JP2018021346A - 作業車両の制御システム、制御方法、及び作業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く、且つ、仕上がりの品質の良い掘削作業を行うことができる作業車両の制御システム、制御方法、及び作業車両を提供する。【解決手段】現況地形取得装置は、作業対象の現況地形を示す現況地形情報を取得する。コントローラは、現況地形よりも下方に位置し、傾斜角を有する仮想設計面を決定する。コントローラは、仮想設計面に沿って作業車両の作業機が移動するように作業機への指令信号を生成する。コントローラは、上記の移動に伴い現況地形取得装置により現況地形情報を更新し、更新された現況地形情報により傾斜角を変更する。【選択図】図13

Description

本発明は、作業車両の制御システム、制御方法、及び作業車両に関する。

従来、ブルドーザ、或いはグレーダ等の作業車両において、作業機の位置を自動的に調整する制御が提案されている。例えば、特許文献1では、掘削制御と整地制御とが開示されている。

掘削制御では、ブレードに係る負荷を目標負荷に一致させるように、ブレードの位置が自動調整される。整地制御では、掘削対象の目標形状を示す設計地形に沿ってブレードの刃先が移動するように、ブレードの位置が自動調整される。

特許第5247939号公報

上述した従来の制御によれば、作業機への負荷が過剰に大きくなったときに作業機を上昇させることにより、シュースリップの発生を抑えることができる。これにより、効率良く作業を行うことができる。

しかし、従来の制御では、図15に示すように、まず整地制御によって設計地形100に沿うように作業機が制御される。その後、作業機への負荷が大きくなると、負荷制御によって作業機を上昇させる（図15の作業機の軌跡200参照）。従って、大きな起伏のある地形300を掘削する場合には、作業機に係る負荷が急速に大きくなることで、作業機を急速に上昇させてしまうことがあり得る。その場合、凹凸の大きな地形が形成されることになるため、スムーズに掘削作業を行うことは困難である。また、掘削される地形が荒れ易くなり、仕上がりの品質が低下することが懸念される。

本発明の課題は、効率良く、且つ、仕上がりの品質の良い掘削作業を行うことができる作業車両の制御システム、制御方法、及び作業車両を提供することにある。

第1の局面に係る制御システムは、作業車両の制御システムであって、現況地形取得装置と、コントローラとを備える。現況地形取得装置は、作業対象の現況地形を示す現況地形情報を取得する。コントローラは、現況地形よりも下方に位置し、傾斜角を有する仮想設計面を決定する。コントローラは、仮想設計面に沿って作業車両の作業機が移動するように作業機への指令信号を生成する。コントローラは、上記の移動に伴い現況地形取得装置により現況地形情報を更新し、更新された現況地形情報により傾斜角を変更する。

第2の局面に係る作業車両の制御方法は、以下のステップを備える。第1ステップでは、作業対象の現況地形を示す現況地形情報を取得する。第2ステップでは、現況地形よりも下方に位置する傾斜した仮想設計面を決定する。第3ステップでは、仮想設計面に沿って作業車両の作業機が移動するように作業機への指令信号を生成する。そして、現況地形の更新と前記仮想設計面の決定とを繰り返し行うことで、傾斜角が徐々に小さくなるように仮想設計面が決定される。

第3の局面に係る作業車両は、作業機とコントローラとを備える。コントローラは、作業対象の現況地形よりも下方に位置する傾斜した仮想設計面を決定する。コントローラは、仮想設計面に沿って作業機を移動させる。コントローラは、現況地形の更新と仮想設計面の決定とを繰り返すことで、傾斜角が徐々に小さくなるように仮想設計面を決定する。

本発明によれば、現況地形よりも下方に位置する傾斜した仮想設計面に沿って掘削が行われる。そして、このような仮想設計面に沿った掘削を繰り返すことで、傾斜角が更新されるように仮想設計面が決定される。これにより、作業対象を目標とする形状に徐々に近づけることができる。そのため、大きな凹凸を生成させることなく、スムーズに掘削を行うことができる。また、作業機への負荷が急速に大きくなることが抑えられるので、効率良く、且つ、仕上がりの品質の良い掘削作業を行うことができる。

実施形態に係る作業車両を示す側面図である。 作業車両の駆動系と制御システムとの構成を示すブロック図である。 作業車両の構成を示す模式図である。 掘削作業における作業機の自動制御の処理を示すフローチャートである。 最終設計地形及び現況地形の一例を示す図である。 仮想設計面の傾斜角の算出方法を示す図である。 推定掘削土量の算出方法を示す図である。 現在の保有土量の算出方法を示す図である。 掘削作業における作業機の自動制御の処理を示すフローチャートである。 掘削作業における仮想設計面の一例を示す図である。 運土作業における仮想設計面の一例を示す図である。 上り傾斜における作業車両による作業の一例を示す図である。 上り傾斜における作業車両による作業の一例を示す図である。 下り傾斜における作業車両による作業の一例を示す図である。 従来技術による掘削作業を示す図である。

以下、実施形態に係る作業車両について、図面を参照しながら説明する。図1は、実施形態に係る作業車両1を示す側面図である。本実施形態に係る作業車両1は、ブルドーザである。作業車両1は、車体11と、走行装置12と、作業機13と、を備えている。

車体11は、運転室14とエンジン室15とを有する。運転室14には、図示しない運転席が配置されている。エンジン室15は、運転室14の前方に配置されている。走行装置12は、車体11の下部に取り付けられている。走行装置12は、左右一対の履帯16を有している。なお、図1では、左側の履帯16のみが図示されている。履帯16が回転することによって、作業車両1が走行する。作業車両1の走行は、自律走行、セミ自律走行、オペレータの操作による走行のいずれの形式であってもよい。

作業機13は、車体11に取り付けられている。作業機13は、リフトフレーム17と、ブレード18と、リフトシリンダ19と、アングルシリンダ20と、チルトシリンダ21とを有する。

リフトフレーム17は、車幅方向に延びる軸線Ｘを中心として上下に動作可能に車体11に取り付けられている。リフトフレーム17は、ブレード18を支持している。ブレード18は、車体11の前方に配置されている。ブレード18は、リフトフレーム17の上下動に伴って上下に移動する。

リフトシリンダ19は、車体11とリフトフレーム17とに連結されている。リフトシリンダ19が伸縮することによって、リフトフレーム17は、軸線Ｘを中心として上下に回転する。

アングルシリンダ20は、リフトフレーム17とブレード18とに連結される。アングルシリンダ20が伸縮することによって、ブレード18は、略上下方向に延びる軸線Ｙを中心として回転する。

チルトシリンダ21は、リフトフレーム17とブレード18とに連結される。チルトシリンダ21が伸縮することによって、ブレード18は、略車両前後方向に延びる軸線Ｚを中心として回転する。

図2は、作業車両1の駆動系2と制御システム3との構成を示すブロック図である。図2に示すように、駆動系2は、エンジン22と、油圧ポンプ23と、動力伝達装置24と、を備えている。

油圧ポンプ23は、エンジン22によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ23から吐出された作動油は、リフトシリンダ19と、アングルシリンダ20と、チルトシリンダ21とに供給される。なお、図2では、1つの油圧ポンプ23が図示されているが、複数の油圧ポンプが設けられてもよい。

動力伝達装置24は、エンジン22の駆動力を走行装置12に伝達する。動力伝達装置24は、例えば、HST（Hydro Static Transmission）であってもよい。或いは、動力伝達装置24は、例えば、トルクコンバーター、或いは複数の変速ギアを有するトランスミッションであってもよい。

制御システム3は、操作装置25と、コントローラ26と、制御弁27とを備える。操作装置25は、作業機13及び走行装置12を操作するための装置である。操作装置25は、運転室14に配置されている。操作装置25は、作業機13及び走行装置12を駆動するためのオペレータによる操作を受け付け、操作に応じた操作信号を出力する。操作装置25は、例えば、操作レバー、ペダル、スイッチ等を含む。

例えば、走行装置12用の操作装置25は、前進位置と後進位置と中立位置とに操作可能に設けられる。操作装置25の操作位置が前進位置であるときには、作業車両1が前進するように、走行装置12、或いは動力伝達装置24が制御される。操作装置25の操作位置が後進位置であるときには、作業車両1が後進するように、走行装置12、或いは動力伝達装置24が制御される。

コントローラ26は、取得した情報に基づいて作業車両1を制御するようにプログラムされている。コントローラ26は、例えばCPU等の処理装置を含む。コントローラ26は、操作装置25から操作信号を取得する。コントローラ26は、操作信号に基づいて、制御弁27を制御する。なお、コントローラ26は、一体に限らず、複数のコントローラに分かれていてもよい。

制御弁27は、比例制御弁であり、コントローラ26からの指令信号によって制御される。制御弁27は、リフトシリンダ19、アングルシリンダ20、チルトシリンダ21などの油圧アクチュエータと、油圧ポンプ23との間に配置される。制御弁27は、油圧ポンプ23からリフトシリンダ19と、アングルシリンダ20と、チルトシリンダ21とに供給される作動油の流量を制御する。コントローラ26は、上述した操作装置25の操作に応じて作業機13が動作するように、制御弁27への指令信号を生成する。これにより、リフトシリンダ19と、アングルシリンダ20と、チルトシリンダ21とが、操作装置25の操作量に応じて、制御される。なお、制御弁27は、圧力比例制御弁であってもよい。或いは、制御弁27は、電磁比例制御弁であってもよい。

制御システム3は、リフトシリンダセンサ29を備える。リフトシリンダセンサ29は、リフトシリンダ19のストローク長さ（以下、「リフトシリンダ長Ｌ」という。）を検出する。図3に示すように、コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌに基づいてブレード18のリフト角θliftを算出する。図3は、作業車両1の構成を示す模式図である。

図3では、作業機13の原点位置が二点鎖線で示されている。作業機13の原点位置は、水平な地面上でブレード18の刃先が地面に接触した状態でのブレード18の位置である。リフト角θliftは、作業機13の原点位置からの角度である。

図2に示すように、制御システム3は、位置検出装置31を備えている。位置検出装置31は、作業車両1の位置を測定する。位置検出装置31は、後述の現況地形取得装置の本体である。位置検出装置31は、GNSS(Global Navigation Satellite System)レシーバ32と、IMU 33と、を備える。GNSSレシーバ32は、例えばGPS（Global Positioning System）用の受信機とアンテナである。GNSSレシーバ32のアンテナは、運転室14上に配置される。GNSSレシーバ32は、衛星より測位信号を受信し、測位信号によりアンテナの位置を演算して車体位置情報を生成する。GNSSレシーバ32は、作業車両1の位置を示す車体位置信号をコントローラ26に送信する。コントローラ26は、GNSSレシーバ32から車体位置情報を取得する。

IMU 33は、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit）である。IMU 33は、車体傾斜角情報と車体加速度情報を取得する。車体傾斜角情報は、車両前後方向の水平に対する角度（ピッチ角）、および車両横方向の水平に対する角度（ロール角）を示す。車体加速度情報は、作業車両1の進行方向情報を示す。IMU 33は、作業車両1の姿勢を示す車体傾斜角信号及び進行方向を示す車体加速度信号をコントローラ26に送信する。コントローラ26は、IMU 33から車体傾斜角情報及び車体加速度情報を取得する。

コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌと、車体位置情報と、車体傾斜角情報とから、刃先位置P0を演算する。図3に示すように、コントローラ26は、車体位置情報に基づいて、GNSSレシーバ32のグローバル座標を算出する。コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌに基づいて、リフト角θliftを算出する。コントローラ26は、リフト角θliftと車体寸法情報に基づいて、GNSSレシーバ32に対する刃先位置P0のローカル座標を算出する。コントローラ26は、車体加速度情報から作業車両1の進行方向を算出する。車体寸法情報は、記憶装置28に記憶されており、GNSSレシーバ32に対する作業機13の位置を示す。コントローラ26は、GNSSレシーバ32のグローバル座標と刃先位置P0のローカル座標と車体傾斜角情報とに基づいて、刃先位置P0のグローバル座標を算出する。コントローラ26は、刃先位置P0のグローバル座標を刃先位置情報として取得する。

制御システム3は、記憶装置28を備えている。記憶装置28は、例えばメモリーと補助記憶装置とを含む。記憶装置28は、例えば、RAM、或いはROMなどであってもよい。記憶装置28は、半導体メモリ、或いはハードディスクなどであってもよい。

記憶装置28は、設計地形情報及び作業現場地形情報を記憶している。設計地形情報は、最終設計地形の位置および形状を示す。最終設計地形は、作業現場における作業対象の目標地形である。設計地形情報は、例えば、三次元データ形式の土木施工図である。作業現場地形情報は、作業車両1周囲の作業現場の現況の地形情報である。作業現場地形情報は、例えば、航空レーザ測量で得ることができる三次元データ形式の現況地形測量図である。コントローラ26は、現況地形情報を取得する。現況地形情報は、作業現場における作業対象の現況地形の位置および形状を示す。作業対象の現況地形は、作業車両1の進行方向に沿う領域の地形である。現況地形情報は、作業現場地形情報と上述の位置検出装置31から得られる作業車両1の位置と進行方向とからコントローラ26での演算により取得される。コントローラ26は、現況地形情報と、設計地形情報と、刃先位置情報とに基づいて、作業機13を自動的に制御する。

なお、作業機13の自動制御は、オペレータによる手動操作と合わせて行われる半自動制御であってもよい。或いは、作業機13の自動制御は、オペレータによる手動操作無しで行われる完全自動制御であってもよい。

以下、コントローラ26によって実行される、掘削作業における作業機13の自動制御について説明する。図4は、掘削作業における作業機13の自動制御の処理を示すフローチャートである。

図4に示すように、ステップS101では、コントローラ26は、現在位置情報を取得する。ここでは、コントローラ26は、上述したように、作業機13の現在の刃先位置P0を取得する。

ステップS102では、コントローラ26は、設計地形情報を取得する。図5に示すように、設計地形情報は、作業車両1の進行方向において、所定間隔ごとの複数地点での最終設計地形60の高さZ_designを含む。なお、図5では、最終設計地形60は、水平方向に平行な平坦な形状であるが、これと異なる形状であってもよい。

ステップS103では、コントローラ26は、現況地形情報を取得する。コントローラ26は、記憶装置28より得られる作業現場地形情報と、位置検出装置31より得られる車体の位置情報及び進行方向情報から演算により、現況地形情報を取得する。位置検出装置31とコントローラ26を含んで、現況地形取得装置は構成される。現況地形情報は、作業車両1の進行方向に位置する地形情報である。図5は、現況地形50の断面を示す。なお、図5において、縦軸は、地形の高さを示しており、横軸は、作業車両1の進行方向における現在位置からの距離を示している。

詳細には、現況地形情報は、作業車両1の進行方向において、現在位置から所定の地形認識距離dnまでの複数地点での現況地形50の高さZ0~Znを含む。本実施形態において、現在位置は、作業車両1の現在の刃先位置P0に基づいて定められる位置である。ただし、現在位置は、作業車両1の他の部分の現在位置に基づいて定められてもよい。複数地点は、所定間隔、例えば１ｍごとに並んでいる。

コントローラ26は、刃先位置P0の最新の軌跡を示す位置情報を、作業現場地形情報として取得する。取得された作業現場地形情報により、記憶装置28に記憶されている作業現場地形情報は更新される。従って、位置検出装置31は、最新の地形情報を取得する地形情報取得装置として機能する。

或いは、コントローラ26は、車体位置情報と車体寸法情報とから履帯16の底面の位置を算出し、履帯16の底面の軌跡を示す位置情報を作業現場地形情報として取得してもよい。この場合、作業地形情報更新は即時に行うことができる。或いは、作業現場地形情報は、作業車両1の外部の測量装置によって計測された測量データから生成されてもよい。外部の測量装置として、例えば、航空レーザ測量を用いてよい。この場合、外部の測量装置が地形情報取得装置である。或いは、カメラによって現況地形50を撮影し、カメラによって得られた画像データから作業現場地形情報が生成されてもよい。例えば、UAV(Unmanned Aerial Vehicle)による空撮測量を用いてよい。この場合、カメラを含む画像データ処理システムが地形情報取得装置である。外部の測量装置又はカメラの場合、作業地形情報更新は、所定周期ごと、あるいは随時に行う。

ステップS104では、現況地形50の土量を算出する。ここでは、コントローラ26は、現在位置の高さを基準にした現況地形50の土量を算出する。コントローラ26は、以下の数1式から現況地形50の土量S_volumeを算出する。

本実施形態では、現在位置の高さは、現在の刃先位置P0の鉛直方向に位置する現況地形50の高さZ0である。ただし、現在位置の高さは、現在の刃先位置P0の鉛直方向に位置する現況地形50の高さZ0と異なってもよい。例えば、現在位置の高さは、現在の刃先位置P0の高さであってもよい。或いは、現在位置の高さは、現在の刃先位置P0から履帯16の底面を含む面への垂線の高さZ_GLであってもよい。

なお、土量の算出においては、作業車両１の進行方向における現況地形50の断面積が土量に相当するものとして、作業車両１の幅方向における現況地形50の大きさは考慮しないものとする。ただし、作業車両１の幅方向における現況地形50の大きさを考慮して、土量が算出されてもよい。

ステップS105では、第1開始条件を満たすか否かを判定する。第1開始条件は、以下の条件(1)及び条件(2)を含む。
(1) 現況地形50の土量S_volumeが、所定の起伏判定閾値S_const以上である。
(2) 操作装置25の操作位置が、前進位置である。

コントローラ26は、第1開始条件によって、現況地形50の起伏の有無を判定する。第１開始条件を満たすとは、作業車両1が前進していて、その前進方向に作業対象になりうる地形が存在することを意味する。第1開始条件が満たされているときには、ステップS106に進む。第1開始条件が満たされていないときには、ステップS101に戻る。なお、第1開始条件が満たされるまで、ステップS101からステップS105の処理は、所定周期で繰り返される。

ステップS106では、仮想面70’の傾斜角αを算出する。仮想面70’は、所定条件満足時に仮想設計面を実質的に形成する面である。仮想設計面は、作業車両1による作業における作業機13の刃先目標位置を示す面である。仮想設計面70は角度αで傾斜した仮想面を含む面である。図6は、傾斜角α算出の説明図である。仮想面70’は、簡略化した現況地形50Sよりも下方に位置し、水平方向に対して傾斜角αで傾斜していると傾斜角α算出のために仮定される。図6に記載の水平方向に延びるベースラインは、作業車両1の現在位置の高さにある水平面80を示す。例えば、水平面80は作業車両1の作業機13の刃先P0の高さを持つ。作業車両1の進行方向を含む鉛直面において仮想面70’は直線である。鉛直面における仮想面70は曲線であってもよい。簡略化した現況地形50Sは、現況地形50を棚形状に近似した地形である。簡略化した現況地形50Sは、高さL、傾斜角θ、起点BPを備える。コントローラ26は、仮想面70’より上方に位置する簡略化した現況地形50Sの土量が、所定の目標土量Sとなるように、傾斜角αを決定する。図6に示すように、コントローラ26は、仮想面70’よりも上方に位置する簡略化した現況地形50Sの断面積が目標土量Sとなるように、仮想面70’の傾斜角αを決定する。

詳細には、以下の数2式から、コントローラ26は、傾斜角αを算出する。

Lは簡略化した現況地形50Sの起伏の高さである。例えば、Lは、上述した現況地形50の複数の地点の高さZ0~Znの最大値と最小値との差であってもよい。目標土量Sは、例えばブレードの容量に基づいて決定されてもよい。

θは、簡略化した現況地形50Sの傾斜角である。コントローラ26は、上述した現況地形情報から簡略化した現況地形50Sの傾斜角θを決定する。詳しくは、傾斜角θは現況地形50の複数の地点での傾斜角の最大値である。或いは、傾斜角θは、現況地形50の複数の地点での傾斜角の平均値であってもよい。ここで、傾斜角とは現況地形50内の二点を結ぶ線分の外挿が水平面80と成す角度である。最大の傾斜角（θ）を持つ現況地形の外挿と水平面80の交わる点が起点BPである。傾斜角α算出のための仮想面70’は起点BPを通ると仮定する。

ただし、上述した数2式から算出した傾斜角αが所定の上限値α_maxより大きいときには、コントローラ26は、上限値α_maxを傾斜角αとして決定する。上限値α_maxは、例えば、作業車両1が作業可能な最大掘削角に基づいて定められる値であってもよい。

また、数2式から算出した傾斜角αが所定の下限値α_minより小さいときには、コントローラ26は、下限値α_minを傾斜角αとして決定する。下限値α_minは、例えば、L/dnであってもよい。dnは、上述した地形認識距離である。すなわち、下限値α_minは、現在位置から地形認識距離dn内で仮想面70’が簡略化した現況地形50Sの頂上まで到達可能な傾斜角の下限値であってもよい。本実施形態では、傾斜角αは簡略化した現況地形50Sと目標土量Sとにより算出されるが、本発明は、それに限定されるものではない。傾斜角αは、水平面80と現況地形50と目標土量Sとから、逐次計算により算出してもよい。

ステップS107では、推定保有土量S_sumを算出する。推定保有土量S_sumは、現在位置から、傾斜角αの仮想面70’に沿って掘削したときに作業機13に保有される土量の推定値である。推定保有土量S_sumは、推定掘削土量と現在の保有土量とに基づいて算出される。仮想面70’は、コントローラ26により生成され上述の傾斜角αを持つ仮想平面である。

推定掘削土量は、現在位置から、傾斜角αの仮想面70’に沿って作業機13の刃先を移動させたときに掘削される土量の推定値である。詳細には、推定掘削土量は、図7に示すように、現在位置Zrから延びる傾斜角αの仮想面70’よりも上方に位置する現況地形50の断面積である（図７においてハッチングを付した部分の面積）。

現在位置Zrは、現在の刃先位置P0であってもよい。或いは、現在の刃先位置P0の鉛直方向に位置する現況地形50の位置（Z0）であってもよい。或いは、現在位置Zrは、現在の刃先位置P0から履帯16の底面を含む面への垂線の高さZ_GLであってもよい。

現在の保有土量は、作業機13が現在、保有している土量である。コントローラ26は、例えば、現況地形50と刃先位置P0の軌跡との差分に基づいて、現在の保有土量を算出する。コントローラ26は、図8に示すように、所定時間Δt前の現況地形50の高さZ0’と、現在位置での現況地形50の高さZ0と、所定時間Δt前の刃先位置P0の高さZc’と現在の刃先位置P0の高さZcとで囲まれた断面積ΔScを算出する。そして、コントローラ26は、所定時間Δtごとに算出したΔScを積算した値を、現在の保有土量として算出する。コントローラ26は、推定掘削土量と現在の保有土量との和を推定保有土量S_sumとして算出する。

なお、現在の保有土量は、作業車両1の牽引力から算出されてもよい。例えば、HSＴを備える作業車両1では、HSＴの油圧モータに供給される油圧から牽引力を算出し、算出した牽引力から現在の保有土量を算出してもよい。或いは、作業機13によって搬送されている土の画像情報をカメラによって取得し、コントローラ26は、取得した画像情報から現在の保有土量を算出してもよい。

ステップS108では、第2開始条件を満たすか否かを判定する。第2開始条件は以下の条件(3)を含む。
(3) q1・S＜S_sum
q1は所定の定数である。q1は１より小さい値である。q1は１に近似した値であり、例えば0.9程度の値である。Sは上述した目標土量である。従って、条件(3)は、推定保有土量S_sumが、目標土量Sよりも少ない値から増大して、目標土量Sから決定される第１の保有土量閾値（q1・S）に到達したことを意味する。

第2開始条件が満たされているときには、図9に示すステップS109に進む。第2開始条件が満たされていないときには、ステップS106に戻る。第2開始条件が満たされるまで、ステップS106からステップS108の処理は、所定周期で繰り返される。繰り返される間、作業車両1は走行して移動する。仮想面70’ は、作業車両1から作業車両1の進行方向に傾斜して延びる平面である。仮想面70’は、現在位置Zrを起点として設定される。例えば、仮想面70’は、作業車両1の作業機13先端の刃先位置P0を起点として設定される。設定された傾斜角αの仮想面70’により第2開始条件が満たされるまで、作業車両1の走行、あるいは旋回により作業車両1の位置あるいは進行方向を変える。

ステップS109では、傾斜した第1の仮想設計面70を作成する。第1の仮想設計面70は、第2開始条件が満たされているときの仮想面70’ である。ここでは、図10に示すように、コントローラ26は、現在位置Zrから作業車両1の進行方向に延びる傾斜角αの第1の仮想設計面70を作成する。ただし、傾斜した第1の仮想設計面70が最大高さZ_max以上となる場合には、コントローラ26は、最大高さZ_maxで水平方向に延びる第1の仮想設計面70を作成する。

作業車両1の幅方向については、仮想設計面は、水平方向に延びているものとする。図10においてZ_offsetは、所定のオフセット高さである。オフセット高さZ_offsetは０であってもよい。

ステップS110では、第2開始条件満足時の仮想面70’ である第1の仮想設計面70に沿って作業機13を制御する。ここでは、コントローラ26は、ステップS109で作成した第1の仮想設計面70に沿って作業機13の刃先位置が移動するように、作業機13への指令信号を生成する。生成された指令信号は、制御弁27に入力される。それにより、作業機13の刃先位置P0が第1の仮想設計面70に沿って移動することで、現況地形50の掘削作業が行われる。第2開始条件が満たされると、第１の仮想設計面面70に沿っての作業機13の移動が開始される。作業機13が受ける負荷などの影響により作業機13は上述の指令信号通りに移動できるとは限らないが、説明を簡潔にするために、作業機13は指令信号により仮想設計面に沿って移動するものとする。

ステップS111では、保有土量S_holdを算出する。ここでは、コントローラ26は、上述した保有土量の算出方法と同様にして、保有土量S_holdを算出する。

ステップS112では、第1終了条件を満たすか否かを判定する。第1終了条件は、ステップS111で算出した保有土量S_holdが所定の終了判定閾値より大きいことを含む。終了判定閾値は、上述した目標土量Sであってもよい。或いは、終了判定閾値は、上述した目標土量Sから決定されてもよい。第1終了条件が満たされているときには、ステップS113に進む。

なお、第1終了条件は、現在位置での現況地形50の高さZ0が所定の目標高さZ_targetより大きくなったことを含んでもよい。目標高さZ_targetは、作業機13の推定保有土量を現在位置から進行方向に順に積算したときに、ステップS107で算出した推定保有土量S_sumのt倍の値を最初に超える位置での仮想設計面70の高さである。tは所定の定数であり、1より小さい値である。tは１に近似した値であり、例えば0.95程度の値である。

第1終了条件が満たされていないときにはステップS110に戻る。第1終了条件が満たされるまで、ステップS110からステップS112の処理は、所定周期で繰り返される。

ステップS113では、現況地形50の平滑化を行う。平滑化とは、現況地形50の高さ変化をなだらかにする処理を意味する。ここでは、コントローラ26は、以下の数3式によって現況地形50の複数の地点での高さZ0~Znを平滑化する。

本実施形態では現況地形50の複数の地点での高さ全てを数3式により平滑化したが、現在位置での現況地形50の高さZ0の平滑化は行わないようにしてもよい。その場合、Z1については、Z0とZ1とZ2との平均値を平滑化したZ1の値とする。図11は、平滑化された現況地形50Aを示している。図11において、Z1_sm〜Zn_smは、平滑化された現況地形50Aの高さを示している。

なお、数3式では、5つの地点の高さの平均値により平滑化を行っているが、平滑化に用いる地点の数は５つより少ない、或いは５つより大きくてもよい。また、平滑化の対象となる地点、及び、その前後の地点の高さの平均値に限らず、平滑化の対象となる地点、及び、その前方に位置する地点の高さの平均値が算出されてもよい。或いは、平滑化の対象となる地点、及び、その後方に位置する地点の高さの平均値が算出されてもよい。或いは、平均値に限らず、他の平滑化処理が用いられてもよい。

ステップS114では、現況地形50に沿う仮想設計面を作成する。ここでは、コントローラ26は、平滑化した現況地形50Aに沿う第2の仮想設計面71を作成する。詳細には、図11に示すように、コントローラ26は、平滑化した現況地形50Aを、所定のオフセット量Z_offset、下方に移動させた第2の仮想設計面71を作成する。ただし、第2の仮想設計面71は、最終設計地形60を下方に越えないように設定される。

ステップS115では、第2の仮想設計面71に沿って作業機13を制御する。ここでは、コントローラ26は、ステップS114で作成した第2の仮想設計面71に沿って作業機13の刃先位置P0が移動するように、作業機13への指令信号を生成する。生成された指令信号は、制御弁27に入力される。それにより、作業機13の刃先位置P0が、第2の仮想設計面71に沿って移動することで、運土作業が行われる。

なお、上述したオフセット量Z_offsetは、運土作業においてブレードを現況地形50に押し付けることで、作業機13から漏れる土量を補填するために設定される。オフセット量Z_offsetは、０であってもよい。

ステップS116では、第2終了条件を満たすか否かを判定する。第2終了条件は、作業車両1が所定距離以上、後進したことを含む。第2終了条件が満たされているときには、上述した保有土量S_holdをリセットして、ステップS101に戻る。

第2終了条件が満たされていないときにはステップS113に戻る。第2終了条件が満たされるまで、ステップS113からステップS116の処理は、所定周期で繰り返される。

以上説明した、本実施形態に係る作業車両1の制御システム3によれば、図12(A)に示すように、コントローラ26は、作業車両1の前方の現況地形50に所定の起伏判定閾値S_const以上の土量を有する起伏が有るか否かを判定する。作業車両1の前方に当該起伏が有る場合、すなわち、第1開始条件が満たされたときには、コントローラ26は、作業車両1の現在位置から傾斜角αで延びる仮想面70’を作成する。仮想面70’の傾斜角αは、現況地形50の傾斜角θよりも小さい。

次に、図12(B)は、作業車両1が図12(A)での位置から現況地形50に近づいた位置に移動した状態を示す。図12(B)に示すように、コントローラ26は、仮想面70’に基づいて推定保有土量（図12(B)のハッチング部の面積と現在の保有土量との和）を算出する。そして、コントローラ26は、推定保有土量が概ね目標土量Sと一致しているか否かを判定する。図12(C)は、作業車両1が図12(B)での位置から現況地形50に更に近づいた位置に移動した状態を示す。図12(C)に示すように、推定保有土量が概ね目標土量Sと一致した場合、すなわち、第2開始条件が満たされたときには、コントローラ26は、仮想面70’ を第1の仮想設計面70と認識し、傾斜した第1の仮想設計面70に沿って作業機13が移動するように、作業機13を制御する。これにより、現況地形50の掘削作業が行われる。
なお、図12では、現況地形50として模式化された輪郭が図示されている。同じく図の模式化のため、図12(A)、図12(C)では、図の簡略化のために、現況地形50に対して特異な位置にある仮想（設計）面が記載されているが、上述の説明に対応する仮想（設計）面の位置は、それら特異な位置に限定されるものではない。例えば、作業動作開始を示す図12(C)では、作業機13は地表より離れていてもよい。

次に、図13(A)に示すように、作業機13の保有土量S_holdが目標土量Sより大きくなるか、或いは、現在位置での現況地形50の高さZ0が、目標高さZ_targetに到達したときには、コントローラ26は、現況地形50に沿う第2の仮想設計面71を作成する。そして、コントローラ26は、現況地形50に沿う第2の仮想設計面71に沿って作業機13が移動するように、作業機13を制御する。これにより、図13(B)に示すように、運土作業が行われる。

作業車両1が、所定距離以上、後進すると、作業機13の保有土量S_holdがリセットされる。そして、図12(A)〜(C)及び図13(a)〜(B)に示す作業が繰り返される。作業の繰り返しを同じ作業現場で行う場合、位置検出装置31より得られる作業車両1の車体位置情報により作業現場地形情報を即時に更新できる。この場合、位置検出装置31は地形情報取得装置の機能を果たす。コントローラ26は、更新された作業現場地形情報を基に現況地形50を更新し、更新された現況地形50に基づいて、仮想設計面70,71を新たに決定する。それにより、図13に示されるような同一作業現場では傾斜角αが徐々に小さくなるように第1の仮想設計面70が決定される。その結果、図13(C)に示すように、現況地形50の傾斜が徐々に緩やかになり、最終設計地形60に近づくように、掘削が行われる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

作業車両1は、ブルドーザに限らず、ホイールローダ等の他の車両であってもよい。

作業車両1は、遠隔操縦可能な車両であってもよい。その場合、制御システム3の一部は、作業車両1の外部に配置されてもよい。例えば、コントローラ26は、作業車両1の外部に配置されてもよい。コントローラ26は、作業現場から離れたコントロールセンタ内に配置されてもよい。

操作装置25は、作業車両1の外部に配置されてもよい。その場合、運転室は、作業車両1から省略されてもよい。或いは、操作装置25が作業車両1から省略されてもよい。操作装置25による操作無しで、コントローラ26による自動制御のみによって作業車両1が操作されてもよい。

コントローラ26は、互いに別体の複数のコントローラを有してもよい。例えば、コントローラ26は、作業車両1の外部に配置されるリモートコントローラと、作業車両1に搭載される車載コントローラとを含んでもよい。リモートコントローラと車載コントローラとは無線により通信可能であってもよい。そして、上述したコントローラ26の機能の一部がリモートコントローラによって実行され、残りの機能が車載コントローラによって実行されてもよい。例えば、仮想設計面を決定する処理がリモートコントローラによって実行され、作業機への指令信号を出力する処理が車載コントローラによって実行されてもよい。

上記の実施形態では、コントローラ26は、平滑化された現況地形50Aに基づいて、現況地形50に沿う第2の仮想設計面71を作成している。しかし、コントローラ26は、平滑化を行わずに、現況地形50に沿う第2の仮想設計面71を作成してもよい。

上記の実施形態では、上り傾斜を掘削する場合について説明したが、図14(A)に示すような下り傾斜についても、上記と同様の制御によって掘削作業が行われてもよい。この場合、第1の仮想設計面70の傾斜角αは、上述した数2式により、同様に算出することができる。

下り傾斜では、図14(A)においてハッチングを付した部分の面積が、上述した推定掘削土量として算出されてもよい。保有土量については、上述した保有土量と同様に決定されてもよい。そして、図14(B)に示すように、推定掘削土量と保有土量とを合わせた推定保有土量S_sumが、目標土量Sと概ね一致したときに、コントローラ26は、傾斜した仮想設計面70に沿って作業機13が移動するように、作業機13を制御してもよい。その場合、第2開始条件は以下の条件(4)を含むことが好ましい。
(4)S_sum＜q2・S
q2は所定の定数である。q2は１より大きい値である。q2は１に近似した値であり、例えば1.1程度の値である。従って、条件(4)は、推定保有土量S_sumが、目標土量Sから決定される第2の保有土量閾値（q2・S）に到達したことを意味する。

より詳細には、条件(4)は、推定保有土量S_sumが、目標土量Sを超える土量から減少して、目標土量Sに近似した値（第2の保有土量閾値（q2・S））に到達したことを意味する。なお、上述した条件(3)は、推定保有土量S_sumが目標土量Sより少ない土量から増大して、目標土量Sに近似した値（第1の保有土量閾値（q1・S））に到達したことを意味する。

そして、図14(C)に示すように、作業機13の保有土量S_holdが目標土量Sより大きくなるか、或いは、現在位置での現況地形50の高さZ0が、目標高さZ_targetに到達したときには、コントローラ26は、現況地形50に沿う第2の仮想設計面71を作成してもよい。そして、コントローラ26は、現況地形50に沿う第2の仮想設計面71に沿って作業機13の刃先位置P0が移動するように、作業機13を制御してもよい。

本発明によれば、効率良く、且つ、仕上がりの品質の良い掘削作業を行うことができる作業車両の制御システム、制御方法、及び作業車両を提供することができる。

1 作業車両
3 制御システム
13 作業機
26 コントローラ
31 位置検出装置（現況地形取得装置）

Claims (10)

1. 作業車両の制御システムであって、
   作業対象の現況地形を示す現況地形情報を取得する現況地形取得装置と、
   コントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記現況地形よりも下方に位置し、傾斜角を有する仮想設計面を決定し、
   前記仮想設計面に沿って前記作業車両の作業機が移動するように前記作業機への指令信号を生成し、
   前記移動に伴い前記現況地形取得装置により前記現況地形情報を更新し、
   更新された前記現況地形情報により前記傾斜角を変更する、
   作業車両の制御システム。
2. 前記現況地形の更新と前記仮想設計面の決定とを繰り返し行うことで、傾斜角が徐々に小さくなるように前記仮想設計面を決定する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
3. 前記コントローラは、前記仮想設計面の傾斜角が所定の下限値を下回らないように前記仮想設計面の傾斜角を決定する、
   請求項２に記載の作業車両の制御システム。
4. 前記現況地形情報は、前記作業車両の現在位置から、所定の地形認識距離、離れた地点までの前記現況地形の高さを含み、
   前記コントローラは、前記地形認識距離と前記現況地形の前記高さとから、前記下限値を決定する、
   請求項３に記載の作業車両の制御システム。
5. 前記仮想設計面は、前記作業車両の現在位置から、前記作業車両の進行方向に向かって、前記傾斜角で延びている、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
6. 前記コントローラは、
   所定の終了条件が満たされると、前記現況地形を更新し、
   更新された前記現況地形の傾斜角よりも小さい傾斜角で傾斜した仮想設計面を決定する、
   請求項１から５のいずれかに記載の作業車両の制御システム。
7. 前記終了条件は、前記作業車両が、所定距離以上、後進することを含む、
   請求項６に記載の作業車両の制御システム。
8. 作業車両の制御方法であって、
   作業対象の現況地形を示す現況地形情報を取得することと、
   前記現況地形よりも下方に位置する傾斜した仮想設計面を決定することと、
   前記仮想設計面に沿って前記作業車両の作業機が移動するように前記作業機への指令信号を生成することと、
   を備え、
   前記現況地形の更新と前記仮想設計面の決定とを繰り返し行うことで、傾斜角が徐々に小さくなるように前記仮想設計面を決定する、
   作業車両の制御方法。
9. 作業機と、
   コントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、
   作業対象の現況地形よりも下方に位置する傾斜した仮想設計面を決定し、
   前記仮想設計面に沿って前記作業機を移動させ、
   前記現況地形の更新と前記仮想設計面の決定とを繰り返すことで、傾斜角が徐々に小さくなるように前記仮想設計面を決定する、
   作業車両。
10. 前記作業車両の位置を検出し、前記作業車両の位置情報を前記コントローラに出力する位置検出装置をさらに備え、
    前記現況地形の前記更新は、前記作業車両の前記位置情報により行う、
    請求項９に記載の作業車両。

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