JP2023118169A - Control device for work machine, and work machine including the same - Google Patents
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- Operation Control Of Excavators (AREA)
Abstract
Description
本発明は、作業機械用制御装置、及び、その制御装置を含む作業機械に関する。 The present invention relates to a work machine control device and a work machine including the control device.
従来から、土質の違いに関わらず半自動制御の施工精度を維持することができる作業機械が知られている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, there is known a work machine capable of maintaining semi-automatic control construction accuracy regardless of soil quality (for example, Patent Literature 1).
特許文献1には、走行体と、この走行体上に旋回可能に搭載された旋回体と、この旋回体に上下方向に回動可能に連結されたフロント作業機とを備える油圧ショベルが記載されている。当該フロント作業機は、旋回体に上下方向に回動可能に連結されたブームと、このブームの先端側に上下方向に回動可能に連結されたアームと、このアームの先端側に上下方向に回動可能に連結されたバケットと、ブームを駆動するブームシリンダと、アームを駆動するアームシリンダと、バケットを駆動するバケットシリンダと、を備えている。また、当該油圧ショベルには、ブームシリンダ、アームシリンダ、及びバケットシリンダの負荷圧を圧力信号に変換して出力する圧力センサが搭載されている。
特許文献1に記載の油圧ショベルにおいて、圧力センサによって検出されたブームシリンダ、アームシリンダ、及びバケットシリンダの負荷圧は、圧力信号として土質取得部に入力される。当該土質取得部は、上記圧力信号等に基づいて、土質情報を取得する。当該油圧ショベルでは、この土質情報に基づいて演算された推定負荷に応じて、フロント作業機に対する動作指令が補正される。
In the hydraulic excavator disclosed in
ところで、油圧ショベルは、地形(露天(シングルベンチ、ダブルベンチ)、坑内等)及び地質(金属、非金属、石炭、石灰岩等)の点で、様々な作業現場で使用される。油圧ショベルは、このような様々な作業現場において、効率的に作業を行うことが求められる。 By the way, hydraulic excavators are used at various work sites in terms of topography (open pit (single bench, double bench), underground, etc.) and geology (metal, non-metal, coal, limestone, etc.). Hydraulic excavators are required to work efficiently at such various work sites.
この点で、特許文献1に記載の油圧ショベルは、作業現場の土質情報に応じてフロント作業機の動作指令を変更することにより、作業の効率化を図っている。しかし、当該油圧ショベルでは、地形情報に応じてフロント作業機の動作指令を変更することが想定されていないため、たとえば、異なる地形が混在するような作業現場では、作業を効率的に行えないことがあった。また、当該油圧ショベルでは、土質情報を取得するために、圧力センサによってブームシリンダ、アームシリンダ、及びバケットシリンダの負荷圧を検出する必要がある。つまり、当該油圧ショベルでは、土質情報を取得するために、オペレータの操作に基づき実際に掘削作業を行う必要がある。油圧ショベルによる作業の更なる効率化を図るためには、実際の掘削を行うことなく、フロント作業機の動作指令を変更することが望ましい。
In this respect, the hydraulic excavator described in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、作業現場の地形及び地質に関わらず、作業機械による作業効率を向上させることのできる作業機械用制御装置、及び、その制御装置を含む作業機械を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and provides a work machine control device capable of improving the work efficiency of the work machine regardless of the topography and geology of the work site, and a work machine including the control device. intended to provide
上記課題を解決するために、本発明の作業機械用制御装置は、作業機械の位置に基づいて、前記作業機械の操作計画を生成する操作計画部を備える作業機械用制御装置であって、前記操作計画部は、前記位置を含む前記作業機械の周囲領域の地形に関する第1地形情報と、前記周囲領域の地質に関する第1地質情報と、を取得し、前記第1地形情報及び前記第1地質情報に基づいて前記作業機械の作業領域を特定する、ことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the work machine control device of the present invention is a work machine control device comprising an operation planning unit that generates an operation plan for the work machine based on the position of the work machine, The operation planning unit acquires first topographical information regarding the topography of a surrounding area of the work machine including the position, and first geological information regarding the geological features of the surrounding area. A work area of the work machine is specified based on the information.
本発明に係る作業機械用制御装置によれば、作業機械のオペレータは、上記作業領域を特定するために、例えば実際に掘削作業を行う必要がない。つまり、作業機械による作業を開始する前に、第1地形情報及び第1地質情報に基づいて、作業領域が作業機械による作業を行う領域であることが把握される。よって、作業現場の地形及び地質に関わらず、作業機械による作業効率を向上させることができる。上記以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 According to the work machine control device of the present invention, the operator of the work machine does not need to actually perform excavation work, for example, in order to specify the work area. In other words, before starting work with the work machine, it is grasped that the work area is the area where the work with the work machine is performed based on the first topographic information and the first geological information. Therefore, regardless of the topography and geology of the work site, the working efficiency of the work machine can be improved. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各実施形態において同一の符号を付された構成については、特に言及しない限り、各実施形態において同様の機能を有し、その説明を省略する。図1は、本発明の第1実施形態のコントローラ(作業機械用制御装置)100のシステム構成例を示す図である。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that components denoted by the same reference numerals in each embodiment have the same function in each embodiment unless otherwise specified, and description thereof will be omitted. FIG. 1 is a diagram showing a system configuration example of a controller (work machine control device) 100 according to the first embodiment of the present invention.
まず、本実施形態に係るコントローラ100による制御の対象となる作業機械について説明する。本実施形態では、作業機械が油圧ショベル101(以下、ショベル101ともいう。)であり、油圧ショベル101により掘削作業が行われる場合について説明する。図1に示すように、油圧ショベル101は、下部走行体5と、下部走行体5に旋回可能に取付けられた上部旋回体4と、上部旋回体4に回動可能に取付けられたフロント作業機10と、を備える。コントローラ100は、例えば上部旋回体4に搭載されてもよいし、油圧ショベル101とは別の場所の指令室等に設けられてもよい。コントローラ100が上記指令室等に設けられる場合、コントローラ100は、例えば公知の無線通信回線等を介して、油圧ショベル101に接続されてよい。また、油圧ショベル101は、後述するダンプ車両504に、例えば公知の無線通信回線等を介して接続されてよい。
First, a working machine to be controlled by the
下部走行体5は、いわゆるクローラ式に構成されており、従動輪と駆動輪との間に履帯が掛け回されている。走行モータが駆動されると、例えば減速機を介して駆動輪に回転動力が伝達され、駆動輪と従動輪との間で履帯が循環駆動する。下部走行体5の構成は公知であるので、その詳細な説明を省略する。
The
上部旋回体4は、下部走行体5の上部に旋回可能に取付けられており、旋回フレーム、機械室、カウンタウェイト、運転席6等を備えている。旋回フレームは上部旋回体4のベースとなるフレームであり、下部走行体5の上部に旋回可能に取付けられている。旋回フレームにおける後側エリアには、機械室が設けられている。当該機械室の内部には、エンジンや当該エンジンによって駆動される油圧ポンプ等の機器類が搭載されている。図1では、この油圧ポンプが油圧装置111として記載されている。旋回フレームにおける機械室のさらに後側には、カウンタウェイトが搭載されている。カウンタウェイトはフロント作業機10とのバランスをとるための錘である。また、旋回フレームにおいて、前側エリアには運転席6が設けられている。上部旋回体4の構成は公知であるので、その詳細な説明を省略する。
The upper revolving
フロント作業機10は、土砂の掘削等の作業をするために上部旋回体4の前部に設けられた多関節型のものであり、ブーム2、アーム1、バケット3、ブーム2を駆動するブームシリンダ、アーム1を駆動するアームシリンダ、及びバケット3を駆動するバケットシリンダ(いずれも図示せず)を備えている。ブーム2は上部旋回体4の前部に、アーム1はブーム2の先端に、バケット3はアーム1の先端に、それぞれ連結されている。ブーム2、アーム1及びバケット3はいずれも左右に水平に延びるピンを支点にして回動する。ブームシリンダ、アームシリンダ及びアタッチメントシリンダはいずれも油圧アクチュエータである。これら油圧アクチュエータは、油圧装置111(機械室に搭載された油圧ポンプ)から吐出される作動油の供給を受け、それぞれが伸縮動作することにより、フロント作業機10を駆動する。フロント作業機10の構成は公知であるので、その詳細な説明を省略する。なお、本実施形態ではアーム1にバケット3を装着した例を表しているが、装着される対象はこれに限られず、ブレーカやグラップル等の他のアタッチメントに適宜交換可能である。
The
図示は省略するが、コントローラ100は、動作回路としてのCPU、記憶装置としてのRAM及びROMなどがバスを介して接続された構成である。コントローラ100は、CPUがROMに格納された各種制御プログラムを実行することによりシステム全体の動作を制御する。これにより、コントローラ100は、後述する位置検出部103、掘削面撮像部104、地形地質判定部107、操作計画部109、自動制御部110として機能する。
Although not shown, the
<第1実施形態>
図1~図5を用いて、第1実施形態に係るコントローラ100について説明する。図1に示すように、本実施形態に係るコントローラ100は、位置検出部103と、地形地質判定部107と、操作計画部109と、自動制御部110とを含む。
<First embodiment>
A
位置検出部103は、油圧ショベル101の位置を検出する。具体的には、位置検出部103は、GPS衛星102を含む4つ以上の衛星からの電波を受信し、油圧ショベル101の位置を算出する。GPS衛星102は、衛星測位システムにて油圧ショベル101の位置座標(緯度、経度)を取得するための人工衛星である。なお、コントローラ100は、位置検出部103を含まなくてもよい。この場合、油圧ショベル101の位置を検出するために、コントローラ100とは別個に位置検出装置(図示せず)が設けられてよい。位置検出装置は、たとえば、LiDARなどのセンサであってよい。位置検出装置は、後述する地形地質判定部107に、油圧ショベル101の位置情報を送信する。
The
地形地質判定部107は、油圧ショベル101が掘削作業を行う領域の地形と地質の特徴を判定する。ここで、図2は、図1のコントローラ100に含まれる地形地質判定部107の動作フローチャートの一例を示す図である。図1及び図2に示すように、地形地質判定部107は、位置検出部103から、位置情報として、油圧ショベル101の位置座標(緯度、経度)を受信する(図2のS100)。次いで、地形地質判定部107は、当該位置情報(緯度、経度)を地形データベース105へ送信し(図2のS110)、当該地形データベース105から地形情報A(第2地形情報)を受信する(図2のS120)。地形データベース105は、地形の情報を保存する外部記憶装置である。地形データベース105は、一例として地表面を複数の格子に分割し、各格子の緯度、経度および標高の情報を保存している。これにより、地形データベース105は、地形地質判定部107から受信した油圧ショベル101の位置情報(緯度、経度)に基づいて、地形情報Aとして、ショベル101の位置を含む当該ショベル101の周囲領域501の格子点の座標(例えば標高)に関するデータを出力する。
The terrain and
次いで、地形地質判定部107は、位置検出部103から受信した情報(緯度、経度)及び地形データベース105から受信した地形情報A(標高)を、ショベル101の位置情報として地質データベース106へ送信し(図2のS130)、当該地質データベース106から地質情報B(第2地質情報)を受信する(図2のS140)。地質データベース106は、地質の情報を保存する外部記憶装置である。地質データベース106は、一例として地表面を複数の格子に分割し、各格子の緯度、経度、標高およびその座標の地質情報(硬度、粘性、単位体積当たりの質量(以下、単に質量ともいう。))を保存している。これにより、地質データベース106は、地形地質判定部107から受信した上記情報(緯度、経度、標高)に基づいて、地質情報Bとして、ショベル101の位置を含む当該ショベル101の周囲領域501の地質情報(硬度、粘性、質量)を出力する。
Next, the topography/
次いで、地形地質判定部107は、上記地形情報A及び地質情報Bから、後述する地形情報A’(第1地形情報)及び地質情報B’(第1地質情報)を生成し(図2のS150)、当該地形情報A’及び地質情報B’を操作計画部109へ送信する(図2のS160)。
Next, the topography and
図3は、図2の動作フローチャートで生成された地形情報A’の一例を示す図である。図3において、シンボル301は、油圧ショベル101の位置と向きを示している。周囲領域501は、油圧ショベル101の位置とその周囲を含む領域である。作業ベンチ(作業領域)502は、周囲領域501の範囲に含まれる領域であり、ショベル101が掘削作業を行う領域である。掘削領域503は、作業ベンチ502の一部分であり、これからショベル101が掘削を行う領域である。くぼみ領域510は、周辺より高さが低くなっている領域である。図3に示すように、地形情報A’は、周囲領域501と作業ベンチ502と掘削領域503の横幅、奥行、高さから求められる地形の表面形状情報である。この表面形状情報は、例えば複数の格子(グリッド)の座標(緯度、経度、標高)の集合体や、三角形のポリゴンメッシュデータの集合体などから生成される。また、地質情報B’は、作業ベンチ502の土の硬度と粘性と質量の情報をそれぞれ、例えば5段階にクラスタリングしたものである。土の硬度と粘性と質量の情報をクラスタリングすることにより、掘削領域503に存在する鉱物(例えば鉄、ボーキサイト、レアメタル等)を推測することができる。
FIG. 3 is a diagram showing an example of topography information A' generated in the operation flowchart of FIG. In FIG. 3 , a
図4は、図1のコントローラ100に含まれる操作計画部109の動作フローチャートの一例を示す図である。操作計画部109は、ショベル101の位置に基づいて、ショベル101の操作計画を生成する。具体的には、操作計画部109は、ショベル101の位置を含むショベル101の周囲領域501の地形に関する地形情報A’と、当該周囲領域501の地質に関する地質情報B’と、を取得する(図4のS200)。具体的には、操作計画部109は、図3に示すように、地形情報A’として、周囲領域501と作業ベンチ502と掘削領域503の横幅、奥行、高さから求められる地形の表面形状情報を取得する。また、操作計画部109は、地質情報B’として、周囲領域501に含まれるショベル101の作業ベンチ502の土の硬度と粘性と質量の情報を取得する。そして、操作計画部109は、地形情報A’及び地質情報B’に基づいて、作業ベンチ502を特定する。作業ベンチ502は、ショベル101による掘削作業を行う領域である。詳細には、操作計画部109は、地質情報B’に含まれる鉱物の種類の情報に基づいて、作業ベンチ502に存在する鉱物の種類を特定し(図4のS210)、これにより、作業ベンチ502を特定する。さらに、操作計画部109は、地質情報B’に含まれる掘削領域503の硬度、粘性、及び質量に基づいて、作業ベンチ502の中から掘削対象となる鉱物が存在する掘削領域503を特定してもよい。最後に、操作計画部109は、作業ベンチ502(特に掘削領域503)を掘削するという作業指示(操作計画)を自動制御部110へ送信する(図4のS220)。
FIG. 4 is a diagram showing an example of an operation flowchart of the
図5は、図1のコントローラ100に含まれる自動制御部110の動作フローチャートの一例を示す図である。自動制御部110は、油圧ショベル101の動作を制御する。自動制御部110は、操作計画部109から、掘削領域503の掘削作業指示を受信し(図5のS300)、当該作業指示に基づいて油圧ショベル101の移動、旋回、掘削動作の各指令を生成する(図5のS310)。自動制御部110は、下部走行体5の油圧モータに上記移動指令を送信し(図5のS320)、上部旋回体4の油圧モータに上記旋回指令を送信し(図5のS330)、油圧装置111にフロント作業機10の動作指令を送信する(図5のS340)。上記動作指令を基づいて、油圧装置111から、アームシリンダ、ブームシリンダ及びバケットシリンダへ圧油が供給される。これにより、アーム1、ブーム2、バケット3を連携動作させて掘削動作が実現する。
FIG. 5 is a diagram showing an example of an operation flowchart of the
上述したように、本実施形態に係るコントローラ100の操作計画部109は、ショベル101の位置に基づいて、周囲領域501の地形に関する地形情報A’及び作業ベンチ502の地質に関する地質情報B’を取得し、地形情報A’及び地質情報B’に基づいて、作業ベンチ502がショベル101による掘削作業を行う領域であることを特定する。このため、ショベル101のオペレータは、上記作業ベンチ502(特に掘削領域503)を特定するために、実際に掘削作業を行う必要がない。つまり、オペレータは、ショベル101による作業を開始する前に、地形情報A’及び地質情報B’に基づいて、作業ベンチ502がショベル101による掘削作業を行う領域であることが把握される。よって、作業現場の地形及び地質に関わらず、ショベル101による作業効率を向上させることができる。
As described above, the
<第2実施形態>
次いで、図6~図13を用いて、本発明の第2実施形態に係るコントローラ100について説明する。第2実施形態に係るコントローラ100は、第1実施形態に係るコントローラ100に対して、操作計画部109及び自動制御部110の機能の点で相違している。第2実施形態に係るコントローラ100において、第1実施形態と同様の構成及び動作については、説明を省略する。
<Second embodiment>
Next, a
図6は、本発明の第2実施形態のコントローラ100のシステム構成例を示す図である。図7は、図6のコントローラ100に含まれる操作計画部109の動作フローチャートの一例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a system configuration example of the
本実施形態に係る操作計画部109は、油圧ショベル101による掘削作業(例えば掘削、旋回、放土、戻り旋回)の操作計画を生成する。図6に示すように、操作計画部109は、地形情報A’に含まれる作業ベンチ502の幅、奥行き及び高さ、地質情報B’に含まれる掘削領域503の硬度、粘性、単位体積当たりの質量、及び油圧ショベル101の操作種別(掘削、旋回、放土、戻り旋回)を、熟練操作データベース108へ送信する(図7のS230)。次いで、操作計画部109は、熟練操作データベース108から、掘削領域503に対する熟練者の操作ノウハウ情報Cを取得する(図7のS240)。ここで、熟練操作データベース108は、人間の熟練者のノウハウ情報を保存する外部記憶装置である。熟練操作データベース108は、一例として、操作種別(掘削、旋回、放土、戻り旋回)、掘削場所の地形情報および地質情報に応じ、これらに対応する熟練オペレータの操作方法を保存している。これにより、熟練操作データベース108は、操作計画部109から受信した地形情報A’、地質情報B’、及び油圧ショベル101の操作種別(掘削、旋回、放土、戻り旋回)に基づいて、操作ノウハウ情報Cを出力する。次いで、操作計画部109は、地形情報A’、地質情報B’、及び操作ノウハウ情報Cに基づいて、作業ベンチ502の一部分である掘削領域503に対する作業計画(作業軌跡情報及び作業速度情報)を生成し(図7のS250)、当該作業計画を自動制御部110へ送信する(図7のS260)。
The
次いで、熟練操作データベース108から出力される操作ノウハウ情報Cについて説明する。まず、図8から図10を用いて、作業ベンチ502の高さh及び掘削領域503の粘性に基づいて出力される、掘削奥行きdに関する操作ノウハウ情報Cについて説明する。図8は、油圧ショベル101による掘削作業の一状態を示す図である。図8に示す例では、油圧ショベル101が作業ベンチ502に位置し、バケット3の爪先701が掘削領域503の近傍に位置する。図8に示すように、ベンチ高さhとは、作業ベンチ502の鉛直方向の長さである。また、掘削奥行きdとは、掘削領域503の前面からショベル101へ向かう方向への掘削領域503の長さである。
Next, the operation know-how information C output from the
図9は、図7の動作フローチャートにおいて操作計画部109が受信する、掘削奥行きdに関する操作ノウハウの一例を説明する図である。図10は、図7の動作フローチャートにおいて操作計画部109が受信する、掘削奥行きdに関する操作ノウハウの別の例を説明する図である。図9及び図10は、掘削領域503における掘削奥行きdを決定するための操作ノウハウを示している。図9では、グラフの横軸が土の粘性を示し、縦軸が掘削奥行dを示す。また、図10は、操作種別、ベンチ高さh、粘性を入力情報として、これらの入力情報に対応した掘削奥行きdが、操作ノウハウCとして出力されることを示す。図9は、土の粘性が高いほど、掘削可能な奥行きdが短くなることを示している。また、図10は、あるベンチ高さの範囲において、土の粘性が高いほど、掘削可能な奥行きdが短くなることを示している。これは、土の粘性が高いほど、バケット3の進行方向に対し負荷が大きくなるためである。また、図9及び図10は、掘削領域503のベンチ高さhが大きいほど奥行きが短くなることを示している。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of operation know-how regarding the excavation depth d received by the
このように、操作計画部109は、地形情報A’に含まれる作業ベンチの高さh、及び地質情報B’に含まれる掘削領域503の粘性を取得し、高さh及び粘性が高いほど、作業軌跡情報として、作業ベンチ502(特に掘削領域503)に対するショベル101の掘削奥行きを小さく設定する。他方、操作計画部109は、高さh及び粘性が低いほど、作業軌跡情報として、作業ベンチ502(特に掘削領域503)に対するショベル101の掘削奥行きdを大きく設定する。図8から図10に示す例では、作業ベンチ502の高さh及び掘削領域503の粘性が、操作計画部109から熟練操作データベース108に送信される。これにより、操作計画部109は、熟練操作データベース108から、掘削奥行きdの情報を得て、バケット3の爪先701の軌跡を生成する。バケット3の爪先701の軌跡については、図19及び図20を用いて後述する。
In this way, the
次いで、図11及び図12を用いて、掘削領域503の粘性と質量に基づいて出力される、掘削順序に関する操作ノウハウCについて説明する。図11は、図7の動作フローチャートで生成された、掘削順序に関する作業計画の一例を説明する図である。図12は、図7の動作フローチャートにおいて操作計画部が受信する、掘削順序に関する操作ノウハウの一例を示す図である。
11 and 12, the operation know-how C relating to the order of excavation output based on the viscosity and mass of the
図11は、掘削した土の放土先であるダンプ車両504を油圧ショベル101の左側に配置した状態で、油圧ショベル101が掘削領域503を掘削する様子を示す。図12は、図11に示す状態で、掘削領域503を例えば4回に分けて掘削する場合に、掘削領域503の左右どちらから掘削を開始するかを決定するための操作ノウハウを示す。図12では、横軸が土の単位体積当たりの質量を示し、縦軸は土の粘性を示す。図12は、単位体積当たりの質量が小さく、かつ粘性が低い場合には、掘削領域503の右側から掘削を開始することを示す。この地質条件下では、バケット3に土を山盛りに積むことが可能であり、ダンプ車両504への運搬途中に土がバケット3から地面に落ちやすい。このため、掘削領域503の右側から掘削を開始することにより、たとえ旋回途中で土がバケット3からこぼれ落ちたとしても、こぼれた土を次の掘削時に掬い上げることができる。一方で、図12は、単位体積当たりの質量が大きく、かつ粘性が高い場合には、掘削領域503の左側から掘削を開始することを示す。この地質条件下では、ダンプ車両504への運搬途中で掘削領域503が崩れることはない。また、土をバケット3に山盛りに積むのは困難であるので、土が地面にこぼれ落ちることが少ない。このため、ダンプ車両504に近い位置から掘削を開始することにより、土を確実に運搬することができる。
FIG. 11 shows how the
このように、操作計画部109は、地質情報B’に含まれる掘削領域503の粘性及び単位体積当たりの質量を取得し、当該粘性及び質量が小さいほど、作業軌跡情報として、掘削領域503においてダンプ車両504(積込対象車両)から遠い位置からダンプ車両504に近い位置に向かって掘削を行う掘削順序を設定する。この場合、操作計画部109は、遠い位置から近い位置に移行するに従って掘削量を減らす掘削軌跡を設定してもよい。また、操作計画部109は、上記粘性及び前記質量が大きいほど、作業軌跡情報として、ダンプ車両504に近い位置から遠い位置に向かって掘削を行う掘削順序を設定する。この場合、操作計画部109は、近い位置から遠い位置に移行するに従って掘削量を減らす掘削軌跡を設定し、且つ、作業速度情報として、近い位置から遠い位置に移行するに従って運搬速度が大きくなる旋回速度を設定してもよい。図11及び図12に示す例では、掘削領域503の粘性及び質量が、操作計画部109から熟練操作データベース108に送信される。これにより、操作計画部109は、熟練操作データベース108から、掘削順序の情報を得て、ショベル101の掘削開始位置を決定する。
In this way, the
図13は、図6のコントローラ100に含まれる自動制御部110の動作フローチャートの一例を示す図である。自動制御部110は、操作計画部109から送信された上記掘削奥行きd、掘削順序、掘削軌跡(作業軌跡情報)及び旋回速度(作業速度情報)に基づいて、ショベル101の掘削作業に係る移動動作、旋回動作、及び掘削動作を制御する。具体的には、自動制御部110は、操作計画部109から作業計画(作業軌跡情報及び作業速度情報)を受信し(図15のS300a)、この作業計画を基に油圧ショベル101の移動、旋回、掘削動作の各指令を生成する(図15のS310a)。
FIG. 13 is a diagram showing an example of an operation flowchart of the
鉱山事業では鉱山に長期の滞在を強いられるため、熟練オペレータの確保が難しい。また、油圧ショベル101による鉱山の掘削作業では、熟練者と初心者で生産量に差が生じることが多い。そのため、油圧ショベル101の制御に、熟練者の操作ノウハウを反映することで生産性を上げることができる。特に、鉱山では、地形(露天(シングルベンチ、ダブルベンチ)、坑内等)、地質(金属、非金属、石炭、石灰岩等)の種々様々な違いがある。そして、地形、地質の相違に応じて、掘削作業における熟練者の操作ノウハウも異なる。したがって、掘削作業に熟練者の操作ノウハウを反映する場合、現場の地形、地質に応じた選択をする必要がある。この点で、本実施形態に係るコントローラ100によれば、操作計画部109は、操作ノウハウ情報Cに基づいて掘削領域503に対する作業計画(作業軌跡情報及び作業速度情報)を生成し、当該作業計画を自動制御部110へ送信する。このため、地形及び地質の相違に応じた熟練者の操作ノウハウ(掘削奥行きd、掘削順序、掘削軌跡、及び旋回速度)に基づいて、油圧ショベル101の掘削作業に係る移動動作、旋回動作、及び掘削動作を制御することが可能になる。よって、油圧ショベル101による作業効率をさらに向上させることができる。
In the mining business, it is difficult to secure skilled operators because they are forced to stay in mines for long periods of time. Further, in excavation work in a mine using the
<変形例>
次いで、図14~図20を用いて、本発明の第2実施形態の変形例に係るコントローラ100について説明する。本変形例に係るコントローラ100は、第2実施形態に係るコントローラ100に対して、自動制御部110の機能の点で相違している。本変形例に係るコントローラ100において、第2実施形態と同様の構成及び動作については、説明を省略する。
<Modification>
Next, a
図14は、本発明の第2実施形態の変形例に係るコントローラ100のシステム構成例を示す図である。図15は、図14のコントローラ100に含まれる自動制御部110の動作フローチャートの一例を示す図である。自動制御部110は、操作計画部109から送信された作業計画、即ち掘削奥行きd、掘削順序、掘削軌跡(作業軌跡情報)及び旋回速度(作業速度情報)を基に、モニタ509への表示指令を生成する(図15のS350)。また、自動制御部110は、上記作業軌跡情報及び前記作業速度情報に基づいて、ショベル101に設けられたモニタ509に移動動作、旋回動作、及び掘削動作の情報を表示する(図15のS360)。オペレータは、後述するモニタ509に表示された情報に基づいて、ショベル101を操作する。
FIG. 14 is a diagram showing a system configuration example of the
図16は、図15の動作フローチャートで生成された表示指令に基づくモニタ509の画面の一例を示す図である。図16は、油圧ショベル101のオペレータを支援するため、運転席6のモニタ509に油圧ショベル101の移動軌跡を表示したものである。図16において、モニタ509には、ショベル101の位置と、周囲領域501と、ショベル101が掘削作業を行う作業ベンチ502と、ショベル101が最初に掘削する掘削領域503とが表示されている。また、モニタ509には、ダンプ車両504、トレイ505、停止位置506、矢印507、高低図508が表示されている。ダンプ車両504は、油圧ショベル101が掘削した土を積み込み、他の場所へ運搬移動するためのものである。トレイ505はダンプ車両504に設けられ、油圧ショベル101が掘削した土を積載する容器である。停止位置506は、油圧ショベル101の前面をこの位置に停止させるよう指示するシンボルである。矢印507は、停止位置506までの油圧ショベル101の移動軌跡を示すシンボルである。高低図508は、周囲領域501に対する作業ベンチ502と掘削領域503の高さを示した図である。
FIG. 16 is a diagram showing an example of the screen of
自動制御部110は、地形地質判定部107において生成された地形情報A’(作業ベンチ502の横幅、奥行き、高さ)及びショベル101の位置情報から、油圧ショベル101、作業ベンチ502、及び掘削領域503の位置関係を生成し、これらの位置をモニタ509に表示させる。また、自動制御部110は、地形情報A’(作業ベンチ502の高さ)及び地質情報B’(掘削領域503の粘性)に応じ、熟練操作データベース108から受信した操作ノウハウ情報Cに基づいて掘削領域503の奥行きdを決定し、これを表示する。その結果、油圧ショベル101の停止する位置が求まり、停止位置506が表示される。また、作業ベンチ502の高さhからくぼみ510の位置が知られているため、このくぼみ510を避けるように、停止位置506へ向かう移動軌跡の矢印507を表示する。また、ダンプ車両504の停止位置は、油圧ショベル101の停止位置506により決まり、モニタ509に表示される。このため、ショベル101からダンプ車両504に対し適切な停止位置を指示できるよう、ダンプ車両504の停止位置と向きが表示される。なお、モニタ509に表示されるものと同じ情報が、現実のダンプ車両504のモニタに表示されてもよい。なお、ダンプ車両504が正しい位置に停止していない場合、油圧ショベル101のオペレータに対してランプや音により報知してもよい。
The
図17は、図15の動作フローチャートで生成された表示指令に基づくモニタ509の画面の別の例を示す図である。図18は、図15の動作フローチャートで生成された表示指令に基づくモニタ509の画面の別の例を示す図である。具体的には、図17と図18は掘削領域503の掘り進め方を示す。
FIG. 17 is a diagram showing another example of the screen of
図17は、掘削領域503の土の粘性が高く、単位体積当たりの質量が高い場合の、掘削奥行、掘削順序、掘削量を示している。つまり、図17は、掘削奥行d3を短くし、ダンプ車両のトレイ505に近い位置から遠い位置へ“1”から“4”の順に掘削を行うことを示している。また、図17は、“1”での掘削量を多く、“4”での掘削量を少なくすることを示している。図17に示す地質条件下では、ダンプ車両504のトレイ505への距離が短い“1”の箇所は土を多く掘る。この際、運搬旋回の速度を小さくするとよい。一方で、ダンプ車両504への距離が長い“4”の箇所は土を少なく掘る。この際、運搬旋回の速度を大きくするとよい。これにより、掘削から積み込みまでの4回合計のサイクルタイムを短くし掘削作業の効率を向上できる。
FIG. 17 shows the excavation depth, excavation sequence, and excavation amount when the soil in the
また、図18は、粘性が低く、単位体積当たりの質量が小さい場合の、掘削奥行、掘削順序、掘削量を示している。図18で示す掘削領域503の奥行d4は、図17で示す掘削領域503の奥行d3よりも長くなっている。そしてダンプ車両504のトレイ505に遠い位置から近い位置へ“1”から“4”の順に掘削を行うことが示されている。土の粘性が低いため、運搬旋回中に掘削した土がバケット3からこぼれ落ちることを想定しているためである。つまり、“1”の領域で掘削した土をダンプ車両504のトレイ505へ積むために旋回を行うとき、バケット3から土がこぼれ落ちる場合がある。例えば、土が“2”の領域にこぼれ落ちた場合、“2”の領域を掘削するときに、先にこぼれ落ちた土を一緒に掬い上げることができる。また、“4”の領域に行くほどこぼれる土の量は増えると予測されるため、遠い位置から近い位置へ向かうにつれて掘削量を小さくしている。これにより、掘削から積み込みまでの4回合計のサイクルタイムを短くし掘削作業の効率を向上できる。
Moreover, FIG. 18 shows the excavation depth, the order of excavation, and the amount of excavation when the viscosity is low and the mass per unit volume is small. The depth d4 of the
図19は、図15の動作フローチャートで生成された表示指令に基づくモニタ509の画面の別の例を示す図である。図20は、図15の動作フローチャートで生成された表示指令に基づくモニタ509の画面の別の例を示す図である。図19は、土の粘性が高く、かつ単位体積当たりの質量が大きい場合の掘削時の爪先701の軌跡を示している。つまり、図19は、アーム1、ブーム2、バケット3に与える油圧を最大にしても奥行d1より奥には掘り進めないことを示している。他方、図20は、土の粘性が低く、かつ単位体積当たりの質量が小さい場合の掘削時の爪先701の軌跡を示している。つまり、図20では、奥行d1よりも大きな奥行d2まで掘り進んでもバケット3を上方に持ち上げることができることを示している。
FIG. 19 is a diagram showing another example of the screen of
このように、本変形例によれば、作業現場の地形及び地質の相違に応じ、熟練者の操作ノウハウ(掘削奥行き、掘削順序、掘削軌跡及び旋回速度)に基づいて、ショベル101の掘削作業に係る移動動作、旋回動作、及び掘削動作をモニタ509へ表示することができる。よって、オペレータは、モニタ509に表示された熟練者の操作ノウハウに則り掘削作業を実施することができるので、例えば油圧ショベル101による鉱山の掘削作業において、熟練者と初心者との間での生産量の差を小さくすることができる。これにより、例えば複数の油圧ショベル101により掘削作業を行う場合、作業現場全体での作業効率を向上させることができる。
Thus, according to this modification, the excavation work of the
<第3実施形態>
次いで、図21~図23を用いて、本発明の第3実施形態に係るコントローラ100について説明する。第3実施形態に係るコントローラ100は、第2実施形態に係るコントローラ100に対して、掘削面撮像部104が設けられている点、及び地形地質判定部107の機能の点で相違している。第3実施形態に係るコントローラ100において、第2実施形態と同様の構成及び動作については、説明を省略する。
<Third Embodiment>
Next, a
図21は、本発明の第3実施形態のコントローラ100のシステム構成例を示す図である。図22は、図21のコントローラ100に含まれる地形地質判定部107の動作フローチャートの一例を示す図である。図23は、図21の地形地質判定部107の機能ブロック図である。
FIG. 21 is a diagram showing a system configuration example of the
図21に示すように、本実施形態に係るコントローラ100は、掘削面撮像部104を含む。掘削面撮像部104は、ショベル101に設けられたカメラ(図示せず)から、作業ベンチ502の表面の格子点の座標である点群データa、及び、作業ベンチ502の表面の色及び粒子サイズを含む画像データbを取得する。図23に示すように、掘削面撮像部104は、上記点群データa及び画像データbを、地形地質判定部107に送信する。地形地質判定部107は、点群データa及び画像データbに基づいて、地形情報A’及び地質情報B’を生成する。具体的には、地形地質判定部107は、点群データaに基づいて地形情報Aを補正することにより地形情報A’を生成し、画像データbに基づいて地質情報B’を補正することにより地質情報B’を生成する。
As shown in FIG. 21 , the
図23に示すように、本実施形態に係る地形地質判定部107は、掘削領域抽出部1001、地形データ補正部1002、および、地質データ補正部1003を含む。掘削領域抽出部1001は、地形データベース105から、ショベル101を含む周囲領域501の地形情報A(標高)を受信する。なお、地形地質判定部107は、位置検出部103からショベル101の位置情報(緯度、経度)を受信している。また、掘削領域抽出部1001は、地質データベース106から、ショベル101の位置を含む当該ショベル101の周囲領域501の地質情報B(硬度、粘性、質量)を受信する。そして、掘削領域抽出部1001は、上記地形情報A及び地質情報Bから、掘削領域503の地形情報及び地質情報を抜き出す。また、掘削領域抽出部1001は、抜き出した掘削領域503の地形情報及び地質情報をそれぞれ、地形データ補正部1002及び地質データ補正部1003へ送信する。
As shown in FIG. 23 , the terrain and
図22及び図23に示すように、地形地質判定部107は、地形データ補正部1002において、掘削面撮像部104で取得された点群データaを受信する(図22のS170)。また、地形地質判定部107は、地形データ補正部1002において、地形データベース105から地形情報Aを受信するとともに(図22のS120)、掘削領域抽出部1001から掘削領域503の地形情報を受信する。地形データ補正部1002は、点群データaに基づいて地形情報Aを補正する。具体的には、地形データ補正部1002は、点群データaの格子点の高さ情報に基づいて、掘削領域503の格子点の情報を補正する。地形データ補正部1002は、掘削直前に、点群データaに基づいて地形情報Aを最新の地形データに補正する。具体的には、地形データ補正部1002は、掘削直前に、点群データaと地形情報Aとの整合性を確認し、両者が整合していない場合、地形情報Aを最新の地形データに補正する。そして、地形データ補正部1002は、補正された地形情報Aに基づいて地形情報A’を生成し(図22のS180)、この地形情報A’を操作計画部109に送信する(図22のS160)。
As shown in FIGS. 22 and 23, the terrain and
図22及び図23に示すように、地形地質判定部107は、地質データ補正部1003において、掘削面撮像部104で取得された画像データbを受信する(図22のS170)。また、地形地質判定部107は、地質データ補正部1003において、地質データベース106から地質情報Bを受信するとともに(図22のS140)、掘削領域抽出部1001から掘削領域503の地質情報を受信する。地質データ補正部1003は、画像データbに基づいて地質情報Bを補正する。具体的には、地質データ補正部1003は、画像データbに含まれる掘削領域503の土の色から土の湿り気を判断し、この結果に応じて地質情報Bに含まれる当該土の粘性を補正する。また、地質データ補正部1003は、画像データbに含まれる掘削領域503の土石の粒子サイズからそれらの混合割合を判断し、掘削領域503における土の硬度と単位体積当たりの質量を補正する。そして、地質データ補正部1003は、補正された地質情報Bに基づいて地質情報B’を生成し(図22のS190)、この地質情報B’を操作計画部109に送信する(図22のS160)。
As shown in FIGS. 22 and 23, the geological
このように、第3実施形態によれば、掘削面撮像部104を介して掘削領域503の最新の地形情報(点群データa)及び地質情報(画像データb)を得ることができる。また、地形地質判定部107は、点群データa及び画像データbに基づいて、地形情報A及び地質情報Bを補正する。このため、操作計画部109は、最新の地形情報及び地質情報に基づいて、油圧ショベル101の作業計画を作成することができる。これにより、油圧ショベル101における掘削作業の停滞が抑制され、油圧ショベル101の作業効率をさらに向上させることができる。
Thus, according to the third embodiment, the latest topographical information (point cloud data a) and geological information (image data b) of the excavated
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、或る実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、或る実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, the above embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Moreover, it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Moreover, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路にて設計する等によりハードウェアによって実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアによって実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テープ、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(solid state drive)等の記録装置、又は、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。 Further, each of the configurations, functions, processing units, processing means, etc. described above may be realized by hardware, for example, by designing a part or all of them using an integrated circuit. Moreover, each of the above configurations, functions, etc. may be realized by software by a processor interpreting and executing a program for realizing each function. Information such as programs, tapes, and files that implement each function can be stored in recording devices such as memories, hard disks, SSDs (solid state drives), or recording media such as IC cards, SD cards, and DVDs.
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。 Further, the control lines and information lines indicate those considered necessary for explanation, and not all control lines and information lines are necessarily indicated on the product. In practice, it may be considered that almost all configurations are interconnected.
4 上部旋回体
5 下部走行体
10 フロント作業機
100 コントローラ(作業機械用制御装置)
101 油圧ショベル(作業機械)
103 位置検出部
104 掘削面撮像部
107 地形地質判定部
109 操作計画部
110 自動制御部
501 周囲領域
502 作業ベンチ(作業領域)
503 掘削領域
504 ダンプ車両(積込対象車両)
4 upper revolving
101 hydraulic excavator (working machine)
103
503
Claims (8)
前記操作計画部は、前記位置を含む前記作業機械の周囲領域の地形に関する第1地形情報と、前記周囲領域の地質に関する第1地質情報と、を取得し、前記第1地形情報及び前記第1地質情報に基づいて前記作業機械の作業領域を特定する、ことを特徴とする作業機械用制御装置。 A work machine control device comprising an operation planning unit that generates an operation plan for the work machine based on the position of the work machine,
The operation planning unit acquires first topographical information regarding topography of a surrounding area of the work machine including the position, and first geological information regarding the geological features of the surrounding area, and obtains the first topographical information and the first geological information. A control device for a work machine, wherein a work area of the work machine is specified based on geological information.
前記操作計画部は、
前記第1地形情報に含まれる前記作業領域の幅、奥行き及び高さ、並びに、前記第1地質情報に含まれる前記作業領域の硬度、粘性、単位体積当たりの質量に基づいて、外部記憶装置から、前記作業領域に対する熟練者の操作ノウハウ情報を取得し、前記操作ノウハウ情報に基づいて前記作業領域に対する作業軌跡情報及び作業速度情報を生成し、前記作業軌跡情報及び前記作業速度情報を前記自動制御部へ送信する、ことを特徴とする請求項2に記載の作業機械用制御装置。 further comprising an automatic control unit that controls the operation of the working machine;
The operation planning department
From an external storage device based on the width, depth and height of the work area included in the first geological information and the hardness, viscosity and mass per unit volume of the work area included in the first geological information acquiring operation know-how information of a skilled person for the work area, generating work locus information and work speed information for the work area based on the operation know-how information, and automatically controlling the work locus information and the work speed information; 3. The work machine control device according to claim 2, wherein the data is sent to a department.
前記第1地形情報に含まれる前記作業領域の高さ、及び前記第1地質情報に含まれる前記作業領域の粘性を取得し、
前記高さ及び前記粘性が高いほど、前記作業軌跡情報として、前記作業領域に対する前記作業機械の掘削奥行きを小さく設定し、
前記高さ及び前記粘性が低いほど、前記作業軌跡情報として、前記作業領域に対する前記作業機械の掘削奥行きを大きく設定する、ことを特徴とする請求項3に記載の作業機械用制御装置。 The operation plan unit generates an operation plan for excavation work by the work machine,
obtaining the height of the work area included in the first topographical information and the viscosity of the work area included in the first geological information;
The higher the height and the viscosity, the smaller the excavation depth of the work machine with respect to the work area is set as the work trajectory information,
4. The control device for a working machine according to claim 3, wherein the lower the height and the lower the viscosity, the greater the excavation depth of the working machine with respect to the working area is set as the working locus information.
前記第1地質情報に含まれる前記作業領域の粘性及び単位体積当たりの質量を取得し、
前記粘性及び前記質量が小さいほど、前記作業軌跡情報として、前記作業領域において積込対象車両から遠い位置から前記積込対象車両に近い位置に向かって掘削を行う掘削順序を設定し、且つ、前記遠い位置から前記近い位置に移行するに従って掘削量を減らす掘削軌跡を設定し、
前記粘性及び前記質量が大きいほど、前記作業軌跡情報として、前記近い位置から前記遠い位置に向かって掘削を行う掘削順序を設定し、前記近い位置から前記遠い位置に移行するに従って掘削量を減らす掘削軌跡を設定し、且つ、前記作業速度情報として、前記近い位置から前記遠い位置に移行するに従って運搬速度が大きくなる旋回速度を設定する、ことを特徴とする請求項3に記載の作業機械用制御装置。 The operation plan unit generates an operation plan for excavation work by the work machine,
Obtaining the viscosity and mass per unit volume of the work area included in the first geological information;
As the viscosity and the mass become smaller, an excavation order is set in which excavation is performed in the work area from a position farther from the vehicle to be loaded toward a position closer to the vehicle to be loaded as the work locus information, and setting an excavation trajectory that decreases the amount of excavation as it moves from a farther position to the nearer position;
As the viscosity and the mass increase, an excavation order is set as the work locus information in which excavation is performed from the near position to the far position, and the excavation amount is reduced from the near position to the far position. 4. The work machine control according to claim 3, wherein a trajectory is set and, as the working speed information, a turning speed is set such that the conveying speed increases as the position moves from the closer position to the farther position. Device.
前記自動制御部は、前記操作計画部から送信された前記作業軌跡情報及び前記作業速度情報に基づいて、前記油圧ショベルの掘削作業に係る移動動作、旋回動作、及び掘削動作を制御する、もしくは、前記油圧ショベルに設けられたモニタに前記移動動作、前記旋回動作、及び前記掘削動作の情報を表示する、請求項4又は5に記載の作業機械用制御装置。 the working machine is a hydraulic excavator,
The automatic control unit controls a moving operation, a turning operation, and an excavating operation related to excavating work of the hydraulic excavator based on the work locus information and the work speed information transmitted from the operation planning unit, or 6. The work machine control device according to claim 4, wherein information of said moving operation, said turning operation and said excavating operation is displayed on a monitor provided in said hydraulic excavator.
前記点群データ及び前記画像データに基づいて、前記第1地形情報及び前記第1地質情報を生成する地形地質判定部と、を備え、
前記地形地質判定部は、前記位置に基づいて前記周囲領域の格子点の座標に関する第2地形情報を取得し、前記点群データに基づいて前記第2地形情報を補正し、補正された前記第2地形情報に基づいて前記第1地形情報を生成する地形データ補正部と、
前記位置に基づいて前記周囲領域の硬度、粘性、単位体積あたりの質量に関する第2地質情報を取得し、前記画像データに基づいて前記第2地質情報を補正し、補正された前記第2地質情報に基づいて前記第1地質情報を生成する地質データ補正部と、を含む、ことを特徴とする請求項1から5までにいずれか一項に記載の作業機械用制御装置。 an excavation surface imaging unit that acquires point cloud data, which are coordinates of grid points on the surface of the work area, and image data including the color and particle size of the surface of the work area;
a topographic and geological determination unit that generates the first topographic information and the first geological information based on the point cloud data and the image data;
The topographical and geological determination unit acquires second topographical information about coordinates of grid points in the surrounding area based on the position, corrects the second topographical information based on the point cloud data, and corrects the corrected first topographical information. 2 a terrain data correction unit that generates the first terrain information based on the terrain information;
obtaining second geological information about hardness, viscosity, and mass per unit volume of the surrounding area based on the position; correcting the second geological information based on the image data; and obtaining the corrected second geological information. A work machine control device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a geological data correcting unit that generates the first geological information based on.
前記下部走行体に旋回可能に取付けられた上部旋回体と、
前記上部旋回体に回動可能に取付けられたフロント作業機と、
請求項1、2、3、4、5または7に記載の作業機械用制御装置と、を備える作業機械。 a lower running body;
an upper rotating body rotatably attached to the lower traveling body;
a front working machine rotatably attached to the upper revolving body;
A work machine comprising a work machine control device according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 7.
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