CN103917717B

CN103917717B - 液压挖掘机的挖掘控制系统

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Publication number: CN103917717B
Application number: CN201380003760.1A
Authority: CN
Inventors: 马场昭典; 中山彻矢; 市原将志
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: JP5815819B2; JPWO2014061790A1; JP2015007370A; KR20150013903A; US9411325B2; US20140297040A1; KR101516693B1; JP5603520B1; WO2014061790A1; DE112013000272T5; CN103917717A; DE112013000272B4

Abstract

本发明提供的挖掘控制系统(200)包括整体坐标运算器(23)、预测修正部(261)、铲斗刀尖位置数据生成部(282)和设计地形数据生成部(283)。整体坐标运算器(23)生成表示旋转体(3)所朝向的方位的旋转体方位数据(Q)。预测修正部(261)通过基于表示旋转体(3)的旋转角速度(ω)的旋转角速度数据(Dω)和延迟时间(t)对旋转体方位数据(Q)进行预测修正，生成修正旋转体方位数据(R)。铲斗刀尖位置数据生成部(282)基于基准位置数据(P1)、旋转体方位数据(Q)和修正旋转体方位数据(R)，生成表示铲斗刀尖(8a)的位置的铲斗刀尖位置数据(S)。设计地形数据生成部(283)基于铲斗刀尖位置数据(S)及立体设计地形数据(T)，生成设计地形数据(U)。延迟时间(t)中包含生成铲斗刀尖位置数据(S)及立体设计地形数据(T)所需要的时间。

Description

液压挖掘机的挖掘控制系统

技术领域

本发明涉及一种液压挖掘机的挖掘控制系统。

背景技术

以往，在包括行驶体、能够旋转地设置在行驶体上的旋转体和设置在旋转体上的工作装置的建筑机械中，提出了一种区域限制挖掘控制，该区域限制挖掘控制使工作装置的铲斗沿着对挖掘对象的目标形状进行表示的设计地形移动(例如，参照专利文献1)。

另外，还已知一种基于根据设计图的电子数据计算出的目标作业面、以及根据GPS天线装置接收到的位置信息计算出的铲斗的位置来确定设计地形的方法(参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开WO95/30059号

专利文献2：(日本)特开2006－265954号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

但是，在专利文献2的方法中，从GPS天线装置接收位置信息到确定设计地形这一期间的处理存在延迟时间，因此在一边获取设计地形一边进行挖掘作业的情况下，就会变为一边获取延迟时间经过前的设计地形一边进行挖掘作业。因此，例如在旋转体正在旋转或者车身正在上下摆动的情况下，就会获取与移动前的工作装置的位置对应的设计地形。

本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种能够获取与工作装置的当前位置对应的设计地形的液压挖掘机的挖掘控制系统。

解决技术问题的技术手段

本发明第一方式的挖掘控制系统是一种具有行驶体、旋转体和工作装置的液压挖掘机的挖掘控制系统，上述旋转体以能够以规定旋转轴为中心进行旋转的方式配置在行驶体上，上述工作装置安装在旋转体上。第一方式的挖掘控制系统包括第一数据生成部、预测修正部、第二数据生成部、第三数据生成部和挖掘限制控制部。第一数据生成部生成表示旋转体的配置的旋转体配置数据。预测修正部通过基于表示旋转体的动作的动作数据对旋转体配置数据进行预测修正，生成修正旋转体配置数据。第二数据生成部基于旋转体配置数据和修正旋转体配置数据，生成表示工作装置的位置的工作装置位置数据。第三数据生成部基于工作装置位置数据，生成表示挖掘对象的目标形状的设计地形数据。挖掘限制控制部基于工作装置位置数据和设计地形数据，根据相对于设计地形的距离来限制工作装置靠近设计地形的速度。预测修正部通过基于延迟时间和动作数据对旋转体配置数据进行预测修正，生成修正旋转体配置数据，上述延迟时间包括第二数据生成部生成工作装置位置数据以及第三数据生成部生成设计地形数据所需要的时间。

根据本发明第一方式的挖掘控制系统，预测修正部基于旋转体的动作能够预测在生成设计地形数据的那一刻旋转体的配置位置。因此，第二数据生成部能够预测在经过延迟时间的那一刻工作装置的位置。其结果是，第三数据生成部能够获取在生成设计地形数据的那一刻工作装置的位置所对应的设计地形。

在第一方式的基础上，本发明第二方式的挖掘控制系统如下：预测修正部以第一周期获取对旋转体以规定旋转轴为中心的旋转角速度进行表示的旋转角速度数据，并基于旋转角速度数据所表示的旋转角速度与延迟时间的乘积，对旋转体配置数据进行预测修正。

在第二方式的基础上，本发明第三方式的挖掘控制系统如下：第一数据生成部以第二周期获取对设置在旋转体上的多个基准部的位置进行表示的多个基准位置数据，并基于多个基准位置数据，生成表示旋转体所朝向的方位的旋转体方位数据。预测修正部至少获取一次旋转体方位数据。

在第三方式的基础上，本发明第四方式的挖掘控制系统如下：第一周期比第二周期短，预测修正部以第二周期获取旋转体方位数据。

根据本发明第四方式的挖掘控制系统，预测修正部能够使用定期获取的旋转体配置数据来生成修正旋转体配置数据。因此，即便生成旋转体3的动作数据的设备发生了热漂移，也能够把握以每隔第二周期就被更新的旋转体配置数据为基准的旋转体的配置。因此，能够持续地生成表示旋转体的配置的修正旋转体配置数据。

在第一至第四方式中任一方式的基础上，本发明第五方式的挖掘控制系统如下：第二数据生成部基于旋转体配置数据，生成旋转中心位置数据，并基于旋转中心位置数据和修正旋转体方位数据，生成工作装置位置数据，上述旋转中心位置数据表示通过规定旋转轴的液压挖掘机的旋转中心的位置。

在第一至第五方式中任一方式的基础上，本发明第六方式的挖掘控制系统如下：预测修正部通过对表示旋转体相对于前后方向及左右方向的倾斜角的倾斜角进行预测修正来计算出预测倾斜角，第二数据生成部基于预测倾斜角、旋转体配置数据和修正旋转体方位数据来生成工作装置位置数据。

根据本发明第六方式的挖掘控制系统，即便在液压挖掘机在倾斜面上一边旋转一边作业的情况下，也能够预测生成设计地形数据那一刻旋转体的纵摆角和侧摆角。因此，能够获取与工作装置的当前位置对应的设计地形。

发明效果

根据本发明，可以提供一种能够获取与工作装置的当前位置对应的作为挖掘对象的设计地形的液压挖掘机的挖掘控制系统。

附图说明

图1是液压挖掘机的立体图。

图2A是示意性地表示液压挖掘机的结构的侧视图。

图2B是示意性地表示液压挖掘机的结构的后视图。

图3是表示挖掘控制系统的结构的框图。

图4是表示工作装置控制器及显示控制器的结构的框图。

图5A是用于对位于倾斜面的液压挖掘机的旋转体的倾斜角进行说明的侧视图。

图5B是用于对位于倾斜面的液压挖掘机的旋转体的倾斜角进行说明的侧视图。

图6是用于对预测修正部更新修正旋转体方位数据的处理进行说明的流程图。

图7是用于配合着旋转体的动作来说明预测修正部的处理的图。

图8是用于说明设计地形的确定方法的图。

图9是用于说明挖掘限制控制的图。

图10是表示限制速度与垂直距离的关系的曲线图。

具体实施方式

<液压挖掘机100的整体结构>

图1是实施方式的液压挖掘机100的立体图。液压挖掘机100具有车辆主体1和工作装置2。另外，在液压挖掘机100上搭载有挖掘控制系统200(参照图3)。挖掘控制系统200的结构及动作见后述。

车辆主体1具有旋转体3、驾驶室4和行驶装置5。旋转体3配置在行驶装置5上。旋转体3能够以沿着上下方向的旋转轴AX为中心旋转。旋转体3收容未图示的发动机、液压泵等。旋转体3的后端部配置有配重，在配重上配置有第一GNSS天线21及第二GNSS天线22(多个基准部的一例)。第一GNSS天线21及第二GNSS天线22是RTK-GNSS(RealTimeKinematic-GlobalNavigationSatelliteSystems(实时动态-全球卫星导航系统)，GNSS是全球卫星导航系统)用的天线。设置在旋转体3上的驾驶室4载置在旋转体3的前部上。在驾驶室4内配置有驾驶座和各种操作装置。行驶装置5具有一对履带5a、5b，液压挖掘机100利用一对履带5a、5b各自的转动来行驶。在本实施方式中，在没有说明的情况下，前后左右是以驾驶座为基准来说明的。以驾驶座正对正面的方向为前方向，与前方向相向的方向为后方向。以驾驶座正对正面时的侧方方向的右侧、左侧分别为右方向、左方向。

工作装置2能够上下摆动地安装在旋转体3上。工作装置2具有大臂6、小臂7、铲斗8、大臂缸10、小臂缸11和铲斗缸12。大臂6的基端部经由大臂销13能够摆动地安装在旋转体3的前端部。小臂7的基端部经由小臂销14能够摆动地安装在大臂6的前端部。铲斗8经由铲斗销15能够摆动地安装在小臂7的前端部。另外，大臂缸10、小臂缸11和铲斗缸12各自均为被液压油驱动的液压缸。大臂缸10驱动大臂6。小臂缸11驱动小臂7。铲斗缸12驱动铲斗8。

在此，图2A是液压挖掘机100的侧视图，图2B是液压挖掘机100的后视图。如图2A所示，大臂6的长度即从大臂销13到小臂销14的长度为L1。小臂7的长度即从小臂销14到铲斗销15的长度为L2。铲斗8的长度即从铲斗销15到铲斗8的斗齿的前端(以下称为“铲斗刀尖8a”)的长度为L3。

另外，如图2A所示，在大臂缸10、小臂缸11和铲斗缸12上，分别设置有第一行程传感器16、第二行程传感器17和第三行程传感器18。第一行程传感器16检测大臂缸10的行程长度(以下，称为“大臂缸长度L1”)。后述的显示控制器28(参照图4)根据第一行程传感器16所检测到的大臂缸长度L1，计算出大臂6相对于车辆主体1的垂直方向的倾斜角θ1。第二行程传感器17检测小臂缸11的行程长度(以下，称为“小臂缸长度L2”)。显示控制器28根据第二行程传感器17所检测到的小臂缸长度L2，计算出小臂7相对于大臂6的倾斜角θ2。第三行程传感器18检测铲斗缸12的行程长度(以下，称为“铲斗缸长度L3”)。显示控制器28根据第三行程传感器18所检测到的铲斗缸长度L3，计算出铲斗8所具有的铲斗刀尖8a相对于小臂7的倾斜角θ3。大臂6、小臂7、铲斗8的倾斜角θ1～θ3除了能够利用行程传感器进行计测之外，还能够利用安装在大臂6上并计测大臂6的倾斜角的倾斜角传感器、安装在小臂7上并计测小臂7的倾斜角的倾斜角传感器和安装在铲斗8上并计测铲斗8的倾斜角的倾斜角传感器来获取。

在车辆主体1上，如图2A所示，设置有位置检测部19。位置检测部19检测液压挖掘机100的位置。位置检测部19具有上述的第一GNSS天线21、上述的第二GNSS天线22、整体坐标运算器23和IMU(InertialMeasurementUnit(惯性测量单元))24。

在旋转体3上，第一GNSS天线21及第二GNSS天线22在车宽方向上分离配置。第一GNSS天线21从定位卫星接收表示自身的位置的基准位置数据P1。第二GNSS天线22从定位卫星接收表示自身的位置的基准位置数据P2。第一GNSS天线21及第二GNSS天线22以例如10Hz的频率(第二周期的一例)接收基准位置数据P1、P2。第一GNSS天线21及第二GNSS天线22每当接收到基准位置数据P1、P2时都将其输出到整体坐标运算器23。

整体坐标运算器23从第一GNSS天线21及第二GNSS天线22获取使用整体坐标表示的两个基准位置数据P1、P2(多个基准位置数据的一例)。整体坐标运算器23基于两个基准位置数据P1、P2，生成表示旋转体3的配置的“旋转体配置数据”。在本实施方式中，“旋转体配置数据”中包含表示两个基准位置数据P1、P2中的一方的基准位置数据P以及基于两个基准位置数据P1、P2生成的旋转体方位数据Q。在此，基于由第一GNSS天线21和第二GNSS天线22所获取的基准位置数据P确定的直线相对于整体坐标的基准方位(例如北)所成的角，确定旋转体方位数据Q。旋转体方位数据Q表示旋转体3(即工作装置2)所朝向的方位。整体坐标运算器23每当以例如10Hz的频率从第一GNSS天线21及第二GNSS天线22获取两个基准位置数据P1、P2时，都更新旋转体配置数据(基准位置数据P和旋转体方位数据Q)。

IMU24安装在旋转体3上，检测表示旋转体3的动作的“动作数据”。在本实施方式中，“动作数据”是对旋转体3以旋转轴AX为中心旋转的旋转角速度ω(参照图1)进行表示的旋转角速度数据Dω。另外，IMU24检测车辆主体1相对于左右方向的倾斜角θ4(参照图2B)和车辆主体1相对于前后方向的倾斜角θ5(参照图2A)。IMU24以例如100Hz的频率(第一周期的一例)更新旋转角速度数据Dω、倾斜角θ4及倾斜角θ5。IMU24中的更新周期优选比整体坐标运算器23中的更新周期短。

在此，在IMU24中，有时会产生所谓的“热漂移”现象，即因传感器的温度变化而导致俯仰角等的计测值变为0度的那一点出现变动。在这种情况下，在IMU24中，有可能检测到不正确的旋转角速度ω。考虑到这一点，在本实施方式中，如后所述，将由整体坐标运算器23周期性地生成的旋转体方位数据Q利用到预测修正之中。

<挖掘控制系统200的结构>

图3是表示挖掘控制系统200的功能结构的框图。挖掘控制系统200包括操作装置25、工作装置控制器26、比例控制阀27、显示控制器28和显示部29。

操作装置25接受驱动工作装置2的操作人员操作，输出与操作人员操作对应的操作信号。具体地说，操作装置25具有设置在操作人员左侧的左操作杆25L和设置在操作人员右侧的右操作杆25R。左操作杆25L及右操作杆25R的前后左右的动作与两轴的动作对应。例如，右操作杆25R的前后方向的操作与大臂6的操作对应，与前后方向的操作对应地执行大臂6的下降上升的动作。右操作杆25R的左右方向的操作与铲斗8的操作对应，与左右方向的操作对应地执行铲斗8的挖掘、开放动作。另外，左操作杆25L的前后方向的操作与旋转体3的旋转对应，与前后方向的操作对应地执行旋转体3的右旋转动作和左旋转动作。左操作杆25L的左右方向的操作与小臂7的操作对应，与左右方向的操作对应地执行小臂7的伸长、弯曲动作。

操作装置25包括大臂操作检测部31和铲斗操作检测部32。大臂操作检测部31通过使用电位计或者霍尔IC等来检测与杆倾转角对应的操作量。大臂操作检测部31与右操作杆25R的前后方向的操作对应地受到操作人员对大臂6的操作。大臂操作检测部31根据右操作杆25R的前后方向的操作来输出大臂操作信号M1。铲斗操作检测部32通过使用电位计及霍尔IC等来检测相对于杆倾转角的操作量。铲斗操作检测部32与右操作杆25R的左右方向的操作对应地受到操作人员对铲斗8的操作。铲斗操作检测部32根据右操作杆25R的左右方向的操作来输出铲斗操作信号M2。

另外，操作装置25包括小臂操作检测部33和旋转操作检测部34。小臂操作检测部33通过使用电位计及霍尔IC等来检测与杆倾转角相对应的操作量。小臂操作检测部33与左操作杆25L的左右方向的操作对应地受到操作人员对小臂7的操作。小臂操作检测部33根据左操作杆25L的左右方向的操作来输出小臂操作信号M3。旋转操作检测部34通过使用电位计及霍尔IC等来检测相对于杆倾转角的操作量。旋转操作检测部34与左操作杆25L的前后方向的操作对应地受到操作人员对旋转体3的旋转操作。旋转操作检测部34根据左操作杆25L的前后方向的操作来输出旋转操作信号M4。

此外，在左操作杆25L和右操作杆25R为液压驱动方式的情况下，操作量的检测也可以是基于先导压力进行检测的方式。另外，也可以改换旋转操作检测部34和小臂操作检测部33。此时，与左操作杆25L的前后方向的操作对应地执行小臂7的伸长、弯曲动作，与左操作杆25L的左右方向的操作对应地执行旋转体3的左右的旋转动作。

工作装置控制器26从IMU24获取表示旋转体3以旋转轴AX为中心旋转的旋转角速度ω(参照图1)的旋转角速度数据Dω。工作装置控制器26从整体坐标运算器23获取旋转体方位数据Q(旋转体配置数据的一例)。工作装置控制器26通过基于旋转角速度数据Dω预测修正旋转体方位数据Q来生成修正旋转体方位数据R(修正旋转体配置数据的一例)，并将修正旋转体方位数据R发送到显示控制器28。工作装置控制器26的预测修正见后述。

另外，工作装置控制器26从操作装置25获取大臂操作信号M1、铲斗操作信号M2、小臂操作信号M3及旋转操作信号M4。另外，工作装置控制器26从第一行程传感器16、第二行程传感器17及第三行程传感器18获取大臂缸长度L1、小臂缸长度L2及铲斗缸长度L3(以下，适当地统称为“缸长度L”)。工作装置控制器26从显示控制器28获取后述的设计地形数据U。工作装置控制器26基于设计地形数据U和缸长度L，获取铲斗刀尖8a相对于设计地形的位置。工作装置控制器26基于设计地形与铲斗刀尖8a的距离和速度来调整自操作装置25输入的操作信号M1～M3，生成控制信号N，并将控制信号N输出到比例控制阀27，以使得铲斗刀尖8a沿着设计地形移动。由此，根据相对于设计地形的距离来限制工作装置2靠近设计地形的速度。

比例控制阀27配置在大臂缸10、小臂缸11及铲斗缸12各自与未图示的液压泵之间。比例控制阀27根据来自工作装置控制器26的控制信号N调整阀的开口度，并将液压油分别供给到大臂缸10、小臂缸11及铲斗缸12，上述开口度决定相对于各大臂缸10、小臂缸11、铲斗缸12的液压油供给量。

显示控制器28从整体坐标运算器23获取旋转体配置数据(基准位置数据P和旋转体方位数据Q)。另外，显示控制器28从工作装置控制器26的后述预测修正部261获取修正旋转体方位数据R。而且，显示控制器28从第一行程传感器16、第二行程传感器17和第三行程传感器18获取缸长度L。显示控制器28基于基准位置数据P、旋转体方位数据Q、修正旋转体方位数据R及缸长度L，生成表示工作装置的位置的“工作装置位置数据”。在本实施方式中，显示控制器28生成表示铲斗刀尖8a的三维位置的“铲斗刀尖位置数据S”来作为“工作装置位置数据”。并且，显示控制器28使用铲斗刀尖位置数据S和后述的立体设计地形数据T，生成表示挖掘对象的目标形状的设计地形数据U。另外，显示控制器28基于设计地形数据U而使设计地形Ua显示于显示部29。

<工作装置控制器26及显示控制器28的具体结构>

图4是表示工作装置控制器26及显示控制器28的具体结构的框图。

工作装置控制器26具有预测修正部261、相对距离获取部262、限制速度确定部263、相对速度获取部264和挖掘限制控制部265。显示控制器28具有立体设计地形数据存储部281、铲斗刀尖位置数据生成部282和设计地形数据生成部283。

预测修正部261从整体坐标运算器23获取表示旋转体3(即工作装置2)所朝向的方位的旋转体方位数据Q。预测修正部261从IMU24获取表示旋转体3的旋转角速度ω(参照图1)的旋转角速度数据Dω。预测修正部261基于旋转角速度数据Dω，对旋转体方位数据Q进行预测修正。具体地说，预测修正部261通过使旋转角速度ω与延迟时间t相乘，计算出预测旋转角ωt。所谓延迟时间t，指是的预测生成后述的铲斗刀尖位置数据S及设计地形数据U所花费的时间。在本实施方式中，作为延迟时间t，被假定为0.4s左右。并且，预测修正部261生成修正旋转体方位数据R，该修正旋转体方位数据R表示旋转体3从旋转体方位数据Q的方位旋转了预测旋转角ωt时的预测方位。由修正旋转体方位数据R表示的预测方位，是生成设计地形数据U的那一刻旋转体3(即工作装置2)的方位。

另外，预测修正部261自IMU24获取旋转体3相对于左右方向的倾斜角θ4及旋转体3相对于前后方向的倾斜角θ5。预测修正部261计算出基于修正旋转体方位数据R的旋转体的预测方位。预测修正部261计算出预测方位处的预测倾斜角θ4’、θ5’。以下，假设在液压挖掘机100如图5A所示地在倾斜角θ6的倾斜地面上朝向前方作业之后，使旋转体3如图5B所示地旋转而朝向侧面，在此情况下说明预测倾斜角θ4’、θ5’。在旋转动作的前后，旋转体3相对于前后方向的倾斜角θ5从“θ6”逐渐减小而变为“0”，另一方面，旋转体3相对于侧方方向的倾斜角θ4从“0”逐渐增大而变为“θ6”。因此，预测修正部261能够基于旋转角速度ω，计算出经过延迟时间t后的预测倾斜角θ4’、θ5’。预测修正部261将预测倾斜角θ4’、θ5’输出到铲斗刀尖位置数据生成部282。在液压挖掘机100在倾斜地面等进行作业的情况下，即便随着旋转，旋转体3的倾斜角θ4、θ5发生变化，也能够修正旋转体3的倾斜。

在此，参照图6及图7对预测修正部261的修正旋转体方位数据R的更新进行说明。图6是用于对预测修正部261更新修正旋转体方位数据R的处理进行说明的流程图。图7是用于对与旋转体3的动作同时执行的预测修正部261的处理进行说明的图。

在步骤S101中，预测修正部261以例如10Hz的频率(第二周期的一例)从整体坐标运算器23获取表示旋转体3所朝向的方位的旋转体方位数据Q。

在步骤S102中，预测修正部261以例如100Hz的频率(第一周期的一例)从IMU24获取以旋转轴AX为中心的旋转角速度数据Dω、旋转体3相对于前后方向的倾斜角θ4和旋转体3相对于左右方向的倾斜角θ5。

在步骤S103中，与获取旋转体方位数据Q相对应地，预测修正部261使用最新的旋转角速度数据Dω，更新表示旋转体3旋转了ωt之后的旋转体3的方位的修正旋转体方位数据R、旋转体3相对于前后方向的预测倾斜角θ4’和旋转体3相对于左右方向的预测倾斜角θ5’。

在步骤S104中，预测修正部261将更新后的修正旋转体方位数据R、预测倾斜角θ4’、θ5’输出到铲斗刀尖位置数据生成部282。

预测修正部261每当获取旋转体方位数据Q时，都通过重复步骤S101～S104来更新修正旋转体方位数据R、预测倾斜角θ4’、θ5’。

如此，预测修正部261通过使用由IMU获取的、计测周期比旋转体方位数据Q短的旋转角速度数据Dω、倾斜角θ4、θ5，能够以比旋转体方位数据Q更高的频率生成修正旋转体方位数据R、预测倾斜角θ4’、θ5’。另外，修正旋转体方位数据R、预测倾斜角θ4’、θ5’能够利用从整体坐标运算器23获取的旋转体方位数据Q，更新有可能包括热漂移变动的旋转角速度数据Dω、倾斜角θ4、θ5。由此，能够相对于延迟时间t输出与用于生成设计地形数据U的周期相关联的修正旋转体方位数据R、预测倾斜角θ4’、θ5’。

立体设计地形数据存储部281存储有表示作业区域的目标形状(以下称为“立体设计地形”)的立体设计地形数据T。立体设计地形数据T包括生成表示挖掘对象的目标形状的设计地形数据U所需的坐标数据和角度数据。

铲斗刀尖位置数据生成部282基于从整体坐标运算器23获取的基准位置数据P及旋转体方位数据Q，生成旋转中心位置数据X，该旋转中心位置数据X表示通过旋转轴AX的液压挖掘机100旋转中心的位置。铲斗刀尖位置数据生成部282基于从第一行程传感器16、第二行程传感器17和第三行程传感器18实时获取的缸长度L，计算出大臂6相对于车辆主体1的垂直方向的倾斜角θ1、小臂7相对于大臂6的倾斜角θ2和铲斗8相对于小臂7的倾斜角θ3。并且，铲斗刀尖位置数据生成部282基于旋转中心位置数据X、修正旋转体方位数据R、工作装置的倾斜角θ1～θ3和旋转体3的预测倾斜角θ4’、θ5’，生成表示铲斗刀尖8a的当前位置的铲斗刀尖位置数据S。如此，通过以旋转中心位置数据X为基准生成铲斗刀尖位置数据S，能够根据如图7的实线所示的液压挖掘机100的第一GNSS天线21及第二GNSS天线22的基准位置数据P1、P2，生成如虚线所示的液压挖掘机100的预测的旋转动作等所伴随的第一GNSS天线21及第二GNSS天线22的移动。

在此，铲斗刀尖位置数据生成部282以例如10Hz的频率(第二周期的一例)从整体坐标运算器23获取基准位置数据P和旋转体方位数据Q。另外，铲斗刀尖位置数据生成部282以例如10Hz的频率(第二周期的一例)从预测修正部261获取修正旋转体方位数据R。因此，铲斗刀尖位置数据生成部282能够以例如10Hz的频率(第二周期的一例)更新铲斗刀尖位置数据S。铲斗刀尖位置数据生成部282将更新后的铲斗刀尖位置数据S输出到设计地形数据生成部283。

设计地形数据生成部283获取存储在立体设计地形数据存储部281中的立体设计地形数据T和来自铲斗刀尖位置数据生成部282的铲斗刀尖位置数据S。如图8所示，设计地形数据生成部283基于立体设计地形数据T和铲斗刀尖位置数据S，获取在旋转体3的前后方向上规定的工作装置2的动作平面MP与立体设计地形之间的交线E作为设计地形的候选线。设计地形数据生成部283在设计地形的候选线上将铲斗刀尖8a正下方的点设为设计地形的基准点AP。设计地形数据生成部283将设计地形的基准点AP前后的单个或多个拐点与其前后的线确定为作为挖掘对象的设计地形。并且，设计地形数据生成部283生成表示挖掘对象的目标形状的设计地形数据U。设计地形数据生成部283基于设计地形数据U而使设计地形Ua显示于显示部29。

在此，设计地形数据生成部283以例如10Hz的频率(第二周期的一例)从铲斗刀尖位置数据生成部282获取铲斗刀尖位置数据S。因此，设计地形数据生成部283能够以例如10Hz的频率(第二周期的一例)更新设计地形数据U。设计地形数据生成部283将更新后的设计地形数据U输出到相对距离获取部262。

此外，在本实施方式中，假定在利用铲斗刀尖位置数据生成部282生成铲斗刀尖位置数据S以及利用设计地形数据生成部283生成设计地形数据U的过程中，共计需要延迟时间t。

相对距离获取部262从铲斗刀尖位置数据生成部282获取铲斗刀尖位置数据S，从设计地形数据生成部283获取设计地形数据U。如图9所示，相对距离获取部262基于铲斗刀尖位置数据S及设计地形数据U，计算出铲斗刀尖8a与设计地形Ua在与设计地形Ua垂直的方向上的距离d。此外，在图9中，铲斗刀尖8a进入了挖掘限制控制的介入线C的内侧，铲斗刀尖8a的距离d比介入线C的距离h小。

限制速度确定部263获取与距离d对应的、相对于设计地形Ua的垂直方向上的限制速度V。在此，图10是表示限制速度V与距离d的关系的曲线图。如图10所示，限制速度V在距离d为距离h以上时最大，距离d与线距离h相比越靠近设计地形Ua，限制速度V越小。另外，在距离d为“0”时，限制速度V为“0”。

相对速度获取部264基于从操作装置25获取的操作信号M1～M3，计算出铲斗刀尖8a的速度W。另外，相对速度获取部264基于速度W，获取铲斗刀尖8a相对于设计地形Ua的垂直方向上的相对速度Wa(参照图9)。此外，在图9中，相对速度Wa比限制速度V大。

在铲斗刀尖8a的相对速度Wa超过限制速度V的情况下，挖掘限制控制部265进行工作装置2的限制速度控制。通过调整操作装置25的操作信号M1～M3以将铲斗刀尖8a的相对速度Wa抑制为限制速度V，生成例如用于进行大臂7的速度限制的控制信号N。挖掘限制控制部265将控制信号N输出到比例控制阀27。由此，对铲斗刀尖8a执行挖掘限制控制，自动调整铲斗刀尖8a相对于设计地形Ua的位置。

<作用及效果>

(1)本实施方式的挖掘控制系统200包括整体坐标运算器23(第一数据生成部)、预测修正部261、铲斗刀尖位置数据生成部282(第二数据生成部的一例)和设计地形数据生成部283(第三数据生成部的一例)。整体坐标运算器23生成表示旋转体3所朝向的方位的旋转体方位数据Q(旋转体配置数据的一例)。预测修正部261通过基于表示旋转体3的旋转角速度ω的旋转角速度数据Dω(动作数据的一例)和延迟时间t对旋转体方位数据Q进行预测修正，生成修正旋转体方位数据R(修正旋转体配置数据的一例)。铲斗刀尖位置数据生成部282基于基准位置数据P1、旋转体方位数据Q和修正旋转体方位数据R，生成表示铲斗刀尖8a的位置的铲斗刀尖位置数据S(工作装置位置数据的一例)。设计地形数据生成部283基于铲斗刀尖位置数据S及立体设计地形数据T，生成设计地形数据U。延迟时间t中包含生成铲斗刀尖位置数据S及立体设计地形数据T所需要的时间。

如此，预测修正部261基于旋转体3的旋转角速度ω能够预测在生成立体设计地形数据T的那一刻旋转体3所朝向的方位。因此，铲斗刀尖位置数据生成部282能够预测在经过延迟时间t的那一刻铲斗刀尖8a的位置。其结果是，设计地形数据生成部283能够把握在生成立体设计地形数据T的那一刻铲斗刀尖8a的位置所对应的设计地形Ua。

(2)预测修正部261以例如100Hz的频率(第一周期的一例)获取旋转角速度数据Dω，以例如10Hz的频率(第二周期的一例)获取旋转体方位数据Q。

因此，预测修正部261能够使用定期获取的旋转体方位数据Q来生成修正旋转体方位数据R。因此，即便生成旋转角速度数据Dω的IMU24发生了热漂移，也能够将以例如10Hz的频率更新的旋转体方位数据Q作为基准来算出修正方位。因此，能够持续生成表示修正方位的修正旋转体方位数据R。

<其他实施方式>

以上说明了本发明一实施方式，但本发明不局限于上述实施方式，在不脱离发明要旨的范围内可以进行各种变更。

(A)在上述实施方式中，IMU24获取表示旋转体3的旋转角速度ω的旋转角速度数据Dω、倾斜角θ4、θ5来作为表示旋转体3的动作的“动作数据”，但不局限于此。IMU24也可以获取表示旋转体3的倾斜情况的倾斜角度的变化。旋转体3的倾斜角是指单位时间内的倾斜角θ4、θ5(参照图2A及图2B)的变化量。通过使用这种倾斜角度的变化来代替旋转角速度数据Dω，也能够在液压挖掘机100摆动的情况下获取经过延迟时间t的那一刻铲斗刀尖8a的位置，因此能够把握生成立体设计地形数据T的那一刻的设计地形Ua。

(B)在上述实施方式中，预测修正部261获取由IMU24生成的旋转角速度数据Dω，但不局限于此。预测修正部261可以基于由设置在旋转体3上的电位计所检测的旋转角度、从操作装置25输出的旋转操作信号M4，获取旋转角速度数据Dω。另外，预测修正部261还可以从整体坐标运算器23获取第一GNSS天线21及第二GNSS天线22的两个基准位置数据P1、P2，并基于两个基准位置数据P1、P2获取旋转角速度数据Dω。

(C)在上述实施方式中，铲斗刀尖位置数据生成部282基于基准位置数据P1和旋转体方位数据Q，计算出液压挖掘机100的旋转中心的位置，但不局限于此。铲斗刀尖位置数据生成部282也可以使用利用磁传感器等方位传感器获取的、表示在第一GNSS天线21接收基准位置数据P1的那一刻旋转体3的方位的数据，以此来代替旋转体方位数据Q。

(D)在上述实施方式中，预测修正部261以例如10Hz的频率(第二周期的一例)从整体坐标运算器23获取旋转体方位数据Q，但若不需要考虑IMU24的热漂移，则至少获取一次旋转体方位数据Q即可。该情况下，预测修正部261通过以所获取的旋转体方位数据Q为基准随时叠加旋转角速度数据Dω，能够以例如100Hz的频率(第一周期的一例)更新旋转体3的方位。

(E)在上述实施方式中，显示控制器28生成铲斗刀尖位置数据S来作为工作装置位置数据，但不局限于此。显示控制器28也可以获取表示铲斗8的任意位置的位置数据，以此来代替铲斗刀尖位置数据S。另外，显示控制器28也可以获取铲斗刀尖位置数据S的表示相对于设计地形Ua较近的任意位置的位置数据。另外，由显示控制器28进行的立体设计地形数据存储、铲斗刀尖位置数据生成、设计地形数据生成也可以由工作装置控制器26进行。

(F)在上述实施方式中，如图10所示，限制速度V与垂直距离d为线性关系，但不局限于此。限制速度V与垂直距离d也可以是非线性关系，另外，图10的曲线也可以不通过原点。

工业实用性

根据本发明的液压挖掘机的挖掘控制系统，能够获取作为挖掘对象的设计地形，因此在建筑机械领域有用。

附图标记说明

1车辆主体

2工作装置

3旋转体

4驾驶室

5行驶装置

5a、5b履带

6大臂

7小臂

8铲斗

8a铲斗刀尖

10大臂缸

11小臂缸

12铲斗缸

13大臂销

14小臂销

15铲斗销

16第一行程传感器

17第二行程传感器

18第三行程传感器

19位置检测部

21第一GNSS天线

22第二GNSS天线

23整体坐标运算器(第一数据生成部的一例)

24IMU(动作检测部的一例)

25操作装置

25L左操作杆

25R右操作杆

26工作装置控制器

261预测修正部

262相对距离获取部

263限制速度确定部

264相对速度获取部

265挖掘限制控制部(挖掘限制控制部的一例)

27比例控制阀

28显示控制器

281立体设计地形数据存储部

282铲斗刀尖位置数据生成部(第二数据生成部的一例)

283设计地形数据生成部(第三数据生成部的一例)

29显示部

31大臂操作检测部

32铲斗操作检测部

33小臂操作检测部

34旋转操作检测部

100液压挖掘机

200挖掘控制系统

AX旋转轴

X旋转中心位置数据

P1、P2基准位置数据

Q旋转体方位数据

R修正旋转体方位数据

S铲斗刀尖位置数据

T立体设计地形数据

U设计地形数据

Dω旋转角速度数据

t延迟时间

ω旋转角速度

Ua设计地形

Claims

1.一种挖掘控制系统，是具有行驶体、旋转体和工作装置的液压挖掘机的挖掘控制系统，所述旋转体以能够以规定旋转轴为中心进行旋转的方式配置在所述行驶体上，所述工作装置安装在所述旋转体上，

所述挖掘控制系统的特征在于，包括：

第一数据生成部，其生成表示所述旋转体的配置的旋转体配置数据；

预测修正部，其通过基于表示所述旋转体的动作的动作数据对所述旋转体配置数据进行预测修正，生成修正旋转体配置数据；

第二数据生成部，其基于所述旋转体配置数据和所述修正旋转体配置数据，生成表示所述工作装置的位置的工作装置位置数据；

第三数据生成部，其基于所述工作装置位置数据，生成表示挖掘对象的目标形状的设计地形数据；

挖掘限制控制部，其基于所述工作装置位置数据和所述设计地形数据，根据相对于所述设计地形的距离来限制所述工作装置靠近所述设计地形的速度；

所述预测修正部通过基于延迟时间和所述动作数据对所述旋转体配置数据进行预测修正，生成所述修正旋转体配置数据，所述延迟时间包括所述第二数据生成部生成所述工作装置位置数据以及所述第三数据生成部生成所述设计地形数据所需要的时间。

2.如权利要求1所述的挖掘控制系统，其特征在于，

所述预测修正部以第一周期获取对所述旋转体以所述规定旋转轴为中心的旋转角速度进行表示的旋转角速度数据，并基于所述旋转角速度数据所表示的所述旋转角速度与所述延迟时间的乘积，对所述旋转体配置数据进行预测修正。

3.如权利要求2所述的挖掘控制系统，其特征在于，

所述第一数据生成部以第二周期获取对设置在所述旋转体上的多个基准部的位置进行表示的多个基准位置数据，并基于所述多个基准位置数据，生成表示所述旋转体所朝向的方位的旋转体方位数据，

所述预测修正部至少获取一次所述旋转体方位数据。

4.如权利要求3所述的挖掘控制系统，其特征在于，

所述第一周期比所述第二周期短，

所述预测修正部以所述第二周期获取所述旋转体方位数据。

5.如权利要求1至4中任一项所述的挖掘控制系统，其特征在于，

所述第二数据生成部基于所述旋转体配置数据，生成旋转中心位置数据，并基于所述旋转中心位置数据和所述修正旋转体配置数据，生成所述工作装置位置数据，所述旋转中心位置数据表示通过所述规定旋转轴的所述液压挖掘机的旋转中心的位置。

6.如权利要求1至4中任一项所述的挖掘控制系统，其特征在于，

所述预测修正部通过对表示所述旋转体相对于前后方向及左右方向的倾斜角的倾斜角进行预测修正来计算出预测倾斜角，

所述第二数据生成部基于所述预测倾斜角、所述旋转体配置数据和所述修正旋转体配置数据来生成所述工作装置位置数据。

7.如权利要求5所述的挖掘控制系统，其特征在于，