CN107268699B - 工程机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够高效且准确地获取成为显示或控制的对象的目标面的工程机械。该工程机械具有：将三维的目标地形存储为多个设计面的设计面信息存储部；检测或推定作业机的速度的作业机速度矢量获取部；检测或推定作业机位置的作业机位置获取部；基于作业机位置来从由设计面信息存储部存储的多个设计面获取主目标面并基于多个设计面来获取可能成为下一个主目标面的预测目标面的目标面获取部；根据作业机位置与主目标面的位置关系来修正作业机的速度的动作控制部；和显示作业机位置与主目标面的位置关系的显示装置，目标面获取部具有预测目标面运算部，该预测目标面运算部基于作业机位置来将位于作业机的速度矢量方向上的设计面确定为预测目标面。

Description

工程机械
技术领域
本发明涉及工程机械。
背景技术
公知一种在通过工程机械将原始地形施工成三维的目标地形时，在挖掘作业中对操作员的操作进行支援的挖掘支援装置。例如，代替在以往的施工中所使用的标桩(丁張り，对应英文：finishing stake)，而为将目标地形与作业机之间的位置关系显示在监视器上的机器导航仪、根据目标地形与作业机的位置之间的偏差而半自动地控制工程机械的机器控制器等。
这些挖掘支援装置将三维的目标地形存储为多个设计面信息，并根据需要从多个设计面信息中获取成为显示或控制的对象的目标面。
在专利文献1中公开了一种目标作业面设定装置，该目标作业面设定装置具有基于将预定形成的构造物的位置、形状、尺寸汇总而成的电子数据来计算出目标面(记载为目标作业面)的目标作业面运算机构。另外，在具有专利文献1所记载的目标作业面设定装置的作业机械中，将距作业机最近的设计面设定为控制对象的目标面，并限制作业机向目标面侵入的方向上的速度，因此能够防止在挖掘作业中作业机侵入到目标面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-265954号公报
发明内容
但是，在专利文献1所记载的目标作业面运算机构等的现有技术中，由于是基于液压挖掘机的作业机位置来从多个设计面获取成为显示或控制的对象的目标面，所以具有以下那样的课题。
使用图14A、14B来说明现有技术的目标面获取方法。图14A是表示以往的挖掘支援装置中的目标面获取方法的处理流程的流程图，图14B是说明以往的挖掘支援装置中的目标面获取方法中的处理的概念图。在现有技术中，通过图14A所示的处理流程，将距液压挖掘机的作业机最近的设计面作为目标面提取出。图14B所示的构成点组的点P0至点P8示出表示设计面的坐标点组，点Pw示出作业机上的代表点(例如铲斗齿尖的中心点)。
首先，在步骤S001中，设定点与面之间的距离运算所需要的矢量。例如，设定从点P0分别向点P1、P2及点Pw的矢量。接着在步骤S002中，基于从点P0分别向点P1、P2的矢量的外积，来对相对于面P0P1P2的法线矢量n进行运算。接着在步骤S003中，基于法线矢量n与从点P0向点Pw的矢量的内积，来对点Pw与面P0P1P2之间的距离(从点Pw到点Pw’的距离)进行运算。另外，在步骤S004中，设定从点P0、P1、P2向点Pw’的矢量，并求出它们的外积，若外积的方向全部一致，则判定成点Pw’处于面P0P1P2的内部。对其他设计面也执行到此为止的步骤，在步骤S005中，将点Pw’处于内部、且距点Pw的距离最近的设计面作为目标面提取出。此外，将从点Pw到点Pw’的距离设为主目标面距离。
在这样的以往的目标面获取方法中，由于需要在一个控制周期中将步骤S001到步骤S004实施与设计面数量相同的次数，所以具有其处理负荷大、效率差的课题。
另外，在上述的现有技术中，由于仅获取距作业机最近的设计面来作为成为显示或控制的对象的目标面，所以有可能会导致作业机侵入到其他设计面。使用图15来说明现有技术的目标面获取方法的动作。图15是说明以往的挖掘支援装置中的目标面获取方法的动作的概念图。
图15是例如要在路肩上设置排水用槽的道路的截面形状，图中的涂黑部位是现况地形，图中所示的S1到S7是设计面的截面。在要将现况地形施工成这样的形状的情况下，首先，为了对设计面S1、S5和S6进行施工，而作业机沿图中所示的箭头进行动作。此时，在以往的目标面获取方法中，在伴随着作业机的移动而选择了设计面S1、S2、S3、S4来作为目标面后，在作业机到达了图中所示的点P的位置时，将设计面S5选择为目标面。
从点P的位置通过后的作业机朝向设计面S5直线前进，因此，即使在将设计面S5选择为目标面后对作业机的向目标面侵入的方向上的速度进行了减速，也有可能减速会来不及而导致作业机侵入到设计面S5中。
本发明是基于上述的情况而研发的，其目的在于提供一种能够高效且准确地获取成为显示或控制的对象的目标面的工程机械。
为了解决上述课题，例如采用如下技术方案中所记载的结构。本申请包含多个解决上述课题的方案，列举其一例，在工程机械中，具有：车辆主体；作业机，其具有能够相对于上述车辆主体摆动地安装的动臂、能够相对于上述动臂摆动地安装的斗杆、及能够相对于上述斗杆摆动地安装的铲斗；操作杆装置，其对上述动臂、上述斗杆及上述铲斗进行操作；设计面信息存储部，其将三维的目标地形存储为多个设计面；和作业机位置获取部，其对作为上述作业机的代表点的位置的作业机位置进行运算，上述工程机械的特征在于，具有：作业机速度矢量获取部，其基于上述操作杆装置的操作量来检测或推定上述作业机的速度；作业机位置获取部，其检测或推定作为上述作业机的代表点的位置的作业机位置；和目标面获取部，其基于由上述作业机位置获取部检测出或推定出的上述作业机位置及上述作业机的速度矢量，从由上述设计面信息存储部存储的上述多个设计面获取主目标面，并基于上述多个设计面来获取可能成为下一个主目标面的预测目标面，上述目标面获取部具有预测目标面运算部，该预测目标面运算部基于上述作业机位置，将位于上述作业机的速度矢量的方向上的设计面确定为预测目标面。
发明效果
根据本发明，由于从多个设计面中获取作业机与之接触的可能性高的设计面来作为目标面，所以能够高效且准确地获取成为显示或控制的对象的目标面。
附图说明
图1是表示具有本发明的工程机械的第1实施方式的液压挖掘机的立体图。
图2是表示本发明的工程机械的第1实施方式的结构图。
图3是表示构成本发明的工程机械的第1实施方式的控制装置的框图。
图4是表示构成本发明的工程机械的第1实施方式的控制装置的目标面获取部的框图。
图5A是表示构成本发明的工程机械的第1实施方式的预测目标面运算部的处理流程的流程图。
图5B是说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的预测目标面运算部的处理的一个例子的概念图。
图5C是说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的预测目标面运算部的交叉点运算处理的一个例子的概念图。
图6是表示构成本发明的工程机械的第1实施方式的主目标面运算部的处理流程的流程图。
图7A是说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的目标面获取部进行的一个阶段中的动作的概念图。
图7B是说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的目标面获取部进行的其他阶段中的动作的概念图。
图7C是说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的目标面获取部进行的另一其他阶段中的动作的概念图。
图8是表示构成本发明的工程机械的第1实施方式的控制装置的动作控制部的框图。
图9是表示将本发明的工程机械的第1实施方式适用于相邻的两个设计面的情况下的显示装置的显示内容的一个例子的概念图。
图10是表示将本发明的工程机械的第1实施方式适用于复杂设计面的情况下的显示装置的显示内容的一个例子的概念图。
图11是表示将本发明的工程机械的第1实施方式适用于一边旋转一边挖掘的情况下的显示装置的显示内容的一个例子的概念图。
图12是表示构成本发明的工程机械的第2实施方式的控制装置的目标面获取部的框图。
图13A是表示构成本发明的工程机械的第2实施方式的预测目标面运算部的处理流程的流程图。
图13B是说明构成本发明的工程机械的第2实施方式的预测目标面运算部的处理的一个例子的概念图。
图14A是表示以往的挖掘支援装置中的目标面获取方法的处理流程的流程图。
图14B是说明以往的挖掘支援装置中的目标面获取方法中的处理的概念图。
图15是说明以往的挖掘支援装置中的目标面获取方法的动作的概念图。
附图标记说明
1：液压挖掘机，5：动臂液压缸，6：斗杆液压缸，11：动臂，12：斗杆，8：铲斗，13a：第1惯性传感器，13b：第2惯性传感器，13c：第3惯性传感器，13d：第4惯性传感器，15：作业机，100：控制装置，140：目标面获取部，141：预测目标面运算部，200：测位装置，300：显示装置
具体实施方式
以下使用附图来说明本发明的工程机械的实施方式。
实施例1
图1是表示具有本发明的工程机械的第1实施方式的液压挖掘机的立体图。如图1所示，液压挖掘机1具有下部行驶体9、上部旋转体10和作业机15。下部行驶体9具有左右的履带式行驶装置，通过左右的行驶液压马达3b、3a(仅示出左侧3b)而被驱动。上部旋转体10能够旋转地搭载在下部行驶体9上，通过旋转液压马达4而被旋转驱动。在上部旋转体10上具有作为原动机的发动机14、和通过发动机14而被驱动的液压泵装置2。由下部行驶体9和上部旋转体10构成车辆主体。
作业机15能够摆动地安装在构成车辆主体的上部旋转体10的前部。在上部旋转体10上具有驾驶室，在驾驶室内配置有行驶用右操作杆装置1a、行驶用左操作杆装置1b、用于对作业机15的动作及旋转动作进行指示的右操作杆装置1c、左操作杆装置1d等操作装置。
作业机15是具有动臂11、斗杆12、铲斗8的多关节构造，动臂11通过动臂液压缸5的伸缩而相对于上部旋转体10在上下方向上摆动，斗杆12通过斗杆液压缸6的伸缩而相对于动臂11在上下及前后方向上摆动，铲斗8通过铲斗液压缸7的伸缩而相对于斗杆12在上下及前后方向上摆动。
另外，为了计算出作业机15的任意点的位置，而具有：检测上部旋转体10相对于水平面的倾斜角度(转动角、俯仰角)及旋转角速度的第1惯性传感器13a；设在上部旋转体10与动臂11的连结部附近且检测动臂11相对于水平面的角度(动臂角度)的第2惯性传感器13b；设在动臂11与斗杆12的连结部附近且检测斗杆12相对于水平面的角度(斗杆角度)的第3惯性传感器13c；和设在斗杆12与铲斗8的连结部附近且检测铲斗8相对于水平面的角度(铲斗角度)的第4惯性传感器13d。将由这些第1至第4惯性传感器13a～13d检测出的角度信号及角速度信号输入到后述的控制装置100中。
为了获取车身位置和车身方位，而在上部旋转体10上安装有GNSS天线16a、16b。GNSS天线16a、16b将从人造卫星等接收到的信号向后述的测位装置200发送。
控制阀20对从液压泵装置2分别向上述的旋转液压马达4、动臂液压缸5、斗杆液压缸6、铲斗液压缸7、左右的行驶液压马达3b、3a等液压执行机构供给的液压油的流动(流量和方向)进行控制。
[挖掘支援装置]
图2是表示本发明的工程机械的第1实施方式的结构图。在图2中，挖掘支援装置具有控制装置100、测位装置200和显示装置300。测位装置200基于通过GNSS天线16a、16b从人造卫星等接收到的信号，来对车身位置和车身方位进行运算，并将其向控制装置100发送。
控制装置100接收由测位装置200运算出的车身位置和车身方位。控制装置100从设计面信息输入部30输入设计面信息，从对右操作杆装置1c设置的操作量检测传感器31、33分别输入动臂操作信号、铲斗操作信号，从对左操作杆装置1d设置的操作量检测传感器32、34分别输入斗杆操作信号、旋转操作信号。另外，控制装置100从第1惯性传感器13a、第2惯性传感器13b、第3惯性传感器13c、第4惯性传感器13d分别输入车身转动角和车身俯仰角及旋转角速度、动臂角度、斗杆角度、铲斗角度。
控制装置100基于这些输入信号来进行运算，并将运算结果向显示装置300发送，并且，基于运算结果来向动臂抬升比例电磁阀21、动臂下降比例电磁阀22、斗杆回收比例电磁阀23、斗杆放出比例电磁阀24分别发送动臂抬升增速信号、动臂下降减速信号、斗杆回收减速信号、斗杆放出减速信号。
由控制装置100进行的运算的详细情况、和由显示装置300进行的显示内容的详细情况将在后叙述。由测位装置200进行的运算与现有技术相同，因此省略其详细的说明。此外，动臂抬升比例电磁阀21、动臂下降比例电磁阀22、斗杆回收比例电磁阀23、斗杆放出比例电磁阀24的排出端口与控制阀20连接，从这些电磁阀排出的液压油驱动控制阀20内的方向控制阀。各电磁阀与控制阀20之间的连接关系与现有技术相同，因此省略其详细的说明。
[控制装置]
使用附图来说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的控制装置100。图3是表示构成本发明的工程机械的第1实施方式的控制装置的框图，图4是表示构成本发明的工程机械的第1实施方式的控制装置的目标面获取部的框图。
如图3所示，控制装置100具有设计面信息存储部110、作业机位置获取部120、作业机速度矢量获取部130、目标面获取部140和动作控制部150。
设计面信息存储部110输入来自设计面信息输入部30的设计面信息信号、和来自测位装置200的车身位置信号，根据设计面信息信号来选择包含距车身位置近的坐标点在内的设计面并确定车身周围设计面信号，向目标面获取部140输出。
作业机位置获取部120与现有技术同样地，输入来自测位装置200的车身位置信号和车身方位信号、来自第1惯性传感器13a的车身转动角、车身俯仰角和旋转角速度、来自第2惯性传感器13b的动臂角度、来自第3惯性传感器13c的斗杆角度、和来自第4惯性传感器13d的铲斗角度，对示出定义设计面的三维坐标系中的作业机上的代表点(例如铲斗8的刃尖的中心)的位置的作业机位置信号进行运算，并向目标面获取部140输出。此外，对于作业机位置信号，以进行运算来推定的情况为例进行了说明，但并不限于此，也可以使用直接检测出的作业机位置信号。
作业机速度矢量获取部130输入来自操作量检测传感器31的动臂操作信号、来自操作量检测传感器32的斗杆操作信号、来自操作量检测传感器33的铲斗操作信号、来自操作量检测传感器34的旋转操作信号、来自后述的动作控制部150的动臂抬升增速信号、动臂下降减速信号、斗杆回收减速信号、斗杆放出减速信号，对示出定义设计面的三维坐标系中的作业机上的代表点(以下记载为作业机位置)的速度矢量的作业机速度矢量信号进行运算，并向目标面获取部140输出。此外，对于作业机15的速度信号，以通过矢量运算进行推定的情况为例进行了说明，但并不限于此，也可以使用直接检测出的作业机15的速度信号。
目标面获取部140输入来自设计面信息存储部110的车身周围设计面信号、来自作业机位置获取部120的作业机位置信号、和来自作业机速度矢量获取部130的作业机速度矢量信号，对主目标面、主目标面距离、预测目标面、预测目标面距离、预测目标面到达时间进行运算，将运算出的各信号向显示装置300发送，并且将主目标面距离、预测目标面距离向动作控制部150输出。
动作控制部150输入来自目标面获取部140的主目标面距离信号、预测目标面距离信号，对动臂抬升增速信号、动臂下降减速信号、斗杆回收减速信号、斗杆放出减速信号进行运算并输出，来分别驱动动臂抬升比例电磁阀21、动臂下降比例电磁阀22、斗杆回收比例电磁阀23、斗杆放出比例电磁阀24，并且也向作业机速度矢量获取部130输出。
[目标面获取部]
如图4所示，目标面获取部140具有预测目标面运算部141和主目标面运算部142。
预测目标面运算部141输入来自设计面信息存储部110的车身周围设计面信号、来自作业机位置获取部120的作业机位置信号、和来自作业机速度矢量获取部130的作业机速度矢量信号，对预测目标面、预测目标面距离、预测目标面到达时间进行运算，并将运算出的各信号输出。
主目标面运算部142输入来自预测目标面运算部141的预测目标面信号、预测目标面距离信号、和来自作业机位置获取部120的作业机位置信号，对主目标面和主目标面距离进行运算，并将运算出的各信号输出。
接下来使用图5A、图5B、图5C来说明由预测目标面运算部141进行的运算的一个例子。图5A是表示构成本发明的工程机械的第1实施方式的预测目标面运算部的处理流程的流程图，图5B是说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的预测目标面运算部的处理的一个例子的概念图，图5C是说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的预测目标面运算部的交叉点运算处理的一个例子的概念图。
本实施方式中的预测目标面运算部141通过图5A所示的处理流程获取作业机15与之接触的可能性高的设计面来作为预测目标面。图5B及5C所示的构成点组的点P0至点P5示出表示设计面的坐标点组，点Pw示出作业机上的代表点(例如铲斗齿尖的中心点)。
首先，在步骤S1411中，进行矢量设定。具体地说，如图5B所示，设定从作为作业机上的代表点的点Pw分别向表示设计面的坐标点P0到P5的坐标点方向矢量(图5B的虚线所示的箭头)。
接着，在步骤S1412中，进行矢量角度运算。具体地说，如图5B所示，基于作为点Pw的速度矢量的作业机速度矢量v与各坐标点方向矢量的内积，来对它们各自所成的角度进行运算。
在步骤S1413中，提取出候选设计面。通常两个矢量所成的角度越小则表示两个矢量的方向越吻合。因此，在本步骤中，基于在步骤S1412中运算出的作为点Pw的速度矢量的作业机速度矢量v和各坐标点方向矢量所成的角度，将包含构成角度最小的坐标点方向矢量的坐标点在内的设计面作为候选设计面提取出。
在步骤S1414中，使用公知的Tomas Moller的交叉判定方法来从候选设计面选择预测目标面。使用图5C来说明步骤S1414的处理的详细情况。在图5C中，若将作业机速度矢量v与候选设计面P1P2P3的交叉点设为Pc，将从坐标点P1向坐标点P2的矢量设为P12，将从坐标点P1向坐标点P3的矢量设为P13，将从坐标点P1向坐标点Pw的矢量设为P1w，则交叉点Pc能够以算式1和算式2来表示。
算式1
Pc＝P12·a+P13·b
算式2
Pc＝P1w+v·t
其中，a、b、t分别是施于矢量P12、P13、v的比率。
接着，若将算式1和算式2联立并整理，则成为算式3，能够根据矢量P12、P13、P1w、v来计算出比率a、b、t。
算式3
[a b t]T＝[P12P13-V]-1·P1w
在此，在比率a、b均为0以上、且比率a、b之和为1以下的情况下，判定成交叉点Pc处于候选设计面P1P2P3的内部，将候选设计面P1P2P3作为预测目标面。另外，由于矢量v为作业机速度矢量，所以比率t表示作为作业机到达交叉点Pc为止的时间的预测目标面到达时间，作业机速度矢量v与比率t之积表示预测目标面距离。在任一个候选设计面均不是预测目标面的情况下，设为没有预测目标面，将预测目标面到达时间和预测目标面距离作为无效值输出。此时，作为运算上的最大值来处理预测目标面距离。
如图5A所示，本实施方式中的预测目标面运算部141在一个控制周期中仅将步骤S1411和步骤S1412实施与坐标点的数量相同的次数。在以往的目标面获取方法中，需要实施两次外积运算和一次内积运算，与此相对，在本发明的本实施方式中，仅实施一次内积运算，且在将设计面限定为候选设计面后再进行交叉判定，因此其处理负荷与以往的目标面获取方法相比减小，效率提高。
接下来，使用图6来说明由主目标面运算部142进行的运算的一个例子。图6是表示构成本发明的工程机械的第1实施方式的主目标面运算部的处理流程的流程图。本实施方式中的主目标面运算部142通过图6所示的处理流程并基于作业机位置来从由设计面信息存储部110存储的多个设计面获取主目标面，并且，根据作为距作业机15最近的设计面的一个控制周期前的主目标面距离和作业机15与预测目标面之间的距离来保持或切换主目标面。
主目标面运算部142在步骤S1421中，判断是否存在预测目标面。具体地说，判断是否从预测目标面运算部141接收到预测目标面信号。在存在预测目标面的情况下，进入到步骤S1422，在除其以外的情况下进入到步骤S1424。
主目标面运算部142在步骤S1422中，对预测目标面距离和一个控制周期前的主目标面距离进行比较，判断预测目标面距离是否小于一个控制周期前的主目标面距离。在预测目标面距离小于一个控制周期前的主目标面距离的情况下，进入到步骤S1423，在除其以外的情况下进入到步骤S1424。
主目标面运算部142在步骤S1423中，进行将预测目标面设为新的主目标面的项目表面切换。另一方面，在步骤S1422中预测目标面距离大于等于一个控制周期前的主目标面距离的情况下，或在步骤S1421中不存在预测目标面的情况下，主目标面运算部142在步骤S1424中，将一个控制周期前的主目标面依旧保持为主目标面。
主目标面运算部142在步骤S1425、S1426、S1427、S1428中，分别进行与作为以往的目标面获取方法而说明的图14A的步骤S001、S002、S003、S004相同的运算，对主目标面距离进行运算。此外，在步骤S1428的内部判定中，在不存在与主目标面相符的设计面的情况下，设为没有主目标面，并将主目标面距离作为无效值输出。此时作为运算上的最大值来处理主目标面距离。
在本实施方式中，主目标面运算部142在一个控制周期中将步骤S1425到步骤S1428分别仅实施一次，因此其处理负荷比基于以往的目标面获取方法和本实施方式的预测目标面运算部141带来的处理负荷小。
另外，将作为作业机15与之接触的可能性高的设计面而获取到的预测目标面设为新的主目标面，因此能够准确地获取成为显示或控制的对象的目标面。
接下来，使用图7A至图7C来说明本实施方式中的目标面获取部140的动作的一个例子。图7A是说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的目标面获取部进行的一个阶段中的动作的概念图，图7B是说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的目标面获取部进行的其他阶段中的动作的概念图，图7C是说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的目标面获取部进行的另一其他阶段中的动作的概念图。图7A至图7C与图15同样地，是例如要在路肩上设置排水用槽的道路的截面形状，图中的涂黑部位是现况地形，图中所示的S1到S7是设计面的截面。
图7A示出作业机15与设计面S1接近的阶段。此时图中的箭头所示的作业机15的速度矢量指向设计面S1，因此在预测目标面运算部141中，将设计面S1选择为预测目标面，并作为预测目标面距离对作业机15与设计面S1之间的距离进行运算。
另外，在主目标面运算部142的运算中，在运算初期，由于没有主目标面，所以作为运算上的最大值来处理主目标面距离。因此，在图6所示的处理流程的步骤S1422中判定成预测目标面距离小于一个控制周期前的主目标面距离，在步骤S1423中将作为预测目标面的设计面S1选择为主目标面。
返回到图7A，然后，在作业机15的速度矢量的方向变化之前，持续将设计面S1选择为预测目标面，并且持续将设计面S1保持为主目标面。
图7B示出使作业机15沿着设计面S1在水平方向上逐步移动的阶段。此时，图中的箭头所示的作业机15的速度矢量指向设计面S5，因此在预测目标面运算部141中，将设计面S5选择为预测目标面，并作为预测目标面距离对作业机15与设计面S5之间的距离进行运算。
另外，在主目标面运算部142的运算中，将设计面S1设定为主目标面，与作业机15与设计面S5之间的距离相比，作业机15与设计面S1之间的距离更小，因此在图6所示的处理流程的步骤S1422中，判定成预测目标面距离大于等于一个控制周期前的主目标面距离，在步骤S1424中持续将设计面S1保持为主目标面。
图7C示出使作业机15沿着设计面S1在水平方向上移动而从设计面S1的上表面脱离的阶段。此时，在图6所示的处理流程的步骤S1428的内部判定中，判定成不存在与主目标面相符的设计面，没有主设计面而将主目标面距离设定为无效值。并且，在下一个控制周期中的步骤S1422中，判定成预测目标面距离小于一个控制周期前的主目标面距离，并在步骤S1423中将作为预测目标面的设计面S5选择为主目标面。
如以上那样，在本实施方式的目标面获取部140中，在图7A的阶段中将设计面S1设为预测目标面且设为主目标面，在图7B的阶段中将设计面S1设为主目标面且将设计面S5设为预测目标面，在图7C的阶段中将设计面S5设为预测目标面且设为主目标面，能够分别准确地进行选择。另外，在图7C的阶段中，避免了将设计面S2等尽管距作业机15近但处于远离的位置上的设计面选择为主目标面或预测目标面的情况。
[动作控制部]
使用图8来说明由动作控制部150进行的运算的一个例子。图8是表示构成本发明的工程机械的第1实施方式的控制装置的动作控制部的框图。
动作控制部150具有：输入主目标面距离信号并输出遵照预先设定的映射的信号的四个函数发生器151～154；输入预测目标面距离信号并输出遵照预先设定的映射的信号的两个函数发生器155、156；和最小值选择器157、158。动作控制部150根据主目标面距离信号和预测目标面距离信号来进行作业机15的速度的修正(抑制)，由此防止作业机15向目标面的侵入等。
函数发生器151和152根据主目标面距离，使用预先确定的映射来分别对动臂抬升增速信号、动臂下降减速信号进行运算并输出。函数发生器151的映射被设定成主目标面距离越向负值增大(作业机15越向主目标面侵入)则使动臂抬升速度越大，函数发生器152的映射被设定成主目标面距离越从正值减小(作业机15越向主目标面接近)则使动臂下降速度越小。由此，以使作业机15与主目标面一致的方式调整动臂速度。
函数发生器153和154根据主目标面距离，使用预先确定的映射来分别对第1斗杆回收减速信号、第1斗杆放出减速信号进行运算并向最小值选择器157、158输出。函数发生器153、154的映射均被设定成主目标面距离越小则使斗杆回收速度或斗杆放出速度越小。由此，能够防止作业机15向主目标面侵入。
函数发生器155和156根据预测目标面距离，使用预先确定的映射来分别对第2斗杆回收减速信号、第2斗杆放出减速信号进行运算并向最小值选择器157、158输出。函数发生器155、156的映射均被设定成预测目标面距离越小则使斗杆回收速度或斗杆放出速度越小。由此，能够防止作业机15向预测目标面侵入。
最小值选择器157选择作为输入信号的第1斗杆回收减速信号和第2斗杆回收减速信号中的最小值并将其作为斗杆回收减速信号输出。同样地最小值选择器158选择作为输入信号的第1斗杆放出减速信号和第2斗杆放出减速信号中的最小值并将其作为斗杆放出减速信号输出。
另外，函数发生器155和156也可以均将映射设定成在作为输入信号的预测目标面距离为0的情况下斗杆回收速度及斗杆放出速度成为0。若像这样设定，则例如在作业机15通过动臂抬升操作而移动时，在作业机15的速度矢量的方向从当时的预测目标面脱离之前，对斗杆的动作进行停止抑制，因此能够更可靠地防止作业机15向预测目标面侵入。此外，当作业机15的速度矢量的方向从当时的预测目标面脱离后，该设计面不再是预测目标面，因此能够开始斗杆的动作。
此外，本实施方式的动作控制部150的说明是以与动臂11和斗杆12相关的速度控制为例进行的，但并不限于此。也可以通过进行构成作业机15的铲斗8的速度控制，来进行作业机15的速度抑制。
[显示装置]
接下来使用附图来说明构成本发明的工程机械的第1实施方式的显示装置300。图9是表示将本发明的工程机械的第1实施方式适用于相邻的两个设计面的情况下的显示装置的显示内容的一个例子的概念图，图10是表示将本发明的工程机械的第1实施方式适用于复杂设计面的情况下的显示装置的显示内容的一个例子的概念图，图11是将本发明的工程机械的第1实施方式适用于一边旋转一边挖掘的情况下的显示装置的显示内容的一个例子的概念图。在图9至图11中，与图1至图8所示的附图标记相同的附图标记的部分是同一部分，因此省略其详细的说明。
在本实施方式中，显示装置300显示作业机15的位置、主目标面PS的位置、预测目标面ES的位置、和由预测目标面距离及预测目标面到达时间构成的预测目标面信息ESI。
在图9的例子中，向操作员报知作业机15与主目标面PS之间的位置关系，同时显示预测目标面ES和预测目标面信息ESI，因此，能够向操作员报知将作业机15向预测目标面ES的侵入防止于未然的减速时刻等。
在图10的例子中，也与图9的例子同样地，能够向操作员报知使作业机15减速的必要性。另外，在本实施方式的挖掘支援装置中，即使在由多个设计面构成的设计面形状复杂的情况下，也能够准确地获取成为显示或控制的对象的预测目标面ES，因此能够向操作员容易理解地报知使作业机15减速的必要性。
在图11的例子中，也与图9、10的例子同样地，能够向操作员报知使作业机15减速的必要性。另外，在本实施方式的挖掘支援装置中，即使在一边旋转一边进行挖掘的情况下，通过基于定义设计面的三维坐标系中的作为三维矢量的作业机速度矢量来获取预测目标面ES，而也能够准确地获取预测目标面ES，从而能够向操作员报知使作业机15减速的必要性。
此外，在本实施方式中，如图9至图11所示，作为预测目标面信息ESI而显示预测目标面到达时间，因此与不考虑作业机15的速度而仅显示预测目标面距离的情况相比能够更有效地向操作员报知使作业机15减速的必要性。由此，能够抑制作业机15向预测目标面ES的侵入。
根据上述的本发明的工程机械的第1实施方式，由于从多个设计面中获取作业机15与之接触的可能性高的设计面来作为目标面，所以能够高效且准确地获取成为显示或控制的对象的目标面。
此外，在本实施方式中，以作为显示装置300的预测目标面信息ESI而示出预测目标面距离和预测目标面到达时间的情况为例进行了说明，但并不限于此。只要示出至少某一方即可。
另外，在本实施方式中，以具有显示装置300和控制装置的动作控制部150的挖掘支援装置为例进行了说明，但并不限于此。只要具有显示装置300和控制装置的动作控制部150中的至少某一方即可。
实施例2
以下使用附图来说明本发明的工程机械的第2实施方式。图12是表示构成本发明的工程机械的第2实施方式的控制装置的目标面获取部的框图，图13A是表示构成本发明的工程机械的第2实施方式的预测目标面运算部的处理流程的流程图，图13B是说明构成本发明的工程机械的第2实施方式的预测目标面运算部的处理的一个例子的概念图。在图12至图13B中，与图1至图11所示的附图标记相同的附图标记的部分是同一部分，因此省略其详细的说明。
在本发明的工程机械的第2实施方式中，挖掘支援装置的结构大致与第1实施方式相同，但在目标面获取部140中，在具有输入主目标面运算部142运算出的主目标面信号且处理内容不同的预测目标面运算部143的方面不同。
如图12所示，在本发明的工程机械的第2实施方式中，控制装置140具有预测目标面运算部143和主目标面运算部142。预测目标面运算部143除了来自设计面信息存储部110的车身周围设计面信号、来自作业机位置获取部120的作业机位置信号、和来自作业机速度矢量获取部130的作业机速度矢量信号以外，还输入来自主目标面运算部142的主目标面信号，对预测目标面、预测目标面距离、预测目标面到达时间进行运算，并将运算出的各信号输出。主目标面运算部142与第1实施方式相同，因此省略其说明。
使用图13A、图13B来说明由预测目标面运算部143进行的运算的一个例子。图13A所示的步骤S1411到步骤S1414与第1实施方式相同，因此省略其说明。预测目标面运算部143在步骤S1415中判断是否获取了预测目标面。在获取了预测目标面的情况下，进入返回，在除其以外的情况下进入到步骤S1416。如图13B所示，在设计面相对于作业机速度矢量v平行的情况等下，没有获取预测目标面。此外，在图13B中，设计面P0P1P2表示主目标面。
预测目标面运算部143在步骤S1416中，进行矢量角度运算。具体地说，如图13B所示，设定从作为作业机上的代表点的点Pw分别向构成主目标面P0P1P2的坐标点P0、P1、P2的坐标点方向矢量(图13B中的虚线箭头)，并基于作业机速度矢量v与各坐标点方向矢量的内积，对它们各自所成的角度进行运算。
预测目标面运算部143在步骤S1417中提取出预测目标面。具体地说，如图13B所示，基于在步骤S1416中运算出的作业机速度矢量v和各坐标点方向矢量所成的角度，选择构成角度最小的坐标点方向矢量的坐标点、和构成角度第二小的坐标点方向矢量的坐标点，将包含这些坐标点在内的设计面作为预测目标面提取出，并且将预测目标面到达时间和预测目标面距离作为无效值输出。
通过由预测目标面运算部143进行以上的运算，不会选择设计面P0P2P6、设计面P0P1P7或设计面P1P7P8地将作业机15前进的方向上且处于距作业机15近的位置的设计面P1P2P3选择为预测目标面，因此能够准确地获取可能成为下一个主目标面的设计面。
根据上述的本发明的工程机械的第2实施方式，能够得到与第1实施方式相同的效果。
此外，本发明并不限于上述的第1及第2实施方式，包含各种变形例。上述的实施方式为了易于理解地说明本发明而详细地进行了说明，并不必限定为具有所说明的全部结构。例如，能够将某实施方式的结构的一部分置换成其他实施方式的结构，另外，也能够对某实施方式的结构添加其他实施方式的结构。另外，对于各实施方式的结构的一部分，也能够进行其他结构的追加、删除、置换。

Claims (7)

1.一种工程机械，具有：车辆主体；作业机，其具有能够相对于所述车辆主体摆动地安装的动臂、能够相对于所述动臂摆动地安装的斗杆、及能够相对于所述斗杆摆动地安装的铲斗；操作杆装置，其对所述动臂、所述斗杆及所述铲斗进行操作；和设计面信息存储部，其将三维的目标地形存储为多个设计面，所述工程机械的特征在于，具有：
作业机速度矢量获取部，其基于所述操作杆装置的操作量来检测或推定所述作业机的速度；
作业机位置获取部，其检测或推定作为所述作业机的代表点的位置的作业机位置；和
目标面获取部，其基于由所述作业机位置获取部检测出或推定出的所述作业机位置及所述作业机的速度矢量，从由所述设计面信息存储部存储的所述多个设计面获取主目标面，并基于所述多个设计面来获取可能成为下一个主目标面的预测目标面，
所述目标面获取部具有预测目标面运算部，该预测目标面运算部基于所述作业机位置，将位于所述作业机的速度矢量的方向上的设计面确定为预测目标面。
2.如权利要求1所述的工程机械，其特征在于，
所述目标面获取部还具有预测目标面运算部，该预测目标面运算部基于所述主目标面的位置，将位于所述作业机的速度矢量的方向上的设计面确定为预测目标面。
3.如权利要求1所述的工程机械，其特征在于，
所述目标面获取部具有主目标面运算部，该主目标面运算部在所述作业机位置与所述预测目标面之间的距离为所述作业机位置与所述主目标面之间的距离以上的情况下，保持获取到的所述主目标面，在所述作业机位置与所述预测目标面之间的距离小于所述作业机位置与所述主目标面之间的距离的情况下，将所述预测目标面切换成新的主目标面。
4.如权利要求1所述的工程机械，其特征在于，
还具有显示所述作业机位置与所述主目标面之间的位置关系的显示装置，
所述显示装置将所述作业机位置与所述预测目标面之间的距离信息、和所述作业机到达所述预测目标面为止的时间信息中的至少某一个作为预测目标面信息来显示。
5.如权利要求1所述的工程机械，其特征在于，
还具有根据所述作业机位置与所述主目标面之间的位置关系来修正所述作业机的速度的动作控制部，
所述动作控制部基于所述预测目标面与所述作业机位置之间的距离来限制所述作业机的速度。
6.如权利要求1所述的工程机械，其特征在于，
所述预测目标面运算部对从所述作业机位置向构成设计面的坐标点的坐标点方向矢量进行运算，基于所述作业机的速度矢量和所述坐标点方向矢量所成的角度来选择坐标点，并将包含所选择的坐标点在内的设计面确定为预测目标面。
7.如权利要求1所述的工程机械，其特征在于，
所述预测目标面运算部对从所述作业机位置向构成所述主目标面的多个坐标点的坐标点方向矢量进行运算，基于所述作业机的速度矢量和所述坐标点方向矢量所成的角度来选择坐标点，并将包含所选择的坐标点在内的设计面确定为预测目标面。
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