JP2023045554A - 作業機械を制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】較正を行うための設備の制限が少ない作業機械を制御するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】コントローラは、車体センサが検出した車体のロール角とピッチ角とを取得する。コントローラは、作業機センサ検出した作業機のロール角を取得する。コントローラは、車体のロール角と作業機のロール角との差分と、車体のピッチ角とに基づいて、車体に対する車体センサのヨー角誤差を算出する。コントローラは、車体センサのヨー角誤差を用いて、車体センサを較正する。【選択図】図７

Description

本発明は、作業機械を制御するためのシステム及び方法に関する。

作業機械には、作業機械の姿勢を検出するためのセンサを備えるものがある。例えば、特許文献１の作業機械は、車体と、車体に取り付けられた作業機と、姿勢センサとを備えている。姿勢センサは、車体に取り付けられている。姿勢センサは、車体の姿勢を示す車体のピッチ角とロール角とを検出する。

特開２０２０－１３３２３５号公報

上述した姿勢センサによって車体のロール角とピッチ角とを精度よく検出するためには、姿勢センサのヨー角が車体のヨー角と一致するように、姿勢センサが車体に取り付けられる必要がある。すなわち、姿勢センサの前方向が車体の前方向と一致する必要がある。しかし、姿勢センサの取付誤差によって、姿勢センサのヨー角が、車体のヨー角に対してずれた場合、傾斜地において、姿勢センサが検出する車体のロール角とピッチ角とに誤差が生じる。

このような姿勢センサの誤差を較正するための方法として、例えば次のようなものがある。まず、作業機械が、傾斜角度が既知である斜面上に配置される。その際、斜面に対して作業機械の向きが一致するように、作業機械が配置される。姿勢センサのヨー角が、車体のヨー角に対してずれていなければ、この状態では、作業機械の車体のロール角はゼロ度となる。

従って、車体のロール角がゼロではない場合には、姿勢センサのヨー角誤差によって、ロール角に誤差が生じていることになる。そのため、上記の状態で姿勢センサが検出した車体のロール角がゼロになるような車体のヨー角を算出することで、姿勢センサのヨー角誤差を得ることができる。

しかし、上記のような較正方法では、傾斜角度が既知である斜面が必要である。そのため、較正を行うための設備、或いは地形が限られる。また、斜面に対して作業機械の向きが精度よく一致するように、作業機械を斜面上に配置する必要がある。そのような作業機械の精密な操作は容易ではなく、多くの時間がかかる。本発明の目的は、較正を行うための設備の制限が少ない作業機械を制御するためのシステム及び方法を提供することにある。

本発明の一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。作業機械は、車体と作業機とを備える。作業機は、車体に支持される。システムは、車体センサと、作業機センサと、コントローラとを備える。車体センサは、車体に取り付けられる。車体センサは、車体のロール角とピッチ角とヨー角とを検出する。作業機センサは、作業機に取り付けられる。作業機センサは、作業機のロール角を検出する。

コントローラは、車体センサが検出した車体のロール角とピッチ角とを取得する。コントローラは、作業機センサが検出した作業機のロール角を取得する。コントローラは、車体のロール角と作業機のロール角との差分と、車体のピッチ角とに基づいて、車体に対する車体センサのヨー角誤差を算出する。コントローラは、車体センサのヨー角誤差を用いて、車体センサを較正する。

本発明の他の態様に係る方法は、作業機械を制御するコントローラによって実行される方法である。作業機械は、車体と、作業機と、車体センサと、作業機センサとを備える。作業機は、車体に支持される。車体センサは、車体に取り付けられる。車体センサは、車体のロール角とピッチ角とヨー角とを検出する。作業機センサは、作業機に取り付けられる。作業機センサは、作業機のロール角を検出する。

当該方法は、車体センサが検出した車体のロール角とピッチ角とを取得することと、作業機センサ検出した作業機のロール角を取得することと、車体のロール角と作業機のロール角との差分と、車体のピッチ角とに基づいて、車体に対する車体センサのヨー角誤差を算出することと、車体センサのヨー角誤差を用いて、車体センサを較正すること、を備える。

本発明によれば、作業機センサによって検出された作業機のロール角と、車体センサによって検出された車体のロール角との差分を用いて、車体センサのヨー角誤差が算出される。それにより、傾斜角度が分からない斜面上であっても、また、斜面に対して車体の向きが厳密に一致していなくても、精度よく車体センサを較正することができる。そのため、本発明によれば、較正を行うための設備の制限が少ない。また、較正のための時間が短縮される。

実施形態に係る作業機械を示す側面図である。 作業機械の上面図である。 作業機械の制御システムを示すブロック図である。 車体センサにヨー角誤差が無い場合の作業機械の模式的な上面図である。 車体のピッチ角を示す作業機械の模式的な側面図である。 車体のロール角を示す作業機械の模式的な背面図である。 車体センサにヨー角誤差がある場合の作業機械の模式的な上面図である。 車体センサにヨー角誤差がある場合の作業機械の模式的な背面図である。

以下、実施形態に係る作業機械について、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。図２は、作業機械１の上面図である。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２と、作業機３とを備えている。

車体２は、運転室５と、動力室６と、走行装置７とを含む。運転室５には、図示しない運転席が配置されている。動力室６は、運転室５の前方に配置されている。走行装置７は、車体２を支持している。走行装置７は、左右の履帯８ａ，８ｂを含む。履帯８ａ，８ｂが回転することによって、作業機械１が走行する。

作業機３は、車体２の前方に配置されている。作業機３は、リフト軸Ａ１回りに揺動可能に支持される。リフト軸Ａ１は、車体２の左右方向に延びている。作業機３は、作業具１０と作用機フレーム１１とを含む。本実施形態において、作業具１０は、ブレードである。作業機フレーム１１は、作業具１０を支持する。図２に示すように、作業機フレーム１１は、第１フレーム１２と、第２フレーム１３と、連結部１４とを含む。

第１フレーム１２と第２フレーム１３とは、作業機械１の前後方向に延びている。第１フレーム１２と第２フレーム１３とは、左右方向に互いに離れて配置されている。第１フレーム１２と第２フレーム１３とは、リフト軸Ａ１回りに揺動可能に車体２に支持されている。連結部１４は、第１フレーム１２と第２フレーム１３とを連結する。連結部１４は、作業具１０に接続されている。第１フレーム１２と、第２フレーム１３と、連結部１４とは、一体的にリフト軸Ａ１回りに揺動する。

作業機３は、複数のアクチュエータ１５，１６を含む。複数のアクチュエータ１５，１６は、第１リフトアクチュエータ１５と、第２リフトアクチュエータ１６とを含む。第１リフトアクチュエータ１５と第２リフトアクチュエータ１６とは、作業機械１の左右方向に互いに離れて配置されている。

第１リフトアクチュエータ１５は、車体２と第１フレーム１２とに接続されている。第２リフトアクチュエータ１６は、車体２と第２フレーム１３とに接続されている。第１リフトアクチュエータ１５と第２リフトアクチュエータ１６とは、油圧シリンダである。第１リフトアクチュエータ１５と第２リフトアクチュエータ１６とは、作業機フレーム１１をリフト軸Ａ１回りに上下に揺動させる。それにより、作業機３が、上下にリフト動作する。

図３は、作業機械１の制御システムの構成を示すブロック図である。図３に示すように、作業機械１は、動力源３０と、油圧ポンプ３１と、動力伝達装置３２と、を備えている。動力源３０は、例えば内燃エンジンである。ただし、動力源３０は、電動モータであってもよい。或いは、動力源３０は、内燃エンジンと電動モータとのハイブリッドであってもよい。

油圧ポンプ３１は、動力源３０によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ３１から吐出された作動油は、リフトアクチュエータ１５，１６に供給される。なお、図３では、１つの油圧ポンプ３１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。

動力伝達装置３２は、動力源３０の駆動力を走行装置７に伝達する。動力伝達装置３２は、例えば、ＨＳＴ（Hydro Static Transmission）であってもよい。或いは、動力伝達装置３２は、例えば、トルクコンバータ、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。

作業機械１は、コントローラ３３と制御弁３４とを備える。コントローラ３３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３３は、記憶装置３５とプロセッサ３６とを含む。プロセッサ３６は、例えばＣＰＵを含む。記憶装置３５は、例えばメモリと補助記憶装置とを含む。記憶装置３５は、例えば、ＲＡＭ、或いはＲＯＭなどであってもよい。記憶装置３５は、半導体メモリ、或いはハードディスクなどであってもよい。記憶装置３５は、非一時的な（non-transitory）コンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置３５は、プロセッサ３６によって実行可能であり作業機械１を制御するためのコンピュータ指令を記録している。

制御弁３４は、コントローラ３３からの指令信号によって制御される。制御弁３４は、アクチュエータ１５，１６と、油圧ポンプ３１との間に配置される。制御弁３４は、油圧ポンプ３１からリフトアクチュエータ１５，１６に供給される作動油の流量を制御する。

作業機械１は、操作装置３７と入力装置３８とを備えている。操作装置３７は、例えばレバーを含む。或いは、操作装置３７は、ペダル、或いはスイッチを含んでもよい。オペレータは、操作装置３７を用いて、作業機械１の走行と、作業機３の動作とを手動で操作することができる。例えば、操作装置３７は、作業機３のリフト動作を操作可能である。操作装置３７は、操作装置３７の操作を示す操作信号を出力する。コントローラ３３は、操作装置３７から操作信号を受信する。

入力装置３８は、例えばタッチパネルを含む。ただし、入力装置３８は、スイッチなどの他の装置を含んでもよい。オペレータは、操作装置３７を用いて、作業機械１の制御の設定を行うことができる。入力装置３８は、入力装置３８への入力を示す入力信号を出力する。コントローラ３３は、入力装置３８から入力信号を受信する。

作業機械１は、車体センサ４１と、フレームセンサ４２と、作業具センサ４３とを含む。車体センサ４１は、車体２に取り付けられている。車体センサ４１は、車体２の姿勢を検出する。フレームセンサ４２は、作業機フレーム１１に取り付けられている。フレームセンサ４２は、作業機フレーム１１の姿勢を検出する。作業具センサ４３は、作業機３に取り付けられている。作業具センサ４３は、作業具１０の姿勢を検出する。

車体センサ４１は、車体２のピッチ角とロール角とヨー角とを検出する。フレームセンサ４２は、作業機フレーム１１のピッチ角とロール角とヨー角を検出する。作業具センサ４３は、作業具１０のピッチ角と、ロール角と、ヨー角とを検出する。

車体センサ４１とフレームセンサ４２と作業具センサ４３とは、例えばＩＭＵ（慣性計測装置、Inertial Measurement Unit）などの加速度センサである。ただし、車体センサ４１とフレームセンサ４２と作業具センサ４３とは、ＩＭＵに限らず、他の加速度センサであってもよい。各センサ４１－４３は、重力加速度により、ピッチ角とロール角とを検出する。また、各センサ４１－４３は、起動時を０として、角速度の積算により、ヨー角を検出する。

コントローラ３３は、有線或いは無線により、車体センサ４１とフレームセンサ４２と作業具センサ４３と、通信可能に接続されている。コントローラ３３は、車体センサ４１から車体姿勢データを取得する。車体姿勢データは、車体２のピッチ角とロール角とヨー角とを示す。コントローラ３３は、フレームセンサ４２から、フレーム姿勢データを取得する。フレーム姿勢データは、作業機フレーム１１のピッチ角とロール角とヨー角を示す。コントローラ３３は、作業具センサ４３から、作業具姿勢データを取得する。作業具姿勢データは、作業具１０のピッチ角と、ロール角と、ヨー角とを示す。

コントローラ３３は、車体姿勢データとフレーム姿勢データと作業具姿勢データとに基づいて、作業機械１を制御する。例えば、コントローラ３３は、車体姿勢データとフレーム姿勢データと作業具姿勢データとに基づいて、作業具２０の位置を算出する。コントローラ３３は、作業具２０の位置に基づいて、作業具２０の所望の動作を行うように、制御弁３４を制御してもよい。

次に、車体センサ４１を較正するための方法について説明する。車体センサ４１が車体２に正しい向きに取り付けられている場合、図４に示すように、車体センサ４１のx軸は、車体２の前方向と一致している。すなわち、車体センサ４１と車体２とのヨー角誤差はゼロ度である。この場合、図５に示すように、車体２がピッチ角θpで傾斜しているときには、車体センサ４１は、重力加速度gのx成分gsinθpにより、ピッチ角θpを検出する。また、図６に示すように、車体２がロール角θrで傾斜しているときには、車体センサ４１は、重力加速度gのy成分gsinθrにより、ロール角θrを検出する。なお、図面において、X,Y,Zは、それぞれ車体センサ４１のx軸とY軸とZ軸とを示している、
しかし、図７に示すように、車体センサ４１のX軸が車体２の前方向からズレている場合がある。この場合、車体センサ４１のX軸と車体２の前方向との間のヨー角誤差をφとすると、車体センサ４１は、重力加速度gのｘ成分gsinθpcosφを検出する。しかし、この値は、適切な車体２のピッチ角を示すgsinθpよりも小さい。そのため、車体センサ４１が検出する車体２のピッチ角に誤差が生じる。

また、この場合、車体センサ４１は、図８に示すように、車体２のロール角がゼロであったとしても、重力加速度gのy成分gsinθpsinφを検出する。そのため、車体センサ４１が検出する車体２のロール角に誤差が生じる。ロール角の誤差をβとすると以下の式（１）が成り立つ。
gsinθpsinφ＝gsinβ・・・(1)
コントローラ３３は、以下の式（２）により、ヨー角誤差φを算出する
φ=sin^-1(sin(θr-θR)/sinθp)・・・(2)
θRは、フレームセンサ４２が検出した作業機フレーム１１のロール角である。すなわち、コントローラ３３は、車体２のロール角と作業機フレーム１１のロール角との差分と、車体２のピッチ角とに基づいて、車体２に対する車体センサ４１のヨー角誤差φを算出する。コントローラ３３は、車体センサ４１のヨー角誤差φを用いて、車体センサ４１が検出したピッチ角とロール角とヨー角とを較正する。

なお、車体センサ４１が検出するロール角とピッチ角とは、較正済みであるものとする。また、フレームセンサ４２が検出するロール角とピッチ角とヨー角とは較正ずみであるものとする。

作業機フレーム１１は、車体２に対してロール軸回りに回転不可能に取り付けられる。ロール軸は、車体２の前後方向に延びる。従って、作業機フレーム１１のロール角は、車体２のロール角と一致する。上記の（２）式では、作業機フレーム１１のロール角θRを、車体２の正しいロール角と見なして利用することで、車体２のロール角の誤差と、車体２のピッチ角とに基づいて、車体２に対する車体センサ４１のヨー角誤差φが算出される。

以上説明した本実施形態に係る作業機械１の制御システムでは、フレームセンサ４２によって検出された作業機フレーム１１のロール角と、車体センサ４１によって検出された車体２のロール角との差分を用いて、車体センサ４１のヨー角誤差φが算出される。それにより、傾斜角度が分からない斜面上であっても、また、斜面に対して車体２の、前方向が厳密に一致していなくても、精度よく車体センサ４１を較正することができる。そのため、本実施形態に係る制御システムでは、較正を行うための設備の制限が少ない。また、較正のための時間が低減される。

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、モータグレーダ等の他の車両であってもよい。上記の実施形態では、作業機フレーム１１は、履帯８ａ，８ｂの内側に配置されている。しかし、作業機フレーム１１は、履帯８ａ，８ｂの外側に配置されてもよい。

コントローラ３３は、互いに別体の複数のコントローラを有してもよい。作業機械１は、遠隔から操作可能であってもよい。その場合、コントローラ３３と操作装置３７と入力装置３８とは、作業機械１の外部に配置されてもよい。コントローラ３３は、作業機械１と無線通信を行うことで。作業機械１を制御してもよい。

コントローラ３３による処理は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。コントローラ３３による処理の一部が省略されてもよい。或いは、上述した処理の一部が変更されてもよい。

例えば、作業機センサは、フレームセンサ４２ではなく、作業具センサ４３であってもよい。すなわち、コントローラ３３は、車体２のロール角と作業具１０のロール角との差分と、車体２のピッチ角とに基づいて、車体２に対する車体センサ４１のヨー角誤差φを算出してもよい。

上記の実施形態では、フレームセンサ４２は較正済みであるものとしている。しかし、コントローラ３３は、以下の方法により、フレームセンサ４２のヨー角を較正してもよい。コントローラ３３は、作業機フレーム１１をリフト軸Ａ１回りに揺動させながら、作業機フレーム１１のロール角の変化が０になるように、作業機フレーム１１に対するフレームセンサ４２のヨー角誤差を算出してもよい。コントローラ３３は、フレームセンサ４２のヨー角誤差を用いて、フレームセンサ４２を較正してもよい。

フレームセンサ４２のヨー角誤差がゼロであるときには、作業機３のリフト動作に応じて、作業機３のピッチ角は変化するが、作業機３のロール角は変化しない。従って、コントローラ３３は、作業機３がリフト動作しても作業機３のロール角がゼロとなるようなフレームセンサ４２のヨー角を、ヨー角誤差として算出することができる。このように、作業機３のリフト動作によって、フレームセンサ４２のヨー角誤差を容易、且つ、精度よく算出することができる。

本発明によれば、較正を行うための設備の制限が少なく、且つ、短時間で較正が可能な作業機械を制御するためのシステム及び方法が提供される。

１：作業機械
２：車体
３：作業機
３３：コントローラ
４１：車体センサ
４２：フレームセンサ
４３：作業具センサ

Claims (6)

1. 作業機械を制御するためのシステムであって、
   前記作業機械は、
   車体と、
   前記車体に支持される作業機と、
   を備え、
   前記システムは、
   前記車体に取り付けられ、前記車体のロール角とピッチ角とヨー角とを検出する車体センサと、
   前記作業機に取り付けられ、前記作業機のロール角を検出する作業機センサと、
   前記車体センサと前記作業機センサと通信可能に接続されるコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記車体センサが検出した前記車体のロール角とピッチ角とを取得し、
   前記作業機センサ検出した前記作業機のロール角を取得し、
   前記車体のロール角と前記作業機のロール角との差分と、前記車体のピッチ角とに基づいて、前記車体に対する前記車体センサのヨー角誤差を算出し、
   前記車体センサの前記ヨー角誤差を用いて、前記車体センサを較正する、
   システム。
2. 前記作業機は、前記車体の左右方向に延びるリフト軸回りに揺動可能に支持される、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記コントローラは、
   前記作業機を前記リフト軸回りに揺動させながら前記作業機のロール角の変化が０になるように、前記作業機に対する前記作業機センサのヨー角誤差を算出し、
   前記作業機センサの前記ヨー角誤差を用いて、前記作業機センサを較正する、
   請求項２に記載のシステム。
4. 作業機械を制御するコントローラによって実行される方法であって、
   前記作業機械は、
   車体と、
   前記車体に支持される作業機と、
   前記車体に取り付けられ、前記車体のロール角とピッチ角とヨー角とを検出する車体センサと、
   前記作業機に取り付けられ、前記作業機のロール角を検出する作業機センサと、
   を備え、
   前記方法は、
   前記車体センサが検出した前記車体のロール角とピッチ角とを取得することと、
   前記作業機センサ検出した前記作業機のロール角を取得することと、
   前記車体のロール角と前記作業機のロール角との差分と、前記車体のピッチ角とに基づいて、前記車体に対する前記車体センサのヨー角誤差を算出することと、
   前記車体センサの前記ヨー角誤差を用いて、前記車体センサを較正すること、
   を備える方法。
5. 前記作業機は、前記車体の左右方向に延びるリフト軸回りに揺動可能に支持される、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記作業機を前記リフト軸回りに揺動させながら前記作業機のロール角の変化が０になるように、前記作業機に対する前記作業機センサのヨー角誤差を算出することと、
   前記作業機センサの前記ヨー角誤差を用いて、前記作業機センサを較正すること、
   をさらに備える請求項５に記載の方法。

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