DE112019006225T5 - Steuersystem für baumaschinen, baumaschine und steuerverfahren für baumaschinen - Google Patents

Abstract

Ein Steuersystem für eine Baumaschine umfasst eine Zielwert-Erzeugungseinheit, die eingerichtet ist, um einen Zielwert eines Betrages der Steuerung einer Arbeitsgerät zu erzeugen, eine Vorhersageeinheit, die eingerichtet ist, um einen Vorhersagewert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Zielwerts und eines Vorhersagemodells für das Arbeitsgerät zu berechnen und einen Ansteuerbetrag zur Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Vorhersagewerts zu berechnen, und eine Befehlseinheit, die eingerichtet ist, um einen Steuerbefehl zur Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Ansteuerbetrags auszugeben.

Description

• Feld
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuersystem für eine Baumaschine, die Baumaschine und ein Steuerverfahren für die Baumaschine.
• Hintergrund
• Auf einem technischen Gebiet, das sich auf Baumaschinen bezieht, ist ein Steuersystem für eine Baumaschine bekannt, das das Arbeitsgerät so bewegt, dass sie einer Konstruktionsfläche folgt, die eine Zielform eines Konstruktionsziels angibt, wie in der Patentschrift 1 offenbart.
• Zitierliste
• Patentliteratur
• Patentliteratur 1: WO 2014/167718 A
• Zusammenfassung
• Technisches Problem
• Das Arbeitsgerät wird so gesteuert, dass sie nicht unterhalb der Konstruktionsfläche gräbt. Abhängig vom Zustand auf der Baustelle kann es jedoch vorkommen, dass das Arbeitsgerät unterhalb der Konstruktionsfläche gräbt. Wenn z. B. auf der Baustelle Konstruktionsflächen mit verschiedenen Formen festgelegt sind, kann es für das Arbeitsgerät schwierig sein, der Konstruktionsfläche zu folgen. Außerdem kann es für das Arbeitsgerät schwierig sein, der Konstruktionsfläche zu folgen, wenn auf der Baustelle verschiedene Arbeitsinhalte erforderlich sind. Es besteht ein Bedarf an einer Technologie, die das Arbeitsgerät dazu bringen kann, unabhängig von dem Zustand auf der Baustelle der Konstruktionsfläche zu folgen.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung nach einem Aspekt ist es, zu bewirken, dass das Arbeitsgerät unabhängig von einem Zustand auf einer Baustelle einer Konstruktionsfläche folgt.
• Lösung des Problems
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Steuersystem für eine Baumaschine, die ein Arbeitsgerät enthält, wobei das Steuersystem enthält: eine Zielwert-Erzeugungseinheit, die eingerichtet ist, um einen Zielwert eines Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts zu erzeugen; eine Vorhersageeinheit, die eingerichtet ist, um einen Vorhersagewert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Zielwerts und eines Vorhersagemodells für das Arbeitsgerät zu berechnen und einen Ansteuerbetrag zur Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Vorhersagewerts zu berechnen; und eine Befehlseinheit, die eingerichtet ist, um einen Steuerbefehl zur Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Ansteuerbetrags auszugeben.
• Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Arbeitsgerät dazu veranlasst werden unabhängig von dem Zustand auf der Baustelle der Konstruktionsfläche zu folgen.
• Figurenliste
• 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine Baumaschine nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem für die Baumaschine nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 3 ist ein Diagramm, das die Baumaschine nach der vorliegenden Ausführungsform schematisch darstellt.
• 4 ist ein Diagramm, das schematisch eine Schaufel nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 5 ist ein Funktionsblockdiagramm, das eine Steuervorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
• 6 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zur Berechnung einer Zieltranslationsgeschwindigkeit der Schaufel durch eine Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 7 ist eine Grafik, die ein Beispiel für eine Geschwindigkeitsgrenzwerttabelle nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 8 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zur Berechnung einer Zieldrehgeschwindigkeit der Schaufel durch eine Zieldrehgeschwindigkeits-Berechnungseinheit nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für einen Betrieb der Baumaschine nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 10 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Steuerverfahren für die Baumaschine nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 11 ist eine Grafik, die ein Ergebnis des Vergleichs zwischen der Steuerung des Arbeitsgeräts durch das Steuerverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform und der Steuerung des Arbeitsgeräts durch ein Steuerverfahren nach einem Vergleichsbeispiel darstellt.
• 12 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Computersystem nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• Beschreibung der Ausführungsformen
• Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Beschreibung beschränkt. Komponentenelemente nach den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen können in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus werden in einigen Fällen einige der Komponentenelemente nicht verwendet.
• In der folgenden Beschreibung wird ein dreidimensionales Fahrzeugkörper-Koordinatensystem (X, Y, Z) definiert und eine Lagebeziehung zwischen jeweiligen Komponentenelementen beschrieben. Das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem stellt ein Koordinatensystem dar, dessen Ursprung auf eine Baumaschine festgelegt ist. Das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem ist durch eine X-Achse, die sich in einer definierten Richtung, bezogen auf den auf die Baumaschine gesetzten Ursprung, erstreckt, eine Y-Achse, die orthogonal zur X-Achse ist, und eine Z-Achse, die jeweils orthogonal zur X-Achse und zur Y-Achse ist, definiert. Eine Richtung parallel zur X-Achse ist eine X-Achsen-Richtung. Eine Richtung parallel zur Y-Achse ist eine Y-Achsen-Richtung. Eine Richtung parallel zur Z-Achse ist eine Z-Achsen-Richtung. Eine Dreh- oder Kipprichtung um die X-Achse ist eine θX-Richtung. Eine Dreh- oder Kipprichtung um die Y-Achse ist eine θY-Richtung. Eine Dreh- oder Kipprichtung um die Z-Achse ist eine θZ-Richtung.
• [Baumaschine]
• 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine Baumaschine 100 nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel für die Baumaschine 100 als Bagger beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird die Baumaschine 100 zweckmäßigerweise als Bagger 100 bezeichnet.
• Wie in 1 dargestellt, enthält der Bagger 100 ein Arbeitsgerät 1, das durch Hydraulikdruck betrieben wird, einen Schwenkkörper 2, der zum Stützen des Arbeitsgeräts 1 eingerichtet ist, und einen Fahrkörper 3, der zum Stützen des Schwenkkörpers 2 eingerichtet ist. Der Schwenkkörper 2 weist eine Kabine 4 auf, in die ein Fahrer einsteigt. In der Kabine 4 ist ein Sitz 4S angeordnet, auf dem der Fahrer Platz nimmt. Der Schwenkkörper 2 ist um eine Schwenkachse RX schwenkbar, wobei der Schwenkkörper 2 von dem Fahrkörper 3 gestützt wird.
• Der Fahrkörper 3 weist ein Paar Raupenketten 3C auf. Der Bagger 100 fährt durch die Drehung der Raupenketten 3C. Man beachte, dass der Fahrkörper 3 bereift sein kann.
• Das Arbeitsgerät 1 wird von dem Schwenkkörper 2 gestützt. Das Arbeitsgerät 1 umfasst eine Vielzahl von relativ zueinander beweglichen Arbeitselementen. Die Vielzahl der Arbeitselemente weist die gleichen oder ähnliche Funktionen auf. Mit anderen Worten, jedes der Vielzahl von Arbeitselementen bewegt sich relativ zum Schwenkkörper 2, um die für den Bagger 100 erforderlichen Arbeiten, wie Aushub, Nivellierung und Beladung, durchzuführen.
• Die Arbeitselemente enthalten einen Ausleger 6, einen Arm 7 und eine Schaufel 8. Der Ausleger 6 ist mit dem Schwenkkörper 2 verbunden. Der Arm 7 ist mit einem distalen Ende des Auslegers 6 verbunden. Die Schaufel 8 ist mit einem distalen Ende des Arms 7 verbunden. Die Schaufel 8 weist eine Schneidekante 9 auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Schneidekante 9 der Schaufel 8 die Kante einer geraden Schneide. Die Schneidekante 9 der Schaufel 8 kann die Spitze eines vorstehenden Zahns sein, der an der Schaufel 8 vorgesehen ist.
• Der Ausleger 6 ist um eine Auslegerachse AX1 relativ zum Schwenkkörper 2 drehbar. Der Arm 7 ist relativ zum Ausleger 6 um eine Armachse AX2 drehbar. Die Schaufel 8 ist relativ zum Arm 7 um jeweils eine Schaufelachse AX3, eine Kippachse AX4 und eine Drehachse AX5 drehbar. Die Auslegerachse AX1, die Armachse AX2 und die Schaufelachse AX3 sind parallel zur Y-Achse. Die Kippachse AX4 ist orthogonal zur Schaufelachse AX3. Die Drehachse AX5 steht jeweils orthogonal zur Schaufelachse AX3 und zur Kippachse AX4. Die Schwenkachse RX ist parallel zur Z-Achse. Die Richtung der X-Achse ist eine Vorne-Hinten-Richtung des Schwenkkörpers 2. Die Y-Achsenrichtung ist eine Fahrzeugbreitenrichtung des Schwenkkörpers 2. Die Z-Achsenrichtung ist eine Vertikalrichtung des Schwenkkörpers 2. Eine Richtung des Arbeitsgeräts 1 relativ zu dem auf dem Sitz 4S sitzenden Fahrer ist eine vordere Richtung.
• 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem 200 für den Bagger 100 nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt. 3 ist ein Diagramm, das schematisch den Bagger 100 nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt. 4 ist eine schematische Darstellung der Schaufel 8 nach der vorliegenden Ausführungsform.
• Wie in 2 dargestellt, enthält das Steuersystem 200 für den Bagger 100 einen Motor 5, eine Vielzahl von Hydraulikzylindern 10, die zum Betätigen des Arbeitsgeräts 1 eingerichtet sind, einen Schwenkmotor 16, der zum Ansteuern des Schwenkkörpers 2 eingerichtet ist, eine Hydraulikpumpe 17, die zum Abgeben von Hydrauliköl eingerichtet ist, eine Ventilvorrichtung 18, die zum Verteilen des von der Hydraulikpumpe 17 abgegebenen Hydrauliköls an jeden von der Vielzahl von Hydraulikzylindern 10 und den Schwenkmotor 16 eingerichtet ist, eine Positions-Berechnungsvorrichtung 20, die eingerichtet ist, um Positionsdaten des Schwenkkörpers 2 zu berechnen, eine Winkel-Erfassungsvorrichtung 30, die eingerichtet ist, um Winkel θ des Arbeitsgeräts 1 zu erfassen, eine Betätigungsvorrichtung 40, die eingerichtet ist, um das Arbeitsgerät 1 und den Schwenkkörper 2 zu betätigen, und eine Steuervorrichtung 50.
• Das Arbeitsgerät 1 wird durch die von den Hydraulikzylindern 10 erzeugte Leistung betrieben. Jeder der Hydraulikzylinder 10 wird auf der Grundlage des von der Hydraulikpumpe 17 zugeführten Hydrauliköls angetrieben. Der Hydraulikzylinder 10 ist ein hydraulischer Aktuator, der für die Betätigung der Arbeitselemente des Arbeitsgeräts 1 eingerichtet ist. Die Vielzahl von Hydraulikzylindern 10 weist die gleichen oder ähnliche Funktionen auf. Mit anderen Worten, die Vielzahl von Hydraulikzylindern 10 weist Funktionen zur Betätigung der Vielzahl von Arbeitselementen auf.
• Der Hydraulikzylinder 10 enthält einen Auslegerzylinder 11, der zur Betätigung des Auslegers 6 eingerichtet ist, einen Armzylinder 12, der zur Betätigung des Arms 7 eingerichtet ist, und einen Schaufelzylinder 13, einen Kippzylinder 14 und einen Drehzylinder 15, die zur Betätigung der Schaufel 8 eingerichtet sind. Der Auslegerzylinder 11 erzeugt Leistung, um den Ausleger 6 um die Auslegerachse AX1 zu drehen. Der Armzylinder 12 erzeugt Leistung, um den Arm 7 um die Armachse AX2 zu drehen. Der Schaufelzylinder 13 erzeugt die Leistung für die Drehung der Schaufel 8 um die Schaufelachse AX3. Der Kippzylinder 14 erzeugt eine Leistung zur Drehung der Schaufel 8 um die Kippachse AX4. Der Drehzylinder 15 erzeugt die Leistung zum Drehen der Schaufel 8 um die Drehachse AX5.
• In der folgenden Beschreibung wird die Drehung der Schaufel 8 um die Schaufelachse AX3 zweckmäßigerweise als Schaufeldrehung und die Drehung der Schaufel 8 um die Kippachse AX4 zweckmäßigerweise als Kippdrehung und die Drehung der Schaufel 8 um die Drehachse AX5 zweckmäßigerweise als Drehung bezeichnet.
• Der Schwenkkörper 2 schwenkt durch die vom Schwenkmotor 16 erzeugte Leistung. Der Schwenkmotor 16 ist ein Hydraulikmotor und wird auf der Grundlage des von der Hydraulikpumpe 17 zugeführten Hydrauliköls angetrieben. Der Schwenkmotor 16 erzeugt Energie, um den Schwenkkörper 2 zum Schwenken um die Schwenkachse RX zu veranlassen.
• Der Motor 5 ist auf dem Schwenkkörper 2 montiert. Der Motor 5 erzeugt eine Leistung für den Antrieb der Hydraulikpumpe 17.
• Die Hydraulikpumpe 17 fördert das Hydrauliköl zum Antrieb des Hydraulikzylinders 10 und des Schwenkmotors 16.
• Die Ventilvorrichtung 18 weist eine Vielzahl von Ventilen auf, die eingerichtet sind, um das von der Hydraulikpumpe 17 zugeführte Hydrauliköl auf die Vielzahl von Hydraulikzylindern 10 und den Schwenkmotor 16 zu verteilen. Die Ventilvorrichtung 18 stellt die Strömungsrate des Hydrauliköls ein, das jedem der Vielzahl von Hydraulikzylindern 10 zugeführt wird. Durch die Einstellung der Strömungsrate des dem Hydraulikzylinder 10 zugeführten Hydrauliköls wird die Arbeitsgeschwindigkeit des Hydraulikzylinders 10 eingestellt. Die Ventilvorrichtung 18 regelt die Strömungsrate des dem Schwenkmotor 16 zugeführten Hydrauliköls. Durch die Einstellung der Strömungsrate des dem Schwenkmotor 16 zugeführten Hydrauliköls wird die Drehgeschwindigkeit des Schwenkmotors 16 eingestellt.
• Die Positions-Berechnungsvorrichtung 20 berechnet die Positionsdaten des Schwenkkörpers 2. Die Positionsdaten des Schwenkkörpers 2 enthalten die Position des Schwenkkörpers 2, die Lage des Schwenkkörpers 2 und die Orientierung des Schwenkkörpers 2. Die Positions-Berechnungsvorrichtung 20 weist einen Positionsrechner 21, der zur Berechnung der Position des Schwenkkörpers 2 eingerichtet ist, einen Lagerechner 22, der zur Berechnung der Lage des Schwenkkörpers 2 eingerichtet ist, und einen Orientierungsrechner 23, der zur Berechnung der Orientierung des Schwenkkörpers 2 eingerichtet ist, auf.
• Der Positionsrechner 21 berechnet die Position des Schwenkkörpers 2 in einem globalen Koordinatensystem, als die Position des Schwenkkörpers 2. Der Positionsrechner 21 ist im Schwenkkörper 2 angeordnet. Das globale Koordinatensystem stellt ein Koordinatensystem dar, dessen Ursprung auf der Erde liegt. Das globale Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das durch ein globales Navigationssatellitensystem (GNSS) definiert ist. Das GNSS ist ein globales Navigationssatellitensystem. Ein globales Positionierungssystem (GPS) ist ein Beispiel für ein globales Navigationssatellitensystem. Das GNSS weist eine Vielzahl von Positionierungssatelliten auf. Das GNSS erfasst eine Position, die durch Koordinatendaten eines Breitengrads, eines Längengrads und einer Höhe definiert ist. Der Schwenkkörper 2 ist mit einer GPS-Antenne ausgestattet. Die GPS-Antenne empfängt eine Funkwelle von einem GPS-Satelliten und gibt ein auf der Grundlage der empfangenen Funkwelle erzeugtes Signal an den Positionsrechner 21 aus. Der Positionsrechner 21 berechnet die Position des Schwenkkörpers 2 im globalen Koordinatensystem auf der Grundlage des von der GPS-Antenne zugeführten Signals. Der Positionsrechner 21 berechnet die Position eines repräsentativen Punktes O des Schwenkkörpers 2, wie z. B. in 3 dargestellt. In dem in 3 dargestellten Beispiel wird der repräsentative Punkt O des Schwenkkörpers 2 auf die Schwenkachse RX gesetzt. Der repräsentative Punkt O kann auf die Auslegerachse AX1 gesetzt werden.
• Der Lagerechner 22 berechnet den Neigungswinkel des Schwenkkörpers 2 relativ zu einer horizontalen Ebene im globalen Koordinatensystem, als die Lage des Schwenkkörpers 2. Der Lagerechner 22 ist im Schwenkkörper 2 angeordnet. Der Lagerechner 22 enthält eine Inertialmesseinheit (IMU). Der Neigungswinkel des Schwenkkörpers 2 relativ zur horizontalen Ebene enthält einen Rollwinkel α, der einen Neigungswinkel des Schwenkkörpers 2 in Fahrzeugbreitenrichtung angibt, und einen Nickwinkel β, der einen Neigungswinkel des Schwenkkörpers 2 in Vorne-Hinten-Richtung angibt.
• Der Orientierungsrechner 23 berechnet die Orientierung des Schwenkkörpers 2 relativ zu einer Bezugsorientierung im globalen Koordinatensystem als Orientierung des Schwenkkörpers 2. Die Bezugsorientierung ist z. B. Norden. Der Orientierungsrechner 23 ist im Schwenkkörper 2 angeordnet. Der Orientierungsrechner 23 enthält einen Gyroskopsensor. Der Orientierungsrechner 23 kann die Orientierung auf der Grundlage des von der GPS-Antenne zugeführten Signals berechnen. Die Orientierung des Schwenkkörpers 2 relativ zur Bezugsorientierung enthält einen Gierwinkel γ, der einen Winkel angibt, der durch die Bezugsorientierung und die Orientierung des Schwenkkörpers 2 gebildet wird.
• Die Winkel-Erfassungsvorrichtung 30 erfasst die Winkel θ des Arbeitsgeräts 1. Die Winkel-Erfassungsvorrichtung 30 ist in dem Arbeitsgerät 1 angeordnet. Wie in 3 und 4 dargestellt, enthalten die Winkel θ des Arbeitsgeräts 1 einen Auslegerwinkel θ1, der den Winkel des Auslegers 6 relativ zur Z-Achse angibt, einen Armwinkel θ2, der den Winkel des Arms 7 relativ zum Ausleger 6 angibt, einen Schaufelwinkel θ3, der den Winkel der Schaufel 8 in einer Schaufeldrehrichtung relativ zum Arm 7 angibt, einen Kippwinkel θ4, der den Winkel der Schaufel 8 in einer Kippdrehrichtung relativ zu einer XY-Ebene angibt, und einen Drehwinkel θ5, der den Winkel der Schaufel 8 in einer Drehrichtung relativ zu einer YZ-Ebene angibt.
• Die Winkel-Erfassungsvorrichtung 30 weist einen Auslegerwinkeldetektor 31, der den Auslegerwinkel θ1 erfasst, einen Armwinkeldetektor 32, der den Armwinkel θ2 erfasst, einen Schaufelwinkeldetektor 33, der den Schaufelwinkel θ3 erfasst, einen Kippwinkeldetektor 34, der den Kippwinkel θ4 erfasst, und einen Drehwinkeldetektor 35, der den Drehwinkel θ5 erfasst, auf. Die Winkel-Erfassungsvorrichtung 30 kann einen Hubsensor enthalten, der eingerichtet ist, um einen Hub des Hydraulikzylinders 10 zu erfassen, oder sie kann einen Winkelsensor, wie z. B. einen Hubsensor, enthalten, der eingerichtet ist, um die Winkel θ des Arbeitsgeräts 1 zu erfassen. Wenn die Winkel-Erfassungsvorrichtung 30 den Hubsensor enthält, berechnet die Winkel-Erfassungsvorrichtung 30 die Winkel θ des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage der Erfassungsdaten des Hubsensors.
• Die Betätigungsvorrichtung 40 wird vom Fahrer zum Antrieb des Hydraulikzylinders 10 und des Schwenkmotors 16 betätigt. Die Betätigungsvorrichtung 40 ist in der Kabine 4 angeordnet. Die Betätigung der Betätigungsvorrichtung 40 durch den Fahrer steuert das Arbeitsgerät 1. Die Betätigungsvorrichtung 40 enthält einen Hebel, der vom Fahrer des Baggers 100 betätigt wird. Der Hebel der Betätigungsvorrichtung 40 enthält einen rechten Bedienhebel 41, einen linken Bedienhebel 42 und einen Kippbedienhebel 43.
• Wenn der rechte Bedienhebel 41 in einer neutralen Position nach vorne betätigt wird, wird der Ausleger 6 zum Senken betätigt, und wenn der rechte Bedienhebel 41 nach hinten betätigt wird, wird der Ausleger 6 zum Heben betätigt. Wenn der rechte Bedienhebel 41 in der Neutralstellung nach rechts betätigt wird, kippt die Schaufel 8, und wenn der rechte Bedienhebel 41 nach links betätigt wird, gräbt die Schaufel 8.
• Wenn der linke Betätigungshebel 42 in einer neutralen Position nach vorne betätigt wird, kippt der Arm 7, und wenn der linke Betätigungshebel 42 nach hinten betätigt wird, gräbt der Arm 7. Wenn der linke Betätigungshebel 42 in der Neutralstellung nach rechts betätigt wird, schwenkt der Schwenkkörper 2 nach rechts, und wenn der linke Betätigungshebel 42 nach links betätigt wird, schwenkt der Schwenkkörper 2 nach links.
• Die Betätigung des Kippbedienhebels 43 bewirkt eine Kippdrehung oder Drehung der Schaufel 8.
• [Steuervorrichtung]
• 5 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die Steuervorrichtung 50 nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Die Steuervorrichtung 50 enthält eine Positionsdaten-Erfassungseinheit 51, eine Winkeldaten-Erfassungseinheit 52, eine Betätigungsdaten-Erfassungseinheit 53, eine Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit 54, eine Zielwert-Erzeugungseinheit 55, eine Modellvorhersage-Steuereinheit 56, eine Randbedingungs-Berechnungseinheit 57, eine Befehlseinheit 58, eine Bestimmungseinheit 61 und eine Speichereinheit 60.
• Die Positionsdaten-Erfassungseinheit 51 erfasst die Positionsdaten des Schwenkkörpers 2 von der Positions-Berechnungsvorrichtung 20. Die Positionsdaten des Schwenkkörpers 2 enthalten die Position des Schwenkkörpers 2, die Lage des Schwenkkörpers 2 und die Orientierung des Schwenkkörpers 2.
• Die Winkeldaten-Erfassungseinheit 52 erfasst Winkeldaten, die die Winkel θ des Arbeitsgeräts 1 von der Winkel-Erfassungsvorrichtung 30 anzeigen. Die Winkeldaten des Arbeitsgeräts 1 enthalten den Auslegerwinkel θ1, den Armwinkel θ2, den Schaufelwinkel θ3, den Kippwinkel θ4 und den Drehwinkel θ5.
• Die Betätigungsdaten-Erfassungseinheit 53 erfasst Betätigungsdaten der Betätigungsvorrichtung 40, die das Arbeitsgerät 1 betätigt. Die Betätigungsdaten der Betätigungsvorrichtung 40 enthalten einen Betätigungsbetrag der Betätigungsvorrichtung 40. Die Betätigungsvorrichtung 40 ist mit einem Betätigungsbetragssensor ausgestattet, der einen Betätigungsbetrag jedes Hebels erfasst. Die Betätigungsdaten-Erfassungseinheit 53 erfasst die Betätigungsdaten der Betätigungsvorrichtung 40 von dem Betätigungsbetragssensor der Betätigungsvorrichtung 40.
• Die Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit 54 erfasst eine Konstruktionsfläche, die eine Zielform eines Konstruktionsziels angibt. Die Konstruktionsfläche zeigt eine dreidimensionale Zielform nach der Konstruktion durch den Bagger 100 an. In der vorliegenden Ausführungsform erzeugt eine Konstruktionsflächendaten-Zuführvorrichtung 70 Konstruktionsflächendaten, die die Konstruktionsfläche angeben. Die Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit 54 erfasst die Konstruktionsflächendaten von der Konstruktionsflächendaten-Zuführvorrichtung 70. Die Konstruktionsflächendaten-Zuführvorrichtung 70 kann an einem vom Bagger 100 entfernten Ort vorgesehen sein. Die von der Konstruktionsflächendaten-Zuführvorrichtung 70 erzeugten Konstruktionsflächendaten können über ein Kommunikationssystem an die Steuervorrichtung 50 übertragen werden. Man beachte, dass die von der Konstruktionsflächendaten-Zuführvorrichtung 70 erzeugten Konstruktionsflächendaten in der Speichereinheit 60 gespeichert werden können. Die Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit 54 kann die Konstruktionsflächendaten aus der Speichereinheit 60 erfassen.
• Die Zielwert-Erzeugungseinheit 55 erzeugt einen Zielwert für ein Betrag der Steuerung des Arbeitsgeräts 1. In der vorliegenden Ausführungsform enthält der Betrag der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 eine oder beide von der Bewegungsgeschwindigkeit der Schaufel 8 und der Position eines vorbestimmten Abschnitts der Schaufel 8. Der vorbestimmte Bereich der Schaufel 8 enthält die Schneidekante 9 der Schaufel 8. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Schaufel 8 enthält eine Bewegungsgeschwindigkeit der Schneidekante 9. Die Position des vorbestimmten Abschnitts der Schaufel 8 enthält die Position der Schneidekante 9. Die Zielwert-Erzeugungseinheit 55 erzeugt den Zielwert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage der Betätigungsdaten, die von der Betätigungsdaten-Erfassungseinheit 53 erfasst werden.
• In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass der vorbestimmte Abschnitt der Schaufel 8 die Schneidekante 9 ist. Man beachte, dass der vorbestimmte Bereich der Schaufel 8 nicht unbedingt die Schneidekante 9 sein muss. Der vorbestimmte Abschnitt der Schaufel 8 kann eine Bodenfläche (Bodenfläche) der Schaufel 8 sein.
• Die Bewegungsgeschwindigkeit der Schaufel 8 enthält eine Translationsgeschwindigkeit und eine Drehgeschwindigkeit der Schaufel 8. Die Translationsgeschwindigkeit der Schaufel 8 stellt eine Bewegungsgeschwindigkeit in der X-Achsenrichtung, der Y-Achsenrichtung und der Z-Achsenrichtung dar. Die Drehgeschwindigkeit der Schaufel 8 stellt eine Drehwinkelgeschwindigkeit in der θX-Richtung, der θY-Richtung und der θZ-Richtung dar. In der vorliegenden Ausführungsform enthält die Zielwert-Erzeugungseinheit 55 eine Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551, die eingerichtet ist, um eine Zieltranslationsgeschwindigkeit v_target zu berechnen, die ein Zielwert der Translationsgeschwindigkeit ist, und eine Zieldrehgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 552, die eingerichtet ist, um eine Zieldrehgeschwindigkeit ω_target zu berechnen, die ein Zielwert der Drehgeschwindigkeit ist. Die Zielwert-Erzeugungseinheit 55 berechnet sowohl die Zieltranslationsgeschwindigkeit v_target als auch die Zieldrehgeschwindigkeit ω_target auf der Grundlage der von der Winkeldaten-Erfassungseinheit 52 erfassten Winkeldaten, der von der Betätigungsdaten-Erfassungseinheit 53 erfassten Betätigungsdaten und der von der Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit 54 erfassten Konstruktionsfläche.
• 6 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Berechnen der Zieltranslationsgeschwindigkeit v_target der Schaufel 8 durch die Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551 nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551 enthält eine Translationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551A, die eingerichtet ist, um die Translationsgeschwindigkeit der Schaufel 8 auf der Grundlage der Betätigungsdaten der Betätigungsvorrichtung 40 und der Winkeldaten des Arbeitsgeräts 1 zu berechnen, eine Geschwindigkeitsgrenzwert-Berechnungseinheit 551B, die eingerichtet ist, um einen Geschwindigkeitsgrenzwert der Schaufel 8 auf der Grundlage eines Abstands zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche und den Konstruktionsflächendaten zu berechnen, eine PI-Steuereinheit 551C und eine Verzögerungs-Verarbeitungseinheit 551D.
• Die Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551 berechnet die Zieltranslationsgeschwindigkeit v_target der Schaufel 8, um nicht unterhalb der Konstruktionsfläche zu graben. Die Zieltranslationsgeschwindigkeit v_target der Schaufel 8 wird auf Grundlage der Formeln (1) bis (6) berechnet.
• $${\text{v}}_{\text{targent}}{=}^{\text{w}}{\text{R}}_1\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left(\text{a}+\text{b}\right)+{\text{j}}_{\text{v}}{\left[{\dot{\theta }}_{{\text{ope}}_{\text{l}}}0000\right]}^{\text{T}}$$

  

  $$\text{a}=\{\begin{array}{cc}{\left({{}^1}_{{\text{V}}_{\text{sagyo}}}{\cdot }^1{\text{e}}_{\text{XZ}}\right)}^1{\text{e}}_{\text{XZ}}& \left(\left({{}^1}_{{\text{V}}_{\text{sagyo}}}{\cdot }^1{\text{e}}_{\text{XZ}}\right)>{\text{V}}_{\text{MAX}}\right)\\ {\text{V}}_{\text{MAX}}{}^1{\text{e}}_{\text{XZ}}& \left(\left({{}^1}_{{\text{V}}_{\text{sagyo}}}{\cdot }^1{\text{e}}_{\text{XZ}}\right)\le {\text{V}}_{\text{MAX}}\right)\end{array}$$

  

  $$\text{b}{=}^1{}_{{\text{V}}_{\text{sagyo}}}-{\left({{}^1}_{{\text{V}}_{\text{sagyo}}}{\cdot }^1{\text{e}}_{\text{XZ}}\right)}^1{\text{e}}_{\text{XZ}}$$

  

  $${}^1{\text{e}}_{\text{XZ}}=-\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]{}^1\text{R}{}_{\text{w}}\text{n}$$

  

  $${}_{{\text{V}}_{\text{sagyo}}}={\text{J}}_{\text{v}}\left[\begin{array}{lllll}0\hfill & 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill \\ 0\hfill & 1\hfill & 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill \\ 0\hfill & 0\hfill & 1\hfill & 0\hfill & 0\hfill \\ 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill \\ 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill \end{array}\right]{\dot{\theta }}_{\text{ope}}$$

  

  $$\text{J}=\left[\begin{array}{c}{\text{J}}_{\text{v}}\\ \text{J}\mathrm{\omega }\end{array}\right]$$

  
• n ∈ R³ ist ein Einheitsnormalvektor der der Schneidekante 9 nächstgelegenen Konstruktionsfläche, ^wR1 ∈ R^{3 × 3} ist eine Drehmatrix zur Transformation vom Fahrzeugkörper-Koordinatensystem in das globale Koordinatensystem, v_sagyo ∈ R³ ist eine Translationsgeschwindigkeitskomponente der Schaufel, die durch den Ausleger 6 und den Arm 7 auf einer Arbeitsgerätebene (XZ-Ebene im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem) der Translationsgeschwindigkeit bei Betätigung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage der Betätigung der Betätigungsvorrichtung 40 betätigt wird, und V_MAX ist eine maximale Geschwindigkeit der Schaufel 8 in einer Richtung senkrecht zur Konstruktionsfläche, um ein Graben unterhalb der Konstruktionsfläche zu verhindern. J_v ∈ R^{3 × 5} und J_ω ∈ R^{3 × 5} stellen eine Translationsgeschwindigkeitskomponente bzw. eine Drehgeschwindigkeitskomponente der Jacobimatrix dar.
• Die Zieltranslationsgeschwindigkeit-Berechnungseinheit 551 ist eingerichtet, um den Abstand zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche auf der Grundlage der Positionsdaten des Schwenkkörpers 2, die von der Positionsdaten-Erfassungseinheit 51 erfasst werden, der Winkeldaten des Arbeitsgeräts 1, die von der Winkeldaten-Erfassungseinheit 52 erfasst werden, und den in der Speichereinheit 60 gespeicherten Arbeitsgerätdaten zu berechnen. Wie in 3 und 4 dargestellt, enthalten die Arbeitsgerätdaten eine Auslegerlänge L1, eine Armlänge L2, eine Schaufellänge L3, eine Kipplänge L4 und eine Schaufelbreite L5. Die Auslegerlänge L1 ist ein Abstand zwischen der Auslegerachse AX1 und der Armachse AX2. Die Armlänge L2 ist ein Abstand zwischen der Armachse AX2 und der Schaufelachse AX3. Die Schaufellänge L3 ist ein Abstand zwischen der Schaufelachse AX3 und der Schneidekante 9 der Schaufel 8. Die Kipplänge L4 ist ein Abstand zwischen der Schaufelachse AX3 und der Kippachse AX4. Die Schaufelbreite L5 ist ein Maß in Breitenrichtung der Schaufel 8. Die Arbeitsgerätdaten enthalten Schaufelprofildaten, die die Form und die Abmessungen der Schaufel 8 angeben. Die Schaufelprofildaten enthalten Außenflächendaten der Schaufel 8, die das Profil einer Außenfläche der Schaufel 8 enthalten. Die Schaufelprofildaten enthalten Koordinatendaten einer Vielzahl von Umrisspunkten RP der Schaufel 8 auf der Grundlage des vorbestimmten Abschnitts der Schaufel 8.
• Die Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551 berechnet Positionsdaten von jedem der Umrisspunkte RP. Die Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551 berechnet eine relative Position zwischen dem repräsentativen Punkt O des Schwenkkörpers 2 und jedem der Vielzahl von Umrisspunkten RP im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Die Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551 ist eingerichtet, um die relative Position zwischen dem repräsentativen Punkt O des Schwenkkörpers 2 und jedem der eine Vielzahl von Umrisspunkten RP der Schaufel 8 im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem auf der Grundlage der Arbeitsgerätdaten zu berechnen, die die Auslegerlänge L1, die Auslegerlänge L1, die Armlänge L2, die Schaufellänge L3, die Kipplänge L4, die Schaufelbreite L5 und die Schaufelprofildaten sowie die Winkeldaten des Arbeitsgeräts 1 einschließlich des Auslegerwinkels θ1, des Auslegerwinkels θ2, des Schaufelwinkels θ3, des Kippwinkels θ4 und des Drehwinkels θ5 enthalten. Das Setzen der Umrisspunkte RP auf die Schneidekante 9 ermöglicht es der Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551, eine relative Position zwischen dem repräsentativen Punkt O und der Schneidekante 9 zu berechnen. Die Konstruktionsfläche ist im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem definiert. Daher kann die Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551 den Abstand zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem berechnen. Darüber hinaus berechnet die Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551 eine Position jedes der Vielzahl von Umrisspunkten RP im globalen Koordinatensystem. Die Zieltranslationsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 551 kann die Position jedes Umrisspunktes RP der Schaufel 8 im globalen Koordinatensystem auf der Grundlage einer absoluten Position des repräsentativen Punktes O des Schwenkkörpers 2 und der relativen Position zwischen dem repräsentativen Punkt O des Schwenkkörpers 2 und der Position des Umrisspunktes RP der Schaufel 8 berechnen.
• Die Geschwindigkeitsgrenzwert-Berechnungseinheit 551B bestimmt einen Geschwindigkeitsgrenzwert des Auslegers 6 in der Richtung senkrecht zur Konstruktionsfläche unter Verwendung einer Geschwindigkeitsgrenzwerttabelle, die eine Beziehung zwischen dem Abstand zwischen der Schaufel 8 und der Konstruktionsfläche und einem Geschwindigkeitsgrenzwert des Arbeitsgeräts 1 angibt.
• 7 ist eine Grafik, die ein Beispiel für die Geschwindigkeitsgrenzwerttabelle nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Wie in 7 dargestellt, zeigt die Geschwindigkeitsgrenzwerttabelle die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche und dem Geschwindigkeitsgrenzwert des Arbeitsgeräts 1. Wenn der Abstand zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche 0 ist, wird die Geschwindigkeit des Arbeitsgeräts 1 in der Richtung senkrecht zur Konstruktionsfläche in der Geschwindigkeitsgrenzwerttabelle 0. Wenn die Schneidekante 9 oberhalb einer Konstruktionsfläche angeordnet ist, weist der Abstand zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche in der Geschwindigkeitsgrenzwerttabelle einen positiven Wert auf. Wenn die Schneidekante 9 unterhalb der Konstruktionsfläche platziert wird, weist der Abstand zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche einen negativen Wert auf. In der Geschwindigkeitsgrenzwerttabelle weist eine Geschwindigkeit zum Bewegen der Schneidekante 9 nach oben einen positiven Wert auf. Wenn der Abstand zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche gleich oder kleiner als ein Schwellenwert th für die Steuerung des Arbeitsgeräts ist, der einen positiven Wert aufweist, wird der Geschwindigkeitsgrenzwert des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des Abstands zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche definiert. Wenn der Abstand zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche gleich oder größer als der Arbeitsgerätsteuerschwellenwert th ist, weist ein absoluter Wert des Geschwindigkeitsgrenzwerts des Arbeitsgeräts 1 einen Wert auf, der größer als ein Maximalwert einer Zielgeschwindigkeit des Arbeitsgeräts 1 ist. Mit anderen Worten, wenn der Abstand zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche gleich oder größer als der Arbeitsgerätsteuerschwellenwert th ist, ist ein Absolutwert der Zielgeschwindigkeit des Arbeitsgeräts 1 immer kleiner als der absolute Wert des Geschwindigkeitsgrenzwerts, und somit wird der Ausleger 6 immer mit der Zielgeschwindigkeit angesteuert.
• 8 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Berechnung der Zieldrehgeschwindigkeit ω_target der Schaufel 8 durch die Zieldrehgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 552 nach der vorliegenden Ausführungsform. Die Zieldrehgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 552 enthält eine Ist-Lage-Berechnungseinheit 552A, die eingerichtet ist, um eine Ist-Lage R_cur der Schaufel 8 auf der Grundlage der Winkeldaten des Arbeitsgeräts 1 zu berechnen, eine Ziel-Lage-Berechnungseinheit 552B, die eingerichtet ist, um eine Ziel-Lage R_target der Schaufel 8 auf der Grundlage der Betätigungsdaten der Betätigungsvorrichtung 40 und der Konstruktionsflächendaten zu berechnen, eine Drehgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 552C, die eingerichtet ist, um eine Drehgeschwindigkeit ω'_target auf der Grundlage der Ist-Lage R_cur und der Ziel-Lage R_target der Schaufel 8 zu berechnen, und eine P-Steuereinheit 552D, die eingerichtet ist, um eine P-Steuerung der Drehgeschwindigkeit ω'_target durchzuführen, um die Zieldrehgeschwindigkeit ω_target zu berechnen.
• Die Zieldrehgeschwindigkeit ω_target wird auf der Grundlage der Formeln (7) bis (10) berechnet. $$\mathrm{\omega }{\text{'}}_{\text{target}}={\text{R}}_{\text{cur}}\mathrm{\omega }$$

  

  $$\mathrm{\theta =}{\text{cos}}^{-1}\left(\frac{{\text{r}}_{11}+{\text{r}}_{22}+{\text{r}}_{33}-1}{2}\right)$$

  

  $$\mathrm{\omega =}\{\begin{array}{lll}{\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\end{array}\right]}^{\text{T}}\hfill & \hfill & \left(\mathrm{\theta =0}\right)\hfill \\ \frac{\mathrm{\theta }}{2\mathrm{\Delta }{\text{T}}_{\text{target}}\text{sin }\mathrm{\theta }}\hfill & \left[\begin{array}{c}{\text{r}}_{32}-{\text{r}}_{23}\\ {\text{r}}_{13}-{\text{r}}_{31}\\ {\text{r}}_{21}-{\text{r}}_{12}\end{array}\right]\hfill & \left(\mathrm{\theta }\ne \mathrm{0}\right)\hfill \end{array}$$

  

  $$\text{R}=\left[\begin{array}{ccc}{\text{r}}_{11}& {\text{r}}_{12}& {\text{r}}_{13}\\ {\text{r}}_{21}& {\text{r}}_{22}& {\text{r}}_{23}\\ {\text{r}}_{31}& {\text{r}}_{32}& {\text{r}}_{33}\end{array}\right]={\text{R}}_{\text{cur}}^{\text{T}}{\text{R}}_{\text{target}}$$

  
• ΔT_target ist ein Parameter, der einer Zeit entspricht, die benötigt wird, um die Lage der Schaufel 8 zu korrigieren. Die P-Steuereinheit 552D berechnet die Zieldrehgeschwindigkeit ωt_arget, indem sie die P-Steuerung auf der Grundlage der von der Drehgeschwindigkeit-Berechnungseinheit 552C berechneten Drehgeschwindigkeit ω' _target' durchführt.
• Die Modellvorhersage-Steuereinheit 56 berechnet einen Vorhersagewert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des Zielwertes des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1, der von der Zielwert-Erzeugungseinheit 55 erzeugt wird, und eines Vorhersagemodells für das Arbeitsgerät 1. Die Modellvorhersage-Steuereinheit 56 berechnet auf der Grundlage des Vorhersagewerts einen Ansteuerbetrag zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1. Die Modellvorhersage-Steuereinheit 56 weist eine Vorhersagemodell-Speichereinheit 561 auf, die eingerichtet ist, um das Vorhersagemodell für das Arbeitsgerät 1 zu speichern, und eine Vorhersageeinheit 562, die eingerichtet ist, um den Vorhersagewert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des Zielwerts des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 und des Vorhersagemodells für das Arbeitsgerät 1 zu berechnen, und den Ansteuerbetrag zum Steuern des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des Vorhersagewerts des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 zu berechnen.
• In der Vorhersagemodell-Speichereinheit 561 ist ein Vorhersagemodell für den Bagger 100, der das Arbeitsgerät 1 enthält, gespeichert. Das Vorhersagemodell enthält ein dynamisches Modell für den Bagger 100. Das Vorhersagemodell enthält ein Modell für den Schwenkkörper 2, der um die Schwenkachse RX schwenkt, ein Modell für den Ausleger 6, der sich um die Auslegerachse AX1 dreht, ein Modell für den Arm 7, der sich um die Armachse AX2 dreht, und ein Modell für die Schaufel 8, der sich um die Schaufelachse AX3, die Kippachse AX4 und die Drehachse AX5 dreht.
• Das Vorhersagemodell wird durch eine diskrete Zustandsgleichung und eine Ausgangsgleichung dargestellt. Die Zustandsgleichung des Vorhersagemodells zur Steuerung des Baggers 100, diskretisiert mit einer Abtastzeit ΔT, ist in der Formel (11) dargestellt. Die Matrizen der Zustandsgleichung sind in den Formeln (12) und (13) dargestellt. Die Ausgangsgleichung des Vorhersagemodells ist in der Formel (14) dargestellt. $$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\theta }\left(\text{t}+1\right)\\ \dot{\theta }\left(\text{t}+1\right)\end{array}\right]=\text{A}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)\\ \dot{\theta }\left(\text{t}\right)\end{array}\right]+\text{B}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\tau }\left[\text{t}\right]\\ -{\text{C}}_{\text{o}}\left(\text{t}\right)\\ {\text{C}}_{\text{tay}}\left(\text{t}\right)\end{array}\right]$$

  

  $$\text{A=}\left[\begin{array}{cc}{\text{I}}_{5\times 5}& {\text{I}}_{5\times 5}\mathrm{\Delta {\rm T}}\\ {\text{O}}_{5\times 5}& {\text{I}}_{5\times 5}\end{array}\right]\in {\text{R}}^{10\times 10}$$

  

  $$\text{B}=\left[\begin{array}{lll}\frac{1}{2}\mathrm{\Delta }{\text{T}}^2{\text{M}}^{-1}\hfill & \frac{1}{2}\mathrm{\Delta }{\text{T}}^2{\text{M}}^{-1}\hfill & {\text{O}}_{5\times 4}\hfill \\ \mathrm{\Delta }{\text{TM}}^{-1}\hfill & \mathrm{\Delta }{\text{TM}}^{-1}\hfill & {\text{O}}_{5\times 4}\hfill \end{array}\right]\in {\text{R}}^{10\times 14}$$

  

  $$\left[\begin{array}{c}\text{v}\left(\text{t}\right)\\ \mathrm{\omega }\left(\text{t}\right)\\ \mathrm{\theta }{\left(\text{t}\right)}^{\text{T}}\\ \dot{\theta }{\left(\text{t}\right)}^{\text{T}}\\ \text{d}\left(\text{t}\right)\\ {\text{Q}}_{\text{A}}\left(\text{t}\right)\end{array}\right]=\text{C}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)\\ \dot{\theta }\left(\text{t}\right)\end{array}\right]+\text{D}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\tau }\left(\text{t}\right)\\ {\text{-C}}_{\text{o}}\left(\text{t}\right)\\ {\text{C}}_{\text{tay}}\left(\text{t}\right)\end{array}\right]$$

  
• Jedes von M ∈^{R5 × 5} und Co ∈ R⁵ ist eine Inertialmatrix einer Bewegungsgleichung und eines Corioliskraft-/Schwerkraftvektors. C_tay ∈ _R ^2np ist ein konstanter Term, wenn eine Tailor-Expansion von n p um einen Winkel θ zu der vorbestimmten Zeit t durchgeführt wird. n_p ist die Anzahl der zu berücksichtigenden Konstruktionsflächen. Die Ausgaben der Ausgabegleichung des Vorhersagemodells sind ein Winkel θ, eine Winkelgeschwindigkeit, die Zieltranslationsgeschwindigkeit v_target, die Zieldrehgeschwindigkeit ω_target, der Abstand d zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche und die Strömungsrate Q des Hydrauliköls.
• Die Vorhersageeinheit 562 führt eine Optimierungsoperation auf der Grundlage des Vorhersagemodells durch und berechnet den Vorhersagewert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1. Wie vorstehend beschrieben, enthält der Betrag der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 in der vorliegenden Ausführungsform eines oder beides von der Bewegungsgeschwindigkeit der Schaufel 8 und der Position des vorbestimmten Abschnitts der Schaufel 8. Der vorbestimmte Bereich der Schaufel 8 enthält die Schneidekante 9. Ferner enthält der Betrag der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 eine Winkelgeschwindigkeit des Auslegers 6, eine Winkelgeschwindigkeit des Arms 7 und eine Winkelgeschwindigkeit der Schaufel 8. Die Winkelgeschwindigkeit der Schaufel 8 enthält eine Winkelgeschwindigkeit um die Schaufelachse AX3, eine Winkelgeschwindigkeit um die Kippachse AX4 und eine Winkelgeschwindigkeit um die Drehachse AX5.
• Die Vorhersageeinheit 562 sagt einen Wert auf der linken Seite von Formel (14) mehrere Schritte vor dem aktuellen Zeitpunkt voraus.
• Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage von mindestens einem von einem Vorhersagewert der Bewegungsgeschwindigkeit der Schaufel 8, einem Vorhersagewert der Winkelgeschwindigkeit jeder Achse, einem Vorhersagewert der Position der Schneidekante 9 der Schaufel 8 und einem Vorhersagewert der Strömungsrate des Hydrauliköls. Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Betrag der Ansteuerbetrag so, dass der Vorhersagewert des Betrages der Steuerung seinem Zielwert folgt.
• In der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag, so dass die Schaufel 8 in einer vorbestimmten Lage einer Zielkonstruktionsfläche folgt, auf der Grundlage des Vorhersagewertes der Bewegungsgeschwindigkeit der Schaufel 8, des Vorhersagewertes der Winkelgeschwindigkeit jeder Achse, des Vorhersagewertes der Position der Schneidekante 9 der Schaufel 8, des Vorhersagewertes der Strömungsrate des Hydrauliköls, eines Vorhersagewertes einer Schwenkgeschwindigkeit des Schwenkkörpers 2 und der Konstruktionsfläche. Mit anderen Worten, die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag, so dass die Schaufel 8 nicht unterhalb der Konstruktionsfläche gräbt und die Position der Schneidekante 9 und die Position der Konstruktionsfläche miteinander übereinstimmen.
• Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 und des Schwenkkörpers 2 so, dass eine Bewertungsfunktion einen Minimalwert aufweist und jede Randbedingung (Englisch: constraint condition) erfüllt ist.
• Bei der Modellvorhersage-Steuerung wird im Allgemeinen die in der Formel (15) gezeigte Bewertungsfunktion verwendet.
• $$\text{E}\left(\text{t}\right)={\text{E}}_{\text{y}}\left(\text{t}\right)+{\text{E}}_{\text{u}}\left(\text{t}\right)+{\text{E}}_{\mathrm{\Delta }\text{u}}\left(\text{t}\right)+{\text{E}}_{\text{c}}\left(\text{t}\right)$$

  
• E_y(t) ist eine Differenz zwischen einem Zielwert und einem Vorhersagewert in der Ausgabe, E_u(t) ist eine Differenz zwischen einem Zielwert und einem Vorhersagewert in der Eingabe, EΔ_u(t) ist eine Größenordnung der Änderung in der Eingabe, und E_c(t) ist eine Straffunktion, die auferlegt wird, wenn die später beschriebenen Randbedingungen nicht erfüllt sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist E_u(t) = 0 und EΔ_u(t) = 0, und als Bewertungsfunktion wird ein Verfolgungsfehler in der Ausgabe in Bezug auf den Zielwert in der Ausgabe verwendet. Die Bewertungsfunktion ist in den Formeln (16) und (17) dargestellt.
• $$\text{E}\left(\text{t}\right)={\displaystyle \sum _{\text{i}=1}^{{\text{H}}_{\text{p}}}\mathrm{\Delta }{\text{r}}_{\text{i}}{\left(\text{t}+\text{i|t}\right)}^{\text{T}}\text{W}\mathrm{\Delta }{\text{r}}_{\text{i}}\left(\text{t}+\text{i|t}\right)}+{\text{E}}_{\text{c}}\left(\text{t}\right)$$

  

  $$\mathrm{\Delta }{\text{r}}_{\text{i}}\left(\text{t}+\text{i|t}\right)={\text{r}}_{\text{i}}\left(\text{t}+\text{i|t}\right)-\text{y}\left(\text{t}+\text{i|t}\right)$$

  
• r(t + i|t) ist ein Zielwert der Zeit t+1 zum Zeitpunkt t, y(t + i|t) ist eine zum Zeitpunkt t+i vorhergesagte Anlagenausgabe, H_p ist ein Vorhersagehorizont, der bestimmt, wie viele Schritte im Voraus eine Vorhersage getroffen wird, und W ist eine Diagonalmatrix, die Vorhersagevariablen gewichtet.
• Die Randbedingungs-Berechnungseinheit 57 berechnet die Randbedingungen. Die Randbedingungen enthalten eine erste Randbedingung, die sich auf die Leistung des Baggers 100 bezieht, und eine zweite Randbedingung, die sich auf die Position der Schaufel 8 bezieht. Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag so, dass die von der Randbedingungs-Berechnungseinheit 57 berechneten Randbedingungen erfüllt werden.
• Der Bagger 100 als Steuerziel weist eine Begrenzung der Winkel θ, der Winkelgeschwindigkeit, der Winkelbeschleunigung und der Strömungsrate des Hydrauliköls des Arbeitsgeräts 1 auf. Mit anderen Worten, die Arbeitselemente des Arbeitsgeräts 1 weisen jeweils einen Funktionsbereich auf, der einen Bereich angibt, in dem das Arbeitselement funktioniert. Der Funktionsbereich der Arbeitselemente enthält jeweils einen Bewegungsbereich eines jeden Arbeitselements. Zum Beispiel weist jeder Winkel θ, um den das Arbeitsgerät 1 bewegbar ist, einen Grenzwert auf. Ebenso weist jede von der Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung des Arbeitsgeräts 1 einen Grenzwert auf.
• Außerdem weist die Strömungsrate des von der Hydraulikpumpe 17 geförderten Hydrauliköls einen Grenzwert auf. Mit anderen Worten, die Strömungsrate des von der Hydraulikpumpe 17 an den Hydraulikzylinder 10 abgegebenen Hydrauliköls weist abhängig von der Leistung oder dergleichen der Hydraulikpumpe 17 einen Grenzwert auf. Außerdem weist jeder Hydraulikzylinder 10 einen Funktionsbereich auf, der einen Bereich angibt, in dem der Hydraulikzylinder 10 funktioniert. Der Funktionsbereich des Hydraulikzylinders 10 enthält einen für den Hydraulikzylinder 10 definierten Hydrauliköl-Zuführbereich auf. Für den Hydraulikzylinder 10 sind ein Minimalwert Q_{wm_min} und ein Maximalwert Q_{wm_max}, die Grenzwerte einer Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_wm, die die Strömungsrate des von der Hydraulikpumpe 17 über die Ventilvorrichtung 18 dem Hydraulikzylinder 10 zugeführten Hydrauliköls angibt. Die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_wm für den Hydraulikzylinder 10 enthält eine Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bm für den Auslegerzylinder 11, eine Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_ar für den Armzylinder 12 und eine Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bk für den Schaufelzylinder 13. Das Gleiche gilt für den Kippzylinder und den Drehzylinder. Für den Auslegerzylinder 11 sind ein Minimalwert Q_{bm_min} und ein Maximalwert Q_{bm_max} definiert, die Grenzwerte der Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bm sind. Für den Auslegerzylinder 12 werden ein Minimalwert Q_{ar_min} und ein Maximalwert Q_{ar_max} definiert, die Grenzwerte für die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_ar sind. Für den Schaufelzylinder 13 sind ein Minimalwert Q_{bk_min} und ein Maximalwert Q_{bk_max} definiert, die Grenzwerte für die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bk sind. Das Gleiche gilt für den Kippzylinder 14 und den Drehzylinder 15. Der für den Hydraulikzylinder 10 definierte Hydrauliköl-Zuführbereich liegt im Bereich zwischen dem Minimalwert Q_{wm_min} und dem Maximalwert Q_{wm_max}.
• Wie vorstehend beschrieben, weist der Bagger 100 eine Begrenzung der Hardware auf. Daher ist es notwendig, die erste Randbedingung, die eine Begrenzung der Hardware des Baggers 100 anzeigt, auch in der Modellvorhersage-Steuerung zu berücksichtigen. Die Randbedingungs-Berechnungseinheit 57 berechnet die erste Randbedingung, die den Winkel θ, die Winkelgeschwindigkeit, die Winkelbeschleunigung und die Strömungsrate des Hydrauliköls des Arbeitsgeräts 1 enthält. Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag, um die erste Randbedingung zu erfüllen.
• Die Randbedingungen für die Winkel θ, die Winkelgeschwindigkeit und die Strömungsrate des Hydrauliköls sind in den Formeln (18) bis (21) dargestellt.
• $${\mathrm{\theta }}_{\text{min}\le }\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)\le {\mathrm{\theta }}_{\text{max}}$$

  

  $$\dot{\theta }\le \dot{\theta }\left(\text{t}\right)\le {\dot{\theta }}_{\text{max}}$$

  

  $${\text{Q}}_{\text{A}}\left(\text{t}\right)={\displaystyle \sum _{\text{i}=1}^5{\text{Q}}_{\text{i}}\le {\text{Q}}_{{\text{A}}_{\text{max}}}}$$

  

  $${\text{Q}}_{\text{A}}=\text{G}\dot{\theta }\le {\text{Q}}_{{\text{A}}_{\text{max}}}{1}_{32\times 1}$$

  
• Die Randbedingungen der Winkelbeschleunigung sind in der Formel (22) dargestellt.
• $${\ddot{\theta }}_{\text{min}}\le \ddot{\theta }\left(\text{t}\right)\le {\ddot{\theta }}_{\text{max}}$$

  
• Bei der vorliegenden Ausführungsform wandelt die Randbedingungs-Berechnungseinheit 57 die Randbedingung der Winkelbeschleunigung in die Randbedingung des Drehmoments um. Die Randbedingung der Winkelbeschleunigung nach der Umwandlung ist in der Formel (23) dargestellt.
• $${\ddot{\theta }}_{\text{min}}\le {\text{M}}^{-1}\left(\text{t}\right)\mathrm{\tau }\left(\text{t}\right)-{\text{M}}^{-1}\left(\text{t}\right){\text{C}}_{\text{o}}\left(\text{t}\right)\le {\ddot{\theta }}_{\text{max}}$$

  
• Bei der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 muss verhindert werden, dass die Schaufel 8 unterhalb der Konstruktionsfläche gräbt. Mit anderen Worten, die Schaufel 8 weist eine Positionsbegrenzung auf, damit sie sich nicht unterhalb der Konstruktionsfläche gräbt. Daher ist es notwendig, die zweite Randbedingung, die die Begrenzung der Position der Schaufel 8 angibt, auch in der Modellvorhersage-Steuerung zu berücksichtigen. Die Randbedingungs-Berechnungseinheit 57 berechnet die zweite Randbedingung, die die Position der Schaufel 8 relativ zur Konstruktionsfläche enthält. Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag, um die zweite Randbedingung zu erfüllen.
• Eine Ausgabe d(t) gibt den Abstand zwischen der Schneidekante 9 und der Konstruktionsfläche an. Eine Gleichung der i-ten Konstruktionsfläche wird durch einen Einheitsnormalvektor n_i als n p + d_i = 0 dargestellt. Die Formeln (24) und (25) zeigen die Randbedingungen, um zu verhindern, dass das rechte und linke Ende der Schneidekante 9 unterhalb der Konstruktionsfläche gräbt.
• $${\text{n}}_{\text{i}}\cdot {\text{p}}_{\text{L}}\left(\text{t}\right)\ge -{\text{d}}_{\text{i}}$$

  

  $${\text{n}}_{\text{i}}\cdot {\text{p}}_{\text{R}}\left(\text{t}\right)\ge -{\text{d}}_{\text{i}}$$

  
• Die Koordinaten der Schneidekante 9 sind in Bezug auf einen Winkel θ in einer Zustandsvariablen nichtlinear. Daher wird eine lineare Näherung angewendet, wie in den Formeln (26) und (27) gezeigt.
• $${\text{n}}_{\text{i}}\cdot {\text{p}}_{\text{L}}\left(\text{t}\right)={\text{C}}_{{\text{i}}_{\text{L}}}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)+{\text{C}}_{{\text{tay}}_{\text{i}}{}_{{}_{\text{L}}}}$$

  

  $${\text{n}}_{\text{i}}\cdot {\text{p}}_{\text{R}}\left(\text{t}\right)=C_{{\text{i}}_{\text{R}}}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)+C_{\text{tay}}{}_{{{}_{\text{i}}}_{{}_{\text{R}}}}$$

  
• Die Vorhersageeinheit 562 verwendet die in den Formeln (16) und (17) gezeigten Bewertungsfunktionen, um die Optimierungsoperation in der Modellvorhersage-Steuerung durchzuführen, um die in den Formeln (18) bis (27) gezeigten Randbedingungen zu erfüllen. Ein Optimierungsproblem in der vorliegenden Ausführungsform ist in der Formel (28) dargestellt. Für die Optimierung wird zum Beispiel die quadratische Programmierung (QP) verwendet, es kann aber auch ein anderes Berechnungsverfahren verwendet werden. $$\begin{array}{l}\text{ minimiere E}\left(\text{t}\right)\\ \mathrm{\tau }\left(1\right)\dots \mathrm{\tau }\left(1\to \left(\text{H}-\text{1}\right)\mathrm{\Delta }\text{T}\right)\\ \text{abh}\ddot{\text{a}}\text{ngig von }{\mathrm{\theta }}_{\text{min}}\le \mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)\le {\mathrm{\theta }}_{\text{max}}\\ {\dot{\theta }}_{\text{min}}\le \dot{\theta }\left(\text{t}\right)\le {\dot{\theta }}_{\text{max}}\\ {\ddot{\theta }}_{\text{min}}\le {\text{M}}^{-1}\mathrm{\tau -}{\text{M}}^{-1}{\text{C}}_{\text{o}}\le {\ddot{\theta }}_{\text{max}}\\ \text{ G}\dot{\theta }\le {\text{Q}}_{{\text{A}}_{\text{max}}}{1}_{32\times 1}\\ {\text{ n}}_{\text{i}}\cdot {\text{p}}_{\text{L}}\left(\text{t}\right)={\text{C}}_{{\text{i}}_{\text{L}}}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)+{\text{C}}_{\text{tay}}{}_{{}_{{\text{i}}_{\text{L}}}}\ge -{\text{d}}_{\text{i}}\\ {\text{ n}}_{\text{i}}\cdot {\text{p}}_{\text{R}}\left(\text{t}\right)={\text{C}}_{{\text{i}}_{\text{R}}}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)+{\text{C}}_{\text{tay}}{}_{{}_{{\text{i}}_{\text{R}}}}\ge -{\text{d}}_{\text{i}}\\ \left(\text{i}=\mathrm{1,2,}\dots {\text{,n}}_{\text{p}}\right)\end{array}$$

  
• τ(t) ist ein Steuereingabedrehmoment für eine Steuerungsanlage und ist eine Lösung der Optimierungsoperation. H_u ist ein Steuerhorizont, der bestimmt, wie viele Schritte im Voraus die Eingaben im Optimierungsproblem behandelt werden sollen.
• Die Befehlseinheit 58 gibt einen Steuerbefehl zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des von der Vorhersageeinheit 562 berechneten Ansteuerbetrags aus.
• In der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Vorhersageeinheit 562 auf der Grundlage des Zielwerts und des Vorhersagemodells des Arbeitsgeräts 1 einen Vorhersagewert eines Betätigungsbetrags im Funktionsbereich jedes Arbeitselements oder Hydraulikzylinders 10.
• Mit anderen Worten, die Vorhersageeinheit 562 berechnet einen Vorhersagewert des Winkels θ jedes Arbeitselements im Bereich der Bewegung des Arbeitselements. Die Vorhersageeinheit 562 berechnet einen Vorhersagewert des Auslegerwinkels θ1 innerhalb des Bewegungsbereichs des Auslegers 6. Die Vorhersageeinheit 562 berechnet einen Vorhersagewert des Armwinkels θ2 innerhalb des Bewegungsbereichs des Arms 7. Die Vorhersageeinheit 562 berechnet einen Vorhersagewert für den Schaufelwinkel θ3 innerhalb des Bewegungsbereichs der Schaufel 8. Das Gleiche gilt für den Kippwinkel θ4 und den Drehwinkel θ5.
• Ferner sagt die Vorhersageeinheit 562 die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_wm im Hydrauliköl-Zuführbereich jedes Hydraulikzylinders 10 voraus. Wie vorstehend beschrieben, liegt der für den Hydraulikzylinder 10 definierte Hydrauliköl-Zuführbereich im Bereich zwischen dem Minimalwert Q_{wm_min} und dem Maximalwert Q_{wm_max}. Die Vorhersageeinheit 562 sagt die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bm im Hydrauliköl-Zuführbereich des Auslegerzylinders 11 voraus. Die Vorhersageeinheit 562 sagt die Hydrauliköl- Zuführströmungsrate Q_ar im Hydrauliköl-Zuführbereich des Auslegerzylinders 12 voraus. Die Vorhersageeinheit 562 sagt die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bk im Hydrauliköl-Zuführbereich des Schaufelzylinders 13 voraus. Das Gleiche gilt für den Kippzylinder 14 und den Drehzylinder 15.
• Die Bestimmungseinheit 61 bestimmt, ob ein erstes Arbeitselement der Vielzahl von Arbeitselementen einen Grenzwert des Funktionsbereichs erreicht. Wie vorstehend beschrieben, enthält der Funktionsbereich eines jeden Arbeitselements den Bewegungsbereich des Arbeitselements. Der Grenzwert des Funktionsbereichs des Arbeitselements enthält ein Ende des Bewegungsbereichs des Arbeitselements (ein Ende eines Hubs). Mit anderen Worten: Die Bestimmungseinheit 61 bestimmt, ob sich das erste Arbeitselement dem Ende des Bewegungsbereichs nähert. Die Bestimmungseinheit 61 ist dazu eingerichtet, auf Grundlage von Erfassungsdaten der Winkel-Erfassungsvorrichtung 30 zu bestimmen, ob sich das Arbeitselement dem Bewegungsbereich nähert. Die Annäherung des Arbeitselements an das Ende des Hubs, das das Ende des Bewegungsbereichs ist, stellt dar, dass eine Differenz zwischen einem tatsächlichen Winkel des Arbeitselements (von der Winkel-Erfassungsvorrichtung 30 erfasster Winkel) und einem Hubendwinkel, der das Ende des Hubs des Arbeitselements anzeigt, gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
• Ferner bestimmt die Bestimmungseinheit 61, ob ein erster Hydraulikzylinder 10 der Vielzahl von Hydraulikzylindern 10 den Grenzwert des Funktionsbereichs erreicht. Wie vorstehend beschrieben, enthält der Funktionsbereich des Hydraulikzylinders 10 den für den Hydraulikzylinder 10 definierten Hydrauliköl-Zuführbereich. Der Grenzwert des Funktionsbereichs des Hydraulikzylinders 10 enthält den Minimalwert Q_{wm_min} und den Maximalwert Q_{wm_max} des Hydrauliköl-Zuführbereichs. Mit anderen Worten: Die Bestimmungseinheit 61 bestimmt, ob die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_wm für den ersten Hydraulikzylinder 10 den Minimalwert Q_{wm_min} oder den Maximalwert Q_{wm_max} des Hydrauliköl-Zuführbereichs erreicht. Das Erreichen eines Grenzwertes des Hydrauliköl-Zuführbereiches durch die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate für jeden Hydraulikzylinder 10 bedeutet, dass eine Differenz zwischen einem tatsächlichen Messwert der Hydrauliköl-Zuführströmungsrate für den Hydraulikzylinder 10 (Hydrauliköl-Zuführströmungsrate, die von einem nicht dargestellten Strömungsratensensor erfasst wird) und dessen Grenzwert gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
• Wenn bestimmt wird, dass das erste Arbeitselement den Grenzwert des Funktionsbereichs erreichen soll, berechnet die Vorhersageeinheit 562 einen Ansteuerbetrag zur Steuerung eines Betätigungsbetrags eines zweiten Arbeitselements, um zu verhindern, dass sich das erste Arbeitselement dem Grenzwert des Funktionsbereichs nähert.
• Die Verhinderung der Annäherung des ersten Arbeitselements an den Grenzwert des Funktionsbereichs stellt dar, dass, wenn die Bestimmungseinheit 61 bestimmt, dass eine Differenz Δθ zwischen dem tatsächlichen Winkel des Arbeitselements und dem Hubendwinkel, der das Ende des Hubs des Arbeitselements anzeigt, gleich oder kleiner als der Schwellenwert ist, die Differenz Δθ zu dem Zeitpunkt, zu dem die Bestimmung durch die Bestimmungseinheit 61 erfolgt, an einer weiteren Verringerung gehindert wird.
• Wenn bestimmt wird, dass sich das erste Arbeitselement dem Ende des Bewegungsbereichs nähert, berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag, um einen Winkel des zweiten Arbeitselements so zu steuern, dass verhindert wird, dass sich das erste Arbeitselement dem Ende des Bewegungsbereichs nähert. Wenn z. B. bestimmt wird, dass das erste Arbeitselement den Grenzwert des Funktionsbereichs erreicht, berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag, um den Betätigungsbetrag des zweiten Arbeitselements so zu steuern, dass das erste Arbeitselement einen mittleren Funktionsbereich aufweist. Mit anderen Worten: Wenn bestimmt wird, dass sich das erste Arbeitselement dem Ende des Bewegungsbereichs nähert, berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag, um den Winkel des zweiten Arbeitselements so zu steuern, dass verhindert wird, dass sich das erste Arbeitselement dem Ende des Bewegungsbereichs nähert.
• Wenn bestimmt wird, dass der erste Hydraulikzylinder 10 den Grenzwert des Funktionsbereichs erreichen soll, berechnet die Vorhersageeinheit 562 einen Ansteuerbetrag zur Steuerung eines Betätigungsbetrags eines zweiten Hydraulikzylinders 10, um zu verhindern, dass sich der erste Hydraulikzylinder 10 dem Grenzwert des Funktionsbereichs nähert.
• Die Verhinderung der Annäherung des ersten Hydraulikzylinders 10 an den Grenzwert des Funktionsbereichs stellt dar, dass, wenn die Bestimmungseinheit 61 bestimmt, dass eine Differenz ΔQ zwischen dem tatsächlichen Messwert der Hydrauliköl-Zuführströmungsrate für den Hydraulikzylinder 10 und dessen Grenzwert gleich oder kleiner als der Schwellenwert ist, die Differenz ΔQ zu dem Zeitpunkt, zu dem die Bestimmung durch die Bestimmungseinheit 61 erfolgt, an einer weiteren Verringerung gehindert wird.
• Wenn bestimmt wird, dass der erste Hydraulikzylinder 10 den Grenzwert des Funktionsbereichs erreichen soll, berechnet die Vorhersageeinheit 562 einen Ansteuerbetrag, um einen Betätigungsbetrag eines zweiten Hydraulikzylinders 10 zu steuern, um zu verhindern, dass sich der erste Hydraulikzylinder 10 dem Grenzwert des Funktionsbereichs nähert. In einem Beispiel berechnet die Vorhersageeinheit 562, wenn bestimmt wird, dass der erste Hydraulikzylinder 10 den Grenzwert des Funktionsbereichs erreichen soll, einen Ansteuerbetrag, um einen Betätigungsbetrag eines zweiten Hydraulikzylinders 10 so zu steuern, dass der erste Hydraulikzylinder 10 einen mittleren Funktionsbereich aufweist. Mit anderen Worten, wenn bestimmt wird, dass eine Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_wm1 für den ersten Hydraulikzylinder 10 den Minimalwert _{Qwm_min} oder den Maximalwert Q_{wm_max} des Hydrauliköl-Zuführbereichs erreicht, berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag, um eine Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_{wm_wm2} für den zweiten Hydraulikzylinder 10 so zu steuern, dass sich die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_wm1 für den ersten Hydraulikzylinder 10 in einen mittleren Hydrauliköl-Zuführbereich Q_{wm_mid} ändert.
• 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für einen Betrieb des Baggers 100 nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Unter Bezugnahme auf 9 wird das Beispiel beschrieben, bei dem, wenn bestimmt wird, dass sich das erste Arbeitselement dem Ende des Bewegungsbereichs nähert, der Winkel des zweiten Arbeitselements gesteuert wird, um zu verhindern, dass sich das erste Arbeitselement dem Ende des Bewegungsbereichs nähert. In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass das erste Arbeitselement die Schaufel 8 und das zweite Arbeitselement einer oder beide von dem Ausleger 6 und dem Arm 7 sind.
• Der Bagger 100 enthält den Schwenkkörper 2, der zum Stützen des Arbeitsgeräts 1 ausgebildet ist. Der Fahrer betätigt die Betätigungsvorrichtung 40, um die Schaufel8 von einer ersten Position P1 der Konstruktionsfläche IS in eine zweite Position P2 zu bewegen, die näher am Schwenkkörper 2 liegt als die erste Position P1. Die Modellvorhersage-Steuereinheit 56 berechnet den Vorhersagewert der Position der Schneidekante 9 auf der Grundlage eines Zielwerts der Position der Schneidekante 9 des Arbeitsgeräts 1 und des Vorhersagemodells und berechnet den Ansteuerbetrag auf der Grundlage des Vorhersagewerts, um das Arbeitsgerät 1 so zu steuern, dass die Schneidekante 9 der Konstruktionsfläche IS folgt. Die Befehlseinheit 58 steuert das Arbeitsgerät 1 auf der Grundlage des von der Modellvorhersage-Steuereinheit 56 berechneten Ansteuerbetrags. Wenn die Betätigungsvorrichtung 40 betätigt wird, um die Schaufel 8 von der ersten Position P1 zur zweiten Position P2 der Konstruktionsfläche IS zu bewegen, nähert sich die Schaufel 8 wie in 9 dargestellt, allmählich dem Ende (dem Ende des Hubs) des Bewegungsbereichs der Schaufel 8.
• Wenn bestimmt wird, dass sich die Schaufel 8 dem Ende des Bewegungsbereichs durch die Bestimmungseinheit 61 nähert, während die Betätigungsvorrichtung 40, die das Arbeitsgerät 1 betätigt, die Schaufel 8 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 bewegt, berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag, um den Winkel von einem oder beiden von dem Ausleger 6 und dem Arm 7 zu steuern, um zu verhindern, dass sich die Schaufel 8 dem Ende des Bewegungsbereichs nähert. Die Befehlseinheit 58 steuert den Winkel eines oder beider von dem Ausleger 6 und dem Arm 7 auf der Grundlage des von der Modellvorhersage-Steuereinheit 56 berechneten Ansteuerbetrags. Wenn sich in der vorstehenden Ausführungsform die Schaufel 8 dem Ende des Bewegungsbereichs nähert, betreibt die Befehlseinheit 58 den Ausleger 6 so, dass er sich anhebt, um zu verhindern, dass sich die Schaufel 8 dem Ende des Bewegungsbereichs nähert. Man beachte, dass wenn sich die Schaufel 8 dem Ende des Bewegungsbereichs nähert, die Befehlseinheit 58 den Ausleger 7 so betreibt, dass sich dieser absenkt, um zu verhindern, dass sich die Schaufel 8 dem Ende des Bewegungsbereichs nähert. Wenn also die Schaufel 8 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 bewegt werden soll, wird die Schaufel 8 daran gehindert, auf dem Weg das Ende des Bewegungsbereichs zu erreichen. Daher kann sich die Schaufel 8 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 bewegen. Daher ist es möglich, das Konstruktionsziel zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 durch eine einzige Bewegung der Schaufel 8 zu nivellieren.
• Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 9 beschrieben, wurde das Beispiel beschrieben, bei dem, wenn bestimmt wird, dass sich das erste Arbeitselement dem Ende des Bewegungsbereichs nähert, der Winkel des zweiten Arbeitselements gesteuert wird, um zu verhindern, dass sich das erste Arbeitselement dem Ende des Bewegungsbereichs nähert. Als nächstes wird ein Beispiel beschrieben, bei dem, wenn bestimmt wird, dass die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_wm1 für den ersten Hydraulikzylinder 10 den Grenzwert (den Minimalwert Q_{wm_min} oder den Maximalwert Q_{wm_max}) des Hydrauliköl-Zuführbereichs erreicht, die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_wm2 für den zweiten Hydraulikzylinder 10 so gesteuert wird, dass sich die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_wm1 für den ersten Hydraulikzylinder 10 in den mittleren Hydrauliköl-Zuführbereich Q_{wm_mid} ändert. In der folgenden Beschreibung des Beispiels wird der Einfachheit halber die Strömungsrate des von der Hydraulikpumpe 17 geförderten Hydrauliköls mit Q bezeichnet, und das von der Hydraulikpumpe 17 abgegebene Hydrauliköl wird auf den Auslegerzylinder 11, den Armzylinder 12 und den Schaufelzylinder 13 verteilt. Daher ist die Strömungsrate Q eine Summe aus der Hydrauliköl-Zufuhrströmungsrate Q_bm für den Auslegerzylinder 11, der Hydrauliköl-Zufuhrströmungsrate Qar für den Armzylinder 12 und der Hydrauliköl-Zufuhrströmungsrate Q_bk für den Schaufelzylinder 13 (Q = Q_bm + Q_ar + Q_bk) .
• Wenn beispielsweise bestimmt wird, dass die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bk für den Schaufelzylinder 13 den Maximalwert Q_{bk_max} erreicht, berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag, um eine oder beide von der Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bm für den Auslegerzylinder 11 und der Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_ar für den Armzylinder 12 so zu steuern, dass sich die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bk für den Schaufelzylinder 13 in den mittleren Hydrauliköl-Zuführbereich ändert (so dass die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bk reduziert wird). Die Befehlseinheit 58 gibt den Steuerbefehl an die Ventilvorrichtung 18 auf der Grundlage des von der Vorhersageeinheit 562 berechneten Ansteuerbetrags aus, so dass eine oder beide von der Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_bm für den Auslegerzylinder 11 und der Hydrauliköl-Zuführströmungsrate Q_ar für den Armzylinder 12 steigen.
• Dadurch ist es möglich, dass ein Zustand, in dem nur die Schaufel 8 mit einer hohen Betriebsgeschwindigkeit arbeitet, in einen Zustand übergeht, in dem die Betriebsgeschwindigkeit der Schaufel 8 abgesenkt wird und einer oder beide von dem Ausleger 6 und dem Arm 7 mit einer hohen Betriebsgeschwindigkeit arbeiten.
• [Steuerverfahren]
• 10 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Steuerverfahren für den Bagger 100 nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Steuerverfahren bei der Arbeit wie dem Bewegen der Schaufel 8 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2, wie mit Bezug auf 9 beschrieben, beschrieben.
• Die Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit 54 erfasst die Konstruktionsflächendaten (Schritt S1).
• Die Positionsdaten-Erfassungseinheit 51 erfasst die Positionsdaten des Schwenkkörpers 2 von der Positions-Berechnungsvorrichtung 20, als Ist-Wert. Ferner erfasst die Winkeldaten-Erfassungseinheit 52 die Winkeldaten und Winkelgeschwindigkeitsdaten des Arbeitsgeräts 1 von der Winkel-Erfassungsvorrichtung 30 als Ist-Werte (Schritt S2).
• Der Fahrer betätigt die Betätigungsvorrichtung 40. Die Betätigungsdaten-Erfassungseinheit 53 erfasst die Betätigungsdaten von der Betätigungsvorrichtung 40. Die Zielwert-Erzeugungseinheit 55 erzeugt den Zielwert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage mindestens der Betätigungsdaten der Betätigungsvorrichtung 40 (Schritt S3).
• Der Zielwert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 enthält einen Zielwert der Fahrgeschwindigkeit der Schaufel 8. Der Zielwert der Bewegungsgeschwindigkeit der Schaufel 8 enthält die Zieltranslationsgeschwindigkeit v_target der Schaufel 8, beschrieben unter Bezugnahme auf 6, und die Zieldrehgeschwindigkeit ω_target der Schaufel 8, beschrieben unter Bezugnahme auf 8. Die Zielwert-Erzeugungseinheit 55 berechnet den Zielwert, der die Zieltranslationsgeschwindigkeit v_target und die Zieldrehgeschwindigkeit ω_target der Schaufel 8 enthält, auf der Grundlage der Betätigungsdaten der Betätigungsvorrichtung 40, der Winkeldaten, die jeden Winkel θ angeben, der sich durch die Betätigung der Betätigungsvorrichtung 40 ändert, und der Winkelgeschwindigkeitsdaten, die den Betrag der Änderung in jedem Winkel θ pro Zeiteinheit angeben, sowie der Konstruktionsflächendaten.
• Die Randbedingungs-Berechnungseinheit 57 berechnet die erste Randbedingung, die sich auf die Leistung des Baggers 100 bezieht, und die zweite Randbedingung, die sich auf die Position der Schaufel 8 bezieht, auf der Grundlage der Betätigungsdaten der Betätigungsvorrichtung 40, der Winkeldaten, die jeden Winkel θ des Arbeitsgeräts 1 angeben, der sich durch den Betrieb der Betätigungsvorrichtung 40 ändert, und der Winkelgeschwindigkeitsdaten, die den Betrag der Änderung jedes Winkels θ pro Zeiteinheit angeben, und der Konstruktionsflächendaten (Schritt S4).
• Die Vorhersageeinheit 562 berechnet auf der Grundlage des Zielwerts des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 und des in der Vorhersagemodell-Speichereinheit 561 gespeicherten Vorhersagemodells den Ansteuerbetrag zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1, um die im Schritt S5 berechnete Randbedingung zu erfüllen, (Schritt S5) .
• Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag des Arbeitsgeräts 1, z. B. auf zehn Schritte im Voraus vom aktuellen Zeitpunkt.
• Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Vorhersagewert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des im Schritt S6 berechneten Ansteuerbetrags und des im Schritt S3 erfassten Ist-Werts (Schritt S6) .
• Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Vorhersagewert der Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitsgeräts 1 und den Vorhersagewert der Position der Schneidekante 9, z. B. auf zehn Schritte im Voraus vom aktuellen Zeitpunkt.
• Die Vorhersageeinheit 562 bestimmt auf der Grundlage der Betätigungsdaten der Betätigungsvorrichtung 40, die das Arbeitsgerät 1 betreibt, ob ein Vorhersagewert einer Schaufelgeschwindigkeit, der so berechnet wird, dass die Schneidekante 9 der Schaufel 8 der Konstruktionsfläche IS folgt, eine maximale Geschwindigkeit überschreitet (Schritt S7).
• Wenn im Schritt S7 bestimmt wird, dass der Vorhersagewert der Schaufelgeschwindigkeit die maximale Geschwindigkeit nicht übersteigt (Schritt S7: Nein), berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag neu, so dass der Vorhersagewert des Betrages der Steuerung seinem Zielwert folgt (Schritt S5).
• Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag neu, um den Wert der durch den Zielwert und den Ist-Wert des Betrages der Steuerung definierten Bewertungsfunktion zu minimieren. Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag neu, um die erste Randbedingung und die zweite Randbedingung zu erfüllen.
• Wenn im Schritt S7 bestimmt wird, dass der Vorhersagewert der Schaufelgeschwindigkeit die maximale Geschwindigkeit übersteigt (Schritt S7: Ja), bestimmt die Bestimmungseinheit 61 auf der Grundlage von Winkeldaten der Schaufel 8, die von der Winkeldaten-Erfassungseinheit 52 erfasst wurden, ob sich die Schaufel 8 dem Ende des Hubs, d. h. dem Ende des Bewegungsbereichs, nähert (Schritt S8).
• Wenn im Schritt S8 bestimmt wird, dass sich die Schaufel 8 nicht dem Ende des Hubs nähert (Schritt S8: Nein), werden der Ausleger 6 und der Arm 7 auf der Grundlage der Betätigung der Betätigungsvorrichtung 40 angetrieben.
• Wenn im Schritt S8 bestimmt wird, dass sich die Schaufel 8 dem Ende des Hubs nähert (Schritt S8: Ja), berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag für die Betätigung des Auslegers 6 zum Anheben neu, um zu verhindern, dass sich die Schaufel 8 dem Ende des Bewegungsbereichs nähert (Schritt S5).
• Wenn im Schritt S8 bestimmt wird, dass sich die Schaufel 8 dem Ende des Hubs nähert (Schritt S8: Ja), bestimmt die Vorhersageeinheit 562, ob die Bewertungsfunktion den Mindestwert aufweist (Schritt S9).
• Die Geschwindigkeit der Schaufel 8 kann die Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung jeder Achse des Arbeitsgeräts 1 oder des Schwenkkörpers 2 sein. Die maximale Geschwindigkeit kann eine Obergrenze sein. Mit anderen Worten, im Schritt S8 kann die Vorhersageeinheit 562 bestimmen, ob ein Vorhersagewert der Winkelbeschleunigung jeder Achse die obere Grenzwinkelbeschleunigung überschreitet.
• Wenn im Schritt S9 bestimmt wird, dass die Bewertungsfunktion nicht den Minimalwert aufweist (Schritt S9: Nein), berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag neu, so dass der Vorhersagewert des Betrages der Steuerung dem Zielwert folgt (Schritt S5).
• Die Vorhersageeinheit 562 wiederholt die Verarbeitung von Schritt S5, Schritt S6, Schritt S7, Schritt S8 und Schritt S9, bis die Bewertungsfunktion den Minimalwert aufweist.
• Wenn im Schritt S9 bestimmt wird, dass die Bewertungsfunktion den Minimalwert aufweist (Schritt S9: Ja), gibt die Befehlseinheit 58 auf der Grundlage des im Schritt S6 berechneten Ansteuerbetrags zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 den Steuerbefehl zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 aus (Schritt S10).
• Wie vorstehend beschrieben, wird der Ansteuerbetrag vom aktuellen Zeitpunkt ausgehend z. B. bis zehn Schritte voraus berechnet. Die Befehlseinheit 58 gibt als Steuerbefehl den im ersten Schritt berechneten Ansteuerbetrag aus den zehn Schritte voraus berechneten Ansteuerbeträgen aus.
• Daher wird, wie mit Bezug auf 9 beschrieben, die Schaufel 8, die sich von der ersten Position P1 zur zweiten Position P2 bewegt, daran gehindert, das Ende des Hubs auf dem Weg zu erreichen. Daher kann sich die Schaufel 8 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 bewegen. Daher ist es möglich, das Konstruktionsziel zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 durch eine einzige Bewegung der Schaufel 8 zu nivellieren.
• [Wirkungen]
• Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Modellvorhersage-Steuerung des Arbeitsgeräts 1 der vorliegenden Ausführungsform, dass die Steuervorrichtung 50 das Arbeitsgerät 1 so steuert, dass unabhängig von dem Zustand auf der Baustelle, der sich unterschiedlich ändern kann, die Schaufel 8 der Konstruktionsfläche folgt.
• Wenn beispielsweise, wie vorstehend beschrieben, die Schaufel 8 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 bewegt wird, um das Konstruktionsziel zu nivellieren, kann die Schaufel 8 das Ende des Hubs erreichen, bevor die Schaufel 8 die zweite Position P2 erreicht. Dies kann ermöglichen, den Boden mit einer einzigen Betätigung der Schaufel 8 zu nivellieren. Außerdem kann sich die Schaufel 8, wenn sie gewaltsam in die zweite Position P2 bewegt wird, unterhalb der Konstruktionsfläche graben.
• In der vorliegenden Ausführungsform kann die Modellvorhersage-Steuerung des Arbeitsgeräts 1 bewirken, dass das Arbeitsgerät 1 den Konstruktionsflächen folgt, selbst wenn auf der Baustelle Konstruktionsflächen mit verschiedenen Formen festgelegt sind oder selbst wenn auf der Baustelle Arbeiten mit verschiedenen Inhalten erforderlich sind. Daher ist es möglich, das Konstruktionsziel in eine gewünschte Form zu bringen und gleichzeitig eine Abnahme der Arbeitseffizienz zu unterdrücken.
• 11 ist eine Grafik, die ein Ergebnis des Vergleichs zwischen der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 durch das Steuerverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform und der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 durch ein Steuerverfahren nach einem Vergleichsbeispiel darstellt. In der in 11 dargestellten Grafik stellt die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse den Abstand zwischen der Schneidekante und der Konstruktionsfläche dar. 11 veranschaulicht den Abstand zwischen der Schneidekante und der Konstruktionsfläche, wenn die Schaufel 8 von der ersten Position P1 in die zweite Position P2 bewegt wird, wie unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
• In 11 zeigt eine Linie La das Ergebnis der Steuerung des Arbeitsgeräts 1, die durch das Steuerverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform gesteuert wird, und eine Linie Lb zeigt das Ergebnis der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 durch das Steuerverfahren gemäß dem Vergleichsbeispiel an. Das Steuerverfahren gemäß dem Vergleichsbeispiel ist ein Steuerverfahren, bei dem eine Rückkopplungssteuerung lediglich auf der Grundlage der Winkeldaten des Arbeitsgeräts 1 durchgeführt wird, ohne die Modellvorhersage-Steuerung durchzuführen.
• Wie in 11 dargestellt, ermöglicht es das Steuerverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform, dass sich die Schaufel 8 entlang der Konstruktionsfläche von der ersten Position P1 bis zur zweiten Position P2 bewegt, ohne unterhalb der Konstruktionsfläche zu graben.
• Wenn sich die Schaufel 8 der zweiten Position P2 nähert, erreicht die Schaufel 8 das Ende des Hubs und folgt nicht mehr der Konstruktionsfläche IS, so dass die Schaufel 8 unterhalb der Konstruktionsfläche IS gräbt und die Konstruktion des Konstruktionsziels in die gewünschte Form verhindert.
• Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Modellvorhersage-Steuerung des Arbeitsgeräts 1 nach der vorliegenden Ausführungsform, dass die Steuervorrichtung 50 das Arbeitsgerät 1 angemessen steuert, so dass sich die Schaufel 8 entlang der Konstruktionsfläche bewegt.
• [Computersystem]
• 12 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Computersystem 1000 nach der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die vorstehend beschriebene Steuervorrichtung 50 enthält das Computersystem 1000. Das Computersystem 1000 enthält einen Prozessor 1001, wie z. B. eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Hauptspeicher 1002, der einen nichtflüchtigen Speicher, wie z. B. einen Festwertspeicher (ROM), und einen flüchtigen Speicher, wie z. B. einen Direktzugriffsspeicher (RAM), enthält, einen Speicher 1003 und eine Schnittstelle 1004, die eine Eingabe/Ausgabeschaltung enthält. Die vorstehend beschriebenen Funktionen der Steuervorrichtung 50 sind in Form von Programmen im Speicher 1003 gespeichert. Der Prozessor 1001 liest ein Programm aus dem Speicher 1003, lädt das Programm in den Hauptspeicher 1002 und führt die vorstehend beschriebene Verarbeitung gemäß dem Programm aus. Man beachte, dass die Programme über ein Netzwerk an das Computersystem 1000 verteilt werden können.
• Das Computersystem 1000 ist eingerichtet, um den Vorhersagewert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des Zielwertes des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 und des Vorhersagemodells für das Arbeitsgerät 1 zu berechnen, den Ansteuerbetrag zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des Vorhersagewertes zu berechnen und den Steuerbefehl zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des Ansteuerbetrags auszugeben.
• [Andere Ausführungsformen]
• In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die Zielwert-Erzeugungseinheit 55 eingerichtet, um die Geschwindigkeit (Translationsgeschwindigkeit und Drehgeschwindigkeit) der Schaufel 8 zu verwenden, um den Zielwert für die Modellvorhersage-Steuereinheit 56 zu erzeugen. Die Zielwert-Erzeugungseinheit 55 kann die Position und Lage der Schaufel 8 verwenden, um den Zielwert für die Modellvorhersage-Steuereinheit 56 zu erzeugen.
• Man beachte, dass in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einige oder alle Funktionen der Steuervorrichtung 50 in einem externen Computersystem für den Bagger 100 vorgesehen sein können. Beispielsweise können die Zielwert-Erzeugungseinheit 55 und die Modellvorhersage-Steuereinheit 56 in dem externen Computersystem vorgesehen sein, so dass der von dem externen Computersystem berechnete Ansteuerbetrag über ein Drahtlos-Kommunikationssystem an den Bagger 100 übertragen wird.
• Man beachte, dass in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Baumaschine 100 der Bagger ist. Die in den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Komponentenelemente sind auf eine Baumaschine mit Arbeitsgerät anwendbar, die sich vom Bagger unterscheidet.
• Man beachte, dass in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Schwenkmotor 16, der zum Schwenken des Schwenkkörpers 2 eingerichtet ist, nicht der Hydraulikmotor sein muss. Der Schwenkmotor 16 kann ein Elektromotor sein, der eingerichtet ist, um durch die Leistungszuführung angetrieben zu werden. Ferner kann das Arbeitsgerät 1 nicht durch den Hydraulikzylinder 10, sondern durch die von einem elektrischen Aktuator, wie z. B. einem Elektromotor, erzeugte Leistung betrieben werden.
• Bezugszeichenliste

1

ARBEITSGERÄT

2

SCHWENKKÖRPER

3

FAHRKÖRPER

3C

RAUPENKETTE

4

KABINE

4

SITZ

5

MOTOR

6

AUSLEGER

7

ARM

8

SCHAUFEL

9

SCHNEIDEKANTE

10

HYDRAULIKZYLINDER

11

AUSLEGERZYLINDER

12

ARMZYLINDER

13

SCHAUFELZYLINDER

14

KIPPZYLINDER

15

DREHZYLINDER

16

SCHWENKMOTOR

17

HYDRAULIKPUMPE

18

VENTILVORRICHTUNG

20

POSITIONS-BERECHNUNGSVORRICHTUNG

21

POSITIONSRECHNER

22

LAGERECHNER

23

ORIENTIERUNGSRECHNER

30

WINKEL-ERFASSUNGSVORRICHTUNG

31

AUSLEGERWINKELDETEKTOR

32

ARMWINKELDETEKTOR

33

SCHAUFELWINKELDETEKTOR

34

NEIGUNGSWINKELDETEKTOR

35

DREHWINKELDETEKTOR

40

BETÄTIGUNGSVORRICHTUNG

41

RECHTER BEDIENHEBEL

42

LINKER BEDIENHEBEL

43

KIPPBEDIENHEBEL

50

STEUERVORRICHTUNG

51

POSITIONSDATEN-ERFASSUNGSVORRICHTUNG

52

WINKELDATEN-ERFASSUNGSEINHEIT

53

BETÄTIGUNGSDATEN-ERFASSUNGSEINHEIT

54

KONSTRUKTIONSFLÄCHEN-ERFASSUNGSEINHEIT

55

ZIELWERT-ERZEUGUNGSEINHEIT

56

MODELLVORHERSAGE-STEUERVORRICHTUNG

57

RANDBEDINGUNGS-BERECHNUNGSEINHEIT

58

BEFEHLSEINHEIT

60

SPEICHEREINHEIT

61

BESTIMMUNGSEINHEIT

70

ENTWURFSFLÄCHENDATEN-ZUFÜHRVORRICHTUNG

100

BAUMASCHINE

200

STEUERSYSTEM

551

ZIELTRANSLATIONSSCHWINDIGKEITS-BERECHNUNGSEINHEIT

551A

TRANSLATIONSGESCHWINDIGKEITS-BERECHNUNGSEINHEIT

551B

GESCHWINDIGKEITSGRENZWERT-BERECHNUNGSEINHEIT

551C

PI-STEUEREINHEIT

551D

VERZÖGERUNGS-VERARBEITUNGSEINHEIT

552

ZIELDREHGESCHWINDIGKEITS-BERECHNUNGSEINHEIT

552A

IST-LAGE-BERECHNUNGSEINHEIT

552B

ZIEL-LAGE-BERECHNUNGSEINHEIT

552C

DREHGESCHWINDIGKEITS-BERECHNUNGSEINHEIT

552D

P-STEUEREINHEIT

561

VORHERSAGEMODELL-SPEICHEREINHEIT

562

VORHERSAGEEINHEIT

AX1

AUSLEGER-ACHSE

AX2

ARMACHSE

AX3

SCHAUFELACHSE

AX4

KIPPACHSE

AX5

DREHACHSE

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2014/167718 A [0003]

Claims (15)

1. Steuersystem für eine Baumaschine, die ein Arbeitsgerät umfasst, wobei das Steuersystem umfasst: eine Zielwert-Erzeugungseinheit, die eingerichtet ist, um einen Zielwert eines Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts zu erzeugen; eine Vorhersageeinheit, die eingerichtet ist, um einen Vorhersagewert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Zielwerts und eines Vorhersagemodells für das Arbeitsgerät zu berechnen und einen Ansteuerbetrag zur Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Vorhersagewerts zu berechnen; und eine Befehlseinheit, die eingerichtet ist, um einen Steuerbefehl zur Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Ansteuerbetrags auszugeben.
2. Steuersystem für die Baumaschine nach Anspruch 1, wobei die Baumaschine eine Vielzahl von Vorrichtungen enthält, die gleiche oder ähnliche Funktionen aufweisen, die Vorhersageeinheit berechnet auf der Grundlage des Zielwertes und des Vorhersagemodells einen Vorhersagewert eines Betätigungsbetrags jeder der Vorrichtungen in einem Funktionsbereich der Vorrichtung, das Steuersystem eine Bestimmungseinheit enthält, die eingerichtet ist, um zu bestimmen, ob eine erste Vorrichtung der Vorrichtungen einen Grenzwert des Funktionsbereichs erreicht, und die Vorhersageeinheit einen Ansteuerbetrag berechnet, um den Betätigungsbetrag einer zweiten Vorrichtung der Vorrichtungen zu steuern, um zu verhindern, dass sich die erste Vorrichtung der Vorrichtungen dem Grenzwert des Funktionsbereichs nähert, wenn bestimmt wird, dass die erste Vorrichtung der Vorrichtungen den Grenzwert des Funktionsbereichs erreichen soll.
3. Steuersystem für die Baumaschine nach Anspruch 2, wobei das Arbeitsgerät eine Vielzahl von relativ zueinander beweglichen Arbeitselementen enthält, die Vorrichtung die Arbeitselemente enthält, und der Funktionsbereich einen Bewegungsbereich jedes der Arbeitselemente enthält.
4. Steuersystem für die Baumaschine nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Baumaschine eine Vielzahl von hydraulischen Aktuatoren enthält, die Vorrichtungen die hydraulischen Aktuatoren enthalten, und der Funktionsbereich einen für jeden der hydraulischen Aktuatoren definierten Hydrauliköl-Zuführbereich enthält.
5. Steuersystem für die Baumaschine nach Anspruch 1, wobei das Arbeitsgerät eine Vielzahl von relativ zueinander beweglichen Arbeitselementen enthält, die Vorhersageeinheit einen Vorhersagewert eines Winkels jedes der Arbeitselemente in einem Bewegungsbereich des Arbeitselements basierend auf dem Zielwert und dem Vorhersagemodell berechnet, das Steuersystem eine Bestimmungseinheit enthält, die eingerichtet ist, um zu bestimmen, ob sich ein erstes Arbeitselement der Arbeitselemente einem Ende des Bewegungsbereichs nähert, und die Vorhersageeinheit einen Ansteuerbetrag berechnet, um einen Winkel eines zweiten Arbeitselements der Arbeitselemente zu steuern, um zu verhindern, dass sich das erste Arbeitselement der Arbeitselemente dem Ende des Bewegungsbereichs nähert, wenn bestimmt wird, dass sich das erste Arbeitselement der Arbeitselemente dem Ende des Bewegungsbereichs nähert.
6. Steuersystem für die Baumaschine nach Anspruch 5, wobei das Arbeitsgerät einen Ausleger, einen Arm und eine Schaufel enthält, das erste Arbeitselement der Arbeitselemente die Schaufel enthält, das zweite Arbeitselement der Arbeitselemente einen oder beide von dem Ausleger und dem Arm enthält, die Baumaschine einen Schwenkkörper enthält, der zum Stützen des Arbeitsgeräts eingerichtet ist, und die Vorhersageeinheit einen Ansteuerbetrag berechnet, um durch eine Betätigungsvorrichtung, die zum Betätigen des Arbeitsgeräts eingerichtet ist, einen Winkel eines oder beider von dem Ausleger und dem Arm, zu steuern, um zu verhindern, dass sich die Schaufel dem Ende des Bewegungsbereichs nähert, wenn bestimmt wird, dass sich die Schaufel dem Ende des Bewegungsbereichs nähert, während die Schaufel von einer ersten Position in eine zweite Position bewegt wird, die näher an dem Schwenkkörper liegt als die erste Position.
7. Steuersystem für die Baumaschine nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Baumaschine eine Vielzahl von hydraulischen Aktuatoren enthält, die eingerichtet sind, um eine Vielzahl der Arbeitselemente jeweils zu betätigen, die Vorhersageeinheit basierend auf dem Zielwert und dem Vorhersagemodell einen Vorhersagewert einer Hydrauliköl-Zuführströmungsrate für jeden der hydraulischen Aktuatoren in einem für den hydraulischen Aktuator definierten Hydrauliköl-Zuführbereich berechnet, das Steuersystem eine Bestimmungseinheit enthält, die eingerichtet ist, um zu bestimmen, ob eine Hydrauliköl-Zuführströmungsrate für einen ersten hydraulischen Aktuator der hydraulischen Aktuatoren einen Grenzwert des Hydrauliköl-Zuführbereichs erreicht, und die Vorhersageeinheit einen Ansteuerbetrag berechnet, um eine Hydrauliköl-Zuführströmungsrate für einen zweiten hydraulischen Aktuator der hydraulischen Aktuatoren zu steuern, um zu verhindern, dass sich eine Hydrauliköl-Zuführströmungsrate für einen ersten hydraulischen Aktuator der hydraulischen Aktuatoren dem Grenzwert des Hydrauliköl-Zuführbereichs nähert, wenn bestimmt wird, dass die Hydrauliköl-Zuführströmungsrate für den ersten hydraulischen Aktuator den Grenzwert des Hydrauliköl-Zuführbereichs erreichen soll.
8. Steuersystem für die Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend eine Betätigungsdaten-Erfassungseinheit, die eingerichtet ist, um Betätigungsdaten einer Betätigungsvorrichtung zu erfassen, die eingerichtet ist, um das Arbeitsgerät zu betätigen, wobei die Zielwert-Erzeugungseinheit den Zielwert auf der Grundlage der Betätigungsdaten erzeugt.
9. Steuersystem für die Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit, die eingerichtet ist, um eine Konstruktionsfläche zu erfassen, die eine Zielform eines Konstruktionsziels angibt, wobei der Betrag der Steuerung eine Position eines vorbestimmten Abschnitts des Arbeitsgeräts enthält, und die Vorhersageeinheit auf der Grundlage des Vorhersagewertes und der Konstruktionsfläche den Ansteuerbetrag so berechnet, dass ein Abstand zwischen einem vorbestimmten Abschnitt des Arbeitsgeräts und der Konstruktionsfläche eingehalten wird.
10. Steuersystem für die Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Betrag der Steuerung eine Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitsgeräts enthält.
11. Steuersystem für die Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vorhersageeinheit den Ansteuerbetrag so berechnet, dass der Vorhersagewert des Betrages der Steuerung dem Zielwert folgt.
12. Steuersystem für die Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vorhersageeinheit den Ansteuerbetrag so berechnet, dass ein Wert einer Bewertungsfunktion, die durch den Zielwert und den Vorhersagewert des Ansteuerbetrags definiert ist, minimiert wird.
13. Steuersystem für die Baumaschine nach Anspruch 12, umfassend eine Randbedingungs-Berechnungseinheit, die eingerichtet ist, um eine erste Randbedingung in Bezug auf die Leistung der Baumaschine und eine zweite Randbedingung in Bezug auf eine Position des Arbeitsgeräts zu berechnen, wobei die Vorhersageeinheit den Ansteuerbetrag berechnet, um die erste Randbedingung und die zweite Randbedingung zu erfüllen.
14. Baumaschine, umfassend: einen Schwenkkörper, der eingerichtet ist, um das Arbeitsgerät zu stützen; und das Steuersystem für die Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Steuerverfahren für eine Baumaschine, die ein Arbeitsgerät umfasst, umfassend: Berechnen eines Vorhersagewerts eines Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts basierend auf einem Zielwert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts und einem Vorhersagemodell für das Arbeitsgerät; Berechnen eines Ansteuerbetrags zur Steuerung des Arbeitsgeräts basierend auf dem Vorhersagewert; und Ausgeben eines Steuerbefehls zur Steuerung des Arbeitsgeräts basierend auf dem Ansteuerbetrag.

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