JP2022013134A - 履帯車両の自律走行制御方法、履帯車両のコントローラおよび履帯車両 - Google Patents

Abstract

【課題】履帯車両が斜面を走行した場合の履帯車両の予測滑落量を正確に計算することができ、予測滑落量に基づく自律走行制御が可能となる履帯車両の自律走行制御方法を提供する。【解決手段】履帯車両の自律走行制御方法は、履帯車両の目標軌道を設定するステップと、目標軌道に基づいて履帯車両が斜面を走行した場合の履帯車両の予測滑落量を、履帯車両の重心位置、斜面の角度および斜面における履帯車両の走行方向を用いて計算するステップとを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、履帯車両の自律走行制御方法、履帯車両のコントローラおよび履帯車両に関する。

履帯車両の自律走行を制御する技術が開発されており、このような制御技術として、履帯車両が自律走行している際の履帯車両の座標を測定し、測定した履帯車両の座標と目標軌道における座標との偏差がゼロとなるように履帯車両の走行方向を補正する技術が知られている（たとえば特許文献１参照。）。

特開平５－２９７９４２号公報

一般に、油圧ショベルやブルドーザ等の履帯車両が使用される未整地の建設工事現場において、履帯車両が斜面（特に軟弱地盤の斜面）を走行する際には、履帯と土壌との間に滑りが生じ、履帯車両が滑落することがある。しかしながら、履帯車両の自律走行制御技術においては、履帯と土壌との間の滑りが想定されておらず、目標軌道に基づいて履帯車両が斜面を走行した場合に履帯車両が滑落し、履帯車両が転倒するおそれがある。また、履帯車両の滑落が考慮されていないと、履帯車両の走行方向を補正しても履帯車両の実際の軌道が目標軌道から外れてしまうという問題がある。

上記事実に鑑みてなされた本発明の課題は、履帯車両が斜面を走行した場合の履帯車両の予測滑落量を正確に計算することができ、予測滑落量に基づく自律走行制御が可能となる履帯車両の自律走行制御方法、履帯車両のコントローラおよび履帯車両を提供することである。

本発明の第１の局面は上記課題を解決するために以下の履帯車両の自律走行制御方法を提供する。すなわち、履帯車両の目標軌道を設定するステップと、前記目標軌道に基づいて前記履帯車両が斜面を走行した場合の前記履帯車両の予測滑落量を、前記履帯車両の重心位置、前記斜面の角度および前記斜面における前記履帯車両の走行方向を用いて計算するステップとを含む履帯車両の自律走行制御方法を本発明の第１の局面は提供する。

本発明の履帯車両の自律走行制御方法は、前記目標軌道に基づいて前記履帯車両が前記斜面を走行することを許容するか否か前記予測滑落量を用いて判定するステップを含むのが好ましい。本発明の履帯車両の自律走行制御方法は、前記目標軌道に沿って前記履帯車両を走行させるための前記走行方向の補正量を、前記予測滑落量を用いて計算するステップを含んでいてもよい。前記履帯車両は、下部走行体と、前記下部走行体に旋回自在に支持された上部旋回体と、前記上部旋回体に揺動自在に装着された作業腕装置とを備え、前記予測滑落量を計算するステップにおいて、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度と、前記上部旋回体に対する前記作業腕装置の揺動角度とを用いて、複数のタイムステップにおける前記重心位置を計算するのが好適である。

本発明の第２の局面は上記課題を解決するために以下の履帯車両のコントローラを提供する。すなわち、履帯車両の目標軌道を設定する設定手段と、前記目標軌道に基づいて前記履帯車両が斜面を走行した場合の前記履帯車両の予測滑落量を、前記履帯車両の重心位置、前記斜面の角度および前記斜面における前記履帯車両の走行方向を用いて計算する予測滑落量計算手段とを含む履帯車両のコントローラを本発明の第２の局面は提供する。

本発明の履帯車両のコントローラは、前記目標軌道に基づいて前記履帯車両が前記斜面を走行することを許容するか否か前記予測滑落量を用いて判定する判定手段を含むのが好都合である。本発明の履帯車両のコントローラは、前記目標軌道に沿って前記履帯車両を走行させるための前記走行方向の補正量を、前記予測滑落量を用いて計算する補正量計算手段を含んでいてもよい。前記履帯車両は、下部走行体と、前記下部走行体に旋回自在に支持された上部旋回体と、前記上部旋回体に揺動自在に装着された作業腕装置とを備え、前記予測滑落量計算手段は、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度と、前記上部旋回体に対する前記作業腕装置の揺動角度とを用いて、複数のタイムステップにおける前記重心位置を計算するのが好ましい。

本発明の第３の局面は上記課題を解決するために、上述したとおりのコントローラを備える履帯車両を提供する。

本発明によれば、履帯車両の目標軌道を設定し、目標軌道に基づいて履帯車両が斜面を走行した場合の履帯車両の予測滑落量を、履帯車両の重心位置、斜面の角度および斜面における履帯車両の走行方向を用いて計算するので、履帯車両が斜面を走行した場合の履帯車両の予測滑落量を正確に計算することができ、予測滑落量に基づく自律走行制御が可能となる。

本発明に従って構成された履帯車両の側面図。 図１に示す履帯車両に搭載されたコントローラの第１の形態の構成を示すブロック図。 図１に示す履帯車両において実施される自律走行制御方法のフローチャート。 図３に示すステップＳ２の詳細を示すフローチャート。 図１に示す履帯車両が斜面に位置している状態を示す模式図。 図５におけるＶＩ－ＶＩ方向から見た履帯車両の模式図。 図５におけるＶＩＩ－ＶＩＩ方向から見た履帯の模式図。 図１に示す履帯車両が斜面を走行している際に履帯車両に働く力を示す模式図。 図３に示すステップＳ１で設定した時刻歴目標軌道と、図３に示すステップＳ２で計算した時刻歴予測軌道とを示す模式図。 本発明に従って構成されたコントローラの第２の形態の構成を示すブロック図。 図１０に示すコントローラを備えた履帯車両において実施される走行制御方法のフローチャート。 本発明に従って構成されたコントローラの第３の形態の構成を示すブロック図。 図１２に示すコントローラを備えた履帯車両において実施される走行制御方法のフローチャート。

以下、本発明の履帯車両の自律走行制御方法、履帯車両のコントローラおよび履帯車両の好適実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明に従って構成された履帯車両の一例としての油圧ショベル２が示されている。油圧ショベル２は、下部走行体４と、下部走行体４に旋回自在に支持された上部旋回体６と、上部旋回体６に揺動自在に装着された作業腕装置８とを備える。

下部走行体４はベースフレーム１０を含み、ベースフレーム１０は、幅方向両側端部において前後方向に延びる左右一対のトラックフレーム１２（片側のみ図示している。）を有する。各トラックフレーム１２の前後方向片側端部にはアイドラ１４が回転自在に支持され、各トラックフレーム１２の前後方向他側端部には、駆動輪としてのスプロケット１６が回転自在に支持されている。各トラックフレーム１２には履帯１８が回転自在に装着されており、履帯１８はアイドラ１４およびスプロケット１６に巻き掛けられている。そして、油圧ショベル２においては、スプロケット１６を介して履帯１８を回転させることにより、図１に矢印ｘ_ｓで示す方向に自走可能となっている。なお、上記幅方向は、ｘ_ｓ方向に直交する方向であって、図１において紙面に垂直な方向である。

上部旋回体６は、旋回フレーム２０と、運転席や操作器、モニタ等が配置されたキャブ２２と、エンジンや油圧ポンプ等の機器が収容された機器収容室２４と、作業腕装置８に対してつり合いを取るためのカウンタウエイト２６とを含む。

作業腕装置８は、ブーム２８、アーム３０および作業具３２を含む。ブーム２８の基端部は旋回フレーム２０に揺動自在に連結され、アーム３０の基端部はブーム２８の先端部に揺動自在に連結され、作業具３２はアーム３０の先端部に揺動自在に連結されている。また、作業腕装置８は、ブーム２８を揺動させるブームシリンダ３４と、アーム３０を揺動させるアームシリンダ３６と、作業具３２を揺動させる作業具シリンダ３８とを含む。そして、油圧ショベル２においては、ブーム２８、アーム３０および作業具３２のそれぞれを揺動させる（作業腕装置８の姿勢を変える）ことによって、掘削作業等の各種作業を行うようになっている。

図２を参照して説明すると、油圧ショベル２は、油圧ショベル２の自律走行を制御するコントローラ４０を備える。コントローラ４０は、処理装置および記憶装置を有するコンピュータから構成され得る。コントローラ４０は、油圧ショベル２の目標軌道を設定する設定手段４２と、目標軌道に基づいて油圧ショベル２が斜面を走行した場合の油圧ショベル２の予測滑落量を、油圧ショベル２の重心位置、斜面の角度および斜面における油圧ショベル２の走行方向を用いて計算する予測滑落量計算手段４４とを含むのが重要である。本実施形態のコントローラ４０は、さらに、目標軌道に基づいて油圧ショベル２が斜面を走行することを許容するか否か予測滑落量を用いて判定する判定手段４６を含む。

コントローラ４０には変更可能な様々なデータが格納されており、たとえば、油圧ショベル２のデータや、油圧ショベル２が使用される現場のデータ等があらかじめ格納されている。コントローラ４０に格納されている油圧ショベル２のデータとしては、油圧ショベル２の全体重量や、下部走行体４、上部旋回体６、ブーム２８、アーム３０および作業具３２のそれぞれの重量およびそれぞれの重心位置、履帯１８の幅および長さ、ならびにアイドラ１４およびスプロケット１６の半径等が挙げられる。

コントローラ４０に格納されている現場のデータとしては、油圧ショベル２が使用される現場の固定障害物や起伏等を含む３次元地図データや、油圧ショベル２が使用される現場の土壌に関するデータ（予測滑落量を計算する際に土壌パラメータとして用いる値を含む。）が挙げられる。土壌パラメータとしては、たとえば、沈下指数や土の凝集力、土の内部摩擦角等であり、各種条件に対応する土壌パラメータのテーブルがコントローラ４０に格納され得る。

コントローラ４０には、油圧ショベル２に搭載された各種機器（図示していない。）が電気的に接続されており、各種機器が検出した情報がコントローラ４０に入力される。コントローラ４０に接続される機器としては、たとえば、油圧ショベル２の位置を検出するためのＧＰＳ受信機と、油圧ショベル２の速度や加速度等を検出するための慣性計測装置（ＩＭＵ）と、下部走行体４に対する上部旋回体６の旋回角度を検出する旋回角度センサと、上部旋回体６に対するブーム２８の揺動角度を検出するブーム角度センサと、ブーム２８に対するアーム３０の揺動角度を検出するアーム角度センサと、アーム３０に対する作業具３２の揺動角度を検出する作業具角度センサと、現場を移動する移動障害物や現場に固定された固定障害物等を検出するためのカメラやＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）が挙げられる。

次に、上述したとおりの油圧ショベル２において実施される走行制御方法について説明する。

本実施形態では図３に示すとおり、まず、油圧ショベル２の目標軌道を設定するステップＳ１を実施する。ステップＳ１では、たとえば、油圧ショベル２のオペレータによってコントローラ４０に入力された軌道を目標軌道として設定手段４２が設定する。なお、本実施形態の目標軌道には斜面が含まれるものとする。また、目標軌道は複数の座標点から構成され得る。

ステップＳ１では、オペレータによってコントローラ４０に入力された目標到達点に基づいて、設定手段４２が目標軌道を選択して設定してもよい。たとえば、油圧ショベル２の現在地と目標到達点とを結ぶ最短経路を設定手段４２が選択して目標軌道として設定してもよい。あるいは、オペレータによってコントローラ４０に入力された１個以上の通過点を通過して目標到達点に至る軌道を目標軌道として設定手段４２が設定してもよい。なお、油圧ショベル２の現在地に関する情報については、ＧＰＳ受信機によって検出された情報を用いることができ、あるいはＳＬＡＭ（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ）技術によって得られる情報を用いてもよい。

ステップＳ１では、油圧ショベル２の現在地と目標到達点との間に障害物が存在する場合、障害物を避ける軌道を目標軌道として設定手段４２が設定することもできる。障害物に関する情報については、あらかじめコントローラ４０に入力されている固定障害物に関する情報や、カメラやＬｉＤＡＲによって検出された障害物（固定障害物および移動障害物を含む。）に関する情報を用いることができる。

ステップＳ１では、油圧ショベル２が転倒あるいは目標軌道から大きく逸脱することなく安全に走行することを担保する観点から、油圧ショベル２が走行する斜面の角度が所定角度を超えないことを制約条件として含むのが好ましい。斜面の角度については、あらかじめコントローラ４０に格納されている３次元地図データの情報を用いることができる。

ステップＳ１を実施した後、図３に示すとおり、目標軌道に基づいて油圧ショベル２が斜面を走行した場合の油圧ショベル２の予測滑落量を、油圧ショベル２の重心位置、斜面の角度および斜面における油圧ショベル２の走行方向を用いて計算するステップＳ２を予測滑落量計算手段４４によって実施する。

本実施形態のステップＳ２においては、図４に示すステップＳ２１からＳ２９までを繰り返し実施することにより、目標軌道に基づいて油圧ショベル２が斜面を走行した場合の複数のタイムステップｔ_ｎ（ｎ＝１、２、３、…）における予測滑落量を計算する。

まず、ステップＳ２１においては、あらかじめコントローラ４０に格納されているデータと、各種機器によって検出されたデータとを用いて油圧ショベル２の重心Ｇ（図５参照。）の位置を予測滑落量計算手段４４によって計算する。

ステップＳ２１において予測滑落量計算手段４４は、油圧ショベル２の全体重量、下部走行体４の重量および重心位置、上部旋回体６の重量、重心位置および旋回角度、ブーム２８の重量、重心位置および揺動角度、アーム３０の重量、重心位置および揺動角度ならびに作業具３２の重量、重心位置および揺動角度を用いて、目標軌道に基づく走行を開始する前の油圧ショベル２の重心Ｇの位置を予測滑落量計算手段４４は計算する。

本実施形態のステップＳ２においてはステップＳ２１からＳ２９までを繰り返し実施するところ、下部走行体４に対する上部旋回体６の旋回角度と、上部旋回体６に対する作業腕装置８の揺動角度（図示の実施形態ではブーム２８、アーム３０および作業具３２のそれぞれの揺動角度）とを用いて、複数のタイムステップにおける重心Ｇの位置を計算する。これによって、油圧ショベル２の走行中に上部旋回体６が旋回し、あるいは作業腕装置８の揺動することに起因して重心Ｇの位置が変化する場合についても、予測滑落量を正確に計算することができる。したがって、ステップ２において予測滑落量を計算する際には、油圧ショベル２の走行中に上部旋回体６の旋回角度および作業腕装置８の揺動角度のそれぞれを一定に保持することを前提としてもよく、油圧ショベル２の走行中に上部旋回体６の旋回角度または作業腕装置８の揺動角度が変化することを前提としてもよい。

油圧ショベル２の重心Ｇの位置を計算した後、左右の履帯１８が油圧ショベル２を支持するために受け持つ荷重（以下それぞれ「左側の履帯荷重」、「右側の履帯荷重」ということがある。）を計算する（ステップＳ２２、図４参照。）。

図５および図６を参照して履帯荷重の計算について説明する。図５には、角度ηの斜面５０に油圧ショベル２が位置している状態を示す模式図が示されている。図５におけるＸＹ座標は斜面５０に固定された基準座標系であり、ＸＹ’座標はグローバル座標系である。Ｘ軸は、基準座標系およびグローバル座標系に共通の水平軸であり、Ｙ軸は、斜面５０の上方を正方向とするＸ軸と直交する軸である。ｘ_ｇｙ_ｇ座標は、基準座標系（斜面）上の油圧ショベル２の重心Ｇを原点とし、油圧ショベル２に固定された車両重心座標系（局所座標系）である。ｘ_ｇ軸は、基準座標系（斜面）上の油圧ショベル２の重心Ｇを原点とする油圧ショベル２の走行方向を示す軸であり、ｙ_ｇ軸は、基準座標系（斜面）上の油圧ショベル２の重心Ｇを原点とする油圧ショベル２の走行方向に直交する軸である。角度θ_ｓは、基準座標系のＸ軸と車両重心座標系のｘ_ｇ軸とのなす角（以下「車両方向角θ_ｓ」という。）であり、油圧ショベル２の走行方向を示す角度である。なお、図５には、便宜上、角度ηが一定である斜面５０を示しているが、目標軌道における斜面においては、角度が一定でなくてもよい。

図６には、図５におけるＶＩ－ＶＩ方向から見た油圧ショベル２の模式図が示されている。図６に示す符号について説明すると、Ｌ_１は、車両重心座標系の原点である油圧ショベル２の重心Ｇと、図６における左側の履帯１８の幅方向（ｙ_ｇ軸方向）中心とのｙ_ｇ軸方向における距離である。Ｌ_２は、油圧ショベル２の重心Ｇと、図６における右側の履帯１８の幅方向中心とのｙ_ｇ軸方向における距離である。Ｌは、左側の履帯１８の幅方向中心から右側の履帯１８の幅方向中心までのｙ_ｇ軸方向における距離（Ｌ＝Ｌ_１＋Ｌ_２）である。ｚ_ｇ軸は、ｘ_ｇ軸およびｙ_ｇ軸のそれぞれに対して垂直な軸であり、ｈ_ｇは、油圧ショベル２の重心Ｇから斜面５０までのｚ_ｇ軸方向の距離である。

図６に示すＡ点（左側の履帯１８の幅方向中心を通る中心線上の点）にｚ_ｇ軸方向の支持力Ｎ_１が左側の履帯１８に働き、図６に示すＢ点（右側の履帯１８の幅方向中心を通る中心線上の点）にｚ_ｇ軸方向の支持力Ｎ_２が右側の履帯１８に働くとすると、ｚ_ｇ軸方向の力のつり合いは、斜面５０の角度ηを用いて式（１）のように表される。また、Ｂ点周りのモーメントのつり合いは、斜面５０の角度ηおよび車両方向角θ_ｓを用いて式（２）のように表される。なお、Ｗは油圧ショベル２の全体重量であり、ｇは重力加速度である。

式（１）および式（２）から支持力Ｎ_１、Ｎ_２は式（３）、式（４）のように表される。

そして、左側の履帯１８が受け持つ荷重（左側の履帯荷重）Ｗ_１の大きさは支持力Ｎ_１の大きさと等しく（Ｗ_１＝Ｎ_１）、右側の履帯１８が受け持つ荷重（右側の履帯荷重）Ｗ_２の大きさは支持力Ｎ_２の大きさと等しい（Ｗ_２＝Ｎ_２）。このようにステップＳ２２では、油圧ショベル２の重心Ｇの位置、斜面５０の角度ηおよび斜面５０における油圧ショベル２の走行方向（車両方向角θ_ｓ）を用いて左右の履帯荷重Ｗ_１、Ｗ_２を計算する。

左右の履帯荷重Ｗ_１、Ｗ_２を計算した後、左右のアイドラ１４下の履帯１８の静的沈下量およびスプロケット１６下の履帯１８の静的沈下量を計算する（ステップＳ２３、図４参照。）。図７を参照して説明すると、油圧ショベル２が斜面５０で静止しているとき、油圧ショベル２の重心Ｇの偏心率ｅに応じて、斜面５０と履帯１８との間にはピッチ角θ_ｔが生じる。ピッチ角θ_ｔは、アイドラ１４下の静的沈下量Ｓ_ｃｆ（Ｃ点における履帯１８の静的沈下量）、スプロケット１６下の静的沈下量Ｓ_ｃｒ（Ｄ点における履帯１８の静的沈下量）および履帯１８の長さＤ_ｃ（アイドラ１４の中心Ｃ_ｆとスプロケット１６の中心Ｃ_ｒとを結ぶｘ_ｇ軸方向の距離）を用いて式（５）のように表される。

図７中のＣ点は、アイドラ１４の中心Ｃ_ｆから履帯１８までｚ_ｇ軸方向に下ろした垂線と履帯１８との交点であり、Ｄ点は、スプロケット１６の中心Ｃ_ｒから履帯１８までｚ_ｇ軸方向に下ろした垂線と履帯１８との交点である。

履帯１８の静的沈下量分布Ｓ_ｃ（Ｘ_ｃ）は式（６）のように表され、静的沈下量分布Ｓ_ｃ（Ｘ_ｃ）に係る履帯１８下の垂直応力分布ｐ_ｃ（Ｘ_ｃ）は式（７）のように表される。

式（６）および式（７）におけるＸ_ｃはＣ点を原点として履帯１８の長手方向に延びる局所座標系である。式（７）におけるｋおよびｎは土壌パラメータである。

履帯１８に対して垂直な方向（ｚ_ｇ軸方向）の力のつり合いは式（８）のように表され、Ｃ点周りのモーメントのつり合いは式（９）のように表される。なお、Ｂ_ｃは履帯１８の幅（図６参照。）である。

式（８）および式（９）におけるＷ_ｃは履帯荷重であり、左側の履帯荷重Ｗ_１（式（３）の右辺）を式（８）および式（９）のＷ_ｃに代入して、式（８）および式（９）を解くことにより、左側のアイドラ１４下の静的沈下量Ｓ_ｃｆおよび左側のスプロケット１６下の静的沈下量Ｓ_ｃｒを計算することができる。また、右側の履帯荷重Ｗ_２（式（４）の右辺）を式（８）および式（９）のＷ_ｃに代入して、式（８）および式（９）を解くことにより、右側のアイドラ１４下の静的沈下量Ｓ_ｃｆおよび右側のスプロケット１６下の静的沈下量Ｓ_ｃｒを計算することができる。

このようにステップＳ２３においては、油圧ショベル２の重心Ｇの位置、斜面５０の角度ηおよび斜面５０における油圧ショベル２の走行方向（車両方向角θ_ｓ）を用いて計算した左右の履帯荷重Ｗ_１、Ｗ_２を式（８）および式（９）に代入して、左右のアイドラ１４下の静的沈下量Ｓ_ｃｆおよび左右のスプロケット１６下の静的沈下量Ｓ_ｃｒを計算する。

履帯１８の静的沈下量Ｓ_ｃｆ、Ｓ_ｃｒを計算した後、左右の履帯１８の指令速度（指令移動速度）を読み込む（ステップＳ２４、図４参照。）。ステップＳ２４において読み込む左右の履帯１８の指令速度は、ステップＳ２４よりも前であれば、いつでも設定することができ、油圧ショベル２の重心Ｇの位置の計算、履帯荷重Ｗ_１、Ｗ_２の計算または静的沈下量Ｓ_ｃｆ、Ｓ_ｃｒの計算の前に、あるいは重心Ｇの位置の計算等と並行して履帯１８の指令速度を設定することができる。各タイムステップにおける履帯１８の指令速度は、一定の値でもよく、異なる値でもよい。なお、オペレータがコントローラ４０に適宜の指令速度を入力することにより、履帯１８の指令速度を設定してもよい。

左右の履帯１８の指令速度を読み込んだ後、左右の履帯１８下の垂直応力分布およびせん断応力分布を計算する（ステップＳ２５）。左右の履帯１８下に働く垂直応力分布ｐ_ｃ（Ｘ_ｃ）は、静的沈下量Ｓ_ｃｆ、Ｓ_ｃｒおよび動的沈下量Ｓ_ｓｃｆ、Ｓ_ｓｃｒを考慮した履帯１８の総沈下量分布Ｓ_ｓ（Ｘ_ｃ）を用いて式（１０）のように表される。

履帯１８の総沈下量分布Ｓ_ｓ（Ｘ_ｃ）は、アイドラ１４下の静的沈下量Ｓ_ｃｆおよびアイドラ１４下の動的沈下量Ｓ_ｓｃｆの和で表されるアイドラ１４下の総沈下量Ｓ_ｆ（Ｓ_ｆ＝Ｓ_ｃｆ＋Ｓ_ｓｃｆ）と、スプロケット１６下の静的沈下量Ｓ_ｃｒおよびスプロケット１６下の動的沈下量Ｓ_ｓｃｒの和で表されるスプロケット１６下の総沈下量Ｓ_ｒ（Ｓ_ｒ＝Ｓ_ｃｒ＋Ｓ_ｓｃｒ）とを用いて式（１１）のように表される。

動的沈下量Ｓ_ｓｃｆ、Ｓ_ｓｃｒについては、後述するステップＳ２８で計算するところ、タイムステップｔ_ｎにおけるアイドラ１４下の総沈下量Ｓ_ｆは、タイムステップｔ_ｎにおけるアイドラ１４下の静的沈下量Ｓ_ｃｆと、タイムステップｔ_ｎ－１におけるアイドラ１４下の動的沈下量Ｓ_ｓｃｆとの和として計算することができ、スプロケット１６下の総沈下量Ｓ_ｒについても同様である。最初のタイムステップｔ_１の総沈下量Ｓ_ｆ、Ｓ_ｒを計算する際には、動的沈下量Ｓ_ｓｃｆ、Ｓ_ｓｃｒの初期値としてコントローラ４０にあらかじめ入力された任意の値を用いることができる。

履帯１８下のせん断応力分布について説明すると、駆動時の履帯１８下のｘ_ｇ軸方向（走行方向）に働くせん断応力分布τ_ｃ（Ｘ_ｃ）は式（１２）を用いて計算することができ、制動時の履帯１８下のｘ_ｇ軸方向に働くせん断応力分布τ_ｃ（Ｘ_ｃ）は式（１３）を用いて計算することができ、履帯１８下のｙ_ｇ軸方向に働くせん断応力分布τ_ｃｙ（Ｘ_ｃ）は式（１４）を用いて計算することができる。

式（１２）ないし式（１４）におけるｃ、ｃ_ａ、φ、φ_ａ、ｋ_ａはいずれも土壌パラメータである。また、式（１２）および式（１３）におけるｊ_ｃ（Ｘ_ｃ）は履帯１８の走行方向（ｘ_ｇ軸方向）の滑り量分布であり、式（１４）におけるｊ_ｃｙ（Ｘ_ｃ）は履帯１８のｙ_ｇ軸方向の滑り量分布である。ｊ_ｃ（Ｘ_ｃ）およびｊ_ｃｙ（Ｘ_ｃ）のいずれも、履帯１８の指令速度と履帯１８の実速度とで表される滑り率ｉ_ｄを用いて計算することができる。

履帯１８の実速度については、油圧ショベル２が実際に走行した場合に予測される履帯１８の移動速度であり、後述のステップＳ２８において計算する。タイムステップｔ_ｎにおけるせん断応力分布τ_ｃ（Ｘ_ｃ）、τ_ｃｙ（Ｘ_ｃ）を計算する際には、タイムステップｔ_ｎ－１における履帯１８の実速度を用いて計算した滑り率ｉ_ｄを用いることができる。最初のタイムステップｔ_１のせん断応力分布τ_ｃ（Ｘ_ｃ）、τ_ｃｙ（Ｘ_ｃ）を計算する際には、履帯１８の実速度の初期値としてコントローラ４０に入力された任意の値を用いることができる。

左右の履帯１８下の垂直応力分布ｐ_ｃ（Ｘ_ｃ）およびせん断応力分布τ_ｃ（Ｘ_ｃ）、τ_ｃｙ（Ｘ_ｃ）を計算した後、油圧ショベル２に働く力およびモーメントを計算する（ステップＳ２６）。図８を参照して説明すると、本実施形態のステップＳ２６においては、左右の履帯１８の駆動力Ｔ_ｃ１、Ｔ_ｃ２と、油圧ショベル２が走行する際に履帯１８が土を締め固めることによって生じる締固め抵抗力Ｒ_ｃ１、Ｒ_ｃ２と、油圧ショベル２が走行する際に履帯１８が土を押しのけることによって生じる排土抵抗力Ｒ_ｂｃ１、Ｒ_ｂｃ２と、履帯１８下の地盤が幅方向（ｙ_ｇ軸方向）にせん断されることによって生じる幅方向せん断抵抗力ｆ_ｃ１、ｆ_ｃ２と、履帯１８が横滑りするときに土を押しのけることによって生じるｘ_ｇ軸方向およびｙ_ｇ軸方向の排土抵抗力ｆ_ｂｃｘ１、ｆ_ｂｃｙ１、ｆ_ｂｃｘ２、ｆ_ｂｃｙ２と、幅方向せん断抵抗力ｆ_ｃ１、ｆ_ｃ２によって油圧ショベル２に生じるモーメントＭ_ｃ１、Ｍ_ｃ２（図示していない。）と、排土抵抗力ｆ_ｂｃｙ１、ｆ_ｂｃｙ２によって油圧ショベル２に生じるモーメントＭ_ｂｃ１、Ｍ_ｂｃ２（図示していない。）とを計算する。

ステップＳ２６において計算する力およびモーメントについては、テラメカニクス理論における公知の数式を用いて計算することができる。なお、駆動力Ｔ_ｃ１、Ｔ_ｃ２や締固め抵抗力Ｒ_ｃ１、Ｒ_ｃ２等に付されている添え字１は、左側の履帯１８に係る力およびモーメントであることを示し、添え字２は、右側の履帯１８に係る力およびモーメントであることを示している。

油圧ショベル２に働く力およびモーメントを計算した後、油圧ショベル２の重心Ｇに関する運動方程式である式（１５）ないし式（１７）を解き、斜面５０に固定された基準座標系（ＸＹ座標系）において、重心Ｇの加速度（ｄ^２ｘ_ｇ／ｄｔ^２、ｄ^２ｙ_ｇ／ｄｔ^２）、重心Ｇの速度（ｄｘ_ｇ／ｄｔ、ｄｙ_ｇ／ｄｔ）、重心Ｇの座標（ｘ_ｇ、ｙ_ｇ）、重心Ｇ周りの角加速度（ｄ^２θ_ｓ／ｄｔ^２）、重心Ｇ周りの角速度（ｄθ_ｓ／ｄｔ）および車両方向角θ_ｓを計算する（ステップＳ２７）。なお、式（１５）はｘ_ｇ軸における運動方程式であり、式（１６）はｙ_ｇ軸における運動方程式であり、式（１７）は、重心Ｇを通るｚ_ｇ軸方向の軸線周りの回転の運動方程式である。

式（１５）および式（１６）におけるＷは油圧ショベル２の全体重量であり、式（１７）におけるＩは重心Ｇ周りの慣性モーメントである。なお、ステップＳ２７において計算したタイムステップｔ_ｎの車両方向角θ_ｓは、タイムステップｔ_ｎ＋１の各履帯荷重Ｗ_１、Ｗ_２を次回のステップＳ２２で計算する際に用いられる。

油圧ショベル２の重心Ｇに関する運動方程式を解いた後、各履帯１８の実速度および動的沈下量を計算する（ステップＳ２８）。各履帯１８の実速度については、ステップＳ２７で求めた重心Ｇの速度（ｄｘ_ｇ／ｄｔ、ｄｙ_ｇ／ｄｔ）および重心Ｇ周りの角速度（ｄθ_ｓ／ｄｔ）と共に、重心Ｇから各履帯１８の中心点（履帯１８のｘ_ｇ軸方向中心かつｙ_ｇ軸方向中心）までの距離とを用いて計算することができる。なお、ステップＳ２８において計算したタイムステップｔ_ｎの各履帯１８の実速度は、タイムステップｔ_ｎ＋１のせん断応力分布τ_ｃ（Ｘ_ｃ）、τ_ｃｙ（Ｘ_ｃ）をステップＳ２５で計算する際に用いられる。

テラメカニクス理論によれば、アイドラ１４下の動的沈下量Ｓ_ｓｃｆは式（１８）を用いて計算することができ、スプロケット１６下の動的沈下量Ｓ_ｓｃｒは式（１９）を用いて計算することができる。

式（１８）および式（１９）におけるｃ_０、ｃ_１、ｃ_２は土壌パラメータであり、ｐ_ｃｆは履帯１８のアイドラ１４部分の接地圧であり、θ_ｃｆはアイドラ１４の入射角であり、Ｎ’はアイドラ１４の入射角θ_ｃｆの分割数であり、Ｍは履帯１８の長さＤ_ｃの分割数であり、ｎ’およびｍは総和計算用の変数であり、ｊ_ｓｃｆはｘ_ｇ軸方向におけるアイドラ１４下の履帯１８の空回りに関する滑り量であり、ｊ_ｓｃｒはｘ_ｇ軸方向におけるスプロケット１６下の履帯１８の空回りに関する滑り量である。なお、ステップＳ２８において計算したタイムステップｔ_ｎの動的沈下量Ｓ_ｓｃｆ、Ｓ_ｓｃｒは、タイムステップｔ_ｎ＋１の各履帯１８下の垂直応力分布ｐ_ｃ（Ｘ_ｃ）をステップＳ２５で計算する際に用いられる。

上述したとおりのステップＳ２１からステップＳ２８までを繰り返すことにより、基準座標系（ＸＹ座標系）において、複数のタイムステップにおける油圧ショベル２の重心Ｇの座標を計算し、各タイムステップの重心Ｇの座標を結んだ予測軌道Ｔ_Ｐ（図９参照。）を求める。そして、基準座標系（ＸＹ座標系）において、予測軌道Ｔ_Ｐにおける各タイムステップの油圧ショベル２の重心Ｇの座標（ｘ_ｇ、ｙ_ｇ）と、ステップＳ１において設定した目標軌道Ｔ_Ｔ（図９参照。）における各タイムステップの油圧ショベル２の重心Ｇの座標（ｘ_ｔ、ｙ_ｔ）との偏差ｄを油圧ショベル２の予測滑落量として計算する（ステップ２９）。あるいは、上記偏差ｄのＸ軸方向成分ｄ_ｘおよびＹ軸方向成分ｄ_ｙ（斜面５０の傾斜方向の成分）を計算し、偏差ｄのＹ軸方向成分ｄ_ｙを予測滑落量としてもよい。また、計算した予測滑落量ｄをタイムステップごとにキャブ２２内のモニタに表示すると共に、予測軌道Ｔ_Ｐおよび目標軌道Ｔ_Ｔをキャブ２２内のモニタに重ねて表示するようにしてもよい。

油圧ショベル２においては、下部走行体４に対して上部旋回体６が旋回自在であり、上部旋回体６に対して作業腕装置８が揺動自在であるのは上述したとおりであるが、上部旋回体６の旋回角度や作業腕装置８の揺動角度が変化すると、油圧ショベル２の重心Ｇの位置が変化し、重心Ｇの位置が変化すると履帯荷重Ｗ_１、Ｗ_２が変化する。また、履帯荷重Ｗ_１、Ｗ_２は、斜面５０の角度ηや車両の走行方向（車両方向角θ_ｓ）によっても変化する。そして、履帯荷重Ｗ_１、Ｗ_２が変化すると履帯１８の沈下量が変化し、履帯１８の沈下量が変化すると予測滑落量ｄが変化する。

本実施形態においては、上述したとおり、複数のタイムステップにおいて油圧ショベル２の重心Ｇの位置を計算した後、油圧ショベル２の重心Ｇの位置、斜面５０の角度ηおよび油圧ショベル２の走行方向（車両方向角θ_ｓ）を用いて各タイムステップの履帯荷重Ｗ_１、Ｗ_２を計算し、計算により求めた履帯荷重Ｗ_１、Ｗ_２を用いて各タイムステップにおける履帯１８の沈下量を計算し、そして、計算した履帯１８の沈下量に基づいて、各タイムステップにおける油圧ショベル２の予測滑落量ｄの計算を行う。

換言すると、本実施形態では、複数のタイムステップにおける油圧ショベル２の重心Ｇの位置、斜面５０の角度ηおよび油圧ショベル２の走行方向（車両方向角θ_ｓ）を用いて複数のタイムステップにおける予測滑落量ｄを計算している。したがって、本実施形態によれば、油圧ショベル２の走行中に油圧ショベル２の重心Ｇの位置、斜面５０の角度ηおよび油圧ショベル２の走行方向が変化した場合であっても、予測滑落量ｄを正確に計算することができる。

本実施形態においては、油圧ショベル２の重心Ｇの位置を時々刻々と計算し、計算した重心Ｇの位置をステップＳ２の計算フローの中に組み入れているので、重心Ｇの位置を一定として予測滑落量を計算する場合よりも、予測滑落量ｄを精度よく計算することができる。

本実施形態では、ステップＳ２を予測滑落量計算手段４４によって実施した後、図３に示すとおり、目標軌道Ｔ_Ｔに基づいて油圧ショベル２が斜面５０を走行することを許容するか否か予測滑り量ｄを用いて判定手段４６によって判定する（ステップＳ３）。

ステップＳ３では、たとえば、最大予測滑落量ｄが所定値以内である場合には、目標軌道Ｔ_Ｔに基づいて油圧ショベル２が斜面５０を走行することを許容し、最大予測滑落量ｄが所定値を超える場合には、目標軌道Ｔ_Ｔに基づいて油圧ショベル２が斜面５０を走行することを許容しないと判定することができる。これによって、走行中に重心Ｇの位置が変化し得る油圧ショベル２が斜面５０を走行している際の滑落に起因して油圧ショベル２が転倒してしまうことが防止されると共に、油圧ショベル２の実際の走行軌道が目標軌道Ｔ_Ｔから大きく逸脱することが防止される。

ステップＳ３では、最大予測滑落量ｄが所定値以内であっても、油圧ショベル２の走行に適さない場所が予測軌道Ｔ_Ｐに含まれるときは、目標軌道Ｔ_Ｔに基づいて油圧ショベル２が斜面５０を走行することを許容しないと判定してもよい。なお、判定手段４６の判定結果は、たとえばキャブ２２内のモニタに表示されるようにしてもよい。また、許容しないと判定した場合には、コントローラ４０からキャブ２２内のモニタやスピーカに警告信号を出力して、モニタに警告画面を表示させ、スピーカから警告音を発するようにしてもよい。

そして、ステップＳ３において許容すると判定した場合には、図３示すとおり、コントローラ４０は、ステップＳ２４において設定した指令速度で目標軌道Ｔ_Ｔに基づいて（予測軌道Ｔ_Ｐに沿って）油圧ショベル２を走行させる（ステップＳ４）。一方、ステップＳ３において許容しないと判定した場合には、ステップＳ３において許容判定が出るまでステップＳ１からＳ３までを繰り返す。

以上のとおりであり、本実施形態によれば、複数のタイムステップにおける油圧ショベル２の重心Ｇの位置、斜面５０の角度ηおよび斜面５０における油圧ショベル２の走行方向（車両方向角θ_ｓ）を用いて、複数のタイムステップにおける予測滑落量ｄを計算し、目標軌道Ｔ_Ｔに基づいて油圧ショベル２が斜面５０を走行することを許容するか否か予測滑落量を用いて判定するので、油圧ショベル２の転倒を防止することができると共に、油圧ショベル２の実際の走行軌道が目標軌道Ｔ_Ｔから大きく逸脱することを防止することができ、油圧ショベル２の安全な走行が確保される。

なお、ステップＳ１ないしＳ３については、油圧ショベル２に搭載されたコントローラ４０（車載コントローラ）を用いて、油圧ショベル２による作業中にリアルタイムで実施してもよく、あるいは、油圧ショベル２による作業を開始する前に実施してもよい。また、ステップＳ１ないしＳ３については、油圧ショベル２に搭載されたコントローラ４０以外のコンピュータを用いて実施することもできる。

次に、本発明の履帯車両の自律走行制御方法、履帯車両のコントローラおよび履帯車両の他の実施形態について図１０および図１１を参照しつつ説明する。なお、以下の説明においては、上述した構成要素と同一でよい構成要素には上述した構成要素と同一の符号を付し説明を省略する。

図１０を参照して説明すると、油圧ショベル２の自律走行を制御するコントローラ４０’は、設定手段４２および予測滑落量計算手段４４に加え、目標軌道Ｔ_Ｔに沿って油圧ショベル２を走行させるための走行方向（車両方向角θ_ｓ）の補正量を、予測滑落量ｄを用いて計算する補正量計算手段４８を含む。なお、コントローラ４０’においても、上記コントローラ４０と同様に、処理装置および記憶装置を有するコンピュータから構成され得ると共に、変更可能な様々なデータが格納され、かつ、各種機器が検出した情報が入力されるようになっている。

本実施形態では図１１に示すとおり、ステップＳ１を設定手段４２によって実施し、ステップＳ２を予測滑落量計算手段４４によって実施した後、目標軌道Ｔ_Ｔに沿って油圧ショベル２を走行させるための走行方向の補正量を、予測滑落量ｄを用いて計算するステップＳ３’を補正量計算手段４８によって実施する。本実施形態のステップＳ３’では、複数のタイムステップにおける予測滑落量ｄを用いて、複数のタイムステップにおける油圧ショベル２の走行方向の補正量を計算する。

ステップＳ３’を実施した後、コントローラ４０’は、複数のタイムステップにおける油圧ショベル２の走行方向の補正量に基づいて、ステップＳ２４において設定した各タイムステップにおける左右の履帯１８の指令速度を適宜調整することによって、目標軌道Ｔ_Ｔに沿って油圧ショベル２を走行させる（ステップＳ４’）。

本実施形態によれば、複数のタイムステップにおける油圧ショベル２の重心Ｇの位置、斜面５０の角度ηおよび斜面５０における油圧ショベル２の走行方向（車両方向角θ_ｓ）を用いて、複数のタイムステップにおける予測滑落量ｄを計算し、各タイムステップにおける予測滑落量ｄを用いて走行方向の補正量を計算するので、油圧ショベル２を目標軌道Ｔ_Ｔに沿って走行させることができる。

なお、図１２に示すとおり、油圧ショベル２の自律走行を制御するコントローラ４０”が、設定手段４２、予測滑落量計算手段４４、判定手段４６および補正量計算手段４８を備えていてもよい。そして、図１３に示すとおり、ステップＳ１を設定手段４２によって実施し、ステップＳ２を予測滑落量計算手段４４によって実施し、次いでステップＳ３において許容しないと判定手段４６によって判定した場合には、走行方向の補正量を、予測滑落量ｄを用いて計算するステップＳ３’を補正量計算手段４８によって実施した後、目標軌道Ｔ_Ｔに沿って油圧ショベル２を走行させるステップＳ４’を実施するようにしてもよい。

２：油圧ショベル（履帯車両）
４０、４０’：コントローラ
４２：設定手段
４４：予測滑落量計算手段
４６：判定手段
４８：補正量計算手段
５０：斜面
Ｇ：油圧ショベルの重心
η：斜面の角度
θ_ｓ：車両方向角

Claims (9)

1. 履帯車両の目標軌道を設定するステップと、
   前記目標軌道に基づいて前記履帯車両が斜面を走行した場合の前記履帯車両の予測滑落量を、前記履帯車両の重心位置、前記斜面の角度および前記斜面における前記履帯車両の走行方向を用いて計算するステップとを含む履帯車両の自律走行制御方法。
2. 前記目標軌道に基づいて前記履帯車両が前記斜面を走行することを許容するか否か前記予測滑落量を用いて判定するステップを含む、請求項１に記載の履帯車両の自律走行制御方法。
3. 前記目標軌道に沿って前記履帯車両を走行させるための前記走行方向の補正量を、前記予測滑落量を用いて計算するステップを含む、請求項１または２に記載の履帯車両の自律走行制御方法。
4. 前記履帯車両は、下部走行体と、前記下部走行体に旋回自在に支持された上部旋回体と、前記上部旋回体に揺動自在に装着された作業腕装置とを備え、
   前記予測滑落量を計算するステップにおいて、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度と、前記上部旋回体に対する前記作業腕装置の揺動角度とを用いて、複数のタイムステップにおける前記重心位置を計算する、請求項１から３までのいずれかに記載の履帯車両の自律走行制御方法。
5. 履帯車両の目標軌道を設定する設定手段と、
   前記目標軌道に基づいて前記履帯車両が斜面を走行した場合の前記履帯車両の予測滑落量を、前記履帯車両の重心位置、前記斜面の角度および前記斜面における前記履帯車両の走行方向を用いて計算する予測滑落量計算手段とを含む履帯車両のコントローラ。
6. 前記目標軌道に基づいて前記履帯車両が前記斜面を走行することを許容するか否か前記予測滑落量を用いて判定する判定手段を含む、請求項５に記載の履帯車両のコントローラ。
7. 前記目標軌道に沿って前記履帯車両を走行させるための前記走行方向の補正量を、前記予測滑落量を用いて計算する補正量計算手段を含む、請求項５または６に記載の履帯車両のコントローラ。
8. 前記履帯車両は、下部走行体と、前記下部走行体に旋回自在に支持された上部旋回体と、前記上部旋回体に揺動自在に装着された作業腕装置とを備え、
   前記予測滑落量計算手段は、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度と、前記上部旋回体に対する前記作業腕装置の揺動角度とを用いて、複数のタイムステップにおける前記重心位置を計算する、請求項５から７までのいずれかに記載の履帯車両のコントローラ。
9. 請求項５から８までのいずれかに記載のコントローラを備える履帯車両。

Images