JP2024036022A - 自動運転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コントローラが作業装置の掘削動作を自動で制御する場合であっても掘削作業の効率が低下することを抑制できる自動運転装置を提供する。【解決手段】自動運転装置１０１のコントローラ７０は、掘削動作における作業装置３の特定部位ＳＰの目標軌道Ｔ上に間隔をおいて並ぶ複数の目標位置を設定し、掘削動作において特定部位ＳＰが複数の目標位置から選ばれる対象目標位置Ｐ２に所定時間以内に到達できるか否かを、掘削動作に関する動作情報を用いて判定し、特定部位ＳＰが所定時間以内に対象目標位置Ｐ２に到達できないと判定した場合に対象目標位置Ｐ２を目標軌道Ｔから外れた位置に修正し、修正後の対象目標位置Ｐ２’に向かって特定部位ＳＰが移動し、その次に、複数の目標位置のうち対象目標位置Ｐ２に対して掘削方向の隣に位置する次の目標位置Ｐ３に向かって特定部位ＳＰが移動するように掘削動作を制御する。【選択図】図８

Description

本開示は、作業機械を自動運転する技術に関するものである。

油圧ショベルなどの作業機械は、作業現場において例えば掘削作業を行う。掘削作業の対象である土壌などの掘削対象の特性は、作業現場に応じて様々である。例えば掘削対象の土質の違いは、作業機械が行う掘削動作に対して影響を及ぼす。掘削作業においてオペレータは、土質を感覚的に把握しながらその現場に適するように作業機械を操縦する。近年、オペレータが作業機械を操縦しなくても掘削作業を作業機械に行わせることができる自動運転装置が知られている。このような自動運転装置が作業機械に作業現場の土質に適した掘削動作を行わせるためには、土質を考慮した制御が必要となる。

特許文献１は、掘削計画を作成する際に土質の影響を適切に考慮することを目的とする掘削計画作成装置を開示している。この掘削計画作成装置は、土質に係るパラメータを異ならせて機械学習された複数の計画モデルを記憶する記憶部と、土質を推定する土質推定部と、地形情報を取得する地形情報取得部と、前記土質推定部が推定した土質に基づき前記計画モデルを選択し、選択した前記計画モデルに、前記地形情報取得部が取得した地形情報を入力し、前記計画モデルの出力として前記計画値を算出する計画値算出部と、を備える。

特許文献２は、自動掘削中、埋設されてる異物をバケットの接触前に検知することを目的とするパワーショベルを開示している。このパワーショベルは、角度センサの計測値からバケットの掘削深さを求め、掘削深さと目標の深さとを比較し、シリンダへの流量を調整することにより自動掘削を行う。次に、パワーショベルは、ロードセルの検出値から掘削抵抗のベクトルを求め、求めたベクトルの異常の有無を、データベースを参照しながら判別して、異物の存在を予知する。異物の存在が予知された場合には、パワーショベルは、掘削をいったん停止し、次いで目標とする深さを修正し、自動掘削を再開する。

特開２０２１－１８８３６２号公報 特開平０５－３１１６９２号公報

掘削対象としての土壌には、硬い土質の領域が局所的に存在することがあり、土砂だけでなく比較的大きな岩などの硬い障害物が局所的に存在することもある。しかし、特許文献１の技術では、このような土壌内に局所的に存在する硬い土質及び障害物については何ら考慮されていない。従って、特許文献１の技術では、掘削作業においてバケットが硬い土質又は障害物に当たると、掘削動作が著しく緩慢になったり、掘削動作が停止したりすることが想定される。この場合、掘削動作の開始から終了までの１サイクルに要する時間が長くなり、掘削作業の効率が低下する。

また、特許文献２の技術では、上述したように、異物の存在が予知された場合には、掘削がいったん停止され、目標とする深さが修正された後に自動掘削が再開される。このように掘削作業がいったん停止されると、掘削作業の効率が低下する。また、特許文献２の技術では、自動掘削がいったん停止されると、バケットが上方へ移動される。すなわち、バケットが土壌の浅い位置に移動され、その後、自動掘削が再開される。再開後の自動掘削は、土壌の浅い位置で行われるので、掘削作業において掘削される土量が少なくなり、その結果、掘削作業の効率が低下する。

本開示は、コントローラが作業装置の掘削動作を自動で制御する場合であっても掘削作業の効率が低下することを抑制できる自動運転装置を提供することを目的とする。

提供されるのは、機体と前記機体に支持される作業装置とを備える作業機械を自動運転するための自動運転装置であって、前記作業装置の掘削動作を制御するコントローラを備え、前記コントローラは、前記掘削動作における前記作業装置の特定部位の目標軌道上に間隔をおいて並ぶ複数の目標位置を設定し、前記掘削動作において前記特定部位が前記複数の目標位置から選ばれる対象目標位置に所定時間以内に到達できるか否かを、前記掘削動作に関する動作情報を用いて判定し、前記特定部位が前記所定時間以内に前記対象目標位置に到達できないと判定した場合に前記対象目標位置を前記目標軌道から外れた位置に修正し、修正後の前記対象目標位置に向かって前記特定部位が移動し、その次に、前記複数の目標位置のうち前記対象目標位置に対して掘削方向の隣に位置する次の目標位置に向かって前記特定部位が移動するように前記掘削動作を制御する。

掘削作業において、目標軌道上に、硬い土質、硬い障害物などの硬質領域が局所的に存在する場合、特定部位がその硬質領域に近づくにつれて掘削動作の速度が次第に小さくなったり、掘削動作が停止したりするような状況が生じ得る。このような状況が生じることを抑制するために、本開示に係る自動運転装置のコントローラは、掘削動作に関する動作情報を用いて特定部位が対象目標位置に所定時間以内に到達できるか否かを判定し、特定部位が所定時間以内に対象目標位置に到達できないと判定した場合に対象目標位置を目標軌道から外れた位置に修正し、修正後の対象目標位置に向かって特定部位が移動するように掘削動作を制御する。これにより、修正前の対象目標位置に向かう目標軌道上に前記硬質領域が局所的に存在する場合であっても、コントローラは、その目標軌道から外れた修正後の対象目標位置に向けて特定部位を移動させることができる。従って、作業装置（例えば作業装置のバケット）が前記硬質領域に当たった状態で掘削動作が緩慢になったり掘削動作が停止したりすることを抑制できる。これにより１サイクルの掘削動作に要する時間が長くなることを抑制できる。しかも、コントローラは、修正後の対象目標位置に向かって特定部位が移動し、その次に、前記次の目標位置に向かって特定部位が移動するように掘削動作を制御する。すなわち、前記次の目標位置は、複数の目標位置のうち対象目標位置に対して掘削方向の隣に位置する目標位置であり、目標軌道から外れた位置ではなく、目標軌道上の位置である。従って、目標軌道上に硬質領域が局所的に存在する場合であっても、目標軌道上に設定された複数の目標位置のうち、修正される目標位置の数をできるだけ少なくすることができる。これにより、掘削動作の開始から終了まで特定部位が目標軌道上を移動する理想的な場合に掘削可能な土量（目標土量）に比べて、実際の掘削動作で掘削される土量（実土量）が大きく下回ることを回避できる。言い換えると、目標土量に対する実土量の乖離を小さくすることができる。以上のことから、本開示に係る自動運転装置は、コントローラが作業装置の掘削動作を自動で制御する場合であっても掘削作業の効率が低下することを抑制できる。

コントローラは、特定部位が対象目標位置に所定時間以内に到達できるか否かの判定を所定時間が実際に経過した時点で行ってもよく、以下の具体例のように所定時間が経過する前に予測結果に基づいて前記判定を行ってもよい。

前記コントローラは、前記動作情報を用いて前記作業装置の前記掘削動作を予測し、予測結果に基づいて前記特定部位が前記所定時間以内に前記対象目標位置に到達できるか否かを判定することが好ましい。この構成では、コントローラは、所定時間が経過するまで待たなくても、前記予測結果に基づいて特定部位が所定時間以内に対象目標位置に到達できるか否かを、所定時間が経過する前に判定することができる。従って、修正前の対象目標位置に向かう目標軌道上に前記硬質領域が局所的に存在する場合、コントローラは、所定時間が経過する前に、特定部位が所定時間以内に対象目標位置に到達できないと判定し、対象目標位置を目標軌道から外れた位置に修正し、修正後の対象目標位置に向けて特定部位を移動させることができる。従って、この構成では、特定部位が対象目標位置に所定時間以内に到達できるか否かの判定を所定時間が実際に経過した時点で行う場合に比べて、対象目標位置の修正をより早い段階で行うことができる。これにより、作業装置（例えば作業装置のバケット）が前記硬質領域に当たった状態で掘削動作が緩慢になったり掘削動作が停止したりすることをより効果的に抑制でき、よりスムーズな掘削動作が実現される。なお、この構成において、前記コントローラは、前記作業装置の前記掘削動作を予測するためのモデルと前記動作情報とを用いて前記作業装置の前記掘削動作を予測し、予測結果に基づいて前記特定部位が前記所定時間以内に前記対象目標位置に到達できるか否かを判定してもよい。

前記コントローラは、前記作業装置の前記掘削動作を予測するための互いに異なる複数のモデルから選ばれる何れかのモデルと前記動作情報とを用いて前記作業装置の前記掘削動作を予測し、予測結果に基づいて前記特定部位が前記所定時間以内に前記対象目標位置に到達できるか否かを判定することが好ましい。この構成では、上記と同様に、コントローラは、所定時間が経過するまで待たなくても、前記予測結果に基づいて特定部位が所定時間以内に対象目標位置に到達できるか否かを、所定時間が経過する前に判定することができる。従って、修正前の対象目標位置に向かう目標軌道上に前記硬質領域が局所的に存在する場合、コントローラは、所定時間が経過する前に、特定部位が所定時間以内に対象目標位置に到達できないと判定し、対象目標位置を目標軌道から外れた位置に修正し、修正後の対象目標位置に向けて特定部位を移動させることができる。従って、この構成では、特定部位が対象目標位置に所定時間以内に到達できるか否かの判定を所定時間が実際に経過した時点で行う場合に比べて、対象目標位置の修正をより早い段階で行うことができる。これにより、作業装置（例えば作業装置のバケット）が前記硬質領域に当たった状態で掘削動作が緩慢になったり掘削動作が停止したりすることをより効果的に抑制でき、よりスムーズな掘削動作が実現される。

また、この構成では、コントローラは、複数のモデルから選ばれる何れかのモデルと動作情報とを用いて作業装置の掘削動作を予測する。この場合、掘削動作の予測に用いられる前記モデルは、例えば、複数のモデルのうちの何れかのモデルを指定するために作業者が入力器に入力する情報に基づいてコントローラが複数のモデルから選択したものであってもよい。この場合、掘削動作の予測に関する特徴（傾向）に対して、作業者の意向を反映させることができる。

また、掘削動作の予測に用いられる前記モデルは、例えば、動作情報に基づいてコントローラが複数のモデルから選択したものであってもよい。より具体的には、コントローラは、例えば、複数のモデルのうちから、動作情報に適したモデルを推定し、推定したモデルを、掘削動作の予測に用いるモデルとして選択してもよい。これにより、予測結果の精度を高めることができる。この場合、複数のモデルのそれぞれは、過去に行われた掘削作業の稼働データ（掘削動作に関するデータ）を用いて作成されたものであってもよい。この場合、複数のモデルのそれぞれは、過去に行われた掘削動作の動作情報と関連付けてデータベースに記憶されていてもよい。これにより、コントローラは、予測対象の掘削動作の動作情報と、データベースに記憶された複数のモデルのそれぞれに関連付けて記憶された過去の掘削動作の動作情報と、を比較し、予測対象の掘削動作の動作情報と同じ又は近い動作情報と関連付けられたモデルを選択してもよい。このようにしてコントローラは、比較結果に基づいて、予測対象の掘削動作の動作情報に適したモデルを推定することができる。なお、過去に行われた掘削動作の動作情報は、例えば、掘削力に関する情報を含んでいてもよく、掘削距離に関する情報を含んでいてもよい。

前記コントローラは、前記予測結果と前記作業装置の実際の動作結果との比較を行い、前記比較の結果に応じて、前記掘削動作の予測に用いるモデルを、前記複数のモデルから選択される別のモデルに変更することが好ましい。具体的には、例えば、コントローラは、予測結果と作業装置の実際の動作結果との差異が所定の閾値よりも大きい場合には、動作情報により適した別のモデルを複数のモデルから選択し、掘削動作の予測に用いるモデルを、選択された前記別のモデルに更新してもよい。これにより、予測結果の精度をさらに高めることができる。

前記複数のモデルのそれぞれは、前記掘削動作における前記作業装置と掘削対象との相互作用に基づいて構築された相互作用モデルであり、前記相互作用モデルは、前記相互作用の質量要素と、前記相互作用のばね要素及び前記相互作用のダンパ要素の少なくとも一方と、を用いて規定されることが好ましい。この構成では、複数のモデルのそれぞれが質量要素と、ばね要素及びダンパ要素の少なくとも一方と、を用いて規定される上記のような相互作用モデルであるので、コントローラは、掘削動作における作業装置と掘削対象との相互作用の特性をより正確に反映した予測を行うことができる。

前記動作情報は、前記掘削動作における掘削力に関する情報及び前記掘削動作における掘削距離に関する情報の少なくとも一方を含むことが好ましい。この構成では、特定部位が対象目標位置に所定時間以内に到達できるか否かの判定に用いられる動作情報が掘削力に関する情報及び掘削距離に関する情報の少なくとも一方を含むので、コントローラは、前記判定をより正確に行うことができる。

前記特定部位は、前記作業装置に含まれるバケットの先端であることが好ましい。掘削作業において、バケットの先端は、作業装置の他の部位に比べて、土壌中のより深い位置に配置されることが多く、硬い土質、硬い障害物などの硬質領域に最初に到達する場合が多い。従って、バケットの先端を特定部位に設定することで、コントローラは、前記判定をより適切に行うことができる。

修正後の前記対象目標位置は、修正前の前記対象目標位置よりも上方の位置で、かつ、前記複数の目標位置のうち前記対象目標位置に対して前記掘削方向の反対の方向の隣に位置する一つ前の目標位置と前記次の目標位置との間の位置であってもよい。この構成では、特定部位が対象目標位置に向かって移動する経路上に硬質領域が存在する場合であっても、対象目標位置が上方に修正されることにより特定部位が硬質領域を避けやすくなる。また、作業装置が土壌の深い部分を掘削するときに比べて作業装置が土壌の浅い部分を掘削するときの方が掘削反力は小さくなる傾向にある。従って、この構成では、修正後の対象目標位置が修正前の対象目標位置よりも上方の位置であることにより、特定部位が修正後の対象目標位置に向かって移動するときの掘削反力が小さくなりやすい。これにより、特定部位を修正後の対象目標位置に移動させるのに要する時間を短縮することができる。また、修正後の対象目標位置が前記一つ前の目標位置と前記次の目標位置の間の位置であるので、特定部位が修正後の対象目標位置に向かって移動する向きが前記次の目標位置から遠ざかるような向きになりにくい。これにより、修正後の対象目標位置に向かう特定部位の動作がスムーズになる。具体的には、修正後の対象目標位置は、例えば、修正前の対象目標位置の真上の位置であってもよい。

修正後の前記対象目標位置は、前記一つ前の目標位置から修正前の前記対象目標位置までの距離と、前記一つ前の目標位置から修正後の前記対象目標位置までの距離と、が同じ大きさになるような位置であってもよい。また、修正後の前記対象目標位置は、前記特定部位の位置から修正前の前記対象目標位置までの距離と、前記特定部位の位置から修正後の前記対象目標位置までの距離と、が同じ大きさになるような位置であってもよい。

修正後の前記対象目標位置は、前記一つ前の目標位置と修正前の前記対象目標位置とを結ぶ線分と、前記一つ前の目標位置と修正後の前記対象目標位置とを結ぶ線分とのなす角度が所定角度となるような位置であってもよい。また、修正後の前記対象目標位置は、前記特定部位の位置と修正前の前記対象目標位置とを結ぶ線分と、前記特定部位の位置と修正後の前記対象目標位置とを結ぶ線分とのなす角度が所定角度となるような位置であってもよい。

本開示によれば、コントローラが作業装置の掘削動作を自動で制御する場合であっても掘削作業の効率が低下することを抑制できる自動運転装置が提供される。

本開示の実施形態に係る自動運転装置による自動運転の対象である作業機械の一例を示す側面図である。 前記自動運転装置のコントローラとこれに関連する構成要素とを示すブロック図である。 掘削動作における作業装置の特定部位の目標軌道上に並ぶ複数の目標位置を示す図である。 目標位置の修正の一例を示す図である。 目標位置の修正の他の例を示す図である。 前記自動運転装置の構成の他の例を示すブロック線図である。 前記自動運転装置が行う制御フローの一例を示す図である。 前記自動運転装置による処理の一例を示すフローチャートである。 作業装置の掘削動作を予測するためのモデルの一例である相互作用モデルを説明するための図である。 前記相互作用モデルを用いた予測の結果に基づいた判定とその判定結果に基づいた目標位置の修正の一例とを示す図である。 前記相互作用モデルを用いた予測の結果に基づいた判定とその判定結果に基づいた目標位置の修正の他の例とを示す図である。 前記相互作用モデルを用いた制御のシミュレーション結果を示す図である。 前記相互作用モデルを用いた制御のシミュレーション結果を示す図である。 参考例に係るシミュレーション結果を示す図である。 参考例に係るシミュレーション結果を示す図である。 シミュレーションに用いられた各種パラメータの値を示すテーブルである。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本開示を具体化した一例であって、本開示の技術的範囲を限定する性格のものではない。

図１は、本開示の実施形態に係る自動運転装置１０１による自動運転の対象である作業機械１００を示す側面図である。図１に示す作業機械１００は、油圧ショベルである。

作業機械１００は、下部走行体１と、上下に延びる旋回軸Ｚ回りに下部走行体１に対して旋回可能となるように下部走行体１に取り付けられた上部旋回体２と、上部旋回体２に取り付けられた作業装置３と、を備える。下部走行体１及び上部旋回体２は、本開示における機体の一例である。

作業装置３は、上部旋回体２に対して回動可能に取り付けられたブーム４と、ブーム４に対して回動可能に取り付けられたアーム５と、アーム５に対して回動可能に取り付けられたバケット６とを含む。作業機械１００は、ブーム４を回動させる油圧シリンダであるブームシリンダ７と、アーム５を回動させる油圧シリンダであるアームシリンダ８と、バケット６を回動させる油圧シリンダであるバケットシリンダ９と、上部旋回体２を旋回させる油圧モータである旋回モータ１１と、をさらに備える。

自動運転装置１０１は、作業機械１００を自動運転するための装置である。自動運転装置１０１は、作業機械１００に取り付けられていてもよく、作業機械１００から離れた場所に設置されて作業機械１００と無線又は有線により通信可能なように構成されていてもよい。

図２に示すように、自動運転装置１０１は、コントローラ７０を備える。コントローラ７０は、作業機械１００の作業装置３の掘削動作を制御する。

掘削動作は、掘削対象を掘削する動作である。掘削対象は、例えば、作業現場の土壌Ｅ（図１参照）であってもよく、作業現場に配置された土砂の山であってもよい。土壌Ｅは、地面Ｇから下の部分である。本実施形態では、掘削対象は、土壌Ｅである。

コントローラ７０は、演算処理装置とメモリとを含むコンピュータを備える。コントローラ７０は、目標設定部７１と、掘削力演算部７２と、位置演算部７３と、到達判定部７４と、目標位置修正部７５と、制御指令部７６と、を備える。目標設定部７１、掘削力演算部７２、位置演算部７３、到達判定部７４、目標位置修正部７５、及び制御指令部７６のそれぞれは、メモリに記憶された制御プログラムが実行されることにより実現される。

目標設定部７１は、目標軌道Ｔと、複数の目標位置と、を設定する。複数の目標位置は、対象目標位置Ｐ２と、次の目標位置Ｐ３と、一つ前の目標位置Ｐ１と、を含む。前記一つ前の目標位置Ｐ１、対象目標位置Ｐ２及び前記次の目標位置Ｐ３は、複数の目標位置のうち、この順に並ぶ３つの目標位置である。

図３は、目標軌道Ｔと複数の目標位置Ｐａ～Ｐｈの一例を示す図である。目標軌道Ｔは、掘削動作において作業装置３のバケット６の先端であるバケット先端ＳＰが通るべき目標の経路である。複数の目標位置Ｐａ～Ｐｈのそれぞれは、バケット先端ＳＰの通過点の目標である。複数の目標位置Ｐａ～Ｐｈは、目標軌道Ｔ上に間隔をおいて並ぶ。図３に示す具体例では、複数の目標位置Ｐａ～Ｐｈのうち、目標位置Ｐａが掘削動作の開始位置であり、目標位置Ｐｈが掘削動作の終了位置である。バケット先端ＳＰは、作業装置の特定部位の一例である。

対象目標位置Ｐ２は、複数の目標位置から選ばれる目標位置であり、掘削動作においてバケット先端ＳＰが次に移動すべき目標の位置である。前記次の目標位置Ｐ３は、複数の目標位置のうちの一つであり、対象目標位置Ｐ２に対して掘削方向の隣に位置する目標位置である。前記一つ前の目標位置Ｐ１は、複数の目標位置のうちの一つであり、対象目標位置Ｐ２に対して掘削方向の反対の方向の隣に位置する目標位置である。掘削方向は、掘削動作の開始位置（目標位置Ｐａ）から掘削動作の終了位置（目標位置Ｐｈ）に向かう方向であり、目標軌道Ｔに沿う方向である。目標軌道Ｔにおいて隣同士の２つの目標位置をつなぐ部分は直線であってもよく曲線であってもよい。

対象目標位置Ｐ２は、掘削動作においてバケット先端ＳＰが終了位置に近づくにつれて順次更新される。具体的には、例えば、バケット先端ＳＰが例えば目標位置Ｐｃ又はその近傍の位置にあるときには対象目標位置Ｐ２は目標位置Ｐｄに設定される。そして、コントローラ７０は、対象目標位置Ｐ２（目標位置Ｐｄ）に向かってバケット先端ＳＰが移動するように掘削動作を制御する。そして、バケット先端ＳＰが目標位置Ｐｄ又はその近傍に到達すると、コントローラ７０は、対象目標位置Ｐ２を目標位置Ｐｅに更新し、更新された対象目標位置Ｐ２（目標位置Ｐｅ）に向かってバケット先端ＳＰが移動するように掘削動作を制御する。

以下では、前記一つ前の目標位置Ｐ１のことを第１目標位置Ｐ１と称することがあり、対象目標位置Ｐ２のことを第２目標位置Ｐ２と称することがあり、前記次の目標位置Ｐ３のことを第３目標位置Ｐ３と称することがある。

目標設定部７１は、例えば予めメモリに記憶された目標に関する情報に基づいて目標軌道Ｔと複数の目標位置Ｐを設定してもよい。また、目標設定部７１は、図略の記憶媒体又は通信回線を介してコントローラ７０に入力される目標に関する情報に基づいて目標軌道Ｔと複数の目標位置Ｐを設定してもよい。

また、目標設定部７１は、図２に示す入力器９１からコントローラ７０に入力される目標に関する情報に基づいて目標軌道Ｔと複数の目標位置Ｐを設定してもよい。入力器９１は、例えば、作業者が目標に関する情報を入力することが可能なように構成されていてもよい。入力器９１は、作業機械１００に実装されてもよいし、作業機械１００から離れた場所に設置されて作業機械１００と無線又は有線により通信可能なように構成されていてもよい。入力器９１は、自動運転装置１０１が備えるものであってもよく、作業機械１００が備えるものであってもよい。

また、目標設定部７１は、ティーチングにより特定される目標に関する情報に基づいて目標軌道Ｔと複数の目標位置Ｐを設定してもよい。ティーチングは、例えば、作業者（例えば熟練者）が作業機械１００を操縦し、その過程においてバケット先端ＳＰが通る経路及び複数の通過点をメモリに記憶させるものであってもよい。

掘削力演算部７２は、掘削動作における掘削力又は掘削動作において作業装置３に作用する掘削反力を演算する。掘削力演算部７２は、例えば、検出器９２からコントローラ７０に入力される掘削力又は掘削反力に関する情報に基づいて掘削力又は掘削反力を演算してもよい。検出器９２は、掘削力又は掘削反力に関する情報を検出する。

検出器９２は、バケットシリンダ９の圧力を検出する圧力センサ、アームシリンダ８の圧力を検出する圧力センサ、及びブームシリンダ７の圧力を検出する圧力センサの少なくとも一つを含んでいてもよい。

掘削力は、例えば、作業装置３のバケット先端ＳＰ（特定部位）における掘削力であってもよく、バケット６全体における掘削力であってもよい。掘削反力は、例えば、作業装置３のバケット先端ＳＰ（特定部位）に作用する掘削反力であってもよく、バケット６全体に作用する掘削反力であってもよく、作業装置３全体に作用する掘削反力であってもよく、作業装置３のうちの予め定められた部位に作用する掘削反力であってもよい。

位置演算部７３は、バケット先端ＳＰの位置を演算する。位置演算部７３は、例えば、検出器９３からコントローラ７０に入力される位置情報に基づいてバケット先端ＳＰの位置を演算してもよい。位置演算部７３は、前記位置情報に基づいて、バケット先端ＳＰの座標を演算することができる。バケット先端ＳＰの座標は、例えば、地面Ｇと直交する２次元平面上の座標であってもよく、３次元座標であってもよい。座標の原点は、バケット先端ＳＰの座標であってもよく、作業現場における予め設定された位置の座標であってもよく、作業機械１００における予め設定された部位の座標であってもよく、掘削動作の開始位置であってもよく、他の位置の座標であってもよい。検出器９３は、前記位置情報を検出する。

検出器９３は、例えば、作業機械１００の姿勢を検出するセンサを含んでいてもよい。具体的には、検出器９３は、ブーム４の姿勢を検出するセンサと、アーム５の姿勢を検出するセンサと、バケット６の姿勢を検出するセンサと、を含んでいてもよい。検出器９３は、上部旋回体２の姿勢を検出するセンサをさらに含んでいてもよい。

ブーム４の姿勢を検出するセンサは、上部旋回体２に対するブーム４の角度又は水平面に対するブーム４の角度を検出するセンサであってもよく、ブームシリンダ７の伸縮の状態を検出するセンサであってもよい。アーム５の姿勢を検出するセンサは、ブーム４に対するアーム５の角度又は水平面に対するアーム５の角度を検出するセンサであってもよく、アームシリンダ８の伸縮の状態を検出するセンサであってもよい。バケット６の姿勢を検出するセンサは、アーム５に対するバケット６の角度又は水平面に対するバケット６の角度を検出するセンサであってもよく、バケットシリンダ９の伸縮の状態を検出するセンサであってもよい。上部旋回体２の姿勢を検出するセンサは、水平面に対する上部旋回体２の姿勢を検出するセンサであってもよく、下部走行体１に対する上部旋回体２の旋回角度を検出するセンサであってもよい。

到達判定部７４は、掘削動作においてバケット先端ＳＰが第１目標位置Ｐ１（前記一つ前の目標位置Ｐ１）の次に移動すべき目標位置である第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に所定時間以内に到達できるか否かを、実際の掘削動作に関する動作情報を用いて判定する。目標位置修正部７５は、バケット先端ＳＰが前記所定時間以内に第２目標位置Ｐ２に到達できないと判定された場合に、第２目標位置Ｐ２を目標軌道Ｔから外れた位置に修正する。制御指令部７６は、修正後の第２目標位置Ｐ２’（修正後の対象目標位置Ｐ２’）に向かってバケット先端ＳＰが移動し、その次に、第３目標位置Ｐ３（前記次の目標位置Ｐ３）に向かってバケット先端ＳＰが移動するように前記掘削動作を制御する。以下では、バケット先端ＳＰが第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に所定時間以内に到達できるか否かの判定を、到達可否判定と称することがあり、第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）を目標軌道Ｔから外れた位置に修正することを、目標位置修正と称することがある。

掘削作業において、土壌Ｅにおける目標軌道Ｔ上に、硬い土質、硬い障害物などの硬質領域Ｒ（図３参照）が局所的に存在する場合、バケット先端ＳＰがその硬質領域Ｒに近づくにつれて、作業装置３に作用する掘削反力が大きくなるので、掘削動作の速度が次第に小さくなったり、掘削動作が停止したりするような状況が生じ得る。このような状況が生じることを抑制するために、コントローラ７０の到達判定部７４は上記のような到達可否判定を行い、コントローラ７０の目標位置修正部７５は、上記のような目標位置修正を行い、コントローラ７０の制御指令部７６は、上記のように掘削動作を制御する。これにより、修正前の第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に向かう目標軌道Ｔ上に前記硬質領域Ｒが局所的に存在する場合であっても、コントローラ７０は、その目標軌道Ｔから外れた修正後の第２目標位置Ｐ２’（修正後の対象目標位置Ｐ２’）に向けてバケット先端ＳＰを移動させることができる。

従って、バケット６が前記硬質領域Ｒに当たった状態で掘削動作が緩慢になったり掘削動作が停止したりすることを抑制できる。これにより１サイクルの掘削動作に要する時間が長くなることを抑制できる。しかも、コントローラ７０は、修正後の第２目標位置Ｐ２’（修正後の対象目標位置Ｐ２’）に向かってバケット先端ＳＰが移動し、その次に第３目標位置Ｐ３（前記次の目標位置Ｐ３）に向かってバケット先端ＳＰが移動するように掘削動作を制御する。すなわち、修正後の第２目標位置Ｐ２’の次に移動すべき目標の位置である第３目標位置Ｐ３は、目標軌道Ｔから外れた位置ではなく、目標軌道Ｔ上に位置する目標位置である。従って、目標軌道Ｔ上に硬質領域Ｒが局所的に存在する場合であっても、目標軌道Ｔ上に設定された複数の目標位置のうち、修正される目標位置の数をできるだけ少なくすることができる。これにより、掘削動作の開始から終了までバケット先端ＳＰが目標軌道Ｔ上を移動する理想的な場合に掘削可能な土量（目標土量）に比べて、実際の掘削動作で掘削される土量（実土量）が大きく下回ることを回避できる。

図３に示す具体例は、複数の目標位置Ｐａ～Ｐｈのうち、３番目の目標位置Ｐｃから４番目の目標位置Ｐｄに向かってバケット先端ＳＰが移動するときの状況を示している。この場合、３番目の目標位置Ｐｃが第１目標位置Ｐ１（前記一つ前の目標位置Ｐ１）に相当し、４番目の目標位置Ｐｄが第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に相当し、５番目の目標位置Ｐｅが第３目標位置Ｐ３（前記次の目標位置Ｐ３）に相当する。

前記動作情報は、掘削動作における掘削力に関する情報及び掘削動作における掘削距離に関する情報の少なくとも一方を含んでいてもよい。掘削力に関する情報は、作業装置３（例えばバケット先端ＳＰ）における掘削力であってもよく、作業装置３（例えばバケット先端ＳＰ）に作用する掘削反力であってもよい。掘削距離に関する情報は、掘削動作における掘削距離であってもよい。また、前記動作情報は、バケット先端ＳＰの位置に関する情報を含んでいてもよい。

前記動作情報は、掘削力に関する情報、掘削距離に関する情報、及びバケット先端ＳＰの位置に関する情報のうちの２つ以上を含んでいてもよい。掘削力又は掘削反力は、掘削力演算部７２により演算される。到達判定部７４は、位置演算部７３により演算されるバケット先端ＳＰの位置の情報に基づいて掘削距離を演算することができる。掘削距離は、例えば、掘削動作の開始位置（目標位置Ｐａ）からバケット先端ＳＰまでの距離であってもよく、第１目標位置Ｐ１からバケット先端ＳＰまでの距離であってもよく、第１目標位置と第２目標位置の間の位置からバケット先端ＳＰまでの距離であってもよい。

前記所定時間は、例えば、予めメモリに記憶された値に基づいて設定されてもよい。前記所定時間は、例えば、作業者が入力器９１に入力した入力情報（例えば入力値）に基づいて設定されてもよい。前記所定時間は、例えば、第１目標位置Ｐ１と第２目標位置Ｐ２との距離に応じてコントローラ７０によって設定されてもよい。前記所定時間は、掘削動作中において一定値であってもよい。前記所定時間の計測を開始する基準となる時点は、例えば、バケット先端ＳＰが第１目標位置Ｐ１又はその近傍を通過した時点であってもよく、バケット先端ＳＰが第１目標位置Ｐ１と第２目標位置Ｐ２との間の位置を通過した時点であってもよい。前記所定時間は、後述する図１６に示すテーブルにおけるサンプリング時間Ｔｓと、予測ステップＮｐｔｒｊと、により決まる時間であってもよい。図１６に示す具体例では、サンプリング時間Ｔｓが０．０５秒であり、予測ステップＮｐｔｒｊが６０ステップであるので、前記所定時間は、３秒である（所定時間＝０．０５×６０＝３）。

また、コントローラ７０は、バケット先端ＳＰの位置に応じて前記所定時間を更新してもよい。具体的には、例えば、コントローラ７０は、バケット先端ＳＰが第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に近づくにつれて前記所定時間が小さくなるように前記所定時間を更新してもよい。この場合、前記所定時間の計測を開始する基準となる時点は、前記所定時間を更新した時点である。

到達判定部７４は、バケット先端ＳＰが第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に前記所定時間以内に到達できるか否かの到達可否判定を、前記所定時間が実際に経過した時点で行ってもよく、前記所定時間が経過する前に予測結果に基づいて前記到達可否判定を行ってもよい。到達判定部７４は、前記動作情報を用いて前記判定を例えば次のように行うことができる。

前記所定時間が経過した時点で到達可否判定を行う場合には、到達判定部７４は、所定時間が経過した時点で、位置演算部７３により演算されるバケット先端ＳＰの位置と、第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）と、を比較する。そして、到達判定部７４は、所定時間が経過した時点で、バケット先端ＳＰの位置が第２目標位置Ｐ２に到達していない場合には、バケット先端ＳＰが前記所定時間以内に第２目標位置Ｐ２に到達できないと判定する。

また、コントローラ７０が前記動作情報を用いて作業装置３の掘削動作を予測し、前記所定時間が経過する前に予測結果に基づいて到達可否判定を行う場合の具体例としては、次のようなものが挙げられる。

到達判定部７４は、掘削動作中に掘削力演算部７２が演算した掘削反力が予め設定された閾値である反力閾値以上である場合に、バケット先端ＳＰが前記所定時間以内に第２目標位置に到達できないと判定してもよい。

到達判定部７４は、掘削動作中に掘削力演算部７２が演算した掘削反力と、前記所定時間と、に基づいて到達可否判定を行ってもよい。具体的には、次の通りである。掘削反力が大きいほど第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に到達するまでに要する必要時間は長くなる。到達判定部７４は、掘削反力と必要時間との関係式を予め記憶している。到達判定部７４は、掘削反力と関係式から演算される必要時間が、前記所定時間のうちの残り時間を超えている場合には、バケット先端ＳＰが前記所定時間以内に第２目標位置Ｐ２に到達できないと判定してもよい。

到達判定部７４は、その時点における掘削距離と、前記所定時間と、に基づいて到達可否判定を行ってもよい。具体的には、次の通りである。到達判定部７４は、その時点における掘削距離を用いて、第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）までの残りの距離を演算することができる。この残りの距離が大きいほど第２目標位置Ｐ２に到達するまでに要する必要時間は長くなる。到達判定部７４は、残りの距離と必要時間との関係式を予め記憶している。到達判定部７４は、残りの距離と関係式から演算される必要時間が、前記所定時間のうちの残り時間を超えている場合には、バケット先端ＳＰが前記所定時間以内に第２目標位置に到達できないと判定してもよい。

また、到達判定部７４は、作業装置３の掘削動作を予測するためのモデルと前記動作情報とを用いて作業装置３の前記掘削動作を予測し、予測結果に基づいてバケット先端ＳＰが前記所定時間以内に第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に到達できるか否かを判定してもよい。前記モデルは、掘削動作を予測するために予め構築されたものである。前記モデルは、掘削動作における作業装置３と掘削対象（土壌Ｅ）との相互作用に基づいて構築された相互作用モデルであってもよい。相互作用モデルは、作業装置３（例えばバケット６）と掘削対象との相互作用の特性を表す少なくとも一つのパラメータを含む。このモデルを用いた掘削動作の予測については後述する。

目標位置修正部７５は、上述したように、バケット先端ＳＰが前記所定時間以内に第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に到達できないと判定された場合に、第２目標位置Ｐ２を目標軌道Ｔから外れた位置に修正する。図３に示す具体例では、修正後の第２目標位置Ｐ２’（修正後の対象目標位置Ｐ２’）は、修正前の第２目標位置Ｐ２よりも上方の位置で、かつ、第１目標位置Ｐ１と第３目標位置Ｐ３の間の位置である。より具体的には、修正後の第２目標位置Ｐ２’は、修正前の第２目標位置Ｐ２よりも上方の位置で、かつ、その時点におけるバケット先端ＳＰの位置と第３目標位置Ｐ３の間の位置であってもよい。

バケット先端ＳＰが第２目標位置Ｐ２に向かって移動する経路上に硬質領域Ｒが存在する場合であっても、第２目標位置Ｐ２が上方に修正されることによりバケット先端ＳＰが硬質領域Ｒを避けやすくなる。また、バケット６が土壌Ｅの深い部分を掘削するときに比べてバケット６が土壌Ｅの浅い部分を掘削するときの方が掘削反力は小さくなる傾向にある。従って、修正後の第２目標位置Ｐ２’が修正前の第２目標位置Ｐ２よりも上方の位置であることにより、バケット先端ＳＰが修正後の第２目標位置Ｐ２’に向かって移動するときの掘削反力が小さくなりやすい。これにより、バケット先端ＳＰを修正後の第２目標位置Ｐ２’に移動させるのに要する時間を短縮することができる。また、修正後の第２目標位置Ｐ２’が第１目標位置Ｐ１と第３目標位置Ｐ３の間の位置であるので、バケット先端ＳＰが修正後の第２目標位置Ｐ２’に向かって移動する向きが第３目標位置Ｐ３から遠ざかるような向き（図３では左向き）になりにくい。これにより、修正後の第２目標位置Ｐ２’に向かうバケット先端ＳＰの動作がスムーズになる。

より具体的には、修正後の第２目標位置Ｐ２’は、図３に示すように、修正前の第２目標位置Ｐ２の真上の位置であってもよい。この場合、修正後の第２目標位置Ｐ２’は、修正前の第２目標位置Ｐ２よりも図３に示す修正距離Ｈだけ上方の位置であってもよい。修正距離Ｈは、例えば、予めメモリに記憶された値に基づいて設定されてもよく、作業者が入力器９１に入力した入力情報（例えば入力値）に基づいて設定されてもよい。ただし、修正後の第２目標位置Ｐ２’は、修正前の第２目標位置Ｐ２の真上の位置に限られず、前記真上の位置に対してバケット先端ＳＰの進行方向（掘削方向）にずれた位置であってもよく、前記真上の位置に対してバケット先端ＳＰの進行方向（掘削方向）とは反対の方向にずれた位置であってもよい。

また、修正後の第２目標位置Ｐ２’は、修正前の第２目標位置Ｐ２よりも上方の位置で、かつ、第１目標位置Ｐ１と第３目標位置Ｐ３の間の位置であることに加え、第１目標位置Ｐ１から修正前の第２目標位置Ｐ２までの距離と、第１目標位置Ｐ１から修正後の第２目標位置Ｐ２’までの距離と、が同じ大きさになるような位置であってもよい。第１目標位置Ｐ１から修正前の第２目標位置Ｐ２までの距離は、第１目標位置Ｐ１と修正前の第２目標位置Ｐ２とを結ぶ線分Ｌの長さであり、第１目標位置Ｐ１から修正後の第２目標位置Ｐ２’までの距離は、第１目標位置Ｐ１と修正後の第２目標位置Ｐ２’とを結ぶ線分Ｌ’の長さである。

また、修正後の第２目標位置Ｐ２’は、修正前の第２目標位置Ｐ２よりも上方の位置で、かつ、第１目標位置Ｐ１と第３目標位置Ｐ３の間の位置であることに加え、その時点におけるバケット先端ＳＰの位置から修正前の第２目標位置Ｐ２までの距離と、その時点におけるバケット先端ＳＰの位置から修正後の第２目標位置Ｐ２’までの距離と、が同じ大きさになるような位置であってもよい。バケット先端ＳＰの位置から修正前の第２目標位置Ｐ２までの距離は、図３に示すようにバケット先端ＳＰの位置と修正前の第２目標位置Ｐ２とを結ぶ線分Ｌの長さであり、バケット先端ＳＰの位置から修正後の第２目標位置Ｐ２’までの距離は、バケット先端ＳＰの位置と修正後の第２目標位置Ｐ２’とを結ぶ線分Ｌ’の長さである。

また、修正後の第２目標位置Ｐ２’は、修正前の第２目標位置Ｐ２よりも上方の位置で、かつ、第１目標位置Ｐ１と第３目標位置Ｐ３の間の位置であることに加え、線分Ｌと線分Ｌ’とのなす角度が修正角度θ（所定角度）となるような位置であってもよい。修正角度θは、例えば、予めメモリに記憶された値に基づいて設定されてもよく、作業者が入力器９１に入力した入力情報（例えば入力値）に基づいて設定されてもよい。修正角度θ（所定角度）は鋭角であることが好ましい。

次に、バケット先端ＳＰと障害物Ｒとの位置関係の観点で互いに異なる２つのケースについて、図４及び図５を参照しながら説明する。図４及び図５のそれぞれは、第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）の修正方法の具体例を示す図である。

図４は、バケット先端ＳＰの下方に障害物Ｒが存在するようなケース１を示している。このケース１では、第１目標位置Ｐ１から修正前の第２目標位置Ｐ２に向かって移動するバケット先端ＳＰの進行方向（掘削方向）が斜め下方であり、目標軌道Ｔのうち第１目標位置Ｐ１から修正前の第２目標位置Ｐ２までの部分である目標軌道部分ＴＰの少なくとも一部が硬質領域Ｒに重なる。言い換えると、このケース１は、斜め下方に進むバケット先端ＳＰがさらにその方向に進むと、バケット先端ＳＰが障害物Ｒの上部又はその周辺に接するようなケースである。このケース１は、例えば掘削動作における序盤から中盤に生じることが多い。

図４のケース１では、修正後の第２目標位置Ｐ２’は、バケット先端ＳＰが修正前の第２目標位置Ｐ２に向かう場合に比べてバケット先端ＳＰが土壌Ｅの浅い位置（地面Ｇに近い位置）を通り、かつ、バケット先端ＳＰが修正後の第２目標位置Ｐ２’に向かうことで第３目標位置Ｐ３に近づくような位置に設定されることが好ましい。

このケース１では、修正後の第２目標位置Ｐ２’は、上記と同様に、線分Ｌの長さと線分Ｌ’の長さとが同じになるような位置であってもよく、線分Ｌと線分Ｌ’とのなす角度が修正角度θ（所定角度）となるような位置であってもよい。

また、このケース１において、到達判定部７４が後述するモデルと動作情報とを用いて掘削動作を予測する場合には、目標位置修正部７５は、第２目標位置Ｐ２を次のように修正してもよい。すなわち、到達判定部７４が、バケット先端ＳＰが図４に示す停止予測位置ＰＲにおいて停止すると予測した場合、目標位置修正部７５は、その予測が行われた時点におけるバケット先端ＳＰの位置と、停止予測位置ＰＲと、の位置関係に応じて第２目標位置Ｐ２を修正してもよい。図４に示す具体例では、予測が行われた時点におけるバケット先端ＳＰの位置は、第１目標位置Ｐ１であるが、第１目標位置Ｐ１から修正前の第２目標位置Ｐ２に向かって進んだ位置であってもよい。ただし、予測が行われた時点におけるバケット先端ＳＰの位置は、停止予測位置ＰＲにはまだ到達していない位置である。

図４に示すように、到達判定部７４が、バケット先端ＳＰが図４に示す停止予測位置ＰＲにおいて停止すると予測した場合、目標位置修正部７５は、停止予測位置ＰＲの高さ位置と同じ高さ位置で、かつ、線分Ｌの長さと線分Ｌ’の長さとが同じになるような位置に、第２目標位置Ｐ２を修正してもよい。また、到達判定部７４が、バケット先端ＳＰが図４に示す停止予測位置ＰＲにおいて停止すると予測した場合、目標位置修正部７５は、停止予測位置ＰＲの高さ位置と同じ高さ位置で、かつ、線分Ｌと線分Ｌ’とのなす角度が修正角度θ（所定角度）となるような位置に、第２目標位置Ｐ２を修正してもよい。

図５は、バケット先端ＳＰと障害物Ｒの側部とが対向するようなケース２を示している。このケース２では、第１目標位置Ｐ１から修正前の第２目標位置Ｐ２に向かって移動するバケット先端ＳＰの進行方向（掘削方向）が水平又は斜め上方であり、目標軌道Ｔのうち第１目標位置Ｐ１から修正前の第２目標位置Ｐ２までの部分である目標軌道部分ＴＰの少なくとも一部が硬質領域Ｒに重なる。言い換えると、このケース１は、水平又は斜め上方に進むバケット先端ＳＰがさらにその方向に進むと、バケット先端ＳＰが障害物Ｒの側部に接するようなケースである。このケース２は、例えば掘削動作の中盤から終盤に生じることが多い。

この図５のケース２では、修正後の第２目標位置Ｐ２’は、第１目標位置Ｐ１よりも上方の位置であり、かつ、バケット先端ＳＰが修正後の第２目標位置Ｐ２’に向かうことで第３目標位置Ｐ３に近づくような位置に設定されることが好ましい。

また、このケース２において、到達判定部７４が後述するモデルと動作情報とを用いて掘削動作を予測する場合には、目標位置修正部７５は、第２目標位置Ｐ２を次のように修正してもよい。すなわち、このケース２において、到達判定部７４が、バケット先端ＳＰが図５に示す停止予測位置ＰＲにおいて停止すると予測した場合、目標位置修正部７５は、ケース１と同様に、その予測が行われた時点におけるバケット先端ＳＰの位置と、停止予測位置ＰＲと、の位置関係に応じて第２目標位置Ｐ２を修正してもよい。図５に示す具体例では、予測が行われた時点におけるバケット先端ＳＰの位置は、第１目標位置Ｐ１であるが、第１目標位置Ｐ１から修正前の第２目標位置Ｐ２に向かって進んだ位置であってもよい。ただし、予測が行われた時点におけるバケット先端ＳＰの位置は、停止予測位置ＰＲにはまだ到達していない位置である。

図５に示すように、到達判定部７４が、バケット先端ＳＰが図５に示す停止予測位置ＰＲにおいて停止すると予測した場合、目標位置修正部７５は、停止予測位置ＰＲの真上の位置で、かつ、線分Ｌの長さと線分Ｌ’の長さとが同じになるような位置に、第２目標位置Ｐ２を修正してもよい。また、到達判定部７４が、バケット先端ＳＰが図５に示す停止予測位置ＰＲにおいて停止すると予測した場合、目標位置修正部７５は、停止予測位置ＰＲの真上の位置で、かつ、線分Ｌと線分Ｌ’とのなす角度が修正角度θ（所定角度）となるような位置に、第２目標位置Ｐ２を修正してもよい。

到達判定部７４は、ケース１及びケース２の何れの状況であるかについて、例えば次のように判定してもよい。上述したように、ケース１は、掘削動作における序盤から中盤に生じることが多く、このケース１では、第１目標位置Ｐ１から修正前の第２目標位置Ｐ２に向かって移動するバケット先端ＳＰの進行方向が斜め下方である。従って、到達判定部７４は、掘削動作を予測する時点におけるバケット先端ＳＰの位置が、目標軌道Ｔの前半の範囲にある場合にはケース１の状況であり、目標軌道Ｔの後半の範囲にある場合にはケース２の状況であると判定してもよい。また、到達判定部７４は、バケット先端ＳＰの動作速度が鉛直方向下向きの成分を含む場合にはケース１の状況であり、バケット先端ＳＰの動作速度が鉛直方向上向きの成分を含む場合にはケース２の状況であると判定してもよい。

制御指令部７６は、バケット先端ＳＰが目標軌道Ｔに沿って移動するように掘削動作を制御する。すなわち、制御指令部７６は、バケット先端ＳＰが複数の目標位置又はその近傍を通るように掘削動作を制御する。制御指令部７６は、目標位置の修正が行われない場合には、その時点における第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に向かってバケット先端ＳＰが移動するように掘削動作を制御し、目標位置の修正が行われた場合には、修正後の第２目標位置Ｐ２’（修正後の対象目標位置Ｐ２’）に向かってバケット先端ＳＰが移動するように掘削動作を制御する。図３、図４及び図５に示す具体例の場合、制御指令部７６は、修正前の第２目標位置Ｐ２又は修正後の第２目標位置Ｐ２’に向かってバケット先端ＳＰが移動し、その次に前記第３目標位置Ｐ３（前記次の目標位置Ｐ３）に向かってバケット先端ＳＰが移動するように前記掘削動作を制御する。すなわち、第２目標位置Ｐ２の修正が行われない場合には、制御指令部７６は、修正前の第２目標位置Ｐ２に向かってバケット先端ＳＰが移動し、その次に前記第３目標位置Ｐ３に向かってバケット先端ＳＰが移動するように前記掘削動作を制御する。第２目標位置Ｐ２の修正が行われた場合には、制御指令部７６は、修正後の第２目標位置Ｐ２に向かってバケット先端ＳＰが移動し、その次に前記第３目標位置Ｐ３に向かってバケット先端ＳＰが移動するように前記掘削動作を制御する。

制御指令部７６は、バケット先端ＳＰを第２目標位置Ｐ２又はＰ２’に向けて移動させるための制御入力を作業機械１００に入力する。これにより、作業装置３の掘削動作が制御される。具体的には、作業機械１００は、複数の流量調整器９４を備える。作業機械１００の作業機械側コントローラは、前記制御入力に基づいて、複数の流量調整器９４の少なくとも一つに入力する制御指令を演算し、当該制御指令を少なくとも一つの流量調整器９４に入力する。これにより、バケット先端ＳＰが第２目標位置Ｐ２又はＰ２’に向かって移動する。

より具体的には、例えば、複数の流量調整器９４は、ブームシリンダ７に供給する作動油の流量と作動油の供給方向を調整するためのブーム流量調整器９４と、アームシリンダ８に供給する作動油の流量と作動油の供給方向を調整するためのアーム流量調整器９４と、バケットシリンダ９に供給する作動油の流量と作動油の供給方向を調整するためのバケット流量調整器９４と、旋回モータ１１に供給する作動油の流量と作動油の供給方向を調整するための旋回流量調整器９４と、を含む。各流量調整器９４は、例えば、制御弁と、この制御弁のパイロットポートに供給されるパイロット圧を調節する電磁比例弁と、を含んでいてもよい。

作業機械１００の作業機械側コントローラは、制御指令部７６から入力される前記制御入力に基づいて、バケット先端ＳＰが第２目標位置Ｐ２又はＰ２’に向かって移動するように、例えば、ブーム流量調整器９４の電磁比例弁、アーム流量調整器９４の電磁比例弁、及びバケット調整器９４の電磁比例弁の少なくとも一つに制御指令を入力する。電磁比例弁は、制御指令に応じた２次圧（パイロット圧）を出力し、当該パイロット圧は、その電磁比例弁に対応する制御弁のパイロットポートに入力され、当該制御弁の開度は、パイロット圧に応じて調整される。これにより、制御指令に応じた流量の作動油が対応するシリンダに供給され、バケット先端ＳＰが目標位置に向かって移動する。

コントローラ７０の制御指令部７６が作業機械１００に入力する前記制御入力は、例えば、バケット先端ＳＰにおける掘削力を作業機械１００に指示するための掘削力指令であってもよい。この掘削力指令は、後述する図６における制御入力ｕ（ｔ）に相当し、掘削の方向と掘削力の大きさを指示するための指令（掘削力ベクトルを指示するための指令）である。この制御入力（掘削力指令）が入力される作業機械１００の作業機械側コントローラは、掘削力指令に対応する方向に掘削力指令に対応する掘削力の大きさでバケット先端ＳＰが動くように複数の電磁比例弁に制御指令を入力し、これにより、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に作動油が分配される。

以上の内容は、本実施形態に係る自動運転装置１０１が備える主な特徴である。以下では、自動運転装置１０１のより具体的な態様について説明する。

図６は、自動運転装置１０１の構成の他の例を示すブロック線図である。図７は、自動運転装置１０１が行う制御フローの一例を示す図である。

図６に示すように、自動運転装置１０１は、モデル作成器１０２と、データベース１０３と、をさらに備える。コントローラ７０は、モデル推定部７７をさらに備える。

モデル作成器１０２は、過去に行われた掘削作業の稼働データを用いて新たなモデルを作成する（図７のステップＳ１１，Ｓ１２）。稼働データは、掘削動作に関するデータを含む。掘削動作に関するデータは、例えば、掘削力又は掘削反力に関するデータを含んでいてもよく、掘削距離に関するデータを含んでいてもよい。モデル作成器１０２が作成するモデルは、例えば後述する図９に示すバネマスダンパモデルのような相互作用モデルであってもよく、他のモデルであってもよい。モデル作成器１０２は、稼働データを用いてモデルを作成するとともに、作成したモデルをデータベース１０３に入力する。モデル作成器１０２は、作成したモデルと、稼働データに含まれる掘削動作の動作情報と、を関連付けたデータセットを作成し、そのデータセットをデータベース１０３に入力してもよい。

データベース１０３は、モデル作成器１０２から入力される新たなモデルを順次記憶する（図７のステップＳ１３）。従って、データベース１０３は、作業装置３の掘削動作を予測するための互いに異なる複数のモデルを記憶している。モデル作成器１０２から前記データセットが入力される場合には、データベース１０３は、複数のモデルのそれぞれと、そのモデルに対応する掘削動作の動作情報と、関連付けて記憶してもよい。

前記相互作用モデルは、作業装置３（例えばバケット６）と掘削対象（例えば土壌Ｅ）との相互作用の特性を表す複数のパラメータを含む。相互作用モデルが図９に示すようなバネマスダンパモデルである場合、バネマスダンパモデルは、複数のモデルパラメータ（質量ｍ（ｔ）、粘性係数ｃ（ｔ）及びばね定数ｋ（ｔ））を含み、これらのモデルパラメータは、作業装置３（例えばバケット６）と掘削対象との相互作用の特性を表す。すなわち、これらのモデルパラメータは、前記相互作用の程度に応じた値に設定される。この場合、データベース１０３に記憶されている複数のモデルのそれぞれは、固有の複数のモデルパラメータを含んでいてもよい。また、データベース１０３が複数のデータセットを記憶している場合には、複数のデータセットのそれぞれは、固有の複数のモデルパラメータと、これに関連付けられた動作情報（例えば、掘削反力及び掘削距離）と、を含んでいてもよい。また、各バネマスダンパモデルは、前記複数のモデルパラメータに代えて、後述する式（４）における複数のシステムパラメータ（ａ^∧１（ｋ）、ａ^∧２（ｋ）、ｂ^∧０（ｋ））を含んでいてもよい。これらのシステムパラメータは、前記複数のモデルパラメータに対応するものであり、作業装置３（例えばバケット６）と掘削対象との相互作用の特性を表す。従って、データベース１０３が記憶している複数のモデルのそれぞれは、複数のモデルパラメータを含んでいてもよく、複数のシステムパラメータを含んでいてもよい。

モデル推定部７７は、その時点における実際の掘削動作の動作情報に適したモデルを推定し、推定したモデルを掘削動作の予測に用いるモデルとして選択する。

モデル推定部７７は、例えば次のようにモデルの推定を行ってもよい。モデル推定部７７は、その時点における実際の掘削動作の動作情報と、各モデルの複数のシステムパラメータとを、式（４）に代入し、式（４）のｙ（ｋ）を演算する。すなわち、モデル推定部７７は、複数のモデルのそれぞれを用いた場合のｙ（ｋ）を演算する。モデル推定部７７は、演算された複数のモデルに対応する複数のｙ（ｋ）と、その時点における実際の掘削動作における掘削距離ｙ（ｔ）と、を比較し、複数のモデルのうち、実際の掘削距離ｙ（ｔ）に最も近いｙ（ｋ）を有するモデルが実際の動作情報に適したモデルであると推定し、推定したモデルを掘削動作の予測に用いるモデルとして選択してもよい（図７のステップＳ１４，Ｓ１５）。これにより、モデル推定部７７は、実際の掘削動作の動作情報に適したモデルを選択することができる。

また、データベース１０３が複数のデータセットを記憶している場合には、モデル推定部７７は、例えば次のようにモデルの推定を行ってもよい。モデル推定部７７は、作業装置３の動作情報（実際の動作情報）と、データベース１０３に記憶された複数のデータセットと、を比較し、実際の動作情報（現在の動作情報）に適したモデルを推定し、推定したモデルを掘削動作の予測に用いるモデルとして選択してもよい（図７のステップＳ１４，Ｓ１５）。具体的には、モデル推定部７７は、現在の動作情報と、データベース１０３に記憶された複数のデータセットと、を比較し、現在の動作情報と同じ動作情報又は現在の動作情報に最も近い動作情報を含むデータセットを選択し、選択されたデータセットに含まれるモデルが現在の動作情報に適したモデルであると推定し、推定したモデルを掘削動作の予測に用いるモデルとして選択してもよい。

到達判定部７４は、モデル推定部７７が複数のモデルから選択した一つのモデルと、その時点における実際の動作情報とを用いて、作業装置３の掘削動作を予測し（バケット先端ＳＰの位置を予測し）、予測結果に基づいてバケット先端ＳＰが前記所定時間以内に第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に到達できるか否かを判定する（図７のステップＳ１６、Ｓ１７）。

上述したように、前記相互作用モデルは、作業装置３（例えばバケット６）と掘削対象との相互作用の特性を表す複数のパラメータ（複数のモデルパラメータ又は複数のシステムパラメータ）を含む。これらのパラメータは、作業装置３（例えばバケット６）と掘削対象との相互作用の特性を表し、前記相互作用の程度に応じた値を有する。言い換えると、複数の相互作用モデルは、例えば、土壌Ｅが高硬度である場合における掘削動作の予測に適したモデル、土壌Ｅが低硬度である場合における掘削動作の予測に適したモデル、土壌Ｅが高硬度と低硬度の間の中間硬度である場合における掘削動作の予測に適したモデルなどを含む。

従って、到達判定部７４は、その時点において選ばれている相互作用モデルの複数のパラメータと、その時点における動作情報と、予め設定された関係式と、を用いて、作業装置３の掘削動作（具体的には、バケット先端ＳＰの動作）を予測することができる。例えば、到達判定部７４は、複数のパラメータと、その時点における動作情報と、予め設定された関係式（例えば後述する式（７）～（９））と、を用いて、ある時間が経過した時点におけるバケット先端ＳＰの位置を予測することができる。従って、到達判定部７４は、上記のような掘削動作の予測結果、すなわち、バケット先端ＳＰの位置の予測結果に基づいて、バケット先端ＳＰが所定時間以内に対象目標位置Ｐ２に到達できるか否かを判定することができる。

バケット先端ＳＰが前記所定時間以内に第２目標位置Ｐ２に到達できると判定された場合（図７のステップＳ１７においてＹＥＳ）、すなわち、第２目標位置Ｐ２の修正が行われない場合には、制御指令部７６は、修正前の第２目標位置Ｐ２に向かってバケット先端ＳＰが移動するように作業機械１００に制御入力を出力し、作業機械側コントローラは、前記制御入力に応じた制御指令を流量調整器９４に出力する（図７のステップＳ１８）。作業機械１００は、実際の動作結果に関する動作情報をコントローラ７０に出力する（図７のステップＳ２０）。

バケット先端ＳＰが前記所定時間以内に第２目標位置Ｐ２に到達できないと判定され、第２目標位置Ｐ２の修正が行われた場合には（図７のステップＳ１７においてＮＯ、ステップＳ１９）、制御指令部７６は、修正後の第２目標位置Ｐ２に向かってバケット先端ＳＰが移動するように作業機械１００に制御入力を出力し、作業機械１００の作業機械側コントローラは、前記制御入力に応じた制御指令を流量調整器９４に出力する（図７のステップＳ１８）。作業機械１００は、実際の動作結果に関する動作情報をコントローラ７０に出力する（図７のステップＳ２０）。

この自動運転装置１０１では、コントローラ７０は、所定時間が経過するまで待たなくても、前記予測結果に基づいてバケット先端ＳＰが所定時間以内に第２目標位置Ｐ２（対象目標位置Ｐ２）に到達できるか否かを、所定時間が経過する前に判定することができる。従って、修正前の第２目標位置Ｐ２に向かう目標軌道Ｔ上に硬質領域Ｒが局所的に存在する場合、コントローラ７０は、所定時間が経過する前に、バケット先端ＳＰが所定時間以内に第２目標位置Ｐ２に到達できないと判定し、第２目標位置Ｐ２を目標軌道Ｔから外れた位置に修正し、修正後の第２目標位置Ｐ２’に向けてバケット先端ＳＰを移動させることができる。従って、到達可否判定を所定時間が実際に経過した時点で行う場合に比べて、第２目標位置Ｐ２の修正をより早い段階で行うことができる。これにより、作業装置３のバケット６が硬質領域Ｒに当たった状態で掘削動作が緩慢になったり掘削動作が停止したりすることをより効果的に抑制でき、よりスムーズな掘削動作が実現される。

また、モデル推定部７７は、前記予測結果と前記作業装置の実際の動作結果との比較を行い、前記比較の結果に応じて、前記掘削動作の予測に用いるモデルを、前記複数のモデルから選択される別のモデルに変更する。具体的には、例えば、モデル推定部７７は、予測結果と、作業装置３の実際の動作結果と、の差異が所定の閾値よりも大きい場合には、動作情報により適した別のモデルを複数のモデルから選択し、掘削動作の予測に用いるモデルを、選択された前記別のモデルに更新してもよい。具体的には、例えば、到達判定部７４が予測したバケット先端ＳＰの位置と、実際のバケット先端ＳＰの位置と、の差が所定の閾値よりも大きい場合には、モデル推定部７７は、次回の予測に用いるモデルを、上述した方法を用いてより適したモデルに更新してもよい。これにより、予測結果の精度をさらに高めることができる。

図８は、自動運転装置１０１のコントローラ７０による処理の一例を示すフローチャートである。図８を参照しながら、自動運転装置１０１と作業機械１００との間の信号の送受信も含めた制御の流れについて説明する。

コントローラ７０の目標設定部７１は、上述したように目標軌道Ｔと複数の目標位置Ｐａ～Ｐｈを設定する。コントローラ７０は、データベース１０３に記憶された複数のモデルの何れかのモデルを選択し、掘削動作の予測に用いるモデルとして設定する。掘削作業の開始時におけるモデルは、例えば、作業者が入力器９１に入力したモデルに関する情報に基づいて選択されてもよく、予め設定されたモデル（デフォルトのモデル）であってもよい。

自動運転装置１０１による作業機械１００の自動運転が開始されると、コントローラ７０は、作業装置３のバケット先端ＳＰが目標軌道Ｔ上又はその近傍を通るように作業装置３の掘削動作を制御する。バケット先端ＳＰが空中から下降して地面Ｇに接触すると、検出器９２は、作業装置３と掘削対象としての土壌Ｅ（地面Ｇ）との相互作用の開始の有無を検出し、コントローラ７０は、検出器９２から入力される検出信号に基づいて、作業装置３と土壌Ｅとの相互作用が発生したと判定する。コントローラ７０は、前記相互作用が発生したバケット先端ＳＰの位置を掘削動作の開始位置（図３では目標位置Ｐａ）に設定してもよい。開始位置（目標位置Ｐａ）は、例えば、地面Ｇ又は水平面と直交する２次元平面上の座標で表される。

まず、コントローラ７０は、目標位置Ｐａから目標位置Ｐｂに向かってバケット先端ＳＰが移動するように作業装置３の掘削動作を制御する。この場合、目標位置Ｐａが第１目標位置（前記一つ前の目標位置）に相当し、目標位置Ｐｂが第２目標位置（対象目標位置）に相当し、目標位置Ｐｃが第３目標位置（前記次の目標位置）に相当する。

コントローラ７０の到達判定部７４は、掘削動作を予測するためのモデルと、作業装置３の実際の掘削動作に関する動作情報と、を用いて、掘削動作を予測する。すなわち、到達判定部７４は、バケット先端ＳＰの位置を予測し（図８のステップＳ１０１）、予測結果に基づいて、バケット先端ＳＰが所定時間以内に次に移動すべき第２目標位置（対象目標位置）である目標位置Ｐｂに到達できるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

バケット先端ＳＰが所定時間以内に目標位置Ｐｂ（第２目標位置）に到達できないと判定された場合（ステップＳ１０２においてＮＯ）、目標位置修正部７５は、第２目標位置としての目標位置Ｐｂを修正する（ステップＳ１０７）。修正後の目標位置Ｐｂ（修正後の第２目標位置）は、上述したような方法で設定される。

そして、制御指令部７６は、バケット先端ＳＰが修正後の目標位置Ｐｂに向かって移動するように作業機械１００に対する動作指示である制御入力ｕ（ｔ）を出力する（ステップＳ１０３）。この制御入力ｕ（ｔ）は、例えば、上述したように、バケット先端ＳＰにおける掘削力を作業機械１００に指示するための掘削力指令であってもよい。この制御入力ｕ（ｔ）は、作業機械１００に入力される。作業機械１００の作業機械側コントローラは、作業装置３が制御入力ｕ（ｔ）に応じた動作を行うように、複数の流量調整器９４の電磁比例弁の少なくとも一つに制御指令を入力する（ステップＳ２０１）。これにより、バケット先端ＳＰが修正後の目標位置Ｐｂに向かって移動する。

一方、バケット先端ＳＰが所定時間以内に次の目標位置である目標位置Ｐｂに到達できると判定された場合（ステップＳ１０２においてＹＥＳ）、目標位置修正部７５は、次の目標位置の修正を行わない。そして、制御指令部７６は、バケット先端ＳＰが修正されていない目標位置Ｐｂに向かって移動するように制御入力ｕ（ｔ）を作業機械１００に入力する（ステップＳ１０３）。作業機械１００の作業機械側コントローラは、作業装置３が制御入力ｕ（ｔ）に応じた動作を行うように、複数の流量調整器９４の電磁比例弁の少なくとも一つに制御指令を入力する（ステップＳ２０１）。これにより、バケット先端ＳＰが修正されていない目標位置Ｐｂに向かって移動する。

作業機械１００の作業機械側コントローラは、掘削動作に関する実際の動作結果（実際の動作情報）を自動運転装置１０１に送信する（ステップＳ２０２）。当該動作結果は、検出器９２により検出される掘削力又は掘削反力に関する情報と、検出器９３により検出される作業機械１００の姿勢に関する情報と、を含んでいてもよい。

自動運転装置１０１のコントローラ７０は、作業機械１００から送信された動作結果を受信する（ステップＳ１０４）。コントローラ７０の到達判定部７４は、動作結果（動作情報）に基づいて、バケット先端ＳＰが所定時間以内に実際に目標位置Ｐｂに到達したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

例えば、バケット先端ＳＰが所定時間以内に実際に目標位置Ｐｂに到達すると予測されたにもかかわらず、バケット先端ＳＰが所定時間以内に実際に目標位置Ｐｂに到達しなかった場合（ステップＳ１０５においてＮＯ）、モデル推定部７７は、実際の動作結果（実際の動作情報）と、データベース１０３に記憶された複数のモデルと、を比較し、動作情報に適したモデルを推定し、推定したモデルを掘削動作の予測に用いるモデルとして選択する。そして、モデル推定部７７は、選択したモデルを、掘削動作の次回の予測に用いるモデルとして設定する。すなわち、モデル推定部７７は、モデルを更新する（ステップＳ１０６）。そして、コントローラ７０は、ステップＳ１０１以降の処理を繰り返す。

バケット先端ＳＰが予測通りに所定時間以内に実際に目標位置Ｐｂに到達した場合（ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、コントローラ７０は、モデルを更新せずに、ステップＳ１０１以降の処理を繰り返す。すなわち、コントローラ７０は、目標位置Ｐｂから目標位置Ｐｃに向かってバケット先端ＳＰが移動するように作業装置３の掘削動作を制御する。この場合、目標位置Ｐｂが第１目標位置（前記一つ前の目標位置）に相当し、目標位置Ｐｃが第２目標位置（対象目標位置）に相当し、目標位置Ｐｄが第３目標位置（前記次の目標位置）に相当する。以下、上記と同様にして、コントローラ７０は、目標軌道Ｔ上又はその近傍に沿ってバケット先端ＳＰが移動するように掘削動作を制御する。

次に、図９～図１１を参照しながら、自動運転装置１０１のコントローラ７０による制御の具体例について説明するが、以下の具体例は、あくまでも本開示に係る自動運転装置による制御の一例である。従って、本開示に係る自動運転装置では、以下の具体例のような複雑な演算処理が必ずしも行われる必要はなく、既に説明したような種々の制御が採用されてもよい。

図９は、作業装置３の掘削動作を予測するためのモデルの一例である相互作用モデル２００を説明するための図である。このモデル２００を用いた制御の制御対象は、掘削対象の特性を考慮するために作業機械１００のバケット６と掘削対象（環境）との間の相互作用として設定される。この相互作用モデル２００は、バケット６と環境との相互作用がバケット６の動作中に局所的に観察されたときに、質量要素、ばね要素、及びダンパ要素による抵抗が発生する系であると仮定される。

図９に示すように、この相互作用モデル２００は、バケット６が２次元平面２０１内で動作するとみなして構築されたモデルである。２次元平面２０１は、作業装置３の長手方向に沿った平面であって地面Ｇと直交する平面である。２次元平面２０１は、作業装置３の長手方向に平行で地面Ｇと水平な方向にｘｔ軸が設定され、地面Ｇと直交する方向にｙｔ軸が設定されている。また、２次元平面２０１の原点は、例えば、バケット先端ＳＰと地面Ｇとの相互作用が開始された位置（開始位置）に設定されてもよく、他の位置に設定されてもよい。

相互作用モデル２００は、作業装置３と掘削対象である土壌Ｅ（環境）との相互作用の質量要素２１１と、ダンパ要素２１２と、ばね要素２１３とを含むバネマスダンパモデルである。質量要素２１１は、作業装置３と掘削対象との相互作用の質量ｍ（ｔ）によって表される。ダンパ要素２１２は、粘性係数ｃ（ｔ）によって表される。ばね要素２１３は、ばね定数ｋ（ｔ）によって表される。ダンパ要素２１２とばね要素２１３とは並列接続されている。質量要素２１１は、ダンパ要素２１２とばね要素２１３とが並列接続された並列要素と直列接続されている。このバネマスダンパモデルの運動方程式は、次の式（１）～（３）で表される。

ここで、図９において、Ｘｓ＝［ｘｓ，ｙｓ］^Ｔは、相互作用の発生位置を表し、Ｘｔ（ｔ）＝［ｘｔ（ｔ），ｙｔ（ｔ）］^Ｔは、バケット先端ＳＰの位置を表す。また、ｆ（ｔ）＝［ｆｘ（ｔ），ｆｙ（ｔ）］^Ｔは、掘削力ベクトルを表す。

次に、操業条件や環境条件によって変化する作業機械１００（例えばバケット６）と環境の相互作用特性は、モデルパラメータｍ（ｔ）、ｋ（ｔ）及びｃ（ｔ）の変化によって表される。離散時間システムは、次の式（４）で表すことができる。

ここで、ｔ＝ｋＴｓの関係があり、Ｔｓは、サンプリング時間であり、ａ^∧１（ｋ）、ａ^∧２（ｋ）、及びｂ^∧０（ｋ）は、システムパラメータを表す。また、ξ（ｋ）は、平均０分散σ^２のガウシアンホワイトノイズである。

制御入力ｕ（ｔ）は、次の式（５）で定義される。

ここで、Δｕ（ｋ）は、入力差分を表し、データベース駆動型モデル予測制御（ＤＤ－ＭＰＣ）で算出される。ＤＤ－ＭＰＣのモデルは、データベース駆動型モデリング（ＤＤ－Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）を使用して制御対象の特性の変化に応じて変更されるため、動作中に制御対象の特性が変化しても所望の制御性能が得られる。データベース駆動型モデリングは、制御対象の入出力データ（例えば動作情報）と予め複数のモデルが格納されたデータベース１０３を使用して、現在の制御対象を表すモデル（現在の動作情報に適したモデル）を推定する方法である。このデータベース駆動型モデリングによるモデルの推定方法の概要は、図６及び図７を参照して説明した通りである。データベース駆動型モデリングは、上述したように対象目標位置Ｐ２を修正して目標軌道Ｔを更新し、データベース駆動型モデル予測制御を用いて上述したように制御入力ｕ（ｔ）を演算する。データベース駆動型モデル予測制御は、データベース駆動型モデリングによって推定されたモデルを使用してモデル予測制御を実行する方法である。これにより、制御対象の特性変化を考慮した制御が可能になる。

ＤＤ－ＭＰＣの評価関数Ｊは、次の式で定義される。

ここで、ｙｐは、Ｎｐステップ先の予測出力、ｒは、Ｎｐステップ先の目標値、ｕｐは、Ｎｃステップ先の制御入力を表す。ここで、式（７）のｙｐは、式（４）を状態空間に変換したモデルを用いて再帰的に計算される。Δｕｐは、ＮｃからＮｐの間一定であると仮定される。なお、Ｎｃ≦Ｎｐの関係が成り立つ。また、ＮｐとＮｃは予測ホライズンと制御ホライズンを表し、Ｑｅ、Ｑｕは、評価関数の重みを表す。そして、コントローラ７０は、制約条件付き二次計画問題をとき、Δｕｐを得る。

ここで、ｕｍａｘは、ｕ（ｔ）の最大値を表し、ｕｍｉｎは、ｕ（ｔ）の最小値を表す。次の式（１２）のように、Δｕｐの第一成分からΔｕ（ｔ）が得られる。

このように制御入力ｕ（ｔ）は、式（５）と式（１２）によって計算される。すなわち、コントローラ７０は、式（１０）及び式（１１）に規定される条件の制約の範囲で、かつ、式（６）の評価関数Ｊが最小となるような制御入力ｕ（ｔ）を、式（５）及び式（１２）を用いて演算する。なお、コントローラ７０は、式（７）～（９）と、動作情報と、を用いて、掘削動作を予測する。

次に、掘削軌跡（目標軌道Ｔ）の更新の手順について説明する。

次のステップ１とステップ２に示す手順に従って、掘削軌跡（目標軌道Ｔ）がオンラインで更新される。

［ステップ１］バケット先端ＳＰの位置の予測
Ｎｐｔｒｊステップ先の制御出力ｙ（ｔ）がＤＤ－ＭＰＣにより算出される。ここで、局所的に線形化したモデルが用いられ、次に移動すべき目標位置ｒｔ（ｔ）＝［ｒｘ（ｔ），ｒｙ（ｔ）］^Ｔまでの予測が行われる。また、バケット先端ＳＰの動作については、現在の先端位置Ｘｔ（ｔ）＝［ｘｔ（ｔ），ｙｔ（ｔ）］^Ｔから目標位置ｒｔ（ｔ）まで直線移動すると仮定される。モデルは１次元であるが、２次元のバケット先端ＳＰの予測位置Ｘｐ（ｔ）＝［ｘｐ（ｔ），ｙｐ（ｔ）］^Ｔは、幾何学関係に基づき予測された制御出力を用いて次の式（１３）－（１８）で計算される。

そして、コントローラ７０は、予測ステップＮｐｔｒｊ間（すなわち所定時間）で次の目標位置に到達できるか否かを判断する。バケット先端ＳＰの位置が予測ステップ内で目標位置の近傍に到達できない場合、ステップ２が実行され、掘削軌跡（目標軌道Ｔ）が更新される。すなわち、目標位置が修正される。

［ステップ２］掘削軌跡（目標軌道Ｔ）の更新
ステップ１で目標位置まで到達できないと判定された場合、コントローラ７０は、現在のバケット先端ＳＰの位置と目標位置の関係性に基づき目標位置を更新する。ここで、更新後に現在のバケット先端ＳＰの位置と目標位置との間の距離分掘削が進むと仮定し、更新後（修正後）の目標位置を決定する。そして、更新後の目標位置ｒｔｎｅｗ（ｔ）＝［ｒｘｎｅｗ（ｔ），ｒｙｎｅｗ（ｔ）］^Ｔが決定される。

（ｉ）目標位置がバケット先端ＳＰの位置より下方にある場合
図１０に示すように、障害物Ｒがバケット先端ＳＰの下にある場合、つまり、深く掘削した時に障害物Ｒが現れる場合を考える。この図１０に示すケースは、図４を参照しながら説明したケース１に対応する。この場合、掘削を浅くして進行方向に進める必要がある。目標位置は次のように更新される。

ここで、ｒｔ（ｔ）＝［ｒｘ（ｔ），ｒｙ（ｔ）］^Ｔは、修正前の対象目標位置を表し、Ｘｐ（ｔ）＝［ｘｐ（ｔ），ｙｐ（ｔ）］^Ｔは、予測されたバケット先端ＳＰの位置を表す。また、ｄ（ｔ）＝√（ｘｔ（ｔ）－ｒｘ（ｔ））^２＋（ｙｔ（ｔ）－ｒｙ（ｔ））^２は、現在のバケット先端ＳＰの位置と修正前の対象目標位置との距離を表す。

（ｉｉ）目標位置がバケット先端ＳＰの位置より上方にある場合
図１１に示すように、掘削を妨げる障害物Ｒがバケット先端ＳＰの側方にある、すなわち、掘削で地面Ｇに向けてバケットを動かすときに障害物Ｒが出現した場合を考慮する。この図１１に示すケースは、図５を参照しながら説明したケース２に対応する。その場合、修正前の対象目標位置より上にバケット６を動かさないと障害物Ｒを回避できない。このとき、コントローラ７０は、目標位置を次の式（２１），（２２）のように更新する。

それぞれの場合のバケット先端ＳＰの位置、修正前（更新前）の対象目標位置、修正後（更新後）の対象目標位置の幾何学関係を図１１に示す。そして、コントローラ７０は、目標軌道上の該当する点をステップ２により算出された目標位置に修正し、目標軌道を更新する。

以上、本開示の実施形態に係る自動運転装置について説明したが、本開示は、上記の実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例を含む。

（Ａ）モデル作成器及びデータベースについて
前記実施形態では、自動運転装置１０１がモデル作成器１０２とデータベース１０３とを備えるが、モデル作成器１０２及びデータベース１０３の少なくとも一方は、自動運転装置１０１とは別の装置（例えばサーバ）が備えるものであってもよい。この場合、自動運転装置１０１は、前記別の装置との間で無線又は有線での通信によってデータベース１０３にアクセス可能なように構成されていてもよい。また、本開示における自動運転装置では、モデル作成器１０２及びデータベース１０３の少なくとも一方は、省略可能である。

（Ｂ）モデルの選択について
掘削動作の予測に用いられる前記モデルは、例えば、複数のモデルのうちの何れかのモデルを指定するために作業者が入力器９１に入力する情報に基づいてコントローラ７０が複数のモデルから選択したものであってもよい。この場合、掘削動作の予測に関する特徴（傾向）に対して、作業者の意向を反映させることができる。

コントローラ７０は、図８のステップＳ１０２の処理において、一つのモデルを用いて前記判定を行ってもよく、ステップＳ１０２の処理中に複数のモデルを更新しながら前記判定を行ってもよい。

また、コントローラ７０は、サンプリング時間ごとに、動作情報により適した別のモデルを複数のモデルから選択し、掘削動作の予測に用いるモデルを、選択された前記別のモデルに更新してもよい。

（Ｃ）モデルの他の例について
前記実施形態に係る自動運転装置では、複数のモデルのそれぞれがバネマスダンパモデルであるが、これに限られない。複数のモデルのそれぞれは、例えば、作業機械１００の油圧回路を表したモデルと土壌Ｅの力学的な要素を表したモデルとを含むものであってもよく、コントローラは、これらのモデルを用いて、作業装置の掘削動作を予測してもよい。

（Ｄ）掘削力演算部及び位置演算部について
掘削力演算部７２及び位置演算部７３の少なくとも一方は、作業機械１００の作業機械側コントローラが備えていてもよい。また、本開示における自動運転装置では、掘削力演算部７２及び位置演算部７３の少なくとも一方は、省略可能である。

（Ｅ）自動運転装置１０１のコントローラ７０は、作業機械１００の前記作業機械側コントローラも含んでいてもよい。

［実施例］
次に、本開示の実施例について説明する。図１２及び図１３は、図９に示す前記相互作用モデル２００を用いた制御のシミュレーション結果を示す図である。図１４及び図１５は、参考例に係るシミュレーション結果を示す図である。図１６は、シミュレーションに用いられた各種パラメータの値を示すテーブルである。

［シミュレーション条件］
本開示の実施形態に係る自動運転装置１０１による制御の効果を簡易的に検証するため、制御対象を次の式（２３）の２次遅れ系として定義する。

ここで、式（２３）のｙ（ｔ）は、バケット先端ＳＰの掘削距離であり、ａ１（ｔ）、ａ２（ｔ）及びｂ０（ｔ）は、上述した式（４）における複数のシステムパラメータ（ａ^∧１（ｋ）、ａ^∧２（ｋ）、ｂ^∧０（ｋ））に対応するパラメータである。

検証は、システムパラメータａ１（ｔ）、ａ２（ｔ）、及びｂ０（ｔ）の変更を、作業機械１００（油圧ショベル）と環境の相互作用の特性の変更と見なして行った。この１次元の伝達関数を使用して掘削の２次元動作が単純に表現される。この検証では、制御対象は１次元であるが、２次元平面での掘削動作における目標位置の更新を確認する。したがって、１次元の制御対象の出力は、式（１４）－（１８）によって２次元平面上の座標に変換される。また、制御対象は目標位置まで直線的に移動すると仮定する。目標掘削軌跡（複数の目標位置）は、図１６に示すテーブル１の２次元平面上の５点で構成されている（テーブル１の最下段）。コントローラ７０は、バケット先端ＳＰが目標位置の近傍に配置されたとき、目標位置を次の値に変更（更新）する。コントローラ７０には目標軌道Ｔを次の式（２４）のように１次元に変換した目標値が与えられる。

制御対象（作業機械１００）にはコントローラ７０で算出されたｕ（ｔ）が入力され、ｙ（ｔ）が出力される。ｙ（ｔ）は、掘削距離である。そして、コントローラ７０は、フィードバックされたｕ（ｔ）とｙ（ｔ）を用いて２次元の目標軌道を更新する。また、テーブル１は、検証に用いた制御系の設定パラメータを示す。

［シミュレーション結果］
本実施形態に係る自動運転装置による制御の効果を検証するために、コントローラ７０の到達判定部７４、目標位置修正部７５、及びモデル推定部７７を備えている場合と、これらを備えていない場合の制御結果を比較した。検証条件は、次の式（２５）に示すように、掘削中に特性が変化するように設定する。

図１２及び図１３は、本開示の実施形態に係るコントローラ７０の到達判定部７４、目標位置修正部７５、及びモデル推定部７７を備えている場合の制御結果を示している。図１４及び図１５は、これらを備えていない場合の制御結果を示している。

図１４及び図１５に示すように、コントローラ７０の到達判定部７４、目標位置修正部７５、及びモデル推定部７７を備えていない場合、作業機械１００（油圧ショベル）と環境の相互作用特性の変化の影響により、バケット先端ＳＰの動きが遅くなっており、掘削には非常に長い時間がかかってしまう。したがって、油圧ショベルと環境の相互作用特性の変化を考慮しない掘削軌跡の制御では、所望の掘削動作を実行できない可能性がある。なお、図１４において、「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ２」の領域は、硬質領域Ｒに相当し、「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ１」の領域は、硬質領域Ｒよりも柔らかい土質の領域である（図１２についても同様である。）。

一方、図１２及び図１３に示すように、本開示の実施形態では、ＤＤ－ＭＰＣでバケット先端の動きを予測し、予測結果に基づいて目標軌道を更新することにより、作業機械１００（油圧ショベル）と環境の相互作用特性が変化しても、スムーズな掘削動作を実現できる。本開示の実施形態に係る自動運転装置１０１によって目標軌道Ｔ（掘削軌跡）を更新することにより、途中で停止することなく掘削動作ができることが確認された。

１ ：下部走行体
２ ：上部旋回体
３ ：作業装置
４ ：ブーム
５ ：アーム
６ ：バケット
７０ ：コントローラ
１００ ：作業機械
１０１ ：自動運転装置
２００ ：相互作用モデル
２１１ ：質量要素
２１２ ：ダンパ要素
２１３ ：ばね要素
Ｐ ：目標位置
Ｐ１ ：第１目標位置（一つ前の目標位置）
Ｐ２ ：第２目標位置（対象目標位置）
Ｐ２’ ：修正後の第２目標位置（修正後の対象目標位置）
Ｐ３ ：第３目標位置（次の目標位置）
ＳＰ ：バケット先端
Ｔ ：目標軌道

Claims (10)

1. 機体と前記機体に支持される作業装置とを備える作業機械を自動運転するための自動運転装置であって、
   前記作業装置の掘削動作を制御するコントローラを備え、
   前記コントローラは、
   前記掘削動作における前記作業装置の特定部位の目標軌道上に間隔をおいて並ぶ複数の目標位置を設定し、
   前記掘削動作において前記特定部位が前記複数の目標位置から選ばれる対象目標位置に所定時間以内に到達できるか否かを、前記掘削動作に関する動作情報を用いて判定し、
   前記特定部位が前記所定時間以内に前記対象目標位置に到達できないと判定した場合に前記対象目標位置を前記目標軌道から外れた位置に修正し、
   修正後の前記対象目標位置に向かって前記特定部位が移動し、その次に、前記複数の目標位置のうち前記対象目標位置に対して掘削方向の隣に位置する次の目標位置に向かって前記特定部位が移動するように前記掘削動作を制御する、自動運転装置。
2. 前記コントローラは、前記動作情報を用いて前記作業装置の前記掘削動作を予測し、予測結果に基づいて前記特定部位が前記所定時間以内に前記対象目標位置に到達できるか否かを判定する、請求項１に記載の自動運転装置。
3. 前記コントローラは、前記掘削動作を予測するための互いに異なる複数のモデルから選ばれる何れかのモデルと前記動作情報とを用いて前記作業装置の前記掘削動作を予測し、予測結果に基づいて前記特定部位が前記所定時間以内に前記対象目標位置に到達できるか否かを判定する、請求項１に記載の自動運転装置。
4. 前記コントローラは、前記予測結果と前記作業装置の実際の動作結果との比較を行い、前記比較の結果に応じて、前記掘削動作の予測に用いるモデルを、前記複数のモデルから選択される別のモデルに変更する、請求項３に記載の自動運転装置。
5. 前記複数のモデルのそれぞれは、前記掘削動作における前記作業装置と掘削対象との相互作用に基づいて構築された相互作用モデルであり、前記相互作用モデルは、前記相互作用の質量要素と、前記相互作用のばね要素及び前記相互作用のダンパ要素の少なくとも一方と、を用いて規定される、請求項３に記載の自動運転装置。
6. 前記動作情報は、前記掘削動作における掘削力に関する情報及び前記掘削動作における掘削距離に関する情報の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の自動運転装置。
7. 前記特定部位は、前記作業装置に含まれるバケットの先端である、請求項１に記載の自動運転装置。
8. 修正後の前記対象目標位置は、修正前の前記対象目標位置よりも上方の位置で、かつ、前記複数の目標位置のうち前記対象目標位置に対して前記掘削方向の反対の方向の隣に位置する一つ前の目標位置と前記次の目標位置との間の位置である、請求項１に記載の自動運転装置。
9. 修正後の前記対象目標位置は、前記一つ前の目標位置又は前記特定部位の位置から修正前の前記対象目標位置までの距離と、前記一つ前の目標位置又は前記特定部位の位置から修正後の前記対象目標位置までの距離と、が同じ大きさになるような位置である、請求項８に記載の自動運転装置。
10. 修正後の前記対象目標位置は、前記一つ前の目標位置又は前記特定部位の位置と修正前の前記対象目標位置とを結ぶ線分と、前記一つ前の目標位置又は前記特定部位の位置と修正後の前記対象目標位置とを結ぶ線分とのなす角度が所定角度となるような位置である、請求項８に記載の自動運転装置。

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