JP7030149B2 - 作業機械 - Google Patents
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Description
前記走行体の上に旋回可能に取り付けられた旋回体と、前記旋回体に取り付けられた作業装置と、前記走行体の走行動作及び前記旋回体の旋回動作を指示する操作装置と、複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信するための複数のアンテナと、前記複数のアンテナで受信された衛星信号に基づいて、前記複数のアンテナのうち少なくとも1つのアンテナの位置と前記旋回体の方位角とを測位する受信機と、前記受信機により測位された前記少なくも1つのアンテナの位置と前記旋回体の方位角とに基づいて目標掘削面を演算し、前記操作装置の操作中に前記作業装置が前記目標掘削面を超えないように前記作業装置を制御するための制御信号を出力するコントローラとを備えた作業機械において、前記走行体に対する前記旋回体の旋回角を検出する角度センサを備え、前記コントローラは、前記受信機による測位結果が利用可能な状態、かつ、前記走行体に対する操作が前記操作装置に入力されていない状態であるときに、前記旋回体に対する操作が前記操作装置に入力されている間、前記受信機によって測位される第1方位角と、前記第1方位角が測位されたときに前記角度センサによって検出された第1旋回角との数値に基づいて、前記旋回体の旋回角と前記旋回体の方位角との対応関係を演算して記憶し、前記対応関係を記憶したときから前記旋回体の旋回中心軸位置に変化がない状態、かつ、前記受信機による測位結果が利用不能な状態、かつ、前記走行体に対する操作が前記操作装置に入力されていない状態であるときに、前記旋回体に対する操作が前記操作装置に入力された場合には、前記角度センサにより検出される第2旋回角と記憶された前記対応関係とに基づいて、前記受信機による測位結果が利用不能なときの前記旋回体の方位角となる第2方位角を算出し、前記受信機による測位結果が利用可能なときに前記受信機により測位された前記少なくとも1つのアンテナの位置と前記第2方位角とに基づいて前記目標掘削面を演算するものとする。
図1は本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの構成図であり、図2は本発明の実施形態に係る油圧ショベルのコントローラ(制御装置)40を油圧駆動装置と共に示す図である。
ここで油圧ショベル1の姿勢及びそれを規定する座標系について図3及び図4を用いて説明する。前提として、各フロント部材8,9,10の幅方向の中心を通り、各フロント部材8,9,10が動作する平面であって、上部旋回体12の旋回動作とともに回転する平面をフロント平面(又は作業装置1Aの動作平面)と呼称する。図3の場合は紙面がフロント平面となる。油圧ショベル1の姿勢は、図3および図4に示すショベル基準座標系上に定義できる。このショベル基準座標系(車体座標系とも称する)は、油圧ショベル1に設定された座標系であり、上部旋回体12の旋回中心軸上において、下部走行体11が地面に接する点に原点が設定されている。上部旋回体12の旋回中心軸上にZ軸を設定し、そのZ軸上において原点から車体上方に向かう方向を正とする。下部走行対11の前後方向(進行方向)と平行な直線であって、原点においてZ軸に直交する直線上にX軸を設定し、そのX軸上において原点から車体前方(下部走行体11の前進方向)に向かう方向を正とする。Y軸は、前述のX軸とZ軸とで右手座標系を構成するように設定されている。図3の例では、フロント平面とXZ平面とが平行であり、かつ、作業装置1Aの伸ばし方向と下部走行体11の前進方向が一致するように上部旋回体12と下部走行体11の姿勢が保持されている。また、旋回角度については、フロント作業装置1AがX軸と平行になる状態(図3の状態)を0度とし、時計回りを正とした。X軸に対するブーム8の回転角をブーム角θbm、ブーム8に対するアーム9の回転角をアームθam、アーム9に対するバケット10爪先の回転角をバケット角θbk、下部走行体11に対する上部旋回体12の旋回角を旋回角θswとした。
上部旋回体12には、2つのGNSSアンテナ17a、17bが取り付けられている。2つのGNSSアンテナ17a、17bはGNSS受信機17c(図4参照)と接続されている。GNSS受信機17cは、2つのGNSSアンテナ17a,17bがそれぞれ受信した複数の衛星信号を利用してグローバル座標系における2つのGNSSアンテナ17a,17bの位置(「グローバル位置データ」と称することがある)と、上部旋回体12の方位角φ(換言すると作業装置1Aの方位角)を測位する。
上部旋回体12に設けられた運転室内には複数の油圧アクチュエータ3a,3b,4,5,6,7を操作する操作装置として操作レバー22,23が設置されている。このうち操作レバー23a,23bは下部走行体11の走行動作を指示し、操作レバー22bは上部旋回体12の旋回動作を指示する。具体的には、走行右油圧モータ3a(下部走行体11)を操作するための走行右レバー23aと、走行左油圧モータ3b(下部走行体11)を操作するための走行左レバー23bと、ブームシリンダ5(ブーム8)及びバケットシリンダ7(バケット10)を操作するための操作右レバー22aと、アームシリンダ6(アーム9)及び旋回油圧モータ4(上部旋回体12)を操作するための操作左レバー22bが設置されている。以下では、これらを操作レバー22、23と総称することがある。
図5は本実施形態の油圧ショベルが備える掘削支援制御システムの構成図である。掘削支援制御システムは、コントローラ40と、複数のオペレータ操作量センサ52と、旋回角度センサ19や角度センサ30、31、32、車体IMU33から構成される複数の姿勢センサ53と、GNSSアンテナ17a,17b及びGNSS受信機17cを含むGNSSシステム17と、オペレータに掘削支援制御の状態を報知する報知装置46と、複数の電磁比例弁47とを備えている。
コントローラ(制御装置)40としては、例えば,CPU等の演算処理装置(図示せず)と、RAM,ROM等の半導体記憶装置又はHDD等の磁気記憶装置からなる記憶装置(図示せず)と、各種センサやアクチュエータなどとの間で情報をやり取りする入出力インタフェース(図示せず)とを備えたコンピュータが利用可能であり、単体または複数のコンピュータから構成できる。また、コントローラ40の一部または全てを、油圧ショベル1上の各種装置とネットワークを介して通信可能に接続されるサーバ等の外部のコンピュータで構成してもよい。
姿勢演算部71は、姿勢センサ53に含まれる旋回角度センサ19からの出力信号に基づき、ショベル基準座標系における上部旋回体12の旋回角度θswを演算する。また、同様に姿勢センサ53に含まれるブーム角度センサ30、アーム角度センサ31およびバケット角度センサ32からの出力信号に基づき、ショベル基準座標系における作業装置1Aの姿勢(各フロント部材8,9,10の姿勢)を演算する。
バケット位置情報演算部72は、ショベル基準座標形におけるバケット10の位置を演算する。バケット位置情報演算部72は、例えば、フロント平面におけるバケット10の爪先位置を演算できる。フロント平面とは、先述のように、各フロント部材8,9,10が動作する仮想的な平面であり、上部旋回体12の旋回動作に伴って回転する平面である。バケット位置情報演算部72は、コントローラ40内の記憶装置内にあらかじめ記憶した、図3に示すブーム8の長さLbm、アーム9の長さLam、及びバケット10の長さLbkと、姿勢演算部71から取得するブーム角θbm、アーム角θam、バケット角θbkを用いて、ショベル基準座標形におけるバケット10の位置(例えば、フロント平面におけるバケット爪先位置)を演算できる。
センサエラー処理部73は、操作量センサ52から出力される操作レバー22,23の操作量を示す信号と、GNSSシステム17から出力される通信エラーとを入力しており、当該通信エラーが発報された後に上部旋回体12の方位角ψを演算する。以下ではこのようにセンサエラー処理部73が演算した方位角を代替方位角ψと称することがある。
この場合、センサエラー処理部73は、通信エラーの発報以前(すなわち測位精度が閾値dp1以上のときであって受信機17cによる測位結果が利用可能なとき(以下同じ))の時刻t1に受信機17cにより演算された方位角φ1(第1方位角)と、当該通信エラーの発報以前(すなわち測位精度が閾値dp1以上のとき)の時刻t1に旋回角度センサ19により検出された旋回角θsw1(第1旋回角)とに基づいて、当該通信エラー発報後(すなわち測位精度が閾値dp1未満のときであって受信機17cによる測位結果が利用不能なとき(以下同じ))の時刻t2の上部旋回体12の方位角ψ(第2方位角)を受信機17cに代替して算出する。
ψ=φ1+(θsw2-θsw1) …式(1)
この場合、センサエラー処理部73は、車体IMU33(角速度センサ)により検出される上部旋回体12のヨー角速度ωに基づいて、方位角φ1(第1方位角)が受信機17cにより演算された時刻t1(第1時刻)から測位精度が閾値dp1よりも低下した後の時刻t2(第2時刻)までの上部旋回体12のヨー角速度ωの積分値を演算し、演算した積分値を時刻t1の方位角φ1(第1方位角)に加算することで代替方位角ψ(第2方位角)を受信機17cに代替して算出する。これを式に表すと下記式(2)となる。ただし式(2)における「∫ωdt」は、上部旋回体12のヨー角速度ωの時刻t1から時刻t2までの積分値を示す。
ψ=φ1+∫ωdt …式(2)
この場合、センサエラー処理部73は、車体IMU33(角速度センサ)により検出される上部旋回体12のヨー角速度ωに基づいて、方位角φ1(第1方位角)が受信機17cにより演算された時刻t1(第1時刻)から測位精度が閾値dp1よりも低下した後の時刻t2(第2時刻)までの上部旋回体12のヨー角速度ωの積分値を演算する。そして、時刻t1に旋回角度センサ19により検出された旋回角θsw1(第1旋回角)と、時刻t2に旋回角度センサ19により検出された旋回角θsw2(第2旋回角)との差分を演算し、演算した積分値と、演算した差分とを時刻t1の方位角φ1(第1方位角)に加算することで代替方位角ψ(第2方位角)を受信機17cに代替して算出する。これを式に表すと下記式(3)となる。つまり、上記式(1)と式(2)の組み合わせとなる。
ψ=φ1+(θsw2-θsw1)+∫ωdt …式(3)
この場合、油圧ショベル1の走行と旋回は発生しないので、通信エラーの発報前後で旋回体12の方位角及び旋回中心軸位置に変化は無い。そのため、センサエラー処理部73は、通信エラー発報時またはその直前に受信機17cで演算された方位角φを代替方位角として算出する。例えば、通信エラー発報以前の時刻t1のときから走行と旋回が無い場合には、代替方位角ψ=φ1となる。
グローバル位置情報選択部74は、目標掘削面情報抽出部76、目標動作演算部77及び報知制御部79等に出力する上部旋回体12のグローバル位置データと方位角を選択する部分である。
まず、上部旋回体12の方位角の選択について説明する。測位衛星との通信に異常がない通常の場合(つまりGNSSシステム17からの通信エラーの発報が無い状態)には、GNSSシステム17(受信機17c)が出力する方位角φを選択して出力する。
次に上部旋回体12のグローバル位置データの選択について説明する。通信エラー17の発報の無い通常の場合には、GNSSシステム17(受信機17c)が出力するグローバル位置データを選択して出力する。
目標地形データ格納部75には、作業現場における3次元の設計データである目標地形データが格納されている。目標地形データ格納部75は、グローバル位置情報選択部74から出力されるグローバル位置データと方位角に基づき、油圧ショベル1の近傍(例えばショベル基準座標系を基準とした所定範囲)の目標地形データを抽出して目標掘削面情報抽出部76に出力することができる。
目標掘削面情報抽出部76は、目標地形データ格納部75から取得した目標地形データと、フロント面(作業装置1Aの動作平面)との交線を演算し、当該交線を目標掘削面60として抽出する。目標地形データとフロント面の位置を共通の座標系に変換すれば両者の交線である目標掘削面60の演算が容易であるが、ここではその一例として、グローバル座標系におけるフロント面の位置を演算することで、目標地形データとの座標系の共通化を図る。グローバル座標系におけるフロント面の位置は、バケット位置情報演算部72から取得できるショベル基準座標系におけるフロント面の位置と、グローバル位置情報選択部74から入力するグローバル座標系における上部旋回体12の位置(グローバル位置データ)及び方位角とから演算できる。
目標動作演算部77は、操作レバー22a,22bが操作されている間に作業装置1Aが目標掘削面60を超えないように(例えば目標掘削面60の上方に作業装置1Aが位置する場合には、作業装置1Aの動作範囲が目標掘削面60上及びその上方に制限されるように)作業装置1Aの動作に係る複数のアクチュエータ(油圧シリンダ)5,6,7の目標速度を演算できる部分であり、掘削支援制御の実行に必要な各アクチュエータ5,6,7の目標速度を演算できる。
電磁比例弁制御部78は、目標動作演算部77で演算された各油圧シリンダ5,6,7の目標速度に基づいて、対応する流量制御弁15への制御信号(パイロット圧)を演算し,その演算したパイロット圧を発生するために必要な電磁比例弁47c,47d,47e,47f,47g,47hへの電気信号を演算し,その演算した電気信号を対応する電磁比例弁47c,47d,47e,47f,47g,47hに出力することで電磁比例弁47c,47d,47e,47f,47g,47hを制御する部分である。電磁比例弁制御部78が制御する電磁比例弁47c,47d,47e,47f,47g,47hによって、各油圧シリンダ5,6,7は目標動作演算部77で計算された目標速度に従って動作する。
報知制御部79は、センサエラー処理部73によって代替方位角ψが算出されている場合、測位精度が閾値dp1未満になっていること(すなわち通信エラーが発生していること)を報知装置46が出力するように報知装置46に対して指令信号を出力する。出力された指令信号を入力した報知装置46はその指令信号が規定する報知内容を出力する。報知装置46としては、例えば、油圧ショベル1の運転室内に設置したモニタ(表示装置)、スピーカ(音声出力装置)及びランプ(警告灯)などが利用可能であり、これらのいずれか1つ又は複数の組み合わせから報知装置46を構成できる。
図10は第1実施形態に係るコントローラ40による掘削支援制御に関するフローチャートを示す。なお、ここでは説明を簡単にするために、時刻t1を通信エラーの発報時とする。なお、時刻t2は、既述の通り、センサエラー処理部73によって代替方位角ψが演算される時刻(t2>t1)である。
上記のように構成した油圧ショベル1では、走行操作がなく旋回操作がある場合であっても、時刻t1の方位角φ1(第1方位角)と、時刻t1の旋回角度θsw1(第1旋回角)と、時刻t2の旋回角度θsw2(第2旋回角)と、上記式(1)とに基づいて、時刻t2の方位角(代替方位角ψ(第2方位角))を演算できる。そして、演算した時刻t2の方位角とともに、GNSSシステム17によって演算された時刻t1のグローバル位置データP1を利用することで、通信エラー発報後も掘削支援制御を継続できる。これにより通信エラー発報後の掘削作業中に、旋回操作による掘削箇所の変更やダンプトラックへの積込作業を行っても掘削支援制御をON状態に維持でき、旋回動作後も速やかに掘削支援制御を実行できるので、従前よりも油圧ショベル1による掘削作業効率を向上できる。
本実施形態は、通信エラーの発報後にセンサエラー処理部73が代替方位角ψを演算する方法が第1実施形態と異なる。ハードウェア構成を含むその他の構成については、本実施形態は第1実施形態と同じであり、以下では異なる点について説明する。
図13を用いてコントローラ40が代替方位角ψと旋回角θswの対応関係を導出・記憶する方法の一例について説明する。図13は代替方位角ψと旋回角θswの対応関係を演算する処理のフローチャートである。
本実施形態のセンサエラー処理部73が上記の対応関係と或る時刻の旋回角(例えば時刻t2におけるθsw2)を利用して代替方位角ψを演算する場合は下記の2パターン(パターン5及びパターン6)である。パターン5は第1実施形態のパターン1に代替するパターンであり、パターン6は同パターン3に代替するパターンである。なお、以下では対応関係を旋回角θswの関数f(θsw)で表した場合を例に挙げて説明する。
この場合、センサエラー処理部73は、予め記憶しておいた角度の対応関係と、通信エラー発報後(すなわち測位精度が閾値dp1未満のとき)の時刻t2に旋回角度センサ19により検出された旋回角度θsw1とに基づいて、通信エラー発報後(すなわち測位精度が閾値dp1未満のとき)の時刻t2の上部旋回体12の方位角ψ(第2方位角)を受信機17cに代替して算出する。
ψ=f(θsw2) …式(4)
この場合、センサエラー処理部73は、車体IMU33(角速度センサ)により検出される上部旋回体12のヨー角速度ωに基づいて、方位角φ1(第1方位角)が受信機17cにより演算された時刻t1(第1時刻)から測位精度が閾値dp1よりも低下した後の時刻t2(第2時刻)までの上部旋回体12のヨー角速度ωの積分値を演算する。そして、時刻t2に旋回角度センサ19により検出されたθsw2(第2旋回角)と角度の対応関係f(θsw)とに基づいてf(θsw2)の値を算出し、これを演算した積分値に加算することで代替方位角ψ(第2方位角)を受信機17cに代替して算出する。これを式に表すと下記式(5)となる。つまり、上記式(4)と式(2)の組み合わせとなる。
ψ=f(θsw2)+∫ωdt …式(5)
図11は第2実施形態に係るコントローラ40による掘削支援制御に関するフローチャートを示す。図中で図10と同じ符号を付した処理は図10と同じであり、以下では図10と異なる処理について主に説明する。
上記のように構成した油圧ショベル1では、走行操作がなく旋回操作がある場合であっても、時刻t1の方位角φ1(第1方位角)と、時刻t1の旋回角度θsw1(第1旋回角)と、時刻t2の旋回角度θsw2(第2旋回角)と、上記式(4)とに基づいて、時刻t2の方位角(代替方位角ψ(第2方位角))を演算でき、その演算した時刻t2の方位角と、GNSS17システムが演算した時刻t1のグローバル位置データP1とを利用することで掘削支援制御を継続できる。
上部旋回体12の中心位置の変化後に同じ位置で掘削作業をしている場合(例えば、走行操作後に同じ位置で所定時間走行操作が無い場合)には、その位置での代替方位角ψと旋回角θswの対応関係を演算・記憶できるように、オペレータに対して、代替方位角ψと旋回角θswの対応関係を演算・記憶するための操作(走行操作なしで旋回操作を行う)を促す報知(例えば運転室内のモニタへの表示)を報知装置46を介して行ってもよい。このような報知を行えば、角度の対応関係が記憶されない場面が減り、掘削支援制御の精度と掘削作業効率の向上に寄与し得る。なお、この報知は、オペレータが掘削支援制御の実行を指示しているとき(掘削支援制御のON/OFFスイッチがON状態のとき)であれば、超信地旋回以外の走行操作が実行されて、終了する毎に行われてもよい。
図13のフローチャートの説明でも触れたが、走行操作が入力されていない場合にも下部走行体11が地面上を滑る等して上部旋回体12の旋回中心軸位置が変化する場合がある。そこで本実施形態では、車体IMU33が検出する加速度の積分値を利用してそのような移動が発生していないか否かを判定する。
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。
Claims (5)
- 走行体と、
前記走行体の上に旋回可能に取り付けられた旋回体と、
前記旋回体に取り付けられた作業装置と、
前記走行体の走行動作及び前記旋回体の旋回動作を指示する操作装置と、
複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信するための複数のアンテナと、
前記複数のアンテナで受信された衛星信号に基づいて、前記複数のアンテナのうち少なくとも1つのアンテナの位置と前記旋回体の方位角とを測位する受信機と、
前記受信機により測位された前記少なくも1つのアンテナの位置と前記旋回体の方位角とに基づいて目標掘削面を演算し、前記操作装置の操作中に前記作業装置が前記目標掘削面を超えないように前記作業装置を制御するための制御信号を出力するコントローラとを備えた作業機械において、
前記走行体に対する前記旋回体の旋回角を検出する角度センサを備え、
前記コントローラは、
前記受信機による測位結果が利用可能な状態、かつ、前記走行体に対する操作が前記操作装置に入力されていない状態であるときに、前記旋回体に対する操作が前記操作装置に入力されている間、前記受信機によって測位される第1方位角と、前記第1方位角が測位されたときに前記角度センサによって検出された第1旋回角との数値に基づいて、前記旋回体の旋回角と前記旋回体の方位角との対応関係を演算して記憶し、
前記対応関係を記憶したときから前記旋回体の旋回中心軸位置に変化がない状態、かつ、前記受信機による測位結果が利用不能な状態、かつ、前記走行体に対する操作が前記操作装置に入力されていない状態であるときに、前記旋回体に対する操作が前記操作装置に入力された場合には、前記角度センサにより検出される第2旋回角と記憶された前記対応関係とに基づいて、前記受信機による測位結果が利用不能なときの前記旋回体の方位角となる第2方位角を算出し、前記受信機による測位結果が利用可能なときに前記受信機により測位された前記少なくとも1つのアンテナの位置と前記第2方位角とに基づいて前記目標掘削面を演算することを特徴とする作業機械。 - 請求項1の作業機械において、
前記旋回体の前後方向または左右方向における加速度を検出する加速度センサを備え、
前記コントローラは、前記加速度センサによって検出される加速度の積分値が所定の速度閾値未満の場合に、前記旋回体の旋回中心軸位置に変化がないと判断することを特徴とする作業機械。 - 走行体と、
前記走行体の上に旋回可能に取り付けられた旋回体と、
前記旋回体に取り付けられた作業装置と、
前記走行体の走行動作及び前記旋回体の旋回動作を指示する操作装置と、
複数の測位衛星から送信される衛星信号を受信するための複数のアンテナと、
前記複数のアンテナで受信された衛星信号に基づいて、前記複数のアンテナのうち少なくとも1つのアンテナの位置と前記旋回体の方位角とを測位する受信機と、
前記受信機により測位された前記少なくも1つのアンテナの位置と前記旋回体の方位角とに基づいて目標掘削面を演算し、前記操作装置の操作中に前記作業装置が前記目標掘削面を超えないように前記作業装置を制御するための制御信号を出力するコントローラとを備えた作業機械において、
前記旋回体のヨー角速度を検出する角速度センサを備え、
前記コントローラは、前記受信機による測位結果が利用不能な状態、かつ、前記旋回体に対する操作が前記操作装置に入力されていない状態のときに、前記走行体に対する超信地旋回操作が前記操作装置に入力された場合には、前記受信機による測位結果が利用可能なときの前記旋回体の方位角として第1方位角が測位された時刻からの前記角速度センサにより検出された前記ヨー角速度の積分値を演算し、前記積分値を前記第1方位角に加算することで前記受信機による測位結果が利用不能なときの前記旋回体の方位角となる第2方位角を算出することを特徴とする作業機械。 - 請求項3の作業機械において、
前記走行体が有する左右一対の履帯をそれぞれ駆動する左右一対の油圧モータをさらに備え、
前記コントローラは、前記左右一対の油圧モータに対して方向が逆で大きさが略等しい操作が前記操作装置に入力された場合、前記走行体に対する超信地旋回操作が前記操作装置に入力されていると判断することを特徴とする作業機械。 - 請求項1の作業機械において、
前記コントローラによって前記第2方位角が算出されている場合、前記受信機による測位結果が利用不能なことを報知する報知装置を備えることを特徴とする作業機械。
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