CN113366171A - 作业车辆、作业车辆的控制装置以及作业车辆的方向确定方法 - Google Patents

Abstract

俯仰角取得部取得车身的俯仰角。推土铲位置计算部计算以车身为基准的推土铲的位置。行进方向确定部基于俯仰角以及推土铲的位置，确定车身的行进方向。

Description

作业车辆、作业车辆的控制装置以及作业车辆的方向确定 方法

技术领域

本发明涉及作业车辆、作业车辆的控制装置以及作业车辆的方向确定方法。

本申请对于2019年3月29日在日本提出申请的特愿2019-068988号主张优先权，在此处引用其内容。

背景技术

在专利文献1中公开了一种使推土铲的铲尖跟随于设计面的作业车辆。根据专利文献1所公开的技术，控制装置利用GNSS(Global Navigation Satellite System)确定作业车辆的位置，并基于确定的位置决定推土铲的目标高度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开2015/083469号

发明内容

发明将要解决的课题

如专利文献1所公开的技术那样利用了GNSS的控制根据施工现场的环境，有可能无法接收GNSS的电波，无法确定作业车辆的位置。因此，考虑取代GNSS而通过自主导航来确定作业车辆的位置。

然而，具有推土铲的作业车辆由于将推土铲按压于挖掘对象而前进，因此有时由于来自挖掘对象的反作用力而以行驶装置的前部浮起的状态行驶。此时，控制装置有可能基于从IMU(Inertial Measurement Unit)读出的俯仰角而将作业车辆的行进方向误认为是斜上方向而不能适当地控制推土铲。

本发明的目的在于提供在利用推土铲挖掘地面时能够正确地确定作业车辆的行进方向的作业车辆、作业车辆的控制装置以及作业车辆的方向确定方法。

用于解决课题的手段

根据本发明的一方式，一种作业车辆的控制装置，该作业车辆具备工作装置，该工作装置以能够沿上下方向移动的方式支承于车身，其中，所述作业车辆的控制装置具备：取得所述车身的俯仰角的俯仰角取得部；计算以所述车身为基准的所述工作装置的位置的工作装置位置计算部；以及行进方向确定部，基于所述俯仰角以及所述工作装置的位置，确定所述车身的行进方向。

发明效果

根据上述方式，作业车辆的控制装置在利用推土铲挖掘地面时，能够正确地确定作业车辆的行进方向。

附图说明

图1是第一实施方式的作业车辆的侧视图。

图2是表示第一实施方式的驾驶室的内部的构成的图。

图3是表示第一实施方式的作业车辆的动力系统的示意图。

图4是表示第一实施方式的作业车辆的控制装置的构成的概略框图。

图5是表示车辆的行进方向的确定方法的第一图。

图6是表示车辆的行进方向的确定方法的第二图。

图7是表示第一实施方式的自动推土铲控制方法的流程图。

具体实施方式

〈第一实施方式〉

以下，一边参照附图一边详细地说明实施方式。

图1是第一实施方式的作业车辆的侧视图。

第一实施方式的作业车辆100例如是推土机。作业车辆100具备车身110、行驶装置120、工作装置130、驾驶室140。

行驶装置120设于车身110的下部。行驶装置120具备履带121、链轮122以及惰轮124。通过链轮122的驱动使履带121旋转，从而使作业车辆100行驶。在链轮122的旋转轴设置旋转传感器123。旋转传感器123测量链轮122的转速。链轮122的转速能够换算为行驶装置120的速度。

在车身110设置IMU111。IMU111测量车身110的倾侧方向以及俯仰方向的倾斜角和横摆方向的角度位移。车身坐标系是以原点为惰轮124的中心、由沿车身前后方向延伸的X轴、沿车身左右方向延伸的Y轴、沿车身上下方向延伸的Z轴表示的正交坐标系。将以X轴为中心的车身的旋转方向设为倾侧方向，将以Y轴为中心的车身的旋转方向设为俯仰方向，将以Z轴为中心的车身的旋转方向设为横摆方向。

工作装置130使用于砂土等挖掘对象的挖掘以及运输。工作装置130设于车身110的前部。工作装置130具备提升框架131、推土铲132以及提升缸133。

提升框架131的基端部经由沿车宽方向延伸的销安装于车身110的侧面。提升框架131的前端部经由球体关节安装于推土铲132的背面。由此，推土铲132被支承为能够相对于车身110在上下方向上移动。在推土铲132的下端部设置铲尖132e。提升缸133是液压缸。提升缸133的基端部安装于车身110的侧面。提升缸133的前端部安装于提升框架131。提升缸133利用工作油而伸缩，使得提升框架131以及推土铲132向上升方向或下降方向驱动。

在提升缸133设置测量提升缸133的行程量的行程传感器134。行程传感器134测量的行程量能够换算为以车身110为基准的铲尖132e的位置。具体而言，基于提升缸133的行程量，计算提升框架131的旋转角。由于提升框架131以及推土铲132的形状是已知的，因此能够根据提升框架131的旋转角确定推土铲132的铲尖132e的位置。另外，其他实施方式的作业车辆100也可以利用编码器等其他传感器检测旋转角。

驾驶室140是供操作人员搭乘且用于进行作业车辆100的操作的空间。驾驶室140设于车身110的上部。

图2是表示第一实施方式的驾驶室的内部的构成的图。在驾驶室140的内部设置座椅141、控制台142、工作装置操作杆143、行驶操作杆144、制动踏板145以及缓动器踏板146。

在控制台142安装操作面板、仪表类以及开关类。操作人员能够目视确认控制台142来确认作业车辆100的状态。另外，操作人员通过控制台142的操作，设定表示挖掘对象的目标形状的设计面。

工作装置操作杆143为了设定推土铲132的上升操作或者下降操作的移动量而被操作。工作装置操作杆143通过向前方倾斜而接受下降操作，通过向后方倾斜而接受上升操作。

行驶操作杆144为了设定行驶装置120的行进方向而被操作。行驶操作杆144通过向前方倾斜而接受前进操作，通过向后方倾斜而接受后退操作。此外，行驶操作杆144通过向左方倾而接受左回旋操作，通过向右方倾而接受右回旋操作。操作人员在通过控制台142设定设计面之后操作工作装置操作杆143或者行驶操作杆144，从而指示自动推土铲控制的开始以及结束。例如操作人员在设定设计面之后操作工作装置操作杆143所附带的开关，从而能够指示自动推土铲控制的开始以及结束。此外，操作人员在设定设计面之后使行驶操作杆144向前方倾斜，从而指示自动推土铲控制的开始，之后使行驶操作杆144返回，从而指示自动推土铲控制的结束。

制动踏板145为了使行驶装置120制动而被操作。

缓动器踏板146为了使行驶装置120的转速减少而被操作。

《动力系统》

图3是表示第一实施方式的作业车辆的动力系统的示意图。

作业车辆100具备发动机210、PTO220(Power Take Off)、变速器230、车轴240、液压泵250、比例控制阀260。

发动机210例如是柴油发动机。

PTO220将发动机210的驱动力的一部分传递到液压泵250。即，PTO220将发动机210的驱动力向变速器230以及液压泵250分配。

变速器230使向输入轴输入的驱动力变速而从输出轴输出。变速器230的输入轴连接于PTO220，输出轴连接于车轴240。即，变速器230将由PTO220分配的发动机210的驱动力传递到车轴240。

车轴240将变速器230输出的驱动力传递到链轮122。由此，行驶装置120旋转。

液压泵250由来自发动机210的驱动力驱动。从液压泵250排出的工作油经由比例控制阀260而向提升缸133供给。

比例控制阀260控制从液压泵250排出的工作油的流量。液压泵250除了比例控制阀260之外，也可以还向设于车轴240与链轮122之间的未图示的转向离合器等其他供给目的地供给工作油。

《控制装置》

作业车辆100具备用于控制作业车辆100的控制装置300。

控制装置300根据驾驶室140内的各操作装置(控制台142、工作装置操作杆143、行驶操作杆144、制动踏板145以及缓动器踏板146)的操作量，向发动机210的燃料喷射装置、变速器230以及比例控制阀260输出控制信号。

图4是表示第一实施方式的作业车辆的控制装置的构成的概略框图。控制装置300是具备处理器310、主存储器330、储存器350、接口370的计算机。

储存器350是非暂时性的有形的存储介质。作为储存器350的例子，可列举磁盘、光磁盘、半导体存储器等。储存器350也可以是直接连接于控制装置300的总线的内部介质，也可以是经由接口370或者通信线路连接于控制装置300的外部介质。储存器350存储用于控制作业车辆100的程序。存储于储存器350的设计面数据也可以是仅规定设计面的梯度的数据。另外，设计面数据由后述的自组织坐标系定义。

另外，在其他实施方式中，控制装置300也可以除了上述构成之外、或者取代上述构成而具备PLD(Programmable Logic Device)等定制LSI(Large Scale IntegratedCircuit)。作为PLD的例子，可列举PAL(Programmable Array Logic)、GAL(Generic ArrayLogic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable GateArray)。在该情况下，由处理器310实现的功能的一部分或者全部也可以由相关的集成电路实现。

处理器310通过执行程序而具备操作量取得部311、测量值取得部312、推土铲位置计算部313、行进方向确定部314、移动距离确定部315、位置确定部316、目标高度确定部317、推土铲控制部318。

操作量取得部311从控制台142取得自动推土铲控制的开始指示以及结束指示。

测量值取得部312从IMU111、旋转传感器123以及行程传感器134分别取得测量值。即，测量值取得部312取得车身110的横摆角、车身110的倾侧角、车身110的俯仰角、链轮122的转速以及提升缸133的行程量的测量值。测量值取得部312是俯仰角取得部的一个例子。另外，由于链轮122的转速能够换算为车身110的速度，因此测量值取得部312可以说是速度取得部的一个例子。

推土铲位置计算部313基于测量值取得部312取得的提升缸133的行程量的测量值，计算以车身110为基准的推土铲132的铲尖132e的位置。即，推土铲位置计算部313根据预先存储的车身110的尺寸信息与提升缸133的行程量的测量值计算车身坐标系中的铲尖132e的位置。

行进方向确定部314基于推土铲位置计算部313计算出的铲尖132e的位置与测量值取得部312取得的车身110的横摆角、倾侧角以及俯仰角的测量值，确定车身110的行进方向。

图5是表示车辆的行进方向的确定方法的第一图。图6是表示车辆的行进方向的确定方法的第二图。具体而言，判定车身正面方向D1和在车身坐标系中将链轮122的正下方的履带121(接地部)的位置P与铲尖132e连结的直线的方向D2所成的角θ是否是0度以上。角θ为0度以上表示铲尖132e的位置如图5所示那样位于比行驶装置120的底面靠上方。另一方面，角θ小于0度表示铲尖132e的位置如图6所示那样位于比行驶装置120的底面靠下方。

在角θ为0度以上的情况下，行进方向确定部314将车身110的俯仰角的测量值的方向D1确定为车身110的行进方向的俯仰方向成分。另一方面，在角θ小于0度的情况下，行进方向确定部314将车身110的俯仰角的测量值加上角θ的方向确定为车身110的行进方向的俯仰方向成分。

移动距离确定部315基于测量值取得部312取得的链轮122的转速的测量值，确定规定的控制时间的期间内的车身110的移动距离。即，移动距离确定部315通过将控制时间乘以根据链轮122的转速确定的车身110的行驶速度，从而确定移动距离。

位置确定部316基于前次的车身110的位置、行进方向确定部314确定的行进方向、及移动距离确定部315确定的移动距离，确定车身110的位置。车身110的位置由以车身110的初始位置为原点、以初始方位为X轴、以铅垂方向为Z轴、以与X轴与Z轴正交的方向为Y轴的坐标系(以下，称作自组织坐标系)表示。位置确定部316确定的自组织坐标系的位置存储于主存储器330。自组织坐标系的原点也可以与车身110的初始位置处的车身坐标系的原点一致。自组织坐标系也可以在自动推土铲控制开始时被设定，在自动推土铲控制结束时被删除。

目标高度确定部317基于存储于主存储器330的自组织坐标系中的车身110的位置、测量值取得部312取得的速度的测量值、行进方向确定部314确定的行进方向、及存储于储存器350的自组织坐标系中的设计面数据，确定铲尖132e的目标高度。

推土铲控制部318基于推土铲位置计算部313计算出的铲尖132e的位置与目标高度确定部317确定的目标高度，向比例控制阀260输出用于控制推土铲132的驱动指令。例如推土铲控制部318根据推土铲位置计算部313所计算的铲尖132e的位置的时间序列计算出铲尖132e的移动速度，并输出驱动指令，以使以当前的移动速度使铲尖132e移动的情况下的控制时间后的铲尖132e的高度与目标高度的偏差变小。

《自动推土铲控制方法》

接下来，对第一实施方式的自动推土铲控制方法进行说明。图7是表示第一实施方式的自动推土铲控制方法的流程图。

操作人员若使作业车辆100移动到基于使自动推土铲控制的挖掘作业的开始位置，使推土铲132移动至挖掘开始高度，则操作控制台142，输入自动推土铲控制的开始指示。

若控制装置300的操作量取得部311受理自动推土铲控制的开始指示，则测量值取得部312从IMU111、行程传感器134分别取得测量值(步骤S1)。接下来，位置确定部316基于当前的车身110的位置以及方位规定自组织坐标系，使自组织坐标系中的车身110的位置以及姿势存储于主存储器330。即，位置确定部316将车身110的位置设定为坐标(0，0，0)，将车身110的方位设定为X轴方向。

接下来，推土铲位置计算部313基于测量值取得部312取得的提升缸133的行程量的测量值，计算车身坐标系中的铲尖132e的初始位置(步骤S2)。推土铲位置计算部313基于在步骤S1中取得的IMU111的测量值，将铲尖132e的初始位置从车身坐标系转换为自组织坐标系(步骤S3)。即，推土铲位置计算部313根据IMU111的测量值确定铅垂方向，使铲尖132e的初始位置仅旋转车身110的上下方向与铅垂方向的偏离角，从而求出自组织坐标系中的铲尖132e的初始位置。

接下来，目标高度确定部317基于设计面数据，以通过在步骤S3中计算出的铲尖132e的初始位置的方式，在自组织坐标系中规定设计面(步骤S4)。关于目标高度确定部317，所规定的设计面存储于主存储器330。

接下来，操作量取得部311取得行驶操作杆144的操作量(步骤S5)。另外，测量值取得部312从IMU111、旋转传感器123以及行程传感器134分别取得测量值(步骤S6)。接下来，移动距离确定部315基于在步骤S6中取得的旋转传感器123的测量值，确定控制时间内的车身110的移动距离(步骤S7)。

接下来，推土铲位置计算部313基于测量值取得部312取得的提升缸133的行程量的测量值，计算车身坐标系中的铲尖132e的位置(步骤S8)。接下来，行进方向确定部314基于在步骤S8中计算出的铲尖132e的位置，计算车身正面方向D1与将链轮122的正下方的履带121的位置P和铲尖132e连结的直线的方向D2所成的角θ(步骤S9)。行进方向确定部314判定角θ是否是为0度以上(步骤S10)。

在角θ为0度以上的情况下(步骤S10：YES)，行进方向确定部314将车身正面方向D1确定为车身坐标系中的车身110的行进方向(步骤S11)。另一方面，在角θ小于0度的情况下(步骤S10：NO)，行进方向确定部314将连结链轮122的正下方的履带121的位置P与铲尖132e的直线的方向D2确定为车身坐标系中的车身110的行进方向(步骤S12)。

接下来，行进方向确定部314基于在步骤S6中取得的IMU111的测量值，将在步骤S11或者步骤S12中确定的车身110的行进方向从车身坐标系转换为自组织坐标系(步骤S13)。

位置确定部316基于存储于主存储器330的自组织坐标系中的车身110的位置、在步骤S7中确定的移动距离、及在步骤S13中确定的行进方向，更新存储于主存储器330的车身110的位置(步骤S14)。

接下来，目标高度确定部317基于在步骤S7中确定的移动距离、在步骤S13中确定的行进方向、及在步骤S14中更新的车身110的位置，预测控制时间后的车身110的位置(步骤S15)。接下来，目标高度确定部317基于在步骤S15中预测的位置、及在步骤S4中存储于主存储器330的设计面，确定铲尖132e的目标高度(步骤S16)。

推土铲控制部318基于在步骤S8中计算出的铲尖132e的位置与在步骤S16中确定的目标高度，向比例控制阀260输出用于控制推土铲132的驱动指令(步骤S17)。

接下来，操作量取得部311判定控制台142是否被输入了自动推土铲控制的结束指示(步骤S18)。在控制台142未被输入自动推土铲控制的结束指示的情况下(步骤S18：NO)，控制装置300使处理返回步骤S5，继续自动推土铲控制处理。

另一方，在输入了自动推土铲控制的结束指示的情况下(步骤S18：YES)，控制装置300结束自动推土铲控制处理。

《作用·效果》

如此，根据第一实施方式，控制装置300基于以车身110的俯仰角以及车身110为基准的推土铲的位置，确定车身110的行进方向。由此，如图6所示，即使在作业车辆100以行驶装置120的前部因来自挖掘对象的反作用力而浮起的状态行驶的情况下，控制装置300也能够正确地确定作业车辆100的行进方向。

另外，控制装置300基于车身的速度和所确定的行进方向来确定车辆的位置。由此，控制装置300能够通过自主导航确定作业车辆100的位置。

另外，控制装置300基于推土铲132的目标高度与所确定的行进方向输出推土铲132的控制信号。由此，控制装置300能够通过自主导航实现自动推土铲控制。另外，在其他实施方式中，所确定的位置信息的用途并不限定于自动推土铲控制。例如其他实施方式的控制装置300也可以使所确定的位置信息显示于控制台142。

《其他实施方式》

以上，参照附图详细说明了一实施方式，但具体构成并不限定于上述，而是能够进行各种设计变更等。例如在其他实施方式中，也可以适当变更上述处理的顺序。另外，也可以并行执行一部分的处理。

上述的实施方式的作业车辆100是推土机，但并不限定于此。例如其他实施方式的作业车辆100也可以是具有铲斗等工作装置的轮式装载机、平地机等其他作业车辆。另外，在作业车辆100是轮式装载机的情况下，行驶装置120是车轮。因此，方向D1是将前轮的接地部与后轮的接地部连结的直线的方向。方向D2是将后轮的接地部与铲尖132e连结的直线的方向。

上述的实施方式的控制装置300基于方向D1与方向D2所成的角θ，来决定使行进方向为方向D1还是方向D2，但并不限定于此。例如其他实施方式的控制装置300也可以基于铲尖132e的位置是否位于比行驶装置120的底面靠上来决定使行进方向为方向D1还是方向D2。另外，车身坐标系中的铲尖132e的位置基于行程传感器134的测量值而确定。因此，其他实施方式的控制装置300也可以基于行程传感器134的测量值是否为阈值以上来决定使行进方向为方向D1还是方向D2。

上述的实施方式的控制装置300将设计面数据存储于储存器350，但并不限定于此。例如其他实施方式的控制装置300也可以通过设于未图示的车身的通信装置而从车身外部接收设计面数据。

工业上的可利用性

根据本发明的上述公开，作业车辆的控制装置在利用推土铲挖掘地面时，能够正确地确定作业车辆的行进方向。

附图标记说明

100…作业车辆 110…车身 111…IMU 120…行驶装置 121…履带 122…链轮123…旋转传感器 130…工作装置 131…提升框架 132…推土铲 132e…铲尖 133…提升缸 134…行程传感器 140…驾驶室 141…座椅 142…控制台 143…工作装置操作杆144…行驶操作杆 145…制动踏板 146…缓动器踏板 210…发动机 220…PTO 230…变速器 240…车轴 250…液压泵 260…比例控制阀 300…控制装置 310…处理器 330…主存储器 350…储存器 370…接口 311…操作量取得部 312…测量值取得部 313…推土铲位置计算部 314…行进方向确定部 315…移动距离确定部 316…位置确定部 317…目标高度确定部 318…推土铲控制部

Claims (4)

1.一种作业车辆的控制装置，该作业车辆具备工作装置，该工作装置以能够沿上下方向移动的方式支承于车身，其特征在于，所述作业车辆的控制装置具备：

俯仰角取得部，其取得所述车身的俯仰角；

工作装置位置计算部，其计算以所述车身为基准的所述工作装置的位置；

行进方向确定部，其基于所述俯仰角以及所述工作装置的位置，确定所述车身的行进方向；

速度取得部，其取得所述车身的速度；

位置确定部，其基于所述速度以及所述车身的行进方向，确定所述车身的位置；

目标高度确定部，其基于表示挖掘对象的目标形状的设计面数据，对所确定的所述车身的位置处的所述挖掘对象的目标高度进行确定；以及

工作装置控制部，其基于所述目标高度与所述行进方向，输出工作装置的控制信号。

2.根据权利要求1所述的作业车辆的控制装置，其特征在于，

在所述工作装置的位置比所述车身的行驶装置的接地部靠下方的情况下，所述行进方向确定部将所述车身的行进方向确定为从所述接地部向工作装置位置延伸的方向，

在所述工作装置的位置比所述接地部靠上方的情况下，所述行进方向确定部将所述车身的行进方向确定为沿着所述俯仰角的方向。

3.一种作业车辆，其特征在于，具备：

车身；

工作装置，其以能够沿上下方向移动的方式支承于所述车身；以及

权利要求1或2所述的控制装置。

4.一种作业车辆的方向确定方法，该作业车辆具备工作装置，该工作装置以能够沿上下方向移动的方式支承于车身，其特征在于，所述作业车辆的方向确定方法具备如下步骤：

测量所述车身的俯仰角；

计算以所述车身为基准的所述工作装置的位置；

基于所述俯仰角以及所述工作装置的位置，决定所述车身的行进方向；

取得所述车身的速度；

基于所述速度以及所述车身的行进方向，确定所述车身的位置；

基于表示挖掘对象的目标形状的设计面数据，对所确定的所述车身的位置处的所述挖掘对象的目标高度进行确定；以及

基于所述目标高度与所述行进方向，输出工作装置的控制信号。

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