JP2023083576A - 建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】施工対象を所望の形状に掘削すること。【解決手段】建設機械の制御システムは、施工対象の目標形状を示す設計面を取得する設計面取得部と、作業機の制御量の目標値を生成する目標値生成部と、目標値と作業機の予測モデルとに基づいて作業機の制御量の予測値を算出し、予測値と設計面とに基づいて作業機を制御する駆動量を算出する予測部と、駆動量に基づいて、作業機を制御する制御指令を出力する指令部と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法に関する。

建設機械に係る技術分野において、特許文献１に開示されているような、施工対象の目標形状を示す設計面に従って作業機のバケットを移動させる建設機械の制御システムが知られている。

国際公開第２０１４／１６７７１８号

作業機は、油圧により作動する。設計面が異なる勾配の複数の面によって構成される場合がある。異なる勾配の面の境界をバケットが通過するとき、制御遅れが発生すると、バケットは設計面を追従しきれなくなる可能性がある。その結果、バケットが設計面を掘り込んでしまい、施工対象が所望の形状に施工されない可能性がある。

本発明の態様は、施工対象を所望の形状に掘削することを目的とする。

本発明の態様に従えば、作業機を備える建設機械の制御システムであって、施工対象の目標形状を示す設計面を取得する設計面取得部と、前記作業機の制御量の目標値を生成する目標値生成部と、前記目標値と前記作業機の予測モデルとに基づいて前記作業機の制御量の予測値を算出し、前記予測値と前記設計面とに基づいて前記作業機を制御する駆動量を算出する予測部と、前記駆動量に基づいて、前記作業機を制御する制御指令を出力する指令部と、を備える建設機械の制御システムが提供される。

本発明の態様によれば、施工対象が所望の形状に掘削される。

図１は、本実施形態に係る建設機械の一例を示す斜視図である。 図２は、本実施形態に係る建設機械の制御システムを示すブロック図である。 図３は、本実施形態に係る建設機械を模式的に示す図である。 図４は、本実施形態に係るバケットを模式的に示す図である。 図５は、本実施形態に係る制御装置を示す機能ブロック図である。 図６は、本実施形態に係る目標並進速度算出部によるバケットの目標並進速度の算出方法を説明するための図である。 図７は、本実施形態に係る制限速度テーブルの一例を示す図である。 図８は、本実施形態に係る目標回転速度算出部によるバケットの目標回転速度の算出方法を説明するための図である。 図９は、本実施形態に係る設計面の一例を示す図である。 図１０は、本実施形態に係る設計面の一例を示す図である。 図１１は、本実施形態に係る建設機械の制御方法を示すフローチャートである。 図１２は、本実施形態に係る制御方法により作業機を制御した場合と比較例に係る制御方法により作業機を制御した場合とを比較した結果を示す図である。 図１３は、本実施形態に係る制御方法により作業機を制御した場合と比較例に係る制御方法により作業機を制御した場合とを比較した結果を示す図である。 図１４は、本実施形態に係るコンピュータシステムの一例を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

以下の説明においては、３次元の車体座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を規定して、各部の位置関係について説明する。車体座標系とは、建設機械に固定された原点を基準とする座標系をいう。車体座標系は、建設機械に設定された原点を基準として規定方向に延在するＸ軸と、Ｘ軸と直交するＹ軸と、Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれと直交するＺ軸とによって規定される。Ｘ軸と平行な方向をＸ軸方向とする。Ｙ軸と平行な方向をＹ軸方向とする。Ｚ軸と平行な方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＸ方向とする。Ｙ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＹ方向とする。Ｚ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＺ方向とする。

［建設機械］
図１は、本実施形態に係る建設機械１００の一例を示す斜視図である。本実施形態においては、建設機械１００が油圧ショベルである例について説明する。以下の説明においては、建設機械１００を適宜、油圧ショベル１００、と称する。

図１に示すように、油圧ショベル１００は、油圧により作動する作業機１と、作業機１を支持する旋回体２と、旋回体２を支持する走行体３とを備える。旋回体２は、運転者が搭乗する運転室４を有する。運転室４には、運転者が着座するシート４Ｓが配置される。旋回体２は、走行体３に支持された状態で旋回軸ＲＸを中心に旋回可能である。

走行体３は、一対の履帯３Ｃを有する。履帯３Ｃの回転により、油圧ショベル１００が走行する。なお、走行体３がタイヤを有してもよい。

作業機１は、旋回体２に支持される。作業機１は、旋回体２に連結されるブーム６と、ブーム６の先端部に連結されるアーム７と、アーム７の先端部に連結されるバケット８とを有する。バケット８は、刃先９を有する。本実施形態において、バケット８の刃先９は、ストレート形状の刃の先端部である。なお、バケット８の刃先９は、バケット８に設けられた凸形状の刃の先端部でもよい。

ブーム６は、ブーム軸ＡＸ１を中心に旋回体２に対して回転可能である。アーム７は、アーム軸ＡＸ２を中心にブーム６に対して回転可能である。バケット８は、バケット軸ＡＸ３、チルト軸ＡＸ４、及びローテート軸ＡＸ５のそれぞれを中心にアーム７に対して回転可能である。ブーム軸ＡＸ１、アーム軸ＡＸ２、及びバケット軸ＡＸ３は、Ｙ軸と平行である。チルト軸ＡＸ４は、バケット軸ＡＸ３と直交する。ローテート軸ＡＸ５は、バケット軸ＡＸ３及びチルト軸ＡＸ４のそれぞれと直交する。旋回軸ＲＸは、Ｚ軸と平行である。Ｘ軸方向は、旋回体２の前後方向である。Ｙ軸方向は、旋回体２の車幅方向である。Ｚ軸方向は、旋回体２の上下方向である。シート４Ｓに着座した運転者を基準として作業機１が存在する方向が前方である。

図２は、本実施形態に係る油圧ショベル１００の制御システム２００を示すブロック図である。図３は、本実施形態に係る油圧ショベル１００を模式的に示す図である。図４は、本実施形態に係るバケット８を模式的に示す図である。

図２に示すように、油圧ショベル１００の制御システム２００は、エンジン５と、作業機１を駆動する複数の油圧シリンダ１０と、旋回体２を駆動する旋回モータ１６と、作動油を吐出する油圧ポンプ１７と、油圧ポンプ１７から吐出された作動油を複数の油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６のそれぞれに分配するバルブ装置１８と、旋回体２の位置データを算出する位置演算装置２０と、作業機１の角度θを検出する角度検出装置３０と、作業機１及び旋回体２を操作する操作装置４０と、制御装置５０とを備える。

作業機１は、油圧シリンダ１０が発生する動力により作動する。油圧シリンダ１０は、油圧ポンプ１７から供給された作動油に基づいて駆動する。油圧シリンダ１０は、ブーム６を作動させるブームシリンダ１１と、アーム７を作動させるアームシリンダ１２と、バケット８を作動させるバケットシリンダ１３、チルトシリンダ１４、及びローテートシリンダ１５とを含む。ブームシリンダ１１は、ブーム軸ＡＸ１を中心にブーム６を回転させる動力を発生する。アームシリンダ１２は、アーム軸ＡＸ２を中心にアーム７を回転させる動力を発生する。バケットシリンダ１３は、バケット軸ＡＸ３を中心にバケット８を回転させる動力を発生する。チルトシリンダ１４は、チルト軸ＡＸ４を中心にバケット８を回転させる動力を発生する。ローテートシリンダ１５は、ローテート軸ＡＸ５を中心にバケット８を回転させる動力を発生する。

以下の説明においては、バケット軸ＡＸ３を中心とするバケット８の回転を適宜、バケット回転、と称し、チルト軸ＡＸ４を中心とするバケット８の回転を適宜、チルト回転、と称し、ローテート軸ＡＸ５を中心とするバケット８の回転を適宜、ローテート回転、と称する。

旋回体２は、旋回モータ１６が発生する動力により旋回する。旋回モータ１６は、油圧モータであり、油圧ポンプ１７から供給された作動油に基づいて駆動する。旋回モータ１６は、旋回軸ＲＸを中心に旋回体２を旋回させる動力を発生する。

エンジン５は、旋回体２に搭載される。エンジン５は、油圧ポンプ１７を駆動するための動力を発生する。

油圧ポンプ１７は、油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６を駆動するための作動油を吐出する。

バルブ装置１８は、油圧ポンプ１７から供給された作動油を複数の油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６に分配する複数のバルブを有する。バルブ装置１８は、複数の油圧シリンダ１０のそれぞれに供給される作動油の流量を調整する。油圧シリンダ１０に供給される作動油の流量が調整されることにより、油圧シリンダ１０の作動速度が調整される。バルブ装置１８は、旋回モータ１６に供給される作動油の流量を調整する。旋回モータ１６に供給される作動油の流量が調整されることにより、旋回モータ１６の回転速度が調整される。

位置演算装置２０は、旋回体２の位置データを算出する。旋回体２の位置データは、旋回体２の位置、旋回体２の姿勢、及び旋回体２の方位を含む。位置演算装置２０は、旋回体２の位置を算出する位置演算器２１と、旋回体２の姿勢を算出する姿勢演算器２２と、旋回体２の方位を算出する方位演算器２３とを有する。

位置演算器２１は、旋回体２の位置として、グローバル座標系における旋回体２の位置を算出する。位置演算器２１は、旋回体２に配置される。グローバル座標系とは、地球に固定された原点を基準とする座標系をいう。グローバル座標系は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）によって規定される座標系である。ＧＮＳＳとは、全地球航法衛星システムをいう。全地球航法衛星システムとして、ＧＰＳ（Global Positioning System）が例示される。ＧＮＳＳは、複数の測位衛星を有する。ＧＮＳＳは、緯度、経度、及び高度の座標データで規定される位置を検出する。旋回体２にＧＰＳアンテナが設けられる。ＧＰＳアンテナは、ＧＰＳ衛星から電波を受信して、受信した電波に基づいて生成した信号を位置演算器２１に出力する。位置演算器２１は、ＧＰＳアンテナから供給された信号に基づいて、グローバル座標系における旋回体２の位置を算出する。位置演算器２１は、例えば図３に示すような、旋回体２の代表点Ｏの位置を算出する。図３に示す例において、旋回体２の代表点Ｏは、旋回軸ＲＸに設定される。なお、代表点Ｏは、ブーム軸ＡＸ１に設定されてもよい。

姿勢演算器２２は、旋回体２の姿勢として、グローバル座標系における水平面に対する旋回体２の傾斜角度を算出する。姿勢演算器２２は、旋回体２に配置される。姿勢演算器２２は、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を含む。水平面に対する旋回体２の傾斜角度は、車幅方向における旋回体２の傾斜角度を示すロール角度α、及び前後方向における旋回体２の傾斜角度を示すピッチ角度βを含む。

方位演算器２３は、旋回体２の方位として、グローバル座標系における基準方位に対する旋回体２の方位を算出する。基準方位は、例えば北である。方位演算器２３は、旋回体２に配置される。方位演算器２３は、ジャイロセンサを含む。なお、方位演算器２３は、ＧＰＳアンテナから供給された信号に基づいて方位を算出してもよい。基準方位に対する旋回体２の方位は、基準方位と旋回体２の方位とがなす角度を示すヨー角度γを含む。

角度検出装置３０は、作業機１の角度θを検出する。角度検出装置３０は、作業機１に配置される。図３及び図４に示すように、作業機１の角度θは、Ｚ軸に対するブーム６の角度を示すブーム角度θ１と、ブーム６に対するアーム７の角度を示すアーム角度θ２と、アーム７に対するバケット回転方向のバケット８の角度を示すバケット角度θ３と、ＸＹ平面に対するチルト回転方向のバケット８の角度を示すチルト角度θ４と、ＹＺ平面に対するローテート回転方向のバケット８の角度を示すローテート角度θ５とを含む。

角度検出装置３０は、ブーム角度θ１を検出するブーム角度検出器３１と、アーム角度θ２を検出するアーム角度検出器３２と、バケット角度θ３を検出するバケット角度検出器３３と、チルト角度θ４を検出するチルト角度検出器３４と、ローテート角度θ５を検出するローテート角度検出器３５とを有する。角度検出装置３０は、油圧シリンダ１０のストロークを検出するストロークセンサを含んでもよいし、ロータリーエンコーダのような作業機１の角度θを検出する角度センサを含んでもよい。角度検出装置３０がストロークセンサを含む場合、角度検出装置３０は、ストロークセンサの検出データに基づいて、作業機１の角度θを算出する。

操作装置４０は、油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６を駆動するために運転者に操作される。操作装置４０は、運転室４に配置される。運転者により操作装置４０が操作されることにより、作業機１が作動する。操作装置４０は、油圧ショベル１００の運転者に操作されるレバーを含む。操作装置４０のレバーは、右操作レバー４１と、左操作レバー４２と、チルト操作レバー４３とを含む。

中立位置にある右操作レバー４１が前方に操作されると、ブーム６が下げ動作し、後方に操作されると、ブーム６が上げ動作する。中立位置にある右操作レバー４１が右方に操作されると、バケット８がダンプ動作し、左方に操作されると、バケット８が掘削動作する。

中立位置にある左操作レバー４２が前方に操作されると、アーム７がダンプ動作し、後方に操作されると、アーム７が掘削動作する。中立位置にある左操作レバー４２が右方に操作されると、旋回体２が右旋回し、左方に操作されると、旋回体２が左旋回する。

チルト操作レバー４３が操作されると、バケット８がチルト回転又はローテート回転する。

［制御装置］
図５は、本実施形態に係る制御装置５０を示す機能ブロック図である。制御装置５０は、位置データ取得部５１と、角度データ取得部５２と、操作データ取得部５３と、設計面取得部５４と、目標値生成部５５と、モデル予測制御部５６と、制約条件算出部５７と、指令部５８と、記憶部６０とを有する。

位置データ取得部５１は、位置演算装置２０から旋回体２の位置データを取得する。旋回体２の位置データは、旋回体２の位置、旋回体２の姿勢、及び旋回体２の方位を含む。

角度データ取得部５２は、角度検出装置３０から作業機１の角度θを示す角度データを取得する。作業機１の角度データは、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、バケット角度θ３、チルト角度θ４、及びローテート角度θ５を含む。

操作データ取得部５３は、作業機１を操作する操作装置４０の操作データを取得する。操作装置４０の操作データは、操作装置４０が操作された量を含む。操作装置４０には、レバーが操作された量を検出する操作量センサが設けられる。操作データ取得部５３は、操作装置４０の操作量センサから操作装置４０の操作データを取得する。

設計面取得部５４は、施工対象の目標形状を示す設計面を取得する。設計面は、油圧ショベル１００による施工後の３次元の目標形状を示す。本実施形態においては、設計面データ供給装置７０により、設計面を示す設計面データが生成される。設計面取得部５４は、設計面データ供給装置７０から設計面データを取得する。設計面データ供給装置７０は、油圧ショベル１００の遠隔地に設けられてもよい。設計面データ供給装置７０で生成された設計面データは、通信システムを介して制御装置５０に送信されてもよい。なお、設計面データ供給装置７０により生成された設計面データが記憶部６０に記憶されてもよい。設計面取得部５４は、記憶部６０から設計面データを取得してもよい。

目標値生成部５５は、作業機１の制御量の目標値を生成する。本実施形態において、作業機１の制御量は、バケット８の移動速度及びバケット８の所定部位の位置の一方又は両方を含む。バケット８の所定部位は、バケット８の刃先９を含む。バケット８の移動速度は、刃先９の移動速度を含む。バケット８の所定部位の位置は、刃先９の位置を含む。目標値生成部５５は、操作データ取得部５３により取得された操作データに基づいて、作業機１の制御量の目標値を生成する。

以下の説明においては、バケット８の所定部位が刃先９であることとする。なお、バケット８の所定部位は、刃先９でなくてもよい。バケット８の所定部位は、バケット８の床面（底面）でもよい。

バケット８の移動速度は、バケット８の並進速度及び回転速度を含む。バケット８の並進速度とは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のそれぞれの移動速度をいう。バケット８の回転速度とは、θＸ方向、θＹ方向、及びθＺ方向のそれぞれの回転角速度をいう。本実施形態において、目標値生成部５５は、並進速度の目標値である目標並進速度ｖ_targetを算出する目標並進速度算出部５５１と、回転速度の目標値である目標回転速度ω_targetを算出する目標回転速度算出部５５２とを含む。目標値生成部５５は、角度データ取得部５２により取得された角度データ、操作データ取得部５３により取得された操作データ、及び設計面取得部５４により取得された設計面に基づいて、目標並進速度ｖ_target及び目標回転速度ω_targetのそれぞれを算出する。

図６は、本実施形態に係る目標並進速度算出部５５１によるバケット８の目標並進速度ｖ_targetの算出方法を説明するための図である。目標並進速度算出部５５１は、操作装置４０の操作データ及び作業機１の角度データに基づいて、バケット８の並進速度を算出する並進速度算出部５５１Ａと、刃先９と設計面との距離及び設計面データに基づいて、バケット８の制限速度を算出する制限速度算出部５５１Ｂと、ＰＩ制御部５５１Ｃと、減速処理部５５１Ｄとを含む。

目標並進速度算出部５５１は、設計面を掘り込まないためのバケット８の目標並進速度ｖ_targetを算出する。バケット８の目標並進速度ｖ_targetは、（１）式から（６）式に基づいて算出される。

ｎ∈Ｒ^３は、刃先９と最も近い設計面の単位法線ベクトルであり、^ｗＲ１∈Ｒ^３×３は、車体座標系からグローバル座標系へ変換する回転行列であり、ｖ_sagyo∈Ｒ^３は、操作装置４０の操作に基づいて作業機１が作動した場合の並進速度のうち作業機平面（車体座標系のＸＺ平面）におけるブーム６及びアーム７による並進速度成分であり、Ｖ_ＭＡＸは、設計面を掘り込まないための設計面の法線方向のバケット８の最大速度である。Ｊ_ｖ∈Ｒ^３×５及びＪ_ω∈Ｒ^３×５のそれぞれは、ヤコビ行列の並進速度成分及び回転速度成分を示す。

目標並進速度算出部５５１は、位置データ取得部５１により取得された旋回体２の位置データと、角度データ取得部５２により取得された作業機１の角度データと、記憶部６０に記憶されている作業機データとに基づいて、刃先９と設計面との距離を算出することができる。図３及び図４に示すように、作業機データは、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、及びバケット幅Ｌ５を含む。ブーム長さＬ１は、ブーム軸ＡＸ１とアーム軸ＡＸ２との距離である。アーム長さＬ２は、アーム軸ＡＸ２とバケット軸ＡＸ３との距離である。バケット長さＬ３は、バケット軸ＡＸ３とバケット８の刃先９との距離である。チルト長さＬ４は、バケット軸ＡＸ３とチルト軸ＡＸ４との距離である。バケット幅Ｌ５は、バケット８の幅方向の寸法である。作業機データは、バケット８の形状及び寸法を示すバケット外形データを含む。バケット外形データは、バケット８の外面の輪郭を含むバケット８の外面データを含む。バケット外形データは、バケット８の所定部位を基準としたバケット８の複数の外形点ＲＰの座標データを含む。

目標並進速度算出部５５１は、外形点ＲＰの位置データを算出する。目標並進速度算出部５５１は、車体座標系における旋回体２の代表点Ｏと複数の外形点ＲＰのそれぞれとの相対位置を算出する。目標並進速度算出部５５１は、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、バケット幅Ｌ５、及びバケット外形データを含む作業機データと、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、バケット角度θ３、チルト角度θ４、及びローテート角度θ５を含む作業機１の角度データとに基づいて、車体座標系における旋回体２の代表点Ｏとバケット８の複数の外形点ＲＰのそれぞれとの相対位置を算出することができる。外形点ＲＰが刃先９に設定されることにより、目標並進速度算出部５５１は、代表点Ｏと刃先９との相対位置を算出することができる。設計面は、車体座標系において規定される。したがって、目標並進速度算出部５５１は、車体座標系における刃先９と設計面との距離を算出することができる。また、目標並進速度算出部５５１は、グローバル座標系における複数の外形点ＲＰのそれぞれの位置を算出する。目標並進速度算出部５５１は、旋回体２の代表点Ｏの絶対位置と、旋回体２の代表点Ｏとバケット８の外形点ＲＰとの相対位置とに基づいて、グローバル座標系におけるバケット８の外形点ＲＰの位置を算出することができる。

制限速度算出部５５１Ｂは、バケット８と設計面との距離と作業機１の制限速度との関係を示す制限速度テーブルにより、設計面の法線方向におけるブーム６の制限速度を決定する。

図７は、本実施形態に係る制限速度テーブルの一例を示す図である。図７に示すように、制限速度テーブルは、刃先９と設計面との距離と作業機１の制限速度との関係を示す。制限速度テーブルにおいて、刃先９と設計面との距離が０のときに、設計面の法線方向における作業機１の速度が０になる。制限速度テーブルにおいて、刃先９が施工面よりも上方に配置されるときに、刃先９と設計面との距離は正の値になる。刃先９が施工面よりも下方に配置されるときに、刃先９と施工面との距離は負の値になる。制限速度テーブルにおいて、刃先９を上方に移動させるときの速度は正の値になる。刃先９と施工面との距離が正の値である作業機制御閾値ｔｈ以下のときに、刃先９と施工面との距離に基づいて、作業機１の制限速度が規定される。刃先９と施工面との距離が作業機制御閾値ｔｈ以上のときに、作業機１の制限速度の絶対値は作業機１の目標速度の最大値より大きい値になる。すなわち、刃先９と施工面との距離が作業機制御閾値ｔｈ以上である場合、作業機１の目標速度の絶対値は常に制限速度の絶対値より小さいため、ブーム６は、常に目標速度で駆動する。

図８は、本実施形態に係る目標回転速度算出部５５２によるバケット８の目標回転速度ω_targetの算出方法を説明するための図である。目標回転速度算出部５５２は、作業機１の角度データに基づいてバケット８の現在姿勢Ｒ_curを算出する現在姿勢算出部５５２Ａと、操作装置４０の操作データ及び設計面データに基づいてバケット８の目標姿勢Ｒ_targetを算出する目標姿勢算出部５５２Ｂと、バケット８の現在姿勢Ｒ_curと目標姿勢Ｒ_targetとに基づいて、回転速度ω’_targetを算出する回転速度算出部５５２Ｃと、回転速度ω’_targetをＰ制御して目標回転速度ω_targetを算出するＰ制御部５５２Ｄとを含む。

回転速度ω’_targetは、（７）式から（１０）式に基づいて算出される。

ΔＴ_targetは、バケット８の姿勢を修正するのに要する時間に対応するパラメータである。Ｐ制御部５５２Ｄは、回転速度算出部５５２Ｃにより算出された回転速度ω’_targetに基づいてＰ制御することにより、目標回転速度ω_targetを算出する。

モデル予測制御部５６は、目標値生成部５５により生成された作業機１の制御量の目標値と作業機１の予測モデルとに基づいて、作業機１の制御量の予測値を算出する。モデル予測制御部５６は、予測値と設計面とに基づいて作業機１を制御するための駆動量を算出する。モデル予測制御部５６は、作業機１の予測モデルを記憶する予測モデル記憶部５６１と、作業機１の制御量の目標値と予測モデルとに基づいて作業機１の制御量の予測値を算出し、作業機１の制御量の予測値と設計面取得部５４により取得された設計面とに基づいて作業機１を制御する駆動量を算出する予測部５６２とを有する。

予測モデル記憶部５６１は、作業機１を含む油圧ショベル１００の予測モデルを記憶する。予測モデルは、油圧ショベル１００の動力学モデルを含む。予測モデルは、旋回軸ＲＸを中心に旋回する旋回体２のモデルと、ブーム軸ＡＸ１を中心に回転するブーム６のモデルと、アーム軸ＡＸ２を中心に回転するアーム７のモデルと、バケット軸ＡＸ３、チルト軸ＡＸ４、及びローテート軸ＡＸ５を中心に回転するバケット８のモデルとを含む。

予測モデルは、離散の状態方程式及び出力方程式により表される。油圧ショベル１００の制御のサンプリングタイムΔＴで離散化された予測モデルの状態方程式を（１１）式に示す。状態方程式の各行列を（１２）式及び（１３）式に示す。予測モデルの出力方程式を（１４）式に示す。

Ｍ∈Ｒ^５×５及びＣｏ∈Ｒ^５のそれぞれは、運動方程式の慣性行列及びコリオリ力・重力のベクトルである．Ｃ_tay∈Ｒ^２npは、所定の時刻ｔにおいてｎ・ｐを角度θ周りにテーラー展開したときの定数項である．ｎ_pは、考慮する設計面の数を示す。予測モデルの出力方程式の出力は、角度θ、角速度、目標並進速度ｖ_target、目標回転速度ω_target、及び刃先９と設計面との距離ｄ及び作動油の流量Ｑである。

予測部５６２は、予測モデルに基づいて最適化演算を行い、作業機１の制御量の予測値を算出する。上述のように、本実施形態において、作業機１の制御量は、バケット８の移動速度及びバケット８の所定部位の位置の一方又は両方を含む。バケット８の所定部位は、刃先９を含む。また、作業機１の制御量は、ブーム６の角速度、アーム７の角速度、及びバケット８の角速度を含む。バケット８の角速度は、バケット軸ＡＸ３を中心とする角速度、チルト軸ＡＸ４を中心とする角速度、及びローテート軸ＡＸ５を中心とする角速度を含む。

予測部５６２は、現時点から何ステップか先のバケット８の移動速度又はバケット８の刃先９の位置を予測する。

予測部５６２は、バケット８の移動速度の予測値又はバケット８の刃先９の位置の予測値に基づいて、作業機１を制御する駆動量を算出する。予測部５６２は、制御量の予測値が目標値に追従するように、駆動量を算出する。

本実施形態において、予測部５６２は、バケット８の移動速度の予測値、各軸の角速度の予測値、バケット８の刃先９の位置の予測値、作動油の流量の予測値、及び旋回体２の旋回速度の予測値と設計面とに基づいて、目標とする設計面にバケット８が所定の姿勢で追従するように、駆動量を算出する。すなわち、予測部５６２は、バケット８が設計面を掘り込まず、刃先９の位置と設計面の位置とが一致するように、駆動量を算出する。

予測部５６２は、評価関数が最小となり、かつ各制約条件を守るように作業機１及び旋回体２を制御する駆動量を算出する。

モデル予測制御においては、（１５）式に示すような評価関数が一般的に用いられる。

Ｅ_y（ｔ）は、出力の目標値と予測値との差、Ｅ_u（ｔ）は、入力の目標値と予測値との差、ＥΔ_u（ｔ）は入力の変化量の大きさ、Ｅ_c（ｔ）は、後述する制約条件を満足していない場合に課せられるペナルティ関数である．本実施形態においては、Ｅ_u（ｔ）＝０、ＥΔ_ｕ（ｔ）＝０とし、出力の目標値に対する出力の追従誤差を評価関数として用いる。評価関数を（１６）式及び（１７）式に示す。

ｒ（ｔ＋ｉ|ｔ）は、時刻ｔにおける時刻ｔ＋ｉの目標値、ｙ（ｔ＋ｉ|ｔ）は、時刻ｔにおいて予測した時刻ｔ＋ｉにおけるプラント出力、Ｈ_pは、何ステップ先まで予測するかを決定する予測ホライズン、Ｗは、変数に対して重みを与える対角行列である。

制約条件算出部５７は、制約条件を算出する。制約条件は、油圧ショベル１００の性能に係る第１制約条件、及びバケット８の位置に係る第２制約条件を含む。予測部５６２は、制約条件算出部５７により算出された制約条件を満足するように、駆動量を算出する。

制御対象である油圧ショベル１００において、作業機１の角度θ、角速度、角加速度、及び作動油の流量には制約がある。例えば、作業機１が可動可能な角度θには限界がある。同様に、作業機１の角速度及び角加速度には限界がある。また、油圧ポンプ１７から吐出される作動油の流量には限界がある。このように、油圧ショベル１００には、ハードウエア上の制約がある。そのため，モデル予測制御においても、油圧ショベル１００のハードウエア上の制約を示す第１制約条件を考慮する必要がある。制約条件算出部５７は、作業機１の角度θ、角速度、角加速度、及び作動油の流量を含む第１制約条件を算出する。予測部５６２は、第１制約条件を満足するように、駆動量を算出する。

角度θ、角速度、及び作動油の流量についてのそれぞれの制約条件を（１８）式から（２１）式に示す。

角加速度の制約条件を（２２）式に示す。

本実施形態において、制約条件算出部５７は、角加速度の制約条件をトルクの制約条件に変換する。変換後の角加速度の制約条件を（２３）式に示す。

作業機１の制御において、バケット８が設計面を掘り込まないようにする必要がある。すなわち、バケット８の位置には、設計面を掘り込まないようにするという制約がある。そのため、モデル予測制御においても、バケット８の位置の制約を示す第２制約条件を考慮する必要がある。制約条件算出部５７は、設計面に対するバケット８の位置を含む第２制約条件を算出する。予測部５６２は、第２制約条件を満足するように、駆動量を算出する。

出力ｄ（t）は、刃先９と設計面との距離を示す。ｉ番目の設計面の方程式は、単位法線ベクトルｎ_iによってｎ・ｐ＋ｄ_i=０と表わされる。刃先９の右端及び左端が設計面を掘り込まないようにするという制約条件を（２４）式及び（２５）式に示す。

刃先９の座標は、状態変数中の角度θに対して非線形である．そのため、（２６）式及び（２７）式に示すように、線形近似を行う。

予測部５６２は、（１８）式から（２７）式に示した制約条件を満足するように、（１６）式及び（１７）式に示した評価関数を用いて、モデル予測制御における最適化演算を行う。本実施形態における最適化問題を（２８）式に示す。最適化演算には、例えばＱＰ（二次計画法）が使用されるが、その他の計算方法でもよい。

τ（ｔ）は、制御プラントの制御入力トルクであり、最適化演算の解である。Ｈ_ｕは、何ステップ先までの入力を最適化問題で扱うのかを決定する制御ホライズンである。

指令部５８は、予測部５６２により算出された駆動量に基づいて、作業機１を制御する制御指令を出力する。

［施工面］
図９は、本実施形態に係る設計面ＩＳの一例を示す図である。図９に示すように、設計面ＩＳが異なる勾配の複数の面によって構成される場合がある。図９に示す例において、設計面ＩＳは、第１面Ｆ１及び第１面Ｆ１とは異なる勾配の第２面Ｆ２を含む。第２面Ｆ２は、第１面Ｆ１よりも旋回体２に近い位置に存在する。第１面Ｆ１及び第２面Ｆ２のそれぞれは、下方に向かって旋回体２に近付くように傾斜する。第１面Ｆ１の勾配と第２面Ｆ２の勾配とは異なる。水平面に対する第１面Ｆ１の傾斜角度Ｆθ１は、水平面に対する第２面Ｆ２の傾斜角度Ｆθ２よりも大きい。設計面ＩＳにおいて、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とがなす角度Ｆθ３は、１８０［°］よりも小さい。第１面Ｆ１の最下部に第２面Ｆ２が接続される。第１面Ｆ１の最下部は、法尻（foot of slope）である。法尻は、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との境界部ＣＰを含む。

図１０は、本実施形態に係る設計面ＩＳの一例を示す図である。図１０に示すように、設計面ＩＳが異なる勾配の複数の面によって構成される場合がある。図１０に示す例において、設計面ＩＳは、第１面Ｆ１及び第１面Ｆ１とは異なる勾配の第２面Ｆ２を含む。第２面Ｆ２は、第１面Ｆ１よりも旋回体２に近い位置に存在する。第１面Ｆ１及び第２面Ｆ２のそれぞれは、下方に向かって旋回体２に近付くように傾斜する。第１面Ｆ１の勾配と第２面Ｆ２の勾配とは異なる。水平面に対する第１面Ｆ１の傾斜角度Ｆθ１は、水平面に対する第２面Ｆ２の傾斜角度Ｆθ２よりも小さい。設計面ＩＳにおいて、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とがなす角度Ｆθ３は、１８０［°］よりも大きい。第２面Ｆ２の最上部に第１面Ｆ１が接続される。第２面Ｆ２の最上部は、法肩（top of slope）である。法肩は、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との境界部ＣＰを含む。

図９及び図１０に示す例において、作業機１は、バケット８が第１面Ｆ１に面する状態から第２面Ｆ２に面する状態に遷移するように、操作される。本実施形態において、予測部５６２は、作業機１が第１面Ｆ１に面する状態から第２面Ｆ２に面する状態に遷移するときに、作業機１の所定部位である刃先９と設計面ＩＳとの距離及び姿勢が維持されるように、駆動量を算出する。

すなわち、予測部５６２は、バケット８が第１面Ｆ１に面する状態から第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との境界部ＣＰに面する状態を経て第２面Ｆ２に面する状態に遷移するときに、作業機１の制御量の予測値と設計面ＩＳとに基づいて、第１面Ｆ１、境界部ＣＰ、及び第２面Ｆ２のそれぞれにおいて、バケット８の刃先９と設計面ＩＳとの距離が一定値に維持されるように、駆動量を算出する。予測部５６２は、第１面Ｆ１、境界部ＣＰ、及び第２面Ｆ２のそれぞれにおいて、バケット８が設計面ＩＳを掘り込まずに、刃先９が設計面ＩＳに沿って移動するように、駆動量を算出する。

［制御方法］
図１１は、本実施形態に係る油圧ショベル１００の制御方法を示すフローチャートである。

設計面取得部５４は、設計面データを取得する（ステップＳ１）。

位置データ取得部５１は、現在値として、位置演算装置２０から旋回体２の位置データを取得する。また、角度データ取得部５２は、現在値として、角度検出装置３０から作業機１の角度データ及び角速度データを取得する（ステップＳ２）。

運転者は、操作装置４０を操作する。操作データ取得部５３は、操作装置４０から操作データを取得する。目標値生成部５５は、少なくとも操作装置４０の操作データに基づいて、作業機１の制御量の目標値を生成する（ステップＳ３）。

作業機１の制御量の目標値は、バケット８の移動速度の目標値を含む。バケット８の移動速度の目標値は、図６を参照して説明したバケット８の目標並進速度ｖ_targetと、図８を参照して説明したバケット８の目標回転速度ω_targetとを含む。目標値生成部５５は、操作装置４０の操作データと、操作装置４０が操作されることにより変化する作業機１の角度θを示す角度データ及び単位時間当たりの角度θの変化量を示す角速度データと、設計面データとに基づいて、バケット８の目標並進速度ｖ_target及び目標回転速度ω_targetを含む目標値を算出する。

制約条件算出部５７は、操作装置４０の操作データと、操作装置４０が操作されることにより変化する作業機１の角度θを示す角度データ及び単位時間当たりの角度θの変化量を示す角速度データと、設計面データとに基づいて、油圧ショベル１００の性能に係る第１制約条件及びバケット８の位置に係る第２制約条件を含む制約条件を算出する（ステップＳ４）。

予測部５６２は、作業機１の制御量の目標値と予測モデル記憶部５６１に記憶されている予測モデルとに基づいて、ステップＳ４において算出された制約条件を満足するように、作業機１を制御するための駆動量を算出する（ステップＳ５）。

予測部５６２は、現時点から、例えば１０ステップ先までの作業機１の駆動量を算出する。

予測部５６２は、ステップＳ６で算出した駆動量と、ステップＳ３において取得された現在値とに基づいて、作業機１の制御量の予測値を算出する（ステップＳ６）。

予測部５６２は、現時点から、例えば１０ステップ先までの作業機１の移動速度の予測値、及び刃先９の位置の予測値を算出する。

予測部５６２は、作業機１を操作する操作装置４０の操作データに基づいて、バケット８の刃先９が設計面ＩＳに追従するように算出されたバケット速度の予測値が、最高速度を超えているか否かを判定する（ステップＳ７）。

ステップＳ８において、バケット速度の予測値が最高速度を超えていないと判定された場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、予測部５６２は、制御量の予測値が目標値に追従するように駆動量を再算出する（ステップＳ５）。

予測部５６２は、制御量の目標値及び現在値により規定される評価関数が最小になるように駆動量を再算出する。予測部５６２は、第１制約条件及び第２制約条件を満足するように駆動量を再算出する。

ステップＳ７において、バケット速度の予測値が、最高速度を超えていると判定した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、予測部５６２は、評価関数が最小であるか否かを判定する（ステップＳ８）。

バケット８の速度は、作業機１又は旋回体２の各軸の角速度や角加速度でもよい。最高速度は、上限値でよい。つまり、ステップＳ８において、予測部５６２は、各軸の角加速度の予測値が、上限角加速度を超えているか否かを判定してもよい。

ステップＳ８において、評価関数が最小でないと判定した場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、予測部５６２は、制御量の予測値が目標値に追従するように駆動量を再算出する（ステップＳ５）。

予測部５６２は、評価関数が最小になるまで、ステップＳ５、ステップＳ６、ステップＳ７、及びステップＳ８の処理を繰り返す。

ステップＳ８において、評価関数が最小であると判定された場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、指令部５８は、ステップＳ６において算出された作業機１を制御する駆動量に基づいて、作業機１を制御する制御指令を出力する（ステップＳ９）。

上述のように、駆動量は、現時点から、例えば１０ステップ先まで算出される。指令部５８は、１０ステップ先まで算出された駆動量のうち、直近の１ステップ目の駆動量を制御指令として出力する。

［効果］
以上説明したように、本実施形態によれば、作業機１がモデル予測制御されるので、設計面ＩＳが第１面Ｆ１及び第１面Ｆ１とは異なる勾配の第２面Ｆ２を含む場合においても、制御装置５０は、バケット８が設計面に従って移動するように作業機１を制御することができる。

図１２及び図１３のそれぞれは、本実施形態に係る制御方法により作業機１を制御した場合と比較例に係る制御方法により作業機１を制御した場合とを比較した結果を示す図である。図１２に示すグラフにおいて、横軸はバケット８及び設計面ＩＳのＸ軸方向の位置を示し、縦軸はバケット８及び設計面ＩＳのＺ軸方向の位置を示す。図１２は、法尻を含む設計面ＩＳを施工する例を示す。バケット８は、Ｘ軸方向の右側から左側に向かって移動する。図１３に示すグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はブーム６の角速度を示す。

図１２において、ラインＩＳは、設計面ＩＳを示し、ラインＬａは、本実施形態に係る制御方法により作業機１を制御したときの制御結果を示し、ラインＬｂは、比較例に係る制御方法により作業機１を制御したときの制御結果を示す。図１３において、ラインＬｃは、運転者により操作された操作装置４０の操作データを示し、ラインＬｄは、本実施形態に係る制御方法により作業機１を制御したときの制御結果を示し、ラインＬｅは、比較例に係る制御方法により作業機１を制御したときの制御結果を示す。比較例に係る制御方法は、モデル予測制御を実行せずに、単に作業機１の角度データに基づいてフィードバック制御する制御方法である。

図１２に示すように、本実施形態に係る制御方法により、バケット８は設計面ＩＳを掘り込むことなく、設計面ＩＳに従って移動することができる。すなわち、バケット８が第１面Ｆ１に面する状態において、予測部５６２は、境界部ＣＰ及び第２面Ｆ２を予測して、作業機１を制御することができる。具体的には、図１３に示すように、比較例に係る制御方法においては、バケット８が法尻である境界部ＣＰに到達してからブーム６の減速が開始されているのに対し、本実施形態に係る制御方法においては、バケット８が境界部ＣＰに到達する前にブーム６の減速が開始されている。そのため、図１２に示すように、制御遅れの発生が抑制され、バケット８は設計面ＩＳを追従することができる。

一方、比較例に係る制御方法においては、バケット８が境界部ＣＰを通過するとき、制御遅れが発生し、設計面ＩＳを追従しきれなくなり、その結果、バケット８が設計面ＩＳの第２面Ｆ２を掘り込んでしまい、施工対象が所望の形状に施工されない。

以上のように、本実施形態によれば、作業機１がモデル予測制御されるので、境界部ＣＰをバケット８が通過するとき、制御遅れの発生が抑制され、バケット８は設計面ＩＳを追従することができる。したがって、制御装置５０は、施工対象が所望の形状に施工されるように、作業機１を制御することができる。

［コンピュータシステム］
図１４は、本実施形態に係るコンピュータシステム１０００の一例を示すブロック図である。上述の制御装置５０は、コンピュータシステム１０００を含む。コンピュータシステム１０００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサ１００１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリを含むメインメモリ１００２と、ストレージ１００３と、入出力回路を含むインターフェース１００４とを有する。上述の制御装置５０の機能は、プログラムとしてストレージ１００３に記憶されている。プロセッサ１００１は、プログラムをストレージ１００３から読み出してメインメモリ１００２に展開し、プログラムに従って上述の処理を実行する。なお、プログラムは、ネットワークを介してコンピュータシステム１０００に配信されてもよい。

コンピュータシステム１０００は、上述の実施形態に従って、作業機１の制御量の目標値と作業機１の予測モデルとに基づいて、作業機１の制御量の予測値を算出することと、予測値と施工対象の目標形状を示す設計面ＩＳとに基づいて、作業機１を制御する駆動量を算出することと、駆動量に基づいて、作業機１を制御する制御指令を出力することと、を実行することができる。

［その他の実施形態］
なお、上述の実施形態において、制御装置５０の一部の機能又は全部の機能が、油圧ショベル１００の外部コンピュータシステムに設けられてもよい。例えば、目標値生成部５５及びモデル予測制御部５６が外部コンピュータシステムに設けられ、外部コンピュータシステムにおいて算出された駆動量が無線通信システムを介して油圧ショベル１００に送信されてもよい。

なお、上述の実施形態においては、建設機械１００が油圧ショベルであることとした。上述の実施形態で説明した構成要素は、油圧ショベルとは別の、作業機を有する建設機械に適用可能である。

なお、上述の実施形態において、旋回体２を旋回させる旋回モータ１６は、油圧モータでなくてもよい。旋回モータ１６は、電力が供給されることにより駆動する電動モータでもよい。また、作業機１は、油圧シリンダ１０によらずに、例えば電気モータのような電動アクチュエータが発生する動力により作動してもよい。

１…作業機、２…旋回体、３…走行体、３Ｃ…履帯、４…運転室、４Ｓ…シート、５…エンジン、６…ブーム、７…アーム、８…バケット、９…刃先、１０…油圧シリンダ、１１…ブームシリンダ、１２…アームシリンダ、１３…バケットシリンダ、１４…チルトシリンダ、１５…ローテートシリンダ、１６…旋回モータ、１７…油圧ポンプ、１８…バルブ装置、２０…位置演算装置、２１…位置演算器、２２…姿勢演算器、２３…方位演算器、３０…角度検出装置、３１…ブーム角度検出器、３２…アーム角度検出器、３３…バケット角度検出器、３４…チルト角度検出器、３５…ローテート角度検出器、４０…操作装置、４１…右操作レバー、４２…左操作レバー、４３…チルト操作レバー、５０…制御装置、５１…位置データ取得部、５２…角度データ取得部、５３…操作データ取得部、５４…設計面取得部、５５…目標値生成部、５６…モデル予測制御部、５７…制約条件算出部、５８…指令部、６０…記憶部、７０…設計面データ供給装置、１００…建設機械、２００…制御システム、５５１…目標並進速度算出部、５５１Ａ…並進速度算出部、５５１Ｂ…制限速度算出部、５５１Ｃ…ＰＩ制御部、５５１Ｄ…減速処理部、５５２…目標回転速度算出部、５５２Ａ…現在姿勢算出部、５５２Ｂ…目標姿勢算出部、５５２Ｃ…回転速度算出部、５５２Ｄ…Ｐ制御部、５６１…予測モデル記憶部、５６２…予測部、ＡＸ１…ブーム軸、ＡＸ２…アーム軸、ＡＸ３…バケット軸、ＡＸ４…チルト軸、ＡＸ５…ローテート軸、ＣＰ…境界部、Ｆ１…第１面、Ｆ２…第２面、ＩＳ…設計面。

Claims (9)

1. 作業機を備える建設機械の制御システムであって、
   施工対象の目標形状を示す設計面を取得する設計面取得部と、
   前記作業機の制御量の目標値を生成する目標値生成部と、
   前記目標値と前記作業機の予測モデルとに基づいて前記作業機の制御量の予測値を算出し、前記予測値と前記設計面とに基づいて前記作業機を制御する駆動量を算出する予測部と、
   前記駆動量に基づいて、前記作業機を制御する制御指令を出力する指令部と、
   を備える建設機械の制御システム。
2. 前記設計面は、第１面及び前記第１面とは異なる勾配の第２面を含み、
   前記予測部は、前記作業機が前記第１面に面する状態から前記第２面に面する状態に遷移するときに、前記作業機の所定部位と前記設計面との距離及び姿勢が維持されるように、前記駆動量を算出する、
   請求項１に記載の建設機械の制御システム。
3. 前記作業機を操作する操作装置の操作データを取得する操作データ取得部を備え、
   前記目標値生成部は、前記操作データに基づいて、前記目標値を生成する、
   請求項１又は請求項２に記載の建設機械の制御システム。
4. 前記制御量は、前記作業機の移動速度を含む、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。
5. 前記予測部は、前記制御量の予測値が目標値に追従するように前記駆動量を算出する、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。
6. 前記予測部は、前記制御量の目標値及び予測値により規定される評価関数が最小になるように前記駆動量を算出する、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。
7. 前記建設機械の性能に係る第１制約条件及び前記作業機の位置に係る第２制約条件を算出する制約条件算出部を備え、
   前記予測部は、前記第１制約条件及び前記第２制約条件を満足するように前記駆動量を算出する、
   請求項６に記載の建設機械の制御システム。
8. 前記作業機を支持する旋回体と、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の建設機械の制御システムと、
   を備える建設機械。
9. 作業機を備える建設機械の制御方法であって、
   前記作業機の制御量の目標値と前記作業機の予測モデルとに基づいて、前記作業機の制御量の予測値を算出することと、
   前記予測値と施工対象の目標形状を示す設計面とに基づいて、前記作業機を制御する駆動量を算出することと、
   前記駆動量に基づいて、前記作業機を制御する制御指令を出力することと、
   を含む建設機械の制御方法。

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