JP7034225B1

JP7034225B1 - 鉱山機械

Info

Publication number: JP7034225B1
Application number: JP2020161342A
Authority: JP
Inventors: 幹雄板東; 信一魚津
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: US20230278557A1; JP2022054261A; CN115812185A; EP4220328A1; WO2022064767A1

Abstract

【課題】路面勾配及び車輪沈下を考慮して駆動トルクを算出し、走行制御を高精度に行うことができる鉱山機械を提供する。【解決手段】鉱山機械は、ＧＮＳＳ受信機により計測された位置及び速度、車体姿勢センサにより計測された車体姿勢、及び加速度センサにより計測された加速度に基づいて、走行する経路の路面勾配を算出する路面勾配算出部と、ＧＮＳＳ受信機により計測された速度、加速度センサにより計測された加速度、車輪速度センサにより計測された車輪速度、操舵角センサにより計測された操舵方向、荷重センサにより計測された車重、及び駆動トルクセンサにより計測された駆動トルクに基づいて、駆動力係数を算出する駆動力係数算出部と、路面勾配算出部により算出された路面勾配及び駆動力係数算出部により算出された駆動力係数に基づいて、目標トルクを算出する目標トルク算出部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、鉱山内を走行する鉱山機械に関する。

例えば露天掘り鉱山において、油圧ショベルが平面を掘り下げながら、そこで排出された土等をダンプトラックが運び出すドロップカットと呼ばれる工法が採用されている。この工法では、油圧ショベルが平坦な場所を掘り進め、勾配路が徐々に生成され、生成された勾配路をダンプトラックが下り、油圧ショベルが掘り出した土等をダンプトラックで放土場に運び出す。このため、油圧ショベルによるダンプトラックへの積み込み作業のみならず、ダンプトラックによる運搬作業も、平坦な場所ではなく、ダンプトラックが大きく傾いた状態で行われている。

最近では、鉱山現場の安全性及び生産性の向上、人件費の削減を図るために、上述の工法に無人ダンプトラックを導入する技術が進んでいる。しかし、採掘場所を拡大する場合、事前に整備された地図データがなく、且つ勾配が大きい路面を走行することになるので、無人ダンプトラックを推定位置及び姿勢のみに基づいて油圧ショベルの指定位置に移動又は停止する制御を行うことになる。そして、このような事前に路面勾配が分からない走行経路において、路面勾配を算出し走行する方法としては、例えば特許文献１に記載されるように、測量若しくはトラックが走行した結果から得られる隣り合う点の高低差に基づき、路面勾配を算出し、目標走行速度を設定するものが挙げられる。

特開２０１９－１３３４７３号公報

しかしながら、新しく生成された路面或いは水を多く含んだ路面等では、土が柔らかいので、車輪が沈下することが多い。これによって、路面勾配に加えて車輪沈下による走行抵抗に抗う走行になるので、駆動トルクの算出が難しくなり、目的地とする地点への走行制御を精度良く行うことが困難であった。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、路面勾配及び車輪沈下を考慮して駆動トルクを算出し、走行制御を高精度に行うことができる鉱山機械を提供することを目的とする。

本発明に係る鉱山機械は、測位衛星から受信した電波に基づいて鉱山内を走行する鉱山機械の位置及び速度を計測するＧＮＳＳ受信機と、前記鉱山機械の車体姿勢を計測する車体姿勢センサと、前記鉱山機械の加速度を計測する加速度センサと、前記鉱山機械の車輪の回転数に基づいて車輪速度を計測する車輪速度センサと、前記鉱山機械の操舵方向を計測する操舵角センサと、積荷重量を含む前記鉱山機械の車重を計測する荷重センサと、前記鉱山機械の駆動輪の駆動トルクを計測する駆動トルクセンサと、前記鉱山機械を制御する制御装置と、を備えた鉱山機械において、前記制御装置は、前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された位置及び速度、前記車体姿勢センサによって計測された車体姿勢、及び前記加速度センサによって計測された加速度に基づいて、走行する経路の路面勾配を算出し、前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された速度、前記加速度センサによって計測された加速度、前記車輪速度センサによって計測された車輪速度、前記操舵角センサによって計測された操舵方向、前記荷重センサによって計測された車重、及び前記駆動トルクセンサによって計測された駆動トルクに基づいて、駆動力係数を算出し、算出した前記路面勾配及び前記駆動力係数に基づいて前記鉱山機械の目標トルクを算出し、算出した前記目標トルクとなるように前記駆動輪の駆動トルクを制御することを特徴としている。

本発明に係る鉱山機械では、制御装置は、ＧＮＳＳ受信機によって計測された位置及び速度、車体姿勢センサによって計測された車体姿勢、及び加速度センサによって計測された加速度に基づいて、走行する経路の路面勾配を算出し、ＧＮＳＳ受信機によって計測された速度、加速度センサによって計測された加速度、車輪速度センサによって計測された車輪速度、操舵角センサによって計測された操舵方向、荷重センサによって計測された車重、及び駆動トルクセンサによって計測された駆動トルクに基づいて、駆動力係数を算出する。更に、制御装置は、算出した路面勾配及び駆動力係数に基づいて、鉱山機械の目標トルクを算出する。このように走行経路の路面勾配及び車輪沈下を考慮して駆動トルクを算出することで、鉱山機械の走行制御を高精度に行うことができる。

本発明によれば、路面勾配及び車輪沈下を考慮して駆動トルクを算出し、鉱山機械の走行制御を高精度に行うことができる。

無人ダンプトラックの概略構成を示す側面図である。第１実施形態に係る無人ダンプトラックを示すブロック構成図である。制御装置の処理フローを示す図である。勾配変化点算出の処理フローを示す図である。記憶部に記憶される勾配変化テーブルを示す図である。ピッチ角系列の平均算出の概念図を示す図である。速度による勾配算出の処理フローを示す図である。慣性速度ベクトル算出の処理フローを示す図である。記憶部に記憶される駆動力係数テーブルを示す図である。目標トルク算出の処理フローを示す図である。速度プロファイル設定の概念を示す図である。第２実施形態に係る無人ダンプトラック、管制システム及び油圧ショベルの概略構成を示すブロック図である。第２実施形態の処理フローを示す図である。第２実施形態の経路設定の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る鉱山機械の実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複説明を省略する。また、以下の説明において、鉱山機械として無人ダンプトラックの例を挙げて説明するが、本発明は無人ダンプトラックに限定されない。

無人ダンプトラック１は、露天掘り鉱山内において自律走行可能な車両である。図１に示すように、この無人ダンプトラック１は、左右一対の前輪１１と、左右一対の後輪１２と、左右の車輪（すなわち、前輪１１又は後輪１２）を繋ぐ車輪軸１３と、ばね等によって車輪軸１３と連結された頑丈なフレームである車体１４とで構成されている。車体１４の上には土砂等を積載するための荷台１５が搭載され、車体１４と荷台１５とはホイストシリンダ１６によって連結されている。また、車体１４には、燃料タンク１７が取り付けられている。後輪１２は、例えば駆動輪であり、図示しない駆動モータ等に接続されている。また、車体１４の上方には、オペレータや点検員等が歩行可能なデッキ１８が取り付けられている。

[第１実施形態]
図２は第１実施形態に係る無人ダンプトラックを示すブロック構成図である。無人ダンプトラック１には、ＧＰＳ(Global Positioning System）等の測位衛星からの電波を受信する複数のＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite System)アンテナ２０と、ＧＮＳＳアンテナ２０で受信した情報を基に無人ダンプトラック１の位置（現在位置ともいう）及び速度（以下、「ＧＮＳＳ速度」という）を計測するＧＮＳＳ受信機２１とが配置されている。ＧＮＳＳ受信機２１は、計測した無人ダンプトラック１の位置及びＧＮＳＳ速度を制御装置２８（後述する）に出力する。

また、無人ダンプトラック１の車体１４には、加速度センサ２２、車輪速度センサ２３、操舵角センサ２４、荷重センサ２５、駆動トルクセンサ２６、車体姿勢センサ２７、及び制御装置２８がそれぞれ取り付けられている。

加速度センサ２２は、無人ダンプトラック１にかかる重力方向を含めた加速度を車体座標系ｂ（すなわち、車体１４に固定された座標系）で計測し、計測した結果を制御装置２８に出力する。車輪速度センサ２３は、車輪（ここでは、駆動輪である後輪１２）の回転数に基づいて車輪速度を計測し、計測した結果に制御装置２８に出力する。

操舵角センサ２４は、無人ダンプトラック１の操舵方向を計測する。本実施形態では、操舵角センサ２４は、従動輪である前輪１１の操舵方向を計測し、計測した結果に制御装置２８に出力する。荷重センサ２５は、積荷重量を含む無人ダンプトラック１の車重を計測し、制御装置２８に出力する。例えば、この荷重センサ２５は、荷台１５の積荷重量を計測し、計測した積荷重量と記憶された空荷時の車両重さとの合計値を車重として制御装置２８に出力する。駆動トルクセンサ２６は、駆動輪（すなわち後輪１２）が出力する駆動トルクを計測し、計測した結果に制御装置２８に出力する。

車体姿勢センサ２７は、無人ダンプトラック１の車体姿勢を計測する。本実施形態では、車体姿勢センサ２７は、グローバル座標系e（すなわち、地球に固定された座標系）のXe軸とYe軸によって張られる水平面と車体座標系ｂのXb軸及びYb軸とが成す傾斜角度と、グローバル座標系eのXe軸から車体座標系ｂのXb軸までの回転角度とで表される車体姿勢を計測し、計測した結果を制御装置２８に出力する。

制御装置２８は、無人ダンプトラック１の車両全体制御を行うものである。制御装置２８は、例えば演算を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、演算のためのプログラムを記録した二次記憶部としてのＲＯＭ（Read Only Memory）と、演算経過の保存や一時的な制御変数を保存する一時記憶部としてのＲＡＭ（Random Access Memory）とを組み合わせてなるマイクロコンピュータにより構成されており、記憶されたプログラムの実行によって無人ダンプトラック１の走行や操作等に関する各制御を行う。

ここで、本発明に至った経緯を説明する。

上述の課題を解決するため、本願発明者は、無人ダンプトラック１の駆動トルクに大きく影響する路面勾配と土が柔らかいことに起因する車輪沈下とに着目し、鋭意研究を行ってきた。

まず、車体姿勢センサ２７が車体１４に取り付けられているため、車体姿勢センサ２７によって計測された結果は、無人ダンプトラック１が実際に走行した経路の路面勾配と異なっている。そこで、本願発明者らは、無人ダンプトラック１が水平方向に走行した距離（以下、水平方向進行距離という）と、その間に無人ダンプトラック１が路面に沿った走行距離とをそれぞれ計測し、三角関数を用いて水平方向進行距離と走行距離との関係から路面勾配を求めることにした。

次に、土が柔らかいことに起因した車輪沈下に関しては、本願発明者らは、車輪沈下量の関数としてスリップ率を用いることにした。そして、スリップ率について、ＧＮＳＳ受信機２１によって計測されたＧＮＳＳ速度と加速度センサ２２によって計測された加速度とから慣性速度ベクトルを、車輪速度センサ２３によって計測された車輪速度と操舵角センサ２４によって計測された従動輪方向とから車輪速度ベクトルをそれぞれ算出し、算出した慣性速度ベクトルと車輪速度ベクトルとの差を算出することで求められる。

更に、求められたスリップ率に加えて、加速度センサ２２によって計測された加速度、荷重センサ２５によって計測された車重、駆動トルクセンサ２６によって計測された駆動トルクを用いて、勾配及び土の柔らかさ等路面の状態によって変化する駆動力を求めるための駆動力係数を算出する。そして、この駆動力係数を用いて、同じ土質が続くことを前提にして各位置での勾配及びスリップ率から各位置の目標加速度になるための目標トルク（すなわち必要な駆動トルク）を算出し、算出した目標トルクに向けて無人ダンプトラック１の駆動トルクを制御する。このようにすれば、無人ダンプトラック１の速度を制御し、目的地まで無人ダンプトラック１を高精度に走行させることが可能になる。

従って、上述したことを実現するために、本実施形態の制御装置２８は、勾配変化点算出部２９、慣性速度ベクトル算出部３０、路面勾配算出部３１、車輪速度ベクトル算出部３２、スリップ率算出部３３、駆動力係数算出部３４、目標トルク算出部３５、目標加速度算出部３６、駆動トルク制御コントローラ３７、経路設定コントローラ３８、及び記憶部３９を備えている。

勾配変化点算出部２９は、車体姿勢センサ２７によって計測されたピッチ角と、ＧＮＳＳ受信機２１によって計測された位置とに基づいて、路面の勾配変化点を算出する。また、勾配変化点算出部２９は、算出した結果を路面勾配算出部３１に出力する。

慣性速度ベクトル算出部３０は、ＧＮＳＳ受信機２１によって計測されたＧＮＳＳ速度と、加速度センサ２２によって計測された加速度とに基づいて、無人ダンプトラック１の速度となる慣性速度ベクトルを算出する。また、慣性速度ベクトル算出部３０は、算出した結果を路面勾配算出部３１に出力する。

路面勾配算出部３１は、ＧＮＳＳ受信機２１によって計測された現在位置、勾配変化点算出部２９によって算出された勾配変化点、及び慣性速度ベクトル算出部３０によって算出された慣性速度ベクトルに基づいて、路面勾配を算出する。また、路面勾配算出部３１は、算出した結果を目標トルク算出部３５に出力する。

車輪速度ベクトル算出部３２は、車輪速度センサ２３によって計測された車輪速度と、操舵角センサ２４によって計測された従動輪方向とに基づいて、車輪速度ベクトルを算出する。また、車輪速度ベクトル算出部３２は、算出した結果をスリップ率算出部３３に出力する。

スリップ率算出部３３は、慣性速度ベクトル算出部３０によって算出された慣性速度ベクトルと、車輪速度ベクトル算出部３２によって算出された車輪速度ベクトルとに基づいて、路面のスリップ率を算出する。また、スリップ率算出部３３は、算出した結果を駆動力係数算出部３４に出力する。

駆動力係数算出部３４は、スリップ率算出部３３によって算出されたスリップ率、荷重センサ２５から出力された車重、駆動トルクセンサ２６によって計測された駆動トルク、及び加速度センサ２２によって計測された加速度に基づいて、路面勾配及び軟度（言い換えれば、土の柔らかさ）に応じた駆動力係数を算出する。また、駆動力係数算出部３４は、算出した結果を目標トルク算出部３５に出力する。

目標加速度算出部３６は、ＧＮＳＳ受信機２１によって計測された現在位置と、経路設定コントローラ３８によって設定された経路とに基づいて、無人ダンプトラック１の必要な加速である目標加速度を算出する。また、目標加速度算出部３６は、算出した結果を目標トルク算出部３５に出力する。

目標トルク算出部３５は、路面勾配算出部３１によって算出された路面勾配、駆動力係数算出部３４によって算出された駆動力係数、及び目標加速度算出部３６によって算出された目標加速度に基づいて、目標トルクを算出する。この目標トルクは、車速を目標速度に変化させるために目標加速度を生じさせるための駆動トルクのことである。また、目標トルク算出部３５は、算出した結果を駆動トルク制御コントローラ３７に出力する。

駆動トルク制御コントローラ３７は、目標トルク算出部３５によって算出された目標トルクに基づいて駆動輪の駆動トルクを制御することにより、無人ダンプトラック１の速度の制御を行う。例えば、駆動トルク制御コントローラ３７は、目標トルクとなるように、駆動輪の駆動トルクを制御する。経路設定コントローラ３８は、無人ダンプトラック１が目的地（例えば、油圧ショベルの停止位置または放土場）とする停止位置までの経路を設定する。

以下、図３～図１１を参照して制御装置２８が路面勾配とスリップ率を算出し、目標トルクを算出して無人ダンプトラック１の走行を制御することを説明する。図３は制御装置の処理フローを示す図であり、図３に示す処理フローの詳細説明を図４～図１１に示す。

なお、図３に示す処理は、無人ダンプトラック１が目的地とする停止位置までの経路が経路設定コントローラ３８によって予め設定されており、経路上の勾配が未知であることを前提とする。また、図３に示す処理は、同一周期（例えば０．０１秒ずつ）で開始し、その周期内ですべての処理を終了するものとする。

初めに、ステップＳ１では、制御装置２８は、ＧＮＳＳ受信機２１から無人ダンプトラック１の現在位置、車体姿勢センサ２７から車体姿勢をそれぞれ取得し、取得した結果を記憶部３９に記憶させる。

ステップＳ１に続くステップＳ２では、勾配変化点算出部２９は路面の勾配変化点を算出する。勾配変化点は、無人ダンプトラック１が走行する路面の勾配が一定以上変化したことを示す点であり、例えば図４のフローに従って算出される。

図４に示すように、ステップＳ２１では、勾配変化点算出部２９は記憶部３９からピッチ角系列を取得する。記憶部３９では、図５に示すような勾配変化テーブルが記憶されている。勾配変化テーブルには、無人ダンプトラック１の位置毎に、ピッチ角、勾配変化の長期窓平均及び短期窓平均、勾配変化フラグ、走行距離、勾配がそれぞれ記載されている。なお、この勾配変化テーブルの初期値は全て「０（ゼロ）」である。

ステップＳ２１に続くステップＳ２２では、勾配変化点算出部２９は、ピッチ角を位置に対する系列に直し、その長期窓の平均と短期窓の平均とをそれぞれ算出する。図６はピッチ角系列の平均算出の概念図を示す図である。図６に示すように、長期窓は無人ダンプトラック１の現在位置よりＮメートル分離れた位置からのピッチ角系列、短期窓は現在位置よりｎメートル分離れた位置からのピッチ角系列である。勾配変化点算出部２９は、これらの平均を算出し、算出した結果を記憶部３９に記憶させる。そして、長期窓は例えば１０メートル、短期窓は３メートル等に設定されている。

ステップＳ２２に続くステップＳ２３では、まず、勾配変化点算出部２９は、長期窓の平均と短期窓の平均との差を算出する。次に、制御装置２８は、算出された平均の差が予め設定された第１閾値以上である否かを判断する。ここでの第１閾値は、例えば経験値等に基づいて設定されており、対象によって変更可能とされている。

平均の差が第１閾値以上であると判断された場合、処理はステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４では、勾配変化があると検出されため、勾配変化点算出部２９は、勾配変化フラグを「１」に設定するとともに、それを記憶部３９に記憶させる。一方、平均の差が第１閾値よりも小さいと判断された場合、勾配変化点はないとして、勾配変化点算出部２９は勾配変化フラグを「０（ゼロ）」に設定するとともに、それを記憶部３９に記憶させる。これによって、勾配変化点の算出処理を終了する。

図３に示すように、勾配変化点の算出が終わると、処理はステップＳ３に移行する。ステップＳ３では、まず、路面勾配算出部３１は、無人ダンプトラック１の現在位置からステップＳ２で算出した勾配変化点までの距離を算出する。次に、制御装置２８は、算出された距離が予め設定された第２閾値よりも大きいか否かを判断する。ここでの第２閾値は、下記ステップＳ５で算出した速度の積分誤差と３次元位置の高さ誤差とを勘案して設定されており、例えば上述の長期窓と同じ値にする。また、この第２閾値は、対象によって適切な値が設定されても良い。

そして、勾配変化点までの距離が第２閾値よりも大きいと判断された場合、処理はステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、路面勾配算出部３１は、３次元位置による勾配の算出を行う。３次元位置による勾配Ｓの算出は、図５の勾配変化テーブルに記載された現在位置に最も近い勾配変化フラグが「１」の位置（xA、yA、zA）と現在位置（xc、yc、zc）とに基づいて下記式（１）によって行われる。

一方、勾配変化点までの距離が第２閾値以下であると判断された場合、処理はステップＳ５に移行する。ステップＳ５では、路面勾配算出部３１は、速度による勾配の算出を行う。速度による勾配の算出は、例えば図７のフローに従って行われる。

図７に示すように、ステップＳ５１では、慣性速度ベクトル算出部３０は、ＧＮＳＳ受信機２１によって計測されたＧＮＳＳ速度と、加速度センサ２２によって計測された加速度とに基づいて、無人ダンプトラック１の慣性速度を算出する。本実施形態では、慣性速度は慣性速度ベクトルで表されている。そして、慣性速度ベクトルは図８のフローに従い算出される。

ＧＮＳＳ受信機２１によって計測されたＧＮＳＳ速度は、一定周期で無人ダンプトラック１の速度方向をグローバル座標系で出力される。本実施形態では、ＧＮＳＳ速度の出力周期は加速度センサ２２の出力周期よりも遅く、加速度センサ２２の出力周期は制御装置２８の出力周期と同じであるとする。

図８に示すように、ステップＳ５１１では、慣性速度ベクトル算出部３０は、記憶部３９に記憶されている前サンプル時刻の速度ベクトルを取得する。ステップＳ５１１に続くステップＳ５１２では、慣性速度ベクトル算出部３０は、加速度センサ２２から加速度ベクトルを取得する。

ステップＳ５１２に続くステップＳ５１３では、制御装置２８は、ＧＮＳＳ速度の取得周期であるかを判断する。ＧＮＳＳ速度の取得周期であると判断された場合、処理はステップＳ５１４に移行する。ステップＳ５１４では、慣性速度ベクトル算出部３０は、ＧＮＳＳ速度ベクトルを車体座標系に変換し、慣性速度ベクトルv_iとして設定する。v_iは下記式（２）によって算出される。

式（２）において、VはＧＮＳＳ速度、C_ebは車体座標系ｂからグローバル座標系ｅへの座標変換行列である。なお、C_ebは、車体姿勢センサ２７から得られるロール角ψ、ピッチ角φ、ヨー角θから下記式（３）によって求められる。

一方、ステップＳ５１３においてＧＮＳＳ速度の取得周期でないと判断された場合、制御処理はステップＳ５１５に移行し、慣性速度ベクトル算出部３０は、加速度の積分によって速度を算出する。ステップＳ５１５では、慣性速度ベクトル算出部３０は、ＧＮＳＳ速度を取得できていない時間（ＧＮＳＳ速度未取得時間）を、最後にＧＮＳＳ速度を取得した時刻と現在時刻との差を計算することで算出する。

ステップＳ５１５に続くステップＳ５１６では、制御装置２８は、ステップＳ５１５で算出したＧＮＳＳ速度未取得時間が予め設定された第３閾値よりも小さいか否かを判断する。これは、加速度の積分によって算出される速度は積算時間による誤差が発生するため、時間による誤差の上限を設定することで誤差を抑制できるからである。なお、第３閾値は、例えば速度設計目標値を保っている時間を考慮して設定されている。

そして、ＧＮＳＳ速度未取得時間が第３閾値以上であると判断された場合、処理はステップＳ５１７へ移行する。ステップＳ５１７では、慣性速度ベクトル算出部３０は、慣性速度算出フラグを「０（算出不可）」に設定する。一方、ＧＮＳＳ速度未取得時間が第３閾値よりも小さいと判断された場合、処理はステップＳ５１８へ移行し、慣性速度ベクトルの算出が行われる。ステップＳ５１８では、慣性速度ベクトル算出部３０は、ステップＳ５１１で取得した前サンプル時刻の速度ベクトルに、ステップＳ５１２で取得した加速度ベクトルを足し合わせることで現在時刻の速度を算出する。加速度αを用いた現在時刻の速度v_i(t)は、単位時間をdtとして下記式（４）に基づいて算出される。式（４）において、v_i(t-1)は前サンプル時刻の速度である。

ステップＳ５１８に続くステップＳ５１９では、慣性速度ベクトル算出部３０は、慣性速度算出フラグを「１（算出可）」に設定する。これによって、慣性速度ベクトルの算出処理を終了する。

図７に示すように、慣性速度の算出が終わると、処理はステップＳ５２に移行する。ステップＳ５２では、路面勾配算出部３１は、勾配変化点からの慣性速度を積算して無人ダンプトラック１が路面に沿って走行した走行距離（すなわち、現在時刻の走行距離）を算出する。現在時刻の走行距離Lv(t)は、下記式（５）に示すように、記憶部３９に記憶されている前回の走行距離Lv(t-1)にステップＳ５１で算出した慣性速度v(t)にサンプル時間dtをかけた値を加えることで求められる。

なお、ステップＳ５１で慣性速度算出フラグが「０（算出不可）」であった場合は、従動輪（すなわち、前輪１１）から出力される車輪速度で代用し、あるいは前回の慣性速度を用いることで代用しても良い。

ステップＳ５２に続くステップＳ５３では、路面勾配算出部３１は、無人ダンプトラック１の水平方向進行距離を算出する。水平方向進行距離Lpは、記憶部３９に記憶されている勾配変化テーブル（図５参照）において現在位置に最も近い勾配変化フラグが「１」の位置（xA、yA、zA）と現在位置（xc、yc、zc）のx、yを用いて、下記式（６）によって算出される。

ステップＳ５３に続くステップＳ５４では、制御装置２８は、ステップＳ５２で算出した走行距離が予め設定された第４閾値以上であるか否かを判断する。ここでの第４閾値は、例えばＧＮＳＳ受信機２１によって計測された位置の精度に対して水平方向進行距離が十分長い条件として設定されている。

そして、走行距離が第４閾値よりも小さいと判断された場合、処理はステップＳ５５へ移行する。ステップＳ５５では、路面勾配算出部３１は、前回の勾配Ｓ（ｔ－１）をそのまま今回の勾配Ｓ（ｔ）として設定するとともに、設定した結果を記憶部３９に記憶させる。一方、走行距離が第４閾値以上であると判断された場合、処理はステップＳ５６へ移行する。ステップＳ５６では、路面勾配算出部３１は、下記式（７）に基づいて勾配Ｓ（ｔ）を算出し、算出した結果を記憶部３９に記憶させる。

図３に示すように、ステップＳ４もしくはＳ５において勾配が算出されれば、処理はステップＳ６へ移行し、駆動力係数の算出が行われる。駆動力係数は、路面の柔らかさ（すなわち、土の柔らかさ）の原因で車輪が土に埋まることに起因して発生する駆動力を決定するための係数であり、記憶部３９に図９のテーブルの形で記憶されている。路面が柔らかいと、車輪が沈み込む。この場合、走行するために必要な力は、舗装路での駆動力と異なり、土のせん断応力と等しくなる。この土のせん断応力は、駆動輪のスリップ率と関係する。そして、車輪が沈み込んだ場合の車体の運動方程式は、下記式（８）のように表すことができる。

そして、車輪のスリップに起因したせん断力によって生じる力は、駆動トルクFに（C₀＋C₁λ+C₂λ²+…）を掛ける形となっている。ここでは、各スリップ率の乗数の係数C_nを駆動力係数と呼ぶ。従って、車重、加速度、駆動トルク、スリップ率及び勾配の値が複数回計測又は算出できれば、駆動力係数を最小二乗法等によって決定することができる。

加速度は加速度センサ２２、車重は荷重センサ２５、駆動トルクは駆動トルクセンサ２６からそれぞれ取得することができる。また、勾配は上述のステップＳ４もしくはステップＳ５で算出することできる。従って、スリップ率が算出されれば、駆動力係数を算出することができる。

スリップ率λは、下記式（１０）に示すように、無人ダンプトラック１の車輪速度v_wと車体進行速度v_ixとの比で表すことができる。

車輪速度v_wは、車輪速度センサ２３が駆動輪の回転数に基づいて計測されており、車体進行速度v_ixは上述のステップＳ５１（慣性速度の算出方法）と同様の方法で算出することができる。このように算出されたスリップ率λ、取得された車重、加速度及び駆動トルク、算出された勾配は、図９に示す駆動力係数テーブルに、位置（すなわち、現在位置）毎に記憶されている。

次に、駆動力係数算出部３４は駆動力係数C_nを更新する。駆動力係数C_nは、予め決められたλの次数分だけ準備し、その変数分以上の前回値までを用いる。例えば、駆動力係数をC₀及びC₁までとする場合、現在位置での各変数が（Mm、Fm、Sm、λm）ならば、（M(m-1)、F(m-1)、S(m-1)、λ(m-1)）を用いて式（８）による方程式を２つ作ることで、駆動力係数を算出することができる。また、駆動力係数の数以上に変数を用いる場合、最小二乗法等を用いて算出することができる。このように算出した駆動力係数は記憶部３９に記憶されている。

ステップＳ６に続くステップＳ７では、目標トルク算出部３５は、目的の速度を出力するための目標トルクを算出する。目標トルクは、図１０に示すフローに従って算出される。

図１０に示すように、ステップＳ７１では、目標加速度算出部３６は、ＧＮＳＳ受信機２１によって計測された現在位置、ステップＳ５１で算出した慣性速度をそれぞれ取得する。ステップＳ７１に続くステップＳ７２では、目標加速度算出部３６は、経路設定コントローラ３８から目的地までの経路を取得し、更に経路に設定されている制限速度情報を取得する。なお、経路は、途中の経由点の位置を示すノードとノード間をつなぐリンクから成り立っている。リンクには、そのリンク上を走行する際の制限速度が情報として備わっている。また、ノードには目的地である最終ノードがあり、この最終ノードで速度ゼロとなることを目標に無人ダンプトラック１は走行する。

ステップＳ７２に続くステップＳ７３では、目標加速度算出部３６は、現在の無人ダンプトラック１の慣性速度と速度変化点となるノードとの位置関係から最大速度プロファイルを設定し、目標加速度を算出する。図１１に現在位置から目的地まで減速しながら進む場合の速度プロファイルの例を示す。図１１に示すように、現在位置１０１から目的地１０２の間には、ノード（経由点）１０３が存在している。各位置での速度プロファイルを上部のグラフとして示している。

図１１において、一点鎖線で示すのはリンクに設定された制限速度である。制限速度は、現在位置１０１と経由点１０３との間にある制限速度１０４と、経由点１０３と目的地１０２との間にある制限速度１０５とに分けられている。そして、速度プロファイルとしては、例えば３つ考えられる。一つ目は、点線１０６で示すように、現在位置１０１での速度１０９から経由点１０３の制限速度１０５まで減速し、その後、目的地１０２まで更に減速する速度プロファイルである。二つ目は、破線１０７で示すように、現在位置１０１から目的地１０２まで一定減速する速度プロファイルである。三つ目は、二点鎖線１０８で示すように、最大速度で走行するために制限速度１０４，１０５まで一度速度を上げ、各ノードでその制限速度となるように速度を変える速度プロファイルである。

この速度プロファイルの設定は、目的地到着までの猶予時間や優先走行等様々な要因で選択される。本実施形態では、いずれの速度プロファイルを採ったとしても以下の処理は変わらないため、ここでは一定減速する破線１０７で示す速度プロファイルを用いて説明する。

目標加速度算出部３６は、設定された速度プロファイルに基づいて目標加速度を算出する。現在位置１０１から目的地１０２までの距離をLとし、現在の慣性速度をvとし、目的地で停止する場合、目標加速度aは下記式（１１）によって求められる。

ステップＳ７３に続くステップＳ７４では、目標トルク算出部３５は目標トルクを算出する。目標トルクは、上述のステップＳ６で算出されて記憶部３９に記憶された図９に示す位置毎のスリップ率、勾配、車重、駆動力係数を用いて、上述の式（８）から駆動トルクを逆算することで算出される。ステップＳ７４に続くステップＳ７５では、目標トルク算出部３５は、算出した目標トルクを駆動トルク制御コントローラ３７に出力する。

図３に示すように、ステップＳ７に続くステップＳ８では、駆動トルク制御コントローラ３７は、目標トルクとなるように無人ダンプトラック１の駆動トルクを制御することで、無人ダンプトラック１の速度制御を行う。これによって、一連の処理が終了する。

このステップＳ１からステップＳ８の一連の処理を駆動トルク制御コントローラ３７が起動する周期ごとに実行することによって、走行しながら路面状態や勾配が変化しても適切なトルクが出力されるようにし、高精度に走行できるようになる。その結果、土の柔らかい路面においても無人ダンプトラックを高精度に走行させることが可能となる。

以上のように構成された無人ダンプトラック１によれば、走行経路の路面勾配及び車輪沈下を考慮して駆動トルクを算出するので、無人ダンプトラック１の走行制御を高精度に行うことができる。

[第２実施形態]
上述の第１実施形態において、無人ダンプトラック１台のみが走行する場合を想定した例を説明したが、本発明は複数の無人ダンプトラック１の例にも適用される。すなわち、無人ダンプトラック１が複数の場合、それぞれ算出された路面勾配や駆動力係数等を共有することで、これらの無人ダンプトラック１を効率良く走行させることができ、作業効率を向上することができる。また、ドロップカット工法による油圧ショベルへのアプローチ等のように、経路が新たに作成された場合には、路面勾配及び駆動力係数等も大きく変化するので、各無人ダンプトラック１が算出した路面勾配及び駆動力係数等を共有することにより、ドロップカット工法の効率を高めることができる。

そこで、第２実施形態では、各無人ダンプトラック１によって算出された路面勾配及び駆動力係数が定期的に管制システム２に送信され、管制システム２側で管理されている。以下の説明では、第２実施形態と第１実施形態との相違点のみを述べる。

図１２は第２実施形態に係る無人ダンプトラック、管制システム及び油圧ショベルの概略構成を示すブロック図である。図１２に示す例では、複数の無人ダンプトラック１、管制システム２及び油圧ショベル３は、例えば鉱山機械管理システムを形成する。各無人ダンプトラック１は、それぞれに備えられた通信部１９を介して管制システム２及び油圧ショベル３と通信可能に構成されている。

この鉱山機械管理システムでは、複数の無人ダンプトラック１は、それぞれ算出した路面勾配及び駆動力係数を走行経路とともに、無人ダンプトラック１側の通信部１９及び管制システム２側の通信部２ｂを介して定期的に管制システム２に送信する。管制システム２は、各無人ダンプトラック１から送信された走行経路及びそれに対応した路面勾配及び駆動力係数を地図データベース２ａに記憶させて蓄積する。

そして、例えば、ある無人ダンプトラック１が径路を走行する際に、その無人ダンプトラック１の制御装置２８は、これから走行する経路に関する情報を管制システム２に要求し、管制システム２の地図データベース２ａにその経路が記憶された場合にそれを受信して自車走行に必要な駆動トルクの算出に用いる。一方、地図データベース２ａにその経路が記憶されていない場合、制御装置２８は第１実施形態と同様に駆動トルクの算出を行う。以下、図１３を参照してその詳細な処理を説明する。

初めに、ステップＳ１０１では、制御装置２８は、無人ダンプトラック１側の通信部１９及び油圧ショベル３側の通信部３ｂを介して、油圧ショベル３の停止位置指示部３ａから停止位置及び停止方位の指示を受信し、受信した停止位置及び停止方位を経路設定コントローラ３８に出力する。

ステップＳ１０１に続くステップＳ１０２では、制御装置２８は、無人ダンプトラック１側の通信部１９及び管制システム２側の通信部２ｂを介して、管制システム２に停止位置の情報を送信する。管制システム２は、受信した停止位置情報に基づいて、停止位置までの経路情報を地図データベース２ａから読み出して無人ダンプトラック１の制御装置２８に送信する。停止位置までの経路情報が送信される際に、その経路に対応した路面勾配及び駆動力係数も一緒に送信される。制御装置２８は、受信した結果を経路設定コントローラ３８に出力する。

なお、停止位置までの経路情報が地図データベース２ａに存在しない場合（言い換えれば、地図データベース２ａに記憶されていない場合）、管制システム２は、存在しない経路を示す「null」等の不可値を制御装置２８に送信する。また、停止位置までの経路の一部しかが地図データベース２ａに存在しない場合、管制システム２は、地図データベース２ａに存在する経路を送信するとともに、存在しない経路を示す「null」等の不可値も送信する。

ステップＳ１０２に続くステップＳ１０３では、第１実施形態で述べたステップＳ１と同様に、無人ダンプトラック１の現在位置及び車体姿勢の取得が行われる。

ステップＳ１０３に続くステップＳ１０４では、制御装置２８は、ステップＳ１０２で受信した経路情報に不可値が存在するか否かを判断する。経路情報に不可値が存在しないと判断された場合（言い換えれば、経路情報に停止位置までの経路が全て存在している場合）、経路に対応した路面勾配及び駆動力係数が取得されたため、処理はステップＳ１０５に移行する。

ステップＳ１０５では、上述のステップＳ７と同様の方法で目標トルクの算出が行われる。このとき、管制システム２から取得した路面勾配及び駆動力係数を使用して目標トルクが算出される。目標トルクが算出されると、処理はステップＳ１１４へ移行する。

一方、ステップＳ１０４において経路情報に「null」等の不可値が存在すると判断された場合、処理はステップＳ１０６へ移行する。ステップＳ１０６では、この無人ダンプトラック１が初めに経路を生成することになるので、経路が経路設定コントローラ３８によって新たに設定される。このとき、例えば図１４に示すように、経路設定コントローラ３８は、まず目的地となる停止位置２０１と無人ダンプトラック１の停止指示方位２０２に直線を伸ばし、管制システム２から取得された経路２０３との交点２０４を求める。

次に、経路設定コントローラ３８は、交点２０４に対して、無人ダンプトラック１がその方位となるようにスイッチバック等も含めて走行経路を設定する。なお、停止位置２０１から交点２０４までは直進のみとする。なお、図１４に例示する経路の設定は一例にすぎず、その他の方法で経路が設定されても良く、効果も同じである。

ステップＳ１０６に続くステップＳ１０７～Ｓ１１１は、第１実施形態で述べたステップＳ２～Ｓ６と同様であるので、重複説明を省略する。なお、ステップＳ１１０における慣性速度ベクトルを算出する際に、直進の場合は慣性速度算出フラグが「０（ゼロ）」であるので、従動輪の車輪速度を代替することもできる。すなわち、直進の場合、路面に沿った走行距離を従動輪である前輪１１の車輪速度から算出しても良い。

ステップＳ１１１に続くステップＳ１１２では、ステップＳ１０９もしくはステップＳ１１０で算出した路面勾配と、ステップＳ１１１で算出した駆動力係数とを現在位置とともに、管制システム２に送信する。管制システム２は、これらの情報を受信し、地図データベース２ａに記憶又は更新させる。

ステップＳ１１２に続くステップＳ１１３では、第１実施形態で述べたステップＳ７と同様な方法で目標トルクの算出が行われる。そして、ステップＳ１１４では、ステップＳ１０５もしくはステップＳ１１３で算出した目標トルクに基づいて無人ダンプトラック１の駆動トルクが制御される。これによって、一連の処理が終了する。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、複数の無人ダンプトラック１によって算出された路面勾配及び駆動力係数を共有することで、短時間で経路を生成することができるので、複数の無人ダンプトラック１を効率良く走行させることができ、作業効率を向上することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、本発明は、第１実施形態の一部と第２の実施形態の一部を入れ替えもしくは組み合わせたものにも適用される。その場合も第１実施形態又は第２実施形態と同様な効果が得られる。

１無人ダンプトラック
２管制システム
３油圧ショベル
１９通信部
２０ＧＮＳＳアンテナ
２１ＧＮＳＳ受信機
２２加速度センサ
２３車輪速度センサ
２４操舵角センサ
２５荷重センサ
２６駆動トルクセンサ
２７車体姿勢センサ
２８制御装置
２９勾配変化点算出部
３０慣性速度ベクトル算出部
３１路面勾配算出部
３２車輪速度ベクトル算出部
３３スリップ率算出部
３４駆動力係数算出部
３５目標トルク算出部
３６目標加速度算出部
３７駆動トルク制御コントローラ
３８経路設定コントローラ
３９記憶部

Claims

測位衛星から受信した電波に基づいて鉱山内を走行する鉱山機械の位置及び速度を計測するＧＮＳＳ受信機と、前記鉱山機械の車体姿勢を計測する車体姿勢センサと、前記鉱山機械の加速度を計測する加速度センサと、前記鉱山機械の車輪の回転数に基づいて車輪速度を計測する車輪速度センサと、前記鉱山機械の操舵方向を計測する操舵角センサと、積荷重量を含む前記鉱山機械の車重を計測する荷重センサと、前記鉱山機械の駆動輪の駆動トルクを計測する駆動トルクセンサと、前記鉱山機械を制御する制御装置と、を備えた鉱山機械において、
前記制御装置は、
前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された位置及び速度、前記車体姿勢センサによって計測された車体姿勢、及び前記加速度センサによって計測された加速度に基づいて、走行する経路の路面勾配を算出し、
前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された速度、前記加速度センサによって計測された加速度、前記車輪速度センサによって計測された車輪速度、及び前記操舵角センサによって計測された操舵方向に基づいて、路面のスリップ率を算出し、算出した前記スリップ率、前記加速度センサによって計測された加速度、前記荷重センサによって計測された車重、及び前記駆動トルクセンサによって計測された駆動トルクに基づいて、駆動力係数を算出し、
算出した前記路面勾配及び前記駆動力係数に基づいて前記鉱山機械の目標トルクを算出し、
算出した前記目標トルクとなるように前記駆動輪の駆動トルクを制御することを特徴とする鉱山機械。
測位衛星から受信した電波に基づいて鉱山内を走行する鉱山機械の位置及び速度を計測するＧＮＳＳ受信機と、前記鉱山機械の車体姿勢を計測する車体姿勢センサと、前記鉱山機械の加速度を計測する加速度センサと、前記鉱山機械の車輪の回転数に基づいて車輪速度を計測する車輪速度センサと、前記鉱山機械の操舵方向を計測する操舵角センサと、積荷重量を含む前記鉱山機械の車重を計測する荷重センサと、前記鉱山機械の駆動輪の駆動トルクを計測する駆動トルクセンサと、前記鉱山機械を制御する制御装置と、を備えた鉱山機械において、
前記制御装置は、
前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された位置及び速度、前記車体姿勢センサによって計測された車体姿勢、及び前記加速度センサによって計測された加速度に基づいて、走行する経路の路面勾配を算出し、
前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された速度、前記加速度センサによって計測された加速度、前記車輪速度センサによって計測された車輪速度、前記操舵角センサによって計測された操舵方向、前記荷重センサによって計測された車重、及び前記駆動トルクセンサによって計測された駆動トルクに基づいて、駆動力係数を算出し、
目的地までの経路を設定し、設定した目的地までの経路及び前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された位置に基づいて前記鉱山機械の目標加速度を算出し、算出した前記目標加速度、前記路面勾配及び前記駆動力係数に基づいて前記鉱山機械の目標トルクを算出し、
算出した前記目標トルクとなるように前記駆動輪の駆動トルクを制御することを特徴とする鉱山機械。
測位衛星から受信した電波に基づいて鉱山内を走行する鉱山機械の位置及び速度を計測するＧＮＳＳ受信機と、前記鉱山機械の車体姿勢を計測する車体姿勢センサと、前記鉱山機械の加速度を計測する加速度センサと、前記鉱山機械の車輪の回転数に基づいて車輪速度を計測する車輪速度センサと、前記鉱山機械の操舵方向を計測する操舵角センサと、積荷重量を含む前記鉱山機械の車重を計測する荷重センサと、前記鉱山機械の駆動輪の駆動トルクを計測する駆動トルクセンサと、前記鉱山機械を制御する制御装置と、を備えた鉱山機械において、
前記制御装置は、
前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された位置及び速度、前記車体姿勢センサによって計測された車体姿勢、及び前記加速度センサによって計測された加速度に基づいて、走行する経路の路面勾配を算出し、
前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された速度、前記加速度センサによって計測された加速度、前記車輪速度センサによって計測された車輪速度、及び前記操舵角センサによって計測された操舵方向に基づいて、路面のスリップ率を算出し、算出した前記スリップ率、前記加速度センサによって計測された加速度、前記荷重センサによって計測された車重、及び前記駆動トルクセンサによって計測された駆動トルクに基づいて、駆動力係数を算出し、
目的地までの経路を設定し、設定した目的地までの経路及び前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された位置に基づいて前記鉱山機械の目標加速度を算出し、算出した前記目標加速度、前記路面勾配及び前記駆動力係数に基づいて前記鉱山機械の目標トルクを算出し、
算出した前記目標トルクとなるように前記駆動輪の駆動トルクを制御することを特徴と
する鉱山機械。
前記制御装置は、前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された速度及び前記加速度センサによって計測された加速度に基づいて、前記鉱山機械の慣性速度ベクトルを算出し、前記車輪速度センサによって計測された車輪速度及び前記操舵角センサによって計測された操舵方向に基づいて、車輪速度ベクトルを算出し、算出した前記慣性速度ベクトル及び前記車輪速度ベクトルに基づいて、前記スリップ率を算出する請求項１又は３に記載の鉱山機械。
前記制御装置は、前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された位置及び前記車体姿勢センサによって計測された車体姿勢に基づいて、路面の勾配変化点を算出し、算出した前記勾配変化点、前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された位置、及び算出した前記慣性速度ベクトルに基づいて、前記路面勾配を算出する請求項４に記載の鉱山機械。
前記制御装置は、前記ＧＮＳＳ受信機によって計測された位置に基づいて前記鉱山機械の水平方向進行距離と、算出した前記慣性速度ベクトルに基づいて路面に沿った走行距離とをそれぞれ算出し、算出した前記水平方向進行距離及び前記走行距離に基づいて三角関数を用いて前記路面勾配を算出する請求項４又は５に記載の鉱山機械。
複数の前記鉱山機械を管理する管制システムと通信する通信部を更に備え、
前記制御装置は、前記通信部を介して前記管制システムとの間で走行経路に対応する路面勾配及び駆動力係数を送受信する請求項１～６のいずれか一項に記載の鉱山機械。