CN114787455A - 作业机械的控制系统、作业机械以及作业机械的控制方法 - Google Patents

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Abstract

距离计算部计算铲斗上的点即第一铲斗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第一距离。距离计算部计算通过第一铲斗点且与铲斗的齿尖平行的直线上的铲斗上的点即第二铲斗点与目标设计面之间的距离即第二距离。倾斜控制部对第一距离与第二距离进行比较来计算使铲斗绕倾斜轴旋转的倾斜控制量。

Description

作业机械的控制系统、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控制系统、作业机械以及作业机械的控制方法。
本申请要求2019年11月27日在日本提出的日本特愿2019-214460号的优先权，在此引用其内容。
背景技术
作为安装于液压挖掘机的铲斗，已知有能够调整相对于作业机的动作平面的角度的倾斜铲斗(例如参照专利文献1)。倾斜铲斗构成为能够绕与动作平面正交的铲斗轴旋转，并且能够绕与铲斗轴正交的倾斜轴旋转。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-74319号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在液压挖掘机那样的作业机械中，已知有自动控制作业机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的技术。在专利文献1所公开的倾斜铲斗中，也希望自动控制作业机以使倾斜铲斗沿着目标设计面移动。
本公开的目的在于提供一种自动控制作业机以使倾斜铲斗沿着目标设计面移动的作业机械的控制系统、作业机械以及作业机械的控制方法。
用于解决课题的方案
根据一个方式，在作业机械的控制系统中，所述作业机械具备：能够绕大臂轴旋转的大臂；能够绕与所述大臂轴平行的小臂轴旋转的小臂；以及能够绕与所述小臂轴平行的铲斗轴旋转且能够绕与所述铲斗轴正交的倾斜轴旋转的铲斗，其中，所述作业机械的控制系统具备：距离计算部，所述距离计算部计算所述铲斗上的点即第一铲斗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第一距离、以及通过所述第一铲斗点且与所述铲斗的齿尖平行的直线上的所述铲斗上的点即第二铲斗点与所述目标设计面之间的距离即第二距离；以及倾斜控制部，所述倾斜控制部基于所述第一距离和所述第二距离中的至少较大一方的值来计算使所述铲斗绕所述倾斜轴旋转的倾斜控制量。
发明的效果
根据上述方式，作业机械的控制系统能够自动控制作业机以使倾斜铲斗沿着目标设计面移动。
附图说明
图1是表示作业机械以及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主视图。
图4是表示第一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与齿尖上的点的关系的图。
图8是表示第一实施方式的表示铲斗的距离差与倾斜角速度的目标值的关系的倾斜函数的例子的图。
具体实施方式
〈坐标系〉
图1是表示作业机械100以及作业机150的姿势的例子的图。
在以下的说明中，规定三维的现场坐标系(Xg、Yg、Zg)以及三维的车身坐标系(Xm、Ym、Zm)，并基于它们来说明位置关系。
现场坐标系是以设置于施工现场的GNSS(Global Navigation SatelliteSystem：全球导航卫星系统)基站的位置为基准点而由向南北延伸的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，可举出GPS(GlobalPositioning System：全球定位系统)。需要说明的是，在其他实施方式中，也可以代替现场坐标系而使用由纬度以及经度等表示的全局坐标系。
车身坐标系是以在作业机械100的旋转体130中规定的代表点O为基准，由从后述的驾驶室170内的操作员的就座位置观察时前后延伸的Xm轴、左右延伸的Ym轴、上下延伸的Zm轴构成的坐标系。以旋转体130的代表点O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，将上方向称为+Zm方向，将下方向称为-Zm方向。
现场坐标系和车身坐标系能够通过确定现场坐标系中的作业机械100的位置以及倾斜而相互转换。
〈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，对砂土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具备行驶体110、旋转体130、作业机150、驾驶室170、控制装置190。
行驶体110将作业机械100支承为能够行驶。行驶体110例如是左右一对环形履带。旋转体130以能够绕旋转中心旋转的方式支承于行驶体110。作业机150通过液压驱动。作业机150以能够沿上下方向驱动的方式支承于旋转体130的前部。驾驶室170是用于供操作员搭乘并进行作业机械100的操作的空间。驾驶室170设置在旋转体130的前部。控制装置190基于操作员的操作来控制行驶体110、旋转体130以及作业机150。控制装置190例如设置在驾驶室170的内部。
《旋转体130的结构》
如图2所示，旋转体130具备位置方位检测器131以及倾斜检测器132。
位置方位检测器131对旋转体130在现场坐标系中的位置以及旋转体130朝向的方位进行运算。位置方位检测器131具备从构成GNSS的人造卫星接收定位信号的2个天线。2个天线分别设置在旋转体130的不同位置。例如2个天线设置于旋转体130的配重部。位置方位检测器131基于2个天线的至少一方接收到的定位信号，检测现场坐标系中的旋转体130的代表点O的位置。位置方位检测器131使用2个天线分别接收到的定位信号，在现场坐标系中检测旋转体130朝向的方位。
倾斜检测器132测量旋转体130的加速度以及角速度，并基于测量结果来检测旋转体130的倾斜(例如，表示相对于Xm轴的旋转的侧倾、以及表示相对于Ym轴的旋转的俯仰)。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，可举出IMU(Inertial Measurement Unit：惯性测量装置)。
《作业机150的结构》
如图2所示，作业机150具备大臂151、小臂152、第一连杆153、第二连杆154以及铲斗155。
大臂151的基端部经由大臂销P1安装于旋转体130。以下，将大臂销P1的中心轴称为大臂轴X1。
小臂152将大臂151与铲斗155连结。小臂152的基端部经由小臂销P2安装于大臂151的前端部。以下，将小臂销P2的中心轴称为小臂轴X2。
第一连杆153的第一端经由第一连杆销P3安装于小臂152的前端侧的侧面。第一连杆153的第二端经由铲斗缸销P4安装于第二连杆154的第一端。
铲斗155具备用于挖掘砂土等的齿尖和用于收容所挖掘的砂土的收容部。铲斗155的基端部经由铲斗销P5安装于小臂152的小臂152的前端部。以下，将铲斗销P5的中心轴称为铲斗轴X3。另外，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。
大臂轴X1、小臂轴X2以及铲斗轴X3相互平行。
作业机150具备作为产生动力的致动器的多个液压缸。具体而言，作业机150具备大臂缸156、小臂缸157以及铲斗缸158。
大臂缸156是用于驱动大臂151的液压缸。大臂缸156的基端部安装于旋转体130。大臂缸156的前端部安装于大臂151。在大臂缸156设置有检测大臂缸156的行程量的大臂缸行程传感器1561。
小臂缸157是用于驱动小臂152的液压缸。小臂缸157的基端部安装于大臂151。小臂缸157的前端部安装于小臂152。在小臂缸157设置有检测小臂缸157的行程量的小臂缸行程传感器1571。
铲斗缸158是用于驱动铲斗155的液压缸。铲斗缸158的基端部安装于小臂152。铲斗缸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。在铲斗缸158设置有检测铲斗缸158的行程量的铲斗缸行程传感器1581。
《铲斗155的结构》
图3是表示第一实施方式的铲斗155的结构的主视图。
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旋转的倾斜铲斗。
如图3所示，铲斗155具备铲斗主体161、接头162以及倾斜缸163。
在接头162的基端部设置有：具有用于经由铲斗销P5安装小臂152的安装孔的前侧托架1621；以及具有用于经由第二连杆销P6安装第二连杆154的安装孔的后侧托架1622。即，前侧托架1621的安装孔以通过铲斗轴X3的方式设置。
接头162的前端部经由倾斜销P7安装于铲斗主体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的中心轴形成倾斜轴X4。
在铲斗主体161的基端部的一端(左端或右端)设置有用于安装倾斜缸163的倾斜托架1611。
倾斜缸163是用于使铲斗主体161绕倾斜轴X4旋转的液压缸。倾斜缸163的基端部经由倾斜缸端销P8安装于倾斜托架1611。倾斜缸163的前端部经由倾斜缸顶部销P9安装于接头162。倾斜缸端销P8以及倾斜缸顶部销P9分别与倾斜销P7平行地设置。由此，铲斗主体161通过倾斜缸163的驱动而绕倾斜轴X4旋转。
在倾斜缸163设置有检测倾斜缸163的行程量的倾斜缸行程传感器1631。
《驾驶室170的结构》
图4是表示第一实施方式的驾驶室的内部结构的图。
如图4所示，在驾驶室170内设置有驾驶座171、操作装置172以及控制装置190。
操作装置172是用于通过操作员的手动操作来驱动行驶体110、旋转体130以及作业机150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、左行驶杆1725、右行驶杆1726。
左操作杆1721设置在驾驶座171的左侧。右操作杆1722设置在驾驶座171的右侧。
左操作杆1721是用于进行旋转体130的旋转动作、以及小臂152的拉动动作以及推压动作的操作机构。具体而言，当操作员将左操作杆1721向前方倾倒时，小臂缸157驱动，小臂152进行推压动作。另外，当操作员将左操作杆1721向后方倾倒时，小臂缸157驱动，小臂152进行拉动动作。另外，当操作员将左操作杆1721向右方向倾倒时，旋转体130进行右旋转。另外，当操作员将左操作杆1721向左方向倾倒时，旋转体130进行左旋转。
右操作杆1722是用于进行铲斗155的挖掘动作及倾卸动作、以及大臂151的提升动作及下降动作的操作机构。具体而言，当操作员将右操作杆1722向前方倾倒时，大臂缸156驱动，执行大臂151的下降动作。另外，当操作员将右操作杆1722向后方倾倒时，大臂缸156驱动，执行大臂151的提升动作。另外，当操作员将右操作杆1722向右方向倾倒时，铲斗缸158驱动，进行铲斗155的倾卸动作。另外，当操作员将右操作杆1722向左方向倾倒时，铲斗缸158驱动，进行铲斗155的挖掘动作。
需要说明的是，左操作杆1721以及右操作杆1722的操作方向与作业机150的动作方向以及旋转体130的旋转方向的关系也可以不是上述的关系。
另外，在右操作杆1722的上部设置有未图示的倾斜操作按钮。具体而言，当操作员使倾斜操作按钮向左方向滑动时，倾斜缸163驱动，从操作员观察时向左方向进行铲斗155的倾斜旋转动作。当操作员使倾斜操作按钮向右方向滑动时，倾斜缸163驱动，从操作员观察时向右方向进行铲斗155的倾斜旋转动作。需要说明的是，倾斜操作按钮也可以是在左右方向上旋转的结构。另外，倾斜操作也可以通过基于操作员的未图示的踏板的操作来实现。
左脚踏板1723配置在驾驶座171的前方的地板面的左侧。右脚踏板1724配置在驾驶座171的前方的地板面的右侧。左行驶杆1725轴支承于左脚踏板1723，构成为左行驶杆1725的倾斜与左脚踏板1723的按下联动。右行驶杆1726轴支承于右脚踏板1724，构成为右行驶杆1726的倾斜与右脚踏板1724的按下联动。
左脚踏板1723以及左行驶杆1725与行驶体110的左侧履带的旋转驱动对应。具体而言，在行驶体110的驱动轮位于后方的情况下，当操作员将左脚踏板1723或左行驶杆1725向前方倾倒时，左侧履带向前进方向旋转。另外，当操作员将左脚踏板1723或左行驶杆1725向后方倾倒时，左侧履带向后退方向旋转。
右脚踏板1724以及右行驶杆1726与行驶体110的右侧履带的旋转驱动对应。具体而言，在行驶体110的驱动轮位于后方的情况下，当操作员将右脚踏板1724或右行驶杆1726向前方倾倒时，右侧履带向前进方向旋转。另外，当操作员将右脚踏板1724或右行驶杆1726向后方倾倒时，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向接近挖掘对象的方向的动作，以使铲斗155不侵入在施工现场设定的目标设计面。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。
对操作员仅进行小臂152的拉动操作来进行施工现场的整地作业的情况下的介入控制进行说明。控制装置190在铲斗155与目标设计面之间的距离小于规定的介入控制距离的情况下，根据伴随着小臂152的移动的铲斗155的齿尖与目标设计面之间的距离，以铲斗155不侵入目标设计面的方式生成大臂缸156的操作信号。由此，仅通过操作员操作小臂152的动作，控制装置190生成大臂缸156的操作信号而自动地使大臂151上升，从而限制铲斗155的动作，自动地防止铲斗155的齿尖侵入设计面。
需要说明的是，在其他实施方式中，控制装置190也可以在介入控制中生成小臂缸157的控制指令或铲斗缸158的控制指令。即，在其他实施方式中，可以通过在介入控制中使小臂152上升来限制铲斗155的速度，也可以直接限制铲斗155的速度。
另外，控制装置190在铲斗155与目标设计面之间的距离小于规定的倾斜控制距离的情况下，以铲斗155的齿尖与目标设计面平行的方式使铲斗155绕倾斜轴X4旋转。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是非暂时性的有形的存储介质。作为存储器250的例子，可举出磁盘、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存储用于对作业机械100进行控制的程序。
程序也可以是用于实现使控制装置190发挥的功能的一部分的程序。例如，程序也可以通过与已经存储于存储器250的其他程序的组合、或者与安装于其他装置的其他程序的组合来发挥功能。需要说明的是，在其他实施方式中，控制装置190也可以在上述结构的基础上，或者代替上述结构而具备PLD(Programmable Logic Device：可编程逻辑器件)等定制LSI(Large Scale Integrated Circuit：大规模集成电路)。作为PLD的例子，可举出PAL(Programmable Array Logic：可编程阵列逻辑)、GAL(Generic Array Logic：通用阵列逻辑)、CPLD(Complex Programmable Logic Device：复杂可编程逻辑器件)、FPGA(FieldProgrammable Gate Array：现场可编程门阵列)。在该情况下，由处理器实现的功能的一部分或全部可以由该集成电路实现。
在存储器250中预先存储表示目标设计面的设计面数据。设计面数据是由现场坐标系表示的三维数据，由多个三角形多边形表示。构成设计面数据的三角形多边形分别具有与相邻的其他三角形多边形共用的边。即，设计面数据表示由多个平面构成的连续的平面。需要说明的是，在其他实施方式中，设计面数据也可以由三角形多边形以外的多边形面构成，另外，也可以以点群数据等其他形式表示。
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。设计面数据也可以从外部存储器、未图示的服务器经由未图示的通信线路下载。
处理器210通过执行程序而作为检测值取得部211、铲斗位置确定部212、目标平面决定部213、距离计算部214、操作量取得部215、介入控制部216、倾斜控制部217、输出部218发挥功能。
检测值取得部211取得大臂缸行程传感器1561、小臂缸行程传感器1571、铲斗缸行程传感器1581、倾斜缸行程传感器1631、位置方位检测器131以及倾斜检测器132各自的检测值。即，检测值取得部211取得旋转体130在现场坐标系中的位置、旋转体130朝向的方位、旋转体130的倾斜、大臂缸156的行程长度、小臂缸157的行程长度、铲斗缸158的行程长度以及倾斜缸163的行程长度。
铲斗位置确定部212基于检测值取得部211取得的检测值来确定铲斗155的齿尖上的多个点的位置。例如，铲斗位置确定部212分别确定将铲斗155的齿尖4等分的5个点的位置。铲斗155的齿尖的位置的确定方法在后面叙述。
目标平面决定部213决定作为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形多边形的至少一个三角形多边形的平面。具体而言，目标平面决定部213按照以下的步骤决定目标平面。目标平面决定部213基于设计面数据和铲斗位置确定部212所确定的多个点的位置，针对该多个点的每一个，计算构成目标设计面的三角形多边形中的与该点相向的三角形多边形与该点之间的距离。此时，多个点可以分别与不同的三角形多边形相向。目标平面决定部213确定最短距离的三角形多边形，将通过该三角形多边形的平面决定为目标平面。
距离计算部214基于铲斗位置确定部212所确定的多个点的位置和目标平面决定部213所决定的目标平面，计算多个点与目标平面之间的距离。
操作量取得部215从操作装置172取得表示操作量的操作信号。操作量取得部215至少取得与大臂151的提升操作以及下降操作相关的操作量、与小臂152的推压操作以及拉动操作相关的操作量、以及与铲斗155的挖掘操作、倾卸操作及倾斜操作相关的操作量。
介入控制部216基于操作量取得部215取得的操作装置172的操作量和距离计算部214算出的距离中的最短距离，进行作业机150的介入控制。
倾斜控制部217基于距离计算部214算出的距离中的、从铲斗155的齿尖的左端到目标平面的距离即第一距离与从铲斗155的齿尖的右端到目标平面的距离即第二距离之差，进行自动倾斜控制。铲斗155的齿尖的左端以及右端分别是第一铲斗点以及第二铲斗点的一例。需要说明的是，在其他实施方式中，第一铲斗点以及第二铲斗点也可以是铲斗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的齿尖平行的直线上这样的条件。即，在其他实施方式中，第一铲斗点以及第二铲斗点也可以不一定是底面上的点等齿尖上的点。
输出部218基于操作量取得部215取得的操作量、以及由倾斜控制部217算出的倾斜控制量，向各致动器输出控制信号。
《铲斗155的齿尖位置的确定方法》
在此，参照图1以及图3，对由铲斗位置确定部212进行的铲斗155的齿尖的位置的确定方法进行说明。车身坐标系中的铲斗155的齿尖的位置能够基于大臂长度L1、小臂长度L2、接头长度L3、铲斗长度L4、大臂相对角α、小臂相对角β、铲斗相对角γ、倾斜角η、车身坐标系中的大臂销P1的位置、以及现场坐标系中的代表点O的位置来确定。
大臂长度L1是从大臂销P1到小臂销P2的已知的长度。
小臂长度L2是从小臂销P2到铲斗销P3的已知的长度。
接头长度L3是从铲斗销P3到倾斜销P7的已知的长度。
铲斗长度L4是从倾斜销P7到铲斗155的齿尖的中心点的已知的长度。
大臂相对角α由从大臂销P1向旋转体130的上方向(+Zm方向)延伸的半直线与从大臂销P1向小臂销P2延伸的半直线所成的角表示。需要说明的是，如图1所示，根据旋转体130的倾斜θ，旋转体130的上方向(+Zm方向)与铅垂上方向(+Zg方向)未必一致。
小臂相对角β由从大臂销P1向小臂销P2延伸的半直线与从小臂销P2向铲斗销P3延伸的半直线所成的角表示。
铲斗相对角γ由从小臂销P2向铲斗销P3延伸的半直线与从铲斗销P3向倾斜销P7延伸的半直线所成的角表示。
倾斜角η由从倾斜销P7向与铲斗销P3以及倾斜销P7正交的方向延伸的半直线与从倾斜销P7向铲斗155的齿尖的中心点延伸的半直线所成的角表示。
铲斗155的齿尖在现场坐标系中的位置例如通过以下的步骤来确定。铲斗位置确定部212基于车身坐标系中的大臂销P1的位置、大臂相对角α以及大臂长度L1，确定车身坐标系中的小臂销P2的位置。铲斗位置确定部212基于车身坐标系中的小臂销P2的位置、小臂相对角β以及小臂长度L2，确定车身坐标系中的铲斗销P3的位置。铲斗位置确定部212基于车身坐标系中的铲斗销P3的位置、铲斗相对角γ以及接头长度L3，确定车身坐标系中的倾斜销P7的位置。铲斗位置确定部212基于车身坐标系中的倾斜销P7的位置、倾斜角η以及铲斗长度L4，确定车身坐标系中的铲斗155的齿尖的中心点的位置。另外，铲斗位置确定部212确定从齿尖的中心点到齿尖的任意点的距离，计算从齿尖的中心点的位置向倾斜角η的方向偏移了从齿尖的中心点到任意点的距离的位置，由此能够确定齿尖的任意点的位置。例如，铲斗位置确定部212通过计算从齿尖的中心点的位置向倾斜角η的正负方向分别偏移了齿尖的宽度方向的长度的1/2的位置，由此能够确定齿尖的两端的位置。
大臂相对角α、小臂相对角β、铲斗相对角γ以及倾斜角η分别由大臂缸行程传感器1561的检测值、小臂缸行程传感器1571的检测值、铲斗缸行程传感器1581的检测值以及倾斜缸行程传感器1631的检测值确定。铲斗位置确定部212基于旋转体130在现场坐标系中的位置、旋转体130朝向的方位以及旋转体130的姿势，将车身坐标系中的铲斗155的齿尖的位置转换为现场坐标系中的位置。
需要说明的是，大臂相对角α、小臂相对角β、铲斗相对角γ以及倾斜角η的检测并不限于由缸行程传感器进行，也可以由角度传感器、IMU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与齿尖上的点的关系的图。
当作业机械100的操作员开始作业机械100的操作时，控制装置190每隔规定的控制周期执行以下所示的控制。
操作量取得部215从操作装置172取得与大臂151相关的操作量、与小臂152相关的操作量、与铲斗155相关的操作量、与倾斜相关的操作量以及与旋转体130的旋转相关的操作量(步骤S1)。检测值取得部211取得位置方位检测器131、倾斜检测器132、大臂缸行程传感器1561、小臂缸行程传感器1571、铲斗缸行程传感器1581、倾斜缸行程传感器1631分别检测到的信息(步骤S2)。
铲斗位置确定部212根据各液压缸的行程长度来计算大臂相对角α、小臂相对角β、铲斗相对角γ以及倾斜角η(步骤S3)。另外，铲斗位置确定部212基于在步骤S2中取得的检测值、在步骤S3中算出的角度、以及已知的作业机150的长度参数，计算将铲斗155的齿尖4等分的5个点在现场坐标系中的位置(步骤S4)。以下，将铲斗155的齿尖上的5个点从齿尖的左端起依次称为点p1、点p2、点p3、点p4、点p5。即，点p1是齿尖的左端的点，点p5是齿尖的右端的点，点p3是齿尖的中心点。
需要说明的是，在使用角度传感器、IMU直接检测角度的情况下，也可以省略步骤S3。
目标平面决定部213从存储器250读出设计面数据，针对点p1-p5分别计算与目标设计面之间的距离(步骤S5)。在步骤S5中，目标平面决定部213分别针对点p1-p5，计算与在从该点沿铅垂方向(Zg轴方向)延伸的方向上相向的三角形多边形之间的距离。在图7所示的例子中，目标平面决定部213计算点p1-p3与三角形多边形t1之间的距离L11-L13、以及点p4-p5与三角形多边形t2之间的距离L14-L15。在通过现场坐标系确定了铲斗155的齿尖的位置的情况下，使用基于现场坐标系的设计面数据。在通过车身坐标系确定了铲斗155的齿尖的位置的情况下，也可以使用基于车身坐标系的设计面数据。例如，基于车身坐标系的设计面数据可以是将基于现场坐标系的设计面数据基于位置方位检测器131以及倾斜检测器132的检测值转换为车身坐标系而得到的数据。
接着，目标平面决定部213确定最短距离的三角形多边形，将通过该三角形多边形的平面决定为目标平面g1(步骤S6)。在图7所示的例子中，距离L11至距离L15中，点p3与三角形多边形t1之间的距离L13最短，因此，目标平面决定部213将通过三角形多边形t1的平面决定为目标平面g1。
距离计算部214基于在步骤S4中算出的齿尖两端的点p1、p5的位置和在步骤S6中决定的目标平面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，目标平面决定部213针对点p1以及点p5分别计算目标平面g1的法线方向上的与目标平面g1之间的距离L21、L22。
接着，倾斜控制部217基于在步骤S1中取得的操作量，判定是否有操作员的倾斜操作输入(步骤S8)。例如，倾斜控制部217在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：否)，倾斜控制部217判定在步骤S7中确定的点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中的至少一方是否小于倾斜控制距离th(步骤S9)。
在距离L21以及距离L22中的至少一方小于倾斜控制距离th的情况下(步骤S9：是)，倾斜控制部217计算在步骤S7中算出的距离L21与距离L22之差(步骤S10)。接着，倾斜控制部217基于距离L21与距离L22之差(距离差)，计算倾斜控制量(步骤S11)。
图8是表示第一实施方式的表示铲斗的距离差与倾斜角速度的目标值的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而得到的，将图7中的逆时针方向的角速度设为正。
在步骤S11中，倾斜控制部217通过将距离差代入图8所示那样的预先确定的倾斜函数来决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。另外，在倾斜函数中，倾斜角速度的上限值以及下限值被确定，当距离差的绝对值超过规定值时，倾斜角速度的目标值是恒定的。另外，在倾斜函数中设定有死区(滞后)，在距离差位于零附近的死区内的情况下，倾斜角速度的目标值成为零。即，在距离差位于零附近的死区内的情况下，铲斗155绕倾斜轴X4的旋转停止。然后，倾斜控制部217基于所决定的倾斜角速度的目标值来决定倾斜控制量。
通过在倾斜函数中设置死区，能够防止铲斗155的倾斜控制反复进行过冲以及过修正。由此，在通过自动倾斜控制来控制铲斗155的倾斜角η的情况下，能够防止挖掘面产生晃动。另外，死区由相对于目标施工面的容许误差量规定，由此，能够将目标施工面的挖掘误差抑制在容许误差量以内，并且能够防止挖掘面的晃动。
需要说明的是，在进行倾斜操作的情况下(步骤S8：是)或者在距离L21以及距离L22双方为倾斜控制距离th以上的情况下(步骤S9：否)，倾斜控制部217不计算倾斜控制量。
然后，输出部218基于作业机150的各操作量以及由倾斜控制部217算出的倾斜控制量，向各致动器输出控制信号(步骤S12)。在执行自动倾斜控制的情况下，倾斜缸163按照由倾斜控制部217生成的信号进行驱动。在不执行自动倾斜控制的情况下，倾斜缸163按照基于操作员操作量的信号进行驱动。
《作用、效果》
这样，根据第一实施方式的控制装置190，计算铲斗155上的第一铲斗点p1与目标设计面之间的距离即第一距离L21、以及铲斗155上的点即第二铲斗点p5与目标设计面之间的距离即第二距离L22，对第一距离L21与第二距离L22进行比较来计算使铲斗155绕倾斜轴X4旋转的倾斜控制量。由此，控制装置190能够自动控制作业机150以使铲斗155沿着目标设计面移动。
需要说明的是，在第一实施方式中，第一铲斗点p1以及第二铲斗点p5是铲斗155的齿尖的两端，但并不限于此。例如，在其他实施方式中，也可以将点p2以及点p4分别作为第一铲斗点以及第二铲斗点。另外，在其他实施方式中，控制装置190也可以基于铲斗155的倾斜角η来计算倾斜控制量。另一方面，通过使用铲斗155的齿尖的两端的距离差，能够容易地管理相对于目标施工面的挖掘误差。
例如，在控制装置190基于铲斗155的倾斜角η来计算倾斜控制量的情况下，因倾斜角η的误差而产生的挖掘误差根据铲斗155的齿尖的长度而变化。与此相对，在如第一实施方式那样基于铲斗155的两端与目标平面的距离差来计算倾斜控制量的情况下，挖掘误差不会根据铲斗155的齿尖的长度而变化。
另外，在第一实施方式中，控制装置190在第一距离L21与第二距离L22之差在死区以内的情况下，使绕倾斜轴X4的旋转停止。即，在第一实施方式中，控制装置190在铲斗155的齿尖与目标设计面所成的角为规定的阈值以下的情况下，使绕倾斜轴X4的旋转停止。由此，能够防止铲斗155的倾斜控制反复进行过冲以及过修正。另外，该死区由相对于目标施工面的容许误差量规定，由此，能够将目标施工面的挖掘误差抑制在容许误差量以内，并且能够防止挖掘面的晃动。
《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，但具体结构并不限定于上述实施方式的结构，能够进行各种设计变更等。即，在其他实施方式中，也可以适当变更上述处理的顺序。另外，也可以并行地执行一部分处理。
上述实施方式的控制装置190可以由单独的计算机构成，也可以将控制装置190的结构分开配置于多个计算机，通过多个计算机相互协作而作为控制系统发挥功能。此时，也可以将构成控制装置190的一部分计算机搭载于作业机械100的内部，将其他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及距离L21以及距离L22，但并不限于此。例如，其他实施方式的控制装置190可以求出距离L11-L15作为相对于三角形多边形的法线方向的距离，也可以求出距离L11-L15作为相对于与铲斗155的齿尖正交的方向的距离。另外，其他实施方式的控制装置190可以求出距离L21以及距离L22作为相对于铅垂方向的距离，也可以求出距离L21以及距离L22作为相对于与铲斗155的齿尖正交的方向的距离。另外，例如，三角形多边形t1、t2也可以从通过铲斗155的齿尖并与倾斜轴X4正交的倾斜动作平面与目标设计面的交线中选择。
上述实施方式的控制装置190对第一距离L21与第二距离L22进行比较来计算使铲斗155绕倾斜轴X4旋转的倾斜控制量，但并不限于此。例如，其他实施方式的控制装置190也可以在第一距离L21和第二距离L22中的一方小于倾斜控制距离th的情况下，基于此时的第一距离L21和第二距离L22中的另一方来计算倾斜控制量。例如，控制装置190也可以在第一距离L21小于倾斜控制距离th的情况下，基于此时的第二距离L22的大小来计算倾斜控制量。另外，例如，控制装置190也可以在第一距离L21和第二距离L22中的另一方的距离为规定值以上的情况下，不进行绕倾斜轴X4的旋转。即，控制装置190基于第一距离L1和第二距离L2中的至少较大一方的值来计算倾斜控制量。
上述实施方式的控制装置190始终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也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也可以基于该开关的状态来判断是否进行自动倾斜控制。即，控制装置190在开关接通的情况下，在没有倾斜操作输入(步骤S8：否)且铲斗155的齿尖与目标平面g1之间的距离小于倾斜控制距离th(步骤S9)的情况下，进行自动倾斜控制。另一方面，控制装置190在开关断开的情况下，即便没有倾斜操作输入且铲斗155的齿尖与目标平面g1之间的距离小于倾斜控制距离th，也不进行自动倾斜控制。该开关只要是操作员能够操作的方式即可，可以作为未图示的监视器的功能而设置，也可以配置于操作杆等。
工业实用性
根据上述公开，作业机械的控制系统能够自动控制作业机以使倾斜铲斗沿着目标设计面移动。
附图标记说明
100 作业机械 110 行驶体 130 旋转体 131 位置方位检测器 132 倾斜检测器150 作业机 151 大臂 152 小臂 155 铲斗 161 铲斗主体 162 接头 163 倾斜缸 190 控制装置 211 检测值取得部 212 铲斗位置确定部 213 目标平面决定部 214 距离计算部215 操作量取得部 216 介入控制部 217 倾斜控制部 218 输出部。

Claims (9)

1.一种作业机械的控制系统，所述作业机械具备：能够绕大臂轴旋转的大臂；能够绕与所述大臂轴平行的小臂轴旋转的小臂；以及能够绕与所述小臂轴平行的铲斗轴旋转且能够绕与所述铲斗轴正交的倾斜轴旋转的铲斗，其中，
所述作业机械的控制系统具备：
距离计算部，所述距离计算部计算所述铲斗上的点即第一铲斗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第一距离、以及通过所述第一铲斗点且与所述铲斗的齿尖平行的直线上的所述铲斗上的点即第二铲斗点与所述目标设计面之间的距离即第二距离；以及
倾斜控制部，所述倾斜控制部基于所述第一距离和所述第二距离中的至少较大一方的值来计算使所述铲斗绕所述倾斜轴旋转的倾斜控制量。
2.如权利要求1所述的作业机械的控制系统，其中，
在所述第一距离与所述第二距离之差为规定的阈值以下的情况下，所述倾斜控制部不实施绕所述倾斜轴的旋转。
3.如权利要求2所述的作业机械的控制系统，其中，
所述第一铲斗点以及所述第二铲斗点是所述铲斗的齿尖的两端的点，
所述阈值是相对于所述目标设计面的高度的容许误差以下的值。
4.如权利要求1～3中任一项所述的作业机械的控制系统，其中，
所述倾斜控制部计算与所述第一距离和所述第二距离之差对应的角速度所涉及的所述倾斜控制量。
5.如权利要求1～4中任一项所述的作业机械的控制系统，其中，
所述目标设计面由多个多边形面构成，
所述距离计算部在所述目标设计面中存在与所述铲斗相向的两个以上的多边形面的情况下，确定通过所述两个以上的多边形面中的一个多边形面的平面，计算所述平面与所述第一铲斗点之间的距离作为所述第一距离，计算所述平面与所述第二铲斗点之间的距离作为所述第二距离。
6.如权利要求5所述的作业机械的控制系统，其中，
所述平面通过所述两个以上的多边形面中的与所述铲斗之间的距离最近的多边形面。
7.一种作业机械的控制系统，所述作业机械具备：能够绕大臂轴旋转的大臂；能够绕与所述大臂轴平行的小臂轴旋转的小臂；以及能够绕与所述小臂轴平行的铲斗轴旋转且能够绕与所述铲斗轴正交的倾斜轴旋转的铲斗，其中，
所述作业机械的控制系统具备倾斜控制部，所述倾斜控制部计算使所述铲斗绕所述倾斜轴旋转的倾斜控制量，以使所述铲斗的齿尖与表示挖掘对象的目标形状的目标设计面平行地接近，在所述铲斗的齿尖与表示挖掘对象的目标形状的目标设计面所成的角为规定的阈值以下的情况下，使绕所述倾斜轴的旋转停止。
8.一种作业机械，其中，所述作业机械具备：
能够绕大臂轴旋转的大臂；
能够绕与所述大臂轴平行的小臂轴旋转的小臂；
能够绕与所述小臂轴平行的铲斗轴旋转且能够绕与所述铲斗轴正交的倾斜轴旋转的铲斗；以及
权利要求1～权利要求7中任一项所述的作业机械的控制系统。
9.一种作业机械的控制方法，所述作业机械具备：能够绕大臂轴旋转的大臂；能够绕与所述大臂轴平行的小臂轴旋转的小臂；以及能够绕与所述小臂轴平行的铲斗轴旋转且能够绕与所述铲斗轴正交的倾斜轴旋转的铲斗，其中，
所述作业机械的控制方法具备：
计算所述铲斗上的点即第一铲斗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第一距离、以及通过所述第一铲斗点且与所述铲斗的齿尖平行的直线上的所述铲斗上的点即第二铲斗点与所述目标设计面之间的距离即第二距离的步骤；以及
基于所述第一距离和所述第二距离中的至少较大一方的值来计算使所述铲斗绕所述倾斜轴旋转的倾斜控制量的步骤。
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