JP2023014313A - 制御装置、積込機械、および制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の目的は、旋回制御における目標方位を精度よく決定することができる制御装置、積込機械、および制御方法を提供することにある。
〈第1の実施形態〉
《積込機械の構成》
図1は、第1の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。
積込機械100は、土砂を運搬車両などの積込点へ積込を行う作業機械である。第1の実施形態に係る積込機械100は、油圧ショベルである。なお、他の実施形態に係る積込機械100は、油圧ショベル以外の積込機械であってもよい。また図1に示す積込機械100はバックホウショベルであるが、フェイスショベルやロープショベルであってもよい。
積込機械100は、走行体110と、走行体110に支持される旋回体120と、油圧により作動し旋回体120に支持される作業機130とを備える。旋回体120は、旋回中心回りに旋回自在に支持される。
アーム132は、ブーム131とバケット133とを連結する。アーム132の基端部は、ブーム131の先端部にピンを介して取り付けられる。
バケット133は、土砂などを掘削するための刃と掘削した土砂を搬送するための容器とを備える。バケット133の基端部は、アーム132の先端部にピンを介して取り付けられる。
アームシリンダ135は、アーム132を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ135の基端部は、ブーム131に取り付けられる。アームシリンダ135の先端部は、アーム132に取り付けられる。
バケットシリンダ136は、バケット133を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ136の基端部は、アーム132に取り付けられる。バケットシリンダ136の先端部は、バケット133を回動させるリンク機構に取り付けられる。
アームストロークセンサ138は、アームシリンダ135のストローク量を計測する。アームシリンダ135のストローク量は、ブーム131に対するアーム132の傾斜角に換算可能である。以下、ブーム131に対するアーム132の傾斜角を、アーム132の相対角度ともいう。
バケットストロークセンサ139は、バケットシリンダ136のストローク量を計測する。バケットシリンダ136のストローク量は、アーム132に対するバケット133の傾斜角に換算可能である。以下、アーム132に対するバケット133の傾斜角をバケット133の相対角度ともいう。
なお、他の実施形態に係る積込機械100は、ブームストロークセンサ137、アームストロークセンサ138、およびバケットストロークセンサ139に代えて、地平面に対する傾斜角または旋回体120に対する傾斜角を検出する角度センサを備えてもよい。
操作装置123は、例えばレバー、スイッチおよびペダルにより構成される。掘削積込指示信号は自動制御用のスイッチの操作により生成される。例えば、スイッチがONになったときに、掘削積込指示信号が出力される。操作装置123は、運転席122の近傍に配置される。操作装置123は、オペレータが運転席122に座ったときにオペレータの操作可能な範囲内に位置する。
なお、第1の実施形態に係る積込機械100は、運転席122に着座するオペレータの操作に従って動作するが、他の実施形態においてはこれに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械100は、積込機械100の外部で操作するオペレータの遠隔操作によって操作信号や掘削積込指示信号が送信され動作するものであってもよい。
深度検出装置124は、検出範囲Rにおける深度を検出する。深度検出装置124は、旋回体120の両側面に設けられ、旋回体120の幅方向に伸びる軸を中心とする検出範囲Rにおいて掘削対象を含む周囲のうち少なくとも一部の物体の深度を検出する。深度とは、深度検出装置124から対象までの距離である。これにより、積込機械100が作業機130によって土砂を掘削しているときに、深度検出装置124は、積込機械100の側方に位置する積込対象200の深度を検出することができる。また、積込機械100が旋回動作により旋回体120の向く方位を変えて、土砂を積込対象200に積み込んでいるときに、深度検出装置124は、掘削対象の深度を検出することができる。つまり、掘削積込作業において積込機械100が旋回動作することにより、深度検出装置124の向きが変化するため、深度検出装置124は、積込機械100の周囲を広範囲にわたって検出することができる。
図2に示すように、深度検出装置124は、その検出範囲Rに作業機130が干渉しない位置に設けられる。深度検出装置124の例としては、例えば、LiDAR装置、レーダ装置、ステレオカメラなどが挙げられる。なお、深度検出装置124は、旋回体120の高い位置に設けられることが好ましい。また深度検出装置124の検出範囲Rの中心軸は、水平方向より下方に傾いていることが好ましい。
位置方位演算器125は、2つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体120の向く方位を演算する。旋回体120が向く方位とは、旋回体120の正面方向であって、作業機130のブーム131からバケット133へ伸びる直線の延在方向の水平成分に等しい。旋回体120の方位は、姿勢情報の一例である。位置方位演算器125は、姿勢計測装置の一例である。
図3は、第1の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置128は、プロセッサ1100、メインメモリ1200、ストレージ1300、インタフェース1400を備えるコンピュータである。ストレージ1300は、プログラムを記憶する。プロセッサ1100は、プログラムをストレージ1300から読み出してメインメモリ1200に展開し、プログラムに従った処理を実行する。
バケット位置特定部1104は、車両情報取得部1101が取得した車両情報に基づいて、ショベル座標系におけるアーム132の先端部の位置Pおよびアーム132の先端からバケット133の最下通過点までの高さHbを特定する。バケット133の最下通過点とは、バケット133のダンプ操作の間に刃先と地表面との距離が最も短くなるときに刃先が位置する点をいう。すなわち、アーム132の先端からバケット133の最下通過点までの高さHbは、バケット133の基端部のピンから刃先までの長さと一致する。
また、バケット位置特定部1104は、掘削積込指示信号の入力を受け付けたときのアーム132の先端部の位置Pを掘削完了位置P10として特定する。バケット133の基端部はアーム132の先端部に接続されているため、アーム132の先端部の位置Pは、バケット133の基端部の位置に等しい。
積込対象特定部1106は、マップ生成部1105が生成した三次元マップに基づいて、積込対象200の位置および形状、ならびに積込点P21の位置を特定する。積込点P21は、例えばダンプトラックのベッセル上の点である。例えば、積込対象特定部1106は、三次元マップが示す三次元形状と積込対象200の既知の形状とをマッチングすることで、積込対象200の位置および形状、ならびに積込点P21を特定する。
積込位置特定部1107は、特定した積込点P21を、積込位置P13の平面位置として特定する。つまり、アーム132の先端が積込位置P13に位置するとき、アーム132の先端は積込点P21の上方に位置することとなる。積込点P21の例としては、積込対象200がダンプトラックの場合におけるベッセルの中心点、および積込対象200がホッパの場合における開口の中心点が挙げられる。積込位置特定部1107は、積込対象200の高さHtに、バケット位置特定部1104が特定したアーム132の先端からバケット133最下通過点までの高さHbと、バケット133の制御余裕分の高さとを加算することで、積込位置P13の高さを特定する。なお、他の実施形態においては、積込位置特定部1107は、制御余裕分の高さを加算せずに積込位置P13を特定してもよい。すなわち、積込位置特定部1107は、高さHtに高さHbを加算することで、積込位置P13の高さを特定してもよい。なお、第1の実施形態に係る高さHtは、地面からベッセルの上面までの高さである。
つまり、積込位置特定部1107は、積込位置P13を特定することで、旋回制御における旋回体120の目標方位を決定する。積込位置特定部1107は、目標方位決定部の一例である。
つまり、掘削位置特定部1110は、掘削位置P19を特定することで、旋回制御における旋回体120の目標方位を決定する。掘削位置特定部1110は、目標方位決定部の一例である。
移動処理部1111は、バケット133が積込位置P13に到達すると、バケット133をダンプ方向へ回転させるためのダンプ操作信号を生成する。移動処理部1111は、掘削位置特定部1110が特定した掘削位置P19、回避位置特定部1108が特定した干渉回避位置P12に基づいて、バケット133を掘削位置P19まで移動させるための回動操作信号を生成する。すなわち、移動処理部1111は、積込位置P13から、干渉回避位置P12および旋回終了位置P18を経由して、掘削位置P19に到達するように、回動操作信号を生成する。移動処理部1111はバケットが掘削姿勢となるように、バケットの回動操作信号を生成する。移動処理部1111が生成する操作信号は、最大の操作量で操作装置123のレバーまたはペダルを操作したときに操作信号入力部1103に入力される操作信号に係る駆動量での駆動を指示する信号である。駆動量は、例えば作動油の油量またはスプールの開度である。
なお、積込機械100が遠隔操作によって駆動する場合、移動処理部1111が生成する操作信号は、最大の操作量に係る駆動量より大きい駆動量での駆動を指示する信号であってよい。これは、有人運転に係る積込機械100は、オペレータの乗り心地のために操作装置123の最大操作量が制限されるところ、遠隔操作に係る積込機械100は、オペレータの乗り心地による制限がないためである。
積込機械100のオペレータは、積込機械100と積込対象200とが積込処理可能な位置関係にあると判断すると、操作装置123の自動制御用のスイッチをONにする。これにより、操作装置123は、掘削積込指示信号を生成し出力する。
なお、ステップS1からステップS9までの間、旋回体120は旋回していない。
旋回体120の旋回速度が所定速度未満である場合(ステップS15:YES)、移動処理部1111は、バケット133の高さが掘削完了位置P10の高さから干渉回避位置P12の高さに至るまでの時間である上昇時間を特定する(ステップS16)。移動処理部1111は、バケット133の上昇時間に基づいて、現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム132の先端が干渉回避位置P12または干渉回避位置P12より高い点を通過することになるか否かを判定する(ステップS17)。現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム132の先端が干渉回避位置P12または干渉回避位置P12より高い点を通過することになる場合(ステップS17:YES)、移動処理部1111は、旋回操作信号を生成する(ステップS18)。
他方、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム132の先端が積込位置P13より手前で停止することになる場合(ステップS19:NO)、移動処理部1111は、旋回操作信号を生成する(ステップS20)。
このように、第1の実施形態に係る積込機械100の制御装置128は、旋回体120が旋回していないときに取得された姿勢情報および深度情報に基づいて、目標方位を決定する。旋回体120が旋回していないときに姿勢情報および深度情報を取得することで、当該深度情報を取得したときの姿勢情報の誤差を小さく抑えることができる。したがって、第1の実施形態に係る制御装置128は、旋回制御における目標方位を精度よく決定することができる。第1の実施形態に係る目標方位は、積荷旋回における目標方位である積込位置P13を向く方位、および空荷旋回における目標方位である掘削位置P19を向く方位である。なお、他の実施形態に係る制御装置128は、積荷旋回における目標方位または空荷旋回における目標方位のいずれか一方を決定するものであってもよい。この場合、旋回体120の両側部のうち一方のみに深度検出装置124が設けられていてよい。
例えば、第1の実施形態に係る制御装置128は、積込点P21および掘削点P22を、深度情報を用いて特定するが、これに限られない。他の実施形態に係る制御装置128は、積込点P21または掘削点P22の一方のみを、深度情報を用いて特定してもよい。つまり、第1の実施形態に係る制御装置128は、自動掘削積込制御を行うが、これに限られない。他の実施形態に係る制御装置128は自動積込制御を行い、掘削作業がオペレータの手動操作によって行われてもよい。また他の実施形態に係る制御装置128は自動掘削制御を行い、積込作業がオペレータの手動操作によって行われてもよい。
また、第1の実施形態に係る制御装置128は、掘削点P22を特定して、掘削点P22への旋回操作のあとに掘削操作を実行するが、これに限らず、掘削点P22への旋回操作までを実行して、自動掘削積込制御を終了してもよい。
Claims (7)
- 旋回中心回りに旋回可能な旋回体と、前記旋回体に設けられた作業機と、前記旋回体の姿勢を計測する姿勢計測装置と、前記旋回体に設けられ、検出範囲における前記旋回体の周囲のうち少なくとも一部の深度を検出する深度検出装置とを備える積込機械を制御する制御装置であって、
前記姿勢計測装置が計測した姿勢を示す姿勢情報を取得する姿勢情報取得部と、
前記深度検出装置が検出した深度を示す深度情報を取得する検出情報取得部と、
前記旋回体が旋回を停止しているときに取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、旋回制御における目標方位を決定する目標方位決定部と、
前記目標方位に基づいて旋回操作信号を出力する出力部と
を備える制御装置。 - 前記旋回体が旋回していないときに取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、前記旋回体の周囲のうち少なくとも一部の三次元位置を示す三次元マップを生成するマップ生成部を備え、
前記目標方位決定部は、前記三次元マップに基づいて前記目標方位を決定する
請求項1に記載の制御装置。 - 前記作業機は、前記旋回体の前部に設けられ、
前記深度検出装置は、前記旋回体の側部に設けられる
請求項1または請求項2に記載の制御装置。 - 前記目標方位決定部は、前記作業機による積込動作時に取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、前記作業機による掘削対象が存在する方位を目標方位に決定する
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の制御装置。 - 前記目標方位決定部は、前記作業機による掘削動作時に取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、積込対象が存在する方位を目標方位に決定する
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の制御装置。 - 旋回中心回りに旋回可能な旋回体と、
前記旋回体に設けられた作業機と、
前記旋回体の姿勢を計測する姿勢計測装置と、
前記旋回体に設けられ、検出範囲における前記旋回体の周囲のうち少なくとも一部の深度を検出する深度検出装置と、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の制御装置と
を備える積込機械。 - 旋回中心回りに旋回可能な旋回体と、前記旋回体に設けられた作業機と、前記旋回体の姿勢を計測する姿勢計測装置と、前記旋回体に設けられ、検出範囲における前記旋回体の周囲の深度を検出する深度検出装置とを備える積込機械の制御方法であって、
前記姿勢計測装置が計測した姿勢を示す姿勢情報を取得するステップと、
前記深度検出装置が検出した深度を示す深度情報を取得するステップと、
前記旋回体が旋回していないときに取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、旋回制御における目標方位を決定するステップと、
前記目標方位に基づいて旋回操作信号を出力するステップと
を備える制御方法。
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