JP2008008183A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 掘削対象物に接近したときにエンジン回転数を上昇させることにより、エンジン出力が高い状態で掘削動作をスムーズに開始できるようにする。
【解決手段】 自動運転式ホイールローダ１には、ステレオカメラ３８、車輪回転センサ３９、コントローラ５０等を搭載する。そして、コントローラ５０は、車体２を土石Ｇの位置まで走行させた後に、作業装置８を作動させることによって土石Ｇを掘削する。また、コントローラ５０は、車体２が土石Ｇの近傍まで走行したときに、この接近状態をステレオカメラ３８と車輪回転センサ３９とによって検知し、エンジン１５の回転数を通常回転数Ｌ0から高回転数Ｎhに上昇させる。これにより、例えばエンジン出力を抑えて走行しつつ、掘削動作を開始する直前の適切なタイミングでエンジン出力を増大させることができ、作業効率を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動運転式ホイールローダ等として好適に用いられ、走行及び掘削動作を自動的に行う構成とした建設機械に関する。

一般に、建設機械には、オペレータの操作を必要としない自動運転機能を搭載したものがある。このような自動運転式の建設機械としては、例えば走行、掘削から放土に至る一連の動作パターンを記憶することができるコントローラを搭載し、これらの動作を自動的に行うようにした自動運転式ホイールローダが知られている（例えば特許文献１，２参照）。

特開昭６２−１８５９２８号公報 特開平１−１１１９２７号公報

この種の従来技術による自動運転式ホイールローダは、自走可能な車体と、該車体に俯仰動可能に設けられ、アーム及びバケットが油圧シリンダによって作動する作業装置と、前記車体に搭載された動力源となるエンジンと、自動運転制御用のコントローラとによって構成されている。

ここで、コントローラは、車両に搭載された各種のセンサ、電磁アクチュエータ等と接続されており、予め記憶された動作パターンに従って車両の走行・操舵状態、及び作業装置の作動状態を自動的に制御する。これにより、ホイールローダは、オペレータ等が運転操作を行わなくても、例えば作業現場の土石等をバケットによって掘削し、この土石をトラックの荷台等に積込むような自動運転を行うことができる。

ところで、上述した従来技術の自動運転式ホイールローダは、例えば土石等の掘削対象物に向けて車体を自動走行させ、この走行動作によってバケットを土石に突込んだ後に、バケットやアームを作動させて掘削動作を行うことが多い。

この場合、車体が走行するときには、例えばエンジンの出力を比較的抑えた状態でも走行動作が可能であり、その方が経済性も高い。これに対し、土石にバケットを突込む際、及び土石に突込んだバケットを上向きにクラウドさせたり、このバケットに土石を収容した状態でアームを仰動させ、油圧シリンダによって大きな駆動力を発生させるときには、エンジンに高い出力が要求される。

しかし、従来技術の自動運転では、作業効率等を考慮して走行動作から掘削動作へと連続的に移ることが多いので、掘削動作を開始するときのエンジン出力は、例えば車輪のスリップ等を回避するために減速されることはあっても、基本的には走行時とほぼ同様の出力状態に保持される。このため、従来技術では、掘削動作を開始するときにエンジンの出力不足が生じ易くなり、これによって作業効率が低下するという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、車両が走行動作から掘削動作へと移行するときに、エンジンの出力を適切なタイミングで増大させることができ、高負荷の掘削作業等でも円滑に実行できると共に、作業効率を向上できるようにした建設機械を提供することにある。

上述した課題を解決するために本発明は、自走可能な車体と、該車体に俯仰動可能に設けられた作業装置と、前記車体に搭載され前記車体及び前記作業装置の動力源となるエンジンとを備えた建設機械に適用される。

そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、前記車体が掘削対象物に向けて走行するときに前記掘削対象物に接近したか否かを検知する接近検知手段を設け、前記接近検知手段によって前記掘削対象物に接近したことを検知したときに前記エンジンの回転数を通常回転数から高回転数に上昇させるエンジン回転数上昇手段を設ける構成としたことにある。

また、請求項２の発明によると、前記エンジン回転数上昇手段は、前記作業装置による掘削動作が終了したときに前記エンジンの回転数を前記高回転数から前記通常回転数に復帰させる構成としている。

また、請求項３の発明によると、前記接近検知手段は、前記車体が掘削対象物に向けて走行する前に前記車体と掘削対象物との間の距離の初期値を検知する初期位置検知手段と、前記車体が走行するときに走行距離を計測する走行距離計測手段とによって構成し、前記エンジン回転数上昇手段は、前記初期位置検知手段によって検知した前記距離の初期値と前記走行距離計測手段によって計測した前記走行距離とを比較することによって前記掘削対象物に接近したか否かを判定する構成としている。

また、請求項４の発明によると、前記接近検知手段は、レーザ光線によって前記掘削対象物との距離を検知するレーザ式検知手段により構成している。

さらに、請求項５の発明によると、前記接近検知手段は、前記作業装置を構成するアクチュエータに供給される作動油の圧力を検出する圧力センサにより構成している。

請求項１の発明によれば、例えば建設機械を自動運転を行うときには、その車体を土石等の掘削対象物に向けて走行させつつ、エンジンの回転数を通常回転数に保持することができる。これにより、土石等の掘削動作を行わないときには、例えばエンジン回転数を低い回転数に抑えた状態で走行動作を効率よく行うことができ、低騒音で経済性の高い建設機械を実現することができる。また、車体が掘削対象物の近くに達したときには、その接近状態を接近検知手段によって確実に検知することができ、エンジン回転数上昇手段によってエンジンの回転数を高回転数に上昇させることができる。

このため、エンジン回転数上昇手段は、掘削動作を開始する直前の適切なタイミングでエンジン出力を増大させることができ、これによって作業装置を構成するアクチュエータ等の駆動力を大きくすることができる。従って、エンジン出力が高い状態で掘削動作をスムーズに開始することができ、このときにエンジンの応答遅れ等が生じるのを確実に防止できるから、高負荷の掘削作業等であっても効率よく行うことができる。

また、走行動作が終了する直前にエンジン回転数を上昇させることもできるから、例えば作業装置が土石に突込むタイミングでエンジン回転数を上昇させることができ、このタイミングで車体の走行速度を高めることができる。従って、作業装置を大きな慣性力で土石に勢いよく突込むことができ、走行時の慣性力を利用した掘削動作を円滑に行うことができる。

また、請求項２の発明によれば、作業装置による掘削動作が終了したときには、そのアクチュエータに高い駆動力を発生させる必要がないから、エンジンの回転数を通常回転数に復帰させることができる。これにより、掘削動作を行うときにだけエンジン出力を増大させることができ、掘削後の走行動作等は通常回転数で行うことができるから、車両の運転効率や経済性を高めることができる。

また、請求項３の発明によれば、例えば走行動作を開始する前には、初期位置検知手段によって車体と掘削対象物との間の距離の初期値を予め検知しておくことができる。また、車体の走行中には、走行距離計測手段によって走行距離を計測することができる。そして、エンジン回転数上昇手段は、これら距離の初期値と走行距離とを比較することによって掘削対象物に接近したか否かを確実に判定することができる。

また、請求項４の発明によれば、レーザ式検知手段によって掘削対象物との距離を検知しつつ、走行動作を行うことができ、掘削対象物の近くに達したことを確実に把握することができる。また、レーザ式検知手段は、走行中でも掘削対象物との距離を常に正確に検知することができ、例えば路面の凹凸や車体の走行速度等によって検出誤差が生じるのを抑えることができる。従って、作業現場の環境等に影響されることなく、走行経路上の正確な位置でエンジン回転数を上昇させることができ、再現性の高い自動運転を行うことができる。

さらに、請求項５の発明によれば、例えば車体が掘削対象物の近傍まで走行し、作業装置の先端部等が掘削対象物に接触したときには、作業装置のアクチュエータに供給される作動油の圧力が上昇する。従って、圧力センサは、実際の掘削動作が始まる前に、車体が掘削対象物に接近したことを作動油の圧力上昇によって検出することができ、掘削動作が開始されたときには、エンジン出力が高い状態で作業装置をスムーズに作動させることができる。この場合、例えば非接触式のセンサ等を用いなくても、圧力センサによって掘削対象物を容易に検出できるから、検出システムの構造を簡略化することができる。

以下、本発明の実施の形態による建設機械について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

ここで、図１ないし図１１は第１の実施の形態を示し、本実施の形態では、建設機械として自動運転式ホイールローダを例に挙げて説明する。

図中、１は自動運転式のホイールローダ、２は該ホイールローダ１の本体部分を構成する自走可能な車体を示し、この車体２は、後部車体３と、該後部車体３の前部側に左，右に揺動可能に連結された前部車体４と、これらの後部車体３と前部車体４とに設けられた前，後の車輪５とによって大略構成されている。

ここで、後部車体３は、例えば自動運転を解除した場合等にオペレータが搭乗するキャブ６と、後述のエンジン１５、油圧ポンプ１６，１７，１８等の機器とによって構成されている。また、後部車体３と前部車体４との間には、前部車体４を後部車体３に対して左，右方向に揺動させる例えば２本の揺動シリンダ７（図３参照）が設けられている。そして、車体２は、各車輪５によって前，後方向に四輪走行しつつ、前部車体４が左，右方向に揺動することによって走行方向が操舵されるものである。

８は前部車体４に上，下方向に俯仰動可能に設けられた作業装置で、該作業装置８は、図１、図２に示す如く、車両の左，右両側に位置して基端側が前部車体４に俯仰動可能に取付けられた左，右のアーム９Ｌ，９Ｒと、該各アーム９Ｌ，９Ｒの先端側に上，下方向に回動可能に取付けられたバケット１０と、作業装置８のアクチュエータを構成する後述のアームシリンダ１１Ｌ，１１Ｒ、バケットシリンダ１２とにより大略構成されている。

ここで、アーム９Ｌ，９Ｒは、アームシリンダ１１Ｌ，１１Ｒによって上，下方向に俯仰動される。また、バケット１０は、バケットシリンダ１２によって上向きに回動（クラウド）されたり、下向きに回動（ダンプ）される。これにより、作業装置８は、図１０に示す如く、例えば土石Ｇ等の掘削対象物をバケット１０によって掘削し、この土石Ｇをトラックの荷台等に積込んだり、所定の場所に放土するものである。

１１Ｌは前部車体４と左アーム９Ｌとの間との間に伸縮可能に設けられた左アームシリンダを示し、１１Ｒは前部車体４と右アーム９Ｒとの間に伸縮可能に設けられた右アームシリンダを示している。これらのアームシリンダ１１Ｌ，１１Ｒは、互いに車両の左，右両側に離間して配置され、アーム９Ｌ，９Ｒを上，下方向に俯仰動させるものである。

１２は後述のベルクランク１３、リンク１４等を介して前部車体４とバケット１０との間に伸縮可能に設けられたバケットシリンダで、該バケットシリンダ１２は、上，下方向に回動させるものである。この場合、バケットシリンダ１２は、その基端側が前部車体４に回動可能に取付けられている。

また、バケットシリンダ１２の先端側は、ベルクランク１３の基端側に回動可能に連結されている。この場合、ベルクランク１３は細長いリンク部品として形成され、長さ方向の中間部がアーム９Ｌ，９Ｒの間に回動可能に連結されている。そして、ベルクランク１３の先端側は、リンク１４を介してバケット１０に回動可能に連結されている。

次に、図３を参照しつつ、ホイールローダ１の車両に搭載された駆動系統について説明する。まず、１５はホイールローダ１の原動機となるエンジンで、該エンジン１５は、車体２と作業装置８の動力源を構成し、後述の走行用油圧ポンプ１６、傾転用油圧ポンプ１７、作業用油圧ポンプ１８等を駆動するものである。この場合、エンジン１５は、後述のステッピングモータ４８によって回動されるスロットル１５Ａを有し、このスロットル１５Ａの回動角に応じてエンジン回転数Ｎが増減する構成となっている。

１６はエンジン１５の出力側に接続された走行用油圧ポンプで、該走行用油圧ポンプ１６は、例えば可変容量型の油圧ポンプ等によって構成され、後述の走行モータ２５に向けて作動油（圧油）を吐出するものである。この場合、油圧ポンプ１６による作動油の吐出量及び吐出方向は、その可変容量部の傾転量に応じて変化する。そして、油圧ポンプ１６の傾転量は、後述のコントローラ５０により傾転シリンダ２０等を用いて制御される。

１７は後述の走行制御弁２２等を介して傾転シリンダ２０に作動油を供給する傾転用油圧ポンプを示し、１８は車体２の揺動シリンダ７及び作業装置８の各シリンダ１１Ｌ，１１Ｒ，１２に向けて作動油を吐出する作業用油圧ポンプを示している。

これらの油圧ポンプ１６，１７，１８は、タンク１９と共に車両の油圧源を構成しており、エンジン１５によって一緒に駆動される。この場合、エンジン１５で発生される駆動エネルギは、例えば車両の走行状態、作業装置８の作動状態等に応じた割合で各油圧ポンプ１６〜１８に分配される。

また、エンジン１５の駆動エネルギは、油圧ポンプ１６，１７，１８の全体で消費されるエネルギにほぼ等しくなるから、走行用油圧ポンプ１６の傾転量が小さいほど作業用油圧ポンプ１８で消費されるエネルギが大きくなり、この油圧ポンプ１８によって駆動される各シリンダ１１Ｌ，１１Ｒ，１２の駆動エネルギ（駆動力）が増大する。

２０は走行用油圧ポンプ１６の傾転量を制御する傾転シリンダで、該傾転シリンダ２０内には、例えば２つのシリンダ室２０Ａ，２０Ｂを画成するピストン２０Ｃが摺動可能に設けられ、このピストン２０Ｃは油圧ポンプ１６の可変容量部に連結されている。また、シリンダ室２０Ａ，２０Ｂは、傾転用管路２１Ａ，２１Ｂを介して走行制御弁２２の異なる流出ポートにそれぞれ接続されている。

２２は車両の走行状態を制御する走行制御弁で、該走行制御弁２２は、例えば電磁パイロット式の４ポート３位置切換弁等によって構成され、その２つの電磁パイロット部はコントローラ５０に接続されている。また、走行制御弁２２の２つの流入ポートは、傾転用油圧ポンプ１７の吐出側にそれぞれ接続され、各流入ポートのうち一方の流入ポートと油圧ポンプ１７の吐出側との間には、絞り２３、リリーフ弁２４等が設けられている。

そして、走行制御弁２２が中立位置（Ｎ）から前進位置（Ｆ）に切換えられたときには、例えば傾転用管路２１Ａが油圧ポンプ１７の吐出側に直接接続され、他の傾転用管路２１Ｂは絞り２３を介して油圧ポンプ１７の吐出側に接続されることにより、これらの管路２１Ａ，２１Ｂの間に差圧が生じる。この結果、傾転シリンダ２０のピストン２０Ｃがシリンダ室２０Ｂ側に変位し、走行用油圧ポンプ１６の傾転量が前進側で大きくなることにより、油圧ポンプ１６から走行モータ２５に前進方向の作動油が給排される。

また、走行制御弁２２が後進位置（Ｂ）に切換えられたときには、傾転用管路２１Ａが絞り２３を介して油圧ポンプ１７に接続され、他の傾転用管路２１Ｂは油圧ポンプ１７に直接接続されるから、これらの管路２１Ａ，２１Ｂの間には、前進位置（Ｆ）と逆向きの差圧が生じる。この結果、傾転シリンダ２０のピストン２０Ｃがシリンダ室２０Ａ側に変位し、走行用油圧ポンプ１６の傾転量が後進側で大きくなることにより、油圧ポンプ１６から走行モータ２５に後進方向の作動油が給排される。

従って、コントローラ５０は、走行制御弁２２を前進位置（Ｆ）、後進位置（Ｂ）及び中立位置（Ｎ）の何れかに切換えることにより、走行モータ２５を前進方向または後進方向に回転させたり、停止させることができ、車両の走行状態を制御することができる。

２５はトランスミッション２６等を介して各車輪５を回転駆動する走行モータで、該走行モータ２５は、例えば可変容量型の油圧モータ等からなり、その給排ポートは、走行用管路２７Ａ，２７Ｂを介して油圧ポンプ１６に接続されている。また、走行用管路２７Ａ，２７Ｂの間には、クロスオーバーロードリリーフ弁２８、チェック弁２９Ａ，２９Ｂ等が接続され、これらの部材は、例えば特開平５−２６３９２６号公報等に記載された油圧回路とほぼ同様に、走行モータ２５を駆動する油圧閉回路（ＨＳＴ）を構成している。

そして、走行モータ２５の回転数は、走行用油圧ポンプ１６の傾転量（即ち、傾転用管路２１Ａ，２１Ｂ間の差圧）が大きいときに増大し、この傾転量が小さいときに減少するから、車両の走行速度は油圧ポンプ１６の傾転量に応じて増減される。

３０は傾転用管路２１Ａ，２１Ｂの間に開，閉可能に設けられた差圧調整弁で、該差圧調整弁３０は、例えば油圧パイロット式の２位置切換弁等によって構成され、その油圧パイロット部は、走行用油圧ポンプ１６の吐出側（走行用管路２７Ａ）と、作業用油圧ポンプ１８の吐出側（後述の作業用管路３６）とにそれぞれ接続されている。

そして、差圧調整弁３０は、これらの油圧ポンプ１６，１８のうち少なくとも一方のポンプの吐出圧が増大したときに、傾転用管路２１Ａ，２１Ｂの間の差圧を減少させ、走行用油圧ポンプ１６の傾転量を小さくするものである。これにより、車両の走行負荷や作業負荷が大きいときには、油圧ポンプ１６の駆動エネルギを適度に抑えることができる。

３１は傾転用管路２１Ａ，２１Ｂの間に開，閉可能に設けられた傾転量制御弁で、該傾転量制御弁３１は、例えば電磁パイロット式の２ポート２位置切換弁等によって構成され、絞り３２と直列に接続されている。また、傾転量制御弁３１の電磁パイロット部はコントローラ５０に接続されている。そして、コントローラ５０は、傾転量制御弁３１によって走行用油圧ポンプ１６の傾転量を制御することにより、必要に応じて油圧ポンプ１６の負荷や車両の走行速度を調整することができる。

一方、３３は車体２の各揺動シリンダ７を伸縮させる操舵制御弁で、該操舵制御弁３３は、例えば電磁パイロット式の３ポート３位置切換弁等によって構成され、作業用油圧ポンプ１８から各揺動シリンダ７に給排される作動油の方向を切換えるものである。

３４は作業装置８のアームシリンダ１１Ｌ，１１Ｒを伸縮させるアーム制御弁、３５はバケットシリンダ１２を伸縮させるバケット制御弁をそれぞれ示している。これらのアーム制御弁３４とバケット制御弁３５は、操舵制御弁３３とほぼ同様の電磁弁からなり、油圧ポンプ１８から各シリンダ１１Ｌ，１１Ｒ，１２に給排される作動油の方向を切換えるものである。この場合、３個の制御弁３３，３４，３５は、作業用管路３６等によって油圧ポンプ１８の吐出側に接続されている。

また、各制御弁３３〜３５の電磁パイロット部は、コントローラ５０にそれぞれ接続されている。従って、コントローラ５０は、操舵制御弁３３を切換駆動することにより、車両の走行方向を左，右に操舵することができる。また、アーム制御弁３４、バケット制御弁３５を切換駆動することにより、作業装置８を上，下方向に俯仰動させたり、バケット１０をクラウドまたはダンプさせることができる。

次に、図４を参照しつつ、コントローラ５０による制御系統について説明する。まず、３７はホイールローダ１の車両に搭載されたＧＰＳセンサで、該ＧＰＳセンサ３７は、人工衛星等から発射される基準信号（ＧＰＳ信号）を受信し、その受信結果を用いてホイールローダ１の位置を検出するものである。

３８は例えば車体２のキャブ６上に設けられた初期位置検知手段としてのステレオカメラで、該ステレオカメラ３８は、例えば左，右に離間した２つのＣＣＤカメラ（図示せず）を有する撮影装置等によって構成され、これらのＣＣＤカメラで撮影した画像データをコントローラ５０に出力するものである。この場合、左，右のＣＣＤカメラで撮影した画像データは、コントローラ５０によって土石Ｇ、トラック（図示せず）等の目標物を認識したり、これらの目標物と車体２との間の距離を演算するのに用いられる。

そして、ステレオカメラ３８は、後述の車輪回転センサ３９と協働することにより、自動運転で走行する車体２が土石Ｇに接近したか否かを検知する。即ち、ステレオカメラ３８は、例えば車体２が土石Ｇに向けて走行する前に、これらの間の距離の初期値Ｌ0を検出し、この距離の初期値Ｌ0は、走行中に車輪回転センサ３９によって計測された走行距離ｄと比較されることにより、土石Ｇに接近したか否かの判定が行われる。

３９は例えば車輪５またはその回転軸の近傍等に設けられた走行距離計測手段としての車輪回転センサを示し、この車輪回転センサ３９は、例えば車輪５の回転を磁気的または光学的に検出するピックアップ等によって構成されている。そして、車輪回転センサ３９は、例えば車輪５の回転周期に対応するパルス状の検出信号等をコントローラ５０に出力し、コントローラ５０と協働して車体２の走行距離ｄを計測するものである。

４０はエンジン１５またはその近傍等に設けられたエンジン回転センサを示し、該エンジン回転センサ４０は、エンジン１５の出力軸の回転を検出し、この回転に対応するパルス状の検出信号等をコントローラ５０に出力することにより、コントローラ５０と協働してエンジン回転数Ｎを検出するものである。

また、４１は後部車体３に対する前部車体４の揺動角（操舵角）を検出する操舵角センサ、４２はアーム９Ｌ，９Ｒの俯仰動状態を回動角として検出するアーム角度センサ、４３はバケット１０の回動角を検出するバケット角度センサをそれぞれ示している。

この場合、アーム角度センサ４２とバケット角度センサ４３は、例えばポテンショメータ等からなり、コントローラ５０に検出信号を出力する。そして、コントローラ５０は、これらの検出信号を用いて作業装置８の位置（姿勢）を検出する構成となっている。

４４Ａはアーム伸張側圧力センサを示し、該アーム伸張側圧力センサ４４Ａは、例えば左アームシリンダ１１Ｌ（右アームシリンダ１１Ｒでもよい）に設けられた伸張側と縮小側の油室（何れも図示せず）のうち、伸張側の油室に供給される作動油の圧力を検出するものである。この場合、アーム伸張側圧力センサ４４Ａは、例えば左アームシリンダ１１Ｌの近傍、またはその伸張側の油室に作動油を供給する油圧配管等に設けられている。

４４Ｂはアーム縮小側圧力センサを示し、該アーム縮小側圧力センサ４４Ｂは、例えば左アームシリンダ１１Ｌの縮小側の油室に供給される作動油の圧力を検出するものであり、縮小側の油室の近傍、またはこの油室に接続された油圧配管等に設けられている。

また、４５Ａはバケットシリンダ１２の伸張側の油室に供給される作動油の圧力を検出するバケット伸張側圧力センサを示し、４５Ｂはバケットシリンダ１２の縮小側の油室に供給される作動油の圧力を検出するバケット縮小側圧力センサを示している。これらの圧力センサ４５Ａ，４５Ｂも同様に、バケットシリンダ１２の近傍、またはその油圧配管等に設けられている。

そして、アーム伸張側圧力センサ４４Ａ、アーム縮小側圧力センサ４４Ｂ、バケット伸張側圧力センサ４５Ａ及びバケット縮小側圧力センサ４５Ｂは、コントローラ５０にそれぞれ検出信号を出力し、コントローラ５０は、これらの検出信号を用いて作業装置８の負荷状態を検出する構成となっている。また、これら４つの圧力センサ４４Ａ，４４Ｂ，４５Ａ，４５Ｂは、後述する第３の実施の形態において、土石Ｇ等の掘削対象物に接近したことを検知する接近検知手段を構成している。

さらに、４６は車体２に加わる加速度を検出する車体加速度センサを示し、４７は車体２の傾斜状態を検出する車体傾斜センサを示している。そして、コントローラ５０は、車体加速度センサ４６と車体傾斜センサ４７の検出信号を用いることにより、例えば車両の走行状態や走行場所の環境等に応じた制御を行うことができる。

一方、４８はエンジン１５のスロットル１５Ａに連結されたステッピングモータで、該ステッピングモータ４８は、コントローラ５０から入力される制御信号に応じてスロットル１５Ａを回動し、これによってエンジン回転数Ｎを増加または減少させる。また、４９は車体２に搭載されたブレーキ装置（図示せず）を作動させる電磁式のブレーキ用アクチュエータである。

５０はホイールローダ１の車両に搭載されたエンジン回転数上昇手段としてのコントローラを示し、該コントローラ５０は、例えばマイクロコンピュータ等によって構成され、その入力側には、各センサ３７，３９，４０，４１，４２，４３，４４Ａ，４４Ｂ，４５Ａ，４５Ｂ，４６，４７、ステレオカメラ３８等が接続されている。また、コントローラ５０の出力側には、各制御弁２２，３１，３３，３４，３５、ステッピングモータ４８、ブレーキ用アクチュエータ４９等が接続されている。

そして、コントローラ５０は、車輪回転センサ３９、操舵角センサ４１等の検出信号をモニタしつつ、走行制御弁２２、傾転量制御弁３１、操舵制御弁３３、ブレーキ用アクチュエータ４９を駆動することにより、車両の走行・操舵状態をフィードバック制御し、車両を所望の速度で目標位置に移動させることができる。また、アーム角度センサ４２、バケット角度センサ４３等の検出信号をモニタしつつ、アーム制御弁３４、バケット制御弁３５を駆動することにより、作業装置８に所望の姿勢をとらせることができる。

ここで、コントローラ５０の自動運転機能について説明すると、まずコントローラ５０には、ＧＰＳセンサ３７によって検出した自らの車両の位置と、例えば土石Ｇ、トラック等からなる目標物の位置とを基準として、車両を一連の走行パターンで走行させるための走行プログラムが予め記憶されている。また、コントローラ５０には、作業装置８を一連の動作パターンで作動させるための動作プログラムも記憶されている。

そして、自動運転を開始するときには、まず最初に、例えば土石Ｇ、トラック等の映像的な特徴や、これらの位置情報等からなる識別情報をコントローラ５０に予め記憶させておく。これにより、コントローラ５０は、ステレオカメラ３８の画像データ等を用いて目標物を認識し、図６に示すように、目標物との位置関係、距離等を自動的に検知する。

次に、コントローラ５０は、図７、図８に示す如く、作業装置８を予め設定された掘削開始位置Ｓ1に保持し、この状態で車両を土石Ｇに向けて走行させる。この場合、掘削開始位置Ｓ1とは、掘削動作を開始するときにアーム９Ｌ，９Ｒを下向きに俯動し、バケット１０を地面とほぼ平行になるように保持した位置である。

そして、土石Ｇの近傍に達したときには、図９、図１０に示すように所定の掘削動作を行う。この掘削動作では、まずバケット１０を掘削開始位置Ｓ1に保持した状態で土石Ｇに突込ませ、この状態で車体２の走行トルクを増大させることにより、バケット１０を土石Ｇ内に進入させる。次に、土石Ｇを収容したバケット１０をクラウドしつつ、アーム９Ｌ，９Ｒを上向きに仰動させることにより、作業装置８を掘削動作が終了した所定の位置（姿勢）に移動させる。

この所定位置とは、掘削終了位置Ｓ2として予め設定されているもので、例えばアーム９Ｌ，９Ｒ、バケット１０等の回動角としてコントローラ５０に記憶されている。そして、コントローラ５０は、作業装置８を掘削終了位置Ｓ2に保持した状態で、車両をトラックに向けて走行させ、トラックの荷台上で所定の放土動作を行う構成となっている。

一方、コントローラ５０は、自動運転によって走行、掘削、放土等の動作を行うときに、エンジン回転センサ４０の検出信号をモニタしつつ、車両の動作状態等に応じてステッピングモータ４８を作動させることにより、エンジン回転数Ｎが所定の目標回転数となるようにフィードバック制御を行う。

このエンジン制御について説明すると、まず土石Ｇに向けて走行動作を開始する前には、図６に示す如く、ステレオカメラ３８の画像データ等を用いて車体２と土石Ｇとの間の距離の初期値Ｌ0を検知する。そして、図５、図７に示す如く、エンジン回転数Ｎを所定の通常回転数Ｎ0に保持しつつ、土石Ｇに向けて走行動作を開始する。

ここで、通常回転数Ｎ0は、例えば車両が通常の走行速度、走行負荷等で走行するのに十分な回転数として予め設定されている。即ち、エンジン１５が走行用油圧ポンプ１６を通常回転数Ｎ0で駆動するときには、この油圧ポンプ１６によって走行モータ２５に十分な圧力・流量の作動油が給排される。このため、走行モータ２５は通常の走行動作を行うのに十分な駆動力を発生することができる。

また、コントローラ５０は、土石Ｇに向けて走行するときに、車輪回転センサ３９によって車輪５の回転を検出しつつ、車輪５が回転した総回転数をカウントする。そして、車輪５の総回転数と、予め記憶された車輪５の半径（全周長さ）とを用いて車体２の走行距離ｄを計測し、さらに走行距離ｄと、土石Ｇに対する距離の初期値Ｌ0とを比較することにより、土石Ｇに接近したか否かを判定する。

そして、コントローラ５０は、図５、図８に示す如く、車体２が土石Ｇに対して所定の切換設定距離αまで接近したときに、エンジン回転数Ｎを予め定められた高回転数Ｎhに上昇させる。この高回転数Ｎhは、作業装置８が掘削動作を行うのに十分なエンジン出力が得られるように、通常回転数Ｎ0よりも高い回転数に設定されている（Ｎh＞Ｎ0）。即ち、エンジン１５が作業用油圧ポンプ１８を高回転数Ｎhで駆動するときには、この油圧ポンプ１８によって作業装置８の各シリンダ１１Ｌ，１１Ｒ，１２に高圧・大流量の作動油が給排される。これにより、各シリンダ１１Ｌ，１１Ｒ，１２は、土石Ｇから受ける大きな掘削反力や重量等に対して十分な駆動力を発生することができる。

この場合、コントローラ５０によって制御信号が出力されてからエンジン出力が実際に増大するまでの間には、ある程度の時間差（タイムラグ）が存在する。そこで、切換設定距離αは、例えばエンジン回転数の目標値を高回転数Ｎhに切換えてから、実際のエンジン回転数Ｎが高回転数Ｎhに上昇するまでの時間差等に応じて設定され、コントローラ５０に予め記憶されている。

このため、コントローラ５０は、例えばエンジン出力を抑えた状態で土石Ｇに向けて走行しつつ、掘削動作を開始する直前の適切なタイミングでエンジン回転数Ｎを高回転数Ｎhに切換えることができ、土石Ｇの位置に達したときには、エンジン出力が高い状態で掘削動作をスムーズに開始することができる。

さらに、コントローラ５０は、例えば図１０中に実線で示すように掘削動作が終了し、作業装置８を掘削終了位置Ｓ2に移動させたときに、エンジン回転数Ｎを高回転数Ｎhから通常回転数Ｎ0に復帰させる構成となっている。

本実施の形態による自動運転式ホイールローダ１は上述の如き構成を有するもので、次に、図１１を参照しつつ、コントローラ５０の自動運転制御について説明する。

まず、ステップ１では、ステレオカメラ３８の画像データを読込む。そして、ステップ２では、例えばコントローラ５０に予め記憶された識別情報と、読込んだ画像データの情報等とを用いて土石Ｇの認識処理を行う。また、ステップ３では、例えばステレオカメラ３８から入力された左，右の画像データの視差等を利用することにより、土石Ｇに対する距離の初期値Ｌ0を検知する。

次に、ステップ４では、エンジン回転数Ｎを通常回転数Ｎ0に設定し、ステップ５では、土石Ｇに向けて掘削用の走行動作を開始する。そして、ステップ６では、走行中に車輪回転センサ３９の検出信号を読込むことにより、走行動作を開始してからの車輪５の総回転数をカウントする。また、ステップ７では、例えば車輪５の総回転数と、予め記憶された車輪５の全周長さとを乗算することにより、車体２の走行距離ｄを計測、演算する。

次に、ステップ８では、土石Ｇに対する距離の初期値Ｌ0と、走行距離ｄとの差（Ｌ0−ｄ）が切換設定距離α以下になったか否か、即ち車体２が土石Ｇに対して切換設定距離α以上に接近したか否かを判定する。そして、ステップ８で「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ９でエンジン回転数Ｎを高回転数Ｎhに切換える。また、ステップ８で「ＮＯ」と判定したときには、車体２が土石Ｇに接近するまでステップ６〜８を繰返す。

次に、ステップ１０では、土石Ｇの掘削動作を行う。即ち、作業装置８を掘削開始位置Ｓ1に保持しつつ、車両を掘削動作に必要な速度で前進走行させることにより、バケット１０を土石Ｇに突込む。そして、バケット１０によって土石Ｇをすくい上げながら、アーム９Ｌ，９Ｒを掘削終了位置Ｓ2に向けて上向きに仰動する。

また、ステップ１１では、アーム角度センサ４２及びバケット角度センサ４３によってアーム９Ｌ，９Ｒとバケット１０の回動角をそれぞれ検出し、これらの検出値を、コントローラ５０に予め記憶された掘削終了位置Ｓ2での回動角と比較することにより、作業装置８が掘削終了位置Ｓ2に達したか否かを判定する。

そして、ステップ１１で「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ１２でエンジン回転数Ｎを通常回転数Ｎ0に復帰させ、後述のステップ１３に移る。また、ステップ１１で「ＮＯ」と判定したときには、作業装置８が掘削終了位置Ｓ2に達するまで待機する。次に、ステップ１３では、車体２をトラック等の放土場所に向けて走行させ、バケット１０内に収容した土石Ｇを放土した後に、ステップ１４で終了する。

かくして、本実施の形態によれば、ステレオカメラ３８と車輪回転センサ３９とによって車体２が土石Ｇに接近したか否かを検知し、土石Ｇとの接近を検知したときには、コントローラ５０によってエンジン回転数Ｎを通常回転数Ｎ0から高回転数Ｎhに上昇させる構成としている。

これにより、ホイールローダ１の自動運転時には、その車体２を土石Ｇ等の掘削対象物に向けて走行させつつ、エンジン回転数Ｎを通常回転数Ｎ0に保持することができる。これにより、土石Ｇの掘削動作を行わないときには、例えばエンジン回転数Ｎを通常回転数Ｎ0に抑えた状態で走行動作を効率よく行うことができ、低騒音で経済性の高い建設機械を実現することができる。

また、車体２が掘削対象物の近くに達したときには、この接近状態をステレオカメラ３８と車輪回転センサ３９とによって確実に検知することができ、コントローラ５０によってエンジン回転数Ｎを高回転数Ｎhに上昇させることができる。

この場合、走行動作を開始する前には、ステレオカメラ３８によって車体２と土石Ｇとの間の距離の初期値Ｌ0を予め検知しておくことができる。また、車体２の走行中には、車輪回転センサ３９によって走行距離ｄを常に計測することができる。そして、コントローラ５０は、これら距離の初期値Ｌ0と走行距離ｄとを比較することによって土石Ｇに接近したか否かを確実に判定することができる。

このため、コントローラ５０は、掘削動作を開始する直前の適切なタイミングでエンジン出力を増大させることができ、これによって作業装置８の各シリンダ１１Ｌ，１１Ｒ，１２の駆動力を大きくすることができる。従って、エンジン出力が高い状態で掘削動作をスムーズに開始することができ、このときにエンジン１５の応答遅れ等が生じるのを確実に防止できるから、高負荷の掘削作業等であっても効率よく行うことができる。

また、走行動作が終了する直前にエンジン回転数Ｎを上昇させることもできるから、例えば図９に示すように、作業装置８が土石Ｇに突込むタイミングでエンジン回転数Ｎを上昇させることができ、このタイミングで車体２の走行速度を高めることができる。従って、作業装置８を大きな慣性力で土石Ｇに勢いよく突込むことができ、走行時の慣性力を利用した掘削動作を円滑に行うことができる。

一方、作業装置８の掘削動作が終了したときには、各シリンダ１１Ｌ，１１Ｒ，１２に高い駆動力を発生させる必要がないから、エンジン回転数Ｎを通常回転数Ｎ0に復帰させることができる。これにより、掘削動作を行うときにだけエンジン出力を増大させることができ、掘削後の走行動作等は通常回転数Ｎ0で行うことができるから、車両の運転効率や経済性を高めることができる。

次に、図１２ないし図１４は本発明による第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、接近検知手段としてレーザ式検知手段を用いる構成としたことにある。なお、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

５１は例えば車体２のキャブ６上に設けられたレーザ式検知手段としてのレーザ式距離センサで、該レーザ式距離センサ５１は、例えば前方の物体に向けてレーザ光線を発射することにより、その反射波の受信状態に応じて物体と車体２との間の距離を検知し、コントローラ（図示せず）に検出信号を出力するものである。

ここで、レーザ式距離センサ５１の作動時には、センサ５１を水平方向または垂直方向に揺動（スキャン）させることによって掘削対象物を検知する構成としてもよく、このような構成によって検出精度を高めることができる。

次に、図１４を参照しつつ、レーザ式距離センサ５１を用いたコントローラの自動運転制御について説明すると、この自動運転制御では、第１の実施の形態とほぼ同様に、まずステップ２１でステレオカメラ３８の画像データを読込み、ステップ２２で土石Ｇの認識処理を行う。

次に、ステップ２３では、例えば図１２に示すように、土石Ｇから十分に離れた位置でレーザ式距離センサ５１によって距離の検出動作を行い、その検出結果を距離の判定値Ｘ0として読込む。

ここで、距離の判定値Ｘ0とは、例えば車体２の前方の検知可能な距離に土石Ｇが存在しないときに、距離センサ５１によって検出される見かけ上の距離であり、前方に土石Ｇが存在するときの検出距離と比較して、十分に長い距離として設定されるものである。なお、判定値Ｘ0は、必ずしも自動運転時に検出する必要はなく、例えば予め検出した値をコントローラに記憶させておき、その記憶値を自動運転時に用いる構成としてもよい。

次に、ステップ２４では、エンジン回転数Ｎを通常回転数Ｎ0に設定し、ステップ２５では、土石Ｇに向けて掘削用の走行動作を開始する。そして、ステップ２６では、車両を走行させつつ、レーザ式距離センサ５１によって距離Ｘを検出する。

次に、ステップ２７では、レーザ式距離センサ５１によって検出した距離Ｘが判定値Ｘ0よりも小さくなったか否かを判定する。即ち、この判定処理では、土石Ｇが距離センサ５１のレーザ光線を反射する範囲まで接近したか否かを判定するものである。

そして、ステップ２７で「ＹＥＳ」と判定したときには、車両が土石Ｇに十分に接近したので、ステップ２８でエンジン回転数Ｎを高回転数Ｎhに切換える。そして、ステップ２９〜３３では、第１の実施の形態のステップ１０〜１４と同様の処理を行う。また、ステップ２７で「ＮＯ」と判定したときには、車体２が土石Ｇに接近するまでステップ２６，２７を繰返す。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、レーザ式距離センサ５１を用いる構成としたので、このセンサ５１によって土石Ｇとの距離を検知しつつ、走行動作を行うことができ、土石Ｇの近くに達したことを確実に把握することができる。

また、レーザ式距離センサ５１は、走行中でも土石Ｇとの距離を常に正確に検出することができ、例えば路面の凹凸や車体の走行速度等によって検出誤差が生じるのを抑えることができる。従って、作業現場の環境等に影響されることなく、走行経路上の正確な位置でエンジン回転数を上昇させることができ、再現性の高い自動運転を行うことができる。

次に、図１５は本発明による第３の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、接近検知手段として、アームシリンダまたはバケットシリンダに供給される作動油の圧力を検出する圧力センサを用いる構成としたことにある。なお、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

そして、本実施の形態による自動運転制御では、第１の実施の形態とほぼ同様に、まずステップ４１でステレオカメラ３８の画像データを読込み、ステップ４２で土石Ｇの認識処理を行う。

次に、ステップ４３では、コントローラ５０に予め記憶された４つの判定値Ｐ0ｎ（ｎ＝１，２，３，４）を読出す。これらの判定値Ｐ0ｎは、第１の実施の形態で述べたアーム伸張側圧力センサ４４Ａ、アーム縮小側圧力センサ４４Ｂ、バケット伸張側圧力センサ４５Ａ及びバケット縮小側圧力センサ４５Ｂの検出圧力にそれぞれ対応して設定され、アームシリンダ１１Ｌ，１１Ｒとバケットシリンダ１２に供給される作動油の圧力の大小判定を行うものである。

この場合、各判定値Ｐ0ｎは、例えば作業装置８が土石Ｇから離れた位置で無負荷状態となっているときの圧力と、作業装置８が土石Ｇと接触して負荷を受けることにより上昇する圧力とを判別可能な圧力値として設定されている。

次に、ステップ４４では、第１の実施の形態とほぼ同様に、エンジン回転数Ｎを通常回転数Ｎ0に設定し、ステップ４５では掘削用の走行動作を開始する。また、ステップ４６では、車両を走行させつつ、４つの圧力センサ４４Ａ，４４Ｂ，４５Ａ，４５Ｂによって圧力Ｐｎ（ｎ＝１，２，３，４）をそれぞれ検出する。

次に、ステップ４７では、４箇所の圧力Ｐｎが、それぞれに対応する判定値Ｐ0ｎ以上であるか否かを判定する。そして、ステップ４７において、少なくとも何れか１箇所の圧力Ｐｎが判定値Ｐ0ｎ以上となることにより、「ＹＥＳ」と判定したときには、車両が土石Ｇの位置に達してバケット１０の先端部等が土石Ｇと接触し、その負荷によって何れかの圧力Ｐｎが判定値Ｐ0ｎ以上となったと判断することができる。そこで、ステップ４８では、エンジン回転数Ｎを高回転数Ｎhに切換え、ステップ４９〜５３では、第１の実施の形態のステップ１０〜１４と同様の処理を行う。

また、ステップ４７で「ＮＯ」と判定したときには、全ての圧力Ｐｎが判定値Ｐ0ｎよりも小さいので、まだバケット１０の先端部等が土石Ｇと接触しておらず、車両が土石Ｇの位置に達していないと判断し、ステップ４６，４７を繰返しつつ待機する。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、圧力センサ４４Ａ，４４Ｂ，４５Ａ，４５Ｂを用いる構成としたので、例えば車体２が土石Ｇの近傍まで走行し、バケット１０の先端部等が土石Ｇに接触したときには、この接触を圧力センサ４４Ａ，４４Ｂ，４５Ａ，４５Ｂの何れかにより各シリンダ１１Ｌ，１１Ｒ，１２の圧力上昇として確実に検出することができる。

従って、圧力センサ４４Ａ，４４Ｂ，４５Ａ，４５Ｂは、実際の掘削動作が始まる前に、車体２が土石Ｇに接近したことを作動油の圧力上昇によって検知することができ、掘削動作が開始されたときには、エンジン出力が高い状態で作業装置をスムーズに作動させることができる。

また、本実施の形態のように構成することにより、例えば非接触式のセンサ等を用いなくても、圧力センサ４４Ａ，４４Ｂ，４５Ａ，４５Ｂによって掘削対象物を容易に検出できるから、検出システムの構造を簡略化することができる。

なお、前記各実施の形態では、接近検知手段として、ステレオカメラ３８、車輪回転センサ３９、レーザ式距離センサ５１、圧力センサ４４Ａ，４４Ｂ，４５Ａ，４５Ｂ等を用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば超音波によって距離を測定する超音波センサ等を含めて他の接近検知手段を用いる構成としてもよい。

また、第３の実施の形態では、アーム伸張側圧力センサ４４Ａ、アーム縮小側圧力センサ４４Ｂ、バケット伸張側圧力センサ４５Ａ及びバケット縮小側圧力センサ４５Ｂの検出圧力を全て判定処理に用いる構成とした。しかし、本発明は、これら４箇所の圧力のうち１箇所ないし３箇所の圧力だけを判定処理に用いる構成としてもよい。

さらに、実施の形態では、建設機械として自動運転式ホイールローダ１を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えばオペレータが運転操作を行うマニュアル式のホイールローダに適用していもよい。また、本発明は、ホイールローダに限らず、例えばブルドーザ、油圧ショベル、油圧クレーン等にも広く適用できるものである。

本発明の第１の実施の形態による自動運転式ホイールローダを示す正面図である。 図１のホイールローダを上側からみた平面図である。 ホイールローダの駆動系統を示す回路図である。 ホイールローダの制御系統を示す構成図である。 ホイールローダの走行距離とエンジン回転数との関係を示す特性線図である。 ホイールローダが走行動作を開始する前の状態を示す正面図である。 ホイールローダが掘削対象物から離れている状態を示す正面図である。 ホイールローダが掘削対象物に接近した状態を示す正面図である。 ホイールローダが掘削動作を開始する位置に達した状態を示す正面図である。 ホイールローダの掘削開始位置と掘削終了位置とを示す正面図である。 コントローラの自動運転制御を示す流れ図である。 本発明の第２の実施の形態による自動運転式ホイールローダが掘削対象物から離れている状態を示す正面図である。 ホイールローダが掘削対象物に接近した状態を示す正面図である。 コントローラの自動運転制御を示す流れ図である。 本発明の第３の実施の形態による自動運転式ホイールローダの運転制御を示す流れ図である。

符号の説明

１ ホイールローダ（建設機械）
２ 車体
８ 作業装置
９Ｌ，９Ｒ アーム
１０ バケット
１１Ｌ，１１Ｒ アームシリンダ（アクチュエータ）
１２ バケットシリンダ（アクチュエータ）
１５ エンジン
１６ 走行用油圧ポンプ
１７ 傾転用油圧ポンプ
１８ 作業用油圧ポンプ
２０ 傾転シリンダ
２２ 走行制御弁
２５ 走行モータ
３８ ステレオカメラ（初期位置検知手段）
３９ 車輪回転センサ（走行距離計測手段）
４０ エンジン回転センサ
４４Ａ アーム伸張側圧力センサ（接近検知手段）
４４Ｂ アーム縮小側圧力センサ（接近検知手段）
４５Ａ バケット伸張側圧力センサ（接近検知手段）
４５Ｂ バケット縮小側圧力センサ（接近検知手段）
４８ ステッピングモータ
５０ コントローラ（エンジン回転数上昇手段）
５１ レーザ式距離センサ（レーザ式検知手段）
Ｇ 土石（掘削対象物）
Ｎ エンジン回転数
Ｎ0 通常回転数
Ｎh 高回転数
Ｌ0 距離の初期値
ｄ 走行距離
α 切換設定距離
Ｘ 距離
Ｐｎ 圧力

Claims (5)

1. 自走可能な車体と、該車体に俯仰動可能に設けられた作業装置と、前記車体に搭載され前記車体及び前記作業装置の動力源となるエンジンとを備えた建設機械において、
   前記車体が掘削対象物に向けて走行するときに前記掘削対象物に接近したか否かを検知する接近検知手段を設け、
   前記接近検知手段によって前記掘削対象物に接近したことを検知したときに前記エンジンの回転数を通常回転数から高回転数に上昇させるエンジン回転数上昇手段を設ける構成としたことを特徴とする建設機械。
2. 前記エンジン回転数上昇手段は、前記作業装置による掘削動作が終了したときに前記エンジンの回転数を前記高回転数から前記通常回転数に復帰させる構成としてなる請求項１に記載の建設機械。
3. 前記接近検知手段は、前記車体が掘削対象物に向けて走行する前に前記車体と掘削対象物との間の距離の初期値を検知する初期位置検知手段と、前記車体が走行するときに走行距離を計測する走行距離計測手段とによって構成し、前記エンジン回転数上昇手段は、前記初期位置検知手段によって検知した前記距離の初期値と前記走行距離計測手段によって計測した前記走行距離とを比較することによって前記掘削対象物に接近したか否かを判定する構成としてなる請求項１または２に記載の建設機械。
4. 前記接近検知手段は、レーザ光線によって前記掘削対象物との距離を検知するレーザ式検知手段である請求項１または２に記載の建設機械。
5. 前記接近検知手段は、前記作業装置を構成するアクチュエータに供給される作動油の圧力を検出する圧力センサである請求項１または２に記載の建設機械。
   

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