最適走行経路計画という。最適走行経路計画の作成の仕方については後述する。

【0034】

なお、本実施形態において、上述したように積込作業は、作業機械１００が対象物４０１を掘削し、掘削した対象物４０２を作業機械１００が運搬車両２００に積み込む作業である。また、経路探索部３０１は、作業機械１００が対象物４０１を掘削した場所を作業機械１００の走行を禁止する走行位置禁止エリア（走行禁止領域）に設定して、走行位置禁止エリア外で走行位置経路を探索することができる。また、経路探索部３０１は、作業機械１００が対象物４０１を掘削した場所を運搬車両２００の積込位置として禁止するスポッティング位置禁止エリア（積込位置禁止領域）に設定し、スポッティング位置禁止エリア外で積込位置経路を探索することができる。

【0035】

掘削計画部３０２は、作業機械１００を経路探索部３０１が探索した各中間走行位置に順次移動させながら、各中間走行位置における作業機械１００の掘削方向を計画する。なお、本実施形態では、各中間走行位置における掘削方向の計画を最適掘削計画ともいう。掘削計画部３０２は、作業機械１００の位置情報と、対象物４０１からなる地形を表す地形情報と、掘削によって形成する地形の目標面である設計面を表す設計面情報とに基づいて計算された当該中間走行位置において掘削可能な領域の体積に基づいて、作業機械１００を次の中間走行位置へ移動させるか否かを判定することができる。また、掘削計画部３０２は、当該中間走行位置において、作業機械１００の掘削可能範囲内にある積込可能な対象物４０１の量と、対象物４０１の掘削に要する時間とに基づいて、作業機械１００を次の中間走行位置へ移動させるか否かを判定することができる。掘削計画部３０２による最適掘削計画の作成の仕方等については後述する。

【0036】

計画送信部３０３は、経路探索部３０１が探索した作業機械１００の走行位置経路と、運搬車両２００の積込位置経路とを示す最適走行経路計画と、掘削計画部３０２が作成した最適掘削計画とを作業機械自動制御装置１５０へ通信部３０４を介して送信する。例えば、運搬車両自動制御装置２５０へ送信してもよいし、作業機械自動制御装置１５０を介して運搬車両自動制御装置２５０へ送信してもよい。

【0037】

通信部３０４は、作業機械自動制御装置１５０の通信部１５６との間で所定の情報を送受信する。例えば、運搬車両自動制御装置２５０の通信部２５４との間で所定の情報を送受信してもよい。

【0038】

作業機械自動制御装置１５０は、例えばマイクロコントローラ、組み込みシステム等のコンピュータを用いて構成することができ、コンピュータ、コンピュータの周辺装置、周辺回路等のハードウェアと、そのコンピュータが実行するプログラム等のソフトウェアとの組み合わせ等から構成される。構成される機能的構成として、計画取得部１５１、走行制御部１５２、掘削制御部１５３、運搬車両制御部１５４、計測部１５５、および、通信部１５６を備える。

【0039】

計画取得部１５１は、計画送信部３０３が通信部３０４を介して送信した最適走行経路計画と、最適掘削計画とを、通信部１５６を介して受信する。

【0040】

走行制御部１５２は、最適走行経路計画に基づいて、作業機械１００の走行位置を自動制御する。つまり、作業機械１００を中間走行位置へ移動させる制御をする。

【0041】

掘削制御部１５３は、最適掘削計画に基づいて、作業機械１００の掘削、旋回および排土動作を自動制御する。つまり、掘削制御部１５３は、作業機械１００が位置する中間走行位置において、十分な掘削量が得られなくなるまで、掘削、旋回および排土動作を繰り返しする自動制御する。

【0042】

運搬車両制御部１５４は、運搬車両自動制御装置２５０に対して、積込位置を指示する信号等を送信することで、運搬車両２００の自動運転（の一部）を制御する。例えば、計画装置３００の計画送信部３０３が、運搬車両自動制御装置２５０に対して、積込位置を指示する信号等を送信してもよい。

【0043】

計測部１５５は、例えば、作業機械１００の位置を表す位置情報を取得したり、作業機械１００の姿勢を表す姿勢情報を取得したり、対象物４０１の地形情報を取得したりする。

【0044】

通信部１５６は、計画装置３００の通信部３０４との間で所定の情報を送受信したり、運搬車両自動制御装置２５０の通信部２５４との間で所定の情報を送受信したりする。

【0045】

運搬車両自動制御装置２５０は、例えばマイクロコントローラ、組み込みシステム等のコンピュータを用いて構成することができ、コンピュータ、コンピュータの周辺装置、周辺回路等のハードウェアと、そのコンピュータが実行するプログラム等のソフトウェアとの組み合わせ等から構成される。構成される機能的構成として、走行制御部２５１、荷下ろし制御部２５２、計測部２５３、および、通信部２５４を備える。

【0046】

走行制御部２５１は、運搬車両制御部１５４等からの指示に基づいて、運搬車両２００の走行を自動制御する。つまり、走行制御部２５１は、運搬車両制御部１５４からの指示に基づいて、運搬車両２００を積込位置まで自動的に移動させる制御を行う。

【0047】

荷下ろし制御部２５２は、所定の荷下ろし位置で、荷台２０２を傾斜させて、荷台２０２の積荷を自動で荷下ろしする。

【0048】

計測部２５３は、例えば、運搬車両２００の位置を表す位置情報を取得する。

【0049】

通信部２５４は、作業機械１５０の通信部１５６との間で所定の情報を送受信する。なお、通信部２５４は、計画装置３００の通信部３０４との間で所定の情報を送受信してもよい。

【0050】

（自動運転システムの動作例）
以下、図３～図１８を参照して、自動運転システム１の動作例について説明する。図３は、本開示の実施形態に係る作業エリアの概要を示す模式図である。図３に示すように、本実施形態では、作業エリアとして、積込エリアＡ１１と、荷下ろしエリアＡ１３とを設定している。また、積込エリアＡ１１と荷下ろしエリアＡ１３の間には、積込エリア・荷下ろしエリア間走行経路Ａ１２を設定している。また、積込エリアＡ１１には、施工範囲ＣＲが設定されている。

【0051】

作業機械１００は、積込エリアＡ１１内に設定された施工範囲ＣＲを掘削し、積込エリアＡ１１内で運搬車両２００に掘削した対象物４０２の積込を行う。

【0052】

運搬車両２００は、積込エリアＡ１１で対象物を積み込み、積込エリア・荷下ろしエリア間走行経路Ａ１２を走行して荷下ろしエリアＡ１３へ移動し、荷下ろしエリアＡ１３内で積み込んだ対象物の荷下ろしを行う。

【0053】

図４は、本開示の実施形態に係る施工範囲の例を示す模式図である。図４は、積込エリアＡ１１に設定された施工範囲ＣＲの例を示す。左側の図は平面図、右側の図は側断面図である。本実施形態では、ＸＹ平面を水平面として、Ｚ方向を鉛直方向とする。施工範囲ＣＲは、Ｘ方向に幅Ｌｘ、Ｙ方向に奥行きＬｙ、Ｚ方向に深さＬｚを有する六面体の掘削範囲である。また、施工範囲ＣＲは、掘削後の地形の目標となる面である設計面ＤＳ１～ＤＳ５で定義される。作業機械１００は、掘削後の地形が、設計面ＤＳ１～ＤＳ５を有する桝形の溝を有するように対象物４０１を掘削する。

【0054】

図５は、本開示の実施形態に係る処理の概略を示すフローチャートである。図５に示す処理では、まず、計画装置３００（例えば経路探索部３０１）が、設計面情報（例えば設計面ＤＳ１～ＤＳ５を表す情報）を取得する（ステップＳ３１）。例えばオペレータの操作に従ってオンラインで他のコンピュータ等から取得してもよいし、予め記憶された設計面情報を取得してもよい。また、計画装置３００（例えば経路探索部３０１）が、並行して、施工範囲ＣＲの現況地形情報を取得する（ステップＳ３２）。例えば、オペレータの操作に従って、オンラインで他のコンピュータ等から取得してもよい。オンラインで他のコンピュータ等から取得した現況地形情報は、例えばドローンに搭載したＬｉＤＡＲ等を用いた３次元点群計測等によって予め用意されているものとする。例えば、作業機械１００に搭載されたＬｉＤＡＲ等を用いた３次元点群計測等によって取得されたものでもよい。

【0055】

また、計画装置３００（例えば経路探索部３０１）が、施工範囲ＣＲの現況地形情報に基づいて、現況の地形情報を表す３次元ボクセルマップを生成する（ステップＳ３３）。図６は、本開示の実施形態に係る３次元ボクセルマップの例を示す模式図である。図６に示す３次元ボクセルマップＭＡＰは、施工範囲ＣＲの施工前の地形を３次元の複数のボクセル（立法体の最小単位）によって表現している。

【0056】

次に、経路探索部３０１が、設計面情報と地形情報とに基づいて、最適走行経路計画を作成する（ステップＳ３４）。次に、掘削計画部３０２が、設計面情報と地形情報と最適走行経路計画とに基づいて、最適掘削計画を作成する（ステップＳ３５）。次に、計画送信部３０３が、最適走行経路計画と最適掘削計画を作業機械自動制御装置１５０へ送信して（ステップＳ３６）、計画装置３００は処理を終了する。

【0057】

一方、作業機械自動制御装置１５０では、計画取得部１５１が、最適走行経路計画と最適掘削計画を計画装置３００から受信する（ステップＳ１１）。次に、走行制御部１５２が、最適走行経路計画に基づいて作業機械１００を次の（あるいは最初の）中間走行位置まで移動させる作業機械１００の走行制御を行う（ステップＳ１２）。また、中間走行位置に到達した場合には、掘削制御部１５３が、最適掘削計画に基づいて当該中間走行位置で積込対象がなくなるまで作業機械１００の掘削制御を行う（ステップＳ１３）。ここで、掘削制御は、例えば、掘削動作、積込旋回動作、排土動作、戻り旋回動作の一連の流れを繰り返す制御と、排土動作後に次の中間走行位置へ走行後、戻り旋回動作から一連の流れを再び繰り返す制御とを含む。また、運搬車両制御部１５４が、必要に応じて、運搬車両２００の制御を行う（ステップＳ１４）。作業機械自動制御装置１５０は、最適走行経路計画に基づく掘削範囲ＣＲの掘削作業が完了するまで（ステップＳ１５：Ｙとなるまで）、ステップＳ１２～ステップＳ１５の処理を繰り返し実行する。一方、最適走行経路計画に基づく掘削範囲ＣＲの掘削作業が完了した場合（ステップＳ１５：Ｙ）、運搬車両制御部１５４が、運搬車両２００に対して作業完了時の指示を出し（ステップＳ１６）、処理を終了する。

【0058】

また、運搬車両自動制御装置２５０では、走行制御部２５１が、運搬車両制御部１５４から運搬車両２００が積込位置までの移動に係る走行の指示を受信すると（ステップＳ２１）、走行制御部２５１が運搬車両２００の走行制御を行う（ステップＳ２２）。また、運搬車両制御部１５４から荷下ろしに係る指示を受信すると（ステップＳ２１）、荷下ろし制御部２５２が運搬車両２００の荷下ろしに係る制御を行う（ステップＳ２３）。また、運搬車両制御部１５４から作業の完了時の指示を受信すると（ステップＳ２１）、例えば走行制御部２５１が作業完了時の制御を行った後、作業を完了させて（ステップＳ２４：Ｙ）、処理を終了する。また、運搬車両制御部１５４から作業の完了時の指示を受信していない場合、作業は完了せず（ステップＳ２４：Ｎ）、ステップＳ２１以降の処理が繰り返される。また、運搬車両２００が荷下ろしエリアで荷下ろしをした後、積込エリアの積込位置に戻ってくる場合と、他の車両が積込位置に来る場合がある。

【0059】

ここで、図７と図８を参照して、本実施形態で用いる作業機械１００と運搬車両２００の位置と向き（方位角）との定義の仕方について説明する。図７は、本開示の実施形態に係る作業機械１００と運搬車両２００の位置および向きの定義の仕方の例を示す模式図である。図７は、グローバル座標系におけるＸＹ平面上で作業機械１００と運搬車両２００の位置と向き（方位角）との定義の仕方を示す。図７に示すように、作業機械１００の位置は、Ｘ軸上のｘ座標と、Ｙ軸上のｙ座標とで表される。また、作業機械１００の向きは、Ｙ軸方向を基準として角度θで表す。また、運搬車両２００の位置は、作業機械１００からの距離ｒと、作業機械１００の位置を基準とした方位角φで表す。なお、運搬車両の２００の向きは、経路探索（経路探索部３０１が探索した運搬車両２００の積込位置経路、または最適走行経路計画）において決定する変数とする。

【0060】

また、本実施形態では、積込作業において、最適走行経路計画が表す、作業機械１００が走行する走行位置経路を構成する複数の連続的な走行位置のうち、作業機械１００が掘削および積込み作業を行う走行位置を中間走行位置という。また、中間走行位置に位置する作業機械１００によって対象物４０１が積み込みされる運搬車両２００の積込位置（以下、スポッティング位置ともいう）を中間積込位置という。また、中間走行位置と中間積込位置との組を表す構造体をＷａｙｐｏｉｎｔ（ウェイポイント；経路上の地点情報）と呼ぶ。この場合、Ｗａｙｐｏｉｎｔは、以下の５次元のベクトルで表現される。

【0061】

【数1】

【0062】

ここで、（ｘ＿ｔ，ｙ＿ｔ，θ＿ｔ）は、図７に示すように、作業機械１００の位置座標および方位角、ｒ＿ｔは対象物４０１が積み込みされる運搬車両２００と作業機械１００との距離、φ＿ｔは運搬車両２００の方位角を表す。なお「＿」は次の文字が添え字であることを示す。また、添え字ｔは、ｔ番目のＷａｙｐｏｉｎｔの変数であることを表す。

【0063】

図８は、本開示の実施形態に係る最適走行経路計画の例を説明するための模式図である。図８は、４個の連続するＷａｙｐｏｉｎｔ１～４の例を示す。Ｗａｙｐｏｉｎｔ１は、中間走行位置ＴＰ１と中間積込位置ＲＰ１の組を表し、ベクトルｚ＿１＝（ｘ＿１，ｙ＿１，θ＿１，ｒ＿１，φ＿１）で表される。Ｗａｙｐｏｉｎｔ１の次のＷａｙｐｏｉｎｔ２は、中間走行位置ＴＰ２と中間積込位置ＲＰ２の組を表し、ベクトルｚ＿２＝（ｘ＿２，ｙ＿２，θ＿２，ｒ＿２，φ＿２）で表される。Ｗａｙｐｏｉｎｔ２の次のＷａｙｐｏｉｎｔ３は、中間走行位置ＴＰ３と中間積込位置ＲＰ３の組を表し、ベクトルｚ＿３＝（ｘ＿３，ｙ＿３，θ＿３，ｒ＿３，φ＿３）で表される。Ｗａｙｐｏｉｎｔ３の次のＷａｙｐｏｉｎｔ４は、中間走行位置ＴＰ４と中間積込位置ＲＰ４の組を表し、ベクトルｚ＿４＝（ｘ＿４，ｙ＿４，θ＿４，ｒ＿４，φ＿４）で表される。

【0064】

本実施形態では、最適走行経路計画において、施工範囲ＣＲの掘削作業で、作業機械１００が、移動を最大ｍ回行うと仮定して、ｍ個のＷａｙｐｏｉｎｔをＰＳＯ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｗａｒｍ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；粒子群最適化）を用いて最適化し決定する。ＰＳＯにおいて、一つの解ｚは下式（１）で示す５ｍ次元空間の一点として表現される。

【0065】

【数2】

【0066】

最適走行経路計画のＰＳＯにおいて、最適化計算に用いる評価関数Ｅは、作業量に対する掘削量を最大化することを考慮して、次式（２）とする。作業量とは、掘削作業や掘削した対象物４０２を運搬車両２００へ積み込むための積込作業に係る、作業機械１００および運搬車両２００の移動距離、作業機械１００と運搬車両２００間の相対距離、および作業機械１００から運搬車両２００への旋回角度等に基づいて表すことができる仕事の量である。

【0067】

【数3】

【0068】

なお、評価関数としては、次式（３）のように線形和とする形式も考えられる。

【0069】

【数4】

【0070】

式（２）および式（３）において、ｗ＿１、ｗ＿２、ｗ＿３、および、ｗ＿４は重み係数である。ｖ＿ｔはｔ番目のＷａｙｐｏｉｎｔで掘削された土量である。ｌ＿ｔはｔ番目のＷａｙｐｏｉｎｔからｔ＋１番目のＷａｙｐｏｉｎｔまでの作業機械１００の移動距離である。√（φ＿ｔ－θ＿ｔ）＾２または｜φ＿ｔ－θ＿ｔ｜は、ｔ番目のＷａｙｐｏｉｎｔにおける作業機械１００からみた運搬車両２００の方位である。ｒ＿ｔはｔ番目のＷａｙｐｏｉｎｔにおける作業機械１００からみた運搬車両２００の相対距離である。ｐ＿ｔはｔ番目のＷａｙｐｏｉｎｔからｔ＋１番目のＷａｙｐｏｉｎｔまでの運搬車両２００の移動距離である。また、式（２）において、εは分母がゼロとならないための定数であり、例えば小さな正数（０．０１）とすることができる。

【0071】

次に、図５に示すステップＳ３１～Ｓ３５の処理の詳細について説明する。図９は、本開示の実施形態に係る計画装置３００の動作例を示すフローチャートである。図１０は、本開示の実施形態に係る最適走行経路計画の作成例を示すフローチャートである。図１１～図１３は、本開示の実施形態に係る仮掘削モデルの例を示す模式図である。図１４は、本開示の実施形態に係るスポッティング位置禁止エリアおよび走行位置禁止エリアの例を示す模式図である。図１５は、本開示の実施形態に係るスポッティング位置禁止エリアを説明するための模式図である。図１６は、本開示の実施形態に係る最適掘削計画の作成例を示すフローチャートである。図１７は、本開示の実施形態に係る掘削可能な量の例を示す模式図である。図１８は、本開示の実施形態に係る動作例を説明するための模式図である。

【0072】

全体フローは、図９に示すように、計画装置３００が、まず作業機械１００の初期位置と最終位置を例えばオペレータの指示に従って設定する（ステップＳ１０１）。図４は、作業機械１００の初期位置ＳＴ１と最終位置ＥＮ１の設定例を示す。例えば、初期位置ＳＴ１と最終位置ＥＮ１は、例えばオペレータの経験に基づき適切な位置に設定することができる。

【0073】

次に、計画装置３００は、設計面情報を取得する（ステップＳ１０２）。次に、計画装置３００は、掘削エリア（掘削範囲ＣＲおよびその周囲の領域）の地形情報を取得する（ステップＳ１０３）。次に、経路探索部３０１が、最適走行経路計画を作成する（ステップＳ１０４）。

【0074】

図１０は、図９のステップＳ１０４の処理の例を示す。図１０に示す処理では、移動開始から掘削が終了するまでの一連の作業機械１００の掘削位置・向きおよび運搬車両２００のスポッティング位置・向きの計画を行う。ここでは、移動回数ｍは固定とする。また、この段階では、作業機械１００のブーム１３１、アーム１３２、およびバケット１３３の軌道計画は行わず、作業機械１００の掘削位置に応じてある一定の領域が掘削されることを仮定した仮掘削モデルＶＤＭを用いる。図１１～図１３は、仮掘削モデルＶＤＭの例を示す。図１２は、図１１の矢印Ａ１から見た仮掘削モデルＶＤＭを表し、図１３は、図１２の矢印Ａ２から見た仮掘削モデルＶＤＭを表す。つまり、仮掘削モデルＶＤＭは、作業機械１００のバケット１３３が届く範囲で掘削可能な領域を表す。例えば、仮掘削モデルＶＤＭは、作業機械１００が掘削後、作業機械１００が次の中間走行位置に移動できるように、掘削しない領域を設定してもよい。

【0075】

図１０に示す処理では、経路探索部３０１が、Ｗａｙｐｏｉｎｔ数ｍを設定し、ＰＳＯの（ｍ×ｎ）粒子群を初期化する（ステップＳ２０１）。ここで、ｍは必要な移動回数、ｎは各回移動粒子数である。最終的に、ｍ回の移動を経た評価関数を計算し、ＰＳＯの粒子一つの評価値とする。そのような粒子をｎ個用いて、ＰＳＯによって最適化計算を行う。次に、経路探索部３０１は、Ｗａｙｐｏｉｎｔ数をカウントするための変数ｉを「０」に初期化する（ステップＳ２０２）。次に、経路探索部３０１は、Ｗａｙｐｏｉｎｔ ｉにて掘削量を推定し、推定した掘削量に基づいて地形（３次元ボクセルマップＭＡＰ）を更新する（ステップＳ２０３）。なお、ステップＳ２０３で想定する掘削土量は、Ｗａｙｐｏｉｎｔにおいて作業機械１００のバケット１３３が届く範囲のうち図１１～図１３に示す領域（仮掘削モデルＶＤＭ）に存在する土量を見積もるものとする。

【0076】

次に、経路探索部３０１は、変数ｉが変数ｍ未満か否かを判定する（ステップＳ２０４）。変数ｉが変数ｍ未満である場合（ステップＳ２０４：Ｙ）、経路探索部３０１は、Ｗａｙｐｏｉｎｔ ｉからＷａｙｐｏｉｎｔ ｉ＋１までの走行経路計画を、例えば、Ａ＊法（Ａ－ｓｔａｒ（エースター）探索アルゴリズム）を用いて作成し、変数ｉを「１」だけ増分して（ステップＳ２０５）、ステップＳ２０３へ戻る。

【0077】

変数ｉが変数ｍ未満でなかった場合（ステップＳ２０４：Ｎ）、経路探索部３０１は、ＰＳＯ評価関数Ｅを計算し、ＰＳＯ粒子群を更新する（ステップＳ２０６）。ステップＳ２０６では、最終的に、ｍ回の移動を経た評価関数Ｅを計算し、ＰＳＯの粒子一つの評価値とする。そのような粒子をｎ個用いて、ＰＳＯによって最適化計算が行われる。なお、ＰＳＯの更新式は下式（４）で与えられる。

【0078】

【数5】

【0079】

ここで、ｉは個体番号、ｚ＿ｉは各個体の位置、Ｖ＿ｉは各個体の速さ、ｒ＿１、ｒ＿２は０～１の乱数、ｋは探索更新回数、ｃ＿１、ｃ＿２、ｗは定数であり、ｃ＿１、ｃ＿２は加速度係数、ｗは速度に対する慣性係数である。ｐｂｅｓｔは各回の個体の最良位置、ｇｂｅｓｔは群れ全体の最良位置を表す。

【0080】

次に経路探索部３０１は、走行位置またはスポッティング位置が禁止領域に該当するか否かを判定する（ステップＳ２０７）。図１４は、スポッティング位置禁止エリア（禁止領域）および走行位置禁止エリア（禁止領域）の例を示す。図１４に示すように、すでに掘削した範囲である掘削範囲ＤＡＲは、作業機械１００の走行位置禁止エリアに設定される。また、作業機械１００の中間走行位置に基づき掘削範囲ＤＡＲに掛かる方位角Ａおよび方位角Ｂを基準として運搬車両２００に対してスポッティング位置（中間積込位置）の禁止エリアを設定することができる。ただし、図１５に示すように、作業機１３０のリーチ範囲が、掘削範囲ＤＡＲを超えられる場合には、作業機１３０のリーチ範囲以内で掘削範囲ＤＡＲを超える範囲をスポッティング位置の禁止エリアから除外するようにしてもよい。

【0081】

中間走行位置またはスポッティング位置が禁止領域に該当する場合（ステップＳ２０７：Ｙ）、経路探索部３０１は、再度、ＰＳＯ粒子群を更新して（ステップＳ２０８）、ステップＳ２０７の判定処理を実行する。

【0082】

中間走行位置またはスポッティング位置が禁止領域に該当しない場合（ステップＳ２０７：Ｎ）、経路探索部３０１は、ＰＳＯ最大繰り返し回数に達したか否かを判定する（ステップＳ２０９）。

【0083】

ＰＳＯ最大繰り返し回数に達した場合（ステップＳ２０９：Ｙ）、経路探索部３０１は、評価関数Ｅが最大の解を最適解として決定し、図１０に示す処理を終了する。一方、ＰＳＯ最大繰り返し回数に達していない場合（ステップＳ２０９：Ｎ）、経路探索部３０１は、ステップＳ２０２以降の処理を再度実行する。

【0084】

図９に戻り、以上の処理で作業機械１００の掘削位置・向きと運搬車両２００のスポッティング位置・向きが計画されるので（ステップＳ１０４）、掘削計画部３０２は、最初の掘削位置とスポッティング位置に作業機械１００と運搬車両２００を移動する（ステップＳ１０５）。次に、掘削計画部３０２は、移動した地点で旋回と掘削の詳細な最適軌道計画を含む最適掘削計画を作成する（ステップＳ１０６）。

【0085】

図１６は、図９のステップＳ１０６の処理の例を示す。図１６に示す処理では、ＰＳＯを用いて最適な旋回角度（掘削方位方向）の決定を行う。つまり、掘削方位方向とは、作業機械１００が掘削をする最適な方向である。解の評価には次式（５）を用いる。

【0086】

【数6】

【0087】

なお、評価関数Ｅとしては、線形和の形式として次式（６）も考えられる。

【0088】

【数7】

【0089】

ただし、Ｖは１回の掘削動作での掘削土量、Ｔ＿１は掘削に掛かる時間、Ｔ＿２は旋回に掛かる時間である。掘削動作の軌道は、例えば、ブーム１３１、アーム１３２、バケット１３３の動力学および可動範囲制約、油圧システムの制約等を考慮した最適制御問題を擬スペクトル法により解くことで求めることができる。

【0090】

図１６に示す処理において、掘削計画部３０２は、まず、ＰＳＯの粒子を初期化する（ステップＳ３０１）。ここで、粒子は、図６に示す各Ｗａｙｐｏｉｎｔにおける旋回角度ＤＤ１、ＤＤ２、ＤＤ３等とする。例えば、旋回角度ＤＤ１、ＤＤ２、ＤＤ３等とは、作業機械１００が作業機１３０で掘削する方向である。

【0091】

次に、掘削計画部３０２は、各粒子における最適掘削軌道計画を作成する（ステップＳ３０２）。次に、掘削計画部３０２は、ＰＳＯ評価関数Ｅを計算し、ＰＳＯ粒子群を更新する（ステップＳ３０３）。次に、掘削計画部３０２は、ＰＳＯ最大繰り返し回数に達したか否かを判定する（ステップＳ３０４）。

【0092】

ＰＳＯ最大繰り返し回数に達した場合（ステップＳ３０４：Ｙ）、掘削計画部３０２は、評価関数Ｅが最大の解（掘削方位方向）を最適解として決定し、図１６に示す処理を終了する。一方、ＰＳＯ最大繰り返し回数に達していない場合（ステップＳ３０４：Ｎ）、掘削計画部３０２は、ステップＳ３０２以降の処理を再度実行する。

【0093】

図９に戻り、ステップＳ１０６の最適軌道計画の作成処理では、次の１回の掘削動作における最適な旋回角度が特定されるので、掘削計画部３０２は、その１回の掘削動作における掘削量と、所定の閾値ξ＋Ｗ＿１×ｔ＿ｐとを比較する（ステップＳ１０７）。掘削量が（閾値ξ＋Ｗ＿１×ｔ＿ｐ）以上である場合（ステップＳ１０７：Ｙ）、掘削計画部３０２は、その１回の掘削動作による掘削量に基づいて地形（３次元ボクセルマップＭＡＰ）を更新する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８の後、掘削計画部３０２は、ステップＳ１０６の処理を再度実行する。なお、閾値ξは当該Ｗａｙｐｏｉｎｔで対象物４０１を掘削せずに残して、次のＷａｙｐｏｉｎｔに移動すべきと判断する掘削量に対応する値である。Ｗ＿１は重み係数、ｔ＿ｐは１回の掘削に必要となる時間である。

【0094】

一方、掘削量が（閾値ξ＋Ｗ＿１×ｔ＿ｐ）以上でない場合（ステップＳ１０７：Ｎ）、掘削計画部３０２は、Ｗａｙｐｏｉｎｔが終点であるか否かを判定する（ステップＳ１０９）。Ｗａｙｐｏｉｎｔが終点である場合（ステップＳ１０９：Ｙ）、掘削計画部３０２は、図９に示す処理を終了する。Ｗａｙｐｏｉｎｔが終点でない場合（ステップＳ１０９：Ｎ）、掘削計画部３０２は、再度、ステップＳ１０５以降の処理を実行する。

【0095】

ステップＳ１０６およびＳ１０７の処理によって、掘削計画部３０２は、各Ｗａｙｐｏｉｎｔにおいて旋回と掘削の詳細な最適軌道計画を行う。また、その位置で十分な掘削量が得られなくなるまで掘削軌道を繰り返し計画する。図１７は、作業機械１００が掘削可能な範囲である作業機１３０のリーチ範囲ＲＡＲ内に、掘削可能な対象物４０１－１、４０１－２および４０１－３が残されている状態を模式的に示す。ステップＳ１０７の判定処理では、左辺の掘削量は、その時点で最も掘削量が大きいと推定される最適な掘削方向への掘削動作による値である。したがって、さらに掘削動作を行ってもそれ以上の掘削量は期待できない。また、右辺の値（ξ＋Ｗ＿１×ｔ＿ｐ）は、掘削量に対応する定数と掘削時間に基づいて決定される値である。この場合、例えば、時間と掘削量とを考慮して、次の掘削を同じＷａｙｐｏｉｎｔで行うかどうかを判定することができる。ステップＳ１０７の判定では、例えば、掘り難い場所（例えば掘削に要する時間が長い場所）がある場合には無理に掘削しようとせずに次のＷａｙｐｏｉｎｔへ移動するという判定結果を得ることができる。例えば、図１７に示す例では、対象物４０１－１と対象物４０１－２は掘削すると判定し、対象物４０１－３は掘削しないと判定することができる。

【0096】

なお、ステップＳ１０７で、掘削計画部３０２は、例えば、作業機械１００の位置情報と、対象物４０１からなる地形を表す地形情報と、掘削によって形成する地形の目標面である設計面を表す設計面情報とに基づいて計算された当該Ｗａｙｐｏｉｎｔにおいて掘削可能な領域の体積に基づいて、作業機械１００を次のＷａｙｐｏｉｎｔへ移動させるか否かを判定するようにしてもよい。この場合、作業機械１００の周辺の掘削対象物の量に基づいて作業機械１００が移動するタイミングを決定することができる。あるいは、掘削計画部３０２は、当該Ｗａｙｐｏｉｎｔにおいて、作業機械１００の掘削可能範囲内にある積込可能な対象物４０１の量と、対象物４０１の掘削に要する時間とに基づいて、作業機械１００を次のＷａｙｐｏｉｎｔへ移動させるか否かを判定するようにしてもよい。この場合、作業機械１００の周辺の掘削対象物の量と掘削に要する時間情報とに基づいて移動のタイミングを決定することができる。

【0097】

なお、計画装置３００は、運搬車両２００への積込動作に関しては、図１８のように荷台２０２を上から見た領域２０２ｓをスロット２０２ｓ－１～５に５分割し、運搬車両２０２の運転席に近いスロット２０２ｓ－１から優先して積載する。また、運搬装置制御部１５４は、荷台２０２が満載となった場合には運搬車両２００を荷下ろし地点まで移させ、再びスポッティング位置まで戻ってくるように指示することができる。

【0098】

（作用・効果）
本実施形態によれば、計画装置３００は、経路探索部３０１を備え、作業機械１００を用いて対象物４０１を運搬車両２００に積み込む積込作業において、複数の中間走行位置ＴＰ１～ＴＰ４を通る作業機械１００の走行位置経路と、複数の中間走行位置のいずれかに対応する複数の中間積込位置ＲＰ１～ＲＰ４を通る運搬車両２００の積込位置経路とを計画する装置である。経路探索部３０１は、各中間走行位置ＴＰ１～ＴＰ４と対応する各中間積込位置ＲＰ１～ＲＰ４との組（Ｗａｙｐｏｉｎｔ１～４）において、積み込まれる対象物４０１の量（ｖ＿ｔ）を評価関数Ｅを大きくする変数、運搬車両２００の移動経路の長さ（ｐ＿ｔ）、運搬車両２００と作業機械１００間の相対距離（ｒ＿ｔ）、運搬車両２００と作業機械１００間の相対角度（｜φ＿ｔ－θ＿ｔ｜）、および、作業機械１００の移動経路の長さ（ｌ＿ｔ）を、評価関数Ｅを小さくする変数として、評価関数Ｅを最大化する走行位置経路と積込位置経路とを探索する。本実施形態によれば、自動で掘削位置、積込位置等の位置情報を決定することができるので、省力化を図ることができる。また、上記評価関数を用いて最適な経路を探索するので、効率的に作業を行うことができる経路を特定することができる。

【0099】

（変形例）
以上、この発明の実施形態について図面を参照して説明してきたが、具体的な構成は上記実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

【0100】

例えば、計画装置３００は、作業機械１００が備えていてもよい。また、例えば、作業機械１００が備える３次元形状センサ等を用いて地形情報を掘削動作毎に計測し、例えば図９のステップＳ１０８の処理で、３次元形状センサを用いて計測した地形情報に基づいて、最適掘削計画を算出する際に用いる地形情報を更新してもよい。

【0101】

また、上記実施形態でコンピュータが実行するプログラムの一部または全部は、コンピュータ読取可能な記録媒体や通信回線を介して頒布することができる。

【0102】

本開示の態様は以下のように把握することができる。

【0103】

（付記１）
作業機械を用いて対象物を運搬車両に積み込む積込作業において、前記作業機械の走行位置経路を計画する装置であって、
積み込まれる前記対象物の量、および作業機械と運搬車両との情報に基づいた評価関数を用いて、前記走行位置経路を探索する経路探索部
を備える計画装置。

【0104】

（付記２）
前記走行位置経路は複数の中間走行位置を含み、
前記走行位置経路を計画するとともに、前記複数の中間走行位置のいずれかに対応する複数の中間積込位置を通る前記運搬車両の積込位置経路を計画し、
前記経路探索部は、前記評価関数を用いて前記積込位置経路を探索する
（付記１）に記載の計画装置。

【0105】

（付記３）
前記経路探索部は、前記各中間走行位置と対応する前記各中間積込位置との組において、積み込まれる前記対象物の量を前記評価関数を大きくする変数とするとともに、前記運搬車両の移動経路の長さ、前記運搬車両と前記作業機械間の相対距離、前記運搬車両と前記作業機械間の相対角度、もしくは、前記作業機械の移動経路の長さの少なくとも一つを前記評価関数を小さくする変数として、前記評価関数を最大化する前記走行位置経路と前記積込位置経路とを探索するか、または、積み込まれる前記対象物の量を前記評価関数を小さくする変数とするとともに、前記運搬車両の移動経路の長さ、前記運搬車両と前記作業機械間の相対距離、前記運搬車両と前記作業機械間の相対角度、もしくは、前記作業機械の移動経路の長さの少なくとも一つを前記評価関数を大きくする変数として、前記評価関数を最小化する前記走行位置経路と前記積込位置経路とを探索する
（付記２）に記載の計画装置。

【0106】

（付記４）
前記積込作業は、前記作業機械が前記対象物を掘削し、掘削した前記対象物を前記作業機械が前記運搬車両に積み込む作業であり、
前記経路探索部は、前記作業機械が前記対象物を掘削した場所を前記作業機械の走行禁止領域に設定して、前記走行禁止領域外で前記走行位置経路を探索する
（付記３）に記載の計画装置。

【0107】

（付記５）
前記経路探索部は、前記作業機械が前記対象物を掘削した場所を前記運搬車両の積込位置禁止領域に設定して、前記積込位置禁止領域外で前記積込位置経路を探索する
（付記２）、（付記３）または（付記４）に記載の計画装置。

【0108】

（付記６）
前記作業機械を各前記中間走行位置に順次移動させながら、各前記中間走行位置における前記作業機械の掘削方向を計画する掘削計画部を備え、
前記掘削計画部は、前記作業機械の位置情報と、前記対象物からなる地形を表す地形情報と、掘削によって形成する前記地形の目標面である設計面を表す設計面情報とに基づいて計算された当該中間走行位置において掘削可能な領域の体積に基づいて、前記作業機械を次の前記中間走行位置へ移動させるか否かを判定する
（付記２）～（付記５）に記載の計画装置。

【0109】

（付記７）
前記作業機械を各前記中間走行位置に順次移動させながら、各前記中間走行位置における前記作業機械の掘削方向を計画する掘削計画部を備え、
前記掘削計画部は、当該中間走行位置において、前記作業機械の掘削可能範囲内にある積込可能な前記対象物の量と、前記対象物の掘削に要する時間とに基づいて、前記作業機械を次の前記中間走行位置へ移動させるか否かを判定する
（付記２）～（付記５）に記載の計画装置。

【0110】

（付記８）
前記作業機械を各前記中間走行位置に順次移動させながら、各前記中間走行位置における前記作業機械の掘削方向を計画する掘削計画部を備え、
前記掘削計画部は、前記運搬車両の最大可能積載量に基づいて、前記作業機械を次の前記中間走行位置へ移動させるか否かを判定する
（付記２）～（付記５）に記載の計画装置。

【0111】

（付記９）
（付記１）～（付記９）に記載の計画装置を備える
作業機械。

【0112】

（付記１０）
（付記１）～（付記９）に記載の前記走行位置経路に基づいて自動走行する
作業機械。

【0113】

（付記１１）
（付記２）、（付記３）または（付記５）に記載の前記積込位置経路に基づいて自動走行する
運搬車両。

【0114】

（付記１２）
（付記１）～（付記９）に記載の前記走行位置経路に基づいて遠隔操作される
作業機械。

【符号の説明】

【0115】

１００…作業機械、１１０…走行体、１２０…旋回体、１３０…作業機、１３３…バケット、１５０…作業機械自動制御装置、２００…運搬車両、２０２…荷台、２５０…運搬車両自動制御装置、３００…計画装置、３０１…経路探索部、３０２…掘削計画部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】