JP2023034969A - 制御システム、制御方法および制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】グローバル座標系を参照せずに、設計面を越えないよう作業機を制限する。【解決手段】プロセッサは、旋回体の代表点を原点とする車体座標系上に平面で規定される設計面を生成する。プロセッサは、旋回体の旋回に伴って、設計面を車体座標系の原点回りに回転変換する。プロセッサは、車体座標系における作業機の位置を特定する。プロセッサは、特定された作業機の位置と設計面とに基づいて、作業機を制御する。【選択図】図８

Description

本開示は、制御システム、制御方法および制御プログラムに関する。

特許文献１に開示されているように、作業機械が備えるバケットが、掘削対象の目標形状を示す設計面より先に侵入しないように作業機を制御する技術が知られている。

特許第５６５４１４４号公報

特許文献１に記載の技術は、制御装置がＧＮＳＳによりグローバル座標系における作業機の位置を認識することで、設計面に対する刃先の制御を行うことができる。しかしながら、衛星の見通し環境や作業機械の構成によっては、常にグローバル座標系を参照することができるとは限らない。例えば、作業機械が室内において作業をする場合、衛星の見通しが悪くＧＮＳＳを参照できない場合がある。

本開示の目的は、グローバル座標系を参照せずに、作業機を制御するための設計面を生成することができる制御システム、制御方法および制御プログラムを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、制御システムは、走行可能な走行体と、走行体に旋回可能に支持される旋回体と、旋回体に動作可能に支持された作業機とを備える作業機械を制御する。制御システムは、プロセッサを備える。プロセッサは、車体の代表点を原点とする車体座標上に平面で規定される設計面を生成する。プロセッサは、旋回体の旋回に伴って、設計面を車体座標系の原点回りに回転変換する。プロセッサは、車体座標系における作業機の位置を特定する。プロセッサは、特定された作業機の位置と設計面とに基づいて、作業機を制御する。

本発明の第２の態様によれば、走行可能な走行体と、走行体に旋回可能に支持される旋回体と、旋回体に動作可能に支持された作業機とを備える作業機械の制御方法は、生成ステップと、回転変換ステップと、特定ステップと、制御ステップとを備える。生成ステップは、旋回体の代表点を原点とする車体座標系上に平面で規定される設計面を生成する。回転変換ステップは、旋回体の旋回に伴って、設計面を車体座標系の原点回りに回転変換する。特定ステップは、車体座標系における作業機の位置を特定する。制御ステップは、特定された作業機の位置と設計面とに基づいて、作業機を制御する。

本発明の第３の態様によれば、制御プログラムは、走行可能な走行体と、走行体に旋回可能に支持される旋回体と、旋回体に動作可能に支持された作業機とを備える作業機械のコンピュータに実行される制御プログラムであって、生成ステップと、回転変換ステップと、特定ステップと、制御ステップとを実行させる。生成ステップは、旋回体の代表点を原点とする車体座標系上に平面で規定される設計面を生成する。回転変換ステップは、旋回体の旋回に伴って、設計面を車体座標系の原点回りに回転変換する。特定ステップは、車体座標系における作業機の位置を特定する。制御ステップは、特定された作業機の位置と設計面とに基づいて、作業機を制御する。

上記態様の少なくとも１つによれば、グローバル座標系を参照せずに、作業機を制御するための設計面を生成することができる。

第１の実施形態に係る作業機械の構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る作業機械の駆動系を示す図である。 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。 第１の実施形態における旋回体の旋回に伴う設計面の再設定の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る設計面の設定方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態において設定された旋回に伴う設計面の更新および介入制御を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る制御装置による設計面の更新処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態における作業機械の移動前後の設計面の変化を示す図である。 第１の実施形態における設計面の移動を示す図である。

〈第１の実施形態〉
《作業機械の構成》
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機械１００の構成を示す概略図である。第１の実施形態に係る作業機械１００は、例えば油圧ショベルである。作業機械１００は、走行体１２０、旋回体１４０、作業機１６０、運転室１８０、制御装置２００を備える。第１の実施形態に係る作業機械１００は、オペレータによる操作によって平面状の設計面を生成し、刃先が設計面を越えないように制御される。このとき、設計面は車体座標系に設定されるため、作業機械１００がトンネルの施工をする場合など、ＧＮＳＳなどによる測位ができない場合にも、設計面を用いた施工を実現することができる。

走行体１２０は、作業機械１００を走行可能に支持する。走行体１２０は、例えば左右１対の無限軌道である。
旋回体１４０は、走行体１２０に旋回中心回りに旋回可能に支持される。旋回体１４０は、作業機械１００の車体の一例である。
作業機１６０は、旋回体１４０に動作可能に支持される。作業機１６０は、油圧により駆動する。作業機１６０は、ブーム１６１、アーム１６２、および作業器具であるバケット１６３を備える。ブーム１６１の基端部は、旋回体１４０に回動可能に取り付けられる。アーム１６２の基端部は、ブーム１６１の先端部に回動可能に取り付けられる。バケット１６３の基端部は、アーム１６２の先端部に回動可能に取り付けられる。ここで、旋回体１４０のうち作業機１６０が取り付けられる部分を前部という。また、旋回体１４０について、前部を基準に、反対側の部分を後部、左側の部分を左部、右側の部分を右部という。

運転室１８０は、旋回体１４０の前部に設けられる。運転室１８０内には、オペレータが作業機械１００を操作するための操作装置１４１、および制御装置２００のマンマシンインタフェースであるモニタ装置１４２が設けられる。モニタ装置１４２は、例えばタッチパネルを備えるコンピュータによって実現される。

制御装置２００は、オペレータによる操作装置の操作に基づいて、走行体１２０、旋回体１４０、および作業機１６０を制御する。制御装置２００は、例えば運転室１８０の内部に設けられる。

《作業機械１００の駆動系》
図２は、第１の実施形態に係る作業機械１００の駆動系を示す図である。
作業機械１００は、作業機械１００を駆動するための複数のアクチュエータを備える。具体的には、作業機械１００は、エンジン１１１、油圧ポンプ１１２、コントロールバルブ１１３、一対の走行モータ１１４、旋回モータ１１５、ブームシリンダ１１６、アームシリンダ１１７、バケットシリンダ１１８を備える。

エンジン１１１は、油圧ポンプ１１２を駆動する原動機である。
油圧ポンプ１１２は、エンジン１１１により駆動され、コントロールバルブ１１３を介して走行モータ１１４、旋回モータ１１５、ブームシリンダ１１６、アームシリンダ１１７およびバケットシリンダ１１８に作動油を供給する。
コントロールバルブ１１３は、油圧ポンプ１１２から走行モータ１１４、旋回モータ１１５、ブームシリンダ１１６、アームシリンダ１１７およびバケットシリンダ１１８へ供給される作動油の流量を制御する。
走行モータ１１４は、油圧ポンプ１１２から供給される作動油によって駆動され、走行体１２０を駆動する。
旋回モータ１１５は、油圧ポンプ１１２から供給される作動油によって駆動され、走行体１２０に対して旋回体１４０を旋回させる。

ブームシリンダ１１６は、ブーム１６１を駆動するための油圧シリンダである。ブームシリンダ１１６の基端部は、旋回体１４０に取り付けられる。ブームシリンダ１１６の先端部は、ブーム１６１に取り付けられる。
アームシリンダ１１７は、アーム１６２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１１７の基端部は、ブーム１６１に取り付けられる。アームシリンダ１１７の先端部は、アーム１６２に取り付けられる。
バケットシリンダ１１８は、バケット１６３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１１８の基端部は、アーム１６２に取り付けられる。バケットシリンダ１１８の先端部は、バケット１６３に取り付けられる。

《作業機械１００の計測系》
作業機械１００は、作業機械１００の姿勢および位置を計測するための複数のセンサを備える。具体的には、作業機械１００は、傾斜計測器１０１、旋回角センサ１０２、ブーム角センサ１０３、アーム角センサ１０４およびバケット角センサ１０５を備える。

傾斜計測器１０１は、旋回体１４０の姿勢を計測する。傾斜計測器１０１は、水平面に対する旋回体１４０の傾き（例えば、ロール角、ピッチ角およびヨー角）を計測する。傾斜計測器１０１の例としては、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）が挙げられる。この場合、傾斜計測器１０１は、旋回体１４０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１４０の水平面に対する傾きを算出する。傾斜計測器１０１は、例えば運転室１８０の下方に設置される。傾斜計測器１０１は、計測値である旋回体１４０の姿勢データを制御装置２００へ出力する。

旋回角センサ１０２は、走行体１２０に対する旋回体１４０の旋回角度を計測する。旋回角センサ１０２の計測値は、例えば、走行体１２０と旋回体１４０の方向が一致しているときにゼロを示す。旋回角センサ１０２は、例えば旋回体１４０の旋回中心に設置される。旋回角センサ１０２は、計測値である旋回角度データを制御装置２００へ出力する。

ブーム角センサ１０３は、旋回体１４０に対するブーム１６１の回転角であるブーム角を計測する。ブーム角センサ１０３は、ブーム１６１に取り付けられたＩＭＵであってよい。この場合、ブーム角センサ１０３は、ブーム１６１の水平面に対する傾きと傾斜計測器１０１が計測した旋回体の傾きとに基づいて、ブーム角を計測する。ブーム角センサ１０３の計測値は、例えば、ブーム１６１の基端と先端とを通る直線の方向が旋回体１４０の前後方向と一致するときにゼロを示す。なお、他の実施形態係るブーム角センサ１０３は、ブームシリンダ１１６に取り付けられたストロークセンサであってもよい。また、他の実施形態に係るブーム角センサ１０３は、旋回体１４０とブーム１６１とを接続するピンに設けられた回転センサであってもよい。ブーム角センサ１０３は、計測値であるブーム角データを制御装置２００へ出力する。

アーム角センサ１０４は、ブーム１６１に対するアーム１６２の回転角であるアーム角を計測する。アーム角センサ１０４は、アーム１６２に取り付けられたＩＭＵであってよい。この場合、アーム角センサ１０４は、アーム１６２の水平面に対する傾きとブーム角センサ１０３が計測したブーム角とに基づいて、アーム角を計測する。アーム角センサ１０４の計測値は、例えば、アーム１６２の基端と先端とを通る直線の方向がブーム１６１の基端と先端とを通る直線の方向と一致するときにゼロを示す。なお、他の実施形態に係るアーム角センサ１０４は、アームシリンダ１１７にストロークセンサを取付けて角度算出を行ってもよい。また、他の実施形態に係るアーム角センサ１０４は、ブーム１６１とアーム１６２とを接続するピンに設けられた回転センサであってもよい。アーム角センサ１０４は、計測値であるアーム角データを制御装置２００へ出力する。

バケット角センサ１０５は、アーム１６２に対するバケット１６３の回転角であるバケット角を計測する。バケット角センサ１０５は、バケット１６３を駆動させるためのバケットシリンダ１１８に設けられたストロークセンサであってよい。この場合、バケット角センサ１０５は、バケットシリンダのストローク量に基づいてバケット角を計測する。バケット角センサ１０５の計測値は、例えば、バケット１６３の基端と刃先とを通る直線の方向がアーム１６２の基端と先端とを通る直線の方向と一致するときにゼロを示す。なお、他の実施形態に係るバケット角センサ１０５は、アーム１６２とバケット１６３とを接続するピンに設けられた回転センサであってもよい。また、他の実施形態に係るバケット角センサ１０５は、バケット１６３に取付けられたＩＭＵであってもよい。バケット角センサ１０５は、計測値であるバケット角データを制御装置２００へ出力する。

《制御装置２００の構成》
図３は、第１の実施形態に係る制御装置２００の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置２００は、プロセッサ２１０、メインメモリ２３０、ストレージ２５０、インタフェース２７０を備えるコンピュータである。制御装置２００は、制御システムの一例である。制御装置２００は、傾斜計測器１０１、旋回角センサ１０２、ブーム角センサ１０３、アーム角センサ１０４、およびバケット角センサ１０５から計測値を受信する。

ストレージ２５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。ストレージ２５０の例としては、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ２５０は、制御装置２００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２７０または通信回線を介して制御装置２００に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ２５０は、作業機械１００を制御するための制御プログラムを記憶する。

制御プログラムは、制御装置２００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、制御プログラムは、ストレージ２５０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、制御装置２００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。

ストレージ２５０には、旋回体１４０、ブーム１６１、アーム１６２及びバケット１６３の寸法及び重心位置を表すジオメトリデータが記録される。ジオメトリデータは、所定の座標系における物体の位置を表すデータである。

《ソフトウェア構成》
プロセッサ２１０は、制御プログラムを実行することで、操作量取得部２１１、入力部２１２、表示制御部２１３、計測値取得部２１４、位置特定部２１５、生成部２１６、回転変換部２１７、介入判定部２１８、介入制御部２１９、制御信号出力部２２０、更新部２２１を備える。

操作量取得部２１１は、操作装置１４１から各アクチュエータの操作量を示す操作信号を取得する。
入力部２１２は、モニタ装置１４２からオペレータによる操作入力を受け付ける。
表示制御部２１３は、モニタ装置１４２に表示させる画面データをモニタ装置１４２へ出力する。
計測値取得部２１４は、傾斜計測器１０１、旋回角センサ１０２、ブーム角センサ１０３、アーム角センサ１０４およびバケット角センサ１０５から計測値を取得する。

位置特定部２１５は、計測値取得部２１４が取得した各種計測値とストレージ２５０に記録されたジオメトリデータとに基づいて、車体座標系におけるバケット１６３の刃先の位置を特定する。車体座標系とは、旋回体１４０の代表点（例えば、旋回中心を通る点）を原点とする直交座標系である。位置特定部２１５の計算については後述する。

生成部２１６は、入力部２１２がオペレータから設計面の生成指示を受け付けた場合に、位置特定部２１５が特定したバケット１６３の刃先の位置に基づいて設計面のパラメータを計算する。生成部２１６は、生成した車体座標系における設計面のパラメータをメインメモリ２３０に記録する。

回転変換部２１７は、旋回体１４０の旋回に伴ってメインメモリ２３０に記憶された設計面のパラメータを更新する。具体的には、回転変換部２１７は、傾斜計測器１０１が計測したピッチ角、ロール角、ヨー角の変化分だけ設計面のパラメータを車体座標系の原点を中心に回転変換する。図４は、第１の実施形態における旋回体の旋回に伴う設計面の再設定の一例を示す図である。例えば、図４に示すように、設計面の設定後に旋回体１４０が旋回した場合、回転変換部２１７は、計測値取得部２１４が取得した傾斜計測器１０１の計測値を参照して旋回体１４０の旋回によって生じたロール角、ピッチ角、ヨー角の変化量を計算し、設計面のパラメータを車体座標系の原点を中心に回転変換する。これにより、回転変換部２１７は、旋回体１４０の旋回による設計面の回転をキャンセルすることができる。

介入判定部２１８は、位置特定部２１５が特定したバケット１６３の刃先と設計面との位置関係に基づいて、作業機１６０の速度を制限するか否かを判定する。以下、制御装置２００が作業機１６０の速度を制限することを介入制御ともいう。具体的には、介入判定部２１８は、設計面とバケット１６３との最小距離を求め、当該最小距離が所定距離以下である場合に、作業機１６０について介入制御をすると判定する。

介入制御部２１９は、介入判定部２１８によって介入制御を行うと判定された場合に、操作量取得部２１１が取得した操作量のうち介入対象の操作量を制御する。介入制御において介入制御部２１９は、制御線に作業機１６０が侵入しないように、ブーム１６１の操作量を制御する。これにより、バケット１６３の速度がバケット１６３と制御線との距離に応じた速度となるように、ブーム１６１が駆動する。つまり介入制御部２１９は、オペレータがアーム１６２を操作して掘削を行うときに、設計面に応じてブーム１６１を上昇させることでバケット１６３の刃先の速度を制限する。

制御信号出力部２２０は、操作量取得部２１１が取得した操作量、または介入判定部２１８によって制御された操作量をコントロールバルブ１１３に出力する。

更新部２２１は、作業機械１００の走行に伴って、メインメモリ２３０に記憶された設計面のパラメータを更新する。具体的には、作業機械１００の走行前後に、オペレータが作業機１６０を操作し、バケット１６３の刃先を現場の特定の位置に触れさせる。更新部２２１は、走行前後の車体座標系におけるバケット１６３の刃先の位置の違いに基づいて、設計面を移動させる。

《位置特定部２１５の計算》
ここで、位置特定部２１５によるバケット１６３の刃先の位置の特定方法を説明する。位置特定部２１５は、計測値取得部２１４が取得した各種計測値とストレージ２５０に記録されたジオメトリデータとに基づいてバケット１６３の刃先の位置を特定する。ストレージ２５０には、旋回体１４０、ブーム１６１、アーム１６２及びバケット１６３の寸法を表すジオメトリデータが記録される。

旋回体１４０のジオメトリデータは、ローカル座標系である車体座標系における旋回体１４０のブーム１６１を支持するピンの位置（ｘ_ｂｍ、ｙ_ｂｍ、ｚ_ｂｍ）を示す。車体座標系は、旋回体１４０の旋回中心を基準として前後方向に伸びるＸ_ｓｂ軸、左右方向に伸びるＹ_ｓｂ軸、上下方向に伸びるＺ_ｓｂ軸から構成される座標系である。なお、旋回体１４０の上下方向は、必ずしも鉛直方向と一致しない。

ブーム１６１のジオメトリデータは、ローカル座標系であるブーム座標系におけるブームトップ位置（ｘ_ａｍ、ｙ_ａｍ、ｚ_ａｍ）を示す。ブーム座標系は、ブーム１６１と旋回体１４０とを接続するピンの位置を基準として、長手方向に伸びるＸ_ｂｍ軸、ピンが伸びる方向に伸びるＹ_ｂｍ軸、Ｘ_ｂｍ軸とＹ_ｂｍ軸に直交するＺ_ｂｍ軸から構成される座標系である。ブームトップは、ブーム１６１とアーム１６２を接続するピンの位置である。

アーム１６２のジオメトリデータは、ローカル座標系であるアーム座標系におけるアームトップ位置（ｘ_ｂｋ、ｙ_ｂｋ、ｚ_ｂｋ）を示す。アーム座標系は、アーム１６２とブーム１６１とを接続するピンの位置を基準として、長手方向に伸びるＸ_ａｍ軸、ピンが伸びる方向に伸びるＹ_ａｍ軸、Ｘ_ａｍ軸とＹ_ａｍ軸に直交するＺ_ａｍ軸から構成される座標系である。アームトップは、アーム１６２とバケット１６３を接続するピンの位置である。

バケット１６３のジオメトリデータは、ローカル座標系であるバケット座標系におけるバケット１６３の刃先の位置（ｘ_ｅｄ、ｙ_ｅｄ、ｚ_ｅｄ）を示す。バケット座標系は、バケット１６３とアーム１６２とを接続するピンの位置を基準として、刃先の方向に伸びるＸ_ｂｋ軸、ピンが伸びる方向に伸びるＹ_ｂｋ軸、Ｘ_ｂｋ軸とＹ_ｂｋ軸に直交するＺ_ｂｋ軸から構成される座標系である。

位置特定部２１５は、計測値取得部２１４が取得したブーム角θ_ｂｍの計測値と、旋回体１４０のジオメトリデータとに基づいて、下記式（１）により、ブーム座標系から車体座標系へ変換するためのブーム－車体変換行列Ｔ^ｂｍ _ｓｂを生成する。ブーム－車体変換行列Ｔ^ｂｍ _ｓｂは、Ｙ_ｂｍ軸回りにブーム角θ_ｂｍだけ回転させ、かつ車体座標系の原点とブーム座標系の原点の偏差（ｘ_ｂｍ、ｙ_ｂｍ、ｚ_ｂｍ）だけ移動させる行列である。また、位置特定部２１５は、ブーム１６１のジオメトリデータが示すブーム座標系におけるブームトップの位置と、ブーム－車体変換行列Ｔ^ｂｍ _ｓｂとの積を求めることで、車体座標系におけるブームトップの位置を求める。

位置特定部２１５は、計測値取得部２１４が取得したアーム角θ_ａｍの計測値と、ブーム１６１のジオメトリデータとに基づいて、下記式（２）により、アーム座標系からブーム座標系へ変換するためのアーム－ブーム変換行列Ｔ^ａｍ _ｂｍを生成する。アーム－ブーム変換行列Ｔ^ａｍ _ｂｍは、Ｙ_ａｍ軸回りにアーム角θ_ａｍだけ回転させ、かつブーム座標系の原点とアーム座標系の原点の偏差（ｘ_ａｍ、ｙ_ａｍ、ｚ_ａｍ）だけ移動させる行列である。また、位置特定部２１５は、ブーム－車体変換行列Ｔ^ｂｍ _ｓｂとアーム－ブーム変換行列Ｔ^ａｍ _ｂｍの積を求めることで、アーム座標系から車体座標系へ変換するためのアーム－車体変換行列Ｔ^ａｍ _ｓｂを生成する。また、位置特定部２１５は、アーム１６２のジオメトリデータが示すアーム座標系におけるアームトップの位置と、アーム－車体変換行列Ｔ^ａｍ _ｓｂとの積を求めることで、車体座標系におけるアームトップの位置を求める。

位置特定部２１５は、計測値取得部２１４が取得したバケット角θ_ｂｋの計測値と、アーム１６２のジオメトリデータとに基づいて、下記式（３）により、バケット座標系からアーム座標系へ変換するためのバケット－アーム変換行列Ｔ^ｂｋ _ａｍを生成する。バケット－アーム変換行列Ｔ^ｂｋ _ａｍは、Ｙ_ｂｋ軸回りにバケット角θ_ｂｋだけ回転させ、かつアーム座標系の原点とバケット座標系の原点の偏差（ｘ_ｂｋ、ｙ_ｂｋ、ｚ_ｂｋ）だけ移動させる行列である。また、位置特定部２１５は、アーム－車体変換行列Ｔ^ａｍ _ｓｂとバケット－アーム変換行列Ｔ^ｂｋ _ａｍの積を求めることで、バケット座標系から車体座標系へ変換するためのバケット－車体変換行列Ｔ^ｂｋ _ｓｂを生成する。

位置特定部２１５は、バケット１６３のジオメトリデータが示すバケット座標系における刃先の位置と、バケット－車体変換行列Ｔ^ｂｋ _ｓｂとの積を求めることで、車体座標系におけるバケット１６３の刃先の位置を求める。

《作業機械１００の制御方法》
以下、第１の実施形態に係る作業機械１００の制御方法について説明する。
まず作業機械１００のオペレータは、モニタ装置１４２を操作し、設計面の設定を行う。

《設計面の設定》
図５は、第１の実施形態に係る設計面の設定方法を示すフローチャートである。
入力部２１２がモニタ装置１４２から設計面の設定指示を受け付けると、表示制御部２１３は、距離入力欄と、傾斜角入力欄と、設定ボタンとを含むガイダンス画面をモニタ装置１４２に表示させる（ステップＳ１０１）。ガイダンス画面には、設計面を設定したい点の上方にバケット１６３の刃先を移動させ、距離入力欄に刃先から設計面までの距離を、傾斜角入力欄に設計面の傾斜角を入力し、設定ボタンを操作する旨が表示される。距離入力欄および傾斜角入力欄には、初期値として距離０メートル、ピッチ角０度、ロール角０度が入力される。以下、距離入力欄に入力される距離を入力距離といい、傾斜角入力欄に入力される傾斜角を入力傾斜角（入力ピッチ角、入力ロール角）という。オペレータは、作業機械１００を操作し、バケット１６３の刃先を所望の位置に移動させた後に設定ボタンを操作する。入力部２１２はモニタ装置１４２から距離入力欄および傾斜角入力欄への入力ならびに設定ボタンの操作を受け付ける（ステップＳ１０２）。入力部２１２は、設定ボタンが操作された時点における距離入力欄および傾斜角入力欄の値を取得する（ステップＳ１０３）。なお、入力傾斜角は、鉛直方向と、設計面の設定時における作業機械１００の前方を基準とした傾斜角である。つまり、入力ピッチ角および入力ロール角は、設計面の法線の鉛直軸に対する傾きである。

計測値取得部２１４は、設定ボタンが操作された時点における傾斜計測器１０１、旋回角センサ１０２、ブーム角センサ１０３、アーム角センサ１０４およびバケット角センサ１０５の計測値を取得する（ステップＳ１０４）。位置特定部２１５は、取得した計測値に基づいて車体座標系におけるバケット１６３の刃先の位置を特定する（ステップＳ１０５）。

生成部２１６は、ステップＳ１０４で傾斜計測器１０１から取得したロール角およびピッチ角（計測ロール角および計測ピッチ角）と、ステップＳ１０５で求めた刃先の位置と、ステップＳ１０３で取得した入力距離と入力傾斜角とに基づいて、設計面のパラメータを算出する。生成部２１６は、Ｘ_ｓｂ軸の値が０、Ｙ_ｓｂ軸の値が０、Ｚ_ｓｂ軸の値が１のベクトルを、計測ロール角および計測ピッチ角だけ回転させることで、車体座標系における鉛直ベクトルを求める（ステップＳ１０６）。生成部２１６は、ステップＳ１０４で求めた刃先の位置を示すベクトルと、鉛直ベクトルに距離を乗算した深度ベクトルとの和を求めることで、設計面の位置ベクトルを得る（ステップＳ１０７）。また生成部２１６は、鉛直ベクトルと入力傾斜角とに基づいて設計面の法線ベクトルを得る（ステップＳ１０８）。具体的には、生成部２１６は、車体座標系と原点を共有し、鉛直方向に伸びるＺ_ｖ軸と、計測ロール角および計測ピッチ角がゼロのときに車体座標系のＸ_ｓｂ軸と一致するＸ_ｖ軸と、計測ロール角および計測ピッチ角がゼロのときに車体座標系のＹ_ｓｂ軸と一致するＹ_ｖ軸とで構成される直交座標系である鉛直座標系を特定する。つまり、鉛直座標系は、計測ロール角および計測ピッチ角がゼロのときに車体座標系と一致する。生成部２１６は、鉛直座標系をＹ_ｖ軸回りに入力ピッチ角だけ回転させる。また、生成部２１６は、鉛直座標系をＸ_ｖ軸回りに入力ロール角だけ回転させる。生成部２１６は、Ｙ_ｖ軸回りに回転させた鉛直座標系のＸ_ｖ軸方向に伸びる単位ベクトルとＸ_ｖ軸回りに回転させた鉛直座標系のＹ_ｖ軸方向に伸びる単位ベクトルとの外積を取ることで、鉛直座標系における設計面の法線ベクトルを求める。生成部２１６は、鉛直座標系における法線ベクトルを計測ロール角および計測ピッチ角だけ回転させることで、車体座標系における設計面の法線ベクトルを求める。

生成部２１６は、生成した設計面のパラメータ（法線ベクトルおよび位置ベクトル）をメインメモリ２３０に記録する（ステップＳ１０９）。なお、メインメモリ２３０に既に設計面のパラメータが記録されている場合、古いパラメータを新たなパラメータで上書きする。

《旋回に伴う設計面の更新および介入制御》
作業機械１００は、旋回体１４０を旋回させて作業機１６０が届く範囲内の作業を行うことができる。そのため、通常、オペレータは、掘削などの作業を行う場合、作業機械１００を旋回させる。車体座標系は旋回体１４０を基準とするため、車体座標系に設定される設計面と作業機１６０との位置関係は、作業機械１００の旋回によって変化しない。そのため、設計面が上記手順で設定されたまま更新されない場合、設計面は、グローバル座標系の視点から見て旋回体１４０の旋回に追従して移動するようにふるまう。例えば、旋回体１４０から見て下り坂となる設計面を生成すると、旋回体１４０をどのように旋回させても、旋回体１４０から見た設計面の傾き方向は常に下り坂が維持される。
そのため、第１の実施形態に係る制御装置２００は、作業機械１００の旋回前後でグローバル座標系における設計面の位置を維持するために、設計面の回転変換処理を行う。

図６は、第１の実施形態において設定された旋回に伴う設計面の更新および介入制御を示すフローチャートである。作業機械１００のオペレータがモニタ装置１４２の操作によって設計面を設定すると、制御装置２００は、以下に示す制御を開始する。

操作量取得部２１１は、操作装置１４１からブーム１６１、アーム１６２、バケット１６３、および旋回体１４０の操作信号を取得する（ステップＳ２０１）。計測値取得部２１４は、傾斜計測器１０１、旋回角センサ１０２、ブーム角センサ１０３、アーム角センサ１０４およびバケット角センサ１０５の計測値を取得する（ステップＳ２０２）。

回転変換部２１７は、メインメモリ２３０が記憶する設計面を、ステップＳ２０２で傾斜計測器１０１から取得した旋回体１４０のロール角、ピッチ角、ヨー角に基づいて回転変換し、更新する（ステップＳ２０３）。

位置特定部２１５は、ステップＳ２０２で取得した計測値に基づいて車体座標系におけるバケット１６３の刃先の位置を算出する（ステップＳ２０４）。介入判定部２１８は、ステップＳ２０４で算出した刃先の位置を通り、車体座標系のＸ_ｓｂ－Ｚ_ｓｂ平面に平行な断面を特定する（ステップＳ２０５）。

介入判定部２１８は、ステップＳ２０５で生成した断面と設計面との交線を制御線として算出する（ステップＳ２０６）。介入判定部２１８は、バケット１６３の刃先と制御線との距離を求める（ステップＳ２０７）。介入判定部２１８は、刃先と制御線との距離が、介入開始距離より長いか否かを判定する（ステップＳ２０８）。距離が介入開始距離より長い場合（ステップＳ２０８：ＹＥＳ）、介入制御部２１９は作業機１６０についての介入制御を行わない。

他方、最短距離が介入開始距離以下である場合（ステップＳ２０８：ＮＯ）、介入制御部２１９は、ステップＳ２０１で取得したブーム１６１、アーム１６２およびバケット１６３の操作信号に基づいてブーム１６１、アーム１６２およびバケット１６３の目標速度を算出する（ステップＳ２０９）。介入制御部２１９は、ブーム１６１、アーム１６２およびバケット１６３の目標速度とジオメトリデータとに基づいて、バケット１６３の刃先の移動速度を算出する（ステップＳ２１０）。

介入制御部２１９は、ステップＳ２０７で算出した距離と予め定められた制限速度テーブルとに基づいてバケット１６３の刃先の制限速度を特定する（ステップＳ２１１）。制限角速度テーブルは、刃先と制御線との距離と、刃先の制限速度との関係を示す関数であって、距離が短いほど制限速度が小さくなる関数である。介入制御部２１９は、ステップＳ２１０で算出した刃先の速度が制限速度を超えるか否かを判定する（ステップＳ２１２）。刃先の速度が制限速度を超える場合（ステップＳ２１２：ＹＥＳ）、介入制御部２１９は、刃先の速度を制限速度と一致させるためのブーム１６１の速度を算出し、ブームの目標速度を設定する（ステップＳ２１３）。刃先の速度が制限速度を超えない場合（ステップＳ２１２：ＮＯ）、介入制御部２１９は、作業機１６０についての介入制御を行わない。

制御信号出力部２２０は、ブーム１６１、アーム１６２、バケット１６３の目標速度および旋回体１４０の目標角速度に基づいて制御信号を生成し、コントロールバルブ１１３に出力する（ステップＳ２１４）。

《移動に伴う設計面の更新》
作業機械１００の施工現場は、通常、旋回体１４０の旋回によって作業機１６０が届く範囲内に収まらない。そのため、オペレータは、作業機械１００を走行させ、作業機械１００の位置を移動させながら現場の施工を行う。第１の実施形態に係る設計面は、車体座標系に設定されるため、作業機械１００の位置が移動した場合、設計面はグローバル座標系の視点からみて旋回体１４０に追従して移動するようにふるまう。例えば、設計面にピッチ角θが設定されている場合、設計面の高さは１メートルごとにｔａｎθ変化すべきところ、作業機械１００が１メートル移動しても、設計面の高さは変化しない。
そのため、第１の実施形態に係る制御装置２００は、作業機械１００の移動前後でグローバル座標系における設計面の位置を維持するために、図７に示す設計面の更新処理を行う。

図７は、第１の実施形態に係る制御装置による設計面の更新処理を示すフローチャートである。
オペレータは、設計面の施工中に作業機械１００を移動させる際に、モニタ装置１４２を操作し、更新処理の実行指示を入力する。制御装置２００の入力部２１２がモニタ装置１４２から更新処理の実行指示を受け付けると、表示制御部２１３は、設定ボタンとを含む第１ガイダンス画面をモニタ装置１４２に表示させる（ステップＳ３０１）。ガイダンス画面には、移動前後で共通してバケット１６３で触れることのできる目標物にバケット１６３の刃先を当て、設定ボタンを操作する旨が表示される。オペレータは作業機械１００を操作し、バケット１６３の刃先を目標物に当てた後に設定ボタンを操作する。入力部２１２はモニタ装置１４２から設定ボタンの操作を受け付ける（ステップＳ３０２）。

計測値取得部２１４は、第１ガイダンス画面の設定ボタンが操作された時点（第１の時刻）における傾斜計測器１０１、旋回角センサ１０２、ブーム角センサ１０３、アーム角センサ１０４およびバケット角センサ１０５の計測値を取得する（ステップＳ３０３）。位置特定部２１５は、取得した計測値に基づいて車体座標系におけるバケット１６３の刃先の位置を特定する（ステップＳ３０４）。つまり、位置特定部２１５は、第１の時刻の車体座標系における目標物の位置を特定する。位置特定部２１５は、特定した刃先の位置をメインメモリ２３０に記録する。

次に、表示制御部２１３は、設定ボタンとを含む第２ガイダンス画面をモニタ装置１４２に表示させる（ステップＳ３０５）。ガイダンス画面には、作業機械１００を走行させて所望の位置に移動し、同じ目標物にバケット１６３の刃先を当て、設定ボタンを操作する旨が表示される。オペレータは作業機械１００を操作し、作業機械１００を走行させる。

オペレータが作業機械１００を操作している間、計測値取得部２１４は、傾斜計測器１０１、旋回角センサ１０２、ブーム角センサ１０３、アーム角センサ１０４およびバケット角センサ１０５の計測値を取得する（ステップＳ３０６）。更新部２２１は、設定ボタンが操作されたか否かを判定する（ステップＳ３０７）。設定ボタンが操作されていない場合（ステップＳ３０７：ＮＯ）、つまり所望の位置への移動が完了していない場合、回転変換部２１７は、メインメモリ２３０が記憶する設計面を、傾斜計測器１０１の計測値に基づいて回転変換し、更新する（ステップＳ３０８）。そして、制御装置２００は処理をステップＳ３０６に戻し、設定ボタンが操作されるまで処理を繰り返す。

設定ボタンが操作された場合（ステップＳ３０７：ＹＥＳ）、つまり所望の位置への移動が完了した場合、位置特定部２１５は、計測値取得部２１４が取得した計測値に基づいて車体座標系におけるバケット１６３の刃先の位置を特定する（ステップＳ３０９）。つまり、位置特定部２１５は、第２ガイダンス画面の設定ボタンが操作された時点（第２の時刻）の車体座標系における目標物の位置を特定する。

次に、更新部２２１は、ステップＳ３０４で特定された刃先の位置を示す位置ベクトルと、ステップＳ３０９で特定された刃先の位置を示す位置ベクトルとの差である並進ベクトルを算出する（ステップＳ３１０）。更新部２２１は、算出した並進ベクトルを用いて、メインメモリ２３０が記憶する設計面を移動させ、更新する（ステップＳ３１１）。これにより、更新部２２１は、走行前後でグローバル座標系における設計面の位置を維持することができる。

《作用・効果》
ここで、更新部２２１による設計面の更新処理について図を参照しながら説明する。図８は、第１の実施形態における作業機械１００の移動前後の設計面の変化を示す図である。図８に示す例では、設計面はピッチ角を有する。オペレータは、時刻ｔ１においてバケット１６３の刃先を目標物ｔｇｔに当てたのち、距離Ｌだけ作業機械１００を後方に走行させる。設計面ｓが車体座標系で規定されているため、作業機械１００が移動しても旋回体１４０と設計面ｓとの相対的な位置関係が保持される。そのため、グローバル座標系の視点において、作業機械１００の移動前の設計面ｓ１と移動後の設計面ｓ２との間にはずれが生じる。このとき、時刻ｔ１に記録したバケット１６３の刃先の位置と旋回体１４０との相対的な位置関係も、設計面ｓと同様に保持される。

図９は、第１の実施形態における設計面の移動を示す図である。その後、時刻ｔ２において、オペレータがバケット１６３の刃先を再度目標物ｔｇｔに当てる。更新部２２１は、時刻ｔ１における刃先の位置と時刻ｔ２における刃先の位置から、刃先の位置の変化量を表す並進ベクトルｖを算出する。並進ベクトルｖは、図８に示すように作業機械１００の移動量に対応する。そのため、更新部２２１は、移動後の設計面ｓ２を、並進ベクトルｖによって移動させることで、設計面ｓ２を設計面ｓ３に更新する。移動後の設計面ｓ３は、グローバル座標系の視点において、作業機械１００の移動前の設計面ｓ１と等しくなる。

このように、第１の実施形態に係る制御装置２００は、第１の時刻においてバケット１６３の刃先を現場の基準点（例えば目標物）に位置させたときの刃先の車体座標系における位置と、第２の時刻において刃先を基準点に位置させたときの刃先の位置との差に基づいて、設計面を移動させる。これにより、制御装置２００は、走行によって作業機械１００の位置が変わったとしても、グローバル座標系における設計面の位置を維持することができる。

また、第１の実施形態に係る制御装置２００は、第１の時刻から第２の時刻の間、旋回体１４０の姿勢の計測値に基づいて、設計面を回転変換する。これにより、制御装置２００は、作業機械１００の移動によって作業機械１００の姿勢が変化したとしても、グローバル座標系における設計面の位置を維持することができる。なお、他の実施形態において、作業機械１００が常に同じ姿勢を保つことができる場合、制御装置２００は設計面の回転変換を行わなくてもよい。常に同じ姿勢を保つ作業機械１００の例としては、ねじれのない直線状のレールの上を走行する作業機械１００などが挙げられる。

〈他の実施形態〉
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。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
上述した実施形態に係る制御装置２００は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、制御装置２００の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで制御装置２００として機能するものであってもよい。このとき、制御装置２００を構成する一部のコンピュータが作業機械１００の内部に搭載され、他のコンピュータが作業機械１００の外部に設けられてもよい。

１００…作業機械 １０１…傾斜計測器 １０２…旋回角センサ １０３…ブーム角センサ １０４…アーム角センサ １０５…バケット角センサ １１１…エンジン １１２…油圧ポンプ １１３…コントロールバルブ １１４…走行モータ １１５…旋回モータ １１６…ブームシリンダ １１７…アームシリンダ １１８…バケットシリンダ １２０…走行体 １４０…旋回体 １４１…操作装置 １４２…モニタ装置 １６０…作業機 １６１…ブーム １６２…アーム １６３…バケット １８０…運転室 ２００…制御装置 ２１０…プロセッサ ２１１…操作量取得部 ２１２…入力部 ２１３…表示制御部 ２１４…計測値取得部 ２１５…位置特定部 ２１６…生成部 ２１７…回転変換部 ２１８…介入判定部 ２１９…介入制御部 ２２０…制御信号出力部 ２２１…更新部 ２３０…メインメモリ ２５０…ストレージ ２７０…インタフェース

Claims (6)

1. 走行可能な走行体と、前記走行体に旋回可能に支持される旋回体と、前記旋回体に動作可能に支持された作業機とを備える作業機械を制御する制御システムであって、
   プロセッサを備え、
   前記プロセッサは、
   前記旋回体の代表点を原点とする車体座標系上に平面で規定される設計面を生成し、
   前記旋回体の旋回に伴って、前記設計面を前記車体座標系の原点回りに回転変換し、
   前記車体座標系における前記作業機の位置を特定し、
   前記特定された前記作業機の位置と前記設計面とに基づいて、前記作業機を制御する
   制御システム。
2. 前記プロセッサは、
   前記旋回体の姿勢を計測する傾斜計測器から計測値を取得し、
   前記計測値に基づいて前記旋回体の旋回によって生じる前記姿勢の変化量を計算し、
   前記姿勢の変化量に基づいて、前記設計面を回転変換する
   請求項１に記載の制御システム。
3. 前記プロセッサは、
   第１の時刻において前記作業機を現場の基準点に位置させたときの前記車体座標系における前記作業機の位置である第１位置と、第２の時刻において前記作業機を前記基準点に位置させたときの前記車体座標系における前記作業機の位置である第２位置との差に基づいて、前記設計面を移動させる
   請求項１または請求項２に記載の制御システム。
4. 前記第１の時刻は前記走行体による走行前の時刻であり、
   前記第２の時刻は前記走行体による走行後の時刻である
   請求項３に記載の制御システム。
5. 走行可能な走行体と、前記走行体に旋回可能に支持される旋回体と、前記旋回体に動作可能に支持された作業機とを備える作業機械の制御方法であって、
   前記旋回体の代表点を原点とする車体座標系上に平面で規定される設計面を生成するステップと、
   前記旋回体の旋回に伴って、前記設計面を前記車体座標系の原点回りに回転変換するステップと、
   前記車体座標系における前記作業機の位置を特定するステップと、
   前記特定された前記作業機の位置と前記設計面とに基づいて、前記作業機を制御するステップと
   を備える制御方法。
6. 走行可能な走行体と、前記走行体に旋回可能に支持される旋回体と、前記旋回体に動作可能に支持された作業機とを備える作業機械のコンピュータに、
   前記旋回体の代表点を原点とする車体座標系上に平面で規定される設計面を生成するステップと、
   前記旋回体の旋回に伴って、前記設計面を前記車体座標系の原点回りに回転変換するステップと、
   前記車体座標系における前記作業機の位置を特定するステップと、
   前記特定された前記作業機の位置と前記設計面とに基づいて、前記作業機を制御するステップと
   を実行させる制御プログラム。

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