JP2020082865A - 作業車両、作業車両の制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過度な加速度が生じないように作業車両の走行を制御する。【解決手段】要求出力トルク決定部３１５は、操作装置の操作量と作業車両の走行速度とに基づいて、動力伝達装置の要求出力トルクを決定する。走行負荷推定部３１６は、駆動源のトルクと、動力伝達装置の回転速度比と、出力軸の回転数とに基づいて、作業車両の走行負荷に係る走行負荷トルクを推定する。要求出力トルク補正部３１９は、推定した走行負荷トルクを含む許容出力トルク範囲に要求出力トルクが収まるように、要求出力トルクを補正する。駆動源制御部３２３は、補正した前記要求出力トルクに基づいて、前記駆動源の制御信号を出力する。【選択図】図４

Description

本発明は、作業車両、作業車両の制御装置および制御方法に関する。

無段変速機を搭載するホイールローダなどの作業車両が知られている。無段変速機の例としては、ＨＳＴ（Hydraulic Static Transmission）およびＨＭＴ（Hydraulic Mechanical Transmission）が挙げられる。特許文献１には、無段変速機を搭載する作業車両において、アクセル操作に基づいて、オペレータの意図に沿った出力トルクが得られるように、エンジンへの指令を決定する技術が開示されている。

国際公開第２０１４／２０８６１４号

作業車両は、舗装された路面の走行だけでなく悪路や急坂の走行、さらに掘削・押し土・牽引などの作業を想定して走行装置に強いトルクを掛けることができるように設計される。そのため、特許文献１のように、アクセルの操作に基づいて出力トルクを得る場合において、オペレータがアクセルを強く踏み込んだ場合に、オペレータの意に反して、作業車両の走行に必要以上に強い加速度が生じ、乗り心地が悪化する可能性がある。一方で、強い加速度を生じないよう出力トルクを常に制限してしまうと、悪路などではトルク不足により車速ダウンするなどの背反事象が生じる。
本発明の目的は、オペレータの意図通りの出力トルクを与えつつ、過度な加速度が生じないように作業車両の走行を制御する作業車両、作業車両の制御装置および制御方法を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、作業車両の制御装置は、駆動源と、前記駆動源の駆動力によって駆動される走行装置と、入力軸が前記駆動源に接続され、出力軸が前記走行装置に接続され、前記入力軸に入力される駆動力を前記出力軸に伝達する動力伝達装置と、前記駆動源の駆動力の大きさを指示するための操作装置とを備える作業車両の制御装置であって、前記操作装置の操作量と前記作業車両の走行速度とに基づいて、前記動力伝達装置の要求出力トルクを決定する要求出力トルク決定部と、前記駆動源のトルクと、前記動力伝達装置の回転速度比と、前記出力軸の回転数とに基づいて、前記作業車両の走行負荷に係る走行負荷トルクを推定する走行負荷推定部と、推定した前記走行負荷トルクを含む許容出力トルク範囲に前記要求出力トルクが収まるように、前記要求出力トルクを補正する要求出力トルク補正部と、補正した前記要求出力トルクに基づいて、前記駆動源の制御信号を出力する駆動源制御部とを備える。

上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、作業車両の制御装置は、過度な加速度が生じないように作業車両の走行を制御することができる。

第１の実施形態に係る作業車両の側面図である。 第１の実施形態に係る運転室の内部の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る作業車両の動力系統を示す模式図である。 第１の実施形態に係る作業車両の制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係る作業車両の制御方法を示すフローチャートである。

〈第１の実施形態〉
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
図１は、第１の実施形態に係る作業車両の側面図である。
第１の実施形態に係る作業車両１００は、ホイールローダである。作業車両１００は、車体１１０、作業機１２０、前輪部１３０、後輪部１４０、運転室１５０を備える。

車体１１０は、前車体１１１、後車体１１２、およびステアリングシリンダ１１３を備える。前車体１１１と後車体１１２とは車体１１０の上下方向に伸びるステアリング軸回りに回動可能に取り付けられている。前輪部１３０は、前車体１１１の下部に設けられ、後輪部１４０は、後車体１１２の下部に設けられる。
ステアリングシリンダ１１３は、油圧シリンダである。ステアリングシリンダ１１３の基端部は後車体１１２に取り付けられ、先端部は前車体１１１に取り付けられる。ステアリングシリンダ１１３は、作動油によって伸縮することで、前車体１１１と後車体１１２とのなす角度を規定する。つまり、ステアリングシリンダ１１３の伸縮により、前輪部１３０の舵角が規定される。

作業機１２０は、土砂等の作業対象物の掘削および運搬に用いられる。作業機１２０は、車体１１０の前部に設けられる。作業機１２０は、ブーム１２１、バケット１２２、ベルクランク１２３、リフトシリンダ１２４、バケットシリンダ１２５を備える。

ブーム１２１の基端部は、前車体１１１の前部にピンを介して取り付けられる。
バケット１２２は、作業対象物を掘削するための刃と、掘削した作業対象物を運搬するための容器とを備える。バケット１２２の基端部は、ブーム１２１の先端部にピンを介して取り付けられる。
ベルクランク１２３は、バケットシリンダ１２５の動力をバケット１２２に伝達する。ベルクランク１２３の第１端は、バケット１２２の底部にリンク機構を介して取り付けられる。ベルクランク１２３の第２端は、バケットシリンダ１２５の先端部にピンを介して取り付けられる。

リフトシリンダ１２４は、油圧シリンダである。リフトシリンダ１２４の基端部は前車体１１１の前部に取り付けられる。リフトシリンダ１２４の先端部はブーム１２１に取り付けられる。リフトシリンダ１２４が作動油によって伸縮することによって、ブーム１２１が上げ方向または下げ方向に駆動する。
バケットシリンダ１２５は、油圧シリンダである。バケットシリンダ１２５の基端部は、前車体１１１の前部に取り付けられる。バケットシリンダ１２５の先端部は、ベルクランク１２３を介してバケット１２２に取り付けられている。バケットシリンダ１２５が、作動油によって伸縮することによって、バケット１２２がチルト方向またはダンプ方向に揺動する。

運転室１５０は、オペレータが搭乗し、作業車両１００の操作を行うためのスペースである。運転室１５０は、後車体１１２の上部に設けられる。
図２は、第１の実施形態に係る運転室の内部の構成を示す図である。運転室１５０の内部には、シート１５１、アクセルペダル１５２、ブレーキペダル１５３、ステアリングハンドル１５４、前後切替スイッチ１５５、シフトスイッチ１５６、ブームレバー１５７、バケットレバー１５８が設けられる。

アクセルペダル１５２は、作業車両１００に生じさせる走行の駆動力（牽引力）を設定するために操作される。アクセルペダル１５２の操作量が大きいほど、目標駆動力（目標牽引力）が高く設定される。
ブレーキペダル１５３は、作業車両１００に生じさせる走行の制動力を設定するために操作される。ブレーキペダル１５３の操作量が大きいほど、強い制動力が設定される。
ステアリングハンドル１５４は、作業車両１００の舵角を設定するために操作される。
前後切替スイッチ１５５は、作業車両１００の進行方向を設定するために操作される。作業車両の進行方向は、前進（Ｆ：Forward）、後進（Ｒ：Rear）、または中立（Ｎ：Neutral）のいずれかである。
シフトスイッチ１５６は、動力伝達装置の速度範囲を設定するために操作される。シフトスイッチ１５６の操作によって、例えば、１速、２速、３速、および４速の中から１つの速度範囲が選択される。
ブームレバー１５７は、ブーム１２１の上げ操作または下げ操作の移動量を設定するために操作される。ブームレバー１５７は、前方へ傾けられることにより下げ操作を受け付け、後方へ傾けられることにより上げ操作を受け付ける。
バケットレバー１５８は、バケット１２２のダンプ操作またはチルト操作の移動量を設定するために操作される。バケットレバー１５８は、前方へ傾けられることによりダンプ操作を受け付け、後方へ傾けられることによりチルト操作を受け付ける。

《動力系統》
図３は、第１の実施形態に係る作業車両の動力系統を示す模式図である。
作業車両１００は、エンジン２１０、ＰＴＯ２２０（Power Take Off）、変速機２３０、フロントアクスル２４０、リアアクスル２５０、可変容量ポンプ２６０、固定容量ポンプ２７０を備える。

エンジン２１０は、例えばディーゼルエンジンである。エンジン２１０には、燃料噴射装置２１１およびエンジン回転計２１２が設けられる。燃料噴射装置２１１は、エンジン２１０のシリンダ内に噴射する燃料量を調整することで、エンジン２１０の駆動力を制御する。エンジン回転計２１２は、エンジン２１０の回転数を計測する。

ＰＴＯ２２０は、エンジン２１０の駆動力の一部を、可変容量ポンプ２６０および固定容量ポンプ２７０に伝達する。つまり、ＰＴＯ２２０は、エンジン２１０の駆動力を、変速機２３０、可変容量ポンプ２６０および固定容量ポンプ２７０に分配する。

変速機２３０は、ＨＳＴ２３１（静油圧式無段変速機）を備える無段変速機である。変速機２３０は、ＨＳＴ２３１のみによって変速制御を行うものであってもよいし、ＨＳＴ２３１と遊星歯車機構との組み合わせによって変速制御を行うＨＭＴ（油圧機械式無段変速機）であってもよい。変速機２３０は、入力軸に入力される駆動力を変速して出力軸から出力する。変速機２３０の入力軸はＰＴＯ２２０に接続され、出力軸はフロントアクスル２４０およびリアアクスル２５０に接続される。つまり、変速機２３０は、ＰＴＯ２２０によって分配されたエンジン２１０の駆動力をフロントアクスル２４０およびリアアクスル２５０に伝達する。変速機２３０には、入力軸回転計２３２および出力軸回転計２３３が設けられる。入力軸回転計２３２は、変速機２３０の入力軸の回転数を計測する。出力軸回転計２３３は、変速機２３０の出力軸の回転数を計測する。また、変速機２３０のＨＳＴ２３１には、ＨＳＴ圧力計２３４が設けられる。ＨＳＴ圧力計２３４は、ＨＳＴ２３１の圧力を計測する。

フロントアクスル２４０は、変速機２３０が出力する駆動力を前輪部１３０に伝達する。これにより、前輪部１３０が回転する。
リアアクスル２５０は、変速機２３０が出力する駆動力を後輪部１４０に伝達する。これにより、後輪部１４０が回転する。
フロントアクスル２４０およびリアアクスル２５０は、走行装置の一例である。

可変容量ポンプ２６０は、エンジン２１０からの駆動力によって駆動される。可変容量ポンプ２６０の吐出容量は、例えば可変容量ポンプ２６０内に設けられた斜板の傾転角の制御により変更される。可変容量ポンプ２６０から吐出された作動油は、コントロールバルブ２６１を介してステアリングシリンダ１１３、リフトシリンダ１２４、およびバケットシリンダ１２５に供給される。つまり、コントロールバルブ２６１は、可変容量ポンプ２６０から吐出された作動油の流量を制御し、作動油をステアリングシリンダ１１３とリフトシリンダ１２４とバケットシリンダ１２５とに分配する。可変容量ポンプ２６０には、第１ポンプ圧計２６２およびポンプ容量計２６３が設けられる。第１ポンプ圧計２６２は、可変容量ポンプ２６０からの作動油の吐出圧を計測する。ポンプ容量計２６３は、可変容量ポンプ２６０の斜板角等に基づいて可変容量ポンプ２６０の容量を計測する。
リフトシリンダ１２４には、シリンダ圧力計２６４が設けられる。シリンダ圧力計２６４は、リフトシリンダ１２４の圧力を計測する。可変容量ポンプ２６０はＰＴＯ２２０から動力を分配される装置の一例である。他の実施形態においては、可変容量ポンプ２６０が複数のポンプから構成されてもよいし、可変容量ポンプ２６０に代えてまたは加えて、図示されない油圧駆動ファンなどの他の供給先を備えていてもよい。

固定容量ポンプ２７０は、エンジン２１０からの駆動力によって駆動される。固定容量ポンプ２７０から吐出された作動油は変速機２３０内の図示しないクラッチに供給される。固定容量ポンプ２７０には、第２ポンプ圧計２７１が設けられる。第２ポンプ圧計２７１は、固定容量ポンプ２７０からの作動油の吐出圧を計測する。固定容量ポンプ２７０はＰＴＯ２２０から動力を分配される装置の一例である。固定容量ポンプ２７０は、複数のポンプから構成されてもよいし、図示されない潤滑回路などの供給先があってもよい。

《制御装置》
作業車両１００は、作業車両１００を制御するための制御装置３００を備える。
制御装置３００は、運転室１５０内の各操作装置（アクセルペダル１５２、ブレーキペダル１５３、ステアリングハンドル１５４、前後切替スイッチ１５５、シフトスイッチ１５６、ブームレバー１５７、バケットレバー１５８）の操作量に応じて、燃料噴射装置２１１、変速機２３０、可変容量ポンプ２６０、およびコントロールバルブ２６１に制御信号を出力する。

図４は、第１の実施形態に係る作業車両の制御装置の構成を示す概略ブロック図である。制御装置３００は、プロセッサ３１０、メインメモリ３３０、ストレージ３５０、インタフェース３７０を備えるコンピュータである。

ストレージ３５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。ストレージ３５０の例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ３５０は、制御装置３００のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース３７０または通信回線を介して制御装置３００に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ３５０は、作業車両１００を制御するためのプログラムを記憶する。

プログラムは、制御装置３００に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータは、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。

プログラムが通信回線によって制御装置３００に配信される場合、配信を受けた制御装置３００が当該プログラムをメインメモリ３３０に展開し、上記処理を実行してもよい。
また、当該プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、当該プログラムは、前述した機能をストレージ３５０に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせで実現するもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

プロセッサ３１０は、プログラムを実行することで、操作量取得部３１１、計測値取得部３１２、車両状態算出部３１３、要求ＰＴＯトルク決定部３１４、要求出力トルク決定部３１５、走行負荷推定部３１６、作業状態特定部３１７、許容範囲決定部３１８、要求出力トルク補正部３１９、目標回転数決定部３２０、加速トルク特定部３２１、目標エンジントルク決定部３２２、エンジン制御部３２３、目標速度比決定部３２４、変速機制御部３２５、ポンプ制御部３２６を備える。

操作量取得部３１１は、アクセルペダル１５２、ブレーキペダル１５３、ステアリングハンドル１５４、前後切替スイッチ１５５、シフトスイッチ１５６、ブームレバー１５７、バケットレバー１５８のそれぞれから操作量を取得する。以下、アクセルペダル１５２の操作量をアクセル操作量、ブレーキペダル１５３の操作量をブレーキ操作量、ステアリングハンドル１５４の操作量をステアリング操作量、前後切替スイッチ１５５の操作位置に応じた値をＦＮＲ操作量、シフトスイッチ１５６の操作位置に応じた値をシフト操作量、ブームレバー１５７の操作量をブーム操作量、バケットレバー１５８の操作量をバケット操作量という。

計測値取得部３１２は、燃料噴射装置２１１、エンジン回転計２１２、入力軸回転計２３２、出力軸回転計２３３、ＨＳＴ圧力計２３４、第１ポンプ圧計２６２、ポンプ容量計２６３、シリンダ圧力計２６４、および第２ポンプ圧計２７１から計測値を取得する。すなわち、計測値取得部３１２は、エンジン２１０の燃料噴射量、エンジン２１０の回転数、変速機２３０の入力軸の回転数、変速機２３０の出力軸の回転数、ＨＳＴ２３１の圧力、可変容量ポンプ２６０のポンプ圧、可変容量ポンプ２６０の容量、リフトシリンダ１２４の圧力、および固定容量ポンプ２７０のポンプ圧のそれぞれの計測値を取得する。

車両状態算出部３１３は、計測値取得部３１２が取得した計測値に基づいて、エンジン２１０の出力トルク、エンジン２１０の上限トルク、エンジン２１０の角加速度、ＰＴＯ２２０で可変容量ポンプ２６０および固定容量ポンプ２７０へ分配されるトルク（ＰＴＯトルク）、変速機２３０の入出力速度比、変速機２３０の出力軸の角加速度、作業車両１００の走行速度を算出する。エンジン２１０の出力トルクとは、燃料噴射量に基づいて算出されるエンジン２１０が実際に発揮するトルクである。エンジン２１０の上限トルクとは、エンジン２１０が発揮可能な最大のトルクである。

要求ＰＴＯトルク決定部３１４は、操作量取得部３１１が取得したステアリング操作量、ブーム操作量、およびバケット操作量と、計測値取得部３１２が取得した可変容量ポンプ２６０のポンプ圧、可変容量ポンプ２６０の容量、および固定容量ポンプ２７０のポンプ圧の計測値とに基づいて、ＰＴＯ２２０から可変容量ポンプ２６０および固定容量ポンプ２７０へ分配されるトルクの要求値（要求ＰＴＯトルク）を決定する。例えば、要求ＰＴＯトルク決定部３１４は、操作量と要求流量との関係を規定するＰＴＯ変換関数に基づいて、ステアリング操作量から可変容量ポンプ２６０の要求流量を求める。また例えば、要求ＰＴＯトルク決定部３１４は、ＰＴＯ変換関数に基づいて、ブーム操作量およびバケット操作量から可変容量ポンプ２６０の要求流量を求める。そして、要求ＰＴＯトルク決定部３１４は、可変容量ポンプ２６０のポンプ圧、可変容量ポンプ２６０の容量、および固定容量ポンプ２７０のポンプ圧の計測値と、特定した可変容量ポンプ２６０の要求流量に基づいて、要求ＰＴＯトルクを決定する。

要求出力トルク決定部３１５は、操作量取得部３１１が取得したアクセル操作量、ブレーキ操作量、シフト操作量、およびＦＮＲ操作量と、車両状態算出部３１３が算出した走行速度とに基づいて、変速機２３０の出力軸のトルクの要求値（要求出力トルク）を決定する。例えば、要求出力トルク決定部３１５は、走行速度と要求出力トルクとの関係を規定する走行変換関数に基づいて、車両状態算出部３１３が算出した走行速度から要求出力トルクを決定する。このとき、要求出力トルク決定部３１５は、走行変換関数の特性を、アクセル操作量、ブレーキ操作量、シフト操作量、およびＦＮＲ操作量に基づいて決定する。
具体的には、要求出力トルク決定部３１５は、複数の速度範囲に対応する複数の走行変換関数のうち、シフト操作量によって特定される速度範囲に対応する走行変換関数を特定する。要求出力トルク決定部３１５は、アクセル操作がある場合、アクセル操作量に係る倍率に基づいて特定した走行変換関数を変形する。要求出力トルク決定部３１５は、ブレーキ操作がある場合、ブレーキ操作量に係る倍率に基づいて特定した走行変換関数を変形する。要求出力トルク決定部３１５は、ＦＮＲ操作量に基づいて、要求出力トルクの符号を決定する。なお、要求出力トルクと走行速度の符号が一致しない場合（要求出力トルクと走行速度の積の符号が負である場合）、変速機２３０によって制動側のトルクが発揮される。

走行負荷推定部３１６は、車両状態算出部３１３が算出したエンジン２１０の出力トルクＴ_ｅｎｇ、エンジン２１０の角加速度α_ｅｎｇ、ＰＴＯトルクＴ_ＰＴＯ、変速機２３０の入出力速度比ｉ、変速機２３０の出力軸の角加速度α_ｏｕｔに基づいて、走行に係る走行負荷トルクＴ_ｌｏａｄを推定する。
走行負荷トルクＴ_ｌｏａｄは、以下の式（１）に基づいて算出することができる。

Ｉ_ｅｎｇは、エンジン２１０の慣性モーメントである。Ｉ_ｖは、作業車両１００の慣性モーメントである。η_ｔは、変速機２３０のトルク効率である。Ｎは、変速機２３０の出力軸から前輪部１３０および後輪部１４０までの間におけるアクスル減速比である。慣性モーメントＩ_ｅｎｇ、慣性モーメントＩ_ｖ、トルク効率η_ｔ、およびアクスル減速比Ｎは定数である。

なお、式（１）は、エンジン２１０の出力トルクＴ_ｅｎｇと変速機２３０の出力トルクＴ_ｏｕｔとの関係を示す式（２）と、変速機２３０の出力トルクＴ_ｏｕｔと作業車両１００の加速度α_ｏｕｔとの関係を示す式（３）と、から導出することができる。なお、他の実施形態においては、走行負荷トルクＴ_ｌｏａｄは、式（１）以外の式に基づいて算出されてもよい。例えば、式（２）に代えて、ＨＳＴ圧力計２３４が計測したＨＳＴ２３１の圧力と、ＨＳＴ２３１の可変容量ポンプの容量指令または当該可変容量ポンプに設けられるポンプ容量計が計測したポンプ容量と、出力トルクＴ_ｏｕｔとの関係を示す式を用いて、走行負荷トルクＴ_ｌｏａｄを特定する式を導出してもよい。また、他の実施形態において、変速機２３０が電気モータを備える場合、電気モータのトルク指令や電圧・電流から推定した電気モータ出力トルクを用いて、走行負荷トルクＴ_ｌｏａｄを特定する式を導出してもよい。

作業状態特定部３１７は、操作量取得部３１１が取得した操作量および計測値取得部３１２が取得した計測値に基づいて、作業車両１００の作業状態を特定する。作業状態の値は、例えば、「停止・低速状態」、「走行状態」、「掘削状態」、「制動状態」、「急制動状態」をとる。
「停止・低速状態」は、作業車両１００が掘削作業をせずに停止し、または低速度で走行している状態である。作業状態特定部３１７は、例えば走行速度の絶対値が所定値未満である場合に、作業状態が「停止・低速状態」であると判定してよい。
「走行状態」は、作業車両１００が前進または後進している状態である。作業状態特定部３１７は、例えばリフトシリンダ１２４の圧力の計測値が所定値未満であってアクセル操作量が０より大きい場合に、作業状態が「走行状態」であると判定してよい。
「掘削状態」は、作業機１２０によって掘削作業をしている状態である。作業状態特定部３１７は、例えばリフトシリンダ１２４の圧力の計測値が所定値以上である場合に、作業状態が「掘削状態」であると判定してよい。また作業状態特定部３１７は、例えば作業機１２０の姿勢から作業状態が「掘削状態」であるか否かを判定してもよい。その場合は、計測値取得部３１２が、図示しない各シリンダのストロークを計測するストロークセンサや作業機の回転角を計測する角度センサの計測値を取得し、作業状態特定部３１７が当該計測値に基づいて作業状態が「掘削状態」であるか否かを判定する。
「制動状態」は、作業車両１００が制動している状態である。作業状態特定部３１７は、例えばブレーキ操作量が０より大きい場合に、作業状態が「制動状態」であると判定してよい。また作業状態特定部３１７は、例えばＦＮＲ操作量が現在の走行方向と逆方向の値をとる場合に、作業状態が「制動状態」であると判定してよい。
「急制動状態」は、「制動状態」より強い力で作業車両１００が制動している状態である。作業状態特定部３１７は、例えばブレーキ操作量が所定値より大きい場合に、作業状態が「急制動状態」であると判定してよい。

許容範囲決定部３１８は、作業状態特定部３１７が特定した作業状態に基づいて、要求出力トルクを補正するための許容出力トルク範囲を決定する。具体的には、許容範囲決定部３１８は、作業状態特定部３１７が特定した作業状態に基づいて許容加速度を決定する。許容範囲決定部３１８は、走行負荷トルクに許容加速度に相当する加速トルクを加算することで許容出力トルク範囲の上限値を決定し、走行負荷トルクに許容加速度に相当する加速トルクを減算することで許容出力トルク範囲の下限値を決定する。
許容出力トルク範囲の上限値Ｔ_ｍａｘは、以下の式（４）に基づいて算出することができる。また許容出力トルク範囲の下限値Ｔ_ｍｉｎは、以下の式（５）に基づいて算出することができる。

α_{ｔａｒｇｅｔ}は、作業車両の許容加速度である。ｒ_ｔｉｒｅは、前輪部１３０および後輪部１４０の半径である。許容範囲決定部３１８は、作業状態に応じて加速度α_{ｔａｒｇｅｔ}を変化させることで、許容出力トルク範囲を決定することができる。

作業状態と許容加速度の関係の例について説明する。
許容範囲決定部３１８は、作業状態が「走行状態」である場合、許容加速度を、オペレータの乗り心地を害しない程度の加速度（例えば、０．２Ｇ）に設定する。これにより、「走行状態」においては、作業車両１００の加速度は、常にオペレータの乗り心地を害しない程度の加速度の範囲内に収まる。
許容範囲決定部３１８は、作業状態が「掘削状態」である場合、許容加速度を、「走行状態」に係る許容加速度より小さい値に設定する。「掘削状態」においては、走行負荷推定部３１６が推定する走行負荷トルクには作業機１２０に掛かる負荷が含まれることとなる。つまり、「掘削状態」における走行負荷トルクは「走行状態」と比較して大きな値となる。そのため、許容加速度を抑えることで、作業機１２０に掛かる負荷が急に大きく減少したときなどに意図しない急加速を抑制することができる。
許容範囲決定部３１８は、許容加速度を作業状態が「掘削状態」であって、チルト操作がなされている場合、許容加速度を、チルト操作がなされていないときの「掘削状態」に係る許容加速度よりさらに小さい値に設定する。「掘削状態」においてチルト操作がなされている場合、バケット１２２のチルト方向への揺動によって掘削が進行し、走行負荷トルクが急激に低下する可能性が高い。そのため、許容加速度を抑えることで、掘削進行時に生じる急加速を抑制することができる。
許容範囲決定部３１８は、許容加速度を作業状態が「停止・低速状態」である場合、許容加速度を、「走行状態」に係る許容加速度より小さい値に設定する。これにより、意図しない急発進を抑制することができる。
許容範囲決定部３１８は、許容加速度を作業状態が「制動状態」である場合、許容加速度を、「走行状態」に係る許容加速度より大きい値に設定する。「制動状態」においては、オペレータが急速な制動を意図している可能性が高い。そのため、即座な制動を可能にすることができる。
許容範囲決定部３１８は、許容加速度を作業状態が「急制動状態」である場合、許容加速度を、「制動状態」に係る許容加速度よりさらに大きい値に設定する。「急制動状態」においては、図示しないディスクブレーキが作動して制動がなされるところ、走行負荷推定部３１６が推定する走行負荷トルクには、当該ディスクブレーキによる負荷が含まれる。そのため、許容出力トルク範囲によってディスクブレーキによる制動が阻害されないよう、許容範囲決定部３１８は、許容加速度を大きい値に設定する。

要求出力トルク補正部３１９は、許容範囲決定部３１８が決定した許容出力トルク範囲に要求出力トルクが収まるように、要求出力トルクを補正する。つまり、要求出力トルク補正部３１９は、要求出力トルクが許容出力トルク範囲の上限値を超える場合、要求出力トルクを許容出力トルク範囲の上限値に補正する。要求出力トルク補正部３１９は、要求出力トルクが許容出力トルク範囲の下限値を下回る場合、要求出力トルクを許容出力トルク範囲の下限値に補正する。

目標回転数決定部３２０は、要求出力トルクと走行速度から算出される要求走行パワーと、要求ＰＴＯトルクとエンジン２１０の回転数の計測値から算出される要求ＰＴＯ出力との和である要求エンジン出力に基づいて、エンジン２１０の制御に用いられる目標エンジン回転数を決定する。目標回転数決定部３２０は、予め設計等により定められた、要求エンジン出力とエンジン回転数との関係を規定する回転数変換関数に基づいて、目標エンジン回転数を決定する。回転数変換関数は、例えば、要求エンジン出力を発揮可能かつエンジン加速度を阻害しない範囲で、なるべくエンジン２１０の回転を低回転側に抑える設計とするものであってよい。
また目標回転数決定部３２０は、要求ＰＴＯトルク決定部３１４で算出した、可変容量ポンプ２６０の要求流量を実現するために必要なエンジンの回転数（ＰＴＯ必要回転数）を決定する。目標回転数決定部３２０は、予め設計等により定められた、可変容量ポンプ２６０の要求流量とエンジン回転数との関係を規定する回転数変換関数に基づいて、ＰＴＯ必要回転数を決定する。目標回転数決定部３２０は、目標エンジン回転数がＰＴＯ必要回転数を下回る場合、目標エンジン回転数をＰＴＯ必要回転数に決定する。

加速トルク特定部３２１は、計測値取得部３１２が取得したエンジン２１０の回転数の計測値と目標回転数決定部３２０が決定した目標エンジン回転数とに基づいて、エンジン２１０を目標エンジン回転数で回転させるために必要な目標加速トルクを算出する。すなわち、加速トルク特定部３２１は、エンジン２１０の回転数の計測値と目標エンジン回転数との差の回転数から目標エンジン加速度を決定し、目標エンジン加速度にエンジン２１０の慣性モーメントを乗算することで、目標加速トルクを算出する。

目標エンジントルク決定部３２２は、車両状態算出部３１３が算出したＰＴＯトルク、エンジン２１０の上限トルク、および変速機２３０の入出力速度比と、要求出力トルク補正部３１９によって補正された要求出力トルクと、計測値取得部３１２が計測したエンジン２１０の回転数とに基づいて、エンジン２１０が出力すべきトルクである目標エンジントルクを決定する。目標エンジントルク決定部３２２は、要求出力トルクに変速機２３０の入出力速度比を乗算することで、要求出力トルクを得るために必要となるエンジン２１０のトルクである要求入力トルクを算出する。目標エンジントルク決定部３２２は、ＰＴＯトルクと要求入力トルクとの和と、エンジン２１０の上限トルクのうち小さい方を、目標エンジントルクに決定する。

エンジン制御部３２３は、燃料噴射装置２１１にエンジントルク指令を出力する。具体的には、エンジン制御部３２３は、目標エンジントルク決定部３２２が決定した目標エンジントルクを示すエンジントルク指令を出力する。エンジン制御部３２３は、駆動源制御部の一例である。

目標速度比決定部３２４は、変速機２３０の入力軸の回転数の計測値、変速機２３０の出力軸の回転数の計測値、走行負荷推定部３１６が推定した走行負荷トルク、要求出力トルク補正部３１９によって補正された要求出力トルク、および加速トルク特定部３２１が特定した目標エンジン加速度に基づいて、変速機２３０の目標入出力速度比を決定する。具体的には、目標速度比決定部３２４は、変速機２３０の出力軸の回転数、走行負荷トルク、および目標出力トルクに基づいて、所定の制御周期に係る時間の経過後における変速機２３０の出力軸の回転数を推定し、それを出力軸の目標回転数として設定する。目標速度比決定部３２４は、変速機２３０の入力軸の回転数および目標エンジン加速度に基づいて、所定の制御周期に係る時間の経過後における変速機２３０の入力軸の回転数を推定し、それを入力軸の目標回転数として設定する。目標速度比決定部３２４は、出力軸の目標回転数を入力軸の目標回転数で除算することで、目標入出力速度比を決定する。

変速機制御部３２５は、目標速度比決定部３２４が決定した目標入出力速度比を実現するために、変速機２３０の制御指令を出力する。変速機２３０がＨＳＴまたはＨＭＴである場合、変速機制御部３２５は、例えば変速機２３０が備える可変容量モータおよび可変容量ポンプの容量指令を出力する。

ポンプ制御部３２６は、要求ＰＴＯトルク決定部３１４が決定した要求ＰＴＯトルクを実現するために、可変容量ポンプ２６０の制御指令を出力する。

《作業車両の制御方法》
図５は、第１の実施形態に係る作業車両の制御方法を示すフローチャートである。
まず、操作量取得部３１１は、アクセルペダル１５２、ブレーキペダル１５３、ステアリングハンドル１５４、前後切替スイッチ１５５、シフトスイッチ１５６、ブームレバー１５７、バケットレバー１５８のそれぞれから操作量を取得する（ステップＳ１）。また、計測値取得部３１２は、燃料噴射装置２１１、エンジン回転計２１２、入力軸回転計２３２、出力軸回転計２３３、第１ポンプ圧計２６２、ポンプ容量計２６３、シリンダ圧力計２６４、および第２ポンプ圧計２７１から計測値を取得する（ステップＳ２）。

次に、車両状態算出部３１３は、ステップＳ２で取得した計測値に基づいて、エンジン２１０の出力トルク、エンジン２１０の上限トルク、エンジン２１０の角加速度、ＰＴＯトルク、変速機２３０の入出力速度比、変速機２３０の出力軸の角加速度、作業車両１００の走行速度を算出する（ステップＳ３）。

要求ＰＴＯトルク決定部３１４は、ステップＳ１で取得したステアリング操作量、ブーム操作量、およびバケット操作量と、ステップＳ２で取得した可変容量ポンプ２６０のポンプ圧および容量、ならびに固定容量ポンプ２７０のポンプ圧の計測値とに基づいて、要求ＰＴＯトルクを決定する（ステップＳ４）。要求出力トルク決定部３１５は、ステップＳ１で取得した走行に関する操作量と、ステップＳ３で算出した走行速度とに基づいて、要求出力トルクを決定する（ステップＳ５）。走行負荷推定部３１６は、ステップＳ３で算出した車両状態の値に基づいて、走行負荷トルクを推定する（ステップＳ６）。

作業状態特定部３１７は、ステップＳ１で取得した操作量およびステップＳ２で取得した計測値に基づいて、作業車両１００の作業状態を特定する（ステップＳ７）。つまり、作業状態特定部３１７は、作業状態が、「停止・低速状態」、「走行状態」、「掘削状態」、「制動状態」、「急制動状態」のいずれであるかを特定する。
許容範囲決定部３１８は、作業状態特定部３１７が特定した作業状態に基づいて許容加速度を決定する（ステップＳ８）。許容範囲決定部３１８は、ステップＳ６で推定された走行負荷トルクとステップＳ８で決定した許容加速度とに基づいて許容出力トルク範囲を決定する（ステップＳ９）。

要求出力トルク補正部３１９は、ステップＳ５で決定した要求出力トルクが、ステップＳ９で決定した許容出力トルク範囲の上限値を超えるか否かを判定する（ステップＳ１０）。要求出力トルクが許容出力トルク範囲の上限値を超える場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、要求出力トルク補正部３１９は、要求出力トルクを許容出力トルク範囲の上限値に補正する（ステップＳ１１）。

要求出力トルクが許容出力トルク範囲の上限値を超えない場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、要求出力トルク補正部３１９は、要求出力トルクが許容出力トルク範囲の下限値を下回るか否かを判定する（ステップＳ１２）。要求出力トルクが許容出力トルク範囲の下限値を下回る場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、要求出力トルク補正部３１９は、要求出力トルクを許容出力トルク範囲の下限値に補正する（ステップＳ１３）。
要求出力トルクが許容出力トルク範囲の下限値を下回らない場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、要求出力トルク補正部３１９は、要求出力トルクを補正しない。

目標回転数決定部３２０は、要求出力トルクと走行速度から算出される要求走行パワーと、要求ＰＴＯトルクとエンジン２１０の回転数の計測値から算出される要求ＰＴＯ出力との和である要求エンジン出力に基づいて、目標エンジン回転数を決定する（ステップＳ１４）。加速トルク特定部３２１は、エンジン２１０の回転数の計測値とステップＳ１４で決定した目標エンジン回転数とに基づいて目標加速トルクを算出する（ステップＳ１５）。目標エンジントルク決定部３２２は、要求出力トルクと、ステップＳ３で算出したＰＴＯトルク、エンジンの上限トルク、および変速機２３０の入出力速度比と、ステップＳ２で取得したエンジン２１０の回転数の計測値とに基づいて目標エンジントルクを決定する（ステップＳ１６）。 エンジン制御部３２３は、ステップＳ１７で決定した目標エンジントルクを示すエンジントルク指令を出力する（ステップＳ１７）。

目標速度比決定部３２４は、変速機２３０の入力軸の回転数の計測値、変速機２３０の出力軸の回転数の計測値、走行負荷トルク、目標出力トルク、および目標エンジン加速度に基づいて目標入出力速度比を決定する（ステップＳ１８）。変速機制御部３２５は、目標入出力速度比を実現するための変速機２３０の制御指令を出力し、ポンプ制御部３２６は、ステップＳ４で決定した要求ＰＴＯトルクを実現するために、可変容量ポンプ２６０の制御指令を出力する（ステップＳ１９）。

制御装置３００は、上述の制御処理を、所定の制御周期ごとに実行する。

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る制御装置３００によれば、操作量と走行速度とに基づいて決定した要求出力トルクを、走行負荷トルクを含む許容出力トルク範囲に収まるように補正する。これにより、作業車両１００の加速度は、走行負荷トルクと許容出力トルク範囲の上限値または下限値との差に係るトルク相当の加速度に制限される。したがって、制御装置３００は、過度な加速度が生じないように作業車両の走行を制御することができる。

また、第１の実施形態に係る制御装置３００は、作業車両１００の作業状態に基づいて許容加速度範囲を決定する。これにより、制御装置３００は、作業状態に応じて加速度を制限することができる。なお、他の実施形態に係る制御装置３００は、許容加速度範囲を固定範囲としてもよい。

第１の実施形態においては、作業状態が「掘削状態」であるときの許容出力トルク範囲は、作業状態が「走行状態」であるときの許容出力トルク範囲より狭い範囲である。すなわち、作業状態が「掘削状態」であるときに許容される加速度は、作業状態が「走行状態」であるときに許容される加速度より小さい。これにより、掘削時に急加速が生じることを抑制することができる。

また第１の実施形態においては、作業状態が「掘削状態」においてチルト操作がされているときの許容出力トルク範囲は、作業状態が「掘削状態」においてチルト操作がされていないときの許容出力トルク範囲より狭い範囲である。これにより、掘削進行中に急加速が生じることを抑制することができる。

第１の実施形態においては、作業状態が「制動状態」であるときの許容出力トルク範囲は、作業状態が「走行状態」であるときの許容出力トルク範囲より広い範囲である。すなわち、作業状態が「制動状態」であるときに許容される加速度は、作業状態が「走行状態」であるときに許容される加速度より大きい。これにより、オペレータの意図に沿って、作業車両の即座な制動を可能にすることができる。また、第１の実施形態においては、作業状態が「急制動状態」であるときに許容される加速度は、作業状態が「走行状態」であるときに許容される加速度より大きい。これにより、オペレータの操作によってディスクブレーキによる制動がなされた場合に、ディスクブレーキによる制動が阻害されることを防ぐことができる。

以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、第１の実施形態に係る作業車両１００は、エンジン２１０を駆動源とするが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る作業車両１００は、バッテリと電動モータの組み合わせを駆動源としてもよい。この場合、電動モータの慣性モーメントが十分に小さい場合、電動モータの加速トルクを無視して走行負荷トルクおよび目標出力トルクを算出してもよい。また、他の実施形態においては、バッテリと電動モータの組み合わせを駆動源と場合に、制御装置３００は、駆動源のトルク、動力伝達装置の回転速度比、および出力軸の回転数を用いずに直接出力軸トルクを推定してもよい。

また、第１の実施形態に係る作業車両１００の変速機２３０は無段変速機であるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る変速機２３０は、トルクコンバータ式の変速機であってもよい。

また、第１の実施形態に係る作業車両１００は、ホイールローダであるが、これに限られない。例えば他の実施形態に係る作業車両１００は、ブルドーザおよびトラクタなどの他の作業車両１００であってもよい。この場合に、作業車両１００が走行中にＰＴＯ２２０から分配される駆動力を利用しない場合、ＰＴＯトルクを無視して走行負荷トルクおよび目標出力トルクを算出してもよい。

１００…作業車両 １１０…車体 １１３…ステアリングシリンダ １２０…作業機 １２１…ブーム １２２…バケット １２４…リフトシリンダ １２５…バケットシリンダ １５２…アクセルペダル １５３…ブレーキペダル １５４…ステアリングハンドル １５５…前後切替スイッチ １５６…シフトスイッチ １５７…ブームレバー １５８…バケットレバー ２１０…エンジン ２２０…ＰＴＯ ２３０…変速機 ２４０…フロントアクスル ２５０…リアアクスル ２６０…可変容量ポンプ ２７０…固定容量ポンプ ３００…制御装置 ３１１…操作量取得部 ３１２…計測値取得部 ３１３…車両状態算出部 ３１４…要求ＰＴＯトルク決定部 ３１５…要求出力トルク決定部 ３１６…走行負荷推定部 ３１７…作業状態特定部 ３１８…許容範囲決定部 ３１９…要求出力トルク補正部 ３２０…目標回転数決定部 ３２１…加速トルク特定部 ３２２…目標エンジントルク決定部 ３２３…エンジン制御部 ３２４…目標速度比決定部 ３２５…変速機制御部 ３２６…ポンプ制御部

Claims (8)

1. 駆動源と、
   前記駆動源の駆動力によって駆動される走行装置と、
   入力軸が前記駆動源に接続され、出力軸が前記走行装置に接続され、前記入力軸に入力される駆動力を前記出力軸に伝達する動力伝達装置と、
   前記駆動源の駆動力の大きさを指示するための操作装置と
   を備える作業車両の制御装置であって、
   前記操作装置の操作量と前記作業車両の走行速度とに基づいて、前記動力伝達装置の要求出力トルクを決定する要求出力トルク決定部と、
   前記作業車両の走行負荷に係る走行負荷トルクを推定する走行負荷推定部と、
   推定した前記走行負荷トルクを含む許容出力トルク範囲に前記要求出力トルクが収まるように、前記要求出力トルクを補正する要求出力トルク補正部と、
   補正した前記要求出力トルクに基づいて、前記駆動源の制御信号を出力する駆動源制御部と
   を備える作業車両の制御装置。
2. 前記作業車両の作業状態を特定する作業状態特定部と、
   特定された前記作業状態に基づいて前記許容出力トルク範囲を決定する許容範囲決定部と
   を備える請求項１に記載の作業車両の制御装置。
3. 前記作業車両は作業機を備え、
   前記許容範囲決定部は、前記作業状態が前記作業機による掘削状態である場合、前記許容出力トルク範囲を、前記作業状態が走行状態であるときの前記許容出力トルク範囲より狭い範囲に決定する
   請求項２に記載の作業車両の制御装置。
4. 前記許容範囲決定部は、前記作業状態が前記作業機による掘削状態であって、かつ前記作業機がチルト操作されている場合、前記許容出力トルク範囲を、前記作業状態が掘削状態であってチルト操作されていないときの前記許容出力トルク範囲より狭い範囲に決定する
   請求項３に記載の作業車両の制御装置。
5. 前記許容範囲決定部は、前記作業状態が制動状態である場合、前記許容出力トルク範囲を、前記作業状態が走行状態であるときの前記許容出力トルク範囲より広い範囲に決定する
   請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の作業車両の制御装置。
6. 前記走行負荷推定部は、
   前記駆動源のトルクと、前記動力伝達装置の回転速度比と、前記出力軸の回転数とに基づいて、前記走行負荷トルクを推定する
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の作業車両の制御装置。
7. 駆動源と、
   前記駆動源の駆動力によって駆動される走行装置と、
   入力軸が前記駆動源に接続され、出力軸が前記走行装置に接続され、前記入力軸と前記出力軸の回転速度比を変化可能に構成された動力伝達装置と、
   前記駆動源の駆動力の大きさを指示するための操作装置と、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の制御装置と
   を備える作業車両。
8. 駆動源と、
   前記駆動源の駆動力によって駆動される走行装置と、
   入力軸が前記駆動源に接続され、出力軸が前記走行装置に接続され、前記入力軸と前記出力軸の回転速度比を変化可能に構成された動力伝達装置と、
   前記駆動源の駆動力の大きさを指示するための操作装置と
   を備える作業車両の制御方法であって、
   前記操作装置の操作量と前記作業車両の走行速度とに基づいて、前記動力伝達装置の要求出力トルクを決定するステップと、
   前記駆動源のトルクと、前記動力伝達装置の回転速度比と、前記出力軸の回転数とに基づいて、前記作業車両の走行負荷に係る走行負荷トルクを推定するステップと、
   推定した前記走行負荷トルクを含む許容出力トルク範囲に前記要求出力トルクが収まるように、前記要求出力トルクを補正するステップと、
   補正した前記要求出力トルクに基づいて、前記駆動源の制御信号を出力するステップと
   を備える作業車両の制御方法。

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