JP2019049150A - 作業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】動的作業中の作業車両の転倒可能性を高い精度で検出する。【解決手段】車体傾斜角を検出する車体傾斜角センサ２０６と、車体傾斜角に基づき車体の姿勢を制御する制御装置と、を備えた作業車両において、前フレーム１０１と後フレーム１０２とが成す屈曲角を検出する屈曲角センサ２０４と、速度を検出する速度センサ２０５と、を備え、制御装置は、屈曲角および速度に基づき、車体慣性力を算出する慣性力算出部２０８と、寸法及び重量により算出された作業車両の重心点と、車体慣性力と、車体傾斜角とに基づき、慣性力と車体に働く重力との合力の延長線が車両支持面と交差する点である支持力作用点３０７を算出する作用点算出部２０９と、前輪１０４および後輪１０５が車両支持面と接する点を結んだ支持範囲と算出された支持力作用点３０７とに基づいて横転可能性を判定し判定結果を出力する判定部２１１と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、作業機と屈曲部とを有するホイールローダ等の屈曲式作業車両の安全技術に関する。特に、傾斜地での作業中の安全技術に関する。

傾斜地で作業中の作業車両の転倒を防止する技術がある。例えば、特許文献１には、「材料を積んだバケットを所定の高さに構えて材料置き場の既存の材料山に向けて車両を前進させ、バケットが材料山に衝突することをバケットおよびブームに加わる負荷を監視することで検出し、前記衝突を検出したならばバケットを上昇させて所定距離だけさらに前進させ、その位置でバケットをダンプさせて材料を材料山の上に投下させるとともに、材料山に向けて車両を前進させている過程で、材料山の裾野に車両が乗り上げることを車両の傾斜角を監視することで検出し、車両の設定以上の傾斜を検出した場合には、その位置でバケットを所定高さにしてダンプさせて材料を材料山の上に投下させる（要約抜粋）。」技術が開示されている。

特開平６−２８０２８８号公報

土砂の掘削、積み込み作業を行う作業車両であるホイールローダは、積荷となる土砂を一時的に保管しておくストックパイル（貯蔵盛り土）を整形するため、土砂をバケット内に積み込んだ状態でストックパイルの急坂を登板する場合がある。この場合、積荷の重量や高さ、車両の傾斜具合などによっては車両全体のバランスが崩れ、不安定になったり、横転したりすることがある。

特許文献１に開示の技術では、車両がストックパイルの裾野に乗り上げたか否かを車両の傾斜角を監視することで検出する。そして、その傾斜角が設定以上になった場合排土動作を行う。このため、車両がどの程度不安定な状況にあるかをストックパイルの裾野形状などの環境の違いに応じて適切に判定できないことがある。

また、上記のような従来技術では静的な傾斜角を監視することで乗り上げを検出するのみである。従って、例えば、操舵操作による遠心力や制駆動操作による加速度などで生じる動的な不安定性については考慮されていない。このため、走行中や作業中等の車両の場合、転倒可能性の判断精度が高くない。

本発明は、上記従来の課題に鑑み、動的作業中の屈曲式作業車両の転倒可能性を高い精度で検出する技術を提供することを目的とする。

本発明は、前フレームと後フレームとが互いにセンターピンにより結合され、シリンダの駆動により屈曲するように設けられた車体と、前記前フレームに設けられた前輪と、前記後フレームに設けられた後輪と、前記前フレームに設けられた作業機と、路面に対する前記車体の傾斜角である車体傾斜角を検出する車体傾斜角センサと、前記車体傾斜角センサで検出した車体傾斜角に基づき前記車体の姿勢を制御する制御装置と、を備えた作業車両において、前記前フレームと前記後フレームとが成す屈曲角を検出する屈曲角センサと、前記作業車両の速度を検出する速度センサと、を備え、前記制御装置は、前記屈曲角センサにより検出された屈曲角および前記速度センサにより検出された速度に基づき、前記車体に働く慣性力である車体慣性力を算出する慣性力算出部と、予め記憶された前記車体の寸法及び重量により算出された前記作業車両の重心点と、前記慣性力算出部により算出された車体慣性力と、前記車体傾斜角センサにて検出した車体傾斜角とに基づき、前記慣性力と前記車体に働く重力との合力の延長線が車両支持面と交差する点を、支持力作用点として算出する作用点算出部と、前記前輪および前記後輪が前記車両支持面と接する点を結んで形成される支持多角形によって規定される支持範囲と前記作用点算出部により算出された支持力作用点とに基づいて横転可能性を判定し、判定結果を出力する判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、動的作業中の屈曲式作業車両の転倒可能性を高精度に検出できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第一の実施形態のホイールローダの側面図である。 第一の実施形態の横転防止装置の機能ブロック図である。 （ａ）および（ｂ）は、第一の実施形態の横転判定手法を説明するための説明図である。 第二の実施形態の横転防止装置の機能ブロック図である。 第三の実施形態の横転防止装置の機能ブロック図である。 （ａ）および（ｂ）は、第三の実施形態の横転判定手法を説明するための説明図である。 第三の実施形態の判定処理のフローチャートである。 第四の実施形態の横転防止装置の機能ブロック図である。 第四の実施形態の影響度算出手法を説明するための説明図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

また、以下、本明細書では、屈曲式作業車両として、ホイールローダを例にあげて説明する。

＜＜第一の実施形態＞＞
本実施形態では、車両の横転（転倒）可能性の判定に、車体の傾斜量に加え、車両の走行状態に応じた慣性力を考慮する。慣性力は、車両の加速、減速、旋回等の状態量から算出される加速度を用いて算出する。算出や判定に用いる車体の重心には、設計値を用いる。

まず、本実施形態のホイールローダを説明する。図１は、本実施形態のホイールローダ１００の側面図である。本図に示すように、ホイールローダ１００は、前輪１０４および後輪１０５を備える車輪式の作業車両である。ホイールローダ１００は、その車体として、作業機１３０を備える前フレーム１０１と、運転席１１３やエンジンを備える後フレーム１０２とを備える。

前フレーム１０１と後フレーム１０２とは、センターピン１０３により屈曲可能に接続される。前フレーム１０１と後フレーム１０２との成す角度である屈曲角は、屈曲用油圧シリンダ１１２により制御される。

ホイールローダ１００は、前フレーム１０１および後フレーム１０２にそれぞれ固定された前輪１０４および後輪１０５を駆動して前後に走行する。また、センターピン１０３を中心とした車体の屈曲によって前輪１０４および後輪１０５に角度を付けることで操舵を行う。このとき、屈曲角の制御によって旋回半径を自由に設定することができる。

運転席１１３の操縦者はアクセルペダルやブレーキペダルによって制駆動力を、ハンドルによって屈曲角を制御する。

ホイールローダ１００の前フレーム１０１に設けられる作業機１３０は、積荷を載せたり掘削を行ったりする。作業機１３０は、リフトアーム１０７と積荷を載せる積載部であるバケット１０９とを備える。リフトアーム１０７およびバケット１０９は、それぞれ、支点１０６および支点１０８を回転中心に回動可能に設置される。

リフトアーム１０７は、支点１０６で前フレーム１０１に接続される。リフトアーム１０７は、その回転角を油圧シリンダ１１０により支持することで、バケット１０９の荷重を支えると共に高さを変化させる。バケット１０９は、支点１０８でリフトアーム１０７に接続される。バケット１０９も、リフトアーム１０７と同様に、その回転角を図示しない油圧シリンダにより可変できる。この構成により、積載部であるバケット１０９の高さや角度は、自由に操作される。

また、本実施形態のホイールローダ１００は、リフト角検出センサ２０１と、バケット角検出センサ２０２と、積荷荷重検出センサ２０３と、車体屈曲角検出センサ２０４と、車体速度検出センサ２０５と、車体傾斜角検出センサ２０６とを備える。

リフト角検出センサ２０１は、リフトアーム１０７の、前フレーム１０１に対する角度（リフト角）を検出する。リフト角検出センサ２０１は、例えば、支点１０６に設けられる。

バケット角検出センサ２０２は、バケット１０９の、リフトアーム１０７に対する角度（バケット角）を検出する。バケット角検出センサ２０２は、例えば、支点１０８に設けられる。

リフト角検出センサ２０１とバケット角検出センサ２０２とにより、積荷を乗せる積載部（バケット１０９）の位置および姿勢が検出される。

積荷荷重検出センサ２０３は、バケット１０９の重量を検出する。積荷荷重検出センサ２０３は、例えば、油圧シリンダ１１０に設置される。リフトアーム１０７および積荷を載せたバケット１０９は支点１０６で前フレーム１０１に接続され、油圧シリンダ１１０により支持することでバケット１０９の荷重を支える。このため、油圧シリンダ１１０に設置された積荷荷重検出センサ２０３によってその荷重を検出することができる。積荷荷重検出センサ２０３には、例えば、油圧シリンダ１１０のボトム側（荷重を支える側）のシリンダ圧を計測する圧力センサなどが用いられる。

車体屈曲角検出センサ２０４は、屈曲角を検出する。車体屈曲角検出センサ２０４は、例えば、センターピン１０３または屈曲用油圧シリンダ１１２に設けられる。車体屈曲角検出センサ２０４は、例えば、センターピン１０３の回転角を検出するロータリーエンコーダで実現される。また、センターピン１０３の左右に設けられる屈曲用油圧シリンダ１１２それぞれのシリンダ長を検出し、屈曲角に変換する検出器であってもよい。

車体速度検出センサ２０５は、ホイールローダ１００の速度を検出する。車体速度検出センサ２０５は、例えば、後輪１０５に設けられ、車輪の回転速度を検出し、速度に換算する。

車体傾斜角検出センサ２０６は、ホイールローダ１００の車体の傾斜角を検出する。車体傾斜角検出センサ２０６は、例えば、後フレーム１０２の運転席１１３の下部等に設けられる。

なお、リフト角検出センサ２０１と、バケット角検出センサ２０２と、積荷荷重検出センサ２０３とは、本実施形態の後述する横転検出装置では用いない。このため、本実施形態では、これらのセンサを備えなくてもよい。

また、図中、ｘ、ｚで示すように、本実施形態では、重力方向と逆方向をｚ方向とし、ｚ方向に直交する平面において、後輪１０５の車軸方向をｙ方向、同平面上においてｙ方向に直交する方向をｘ方向とする座標系を用いる。原点は、例えば、設計上の車体重心点等とする。なお、他の実施形態も同様の座標系を用いる。

また、本実施形態のホイールローダ１００は、操舵制御、車速制御、作業機制御、位置検出、通信、横転防止等の各種制御を行う制御システムを備える。制御システムは、車体各部に設けられるセンサからのセンサ信号を取り込み、所定の制御アルゴリズムに従って処理を行い、各種のアクチュエータ（制御部）に駆動信号を出力する。

本実施形態の制御システムは、ＣＰＵとメモリと記憶装置とを備える。ＣＰＵは、記憶装置に記憶されたプログラムを、メモリに展開し、実行することにより、上記処理を実現する。なお、全部または一部の機能は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）などのハードウェアによって実現されてもよい。

以下、制御システムのうち、横転検出機能に主眼をおいて説明する。本実施形態の横転検出機能を実現する横転検出装置２００は、ホイールローダ１００に取り付けられた上記各センサから出力される信号に基づき、処理を行い、横転の可能性を判定し、判定結果を出力する。

具体的には、本実施形態では、車両の走行状態、すなわち車体速度検出センサ２０５により検出された当該車両の速度、車体屈曲角検出センサ２０４により検出された屈曲角に基づく旋回半径等の状態量に基づき、車両重心点に作用する慣性力を算出する。そして、慣性力を加味して横転の可能性を判定する。

図２は、上記機能を実現する本実施形態の横転検出装置２００の機能ブロック図である。本図に示すように、本実施形態の横転検出装置２００には、車両に取り付けられた、車体屈曲角検出センサ２０４と、車体速度検出センサ２０５と、車体傾斜角検出センサ２０６とが接続される。

本実施形態の横転検出装置２００は、慣性力算出部２０８と、作用点算出部２０９と、支持範囲算出部２１０と、判定部２１１と、を備える。

慣性力算出部２０８は、車両重心点に作用する慣性力を算出する。算出には、車体屈曲角検出センサ２０４で検出された、車両の速度と、車体速度検出センサ２０５で検出された車体の屈曲角とを用いる。

慣性力は、まず車両重心点の加速度を算出し、そこに車両重量を積算することにより算出される。加速度には制駆動力により発生する前後方向の加速度と、旋回に伴い横方向に発生する遠心加速度とがある。

前後方向の加速度は、例えば、車体速度検出センサ２０５により検出された当該車両の速度を疑似微分して得る。なお、例えば、エンジントルク出力やブレーキ液圧などに基づき制駆動トルクを推定し、それを用いて加速度を算出してもよい。

遠心加速度ａは、車両が円運動を行う場合の旋回速度ｖと旋回半径ｒとを用いて、以下の式（１）で算出される。
ａ＝ｖ２／ｒ ・・・（１）

慣性力算出部２０８は、これらの前後方向の加速度および遠心加速度をベクトルとして加算し、車両重量を積算し、慣性力ベクトルを算出する。なお、車両重量には、設計情報を用いる。

作用点算出部２０９は、慣性力と重力との合力の方向を支持力作用点として算出する。本実施形態では、まず、作用点算出部２０９は、車体傾斜角検出センサ２０６が検出した車体の傾斜角を用いて、鉛直方向に作用する重力の車体に対する方向を算出する。そして、重力の方向と慣性力ベクトルとを用いて、合力の方向を算出する。

そして、車両の重心点から合力の方向に路面まで延長した線の路面との交点として、支持力作用点を得る。

支持範囲算出部２１０は、車体屈曲角検出センサ２０４により検出された屈曲角を用い、４つのタイヤによる接地点を得る。ホイールローダ１００の車体はこの４つの接地点によって支持される。この４つの接地点を支持点とし、それらの支持点で囲まれる多角形領域を支持範囲とする。

判定部２１１は、ホイールローダ１００の横転の可能性の有無を判定する。本実施形態では、判定部２１１は、作用点算出部２０９が算出した支持力作用点と、支持範囲算出部２１０が算出した支持範囲とを比較し、支持力作用点が支持範囲の内部にあるか否かで横転の可能性を判定する。すなわち、支持力作用点が支持範囲の内部にあれば、横転可能性無し、と判定し、外部であれば、横転可能性有りと判定する。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、判定部２１１による判定手法の一例を模式的に示す図である。図３（ａ）では簡単のために、ホイールローダ１００の正面から見た図を用いて説明する。また、図３（ｂ）では、上面から見た図を用いて説明する。

支持範囲３０５は、支持範囲算出部２１０が、車体屈曲角検出センサ２０４が検出した屈曲角に基づいて算出した４つの車輪の位置、すなわち、４つの支持点３０８で定まる。

また、支持力作用点３０７は、慣性力３０３と重力３０４とのベクトルを加算した合力３０６の方向を路面３１１まで延長した線の路面３１１との交点である。なお、３０２は、車両の重心点（車両重心）である。

なお、支持範囲３０５は前述したように４つの支持点により囲まれる多角形領域である。このため、紙面奥行き方向（ｘ方向）についても同様に考慮し、合力３０６の方向を得る。

上述のように、判定部２１１は、支持力作用点３０７が支持範囲３０５の内部にあるか否かで横転の可能性を判定する。図３（ａ）の例では、支持力作用点３０７が支持範囲３０５（支持点３０８）の内側（車体重心側）にある。従って、判定部２１１は、横転可能性無し、と判定し、判定結果を出力する。

しかしながら、図３（ａ）に示す状態から、少しでも慣性力や車体傾斜角が増大すると、支持力作用点３０７は、支持範囲３０５の外に出てしまう。この場合の様子を図３（ｂ）に示す。

図３（ｂ）に示すように、支持力作用点３０７が、支持範囲３０５（支持点３０８）の外側にある場合は、判定部２１１は、横転可能性有り、と判定し、判定結果を出力する。

なお、本実施形態では、判定部２１１による判定結果は、例えば、報知手段、各種の車体制御手段等に出力されてもよい。

以上説明したように、本実施形態の屈曲式作業車両であるホイールローダ１００は、前フレーム１０１と後フレーム１０２とが互いにセンターピン１０３により結合され、シリンダ（油圧シリンダ１１０）の駆動により屈曲するように設けられた車体と、前記前フレーム１０１に設けられた前輪１０４と、前記後フレーム１０２に設けられた後輪１０５と、前記前フレーム１０１に設けられた作業機１３０と、路面３１１（車両支持面）に対する前記車体の傾斜角である車体傾斜角を検出する車体傾斜角センサ（車体傾斜角検出センサ２０６）と、前記車体傾斜角センサで検出した車体傾斜角に基づき前記車体の姿勢を制御する制御装置と、を備えたホイールローダ１００において、前記前フレーム１０１と前記後フレーム１０２とが成す屈曲角を検出する屈曲角センサ（車体屈曲角検出センサ２０４）と、前記ホイールローダ１００の速度を検出する速度センサ（車体速度検出センサ２０５）と、を備え、前記制御装置は、前記屈曲角センサにより検出された屈曲角および前記速度センサにより検出された速度に基づき、前記車体に働く慣性力である車体慣性力を算出する慣性力算出部２０８と、予め記憶された前記車体の寸法及び重量により算出された前記作業車両の重心点と、前記慣性力算出部２０８により算出された車体慣性力と、前記車体傾斜角センサにて検出した車体傾斜角とに基づき、前記慣性力と前記車体に働く重力との合力の延長線が車両支持面と交差する点を、支持力作用点３０７として算出する作用点算出部２０９と、前記前輪１０４および前記後輪１０５が前記車両支持面と接する点を結んで形成される支持多角形によって規定される支持範囲と前記作用点算出部２０９により算出された支持力作用点３０７とに基づいて横転可能性を判定し、判定結果を出力する判定部２１１と、を備える。

このように、本実施形態によれば、ホイールローダ１００の走行状態、すなわち当該車両が加速減速をしているのか、旋回を行っているのかといった状態量に基づき、車両重心点まわりの加速度を算出する。さらに、その加速度と車両重量とを積算し、車両重心点に作用する慣性力を算出する。この時用いる車両重心点の位置および車両重量は、設計情報として得る。

一方、車両重心点には重力も作用する。しかし、その方向は車両の傾斜により変化する。本実施形態では、車体傾斜角を検出することで重力の方向も算出する。

本実施形態では、車両重心点に作用する慣性力と重力との合力の延長線が路面３１１と交差する点を支持力作用点３０７とする。これら慣性力と重力との合力は、車両の支持点３０８、すなわち、４つのタイヤによる接地点によって支えられる。従って、本実施形態では、支持力作用点３０７が、この４つの支持点３０８により囲まれる多角形領域である支持範囲３０５の内部にあるか否かで横転可能性を判定する。

このため、本実施形態によれば、車両が走行する斜面の傾斜の大きさはもとより、車両の加減速や旋回など走行状態も加味した精度の高い横転可能性判定が可能になる。そして、車両が傾斜地を走行する際、傾斜度合いや傾斜への進入角度，車体屈曲角，積み荷の高さによらず、早期に転倒可能性を察知できる。

すなわち、本実施形態によれば、慣性力も加味して横転可能性を判定する。このため、特に、傾斜地で稼働中のホイールローダに関し、高精度に横転可能性を判定できる。

なお、本実施形態では、横転可能性の判定を、支持力作用点３０７が支持範囲３０５内か否かにより行っているが、これに限定されない。例えば、支持範囲３０５より内側に所定の判定範囲を設定し、支持力作用点３０７が当該判定範囲内か否かにより行ってもよい。

＜＜第二の実施形態＞＞
次に、本発明の第二の実施形態を説明する。第一の実施形態では、車両重心点として車体の寸法及び車体の重量に基づいた設計値を用いた。一方、第二の実施形態では、車体の寸法及び車体の重量に加えて積荷の荷重、積載部であるバケットの状態（位置および姿勢）も考慮して算出した重心（計算重心）を用いる。

本実施形態のホイールローダ１００は、基本的に第一の実施形態と同様の構成を有する。ただし、横転検出装置の機能が異なる。以下、本実施形態のホイールローダ１００について、第一の実施形態と異なる構成に主眼をおいて説明する。

図４は、本実施形態の横転検出装置２００ａの機能ブロック図である。本図に示すように、本実施形態の横転検出装置２００ａは、慣性力算出部２０８と、作用点算出部２０９と、支持範囲算出部２１０と、判定部２１１と、重心算出部２０７を備える。

また、本実施形態の横転検出装置２００ａには、車両に取り付けられた、車体屈曲角検出センサ２０４と、車体速度検出センサ２０５と、車体傾斜角検出センサ２０６と、に加え、リフト角検出センサ２０１と、バケット角検出センサ２０２と、積荷荷重検出センサ２０３と、が接続される。

慣性力算出部２０８の機能および判定部２１１の機能は、第一の実施形態と同様である。

重心算出部２０７は、積荷を積載した、稼働姿勢における、ホイールローダ１００の重心を算出する。本実施形態では、まず、バケット１０９の位置および姿勢を算出する。そして、バケット１０９の位置と、積荷の重量と、前フレーム１０１の重心点位置および重量とを用い、積荷や作業機１３０を含めた前フレーム１０１全体の重心点の位置および重量を算出する。その後、さらに、後フレーム１０２の重心点の位置および重量を加味し、車両全体の重量と重心位置とを算出する。なお、前フレーム１０１の重心点の位置および重量、後フレーム１０２の重心点の位置および重量には、設計情報を用いる。

作用点算出部２０９は、設計情報の重心位置に変えて、重心算出部２０７が算出した重心点の位置を用いる。その他の処理は、第一の実施形態と同様である。

以下、重心算出部２０７による重心算出手順を説明する。

重心算出部２０７は、まず、リフト角とバケット角とリフトアーム１０７のリンク長とを用い、幾何学的にバケット１０９の位置および姿勢を算出する。なお、リフトアーム１０７のリンク長には、設計情報を用いる。

次に、重心算出部２０７は、積荷荷重検出センサ２０３が検出した積荷荷重と、バケット１０９の位置および姿勢等を用いて前フレーム１０１全体の重心点の位置および重量を算出する。

ここで、バケット１０９の重心点（図１の点１２０）の位置の座標値（以下、単に位置と呼ぶ。）をＧ０（ｘ０，ｚ０）とし、前フレーム１０１の重心点（図１の点１２１）の位置をＧ１（ｘ１，ｚ１）とする。また、バケット１０９の積荷の重量をＭ０、前フレーム１０１の重量をＭ１とする。

なお、Ｍ０は、積荷荷重検出センサ２０３が検出した値である。また、Ｍ１には、設計情報を用いる。

前フレーム１０１全体の重量Ｍｆおよび重心点Ｇｆ（ｘｆ，ｚｆ）の位置は、Ｇ０とＧ１との内分点で表される。すなわち、以下の式（２）〜（４）により求められる。
Ｍｆ＝Ｍ０＋Ｍ１ ・・・（２）
ｘｆ＝（Ｍ０・ｘ０＋Ｍ１・ｘ１）／Ｍｆ ・・・（３）
ｚｆ＝（Ｍ０・ｚ０＋Ｍ１・ｚ１）／Ｍｆ ・・・（４）

なお、車両横方向（ｙ軸方向；図１中の奥行き方向）についても同様に求められる。例えば、積荷が均等に積載されていると仮定すれば、車両横方向の重心の位置（ここではｙ座標ｙｆ）は、車両中心としてよい。

次に、重心算出部２０７は、積荷、作業機１３０を含む前フレーム１０１全体の重心点の位置および重量と、後フレーム１０２の重心点の位置および重量とを用いて、車体総重量と車両全体の重心点とを算出する。

後フレーム１０２の重心点（図１の点１２２）の位置をＧ１（ｘｒ，ｚｒ）とし、後フレーム１０２の重量をＭｒとする。これらは、設計情報を用いる。これらを用いて、車体総重量Ｍｃおよび車両重心点Ｇｃ（ｘｃ，ｚｃ）は、以下の式（５）〜（７）で求められる。
Ｍｃ＝Ｍｆ＋Ｍｒ ・・・（５）
ｘｃ＝（Ｍｆ・ｘｆ＋Ｍｒ・ｘｒ）／Ｍｃ ・・・（６）
ｚｃ＝（Ｍｆ・ｚｆ＋Ｍｒ・ｚｒ）／Ｍｃ ・・・（７）

なお、センターピン１０３で車体が屈曲している場合、車両の左右方向で対称性が崩れる。この場合、上記、前フレーム１０１全体のｙ座標ｙｆと、後フレーム１０２の重心点の位置Ｇ１のｙ座標ｙｒとを用いて、車両重心点Ｇｃのｙ座標ｙｃは、式（６）（７）等と同様に内分点の式によって、以下の式（８）で算出される。
ｙｃ＝（Ｍｆ・ｙｆ＋Ｍｒ・ｙｒ）／Ｍｃ ・・・（８）

以上の手順で、重心算出部２０７は、重心の座標を算出する。そして、本実施形態の作用点算出部２０９は、支持力作用点３０７の算出に、当該重心を用いる。

以上説明したように、本実施形態のホイールローダ１００では、前記作業機１３０はリフトアーム１０７とバケット１０９とを備える。また、前記ホイールローダ１００は、さらに、前記リフトアーム１０７の前記車体に対する角度であるリフト角を検出するリフト角検出センサ２０１と、前記バケット１０９の前記リフトアーム１０７に対する角度であるバケット角を検出するバケット角検出センサ２０２と、前記バケット１０９に積載された積荷の荷重を検出する積荷荷重検出センサ２０３と、前記リフト角と前記バケット角と前記荷重と前記屈曲角とに基づき、当該ホイールローダ１００の車両重心を計算重心として算出する重心算出部２０７と、を備える。そして、前記作用点算出部２０９は、前記重心として前記計算重心を用いる。

このように、本実施形態によれば、積荷を載せる積載部であるバケット１０９の位置及び姿勢を検出するリフト角検出センサ２０１とバケット角検出センサ２０２とをさらに備える。積載部であるバケット１０９を有する作業機１３０部分は、リンク機構によりバケット１０９の位置及び姿勢が変えられるように構成されている。その位置及び姿勢は、車体に対するリフトアーム１０７の角度およびリフトアーム１０７に対するバケットの角度によって一意に算出できる。

本実施形態では、まず、リフト角検出センサ２０１およびバケット角検出センサ２０２により得られる各々の角度を用いて前フレーム１０１を基準とした積荷の位置を算出する。さらに、作業機１３０部分に積荷荷重検出センサ２０３を備えることで積荷の重量を検出する。前フレーム１０１を基準とした積荷の位置と重量、および、設計情報として既知の前フレーム１０１の重心点位置と重量を用いて、積荷を含めた前フレーム１０１全体の重心点の位置および重量を算出する。

一方、後フレーム１０２の重心点位置と重量は同様に設計情報として既知であり、その位置関係は車体屈曲角検出センサ２０４による角度と前フレーム１０１および後フレーム１０２を連結するセンターピン１０３の位置とにより一意に算出可能である。よって、本実施形態では、車体屈曲角および車体前後部の重心点位置と重量を用いて、車両全体の重心点位置と重量とを高精度に算出できる。

横転可能性の判定では、慣性力と重力とを用いる。これらは、いずれも車両の重心点位置に対して車両重量に比例した大きさで作用する。そのため、車両の重心点位置と重量を高精度に算出することにより、積載部であるバケット１０９の位置及び姿勢、車体屈曲角の大きさに寄らず精度の高い横転危険性判定が可能になる。

このように、本実施形態によれば、第一の実施形態同様、慣性力も加味して横転可能性を判定する。このため、特に、稼働中のホイールローダ１００に関し、高精度に横転可能性を判定できる。

さらに、本実施形態によれば、このようにリフト角検出センサ２０１およびバケット角検出センサ２０２、積荷荷重検出センサ２０３の検出値に基づいて重心を算出する。このため、高精度に重心位置を算出できる。そして、この重心位置を用いて横転可能性を判定するため、より精度よく横転可能性を判定できる。

なお、慣性力算出部２０８も、慣性力を算出する際、車両重量として積荷荷重を加算した値を用いてもよい。

＜＜第三の実施形態＞＞
次に、本発明の第三の実施形態を説明する。本実施形態では、判定部の判定結果に応じて、出力を変更する。以下、本実施形態について、上記第一の実施形態と異なる構成に主眼をおいて説明する。

本実施形態のホイールローダ１００は、基本的に第一の実施形態と同様である。ただし、本実施形態のホイールローダ１００は、車体屈曲角制御部２１３と、駆動力制御部２１４と、報知部２１５と、をさらに備える。

また、本実施形態の横転検出装置２００bは、図５に示すように、第二の実施形態と同様の構成を有する。ただし、判定部２１１の処理内容および出力先が異なる。

車体屈曲角制御部２１３は、横転検出装置２００ｂからの出力に応じて、車体屈曲角を制御する。具体的には、屈曲用油圧シリンダ１１２に制御指令を出力する。

駆動力制御部２１４は、横転検出装置２００からの出力に応じて、駆動力を制御する。本実施形態では、例えば、最高速度を制御する。駆動力の制御は、具体的には、アクセル、ブレーキ等の駆動部を制御することによりなされる。

判定部２１１は、転倒の可能性を判定し、判定結果を出力する。第一の実施形態では、支持力作用点３０７が支持範囲３０５内であるか否かのみを判定している。しかし、本実施形態では、支持範囲３０５内に、複数の範囲（領域）をさらに設定し、各範囲と支持力作用点３０７との位置関係に応じて異なる出力先に判定結果を出力する。

図６（ａ）、図６（ｂ）および図７を用いて、判定部２１１の判定手法を説明する。図６（ａ）および図６（ｂ）は、本実施形態の複数の範囲を説明するための図であり、図７は、判定処理の処理フローである。

本実施形態では、図６（ａ）に示すように、支持範囲３０５内に、第一の範囲６１０と第二の範囲６２０とを設定する。第二の範囲６２０は、その外周が、第一の範囲６１０の外周と、支持範囲３０５との間に配されるよう、設定される。

判定部２１１は、作用点算出部２０９から支持力作用点３０７を、支持範囲算出部２１０から支持範囲３０５を受信すると、図７に示す判定処理を開始する。

まず、判定部２１１は、支持力作用点３０７が第一の範囲６１０内に有るか否かを判別する（ステップＳ１１０１）。そして、支持力作用点３０７が第一の範囲６１０内に有る場合、横転可能性無しとして、何も出力せず、判定処理を終了する。なお、この判定において、第一の範囲６１０内とは、支持力作用点３０７が、第一の範囲６１０と第二の範囲６２０との境界線上にある場合を含む。以下、本実施形態の各判定において、同様とする。支持力作用点３０７が境界線上にある場合の判定については、これに限定されず、予め定めておけばよい。

次に、判定部２１１は、支持力作用点３０７が第一の範囲６１０外である場合、第二の範囲６２０内に有るか否かを判別する（ステップＳ１１０２）。第二の範囲６２０内に有る場合（Ｓ１１０２；Ｙｅｓ）、判定部２１１は、報知部２１５に第一の判定結果を出力し（ステップＳ１１０３）、処理を終了する。例えば、第一の判定結果を受信した報知部２１５は、警報を出力する。

次に、判定部２１１は、支持力作用点３０７が第二の範囲６２０外である場合、支持範囲３０５内に有るか否かを判別する（ステップＳ１１０４）。支持範囲３０５内に有る場合（Ｓ１１０４；Ｙｅｓ）、判定部２１１は、駆動力制御部２１４に第二の判定結果を出力し（ステップＳ１１０５）、処理を終了する。なお、第二の判定結果は、例えば、最高速度を制限する駆動指令とする。駆動指令を受信した駆動力制御部２１４は、車両が駆動指令で特定された最高速度以上の速度とならないよう、駆動制御を行う。

そして、判定部２１１は、支持力作用点３０７が支持範囲３０５外である場合（Ｓ１１０４；Ｎｏ）、車体屈曲角制御部２１３に第三の判定結果を出力し（ステップＳ１１０６）、処理を終了する。なお、第三の判定結果は、たとえば、車体屈曲角の最大値を制限する屈曲角制御指令等とする。屈曲角指令を受信した車体屈曲角制御部２１３は、車体屈曲角が当該最大値以上とならないよう屈曲用油圧シリンダ１１２の動作を制御する。

判定部２１１は、以上の処理を、作用点算出部２０９から支持力作用点３０７を受信する毎に繰り返す。

判定部２１１で判定する支持範囲と支持力作用点３０７との関係を、図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）のｘｙ平面上への車両重心の射影３０１と支持力作用点３０７とを含む直線で切り出し、縦軸に転倒危険度をプロットした模式図である。ここで、支持範囲３０５は４つのタイヤの接地面３１２で規定される転倒限界を示し、最も高い危険度を示す。第二の範囲６２０および第一の範囲６１０は、支持範囲３０５より内側で、内側に行くほど危険度が低減していくことを示す。支持力作用点３０７は、支持範囲３０５より外側であるので危険度も高く、それが、図７の第三の判定結果に相当する。

以上説明したように、本実施形態のホイールローダ１００は、外部に警告を出力する報知部２１５をさらに備え、前記判定部２１１は、前記支持力作用点３０７が、前記支持範囲３０５内部の第一の範囲６１０外である場合、前記判定結果として第一判定を前記報知部２１５に出力し、前記報知部２１５は、前記第一判定を受信すると、前記警告を出力する。

また、当該ホイールローダ１００の駆動を制御する駆動力制御部２１４をさらに備え、前記判定部２１１は、前記支持力作用点３０７が、前記支持範囲３０５内部の第一の範囲６１０外であり、かつ、第二の範囲６２０内である場合、前記判定結果として第二判定を前記駆動力制御部２１４に出力し、前記駆動力制御部２１４は、前記第二判定を受信すると、最高速度を制限し、前記第二の範囲６２０は、前記支持範囲３０５内かつ前記第一の範囲６１０外の範囲である。

さらに、前記屈曲角を制御する車体屈曲角制御部２１３を備え、前記判定部２１１は、前記支持力作用点が、前記第二の範囲６２０外の場合、前記判定結果として第三判定を前記車体屈曲角制御部２１３に出力し、前記車体屈曲角制御部２１３は、前記第三判定を受信すると、上限屈曲角を制限する。

このように、本実施形態によれば、第一の実施形態同様、慣性力も加味して横転可能性を判定する。このため、特に、稼働中のホイールローダに関し、高精度に横転可能性を判定できる。

さらに、本実施形態よれば、支持範囲３０５の内部にあるか否かの二値判定でなく、支持範囲３０５内部に複数の範囲を設け、支持範囲３０５の境界からの距離に応じて複数段階で横転可能性を判断する。そして、段階に応じて最適な出力を行い、車両を制御する。このため、本実施形態によれば、安全性と稼働性とを両立した制御を実現できる。

なお、本実施形態では、警報出力、最高速度制限、屈曲角制限、全てを行うものとして記載したが、これに限定されない。この中の１または２の制御のみ行うよう構成してもよい。また、ステップＳ１１０５において、屈曲角制限を行い、Ｓ１１０６において最高速度制限処理を行ってもよい。また、最高速度制限、屈曲角制限を行う際、同時に警報出力も行ってもよい。このとき、出力する警報の態様を、それぞれ変えてもよい。

また、支持範囲３０５内に、２つの範囲を設けた場合を例にあげて説明したが、設定する範囲の数はこれに限定されない。

＜＜第四の実施形態＞＞
次に、本発明の第四の実施形態について説明する。本実施形態では、支持力作用点３０７と支持範囲３０５との位置関係に応じて、制御量を算出し、支持力作用点３０７が支持範囲３０５内に収まるようホイールローダ１００を制御する。制御対象は、例えば、駆動力と車体屈曲角とする。これらを変更することにより、支持力作用点３０７を支持範囲３０５の内側になるように、すなわち、支持力作用点３０７をできるだけ車両重心に近付けるようにする。

以下、本実施形態を実現する構成について、第三の実施形態と異なる構成に主眼をおいて説明する。

本実施形態のホイールローダ１００は、基本的に第一の実施形態と同様の構成を有する。また、本実施形態のホイールローダ１００の横転検出装置２００ｃは、基本的に第三の実施形態と同様の構成を備える。ただし、後述するように、制御量算出部２１２をさらに備え、また、判定部２１１の処理内容および出力先が異なる。

図８は、本実施形態の横転検出装置２００ｃの機能ブロック図である。本図に示すように、本実施形態の横転検出装置２００ｃは、第二の実施形態の構成に、さらに、制御量算出部２１２を備える。

制御量算出部２１２は、支持力作用点３０７が支持範囲３０５の外側と判定された場合、支持力作用点３０７が支持範囲３０５内になるよう、駆動力および車体屈曲角の少なくとも一方の変更量を算出する。このとき、制御量算出部２１２は、車体傾斜角検出センサ２０６の出力と、慣性力算出部２０８の出力とを用いる。

本実施形態では、制御量算出部２１２は、まず、支持力作用点３０７を車両重心３０２からずらしている影響度を、慣性力および重力それぞれについて算出する。算出手法の概要を、図９を用いて説明する。

まず、図９に示すように、ホイールローダ１００の車体を基準とした車体水平面（図９中のｘ−ｙ平面）内において、車両重心および支持力作用点それぞれの射影５０１、５０７を結ぶ方向の単位ベクトルを定義する。そして、慣性力５０３、重力５０４それぞれの単位ベクトル方向の成分の大きさを算出し、それを影響度とする。具体的には、単位ベクトルと慣性力５０３、重力５０４それぞれの内積で得られるスカラ値が前述の影響度である。

そして、制御量算出部２１２は、慣性力の影響度と重力の影響度とを比較し、影響度の大きい方を優先的に低減させるよう制御を行う。

まず、慣性力の低減手法について説明する。慣性力の低減手法は、慣性力を発生させている主な力が、遠心力であるか、加速度であるかによって異なる。

慣性力を発生させている主な力が遠心力である場合、遠心力を低減させるため、車体速度を低減する、または、旋回半径を大きくする。

車体速度は、エンジン出力を絞って駆動力を低減したりブレーキを作動させて制動力を増加させたりすることにより、低減できる。従って、この場合、制御量算出部２１２は、駆動力制御部２１４に制御量を制御指令として出力する。

制御量は、支持力作用点３０７が支持範囲３０５に収まるよう算出する。まず、支持力作用点３０７の射影５０７が、支持範囲３０５内に収まる慣性力５０３の大きさを算出する。そして、それを実現する車体速度を目標速度として算出する。制御量は、現在速度と目標速度との差分として得られる。なお、現在速度は、車体速度検出センサ２０５の検出値を、慣性力算出部２０８を介して取得する。

旋回半径を大きくするためには、車体屈曲角を低減させる。この場合、制御量算出部２１２は、車体屈曲角制御部２１３に、制御量を制御指令として出力する。制御量は、支持力作用点３０７が支持範囲３０５に収まるよう算出する。上記車体速度と同様に、現在旋回半径と目標旋回半径との差分を、制御量として算出する。なお、現在の旋回半径算出の基となる車体屈曲角は、車体屈曲角検出センサ２０４の検出値を、慣性力算出部２０８を介して取得する。

なお、式（１）で示すように、遠心力は速度の自乗に比例し、旋回半径に反比例する。従って、この場合、車体速度の低減を優先させることが望ましい。

慣性力が加減速度である場合、制駆動力による加減速を制限する。これが適用される状況としては、例えば急な下り坂を制動しながら降坂する場合などである。この場合、制御量算出部２１２は、駆動力制御部２１４に制御量を制御指令として出力する。制御量は、支持力作用点３０７が支持範囲３０５に収まるよう、上述の手法で算出する。

一方、重力の影響度が慣性力の影響度より小さい場合は、車体傾斜角の影響を低減するための制御を実施する。

この場合、車体傾斜角の影響を低減するため、車体の方向を最大傾斜方向に向け、車両左右方向の勾配を小さくする。これを実現するためには、例えば、重力５０４の向きと逆方向に車体を屈曲させる。従って、制御量算出部２１２は、車体屈曲角制御部２１３に、制御量を制御指令として出力する。制御量は、支持力作用点３０７が支持範囲３０５に収まるよう算出する。この時用いる、現在の車体傾斜角は、車体傾斜角検出センサ２０６から取得する。

以上説明したように、本実施形態によれば、当該ホイールローダ１００の駆動を制御する駆動力制御部２１４と、前記屈曲角を制御する車体屈曲角制御部２１３と、当該ホイールローダ１００の駆動力および屈曲角を制御する制御量算出部２１２と、をさらに備え、前記制御量算出部２１２は、前記判定結果に応じて、前記支持力作用点が前記支持範囲内の所定の領域内になるよう前記駆動力および前記屈曲角の少なくとも一方を制御する。

このように、本実施形態によれば、横転可能性の判定を行った結果、その可能性が高いと判定された場合、慣性力と重力との合力である支持力の作用点が支持範囲３０５の内側になる方向に駆動力と車体屈曲角との少なくとも一方を変更する。

例えば、遠心力は、旋回走行により旋回中心から離れる向きに生じる慣性力である。また、遠心力の大きさは、車体速度の自乗に比例し、旋回半径に反比例する。この遠心力によって支持力作用点が支持範囲の外側に移動している場合、第一の対処として車体速度を低下させる。この場合、駆動力を低下させるか負の値にする（制動力を発生する）。また、第二の対処として旋回半径を大きくする。この場合、車体屈曲角を小さくすることで、横転危険性を減少させる。

さらに、車体傾斜角が過大であるために支持力作用点３０７が支持範囲３０５の外側に移動している場合、それが許容範囲内になるように車体屈曲角を変更して車体の向きを変える。

このように、本実施形態によれば、車体慣性力と車体傾斜角に基づいて駆動力と車体屈曲角との変更を行うことにより、的確かつ効果的に横転可能性を低減できる。

また、本実施形態では、判定部２１１は、さらに報知部２１５に判定結果を出力してもよい。この場合、上記制御がなされるとともに、警報も出力される。判定結果の段階、制御内容に応じて、異なる態様で警報が出力されるよう構成してもよい。

第三、第四の実施形態は、第二の実施形態と組み合わせる場合を例にあげて説明したが、これに限定されない。例えば、第一の実施形態と組み合わせてもよい。

さらに、第四の実施形態は、第三の実施形態と組み合わせてもよい。この場合、支持作用点が、支持範囲３０５、第二の範囲６２０、および第一の範囲６１０のいずれかの範囲外となった場合、上記制御を実施する。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１００：ホイールローダ、１０１：前フレーム、１０２：後フレーム、１０３：センターピン、１０４：前輪、１０５：後輪、１０６：支点、１０７：リフトアーム、１０８：支点、１０９：バケット、１１０：油圧シリンダ、１１２：屈曲用油圧シリンダ、１１３：運転席、１３０：作業機、
２００：横転検出装置、２００ａ：横転検出装置、２００ｂ：横転検出装置、２００b：横転検出装置、２００ｃ：横転検出装置、
２０１：リフト角検出センサ、２０２：バケット角検出センサ、２０３：積荷荷重検出センサ、２０４：車体屈曲角検出センサ、２０５：車体速度検出センサ、２０６：車体傾斜角検出センサ、２０７：重心算出部、２０８：慣性力算出部、２０９：作用点算出部、２１０：支持範囲算出部、２１１：判定部、２１２：制御量算出部、２１３：車体屈曲角制御部、２１４：駆動力制御部、２１５：報知部、
３０１：車両重心の射影、３０２：車両重心、３０３：慣性力、３０４：重力、３０５：支持範囲、３０６：合力、３０７：支持力作用点、３０８：支持点、３１１：路面、３１２：接地面、
５０１：車両重心の射影、５０３：慣性力、５０４：重力、５０７：支持力作用点の射影、６１０：第一の範囲、６２０：第二の範囲

Claims (6)

1. 前フレームと後フレームとが互いにセンターピンにより結合され、シリンダの駆動により屈曲するように設けられた車体と、
   前記前フレームに設けられた前輪と、
   前記後フレームに設けられた後輪と、
   前記前フレームに設けられた作業機と、
   路面に対する前記車体の傾斜角である車体傾斜角を検出する車体傾斜角センサと、
   前記車体傾斜角センサで検出した車体傾斜角に基づき前記車体の姿勢を制御する制御装置と、を備えた作業車両において、
   前記前フレームと前記後フレームとが成す屈曲角を検出する屈曲角センサと、
   前記作業車両の速度を検出する速度センサと、を備え、
   前記制御装置は、
   前記屈曲角センサにより検出された屈曲角および前記速度センサにより検出された速度に基づき、前記車体に働く慣性力である車体慣性力を算出する慣性力算出部と、
   予め記憶された前記車体の寸法及び重量により算出された前記作業車両の重心点と、前記慣性力算出部により算出された車体慣性力と、前記車体傾斜角センサにて検出した車体傾斜角とに基づき、前記慣性力と前記車体に働く重力との合力の延長線が車両支持面と交差する点を、支持力作用点として算出する作用点算出部と、
   前記前輪および前記後輪が前記車両支持面と接する点を結んで形成される支持多角形によって規定される支持範囲と前記作用点算出部により算出された支持力作用点とに基づいて横転可能性を判定し、判定結果を出力する判定部と、を備えること
   を特徴とする作業車両。
2. 請求項１記載の作業車両であって、
   前記作業機はリフトアームとバケットとを備え、
   前記作業車両は、さらに、
   前記リフトアームの前記車体に対する角度であるリフト角を検出するリフト角検出センサと、
   前記バケットの前記リフトアームに対する角度であるバケット角を検出するバケット角検出センサと、
   前記バケットに積載された積荷の荷重を検出する積荷荷重検出センサと、
   前記リフト角検出センサで検出されたリフト角と前記バケット角検出センサで検出されたバケット角と前記積荷荷重検出センサで検出された荷重と前記屈曲角センサにより検出された屈曲角とに基づき、当該作業車両の前記重心点を算出する重心算出部と、を備えること
   を特徴とする作業車両。
3. 請求項１または２記載の作業車両であって、
   外部に警告を出力する報知部をさらに備え、
   前記判定部は、前記支持力作用点が、前記支持範囲内の第一の範囲外である場合、前記判定結果として第一判定を前記報知部に出力し、
   前記報知部は、前記第一判定を受信すると、前記警告を出力すること
   を特徴とする作業車両。
4. 請求項１または２記載の作業車両であって、
   当該作業車両の駆動を制御する駆動力制御部をさらに備え、
   前記判定部は、前記支持力作用点が、前記支持範囲内の第一の範囲外であり、かつ、第二の範囲内である場合、前記判定結果として第二判定を前記駆動力制御部に出力し、
   前記駆動力制御部は、前記第二判定を受信すると、最高速度を制限し、
   前記第二の範囲は、前記支持範囲内かつ前記第一の範囲外の範囲であること
   を特徴とする作業車両。
5. 請求項４記載の作業車両であって、
   前記屈曲角を制御する屈曲角制御部をさらに備え、
   前記判定部は、前記支持力作用点が、前記第二の範囲外の場合、前記判定結果として第三判定を前記屈曲角制御部に出力し、
   前記屈曲角制御部は、前記第三判定を受信すると、上限屈曲角を制限すること
   を特徴とする作業車両。
6. 請求項１から３いずれか１項記載の作業車両であって、
   当該作業車両の駆動を制御する駆動力制御部と、
   前記屈曲角を制御する屈曲角制御部と、
   当該作業車両の駆動力および屈曲角を制御する制御部と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記判定結果に応じて、前記支持力作用点が前記支持範囲内の所定の領域内になるよう前記駆動力および前記屈曲角の少なくとも一方を制御すること
   を特徴とする作業車両。