JP2019105121A - 作業機械の制御システム、方法、及び作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな凹凸を有する地形を掘削する場合の作業効率の低下を抑える。【解決手段】コントローラは、現況地形を示す現況地形データを取得する。コントローラは、作業範囲を示す作業範囲データを取得する。コントローラは、作業範囲内の現況地形に含まれる凹部の大きさを取得する。コントローラは、凹部の大きさが所定の凹み閾値よりも大きいかを判定する。コントローラは、凹部が所定の凹み閾値よりも大きいときには、作業範囲内において凹部の位置で分割された第1領域と第2領域とを決定する。コントローラは、第1領域に対して、作業機の目標軌跡を示す第1の目標設計地形を決定する。コントローラは、第1の目標設計地形に従って作業機を動作させる指令信号を生成する。【選択図】図10

Description

本発明は、作業機械の制御システム、方法、及び作業機械に関する。

従来、ブルドーザ、或いはグレーダ等の作業機械において、効率的に作業するため、作業機械を自動的に制御するシステムが提案されている。例えば、特許文献1のシステムでは、コントローラが、作業現場での作業機の動くべき目標プロファイルを作業サイトの地形などから予め設定し、その目標プロファイルに沿って作業機を動作させる。

米国特許第8639393号

上記のシステムは、現況地形の表面から下方に所定高さずつ変位した複数の目標プロファイルを生成し、上方の目標プロファイルから順に掘削を行う。しかし、上記のシステムでは、大きな凹凸を有する地形を掘削する場合に、作業機械が凹凸を何度も乗り越えて走行することになる。そのため、作業効率が低下してしまう。

本発明の目的は、大きな凹凸を有する地形を掘削する場合の作業効率の低下を抑えることにある。

第1の態様は、作業機を有する作業機械の制御システムであって、コントローラを備える。コントローラは、以下の処理を実行するようにプログラムされている。コントローラは、現況地形を示す現況地形データを取得する。コントローラは、作業範囲を示す作業範囲データを取得する。コントローラは、作業範囲内の現況地形に含まれる凹部の大きさを取得する。コントローラは、凹部の大きさが所定の凹み閾値よりも大きいかを判定する。コントローラは、凹部が所定の凹み閾値よりも大きいときには、作業範囲内において凹部の位置で分割された第1領域と第2領域とを決定する。コントローラは、第1領域に対して、作業機の目標軌跡を示す第1の目標設計地形を決定する。コントローラは、第1の目標設計地形に従って作業機を動作させる指令信号を生成する。

第2の態様は、作業機を有する作業機械を制御するためにコントローラによって実行される方法であって、以下の処理を備える。第1の処理は、作業範囲内の現況地形に含まれる凹部の大きさを取得することである。第2の処理は、凹部の大きさが所定の凹み閾値よりも大きいかを判定することである。第3の処理は、凹部が所定の凹み閾値よりも大きいときには、作業範囲内において凹部の位置で分割された第1領域と第2領域とを決定することである。第4の処理は、第1領域に対して、作業機の目標軌跡を示す第1の目標設計地形を決定することである。第5の処理は、第1の目標設計地形に従って作業機を動作させる指令信号を生成することである。

第3の態様は、作業機械であって、作業機とコントローラとを備える。コントローラは、以下の処理を実行するようにプログラムされている。コントローラは、作業範囲内の現況地形に含まれる凹部の大きさを取得する。コントローラは、凹部の大きさが所定の凹み閾値よりも大きいかを判定する。コントローラは、凹部が所定の凹み閾値よりも大きいときには、作業範囲内において凹部の位置で分割された第1領域と第2領域とを決定する。コントローラは、第1領域に対して、作業機の目標軌跡を示す第1の目標設計地形を決定する。コントローラは、第1の目標設計地形に従って作業機を動作させる指令信号を生成する。

本発明によれば、作業範囲内において所定の凹み閾値よりも大きな凹部があるときには、凹部の位置で分割された第1領域と第2領域とが決定される。そして、第1領域に対して決定された第1の目標設計地形に従って、作業機を動作させる。それにより、凹凸のある地形に対して掘削を行う場合に、作業機械が凹凸を乗り越える回数を低減することができる。それにより、作業効率の低下を抑えることができる。

実施形態に係る作業機械を示す側面図である。 作業機械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。 作業機械の構成を示す模式図である。 作業機械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、現況地形、及び目標設計地形の一例を示す図である。 各目標設計地形におけるカットロケーションの一例を示す図である。 現況地形が大きな凹凸を有する場合の目標設計地形の一例を示す図である。 作業機械の自動制御の処理を示すフローチャートである。 凹部の深さの定義の第1の例を示す図である。 第1の目標設計地形及び第2の目標設計地形の一例を示す図である。 現況地形が大きな凹凸を有する場合の目標設計地形の他の例を示す図である。 制御システムの第1変形例に係る構成を示すブロック図である。 制御システムの第2変形例に係る構成を示すブロック図である。 目標設計地形の第1の変形例を示す図である。 目標設計地形の第2の変形例を示す図である。 凹部の深さの定義の第2の例を示す図である。 凹部の長さの定義の第1の例を示す図である。 凹部の長さの定義の第2の例を示す図である。 凹部の長さの定義の第3の例を示す図である。 凹部の深さ及び長さの定義の第4の例を示す図である。 凹部の深さ及び長さの定義の第5の例を示す図である。

以下、実施形態に係る作業機械について、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機械1を示す側面図である。本実施形態に係る作業機械1は、ブルドーザである。作業機械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、作業機械1が走行する。

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、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。リフトフレーム17は、走行装置12に取り付けられてもよい。

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。

図2は、作業機械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、入力装置25と、コントローラ26と、記憶装置28と、制御弁27とを備える。入力装置25は、運転室14に配置されている。入力装置25は、後述する作業機械1の自動制御の設定を行うための装置である。入力装置25は、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。入力装置25の操作信号は、コントローラ26に出力される。入力装置25は、例えば、タッチパネル式のディスプレイを含む。ただし、入力装置25は、タッチパネルに限らず、ハードウェアキーを含んでもよい。入力装置25は、作業車両１から離れた場所（例えば、コントロールセンタ）に配置されてもよい。オペレータは、コントロールセンタにある入力装置25から無線通信を介して作業車両1を操作してもよい。

コントローラ26は、取得したデータに基づいて作業機械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（プロセッサ）を含む。コントローラ26は、入力装置25から操作信号を取得する。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。コントローラ26は、走行装置12、或いは動力伝達装置24を制御することで、作業機械1を走行させる。コントローラ26は、制御弁27を制御することで、ブレード18を上下に移動させる。

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、ブレード18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が制御される。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、作業機センサ29を備える。作業機センサ29は、作業機の位置を検出し、作業機の位置を示す作業機位置信号を出力する。作業機センサ29は、作業機13の変位を検出する変位センサであってよい。詳細には、作業機センサ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。作業機センサ29は、作業機13の回転角度を検出する回転センサであってもよい。図3は、作業機械1の構成を示す模式図である。

図3では、作業機13の基準位置が二点鎖線で示されている。作業機13の基準位置は、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の基準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、位置センサ31を備えている。位置センサ31は、作業機械1の位置を測定する。位置センサ31は、GNSS(Global Navigation Satellite System)レシーバ32と、IMU（Inertial Measurement Unit） 33と、を備える。GNSSレシーバ32は、例えばGPS（Global Positioning System）用の受信機である。例えば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データを生成する。コントローラ26は、GNSSレシーバ32から車体位置データを取得する。コントローラ26は、車体位置データにより、作業機械1の進行方向と車速とを得る。車体位置データは、アンテナ位置のデータでなくてもい。車体位置データは、作業車両1内、或いは、作業車両1の周辺において、アンテナとの位置関係が固定されている任意の場所の位置を示すデータであってもよい。

IMU 33は、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit）である。IMU 33は、車体傾斜角データを取得する。車体傾斜角データは、作業機械1の前後方向の水平に対する角度（ピッチ角）、および作業機械1の横方向の水平に対する角度（ロール角）を含む。コントローラ26は、IMU 33から車体傾斜角データを取得する。

コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌと、車体位置データと、車体傾斜角データとから、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、車体位置データに基づいて、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と車体寸法データに基づいて、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。車体寸法データは、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データとに基づいて、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データとして取得する。

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、非一時的な（non-transitory）コンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置28は、プロセッサによって実行可能であり作業機械1を制御するためのコンピュータ指令を記録している。

記憶装置28は、設計地形データと作業現場地形データとを記憶している。設計地形データは、最終設計地形を示す。最終設計地形は、作業現場の表面の最終的な目標形状である。設計地形データは、例えば、三次元データ形式の土木施工図である。作業現場地形データは、作業現場の広域の地形を示す。作業現場地形データは、例えば、三次元データ形式の現況地形測量図である。作業現場地形データは、例えば、航空レーザ測量で得ることができる。

コントローラ26は、現況地形データを取得する。現況地形データは、作業現場の現況地形を示す。作業現場の現況地形は、作業機械1の進行方向に沿う領域の地形である。現況地形データは、作業現場地形データと上述の位置センサ31から得られる作業機械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、現況地形データと、設計地形データと、刃先位置データとに基づいて、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。作業機械1の走行は、コントローラによって自動的に制御されてもよい。例えば、作業機械1の走行制御は、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。或いは、走行制御は、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、作業機械1の走行は、オペレータによる手動操作によって行われてもよい。

以下、コントローラ26によって実行される、掘削における作業機械1の自動制御について説明する。図4は、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、現在位置データを取得する。ここでは、コントローラ26は、上述したように、ブレード18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、設計地形データを取得する。図5に示すように、設計地形データは、作業機械1の進行方向において、複数の参照点Pn（n=0,1,2,3,...,A）での最終設計地形60の高さZdesignを含む。複数の参照点Pnは、作業機械１の進行方向に沿う所定間隔ごとの複数地点を示す。複数の参照点Pnは、ブレード18の進行パス上にある。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、現況地形データを取得する。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データと、位置センサ31より得られる車体の位置データ及び進行方向データから演算により、現況地形データを取得する。

現況地形データは、作業機械1の進行方向に位置する地形を示す情報である。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、作業機械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、現況地形データは、作業機械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dAまでの複数の参照点Pnでの現況地形50の高さZnを含む。本実施形態において、現在位置は、作業機械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、作業機械1の他の部分の現在位置に基づいて定められてもよい。複数の参照点は、所定間隔、例えば１ｍごとに並んでいる。

ステップS104では、コントローラ26は、作業範囲データを取得する。作業範囲データは、入力装置25によって設定された作業範囲を示す。作業範囲は始端と終端とを含む。作業範囲データは、始端の座標と終端の座標とを含む。或いは、作業範囲データは、始端の座標と、作業範囲の長さとを含んでもよい。或いは、作業範囲データは、終端の座標と、作業範囲の長さとを含んでもよい。

コントローラ26は、入力装置25からの操作信号に基づいて作業範囲データを取得する。ただし、コントローラ26は、他の方法によって、作業範囲データを取得してもよい。例えば、コントローラ26は、作業現場の施工管理を行う外部のコンピュータから、作業範囲データを取得してもよい。外部のコンピュータは、コントロールセンタに配置されてもよい。

ステップS105では、コントローラ26は、目標設計地形データを決定する。目標設計地形データは、図5に破線で記載された目標設計地形70を示す。目標設計地形70は、作業におけるブレード18の刃先の望まれる軌跡を示す。目標設計地形70は、作業対象である地形の目標プロファイルであり、掘削作業の結果として望まれる形状を示す。目標プロファイルは、地表から鉛直下方の面に示される作業機13の刃先が沿って動くように制御されるための目標ラインを示す。

図5に示すように、コントローラ26は、少なくとも一部が、現況地形50よりも下方に位置する目標設計地形70を決定する。例えば、コントローラ26は、水平方向に延びる目標設計地形70を決定する。コントローラ26は、上下方向に所定距離A1、互いに変位した複数の目標設計地形70を生成する。所定距離A1は、入力装置25からの操作信号に基づいて設定されてもよい。所定距離A1は、作業現場の施工管理を行う外部のコンピュータから取得されてもよい。或いは、所定距離A1は、固定値であってもよい。

なお、コントローラ26は、最終設計地形60を下方に越えないように、目標設計地形70を決定する。従って、コントローラ26は、掘削作業時には、最終設計地形60以上、且つ、現況地形50より下方に位置する目標設計地形70を決定する。

ステップS106では、コントローラ26は、作業順序を決定する。コントローラ26は、複数の目標設計地形70のうち、上方に位置するものから順に掘削を行うように、作業順序を決定する。また、図6に示すように、コントローラ26は、各目標設計地形70において、作業範囲内でのカットロケーションCLとその作業順序を決定する。カットロケーションCLは、掘削を開始する現況地形50上の位置である。

コントローラ26は、終端から所定距離A2、離れた位置をカットロケーションCLとして決定してもよい。コントローラ26は、1つ前のカットロケーションCLから所定距離A2、離れた位置を、次のカットロケーションCLとして決定してもよい。所定距離A2は、固定値であってもよい。或いは、所定距離A2は、入力装置25を介してオペレータによって設定されてもよい。コントローラ26は、作業機械1の機械能力、或いは、掘削される土量に応じて、カットロケーションCLを決定してもよい。コントローラ26は、複数のカットロケーションCLのうち、終端に近いものから順に掘削を行うように、作業順序を決定する。

ステップS107では、コントローラ26は、目標設計地形70に向ってブレード18を制御する。コントローラ26は、ステップS106で決定したカットロケーションCLから、ステップS105で作成した目標設計地形70に向ってブレード18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がカットロケーションCLから目標設計地形70に向かって移動する。

1つのカットロケーションCLからの掘削が完了すると、コントローラ26は、作業機械1を次のカットロケーションCLに移動させ、再び掘削を行う。これらの作業が繰り返されることにより、作業範囲内で１つの目標設計地形70の掘削が完了する。作業範囲内で１つの目標設計地形70の掘削が完了すると、コントローラ26は、次の目標設計地形70の掘削を開始する。このような処理が繰り返されることにより、現況地形50が最終設計地形60に近づくように、掘削が行われる。

ステップS108では、コントローラ26は、作業現場地形データを更新する。コントローラ26は、刃先位置P0の最新の軌跡を示す位置データによって作業現場地形データを更新する。或いは、コントローラ26は、車体位置データと車体寸法データとから履帯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データによって作業現場地形データを更新してもよい。この場合、作業現場地形データの更新は即時に行うことができる。

或いは、作業現場地形データは、作業機械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。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データ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。外部の測量装置又はカメラの場合、作業現場地形データの更新は、所定周期ごと、あるいは随時に行われてもよい。

次に、図7に示すように、現況地形50が大きな凹凸を有する場合の目標設計地形70の決定方法について説明する。図8は、目標設計地形70の決定の処理を示すフローチャートである。図8に示すように、ステップS201では、コントローラ26は、作業範囲内の現況地形50に含まれる凹部の大きさを取得する。コントローラ26は、現況地形データから、作業範囲内の現況地形50に含まれる凹部の大きさを取得する。作業範囲内の現況地形50が複数の凹部を含むときには、コントローラ26は、複数の凹部のそれぞれの大きさを取得する。

凹部の大きさは、凹部の深さである。例えば、図9に示すように、凹部51aの深さは、作業範囲内の現況地形50の最高点T0からの凹部51aの底B1の深さである。詳細には、凹部51aの深さは、重力方向において、作業範囲内の現況地形50の最高点T0から凹部51aの底B1までの距離D1である。凹部51aの底B1は、重力方向における最下点である。ただし、凹部の深さの定義は、上記と異なるものであってもよい。

ステップS202では、コントローラ26は、凹部の大きさが所定の凹み閾値よりも大きいかを判定する。すなわち、コントローラ26は、凹部の深さが所定の凹み閾値よりも大きいかを判定する。凹み閾値は、作業効率を考慮した値に設定されている。凹み閾値は、例えば、図5のように目標設計地形70が生成された場合に、作業機械1が複数回、凹部を乗り越える必要が生じる程度の凹部の大きさを示す値が設定される。凹部の大きさが所定の凹み閾値よりも大きいときには、コントローラ26は、凹部の位置を仮の分割位置として決定する。

コントローラ26は、作業範囲内の全ての凹部に対して、ステップS202とステップS203との処理を行う。それにより、作業範囲内の凹部のうち、所定の凹み閾値よりも大きい凹部の位置が、仮の分割位置として決定される。例えば、図7に示す例では、作業範囲内の現況地形50は、第1凹部51aと、第2凹部51bと、第3凹部51cを有している。第1凹部51aと第2凹部51bの深さは、凹み閾値よりも大きい。そのため、コントローラ26は、第1凹部51aの位置Pp1と、第2凹部51bの位置Pp2とを仮の分割位置として決定する。ただし、第3凹部51cの深さは、凹み閾値以下である。そのため、コントローラ26は、第3凹部51cの位置Pp3については、仮の分割位置として決定しない。

なお、各凹部51a-51cの位置とは、各凹部51a-51cの底B1-B3を通る鉛直線の位置を意味する。ただし、凹部51a-51cの位置は、他の位置であってもよい。例えば、凹部51a-51cの位置は、凹部51a-51cの変曲点の位置であってもよい。或いは、各凹部51a-51cの位置は、各凹部51a-51cに含まれる他の部分の位置であってもよい。

ステップS204では、コントローラ26は、仮の分割領域の長さが所定の長さ閾値よりも大きいかを判定する。仮の分割領域は、終端に最も近い仮の分割位置と終端との間の領域、始端に最も近い仮の分割位置と始端との間の領域、及び、互いに隣接する仮の分割位置の間の領域である。例えば、図7に示す例では、コントローラ26は、第1仮領域と第2仮領域と第3仮領域とを仮の分割領域として決定する。

第1仮領域は、終端と第1凹部51aの位置Pp1との間の領域である。第2仮領域は、第1凹部51aの位置Pp1と第2凹部51bの位置Pp2との間の領域である。第3仮領域は、第2凹部51bの位置Pp2と始端との間の領域である。仮の分割領域の長さは、仮の分割位置の間の水平方向の距離である。長さ閾値は、例えば、作業効率を考慮した値に設定されている。仮の分割領域の長さが所定の長さ閾値よりも大きいときには、ステップS205に進む。

ステップS205では、コントローラ26は、分割位置を確定する。コントローラ26は、長さ閾値よりも大きい長さを有する仮の分割領域の仮の分割位置を、分割位置として確定する。言い換えれば、コントローラ26は、長さ閾値以下の長さを有する仮の分割領域の仮の分割位置を、分割位置として決定しない。

コントローラ26は、作業範囲内の全ての仮の分割領域に対して、ステップS204とステップS205との処理を行う。それにより、作業範囲内の仮の分割位置のうち、長さ閾値よりも大きい長さを有する仮の分割領域を区画する仮の分割位置が、分割位置として確定される。

例えば、図7に示す例では、第1仮領域の長さL1と、第2仮領域の長さL2とは、長さ閾値よりも大きい。しかし、第3仮領域の長さL3は、長さ閾値以下である。そのため、コントローラ26は、第2凹部51bの位置Pp2を分割位置として確定せず、第1凹部51aの位置Pp1を分割位置として確定する。従って、コントローラ26は、作業範囲を第1凹部51aの位置Pp1で第1領域と第2領域とに分割する。詳細には、第1領域は、終端と第1凹部51aの位置Pp1との間の領域である。第2領域は、始端と第1凹部51aの位置Pp1との間の領域である。

ステップS206では、コントローラ26は、分割された各領域に対して目標設計地形70を決定する。コントローラ26は、分割された領域のうち、終端に近い方の領域から順に、目標設計地形70を決定する。図7に示す例では、コントローラ26は、第1領域に対して第1の目標設計地形71を決定し、第2領域に対して第2の目標設計地形72を決定する。図10は、第1の目標設計地形71と第2の目標設計地形72の一例を示す図である。

図10に示すように、第1の目標設計地形71は、複数の第1の目標設計面71_1-71_4を含む。複数の第1の目標設計面71_1-71_4は、上下方向に所定距離A3、互いに変位している。コントローラ26は、上述したステップS105の所定距離A1と同様に、第1の目標設計面71_1-71_4の所定距離A3を決定してもよい。或いは、第1の目標設計面71_1-71_4の所定距離A3は、ステップS105の所定距離A1と異なってもよい。

複数の第1の目標設計面71_1-71_4は、水平方向に延びている。例えば、コントローラ26は、第1領域内の現況地形50の頂点T1から所定距離A3ずつ下方に位置する複数の第1の目標設計面71_1-71_4を決定する。ただし、コントローラ26は、第1凹部51aの底B1を通る目標設計面71_4を最も下方の第1の目標設計面とする。

次に、コントローラ26は、第2領域内の現況地形50の頂点T2から所定距離A4ずつ下方に位置する複数の第2の目標設計面72_1-72_6を決定する。所定距離A4は、所定距離A3と同じであってもよい。或いは、所定距離A4は、所定距離A3と異なってもよい。第2の目標設計面72_1-72_6は、最も下方の第1の目標設計面71_4より下方の位置では、分割位置Pp1を越えて第1領域内まで延びている。

図7に示す例のように、第2領域よりも始端側に他の分割領域が無いときには、コントローラ26は、最終設計地形60を下方に越えない位置まで第2の目標設計面72_1-72_6を生成する。また、コントローラ26は、第2の目標設計面72_1-72_3と現況地形50との交点と、最も下方の第1の目標設計面71_4とを接続するように、第2の目標設計面72_1-72_3を生成する。

ステップS207では、コントローラ26は、作業順序を決定する。コントローラ26は、第2の目標設計地形72に従って作業機13を動作させる前に、第1の目標設計地形71に従って作業機13を動作させるように、作業順序を決定する。すなわち、コントローラ26は、第1の目標設計地形71に従って作業機13を動作させた後で、第2の目標設計地形72に従って作業機13を動作させる。

コントローラ26は、第1の目標設計地形71においては、第1の目標設計面71_1-71_4のなかから上方に位置するものから順に作業を行うように、作業順序を決定する。コントローラ26は、第2の目標設計地形72においては、第2の目標設計面72_1-72_6のうち上方に位置するものから順に作業を行うように、作業順序を決定する。なお、コントローラ26は、上述したステップS106と同様に、各目標設計面71_1-71_4, 72_1-72_6でのカットロケーションCLとその作業順序を決定する。

以上のように、コントローラ26は、現況地形50が大きな凹凸を有する場合の目標設計地形70と作業順序とを決定する。他の処理については、図4に示す処理と同様である。

図7に示す例では、コントローラ26は、第1凹部51aの位置Pp1で分割された第1領域と第2領域とを決定する。そして、第1領域に対して決定された第1の目標設計地形71に従って作業機3を動作させる。詳細には、コントローラ26は、まず、最も上方の第1の目標設計面71_1に従ってブレード18を動作させる。第1の目標設計面71_1の掘削が完了すると、コントローラ26は、第1の目標設計面71_1の1つ下方の第1の目標設計面71_2に従ってブレード18を動作させる。このような動作が繰り返されることで、コントローラ26は、最も上方の第1の目標設計面71_1から、最も下方の第1の目標設計面71_4まで順に掘削を行う。これにより、第1領域の隆起した地形が掘削される。

次に、コントローラ26は、第2領域に対して決定された第2の目標設計地形72に従ってブレード18を動作させる。詳細には、最も下方の第1の目標設計面71_4の掘削が完了すると、コントローラ26は、最も上方の第2の目標設計面72_1に従ってブレード18を動作させる。そして、コントローラ26は、最も上方の第2の目標設計面72_1から最も下方の第2の目標設計面72_6まで順に掘削を行う。その後、コントローラ26は、最終設計地形60に従ってブレード18を動作させる。それにより、現況地形50が最終設計地形60の位置まで掘削される。

以上のように、本実施形態に係る作業機械1の制御システム3では、大きな凹部のある地形に対して掘削を行う場合に、作業範囲を凹部で複数の領域に分割する。そして、分割された領域の１つに対して先に掘削を行い、その後、残りの領域の掘削を行う。そのため、作業機械1が凹凸を乗り越える回数を低減することができる。それにより、作業効率の低下を抑えることができる。

図11は、凹凸のある現況地形50の他の例を示す図である。図11に示す例では、第1仮領域の長さL1と、第2仮領域の長さL2と、第3仮領域の長さL3とは、長さ閾値よりも大きい。そのため、コントローラ26は、第1凹部51aの位置Pp1と第2凹部51bの位置Pp2とを分割位置として確定する。従って、コントローラ26は、作業範囲を第1領域と第2領域と第3領域とに分割する。第1領域は、終端と第1凹部51aの位置Pp1との間の領域である。第2領域は、第1凹部51aの位置Pp1と第2凹部51bの位置Pp2との間の領域である。第3領域は、始端と第2凹部51bの位置Pp2との間の領域である。

コントローラ26は、第1~第3領域に対して目標設計地形70を決定する。コントローラ26は、第1~第3領域のうち、終端に近い方の領域から順に、目標設計地形70を決定する。第1領域は第2領域よりも終端に近く、第2領域は、第3領域よりも終端に近い。従って、コントローラ26は、まず第1領域に対して第1の目標設計地形71を決定する。次に、コントローラ26は、第2領域に対して第2の目標設計地形72を決定する。次に、コントローラ26は、第3領域に対して第3の目標設計地形73を決定する。

上述した図7に示す例と同様に、コントローラ26は、第1領域内の現況地形50の頂点T1から所定距離A3ずつ下方に位置する複数の第1の目標設計面71_1-71_4を決定する。コントローラ26は、第1凹部51aの底B1を通る第1の目標設計面71_4を最も下方の第1の目標設計面とする。

次に、コントローラ26は、第2領域内の現況地形50の頂点T2から所定距離A4ずつ下方に位置する複数の第2の目標設計面72_1-72_4を決定する。ただし、図11に示す例のように、第2領域よりも始端側に他の分割領域（第3領域）があるときには、コントローラ26は、第2領域の始端側の第2凹部51bの底B2を通る第2の目標設計面72_4を最も下方の第2の目標設計面とする。

次に、コントローラ26は、第3領域内の現況地形50の頂点T3から所定距離A5ずつ下方に位置する複数の第3の目標設計面73_1-73_5を決定する。所定距離A5、所定距離A3、或いは所定距離A4と同じであってもよい。或いは、所定距離A5は、所定距離A3、或いは所定距離A4と異なってもよい。第3の目標設計面73_1-73_5は、第2凹部51bの底B2より下方の位置では、分割位置Pp2を越えて第2領域及び第1領域内まで延びている。図11に示す例では、第3領域よりも始端側に他の分割領域が無いため、コントローラ26は、最終設計地形60を下方に越えない位置まで第3の目標設計面73_1-73_5を生成する。

以上のように、図11に示す例では、コントローラ26は、第1凹部51aの位置Pp1及び第2凹部51bの位置Pp2で分割された第1領域と第2領域と第3領域を決定する。そして、第1領域に対して決定された第1の目標設計地形71に従って作業機3を動作させる。詳細には、コントローラ26は、最も上方の第1の目標設計面71_1から最も下方の第1の目標設計面71_4まで順に掘削を行う。これにより、第1領域の隆起した地形が掘削される。

次に、コントローラ26は、第2領域に対して決定された第2の目標設計地形72に従って作業機3を動作させる。詳細には、第1領域において最も下方の第1の目標設計面71_4の掘削が完了すると、コントローラ26は、第2領域において最も上方の第2の目標設計面72_1に従ってブレード18を動作させる。そして、コントローラ26は、最も上方の第2の目標設計面72_1から最も下方の第2の目標設計面72_4まで順に掘削を行う。これにより、第2領域の隆起した地形が掘削される。

次に、コントローラ26は、第3領域に対して決定された第3の目標設計地形73に従って作業機3を動作させる。詳細には、第2領域において最も下方の第2の目標設計面72_4の掘削が完了すると、コントローラ26は、第3領域において最も上方の第3の目標設計面73_1に従ってブレード18を動作させる。そして、コントローラ26は、最も上方の第3の目標設計面73_1から最も下方の第3の目標設計面73_5まで順に掘削を行う。その後、コントローラ26は、最終設計地形60に従ってブレード18を動作させる。それにより、現況地形50が最終設計地形60の位置まで掘削される。

なお、上記では、作業範囲が2つ、又は3つの領域に分割される例に付いて説明した。しかし、作業範囲が4つ以上の領域に分割される場合についても、上記と同様の処理が行われる。

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。

作業機械1は、ブルドーザに限らず、ホイールローダ、モータグレーダ、油圧ショベル等の他の機械であってもよい。

作業機械1は、遠隔操縦可能な作業機械であってもよい。その場合、制御システム3の一部は、作業機械1の外部に配置されてもよい。例えば、コントローラ26は、作業機械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。その場合、作業機械1は、運転室14を備えない車両であってもよい。

作業機械1は、電動モータで駆動される車両であってもよい。その場合、電源は作業機械1の外部に配置されてもよい。電源が外部から供給される作業機械1は、内燃エンジン22及びエンジン室を備えない車両であってよい。

コントローラ26は、互いに別体の複数のコントローラ26を有してもよい。例えば、図12に示すように、コントローラ26は、作業機械1の外部に配置されるリモートコントローラ261と、作業機械1に搭載される車載コントローラ262とを含んでもよい。リモートコントローラ261と車載コントローラ262とは通信装置38,39を介して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261によって実行され、残りの機能が車載コントローラ262によって実行されてもよい。例えば、目標設計地形70を決定する処理がリモートコントローラ261によって実行され、作業機13への指令信号を出力する処理が車載コントローラ262によって実行されてもよい。

入力装置25は、作業機械1の外部に配置されてもよい。その場合、運転室は、作業機械1から省略されてもよい。或いは、入力装置25が作業機械1から省略されてもよい。入力装置25は、走行装置12及び／又は作業機13を操作するための操作レバー、ペダル、或いはスイッチ等の操作子を含んでもよい。入力装置25の操作に応じて、作業機械1の前進及び後進などの走行が制御されてもよい。入力装置25の操作に応じて、作業機13の上昇及び下降などの動作が制御されてもよい。

現況地形50は、上述した位置センサ31に限らず、他の装置によって取得されてもよい。例えば、図13に示すように、外部の装置からのデータを受け付けるインターフェ−ス装置37によって現況地形50が取得されてもよい。インターフェ−ス装置37は、外部の計測装置41が計測した現況地形50データを無線によって受信してもよい。或いは、インターフェ−ス装置37は、記録媒体の読み取り装置であって、外部の計測装置41が計測した現況地形50データを記録媒体を介して受け付けてもよい。

目標設計地形70の決定方法は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、目標設計地形70（第1の目標設計地形71、第2の目標設計地形72、第3の目標設計地形73）は、現況地形50を鉛直方向に所定距離、変位させたものであってもよい。或いは、図14に示すように、目標設計地形70（第1の目標設計地形71、第2の目標設計地形72、第3の目標設計地形73）は、水平方向に対して所定角度で傾斜したものであってもよい。所定角度は、オペレータによって設定されてもよい。或いは、コントローラ26が、所定角度を自動的に決定してもよい。

第1の目標設計地形71、第2の目標設計地形72、及び第3の目標設計地形73の決定方法は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、コントローラ26は、まず第1凹部51aの底B1を通る第1の目標設計面71_4を決定し、第1の目標設計面71_4から所定距離A3ずつ上方に位置する複数の第1の目標設計面71_1-71_3を決定してもよい。第2の目標設計地形72及び第3の目標設計地形73についても同様である。

或いは、図15に示すように、コントローラ26は、第1領域内の現況地形50の頂点T1から所定距離A3ずつ下方に位置する複数の第1の目標設計面71_1-71_4を決定し、第1凹部51aの底B1を下方に越えた最初の目標設計面71_4を最も下方の第1の目標設計面としてもよい。

上記の実施形態では、凹部51a-51cの深さは、重力方向において、作業範囲内の現況地形50の最高点T0から凹部51a-51cの底までの距離である。しかし、凹部51a-51cの深さの定義は、これと異なるものであってもよい。例えば、図16に示すように、凹部51aの深さは、重力方向において、隣接する2つの起伏の頂点T1,T2のうち低い方（T2）から凹部51aの底B1までの距離D2であってもよい。或いは、凹部51aの深さは、重力方向において、隣接する2つの起伏の頂点T1,T2のうち高い方（T1）から凹部51aの底B1までの距離であってもよい。

上記の実施形態では、コントローラ26は、凹部51a-51cの深さを凹部51a-51cの大きさとして取得している。しかし、コントローラ26は、凹部51a-51cの他の大きさを凹部51a-51cの大きさとして取得してもよい。例えば、コントローラ26は、凹部51a-51cの長さを凹部51a-51cの大きさとして取得してもよい。

例えば、図17に示すように、凹部51aの長さは、隣接する2つの起伏の頂点T1,T2の間の距離であってもよい。詳細には、凹部51aの長さとは、頂点T1,T2の間の水平方向における距離D3であってもよい。この場合、コントローラ26は、凹部51aの長さが凹み閾値よりも大きいときに、凹部51aの位置で分割された第1領域と第2領域とを決定する。

或いは、図18に示すように、凹部51aの長さは、隣接する2つの起伏の頂点T1,T2のうち低い方（T2）と、その接線と現況地形50との交点E1との間の距離D4であってもよい。或いは、図19に示すように、凹部51aの長さは、凹部51aを挟む2つの変曲点（或いは凹部51aの縁）F1,F2の間の距離D5であってもよい。

凹部51a-51cの深さは、重力方向における距離に限らず、他の方向における距離であってもよい。例えば、図20に示すように、凹部51aの深さは、目標設計地形70の法線方向における距離D6であってもよい。或いは、図21に示すように、凹部51aの深さは、現況地形50の近似直線50’の法線方向における距離D7であってもよい。

同様に、上述した凹部51a-51cの長さは、水平方向における距離に限らず、他の方向における距離であってもよい。例えば、図20に示すように、凹部51aの長さは、目標設計地形70に平行な方向における距離D8であってもよい。或いは、図21に示すように、凹部51aの長さは、現況地形50の近似直線50’に平行な方向における距離D9であってもよい。

凹部51a-51cの底は、凹部51a-51cの最下点に限らず他の位置であってもよい。例えば、図20に示すように、凹部51aの底B1は、目標設計地形70に平行な直線と凹部51aとの接点であってもよい。或いは、図21に示すように、凹部51aの底B1は、現況地形50の近似直線50’に平行な直線と凹部51aとの接点であってもよい。

現況地形50の頂点は、隣接する凹部の間の現況地形50の最上点に限らず、他の位置であってもよい。例えば、図20に示すように、現況地形50の頂点T1,T2は、目標設計地形70に平行な直線と現況地形50との接点であってもよい。或いは、図21に示すように、現況地形50の頂点T1,T2は、現況地形50の近似直線50’に平行な直線と現況地形50との接点であってもよい。

本発明では、凹凸のある地形に対して掘削を行う場合に、作業機械が凹凸を乗り越える回数を低減することができる。それにより、作業効率の低下を抑えることができる。

3 制御システム
13 作業機
26 コントローラ
50 現況地形
71 第1の目標設計地形
72 第2の目標設計地形

Claims (20)

1. 作業機を有する作業車両の制御システムであって
   コントローラを備え、
   前記コントローラは、
   現況地形を示す現況地形データを取得し、
   作業範囲を示す作業範囲データを取得し、
   前記作業範囲内の前記現況地形に含まれる凹部の大きさを取得し、
   前記凹部の大きさが所定の凹み閾値よりも大きいかを判定し、
   前記凹部が前記凹み閾値よりも大きいときには、前記作業範囲内において前記凹部の位置で分割された第１領域と第２領域とを決定し、
   前記第１領域に対して、前記作業機の目標軌跡を示す第１の目標設計地形を決定し、
   前記第１の目標設計地形に従って前記作業機を動作させる指令信号を生成する、
   作業機械の制御システム。
2. 前記コントローラは、
   前記第２領域に対して、前記作業機の目標軌跡を示す第２の目標設計地形を決定し、
   前記第２の目標設計地形に従って前記作業機を動作させる前に、前記第１の目標設計地形に従って前記作業機を動作させるように前記指令信号を生成する、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
3. 前記作業範囲は、終端を含み、
   前記第１領域は、前記第２領域よりも前記終端に近い、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
4. 前記凹部の大きさは、前記凹部の深さである、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
5. 前記凹部の大きさは、前記凹部の長さである、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
6. 前記コントローラは、前記凹部が前記凹み閾値よりも大きく、且つ、前記第１領域の長さが所定の長さ閾値よりも大きいときに、前記第１領域に対して、前記第１の目標設計地形を決定する、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
7. 前記第１の目標設計地形は、上下方向に互いに変位した複数の目標設計面を含み、
   前記コントローラは、上方に位置する前記目標設計面から順に従って前記作業機を動作させる、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
8. 前記複数の目標設計面のうち最も下方に位置する前記目標設計面は、前記凹部の底と同じ高さ、又は、前記凹部の底よりも所定距離、下方に位置する、
   請求項７に記載の作業機械の制御システム。
9. 前記コントローラは、
   前記作業範囲内の前記現況地形が第１凹部と第２凹部とを含み、前記第１凹部と前記第２凹部とが共に前記凹み閾値よりも大きいときには、前記作業範囲内において前記第１凹部の位置と前記第２凹部との位置とで分割された第１領域と第２領域と第３領域とを決定し、
   前記第１領域に対して、前記第１の目標設計地形を決定し、
   前記第２領域に対して、前記作業機の目標軌跡を示す第２の目標設計地形を決定し、
   前記第３領域に対して、前記作業機の目標軌跡を示す第３の目標設計地形を決定し、
   前記第１の目標設計地形に従って前記作業機を動作させ、
   前記第１の目標設計地形に従って前記作業機を動作させた後に、前記第２の目標設計地形に従って前記作業機を動作させ、
   前記第２の目標設計地形に従って前記作業機を動作させた後に、前記第３の目標設計地形に従って前記作業機を動作させる、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
10. 前記作業範囲は、終端を含み、
    前記第１領域は、前記第２領域よりも前記終端に近く、
    前記第２領域は、前記第３領域よりも前記終端に近い、
    請求項９に記載の作業機械の制御システム。
11. 作業機を有する作業機械を制御するためにコントローラによって実行される方法であって
    作業範囲内の現況地形に含まれる凹部の大きさを取得することと、
    前記凹部の大きさが所定の凹み閾値よりも大きいかを判定することと、
    前記凹部が前記凹み閾値よりも大きいときには、前記作業範囲内において前記凹部の位置で分割された第１領域と第２領域とを決定することと、
    前記第１領域に対して、前記作業機の目標軌跡を示す第１の目標設計地形を決定することと、
    前記第１の目標設計地形に従って前記作業機を動作させる指令信号を生成すること、
    を備える方法。
12. 前記第２領域に対して、前記作業機の目標軌跡を示す第２の目標設計地形を決定することと、
    前記第２の目標設計地形に従って前記作業機を動作させる前に前記第１の目標設計地形に従って前記作業機を動作させるように指令信号を生成すること、
    をさらに備える、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記作業範囲は、終端を含み、
    前記第１領域は、前記第２領域よりも前記終端に近い、
    請求項１１に記載の方法。
14. 前記凹部の大きさは、前記凹部の深さである、
    請求項１１に記載の方法。
15. 前記凹部の大きさは、前記凹部の長さである、
    請求項１１に記載の方法。
16. 前記凹部が前記凹み閾値よりも大きく、且つ、前記第１領域の長さが所定の長さ閾値よりも大きいときに、前記第１領域に対して、前記第１の目標設計地形が決定される、
    請求項１１に記載の方法。
17. 前記第１の目標設計地形は、上下方向に互いに変位した複数の目標設計面を含み、
    前記指令信号は、上方に位置する前記目標設計面から順に従って前記作業機を動作させる、
    請求項１１に記載の方法。
18. 前記複数の目標設計面のうち最も下方に位置する前記目標設計面は、前記凹部の底と同じ高さ、又は、前記凹部の底よりも所定距離、下方に位置する、
    請求項１７に記載の作業機械の制御システム。
19. 作業機と、
    前記作業機を制御するコントローラとを備え、
    前記コントローラは、
    作業範囲内の現況地形に含まれる凹部の大きさを取得し、
    前記凹部の大きさが所定の凹み閾値よりも大きいかを判定し、
    前記凹部が前記凹み閾値よりも大きいときには、前記作業範囲内において前記凹部の位置で分割された第１領域と第２領域とを決定し、
    前記第１領域に対して、前記作業機の目標軌跡を示す第１の目標設計地形を決定し、
    前記第１の目標設計地形に従って前記作業機を動作させる指令信号を生成する、
    作業機械。
20. 前記コントローラは、
    前記第２領域に対して、前記作業機の目標軌跡を示す第２の目標設計地形を決定し、
    前記第２の目標設計地形に従って前記作業機を動作させる前に前記第１の目標設計地形に従って前記作業機を動作させるように前記指令信号を生成する、
    請求項１９に記載の作業機械。

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