CN109729719A - 作业机械的控制系统以及作业机械的控制方法 - Google Patents

作业机械的控制系统以及作业机械的控制方法 Download PDF

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Abstract

作业机械的控制系统包括：泵最大流量计算部，其计算由液压泵排出的液压油的最大流量；第1目标速度计算部，其基于为了驱动多个液压致动器而被操作的操作装置的操作量以及铲斗与目标挖掘地形之间的距离，计算作业机的第1目标速度，该多个液压致动器被供给由液压泵排出的液压油来驱动包括铲斗的上述作业机；第2目标速度计算部，其基于最大流量、操作装置的操作量以及铲斗与目标挖掘地形之间的距离，计算作业机的第2目标速度；以及作业机控制部，其基于第1目标速度以及第2目标速度中较小一方的目标速度，输出用于控制液压致动器的控制信号。

Description

作业机械的控制系统以及作业机械的控制方法
技术领域
本发明涉及一种作业机械的控制系统以及作业机械的控制方法。
背景技术
在涉及液压挖掘机这样的作业机械的技术领域中，已知有如专利文献1所公开的、以使作业机沿着表示挖掘对象的目标形状的目标挖掘地形移动的方式控制作业机的作业机械。
专利文献1：WO2015/137528
发明内容
在使用作业机的挖掘作业中，在挖掘初期(挖掘开始时)有可能发生作业机的前端部沉陷的现象。作为作业机的前端部沉陷的原因，可举出在挖掘初期作业机被操作以高速移动的情况。若作业机的前端部沉陷，则存在作业机的前端部超过目标挖掘地形、挖掘精度下降的可能性。
本发明的方案的目的在于，提供一种能够抑制挖掘精度的下降的技术。
根据本发明的方案，提供了一种作业机械的控制系统，其是包括作业机的作业机械的控制系统，该作业机具有铲斗、斗杆以及动臂，该作业机械的控制系统包括：泵最大流量计算部，其计算由液压泵排出的液压油的最大流量；第1目标速度计算部，其基于为了驱动多个液压致动器而被操作的操作装置的操作量以及上述铲斗与目标挖掘地形之间的距离，计算上述作业机的第1目标速度，该多个液压致动器被供给由上述液压泵排出的上述液压油来驱动上述作业机；第2目标速度计算部，其基于上述最大流量、上述操作装置的操作量以及上述铲斗与目标挖掘地形之间的距离，计算上述作业机的第2目标速度；以及作业机控制部，其基于上述第1目标速度以及上述第2目标速度中较小一方的目标速度，输出用于控制上述液压致动器的控制信号。
根据本发明的方案，提供了一种能够抑制挖掘精度的下降的技术。
附图说明
图1为表示本实施方式涉及的液压挖掘机的一个示例的立体图。
图2为示意性地表示本实施方式涉及的液压挖掘机的一个示例的侧视图。
图3为用于说明基于本实施方式涉及的作业机控制而被驱动的作业机的动作的一个示例的示意图。
图4为表示本实施方式涉及的液压系统的一个示例的示意图。
图5为表示本实施方式涉及的液压系统的一个示例的示意图。
图6为表示本实施方式涉及的控制装置的一个示例的功能框图。
图7为用于说明本实施方式涉及的作业机的目标速度的决定方法的图。
图8为用于说明本实施方式涉及的平整辅助控制的示意图。
图9为表示本实施方式涉及的阈值和距离与铲斗的目标速度的关系的一个示例的图。
图10为表示本实施方式涉及的最大流量与要求流量的关系的一个示例的图。
图11为表示本实施方式涉及的液压挖掘机的控制方法的一个示例的流程图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明涉及的实施方式进行说明，但本发明不限定于此。以下说明的各实施方式的构成要素可以进行适当组合。此外，也存在不使用一部分构成要素的情况。
作业机械
图1表示本实施方式涉及的作业机械100的一个示例的立体图。在本实施方式中，对作业机械100为液压挖掘机的示例进行说明。在以下的说明中，可将作业机械100称为液压挖掘机100。
如图1所示，液压挖掘机100包括：基于液压动作的作业机1、支承作业机1的上部回转体2、支承上部回转体2的下部行走体3、用于操作作业机1的操作装置40、以及控制作业机1的控制装置50。上部回转体2能够以由下部行走体3支承的状态，以回转轴RX为中心回转。
上部回转体2具有：供操作者搭乘的驾驶室4、收纳发动机17以及液压泵42的发动机室5、以及扶手6。驾驶室4具有供操作者落座的驾驶席4S。发动机室5配置于驾驶室4的后方。扶手6配置于发动机室5的前方。
下部行走体3具有一对履带7。通过履带7的旋转，液压挖掘机100行走。另外，下部行走体3也可以是车轮(轮胎)。
作业机1由上部回转体2支承。作业机1具有：具有齿尖10的铲斗11、与铲斗11连接的斗杆12、以及与斗杆12连接的动臂13。铲斗11的齿尖10可以是设置于铲斗11的凸状铲齿的前端部，也可以是设置于铲斗11的直线状铲齿的前端部。
铲斗11与斗杆12的前端部连接。斗杆12的基端部与动臂13的前端部连接。动臂13的基端部与上部回转体2连接。
铲斗11与斗杆12通过铲斗销连接。铲斗11由斗杆12支承成能够以旋转轴AX1为中心旋转。斗杆12与动臂13通过斗杆销连接。斗杆12由动臂13支承成能够以旋转轴AX2为中心旋转。动臂13与上部回转体2通过动臂销连接。动臂13由上部回转体2支承成能够以旋转轴AX3为中心旋转。
另外，铲斗11也可以是倾斜斗。倾斜斗是指基于铲斗倾斜缸的动作，能够在车宽方向上倾斜的铲斗。在液压挖掘机100在倾斜地上工作的情况下，通过铲斗11在车宽方向上倾斜，能够对斜面或者平地顺畅地进行形状整理或者平整。
操作装置40配置于驾驶室4。操作装置40包括由液压挖掘机100的操作者操作的操作部件。操作部件包括操作杆或者控制杆。通过操作部件被操作，作业机1被操作。
控制装置50包括计算机系统。控制装置50具有：包括CPU(Central ProcessingUnit,中央处理器)这样的处理器的运算处理装置、ROM(Read Only Memory，只读存储器)或者RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)这样的存储装置、以及输入输出接口装置。
图2为示意性地表示本实施方式涉及的液压挖掘机100的侧视图。如图1及图2所示，液压挖掘机100具有驱动作业机1的液压缸20。液压缸20为驱动作业机1的液压致动器，设有多个。由液压泵42排出的液压油被供给到液压缸20。液压缸20由液压油驱动。液压缸20包括：驱动铲斗11的铲斗缸21、驱动斗杆12的斗杆缸22、以及驱动动臂13的动臂缸23。
如图2所示，液压挖掘机100具有：配置于铲斗缸21的铲斗缸行程传感器14、配置于斗杆缸22的斗杆缸行程传感器15、以及配置于动臂缸23的动臂缸行程传感器16。铲斗缸行程传感器14检测表示铲斗缸21的动作量的动臂行程。斗杆缸行程传感器15检测表示斗杆缸22的动作量的斗杆行程。动臂缸行程传感器16检测表示动臂缸23的动作量的动臂行程。
液压挖掘机100包括检测上部回转体2的位置的位置检测装置30。位置检测装置30包括：检测在全局坐标系中规定的上部回转体2的位置的车身位置检测器31、检测上部回转体2的姿态的姿态检测器32、以及检测上部回转体2的方位的方位检测器33。
全局坐标系(XgYgZg坐标系)是指表示由全球定位系统(Global PositioningSystem：GPS)规定的绝对位置的坐标系。局部坐标系(XmYmZm坐标系)是指表示基于液压挖掘机100的上部回转体2的基准位置Ps的相对位置的坐标系。上部回转体2的基准位置Ps例如设定于上部回转体2的回转轴RX。另外，上部回转体2的基准位置Ps也可以设定于旋转轴AX3。通过位置检测装置30，检测在全局坐标系中规定的上部回转体2的三维位置、上部回转体2相对于水平面的姿态角、以及上部回转体2相对于基准方位的方位。
车身位置检测器31包括GPS接收器。车身位置检测器31检测在全局坐标系中规定的上部回转体2的三维位置。车身位置检测器31检测上部回转体2的Xg方向的位置、Yg方向的位置、以及Zg方向的位置。
在上部回转体2设有多个GPS天线31A。GPS天线31A从GPS卫星接收电波，并将基于接收到的电波的信号向车身位置检测器31输出。车身位置检测器31基于由GPS天线31A供给的信号，检测在全局坐标系中规定的GPS天线31A的设置位置P1。车身位置检测器31基于GPS天线31A的设置位置P1，检测上部回转体2的绝对位置Pg。
车身位置检测器31分别检测2个GPS天线31A中一方的GPS天线31A的设置位置P1a以及另一方的GPS天线31A的设置位置P1b。车身位置检测器31A基于设置位置P1a与设置位置P1b实施运算处理，检测上部回转体2的绝对位置Pg以及方位。在本实施方式中，上部回转体2的绝对位置Pg为设置位置P1a。另外，上部回转体2的绝对位置Pg也可以是设置位置P1b。
姿态检测器32包括惯性测量装置(Inertial Measurement Unit：IMU)。姿态检测器32设置于上部回转体2。姿态检测器32配置于驾驶室4的下部。姿态检测器32检测上部回转体2相对于水平面(XgYg平面)的姿态角。上部回转体2相对于水平面的姿态角包括：上部回转体2在车宽方向上的姿态角θa、以及上部回转体2在前后方向上的姿态角θb。
方位检测器33具有以下功能：基于一方的GPS天线31A的设置位置P1a与另一方的GPS天线31A的设置位置P1b，检测上部回转体2相对于在全局坐标系中规定的基准方位的方位。基准方位例如为北。方位检测器33基于设置位置P1a与设置位置P1b实施运算处理，检测上部回转体2相对于基准方位的方位。方位检测器33计算将设置位置P1a与设置位置P1b连接的直线，并基于计算出的直线与基准方位形成的姿态角θc，检测上部回转体2相对于基准方位的方位。
另外，方位检测器33也可以与位置检测装置30分开设置。方位检测器33也可以使用磁性传感器检测上部回转体2的方位。
液压挖掘机100包括齿尖位置检测器34，其检测齿尖10相对于上部回转体2的基准位置Ps的相对位置。
在本实施方式中，齿尖位置检测器34基于铲斗缸行程传感器14的检测结果、斗杆缸行程传感器15的检测结果、动臂缸行程传感器16的检测结果、铲斗11的长度L11、斗杆12的长度L12、以及动臂13的长度L13，计算齿尖10相对于上部回转体2的基准位置Ps的相对位置。
齿尖位置检测器34基于铲斗缸行程传感器14的检测数据，计算铲斗11的齿尖10相对于斗杆12的姿态角θ11。齿尖位置检测器34基于斗杆缸行程传感器15的检测数据，计算斗杆12相对于动臂13的姿态角θ12。齿尖位置检测器34基于动臂缸行程传感器16的检测数据，计算动臂13相对于上部回转体2的Z轴的姿态角θ13。
铲斗11的长度L11为铲斗11的齿尖10与旋转轴AX1(铲斗销)之间的距离。斗杆12的长度L12为旋转轴AX1(铲斗销)与旋转轴AX2(斗杆销)之间的距离。动臂13的长度L13为旋转轴AX2(斗杆销)与旋转轴AX3(动臂销)之间的距离。
齿尖位置检测器34基于姿态角θ11、姿态角θ12、姿态角θ13、长度L11、长度L12、以及长度L13，计算齿尖10相对于上部回转体2的基准位置Ps的相对位置。
此外，齿尖位置检测器34基于由位置检测装置30检测出的上部回转体2的绝对位置Pg、以及上部回转体2的基准位置Ps与齿尖10的相对位置，计算齿尖10的绝对位置Pb。绝对位置Pg与基准位置Ps的相对位置是基于液压挖掘机100的设计数据或者规格数据导出的已知数据。因此，齿尖位置检测器34基于上部回转体2的绝对位置Pg、上部回转体2的基准位置Ps与齿尖10的相对位置、以及液压挖掘机100的设计数据或者规格数据，能够计算齿尖10的绝对位置Pb。
另外，在本实施方式中，在姿态角θ11、θ12、θ13的检测中使用缸行程传感器14、15、16，但也可以不使用缸行程传感器14、15、16。例如，齿尖位置检测器34也可以使用电位计等角度传感器或者水平仪等，检测铲斗11的姿态角θ11、斗杆12的姿态角θ12、以及动臂13的姿态角θ13。
作业机的动作
操作装置40为了对驱动作业机1的多个液压致动器20进行驱动而被操作。通过对操作装置40进行操作，可以实施铲斗11的倾卸动作、铲斗11的挖掘动作、斗杆12的倾卸动作、斗杆12的挖掘动作、动臂13的上升动作、以及动臂13的下降动作。
通过铲斗缸21伸长，铲斗11进行挖掘动作，通过铲斗缸21缩短，铲斗11进行倾卸动作。通过斗杆缸22伸长，斗杆12进行挖掘动作，通过斗杆缸22缩短，斗杆12进行倾卸动作。通过动臂缸23伸长，动臂13进行上升动作，通过动臂缸23缩短，动臂13进行下降动作。
在本实施方式中，操作装置40包括：配置在落座于驾驶席4S的操作者的右侧的右操作杆、以及配置在左侧的左操作杆。
平整辅助控制
图3为用于说明基于本实施方式涉及的平整辅助控制而被驱动的作业机2的动作的一个示例的示意图。
平整辅助控制是指，以使铲斗11沿着表示挖掘对象的目标形状的目标挖掘地形移动的方式对作业机1进行的控制。在平整辅助控制中，以使铲斗11不超过目标挖掘地形的方式，控制动臂缸23以使动臂13进行上升动作。
在平整辅助控制中，铲斗11以及斗杆12基于由操作者对操作装置40进行的操作而被驱动。动臂13基于由控制装置50作出的控制而被驱动。
如图3所示，在本实施方式中，以使铲斗11的齿尖10沿着目标挖掘地形移动的方式，实施平整辅助控制。
液压系统
接着，对本实施方式涉及的液压系统300的一个示例进行说明。包括铲斗缸21、斗杆缸22、以及动臂缸23的液压缸20通过液压系统300动作。通过操作装置40以及控制装置50中的至少一方操作液压缸20。
图4为表示使斗杆缸22动作的液压系统300的一个示例的示意图。通过操作装置40的操作，斗杆12实施挖掘动作以及倾卸动作2种动作。使斗杆缸22动作的液压系统300包括：通过方向控制阀41向斗杆缸22供给液压油的液压泵42、供给先导油的液压泵43、与方向控制阀41连接并供先导油流过的油路44A、44B、与操作装置40连接并供先导油流过的油路47A、47B、与油路44A、44B以及油路47A、47B分别连接并调整作用于方向控制阀41的先导压力的控制阀45A、45B、配置于油路47A、47B的压力传感器49A、49B、以及对控制阀45A、45B进行控制的控制装置50。
液压泵42由发动机17驱动。发动机17为液压挖掘机1的动力源。发动机17例如为柴油发动机。液压泵42与发动机17的输出轴连接，通过发动机17的驱动排出液压油。液压缸20基于由液压泵42排出的液压油动作。
液压泵42为可变容量型液压泵。在本实施方式中，液压泵42为斜盘式液压泵。液压泵42的斜盘由伺服机构18驱动。通过由伺服机构18对斜盘的角度进行调整，液压泵42的容量(cc/rev)被调整。液压泵42的容量是指，与液压泵42连接的发动机17的输出轴旋转1周时由液压泵42排出的液压油的排出量(cc/rev)。
控制阀45A、45B为电磁比例控制阀。从液压泵43送出的先导油通过操作装置40以及油路47A、47B，被供给到控制阀45A、45B。另外，从液压泵42送出并经减压阀减压的先导油也可以被供给到控制阀45A、45B。控制阀45A、45B基于来自控制装置50的控制信号，调整作用于方向控制阀41的先导压力。控制阀45A调整油路44A的先导压力。控制阀45B调整油路44B的先导压力。
方向控制阀41控制液压油的流量以及液压油的流动方向。由液压泵42供给的液压油通过方向控制阀41被供给到斗杆缸22。方向控制阀41切换对斗杆缸22的盖侧油室20A的液压油的供给与对杆侧油室20B的液压油的供给。盖侧油室20A为缸盖罩与活塞之间的空间。杆侧油室20B为配置活塞杆的空间。
操作装置40与液压泵43连接。从液压泵43送出的先导油被供给到操作装置40。另外，从液压泵42送出并经减压阀减压的先导油也可以被供给到操作装置40。
图5为表示使动臂缸23动作的液压系统300的一个示例的示意图。通过操作装置40的操作，动臂13实施上升动作以及下降动作2种动作。使动臂缸23动作的液压系统300包括：液压泵42、液压泵43、方向控制阀41、供先导油流过的油路44A、44B、44C、配置于油路44C的控制阀45C、配置于油路44A、44B的压力传感器46A、46B、以及对控制阀45C进行控制的控制装置50。
控制阀45C为电磁比例控制阀。控制阀45C基于来自控制装置50的指令信号调整先导压力。控制阀45C调整油路44C的先导压力。
通过操作装置40被操作，与操作装置40的操作量对应的先导压力作用于方向控制阀41。方向控制阀41的阀芯根据先导压力移动。基于阀芯的移动量，调整从液压泵42通过方向控制阀41向动臂缸23供给的每单位时间的液压油的供给量。
在本实施方式中，为了进行平整辅助控制，在油路44C设有控制阀45C，其基于由控制装置50输出的与平整辅助控制相关的控制信号而动作。在油路44C中流有从液压泵43送出的先导油。油路44B以及油路44C与梭阀48连接。梭阀48将油路44B以及油路44C中先导压力较高的一方的油路的先导油向方向控制阀41供给。控制阀45C基于为了实施平整辅助控制而由控制装置50输出的控制信号被控制。
不实施平整辅助控制时，控制装置50不向控制阀45C输出控制信号，以使方向控制阀41基于根据操作装置40的操作被调整的先导压力而被驱动。例如，控制装置50以控制阀45C关闭油路44C，以使方向控制阀41基于根据操作装置40的操作被调整的先导压力而被驱动。
实施平整辅助控制时，控制装置50对控制阀45C进行控制，以使方向控制阀41基于由控制阀45C调整后的先导压力而被驱动。例如，在实施限制动臂13的移动的平整辅助控制的情况下，控制装置50使控制阀45C为全开状态，以成为与动臂目标速度对应的先导压力。若油路44C的先导压力大于油路44B的先导压力，则来自控制阀45C的先导油通过梭阀48被供给到方向控制阀41。由此，动臂缸23伸长，动臂13进行上升动作。
铲斗缸21基于操作装置40的操作量而动作。省略对使铲斗缸21动作的液压系统300的说明。
另外，操作装置40也可以是电方式的操作装置。例如，操作装置40也可以具有如电操作杆这样的操作部件、以及如对操作部件的倾倒量进行电检测的电位计这样的动作量传感器。动作量传感器的检测数据向控制装置50输出。控制装置50获取动作量传感器的检测数据，作为操作装置40的操作量。控制装置50也可以基于动作量传感器的检测数据，输出用于驱动方向控制阀41的控制信号。此外，方向控制阀41也可以由如电磁阀这样的以电力动作的致动器驱动。
控制系统
接着，对本实施方式涉及的液压挖掘机100的控制系统200进行说明。图6为表示本实施方式涉及的控制系统200的一个示例的功能框图。
如图6所示，控制系统200包括：控制作业机1的控制装置50、位置检测装置30、齿尖位置检测器34、控制阀45(45A、45B、45C)、压力传感器46(46A、46B)、压力传感器49(49A、49B)、以及目标挖掘地形数据生成装置70。
如上所述，包括车身位置检测器31、姿态检测器32、以及方位检测器33的位置检测装置30检测上部回转体2的绝对位置Pg。在以下的说明中，可将上部回转体2的绝对位置Pg称为车身位置Pg。
控制阀45(45A、45B、45C)调整向液压缸20供给的液压油的流量。控制阀45基于来自控制装置50的控制信号而动作。压力传感器46(46A、46B)检测油路44(44A、44B)的先导压力。压力传感器49(49A、49B)检测油路47(47A、47B)的先导压力。压力传感器46的检测数据以及压力传感器49的检测数据被输出到控制装置50。
目标挖掘地形数据生成装置70包括计算机系统。目标挖掘地形数据生成装置70生成表示挖掘对象的目标形状的目标挖掘地形。目标挖掘地形表示由作业机1施工后得到的三维目标形状。
另外，目标挖掘地形数据生成装置70与控制装置50也可以通过有线连接，从目标挖掘地形数据生成装置70向控制装置50发送目标挖掘地形。另外，也可以是：目标挖掘地形数据生成装置70包括存储目标挖掘地形的存储媒介，控制装置50具有能够从该存储媒介读取表示目标挖掘地形的数据的装置。
控制装置50包括计算机系统。控制装置50具有运算处理装置50A、存储装置50B、以及输入输出接口装置50C。
运算处理装置50A具有：车身位置数据获取部51、铲斗位置数据获取部52、目标挖掘地形数据获取部53、距离数据获取部54、操作量数据获取部56、泵最大流量计算部57、第1目标速度计算部58、第2目标速度计算部60、以及作业机控制部61。
车身位置数据获取部51从位置检测装置30通过输入输出接口装置50C获取表示车身位置Pg的车身位置数据。车身位置检测器31基于GPS天线31的设置位置P1a以及设置位置P1b中的至少一方，检测车身位置Pg。车身位置数据获取部51从车身位置检测器31获取表示车身位置Pg的车身位置数据。
铲斗位置数据获取部52从齿尖位置检测器34通过输入输出接口装置50C获取包括铲斗11的位置的铲斗位置数据。铲斗位置数据包括齿尖10相对于上部回转体2的基准位置Ps的相对位置。
目标挖掘地形数据获取部53利用由目标挖掘地形数据生成装置70提供的表示目标挖掘地形的数据与铲斗11的位置，生成与铲斗11的位置对应的目标挖掘地形数据。
距离数据获取部54基于由铲斗位置数据获取部52获取的铲斗11的位置、以及由目标挖掘地形数据获取部53生成的目标挖掘地形，计算铲斗11与目标挖掘地形之间的距离D。
另外，铲斗11与目标挖掘地形之间的距离D可以是铲斗11的齿尖10与目标挖掘地形之间的距离，也可以是包括铲斗11的底面的铲斗11的任意的位置与目标挖掘地形之间的距离。
操作量数据获取部56获取表示操作作业机1的操作装置40的操作量的操作量数据。铲斗11的操作量、斗杆12的操作量、以及动臂13的操作量与压力传感器46的检测数据或者压力传感器49的检测数据相关联。表示操作装置40的操作量与压力传感器46的检测数据或者压力传感器49的检测数据的关联性的关联性数据通过预备试验或者模拟而事先求出，并存储于存储装置50B。操作量数据获取部56能够基于压力传感器46的检测数据或者压力传感器49的检测数据、以及存储于存储装置50B的关联性数据，计算操作装置40的操作量。
例如，操作量数据获取部56能够基于压力传感器49A、49B的检测数据、以及存储于存储装置50B的关联性数据，获取表示操作斗杆12的操作装置40(左操作杆)的操作量的数据。同样地，操作量数据获取部56能够基于压力传感器46A、46B的检测数据、以及存储于存储装置50B的关联性数据，获取表示操作动臂13的操作装置40(右操作杆)的操作量的数据。
泵最大流量计算部57计算由液压泵42排出的液压油的最大流量Qmax。最大流量Qmax是指，在某个时间点液压泵42能够排出的液压油的流量Q(l/min)的上限值。在操作装置40未被操作的状态下，由液压泵42以包括“0”的少量的流量Qmin排出液压油。以从操作装置40的操作开始的操作开始时间点起逐渐增加而到达液压泵42能够排出的最大流量Qmax的方式，确定最大流量Qmax的特征。
最大流量Qmax例如基于液压泵42的容量(cc/rev)以及驱动液压泵42的发动机17的转速(rpm)中的至少一方来计算。泵最大流量计算部57例如能够基于液压泵42的容量的上限值以及发动机17的转速的上限值，计算最大流量Qmax。另外，在液压挖掘机1的驾驶室4设有节流拨盘的情况下，操作者能够操作节流拨盘来设定发动机17的转速的上限值。泵最大流量计算部57能够基于节流拨盘的操作量计算最大流量Qmax。即，从操作开始时间点起逐渐增加的最大流量Qmax，在到达基于节流拨盘的操作量的最大流量Qmax时成为定值。基于节流拨盘的操作量，定值会变动。
第1目标速度计算部58基于操作装置40的操作量以及铲斗11与目标挖掘地形之间的距离D，计算作业机1的第1目标速度。即，第1目标速度计算部58基于操作装置40的操作量以及距离D，计算第1目标速度。
第1目标速度包括：铲斗缸21的铲斗缸目标速度Vbk、斗杆缸22的斗杆缸目标速度Var、以及动臂缸23的动臂缸目标速度Vbm。
如参照图3所说明的，在铲斗11的至少一部分存在于平整辅助控制范围内时，平整辅助控制被实施。在铲斗11不存在于平整辅助控制范围内的情况下，基于操作装置40的操作量驱动作业机2。
另一方面，在铲斗11存在于平整辅助范围内的情况下，第1目标速度计算部58基于操作装置40的操作量以及铲斗11与目标挖掘地形之间的距离D计算第1目标速度。
即，目标挖掘地形与铲斗11之间的距离D为阈值H以下而实施平整辅助控制时，第1目标速度计算部58基于操作装置40的操作量以及距离D计算作业机限制速度Vt。作业机限制速度Vt表示基于操作装置40的操作量以及距离D计算出的用于平整辅助控制的作业机1整体的限制速度。距离D越小，作业机限制速度Vt也越小，距离D变成“0”时，作业机限制速度Vt也变成“0”。
作业机限制速度Vt表示作业机1整体的限制速度。作业机1整体的速度是指，铲斗11、斗杆12、以及动臂13驱动时的铲斗11的实际的动作速度。此外，第1目标速度计算部58基于作业机限制速度Vt计算动臂缸目标速度Vbm。第1目标速度计算部58基于由操作者对操作装置40的操作量计算斗杆缸目标速度Vam与铲斗缸目标速度Vbk。即，在本实施方式中，第1目标速度计算部58计算作业机限制速度Vt，并且计算动臂缸目标速度Vbm，以抵消作业机1整体的速度与作业机限制速度Vt之间的偏差，该作业机1整体的速度基于由操作量数据获取部56获取的至少是斗杆操作量以及铲斗操作量。在第1目标速度计算部58中，铲斗11的动作以及斗杆12的动作基于由操作者对操作装置40的操作。在平整辅助控制中，在通过操作装置40操作铲斗11以及斗杆12的状态下，第1目标速度计算部58计算进行上升动作的动臂10的动臂缸目标速度Vbm，以使铲斗11的齿尖10沿着目标挖掘地形移动。
第2目标速度计算部60基于由泵最大流量计算部57计算出的最大流量Qmax、操作装置40的操作量以及距离D，计算作业机1的第2目标速度。即，第2目标速度计算部60基于最大流量Qmax、操作装置40的操作量以及距离D，计算第2目标速度。
第2目标速度计算部60计算动臂缸23为了使动臂13以动臂缸目标速度Vbm动作而要求的液压油的要求流量Qdbm。第2目标速度计算部60计算斗杆缸22为了使斗杆12以斗杆缸目标速度Var动作而要求的液压油的要求流量Qdar。
在以下的说明中，可将多个液压缸20的要求流量Qd之和称为合计流量Qdal。另外，铲斗缸21的要求流量Qdbk少于斗杆缸22的要求流量Qdar以及动臂缸23的要求流量Qdbm的情况较多。因此，在本实施方式中，为了使说明变得简单，设合计流量Qdal为斗杆缸22的要求流量Qdar与动臂缸23的要求流量Qdbm之和。
作业机1的第2目标速度是指，通过基于最大流量Qmax与作业机限制速度Vt对目标速度进行再运算而计算出的铲斗缸目标速度Vbk、斗杆缸目标速度Var、以及动臂缸目标速度Vbm；该最大流量Qmax是由泵最大流量计算部57计算出的，该作业机限制速度Vt是根据操作装置40的操作量以及距离D计算出的。如上所述，第1目标速度计算部58基于操作装置40的操作量以及距离D，计算第1目标速度。第2目标速度计算部60基于最大流量Qmax、操作装置40的操作量以及距离D，计算第2目标速度。
在本实施方式中，第2目标速度计算部60计算平整辅助控制中的作业机1的第2目标速度，以使表示斗杆缸22的要求流量Qdar与动臂缸23的要求流量Qdbm之和的合计流量Qdal为由泵最大流量计算部57计算出的最大流量Qmax。
即，在本实施方式中，第2目标速度计算部60将由泵最大流量计算部57计算出的最大流量Qmax与基于操作装置40的操作量以及距离D计算出的作业机限制速度Vt作为约束条件，分别对由第1目标速度计算部58计算出的铲斗缸目标速度Vbk、斗杆缸目标速度Var、以及动臂缸目标速度Vbm进行再运算，计算斗杆缸目标速度Var以及动臂缸目标速度Vbm的再运算值。
在设：最大流量为Qmax；以达到作业机限制速度Vt的方式使作业机1动作时的、基于斗杆缸22的动作的铲斗11的速度为Vs；以达到作业机限制速度Vt的方式使作业机1动作时的斗杆缸22的要求流量为Qdar；以达到作业机限制速度Vt的方式使作业机1动作时的、基于动臂缸23的动作的铲斗11的速度为Vb；以达到作业机限制速度Vt的方式使作业机1动作时的动臂缸23的要求流量为Qdbm时，第2目标速度计算部60对以下方程组进行运算处理，计算斗杆缸目标速度Var以及动臂缸目标速度Vbm的再运算值；该最大流量是由泵最大流量计算部57计算出的，该作业机限制速度Vt是基于操作装置40的操作量以及距离D计算出的。即，第2目标速度计算部60通过以使斗杆缸22的要求流量Qdar与动臂缸23的要求流量Qdbm之和满足最大流量Qmax并且达到作业机限制速度Vt的方式，求取基于斗杆缸22的动作的铲斗11的速度Vs以及基于动臂缸23的动作的铲斗11的速度Vb，来计算各液压缸的要求流量的再运算值。
在以下的说明中，可将由第1目标速度计算部58计算出的斗杆缸目标速度Var称为再运算前的斗杆缸目标速度Var_b，将由第2目标速度计算部60通过再运算计算出的斗杆缸目标速度Var称为再运算后的斗杆缸目标速度Var_a。此外，可将由第1目标速度计算部58计算出的动臂缸目标速度Vbm称为再运算前的动臂缸目标速度Vbm_b，将由第2目标速度计算部60通过再运算计算出的动臂缸目标速度Vbm称为再运算后的动臂缸目标速度Vbm_a。即，在本实施方式中，第1目标速度为再运算前的作业机1的目标速度，第2目标速度为再运算后的作业机1的目标速度。
作业机控制部61以使作业机1以目标速度动作的方式，向控制阀45输出用于控制液压缸20的控制信号。在本实施方式中，作业机控制部61基于第1目标速度以及第2目标速度中较小的一方的目标速度，输出控制液压缸20的控制信号。
图7为用于说明本实施方式涉及的作业机1的目标速度的决定方法的图。在图7所示的图表中，横轴表示从开始平整辅助控制的时间点起的经过时间，纵轴表示斗杆12以及动臂13的目标速度。
开始平整辅助控制的时间点是指，距离D从大于阈值H的状态变成阈值D的时间点。
例如，作业机控制部61比较再运算前的斗杆缸目标速度Var_b与再运算后的斗杆缸目标速度Var_a，在判定为再运算前的斗杆缸目标速度Var_b小于再运算后的斗杆缸目标速度Var_a时，将斗杆缸目标速度Var决定为再运算前的斗杆缸目标速度Var_b。作业机控制部61以使斗杆缸22以再运算前的斗杆缸目标速度Var_b动作的方式，向控制阀45(45A、45B)输出控制信号。
此外，作业机控制部61比较再运算前的斗杆缸目标速度Var_b与再运算后的斗杆缸目标速度Var_a，在判定为再运算后的斗杆缸目标速度Var_a小于再运算前的斗杆缸目标速度Var_b时，将斗杆缸目标速度Var决定为再运算后的斗杆缸目标速度Var_a。作业机控制部61以使斗杆缸22以再运算后的斗杆缸目标速度Var_a动作的方式，向控制阀45(45A、45B)输出控制信号。
在图7中，线Var_f表示已决定的斗杆缸目标速度Var。
同样地，作业机控制部61比较再运算前的动臂缸目标速度Vbm_b与再运算后的动臂缸目标速度Vbm_a，在判定为再运算前的动臂缸目标速度Vbm_b小于再运算后的动臂缸目标速度Vbm_a时，将动臂缸目标速度Vbm决定为再运算前的动臂缸目标速度Vbm_b。作业机控制部61以使动臂缸23以再运算前的动臂缸目标速度Vbm_b动作的方式，向控制阀45(45C)输出控制信号。
此外，作业机控制部61比较再运算前的动臂缸目标速度Vbm_b与再运算后的动臂缸目标速度Vbm_a，在判定为再运算后的动臂缸目标速度Vbm_a小于再运算前的动臂缸目标速度Vbm_b时,将动臂缸目标速度Vbm决定为再运算后的动臂缸目标速度Vbm_a。作业机控制部61以使动臂缸23以再运算后的动臂缸目标速度Vbm_a动作的方式，向控制阀45(45C)输出控制信号。
在图7中，线Vbm_f表示已决定的动臂缸目标速度Vbm。
向控制阀45输出的控制信号与液压缸20的动作速度以及作业机1的动作速度之间的关联性数据已被预先求取，并存储于存储装置50B。作业机控制部61能够以以液压缸目标速度Var，Vbm动作的方式决定控制信号并向控制阀45输出。
图8为用于说明本实施方式涉及的平整辅助控制的示意图。如图8所示，规定有速度限制干预线SH。速度限制线SH与目标挖掘地形平行，规定于离开目标挖掘地形距离H的位置。距离H为针对铲斗11与目标挖掘地形之间的距离D规定的阈值。距离H优选设定为不会影响操作者的操作手感。
距离数据获取部54获取在目标挖掘地形的法线方向上的铲斗11与目标挖掘地形之间的最短距离即距离D。在图8所示的示例中，将铲斗11的齿尖10与目标挖掘地形之间的距离规定为距离D。此外，第2目标速度计算部60在距离D为阈值H以下时，根据上述的方程组，决定铲斗缸目标速度Vbk、斗杆缸目标速度Var、以及动臂缸目标速度Vbm。
图9为表示本实施方式中的阈值H和距离D与铲斗11的作业机限制速度Vt的关系的一个示例的图。在距离D大于阈值H时不设定作业机限制速度Vt，在距离D为阈值H以下时设定作业机限制速度Vt。距离D越小，作业机限制速度也越小，当距离D为“0”时，作业机限制速度Vt也为“0”。在本实施方式中，设铲斗11从目标挖掘地形的下方向上方移动时的速度为正值，设铲斗11从目标挖掘地形的上方向下方移动时的速度为负值。第2目标速度计算部60以使距离D越大作业机限制速度Vt的绝对值也越大、距离D越小作业机限制速度Vt的绝对值也越小的方式，来决定作业机限制速度Vt。
最大流量与要求流量的关系
图10为表示本实施方式涉及的最大流量Qmax与要求流量Qd的关系的一个示例的图。
在图10所示的图表中，横轴表示从开始平整辅助控制的时间点t1(第1时间点)起的经过时间，纵轴表示液压油的流量(l/min)。
开始平整辅助控制的时间点t1是指，距离D从比阈值H大的状态变成阈值D的时间点。在图10所示的示例中，在时间点t1，最大流量Qmax显示为“0”，但也可以是正的值。
在图10中，线Qmax为由泵最大流量计算部57计算出的最大流量。线Qdar为斗杆缸22的要求流量。线Qdbr为动臂缸23的要求流量。
如图10所示，最大流量Q在开始平整辅助控制的时间点t1为第1流量Q1，并以在从时间点t1起经过了规定时间后的时间点t2(第2时间点)成为大于第1流量Q1的第2流量Q2的方式，在时间点t1与时间点t2之间的规定期间内逐渐增加。在本实施方式中，在时间点t1与时间点t2之间，最大流量Qmax与时间成比例地增加。另外，最大流量Qmax的增加率(斜率)与操作装置40的操作量的大小无关，总是固定的。
在经过时间点t2后的期间中，最大流量Qmax维持在第2流量Q2。在本实施方式中，第2流量Q2例如为液压泵42的容量以及发动机17的转速分别表示最大值时的最大流量Qmax。即，在经过时间点t2后的期间中，最大流量Q基于斜盘被控制在最大角度、液压泵42为最大容量且发动机17以最高转速驱动时的条件而被决定。
在本实施方式中，在挖掘初期从开始平整辅助控制起的规定期间内最大流量Qmax的值较小。最大流量Qmax表示合计流量Qdal的限制值，该合计流量Qdal表示要求流量Qdar与要求流量Qdbm之和。即，通过将最大流量Qmax限制为较小值，将要求流量Qdar以及要求流量Qdbm也限制为较小值。
另外，如上所述，泵最大流量计算部57可以在不超出液压泵42能够排出的泵最大流量的范围内设定泵最大流量Qmax。此外，也可以以在规定时间内流量Q从第1流量Q1增加到第2流量Q2的方式，调整流量Q的增加率。
控制方法
接着，参照图11对本实施方式涉及的液压挖掘机100的控制方法进行说明。图11为表示本实施方式涉及的液压挖掘机100的控制方法的流程图。
目标挖掘地形被从目标挖掘地形数据生成装置70向控制装置50提供。目标挖掘地形数据获取部53获取由目标挖掘地形数据生成装置70提供的目标挖掘地形(步骤SP10)。
表示铲斗11的位置的数据被从齿尖位置检测器34向控制装置50提供。铲斗位置数据获取部52从齿尖位置检测器34获取铲斗11的位置(步骤SP20)。
距离数据获取部54基于由铲斗位置数据获取部52获取的铲斗11的位置、以及由目标挖掘地形数据获取部53生成的目标挖掘地形，计算铲斗11与目标挖掘地形之间的距离D(步骤SP30)。
操作量数据获取部56获取表示对驱动作业机1的液压缸20进行操作的操作装置40的操作量的数据(步骤SP40)。
操作量数据获取部56能够基于压力传感器49A、49B的检测数据，获取操作斗杆12的操作装置40的操作量。此外，操作量数据获取部56能够基于压力传感器46A、46B的检测数据，获取操作动臂13的操作装置40的操作量。
第1目标速度计算部58基于操作装置40的操作量、以及铲斗11与目标挖掘地形之间的距离D，计算作业机1的第1目标速度(步骤SP50)。
第1目标速度包括：再运算前的铲斗缸目标速度Vbk_b、再运算前的斗杆缸目标速度Var_b、以及再运算前的动臂缸目标速度Vbm_b。
泵最大流量计算部57计算由液压泵42排出的液压油的最大流量Qmax(步骤SP60)。如参照图10所说明的，最大流量Qmax在开始平整辅助控制的时间点t1为第1流量Q1，在从时间点t1起经过了规定时间后的时间点t2成为大于第1流量Q1的第2流量Q2，而在时间点t1与时间点t2之间的规定期间内逐渐增加。
第2目标速度计算部60基于由泵最大流量计算部57计算出的最大流量Qmax、操作装置40的操作量、以及铲斗11与目标挖掘地形之间的距离D，计算作业机1的第2目标速度(步骤SP70)。
第2目标速度包括：再运算后的铲斗缸目标速度Vbk_a、再运算后的斗杆缸目标速度Var_a、以及再运算后的动臂缸目标速度Vbm_a。第2目标速度计算部60基于上述的方程组实施运算处理，计算第2目标速度。
作业机控制部61比较由第1目标速度计算部58基于距离D计算出的第1目标速度与由第2目标速度计算部58计算出的第2目标速度(步骤SP80)。
作业机控制部61将第1目标速度以及第2目标速度中较小的一方决定为平整辅助控制中的作业机1的目标速度。作业机控制部61基于决定出的目标速度，输出控制液压缸20的控制信号(步骤SP90)。
作业机控制部61以使作业机1以目标速度动作的方式，输出控制液压缸20的控制阀45的控制信号。
效果
如以上所说明的，根据本实施方式，在平整辅助控制中，以设定好液压泵42的最大流量Qmax的状态，计算第1目标速度与第2目标速度。液压缸20基于第1目标速度与第2目标速度中较小的一方的目标速度被控制。由此，在不超出液压泵42的排出能力的范围内，液压油以适当的流量被供给给多个液压缸20。因此，可以抑制作业机1的沉陷，也可以抑制挖掘精度的下降。
此外，在本实施方式中，以使表示多个液压缸20的要求流量Qd之和的合计流量Qdal为最大流量Qmax以下的方式，计算第2目标速度。由此，在平整辅助控制中，可以获得斗杆12的动作速度与动臂13的动作速度的平衡，抑制作业机1的沉陷。
此外，在本实施方式中，在挖掘初期即时间点t1与时间点t2之间的规定期间中，最大流量Qmax被限制。由此，在平整辅助控制中，可以抑制斗杆12以高速进行动作。因此，在挖掘初期，可以抑制作业机1沉陷现象的发生。此外，最大流量Qmax在时间点t1与时间点t2之间的规定期间内逐渐增加。由此，能够逐渐提高斗杆12的动作速度，因此能够抑制作业机1的沉陷，同时抑制作业性能的下降。
此外，在本实施方式中，在经过时间点t2后，例如，最大流量Qmax基于在液压泵42成为最大容量、发动机17以最高转速驱动时的条件而被决定。由此，在挖掘初期经过后，能够使作业机1以高速动作。因此，能够抑制作业机1的沉陷，同时抑制作业性能的下降。
另外，在上述的实施方式中，操作装置40设置于液压挖掘机100。也可以是：操作装置40设置于远离液压挖掘机100的远离位置，远程操作液压挖掘机100。在作业机1被远程操作的情况下，从设置于远离位置的操作装置40将表示作业机1的操作量的控制信号向液压挖掘机100无线发送。控制装置50的操作量数据获取部56获取表示无线发送的操作量的控制信号。
另外，在上述的实施方式中，作业机械100为液压挖掘机100。在上述的实施方式中说明的控制装置50以及控制方法，除液压挖掘机100以外，也可以应用于所有具有作业机的作业机械。
符号说明
1…作业机、2…上部回转体、3…下部行走体、4…驾驶室、4S…驾驶席、5…发动机室、6…扶手、7…履带、10…齿尖、11…铲斗、12…斗杆、13…动臂、14…铲斗缸行程传感器、15…斗杆缸行程传感器、16…动臂缸行程传感器、17…发动机、18…伺服机构、20…液压缸、20A…盖侧油室、20B…杆侧油室、21…铲斗缸、22…斗杆缸、23…动臂缸、30…位置检测装置、31…车身位置检测器、31A…GPS天线、32…姿态检测器、33…方位检测器、34…齿尖位置检测器、40…操作装置、41…方向控制阀、42…液压泵、43…液压泵、44A、44B、44C…油路、45A、45B、45C…控制阀、46A、46B…压力传感器、47A、47B…油路、48…梭阀、49A、49B…压力传感器、50…控制装置、50A…运算处理装置、50B…存储装置、50C…输入输出接口装置、51…车身位置数据获取部、52…铲斗位置数据获取部、53…目标挖掘地形数据获取部、54…距离数据获取部、56…操作量数据获取部、57…泵最大流量计算部、58…第1目标速度计算部、60…第2目标速度计算部、61…作业机控制部、70…目标挖掘地形数据生成装置、100…液压挖掘机(作业机械)、200…控制系统、300…液压系统、AX1…旋转轴、AX2…旋转轴、AX3…旋转轴、L11…长度、L12…长度、L13…长度、Pb…齿尖的绝对位置、Pg…上部回转体的绝对位置、RX…回转轴、θ11…姿态角、θ12…姿态角、θ13…姿态角。

Claims (6)

1.一种作业机械的控制系统，其是包括作业机的作业机械的控制系统，所述作业机具有铲斗、斗杆以及动臂，所述作业机械的控制系统的特征在于，包括：
泵最大流量计算部，其计算由液压泵排出的液压油的最大流量；
第1目标速度计算部，其基于为了驱动多个液压致动器而被操作的操作装置的操作量以及所述铲斗与目标挖掘地形之间的距离，计算所述作业机的第1目标速度，所述多个液压致动器被供给由所述液压泵排出的所述液压油来驱动所述作业机；
第2目标速度计算部，其基于所述最大流量、所述操作装置的操作量以及所述铲斗与目标挖掘地形之间的距离，计算所述作业机的第2目标速度；以及
作业机控制部，其基于所述第1目标速度以及所述第2目标速度中较小一方的目标速度，输出用于控制所述液压致动器的控制信号。
2.根据权利要求1所述的作业机械的控制系统，其特征在于：
所述第2目标速度计算部以使合计流量为所述最大流量以下的方式，计算所述第2目标速度，所述合计流量表示多个所述液压致动器的所述要求流量之和。
3.根据权利要求2所述的作业机械的控制系统，其特征在于：
所述液压致动器包括驱动所述斗杆的斗杆缸以及驱动所述动臂的动臂缸，
所述合计流量表示所述斗杆缸的所述要求流量与所述动臂缸的所述要求流量之和。
4.根据权利要求2或3所述的作业机械的控制系统，其特征在于：
所述第1目标速度计算部在所述距离大于阈值时基于所述操作量计算所述第1目标速度，在所述距离为阈值以下时基于所述距离计算所述第1目标速度，
所述最大流量在所述距离从大于所述阈值的状态变成了所述阈值的第1时间点为第1流量，并以在从所述第1时间点起经过了规定时间后的第2时间点成为大于所述第1流量的第2流量的方式，在所述第1时间点与所述第2时间点之间的规定期间内增加。
5.根据权利要求4所述的作业机械的控制系统，其特征在于：
基于所述液压泵的容量以及驱动所述液压泵的发动机的转速中的至少一方，计算所述最大流量，
所述第2流量为所述容量以及所述转速分别表示最大值时的所述最大流量。
6.一种作业机械的控制方法，其是包括作业机的作业机械的控制方法，所述作业机具有铲斗、斗杆以及动臂，所述作业机械的控制方法的特征在于，包括：
计算由液压泵排出的液压油的最大流量；
基于为了驱动多个液压致动器而被操作的操作装置的操作量以及所述铲斗与目标挖掘地形之间的距离，计算所述作业机的第1目标速度，所述多个液压致动器被供给由所述液压泵排出的所述液压油来驱动所述作业机；
基于所述最大流量、所述操作装置的操作量以及所述铲斗与目标挖掘地形之间的距离，计算所述作业机的第2目标速度；以及
基于所述第1目标速度以及所述第2目标速度中较小一方的目标速度，输出用于控制所述液压致动器的控制信号。
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