CN116194640A - 装载作业支援系统 - Google Patents

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Abstract

装载作业支援系统使用装载机的第1位置计算器的输出、装载机的作业装置的姿势检测器的输出和作业装置的动态特性进行预测作业装置在有限时间区间中的轨迹的运算，在判断成作业装置不会侵入到基于搬运机的第2位置计算器的输出设定的禁止区域的情况下，基于预测运算的结果对作业装置的前端部接近基于第2位置计算器的输出设定的目标位置的动态特性的第1输入进行运算，在判断成作业装置会侵入到禁止区域的情况下，将禁止区域外的与目标位置不同的位置且比作业装置的前端部位置距目标位置近的位置设为目标，对该前端部接近的动态特性的第2输入进行运算，并基于运算结果的第1输入及第2输入对控制装载机的动作的控制输入进行运算。

Description

装载作业支援系统
技术领域
本发明涉及对装载机相对于搬运机装载货物的装载作业进行支援的装载作业支援系统。
背景技术
在液压挖掘机等工程机械的领域中，近年来，推进通过对工程施工适用信息通信技术而有效地灵活运用多种多样的信息来谋求施工合理化的信息化施工的导入。例如，具有具备对操作员的操作进行支援的功能的技术，如将使动臂、斗杆及铲斗等多个被驱动部件连结而成的多关节型的作业装置的位置和姿势向操作员显示的机械引导、以沿着目标施工面移动该作业装置的方式进行控制的机械控制等。
在进行机械引导或机械控制等操作支援时，将利用施工现场中的本车坐标的施工称为三维信息化施工(以下称为3D信息化施工)。在应对3D信息化施工的工程机械中，为了获取本车的位置，而具备卫星测位系统(Global Navigation Satellite System：GNSS)。GNSS接收来自多个卫星的测位信号而测量本车的三维位置(纬度、经度、高度)。在如液压挖掘机那样具备作业装置的工程机械中，操作支援中不仅需要本车的位置，还需要作业装置所朝向的方向(方位)。因此，已知一种搭载了两个接收测位信号的GNSS天线、且基于这些天线接收到的测位信号确定作业装置的方位的工程机械。
在液压挖掘机中的通常的信息化施工中，在对砂土进行了粗挖掘后，利用机械控制进行精挖掘。在粗挖掘时，在现场内会产生不需要的砂土，因此需要将该砂土装载到自卸卡车等搬运机并从现场搬运。将液压挖掘机的铲斗内的砂土装入到自卸卡车的货斗中的“装入作业(装载作业)”在粗挖掘工序中高频度发生。因此，通过提供针对装入作业的操作支援，能够期待减轻操作员的作业负担。尤其是，在装入作业中，在使铲斗向自卸卡车的货斗的上方移动的过程中有铲斗与自卸卡车接触的隐患，因此若能够通过自动控制实现避免接触的动作，则施工现场的安全性提高。在工程施工现场中，自卸卡车在接近液压挖掘机时不在铺修路上行驶，因此自卸卡车与液压挖掘机之间的位置关系大多会按装入作业而不同。
此外，装入作业是液压挖掘机与自卸卡车之间的具有代表性的作业，但该作业并不限于工程机械。例如，在工厂或仓库中运转的作业机器人向叉车或搬运台车装入货物的作业也能够同样地称为装入作业。在工厂或仓库中的作业的情况下，也需要回收所装入的货物的作业。在该回收作业时也是，要求作业机器人不与搬运台车接触而安全地回收货物。这样的回收作业时的避免接触的技术在港口作业中的基于起重机从船(例如油轮)卸下集装箱或从搬运车辆卸下货物的情况下也是需要的。但是，在工厂、仓库、港口的作业中，对搬运车准备专用车道，或利用多个环境传感器监视其动作。因此，不会存在如液压挖掘机和自卸卡车那样在每次装入作业时两者之间的位置关系大为不同的情况。
作为针对两者之间的位置关系缺乏重现性的装入作业的支援功能，已知专利文献1所记载的技术。专利文献1所记载的技术是对工程机械的旋转体旋转而将挖掘物向自卸卡车的货斗搬运时的前作业装置的作业机(铲斗)的轨迹进行修正的技术，使用液压挖掘机及自卸卡车双方的位置信息等，判断根据作业机的速度及加速度预测的作业机的轨迹是否与自卸卡车的区域交叉，在判断成作业机的轨迹交叉的情况下进行使旋转体的旋转速度减小的控制以及使前作业装置的上升速度增加的控制中的至少一方。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-24997号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献1所记载的技术中，将通过旋转动作与前作业装置的动作的复合动作执行工程机械相对于自卸卡车的装入作业设为前提。但是，存在根据工程机械与自卸卡车之间的位置关系而不伴随旋转动作地进行装入作业的情况。例如，自卸卡车位于工程机械的前作业装置的正前方的情况。在该情况下，在专利文献1所记载的技术中，作为避免工程机械的作业机与自卸卡车接触的支援动作能够执行的动作仅为使前作业装置的上升速度增加，从而存在装入作业的动作支援困难的情况。
本发明是基于上述情况而做出的，其目的在于提供一种不论装载机与搬运机两者之间的位置关系如何均能够可靠地支援装载作业的装载作业支援系统。
用于解决课题的方案
本申请包含多个解决上述课题的方案，列举其一个例子，为一种装载作业支援系统，对装载机相对于具备货斗的搬运机装载货物的装载作业进行支援，其中该装载机具备将多个被驱动部件能够转动地连结而构成的多关节型的作业装置，上述装载作业支援系统的特征在于，具备：计算上述装载机的位置及方位的第1位置计算器；检测上述作业装置的姿势的姿势检测器；计算上述搬运机的位置及方位的第2位置计算器；和控制上述装载机的动作的控制装置，上述控制装置基于上述第2位置计算器的输出，设定作为上述作业装置在装载作业中应该到达的位置的目标位置，基于上述第2位置计算器的输出，设定作为禁止上述作业装置侵入的区域的禁止区域，使用上述第1位置计算器的输出、上述姿势检测器的输出和上述作业装置的动态特性进行预测上述作业装置在有限的预测时间区间中的轨迹的预测运算，基于上述作业装置的轨迹预测的运算结果，判断上述作业装置在上述预测时间区间中是否会侵入到上述禁止区域内，在判断成上述作业装置不会侵入到上述禁止区域内的情况下，基于上述作业装置的轨迹预测的运算结果，对上述作业装置的前端部在上述预测时间区间中朝向上述目标位置接近那样的上述作业装置的动态特性的输入即第1输入进行运算，在判断成上述作业装置会侵入到上述禁止区域内的情况下，将上述禁止区域外的与上述目标位置不同的位置且比上述作业装置的前端部的位置距上述目标位置近的位置设为目标，对上述作业装置的前端部在上述预测时间区间中接近该目标那样的上述作业装置的动态特性的输入即第2输入进行运算，基于运算结果的上述作业装置的动态特性的第1输入及第2输入，对控制上述装载机的动作的控制输入进行运算，并基于运算结果的控制输入来进行上述装载机的控制。
发明效果
根据本发明的一个例子，通过使用以利用了装载机的作业装置的动态特性的作业装置的轨迹预测的运算结果为基础在作业装置的前端部不会侵入到禁止区域中这一制约条件下计算出的装载机的控制输入，能够以作业装置的前端部避开禁止区域而接近装载作业的目标位置的方式控制装载机的动作。因此，不论装载机与搬运机两者之间的位置关系如何均能够可靠地支援装载作业。
上述以外的课题、结构及效果将通过以下实施方式的说明而得以明确。
附图说明
图1是表示作为本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中的支援对象的装载机的一个例子的液压挖掘机的立体图。
图2是示意地表示作为本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中的支援对象的搬运机的一个例子的自卸卡车的外观的图。
图3是表示液压挖掘机相对于自卸卡车的装入作业中的动作的一个例子的说明图。
图4是表示液压挖掘机相对于自卸卡车的装入作业中的动作的其他例子的说明图。
图5是表示本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的概略结构的框图。
图6是表示图5所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的功能结构的框图。
图7是表示在构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的动态特性运算部中使用的前作业装置的模型的说明图。
图8是表示构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的目标位置设定部所设定的目标位置的一个例子的说明图。
图9A是表示构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的禁止区域设定部所设定的禁止区域的一个例子的图(观察自卸卡车的侧面侧的图)。
图9B是图9A所示的禁止区域的从自卸卡车的上方俯视时的图。
图10是表示构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的禁止区域设定部所设定的禁止区域的第2例的图(观察自卸卡车的侧面侧的图)。
图11是表示构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的禁止区域设定部所设定的禁止区域的第3例的图(观察自卸卡车的侧面侧的图)。
图12A是说明构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的避开动作控制输入运算部的运算方法的图，是表示该运算的第1阶段的一个例子的说明图。
图12B是说明构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的避开动作控制输入运算部的运算方法的图，是表示该运算的第2阶段的一个例子的说明图。
图12C是说明构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的避开轨迹运算部的运算方法的图，是表示该运算的第1阶段的其他例子的说明图。
图12D是说明构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的避开轨迹运算部的运算方法的图，是表示该运算的第2阶段的其他例子的说明图。
图13是表示图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中的处理顺序的一个例子的流程图。
图14A是表示在本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中使用模型预测控制的运算框架的情况下的液压挖掘机与禁止区域之间的位置关系的一个例子的概略图。
图14B是说明在本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中使用模型预测控制的运算框架的情况下的惩罚函数的图。
图15是表示本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的变形例的功能结构的框图。
图16是表示本发明的装载作业支援系统的第2实施方式的功能结构的框图。
图17是表示本发明的装载作业支援系统的第3实施方式的功能结构的框图。
图18是表示本发明的装载作业支援系统的第3实施方式的变形例的功能结构的框图。
图19是表示本发明的装载作业支援系统的其他实施方式的概略结构的框图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的装载作业支援系统的实施方式。
[第1实施方式]
首先，使用图1说明作为本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中的支援对象的装载机侧的一个例子的液压挖掘机的结构。图1是表示作为本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中的支援对象的装载机的一个例子的液压挖掘机的立体图。在此，使用从落座于驾驶席的操作员观察到的方向来进行说明。
在图1中，液压挖掘机100是相对于搬运机装载货物的装载机的一种，装载作为货物的砂土或矿石等。液压挖掘机100由进行挖掘作业和装载作业等的前作业装置101、以及能够转动地安装有前作业装置101的车身构成。车身由能够自行的下部行驶体102和能够旋转地搭载在下部行驶体102上的上部旋转体103构成。
前作业装置101是将多个被驱动部件能够沿垂直方向转动地连结而构成的多关节型的装置。多个被驱动部件例如由动臂106、斗杆107和铲斗108构成。动臂106的基端部能够沿垂直方向转动地支承在上部旋转体103的前部。在动臂106的前端部能够转动地支承有斗杆107的基端部。在斗杆107的前端部能够转动地支承有铲斗108。作为作业工具的铲斗108配置在前作业装置101的前端部。动臂106、斗杆107、铲斗108分别由作为液压执行机构的动臂缸110、斗杆缸111、铲斗缸112驱动。此外，铲斗108经由与铲斗108连动地转动的连杆部件113而被驱动。
下部行驶体102例如在左右具备履带式的行驶装置114(仅图示出一侧)。行驶装置114由作为液压执行机构的行驶液压马达114a驱动。
上部旋转体103例如构成为通过作为液压执行机构的旋转液压马达104而相对于下部行驶体102被旋转驱动。上部旋转体103具备供操作员搭乘的驾驶室116和收纳各种设备的机械室117。
在驾驶室116中设有用于对各液压执行机构104、110、111、112、114a进行操作的操作装置118a、118b、118c。操作装置118a、118b是例如具有能够向前后左右倾倒的操作杆的电气式的操作杆装置。电气式的操作杆装置118a、118b具有电气性地检测操作杆的倾倒方向及倾倒量、即操作方向及操作量的检测装置(未图示)，经由电气配线将与检测出的操作方向及操作量相应的操作信号向后述的挖掘机控制器10(参照后述的图5)输出。操作杆装置118a、118b的前后方向上的操作及左右方向上的操作分别被分配为各液压执行机构104、110、111、112的操作。即，操作杆装置118a、118b的各操作被分配为前作业装置101的操作和上部旋转体103的旋转操作等。操作装置118c是具有能够向前后倾倒的行驶杆及行驶踏板的电气式的操作装置。操作装置118c被分配为液压执行机构114a的操作、即左右的行驶装置114的行驶操作。
在机械室117中配置有发动机或电动机等原动机121和由原动机121驱动的液压泵装置122等。通过被供给从液压泵装置122排出的液压油而各液压执行机构104、110、111、112、114a驱动。各液压执行机构104、110、111、112、114a的驱动由作为与各液压执行机构104、110、111、112、114a相对应的控制阀的集合体的控制阀单元123控制。构成控制阀单元123的各控制阀针对相对应的液压执行机构104、110、111、112、114a控制从液压泵装置122供给的液压油的方向及流量。各控制阀的驱动例如通过从先导泵(未图示)经由电磁比例阀(未图示)输出的先导压而被控制。各电磁比例阀基于来自操作装置118a、118b、118c的操作信号由挖掘机控制器10控制，由此，经由控制阀单元123的各控制阀控制各液压执行机构104、110、111、112、114a的动作。
此外，操作装置118a、118b、118c也能够不由电气式而是由液压式构成。在该情况下，构成为通过将与各操作装置118a、118b、118c的操作方向及操作量相应的先导压相对于控制阀单元123的各控制阀供给而使各液压执行机构104、110、111、112、114a驱动。
在上部旋转体103上设置有惯性计测装置(Inertial Measurement Unit：IMU)125。另外，在构成前作业装置101的动臂106、斗杆107、铲斗108上也分别设置有惯性计测装置(IMU)126、127、128。为了区别这四个惯性计测装置，将上部旋转体103(车身)用的惯性计测装置125称为车身IMU，将动臂106用的惯性计测装置126称为动臂IMU，将斗杆107用的惯性计测装置127称为斗杆IMU，将铲斗108用的惯性计测装置128称为铲斗IMU。此外，铲斗IMU128也能够不设置于铲斗108而是设置于与铲斗108连动地转动的连杆部件113。
各IMU125、126、127、128检测在设置部分103、106、107、108中产生的加速度及角速度，并且基于检测出的加速度及角速度运算该设置部分103、106、107、108的角度。这四个IMU125～128作为通过检测车身102、103及前作业装置101的各结构部件106、107、108的加速度及角速度并且基于检测结果的加速度及角速度进行角度运算来检测前作业装置101的姿势的姿势检测器而发挥功能。
车身IMU125例如在上部旋转体103为静止状态时，能够基于在对车身IMU125设定的IMU坐标系中检测出的重力加速度的方向(铅垂朝下的方向)及车身IMU125的安装状态(车身IMU125与上部旋转体103的相对位置关系)，对上部旋转体103相对于水平面向前后方向的倾斜(俯仰角)以及向左右方向(宽度方向)的倾斜(横滚角)进行运算。另外，车身IMU125通过对检测出的角速度以时间进行积分而能够对从基准时点起的角度变化进行运算。车身IMU125将车身102、103的加速度及角速度的检测结果以及车身102、103的角度的运算结果向挖掘机控制器10输出。在动臂IMU126、斗杆IMU127、铲斗IMU128的情况下，也是与车身IMU125同样的。
此外，在本实施方式中，设想各IMU125、126、127、128分别安装了基于加速度及角速度的检测结果来运算该设置部分的角度信息的角度运算功能。但是，在这些IMU125～128没有内置该角度运算功能的情况下，只要构成为挖掘机控制器10具备该角度运算功能即可。
在动臂缸110设置有检测缸压力的压力传感器129。压力传感器129作为检测前作业装置101的负载的负载检测器而发挥功能，将检测结果向挖掘机控制器10输出。基于由压力传感器129检测出的动臂缸110的压力和由IMU125～128获取到的前作业装置101的姿势信息，能够进行计算铲斗108所盛的砂土的重量的有效负载(payload)运算。此外，能够构成为在斗杆缸111和铲斗缸112上也设置压力传感器。该压力传感器能够在后述的基于装载作业支援系统1对液压挖掘机100的动作控制中利用。
在上部旋转体103上安装有能够接收来自多个卫星的测位信号的两个GNSS天线131、132。各GNSS天线131、132接收到的测位信号被输入到GNSS接收机133(参照后述的图5)。GNSS接收机133基于GNSS天线131、132接收到的测位信号，进行天线坐标(液压挖掘机100的特定位置)的运算和上部旋转体103的方位的运算等测位运算。GNSS接收机133将作为测位运算的运算结果的液压挖掘机100(上部旋转体103)的位置、速度、方位向挖掘机控制器10输出。GNSS天线131、132和GNSS接收机133构成进行针对液压挖掘机100的卫星测位的测位系统。GNSS天线131、132作为检测位置的位置检测器而发挥功能，GNSS接收机133作为计算液压挖掘机100自身的位置及方位的自我位置计算器(第1位置计算器)而发挥功能。
GNSS接收机133通过经由无线通信与设置在现场内的GNSS固定电台连接，能够执行RTK(Real Time Kinematic，实时动态)测位。在没有GNSS固定电台的现场的情况下，能够利用经由因特网获取电子基准电台的信息的网络式RTK执行测位。以下，设想不论现场内有无固定电台，GNSS接收机133均能够执行RTK测位。
接下来，使用图2说明作为本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中的支援对象的搬运机侧的一个例子的自卸卡车的结构。图2是示意地表示作为本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中的支援对象的搬运机的一个例子的自卸卡车的外观的图。
在图2中，自卸卡车200为搬运货物的搬运机的一种，将砂土或矿石等作为货物搬运。自卸卡车200大致由能够自行的车身201和能够倾转地搭载在车身201上且装载货物的货斗202构成。车身201具备沿前后方向(在图2中为左右方向)延伸的作为支承构造体的车身架204、配置在车身架204的前端部的驾驶室205、和分别能够旋转地设在车身架204的前后的左右两侧的车轮206。在车身架204和货斗2的底部安装有翻斗缸203。翻斗缸203例如是伸缩的液压缸。货斗202通过翻斗缸203的伸缩，在搬运货物时的搬运位置(以双点划线示出)与从货斗202卸放货物时的卸放位置(以实线示出)之间相对于车身架204倾转。
在驾驶室205的后方或车身架204，配置有发动机和变速器等动力总成(未图示)，通过控制该动力总成而控制车轮206的动作(行驶动作)。在驾驶室205中配置有加速踏板和制动踏板(未图示)，与加速踏板和制动踏板的操作相应地控制车轮206的旋转动作。例如，若进行制动操作，则安装于车轮206的制动垫(未图示)被按压于车轮206，由此能够使自卸卡车200的前进后退停止。动力总成和制动的控制经由后述的卡车控制器20(参照后述的图5)执行。
在驾驶室205设置有GNSS天线211及GNSS接收机212。在驾驶室205还设置有能够检测自卸卡车200的加速度及角速度的惯性计测装置213(以下称为卡车IMU)。在图2中，示出了将GNSS天线211配置在驾驶室205的外部的结构，但也能够构成为将小型天线配置在驾驶室205内。
GNSS天线211例如与液压挖掘机100的情况同样地，能够由两根天线构成。在该情况下，GNSS接收机212能够基于两根GNSS天线211接收到的测位信号，在自卸卡车200的位置(坐标)运算的基础上，还进行自卸卡车200的方位运算。另一方面，在GNSS天线211由一根天线构成的情况下，也能够构成为GNSS接收机212仅运算自卸卡车200的位置(坐标)，且卡车控制器20基于自卸卡车200此前的行驶轨迹以及由卡车IMU213检测出的角速度运算自卸卡车200的方位。另外，GNSS接收机212也能够基于由GNSS天线211检测出的多普勒频移，运算自卸卡车200的移动速度。
GNSS接收机212将作为测位运算的运算结果的自卸卡车200的位置和方位、移动速度等向卡车控制器20输出。卡车IMU213将检测出的加速度和角速度向卡车控制器20输出。GNSS天线211作为检测位置的位置检测器而发挥功能，GNSS接收机212作为计算自卸卡车200的位置及方位的自我位置计算器(第2位置计算器)而发挥功能。卡车IMU213作为检测自卸卡车200的姿势的姿势检测器而发挥功能。
接下来，使用图3及图4说明液压挖掘机相对于自卸卡车的装载作业中的液压挖掘机的动作。图3是表示液压挖掘机相对于自卸卡车的装入作业中的动作的一个例子的说明图。图4是表示液压挖掘机相对于自卸卡车的装入作业中的动作的其他例子的说明图。
例如如图3所示，关于液压挖掘机100相对于自卸卡车200的砂土装载作业，在液压挖掘机100位于砂土与自卸卡车200之间的位置关系的情况下，通过将上部旋转体103的旋转动作和前作业装置101的动作组合的复合动作而进行。另一方面，如图4所示，在砂土和自卸卡车200在液压挖掘机100的正前方排列在一条直线上的位置关系的情况下，该装载作业仅通过前作业装置101的动作进行。
即使是液压挖掘机100与自卸卡车200之间的位置关系为图3所示的情况或图4所示的情况下，也期望能够执行液压挖掘机100相对于自卸卡车200的装载作业的作业支援。在本实施方式中，构建不论液压挖掘机100与自卸卡车200之间的位置关系如何均能够执行避免液压挖掘机100的前作业装置101与自卸卡车200接触的支援动作的装载作业支援系统1。
接下来，使用图5说明本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的结构。图5是表示本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的概略结构的框图。
装载作业支援系统1例如具备控制液压挖掘机100(参照图1)的动作的挖掘机控制器10、控制自卸卡车200(参照图2)的动作的卡车控制器20、和管制控制器30。挖掘机控制器10及卡车控制器20分别搭载于液压挖掘机100及自卸卡车200。管制控制器30例如由计算机(服务器)构成，管理液压挖掘机100及自卸卡车200的运转状况。管制控制器30能够设置在施工现场内或从施工现场远离的场所等任意的场所。管制控制器30也可以搭载于液压挖掘机100。
挖掘机控制器10根据操作装置118a、118b、118c(参照图1)的操作方向和操作量，计算出针对液压泵装置122和控制阀单元123(均参照图1)的各控制阀等的控制指令(倾转角或电磁阀操作压等)来控制各种液压执行机构104、110、111、112、114a(参照图1)的举动。在挖掘机控制器10中输入作为自我位置计算器的GNSS接收机133所输出的液压挖掘机的位置及方位的信息、作为负载检测器的压力传感器129所输出的缸压力、以及作为姿势检测器的多个IMU125～128所输出的角度及角速度(姿势信息)。
卡车控制器20通过控制油门207及刹车208的动作，控制自卸卡车200的移动。在卡车控制器20中，输入作为自我位置计算器的GNSS接收机212所输出的自卸卡车200的位置及可利用的情况下的方位的信息、以及作为姿势检测器的IMU213输出的角速度的信息。
挖掘机控制器10、卡车控制器20、管制控制器30分别具有通信功能，能够经由通信网络相互连接。管制控制器30通过该通信功能，与挖掘机控制器10及卡车控制器20相互进行上述的各种信息的交换。此外，管制控制器30也能够构成为不经由挖掘机控制器10及卡车控制器20而直接获取上述各种传感器125～129、133、212～213所输出的各种信息(在图5中参照双点划线的线)。在该情况下，各种传感器125～129、133、212～213可以采用预先具备通信功能的传感器，在不具备通信功能的情况下，也可以为另行追加通信单元的结构。
在本实施方式中，挖掘机控制器10、卡车控制器20及管制控制器30这三个控制器的集合体为装载作业支援系统1的控制装置，将通过该控制装置实现的功能称为支援系统管制部40。各控制器10、20、30作为硬件结构具备例如由RAM、ROM等构成的存储装置10a、20a、30a和由CPU或MPU等构成的处理装置10b、20b、30b。在存储装置10a、20a、30a中预先存储有为了支援液压挖掘机100相对于自卸卡车200的装载作业而需要的程序和各种信息。处理装置10b、20b、30b通过从存储装置10a、20a、30a适当读入程序和各种信息，并遵照该程序执行处理来实现包含以下的支援系统管制部40的功能在内的各种功能。
接下来，使用图6～图12说明本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的功能部的结构。图6是表示图5所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的功能结构的框图。
在图6中，作为装载作业支援系统1的控制装置的支援系统管制部40若概略说明，则是在液压挖掘机100(参照图1)相对于自卸卡车200(参照图2)的装载作业中，使用液压挖掘机100的模型(动态特性)进行预测前作业装置101(参照图1)的轨迹的运算，使用预测结果在避免液压挖掘机100与自卸卡车200接触的制约条件下运算控制输入，并基于运算结果的控制输入进行液压挖掘机100的控制。
在本实施方式的支援系统管制部40中，例如载荷运算部41、动态特性运算部42、挖掘机控制部61被安装于挖掘机控制器10。另外，目标位置设定部43、禁止区域设定部44被安装于卡车控制器20。另外，控制输入运算部50被安装于管制控制器30。控制输入运算部50例如由轨迹预测部51、侵入判断部52、第1控制输入运算部53、第2控制输入运算部54、控制输入决定部55构成。上述的各功能部41～44、51～55、61的向各控制器10、20、30的分配是一个例子，只要能够实现相同的功能，则各功能部41～44、51～55、61的分配是任意的。此外，在三个控制器没有物理性连接的情况下各控制器需要通信功能，但为了简化附图而省略了通信功能。
载荷运算部41基于负载检测器129的输出及姿势检测器125～128的输出，运算液压挖掘机100的铲斗108抄取并保持的砂土(货物)的重量(载荷)。具体而言，砂土的重量能够根据以由压力传感器129检测出的缸压力及各IMU125～128检测出的姿势信息为基础计算出的前作业装置101的液压缸110的支承力和作用于前作业装置101的力的力矩而运算出。在此，将作为载荷运算部41的运算结果的砂土的重量设为mBK。
使用图7说明动态特性运算部。图7是表示在构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的动态特性运算部中使用的前作业装置的模型的说明图。
动态特性运算部42计算出将载荷运算部41的运算结果的砂土重量考虑在内的液压挖掘机100的前作业装置101的动态特性(模型)。作为前作业装置101的动态特性，例如能够采用运动方程式。铲斗108为空载状态时的运动方程式能够通过事前获取前作业装置101的各被驱动部件106、107、108的各尺寸以及前作业装置101的惯性力矩而预先导出。动态特性运算部42被用作基于载荷运算部41的运算结果的砂土重量mBK对铲斗108为空载状态的情况下导出的运动方程式的参数进行调整的功能。
例如如图7所示，前作业装置101能够分别通过刚体连杆系统模拟动臂106、斗杆107、铲斗108。若利用各刚体连杆的连杆长度LSWG、LBM、LAM、LBK及惯性力矩I，则能够通过欧拉-拉格朗日方程式用以下的式(1)表现各连杆的运动方程式。
【数1】
Figure BDA0004141883660000151
Figure BDA0004141883660000152
需要说明的是，在式(1)中，θ、ω、τ分别示出了各连杆的旋转角度、角速度、施加于各连杆的转动轴的驱动转矩。另外，在式(1)及图7中，下标字符BM、AM、BK、SWG分别示出了动臂106、斗杆107、铲斗108、上部旋转体103。
各连杆的转动轴的转动动作通过前作业装置101的各液压缸110～112的伸缩动作或旋转液压马达104的转动动作而实现。因此，驱动转矩τ需要以下的式(2)那样的与作用于液压执行机构110～112、104的液压油的压力p相应的转换式。此外，式(1)及式(2)的详细说明并不是本发明的本质内容，因此省略。
【数2】
τ＝g(p)…式(2)
Figure BDA0004141883660000161
上述式(1)中的铲斗108的惯性力矩IBK与由载荷运算部41计算出的砂土(货物)的重量(载荷)mBK相应地变化，上部旋转体103的惯性力矩ISWG与前作业装置101的姿势相应地变化。像这样，由于液压挖掘机100的动作严格地依存于惯性力矩I，所以式(1)的运动方程式(动态特性)依存于惯性力矩I。因此，为了准确地预测前作业装置101的举动，需要使用考虑了惯性力矩I的动态特性。
使用图8说明目标位置设定部。图8是表示构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的目标位置设定部43所设定的目标位置的一个例子的说明图。
目标位置设定部43基于自我位置计算器212所输出的自卸卡车200的位置及方位的信息，设定作为前作业装置101的铲斗108在装载作业中应该到达的位置的目标位置。具体而言，目标位置被设定在自卸卡车200的货斗202的上方。通常只要自卸卡车200的尺寸相对于液压挖掘机100并不小，则在自卸卡车200搬运砂土(货物)之前液压挖掘机100的装载作业要执行多次。在这样的情况下，期望所设定的目标位置根据装入次数适当变更。例如，在尺寸为需要三次装入作业的自卸卡车的情况下，如图8所示，期望在相对于货斗202不同的三处位置设定目标位置。例如，将装入作业中的第一次的目标位置Pt1设在货斗202的前侧，将第二次的目标位置Pt2设定在货斗202的中央侧，将第三次的目标位置Pt3设定在货斗202的后侧。
使用图9～图11说明禁止区域设定部44。图9A是表示构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的禁止区域设定部所设定的禁止区域的一个例子的图(观察自卸卡车的侧面侧的图)。图9B是图9A所示的禁止区域的从自卸卡车的上方俯视时的图。图10是表示构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的禁止区域设定部所设定的禁止区域的第2例的图(观察自卸卡车的侧面侧的图)。图11是表示构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的禁止区域设定部所设定的禁止区域的第3例的图(观察自卸卡车的侧面侧的图)。
禁止区域设定部44基于自我位置计算器212所输出的自卸卡车200的位置及方位的信息，设定禁止前作业装置101侵入的禁止区域。例如如图9A及图9B所示，禁止区域设定为包围自卸卡车200。通过将禁止区域设定为包围自卸卡车200，能够执行避免液压挖掘机100相对于自卸卡车200接触的支援动作的控制。
关于禁止区域，例如如图10所示，能够使自卸卡车200的驾驶室205的周围比图9A及图9B所示的禁止区域大。由此，能够避免选择会给自卸卡车200的操作员带来不安那样的前作业装置101的路径。
另外，在自卸卡车200正在移动的情况下，期望将禁止区域设定得比停止时大。例如，在自卸卡车200朝向规定位置后退接近的情况下，如图11所示，在自卸卡车的后方将禁止区域设定得大。由此，即使在自卸卡车200向液压挖掘机100接近而来的情况下，也能够提高安全性。
此外，关于自卸卡车200的移动速度的检测，由于作为自我位置计算器的GNSS接收机212的输出为高精度，所以将GNSS接收机212的利用设为前提。但是，作为检测自卸卡车200的移动速度的检测器，也能够以搭载于自卸卡车200的车速传感器代替。
控制输入运算部50使用液压挖掘机100的模型(动态特性)进行预测前作业装置101在有限的时间区间中的轨迹的运算，并基于轨迹预测的运算结果，在前作业装置101的前端部不会侵入到上述禁止区域中这一制约条件下运算接近上述装载作业的目标位置那样的动态特性的输入(针对液压挖掘机100的控制输入)。具体而言，控制输入运算部50例如由如下部分构成：轨迹预测部51，其进行预测前作业装置101的轨迹的运算；侵入判断部52，其判断轨迹预测的运算结果是否会侵入到上述禁止区域中；第1控制输入运算部53，在判断成轨迹预测的运算结果是不会侵入到禁止区域中的情况下，第1控制输入运算部53对某条件下的动态特性的输入(控制输入)进行运算；第2控制输入运算部54，在判断成轨迹预测的运算结果是会侵入到禁止区域中的情况下，第2控制输入运算部54对与第1控制输入运算部53的运算不同的条件下的动态特性的输入(控制输入)进行运算；以及控制输入决定部55，其基于第1控制输入运算部53的运算结果和第2控制输入运算部54的运算结果决定液压挖掘机100的控制输入。
轨迹预测部51使用由动态特性运算部42计算出的运动方程式(决定了惯性力矩的模型)，在有限的时间区间中预测输入了特定的驱动转矩时的前作业装置101的轨迹。具体而言，通过遵照基于动态特性(模型)的以下的式(3)进行某有限的预测时间区间(时刻t0到时刻tp的区间)的积分运算来预测前作业装置的轨迹。在式(3)中，up为控制输入，x0为xp的初始值。
【数3】
Figure BDA0004141883660000181
Figure BDA0004141883660000182
作为初始值x0，使用由姿势检测器125～128检测出的前作业装置101的角度θ(BM、AM、BK)、角速度ω(BM、AM、BK)、旋转角速度ωSWG以及由自我位置计算器133检测出的旋转角度θSWG(方位)。这些信息能够经由挖掘机控制器10利用。控制输入up是将针对各液压执行机构104、110、111、112的驱动转矩τp汇总得到的。该控制输入up(各驱动转矩τp)的决定方法在后叙述。此外，式(3)为连续时间系统的表述，但也可以为离散时间系统的表述。式(3)的输出xp和控制输入up针对将预测时间区间(时刻t0～tp)划分成多个的各时刻(预测步骤)而确定。
侵入判断部52判断基于轨迹预测部51对前作业装置101的轨迹预测的运算结果是否是会侵入到由禁止区域设定部44设定的禁止区域中。此外，侵入判断部52也能够构成为与轨迹预测部51的预测运算同样地具备预测自卸卡车200的移动(位置信息)的预测运算功能。
第1控制输入运算部53关注基于轨迹预测部51对前作业装置1O1的轨迹预测中的、铲斗108的齿尖位置(前作业装置1O1的前端部)的轨迹来运算控制输入。即，对该齿尖位置在经过了预测时间区间(时刻t0～tp)后接近由目标位置设定部43设定的目标位置yd那样的驱动转矩τ进行运算。具体而言，遵照作为从前作业装置101的轨迹向铲斗108的齿尖位置y(前作业装置101的前端部的位置)的转换式的以下的式(4)和用于运算前作业装置101的轨迹的以下的式(5)，对实现齿尖位置y成为目标位置yd的xd的控制输入ud进行运算。控制输入ud是将针对液压挖掘机100的各液压执行机构104、110、111、112的理想的驱动转矩τd汇总得到的。
【数4】
y＝h(x)…式(4)
t＝tp时yd＝h(xd)
【数5】
Figure BDA0004141883660000191
Figure BDA0004141883660000192
此外，目标位置yd与自卸卡车200的位置相应地变化。因此，要注意目标位置yd是根据依存于自卸卡车200的位置xtr的坐标转换的以下式(6)计算出的。
【数6】
yd＝l(xtr)…式(6)
第2控制输入运算部54对避免前作业装置101的轨迹中的铲斗108的齿尖位置在预测时间区间(时刻t0～tp)中侵入到由禁止区域设定部44设定的禁止区域中那样的控制输入ua进行运算。控制输入ua的运算方法与第1控制输入运算部53的控制输入ud的运算方法类似，使用上述的式(4)及式(5)。但是，前作业装置101的轨迹并不是基于铲斗108的装载作业的目标位置yd运算的，而是基于禁止区域外的与目标位置yd不同的位置运算的。
接下来，使用图12A～图12D说明控制输入运算部50的具体的运算流程。图12A～图12D是说明构成图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的一部分的控制输入运算部的运算方法的图，是表示该运算的第1阶段～第4段階的一个例子的说明图。
图12A示出了用于使铲斗108的齿尖位置到达目标位置yd的轨迹预测的运算结果(虚线)。该轨迹预测的运算结果为会侵入到由禁止区域设定部44设定的禁止区域中。将轨迹预测的运算结果为侵入到禁止区域的最初的坐标设为坐标ya1。
在该情况下，如图12B所示，第2控制输入运算部54参照作为向禁止区域的侵入位置的坐标ya1，设定在禁止区域外且比齿尖位置接近卸放(装载作业)的目标位置yd的新坐标ya2。通过将齿尖位置的目标从卸放的目标位置yd置换到该坐标ya2，能够对该齿尖位置在预测时间区间(时刻t0～tp)后接近坐标ya2的控制输入ua进行运算。由此，虽然铲斗108的齿尖位置不会到达作为卸放位置的目标位置yd，但能够实现该齿尖位置在避开向禁止区域侵入的同时接近目标位置yd的控制。
在下一个控制周期时也是，如图12C所示那样，与图12A所示的情况同样地，进行用于使铲斗108的齿尖位置到达目标位置yd的轨迹预测的运算。在轨迹预测的运算结果为会侵入到禁止区域中的情况下，第2控制输入运算部54计算出侵入到禁止区域中的坐标ya1。接着，如图12D所示，与图12B所示的情况同样地，参照坐标ya1计算出在禁止区域外且比该齿尖位置接近卸放的目标位置yd的新坐标ya2。
像这样，在用于使铲斗108的齿尖位置到达目标位置yd的轨迹预测的运算结果为会侵入到禁止区域中的情况下，第2控制输入运算部54将侵入到禁止区域中的坐标ya1附近的新坐标ya2设为目标并反复进行轨迹预测的运算，由此，能够使铲斗108的齿尖位置不侵入禁止区域而与卸放的目标位置yd一致。
此外，第2控制输入运算部54也能够构成为考虑前作业装置101的齿尖以外的任意部位的轨迹。但是，若考虑前作业装置101的多个位置向禁止区域的侵入，则担心第2控制输入运算部54的运算负荷变得巨大。因此，也能够构成为通过禁止区域设定部44将禁止区域设定得大而以仅铲斗108的齿尖位置不会侵入禁止区域的方式进行控制。
控制输入决定部55基于将预测时间区间(时刻t0～tp)划分成多个的各时刻(预测步骤)下的作为第1控制输入运算部53的运算结果的控制输入ud或作为第2控制输入运算部54的运算结果的控制输入ua，决定预测时间区间(时刻t0～tp)的整个区间范围内的控制输入uf。控制输入决定部55逐次存储在各预测步骤中运算出的控制输入，将存储的一系列的控制输入设为轨迹预测部51的轨迹预测的运算用并向轨迹预测部51输出。控制输入uf是由第1控制输入运算部53的运算结果及第2控制输入运算部54的运算结果构成的，因此成为在铲斗108的齿尖不会侵入禁止区域的范围内接近目标位置的控制输入。控制输入uf为施加于前作业装置101的各连杆的驱动转矩τf。控制输入决定部55将决定出的驱动转矩τf向挖掘机控制部61(挖掘机控制器10)发送。
挖掘机控制部61计算出实现从控制输入决定部55发送的控制输入uf(驱动转矩τf)的指令值。具体而言，遵照上述的式(2)的关系式将液压挖掘机100的各液压执行机构104、110、111、112的驱动转矩τf转换成各液压执行机构104、110、111、112的压力p。挖掘机控制部61通过控制液压泵装置122及控制阀单元123的各控制阀以使得各液压执行机构104、110、111、112的压力成为指令值，从而实现上述的驱动转矩τf。
需要说明的是，示出支援系统管制部40的功能部的图6的框图为优先考虑理解容易度的图。但是，实际上，支援系统管制部40的控制输入运算部50的运算为反复执行计算的结构。也就是说，控制输入运算部50使用某有限的预测时间区间的轨迹预测通过反复计算来决定针对该预测时间区间中的多个时刻的各时刻(预测步骤)的控制输入。
在此，使用图13说明控制输入运算部50的运算顺序的详情。图13是表示图6所示的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中的处理步骤的一个例子的流程图。图13所示的流程图示出了与一个控制周期相应的运算，要注意图13所示的运算在系统运转过程中一直反复进行。
首先，图6所示的支援系统管制部40从各种传感器获取各种信息(步骤S10)。具体而言，从液压挖掘机100的姿势检测器125～128获取液压挖掘机100的姿势信息，从自我位置计算器133获取液压挖掘机100的位置及方位的信息，从负载检测器129获取前作业装置101的负载的信息。另外，从自卸卡车200的自我位置计算器212获取自卸卡车200的位置及方位的信息。
接着，支援系统管制部40基于各种传感器的输出决定动态特性(运动方程式)(步骤S20)。具体而言，动态特性运算部42基于前作业装置101的姿势及载荷运算部41运算出的铲斗108内的砂土的重量mBK，对前作业装置101的惯性力矩I进行运算并决定上述的式(1)的运动方程式。
另外，支援系统管制部40设定作为铲斗108的齿尖在装载作业中的最终到达点(卸放位置)的目标位置(步骤S30)。具体而言，目标位置设定部43基于来自自我位置计算器212的自卸卡车200的位置xtr设定卸放的目标位置(例如参照图8)。
另外，支援系统管制部40设定作为禁止前作业装置101侵入的区域的禁止区域(步骤S40)。具体而言，禁止区域设定部44基于来自自我位置计算器212的自卸卡车200的位置xtr设定包围自卸卡车200的周围那样的禁止区域(例如参照图9A～图11)。需要说明的是，关于步骤S20～S40的处理不论顺序。
接着，支援系统管制部40设定在后述的步骤S60中执行的轨迹预测的运算的初始输入(步骤S50)。具体而言，轨迹预测部51作为在步骤S20中决定出的运动方程式的初始输入，设定基于从各种传感器获取到的各种信息确定的前作业装置101的初始状态x0。另外，轨迹预测部51作为在步骤S20中决定出的运动方程式的控制输入up的初始输入，设定任意的控制输入u0。
接着，支援系统管制部40进行预测前作业装置101在有限的预测时间区间中的轨迹的运算(步骤S60)。具体而言，轨迹预测部51设为控制输入up＝初始输入u0并使用上述的式(3)进行运算。该运算包含预测时间区间(时刻t0～时刻tp)的积分运算，因此控制输入up相对于预测时间区间中的多个时刻(例如t0、t1、t2、…、tk＝tp)的各时刻(各预测步骤)是必要的。
支援系统管制部40判断在步骤S60中运算出的预测轨迹的运算结果是否是侵入到在步骤S40中设定的禁止区域(步骤S70)。在侵入判断部52判断成不会侵入(否)的情况下，进入步骤S80，另一方面，在侵入判断部52判断成侵入(是)的情况下，进入步骤S90。
在步骤S70中判断成否的情况下，支援系统管制部40对铲斗108的齿尖位置接近卸放用的目标位置yd那样的控制输入ud进行运算(步骤S80)。具体而言，第1控制输入运算部53基于预测轨迹的运算结果，使用上述的式(4)～式(6)对实现齿尖位置y到达卸放用的目标位置yd的xd的控制输入ud进行运算。
另一方面，在步骤S70中判断成是的情况下，支援系统管制部40对避免铲斗108的齿尖位置侵入禁止区域那样的控制输入ua进行运算(步骤S90)。具体而言，第2控制输入运算部54使用与第1控制输入运算部53相同的运算方法运算控制输入ua。但是，并不是将齿尖位置y的经过预测时间区间后的到达位置设为卸放用的目标位置yd，而是将预测轨迹的运算结果为侵入到禁止区域的位置附近的、禁止区域外的某位置ya2设定为目标位置(参照图12A～图12D)。
支援系统管制部40将根据步骤S70的判断运算出的控制输入ud或控制输入ua决定为在实际的控制中使用的控制输入uf(步骤S100)，并将控制输入uf存储到存储装置30a(参照图5)。但是，该决定出的控制输入uf为预测时间区间中的一个预测步骤(例如时刻t0、t1、t2、…、tk中的某一个)的控制输入。即，步骤S60～S100的运算是决定与预测时间区间中的一个预测步骤相应的控制输入。在本实施方式中，控制输入运算部50反复执行步骤S60～S100的运算，由此针对预测时间区间中的多个时刻的全部时刻(所有预测步骤)决定控制输入uf(参照后述的步骤S110)。
在步骤S100中，控制输入决定部55使在各预测步骤中运算出的控制输入ud或控制输入ua作为在实际的控制中使用的控制输入uf逐次存储到存储装置30a，并最终存储针对预测时间区间的所有预测步骤的控制输入uf。例如，在针对预测时间区间设为时刻t0、t1、t2、…、tk的k+1个预测步骤的情况下，控制输入决定部55存储U＝[uf[t0]、uf[t1]、…、uf[tk]]这一矢量列。
在步骤S100中决定出各预测步骤的控制输入后，支援系统管制部40判断是否结束了预测时间区间的所有预测步骤的运算(步骤S110)。具体而言，控制输入决定部55根据是否保存了矢量列U的所有要素uf[t]进行判断。在没有保存矢量列U的所有要素uf[t]的情况下，判断成所有预测步骤未完成(否)，另一方面在保存了所有要素uf[t]的情况下，判断成所有预测步骤完成(是)。
在步骤S110中判断成否的情况下，反复执行步骤S60～S100的运算。但是，在第二次以后的步骤S60的运算中，作为在轨迹预测中使用的控制输入up，不使用在步骤S50中设定的初始输入u0，而是使用在前一个运算循环中决定的控制输入的矢量列U中所保存的要素uf[t]，这方面不同。
在步骤S110中判断成是的情况下，支援系统管制部40将在步骤S100中决定出的控制输入的矢量列U转换成控制指令，并将转换后的控制指令相对于液压挖掘机100输出(步骤S120)。具体而言，挖掘机控制部61遵照上述的式(2)的关系将在步骤S100中决定出的控制输入uf的矢量列U转换成压力p。由此，液压挖掘机100的液压泵装置122和控制阀单元123的各控制阀根据各控制指令被控制，从而能够使前作业装置101不与自卸卡车200接触地将砂土装载于货斗202。
像这样，在本实施方式中，判断前作业装置101的轨迹预测是否会侵入禁止区域，在判断成该预测轨迹会侵入的情况下，通过将与由目标位置设定部43设定出的卸放用的目标位置yd不同的禁止范围外的位置设定为目标，对可实现不会侵入禁止区域的前作业装置101的轨迹的控制输入进行运算。因此，能够可靠地使前作业装置101不与自卸卡车200接触地进行装载作业。
需要说明的是，上述的控制输入运算部50的运算能够通过模型预测控制(ModelPredictive Control：MPC)的框架执行。MPC是使用控制对象的动态特性(例如运动方程式)对特定时间后的举动进行预测、并以将特定的评价函数最小化的方式计算出控制输入的控制手法(详情参照非线性最佳控制入门，大塚敏之，CORONA社(2011))。
使用图14A及图14B说明本实施方式中的MPC的运算。图14A是表示在本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中使用模型预测控制的运算框架的情况下的液压挖掘机与禁止区域之间的位置关系的一个例子的概略图。图14B是说明在本发明的装载作业支援系统的第1实施方式中使用模型预测控制的运算框架的情况下的惩罚函数的图。
从轨迹预测部51到控制输入决定部55的反复运算、即控制输入运算部50的运算与将MPC中的评价函数设计为以下的式(7)这一情况等价。通过计算出将式(7)的评价函数J最小化的控制输入u，能够进行前作业装置101不侵入禁止区域的液压挖掘机100的控制。
【数7】
Figure BDA0004141883660000261
/>
Figure BDA0004141883660000262
Figure BDA0004141883660000263
P(z(t))＝F(h(z(t)))…式(7c)
式(7)使用式(7a)、式(7b)和式(7c)构成。式(7a)为终端代价，式(7b)为阶段代价。式(7c)为作为制约条件的惩罚代价。需要说明的是，式中的h(x)为将前作业装置101的轨迹转换成铲斗108的齿尖位置的转换式即上述式(4)。另外，yd为由上述目标位置设定部43设定的卸放用的目标位置。
可知式(7a)及式(7b)均为时刻t的齿尖位置h(x(t))越接近目标位置yd则值越小的函数。评价函数J包含作为预测时间区间的时刻t0到时刻tp的积分运算，可以说是也执行前作业装置101的轨迹预测的运算的运算。也就是说，式(7a)及式(7b)的优化(最小化)可以说是执行轨迹预测部51和第1控制输入运算部53的运算功能。
式(7c)的惩罚代价以惩罚函数F定义。惩罚函数F是一方面仅在齿尖位置h(x(t))侵入到禁止区域的情况下输出大值、另一方面在处于禁止区域的范围外的情况下输出0的函数。以下，说明该惩罚函数F的特性。为了使说明简单，如图14A所示，作为液压挖掘机的齿尖位置的范围而仅考虑自卸卡车的侧面(图14A的x-z平面)的区域。
特征为，仅在齿尖位置的x坐标处于xmin到xmax的范围、且z坐标处于zmin到zmax的范围的情况下、即齿尖位置处于禁止区域的范围内的情况下，如图14B所示，惩罚函数F输出大值。在这样的惩罚函数F包含于评价函数J的情况下，若齿尖位置的预测轨迹会侵入禁止区域，则评价函数J的值急剧增加。因此，通过评价函数J的优化过程而惩罚函数F输出大值的解被除外。也就是说，计算出齿尖位置自然而然避开禁止区域的控制输入。该运算可以说是执行侵入判断部52和第2控制输入运算部54。
像这样，评价函数J由使铲斗108的齿尖位置接近目标位置yd的终端代价及阶段代价、和使齿尖位置从禁止区域远离的惩罚函数F构成。因此，可以说评价函数J等价于使用第1控制输入运算部53的运算结果up及第2控制输入运算部54的运算结果ua决定最终的控制输入uf的控制输入决定部55。
在上述的式(7)的评价函数J中，与控制输入u相关的项不包含于显式，前作业装置101的轨迹经由上述的式(3)与控制输入u相关联。但是，评价函数J也能够构成为通过如以下的式(8)那样设定来导入与控制输入u相关的评价。在该情况下，通过如式(8)那样导入控制输入u的项，能够防止控制输入过量。
【数8】
Figure BDA0004141883660000271
如上述那样，本发明的第1实施方式的装载作业支援系统1对液压挖掘机100(装载机)相对于具备货斗2的自卸卡车200(搬运机)装载货物的装载作业进行支援，其中液压挖掘机100(装载机)具备将多个被驱动部件106、107、108能够转动地连结而构成的多关节型的前作业装置101(作业装置)，上述装载作业支援系统1具备：计算液压挖掘机100(装载机)的位置及方位的第1位置计算器133；检测前作业装置101(作业装置)的姿势的姿势检测器125～128；计算自卸卡车200(搬运机)的位置及方位的第2位置计算器212；和控制液压挖掘机100(装载机)的动作的支援系统管制部40(由挖掘机控制器10、卡车控制器20和管制控制器30构成的控制装置)。支援系统管制部40(控制装置)构成为，基于第2位置计算器212的输出，设定作为前作业装置101(作业装置)在装载作业中应该到达的位置的目标位置yd，基于第2位置计算器212的输出，设定作为禁止前作业装置101(作业装置)侵入的区域的禁止区域，使用第1位置计算器133的输出、姿势检测器125～128的输出和前作业装置101(作业装置)的动态特性进行预测前作业装置101(作业装置)在有限的预测时间区间(时刻t0～时刻tp)中的轨迹的预测运算，基于前作业装置101(作业装置)的轨迹预测的运算结果，判断前作业装置101(作业装置)在预测时间区间(时刻t0～时刻tp)中是否会侵入到禁止区域内，在判断成前作业装置101(作业装置)不会侵入到禁止区域内的情况下，基于前作业装置101(作业装置)的轨迹预测的运算结果，对前作业装置101(作业装置)的铲斗108的齿尖(前端部)在预测时间区间(时刻t0～时刻tp)中朝向目标位置yd接近那样的前作业装置101(作业装置)的动态特性的输入即第1输入up进行运算，在判断成前作业装置101(作业装置)会侵入到禁止区域内的情况下，将禁止区域外的与目标位置yd不同的位置且比前作业装置101(作业装置)的铲斗108的齿尖(前端部)的位置距目标位置yd近的位置设为目标，对前作业装置101(作业装置)的前端部在预测时间区间(时刻t0～时刻tp)中接近该目标那样的前作业装置101(作业装置)的动态特性的输入即第2输入ua进行运算，基于运算结果的前作业装置101(作业装置)的动态特性的第1输入up及第2输入ua，对控制液压挖掘机100(装载机)的动作的控制输入进行运算，并基于运算结果的控制输入进行液压挖掘机100(装载机)的控制。
根据该结构，通过使用以利用了液压挖掘机100(装载机)的前作业装置101(作业装置)的动态特性的前作业装置101(作业装置)的轨迹预测的运算结果为基础在前作业装置101(作业装置)的铲斗108的齿尖(前端部)不会侵入禁止区域这一制约条件下计算出的液压挖掘机100(装载机)的控制输入，能够以前作业装置101(作业装置)的铲斗108的齿尖(前端部)避开禁止区域而接近装载作业的目标位置yd的方式控制液压挖掘机100(装载机)的动作。因此，不论液压挖掘机100(装载机)与自卸卡车200(搬运机)两者之间的位置关系如何，均能够可靠地支援装载作业。
另外，在本实施方式的装载作业支援系统1中，还具备检测前作业装置101(作业装置)的负载的负载检测器129。支援系统管制部40(控制装置)进一步构成为，基于负载检测器129的输出及姿势检测器125～128的输出对前作业装置101(作业装置)保持的货物的载荷进行运算，并基于运算结果的货物的载荷及姿势检测器125～128的输出，调整前作业装置101(作业装置)的动态特性。
根据该结构，根据预测运算时的装载作业的状态调整前作业装置101(作业装置)的动态特性，因此能够更高精度地进行前作业装置101(作业装置)的轨迹预测。
另外，在本实施方式的装载作业支援系统1中，支援系统管制部40(控制装置)构成为以围绕自卸卡车200的周围且使驾驶室205的周围的禁止区域比货斗202的周围的禁止区域大的方式设定禁止区域。根据该结构，能够避免选择会给搭乘于自卸卡车200的驾驶室205的操作员带来不安那样的前作业装置101的路径。
另外，本实施方式的装载作业支援系统1的支援系统管制部40(控制装置)构成为，在自卸卡车200正在移动的情况下，相较于自卸卡车200停止的情况，在自卸卡车200的行进方向侧将禁止区域设定得大。根据该结构，即使在自卸卡车200向液压挖掘机100接近而来的情况下，也能够使前作业装置101与自卸卡车200的接触可能性进一步降低，因此能够提高装载作业的安全性。
另外，本实施方式的装载作业支援系统1的支援系统管制部40(控制装置)构成为，在自卸卡车200搬运货物之前液压挖掘机100要进行多次的装载作业的情况下，将目标位置设定在每次液压挖掘机100进行装载作业时相对于自卸卡车200的货斗202不同的位置。根据该结构，能够向货斗202整体装载货物，因此能够减少货物的搬运次数而进行高效搬运。
另外，本实施方式的装载作业支援系统1的支援系统管制部40(控制装置)构成为，使用模型预测控制的评价函数J执行前作业装置101(作业装置)的轨迹预测的运算、前作业装置101(作业装置)有无向禁止区域内侵入的判断、前作业装置101(作业装置)的动态特性的第1输入的运算、前作业装置101(作业装置)的动态特性的第2输入的运算这一系列的处理。
根据该结构，通过将评价函数J的算法安装于支援系统管制部40(控制装置)，能够实现液压挖掘机100(装载机)的动作控制。
另外，在本实施方式的装载作业支援系统1的支援系统管制部40(控制装置)中，以包含在前作业装置101(作业装置)侵入到禁止区域内的情况下使评价函数J的值增加的惩罚函数F的方式构成评价函数J。根据该结构，惩罚函数F作为前作业装置101(作业装置)的铲斗108的齿尖(前端部)不会侵入禁止区域这一制约条件而发挥功能，因此能够可靠地实现前作业装置101(作业装置)的铲斗108的齿尖(前端部)避开禁止区域而接近装载作业的目标位置yd那样的液压挖掘机100(装载机)的动作控制。
[第1实施方式的变形例]
接下来，使用图15说明本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的变形例。图15是表示本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的变形例的功能结构的框图。需要说明的是，在图15中，与图1～图13所示的附图标记相同的附图标记的部分是相同部分，因此省略其详细的说明。
第1实施方式通过仅控制液压挖掘机100的动作来避免液压挖掘机100与自卸卡车200在装载作业时的接触，与此相对，本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的变形例通过控制液压挖掘机100及自卸卡车200双方的动作来避免两者在装载作业时的接触。对于避免液压挖掘机100与自卸卡车200在装载作业时的接触，控制双方是有利的。
例如，在自卸卡车200向液压挖掘机100接近而来的情况下，通过使自卸卡车200以足够低的速度接近而容易避免两者接触。另外，若设想液压挖掘机100的用于避免接触的控制动作超过前作业装置101的动作界限的情况，则可想到通过使自卸卡车200执行从液压挖掘机100远离的动作来避免两者的接触。本变形例的装载作业支援系统1A实现这样的动作。
具体而言，装载作业支援系统1A的支援系统管制部40A除了第1实施方式的各功能部41～44、50、61以外，还具备卡车控制部62。卡车控制部62通过干预自卸卡车200的油门207及刹车208，控制自卸卡车200的前进后退及速度。卡车控制部62例如安装于卡车控制器20。
另外，本变形例的控制输入运算部50中的侵入判断部52A、第2控制输入运算部54A、控制输入决定部55A的运算与第1实施方式的功能部52、54、55的运算不同，变更成考虑了自卸卡车200的控制的运算内容。
具体而言，侵入判断部52A考虑自卸卡车200的动态特性(例如运动方程式)来判断前作业装置101是否侵入到禁止区域。自卸卡车200的运动方程式例如通过以下的式(9)提供。侵入判断部52A基于式(9)对时刻t0到时刻tp的预测时间区间(与液压挖掘机的预测时间区间相同的区间)的禁止区域的位置变化(移动)进行预测。即，进行与上述的式(3)相同的积分运算。
【数9】
Figure BDA0004141883660000311
Figure BDA0004141883660000312
需要说明的是，xt、yt是平面坐标中的自卸卡车的GNSS天线的位置，θt是自卸卡车200的方位角。控制输入v通过油门的控制量a和刹车的控制量b提供。
第2控制输入运算部54A对前作业装置101的轨迹预测的运算结果是不会侵入到在自卸卡车200的周围设定的禁止区域那样的液压挖掘机100的控制输入u及自卸卡车200的控制输入v这两者的控制输入进行运算。此外，为了使前作业装置101顺利地动作，而优选对自卸卡车200的动作进行控制，因此能够设定成以使自卸卡车200的控制输入v相较于液压挖掘机100的控制输入u积极地变化的方式计算两者的控制输入。
控制输入决定部55A基于第1控制输入运算部53的运算结果及第2控制输入运算部54A的运算结果，决定液压挖掘机100的预测时间区间的控制输入u，并且决定自卸卡车200的预测时间区间的控制输入v。控制输入决定部55A将液压挖掘机100的控制输入u向挖掘机控制部61发送，并且将自卸卡车200的控制输入v向卡车控制部62发送。
像这样，在本变形例中，使用自卸卡车200的动态特性预测禁止区域的位置变化，并对该禁止区域判断前作业装置101的预测轨迹是否会侵入到禁止区域，对可实现所预测出的不会侵入到禁止区域的前作业装置101的轨迹的液压挖掘机100的控制输入u和自卸卡车200的控制输入v进行运算。因此，作为用于避免前作业装置101与自卸卡车200的接触的动作，能够控制液压挖掘机100的动作和自卸卡车200的动作这两个动作，因此避开动作的余地变大。
需要说明的是，本变形例中的控制输入运算部50的运算也与第1实施方式的控制输入运算部50的运算能够通过MPC实现这一情况同样地，能够通过MPC的框架实现。具体而言，在上述的式(7)的评价函数J中，代替为了计算前作业装置101的轨迹x而使用的仅液压挖掘机100的动态特性f，使用将液压挖掘机100的动态特性和自卸卡车200的动态特性组合而成的以下的式(10)，由此，能够通过与第1实施方式的情况相同的框架实现液压挖掘机100和自卸卡车200的两个控制输入的运算。
【数10】
Figure BDA0004141883660000321
/>
Figure BDA0004141883660000322
根据上述的本发明的装载作业支援系统的第1实施方式的变形例，与上述的第1实施方式同样地，能够以前作业装置101(作业装置)的铲斗108的齿尖(前端部)避开禁止区域而接近装载作业的目标位置yd的方式控制液压挖掘机100(装载机)的动作，因此，不论液压挖掘机100(装载机)与自卸卡车200(搬运机)两者之间的位置关系如何，均能够可靠地支援装载作业。
另外，在本变形例的装载作业支援系统1A中，构成为支援系统管制部40A(控制装置)除了液压挖掘机100(装载机)的动作以外还控制自卸卡车200(搬运机)的动作，支援系统管制部40A(控制装置)进一步使用自卸卡车200(搬运机)的动态特性进行预测自卸卡车200(搬运机)在预测时间区间(时刻t0～时刻tp)中的移动的预测运算。另外，基于支援系统管制部40A(控制装置)对前作业装置101(作业装置)有无向禁止区域内的侵入的判断将自卸卡车200(搬运机)的移动预测的运算结果考虑在内而进行，并且在判断成前作业装置101(作业装置)会侵入到禁止区域内的情况下的支援系统管制部40A(控制装置)的运算被变更为，将禁止区域外的与目标位置yd不同的位置且比前作业装置101(作业装置)的铲斗108的齿尖(前端部)的位置距目标位置yd近的位置设为目标，对前作业装置101(作业装置)的铲斗108的齿尖(前端部)在预测时间区间(时刻t0～时刻tp)中接近该目标那样的前作业装置101(作业装置)的动态特性的第2输入以及自卸卡车200(搬运机)的动态特性的第2输入进行运算。而且，支援系统管制部40A(控制装置)基于运算结果的自卸卡车200(搬运机)的动态特性的第2输入，对控制自卸卡车200(搬运机)的动作的控制输入进行运算，并基于运算结果的控制输入进行自卸卡车200(搬运机)的控制。
根据该结构，通过作为避免前作业装置101(作业装置)与自卸卡车200(搬运机)的接触的支援动作而控制液压挖掘机100的动作和自卸卡车200的动作这两个动作，避免接触的控制动作的余地变大，因此能够更可靠地支援装载作业。
[第2实施方式]
接下来，使用图16说明本发明的装载作业支援系统的第2实施方式。图16是表示本发明的装载作业支援系统的第2实施方式的功能结构的框图。需要说明的是，在图16中，与图1～图15所示的附图标记相同的附图标记的部分为相同部分，因此省略其详细的说明。
在第1实施方式中，控制输入运算部50的各功能部51～55使用从时刻t0到时刻tp固定的预测时间区间进行运算，与此相对，图16所示的本发明的第2实施方式的装载作业支援系统1B在控制输入运算部50的各功能部51～55的运算中能够变更该预测时间区间。
例如，在自卸卡车200相对于液压挖掘机100位于足够远的情况下，即使缩短预测时间区间(运算的积分区间)，液压挖掘机100和自卸卡车200也不可能碰撞。另一方面，在液压挖掘机100和自卸卡车200的相对接近速度快的情况下，在短的预测时间区间的预测中，无法忽略液压挖掘机100与自卸卡车200的碰撞可能性。为了可靠地消除这样的状况，需要根据液压挖掘机100和自卸卡车200的彼此状况，恰当地调整预测时间区间。
因此，本实施方式的装载作业支援系统1B的支援系统管制部40B除了第1实施方式的各功能部41～44、50、61以外，还具备变更控制输入运算部50的各功能部51～55的各运算中的预测时间区间(积分区间)的预测时间变更部57。预测时间变更部57从液压挖掘机100及自卸卡车200各自的自我位置计算器133、212获取位置和移动速度(位置的更新差值)的信息。预测时间变更部57构成为，基于获取到的各种信息计算出的液压挖掘机100与自卸卡车200的相对距离越短、且自卸卡车200的接近速度越快，则将预测时间区间设定得比通常越长。预测时间变更部57通过根据液压挖掘机100与自卸卡车200的彼此状况恰当地设定预测时间区间，能够可靠地执行避免液压挖掘机100与自卸卡车200的接触。
根据上述的本发明的装载作业支援系统的第2实施方式，与上述的第1实施方式同样地，能够以前作业装置101(作业装置)的铲斗10的齿尖(前端部)避开禁止区域而接近装载作业的目标位置yd的方式控制液压挖掘机100(装载机)的动作，因此，不论液压挖掘机100(装载机)与自卸卡车200(搬运机)两者之间的位置关系如何，均能够可靠地支援装载作业。
另外，在本实施方式的装载作业支援系统1B中，构成为支援系统管制部40B(控制装置)能够变更预测时间区间的长度。根据该结构，通过根据液压挖掘机100(装载机)与自卸卡车200(搬运机)的彼此状况变更预测时间区间的长度，能够进行装载作业的恰当的动作支援。
另外，本实施方式的装载作业支援系统1B的支援系统管制部40B(控制装置)构成为，以基于第1位置计算器133的输出及第2位置计算器212的输出计算出的自卸卡车200(搬运机)相对于液压挖掘机100(装载机)的相对接近速度越快，则预测时间区间的长度越长的方式进行变更。根据该结构，通过在无法忽略自卸卡车200(搬运机)与液压挖掘机100(装载机)的接触可能性时延长预测时间区间，能够进行装载作业的恰当的动作支援。
[第3实施方式]
接下来，使用图17说明本发明的装载作业支援系统的第3实施方式。图17是表示本发明的装载作业支援系统的第3实施方式的功能结构的框图。需要说明的是，在图17中，与图1～图16所示的附图标记相同的附图标记的部分为相同部分，因此省略其详细的说明。
本发明的装载作业支援系统的第3实施方式相对于第1实施方式不同的方面在于，作为装载机代替液压挖掘机100而将作业机器人300设为对象，并且作为搬运机代替自卸卡车200而将搬运机器人400设为对象，进行作业机器人300相对于搬运机器人400的装载作业的支援。
作业机器人300具备将多个连杆部件能够转动地连结而构成的多关节型的臂。即，如图7所示，多关节型的臂为与液压挖掘机100的前作业装置101相同的结构。但是，臂的动作例如不是通过液压缸那样的液压执行机构而是通过电动马达等执行机构323进行。搬运机器人与自卸卡车200同样地具备货斗。但是，搬运机器人400的动作(移动)例如并不是经由油门207通过发动机进行的，而是通过电动马达等执行机构407(参照后述的图18)进行的。
在本实施方式的装载作业支援系统1C中，作为检测作业机器人300的臂的负载的负载检测器129C，代替压力传感器129，使用检测执行机构323的负载的传感器。另外，代替控制液压挖掘机100的动作的挖掘机控制部61，具备控制作业机器人300的动作(执行机构)的作业机器人控制部61C。另外，在支援系统管制部40C中的控制输入运算部50的第1控制输入运算部53C及第2控制输入运算部54C中，代替液压挖掘机100的铲斗108的齿尖位置，使用臂的前端位置进行运算。
根据上述的本发明的装载作业支援系统的第3实施方式，即使将作业机器人300和搬运机器人400的装载作业设为对象，也能够与上述的第1实施方式的情况同样地，不使作业机器人300的臂的前端与搬运机器人400接触地实现安全的装载作业。
[第3实施方式的变形例]
接下来，使用图18说明本发明的装载作业支援系统的第3实施方式的变形例。图18是表示本发明的装载作业支援系统的第3实施方式的变形例的功能结构的框图。需要说明的是，在图18中，与图1～图17所示的附图标记相同的附图标记的部分是相同部分，因此省略其详细的说明。
图18所示的本发明的第3实施方式的变形例的装载作业支援系统1D相对于第1实施方式的变形例不同的方面在于，作为装载机代替液压挖掘机100而将作业机器人300设为对象，并且作为搬运机代替自卸卡车200而将搬运机器人400设为对象，进行作业机器人300相对于搬运机器人400的装载作业的支援。另外，第3实施方式通过仅控制作业机器人300(装载机)的动作来避免作业机器人300与搬运机器人(搬运机)400在装入作业时的接触，与此相对第3实施方式的变形例通过控制作业机器人300及搬运机器人双方的动作来避免两者在装载作业时的接触。
本变形例的装载作业支援系统1D的支援系统管制部40D除了第3实施方式的各功能部41～44、50、61C以外，还具备搬运机器人控制部62D。搬运机器人控制部62D通过控制搬运机器人400的执行机构407的动作，控制搬运机器人400的移动。
另外，本变形例的控制输入运算部50中的侵入判断部52D、第2控制输入运算部54D、控制输入决定部55D的运算与第3实施方式的功能部52、54C、55的运算不同，变更成考虑了搬运机器人400的控制的运算内容。具体的内容仅将第1实施方式的变形例的说明中的自卸卡车200置换成搬运机器人400。
在本变形例中，不仅控制作业机器人的动作，还同时控制搬运机器人的动作，因此与第3实施方式的情况相比，能够更安全地执行装入作业及搬运作业。即，根据第3实施方式的变形例，即使将作业机器人300和搬运机器人400的装载作业设为对象，也能够与上述的第1实施方式的变形例的情况同样地，不使作业机器人300的臂的前端与搬运机器人400接触地更可靠地实现安全的装载作业。
[其他实施方式]
需要说明的是，本发明并不限于本实施方式，包含各种各样的变形例。上述的实施方式是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，不必限定于具备所说明的全部结构。能够将某实施方式的结构的一部分置换成其他实施方式的结构，另外也能够对某实施方式的结构添加其他实施方式的结构。另外，也能够针对各实施方式的结构的一部分，进行其他结构的追加、删除、置换。
例如，在上述的本实施方式中，示出了装载作业支援系统1、1A、1B、1C、1D包含挖掘机控制器10、卡车控制器20、管制控制器30的结构的例子(参照图5)。但是，在液压挖掘机100和自卸卡车200在作业现场中各为1台、且两者的组合不会变化的情况下，可以为图19所示的装载作业支援系统1E的结构。即，支援系统管制部40E也能够构成为通过省略图5所示的管制控制器30、且使挖掘机控制器10和卡车控制器20直接通信而进行装载作业的作业支援。图19是表示本发明的装载作业支援系统的其他实施方式的概略结构的框图。在该情况下，只要将图5所示的管制控制器30的功能安装于挖掘机控制器10或卡车控制器20即可。
另外，在上述的本实施方式中，示出了装载作业支援系统1、1A、1B、1C、1D包含载荷运算部41的结构的例子。但是，装载作业支援系统也能够构成为省略载荷运算部41的功能部。在该情况下，与省略载荷运算部41的功能部相应地删减运算处理，但作业装置的动态特性就会不考虑货物的载荷，因此存在预测运算的精度降低的情况。
附图标记说明
10…挖掘机控制器(控制装置)、20…卡车控制器(控制装置)、30…管制控制器(控制装置)、100…液压挖掘机(装载机)、101…前作业装置(作业装置)、103…上部旋转体(旋转体)、106…动臂(被驱动部件)、107…斗杆(被驱动部件)、108…铲斗(被驱动部件)、125…车身IMU(姿势检测器)、126…动臂IMU(姿势检测器)、127…斗杆IMU(姿势检测器)、128…铲斗IMU(姿势检测器)、129…压力传感器(负载检测器)、133…GNSS接收机(第1位置计算器)、200…自卸卡车(搬运机)、202…货斗、205…驾驶室、212…GNSS接收机(第2位置计算器)、300…作业机器人(装载机)、400…搬运机器人(搬运机)。

Claims (12)

1.一种装载作业支援系统，对装载机相对于具备货斗的搬运机装载货物的装载作业进行支援，其中该装载机具备将多个被驱动部件能够转动地连结而构成的多关节型的作业装置，所述装载作业支援系统的特征在于，具备：
计算所述装载机的位置及方位的第1位置计算器；
检测所述作业装置的姿势的姿势检测器；
计算所述搬运机的位置及方位的第2位置计算器；和
控制所述装载机的动作的控制装置，
关于所述控制装置，
基于所述第2位置计算器的输出，设定作为所述作业装置在装载作业中应该到达的位置的目标位置，
基于所述第2位置计算器的输出，设定作为禁止所述作业装置侵入的区域的禁止区域，
使用所述第1位置计算器的输出、所述姿势检测器的输出和所述作业装置的动态特性，进行预测所述作业装置在有限的预测时间区间中的轨迹的预测运算，
基于所述作业装置的轨迹预测的运算结果，判断所述作业装置在所述预测时间区间中是否会侵入到所述禁止区域内，
在判断成所述作业装置不会侵入到所述禁止区域内的情况下，基于所述作业装置的轨迹预测的运算结果，对所述作业装置的前端部在所述预测时间区间中朝向所述目标位置接近那样的所述作业装置的动态特性的输入即第1输入进行运算，
在判断成所述作业装置会侵入到所述禁止区域内的情况下，将所述禁止区域外的与所述目标位置不同的位置且比所述作业装置的前端部的位置距所述目标位置近的位置设为目标，对所述作业装置的前端部在所述预测时间区间中接近该目标那样的所述作业装置的动态特性的输入即第2输入进行运算，
基于运算结果的所述作业装置的动态特性的第1输入及第2输入，对控制所述装载机的动作的控制输入进行运算，
基于运算结果的控制输入来进行所述装载机的控制。
2.如权利要求1所述的装载作业支援系统，其特征在于，
还具备检测所述作业装置的负载的负载检测器，
所述控制装置进一步基于所述负载检测器的输出及所述姿势检测器的输出，对所述作业装置保持的货物的载荷进行运算，
并基于运算结果的货物的载荷及所述姿势检测器的输出，调整所述作业装置的动态特性。
3.如权利要求1所述的装载作业支援系统，其特征在于，
所述控制装置构成为除了所述装载机的动作以外还控制所述搬运机的动作，
所述控制装置进一步使用所述搬运机的动态特性进行预测所述预测时间区间中的所述搬运机的移动的预测运算，
考虑所述搬运机的移动预测的运算结果来进行基于所述控制装置对所述作业装置有无向所述禁止区域内的侵入的判断，
在判断成所述作业装置会侵入到所述禁止区域内的情况下的所述控制装置的运算变更为，将所述禁止区域外的与所述目标位置不同的位置且比所述作业装置的前端部的位置距所述目标位置近的位置设为目标，对所述作业装置的前端部在所述预测时间区间中接近该目标那样的所述作业装置的动态特性的第2输入以及所述搬运机的动态特性的第2输入进行运算，
所述控制装置进一步基于运算结果的所述搬运机的动态特性的第2输入对控制所述搬运机的动作的控制输入进行运算，并基于运算结果的控制输入进行所述搬运机的控制。
4.如权利要求1所述的装载作业支援系统，其特征在于，
所述搬运机为除了所述货斗以外还具备驾驶室的自卸卡车，
所述装载机为液压挖掘机，具备作为所述作业装置的前作业装置和设有所述前作业装置的能够旋转的旋转体，
所述控制装置控制所述前作业装置的动作及所述旋转体的旋转动作。
5.如权利要求3所述的装载作业支援系统，其特征在于，
所述搬运机为除了所述货斗以外还具备驾驶室的自卸卡车，
所述装载机为液压挖掘机，具备作为所述作业装置的前作业装置和设有所述前作业装置的能够旋转的旋转体，
所述控制装置控制所述液压挖掘机的所述前作业装置的动作及所述旋转体的旋转动作，并且控制所述自卸卡车的移动。
6.如权利要求4所述的装载作业支援系统，其特征在于，
所述控制装置以围绕所述自卸卡车的周围、且使所述驾驶室的周围的所述禁止区域比所述货斗的周围的所述禁止区域大的方式设定所述禁止区域。
7.如权利要求4所述的装载作业支援系统，其特征在于，
所述控制装置在所述自卸卡车正在移动的情况下，相较于所述自卸卡车停止的情况，在所述自卸卡车的行进方向侧将所述禁止区域设定得大。
8.如权利要求4所述的装载作业支援系统，其特征在于，
在所述自卸卡车搬运货物之前所述液压挖掘机要进行多次的装载作业的情况下，所述控制装置将所述目标位置设定在每次所述液压挖掘机进行装载作业时相对于所述自卸卡车的所述货斗不同的位置。
9.如权利要求1所述的装载作业支援系统，其特征在于，
所述控制装置能够变更所述预测时间区间的长度。
10.如权利要求9所述的装载作业支援系统，其特征在于，
所述控制装置以基于所述第1位置计算器的输出及所述第2位置计算器的输出计算出的所述搬运机相对于所述装载机的相对接近速度越快则所述预测时间区间的长度越长的方式进行变更。
11.如权利要求1所述的装载作业支援系统，其特征在于，
所述控制装置构成为，使用模型预测控制的评价函数执行所述作业装置的轨迹预测的运算、所述作业装置有无向所述禁止区域内侵入的判断、所述作业装置的动态特性的第1输入的运算、所述作业装置的动态特性的第2输入的运算这一系列的处理。
12.如权利要求11所述的装载作业支援系统，其特征在于，
所述评价函数包含在所述作业装置侵入到所述禁止区域内的情况下使所述评价函数的值增加的惩罚函数。
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