JP7188940B2 - 制御装置、積込機械、および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御装置、積込機械、および制御方法に関する。

特許文献１には、積込機械に設けられた環境の深度を計測するセンサを用いた積込機械の自律制御システムが開示されている。特許文献１に開示された技術によれば、旋回体の旋回中に、旋回体の左側に設けられたセンサが移動経路上の領域を走査することで、障害物を検出する。また特許文献１に開示された技術によれば、旋回体の旋回中に、旋回体の右側に設けられたセンサが掘削面の領域を走査することで、掘削面の地形を特定し、次の掘削部分を計画するためのデータを生成する。

特開２０００－１３６５４９号公報

ところで、センサによって計測された深度データを用いて地形を特定するためには、積込機械の位置情報および旋回角度などの計測データを用いて、データを変換する必要がある。しかしながら、旋回体の旋回中は、計測データを得るための計測装置の位置および方位が変化するため、計測データに含まれる誤差が大きく、地形を精度よく検出することができない可能性がある。地形を精度よく検出することができない場合、旋回制御における目標方位を精度よく決定することができない。
本発明の目的は、旋回制御における目標方位を精度よく決定することができる制御装置、積込機械、および制御方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、制御装置は、旋回中心回りに旋回可能な旋回体と、前記旋回体に設けられた作業機と、前記旋回体の姿勢を計測する姿勢計測装置と、検出範囲に前記作業機が含まれないように前記旋回体に設けられ、検出範囲における前記旋回体の周囲のうち少なくとも一部の深度を検出する深度検出装置とを備える積込機械を制御する制御装置であって、前記姿勢計測装置が計測した姿勢を示す姿勢情報を取得する姿勢情報取得部と、前記深度検出装置が検出した深度を示す深度情報を取得する検出情報取得部と、前記旋回体が旋回を停止しているときに取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、旋回制御における目標方位を決定する目標方位決定部と、前記目標方位に基づいて旋回操作信号を出力する出力部とを備える。

上記態様によれば、制御装置は、旋回制御における目標方位を精度よく決定することができる。

第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る作業機械における深度検出装置の設置位置を示す上面図である。 第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における排土前のバケットの経路の例を示す図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における排土後のバケットの経路の例を示す図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
〈第１の実施形態〉
《積込機械の構成》
図１は、第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。
積込機械１００は、土砂を運搬車両などの積込点へ積込を行う作業機械である。第１の実施形態に係る積込機械１００は、油圧ショベルである。なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、油圧ショベル以外の積込機械であってもよい。また図１に示す積込機械１００はバックホウショベルであるが、フェイスショベルやロープショベルであってもよい。
積込機械１００は、走行体１１０と、走行体１１０に支持される旋回体１２０と、油圧により作動し旋回体１２０に支持される作業機１３０とを備える。旋回体１２０は、旋回中心回りに旋回自在に支持される。

作業機１３０は、ブーム１３１と、アーム１３２と、バケット１３３と、ブームシリンダ１３４と、アームシリンダ１３５と、バケットシリンダ１３６と、ブームストロークセンサ１３７と、アームストロークセンサ１３８と、バケットストロークセンサ１３９とを備える。

ブーム１３１の基端部は、旋回体１２０に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と掘削した土砂を搬送するための容器とを備える。バケット１３３の基端部は、アーム１３２の先端部にピンを介して取り付けられる。

ブームシリンダ１３４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１３４の基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１３４の先端部は、ブーム１３１に取り付けられる。
アームシリンダ１３５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１３５の基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３５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１３６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１３６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１３６の先端部は、バケット１３３を回動させるリンク機構に取り付けられる。

ブームストロークセンサ１３７は、ブームシリンダ１３４のストローク量を計測する。ブームシリンダ１３４のストローク量は、旋回体１２０に対するブーム１３１の傾斜角に換算可能である。以下、旋回体１２０に対する傾斜角を、絶対角度ともいう。つまり、ブームシリンダ１３４のストローク量は、ブーム１３１の絶対角度に換算可能である。
アームストロークセンサ１３８は、アームシリンダ１３５のストローク量を計測する。アームシリンダ１３５のストローク量は、ブーム１３１に対するアーム１３２の傾斜角に換算可能である。以下、ブーム１３１に対するアーム１３２の傾斜角を、アーム１３２の相対角度ともいう。
バケットストロークセンサ１３９は、バケットシリンダ１３６のストローク量を計測する。バケットシリンダ１３６のストローク量は、アーム１３２に対するバケット１３３の傾斜角に換算可能である。以下、アーム１３２に対するバケット１３３の傾斜角をバケット１３３の相対角度ともいう。
なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、ブームストロークセンサ１３７、アームストロークセンサ１３８、およびバケットストロークセンサ１３９に代えて、地平面に対する傾斜角または旋回体１２０に対する傾斜角を検出する角度センサを備えてもよい。

旋回体１２０には、運転室１２１が設けられる。運転室１２１の内部には、オペレータが着座するための運転席１２２、積込機械１００を操作するための操作装置１２３が設けられる。操作装置１２３は、オペレータの操作に応じて、ブーム１３１の上げ操作信号および下げ操作信号、アーム１３２の押し操作信号および引き操作信号、バケット１３３のダンプ操作信号および掘削操作信号、旋回体１２０の左右への旋回操作信号を生成し、制御装置１２８に出力する。また操作装置１２３は、オペレータの操作に応じて作業機１３０に自動掘削積込制御を開始させるための掘削積込指示信号を生成し、制御装置１２８に出力する。自動掘削積込制御とは、旋回体１２０を旋回させてバケット１３３に収容された土砂を積込対象２００（例えば、運搬車両やホッパ）へ積み込み、旋回体１２０を旋回させて掘削点へ作業機１３０を移動させ、掘削点の土砂を掘削する一連の動作を自動的に実行する制御である。
操作装置１２３は、例えばレバー、スイッチおよびペダルにより構成される。掘削積込指示信号は自動制御用のスイッチの操作により生成される。例えば、スイッチがＯＮになったときに、掘削積込指示信号が出力される。操作装置１２３は、運転席１２２の近傍に配置される。操作装置１２３は、オペレータが運転席１２２に座ったときにオペレータの操作可能な範囲内に位置する。
なお、第１の実施形態に係る積込機械１００は、運転席１２２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積込機械１００は、積込機械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信号や掘削積込指示信号が送信され動作するものであってもよい。

積込機械１００は、検出方向に存在する対象物の３次元位置を検出するための深度検出装置１２４、位置方位演算器１２５、傾斜計測器１２６、油圧装置１２７、制御装置１２８を備える。

図２は、第１の実施形態に係る作業機械における深度検出装置の設置位置を示す上面図である。
深度検出装置１２４は、検出範囲Ｒにおける深度を検出する。深度検出装置１２４は、旋回体１２０の両側面に設けられ、旋回体１２０の幅方向に伸びる軸を中心とする検出範囲Ｒにおいて掘削対象を含む周囲のうち少なくとも一部の物体の深度を検出する。深度とは、深度検出装置１２４から対象までの距離である。これにより、積込機械１００が作業機１３０によって土砂を掘削しているときに、深度検出装置１２４は、積込機械１００の側方に位置する積込対象２００の深度を検出することができる。また、積込機械１００が旋回動作により旋回体１２０の向く方位を変えて、土砂を積込対象２００に積み込んでいるときに、深度検出装置１２４は、掘削対象の深度を検出することができる。つまり、掘削積込作業において積込機械１００が旋回動作することにより、深度検出装置１２４の向きが変化するため、深度検出装置１２４は、積込機械１００の周囲を広範囲にわたって検出することができる。
図２に示すように、深度検出装置１２４は、その検出範囲Ｒに作業機１３０が干渉しない位置に設けられる。深度検出装置１２４の例としては、例えば、ＬｉＤＡＲ装置、レーダ装置、ステレオカメラなどが挙げられる。なお、深度検出装置１２４は、旋回体１２０の高い位置に設けられることが好ましい。また深度検出装置１２４の検出範囲Ｒの中心軸は、水平方向より下方に傾いていることが好ましい。

位置方位演算器１２５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。位置方位演算器１２５は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。２つの受信器は、それぞれ旋回体１２０の異なる位置に設置される。位置方位演算器１２５は、受信器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。
位置方位演算器１２５は、２つの受信器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の向く方位を演算する。旋回体１２０が向く方位とは、旋回体１２０の正面方向であって、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。旋回体１２０の方位は、姿勢情報の一例である。位置方位演算器１２５は、姿勢計測装置の一例である。

傾斜計測器１２６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。傾斜計測器１２６は、例えば旋回体１２０の下面に設置される。傾斜計測器１２６は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いることができる。傾斜計測器１２６は、姿勢計測装置の一例である。

油圧装置１２７は、作動油タンク、油圧ポンプ、および流量制御弁を備える。油圧ポンプは、図示しないエンジンの動力で駆動し、流量制御弁を介して走行体１１０を走行させる図示しない走行油圧モータ、旋回体１２０を旋回させる図示しない旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に作動油を供給する。流量制御弁はロッド状のスプールを有し、スプールの位置によって走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に供給する作動油の流量を調整する。スプールは、制御装置１２８から受信する制御指令に基づいて駆動される。つまり、走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に供給される作動油の量は、制御装置１２８によって制御される。上記のとおり、走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６は共通の油圧装置１２７から供給される作動油によって駆動する。なお、走行油圧モータまたは旋回油圧モータが斜板式可変容量モータである場合、制御装置１２８は斜板の傾転角により回転速度を調整してもよい。

制御装置１２８は、操作装置１２３から操作信号を受信する。制御装置１２８は、受信した操作信号に基づいて、作業機１３０、旋回体１２０、または走行体１１０を駆動させる。

《制御装置の構成》
図３は、第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置１２８は、プロセッサ１１００、メインメモリ１２００、ストレージ１３００、インタフェース１４００を備えるコンピュータである。ストレージ１３００は、プログラムを記憶する。プロセッサ１１００は、プログラムをストレージ１３００から読み出してメインメモリ１２００に展開し、プログラムに従った処理を実行する。

ストレージ１３００の例としては、ＨＤＤ、ＳＳＤ、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等が挙げられる。ストレージ１３００は、制御装置１２８の共通通信線に直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース１４００を介して制御装置１２８に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ１３００は、一時的でない有形の記憶媒体である。

プロセッサ１１００は、プログラムの実行により、車両情報取得部１１０１、検出情報取得部１１０２、操作信号入力部１１０３、バケット位置特定部１１０４、マップ生成部１１０５、積込対象特定部１１０６、積込位置特定部１１０７、回避位置特定部１１０８、掘削対象特定部１１０９、掘削位置特定部１１１０、移動処理部１１１１、操作信号出力部１１１２を備える。

車両情報取得部１１０１は、例えば旋回体１２０の旋回速度、位置および方位、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する。以下、車両情報取得部１１０１が取得する積込機械１００に係る情報を車両情報とよぶ。車両情報取得部は、姿勢情報取得部の一例である。

検出情報取得部１１０２は、深度検出装置１２４から深度情報を取得する。深度情報は、検出範囲Ｒ内の複数の点の三次元位置を示す。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。

操作信号入力部１１０３は、操作装置１２３から操作信号の入力を受け付ける。操作信号にはブーム１３１の上げ操作信号および下げ操作信号、アーム１３２の押し操作信号および引き操作信号、バケット１３３のダンプ操作信号および掘削操作信号、旋回体１２０の旋回操作信号、走行体１１０の走行操作信号、ならびに積込機械１００の掘削積込指示信号が含まれる。

図４は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における排土前のバケットの経路の例を示す図である。
バケット位置特定部１１０４は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、ショベル座標系におけるアーム１３２の先端部の位置Ｐおよびアーム１３２の先端からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂを特定する。バケット１３３の最下通過点とは、バケット１３３のダンプ操作の間に刃先と地表面との距離が最も短くなるときに刃先が位置する点をいう。すなわち、アーム１３２の先端からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂは、バケット１３３の基端部のピンから刃先までの長さと一致する。
また、バケット位置特定部１１０４は、掘削積込指示信号の入力を受け付けたときのアーム１３２の先端部の位置Ｐを掘削完了位置Ｐ１０として特定する。バケット１３３の基端部はアーム１３２の先端部に接続されているため、アーム１３２の先端部の位置Ｐは、バケット１３３の基端部の位置に等しい。

具体的には、バケット位置特定部１１０４は、以下の手順でアーム１３２の先端部の位置Ｐを特定する。バケット位置特定部１１０４は、ブームシリンダ１３４のストローク量から求められるブーム１３１の絶対角度と既知のブーム１３１の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、ブーム１３１の先端部の位置を求める。バケット位置特定部１１０４は、ブーム１３１の絶対角度と、アームシリンダ１３５のストローク量から求められるアーム１３２の相対角度とに基づいて、アーム１３２の絶対角度を求める。バケット位置特定部１１０４は、ブーム１３１の先端部の位置と、アーム１３２の絶対角度と、既知のアーム１３２の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、アーム１３２の先端部の位置Ｐを求める。

マップ生成部１１０５は、旋回体１２０の非旋回時に車両情報取得部１１０１が取得した旋回体１２０の位置、方位、および姿勢と、検出情報取得部１１０２が取得した深度情報とに基づいて、現場座標系によって積込機械１００の周囲のうち少なくとも一部の形状を表す三次元マップを生成する。非旋回時とは、具体的には、積込機械１００が掘削動作をしている時や、排土動作をしている時であり、完全に旋回速度が０になっている状態でなくてもよく、わずかに旋回方向に動いていてもよい。なお、他の実施形態においては、マップ生成部１１０５は、旋回体１２０を基準としたショベル座標系に係る三次元マップを生成してもよい。
積込対象特定部１１０６は、マップ生成部１１０５が生成した三次元マップに基づいて、積込対象２００の位置および形状、ならびに積込点Ｐ２１の位置を特定する。積込点Ｐ２１は、例えばダンプトラックのベッセル上の点である。例えば、積込対象特定部１１０６は、三次元マップが示す三次元形状と積込対象２００の既知の形状とをマッチングすることで、積込対象２００の位置および形状、ならびに積込点Ｐ２１を特定する。

積込位置特定部１１０７は、操作信号入力部１１０３に掘削積込指示信号が入力された場合に、積込対象特定部１１０６が特定した積込点Ｐ２１に基づいて、積込位置Ｐ１３を特定する。具体的には、積込位置特定部１１０７は、以下のように積込位置Ｐ１３を特定する。
積込位置特定部１１０７は、特定した積込点Ｐ２１を、積込位置Ｐ１３の平面位置として特定する。つまり、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に位置するとき、アーム１３２の先端は積込点Ｐ２１の上方に位置することとなる。積込点Ｐ２１の例としては、積込対象２００がダンプトラックの場合におけるベッセルの中心点、および積込対象２００がホッパの場合における開口の中心点が挙げられる。積込位置特定部１１０７は、積込対象２００の高さＨｔに、バケット位置特定部１１０４が特定したアーム１３２の先端からバケット１３３最下通過点までの高さＨｂと、バケット１３３の制御余裕分の高さとを加算することで、積込位置Ｐ１３の高さを特定する。なお、他の実施形態においては、積込位置特定部１１０７は、制御余裕分の高さを加算せずに積込位置Ｐ１３を特定してもよい。すなわち、積込位置特定部１１０７は、高さＨｔに高さＨｂを加算することで、積込位置Ｐ１３の高さを特定してもよい。なお、第１の実施形態に係る高さＨｔは、地面からベッセルの上面までの高さである。
つまり、積込位置特定部１１０７は、積込位置Ｐ１３を特定することで、旋回制御における旋回体１２０の目標方位を決定する。積込位置特定部１１０７は、目標方位決定部の一例である。

回避位置特定部１１０８は、積込位置特定部１１０７が特定した積込位置Ｐ１３と、車両情報取得部１１０１が取得した積込機械１００の位置と、積込対象特定部１１０６が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて、作業機１３０と積込対象２００とが上方からの平面視において干渉しない点である干渉回避位置Ｐ１２を特定する。干渉回避位置Ｐ１２は、積込位置Ｐ１３と同じ高さを有し、かつ旋回体１２０の旋回中心からの距離が、当該旋回中心から積込位置Ｐ１３までの距離と等しく、かつ下方に積込対象２００が存在しない位置である。回避位置特定部１１０８は、例えば、旋回体１２０の旋回中心を中心とし、当該旋回中心と積込位置Ｐ１３との距離を半径とする円を特定し、当該円上の位置のうち、バケット１３３の外形が上方からの平面視で積込対象２００と干渉せず、かつ積込位置Ｐ１３に最も近い位置を、干渉回避位置Ｐ１２と特定する。回避位置特定部１１０８は、積込対象２００の位置および形状、ならびにバケット１３３の既知の形状に基づいて、積込対象２００とバケット１３３とが干渉するか否かを判定することができる。ここで、「同じ高さ」、「距離が等しい」とは、必ずしも高さまたは距離が完全に一致するものに限られず、多少の誤差やマージンが許容されるものとする。

掘削対象特定部１１０９は、マップ生成部１１０５が生成した三次元マップに基づいて、掘削対象の掘削点Ｐ２２の位置を特定する。掘削点Ｐ２２は、例えばバケット１３３の刃先をその点からアーム１３２およびバケット１３３を掘削方向へ移動させることで、バケット１３３の最大容量に相当する量の土砂を掘削できる点である。例えば、掘削対象特定部１１０９は、三次元マップが示す三次元形状から掘削対象の土砂の分布を特定し、当該分布に基づいて掘削点Ｐ２２を特定する。図５は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における排土後のバケットの経路の例を示す図である。

掘削位置特定部１１１０は、掘削対象特定部１１０９が特定した掘削点Ｐ２２から、バケット１３３の基端部から刃先までの距離だけ離れた点を、掘削位置Ｐ１９として特定する。つまり、バケット１３３は、ダンプ方向に刃先を向けた所定の掘削姿勢をとっている場合において、バケット１３３の刃先が掘削点Ｐ２２に位置するとき、アーム１３２の先端は掘削位置Ｐ１９に位置することとなる。
つまり、掘削位置特定部１１１０は、掘削位置Ｐ１９を特定することで、旋回制御における旋回体１２０の目標方位を決定する。掘削位置特定部１１１０は、目標方位決定部の一例である。

移動処理部１１１１は、操作信号入力部１１０３が掘削積込指示信号の入力を受け付けた場合に、積込位置特定部１１０７が特定した積込位置Ｐ１３、回避位置特定部１１０８が特定した干渉回避位置Ｐ１２に基づいて、バケット１３３を積込位置Ｐ１３まで移動させるための回動操作信号を生成する。すなわち、移動処理部１１１１は、掘削完了位置Ｐ１０から、旋回開始位置Ｐ１１および干渉回避位置Ｐ１２を経由して、積込位置Ｐ１３に到達するように、回動操作信号を生成する。また、移動処理部１１１１は、ブーム１３１およびアーム１３２が駆動してもバケット１３３の対地角度が変化しないように、バケット１３３の回動操作信号を生成する。
移動処理部１１１１は、バケット１３３が積込位置Ｐ１３に到達すると、バケット１３３をダンプ方向へ回転させるためのダンプ操作信号を生成する。移動処理部１１１１は、掘削位置特定部１１１０が特定した掘削位置Ｐ１９、回避位置特定部１１０８が特定した干渉回避位置Ｐ１２に基づいて、バケット１３３を掘削位置Ｐ１９まで移動させるための回動操作信号を生成する。すなわち、移動処理部１１１１は、積込位置Ｐ１３から、干渉回避位置Ｐ１２および旋回終了位置Ｐ１８を経由して、掘削位置Ｐ１９に到達するように、回動操作信号を生成する。移動処理部１１１１はバケットが掘削姿勢となるように、バケットの回動操作信号を生成する。移動処理部１１１１が生成する操作信号は、最大の操作量で操作装置１２３のレバーまたはペダルを操作したときに操作信号入力部１１０３に入力される操作信号に係る駆動量での駆動を指示する信号である。駆動量は、例えば作動油の油量またはスプールの開度である。
なお、積込機械１００が遠隔操作によって駆動する場合、移動処理部１１１１が生成する操作信号は、最大の操作量に係る駆動量より大きい駆動量での駆動を指示する信号であってよい。これは、有人運転に係る積込機械１００は、オペレータの乗り心地のために操作装置１２３の最大操作量が制限されるところ、遠隔操作に係る積込機械１００は、オペレータの乗り心地による制限がないためである。

操作信号出力部１１１２は、操作信号入力部１１０３に入力された操作信号、または移動処理部１１１１が生成した操作信号を出力する。具体的には、操作信号出力部１１１２は、自動掘削積込制御中である場合に、移動処理部１１１１が生成した自動制御に係る操作信号を出力し、自動掘削積込制御中でない場合に、操作信号入力部１１０３に入力されたオペレータの手動操作に係る操作信号を出力する。

《自動掘削積込制御》
積込機械１００のオペレータは、積込機械１００と積込対象２００とが積込処理可能な位置関係にあると判断すると、操作装置１２３の自動制御用のスイッチをＯＮにする。これにより、操作装置１２３は、掘削積込指示信号を生成し出力する。

図６－図８は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御を示すフローチャートである。制御装置１２８は、オペレータから掘削積込指示信号の入力を受け付けると、図６－図８に示す自動掘削積込制御を実行する。なお、自動掘削積込制御の開始時には、バケット１３３の刃先は掘削点に位置し、積込対象２００は旋回体１２０の側方に位置する。

車両情報取得部１１０１は、旋回体１２０の位置および方位、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する（ステップＳ１）。車両情報取得部１１０１は、取得した旋回体１２０の位置および方位に基づいて、旋回体１２０の旋回中心の位置を特定する（ステップＳ２）。

検出情報取得部１１０２は、深度検出装置１２４から、積込機械１００の周囲の深度を示す深度情報を取得する（ステップＳ３）。深度検出装置１２４は旋回体１２０の側面に設けられ、積込対象２００は旋回体１２０の側方に位置するため、深度検出装置１２４の検出範囲Ｒには、積込対象２００が含まれる。マップ生成部１１０５は、車両情報取得部１１０１が取得した旋回体１２０の位置、方位、および姿勢と、検出情報取得部１１０２が取得した深度情報とに基づいて、現場座標系によって積込機械１００の周囲のうち少なくとも一部の形状を表す三次元マップを生成する（ステップＳ４）。積込対象特定部１１０６は、生成したマップ情報に基づいて、積込対象２００の位置および形状、ならびに積込点Ｐ２１を特定する（ステップＳ５）。

バケット位置特定部１１０４は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、掘削積込指示信号の入力時のアーム１３２の先端部の位置Ｐ、およびアーム１３２の先端からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂを特定する（ステップＳ６）。バケット位置特定部１１０４は、当該位置Ｐを掘削完了位置Ｐ１０と特定する。

積込位置特定部１１０７は、積込対象特定部１１０６が特定した積込点Ｐ２１の位置に基づいて、積込位置Ｐ１３の平面位置を特定する（ステップＳ７）。このとき、積込位置特定部１１０７は、積込対象２００の高さＨｔに、ステップＳ５で特定したアーム１３２の先端部からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂと、バケット１３３の制御余裕分の高さとを加算することで、積込位置Ｐ１３の高さを特定する（ステップＳ８）。

回避位置特定部１１０８は、旋回体１２０の旋回中心から積込位置までの平面距離を特定する（ステップＳ９）。回避位置特定部１１０８は、旋回中心から特定した平面距離だけ離れた位置であって、バケット１３３の外形が平面視で積込対象２００と干渉せず、かつ積込位置Ｐ１３から最も近い位置を、干渉回避位置Ｐ１２として特定する（ステップＳ１０）。
なお、ステップＳ１からステップＳ９までの間、旋回体１２０は旋回していない。

移動処理部１１１１は、アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ１３に至ったか否かを判定する（ステップＳ１１）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ１３に至っていない場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、移動処理部１１１１は、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２の近傍にあるか否かを判定する（ステップＳ１２）。例えば、移動処理部１１１１は、アーム１３２の先端の高さと干渉回避位置Ｐ１２の高さとの差が所定の閾値未満であり、または旋回体１２０の旋回中心からアーム１３２の先端までの平面距離と旋回中心から干渉回避位置Ｐ１２までの平面距離との差が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２の近傍にない場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、移動処理部１１１１は、ブーム１３１およびアーム１３２を干渉回避位置Ｐ１２の高さまで上昇させる操作信号を生成する（ステップＳ１３）。このとき、移動処理部１１１１は、ブーム１３１およびアーム１３２の位置および速度に基づいて、操作信号を生成する。

また移動処理部１１１１は、生成したブーム１３１およびアーム１３２の操作信号に基づいてブーム１３１およびアーム１３２の角速度の和を算出し、当該角速度の和と同じ速度でバケット１３３を回動させる操作信号を生成する（ステップＳ１４）。これにより、移動処理部１１１１は、バケット１３３の対地角を保持する操作信号を生成することができる。なお、他の実施形態においては、移動処理部１１１１は、ブームストロークセンサ１３７、アームストロークセンサ１３８およびバケットストロークセンサ１３９の検出値より算出されるバケット１３３の対地角度が、自動制御開始時の対地角度と等しくなるようにバケット１３３を回動させる操作信号を生成してもよい。

アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２の近傍にある場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、移動処理部１１１１は、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の操作信号を生成しない。つまり、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２の近傍にある場合、移動処理部１１１１は、作業機１３０を積込点へ移動させるための作業機１３０の操作信号の出力を禁止する。

移動処理部１１１１は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、旋回体１２０の旋回速度が所定速度未満であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。すなわち、移動処理部１１１１は、旋回体１２０が旋回中であるか否かを判定する。
旋回体１２０の旋回速度が所定速度未満である場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、移動処理部１１１１は、バケット１３３の高さが掘削完了位置Ｐ１０の高さから干渉回避位置Ｐ１２の高さに至るまでの時間である上昇時間を特定する（ステップＳ１６）。移動処理部１１１１は、バケット１３３の上昇時間に基づいて、現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２または干渉回避位置Ｐ１２より高い点を通過することになるか否かを判定する（ステップＳ１７）。現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２または干渉回避位置Ｐ１２より高い点を通過することになる場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、移動処理部１１１１は、旋回操作信号を生成する（ステップＳ１８）。

現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２より低い点を通過することになる場合（ステップＳ１７：ＮＯ）、移動処理部１１１１は、旋回操作信号を生成しない。つまり、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２より低い点を通過することになる場合、移動処理部１１１１は、旋回操作信号の出力を禁止する。

旋回体１２０の旋回速度が所定速度以上である場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、移動処理部１１１１は、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に到達するか否かを判定する（ステップＳ１９）。なお、旋回体１２０は、旋回操作信号の出力の停止後、減速しながらも慣性により旋回し続け、その後停止する。現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に到達する場合（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、移動処理部１１１１は、旋回操作信号を生成しない。つまり、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に到達する場合、移動処理部１１１１は、旋回操作信号の出力を禁止する。これにより、旋回体１２０は減速を始める。
他方、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３より手前で停止することになる場合（ステップＳ１９：ＮＯ）、移動処理部１１１１は、旋回操作信号を生成する（ステップＳ２０）。

ステップＳ１１からステップＳ２０の処理でブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の回動操作信号、並びに旋回体１２０の旋回操作信号の少なくともいずれか１つを生成すると、操作信号出力部１１１２は、生成した操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ２１）。

そして、車両情報取得部１１０１は、車両情報を取得する（ステップＳ２２）。これにより、車両情報取得部１１０１は、出力した操作信号によって作動した後の車両情報を取得することができる。制御装置１２８は、処理をステップＳ１１に戻し、操作信号の生成を繰り返し実行する。

他方、ステップＳ１１にて、アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ１３に至った場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、移動処理部１１１１は、ダンプ操作信号を生成し、操作信号出力部１１１２は、ダンプ操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ２３）。これにより、バケット１３３に収容された土砂は、積込対象２００に積み込まれる。なお、アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ１３に至ったとき、旋回体１２０の旋回は停止している。また、バケット１３３は、ダンプ方向に回動することで、所定の掘削姿勢をとる。

車両情報取得部１１０１は、旋回体１２０の位置および方位、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する（ステップＳ２４）。検出情報取得部１１０２は、深度検出装置１２４から、積込機械１００の周囲のうち少なくとも一部の深度を示す深度情報を取得する（ステップＳ２５）。深度検出装置１２４は旋回体１２０の側面に設けられ、掘削対象は旋回体１２０の側方に位置するため、深度検出装置１２４の検出範囲Ｒには、掘削対象が含まれる。マップ生成部１１０５は、車両情報取得部１１０１が取得した旋回体１２０の位置、方位、および姿勢と、検出情報取得部１１０２が取得した深度情報とに基づいて、現場座標系によって積込機械１００の周囲のうち少なくとも一部の形状を表す三次元マップを生成する（ステップＳ２６）。掘削対象特定部１１０９は、生成した三次元マップに基づいて掘削点Ｐ２２を特定する（ステップＳ２５）。掘削位置特定部１１１０は、掘削対象特定部１１０９が特定した掘削点Ｐ２２の位置に基づいて、掘削位置Ｐ１９を特定する（ステップＳ２８）。

移動処理部１１１１は、アーム１３２の先端部の位置Ｐが掘削位置Ｐ１９に至ったか否かを判定する（ステップＳ２９）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが掘削位置Ｐ１９に至っていない場合（ステップＳ２９：ＮＯ）、移動処理部１１１１は、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２を通過したか否かを判定する（ステップＳ３０）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２を通過していない場合（ステップＳ３０：ＮＯ）、移動処理部１１１１は、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の操作信号を生成しない。つまり、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２を通過していない場合、移動処理部１１１１は、作業機１３０を掘削点へ移動させるための作業機１３０の操作信号の出力を禁止する。

他方、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２を通過した場合（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、移動処理部１１１１は、アーム１３２の先端部の位置Ｐを降下させるためのブーム１３１およびアーム１３２の操作信号を生成する（ステップＳ３１）。

次に、移動処理部１１１１は、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端の平面位置が掘削位置Ｐ１９に到達するか否かを判定する（ステップＳ３２）。現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端の平面位置が掘削位置Ｐ１９に到達しない場合（ステップＳ３２：ＮＯ）、移動処理部１１１１は、旋回操作信号を生成する（ステップＳ３３）。

他方、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端の平面位置が掘削位置Ｐ１９に到達する場合（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、移動処理部１１１１は、旋回操作信号を生成しない。つまり、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端の平面位置が掘削位置Ｐ１９に到達する場合、移動処理部１１１１は、旋回操作信号の出力を禁止する。これにより、旋回体１２０は減速を始める。

ステップＳ３０からステップＳ３３の処理でブーム１３１およびアーム１３２の操作信号、並びに旋回体１２０の旋回操作信号の少なくともいずれか１つを生成すると、操作信号出力部１１１２は、生成した操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ３４）。

そして、車両情報取得部１１０１は、車両情報を取得する（ステップＳ３５）。これにより、車両情報取得部１１０１は、出力した操作信号によって作動した後の車両情報を取得することができる。制御装置１２８は、処理をステップＳ２９に戻し、操作信号の生成を繰り返し実行する。

他方、ステップＳ２９にて、アーム１３２の先端部の位置Ｐが掘削位置Ｐ１９に至った場合（ステップＳ２９：ＹＥＳ）、移動処理部１１１１は、掘削操作信号を生成し、操作信号出力部１１１２は、掘削操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ３６）。これにより、バケット１３３の刃先は掘削完了位置Ｐ１０に移動し、バケット１３３には土砂が収容される。そして、制御装置１２８は、自動掘削積込制御を終了する。または制御装置１２８は、処理をステップＳ１１に戻し、積込対象２００の積載量が最大積載量を超えない範囲で、自動積込と自動掘削を繰り返し実行する。

上述の自動掘削積込制御により、積込機械１００は、バケット１３３がすくった土砂を積込対象２００に積込み、さらに次の土砂をすくうことができる。オペレータは、掘削積込指示信号の入力による自動掘削積込制御を、積込対象２００の積載量が最大積載量を超えない程度に繰り返し実行する。

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る積込機械１００の制御装置１２８は、旋回体１２０が旋回していないときに取得された姿勢情報および深度情報に基づいて、目標方位を決定する。旋回体１２０が旋回していないときに姿勢情報および深度情報を取得することで、当該深度情報を取得したときの姿勢情報の誤差を小さく抑えることができる。したがって、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、旋回制御における目標方位を精度よく決定することができる。第１の実施形態に係る目標方位は、積荷旋回における目標方位である積込位置Ｐ１３を向く方位、および空荷旋回における目標方位である掘削位置Ｐ１９を向く方位である。なお、他の実施形態に係る制御装置１２８は、積荷旋回における目標方位または空荷旋回における目標方位のいずれか一方を決定するものであってもよい。この場合、旋回体１２０の両側部のうち一方のみに深度検出装置１２４が設けられていてよい。

また、第１の実施形態に係る作業機１３０は、旋回体１２０の前部に設けられ、深度検出装置１２４は、旋回体１２０の側部に設けられる。これにより、作業機１３０が積込対象２００への積込作業を行っているときに、深度検出装置１２４は掘削対象の深度を計測することができる。またこれにより、作業機１３０が掘削対象の掘削作業を行っているときに、深度検出装置１２４は積込対象２００の深度を計測することができる。また、第１の実施形態に係る深度検出装置１２４は、検出範囲Ｒに作業機１３０が含まれないように設置される。これにより、制御装置１２８は深度情報から作業機１３０が含まれる範囲を除外する処理を行うことなく、積込点Ｐ２１および掘削点Ｐ２２を特定することができる。

以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、積込点Ｐ２１および掘削点Ｐ２２を、深度情報を用いて特定するが、これに限られない。他の実施形態に係る制御装置１２８は、積込点Ｐ２１または掘削点Ｐ２２の一方のみを、深度情報を用いて特定してもよい。つまり、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、自動掘削積込制御を行うが、これに限られない。他の実施形態に係る制御装置１２８は自動積込制御を行い、掘削作業がオペレータの手動操作によって行われてもよい。また他の実施形態に係る制御装置１２８は自動掘削制御を行い、積込作業がオペレータの手動操作によって行われてもよい。
また、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、掘削点Ｐ２２を特定して、掘削点Ｐ２２への旋回操作のあとに掘削操作を実行するが、これに限らず、掘削点Ｐ２２への旋回操作までを実行して、自動掘削積込制御を終了してもよい。

また第１の実施形態に係る制御装置１２８は、掘削操作後かつ積荷旋回前に取得した姿勢情報および深度情報を用いて積込点Ｐ２１を特定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２８は、空荷旋回後かつ掘削操作前に取得した姿勢情報および深度情報、または掘削操作中に取得した姿勢情報および深度情報を用いて積込点Ｐ２１を特定してもよい。いずれの場合も、姿勢情報および深度情報は旋回体１２０が旋回していないか、旋回したとしてもわずかに旋回しているときに取得されたものである。

また第１の実施形態に係る制御装置１２８は、ダンプ操作後かつ空荷旋回前に取得した姿勢情報および深度情報を用いて掘削点Ｐ２２を特定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２８は、積荷旋回後かつダンプ操作前または積荷旋回後かつダンプ操作中に取得した姿勢情報および深度情報を用いて掘削点Ｐ２２を特定してもよい。いずれの場合も、姿勢情報および深度情報は旋回体１２０が旋回していないか、旋回したとしてもわずかに旋回しているときに取得されたものである。

また第１の実施形態に係る深度検出装置１２４の検出範囲Ｒは、旋回体１２０の幅方向に伸びる軸を中心とするが、これに限られない。例えば、深度検出装置１２４は、旋回体１２０の前方向と検出範囲Ｒの中心軸とがなす角が、掘削積込サイクルにおける平均旋回角または目標旋回角と略一致するように設けられてもよい。

また、第１の実施形態に係る積込機械１００はバケット１３３を備えるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、バックオールとクラムシェルとを開閉可能に備えるクラムバケットを備えるものであってもよい。

また、第１の実施形態に係る積込機械１００は、オペレータが搭乗して操作する有人運転車両であるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、遠隔の事務所にいるオペレータがモニタの画面を見ながら操作する遠隔操作装置から、通信により取得する操作信号によって作動する遠隔運転車両であってもよい。この場合、制御装置１２８の一部の機能が遠隔操作装置に設けられてもよい。

１００…積込機械 １１０…走行体 １２０…旋回体 １２１…運転室 １２２…運転席 １２３…操作装置 １２４…深度検出装置 １２５…位置方位演算器 １２６…傾斜計測器 １２７…油圧装置 １２８…制御装置 １３０…作業機 １３１…ブーム １３２…アーム １３３…バケット １３４…ブームシリンダ １３５…アームシリンダ １３６…バケットシリンダ １３７…ブームストロークセンサ １３８…アームストロークセンサ １３９…バケットストロークセンサ １１００…プロセッサ １２００…メインメモリ １３００…ストレージ １４００…インタフェース １１０１…車両情報取得部 １１０２…検出情報取得部 １１０３…操作信号入力部 １１０４…バケット位置特定部 １１０５…マップ生成部 １１０６…積込対象特定部 １１０７…積込位置特定部 １１０８…回避位置特定部 １１０９…掘削対象特定部 １１１０…掘削位置特定部 １１１１…移動処理部 １１１２…操作信号出力部 ２００…積込対象 Ｐ１０…掘削完了位置 Ｐ１１…旋回開始位置 Ｐ１２…干渉回避位置 Ｐ１３…積込位置 Ｐ１８…旋回終了位置 Ｐ１９…掘削位置 Ｐ２１…積込点 Ｐ２２…掘削点

Claims (7)

1. 旋回中心回りに旋回可能な旋回体と、前記旋回体に設けられた作業機と、前記旋回体の姿勢を計測する姿勢計測装置と、検出範囲に前記作業機が含まれないように前記旋回体に設けられ、検出範囲における前記旋回体の周囲のうち少なくとも一部の深度を検出する深度検出装置とを備える積込機械を制御する制御装置であって、
   前記姿勢計測装置が計測した姿勢を示す姿勢情報を取得する姿勢情報取得部と、
   前記深度検出装置が検出した深度を示す深度情報を取得する検出情報取得部と、
   前記旋回体が旋回を停止しているときに取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、旋回制御における目標方位を決定する目標方位決定部と、
   前記目標方位に基づいて旋回操作信号を出力する出力部と
   を備える制御装置。
2. 前記旋回体が旋回していないときに取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、前記旋回体の周囲のうち少なくとも一部の三次元位置を示す三次元マップを生成するマップ生成部を備え、
   前記目標方位決定部は、前記三次元マップに基づいて前記目標方位を決定する
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記作業機は、前記旋回体の前部に設けられ、
   前記深度検出装置は、前記旋回体の側部に設けられる
   請求項１または請求項２に記載の制御装置。
4. 前記目標方位決定部は、前記作業機による積込動作時に取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、前記作業機による掘削対象が存在する方位を目標方位に決定する
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記目標方位決定部は、前記作業機による掘削動作時に取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、積込対象が存在する方位を目標方位に決定する
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 旋回中心回りに旋回可能な旋回体と、
   前記旋回体に設けられた作業機と、
   前記旋回体の姿勢を計測する姿勢計測装置と、
   検出範囲に前記作業機が含まれないように前記旋回体に設けられ、検出範囲における前記旋回体の周囲のうち少なくとも一部の深度を検出する深度検出装置と、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の制御装置と
   を備える積込機械。
7. 旋回中心回りに旋回可能な旋回体と、前記旋回体に設けられた作業機と、前記旋回体の姿勢を計測する姿勢計測装置と、検出範囲に前記作業機が含まれないように前記旋回体に設けられ、検出範囲における前記旋回体の周囲の深度を検出する深度検出装置とを備える積込機械の制御方法であって、
   前記姿勢計測装置が計測した姿勢を示す姿勢情報を取得するステップと、
   前記深度検出装置が検出した深度を示す深度情報を取得するステップと、
   前記旋回体が旋回していないときに取得された前記姿勢情報および前記深度情報に基づいて、旋回制御における目標方位を決定するステップと、
   前記目標方位に基づいて旋回操作信号を出力するステップと
   を備える制御方法。

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