JP5356141B2 - 地ならし機の動的安定化および制御 - Google Patents

Description

本発明は概して機械制御に関し、より詳細には機械の動的安定化および制御に関する。

地形の位相または幾何形状を変える、本明細書で地ならし機として全体的に言及されている様々なタイプの機械が開発されてきた。例えば、取り付けられて可動である切断刃を備えるブルドーザを、様々な地ならし応用例で使用することができる。建設現場の準備中に、地面に建物を建設する前に、地面を平らにする（または、ある一定の傾斜を加える）ため、ブルドーザを使用することができる。ブルドーザはまた、道路および他の建設応用例でも有用である。もちろん、ブルドーザおよび他の地ならし機に対して様々な利用がある。

最初に、地上勤務員、例えば正確な地ならしを保証するように、調査機器を備えた勾配修正機の乗務員と共に、熟練の操作者によってブルドーザの操作が行われる。この動作モードは、今日まで広く使用され続けている。この動作モードの欠点の１つは、時間および労力がかかることである。

地ならし機の動作を自動化する様々な試みがあった。例えば、（レーザ・システムおよび衛星系システムなどの）ナビゲーション手段が、様々な地ならし作業を自動化するのを助けるために使用されてきた。例えば、２００３年７月２４日公開の米国特許出願公開第２００３／０１３７６５８Ａ１号は、ブルドーザを制御するのに使用する衛星系ナビゲーション・システムと共に、回転レーザを使用することを開示している。

既存のシステムの制約の１つは、機械制御のためにレーザを使用することは回転レーザと建設機械の間の視野方向が必要であるということである。さらに、適切な動作のため、回転レーザ送信機と建設機械の間の最大動作距離がある。衛星ナビゲーション・システムは最大距離の制約がないが、現在利用可能なナビゲーション・システムは他の制約を持ち込む。例えば、これらのシステムは普通、特に垂直寸法を計算する場合に、限られた精度を有する。衛星ナビゲーション機械制御システムの別の問題は、遅延が制御ループ内に導入されることである。

既存の機械制御システムの別の問題は、比較的速い動作速度での動的不安定性である。より詳細には、速い（しかし、最大ではない）ブルドーザ速度で、ブルドーザおよび取り付けられた刃は振動する傾向があり、それによって地ならしが不正確になる。

米国特許出願公開第２００３／０１３７６５８Ａ１号

Ｈ．Ｋ．Ｋｈａｌｉｌ著、Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ、第３版（２００１年、１２月１８日） Ａ．Ｆ．Ｆｉｌｉｐｐｏｖ著、Ｆ．Ｍ．Ａｒｓｃｏｔｔ編集のＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｒｉｇｈｔｈａｎｄ Ｓｉｄｅｓ、Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ（１９８８年１２月）

本発明は、比較的速い速度での動作中に機械（例えば、ブルドーザ）の動的安定性を保証する改良型機械制御方法および装置を提供する。

一実施形態では、機械は機械上に取り付けられ、衛星受信機に連結された第１および第２の衛星アンテナを備えている。衛星受信機は、全地球ナビゲーション衛星システムから信号を受信するのに使用されている。第３の衛星アンテナが、機械の少なくとも１つの動作要素に取り付けられている。特定の実施形態では、動作要素はブルドーザの刃であってもよい。重力基準センサおよび複数のジャイロスコープが、センサ・データをプロセッサに提供するように機械に取り付けられている。プロセッサは、衛星受信機、重力基準センサ、およびジャイロスコープから受信したセンサ・データに基づいて機械制御信号を発生させる。

一実施形態によると、プロセッサは機械に取り付けられたセンサからのデータを使用して、機械の現在の状態を決める。機械の別の状態は、現在の状態および前の時代からのフィルタリング位置情報を使用して予測される。利点のある実施形態では、Ｋａｌｍａｎのフィルタリングを使用して行われる。小さな誤差状態は、決められた状態および予測された状態を使用して、計算される。遅延補償状態は、小さい誤差状態を使用して、計算される。動作要素（例えば、ブルドーザの刃）用の制御信号はその後、遅延補償状態を使用して計算され、制御信号は動作要素を制御するように動作要素に加えられる。機械がブルドーザである一実施形態では、制御信号はブルドーザの刃の上昇および傾斜を制御することができる。

本発明のこれらおよび他の利点は、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って、当業者には自明になろう。

本発明の一実施形態による建設機械を示す図である。 本発明の一実施形態による建設機械を示す図である。 本発明の一実施形態によるブルドーザを制御する制御システムの構成部品の高レベル・ブロック図である。 機械の瞬時の状態を説明するために使用された、機械状態パラメータを示す図である。 一般化された機械速度ベクトルを示す図である。 センサ・データを示す図である。 タイミング・データを示す図である。 時間の間に制御モジュールによって行われる高レベル工程を示すフローチャートである。 図７の予測工程のさらなる詳細を示すフローチャートである。 図７のＫａｌｍａｎフィルタリング工程のさらなる詳細を示すフローチャートである。 図７の遅延補償工程のさらなる詳細を示すフローチャートである。 図７の制御信号工程の計算のさらなる詳細を示すフローチャートである。

図１Ａおよび１Ｂは、本発明の一実施形態による建設機械１０２を示す。図１Ａは建設機械１０２の側面図を示し、図１Ｂは建設機械１０２の高角度図を示す。説明されている特定の実施形態では、建設機械１０２はブルドーザである。しかし、当業者には簡単に明らかになるように、本発明の原理は他のタイプの建設機械にも適用可能である。建設機械１０２は、全地球ナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）から信号を受信するのに使用される３つの衛星アンテナ１０４、１０６、１０８を有する。ＧＮＳＳはよく知られており、様々な測位／時間関連の作業を解決するのに使用される。このような２つの公知のシステムは、米国の全地球測位システム（ＧＰＳ）、およびロシアの全地球ナビゲーション衛星システム（ＧＬＯＮＡＳＳ）である。言及を簡単にするため、本明細書は全体を通して、ＧＰＳシステムに言及するが、本明細書はＧＬＯＮＡＳＳ、組み合わされたＧＰＳ＋ＧＬＯＮＡＳＳ、または他のＧＮＳＳシステムに同様に適用可能であることを理解されたい。

ＧＰＳアンテナ１０４、１０６は、建設機械１０２の屋根に（直接、または特別に取り付けられたフレーム上の何れかで）長手方向に取り付けられている。ＧＰＳアンテナ１０８は、ブルドーザ１０２の刃１１２に連結された柱１１０に取り付けられている。ブルドーザ１０２の刃１１２は、少なくとも１つの油圧シリンダ１１４によって制御されている。（１つまたは複数の）シリンダは、電気的に制御されたスプールを利用する少なくとも１つの電子的に制御されたバルブによって制御されている。特定の一実施形態では、ブルドーザ１０２は刃１１２を持ち上げる油圧シリンダ１１４と、刃１１２を傾斜させる（すなわち、ブルドーザの長手軸周りに回転させる）油圧シリンダ（図示せず）とを備えている。持上げシリンダを制御するバルブは、持上げバルブと呼ばれ、傾斜シリンダを制御するバルブは傾斜バルブと呼ばれる。ブルドーザの刃およびその制御シリンダの構成は、当業界ではよく知られており、本明細書ではさらに詳細には説明しない。

図２は、本発明の一実施形態によるブルドーザ１０２を制御する制御システム２００の構成部品の高レベル・ブロック図である。システム２００は、ブルドーザ１０２の傾斜（転動）角度を決める液体重力基準傾斜センサ２１０を含む。他のタイプの傾斜センサを使用することもできる。システム２００はまた、慣性計測装置（ＩＭＵ）２１２を含む。ＩＭＵ２１２は、慣性を計測するように振動リング（または他のタイプの）ジャイロスコープ２１４を含んでいる。代替実施形態では、ＩＭＵ２１２はまた慣性を計測するように３つの加速度計を含むことができる。これらのセンサは有利には、ブルドーザ・メインフレームに結合された座標系の３つのデカルト軸（すなわち、長手、横、および縦）に沿った方向をしている。ＩＭＵ２１２はまた、比較的高周波（例えば、２００Ｈｚ）でジャイロスコープ・データを読み取り、データをプロセッサ２１６に提供するアナログ／デジタル変換器２１５を含む。プロセッサ２１６はジャイロスコープ・データを平均化し、より低い周波数（例えば、２０〜４０Ｈｚ）で平均化されたデータを必要に応じて他の構成部品に提供する。有利には、ＩＭＵ２１２はブルドーザのメインフレームにしっかりと取り付けられている。

システム２００はまた、装置を振動から守るようにブルドーザのメインフレームに有利に取り付けられた制御モジュール２２０を備える。制御モジュール２２０は、制御モジュール２２０の全体の動作を制御するプロセッサ２２２を含む。プロセッサ２２２は、プロセッサ２２２の動作を規定するデータおよびプログラム・コードを含むメモリ２２４に連結されている。プログラム・コードをメモリ２２４内で実行するときに、制御モジュール２２０によって行われる工程を、図３〜１１と合わせて以下にさらに詳細に説明する。制御モジュール２２０のブロック図は、高レベル機能図を意味するものであって、本発明の原理により制御モジュールを構築するのに必要な構成部品の特別な説明ではないことを理解されたい。例えば、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラム可能ＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、電気消去／書き込み可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、光学媒体、磁気媒体、またはデータおよびプログラム・コードを記憶するあらゆる他の手段を含む、様々な構成部品を使用して、メモリ２２４を実行することができる。さらに、プログラム・コードを１つまたは複数のメモリ装置に記憶させることができ、プログラム・コードはソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、または上記のあらゆる組合せで具体化することができる。

制御モジュール２２０は、受信した衛星信号を処理するＧＰＳモジュール２０２を含む。知られているように、ＧＰＳモジュール２０２は、ＧＰＳアンテナ１０４、１０６、１０８にそれぞれ連結されたＧＰＳ受信機２０４、２０６、２０８を含む。ＧＰＳ受信機２０４、２０６、２０８は、各アンテナの位置を決めるように、当業界で知られている方法で動作する。代替実施形態では、３つの別個のＧＰＳ受信機を含むのではなく、ＧＰＳモジュール２０２は、単一の３アンテナＧＰＳ受信機を含んでいてもよく、これも当業界ではよく知られている。

制御モジュール２２０はまた、差動型ＧＰＳ処理に関連して使用される無線モデム２３０を含んでいる。よく知られているように、差動型ＧＰＳ処理を利用するローバの位置決定が、基地局（ベース）に対して行われる。基地局の正確な座標は知られており、基地局は普通は計測中は静止している。基地局は、計測を発生させるように衛星の信号を受信し、処理するナビゲーション受信機を有する。これらの信号計測は、通信経路（例えば、無線）を介してローバに伝達される。ローバは、その位置を正確に決めるため、そのナビゲーション受信機で取った独自の計測と共に、ベースから受信したこれらの計測を使用する。位置決定は、差動型ナビゲーション・モードで改善される。というのは、ローバはローバ計測の強く相互関係のある誤差の重要な部分を補償するため、基地局の計測を使用することができるからである。図２に示すシステム２００では、無線モデム２３０は、全ての３つのＧＰＳ受信機２０４、２０６、２０８用の基地局データを受信するのに使用される。

一般に、制御モジュール２２０は以下の機能を行う。制御モジュール２２０は、他の構成部品（例えば、傾斜センサ２１０、ＧＵＩ２３２、およびＩＭＵ２１２）から情報を集める。制御モジュール２２０はまた、制御モジュール２２０のメモリ２２４に記憶された設計表面情報を評価する。設計表面情報は、ブルドーザによって地形がどのように構成されるべきであるかに関する情報を含んでいる。この情報を、当業界でよく知られており、機械操作者とのリアル・タイム相互作用を可能にする、グラフィカル・ユーザ・インターフェイス（ＧＵＩ）２３２を介して機械操作者に表示することができる。制御モジュール２２０は、ブルドーザの刃用の制御信号を発生させるため、フィルタリングおよび制御発生アルゴリズムを行う。これらのアルゴリズムを以下にさらに詳細に説明する。プロセッサ２２２は、１つまたは複数のブルドーザ油圧バルブを制御するように、プロセッサ２２２からのデジタル制御信号をアナログ制御信号に変換するバルブ駆動装置２２６に連結されている。ブルドーザの油圧システムは、刃を動かすように油圧シリンダの自動制御を可能にする電気制御されたバルブを含んでいる。

上記ブルドーザ構成は、ブルドーザ本体フレームのデカルトおよび角度位置と、その直線および角度速度の測定を可能にする。より詳細には、アンテナ１０４、１０６は傾斜センサ２１０と共に、ブルドーザ本体フレーム上のあらゆる点のＷＧＰ（世界測地システム）−８４デカルト座標、およびその方位（ピッチ、ロール、およびヘッディング）の計算を可能にする。アンテナ１０８のそれぞれの位置により、刃１１２の縁部の位置、および１つまたは複数の油圧シリンダそれぞれの位置の計算が可能になる。ＩＭＵ２１２のジャイロスコープ２１４により、以下にさらに詳細に説明するフィルタリングおよび制御発生に使用される角度速度を測定することが可能になる。

図１〜２の特定の実施形態で説明されたセンサ構造により、説明したような測定が可能になる。しかし、当業者は所望の測定を計算するため、様々な代用を行うことができることが分かるだろう。しかし、１つまたは複数の上記センサの削除には、本発明の原理によるブルドーザの安定性を達成するため、（１つまたは複数の）置換センサの導入が必要である。例えば、刃１１２に連結されたＧＰＳアンテナ１０８を、ブルドーザの刃１１２を制御する２つの油圧シリンダそれぞれの上の２つの直線シリンダ・ストローク・センサに換えることもできる。直線シリンダ・ストローク・センサは、シリンダ上に取り付けられたポテンショメータからなり、ケーブルの一端部はポテンショメータに連結されている。ケーブルの他端部は、シリンダ・ロッドに連結され、それによりロッドのあらゆる動作がポテンショメータ抵抗の変化につながり、その後コントローラによって測定することができる。同様に、傾斜センサ２１０をブルドーザ１０２の屋根に取り付けられた追加のＧＰＳアンテナ、またはＩＭＵに加えられた加速度計に換えることもできる。当業者は、センサの様々な他の構成および代替形態が可能であることが分かるだろう。

図１〜２と合わせて説明した構成部品は、以下にさらに詳細に説明するデータ処理と共に、動作中にブルドーザの動的安定性を保証するブルドーザ制御システムを提供し、それによってブルドーザは従来のシステムより速い速度で動作することが可能になり、したがって生産性が増す。これらの構成部品および以下に説明するデータ処理によりまた、ＧＰＳ計測誤差および遅延が減少する。データ処理アルゴリズムを詳細に説明する前に、処理の高レベルの説明を行う。

制御モジュールは、プロセッサ２２２およびメモリ２２４内に記憶されたコンピュータ・プログラム・コードの制御の下で、約５０ミリ秒毎に以下の高レベル作業を行う。第１の作業は、将来のＧＰＳ計測の期間のためにブルドーザの位置を予測することである。この予測は、前に推定した機械位置および速度、ＩＭＵおよび傾斜センサからの新しい読取り、および最後のＧＰＳデータが処理されてからの経過時間に関する情報を使用して行われる。予測は、機械の動作を示す、微分方程式のシステムの積分に基づく。

次の作業は、帰納的な手続きを作り出すのに使用されるＫａｌｍａｎフィルタなどの、最小二乗基準を使用した、生のＧＰＳ計測および幾何的制約と機械本体フレームおよび油圧装置の予測位置との比較に基づいて行われる。

次の作業は、微分方程式に基づく予測アルゴリズムを適用するため、ＧＰＳ信号の時間タグ、およびＧＰＳ同期内部クロックからの実際のタイマ読取りを使用して行われる。この作業は、制御信号の制御発生時の機械位置の予測を発生する。この時間は、ＧＰＳ計測の最後のセットの前の、最大２００ｍｓであってもよい。

次の作業は、ブルドーザのバルブ用の制御信号を発生させることである。制御信号は、ブルドーザ力学と（遅延補償され、ＧＰＳ白色雑音誤差をフィルタリングした）位置および速度予測の数学モデル（すなわち、微分方程式のシステム）に基づき発生される。制御アルゴリズムは、機械が安定した方法で設計表面に従うように設計することができる。

普通の方法での処理を説明したので、本発明の一実施形態によるシステムの動作のさらなる詳細を、図３〜１１と合わせて説明する。

図３は、機械の瞬時の状態を説明するのに使用される機械状態パラメータ３００を示している。これらのパラメータは、ブルドーザ３０２のメインフレーム上のいくつかの所定の点の３次元デカルト位置と、ブルドーザのメインフレーム３０４の方向の４元法演算と、刃持上げバルブ３０６内のスプールの位置と、刃傾斜バルブ３０８内のスプールの位置と、刃持上げシリンダ３１０の位置と、刃傾斜シリンダ３１２の位置とを含む。これ以下、機械の状態３００に対する言及は、１１の変数の所定の組（ベクトル）を示す。デカルト位置３０２は３つの変数（ｘ、ｙ、ｚ）からなっており、方向の４元法演算３０４は４つの変数からなり、パラメータ３０６、３０８、３１０、３１２はそれぞれ１つの変数からなっているので、１１の変数がある。方向は普通、３つの角度、すなわちピッチ、ロール、およびヘッディングによって決まることに留意すること。しかし、これは動作の単一の非直線微分方程式（すなわち、オイラーの方程式）につながる。非直線微分方程式を単純化するため、ａ^２＋ｂ^２＋ｃ^２＋ｄ^２＝１の条件を満たす４元法演算として知られる４つのパラメータ（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）が、本発明の一実施形態により使用される。

図４は、一般化された機械速度ベクトル４００を示す。このベクトルは、機械の状態３００に含まれる全ての変数の変化速度を示す。より詳細には、機械の速度ベクトル４００は、機械のメインフレーム４０２のデカルト速度ベクトルと、機械の角度回転（すなわち、角度速度）４０４のベクトルと、刃持上げ油圧シリンダ４０６の移動速度と、刃傾斜油圧シリンダ４０８の移動速度と、持上げバルブ・スプール４１０の移動速度と、傾斜バルブ・スプール４１２の移動速度とを含んでいる。

機械状態および対応する機械速度の様々な変更形態は、本明細書で説明が行われた当業者には簡単に明らかになることに留意されたい。例えば、このような変更形態はあらゆる方向の刃の傾斜の角度の追加と、対応する油圧シリンダおよびバルブ位置と、水平移動制御バルブの位置と、油圧回路内の圧力および流れを含むことができる。

図５は、様々なセンサからの利用可能な計測のセットである、センサ・データ５００を示している。ＧＰＳ受信機２０８は、アンテナ１０８のデカルト位置および速度５０２を提供する。ＧＰＳ受信機２０４は、アンテナ１０４のデカルト位置および速度５０４を提供する。ＧＰＳ受信機２０６は、アンテナ１０６のデカルト位置および速度５０６を提供する。３つのジャイロスコープ２１４は、ブルドーザのメインフレームの角度速度ベクトル５０８の３つの突起を、機械（全地球ＷＧＳ−８４ではない）と共に移動するメインフレームにしっかり連結された座標系に与える。傾斜センサ２１０は、機械のメインフレームの傾斜（転動）角度である、傾斜センサ・データ５１０を提供する。したがって、センサ・データ・ベクトル５００内には２２のパラメータがある。アンテナ１０８のデカルト位置および速度５０２は、３つの位置パラメータ（ｘ、ｙ、ｚ）および３つの速度パラメータ（ｘ、ｙ、ｚ座標それぞれに対して１つの計測）を含む。アンテナ１０４のデカルト位置および速度５０４は、３つの位置パラメータ（ｘ、ｙ、ｚ）および３つの速度パラメータ（ｘ、ｙ、ｚ座標それぞれに対して１つのパラメータ）を含む。アンテナ１０６のデカルト位置および速度５０６は、３つの位置パラメータ（ｘ、ｙ、ｚ）および３つの速度パラメータ（ｘ、ｙ、ｚ座標それぞれに対して１つのパラメータ）を含む。角度速度５０８のベクトルは、３つのジャイロスコープからの３つのパラメータを含む。傾斜センサ・データ５１０は、１つのパラメータを含む。

センサ・データは、ＲＦ雑音、振動、多経路などの対象物理源によって生じる、ＧＰＳ誤差およびジャイロスコープ誤差などの様々なタイプの誤差によって悪影響が及ぼされる可能性があることに留意すること。本発明の一実施形態によると、および以下にさらに詳細に説明するように、このような誤差はデジタル・フィルタの使用によって少なくなる。

ＧＰＳ受信機２０４、２０６、２０８、およびＩＭＵ２１２はそれぞれ、内部クロック（図２には図示せず）を有する。ＧＰＳ受信機のクロックは、全地球ＧＰＳ時間に同期され、ＩＭＵクロックはＧＰＳクロックに同期される。図６は、ＧＰＳおよびＩＭＵクロックから読み取られたタイミング・データ６００を示す。刃位置ＧＰＳ計測時間６０２、機械本体位置ＧＰＳ計測時間６０４、およびＩＭＵジャイロスコープ計測時間６０６の３つの時間タグが使用されている。

図７〜１１は、機械の状態を予測し、機械の動作用制御信号を発生させるように、制御モジュール２２０によって行われる工程を示すフローチャートである。これらの図は、制御フロー（すなわち、機能工程の実行の順序）とデータ・フロー（すなわち、機能工程間のデータの通過）の両方を示すことに留意すること。全体的に、制御フローは実線で示され、データ・フローは点線で示される。

図７は、期間中に制御モジュール２２０によって行われる高レベル工程を示すフローチャートである。各期間に対して、例えば１０分の１秒毎に、機能はセンサ・データ５００およびタイミング・データ６００を受信（および／または収集）し始める。これらのデータは、以下の作業を行うため、プロセッサ２２２によって使用される。工程７０２では、機械の状態３００はセンサ・データ５００を使用して推測される。この工程では、機械の状態３００は、生のＧＰＳおよび傾斜センサ・データと必要な直線寸法を使用して、計算し直される。直接推測と呼ばれる得られる推測は、次の工程での将来の改善のための第１の演算である。この工程で使用される機械の幾何的寸法は、ＧＰＳ取付柱の高さ、座標系に対するアンテナ１０４、１０６の位置、刃のフレーム・ヒンジの位置、刃傾斜ヒンジの位置などである。この工程中、ＧＰＳ誤差は、直接推測の結果内の誤差に変換される。アルゴリズムが第１の期間以外の期間を処理しており、それによって機械状態の前の推測が利用可能である場合、機械状態が前の期間データおよび推測に基づき予測される、工程７０４が行われる。工程７０４のさらなる詳細を、図８と合わせて以下に説明する。

工程７０６では全ての利用可能な適切に加重されたＧＰＳデータを使用するため、工程７０２からの推測された機械状態、および工程７０４からの予測された機械状態の両方を使用して、Ｋａｌｍａｎフィルタリングが行われる。工程７０６を図９と合わせて以下にさらに詳細に説明する。工程７０６で発生した機械状態のこのようにより正確な（例えば、フィルタリングされた）推測は、工程７０４の次の実行で将来使用するために工程７１０で保存される。このようなより正確な推測はまた、ユーザ・ディスプレイ（ＧＵＩ）７０８に送られる。次に、工程７１４では、機械が自動モード（すなわち、自動制御の元で）、または手動モード（すなわち、操作者の制御の下で）動作しているかを判断する。手動である場合は、工程７１４の判断はＮＯであり、アルゴリズムは停止し、次の期間の計測（工程７１６）まで待機する。次の期間では、処理が工程７０２、７０４で再び始まる。

機械が自動モードである場合、処理は、計測遅延を補償する工程７１８で継続する。普通、工程７１８は計測遅延（普通のハードウェアでは、通常の遅延は５０〜２００ミリ秒の間隔内である）を少なくするように、推定装置に基づく遅延補償を行う。工程７１８のさらなる詳細を、図１０と合わせて以下に説明する。遅延補償後、機械制御信号が工程７２０で発生される。工程７２０はまた、制御信号の計算中に設計表面データ７１２を使用する。工程７２０のさらなる詳細を、図１１と合わせて以下に説明する。制御信号の計算後、制御信号は工程７２２で機械の電子制御油圧バルブに送られる。この時点で、アルゴリズムは停止し、次の期間の計測（工程７１６）まで待機する。次の期間では、処理は工程７０２、７０４で再び始まる。

予測工程（７０４）のさらなる詳細を、次に図８と合わせて説明する。このアルゴリズムの目的は、Ｋａｌｍａｎフィルタリングに必要なデータを準備することである（工程７０６）。上で説明したように、工程７０４は第２の期間およびその後に実行され、それによって前の期間の機械状態８０２、一般化された速度８０４、および現在の期間のセンサ・データ５００、タイミング・データ６００を使用することが可能である。第１に工程８０６では、機械の一般化された速度の現在の期間の推測は、機械の幾何形状および４元法代数を使用して、センサ・データ５００から算出される。工程８０８では、工程８０６で算出されたデータは、次の期間での将来の使用のために（および図１０と合わせて説明した遅延補償中の使用のために）保存される。

工程８１０では、前の期間からの時間間隔は、タイミング・データ６００を使用して推測される。この時間間隔の推測はその後、現在の時間間隔用の一般化された速度を直線的に推定するように、工程８１２で使用される。工程８１４では、予測された機械状態は、前の期間からの時間間隔用に積分された一般化された速度の追加、および前の機械状態推測によって算出される。

Ｋａｌｍａｎフィルタリング工程（７０６）のさらなる詳細を、次に図９と合わせて説明する。汎用Ｋａｌｍａｎフィルタリング・アルゴリズムが知られているが、ブルドーザ制御システム内でＧＰＳ誤差の減少のために本明細書で説明された特定の技術は、本明細書に記載された発明的一式のセンサによって可能になり、従来技術のシステム内では可能ではない。アルゴリズムは、工程７０２で決められた直接機械状態推測９０２を使用した、２つの機能の線状化、一般化された速度機能（工程９０４）に対する機械状態、および機械状態機能（工程９０６）に対するセンサ・データに基づく。Ｋａｌｍａｎフィルタにはいつものとおり、システム内の全ての誤差に対する分散行列を有する必要がある。ブルドーザ制御システム全体は、ＧＰＳ雑音（誤差）、ＩＭＵ雑音、および傾斜センサ雑音源によって影響を受ける。これらの雑音源は、予め（例えば、研究室および実地試験中に）推測することができる。このような推測の結果はその後、図９に９０８で示した先験的な分散行列に変換される。その後、雑音に関するこの先験的情報を使用して、分散行列の現在の推測が工程９１０で算出される。その後工程９１２では、フィルタ・ゲインが算出される。次に工程９１４では、機械状態の最終的な最適推測が、前の期間９１６からの機械状態の推測を使用して算出される。

遅延補償工程（７１８）のさらなる詳細を、次に図１０と組み合わせて説明する。この工程は工程７０４の予測といくらか類似しているが、いくつかの相違点もある。第１に工程７０４では、補間を使用するのに合理的な速度を推測するように、速度成分がセンサ・データを使用して利用可能である。しかし、この遅延補償工程（７１８）では、センサ・データはもはや利用可能ではなく、速度計測が、工程１００８で現在の期間を始めとして、遅延の間隔に対して前方で推定される。放物線近似値を備える有限時間間隔加重最小２乗アルゴリズムが、推定に使用される。これは、前の期間１００６からのデータだけではなく、このような２０の期間１００４の記録も使用する。これらの記録されたデータは、２つの間の最小２乗偏差値を得るため、放物線関数によって近似値が求められる。推定の結果（すなわち、未来の時間における放物線関数の値）はその後、現在のアルゴリズム内で使用されるだけではなく、工程７２０の制御信号算出中に使用するようにエクスポートされる。工程１０１０では、動作の微分方程式が、遅延のない最終機械状態推測に至るように、遅延の間隔の前に積分されるが、この推測は推定誤差によって影響を受ける。機械の動作の比較的速い速度（１ｍ／秒より速い）のため、この推定誤差は非補償計測遅延によって生じる誤差の約２０分の１であるように思われる。前に積分される動作の微分方程式のシステム（すなわち、機械の動的モデル、または他の用語では、予測値）は、初期データ、一般化された速度、および時間間隔の３つの情報項目が必要である。現在の工程でシステムに利用可能な初期データの最良の推測は、ここで使用される工程７０６でのＫａｌｍａｎフィルタリングの結果である。一般化された速度は、工程１００８での放物線推定からくる。時間間隔は、いくつかの固定された先験的推測に等しい。

制御信号の算出のさらなる詳細（工程７２０）を、次に図１１と合わせて説明する。この時点で、システムは機械状態１１０２、および工程７１８から得られる機械の一般化された速度の正確な推測を有する。本発明の技術による提案された総合的な組の機械状態の計測およびフィルタリングされた遅延自由推測により、ブルドーザ制御システム全体に安定性および制御の様々な既知の理論を適用することが可能である。このような理論は、例えば、Ｈ．Ｋ．Ｋｈａｌｉｌ著、Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ、第３版（２００１年、１２月１８日）、およびＡ．Ｆ．Ｆｉｌｉｐｐｏｖ著、Ｆ．Ｍ．Ａｒｓｃｏｔｔ編集のＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｒｉｇｈｔｈａｎｄ Ｓｉｄｅｓ、Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ（１９８８年１２月）に記載されている。図１１に示したアルゴリズムは、かなり算出が集約的であるが、地ならし機の安定性を保証する。したがって、発明的技術を使用することにより、比較的速い水平速度で振動のない整地工事が可能になる。

アルゴリズムは、１１次元状態空間内の８次元目標マニホールドの算出で始まる。この工程１１０８は、設計表面データ１１０４を使用する。機械状態３００が状態空間として中に属する抽象的１１次元空間を示すことによって、設計表面（すなわち、デジタル地形モデル）を、状態空間内の８次元の円滑なマニホールドとして示すことができる。状態空間内のあらゆる点は、状態空間内の点に対応する特定の機械状態を示し、一般化された速度は特定の点に適用されるベクトルである。普通の速度ベクトルは、制御信号による。可能なベクトルの全体の組は、ベクトル場と呼ばれる。制御信号が選択されたので、このベクトル場を積分することにより、機械の可能な軌跡が与えられる。ベクトル場は、まだ知られていない制御により、それによって１組の適格なものの中で制御信号の値を選択し、ベクトル場を変える（すなわち、再設定する）ことができる。ベクトル場は、（工程７１８で算出された）機械１１０６の推定され一般化された速度の知識を使用して、工程１１１０で発生される。機械の性能は、制御がベクトル場の積分が最小可能時間内で目的マニホールドの許容近似値に到達し、将来そこに留まる機械状態を提供するように選択される場合に、改善する。したがって、機械を制御する問題は、特別な種類の制約された最小の問題であるベクトル場の再設定の問題にまで小さくされ、推測された機械状態１１０２、（工程７１８から）推測された機械の一般化された速度、および工程１１０８からの８次元目標マニホールドを使用して、工程１１１２で連続型のＮｅｗｔｏｎ式方法によって解決される。機械制御はもちろん、機械の許容制御の境界内になければならない。上記情報および基準を有する連続型Ｎｅｗｔｏｎ式方法は、制御変数に対する特別な微分方程式を構築し、その後共に積分される機械の方程式に加えられる。算出された制御信号は、工程１１１４の機械のバルブ・ドライバ回路に送られる。

前述の詳細な説明は、全ての面で例示的および説明的であり、限定的ではないと理解されたく、本明細書で開示する発明の範囲は詳細な説明から決まるのではなく、特許法によって認められた全幅により解釈されるように特許請求の範囲から決まるものである。本明細書で示し、説明した実施形態は、本発明の原理を例示するためだけのものであり、様々な変更形態を本発明の範囲および精神から逸脱することなく当業者は実施することができることを理解されたい。

Claims (12)

1. 機械に取り付けられたセンサからのデータを使用して、機械の現在の状態を判断する工程と、
   前の期間からの前記現在の状態およびフィルタリングされた位置情報を使用して、機械の将来の状態を予測する工程と、
   前記判断された状態および前記予測された状態を使用して、誤差フィルタリングにより小さな誤差状態を算出する工程と、
   前記小さな誤差状態を使用して、機械の遅延補償状態を算出する工程と、
   前記遅延補償状態を使用して、前記機械の少なくとも１つの動作要素用制御信号を算出する工程と、
   前記少なくとも１つの動作要素に前記制御信号を加える工程とを含み、
   前記予測する工程は、
   前記機械の一般化された速度を算出する工程と、
   前の期間からの時間間隔を算出する工程と、
   現在の期間と前の期間の間の前記一般化された速度を推定する工程と、
   前記前の期間からの時間間隔に対して積分された前記一般化された速度と前の機械状態推測とを加える工程とを具備する、機械を操作する方法。
   
2. 前記小さな誤差状態を算出する工程は、少なくとも１つの最小二乗基準を使用して、前記予測状態と少なくとも１つの幾何的計測とを比較する工程を含み、
   前記少なくとも１つの最小二乗基準は、Ｋａｌｍａｎフィルタである、請求項１に記載の方法。
   
3. 前記機械はブルドーザであり、前記少なくとも１つの動作要素は刃であり、前記制御信号を算出する工程はさらに、前記刃の上昇および傾斜用の制御信号を算出する工程を含む、請求項１に記載の方法。
   
4. 前記機械の遅延補償状態を算出する工程はさらに、前記遅延の間隔に対して前方で前記一般化された速度を推定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
   
5. 前記機械の少なくとも１つの動作要素用制御信号を算出する工程はさらに、設計表面データを使用して、前記機械の状態空間内で目標マニホールドを算出する工程と、
   前記状態空間内で制御信号依存ベクトル場を算出する工程と、
   前記目標マニホールドの許容近似値に到達するために、機械状態に必要な時間を最小限に抑えるため、前記状態空間内で前記ベクトル場を方向付ける制御信号を発生させる工程とを含む、請求項１に記載の方法。
   
6. 前記機械の状態は、前記機械メインフレームの位置、前記機械メインフレームの方向、前記機械の刃の位置、前記刃の制御機構の位置の１つまたは複数を含む、請求項１に記載の方法。
   
7. 機械制御システムを実施するようにコンピュータ・プロセッサ上で実行可能であるコンピュータ・プログラム指示を記憶するコンピュータ読取り可能媒体であって、
   前記コンピュータ・プログラム指示は、
   前記機械に取り付けられたセンサからのデータを使用して、前記機械の現在の状態を判断する工程と、
   前の期間からの前記現在の状態およびフィルタリングされた位置情報を使用して、前記機械の将来の状態を予測する工程と、
   前記判断された状態および前記予測された状態を使用して、誤差フィルタリングにより小さな誤差状態を算出する工程と、
   前記小さな誤差状態を使用して、前記機械の遅延補償状態を算出する工程と、
   前記遅延補償状態を使用して、前記機械の少なくとも１つの動作要素用制御信号を算出する工程と、
   前記少なくとも１つの動作要素に前記制御信号を加える工程とを規定する指示を含み、
   前記予測する工程は、
   前記機械の一般化された速度を算出する工程と、
   前の期間からの時間間隔を算出する工程と、
   現在の期間と前の期間の間の前記一般化された速度を推定する工程と、
   前記前の期間からの時間間隔に対して積分された前記一般化された速度と前の機械状態推測とを加える工程とを具備する、コンピュータ読取り可能媒体。
   
8. 前記小さな誤差状態を算出する工程を規定する前記コンピュータ・プログラム指示はさらに、少なくとも１つの最小二乗基準を使用して、前記予測状態と少なくとも１つの幾何的計測とを比較する工程を規定するコンピュータ・プログラム指示を含み、
   前記少なくとも１つの最小二乗基準は、Ｋａｌｍａｎフィルタである、請求項７に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
   
9. 前記機械はブルドーザであり、前記少なくとも１つの動作要素は刃であり、前記制御信号を算出する工程を規定する前記コンピュータ・プログラム指示はさらに、前記刃の上昇および傾斜用制御信号を算出する工程を規定するコンピュータ・プログラム指示を含む、請求項７に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
   
10. 前記機械の遅延補償状態を算出する工程を規定する前記コンピュータ・プログラム指示はさらに、前記遅延の間隔に対して前方で前記一般化された速度を推定する工程を規定するコンピュータ・プログラム指示を含む、請求項７に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
    
11. 前記機械の少なくとも１つの動作要素用制御信号を算出する工程を規定する前記コンピュータ・プログラム指示はさらに、設計表面データを使用して、前記機械の状態空間内で目標マニホールドを算出する工程と、
    前記状態空間内で制御信号依存ベクトル場を算出する工程と、
    前記目標マニホールドの許容近似値に到達するため前記機械状態に必要な時間を最小限に抑えるように、前記状態空間内で前記ベクトル場を方向付ける制御信号を発生させる工程とを規定するコンピュータ・プログラム指示を含む、請求項７に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
    
12. 前記機械の状態は、前記機械のメインフレームの位置、前記機械メインフレームの方向、前記機械の刃の位置、前記刃の制御機構の位置の１つまたは複数を含む、請求項７に記載のコンピュータ読取り可能媒体。

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