CN113272497A - 工程机械的控制系统、工程机械及工程机械的控制方法 - Google Patents

工程机械的控制系统、工程机械及工程机械的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的工程机械的控制系统包括：设计面获取部，其获取表示施工对象的目标形状的设计面；目标值生成部，其生成作业机的控制量的目标值；预测部，其根据目标值和作业机的预测模型，计算作业机的控制量的预测值，并根据预测值和设计面，计算用于控制作业机的驱动量；以及指令部，其根据驱动量，输出用于控制作业机的控制指令。

Description

工程机械的控制系统、工程机械及工程机械的控制方法
技术领域
本发明涉及工程机械的控制系统、工程机械、以及工程机械的控制方法。
背景技术
工程机械涉及的技术领域中，已知有如专利文献1所公开那样的工程机械的控制系统，其使作业机的铲斗按照表示施工对象的目标形状的设计面移动。
专利文献1:国际公开第2014/167718号
发明内容
作业机利用液压而工作。设计面有时会由不同坡度的多个面构成。铲斗经过不同坡度的面的交界时，如果发生控制延迟，则铲斗有可能无法完全按照设计面作业。其结果，铲斗挖入设计面，而有可能无法将施工对象施工成所期望的形状。
本发明的目的在于，将施工对象挖掘成所期望的形状。
根据本发明，提供一种工程机械的控制系统，该工程机械具备作业机，该系统包括：设计面获取部，其获取表示施工对象的目标形状的设计面；目标值生成部，其生成所述作业机的控制量的目标值；预测部，其根据所述目标值和所述作业机的预测模型，计算所述作业机的控制量的预测值，并根据所述预测值和所述设计面，计算用于控制所述作业机的驱动量；以及指令部，其根据所述驱动量，输出用于控制所述作业机的控制指令。
根据本发明，能够将施工对象挖掘成所期望的形状。
附图说明
图1是表示本实施方式涉及的工程机械的一个示例的立体图。
图2是表示本实施方式涉及的工程机械的控制系统的框图。
图3是示意性表示本实施方式涉及的工程机械的图。
图4是示意性表示本实施方式涉及的铲斗的图。
图5是表示本实施方式涉及的控制装置的功能框图。
图6是用于说明本实施方式涉及的目标平移速度计算部的铲斗目标平移速度计算方法的图。
图7是表示本实施方式涉及的控制速度表的一个示例的图。
图8是用于说明本实施方式涉及的目标转速计算部的铲斗目标转速计算方法的图。
图9是表示本实施方式涉及的设计面的一个示例的图。
图10是表示本实施方式涉及的设计面的一个示例的图。
图11是表示本实施方式涉及的工程机械的控制方法的流程图。
图12是表示以本实施方式涉及的控制方法控制作业机的情况与以对比例涉及的控制方法控制作业机的情况的比较结果的图。
图13是表示以本实施方式涉及的控制方法控制作业机的情况与以对比例涉及的控制方法控制作业机的情况的比较结果的图。
图14是表示本实施方式涉及的计算机系统的一个示例的框图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明涉及的实施方式，但本发明并不限于此。以下说明的各实施方式的结构要素可适当组合。此外还可以存在不使用部分结构要素的情况。
在以下说明中，规定三维车身坐标系(X，Y，Z)来说明各部分的位置关系。车身坐标系是指以固定于工程机械的原点为基准的坐标系。车身坐标系由X轴、Y轴和Z轴规定，其中，X轴以设定于工程机械的原点为基准而在规定方向上延伸，Y轴与X轴正交，Z轴分别与X轴及Y轴正交。与X轴平行的方向设为X轴方向。与Y轴平行的方向设为Y轴方向。与Z轴平行的方向设为Z轴方向。以X轴为中心的旋转或倾斜方向设为θX方向。以Y轴为中心的旋转或倾斜方向设为θY方向。以Z轴为中心的旋转或倾斜方向设为θZ方向。
工程机械
图1是表示本实施方式涉及的工程机械100的一个示例的立体图。在本实施方式中说明的是工程机械100为液压挖掘机的示例。在以下说明中，可将工程机械100称为液压挖掘机100。
如图1所示，液压挖掘机100具备：利用液压而工作的作业机1、支承作业机1的回转体2、以及支承回转体2的行走体3。回转体2具有搭乘驾驶员的驾驶室4。驾驶室4配置有供驾驶员就座的座椅4S。回转体2可在支承于行走体3的状态下以回转轴RX为中心回转。
行走体3具有一对履带3C。液压挖掘机100通过履带3C的旋转而行走。另外，行走体3也可以具有轮胎。
作业机1支承于回转体2。作业机1具有连接于回转体2的动臂6、连接于动臂6的前端部的斗杆7、以及连接于斗杆7的前端部的铲斗8。铲斗8具有刃尖9。在本实施方式中，铲斗8的刃尖9为直线状斗刃的前端部。另外，铲斗8的刃尖9也可以是设于铲斗8的凸状铲齿的前端部。
动臂6能够以动臂轴AX1为中心相对于回转体2旋转。斗杆7能够以斗杆轴AX2为中心相对于动臂6旋转。铲斗8能够分别以铲斗轴AX3、侧倾轴AX4以及旋动轴AX5为中心相对于斗杆7旋转。动臂轴AX1、斗杆轴AX2和铲斗轴AX3与Y轴平行。侧倾轴AX4与铲斗轴AX3正交。旋动轴AX5分别与铲斗轴AX3及侧倾轴AX4正交。回转轴RX与Z轴平行。X轴方向是回转体2的前后方向。Y轴方向是回转体2的车宽方向。Z轴方向是回转体2的上下方向。以坐在座椅4S上的驾驶员为基准而作业机1存在的方向为前方。
图2是表示本实施方式涉及的液压挖掘机100的控制系统200的框图。图3是示意性表示本实施方式涉及的液压挖掘机100的图。图4是示意性表示本实施方式涉及的铲斗8的图。
如图2所示，液压挖掘机100的控制系统200具备：发动机5；驱动作业机1的多个液压缸10；驱动回转体2的回转马达16；排出液压油的液压泵17；将从液压泵17排出的液压油分别分配给多个液压缸10和回转马达16的阀装置18；计算回转体2的位置数据的位置运算装置20；检测作业机1的角度θ的角度检测装置30；操作作业机1和回转体2的操作装置40；以及控制装置50。
作业机1利用由液压缸10产生的动力而工作。液压缸10基于由液压泵17提供的液压油进行驱动。液压缸10包括：使动臂6工作的动臂缸11；使斗杆7工作的斗杆缸12；使铲斗8工作的铲斗缸13；侧倾缸14；以及旋动缸15。动臂缸11产生使动臂6以动臂轴AX1为中心旋转的动力。斗杆缸12产生使斗杆7以斗杆轴AX2为中心旋转的动力。铲斗缸13产生使铲斗8以铲斗轴AX3为中心旋转的动力。侧倾缸14产生使铲斗8以侧倾轴AX4为中心旋转的动力。旋动缸15产生使铲斗8以旋动轴AX5为中心旋转的动力。
以下说明中，可将铲斗8以铲斗轴AX3为中心的旋转称为铲斗旋转，可将铲斗8以侧倾轴AX4为中心的旋转称为侧倾旋转，可将铲斗8以旋动轴AX5为中心的旋转称为旋动旋转。
回转体2利用由回转马达16产生的动力而回转。回转马达16为液压马达，基于由液压泵17提供的液压油进行驱动。回转马达16产生使回转体2以回转轴RX为中心回转的动力。
发动机5搭载于回转体2。发动机5产生用于驱动液压泵17的动力。
液压泵17排出用于驱动液压缸10和回转马达16的液压油。
阀装置18具有多个阀门，用于将从液压泵17提供的液压油分配给多个液压缸10和回转马达16。阀装置18对向多个液压缸10分别提供的液压油的流量进行调整。通过调整向液压缸10提供的液压油的流量，能够调整液压缸10的工作速度。阀装置18对向回转马达16提供的液压油的流量进行调整。通过调整向回转马达16提供的液压油的流量，能够调整回转马达16的旋转速度。
位置运算装置20计算回转体2的位置数据。回转体2的位置数据包括：回转体2的位置、回转体2的姿势和回转体2的方位。位置运算装置20具有：用于计算回转体2的位置的位置运算器21；用于计算回转体2的姿势的姿势运算器22；以及用于计算回转体2的方位的方位运算器23。
作为回转体2的位置，位置运算器21计算全局坐标系中的回转体2的位置。位置运算器21配置于回转体2。全局坐标系是指以固定在地球上的原点为基准的坐标系。全局坐标系是由GNSS(Global Navigation Satellite System)规定的坐标系。GNSS表示全球导航卫星系统。作为全球导航卫星系统的例子，可以举出GPS(Global Positioning System)。GNSS具有多个测位卫星。GNSS检测由纬度、经度和高度的坐标数据规定的位置。回转体2设置有GPS天线。GPS天线从GPS卫星接收电波，并将基于所接收的电波生成的信号输出给位置运算器21。位置运算器21基于由GPS天线提供的信号，计算全局坐标系中的回转体2的位置。位置运算器21计算如图3所示的回转体2的代表点O的位置。在图3所示的示例中，回转体2的代表点O设定在回转轴RX上。另外，代表点O也可以设定在动臂轴AX1上。
作为回转体2的姿势，姿势运算器22计算全局坐标系中相对于水平面的回转体2的倾斜角度。姿势运算器22配置于回转体2。姿势运算器22包括惯性测量装置(IMU：InertialMeasurement Unit)。相对于水平面的回转体2的倾斜角度包括：滚转角α，其表示车宽方向上的回转体2的倾斜角度；以及俯仰角β，其表示前后方向上的回转体2的倾斜角度。
作为回转体2的方位，方位运算器23计算全局坐标系中相对于基准方位的回转体2的方位。基准方位例如为北方。方位运算器23配置于回转体2。方位运算器23包括陀螺仪传感器。另外，方位运算器23也可以基于由GPS天线提供的信号来计算方位。相对于基准方位的回转体2的方位包括横摆角γ，其表示基准方位与回转体2的方位所构成的角度。
角度检测装置30检测作业机1的角度θ。角度检测装置30配置于作业机1。如图3和图4所示，作业机1的角度θ包括：动臂角度θ1，其表示相对于Z轴的动臂6的角度；斗杆角度θ2，其表示相对于动臂6的斗杆7的角度；铲斗角度θ3，其表示相对于斗杆7的铲斗8在铲斗旋转方向上的角度；侧倾角度θ4，其表示相对于XY平面的铲斗8在侧倾旋转方向上的角度；以及旋动角度θ5，其表示相对于YZ平面的铲斗8在旋动旋转方向上的角度。
角度检测装置30具有：检测动臂角度θ1的动臂角度检测器31；检测斗杆角度θ2的斗杆角度检测器32；检测铲斗角度θ3的铲斗角度检测器33；检测侧倾角度θ4的侧倾角度检测器34；以及检测旋动角度θ5的旋动角度检测器35。角度检测装置30可以包括用于检测液压缸10的行程的行程传感器，还可以包括用于检测作业机1的角度θ的角度传感器，例如回转式编码器。角度检测装置30包括行程传感器时，角度检测装置30根据行程传感器的检测数据，计算作业机1的角度θ。
操作装置40为了驱动液压缸10和回转马达16而由驾驶员操作。操作装置40配置于驾驶室4。基于驾驶员对操作装置40的操作，作业机1进行工作。操作装置40包括由液压挖掘机100的驾驶员操作的手柄。操作装置40的手柄包括右操作杆41、左操作杆42和侧倾操作杆43。
将处于中间位置的右操作杆41操作到前方，则动臂6进行落下动作，将其操作到后方，则动臂6进行抬起动作。将处于中间位置的右操作杆41操作到右方，则铲斗8进行翻斗动作，操作到左方，则铲斗8进行挖掘动作。
将处于中间位置的左操作杆42操作到前方，则斗杆7进行伸出动作，操作到后方，则斗杆7进行收回动作。将处于中间位置的左操作杆42操作到右方，则回转体2进行右回转，操作到左方，则回转体2进行左回转。
对侧倾操作杆43进行操作，则铲斗8进行侧倾旋转或旋动旋转。
控制装置
图5是表示本实施方式涉及的控制装置50的功能框图。控制装置50具有：位置数据获取部51、角度数据获取部52、操作数据获取部53、设计面获取部54、目标值生成部55、模型预测控制部56、约束条件计算部57、指令部58、以及存储部60。
位置数据获取部51从位置运算装置20获取回转体2的位置数据。回转体2的位置数据包括回转体2的位置、回转体2的姿势和回转体2的方位。
角度数据获取部52从角度检测装置30获取表示作业机1的角度θ的角度数据。作业机1的角度数据包括：动臂角度θ1、斗杆角度θ2、铲斗角度θ3、侧倾角度θ4、以及旋动角度θ5。
操作数据获取部53获取对作业机1进行操作的操作装置40的操作数据。操作装置40的操作数据包括针对操作装置40的操作量。操作装置40设置有用于检测手柄的操作量的操作量传感器。操作数据获取部53从操作装置40的操作量传感器获取操作装置40的操作数据。
设计面获取部54获取表示施工对象的目标形状的设计面。设计面表示液压挖掘机100进行施工后的三维目标形状。在本实施方式中，设计面数据提供装置70生成表示设计面的设计面数据。设计面获取部54从设计面数据提供装置70获取设计面数据。设计面数据提供装置70可以设置在远离液压挖掘机100的场所。设计面数据提供装置70所生成的设计面数据可以通过通信系统发送到控制装置50。另外，设计面数据提供装置70所生成的设计面数据也可以存储在存储部60。设计面获取部54可以从存储部60获取设计面数据。
目标值生成部55生成作业机1的控制量的目标值。在本实施方式中，作业机1的控制量包括铲斗8的移动速度和铲斗8的规定部位的位置中的一方或两方。铲斗8的规定部位包括铲斗8的刃尖9。铲斗8的移动速度包括刃尖9的移动速度。铲斗8的规定部位的位置包括刃尖9的位置。目标值生成部55根据操作数据获取部53所获取到的操作数据，生成作业机1的控制量的目标值。
以下说明中，设铲斗8的规定部位为刃尖9。另外，铲斗8的规定部位可以不是刃尖9。铲斗8的规定部位也可以是铲斗8的斗底面(底面)。
铲斗8的移动速度包括铲斗8的平移速度和旋转速度。铲斗8的平移速度是指，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的各移动速度。铲斗8的旋转速度是指θX方向、θY方向和θZ方向的各旋转角速度。在本实施方式中，目标值生成部55包括：目标平移速度计算部551，其计算平移速度的目标值即目标平移速度vtarget：以及目标转速计算部552，其计算旋转速度的目标值即目标转速ωtarget。目标值生成部55根据角度数据获取部52所获取到的角度数据、操作数据获取部53所获取到的操作数据、以及设计面获取部54所获取到的设计面，分别计算目标平移速度vtarget和目标转速ωtarget。
图6是用于说明本实施方式涉及的目标平移速度计算部551的铲斗8的目标平移速度vtarget的计算方法的图。目标平移速度计算部551包括：平移速度计算部551A，其根据操作装置40的操作数据和作业机1的角度数据，计算铲斗8的平移速度；限制速度计算部551B，其根据刃尖9与设计面的距离以及设计面数据，计算铲斗8的限制速度；PI控制部551C；以及减速处理部551D。
目标平移速度计算部551计算为了避免挖入设计面所需的铲斗8的目标平移速度vtarget。铲斗8的目标平移速度vtarget可由式(1)至式(6)计算。
Figure BDA0003153677020000091
Figure BDA0003153677020000092
b＝1vsagyo-(1vsagyo·1eXZ)1eXZ…(3)
Figure BDA0003153677020000093
Figure BDA0003153677020000094
Figure BDA0003153677020000095
n∈R3为与刃尖9最接近的设计面的单位法线向量，wR1∈R3×3为从车身坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵，vsagyo∈R3为在作业机1基于操作装置40的操作而工作时的平移速度中，作业机平面(车身坐标系中的XZ平面)上的动臂6和斗杆7的平移速度分量，VMAX为，为了避免挖入设计面所需的设计面法线方向上的铲斗8的最大速度。Jv∈R3×5和Jω∈R3×5分别表示雅可比矩阵的平移速度分量和旋转速度分量。
目标平移速度计算部551根据位置数据获取部51所获取到的回转体2的位置数据、角度数据获取部52所获取到的作业机1的角度数据、以及存储于存储部60的作业机数据，能够计算刃尖9与设计面的距离。如图3和图4所示，作业机数据包括动臂长度L1、斗杆长度L2、铲斗长度L3、侧倾长度L4和铲斗宽度L5。动臂长度L1为动臂轴AX1与斗杆轴AX2的距离。斗杆长度L2为斗杆轴AX2与铲斗轴AX3的距离。铲斗长度L3为铲斗轴AX3与铲斗8的刃尖9的距离。侧倾长度L4为铲斗轴AX3与侧倾轴AX4的距离。铲斗宽度L5为铲斗8的宽度方向的尺寸。作业机数据包括铲斗外形数据，其表示铲斗8的形状和尺寸。铲斗外形数据包括铲斗8的外表面数据，该外表面数据包括铲斗8外表面的轮廓。铲斗外形数据包括以铲斗8的规定部位为基准的铲斗8的多个外形点RP的坐标数据。
目标平移速度计算部551计算外形点RP的位置数据。目标平移速度计算部551计算车身坐标系中的回转体2的代表点O与多个外形点RP的每一个外形点RP的相对位置。目标平移速度计算部551根据包括动臂长度L1、斗杆长度L2、铲斗长度L3、侧倾长度L4、铲斗宽度L5和铲斗外形数据的作业机数据、以及包括动臂角度θ1、斗杆角度θ2、铲斗角度θ3、侧倾角度θ4和旋动角度θ5的作业机1的角度数据，能够计算车身坐标系中回转体2的代表点O与铲斗8的多个外形点RP的每一个外形点RP的相对位置。通过将外形点RP设定在刃尖9上，目标平移速度计算部551能够计算代表点O与刃尖9的相对位置。设计面是在车身坐标系中规定的。因此，目标平移速度计算部551能够计算车身坐标系中的刃尖9与设计面的距离。此外，目标平移速度计算部551计算全局坐标系中的多个外形点RP各自的位置。目标平移速度计算部551根据回转体2的代表点O的绝对位置、以及回转体2的代表点O与铲斗8的外形点RP的相对位置，能够计算全局坐标系中的铲斗8的外形点RP的位置。
限制速度计算部551B利用控制速度表，确定设计面的法线方向上的动臂6的限制速度，该控制速度表表示铲斗8和设计面的距离、与作业机1的限制速度之间的关系。
图7是表示本实施方式涉及的控制速度表的一个示例的图。如图7所示，控制速度表表示刃尖9和设计面的距离与作业机1的限制速度之间的关系。控制速度表中，刃尖9与设计面的距离为0则设计面法线方向上的作业机1的速度为0。在刃尖9相对于施工面配置在上方时，控制速度表中刃尖9与设计面的距离为正值。在刃尖9相对于施工面配置在下方时，刃尖9与施工面的距离为负值。控制速度表中，刃尖9向上方移动时的速度为正值。在刃尖9与施工面的距离为正值的作业机控制阈值th以下时，根据刃尖9与施工面的距离，规定出作业机1的限制速度。刃尖9与施工面的距离为作业机控制阈值th以上时，作业机1的限制速度的绝对值大于作业机1的目标速度的最大值。即，在刃尖9与施工面的距离为作业机控制阈值th以上时，作业机1的目标速度的绝对值总是小于限制速度的绝对值，因此动臂6总是以目标速度驱动。
图8是用于说明本实施方式涉及的目标转速计算部552的、铲斗8的目标转速ωtarget的计算方法的图。目标转速计算部552包括：当前姿势计算部552A，其根据作业机1的角度数据，计算铲斗8的当前姿势Rcur；目标姿势计算部552B，其根据操作装置40的操作数据和设计面数据，计算铲斗8的目标姿势Rtarget；转速计算部552C，其根据铲斗8的当前姿势Rcur和目标姿势Rtarget，计算旋转速度ω’target；以及P控制部552D，其对旋转速度ω’target进行P(比例)控制，来计算目标转速ωtarget。
旋转速度ω’target可由式(7)至式(10)计算。
ω′target＝Rcur (1)…(7)
Figure BDA0003153677020000111
Figure BDA0003153677020000112
Figure BDA0003153677020000113
ΔTtarget为与修正铲斗8的姿势所需的时间对应的参数。P控制部552D通过根据转速计算部552C所计算出的旋转速度ω’target进行P控制，来计算目标转速ωtarget。
模型预测控制部56根据目标值生成部55所生成的作业机1的控制量目标值以及作业机1的预测模型，计算作业机1的控制量预测值。模型预测控制部56根据预测值和设计面，计算用于控制作业机1的驱动量。模型预测控制部56包括：预测模型存储部561，其存储作业机1的预测模型；以及预测部562，其根据作业机1的控制量目标值和预测模型，计算作业机1的控制量的预测值，并根据作业机1的控制量的预测值和由设计面获取部54获取的设计面，计算用于控制作业机1的驱动量。
预测模型存储部561存储有具备作业机1的液压挖掘机100的预测模型。预测模型包括液压挖掘机100的动力学模型。预测模型包括：以回转轴RX为中心回转的回转体2的模型、以动臂轴AX1为中心旋转的动臂6的模型、以斗杆轴AX2为中心旋转的斗杆7的模型、以及以铲斗轴AX3、侧倾轴AX4和旋动轴AX5为中心旋转的铲斗8的模型。
预测模型是用离散的状态方程和输出方程来表示。式(11)表示以液压挖掘机100的控制的采样时间ΔT离散化的预测模型的状态方程。式(12)和式(13)表示状态方程的各矩阵。式(14)表示预测模型的输出方程。
Figure BDA0003153677020000121
Figure BDA0003153677020000122
Figure BDA0003153677020000123
Figure BDA0003153677020000124
M∈R5×5和Co∈R5分别为运动方程的惯性矩阵和科里奥利力(coriolis force)·重力向量。Ctay∈R2np为在规定的时刻t，将n·p在角度θ附近泰勒展开时的常数项。np表示要考虑的设计面的数量。预测模型的输出方程的输出为角度θ、角速度、目标平移速度vtarget、目标转速ωtarget、刃尖9与设计面的距离d以及液压油的流量Q。
预测部562根据预测模型进行最优化运算，来计算作业机1的控制量预测值。如上所述，在本实施方式中，作业机1的控制量包括铲斗8的移动速度和铲斗8的规定部位的位置中的一方或两方。铲斗8的规定部位包括刃尖9。此外，作业机1的控制量包括动臂6的角速度、斗杆7的角速度和铲斗8的角速度。铲斗8的角速度包括以铲斗轴AX3为中心的角速度、以侧倾轴AX4为中心的角速度、以及以旋动轴AX5为中心的角速度。
预测部562预测当前时间点之后的第几个阶段时的铲斗8的移动速度或铲斗8的刃尖9的位置。
预测部562根据铲斗8的移动速度的预测值、或铲斗8的刃尖9的位置的预测值，计算用于控制作业机1的驱动量。预测部562以使控制量的预测值追踪目标值的方式计算驱动量。
在本实施方式中，预测部562根据铲斗8的移动速度的预测值、各轴的角速度的预测值、铲斗8的刃尖9的位置的预测值、液压油的流量的预测值、回转体2的回转速度的预测值以及设计面来计算驱动量，以使铲斗8以预设的姿势按照作为目标的设计面作业。即，预测部562计算驱动量以使铲斗8不挖入设计面而使刃尖9的位置与设计面的位置一致。
预测部562以使评价函数最小且满足各约束条件的方式，计算用于控制作业机1和回转体2的驱动量。
在模型预测控制中，通常使用如式(15)所示的评价函数。
E(t)＝Ey(t)+Eu(t)+EΔu(t)+Ec(t) … (15)
Ey(t)为输出的目标值与预测值的差，Eu(t)为输入的目标值与预测值的差，EΔu(t)为输入的变化量的大小，Ec(t)为在未满足后述的约束条件时加入的罚函数。在本实施方式中，设Eu(t)＝0，EΔu(t)＝0，并将输出的相对于目标值的追踪误差用作评价函数。式(16)和式(17)表示评价函数。
Figure BDA0003153677020000141
Δri(t+i|t)＝ri(t+i|t)y(t+i|t)…(17)
r(t+i|t)为在时刻t下的时刻t+i的目标值、y(t+i|t)为在时刻t预测的时刻t+i时的装置输出、Hp为预测时域，其确定要预测到今后第几个阶段为止，W为对变量加重的对角矩阵。
约束条件计算部57计算约束条件。约束条件包括：涉及液压挖掘机100的性能的第一约束条件、以及涉及铲斗8的位置的第二约束条件。预测部562以满足约束条件计算部57所计算出的约束条件的方式，计算驱动量。
在作为控制对象的液压挖掘机100中，作业机1的角度θ、角速度、角加速度以及液压油流量都有限制。例如，作业机1能够移动的角度θ具有限度。同样，作业机1的角速度和角加速度具有限度。另外，从液压泵17排出的液压油的流量具有限度。这样，液压挖掘机100存在硬件方面的限制。因此，在模型预测控制中，也需要考虑表示液压挖掘机100的硬件方面的限制的第一约束条件。约束条件计算部57计算包括作业机1的角度θ、角速度、角加速度以及液压油流量的第一约束条件。预测部562以满足第一约束条件的方式计算驱动量。
式(18)至式(21)表示分别对于角度θ、角速度和液压油流量的约束条件。
θmin≤θ(t)≤θmax…(18)
Figure BDA0003153677020000142
Figure BDA0003153677020000143
Figure BDA0003153677020000144
式(22)表示角加速度的约束条件。
Figure BDA0003153677020000145
在本实施方式中，约束条件计算部57将角加速度的约束条件转换为转矩的约束条件。式(23)表示转换后的角加速度的约束条件。
Figure BDA0003153677020000151
在作业机1的控制中，必须避免铲斗8挖入设计面。即，对于铲斗8的位置，存在应避免挖入设计面这一限制。因此，在模型预测控制中，也需要考虑表示铲斗8的位置上的限制的第二约束条件。约束条件计算部57计算第二约束条件，其包括相对于设计面的铲斗8的位置。预测部562以满足第二约束条件的方式计算驱动量。
输出d(t)表示刃尖9与设计面的距离。第i设计面的方程能够用单位法线向量ni表示为n·p+di＝0。式(24)和式(25)表示：应避免刃尖9的右端和左端挖入设计面这一约束条件。
ni·PL(t)≥-di …(24)
ni·PR(t)≥-di …(25)
刃尖9的坐标相对于状态变量中的角度θ非线性。因此如式(26)和式(27)所示，进行线性近似。
Figure BDA0003153677020000152
Figure BDA0003153677020000153
预测部562以满足式(18)至式(27)所示的约束条件的方式，利用式(16)和式(17)所示的评价函数，进行模型预测控制中的最优化运算。式(28)表示本实施方式中的最优化问题。最优化运算例如使用QP(Quadratic Programming，二次规划法)，也可以使用其他算法。
Figure BDA0003153677020000154
τ(t)为控制装置的控制输入转矩，即最优化运算的解。Hu为控制时域，用以确定在最优化问题中处理今后的第几个阶段为止的输入。
指令部58根据预测部562所计算出的驱动量，输出用于控制作业机1的控制指令。
施工面
图9是表示本实施方式涉及的设计面IS的一个示例的图。如图9所示，设计面IS有时会由不同坡度的多个面构成。在图9所示的示例中，设计面IS包括第一面F1和具有与第一面F1不同坡度的第二面F2。第二面F2存在于比第一面F1靠近回转体2的位置。第一面F1和第二面F2分别以朝向下方而靠近回转体2的方式倾斜。第一面F1的坡度和第二面F2的坡度不同。第一面F1的相对于水平面的倾斜角度Fθ1大于第二面F2的相对于水平面的倾斜角度Fθ2。在设计面IS中由第一面F1和第二面F2构成的角度Fθ3小于180°。在第一面F1的最下部连接有第二面F2。第一面F1的最下部为坡脚(foot of slope)。坡脚包括第一面F1和第二面F2的交界部CP。
图10是表示本实施方式涉及的设计面IS的一个示例的图。如图10所示，设计面IS有时会由不同坡度的多个面构成。在图10所示的示例中，设计面IS包括第一面F1和具有与第一面F1不同坡度的第二面F2。第二面F2存在于比第一面F1靠近回转体2的位置。第一面F1和第二面F2分别以朝向下方而靠近回转体2的方式倾斜。第一面F1的坡度和第二面F2的坡度不同。第一面F1的相对于水平面的倾斜角度Fθ1小于第二面F2的相对于水平面的倾斜角度Fθ2。在设计面IS中由第一面F1和第二面F2构成的角度Fθ3大于180°。在第二面F2的最上部连接有第一面F1。第二面F2的最上部为坡顶(top of slope)。坡顶包括第一面F1和第二面F2的交界部CP。
在图9和图10所示的示例中，操作作业机1，以使铲斗8从面向第一面F1的状态移位至面向第二面F2的状态。在本实施方式中，在作业机1从面向第一面F1的状态移位至面向第二面F2的状态时，预测部562计算驱动量，以维持作业机1的作为规定部位的刃尖9和设计面IS的距离、以及姿势。
即，在铲斗8从面向第一面F1的状态经由面向第一面F1和第二面F2的交界部CP的状态移位至面向第二面F2的状态时，预测部562根据作业机1的控制量的预测值和设计面IS计算驱动量，以分别在第一面F1、交界部CP和第二面F2使铲斗8的刃尖9和设计面IS的距离维持恒定值。预测部562计算驱动量，以分别在第一面F1、交界部CP、以及第二面F2中，使刃尖9沿着设计面IS移动，而使铲斗8不挖入设计面IS。
控制方法
图11是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。
设计面获取部54获取设计面数据(步骤S1)。
位置数据获取部51从位置运算装置20获取回转体2的位置数据作为当前值。此外，角度数据获取部52从角度检测装置30获取作业机1的角度数据和角速度数据作为当前值(步骤S2)。
驾驶员对操作装置40进行操作。操作数据获取部53从操作装置40获取操作数据。目标值生成部55至少根据操作装置40的操作数据，生成作业机1的控制量的目标值(步骤S3)。
作业机1的控制量的目标值包括铲斗8的移动速度的目标值。铲斗8的移动速度的目标值包括参照图6已作出说明的铲斗8的目标平移速度vtarget，以及参照图8已作出说明的铲斗8的目标转速ωtarget。目标值生成部55根据操作装置40的操作数据、操作装置40被操作时产生变化的、表示作业机1的角度θ的角度数据及表示每单位时间的角度θ的变化量的角速度数据、以及设计面数据，计算包括铲斗8的目标平移速度vtarget和目标转速ωtarget的目标值。
约束条件计算部57根据操作装置40的操作数据、操作装置40被操作时产生变化的、表示作业机1的角度θ的角度数据及表示每单位时间的角度θ的变化量的角速度数据、以及设计面数据，计算约束条件，该约束条件包括：涉及液压挖掘机100的性能的第一约束条件、以及涉及铲斗8的位置的第二约束条件(步骤S4)。
预测部562根据作业机1的控制量的目标值以及存储于预测模型存储部561的预测模型，以满足步骤S4中计算出的约束条件的方式，计算用于控制作业机1的驱动量(步骤S5)。
预测部562计算当前时间点之后例如第10阶段为止的作业机1的驱动量。
预测部562根据在步骤S6中计算出的驱动量以及在步骤S3中获取到的当前值，计算作业机1的控制量的预测值(步骤S6)。
预测部562计算当前时间点之后例如第10阶段为止的作业机1的移动速度的预测值、以及刃尖9的位置的预测值。
预测部562判断：为了使铲斗8的刃尖9按照设计面IS作业而根据用于操作作业机1的操作装置40的操作数据计算出的铲斗速度的预测值，是否超过了最高速度(步骤S7)。
在步骤S8中判断为铲斗速度的预测值未超过最高速度时(步骤S7：否)，预测部562以使控制量的预测值追踪目标值的方式，再计算驱动量(步骤S5)。
预测部562以使由控制量的目标值以及当前值规定的评价函数最小的方式，再计算驱动量。预测部562以满足第一约束条件和第二约束条件的方式，再计算驱动量。
在步骤S7中判断为铲斗速度的预测值超过了最高速度时(步骤S7：是)，预测部562判断评价函数是否为最小(步骤S8)。
铲斗8的速度可以是作业机1或回转体2的各轴的角速度或者角加速度。最高速度可以是上限值。也就是说，在步骤S8中，预测部562可以对各轴的角加速度的预测值是否超过了上限角加速度进行判断。
在步骤S8中判断为评价函数不是最小时(步骤S8：否)，预测部562以使控制量的预测值追踪目标值的方式，再计算驱动量(步骤S5)。
预测部562反复进行步骤S5、步骤S6、步骤S7和步骤S8的处理，直到评价函数成为最小为止。
在步骤S8中判断为评价函数是最小时(步骤S8：是)，指令部58根据在步骤S6中计算出的用于控制作业机1的驱动量，输出用于控制作业机1的控制指令(步骤S9)。
如上所述，计算当前时间点之后例如第10阶段为止的驱动量。指令部58将计算出的第10阶段为止的驱动量中，将紧接在后的第1阶段的驱动量作为控制指令而输出。
效果
如以上的说明，根据本实施方式，由于对作业机1进行模型预测控制，所以即使在设计面IS包括第一面F1和与第一面F1不同坡度的第二面F2时，控制装置50能够控制作业机1，以使铲斗8沿着设计面移动。
图12和图13均是表示通过本实施方式涉及的控制方法控制作业机1的情况与通过对比例涉及的控制方法控制作业机1的情况的比较结果的图。在图12所示的曲线图中，横轴表示铲斗8和设计面IS的X轴方向上的位置，纵轴表示铲斗8和设计面IS的Z轴方向上的位置。图12表示对包括坡脚的设计面IS进行施工的示例。铲斗8从X轴方向的右侧朝向左侧移动。在图13所示的曲线图中，横轴表示时间，纵轴表示动臂6的角速度。
在图12中，线IS表示设计面IS，线La表示通过本实施方式涉及的控制方法控制作业机1时的控制结果，线Lb表示通过对比例涉及的控制方法控制作业机1时的控制结果。在图13中，线Lc表示由驾驶员操作的操作装置40的操作数据，线Ld表示以本实施方式涉及的控制方法控制作业机1时的控制结果，线Le表示以对比例涉及的控制方法控制作业机1时的控制结果。对比例涉及的控制方法为，不执行模型预测控制而仅根据作业机1的角度数据执行反馈控制这样的控制方法。
如图12所示，在本实施方式涉及的控制方法下，铲斗8不挖入设计面IS，能够沿着设计面IS移动。即，在铲斗8面向第一面F1的状态下，预测部562能够预测交界部CP和第二面F2，并控制作业机1。具体地，如图13所示，对比例涉及的控制方法中，在铲斗8到达作为坡脚的交界部CP后，使动臂6开始减速，相对于此，本实施方式涉及的控制方法中，在铲斗8到达交界部CP之前，使动臂6开始减速。因此，如图12所示，能够抑制控制延迟的发生，铲斗8能够按照设计面IS作业。
另一方面，对比例涉及的控制方法中，在铲斗8通过交界部CP时，发生控制延迟，无法按照设计面IS作业，其结果，铲斗8挖入设计面IS的第二面F2，无法将施工对象施工成所期望的形状。
如上所述，根据本实施方式，由于对作业机1进行模型预测控制，在铲斗8通过交界部CP时，能够抑制控制延迟的发生，铲斗8能够按照设计面IS作业。因此，控制装置50能够控制作业机1，以将施工对象施工成所期望的形状。
计算机系统
图14是表示本实施方式涉及的计算机系统1000的一个示例的框图。上述的控制装置50包括计算机系统1000。计算机系统1000包括：处理器1001，例如CPU(CentralProcessing Unit，中央处理单元)；主内存1002，其包括ROM(Read Only Memory，只读存储器)这类非易失性内存及RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)这类易失性内存；存储装置1003；以及包括输入输出电路的接口1004。上述控制装置50的功能以程序的形式存储于存储装置1003。处理器1001从存储装置1003读取程序并在主内存1002中加载，按照程序实施上述处理。另外，也可以将程序通过网络传输至计算机系统1000。
计算机系统1000按照上述实施方式能够执行：根据作业机1的控制量的目标值和作业机1的预测模型，计算作业机1的控制量的预测值；根据预测值和表示施工对象的目标形状的设计面IS，计算用于控制作业机1的驱动量；以及根据驱动量，输出用于控制作业机1的控制指令。
其它实施方式
另外，在上述实施方式中，控制装置50的部分或全部功能也可以设于液压挖掘机100的外部计算机系统。例如，也可以是，目标值生成部55和模型预测控制部56均设于外部计算机系统，并在外部计算机系统中计算出的驱动量经由无线通信系统被发送到液压挖掘机100。
另外，在上述实施方式中，工程机械100为液压挖掘机。在上述实施方式中说明的结构要素也可以应用于除液压挖掘机以外的、具有作业机的工程机械。
另外，在上述实施方式中，使回转体2回转的回转马达16可以不是液压马达。回转马达16也可以是被提供电力而驱动的电动马达。此外，作业机1也可以不是通过液压缸10工作，而是通过例如电动机等电动致动器所发生的动力工作。
符号说明
1…作业机、2…回转体、3…行走体、3C…履带、4…驾驶室、4S…座椅、5…发动机、6…动臂、7…斗杆、8…铲斗、9…刃尖、10…液压缸、11…动臂缸、12…斗杆缸、13…铲斗缸、14…侧倾缸、15…旋动缸、16…回转马达、17…液压泵、18…阀装置、20…位置运算装置、21…位置运算器、22…姿势运算器、23…方位运算器、30…角度检测装置、31…动臂角度检测器、32…斗杆角度检测器、33…铲斗角度检测器、34…侧倾角度检测器、35…旋动角度检测器、40…操作装置、41…右操作杆、42…左操作杆、43…侧倾操作杆、50…控制装置、51…位置数据获取部、52…角度数据获取部、53…操作数据获取部、54…设计面获取部、55…目标值生成部、56…模型预测控制部、57…约束条件计算部、58…指令部、60…存储部、70…设计面数据提供装置、100…工程机械、200…控制系统、551…目标平移速度计算部、551A…平移速度计算部、551B…限制速度计算部、551C…PI控制部、551D…减速处理部、552…目标转速计算部、552A…当前姿势计算部、552B…目标姿势计算部、552C…转速计算部、552D…P控制部、561…预测模型存储部、562…预测部、AX1…动臂轴、AX2…斗杆轴、AX3…铲斗轴、AX4…侧倾轴、AX5…旋动轴、CP…交界部、F1…第一面、F2…第二面、IS…设计面。

Claims (9)

1.一种工程机械的控制系统，该工程机械具备作业机，该系统的特征在于，包括：
设计面获取部，其获取表示施工对象的目标形状的设计面；
目标值生成部，其生成所述作业机的控制量的目标值；
预测部，其根据所述目标值和所述作业机的预测模型，计算所述作业机的控制量的预测值，并根据所述预测值和所述设计面，计算用于控制所述作业机的驱动量；以及
指令部，其根据所述驱动量，输出用于控制所述作业机的控制指令。
2.根据权利要求1所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
所述设计面包括第一面及与所述第一面不同坡度的第二面，
在所述作业机从面向所述第一面的状态移位至面向所述第二面的状态时，所述预测部计算所述驱动量，以维持所述作业机的规定部位和所述设计面的距离、以及姿势。
3.根据权利要求1或2所述的工程机械的控制系统，其特征在于，包括：
操作数据获取部，其获取用于操作所述作业机的操作装置的操作数据，
所述目标值生成部根据所述操作数据，生成所述目标值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
所述控制量包括所述作业机的移动速度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
所述预测部以使所述控制量的预测值追踪目标值的方式，计算所述驱动量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的工程机械的控制系统，其特征在于，
所述预测部以使由所述控制量的目标值及预测值规定的评价函数最小的方式，计算所述驱动量。
7.根据权利要求6所述的工程机械的控制系统，其特征在于，包括：
约束条件计算部，其计算涉及所述工程机械的性能的第一约束条件、以及涉及所述作业机的位置的第二约束条件，
所述预测部以满足所述第一约束条件和所述第二约束条件的方式，计算所述驱动量。
8.一种工程机械，其特征在于，包括：
支承所述作业机的回转体；以及
权利要求1至7中任一项所述的工程机械的控制系统。
9.一种工程机械的控制方法，该工程机械具备作业机，该控制方法的特征在于，包括：
根据所述作业机的控制量的目标值和所述作业机的预测模型，计算所述作业机的控制量的预测值；
根据所述预测值和表示施工对象的目标形状的设计面，计算用于控制所述作业机的驱动量；以及
根据所述驱动量，输出用于控制所述作业机的控制指令。
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