DE112019006451T5 - Steuersystem für baumaschinen, baumaschine und steuerungsverfahren für baumaschinen - Google Patents

Abstract

Steuersystem für eine Baumaschine enthält eine Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit, die eingerichtet ist, um eine Konstruktionsfläche zu erfassen, die eine Zielform eines Konstruktionsziels angibt, eine Zielwert-Erzeugungseinheit, die eingerichtet ist, um einen Zielwert eines Betrages der Steuerung des Arbeitsgerätes zu erzeugen, eine Vorhersageeinheit, die eingerichtet ist, um einen Vorhersagewert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgerätes 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 und der Konstruktionsfläche 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 eine Schaufel eines Arbeitsgerät entlang einer Konstruktionsfläche bewegt, 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 mit hydraulischem Druck betätigt. In einigen Fällen enthält die Konstruktionsfläche eine Vielzahl von Flächen, die unterschiedliche Gradienten aufweisen. Wenn eine Steuerverzögerung verursacht wird, wenn die Schaufel eine Grenze zwischen Flächen mit unterschiedlichen Gradienten passiert, kann die Schaufel möglicherweise der Konstruktionsfläche nicht folgen. Infolgedessen kann die Schaufel unterhalb der Konstruktionsfläche graben, und das Konstruktionsziel wird möglicherweise nicht in die gewünschte Form gebracht.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung nach einem Aspekt ist es, ein Konstruktionsziel in eine gewünschte Form auszugraben.
• Lösung des Problems
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist ein Steuersystem für eine Baumaschine vorgesehen, die ein Arbeitsgerät enthält, wobei das Steuersystem umfasst: eine Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit, die eingerichtet ist, um eine Konstruktionsfläche zu erfassen, die eine Zielform eines Konstruktionsziels angibt; eine Zielwert-Erzeugungseinheit, die eingerichtet ist, um einen Zielwert eines Betrages der Steuerung des Arbeitsgerätes zu erzeugen; eine Vorhersageeinheit, die eingerichtet ist, um einen Vorhersagewert des Betrages der Steuerung des Arbeitsgerätes 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 und der Konstruktionsfläche zu berechnen; und eine Befehlseinheit, die eingerichtet ist, um einen Steuerbefehl zur Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Ansteuerbetrags auszugeben.
• Figurenliste
• Nach dem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Konstruktionsziel in eine gewünschte Form ausgehoben. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• 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 schematisch die Baumaschine nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 4 ist ein Diagramm, das schematisch eine Schaufel nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 5 ist ein Funktionsblockdiagramm, das ein Steuervorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 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 eine Konstruktionsfläche nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Konstruktionsfläche nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 11 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Steuerverfahren für die Baumaschine nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 12 ist eine Grafik, die ein Ergebnis des Vergleichs zwischen der Steuerung des Arbeitsgerätes durch das Steuerverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform und der Steuerung des Arbeitsgerätes durch ein Steuerverfahren nach einem Vergleichsbeispiel darstellt.
• 13 ist eine Grafik, die ein Ergebnis des Vergleichs zwischen der Steuerung des Arbeitsgerätes durch das Steuerverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform und der Steuerung des Arbeitsgerätes durch ein Steuerverfahren nach dem Vergleichsbeispiel darstellt.
• 14 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Computersystem 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 weist einen Ausleger 6, der mit dem Schwenkkörper 2 verbunden ist, einen Arm 7, der mit einem distalen Ende des Auslegers 6 verbunden ist, und eine Schaufel 8, die mit einem distalen Ende des Arms 7 verbunden ist. Die Schaufel 8 weist eine Schneidekante 9. 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 den 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 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 y, 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 Funktionsblockdiagramm, 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 Löffelwinkel 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 einen 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 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.
• $${\text{v}}_{\text{targent}}{=}^{\text{w}}{\text{R}}_1\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left(\text{a}+\text{b}\right)+{\text{j}}_{\text{v}}{\left[\begin{array}{lllll}{\dot{\theta }}_{{\text{ope}}_1}\hfill & 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill & 0\hfill \end{array}\right]}^{\text{T}}$$

  

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

  

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

  

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

  

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

  

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

  
• 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.
• 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.
• $${\mathrm{\omega }}_{\text{target}}^{\text{'}}={\text{R}}_{\text{cur}}\mathrm{\omega }$$

  

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

  

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

  

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

  
• 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 ω_target, 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 von der Zielwert-Erzeugungseinheit 55 erzeugten Zielwerts des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 und eines Vorhersagemodells für das Arbeitsgerät 1. Die Modellvorhersage-Steuereinheit 56 berechnet auf der Grundlage des Vorhersagewerts und der Konstruktionsfläche 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 zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des Vorhersagewerts des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 und der von der Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit 54 erfassten Konstruktionsfläche 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.
• $$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\theta }\left(\text{t}+1\right)\\ \dot{\theta }\left(\text{t}+1\right)\end{array}\right]=\text{A}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)\\ \dot{\theta }\left(\text{t}\right)\end{array}\right]+\text{B}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\tau }\left(\text{t}\right)\\ -{\text{C}}_{\text{o}}\left(\text{t}\right)\\ {\text{C}}_{\text{tay}}\left(\text{t}\right)\end{array}\right]$$

  

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

  

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

  

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

  
• 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 die Bewegungsgeschwindigkeit der Schaufel 8 oder eine Position der Schneidekante 9 der Schaufel 8 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 erfüllt ist.
• Bei der Modellvorhersage-Steuerung wird im Allgemeinen die in der Formel (15) gezeigte Bewertungsfunktion verwendet.
• $$\text{E}\left(\text{t}\right)={\text{E}}_{\text{y}}\left(\text{t}\right)+{\text{E}}_{\text{u}}\left(\text{t}\right)+{\text{E}}_{\Delta \text{u}}\left(\text{t}\right)+{\text{E}}_{\text{c}}\left(\text{t}\right)$$

  
• 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.
• $$\text{E}\left(\text{t}\right)={\displaystyle \sum _{\text{i=1}}^{{\text{H}}_{\text{p}}}\Delta {\text{r}}_{\text{i}}{\left(\text{t}+\text{i}|\text{t}\right)}^{\text{T}}\text{W}\Delta {\text{r}}_{\text{i}}\left(\text{t}+\text{i}|\text{t}\right)+{\text{E}}_{\text{c}}\left(\text{t}\right)}$$

  

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

  
• 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 einen Grenzwert für die Winkel θ, die Winkelgeschwindigkeit, die Winkelbeschleunigung und die Strömungsrate des Hydrauliköls des Arbeitsgeräts 1 auf. So weist z. B. jeder Winkel θ, um den das Arbeitsgerät 1 verfahren wird, einen Grenzwert auf. Ebenso gibt es für die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung des Arbeitsgeräts 1 jeweils einen Grenzwert. Ferner ist die Strömungsrate des von der Hydraulikpumpe 17 abgegebenen Hydrauliköls begrenzt. Wie vorstehend beschrieben, weist der Bagger 100 einen Grenzwert für die Hardware auf. Daher ist es notwendig, die erste Randbedingung, die einen Grenzwert der Hardware des Baggers 100 angibt, 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.
• $${\mathrm{\theta }}_{\text{min}}\le \mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)\le {\mathrm{\theta }}_{\text{max}}$$

  

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

  

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

  

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

  
• Die Randbedingungen der Winkelbeschleunigung sind in 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 Arbeitsgerätes 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.
• $${\text{n}}_{\text{i}}\cdot {\text{p}}_{\text{L}}\left(\text{t}\right)\ge {\text{C}}_{{\text{i}}_{\text{L}}}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)+{\text{C}}_{{\text{tay}}_{{\text{i}}_{\text{L}}}}$$

  

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

  
• 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.
• $$\begin{array}{ll}\hfill & \text{minimiere E}\left(\text{t}\right)\hfill \\ \hfill & \text{v}\left(1\right),\dots ,\text{v}\left(1-\left(\text{H}-1\right)\Delta \text{T}\right)\hfill \\ \text{abhängig von}\hfill & {\mathrm{\theta }}_{\text{min}}\le \mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)\le {\mathrm{\theta }}_{\text{max}}\hfill \\ \hfill & {\dot{\theta }}_{\text{min}}\le \dot{\theta }\left(\text{t}\right)\le {\dot{\theta }}_{\text{max}}\hfill \\ \hfill & {\ddot{\theta }}_{\text{min}}\le {\text{M}}^{-1}\mathrm{\tau }-{\text{M}}^{-1}{\text{C}}_{\text{o}}\le {\ddot{\theta }}_{\text{max}}\hfill \\ \hfill & \text{G}\dot{\theta }\le {\text{Q}}_{{\text{A}}_{\text{max}}}{1}_{32\times 1}\hfill \\ \hfill & {\text{n}}_{\text{i}}\cdot {\text{p}}_{\text{L}}\left(\text{t}\right)={\text{C}}_{{\text{i}}_{\text{L}}}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)+{\text{C}}_{{\text{tay}}_{{\text{i}}_{\text{L}}}}\ge -{\text{d}}_{\text{i}}\hfill \\ \hfill & {\text{n}}_{\text{i}}\cdot {\text{p}}_{\text{R}}\left(\text{t}\right)={\text{C}}_{{\text{i}}_{\text{R}}}\mathrm{\theta }\left(\text{t}\right)+{\text{C}}_{{\text{tay}}_{{\text{i}}_{\text{R}}}}\ge -{\text{d}}_{\text{i}}\hfill \\ \hfill & \left(\text{i}=\mathrm{1,2,}\dots ,{\text{n}}_{\text{p}}\right)\hfill \end{array}$$

  
• 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.
• [Konstruktionsfläche]
• 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Konstruktionsfläche IS nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Wie in 9 dargestellt, umfasst die Konstruktionsfläche IS eine Vielzahl von Flächen, die in einigen Fällen unterschiedliche Gradienten aufweisen. In dem in 9 dargestellten Beispiel enthält die Konstruktionsfläche IS eine erste Fläche F1 und eine zweite Fläche F2, die einen anderen Gradienten als die erste Fläche F1 aufweist. Die zweite Fläche F2 befindet sich an einer Position, die näher am Schwenkkörper 2 liegt als die erste Fläche F1. Sowohl die erste Fläche F1 als auch die zweite Fläche F2 sind nach unten geneigt, so dass sie sich dem Schwingkörper 2 nähern. Der Gradient der ersten Fläche F1 und der Gradient der zweiten Fläche F2 sind voneinander verschieden. Ein Neigungswinkel Fθ1 der ersten Fläche F1 relativ zu einer horizontalen Ebene ist größer als der Neigungswinkel Fθ2 der zweiten Fläche F2 relativ zu der horizontalen Ebene. An der Konstruktionsfläche IS ist ein Winkel Fθ3, der von der ersten Fläche F1 und der zweiten Fläche F2 gebildet wird, kleiner als 180 [°]. Die zweite Fläche F2 ist mit der Unterseite der ersten Fläche F1 verbunden. Die Unterseite der ersten Fläche F1 ist der Fuß der Neigung. Der Fuß der Neigung enthält eine Grenze CP zwischen der ersten Fläche F1 und der zweiten Fläche F2.
• 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Konstruktionsfläche IS nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Wie in 10 dargestellt, enthält die Konstruktionsfläche IS eine Vielzahl von Flächen, die in einigen Fällen unterschiedliche Gradienten aufweisen. In dem in 10 dargestellten Beispiel enthält die Konstruktionsfläche IS die erste Fläche F1 und die zweite Fläche F2, die einen anderen Gradienten als die erste Fläche F1 aufweist. Die zweite Fläche F2 befindet sich an einer Position, die näher am Schwenkkörper 2 liegt als die erste Fläche F1. Sowohl die erste Fläche F1 als auch die zweite Fläche F2 sind nach unten geneigt, so dass sie sich dem Schwenkkörper 2 nähern. Der Gradient der ersten Fläche F1 und der Gradient der zweiten Fläche F2 sind voneinander verschieden. Der Neigungswinkel Fθ1 der ersten Fläche F1 relativ zu einer horizontalen Ebene ist kleiner als der Neigungswinkel Fθ2 der zweiten Fläche F2 relativ zu der horizontalen Ebene. Auf der Konstruktionsfläche IS ist ein Winkel Fθ3, der von der ersten Fläche F1 und der zweiten Fläche F2 gebildet wird, größer als 180 [°]. Die erste Fläche F1 ist mit der Oberseite der zweiten Fläche F2 verbunden. Die Oberseite der zweiten Fläche F2 ist die Oberseite der Neigung. Die Oberseite der Neigung enthält die Grenze CP zwischen der ersten Fläche F1 und der zweiten Fläche F2.
• In den in 9 und 10 dargestellten Beispielen wird das Arbeitsgerät 1 so betätigt, dass ein Zustand, in dem die Schaufel 8 der ersten Fläche F1 zugewandt ist, in einen Zustand übergeht, in dem die Schaufel 8 der zweiten Fläche F2 zugewandt ist. In der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Vorhersageeinheit 562 beim Übergang des Arbeitsgeräts 1 von dem Zustand, in dem das Arbeitsgerät 1 der ersten Fläche F1 zugewandt ist, in den Zustand, in dem das Arbeitsgerät 1 der zweiten Fläche F2 zugewandt ist, den Ansteuerbetrag, um den Abstand zwischen der Schneidekante 9, die der vorbestimmte Abschnitt des Arbeitsgeräts 1 ist, und der Konstruktionsfläche IS sowie die Lage beizubehalten.
• Mit anderen Worten, wenn die Schaufel 8 von dem Zustand, in dem die Schaufel 8 der ersten Fläche F1 zugewandt ist, durch einen Zustand, in dem die Schaufel 8 der Grenze CP zwischen der ersten Fläche F1 und der zweiten Fläche F2 zugewandt ist, in den Zustand übergeht, in dem die Schaufel der zweiten Fläche F2 zugewandt ist, berechnet die Vorhersageeinheit 562 auf der Grundlage des Vorhersagewerts des Betrags der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 und der Konstruktionsfläche IS den Ansteuerbetrag, so dass der Abstand zwischen der Schneidekante 9 der Schaufel 8 und der Konstruktionsfläche IS auf jeder von der ersten Fläche F1, der Grenze CP und der zweiten Fläche F2, auf einem konstanten Wert gehalten wird. Auf jeder von der ersten Fläche F1, der Begrenzung CP und der zweiten Fläche F2 berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag, um die Schneidekante 9 entlang der Konstruktionsfläche IS zu bewegen, so dass die Schaufel 8 nicht unterhalb der Konstruktionsfläche IS gräbt.
• [Steuerverfahren]
• 11 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Steuerverfahren für den Bagger 100 nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
• 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 Bewegungsgeschwindigkeit 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 die Betätigung der Betätigungsvorrichtung 40 ändert, und der Winkelgeschwindigkeitsdaten, die den Betrag der Änderung jedes Winkels θ pro Zeiteinheit angeben, sowie der Konstruktionsflächendaten (Schritt S4).
• Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1, um die im Schritt S4 berechnete Randbedingung zu erfüllen, auf der Grundlage des Zielwerts des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 und des in der Vorhersagemodell-Speichereinheit 561 gespeicherten Vorhersagemodells (Schritt S5).
• Die Vorhersageeinheit 562 berechnet den Ansteuerbetrag des Arbeitsgeräts 1, z. B. auf zehn Schritte vor dem 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 betätigt, ob ein Vorhersagewert einer Schaufelgeschwindigkeit, die so berechnet wird, dass die Schneidekante 9 der Schaufel 8 der Konstruktionsfläche IS folgt, eine maximale Geschwindigkeit überschreitet (Schritt S7).
• Wenn im Schritt S8 bestimmt wird, dass der Vorhersagewert der Schaufelgeschwindigkeit die Höchstgeschwindigkeit nicht übersteigt (Schritt S7: Nein), berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag neu, so dass der Vorhersagewert des Betrages der Steuerung dem Zielwert davon 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 überschreitet (Schritt S7: Ja), bestimmt die Vorhersageeinheit 562, ob die Bewertungsfunktion den minimalen Wert aufweist (Schritt S8).
• 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 S8 bestimmt wird, dass die Bewertungsfunktion nicht den Minimalwert aufweist (Schritt S8: Nein), berechnet die Vorhersageeinheit 562 den Ansteuerbetrag neu, so dass der Vorhersagewert des Betrags der Steuerung dem Zielwert folgt (Schritt S5).
• Die Vorhersageeinheit 562 wiederholt die Verarbeitung von Schritt S5, Schritt S6, Schritt S7 und Schritt S8, bis die Bewertungsfunktion den Minimalwert aufweist.
• Wenn im Schritt S8 bestimmt wird, dass die Bewertungsfunktion den Minimalwert aufweist (Schritt S8: Ja), gibt die Befehlseinheit 58 den Steuerbefehl zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des im Schritt S6 berechneten Ansteuerbetrags zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 aus (Schritt S9).
• Wie vorstehend beschrieben, wird die Ansteuerbetrag vom aktuellen Zeitpunkt aus, z. B. bis zehn Schritte voraus, berechnet. Die Befehlseinheit 58 gibt als Steuerbefehl den im ersten Schritt berechneten Ansteuerbetrag aus den zehn Schritten voraus berechneten Ansteuerbeträgen aus.
• [Wirkungen]
• Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht es die Modellvorhersage-Steuerung des Arbeitsgeräts 1 der Steuervorrichtung 50, das Arbeitsgerät 1 angemessen zu steuern, so dass sich die Schaufel 8 entlang der Konstruktionsfläche bewegt, auch wenn die Konstruktionsfläche IS die erste Fläche F1 und die zweite Fläche F2, die einen von der ersten Fläche F1 verschiedenen Gradienten aufweist, enthält.
• Jede von 12 und 13 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 dem Vergleichsbeispiel darstellt. In der in 12 dargestellten Grafik stellt die horizontale Achse eine Position in der X-Achsenrichtung der der Schaufel 8 und der Konstruktionsfläche IS dar, und die vertikale Achse stellt eine Position in der Z-Achsenrichtung der Schaufel 8 und der Konstruktionsfläche IS dar. 12 stellt ein Beispiel für die Konstruktion der Konstruktionsfläche IS, die den Fuß der Neigung enthält, dar. Die Schaufel 8 bewegt sich in der X-Achsenrichtung von der rechten Seite bis zur linken Seite. In der in 13 dargestellten Grafik stellt die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse die Winkelgeschwindigkeit des Auslegers 6 dar.
• In 12 zeigt eine Linie IS die Konstruktionsfläche IS an, eine Linie La zeigt das Ergebnis der Steuerung des Arbeitsgeräts 1 an, 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 nach dem Vergleichsbeispiel an. In 13 zeigt eine Linie Lc die Betätigungsdaten der vom Fahrer betätigten Betätigungsvorrichtung 40 an, eine Linie Ld zeigt das Ergebnis der Steuerung des Arbeitsgerät 1 an, die durch das Steuerverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform gesteuert wird, und eine Linie Le zeigt das Ergebnis der Steuerung des Arbeitsgerät 1 durch das Steuerverfahren nach dem Vergleichsbeispiel an. Das Steuerverfahren nach 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 12 dargestellt, ermöglicht das Steuerverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform, dass sich die Schaufel 8 entlang der Konstruktionsfläche IS bewegt, ohne unterhalb der Konstruktionsfläche IS zu graben. Mit anderen Worten: In einem Zustand, in dem die Schaufel 8 der ersten Fläche F1 zugewandt ist, ist die Vorhersageeinheit 562 eingerichtet, um die Grenze CP und die zweite Fläche F2 vorherzusagen und das Arbeitsgerät 1 zu steuern. Insbesondere wird, wie in 13 dargestellt, bei dem Steuerverfahren nach dem Vergleichsbeispiel die Abbremsung des Auslegers 6 gestartet, nachdem die Schaufel 8 die Begrenzung CP erreicht hat, die der Fuß der Neigung ist, aber bei dem Steuerverfahren nach der Ausführungsform wird die Abbremsung des Auslegers 6 gestartet, bevor die Schaufel 8 die Begrenzung CP erreicht. Daher wird, wie in 12 dargestellt, die Steuerverzögerung unterdrückt, und die Schaufel 8 kann der Konstruktionsfläche IS folgen.
• Indessen wird bei dem Steuerverfahren nach dem Vergleichsbeispiel, wenn die Schaufel 8 die Begrenzung CP passiert, die Steuerverzögerung deaktiviert, die der Konstruktionsfläche IS folgt, und somit gräbt die Schaufel 8 unterhalb der zweiten Fläche F2 der Konstruktionsfläche IS, was die Konstruktion des Konstruktionsziels in die gewünschte Form verhindert.
• Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht es die Modellvorhersage-Steuerung des Arbeitsgeräts 1 nach der vorliegenden Ausführungsform, die Steuerverzögerung zu unterdrücken, wenn die Schaufel 8 die Begrenzung CP durchläuft, und die Schaufel 8 kann der Konstruktionsfläche IS folgen. Dies ermöglicht es der Steuervorrichtung 50, das Arbeitsgerät 1 so zu steuern, dass das Konstruktionsziel in die gewünschte Form gebracht wird.
• [Computersystem]
• 14 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Computersystem 1000 nach der vorliegenden Ausführungsform darstellt. 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 Zielwerts 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 Vorhersagewerts und der Konstruktionsfläche IS, die die Zielform des Konstruktionsziels angibt, zu berechnen und den Steuerbefehl zur Steuerung des Arbeitsgeräts 1 auf der Grundlage des Ansteuerbetrags auszugeben.
• [Andere Ausführungsformen]
• Man beachte, dass in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einige oder alle Funktionen der Steuervorrichtung 50 in einem externen Computersystem für den Bagger 100 vorgesehen werden können. Beispielsweise können die Zielwert-Erzeugungseinheit 55 und die Modellvorhersage-Steuereinheit 56 in dem externen Rechnersystem vorgesehen sein, so dass der von dem externen Rechnersystem 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 Ausführungsbeispielen beschriebenen Komponentenelemente sind auf eine Baumaschine, die ein Arbeitsgerät enthält, 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

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

CP

GRENZE

F1

ERSTE FLÄCHE

F2

ZWEITE FLÄCHE

IS

KONSTRUKTIONSFLÄCHE

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2014/167718 A [0003]

Claims (9)

1. Steuersystem für eine Baumaschine, die ein Arbeitsgerät enthält, wobei das Steuersystem umfasst: eine Konstruktionsflächen-Erfassungseinheit, die eingerichtet ist, um eine Konstruktionsfläche zu erfassen, die eine Zielform eines Konstruktionsziels angibt; 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 Arbeitsgerätes auf der Grundlage des Vorhersagewerts und der Konstruktionsfläche zu berechnen; und eine Befehlseinheit, die eingerichtet ist, um einen Steuerbefehl zur Steuerung des Arbeitsgerätes auf der Grundlage des Ansteuerbetrags auszugeben.
2. Steuersystem für die Baumaschine nach Anspruch 1, wobei die Konstruktionsfläche eine erste Fläche und eine zweite Fläche, die einen von der ersten Fläche verschiedenen Gradienten aufweist, enthält, wobei, wenn das Arbeitsgerät von einem Zustand, in dem das Arbeitsgerät der ersten Fläche zugewandt ist, in einen Zustand, in dem das Arbeitsgerät der zweiten Fläche zugewandt ist, übergeht, die Vorhersageeinheit den Ansteuerbetrag berechnet, um einen Abstand zwischen einem vorbestimmten Abschnitt des Arbeitsgeräts und der Konstruktionsfläche und eine Lage beizubehalten.
3. Steuersystem für die Baumaschine nach Anspruch 1 oder 2, 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.
4. Steuersystem für die Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Betrag der Steuerung eine Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitsgeräts enthält.
5. Steuersystem für die Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorhersageeinheit den Ansteuerbetrag so berechnet, dass der Vorhersagewert des Betrages der Steuerung dem Zielwert folgt.
6. Steuersystem für die Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorhersageeinheit den Ansteuerbetrag so berechnet, dass ein Wert einer durch den Zielwert und den Vorhersagewert des Betrages der Steuerung definierten Bewertungsfunktion minimiert wird.
7. Steuersystem für die Baumaschine nach Anspruch 6, 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 der Arbeitsgerät zu berechnen, wobei die Vorhersageeinheit den Ansteuerbetrag berechnet, um die erste Randbedingung und die zweite Randbedingung zu erfüllen.
8. Baumaschine, umfassend: einen Schwenkkörper, der eingerichtet ist, um das Arbeitsgerät zu stützen; und das Steuersystem für die Baumaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Steuerverfahren für eine Baumaschine, die ein Arbeitsgerät enthält, umfassend: Berechnen eines Vorhersagewerts eines Betrages der Steuerung des Arbeitsgerätes auf der Grundlage eines Zielwerts des Betrages der Steuerung des Arbeitsgeräts und eines Vorhersagemodells für das Arbeitsgerät; Berechnen eines Ansteuerbetrags zur Steuerung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage des Vorhersagewerts und einer Konstruktionsfläche, die eine Zielform eines Konstruktionsziels angibt; und Ausgeben eines Steuerbefehls zur Steuerung des Arbeitsgerätes auf der Grundlage des Ansteuerbetrags.

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