JP2019173470A - 作業車両の制御システム、方法、及び作業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】作業車両の自動制御において作業効率の低下を抑える。【解決手段】コントローラは、作業車両による作業の終了位置と目標距離とを取得する。コントローラは、終了位置から、目標距離、離れた地点を開始位置として決定する。コントローラは、開始位置から終了位置に向かって作業を開始し、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。コントローラは、作業の結果に基づいて、目標距離を修正する。【選択図】図9

Description

本発明は、作業車両の制御システム、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、効率的に作業するため、作業車両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現場の地形などから予め設定する。コントローラは、作業現場の現況地形上の開始位置から掘削を開始し、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

しかし、地形、土質、或いは土の硬さなどの要因により、作業機が、目標とする終了位置まで到達する前に、目標プロファイルから離れてしまうことがある。その場合、そのまま作業が継続されると、地形に凹凸を作り出すことになり、作業効率が低下してしまう。

或いは、地形、或いは土の硬さなどの要因により、大きな負荷が作業車両にかかり、作業車両の走行装置が過大にスリップしてしまうことがある。その場合、作業のやり直しが発生することになり、作業効率が低下してしまう。或いは、作業車両にかかる負荷が過小であるときにも、車両の能力に不必要な余裕が生じることで、作業効率が低下してしまう。

本発明の目的は、上記の問題を解決することにある。

第1の態様は、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、作業機の目標軌跡を示す目標設計地形を決定する。目標設計地形の少なくとも一部は現況地形よりも下方に位置する。コントローラは、作業車両による作業の終了位置と目標距離とを取得する。コントローラは、終了位置から、目標距離、離れた地点を開始位置として決定する。コントローラは、開始位置から終了位置に向かって作業を開始し、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。コントローラは、作業の結果に基づいて、目標距離を修正する。

第2の態様は、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、少なくとも一部が現況地形よりも下方に位置し、作業機の目標軌跡を示す目標設計地形を決定する。コントローラは、作業車両による作業の終了位置と目標土量とを取得する。コントローラは、終了位置から、目標土量分、離れた地点を開始位置として決定する。コントローラは、開始位置から終了位置に向かって作業を開始し、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。コントローラは、作業の結果に基づいて、目標土量を修正する。

第3の態様は、走行装置と作業機と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、作業機の目標軌跡を示す目標設計地形を決定する。目標設計地形の少なくとも一部は、現況地形よりも下方に位置する。コントローラは、作業車両による作業の終了位置と目標距離とを取得する。コントローラは、終了位置から、目標距離、離れた地点を開始位置として決定する。コントローラは、開始位置から終了位置に向かって作業を開始し、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。コントローラは、走行装置の負荷の大きさを示す負荷パラメータを取得する。コントローラは、負荷パラメータに応じて目標距離を修正する。

本発明の第1の態様によれば、作業の結果に基づいて目標距離が修正される。それにより、作業の開始位置が修正されることで、作業機が終了位置に到達する前に目標設計地形から離れることを抑えることができる。或いは、車両の能力に不必要な余裕が生じることを抑えることができる。それにより、作業効率の低下を抑えることができる。

本発明の第2の態様によれば、作業の結果に基づいて目標土量が修正される。それにより、作業の開始位置が修正されることで、作業機が終了位置に到達する前に目標設計地形から離れることを抑えることができる。或いは、車両の能力に不必要な余裕が生じることを抑えることができる。それにより、作業効率の低下を抑えることができる。

本発明の第3の態様によれば、目標距離は、負荷パラメータに応じて修正される。それにより、作業の開始位置が修正されることで、走行装置への負荷が過大になることを抑えることができる。或いは、作業車両にかかる負荷が過小となることを防止して、車両の能力に不必要な余裕が生じることを抑えることができる。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。 作業車両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。 目標設計地形における作業の開始位置の一例を示す図である。 第1実施形態に係る開始位置の修正方法の処理を示すフローチャートである。 開始位置の修正方法を示す図である。 開始位置の修正方法を示す図である。 第2実施形態に係る開始位置の修正方法の処理を示すフローチャートである。 開始位置の修正方法を示す図である。 開始位置の修正方法を示す図である。 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。 目標設計地形の変形例を示す図である。 第1実施形態に係る開始位置の修正方法の変形例を示す図である。 第1実施形態に係る開始位置の修正方法の変形例を示す図である。 開始位置、及び、残りの距離の変形例を示す図である。 開始位置、及び、終了位置の変形例を示す図である。

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、後述する作業車両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（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、作業車両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13の位置を検出し、作業機13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もよい。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の回転角度を直接検出する回転センサであってもよい。

制御システム3は、動力伝達装置24の出力を計測する出力センサ34を備える。動力伝達装置24が油圧モータを含むHSTの場合には、出力センサ34は、油圧モータの駆動油圧を検出する圧力センサであってもよい。出力センサ34は、油圧モータの出力回転速度を検出する回転センサであってもよい。出力センサ34は、動力伝達装置24の出力回転速度を検出する回転センサであってもよい。出力センサ34の検出値を示す検出信号は、コントローラ26に出力される。

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、作業車両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 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、作業車両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よい。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、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PB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PB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PB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PB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PB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車両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、作業車両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。現況地形データは、車載されたライダ（LIDAR：Laser Imaging Detection and Ranging）などによる現況地形の測距から取得されてもよい。

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。作業車両1の走行は、コントローラ26によって自動的に制御されてもよい。例えば、作業車両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、作業車両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、掘削における作業車両1の自動制御について説明する。以下の説明では、作業車両１は、例えばスロットドージングにおける各スロットを前後に行き来して、各スロットの掘削を行うものとする。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PB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、作業車両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、作業車両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、作業車両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、現況地形データは、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、作業車両1の現在の刃先位置PB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。図5に示すように、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み、始端の座標と作業範囲の長さとから、終端の座標が算出されてもよい。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み、終端の座標と作業範囲の長さとから、始端の座標が算出されてもよい。

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。

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、すなわち目標軌跡を示す。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。

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、現況地形50から、下方に所定距離dZ変位した目標設計地形70を生成する。所定距離dZ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dZ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。所定距離dZ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、目標距離データを取得する。図6に示すように、コントローラ26は、作業車両1の進行方向に並ぶ複数のカット71-73ごとに、目標設計地形70に従った掘削を行う。なお、図6においては、作業範囲内の複数のカットの一部のみが図示されている。目標距離データは、各カット71-73の掘削の開始位置と終了位置との間の目標距離L1を示す。

目標距離L1は、予め設定された一定値であってもよい。目標距離L1は、入力装置25を用いてオペレータによって設定されてもよい。目標距離L1は、所定のパラメータに基づいて、コントローラ26によって決定されてもよい。所定のパラメータは、目標土量であってもよい。目標土量は、ブレード18の容量などの作業車両1の機械能力から決定されてもよい。

ステップS107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、目標設計地形70において、作業範囲内での各カット71-73の作業の開始位置とその作業順序を決定する。コントローラは、作業機13による作業の終了位置を取得し、終了位置から、目標距離L1、離れた地点を開始位置として決定する。また、次の終了位置を取得し、次の終了位置から、修正された目標距離L1、離れた地点を次の開始位置として決定する。

詳細には、コントローラ26は、作業範囲の終端の位置を第1の終了位置として決定する。コントローラ26は、第1の終了位置から始端側に、目標距離L1、離れた位置を、第1の開始位置Ps1として決定する。コントローラ26は、第1の開始位置Ps1を第2の終了位置として決定し、第2の終了位置から始端側に、目標距離L1、離れた位置を、第2の開始位置Ps2として決定する。コントローラ26は、第2の開始位置Ps2を第3の終了位置として決定し、第3の終了位置から始端側に、目標距離L1、離れた位置を、第3の開始位置Ps3として決定する。他のカットについても同様にして、コントローラ26は、作業範囲内において複数の開始位置を決定し、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S108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S107で決定した開始位置から終了位置に向かって作業機による作業を開始し、ステップS105で作成した目標設計地形70に従ってブレード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、ブレード18の刃先位置PBが開始位置から目標設計地形70に向かって移動する。作業は、開始位置からブレード18によって表土を掘削し始め、終了位置にてブレード18を表土から出す作業を含む。

第1の開始位置Ps1から1つのカット71の掘削が完了すると、コントローラ26は、作業車両1を第2の開始位置Ps2に移動させ、次のカット72の掘削を行うカット72の掘削が完了すると、コントローラ26は、作業車両1を第3の開始位置Ps3に移動させ、次のカット73の掘削を行う。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、さらに下方に位置する次の目標設計地形70について、各カットの作業の開始位置とその作業順序を決定し、各カットの掘削を開始する。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S109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PB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。作業現場地形データの更新は、随時、行われてもよい。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。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、コントローラ26によって実行される開始位置の修正の処理について説明する。図7は、第1実施形態に係る開始位置を修正するための処理を示すフローチャートである。各カットの掘削中に、地形、或いは土の硬さなどの要因により、ブレード18の刃先が終了位置に到達する前に作業機13に所定の負荷が作用し、負荷を逃がすため作業機13を上昇させる負荷制御により、目標設計地形70から離れることがある。掘削作業中に負荷を逃がすために負荷制御が実施されることは、作業の結果の一例である。コントローラ26は、負荷制御が実施されたか否かに基づき、作業機13が目標設計地形70から離れたか否かを判定できる。そのような場合、コントローラ26は、図7に示す処理を実行する。

図7に示すように、ステップS201では、コントローラ26は、残土の残りの距離Lxを算出する。図8に示すように、残りの距離Lxは、ブレード18の刃先が目標設計地形70から離れた地点Pxから終了位置までの距離である。

残土の存在は、レーザ、ステレオカメラといった検出手段により検知してもよいし、或いは、コントローラ26が有する現況地形50と作業機13が動作した軌跡の結果とを比較して検知してもよい。残土の存在は、履帯16の走行軌跡の結果に基づいて検知されてもよい。残土の存否結果は、作業の結果の一例である。コントローラ26は、残土の存否の判断結果に基づき、作業機が目標設計地形から離れたか否かを判定できる。

ステップS202では、コントローラ26は、残りの距離Lxが、所定の距離閾値より大きいかを判定する。距離閾値は、作業効率を考慮して予め設定された一定値であってもよい。距離閾値は、入力装置25を用いてオペレータによって設定されてもよい。残りの距離Lxが距離閾値より大きいときには、処理は、ステップS203に進む。

ステップS203では、コントローラ26は、目標距離L1を短くするように修正する。図9に示すように、コントローラ26は、目標距離をL1からL1’に修正する。L1からL1’への目標距離の減少分dL1は、一定値であってもよい。或いは、目標距離の減少分dL1は、残りの距離Lxの長さに応じて、コントローラ26によって決定されてもよい。すなわち、コントローラ26は、残りの距離Lxの増大に応じて、目標距離L1を短くしてもよい。

ステップS204では、コントローラ26は、開始位置を修正する。図9に示すように、コントローラ26は、終端の位置から始端側に、修正された目標距離L1’、離れた位置を、修正された第1の開始位置Ps1’として決定する。コントローラ26は、当初の第1の開始位置Ps1よりも終端に近い位置を、修正された第1の開始位置Ps1’として決定する。

コントローラ26は、修正された第1の開始位置Ps1’を第2の終了位置として決定し、第2の終了位置から始端側に、修正された目標距離L1’、離れた位置を、修正された第2の開始位置Ps2’として決定する。コントローラ26は、修正された第2の開始位置Ps2’を第3の終了位置として決定し、第3の終了位置から始端側に、修正された目標距離L1’、離れた位置を、修正された第3の開始位置Ps3’として決定する。以下、同様にして、コントローラ26は、作業範囲内の複数の開始位置を修正する。

そして、コントローラ26は、修正された開始位置から終了位置に向かって作業機13による作業を開始し、上述したステップS108と同様に、目標設計地形70に従ってブレード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。

なお、ステップS202において、残りの距離Lxが、所定の距離閾値以下であるときには、ステップS203の開始位置の修正は行われない。その場合、コントローラ26は、当初決定された作業順序に従って、各カットの掘削を行う。

上記の例では、終端に最も近い1番目のカット71の掘削中に、ブレード18の刃先が目標設計地形70から離れた場合について説明している。しかし、他のカット（例えば2番目のカット72、或いは3番目のカット73）の掘削中にブレード18の刃先が目標設計地形70から離れたときにも、コントローラ26は、上記と同様の処理を実行してもよい。

以上説明した、第1実施形態では、作業機13が終了位置に到達する前に目標設計地形70から離れた場合、残りの距離Lxが距離閾値より大きいときには、目標距離L1を短くするように、目標距離L1が修正される。それにより、作業の開始位置が修正されることで、作業機13が終了位置に到達する前に目標設計地形70から離れることを抑えることができる。それにより、作業効率の低下を抑えることができる。

次に、第2実施形態に係る開始位置の修正方法について説明する。図10は、第2実施形態に係る開始位置を修正するための処理を示すフローチャートである。図10に示すように、ステップS301では、コントローラ26は、スリップパラメータを取得する。スリップパラメータは、走行装置12の履帯16のスリップの大きさを示す。スリップの度合いが増大するほど、スリップパラメータは増大する。例えば、コントローラ26は、以下の(1)式から、スリップパラメータRs (%)を算出する。
Rs = (1 - Va / Vt) × 100 (1)
Vaは、作業車両1の実車速である。例えば、コントローラ26は、位置センサ31から得られた作業車両1の位置データから、実車速Vaを算出する。Vtは、作業車両1の理論車速である。理論車速Vtは、スリップが生じていない状態での作業車両1の車速の推測値である。例えば、コントローラ26は、出力センサ34からの検出値から、理論車速Vtを算出する。

ただし、スリップパラメータを取得する方法は上記のものに限らず、変更されてもよい。また、スリップパラメータは、スリップの度合いに応じて変化するものであればよく、上記の(1)のものに限らない。

ステップS302では、コントローラ26は、スリップパラメータが、所定の第1閾値より大きいかを判定する。第1閾値は、作業効率を考慮して予め設定された一定値であってもよい。第1閾値は、入力装置25を用いてオペレータによって設定されてもよい。スリップパラメータが第1閾値より大きいときには、処理は、ステップS303に進む。

ステップS303では、コントローラ26は、目標距離L2を短くするように修正する。図11に示すように、コントローラ26は、目標距離L2を初期値L2からL2’に修正する。L2からL2’への目標距離の減少分dL2は、一定値であってもよい。或いは、目標距離L1の減少分dL2は、スリップパラメータに応じて、コントローラ26によって決定されてもよい。すなわち、コントローラ26は、スリップパラメータの増大に応じて、目標距離L2を短くしてもよい。

ステップS304では、コントローラ26は、開始位置を修正する。図11に示すように、コントローラ26は、終端の位置から始端側に、修正された目標距離L2’、離れた位置を、修正された第1の開始位置Ps1’として決定する。コントローラ26は、当初の第1の開始位置Ps1よりも終端に近い位置を、修正された第1の開始位置Ps1’として決定する。他の開始位置の修正、及び、修正された開始位置に基づく作業機13の制御については、上述した第1実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

ステップS302において、スリップパラメータが第1閾値以下であるときには、処理は、ステップS305に進む。ステップS305では、スリップパラメータが、第2閾値より小さいかを判定する。第2閾値は、第1閾値よりも小さな値である。第2閾値は、作業効率を考慮して予め設定された一定値であってもよい。第2閾値は、入力装置25を用いてオペレータによって設定されてもよい。スリップパラメータが第2閾値より小さいときには、処理は、ステップS306に進む。

ステップS306では、コントローラ26は、目標距離L2を長くするように修正する。図12に示すように、コントローラ26は、目標距離を初期値L2からL2”に修正する。L2からL2”への目標距離の増分dL3は、一定値であってもよい。或いは、目標距離の増分dL3は、スリップパラメータに応じて、コントローラ26によって決定されてもよい。すなわち、コントローラ26は、スリップパラメータの減少に応じて、目標距離L2を長くするように修正してもよい。

そして、コントローラ26は、ステップS304において、開始位置を修正する。図12に示すように、コントローラ26は、終端の位置から始端側に、修正された目標距離L1’、離れた位置を、修正された第1の開始位置Ps1’として決定する。スリップパラメータが第2閾値より小さいときには、コントローラ26は、当初の第1の開始位置よりも終端から遠い位置を、修正された第1の開始位置Ps1’として決定する。他の開始位置の修正、及び、修正された開始位置に基づく作業機13の制御については、上述した第1実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

なお、ステップS305において、スリップパラメータが、第2閾値以上であるときには、ステップS304の開始位置の修正は行われない。その場合、コントローラ26は、当初決定された作業順序に従って、各カットの掘削を行う。

以上説明した、第2実施形態では、目標距離L2が、スリップパラメータに応じて修正される。詳細には、スリップパラメータが第1閾値より大きいときには、目標距離L2が短くなるように修正される。そのため、走行装置12が過大にスリップすることを抑えることができる。それにより、作業効率の低下を抑えることができる。また、スリップパラメータが第2閾値より小さいときには、目標距離L2が長くなるように修正される。作業車両1に相応な負荷が作用することにより走行装置１２が若干スリップしている状態が最も作業効率が良い状態である。そのため、スリップパラメータが第2閾値より小さいときには、目標距離L2を長くすることで、作業車両1にかかる負荷が過小となることが防止され、作業車両1の能力に不必要な余裕が生じることを抑えることができる。それにより、作業効率の低下を抑えることができる。

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、モータグレーダ、油圧ショベル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。その場合、作業車両1は、運転室14を備えない車両であってもよい。

作業車両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、電源は作業車両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車両1は、内燃エンジン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13に示すように、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261と、作業車両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と作業順序を決定する処理と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、入力装置25が作業車両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、作業車両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14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15に示すように、目標設計地形70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。

開始位置の修正方法は、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、第1実施形態において、ステップS202の処理が省略されてもよい。第2実施形態において、ステップS302の処理が省略されてもよい。

第1実施形態では、残りの距離Lxに基づいて、目標距離L1が短くなるように修正されている。しかし、コントローラ26は、残りの距離Lxに基づいて、目標距離L1を長くなるように修正してもよい。例えば、コントローラ26は、残りの距離Lxが0であるときには、目標距離L1を長くなるように修正してもよい。

第1実施形態では、残りの距離Lxに基づいて、目標距離L1が修正されている。残りの距離Lxは、ブレード18の刃先が目標設計地形70から離れた地点Pxから終了位置までの距離である。しかし、コントローラ26は、終了位置までの残土の程度を示す残土距離に基づいて、目標距離L1を修正すればよく、残土距離は、残りの距離Lxに限らない。例えば、残土距離は、ブレード18の刃先が現況地形50上に出てきた位置から終了位置までの距離であってもよい。また、コントローラ26は、終了位置までの残土の程度を示す残土量に基づいて、目標距離L1を修正してもよい。

コントローラ26は、修正された目標距離L1’を決定したときに、目標距離L1’に基づいて次の開始位置以降の複数の開始位置を決定してもよい。或いは、コントローラ26は、修正された目標距離L1’を決定したときに、目標距離L1’に基づいて次の開始位置のみを決定してもよい。すなわち、各開始位置からの掘削を行う度に次の目標距離L1’のみを決定してもよい。その場合、各開始位置からの掘削を行う度に、次の目標距離L1’が異なってもよい。

図16に示すように、コントローラ26は、残土量V1を計算し、残土量V1分を考慮して次の開始位置を修正してもよい。例えば、コントローラ26は、次の作業において、残土量がV1よりも減るように、次の開始位置を修正してもよい。また、コントローラ26は、目標土量に基づいて次の開始位置を決定している場合には、目標土量から残土量V1分を減じた土量に基づいて次の開始位置を修正してもよい。コントローラ26は、終了位置までの残土の程度を示す残土距離に基づいて、目標土量を修正してもよい。

図16に示すように、コントローラ26は、掘削土量V2を計算し、掘削土量V2と同等の土量で次回の掘削ができるよう、次の開始位置を修正してもよい。土が残ったときの掘削土量V2は、その作業状況における作業車両1の最大掘削土量と見なすことができる。従って、上記のように、掘削土量V2に応じて次の開始位置を修正することで、作業効率を向上させることができる。

例えば、コントローラ26は、残土が発生した場合の掘削土量V2を次回以降の目標土量に設定し、修正された目標土量に基づいて次回の開始位置を修正してもよい。また、コントローラ26は、残土量V1および掘削土量V2を用いて、残土が発生せず、かつ作業車両1の最大掘削土量にて掘削できるよう次の開始位置を修正してもよい。

図17に示すように、コントローラ26は、作業機13が目標設計地形70から離れることなく終了位置に到達したときには、目標距離L1を長くするように修正してもよい。例えば、図17に示すように、コントローラ26は、作業機13が目標設計地形70から離れることなく終了位置に到達したときには、目標距離をL1から、L1よりも大きいL1’’に修正してもよい。

コントローラ26は、終端の位置から始端側に、修正された目標距離L1’’、離れた位置を、修正された第1の開始位置Ps1’’として決定してもよい。コントローラ26は、当初の第1の開始位置Ps1よりも終端から離れた位置を、修正された第1の開始位置Ps1’’として決定してもよい。コントローラ26は、修正された第1の開始位置Ps1’’を第2の終了位置として決定し、第2の終了位置から始端側に、修正された目標距離L1’’、離れた位置を、修正された第2の開始位置Ps2’’として決定してもよい。

以下、同様にして、コントローラ26は、作業範囲内の複数の開始位置を修正してもよい。また、コントローラ26は、作業機13が目標設計地形70から離れることなく終了位置に到達したときには、目標土量を所定土量増加させ、その修正された目標土量に基づいて次回の開始位置を修正してもよい。

第2実施形態では、スリップパラメータに応じて目標距離が修正されている。しかし、コントローラ26は、走行装置12の負荷の大きさを示す負荷パラメータに基づいて目標距離を修正すればよく、負荷パラメータはスリップパラメータに限らない。例えば、負荷パラメータは、作業車両1の牽引力であってもよい。最適な牽引力の範囲は、作業車両1の車格などによって定められてもよい。

負荷制御が発生したか否かの結果に基づいて目標距離を修正することは、負荷パラメータに応じて目標距離を修正することの一例である。また、コントローラ２６は、シュースリップが発生したか否かを検知してもよく、シュースリップの発生有無は、負荷パラメータ、またはスリップパラメータの一例である。その場合、シュースリップが発生したと検知することは、第2実施形態におけるステップS302においてスリップパラメータが第1閾値以下であるときに該当する。

上記のように目標設計地形70が傾斜している場合、図18に示すように、残りの距離Lxは、ブレード18の刃先が目標設計地形70から離れた地点Pxから終端までの目標設計地形70と平行な方向における距離であってもよい。目標設計地形70が傾斜している場合、コントローラ26は、終了位置から、目標設計地形70と平行な方向に目標距離L1、離れた位置を、開始位置として決定してもよい。

終了位置及び開始位置は、上記の実施形態のように現況地形50上の地点に限らず、他の地点であってもよい。例えば、図19に示すように、コントローラ26は、目標設計地形70と前回の作業時のカットとの交点を終了位置及び開始位置として決定してもよい。

コントローラ26は、上述した目標設計地形70に従った作業機13の制御と並行して、負荷制御を実行してもよい。負荷制御では、コントローラ26は、作業機13の負荷が所定の負荷閾値以上であるかを判定する。コントローラ26は、作業機13の負荷が所定の負荷閾値以上となったときに、作業機13を上昇させる。詳細には、コントローラ26は、作業車両1の牽引力を取得し、牽引力を作業機13の負荷と見なして、判定を行う。コントローラ26は、負荷制御の実行により作業機13を上昇させたときに、上述した開始位置を修正するための処理を実行してもよい。

コントローラ26は、出力センサ34の検出値から牽引力を算出する。作業車両1の動力伝達装置24がHSTの場合、コントローラ26は、油圧モータの駆動油圧と油圧モータの回転速度とから牽引力を算出することができる。

動力伝達装置24がトルクコンバーターとトランスミッションとを有する場合には、コントローラ26は、トルクコンバーターの出力回転速度から牽引力を算出することができる。詳細には、コントローラ26は、以下の(2)式から牽引力を算出する。
F = k × T × R / (L × Z) (2)
ここで、Fは牽引力、kは定数、Tはトランスミッション入力トルク、Rは減速比、Lは履帯リンクピッチ、Zはスプロケット歯数を示す。入力トルクTは、トルクコンバーターの出力回転速度を基に演算される。ただし、牽引力の検出方法は上述したものに限らず、他の方法により検出されてもよい。

本発明によれば、作業車両の自動制御において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

Claims (14)

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、
   少なくとも一部が現況地形よりも下方に位置し、前記作業機の目標軌跡を示す目標設計地形を決定し、
   前記作業車両による作業の終了位置と目標距離とを取得し、
   前記終了位置から、前記目標距離、離れた地点を開始位置として決定し、
   前記開始位置から前記終了位置に向かって前記作業を開始し、前記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し、
   前記作業の結果に基づいて、前記目標距離を修正する、
   作業車両の制御システム。
2. 前記コントローラは、
   前記作業機が前記終了位置に到達する前に前記目標設計地形から離れたときには、前記終了位置までの残土の程度を示す残土距離の長さに応じて、前記目標距離を短くするように修正する、
   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、前記作業機が前記目標設計地形から離れることなく前記終了位置に到達したときには、前記目標距離を長くするように修正する、
   請求項１記載の作業車両の制御システム。
4. 前記コントローラは、
   前記作業機が前記終了位置に到達する前に前記目標設計地形から離れたときには、前記終了位置までの残土の程度を示す残土量に応じて、前記目標距離を短くするように修正する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
5. 前記コントローラは、
   前記作業機にかかる負荷を逃がすため前記作業機を上昇させる負荷制御が実施されたときには、前記終了位置までの残土の程度を示す残土距離の長さに応じて、前記目標距離を短くするように修正する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
6. 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、
   少なくとも一部が現況地形よりも下方に位置し、前記作業機の目標軌跡を示す目標設計地形を決定し、
   前記作業車両による作業の終了位置と目標土量とを取得し、
   前記終了位置から、前記目標土量分、離れた地点を開始位置として決定し、
   前記開始位置から前記終了位置に向かって前記作業を開始し、前記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し、
   前記作業の結果に基づいて、前記目標土量を修正する、
   作業車両の制御システム。
7. 前記目標土量を修正することは、前記作業機が前記終了位置に到達する前に前記目標設計地形から離れたときに、前記終了位置までの残土の程度を示す残土量に応じて前記目標土量を小さくするように修正することを含む、
   請求項６に記載の作業車両の制御システム。
8. 前記目標土量を修正することは、前記作業機が前記目標設計地形から離れることなく前記終了位置に到達したときに、前記目標土量を大きくするように修正することを含む、
   請求項６に記載の作業車両の制御システム。
9. 前記目標土量を修正することは、前記作業機が前記終了位置に到達する前に前記目標設計地形から離れたときに、前記終了位置までの残土の程度を示す残土距離に応じて前記目標土量を小さくするように修正することを含む、
   請求項６に記載の作業車両の制御システム。
10. 前記目標土量を修正することは、前記作業機が前記終了位置に到達する前に前記目標設計地形から離れたときに、前記作業機の掘削土量に応じて前記目標土量を小さくするように修正することを含む、
    請求項６に記載の作業車両の制御システム。
11. 前記目標土量を修正することは、前記作業機にかかる負荷を逃がすため前記作業機を上昇させる負荷制御が実施されたときに、前記終了位置までの残土の程度を示す残土量に応じて前記目標土量を小さくするように修正することを含む、
    請求項６に記載の作業車両の制御システム。
12. 走行装置と作業機と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、
    少なくとも一部が現況地形よりも下方に位置し、前記作業機の目標軌跡を示す目標設計地形を決定し、
    前記作業車両による作業の終了位置と目標距離とを取得し、
    前記終了位置から、前記目標距離、離れた地点を開始位置として決定し、
    前記開始位置から前記終了位置に向かって前記作業を開始し、前記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し、
    前記走行装置の負荷の大きさを示す負荷パラメータを取得し、
    前記負荷パラメータに応じて前記目標距離を修正する、
    作業車両の制御システム。
13. 前記コントローラは、
    前記負荷パラメータが、所定の第１閾値より大きいかを判定し、
    前記負荷パラメータが、前記第１閾値より大きいときには、前記目標距離を短くする、
    請求項１２に記載の作業車両の制御システム。
14. 前記コントローラは、
    前記負荷パラメータが、所定の第２閾値より小さいかを判定し、
    前記負荷パラメータが、前記第２閾値より小さいときには、前記目標距離を長くする、
    請求項１２に記載の作業車両の制御システム。

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