JP2022078605A - 積載作業支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】積載機と搬送機の位置関係によらず積載作業を確実に支援できる積載作業支援システムを提供する。【解決手段】積載作業支援システム１は、積載機１００の第１位置算出器１３３の出力と積載機の作業装置１０１の姿勢検出器１２５～１２８の出力を基に作業装置の動特性を決定し、動特性を用い有限時間区間の作業装置の軌道を予測する演算を行い、搬送機２００の第２位置算出器２１２の出力を基に設定した禁止領域に作業装置が侵入しないと判定した場合、予測演算の結果を基に作業装置の先端部が第２位置算出器の出力を基に設定した目標位置に近づく動特性の第１入力を演算し、禁止領域に作業装置が侵入すると判定した場合、禁止領域外の目標位置とは異なる位置で作業装置の先端部位置より目標位置に近い位置を目標として当該先端部が近づく動特性の第２入力を演算し、演算結果の第１入力及び第２入力を基に積載機の動作を制御する制御入力を演算する。【選択図】 図１３

Description

本発明は、積載機が搬送機に対して積荷を積載する積載作業を支援する積載作業支援システムに関する。

油圧ショベルなどの建設機械の分野では、近年、建設施工に情報通信技術を適用することで多様な情報を効率的に活用して施工の合理化を図る情報化施工の導入が進められている。例えば、ブーム、アーム及びバケットなどの複数の被駆動部材を連結した多関節型の作業装置の位置や姿勢をオペレータへ表示するマシンガイダンスや、当該作業装置を目標施工面に沿って動くように制御するマシンコントロールなどのオペレータの操作を支援する機能を備えるものがある。

マシンガイダンスやマシンコントロールなどの操作支援を行うときに、施工現場における自車の座標を利用するものを３次元情報化施工（以下、３Ｄ情報化施工と称す）という。３Ｄ情報化施工に対応する建設機械では、自車の位置を取得するために、衛星測位システム（Global Navigation Satellite System：ＧＮＳＳ）を備えている。ＧＮＳＳは、複数の衛星からの測位信号を受信して自車の３次元位置（緯度、経度、高度）を測定するものである。油圧ショベルのように作業装置を備える建設機械では、自車の位置だけでなく、作業装置が向いている方向（方位）も操作支援に必要である。そのため、測位信号を受信するＧＮＳＳアンテナを２つ搭載し、それらが受信した測位信号を基に作業装置の方位を特定する建設機械が公知である。

油圧ショベルにおける一般的な情報化施工では、土砂を粗掘削した後に、マシンコントロールを利用して仕上げ掘削を行う。粗掘削時には、現場内で不要な土砂が出るので、当該土砂をダンプトラックなどの搬送機に積載して現場から搬送する必要がある。油圧ショベルのバケット内の土砂をダンプトラックの荷台に積み込む「積込作業（積載作業）」は、粗掘削工程において高頻度に発生する。そのため、積込作業に対する操作支援を提供することで、オペレータの作業負荷の軽減が期待できる。特に、積込作業では、バケットをダンプトラックの荷台の上方に移動させる過程でバケットがダンプトラックに接触する恐れあるので、自動制御により接触回避の動作を実現することができれば、施工現場の安全性が向上する。建設施工現場では、ダンプトラックが油圧ショベルに接近する際に舗装路を走行することがないので、ダンプトラックと油圧ショベルの位置関係が積込作業ごとに異なることが多い。

なお、積込作業は、油圧ショベルとダンプトラック間での代表的な作業であるが、この作業は建設機械に限られたものではない。例えば、工場や倉庫で稼働する作業ロボットがフォークリフトや搬送台車に荷物を積み込む作業も同様に積込作業と呼ぶことができる。工場や倉庫での作業の場合、積み込んだ荷物を回収する作業も必要となる。この回収作業の際にも、作業ロボットが搬送台車に接触することなく安全に荷物を回収することが要求される。このような回収作業の際の接触回避の技術は、港湾作業におけるクレーンによる船（例えば、タンカー）からのコンテナの積み下ろしや搬送車両からの積荷の積み下ろしの場合でも必要である。ただし、工場や倉庫、港湾における作業では、搬送車に対して、専用レーンを用意したり、複数の環境センサによりその動きを監視したりしている。このため、油圧ショベルとダンプトラックのように積込作業のたびに両者間の位置関係が大きく異なるということはない。

両者間の位置関係の再現性が乏しい積込作業に対する支援機能として、特許文献１に記載の技術が公知である。特許文献１に記載の技術は、建設機械の旋回体が旋回して掘削物をダンプトラックの荷台へ運搬する際のフロント作業装置の作業機（バケット）の軌道を修正するものであって、油圧ショベル及びダンプトラックの両方の位置情報などを用い、作業機の速度及び加速度から予測される作業機の軌道がダンプトラックの領域と交差するか否かを判定し、作業機の軌道が交差すると判定した場合には旋回体の旋回速度を減少させる制御及びフロント作業装置の上昇速度を増加させる制御の少なくとも一方を行うものである。

特開２０１８－２４９９７号公報

特許文献１に記載の技術では、建設機械のダンプトラックに対する積込作業を旋回動作とフロント作業装置の動作の複合動作で実行することを前提としている。しかし、建設機械とダンプトラックの位置関係によっては、旋回動作を伴わずに積込作業を行う場合がある。例えば、建設機械のフロント作業装置の真正面にダンプトラックが位置している場合である。この場合、特許文献１に記載の技術においては、建設機械の作業機とダンプトラックの接触回避の支援動作として実行可能なものはフロント作業装置の上昇速度を増加させることのみであり、積込作業の動作支援が困難な場合がある。

本発明は、上記の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、積載機と搬送機の両者の位置関係によらずに積載作業を確実に支援することができる積載作業支援システムを提供することである。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、荷台を備えた搬送機に対して、複数の被駆動部材を回動可能に連結して構成された多関節型の作業装置を備えた積載機が積荷を積載する積載作業を支援する積載作業支援システムであって、前記積載機の位置及び方位を算出する第１位置算出器と、前記作業装置の姿勢を検出する姿勢検出器と、前記搬送機の位置及び方位を算出する第２位置算出器と、前記積載機の動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記作業装置が積載作業で到達すべき位置である目標位置を前記第２位置算出器の出力を基に設定し、前記作業装置の侵入が禁止される領域である禁止領域を前記第２位置算出器の出力を基に設定し、前記第１位置算出器の出力及び前記姿勢検出器の出力を基に前記作業装置の動特性を決定し、前記作業装置の動特性を用いて有限の予測時間区間における前記作業装置の軌道を予測する予測演算を行い、前記作業装置の軌道予測の演算結果を基に、前記作業装置が前記予測時間区間において前記禁止領域内に侵入するか否かを判定し、前記作業装置が前記禁止領域内に侵入しないと判定した場合には、前記作業装置の軌道予測の演算結果を基に、前記作業装置の先端部が前記予測時間区間において前記目標位置に向かって近づくような前記作業装置の動特性の入力である第１入力を演算し、前記作業装置が前記禁止領域内に侵入すると判定した場合には、前記禁止領域外における前記目標位置とは異なる位置であって前記作業装置の先端部の位置よりも前記目標位置に近い位置を目標として、前記作業装置の先端部が前記予測時間区間において近づくような前記作業装置の動特性の入力である第２入力を演算し、演算結果の前記作業装置の動特性の第１入力及び第２入力を基に、前記積載機の動作を制御する制御入力を演算し、演算結果の制御入力を基に前記積載機の制御を行うことを特徴とする。

本発明の一例によれば、積載機の作業装置の動特性を用いた作業装置の軌道予測の演算結果を基に作業装置の先端部が禁止領域に侵入しないという制約条件の下で算出した積載機の制御入力を用いることで、作業装置の先端部が禁止領域を回避して積載作業の目標位置に近づくように積載機の動作を制御することができる。したがって、積載機と搬送機の両者の位置関係によらずに積載作業を確実に支援することができる。
上記した以外の課題、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。

本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態における支援対象の積載機の一例である油圧ショベルを示す斜視図である。 本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態における支援対象の搬送機の一例であるダンプトラックの外観を模式的に示す図である。 ダンプトラックに対する油圧ショベルの積込作業における動作の一例を示す説明図である。 ダンプトラックに対する油圧ショベルの積込作業における動作の別の例を示す説明図である。 本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。 図５に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。 図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する動特性演算部で用いられるフロント作業装置のモデルを示す説明図である。 図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する目標位置設定部が設定する目標位置の一例を示す説明図である。 図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する禁止領域設定部が設定する禁止領域の一例を示す図（ダンプトラックの側面側を見る図）である。 図９Ａに示す禁止領域をダンプトラックの上方から見下ろしたときの図である。 図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する禁止領域設定部が設定する禁止領域の第２例を示す図（ダンプトラックの側面側を見る図）である。 図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する禁止領域設定部が設定する禁止領域の第３例を示す図（ダンプトラックの側面側を見る図）である。 図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する回避動作制御入力演算部の演算方法を説明する図であり、当該演算の第１段階の一例を示す説明図である。 図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する回避動作制御入力演算部の演算方法を説明する図であり、当該演算の第２段階の一例を示す説明図である。 図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する回避軌道演算部の演算方法を説明する図であり、当該演算の第１段階の別の例を示す説明図である。 図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する回避軌道演算部の演算方法を説明する図であり、当該演算の第２段階の別の例を示す説明図である。 図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態における処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態においてモデル予測制御の演算の枠組みを用いる場合の油圧ショベルと禁止領域の位置関係の一例を示す概略図である。 本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態においてモデル予測制御の演算の枠組みを用いる場合のペナルティ関数を説明する図である。 本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の変形例の機能構成を示すブロック図である。 本発明の積載作業支援システムの第２の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。 本発明の積載作業支援システムの第３の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。 本発明の積載作業支援システムの第３の実施の形態の変形例の機能構成を示すブロック図である。 本発明の積載作業支援システムのその他の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の積載作業支援システムの実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
まず、本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態における支援対象の積載機側の一例である油圧ショベルの構成について図１を用いて説明する。図１は本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態における支援対象の積載機の一例である油圧ショベルを示す斜視図である。ここでは、運転席に着座したオペレータから見た方向を用いて説明する。

図１において、油圧ショベル１００は、搬送機に対して積荷を積載する積載機の一種であり、積荷としての土砂や鉱石等を積載する。油圧ショベル１００は、掘削作業や積載作業などを行うフロント作業装置１０１と、フロント作業装置１０１が回動可能に取り付けられた車体とで構成されている。車体は、自走可能な下部走行体１０２と、下部走行体１０２上に旋回可能に搭載された上部旋回体１０３とで構成されている。

フロント作業装置１０１は、複数の被駆動部材を垂直方向に回動可能に連結して構成された多関節型のものである。複数の被駆動部材は、例えば、ブーム１０６、アーム１０７、バケット１０８とで構成されている。ブーム１０６の基端部は、上部旋回体１０３の前部に垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム１０６の先端部には、アーム１０７の基端部が回動可能に支持されている。アーム１０７の先端部には、バケット１０８が回動可能に支持されている。作業具としてのバケット１０８は、フロント作業装置１０１の先端部に配置されるものである。ブーム１０６、アーム１０７、バケット１０８はそれぞれ、油圧アクチュエータであるブームシリンダ１１０、アームシリンダ１１１、バケットシリンダ１１２によって駆動される。なお、バケット１０８は、バケット１０８と連動して回動するリンク部材１１３を介して駆動される。

下部走行体１０２は、例えば、左右にクローラ式の走行装置１１４（一方側のみ図示）を備えている。走行装置１１４は、油圧アクチュエータである走行油圧モータ１１４ａによって駆動する。

上部旋回体１０３は、例えば、油圧アクチュエータである旋回油圧モータ１０４によって下部走行体１０２に対して旋回駆動されるように構成されている。上部旋回体１０３は、オペレータが搭乗する運転室１１６と、各種機器を収容する機械室１１７とを備えている。

運転室１１６には、各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２、１１４ａを操作するための操作装置１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃが設けられている。操作装置１１８ａ、１１８ｂは、例えば、前後左右に傾倒可能な操作レバーを有する電気式の操作レバー装置である。電気式の操作レバー装置１１８ａ、１１８ｂは、操作レバーの傾倒方向および傾倒量、すなわち操作方向および操作量を電気的に検出する検出装置（図示せず）を有しており、検出した操作方向および操作量に応じた操作信号を後述のショベルコントローラ１０（後述の図５参照）へ電気配線を介して出力する。操作レバー装置１１８ａ、１１８ｂの前後方向の操作および左右方向の操作はそれぞれ、各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２の操作として割り当てられている。すなわち、操作レバー装置１１８ａ、１１８ｂの各操作は、フロント作業装置１０１の操作や上部旋回体１０３の旋回操作などとして割り当てられている。操作装置１１８ｃは、前後に傾倒可能な走行レバー及び走行ペダルを有する電気式の操作装置である。操作装置１１８ｃは、油圧アクチュエータ１１４ａの操作、すなわち、左右の走行装置１１４の走行操作として割り当てられている。

機械室１１７には、エンジンや電動機などの原動機１２１や原動機１２１により駆動される油圧ポンプ装置１２２などが配置されている。油圧ポンプ装置１２２から吐出された圧油が供給されることで各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２、１１４ａが駆動する。各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２、１１４ａの駆動は、各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２、１１４ａに対応する制御弁の集合体である制御弁ユニット１２３によって制御される。制御弁ユニット１２３を構成する各制御弁は、対応する油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２、１１４ａに対して油圧ポンプ装置１２２から供給される圧油の方向及び流量を制御するものである。各制御弁の駆動は、例えば、パイロットポンプ（図示せず）から電磁比例弁（図示せず）を介して出力されるパイロット圧により制御される。各電磁比例弁が操作装置１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃからの操作信号を基にショベルコントローラ１０により制御されることで、制御弁ユニット１２３の各制御弁を介して各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２、１１４ａの動作が制御される。

なお、操作装置１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃは、電気式でなく、油圧式で構成することも可能である。この場合、各操作装置１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃの操作方向および操作量に応じたパイロット圧を制御弁ユニット１２３の各制御弁に対して供給することで、各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２、１１４ａを駆動させるように構成する。

上部旋回体１０３には、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）１２５が設置されている。また、フロント作業装置１０１を構成するブーム１０６、アーム１０７、バケット１０８にもそれぞれ、慣性計測装置（ＩＭＵ）１２６、１２７、１２８が設置されている。これら４つの慣性計測装置を区別するため、上部旋回体１０３（車体）用の慣性計測装置１２５を車体ＩＭＵ、ブーム１０６用の慣性計測装置１２６をブームＩＭＵ、アーム１０７用の慣性計測装置１２７をアームＩＭＵ、バケット１０８用の慣性計測装置１２８をバケットＩＭＵと称する。なお、バケットＩＭＵ１２８は、バケット１０８ではなく、バケット１０８と連動して回動するリンク部材１１３に設置することも可能である。

各ＩＭＵ１２５、１２６、１２７、１２８は、設置部分１０３、１０６、１０７、１０８に生じる加速度及び角速度を検出すると共に、検出した加速度及び角速度に基づき当該設置部分１０３、１０６、１０７、１０８の角度を演算するものである。これら４つのＩＭＵ１２５～１２８は、車体１０２、１０３及びフロント作業装置１０１の各構成部材１０６、１０７、１０８の加速度及び角速度を検出すると共に検出結果の加速度及び角速度に基づいて角度演算を行うことで、フロント作業装置１０１の姿勢を検出する姿勢検検出器として機能する。

車体ＩＭＵ１２５は、例えば、上部旋回体１０３が静止状態のとき、車体ＩＭＵ１２５に設定されたＩＭＵ座標系において検出された重力加速度の方向（鉛直下向きの方向）及び車体ＩＭＵ１２５の取付状態（車体ＩＭＵ１２５と上部旋回体１０３との相対的な位置関係）に基づき、水平面に対する上部旋回体１０３の前後方向への傾き（ピッチ角）及び左右方向（幅方向）への傾き（ロール角）を演算することが可能である。また、車体ＩＭＵ１２５は、検出した角速度を時間的に積分することで基準時点からの角度変化を演算することが可能である。車体ＩＭＵ１２５は、車体１０２、１０３の加速度及び角速度の検出結果及び車体１０２、１０３の角度の演算結果をショベルコントローラ１０へ出力する。ブームＩＭＵ１２６、アームＩＭＵ１２７、バケットＩＭＵ１２８の場合も、車体ＩＭＵ１２５と同様である。

なお、本実施の形態においては、各ＩＭＵ１２５、１２６、１２７、１２８がそれぞれ加速度及び角速度の検出結果に基づき当該設置部分の角度の情報を演算する角度演算機能を実装しているものを想定している。しかし、それらのＩＭＵ１２５～１２８が当該角度演算機能を内蔵していない場合には、ショベルコントローラ１０が当該角度演算機能を備えるように構成すればよい。

ブームシリンダ１１０には、シリンダ圧力を検出する圧力センサ１２９が設置されている。圧力センサ１２９は、フロント作業装置１０１の負荷を検出する負荷検出器として機能するものであり、検出結果をショベルコントローラ１０へ出力する。圧力センサ１２９により検出されたブームシリンダ１１０の圧力とＩＭＵ１２５～１２８により取得されたフロント作業装置１０１の姿勢情報とに基づき、バケット１０８が抱える土砂の重量を算出するペイロード演算が可能である。なお、アームシリンダ１１１やバケットシリンダ１１２にも、圧力センサを設ける構成が可能である。当該圧力センサは、後述の積載作業支援システム１による油圧ショベル１００の動作の制御に利用することができる。

上部旋回体１０３には、複数の衛星からの測位信号を受信可能な２つのＧＮＳＳアンテナ１３１、１３２が取り付けられている。各ＧＮＳＳアンテナ１３１、１３２が受信した測位信号は、ＧＮＳＳ受信機１３３（後述の図５参照）に入力される。ＧＮＳＳ受信機１３３は、ＧＮＳＳアンテナ１３１、１３２が受信した測位信号を基に、アンテナ座標（油圧ショベル１００の特定位置）の演算や上部旋回体１０３の方位の演算などの測位演算を行うものである。ＧＮＳＳ受信機１３３は、測位演算の演算結果である油圧ショベル１００（上部旋回体１０３）の位置、速度、方位をショベルコントローラ１０へ出力する。ＧＮＳＳアンテナ１３１、１３２とＧＮＳＳ受信機１３３は、油圧ショベル１００に対する衛星測位を行う測位システムを構成している。ＧＮＳＳアンテナ１３１、１３２は位置を検出する位置検出器として機能し、ＧＮＳＳ受信機１３３は油圧ショベル１００自身の位置及び方位を算出する自己位置算出器（第１位置算出器）として機能する。

ＧＮＳＳ受信機１３３は、現場内に設置されたＧＮＳＳ固定局に無線通信を介して接続することで、ＲＴＫ（Real Time Kinematic）測位を実行することが可能である。ＧＮＳＳ固定局がない現場の場合には、インターネットを介して電子基準局の情報を取得するネットワーク型ＲＴＫを利用した測位を実行することが可能である。以下、現場内の固定局の有無を問わず、ＧＮＳＳ受信機１３３がＲＴＫ測位を実行可能であることを想定している。

次に、本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態における支援対象の搬送機側の一例であるダンプトラックの構成について図２を用いて説明する。図２は本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態における支援対象の搬送機の一例であるダンプトラックの外観を模式的に示す図である。

図２において、ダンプトラック２００は、積荷を搬送する搬送機の一種であり、土砂や鉱石等を積荷として搬送する。ダンプトラック２００は、自走可能な車体２０１と、車体２０１上に傾転可能に搭載され、積荷を積載する荷台２０２とで大略構成されている。車体２０１は、前後方向（図２中、左右方向）に延びる支持構造体である車体フレーム２０４と、車体フレーム２０４の前端部に配置された運転室２０５と、車体フレーム２０４の前後の左右両側にそれぞれ回転可能に設けられた車輪２０６を備えている。車体フレーム２０４と荷台２の底部とにホイストシリンダ２０３が取り付けられている。ホイストシリンダ２０３は、例えば、伸縮する油圧シリンダである。荷台２０２は、ホイストシリンダ２０３の伸縮により、積荷を搬送する際の搬送位置（二点鎖線で示す）と荷台２０２から積荷を放土する際の放土位置（実線で示す）との間で車体フレーム２０４に対して傾転する。

運転室２０５の後方または車体フレーム２０４には、エンジンやトランスミッションなどのパワートレイン（図示せず）が配置されており、当該パワートレインを制御することにより車輪２０６の動き（走行動作）が制御される。運転室２０５には、アクセルペダルやブレーキペダル（図示せず）が配置されており、アクセルペダルやブレーキペダルの操作に応じて車輪２０６の回転動作が制御される。例えば、ブレーキ操作を行うと、車輪２０６に取り付けられたブレーキパッド（図示せず）が車輪２０６に押し付けられることでダンプトラック２００の前後進を停止させることが可能である。パワートレインやブレーキの制御は、後述のトラックコントローラ２０（後述の図５参照）を介して実行される。

運転室２０５には、ＧＮＳＳアンテナ２１１及びＧＮＳＳ受信機２１２が設置されている。運転室２０５には、また、ダンプトラック２００の加速度及び角速度を検出可能な慣性計測装置２１３（以下、トラックＩＭＵと称する）が設置されている。図２中、ＧＮＳＳアンテナ２１１を運転室２０５の外部に配置する構成を示しているが、小型アンテナを運転室２０５内に配置する構成も可能である。

ＧＮＳＳアンテナ２１１は、例えば油圧ショベル１００の場合と同様に、２つのアンテナで構成することが可能である。この場合、ＧＮＳＳ受信機２１２は、２つのＧＮＳＳアンテナ２１１が受信した測位信号を基に、ダンプトラック２００の位置（座標）の演算に加えて、ダンプトラック２００の方位の演算を行うことが可能である。一方、ＧＮＳＳアンテナ２１１が１つのアンテナで構成されている場合には、ＧＮＳＳ受信機２１２がダンプトラック２００の位置（座標）のみを演算し、ダンプトラック２００のこれまでの走行軌跡及びトラックＩＭＵ２１３により検出された角速度を基にトラックコントローラ２０がダンプトラック２００の方位を演算するように構成することも可能である。また、ＧＮＳＳ受信機２１２は、ＧＮＳＳアンテナ２１１により検出されたドップラーシフトを基に、ダンプトラック２００の移動速度を演算することも可能である。

ＧＮＳＳ受信機２１２は、測位演算の演算結果であるダンプトラック２００の位置や方位、移動速度などをトラックコントローラ２０へ出力する。トラックＩＭＵ２１３は、検出した加速度や角速度をトラックコントローラ２０へ出力する。ＧＮＳＳアンテナ２１１は位置を検出する位置検出器として機能し、ＧＮＳＳ受信機２１２はダンプトラック２００の位置及び方位を算出する自己位置算出器（第２位置算出器）として機能する。トラックＩＭＵ２１３は、ダンプトラック２００の姿勢を検出する姿勢検出器として機能する。

次に、油圧ショベルのダンプトラックに対する積載作業における油圧ショベルの動作について図３及び図４を用いて説明する。図３はダンプトラックに対する油圧ショベルの積込作業における動作の一例を示す説明図である。図４はダンプトラックに対する油圧ショベルの積込作業における動作の別の例を示す説明図である。

油圧ショベル１００のダンプトラック２００に対する土砂の積載作業は、例えば図３に示すように、油圧ショベル１００が土砂とダンプトラック２００の間に位置する位置関係の場合、上部旋回体１０３の旋回動作とフロント作業装置１０１の動作を組み合わせた複合動作によって行われる。一方、図４に示すように、油圧ショベル１００の真正面に土砂とダンプトラック２００が一直線上に並んだ位置関係の場合には、当該積載作業はフロント作業装置１０１の動作のみによって行われる。

油圧ショベル１００とダンプトラック２００の位置関係が図３に示す場合や図４に示す場合であっても、ダンプトラック２００に対する油圧ショベル１００の積載作業の作業支援を実行できることが望ましい。本実施の形態においては、油圧ショベル１００とダンプトラック２００の位置関係によらずに油圧ショベル１００のフロント作業装置１０１とダンプトラック２００の接触回避の支援動作を実行することができる積載作業支援システム１を構築するものである。

次に、本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の構成について図５を用いて説明する。図５は本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。

積載作業支援システム１は、例えば、油圧ショベル１００（図１参照）の動作を制御するショベルコントローラ１０と、ダンプトラック２００（図２参照）の動作を制御するトラックコントローラ２０と、管制コントローラ３０とを備えている。ショベルコントローラ１０及びトラックコントローラ２０はそれぞれ油圧ショベル１００及びダンプトラック２００に搭載されている。管制コントローラ３０は、例えば、コンピュータ（サーバ）により構成されており、油圧ショベル１００及びダンプトラック２００の稼働状況を管理するものである。管制コントローラ３０は、施工現場内や施工現場から離れた場所など任意の場所に設置可能である。管制コントローラ３０は、油圧ショベル１００に搭載してもよい。

ショベルコントローラ１０は、操作装置１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ（図１参照）の操作方向や操作量に応じて油圧ポンプ装置１２２や制御弁ユニット１２３（共に図１参照）の各制御弁などに対する制御指令（傾転角や電磁弁操作圧など）を算出して各種の油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２、１１４ａ（図１参照）の挙動を制御するものである。ショベルコントローラ１０には、自己位置算出器としてのＧＮＳＳ受信機１３３が出力する油圧ショベルの位置及び方位の情報、負荷検出器としての圧力センサ１２９が出力するシリンダ圧力、並びに、姿勢検出器としての複数のＩＭＵ１２５～１２８が出力する角度及び角速度（姿勢情報）が入力される。

トラックコントローラ２０は、アクセル２０７及びブレーキ２０８の動作を制御することで、ダンプトラック２００の移動を制御するものである。トラックコントローラ２０には、自己位置算出器としてのＧＮＳＳ受信機２１２が出力するダンプトラック２００の位置及び利用可能な場合には方位の情報、並びに、姿勢検出器としてのＩＭＵ２１３が出力する角速度の情報が入力される。

ショベルコントローラ１０、トラックコントローラ２０、管制コントローラ３０は、それぞれ通信機能を有しており、通信ネットワークを介して相互に接続可能である。管制コントローラ３０は、当該通信機能によって、ショベルコントローラ１０及びトラックコントローラ２０と相互に上述した各種情報の授受を行う。なお、管制コントローラ３０は、上述の各種センサ１２５～１２９、１３３、２１２～２１３が出力した各種情報をショベルコントローラ１０及びトラックコントローラ２０を介さずに直接取得する構成も可能である（図５中、二点鎖線のラインを参照）。この場合、各種センサ１２５～１２９、１３３、２１２～２１３は、通信機能を予め備えているものを採用してもよいし、通信機能を備えていない場合には、通信ユニットを別途追加する構成であっても良い。

本実施の形態においては、ショベルコントローラ１０、トラックコントローラ２０、及び管制コントローラ３０の３つのコントローラの集合体が積載作業支援システム１の制御装置であり、当該制御装置により実現される機能を支援システム管制部４０と称する。各コントローラ１０、２０、３０は、ハード構成として例えば、ＲＡＭやＲＯＭ等からなる記憶装置１０ａ、２０ａ、３０ａと、ＣＰＵまたはＭＰＵ等からなる処理装置１０ｂ、２０ｂ、３０ｂとを備えている。記憶装置１０ａ、２０ａ、３０ａには、油圧ショベル１００のダンプトラック２００に対する積載作業を支援するために必要なプラグラムや各種情報が予め記憶されている。処理装置１０ｂ、２０ｂ、３０ｂは、記憶装置１０ａ、２０ａ、３０ａからプログラムや各種情報を適宜読み込み、当該プログラムに従って処理を実行することで以下の支援システム管制部４０の機能を含む各種機能を実現する。

次に、本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の機能部の構成について図６～図１２を用いて説明する。図６は図５に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。

図６において、積載作業支援システム１の制御装置としての支援システム管制部４０は、概略すると、油圧ショベル１００（図１参照）のダンプトラック２００（図２参照）に対する積載作業において、油圧ショベル１００のモデル（動特性）を用いてフロント作業装置１０１（図１参照）の軌道を予測する演算を行い、予測結果を用いて油圧ショベル１００とダンプトラック２００との接触を回避する制約条件の下で制御入力を演算し、演算結果の制御入力に基づき油圧ショベル１００の制御を行うものである。

本実施の形態の支援システム管制部４０では、例えば、荷重演算部４１、動特性演算部４２、ショベル制御部６１がショベルコントローラ１０に実装されている。また、目標位置設定部４３、禁止領域設定部４４がトラックコントローラ２０に実装されている。また、制御入力演算部５０が管制コントローラ３０に実装されている。制御入力演算部５０は、例えば、軌跡予測部５１、侵入判定部５２、第１制御入力演算部５３、第２制御入力演算部５４、制御入力決定部５５とで構成されている。上述の各機能部４１～４４、５１～５５、６１の各コントローラ１０、２０、３０への振り分けは一例であり、同一の機能を実現できれば、各機能部４１～４４、５１～５５、６１の振り分けは任意である。なお、３つのコントローラに物理的な接続がない場合には各コントローラに通信機能が必要になるが、図の簡易化のために通信機能を省略している。

荷重演算部４１は、負荷検出器１２９の出力及び姿勢検出器１２５～１２８の出力に基づき、油圧ショベル１００のバケット１０８がすくって保持している土砂（積荷）の重量（荷重）を演算するものである。具体的には、土砂の重量は、圧力センサ１２９により検出されたシリンダ圧力及び各ＩＭＵ１２５～１２８が検出した姿勢情報を基に算出したフロント作業装置１０１の油圧シリンダ１１０の支持力とフロント作業装置１０１に作用する力のモーメントとから演算することが可能である。ここで、荷重演算部４１の演算結果である土砂の重量をｍ_ＢＫとする。

動特性演算部について図７を用いて説明する。図７は図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する動特性演算部で用いられるフロント作業装置のモデルを示す説明図である。

動特性演算部４２は、荷重演算部４１の演算結果の土砂の重量を考慮した油圧ショベル１００のフロント作業装置１０１の動特性（モデル）を算出する。フロント作業装置１０１の動特性として、例えば、運動方程式を採用することが可能である。バケット１０８が空荷状態のときの運動方程式は、フロント作業装置１０１の各被駆動部材１０６、１０７、１０８の各寸法及びフロント作業装置１０１の慣性モーメントを事前に取得しておくことで予め導出しておくことができる。動特性演算部４２は、バケット１０８が空荷状態の場合に導出した運動方程式のパラメータを荷重演算部４１の演算結果の土砂の重量ｍ_ＢＫに基づいて調整する機能として用いられる。

フロント作業装置１０１は、例えば図７に示すように、ブーム１０６、アーム１０７、バケット１０８をそれぞれ剛体リンク系で模擬することができる。各剛体リンクのリンク長Ｌ_ＳＷＧ、Ｌ_ＢＭ、Ｌ_ＡＭ、Ｌ_ＢＫ、及び慣性モーメントＩを利用すれば、オイラー・ラグランジュ方程式によって、各リンクの運動方程式を以下の式（１）で表現することができる。

なお、式（１）中、θ、ω、τはそれぞれ、各リンクの回転角度、角速度、各リンクの回動軸に加わる駆動トルクを示している。また、式（１）及び図７中、下付き文字のＢＭ、ＡＭ、ＢＫ、ＳＷＧはそれぞれ、ブーム１０６、アーム１０７、バケット１０８、上部旋回体１０３を示している。

各リンクの回動軸の回動動作は、フロント作業装置１０１の各油圧シリンダ１１０～１１２の伸縮動作又は旋回油圧モータ１０４の回動動作によって実現される。そのため、駆動トルクτは、以下の式（２）のような油圧アクチュエータ１１０～１１２、１０４に作用する圧油の圧力ｐに応じた変換式が必要である。なお、式（１）及び式（２）の詳細な説明は、本発明の本質的なものではないので、省略する。

上述の式（１）におけるバケット１０８の慣性モーメントＩ_ＢＫは荷重演算部４１により算出された土砂（積荷）の重量（荷重）ｍ_ＢＫに応じて変化し、上部旋回体１０３の慣性モーメントＩ_ＳＷＧはフロント作業装置１０１の姿勢に応じて変化する。このように、油圧ショベル１００の動作は厳密には慣性モーメントＩに依存するので、式（１）の運動方程式（動特性）は慣性モーメントＩに依存するものである。したがって、フロント作業装置１０１の挙動を正確に予測するには、慣性モーメントＩを考慮した動特性を用いる必要がある。

目標位置設定部について図８を用いて説明する。図８は図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する目標位置設定部４３が設定する目標位置の一例を示す説明図である。

目標位置設定部４３は、自己位置算出器２１２が出力するダンプトラック２００の位置及び方位の情報を基に、フロント作業装置１０１のバケット１０８が積載作業で到達すべき位置としての目標位置を設定するものである。具体的には、目標位置は、ダンプトラック２００の荷台２０２の上方に設定される。ダンプトラック２００のサイズが油圧ショベル１００に対して小さくない限り、油圧ショベル１００の積載作業は、ダンプトラック２００が土砂（積荷）を搬送するまでに複数回実行されることが一般的である。このような場合、設定される目標位置は積込回数に応じて適宜変更することが望ましい。例えば、積込作業が３回必要なサイズのダンプトラックの場合、図８に示すように、荷台２０２に対して異なる３か所の位置に目標位置を設定することが望ましい。例えば、積込作業における１回目の目標位置Ｐｔ１を荷台２０２の前側に、２回目の目標位置Ｐｔ２を荷台２０２の中央側に、３回目の目標位置Ｐｔ３を荷台２０２の後側に設定する。

禁止領域設定部４４について図９～図１１を用いて説明する。図９Ａは図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する禁止領域設定部が設定する禁止領域の一例を示す図（ダンプトラックの側面側を見る図）である。図９Ｂは図９Ａに示す禁止領域をダンプトラックの上方から見下ろしたときの図である。図１０は図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する禁止領域設定部が設定する禁止領域の第２例を示す図（ダンプトラックの側面側を見る図）である。図１１は図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する禁止領域設定部が設定する禁止領域の第３例を示す図（ダンプトラックの側面側を見る図）である。

禁止領域設定部４４は、自己位置算出器２１２が出力するダンプトラック２００の位置及び方位の情報を基に、フロント作業装置１０１の侵入を禁止する禁止領域を設定するものである。禁止領域は、例えば図９Ａ及び図９Ｂに示すように、ダンプトラック２００を囲むように設定される。禁止領域がダンプトラック２００を囲むように設定されることで、油圧ショベル１００のダンプトラック２００に対する接触回避の支援動作の制御が実行可能となる。

禁止領域は、例えば図１０に示すように、ダンプトラック２００の運転室２０５の周囲を図９Ａ及び図９Ｂに示す禁止領域よりも広くすることが可能である。これにより、ダンプトラック２００のオペレータに不安を与えるようなフロント作業装置１０１の経路が選択されることを回避することが可能となる。

また、禁止領域は、ダンプトラック２００が移動している場合、停止時に比べて広く設定することが望ましい。例えば、ダンプトラック２００が所定位置に向かって後進で接近する場合、図１１に示すように、禁止領域をダンプトラックの後方で広く設定する。これにより、ダンプトラック２００が油圧ショベル１００に接近してくる場合でも、安全性を高めることができる。

なお、ダンプトラック２００の移動速度の検出は、自己位置算出器としてのＧＮＳＳ受信機２１２の出力が高精度なので、ＧＮＳＳ受信機２１２の利用を前提としている。しかし、ダンプトラック２００の移動速度を検出する検出器として、ダンプトラック２００に搭載されている車速センサで代用することもできる。

制御入力演算部５０は、油圧ショベル１００のモデル（動特性）を用いて有限の時間区間におけるフロント作業装置１０１の軌道を予測する演算を行い、軌道予測の演算結果を基に、フロント作業装置１０１の先端部が上述の禁止領域に侵入しないという制約条件の下で上述の積載作業の目標位置に近づくような動特性の入力（油圧ショベル１００に対する制御入力）を演算するものである。具体的には、制御入力演算部５０は、例えば、フロント作業装置１０１の軌道を予測する演算を行う軌跡予測部５１と、軌道予測の演算結果が上述の禁止領域に侵入するかを判定する侵入判定部５２と、軌道予測の演算結果が禁止領域に侵入しないと判定された場合に或る条件下の動特性の入力（制御入力）を演算する第１制御入力演算部５３と、軌道予測の演算結果が禁止領域に侵入すると判定された場合に第１制御入力演算部５３の演算とは異なる条件下の動特性の入力（制御入力）を演算する第２制御入力演算部５４と、第１制御入力演算部５３の演算結果と第２制御入力演算部５４の演算結果を基に油圧ショベル１００の制御入力を決定する制御入力決定部５５とで構成されている。

軌道予測部５１は、動特性演算部４２により算出された運動方程式（慣性モーメントが決定されているモデル）を用い、特定の駆動トルクを入力したときのフロント作業装置１０１の軌道を有限の時間区間において予測するものである。具体的には、動特性（モデル）を基にした以下の式（３）に従って或る有限の予測時間区間（時刻ｔ_０から時刻ｔ_ｐまでの区間）の積分演算を行うことでフロント作業装置の軌道を予測する。式（３）において、ｕ_ｐは制御入力であり、ｘ_０はｘ_ｐの初期値である。

初期値ｘ_０としては、姿勢検出器１２５～１２８より検出されたフロント作業装置１０１の角度θ_{（ＢＭ、ＡＭ、ＢＫ）}、角速度ω_{（ＢＭ、ＡＭ、ＢＫ）}、旋回角速度ω_ＳＷＧ、及び、自己位置算出器１３３により検出された旋回角度θ_ＳＷＧ（方位）を用いる。これらの情報はショベルコントローラ１０を介して利用可能である。制御入力ｕ_ｐは、各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１２、１１２に対する駆動トルクτ_ｐをまとめたものである。この制御入力ｕ_ｐ（各駆動トルクτ_ｐ）の決め方は後述する。なお、式（３）は、連続時間システムの表記であるが、離散時間システムの表記であってもよい。式（３）の出力ｘ_ｐや制御入力ｕ_ｐは、予測時間区間（時刻ｔ_０～ｔ_ｐ）を複数に区分する各時刻（予測ステップ）ごとに定まるものである。

侵入判定部５２は、軌道予測部５１によるフロント作業装置１０１の軌道予測の演算結果が禁止領域設定部４４により設定された禁止領域に侵入するか否かを判定するものである。なお、侵入判定部５２は、軌道予測部５１の予測演算と同様に、ダンプトラック２００の移動（位置情報）を予測する予測演算機能を備える構成も可能である。

第１制御入力演算部５３は、軌道予測部５１によるフロント作業装置１０１の軌道予測のうち、バケット１０８のつめ先位置（フロント作業装置１０１の先端部）の軌道に注目して制御入力を演算するものである。すなわち、当該つめ先位置が予測時間区間（時刻ｔ_０～ｔ_ｐ）の経過後に目標位置設定部４３により設定された目標位置ｙ_ｄに接近するような駆動トルクτを演算する。具体的には、フロント作業装置１０１の軌道からバケットの１０８のつめ先位置ｙ（フロント作業装置１０１の先端部の位置）への変換式である以下の式（４）とフロント作業装置１０１の軌道を演算するための以下の式（５）とに従って、つめ先位置ｙが目標位置ｙ_ｄとなるｘ_ｄを実現する制御入力ｕ_ｄを演算する。制御入力ｕ_ｄは、油圧ショベル１００の各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１２、１１２に対する理想的な駆動トルクτ_ｄをまとめたものである。

なお、目標位置ｙ_ｄは、ダンプトラック２００の位置に応じて変化する。このため、目標位置ｙ_ｄは、ダンプトラック２００の位置ｘ_ｔｒに依存する座標変換の以下の式（６）によって算出されることに注意されたい。

第２制御入力演算部５４は、フロント作業装置１０１の軌道のうちバケット１０８のつめ先位置が予測時間区間（時刻ｔ_０～ｔ_ｐ）において禁止領域設定部４４により設定された禁止領域に侵入すること回避するような制御入力ｕ_ａを演算するものである。制御入力ｕ_ａの演算方法は、第１制御入力演算部５３の制御入力ｕ_ｄの演算方法と類似したものであり、上述の式（４）及び式（５）を用いる。ただし、フロント作業装置１０１の軌道は、バケット１０８の積載作業の目標位置ｙ_ｄを基に演算されるのではなく、禁止領域外の目標位置ｙ_ｄとは異なる位置を基に演算される。

次に、制御入力演算部５０の具体的な演算の流れについて図１２Ａ～図１２Ｄを用いて説明する。図１２Ａ～図１２Ｄは、図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の一部を構成する制御入力演算部の演算方法を説明する図であり、当該演算の第１段階～第４段階の一例を示す説明図である。

図１２Ａは、バケット１０８のつめ先位置を目標位置ｙ_ｄに到達させるための軌道予測の演算結果（破線）が示されている。この軌道予測の演算結果は、禁止領域設定部４４により設定された禁止領域に侵入している。軌道予測の演算結果が禁止領域に侵入した最初の座標を座標ｙ_ａ１とする。

この場合、第２制御入力演算部５４は、図１２Ｂに示すように、禁止領域への侵入位置である座標ｙ_ａ１を参照し、禁止領域外であってつめ先位置よりも放土（積載作業）の目標位置ｙ_ｄに近づく新たな座標ｙ_ａ２を設定する。放土の目標位置ｙ_ｄからこの座標ｙ_ａ２につめ先位置の目標を置き換えることで、当該つめ先位置が予測時間区間（時刻ｔ_０～ｔ_ｐ）後に座標ｙ_ａ２に接近する制御入力ｕ_ａを演算することができる。これにより、バケット１０８のつめ先位置が放土位置としての目標位置ｙ_ｄには到達しないが、禁止領域への侵入を回避しつつ当該つめ先位置が目標位置ｙ_ｄに接近する制御を実現することができる。

次の制御周期のときにも、図１２Ｃに示すように、図１２Ａに示す場合と同様に、バケット１０８のつめ先位置を目標位置ｙ_ｄに到達させるための軌道予測の演算を行う。軌道予測の演算結果が禁止領域に侵入している場合、第２制御入力演算部５４は、禁止領域に侵入した座標ｙ_ａ１を算出する。次に、図１２Ｄに示すように、図１２Ｂに示す場合と同様に、座標ｙ_ａ１を参照して禁止領域外であって当該つめ先位置よりも放土の目標位置ｙ_ｄに近づく新たな座標ｙ_ａ２を算出する。

このように、バケット１０８のつめ先位置を目標位置ｙ_ｄに到達させるための軌道予測の演算結果が禁止領域に侵入する場合には、第２制御入力演算部５４が禁止領域に侵入した座標ｙ_ａ１近傍の新たな座標ｙ_ａ２を目標として軌道予測の演算を繰り返し行うことで、バケット１０８のつめ先位置を禁止領域に侵入させることなく放土の目標位置ｙ_ｄに合わせることができる。

なお、第２制御入力演算部５４は、フロント作業装置１０１のつめ先以外の任意の部位の軌道を考慮する構成も可能である。ただし、フロント作業装置１０１の複数位置の禁止領域への侵入を考慮すると、第２制御入力演算部５４の演算負荷が膨大になってしまう懸念がある。そこで、禁止領域設定部４４が禁止領域を広めに設定することで、バケット１０８のつめ先位置のみが禁止領域に侵入しないように制御するような構成も可能である。

制御入力決定部５５は、予測時間区間（時刻ｔ_０～ｔ_ｐ）を複数に区分する各時刻（予測ステップ）における第１制御入力演算部５３の演算結果である制御入力ｕ_ｄまたは第２制御入力演算部５４の演算結果である制御入力ｕ_ａに基づき、予測時間区間（時刻ｔ_０～ｔ_ｐ）の全区間に亘る制御入力ｕ_ｆを決定する。制御入力決定部５５は、各予測ステップにて演算した制御入力を逐次記憶しておき、記憶している一連の制御入力を軌道予測部５１の軌道予測の演算用に軌道予測部５１へ出力する。制御入力ｕ_ｆは、第１制御入力演算部５３の演算結果及び第２制御入力演算部５４の演算結果により構成されるものなので、バケット１０８のつめ先が禁止領域に侵入しない範囲で目標位置に近づく制御入力となる。制御入力ｕ_ｆは、フロント作業装置１０１の各リンクに加わる駆動トルクτ_ｆである。制御入力決定部５５は、決定した駆動トルクτ_ｆをショベル制御部６１（ショベルコントローラ１０）へ送信する。

ショベル制御部６１は、制御入力決定部５５から送信された制御入力ｕ_ｆ（駆動トルクτ_ｆ）を実現する指令値を算出する。具体的には、油圧ショベル１００の各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２の駆動トルクτ_ｆを上述の式（２）の関係式に従って各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２の圧力ｐに変換する。ショベル制御部６１は、各油圧アクチュエータ１０４、１１０、１１１、１１２の圧力が指令値となるように、油圧ポンプ装置１２２及び制御弁ユニット１２３の各制御弁を制御することで，上述の駆動トルクτ_ｆを実現する。

なお、支援システム管制部４０の機能部を示す図６のブロック図は、理解のしやすさを優先したものとなっている。しかし、実際には、支援システム管制部４０の制御入力演算部５０の演算は、繰り返し計算が実行される構成になっている。つまり、制御入力演算部５０は、或る有限の予測時間区間の軌道予測を用いて当該予測時間区間中の複数の時刻の各時刻（予測ステップ）に対する制御入力を繰り返し計算により決定するものである。

ここでは、制御入力演算部５０の演算手順の詳細について図１３を用いて説明する。図１３は図６に示す本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態における処理手順の一例を示すフローチャートである。図１３に示すフローチャートは制御周期の１回分の演算を示すものであり、図１３に示す演算はシステム稼働中ずっと繰り返されることに注意されたい。

まず、図６に示す支援システム管制部４０は、各種センサから各種情報を取得する（ステップＳ１０）。具体的には、油圧ショベル１００の姿勢検出器１２５～１２８から油圧ショベル１００の姿勢情報、自己位置算出器１３３から油圧ショベル１００の位置及び方位の情報、負荷検出器１２９からフロント作業装置１０１の負荷の情報を取得する。また、ダンプトラック２００の自己位置算出器２１２からダンプトラック２００の位置及び方位の情報を取得する。

次に、支援システム管制部４０は、各種センサの出力に基づき動特性（運動方程式）を決定する（ステップＳ２０）。具体的には、動特性演算部４２が、フロント作業装置１０１の姿勢及び荷重演算部４１が演算したバケット１０８内の土砂の重量ｍ_ＢＫに基づき、フロント作業装置１０１の慣性モーメントＩを演算して上述の式（１）の運動方程式を決定する。

また、支援システム管制部４０は、バケット１０８のつめ先の積載作業の最終的な到達点（放土位置）である目標位置を設定する（ステップＳ３０）。具体的には、目標位置設定部４３が、自己位置算出器２１２からのダンプトラック２００の位置ｘ_ｔｒに基づき放土の目標位置を設定する（例えば、図８参照）。

また、支援システム管制部４０は、フロント作業装置１０１の侵入が禁止される領域である禁止領域を設定する（ステップＳ４０）。具体的には、禁止領域設定部４４が、自己位置算出器２１２からのダンプトラック２００の位置ｘ_ｔｒに基づきダンプトラック２００の周囲を囲むような禁止領域を設定する（例えば、図９Ａ～図１１参照）。なお、ステップＳ２０～Ｓ４０の処理については順序を問わない。

次に、支援システム管制部４０は、後述のステップＳ６０で実行される軌道予測の演算の初期入力を設定する（ステップＳ５０）。具体的には、軌道予測部５１が、ステップＳ２０で決定した運動方程式の初期入力として、各種センサから取得した各種情報を基に定まるフロント作業装置１０１の初期状態ｘ_０を設定する。また、軌道予測部５１は、ステップＳ２０で決定した運動方程式の制御入力ｕ_ｐの初期入力として、任意の制御入力ｕ_０を設定する。

次いで、支援システム管制部４０は、有限の予測時間区間におけるフロント作業装置１０１の軌道を予測する演算を行う（ステップＳ６０）。具体的には、軌道予測部５１が、制御入力ｕ_ｐ＝初期入力ｕ_０として上述の式（３）を用いて演算する。この演算は、予測時間区間（時刻ｔ_０～時刻ｔ_ｐ）の積分演算を含むので、制御入力ｕ_ｐは、予測時間区間中の複数の時刻（例えば、ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２、…、ｔ_ｋ＝ｔ_ｐ）の各時刻（各予測ステップ）に対して必要である。

支援システム管制部４０は、ステップＳ６０にて演算された予測軌道の演算結果がステップＳ４０にて設定された禁止領域に侵入したか否かを判定する（ステップＳ７０）。侵入判定部５２が侵入していない（ＮＯ）と判定した場合には、ステップＳ８０に進む一方、侵入判定部５２が侵入した（ＹＥＳ）と判定した場合には、ステップＳ９０に進む。

ステップＳ７０においてＮＯと判定した場合には、支援システム管制部４０は、バケット１０８のつめ先位置が放土用の目標位置ｙ_ｄに接近するような制御入力ｕ_ｄを演算する（ステップＳ８０）。具体的には、第１制御入力演算部５３は、予測軌道の演算結果を基に、上述の式（４）～式（６）を用いてつめ先位置ｙが放土用の目標位置ｙ_ｄに到達するｘ_ｄを実現する制御入力ｕ_ｄを演算する。

一方、ステップＳ７０においてＹＥＳと判定した場合には、支援システム管制部４０は、バケット１０８のつめ先位置が禁止領域に侵入することを回避するような制御入力ｕ_ａを演算する（ステップＳ９０）。具体的には、第２制御入力演算部５４は、第１制御入力演算部５３と同様な演算方法を用いて制御入力ｕ_ａを演算する。ただし、つめ先位置ｙの予測時間区間の経過後の到達位置を、放土用の目標位置ｙ_ｄとするのではなく、予測軌道の演算結果が禁止領域に侵入した位置近傍の禁止領域外の或る位置ｙ_ａ２を目標位置として設定する（図１２Ａ～図１２Ｄを参照）。

支援システム管制部４０は、ステップＳ７０の判定に応じて演算された制御入力ｕ_ｄ又は制御入力ｕ_ａを実際の制御で用いる制御入力ｕ_ｆとして決定し（ステップＳ１００）、制御入力ｕ_ｆを記憶装置３０ａ（図５参照）に記憶する。ただし、この決定された制御入力ｕ_ｆは、予測時間区間中の１予測ステップ（例えば、時刻ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２、…、ｔ_ｋのいずれか）の制御入力である。すなわち、ステップＳ６０～Ｓ１００までの演算は、予測時間区間中の１予測ステップ分の制御入力を決定するものである。本実施の形態においては、制御入力演算部５０がステップＳ６０～Ｓ１００の演算を繰り返し実行することで、予測時間区間中の複数の時刻のすべて（全予測ステップ）に対して制御入力ｕ_ｆを決定する（後述のステップＳ１１０を参照）。

ステップＳ１００においては、制御入力決定部５５が、各予測ステップで演算された制御入力ｕ_ｄ又は制御入力ｕ_ａを実際の制御で用いる制御入力ｕ_ｆとして記憶装置３０ａに逐次記憶させ、最終的に予測時間区間の全予測ステップに対する制御入力ｕ_ｆを記憶する。例えば、予測時間区間に対して時刻ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２、…、ｔ_ｋのｋ＋１個の予測ステップとした場合、制御入力決定部５５は、Ｕ＝［ｕ_ｆ［ｔ_０］、ｕ_ｆ［ｔ_１］、…、ｕ_ｆ［ｔ_ｋ］］というベクトル列を記憶する。

ステップＳ１００において各予測ステップの制御入力が決定された後、支援システム管制部４０は、予測時間区間の全予測ステップの演算を終了したか否かを判定する（ステップＳ１１０）。具体的には、制御入力決定部５５が、ベクトル列Ｕの全要素ｕ_ｆ［ｔ］が格納されているか否かで判定する。ベクトル列Ｕの全要素ｕ_ｆ［ｔ］が格納されていない場合には、全予測ステップが完了していない（ＮＯ）と判定する一方、全要素ｕ_ｆ［ｔ］が格納されている場合には、全予測ステップが完了した（ＹＥＳ）と判定する。

ステップＳ１１０にてＮＯと判定した場合、ステップＳ６０～Ｓ１００の演算を繰り返し実行する。ただし、２回目以降のステップＳ６０の演算では、軌道予測に用いる制御入力ｕ_ｐとして、ステップＳ５０にて設定した初期入力ｕ_０ではなく、１つ前の演算ループで決定されている制御入力のベクトル列Ｕに格納されている要素ｕ_ｆ［ｔ］を用いる点が異なる。

ステップＳ１１０にてＹＥＳと判定した場合、支援システム管制部４０は、ステップＳ１００にて決定した制御入力のベクトル列Ｕを制御指令に変換し、変換した制御指令を油圧ショベル１００に対して出力する（ステップＳ１２０）。具体的には、ショベル制御部６１がステップＳ１００にて決定した制御入力ｕ_ｆのベクトル列Ｕを上述の式（２）の関係に従って圧力ｐに変換する。これにより、油圧ショベル１００の油圧ポンプ装置１２２や制御弁ユニット１２３の各制御弁が各制御指令に応じて制御され、フロント作業装置１０１がダンプトラック２００に接触することなく土砂を荷台２０２に積載することができる。

このように、本実施の形態においては、フロント作業装置１０１の軌道予測が禁止領域に侵入するか否かを判定し、当該予測軌道が侵入すると判定した場合には、目標位置設定部４３により設定された放土用の目標位置ｙ_ｄとは異なる禁止範囲外の位置を目標として設定することで禁止領域に侵入しないフロント作業装置１０１の軌道を可能とする制御入力を演算する。したがって、フロント作業装置１０１がダンプトラック２００に確実に接触することなく積載作業を行うことができる。

なお、上述の制御入力演算部５０の演算は、モデル予測制御（Model Predictive Control：ＭＰＣ）の枠組みで実行することが可能である。ＭＰＣは、制御対象の動特性（例えば、運動方程式）を用いて特定の時間先の挙動を予測し、特定の評価関数を最小化するように制御入力を算出する制御手法である（詳細は、非線形最適制御入門、大塚敏之、コロナ社（２０１１）を参照）。

本実施の形態におけるＭＰＣの演算について図１４Ａ及び図１４Ｂを用いて説明する。図１４Ａは本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態においてモデル予測制御の演算の枠組みを用いる場合の油圧ショベルと禁止領域の位置関係の一例を示す概略図である。図１４Ｂは本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態においてモデル予測制御の演算の枠組みを用いる場合のペナルティ関数を説明する図である。

軌道予測部５１から制御入力決定部５５の繰り返し演算、すなわち、制御入力演算部５０の演算は、ＭＰＣにおける評価関数を以下の式（７）として設計することと等価である。式（７）の評価関数Ｊを最小化する制御入力ｕを算出することで、フロント作業装置１０１が禁止領域に侵入しない油圧ショベル１００の制御が可能となる。

式（７）は、式（７ａ）と式（７ｂ）と式（７ｃ）とを用いて構成されている。式（７ａ）は終端コストであり、式（７ｂ）はステージコストである。式（７ｃ）は、制約条件としてのペナルティコストである。なお、式中のｈ（ｘ）は、フロント作業装置１０１の軌道をバケット１０８のつめ先位置に変換する変換式である前述の式（４）である。また、ｙ_ｄは、前述の目標位置設定部４３により設定された放土用の目標位置である。

式（７ａ）及び式（７ａ）はともに、時刻ｔのつめ先位置ｈ（ｘ（ｔ））が目標位置ｙ_ｄに近いほど値が小さくなる関数であることが分かる。評価関数Ｊは、予測時間区間である時刻ｔ_０から時刻ｔ_ｐまでの積分演算を含むものであり、フロント作業装置１０１の軌道予測の演算も実行する演算であると言える。つまり、式（７ａ）及び式（７ｂ）の最適化（最小化）は、軌道予測部５１と第１制御入力演算部５３の演算機能を実行していると言える。

式（７ｃ）のペナルティコストは、ペナルティ関数Ｆで定義されている。ペナルティ関数Ｆは、つめ先位置ｈ（ｘ（ｔ））が禁止領域に侵入した場合のみ大きな値を出力する一方、禁止領域の範囲外にある場合には０を出力する関数である。以下に、このペナルティ関数Ｆの特性について説明する。説明を簡単にするために、図１４Ａに示すように、油圧ショベルのつめ先位置の範囲としてダンプトラックの側面（図１４Ａのｘ－ｚ平面）の領域のみを考える。

つめ先位置のｘ座標がｘ_ｍｉｎからｘ_ｍａｘまでの範囲、かつ、ｚ座標がｚ_ｍｉｎからｚ_ｍａｘまでの範囲にある場合、すなわち、つめ先位置が禁止領域の範囲内にある場合のみ、図１４Ｂに示すように、ペナルティ関数Ｆは大きな値を出力することが特徴である。このようなペナルティ関数Ｆが評価関数Ｊに含まれている場合、つめ先位置の予測軌道が禁止領域に侵入すると、評価関数Ｊの値が急激に増加する。そのため、評価関数Ｊの最適化の過程によってペナルティ関数Ｆが大きな値を出力する解は除外される。つまり、つめ先位置が禁止領域を自ずと回避する制御入力が算出される。この演算は、侵入判定部５２と第２制御入力演算部５４を実行していると言える。

このように、評価関数Ｊは、バケット１０８のつめ先位置を目標位置ｙ_ｄに近づける終端コスト及びステージコストと、つめ先位置を禁止領域から遠ざけるペナルティ関数Ｆとで構成されている。したがって、評価関数Ｊは、第１制御入力演算部５３の演算結果ｕ_ｐおよび第２制御入力演算部５４の演算結果ｕ_ａを用いて最終的な制御入力ｕ_ｆを決定する制御入力決定部５５と等価であると言える。

上述の式（７）の評価関数Ｊでは、制御入力ｕに関する項が陽に含まれておらず、フロント作業装置１０１の軌道が上述の式（３）を介して制御入力ｕと関連している。ただし、評価関数Ｊは、以下の式（８）のように設定することで、制御入力ｕに関する評価を導入する構成も可能である。この場合、式（８）のように制御入力ｕの項を導入することで、制御入力が過剰になることを防止することができる。

上述したように、本発明の第１の実施の形態に係る積載作業支援システム１は、荷台２を備えたダンプトラック２００（搬送機）に対して、複数の被駆動部材１０６、１０７、１０８を回動可能に連結して構成された多関節型のフロント作業装置１０１（作業装置）を備えた油圧ショベル１００（積載機）が積荷を積載する積載作業を支援するものであって、油圧ショベル１００（積載機）の位置及び方位を算出する第１位置算出器１３３と、フロント作業装置１０１（作業装置）の姿勢を検出する姿勢検出器１２５～１２８と、ダンプトラック２００（搬送機）の位置及び方位を算出する第２位置算出器２１２と、油圧ショベル１００（積載機）の動作を制御する支援システム管制部４０（ショベルコントローラ１０とトラックコントローラ２０と管制コントローラ３０とで構成された制御装置）とを備えている。支援システム管制部４０（制御装置）は、フロント作業装置１０１（作業装置）が積載作業で到達すべき位置である目標位置ｙ_ｄを第２位置算出器２１２の出力を基に設定し、フロント作業装置１０１（作業装置）の侵入が禁止される領域である禁止領域を第２位置算出器２１２の出力を基に設定し、第１位置算出器１３３の出力及び姿勢検出器１２５～１２８の出力を基にフロント作業装置１０１（作業装置）の動特性を決定し、フロント作業装置１０１（作業装置）の動特性を用いて有限の予測時間区間（時刻ｔ_０～時刻ｔ_ｐ）におけるフロント作業装置１０１（作業装置）の軌道を予測する予測演算を行い、フロント作業装置１０１（作業装置）の軌道予測の演算結果を基に、フロント作業装置１０１（作業装置）が予測時間区間（時刻ｔ_０～時刻ｔ_ｐ）において禁止領域内に侵入するか否かを判定し、フロント作業装置１０１（作業装置）が禁止領域内に侵入しないと判定した場合には、フロント作業装置１０１（作業装置）の軌道予測の演算結果を基に、フロント作業装置１０１（作業装置）のバケット１０８のつめ先（先端部）が予測時間区間（時刻ｔ_０～時刻ｔ_ｐ）において目標位置ｙ_ｄに向かって近づくようなフロント作業装置１０１（作業装置）の動特性の入力である第１入力ｕ_ｐを演算し、フロント作業装置１０１（作業装置）が禁止領域内に侵入すると判定した場合には、禁止領域外における目標位置ｙ_ｄとは異なる位置であってフロント作業装置１０１（作業装置）のバケット１０８のつめ先（先端部）の位置よりも目標位置ｙ_ｄに近い位置を目標として、フロント作業装置１０１（作業装置）の先端部が予測時間区間（時刻ｔ_０～時刻ｔ_ｐ）において近づくようなフロント作業装置１０１（作業装置）の動特性の入力である第２入力ｕ_ａを演算し、演算結果のフロント作業装置１０１（作業装置）の動特性の第１入力ｕ_ｐ及び第２入力ｕ_ａを基に、油圧ショベル１００（積載機）の動作を制御する制御入力を演算し、演算結果の制御入力を基に油圧ショベル１００（積載機）の制御を行うように構成されている。

この構成よれば、油圧ショベル１００（積載機）のフロント作業装置１０１（作業装置）の動特性を用いたフロント作業装置１０１（作業装置）の軌道予測の演算結果を基にフロント作業装置１０１（作業装置）のバケット１０８のつめ先（先端部）が禁止領域に侵入しないという制約条件の下で算出した油圧ショベル１００（積載機）の制御入力を用いることで、フロント作業装置１０１（作業装置）のバケット１０８のつめ先（先端部）が禁止領域を回避して積載作業の目標位置ｙ_ｄに近づくように油圧ショベル１００（積載機）の動作を制御することができる。したがって、油圧ショベル１００（積載機）とダンプトラック２００（搬送機）の両者の位置関係によらずに積載作業を確実に支援することができる。

また、本実施の形態に係るに係る積載作業支援システム１においては、フロント作業装置１０１（作業装置）の負荷を検出する負荷検出器１２９をさらに備えている。支援システム管制部４０（制御装置）は、さらに、負荷検出器１２９の出力及び姿勢検出器１２５～１２８の出力を基にフロント作業装置１０１（作業装置）が保持する積荷の荷重を演算し、演算結果の積荷の荷重および姿勢検出器１２５～１２８の出力を基にフロント作業装置１０１（作業装置）の動特性を調整するように構成されている。

この構成によれば、フロント作業装置１０１（作業装置）の動特性を予測演算時の積載作業の状態に応じて調整しているので、フロント作業装置１０１（作業装置）の軌道予測をより高精度に行うことができる。

また、本実施の形態に係る積載作業支援システム１においては、支援システム管制部４０（制御装置）がダンプトラック２００の周囲を取り囲み且つ運転室２０５の周囲の方が荷台２０２の周囲よりも広くなるように禁止領域を設定するように構成されている。この構成によれば、ダンプトラック２００の運転室２０５に搭乗しているオペレータに不安を与えるようなフロント作業装置１０１の経路が選択されることを回避することができる。

また、本実施の形態に係る積載作業支援システム１の支援システム管制部４０（制御装置）は、ダンプトラック２００が移動している場合には、禁止領域をダンプトラック２００の進行方向側でダンプトラック２００が停止している場合よりも広く設定するように構成されている。この構成によれば、ダンプトラック２００が油圧ショベル１００に接近してくる場合でも、フロント作業装置１０１とダンプトラック２００の接触の可能性をより低下させることができるので、積載作業の安全性を高めることができる。

また、本実施の形態に係る積載作業支援システム１の支援システム管制部４０（制御装置）は、ダンプトラック２００が積荷を搬送するまでに油圧ショベル１００が複数回の積載作業を行う場合には、目標位置を油圧ショベル１００の積載作業の度にダンプトラック２００の荷台２０２に対して異なる位置に設定するように構成されている。この構成によれば、荷台２０２の全体に積荷を積載することができるので、積荷の搬送回数を低減させて効率的な搬送が可能となる。

また、本実施の形態に係る積載作業支援システム１の支援システム管制部４０（制御装置）は、フロント作業装置１０１（作業装置）の軌道予測の演算、フロント作業装置１０１（作業装置）の禁止領域内への侵入の有無の判定、フロント作業装置１０１（作業装置）の動特性の第１入力の演算、フロント作業装置１０１（作業装置）の動特性の第２入力の演算の一連の処理を、モデル予測制御の評価関数Ｊを用いて実行するように構成されている。

この構成によれば、評価関数Ｊのアルゴリズムを支援システム管制部４０（制御装置）に実装することで、油圧ショベル１００（積載機）の動作の制御を実現することができる。

また、本実施の形態に係る積載作業支援システム１の支援システム管制部４０（制御装置）においては、フロント作業装置１０１（作業装置）が禁止領域内に侵入した場合に評価関数Ｊの値を増加させるペナルティ関数Ｆを含むように評価関数Ｊが構成されている。この構成によれば、ペナルティ関数Ｆがフロント作業装置１０１（作業装置）のバケット１０８のつめ先（先端部）が禁止領域に侵入しないという制約条件として機能するので、フロント作業装置１０１（作業装置）のバケット１０８のつめ先（先端部）が禁止領域を回避して積載作業の目標位置ｙ_ｄに近づくような油圧ショベル１００（積載機）の動作の制御を確実に実現することができる。

［第１の実施の形態の変形例］
次に、本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の変形例について図１５を用いて説明する。図１５は本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の変形例の機能構成を示すブロック図である。なお、図１５において、図１～図１３に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

第１の実施の形態が油圧ショベル１００の動作のみを制御することで油圧ショベル１００とダンプトラック２００の積載作業時の接触を回避するものであるのに対して、本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の変形例は、油圧ショベル１００及びダンプトラック２００の両方の動作を制御することで両者の積載作業時の接触を回避するものである。油圧ショベル１００とダンプトラック２００の積載作業時の接触を回避するには、両者を制御する方が有利である。

例えば、ダンプトラック２００が油圧ショベル１００に接近してくる場合、ダンプトラック２００を十分に低速で接近させることで両者の接触回避が容易となる。また、油圧ショベル１００の接触回避ための制御動作がフロント作業装置１０１の動作限界を超える場合を想定すると、ダンプトラック２００が油圧ショベル１００から離れる動作を実行させることで両者の接触を回避することが考えられる。本変形例の積載作業支援システム１Ａは、このような動作を実現するものである。

具体的には、積載作業支援システム１Ａの支援システム管制部４０Ａは、第１の実施の形態の各機能部４１～４４、５０、６１に加えて、トラック制御部６２を備えている。トラック制御部６２は、ダンプトラック２００のアクセル２０７及びブレーキ２０８に干渉することで、ダンプトラック２００の前後進及び速度を制御する。トラック制御部６２は、例えば、トラックコントローラ２０に実装されている。

また、本変形例の制御入力演算部５０のうち、侵入判定部５２Ａ、第２制御入力演算部５４Ａ、制御入力決定部５５Ａの演算は、第１の実施の形態の機能部５２、５４、５５の演算とは異なり、ダンプトラック２００の制御を考慮した演算内容に変更されている。

具体的には、侵入判定部５２Ａは、ダンプトラック２００の動特性（例えば、運動方程式）を考慮してフロント作業装置１０１が禁止領域に侵入したか否かを判定する。ダンプトラック２００の運動方程式は、例えば、以下の式（９）で与えられる。侵入判定部５２Ａは、式（９）に基づいて時刻ｔ_０から時刻ｔ_ｐまでの予測時間区間（油圧ショベルの予測時間区間と同じ区間）の禁止領域の位置変化（移動）を予測する。すなわち、上述の式（３）と同様な積分演算を行う。

なお、ｘｔ、ｙｔは平面座標におけるダンプトラックのＧＮＳＳアンテナの位置であり、θｔはダンプトラック２００の方位角である。制御入力ｖはアクセルの制御量ａとブレーキの制御量ｂで与えられる。

第２制御入力演算部５４Ａは、フロント作業装置１０１の軌道予測の演算結果がダンプトラック２００の周囲に設定された禁止領域に侵入しないような油圧ショベル１００の制御入力ｕ及びダンプトラック２００の制御入力ｖの両者の制御入力を演算する。なお、フロント作業装置１０１が滑らかに動作させるためには、ダンプトラック２００の動作を制御する方が好ましいので、油圧ショベル１００の制御入力ｕよりもダンプトラック２００の制御入力ｖを積極的に変化させるように両者の制御入力を算出するように設定することが可能である。

制御入力決定部５５Ａは、第１制御入力演算部５３の演算結果及び第２制御入力演算部５４Ａの演算結果に基づき、油圧ショベル１００の予測時間区間の制御入力ｕを決定すると共に、ダンプトラック２００の予測時間区間の制御入力ｖを決定する。制御入力決定部５５Ａは、油圧ショベル１００の制御入力ｕをショベル制御部６１へ送信すると共に、ダンプトラック２００の制御入力ｖをトラック制御部６２へ送信する。

このように、本変形例においては、ダンプトラック２００の動特性を用いて禁止領域の位置変化を予測し、当該禁止領域にフロント作業装置１０１の予測軌道が禁止領域に侵入するか否かを判定し、予測した禁止領域に侵入しないフロント作業装置１０１の軌道を可能とする油圧ショベル１００の制御入力ｕとダンプトラック２００の制御入力ｖを演算する。したがって、フロント作業装置１０１とダンプトラック２００の接触を回避するための動作として油圧ショベル１００の動作とダンプトラック２００の動作の両動作を制御できるので、回避動作の幅が広がる。

なお、本変形例における制御入力演算部５０Ａの演算も、第１の実施の形態の制御入力演算部５０の演算がＭＰＣで実現可能であることと同様に、ＭＰＣの枠組みにより実現することが可能である。具体的には、上述の式（７）の評価関数Ｊにおいて、フロント作業装置１０１の軌道ｘを算出するために用いている油圧ショベル１００のみの動特性ｆの代わりに、油圧ショベル１００の動特性とダンプトラック２００の動特性を組み合わせた以下の式（１０）を用いることで、第１の実施の形態の場合と同一の枠組みで油圧ショベル１００とダンプトラック２００の両制御入力の演算を実現することができる。

上述した本発明の積載作業支援システムの第１の実施の形態の変形例によれば、前述した第１の実施の形態と同様に、フロント作業装置１０１（作業装置）のバケット１０８のつめ先（先端部）が禁止領域を回避して積載作業の目標位置ｙ_ｄに近づくように油圧ショベル１００（積載機）の動作を制御することができるので、油圧ショベル１００（積載機）とダンプトラック２００（搬送機）の両者の位置関係によらずに積載作業を確実に支援することができる。

また、本変形例に係る積載作業支援システム１Ａにおいては、支援システム管制部４０Ａ（制御装置）が油圧ショベル１００（積載機）の動作に加えてダンプトラック２００（搬送機）の動作も制御するように構成されており、支援システム管制部４０Ａ（制御装置）はさらにダンプトラック２００（搬送機）の動特性を用いて予測時間区間（時刻ｔ_０～時刻ｔ_ｐ）におけるダンプトラック２００（搬送機）の移動を予測する予測演算を行う。また、支援システム管制部４０Ａ（制御装置）によるフロント作業装置１０１（作業装置）の禁止領域内への侵入の有無の判定は、ダンプトラック２００（搬送機）の移動予測の演算結果を考慮して行われると共に、フロント作業装置１０１（作業装置）が禁止領域内に侵入すると判定した場合の支援システム管制部４０Ａ（制御装置）の演算は、禁止領域外における目標位置ｙ_ｄとは異なる位置であってフロント作業装置１０１（作業装置）のバケット１０８のつめ先（先端部）の位置よりも目標位置ｙ_ｄに近い位置を目標として、フロント作業装置１０１（作業装置）のバケット１０８のつめ先（先端部）が予測時間区間（時刻ｔ_０～時刻ｔ_ｐ）において近づくようなフロント作業装置１０１（作業装置）の動特性の第２入力及びダンプトラック２００（搬送機）の動特性の第２入力を演算するように変更される。さらに、支援システム管制部４０Ａ（制御装置）は、演算結果のダンプトラック２００（搬送機）の動特性の第２入力を基にダンプトラック２００（搬送機）の動作を制御する制御入力を演算し、演算結果の制御入力を基にダンプトラック２００（搬送機）の制御を行う。

この構成によれば、フロント作業装置１０１（作業装置）とダンプトラック２００（搬送機）の接触回避の支援動作として油圧ショベル１００の動作とダンプトラック２００の動作の両動作を制御することで、接触回避の制御動作の幅が広がるので、より確実に積載作業を支援することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の積載作業支援システムの第２の実施の形態について図１６を用いて説明する。図１６は本発明の積載作業支援システムの第２の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。なお、図１６において、図１～図１５に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

第１の実施の形態では、制御入力演算部５０の各機能部５１～５５が時刻ｔ_０から時刻ｔ_ｐまで一定の予測時間区間を用いて演算するのに対して、図１６に示す本発明の第２の実施の形態に係る積載作業支援システム１Ｂは、制御入力演算部５０Ｂの各機能部５１～５５の演算において当該予測時間区間を変更可能としたものである。

例えば、油圧ショベル１００に対してダンプトラック２００が十分に遠くに位置している場合には、予測時間区間（演算の積分区間）を短くしても、油圧ショベル１００とダンプトラック２００の衝突の可能性はない。一方、油圧ショベル１００とダンプトラック２００の相対的な接近速度が速い場合には、短い予測時間区間の予測では、油圧ショベル１００とダンプトラック２００の衝突の可能性を棄却することができない。このような状況を確実に解消するためには、油圧ショベル１００とダンプトラック２００の相互の状況に応じて、予測時間区間を適切に調整する必要がある。

そこで、本実施の形態に係る積載作業支援システム１Ｂの支援システム管制部４０Ｂは、第１の実施の形態の各機能部４１～４４、５０、６１に加えて、制御入力演算部５０の各機能部５１～５５の各演算における予測時間区間（積分区間）を変更する予測時間変更部５７を更に備えている。予測時間変更部５７は、油圧ショベル１００及びダンプトラック２００のそれぞれの自己位置算出器１３３、２１２から位置と移動速度（位置の更新差分）の情報を取得する。予測時間変更部５７は、取得した各種情報を基に算出した油圧ショベル１００とダンプトラック２００の相対距離が短くなり、且つ、ダンプトラック２００の接近速度が速いほど予測時間区間を通常よりも長く設定するように構成されている。予測時間変更部５７が油圧ショベル１００とダンプトラック２００の相互の状況に応じて予測時間区間を適切に設定することで、油圧ショベル１００とダンプトラック２００の接触回避を確実に実行することができる。

上述した本発明の積載作業支援システムの第２の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様に、フロント作業装置１０１（作業装置）のバケット１０８のつめ先（先端部）が禁止領域を回避して積載作業の目標位置ｙ_ｄに近づくように油圧ショベル１００（積載機）の動作を制御することができるので、油圧ショベル１００（積載機）とダンプトラック２００（搬送機）の両者の位置関係によらずに積載作業を確実に支援することができる。

また、本実施の形態に係る積載作業支援システム１Ｂにおいては、支援システム管制部４０Ｂ（制御装置）が予測時間区間の長さを変更可能に構成されている。この構成によれば、油圧ショベル１００（積載機）とダンプトラック２００（搬送機）の相互の状況に応じて予測時間区間の長さを変更することで、積載作業の適切な動作支援が可能となる。

また、本実施の形態に係る積載作業支援システム１Ｂの支援システム管制部４０Ｂ（制御装置）は、第１位置算出器１３３の出力及び第２位置算出器２１２の出力に基づき算出したダンプトラック２００（搬送機）の油圧ショベル１００（積載機）に対する相対的な接近速度が速ければ速いほど、予測時間区間の長さが長くなるように変更するように構成されている。この構成によれば、ダンプトラック２００（搬送機）と油圧ショベル１００（積載機）の接触の可能性が棄却できないときに予測時間区間を長くすることで、積載作業の適切な動作支援が可能となる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の積載作業支援システムの第３の実施の形態について図１７を用いて説明する。図１７は本発明の積載作業支援システムの第３の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。なお、図１７において、図１～図１６に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の積載作業支援システムの第３の実施の形態が第１の実施の形態に対して相違する点は、積載機として油圧ショベル１００の代わりに作業ロボット３００を対象とすると共に、搬送機としてダンプトラック２００の代わりに搬送ロボット４００を対象として、搬送ロボット４００に対する作業ロボット３００の積載作業の支援を行うものである。

作業ロボット３００は、複数のリンク部材を回動可能に連結して構成された多関節型のアームを備えている。すなわち、多関節型のアームは、図７に示すように、油圧ショベル１００のフロント作業装置１０１と同様な構成である。ただし、アームの動作は、例えば、油圧シリンダのような油圧アクチュエータはなく、電動モータなどのアクチュエータ３２３によって行われる。搬送ロボットは、ダンプトラック２００と同様に、荷台を備えている。ただし、搬送ロボット４００の動作（移動）は、例えば、アクセル２０７を介してエンジンによるものではなく、電動モータなどのアクチュエータ４０７（後述の図１８参照）により行われる。

本実施の形態の積載作業支援システム１Ｃでは、作業ロボット３００のアームの負荷を検出する負荷検出器１２９Ｃとして、圧力センサ１２９に代えて、アクチュエータ３２３の負荷を検出するセンサが用いられている。また、油圧ショベル１００の動作を制御するショベル制御部６１の代わりに、作業ロボット３００の動作（アクチュエータ）を制御する作業ロボット制御部６１Ｃを備えている。また、支援システム管制部４０Ｃにおける制御入力演算部５０の第１制御入力演算部５３Ｃ及び第２制御入力演算部５４Ｃでは、油圧ショベル１００のバケット１０８のつめ先位置の代わりに、アームの先端位置を用いて演算を行う。

上述した本発明の積載作業支援システムの第３の実施の形態によれば、作業ロボット３００と搬送ロボット４００の積載作業を対象としても、前述した第１の実施の形態の場合と同様に、作業ロボット３００のアームの先端が搬送ロボット４００に接触することなく安全な積載作業を実現することができる。

［第３の実施の形態の変形例］
次に、本発明の積載作業支援システムの第３の実施の形態の変形例について図１８を用いて説明する。図１８は本発明の積載作業支援システムの第３の実施の形態の変形例の機能構成を示すブロック図である。なお、図１８において、図１～図１７に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１８に示す本発明の第３の実施の形態の変形例に係る積載作業支援システム１Ｄが第１の実施の形態の変形例に対して相違する点は、積載機として油圧ショベル１００の代わりに作業ロボット３００を対象とすると共に搬送機としてダンプトラック２００の代わりに搬送ロボット４００を対象として、搬送ロボット４００に対する作業ロボット３００の積載作業の支援を行うものである。また、第３の実施の形態が作業ロボット３００（積載機）の動作のみを制御することで作業ロボット３００と搬送ロボット（搬送機）４００の積込作業時の接触を回避するものであるのに対して、第３の実施の形態の変形例は作業ロボット３００及び搬送ロボットの両方の動作を制御することで両者の積載作業時の接触を回避するものである。

本変形例の積載作業支援システム１Ｄの支援システム管制部４０Ｄは、第３の実施の形態の各機能部４１～４４、５０、６１Ｃに加えて、搬送ロボット制御部６２Ｄを備えている。搬送ロボット制御部６２Ｄは、搬送ロボット４００のアクチュエータ４０７の動作を制御することで、搬送ロボット４００の移動を制御する。

また、本変形例の制御入力演算部５０のうち、侵入判定部５２Ｄ、第２制御入力演算部５４Ｄ、制御入力決定部５５Ｄの演算は、第３の実施の形態の機能部５２、５４、５５の演算とは異なり、搬送ロボット４００の制御を考慮した演算内容に変更されている。具体的な内容は、第１の実施の形態の変形例の説明におけるダンプトラック２００を搬送ロボット４００に置き換えるだけである。

本変形例においては、作業ロボットの動作を制御するだけでなく、搬送ロボットの動作を同時に制御するので、第３の実施の形態の場合と比べて、積込作業及び搬送作業をより安全に実行することが可能になる。すなわち、第３の実施の形態の変形例によれば、作業ロボット３００と搬送ロボット４００の積載作業を対象としても、前述した第１の実施の形態の変形例の場合と同様に、作業ロボット３００のアームの先端が搬送ロボット４００に接触することなく安全な積載作業をより確実に実現することができる。

［その他の実施の形態］
なお、本発明は本実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

例えば、上述した本実施の形態においては、積載作業支援システム１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄがショベルコントローラ１０、トラックコントローラ２０、管制コントローラ３０を含んだ構成の例（図５参照）を示した。しかし、油圧ショベル１００とダンプトラック２００が作業現場に１台ずつであり、かつ、両者の組み合わせが変わらない場合、図１９に示す積載作業支援システム１Ｅの構成が可能である。すなわち、支援システム管制部４０Ｅは、図５に示す管制コントローラ３０を省略し、ショベルコントローラ１０とトラックコントローラ２０が直接通信することで積載作業の作業支援を行うように構成することも可能である。図１９は本発明の積載作業支援システムのその他の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。この場合、図５に示す管制コントローラ３０の機能をショベルコントローラ１０又はトラックコントローラ２０に実装すればよい。

また、上述した本実施の形態においては、積載作業支援システム１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄが荷重演算部４１を含む構成の例を示した。しかし、積載作業支援システムは、荷重演算部４１の機能部を省略する構成も可能である。この場合、荷重演算部４１の機能部を省略する分、演算処理が削減されるが、作業装置の動特性が積荷の荷重を考慮しないものとなるので、予測演算の精度が低下してしまうことがある。

１０…ショベルコントローラ（制御装置）、 ２０…トラックコントローラ（制御装置）、 ３０…管制コントローラ（制御装置）、 １００…油圧ショベル（積載機）、 １０１…フロント作業装置（作業装置）、 １０３…上部旋回体（旋回体）、 １０６…ブーム（被駆動部材）、 １０７…アーム（被駆動部材）、 １０８…バケット（被駆動部材）、 １２５…車体ＩＭＵ（姿勢検出器）、 １２６…ブームＩＭＵ（姿勢検出器）、 １２７…アームＩＭＵ（姿勢検出器）、 １２８…バケットＩＭＵ（姿勢検出器）、 １２９…圧力センサ（負荷検出器）、 １３３…ＧＮＳＳ受信機（第１位置算出器）、 ２００…ダンプトラック（搬送機）、 ２０２…荷台、 ２０５…運転室、 ２１２…ＧＮＳＳ受信機（第２位置算出器）、 ３００…作業ロボット（積載機）、 ４００…搬送ロボット（搬送機）

Claims (12)

1. 荷台を備えた搬送機に対して、複数の被駆動部材を回動可能に連結して構成された多関節型の作業装置を備えた積載機が積荷を積載する積載作業を支援する積載作業支援システムであって、
   前記積載機の位置及び方位を算出する第１位置算出器と、
   前記作業装置の姿勢を検出する姿勢検出器と、
   前記搬送機の位置及び方位を算出する第２位置算出器と、
   前記積載機の動作を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記作業装置が積載作業で到達すべき位置である目標位置を前記第２位置算出器の出力を基に設定し、
   前記作業装置の侵入が禁止される領域である禁止領域を前記第２位置算出器の出力を基に設定し、
   前記第１位置算出器の出力及び前記姿勢検出器の出力を基に前記作業装置の動特性を決定し、
   前記作業装置の動特性を用いて有限の予測時間区間における前記作業装置の軌道を予測する予測演算を行い、
   前記作業装置の軌道予測の演算結果を基に、前記作業装置が前記予測時間区間において前記禁止領域内に侵入するか否かを判定し、
   前記作業装置が前記禁止領域内に侵入しないと判定した場合には、前記作業装置の軌道予測の演算結果を基に、前記作業装置の先端部が前記予測時間区間において前記目標位置に向かって近づくような前記作業装置の動特性の入力である第１入力を演算し、
   前記作業装置が前記禁止領域内に侵入すると判定した場合には、前記禁止領域外における前記目標位置とは異なる位置であって前記作業装置の先端部の位置よりも前記目標位置に近い位置を目標として、前記作業装置の先端部が前記予測時間区間において近づくような前記作業装置の動特性の入力である第２入力を演算し、
   演算結果の前記作業装置の動特性の第１入力及び第２入力を基に、前記積載機の動作を制御する制御入力を演算し、
   演算結果の制御入力を基に前記積載機の制御を行う
   ことを特徴とする積載作業支援システム。
2. 請求項１に記載の積載作業支援システムにおいて、
   前記作業装置の負荷を検出する負荷検出器をさらに備え、
   前記制御装置は、さらに
   前記負荷検出器の出力及び前記姿勢検出器の出力を基に、前記作業装置が保持する積荷の荷重を演算し、
   演算結果の積荷の荷重および前記姿勢検出器の出力を基に、前記作業装置の動特性を調整する
   ことを特徴とする積載作業支援システム。
3. 請求項１に記載の積載作業支援システムにおいて、
   前記制御装置は、前記積載機の動作に加えて、前記搬送機の動作も制御するように構成され、
   前記制御装置は、さらに、前記搬送機の動特性を用いて前記予測時間区間における前記搬送機の移動を予測する予測演算を行い、
   前記制御装置による前記作業装置の前記禁止領域内への侵入の有無の判定は、前記搬送機の移動予測の演算結果を考慮して行われ、
   前記作業装置が前記禁止領域内に侵入すると判定した場合の前記制御装置の演算は、前記禁止領域外における前記目標位置とは異なる位置であって前記作業装置の先端部の位置よりも前記目標位置に近い位置を目標として、前記作業装置の先端部が前記予測時間区間において近づくような前記作業装置の動特性の第２入力及び前記搬送機の動特性の第２入力を演算するように変更され、
   前記制御装置は、さらに、演算結果の前記搬送機の動特性の第２入力を基に前記搬送機の動作を制御する制御入力を演算し、演算結果の制御入力を基に前記搬送機の制御を行う
   ことを特徴とする積載作業支援システム。
4. 請求項１に記載の積載作業支援システムにおいて、
   前記搬送機は、前記荷台に加えて運転室を備えたダンプトラックであり、
   前記積載機は、前記作業装置としてのフロント作業装置と前記フロント作業装置が設けられた旋回可能な旋回体とを備えた油圧ショベルであり、
   前記制御装置は、前記フロント作業装置の動作及び前記旋回体の旋回動作を制御する
   ことを特徴とする積載作業支援システム。
5. 請求項３に記載の積載作業支援システムにおいて、
   前記搬送機は、前記荷台に加えて運転室を備えたダンプトラックであり、
   前記積載機は、前記作業装置としてのフロント作業装置と前記フロント作業装置が設けられた旋回可能な旋回体とを備えた油圧ショベルであり、
   前記制御装置は、前記油圧ショベルの前記フロント作業装置の動作及び前記旋回体の旋回動作を制御すると共に、前記ダンプトラックの移動を制御する
   ことを特徴とする積載作業支援システム。
6. 請求項４に記載の積載作業支援システムにおいて、
   前記制御装置は、前記ダンプトラックの周囲を取り囲み、且つ、前記運転室の周囲の方が前記荷台の周囲よりも広くなるように前記禁止領域を設定する
   ことを特徴とする積載作業支援システム。
7. 請求項４に記載の積載作業支援システムにおいて、
   前記制御装置は、前記ダンプトラックが移動している場合には、前記禁止領域を前記ダンプトラックの進行方向側で前記ダンプトラックが停止している場合よりも広く設定する
   ことを特徴とする積載作業支援システム。
8. 請求項４に記載の積載作業支援システムにおいて、
   前記制御装置は、前記ダンプトラックが積荷を搬送するまでに前記油圧ショベルが複数回の積載作業を行う場合には、前記目標位置を前記油圧ショベルの積載作業の度に前記ダンプトラックの前記荷台に対して異なる位置に設定する
   ことを特徴とする積載作業支援システム。
9. 請求項１に記載の積載作業支援システムにおいて、
   前記制御装置は、前記予測時間区間の長さを変更可能である
   ことを特徴とする積載作業支援システム。
10. 請求項９に記載の積載作業支援システムにおいて、
    前記制御装置は、前記第１位置算出器の出力及び前記第２位置算出器の出力に基づき算出した前記搬送機の前記積載機に対する相対的な接近速度が速ければ速いほど、前記予測時間区間の長さが長くなるように変更する
    ことを特徴とする積載作業支援システム。
11. 請求項１に記載の積載作業支援システムにおいて、
    前記制御装置は、前記作業装置の軌道予測の演算、前記作業装置の前記禁止領域内への侵入の有無の判定、前記作業装置の動特性の第１入力の演算、前記作業装置の動特性の第２入力の演算の一連の処理を、モデル予測制御の評価関数を用いて実行するように構成されている
    ことを特徴とする積載作業支援システム。
12. 請求項１１に記載の積載作業支援システムにおいて、
    前記評価関数は、前記作業装置が前記禁止領域内に侵入した場合に前記評価関数の値を増加させるペナルティ関数を含む
    ことを特徴とする積載作業支援システム。

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