JP2024065413A - 制御装置、制御方法、および作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】自動掘削動作における効率性を容易に維持することができる制御装置、制御方法、および作業機械を提供する。
【解決手段】制御装置は、旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える作業機械の制御装置であって、前記作業機による掘削動作、排土動作、ならびに、前記掘削動作と前記排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、１回の前記掘削動作毎に、少なくとも、前記掘削動作に要する掘削時間と、前記積荷旋回および前記戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を決定する掘削開始位置決定部を備える。
【選択図】図２

Description

本開示は、制御装置、制御方法、および作業機械に関する。

特許文献１には、掘削処理を効率的に行い得る戦略を決定するための装置が記載されている。特許文献１に記載されている装置では、掘削現場を格子状の小さい掘削区域に分割し、各区域について境界線と掘削順序を決定し、提供された掘削順序の順番に各掘削部位を探索し、掘削する量、消費されるエネルギーおよび時間などの性能基準に基づいて費用関数を最適化することにより、掘削を始めるための掘削機のバケットの最適な位置と向きが決定される。ここで、各掘削区域の幅は約１バケット幅に設定されている。また、各掘削区域が掘削される順番は、例えば上から下への順と、オペレータの視界が遮られない方向の順とに基づいて設定される。また、各掘削区域では、バケットの角度と区域内のどこを掘削開始位置とするのかについて最適化が図られている。

特開平１１－２４７２３０号公報

特許文献１に記載されている装置では、各掘削区域を掘削する順番が予め決められているため、例えば作業の進行に伴ってその順番があまり適切ではなくなってしまった場合、掘削作業の効率性を維持することが難しくなることがあるという課題があった。

本開示は、上記課題を解決するものであり、自動掘削動作における効率性を容易に維持することができる制御装置、制御方法、および作業機械を提供することを目的とする。

本開示の一態様は、旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える作業機械の制御装置であって、前記作業機による掘削動作、排土動作、ならびに、前記掘削動作と前記排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、少なくとも、前記掘削動作に要する掘削時間と、前記積荷旋回および前記戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を、１回の前記掘削動作毎に決定する掘削開始位置決定部を備える制御装置である。

また、本開示の一態様は、旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える作業機械の制御方法であって、前記作業機による掘削動作、排土動作、ならびに、前記掘削動作と前記排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、少なくとも、前記掘削動作に要する掘削時間と、前記積荷旋回および前記戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を、１回の前記掘削動作毎に決定するステップを含む制御方法である。

また、本開示の一態様は、旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられた作業機と、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記作業機による掘削動作、排土動作、ならびに、前記掘削動作と前記排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、少なくとも、前記掘削動作に要する掘削時間と、前記積荷旋回および前記戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を、１回の前記掘削動作毎に決定する掘削開始位置決定部を備える作業機械である。

また、本開示の一態様は、旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える作業機械を遠隔制御する制御方法であって、前記作業機による掘削動作、排土動作、ならびに、前記掘削動作と前記排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、１回の前記掘削動作毎に、少なくとも、前記掘削動作に要する掘削時間と、前記積荷旋回および前記戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を決定するステップを含む。

本開示の制御装置、制御方法、および作業機械は、自動掘削動作における効率性を容易に維持することができる。

本開示の実施形態に係る作業機械の構成を示す概略図である。 本開示の実施形態に係る制御システムの構成例を示すブロック図である。 本開示の実施形態に係る制御装置の動作例を模式的に示す平面図である。 本開示の実施形態に係る制御装置の動作例を示すフローチャートである。 本開示の実施形態に係る制御装置の動作例を説明するための地形の三次元形状の一例を示す模式図である。 本開示の実施形態に係る作業機械とダンプトラックの位置関係の例を示す模式図である。 本開示の実施形態に係る掘削方向と地形の二次元断面との関係の例を示す模式図である。 本開示の実施形態に係る掘削軌道の例を模式的に示す側面図である。 本開示の実施形態に係る作業機のモデルの例を示す模式図である。 本開示の実施形態に係るパラメータの例を示す模式図である。 本開示の実施形態に係る作業機と掘削対象の位置関係の例を模式的に示す側面図である。 本開示の実施形態に係る作業機の動きの例を模式的に示す側面図である。 本開示の実施形態に係る評価指標、掘削体積、掘削時間および旋回時間の例を示す模式図である。

以下、図面を参照して本開示の実施形態について説明する。なお、各図において同一または対応する構成には同一の符号を用いて説明を適宜省略する。図１は、本開示の実施形態に係る作業機械の構成を示す概略図である。図２は、本開示の実施形態に係る制御システムの構成例を示すブロック図である。図３は、本開示の実施形態に係る制御装置の動作例を模式的に示す平面図である。図４は、本開示の実施形態に係る制御装置の動作例を示すフローチャートである。図５は、本開示の実施形態に係る制御装置の動作例を説明するための地形の三次元形状の一例を示す模式図である。図６は、本開示の実施形態に係る作業機械とダンプトラックの位置関係の例を示す模式図である。図７は、本開示の実施形態に係る掘削方向と地形の二次元断面との関係の例を示す模式図である。図８は、本開示の実施形態に係る掘削軌道の例を模式的に示す側面図である。図９は、本開示の実施形態に係る作業機のモデルの例を示す模式図である。図１０は、本開示の実施形態に係るパラメータの例を示す模式図である。図１１は、本開示の実施形態に係る作業機と掘削対象の位置関係の例を模式的に示す側面図である。図１２は、本開示の実施形態に係る作業機の動きの例を模式的に示す側面図である。図１３は、本開示の実施形態に係る評価指標、掘削体積、掘削時間および旋回時間の例を示す模式図である。

（作業機械１００の構成）
図１は、本開示の実施形態に係る作業機械１００の構成例を示す。作業機械１００は、施工現場にて稼働し、土砂などの施工対象を施工する。本開示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。ただし、本開示の作業機械は、例えば、旋回体と作業機とを備える作業機械であれば限定はなく、例えばフェースショベル、電動ショベルなどの他の作業機械であってもよい。作業機械１００は、走行体１１０、旋回体１２０、作業機１３０および運転室１４０を備える。

走行体１１０は、作業機械１００を走行可能に支持する。走行体１１０は、左右に設けられた２つの履帯１１１と、各履帯１１１を駆動するための２つの走行モータ１１２を備える。旋回体１２０は、走行体１１０に旋回中心回りに旋回可能に支持される。

作業機１３０は、油圧により駆動する。作業機１３０は、旋回体１２０の前部に上下方向に駆動可能に支持される。運転室１４０は、オペレータが搭乗し、作業機械１００の操作を行うためのスペースである。運転室１４０は、旋回体１２０の左前部に設けられる。なお、本実施形態では、図１に示すように、旋回体１２０を基準として、上下方向、左右方向、および、前後方向を定める。本実施形態では、この座標系をショベル座標系という。また、旋回体１２０のうち作業機１３０が取り付けられる部分を前部という。また、旋回体１２０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。

（旋回体１２０の構成）
旋回体１２０は、エンジン１２１、油圧ポンプ１２２、ＥＰＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）弁１２３－１、メインバルブ１２３－２、旋回モータ１２４、および、燃料噴射装置１２５を備える。エンジン１２１は、油圧ポンプ１２２を駆動する原動機である。エンジン１２１は、動力源の一例である。エンジン１２１にはセルモータ１２１１が設けられる。エンジン１２１は、セルモータ１２１１の回転により起動する。ＥＰＣ弁１２３－１は、制御装置６１が出力した操作指令信号に基づき、メインバルブ１２３－２に流れる作動油を制御する。

油圧ポンプ１２２は、エンジン１２１により駆動される可変容量ポンプである。油圧ポンプ１２２は、メインバルブ１２３－２を介して各アクチュエータに作動油を供給する。各アクチュエータは、ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、バケットシリンダ１３３Ｃ、走行モータ１１２、および旋回モータ１２４を含む。メインバルブ１２３－２は、油圧ポンプ１２２から供給される作動油の流量を制御する。

旋回モータ１２４は、メインバルブ１２３－２を介して油圧ポンプ１２２から供給される作動油によって駆動し、旋回体１２０を旋回軸１２０Ｃ（旋回中心）周りに旋回させる。燃料噴射装置１２５は、燃料をエンジン１２１に噴射する。

（作業機１３０の構成）
作業機１３０は、ブーム１３１、アーム１３２、バケット１３３、ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、およびバケットシリンダ１３３Ｃを備える。なお、ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、およびバケットシリンダ１３３Ｃは、図２に示すシリンダ１３０Ｃに含まれる。

ブーム１３１の基端部は、旋回体１２０にブームピンを介して取り付けられる。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の先端部にアーム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（先端ともいう）１３３Ｔと掘削した土砂を収容するための収容部とを備える。バケット１３３の基端部は、アーム１３２の先端部にバケットピン１３３Ｐを介して取り付けられる。

ブームシリンダ１３１Ｃは、ブーム１３１を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１３１Ｃの基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１３１Ｃの先端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３２Ｃ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１３２Ｃの基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３２Ｃ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１３３Ｃ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１３３Ｃ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１３３Ｃの先端部は、バケット１３３に接続されるリンク部材に取り付けられる。

（運転室１４０の構成）
運転室１４０内には、運転席、図２に示す操作装置１４３等が設けられる。操作装置１４３は、オペレータの手動操作によって走行体１１０、旋回体１２０および作業機１３０を駆動させたり、各種設定値を設定したり、変更したり、オペレータに対して情報を提供したりするための装置である。操作装置１４３は、複数のレバーおよび複数のペダル（左操作レバー、右操作レバー、左フットペダル、右フットペダル、左走行レバー、右走行レバー等）と、表示入力装置１４３Ｄ等を備える。表示入力装置１４３Ｄは、表示装置と表示画面に対するタッチ操作を検知するセンサとを組み合わせた装置である。例えばオペレータは、表示入力装置１４３Ｄを用いて、各種設定値等を設定したり、変更したりすることができる。なお、本実施形態に係る作業機械１００は、運転席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作業機械１００は、作業機械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指令信号等が生成および送信され動作するものであってもよい。

（センサ等）
図２に示すように、作業機械１００の制御システム６０は、制御装置６１と、操作装置１４３等と、各種センサとを備える。なお、図２では、油圧系統の回路を太線で示している。図２に示す例では、制御システム６０は、三次元形状センサ１５０と、姿勢角センサ１５１と、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ；全球測位衛星システム）センサ１５２と、ＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ；慣性計測装置）１５３とを備える。

三次元形状センサ１５０の例としては、ステレオカメラ、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）装置、ミリ波レーダなど、あるいは１または複数のそれらのセンサの組み合わせ等が挙げられる。これらのセンサは、例えば検出方向が作業機械１００の運転室１４０の前方および後方を向くように設けられる。これらのセンサは、対象物の三次元位置を、各センサの位置を基準とした座標系で特定する。三次元形状センサ１５０は、例えば、検出範囲内の複数の点の三次元位置を示す深度情報を出力する。深度情報の例としては、深度を表す複数の画素からなる深度画像や、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）で表現される複数の点からなる点群データが挙げられる。

姿勢角センサ１５１は、例えば、各シリンダに装着された各ストロークセンサを含み、各ストロークセンサが計測した各シリンダ長に基づきブーム１３１、アーム１３２、およびバケット１３３の各姿勢角が算出される。なお、ストロークセンサ以外に、ＩＭＵを旋回体１２０、ブーム１３１、アーム１３２、およびバケット１３３のそれぞれに装着して各軸の姿勢角を計測しても良い。

ＧＮＳＳセンサ１５２は、旋回体１２０の位置および旋回体１２０が向く方位を演算する。ＧＮＳＳセンサ１５２は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器１２６－１および１２６－２を備える。２つの受信器１２６－１および１２６－２は、それぞれ旋回体１２０の異なる位置に設置される。ＧＮＳＳセンサ１５２は、受信器１２６－１および１２６－２が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における旋回体１２０の代表点（ショベル座標系の原点）の位置を検出する。ＧＮＳＳセンサ１５２は、２つの受信器１２６－１および１２６－２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の向く方位角を演算する。旋回体１２０が向く方位角（車体方位角ともいう）とは、旋回体１２０の正面方向である。旋回体１２０が向く方位角は、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。

ＩＭＵ１５３は、旋回体１２０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１２０の姿勢（例えば、ロール角およびピッチ角）を検出する。ＩＭＵ１５３は、例えば旋回体１２０の下面に設置される。

また、作業機械１００は、例えば、周辺の他車両等と車車間通信を行うための近距離通信装置、遠隔地のサーバ等と通信接続するための移動体通信装置等を備えている。

（制御装置の基本的動作）
まず、図３を参照して、本開示の実施形態に係る制御装置６１の基本的動作について説明する。なお、本実施形態では、掘削した土砂等を積載したバケット１３３を、掘削完了位置等から排土位置へ自動的に移動させる旋回動作を「積荷旋回」という。また、排土位置から掘削開始位置へバケット１３３を自動的に移動させる旋回動作を「戻り旋回」という。排土位置は、積み込み等を行う目標位置であり、例えば、ダンプトラックの荷台や土地改良機、ホッパー等の投入口に設定される。ただし、これらに限定されず、例えば、掘削した土砂等を他の地面の上に移動させるような場合の移動先も排土位置として設定することができる。本開示では、排土位置は、バケット１３３等の荷物の積載工具の荷下ろしの目標位置に対応する。また、掘削開始位置は、排土完了後、自動で戻る動作の目標の位置であり、例えば、掘削を開始する点に設定される。本開示では、掘削開始位置は、バケット１３３等の荷物の積載工具の荷積みの目標位置に対応する。また、本実施形態では、排土位置についてはバケットピン１３３Ｐの位置を基準とし、掘削開始位置についてはバケット１３３の先端１３３Ｔの位置を基準とする。

図３は、掘削、積荷旋回、排土および戻り旋回の一連の流れを模式的に示す。図３に示す作業機械１００は、例えば、オペレータによる所定の入力操作によって自動掘削の開始が指示された場合、制御装置６１は、旋回時間（掘削動作に続く積荷旋回の時間と排土後の次の掘削開始位置までの戻り旋回の時間の合計時間）を考慮して掘削開始位置を決定する。掘削開始位置の決め方については後述する。

次に、制御装置６１は、決定した掘削開始位置から自動掘削を開始する（Ｓ１）。１回分の掘削動作が終了すると、右上に示すように、排土位置まで作業機１３０を自動旋回（積荷旋回）する（Ｓ２）。制御装置６１は、例えば、三次元形状センサ１５０の出力や排土対象のダンプトラックの位置情報と、ダンプトラック等の形状等を表す仕様情報等とに基づいて、排土位置を決定する。

次に、制御装置６１は、右下に示すように、排土位置で排土動作を自動で実行するとともに（Ｓ３）、旋回時間（排土動作に続く次の掘削開始位置までの戻り旋回の時間と次の掘削動作後の次の排土位置までの積荷旋回の時間の合計時間）を考慮して次の掘削開始位置を決定する（Ｓ４）。なお、次の掘削開始位置の決定は、排土動作が終了するまでに行われていればよく、例えば、自動掘削（Ｓ１）の後、掘削後の形状データが取得できた段階で掘削開始位置の決定処理を開始することができる。例えば、積荷旋回（Ｓ２）や排土動作（Ｓ３）の前に次の掘削開始位置の決定処理を開始することができる。

次に、制御装置６１は、左下に示すように、掘削開始位置まで作業機１３０を自動旋回（戻り旋回）する（Ｓ５）。以降、例えば、ダンプトラック等が満杯になるまでステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、…の動作が繰り返し行われる。

（制御装置の構成）
図２に示す制御装置６１は、例えばマイクロコンピュータ等のコンピュータを用いて構成することができ、コンピュータ、コンピュータの周辺装置、周辺回路等のハードウェアと、そのコンピュータが実行するプログラム等のソフトウェアとの組み合わせ等から構成される機能的構成として、自動掘削旋回排土制御部６２と、記憶部６３と、操作指令切替部６４とを備える。また、自動掘削旋回排土制御部６２は、情報取得部６２１と、掘削開始位置決定部６２２と、操作指令切替制御部６２３と、操作指令信号生成部６２４とを備える。また、記憶部６３は、設計面情報、作業機械仕様情報、積み込み対象仕様情報等を含む情報６３１等を記憶する。設計面情報は、掘削動作において、掘削面が所定の設計面となるように掘削面を成形する場合の設計形状（あるいは目標形状）を表す情報である。作業機械仕様情報は、作業機械１００の形状を表す情報や旋回動作の速度や時間を表す情報等を表す情報である。積み込み対象仕様情報は、例えばダンプトラック等の積み込み対象の形状を表す情報等である。

自動掘削旋回排土制御部６２は、操作指令信号（自動）を生成し、操作指令切替部６４を介してＥＰＣ弁１２３－１へ出力することで、旋回体１２０と作業機１３０を自動で駆動し、掘削動作、荷積旋回、排土動作および戻り旋回を自動で実行する。

情報取得部６２１は、操作装置１４３、三次元形状センサ１５０、姿勢角センサ１５１、ＧＮＳＳセンサ１５２、ＩＭＵ１５３等が出力した所定の情報を入力する。

（掘削開始位置決定部）
掘削開始位置決定部６２２は、自動掘削旋回排土制御部６２が作業機１３０による掘削動作、排土動作、ならびに、掘削動作と排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、１回の掘削動作毎に、少なくとも、掘削動作に要する掘削時間ｔｆと、積荷旋回および戻り旋回に要する旋回時間ｔｍとに基づいて、掘削動作の開始位置を決定する。なお、掘削開始位置決定部６２２は、例えば、１回の掘削動作による掘削量の推定値Ｓと、掘削時間ｔｆと、旋回時間ｔｍとに基づいて、掘削動作の開始位置を、１回の掘削動作毎に決定する。その際、掘削開始位置決定部６２２は、例えば、式（１）に示す評価指標Ｊに基づいて、掘削動作の開始位置を、１回の掘削動作毎に決定する。なお、掘削量の推定値Ｓ（以下では、掘削量Ｓ、掘削体積Ｓ等ともいう）は、体積のほか、重量等としてもよい。

また、他の実施形態として、掘削開始位置決定部６２２は、１回の掘削動作毎に、１回の掘削動作による掘削量の推定値と、掘削時間ｔｆと、排土動作に要する排土時間と、旋回時間ｔｍとに基づいて、掘削動作の開始位置を決定するようにしてもよい。この場合、例えば、自動排土の排土時間はダンプトラックの積込ポイントによらず、ほぼ一定時間で排土できるものと仮定してもよい。また、評価関数は、例えば、自動排土の排土時間も含めた評価関数にして、最適な掘削開始位置決定を行ってもよい。この場合の評価関数は、例えば、式（１）の分母を（掘削時間＋旋回時間＋排土時間）とした式とすることができる。以下、一例として、排土時間を含まない場合について説明する。

この場合、掘削開始位置決定部６２２は、例えば、推定値Ｓを、掘削時間ｔｆと旋回時間ｔｍとの合計値で除した値（評価指標Ｊ）に基づいて、掘削動作の開始位置を、１回の掘削動作毎に決定する。

なお、掘削開始位置決定部６２２は、複数の掘削方向について推定値Ｓと掘削時間ｔｆと旋回時間ｔｍとを求め、複数の掘削方向間での比較結果に基づいて開始位置を決定するようにしてもよい。この場合、掘削開始位置決定部６２２は、例えば、掘削動作における掘削対象の三次元形状から掘削方向毎に求めた二次元断面に基づいて、推定値Ｓと掘削時間ｔｆとを推定する。

図４は、自動掘削旋回排土制御部６２が実行する処理の流れを示す。図４に示す処理は、例えば、図３に示すステップＳ４で実行される処理である。図４に示す処理は、１回（１パス）の掘削動作毎に実行される。ステップＳ１１～Ｓ１４の処理は、掘削量Ｓ［ｍ^３］と掘削時間ｔｆ［ｓ］を推定する処理であり、ステップＳ１５～Ｓ１８の処理は、旋回時間ｔｍを推定する処理であり、図４に示す例では並列的に実行される。ただし、ステップＳ１１～Ｓ１４の処理とステップＳ１５～Ｓ１８の処理は順次に実行されてもよい。

ステップＳ１１～Ｓ１４の処理では、まず、情報取得部６２１が三次元形状センサ１５０から、現況地形を取得する（Ｓ１１）。次に、情報取得部６２１が記憶部６３２から設計面（情報）を取得する（Ｓ１２）。なお、設計面を設定しない場合（例えば土砂等の取得のみを専らの目的とする場合）には、ステップＳ１２の処理は省略される。

次に、掘削開始位置決定部６２２が、例えば掘削方向を１０ｄｅｇ（度）間隔で変化させた場合の二次元断面の現況地形または設計面を切り出す（Ｓ１３）。図５は、情報取得部６２１が三次元形状センサ１５０から取得した現況地形の例を模式的に示す。ｘ’、ｙ’およびｚは、三次元形状センサ１５０が三次元形状データを取得した際に基準とした座標軸である。図６は、図５に示す地形の三次元形状に、作業機械１００とダンプトラック（積み込み対象）２００の位置を模式的に示す。作業機械１００の周囲の複数の矢印は、旋回軸１２０Ｃを基準とした掘削方向を示す。この場合、ダンプトラック２００の荷台２０１（排土位置（積み込み位置））は、１８０ｄｅｇの方向に位置している。

ステップＳ１３では、掘削開始位置決定部６２２は、例えば掘削方向を１０ｄｅｇ間隔で変化させた場合の二次元断面の現況地形または設計面を切り出す。図７は、二次元断面の切り出しの例を模式的に示す。図７は、例えば図５に示す地形の三次元形状が所定のメッシュＭ毎に高さ方向（ｚ方向）の情報を有している場合の例を示す。点Ｏは、メッシュ情報の基準点である。φは、図６で８０°、４０°、０°、－４０°、－８０°等として示した掘削方向を表す。点Ｏ’は、作業機械１００の旋回軸１２０Ｃに対応する。ｘは旋回体１２０の前方方向を表す。この場合、ステップＳ１３では、掘削開始位置決定部６２２は、メッシュＭ毎の高さ情報を、ｘ方向の位置ｘ１、ｘ２、…に対応付けて掘削方向φに並べて、二次元断面情報（Ｚ０＝０、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、…）を算出する。

次に、掘削開始位置決定部６２２は、１０ｄｅｇ間隔の断面毎に１パス掘削の最適軌道を算出して、最適軌道の掘削量Ｓ［ｍ^３］と掘削時間ｔｆ［ｓ］を推定する（Ｓ１４）。図８は、掘削軌道の算出例を示す。横軸はｘ方向の位置、縦軸はｚ方向の位置（高さ）である。図８は、掘削方向φが０ｄｅｇにおける先端１３３Ｔの軌道の例を示す。破線で示す軌道上の黒丸は掘削開始位置、白丸は掘削完了位置を表す。本実施形態において掘削開始位置決定部６２２は、１回の掘削動作毎に最適な掘削軌道を算出する。また、最適軌道は、例えば、時系列の各関節の角速度やシリンダ速度で決定される。

（最適軌道の算出）
本実施形態では、掘削最適軌道を最適制御問題として定式化し、求解する。その際、作業機１３０を図９に示すモデルとし、式（２）に示す運動方程式を用いた。

さらに最適制御問題の求解においては、制御条件の扱いが用意で、比較的高速安定に最適制御問題を解くことが可能な疑似スペクトル法を採用するため、式（２）を式（３）の方程式の形で表した。

ただし、

である。

図１０は、式（２）で用いたパラメータの一部を表す。また、式（５）～式（１９）は、式（２）で用いた変数を表す。なお、式（２）において、項ＴＭ１１は慣性行列、項ＴＭ１２は遠心力およびコリオリ力によるトルク、項ＴＭ１３は重力トルクである。また、図９において、ａ１１およびａ１２はブーム１３１の関節から重心までの長さと高さ、ａ２１およびａ２２はアーム１３２の関節から重心までの長さと高さ、ａ３１およびａ３２はバケット１３３の関節から重心までの長さと高さを表す。

次に、式（３）および式（４）に基づく、疑スペクトル法による求解について説明する。本実施形態では、数値的に安定して解を求めるため、初期時刻ｔ０から終端時刻ｔｆまでの時間を正規化時間τ（ただし、τは［－１、１］に属する）に変換した式（２０）に示すモデルを導入した。なお、ξおよびｕは式（３）および式（４）で定義した状態変数および制御入力である。

次に、ラグランジュ多項式Ｌｉ（τ）を用いて、制御変数ｕ（τ）および状態変数ξ（τ）を離散化した。ここで、τｉはｉ番目の離散時間である。

また、評価関数（最小化）は、式（２５）とした。この場合、掘削効率の最大化が図られる。

式（２５）を数式化して表すと式（２６）となる。

この式（２６）から式（１）の掘削量Ｓと掘削時間ｔｆを求めることができる。また、掘削開始時の位置が、当該掘削方向における掘削開始位置となる。図１１は、ｘｚ軸と基準点Ｏとの関係の例を示す。縦線の網掛け領域が掘削対象ＥＸ１における掘削領域である。

なお、疑似スペクトル法による求解においては、式（２７）に示す、境界条件を含めた拡大評価関数を用いることができる。設計面がある場合、制約条件に設計面を表す情報を設定することができる。

ここで、項ＴＭ２１は初期条件および終端条件についてのペナルティを表す。項ＴＭ２２は（－１）×掘削１回分のバケット掃引面積を表す。ただし、

である。

以下、制約条件を列挙する。

なお、油圧ショベルの運動方程式は式（３０）である。

式（３１）は初期および終端時刻におけるバケット先端高さの制約を表す（図１２参照）。

式（３２）は終端時刻におけるバケット角度制約を表す。

式（３３）はバケット先端高さ制約を表す。

式（３４）はバケット先端水平速度制約を表す。

式（３５）および（３６）はジョイント角速度制約を表す。

式（３７）～（３９）はジョイント角度制約を表す。

式（４０）および（４１）はジョイントトルク制約を表す。

式（４２）はエンジン出力制約を表す（ηは効率、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は各ジョイント出力）。

式（４３）はバケット容量制約を表す。

（Ｓ１４以降の処理）
以上のようにして、ステップＳ１４では、掘削開始位置決定部６２２が、１０ｄｅｇ間隔の断面毎に１パス掘削の最適軌道を算出する処理において決定された最適軌道の掘削量Ｓ［ｍ^３］と掘削時間ｔｆ［ｓ］を、掘削量Ｓ［ｍ^３］と掘削時間ｔｆ［ｓ］の推定値とするとともに、掘削開始位置を算出する。

一方、情報取得部６２１は、ステップＳ１１～Ｓ１４の処理と並列的に、油圧ショベル位置情報を取得し（Ｓ１５）、続いてダンプトラック位置情報を取得する（Ｓ１６）。なお、ダンプトラック位置情報は、例えば、ダンプトラックがダンプトラックのＧＮＳＳセンサを用いて取得した位置情報を例えば無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の無線通信によって取得してもよいし、例えば、三次元形状センサ１５０を利用する等して、制御装置６１が自ら取得してもよい。

次に、掘削開始位置決定部６２２が、油圧ショベル基準のダンプトラックの相対位置を算出し（Ｓ１７）、断面毎に積荷旋回と戻り旋回に要する旋回時間ｔｍ［ｓ］を推定する（Ｓ１８）。旋回時間ｔｍは、例えば、仕様上の定格旋回速度、旋回モータやギア比等に基づいて角度と時間との関係を定義するテーブル等を用いて算出することができる。

次に、掘削開始位置決定部６２２は、断面（掘削方向）毎に評価指標Ｊを算出し（Ｓ１９）、各断面間で評価指標Ｊを比較した結果に基づいて、評価指標Ｊが最大となる断面の掘削方向および掘削開始位置（掘削開始時のバケット先端１３３Ｔの位置）を掘削動作の開始位置として決定する。次に、評価指標が最大となる断面を掘削するよう、操作指令信号生成部６２４が操作指令信号を生成して出力し（Ｓ２０）、図４に示す処理を終了する。

図１３は、評価指標Ｊ、掘削体積Ｓ、掘削時間ｔｆおよび旋回時間ｔｍの算出例を示す。図１３に示す例では、掘削方向８０ｄｅｇの掘削量（掘削体積Ｓ）が一番大きいが、掘削方向１００ｄｅｇの掘削時間ｔｆと旋回時間ｔｍが比較的小さく、評価指標Ｓが一番大きくなっている。この場合、掘削方向１００ｄｅｇが掘削動作の開始位置として選択されることになる。

（制御装置内の他の構成）
操作指令切替制御部６２３は、操作指令切替部６４を制御して、操作装置１４３に対するオペレータの操作に応じて生成された操作指令信号（手動）と、操作指令信号生成部６２４が生成した操作指令信号（自動）とのいずれか一方を操作指令切替部６４から出力させる。操作指令切替制御部６２３は、例えば、操作指令信号生成部６２４が操作指令信号（自動）を生成して出力した場合に、操作指令信号（自動）を選択して操作指令切替部６４から出力させる。

操作指令信号生成部６２４は、掘削開始位置決定部６２２が決定した掘削動作の開始位置、情報取得部６２１が取得した地形の三次元形状を表す情報、ダンプトラック２００との相対位置情報等に基づき、作業機械１００の掘削動作、積荷旋回、排土動作および戻り旋回を自動で実行するための操作指令信号を生成して出力する。

操作指令切替部６４は、操作指令切替制御部６２３の制御のもと、操作指令信号（手動）または操作指令信号（自動）のいずれか一方を出力する。

（作用・効果）
本実施形態によれば、作業機１３０による掘削動作、排土動作、ならびに、掘削動作と排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、少なくとも、掘削動作に要する掘削時間と、積荷旋回および戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、掘削動作の開始位置が、１回の掘削動作毎に決定される。この構成によれば、旋回方向を考慮して、１回の掘削動作毎に掘削動作の開始位置（掘削方向および掘削開始時のバケット先端の位置）が決定される。したがって、自動掘削動作における効率性を容易に維持することができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して説明してきたが、具体的な構成は上記実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。また、上記実施形態でコンピュータが実行するプログラムの一部または全部は、コンピュータ読取可能な記録媒体や通信回線を介して頒布することができる。

（付記１）
旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える作業機械の制御装置であって、
前記作業機による掘削動作、排土動作、ならびに、前記掘削動作と前記排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、
１回の前記掘削動作毎に、少なくとも、前記掘削動作に要する掘削時間と、前記積荷旋回および前記戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を決定する掘削開始位置決定部
を備える制御装置。

（付記２）
前記掘削開始位置決定部は、１回の前記掘削動作毎に、前記１回の掘削動作による掘削量の推定値と、前記掘削時間と、前記旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を、１回の前記掘削動作毎に決定する
（付記１）に記載の制御装置。

（付記３）
前記掘削開始位置決定部は、１回の前記掘削動作毎に、前記掘削量の推定値と、前記掘削時間と、前記排土動作に要する排土時間と、前記旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を決定する
（付記２）に記載の制御装置。

（付記４）
前記掘削開始位置決定部は、前記推定値を、前記掘削時間と前記旋回時間との合計値で除した値に基づいて、前記掘削動作の開始位置を、１回の前記掘削動作毎に決定する
（付記２）または（付記３）に記載の制御装置。

（付記５）
前記掘削開始位置決定部は、複数の掘削方向について前記推定値と前記掘削時間と前記旋回時間とを求め、前記複数の掘削方向間での比較結果に基づいて前記開始位置を決定する
（付記２）、（付記３）または（付記４）に記載の制御装置。

（付記６）
前記掘削開始位置決定部は、前記掘削動作における掘削対象の三次元形状から前記掘削方向毎に求めた二次元断面に基づいて、前記推定値と前記掘削時間とを推定する
（付記２）から（付記５）のいずれか１つに記載の制御装置。

（付記７）
前記掘削開始位置決定部は、１回の前記掘削動作毎に、最適な掘削軌道を算出する
（付記１）から（付記６）のいずれか１つに記載の制御装置。

（付記８）
前記掘削軌道は、時系列の角速度もしくはシリンダ速度で決定される
（付記７）に記載の制御装置。

１００…作業機械、１１０…走行体、１２０…旋回体、１３０…作業機、１３３…バケット、１４０…運転室、１４３Ｄ…表示入力装置、６０…制御システム、６１…制御装置、６２…自動掘削旋回排土制御部、６２２…掘削開始位置決定部、６２３…操作指令切替制御部、６２４…操作指令信号生成部

Claims (11)

1. 旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える作業機械の制御装置であって、
   前記作業機による掘削動作、排土動作、ならびに、前記掘削動作と前記排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、
   １回の前記掘削動作毎に、少なくとも、前記掘削動作に要する掘削時間と、前記積荷旋回および前記戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を決定する掘削開始位置決定部
   を備える制御装置。
2. 前記掘削開始位置決定部は、１回の前記掘削動作毎に、前記１回の掘削動作による掘削量の推定値と、前記掘削時間と、前記旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を、決定する
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記掘削開始位置決定部は、１回の前記掘削動作毎に、前記推定値と、前記掘削時間と、前記排土動作に要する排土時間と、前記旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を決定する
   請求項２に記載の制御装置。
4. 前記掘削開始位置決定部は、前記推定値を、前記掘削時間と前記旋回時間との合計値で除した値に基づいて、前記掘削動作の開始位置を、１回の前記掘削動作毎に決定する
   請求項２に記載の制御装置。
5. 前記掘削開始位置決定部は、複数の掘削方向について前記推定値と前記掘削時間と前記旋回時間とを求め、前記複数の掘削方向間での比較結果に基づいて前記開始位置を決定する
   請求項３に記載の制御装置。
6. 前記掘削開始位置決定部は、前記掘削動作における掘削対象の三次元形状から前記掘削方向毎に求めた二次元断面に基づいて、前記推定値と前記掘削時間とを推定する
   請求項５に記載の制御装置。
7. 前記掘削開始位置決定部は、１回の前記掘削動作毎に、最適な掘削軌道を算出する
   請求項６に記載の制御装置。
8. 前記掘削軌道は、時系列の角速度もしくはシリンダ速度で決定される
   請求項７に記載の制御装置。
9. 旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える作業機械の制御方法であって、
   前記作業機による掘削動作、排土動作、ならびに、前記掘削動作と前記排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、
   １回の前記掘削動作毎に、少なくとも、前記掘削動作に要する掘削時間と、前記積荷旋回および前記戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を決定するステップ
   を含む制御方法。
10. 旋回中心回りに旋回する旋回体と、
    前記旋回体に取り付けられた作業機と、
    制御装置とを備え、
    前記制御装置は、
    前記作業機による掘削動作、排土動作、ならびに、前記掘削動作と前記排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、
    １回の前記掘削動作毎に、少なくとも、前記掘削動作に要する掘削時間と、前記積荷旋回および前記戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を決定する掘削開始位置決定部
    を備える作業機械。
11. 旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える作業機械を遠隔制御する制御方法であって、
    前記作業機による掘削動作、排土動作、ならびに、前記掘削動作と前記排土動作間の積荷旋回および戻り旋回を自動で実行する際に、
    １回の前記掘削動作毎に、少なくとも、前記掘削動作に要する掘削時間と、前記積荷旋回および前記戻り旋回に要する旋回時間とに基づいて、前記掘削動作の開始位置を決定するステップ
    を含む制御方法。

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