JP2024508916A - 土工機械における周期的動作の自動制御方法 - Google Patents

Abstract

土工機械の周期的動作を自動制御するための土工機械および方法を開示する。当該土工機械は、１つまたは複数のアクチュエータによってそれぞれ制御される複数の機械要素を含み、当該方法は、現在の機械状態を判定することと、現在の機械状態が周期的動作に該当する場合に少なくとも１つのアクチュエータに対する制御信号を算出することと、制御信号を少なくとも１つのアクチュエータに送信して、周期的動作を自動制御することと、を含む。

Description

本開示は、一般に土工機械の制御方法に関し、より詳細には、土工機械における周期的動作の制御に関する。

掘削機は、建設、採掘、沖合掘削等の用途に広く使用される土工機械である。土工機械は、地面の掘削、埋戻し、表面の整地、斜面の形成、ある地点から他の地点への材料の移動、ダンプトラックへの材料の積込み等に用いることができる。他のタイプの利用可能な土工機械は一般に、より特化したものである。例えば、ドーザやモータグレーダは整地用に設計され、フロントローダは積込みに用いられる。掘削機はより広く普及しているので、建設現場全体の性能を向上させるために最も効率的な方法で用いるのが望ましい。

掘削機は、バケットと、スティックと、ブームと、運転室を有する回転体プラットフォームとからなる。プラットフォームは、履帯や車輪を有する車台の上に配置される。バケット、スティック、ブーム、およびプラットフォームは、互いに回動可能に接続され、油圧シリンダの助けにより操作される。プラットフォームおよび車台は、リングベアリングを介して互いに接続されてもよく、車台は、油圧モータによって回転される。油圧シリンダは、例えば、左右２つのジョイスティックを有するバルブブロックを用いて、運転室に座る作業者によって制御される。作業者は、２つのペダルまたはアームにより、履帯や車輪を制御して、プラットフォームを回転させたり、前後に移動させたりできる。建設用途に用いられる一般的な種類の掘削機は、バケットをプラットフォームに向けて、つまり前方から後方に移動させて掘削するためのバックディガを含む。バケットは、内面を向いた刃先を含んでもよい。

運転室のジョイスティックは、それぞれ左、右、前、後の４自由度を有する。このため、２つのジョイスティックにより、バケット、スティック、ブーム、およびプラットフォームを完全に制御するために８自由度が得られる。作業者は、ジョイスティックのグリップを移動させ、典型的にはバケットおよびスティックの助けにより地面を掘削し、その後ブームを持ち上げてプラットフォームを回転させることによって掘削された材料を運搬できる。作業者は、材料の投棄後、すべての掘削機要素をほぼ初期掘削点に戻し、新たな地面を掘削し、材料を再び移動させる。これは、ある時間エポックに渡って同一または類似動作を周期的に繰り返すことを含む周期的手順であることが多い。掘削機がこの周期的手順を実施するための典型的なサイクル時間は、約１５秒である。

制御用ジョイスティックの迅速かつ協調的操作は、掘削機を効率的に利用する鍵となる。経験豊富な作業者のみが掘削機を用いて最大の生産性を生み出し、サイクル時間を１５秒付近に維持できる。効率的なサイクルを達成するために、作業者は、掘削時にバケットとスティックとを同時に移動させ、ブームとプラットフォームとを同時に操作しながら、最短距離で材料を投棄場に移動させなければならない。作業者は、投棄段階においてバケットと、スティックと、ブームと、回転運転室とを同時に操作しなければならない。同様の同時操作が、効率的にバケットを掘削開始位置に回送するのに必要となる。

しかしながら、経験豊富な作業者であっても、疲労、不快な周辺温度、吸い込む空気の質、騒音、振動、例えば、直射日光、夜間、塵、霧、雪、雨、および泥まみれの窓などによる視界不良を含む多くの不確定要素により、作業日の間中ずっとは理想的なサイクル時間を維持できない。

掘削機における効率的な動作のための解決策として、人間の入力に対する依存を最小限とする自動制御システムが挙げられる。現在市販されているシステムにより、最終的な整地作業のためのブーム高さおよびバケットの切削角度の自動制御が可能となっている。このような機械には、ＧＰＳセンサやレーザ等の絶対位置センサ、ならびに様々な掘削機部品の向きを測定するよう構成されたセンサを装備しなければならない。これらには、加速度や角速度を測定するためのシリンダエンコーダ／ストロークセンサや慣性計測ユニット（ＩＭＵ）が含まれる。現在のシステムには、整地する地面の目標設計を示す数値地形モデルを含むものもある。センサチェーンにより、バケットの絶対位置および姿勢が算出できる。システムは、その後、現在位置および姿勢を目標位置および姿勢と比較し、ブームおよびバケットを移動させ所望の位置が得られるよう電気油圧バルブに命じる。しかしながら、このようなシステムは、自動スティック制御やプラットフォームの回転について教示していない。平均デューティサイクルは非常に短く、時間のかかる掘削作業が完了した後のプロジェクトにおける最終段階である最終整地中の時間間隔は非常に短いものの、それ以外はサイクル時間に対してほとんど良い影響がない。

よりよく効率化を達成するため、ブームやバケットだけでなく、掘削機部品の全てが自動制御される、デューティサイクルが長いより高度な自動システムが望まれる。これには、ワークフローの全ての段階をプログラミングすることが必要となる。しかしながら、ワークフローの形式化は、現地の地質環境に関連する様々な未知数により挑戦的な課題である。これらの未知数は、土壌密度、緩み、牽引力、バケットへの粘土付着、および地下に埋まった隠れた物質を含む可能性があり、それぞれ予測や制御が困難である。

現在のシステムは、不確定要素への対応は人間である作業者に依存しており、不確定要素には、機械が作業環境に対してどこにどのような姿勢で配置されるべきか、投棄場における無駄な隙間をなくすための初期掘削開始点および投棄点を含む掘削計画、地中通信ケーブルをなくし、地中の物質と接触した場合にはバケット反応を検出すること、地上の障害物や電線をなくすこと、粘土が堆積したバケットを洗浄すること、重く岩石の多い材料の処理、どこでどのように埋戻しを行うか、どのように地盤材料を効率的に圧縮するか、そして例えばテラス造成作業中に以降のステップを行うのにどのように機械を移動させるか、が含まれる。さらに、全ての必要な環境の不確定要素を適切に監視するために必要なセンサは、高価であったり（例えば、ＬＩＤＡＲやレーダーセンサ）、作業環境に対して十分堅牢でなかったり、また信頼性に欠けることが多い。

作業者には残りの複合的なタスクを手動で可能にしながら、単純なセンサブロックを用いて、掘削機等の土工機械のルーチン動作を自動化する能力が必要とされている。したがって、本開示は、手動制御を可能にしながら、周期的なタスクをこなす作業者を支援し、それにより時間サイクルを最小限に抑え、作業者の疲労をなくし、最大限効率的な機械動作を可能にする。

１つまたは複数の実施形態において、土工機械の周期的動作を制御するためのシステムおよび方法を提供する。

一実施形態には、１つまたは複数のアクチュエータによってそれぞれ制御される複数の機械要素を含む土工機械の周期的動作を自動制御するための方法が含まれる。この方法は、現在の機械状態を判定することと、前記現在の機械状態が周期的動作に該当する場合、少なくとも１つのアクチュエータに対する制御信号を算出することと、前記制御信号を前記少なくとも１つのアクチュエータに送信して、前記周期的動作を自動制御することと、を含む。

さらなる実施形態には、１つまたは複数のアクチュエータによってそれぞれ制御される複数の機械要素を含む土工機械の周期的動作を自動制御するための装置および方法が含まれる。この方法は、現在の機械位置に基づいて現在の機械状態を更新することと、周期的動作中に前記土工機械の経路を記録することと、前記記録された経路および前記現在の機械状態に基づいてターゲットを決定することと、前記ターゲットおよび記録された経路に基づいて、少なくとも１つのアクチュエータに対する制御信号を算出することと、を含む。

またさらなる実施形態において、本開示は、複数の機械要素と、前記複数の機械要素のそれぞれを制御するよう構成された１つまたは複数のアクチュエータと、前記複数の機械要素のそれぞれの位置および速度を検出するよう構成された１つまたは複数のセンサと、前記１つまたは複数のセンサおよび前記１つまたは複数のアクチュエータと通信する制御部であって、前記センサからの入力に基づいて前記アクチュエータに制御信号を送信することによって前記土工機械の周期的動作を自動制御するよう構成された制御部と、を備える土工機械を含む。

本開示のこれらおよびその他の効果については、以下の詳細な説明および添付の図面を参照することにより、当業者にとって明らかとなろう。

図１Ａ～１Ｄは掘削機の概略図である。 図２は、投棄開始位置、投棄終了位置、および掘削開始位置におけるバケットの側面概略図であり、対応するバケット角度を含む。 図３は、実施形態に係る制御アルゴリズムのフローチャートである。 図４は、実施形態に係る土工機械の制御システムの概略図である。 図５は、実施形態に係る制御アルゴリズムの概略図である。 図６は、実施形態に係る経路記録更新アルゴリズムのフローチャートである。 図７は、実施形態に係る掘削機の制御状態を示す図である。 図８は、実施形態に係る経路計画更新アルゴリズムのフローチャートである。 図９は、実施形態に係る制御更新アルゴリズムのフローチャートである。 図１０は、実施形態に係るコンピュータの概略図である。

本明細書に記載の本開示の実施形態は、一般に作業サイクル中に繰り返し可能な動作を行う土工機械のシステムを制御するのに用いることができる。このような土工機械の例として、掘削機、フロントローダ、バックホーローダ、スキッドステアローダ等が挙げられる。以下の説明では、本開示の実施形態を適用できる土工機械の非限定的な例として、油圧ショベルを用いることができる。

図１Ａ～１Ｄは掘削機１００の概略図である。図１Ａは、運転室１０６と、ブーム１０２と、スティック１０３と、バケット１０４と、履帯システム１０５とを有する本体１０１を含む掘削機要素を示す。図１Ｂは、掘削機１００の平面図である。本体１０１は、本体アクチュエータによって履帯システム１０５の垂直軸を中心に動作可能に回転できる。本体アクチュエータの一例として、油圧モータが挙げられる。ブーム１０２、スティック１０３、およびバケット１０４は、アクチュエータによって、それらの接合部を中心に動作可能に回転できる。そのようなアクチュエータの一例には、油圧シリンダが含まれる。

実施形態によっては、例えば、さらなる回転自由度または移動自由度を提供するために、掘削機１００の構成要素の間にさらなる接続が存在する。例えば、ブームは、互いに回動可能に接続された２つ以上の部品を含むことができる。他の例として、バケットは、２以上の回転自由度を有することができる。

動作の典型的な作業サイクル中、掘削機は、掘削、持上げ、運搬、投棄、および掘削開始位置への回送を含む動作を行う。本明細書に記載のシステムは、特定の掘削機作業サイクル動作、特に運搬、投棄、および回送動作を自動的に行うことができる。本明細書に記載のシステムは、作業サイクル動作中に掘削機要素によって生成される経路を複製するよう構成される。

図１Ｃおよび図１Ｄは、それぞれ、持上げ位置および投棄開始位置にある掘削機の例示的な側面図および平面図を示す。持上げ位置１１１の側面図は実線で示され、投棄開始位置１１２の側面図は破線で示される。持上げ位置１１３の平面図は実線で示され、投棄開始位置１１４の平面図は破線で示される。

図２は、投棄開始位置２０１、投棄終了位置２０２、および掘削開始位置２０３における掘削機バケットの側面図であり、対応するバケット角度を含む。

図３は、実施形態に係る制御アルゴリズムのフローチャート３００である。

ステップ３１０において、現在の機械状態が判定される。現在の機械状態には、掘削機の制御状態、例えば、掘削、運搬、投棄、および回送が含まれる。さらなる実施形態において、現在の機械状態は、掘削機の要素に関する位置および速度情報を含む現在の機械状態ベクトルを含む。

ステップ３２０において、判定された現在の機械状態に基づいて、掘削機要素に対する制御信号が算出される。制御信号は、特定の制御状態、例えば、運搬、投棄、および回送に該当する動作を行うために、掘削機の要素に機能および動作を実行するよう指示する指令を含む。

ステップ３３０において、算出された制御信号が、所望の動作を行うために掘削機要素を制御するよう構成された１つまたは複数のアクチュエータに送信される。

図４は、実施形態に係る土工機械の制御システム４００の概略図である。測定ユニットは、掘削機の本体、ブーム、スティックおよびバケットに設置される。測定ユニットの例として、ＧＮＳＳ受信機、レーザセンサ、加速度計、ジャイロスコープ、磁気センサ、回転センサ、リニア変位センサ等が含まれる。一実施形態において、ＧＮＳＳ受信機４０５、４０６は、掘削機における１つまたは複数の要素に搭載され、加速度計およびジャイロスコープの組合せ、例えば、本体慣性計測ユニット（ＩＭＵ）４０１、ブームＩＭＵ４０２、スティックＩＭＵ４０３、およびバケットＩＭＵ４０４は、それぞれ、掘削機の本体、ブーム、スティック、およびバケットに搭載される。

測定ユニット４０１～４０６は、制御ユニット４０７と通信する。制御ユニット４０７の一例として、プロセッサ、メモリおよび入力／出力サブシステムを備えるコンピュータシステムが挙げられる。制御ユニット４０７の他の例として、測定ユニット内、例えば、ＧＮＳＳ受信機４０５内に一体化されたマイクロ制御装置が含まれる。

制御ユニット４０７は、さらに、本体と、ブームと、スティックと、バケットアクチュエータとに接続される。アクチュエータの一例として、制御装置のアナログ出力に接続された電気制御式油圧バルブが挙げられる。アクチュエータの他の例として、通信ネットワークを介して制御装置に接続されたデジタル制御式油圧バルブが挙げられる。

本開示の一実施形態において、本体、ブーム、スティック、およびバケットの各掘削機要素のための本体油圧パイロット弁４０８、ブーム油圧パイロット弁４０９、スティック油圧パイロット弁４１０、およびバケット油圧パイロット弁４１１が、それぞれ対応するパイロット油圧ライン（図示しない）に接続される。制御ユニット４０７からの制御信号は、油圧パイロット弁を通過する作動液の圧力を制御し、順に、本体主油圧バルブ４１２、ブーム主油圧バルブ４１３、スティック主油圧バルブ４１４、およびバケット主油圧バルブ４１５のそれぞれを通過する作動液の量や流れを制御する。主油圧バルブを通過する作動液は、本体油圧モータ４１６、ブーム油圧シリンダ４１７、スティック油圧シリンダ４１８、またはバケット油圧シリンダ４１９を調整し、ひいては、本体、ブーム、スティック、またはバケットの位置を変更する。他の実施形態において、主油圧バルブは主油圧ラインに直接接続される。

一実施形態において、各掘削機要素用の圧力センサ４２０、４２１、４２２、４２３は、油圧パイロットラインに接続される。パイロット油圧ライン圧力センサは、掘削機制御アームを用いた作業者による手動制御に起因する圧力を測定する。これらのセンサからの出力信号は、制御ユニット４０７に伝達される。他の実施形態において、圧力センサ４２０、４２１、４２２、４２３は、主油圧ラインに直接接続される。

実施形態によっては、制御ユニット４０７と通信するユーザインタフェース装置４２４または自動／手動スイッチ４２５等のさらなる装置が、掘削機における作業者の運転室内に配置される。ユーザインタフェース装置の一例として、タッチ画面を有するディスプレイ装置が挙げられる。

図５は、実施形態に係る制御アルゴリズムの概略図である。各離散時間エポックにおいて、制御ユニット５１０（一実施形態においては図４の制御ユニット４０７）は、制御アルゴリズムを実行する。一実施形態において、制御アルゴリズムは以下のステップ、つまり、掘削機の現在の状態を更新するステップ５０１、経路記録を更新するステップ５０２、経路計画を更新するステップ５０３、制御部を更新するステップ５０４、次の制御ステップまで待機するステップ５０５を備え、当該アルゴリズムはステップ５０５の後にステップ５０１に戻る。一実施形態において、アルゴリズムは、単一の時間エポックに実施される。時間エポックは、制御アルゴリズムが実施される所定期間、例えば、１ミリ秒である。

現在の掘削機状態、つまり現在の機械状態を更新するステップ５０１は、各離散時間エポックに実行される制御アルゴリズムにおける第１ステップである。制御ユニット５１０は、掘削機、例えば、図４の測定ユニット４０１、４０６から測定値を受信し、掘削機状態ベクトルの推定値を更新する。本開示の一実施形態において、状態ベクトルは、地上に係る座標系における本体の少なくとも位置および速度を含み、本体、ブーム、スティック、およびバケットのそれぞれの角姿勢および角速度を含む。他の実施形態において、状態ベクトルは、本体、ブーム、スティック、およびバケットにおける所定箇所の位置および速度を含む。状態ベクトルは、掘削機の既知の運動特性および幾何特性を用いて、角度位置から直線位置に、およびその逆に変換できる。さらに他の実施形態において、本体、ブーム、スティック、およびバケットのそれぞれの位置および速度、または角姿勢および角速度は、掘削機の履帯システムに係る座標系において算出される。掘削機の既知の運動特性および幾何特性、ならびに地上に係る座標系における掘削機の履帯の位置を用いて、状態ベクトルは、履帯に係る座標系から地上に係る座標系に、およびその逆に変換できる。

経路記録を更新するステップ５０２は、各離散時間エポックに実行される制御アルゴリズムにおける第２ステップである。一実施形態において、制御アルゴリズムの掘削機状態更新ステップ５０１で算出された掘削機状態ベクトルは、経路記録を更新するための入力となる。他の実施形態において、ユーザインタフェース装置からの信号は、経路記録更新のための他の入力となる。そのような信号の例として、ボタンの押下やタッチ画面への接触が挙げられる。さらに他の実施形態において、パイロット油圧ラインに接続された圧力センサ４２０、４２１、４２２、４２３からの測定値は、経路記録更新のための他の入力なる。

掘削機状態ベクトルおよびその他の入力は、現在の掘削機状態が投棄開始位置または持上げ位置に該当するか否かを判定するのに用いられる。現在の掘削機状態が投棄開始位置に該当する場合、投棄開始点が更新される。このような更新の例としては、投棄開始点状態ベクトルを含む制御ユニット内のメモリ領域に掘削機状態ベクトルの内容をコピーし、投棄開始点が更新されたことを示すフラグを設定することが挙げられる。現在の掘削機状態が持上げ位置に該当する場合、持上げ点も同様に更新される。

図６は、経路記録更新アルゴリズム６００のフローチャートである。現在の掘削機状態が投棄開始位置または持上げ位置に該当するか否かを判定するために、以下のステップを含む方法が実施される。

本開示の一実施形態において、システムは、ステップ６０１において、例えば、ユーザインタフェース装置から持上げ点を設定するように命じることができ、持上げ点は、ステップ６０２において、現在位置に更新される。ステップ６０３において、システムがユーザインタフェース装置から投棄開始点を設定するよう命じられると、ステップ６０４において、投棄開始点は現在位置に更新される。他の実施形態において、投棄開始点は、掘削機に設置された測定ユニット、例えばＧＮＳＳ受信機によって推定される掘削機位置から算出され、制御ユニット５１０に送信される。さらに他の実施形態において、掘削機位置推定値は、レーダ、レーザセンサ、ビデオカメラ、および音波センサなど、掘削機に設置されたセンサによって算出できる。

ステップ６０５において、掘削機位置が変化しているか否かを判定するための確認が行われる。例えば、現在の状態ベクトルと前の時間エポックの状態ベクトルとの間のベクトル差の絶対値が所定の閾値よりも小さく、この条件が所定回数の時間エポックに渡って満たされる場合、掘削機位置が変化していないと判定される。掘削機位置が変化している場合、どの点も更新せず経路記録更新から戻る。

ステップ６０６において、現在の状態ベクトルが投棄開始位置に該当するか否かを判定するために、状態ベクトル成分を所定の閾値と比較される。そのような成分の例としては、バケット角度、スティックとバケットの接続部の高さ、本体向き、および本体角速度が挙げられる。本開示の一実施形態において、バケット角度が所定の閾値よりも大きい場合、スティックとバケットの接続部の高さが所定の閾値よりも大きい場合、本体角速度の絶対値が所定の閾値よりも小さい場合、持上げ点が設定された場合、または現在の本体向きと持上げ点の本体向きとの間の差の絶対値が所定の閾値よりも大きい場合、ステップ６０４において投棄開始点が更新される。

ステップ６０７において、現在の掘削機状態ベクトルが持上げ位置に該当するか否かが判定される。一実施形態において、スティックとバケットの接続部の高さが所定の閾値よりも低い場合、ステップ６０８において掘削フラグが設定される。そうでない場合、ステップ６０９において、スティックとバケットの接続部の高さが所定の閾値よりも高い場合、掘削フラグが設定され、ステップ６０２において、持上げ点が現在の状態ベクトルに更新され、ステップ６１０において、掘削フラグがリセットされる。

一実施形態において、掘削機の履帯位置が変化したと判定されると、地上に係る座標系における持上げ点および投棄開始点の位置の幾何特性が変わらないように、持上げ点および投棄開始点状態ベクトルが再算出される。

図５に戻り、ステップ５０３において、経路計画が更新される。一実施形態において、経路計画は、各離散時間エポックに更新される。一実施形態において、ステップ５０１で算出された掘削機状態ベクトルは、経路計画を更新するための入力となり、ステップ５０２で更新された持上げ点および投棄開始点は、経路計画を更新するための他の入力となる。

経路計画の更新中、掘削機状態ベクトル、持上げ点、および投棄開始点は、制御状態と掘削機制御との間の遷移が自動的に行われるよう目標位置を判定するのに用いられる。

図７は、実施形態に係る掘削機の制御状態を示す図７００である。例示的な実施形態において、掘削７０１、運搬７０２、投棄７０３、および回送７０４の４つの制御状態が用いられる。

掘削状態において、作業者は、掘削機ブーム、スティック、およびバケットを手動制御し、掘削機制御アームを用いて地中から物質を取り出す。このプロセスは、負荷制御、転覆リスク、および地中の物体を除去する非正式化プロセスを含む様々な複合的要因により、制御システムによって自動化されない。さらに、作業者の疲労は、掘削ではなく、主に、４自由度の同時制御により迅速に行う必要がある単調な運搬プロセスによることが多い。しかしながら、一実施形態において、オーバーカット保護は、掘削状態において制御システムによって実施できる。オーバーカット保護により、バケットが所望の設計面より下に移動しないようブームを停止または持ち上げることによって、掘削機が所望の設計面より下を掘削するのを防止する。これにより、望ましくないオーバーカット後、時間をかけて設計面を修復する必要がなくなる。オーバーカット保護のために、所望の設計面が、制御ユニットに接続されたユーザインタフェース装置から送信されてもよい。

運搬状態７０２において、制御部は、バケット角度を担持した材料が落下しない位置に維持しながら、掘削機に投棄開始点まで自動旋回するよう命じる。

投棄状態７０３において、制御部は、バケットに、回転して、担持した材料を投棄するよう命じる。

回送状態７０４において、制御部は、掘削開始位置に自動回送するよう掘削機に命じる。

各時間エポックに、制御状態は、掘削機状態ベクトル、持上げ点、および投棄開始点から判定される。

図８は、実施形態に係る経路計画更新アルゴリズム８００のフローチャートである。

ステップ８０１において、投棄開始点または持上げ点が経路記録の更新中に設定されたか否かが判定される。投棄開始点が設定されていない場合、または持上げ点が設定されていない場合、ステップ８０６において、制御状態が「掘削」に設定される。

ステップ８０２において、制御状態が「運搬」に設定できるか否かが判定される。制御状態が「掘削」であり、スティックとバケットの接続部の高さが所定の閾値よりも高い場合、ステップ８０７において、制御状態が「運搬」に設定される。さらに、制御状態が「掘削」と判定され、現在の時間エポックにおける経路記録更新ステップ中に新たな持上げ点が設定された場合、ステップ８０７において、制御状態も「運搬」に設定される。

ステップ８０３において、制御状態が「投棄」に設定できるか否かが判定される。制御状態が「運搬」であり、投棄開始位置に達した場合、ステップ８０８において、制御状態が「投棄」に設定される。制御状態が「運搬」であり、新たな投棄開始点が現在の時間エポックにおける経路記録の更新中に設定された場合、ステップ８０８において、制御状態が「投棄」に設定される。投棄開始位置に達したか否かを判定するために、現在の掘削機状態ベクトルと投棄開始点状態ベクトルとの間のベクトル差の絶対値が算出され、それが所定の閾値よりも小さい場合、投棄開始位置に達したと判定される。

ステップ８０４において、運搬状態を「回送」に設定できるか否かが判定される。制御状態が「投棄」であり、材料が投棄された場合、ステップ８０９において、制御状態が「回送」に設定される。材料が投棄されたか否かを判定するために、バケット角度と所定の投棄端バケット角度との間の差の絶対値が算出され、その値が所定の閾値よりも小さい場合、材料が投棄されたと判定される。他の実施形態において、主油圧ラインに接続された圧力センサからの測定値が、材料が投棄されたか否かを判定するのに用いられる。

ステップ８０５において、制御状態が「掘削」に設定できるか否かが判定される。制御状態が「回送」であり、掘削開始位置に達した場合、ステップ８０６において制御状態が「掘削」に設定される。制御状態が「回送」であり、スティックとバケットの接続部の高さが所定の値よりも低い場合、ステップ８０６において、制御状態が「掘削」に設定される。掘削開始位置に達したか否かを判定するために、バケット角度を除く掘削機状態ベクトルと持上げ点状態ベクトルとの間のベクトル差の絶対値が算出され、所定のバケット迎角と現在のバケット角度との間の差の絶対値が算出される。この値が所定の閾値未満であれば、掘削開始位置に達したと判定される。

制御状態が変更されるとき、さらに以下のステップ、つまり制御部の目標または所望の位置を設定するステップと、掘削機のどの要素が制御部より命令を受ける必要があるかを特定するステップと、を行う。一実施形態において、以下のアルゴリズムが用いられる。

掘削状態において、制御部によって経路が指定されることはない。この設定はステップ８１０において行われる。

運搬状態にあるステップ８１１において、バケット、スティック、ブーム、および本体の回転経路は、制御部によって指定されるよう設定される。ステップ８１２において、スティック、ブーム、および本体を回転させるための所望の位置は、投棄開始点から得られ、バケットに対する所望の位置は、移動中、バケット内に材料を担持するために、バケット担持角度３０１として予め規定される。

投棄状態にあるステップ８１３において、バケット経路は、制御部によって指定されるよう設定される。ステップ８１４において、バケットの所望の位置は、担持された材料を落下させて放出するために、バケット投棄終了角度３０２に設定される。

回送状態にあるステップ８１５において、バケット、スティック、ブーム、および本体の回転経路は、制御部によって指定されるよう設定される。ステップ８１６において、スティック、ブームおよび本体の回転における所望の位置は持上げ点から得られ、バケットの所望の位置が、作業者が掘削を行うのに快適な位置である所定のバケット迎角３０３に設定される。

図５に戻り、制御部を更新するステップ５０４は、各離散時間エポックにおいて実行される制御アルゴリズムの第４ステップである。一実施形態において、掘削機状態ベクトル、所望の位置、および経路計画更新ステップで判定された指定する経路のリストが、制御部への入力となる。

他の実施形態において、例えば、主油圧ラインに接続された圧力センサからの測定値が、制御部への他の入力となる。主油圧ライン圧力測定値は、ローカル閉ループ制御、油圧シリンダ停止の検出、および材料投棄の検出に用いられる。

さらに他の実施形態において、例えば、主油圧ラインに接続された圧力センサからの測定値が、制御部への他の入力となる。これらの圧力センサ測定値は、作業者が自動制御を無効化しているか否かを判定するのに用いられる。作業者が制御アームを回転させると、対応するパイロットラインの圧力が変化し、この圧力変化が対応する圧力センサによって検出される。このような圧力変化が検出されると、作業者の介入についての決定が制御ユニットによって判定され、対応する動作が行われる、例えば、制御信号がゼロに設定され、制御状態が「掘削」に設定される。対応する動作の他の例としては、作業者によって制御される軸方向の所望の位置の補正が挙げられる。

さらに他の実施形態において、ユーザインタフェース装置またはスイッチが、掘削機の自動動作を中断するために作業者によって用いられ、手動動作に切り替えられる。

さらに他の実施形態において、自動動作を中断して手動動作に切り替えるために衝突回避システムが用いられる。

図９は、実施形態に係る制御更新アルゴリズムのフローチャートである。制御部は、複数の制御経路のそれぞれについて所望の制御信号を算出するよう構成される。

経路が制御部によって指定されない場合、ステップ９０１において、経路に対する制御信号がゼロに設定される。そうでない場合、ステップ９０２において所望の速度が算出され、ステップ９０３において誤差信号が算出され、ステップ９０４において経路に対する制御信号が算出される。

本明細書に記載のように、速度ｖは、ある座標ｘの変化率であり、位置ｘは、この座標の値である。本発明の一実施形態において、速度ｖは角速度であり、例えば、本体向きψが変化する向き角速度ω_ψであり、位置ｘは角度であり、例えば、本体向きψである。

ステップ９０２において、経路ｋに対する所望の速度ｖ_ｄｋが、経路の所定の最大速度ｖ_ｍａｘｋ、経路の所望の位置ｘ_ｄｋおよび現在位置ｘ_ｃｋから算出される。所望の位置と現在位置との差の絶対値｜ｘ_ｄｋ－ｘ_ｃｋ｜が所定の値Δｘ_ｍａｘｋより大きい場合、所望の速度ｖ_ｄｋは最大速度ｖ_ｍａｘｋに設定される。所望の位置と現在位置との間の差ｘ_ｄｋ－ｘ_ｃｋがマイナスの場合、所望の速度ｖ_ｄｋに－１を乗算して、所望の速度の符号が所望の位置と現在位置との間の差の符号と同一になるようにする。所望の位置と現在位置との差の絶対値｜ｘ_ｄｋ－ｘ_ｃｋ｜が所定値Δｘ_ｍａｘｋより小さい場合、所望の速度に、所望の位置と現在位置との差の絶対値に所定値で除算した値｜ｘ_ｄｋ－ｘ_ｃｋ｜／Δｘ_ｍａｘｋを乗算して、所望の速度が所望の位置と現在位置との差に比例するようにする。現在位置が所望の位置に近い場合、すなわち、所望の位置と現在位置との間の差の絶対値が所定値Δｘ_ｍｉｎｋよりも小さい場合、所望の速度はゼロに設定される。本発明の他の実施形態において、所望の速度を算出する他のアルゴリズムを用いることができる、または所望の速度を算出するステップを省略することができ、誤差信号および制御信号を現在位置および所望の位置から直接算出できる。

ステップ９０３において、経路ｋに対する誤差信号ｅ_ｋが、掘削機状態ベクトルから得た、経路の所望の速度ｖ_ｄｋと現在の速度ｖ_ｃｋとの間の差として算出される。

ステップ９０４において、経路ｋに対する制御信号ｕ_ｋが算出される。誤差信号ｅ_ｋに所定の比例ゲインＫ_ｐｋを乗算し、その結果、比例制御信号ｕ_ｐｋが得られる。次に、誤差信号が、前のステップからの誤差信号の累積和に加算される。この累積和に所定の積分ゲインＫ_ｉｋを乗算し、その結果、積分制御信号ｕ_ｉｋが得られる。制御信号ｕ_ｋは、その後、比例制御信号ｕ_ｐｋと積分制御信号ｕ_ｉｋとの和として算出される。その後、制御信号ｕ_ｋは、所定の最大値および最小値によって制限され、対応する制御経路のアクチュエータに送信される。

本発明の他の実施形態において、誤差信号ｅ_ｋおよび制御信号ｕ_ｋを算出するための他の方法を各経路ｋに用いることができる。例えば、制御信号ｕ_ｋの算出に非線形性補正アルゴリズムを適用して、不感帯やヒステリシスのようなアクチュエータの非線形性を補正することができる。

制御アルゴリズムの最終ステップは、次の離散時間エポックを待機するステップ５０５である。本開示の一実施形態において、制御装置の動作システムによって提供されるタイマが、次の時間エポックのある瞬間を決定するのに用いられる。次の離散時間エポックのこの瞬間に、制御アルゴリズムステップが繰り返される。

本明細書に記載のシステム、装置、および方法は、デジタル回路を用いて、または公知のコンピュータプロセッサ、メモリユニット、記憶装置、コンピュータソフトウェアや他の構成要素を用いる１つまたは複数のコンピュータを用いて実現されてもよい。典型的には、コンピュータは、指令を実行するためのプロセッサと、指令およびデータを記憶するための１つ以上のメモリとを備えている。また、コンピュータは、１つまたは複数の磁気ディスク、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスク、光磁気ディスク、光ディスクなどの、１つまたは複数の大容量記憶装置を備えていてもよく、または１つまたは複数の大容量記憶装置に接続されていてもよい。

本明細書に記載のシステム、装置、および方法は、プログラム可能なプロセッサに実行されるように、情報担体（例えば、非一時的機械読み取り可能記憶装置）において有体なコンピュータプログラム製品を用いて実施されてもよく、本明細書に記載の方法およびワークフローにおける各ステップ（図３、図５～図６、図８～図９のステップまたは機能のうちの１つまたは複数を含む）は、そのようなプロセッサによって実行できる１つまたは複数のコンピュータプログラムを用いて実施されてもよい。コンピュータプログラムは、任意の動作を行ったり、任意の結果を得たりするためにコンピュータにおいて直接的または間接的に使用することができる１組のコンピュータプログラム指令である。コンピュータプログラムは、コンパイラ型言語やインタープリタ型言語などの任意の方式のプログラミング言語で記載でき、スタンドアロンプログラムとして、またはモジュール、構成要素、サブルーチンや任意の演算環境での利用に適した他のユニットとしての方式などの任意の方式で展開できる。

本明細書に記載のシステム、装置、および方法、例えば、図４の制御ユニット４０７および図５の制御ユニット５１０を実施するのに用いることができるコンピュータ１０００の一例の上位概略ブロック図を図１０に示す。コンピュータ１０００は、データ記憶装置１０２０とメモリ１０３０とに操作可能に接続されたプロセッサ１０１０を備えている。プロセッサ１０１０は、コンピュータ１０００の動作全般を、該動作を定義するコンピュータプログラム指令を実行することにより、制御する。該コンピュータプログラム指令は、データ記憶装置１０２０または他のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に保存されたものであってもよく、該コンピュータプログラム指令の実行が必要な際にメモリ１０３０にロードされてもよい。したがって、図３、図５～図６、および図８～図９の方法やワークフローにおけるステップは、メモリ１０３０および／またはデータ記憶装置１０２０に保存されているコンピュータプログラム指令により定義され、該コンピュータプログラム指令を実行するプロセッサ１０１０により制御されるものであってもよい。例えば、コンピュータプログラム指令は、図３、図５～図６、および図８～図９の方法やワークフローにおけるステップを行うように当業者によりプログラムされたコンピュータ実行可能なコードとして実施可能である。したがって、コンピュータプログラム指令を実行することにより、プロセッサ１０１０は、図３、図５～図６、および図８～図９の方法やワークフローにおけるステップ、または機能を実行する。また、コンピュータ１０００は、ネットワークを介して他の装置と通信するための１つまたは複数のネットワークインタフェース１０４０を備えた構成であってもよい。また、コンピュータ１０００は、コンピュータ１０００とのユーザインタラクションを可能にする１つまたは複数の入出力デバイス１０５０（例えば、ディスプレイ、キーボード、マウス、スピーカ、ボタン等）を備えた構成であってもよい。コンピュータ１０００の要素は、バス１０８０を介して動作可能に接続できる。

プロセッサ１０１０は、汎用マイクロプロセッサと専用マイクロプロセッサとの両方を含んでいてもよく、コンピュータ１０００の唯一のプロセッサであっても、複数のプロセッサの１つであってもよい。プロセッサ１０１０は、例えば、１つまたは複数の中央処理装置（ＣＰＵ）を備えていてもよい。プロセッサ１０１０、データ記憶装置１０２０および／またはメモリ１０３０は、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）および／または１つまたは複数のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を含むか、これらによって補完されるか、またはこれらに内蔵されてもよい。

データ記憶装置１０２０およびメモリ１０３０は、それぞれ、コンピュータ読み取り可能な、有体かつ非一次的な記憶媒体を備えている。データ記憶装置１０２０およびメモリ１０３０はそれぞれ、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ダブルデータレート同期型ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＤＲＲＡＭ）、または他のランダムアクセスの固体メモリ装置などの高速ランダムアクセスメモリを含んでいてもよく、内蔵ハードディスク、リムーバブルディスクなどの１つまたは複数の磁気ディスク記憶装置、光磁気ディスク記憶装置、光ディスク記憶装置、フラッシュメモリ装置、消却・プログラム可能型読取専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消却・プログラム可能型読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）などの半導体メモリ装置、コンパクトディスク読取専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク読取専用メモリ（ＤＶＤ－ＲＯＭ）ディスクなどの不揮発性メモリ、またはその他の不揮発性固体記憶装置を含んでいてもよい。

図４に示す制御ユニット４０７および図５に示す制御ユニット５１０を含め、本明細書に記載のシステムおよび装置のいずれか、または全ては、コンピュータ１０００などの１つまたは複数のコンピュータを用いて実現してもよい。

当業者は、実際のコンピュータまたはコンピュータシステムの実施が別の構造を有してもよく、別の構成要素を備えてもよく、図１０は例示を目的としてそのようなコンピュータの構成要素のうち、いくつかの構成要素を上位概念として示したものであることを理解するであろう。

以上の「発明を実施するための形態」は、あらゆる点において例示的であって限定的ではないものとして理解されるべきであり、本明細書に開示される本発明概念の範囲は、「発明を実施するための形態」から判断されるのではなく、各特許法において認められる全容に渡って解釈される特許請求の範囲から判断されるべきものである。当然のことながら、本明細書に図示、説明された実施形態は、本発明概念の原理を例示したにすぎず、本発明概念の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者によって様々な修正が行われてもよい。当業者は、本発明の概念の範囲および趣旨から逸脱することなく、他の様々な特徴の組合せを実現できるであろう。

Claims (28)

1. １つまたは複数のアクチュエータによってそれぞれ制御される複数の機械要素を含む土工機械の周期的動作を自動制御するための方法であって、
   現在の機械状態を判定することと、
   前記現在の機械状態が周期的動作に該当する場合、少なくとも１つのアクチュエータに対する制御信号を算出することと、
   前記制御信号を前記少なくとも１つのアクチュエータに送信して、前記周期的動作を自動制御することと、を含む、
   ことを特徴とする、方法。
2. 現在の機械位置に基づいて前記現在の機械状態を更新することと、
   前記周期的動作中に前記土工機械の経路を記録することと、
   前記記録された経路および前記現在の機械状態に基づいてターゲットを決定することと、をさらに含む、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記現在の機械状態を更新することと、経路を記録することと、ターゲットを決定することと、を繰り返すこと、をさらに含む、
   ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記現在の機械状態は、複合動作が完了したときの周期的動作に該当する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記現在の機械状態が複合動作に該当する場合、作業者に対して手動制御を許可すること、をさらに含む、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 複合動作に該当する機械状態は、掘削および持上げを含む、
   ことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 周期的動作に該当する機械状態は、運搬、投棄、および回送を含む、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記制御信号は、前記現在の機械状態が運搬と判定された場合、前記少なくとも１つのアクチュエータに前記土工機械を投棄開始点まで旋回させる、
   ことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記制御信号は、前記現在の機械状態が投棄と判定された場合、前記少なくとも１つのアクチュエータに前記土工機械のバケットを回転させて材料を投棄させる、
   ことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
10. 前記制御信号は、前記現在の機械状態が回送と判定された場合、前記少なくとも１つのアクチュエータを掘削開始点に回送させる、
    ことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
11. 前記現在の機械状態が投棄開始位置に該当する場合、投棄開始点を更新することと、
    前記現在の機械状態が持上げ位置に該当するとき、持上げ点を更新することと、をさらに含み、
    前記現在の機械状態を判定することは、さらに、前記投棄開始点および前記持上げ点に基づく、
    ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 作業者に対して、前記周期的動作を手動更新するための手動制御を許可すること、をさらに含む、
    ことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記周期的動作を手動更新することは、投棄開始点を手動更新すること、または持上げ点を手動更新することを含む、
    ことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記現在の機械状態は、前記複数の機械要素のそれぞれの位置および速度を検出するよう構成されたセンサからの入力に基づいて判定される、
    ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
15. 前記土工機械は掘削機であり、前記複数の機械要素は、本体と、ブームと、スティックと、バケットと、を含む、
    ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
16. １つまたは複数のアクチュエータによってそれぞれ制御される複数の機械要素を含む土工機械の周期的動作を自動制御するための方法であって、
    現在の機械位置に基づいて現在の機械状態を更新することと、
    周期的動作中に前記土工機械の経路を記録することと、
    前記記録された経路および前記現在の機械状態に基づいてターゲットを決定することと、
    前記ターゲットおよび前記記録された経路に基づいて、少なくとも１つのアクチュエータに対する制御信号を算出することと、を含む、
    ことを特徴とする、方法。
17. 前記現在の機械状態を更新することと、経路を記録することと、ターゲットを決定することと、を繰り返すこと、をさらに含む、
    ことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 作業者に対して、前記周期的動作を手動更新するための手動制御を許可すること、をさらに含む、
    ことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
19. １つまたは複数のアクチュエータによってそれぞれ制御される複数の機械要素を含む土工機械の周期的動作を制御するための装置であって、
    プロセッサと、コンピュータプログラム指令を記録した非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体と、を備える制御部を備え、前記コンピュータプログラム指令は、前記プロセッサにより実行されると、前記プロセッサに、
    現在の機械状態を判定することと、
    前記現在の機械状態が周期的動作に該当する場合、少なくとも１つのアクチュエータに対する制御信号を算出することと、
    前記制御信号を前記少なくとも１つのアクチュエータに送信して、前記周期的動作を自動制御することと、
    を含む動作を行わせる、
    ことを特徴とする、装置。
20. 前記プロセッサはさらに、
    前記少なくとも１つのアクチュエータが前記送信された制御信号を実行した後に前記現在の機械状態の更新を行う、
    ことを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
21. 前記現在の機械状態は、前記複数の機械要素のそれぞれの位置および速度を検出するよう構成されたセンサからの入力に基づいて判定される、
    ことを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
22. 前記土工機械は掘削機であり、前記複数の機械要素は、本体と、ブームと、スティックと、バケットと、を含む、
    ことを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
23. 複数の機械要素と、
    前記複数の機械要素のそれぞれを制御するよう構成された１つまたは複数のアクチュエータと、
    前記複数の機械要素のそれぞれの位置および速度を検出するよう構成された１つまたは複数のセンサと、
    前記１つまたは複数のセンサおよび前記１つまたは複数のアクチュエータと通信する制御部であって、前記センサからの入力に基づいて前記アクチュエータに制御信号を送信することによって前記土工機械の周期的動作を自動制御するよう構成された制御部と、を備える、
    ことを特徴とする、土工機械。
24. 前記土工機械は掘削機であり、前記複数の機械要素は、本体と、ブームと、スティックと、バケットと、を含む、
    ことを特徴とする、請求項２３に記載の土工機械。
25. 前記土工機械は、フロントローダ、バックホーローダ、およびスキッドステアローダのうちの少なくとも１つである、
    ことを特徴とする、請求項２３に記載の土工機械。
26. 前記１つまたは複数のセンサは、ＧＮＳＳ受信機、レーザセンサ、加速度計、ジャイロ、磁気センサ、回転センサ、リニア変位センサ、および慣性計測ユニットのうちの少なくとも１つを含む、
    ことを特徴とする、請求項２３に記載の土工機械。
27. 前記制御部はさらに、
    現在の機械位置に基づいて現在の機械状態を更新し、
    周期的動作中に前記土工機械の経路を記録し、
    前記記録された経路および前記現在の機械状態に基づいてターゲットを決定し、
    前記ターゲットおよび前記記録された経路に基づいて、少なくとも１つのアクチュエータに対する制御信号を算出する、
    よう構成される、
    ことを特徴とする、請求項２３に記載の土工機械。
28. 前記現在の機械状態は、運搬、投棄、または回送を含む、
    ことを特徴とする、請求項２７に記載の土工機械。