JPWO2018179383A1 - 作業車両の制御システム、及び作業機の軌跡設定方法 - Google Patents

Abstract

作業車両の制御システムは、コントローラを備える。コントローラは以下の処理を行うようにプログラムされている。コントローラは、作業対象の目標プロファイルを決定する。コントローラは、目標プロファイルに従って作業機を動作させる指令信号を生成する。コントローラは、作業車両の負荷を取得する。コントローラは、負荷の大きさに応じて目標プロファイルを修正する。コントローラは、修正された目標プロファイルに従って作業機を動作させる指令信号を生成する。

Description

本発明は、作業車両の制御システム、及び作業機の軌跡設定方法に関する。

従来、ブルドーザ、或いはグレーダ等の作業車両において、ブレードなどの作業機の位置を自動的に調整する制御が提案されている。例えば、特許文献1では、掘削作業において、ブレードが受ける負荷を目標負荷に一致させる負荷制御により、ブレードの位置が自動調整される。

特許第5247939号公報

上述した従来の制御によれば、ブレードへの負荷が過剰に大きくなったときにブレードを上昇させることにより、シュースリップの発生を抑えることができる。これにより、効率良く作業を行うことができる。

しかし、従来の制御では、図18に示すように、まず設計地形100に沿うようにブレードが制御される。その後、ブレードへの負荷が大きくなると、負荷制御によってブレードを上昇させる（図18のブレードの軌跡200参照）。従って、大きな起伏のある地形300を掘削する場合には、ブレードが受ける負荷が急速に大きくなることで、ブレードを急速に上昇させてしまうことがあり得る。その場合、凹凸の大きな地形が形成されることになる。凹凸の大きな地形が一旦形成されると、以後、スムーズな掘削作業を行うことが困難となる。そのため、凹凸の大きな地形を形成しない掘削作業を行うことが好ましい。

本発明は、自動制御によって、効率良く作業を行うと共に、作業によって凹凸の大きな地形が形成されることを抑えることを目的とする。

第1の態様に係る作業車両の制御システムは、コントローラを備える。コントローラは以下の処理を行うようにプログラムされている。コントローラは、作業対象の目標プロファイルを決定する。コントローラは、目標プロファイルに従って作業機を動作させる指令信号を生成する。コントローラは、作業車両の負荷を取得する。コントローラは、負荷の大きさに応じて目標プロファイルを修正する。コントローラは、修正された目標プロファイルに従って作業機を動作させる指令信号を生成する。

第2の態様に係る作業機の軌跡設定方法は、以下の処理を備える。第1の処理は、作業対象の目標プロファイルを決定することである。第2の処理は、目標プロファイルに従って作業機を動作させるように作業機の軌跡を設定することである。第3の処理は、作業車両の負荷を取得することである。第4の処理は、負荷の大きさに応じて目標プロファイルを修正することである。第5の処理は、修正された目標プロファイルに従って作業機を動作させるように作業機の軌跡を設定することである。

第3の態様に係る作業車両は、作業機とコントローラとを備える。コントローラは、作業対象の目標プロファイルを決定する。コントローラは、目標プロファイルに従って作業機を動作させる指令信号を生成する。コントローラは、作業車両の負荷を取得する。コントローラは、負荷の大きさに応じて目標プロファイルを修正する。コントローラは、修正された目標プロファイルに従って作業機を動作させる指令信号を生成する。

本発明によれば、自動制御によって、効率良く作業を行うと共に、作業によって凹凸の大きな地形が形成されることを抑えることができる。

実施形態に係る作業車両を示す側面図である。 作業車両の駆動系と制御システムとの構成を示すブロック図である。 作業車両の構成を示す模式図である。 作業機の自動制御の処理を示すフローチャートである。 最終設計地形、現況地形、及び目標設計地形の一例を示す図である。 目標変位データの一例を示す図である。 目標変位を決定するための処理を示すフローチャートである。 目標変位を決定するための処理を示すフローチャートである。 修正された目標変位データの一例を示す図である。 修正された目標変位データの一例を示す図である。 目標変位を決定するための処理を示すフローチャートである 修正された目標変位データの一例を示す図である。 修正された目標変位データの一例を示す図である。 第1変形例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。 第２変形例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。 目標負荷パラメータデータの例を示す図である。 目標設計地形の他の例を示す図である。 従来技術による掘削作業を示す図である。

以下、実施形態に係る作業車両について、図面を参照しながら説明する。図1は、実施形態に係る作業車両1を示す側面図である。本実施形態に係る作業車両1は、ブルドーザである。作業車両1は、車体11と、走行装置12と、作業機13と、を備えている。

車体11は、運転室14とエンジン室15とを有する。運転室14には、図示しない運転席が配置されている。エンジン室15は、運転室14の前方に配置されている。走行装置12は、車体11の下部に取り付けられている。走行装置12は、左右一対の履帯16を有している。なお、図1では、左側の履帯16のみが図示されている。履帯16が回転することによって、作業車両1が走行する。作業車両1の走行は、自律走行、セミ自律走行、オペレータの操作による走行のいずれの形式であってもよい。

作業機13は、車体11に取り付けられている。作業機13は、リフトフレーム17と、ブレード18と、リフトシリンダ19と、を有する。

リフトフレーム17は、車幅方向に延びる軸線Ｘを中心として上下に動作可能に車体11に取り付けられている。リフトフレーム17は、ブレード18を支持している。ブレード18は、車体11の前方に配置されている。ブレード18は、リフトフレーム17の上下動に伴って上下に移動する。

リフトシリンダ19は、車体11とリフトフレーム17とに連結されている。リフトシリンダ19が伸縮することによって、リフトフレーム17は、軸線Ｘを中心として上下に回転する。

図2は、作業車両1の駆動系2と制御システム3との構成を示すブロック図である。図2に示すように、駆動系2は、エンジン22と、油圧ポンプ23と、動力伝達装置24と、を備えている。

油圧ポンプ23は、エンジン22によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ23から吐出された作動油は、リフトシリンダ19に供給される。なお、図2では、1つの油圧ポンプ23が図示されているが、複数の油圧ポンプが設けられてもよい。

動力伝達装置24は、エンジン22の駆動力を走行装置12に伝達する。動力伝達装置24は、例えば、HST（Hydro Static Transmission）であってもよい。或いは、動力伝達装置24は、例えば、トルクコンバーター、或いは複数の変速ギアを有するトランスミッションであってもよい。

制御システム3は、操作装置25aと、制御モードの設定装置25bと、コントローラ26と、記憶装置28と、制御弁27とを備える。操作装置25aは、作業機13及び走行装置12を操作するための装置である。操作装置25aは、運転室14に配置されている。操作装置25aは、作業機13及び走行装置12を駆動するためのオペレータによる操作を受け付け、操作に応じた操作信号を出力する。操作装置25aは、例えば、操作レバー、ペダル、スイッチ等を含む。

例えば、走行装置12用の操作装置25aは、前進位置と後進位置と中立位置とに操作可能に設けられる。操作装置25aの位置を示す操作信号は、コントローラ26に出力される。コントローラ26は、操作装置25aの操作位置が前進位置であるときには、作業車両1が前進するように、走行装置12、或いは動力伝達装置24を制御する。操作装置25aの操作位置が後進位置であるときには、コントローラ26は、作業車両1が後進するように、走行装置12、或いは動力伝達装置24を制御する。

制御モードの設定装置25bは、例えばタッチパネル式の入力装置である。ただし、設定装置25bは、スイッチ等の他の入力装置であってもよい。制御モードは、後述するように、負荷モードと、ブレード仕様によるモードとを含む。負荷モードは、「Light」、「Normal」、「Heavy」のモードから選択できる。「Light」は、ブレード18への負荷が軽い制御モードである。「Heavy」は、ブレード18への負荷が重い制御モードである。「Normal」は、ブレード18への負荷が「Light」と「Heavy」の間である制御モードである。

ブレード仕様は、例えば、「Full」モードと「Semi」モードとから選択できる。「Full」モードは、大型のブレード18が装着されているときの制御モードであり、「Semi」モードは、小型のブレード18が装着されているときの制御モードである。

コントローラ26は、取得したデータに基づいて作業車両1を制御するようにプログラムされている。コントローラ26は、例えばCPU等の処理装置を含む。コントローラ26は、操作装置25aから操作信号を取得する。コントローラ26は、操作信号に基づいて、制御弁27を制御する。なお、コントローラ26は、一体に限らず、複数のコントローラに分かれていてもよい。

制御弁27は、比例制御弁であり、コントローラ26からの指令信号によって制御される。制御弁27は、リフトシリンダ19などの油圧アクチュエータと、油圧ポンプ23との間に配置される。制御弁27は、油圧ポンプ23からリフトシリンダ19に供給される作動油の流量を制御する。コントローラ26は、上述した操作装置25aの操作に応じてブレード18が動作するように、制御弁27への指令信号を生成する。これにより、リフトシリンダ19が、操作装置25aの操作量に応じて、制御される。なお、制御弁27は、圧力比例制御弁であってもよい。或いは、制御弁27は、電磁比例制御弁であってもよい。

制御システム3は、リフトシリンダセンサ29を備える。リフトシリンダセンサ29は、リフトシリンダ19のストローク長さ（以下、「リフトシリンダ長Ｌ」という。）を検出する。図3に示すように、コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌに基づいてブレード18のリフト角θliftを算出する。図3は、作業車両1の構成を示す模式図である。

図3では、作業機13の原点位置が二点鎖線で示されている。作業機13の原点位置は、水平な地面上でブレード18の刃先が地面に接触した状態でのブレード18の位置である。リフト角θliftは、作業機13の原点位置からの角度である。

図2に示すように、制御システム3は、位置検出装置31を備えている。位置検出装置31は、作業車両1の位置を測定する。位置検出装置31は、GNSS(Global Navigation Satellite System)レシーバ32と、IMU 33と、を備える。GNSSレシーバ32は、例えばGPS（Global Positioning System）用の受信機である。GNSSレシーバ32のアンテナは、運転室14上に配置される。GNSSレシーバ32は、衛星より測位信号を受信し、測位信号によりアンテナの位置を演算して車体位置データを生成する。コントローラ26は、GNSSレシーバ32から車体位置データを取得する。

IMU 33は、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit）である。IMU 33は、車体傾斜角データと車体加速度データを取得する。車体傾斜角データは、車両前後方向の水平に対する角度（ピッチ角）、および車両横方向の水平に対する角度（ロール角）を含む。車体加速度データは、作業車両1の加速度を含む。コントローラ26は、車体加速度データにより、作業車両1の進行方向と車速とを得る。コントローラ26は、IMU 33から車体傾斜角データ及び車体加速度データを取得する。

コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌと、車体位置データと、車体傾斜角データとから、刃先位置P0を演算する。図3に示すように、コントローラ26は、車体位置データに基づいて、GNSSレシーバ32のグローバル座標を算出する。コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌに基づいて、リフト角θliftを算出する。コントローラ26は、リフト角θliftと車体寸法データに基づいて、GNSSレシーバ32に対する刃先位置P0のローカル座標を算出する。コントローラ26は、車体加速度データから作業車両1の進行方向と車速とを算出する。車体寸法データは、記憶装置28に記憶されており、GNSSレシーバ32に対する作業機13の位置を示す。コントローラ26は、GNSSレシーバ32のグローバル座標と刃先位置P0のローカル座標と車体傾斜角データとに基づいて、刃先位置P0のグローバル座標を算出する。コントローラ26は、刃先位置P0のグローバル座標を刃先位置データとして取得する。

制御システム3は、動力伝達装置24の出力を計測する出力センサ34を備える。動力伝達装置24が油圧モータを含むHSTの場合には、出力センサ34は、油圧モータの駆動油圧を検出する圧力センサであってもよい。出力センサ34は、油圧モータの出力回転速度を検出する回転センサであってもよい。動力伝達装置24がトルクコンバーターを有する場合には、出力センサ34は、トルクコンバーターの出力回転速度を検出する回転センサであってもよい。出力センサ34の検出値を示す検出信号は、コントローラ26に出力される。

コントローラ26は、出力センサ34での検出値から牽引力を算出する。作業車両1の動力伝達装置24がHSTの場合、コントローラ26は、油圧モータの駆動油圧と油圧モータの回転速度とから牽引力を算出することができる。牽引力は、作業車両1が受ける負荷である。

動力伝達装置24がトルクコンバータとトランスミッションとを有する場合、コントローラ26は、トルクコンバーターの出力回転速度から牽引力を算出することができる。詳細には、コントローラ26は、以下の数1式から牽引力を算出する。
[数1]
F=k×T×R/(L×Z)
ここで、Fは牽引力、kは定数、Tはトランスミッション入力トルク、Rは減速比、Lは履帯リンクピッチ、Zはスプロケット歯数を示す。入力トルクTは、トルクコンバータの出力回転速度を基に演算される。ただし、牽引力の検出方法は上述したものに限らず、他の方法により検出されてもよい。

記憶装置28は、例えばメモリーと補助記憶装置とを含む。記憶装置28は、例えば、RAM、或いはROMなどであってもよい。記憶装置28は、半導体メモリ、或いはハードディスクなどであってもよい。記憶装置28は、非一時的な（non-transitory）コンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置28は、プロセッサによって実行可能であり作業車両1を制御するためのコンピュータ指令を記録している。

記憶装置28は、設計地形データと作業現場地形データとを記憶している。設計地形データは、最終設計地形を示す。最終設計地形は、作業現場の表面の最終的な目標形状である。設計地形データは、例えば、三次元データ形式の土木施工図である。作業現場地形データは、作業現場の現況の地形を示す。作業現場地形データは、例えば、三次元データ形式の現況地形測量図である。作業現場地形データは、例えば、航空レーザ測量で得ることができる。

コントローラ26は、現況地形データを取得する。現況地形データは、作業現場の現況地形を示す。作業現場の現況地形は、作業車両1の進行方向に沿う領域の地形である。現況地形データは、作業現場地形データと上述の位置検出装置31から得られる作業車両1の位置と進行方向とからコントローラ26での演算により取得される。コントローラ26は、現況地形データと、設計地形データと、刃先位置データとに基づいて、作業機13を自動的に制御する。

なお、作業機13の自動制御は、オペレータによる手動操作と合わせて行われる半自動制御であってもよい。或いは、作業機13の自動制御は、オペレータによる手動操作無しで行われる完全自動制御であってもよい。

以下、コントローラ26によって実行される、掘削における作業機13の自動制御について説明する。図4は、掘削作業における作業機13の自動制御の処理を示すフローチャートである。

図4に示すように、ステップS101では、コントローラ26は、現在位置データを取得する。ここでは、コントローラ26は、上述したように、ブレード18の現在の刃先位置P0を取得する。

ステップS102では、コントローラ26は、設計地形データを取得する。図5に示すように、設計地形データは、作業車両1の進行方向において、複数の参照点での最終設計地形60の高さZdesignを含む。複数の参照点は、作業車両１の進行方向に沿う所定間隔ごとの複数地点を示す。複数の参照点は、ブレード18の進行パス上にある。なお、図5では、最終設計地形60は、水平方向に平行な平坦な形状であるが、これと異なる形状であってもよい。

ステップS103では、コントローラ26は、現況地形データを取得する。コントローラ26は、記憶装置28より得られる作業現場地形データと、位置検出装置31より得られる車体の位置データ及び進行方向データから演算により、現況地形データを取得する。

現況地形データは、作業車両1の進行方向に位置する地形を示す情報である。図5は、現況地形50の断面を示す。なお、図5において、縦軸は、地形の高さを示しており、横軸は、作業車両1の進行方向における現在位置からの距離を示している。

詳細には、現況地形データは、作業車両1の進行方向において、現在位置から所定の地形認識距離dnまでの複数の参照点での現況地形50の高さZ0~Znを含む。本実施形態において、現在位置は、作業車両1の現在の刃先位置P0に基づいて定められる位置である。ただし、現在位置は、作業車両1の他の部分の現在位置に基づいて定められてもよい。複数の参照点は、所定間隔、例えば１ｍごとに並んでいる。

ステップS104では、コントローラ26は、選択された制御モードを取得する。コントローラ26は、上述した設定装置25bによって選択された制御モードを取得する。

ステップS105では、コントローラ26は、掘削開始位置（作業開始位置）を取得する。例えば、コントローラ26は、刃先位置P0が、現況地形50の高さZ0を最初に下回ったときの位置を掘削開始位置として取得する。これにより、ブレード18の刃先が下げられて現況地形50を掘削し始めた位置が掘削開始位置として取得される。ただし、コントローラ26は、他の方法によって、掘削開始位置を取得してもよい。例えば、コントローラ26は、操作装置25aの操作に基づいて、掘削開始位置を取得してもよい。例えば、コントローラ26は、ボタン、或いは、タッチパネルによる画面操作などの操作に基づいて、掘削開始位置を取得してもよい。

ステップS106では、コントローラ26は、作業車両1の移動量を取得する。コントローラ26は、ブレード18の進行パスにおいて掘削開始位置から現在位置まで進んだ距離を、移動量として取得する。作業車両1の移動量は、車体11の移動量であってもよい。或いは、作業車両1の移動量は、ブレード18の刃先の移動量であってもよい。

ステップS107では、コントローラ26は、目標設計地形データを決定する。目標設計地形データは、図5に破線で記載された目標設計地形70を示す。目標設計地形70は、作業におけるブレード18の刃先の望まれる軌跡を示す。目標設計地形70は、作業対象である地形の目標プロファイルであり、掘削作業の結果として望まれる形状を示す。

図5に示すように、コントローラ26は、現況地形50から、変位距離ΔZ、下方に変位した目標設計地形70を決定する。変位距離ΔZは、各参照点での鉛直方向における目標変位である。本実施形態において、変位距離ΔZは、各参照点での目標深さであり、現況地形50の下方におけるブレード18の目標位置を示す。ブレード18の目標位置とは、ブレード18の刃先位置を意味する。言い換えれば、変位距離ΔZは、ブレード18によって掘削される単位移動量当たりの土量を示す。従って、目標設計地形データは、複数の参照点と複数の目標土量との関係を示す。

なお、コントローラ26は、最終設計地形60を下方に越えないように、目標設計地形70を決定する。従って、コントローラ26は、掘削作業時には、最終設計地形60以上、且つ、現況地形50より下方に位置する目標設計地形70を決定する。

詳細には、コントローラ26は、以下の数2式により、目標設計地形70の高さZを決定する。
［数2］
Z = Zm - ΔZ
ΔZ = t1*t2* Z_offset
Zm（m＝1,・・・, n）は、複数の参照点での現況地形50の高さZ0~Znである。ΔZは変位距離であり、図5では掘削深さを示す。t1は、作業車両が利用可能な牽引力の大きさを示す牽引力データに基づく倍率である。牽引力データは、選択された負荷モードに応じて決定される。負荷モードが「Light」、「Normail」、「Heavy」の順に、t1が大きくなる。

t2は、ブレード仕様データによる倍率である。ブレード仕様データは、選択されたブレード仕様に応じて決定される。「Full」モードでは、「Semi」モードよりもt2は大きい。

Z_offsetは、作業車両1の移動量に応じて決定される目標変位である。目標変位Z_offsetは、ブレード18への負荷に関係する目標負荷パラメータの一例である。目標変位Z_offsetは、地表からのブレード18の高さ方向（鉛直方向）の変位量を示す。図６は、目標変位データCの一例を示す図である。目標変位データCは、ブレード18の地表からの鉛直下方向への掘削深さ（目標変位）Z_offsetを、作業車両1の水平方向の移動量nの従属変数として示す。作業車両1の水平方向の移動量nは、ブレード18の水平方向の移動量と実質的に同じ値である。コントローラ26は、図6に示す目標変位データCを参照して、作業車両1の移動量nから、目標変位Z_offsetを決定する。

図6に示すように、目標変位データCは、作業車両1の移動量nと、目標変位Z_offsetと、の関係を規定する。目標変位データCは、記憶装置28に記憶されている。以降は説明を簡単にするため、t1とt2の値を1として変位距離ΔZは目標変位Z_offsetに等しいとする。

図6に示すように、目標変位データCは、開始時データc1と、掘削時データc2と、移行時データc3と、運土時データc4とを含む。開始時データc1は、掘削開始領域での移動量nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。掘削開始領域は、掘削開始点Sから定常掘削開始点Dまでの領域である。開始時データc1で示されるように、掘削開始領域では、移動量nの増大に応じて徐々に増大する目標変位Z_offsetが規定される。開始時データc1は、移動量ｎに対して線的に増加する目標変位Z_offsetを規定する。

掘削時データc2は、掘削領域での移動量nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。掘削領域は、定常掘削開始点Dから運土移行開始点Tまでの領域（第１領域）である。掘削時データc2で示されるように、掘削領域では、目標変位Z_offsetは、一定値に規定される。掘削時データc2は、移動量ｎに対して一定の目標変位Z_offsetを規定する。

移行時データc3は、運土移行領域での移動量nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。運土移行領域は、定常掘削終了点Tから運土開始点Pまでの領域である。移行時データc3で示されるように、運土移行領域では、移動量nの増大に応じて徐々に減少する目標変位Z_offsetが規定される。移行時データc3は、移動量nに対して線的に減少する目標変位Z_offsetを規定する。

運土時データc4は、運土領域での移動量nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。運土領域は、運土開始点Pから開始される領域（第２領域）である。運土時データc4に示されるように、運土領域では、目標変位Z_offsetは一定値に規定される。運土時データc4は、移動量ｎに対して一定の目標変位Z_offsetを規定する。

詳細には、掘削領域は、第1開始値b1から開始され、第1終了値b2で終了する。運土領域は、第2開始値b3から開始される。第1終了値b2は、第2開始値b3よりも小さい。従って、掘削領域は、運土領域よりも、移動量nが小さいときに開始される。掘削領域での目標変位Z_offsetは、第1目標値a1で一定である。運土領域での目標変位Z_offsetは、第2目標値a2で一定である。第1目標値a1は、第2目標値a2よりも大きい。従って、掘削領域では運土領域よりも大きな変位距離ΔZが規定される。

掘削開始位置での目標変位Z_offsetは、開始値a0である。開始値a0は、第1目標値a1よりも小さい。開始目標値a0は、第2目標値a2よりも小さい。

図7は、目標変位Z_offsetの決定処理を示すフローチャートである。説明を簡単にするため、以下に説明する決定処理では、作業車両1の走行は前進のみであるものとする。決定処理は、操作装置25aが前進の位置に移動すると開始される。ステップS201では、コントローラ26は、移動量nが0以上、且つ、第1開始値b1未満であるか判定する。移動量nが0以上、且つ、第1開始値b1未満であるときには、ステップS202において、コントローラ26は、移動量nの増大に応じて、目標変位Z_offsetを開始値a0から徐々に増大させる。

開始値a0は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。開始値a0は、掘削開始時にブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度に小さな値であることが好ましい。第1開始値b1は、図6に示す掘削開始領域での傾きc1、開始値a0、及び第1目標値a1から演算により求められる。傾きc1は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。傾きc1は、掘削開始から掘削作業に迅速に移行可能であると共に、ブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

ステップS203では、コントローラ26は、移動量nが、第1開始値b1以上、且つ、第1終了値b2未満であるか判定する。移動量nが、第1開始値b1以上、且つ、第1終了値b2未満であるときには、ステップS204において、コントローラ26は、目標変位Z_offsetを第1目標値a1に設定する。第1目標値a1は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。第1目標値a1は、効率よく掘削を行うことができると共に、ブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

ステップS204の処理の後、ステップS400の第2サブルーチンSub2の処理に進む。また、メインルーチンのステップS201からステップS208の処理と並行して、ステップS300の第1サブルーチンSub1の処理が実施される。第1サブルーチンSub1と第2サブルーチンSub2については後述する。

ステップS205では、コントローラ26は、移動量nが、第1終了値b2以上、且つ、第2開始値b3未満であるか判定する。移動量nが、第1終了値b2以上、且つ、第2開始値b3未満であるときには、ステップS206において、コントローラ26は、移動量nの増大に応じて、目標変位Z_offsetを第1目標値a1から徐々に低減させる。

第1終了値b2は、ブレード18の現在の保有土量が、所定の閾値を越えるときの移動量である。従って、ブレード18の現在の保有土量が、所定の閾値を越えたときに、コントローラ26は、目標変位Z_offsetを第1目標値a1から低減させる。所定の閾値は、例えばブレード18の最大容量に基づいて決定される。例えば、ブレード18の現在の保有土量は、ブレード18への負荷が測定され、当該負荷から演算により決定されてもよい。或いは、ブレード18の画像がカメラによって取得され、当該画像を分析することによって、ブレード18の現在の保有土量が算出されてもよい。

なお、作業開始時には、第1終了値b2として、所定の初期値が設定される。作業開始後には、ブレード18の保有土量が所定の閾値を越えたときの移動量が更新値として記憶され、第1終了値b2は記憶された更新値に基づいて更新される。

ステップS207では、コントローラ26は、移動量nが、第2開始値b3以上であるか判定する。移動量nが、第2開始値b3以上であるかときには、ステップS208において、コントローラ26は、目標変位Z_offsetを第2目標値a2に設定する。

第2目標値a2は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。第2目標値a2は、運土作業に適した値に設定されることが好ましい。第2開始値b3は、図6に示す運土移行領域での傾きc2、第1目標値a1、及び第2目標値a2から演算により求められる。傾きc2は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。傾きc2は、掘削作業から運土作業に迅速に移行可能であると共に、ブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

なお、開始値a0、第1目標値a1、及び第2目標値a2は、作業車両１の状況等に応じて変更されてもよい。第1開始値b1、第1終了値b2、及び第2開始値b3は、定数として記憶装置28に記憶されてもよい。

次に、上述した第1サブルーチンSub1と第2サブルーチンSub2との処理に付いて説明する。第1サブルーチンSub1と第2サブルーチンSub2との処理は、牽引力に応じて目標変位データCを修正して最適化するための処理である。図8は、第1サブルーチンSub1の処理を示すフローチャートである。

まず、ステップS301において、コントローラ26は、牽引力Fを取得する。コントローラ26は、出力センサ34の検出値から牽引力Fを算出することで、牽引力Fを取得する。

ステップS302では、コントローラ26は、移動量ｎが閾値L以上であるかを判定する。閾値Lは、例えば掘削開始領域の初期を除いた領域で第1サブルーチンSub1が実行されるような値に設定される。或いは、閾値Lは、掘削領域以降の領域で第1サブルーチンSub1が実行されるような値に設定されてもよい。或いは、閾値Lは、運土領域以降の領域で第1サブルーチンSub1が実行されるような値に設定されてもよい。

ステップS303において、コントローラ26は、牽引力Fが第1閾値F1以上であるかを判定する。詳しくは、コントローラ26は、牽引力Fが第１閾値F1以上であり、且つ、その状態の継続時間が所定時間ｔ以上であるかを判定する。牽引力Fが第1閾値F1以上であるときには、処理はステップS304に進む。ステップS304では、目標高さ変位Z_offsetの値を、所定値r1、減らす。それにより、図9に示されるように、目標変位データCは、牽引力Fが第1閾値F1以上になったときの移動量の地点D1から、目標変位Z_offsetが、所定値r1、小さくなったデータに修正される。また、コントローラ26は、この処理を牽引力Fが第1閾値F1より小さくなるまで続ける。

次に、ステップS305において、コントローラ26は、牽引力Fが第2閾値F2以下であるかを判定する。牽引力Fが第2閾値F2以下であるときには、処理はステップS306に進む。ステップS306では、コントローラ26は、目標変位Z_offsetの値を、所定値r2、増やす。それにより、図10に示されるように、目標変位データCは、牽引力Fが第2閾値F2以下になったときの移動量の地点D2から、目標変位Z_offsetが所定値r2大きくなったデータに修正される。また、コントローラ26は、この処理を牽引力Fが第2閾値F2より大きくなるまで続ける。

なお、第1閾値F1は、掘削時の牽引力が作業車両1にとって過剰に大きくならないような値に設定されることが好ましい。第2閾値F2は、掘削時の牽引力が作業車両1にとって過剰に小さくなることで作業性が低くならないような値に設定されることが好ましい。所定値r1,r2は、互いに異なる値であってもよく、同じ値であってもよい。所定値r1,r2は、牽引力が過剰に大きく変化しないような値に設定されることが好ましい。

図11は、第2サブルーチンSub2の処理を示すフローチャートである。図7に示すステップS204の処理の後、処理は、図11に示すサブルーチン2(Sub2)に進む。

図11に示すように、コントローラ26は、まずステップS401において、作業車両1の牽引力Fが第3閾値F3より小さく、且つ、第4閾値F4より大きいかを判定する。詳しくは、牽引力Fが第3閾値より小さく、且つ、第4閾値F4より大きく、且つ、その状態の継続時間が所定時間t以上であるかを判定する。なお、以下の説明では、牽引力Fの大きさを判定するときの継続時間の条件は説明を簡略にするため省略する。牽引力Fが第3閾値F3より小さく、且つ、第4閾値F4より大きいときには、処理は、図7に示すメインルーチンに戻って、ステップS205に進む。牽引力Fが第3閾値F3より小さく、且つ、第4閾値F4より大きい範囲外であるときには、処理はステップS402に進む。

ステップS402では、コントローラ26は、牽引力Fが第3閾値F3以上であるか否かを判定する。牽引力Fが第3閾値F3以上であるときには、処理はステップS403に進む。ステップS403では、コントローラ26は、第1終了値をb2からb2’に変更し、第2開始値をb3からb3’に変更する。b2’はb2より小さな値である。b3’は、b3よりも小さな値である。なお、b3’は、b3−(b2−b2’)に等しい。

第3閾値F3は、掘削時の牽引力が作業車両1にとって過剰に大きくならないような値に設定されることが好ましい。b2’は、牽引力Fが第3閾値F3以上となったときの移動量であってもよい。b3’は、b2’と移行時データc3の傾きとから算出されてもよい。

これにより、図12に示すように、定常掘削終了点がTからT’に変更され、掘削領域の終了が早くなる。また、運土開始点がPからP’に変更され、運土領域の開始が早くなる。

ステップS402で、牽引力Fが第3閾値F3より小さいときには、処理はステップS404に進む。ステップS404では、コントローラ26は、移動量b2において、牽引力Fが第4閾値F4より小さいかを判定する。牽引力Fが第4閾値F4より小さいときには、処理はステップS405に進む。ステップS405では、コントローラ26は、第1終了値をb2からb2’’に変更し、第2開始値をb3からb3’’に変更する。b2’’はb2より大きな値である。b3’’は、b3よりも大きな値である。なお、b3’’は、b3＋(b2’’−b2)に等しい。

これにより、図13に示すように、定常掘削終了点がTからT’’に変更され、掘削領域の終了が延長される。また、運土開始点がPからP’’に変更され、運土領域の開始が遅くなる。

なお、第4閾値F4は、掘削時の牽引力が作業車両1にとって過剰に小さくなることで作業性が低くならないような値に設定されることが好ましい。b2’’及びb3’’は、予め定められた所定値であってもよい。或いは、b2’’は、牽引力Fが第4閾値F4以上となったときの移動量であってもよい。b3’’は、b2’’と移行時データc3の傾きとから算出されてもよい。

ステップS405での判定が否の場合、処理は、図7に示すメインルーチンに戻って、ステップS205に進む。

以上のように、目標変位Z_offsetが決定されることで、目標設計地形70の高さZが決定される。

図4に示すステップS108では、コントローラ26は、目標設計地形70に向ってブレード18を制御する。ここでは、コントローラ26は、ステップS107で作成した目標設計地形70に向ってブレード18の刃先位置が移動するように、作業機13への指令信号を生成する。生成された指令信号は、制御弁27に入力される。それにより、作業機13の刃先位置P0が目標設計地形70に沿って移動する。

上述した掘削領域では、現況地形50と目標設計地形70との間の変位距離ΔZが、他の領域と比べて大きい。これにより、掘削領域では、現況地形50の掘削作業が行われる。運土領域では、現況地形50と目標設計地形70との間の変位距離ΔZが他の領域と比べて小さい。これにより、運土領域では、地面の掘削が控えられ、ブレード18に保持されている土砂が運搬される。

ステップS109では、コントローラ26は、作業現場地形データを更新する。コントローラ26は、刃先位置P0の最新の軌跡を示す位置データを、現況地形データとして取得し、取得した現況地形データによって作業現場地形データを更新する。或いは、コントローラ26は、車体位置データと車体寸法データとから履帯16の底面の位置を算出し、履帯16の底面の軌跡を示す位置データを現況地形データとして取得してもよい。この場合、作業地形データの更新は即時に行うことができる。

或いは、現況地形データは、作業車両1の外部の測量装置によって計測された測量データから生成されてもよい。外部の測量装置として、例えば、航空レーザ測量を用いてよい。或いは、カメラによって現況地形50を撮影し、カメラによって得られた画像データから現況地形データが生成されてもよい。例えば、UAV(Unmanned Aerial Vehicle)による空撮測量を用いてよい。外部の測量装置又はカメラの場合、作業現場地形データの更新は、所定周期ごと、あるいは随時に行われてもよい。

なお、上記の処理は、作業車両1が前進しているときに実行される。例えば、走行装置12用の操作装置25aが前進位置であるときに、上記の処理が実行される。ただし、作業車両1が、所定距離以上、後進すると、掘削開始位置、及び、移動量nは、初期化される。また、ブレード18の保有土量も初期化される。コントローラ26は、所定距離、前進するごとに、複数の参照点に対する目標設計地形70を決定し、更新する。ただし、コントローラ26は、前進から後進に切り換えられるまで、当初決定した目標設計地形70を維持してもよい。

そして、再び作業車両1が前進したときに、上記の処理が実行される。コントローラ26は、更新された作業現場地形データを基に現況地形50を更新し、更新された現況地形50に基づいて、目標設計地形70を新たに決定する。そして、コントローラ26は、新たに決定された目標設計地形70に沿って、ブレード18を制御する。このような処理が繰り返されることにより、現況地形50が最終設計地形60に近づくように、掘削が行われる。

以上説明した、本実施形態に係る作業車両1の制御システム3によれば、コントローラ26は、目標変位データを参照して、移動量nに応じた変位距離ΔZを決定する。そして、コントローラ26は、現況地形50から変位距離ΔZ、鉛直方向に変位した目標設計地形70を決定する。このような目標設計地形70に向ってブレード18が制御されることで、大きな凹凸を生成させることなく、スムーズに作業を行うことができる。

掘削作業では、作業車両1の移動量nが小さいときには、ブレード18での保有土量は少ない。従って、作業車両1の移動量nが小さい掘削領域において、大きな変位距離ΔZが設定されることで、効率よく掘削作業を行うことができる。

作業車両1の移動量nが大きいときには、ブレード18での保有土量は多い。そのため、作業車両1の移動量nが大きい運土領域では、小さな変位距離ΔZが設定されることで、保有土量が過剰となることを防止することができる。これにより、ブレード18に過剰な負荷がかかることを防止することができる。或いは、ブレード18から土が漏れることを抑えることができる。

コントローラ26は、現在の保有土量が所定の閾値より大きくなった時点での作業車両1の移動量nを、第1終了値b2として決定する。これにより、保有土量が過剰となることを、さらに精度良く防止することができる。

コントローラ26は、作業車両1の牽引力Fの大きさに応じて目標変位データCを修正する。それにより、コントローラ26は、作業車両1の牽引力Fの大きさに応じて目標設計地形70を修正する。それにより、目標設計地形70を牽引力Fに応じて最適化することができる。
これを具体的なケースを挙げて説明する。作業車両1の作業機制御として、目標設計地形70に沿って動作させる制御と、従来技術の負荷制御とを同時に行っている場合を想定する。作業機13が目標設計地形70に沿って動作中に、牽引力が所定値より大きくなると、負荷制御により作業機13は上昇する。そして、牽引力が所定値以下になると、負荷制御による作業機制御は解除され、目標設計地形70に沿わせる制御が働いて作業機13は下降する。そのため、作業面に凹凸が生じる。本実施形態に係る作業車両1では、コントローラ26が牽引力に応じて目標設計地形70を修正するため、上記の凹凸の生成が抑制される。

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。

作業車両1は、ブルドーザに限らず、ホイールローダ、モータグレーダ等の他の車両であってもよい。

作業車両1は、遠隔操縦可能な車両であってもよい。その場合、制御システム3の一部は、作業車両1の外部に配置されてもよい。例えば、コントローラ26は、作業車両1の外部に配置されてもよい。コントローラ26は、作業現場から離れたコントロールセンタ内に配置されてもよい。

コントローラ26は、互いに別体の複数のコントローラ26を有してもよい。例えば、図14に示すように、コントローラ26は、作業車両1の外部に配置されるリモートコントローラ261と、作業車両1に搭載される車載コントローラ262とを含んでもよい。リモートコントローラ261と車載コントローラ262とは通信装置38,39を介して無線により通信可能であってもよい。そして、上述したコントローラ26の機能の一部がリモートコントローラ261によって実行され、残りの機能が車載コントローラ262によって実行されてもよい。例えば、目標設計地形70を決定する処理がリモートコントローラ261によって実行され、作業機13への指令信号を出力する処理が車載コントローラ262によって実行されてもよい。

操作装置25aは、作業車両1の外部に配置されてもよい。その場合、運転室は、作業車両1から省略されてもよい。或いは、操作装置25aが作業車両1から省略されてもよい。操作装置25aによる操作無しで、コントローラ26による自動制御のみによって作業車両1が操作されてもよい。

現況地形50は、上述した位置検出装置31に限らず、他の装置によって取得されてもよい。例えば、図15に示すように、外部の装置からのデータを受け付けるインターフェ−ス装置37によって現況地形50が取得されてもよい。インターフェ−ス装置37は、外部の計測装置41が計測した現況地形データを無線によって受信してもよい。或いは、インターフェ−ス装置37は、記録媒体の読み取り装置であって、外部の計測装置41が計測した現況地形データを記録媒体を介して受け付けてもよい。

コントローラ26は、平滑化された現況地形50に基づいて、目標設計地形70を決定してもよい。すなわち、コントローラ26は、平滑化された現況地形50から、変位距離ΔZ、変位した目標設計地形70を決定してもよい。平滑化とは、現況地形50の高さ変化をなだらかにする処理を意味する。例えば、コントローラ26は、以下の数3式によって現況地形50の複数の地点での高さZ0~Znを平滑化してもよい。
［数3］

Zn_smは、平滑化された現況地形50における各地点の高さを示している。なお、数3式では、5つの地点の高さの平均値により平滑化を行っている。しかし、平滑化に用いる地点の数は５つより少ない、或いは５つより大きくてもよい。平滑化に用いる地点の数が変更可能であり、オペレータは、平滑化に用いる地点の数を変更することで、所望の平滑の度合いに設定可能であってもよい。また、平滑化の対象となる地点、及び、その前後の地点の高さの平均値に限らず、平滑化の対象となる地点、及び、その前方に位置する地点の高さの平均値が算出されてもよい。或いは、平滑化の対象となる地点、及び、その後方に位置する地点の高さの平均値が算出されてもよい。或いは、平均値に限らず、他の平滑化処理が用いられてもよい。

目標変位データは、目標負荷パラメータと移動量との関係を示すデータであってもよい。或いは、コントローラ26は、目標負荷パラメータと作業車両1の現在位置との関係を示す目標負荷パラメータデータを参照して、目標設計地形を決定してもよい。目標負荷パラメータは、作業機13への負荷に関係するパラメータであればよく、上記の実施形態のような目標変位に限らない。

例えば、図16は、目標負荷パラメータデータの他の例を示す図である。図16に示すように、目標負荷パラメータは、平坦な地形の各地点ごとの目標土量S_targetであってもよい。すなわち、目標負荷パラメータは、単位距離当たりの目標土量S_targetであってもよい。例えば、コントローラ26は、目標土量S_targetとブレード13の幅とから、変位距離ΔZを算出することができる。

或いは、目標負荷パラメータは、単位距離当たりの目標土量S_targetと異なるパラメータであってもよい。例えば、目標負荷パラメータは、各地点での作業機13への負荷の目標値を示すパラメータであってもよい。コントローラ26は、目標負荷パラメータから各地点ごとの変位距離ΔZを算出することができる。その場合、コントローラ26は、目標負荷パラメータの増大に応じて、変位距離ΔZを増大させてもよい。

図17に示すように、コントローラ26は、現況地形50から、変位距離ΔZ、上方に変位した目標設計地形70を決定してもよい。この場合、掘削作業に代えて盛土作業を行うことができる。

本発明によれば、自動制御によって、効率良く作業を行うと共に、作業によって凹凸の大きな地形が形成されることを抑えることができる。

3 制御システム
13 作業機
26 コントローラ
50 現況地形
70 目標設計地形（目標プロファイル）
b1 第１開始値
b2 第１終了値
b3 第２開始値
C 目標変位データ
F 牽引力（作業車両が受ける負荷）
n 移動量
Z_offset 目標変位

Claims (21)

1. 作業機を有する作業車両の制御システムであって、
   コントローラを備え、
   前記コントローラは、
   作業対象の目標プロファイルを決定し、
   前記目標プロファイルに従って前記作業機を動作させる指令信号を生成し、
   前記作業車両が受ける負荷を取得し、
   前記負荷の大きさに応じて前記目標プロファイルを修正し、
   修正された前記目標プロファイルに従って前記作業機を動作させる指令信号を生成する、
   ようにプログラムされている、
   作業車両の制御システム。
2. 前記コントローラは、
   前記作業車両の現在位置を示す現在位置データを取得し、
   前記作業対象の現況地形を示す現況地形データを取得し、
   前記作業車両の作業開始位置からの移動量を前記現在位置データから取得し、
   前記移動量に応じた目標変位を示す目標変位データを参照して、前記移動量から前記目標変位を決定し、
   前記現況地形を、前記目標変位、鉛直方向に変位させた目標設計地形を決定し、
   前記目標設計地形を前記目標プロファイルとして設定する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
3. 前記コントローラは、前記負荷の大きさに応じて前記目標変位データを修正することで、前記目標プロファイルを修正する、
   請求項２に記載の作業車両の制御システム。
4. 前記コントローラは、
   前記作業対象の現況地形を示す現況地形データを取得し、
   前記現況地形データに基づき、前記現況地形を鉛直方向に変位させた目標設計地形を決定し、
   前記目標設計地形を前記目標プロファイルとして設定する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
5. 前記コントローラは、前記負荷の大きさに応じて前記目標変位を修正する、
   請求項２に記載の作業車両の制御システム。
6. 前記コントローラは、前記負荷が第１閾値以上であるときに、前記目標変位を減少させる、
   請求項５に記載の作業車両の制御システム。
7. 前記コントローラは、前記負荷が第２閾値以下であるときに、前記目標変位を増大させる、
   請求項５に記載の作業車両の制御システム。
8. 前記目標変位データは、第１領域と第２領域とを含み、
   前記第１領域は、前記移動量が第１開始値から第１終了値までであるときの前記目標変位を規定し、
   前記第２領域は、前記移動量が第２開始値より大きいときの前記目標変位を規定し、
   前記第１領域では、前記第２領域よりも大きな前記目標変位が規定され、
   前記コントローラは、前記負荷の大きさに応じて、前記第１終了値、及び／又は前記第２開始値を修正する、
   請求項４に記載の作業車両の制御システム。
9. 前記コントローラは、前記負荷が第３閾値以上であるときに前記第１終了値、及び／又は前記第２開始値を減少させる、
   請求項８に記載の作業車両の制御システム。
10. 前記コントローラは、前記負荷が第４閾値以下であるときに、前記第１終了値、及び／又は前記第２開始値を増大させる、
    請求項８に記載の作業車両の制御システム。
11. 作業車両の作業機の軌跡を設定する方法であって、
    作業対象の目標プロファイルを決定することと、
    前記目標プロファイルに従って前記作業機を動作させるように前記作業機の軌跡を設定することと、
    前記作業車両の負荷を取得することと、
    前記負荷の大きさに応じて前記目標プロファイルを修正することと、
    修正された前記目標プロファイルに従って前記作業機を動作させるように前記作業機の軌跡を設定することと、
    を備える作業機の軌跡設定方法。
12. 前記作業車両の現在位置を示す現在位置データを取得することと、
    前記作業対象の現況地形を示す現況地形データを取得することと、
    前記現在位置データと前記現況地形データとに基づいて、前記現況地形を鉛直方向に変位させた目標設計地形を決定することと、
    をさらに備える、
    請求項１１に記載の作業機の軌跡設定方法。
13. 前記作業車両の作業開始位置からの移動量を取得することと、
    前記移動量に応じた目標変位を示す目標変位データを参照して、前記移動量から前記目標変位を決定することと、
    前記現況地形を、前記目標変位、鉛直方向に変位させた目標設計地形を決定することと、
    をさらに備え、
    前記目標設計地形が前記目標プロファイルとして設定される、
    請求項１２に記載の作業機の軌跡設定方法。
14. 前記負荷の大きさに応じて前記目標変位が修正される、
    請求項１３に記載の作業機の軌跡設定方法。
15. 前記目標変位データは、第１領域と第２領域とを含み、
    前記第１領域は、前記移動量が第１開始値から第１終了値までであるときの前記目標変位を規定し、
    前記第２領域は、前記移動量が第２開始値より大きいときの前記目標変位を規定し、
    前記第１領域では、前記第２領域よりも大きな前記目標変位が規定され、
    前記負荷の大きさに応じて、前記第１終了値、及び／又は前記第２開始値が修正される、
    請求項１３に記載の作業機の軌跡設定方法。
16. 作業機と、
    コントローラと、
    を備え、
    前記コントローラは、
    作業対象の目標プロファイルを決定し、
    前記目標プロファイルに従って前記作業機を動作させる指令信号を生成し、
    前記作業車両の負荷を取得し、
    前記負荷の大きさに応じて前記目標プロファイルを修正し、
    修正された前記目標プロファイルに従って前記作業機を動作させる指令信号を生成する、
    ようにプログラムされている、
    作業車両。
17. 前記コントローラは、
    前記作業車両の現在位置を示す現在位置データを取得し、
    前記作業対象の現況地形を示す現況地形データを取得し、
    前記現在位置データと前記現況地形データとに基づいて、前記目標プロファイルを決定する、
    請求項１６に記載の作業車両。
18. 前記コントローラは、
    前記現況地形を鉛直方向に変位させた目標設計地形を決定し、
    前記目標設計地形を前記目標プロファイルとして設定する、
    請求項１７に記載の作業車両。
19. 前記コントローラは、
    前記作業車両の作業開始位置からの移動量を取得し、
    前記移動量に応じた目標変位を示す目標変位データを参照して、前記移動量から前記目標変位を決定し、
    前記現況地形を、前記目標変位、鉛直方向に変位させた目標設計地形を決定し、
    前記目標設計地形を前記目標プロファイルとして設定する、
    請求項１７に記載の作業車両。
20. 前記コントローラは、前記負荷の大きさに応じて前記目標変位を修正する、
    請求項１９に記載の作業車両。
21. 前記目標変位データは、第１領域と第２領域とを含み、
    前記第１領域は、前記移動量が第１開始値から第１終了値までであるときの前記目標変位を規定し、
    前記第２領域は、前記移動量が第２開始値より大きいときの前記目標変位を規定し、
    前記第１領域では、前記第２領域よりも大きな前記目標変位が規定され、
    前記コントローラは、前記負荷の大きさに応じて、前記第１終了値、及び／又は前記第２開始値を修正する、
    請求項１９に記載の作業車両。
    
    

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