CN114729518B - 作业机械、计测方法以及系统 - Google Patents

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Abstract

在机械主体安装有行驶轮(4)。动臂(15)安装于机械主体。铲斗(14)安装于动臂(15)。动臂缸(18)安装于机械主体，驱动动臂(15)。控制器(50)基于动臂缸(18)的动臂缸力(Fboom)以及轮式装载机(1)的对地加速度(ax、ay)来计算铲斗(14)内的装载物的质量(M2)。

Description

作业机械、计测方法以及系统
技术领域
本公开涉及作业机械、计测方法以及系统。
背景技术
例如在日本特开2017-8633号公报(参照专利文献1)中，公开了在轮式装载机等的作业机械中推断铲斗内的装载重量的方法。在专利文献1中，为了推断铲斗内的装载重量，使用定义了动臂角度与底压的关系的列表。在该列表中，示出了铲斗为空载的状态、额定重量装载的状态、以及装载了额定重量的规定比例的装载物的状态各个状态下的动臂角度与底压的关系。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-8633号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1中的装载重量的推断方法中，若在铲斗内装载有上述列表所示的状态以外的重量的装载物，则无法高精度地推断装载重量。
另外，在专利文献1中，测定出的装载物重量受到作业机械的行驶时的车身整体的振动的影响。因此，在作业机械的行驶中，无法高精度地推断铲斗内的装载量。
本公开的目的在于，提供一种能够在作业机械的行驶中高精度地推断铲斗内的装载物质量的作业机械、计测方法以及系统。
用于解决课题的手段
本公开的作业机械具备行驶轮、机械主体、动臂、铲斗、致动器、以及控制器。在机械主体安装有行驶轮。动臂安装于机械主体。铲斗安装于动臂。致动器安装于机械主体，驱动动臂。控制器基于致动器的推力以及作业机械的对地加速度来计算铲斗内的装载物的质量。
本公开的计测方法是作业机械中的计测铲斗内的装载物的质量的计测方法。作业机械具有行驶轮、安装有行驶轮的机械主体、安装于机械主体的动臂、安装于动臂的铲斗、以及安装于机械主体且驱动动臂的致动器。该计测方法包括以下的步骤。
取得与致动器的推力有关的信息。取得作业机械的对地加速度。基于与致动器的推力有关的信息以及作业机械的对地加速度来计算铲斗内的装载物的质量。
本公开的系统是控制作业机械的系统，具备行驶轮、机械主体、动臂、铲斗、以及致动器。在机械主体安装有行驶轮。动臂安装于机械主体。铲斗安装于动臂。致动器安装于机械主体，驱动动臂。基于致动器的推力以及作业机械的对地加速度来计算铲斗内的装载物的质量。
发明效果
根据本公开，能够实现能够在作业机械的行驶中高精度地推断铲斗内的装载物质量的作业机械、计测方法以及系统。
附图说明
图1是作为实施方式1的作业机械的一例的轮式装载机的侧视图。
图2是示出实施方式1的作业机械中的计测铲斗内的装载物质量的控制器的功能块的图。
图3是示出实施方式1的作业机械中的计测铲斗内的装载物质量的计测方法的流程图。
图4是用于说明在实施方式2的作业机械中计算装载物质量所需的作业机械的各点的图。
图5是示出实施方式2的作业机械中的计测铲斗内的装载物质量的控制器的功能块的图。
图6是示出实施方式2的基于由作业机械的俯仰振动引起的角速度来计测装载物质量的计测方法的流程图。
图7是示出通过计算取得俯仰方向的旋转振动中心的坐标并将其用于装载物质量的计测的计测方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的实施方式进行详细说明。需要说明的是，在说明书以及附图中，对相同的构成要素或者对应的构成要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。另外，在附图中，为了便于说明，有时省略或简化结构。另外，各实施方式及各变形例中的至少一部分也可以相互任意地组合。
(实施方式1)
<作业机械的结构>
使用图1对作为实施方式1的作业机械的一例的轮式装载机的结构进行说明。需要说明的是，本实施方式中的作业机械不限定于轮式装载机。本实施方式的作业机械只要是一边行驶一边进行挖掘的具有车轮的作业机械即可，也可以是反铲装载机、滑移装载机等。
图1是作为实施方式1的作业机械的一例的轮式装载机的侧视图。如图1所示，轮式装载机1具有车身框架2、工作装置3、行驶装置4、以及驾驶室5。
由车身框架2以及驾驶室5构成轮式装载机1的机械主体。在驾驶室5内配置有供操作员就座的座椅以及操作装置等。在轮式装载机1的机械主体安装有工作装置3以及行驶装置4。工作装置3配置于机械主体的前方，在机械主体的最后端设置有配重6。
车身框架2包括前框架11以及后框架12。在前框架11和后框架12安装有转向缸13。转向缸13是液压缸。转向缸13在来自转向泵(未图示)的工作油的作用下伸缩。通过转向缸13的伸缩，前框架11和后框架12能够相互向左右方向摆动。由此，轮式装载机1的行进方向能够左右变更。
行驶装置4包括行驶轮4a、4b。行驶轮4a、4b分别是车轮，具有由橡胶构成的轮胎。行驶轮(前轮)4a以能够旋转的方式安装于前框架11。行驶轮(后轮)4b以能够旋转的方式安装于后框架12。轮式装载机1通过驱动行驶轮4a、4b旋转而能够自行。
工作装置3是用于进行挖掘等作业的装置。工作装置3安装于前框架11。工作装置3包括铲斗14、动臂15、双臂曲柄16、倾转杆17、动臂缸18(致动器)、以及铲斗缸19。
动臂15的基端部通过动臂销21以旋转自如的方式安装于前框架11。由此，动臂15以能够旋转的方式安装于机械主体。铲斗14通过铲斗销22以旋转自如的方式安装于动臂15的前端。
动臂缸18驱动动臂15。动臂缸18的一端通过销23以能够旋转的方式安装于前框架11。由此，动臂缸18以能够旋转的方式安装于机械主体。动臂缸18的另一端通过销24以能够旋转的方式安装于动臂15。
动臂缸18例如是液压缸。动臂缸18在来自工作装置泵(未图示)的工作油的作用下伸缩。由此，动臂15进行驱动，安装于动臂15的前端的铲斗14升降。
双臂曲柄16通过支承销29以旋转自如的方式支承于动臂15。双臂曲柄16具有位于支承销29的一侧的第一端部、以及位于支承销29的另一侧的第二端部。双臂曲柄16的第一端部经由倾转杆17与铲斗14连接。双臂曲柄16的第二端部经由铲斗缸19与机械主体的前框架11连接。
倾转杆17的一端通过销27以能够旋转的方式安装于双臂曲柄16的第一端部。倾转杆17的另一端通过销28以能够旋转的方式安装于铲斗14。铲斗14能够相对于动臂15旋转。
铲斗缸19的一端通过销25以能够旋转的方式安装于机械主体的前框架11。铲斗缸19的另一端通过销26以能够旋转的方式安装于双臂曲柄16的第二端部。
铲斗缸19例如是液压缸。铲斗缸19在来自工作装置泵(未图示)的工作油的作用下伸缩。由此，铲斗14进行驱动，铲斗14相对于动臂15上下转动。
轮式装载机1还具有检测与动臂缸18的推力Fboom(动臂缸力)有关的信息的传感器。
检测与动臂缸18的推力Fboom有关的信息的传感器例如是压力传感器31b、31h。压力传感器31b、31h分别检测动臂缸18的缸压力。压力传感器31b检测动臂缸18的底压。压力传感器31h检测动臂缸18的头压。
头压是指相对于液压缸的活塞而缸杆侧的压力，底压是指相对于活塞而管侧的压力。
轮式装载机1还具有检测与工作装置3的姿态有关的信息的传感器。检测与工作装置3的姿态有关的信息的传感器例如包括检测与动臂角度有关的信息的传感器、以及检测与铲斗角度有关的信息的传感器。
与工作装置3的姿态有关的信息是指尺寸L1。尺寸L1是动臂销21与销23之间的尺寸，且是与动臂缸18的延伸方向正交的方向的尺寸。
动臂角度是动臂15相对于机械主体的前框架11的角度。铲斗角度是铲斗14相对于动臂15的角度。
检测与动臂角度有关的信息的传感器例如是电位计33。电位计33以与动臂销21同心的方式安装。作为检测与动臂角度有关的信息的传感器，也可以取代电位计33使用动臂缸18的行程传感器35。
另外，作为检测与动臂角度有关的信息的传感器，也可以使用IMU(InertialMeasurement Unit)37、或者拍摄设备(例如相机)39。IMU37例如安装于动臂15。拍摄设备39安装于机械主体(例如驾驶室5)。
检测与铲斗角度有关的信息的传感器例如是电位计34。电位计34以与支承销29同心的方式安装。作为检测与铲斗角度有关的信息的传感器，也可以取代电位计34使用铲斗缸19的行程传感器36。
另外，作为检测与铲斗角度有关的信息的传感器，也可以使用IMU38、或者拍摄设备39。IMU38例如安装于倾转杆17。
上述的电位计33、34、行程传感器35、36、IMU37、38、以及拍摄设备39也可以用作检测与工作装置3的重心GC1的位置有关的信息的传感器。与工作装置3的重心GC1的位置有关的信息是指尺寸L2x以及尺寸L2y。
尺寸L2x是重心GC1与动臂销21之间的尺寸，且是沿着轮式装载机1的前后方向的尺寸。尺寸L2y是重心GC1与动臂销21之间的尺寸，且是沿着轮式装载机1的上下方向的尺寸。
在本说明书中，轮式装载机1的前后方向是指轮式装载机1直行行驶的方向。在轮式装载机1的前后方向上，相对于车身框架2配置有工作装置3的一侧是前方向，与前方向相反的一侧是后方向。轮式装载机1的上下方向是指与载置轮式装载机1的地表面正交的方向。以轮式装载机1为基准，地表面所在的一侧是下侧，天空所在的一侧是上侧。
尺寸L2x是在轮式装载机1载置于水平的地表面的状态下、重心GC1与动臂销21之间的沿着水平方向的尺寸。另外，尺寸L2y是在轮式装载机1载置于水平的地表面的状态下、重心GC1与动臂销21之间的沿着铅垂方向的尺寸。
另外，上述的电位计33、34、行程传感器35、36、IMU37、38、以及拍摄设备39也可以用作检测与铲斗14内的装载物的重心GC2的位置有关的信息的传感器。与铲斗14内的装载物的重心GC2的位置有关的信息是尺寸L3x以及尺寸L3y。
尺寸L3x是重心GC2与动臂销21之间的尺寸，且是沿着轮式装载机1的前后方向的尺寸。尺寸L3y是重心GC2与动臂销21之间的尺寸，且是沿着轮式装载机1的上下方向的尺寸。
尺寸L3x是在轮式装载机1载置于水平的地表面的状态下、重心GC2与动臂销21之间的沿着水平方向的尺寸。另外，尺寸L3y是在轮式装载机1载置于水平的地面的状态下、重心GC2与动臂销21之间的沿着铅垂方向的尺寸。
轮式装载机1还具有检测轮式装载机1(作业机械)的对地加速度的加速度传感器40。作为该加速度传感器40，例如可以使用IMU。加速度传感器40安装于工作装置3(动臂15、双臂曲柄16、铲斗14)以及机械主体中的任一方。在加速度传感器40安装于机械主体的情况下，安装于前框架11以及后框架12中的任一方。
对地加速度是指轮式装载机1相对于地表面的加速度。对地加速度相对于地表面包括前后方向的加速度ax、以及上下方向的加速度ay。另外，加速度传感器40也能够测定轮式装载机1的俯仰方向上的旋转角速度ω。
前后方向的加速度ax是轮式装载机1直行行驶的方向的加速度。前后方向的加速度ax是在轮式装载机1载置于水平的地表面的状态下、水平方向的加速度。上下方向的加速度ay是与地表面正交的方向的加速度。上下方向的加速度ay是在轮式装载机1载置于水平的地表面的状态下、铅垂方向的加速度。
另外，作为轮式装载机1中的检测轮式装载机1的对地加速度的加速度传感器，也可以使用陀螺仪传感器(角速度传感器)、车速传感器、GPS(Global Positioning System)、拍摄设备39。
<控制器的功能块>
接下来，使用图2对图1所示的轮式装载机1的计测铲斗14内的装载物质量的控制器50的功能块进行说明。
图2是示出图1所示的作业机械中的计测铲斗内的装载物质量的控制器的功能块的图。如图2所示，控制器50具有动臂缸力计算部50a、对地加速度计算部50b、工作装置姿态计算部50c、重心位置计算部50d、与动臂有关的力矩的平衡式生成部50e、装载物质量计算部50f、以及存储部50g。
动臂缸力计算部50a从压力传感器31b取得动臂缸18的底压。动臂缸力计算部50a从压力传感器31h取得动臂缸18的头压。
动臂缸力计算部50a基于由压力传感器31b、31h检测出的缸压力来计算动臂缸力Fboom。具体而言，动臂缸力计算部50a基于从压力传感器31b取得的动臂缸18的底压、以及从压力传感器31h取得的头压来计算动臂缸力Fboom。动臂缸力计算部50a也可以仅根据所取得的动臂缸18的底压来计算动臂缸力Fboom。动臂缸力计算部50a将计算出的动臂缸力Fboom向与动臂有关的力矩平衡式生成部50e输出。
对地加速度计算部50b从加速度传感器40取得轮式装载机1的对地加速度。对地加速度计算部50b根据从加速度传感器40取得的对地加速度，计算轮式装载机1相对于地表面的前后方向的加速度ax、以及上下方向的加速度ay。对地加速度计算部50b将计算出的对地加速度ax、ay向与动臂有关的力矩平衡式生成部50e输出。
需要说明的是，前后方向的加速度ax以及上下方向的加速度ay也可以不由控制器50计算，而由加速度传感器40计测并向控制器50输出。
工作装置姿态计算部50c从电位计33、行程传感器35、IMU37、拍摄设备39等取得与动臂角度有关的信息。工作装置姿态计算部50c从电位计34、行程传感器36、IMU38、拍摄设备39等取得与铲斗角度有关的信息。
工作装置姿态计算部50c基于与动臂角度有关的信息以及与铲斗角度有关的信息来计算尺寸L1。工作装置姿态计算部50c将计算出的尺寸L1向与动臂有关的力矩平衡式生成部50e输出。
重心位置计算部50d从电位计33、行程传感器35、IMU37、拍摄设备39等取得与动臂角度有关的信息。工作装置姿态计算部50c从电位计34、行程传感器36、IMU38、拍摄设备39等取得与铲斗角度有关的信息。
重心位置计算部50d基于与动臂角度有关的信息以及与铲斗角度有关的信息来计算尺寸L2x、L2y、L3x、L3y。重心位置计算部50d将计算出的尺寸L2x、L2y、L3x、L3y向与动臂有关的力矩平衡式生成部50e输出。
存储部50g存储有工作装置3整体的质量M1、重力加速度g等。也可以从控制器50外部的输入部51向存储部50g输入质量M1、重力加速度g等信息。存储部50g也可以不包含于控制器50，而配置于控制器50的外部。
与动臂有关的力矩平衡式生成部50e从存储部50g取得工作装置3整体的质量M1以及重力加速度g。
与动臂有关的力矩平衡式生成部50e根据所取得的动臂缸力Fboom、对地加速度ax、ay、尺寸L1、L2x、L2y、L3x、L3y、质量M1、M2、以及重力加速度g，生成与动臂有关的力矩的平衡式(1)。式(1)中的M2是铲斗14内的装载物的质量。
[式1]
Fboom×L1＝M1g×L2x+M2g×L3x+M1×L2x×ay+M2×L3x×ay-M1×L2y×ax-M2×L3y×ax…(1)
式(1)中的动臂缸力Fboom的单位是N，对地加速度ax、ay以及重力加速度g的单位是m/s2。另外，尺寸L1、L2x、L2y、L3x、L3y的单位是m，质量M1、M2的单位是kg。
与动臂有关的力矩平衡式生成部50e将式(1)向装载物质量计算部50f输出。
装载物质量计算部50f如以下的式(2)那样针对质量M2解出式(1)。由此，装载物质量计算部50f能够计算出铲斗14内的装载物的质量M2。
[式2]
如上式(2)所示，控制器50基于动臂缸力Fboom、对地加速度ax、ay、尺寸L1、L2x、L2y、L3x、L3y、质量M1、以及重力加速度g来计算质量M2。
装载物质量计算部50f将计算出的质量M2输出至控制器50外的显示部52。显示部52例如可以配置于驾驶室5(图1)内，另外也可以配置于远离轮式装载机1的远程地点。显示部52将计算出的质量M2或者重量M2×g显示于画面。由此，在驾驶室5内操作轮式装载机1的操作员、在远程地点监视轮式装载机1的动作的监视者等能够识别铲斗14内的装载物质量M2或者装载物重量M2×g。
需要说明的是，输入部51以及显示部52分别可以通过有线与控制器50连接，另外也可以通过无线与控制器50连接。
<装载物质量M2的计测方法>
接下来，使用图1～图3对本实施方式的装载物质量M2的计测方法进行说明。图3是示出实施方式1的作业机械中的计测铲斗内的装载物质量的计测方法的流程图。
在轮式装载机1的行驶中，通过图1所示的加速度传感器40来计测轮式装载机1中的轮式装载机1的对地加速度。计测出的对地加速度由图2所示的控制器50取得(步骤S1a：图3)。
另外，在对地加速度的计测时，计测与动臂角度有关的信息。与动臂角度有关的信息例如由图1所示的电位计33计测。电位计33计测动臂15相对于机械主体的前框架11的旋转角度。
与动臂角度有关的信息也可以是由行程传感器35计测的动臂缸18的行程长度。另外，与动臂角度有关的信息也可以是由IMU37计测的动臂15的3轴的角度(或者角速度)及加速度，另外还可以是由拍摄设备39拍摄的图像。
如上述那样计测出的与动臂角度有关的信息由图2所示的控制器50取得(步骤S1b：图3)。
另外，在对地加速度的计测时，计测与铲斗角度有关的信息。与铲斗角度有关的信息例如由图1所示的电位计34计测。电位计34计测双臂曲柄16相对于动臂15的旋转角度。
与铲斗角度有关的信息也可以是由行程传感器36计测的铲斗缸19的行程长度。另外，与铲斗角度有关的信息也可以是由IMU38计测的倾转杆17的3轴的角度(或者角速度)及加速度，另外还可以是由拍摄设备39拍摄的图像。
如上述那样计测出的与铲斗角度有关的信息由图2所示的控制器50取得(步骤S1c：图3)。
另外，在对地加速度的计测时，计测与驱动动臂15的致动器的推力有关的信息。与驱动动臂15的致动器的推力有关的信息例如是图1所示的动臂缸18的缸压力。动臂缸18的底压由压力传感器31b计测，头压由压力传感器31h计测。需要说明的是，也可以仅计测动臂缸18的底压来作为与致动器的推力有关的信息。
如上述那样计测出的与驱动动臂15的致动器的推力有关的信息(动臂缸18的缸压力)由图2所示的控制器50取得(步骤S1d：图3)。控制器50取得的与致动器的推力有关的信息可以是动臂缸18的底压和头压这双方，也可以仅是底压。
之后，控制器50基于所取得的与动臂角度有关的信息以及与铲斗角度有关的信息，计算与工作装置3的姿态有关的尺寸L1、表示工作装置3的重心GC1的位置的尺寸L2x、L2y、以及表示装载物重心GC2的位置的尺寸L3x、L3y(步骤S2：图3)。
尺寸L1由图2中的工作装置姿态计算部50c计算。尺寸L2x、L2y、L3x、L3y由图2中的重心位置计算部50d计算。
另外，控制器50基于所取得的缸压力来计算动臂缸力Fboom(致动器的推力)(步骤S3：图3)。动臂缸力Fboom由图2中的动臂缸力计算部50a计算。
另外，控制器50基于所取得的对地加速度，计算轮式装载机1的前后方向的对地加速度ax以及上下方向的对地加速度ay(步骤S4：图3)。对地加速度ax、ay由图2中的对地加速度计算部50b计算。
之后，控制器50计算铲斗4内的装载物的质量M2(步骤S5：图3)。装载物质量M2的计算通过将如上述那样计算出的对地加速度ax、ay、尺寸L1、L2x、L2y、L3x、L3y、动臂缸力Fboom、以及存储于图2的存储部的工作装置3整体的质量M1及重力加速度g代入上式(2)来进行。装载物质量M2的计算由图2中的装载物质量计算部50f进行。
如上所述，轮式装载机1的行驶中的铲斗14内的装载物的质量M2由控制器50计算。
需要说明的是，尺寸L1、L2x、L2y、L3x、L3y的计算(步骤S2)、动臂缸力Fboom的计算(步骤S3)、以及对地加速度ax、ay的计算(步骤S4)的顺序并不限定于图3所示的顺序，可以任意设定。另外，尺寸L1、L2x、L2y、L3x、L3y的计算(步骤S2)、动臂缸力Fboom的计算(步骤S3)、以及对地加速度ax、ay的计算(步骤S4)也可以同时进行。
<作用效果>
接下来，对本实施方式的作用效果进行说明。
在轮式装载机1的行驶时，轮式装载机1整体产生振动。特别是在具有轮胎的轮式装载机那样的作业机械1中，由于行驶时的轮胎的挠曲而作业机械1的整体产生前后方向以及上下方向的振动。由于上述那样的行驶时的振动，作业机械1的装载物质量M2的计测受到影响。
在本实施方式中，如上式(2)所示，不仅基于动臂缸力Fboom也基于作业机械1的对地加速度ax、ay来计算铲斗14内的装载物的质量M2。因此，能够考虑轮式装载机1的行驶时的振动的影响来计算铲斗14内的装载物的质量M2。由此，即使作业机械1在行驶中，也能够高精度地计算铲斗14内的装载物质量M2。
另外，在本实施方式中，如上式(2)所示，力矩的平衡式不仅包含缸力Fboom也包含对地加速度ax、ay。因此在一旦计算出铲斗14内的装载物质量后不需要用于修正行驶时的振动的影响的校正。由此，在作业机械1的行驶中，能够简单地计算铲斗14内的装载物质量M2。
如上所述，根据本实施方式，能够在作业机械1的行驶时简单且高精度地推断铲斗14内的装载物质量M2。
另外，在本实施方式中，动臂缸18的缸压力由压力传感器31b、31h计测。由此，能够基于计测出的动臂缸18的缸压力来计算动臂缸力Fboom，能够基于动臂缸力Fboom来计算铲斗14内的装载物质量M2。
另外，在本实施方式中，作业机械的对地加速度由加速度传感器40检测。由此，能够基于作业机械的对地加速度ax、ay来计算铲斗14内的装载物质量M2。
另外，在本实施方式中，加速度传感器40检测作业机械的前后方向的加速度ax以及作业机械的上下方向的加速度ay来作为作业机械的对地加速度。由此，能够考虑前后方向的对地加速度ax以及上下方向的对地加速度ay来计算铲斗14内的装载物的质量M2。
另外，在本实施方式中，计算作业机械1的行驶中的铲斗14内的装载物质量M2。由此，能够考虑轮式装载机1的行驶时的振动的影响来计算铲斗14内的装载物质量M2。
(实施方式2)
也可以考虑作业机械1的俯仰方向的旋转角速度ω的影响来计算铲斗14内的装载物质量M2。以下，对该情况进行说明。
<作业机械中的各点的说明>
首先，对本实施方式的计算装载物质量M2所需的作业机械1的各点进行说明。
图4是用于说明在实施方式2的作业机械中计算装载物质量所需的作业机械的各点的图。如图4所示，点SP表示加速度传感器40的搭载位置。点GC4表示作业机械1整体的俯仰方向的振动中心。点GC1表示工作装置3的重心位置。点GC2表示铲斗14内的装载物的重心位置。
加速度传感器40的搭载位置SP的坐标为(xs，ys)，俯仰的振动中心GC4的坐标为(x4，y4)。工作装置3的重心GC1的坐标为(x1，y1)，铲斗14内的装载物的重心GC2的坐标为(x2，y2)。在本变形例中的计算中，俯仰的振动中心GC4的坐标(x4，y4)被作为原点。
<控制器的功能块>
接下来，使用图5对计测图1、图4所示的作业机械1的铲斗14内的装载物质量M2的控制器50的功能块进行说明。
图5是示出实施方式2的作业机械中的计测铲斗内的装载物质量的控制器的功能块的图。如图5所示，本实施方式的控制器50基于作业机械1的俯仰方向的角速度ω(图4)来计算作业机械1的对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y，并基于计算出的对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y来计算铲斗14内的装载物的质量M2。
控制器50与实施方式1同样地具有动臂缸力计算部50a、对地加速度计算部50b、工作装置姿态计算部50c、重心位置计算部50d、与动臂有关的力矩的平衡式生成部50e、装载物质量计算部50f、以及存储部50g。
与实施方式1同样地，动臂缸力计算部50a计算动臂缸力Fboom，工作装置姿态计算部50c计算尺寸L1，重心位置计算部50d计算尺寸L2x、L2y、L3x、L3y。计算出的动臂缸力Fboom、尺寸L1、以及尺寸L2x、L2y、L3x、L3y向与动臂有关的力矩平衡式生成部50e输出。
另外，重心位置计算部50d基于与动臂角度有关的信息以及与铲斗角度有关的信息，计算工作装置3的重心GC1的坐标(x1，y1)、以及铲斗14内的装载物的重心GC2的坐标(x2，y2)。重心位置计算部50d将计算出的坐标(x1，y1)以及坐标(x2，y2)向对地加速度计算部50b输出。
对地加速度计算部50b从加速度传感器40取得作业机械1的对地加速度asx、asy以及对地角速度ω。对地加速度asx、asy以及对地角速度ω分别是指加速度传感器40的搭载位置SP(图4)处的前后方向的加速度asx、上下方向的加速度asy、以及对地角速度ω。
对地加速度计算部50b从重心位置计算部50d取得坐标(x1，y1)以及坐标(x2，y2)。另外，对地加速度计算部50b从存储部50g取得加速度传感器40的搭载位置SP处的坐标(xs，ys)。
对地加速度计算部50b通过对所取得的对地角速度ω进行时间微分来计算对地角加速度α。
对地加速度计算部50b根据所取得的对地加速度asx、asy、对地角速度ω及坐标(xs，ys)、以及计算出的对地角加速度α，基于以下的式(3)来计算加速度a4x、a4y。
[式3]
a4x＝asx-(-α×ys-ω2×xs)
a4y＝asy-(α×xs-ω2×ys)…(3)
如图4所示，式(3)中的加速度a4x是俯仰的振动中心GC4处的前后方向的加速度。另外，加速度a4y是俯仰的振动中心GC4处的上下方向的加速度。
需要说明的是，在以下的计算中，将作业机械1的整体考虑为刚体，因此角速度ω在全部的点同样地起作用。
如图5所示，对地加速度计算部50b根据通过式(3)计算出的加速度a4x、a4y、对地角速度ω、对地角加速度α、坐标(x1，y1)、以及坐标(x2，y2)，基于以下的式(4)来计算重心GC1、GC2处的对地加速度alx、a1y、a2x、a2y。
[式4]
a1x＝a4x+(-α×y1-ω2×x1)
a1y＝a4y+(α×x1-ω2×y1)
a2x＝a4x+(-α×y2-ω2×x2)
a2y＝a4y+(α×x2-ω2×y2)…(4)
如图4所示，式(4)中的作业机械1的对地加速度a1x是重心GC1处的前后方向的加速度，作业机械1的对地加速度a1y是重心GC1的上下方向的加速度a1y。另外，作业机械1的对地加速度a2x是重心GC2处的前后方向的加速度，作业机械1的对地加速度a2y是重心GC2处的上下方向的加速度a2y。
需要说明的是，前后方向的加速度a1x、a2x、a4x是轮式装载机1直行行驶的方向的加速度。前后方向的加速度a1x、a2x、a4x是在轮式装载机1载置于水平的地表面的状态下、水平方向的加速度。上下方向的加速度a1y、a2y、a4y是与地表面正交的方向的加速度。上下方向的加速度a1y、a2y、a4y是在轮式装载机1载置于水平的地表面的状态下、铅垂方向的加速度。
如图5所示，对地加速度计算部50b将计算出的对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y向与动臂有关的力矩平衡式生成部50e输出。
与动臂有关的力矩平衡式生成部50e从存储部50g取得工作装置3整体的质量M1以及重力加速度g。
与动臂有关的力矩平衡式生成部50e根据动臂缸力Fboom、对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y、尺寸L1、L2x、L2y、L3x、L3y、质量M1、M2、以及重力加速度g，生成与动臂有关的力矩的平衡式(5)。
[式5]
Fboom×L1＝M1g×L2x+M2g×L3x
+M1×L2x×a1y+M2×L3x×a2y
-M1×L2y×a1x-M2×L3y×a2x…(5)
式(5)中的动臂缸力Fboom的单位是N，对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y以及重力加速度g的单位是m/s2。另外，尺寸L1、L2x、L2y、L3x、L3y的单位是m，质量M1、M2的单位是kg。
与动臂有关的力矩平衡式生成部50e将式(5)向装载物质量计算部50f输出。
装载物质量计算部50f如以下的式(6)那样针对质量M2求解式(5)。由此，装载物质量计算部50f能够计算铲斗14内的装载物的质量M2。
[式6]
如上式(6)所示，控制器50基于动臂缸力Fboom、对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y、尺寸L1、L2x、L2y、L3x、L3y、质量M1、以及重力加速度g来计算质量M2。
需要说明的是，上述以外的本实施方式的功能块的结构与图2所示的实施方式1的功能块的结构大致相同，因此对于相同的要素标注相同的附图标记并不重复其说明。
<装载物质量M2的计测方法>
接下来，使用图4～图6对本实施方式的装载物质量M2的计测方法进行说明。图6是示出实施方式2的作业机械中的计测铲斗内的装载物质量的计测方法的流程图。
如图4所示，在作业机械1的行驶时等，作业机械1产生俯仰方向的振动。加速度传感器40计测由该振动引起的对地角速度ω。计测的对地角速度ω由图5所示的控制器50取得(步骤Sle：图6)。具体而言，控制器50的对地加速度计算部50b取得对地角速度ω。
另外，与实施方式1同样地，对地加速度、与动臂角度有关的信息、与铲斗角度有关的信息、以及与驱动动臂15的致动器的推力有关的信息(例如缸压力)由图5所示的控制器50取得(步骤S1a～S1d：图6)。
之后，控制器50基于所取得的与动臂角度有关的信息以及与铲斗角度有关的信息，计算与工作装置3的姿态有关的尺寸L1、表示工作装置3的重心GC1的位置的尺寸L2x、L2y、表示装载物重心GC2的位置的尺寸L3x、L3y、坐标(x1，y1)、以及坐标(x2，y2)(步骤S2：图6)。
尺寸L1由图5中的工作装置姿态计算部50c计算。尺寸L2x、L2y、L3x、L3y、坐标(x1，y1)、以及坐标(x2，y2)由图5中的重心位置计算部50d计算。
另外，控制器50基于所取得的缸压力来计算动臂缸力Fboom(致动器的推力)(步骤S3：图6)。动臂缸力Fboom由图5中的动臂缸力计算部50a计算。
另外，控制器50通过对所取得的对地角速度ω进行时间微分来计算对地角加速度α。控制器50基于所取得的对地加速度asx、asy、对地角速度ω及坐标(xs，ys)、以及计算出的对地角加速度α，计算俯仰的振动中心GC4处的前后方向的加速度a4x及上下方向的加速度a4y。加速度a4x、a4y的计算基于上式(3)来进行。
控制器50根据加速度a4x、a4y、对地角速度ω、对地角加速度α、坐标(x1，y1)、以及坐标(x2，y2)，计算重心GC1、GC2处的对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y(步骤S4a：图6)。对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y由图5中的对地加速度计算部50b计算。对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y的计算基于上式(4)来进行。
之后，控制器50计算铲斗4内的装载物的质量M2(步骤S5：图6)。装载物质量M2的计算通过激昂如上述那样计算出的对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y、尺寸L1、L2x、L2y、L3x、L3y、动臂缸力Fboom、以及存储于图5的存储部50g的工作装置3整体的质量M1及重力加速度g代入上式(6)来进行。装载物质量M2的计算由图5中的装载物质量计算部50f进行。
如上所述，轮式装载机1的行驶中的铲斗14内的装载物的质量M2由控制器50计算。
<作用效果>
接下来，对本实施方式的作用效果进行说明。
在作业机械1的行驶时，作业机械1整体产生俯仰方向的振动。由于这样的行驶时的俯仰方向的振动，作业机械1的装载物质量M2的计测也会受到影响。
在本实施方式中，如上式(3)～(6)所示，基于作业机械1的俯仰方向的角速度ω来计算作业机械1的对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y，基于所计算出的对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y来计算铲斗14内的装载物的质量M2。因此，能够考虑轮式装载机1的行驶时的俯仰方向的振动的影响来计算铲斗14内的装载物的质量M2。由此，即使在作业机械1的行驶中，也能够高精度地计算铲斗14内的装载物质量M2。
另外，在本实施方式中，如上式(6)所示，力矩的平衡式不仅包含缸力Fboom也包含对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y。因此，在一旦计算出铲斗14内的装载物质量后不需要进行用于修正行驶时的俯仰方向的振动的影响的校正。由此，在作业机械1的行驶中，能够简单地计算铲斗14内的装载物质量M2。
如上所述，根据本实施方式，能够在作业机械1的行驶时简单且高精度地推断铲斗14内的装载物质量M2。
(变形例)
在实施方式2中，对俯仰的振动中心GC4的坐标(x4，y4)为预先存储的值的情况进行了说明，但作为振动中心GC4的坐标，也可以使用通过计算求出的值。
图7是示出通过计算取得俯仰方向的旋转振动中心的坐标并将其用于装载物质量的计测的计测方法的流程图。如图7所示，本变形例的流程经过与图6所示的实施方式2的流程中的步骤S1a～S1e、S2以及S3相同的步骤。
之后，在本变形例的流程中，不考虑对地角速度ω来计算对地加速度ax、ay(步骤S11)。之后，基于力矩的平衡式不考虑对地加速度来计算装载物质量M2的临时值(步骤S12)。
之后，计算作业机械1整体的俯仰方向的振动的振动中心GC4的坐标(x4，y4)(步骤S13)。该坐标(x4，y4)根据预先存储的作业机械1的重量、作业机械1的重心位置、作业机械1的惯性力矩、工作装置3的重量、计测出的工作装置3的姿态、铲斗14内的装载物的重心位置、以及在步骤S12中计算出的装载物质量M2的临时值，通过将作业机械1的整体视作刚体，将轮胎视为弹簧要素，并使用振动工学的知识来计算。
之后，计算对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y(步骤S4a)。该对地加速度a1x、a1y、a2x、a2y根据在步骤S13中计算出的振动中心GC4的坐标(x4，y4)、以及计测出的搭载位置SP处的加速度asx、asy及对地角速度ω来计算。
之后，与实施方式2的流程同样地，基于力矩的平衡式来计算铲斗14内的装载物的质量M2(步骤S5)。
图2所示的控制器50可以搭载于作业机械1，也可以在作业机械1的外部分开地配置。在控制器50在作业机械1的外部分开地配置的情况下，控制器50可以通过无线与传感器31b、31h、33～40等连接。控制器50例如是处理器，可以是CPU(Central Processing Unit)。通过控制器50的功能构成控制作业机械1的控制系统。
在上述说明中，作为动臂缸18(致动器)对液压缸进行了说明，但驱动动臂15的致动器18不限定于液压缸，只要是产生驱动动臂15的推力的装置即可，例如也可以是电动缸等。
另外，作为铲斗缸19对液压缸进行了说明，但驱动铲斗14的致动器19不限定于液压缸，只要是产生驱动铲斗14的推力的装置即可，例如也可以是电动缸等。
另外，作为检测与驱动动臂的致动器18的推力有关的信息的传感器对压力传感器31b、31h进行了说明，但检测与这些推力有关的信息的传感器也可以检测与电动缸等的推力有关的信息。
应当理解本次公开的实施方式在所有方面均为例示而不是限制性的。本发明的范围不由上述说明而是由技术方案来表示，且包含与技术方案均等的含义及范围内的所有变更。
附图标记说明：
1...作业机械(轮式装载机)；2...车身框架；3...工作装置；4...行驶装置；4a、4b...行驶轮；5...驾驶室；6...配重；11...前框架；12...后框架；13...转向缸；14...铲斗；15...动臂；16...双臂曲柄；17...倾转杆；18...动臂缸；19...铲斗缸；21...动臂销；22...铲斗销；29...支承销；31b、31h...压力传感器；33、34...电位计；35、36...行程传感器；39...拍摄设备；40...加速度传感器；50...控制器；50a...动臂缸力计算部；50b...对地加速度计算部；50c...工作装置姿态计算部；50d...重心位置计算部；50e...与动臂有关的力矩平衡式生成部；50f...装载物质量计算部；50g...存储部；51...输入部；52...显示部；GC1、GC2...重心；GC4...振动中心；SP...加速度传感器的搭载位置；ax、ay、a1x、a1y、a2x、a2y、a4x、a4y、asx、asy...对地加速度；α...对地角加速度；ω...对地角速度。

Claims (9)

1.一种作业机械，其中，
所述作业机械具备：
行驶轮；
机械主体，其安装有所述行驶轮；
动臂，其安装于所述机械主体；
铲斗，其安装于所述动臂；
致动器，其安装于所述机械主体，驱动所述动臂；以及
控制器，其基于所述致动器的推力以及所述作业机械的对地加速度来计算所述铲斗内的装载物的质量。
2.根据权利要求1所述的作业机械，其中，
所述致动器是液压缸，
所述作业机械还具备检测所述液压缸的缸压力的压力传感器，
所述控制器基于由所述压力传感器检测到的缸压力来计算所述致动器的推力。
3.根据权利要求1或2所述的作业机械，其中，
所述作业机械还具备检测所述作业机械的所述对地加速度的加速度传感器。
4.根据权利要求3所述的作业机械，其中，
所述加速度传感器安装于所述机械主体。
5.根据权利要求1或2所述的作业机械，其中，
所述控制器基于所述作业机械的俯仰方向的角速度来计算所述作业机械的所述对地加速度，并基于计算出的所述作业机械的所述对地加速度来计算所述铲斗内的装载物的质量。
6.根据权利要求1或2所述的作业机械，其中，
所述控制器基于作为所述对地加速度的所述作业机械的前后方向的加速度以及所述作业机械的上下方向的加速度来计算所述铲斗内的装载物的质量。
7.一种计测方法，其是具有行驶轮、安装有所述行驶轮的机械主体、安装于所述机械主体的动臂、安装于所述动臂的铲斗、以及安装于所述机械主体且驱动所述动臂的致动器的作业机械中的计测所述铲斗内的装载物的质量的计测方法，其中，
所述计测方法包括如下步骤：
取得与所述致动器的推力有关的信息；
取得所述作业机械的对地加速度；以及
基于与所述致动器的推力有关的信息以及所述作业机械的对地加速度来计算所述铲斗内的装载物的质量。
8.根据权利要求7所述的计测方法，其中，
在计算所述铲斗内的装载物的质量的步骤中，计算所述作业机械的行驶中的所述铲斗内的装载物的质量。
9.一种控制作业机械的系统，其中，
所述系统具备：
行驶轮；
机械主体，其安装有所述行驶轮；
动臂，其安装于所述机械主体；
铲斗，其安装于所述动臂；以及
致动器，其安装于所述机械主体，驱动所述动臂，
基于所述致动器的推力以及所述作业机械的对地加速度来计算所述铲斗内的装载物的质量。
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