CN113692469A - 作业机械以及作业机械的控制方法 - Google Patents

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Abstract

作业机械具备：行驶体；回转体，其以能够回转的方式设置于行驶体；角速度传感器，其安装于回转体，输出回转体的方位角速度；测定装置，其测定回转体的方位；以及控制部，其基于由测定装置测定出的方位信息对方位角速度进行校正，并基于校正后的方位角速度对回转体进行控制。

Description

作业机械以及作业机械的控制方法
技术领域
本公开涉及作业机械的回转控制。
背景技术
以往，已知有液压挖掘机等作业车辆。例如，在日本特开2017-122602号公报(专利文献1)中，已知有基于安装于回转体的陀螺仪传感器等惯性计测装置的输出来导出回转体的回转角度的挖掘机。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-122602号公报
发明内容
发明要解决的课题
另一方面，惯性计测装置的环境依赖性高而有时产生灵敏度误差。在该情况下，回转角度的导出可能产生误差，从而存在无法执行高精度的回转控制的可能性。
本公开的目的在于，提供一种能够进行高精度的回转控制的作业机械以及作业机械的控制方法。
用于解决课题的手段
根据本公开的一个方案的作业机械具备：行驶体；回转体，其以能够回转的方式设置于行驶体；角速度传感器，其安装于回转体，输出回转体的方位角速度；测定装置，其测定回转体的方位；以及控制部，其基于由测定装置测定出的方位信息对方位角速度进行校正，并基于校正后的方位角速度对回转体进行控制。
优选的是，控制部基于由测定装置测定出的回转体的回转开始前的方位以及回转体的回转结束后的方位，计算基准回转角度。
优选的是，控制部基于由角速度传感器输出的方位角速度以及回转体的回转动作时间，计算预想回转角度，控制部基于基准回转角度以及预想回转角度，计算对角速度传感器的输出进行校正的校正系数。
优选的是，校正系数是预想回转角度相对于基准回转角度的比。
根据本公开的一个方案的作业机械的控制方法包括如下步骤：通过安装于以能够回转的方式设置于行驶体的回转体的角速度传感器来检测方位角速度；测定回转体的方位；基于所测定出的回转体的方位信息，对所检测出的方位角速度进行校正；以及基于校正后的方位角速度，对回转体进行控制。
发明效果
本公开的作业机械以及作业机械的控制方法能够进行高精度的回转控制。
附图说明
图1是基于实施方式的作业机械的外观图。
图2是示意性地说明基于实施方式的作业机械100的图。
图3对示出基于实施方式的作业机械100的控制系统的结构的概要框图进行说明。
图4是示意性地说明基于实施方式的回转体3的回转动作的图。
图5是说明根据实施方式的IMU24的灵敏度误差的图。
图6是示出基于实施方式的工作装置控制器26的结构的框图。
图7是对基于实施方式的校正部104的校正系数的计算进行说明的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。在以下的说明中，对相同部件标注有相同的附图标记。它们的名称以及功能相同。因此，不重复关于它们的详细说明。
<作业机械的整体结构>
图1是基于实施方式的作业机械的外观图。
如图1所示，作为能够应用本公开的思想的作业机械，列举具备通过液压来工作的工作装置2的液压挖掘机为例来进行说明。
作业机械100具备车辆主体1、以及工作装置2。
车辆主体1具有回转体3、驾驶室4以及行驶装置5。
回转体3配置于行驶装置5之上。行驶装置5支承回转体3。回转体3能够以回转轴AX为中心回转。在驾驶室4设置有供操作员就坐的驾驶席4S。操作员在驾驶室4中操作作业机械100。行驶装置5具有一对履带5Cr。通过履带5Cr的旋转而作业机械100行驶。行驶装置5也可以由车轮(轮胎)构成。
在实施方式1中，以就坐于驾驶席4S的操作员为基准对各部分的位置关系进行说明。前后方向是指就坐于驾驶席4S的操作员的前后方向。左右方向是指以就坐于驾驶席4S的操作员为基准的左右方向。左右方向与车辆的宽度方向(车宽方向)一致。将就坐于驾驶席4S的操作员正对正面的方向设为前方向，将与前方向相反的方向设为后方向。将就坐于驾驶席4S的操作员正对正面时的右侧、左侧分别设为右方向、左方向。
回转体3具有收容发动机的发动机室9、以及设置用于回转体3的后部的配重。在回转体3中，在发动机室9的前方设置有扶手19。在发动机室9中配置有发动机以及液压泵等。
工作装置2支承于回转体3。工作装置2具有动臂6、斗杆7、铲斗8、动臂缸10、斗杆缸11、以及铲斗缸12。
动臂6经由动臂销13与回转体3连接。斗杆7经由斗杆销14与动臂6连接。铲斗8经由铲斗销15与斗杆7连接。动臂缸10驱动动臂6。斗杆缸11驱动斗杆7。铲斗缸12驱动铲斗8。动臂6的基端部(动臂基部)与回转体3连接。动臂6的前端部(动臂顶部)与斗杆7的基端部(斗杆基部)连接。斗杆7的前端部(斗杆顶部)与铲斗8的基端部连接。动臂缸10、斗杆缸11以及铲斗缸12均是由工作油驱动的液压缸。
动臂6能够以转动轴即动臂销13为中心相对于回转体3转动。斗杆7能够以与动臂销13平行的转动轴即斗杆销14为中心相对于动臂6旋转。铲斗8能够以与动臂销13以及斗杆销14平行的转动轴即铲斗销15为中心相对于斗杆7转动。
需要说明的是，行驶装置5、回转体3是本公开的“行驶体”、“回转体”的一例。
图2是示意性地说明基于实施方式的作业机械100的图。
在图2的(A)中示出作业机械100的侧视图。在图2的(B)中示出作业机械100的后视图。
如图2的(A)以及图2的(B)所示，动臂6的长度L1是动臂销13与斗杆销14之间的距离。斗杆7的长度L2是斗杆销14与铲斗销15之间的距离。铲斗8的长度L3是铲斗销15与铲斗8的铲尖8A之间的。铲斗8具有多个斗齿，在本例中，将铲斗8的前端部称作铲尖8A。
需要说明的是，铲斗8也可以不具有斗齿。铲斗8的前端部也可以由笔直形状的钢板形成。
作业机械100具有动臂缸行程传感器16、斗杆缸行程传感器17、以及铲斗缸行程传感器18。动臂缸行程传感器16配置于动臂缸10。斗杆缸行程传感器17配置于斗杆缸11。铲斗缸行程传感器18配置于铲斗缸12。需要说明的是，动臂缸行程传感器16、斗杆缸行程传感器17以及铲斗缸行程传感器18也总称为缸行程传感器。
基于动臂缸行程传感器16的检测结果来求出动臂缸10的行程长度。基于斗杆缸行程传感器17的检测结果来求出斗杆缸11的行程长度。基于铲斗缸行程传感器18的检测结果来求出铲斗缸12的行程长度。
需要说明的是，在本例中，也将动臂缸10、斗杆缸11以及铲斗缸12的行程长度分别称作动臂缸长、斗杆缸长以及铲斗缸长。另外，在本例中，也将动臂缸长、斗杆缸长、以及铲斗缸长总称为缸长数据L。需要说明的是，也可以采用使用角度传感器来检测行程长度的方式。
作业机械100具备能够检测作业机械100的位置的位置检测装置20。
位置检测装置20具有天线21、全局坐标运算部23、以及IMU(InertialMeasurement Unit)24。
天线21例如是例如GNSS(Global Navigation Satellite Systems：全球导航卫星系统)用的天线。天线21例如是RTK-GNSS(Real Time Kinematic-Global NavigationSatellite Systems)用天线。
天线21设置于回转体3。在本例中，天线21设置于回转体3的扶手19。需要说明的是，天线21也可以设置于发动机室9的后方向。例如，也可以在回转体3的配重设置天线21。天线21将与从卫星接收的电波(GNSS电波)相应的信号向全局坐标运算部23输出。
全局坐标运算部23检测全局坐标系下的天线21的设置位置P1。全局坐标系是以设置于作业区域的基准位置Pr为原点的三维坐标系(Xg，Yg，Zg)。在本例中，基准位置Pr是设定于作业区域的基准桩的前端的位置。另外，局部坐标系是以作业机械100为基准的由(X，Y，Z)表示的三维坐标系。局部坐标系的基准位置是表示位于回转体3的回转轴(回转中心)AX的基准位置P2的数据。
在本例中，天线21具有以在车宽方向上彼此分开的方式设置于回转体3的第一天线21A以及第二天线21B。
全局坐标运算部23检测第一天线21A的设置位置P1a以及第二天线21B的设置位置P1b。全局坐标运算部23取得由全局坐标表示的基准位置数据P。在本例中，基准位置数据P是表示位于回转体3的回转轴(回转中心)AX的基准位置P2的数据。需要说明的是，基准位置数据P也可以是表示设置位置P1的数据。
在本例中，全局坐标运算部23基于设置位置P1a以及设置位置P1b它们两个来生成回转体方位数据Q。回转体方位数据Q基于由设置位置P1a和设置位置P1b决定的直线相对于全局坐标的基准方位(例如北)所成的角而被决定。回转体方位数据Q表示回转体3(工作装置2)所朝向的方位。全局坐标运算部23向后述的工作装置控制器26输出基准位置数据P以及回转体方位数据Q。全局坐标运算部23能够在回转体3静止着的情况下生成并输出高精度的回转体方位数据。需要说明的是，在本例中，对使用GNSS电波并通过全局坐标运算部23来计算回转体方位数据的方式进行说明，但并不特别局限于此，也可以通过其他方式来计算回转体方位数据。例如，也可以使用立体图像来取得三维数据，从而计算该回转体方位数据。也可以使用照射激光以测量距离的LIDAR(Light Detection and Ranging)技术来计算回转体方位数据。也可以利用扫描数据的扫描匹配方式来取得回转体方位数据。
IMU24是角速度传感器之一，设置于回转体3。在本例中，IMU24配置于驾驶室4的下部。在回转体3中，在驾驶室4的下部配置有高刚性的框架。IMU24配置于该框架上。需要说明的是，IMU24也可以配置于回转体3的回转轴AX(基准位置P2)的侧方(右侧或者左侧)。
IMU24在回转体3进行回转动作时测定并输出方位角速度数据。基于方位角速度数据来执行回转体3的回转控制。IMU24可以检测车辆主体1向左右方向倾斜的倾斜角θ4、以及车辆主体1向前后方向倾斜的倾斜角θ5。
图3对示出基于实施方式的作业机械100的控制系统的结构的概要框图进行说明。
如图3所示，作业机械100具有动臂缸行程传感器16、斗杆缸行程传感器17、铲斗缸行程传感器18、天线21、全局坐标运算部23、IMU24、工作装置控制器26、动臂缸10、斗杆缸11、铲斗缸12、回转马达62、以及液压装置64。
液压装置64具备未图示的工作油箱、液压泵、流量控制阀、电磁比例控制阀。液压泵利用未图示的发动机的动力进行驱动，经由流量调整阀向动臂缸10、斗杆缸11以及铲斗缸12供给工作油。液压泵为了执行回转体3的回转动作而向回转马达62供给工作油。
传感器控制器30基于动臂缸行程传感器16的检测结果来计算动臂缸长。动臂缸行程传感器16向传感器控制器30输出伴随周转动作的脉冲。传感器控制器30基于从动臂缸行程传感器16输出的脉冲来计算动臂缸长。
同样地，传感器控制器30基于斗杆缸行程传感器17的检测结果来计算斗杆缸长。传感器控制器30基于铲斗缸行程传感器18的检测结果来计算铲斗缸长。
传感器控制器30根据基于动臂缸行程传感器16的检测结果所取得的动臂缸长，计算动臂6相对于回转体3的垂直方向的倾斜角θ1。传感器控制器30根据基于斗杆缸行程传感器17的检测结果所取得的斗杆缸长，计算斗杆7相对于动臂6的倾斜角θ2。传感器控制器30根据基于铲斗缸行程传感器18的检测结果所取得的铲斗缸长，计算铲斗8的铲尖8A相对于斗杆7的倾斜角θ3。
上述计算结果即倾斜角θ1、θ2、θ3、车辆主体1向左右方向倾斜的倾斜角θ4、车辆主体1向前后方向倾斜的倾斜角θ5、以及基准位置数据P、回转体方位数据Q，能够控制作业机械100的姿态。
传感器控制器30将在回转体3进行回转动作时由IMU24测定的方位角速度数据向工作装置控制器26输出。
全局坐标运算部23向工作装置控制器26输出回转体方位数据Q。
工作装置控制器26基于来自全局坐标运算部23的回转体方位数据Q，对由IMU24测定的方位角速度数据进行校正，并基于校正后的方位角速度数据对液压装置64进行控制，以对回转体3的回转动作进行控制。
图4是示意性地说明基于实施方式的回转体3的回转动作的图。
如图4所示，在回转体3设置有IMU24，IMU24测定并输出回转体3的方位角速度数据。
工作装置控制器26经由传感器控制器30接受由IMU24测定出的方位角速度数据的输入。
工作装置控制器26基于由IMU24测定出的方位角速度数据与回转体3的回转动作时间的积来计算回转角度。
图5是说明根据实施方式的IMU24的灵敏度误差的图。
在图5中，示出回转体3的回转动作的实际的方位角速度数据ωIMU(rad/s)与由IMU24测定出的方位角速度数据ωIMU_corr的关系。
理想地，所测定出的方位角速度数据ωIMU_corr相对于实际的方位角速度数据ωIMU的比为“1”。
另一方面，IMU24的环境依赖性高而根据温度产生灵敏度误差。
具体而言，示出所测定出的方位角速度数据ωIMU_corr相对于实际的方位角速度数据ωIMU的比大于1的情况、或者小于1的情况。
因此，在实施方式中，测定灵敏度误差并以接近实际的方位角速度数据的方式对所测定出的方位角速度数据ωIMU_corr进行校正。在本例中，计算用于使所测定出的方位角速度数据ωIMU_corr接近实际的方位角速度数据ωIMU的校正系数。
图6是示出基于实施方式的工作装置控制器26的结构的框图。
如图6所示，工作装置控制器26包括检测信息取得部102、校正部104、以及回转体控制部106。
检测信息取得部102取得从传感器控制器30输出的来自IMU24的方位角速度数据、以及从全局坐标运算部23输出的回转体方位数据。
校正部104基于来自全局坐标运算部23的回转体方位数据Q以及来自IMU24的方位角速度数据，计算用于对由IMU24测定的方位角速度数据进行校正的校正系数。
回转体控制部106基于由校正部104计算出的校正系数、以及IMU24的方位角速度数据来对回转体3进行控制。
图7是对基于实施方式的校正部104的校正系数的计算进行说明的流程图。
如图7所示，校正部104取得回转体3的回转动作开始前的方位信息(步骤S2)。例如，从全局坐标运算部23取得回转体3的回转动作的开始前的作业机械100在挖掘动作中的回转体方位数据。
接下来，校正部104取得回转体3的回转动作结束后的方位信息(步骤S4)。例如，从全局坐标运算部23取得回转体的回转动作结束后的作业机械100在排土动作中的回转体方位数据。
接下来，校正部104计算基准回转角度(步骤S6)。
具体而言，校正部104基于来自全局坐标运算部23的回转体3的回转动作开始前的方位信息以及回转体3的回转动作结束后的方位信息，计算基准回转角度。
作为一例，在设为回转体3的回转动作开始前的回转体方位数据θswing_start、回转体3的回转动作结束后的回转体方位数据θswing_goal时，基准回转角度θGNSS能够如下那样计算。
基准回转角度θGNSS＝θswing_goal-θswing_start
接下来，校正部104计算预想回转角度(步骤S8)。
具体而言，校正部104基于来自IMU24的方位角速度数据ωIMU、以及回转体动作时间tswing来计算预想回转角度θIMU。预想回转角度θIMU能够如下那样计算。
预想回转角度θIMU＝∑ωIMU×Ts
Ts：采样时间
将方位角速度数据ωIMU以从回转动作开始至回转动作结束为止的回转体动作时间tswing进行积分。
接下来，校正部104计算校正系数(步骤S10)。
具体而言，基于预想回转角度θIMU相对于基准回转角度θGNSS的比来计算用于对所测定出的方位角速度数据(ωIMU_corr的灵敏度误差进行校正的校正系数p。校正系数p是IMU24的传感器输出根据输入而变化的比例，通过以下式子来计算。
校正系数p＝ωIMU_corr/ωIMU＝θGNSS/θIMU
接着，结束处理(结束)。
回转体控制部106基于由校正部104计算出的校正系数p，对由IMU24测定出的方位角速度数据进行校正，并基于校正后的方位角速度数据对液压装置64进行控制，以执行回转体3的回转动作。由此，能够进行针对回转体3的高精度的回转动作。
根据本实施方式的工作装置控制器26如上述那样从传感器控制器30取得倾斜角θ1～θ5、以及基准位置数据P、回转体方位数据Q。因此，工作装置控制器26能够基于该取得的信息自动控制作业机械100的姿态。具体而言，可以执行以下动作的自动控制：使用铲斗8对挖掘对象物进行挖掘的挖掘动作、使通过挖掘动作而取入铲斗8的挖掘对象物移动至排土位置的抬起回转动作、将取入铲斗8的挖掘对象物排出至自卸车的载货台的排土动作、使排土动作后变空的铲斗8移动至挖掘位置的降下回转动作。
工作装置控制器26也可以使用自动控制中的挖掘动作以及排土动作时的从全局坐标运算部23输出的回转体方位数据，并基于上述的方式，反复计算用于对在抬起回转动作以及降下回转动作中使用的由IMU24测定出的方位角速度数据进行校正的校正系数。
或者，工作装置控制器26也可以使用上述反复计算得到的校正系数的平均值。由此，能够计算可靠性高的校正系数。
或者，工作装置控制器26也可以根据基准回转角度θGNSS来计算校正系数。具体而言，可以是，在基准回转角度θGNSS为规定角度以上的情况下，有可能灵敏度误差变大，因此在这种情况下计算校正系数，在基准回转角度θGNSS小于规定角度的情况下，灵敏度误差较小，因此在这种情况下不计算校正系数。
或者，工作装置控制器26也可以为了计算对来自IMU24的方位角速度数据进行校正的校正系数p而执行测试用的回转动作。在测试用的回转动作中，也可以使用由全局坐标运算部23生成的回转体3的回转开始前以及回转结束后的回转体方位数据，并基于上述的方式，计算用于对在回转动作中使用的由IMU24测定出的方位加速度数据进行校正的校正系数。
以上，对本公开的实施方式进行了说明，但应理解本次公开的实施方式在所有方面是例示性的而非限制性的。本公开的范围旨在由权利要求书来表示，且包含与权利要求书均等的意思以及范围内的所有变更。
附图标记说明：
1...车辆主体；2...工作装置；3...回转体；4...驾驶室；4S...驾驶席；5...行驶装置；5Cr...履带；6...动臂；7...斗杆；8...铲斗；8A...铲尖；9...发动机室；10...动臂缸；11...斗杆缸；12...铲斗缸；13...动臂销；14...斗杆销；15...铲斗销；16...动臂缸行程传感器；17...斗杆缸行程传感器；18...铲斗缸行程传感器；19...扶手；20...位置检测装置；21...天线；21A...第一天线；21B...第二天线；23...全局坐标运算部；26...工作装置控制器；30...传感器控制器；62...回转马达；64...液压装置；100...作业机械；102...检测信息取得部；104...校正部；106...回转体控制部。

Claims (5)

1.一种作业机械，其中，
所述作业机械具备：
行驶体；
回转体，其以能够回转的方式设置于所述行驶体；
角速度传感器，其安装于所述回转体，输出所述回转体的方位角速度；
测定装置，其测定所述回转体的方位；以及
控制部，其基于由所述测定装置测定出的方位信息对所述方位角速度进行校正，并基于校正后的所述方位角速度对所述回转体进行控制。
2.根据权利要求1所述的作业机械，其中，
所述控制部基于由所述测定装置测定出的所述回转体的回转开始前的方位以及所述回转体的回转结束后的方位，计算基准回转角度。
3.根据权利要求2所述的作业机械，其中，
所述控制部基于由所述角速度传感器输出的所述方位角速度以及所述回转体的回转动作时间，计算预想回转角度，
所述控制部基于所述基准回转角度以及所述预想回转角度，计算对所述角速度传感器的输出进行校正的校正系数。
4.根据权利要求3所述的作业机械，其中，
所述校正系数是所述预想回转角度相对于所述基准回转角度的比。
5.一种作业机械的控制方法，其中，
所述作业机械的控制方法包括如下步骤：
通过安装于以能够回转的方式设置于行驶体的回转体的角速度传感器来检测方位角速度；
测定所述回转体的方位；
基于所测定出的所述回转体的方位信息，对所检测出的方位角速度进行校正；以及
基于校正后的所述方位角速度，对所述回转体进行控制。
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