JP6910450B2 - 作業車両の制御システム、方法、及び作業車両 - Google Patents

Description

本発明は、作業車両の制御システム、方法、及び作業車両に関する。

作業機を備える作業車両において、作業中に作業機の位置をコントローラによって自動的に制御する技術が知られている。例えば特許文献１では、作業機に加わる負荷が検出され、当該負荷に応じて作業機の位置を自動的に制御することで、自動掘削が可能となっている。

特許第5247939号公報

上述したような自動掘削中には、オペレータが、作業機の位置を変更するために、作業機レバーを手動で操作しても、作業機が自動的に元の位置まで戻ってしまう。そのため、オペレータが、作業機の位置を変更するためには、自動掘削を解除する操作を行う必要がある。

本発明は、作業機の自動制御において、作業機の位置をオペレータの意思で容易に変更可能な作業車両の制御システム、方法、及び作業車両を提供することを目的とする。

第1の態様に係る作業車両の制御システムは、操作装置と、コントローラとを備える。操作装置は、オペレータによる操作を示す操作信号を出力する。コントローラは、操作装置と通信する。コントローラは以下の処理を行うようにプログラムされている。コントローラは、作業対象の目標プロファイルを決定する。コントローラは、目標プロファイルに従って作業機を動作させる指令信号を生成する。コントローラは、操作装置から操作信号を受信する。コントローラは、操作信号に基づいて、オペレータによる作業機の操作を判定する。コントローラは、オペレータによる作業機の操作が行われたときには、オペレータによる操作に応じて目標プロファイルを修正する。

第2の態様に係る方法は、作業機を有する作業車両を制御するためにコントローラによって実行される方法であって、以下の処理を備える。第1の処理は、作業対象の目標プロファイルを決定することである。第2の処理は、目標プロファイルに従って作業機を動作させる指令信号を生成することである。第3の処理は、オペレータによる操作を示す操作信号を受信することである。第4の処理は、操作信号に基づいて、オペレータによる作業機の操作を判定することである。第5の処理は、オペレータによる作業機の操作が行われたときに、オペレータによる操作に応じて目標プロファイルを修正することである。

第3の態様に係る作業車両は、作業機と、操作装置と、コントローラとを備える。操作装置は、オペレータによる操作を示す操作信号を出力する。コントローラは、作業機を制御する。コントローラは以下の処理を行うようにプログラムされている。コントローラは、作業対象の目標プロファイルを決定する。コントローラは、目標プロファイルに従って作業機を動作させる指令信号を生成する。コントローラは、操作装置から操作信号を受信する。コントローラは、操作信号に基づいて、オペレータによる作業機の操作を判定する。コントローラは、オペレータによる作業機の操作が行われたときには、オペレータによる操作に応じて目標プロファイルを修正する。

本発明では、作業機の自動制御中にオペレータによる作業機の操作が行われると、オペレータによる操作に応じて目標プロファイルが修正される。そのため、自動制御を解除するために煩雑な操作を行うことなく、作業機の位置をオペレータの意思で容易に変更することができる。

実施形態に係る作業車両を示す側面図である。 作業車両の駆動系と制御システムとの構成を示すブロック図である。 作業車両の構成を示す模式図である。 作業機の自動制御の処理を示すフローチャートである。 最終設計地形、現況地形、及び目標設計地形の一例を示す図である。 目標変位データの一例を示す図である。 目標変位を決定するための処理を示すフローチャートである。 目標設計地形を修正するための処理を示すフローチャートである。 修正された目標設計地形の一例を示す図である。 修正された目標設計地形の他の例を示す図である。 第1変形例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。 第２変形例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。 他の実施形態に係る修正された目標設計地形の一例を示す図である。 他の実施形態に係る修正された目標設計地形の一例を示す図である。 目標負荷パラメータデータの例を示す図である。 目標設計地形の他の例を示す図である。

以下、実施形態に係る作業車両について、図面を参照しながら説明する。図1は、実施形態に係る作業車両1を示す側面図である。本実施形態に係る作業車両1は、ブルドーザである。作業車両1は、車体11と、走行装置12と、作業機13と、を備えている。

車体11は、運転室14とエンジン室15とを有する。運転室14には、図示しない運転席が配置されている。エンジン室15は、運転室14の前方に配置されている。走行装置12は、車体11の下部に取り付けられている。走行装置12は、左右一対の履帯16を有している。なお、図1では、左側の履帯16のみが図示されている。履帯16が回転することによって、作業車両1が走行する。作業車両1の走行は、自律走行、セミ自律走行、オペレータの操作による走行のいずれの形式であってもよい。

作業機13は、車体11に取り付けられている。作業機13は、リフトフレーム17と、ブレード18と、リフトシリンダ19と、を有する。

リフトフレーム17は、車幅方向に延びる軸線Ｘを中心として上下に動作可能に車体11に取り付けられている。リフトフレーム17は、ブレード18を支持している。ブレード18は、車体11の前方に配置されている。ブレード18は、リフトフレーム17の上下動に伴って上下に移動する。

リフトシリンダ19は、車体11とリフトフレーム17とに連結されている。リフトシリンダ19が伸縮することによって、リフトフレーム17は、軸線Ｘを中心として上下に回転する。

図2は、作業車両1の駆動系2と制御システム3との構成を示すブロック図である。図2に示すように、駆動系2は、エンジン22と、油圧ポンプ23と、動力伝達装置24と、を備えている。

油圧ポンプ23は、エンジン22によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ23から吐出された作動油は、リフトシリンダ19に供給される。なお、図2では、1つの油圧ポンプ23が図示されているが、複数の油圧ポンプが設けられてもよい。

動力伝達装置24は、エンジン22の駆動力を走行装置12に伝達する。動力伝達装置24は、例えば、HST（Hydro Static Transmission）であってもよい。或いは、動力伝達装置24は、例えば、トルクコンバーター、或いは複数の変速ギアを有するトランスミッションであってもよい。

制御システム3は、第1操作装置25aと、第2操作装置25bと、コントローラ26と、記憶装置28と、制御弁27とを備える。第1操作装置25aと第2操作装置25bとは、運転室14に配置されている。第1操作装置25aは、走行装置12を操作するための装置である。第1操作装置25aは、走行装置12を駆動するためのオペレータによる操作を受け付け、操作に応じた操作信号を出力する。第2操作装置25bは、作業機13を操作するための装置である。第2操作装置25bは、作業機13を駆動するためのオペレータによる操作を受け付け、操作に応じた操作信号を出力する。第1操作装置25aと第2操作装置25bとは、例えば、操作レバー、ペダル、スイッチ等を含む。

第1操作装置25aは、前進位置と後進位置と中立位置とに操作可能に設けられる。第1操作装置25aの位置を示す操作信号は、コントローラ26に出力される。コントローラ26は、第1操作装置25aの操作位置が前進位置であるときには、作業車両1が前進するように、走行装置12、或いは動力伝達装置24を制御する。第1操作装置25aの操作位置が後進位置であるときには、コントローラ26は、作業車両1が後進するように、走行装置12、或いは動力伝達装置24を制御する。

第2操作装置25bは、上げ位置と、下げ位置と、中立位置とに操作可能に設けられる。第2操作装置25bの位置を示す操作信号は、コントローラ26に出力される。コントローラ26は、第2操作装置25bの操作位置が上げ位置であるときには、ブレード18が上昇するように、リフトシリンダ19を制御する。第2操作装置25bの操作位置が下げ位置であるときには、コントローラ26は、ブレード18が下降するように、リフトシリンダ19を制御する。

コントローラ26は、取得したデータに基づいて作業車両1を制御するようにプログラムされている。コントローラ26は、例えばCPU等の処理装置（プロセッサ）を含む。コントローラ26は、操作装置25a,25bから操作信号を取得する。コントローラ26は、操作信号に基づいて、制御弁27を制御する。なお、コントローラ26は、一体に限らず、複数のコントローラに分かれていてもよい。

制御弁27は、比例制御弁であり、コントローラ26からの指令信号によって制御される。制御弁27は、リフトシリンダ19などの油圧アクチュエータと、油圧ポンプ23との間に配置される。制御弁27は、油圧ポンプ23からリフトシリンダ19に供給される作動油の流量を制御する。コントローラ26は、第2操作装置25bの操作に応じてブレード18が動作するように、制御弁27への指令信号を生成する。これにより、リフトシリンダ19が、第2操作装置25bの操作量に応じて、制御される。なお、制御弁27は、圧力比例制御弁であってもよい。或いは、制御弁27は、電磁比例制御弁であってもよい。

制御システム3は、作業機センサ29を備える。作業機センサ29は、作業機の位置を検出し、作業機の位置を示す作業機位置信号を出力する。詳細には、作業機センサ29は、リフトシリンダ19のストローク長さ（以下、「リフトシリンダ長Ｌ」という。）を検出する。図3に示すように、コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌに基づいてブレード18のリフト角θliftを算出する。図3は、作業車両1の構成を示す模式図である。

図3では、作業機13の基準位置が二点鎖線で示されている。作業機13の基準位置は、水平な地面上でブレード18の刃先が地面に接触した状態でのブレード18の位置である。リフト角θliftは、作業機13の基準位置からの角度である。

図2に示すように、制御システム3は、位置センサ31を備えている。位置センサ31は、作業車両1の位置を測定する。位置センサ31は、GNSS(Global Navigation Satellite System)レシーバ32と、IMU 33と、を備える。GNSSレシーバ32は、例えばGPS（Global Positioning System）用の受信機である。GNSSレシーバ32のアンテナは、運転室14上に配置される。GNSSレシーバ32は、衛星より測位信号を受信し、測位信号によりアンテナの位置を演算して車***置データを生成する。コントローラ26は、GNSSレシーバ32から車***置データを取得する。コントローラ26は、車***置データにより、作業車両1の進行方向と車速とを得る。

IMU 33は、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit）である。IMU 33は、車体傾斜角データを取得する。車体傾斜角データは、車両前後方向の水平に対する角度（ピッチ角）、および車両横方向の水平に対する角度（ロール角）を含む。コントローラ26は、IMU 33から車体傾斜角データを取得する。

コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌと、車***置データと、車体傾斜角データとから、刃先位置P0を演算する。図3に示すように、コントローラ26は、車***置データに基づいて、GNSSレシーバ32のグローバル座標を算出する。コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌに基づいて、リフト角θliftを算出する。コントローラ26は、リフト角θliftと車体寸法データに基づいて、GNSSレシーバ32に対する刃先位置P0のローカル座標を算出する。車体寸法データは、記憶装置28に記憶されており、GNSSレシーバ32に対する作業機13の位置を示す。コントローラ26は、GNSSレシーバ32のグローバル座標と刃先位置P0のローカル座標と車体傾斜角データとに基づいて、刃先位置P0のグローバル座標を算出する。コントローラ26は、刃先位置P0のグローバル座標を刃先位置データとして取得する。

制御システム3は、動力伝達装置24の出力を計測する出力センサ34を備える。動力伝達装置24が油圧モータを含むHSTの場合には、出力センサ34は、油圧モータの駆動油圧を検出する圧力センサであってもよい。出力センサ34は、油圧モータの出力回転速度を検出する回転センサであってもよい。動力伝達装置24がトルクコンバーターを有する場合には、出力センサ34は、トルクコンバーターの出力回転速度を検出する回転センサであってもよい。出力センサ34の検出値を示す検出信号は、コントローラ26に出力される。

記憶装置28は、例えばメモリーと補助記憶装置とを含む。記憶装置28は、例えば、RAM、或いはROMなどであってもよい。記憶装置28は、半導体メモリ、或いはハードディスクなどであってもよい。記憶装置28は、非一時的な（non-transitory）コンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置28は、プロセッサによって実行可能であり作業車両1を制御するためのコンピュータ指令を記録している。

記憶装置28は、設計地形データと作業現場地形データとを記憶している。設計地形データは、最終設計地形を示す。最終設計地形は、作業現場の表面の最終的な目標形状である。設計地形データは、例えば、三次元データ形式の土木施工図である。作業現場地形データは、作業現場の広域の地形を示す。作業現場地形データは、例えば、三次元データ形式の現況地形測量図である。作業現場地形データは、例えば、航空レーザ測量で得ることができる。

コントローラ26は、現況地形データを取得する。現況地形データは、作業現場の現況地形を示す。作業現場の現況地形は、作業車両1の進行方向に沿う領域の地形である。現況地形データは、作業現場地形データと上述の位置センサ31から得られる作業車両1の位置と進行方向とからコントローラ26での演算により取得される。

コントローラ26は、現況地形データと、設計地形データと、刃先位置データとに基づいて、作業機13を自動的に制御する。なお、作業機13の自動制御は、オペレータによる手動操作と合わせて行われる半自動制御であってもよい。或いは、作業機13の自動制御は、オペレータによる手動操作無しで行われる完全自動制御であってもよい。

以下、コントローラ26によって実行される、掘削における作業機13の自動制御について説明する。図4は、掘削作業における作業機13の自動制御の処理を示すフローチャートである。

図4に示すように、ステップS101では、コントローラ26は、現在位置データを取得する。ここでは、コントローラ26は、上述したように、ブレード18の現在の刃先位置P0を取得する。

ステップS102では、コントローラ26は、設計地形データを取得する。図5に示すように、設計地形データは、作業車両1の進行方向において、複数の参照点Pn（n=0,1,2,3,...,A）での最終設計地形60の高さZdesignを含む。複数の参照点Pnは、作業車両１の進行方向に沿う所定間隔ごとの複数地点を示す。複数の参照点Pnは、ブレード18の進行パス上にある。なお、図5では、最終設計地形60は、水平方向に平行な平坦な形状であるが、これと異なる形状であってもよい。

ステップS103では、コントローラ26は、現況地形データを取得する。コントローラ26は、記憶装置28より得られる作業現場地形データと、位置センサ31より得られる車体の位置データ及び進行方向データから演算により、現況地形データを取得する。

現況地形データは、作業車両1の進行方向に位置する地形を示す情報である。図5は、現況地形50の断面を示す。なお、図5において、縦軸は、地形の高さを示しており、横軸は、作業車両1の進行方向における現在位置からの距離を示している。

詳細には、現況地形データは、作業車両1の進行方向において、現在位置から所定の地形認識距離dAまでの複数の参照点Pnでの現況地形50の高さZnを含む。本実施形態において、現在位置は、作業車両1の現在の刃先位置P0に基づいて定められる位置である。ただし、現在位置は、作業車両1の他の部分の現在位置に基づいて定められてもよい。複数の参照点は、所定間隔、例えば１ｍごとに並んでいる。

ステップS104では、コントローラ26は、掘削開始位置を取得する。例えば、コントローラ26は、刃先位置P0が、現況地形50の高さZ0を最初に下回ったときの位置を掘削開始位置として取得する。これにより、ブレード18の刃先が下げられて現況地形50を掘削し始めた位置が掘削開始位置として取得されることになる。ただし、コントローラ26は、他の方法によって、掘削開始位置を取得してもよい。例えば、コントローラ26は、第2操作装置25bの操作に基づいて、掘削開始位置を取得してもよい。或いは、コントローラ26は、現況地形データから最適な掘削開始位置を演算することで、掘削開始位置を取得してもよい。

ステップS105では、コントローラ26は、作業車両1の移動量を取得する。コントローラ26は、ブレード18の進行パスにおいて掘削開始位置から現在位置まで進んだ距離を、移動量として取得する。作業車両1の移動量は、車体11の移動量であってもよい。或いは、作業車両1の移動量は、ブレード18の刃先の移動量であってもよい。

ステップS106では、コントローラ26は、目標設計地形データを決定する。目標設計地形データは、図5に破線で記載された目標設計地形70を示す。目標設計地形70は、作業におけるブレード18の刃先の望まれる軌跡を示す。目標設計地形70は、作業対象である地形の目標プロファイルであり、掘削作業の結果として望まれる形状を示す。

図5に示すように、コントローラ26は、現況地形50から、目標変位Z_offset、下方に変位した目標設計地形70を決定する。目標変位Z_offsetは、各参照点Pnでの鉛直方向における目標変位である。本実施形態において、目標変位Z_offsetは、各参照点Pnでの目標深さであり、現況地形50の下方におけるブレード18の目標位置を示す。ブレード18の目標位置とは、ブレード18の目標刃先位置を意味する。言い換えれば、目標変位Z_offsetは、ブレード18によって掘削される単位移動量当たりの土量を示す。従って、目標設計地形データは、複数の参照点Pnと複数の目標土量との関係を示す。目標変位Z_offsetは、ブレード18への負荷に関係する目標負荷パラメータの一例である。

なお、コントローラ26は、最終設計地形60を下方に越えないように、目標設計地形70を決定する。従って、コントローラ26は、掘削作業時には、最終設計地形60以上、且つ、現況地形50より下方に位置する目標設計地形70を決定する。

詳細には、コントローラ26は、以下の（1）式により、目標設計地形70の高さZを決定する。
Z = Zn - Z_offset (1)

目標変位Z_offsetは、目標変位データCを参照することで決定される。目標変位データCは、記憶装置28に記憶されている。図6は、目標変位データCの一例を示す図である。目標変位データCは、作業車両1の移動量nと、目標変位Z_offsetとの関係を規定する。

詳細には、目標変位データCは、ブレード18の地表からの鉛直下方向への掘削深さ（目標変位）Z_offsetを、作業車両1の水平方向の移動量nの従属変数として示す。作業車両1の水平方向の移動量nは、ブレード18の水平方向の移動量と実質的に同じ値である。コントローラ26は、図6に示す目標変位データCを参照して、作業車両1の移動量nから、目標変位Z_offsetを決定する。

図6に示すように、目標変位データCは、開始時データc1と、掘削時データc2と、移行時データc3と、運土時データc4とを含む。開始時データc1は、掘削開始領域での移動量nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。掘削開始領域は、掘削開始点Sから定常掘削開始点Dまでの領域である。開始時データc1で示されるように、掘削開始領域では、移動量nの増大に応じて増大する目標変位Z_offsetが規定される。

掘削時データc2は、掘削領域での移動量nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。掘削領域は、定常掘削開始点Dから運土移行開始点Tまでの領域である。掘削時データc2で示されるように、掘削領域では、目標変位Z_offsetは、一定値に規定される。掘削時データc2は、移動量nに対して一定の目標変位Z_offsetを規定する。なお、掘削領域での目標変位Z_offsetは、一定値としたが、一定値でなくてもよい。例えば、掘削領域の前半と後半とで目標変位Z_offsetに差があってもよい。

移行時データc3は、運土移行領域での移動量nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。運土移行領域は、定常掘削終了点Tから運土開始点Pまでの領域である。移行時データc3は、移動量nの増大に応じて減少する目標変位Z_offsetを規定する。

運土時データc4は、運土領域での移動量nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。運土領域は、運土開始点Pから開始される領域である。運土時データc4に示されるように、運土領域では、目標変位Z_offsetは一定値に規定される。運土時データc4は、移動量ｎに対して一定の目標変位Z_offsetを規定する。

詳細には、掘削領域は、第1開始値b1から開始され、第1終了値b2で終了する。運土領域は、第2開始値b3から開始される。第1終了値b2は、第2開始値b3よりも小さい。掘削領域での目標変位Z_offsetは、第1目標値a1で一定である。運土領域での目標変位Z_offsetは、第2目標値a2で一定である。第1目標値a1は、第2目標値a2よりも大きい。従って、掘削領域では運土領域よりも大きな目標変位Z_offsetが規定される。

掘削開始位置での目標変位Z_offsetは、開始値a0である。開始値a0は、第1目標値a1よりも小さい。開始目標値a0は、第2目標値a2よりも小さい。

図7は、目標変位Z_offsetの決定処理を示すフローチャートである。説明を簡単にするため、以下に説明する決定処理では、作業車両1の走行は前進のみであるものとする。決定処理は、第1操作装置25aが前進の位置に移動すると開始される。ステップS201では、コントローラ26は、移動量nが0以上、且つ、第1開始値b1未満であるか判定する。移動量nが0以上、且つ、第1開始値b1未満であるときには、ステップS202において、コントローラ26は、移動量nの増大に応じて、目標変位Z_offsetを開始値a0から徐々に増大させる。

開始値a0は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。開始値a0は、掘削開始時にブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度に小さな値であることが好ましい。第1開始値b1は、図6に示す掘削開始領域での傾きc1、開始値a0、及び第1目標値a1から演算により求められる。傾きc1は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。傾きc1は、掘削開始から掘削作業に迅速に移行可能であると共に、ブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

ステップS203では、コントローラ26は、移動量nが、第1開始値b1以上、且つ、第1終了値b2未満であるか判定する。移動量nが、第1開始値b1以上、且つ、第1終了値b2未満であるときには、ステップS204において、コントローラ26は、目標変位Z_offsetを第1目標値a1に設定する。第1目標値a1は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。第1目標値a1は、効率よく掘削を行うことができると共に、ブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

ステップS205では、コントローラ26は、移動量nが、第1終了値b2以上、且つ、第2開始値b3未満であるか判定する。移動量nが、第1終了値b2以上、且つ、第2開始値b3未満であるときには、ステップS206において、コントローラ26は、移動量nの増大に応じて、目標変位Z_offsetを第1目標値a1から徐々に低減させる。

第1終了値b2は、ブレード18の現在の保有土量が、所定の閾値を越えるときの移動量である。従って、ブレード18の現在の保有土量が、所定の閾値を越えたときに、コントローラ26は、目標変位Z_offsetを第1目標値a1から低減させる。所定の閾値は、例えばブレード18の最大容量に基づいて決定される。例えば、ブレード18の現在の保有土量は、ブレード18への負荷が測定され、当該負荷から演算により決定されてもよい。或いは、ブレード18の画像がカメラによって取得され、当該画像を分析することによって、ブレード18の現在の保有土量が算出されてもよい。

なお、作業開始時には、第1終了値b2として、所定の初期値が設定される。作業開始後には、ブレード18の保有土量が所定の閾値を越えたときの移動量が更新値として記憶され、第1終了値b2は記憶された更新値に基づいて更新される。

ステップS207では、コントローラ26は、移動量nが、第2開始値b3以上であるか判定する。移動量nが、第2開始値b3以上であるかときには、ステップS208において、コントローラ26は、目標変位Z_offsetを第2目標値a2に設定する。

第2目標値a2は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。第2目標値a2は、運土作業に適した値に設定されることが好ましい。第2開始値b3は、図6に示す運土移行領域での傾きc2、第1目標値a1、及び第2目標値a2から演算により求められる。傾きc2は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。傾きc2は、掘削作業から運土作業に迅速に移行可能であると共に、ブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

なお、開始値a0、第1目標値a1、及び第2目標値a2は、作業車両１の状況等に応じて変更されてもよい。第1開始値b1、第1終了値b2、及び第2開始値b3は、定数として記憶装置28に記憶されてもよい。

以上のように、目標変位Z_offsetが決定されることで、目標設計地形70の高さZが決定される。

図4に示すステップS107では、コントローラ26は、目標設計地形70に向ってブレード18を制御する。ここでは、コントローラ26は、ステップS106で作成した目標設計地形70に向ってブレード18の刃先位置が移動するように、作業機13への指令信号を生成する。生成された指令信号は、制御弁27に入力される。それにより、作業機13の刃先位置P0が目標設計地形70に沿って移動する。

上述した掘削領域では、現況地形50と目標設計地形70との間の目標変位Z_offsetが、他の領域と比べて大きい。これにより、掘削領域では、現況地形50の掘削作業が行われる。運土領域では、現況地形50と目標設計地形70との間の目標変位Z_offsetが他の領域と比べて小さい。これにより、運土領域では、地面の掘削が控えられ、ブレード18に保持されている土砂が運搬される。

ステップS108では、コントローラ26は、作業現場地形データを更新する。コントローラ26は、刃先位置P0の最新の軌跡を示す位置データによって作業現場地形データを更新する。或いは、コントローラ26は、車***置データと車体寸法データとから履帯16の底面の位置を算出し、履帯16の底面の軌跡を示す位置データによって作業現場地形データを更新してもよい。この場合、作業現場地形データの更新は即時に行うことができる。

或いは、作業現場地形データは、作業車両1の外部の測量装置によって計測された測量データから生成されてもよい。外部の測量装置として、例えば、航空レーザ測量を用いてよい。或いは、カメラによって現況地形50を撮影し、カメラによって得られた画像データから作業現場地形データが生成されてもよい。例えば、UAV(Unmanned Aerial Vehicle)による空撮測量を用いてよい。外部の測量装置又はカメラの場合、作業現場地形データの更新は、所定周期ごと、あるいは随時に行われてもよい。

なお、上記の処理は、作業車両1が前進しているときに実行される。例えば、第1操作装置25aが前進位置であるときに、上記の処理が実行される。ただし、作業車両1が、所定距離以上、後進すると、掘削開始位置、移動量n、及びブレード18の保有土量は、初期化される。

そして、再び作業車両1が前進したときに、上記の処理が実行される。コントローラ26は、更新された作業現場地形データを基に現況地形50を更新し、更新された現況地形50に基づいて、目標設計地形70を新たに決定する。そして、コントローラ26は、新たに決定された目標設計地形70に沿って、ブレード18を制御する。このような処理が繰り返されることにより、現況地形50が最終設計地形60に近づくように、掘削が行われる。

コントローラ26は、上記実施形態では、所定距離、前進するごとに、或いは、前進中の所定時間ごとに、ステップS101からS108の処理を繰り返す。しかし、コントローラ26は、所定距離、後進するごとに、或いは、後進中の所定時間ごとに、ステップS101からS108の処理を繰り返してもよい。この場合、作業車両１が、所定距離以上、前進すると、掘削開始位置、及び、移動量nは初期化されてもよい。コントローラ26は、作業車両１が、所定距離、移動するごとに、或いは、所定時間ごとに、ステップS101からS108の処理を繰り返してもよい。

次に、上述した作業機13の自動制御中にオペレータによる操作が介入したときの処理に付いて説明する。自動制御中にオペレータによって第2操作装置25bが操作されたときには、コントローラは、第2操作装置25bからの操作信号に従って、作業機13を動作させると共に、オペレータによる操作に応じて目標設計地形を修正する。図8は、オペレータによる操作に応じて目標設計地形を修正するための処理を示すフローチャートである。

図8に示すように、ステップS301では、コントローラ26は、作業機13の操作が有るかを判定する。詳細には、コントローラ26は、第2操作装置25bからの操作信号から、ブレード18を上昇させる操作（以下、「上げ操作」と呼ぶ）が第2操作装置25bに行われたかを判定する。ブレード18の上げ操作が第2操作装置25bに行われたときには、コントローラ26は、作業機13の操作有りと判定し、処理はステップS302に進む。

ステップS302では、コントローラ26は、第2操作装置25bの操作量Sを取得する。コントローラ26は、第2操作装置25bからの操作信号から、第2操作装置25bの上げ操作量Sを取得する。詳細には、上げ操作量Sは、中立位置から上げ位置に向かう第2操作装置25bのストローク量である。

ステップS303では、コントローラ26は、操作信号に従って作業機13を制御する。コントローラ26は、第2操作装置25bの上げ操作量Sに応じて、ブレード18を上昇させるように、制御弁27に指令信号を出力する。これにより、作業機13の自動制御に、オペレータによる操作が介入して、作業機13は、オペレータによる手動操作に応じて動作する。なお、コントローラ26によるステップS302の処理が省略され、第2操作装置25bからのパイロット油圧が制御弁27に印加されることで、制御弁27が制御されてもよい。

ステップS304では、コントローラ26は、牽引力Fを取得する。コントローラ26は、出力センサ34の検出値から牽引力Fを算出することで、牽引力Fを取得する。作業車両1の動力伝達装置24がHSTの場合、コントローラ26は、油圧モータの駆動油圧と油圧モータの回転速度とから牽引力を算出することができる。牽引力は、作業車両1が受ける負荷である。

動力伝達装置24がトルクコンバータとトランスミッションとを有する場合、コントローラ26は、トルクコンバータの出力回転速度から牽引力を算出することができる。詳細には、コントローラ26は、以下の(2)式から牽引力を算出する。
F=k×T×R/(L×Z) (2)

ここで、Fは牽引力、kは定数、Tはトランスミッション入力トルク、Rは減速比、Lは履帯リンクピッチ、Zはスプロケット歯数を示す。入力トルクTは、トルクコンバータの出力回転速度を基に演算される。ただし、牽引力の検出方法は上述したものに限らず、他の方法により検出されてもよい。

ステップS305では、コントローラ26は、作業機13の変位量Zmを取得する。コントローラ26は、上述した刃先位置データから、オペレータによる上げ操作の開始時のブレード18の刃先位置と、終了時の刃先位置との間の鉛直方向の変位量Zmを取得する。

ステップS306では、コントローラ26は、所定の判定条件が満たされているかを判定する。判定条件は、以下の第1〜第4の条件をAND条件として含む。第1条件は、牽引力Fが所定の閾値f1以下であることである。閾値f1は、土を運ぶ運土作業であることを示す数値であってもよい。

第2条件は、ブレード18の上げ操作が、所定時間t1以上、継続したことである。所定時間t1は、例えば、極短時間だけ上げ操作が行われた場合を排除するために適切な値であってもよい。なお、微小な上げ操作を無視するために、第2条件は、上げ操作量Sが所定量s1以上である状態が所定時間t1以上、継続したことであってもよい。

第3条件は、上述した掘削開始位置からの移動量nが所定距離n1より大きいことである。所定距離n1は、運土領域より前の領域での目標設計地形70の修正を禁止するために適切な値であってもよい。或いは、所定距離n1は、運土移行領域、又は、掘削領域よりも前の領域で目標設計地形70の修正が行われることを禁止するために適切な値であってもよい。

第4条件は、作業機13の変位量Zmが所定範囲内であることである。すなわち、第4条件は、作業機13の変位量Zmが、変位量の下限値zm1より大きく、且つ、変位量の上限値zm2より小さいこと（zm1＜Zm＜zm2）である。変位量の下限値zm1は、微小な上げ操作を無視するための数値であってもよい。変位量の上限値zm2は、障害物を避ける上げ操作を除外するための数値であってもよい。

第1〜第4条件の全てが満たされているときには、コントローラ26は、判定条件を満たすと判定して、処理はステップS307に進む。ステップS307では、コントローラ26は、目標設計地形70を修正する。コントローラ26は、目標設計地形70を鉛直方向に、変位量Zm、変位させることで、目標設計地形70を修正する。コントローラ26は、以下の（3）式により、目標設計地形70の高さZを変位量Zmで補正することで、目標設計地形70を修正する。
Z = Zn - Z_offset + Zm (3)

例えば、図9に示すように、参照点P12において、オペレータがブレード18の上げ操作を行ったものとする。コントローラ26は、オペレータによる上げ操作の開始時の刃先位置と、終了時の刃先位置との間の鉛直方向の変位量Zmを取得する。上述した判定条件が満たされている場合、コントローラ26は、当初の目標設計地形70を鉛直方向に変位量Zm、変位させることで、修正した目標設計地形70’を決定する。そして、コントローラ26は、修正した目標設計地形70’に対してブレード18を制御する。それにより、作業機13の刃先位置が、修正した目標設計地形70’に沿って移動する。

なお、作業車両1の進行方向が前進から後進に切り換えられ、作業車両1が、所定距離以上、後進すると、上述した掘削開始位置や移動量n等と同様に、オペレータによるブレード18の上げ操作に応じた目標設計地形70の補正量も初期化される。すなわち、上記のZmは“0”にリセットされる。

また、オペレータによる第2操作装置25bの操作がブレード18を下降させる操作（以下、「下げ操作」と呼ぶ）であるときには、目標設計地形70の補正量は無効とされる。すなわち、オペレータによる第2操作装置25bの操作がブレード18の下げ操作であるときには、上記のZmは“0”に設定される。

ただし、オペレータによる第2操作装置25bの操作がブレード18の下げ操作であるときにも、上述した目標設計地形70の修正が行われてもよい。例えば、図10に示すように、コントローラ26は、オペレータによるブレード18の下げ操作の開始時の刃先位置と、終了時の刃先位置との間の鉛直方向の変位量Zmを取得し、当初の目標設計地形70を変位量Zm、下方に変位させることで、修正した目標設計地形70’を決定してもよい。

以上説明した、本実施形態に係る作業車両1の制御システム3によれば、作業機13の自動制御中にオペレータによる作業機13の操作が行われると、オペレータによる操作に応じて、目標設計地形70が修正される。そのため、自動制御を解除するために煩雑な操作をオペレータが行うことなく、作業機13の位置をオペレータの意思で容易に変更することができる。

例えば、自動制御によって作業機13が運土領域での作業を行っているとき、オペレータは第2操作装置25bを操作してブレード18を上昇させることで、作業機13による作業を撒き出し作業に変更することができる。なお、撒き出し作業とは、土を現況地形上に層状に敷き広げることを意味する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

作業車両1は、ブルドーザに限らず、ホイールローダ、モータグレーダ等の他の車両であってもよい。

作業車両1は、遠隔操縦可能な車両であってもよい。その場合、制御システム3の一部は、作業車両1の外部に配置されてもよい。例えば、コントローラ26は、作業車両1の外部に配置されてもよい。コントローラ26は、作業現場から離れたコントロールセンタ内に配置されてもよい。

コントローラ26は、互いに別体の複数のコントローラ26を有してもよい。例えば、図11に示すように、コントローラ26は、作業車両1の外部に配置されるリモートコントローラ261と、作業車両1に搭載される車載コントローラ262とを含んでもよい。リモートコントローラ261と車載コントローラ262とは通信装置38,39を介して無線により通信可能であってもよい。そして、上述したコントローラ26の機能の一部がリモートコントローラ261によって実行され、残りの機能が車載コントローラ262によって実行されてもよい。例えば、目標設計地形70を決定する処理がリモートコントローラ261によって実行され、作業機13への指令信号を出力する処理が車載コントローラ262によって実行されてもよい。

操作装置25a,25bは、作業車両1の外部に配置されてもよい。その場合、運転室は、作業車両1から省略されてもよい。或いは、操作装置25a,25bが作業車両1から省略されてもよい。操作装置25a,25bによる操作無しで、コントローラ26による自動制御のみによって作業車両1が操作されてもよい。

現況地形50は、上述した位置センサ31に限らず、他の装置によって取得されてもよい。例えば、図12に示すように、外部の装置からのデータを受け付けるインターフェ−ス装置37によって現況地形50が取得されてもよい。インターフェ−ス装置37は、外部の計測装置41が計測した現況地形データを無線によって受信してもよい。或いは、インターフェ−ス装置37は、記録媒体の読み取り装置であって、外部の計測装置41が計測した現況地形データを記録媒体を介して受け付けてもよい。

上記の実施形態では、運土領域において、オペレータによる上げ操作（または下げ操作）が介入されたときに目標設計地形が修正されている。しかし、他の領域においても、オペレータによる上げ操作（または下げ操作）が介入されたときに、刃先位置の変位量Zmに応じて目標設計地形が修正されてもよい。

例えば、図１３は、掘削領域においてオペレータによる上げ操作が介入されたときの修正した目標設計地形70’を示している。この場合、コントローラ26は、当初の目標設計地形70を変位量Zm、上方に変位させることで、修正した目標設計地形70’を決定する。或いは、図１４は、掘削領域においてオペレータによる下げ操作が介入されたときの修正した目標設計地形70’を示している。この場合、コントローラ26は、当初の目標設計地形70を変位量Zm、下方に変位させることで、修正した目標設計地形70’を決定する。

目標変位データは、図6に示すデータに限らず、変更されてもよい。目標変位データは、目標負荷パラメータと移動量との関係を示すデータであってもよい。或いは、コントローラ26は、目標負荷パラメータと作業車両1の現在位置との関係を示す目標負荷パラメータデータを参照して、目標設計地形70を決定してもよい。目標負荷パラメータは、作業機13への負荷に関係するパラメータであればよく、上記の実施形態のような目標変位に限らない。

例えば、図15は、目標負荷パラメータデータの他の例を示す図である。図15に示すように、目標負荷パラメータは、平坦な地形の各地点ごとの目標土量S_targetであってもよい。すなわち、目標負荷パラメータは、単位距離当たりの目標土量S_targetであってもよい。例えば、コントローラ26は、目標土量S_targetとブレード18の幅とから、目標変位Z_offsetを算出することができる。

或いは、目標負荷パラメータは、単位距離当たりの目標土量S_targetと異なるパラメータであってもよい。例えば、目標負荷パラメータは、各地点での作業機13への負荷の目標値を示すパラメータであってもよい。コントローラ26は、目標負荷パラメータから各地点ごとの目標変位Z_offsetを算出することができる。その場合、コントローラ26は、目標負荷パラメータの増大に応じて、目標変位Z_offsetを増大させてもよい。

図16に示すように、コントローラ26は、現況地形50から、目標変位Z_offset、上方に変位した目標設計地形70を決定してもよい。この場合、掘削作業に代えて盛土作業を行うことができる。また、図16に示すように、コントローラ26は、オペレータによる作業機13の操作に応じて、目標設計地形70から修正した目標設計地形70’を決定してもよい。

目標変位Z_offsetに所定の係数が乗じられてもよい。或いは、目標変位Z_offsetに所定の定数が加算、或いは減算されてもよい。所定の係数、及び、所定の定数は、制御モードの変更に応じて変更されてもよい。

判定条件は、上述した第1〜第4の条件に限らず、変更されてもよい。例えば、第1〜第4の条件の一部が省略、或いは変更されてもよい。判定条件は、第1〜第4の条件と異なる条件を含んでもよい。

変位量Zmは、オペレータによる操作の開始時の刃先位置と、終了時の刃先位置との間の鉛直方向の変位量に限らず、他の値であってもよい。例えば、コントローラ26は、オペレータによる操作の終了時の刃先位置と目標設計地形70との間の鉛直方向の変位量を変位量Zmとして取得してもよい。或いは、コントローラ26は、オペレータによる第2操作装置25bの操作量に応じて、変位量Zmを決定してもよい。

コントローラ26は、現在位置から所定の地形認識距離dAより短い範囲内において、現況地形データを取得してもよい。すなわち、コントローラ26は、複数の参照点Pnの一部のみに対して現況地形データを取得してもよい。コントローラ26は、現在位置から所定の地形認識距離dAより短い範囲内において、目標設計地形70を決定してもよい。すなわち、コントローラ26は、複数の参照点Pnの一部のみに対して、目標設計地形70を決定してもよい。

本発明によれば、作業機の自動制御中に作業機の位置をオペレータの意思で容易に変更することができる。

3 制御システム
13 作業機
26 コントローラ
31 位置センサ
29 作業機センサ
70 目標設計地形（目標プロファイル）

Claims (14)

1. 作業機を有する作業車両の制御システムであって、
   オペレータによる操作を示す操作信号を出力する操作装置と、
   前記操作装置と通信するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、
   作業対象の地形の目標プロファイルとして目標設計地形を決定し、
   前記目標プロファイルに従って前記作業機を動作させる指令信号を生成し、
   前記操作装置から前記操作信号を受信し、
   前記操作信号に基づいて、前記オペレータによる前記作業機の操作を判定し、
   前記オペレータによる操作に応じた前記作業機の鉛直方向の変位量を取得し、
   前記オペレータによる前記作業機の操作が行われたときには、前記目標プロファイルを鉛直方向に前記変位量、変位させることで、前記オペレータによる操作に応じて前記目標プロファイルを修正する、
   作業車両の制御システム。
2. 前記作業機の位置を示す作業機位置信号を出力するセンサをさらに備え、
   前記コントローラは、
   前記センサから前記作業機位置信号を受信し、
   前記オペレータによる操作に応じた前記作業機の位置に基づいて前記目標プロファイルを修正する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
3. 前記コントローラは、
   前記作業対象の現況地形を示す現況地形データを取得し、
   前記現況地形を鉛直方向に変位させた前記目標設計地形を決定し、
   前記目標設計地形を前記目標プロファイルとして設定する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
4. 前記コントローラは、所定の判定条件が満たされたときに、前記オペレータによる操作に応じて前記目標プロファイルを修正し、
   前記判定条件は、前記作業機を上下させる操作が所定時間以上、継続したことを含む、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
5. 前記コントローラは、
   前記作業車両の現在位置を示す現在位置データを取得し、
   前記現在位置データに基づいて、前記作業車両の移動量を取得し、
   所定の判定条件が満たされたときに、前記オペレータによる操作に応じて前記目標プロファイルを修正し、
   前記判定条件は、前記作業車両の移動量が所定距離以上であることを含む、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
6. 作業機を有する作業車両を制御するためにコントローラによって実行される方法であって、
   作業対象の地形の目標プロファイルとして目標設計地形を決定することと、
   前記目標プロファイルに従って前記作業機を動作させる指令信号を生成することと、
   オペレータによる操作を示す操作信号を受信することと、
   前記操作信号に基づいて、前記オペレータによる前記作業機の操作を判定することと、
   前記オペレータによる操作に応じた前記作業機の鉛直方向の変位量を取得することと、
   前記オペレータによる前記作業機の操作が行われたときには、前記目標プロファイルを鉛直方向に前記変位量、変位させることで、前記オペレータによる操作に応じて前記目標プロファイルを修正すること、
   を備える方法。
7. 前記作業機の位置を示す作業機位置信号を受信することをさらに備え、
   前記オペレータによる操作に応じた前記作業機の位置に基づいて前記目標プロファイルが修正される、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記作業対象の現況地形を示す現況地形データを取得することと、
   前記現況地形を鉛直方向に変位させた前記目標設計地形を決定することと、
   をさらに備え、
   前記目標設計地形が前記目標プロファイルとして設定される、
   請求項６に記載の方法。
9. 所定の判定条件が満たされたときに、前記目標プロファイルが修正され、
   前記判定条件は、前記作業機を上下させる操作が所定時間以上、継続したことを含む、
   請求項６に記載の方法。
10. 前記作業車両の位置を示す現在位置データを取得することと、
    前記現在位置データに基づいて、前記作業車両の移動量を取得すること、
    をさらに備え、
    所定の判定条件が満たされたときに、前記オペレータによる操作に応じて前記目標プロファイルが修正され、
    前記判定条件は、前記作業車両の移動量が所定距離以上であることを含む、
    請求項６に記載の方法。
11. 作業機と、
    オペレータによる操作を示す操作信号を出力する操作装置と、
    前記作業機を制御するコントローラと、
    を備え、
    前記コントローラは、
    作業対象の地形の目標プロファイルとして目標設計地形を決定し、
    前記目標プロファイルに従って前記作業機を動作させる指令信号を生成し、
    前記操作装置から前記操作信号を受信し、
    前記操作信号に基づいて、前記オペレータによる前記作業機の操作を判定し、
    前記オペレータによる操作に応じた前記作業機の鉛直方向の変位量を取得し、
    前記オペレータによる前記作業機の操作が行われたときには、前記目標プロファイルを鉛直方向に前記変位量、変位させることで、前記オペレータによる操作に応じて前記目標プロファイルを修正する、
    作業車両。
12. 前記作業機の位置を示す作業機位置信号を出力するセンサをさらに備え、
    前記コントローラは、
    前記センサから前記作業機位置信号を受信し、
    前記オペレータによる操作に応じた前記作業機の位置に基づいて前記目標プロファイルを修正する、
    請求項１１に記載の作業車両。
13. 前記コントローラは、所定の判定条件が満たされたときに、前記オペレータによる操作に応じて前記目標プロファイルを修正し、
    前記判定条件は、前記作業機を上下させる操作が所定時間以上、継続したことを含む、
    請求項１１に記載の作業車両。
14. 前記作業車両の位置を示す現在位置データを出力するセンサをさらに備え、
    前記コントローラは、
    前記センサから前記現在位置データを取得し、
    前記現在位置データに基づいて、前記作業車両の移動量を取得し、
    所定の判定条件が満たされたときに、前記オペレータによる操作に応じて前記目標プロファイルを修正し、
    前記判定条件は、前記作業車両の移動量が所定距離以上であることを含む、
    請求項１１に記載の作業車両。
    

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