JP2019174300A - Detection device for tilt angle of work vehicle - Google Patents
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Description
本発明は、ホイールローダ等の作業車両に用いられる、作業車両の傾斜角検出装置に関する。 The present invention relates to a work vehicle tilt angle detection device used in a work vehicle such as a wheel loader.
本技術分野の背景技術として、例えば特許文献1には、車体に搭載された加速度センサと速度センサを備え、加速度センサの観測誤差と加速度センサにより検出した加速度と、速度センサにより検出した速度とに基づき、公知のカルマンフィルタ処理を実行することによって、車体の傾斜角(姿勢角ともいう)と加速度センサのオフセットを更新する制御技術が開示されている。
As background art of this technical field, for example,
しかしながら、特許文献1に記載された従来技術では、車体の傾斜する傾斜角をある程度精度良く検出し補正することができるが、角速度を考慮していない分、さらに傾斜角を精度良く検出する余地が残されている。また、特許文献1に記載された従来技術を、ホイールローダのような不整地の走行が主となる作業車両に適用しようとすると、振動の影響を受けてしまい、車体の傾斜角が精度良く得られない可能性がある。
However, in the prior art described in
本発明の目的は、車体の振動が発生しやすい不整地を走行する際にも、傾斜角を算出する精度を向上させることができる作業車両の傾斜角検出装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a tilt angle detection device for a work vehicle that can improve the accuracy of calculating the tilt angle even when traveling on rough terrain where vehicle body vibration is likely to occur.
上記の目的を達成するために、代表的な本発明は、車体に搭載され、前記車体の前後方向の加速度を検出すると共に検出された加速度を加速度信号として出力する加速度センサと、前記車体に搭載され、前記車体のピッチ方向の角速度を検出すると共に検出された角速度を角速度信号として出力する角速度センサと、前記車体に搭載され、前記車体の速度を検出すると共に検出された速度を速度信号として出力する速度センサと、前記加速度センサ、前記角速度センサ、及び前記速度センサからの各信号を入力し、前記車体のピッチ方向における傾斜角を演算するコントローラと、を備えた作業車両において、前記コントローラは、前記速度センサにて検出された前記速度信号を微分して加速度成分を求め、当該加速度成分を前記加速度センサにて検出された前記加速度信号から除去して前記傾斜角を算出し、前記速度センサにて検出された前記速度信号に応じて、前記車体の速度が大きいほど前記観測誤差を大きく、前記速度が小さいほど前記観測誤差を小さくなるように前記観測誤差を設定し、算出された前記傾斜角と、設定された前記観測誤差と、前記角速度センサにて検出された前記角速度信号とに基づいて、カルマンフィルタ処理を実行して前記車体の傾斜角と前記角速度センサのオフセットとを更新する、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a representative invention is mounted on a vehicle body, detects an acceleration in the longitudinal direction of the vehicle body, and outputs the detected acceleration as an acceleration signal, and is mounted on the vehicle body. An angular velocity sensor for detecting an angular velocity in the pitch direction of the vehicle body and outputting the detected angular velocity as an angular velocity signal; and for detecting the velocity of the vehicle body and outputting the detected velocity as a velocity signal. And a controller that inputs signals from the acceleration sensor, the angular velocity sensor, and the speed sensor, and calculates a tilt angle in the pitch direction of the vehicle body. An acceleration component is obtained by differentiating the speed signal detected by the speed sensor, and the acceleration component is converted into the acceleration sensor. The inclination angle is calculated by removing from the acceleration signal detected at, and according to the speed signal detected by the speed sensor, the observation error increases as the vehicle speed increases, and the speed is The observation error is set to be smaller as the observation error is smaller, and based on the calculated tilt angle, the set observation error, and the angular velocity signal detected by the angular velocity sensor, a Kalman filter A process is executed to update the tilt angle of the vehicle body and the offset of the angular velocity sensor.
本発明に係る作業車両の傾斜角検出装置によれば、車体の振動が発生しやすい不整地を走行する際にも、傾斜角を算出する精度を向上させることができる。なお、前述した以外の課題、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。 According to the tilt angle detection device for a work vehicle according to the present invention, it is possible to improve the accuracy of calculating the tilt angle even when traveling on rough terrain where vibration of the vehicle body is likely to occur. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
以下、本発明に係る作業車両の傾斜角検出装置が適用されるホイールローダを例に挙げ、その実施形態の図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, a wheel loader to which a tilt angle detection device for a work vehicle according to the present invention is applied will be described as an example with reference to the drawings of the embodiments.
図1は本発明の実施形態に係るホイールローダ1の側面図である。図1に示すように、ホイールローダ1は、一対のブーム2、バケット3、一対の前輪4等を有する前フレーム(車体)5と、運転室6、エンジン室7、一対の後輪8等を有する後フレーム(車体)9とで構成されている。エンジン室7にはエンジン25が搭載されており、後フレーム9の後方にはカウンタウェイト10が取り付けられている。
FIG. 1 is a side view of a
一対のブーム2は一対のブームシリンダ11の駆動により上下方向に回動(俯仰動)し、バケット3はバケットシリンダ12の駆動により上下方向に回動(クラウドまたはダンプ)する。バケットシリンダ12とバケット3の間にはベルクランク13を含むリンク機構が介設されており、このリンク機構を介してバケットシリンダ12はバケット3を回動させる。なお、これら一対のブーム2、バケット3、一対のブームシリンダ11、バケットシリンダ12、ベルクランク13等によって作業機14が構成されている。
The pair of
前フレーム5と後フレーム9とはセンタピン15により互いに回動自在に連結され、ステアリングシリンダ(不図示)の伸縮により後フレーム9に対し前フレーム5が左右に屈折する。後フレーム9の前部に搭載された運転室6には、オペレータが座る運転席、ホイールローダ1の操舵角を制御するステアリングホイールと、ホイールローダ1を始動・停止させるキースイッチ、オペレータへの情報を提示する表示装置(いずれも図示せず)等が設置されている。
The
また、ホイールローダ1には、ホイールローダ1の移動速度に対応した速度(走行速度)を検出するための速度センサ31、ホイールローダ1の前後方向に対応した加速度を検出するための加速度センサ32、ホイールローダ1のピッチ方向に対応した角速度を検出するための角速度センサ33が設けられている。これら各センサ31,32,33からの各信号は、コントローラ50に入力される。コントローラ50は、入力された各信号に基づいて後述する車体の傾斜角θ(図4(b)参照)の演算を行う。なお、加速度センサ32、角速度センサ33の代わりに、車体加速度及び車体角速度を検出するIMU(Inertial Measurement Unit/慣性計測装置)を使用しても良い。
Further, the
図2はコントローラ50のハードウェア構成を模式的に示すブロック図である。図2に示すように、コントローラ50は、車体の動作全体を制御するための各種演算を行うCPU(Central Processing Unit)50Aと、CPU50Aによる演算を実行するためのプログラムを格納するROM(Read Only Memory)50Bの記憶装置と、CPU50Aがプログラムを実行する際の作業領域となるRAM(Random Access Memory)50Cと、外部の装置との間で各種の情報や信号の入出力を行う入出力インターフェース50Dとを含むハードウェアから構成されている。
FIG. 2 is a block diagram schematically showing the hardware configuration of the
このようなハードウェア構成において、ROM50Bに格納されたプログラムがRAM50Cに読み出され、CPU50Aの制御に従って動作することによりプログラム(ソフトウェア)とハードウェアとが協働して、コントローラ50の機能を実現する機能ブロックが構成される。
In such a hardware configuration, the program stored in the
図3はコントローラ50の機能構成を示すブロック図である。図3に示すように、コントローラ50には、速度センサ31から出力された速度信号V、加速度センサ32から出力された加速度信号ax、角速度センサ33から出力された角速度信号θドットが入力され、以下に述べる演算により、最終的に車体の傾斜角θが出力される。コントローラ50は、並進加速度除去部51、傾斜角演算部52、観測誤差設定部53、カルマンフィルタから成る状態推定部60を含む。状態推定部60は、推定値演算部61、観測残差演算部62、カルマンゲイン演算部63、状態変数更新部64、状態変数記憶部65を含む。
FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the
以下、各部の機能の詳細について説明する。なお、以下の説明は図4に示す座標系に従うものとする。 Details of the functions of the respective units will be described below. The following description follows the coordinate system shown in FIG.
推定値演算部61は、角速度センサ33からの角速度信号θドットを入力する。ここでは、時刻kでの角速度信号をθkドットと示し、時刻kでの状態変数xkを定義する。状態変数xkは傾斜角θと角速度のオフセットθbドットを含み、以下の数式1で表される。
推定値演算部61は、入力uk及び1回前の状態変数xk−1に基づき数式2に示した状態方程式により、時刻kでの推定値xkハットを演算する。ここで、数式2において、入力ukはθkドットとする。なお、状態変数xk−1は、状態変数記憶部65から入力される。
Δtをサンプリング間隔とすると、数式2におけるシステム行列Aは数式3、入力行列Bは数式4のように示すことができる。
観測残差演算部62は、傾斜角演算部52から傾斜角θの観測値zkと推定値演算部61から推定値xkハットとを入力し、数式5により観測値zkと推定値xkハットとの観測残差ykを演算する。
ここで、出力行列Hは数式6のように示される。
また、観測値Zkは数式7により演算できる。ここで、数式7において、axkは加速度センサの加速度信号、Vk−1,Vkは速度センサの速度信号、gは重力加速度である。
並進加速度除去部51は、速度センサ31からの速度信号Vと加速度センサ32からの加速度信号axとを入力し、加速度信号axから、速度信号Vを微分して求めた加速度成分を除去する。傾斜角演算部52は、並進加速度除去部51によって加速度成分が除去された加速度信号に基づいて、上記した数式7により観測値Zkを演算する。
Translational
観測誤差設定部53は、速度センサ31から速度信号Vを入力し、時刻kにおける観測値Zkの観測誤差δθkを設定する。観測値Zkの観測誤差δθkは車両の移動時や停車時など場面によって異なることから、観測誤差設定部53は、速度信号V(車速)を構成要素として規定した数式8により観測誤差δθkを演算する。この数式8は、以下に示すように、速度信号Vが小さくなると小さくなり、速度信号が大きくなると大きくなるように規定されている。ここで、数式8において、α、βは係数である。
なお、観測誤差δθkを上記した数式8も用いて演算する以外にも、例えば、速度信号Vkと観測値Zkの観測誤差δθkとの対応関係が予め規定されたテーブルをROM50B等に記憶しておき、観測誤差設定部53は、このテーブルを参照して観測誤差δθkを決定しても良い。
In addition to calculating the observation error δθ k using Equation 8 above, for example, a table in which the correspondence relationship between the speed signal V k and the observation error δθ k of the observation value Z k is defined in advance in the
カルマンゲイン演算部63は、推定値演算部61からの推定値xkハットと、観測誤差設定部53からの観測誤差δθkとを入力し、システム誤差Q、共分散行列Rk等に基づいて、カルマンフィルタ60のカルマンゲインKkを演算する。観測値Zkの観測誤差δθkが標準偏差を表すものとして、共分散行列Rkを数式9のように規定する。
状態変数更新部64は、観測残差演算部62から観測残差ykを入力し、推定値演算部61から推定値xkハットを入力し、カルマンゲイン演算部63からカルマンゲインKkを入力する。状態変数更新部64は、推定値xkハット、ゲインKk、及び観測残差ykに基づいて、数式10を演算することによって、状態変数xkを更新する。即ち、状態変数更新部64は、ホイールローダ1の傾斜角θと角速度センサ33のオフセットを更新する。
そして、状態変数更新部64は、更新した状態変数xkの傾斜角θを出力する。また、更新した状態変数xkは状態変数記憶部65に記憶され、次の離散時間後の推定値xk+1ハットに使用される。
Then, the state
次に、コントローラ50による傾斜角θの演算処理の手順について説明する。図5は傾斜角θの推定手順を示すフローチャートである。図5に示すように、コントローラ50は、速度センサ31から速度信号Vを取得し(S10)、加速度センサ32から加速度信号axを取得し(S12)、角速度センサ33から角速度信号θドットを取得する(S13)。コントローラ50は、速度信号Vを微分して加速度成分を除去し(S4)、加速度信号axから速度信号Vを微分して得られた加速度成分が除去された加速度信号に基づき傾斜角を演算する(S5)。次いで、コントローラ50は観測誤差δθkを設定し(S6)、カルマンフィルタ処理を実行し(S7)、傾斜角θを出力する(S8)。処理が継続されるのであれば(S9/Yes)、S1に戻る。処理が継続されないのであれば(S9/No)、処理は終了する。
Next, a procedure for calculating the tilt angle θ by the
次に、S7において実行されるカルマンフィルタ処理の詳細について説明する。図6はカルマンフィルタ処理の手順を示すフローチャートである。図6に示すように、推定値演算部61は、前回の状態変数xkを取得し(S11)、推定値xkハットを演算する(S12)次いで、観測残差演算部62は、観測残差ykを演算する(S13)。次いで、カルマンゲイン演算部63は、カルマンゲインKkを演算する(S14)。次いで、状態変数更新部64は、状態変数を更新し(S15)、状態変数記憶部65は、更新された状態変数を記憶する(S16)。
Next, details of the Kalman filter process executed in S7 will be described. FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the Kalman filter process. As shown in FIG. 6, the estimated
(効果)
本実施形態によれば、カルマンゲインKkが小さければ、推定値xkハットの重みが大きく、カルマンゲインKkが大きければ、観測残差ykの重みが大きいということになる。カルマンゲインKkの大きさは、観測誤差設定部53による観測誤差δθkの設定値に左右され、観測誤差δθkの設定値が小さければカルマンゲインKkが大きくなり、観測誤差δθkの設定値が大きければカルマンゲインKkが小さくなる。本実施形態では、速度信号(車速)Vが低速度領域にある場合に比べて速度信号(車速)Vが高速度領域にある場合の方が、観測誤差δθkが大きい値に設定される。すなわち、速度信号(車速)Vが高速度領域にあると推定値xkハットの重みが大きくなる。
(effect)
According to this embodiment, if the Kalman gain K k is small, the weight of the estimated value x k hat is large, and if the Kalman gain K k is large, the weight of the observation residual y k is large. The magnitude of the Kalman gain K k depends on the set value of the observation error δθ k by the observation
加速度センサ32による傾斜角算出はホイールローダ1が停車しているときは検出精度が高いが、走行中は並進運動や振動の影響を受け、検出精度が低下する(図7bの角速度角度変換)。一方、角速度センサ33はホイールローダ1が走行中においても並進運動の影響を受けずに検出できるが、センサ出力値にオフセットを含んでいるため、傾斜角算出のために積分すると誤差が累積する(図7bの角速度積分)。本実施形態では、速度信号(車速)Vを基に観測誤差を設定し、観測誤差を基に傾斜角θと角速度センサ33のオフセットとを更新するので、速度信号(車速)によって変化する加速度センサ32の検出精度の変化を反映させた傾斜角θと角速度センサ33のオフセットを得ることができる。
The inclination angle calculation by the
これについて、図7を使用して説明を行う。観測誤差を低い値の一定値とした場合(図7cのR固定1)、車速が低い間(図7aの車速の1〜2秒)は、良好に傾斜角度推定ができている(図7dのR固定1の1〜2秒)が、車速が上昇すると(図7aの2〜10秒)、加速度センサ32による傾斜角算出の精度が低下(図7bの2〜10秒)し、傾斜角θも影響を受けて精度が悪化する(図7dの角度推定(R固定1)の2〜10秒)。一方、観測誤差を高い値の一定値とした場合(図7cのR固定2)、角速度センサ33が持つオフセットの推定精度が悪化し、傾斜角推定の誤差が時間の経過と共に累積している(図7dの角度推定(R固定2)1〜2秒)。観測誤差を車速に応じて変化させると(図7cのR可変)、車速によって変化する加速度センサ32の精度変化(図7bの加速度角度変換)を傾斜角θと角速度センサ33のオフセットに反映させることができ、良好に傾斜角推定ができていることがわかる(図7dの角度推定(R可変))。従って、速度信号(車速)を基に観測誤差を設定することにより、車体の振動が発生し易い不整地を走行する際においても、ホイールローダ1の傾斜角θを高精度で検出することができる(図7参照)。
This will be described with reference to FIG. When the observation error is a constant value with a low value (R fixed 1 in FIG. 7c), the tilt angle can be estimated satisfactorily while the vehicle speed is low (1 to 2 seconds of the vehicle speed in FIG. 7a) (FIG. 7d). If the vehicle speed increases (2 to 10 seconds in FIG. 7a), the accuracy of the inclination angle calculation by the
以上より、本実施形態で得られた傾斜角θに基づいて、例えばトランスミッションの変速スケジュールを変更する構成にすると、登坂路走行の場面において最適な変速を実施することができ、変速頻度の低減が可能となる。 As described above, based on the inclination angle θ obtained in the present embodiment, for example, by changing the transmission schedule of the transmission, it is possible to carry out an optimal shift in a scene on an uphill road and reduce the shift frequency. It becomes possible.
(変形例)
本実施形態において、観測誤差δθkの設定値に対してフィルタ処理を行って、観測誤差δθkの設定値の立ち上がり時は速く、立下り時は遅くなるようにすることもできる(図8cのR可変)。これにより、車両移動時から停車直後においても、観測誤差δθkが直ちに小さくなるのを防ぐことができる。車両の移動時から停車直後は停止時に伴う車体の振動があり、加速度センサ32の検出精度が低い状態が継続している。すなわち、振動中は観測誤差が大きい状態である。変形例のような構成とすることで、観測誤差を適切に設定することが可能になり、傾斜角推定の精度の悪化を防ぐことができる(図8参照)。
(Modification)
In the present embodiment, by performing a filtering process on the set value of the observation error .delta..theta k, at the rise of the set value of the observation error .delta..theta k is fast, may be set to be slower when the fall (in Figure 8c R variable). Thus, immediately after stopping from the time of vehicle movement can also prevent the observation error .delta..theta k is immediately reduced. Immediately after the vehicle is moved and immediately after stopping, there is a vibration of the vehicle body that occurs when the vehicle is stopped, and the detection accuracy of the
なお、上記した実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。 The embodiments described above are examples for explaining the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention only to those embodiments. Those skilled in the art can implement the present invention in various other modes without departing from the gist of the present invention.
1 ホイールローダ(作業車両)
5 前フレーム(車体)
9 後フレーム(車体)
31 速度センサ
32 加速度センサ
33 角速度センサ
50 コントローラ
1 Wheel loader (work vehicle)
5 Front frame (car body)
9 Rear frame (car body)
31
Claims (2)
前記車体に搭載され、前記車体のピッチ方向の角速度を検出すると共に検出された前記角速度を角速度信号として出力する角速度センサと、
前記車体に搭載され、前記車体の速度を検出すると共に検出された前記速度を速度信号として出力する速度センサと、
前記加速度センサ、前記角速度センサ、及び前記速度センサからの各信号を入力し、前記車体のピッチ方向における傾斜角を演算するコントローラと、を備えた作業車両の傾斜角検出装置において、
前記コントローラは、
前記速度センサにて検出された前記速度信号を微分して加速度成分を求め、当該加速度成分を前記加速度センサにて検出された前記加速度信号から除去して前記傾斜角を演算し、
前記速度センサにて検出された前記速度信号に応じて、前記車体の速度が大きいほど観測誤差を大きく、前記速度が小さいほど前記観測誤差を小さくなるように前記観測誤差を設定し、
演算された前記傾斜角と、設定された前記観測誤差と、前記角速度センサにて検出された前記角速度信号とに基づいて、カルマンフィルタ処理を実行して前記車体の傾斜角と前記角速度センサのオフセットとを更新する、ことを特徴とする作業車両の傾斜角検出装置。 An acceleration sensor mounted on a vehicle body for detecting acceleration in the longitudinal direction of the vehicle body and outputting the detected acceleration as an acceleration signal;
An angular velocity sensor mounted on the vehicle body for detecting an angular velocity in the pitch direction of the vehicle body and outputting the detected angular velocity as an angular velocity signal;
A speed sensor mounted on the vehicle body for detecting the speed of the vehicle body and outputting the detected speed as a speed signal;
In a tilt angle detection device for a work vehicle, comprising: a controller that inputs signals from the acceleration sensor, the angular velocity sensor, and the velocity sensor, and calculates a tilt angle in the pitch direction of the vehicle body.
The controller is
Differentiating the speed signal detected by the speed sensor to obtain an acceleration component, removing the acceleration component from the acceleration signal detected by the acceleration sensor, calculating the tilt angle,
In accordance with the speed signal detected by the speed sensor, the observation error is set so that the observation error increases as the speed of the vehicle body increases, and the observation error decreases as the speed decreases.
Based on the calculated tilt angle, the set observation error, and the angular velocity signal detected by the angular velocity sensor, a Kalman filter process is executed to perform an inclination angle of the vehicle body and an offset of the angular velocity sensor. An inclination angle detecting device for a work vehicle, characterized in that:
前記コントローラは、
前記観測誤差に対してフィルタ処理を実行して、
前記観測誤差の上昇時には速く、前記観測誤差の下降時には遅くして異ならせるように前記観測誤差を設定することを特徴とする作業車両の傾斜角検出装置。
The apparatus for detecting a tilt angle of a work vehicle according to claim 1,
The controller is
Performing filtering on the observation error;
An apparatus for detecting a tilt angle of a work vehicle, wherein the observation error is set so as to be different when the observation error increases and to be different when the observation error decreases.
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