CN117836488A - 用于控制作业机械的***以及方法 - Google Patents

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CN117836488A CN202280056947.7A CN202280056947A CN117836488A CN 117836488 A CN117836488 A CN 117836488A CN 202280056947 A CN202280056947 A CN 202280056947A CN 117836488 A CN117836488 A CN 117836488A
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野崎匠
神田竜二
岩永大司
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内田悠太
岛野佑基
佐佐木淳
北岛仁
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Abstract

计测值取得部从多个传感器取得计测值。姿势计算部计算配件相对于车身的姿势。介入控制部基于计算出的配件的姿势来决定假想旋转轴。介入控制部基于计算出的配件的姿势，生成用于使配件绕假想旋转轴旋转的倾转旋转器的控制信号，以使设计面与配件的铲尖接***行。输出部输出所生成的控制信号。

Description

用于控制作业机械的***以及方法
技术领域
本公开涉及用于控制作业机械的***以及方法。
本申请针对2021年9月30日在日本提出申请的特愿2021-161978号而主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
在专利文献1中公开了如下技术：在具备能够使铲斗的铲尖的角度倾斜的倾转铲斗(tilt bucket)的作业机械中，使铲斗沿着倾斜的设计面移动。倾转铲斗的倾转轴沿着铲斗的开口方向延伸。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2016/186219号
发明内容
发明所要解决的课题
然而，已知有将作业机械的配件支承为能够绕相互正交的三个轴旋转的倾转旋转器这样的部件。通过将倾转旋转器安装于作业机械，能够使配件朝向任意的方向。然而，关于倾转旋转器，旋转的自由度高，另一方面，由操作员进行的操作变得困难。在专利文献1中，虽然能够使绕倾转轴的动作自动化，但是没有公开具备倾转旋转器的作业机械的控制。
本公开的目的在于提供一种能够对具备经由倾转旋转器而支承于支承部的配件的作业机械的操作进行支援的***以及方法。
用于解决课题的手段
根据本公开的一方案，一种用于控制作业机械的***，所述作业机械具备：支承部，其以能够动作的方式支承于车身；倾转旋转器，其安装于支承部的前端；以及配件，其具有铲尖，且经由倾转旋转器以能够绕在相互不同的平面上交叉的三个轴旋转的方式支承于支承部，其中，所述用于控制作业机械的***具备处理器。在处理器中，从多个传感器取得计测值。在处理器中，基于计测值，计算配件相对于车身的姿势。在处理器中，基于计算出的配件的姿势来决定假想旋转轴。在处理器中，基于计算出的配件的姿势，生成用于使配件绕假想旋转轴旋转的倾转旋转器的控制信号，以使设计面与配件的铲尖接***行，输出所生成的控制信号。
发明效果
根据上述方案，***能够对具备经由倾转旋转器而支承于支承部的配件的作业机械的操作进行支援。
附图说明
图1是表示第一实施方式的作业机械的结构的概要图。
图2是表示第一实施方式的倾转旋转器的结构的图。
图3是表示第一实施方式的作业机械的驱动***的图。
图4是表示第一实施方式的控制装置的结构的概要框图。
图5是表示第一实施方式中的作业机械的介入控制的流程图(第一部分)。
图6是表示第一实施方式中的作业机械的介入控制的流程图(第二部分)。
图7是表示第一实施方式中的铲尖对位控制的流程图。
图8是表示第一实施方式中的设计面追随控制的流程图。
具体实施方式
<第一实施方式)
《作业机械的结构》
以下，参照附图对实施方式进行详细说明。
图1是表示第一实施方式的作业机械100的结构的概要图。第一实施方式的作业机械100例如是液压挖掘机。作业机械100具备行驶体120、回转体140、工作装置160、驾驶室180、以及控制装置200。第一实施方式的作业机械100以铲斗164的铲尖不越过设计面的方式进行控制。
行驶体120将作业机械100支承为能够行驶。行驶体120例如是左右1对履带。
回转体140以能够绕回转中心回转的方式支承于行驶体120。回转体140是车身的一例。行驶体120是将回转体140支承为能够回转的基部的一例。
工作装置160以能够动作的方式支承于回转体140。工作装置160由液压驱动。工作装置160具备动臂161、斗杆162、倾转旋转器163、以及作为配件的铲斗164。动臂161的基端部以能够转动的方式安装于回转体140。斗杆162的基端部以能够转动的方式安装于动臂161的前端部。倾转旋转器163以能够转动的方式安装于斗杆162的前端部。铲斗164安装于倾转旋转器163。铲斗164经由倾转旋转器163以能够绕在相互不同的平面上交叉的三个轴旋转的方式支承于工作装置160。在此，将回转体140中的安装有工作装置160的部分称为前部。另外，关于回转体140，以前部为基准，将相反侧的部分称为后部，将左侧的部分称为左部，将右侧的部分称为右部。动臂161以及斗杆162是以能够动作的方式支承于回转体140的支承部的一例。
图2是表示第一实施方式的倾转旋转器163的结构的图。倾转旋转器163以支承铲斗164的方式安装于斗杆162的前端。倾转旋转器163具备安装部1631、倾转部1632、以及旋转部1633。安装部1631以能够绕沿图示左右方向延伸的轴旋转的方式安装于斗杆162的前端。倾转部1632以能够绕沿着图示前后方向延伸的轴旋转的方式安装于安装部1631。旋转部1633以能够绕沿图示上下方向延伸的轴旋转的方式安装于倾转部1632。理想的是，安装部1631、倾转部1632、旋转部1633的旋转轴相互正交。铲斗164的基端部固定于旋转部1633。由此，铲斗164能够相对于斗杆162以相互正交的三个轴为中心旋转。但是，实际上，安装部1631、倾转部1632、旋转部1633的旋转轴包含设计误差，有可能未必正交。
驾驶室180设置于回转体140的前部。在驾驶室180内设置有用于供操作员操作作业机械100的操作装置271、以及作为控制装置200的人机接口的监视器装置272。操作装置271接受来自操作员的行驶马达304的操作量、回转马达305的操作量、动臂缸306的操作量、斗杆缸307的操作量、铲斗缸308的操作量、倾转缸309的操作量、以及旋转马达310的操作量的输入。操作装置271输出表示作业机械的操作量的操作信号。操作装置271由操作员操作，输出用于使动臂161以及斗杆162动作的操作信号。操作装置271由操作员操作，向行驶体120输出用于使回转体140回转的操作信号。操作装置271由操作员操作，输出用于使倾转旋转器163动作的操作信号。监视器装置272接受来自操作员的铲斗姿势保持模式的设定以及解除的输入。铲斗姿势保持模式是指控制装置200为了自动地保持全局坐标系中的铲斗164的姿势而控制铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310的模式。监视器装置272例如通过具备触摸面板的计算机来实现。
控制装置200基于操作员对操作装置271的操作，对行驶体120、回转体140、以及工作装置160进行控制。控制装置200例如设置于驾驶室180的内部。
《作业机械100的驱动***》
图3是表示第一实施方式的作业机械100的驱动***的图。
作业机械100具备用于驱动作业机械100的多个致动器。具体而言，作业机械100具备发动机301、液压泵302、控制阀303、一对行驶马达304、回转马达305、动臂缸306、斗杆缸307、铲斗缸308、倾转缸309、以及旋转马达310。
发动机301是驱动液压泵302的原动机。
液压泵302由发动机301驱动，经由控制阀303向行驶马达304、回转马达305、动臂缸306、斗杆缸307以及铲斗缸308供给工作油。
控制阀303控制从液压泵302向行驶马达304、回转马达305、动臂缸306、斗杆缸307以及铲斗缸308供给的工作油的流量。
行驶马达304由从液压泵302供给的工作油驱动，驱动行驶体120。
回转马达305由从液压泵302供给的工作油驱动，使回转体140相对于行驶体120回转。
动臂缸306是用于驱动动臂161的液压缸。动臂缸306的基端部安装于回转体140。动臂缸306的前端部安装于动臂161。
斗杆缸307是用于驱动斗杆162的液压缸。斗杆缸307的基端部安装于动臂161。斗杆缸307的前端部安装于斗杆162。
铲斗缸308是用于驱动倾转旋转器163以及铲斗164的液压缸。铲斗缸308的基端部安装于斗杆162。铲斗缸308的前端部经由连杆构件而安装于倾转旋转器163。
倾转缸309是用于驱动倾转部1632的液压缸。倾转缸309的基端部安装于安装部1631。倾转缸309的杆的前端部安装于倾转部1632。
旋转马达310是用于驱动旋转部1633的液压马达。旋转马达310的托架以及定子固定于倾转部1632。旋转马达310的旋转轴以及转子以沿图示上下方向延伸的方式设置，并固定于旋转部1633。
《作业机械100的计测***》
作业机械100具备用于计测作业机械100的姿势、方位以及位置的多个传感器。具体而言，作业机械100具备倾斜计测器401、位置方位计测器402、动臂角传感器403、斗杆角传感器404、铲斗角传感器405、倾转角传感器406、以及旋转角传感器407。
倾斜计测器401计测回转体140的姿势。倾斜计测器401计测回转体140相对于水平面的倾斜度(例如，侧倾角、俯仰角以及横摆角)。作为倾斜计测器401的例子，可举出作为IMU(Inertial Measurement Unit：惯性计测装置)。在该情况下，倾斜计测器401计测回转体140的加速度以及角速度，并基于计测结果来计算回转体140相对于水平面的倾斜度。倾斜计测器401例如设置于驾驶室180的下方。倾斜计测器401将作为计测值的回转体140的姿势数据向控制装置200输出。
位置方位计测器402通过GNSS(Global Navigation Satellite System)计测回转体140的代表点的位置以及回转体140所朝向的方位。位置方位计测器402例如具备安装于回转体140的未图示的两个GNSS天线，将与连结两个天线的位置的直线正交的方位作为作业机械100所朝向的方位检测。位置方位计测器402将作为计测值的回转体140的位置数据以及方位数据向控制装置200输出。
动臂角传感器403计测动臂161相对于回转体140的角度即动臂角。动臂角传感器403可以是安装于动臂161的IMU。在该情况下，动臂角传感器403基于动臂161相对于水平面的倾斜度和倾斜计测器401计测出的回转体的倾斜度来计测动臂角。动臂角传感器403的计测值例如在通过动臂161的基端和前端的直线的方向与回转体140的前后方向一致时表示零。需要说明的是，其他实施方式的动臂角传感器403也可以是安装于动臂缸306的行程传感器。另外，其他实施方式的动臂角传感器403也可以是设置于将回转体140与动臂161以能够旋转的方式连接的间接轴的旋转传感器。动臂角传感器403将作为计测值的动臂角数据向控制装置200输出。
斗杆角传感器404计测斗杆162相对于动臂161的角度即斗杆角。斗杆角传感器404可以是安装于斗杆162的IMU。在该情况下，斗杆角传感器404基于斗杆162相对于水平面的倾斜度和动臂角传感器403计测出的动臂角，计测斗杆角。斗杆角传感器404的计测值例如在通过斗杆162的基端和前端的直线的方向与通过动臂161的基端和前端的直线的方向一致时表示零。需要说明的是，其他实施方式的斗杆角传感器404也可以在斗杆缸307安装行程传感器来进行角度的计算。另外，其他实施方式的斗杆角传感器404也可以是设置于将动臂161与斗杆162以能够旋转的方式连接的关节轴的旋转传感器。斗杆角传感器404将作为计测值的斗杆角数据向控制装置200输出。
铲斗角传感器405计测倾转旋转器163相对于斗杆162的角度即铲斗角。铲斗角传感器405可以是设置于铲斗缸308的行程传感器。在该情况下，铲斗角传感器405基于铲斗缸308的行程量来计测铲斗角。铲斗角传感器405的计测值例如在通过铲斗164的基端和铲尖的直线的方向与通过斗杆162的基端和前端的直线的方向一致时表示零。需要说明的是，其他实施方式的铲斗角传感器405也可以是设置于将斗杆162与倾转旋转器163的安装部1631以能够旋转的方式连接的关节轴的旋转传感器。另外，其他实施方式的铲斗角传感器405也可以是安装于铲斗164的IMU。铲斗角传感器405将作为计测值的铲斗角数据向控制装置200输出。
倾转角传感器406计测倾转部1632相对于倾转旋转器163的安装部1631的角度即倾转角。倾转角传感器406可以是设置于将安装部1631与倾转部1632以能够旋转的方式连接的关节轴的旋转传感器。倾转角传感器406的计测值例如在斗杆162的旋转轴与旋转部1633的旋转轴正交时表示零。需要说明的是，其他实施方式的倾转角传感器406也可以将行程传感器安装于倾转缸309来进行角度的计算。倾转角传感器406将作为计测值的倾转角数据向控制装置200输出。
旋转角传感器407计测旋转部1633相对于倾转旋转器163的倾转部1632的角度即旋转角。旋转角传感器407可以是设置于旋转马达310的旋转传感器。倾转角传感器406的计测值例如在铲斗164的铲尖朝向的方向与工作装置160的动作平面平行时表示零。旋转角传感器407将作为计测值的旋转角数据向控制装置200输出。
《控制装置200的结构》
图4是表示第一实施方式的控制装置200的结构的概要框图。
控制装置200是具备处理器210、主存储器230、储存器250、以及接口270的计算机。控制装置200是控制***的一例。控制装置200从倾斜计测器401、位置方位计测器402、动臂角传感器403、斗杆角传感器404、铲斗角传感器405、倾转角传感器406以及旋转角传感器407接收计测值。
储存器250是非临时的有形的存储介质。作为储存器250的例子，可举出磁盘、光盘、光磁盘、半导体存储器等。储存器250可以是与控制装置200的总线直接连接的内部介质，也可以是经由接口270或通信线路与控制装置200连接的外部介质。操作装置271及监视器装置272经由接口270与处理器210连接。
储存器250存储用于控制作业机械100的控制程序。控制程序也可以用于实现使控制装置200发挥的功能的一部分。例如，控制程序可以是通过与已存储于储存器250的其他程序的组合、或者与安装于其他装置的其他程序的组合来发挥功能。需要说明的是，在其他实施方式中，控制装置200也可以除了上述结构之外或者取代上述结构而具备PLD(Programmable Logic Device)等定制LSI(Large Scale Integrated Circuit)。作为PLD的例子，可举出PAL(Programmable Array Logic)、GAL(GenericArray Logic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array)。在该情况下，由处理器实现的功能的一部分或全部也可以由该集成电路来实现。
在储存器250中记录有表示回转体140、动臂161、斗杆162以及铲斗164的尺寸以及重心位置的几何数据。几何数据是表示规定的坐标系中的物体的位置的数据。另外，在储存器250中记录有表示全局坐标系中的施工现场的设计面的形状的三维数据即设计面数据。全局坐标系是由沿着纬线方向延伸的Xg轴、沿着经线方向延伸的Yg轴、沿着铅垂方向延伸的Zg轴构成的坐标系。设计面数据例如由TIN(Triangular Irregular Networks)数据表示。
《软件结构》
处理器210为了执行控制程序而具备操作信号取得部211、输入部212、显示控制部213、计测值取得部214、位置姿势计算部215、介入判定部216、介入控制部217、以及控制信号输出部218。
操作信号取得部211从操作装置271取得表示各致动器的操作量的操作信号。
输入部212从监视器装置272接受由操作员进行的操作输入。
显示控制部213将显示于监视器装置272的画面数据向监视器装置272输出。
计测值取得部214从倾斜计测器401、位置方位计测器402、动臂角传感器403、斗杆角传感器404、铲斗角传感器405、倾转角传感器406以及旋转角传感器407取得计测值。
位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的各种计测值和储存器250中记录的几何数据，计算全局坐标系以及车身坐标系中的作业机械100的位置。例如位置姿势计算部215计算全局坐标系以及车身坐标系中的铲斗164的铲尖的位置。车身坐标系是指以回转体140的代表点(例如，通过回转中心的点)为原点的正交坐标系。关于位置姿势计算部215的计算将在后面叙述。位置姿势计算部215是计算铲斗164相对于回转体140的姿势的姿势计算部的一例。
介入判定部216基于位置姿势计算部215计算出的铲斗164的铲尖的位置与设计面数据所示的设计面的位置关系，判定是否限制工作装置160的速度。以下，也将控制装置200限制工作装置160的速度称为介入控制。具体而言，介入判定部216求出设计面与铲斗164的最短距离，在该最短距离为规定距离以下的情况下，判定为对工作装置160进行介入控制。
介入控制部217在由介入判定部216判定为进行介入控制的情况下，控制操作信号取得部211取得到的操作量中的介入对象的操作量。在介入控制中，介入控制部217以使工作装置160不侵入设计线的方式控制动臂161的操作量。由此，动臂161以铲斗164的速度成为和铲斗164与设计线的距离相应的速度的方式工作。也就是说，介入控制部217在操作员操作斗杆162来进行挖掘作业时，通过根据设计面使动臂161上升来限制铲斗164的铲尖的速度。
控制信号输出部218将操作信号取得部211所取得的操作量、或由介入控制部217控制的操作量向控制阀303输出。
《位置姿势计算部215的计算》
在此，说明位置姿势计算部215对作业机械100的外壳的点的位置的计算方法。位置姿势计算部215基于计测值取得部214取得到的各种计测值和储存器250中记录的几何数据，计算外壳的点的位置。在储存器250中记录有表示回转体140、动臂161、斗杆162、倾转旋转器163(安装部1631、倾转部1632以及旋转部1633)以及铲斗164的尺寸的几何数据。
回转体140的几何数据在作为局部坐标系的车身坐标系中，表示回转体140支承动臂161的关节轴的中心位置(xbm、ybm、zbm)。车身坐标系是由以回转体140的回转中心为基准沿着前后方向延伸的Xsb轴、沿着左右方向延伸的Ysb轴、以及沿着上下方向延伸的Zsb轴构成的坐标系。需要说明的是，回转体140的上下方向未必与铅垂方向一致。
动臂161的几何数据在作为局部坐标系的动臂坐标系中，表示动臂161支承斗杆162的关节轴的位置(xam、yam、zam)。动臂坐标系是以连接回转体140和动臂161的关节轴的中心位置为基准，由沿着长度方向延伸的Xbm轴、沿着关节轴延伸的方向延伸的Ybm轴、以及与Xbm轴和Ybm轴正交的Zbm轴构成的坐标系。
斗杆162的几何数据在作为局部坐标系的斗杆坐标系中，表示斗杆162支承倾转旋转器163的安装部1631的关节轴的位置(xt1、yt1、zt1)。斗杆坐标系是以将动臂161和斗杆162连接的关节轴的中心位置为基准，由沿着长度方向延伸的Xam轴、沿着关节轴延伸的方向延伸的Yam轴、以及与Xam轴和Yam轴正交的Zam轴构成的坐标系。
倾转旋转器163的安装部1631的几何数据在作为局部坐标系的第一倾转旋转坐标系中，表示安装部1631支承倾转部1632的关节轴的位置(xt2、yt2、zt2)和关节轴的倾斜度(φt)。关节轴的倾斜度φt是与倾转旋转器163的设计误差相关的角度，通过倾转旋转器163的校准等求出。第一倾转旋转坐标系是以将斗杆162与安装部1631连接的关节轴的中心位置为基准，由沿将斗杆162和安装部1631连接的关节轴延伸的方向延伸的Yt1轴、沿将安装部1631和倾转部1632连接的关节轴延伸的方向延伸的Zt1轴、以及与Yt1轴和Zt1轴正交的Xt1轴构成的坐标系。
倾转旋转器163的倾转部1632的几何数据表示作为局部坐标系的第二倾转旋转坐标系中的旋转马达310的旋转轴的前端位置(xt3、yt3、zt3)和旋转轴的倾斜度(φr)。旋转轴的倾斜度φr是与倾转旋转器163的设计误差相关的角度，通过倾转旋转器163的校准等求出。第二倾转旋转坐标系是以将安装部1631与倾转部1632连接的关节轴的中心位置为基准，由沿将安装部1631与倾转部1632连接的关节轴延伸的方向延伸的Xt2轴、沿旋转马达310的旋转轴延伸的方向延伸的Zt2轴、以及与Xt2轴和Zt2轴正交的Yt2轴构成的坐标系。
倾转旋转器163的旋转部1633的几何数据表示作为局部坐标系的第三倾转旋转坐标系中的铲斗164的安装面的中心位置(xt4、yt4、zt4)。第三倾转旋转坐标系是以铲斗164的安装面的中心位置为基准，由沿着旋转马达310的旋转轴延伸的方向延伸的Zt3轴、与旋转轴正交的Xt3轴及Yt3轴构成的坐标系。需要说明的是，铲斗164以铲尖与Yt3轴平行的方式安装于旋转部1633。
铲斗164的几何数据表示第三倾转旋转坐标系中的铲斗164的多个轮廓点的位置(xbk、ybk、zbk)。作为轮廓点的例子，可列举铲斗164的铲尖的两端以及中央的位置、铲斗164的底部的两端以及中央的位置、以及铲斗164的后部的两端以及中央的位置。
位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的动臂角θbm的计测值和回转体140的几何数据，通过下述数学式(1)，生成用于从动臂坐标系向车身坐标系转换的动臂-车身转换矩阵Tbm sb。动臂-车身转换矩阵Tbm sb是绕Ybm轴旋转动臂角θbm，并且平行移动车身坐标系的原点与动臂坐标系的原点的偏差(xbm、ybm、zbm)的矩阵。
[数学式1]
位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的斗杆角θam的计测值和动臂161的几何数据，通过下述数学式(2)，生成用于从斗杆坐标系向动臂坐标系转换的斗杆-动臂转换矩阵Tam bm。斗杆-动臂转换矩阵Tam bm是绕Yam轴旋转斗杆角θam，并且平行移动动臂坐标系的原点与斗杆坐标系的原点的偏差(xam、yam、zam)的矩阵。另外，位置姿势计算部215通过求出动臂-车身转换矩阵Tbm sb与斗杆-动臂转换矩阵Tam bm的积，生成用于从斗杆坐标系向车身坐标系转换的斗杆-车身转换矩阵Tam sb。
[数学式2]
位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的铲斗角θbk的计测值和斗杆162的几何数据，通过下述数学式(3)，生成用于从第一倾转旋转坐标系向斗杆坐标系转换的第一倾转-斗杆转换矩阵Tt1 am。第一倾转一斗杆转换矩阵Tt1 am是绕Yt1轴旋转铲斗角θbk，并且平行移动斗杆坐标系的原点与第一倾转旋转坐标系的原点的偏差(xt1、yt1、zt1)，进而使倾转部1632的关节轴倾斜倾斜度φt的矩阵。另外，位置姿势计算部215通过求出斗杆一车身转换矩阵Tam sb和第一倾转-斗杆转换矩阵Tt1 am的积，生成用于从第一倾转旋转坐标系向车身坐标系转换的第一倾转-车身转换矩阵Tt1 sb。
[数学式3]
位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的倾转角θt的计测值和倾转旋转器163的几何数据，通过下述数学式(4)，生成用于从第一倾转旋转坐标系向第二倾转旋转坐标系转换的第二倾转-第一倾转转换矩阵Tt2 t1。第二倾转-第一倾转转换矩阵Tt2 t1是绕Xt2轴旋转倾转角θt，并且平行移动第一倾转旋转坐标系的原点与第二倾转旋转坐标系的原点的偏差(xt2、yt2、zt2)，进而使旋转部1633的旋转轴倾斜倾斜度φr的矩阵。另外，位置姿势计算部215通过求出第一倾转一车身转换矩阵Tt1 sb和第二倾转-第一倾转转换矩阵Tt2 t1的积，生成用于从第二倾转旋转坐标系向车身坐标系转换的第二倾转-车身转换矩阵Tt2 sb。
[数学式4]
位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的旋转角θr的计测值和倾转旋转器163的几何数据，通过下述数学式(5)，生成用于从第二倾转旋转坐标系向第三倾转旋转坐标系转换的第三倾转-第二倾转转换矩阵Tt3 t2。第三倾转-第二倾转转换矩阵Tt3 t2是绕Zt3轴旋转旋转角θr，并且平行移动第二倾转旋转坐标系的原点与第三倾转旋转坐标系的原点的偏差(xt3、yt3、zt3)的矩阵。另外，位置姿势计算部215通过求出第二倾转-车身转换矩阵Tt2 sb和第三倾转-第二倾转转换矩阵Tt3 t2的积，生成用于从第三倾转旋转坐标系向车身坐标系转换的第三倾转-车身转换矩阵Tt3 sb。
[数学式5]
位置姿势计算部215通过求出铲斗164的安装面的中心位置(xt4、yt4、zt4)与铲斗164的几何数据所示的第三倾转旋转坐标系中的多个轮廓点的位置(xbk、ybk、zbk)的和与第三倾转-车身转换矩阵Tbk sb之积，能够求出车身坐标系中的铲斗164的多个轮廓点的位置。
然而，铲斗164的铲尖相对于作业机械100的接地面的角度、即车身坐标系的Xsb-Ysb平面与第三倾转旋转坐标系的Yt3轴所成的角由动臂角θbm、斗杆角θam、铲斗角θbk、倾转角θt以及旋转角θr来确定。因此，位置姿势计算部215如图1所示确定以铲斗164的基端部、即倾转旋转器163中的铲斗164的安装面的中心位置为起点的铲斗坐标系。铲斗坐标系是由沿铲斗164的铲尖所朝向的方向延伸的Xbk轴、与Xbk轴正交且沿着铲斗164的铲尖延伸的Ybk轴、以及与Xbk轴及Ybk轴正交的Zbk轴构成的正交坐标系。以下，也将Xbk轴称为铲斗倾转轴，将Ybk轴称为铲斗俯仰轴，将Zbk轴称为铲斗旋转轴。铲斗倾转轴Xbk、铲斗俯仰轴Ybk以及铲斗旋转轴Zbk是假想的轴，与倾转旋转器163的关节轴不同。需要说明的是，在旋转马达310的旋转轴的倾斜度为零的情况下，铲斗坐标系与第三倾转旋转坐标系一致。
位置姿势计算部215基于倾转旋转器163的几何数据，通过下述数学式(6)，生成用于从第三倾转旋转坐标系向铲斗坐标系转换的铲斗-第三倾转转换矩阵Tbk t3。铲斗-第三倾转转换矩阵Tbk t3是使旋转轴绕Yt3轴旋转倾斜度φr的矩阵。
[数学式6]
《作业机械100的控制方法》
以下，对第一实施方式的作业机械100的控制方法进行说明。图5、图6是表示第一实施方式中的作业机械100的介入控制的流程图。在作业机械100的操作员开始操作作业机械100时，控制装置200每隔规定的控制周期(例如，1000毫秒)执行以下所示的控制。
计测值取得部214取得倾斜计测器401、位置方位计测器402、动臂角传感器403、斗杆角传感器404、铲斗角传感器405、倾转角传感器406以及旋转角传感器407的计测值(步骤S101)。
位置姿势计算部215基于在步骤S101中所取得的计测值来计算车身坐标系中的铲斗164的多个轮廓点的位置(步骤S102)。另外，位置姿势计算部215基于在步骤S101中所取得的计测值来计算车身坐标系中的铲斗的姿势(步骤S103)。车身坐标系中的铲斗的姿势由表示车身坐标系中的铲斗坐标系的各轴(Xbk、Ybk、Zbk)的方向的姿势矩阵Rcur表示。表示铲斗164的姿势的姿势矩阵Rcur的平行移动分量全部为零。
接下来，介入判定部216基于在步骤S101中所取得的倾斜计测器401以及位置方位计测器402的计测值，使记录于储存器250的设计面数据旋转以及平行移动，由此将由全局坐标系表示的设计面的位置转换为车身坐标系的位置(步骤S104)。介入判定部216基于在步骤S102中计算出的车身坐标系中的铲斗164的多个轮廓点的位置和在步骤S104中转换出的车身坐标系中的设计面的位置，将铲斗164的多个轮廓点中的、距设计面的距离最近的轮廓点确定为控制点(步骤S105)。介入判定部216确定在设计面数据中位于在步骤S105中确定的控制点的铅垂下方的设计面(多边形)(步骤S106)。介入判定部216计算通过控制点的铲斗坐标系的与Xbk-Zbk平面平行的面和在步骤S106中确定的设计面的交线即第一设计线(步骤S107)。另外，介入判定部216计算通过控制点的铲斗坐标系的与Ybk-Zbk平面平行的面和设计面的交线即第二设计线(步骤S108)。
接下来，介入判定部216判定控制点与第一设计线的距离是否为介入阈值以下(步骤S109)。在控制点与第一设计线的距离为介入阈值以下的情况下(步骤S109：是)，介入判定部216基于操作信号取得部211所取得的来自操作装置271的操作信号，判定是否受理了动臂161以外的操作(步骤S110)。在介入判定部216判定为仅受理了动臂161的操作的情况下、或者判定为未受理操作的情况下(步骤S110：否)，推测为操作员有使铲斗164的铲尖接近设计面的意图，因此介入控制部217通过进行后述的铲尖对位控制来生成铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310的控制信号(步骤S111)。
另一方面，在介入判定部216判定为受理了动臂161以外的操作的情况下(步骤S110：是)，介入判定部216基于操作信号取得部211取得的来自操作装置271的操作信号，判定是否受理了回转马达305以及斗杆162以外的操作(步骤S112)。在介入判定部216判定为未受理回转马达305以及斗杆162以外的操作的情况下(步骤S112：否)，推测为操作员有在施工现场沿着设计面挖掘的意图，因此介入控制部217通过进行后述的设计面追随控制来生成铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310的控制信号(步骤S113)。
在控制点与第一设计线的距离为介入阈值以下的情况下，介入控制部217基于控制点与第一设计线的距离和预先决定的限制速度表来确定铲斗164的铲尖的限制速度(步骤S114)。限制速度表是表示铲尖和设计线的距离与铲尖的限制速度的关系的函数，且距离越短则限制速度越小的函数。介入控制部217判定铲尖的速度是否超过在步骤S114中确定的限制速度(步骤S115)。在铲尖的速度超过限制速度的情况下(步骤S115：是)，介入控制部217计算用于使铲尖的速度与限制速度一致的动臂161的速度，生成动臂缸306的控制信号(步骤S116)。在铲尖的速度不超过限制速度的情况下(步骤S115：否)，介入控制部217不进行针对动臂缸306的介入控制。
并且，控制信号输出部218针对介入控制部217生成的没有控制信号的致动器，生成与操作信号取得部211所取得的来自操作装置271的操作信号表示的操作量相应的控制信号，将各致动器的控制信号输出到控制阀303(步骤S117)。
《铲尖对位控制》
图7是表示第一实施方式中的铲尖对位控制的流程图。
铲尖对位控制是使铲斗164的铲尖与设计面接***行的控制。具体而言，铲尖对位控制是如下控制：将沿铲斗164的铲尖朝向的方向延伸的铲斗倾转轴Xbk决定为假想的旋转轴，以与铲斗倾转轴Xbk正交且沿着铲斗164的铲尖延伸的铲斗俯仰轴Ybk与设计面接***行的方式，至少使铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310中的任一者工作。在铲尖对位控制中，使铲斗164绕铲斗倾转轴Xbk旋转。因此，介入控制部217在维持绕铲斗坐标系的铲斗俯仰轴Ybk的角度以及绕铲斗旋转轴Zbk的角度的状态下，求出用于使铲斗164的铲尖与第二设计线接***行的铲斗角的目标值θbk_tgt、倾转角的目标值θt_tgt以及旋转角的目标值θr_tgt。具体而言，介入控制部217按照以下的顺序求出铲斗角θbk、倾转角θt以及旋转角θr的目标值。
介入控制部217基于铲斗坐标系的铲斗俯仰轴Ybk与在步骤S108中求出的第二设计线所成的角和预先决定的铲斗倾转表，决定绕铲斗倾转轴Xbk的角速度的目标值θbk_t_tgt(步骤S301)。角速度的目标值θbk_t_tgt由单位时间的旋转角度表示。铲斗倾转表是表示铲斗俯仰轴Ybk与设计线所成的角与绕铲斗倾转轴Xbk的角速度的关系的函数，且是角度越小则角速度越小的函数。介入控制部217通过下述数学式(7)制作表示角速度的目标值θbk_t_tgt的铲斗坐标系的旋转矩阵Rbk_t bk(步骤S302)。
[数学式7]
介入控制部217通过将在步骤S103中计算出的表示当前的铲斗164的姿势的矩阵Rcur乘以旋转矩阵Rbk-t bk，来计算单位时间后的铲斗164的目标姿势Rtgt(步骤S303)。介入控制部217基于铲斗164的当前的姿势Rcur和单位时间后的铲斗164的目标姿势Rtgt，通过数学式(8)-(10)求出铲斗角θbk、倾转角θt以及旋转角θr的目标值(步骤S304)。
[数学式8]
[数学式9]
[数学式10]
根据数学式(8)一(10)，介入控制部217能够求出用于抵消当前的铲斗164的姿势Rcur与铲斗164的目标姿势Rtgt的差量的角速度θbk_tgt、θt_tgt、θr_tgt。介入控制部217基于在步骤S304中求出的角速度的目标值，生成铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310的控制信号(步骤S305)。
《设计面追随控制》
图8是表示第一实施方式中的设计面追随控制的流程图。
设计面追随控制是在挖掘、整地作业中使铲斗164的铲尖追随设计面的控制。具体而言，设计面追随控制如下控制：将沿着铲斗164的铲尖朝向的方向延伸的铲斗倾转轴Xbk决定为假想的旋转轴，保持全局坐标系中的铲斗倾转轴Xbk的轴向，并且以与铲斗倾转轴Xbk正交且沿着铲斗164的铲尖延伸的铲斗俯仰轴Ybk与设计面接***行的方式，至少使铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310中的任一者工作。在设计面追随控制中，一边保持全局坐标系中的铲斗倾转轴Xbk的轴向，一边使铲斗164绕铲斗倾转轴Xbk旋转。因此，介入控制部217取消操作员对作业机械100的操作引起的开口方向相对于全局坐标系的变化，并且通过绕铲斗倾转轴Xbk的旋转来求出用于使铲斗164的铲尖与第二设计线接***行的铲斗角的目标值θbk_tgt、倾转角的目标值θt_tgt以及旋转角的目标值θr_tgt。具体而言，介入控制部217按照以下的顺序求出铲斗角θbk、倾转角θt以及旋转角θr的目标值。
介入控制部217基于操作信号取得部211所取得的回转马达305以及斗杆缸307的操作量、以及计测值取得部214所取得的倾斜计测器401的计测值，使表示在步骤S103中计算出的当前的铲斗164的姿势的矩阵旋转，由此求出表示单位时间(控制周期)后的铲斗164的姿势的姿势矩阵Rman(步骤S401)。
接下来，介入控制部217基于铲斗坐标系的铲斗俯仰轴Ybk与在步骤S108中求出的第二设计线所成的角和预先决定的铲斗倾转表，决定绕铲斗倾转轴Xbk的角速度的目标值θbk_t_tgt(步骤S402)。介入控制部217通过数学式(7)制作表示角速度的目标值θbk_t_tgt的铲斗坐标系的旋转矩阵Rbk-t bk(步骤S403)。
介入控制部217通过将在步骤S401中计算出的表示单位时间(控制周期)后的铲斗164的姿势的姿势矩阵Rman乘以旋转矩阵Rbk-t bk，来计算单位时间后的铲斗164的目标姿势Rtgt(步骤S404)。介入控制部217基于姿势矩阵Rman和目标姿势Rtgt，通过数学式(11)-(13)求出铲斗角θbk、倾转角θt以及旋转角θr的目标值(步骤S405)。
[数学式11]
[数学式12]
[数学式13]
根据数学式(11)-(13)，介入控制部217能够求出用于抵消当前的铲斗164的姿势Rcur与铲斗164的目标姿势Rtgt的差量的角速度θbk_tgt、θt_tgt、θr_tgt。介入控制部217基于在步骤S405中求出的角速度的目标值，生成铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310的控制信号(步骤S406)。
《作用/效果》
根据第一实施方式，若操作员操作动臂缸306而使铲斗164接近设计面，则控制装置200以使铲斗164的铲尖与设计面并行的方式控制倾转旋转器163。此时，控制装置200以铲斗164的铲尖朝向的方向不变的方式控制倾转旋转器163，以进行铲斗坐标系中的绕铲斗倾转轴的旋转。由此，控制装置200能够反映操作员的意向，并且使铲尖与设计面一致。之后，若在操作员将铲斗164的铲尖与挖掘对象接触的状态下操作斗杆缸307以及回转马达305而使作业机械100对挖掘对象进行挖掘，则控制装置200以使铲斗164的铲尖追随设计面的方式控制倾转旋转器163。此时，控制装置200以使回转体140因操作员的操作而回转，铲斗164的铲尖朝向的方向也以从全局坐标系观察不变的方式进行控制。由此，控制装置200能够自动地使铲尖朝向挖掘方向。
另外，根据第一实施方式，操作员通过设定姿势保持模式，即使操作回转体140、动臂161以及斗杆162，也能够使从全局坐标系观察到的铲斗164的姿势保持恒定。例如，在挖掘比设计面足够高的场所的情况下等，通过维持铲斗164的姿势，能够容易地使铲尖朝向挖掘方向。另外，例如，在代替铲斗164而将抓斗等配件安装于工作装置160而使货物移动的情况下等，通过维持配件的姿势，能够抑制由姿势变化引起的货物的落下。
另外，关于控制装置200，在输入了用于操作倾转旋转器163的操作信号、即铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310中的任一个操作信号的情况下，介入控制部217不生成倾转旋转器的控制信号。由操作员输入了用于操作倾转旋转器163的操作信号的情况下，操作员具有想要自己操作铲斗164朝向的方向这一意向的可能性高。因此，在这样的情况下，控制装置200不生成倾转旋转器的控制信号，从而不妨碍操作员的操作。
<其他实施方式>
以上，参照附图对一实施方式进行了详细说明，但具体结构并不局限于上述方式，而能够进行各种设计变更等。即，在其他实施方式中，也可以适当变更上述的处理的顺序。另外，也可以并行执行一部分的处理。
上述实施方式的控制装置200既可以是由单独的计算机构成的装置，也可以是将控制装置200的构成分开配置于多个计算机并通过多个计算机相互配合来作为控制装置200发挥功能。此时，构成控制装置200的一部分的计算机搭载于作业机械的内部，其他计算机设置于作业机械的外部。例如，在其他实施方式中，操作装置271以及监视器装置272也可以从作业机械100远程设置，控制装置200中的计测值取得部214以及控制信号输出部218以外的结构设置于远程的服务器。
另外，上述实施方式的作业机械100是液压挖掘机，但不限于此。例如，其他实施方式的作业机械100也可以是固定设置于地上的不自行驶的作业机械。另外，其他实施方式的作业机械100也可以是不具有回转体的作业机械。
上述的实施方式的作业机械100具备铲斗164来作为工作装置160的配件，但并不限定于此。例如，其他实施方式的作业机械100也可以具备破碎器、叉、抓斗等来作为配件。在该情况下，控制装置200也与铲斗坐标系同样地通过由沿配件的铲尖朝向的方向延伸的Xbk轴、沿着铲尖的方向延伸的Ybk轴、与Xbk轴以及Ybk轴正交的Zbk轴构成的局部坐标系来控制倾转旋转器163。
另外，在其他实施方式中，只要倾转旋转器163的各轴在相互不同的平面交叉即可，也可以不正交。具体而言，关于将斗杆162与安装部1631连接的关节轴的轴AX1、将安装部1631与倾转部1632连接的关节轴的轴AX2、以及旋转马达310的旋转轴AX3，在倾转旋转器163的倾转角以及旋转角为零时，与轴AX1以及轴AX2平行的面、与轴AX2以及轴AX3平行的面、与轴AX3以及轴AX1平行的面分别不同即可。
另外，其他实施方式的控制装置200也可以不具有设计面的设定功能。在这样的情况下，控制装置200也能够通过进行铲斗姿势保持控制来自动控制倾转旋转器163。例如，操作员能够不设定设计面而实施简易的整地作业。
工业上的可利用性
根据上述方式，***能够对具备经由倾转旋转器而支承于支承部的配件的作业机械的操作进行支援。
附图标记说明
100…作业机械；120…行驶体；140…回转体；160…工作装置；161…动臂；162…斗杆；163…倾转旋转器；1631…安装部；1632…倾转部；1633…旋转部；164…铲斗；180…驾驶室；200…控制装置；210…处理器；211…操作信号取得部；212…输入部；213…显示控制部；214…计测值取得部；215…位置姿势计算部；216…介入判定部；217…介入控制部；218…控制信号输出部；230…主存储器；250…储存器；270…接口；271…操作装置；272…监视器装置；301…发动机；302…液压泵；303…控制阀；304…行驶马达；305…回转马达；306…动臂缸；307…斗杆缸；308…铲斗缸；309…倾转缸；310…旋转马达；401…倾斜计测器；402…位置方位计测器；403…动臂角传感器；404…斗杆角传感器；405…铲斗角传感器；406…倾转角传感器；407…旋转角传感器。

Claims (7)

1.一种用于控制作业机械的***，所述作业机械具备：支承部，其以能够动作的方式支承于车身；倾转旋转器，其安装于所述支承部的前端；以及配件，其具有铲尖，且经由所述倾转旋转器以能够绕在相互不同的平面上交叉的三个轴旋转的方式支承于所述支承部，
其中，
所述用于控制作业机械的***具备处理器，
在所述处理器中，
从多个传感器取得计测值，
基于所述计测值，计算所述配件相对于所述车身的姿势，
基于计算出的所述配件的所述姿势来决定假想旋转轴，
基于计算出的所述配件的所述姿势，生成用于使所述配件绕所述假想旋转轴旋转的所述倾转旋转器的控制信号，以使设计面与所述配件的铲尖接***行，
输出所生成的所述控制信号。
2.根据权利要求1所述的***，其中，
在所述处理器中，
确定用于使所述设计面与所述配件的铲尖接***行的绕所述假想旋转轴的角速度的目标值，
将绕所述假想旋转轴的角速度转换为绕所述三个轴的角速度，
基于绕所述三个轴的角速度来生成所述倾转旋转器的控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的***，其中，
所述假想旋转轴是沿所述配件的所述铲尖所朝向的方向延伸的轴。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的***，其中，
所述处理器在所述设计面与所述配件的铲尖的距离为介入阈值以下的情况下，输出所述倾转旋转器的控制信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的***，其中，
所述支承部具备以能够旋转的方式支承于车身的动臂和以能够旋转的方式支承于所述动臂的斗杆，
在所述处理器中，
从操作装置取得用于操作所述作业机械的操作信号，
在从所取得的所述操作信号仅输入了用于操作所述动臂的操作信号的情况下，生成所述倾转旋转器的控制信号。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的***，其中，
所述假想旋转轴与所述倾转旋转器的关节轴不同。
7.一种用于控制作业机械的方法，所述作业机械具备：支承部，其以能够动作的方式支承于车身；倾转旋转器，其安装于所述支承部的前端；以及配件，其具有铲尖，且经由所述倾转旋转器以能够绕在相互不同的平面上交叉的三个轴旋转的方式支承于所述支承部，
所述用于控制作业机械的方法包括：
从多个传感器取得计测值的步骤；
基于所述计测值来计算所述配件相对于所述车身的姿势的步骤；
基于计算出的所述配件的所述姿势来决定沿着所述配件的所述铲尖所朝向的方向延伸的假想旋转轴的步骤；
基于计算出的所述配件的所述姿势，生成用于使所述配件绕所述假想旋转轴旋转的所述倾转旋转器的控制信号，以使设计面与所述配件的铲尖接***行的步骤；以及
根据所生成的所述控制信号来控制所述倾转旋转器的步骤。
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