JP7088792B2 - 作業機械、制御装置、および制御方法 - Google Patents
作業機械、制御装置、および制御方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7088792B2 JP7088792B2 JP2018170890A JP2018170890A JP7088792B2 JP 7088792 B2 JP7088792 B2 JP 7088792B2 JP 2018170890 A JP2018170890 A JP 2018170890A JP 2018170890 A JP2018170890 A JP 2018170890A JP 7088792 B2 JP7088792 B2 JP 7088792B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- excavation
- bucket
- control device
- target
- work machine
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
- E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
- E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
- E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
- E02F3/36—Component parts
- E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
- E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
- E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
- E02F3/437—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like providing automatic sequences of movements, e.g. linear excavation, keeping dipper angle constant
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
- E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
- E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
- E02F3/64—Buckets cars, i.e. having scraper bowls
- E02F3/65—Component parts, e.g. drives, control devices
- E02F3/651—Hydraulic or pneumatic drives; Electric or electro-mechanical control devices
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
- E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
- E02F9/08—Superstructures; Supports for superstructures
- E02F9/10—Supports for movable superstructures mounted on travelling or walking gears or on other superstructures
- E02F9/12—Slewing or traversing gears
- E02F9/121—Turntables, i.e. structure rotatable about 360°
- E02F9/123—Drives or control devices specially adapted therefor
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
- E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
- E02F9/20—Drives; Control devices
- E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for
- E02F9/205—Remotely operated machines, e.g. unmanned vehicles
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
- E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
- E02F9/20—Drives; Control devices
- E02F9/22—Hydraulic or pneumatic drives
- E02F9/2221—Control of flow rate; Load sensing arrangements
- E02F9/2225—Control of flow rate; Load sensing arrangements using pressure-compensating valves
- E02F9/2228—Control of flow rate; Load sensing arrangements using pressure-compensating valves including an electronic controller
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
- E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
- E02F9/26—Indicating devices
- E02F9/261—Surveying the work-site to be treated
- E02F9/262—Surveying the work-site to be treated with follow-up actions to control the work tool, e.g. controller
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
- E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
- E02F9/26—Indicating devices
- E02F9/264—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool
- E02F9/265—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool with follow-up actions (e.g. control signals sent to actuate the work tool)
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Paleontology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Operation Control Of Excavators (AREA)
Description
本発明は、作業機を備える作業機械、ならびに作業機械の制御装置および制御方法に関する。
特許文献1には、オペレータの操作による過去の掘削軌跡に基づいて、同様の掘削軌跡を描くように作業機を自動制御する技術が開示されている。
掘削作業において、掘削深さが深くなるほど作業機に掛かる抵抗が増大し、作業機の掘削速度が遅くなる。他方、掘削長さが長くなるほど作業機の移動距離が長くなり、掘削に係る時間が長くなる。同じ土量を掘削しようとする場合、掘削深さを浅くするほど掘削長さが長くなり、掘削長さを短くするほど掘削深さが深くなる。つまり、掘削深さと掘削長さは、掘削効率においてトレードオフの関係となる。
特許文献1に記載されているように、オペレータの操作による掘削軌跡に従って作業機の自動制御を行う場合、オペレータの技量によって自動掘削における掘削効率が異なってしまう。
本発明の目的は、オペレータの技量によらず、一定以上の掘削効率で自動掘削処理を行うことができる作業機械、制御装置、および制御方法を提供することにある。
特許文献1に記載されているように、オペレータの操作による掘削軌跡に従って作業機の自動制御を行う場合、オペレータの技量によって自動掘削における掘削効率が異なってしまう。
本発明の目的は、オペレータの技量によらず、一定以上の掘削効率で自動掘削処理を行うことができる作業機械、制御装置、および制御方法を提供することにある。
本発明の一態様によれば、作業機を備える作業機械の制御装置は、掘削長さに対する掘削深さの比として表される予め定められた掘削曲線比率に従って、前記作業機の目標軌跡を生成する軌跡生成部と、前記目標軌跡に従って前記作業機の操作信号を出力する操作信号出力部とを備える。
上記態様のうち少なくとも1つの態様によれば、作業機械の制御装置は、一定以上の掘削効率で自動掘削処理を行うことができる。
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
〈第1の実施形態〉
《積込機械の構成》
図1は、第1の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。
積込機械100は、土砂などの掘削対象を掘削する作業機械である。第1の実施形態に係る積込機械100は、油圧ショベルである。なお、他の実施形態に係る積込機械100は、油圧ショベル以外の積込機械であってもよい。また図1に示す積込機械100はバックホウショベルであるが、フェイスショベルやロープショベルであってもよい。
積込機械100は、走行体110と、走行体110に支持される旋回体120と、油圧により作動し旋回体120に支持される作業機130とを備える。旋回体120は、旋回中心回りに旋回自在に支持される。
〈第1の実施形態〉
《積込機械の構成》
図1は、第1の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。
積込機械100は、土砂などの掘削対象を掘削する作業機械である。第1の実施形態に係る積込機械100は、油圧ショベルである。なお、他の実施形態に係る積込機械100は、油圧ショベル以外の積込機械であってもよい。また図1に示す積込機械100はバックホウショベルであるが、フェイスショベルやロープショベルであってもよい。
積込機械100は、走行体110と、走行体110に支持される旋回体120と、油圧により作動し旋回体120に支持される作業機130とを備える。旋回体120は、旋回中心回りに旋回自在に支持される。
作業機130は、ブーム131と、アーム132と、バケット133と、バケットシリンダセンサ139と、ブームシリンダ134と、アームシリンダ135と、バケットシリンダ136と、ブームシリンダセンサ137と、アームシリンダセンサ138と、バケットシリンダセンサ139とを備える。
ブーム131の基端部は、旋回体120にピンを介して取り付けられる。
アーム132は、ブーム131とバケット133とを連結する。アーム132の基端部は、ブーム131の先端部にピンを介して取り付けられる。
バケット133は、掘削対象を掘削するための刃と掘削した掘削対象を収容するための容器とを備える。バケット133の基端部は、アーム132の先端部にピンを介して取り付けられる。
アーム132は、ブーム131とバケット133とを連結する。アーム132の基端部は、ブーム131の先端部にピンを介して取り付けられる。
バケット133は、掘削対象を掘削するための刃と掘削した掘削対象を収容するための容器とを備える。バケット133の基端部は、アーム132の先端部にピンを介して取り付けられる。
ブームシリンダ134は、ブーム131を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ134の基端部は、旋回体120に取り付けられる。ブームシリンダ134の先端部は、ブーム131に取り付けられる。
アームシリンダ135は、アーム132を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ135の基端部は、ブーム131に取り付けられる。アームシリンダ135の先端部は、アーム132に取り付けられる。
バケットシリンダ136は、バケット133を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ136の基端部は、アーム132に取り付けられる。バケットシリンダ136の先端部は、バケット133を回動するリンク機構に取り付けられる。
アームシリンダ135は、アーム132を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ135の基端部は、ブーム131に取り付けられる。アームシリンダ135の先端部は、アーム132に取り付けられる。
バケットシリンダ136は、バケット133を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ136の基端部は、アーム132に取り付けられる。バケットシリンダ136の先端部は、バケット133を回動するリンク機構に取り付けられる。
ブームシリンダセンサ137は、ブームシリンダ134のストローク量を計測する。ブームシリンダ134のストローク量は、旋回体120に対するブーム131の傾斜角に換算可能である。以下、旋回体120に対する傾斜角を、絶対角度ともいう。つまり、ブームシリンダ134のストローク量は、ブーム131の絶対角度に換算可能である。
アームシリンダセンサ138は、アームシリンダ135のストローク量を計測する。アームシリンダ135のストローク量は、ブーム131に対するアーム132の傾斜角に換算可能である。以下、ブーム131に対するアーム132の傾斜角を、アーム132の相対角度ともいう。
バケットシリンダセンサ139は、バケットシリンダ136のストローク量を計測する。バケットシリンダ136のストローク量は、アーム132に対するバケット133の傾斜角に換算可能である。以下、アーム132に対するバケット133の傾斜角をバケット133の相対角度ともいう。
なお、他の実施形態に係る積込機械100は、ブームシリンダセンサ137、アームシリンダセンサ138、およびバケットシリンダセンサ139に代えて、地平面に対する傾斜角または旋回体120に対する傾斜角を検出する角度センサを備えてもよい。
アームシリンダセンサ138は、アームシリンダ135のストローク量を計測する。アームシリンダ135のストローク量は、ブーム131に対するアーム132の傾斜角に換算可能である。以下、ブーム131に対するアーム132の傾斜角を、アーム132の相対角度ともいう。
バケットシリンダセンサ139は、バケットシリンダ136のストローク量を計測する。バケットシリンダ136のストローク量は、アーム132に対するバケット133の傾斜角に換算可能である。以下、アーム132に対するバケット133の傾斜角をバケット133の相対角度ともいう。
なお、他の実施形態に係る積込機械100は、ブームシリンダセンサ137、アームシリンダセンサ138、およびバケットシリンダセンサ139に代えて、地平面に対する傾斜角または旋回体120に対する傾斜角を検出する角度センサを備えてもよい。
旋回体120には、運転室121が設けられる。運転室121の内部には、オペレータが着座するための運転席122、積込機械100を操作するための操作装置123、検出方向に存在する対象物の3次元位置を検出するための検出装置124が設けられる。操作装置123は、オペレータの操作に応じて、ブーム131の上げ操作信号および下げ操作信号、アーム132の押し操作信号および引き操作信号、バケット133のダンプ操作信号および掘削操作信号、旋回体120の左右への旋回操作信号を生成し、制御装置128に出力する。また操作装置123は、オペレータの操作に応じて作業機130に自動掘削制御を開始させるための自動掘削指示信号を生成し、制御装置128に出力する。自動掘削制御とは、バケット133の刃先が掘削対象上の掘削開始位置に配置された状態から、ブーム131、アーム132、およびバケット133を駆動させて土砂を掘削する動作を自動的に実行する制御である。操作装置123は、例えばレバー、スイッチおよびペダルにより構成される。自動掘削指示信号は自動掘削制御用のスイッチの操作により生成される。例えば、スイッチがONになったときに、自動掘削指示信号が出力される。操作装置123は、運転席122の近傍に配置される。操作装置123は、オペレータが運転席122に座ったときにオペレータの操作可能な範囲内に位置する。
検出装置124の例としては、ステレオカメラ、レーザスキャナなどが挙げられる。検出装置124は、例えば検出方向が積込機械100の運転室121の前方を向くように設けられる。検出装置124は、対象物の3次元位置を、検出装置124の位置を基準とした座標系で特定する。
なお、第1の実施形態に係る積込機械100は、運転席122に着座するオペレータの操作に従って動作するが、他の実施形態においてはこれに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械100は、積込機械100の外部で操作するオペレータの遠隔操作によって操作信号や自動掘削指示信号が送信され動作するものであってもよい。
検出装置124の例としては、ステレオカメラ、レーザスキャナなどが挙げられる。検出装置124は、例えば検出方向が積込機械100の運転室121の前方を向くように設けられる。検出装置124は、対象物の3次元位置を、検出装置124の位置を基準とした座標系で特定する。
なお、第1の実施形態に係る積込機械100は、運転席122に着座するオペレータの操作に従って動作するが、他の実施形態においてはこれに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械100は、積込機械100の外部で操作するオペレータの遠隔操作によって操作信号や自動掘削指示信号が送信され動作するものであってもよい。
積込機械100は、位置方位演算器125、傾斜計測器126、油圧装置127、制御装置128を備える。
位置方位演算器125は、旋回体120の位置および旋回体120が向く方位を演算する。位置方位演算器125は、GNSSを構成する人工衛星から測位信号を受信する2つの受信器を備える。2つの受信器は、それぞれ旋回体120の異なる位置に設置される。位置方位演算器125は、受信器が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における旋回体120の代表点(ショベル座標系の原点)の位置を検出する。
位置方位演算器125は、2つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体120の向く方位を演算する。旋回体120が向く方位とは、旋回体120の正面方向であって、作業機130のブーム131からバケット133へ伸びる直線の延在方向の水平成分に等しい。
位置方位演算器125は、2つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体120の向く方位を演算する。旋回体120が向く方位とは、旋回体120の正面方向であって、作業機130のブーム131からバケット133へ伸びる直線の延在方向の水平成分に等しい。
傾斜計測器126は、旋回体120の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体120の姿勢(例えば、ロール角およびピッチ角)を検出する。傾斜計測器126は、例えば旋回体120の下面に設置される。傾斜計測器126は、例えば、慣性計測装置(IMU:Inertial Measurement Unit)を用いることができる。
油圧装置127は、作動油タンク、油圧ポンプ、および流量制御弁を備える。油圧ポンプは、図示しないエンジンの動力で駆動し、流量制御弁を介して走行体110を走行させる図示しない走行油圧モータ、旋回体120を旋回させる図示しない旋回油圧モータ、ブームシリンダ134、アームシリンダ135、およびバケットシリンダ136に作動油を供給する。流量制御弁はロッド状のスプールを有し、スプールの位置によって走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ134、アームシリンダ135、およびバケットシリンダ136に供給する作動油の流量を調整する。スプールは、制御装置128から受信する制御指令に基づいて駆動される。つまり、走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ134、アームシリンダ135、およびバケットシリンダ136に供給される作動油の量は、制御装置128によって制御される。上記のとおり、走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ134、アームシリンダ135、およびバケットシリンダ136は共通の油圧装置127から供給される作動油によって駆動する。なお、走行油圧
モータまたは旋回油圧モータが斜板式可変容量モータである場合、制御装置128は斜板
の傾転角により回転速度を調整してもよい。
モータまたは旋回油圧モータが斜板式可変容量モータである場合、制御装置128は斜板
の傾転角により回転速度を調整してもよい。
制御装置128は、操作装置123から操作信号を受信する。制御装置128は、受信した操作信号に基づいて、作業機130、旋回体120、または走行体110を駆動させる。
《制御装置の構成》
図2は、第1の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置128は、プロセッサ1100、メインメモリ1200、ストレージ1300、インタフェース1400を備えるコンピュータである。ストレージ1300は、プログラムを記憶する。プロセッサ1100は、プログラムをストレージ1300から読み出してメインメモリ1200に展開し、プログラムに従った処理を実行する。
図2は、第1の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置128は、プロセッサ1100、メインメモリ1200、ストレージ1300、インタフェース1400を備えるコンピュータである。ストレージ1300は、プログラムを記憶する。プロセッサ1100は、プログラムをストレージ1300から読み出してメインメモリ1200に展開し、プログラムに従った処理を実行する。
ストレージ1300の例としては、HDD、SSD、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM等が挙げられる。ストレージ1300は、制御装置128の共通通信線に直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース1400を介して制御装置128に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ1300は、一時的でない有形の記憶媒体である。
プロセッサ1100は、プログラムの実行により、車両情報取得部1101、検出情報取得部1102、操作信号入力部1103、バケット位置特定部1104、軌跡生成部1105、移動処理部1106、操作信号出力部1107を備える。
車両情報取得部1101は、例えば旋回体120の旋回速度、位置および方位、ブーム131、アーム132およびバケット133の傾斜角、ならびに旋回体120の姿勢を取得する。
検出情報取得部1102は、検出装置124から3次元位置情報を取得し、掘削対象の位置および形状を特定する。検出情報取得部1102は、形状取得部の一例である。
操作信号入力部1103は、操作装置123から操作信号の入力を受け付ける。ブーム131の上げ操作信号および下げ操作信号、アーム132の押し操作信号および引き操作信号、バケット133のダンプ操作信号および掘削操作信号、旋回体120の旋回操作信号、走行体110の走行操作信号、ならびに積込機械100の自動掘削指示信号が含まれる。
バケット位置特定部1104は、車両情報取得部1101が取得した車両情報に基づいて、ショベル座標系におけるバケット133の刃先の位置を特定する。
具体的には、バケット位置特定部1104は、以下の手順でバケット133の刃先の位置を特定する。バケット位置特定部1104は、ブームシリンダ134のストローク量から求められるブーム131の絶対角度と既知のブーム131の長さ(基端部のピンから先端部のピンまでの距離)とに基づいて、ブーム131の先端部の位置を求める。バケット位置特定部1104は、ブーム131の絶対角度と、アームシリンダ135のストローク量から求められるアーム132の相対角度とに基づいて、アーム132の絶対角度を求める。バケット位置特定部1104は、ブーム131の先端部の位置と、アーム132の絶対角度と、既知のアーム132の長さ(基端部のピンから先端部のピンまでの距離)とに基づいて、アーム132の先端部の位置を求める。バケット位置特定部1104は、アーム132の絶対角度と、バケットシリンダ136のストローク量から求められるバケット133の相対角度とに基づいて、バケット133の絶対角度を求める。バケット位置特定部1104は、アーム132の先端部の位置と、バケット133の絶対角度と、既知のバケット133の長さ(基端部のピンから刃先までの距離)とに基づいて、バケット133の刃先の位置を求める。
具体的には、バケット位置特定部1104は、以下の手順でバケット133の刃先の位置を特定する。バケット位置特定部1104は、ブームシリンダ134のストローク量から求められるブーム131の絶対角度と既知のブーム131の長さ(基端部のピンから先端部のピンまでの距離)とに基づいて、ブーム131の先端部の位置を求める。バケット位置特定部1104は、ブーム131の絶対角度と、アームシリンダ135のストローク量から求められるアーム132の相対角度とに基づいて、アーム132の絶対角度を求める。バケット位置特定部1104は、ブーム131の先端部の位置と、アーム132の絶対角度と、既知のアーム132の長さ(基端部のピンから先端部のピンまでの距離)とに基づいて、アーム132の先端部の位置を求める。バケット位置特定部1104は、アーム132の絶対角度と、バケットシリンダ136のストローク量から求められるバケット133の相対角度とに基づいて、バケット133の絶対角度を求める。バケット位置特定部1104は、アーム132の先端部の位置と、バケット133の絶対角度と、既知のバケット133の長さ(基端部のピンから刃先までの距離)とに基づいて、バケット133の刃先の位置を求める。
軌跡生成部1105は、自動掘削指示信号が入力されたときにバケット位置特定部1104が特定したバケット133の刃先の位置と、検出情報取得部1102が取得した検出情報とに基づいて、バケット133の目標軌跡Tを生成する。図3は、目標軌跡の例を示す図である。バケット133の目標軌跡Tは、自動掘削指示信号が入力されたときのバケット133の刃先の位置から、掘削方向に向けて掘削対象を掘削するような刃先の軌跡として描かれる。バックホウショベルにおいては、掘削方向は旋回体120の後方向きである。第1の実施形態に係る目標軌跡Tの形状は円弧である。バケット133の目標軌跡Tは、図3に示すように予め定められた掘削曲線比率に係る弧を描く。掘削曲線比率は、掘削長さLに対する掘削深さDの比として表される値(D/L)である。掘削曲線比率が小さいほど、掘削長さLが長く掘削深さDが浅い。掘削曲線比率が大きいほど、掘削長さLが短く掘削深さDが深い。掘削曲線比率の特定方法については後述する。軌跡生成部1105は、生成した目標軌跡Tに従って掘削したときの掘削量を算出し、掘削量がバケット133の最大収容量に等しくなるように、バケット133の目標軌跡Tを生成する。なお、他の実施形態に係る目標軌跡Tの形状は、楕円弧、放物線、および変曲点を有しないなだらかな曲線など、下に凸の形状を有する任意の曲線であってよい。
移動処理部1106は、操作信号入力部1103が自動掘削指示信号の入力を受け付けた場合に、バケット133の刃先を目標軌跡Tに沿って移動させるための操作信号を生成する。
操作信号出力部1107は、操作信号入力部1103に入力された操作信号、または移動処理部1106が生成した操作信号を出力する。具体的には、操作信号出力部1107は、自動掘削制御中である場合に、移動処理部1106が生成した操作信号を出力し、自動掘削制御中でない場合に、操作信号入力部1103に入力された操作信号を出力する。
《掘削曲線比率》
軌跡生成部1105が生成する目標軌跡の掘削曲線比率は、一定以上の掘削効率での掘削が可能になるようにあらかじめ求められた値である。掘削効率とは、掘削土量を掘削時間で除算することで得られる。すなわち、一定の土量を掘削する場合、掘削効率が高いほど掘削時間が短くなる。
軌跡生成部1105が生成する目標軌跡の掘削曲線比率は、一定以上の掘削効率での掘削が可能になるようにあらかじめ求められた値である。掘削効率とは、掘削土量を掘削時間で除算することで得られる。すなわち、一定の土量を掘削する場合、掘削効率が高いほど掘削時間が短くなる。
図4は、掘削曲線比率と掘削効率との関係を示す図である。図4は、作業機械および掘削対象の物理モデルに基づいて掘削のシミュレーションを行ったときの掘削効率を表している。図4に示すシミュレーションは、掘削開始時におけるアーム132の相対角度を110度とし、掘削対象が平面状に分布した土砂であるものとする条件下で、一定の土量を掘削するものとして行われたものである。
図4に示すように、掘削曲線比率が0.10を下回ると、掘削効率が急激に低下して、掘削効率が0.00になることがわかる。掘削曲線比率が0.10を下回るときには、掘削深さDが浅いために、掘削長さが長くなる。そのため、一定の土量を掘削しようとすると、目標軌跡Tが、積込機械100の走行体110に接触し、または作業機130の可動範囲外に進入するため、物理的に掘削ができなくなる。つまり、掘削効率0.00は、一定の土量での掘削が不可能であることを示す。
図4に示すように、掘削曲線比率が0.40を上回ると、掘削効率が急激に低下して、掘削曲線比率0.5では掘削効率が0.00になることがわかる。掘削曲線比率が0.40を上回るときには、掘削深さDが深いために、掘削時にバケット133に掛かる負荷が高くなる。また、バケット133で掘削する際には、バケット133の角度をバケット刃先進行方向に対して適切に維持する必要がある。掘削曲線比率0.4を超える場合、バケット133の底面をほぼ垂直かそれ以上にダンプ方向に傾けて掘削する必要があるが、このときのバケット133の傾斜角は、アーム132に対するバケット133の可動範囲を超えてしまうため、バケット133の角度を適切に維持することができない。そのため、作業機130に供給する油圧がリリーフ圧を超え、油圧装置127に設けられた図示しないリリーフ弁によって作動油が逃がされる。掘削効率はリリーフされた作動油の量が多いほど悪くなるため、掘削深さDが深いほど、すなわち掘削曲線比率が低いほど掘削効率が悪くなる。
図4に示すように、掘削曲線比率が0.10以上0.40以下の場合、掘削効率は0.2を超える値となる。そのため、軌跡生成部1105は、0.10以上0.40以下の掘削曲線比率で目標軌跡Tを生成することで、一定以上の掘削効率での自動掘削を行うことができる。また、図4に示すように、掘削曲線比率が0.12以上0.30以下の場合、掘削効率は0.35を超える値となる。そのため、軌跡生成部1105は、0.12以上0.30以下の掘削曲線比率で目標軌跡Tを生成することで、より効率よく自動掘削を行うことができる。また、図4に示すように、掘削曲線比率が0.20である場合に、最も良い掘削効率での自動掘削を行うことがわかる。したがって、第1の実施形態に係る軌跡生成部1105は、掘削曲線比率が0.20となるように目標軌跡Tを生成するのが望ましい。また、図4に示すように、掘削曲線比率が0.15以上0.25以下の場合も掘削曲線比率が0.20のときと略同等の掘削効率で掘削できる。
図5は、掘削曲線比率と掘削効率との関係を示すヒートマップである。図5は、作業機械および掘削対象の物理モデルに基づいて掘削のシミュレーションを行ったときの掘削開始時におけるアーム132の相対角度を異ならせたときの掘削効率を表している。なお、アーム132の相対角度が大きいほど、旋回体120からバケット133の刃先までの距離は長くなる。図5に示すシミュレーションは、掘削対象が平面状に分布した土砂であるものとする条件下で、一定の土量を掘削するものとして行われたものである。
図5に示すように、掘削開始時におけるアーム132の相対角度によって、掘削効率が変化する。例えば、図5に示すように、掘削開始時におけるアーム132の相対角度が90度を下回る場合、掘削効率が低くなる。積込機械100は、アーム132の相対角度が90度程度のときに最大の力を発揮することができるように設計される。そのため、掘削開始時におけるアーム132の相対角度が90度を下回る場合、掘削が進むにつれてアーム132の相対角度はさらに小さくなっていくので、掘削中に適切に力を発揮することができず、掘削速度が遅くなる。また、図5に示すように、掘削開始時におけるアーム132の相対角度が140度を上回る場合、掘削曲線比率が0.3を上回ると掘削効率が低くなる。これは、掘削開始時のアーム132の相対角度が大き過ぎると、アーム132が最大の力を発揮するアーム132の相対角度が90度程度の姿勢を十分に利用できなくなるとともに、作業機130に係る負荷が大きく、早期にリリーフ圧に至るためである。
図5を参照すると、掘削曲線比率が0.12以上0.30以下の場合に、掘削開始時におけるアーム132の相対角度によらず、安定した掘削効率を実現することができる。すなわち、掘削曲線比率が0.12以上0.30以下の場合に、掘削曲線比率についての掘削効率の変化率が低い。
図5を参照すると、掘削曲線比率が0.12以上0.30以下の場合に、掘削開始時におけるアーム132の相対角度によらず、安定した掘削効率を実現することができる。すなわち、掘削曲線比率が0.12以上0.30以下の場合に、掘削曲線比率についての掘削効率の変化率が低い。
《動作》
積込機械100のオペレータは、バケット133の刃先を掘削開始位置に移動させると、操作装置123の自動掘削制御用のスイッチをONにする。これにより、操作装置123は、自動掘削指示信号を生成し出力する。掘削開始位置は、掘削対象の表面上の位置である。
積込機械100のオペレータは、バケット133の刃先を掘削開始位置に移動させると、操作装置123の自動掘削制御用のスイッチをONにする。これにより、操作装置123は、自動掘削指示信号を生成し出力する。掘削開始位置は、掘削対象の表面上の位置である。
図6は、第1の実施形態に係る自動掘削制御方法を示すフローチャートである。制御装置128は、オペレータから自動掘削指示信号の入力を受け付けると、図6に示す自動掘削制御を実行する。
車両情報取得部1101は、旋回体120の位置および方位、ブーム131、アーム132およびバケット133の傾斜角、ならびに旋回体120の姿勢を取得する(ステップS1)。検出情報取得部1102は、検出装置124から三次元位置情報を取得し、3次元位置情報から掘削対象の形状(地形)を特定する(ステップS2)。バケット位置特定部1104は、車両情報取得部1101が取得した車両情報に基づいて、自動掘削指示信号の入力時のバケット133の刃先の位置を特定する(ステップS3)。
軌跡生成部1105は、ステップS3で特定した刃先の位置を通り、かつ掘削曲線比率が0.2となる目標軌跡Tを生成する(ステップS4)。軌跡生成部1105は、検出情報取得部1102が特定した掘削対象の形状に基づいて、生成した目標軌跡Tに従って掘削したときの掘削量を算出する(ステップS5)。例えば、軌跡生成部1105は、作業機130の駆動平面における掘削対象の断面形状を特定し、当該断面形状のうち目標軌跡Tより上方の面積を算出することにより、掘削量を求める。
軌跡生成部1105は、算出した掘削量とバケット133の最大収容量との差が許容誤差以下であるか否かを判定する(ステップS6)。算出した掘削量とバケット133の最大収容量との差が許容誤差を超える場合(ステップS6:NO)、軌跡生成部1105は、ステップS4に戻り、円弧の半径を異ならせて目標軌跡Tを生成する。例えば、算出した掘削量が最大収容量を超える場合、軌跡生成部1105は、円弧の半径を小さくする。例えば、算出した掘削量が最大収容量未満である場合、軌跡生成部1105は、円弧の半径を大きくする。なお、軌跡生成部1105が生成する目標軌跡Tの円弧の半径の初期値は、掘削対象が平地である場合に掘削量が最大収容量に等しくなるときの半径であってよい。
ステップS5で算出した掘削量とバケット133の最大収容量との差が許容誤差以下である場合(ステップS6:YES)、移動処理部1106は、目標軌跡Tとバケット133の刃先の位置とに基づいて、バケット133の刃先の目標位置およびバケット133の目標姿勢を決定する(ステップS7)。例えば、移動処理部1106は、現在の刃先の位置から、制御周期に係る時間の間にバケット133が移動可能な距離だけ離れた目標軌跡T上の点を、刃先の目標位置に決定する。また移動処理部1106は、刃先の目標位置の接線に対して所定角度だけ傾けた姿勢を、バケット133の目標姿勢に決定する。バケット133の目標姿勢を目標軌跡Tの接線に対して傾けることで、バケット133の底面が目標軌跡Tに干渉することを防ぐことができる。
移動処理部1106は、刃先の目標位置およびバケット133の目標姿勢に基づいて、ブーム131およびアーム132の目標位置および目標姿勢を決定する(ステップS8)。例えば、移動処理部1106は、刃先の目標位置およびバケット133の目標姿勢から特定されるバケット133の基端部の位置と、既知のブーム131の基端部の位置との関係により、バケット133の刃先を目標位置に移動させるためのブーム131の先端部の位置すなわちアーム132の基端部の位置を特定することができる。
移動処理部1106は、特定したブーム131、アーム132、およびバケット133の目標位置および目標姿勢に基づいて操作信号を生成する(ステップS9)。操作信号出力部1107は、移動処理部1106が生成した操作信号を油圧装置127に出力する(ステップS10)。これにより、作業機130が目標軌跡Tに沿って移動する。
制御周期に係る時間の経過後、車両情報取得部1101は、旋回体120の位置および方位、ブーム131、アーム132およびバケット133の傾斜角、ならびに旋回体120の姿勢を取得する(ステップS11)。バケット位置特定部1104は、取得したブーム131、アーム132およびバケット133の傾斜角に基づいてバケット133の刃先の位置を特定する(ステップS12)。移動処理部1106は、バケット133の刃先の位置が、目標軌跡Tの終点に位置するか否かを判定する(ステップS13)。バケット133の刃先の位置が目標軌跡Tの終点に位置しない場合(ステップS13:NO)、制御装置128は処理をステップS7に戻し、作業機130の次の目標位置および目標姿勢を決定する。他方、バケット133の刃先の位置が目標軌跡Tの終点に位置する場合(ステップS13:YES)、制御装置128は、自動掘削制御を終了する。
《作用・効果》
このように、第1の実施形態に係る積込機械100の制御装置128は、予め定められた掘削曲線比率に従って、作業機130の目標軌跡Tを生成し、生成した目標軌跡Tに従って作業機130の操作信号を出力する。発明者が得た、作業機130による掘削効率は、掘削曲線比率によって決定されるという知見から、上記構成により、制御装置128は、一定以上の掘削効率で自動掘削処理を行うことができることがわかる。
このように、第1の実施形態に係る積込機械100の制御装置128は、予め定められた掘削曲線比率に従って、作業機130の目標軌跡Tを生成し、生成した目標軌跡Tに従って作業機130の操作信号を出力する。発明者が得た、作業機130による掘削効率は、掘削曲線比率によって決定されるという知見から、上記構成により、制御装置128は、一定以上の掘削効率で自動掘削処理を行うことができることがわかる。
また、第1の実施形態に係る掘削曲線比率は、作業機130の駆動に用いる作動油のリリーフが生じる比率より小さい。掘削効率はリリーフされた作動油の量が多いほど悪くなるため、掘削曲線比率が、作業機130の駆動に用いる作動油のリリーフが生じる比率より小さいことで、急激に掘削効率が悪くなることを防ぐことができる。
また、第1の実施形態に係る掘削曲線比率は、目標軌跡Tが作業機械に接触する比率より大きい。掘削曲線比率が小さく、掘削長さLが長くなり目標軌跡Tが作業機械に接触する場合、一定の土量を掘ることができなくなる可能性がある。
また、第1の実施形態に係る制御装置128は、掘削対象の形状と掘削曲線比率とに基づいて、作業機130による掘削量が所定量になるように、目標軌跡Tを特定する。これにより、制御装置128は、常に所定の掘削量を一定以上の掘削効率で掘削することができる。
〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、第1の実施形態においては、掘削曲線比率を0.2の固定値としたが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置128は、図5に示すようなあらかじめ定められたマップとアーム132の相対角度とに基づいて掘削曲線比率を決定してもよい。また、他の実施形態に係る掘削曲線比率は0.2でなくてもよい。この場合、掘削曲線比率は、好ましくは0.10以上0.40未満であり、より好ましくは0.10以上0.30未満である。
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、第1の実施形態においては、掘削曲線比率を0.2の固定値としたが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置128は、図5に示すようなあらかじめ定められたマップとアーム132の相対角度とに基づいて掘削曲線比率を決定してもよい。また、他の実施形態に係る掘削曲線比率は0.2でなくてもよい。この場合、掘削曲線比率は、好ましくは0.10以上0.40未満であり、より好ましくは0.10以上0.30未満である。
また、第1の実施形態に係る積込機械100は、オペレータが搭乗して操作する有人運転車両であるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械100は、遠隔の事務所にいるオペレータがモニタの画面を見ながら操作する遠隔操作装置から、通信により取得する操作信号によって作動する遠隔運転車両であってもよい。この場合、制御装置128の一部の機能が遠隔操作装置に設けられてもよい。
100…積込機械 110…走行体 120…旋回体 130…作業機 131…ブーム 132…アーム 133…バケット 134…ブームシリンダ 135…アームシリンダ 136…バケットシリンダ 137…ブームシリンダセンサ 138…アームシリンダセンサ 139…バケットシリンダセンサ 121…運転室 122…運転席 123…操作装置 124…検出装置 125…位置方位演算器 126…傾斜計測器 127…油圧装置 128…制御装置 1100…プロセッサ 1200…メインメモリ 1300…ストレージ 1400…インタフェース 1101…車両情報取得部 1102…検出情報取得部 1103…操作信号入力部 1105…軌跡生成部 1104…バケット位置特定部 1106…移動処理部 1107…操作信号出力部 T…目標軌跡 L…掘削長さ D…掘削深さ
Claims (9)
- 作業機を備える作業機械の制御装置であって、
掘削長さに対する掘削深さの比として表される予め定められた掘削曲線比率に従って、前記作業機の目標軌跡を生成する軌跡生成部と、
前記目標軌跡に従って前記作業機の操作信号を出力する操作信号出力部と
を備える制御装置。 - 前記掘削曲線比率は、前記作業機の駆動に用いる作動油のリリーフが生じる比率より小さい
請求項1に記載の制御装置。 - 前記掘削曲線比率は、前記目標軌跡が作業機械に接触する比率より大きい
請求項1または請求項2に記載の制御装置。 - 前記掘削曲線比率は、0.10以上0.40未満である
請求項1に記載の制御装置。 - 前記掘削曲線比率は、0.12以上0.30未満である
請求項4に記載の制御装置。 - 前記掘削曲線比率は、0.15以上0.25未満である
請求項5に記載の制御装置。 - 前記作業機による掘削対象の形状を取得する形状取得部を備え、
前記軌跡生成部は、前記形状と前記掘削曲線比率とに基づいて、前記作業機による掘削量が所定量になるように、前記目標軌跡を生成する
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の制御装置。 - 作業機と、
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の制御装置と
を備える作業機械。 - 作業機を備える作業機械の制御方法であって、
掘削長さに対する掘削深さの比として表される予め定められた掘削曲線比率に従って、前記作業機の目標軌跡を生成するステップと、
前記目標軌跡に従って前記作業機の操作信号を出力するステップと
を備える制御方法。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018170890A JP7088792B2 (ja) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | 作業機械、制御装置、および制御方法 |
CN201980057196.9A CN112639211B (zh) | 2018-09-12 | 2019-08-28 | 作业机械、控制装置及控制方法 |
PCT/JP2019/033701 WO2020054421A1 (ja) | 2018-09-12 | 2019-08-28 | 作業機械、制御装置、および制御方法 |
DE112019003932.6T DE112019003932T5 (de) | 2018-09-12 | 2019-08-28 | Arbeitsmaschine, steuervorrichtung und steuerverfahren |
US17/269,116 US11946219B2 (en) | 2018-09-12 | 2019-08-28 | Work machine, control device, and control method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018170890A JP7088792B2 (ja) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | 作業機械、制御装置、および制御方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020041354A JP2020041354A (ja) | 2020-03-19 |
JP7088792B2 true JP7088792B2 (ja) | 2022-06-21 |
Family
ID=69777522
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018170890A Active JP7088792B2 (ja) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | 作業機械、制御装置、および制御方法 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11946219B2 (ja) |
JP (1) | JP7088792B2 (ja) |
CN (1) | CN112639211B (ja) |
DE (1) | DE112019003932T5 (ja) |
WO (1) | WO2020054421A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116601362A (zh) * | 2020-12-23 | 2023-08-15 | 沃尔沃建筑设备公司 | 挖掘机和用于控制挖掘机的方法和装置 |
JPWO2023181128A1 (ja) | 2022-03-22 | 2023-09-28 | ||
WO2023190877A1 (ja) * | 2022-03-31 | 2023-10-05 | 住友重機械工業株式会社 | 支援装置、作業機械、プログラム |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014054194A1 (ja) | 2012-10-05 | 2014-04-10 | 株式会社小松製作所 | 掘削機械の表示システム及び掘削機械 |
WO2017115810A1 (ja) | 2015-12-28 | 2017-07-06 | 住友建機株式会社 | ショベル |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6187033A (ja) | 1984-10-03 | 1986-05-02 | Komatsu Ltd | パワ−シヨベルの制御装置 |
JPH06313327A (ja) * | 1993-04-30 | 1994-11-08 | Hitachi Constr Mach Co Ltd | 掘削作業機 |
JPH07158104A (ja) * | 1993-12-07 | 1995-06-20 | Hitachi Constr Mach Co Ltd | 油圧ショベルの掘削制御装置 |
JPH1088625A (ja) | 1996-09-13 | 1998-04-07 | Komatsu Ltd | 自動掘削機、自動掘削方法および自動積み込み方法 |
JPH10245865A (ja) * | 1997-03-04 | 1998-09-14 | Hitachi Constr Mach Co Ltd | 油圧ショベル |
US9043098B2 (en) | 2012-10-05 | 2015-05-26 | Komatsu Ltd. | Display system of excavating machine and excavating machine |
JP6314105B2 (ja) * | 2015-03-05 | 2018-04-18 | 株式会社日立製作所 | 軌道生成装置および作業機械 |
JP6522441B2 (ja) * | 2015-06-29 | 2019-05-29 | 日立建機株式会社 | 作業機械の作業支援システム |
-
2018
- 2018-09-12 JP JP2018170890A patent/JP7088792B2/ja active Active
-
2019
- 2019-08-28 WO PCT/JP2019/033701 patent/WO2020054421A1/ja active Application Filing
- 2019-08-28 DE DE112019003932.6T patent/DE112019003932T5/de active Pending
- 2019-08-28 CN CN201980057196.9A patent/CN112639211B/zh active Active
- 2019-08-28 US US17/269,116 patent/US11946219B2/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014054194A1 (ja) | 2012-10-05 | 2014-04-10 | 株式会社小松製作所 | 掘削機械の表示システム及び掘削機械 |
WO2017115810A1 (ja) | 2015-12-28 | 2017-07-06 | 住友建機株式会社 | ショベル |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US11946219B2 (en) | 2024-04-02 |
DE112019003932T5 (de) | 2021-05-20 |
US20210246627A1 (en) | 2021-08-12 |
WO2020054421A1 (ja) | 2020-03-19 |
JP2020041354A (ja) | 2020-03-19 |
CN112639211A (zh) | 2021-04-09 |
CN112639211B (zh) | 2022-09-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7402736B2 (ja) | ショベル及びその制御方法 | |
US20200217050A1 (en) | Work machine | |
JP7144252B2 (ja) | 積込機械の制御装置および制御方法 | |
JP7361186B2 (ja) | 制御装置、積込機械、および制御方法 | |
JP7088792B2 (ja) | 作業機械、制御装置、および制御方法 | |
JP7036606B2 (ja) | 積込機械の制御装置および制御方法 | |
US20210254312A1 (en) | Control device and control method for work machine | |
JP7088691B2 (ja) | 積込機械の制御装置、制御方法および遠隔操作システム | |
JPWO2017104407A1 (ja) | 作業機制御装置および作業機械 | |
WO2020044711A1 (ja) | 作業機械 | |
JP7481422B2 (ja) | 積込機械の制御装置および制御方法 | |
WO2022230980A1 (ja) | 積込機械の制御装置及び制御方法 | |
WO2023276421A1 (ja) | 建設機械 | |
JP6900251B2 (ja) | ショベル | |
JP2022066469A (ja) | ショベル | |
US11821175B2 (en) | Work machine | |
JP6991331B2 (ja) | 建設機械 | |
JP2021156078A (ja) | ショベル | |
WO2022244832A1 (ja) | 積込機械の制御システム及び制御方法 | |
WO2022244830A1 (ja) | 積込機械の制御システム及び制御方法 | |
WO2024157918A1 (ja) | 積込機械の制御装置、積込機械の制御方法および積込機械の制御システム | |
WO2024024510A1 (ja) | 積込機械の制御装置、積込機械の制御方法および制御システム | |
JP2024001736A (ja) | ショベル |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210802 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220510 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220609 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7088792 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |