JP2021105258A - 作業機械を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、作業機械の自動制御によって容易に掘削壁の掘削作業を行うことを目的とする。【解決手段】コントローラは、複数の候補パスを決定する。複数の候補パスのそれぞれは、第１スロットから第２スロットに向かって第１掘削壁を横断し、複数方向にそれぞれ延びる。コントローラは、複数の候補パスのそれぞれについて、経路探索アルゴリズムの評価関数を算出する。コントローラは、複数の候補パスのうち、評価関数を最適とするものを第１掘削パスとして決定する。コントローラは、第１掘削パスに従って、作業機械を制御する。【選択図】図１３

Description

本開示は、作業機械を制御するためのシステムおよび方法に関する。

作業機械によって行われる作業に、スロットドージングがある。スロットドージングでは、作業現場の現況地形が作業機によって掘削されることで、現況地形上に複数のスロットが形成される。また、複数のスロットの間には、掘削壁が形成される。掘削壁は、スロットに沿って残された土の山（berms）である。

特許文献１では、掘削壁を掘削して除去する作業の開始条件について記載されている。例えば、掘削壁の両側方に隣接するスロットの深さの差、或いは、掘削壁の幅に基づいて、掘削壁の掘削開始の可否をコントローラが判定する。

米国特許第９，４６９，９６７号

しかし、上記の特許文献１では、掘削壁を掘削するための作業機械の具体的な動作については、開示されていない。掘削壁の掘削作業は、熟練した技術を必要とする。そのため、経験の少ないオペレータにとっては、掘削壁の掘削作業は、容易ではない。本開示は、作業機械の自動制御によって容易に掘削壁の掘削作業を行うことを目的とする。

本開示の第１の態様に係るシステムは、作業機械を制御するためのシステムである。本態様に係るシステムは、位置センサとコントローラとを備える。位置センサは、作業機械の位置を示す位置データを出力する。コントローラは、位置データを取得する。コントローラは、現況地形データを取得する。現況地形データは、第１スロットの位置と、第２スロットの位置と、第１掘削壁の位置とを含む。第１スロットは、所定の作業方向に延びる。第２スロットは、第１スロットの側方に位置する。第１掘削壁は、第１スロットと第２スロットとの間に位置する。

コントローラは、複数の候補パスを決定する。複数の候補パスのそれぞれは、第１スロットから第２スロットに向かって第１掘削壁を横断し、複数方向にそれぞれ延びる。コントローラは、複数の候補パスのそれぞれについて、経路探索アルゴリズムの評価関数を算出する。コントローラは、複数の候補パスのうち、評価関数を最適とするものを第１掘削パスとして決定する。コントローラは、第１掘削パスに従って、作業機械を制御する。

本開示の第２の態様に係る方法は、作業機械を制御するための方法である。本態様に係る方法は、以下の処理を備える。第１の処理は、作業機械の位置を示す位置データを取得することである。第２の処理は、現況地形データを取得することである。現況地形データは、第１スロットの位置と、第２スロットの位置と、第１掘削壁の位置とを含む。第１スロットは、所定の作業方向に延びる。第２スロットは、第１スロットの側方に位置する。第１掘削壁は、第１スロットと第２スロットとの間に位置する。

第３の処理は、複数の候補パスを決定することである。複数の候補パスのそれぞれは、第１スロットから第２スロットに向かって第１掘削壁を横断し、複数方向にそれぞれ延びる。第４の処理は、複数の候補パスのそれぞれについて、経路探索アルゴリズムの評価関数を算出することである。第５の処理は、複数の候補パスのうち、評価関数を最適とするものを第１掘削パスとして決定することである。第６の処理は、第１掘削パスに従って、作業機械を制御することである。なお、上記の処理が実行される順番は、上記の記載の順番に限らず、変更されてもよい。

本開示によれば、作業機械の自動制御によって容易に掘削壁の掘削作業を行うことができる。

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。 ワークサイトの現況地形の側面図である。 現況地形に形成されたスロットと掘削壁の一例を示す斜視図である。 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。 現況地形の一例を示す上面図である。 走行パスの一例を示す図である。 走行パスの一例を示す図である。 走行パスの一例を示す図である。 第１走行パスおよび第２走行パスの拡大図である。 第ｍ走行パスの拡大図である。 掘削パスを決定するための処理を示すフローチャートである。 掘削パスの候補パスの一例を示す図である。 他の実施形態に係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。 変形例に係る走行パスの一例を示す図である。 変形例に係る走行パスの一例を示す図である。 変形例に係る走行パスの一例を示す図である。

以下、実施形態に係る作業機械１の制御システムおよび制御方法について、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、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動作する。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、上下に動作する。

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、油圧アクチュエータ２５に供給される。油圧アクチュエータ２５は、上述したリフトシリンダ１９を含む。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。

油圧アクチュエータ２５と油圧ポンプ２３との間には、制御弁２６が配置されている。制御弁２６は、比例制御弁であり、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。なお、制御弁２６は、圧力比例制御弁であってもよい。或いは、制御弁２６は、電磁比例制御弁であってもよい。

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、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。或いは、動力伝達装置２４は、HST（Hydro Static Transmission）などの他の方式の動力伝達装置であってもよい。

制御システム３は、コントローラ３１と、機械位置センサ３２と、通信装置３３と、ストレージ３４と、入力装置３５とを備える。コントローラ３１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３１は、メモリ３８とプロセッサ３９とを含む。メモリ３８は、例えばRAM（Random Access Memory）とROM（Read Only Memory）とを含む。ストレージ３４は、例えば、半導体メモリ、或いはハードディスクなどを含む。メモリ３８とストレージ３４とは、作業機械１を制御するためのコンピュータ指令およびデータを記録している。

プロセッサ３９は、例えばCPUであるが、他の種類のプロセッサ３９であってもよい。プロセッサ３９は、メモリ３８或いはストレージ３４に記憶されたコンピュータ指令およびデータに基づいて、作業機械１を制御するための処理を実行する。通信装置３３は、例えば無線通信用のモジュールであり、作業機械１の外部の機器と通信を行う。通信装置３３は、モバイル通信ネットワークを利用するものであってもよい。或いは、通信装置３３は、LAN（Local Area Network）、或いはインターネットなどの他のネットワークを利用するものであってもよい。

機械位置センサ３２は、作業機械１の位置を検出する。機械位置センサ３２は、例えば、GＰS（Global Positioning System）などのGNSS(Global Navigation Satellite System)レシーバを含む。機械位置センサ３２は、車体１１に搭載されている。或いは、機械位置センサ３２は、作業機１３などの他の位置に搭載されてもよい。コントローラ３１は、作業機械１の現在位置を示す現在位置データを機械位置センサ３２から取得する。

入力装置３５は、オペレータによって操作可能である。入力装置３５は、例えばタッチスクリーンを含む。或いは、入力装置３５は、ハードキーなどの他の操作子を含んでもよい。入力装置３５は、オペレータによる操作を受け付け、オペレータの操作を示す信号をコントローラ３１に出力する。

コントローラ３１は、エンジン２２、油圧ポンプ２３、動力伝達装置２４、及び制御弁２６に指令信号を出力することで、これらの装置を制御する。例えば、コントローラ３１は、油圧ポンプ２３の容量、及び、制御弁２６の開度を制御することで、油圧アクチュエータ２５を動作させる。これにより、作業機１３を動作させることができる。

コントローラ３１は、エンジン２２の回転速度、及び、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。例えば、動力伝達装置２４がHSTの場合、コントローラ３１は、HSTの油圧ポンプの容量と油圧モータの容量とを制御する。動力伝達装置２４が複数の変速ギアを有するトランスミッションの場合、コントローラ３１は、ギアシフト用のアクチュエータを制御する。また、コントローラ３１は、左右の履帯１６に速度差が生じるように、動力伝達装置２４を制御することで、作業機械１を旋回させる。

次に、コントローラ３１によって実行される、作業機械１の自動制御について説明する。コントローラ３１は、エンジン２２及び動力伝達装置２４を制御することで、作業機械１を自動的に走行させる。また、コントローラ３１は、エンジン２２、油圧ポンプ２３、及び制御弁２６を制御することで、作業機１３を自動的に制御する。

図３は、ワークサイトの現況地形４０の側面図である。図３に示すように、作業機械１は、目標設計面４１を決定する。目標設計面４１の少なくとも一部は、現況地形４０よりも下方に位置する。目標設計面４１は、所定の作業方向Ａ１に延びている。目標設計面４１は、予め決定されて、ストレージ３４に保存されていてもよい。コントローラ３１は、現況地形４０から目標設計面４１を決定してもよい。或いは、目標設計面４１は、入力装置３５を介してオペレータによって入力されてもよい。

コントローラ３１は、現況地形４０上に、掘削の開始位置１０１を決定する。例えば、コントローラ３１は、掘削される土量に基づいて、開始位置１０１を決定してもよい。コントローラ３１は、作業機械１を制御して、開始位置１０１から排土位置Ｄ１まで移動させる。それにより、開始位置１０１から現況地形４０が掘削され、掘削された土砂が排土位置Ｄ１まで運ばれる。

次に、コントローラ３１は、前の開始位置１０１よりも後方に位置する次の開始位置１０２に作業機械１を移動させる。そして、コントローラ３１は、作業機械１を制御して、開始位置１０２から排土位置Ｄ１まで移動させる。それにより、開始位置１０２から現況地形４０が掘削され、掘削された土砂が排土位置Ｄ１まで運ばれる。以上のような動作が繰り返されることで、図４に示すように、所定の作業方向Ａ１に延びる第１スロットＳ１が現況地形４０に形成される。なお、第１スロットＳ１を生成するための制御は、上述したものに限らず、変更されてもよい。

コントローラ３１は、作業機械１を制御して、現況地形４０上に、複数のスロットＳ１−Ｓ４を順次、形成する。複数のスロットＳ１−Ｓ４は、横方向に互いに並んでいる。横方向は、所定の作業方向Ａ１に交差する方向である。複数のスロットＳ１−Ｓ４は、互いに間隔をおいて配置される。そのため、各スロットＳ１−Ｓ４の間には、掘削壁Ｗ１−Ｗ３が形成される。以下、ワークサイトにおいて作業機械１によって行われる掘削壁Ｗ１−Ｗ３の掘削作業の自動制御について説明する。

図５は、作業機械１の自動制御の処理を示すフローチャートである。図５に示すように、ステップＳ１０１では、コントローラ３１は、現在位置データを取得する。コントローラ３１は、機械位置センサ３２から現在位置データを取得する。

ステップＳ１０２では、コントローラ３１は、現況地形データを取得する。現況地形データは、ワークサイトの現況地形４０を示すデータである。例えば、現況地形データは、現況地形４０の表面の平面座標と高さとを含む。現況地形データは、上述したスロットＳ１−Ｓ４の位置と、掘削壁Ｗ１−Ｗ３の位置とを含む。

図６は、現況地形４０の一例を示す上面図である。コントローラ３１は、ワークサイトにおける作業範囲１００において、掘削壁Ｗ１−Ｗ３の掘削作業を行う。作業範囲１００は、予め決定されて、ストレージ３４に記憶されていてもよい。作業範囲１００は、コントローラ３１によって自動的に決定されてもよい。或いは、作業範囲１００は、入力装置３５を介して、オペレータによって入力されてもよい。

図６に示す例では、作業範囲１００内の現況地形４０は、第１〜第４スロットＳ１−Ｓ４を含む。第１〜第４スロットＳ１−Ｓ４は、所定の作業方向Ａ１に延びている。第１〜第４スロットＳ１−Ｓ４は、横方向に互いに並んでいる。第１〜第４スロットＳ１−Ｓ４は、互いに間隔をおいて配置されている。作業範囲１００内の現況地形４０は、第１〜第３掘削壁Ｗ１−Ｗ３を含む。第１掘削壁Ｗ１は、第１スロットＳ１と第２スロットＳ２との間に位置する。第２掘削壁Ｗ２は、第２スロットＳ２と第３スロットＳ３との間に位置する。第３掘削壁Ｗ３は、第３スロットＳ３と第４スロットＳ４との間に位置する。第１〜第３掘削壁Ｗ１−Ｗ３は、所定の作業方向Ａ１に延びている。

現況地形データは、予めストレージ３４に記憶されていてもよい。コントローラ３１は、作業機１３、或いは走行装置１２の底部の軌跡を記録することで、現況地形データを取得してもよい。或いは、現況地形データは、ライダ（LIDAR：Laser Imaging Detection and Ranging）或いは、カメラなどの測定機器によって測定されてもよい。コントローラ３１は、測定機器から現況地形データを取得してもよい。測定機器は、作業機械１に搭載されてもよい。測定機器は、作業機械１の外部に配置されてもよい。

ステップＳ１０３では、コントローラ３１は、排土位置Ｄ１−Ｄ４を取得する。排土位置Ｄ１−Ｄ４は、所定の作業方向Ａ１において、スロットＳ１−Ｓ４の前方に位置する。図６に示す例では、排土位置Ｄ１−Ｄ４は、第１〜第４排土位置Ｄ１−Ｄ４を含む。第１〜第４排土位置Ｄ１−Ｄ４は、それぞれ、所定の作業方向Ａ１に向かって、第１〜第４スロットＳ１−Ｓ４の前方に位置する。

ステップＳ１０４では、コントローラ３１は、走行パスＰ１−Ｐｎを決定する。図７から図９は、走行パスＰ１−Ｐｎの一例を示す図である。図７から図９に示すように、コントローラ３１は、作業範囲１００内の掘削壁Ｗ１−Ｗ３を全て排土位置Ｄ１−Ｄ４にダンプするための複数の走行パスＰ１−Ｐｎを決定する。図７から図９に示す例では、コントローラ３１は、第１〜第ｎ走行パスＰ１−Ｐｎを、横方向に順に、掘削壁Ｗ１−Ｗ３に割り当てる。

詳細には、図７に示すように、コントローラ３１は、第１〜第３走行パスＰ１−Ｐ３を、第１〜第３掘削壁Ｗ１−Ｗ３に、順に割り当てる。図８に示すように、コントローラ３１は、第３掘削壁Ｗ３で、割り当ての順番を逆方向に折り返す。コントローラ３１は、第４〜第６走行パスＰ４−Ｐ６を、第３掘削壁Ｗ３の残りの部分から第１掘削壁Ｗ１の残りの部分に、順に割り当てる。図９に示すように、コントローラ３１は、第１掘削壁Ｗ１で、割り当ての順番を逆方向に折り返す。コントローラ３１は、上記と同様にして、第１掘削壁Ｗ１の残りの部分から〜第３掘削壁Ｗ３の残りの部分に、順に、第７〜第ｎ走行パスＰ７−Ｐｎを割り当てる。

図１０は、第１走行パスＰ１および第２走行パスＰ２の拡大図である。図１０に示すように、第１走行パスＰ１は、第１掘削パスＰＡ１と、第１運土パスＰＢ１と、第１後進パスＰＣ１とを含む。第１掘削パスＰＡ１は、第１スロットＳ１から第２スロットＳ２に向かって第１掘削壁Ｗ１を横断する直線を含む。第１掘削パスＰＡ１は、所定の作業方向Ａ１に対して傾斜している。第１掘削パスＰＡ１は、第１スロットＳ１側のスタート位置ＳＴ１から第２スロットＳ２上の位置まで延びている。

第１運土パスＰＢ１は、第１掘削パスＰＡ１から第２排土位置Ｄ２まで延びる直線である。第１運土パスＰＢ１は、第２スロットＳ２上で、所定の作業方向Ａ１に延びている。コントローラ３１は、第１掘削パスＰＡ１と第２排土位置Ｄ２とから、第１運土パスＰＢ１を決定する。第１後進パスＰＣ１は、第２排土位置Ｄ２から次のスタート位置ＳＴ２まで延びている。コントローラ３１は、コントローラ３１は、第１掘削パスＰＡ１と第２排土位置Ｄ２と次のスタート位置ＳＴ２とから、第１後進パスＰＣ１を決定する。

第２走行パスＰ２は、第２掘削パスＰＡ２と、第２運土パスＰＢ２と、第２後進パスＰＣ２とを含む。第２掘削パスＰＡ２は、第２スロットＳ２から第３スロットＳ３に向かって第２掘削壁Ｗ２を横断する直線を含む。第２掘削パスＰＡ２は、所定の作業方向Ａ１に対して傾斜している。第２掘削パスＰＡ２は、第２スロットＳ２側のスタート位置ＳＴ２から第３スロットＳ３上の位置まで延びている。

第２運土パスＰＢ２は、第２掘削パスＰＡ２から第３排土位置Ｄ３まで延びる直線である。第２運土パスＰＢ２は、第３スロットＳ３上で、所定の作業方向Ａ１に延びている。コントローラ３１は、第２掘削パスＰＡ２と第３排土位置Ｄ３とから、第２運土パスＰＢ２を決定する。第２後進パスＰＣ２は、第３排土位置Ｄ３から次のスタート位置ＳＴ３まで延びている。コントローラ３１は、第２掘削パスＰＡ２と第３排土位置Ｄ３と次のスタート位置ＳＴ３とから、第２後進パスＰＣ２を決定する。他の走行パスについても、第１走行パスＰ１および第２走行パスＰ２と同様に、それぞれ掘削パスと、運土パスと、後進パスとを含む。

コントローラ３１は、例えば、掘削壁Ｗ１―Ｗ３の位置に基づいて、スタート位置ＳＴ１−ＳＴｎを決定する。コントローラ３１は、掘削壁Ｗ１−Ｗ３から所定距離、離れた位置をスタート位置ＳＴ１−ＳＴｎとして決定してもよい。或いは、コントローラ３１は、任意のスタートラインを設定し、スタートライン上の位置を、スタート位置ＳＴ１−ＳＴｎとして決定してもよい。

ステップＳ１０５では、コントローラ３１は、走行パスＰ１−Ｐｎに従って、作業機械１を制御する。例えば、図１０に示すように、コントローラ３１は、第１走行パスＰ１に従って、作業機械１を制御する。詳細には、コントローラ３１は、第１掘削パスＰＡ１に沿って、作業機械１を移動させる。コントローラ３１は、第１掘削パスＰＡ１に続いて第１運土パスＰＢ１に沿って、作業機械１を移動させる。コントローラ３１は、第１運土パスＰＢ１に続いて第１後進パスＰＣ１に沿って、作業機械１を移動させる。それにより、作業機械１は、第１掘削壁Ｗ１の一部、或いは全てを掘削し、掘削された土砂を第２排土位置Ｄ２においてダンプする。

コントローラ３１は、第１走行パスＰ１に続いて、第２走行パスＰ２に従って、作業機械１を制御する。詳細には、コントローラ３１は、スタート位置ＳＴ２から、第２掘削パスＰＡ２に沿って、作業機械１を移動させる。コントローラ３１は、第２掘削パスＰＡ２に続いて第２運土パスＰＢ２に沿って、作業機械１を移動させる。コントローラ３１は、第２運土パスＰＢ２に続いて第２後進パスＰＣ２に沿って、作業機械１を移動させる。それにより、作業機械１は、第２掘削壁Ｗ２の一部、或いは全てを掘削し、掘削された土砂を第３排土位置Ｄ３においてダンプする。

以降、図７から図９に示すように、コントローラ３１は、作業機械１が、第１〜第ｎ走行パスＰ１−Ｐｎに沿って順番に走行して、作業機１３によって掘削壁Ｗ１−Ｗ３を掘削するように、作業機械１を制御する。なお、図９に示すように、各掘削壁Ｗ１−Ｗ３の最後の部分を掘削するときの走行パスＰ７〜Ｐｎは、各掘削壁Ｗ１−Ｗ３に沿って、所定の作業方向Ａ１に延びていてもよい。或いは、他の走行パスと同様に、所定の作業方向Ａ１に対して傾斜した方向に延びていてもよい。

次に、掘削パスを決定するための処理について説明する。図１１は、第ｍ走行パスＰｍ（１≦ｍ≦ｎ）の拡大図である。第ｍ走行パスＰｍは、第１〜第ｎ走行パスＰ１−Ｐｎのうちの任意の走行パスである。図１１に示すように、第ｍ走行パスＰｍは、第ｍ掘削パスＰＡｍと、第ｍ運土パスＰＢｍと、第ｍ後進パスＰＣｍとを含む。

図１２は、掘削パスを決定するための処理を示すフローチャートである。図１２に示すように、ステップＳ２０１で、コントローラ３１は、第ｍ掘削パスＰＡｍの候補パスＭｉ，ｊを決定する。コントローラ３１は、現況地形データに基づいて、第ｍ掘削パスＰＡｍの候補パスＭｉ，ｊを決定する。図１３は、第ｍ掘削パスＰＡｍの候補パスＭｉ，ｊの一例を示す図である。図１３に示すように、第ｍ掘削パスＰＡｍの候補パスＭｉ，ｊは、参照点Ｒｉ（ｉ＝１，２，．．．）のそれぞれから複数方向に延び、第ｍ掘削壁Ｗｍを横断する直線で定義される。

コントローラ３１は、第ｍ＋１スロットＳｍ＋１上に、参照点Ｒｉを決定する。コントローラ３１は、第ｍ＋１スロットＳｍ＋１の中心線に沿う１以上の参照点Ｒｉを決定する。例えば、コントローラ３１は、第ｍ＋１スロットＳｍ＋１の中心線に沿って一定距離ごとの位置を参照点Ｒｉとして決定する。第ｍ掘削パスＰＡｍの候補パスＭｉ，ｊは、所定角度αずつ異なる方向に延びている。例えば、第ｍ掘削パスＰＡｍの候補パスＭｉ，ｊは、所定の基準線から、所定角度αずつ異なる方向に延びていてもよい。基準線は、作業の効率を考慮して決定されてもよい。所定角度αは、作業の効率とコントローラ３１における計算コストとを考慮して決定されてもよい。

ステップＳ２０２では、コントローラ３１は、第１掘削パスＰＡ１の候補パスＭｉ，ｊのそれぞれに対して、評価関数を演算する。評価関数は、例えばＡ＊アルゴリズムにおける関数である。ただし、評価関数は、ダイクストラ法、或いは、グリーディ法などの他の経路探索アルゴリズムの関数であってもよい。評価関数は、以下の式(1)で表される。
ｆ（ｍ）＝ｇ（ｍ）＋ｈ（ｍ） （１）
関数ｇ（ｍ）は、作業機械１による作業時間を示す。ｈ（ｍ）は、掘削壁Ｗ１−Ｗ３の残りの土量を示す。作業機械１による作業時間は、例えば、スタート位置ＳＴｍから、第ｍ排土位置Ｄｍ＋１を経由して次のスタート位置ＳＴｍ＋１までの移動時間である。コントローラ３１は、例えば、設定された車速と、移動距離と、作業機械１のけん引力とから、作業時間を算出する。

ステップＳ２０３では、コントローラ３１は、複数の候補パスＭｉ，ｊのうち評価関数ｆ（ｍ）を最小とするものを第ｍ掘削パスとして決定する。すなわち、コントローラ３１は、複数の候補パスＭｉ，ｊのうち評価関数f(m)を最小とするものを、第ｍ掘削パスＰＡｍとして決定する。コントローラ３１は、第ｍ掘削パスＰＡｍに基づいて、第ｍ走行パスＰｍを決定する。

ステップＳ２０４では、コントローラ３１は、掘削壁Ｗ１−Ｗ３の残りの土量Ｖｒが、所定の閾値Ｖｔｈ以下であるかを判定する。所定の閾値Ｖｔｈは、０であってもよい。所定の閾値Ｖｔｈは、掘削壁Ｗ１−Ｗ３を実質的に全てダンプしたと見なせる程度に小さな値であってもよい。掘削壁Ｗ１−Ｗ３の残りの土量Ｖｒが所定の閾値Ｖｔｈ以下ではないときには、処理は、ステップＳ２０１に戻り、コントローラ３１は、次の走行パスを決定する。掘削壁Ｗ１−Ｗ３の残りの土量Ｖｒが所定の閾値Ｖｔｈ以下であるときには、コントローラ３１は、走行パスの決定を終了する。すなわち、コントローラ３１は、掘削壁Ｗ１−Ｗ３の残りの土量Ｖｒが所定の閾値Ｖｔｈ以下になるまで、走行パスの決定を繰り返す。

以上説明した本実施形態に係る作業機械１の制御システムおよび制御方法では、掘削壁Ｗ１−Ｗ３を横断する複数の候補パスＭｉ，ｊが決定される。そして、複数の候補パスＭｉ，ｊから評価関数ｆ（ｍ）を最小とするものが掘削パスＰＡｍとして決定される。そのため、作業機械１の自動制御によって、容易に掘削壁の掘削作業を行うことができる。

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。作業機械１は、ブルドーザに限らず、ホイールローダ等の他の機械であってもよい。走行装置１２は、履帯に限らず、タイヤを含んでもよい。作業機械１は、遠隔操縦可能な車両であってもよい。その場合、作業機械１から運転室が省略されてもよい。

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３１は、互いに別体の複数のコントローラ３１を有してもよい。図１４に示すように、コントローラ３１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３１１と、作業機械１に搭載される車載コントローラ３１２とを含んでもよい。リモートコントローラ３１１と車載コントローラ３１２とは通信装置３３,３６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３１の機能の一部がリモートコントローラ３１１によって実行され、残りの機能が車載コントローラ３１２によって実行されてもよい。例えば、掘削パスを決定する処理がリモートコントローラ３１１によって実行され、作業機械１を動作させる処理が車載コントローラ３１２によって実行されてもよい。

作業機械１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、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。例えば、図１４に示すように、作業機械１の外部に配置された操作装置３７をオペレータが操作することによって作業機械１が遠隔操作されてもよい。

掘削壁の掘削作業を行うための処理は、上述した処理に限らず、変更されてもよい。例えば、上記の処理の一部が、変更、或いは省略されてもよい。掘削壁の掘削作業を行うための処理に、上記の処理と異なる処理が追加されてもよい。

複数の作業機械１によって同時に掘削壁の掘削作業が行われてもよい。その場合、複数の作業機械１に搭載されたコントローラがそれぞれ自律的に上記の制御を実行してもよい。或いは、複数の作業機械１に共通のコントローラが、複数の作業機械１に対して上記の制御を実行してもよい。

掘削壁の掘削の順序は、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、図１５から図１７に示すように、コントローラ３１は、第１掘削壁Ｗ１の始端から終端に向かって、順に、走行パスＰ１−Ｐ３を決定してもよい。詳細には、図１５に示すように、コントローラ３１は、第１掘削壁Ｗ１に対して、第１走行パスＰ１を決定する。第１走行パスＰ１は、第１掘削壁Ｗ１の第１部分Ｗ１１を横断する第１掘削パスＰＡ１を含む。第１部分Ｗ１１は、第１掘削壁Ｗ１の始端を含む。

図１６に示すように、コントローラ３１は、第１掘削壁Ｗ１に対して、第２走行パスＰ２を決定する。第２走行パスＰ２は、第２掘削パスＰＡ２を含む。第２掘削パスＰＡ２は、第１掘削パスＰＡ１の前方に位置する。第２掘削パスＰＡ２は、第１掘削壁Ｗ１の第２部分Ｗ１２を横断する。第２部分Ｗ１２は、第１部分Ｗ１１の前方に位置する。

以降、第１掘削壁Ｗ１の終端に到達するまで、コントローラ３１は、第１掘削壁Ｗ１に対する走行パスの決定を繰り返す。図１７に示すように、コントローラ３１は、第１掘削壁Ｗ１に対して、第ｋ走行パスＰｋを決定する。第ｋ走行パスＰｋは、第ｋ掘削パスＰＡｋを含む。第ｋ掘削パスＰＡｋは、第１掘削壁Ｗ１の第ｋ部分Ｗ１ｋを横断する。第ｋ部分Ｗ１ｋは、第１掘削壁Ｗ１の終端を含む。

第１掘削壁Ｗ１の掘削の完了後、コントローラ３１は、第２掘削壁Ｗ２の始端から終端に向かって、順に、走行パスを決定してもよい。その後、コントローラ３１は、第３掘削壁Ｗ３の始端から終端に向かって順に、走行パスを決定してもよい。なお、上記の実施形態では、掘削壁の数（ｍ）は３つである。しかし、掘削壁の数（ｍ）は３つより少なくてもよく、或いは３つより多くてもよい。

候補パスの決定方法は、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、参照点は、第ｍ＋１スロットＳｍ＋１の中心線上に限らず、中心線から離れて位置してもよい。評価関数ｆ（ｍ）は、作業時間、或いは、残りの土量に限らず、他のパラメータを含んでもよい。例えば、評価関数ｆ（ｍ）は、作業機械１の移動距離、或いは燃料消費量を含んでもよい。或いは、評価関数ｆ（ｍ）は、現況地形の勾配に基づく転倒確率を含んでもよい。

上記の実施形態では、評価関数は、最小値を最適解とするものである。しかし、評価関数は、最大値を最適解とするものであってもよい。その場合、コントローラは、複数の候補パスのうち評価関数を最大とするものを掘削パスとして決定してもよい。

本開示によれば、作業機械の自動制御によって容易に掘削壁の掘削作業を行うことができる。

１ 作業機械
３１ コントローラ
３２ 機械位置センサ
Ｓ１ 第１スロット
Ｓ２ 第２スロット
Ｍｉ，ｊ 候補パス
ＰＡ１ 第１掘削パス
ＰＢ１ 第１運土パス
ＰＡ２ 第２掘削パス
Ｒｉ 参照点
Ｗ１ 第１掘削壁
Ｗ２ 第２掘削壁

Claims (10)

1. 作業機械を制御するためのシステムであって、
   前記作業機械の位置を示す位置データを出力する位置センサと、
   前記位置データを取得するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、
   所定の作業方向に延びる第１スロットの位置と、前記第１スロットの側方に位置する第２スロットの位置と、前記第１スロットと前記第２スロットとの間に位置する第１掘削壁の位置とを含む現況地形データを取得し、
   前記第１スロットから前記第２スロットへ向かって前記第１掘削壁を横断し、複数方向にそれぞれ延びる複数の候補パスを決定し、
   前記複数の候補パスのそれぞれについて、経路探索アルゴリズムの評価関数を算出し、
   前記複数の候補パスのうち、前記評価関数を最適とするものを第１掘削パスとして決定し、
   前記第１掘削パスに従って、前記作業機械を制御する、
   システム。
   
2. 前記コントローラは、
   前記第２スロットに対応する排土位置を取得し、
   前記第１掘削パスから前記第２スロットに沿って前記排土位置まで延びる第１運土パスを決定し、
   前記第１掘削パスに続いて前記第１運土パスに従って、前記作業機械を制御する、
   請求項１に記載のシステム。
   
3. 前記コントローラは、
   前記第２スロット上の１以上の参照点を決定し、
   前記１以上の参照点から前記複数方向にそれぞれ延びるように前記複数の候補パスを決定する、
   請求項２に記載のシステム。
   
4. 前記現況地形データは、前記第２スロットの側方に位置する第３スロットの位置と、前記第２スロットと前記第３スロットとの間に位置する第２掘削壁の位置とをさらに含み、
   前記コントローラは、
   前記第２スロットから前記第３スロットへ向かって前記第２掘削壁を横断する第２掘削パスを決定し、
   前記第１運土パスの後、前記第２掘削パスに従って、前記作業機械を制御する、
   請求項２に記載のシステム。
   
5. 前記コントローラは、
   前記所定の作業方向に向かって、前記第１掘削パスの前方に位置し、前記第１掘削壁を横断する第２掘削パスを決定し、
   前記第１運土パスの後、前記第２掘削パスに従って、前記作業機械を制御する、
   請求項２に記載のシステム。
   
6. 作業機械を制御するための方法であって、
   前記作業機械の位置を示す位置データを取得することと、
   所定の作業方向に延びる第１スロットの位置と、前記第１スロットの側方に位置する第２スロットの位置と、前記第１スロットと前記第２スロットとの間に位置する第１掘削壁の位置とを含む現況地形データを取得することと、
   前記第１スロットから前記第２スロットに向かって前記第１掘削壁を横断し、複数方向にそれぞれ延びる複数の候補パスを決定することと、
   前記複数の候補パスのそれぞれについて、経路探索アルゴリズムの評価関数を算出することと、
   前記複数の候補パスのうち、前記評価関数を最適とするものを第１掘削パスとして決定することと、
   前記第１掘削パスに従って、前記作業機械を制御すること、
   を備える方法。
   
7. 前記第２スロットに対応する排土位置を取得することと、
   前記第１掘削パスから前記第２スロットに沿って前記排土位置まで延びる第１運土パスを決定することと、
   前記第１掘削パスに続いて前記第１運土パスに従って、前記作業機械を制御すること、
   をさらに備える、
   請求項６に記載の方法。
   
8. 前記第２スロット上の１以上の参照点を決定することと、
   前記１以上の参照点から前記複数方向にそれぞれ延びるように前記複数の候補パスを決定すること、
   をさらに備える、
   請求項７に記載の方法。
   
9. 前記現況地形データは、前記第２スロットの側方に位置する第３スロットの位置と、前記第２スロットと前記第３スロットとの間に位置する第２掘削壁の位置とをさらに含み、
   前記第２スロットから前記第３スロットに向かって前記第２掘削壁を横断する第２掘削パスを決定することと、
   前記第１運土パスの後、前記第２掘削パスに従って、前記作業機械を制御すること、
   をさらに備える、
   請求項７に記載の方法。
   
10. 前記所定の作業方向に向かって、前記第１掘削パスの前方に位置し、前記第１掘削壁を横断する第２掘削パスを決定することと、
    前記第１運土パスの後、前記第２掘削パスに従って、前記作業機械を制御すること、
    をさらに備える、
    請求項７に記載の方法。

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