2023 Fiscal Year Research-status Report
土木・建設現場の無人化のための複数建機の協調による遠隔作業システム
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21K14225
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| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤井 浩光 千葉工業大学, 先進工学部, 准教授 (30781215)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 建機の知能化 / 建設ロボティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題「土木・建設現場の無人化のための複数建機の協調による遠隔作業システム」では，施工現場を無人化し高効率化するためのシステム構築を目指している．特に施工現場での作業において必要不可欠となる「複数建機の協調作業」に焦点を当て，主に 1）複数建機の移動のための位置姿勢推定，2）掘削作業における周囲状況の俯瞰のための全方位広域センシング，3）複数建機による協調作業（積み込み）のためのモニタリング・可視化の機能を有する統合的なシステムの構築を目指し，3年間の実施期間で建設機械の実機を用いた性能検証までを行う予定である．本課題では，複数建機の協調作業の具体的な例として実現場で自動化の需要の高い土砂積み込み作業を対象と定めた．
3年目である2023年度は，前年度までの積み残しの課題である，1）および 2）のサブ課題について網羅的に取り組み，土砂積み込み作業を例に改題解決のための方法論およびシステムを構築した．1）は，「現場における複数建機のリアルタイム位置姿勢推定」について，前年度までに検討していた機械学習による画像認識と3次元計測に基づく基礎的な手法を，バックホウやダンプトラックなど複数の異なる機種へ対応可能な手法として発展させた．施工現場を想定した環境で実建機を用いた検証実験を行い，その成果を2023年12月に第24回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2023)で発表した．2）は，「建機周囲の全方位広域センシング」について前年度に構築した建機本体と作業装置に搭載した動的な計測システムを発展させた．実機による実証実験を行い，その成果は，2024年4月に英語論文誌 Journal of Robotics and Mechatronics に掲載された．
また，本研究課題の成果の一部は，日本ロボット学会誌の学術論文として掲載が決定した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究課題で扱う施工作業は，自動化の需要が高く重要な作業である土砂積み込み作業であり，本作業に関してはバックホウが土壌を掘削し生じた土砂をダンプトラックに積み込み運搬するという一連のオペレーションを自動化するための技術が求められている．3年目である2023度には，前年度までに検討途中であったサブ課題である 1）複数建機の移動のための位置姿勢推定，2）掘削作業における周囲状況の俯瞰のための全方位広域センシング，について前年度までの基礎的な取り組みを発展させ，最終検証までを実施し，提案システムの有効性を確認した．
具体的には，1）において昨年度までに提案した複数建機を対象とした位置姿勢推定手法を発展させた．RGBカメラと3次元LiDARを統合した計測システムにおいて，作業主体となる建機周囲に存在する異種複数の建機の位置姿勢の推定精度を向上させるための方法論を提案し，実機による検証実験により有効性の検証を行った．2）については，掘削作業中の周囲地形を計測可能なシステムを発展させた．土砂積み込み作業におけるシステムの機能要件を明確化し，バックホウのキャビンと作業装置に搭載した複数の3次元LiDARにより広域を死角なくリアルタイムで計測可能なシステムを構築した．最終検証までを実施し，提案システムの有効性を確認した．
以上の様に本課題を構成する 1）～3）までのサブ課題にしては，3年間の実施期間での目的であった建設機械の実機を用いた性能検証までを完了した．以上の様に，想定していた3年間での研究はおおむね順調に進展できた．しかし，機材の調達および現場を想定したテストフィールドでの実験を2023年度内に実現することが困難であったため，1）～3）のサブ課題を実現する各モジュールを連携させたシステムの検証，およびその成果の取りまとめのために研究期間を1年間延長することとした．
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度は，各サブ課題 1）複数建機の移動のための位置姿勢推定と，2）掘削作業における周囲状況の俯瞰のための全方位広域センシング，3）複数建機による協調作業（積み込み）のためのモニタリング・可視化の機能を連携させたシステムの構築を目指す．
具体的には，1）で推定された異種複数の建機の位置姿勢を，2）で可視化した周囲地形の3次元計測データ上で提示し，3）により時々刻々の変化として可視化する．
バックホウとダンプトラックの協調作業である土砂積込み作業を対象とし，実機実験による最終的な検証までを行う．実験データを整理し，検証結果をまとめ，そこから抽出された知見と課題を対外的に参照可能な形でまとめる．
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| Causes of Carryover |
2023年度は，長引く半導体不足や円安などを理由に物品の調達に関しても納期の遅延や価格の高騰など，当初の予定通りの予算執行が困難な状況が続いた．また本課題遂行における主要機器やICT技術の飛躍的な性能向上が生じ，同価格帯でより高性能な機材が程無く入手可能な状況であった．また2023年度は，現場を想定した実験場の手配なども難航したため，研究期間を一年間延長し最終実験の実施を次年度に見送るとともに，今年度の調達は2023年度中に実施する検証実験に必要不可欠な物品にとどめ，最終実験のためのシステム構築に要する物品，および実験データのまとめに必要な機材の調達を次年度に見送った．
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