CN114761643B - 作业机械的控制系统、作业机械、作业机械的控制方法 - Google Patents

Abstract

距离计算部计算铲斗上的点与表示挖掘对象目标形状的目标设计面之间的距离即铲斗距离。介入控制部基于铲斗距离，计算用于抑制作业机的速度的介入控制量，以使铲斗不进入目标设计面。附件控制部计算使铲斗绕附件轴旋转的附件控制量，以使铲斗的前缘和目标设计面接近平行。附件限制部根据基于介入控制量和附件控制量的作业机的移动限制绕附件轴的旋转，以使铲斗距离不会增加。

Description

作业机械的控制系统、作业机械、作业机械的控制方法

技术领域

本公开涉及作业机械的控制系统、作业机械和作业机械的控制方法。

本申请基于2019年11月27日在日本提出申请的特愿2019－214573号主张优先权，在此援用其内容。

背景技术

作为安装于液压挖掘机铲斗，已知一种能够调整相对于作业机的动作平面的角度的倾斜斗。在专利文献1中，公开了一种通过自动控制调整倾斜角度以使倾斜斗平行于目标设计面的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2016/158779号

发明内容

发明所要解决的技术问题

根据专利文献1所记载的技术，当铲斗进入与目标设计面相隔规定距离的倾斜控制起始线时，执行自动倾斜控制。通过自动倾斜控制调整倾斜角度，则铲斗向从目标设计远离的方向移动。

另一方面，在类似液压挖掘机的作业机械中，已知一种对作业机进行自动控制以使铲斗沿着表示挖掘对象的目标形状的目标设计面移动，并且铲斗不进入目标设计面的介入控制。介入对作业机进行控制以使其对应目标设计面与铲斗的距离而减速。因此，在同时执行介入控制和自动倾斜控制的情况下，如果通过自动倾斜控制使铲斗远离目标设计面的速度快于通过介入控制限制的动臂或斗杆的下降速度，则存在与介入控制相关的作业机的控制量不稳定的可能。这不仅对于控制倾斜角度的自动倾斜控制，在进行使铲斗绕旋转轴旋转以使其相对于目标设计面平行的自动旋转控制的情况下也同样。

本公开的目的在于，提供一种能够一边保持作业机动作，一边同时进行介入控制与自动倾斜控制或自动旋转控制的作业机械的控制系统、作业机械和作业机械的控制方法。

用于解决技术问题的技术方案

根据本发明的第一方案，作业机械的控制系统是具备能够绕动臂轴旋转的动臂、能够绕与所述动臂轴平行的斗杆轴旋转的斗杆、能够绕与所述斗杆轴平行的铲斗轴旋转且能够绕与所述铲斗轴不同的附件轴旋转的铲斗的作业机械的控制系统；其具备：

距离计算部，其计算所述铲斗上的点与表示挖掘对象的目标形状的目标设计面之间的距离即铲斗距离；

介入控制部，其基于所述铲斗距离，计算用于抑制所述作业机的速度以使所述铲斗不进入所述目标设计面的介入控制量；

附件控制部，其计算使铲斗绕所述附件轴旋转以使所述铲斗的前缘与表示挖掘对象的目标形状的目标设计面接近平行的所述附件控制量；

附件限制部，其通过基于所述介入控制量和所述附件控制量的作业机的移动，限制绕所述附件轴的旋转以使所述铲斗距离不增加。

发明的效果

根据上述方案，作业机械的控制系统能够一边保持作业机动作的稳定，一边同时进行介入控制与自动倾斜控制或自动旋转控制。

附图说明

图1是表示作业机械和作业机的姿势的例子的图。

图2是表示第一实施方式的作业机械的结构的概略图。

图3是表示第一实施方式的铲斗的结构的正视图。

图4是表示第一的实施方式的驾驶室的内部结构的图。

图5是表示第一实施方式的控制装置的结构的概略框图。

图6是表示第一实施方式的控制装置的动作的流程图。

图7是表示倾斜自动控制中的目标设计面和前缘上的点的关系的图。

图8是表示第一实施方式的铲斗的距离差和倾斜角速度的目标值的关系的倾斜函数的例子的图。

图9是表示第二实施方式的控制装置的动作的流程图。

图10是表示第三实施方式的控制装置的动作的流程图。

具体实施方式

〈坐标系〉

图1是表示作业机械100和作业机150的姿势的例子的图。

在以下的说明中，规定三维的场地坐标系(Xg，Yg，Zg)和三维的车体坐标系(Xm，Ym，Zm)，基于它们对位置关系进行说明。

场地坐标系是以设在施工现场的GNSS(Global Navigation Satellite System)参考站的位置作为基准点，由向南北延伸的Xg轴、向东西延伸的Yg轴、向铅垂方向延伸的Zg轴构成的坐标系。作为GNSS的例子，能够列举出GPS(Global Positioning System)。需要说明的是，在其他实施方式中，可以代替场地坐标系而使用通过纬度和经度等表示的全球坐标系。

车体坐标系是将在作业机械100的回转体130规定的代表点O作为基准，由从后述的驾驶室170内的操作员的落座位置观察向前后延伸的Xm轴、向左右延伸的Ym轴、向上下延伸的Zm轴构成的坐标系。将回转体130的代表点O作为基准，将前方称为+Xm方向，将后方称为－Xm方向，将左方称为+Ym方向，将右方称为－Ym方向，将上方称为+Zm方向，将下方称为－Zm方向。

场地坐标系和车体坐标系能够通过特定场地坐标系中的作业机械100的位置和倾角来相互转换。

〈第一实施方式〉

《作业机械100的结构》

图2是表示第一实施方式的作业机械100的结构的概略图。

作业机械100在施工现场工作，对土砂等挖掘对象进行施工。第一实施方式的作业机械100是液压挖掘机。

作业机械100具备行走体110、回转体130、作业机150、驾驶室170、控制装置190。

行走体110以能够使作业机械100行走的方式对其进行支承。行走体110例如是左右一对的履带。回转体130以能够绕回转中心回转的方式被行走体110支承。作业机150由液压驱动。作业机150在回转体130的前部以能够在上下方向驱动的方式被支承。驾驶室170是操作员搭乘，用于进行作业机械100的操作的空间。驾驶室170设置在回转体130的前部。控制装置190基于操作员的操作，对行走体110、回转体130和作业机150进行控制。控制装置190例如设置在驾驶室170的内部。

《回转体130的结构》

如图2所示，回转体130具备位置方位检测器131和倾斜检测器132。

位置方位检测器131计算回转体130的场地坐标系中的位置和回转体130朝向的方位。位置方位检测器131具备两个从构成GNSS的人工卫星接收定位信号的天线。两个天线分别设置在回转体130的不同位置。例如两个天线设置在回转体130的配重部。位置方位检测器131基于两个天线的至少一方接收的定位信号，检测场地坐标系中的回转体130的代表点O的位置。位置方位检测器131使用两个天线分别接收的定位信号，检测场地坐标系中回转体130朝向的方位。

倾斜检测器132测量回转体130的加速度和角速度，基于测量结果检测回转体130的倾角(例如，表示相对于Xm轴的旋转的转动，以及表示相对于Ym轴旋转的俯仰)。倾斜检测器132例如设置在驾驶室170的下方。作为倾斜检测器132的例子，能够列举出IMU(InertialMeasurement Unit：惯性测量装置)。

《作业机150的机构》

如图2所示，作业机150具备动臂151、斗杆152、第一连杆153、第二连杆154和铲斗155。

动臂151的基端部经由动臂销P1安装于回转体130。以下，将动臂销P1的中心轴称为动臂轴X1。

斗杆152连结动臂151和铲斗155。斗杆152的基端部经由斗杆销P2安装于动臂151的前端部。以下，将斗杆销P2的中心轴成为斗杆轴X2。

第一连杆153的第一端经由第一连杆销P3安装于斗杆152的前端侧的侧面。第一连杆153的第二端经由铲斗油缸销P4安装于第二连杆154的第一端。

铲斗155具备用于挖掘土砂等的前缘和用于收纳挖掘的土砂的收纳部。铲斗155的基端部经由铲斗销P5安装于斗杆152的前端部。以下，将铲斗销P5的中心轴称为铲斗轴X3。并且铲斗155的基端部经由第二连杆销P6安装于第二连杆154的第二端。

动臂轴X1、斗杆轴X2和铲斗轴X3相互平行。

作业机150具备产生动力的执行器即多个油压缸。具体地说，作业机150具备动臂油缸156、斗杆油缸157和铲斗油缸158。

动臂油缸156是用于使动臂151动作的油压缸。动臂油缸156的基端部安装于回转体130。动臂油缸156的前端部安装于动臂151。在动臂油缸156设有检测动臂油缸156的行程量的动臂油缸行程传感器1561。

斗杆油缸157是用于驱动臂152的油压缸。斗杆油缸157的基端部安装于动臂151。斗杆油缸157的前端部安装于斗杆152。在斗杆油缸157设有检测斗杆油缸157的行程量的斗杆油缸行程传感器1571。

铲斗油缸158是用于驱动铲斗155的油压缸。铲斗油缸158的基端部安装于斗杆152。铲斗油缸158的前端部经由第二连杆销P6安装于第一连杆153的第二端以及第二连杆154的第一端。在铲斗油缸158设有检测铲斗油缸158的行程量的铲斗油缸行程传感器1581。

《铲斗155的结构》

图3是表示第一实施方式的铲斗155的结构的正视图。

第一实施方式的铲斗155是能够绕与铲斗轴X3正交的轴即倾斜轴X4旋转的倾斜斗。倾斜轴X4是使铲斗155旋转的附件轴的一例。

如图3所示，铲斗155具备铲斗本体161、关节162和倾斜油缸163。

在关节162的基端部设有前侧托架1621，其具有用于经由铲斗销P5安装斗杆152的安装孔；后侧托架1622，其具有用于经由第二连杆销P6安装第二连杆154的安装孔。即，前侧托架1621的安装孔以通过铲斗轴X3的方式设置。

关节162的前端部经由倾斜销P7安装于铲斗本体161的基端部。倾斜销P7以与铲斗轴X3正交的方式设置。倾斜销P7的中心轴构成倾斜轴X4。

在铲斗本体161的基端部的一端(左端或右端)设有用于安装倾斜油缸163的倾斜托架1611。

倾斜油缸163是用于使铲斗本体161绕倾斜轴X4旋转的油压缸。倾斜油缸163的基端部经由倾斜油缸端销P8安装于倾斜托架1611。倾斜油缸163的前端部经由倾斜油缸顶销P9安装于关节162。倾斜油缸端销P8和倾斜油缸顶销P9分别平行于倾斜销P7设置。由此，铲斗本体161通过倾斜油缸163的驱动绕倾斜轴X4转动。

在倾斜油缸163设有检测倾斜油缸163的行程量的倾斜油缸行程传感器1631。

《驾驶室170的结构》

图4是表示第一实施方式的驾驶室内部的结构的图。

如图4所示，在驾驶室170内设有驾驶席171、操作装置172和控制装置190。

操作装置172是通过操作员的手动操作来使行走体110、回转体130和作业机150驱动的接口。操作装置172具备左操作杆1721、右操作杆1722、左脚踏板1723、右脚踏板1724，左行走杆1725、右行走杆1726。

左操作杆1721设置于驾驶席171的左侧。右操作杆1722设置于驾驶席171的右侧。

左操作杆1721是用于进行回转体130的转动动作以及用于斗杆152的牵拉动作和推动动作的操作机构。具体地说，如果操作员向前方推倒左操作杆1721，则斗杆油缸157驱动，斗杆152执行推动动作。并且，如果操作员向后方拉倒左操作杆1721，则斗杆油缸157驱动，斗杆152执行牵拉动作。并且，如果操作员向右方推倒左操作杆1721，则回转体130向右转动。并且，如果操作员向左方推倒左操作杆1721，则回转体130向左转动。

右操作杆1722是用于进行铲斗155的挖掘动作和倾倒动作以及用于进行动臂151的上升动作和下降动作的操作机构。具体地说，如果操作员向前方推倒右操作杆1722，则动臂油缸156驱动，动臂151的下降动作执行。并且，如果操作员向后方拉倒右操作杆1722，则动臂油缸156驱动，动臂151的上升动作执行。并且，如果操作员向右方推倒右操作杆1722，则铲斗油缸158驱动，铲斗155的倾倒动作执行。并且，如果操作员向左方推倒右操作杆1722，则铲斗油缸158驱动，铲斗155的挖掘动作执行。

需要说明的是，左操作杆1721和右操作杆1722的操作方向与作业机150的动作方向以及回转体130的转动方向的关系可以不是上述关系。

并且，在右操作杆1722的上部设有没有图示的倾斜操作按钮。具体地说，如果操作员使倾斜操作按钮向左方滑动，则倾斜油缸163驱动，在从操作员观察的左方执行铲斗155的倾斜旋转动作。如果操作员使倾斜操作按钮向右方滑动，则倾斜油缸163驱动，在从操作员观察的右方执行铲斗155的倾斜旋转动作。需要说明的是，倾斜操作按钮可以是向左右方向旋转的结构。并且，倾斜操作可以通过操作员的没有图示的踏板的操作来实现。

左脚踏板1723配置在驾驶席171前方地面的左侧。右脚踏板1724配置在驾驶席171前方地面的右侧。左行走杆1725被左脚踏板1723轴支承，以左行走杆1725的倾斜和左脚踏板1723的下压连动的方式构成。右行走杆1726被右脚踏板1724轴支承，以右行走杆1726的倾斜和右脚踏板1724的下压连动的方式构成。

左脚踏板1723和左行走杆1725与行走体110的左侧履带的旋转驱动对应。具体地说，在行走体110的驱动轮位于后方的情况下，如果操作员向前方推到左脚踏板1723或左行走杆1725，则左侧履带向前进方向旋转。并且，如果操作员向后方拉倒左脚踏板1723或左行走杆1725，则左侧履带向后退方向旋转。

右脚踏板1724和右行走杆1726与行走体110的右侧履带的旋转驱动对应。具体地说，在行走体110的驱动轮位于后方的情况下，如果操作员向前方推倒右脚踏板1724或右行走杆1726，则右侧履带向前进方向旋转。并且，如果操作员向后方拉倒右脚踏板1724或右行走杆1726，则右侧履带向后退方向旋转。

《控制装置190的结构》

控制装置190限制铲斗155向挖掘对象接近的方向的动作以使铲斗155不会进入在施工现场中设定的目标设计面。目标设计面表示挖掘对象的目标形状。也将控制装置190基于目标设计面限制铲斗155的动作称为介入控制。

在这里，对操作员进行动臂151的下降操作，用于使铲斗155的前缘停止于目标设计面的介入控制即停止控制进行说明。控制装置190在铲斗155和目标设计面的距离小于规定的停止控制距离的情况下，对应伴随动臂151向下降方向移动的铲斗155的前缘和目标设计面的距离，以铲斗155不会进入目标设计面的方式计算用于补正动臂151的操作量的停止控制量。由此，操作员仅操作动臂151，通过控制装置190补正动臂油缸156的操作量来限制铲斗155的动作，而自动防止155的前缘进入设计面。

需要说明的是，在其他实施方式中，控制装置190也可以在停止控制中补正斗杆152或铲斗155的操作量。并且，在其他实施方式中，在控制装置190除了停止控制之外，或者在代替停止控制而操作员进行斗杆152的操作的时候，可以通过使动臂151向上升方向移动来进行介入控制以使铲斗155的前缘不进入目标设计面。

并且，对于控制装置190来说，在铲斗155与目标设计面的距离小于规定的倾斜控制距离的情况下，使铲斗155绕倾斜轴X4旋转以使铲斗155的前缘和目标设计面平行。也将控制装置190基于目标设计面使铲斗155绕倾斜轴X4旋转称为自动倾斜控制。

图5是表示第一实施方式的控制装置190的结构的概略框图。

控制装置190是具备处理器210、主存储器230、存储器250、接口270的计算机。

存储器250是非瞬态物理存储介质。作为存储器250的例子，能够列举出磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等。存储器250可以是与控制装置190的总线直接连接的内部介质，也可以是经由接口270或通信线路与控制装置190连接的外部介质。存储器250存储用于控制作业机械100的程序。

程序可以是用于实现控制装置190所发挥的一部分功能的程序。例如，程序可以是通过与已经存储于存储器250的其他程序组合，或者通过与安装于其他装置的其他程序组合而发挥功能的程序。需要说明的是，在其他实施方式中，除了上述结构之外，或者代替上述结构，控制装置190可以具备PLD(Programmable Logic Device)等的定制LSI(LargeScale Integrated Circuit)。作为PLD的例例子，能够列举出PAL(Programmable ArrayLogic)、GAL(Generic Array Logic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array)。在该情况下，通过处理器实现的一部分或全部功能可以通过该集成电路来实现。

在存储器250预先存储表示目标设计面的设计面数据。设计面数据是在场地坐标系表示的三维数据，通过多个三角多边形表示。构成设计面数据的三角多边形彼此具有与邻接的其他三角多边形共通的边。也就是说，设计面数据表示为多个平面构成的连续平面。需要说明的是，在其他实施方式中，设计面数据可以通过三角多边形以外的多边形面构成，或者可以通过点云数据等的其他形式表示。

需要说明的是，在本实施方式中，设计面数据存储于存储器250，但并不限于此。设计面数据可以经由没有图示的通信线路从外部存储器或没有图示的服务器下载。

处理器210通过执行程序，作为检测值获取部211、铲斗位置特定部212、目标平面确定部213、距离计算部214、操作量获取部215、停止控制部216、倾斜控制部217、倾斜限制部218、输出部219作用。

检测值获取部211获取动臂油缸行程传感器1561、斗杆油缸行程传感器1571、铲斗油缸行程传感器1581、倾斜油缸行程传感器1631、位置方位检测器131和倾斜检测器132的各自的检测值。也就是说，检测值获取部211获取回转体130的场地坐标系中的位置、回转体130朝向的方位、回转体130的倾角、动臂油缸156的行程长、斗杆油缸157的行程长、铲斗油缸158的行程长和倾斜油缸163的行程长。

铲斗位置特定部212基于检测值获取部211所获取的检测值，特定铲斗155的前缘上的多个点的位置。例如，铲斗位置特定部212分别特定对铲斗155的前缘进行四等分的五个点的位置。铲斗155的前缘位置的特定方法在后记述。

目标平面确定部213确定作为停止控制和倾斜控制的对象的目标平面。目标平面是通过构成目标设计面的多个三角多边形的至少一个的平面。具体地说，目标平面确定部213通过以下程序来确定目标平面。目标平面确定部213基于设计面数据以及铲斗位置特定部212所特定的多个点的位置，对于该多个点的每个点，计算构成目标设计面的三角多边形中面向该点的部分与该点之间的距离。此时，多个点能够分别买面向不同的三角多边形。目标平面确定部213特定最短距离的三角多边形，将通过该三角多边形的平面确定为目标平面。

距离计算部214基于铲斗位置特定部212所特定的多个点的位置和目标平面确定部213所确定的目标平面，计算多个点与目标平面之间的距离。

操作量获取部215从操作装置172获取表示操作量的操作信号。操作量获取部215至少获取动臂151的上升操作和下降操作的操作量、斗杆152的按压操作和牵拉操作的操作量、以及铲斗155的挖掘操作、倾倒操作和倾斜操作的操作量。

停止控制部216基于操作量获取部215获取的操作装置172的操作量和距离计算部214计算的距离中最短的距离(最短铲斗距离)，进行作业机150的停止控制。具体地说，停止控制部216通过以下的程序计算停止控制量。通过将距离计算部214计算的最短铲斗距离带入由铲斗155和目标平面的距离求出的允许速度的允许速度函数，来计算铲斗155的允许速度。需要说明的是，根据允许速度函数，允许速度相对于铲斗和目标平面的距离单调递增。“单调递增”是指，在一方的值增加的时候，另一方的值总是增加或者没有变化(单调不减)的情况。停止控制部216将允许速度作为停止控制量计算。停止控制部216是计算用于抑制作业机的速度以使铲斗155不进入目标设计面的介入控制量的介入控制部的一例。停止控制量是介入控制量的一例。

倾斜控制部217基于在距离计算部214计算的距离中的、从铲斗155前缘的左端至目标平面的距离即第一距离和从铲斗155前缘的右端至目标平面的距离即第二距离的差，进行自动倾斜控制。铲斗155前缘的左端和右端分别是第一铲斗点和第二铲斗点的一例。需要说明的是，在其他实施方式中，第一铲斗点和第二铲斗点可以是铲斗155上的其他点。但是，第二铲斗点需要满足存在于通过第一铲斗点且与铲斗155的前缘平行的直线上的条件。即，在其他实施方式中，第一铲斗点和第二铲斗点可以是底面上的点等，不一定非为前缘上的点。倾斜控制部217是附件控制部的一例。

倾斜限制部218在第一距离和第二距离的差超过规定的长度阈值的情况下，取消倾斜控制部217的自动倾斜控制。即，倾斜限制部218在铲斗155的前缘和目标设计面的角度超过规定范围的情况下，不进行自动倾斜控制。需要说明的是，规定的长度阈值基于由第一距离和第二距离的差确定的自动倾斜控制量和介入控制量计算。即，倾斜限制部218从允许速度计算规定的长度阈值。

倾斜限制部218是对绕附件轴的旋转进行限制以使最短铲斗距离不会增加的附件限制部的一例。

输出部219基于操作量获取部215获取的操作量、停止控制部216计算的停止控制量和倾斜控制部217计算的倾斜控制量，向各执行器输出控制信号。

《铲斗155的前缘位置的特定方法》

在这里，一边参照图1和图3，一边对铲斗位置特定部212的铲斗155的前缘位置的特定方法进行说明。车体坐标系中的铲斗155的前缘位置能够基于动臂长L1、斗杆长L2、关节长L3、铲斗长L4、动臂相对角α、斗杆相对角β、铲斗相对角γ、倾斜角η、车体坐标系中的动臂销P1的位置和场地坐标系中的代表点O的位置特定。

动臂长L1是动臂销P1至斗杆销P2的已知长度。

斗杆长L2是斗杆销P2至第一连杆销P3的已知长度。

关节长L3是第一连杆销P3至倾斜销P7的已知长度。

铲斗长L4是倾斜销P7至铲斗155前缘的中心点的已知长度。

动臂相对角α通过从动臂销P1向回转体130的上方向(+Zm方向)延伸的射线和从动臂销P1向斗杆销P2延伸的射线的所夹夹角表示。需要说明的是，如图1所示，由于回转体130的倾角θ，回转体130的上方向(+Zm方向)和铅垂上方向(+Zg方向)不一定必须一致。

斗杆相对角β通过从动臂销P1向斗杆销P2延伸的射线和从斗杆销P2向第一连杆销P3延伸的射线的所夹夹角表示。

铲斗相对角γ通过从斗杆销P2向第一连杆销P3延伸的射线和从第一连杆销P3向倾斜销P7延伸的射线的所夹夹角表示。

倾斜角η通过从倾斜销P7向与第一连杆销P3和倾斜销P7正交的方向延伸的射线和从倾斜销P7向铲斗155的前缘中心点延伸的射线的所夹夹角表示。

铲斗155的前缘在场地坐标系中的位置例如通过以下的程序特定。铲斗位置特定部212基于车体坐标系中的动臂销P1的位置、动臂相对角α和动臂长度L1，特定车体坐标系中的斗杆销P2的位置。铲斗位置特定部212基于车体坐标系中的斗杆销P2的位置、斗杆相对角β和斗杆长L2，特定车体坐标系中的第一连杆销P3的位置。铲斗位置特定部212基于车体坐标系中的第一连杆销P3的位置、铲斗相对角γ、关节长L3，特定车体坐标系中的倾斜销P7的位置。铲斗位置特定部212基于车体坐标系中的倾斜销P7的位置、倾斜角η和铲斗长L4，特定车体坐标系中的铲斗155的前缘中心点的位置。并且，铲斗位置特定部212特定前缘的中心点至前缘的任意点的距离，其从前缘的中心点位置，通过计算在倾斜角η的方向前缘的中心点至任意点的距离所偏离的位置，就能够特定前缘的任意点的位置。例如，对于铲斗位置特定部212来说，能够从前缘的中心点位置，通过计算向倾斜角η的正负方向分别错位前缘的宽度方向长度的1/2的位置，来特定前缘两端的位置。

动臂相对角α、斗杆相对角β、铲斗相对角γ和倾斜角η分别通过动臂油缸行程传感器1561的检测值、斗杆油缸行程传感器1571的检测值、铲斗油缸行程传感器1581的检测值和倾斜油缸行程传感器1631的检测值来特定。铲斗位置特定部212基于回转体130的场地坐标系中的位置、回转体130朝向的方位以及回转体130的姿势，将车体坐标系中的铲斗155的前缘位置转换为场地坐标系中的位置。

需要说明的是，动臂相对角α、斗杆相对角β、铲斗相对角γ和倾斜角η的检测不仅限于通过油缸行程传感器进行，也可以通过角度传感器进行。

《控制装置190的动作》

图6是表示第一实施方式的控制装置190的动作的流程图。图7是表示倾斜自动控制中的目标设计面和前缘上的点的关系的图。

作业机械100的操作员开始作业机械100的操作，则控制装置190在每个规定的控制周期执行以下所示的控制。

操作量获取部215从操作装置172获取动臂151的操作量、斗杆152的操作量、铲斗155的操作量、倾斜的操作量和回转体130的转动的绕操作量(步骤S1)。检测值获取部211获取位置方位检测器131、倾斜检测器132、动臂油缸行程传感器1561、斗杆油缸行程传感器1571、铲斗油缸行程传感器1581、倾斜油缸行程传感器1631各自检测的信息(步骤S2)。

铲斗位置特定部212从各油压缸的行程长计算动臂相对角α、斗杆相对角β、铲斗相对角γ和倾斜角η(步骤S3)。并且铲斗位置特定部212基于步骤S2获取的检测值、步骤S3计算的角度和已知的作业机150的长度参数，计算将铲斗155的前缘四等分的五个点在场地坐标系中的位置(步骤S4)。以下，将铲斗155的前缘上的五个点按从前缘的左端的顺序，称为点p1、点p2、点p3、点p4、点p5。即，点p1是前缘左端的点，点p5是前缘右端的点，点p3是前缘的中心点。

需要说明的是，在使用角度传感器或IMU直接检测角度的情况下，可以省略步骤S3。

目标平面确定部213从存储器250读取设计面数据，分别计算点p1－p5与目标设计面之间的距离(步骤S5)。在步骤S5中，目标平面确定部213分别计算点p1－p5与在从该点向铅垂方向(Zg轴方向)延伸的方向对置的三角多边形的距离。在图7所示的例子中，目标平面确定部213计算点p1－p3与三角多边形t1的距离L11－L13以及点p4－p5与三角多边形t2的距离L14－L15。在场地坐标系中特定铲斗155的前缘的位置的情况下，使用基于场地坐标系的设计面数据。在车体坐标系中特定铲斗155的前缘的位置的情况下，也可以使用基于车体坐标系的设计面数据。例如，基于车体坐标系的设计面数据可以是将基于场地坐标系的设计面数据基于位置方位检测器131和倾斜检测器132的检测值转换为车体坐标系的数据。

接下来，目标平面确定部213特定最短距离的三角多边形，将通过该三角多边形的平面确定为目标平面g1(步骤S6)。在图7所示的例子中，由于距离L11至距离L15中，点p3和三角多边形t1的距离L13最短，因而目标平面确定部213将通过三角多边形t1的平面确定为目标平面g1。

距离计算部214基于步骤S4中计算的前缘两端的点p1、p5的位置和步骤S6中确定的目标平面g1，计算点p1与目标平面g1之间的距离L21以及点p5与目标平面g1之间的距离L22(步骤S7)。在步骤S7中，目标平面确定部213分别计算点p1和点p5在目标平面g1的在法线方向上与目标平面g1的距离L21、L22。距离计算部214将距离L21和距离L21的较短一方特定为最短铲斗距离。

接下来，倾斜控制部217基于在步骤S1获取的操作量，判定是否存在操作员的倾斜操作输入(步骤S8)。例如，在倾斜控制部217的倾斜操作量的绝对值小于规定值的情况下，判定为没有操作输入。在没有倾斜操作的情况下(步骤S8：NO)，倾斜控制部217判定在步骤S7中特定的最短铲斗距离是否小于倾斜控制距离th2(步骤S9)。

在最短铲斗距离小于倾斜控制距离th2的情况下(步骤S9：YES)，倾斜控制部217计算在步骤S7中计算的距离L21和距离L22的差(距离差)(步骤S10)。

停止控制部216基于步骤S7中特定的最短铲斗距离和步骤S1中获取的操作量，计算铲斗155的速度(步骤S11)。具体地说，停止控制部216通过将最短铲斗距离代入允许速度函数，来计算铲斗155的允许速度。并且，停止控制部216基于步骤S1中获取的操作量，根据该操作量计算控制作业机150时候的铲斗155的速度(非介入速度)。停止控制部216将允许速度和非介入速度中较慢的一方作为铲斗155的速度。

倾斜控制部218基于步骤S11中计算的铲斗155的速度，确定绕铲斗155的倾斜轴X4的旋转的允许控制量(步骤S12)。需要说明的是，随着铲斗155的越慢，倾斜限制部218将允许控制量确定为越小值。

倾斜控制部218从允许控制量计算规定长度阈值(步骤S13)。规定长度阈值随着允许控制量越小而被设定为越小值。

在这里，倾斜限制部218判定步骤S10中计算的距离差是否超过步骤S13中计算的规定长度阈值(步骤S14)。在距离差没有超过规定长度阈值的情况下(步骤S14：NO)，倾斜控制部217基于步骤S10中计算的距离差计算倾斜控制量(步骤S15)。

图8是表示第一实施方式的铲斗的距离差和倾斜角速度的目标值关系的倾斜函数的例子的图。图8所示的铲斗的距离差是从图7所示的距离L21减去距离L22得到的距离差，将图7中的绕逆时针旋转的角速度作为正。

在步骤S15中，倾斜控制部217通过将距离差代入图8所示的预先设定的倾斜函数，来确定倾斜角速度的目标值。倾斜函数是基于铲斗155的距离差求出倾斜角速度的目标值的函数。在倾斜函数中，倾斜角速度的目标值相对于铲斗155的距离差单调递增。并且，在倾斜函数中，倾斜角速度的上限值和下限值确定，如果距离差的绝对值超过规定值则倾斜角速度的目标值一定。之后，倾斜控制部217基于确定的倾斜角速度的目标值，确定倾斜控制量。

需要说明的是，在进行倾斜操作的情况下(步骤S8：YES)，以及在距离L21和距离L22双方为倾斜控制距离th2以上的情况下(步骤S9：NO)，倾斜控制部217不计算倾斜控制量。并且，在步骤S16中，在距离差超过规定的长度阈值的情况下(步骤S14：YES)，倾斜限制部218取消倾斜控制部217的自动倾斜控制。此时，控制装置190可以通过显示或语音，通知操作员不进行自动倾斜控制。

之后，输出部219基于通过作业机150的各操作量和倾斜控制部217计算的倾斜控制量，向各执行器输出控制信号(步骤S16)。在执行自动倾斜控制的情况下，倾斜油缸163根据倾斜控制部217生成的信号驱动。在不执行自动倾斜控制的情况下，倾斜油缸163根据基于操作员操作量的信号驱动。

《作用&效果》

像这样，第一实施方式的控制装置190计算用于使铲斗155不进入目标设计面的停止控制量以及用于使铲斗155和目标设计面接近平行的倾斜控制量。并且，控制装置190限制绕倾斜轴X4的旋转，以通过基于停止控制量和倾斜控制量的作业机150的移动而最短铲斗距离不会增加。由于通过绕倾斜轴X4的旋转的限制而最短铲斗距离的变化相对于时间单调减少，因而能够使控制装置190的停止控制量的变化稳定。因此，控制装置190能够一边保持作业机150动作的稳定，一边同时进行停止控制和自动倾斜控制。

特别是，在不限制绕倾斜轴X4的旋转的情况下，如果在倾斜控制距离的附近最短铲斗距离增加，由于反复切换倾斜控制的ON/OFF，作业机150的动作变得不稳定的可能性高。因此，通过控制装置190限制绕倾斜轴X4的旋转以使最短铲斗距离不会增加，来抑制倾斜控制的ON/OFF的频繁切换，而能够使作业机150的动作稳定。

并且，第一实施方式的控制装置190在前缘的两端的距离差超过长度阈值的情况下，即在铲斗155的前缘和目标设计面的角度超过规定范围的情况下，通过使绕倾斜轴X4的旋转停止，来限制绕倾斜轴X4的旋转以使最短铲斗距离不会增加。在第一实施方式中，铲斗155的前缘和目标设计面的角度越大则倾斜控制量越大。因此，能够通过将长度阈值设定在根据倾斜控制的铲斗155的最下点的上升速度不超过根据停止控制的作业机150的允许速度的范围，来限制绕倾斜轴X4的旋转以使最短铲斗距离不会增加。

需要说明的是，在第一实施方式中，在铲斗155的前缘和目标设计面的角度超过规定范围的情况下不执行自动倾斜控制，然而能够通过操作员的操作使铲斗155的倾斜角η接近目标设计面，使前缘两端的距离差为长度阈值以下，来使自动倾斜控制有效。

〈第二实施方式〉

第一实施方式的控制装置190在铲斗155的前缘和目标设计面的角度超过规定范围的情况下，取消自动倾斜控制。与此相对，第二实施方式的控制装置190通过与作业机150的允许速度对应使倾斜函数变化，限制绕斜轴X4的旋转以使最短铲斗距离不会增加。

第二实施方式的控制装置190如图5所示，具有与第一实施方式同样的构成。另一方面，第二实施方式的控制装置190与第一实施方式相比，倾斜限制部218的动作不同。

第二实施方式的倾斜限制部218与停止控制部216计算的允许速度对应，使与倾斜函数的斜率变化。具体地说，倾斜限制部218以停止控制部216计算的允许速度越小，则相对于铲斗155的前缘两端的距离差的倾斜角速度的目标值越小的方式使与倾斜函数的斜率(与距离差相关的增加)变化。预先确定允许速度和倾斜函数的斜率的关系。需要说明的是，倾斜函数的斜率以根据倾斜角速度的目标值使铲斗155旋转时铲斗155最下点的移动速度不超过允许速度的方式设定。

《控制装置190的动作》

图9是表示第二实施方式的控制装置190的动作的流程图。

控制装置190与第一实施方式同样，进行步骤S1至步骤S11的处理。在步骤S11中，如果停止控制部216基于操作量和最短铲斗距离计算铲斗155的速度，则倾斜限制部218基于步骤S11中计算的铲斗155的速度，确定倾斜函数的斜率(步骤S111)。即，倾斜限制部218从预先确定的铲斗155的速度和倾斜函数的斜率的关系特定与步骤S11中计算的铲斗155的速度对应的斜率。之后，倾斜控制部217通过将步骤S10中计算的距离差代入步骤S111确定的倾斜函数来计算倾斜控制量(步骤S15)。以后，控制装置190与第一实施方式同样，进行步骤S16的处理。

《作用&效果》

像这样，第二实施方式的控制装置190与铲斗155的速度对应而使倾斜函数变化。由此，由于铲斗155的速度越小而倾斜角速度的目标值越小，因而能够限制绕倾斜轴X4的旋转以使最短铲斗距离不会增加。

需要说明的是，根据第二实施方式，控制装置190即使在铲斗155的前缘和目标设计面的角度超过规定范围的情况下，也能够执行自动倾斜控制。

需要说明的是，第二实施方式的倾斜限制部218与停止控制部216计算的允许速度对应，使倾斜函数的斜率变化，但并不限于此。例如，其他实施方式的倾斜限制部218可以与允许速度对应，使倾斜函数的上限值和下限值变化。在该情况下，对于倾斜角速度的目标值的上限值和下限值来说，在根据该上限值或下限值使铲斗155旋转的时候，以铲斗155的最下点的移动速度不超过允许速度的方式确定。并且，在其他实施方式中，可以与停止控制部216计算的允许速度对应，使倾斜函数测定斜率以及上限值和下限值变化。

〈第三实施方式〉

第三实施方式的控制装置190基于允许速度计算能够使最短铲斗距离保持为一定的允许控制量，而将倾斜控制量限制为允许控制量以下。

第三实施方式的控制装置190如图5所示，具有与第一实施方式同样的构成。另一方面，第三实施方式的控制装置190与第一实施方式相比，倾斜限制部218的动作不同。

第三实施方式的倾斜限制部218通过将停止控制部216计算的允许速度转换为绕铲斗155的倾斜轴X4的旋转速度，来计算允许角速度。例如，倾斜限制部218通过用倾斜销P7至铲斗155前缘的一端的长度除以允许速度，来计算允许角速度。之后，倾斜限制部218通过将允许角速度转换为倾斜控制量，来计算允许控制量。之后，倾斜限制部218将倾斜控制部217计算的倾斜控制量限制为允许控制量以下。

《控制装置190的动作》

图10是表示第三实施方式的控制装置190的动作的流程图。

控制装置190与第一实施方式同样，进行步骤S1至步骤S12的处理。如果在步骤S12计算允许控制量，则倾斜控制部217通过将步骤S10中计算的距离差代入倾斜函数来计算倾斜控制量(步骤S15)。

接下来，倾斜限制部218判定步骤S15中计算的倾斜控制量的绝对值是否超过步骤S12中计算的允许控制量(步骤S211)。在倾斜控制量的绝对值超过允许控制量的情况下(步骤S211：YES)，倾斜限制部218以绝对值与允许控制量相等的方式对倾斜控制量进行限制。即，倾斜限制部218维持倾斜控制量的符号的同时，将该绝对值改写为允许控制量的绝对值(步骤S212)。另一方面，在倾斜控制量的绝对值小于允许控制量的情况下(步骤S211：NO)，不改写倾斜控制量。

以后，控制装置190与第一实施方式同样，进行步骤S16的处理。

《作用&效果》

像这样，第三实施方式的控制装置190基于允许速度计算能够使最短铲斗距离保持为一定的允许控制量，将倾斜控制量的绝对值限制为允许控制量以下。由此，控制装置190限制绕倾斜轴X4的旋转以使最短铲斗距离不会增加。

需要说明的是，根据第三实施方式，控制装置190即使在铲斗155的前缘和目标设计面的角度超过规定范围的情况下，能够执行自动倾斜控制。

〈其他实施方式〉

以上，参照附图对一实施方式进行了详细说明，具体的构成不限于上述的说明，而能够进行各种设计变更等。即，在其他的实施方式中，可以适当改变上述的处理顺序。并且，可以同时执行一部分的处理。

上述实施方式的控制装置190可以是通过单独的计算机构成的类型，也可以将控制装置190的构成分为多个计算机配置，通过多个计算机相互合作而作为控制系统发挥作用的类型。此时，可以使构成控制装置190的一部分的计算机搭载于作业机械100的内部，其他的计算机设置于作业机械100的外部。

上述实施方式的控制装置190基于图7所示的基准求出距离L11－L15以及距离L21和距离L22，但并不限于此。例如，其他实施方式的控制装置190可以将距离L11－L15作为相对于三角多边形的法线方向的距离求出，也可以作为相对于与铲斗155的前缘正交方向的距离求出。并且其他实施方式的控制装置190可以将距离L21和距离L22作为相对于铅垂方向的距离求出，也可以作为相对于与铲斗155的前缘正交方向的距离求出。

上述实施方式的控制装置190进行铲斗155的停止控制和自动倾斜控制，但并不限于此。例如，其他实施方式的控制装置190也可以不进行铲斗155的停止控制而进行自动倾斜控制。

在上述实施方式中，基于铲斗155前缘两端和目标设计面的差计算倾斜控制量，但并不限于此。例如，在其他实施方式中，可以基于倾斜油缸测量的倾斜角η来计算倾斜控制量。

在上述实施方式中，控制装置190基于铲斗155前缘两端和目标设计面的差计算倾斜控制量，但并不限于此。例如，其他实施方式的控制装置190在第一距离L21和第二距离L22的一方小于倾斜控制距离th2的情况下，可以基于此时的第一距离L21和第二距离L22的另一方，计算倾斜控制量。例如，控制装置190在第一距离L21小于倾斜控制距离th2的情况下，可以基于此时的第二距离L22的大小计算倾斜控制量。并且，例如控制装置190在第一距离L21和第二距离L22的任意一方的距离大于规定值的情况下，可以使绕倾斜轴X4的旋转不进行。

在上述实施方式中，控制装置190通过控制铲斗155的绕倾斜轴X4的旋转，使铲斗155的前缘与目标设计面接近平行，但并不限于此。在其他实施方式中，在作业机械100的铲斗155是能够绕旋转轴旋转的旋转铲斗的情况下，控制装置190可以通过控制绕旋转轴的旋转，使铲斗155的前缘与目标设计面接近平行。旋转轴是附件轴的一例。

上述实施方式的控制装置190通常使自动倾斜控制有效，但并不限于此。其他实施方式的操作装置172可以具备用于切换自动倾斜控制的有效/无效的开关。在该情况下，控制装置190可以基于该开关的状态判断是否进行自动倾斜控制。即，控制装置190在开关为ON的情况下，没有倾斜操作输入(步骤S8：NO)，并且在铲斗155的前缘与目标平面g1之间的距离小于倾斜控制距离th2的情况下(步骤S9：YES)，进行自动倾斜控制。另一方面，控制装置190在开关为OFF的情况下，没有倾斜操作输入，并且即使铲斗155的前缘与目标平面g1之间的距离小于倾斜控制距离th2，也不会进行自动倾斜控制。该开关只要是操作员能够操作即可，可以是作为没有图示的监视器的功能设置，也可以配置于操作杆等。

在上述实施方式中，控制装置190从倾斜控制量计算长度阈值，但并不限于此。在其他实施方式中，长度阈值可以是固定值。

工业实用性

根据上述公开，作业机械的控制系统能够一边保持作业机动作的稳定，一边同时进行介入控制和自动倾斜控制或自动旋转控制。

附图标记说明

100…作业机械、110…行走体、130…回转体、131…位置方位检测器、132…倾斜检测器、150…作业机、151…动臂、152…斗杆、155…铲斗、161…铲斗本体、162…关节、163…倾斜油缸、190…控制装置、211…检测值获取部、212…铲斗位置特定部、213…目标平面确定部、214…距离计算部、215…操作量获取部、216…停止控制部、217…倾斜控制部、218…倾斜限制部、219…输出部。

Claims (6)

1.一种作业机械的控制系统，其包含：动臂，其能够绕动臂轴旋转；斗杆，其能够绕与所述动臂轴平行的斗杆轴旋转；铲斗，其能够绕与所述斗杆轴平行的铲斗轴旋转并且能够绕与所述铲斗轴不同的附件轴旋转；所述作业机械的控制系统的特征在于，具备：

距离计算部，其计算所述铲斗的前缘上或所述铲斗的底面上的即所述铲斗上的多个点各自与表示挖掘对象的目标形状的目标设计面之间的距离即铲斗距离；

介入控制部，其在所述铲斗距离小于规定的距离的情况下，计算用于抑制所述作业机向所述目标设计面接近的方向的动作的介入控制量以使所述铲斗不进入所述目标设计面；

附件控制部，其计算使所述铲斗绕所述附件轴旋转的附件控制量以使所述铲斗上的所述多个点中的第一铲斗点和存在于通过所述第一铲斗点且与所述铲斗的所述前缘平行的直线上的第二铲斗点的位置和所述目标设计面接近平行；

附件限制部，其限制绕所述附件轴的旋转以使根据基于所述介入控制量和所述附件控制量的作业机的移动而所述多个点的所述铲斗距离中的最短铲斗距离不会增加；

基于所述介入控制量和所述附件控制量使所述作业机的动作同时进行。

2.根据权利要求1所述的作业机械的控制系统，其中，

所述附件限制部在所述铲斗的前缘与所述目标设计面之间的角度超过规定范围的情况下，不实施绕所述附件轴的旋转。

3.根据权利要求1所述的作业机械的控制系统，其中，

具备从操作装置获取所述作业机的操作量的操作量获取部，

所述介入控制部基于所述铲斗距离计算所述作业机的允许速度，基于所述允许速度和所述操作量，计算所述介入控制量，

所述附件控制部使用表示所述铲斗距离与使所述铲斗绕所述附件轴旋转的附件控制量之间的关系的附件函数计算所述附件控制量，

所述附件限制部与所述允许速度对应而使所述附件函数变化。

4.根据权利要求1所述的作业机械的控制系统，其中，

具备从操作装置获取所述作业机的操作量的操作量获取部，

所述介入控制部基于所述铲斗距离计算所述作业机的允许速度，基于所述允许速度和所述操作量，计算所述介入控制量，

所述附件限制部基于所述允许速度计算能够使所述铲斗距离保持为一定的允许控制量，将所述附件控制量的绝对值限制为所述允许控制量以下。

5.一种作业机械，其特征在于，具备：

动臂，其能够绕动臂轴旋转；

斗杆，其能够绕与所述动臂轴平行的斗杆轴旋转；

铲斗，其能够绕与所述斗杆轴平行的铲斗轴旋转并且能够绕与所述铲斗轴正交的附件轴旋转；

作业机械的控制系统，其是权利要求1至权利要求4的任一项所述的作业机械的控制系统。

6.一种作业机械的控制方法，其具备：动臂，其能够绕动臂轴旋转；斗杆，其能够绕与所述动臂轴平行的斗杆轴旋转；铲斗，其能够绕与所述斗杆轴平行的铲斗轴旋转并且能够绕与所述铲斗轴不同的附件轴旋转；其特征在于，具备：

铲斗距离计算步骤，其计算所述铲斗的前缘上或所述铲斗的底面上的即所述铲斗上的多个点各自与表示挖掘对象目标形状的目标设计面之间的距离即铲斗距离；

介入控制量计算步骤，其在所述铲斗距离小于所规定的距离的情况下，计算用于抑制所述作业机向所述目标设计面接近的方向的动作的介入控制量，以使所述铲斗不进入所述目标设计面；

附件控制量计算步骤，其计算使所述铲斗绕所述附件轴旋转的附件控制量，以使所述铲斗上的所述多个点中的第一铲斗点和存在于通过所述第一铲斗点且与所述铲斗的所述前缘平行的直线上的第二铲斗点的位置和所述目标设计面接近平行；

限制绕所述附件轴的旋转的步骤，其限制绕所述附件轴的旋转以使根据基于所述介入控制量和所述附件控制量的作业机的移动而所述多个点的所述铲斗距离中的最短铲斗距离不会增加；

基于所述介入控制量和所述附件控制量使所述作业机的动作同时进行的步骤。