CN108779625B - 作业车辆的控制系统、控制方法及作业车辆 - Google Patents

Abstract

一种作业车辆的控制系统，具备现况地形获取装置、存储装置、控制器。现况地形获取装置获取表示作业对象的现况地形的现况地形信息。存储装置存储表示作业对象的最终设计地形的设计地形信息。控制器从现况地形获取装置获取现况地形信息。控制器从存储装置获取设计地形信息。控制器生成使工作装置沿着第一轨迹和第二轨迹移动的指令信号，第一轨迹是沿着现况地形的倾斜的轨迹，第二轨迹是在第一轨迹的前方位于现况地形的上方且位于最终设计地形的下方的轨迹。

Description

作业车辆的控制系统、控制方法及作业车辆

技术领域

本发明涉及一种作业车辆的控制系统、控制方法及作业车辆。

背景技术

以往，提出有在推土机或平地机等作业车辆中自动地调整工作装置的位置的自动控制。例如，在专利文献1中公开有挖掘控制和整地控制。

在挖掘控制中，自动调整推土铲的位置，以使对推土铲施加的负荷与目标负荷一致。在整地控制中，自动调整推土铲的位置，以使推土铲的铲尖沿着表示挖掘对象的目标形状的设计地形移动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特许第5247939号公报

发明内容

发明所要解决的问题

在由作业车辆进行的作业中，除了挖掘作业以外，还有堆土作业。在堆土作业中，作业车辆利用工作装置从挖土部将土挖出。然后，作业车辆将挖出的土堆积在规定位置，并在其上行驶，从而将堆积的土压实。由此，例如能够填埋凹陷的地形，形成平坦的形状。

但是，在上述自动控制中，进行良好的堆土作业较为困难。例如，如图20所示，在整地控制中，以推土铲的铲尖200沿着设计地形100移动的方式自动调整推土铲的位置。因此，当通过整地控制进行堆土作业时，如图20中虚线所示，大量的土同时堆积在作业车辆300跟前的位置。该情况下，堆积的土的厚度大，难以压实堆积的土。因此，存在作业完成质量下降的问题。或者，为了充分地压实堆积的土，需要使作业车辆300在堆积的土上多次行驶。该情况下，存在作业效率降低的问题。

本发明的课题在于，提供一种能够通过自动控制进行高效且施工质量良好的堆土作业的作业车辆的控制系统、控制方法及作业车辆。

用于解决问题的技术方案

第一方面的作业车辆的控制系统具备：现况地形获取装置、存储装置、控制器。现况地形获取装置获取表示作业对象的现况地形的现况地形信息。存储装置存储表示作为作业对象的目标地形的最终设计地形的设计地形信息。控制器从现况地形获取装置获取现况地形信息。控制器从存储装置获取设计地形信息。控制器生成使工作装置沿着第一轨迹和第二轨迹移动的指令信号，第一轨迹是沿着现况地形的倾斜的轨迹，第二轨迹是在第一轨迹的前方位于现况地形的上方且位于最终设计地形的下方的轨迹。

第二方面的作业车辆的控制方法包括以下步骤。在第一步骤中，获取现况地形信息。现况地形信息表示作业对象的现况地形。在第二步骤中，获取设计地形信息。设计地形信息表示作为作业对象的目标地形的最终设计地形。在第三步骤中，生成使工作装置沿着第一轨迹和第二轨迹移动的指令信号，第一轨迹是沿着现况地形的倾斜的轨迹，第二轨迹是在第一轨迹的前方位于现况地形的上方且位于最终设计地形的下方的轨迹。

第三方面的作业车辆具备工作装置和控制器。控制器获取现况地形信息。现况地形信息表示作业对象的现况地形。控制器获取设计地形信息。设计地形信息表示作为作业对象的目标地形的最终设计地形。控制器使工作装置沿着第一轨迹和第二轨迹移动，第一轨迹是沿着现况地形的倾斜的轨迹，第二轨迹是在第一轨迹的前方位于现况地形的上方且位于最终设计地形的下方的轨迹。

发明效果

根据本发明，自动控制工作装置，以使工作装置沿着第二轨迹在现况地形的上方的位置移动。这时，由于工作装置在比最终设计地形靠下方的位置移动，所以与工作装置沿着最终设计地形移动的情况相比，能够将土薄地堆积在现况地形上。因此，能够通过作业车辆容易地压实堆积的土。因此，能够使施工质量提高。另外，能够使作业效率提高。

另外，工作装置在沿着第二轨迹移动之前沿着第一轨迹移动。第一轨迹沿着现况地形的倾斜。因此，在沿着第一轨迹移动时，能够抑制工作装置保有的土变少，在沿着第二轨迹移动时，能够优先使用工作装置保有的土。因此，能够高效地加高位于现况地形的倾斜的前方的部分。

附图说明

图1是表示实施方式的作业车辆的侧视图。

图2是表示作业车辆的驱动系统和控制系统的结构框图。

图3是表示作业车辆的结构的示意图。

图4是表示堆土作业的现况地形、最终设计地形及中间设计地形的一例的图。

图5是表示堆土作业中的工作装置的自动控制处理的流程图。

图6是表示现况地形信息的一例的图。

图7是表示用于确定中间设计地形的处理的流程图。

图8是表示用于确定底高度的处理的图。

图9是表示第一上限高度、第一下限高度、第二上限高度及第二下限高度的图。

图10是表示用于确定中间设计地形的俯仰角的流程图。

图11是表示用于确定第一上限角度的处理的图。

图12是表示用于确定第一下限角度的处理的图。

图13是表示用于确定最短距离角度的处理的图。

图14是表示用于确定最短距离角度的处理的图。

图15是表示用于确定最短距离角度的处理的图。

图16是表示第一变形例的中间设计地形的图。

图17是表示第二变形例的中间设计地形的图。

图18是表示其它实施方式的控制系统的结构框图。

图19是表示其它实施方式的控制系统的结构框图。

图20是表示现有技术的堆土作业的图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式的作业车辆进行说明。图1是表示实施方式的作业车辆1的侧视图。本实施方式的作业车辆1是推土机。作业车辆1具备车体11、行驶装置12、工作装置13。

车体11具有驾驶室14和发动机室15。在驾驶室14内配置有未图示的驾驶座。发动机室15配置于驾驶室14的前方。行驶装置12安装在车体11的下部。行驶装置12具有左右一对履带16。此外，在图1中仅图示有左侧的履带16。通过履带16旋转，作业车辆1行驶。

工作装置13安装于车体11。工作装置13具有提升框架17、推土铲18、提升液压缸19、转角液压缸20、倾斜液压缸21。

提升框架17以沿车宽方向延伸的轴线X为中心能够上下移动地安装于车体11。提升框架17支撑推土铲18。推土铲18配置于车体11的前方。推土铲18随着提升框架17的上下移动而上下移动。

提升液压缸19与车体11和提升框架17连结。通过提升液压缸19进行伸缩，提升框架17以轴线X为中心上下旋转。

转角液压缸20与提升框架17和推土铲18连结。通过转角液压缸20进行伸缩，推土铲18以沿大致上下方向延伸的轴线Y为中心进行旋转。

倾斜液压缸21与提升框架17和推土铲18连结。通过倾斜液压缸21进行伸缩，推土铲18以沿大致车辆前后方向延伸的轴线Z为中心进行旋转。

图2是表示作业车辆1的驱动系统2和控制系统3的结构框图。如图2所示，驱动系统2具备发动机22、液压泵23、动力传递装置24。

液压泵23由发动机22驱动，排出工作油。从液压泵23排出的工作油向提升液压缸19、转角液压缸20、倾斜液压缸21供给。此外，在图2中图示有一个液压泵23，但也可以设置多个液压泵。

动力传递装置24将发动机22的驱动力向行驶装置12传递。动力传递装置24例如可以是HST(静液压传动装置，Hydro Static Transmission)。或者，动力传递装置24例如也可以是具有液力变矩器或多个变速齿轮的变速箱。

控制系统3具备操作装置25、控制器26、控制阀27。操作装置25是用于操纵工作装置13及行驶装置12的装置。操作装置25配置于驾驶室14。操作装置25接收用于驱动工作装置13及行驶装置12的操作员的操作，输出与操作相对应的操作信号。操作装置25包含例如操作杆、踏板、开关等。

控制器26被编程，基于获取的信息控制作业车辆1。控制器26例如包含CPU等处理装置。控制器26从操作装置25获取操作信号。控制器26基于操作信号控制控制阀27。此外，控制器26不限于一体，也可以分成多个控制器。

控制阀27是比例控制阀，根据来自控制器26的指令信号进行控制。控制阀27配置于提升液压缸19、转角液压缸20、倾斜液压缸21等液压致动器和液压泵23之间。控制阀27控制从液压泵23向提升液压缸19、转角液压缸20、倾斜液压缸21供给的工作油的流量。控制器26生成向控制阀27的指令信号，使工作装置13根据上述的操作装置25的操作进行动作。由此，提升液压缸19、转角液压缸20、倾斜液压缸21根据操作装置25的操作量被控制。此外，控制阀27也可以是压力比例控制阀。或者，控制阀27也可以是电磁比例控制阀。

控制系统3具备提升液压缸传感器29。提升液压缸传感器29检测提升液压缸19的行程长度(以下，称为“提升液压缸长度L”)。如图3所示，控制器26基于提升液压缸长度L算出推土铲18的提升角θlift。图3是表示作业车辆1的结构的示意图。

在图3中，工作装置13的原点位置以双点划线表示。工作装置13的原点位置是在水平的地面上推土铲18的铲尖与地面接触的状态下的推土铲18的位置。提升角θlift是工作装置13自原点位置起的角度。

如图2所示，控制系统3具备位置检测装置31。位置检测装置31检测作业车辆1的位置。位置检测装置31具备GNSS接收器32和IMU 33。GNSS接收器32配置在驾驶室14。GNSS接收器32例如是GPS(Global Positioning System)用天线。GNSS接收器32接收表示作业车辆1的位置的车体位置信息。控制器26从GNSS接收器32获取车体位置信息。

IMU 33是惯性测量装置(Inertial Measurement Unit)。IMU 33获取车体倾斜角信息。车体倾斜角信息表示车辆前后方向相对于水平的角度(俯仰角)、以及车辆横方向相对于水平的角度(滚转角)。IMU 33将车体倾斜角信息向控制器26发送。控制器26从IMU 33获取车体倾斜角信息。

控制器26根据提升液压缸长度L、车体位置信息、车体倾斜角信息算出铲尖位置P1。如图3所示，控制器26基于车体位置信息算出GNSS接收器32的全球坐标。控制器26基于提升液压缸长度L算出提升角θlift。控制器26基于提升角θlift和车体尺寸信息算出铲尖位置P1相对于GNSS接收器32的本地坐标。车体尺寸信息存储于存储装置28，表示工作装置13相对于GNSS接收器32的位置。控制器26基于GNSS接收器32的全球坐标、铲尖位置P1的本地坐标和车体倾斜角信息，算出铲尖位置P1的全球坐标。控制器26获取铲尖位置P1的全球坐标作为铲尖位置信息。

如图2所示，控制系统3具备土方量获取装置34。土方量获取装置34获取表示工作装置13的保有土方量的土方量信息。土方量获取装置34生成表示土方量信息的土方量信号，向控制器26发送。在本实施方式中，土方量信息是表示作业车辆1的牵引力的信息。控制器26根据作业车辆1的牵引力算出保有土方量。例如，在具备HST的作业车辆1中，土方量获取装置34是检测供给到HST的液压马达的液压(驱动液压)的传感器。该情况下，控制器26根据驱动液压算出牵引力，根据算出的牵引力算出保有土方量。

或者，土方量获取装置34可以是检测现况地形变化的测量装置。该情况下，控制器26可以根据现况地形变化算出保有土方量。或者，土方量获取装置34也可以是获取通过工作装置13搬送的土的图像信息的摄像头。该情况下，控制器26可以根据图像信息算出保有土方量。

控制系统3具备存储装置28。存储装置28包含例如存储器和辅助存储装置。存储装置28可以是例如RAM或ROM等。存储装置28也可以是半导体存储器或硬盘等。

存储装置28存储设计地形信息。设计地形信息表示最终设计地形的位置及形状。最终设计地形是作业场地中的作业对象的目标地形。控制器26获取现况地形信息。现况地形信息表示作业场地中的作业对象的现况地形的位置及形状。控制器26基于现况地形信息、设计地形信息、铲尖位置信息自动控制工作装置13。

以下，对通过控制器26执行的、堆土作业中的工作装置13的自动控制进行说明。图4是表示最终设计地形60和位于最终设计地形60的下方的现况地形50的一例的图。在堆土作业中，作业车辆1在位于最终设计地形60的下方的现况地形50上堆积土并进行压实，由此使作业对象形成最终设计地形60。

控制器26获取表示现况地形50的现况地形信息。例如，控制器26获取表示铲尖位置P1的轨迹的位置信息作为现况地形信息。因此，位置检测装置31起到获取现况地形信息的现况地形获取装置的作用。

或者，控制器26可以根据车体位置信息和车体尺寸信息算出履带16的底面位置，将表示履带16的底面轨迹的位置信息作为现况地形信息获取。或者，现况地形信息可以根据由作业车辆1外部的测量装置测量的测量数据生成。或者，可以通过摄像头拍摄现况地形50，根据通过摄像头得到的图像数据生成现况地形信息。

如图4所示，在本实施方式中，最终设计地形60水平且平坦。但是，最终设计地形60的一部分或全部也可以是倾斜的。此外，在图4中，从－d2～0的范围内的最终设计地形的高度与现况地形50的高度相同。

控制器26确定位于现况地形50和最终设计地形60之间的中间设计地形70。此外，在图4中，由虚线表示着多个中间设计地形70，但仅在其一部分标注了符号“70”。如图4所示，中间设计地形70位于现况地形50的上方，且位于最终设计地形60的下方。控制器26基于现况地形信息、设计地形信息、土方量信息来确定中间设计地形70。

中间设计地形70被设定在现况地形50的上方的规定距离D1的位置。在每次更新现况地形50时，控制器26将更新的现况地形50的上方规定距离D1的位置确定为下一中间设计地形70。由此，如图4所示，生成叠在现况地形50之上的多个中间设计地形70。对用于确定中间设计地形70的处理稍后将详细进行说明。

控制器26基于表示中间设计地形70的中间地形信息和表示铲尖位置P1的铲尖位置信息，控制工作装置13。具体而言，控制器26生成对工作装置13的指令信号，以使工作装置13的铲尖位置P1沿着中间设计地形70移动。

图5是表示堆土作业中的工作装置13的自动控制处理的流程图。如图5所示，在步骤S101中，控制器26获取当前位置信息。如图6所示，控制器26获取上次确定的基准位置P0的前一个中间设计面70_－1的高度Hm_－1和中间设计面70_－1的俯仰角θm_－1作为当前位置信息。

但是，在堆土作业的初始状态中，控制器26获取基准位置P0的前一个现况面50_－1的高度，以代替上次确定的基准位置P0的前一个中间设计地形70_－1的高度Hm_－1。在堆土作业的初始状态，控制器26获取基准位置P0的前一个现况面50_－1的俯仰角，以代替基准位置P0的前一个中间设计地形70_－1的俯仰角θm_－1。堆土作业的初始状态例如是作业车辆1从后退切换为前进时的状态。

在步骤S102中，控制器26获取现况地形信息。如图6所示，现况地形50包括在作业车辆1的行进方向上从规定的基准位置P0起以每规定间隔d1划分的多个现况面50_1～50_10。基准位置P0例如是在作业车辆1的行进方向上现况地形50开始位于最终设计地形60的下方的位置。换言之，基准位置P0是在作业车辆1的行进方向上现况地形50的高度开始变得比最终设计地形60的高度低的位置。或者，基准位置P0是作业车辆1前方的规定距离的位置。或者，基准位置P0是作业车辆1的铲尖P1的当前位置。或者，基准位置P0也可以是现况地形50的坡顶的位置。此外，在图6中，纵轴表示地形的高度，横轴表示距基准位置P0的距离。

现况地形信息包含在作业车辆1的行进方向上距基准位置P0每规定间隔d1的现况面50_1～50_10的位置信息。即，现况地形信息包含从基准位置P0起向前方至规定距离d10的现况面50_1～50_10的位置信息。

如图6所示，控制器26获取现况面50_1～50_10的高度Ha_1～Ha_10作为现况地形信息。此外，在本实施方式中作为现况地形信息而获取的现况面是10个之前的现况面，但也可以比10个少或比10个多。

在步骤S103中，控制器26获取设计地形信息。如图6所示，最终设计地形60包含多个最终设计面60_1～60_10。因此，设计地形信息包含在作业车辆1的行进方向上每规定间隔d1的最终设计面60_1～60_10的位置信息。即，设计地形信息包含从基准位置P0起向前方至规定距离d10的最终设计面60_1～60_10的位置信息。

如图6所示，控制器26获取最终设计面60_1～60_10的高度Hf_1～Hf_10作为设计地形信息。此外，在本实施方式中作为设计地形信息而获取的最终设计面的数量为10个，但也可以比10个少或比10个多。

在步骤S104中，控制器26获取土方量信息。在此，控制器26获取当前的保有土方量Vs_0。例如，保有土方量Vs_0表示相对于推土铲18容量之比。

在步骤S105中，控制器26确定中间设计地形70。控制器26根据现况地形信息、设计地形信息、土方量信息、当前位置信息，确定中间设计地形70。以下，对于确定中间设计地形70的处理进行说明。

图7是表示用于确定中间设计地形70的处理的流程图。在步骤S201中，控制器26确定底高度Hbottom。在此，控制器26以使底下土方量与保有土方量一致的方式确定底高度Hbottom。

如图8所示，底下土方量表示堆积在底高度Hbottom的下方且现况面50的上方的土方量。例如，控制器26根据底下长度Lb_4～Lb_10的总和与规定距离d1之乘积、保有土方量来算出底高度Hbottom。底下长度Lb_4～Lb_10是从现况地形50朝上方至底高度Hbottom为止的距离。

在步骤S202中，控制器26确定第一上限高度Hup1。第一上限高度Hup1规定中间设计地形70的高度的上限。但是，也可以根据其它条件确定比第一上限高度Hup1靠上方的中间设计地形70。第一上限高度Hup1由以下的式1式规定。

[式1]

Hup1＝MIN(最终设计地形、现况地形+D1)

因此，如图9所示，第一上限高度Hup1位于最终设计地形60的下方且现况地形50上方的规定距离D1的位置。规定距离D1优选为作业车辆1在堆土上行驶1次就能够适当地压实堆土的程度的堆土厚度。

在步骤S203中，控制器26确定第一下限高度Hlow1。第一下限高度Hlow1规定中间设计地形70的高度的下限。但是，也可以根据其它条件确定比第一下限高度Hlow1靠下方的中间设计地形70。第一下限高度Hlow1由以下的式2式规定。

[式2]

Hlow1＝MIN(最终设计地形、MAX(现况地形、底))

因此，如图9所示，当现况地形50位于最终设计地形60的下方且上述的底高度Hbottom的上方时，第一下限高度Hlow1与现况地形50一致。另外，当底高度Hbottom位于最终设计地形60的下方且现况地形50的上方时，第一下限高度Hlow1与底高度Hbottom一致。

在步骤204中，控制器26确定第二上限高度Hup2。第二上限高度Hup2规定中间设计地形70的高度的上限。第二上限高度Hup2由以下的式3式规定。

[式3]

Hup2＝MIN(最终设计地形、MAX(现况地形+D2、底))

因此，如图9所示，第二上限高度Hup2位于最终设计地形60的下方且现况地形50上方的规定距离D2的位置。规定距离D2大于规定距离D1。

在步骤S205中，控制器26确定第二下限高度Hlow2。第二下限高度Hlow2规定中间设计地形70的高度的下限。第二下限高度Hlow2由以下的式4式确定。

[式4]

Hlow2＝MIN(最终设计地形－D3、MAX(现况地形－D3、底))

因此，如图9所示，第二下限高度Hlow2位于现况地形50下方的规定距离D3的位置。第二下限高度Hlow2位于第一下限高度Hlow1下方的规定距离D3的位置。

在步骤S206中，控制器26确定中间设计地形的俯仰角。如图4所示，中间设计地形包含以每规定距离d1划分的多个中间设计面70_1～70_10。控制器26对多个中间设计面70_1～70_10中的每个确定俯仰角。在图4所示的中间设计地形70中，中间设计面70_1～70_4分别具有不同的俯仰角。该情况下，如图4所示，中间设计地形70成为在多个部位弯曲的形状。

图10是表示用于确定中间设计地形70的俯仰角的处理流程图。控制器26通过图10所示的处理，确定基准位置P0起的下一个中间设计面70_1的俯仰角。

如图10所示，在步骤S301，控制器26确定第一上限角度θup1。第一上限角度θup1规定中间设计地形70的俯仰角的上限。但是，根据其它条件，中间设计地形70的俯仰角也可以比第一上限角度θup1大。

如图11所示，第一上限角度θup1是在将中间设计地形70的俯仰角以每间隔d1设为(上次－A1)度时，使得在前方距离d10为止不超过第一上限高度Hup1成立的中间设计面70_1的俯仰角。第一上限角度θup1如以下方式确定。

将中间设计地形7的俯仰角以每间隔d1设为(上次－A1)度时，为了使接下来第n个中间设计面70_n成为第一上限高度Hup1以下的中间设计面70_1的俯仰角θn，由以下的式5式确定。

[式5]

θn＝(Hup1_n－Hm_-1+A1*(n*(n－1)/2))/n

Hup1_n是相对于接下来第n个中间设计面70_n的第一上限高度Hup1。Hm_－1是基准位置P0的前一个中间设计面70_－1的高度。A1是规定的常数。由式5式确定n＝1～10为止的θn，选择这些θn中的最小值作为第一上限角度θup1。此外在图11中，n＝1～10为止的θn中的最小值成为在自基准位置P0起的前方距离d2不超过第一上限高度Hup1的俯仰角θ2。该情况下，选择θ2作为第一上限角度θup1。

但是，当选择的第一上限角度θup1比规定的变化上限值θlimit1大时，选择变化上限值θlimit1作为第一上限角度θup1。变化上限值θlimit1是用于将上次以来的俯仰角变化限制在+A1以下的阈值。

此外，在本实施方式中，基于从基准位置P0起接下来的10个为止的中间设计面70_1～70_10确定俯仰角，但用于俯仰角计算的中间设计面的数量不限于10个，可以比10个少或比10个多。

在步骤S302中，控制器26确定第一下限角度θlow1。第一下限角度θlow1规定中间设计地形70的俯仰角的下限。但是，根据其它条件，中间设计地形70的俯仰角也可以比第一下限角度θlow1小。如图12所示，第一下限角度θlow1是在将中间设计地形70的俯仰角以每间隔d1设为(上次+A1)度时，使得在前方距离d10为止不低于第一下限高度Hlow1成立的中间设计面70_1的俯仰角。第一下限角度θlow1如以下方式确定。

在将中间设计地形70的俯仰角以每间隔d1设为(上次+A1)度时，为了使接下来第n个中间设计地形70成为第一下限高度Hlow1以上的下一个俯仰角θn由以下的式6式确定。

[式6]

θn＝(Hlow1_n－Hm_-1－A1*(n*(n－1)/2))/n

Hlow1_n是相对于接下来第n个中间设计面70_n的第一下限高度Hlow1。由式6式确定n＝1～10为止的θn，选择这些θn中的最大值作为第一下限角度θlow1。此外，在图12中，n＝1～10为止的θn中的最大值成为在自基准位置P0起的前方距离d3不超过第一上限高度Hup1的俯仰角θ3。该情况下，选择θ3作为第一下限角度θlow1。

但是，当选择的第一下限角度θlow1比规定的变化下限值θlimit2小时，选择变化下限值θlimit2作为第一下限角度θlow1。变化下限值θlimit2是用于将上次以来的俯仰角变化限制在－A1以上的阈值。

在步骤S303中，控制器26确定第二上限角度θup2。第二上限角度θup2规定中间设计地形70的俯仰角的上限。第二上限角度θup2是在将中间设计地形70的俯仰角以每间隔d1设为(上次－A1)度时，使得在前方距离d10为止不超过第二上限高度Hup2成立的中间设计面70_1的俯仰角。第二上限角度θup2与第一上限角度θup1同样地由以下的式7式确定。

[式7]

θn＝(Hup2_n－Hm_-1+A1*(n*(n－1)/2))/n

Hup2_n是相对于接下来第n个中间设计面70_n的第二上限高度Hup2。由式7式确定n＝1～10为止的θn，选择这些θn中的最小值作为第二上限角度θup2。

在步骤S304中，控制器26确定第二下限角度θlow2。第二下限角度θlow2规定中间设计地形70的俯仰角的下限。第二下限角度θlow2是在将中间设计地形70的俯仰角以每间隔d1设为(上次+A2)度时，使得在前方距离d10为止不低于第二下限高度Hlow2成立的、自基准位置P0起下一个中间设计地形70的俯仰角。角度A2比上述的角度A1大。第二下限角度θlow2与第一下限角度θlow1同样地由以下的式8式确定。

[式8]

θn＝(Hlow2_n－Hm_-1－A2*(n*(n－1)/2))/n

Hlow2_n是相对于接下来第n个中间设计面70_n的第二下限高度Hlow2。A2是规定的常数。由式8式确定n＝1～10为止的θn，选择这些θn中的最大值作为第二下限角度θlow2。

但是，当选择的第二下限角度θlow2比规定的变化下限值θlimit3小时，选择变化下限值θlimit3作为第一下限角度θlow1。变化下限值θlimit3是将上次以来的俯仰角变化限制在－A2以上的阈值。

在步骤S305中，控制器26确定最短距离角度θs。如图13所示，最短距离角度θs是在第一上限高度Hup1和第一下限高度Hlow1之间中间设计地形70的长度成为最短的中间设计地形70的俯仰角。例如，最短距离角度θs由式9式确定。

[式9]

θs＝MAX(θlow1_1,MIN(θup1_1,MAX(θlow1_2,MIN(θup1_2,···MAX(θlow1_n,MIN(θup1_n,···MAX(θlow1_10,MIN(θup1_10,θm_-1)))···)))

如图14所示，θlow1_n是连结基准位置P0和接下来第n个(在图14中是接下来第4个)第一下限高度Hlow1的直线的俯仰角。θup1_n是连结基准位置P0和接下来第n个第一上限高度Hup1的直线的俯仰角。θm_-1是基准位置P0的前一个中间设计面70_-1的俯仰角。此外，式9式也可以如图15所示。

在步骤S306中，控制器26判定是否满足规定的俯仰角变更条件。俯仰角变更条件是表示形成倾斜了角度－A1以上的中间设计地形70的条件。即，俯仰角变更条件表示生成了缓慢倾斜的中间设计地形70。

具体而言，俯仰角变更条件包含以下第一～第三变更条件。第一变更条件是最短距离角度θs为角度－A1以上。第二变更条件是最短距离角度θs比θlow1_1大。第三变更条件是θlow1_1为角度－A1以上。在满足全部的第一～第三变更条件时，控制器26判定为满足俯仰角变更条件。

在不满足俯仰角变更条件时，进入步骤S307。在步骤S307中，控制器26将在步骤S306中求得的最短距离角度θs确定为目标俯仰角θt。

在满足俯仰角变更条件时，进入步骤S308。在步骤S308中，控制器26将θlow1_1确定为目标俯仰角θt。θlow1_1是沿着第一下限高度Hlow1的俯仰角。

在步骤S309中，控制器26确定指令俯仰角。控制器26由以下的式10式确定指令俯仰角θc。

[式10]

θc＝MAX(θlow2,MIN(θup2,MAX(θlow1,MIN(θup1,θt))))

将如上确定的指令俯仰角确定为是图7的步骤S206中的中间设计面70_1的俯仰角。因此，图5的步骤S105中的中间设计地形70被确定。即，相对于基准位置P0的中间设计地形70，确定形成上述的指令俯仰角的中间设计面70_1。

如图5所示，在步骤S106中，控制器26生成对工作装置13的指令信号。在此，控制器26生成对工作装置13的指令信号，以使工作装置13的铲尖位置P1沿着确定的中间设计地形70移动。另外，控制器26生成对工作装置13的指令信号，以使工作装置13的铲尖位置P1不超过最终设计地形60的上方。生成的指令信号被输入到控制阀27。由此，以工作装置13的铲尖位置P1沿着中间设计地形70移动的方式控制工作装置13。

反复执行图5、图7及图10所示的处理，控制器26获取新的现况地形信息并进行更新。例如，控制器26可以实时获取现况地形信息并更新。或者，控制器26可以在进行规定作业时获取现况地形信息并更新。

控制器26基于已更新的现况地形信息确定下一个中间设计地形70。然后，作业车辆1在再次前进的同时使工作装置13沿着中间设计地形70移动，当到达规定位置时，后退并返回。通过使作业车辆1反复进行这些动作，土被反复堆在现况地形50上。由此，现况地形50逐渐被堆高，其结果，形成最终设计地形60。

通过以上的处理，确定如图4所示的中间设计地形70。具体而言，被确定的中间设计地形70符合以下的条件。

(1)第一条件为，使中间设计地形70比第一上限高度Hup1低。如图4所示，通过第一条件，能够以规定距离D1以内的厚度确定堆叠在现况地形50上的中间设计地形70。因此，如果没有其它条件的制约，能够将堆积的土的堆叠厚度抑制在D1以内。因此，无需为了压实堆积的土而使车辆多次行驶。其结果，能够使作业的效率提高。

(2)第二条件为，使中间设计地形70比第一下限高度Hlow1高。通过第二条件，如果没有其它条件的制约，能够抑制现况地形50被削去。

(3)第三条件为，使每间隔d1的中间设计地形70的俯仰角被限制在(上次－A1)度以内，同时使中间设计地形70接近第一下限高度Hlow1。如图4所示，根据第三条件，能够将朝向下方的俯仰角的变化dθ抑制在A1度以内。因此，能够防止车体姿态的急变，能够以高速进行作业。由此，能够使作业效率提高。另外，特别是能够使坡顶附近的中间设计地形70的倾斜角度变缓，减少在坡顶时的作业车辆1的姿态变化。

(4)第四条件为，使中间设计地形70的俯仰角比第一下限角度θlow1大。根据第四条件，能够将朝向上方的俯仰角的变化dθ抑制在A1度以内。因此，能够防止车体11的姿态急变，并且能够以高速进行作业。由此，能够使作业效率提高。另外，特别是能够使坡脚附近的中间设计地形70的倾斜角度变缓。进而，通过俯仰角的变更，能够抑制中间设计地形70变得低于第一下限高度Hlow1而削去现况地形50。

(5)第五条件为，在最短距离角度θs比第一下限角度θlow1大时，选择最短距离角度θs作为中间设计地形70的俯仰角。如图4所示，通过第五条件，每当重复堆叠时，都能够减少中间设计地形70的弯折点并能够使中间设计地形70的最大倾斜角度变缓。由此，每当重复堆叠时，都能够生成逐渐平滑的中间设计地形。

(6)第六条件为，在满足俯仰角变更条件时，选择沿着第一下限高度Hlow1的θlow1_1作为中间设计地形70的俯仰角。如图4所示，通过第五条件，在作业车辆1的前方附近形成了倾斜角度A1缓慢倾斜的中间设计地形70之后，通过第六条件确定沿着第一下限高度Hlow1的中间设计地形70。

因此，工作装置13沿着图4所示的中间设计地形70a(第一轨迹)和位于第一轨迹前方的中间设计地形70b(第二轨迹)移动。中间设计地形70a(第一轨迹)是沿着现况地形50的倾斜的轨迹。中间设计地形70b(第二轨迹)是沿着上述的底高度Hbottom的轨迹。中间设计地形70a(第一轨迹)和中间设计地形70b(第二轨迹)位于最终设计地形60的下方。

如上，根据第五条件及第六条件，在中间设计地形70的倾斜角度比规定角度A1大时，控制器26以中间设计地形70的倾斜变缓的方式确定中间设计地形70。然后，在中间设计地形70的倾斜角度成为规定角度A1以下时，控制器26以沿着第一下限高度Hlow1的方式确定中间设计地形70。

(7)第七条件为，以底下土方量与保有土方量一致的方式确定底高度Hbottom。通过第七条件，控制器26根据保有土方量使从现况地形50到中间设计地形70为止的规定距离D1变化。因此，能够根据保有土方量变更堆土的堆叠厚度。由此，能够减少残留于推土铲18而不用于堆土的土。

(8)第八条件为，使中间设计地形70的俯仰角比第二上限角度θup2小。如图4所示，通过第八条件，能够将最大堆叠厚度抑制在D2以下。

此外，通过使中间设计地形70的俯仰角比第二上限角度θup2小，在现况地形陡峭的情况下，如图4所示，以削去坡顶的方式确定中间设计面70。

(9)第九条件为，使中间设计地形70的俯仰角比第二下限角度θlow2大。即使通过第八条件使俯仰角减小，通过第九条件，也能够抑制过度削去现况地形50。

根据以上说明的本实施方式的作业车辆1的控制系统3，工作装置13被自动控制成沿着第二轨迹(图4的中间设计地形70b)在比现况地形50靠上方的位置移动。这时，通过工作装置13在比最终设计地形60靠下方的位置移动，与工作装置13沿着最终设计地形60移动的情况相比，能够将土薄地堆积在现况地形上。因此，能够通过作业车辆1将堆积的土容易地压实。由此，能够使作业的施工质量提高。另外，能够使作业效率提高。

另外，工作装置13在沿着第二轨迹(中间设计地形70b)移动之前，沿着第一轨迹(中间设计地形70a)移动。第一轨迹(中间设计地形70a)沿着现况地形50的倾斜。因此，在沿着第一轨迹(中间设计地形70a)移动时，能够抑制工作装置13保有的土变少，在沿着第二轨迹(中间设计地形70b)移动时，能够优先地使用工作装置13所保有的土。因此，能够高效地加高位于现况地形50的倾斜的前方的部分。

以上，对本发明一实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，在不脱离发明构思的范围内可进行各种变更。

作业车辆不限于推土机，也可以是轮式装载机等其它车辆。

确定中间设计地形的处理不限于上述处理，也可以进行变更。例如，上述第一～第九条件的一部分可以变更或省略。或者，也可以追加与第一～第九条件不同的条件。例如，图16是表示第一变形例的中间设计地形70的图。如图16所示，生成倾斜面的倾斜角度一定的中间设计地形70，并且，每次更新中间设计地形70时，可以使倾斜面的倾斜角度逐渐变缓。然后，在倾斜面的倾斜角度成为规定角度以下之后，可以以倾斜面的前方的平坦的现况地形位于上方规定距离D1的方式生成中间设计地形。

在上述实施方式中，现况地形50以从基准位置P0朝向前方下降的方式倾斜。但是，现况地形50也可以以从基准位置P0朝向前方上升的方式倾斜。例如，图17是表示第二变形例中的中间设计地形70的图。如图17所示，现况地形50以从基准位置P0朝向前方上升的方式倾斜。在这样的情况下，如图17所示，控制器也可以确定中间设计地形70。由此，自动控制工作装置13，以使工作装置13的铲尖沿着第一轨迹(中间设计地形70a)和第二轨迹(中间设计地形70b)移动，其中，第一轨迹(中间设计地形70a)是沿着现况地形50的倾斜的轨迹，第二轨迹(中间设计地形70b)是在第一轨迹的前方位于现况地形50的上方且位于最终设计地形60的下方的轨迹。

控制器也可以具有相互分开的多个控制器。例如，如图18所示，控制器可以包含配置于作业车辆1的外部的第一控制器(远程控制器)261和搭载于作业车辆1的第二控制器(车载控制器)262。第一控制器261和第二控制器262能够经由通信装置38、39以无线方式进行通信。而且，上述控制器26的功能的一部分可以通过第一控制器261执行，剩余的功能可以通过第二控制器262执行。例如，确定虚拟设计面70的处理可以通过远程控制器261执行。即，图5所示的从步骤S101至S105的处理可以通过第一控制器261执行。另外，向工作装置13输出指令信号的处理(步骤S106)可以通过第二控制器262执行。

作业车辆可以是能够远程操纵的车辆。该情况下，控制系统的一部分可以配置于作业车辆的外部。例如，控制器可以配置于作业车辆的外部。控制器可以配置于远离作业场地的控制中心内。操作装置也可以配置于作业车辆的外部。该情况下，驾驶室可以从作业车辆省略。或者，也可以省略操作装置。作业车辆可以仅通过控制器的自动控制操作，而不需要操作装置的操作。

现况地形获取装置不限于上述的位置检测装置31，还可以是其它装置。例如，如图19所示，现况地形获取装置可以是接收来自外部装置的信息的接口装置37。接口装置37可以通过无线接收外部测量装置41测量的现况地形信息。或者，接口装置37是记录媒体的读取装置，可以经由记录介质接收外部测量装置41测量的现况地形信息。

工业上的可利用性

根据本发明，可提供一种能够通过自动控制进行高效且施工质量良好的堆土作业的作业车辆的控制系统、控制方法及作业车辆。

附图标记说明

1 作业车辆

3 控制系统

13 工作装置

26 控制器

28 存储装置

31 位置检测装置(现况地形获取装置)

34 土方量获取装置

Claims (16)

1.一种具有工作装置的作业车辆的控制系统，其特征在于，具备：

现况地形获取装置，获取表示作业对象的现况地形的现况地形信息；

存储装置，存储表示作为所述作业对象的目标地形的最终设计地形的设计地形信息；

控制器，

所述控制器从所述现况地形获取装置获取所述现况地形信息，

所述控制器从所述存储装置获取所述设计地形信息，

所述控制器生成使所述工作装置沿着第一轨迹和第二轨迹移动的指令信号，第一轨迹是沿着所述现况地形的倾斜的轨迹，第二轨迹是在所述第一轨迹的前方位于所述现况地形的上方且位于所述最终设计地形的下方的轨迹。

2.如权利要求1所述的作业车辆的控制系统，其特征在于，

所述第二轨迹位于所述现况地形的上方的规定距离的位置。

3.如权利要求2所述的作业车辆的控制系统，其特征在于，

还具备土方量获取装置，所述土方量获取装置生成表示所述工作装置的保有土方量的土方量信号，

所述控制器从所述土方量获取装置获取所述土方量信号，根据所述土方量改变所述规定距离。

4.如权利要求1所述的作业车辆的控制系统，其特征在于，

所述控制器根据所述现况地形信息和所述设计地形信息确定位于所述现况地形的上方且位于所述最终设计地形的下方的中间设计地形，基于所述中间设计地形生成使所述工作装置移动的指令信号。

5.如权利要求4所述的作业车辆的控制系统，其特征在于，

在所述中间设计地形的倾斜角度比规定角度大时，所述控制器以所述中间设计地形的倾斜变缓且位于所述现况地形的上方的方式确定所述中间设计地形，

在所述中间设计地形的倾斜角度成为所述规定角度以下时，所述控制器以沿着所述现况地形的倾斜的方式确定所述中间设计地形。

6.如权利要求1所述的作业车辆的控制系统，其特征在于，

所述控制器具有：

第一控制器，配置于所述作业车辆的外部；

第二控制器，与所述第一控制器通信，配置于所述作业车辆的内部，

所述第一控制器从所述现况地形获取装置获取所述现况地形信息，

所述第一控制器从所述存储装置获取所述设计地形信息，

所述第二控制器生成使所述工作装置移动的所述指令信号。

7.一种具有工作装置的作业车辆的控制方法，其特征在于，包括：

获取表示作业对象的现况地形的现况地形信息的步骤；

获取表示最终设计地形的设计地形信息的步骤，所述最终设计地形表示所述作业对象的目标地形；

生成使所述工作装置沿着第一轨迹和第二轨迹移动的指令信号的步骤，所述第一轨迹是沿着所述现况地形的倾斜的轨迹，第二轨迹是在所述第一轨迹的前方位于所述现况地形的上方且位于所述最终设计地形的下方的轨迹。

8.如权利要求7所述的作业车辆的控制方法，其特征在于，

所述第二轨迹位于所述现况地形的上方的规定距离的位置。

9.如权利要求8所述的作业车辆的控制方法，其特征在于，

还包括生成表示所述工作装置的保有土方量的土方量信号的步骤，

所述规定距离根据所述保有土方量而改变。

10.如权利要求7所述的作业车辆的控制方法，其特征在于，

还包括根据所述现况地形信息和所述设计地形信息确定位于所述现况地形的上方且位于所述最终设计地形的下方的中间设计地形的步骤，

基于所述中间设计地形生成使所述工作装置移动的指令信号。

11.如权利要求10所述的作业车辆的控制方法，其特征在于，

在所述中间设计地形的倾斜角度比规定角度大时，以所述中间设计地形的倾斜变缓且位于所述现况地形的上方的方式确定所述中间设计地形，

在所述中间设计地形的倾斜角度成为所述规定角度以下时，以沿着所述现况地形的倾斜的方式确定所述中间设计地形。

12.一种作业车辆，其特征在于，具备：

工作装置；

控制器，

所述控制器获取表示作业对象的现况地形的现况地形信息，

所述控制器获取表示作为所述作业对象的目标地形的最终设计地形的设计地形信息，

所述控制器使所述工作装置沿着第一轨迹和第二轨迹移动，所述第一轨迹是沿着所述现况地形的倾斜的轨迹，第二轨迹是在所述第一轨迹的前方位于所述现况地形的上方且位于所述最终设计地形的下方的轨迹。

13.如权利要求12所述的作业车辆，其特征在于，

所述第二轨迹位于所述现况地形的上方的规定距离的位置。

14.如权利要求13所述的作业车辆，其特征在于，

还具备土方量获取装置，所述土方量获取装置生成表示所述工作装置的保有土方量的土方量信号，

所述控制器从所述土方量获取装置获取所述土方量信号，根据所述土方量改变所述规定距离。

15.如权利要求12所述的作业车辆，其特征在于，

所述控制器根据所述现况地形信息和所述设计地形信息确定位于所述现况地形的上方且位于所述最终设计地形的下方的中间设计地形，基于所述中间设计地形生成使所述工作装置移动的指令信号。

16.如权利要求15所述的作业车辆，其特征在于，

在所述中间设计地形的倾斜角度比规定角度大时，所述控制器以所述中间设计地形的倾斜变缓且位于所述现况地形的上方的方式确定所述中间设计地形，

在所述中间设计地形的倾斜角度成为所述规定角度以下时，所述控制器以沿着所述现况地形的倾斜的方式确定所述中间设计地形。

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