JP7482754B2 - 積載作業支援システム - Google Patents
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Description
本発明は、積載機が搬送機に対して積荷を積載する積載作業を支援する積載作業支援システムに関する。
油圧ショベルなどの建設機械の分野では、近年、建設施工に情報通信技術を適用することで多様な情報を効率的に活用して施工の合理化を図る情報化施工の導入が進められている。例えば、ブーム、アーム及びバケットなどの複数の被駆動部材を連結した多関節型の作業装置の位置や姿勢をオペレータへ表示するマシンガイダンスや、当該作業装置を目標施工面に沿って動くように制御するマシンコントロールなどのオペレータの操作を支援する機能を備えるものがある。
マシンガイダンスやマシンコントロールなどの操作支援を行うときに、施工現場における自車の座標を利用するものを3次元情報化施工(以下、3D情報化施工と称す)という。3D情報化施工に対応する建設機械では、自車の位置を取得するために、衛星測位システム(Global Navigation Satellite System:GNSS)を備えている。GNSSは、複数の衛星からの測位信号を受信して自車の3次元位置(緯度、経度、高度)を測定するものである。油圧ショベルのように作業装置を備える建設機械では、自車の位置だけでなく、作業装置が向いている方向(方位)も操作支援に必要である。そのため、測位信号を受信するGNSSアンテナを2つ搭載し、それらが受信した測位信号を基に作業装置の方位を特定する建設機械が公知である。
油圧ショベルにおける一般的な情報化施工では、土砂を粗掘削した後に、マシンコントロールを利用して仕上げ掘削を行う。粗掘削時には、現場内で不要な土砂が出るので、当該土砂をダンプトラックなどの搬送機に積載して現場から搬送する必要がある。油圧ショベルのバケット内の土砂をダンプトラックの荷台に積み込む「積込作業(積載作業)」は、粗掘削工程において高頻度に発生する。そのため、積込作業に対する操作支援を提供することで、オペレータの作業負荷の軽減が期待できる。特に、積込作業では、バケットをダンプトラックの荷台の上方に移動させる過程でバケットがダンプトラックに接触する恐れあるので、自動制御により接触回避の動作を実現することができれば、施工現場の安全性が向上する。建設施工現場では、ダンプトラックが油圧ショベルに接近する際に舗装路を走行することがないので、ダンプトラックと油圧ショベルの位置関係が積込作業ごとに異なることが多い。
なお、積込作業は、油圧ショベルとダンプトラック間での代表的な作業であるが、この作業は建設機械に限られたものではない。例えば、工場や倉庫で稼働する作業ロボットがフォークリフトや搬送台車に荷物を積み込む作業も同様に積込作業と呼ぶことができる。工場や倉庫での作業の場合、積み込んだ荷物を回収する作業も必要となる。この回収作業の際にも、作業ロボットが搬送台車に接触することなく安全に荷物を回収することが要求される。このような回収作業の際の接触回避の技術は、港湾作業におけるクレーンによる船(例えば、タンカー)からのコンテナの積み下ろしや搬送車両からの積荷の積み下ろしの場合でも必要である。ただし、工場や倉庫、港湾における作業では、搬送車に対して、専用レーンを用意したり、複数の環境センサによりその動きを監視したりしている。このため、油圧ショベルとダンプトラックのように積込作業のたびに両者間の位置関係が大きく異なるということはない。
両者間の位置関係の再現性が乏しい積込作業に対する支援機能として、特許文献1に記載の技術が公知である。特許文献1に記載の技術は、建設機械の旋回体が旋回して掘削物をダンプトラックの荷台へ運搬する際のフロント作業装置の作業機(バケット)の軌道を修正するものであって、油圧ショベル及びダンプトラックの両方の位置情報などを用い、作業機の速度及び加速度から予測される作業機の軌道がダンプトラックの領域と交差するか否かを判定し、作業機の軌道が交差すると判定した場合には旋回体の旋回速度を減少させる制御及びフロント作業装置の上昇速度を増加させる制御の少なくとも一方を行うものである。
特許文献1に記載の技術では、建設機械のダンプトラックに対する積込作業を旋回動作とフロント作業装置の動作の複合動作で実行することを前提としている。しかし、建設機械とダンプトラックの位置関係によっては、旋回動作を伴わずに積込作業を行う場合がある。例えば、建設機械のフロント作業装置の真正面にダンプトラックが位置している場合である。この場合、特許文献1に記載の技術においては、建設機械の作業機とダンプトラックの接触回避の支援動作として実行可能なものはフロント作業装置の上昇速度を増加させることのみであり、積込作業の動作支援が困難な場合がある。
本発明は、上記の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、積載機と搬送機の両者の位置関係によらずに積載作業を確実に支援することができる積載作業支援システムを提供することである。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、荷台を備えた搬送機に対して、複数の被駆動部材を回動可能に連結して構成された多関節型の作業装置を備えた積載機が積荷を積載する積載作業を支援する積載作業支援システムであって、前記積載機の位置及び方位を算出する第1位置算出器と、前記作業装置の姿勢を検出する姿勢検出器と、前記搬送機の位置及び方位を算出する第2位置算出器と、前記積載機の動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記作業装置が積載作業で到達すべき位置である目標位置を前記第2位置算出器の出力を基に設定し、前記作業装置の侵入が禁止される領域である禁止領域を前記第2位置算出器の出力を基に設定し、前記第1位置算出器の出力及び前記姿勢検出器の出力を基に前記作業装置の動特性を決定し、前記作業装置の動特性を用いて有限の予測時間区間における前記作業装置の軌道を予測する予測演算を行い、前記作業装置の軌道予測の演算結果を基に、前記作業装置が前記予測時間区間において前記禁止領域内に侵入するか否かを判定し、前記作業装置が前記禁止領域内に侵入しないと判定した場合には、前記作業装置の軌道予測の演算結果を基に、前記作業装置の先端部が前記予測時間区間において前記目標位置に向かって近づくような前記作業装置の動特性の入力である第1入力を演算し、前記作業装置が前記禁止領域内に侵入すると判定した場合には、前記禁止領域外における前記目標位置とは異なる位置であって前記作業装置の先端部の位置よりも前記目標位置に近い位置を目標として、前記作業装置の先端部が前記予測時間区間において近づくような前記作業装置の動特性の入力である第2入力を演算し、演算結果の前記作業装置の動特性の第1入力及び第2入力を基に、前記積載機の動作を制御する制御入力を演算し、演算結果の制御入力を基に前記積載機の制御を行うことを特徴とする。
本発明の一例によれば、積載機の作業装置の動特性を用いた作業装置の軌道予測の演算結果を基に作業装置の先端部が禁止領域に侵入しないという制約条件の下で算出した積載機の制御入力を用いることで、作業装置の先端部が禁止領域を回避して積載作業の目標位置に近づくように積載機の動作を制御することができる。したがって、積載機と搬送機の両者の位置関係によらずに積載作業を確実に支援することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明の積載作業支援システムの実施の形態について図面を用いて説明する。
[第1の実施の形態]
まず、本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態における支援対象の積載機側の一例である油圧ショベルの構成について図1を用いて説明する。図1は本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態における支援対象の積載機の一例である油圧ショベルを示す斜視図である。ここでは、運転席に着座したオペレータから見た方向を用いて説明する。
まず、本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態における支援対象の積載機側の一例である油圧ショベルの構成について図1を用いて説明する。図1は本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態における支援対象の積載機の一例である油圧ショベルを示す斜視図である。ここでは、運転席に着座したオペレータから見た方向を用いて説明する。
図1において、油圧ショベル100は、搬送機に対して積荷を積載する積載機の一種であり、積荷としての土砂や鉱石等を積載する。油圧ショベル100は、掘削作業や積載作業などを行うフロント作業装置101と、フロント作業装置101が回動可能に取り付けられた車体とで構成されている。車体は、自走可能な下部走行体102と、下部走行体102上に旋回可能に搭載された上部旋回体103とで構成されている。
フロント作業装置101は、複数の被駆動部材を垂直方向に回動可能に連結して構成された多関節型のものである。複数の被駆動部材は、例えば、ブーム106、アーム107、バケット108とで構成されている。ブーム106の基端部は、上部旋回体103の前部に垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム106の先端部には、アーム107の基端部が回動可能に支持されている。アーム107の先端部には、バケット108が回動可能に支持されている。作業具としてのバケット108は、フロント作業装置101の先端部に配置されるものである。ブーム106、アーム107、バケット108はそれぞれ、油圧アクチュエータであるブームシリンダ110、アームシリンダ111、バケットシリンダ112によって駆動される。なお、バケット108は、バケット108と連動して回動するリンク部材113を介して駆動される。
下部走行体102は、例えば、左右にクローラ式の走行装置114(一方側のみ図示)を備えている。走行装置114は、油圧アクチュエータである走行油圧モータ114aによって駆動する。
上部旋回体103は、例えば、油圧アクチュエータである旋回油圧モータ104によって下部走行体102に対して旋回駆動されるように構成されている。上部旋回体103は、オペレータが搭乗する運転室116と、各種機器を収容する機械室117とを備えている。
運転室116には、各油圧アクチュエータ104、110、111、112、114aを操作するための操作装置118a、118b、118cが設けられている。操作装置118a、118bは、例えば、前後左右に傾倒可能な操作レバーを有する電気式の操作レバー装置である。電気式の操作レバー装置118a、118bは、操作レバーの傾倒方向および傾倒量、すなわち操作方向および操作量を電気的に検出する検出装置(図示せず)を有しており、検出した操作方向および操作量に応じた操作信号を後述のショベルコントローラ10(後述の図5参照)へ電気配線を介して出力する。操作レバー装置118a、118bの前後方向の操作および左右方向の操作はそれぞれ、各油圧アクチュエータ104、110、111、112の操作として割り当てられている。すなわち、操作レバー装置118a、118bの各操作は、フロント作業装置101の操作や上部旋回体103の旋回操作などとして割り当てられている。操作装置118cは、前後に傾倒可能な走行レバー及び走行ペダルを有する電気式の操作装置である。操作装置118cは、油圧アクチュエータ114aの操作、すなわち、左右の走行装置114の走行操作として割り当てられている。
機械室117には、エンジンや電動機などの原動機121や原動機121により駆動される油圧ポンプ装置122などが配置されている。油圧ポンプ装置122から吐出された圧油が供給されることで各油圧アクチュエータ104、110、111、112、114aが駆動する。各油圧アクチュエータ104、110、111、112、114aの駆動は、各油圧アクチュエータ104、110、111、112、114aに対応する制御弁の集合体である制御弁ユニット123によって制御される。制御弁ユニット123を構成する各制御弁は、対応する油圧アクチュエータ104、110、111、112、114aに対して油圧ポンプ装置122から供給される圧油の方向及び流量を制御するものである。各制御弁の駆動は、例えば、パイロットポンプ(図示せず)から電磁比例弁(図示せず)を介して出力されるパイロット圧により制御される。各電磁比例弁が操作装置118a、118b、118cからの操作信号を基にショベルコントローラ10により制御されることで、制御弁ユニット123の各制御弁を介して各油圧アクチュエータ104、110、111、112、114aの動作が制御される。
なお、操作装置118a、118b、118cは、電気式でなく、油圧式で構成することも可能である。この場合、各操作装置118a、118b、118cの操作方向および操作量に応じたパイロット圧を制御弁ユニット123の各制御弁に対して供給することで、各油圧アクチュエータ104、110、111、112、114aを駆動させるように構成する。
上部旋回体103には、慣性計測装置(Inertial Measurement Unit:IMU)125が設置されている。また、フロント作業装置101を構成するブーム106、アーム107、バケット108にもそれぞれ、慣性計測装置(IMU)126、127、128が設置されている。これら4つの慣性計測装置を区別するため、上部旋回体103(車体)用の慣性計測装置125を車体IMU、ブーム106用の慣性計測装置126をブームIMU、アーム107用の慣性計測装置127をアームIMU、バケット108用の慣性計測装置128をバケットIMUと称する。なお、バケットIMU128は、バケット108ではなく、バケット108と連動して回動するリンク部材113に設置することも可能である。
各IMU125、126、127、128は、設置部分103、106、107、108に生じる加速度及び角速度を検出すると共に、検出した加速度及び角速度に基づき当該設置部分103、106、107、108の角度を演算するものである。これら4つのIMU125~128は、車体102、103及びフロント作業装置101の各構成部材106、107、108の加速度及び角速度を検出すると共に検出結果の加速度及び角速度に基づいて角度演算を行うことで、フロント作業装置101の姿勢を検出する姿勢検検出器として機能する。
車体IMU125は、例えば、上部旋回体103が静止状態のとき、車体IMU125に設定されたIMU座標系において検出された重力加速度の方向(鉛直下向きの方向)及び車体IMU125の取付状態(車体IMU125と上部旋回体103との相対的な位置関係)に基づき、水平面に対する上部旋回体103の前後方向への傾き(ピッチ角)及び左右方向(幅方向)への傾き(ロール角)を演算することが可能である。また、車体IMU125は、検出した角速度を時間的に積分することで基準時点からの角度変化を演算することが可能である。車体IMU125は、車体102、103の加速度及び角速度の検出結果及び車体102、103の角度の演算結果をショベルコントローラ10へ出力する。ブームIMU126、アームIMU127、バケットIMU128の場合も、車体IMU125と同様である。
なお、本実施の形態においては、各IMU125、126、127、128がそれぞれ加速度及び角速度の検出結果に基づき当該設置部分の角度の情報を演算する角度演算機能を実装しているものを想定している。しかし、それらのIMU125~128が当該角度演算機能を内蔵していない場合には、ショベルコントローラ10が当該角度演算機能を備えるように構成すればよい。
ブームシリンダ110には、シリンダ圧力を検出する圧力センサ129が設置されている。圧力センサ129は、フロント作業装置101の負荷を検出する負荷検出器として機能するものであり、検出結果をショベルコントローラ10へ出力する。圧力センサ129により検出されたブームシリンダ110の圧力とIMU125~128により取得されたフロント作業装置101の姿勢情報とに基づき、バケット108が抱える土砂の重量を算出するペイロード演算が可能である。なお、アームシリンダ111やバケットシリンダ112にも、圧力センサを設ける構成が可能である。当該圧力センサは、後述の積載作業支援システム1による油圧ショベル100の動作の制御に利用することができる。
上部旋回体103には、複数の衛星からの測位信号を受信可能な2つのGNSSアンテナ131、132が取り付けられている。各GNSSアンテナ131、132が受信した測位信号は、GNSS受信機133(後述の図5参照)に入力される。GNSS受信機133は、GNSSアンテナ131、132が受信した測位信号を基に、アンテナ座標(油圧ショベル100の特定位置)の演算や上部旋回体103の方位の演算などの測位演算を行うものである。GNSS受信機133は、測位演算の演算結果である油圧ショベル100(上部旋回体103)の位置、速度、方位をショベルコントローラ10へ出力する。GNSSアンテナ131、132とGNSS受信機133は、油圧ショベル100に対する衛星測位を行う測位システムを構成している。GNSSアンテナ131、132は位置を検出する位置検出器として機能し、GNSS受信機133は油圧ショベル100自身の位置及び方位を算出する自己位置算出器(第1位置算出器)として機能する。
GNSS受信機133は、現場内に設置されたGNSS固定局に無線通信を介して接続することで、RTK(Real Time Kinematic)測位を実行することが可能である。GNSS固定局がない現場の場合には、インターネットを介して電子基準局の情報を取得するネットワーク型RTKを利用した測位を実行することが可能である。以下、現場内の固定局の有無を問わず、GNSS受信機133がRTK測位を実行可能であることを想定している。
次に、本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態における支援対象の搬送機側の一例であるダンプトラックの構成について図2を用いて説明する。図2は本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態における支援対象の搬送機の一例であるダンプトラックの外観を模式的に示す図である。
図2において、ダンプトラック200は、積荷を搬送する搬送機の一種であり、土砂や鉱石等を積荷として搬送する。ダンプトラック200は、自走可能な車体201と、車体201上に傾転可能に搭載され、積荷を積載する荷台202とで大略構成されている。車体201は、前後方向(図2中、左右方向)に延びる支持構造体である車体フレーム204と、車体フレーム204の前端部に配置された運転室205と、車体フレーム204の前後の左右両側にそれぞれ回転可能に設けられた車輪206を備えている。車体フレーム204と荷台2の底部とにホイストシリンダ203が取り付けられている。ホイストシリンダ203は、例えば、伸縮する油圧シリンダである。荷台202は、ホイストシリンダ203の伸縮により、積荷を搬送する際の搬送位置(二点鎖線で示す)と荷台202から積荷を放土する際の放土位置(実線で示す)との間で車体フレーム204に対して傾転する。
運転室205の後方または車体フレーム204には、エンジンやトランスミッションなどのパワートレイン(図示せず)が配置されており、当該パワートレインを制御することにより車輪206の動き(走行動作)が制御される。運転室205には、アクセルペダルやブレーキペダル(図示せず)が配置されており、アクセルペダルやブレーキペダルの操作に応じて車輪206の回転動作が制御される。例えば、ブレーキ操作を行うと、車輪206に取り付けられたブレーキパッド(図示せず)が車輪206に押し付けられることでダンプトラック200の前後進を停止させることが可能である。パワートレインやブレーキの制御は、後述のトラックコントローラ20(後述の図5参照)を介して実行される。
運転室205には、GNSSアンテナ211及びGNSS受信機212が設置されている。運転室205には、また、ダンプトラック200の加速度及び角速度を検出可能な慣性計測装置213(以下、トラックIMUと称する)が設置されている。図2中、GNSSアンテナ211を運転室205の外部に配置する構成を示しているが、小型アンテナを運転室205内に配置する構成も可能である。
GNSSアンテナ211は、例えば油圧ショベル100の場合と同様に、2つのアンテナで構成することが可能である。この場合、GNSS受信機212は、2つのGNSSアンテナ211が受信した測位信号を基に、ダンプトラック200の位置(座標)の演算に加えて、ダンプトラック200の方位の演算を行うことが可能である。一方、GNSSアンテナ211が1つのアンテナで構成されている場合には、GNSS受信機212がダンプトラック200の位置(座標)のみを演算し、ダンプトラック200のこれまでの走行軌跡及びトラックIMU213により検出された角速度を基にトラックコントローラ20がダンプトラック200の方位を演算するように構成することも可能である。また、GNSS受信機212は、GNSSアンテナ211により検出されたドップラーシフトを基に、ダンプトラック200の移動速度を演算することも可能である。
GNSS受信機212は、測位演算の演算結果であるダンプトラック200の位置や方位、移動速度などをトラックコントローラ20へ出力する。トラックIMU213は、検出した加速度や角速度をトラックコントローラ20へ出力する。GNSSアンテナ211は位置を検出する位置検出器として機能し、GNSS受信機212はダンプトラック200の位置及び方位を算出する自己位置算出器(第2位置算出器)として機能する。トラックIMU213は、ダンプトラック200の姿勢を検出する姿勢検出器として機能する。
次に、油圧ショベルのダンプトラックに対する積載作業における油圧ショベルの動作について図3及び図4を用いて説明する。図3はダンプトラックに対する油圧ショベルの積込作業における動作の一例を示す説明図である。図4はダンプトラックに対する油圧ショベルの積込作業における動作の別の例を示す説明図である。
油圧ショベル100のダンプトラック200に対する土砂の積載作業は、例えば図3に示すように、油圧ショベル100が土砂とダンプトラック200の間に位置する位置関係の場合、上部旋回体103の旋回動作とフロント作業装置101の動作を組み合わせた複合動作によって行われる。一方、図4に示すように、油圧ショベル100の真正面に土砂とダンプトラック200が一直線上に並んだ位置関係の場合には、当該積載作業はフロント作業装置101の動作のみによって行われる。
油圧ショベル100とダンプトラック200の位置関係が図3に示す場合や図4に示す場合であっても、ダンプトラック200に対する油圧ショベル100の積載作業の作業支援を実行できることが望ましい。本実施の形態においては、油圧ショベル100とダンプトラック200の位置関係によらずに油圧ショベル100のフロント作業装置101とダンプトラック200の接触回避の支援動作を実行することができる積載作業支援システム1を構築するものである。
次に、本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の構成について図5を用いて説明する。図5は本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。
積載作業支援システム1は、例えば、油圧ショベル100(図1参照)の動作を制御するショベルコントローラ10と、ダンプトラック200(図2参照)の動作を制御するトラックコントローラ20と、管制コントローラ30とを備えている。ショベルコントローラ10及びトラックコントローラ20はそれぞれ油圧ショベル100及びダンプトラック200に搭載されている。管制コントローラ30は、例えば、コンピュータ(サーバ)により構成されており、油圧ショベル100及びダンプトラック200の稼働状況を管理するものである。管制コントローラ30は、施工現場内や施工現場から離れた場所など任意の場所に設置可能である。管制コントローラ30は、油圧ショベル100に搭載してもよい。
ショベルコントローラ10は、操作装置118a、118b、118c(図1参照)の操作方向や操作量に応じて油圧ポンプ装置122や制御弁ユニット123(共に図1参照)の各制御弁などに対する制御指令(傾転角や電磁弁操作圧など)を算出して各種の油圧アクチュエータ104、110、111、112、114a(図1参照)の挙動を制御するものである。ショベルコントローラ10には、自己位置算出器としてのGNSS受信機133が出力する油圧ショベルの位置及び方位の情報、負荷検出器としての圧力センサ129が出力するシリンダ圧力、並びに、姿勢検出器としての複数のIMU125~128が出力する角度及び角速度(姿勢情報)が入力される。
トラックコントローラ20は、アクセル207及びブレーキ208の動作を制御することで、ダンプトラック200の移動を制御するものである。トラックコントローラ20には、自己位置算出器としてのGNSS受信機212が出力するダンプトラック200の位置及び利用可能な場合には方位の情報、並びに、姿勢検出器としてのIMU213が出力する角速度の情報が入力される。
ショベルコントローラ10、トラックコントローラ20、管制コントローラ30は、それぞれ通信機能を有しており、通信ネットワークを介して相互に接続可能である。管制コントローラ30は、当該通信機能によって、ショベルコントローラ10及びトラックコントローラ20と相互に上述した各種情報の授受を行う。なお、管制コントローラ30は、上述の各種センサ125~129、133、212~213が出力した各種情報をショベルコントローラ10及びトラックコントローラ20を介さずに直接取得する構成も可能である(図5中、二点鎖線のラインを参照)。この場合、各種センサ125~129、133、212~213は、通信機能を予め備えているものを採用してもよいし、通信機能を備えていない場合には、通信ユニットを別途追加する構成であっても良い。
本実施の形態においては、ショベルコントローラ10、トラックコントローラ20、及び管制コントローラ30の3つのコントローラの集合体が積載作業支援システム1の制御装置であり、当該制御装置により実現される機能を支援システム管制部40と称する。各コントローラ10、20、30は、ハード構成として例えば、RAMやROM等からなる記憶装置10a、20a、30aと、CPUまたはMPU等からなる処理装置10b、20b、30bとを備えている。記憶装置10a、20a、30aには、油圧ショベル100のダンプトラック200に対する積載作業を支援するために必要なプラグラムや各種情報が予め記憶されている。処理装置10b、20b、30bは、記憶装置10a、20a、30aからプログラムや各種情報を適宜読み込み、当該プログラムに従って処理を実行することで以下の支援システム管制部40の機能を含む各種機能を実現する。
次に、本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の機能部の構成について図6~図12を用いて説明する。図6は図5に示す本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。
図6において、積載作業支援システム1の制御装置としての支援システム管制部40は、概略すると、油圧ショベル100(図1参照)のダンプトラック200(図2参照)に対する積載作業において、油圧ショベル100のモデル(動特性)を用いてフロント作業装置101(図1参照)の軌道を予測する演算を行い、予測結果を用いて油圧ショベル100とダンプトラック200との接触を回避する制約条件の下で制御入力を演算し、演算結果の制御入力に基づき油圧ショベル100の制御を行うものである。
本実施の形態の支援システム管制部40では、例えば、荷重演算部41、動特性演算部42、ショベル制御部61がショベルコントローラ10に実装されている。また、目標位置設定部43、禁止領域設定部44がトラックコントローラ20に実装されている。また、制御入力演算部50が管制コントローラ30に実装されている。制御入力演算部50は、例えば、軌跡予測部51、侵入判定部52、第1制御入力演算部53、第2制御入力演算部54、制御入力決定部55とで構成されている。上述の各機能部41~44、51~55、61の各コントローラ10、20、30への振り分けは一例であり、同一の機能を実現できれば、各機能部41~44、51~55、61の振り分けは任意である。なお、3つのコントローラに物理的な接続がない場合には各コントローラに通信機能が必要になるが、図の簡易化のために通信機能を省略している。
荷重演算部41は、負荷検出器129の出力及び姿勢検出器125~128の出力に基づき、油圧ショベル100のバケット108がすくって保持している土砂(積荷)の重量(荷重)を演算するものである。具体的には、土砂の重量は、圧力センサ129により検出されたシリンダ圧力及び各IMU125~128が検出した姿勢情報を基に算出したフロント作業装置101の油圧シリンダ110の支持力とフロント作業装置101に作用する力のモーメントとから演算することが可能である。ここで、荷重演算部41の演算結果である土砂の重量をmBKとする。
動特性演算部について図7を用いて説明する。図7は図6に示す本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の一部を構成する動特性演算部で用いられるフロント作業装置のモデルを示す説明図である。
動特性演算部42は、荷重演算部41の演算結果の土砂の重量を考慮した油圧ショベル100のフロント作業装置101の動特性(モデル)を算出する。フロント作業装置101の動特性として、例えば、運動方程式を採用することが可能である。バケット108が空荷状態のときの運動方程式は、フロント作業装置101の各被駆動部材106、107、108の各寸法及びフロント作業装置101の慣性モーメントを事前に取得しておくことで予め導出しておくことができる。動特性演算部42は、バケット108が空荷状態の場合に導出した運動方程式のパラメータを荷重演算部41の演算結果の土砂の重量mBKに基づいて調整する機能として用いられる。
フロント作業装置101は、例えば図7に示すように、ブーム106、アーム107、バケット108をそれぞれ剛体リンク系で模擬することができる。各剛体リンクのリンク長LSWG、LBM、LAM、LBK、及び慣性モーメントIを利用すれば、オイラー・ラグランジュ方程式によって、各リンクの運動方程式を以下の式(1)で表現することができる。
なお、式(1)中、θ、ω、τはそれぞれ、各リンクの回転角度、角速度、各リンクの回動軸に加わる駆動トルクを示している。また、式(1)及び図7中、下付き文字のBM、AM、BK、SWGはそれぞれ、ブーム106、アーム107、バケット108、上部旋回体103を示している。
各リンクの回動軸の回動動作は、フロント作業装置101の各油圧シリンダ110~112の伸縮動作又は旋回油圧モータ104の回動動作によって実現される。そのため、駆動トルクτは、以下の式(2)のような油圧アクチュエータ110~112、104に作用する圧油の圧力pに応じた変換式が必要である。なお、式(1)及び式(2)の詳細な説明は、本発明の本質的なものではないので、省略する。
上述の式(1)におけるバケット108の慣性モーメントIBKは荷重演算部41により算出された土砂(積荷)の重量(荷重)mBKに応じて変化し、上部旋回体103の慣性モーメントISWGはフロント作業装置101の姿勢に応じて変化する。このように、油圧ショベル100の動作は厳密には慣性モーメントIに依存するので、式(1)の運動方程式(動特性)は慣性モーメントIに依存するものである。したがって、フロント作業装置101の挙動を正確に予測するには、慣性モーメントIを考慮した動特性を用いる必要がある。
目標位置設定部について図8を用いて説明する。図8は図6に示す本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の一部を構成する目標位置設定部43が設定する目標位置の一例を示す説明図である。
目標位置設定部43は、自己位置算出器212が出力するダンプトラック200の位置及び方位の情報を基に、フロント作業装置101のバケット108が積載作業で到達すべき位置としての目標位置を設定するものである。具体的には、目標位置は、ダンプトラック200の荷台202の上方に設定される。ダンプトラック200のサイズが油圧ショベル100に対して小さくない限り、油圧ショベル100の積載作業は、ダンプトラック200が土砂(積荷)を搬送するまでに複数回実行されることが一般的である。このような場合、設定される目標位置は積込回数に応じて適宜変更することが望ましい。例えば、積込作業が3回必要なサイズのダンプトラックの場合、図8に示すように、荷台202に対して異なる3か所の位置に目標位置を設定することが望ましい。例えば、積込作業における1回目の目標位置Pt1を荷台202の前側に、2回目の目標位置Pt2を荷台202の中央側に、3回目の目標位置Pt3を荷台202の後側に設定する。
禁止領域設定部44について図9~図11を用いて説明する。図9Aは図6に示す本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の一部を構成する禁止領域設定部が設定する禁止領域の一例を示す図(ダンプトラックの側面側を見る図)である。図9Bは図9Aに示す禁止領域をダンプトラックの上方から見下ろしたときの図である。図10は図6に示す本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の一部を構成する禁止領域設定部が設定する禁止領域の第2例を示す図(ダンプトラックの側面側を見る図)である。図11は図6に示す本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の一部を構成する禁止領域設定部が設定する禁止領域の第3例を示す図(ダンプトラックの側面側を見る図)である。
禁止領域設定部44は、自己位置算出器212が出力するダンプトラック200の位置及び方位の情報を基に、フロント作業装置101の侵入を禁止する禁止領域を設定するものである。禁止領域は、例えば図9A及び図9Bに示すように、ダンプトラック200を囲むように設定される。禁止領域がダンプトラック200を囲むように設定されることで、油圧ショベル100のダンプトラック200に対する接触回避の支援動作の制御が実行可能となる。
禁止領域は、例えば図10に示すように、ダンプトラック200の運転室205の周囲を図9A及び図9Bに示す禁止領域よりも広くすることが可能である。これにより、ダンプトラック200のオペレータに不安を与えるようなフロント作業装置101の経路が選択されることを回避することが可能となる。
また、禁止領域は、ダンプトラック200が移動している場合、停止時に比べて広く設定することが望ましい。例えば、ダンプトラック200が所定位置に向かって後進で接近する場合、図11に示すように、禁止領域をダンプトラックの後方で広く設定する。これにより、ダンプトラック200が油圧ショベル100に接近してくる場合でも、安全性を高めることができる。
なお、ダンプトラック200の移動速度の検出は、自己位置算出器としてのGNSS受信機212の出力が高精度なので、GNSS受信機212の利用を前提としている。しかし、ダンプトラック200の移動速度を検出する検出器として、ダンプトラック200に搭載されている車速センサで代用することもできる。
制御入力演算部50は、油圧ショベル100のモデル(動特性)を用いて有限の時間区間におけるフロント作業装置101の軌道を予測する演算を行い、軌道予測の演算結果を基に、フロント作業装置101の先端部が上述の禁止領域に侵入しないという制約条件の下で上述の積載作業の目標位置に近づくような動特性の入力(油圧ショベル100に対する制御入力)を演算するものである。具体的には、制御入力演算部50は、例えば、フロント作業装置101の軌道を予測する演算を行う軌跡予測部51と、軌道予測の演算結果が上述の禁止領域に侵入するかを判定する侵入判定部52と、軌道予測の演算結果が禁止領域に侵入しないと判定された場合に或る条件下の動特性の入力(制御入力)を演算する第1制御入力演算部53と、軌道予測の演算結果が禁止領域に侵入すると判定された場合に第1制御入力演算部53の演算とは異なる条件下の動特性の入力(制御入力)を演算する第2制御入力演算部54と、第1制御入力演算部53の演算結果と第2制御入力演算部54の演算結果を基に油圧ショベル100の制御入力を決定する制御入力決定部55とで構成されている。
軌道予測部51は、動特性演算部42により算出された運動方程式(慣性モーメントが決定されているモデル)を用い、特定の駆動トルクを入力したときのフロント作業装置101の軌道を有限の時間区間において予測するものである。具体的には、動特性(モデル)を基にした以下の式(3)に従って或る有限の予測時間区間(時刻t0から時刻tpまでの区間)の積分演算を行うことでフロント作業装置の軌道を予測する。式(3)において、upは制御入力であり、x0はxpの初期値である。
初期値x0としては、姿勢検出器125~128より検出されたフロント作業装置101の角度θ(BM、AM、BK)、角速度ω(BM、AM、BK)、旋回角速度ωSWG、及び、自己位置算出器133により検出された旋回角度θSWG(方位)を用いる。これらの情報はショベルコントローラ10を介して利用可能である。制御入力upは、各油圧アクチュエータ104、110、112、112に対する駆動トルクτpをまとめたものである。この制御入力up(各駆動トルクτp)の決め方は後述する。なお、式(3)は、連続時間システムの表記であるが、離散時間システムの表記であってもよい。式(3)の出力xpや制御入力upは、予測時間区間(時刻t0~tp)を複数に区分する各時刻(予測ステップ)ごとに定まるものである。
侵入判定部52は、軌道予測部51によるフロント作業装置101の軌道予測の演算結果が禁止領域設定部44により設定された禁止領域に侵入するか否かを判定するものである。なお、侵入判定部52は、軌道予測部51の予測演算と同様に、ダンプトラック200の移動(位置情報)を予測する予測演算機能を備える構成も可能である。
第1制御入力演算部53は、軌道予測部51によるフロント作業装置101の軌道予測のうち、バケット108のつめ先位置(フロント作業装置101の先端部)の軌道に注目して制御入力を演算するものである。すなわち、当該つめ先位置が予測時間区間(時刻t0~tp)の経過後に目標位置設定部43により設定された目標位置ydに接近するような駆動トルクτを演算する。具体的には、フロント作業装置101の軌道からバケットの108のつめ先位置y(フロント作業装置101の先端部の位置)への変換式である以下の式(4)とフロント作業装置101の軌道を演算するための以下の式(5)とに従って、つめ先位置yが目標位置ydとなるxdを実現する制御入力udを演算する。制御入力udは、油圧ショベル100の各油圧アクチュエータ104、110、112、112に対する理想的な駆動トルクτdをまとめたものである。
なお、目標位置ydは、ダンプトラック200の位置に応じて変化する。このため、目標位置ydは、ダンプトラック200の位置xtrに依存する座標変換の以下の式(6)によって算出されることに注意されたい。
第2制御入力演算部54は、フロント作業装置101の軌道のうちバケット108のつめ先位置が予測時間区間(時刻t0~tp)において禁止領域設定部44により設定された禁止領域に侵入すること回避するような制御入力uaを演算するものである。制御入力uaの演算方法は、第1制御入力演算部53の制御入力udの演算方法と類似したものであり、上述の式(4)及び式(5)を用いる。ただし、フロント作業装置101の軌道は、バケット108の積載作業の目標位置ydを基に演算されるのではなく、禁止領域外の目標位置ydとは異なる位置を基に演算される。
次に、制御入力演算部50の具体的な演算の流れについて図12A~図12Dを用いて説明する。図12A~図12Dは、図6に示す本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の一部を構成する制御入力演算部の演算方法を説明する図であり、当該演算の第1段階~第4段階の一例を示す説明図である。
図12Aは、バケット108のつめ先位置を目標位置ydに到達させるための軌道予測の演算結果(破線)が示されている。この軌道予測の演算結果は、禁止領域設定部44により設定された禁止領域に侵入している。軌道予測の演算結果が禁止領域に侵入した最初の座標を座標ya1とする。
この場合、第2制御入力演算部54は、図12Bに示すように、禁止領域への侵入位置である座標ya1を参照し、禁止領域外であってつめ先位置よりも放土(積載作業)の目標位置ydに近づく新たな座標ya2を設定する。放土の目標位置ydからこの座標ya2につめ先位置の目標を置き換えることで、当該つめ先位置が予測時間区間(時刻t0~tp)後に座標ya2に接近する制御入力uaを演算することができる。これにより、バケット108のつめ先位置が放土位置としての目標位置ydには到達しないが、禁止領域への侵入を回避しつつ当該つめ先位置が目標位置ydに接近する制御を実現することができる。
次の制御周期のときにも、図12Cに示すように、図12Aに示す場合と同様に、バケット108のつめ先位置を目標位置ydに到達させるための軌道予測の演算を行う。軌道予測の演算結果が禁止領域に侵入している場合、第2制御入力演算部54は、禁止領域に侵入した座標ya1を算出する。次に、図12Dに示すように、図12Bに示す場合と同様に、座標ya1を参照して禁止領域外であって当該つめ先位置よりも放土の目標位置ydに近づく新たな座標ya2を算出する。
このように、バケット108のつめ先位置を目標位置ydに到達させるための軌道予測の演算結果が禁止領域に侵入する場合には、第2制御入力演算部54が禁止領域に侵入した座標ya1近傍の新たな座標ya2を目標として軌道予測の演算を繰り返し行うことで、バケット108のつめ先位置を禁止領域に侵入させることなく放土の目標位置ydに合わせることができる。
なお、第2制御入力演算部54は、フロント作業装置101のつめ先以外の任意の部位の軌道を考慮する構成も可能である。ただし、フロント作業装置101の複数位置の禁止領域への侵入を考慮すると、第2制御入力演算部54の演算負荷が膨大になってしまう懸念がある。そこで、禁止領域設定部44が禁止領域を広めに設定することで、バケット108のつめ先位置のみが禁止領域に侵入しないように制御するような構成も可能である。
制御入力決定部55は、予測時間区間(時刻t0~tp)を複数に区分する各時刻(予測ステップ)における第1制御入力演算部53の演算結果である制御入力udまたは第2制御入力演算部54の演算結果である制御入力uaに基づき、予測時間区間(時刻t0~tp)の全区間に亘る制御入力ufを決定する。制御入力決定部55は、各予測ステップにて演算した制御入力を逐次記憶しておき、記憶している一連の制御入力を軌道予測部51の軌道予測の演算用に軌道予測部51へ出力する。制御入力ufは、第1制御入力演算部53の演算結果及び第2制御入力演算部54の演算結果により構成されるものなので、バケット108のつめ先が禁止領域に侵入しない範囲で目標位置に近づく制御入力となる。制御入力ufは、フロント作業装置101の各リンクに加わる駆動トルクτfである。制御入力決定部55は、決定した駆動トルクτfをショベル制御部61(ショベルコントローラ10)へ送信する。
ショベル制御部61は、制御入力決定部55から送信された制御入力uf(駆動トルクτf)を実現する指令値を算出する。具体的には、油圧ショベル100の各油圧アクチュエータ104、110、111、112の駆動トルクτfを上述の式(2)の関係式に従って各油圧アクチュエータ104、110、111、112の圧力pに変換する。ショベル制御部61は、各油圧アクチュエータ104、110、111、112の圧力が指令値となるように、油圧ポンプ装置122及び制御弁ユニット123の各制御弁を制御することで,上述の駆動トルクτfを実現する。
なお、支援システム管制部40の機能部を示す図6のブロック図は、理解のしやすさを優先したものとなっている。しかし、実際には、支援システム管制部40の制御入力演算部50の演算は、繰り返し計算が実行される構成になっている。つまり、制御入力演算部50は、或る有限の予測時間区間の軌道予測を用いて当該予測時間区間中の複数の時刻の各時刻(予測ステップ)に対する制御入力を繰り返し計算により決定するものである。
ここでは、制御入力演算部50の演算手順の詳細について図13を用いて説明する。図13は図6に示す本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態における処理手順の一例を示すフローチャートである。図13に示すフローチャートは制御周期の1回分の演算を示すものであり、図13に示す演算はシステム稼働中ずっと繰り返されることに注意されたい。
まず、図6に示す支援システム管制部40は、各種センサから各種情報を取得する(ステップS10)。具体的には、油圧ショベル100の姿勢検出器125~128から油圧ショベル100の姿勢情報、自己位置算出器133から油圧ショベル100の位置及び方位の情報、負荷検出器129からフロント作業装置101の負荷の情報を取得する。また、ダンプトラック200の自己位置算出器212からダンプトラック200の位置及び方位の情報を取得する。
次に、支援システム管制部40は、各種センサの出力に基づき動特性(運動方程式)を決定する(ステップS20)。具体的には、動特性演算部42が、フロント作業装置101の姿勢及び荷重演算部41が演算したバケット108内の土砂の重量mBKに基づき、フロント作業装置101の慣性モーメントIを演算して上述の式(1)の運動方程式を決定する。
また、支援システム管制部40は、バケット108のつめ先の積載作業の最終的な到達点(放土位置)である目標位置を設定する(ステップS30)。具体的には、目標位置設定部43が、自己位置算出器212からのダンプトラック200の位置xtrに基づき放土の目標位置を設定する(例えば、図8参照)。
また、支援システム管制部40は、フロント作業装置101の侵入が禁止される領域である禁止領域を設定する(ステップS40)。具体的には、禁止領域設定部44が、自己位置算出器212からのダンプトラック200の位置xtrに基づきダンプトラック200の周囲を囲むような禁止領域を設定する(例えば、図9A~図11参照)。なお、ステップS20~S40の処理については順序を問わない。
次に、支援システム管制部40は、後述のステップS60で実行される軌道予測の演算の初期入力を設定する(ステップS50)。具体的には、軌道予測部51が、ステップS20で決定した運動方程式の初期入力として、各種センサから取得した各種情報を基に定まるフロント作業装置101の初期状態x0を設定する。また、軌道予測部51は、ステップS20で決定した運動方程式の制御入力upの初期入力として、任意の制御入力u0を設定する。
次いで、支援システム管制部40は、有限の予測時間区間におけるフロント作業装置101の軌道を予測する演算を行う(ステップS60)。具体的には、軌道予測部51が、制御入力up=初期入力u0として上述の式(3)を用いて演算する。この演算は、予測時間区間(時刻t0~時刻tp)の積分演算を含むので、制御入力upは、予測時間区間中の複数の時刻(例えば、t0、t1、t2、…、tk=tp)の各時刻(各予測ステップ)に対して必要である。
支援システム管制部40は、ステップS60にて演算された予測軌道の演算結果がステップS40にて設定された禁止領域に侵入したか否かを判定する(ステップS70)。侵入判定部52が侵入していない(NO)と判定した場合には、ステップS80に進む一方、侵入判定部52が侵入した(YES)と判定した場合には、ステップS90に進む。
ステップS70においてNOと判定した場合には、支援システム管制部40は、バケット108のつめ先位置が放土用の目標位置ydに接近するような制御入力udを演算する(ステップS80)。具体的には、第1制御入力演算部53は、予測軌道の演算結果を基に、上述の式(4)~式(6)を用いてつめ先位置yが放土用の目標位置ydに到達するxdを実現する制御入力udを演算する。
一方、ステップS70においてYESと判定した場合には、支援システム管制部40は、バケット108のつめ先位置が禁止領域に侵入することを回避するような制御入力uaを演算する(ステップS90)。具体的には、第2制御入力演算部54は、第1制御入力演算部53と同様な演算方法を用いて制御入力uaを演算する。ただし、つめ先位置yの予測時間区間の経過後の到達位置を、放土用の目標位置ydとするのではなく、予測軌道の演算結果が禁止領域に侵入した位置近傍の禁止領域外の或る位置ya2を目標位置として設定する(図12A~図12Dを参照)。
支援システム管制部40は、ステップS70の判定に応じて演算された制御入力ud又は制御入力uaを実際の制御で用いる制御入力ufとして決定し(ステップS100)、制御入力ufを記憶装置30a(図5参照)に記憶する。ただし、この決定された制御入力ufは、予測時間区間中の1予測ステップ(例えば、時刻t0、t1、t2、…、tkのいずれか)の制御入力である。すなわち、ステップS60~S100までの演算は、予測時間区間中の1予測ステップ分の制御入力を決定するものである。本実施の形態においては、制御入力演算部50がステップS60~S100の演算を繰り返し実行することで、予測時間区間中の複数の時刻のすべて(全予測ステップ)に対して制御入力ufを決定する(後述のステップS110を参照)。
ステップS100においては、制御入力決定部55が、各予測ステップで演算された制御入力ud又は制御入力uaを実際の制御で用いる制御入力ufとして記憶装置30aに逐次記憶させ、最終的に予測時間区間の全予測ステップに対する制御入力ufを記憶する。例えば、予測時間区間に対して時刻t0、t1、t2、…、tkのk+1個の予測ステップとした場合、制御入力決定部55は、U=[uf[t0]、uf[t1]、…、uf[tk]]というベクトル列を記憶する。
ステップS100において各予測ステップの制御入力が決定された後、支援システム管制部40は、予測時間区間の全予測ステップの演算を終了したか否かを判定する(ステップS110)。具体的には、制御入力決定部55が、ベクトル列Uの全要素uf[t]が格納されているか否かで判定する。ベクトル列Uの全要素uf[t]が格納されていない場合には、全予測ステップが完了していない(NO)と判定する一方、全要素uf[t]が格納されている場合には、全予測ステップが完了した(YES)と判定する。
ステップS110にてNOと判定した場合、ステップS60~S100の演算を繰り返し実行する。ただし、2回目以降のステップS60の演算では、軌道予測に用いる制御入力upとして、ステップS50にて設定した初期入力u0ではなく、1つ前の演算ループで決定されている制御入力のベクトル列Uに格納されている要素uf[t]を用いる点が異なる。
ステップS110にてYESと判定した場合、支援システム管制部40は、ステップS100にて決定した制御入力のベクトル列Uを制御指令に変換し、変換した制御指令を油圧ショベル100に対して出力する(ステップS120)。具体的には、ショベル制御部61がステップS100にて決定した制御入力ufのベクトル列Uを上述の式(2)の関係に従って圧力pに変換する。これにより、油圧ショベル100の油圧ポンプ装置122や制御弁ユニット123の各制御弁が各制御指令に応じて制御され、フロント作業装置101がダンプトラック200に接触することなく土砂を荷台202に積載することができる。
このように、本実施の形態においては、フロント作業装置101の軌道予測が禁止領域に侵入するか否かを判定し、当該予測軌道が侵入すると判定した場合には、目標位置設定部43により設定された放土用の目標位置ydとは異なる禁止範囲外の位置を目標として設定することで禁止領域に侵入しないフロント作業装置101の軌道を可能とする制御入力を演算する。したがって、フロント作業装置101がダンプトラック200に確実に接触することなく積載作業を行うことができる。
なお、上述の制御入力演算部50の演算は、モデル予測制御(Model Predictive Control:MPC)の枠組みで実行することが可能である。MPCは、制御対象の動特性(例えば、運動方程式)を用いて特定の時間先の挙動を予測し、特定の評価関数を最小化するように制御入力を算出する制御手法である(詳細は、非線形最適制御入門、大塚敏之、コロナ社(2011)を参照)。
本実施の形態におけるMPCの演算について図14A及び図14Bを用いて説明する。図14Aは本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態においてモデル予測制御の演算の枠組みを用いる場合の油圧ショベルと禁止領域の位置関係の一例を示す概略図である。図14Bは本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態においてモデル予測制御の演算の枠組みを用いる場合のペナルティ関数を説明する図である。
軌道予測部51から制御入力決定部55の繰り返し演算、すなわち、制御入力演算部50の演算は、MPCにおける評価関数を以下の式(7)として設計することと等価である。式(7)の評価関数Jを最小化する制御入力uを算出することで、フロント作業装置101が禁止領域に侵入しない油圧ショベル100の制御が可能となる。
式(7)は、式(7a)と式(7b)と式(7c)とを用いて構成されている。式(7a)は終端コストであり、式(7b)はステージコストである。式(7c)は、制約条件としてのペナルティコストである。なお、式中のh(x)は、フロント作業装置101の軌道をバケット108のつめ先位置に変換する変換式である前述の式(4)である。また、ydは、前述の目標位置設定部43により設定された放土用の目標位置である。
式(7a)及び式(7a)はともに、時刻tのつめ先位置h(x(t))が目標位置ydに近いほど値が小さくなる関数であることが分かる。評価関数Jは、予測時間区間である時刻t0から時刻tpまでの積分演算を含むものであり、フロント作業装置101の軌道予測の演算も実行する演算であると言える。つまり、式(7a)及び式(7b)の最適化(最小化)は、軌道予測部51と第1制御入力演算部53の演算機能を実行していると言える。
式(7c)のペナルティコストは、ペナルティ関数Fで定義されている。ペナルティ関数Fは、つめ先位置h(x(t))が禁止領域に侵入した場合のみ大きな値を出力する一方、禁止領域の範囲外にある場合には0を出力する関数である。以下に、このペナルティ関数Fの特性について説明する。説明を簡単にするために、図14Aに示すように、油圧ショベルのつめ先位置の範囲としてダンプトラックの側面(図14Aのx-z平面)の領域のみを考える。
つめ先位置のx座標がxminからxmaxまでの範囲、かつ、z座標がzminからzmaxまでの範囲にある場合、すなわち、つめ先位置が禁止領域の範囲内にある場合のみ、図14Bに示すように、ペナルティ関数Fは大きな値を出力することが特徴である。このようなペナルティ関数Fが評価関数Jに含まれている場合、つめ先位置の予測軌道が禁止領域に侵入すると、評価関数Jの値が急激に増加する。そのため、評価関数Jの最適化の過程によってペナルティ関数Fが大きな値を出力する解は除外される。つまり、つめ先位置が禁止領域を自ずと回避する制御入力が算出される。この演算は、侵入判定部52と第2制御入力演算部54を実行していると言える。
このように、評価関数Jは、バケット108のつめ先位置を目標位置ydに近づける終端コスト及びステージコストと、つめ先位置を禁止領域から遠ざけるペナルティ関数Fとで構成されている。したがって、評価関数Jは、第1制御入力演算部53の演算結果upおよび第2制御入力演算部54の演算結果uaを用いて最終的な制御入力ufを決定する制御入力決定部55と等価であると言える。
上述の式(7)の評価関数Jでは、制御入力uに関する項が陽に含まれておらず、フロント作業装置101の軌道が上述の式(3)を介して制御入力uと関連している。ただし、評価関数Jは、以下の式(8)のように設定することで、制御入力uに関する評価を導入する構成も可能である。この場合、式(8)のように制御入力uの項を導入することで、制御入力が過剰になることを防止することができる。
上述したように、本発明の第1の実施の形態に係る積載作業支援システム1は、荷台2を備えたダンプトラック200(搬送機)に対して、複数の被駆動部材106、107、108を回動可能に連結して構成された多関節型のフロント作業装置101(作業装置)を備えた油圧ショベル100(積載機)が積荷を積載する積載作業を支援するものであって、油圧ショベル100(積載機)の位置及び方位を算出する第1位置算出器133と、フロント作業装置101(作業装置)の姿勢を検出する姿勢検出器125~128と、ダンプトラック200(搬送機)の位置及び方位を算出する第2位置算出器212と、油圧ショベル100(積載機)の動作を制御する支援システム管制部40(ショベルコントローラ10とトラックコントローラ20と管制コントローラ30とで構成された制御装置)とを備えている。支援システム管制部40(制御装置)は、フロント作業装置101(作業装置)が積載作業で到達すべき位置である目標位置ydを第2位置算出器212の出力を基に設定し、フロント作業装置101(作業装置)の侵入が禁止される領域である禁止領域を第2位置算出器212の出力を基に設定し、第1位置算出器133の出力及び姿勢検出器125~128の出力を基にフロント作業装置101(作業装置)の動特性を決定し、フロント作業装置101(作業装置)の動特性を用いて有限の予測時間区間(時刻t0~時刻tp)におけるフロント作業装置101(作業装置)の軌道を予測する予測演算を行い、フロント作業装置101(作業装置)の軌道予測の演算結果を基に、フロント作業装置101(作業装置)が予測時間区間(時刻t0~時刻tp)において禁止領域内に侵入するか否かを判定し、フロント作業装置101(作業装置)が禁止領域内に侵入しないと判定した場合には、フロント作業装置101(作業装置)の軌道予測の演算結果を基に、フロント作業装置101(作業装置)のバケット108のつめ先(先端部)が予測時間区間(時刻t0~時刻tp)において目標位置ydに向かって近づくようなフロント作業装置101(作業装置)の動特性の入力である第1入力upを演算し、フロント作業装置101(作業装置)が禁止領域内に侵入すると判定した場合には、禁止領域外における目標位置ydとは異なる位置であってフロント作業装置101(作業装置)のバケット108のつめ先(先端部)の位置よりも目標位置ydに近い位置を目標として、フロント作業装置101(作業装置)の先端部が予測時間区間(時刻t0~時刻tp)において近づくようなフロント作業装置101(作業装置)の動特性の入力である第2入力uaを演算し、演算結果のフロント作業装置101(作業装置)の動特性の第1入力up及び第2入力uaを基に、油圧ショベル100(積載機)の動作を制御する制御入力を演算し、演算結果の制御入力を基に油圧ショベル100(積載機)の制御を行うように構成されている。
この構成よれば、油圧ショベル100(積載機)のフロント作業装置101(作業装置)の動特性を用いたフロント作業装置101(作業装置)の軌道予測の演算結果を基にフロント作業装置101(作業装置)のバケット108のつめ先(先端部)が禁止領域に侵入しないという制約条件の下で算出した油圧ショベル100(積載機)の制御入力を用いることで、フロント作業装置101(作業装置)のバケット108のつめ先(先端部)が禁止領域を回避して積載作業の目標位置ydに近づくように油圧ショベル100(積載機)の動作を制御することができる。したがって、油圧ショベル100(積載機)とダンプトラック200(搬送機)の両者の位置関係によらずに積載作業を確実に支援することができる。
また、本実施の形態に係るに係る積載作業支援システム1においては、フロント作業装置101(作業装置)の負荷を検出する負荷検出器129をさらに備えている。支援システム管制部40(制御装置)は、さらに、負荷検出器129の出力及び姿勢検出器125~128の出力を基にフロント作業装置101(作業装置)が保持する積荷の荷重を演算し、演算結果の積荷の荷重および姿勢検出器125~128の出力を基にフロント作業装置101(作業装置)の動特性を調整するように構成されている。
この構成によれば、フロント作業装置101(作業装置)の動特性を予測演算時の積載作業の状態に応じて調整しているので、フロント作業装置101(作業装置)の軌道予測をより高精度に行うことができる。
また、本実施の形態に係る積載作業支援システム1においては、支援システム管制部40(制御装置)がダンプトラック200の周囲を取り囲み且つ運転室205の周囲の方が荷台202の周囲よりも広くなるように禁止領域を設定するように構成されている。この構成によれば、ダンプトラック200の運転室205に搭乗しているオペレータに不安を与えるようなフロント作業装置101の経路が選択されることを回避することができる。
また、本実施の形態に係る積載作業支援システム1の支援システム管制部40(制御装置)は、ダンプトラック200が移動している場合には、禁止領域をダンプトラック200の進行方向側でダンプトラック200が停止している場合よりも広く設定するように構成されている。この構成によれば、ダンプトラック200が油圧ショベル100に接近してくる場合でも、フロント作業装置101とダンプトラック200の接触の可能性をより低下させることができるので、積載作業の安全性を高めることができる。
また、本実施の形態に係る積載作業支援システム1の支援システム管制部40(制御装置)は、ダンプトラック200が積荷を搬送するまでに油圧ショベル100が複数回の積載作業を行う場合には、目標位置を油圧ショベル100の積載作業の度にダンプトラック200の荷台202に対して異なる位置に設定するように構成されている。この構成によれば、荷台202の全体に積荷を積載することができるので、積荷の搬送回数を低減させて効率的な搬送が可能となる。
また、本実施の形態に係る積載作業支援システム1の支援システム管制部40(制御装置)は、フロント作業装置101(作業装置)の軌道予測の演算、フロント作業装置101(作業装置)の禁止領域内への侵入の有無の判定、フロント作業装置101(作業装置)の動特性の第1入力の演算、フロント作業装置101(作業装置)の動特性の第2入力の演算の一連の処理を、モデル予測制御の評価関数Jを用いて実行するように構成されている。
この構成によれば、評価関数Jのアルゴリズムを支援システム管制部40(制御装置)に実装することで、油圧ショベル100(積載機)の動作の制御を実現することができる。
また、本実施の形態に係る積載作業支援システム1の支援システム管制部40(制御装置)においては、フロント作業装置101(作業装置)が禁止領域内に侵入した場合に評価関数Jの値を増加させるペナルティ関数Fを含むように評価関数Jが構成されている。この構成によれば、ペナルティ関数Fがフロント作業装置101(作業装置)のバケット108のつめ先(先端部)が禁止領域に侵入しないという制約条件として機能するので、フロント作業装置101(作業装置)のバケット108のつめ先(先端部)が禁止領域を回避して積載作業の目標位置ydに近づくような油圧ショベル100(積載機)の動作の制御を確実に実現することができる。
[第1の実施の形態の変形例]
次に、本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の変形例について図15を用いて説明する。図15は本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の変形例の機能構成を示すブロック図である。なお、図15において、図1~図13に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
次に、本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の変形例について図15を用いて説明する。図15は本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の変形例の機能構成を示すブロック図である。なお、図15において、図1~図13に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
第1の実施の形態が油圧ショベル100の動作のみを制御することで油圧ショベル100とダンプトラック200の積載作業時の接触を回避するものであるのに対して、本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の変形例は、油圧ショベル100及びダンプトラック200の両方の動作を制御することで両者の積載作業時の接触を回避するものである。油圧ショベル100とダンプトラック200の積載作業時の接触を回避するには、両者を制御する方が有利である。
例えば、ダンプトラック200が油圧ショベル100に接近してくる場合、ダンプトラック200を十分に低速で接近させることで両者の接触回避が容易となる。また、油圧ショベル100の接触回避ための制御動作がフロント作業装置101の動作限界を超える場合を想定すると、ダンプトラック200が油圧ショベル100から離れる動作を実行させることで両者の接触を回避することが考えられる。本変形例の積載作業支援システム1Aは、このような動作を実現するものである。
具体的には、積載作業支援システム1Aの支援システム管制部40Aは、第1の実施の形態の各機能部41~44、50、61に加えて、トラック制御部62を備えている。トラック制御部62は、ダンプトラック200のアクセル207及びブレーキ208に干渉することで、ダンプトラック200の前後進及び速度を制御する。トラック制御部62は、例えば、トラックコントローラ20に実装されている。
また、本変形例の制御入力演算部50のうち、侵入判定部52A、第2制御入力演算部54A、制御入力決定部55Aの演算は、第1の実施の形態の機能部52、54、55の演算とは異なり、ダンプトラック200の制御を考慮した演算内容に変更されている。
具体的には、侵入判定部52Aは、ダンプトラック200の動特性(例えば、運動方程式)を考慮してフロント作業装置101が禁止領域に侵入したか否かを判定する。ダンプトラック200の運動方程式は、例えば、以下の式(9)で与えられる。侵入判定部52Aは、式(9)に基づいて時刻t0から時刻tpまでの予測時間区間(油圧ショベルの予測時間区間と同じ区間)の禁止領域の位置変化(移動)を予測する。すなわち、上述の式(3)と同様な積分演算を行う。
なお、xt、ytは平面座標におけるダンプトラックのGNSSアンテナの位置であり、θtはダンプトラック200の方位角である。制御入力vはアクセルの制御量aとブレーキの制御量bで与えられる。
第2制御入力演算部54Aは、フロント作業装置101の軌道予測の演算結果がダンプトラック200の周囲に設定された禁止領域に侵入しないような油圧ショベル100の制御入力u及びダンプトラック200の制御入力vの両者の制御入力を演算する。なお、フロント作業装置101が滑らかに動作させるためには、ダンプトラック200の動作を制御する方が好ましいので、油圧ショベル100の制御入力uよりもダンプトラック200の制御入力vを積極的に変化させるように両者の制御入力を算出するように設定することが可能である。
制御入力決定部55Aは、第1制御入力演算部53の演算結果及び第2制御入力演算部54Aの演算結果に基づき、油圧ショベル100の予測時間区間の制御入力uを決定すると共に、ダンプトラック200の予測時間区間の制御入力vを決定する。制御入力決定部55Aは、油圧ショベル100の制御入力uをショベル制御部61へ送信すると共に、ダンプトラック200の制御入力vをトラック制御部62へ送信する。
このように、本変形例においては、ダンプトラック200の動特性を用いて禁止領域の位置変化を予測し、当該禁止領域にフロント作業装置101の予測軌道が禁止領域に侵入するか否かを判定し、予測した禁止領域に侵入しないフロント作業装置101の軌道を可能とする油圧ショベル100の制御入力uとダンプトラック200の制御入力vを演算する。したがって、フロント作業装置101とダンプトラック200の接触を回避するための動作として油圧ショベル100の動作とダンプトラック200の動作の両動作を制御できるので、回避動作の幅が広がる。
なお、本変形例における制御入力演算部50Aの演算も、第1の実施の形態の制御入力演算部50の演算がMPCで実現可能であることと同様に、MPCの枠組みにより実現することが可能である。具体的には、上述の式(7)の評価関数Jにおいて、フロント作業装置101の軌道xを算出するために用いている油圧ショベル100のみの動特性fの代わりに、油圧ショベル100の動特性とダンプトラック200の動特性を組み合わせた以下の式(10)を用いることで、第1の実施の形態の場合と同一の枠組みで油圧ショベル100とダンプトラック200の両制御入力の演算を実現することができる。
上述した本発明の積載作業支援システムの第1の実施の形態の変形例によれば、前述した第1の実施の形態と同様に、フロント作業装置101(作業装置)のバケット108のつめ先(先端部)が禁止領域を回避して積載作業の目標位置ydに近づくように油圧ショベル100(積載機)の動作を制御することができるので、油圧ショベル100(積載機)とダンプトラック200(搬送機)の両者の位置関係によらずに積載作業を確実に支援することができる。
また、本変形例に係る積載作業支援システム1Aにおいては、支援システム管制部40A(制御装置)が油圧ショベル100(積載機)の動作に加えてダンプトラック200(搬送機)の動作も制御するように構成されており、支援システム管制部40A(制御装置)はさらにダンプトラック200(搬送機)の動特性を用いて予測時間区間(時刻t0~時刻tp)におけるダンプトラック200(搬送機)の移動を予測する予測演算を行う。また、支援システム管制部40A(制御装置)によるフロント作業装置101(作業装置)の禁止領域内への侵入の有無の判定は、ダンプトラック200(搬送機)の移動予測の演算結果を考慮して行われると共に、フロント作業装置101(作業装置)が禁止領域内に侵入すると判定した場合の支援システム管制部40A(制御装置)の演算は、禁止領域外における目標位置ydとは異なる位置であってフロント作業装置101(作業装置)のバケット108のつめ先(先端部)の位置よりも目標位置ydに近い位置を目標として、フロント作業装置101(作業装置)のバケット108のつめ先(先端部)が予測時間区間(時刻t0~時刻tp)において近づくようなフロント作業装置101(作業装置)の動特性の第2入力及びダンプトラック200(搬送機)の動特性の第2入力を演算するように変更される。さらに、支援システム管制部40A(制御装置)は、演算結果のダンプトラック200(搬送機)の動特性の第2入力を基にダンプトラック200(搬送機)の動作を制御する制御入力を演算し、演算結果の制御入力を基にダンプトラック200(搬送機)の制御を行う。
この構成によれば、フロント作業装置101(作業装置)とダンプトラック200(搬送機)の接触回避の支援動作として油圧ショベル100の動作とダンプトラック200の動作の両動作を制御することで、接触回避の制御動作の幅が広がるので、より確実に積載作業を支援することができる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の積載作業支援システムの第2の実施の形態について図16を用いて説明する。図16は本発明の積載作業支援システムの第2の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。なお、図16において、図1~図15に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
次に、本発明の積載作業支援システムの第2の実施の形態について図16を用いて説明する。図16は本発明の積載作業支援システムの第2の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。なお、図16において、図1~図15に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
第1の実施の形態では、制御入力演算部50の各機能部51~55が時刻t0から時刻tpまで一定の予測時間区間を用いて演算するのに対して、図16に示す本発明の第2の実施の形態に係る積載作業支援システム1Bは、制御入力演算部50Bの各機能部51~55の演算において当該予測時間区間を変更可能としたものである。
例えば、油圧ショベル100に対してダンプトラック200が十分に遠くに位置している場合には、予測時間区間(演算の積分区間)を短くしても、油圧ショベル100とダンプトラック200の衝突の可能性はない。一方、油圧ショベル100とダンプトラック200の相対的な接近速度が速い場合には、短い予測時間区間の予測では、油圧ショベル100とダンプトラック200の衝突の可能性を棄却することができない。このような状況を確実に解消するためには、油圧ショベル100とダンプトラック200の相互の状況に応じて、予測時間区間を適切に調整する必要がある。
そこで、本実施の形態に係る積載作業支援システム1Bの支援システム管制部40Bは、第1の実施の形態の各機能部41~44、50、61に加えて、制御入力演算部50の各機能部51~55の各演算における予測時間区間(積分区間)を変更する予測時間変更部57を更に備えている。予測時間変更部57は、油圧ショベル100及びダンプトラック200のそれぞれの自己位置算出器133、212から位置と移動速度(位置の更新差分)の情報を取得する。予測時間変更部57は、取得した各種情報を基に算出した油圧ショベル100とダンプトラック200の相対距離が短くなり、且つ、ダンプトラック200の接近速度が速いほど予測時間区間を通常よりも長く設定するように構成されている。予測時間変更部57が油圧ショベル100とダンプトラック200の相互の状況に応じて予測時間区間を適切に設定することで、油圧ショベル100とダンプトラック200の接触回避を確実に実行することができる。
上述した本発明の積載作業支援システムの第2の実施の形態によれば、前述した第1の実施の形態と同様に、フロント作業装置101(作業装置)のバケット108のつめ先(先端部)が禁止領域を回避して積載作業の目標位置ydに近づくように油圧ショベル100(積載機)の動作を制御することができるので、油圧ショベル100(積載機)とダンプトラック200(搬送機)の両者の位置関係によらずに積載作業を確実に支援することができる。
また、本実施の形態に係る積載作業支援システム1Bにおいては、支援システム管制部40B(制御装置)が予測時間区間の長さを変更可能に構成されている。この構成によれば、油圧ショベル100(積載機)とダンプトラック200(搬送機)の相互の状況に応じて予測時間区間の長さを変更することで、積載作業の適切な動作支援が可能となる。
また、本実施の形態に係る積載作業支援システム1Bの支援システム管制部40B(制御装置)は、第1位置算出器133の出力及び第2位置算出器212の出力に基づき算出したダンプトラック200(搬送機)の油圧ショベル100(積載機)に対する相対的な接近速度が速ければ速いほど、予測時間区間の長さが長くなるように変更するように構成されている。この構成によれば、ダンプトラック200(搬送機)と油圧ショベル100(積載機)の接触の可能性が棄却できないときに予測時間区間を長くすることで、積載作業の適切な動作支援が可能となる。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の積載作業支援システムの第3の実施の形態について図17を用いて説明する。図17は本発明の積載作業支援システムの第3の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。なお、図17において、図1~図16に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
次に、本発明の積載作業支援システムの第3の実施の形態について図17を用いて説明する。図17は本発明の積載作業支援システムの第3の実施の形態の機能構成を示すブロック図である。なお、図17において、図1~図16に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
本発明の積載作業支援システムの第3の実施の形態が第1の実施の形態に対して相違する点は、積載機として油圧ショベル100の代わりに作業ロボット300を対象とすると共に、搬送機としてダンプトラック200の代わりに搬送ロボット400を対象として、搬送ロボット400に対する作業ロボット300の積載作業の支援を行うものである。
作業ロボット300は、複数のリンク部材を回動可能に連結して構成された多関節型のアームを備えている。すなわち、多関節型のアームは、図7に示すように、油圧ショベル100のフロント作業装置101と同様な構成である。ただし、アームの動作は、例えば、油圧シリンダのような油圧アクチュエータはなく、電動モータなどのアクチュエータ323によって行われる。搬送ロボットは、ダンプトラック200と同様に、荷台を備えている。ただし、搬送ロボット400の動作(移動)は、例えば、アクセル207を介してエンジンによるものではなく、電動モータなどのアクチュエータ407(後述の図18参照)により行われる。
本実施の形態の積載作業支援システム1Cでは、作業ロボット300のアームの負荷を検出する負荷検出器129Cとして、圧力センサ129に代えて、アクチュエータ323の負荷を検出するセンサが用いられている。また、油圧ショベル100の動作を制御するショベル制御部61の代わりに、作業ロボット300の動作(アクチュエータ)を制御する作業ロボット制御部61Cを備えている。また、支援システム管制部40Cにおける制御入力演算部50の第1制御入力演算部53C及び第2制御入力演算部54Cでは、油圧ショベル100のバケット108のつめ先位置の代わりに、アームの先端位置を用いて演算を行う。
上述した本発明の積載作業支援システムの第3の実施の形態によれば、作業ロボット300と搬送ロボット400の積載作業を対象としても、前述した第1の実施の形態の場合と同様に、作業ロボット300のアームの先端が搬送ロボット400に接触することなく安全な積載作業を実現することができる。
[第3の実施の形態の変形例]
次に、本発明の積載作業支援システムの第3の実施の形態の変形例について図18を用いて説明する。図18は本発明の積載作業支援システムの第3の実施の形態の変形例の機能構成を示すブロック図である。なお、図18において、図1~図17に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
次に、本発明の積載作業支援システムの第3の実施の形態の変形例について図18を用いて説明する。図18は本発明の積載作業支援システムの第3の実施の形態の変形例の機能構成を示すブロック図である。なお、図18において、図1~図17に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図18に示す本発明の第3の実施の形態の変形例に係る積載作業支援システム1Dが第1の実施の形態の変形例に対して相違する点は、積載機として油圧ショベル100の代わりに作業ロボット300を対象とすると共に搬送機としてダンプトラック200の代わりに搬送ロボット400を対象として、搬送ロボット400に対する作業ロボット300の積載作業の支援を行うものである。また、第3の実施の形態が作業ロボット300(積載機)の動作のみを制御することで作業ロボット300と搬送ロボット(搬送機)400の積込作業時の接触を回避するものであるのに対して、第3の実施の形態の変形例は作業ロボット300及び搬送ロボットの両方の動作を制御することで両者の積載作業時の接触を回避するものである。
本変形例の積載作業支援システム1Dの支援システム管制部40Dは、第3の実施の形態の各機能部41~44、50、61Cに加えて、搬送ロボット制御部62Dを備えている。搬送ロボット制御部62Dは、搬送ロボット400のアクチュエータ407の動作を制御することで、搬送ロボット400の移動を制御する。
また、本変形例の制御入力演算部50のうち、侵入判定部52D、第2制御入力演算部54D、制御入力決定部55Dの演算は、第3の実施の形態の機能部52、54、55の演算とは異なり、搬送ロボット400の制御を考慮した演算内容に変更されている。具体的な内容は、第1の実施の形態の変形例の説明におけるダンプトラック200を搬送ロボット400に置き換えるだけである。
本変形例においては、作業ロボットの動作を制御するだけでなく、搬送ロボットの動作を同時に制御するので、第3の実施の形態の場合と比べて、積込作業及び搬送作業をより安全に実行することが可能になる。すなわち、第3の実施の形態の変形例によれば、作業ロボット300と搬送ロボット400の積載作業を対象としても、前述した第1の実施の形態の変形例の場合と同様に、作業ロボット300のアームの先端が搬送ロボット400に接触することなく安全な積載作業をより確実に実現することができる。
[その他の実施の形態]
なお、本発明は本実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
なお、本発明は本実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
例えば、上述した本実施の形態においては、積載作業支援システム1、1A、1B、1C、1Dがショベルコントローラ10、トラックコントローラ20、管制コントローラ30を含んだ構成の例(図5参照)を示した。しかし、油圧ショベル100とダンプトラック200が作業現場に1台ずつであり、かつ、両者の組み合わせが変わらない場合、図19に示す積載作業支援システム1Eの構成が可能である。すなわち、支援システム管制部40Eは、図5に示す管制コントローラ30を省略し、ショベルコントローラ10とトラックコントローラ20が直接通信することで積載作業の作業支援を行うように構成することも可能である。図19は本発明の積載作業支援システムのその他の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。この場合、図5に示す管制コントローラ30の機能をショベルコントローラ10又はトラックコントローラ20に実装すればよい。
また、上述した本実施の形態においては、積載作業支援システム1、1A、1B、1C、1Dが荷重演算部41を含む構成の例を示した。しかし、積載作業支援システムは、荷重演算部41の機能部を省略する構成も可能である。この場合、荷重演算部41の機能部を省略する分、演算処理が削減されるが、作業装置の動特性が積荷の荷重を考慮しないものとなるので、予測演算の精度が低下してしまうことがある。
10…ショベルコントローラ(制御装置)、 20…トラックコントローラ(制御装置)、 30…管制コントローラ(制御装置)、 100…油圧ショベル(積載機)、 101…フロント作業装置(作業装置)、 103…上部旋回体(旋回体)、 106…ブーム(被駆動部材)、 107…アーム(被駆動部材)、 108…バケット(被駆動部材)、 125…車体IMU(姿勢検出器)、 126…ブームIMU(姿勢検出器)、 127…アームIMU(姿勢検出器)、 128…バケットIMU(姿勢検出器)、 129…圧力センサ(負荷検出器)、 133…GNSS受信機(第1位置算出器)、 200…ダンプトラック(搬送機)、 202…荷台、 205…運転室、 212…GNSS受信機(第2位置算出器)、 300…作業ロボット(積載機)、 400…搬送ロボット(搬送機)
Claims (12)
- 荷台を備えた搬送機に対して、複数の被駆動部材を回動可能に連結して構成された多関節型の作業装置を備えた積載機が積荷を積載する積載作業を支援する積載作業支援システムであって、
前記積載機の位置及び方位を算出する第1位置算出器と、
前記作業装置の姿勢を検出する姿勢検出器と、
前記搬送機の位置及び方位を算出する第2位置算出器と、
前記積載機の動作を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記作業装置が積載作業で到達すべき位置である目標位置を前記第2位置算出器の出力を基に設定し、
前記作業装置の侵入が禁止される領域である禁止領域を前記第2位置算出器の出力を基に設定し、
前記第1位置算出器の出力及び前記姿勢検出器の出力を基に前記作業装置の動特性を決定し、
前記作業装置の動特性を用いて有限の予測時間区間における前記作業装置の軌道を予測する予測演算を行い、
前記作業装置の軌道予測の演算結果を基に、前記作業装置が前記予測時間区間において前記禁止領域内に侵入するか否かを判定し、
前記作業装置が前記禁止領域内に侵入しないと判定した場合には、前記作業装置の軌道予測の演算結果を基に、前記作業装置の先端部が前記予測時間区間において前記目標位置に向かって近づくような前記作業装置の動特性の入力である第1入力を演算し、
前記作業装置が前記禁止領域内に侵入すると判定した場合には、前記禁止領域外における前記目標位置とは異なる位置であって前記作業装置の先端部の位置よりも前記目標位置に近い位置を目標として、前記作業装置の先端部が前記予測時間区間において近づくような前記作業装置の動特性の入力である第2入力を演算し、
演算結果の前記作業装置の動特性の第1入力及び第2入力を基に、前記積載機の動作を制御する制御入力を演算し、
演算結果の制御入力を基に前記積載機の制御を行う
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項1に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記作業装置の負荷を検出する負荷検出器をさらに備え、
前記制御装置は、さらに
前記負荷検出器の出力及び前記姿勢検出器の出力を基に、前記作業装置が保持する積荷の荷重を演算し、
演算結果の積荷の荷重および前記姿勢検出器の出力を基に、前記作業装置の動特性を調整する
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項1に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記制御装置は、前記積載機の動作に加えて、前記搬送機の動作も制御するように構成され、
前記制御装置は、さらに、前記搬送機の動特性を用いて前記予測時間区間における前記搬送機の移動を予測する予測演算を行い、
前記制御装置による前記作業装置の前記禁止領域内への侵入の有無の判定は、前記搬送機の移動予測の演算結果を考慮して行われ、
前記作業装置が前記禁止領域内に侵入すると判定した場合の前記制御装置の演算は、前記禁止領域外における前記目標位置とは異なる位置であって前記作業装置の先端部の位置よりも前記目標位置に近い位置を目標として、前記作業装置の先端部が前記予測時間区間において近づくような前記作業装置の動特性の第2入力及び前記搬送機の動特性の第2入力を演算するように変更され、
前記制御装置は、さらに、演算結果の前記搬送機の動特性の第2入力を基に前記搬送機の動作を制御する制御入力を演算し、演算結果の制御入力を基に前記搬送機の制御を行う
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項1に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記搬送機は、前記荷台に加えて運転室を備えたダンプトラックであり、
前記積載機は、前記作業装置としてのフロント作業装置と前記フロント作業装置が設けられた旋回可能な旋回体とを備えた油圧ショベルであり、
前記制御装置は、前記フロント作業装置の動作及び前記旋回体の旋回動作を制御する
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項3に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記搬送機は、前記荷台に加えて運転室を備えたダンプトラックであり、
前記積載機は、前記作業装置としてのフロント作業装置と前記フロント作業装置が設けられた旋回可能な旋回体とを備えた油圧ショベルであり、
前記制御装置は、前記油圧ショベルの前記フロント作業装置の動作及び前記旋回体の旋回動作を制御すると共に、前記ダンプトラックの移動を制御する
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項4に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記制御装置は、前記ダンプトラックの周囲を取り囲み、且つ、前記運転室の周囲の方が前記荷台の周囲よりも広くなるように前記禁止領域を設定する
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項4に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記制御装置は、前記ダンプトラックが移動している場合には、前記禁止領域を前記ダンプトラックの進行方向側で前記ダンプトラックが停止している場合よりも広く設定する
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項4に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記制御装置は、前記ダンプトラックが積荷を搬送するまでに前記油圧ショベルが複数回の積載作業を行う場合には、前記目標位置を前記油圧ショベルの積載作業の度に前記ダンプトラックの前記荷台に対して異なる位置に設定する
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項1に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記制御装置は、前記予測時間区間の長さを変更可能である
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項9に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記制御装置は、前記第1位置算出器の出力及び前記第2位置算出器の出力に基づき算出した前記搬送機の前記積載機に対する相対的な接近速度が速ければ速いほど、前記予測時間区間の長さが長くなるように変更する
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項1に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記制御装置は、前記作業装置の軌道予測の演算、前記作業装置の前記禁止領域内への侵入の有無の判定、前記作業装置の動特性の第1入力の演算、前記作業装置の動特性の第2入力の演算の一連の処理を、モデル予測制御の評価関数を用いて実行するように構成されている
ことを特徴とする積載作業支援システム。 - 請求項11に記載の積載作業支援システムにおいて、
前記評価関数は、前記作業装置が前記禁止領域内に侵入した場合に前記評価関数の値を増加させるペナルティ関数を含む
ことを特徴とする積載作業支援システム。
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