JP5815819B2 - 油圧ショベルの掘削制御システム - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベルにおける掘削制御システムに関する。

従来、走行体と、走行体上において旋回可能に設けられる旋回体と、旋回体上に設けられる作業機とを備える建設機械において、掘削対象の目標形状を示す設計地形に沿って作業機のバケットを移動させる領域制限掘削制御が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、設計図の電子データから算出される目標作業面と、ＧＰＳアンテナ装置で受信する位置情報から算出されるバケットの位置とに基づいて設計地形を決定する手法も知られている（特許文献２参照）。

国際公開ＷＯ９５/３００５９号 特開２００６−２６５９５４号公報

（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、特許文献２の手法では、ＧＰＳアンテナ装置での位置情報の受信から設計地形の決定までの処理にかかる遅れ時間が存在するため、設計地形を取得しながら掘削作業を行う場合には、遅れ時間経過前の設計地形を取得しながら掘削することになる。従って、例えば旋回体が旋回している場合や車体が上下揺動している場合には、移動前の作業機の位置に対応する設計地形が取得されてしまうことになる。

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、作業機の現在位置に対応した設計地形を取得可能な油圧ショベルの掘削制御システムを提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）
本発明の第１の態様に係る掘削制御システムは、走行体と所定の旋回軸を中心として旋回可能に走行体上に配置される旋回体と旋回体に取り付けられる作業機とを有する油圧ショベルの掘削制御システムである。第１の態様に係る掘削制御システムは、第１データ生成部と、予測補正部と、第２データ生成部と、第３データ生成部と、掘削制限制御部と、を備える。第１データ生成部は、旋回体の配置を示す旋回体配置データを生成する。予測補正部は、旋回体の動作を示す動作データに基づいて旋回体配置データを予測補正することによって、補正旋回体配置データを生成する。第２データ生成部は、旋回体配置データと補正旋回体配置データとに基づいて、作業機の位置を示す作業機位置データを生成する。第３データ生成部は、作業機位置データに基づいて、掘削対象の目標形状を示す設計地形データを生成する。掘削制限制御部は、作業機位置データと設計地形データとに基づいて、設計地形に対する距離に応じて作業機が設計地形に近づく速度を制限する。予測補正部は、第２データ生成部による作業機位置データの生成及び第３データ生成部による設計地形データの生成に必要な時間を含む遅れ時間と動作データとに基づいて旋回体配置データを予測補正することによって補正旋回体配置データを生成する。

本発明の第１の態様に係る掘削制御システムによれば、予測補正部は、旋回体の動作に基づいて、設計地形データの生成時点における旋回体の配置位置を予測できる。そのため、第２データ生成部は、遅れ時間経過時点における作業機の位置を予測できる。その結果、第３データ生成部は、設計地形データの生成時点における作業機の位置に対応した設計地形を取得することができる。

本発明の第２の態様に係る掘削制御システムは、第１の態様に係り、予測補正部は、所定の旋回軸を中心とする旋回体の旋回角速度を示す旋回角速度データを第１周期で取得し、旋回角速度データが示す旋回角速度と遅れ時間との乗算値に基づいて、旋回体配置データを予測補正する。

本発明の第３の態様に係る掘削制御システムは、第２の態様に係り、第１データ生成部は、旋回体上に設けられる複数の基準部の位置を示す複数の基準位置データを第２周期で取得して、複数の基準位置データに基づいて旋回体が向いている方位を示す旋回体方位データを生成する。予測補正部は、旋回体方位データを少なくとも１回取得する。

本発明の第４の態様に係る掘削制御システムは、第３の態様に係り、第１周期は、第２周期よりも短く、予測補正部は、旋回体方位データを第２周期で取得する。

本発明の第４の態様に係る掘削制御システムによれば、予測補正部は、定期的に取得される旋回体配置データを用いて補正旋回体配置データを生成できる。従って、旋回体３の動作データを生成する機器に熱ドリフトが発生したとしても、第２周期ごとに更新される旋回体配置データを基準とする旋回体の配置を把握できる。従って、旋回体の配置を示す補正旋回体配置データを持続して生成することができる。

本発明の第５の態様に係る掘削制御システムは、第１乃至第４いずれかの態様に係り、第２データ生成部は、旋回体配置データに基づいて、所定の旋回軸を通る油圧ショベルの旋回中心の位置を示す旋回中心位置データを生成し、旋回中心位置データと補正旋回体方位データとに基づいて、作業機位置データを生成する。

本発明の第６の態様に係る掘削制御システムは、第１乃至第５いずれかの態様に係り、予測補正部は、旋回体の前後方向及び左右方向に対する傾斜角を示す傾斜角を予測補正することによって予測傾斜角を算出し、第２データ生成部は、予測傾斜角と旋回体配置データと補正旋回体方位データとに基づいて作業機位置データを生成する。

本発明の第６の態様に係る掘削制御システムによれば、油圧ショベルが傾斜面で旋回しながら作業している場合においても、設計地形データの生成時点における旋回体のピッチ角とロール角を予測できる。従って、作業機の現在位置に対応した設計地形を取得することができる。

（発明の効果）
本発明によれば、掘削対象となる作業機の現在位置に対応した設計地形を取得可能な油圧ショベルの掘削制御システムを提供することができる。

油圧ショベルの斜視図。 油圧ショベルの構成を模式的に示す側面図。 油圧ショベルの構成を模式的に示す背面図。 掘削制御システムの構成を示すブロック図。 作業機コントローラ及び表示コントローラの構成を示すブロック図。 傾斜面に位置する油圧ショベルにおける旋回体の傾斜角について説明するための側面図。 傾斜面に位置する油圧ショベルにおける旋回体の傾斜角について説明するための側面図。 予測補正部が補正旋回体方位データを更新する処理を説明するためのフロー図。 旋回体の動作に合わせて予測補正部の処理を説明するための図。 設計地形の決定方法を説明するための図。 掘削制限制御を説明するための図。 制限速度と垂直距離との関係を示すグラフ。

（油圧ショベル１００の全体構成）
図１は、実施形態に係る油圧ショベル１００の斜視図である。油圧ショベル１００は、車両本体１と、作業機２とを有する。また、油圧ショベル１００には、掘削制御システム２００（図３参照）が搭載されている。掘削制御システム２００の構成および動作については後述する。

車両本体１は、旋回体３と運転室４と走行装置５とを有する。旋回体３は、走行装置５上に配置される。旋回体３は、上下方向に沿った旋回軸ＡＸを中心として旋回可能である。旋回体３は、図示しないエンジンや油圧ポンプなどを収容する。旋回体３の後端部にはカウンタウエイトが配置され、カウンタウエイト上には、第１ＧＮＳＳアンテナ２１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２２（複数の基準部の一例）が配置されている。第１ＧＮＳＳアンテナ２１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２２は、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう。）用のアンテナである。旋回体３に備えられる運転室４は、旋回体３の前部上に載置されている。運転室４内には、運転席や各種操作装置が配置される。走行装置５は一対の履帯５ａ，５ｂを有しており、一対の履帯５ａ，５ｂそれぞれの回転により油圧ショベル１００は走行する。本実施形態において断りなき場合、前後左右は運転席を基準とし説明する。運転席が正面に正対する方向を前方向とし、前方向に対向する方向を後方向とする。運転席が正面に正対したとき側方方向の右側、左側をそれぞれ右方向、左方向とする。

作業機２は、旋回体３上において上下揺動可能に取り付けられる。作業機２は、ブーム６と、アーム７と、バケット８と、ブームシリンダ１０と、アームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２と、を有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して旋回体３の前端部に揺動可能に取り付けられる。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられる。バケット８は、バケットピン１５を介してアーム７の先端部に揺動可能に取り付けられる。また、ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２のそれぞれは、作動油によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０は、ブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。

ここで、図２Ａは油圧ショベル１００の側面図であり、図２Ｂは油圧ショベル１００の背面図である。図２Ａに示すように、ブーム６の長さ、すなわち、ブームピン１３からアームピン１４までの長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１４からバケットピン１５までの長さは、Ｌ２である。バケット８の長さ、すなわち、バケットピン１５からバケット８のツースの先端（以下、「バケット刃先８ａ」という。）までの長さは、Ｌ３である。

また、図２Ａに示すように、ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２には、それぞれ第１〜第３ストロークセンサ１６〜１８が設けられている。第１ストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１０のストローク長さ（以下、「ブームシリンダ長Ｌ１」という。）を検出する。後述する表示コントローラ２８（図４参照）は、第１ストロークセンサ１６が検出したブームシリンダ長Ｌ１から、車両本体１の垂直方向に対するブーム６の傾斜角θ１を算出する。第２ストロークセンサ１７は、アームシリンダ１１のストローク長さ（以下、「アームシリンダ長Ｌ２」という。）を検出する。表示コントローラ２８は、第２ストロークセンサ１７が検出したアームシリンダ長Ｌ２から、ブーム６に対するアーム７の傾斜角θ２を算出する。第３ストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１２のストローク長さ（以下、「バケットシリンダ長Ｌ３」という。）を検出する。表示コントローラ２８は、第３ストロークセンサ１８が検出したバケットシリンダ長Ｌ３から、アーム７に対するバケット８が有するバケット刃先８ａの傾斜角θ３を算出する。ブーム６、アーム７、バケット８の傾斜角θ１〜３は、ストロークセンサで計測する以外に、ブーム６に取り付けられブーム６の傾斜角を計測する傾斜角センサと、アーム７に取り付けられアーム７の傾斜角を計測する傾斜角センサと、バケット８に取り付けられバケット８の傾斜角を計測する傾斜角センサとによって取得することができる。

車両本体１には、図２Ａに示すように、位置検出部１９が備えられている。位置検出部１９は、油圧ショベル１００の位置を検出する。位置検出部１９は、上述の第１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２と、グローバル座標演算器２３と、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）２４とを有する。

第１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２は、旋回体３上において車幅方向に離間して配置される。第１ＧＮＳＳアンテナ２１は、自装置の位置を示す基準位置データＰ１を測位衛星から受信する。第２ＧＮＳＳアンテナ２２は、自装置の位置を示す基準位置データＰ２を測位衛星から受信する。第１ＧＮＳＳアンテナ２１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２２は、例えば１０Ｈｚ周期（第２周期の一例）で基準位置データＰ１，Ｐ２を受信する。第１ＧＮＳＳアンテナ２１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２２は、基準位置データＰ１，Ｐ２を受信するたびにグローバル座標演算器２３に出力する。

グローバル座標演算器２３は、第１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２からグローバル座標で表される２つの基準位置データＰ１，Ｐ２（複数の基準位置データの一例）を取得する。グローバル座標演算器２３は、２つの基準位置データＰ１，Ｐ２に基づいて、旋回体３の配置を示す“旋回体配置データ”を生成する。本実施形態において、“旋回体配置データ”には、２つの基準位置データＰ１，Ｐ２の一方を基準位置データＰと、２つの基準位置データＰ１，Ｐ２に基づいて生成される旋回体方位データＱが含まれる。ここで、旋回体方位データＱは、第１ＧＮＳＳアンテナ２１と第２ＧＮＳＳアンテナ２２が取得した基準位置データＰより決定される直線がグローバル座標の基準方位（例えば北）に対してなす角に基づいて決定される。旋回体方位データＱは、旋回体３（すなわち、作業機２）が向いている方位を示している。グローバル座標演算器２３は、例えば１０Ｈｚ周期で第１ＧＮＳＳアンテナ２１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２２から２つの基準位置データＰ１，Ｐ２を取得するたびに、旋回体配置データ（基準位置データＰと旋回体方位データＱ）を更新する。

ＩＭＵ２４は、旋回体３に取り付けられ、旋回体３の動作を示す“動作データ”を検出する。本実施形態において、“動作データ”は、旋回軸ＡＸを中心として旋回体３が旋回する旋回角速度ω（図１参照）を示す旋回角速度データＤωである。また、ＩＭＵ２４は、車両本体１の左右方向に対する傾斜角θ４（図２Ｂ参照）と、車両本体１の前後方向に対する傾斜角θ５（図２Ａ参照）とを検出する。ＩＭＵ２４は、例えば１００Ｈｚ周期（第１周期の一例）で旋回角速度データＤω、傾斜角θ４及び傾斜角θ５を更新する。ＩＭＵ２４における更新周期は、グローバル座標演算器２３における更新周期よりも短いことが好ましい。

ここで、ＩＭＵ２４では、センサの温度変化によりピッチング角等の計測値が０度となる点が変動してしまう、いわゆる“熱ドリフト”という現象が生じる場合がある。この場合、ＩＭＵ２４では、不正確な旋回角速度ωが検出されてしまうおそれがある。この点を考慮して、本実施形態では、後述するように、グローバル座標演算器２３によって周期的に生成される旋回体方位データＱが予測補正に利用される。

（掘削制御システム２００の構成）
図３は、掘削制御システム２００の機能構成を示すブロック図である。掘削制御システム２００は、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、比例制御弁２７と、表示コントローラ２８と、表示部２９と、を備える。

操作装置２５は、作業機２を駆動するオペレータ操作を受け付け、オペレータ操作に応じた操作信号を出力する。具体的に、操作装置２５は、オペレータ左側に設置される左操作レバー２５Ｌと、オペレータ右側に配置される右操作レバー２５Ｒと、を有する。左操作レバー２５Ｌ及び右操作レバー２５Ｒでは、前後左右の動作が２軸の動作に対応されている。例えば、右操作レバー２５Ｒの前後方向の操作は、ブーム６の操作に対応され、前後方向の操作に応じてブーム６の下げ上げの動作が実行される。右操作レバー２５Ｒの左右方向の操作は、バケット８の操作に対応され、左右方向の操作に応じてバケット８の掘削、開放動作が実行される。また、左操作レバー２５Ｌの前後方向の操作は、旋回体３の旋回に対応され、前後方向の操作に応じて旋回体３の右旋回動作と左旋回動作が実行される。左操作レバー２５Ｌの左右方向の操作は、アーム７の操作に対応され、左右方向の操作に応じてアーム７の伸長、曲げ動作が実行される。

操作装置２５は、ブーム操作検出部３１とバケット操作検出部３２とを含む。ブーム操作検出部３１は、ポテンショメータ又はホールＩＣ等を用いることによって、レバー傾転角に対応した操作量を検出する。ブーム操作検出部３１は、右操作レバー２５Ｒの前後方向の操作に応じて、オペレータによるブーム６の操作を受け付ける。ブーム操作検出部３１は、右操作レバー２５Ｒの前後方向の操作に応じてブーム操作信号Ｍ１を出力する。バケット操作検出部３２は、ポテンショメータ及びホールＩＣ等を用いることによって、レバー傾転角に対する操作量を検出する。バケット操作検出部３２は、右操作レバー２５Ｒの左右方向の操作に応じて、オペレータによるバケット８の操作を受け付ける。バケット操作検出部３２は、右操作レバー２５Ｒの左右方向の操作に応じてバケット操作信号Ｍ２を出力する。

また、操作装置２５は、アーム操作検出部３３と旋回操作検出部３４とを含む。アーム操作検出部３３は、ポテンショメータ及びホールＩＣ等を用いることによって、レバー傾転角に対応した操作量を検出する。アーム操作検出部３３は、左操作レバー２５Ｌの左右方向の操作に応じて、オペレータによるアーム７の操作を受け付ける。アーム操作検出部３３は、左操作レバー２５Ｌの左右方向の操作に応じてアーム操作信号Ｍ３を出力する。旋回操作検出部３４は、ポテンショメータ及びホールＩＣ等を用いることによって、レバー傾転角に対する操作量を検出する。旋回操作検出部３４は、左操作レバー２５Ｌの前後方向の操作に応じて、オペレータによる旋回体３の旋回操作を受け付ける。旋回操作検出部３４は、左操作レバー２５Ｌの前後方向の操作に応じて旋回操作信号Ｍ４を出力する。

なお、左操作レバー２５Ｌと右操作レバー２５Ｒが油圧駆動方式の場合、操作量の検出をパイロット圧力に基づいて検出する方式でもよい。また、旋回操作検出部３４とアーム操作検出部３３を入れ替えてもよい。この時、左操作レバー２５Ｌの前後方向における操作に応じてアーム７の伸長、曲げ動作が実行され、左操作レバー２５Ｌの左右方向における操作に応じて旋回体３の左右の旋回動作が実行される。

作業機コントローラ２６は、旋回軸ＡＸを中心として旋回体３が旋回する旋回角速度ω（図１参照）を示す旋回角速度データＤωをＩＭＵ２４から取得する。作業機コントローラ２６は、グローバル座標演算器２３から旋回体方位データＱ（旋回体配置データの一例）を取得する。作業機コントローラ２６は、旋回角速度データＤωに基づいて旋回体方位データＱを予測補正することによって補正旋回体方位データＲ（補正旋回体配置データの一例）を生成し、補正旋回体方位データＲを表示コントローラ２８に送信する。作業機コントローラ２６における予測補正については後述する。

また、作業機コントローラ２６は、操作装置２５からブーム操作信号Ｍ１、バケット操作信号Ｍ２、アーム操作信号Ｍ３および旋回操作信号Ｍ４を取得する。また、作業機コントローラ２６は、第１〜第３ストロークセンサ１６〜１８からブームシリンダ長Ｌ１、アームシリンダ長Ｌ２およびバケットシリンダ長Ｌ３（以下、適宜「シリンダ長Ｌ」と総称する。）を取得する。作業機コントローラ２６は、表示コントローラ２８から後述する設計地形データＵを取得する。作業機コントローラ２６は、設計地形データＵとシリンダ長Ｌとに基づいて、設計地形に対するバケット刃先８ａの位置を取得する。作業機コントローラ２６は、設計地形に沿ってバケット刃先８ａが移動するように操作装置２５より入力された操作信号Ｍ１〜Ｍ３を、設計地形とバケット刃先８ａの距離と速度に基づき調整して制御信号Ｎを生成し、制御信号Ｎを比例制御弁２７に出力する。これにより、作業機２が設計地形に近づく速度は、設計地形に対する距離に応じて制限される。

比例制御弁２７は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２それぞれと図示しない油圧ポンプとの間に配置される。比例制御弁２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号Ｎに応じてブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２それぞれへの作動油供給量を決定する弁の開口度を調整しながら、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２それぞれに作動油を供給する。

表示コントローラ２８は、グローバル座標演算器２３から旋回体配置データ（基準位置データＰと旋回体方位データＱ）を取得する。また、表示コントローラ２８は、作業機コントローラ２６の後述する予測補正部２６１から補正旋回体方位データＲを取得する。さらに、表示コントローラ２８は、第１〜第３ストロークセンサ１６〜１８からシリンダ長Ｌを取得する。表示コントローラ２８は、基準位置データＰ、旋回体方位データＱ、補正旋回体方位データＲ及びシリンダ長Ｌに基づいて、作業機の位置を示す“作業機位置データ”を生成する。本実施形態において、表示コントローラ２８は、“作業機位置データ”として、バケット刃先８ａの３次元位置を示す“バケット刃先位置データＳ”を生成する。そして、表示コントローラ２８は、バケット刃先位置データＳと後述する立体設計地形データＴを用いて、掘削対象の目標形状を示す設計地形データＵを生成する。また、表示コントローラ２８は、設計地形データＵに基づいて表示部２９に設計地形Ｕａを表示させる。

（作業機コントローラ２６及び表示コントローラ２８の詳細構成）
図４は、作業機コントローラ２６及び表示コントローラ２８の詳細構成を示すブロック図である。

作業機コントローラ２６は、予測補正部２６１と、相対距離取得部２６２と、制限速度決定部２６３と、相対速度取得部２６４と、掘削制限制御部２６５と、を有する。表示コントローラ２８は、立体設計地形データ格納部２８１と、バケット刃先位置データ生成部２８２と、設計地形データ生成部２８３と、を有する。

予測補正部２６１は、旋回体３（すなわち、作業機２）が向いている方位を示す旋回体方位データＱをグローバル座標演算器２３から取得する。予測補正部２６１は、旋回体３の旋回角速度ω（図１参照）を示す旋回角速度データＤωをＩＭＵ２４から取得する。予測補正部２６１は、旋回角速度データＤωに基づいて、旋回体方位データＱを予測補正する。具体的に、予測補正部２６１は、旋回角速度ωを遅れ時間ｔに乗算することによって、予測回転角ωｔを算出する。遅れ時間ｔとは、後述するバケット刃先位置データＳ及び設計地形データＵの生成にかかると予測される時間である。本実施形態では、遅れ時間ｔとして、０．４s程度が想定されている。そして、予測補正部２６１は、旋回体３が旋回体方位データＱの方位から予測回転角ωｔだけ回転した時の予測方位を示す補正旋回体方位データＲを生成する。補正旋回体方位データＲによって示される予測方位は、設計地形データＵの生成時点における旋回体３（すなわち、作業機２）の方位である。

また、予測補正部２６１は旋回体３の左右方向に対する傾斜角θ４及び旋回体３の前後方向に対する傾斜角θ５をＩＭＵ２４より取得する。予測補正部２６１は、補正旋回体方位データＲに基づく旋回体の予測方位を算出する。予測補正部２６１は予測方位における予測傾斜角θ４’、θ５’を算出する。以下、図５Ａに示すように傾斜角θ６の傾斜地において油圧ショベル１００が前向きで作業した後に、図５Ｂに示すように旋回体３が旋回して横向きになった場合を想定しながら、予測傾斜角θ４’、θ５’について説明する。旋回動作の前後で旋回体３の前後方向に対する傾斜角θ５は“θ６”から徐々に小さくなって“０”になる、一方で側方方向に対する傾斜角θ４は“０”から徐々に大きくなって“θ６”になる。従って、予測補正部２６１は、旋回角速度ωに基づいて、遅れ時間ｔ経過後の予測傾斜角θ４’、θ５’を算出することができる。予測補正部２６１は予測傾斜角θ４’、θ５’をバケット刃先位置データ生成部２８２に出力する。傾斜地等で油圧ショベル１００が作業を行う場合、旋回に伴って旋回体３の傾斜角θ４、θ５が変化する状況においても、旋回体３の傾斜の補正が可能となる。

ここで、予測補正部２６１の補正旋回体方位データＲの更新について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、予測補正部２６１が補正旋回体方位データＲを更新する処理を説明するためのフロー図である。図７は、旋回体３の動作に合わせて実行される予測補正部２６１の処理を説明するための図である。

ステップＳ１０１において、予測補正部２６１は、旋回体３が向いている方位を示す旋回体方位データＱを、例えば１０Ｈｚ周期（第２周期の一例）でグローバル座標演算器２３から取得する。

ステップＳ１０２において、予測補正部２６１は、旋回軸ＡＸを中心とする旋回角速度データＤωと、旋回体３の前後方向に対する傾斜角θ４と、旋回体３の左右方向に対する傾斜角θ５とを、例えば１００Ｈｚ周期（第１周期の一例）でＩＭＵ２４から取得する。

ステップＳ１０３において、予測補正部２６１は、旋回体方位データＱを取得したことに応じて、最新の旋回角速度データＤωを用いて旋回体３がωｔ旋回した後における旋回体３の方位を示す補正旋回体方位データＲと、旋回体３の前後方向に対する予測傾斜角θ４’と、旋回体３の左右方向に対する予測傾斜角θ５’とを更新する。

ステップＳ１０４において、予測補正部２６１は、更新した補正旋回体方位データＲ、予測傾斜角θ４’、θ５’をバケット刃先位置データ生成部２８２に出力する。

予測補正部２６１は、旋回体方位データＱを取得するたびにステップＳ１０１〜Ｓ１０４を繰り返すことによって補正旋回体方位データＲ、予測傾斜角θ４’、θ５’を更新する。

このように、予測補正部２６１は、旋回体方位データＱより計測周期の早いＩＭＵで取得した旋回角速度データＤω、傾斜角θ４、θ５を用いることにより、旋回体方位データＱより高周期で補正旋回体方位データＲ、予測傾斜角θ４’、θ５’を生成可能である。また、補正旋回体方位データＲ、予測傾斜角θ４’、θ５’は熱ドリフトの変動を含む可能性のある旋回角速度データＤω、傾斜角θ４、θ５を、グローバル座標演算器２３から取得した旋回体方位データＱにより更新する事ができる。これにより、遅れ時間ｔに対して設計地形データＵの生成の為の周期に関連する補正旋回体方位データＲ、予測傾斜角θ４’、θ５’を送信可能となる。

立体設計地形データ格納部２８１は、作業エリアの目標形状（以下、「立体設計地形」という。）を示す立体設計地形データＴを格納している。立体設計地形データＴは、掘削対象の目標形状を示す設計地形データＵを生成するために必要とされる座標データや角度データを含んでいる。

バケット刃先位置データ生成部２８２は、グローバル座標演算器２３から取得する基準位置データＰ及び旋回体方位データＱに基づいて、旋回軸ＡＸを通る油圧ショベル１００旋回中心の位置を示す旋回中心位置データＸを生成する。バケット刃先位置データ生成
８２は、第１〜第３ストロークセンサ１６〜１８からリアルタイムに取得するシリンダ長Ｌに基づいて、ブーム6の車両本体１の垂直方向に対する傾斜角θ１と、アーム7のブーム6に対する傾斜角θ２と、バケット8のアーム7に対する傾斜角θ３とを算出する。そして、バケット刃先位置データ生成部２８２は、旋回中心位置データＸと補正旋回体方位データＲと作業機の傾斜角θ１〜θ３と旋回体３の予測傾斜角θ４’、θ５’とに基づいて、バケット刃先８ａの現在位置を示すバケット刃先位置データＳを生成する。このように、旋回中心位置データＸを基準にバケット刃先位置データＳを生成することにより、図７の実線で示す油圧ショベル１００の第1及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の基準位置データＰ１，Ｐ２から破線で示す油圧ショベル１００の予測した旋回動作等に伴う第１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の移動を生成することができる。

ここで、バケット刃先位置データ生成部２８２は、例えば１０Ｈｚ周期（第２周期の一例）で基準位置データＰと旋回体方位データＱとをグローバル座標演算器２３から取得する。また、バケット刃先位置データ生成部２８２は、例えば１０Ｈｚ周期（第２周期の一例）で補正旋回体方位データＲを予測補正部２６１から取得する。従って、バケット刃先位置データ生成部２８２は、例えば１０Ｈｚ周期（第２周期の一例）でバケット刃先位置データＳを更新することができる。バケット刃先位置データ生成部２８２は、更新したバケット刃先位置データＳを設計地形データ生成部２８３に出力する。

設計地形データ生成部２８３は、立体設計地形データ格納部２８１に格納された立体設計地形データＴと、バケット刃先位置データ生成部２８２からのバケット刃先位置データＳと、を取得する。設計地形データ生成部２８３は、立体設計地形データＴとバケット刃先位置データＳに基づいて、図８に示すように、旋回体３の前後方向で規定する作業機２の動作平面ＭＰと立体設計地形との交線Ｅを設計地形の候補線として取得する。設計地形データ生成部２８３は、設計地形の候補線においてバケット刃先８ａの直下点を設計地形の基準点ＡＰとする。設計地形データ生成部２８３は、設計地形の基準点ＡＰの前後の単数若しくは複数の変曲点とその前後の線を掘削対象となる設計地形として決定する。そして、設計地形データ生成部２８３は、掘削対象の目標形状を示す設計地形データＵを生成する。設計地形データ生成部２８３は、設計地形データＵに基づいて表示部２９に設計地形Ｕａを表示させる。

ここで、設計地形データ生成部２８３は、例えば１０Ｈｚ周期（第２周期の一例）でバケット刃先位置データＳをバケット刃先位置データ生成部２８２から取得する。従って、設計地形データ生成部２８３は、例えば１０Ｈｚ周期（第２周期の一例）で設計地形データＵを更新することができる。設計地形データ生成部２８３は、更新した設計地形データＵを相対距離取得部２６２に出力する。

なお、本実施形態では、バケット刃先位置データ生成部２８２によるバケット刃先位置データＳの生成と、設計地形データ生成部２８３による設計地形データＵの生成には、併せて遅れ時間ｔが必要であると想定されている。

相対距離取得部２６２は、バケット刃先位置データ生成部２８２からバケット刃先位置データＳを取得し、設計地形データ生成部２８３から設計地形データＵを取得する。相対距離取得部２６２は、図９に示すように、バケット刃先位置データＳ及び設計地形データＵに基づいて、設計地形Ｕａに垂直な方向におけるバケット刃先８ａと設計地形Ｕａとの距離ｄを算出する。なお、図９において、バケット刃先８ａは、掘削制限制御の介入ラインＣの内側に侵入しており、バケット刃先８ａの距離ｄは介入ラインＣの距離ｈよりも小さい。

制限速度決定部２６３は、距離ｄに応じた設計地形Ｕａに対する垂直方向の制限速度Ｖを取得する。ここで、図１０は、制限速度Ｖと距離ｄとの関係を示すグラフである。図１０に示すように、制限速度Ｖは、距離ｄが距離ｈ以上で最大となり、距離ｄがライン距離ｈより設計地形Ｕａに近くなるほど小さくなる。また、距離ｄが“０”であるとき、制限速度Ｖは“０”となる。

相対速度取得部２６４は、操作装置２５から取得する操作信号Ｍ１〜M３に基づいて、バケット刃先８ａの速度Ｗを算出する。また、相対速度取得部２６３は、速度Ｗに基づいて、バケット刃先８ａの設計地形Ｕａに対する垂直方向の相対速度Ｗａ（図９参照）を取得する。なお、図９において、相対速度Ｗａは、制限速度Ｖよりも大きい。

掘削制限制御部２６５は、バケット刃先８ａの相対速度Ｗａが制限速度Ｖを超えている場合、作業機２の制限速度制御を行う。バケット刃先８aの相対速度Ｗａを制限速度Ｖに抑えるように操作装置２５の操作信号Ｍ１〜Ｍ３を調整することによって、例えばブーム７の速度制限を行う為の制御信号Ｎを生成する。掘削制限制御部２６５は、制御信号Ｎを比例制御弁２７に出力する。これによって、バケット刃先８aに対する掘削制限制御が実行され、設計地形Ｕａに対するバケット刃先８ａの位置が自動調整される。

（作用及び効果）
（１）本実施形態に係る掘削制御システム２００は、グローバル座標演算器２３（第１データ生成部）と、予測補正部２６１と、バケット刃先位置データ生成部２８２（第２データ生成部の一例）と、設計地形データ生成部２８３（第３データ生成部の一例）と、を備える。グローバル座標演算器２３は、旋回体３が向いている方位を示す旋回体方位データＱ（旋回体配置データの一例）を生成する。予測補正部２６１は、旋回体３の旋回角速度ωを示す旋回角速度データＤω（動作データの一例）と遅れ時間ｔとに基づいて旋回体方位データＱを予測補正することによって、補正旋回体方位データＲ（補正旋回体配置データの一例）を生成する。バケット刃先位置データ生成部２８２は、基準位置データＰ１と旋回体方位データＱと補正旋回体方位データＲとに基づいて、バケット刃先８ａの位置を示すバケット刃先位置データＳ（作業機位置データの一例）を生成する。設計地形データ生成部２８３は、バケット刃先位置データＳ及び立体設計地形データＴに基づいて、設計地形データＵを生成する。遅れ時間ｔには、バケット刃先位置データＳ及び立体設計地形データＴの生成に必要な時間が含まれている。

このように、予測補正部２６１は、旋回体３の旋回角速度ωに基づいて、立体設計地形データＴの生成時点において旋回体３が向いている方位を予測できる。そのため、バケット刃先位置データ生成部２８２は、遅れ時間ｔ経過時点におけるバケット刃先８ａの位置を予測できる。その結果、設計地形データ生成部２８３は、立体設計地形データＴの生成時点におけるバケット刃先８ａの位置に対応した設計地形Ｕａを把握することができる。

（２）予測補正部２６１は、旋回角速度データＤωを例えば１００Ｈｚ（第１周期の一例）で取得し、旋回体方位データＱを例えば１０Ｈｚ（第２周期の一例）で取得する。

従って、予測補正部２６１は、定期的に取得される旋回体方位データＱを用いて、補正旋回体方位データＲを生成できる。従って、旋回角速度データＤωを生成するＩＭＵ２４に熱ドリフトが発生したとしても、例えば１０Ｈｚごとに更新される旋回体方位データＱを基準として補正方位を算出できる。従って、補正方位を示す補正旋回体方位データＲを持続して生成することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（Ａ）上記実施形態において、ＩＭＵ２４は、旋回体３の動作を示す“動作データ”として、旋回体３の旋回角速度ωを示す旋回角速度データＤω、傾斜角θ４、θ５を取得することとしたが、これに限られるものではない。ＩＭＵ２４は、旋回体３の傾斜を示す傾斜角度の変化を取得してもよい。旋回体３の傾斜角とは、単位時間当たりにおける傾斜角θ４、θ５（図２Ａ及び図２Ｂ参照）の変化量である。このような傾斜角度の変化を旋回角速度データＤωに代えて用いることによっても、油圧ショベル１００が揺動した場合に時遅れ時間ｔの経過時点におけるバケット刃先８ａの位置を取得できるため、立体設計地形データＴの生成時点における設計地形Ｕａを把握することができる。

（Ｂ）上記実施形態において、予測補正部２６１は、ＩＭＵ２４によって生成される旋回角速度データＤωを取得することとしたが、これに限られるものではない。予測補正部２６１は、旋回体３に設置するポテンショメータによって検出される回転角度や操作装置２５から出力される旋回操作信号Ｍ４に基づいて旋回角速度データＤωを取得することができる。また、予測補正部２６１は、グローバル座標演算器２３から第１ＧＮＳＳアンテナ２１及び第２ＧＮＳＳアンテナ２２の２つの基準位置データＰ１，Ｐ２を取得し、２つの基準位置データＰ１，Ｐ２に基づいて旋回角速度データＤωを取得することもできる。

（Ｃ）上記実施形態において、バケット刃先位置データ生成部２８２は、基準位置データＰ１と旋回体方位データＱに基づいて、油圧ショベル１００の旋回中心の位置を算出することとしたが、これに限られるものではない。バケット刃先位置データ生成部２８２は、旋回体方位データＱに代えて、第１ＧＮＳＳアンテナ２１が基準位置データＰ１を受信した時点における旋回体３の方位を示す磁気センサ等の方位センサにより取得するデータを用いてもよい。

（Ｄ）上記実施形態において、予測補正部２６１は、例えば１０Ｈｚ周期（第２周期の一例）で旋回体方位データＱをグローバル座標演算器２３から取得することとしたが、ＩＭＵ２４の熱ドリフトを考慮する必要がないのであれば、旋回体方位データＱを少なくとも１回取得すればよい。この場合、予測補正部２６１は、取得した旋回体方位データＱを基準に旋回角速度データＤωを随時加えていくことによって、旋回体３の方位を例えば１００Ｈｚ周期（第１周期の一例）で更新することができる。

（Ｅ）上記実施形態において、表示コントローラ２８は、作業機位置データとしてバケット刃先位置データＳを生成することとしたが、これに限られるものではない。表示コントローラ２８は、バケット刃先位置データＳに代えて、バケット８の任意の位置を示す位置データを取得してもよい。また、表示コントローラ２８は、バケット刃先位置データＳの設計地形Ｕａに対し近い任意の位置を示す位置データを取得してもよい。また、表示コントローラ２８で行われる立体設計地形データ格納、バケット刃先位置データ生成、設計地形データ生成は作業機コントローラ２６で行ってもよい。

（Ｆ）上記実施形態において、制限速度Ｖと垂直距離ｄとは、図１０に示すように線形的な関係であることとしたが、これに限られるものではない。制限速度Ｖと垂直距離ｄとは、非線形的な関係であってもよいし、また図１０のグラフは原点を通らなくてもよい。

本発明に係る油圧ショベルの掘削制御システムによれば、掘削対象となる設計地形を取得できるため建設機械分野において有用である。

１…車両本体、２…作業機、３…旋回体、４…運転室、５…走行装置、５ａ，５ｂ…履帯、６…ブーム、７…アーム、８…バケット、８ａ…バケット刃先、１０…ブームシリンダ、１１…アームシリンダ、１２…バケットシリンダ、１３…ブームピン、１４…アームピン、１５…バケットピン、１６…第１ストロークセンサ、１７…第２ストロークセンサ、１８…第３ストロークセンサ、１９…位置検出部、２１…第１ＧＮＳＳアンテナ、２２…第２ＧＮＳＳアンテナ、２３…グローバル座標演算器（第１データ生成部の一例）、２４…ＩＭＵ（動作検出部の一例）、２５…操作装置、２５Ｌ…左操作レバー、２５Ｒ…右操作レバー、２６…作業機コントローラ、２６１…予測補正部、２６２…相対距離取得部、２６３…制限速度決定部、２６４…相対速度取得部、２６５…掘削制限制御部（掘削制限制御部の一例）、２７…比例制御弁、２８…表示コントローラ、２８１…立体設計地形データ格納部、２８２…バケット刃先位置データ生成部（第２データ生成部の一例）、２８３…設計地形データ生成部（第３データ生成部の一例）、２９…表示部、３１…ブーム操作検出部、３２…バケット操作検出部、３３…アーム操作検出部、３４…旋回操作検出部、１００…油圧ショベル、２００…掘削制御システム、ＡＸ…旋回軸、Ｘ…旋回中心位置データ、Ｐ１，Ｐ２…基準位置データ、Ｑ…旋回体方位データ、Ｒ…補正旋回体方位データ、Ｓ…バケット刃先位置データ、Ｔ…立体設計地形データ、Ｕ…設計地形データ、Ｄω…旋回角速度データ、ｔ…遅れ時間、ω…旋回角速度、Ｕａ…設計地形

Claims (9)

1. 走行体と所定の旋回軸を中心として旋回可能に前記走行体上に配置される旋回体と前記旋回体に取り付けられる作業機とを有する油圧ショベルの掘削制御システムであって、
   前記旋回体の配置を示す旋回体配置データを生成する第１データ生成部と、
   前記旋回体の動作を示す動作データに基づいて所定時間後の前記旋回体配置データを予測補正することによって、補正旋回体配置データを生成する予測補正部と、
   前記旋回体配置データと前記補正旋回体配置データとに基づいて、前記作業機の位置を示す作業機位置データを生成する第２データ生成部と、
   前記作業機位置データに基づいて、掘削対象の目標形状を示す設計地形データを生成する第３データ生成部と、
   を備える掘削制御システム。
2. 前記作業機位置データと前記設計地形データとに基づいて、掘削対象の目標形状である設計地形に対する距離に応じて前記作業機が前記設計地形に近づく速度を制限する掘削制限制御部を更に備える、
   請求項１に記載の掘削制御システム。
3. 前記予測補正部は、前記所定の旋回軸を中心とする前記旋回体の旋回角速度を示す旋回角速度データを第１周期で取得し、前記第２データ生成部による前記作業機位置データの生成及び前記第３データ生成部による前記設計地形データの生成に必要な時間を含む遅れ時間と前記旋回角速度データが示す前記旋回角速度との乗算値に基づいて、前記旋回体配置データを予測補正する、
   請求項１又は２に記載の掘削制御システム。
4. 前記第１データ生成部は、前記旋回体上に設けられる複数の基準部の位置を示す複数の基準位置データを第２周期で取得して、前記複数の基準位置データに基づいて前記旋回体が向いている方位を示す旋回体方位データを生成し、
   前記予測補正部は、前記旋回体方位データを少なくとも１回取得する、
   請求項３に記載の掘削制御システム。
5. 前記第１周期は、前記第２周期よりも短く、
   前記予測補正部は、前記旋回体方位データを前記第２周期で取得する、
   請求項４に記載の掘削制御システム。
6. 前記第２データ生成部は、前記旋回体配置データに基づいて、前記所定の旋回軸を通る前記油圧ショベルの旋回中心の位置を示す旋回中心位置データを生成し、前記旋回中心位置データと前記補正旋回体配置データとに基づいて、前記作業機位置データを生成する、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の掘削制御システム。
7. 前記予測補正部は、前記旋回体の前後方向及び左右方向に対する傾斜角を示す傾斜角を予測補正することによって予測傾斜角を算出し、
   前記第２データ生成部は、前記予測傾斜角と前記旋回体配置データと前記補正旋回体配置データとに基づいて、前記作業機位置データを生成する、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の掘削制御システム。
8. 前記予測補正部により補正された設計地形データを表示させる表示部を更に備える、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の掘削制御システム。
9. 旋回体の配置を示す旋回体配置データを取得するステップと、
   前記旋回体の動作を示す動作データに基づいて所定時間後の前記旋回体配置データを予測補正することによって、補正旋回体配置データを生成する予測補正するステップと、
   前記旋回体配置データと前記補正旋回体配置データとに基づいて、所定の旋回軸を中心として旋回可能に走行体上に配置される旋回体に取り付けられる作業機の位置を示す作業機位置データを生成するステップと、
   前記作業機位置データに基づいて、掘削対象の目標形状を示す設計地形データを生成するステップと、
   を備える掘削制御方法。

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