KR101800103B1 - 작업 기계의 자세 연산 장치, 작업 기계 및 작업 기계의 자세 연산 방법 - Google Patents

Abstract

작업 기계의 자세 연산 장치는, 작업 기계에 구비되어, 각속도 및 가속도를 검출하는 검출 장치와, 상기 검출 장치에 구비되어, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 상기 작업 기계의 자세각을 구하는 제 1 자세각 연산부와, 상기 제 1 자세각 연산부가 구한 자세각을 통과시켜 제 1 자세각으로서 출력하는 로우 패스 필터와, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 구한 자세각을 제 2 자세각으로서 출력하는 제 2 자세각 연산부와, 상기 제 1 자세각과, 상기 제 2 자세각을, 상기 작업 기계의 각도 변동에 관한 정보에 기초하여 전환하여 출력하는 선택부를 포함한다.

Description

작업 기계의 자세 연산 장치, 작업 기계 및 작업 기계의 자세 연산 방법{ATTITUDE COMPUTING DEVICE FOR OPERATING MACHINE, OPERATING MACHINE, AND ATTITUDE COMPUTING METHOD FOR OPERATING MACHINE}

본 발명은, 작업 기계의 자세 연산 장치, 작업 기계 및 작업 기계의 자세 연산 방법에 관한 것이다.

최근, 유압 셔블 또는 불도저 등의 작업 기계에 있어서, 굴삭 대상의 침입 불가 영역의 경계선보다 굴삭하지 않도록 작업기를 제어하여, 경계선을 따라 굴삭시키는 기술이 있다 (예를 들어, 특허문헌 1).

국제 공개 제1995/030059호

작업기의 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 굴삭 지형을 따라 작업 기계로 굴삭시키는 경우, 작업 기계가 구비하는 작업기의 위치, 예를 들어, 유압 셔블에서는 버킷의 날끝의 위치를 구할 필요가 있다. 이 경우, 작업 기계의 기울기에 관한 정보를 정확하게 구할 필요가 있다. 예를 들어, IMU (Inertial Measurement Unit : 관성 계측 장치) 를 작업 기계에 탑재하고, IMU 의 검출치로부터 롤각 및 피치각과 같은 경사각을 작업기의 기울기에 관한 정보로서 얻을 수 있다.

작업 기계가 움직이고 있는 경우에는, 작업 기계의 움직임에 따른 작업기의 위치를 구하여, 목표 굴삭 지형을 따라 작업 기계로 굴삭시키고, 경계선을 초과하여 굴삭 대상을 굴입하는 것을 억제하도록 작업기를 제어할 필요가 있기 때문에, 자세각을 검출할 때의 응답성이 높은 것이 요구된다. 그러나, 자세각을 검출할 때의 응답성을 높게 하면, IMU 가 검출한 자세각이 짧은 주기로 변동하는 경우가 있다. 이 때문에, 작업 기계가 정지하고 있을 때에 목표 굴삭 지형을 따라 작업 기계로 굴삭시키고, 경계선을 초과하여 굴삭 대상을 굴입하는 것을 억제하도록 작업기를 제어하는 경우에는, 작업기의 위치의 검출 결과가 진동하는 경우가 있다.

본 발명은, 작업 기계의 동작 상태에 상관없이, 목표 굴삭 지형을 초과하여 굴삭 대상을 굴입하는 것을 억제할 수 있도록 작업기를 제어하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 작업기를 구비하는 작업 기계의 자세각을 구하는 데에 있어서, 상기 작업 기계에 구비되어, 각속도 및 가속도를 검출하는 검출 장치와, 상기 검출 장치에 구비되어, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 상기 작업 기계의 자세각을 구하는 제 1 자세각 연산부와, 상기 제 1 자세각 연산부가 구한 자세각을 통과시켜 제 1 자세각으로서 출력하는 로우 패스 필터와, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 구한 자세각을 제 2 자세각으로서 출력하는 제 2 자세각 연산부와, 상기 제 1 자세각과 상기 제 2 자세각을, 상기 작업 기계의 각도 변동에 관한 정보에 기초하여 전환하여 출력하는 선택부를 포함하는, 작업 기계의 자세 연산 장치이다.

본 발명은, 작업기를 구비하는 작업 기계의 자세각을 구하는 데에 있어서, 상기 작업 기계에 구비되어, 각속도 및 가속도를 검출하는 검출 장치와, 상기 검출 장치에 구비되어, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 상기 작업 기계의 자세각을 구하는 자세각 연산부와, 상기 자세각 연산부에서 구한 자세각에 필터 처리를 실시하여 제 1 자세각으로서 구하는 로우 패스 필터와, 상기 자세각 연산부에 있어서 상기 자세각을 제 2 자세각으로 하고, 상기 제 1 자세각과 상기 제 2 자세각을 상기 작업 기계의 각도 변동에 관한 정보에 기초하여 전환하여 출력하는 선택부를 포함하는, 작업 기계의 자세 연산 장치이다.

본 발명은, 상기 제 2 자세각 연산부는, 제 1 차단 주파수가 설정되고, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 구해진 상기 자세각에 포함되는 잡음을 저감시켜 제 3 자세각을 출력하는 제 1 상보 필터와, 상기 제 1 차단 주파수와는 상이한 제 2 차단 주파수가 설정되고, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 구해진 상기 자세각에 포함되는 잡음을 저감시켜 제 4 자세각을 출력하는 제 2 상보 필터와, 상기 작업 기계의 움직임의 상태에 따라, 상기 제 3 자세각 또는 상기 제 4 자세각을 전환하여 상기 제 2 자세각으로서 출력하는 전환부를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제 2 자세각은, 상기 작업 기계의 자세각이 상기 로우 패스 필터보다 차단 주파수가 높은 필터를 통과한 것이 바람직하다.

상기 각도 변동에 관한 정보는, 상기 작업 기계의 선회에 관한 정보인 것이 바람직하다.

상기 작업 기계는, 주행체와, 상기 주행체의 상부에 구비되는 선회체를 구비하고, 상기 작업 기계의 선회에 관한 정보는 상기 선회체의 선회 속도이고, 상기 선택부는, 상기 선회 속도가 소정의 임계치 이하인 경우에는 상기 제 1 자세각을 출력하고, 상기 선회 속도가 소정의 임계치를 초과한 경우에 상기 제 2 자세각을 출력하는 것이 바람직하다.

상기 선택부는, 상기 제 1 자세각과 상기 제 2 자세각의 차분이 소정의 임계치를 초과한 경우, 상기 제 2 자세각을 출력하는 것이 바람직하다.

상기 선택부는, 상기 선회체의 선회 속도가 소정의 임계치 이하인 경우에 상기 제 1 자세각을 출력하고, 상기 선회 속도가 소정의 임계치를 초과한 경우에 상기 제 2 자세각을 출력하고, 상기 제 1 자세각과 상기 제 2 자세각의 차분이 소정의 임계치를 초과한 경우, 상기 제 2 자세각을 출력하는 것이 바람직하다.

본 발명은, 전술한 작업 기계의 자세 연산 장치와, 상기 작업 기계의 자세 연산 장치로부터 출력된 상기 제 1 자세각 또는 상기 제 2 자세각을 이용하여, 상기 작업 기계의 적어도 일부의 위치 정보를 구하는, 작업 기계.

상기 작업 기계의 위치 정보를 검출하는 위치 검출 장치와, 상기 작업 기계의 자세 연산 장치로부터 출력된 상기 작업 기계의 적어도 일부의 위치 정보와, 상기 위치 검출 장치에 의해 검출된 위치 정보에 기초하여 상기 작업기의 위치를 구하고, 또한 목표 형상을 나타내는 목표 시공면의 정보로부터 상기 작업기의 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 굴삭 지형에 관한 정보를 생성하는 목표 굴삭 지형 생성 장치를 갖는 것이 바람직하다.

상기 목표 굴삭 지형을 표시하기 위한 표시용의 정보에 기초하여, 상기 목표 굴삭 지형을 표시하는 표시 장치를 갖는 것이 바람직하다.

상기 설정부로부터 취득한 상기 목표 굴삭 지형에 관한 정보에 기초하여, 상기 작업기가 굴삭 대상에 접근하는 방향의 속도가 제한 속도 이하가 되도록 제어하는 굴삭 제어를 실행하는 작업기 제어부를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은, 작업기를 구비하는 작업 기계의 자세각을 구하는 데에 있어서, 상기 작업 기계의 자세각을, 로우 패스 필터를 통과시켜 제 1 자세각으로서 출력하고, 또한 상기 작업 기계의 자세각을 제 2 자세각으로서 출력하고, 상기 제 1 자세각과 상기 제 2 자세각을, 상기 작업 기계의 각도 변동에 관한 정보에 기초하여 전환하여 출력하는, 작업 기계의 자세 연산 방법이다.

본 발명은, 작업 기계의 동작 상태에 상관없이, 목표 굴삭 지형을 초과하여 굴삭 대상을 굴입하는 것을 억제할 수 있도록 작업기를 제어할 수 있다.

도 1a 는 본 실시형태에 관련된 작업 기계의 사시도이다.
도 1b 는 본 실시형태에 관련된 작업 기계의 측면도이다.
도 2 는 본 실시형태에 관련된 작업 기계의 제어계를 나타내는 도면이다.
도 3a 는 목표 시공면의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3b 는 작업기 제어 장치 및 제 2 표시 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4 는 목표 굴삭 지형과 버킷의 날끝의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5 는 목표 속도와 수직 속도 성분과 수평 속도 성분의 관계를 나타내는 모식도이다.
도 6 은 수직 속도 성분과 수평 속도 성분의 산출 방법을 나타내는 도면이다.
도 7 은 수직 속도 성분과 수평 속도 성분의 산출 방법을 나타내는 도면이다.
도 8 은 날끝과 목표 굴삭 지형 사이의 거리를 나타내는 모식도이다.
도 9 는 제한 속도 정보의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 10 은 붐의 제한 속도의 수직 속도 성분의 산출 방법을 나타내는 모식도이다.
도 11 은 붐의 제한 속도의 수직 속도 성분과 붐의 제한 속도의 관계를 나타내는 모식도이다.
도 12 는 날끝의 이동에 의한 붐의 제한 속도의 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13 은 본 실시형태에 관련된 제어 시스템 및 유압 시스템의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 14 는 도 13 의 일부를 확대한 도면이다.
도 15 는 IMU 의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 16 은 센서 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 17 은 상부 선회체의 선회 속도를 설명하기 위한 도면이다.
도 18 은 상보 필터의 특성을 나타내는 도면이다.
도 19 는 오차 및 오차의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 20 은 제 1 상보 필터의 게인 및 제 2 상보 필터의 게인과 주파수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 21 은 제 2 자세각 연산부의 전환부가 출력하는 제 2 자세각과, 제 3 자세각과, 제 4 자세각의 시간 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 22 는 제 2 자세각을 구하는 처리의 일례를 나타내는 플로우 차트이다.
도 23 은 본 실시형태의 변형예에 있어서의 제 3 자세각과 제 4 자세각의 전환에 사용하는 테이블의 일례를 나타내는 도면이다.
도 24 는 본 실시형태에 관련된 자세각 산출 방법의 제 1 예의 처리 순서를 나타내는 플로우 차트이다.
도 25 는 피치각의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 26 은 본 실시형태에 관련된 제 2 자세각 산출 처리 방법의 처리 순서를 나타내는 플로우 차트이다.
도 27 은 원심력을 캔슬하는 기능을 구비한 센서 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 28 은 IMU 의 장착 위치의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 29 는 유압 셔블의 로컬 좌표계와 IMU 의 로컬 좌표계를 설명하기 위한 도면이다.
도 30 은 제 1 변형예에 관련된 센서 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 31 은 제 2 변형예에 관련된 센서 제어 장치의 블록도이다.

본 발명을 실시하기 위한 형태 (실시형태) 에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

＜작업 기계의 전체 구성＞

도 1a 는 본 실시형태에 관련된 작업 기계의 사시도이다. 도 1b 는 본 실시형태에 관련된 작업 기계의 측면도이다. 도 2 는 본 실시형태에 관련된 작업 기계의 제어계를 나타내는 도면이다. 작업 기계로서의 유압 셔블 (100) 은, 본체부로서의 차량 본체 (1) 와 작업기 (2) 를 갖는다. 차량 본체 (1) 는, 선회체로서의 상부 선회체 (3) 와 주행체로서의 주행 장치 (5) 를 갖는다. 상부 선회체 (3) 는, 기관실 (3EG) 의 내부에, 도 2 에 나타내는 동력 발생 장치로서의 엔진 (36) 및 유압 펌프 (37) 등의 장치를 수용하고 있다. 기관실 (3EG) 은, 상부 선회체 (3) 의 일단측에 배치되어 있다.

본 실시형태에 있어서, 유압 셔블 (100) 은, 동력 발생 장치로서의 엔진 (36) 에, 예를 들어 디젤 엔진 등의 내연 기관이 사용되지만, 동력 발생 장치는 이와 같은 것에 한정되지 않는다. 유압 셔블 (100) 의 동력 발생 장치는, 예를 들어, 내연 기관과 발전 전동기와 축전 장치를 조합한, 이른바 하이브리드 방식의 장치여도 된다.

상부 선회체 (3) 는, 운전실 (4) 을 갖는다. 운전실 (4) 은, 상부 선회체 (3) 의 타단측에 설치되어 있다. 즉, 운전실 (4) 은, 기관실 (3EG) 이 배치되어 있는 측과는 반대측에 설치되어 있다. 운전실 (4) 내에는, 도 2 에 나타내는, 제 1 표시 장치 (28) 및 조작 장치 (30) 가 배치된다. 이들에 대해서는 후술한다. 상부 선회체 (3) 의 상방에는, 난간 (19) 이 장착되어 있다.

주행 장치 (5) 는, 상부 선회체 (3) 를 탑재한다. 주행 장치 (5) 는, 크롤러 트랙 (5a, 5b) 을 가지고 있다. 주행 장치 (5) 는, 좌우에 형성된 유압 모터 (5c) 의 일방 또는 양방이 구동하고, 크롤러 트랙 (5a, 5b) 이 회전함으로써, 유압 셔블 (100) 을 주행시킨다. 작업기 (2) 는, 상부 선회체 (3) 의 운전실 (4) 의 측방측에 장착되어 있다.

유압 셔블 (100) 은, 크롤러 트랙 (5a, 5b) 대신에 타이어를 구비하고, 도 2 에 나타내는 엔진 (36) 의 구동력을, 트랜스 미션을 개재하여 타이어에 전달하여 주행이 가능한 주행 장치를 구비한 것이어도 된다. 이와 같은 형태의 유압 셔블 (100) 로는, 예를 들어, 휠식 유압 셔블이 있다. 또한, 유압 셔블 (100) 은, 이와 같은 타이어를 가진 주행 장치를 구비하고, 또한 차량 본체 (본체부) 에 작업기가 장착되어, 도 1 에 나타내는 바와 같은 상부 선회체 (3) 및 그 선회 기구를 구비하고 있지 않은 구조를 갖는, 예를 들어 백호우 로더여도 된다. 즉, 백호우 로더는, 차량 본체에 작업기가 장착되어, 차량 본체의 일부를 구성하는 주행 장치를 구비한 것이다.

상부 선회체 (3) 는, 작업기 (2) 및 운전실 (4) 이 배치되어 있는 측이 앞이고, 기관실 (3EG) 이 배치되어 있는 측이 뒤이다. 앞을 향하여 좌측이 상부 선회체 (3) 의 왼쪽이고, 앞을 향하여 우측이 상부 선회체 (3) 의 오른쪽이다. 또한, 유압 셔블 (100) 또는 차량 본체 (1) 는, 상부 선회체 (3) 를 기준으로 하여 주행 장치 (5) 측이 아래이고, 주행 장치 (5) 를 기준으로 하여 상부 선회체 (3) 측이 위이다. 유압 셔블 (100) 이 수평면에 설치되어 있는 경우, 아래는 연직 방향, 즉 중력의 작용 방향측이고, 위는 연직 방향과는 반대측이다.

작업기 (2) 는, 붐 (6) 과 아암 (7) 과 버킷 (8) 과 붐 실린더 (10) 와 아암 실린더 (11) 와 버킷 실린더 (12) 를 갖는다. 붐 (6) 의 기단부는, 붐 핀 (13) 을 개재하여 차량 본체 (1) 의 앞부분에 회동 가능하게 장착되어 있다. 아암 (7) 의 기단부는, 아암 핀 (14) 을 개재하여 붐 (6) 의 선단부에 회동 가능하게 장착되어 있다. 아암 (7) 의 선단부에는, 버킷 핀 (15) 을 개재하여 버킷 (8) 이 장착되어 있다. 버킷 (8) 은, 버킷 핀 (15) 을 중심으로 하여 회동한다. 버킷 (8) 은, 버킷 핀 (15) 과는 반대측에 복수의 칼날 (8B) 이 장착되어 있다. 날끝 (8T) 은, 칼날 (8B) 의 선단이다.

버킷 (8) 은, 복수의 칼날 (8B) 을 가지고 있지 않아도 된다. 요컨대, 도 1 에 나타내는 바와 같은 칼날 (8B) 을 가지고 있지 않고, 날끝이 강판에 의해 스트레이트 형상으로 형성된 것과 같은 버킷이어도 된다. 작업기 (2) 는, 예를 들어, 단수의 칼날을 갖는 틸트 버킷을 구비하고 있어도 된다. 틸트 버킷이란, 버킷 틸트 실린더를 구비하고, 버킷이 좌우로 틸트 경사짐으로써 유압 셔블이 경사지에 있어도, 사면, 평지를 자유로운 형태로 성형, 정지 (整地) 를 할 수 있고, 저판 플레이트에 의한 전압 작업도 가능한 버킷이다. 이 밖에도, 작업기 (2) 는, 버킷 (8) 대신에, 법면 버킷 또는 삭암용의 칩을 구비한 삭암용의 어태치먼트 등을 구비하고 있어도 된다.

도 1a 에 나타내는 붐 실린더 (10) 와 아암 실린더 (11) 와 버킷 실린더 (12) 는, 각각 작동유의 압력 (이하, 적절히 유압이라고 한다) 에 의해 구동되는 유압 실린더이다. 붐 실린더 (10) 는 붐 (6) 을 구동하여, 이것을 승강시킨다. 아암 실린더 (11) 는, 아암 (7) 을 구동하여, 아암 핀 (14) 을 중심으로 회동시킨다. 버킷 실린더 (12) 는, 버킷 (8) 을 구동하여, 버킷 핀 (15) 을 중심으로 회동시킨다.

붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11) 및 버킷 실린더 (12) 등의 유압 실린더와 도 2 에 나타내는 유압 펌프 (37) 사이에는, 도 2 에 나타내는 유압 제어 밸브 (38) 가 형성되어 있다. 유압 제어 밸브 (38) 는, 유압 모터 (5c) 를 구동하기 위한 주행용 제어 밸브와, 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11) 및 버킷 실린더 (12) 그리고 상부 선회체 (3) 를 선회시키는 선회 모터를 제어하기 위한 작업기용 제어 밸브를 포함한다. 도 2 에 나타내는 작업기 제어 장치 (25) 가, 유압 제어 밸브 (38) 를 제어함으로써, 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11), 버킷 실린더 (12), 선회 모터 또는 유압 모터 (5c) 에 공급되는 작동유의 유량이 제어된다. 그 결과, 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11) 및 버킷 실린더 (12) 등의 동작이 제어된다.

상부 선회체 (3) 의 상부에는, 안테나 (20, 21) 가 장착되어 있다. 안테나 (20, 21) 는, 유압 셔블 (100) 의 현재 위치를 검출하기 위해서 사용된다. 안테나 (20, 21) 는, 도 2 에 나타내는, 유압 셔블 (100) 의 현재 위치를 검출하기 위한 글로벌 좌표 연산부 (23) 와 전기적으로 접속되어 있다. 글로벌 좌표 연산부 (23) 는, RTK-GNSS (Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems, GNSS 는 전지구 항법 위성 시스템을 말한다) 를 이용하여 유압 셔블 (100) 의 현재 위치를 검출한다. 이하의 설명에 있어서, 안테나 (20, 21) 를, 적절히 GNSS 안테나 (20, 21) 라고 한다.

GNSS 안테나 (20, 21) 가 수신한 GNSS 전파에 따른 신호는, 글로벌 좌표 연산부 (23) 에 입력된다. 글로벌 좌표 연산부 (23) 는, GNSS 안테나 (20, 21) 의 설치 위치를 검출한다. GNSS 안테나 (20, 21) 의 설치 위치는, 유압 셔블 (100) 의 위치 정보이다.

상부 선회체 (3) 상이고, 유압 셔블 (100) 의 좌우 방향으로 떨어진 양단 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 본 실시형태에 있어서, GNSS 안테나 (20, 21) 는, 상부 선회체 (3) 의 폭 방향 양측에 각각 장착된 난간 (19) 에 장착된다. GNSS 안테나 (20, 21) 가 상부 선회체 (3) 에 장착되는 위치는 난간 (19) 에 한정되는 것은 아니지만, GNSS 안테나 (20, 21) 는, 가능한 한 떨어진 위치에 설치되는 것이, 유압 셔블 (100) 의 현재 위치의 검출 정밀도는 향상되기 때문에 바람직하다. 또한, GNSS 안테나 (20, 21) 는, 오퍼레이터의 시계를 최대한 방해하지 않는 위치에 설치되는 것이 바람직하다.

도 1b 를 이용하여, 글로벌 좌표계 및 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계에 대하여 설명한다. 글로벌 좌표계는, 유압 셔블 (100) 의 작업 에어리어 (GA) 에 설치된 기준이 되는, 예를 들어 기준 말뚝 (80) 의 기준 위치 (PG) 를 기준으로 한, (X, Y, Z) 로 나타내는 3 차원 좌표계이다. 도 3a 에 나타내는 바와 같이, 기준 위치 (PG) 는, 예를 들어, 작업 에어리어 (GA) 에 설치된 기준 말뚝 (80) 의 선단 (80T) 에 위치한다. 본 실시형태에 있어서, 글로벌 좌표계란, 예를 들어, GNSS 에 있어서의 좌표계이다.

유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계란, 유압 셔블 (100) 을 기준으로 한, (x, y, z) 로 나타내는 3 차원 좌표계이다. 로컬 좌표계는, z 축과 직교하고, 또한 작업기 (2) 의 붐 (6) 및 아암 (7) 이 회동하는 축과 직교하는 축이 x 축이고, x 축과 직교하는 축이 y 축이다. x 축은, 상부 선회체 (3) 의 전후 방향과 평행한 축이고, y 축은 상부 선회체 (3) 의 폭 방향 (가로 방향) 과 평행한 축이다. 본 실시형태에 있어서, 로컬 좌표계의 기준 위치 (PL) 는, 예를 들어, 상부 선회체 (3) 가 선회하기 위한 스윙 서클 상에 위치한다.

도 1b 에 나타내는 각도 (α1) 는 붐 (6) 의 경사각, 각도 (α2) 는 아암 (7) 의 경사각, 각도 (α3) 는 버킷 (8) 의 경사각, 각도 (θ5) 는 차량 본체 (1) 의 전후 방향에 대한 자세각이다. 경사각 (θ5) 은, 유압 셔블 (100) 의 피치각이다. 경사각 (θ5), 즉 유압 셔블 (100) 의 피치각 (θ5) 은, 글로벌 좌표에 대한 로컬 좌표의 기울기를 나타내는 각도이다.

(유압 셔블의 제어계)

도 2 를 이용하여, 유압 셔블 (100) 의 제어계에 대하여 설명한다. 유압 셔블 (100) 은, 제어계로서, 작업 기계의 자세 연산 장치로서의 센서 제어 장치 (24) 와, 작업기 제어 장치 (25) 와, 엔진 제어 장치 (26) 와, 펌프 제어 장치 (27) 와, 제 1 표시 장치 (28) 와, 각속도 및 가속도를 검출하는 IMU (Inertial Measurement Unit : 관성 계측 장치) (29) 와, 제 2 표시 장치 (39) 를 포함한다. 이들은, 상부 선회체 (3) 의 내부에 설치되어 있다. 본 실시형태에 있어서, IMU (29) 는 운전실 (4) 하부이고, 상부 선회체 (3) 상부의 고강성의 프레임에 장착된다. 그 이외의 장치는 운전실 (4) 내에 설치된다. IMU (29) 는, 도 1b 에 나타내는 바와 같이, 상부 선회체 (3) 의 회전 중심이 되는 z 축으로부터 떨어진 위치에 설치된다.

센서 제어 장치 (24) 와, 작업기 제어 장치 (25) 와, 엔진 제어 장치 (26) 와, 펌프 제어 장치 (27) 와, 제 1 표시 장치 (28) 는, 유압 셔블 (100) 내에 설치된 차내 신호선 (41) 과 전기적으로 접속되어 있다. 센서 제어 장치 (24) 와, 작업기 제어 장치 (25) 와, 엔진 제어 장치 (26) 와, 펌프 제어 장치 (27) 와, 제 1 표시 장치 (28) 는, 차내 신호선 (41) 을 개재하여 서로 통신할 수 있다. 센서 제어 장치 (24) 와 IMU (29) 와 제 2 표시 장치 (39) 는, 차내 신호선 (41) 과는 상이한 차내 신호선 (42) 과 전기적으로 접속되어 있다. 센서 제어 장치 (24) 와 IMU (29) 와 제 2 표시 장치 (39) 는, 차내 신호선 (42) 을 개재하여 서로 통신할 수 있다. 글로벌 좌표 연산부 (23) 와 제 2 표시 장치 (39) 는, 차내 신호선 (43) 에 의해 전기적으로 접속되어 있고, 차내 신호선 (43) 을 개재하여 서로 통신할 수 있다. IMU (29) 는, 차내 신호선 (42) 이 아니라, 차내 신호선 (41) 과 전기적으로 접속되어, 차내 신호선 (41) 과 전기적으로 접속되어 있는 다른 전자 기기와 서로 통신할 수 있게 되어 있어도 된다.

센서 제어 장치 (24) 는, 도 1 에 나타내는 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11) 및 버킷 실린더 (12) 의 스트로크를 검출하는 센서 그리고 상부 선회체 (3) 의 선회 각도를 검출하는 센서 등과 같은 각종 센서류 (35) 가 전기적으로 접속된다. 붐 (6) 의 각도 및 아암 (7) 의 각도는, 예를 들어, 붐 실린더 (10) 등의 스트로크의 변화를 검출하는 센서에 의해 검출된다. 센서 제어 장치 (24) 는, 각종 센서류 (35) 가 검출한 신호에, 필터 처리 또는 A/D (Analog/Digital) 변환 등의 각종 신호 처리를 실시한 후, 차내 신호선 (41) 에 출력한다.

센서 제어 장치 (24) 는, 차내 신호선 (42) 으로부터, IMU (29) 가 출력하는 신호를 취득한다. IMU (29) 가 출력하는 신호는, 예를 들어, 가속도 및 각속도가 있다. 본 실시형태에 있어서, IMU (29) 는, 자신이 검출한 가속도 및 각속도로부터 자세각을 구하여 출력하기 때문에, 이 자세각도 IMU (29) 가 출력하는 신호이다. IMU (29) 가 출력하는 자세각은, IMU (29) 자신의 자세각임과 함께, IMU (29) 가 설치되는 작업 기계로서의 유압 셔블 (100) 의 자세각이기도 하다. 센서 제어 장치 (24) 는, 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11) 및 버킷 실린더 (12) 의 각각에 구비된 각 스트로크 센서가 검출한 검출치를 취득하고, 각 검출치를 붐 (6) 의 경사각 (α1), 아암 (7) 의 경사각 (α2) 및 버킷 (8) 의 경사각 (α3) 으로서 산출한다.

센서 제어 장치 (24) 는, 로우 패스 필터를 통과한 제 1 자세각과, 이 로우 패스 필터를 통과하지 않은 제 2 자세각을, 유압 셔블 (100) 의 각도 변화에 관한 정보에 기초하여 전환하여 출력한다. 각도 변화에 관한 정보는, 예를 들어, 유압 셔블 (100) 의 선회 각도의 변화를 포함하는 선회에 관한 정보 및 피치각의 변화에 관한 정보 등을 포함한다. 본 실시형태에 있어서, 센서 제어 장치 (24) 는, IMU (29) 에 의해 구해진 자세각을, 로우 패스 필터를 통과시킨 후 제 1 자세각으로서 출력하고, IMU (29) 로부터 취득한 가속도 및 각속도를 이용하여 자세각을 구하고, 구한 자세각에 필터 처리를 실시하여 노이즈를 제거한 후, 전술한 로우 패스 필터를 통과시키지 않고 제 2 자세각으로서 출력한다. 그리고, 센서 제어 장치 (24) 는, 제 1 자세각과 제 2 자세각을, 유압 셔블 (100) 의 선회에 관한 정보, 예를 들어 도 1 에 나타내는 상부 선회체 (3) 의 선회 속도의 크기에 따라 전환하여 출력한다. 선회 속도는, 선회 각도를 시간으로 미분한 것이기 때문에, 선회 각도의 변화에 상당한다. IMU (29) 에 의해 구해진 자세각, IMU (29) 가 검출한 가속도 및 각속도를 이용하여 구해진 자세각, 제 1 자세각 그리고 제 2 자세각은, 모두, 유압 셔블 (100) 의 기울기에 관한 정보이다. 센서 제어 장치 (24) 의 처리의 상세한 것에 대해서는 후술한다.

작업기 제어 장치 (25) 는, 조작 장치 (30) 로부터의 입력에 기초하여, 도 1 에 나타내는 작업기 (2) 의 동작을 제어한다. 조작 장치 (30) 는, 조작부로서의 작업기 조작 부재 (31L, 31R) 및 주행 조작 부재 (33L, 33R) 를 갖는다. 본 실시형태에 있어서, 작업기 조작 부재 (31L, 31R) 및 주행 조작 부재 (33L, 33R) 는, 파일럿압 방식의 레버이지만, 이것에 한정되지 않는다. 작업기 조작 부재 (31L, 31R) 및 주행 조작 부재 (33L, 33R) 는, 예를 들어, 전기 방식의 레버여도 된다.

예를 들어, 조작 장치 (30) 는, 오퍼레이터의 좌측에 설치되는 좌조작 레버 (31L) 와 오퍼레이터의 우측에 배치되는 우조작 레버 (31R) 를 갖는다. 좌조작 레버 (31L) 및 우조작 레버 (31R) 는, 전후 좌우의 동작이 2 축의 동작에 대응되어 있다. 우조작 레버 (31R) 의 전후 방향의 조작은, 붐 (6) 의 조작에 대응되어 있다. 우조작 레버 (31R) 가 전방으로 조작되면 붐 (6) 이 내려가고, 후방으로 조작되면 붐 (6) 이 상승한다. 우조작 레버 (31R) 의 전후 방향의 조작에 따라 붐 (6) 의 내림 올림의 동작이 실행된다. 우조작 레버 (31R) 의 좌우 방향의 조작은, 버킷 (8) 의 조작에 대응되어 있다. 우조작 레버 (31R) 가 좌측으로 조작되면 버킷 (8) 이 굴삭하고, 우측으로 조작되면 버킷 (8) 이 덤프한다. 우조작 레버 (31R) 좌우 방향의 조작에 따라 버킷 (8) 의 굴삭 또는 개방 동작이 실행된다. 좌조작 레버 (31L) 의 전후 방향의 조작은, 아암 (7) 의 선회에 대응되어 있다. 좌조작 레버 (31L) 가 전방으로 조작되면 아암 (7) 이 덤프하고, 후방으로 조작되면 아암 (7) 이 굴삭한다. 좌조작 레버 (31L) 의 좌우 방향의 조작은, 상부 선회체 (3) 의 선회에 대응되어 있다. 좌조작 레버 (31L) 가 좌측으로 조작되면 좌선회하고, 우측으로 조작되면 우선회한다.

본 실시형태에 있어서, 붐 (6) 의 올림 동작은, 덤프 동작에 상당한다. 붐 (6) 의 내림 동작은, 굴삭 동작에 상당한다. 아암 (7) 의 굴삭 동작은, 내림 동작에 상당한다. 아암 (7) 의 덤프 동작은, 올림 동작에 상당한다. 버킷 (8) 의 굴삭 동작은, 내림 동작에 상당한다. 버킷 (8) 의 덤프 동작은, 올림 동작에 상당한다. 또한, 아암 (7) 의 내림 동작을 굽힘 동작이라고 칭해도 된다. 아암 (7) 의 올림 동작을 신장 동작이라고 칭해도 된다.

작업기 조작 부재 (31L, 31R) 는, 유압 셔블 (100) 의 오퍼레이터가 작업기 (2) 를 조작하기 위한 부재로서, 예를 들어, 조이 스틱과 같은 잡는 부분과 봉재를 구비한 조작 레버이다. 이와 같은 구조의 작업기 조작 부재 (31L, 31R) 는, 잡기부를 잡고 전후 좌우로 경도시키는 것이 가능하다. 예를 들어 왼쪽에 설치된 작업기 조작 부재 (31L) 를 조작함으로써, 아암 (7) 및 상부 선회체 (3) 를 동작시킬 수 있고, 오른쪽에 설치된 작업기 조작 부재 (31R) 를 조작함으로써, 버킷 (8) 및 붐 (6) 을 동작시킬 수 있다.

조작 장치 (30) 는, 작업기 조작 부재 (31L, 31R) 에 대한 입력, 즉 조작 내용에 따라 파일럿압을 발생시켜, 유압 제어 밸브 (38) 가 구비하는 작업용 제어 밸브에, 발생한 작동유의 파일럿압을 공급한다. 이 때, 각 작업기의 조작에 대응하는 조작 장치로부터의 입력에 의해 파일럿압이 발생한다. 작업기 제어 장치 (25) 는, 발생한 파일럿압을 검출함으로써, 작업기 조작 부재 (31L, 31R) 의 입력의 양, 즉 조작량을 알 수 있다. 본 실시형태에서는, 붐 (6) 이 구동될 때의 작업기 조작 부재 (31R) 의 조작에 대응하여 검출된 파일럿압에 기초하는 조작량을 MB 라고 한다. 동일하게 아암 (7) 이 구동될 때의 작업기 조작 부재 (31L) 의 조작에 대응하여 검출된 파일럿압에 기초하는 조작량을 MA, 버킷 (8) 이 구동될 때의 작업기 조작 부재 (31R) 의 조작에 대응하여 검출된 파일럿압에 기초하는 조작량을 MT 라고 한다.

주행 조작 부재 (33L, 33R) 는, 오퍼레이터가 유압 셔블 (100) 의 주행을 조작하기 위한 부재이다. 주행 조작 부재 (33L, 33R) 는, 예를 들어, 잡기부와 봉재를 구비한 조작 레버 (이하, 적절히 주행 레버라고 호칭한다) 이다. 이와 같은 주행 조작 부재 (33L, 33R) 는, 오퍼레이터가 잡기부를 잡고 전후로 경도시키는 것이 가능하다. 주행 조작 부재 (33L, 33R) 는, 2 개의 조작 레버가 동시에 앞으로 경도되면 유압 셔블 (100) 이 전진하고, 뒤로 경도되면 유압 셔블 (100) 은 후진한다.

주행 조작 부재 (33L, 33R) 는, 오퍼레이터가 다리로 밟음으로써 조작이 가능한 도시하지 않은 페달로서, 예를 들어 시소식의 페달이다. 페달의 앞측 또는 뒤측의 어느 것을 밟음으로써 전술한 조작 레버와 마찬가지로 파일럿압이 발생하고, 주행용 제어 밸브가 제어되어, 유압 모터 (5c) 가 구동하여 유압 셔블 (100) 을 전진 또는 후진시킬 수 있다. 2 개의 페달을 동시에, 또한 앞측을 밟으면 유압 셔블 (100) 은 전진하고, 뒤측을 밟으면 유압 셔블 (100) 은 후진한다. 편방의 페달의 앞측 또는 뒤측을 밟으면, 크롤러 트랙 (5a, 5b) 의 편측만이 회전하여, 유압 셔블 (100) 을 선회시킬 수 있다.

이와 같이, 오퍼레이터는, 유압 셔블 (100) 을 주행시키고자 하는 경우, 손으로 조작 레버를 전후로 경도시키거나 또는 다리로 페달의 앞측 또는 뒤측을 밟는 것 중 어느 일방을 실행하면, 주행 장치 (5) 의 유압 모터 (5c) 를 구동시킬 수 있다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 주행 조작 부재 (33L, 33R) 는 2 조 존재한다. 좌측의 주행 조작 부재 (33L) 를 조작함으로써, 좌측의 유압 모터 (5c) 를 구동시켜 좌측의 크롤러 트랙 (5b) 을 동작시킬 수 있다. 우측의 주행 조작 부재 (33R) 를 조작함으로써, 우측의 유압 모터 (5c) 를 구동시켜 우측의 크롤러 트랙 (5a) 을 동작시킬 수 있다.

조작 장치 (30) 는, 주행 조작 부재 (33L, 33R) 에 대한 입력, 즉 조작 내용에 따라 파일럿압을 발생시키고, 유압 제어 밸브 (38) 가 구비하는 주행용 제어 밸브에, 발생한 파일럿압을 공급한다. 이 파일럿압의 크기에 따라, 주행용 제어 밸브가 동작하여, 주행용의 유압 모터 (5c) 에 작동유가 공급된다. 주행 조작 부재 (33L, 33R) 가 전기 방식의 레버인 경우, 주행 조작 부재 (33L, 33R) 에 대한 입력, 즉 조작 내용이, 예를 들어 포텐셔미터 등을 이용하여 검출되고, 입력을 전기 신호 (검출 신호) 로 변환하여 작업기 제어 장치 (25) 에 보내진다. 작업기 제어 장치 (25) 는, 이 검출 신호에 기초하여, 주행용 제어 밸브를 제어한다.

엔진 제어 장치 (26) 는, 엔진 (36) 을 제어한다. 엔진 (36) 은, 유압 펌프 (37) 를 구동하여, 유압 셔블 (100) 이 구비하는 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11) 및 버킷 실린더 (12) 등의 유압 기기에 작동유를 공급한다. 엔진 제어 장치 (26) 에는 회전 속도 검출 센서 (36R) 및 연료 조정 다이얼 (26D) 이 전기적으로 접속되어 있다. 엔진 제어 장치 (26) 는, 회전 속도 검출 센서 (36R) 가 검출한 엔진 (36) 의 크랭크 샤프트의 회전 속도 및 연료 조정 다이얼 (26D) 의 설정 등에 기초하여, 엔진 (36) 에 공급하는 연료의 양을 제어한다. 이와 같이 하여, 엔진 제어 장치 (26) 는, 엔진 (36) 을 제어한다.

펌프 제어 장치 (27) 는, 유압 셔블 (100) 이 구비하는 유압 펌프 (37) 를 제어한다. 유압 펌프 (37) 는, 예를 들어, 사판의 경전각을 변경함으로써 작동유의 토출량 등을 변경하는 사판식의 유압 펌프이다. 펌프 제어 장치 (27) 는, 예를 들어, 차내 신호선 (41) 을 개재하여 작업기 제어 장치 (25) 로부터, 유압 제어 밸브 (38) 의 유압 센서 (38C) 가 검출한 파일럿압을 취득한다. 펌프 제어 장치 (27) 는, 취득한 파일럿압에 기초하여 유압 펌프 (37) 의 사판의 경전각을 제어함으로써, 유압 펌프 (37) 로부터 토출되는 작동유의 유량을 제어한다. 유압 펌프 (37) 로부터 토출된 작동유는, 유압 제어 밸브 (38) 가 구비하는 작업용 제어 밸브 또는 주행용 제어 밸브를 개재하여, 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11), 버킷 실린더 (12) 및 유압 모터 (5c) 의 적어도 1 개에 공급되어, 이들의 적어도 1 개를 구동한다.

제 1 표시 장치 (28) 는, 화상을 표시하는 장치이다. 제 1 표시 장치 (28) 는, 표시부 (28M) 와 제어부 (28C) 를 포함한다. 제 1 표시 장치 (28) 는, 도 1 에 나타내는, 유압 셔블 (100) 의 운전실 (4) 내이고, 운전석 근방에 설치된다. 본 실시형태에 있어서, 제 1 표시 장치 (28) 는, 예를 들어, 유압 셔블 (100) 의 가동 정보를 표시부 (28M) 에 표시한다. 가동 정보는, 예를 들어, 유압 셔블 (100) 의 누적 가동 시간, 연료의 잔량 또는 엔진 (36) 의 냉각수 온도 등이다. 유압 셔블 (100) 이 주변 감시용 또는 백 모니터용의 카메라 등을 구비하는 경우, 제 1 표시 장치 (28) 는, 이 카메라가 촬상한 화상을 표시해도 된다.

본 실시형태에 있어서, 제 1 표시 장치 (28) 는, 각종 화상을 표시부 (28M) 에 표시하는 것 외에, 입력 장치로서도 기능한다. 이 때문에, 제 1 표시 장치 (28) 는, 표시부 (28M) 의 하방에, 입력 장치 (28I) 를 구비한다. 본 실시형태에 있어서, 입력 장치 (28I) 는, 복수의 누르는 버튼식의 스위치가 표시부 (28M) 의 가로 방향에 대하여 평행하게 배열되어 있다. 입력 장치 (28I) 가 조작됨으로써, 표시부 (28M) 에 표시되는 화상을 전환하거나, 유압 셔블 (100) 의 동작에 관한 각종 설정을 실행할 수 있다. 또한, 입력 장치 (28I) 를 표시부 (28M) 에 조립한 터치 패널에 의해 제 1 표시 장치 (28) 를 구성하도록 해도 된다. 또한, 입력 장치 (28I) 는, 제 1 표시 장치 (28) 와는 별체로서, 운전석 근방의 콘솔에 설치하도록 해도 된다.

제 2 표시 장치 (39) 는, 화상을 표시하는 장치이다. 제 2 표시 장치 (39) 는, 표시부 (39M) 와 제어부 (39C) 를 포함한다. 제 2 표시 장치 (39) 는, 도 1 에 나타내는, 유압 셔블 (100) 의 운전실 (4) 내의 운전석 근방에 설치된다. 본 실시형태에 있어서, 제 2 표시 장치 (39) 는, 예를 들어, 유압 셔블 (100) 이 구비하는 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 의, 시공 현장의 지형에 대한 위치 정보를, 화상으로서 표시부 (39M) 에 표시한다. 이 때, 제 2 표시 장치 (39) 는, 날끝 (8T) 이 굴삭하고자 하고 있는 시공 현장의 지형에 관한 정보를, 날끝 (8T) 의 위치 정보와 함께 표시해도 된다.

본 실시형태에 있어서, 제 2 표시 장치 (39) 의 표시부 (39M) 는, 예를 들어, 액정 표시 장치이지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 제어부 (39C) 는, 표시부 (39M) 의 동작을 제어하거나, 날끝 (8T) 의 위치 정보를 구한다. 또한, 제어부 (39C) 는, 날끝 (8T) 의 위치와 시공 현장의 지형의 상대 위치 관계를 나타내는 가이던스 화상을 표시부 (39M) 에 표시시킨다. 이 때문에, 제어부 (39C) 는, 시공 현장의 지형에 대한 글로벌 좌표 위치 정보를 기억하고 있다.

본 실시형태에 있어서, 제 2 표시 장치 (39) 는, 표시부 (39M) 의 하방에 입력 장치 (39I) 를 구비한다. 본 실시형태에 있어서, 예를 들어, 표시부 (39M) 등에 터치 패널이 형성되어 있고, 이 터치 패널을 입력 장치 (39I) 로서 이용하여 표시부 (39M) 에 표시되는 가이던스 화상을 전환하거나, 가이던스의 내용을 변경하거나, 각종 설정이 입력된다. 입력 장치 (39I) 는, 복수의 누르는 버튼식의 스위치가 표시부 (39M) 의 가로 방향에 대하여 평행하게 배열되어 있다. 입력 장치 (39I) 가 조작됨으로써, 표시부 (39M) 에 표시되는 가이던스 화상을 전환하거나, 가이던스의 내용을 변경해도 된다. 본 실시형태에 있어서, 제 2 표시 장치 (39) 의 기능은, 제 1 표시 장치 (28) 가 실현해도 된다.

IMU (29) 는, 유압 셔블 (100) 의 각속도 및 가속도를 검출한다. 유압 셔블 (100) 의 동작에 수반하여, 주행시에 발생하는 가속도, 선회시에 발생하는 각가속도 및 중력 가속도와 같은 다양한 가속도가 발생하는데, IMU (29) 는 적어도 중력 가속도를 포함하는 가속도를 검출하고, 각 가속도의 종류를 구별하지 않고 검출한 가속도를 출력한다. IMU (29) 는, 상세한 것에 대해서는 후술하지만, 보다 높은 정밀도로 가속도를 검출하기 위해서, 예를 들어, 유압 셔블 (100) 의 상부 선회체 (3) 의 선회 중심축 상에 형성되는 것이 바람직하지만, 전술한 바와 같이 IMU (29) 는 운전실 (4) 의 하부에 설치되어도 된다. 그 경우, 상부 선회체 (3) 의 선회 중심축의 위치부터 IMU (29) 의 설치 위치까지의 거리를 선회 반경으로 하여, 원심력으로부터 구해지는 가속도 (이하, 적절히, 원심 가속도라고 칭한다) 와 각가속도를 구하고, IMU (29) 가 출력하는 가속도로부터, 원심 가속도 및 각가속도의 성분을 감산함으로써, IMU (29) 의 설치 위치에 수반한 가속도의 영향을 수정하면 된다. 원심 가속도 및 각가속도의 성분에 대한 상세한 것은 후술한다.

IMU (29) 는, 도 1a 및 도 1b 에 나타내는 로컬 좌표계 (x, y, z) 에 있어서, x 축 방향, y 축 방향 및 z 축 방향의 가속도 그리고 x 축, y 축 및 z 축 주위의 각속도 (회전 각속도) 를 검출한다. 도 1 에 나타내는 예에 있어서, x 축은 유압 셔블 (100) 의 전후 방향과 평행한 축이고, y 축은 유압 셔블 (100) 의 폭 방향과 평행한 축이고, z 축은 x 축 및 y 축의 양방에 직교하는 축이다. 다음으로, 작업기 제어 장치 (25) 가 실행하는 굴삭 제어의 일례를 설명한다.

(굴삭 제어의 일례)

도 3a 는, 목표 시공면의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 3b 는, 작업기 제어 장치 (25) 및 제 2 표시 장치 (39) 를 나타내는 블록도이다. 도 4 는, 목표 굴삭 지형 (73I) 과 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 의 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 도 5 는, 목표 속도와 수직 속도 성분과 수평 속도 성분의 관계를 나타내는 모식도이다. 도 6 은, 수직 속도 성분과 수평 속도 성분의 산출 방법을 나타내는 도면이다. 도 7 은, 수직 속도 성분과 수평 속도 성분의 산출 방법을 나타내는 도면이다. 도 8 은, 날끝과 목표 굴삭 지형 (73I) 사이의 거리를 나타내는 모식도이다. 도 9 는, 제한 속도 정보의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 10 은, 붐의 제한 속도의 수직 속도 성분의 산출 방법을 나타내는 모식도이다. 도 11 은, 붐의 제한 속도의 수직 속도 성분과 붐의 제한 속도의 관계를 나타내는 모식도이다. 도 12 는, 날끝의 이동에 의한 붐의 제한 속도의 변화의 일례를 나타내는 도면이다.

도 3b 에 나타내는 바와 같이, 제 2 표시 장치 (39) 는, 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 를 생성하여 작업기 제어 장치 (25) 에 출력한다. 굴삭 제어는, 예를 들어, 유압 셔블 (100) 의 오퍼레이터가, 도 2 에 나타내는 입력 장치 (39I) 를 이용하여 굴삭 제어를 실행하는 것을 선택한 경우에 실행된다. 굴삭 제어가 실행되는 데에 있어서, 작업기 제어 장치 (25) 는, 붐 조작량 (MB), 아암 조작량 (MA) 및 버킷 조작량 (MT) 그리고 제 2 표시 장치 (39) 로부터 취득한 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 및 센서 제어 장치 (24) 로부터 취득한 경사각 (α1, α2, α3) 을 이용하여, 굴삭 제어에 필요한 붐 개입 지령 (CBI) 과, 필요에 따라 아암 지령 신호 및 버킷 지령 신호를 생성하고, 제어 밸브 및 개입 밸브를 구동하여 작업기 (2) 를 제어한다.

먼저, 제 2 표시 장치 (39) 에 대하여 설명한다. 제 2 표시 장치 (39) 는, 목표 시공 정보 격납부 (39A) 와, 버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 와, 목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 를 포함한다. 목표 시공 정보 격납부 (39A), 버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 및 목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 의 기능은, 제어부 (39C) 가 실현한다.

목표 시공 정보 격납부 (39A) 는, 제 2 표시 장치 (39) 의 기억부의 일부이고, 작업 에어리어에 있어서의 목표 형상을 나타내는 정보로서의 목표 시공 정보 (T) 를 격납하고 있다. 목표 시공 정보 (T) 는, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 정보로서의 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 를 생성하기 위해서 필요로 하는 좌표 데이터 및 각도 데이터를 포함하고 있다. 목표 시공 정보 (T) 는, 복수의 목표 시공면 (71) 의 위치 정보를 포함한다.

작업기 제어 장치 (25) 가 작업기 (2) 를 제어하거나, 표시부 (39M) 에 목표 굴삭 지형 데이터 (Ua) 를 표시시키기 위해서 필요한 목표 시공 정보 (T) 는, 예를 들어, 무선 통신에 의해, 관리 센터의 관리 서버로부터 목표 시공 정보 격납부 (39A) 에 다운로드 된다. 또한, 목표 시공 정보 (T) 는, 이것을 보존하고 있는 단말 장치가 제 2 표시 장치 (39) 에 접속되어, 목표 시공 정보 격납부 (39A) 에 다운로드 되어도 되고, 지출 (持出) 가능한 기억 장치가 제 2 표시 장치 (39) 에 접속되어 목표 시공 정보 격납부 (39A) 에 전송되어도 된다.

버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 는, 글로벌 좌표 연산부 (23) 로부터 취득하는 기준 위치 데이터 (P) 및 선회체 방위 데이터 (Q) 에 기초하여, 상부 선회체 (3) 의 선회축 (z) 을 통과하는 유압 셔블 (100) 의 선회 중심의 위치를 나타내는 선회 중심 위치 데이터를 생성한다. 선회 중심 위치 데이터는, 로컬 좌표계의 기준 위치 (PL) 와 xy 좌표가 일치한다.

버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 는, 선회 중심 위치 데이터와 센서 제어 장치 (24) 로부터 취득한 작업기 (2) 의 경사각 (α1, α2, α3) 에 기초하여, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 의 현재 위치를 나타내는 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 를 생성한다.

버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 는, 전술한 바와 같이, 예를 들어 10 ㎐ 의 주파수로 기준 위치 데이터 (P) 와 선회체 방위 데이터 (Q) 를 글로벌 좌표 연산부 (23) 로부터 취득한다. 따라서, 버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 는, 예를 들어 10 ㎐ 의 주파수로 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 를 갱신할 수 있다. 버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 는, 갱신한 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 를 목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 에 출력한다.

목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 는, 목표 시공 정보 격납부 (39A) 에 격납된 목표 시공 정보 (T) 와, 버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 로부터의 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 를 취득한다. 목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 는, 로컬 좌표계에 있어서 날끝 (8T) 의 현시점에 있어서의 날끝 위치 (P4) 를 통과하는 수선과 목표 시공면 (71) 의 교점을 굴삭 대상 위치 (74) 로서 설정한다. 굴삭 대상 위치 (74) 는, 버킷 (8) 의 날끝 위치 (P4) 의 바로 아래의 점이다. 목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 는, 목표 시공 정보 (T) 와 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 에 기초하여, 도 3a 에 나타내는 바와 같이, 상부 선회체 (3) 의 전후 방향으로 규정되고, 또한 굴삭 대상 위치 (74) 를 통과하는 작업기 (2) 의 평면 (72) 과, 복수의 목표 시공면 (71) 으로 나타내는 목표 시공 정보 (T) 의 교선 (73) 을, 목표 굴삭 지형 (73I) 의 후보선으로서 취득한다. 굴삭 대상 위치 (74) 는, 후보선 상의 1 점이다. 평면 (72) 은 작업기 (2) 가 동작하는 평면 (동작 평면) 이다.

작업기 (2) 의 동작 평면은, 붐 (6) 및 아암 (7) 이 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계의 z 축과 평행한 축 주위를 회동하지 않는 경우, 유압 셔블 (100) 의 xz 평면과 평행한 평면이다. 붐 (6) 및 아암 (7) 의 적어도 일방이 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계의 z 축과 평행한 축 주위를 회동하는 경우, 작업기 (2) 의 동작 평면은, 아암이 회동하는 축, 즉 도 1 에 나타내는 아암 핀 (14) 의 축선과 직교하는 평면이다. 이하에 있어서, 작업기 (2) 의 동작 평면을 아암 동작 평면이라고 칭한다.

목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 는, 목표 시공 정보 (T) 의 굴삭 대상 위치 (74) 의 전후에 있어서의 단수 또는 복수의 변곡점과 그 전후의 선을, 굴삭 대상이 되는 목표 굴삭 지형 (73I) 으로서 결정한다. 도 3a 에 나타내는 예에서는, 2 개의 변곡점 Pv1, Pv2 와 그 전후의 선이 목표 굴삭 지형 (73I) 으로서 결정된다. 그리고, 목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 는, 굴삭 대상 위치 (74) 의 전후에 있어서의 단수 또는 복수의 변곡점의 위치 정보와 그 전후의 선의 각도 정보를, 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 정보인 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 로서 생성한다. 본 실시형태에 있어서, 목표 굴삭 지형 (73I) 은 선으로 규정하고 있지만, 예를 들어 버킷 (8) 의 폭 등에 기초하여, 면으로서 규정되어 있어도 된다. 이와 같이 하여 생성된 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 는, 복수의 목표 시공면 (71) 의 일부의 정보를 가지고 있다. 목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 는, 생성한 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 를 작업기 제어 장치 (25) 에 출력한다. 본 실시형태에 있어서, 제 2 표시 장치 (39) 와 작업기 제어 장치는 직접 신호의 교환을 하지만, 예를 들어, CAN (Controller Area Network) 과 같은 차내 신호선을 개재하여 신호를 교환해도 된다.

본 실시형태에 있어서, 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 는, 작업기 (2) 가 동작하는 동작 평면으로서의 평면 (72) 과, 목표 형상을 나타내는 적어도 1 개의 목표 시공면 (제 1 목표 시공면) (71) 이 교차하는 부분에 있어서의 정보이다. 평면 (72) 은 도 1b 에 나타내는 로컬 좌표계 (x, y, z) 에 있어서의 xz 평면이다. 평면 (72) 에 의해, 복수의 목표 시공면 (71) 을 잘라냄으로써 얻어진 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 를, 적절히 전후 방향 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 라고 칭한다.

제 2 표시 장치 (39) 는, 필요에 따라, 제 1 목표 굴삭 지형 정보로서의 전후 방향 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 에 기초하여 표시부 (39M) 에 목표 굴삭 지형 (73I) 을 표시시킨다. 표시용의 정보로는, 표시용의 목표 굴삭 지형 데이터 (Ua) 가 사용된다. 표시용의 목표 굴삭 지형 데이터 (Ua) 에 기초하여, 예를 들어, 도 2 에 나타내는 바와 같은, 버킷 (8) 의 굴삭 대상으로서 설정된 목표 굴삭 지형 (73I) 과 날끝 (8T) 의 위치 관계를 나타내는 화상이, 표시부 (39M) 에 표시된다. 제 2 표시 장치 (39) 는, 표시용의 목표 굴삭 지형 데이터 (Ua) 에 기초하여 표시부 (39M) 에 목표 굴삭 지형 (표시용의 목표 굴삭 지형) (73I) 을 표시한다. 작업기 제어 장치 (25) 에 출력된 전후 방향 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 는 굴삭 제어에 사용된다. 굴삭 제어에 사용되는 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 를, 적절히 작업용 목표 굴삭 지형 데이터라고 칭한다.

목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 는, 전술한 바와 같이, 예를 들어 10 ㎐ 의 주파수로 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 를 버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 로부터 취득한다. 따라서, 목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 는, 예를 들어 10 ㎐ 의 주파수로 전후 방향 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 를 갱신하고, 작업기 제어 장치 (25) 에 출력할 수 있다. 다음으로, 작업기 제어 장치 (25) 에 대하여 설명한다.

작업기 제어 장치 (25) 는, 목표 속도 결정부 (90) 와, 거리 취득부 (91) 와, 제한 속도 결정부 (92) 와, 작업기 제어부 (93) 를 갖는다. 작업기 제어 장치 (25) 는, 전술한 전후 방향 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 에 기초한 목표 굴삭 지형 (73I) 을 이용하여 굴삭 제어를 실행한다. 이와 같이, 본 실시형태에서는, 표시에 사용되는 목표 굴삭 지형 (73I) 과, 굴삭 제어에 사용되는 목표 굴삭 지형 (73I) 이 있다. 전자를 표시용 목표 굴삭 지형이라고 칭하고, 후자를 굴삭 제어용 목표 굴삭 지형이라고 칭한다.

본 실시형태에 있어서, 목표 속도 결정부 (90), 거리 취득부 (91), 제한 속도 결정부 (92) 및 작업기 제어부 (93) 의 기능은, 도 2 에 나타내는 작업기용 처리부 (25P) 가 실현한다. 다음으로, 작업기 제어 장치 (25) 에 의한 굴삭 제어에 대하여 설명한다.

목표 속도 결정부 (90) 는, 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 와, 아암 목표 속도 (Vc＿am) 와, 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 를 결정한다. 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 는, 붐 실린더 (10) 만이 구동될 때의 날끝 (8T) 의 속도이다. 아암 목표 속도 (Vc＿am) 는, 아암 실린더 (11) 만이 구동될 때의 날끝 (8T) 의 속도이다. 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 는, 버킷 실린더 (12) 만이 구동될 때의 날끝 (8T) 의 속도이다. 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 는, 붐 조작량 (MB) 에 따라 산출된다. 아암 목표 속도 (Vc＿am) 는, 아암 조작량 (MA) 에 따라 산출된다. 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 는, 버킷 조작량 (MT) 에 따라 산출된다.

작업기용 기억부 (25M) 는, 붐 조작량 (MB) 과 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 의 관계를 규정하는 목표 속도 정보를 기억하고 있다. 목표 속도 결정부 (90) 는, 목표 속도 정보를 참조함으로써, 붐 조작량 (MB) 에 대응하는 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 를 결정한다. 목표 속도 정보는, 예를 들어, 붐 조작량 (MB) 에 대한 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 의 크기가 기술된 맵이다. 목표 속도 정보는, 테이블 또는 수식 등의 형태여도 된다. 목표 속도 정보는, 아암 조작량 (MA) 과 아암 목표 속도 (Vc＿am) 의 관계를 규정하는 정보를 포함한다. 목표 속도 정보는, 버킷 조작량 (MT) 과 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 의 관계를 규정하는 정보를 포함한다. 목표 속도 결정부 (90) 는, 목표 속도 정보를 참조함으로써, 아암 조작량 (MA) 에 대응하는 아암 목표 속도 (Vc＿am) 를 결정한다. 목표 속도 결정부 (90) 는, 목표 속도 정보를 참조함으로써, 버킷 조작량 (MT) 에 대응하는 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 를 결정한다. 목표 속도 결정부 (90) 는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 를, 목표 굴삭 지형 (73I) (목표 굴삭 지형 데이터 (U)) 에 수직인 방향의 속도 성분 (이하, 적절히 수직 속도 성분이라고 칭한다) (Vcy＿bm) 및 목표 굴삭 지형 (73I) (목표 굴삭 지형 데이터 (U)) 에 평행한 방향의 속도 성분 (이하, 적절히 수평 속도 성분이라고 칭한다) (Vcx＿bm) 으로 변환한다.

예를 들어, 먼저, 목표 속도 결정부 (90) 는, IMU (29) 가 검출한 경사각 (θ5) 을 취득하고, 글로벌 좌표계의 수직축에 대하여 목표 굴삭 지형 (73I) 과 직교하는 방향에 있어서의 기울기를 구한다. 그리고, 목표 속도 결정부 (90) 는, 이들 기울기로부터 로컬 좌표계의 수직축과 목표 굴삭 지형 (73I) 에 직교하는 방향의 기울기를 나타내는 각도 (β2) (도 6 참조) 를 구한다.

다음으로, 목표 속도 결정부 (90) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 로컬 좌표계의 수직축과 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 의 방향이 이루는 각도 (β2) 로부터, 삼각 함수에 의해 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 를 로컬 좌표계의 수직축 방향의 속도 성분 (VL1＿bm) 과 수평축 방향의 속도 성분 (VL2＿bm) 으로 변환한다. 그리고, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 목표 속도 결정부 (90) 는, 전술한 로컬 좌표계의 수직축과 목표 굴삭 지형 (73I) 에 직교하는 방향의 기울기 (β1) 로부터, 삼각 함수에 의해, 로컬 좌표계의 수직축 방향에 있어서의 속도 성분 (VL1＿bm) 과 수평축 방향에 있어서의 속도 성분 (VL2＿bm) 을, 전술한 목표 굴삭 지형 (73I) 에 대한 수직 속도 성분 (Vcy＿bm) 및 수평 속도 성분 (Vcx＿bm) 으로 변환한다. 마찬가지로, 목표 속도 결정부 (90) 는, 아암 목표 속도 (Vc＿am) 를, 로컬 좌표계의 수직축 방향에 있어서의 수직 속도 성분 (Vcy＿am) 및 수평 속도 성분 (Vcx＿am) 으로 변환한다. 목표 속도 결정부 (90) 는, 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 를, 로컬 좌표계의 수직축 방향에 있어서의 수직 속도 성분 (Vcy＿bkt) 및 수평 속도 성분 (Vcx＿bkt) 으로 변환한다.

거리 취득부 (91) 는 도 8 에 나타내는 바와 같이, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 과 목표 굴삭 지형 (73I) 사이의 거리 (d) 를 취득한다. 상세하게는, 거리 취득부 (91) 는 전술한 바와 같이 취득한 날끝 (8T) 의 위치 정보 및 목표 굴삭 지형 (73I) 의 위치를 나타내는 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 등으로부터, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 과 목표 굴삭 지형 (73I) 사이의 최단이 되는 거리 (d) 를 산출한다. 본 실시형태에서는, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 과 목표 굴삭 지형 (73I) 사이의 최단이 되는 거리 (d) 에 기초하여, 굴삭 제어가 실행된다.

제한 속도 결정부 (92) 는 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 과 목표 굴삭 지형 (73I) 사이의 거리 (d) 에 기초하여, 도 1 에 나타내는 작업기 (2) 전체의 제한 속도 (Vcy＿lmt) 를 산출한다. 작업기 (2) 전체의 제한 속도 (Vcy＿lmt) 는, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 접근하는 방향에 있어서 허용할 수 있는 날끝 (8T) 의 이동 속도이다. 도 2 에 나타내는 작업기용 기억부 (25M) 는, 거리 (d) 와 제한 속도 (Vcy＿lmt) 의 관계를 규정하는 제한 속도 정보를 기억하고 있다.

도 9 는, 제한 속도 정보의 일례를 나타내고 있다. 도 9 중의 가로축은 거리 (d), 세로축은 제한 속도 (Vcy) 이다. 본 실시형태에 있어서, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 의 외방, 즉 유압 셔블 (100) 의 작업기 (2) 측에 위치하고 있을 때의 거리 (d) 는 정 (正) 의 값이고, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 의 내방, 즉 목표 굴삭 지형 (73I) 보다 굴삭 대상의 내부측에 위치하고 있을 때의 거리 (d) 는 부 (負) 의 값이다. 이것은, 예를 들어, 도 8 에 도시된 바와 같이, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 의 상방에 위치하고 있을 때의 거리 (d) 는 정의 값이고, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 의 하방에 위치하고 있을 때의 거리 (d) 는 부의 값이라고도 할 수 있다. 또한, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 대하여 침식하지 않은 위치에 있을 때의 거리 (d) 는 정의 값이고, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 대하여 침식하는 위치에 있을 때의 거리 (d) 는 부의 값이라고도 할 수 있다. 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 상에 위치하고 있을 때, 즉 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 과 접하고 있을 때의 거리 (d) 는 0 이다.

본 실시형태에 있어서, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 의 내방으로부터 외방을 향할 때의 속도를 정의 값으로 하고, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 의 외방으로부터 내방을 향할 때의 속도를 부의 값으로 한다. 즉, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 의 상방을 향할 때의 속도를 정의 값으로 하고, 날끝 (8T) 이 하방을 향할 때의 속도를 부의 값으로 한다.

제한 속도 정보에 있어서, 거리 (d) 가 d1 과 d2 사이일 때의 제한 속도 (Vcy＿lmt) 의 기울기는, 거리 (d) 가 d1 이상 또는 d2 이하일 때의 기울기보다 작다. d1 은 0 보다 크다. d2 는 0 보다 작다. 목표 굴삭 지형 (73I) 부근의 조작에 있어서는 제한 속도를 보다 상세하게 설정하기 위해서, 거리 (d) 가 d1 과 d2 사이일 때의 기울기를, 거리 (d) 가 d1 이상 또는 d2 이하일 때의 기울기보다 작게 한다. 거리 (d) 가 d1 이상일 때, 제한 속도 (Vcy＿lmt) 는 부의 값이고, 거리 (d) 가 커질수록 제한 속도 (Vcy＿lmt) 는 작아진다. 요컨대, 거리 (d) 가 d1 이상일 때, 목표 굴삭 지형 (73I) 보다 상방에 있어서 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 으로부터 멀수록, 목표 굴삭 지형 (73I) 의 하방으로 향하는 속도가 커져, 제한 속도 (Vcy＿lmt) 의 절대치는 커진다. 거리 (d) 가 0 이하일 때, 제한 속도 (Vcy＿lmt) 는 정의 값이고, 거리 (d) 가 작아질수록 제한 속도 (Vcy＿lmt) 는 커진다. 요컨대, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 으로부터 멀어지는 거리 (d) 가 0 이하일 때, 목표 굴삭 지형 (73I) 보다 하방에 있어서 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 으로부터 멀수록, 목표 굴삭 지형 (73I) 의 상방으로 향하는 속도가 커져, 제한 속도 (Vcy＿lmt) 의 절대치는 커진다.

거리 (d) 가 제 1 소정치 (dth1) 이상에서는, 제한 속도 (Vcy＿lmt) 는, Vmin 이 된다. 제 1 소정치 (dth1) 는 정의 값이고, d1 보다 크다. Vmin 은, 목표 속도의 최소치보다 작다. 요컨대, 거리 (d) 가 제 1 소정치 (dth1) 이상에서는, 작업기 (2) 의 동작의 제한이 실시되지 않는다. 따라서, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 의 상방에 있어서 목표 굴삭 지형 (73I) 으로부터 크게 떨어져 있을 때에는, 작업기 (2) 의 동작의 제한, 즉 굴삭 제어가 실시되지 않는다. 거리 (d) 가 제 1 소정치 (dth1) 보다 작을 때에, 작업기 (2) 의 동작의 제한이 실시된다. 상세하게는, 후술하는 바와 같이, 거리 (d) 가 제 1 소정치 (dth1) 보다 작을 때에, 붐 (6) 의 동작의 제한이 실시된다.

제한 속도 결정부 (92) 는, 작업기 (2) 전체의 제한 속도 (Vcy＿lmt) 와 아암 목표 속도 (Vc＿am) 와 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 로부터 붐 (6) 의 제한 속도의 수직 속도 성분 (이하, 적절히 붐 (6) 의 제한 수직 속도 성분이라고 칭한다) (Vcy＿bm＿lmt) 을 산출한다. 제한 속도 결정부 (92) 는, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 작업기 (2) 전체의 제한 속도 (Vcy＿lmt) 로부터, 아암 목표 속도의 수직 속도 성분 (Vcy＿am) 과, 버킷 목표 속도의 수직 속도 성분 (Vcy＿bkt) 을 감산함으로써, 붐 (6) 의 제한 수직 속도 성분 (Vcy＿bm＿lmt) 을 산출한다.

제한 속도 결정부 (92) 는, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 붐 (6) 의 제한 수직 속도 성분 (Vcy＿bm＿lmt) 을, 붐 (6) 의 제한 속도 (붐 제한 속도) (Vc＿bm＿lmt) 로 변환한다. 제한 속도 결정부 (92) 는, 전술한 붐 (6) 의 경사각 (α1), 아암 (7) 의 경사각 (α2), 버킷 (8) 의 경사각 (α3), GNSS 안테나 (20, 21) 의 기준 위치 데이터 및 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 등으로부터, 목표 굴삭 지형 (73I) 에 수직인 방향과 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 의 방향 사이의 관계를 구하고, 붐 (6) 의 제한 수직 속도 성분 (Vcy＿bm＿lmt) 을, 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 로 변환한다. 이 경우의 연산은, 전술한 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 로부터 목표 굴삭 지형 (73I) 에 수직인 방향의 수직 속도 성분 (Vcy＿bm) 을 구한 연산과 반대의 순서에 의해 실시된다.

후술하는 셔틀 밸브 (151) 는, 붐 (6) 의 조작에 기초하여 생성된 파일럿 압력과, 붐 개입 지령 (CBI) 에 기초하여, 후술하는 개입 밸브 (127C) 가 생성한 파일럿 압력 중 큰 쪽을 선택하여, 후술하는 방향 제어 밸브 (164) 에 공급한다. 붐 개입 지령 (CBI) 에 기초하는 파일럿 압력이 붐 (6) 의 조작에 기초하여 생성된 파일럿 압력보다 큰 경우, 붐 개입 지령 (CBI) 에 기초하는 파일럿 압력에 의해 붐 실린더 (10) 에 대응하는, 후술하는 방향 제어 밸브 (164) 가 동작한다. 그 결과, 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 에 기초하는 붐 (6) 의 구동이 실현된다.

작업기 제어부 (93) 는, 작업기 (2) 를 제어한다. 작업기 제어부 (93) 는, 아암 지령 신호와 붐 지령 신호와 붐 개입 지령 (CBI) 과 버킷 지령 신호를 후술하는 제어 밸브 (127) 에 출력하는 것에 의해, 붐 실린더 (10) 와 아암 실린더 (11) 와 버킷 실린더 (12) 를 제어한다. 아암 지령 신호와 붐 지령 신호와 붐 개입 지령 (CBI) 과 버킷 지령 신호는, 각각 붐 지령 속도와 아암 지령 속도와 버킷 지령 속도에 따른 전류치를 갖는다.

붐 (6) 의 올림 조작에 기초하여 생성된 파일럿 압력이 붐 개입 지령 (CBI) 에 기초하는 파일럿 압력보다 큰 경우, 후술하는 셔틀 밸브 (151) 가 레버 조작에 기초하는 파일럿압을 선택한다. 붐 (6) 의 조작에 기초하여 셔틀 밸브 (151) 에 의해 선택된 파일럿 압력에 의해 붐 실린더 (10) 에 대응하는 방향 제어 밸브 (164) 가 동작한다. 즉, 붐 (6) 은, 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 에 기초하여 구동되기 때문에, 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 에 기초해서는 구동되지 않는다.

붐 (6) 의 조작에 기초하여 생성된 파일럿 압력이 붐 개입 지령 (CBI) 에 기초하는 파일럿 압력보다 큰 경우, 작업기 제어부 (93) 는, 붐 목표 속도 (Vc＿bm), 아암 목표 속도 (Vc＿am) 및 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 의 각각을, 붐 지령 속도, 아암 지령 속도 및 버킷 지령 속도로서 선택한다. 작업기 제어부 (93) 는, 붐 목표 속도 (Vc＿bm), 아암 목표 속도 (Vc＿am) 및 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 에 따라 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11) 및 버킷 실린더 (12) 의 속도 (실린더 속도) 를 결정한다. 그리고, 작업기 제어부 (93) 는, 결정한 실린더 속도에 기초하여 도 2 에 나타내는 유압 제어 밸브 (38) 를 제어함으로써, 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11) 및 버킷 실린더 (12) 를 동작시킨다.

이와 같이, 통상 운전시에 있어서, 작업기 제어부 (93) 는, 붐 조작량 (MB) 과 아암 조작량 (MA) 과 버킷 조작량 (MT) 에 따라, 붐 실린더 (10) 와 아암 실린더 (11) 와 버킷 실린더 (12) 를 동작시킨다. 따라서, 붐 실린더 (10) 는 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 로 동작하고, 아암 실린더 (11) 는 아암 목표 속도 (Vc＿am) 로 동작하고, 버킷 실린더 (12) 는 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 로 동작한다.

붐 개입 지령 (CBI) 에 기초하는 파일럿 압력이 붐 (6) 의 조작에 기초하여 생성된 파일럿 압력보다 큰 경우, 개입의 지령에 기초하는 개입 밸브 (127C) 로부터 출력된 파일럿압을 셔틀 밸브 (151) 가 선택한다. 그 결과, 붐 (6) 은, 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 로 동작함과 함께, 아암 (7) 은, 아암 목표 속도 (Vc＿am) 로 동작한다. 또한, 버킷 (8) 은, 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 로 동작한다.

전술한 바와 같이, 작업기 (2) 전체의 제한 속도 (Vcy＿lmt) 로부터, 아암 목표 속도의 수직 속도 성분 (Vcy＿am) 과 버킷 목표 속도의 수직 속도 성분 (Vcy＿bkt) 을 감산함으로써, 붐 (6) 의 제한 수직 속도 성분 (Vcy＿bm＿lmt) 이 산출된다. 따라서, 작업기 (2) 전체의 제한 속도 (Vcy＿lmt) 가, 아암 목표 속도의 수직 속도 성분 (Vcy＿am) 과 버킷 목표 속도의 수직 속도 성분 (Vcy＿bkt) 의 합보다 작을 때에는, 붐 (6) 의 제한 수직 속도 성분 (Vcy＿bm＿lmt) 은, 붐이 상승하는 부의 값이 된다.

따라서, 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 는, 부의 값이 된다. 이 경우, 작업기 제어부 (93) 는, 붐 (6) 을 하강시키는데, 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 보다 감속시킨다. 이 때문에, 오퍼레이터의 위화감을 작게 억제하면서 버킷 (8) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 을 침식하는 것을 억제할 수 있다.

작업기 (2) 전체의 제한 속도 (Vcy＿lmt) 가, 아암 목표 속도의 수직 속도 성분 (Vcy＿am) 과 버킷 목표 속도의 수직 속도 성분 (Vcy＿bkt) 의 합보다 클 때에는, 붐 (6) 의 제한 수직 속도 성분 (Vcy＿bm＿lmt) 은, 정의 값이 된다. 따라서, 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 는, 정의 값이 된다. 이 경우, 조작 장치 (30) 가 붐 (6) 을 하강시키는 방향으로 조작되어 있어도, 개입 밸브 (127C) 로부터의 지령 신호에 기초하여, 붐 (6) 이 상승한다. 이 때문에, 목표 굴삭 지형 (73I) 의 침식의 확대를 신속하게 억제할 수 있다.

날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 보다 상방에 위치하고 있을 때에는, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 가까워질수록, 붐 (6) 의 제한 수직 속도 성분 (Vcy＿bm＿lmt) 의 절대치가 작아짐과 함께, 목표 굴삭 지형 (73I) 에 평행한 방향에 대한 붐 (6) 의 제한 속도의 속도 성분 (이하, 적절히 제한 수평 속도 성분이라고 칭한다) (Vcx＿bm＿lmt) 의 절대치도 작아진다. 따라서, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 보다 상방에 위치하고 있을 때에는, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 가까워질수록, 붐 (6) 의 목표 굴삭 지형 (73I) 에 수직인 방향으로의 속도와, 붐 (6) 의 목표 굴삭 지형 (73I) 에 평행한 방향으로의 속도가 모두 감속된다. 유압 셔블 (100) 의 오퍼레이터에 의해 좌측의 작업기 조작 부재 (25L) 및 우측의 작업기 조작 부재 (25R) 가 동시에 조작됨으로써, 붐 (6) 과 아암 (7) 과 버킷 (8) 이 동시에 동작한다. 이 때, 붐 (6) 과 아암 (7) 과 버킷 (8) 의 각 목표 속도 (Vc＿bm, Vc＿am, Vc＿bkt) 가 입력되었다고 하여 전술한 제어를 설명하면 다음과 같다.

도 12 는 목표 굴삭 지형 (73I) 과 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 사이의 거리 (d) 가 제 1 소정치 (dth1) 보다 작고, 버킷 (8) 의 날끝이 위치 (Pn1) 로부터 위치 (Pn2) 로 이동하는 경우의 붐 (6) 의 제한 속도의 변화의 일례를 나타내고 있다. 위치 (Pn2) 에서의 날끝 (8T) 과 목표 굴삭 지형 (73I) 사이의 거리는, 위치 (Pn1) 에서의 날끝 (8T) 과 목표 굴삭 지형 (73I) 사이의 거리보다 작다. 이 때문에, 위치 (Pn2) 에서의 붐 (6) 의 제한 수직 속도 성분 (Vcy＿bm＿lmt2) 는, 위치 (Pn1) 에서의 붐 (6) 의 제한 수직 속도 성분 (Vcy＿bm＿lmt1) 보다 작다. 따라서, 위치 (Pn2) 에서의 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt2) 는, 위치 (Pn1) 에서의 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt1) 보다 작아진다. 또한, 위치 (Pn2) 에서의 붐 (6) 의 제한 수평 속도 성분 (Vcx＿bm＿lmt2) 은, 위치 (Pn1) 에서의 붐 (6) 의 제한 수평 속도 성분 (Vcx＿bm＿lmt1) 보다 작아진다. 단, 이 때, 아암 목표 속도 (Vc＿am) 및 버킷 목표 속도 (Vc＿bkt) 에 대해서는, 제한은 실시되지 않는다. 이 때문에, 아암 목표 속도의 수직 속도 성분 (Vcy＿am) 및 수평 속도 성분 (Vcx＿am) 과, 버킷 목표 속도의 수직 속도 성분 (Vcy＿bkt) 및 수평 속도 성분 (Vcx＿bkt) 에 대해서는, 제한은 실시되지 않는다.

전술한 바와 같이, 아암 (7) 에 대하여 제한을 실시하지 않음으로써, 오퍼레이터의 굴삭 의사에 대응하는 아암 조작량의 변화는, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 의 속도 변화로서 반영된다. 이 때문에, 본 실시형태는, 목표 굴삭 지형 (73I) 의 침식의 확대를 억제하면서 오퍼레이터의 굴삭시의 조작에 있어서의 위화감을 억제할 수 있다.

날끝 (8T) 의 날끝 위치 (P4) 는, GNSS 에 한정하지 않고, 다른 측위 수단에 의해 측위되어도 된다. 따라서, 날끝 (8T) 과 목표 굴삭 지형 (73I) 의 거리 (d) 는, GNSS 에 한정하지 않고, 다른 측위 수단에 의해 측위되어도 된다. 버킷 제한 속도의 절대치는, 버킷 목표 속도의 절대치보다 작다. 버킷 제한 속도는, 예를 들어 전술한 아암 제한 속도와 동일한 수법으로 산출되어도 된다. 또한, 아암 (7) 의 제한과 함께 버킷 (8) 의 제한이 실시되어도 된다. 다음으로, 유압 셔블 (100) 이 구비하는 유압 시스템의 상세 및 굴삭 제어시에 있어서의 유압 시스템의 동작을 설명한다.

도 13 은, 본 실시형태에 관련된 제어 시스템 (200) 및 유압 시스템 (300) 의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 14 는, 도 13 의 일부를 확대한 도면이다.

도 13 및 도 14 에 나타내는 바와 같이, 유압 시스템 (300) 은, 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11), 및 버킷 실린더 (12) 를 포함하는 유압 실린더 (160) 와, 상부 선회체 (3) 를 선회시키는 선회 모터 (163) 를 구비한다. 유압 실린더 (160) 는, 도 2 에 나타내는 유압 펌프 (37) 로부터 공급된 작동유에 의해 작동한다. 선회 모터 (163) 는, 유압 모터이고, 유압 펌프 (37) 로부터 공급된 작동유에 의해 작동한다. 도 2 에 나타내는 유압 제어 밸브 (38) 는, 방향 제어 밸브 (164) 및 제어 밸브 (127) 를 포함하고, 유압 센서 (38C) 는 압력 센서 (166) 및 압력 센서 (167) 를 포함한다.

본 실시형태에 있어서는, 작동유가 흐르는 방향을 제어하는 방향 제어 밸브 (164) 가 형성된다. 방향 제어 밸브 (164) 는, 복수의 유압 실린더 (160) (붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11) 및 버킷 실린더 (12)) 의 각각에 배치된다. 방향 제어 밸브 (164) 는, 로드상의 스풀을 움직여 작동유가 흐르는 방향을 전환하는 스풀 방식이다. 방향 제어 밸브 (164) 는, 이동 가능한 로드상의 스풀을 갖는다. 스풀은, 공급된 파일럿유에 의해 이동한다. 방향 제어 밸브 (164) 는, 스풀의 이동에 의해 유압 실린더 (160) 에 작동유를 공급하여 유압 실린더 (160) 를 동작시킨다. 유압 펌프 (37) 로부터 공급된 작동유는, 방향 제어 밸브 (164) 를 개재하여, 유압 실린더 (160) 에 공급된다. 스풀이 축 방향으로 이동함으로써, 캡측 유실에 대한 작동유의 공급과 로드측 유실에 대한 작동유의 공급이 바뀐다. 또한, 스풀이 축 방향으로 이동함으로써, 유압 실린더 (160) 에 대한 작동유의 공급량 (단위 시간 당의 공급량) 이 조정된다. 유압 실린더 (160) 에 대한 작동유의 공급량이 조정됨으로써, 유압 실린더 (160) 의 실린더 속도가 조정된다.

방향 제어 밸브 (164) 의 구동은, 조작 장치 (30) 에 의해 조정된다. 도 2 에 나타내는 유압 펌프 (37) 로부터 송출되고, 감압 밸브에 의해 감압된 작동유가 파일럿유로서 조작 장치 (30) 에 공급된다. 또한, 유압 펌프 (37) 와는 다른 파일럿 유압 펌프로부터 송출된 파일럿유가 조작 장치 (30) 에 공급되어도 된다. 조작 장치 (30) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 파일럿 유압을 조정 가능한 압력 조정 밸브 (250) 를 포함한다. 조작 장치 (30) 의 조작량에 기초하여, 파일럿 유압이 조정된다. 그 파일럿 유압에 의해, 방향 제어 밸브 (164) 가 구동된다. 조작 장치 (30) 에 의해 파일럿 유압이 조정됨으로써, 축 방향에 관한 스풀의 이동량 및 이동 속도가 조정된다.

방향 제어 밸브 (164) 는, 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11), 버킷 실린더 (12) 및 선회 모터 (163) 의 각각에 형성된다. 이하의 설명에 있어서, 붐 실린더 (10) 에 접속되는 방향 제어 밸브 (164) 를 적절히, 방향 제어 밸브 (640) 라고 칭한다. 아암 실린더 (11) 에 접속되는 방향 제어 밸브 (164) 를 적절히, 방향 제어 밸브 (641) 라고 칭한다. 버킷 실린더 (12) 에 접속되는 방향 제어 밸브 (164) 를 적절히, 방향 제어 밸브 (642) 라고 칭한다.

조작 장치 (30) 와 방향 제어 밸브 (164) 는, 파일럿 유로 (450) 를 개재하여 접속된다. 방향 제어 밸브 (164) 의 스풀을 이동하기 위한 파일럿유는, 파일럿 유로 (450) 를 흐른다. 본 실시형태에 있어서, 파일럿 유로 (450) 에, 제어 밸브 (127), 압력 센서 (166) 및 압력 센서 (167) 가 배치되어 있다.

이하의 설명에 있어서, 파일럿 유로 (450) 중, 조작 장치 (30) 와 제어 밸브 (127) 사이의 파일럿 유로 (450) 를 적절히, 파일럿 유로 (451) 라고 칭하고, 제어 밸브 (127) 와 방향 제어 밸브 (164) 사이의 파일럿 유로 (450) 를 적절히, 파일럿 유로 (452) 라고 칭한다.

방향 제어 밸브 (164) 에, 파일럿 유로 (452) 가 접속된다. 파일럿 유로 (452) 를 개재하여, 파일럿유가 방향 제어 밸브 (164) 에 공급된다. 방향 제어 밸브 (164) 는, 제 1 수압실 및 제 2 수압실을 갖는다. 파일럿 유로 (452) 는 제 1 수압실에 접속되는 파일럿 유로 (452A) 와, 제 2 수압실에 접속되는 파일럿 유로 (452B) 를 포함한다.

파일럿 유로 (452A) 를 개재하여 방향 제어 밸브 (164) 의 제 1 수압실에 파일럿유가 공급되면, 그 파일럿 유압에 따라 스풀이 이동하고, 방향 제어 밸브 (164) 를 개재하여 유압 실린더 (160) 의 로드측 유실에 작동유가 공급된다. 로드측 유압실에 대한 작동유의 공급량은, 조작 장치 (30) 의 조작량 (스풀의 이동량) 에 의해 조정된다.

파일럿 유로 (452B) 를 개재하여 방향 제어 밸브 (164) 의 제 2 수압실에 파일럿유가 공급되면, 그 파일럿 유압에 따라 스풀이 이동하고, 방향 제어 밸브 (164) 를 개재하여 유압 실린더 (160) 의 캡측 유실에 작동유가 공급된다. 캡측 유압실에 대한 작동유의 공급량은, 조작 장치 (30) 의 조작량 (스풀의 이동량) 에 의해 조정된다.

즉, 조작 장치 (30) 에 의해 파일럿 유압이 조정된 파일럿유가 방향 제어 밸브 (164) 에 공급됨으로써, 스풀은 축 방향에 관해서 일측으로 이동한다. 조작 장치 (30) 에 의해 파일럿 유압이 조정된 파일럿유가 방향 제어 밸브 (164) 에 공급됨으로써, 스풀은 축 방향에 관해서 타측으로 이동한다. 그 결과, 축 방향에 관한 스풀의 위치가 조정된다.

파일럿 유로 (451) 는, 파일럿 유로 (452A) 와 조작 장치 (30) 를 접속하는 파일럿 유로 (451A) 와, 파일럿 유로 (452B) 와 조작 장치 (30) 를 접속하는 파일럿 유로 (451B) 를 포함한다.

이하의 설명에 있어서, 붐 실린더 (10) 에 대한 작동유의 공급을 실시하는 방향 제어 밸브 (640) 에 접속되는 파일럿 유로 (452A) 를 적절히, 붐 조정용 유로 (4520A) 라고 칭하고, 방향 제어 밸브 (640) 에 접속되는 파일럿 유로 (452B) 를 적절히, 붐 조정용 유로 (4520B) 라고 칭한다.

이하의 설명에 있어서, 아암 실린더 (11) 에 대한 작동유의 공급을 실시하는 방향 제어 밸브 (641) 에 접속되는 파일럿 유로 (452A) 를 적절히, 아암 조정용 유로 (4521A) 라고 칭하고, 방향 제어 밸브 (641) 에 접속되는 파일럿 유로 (452B) 를 적절히, 아암 조정용 유로 (4521B) 라고 칭한다.

이하의 설명에 있어서, 버킷 실린더 (12) 에 대한 작동유의 공급을 실시하는 방향 제어 밸브 (642) 에 접속되는 파일럿 유로 (452A) 를 적절히, 버킷 조정용 유로 (4522A) 라고 칭하고, 방향 제어 밸브 (642) 에 접속되는 파일럿 유로 (452B) 를 적절히, 버킷 조정용 유로 (4522B) 라고 칭한다.

이하의 설명에 있어서, 붐 조정용 유로 (4520A) 에 접속되는 파일럿 유로 (451A) 를 적절히, 붐 조작용 유로 (4510A) 라고 칭하고, 붐 조정용 유로 (4520B) 에 접속되는 파일럿 유로 (451B) 를 적절히, 붐 조작용 유로 (4510B) 라고 칭한다.

이하의 설명에 있어서, 아암 조정용 유로 (4521A) 에 접속되는 파일럿 유로 (451A) 를 적절히, 아암 조작용 유로 (4511A) 라고 칭하고, 아암 조정용 유로 (4521B) 에 접속되는 파일럿 유로 (451B) 를 적절히, 아암 조작용 유로 (4511B) 라고 칭한다.

이하의 설명에 있어서, 버킷 조정용 유로 (4522A) 에 접속되는 파일럿 유로 (451A) 를 적절히, 버킷 조작용 유로 (4512A) 라고 칭하고, 버킷 조정용 유로 (4522B) 에 접속되는 파일럿 유로 (451B) 를 적절히, 버킷 조작용 유로 (4512B) 라고 칭한다.

붐 조작용 유로 (4510A, 4510B) 및 붐 조정용 유로 (4520A, 4520B) 는, 파일럿 유압 방식의 조작 장치 (30) 와 접속된다. 붐 조작용 유로 (4510A, 4510B) 에, 조작 장치 (30) 의 조작량에 따라 압력이 조정된 파일럿유가 흐른다.

아암 조작용 유로 (4511A, 4511B) 및 아암 조정용 유로 (4521A, 4521B) 는, 파일럿 유압 방식의 조작 장치 (30) 와 접속된다. 아암 조작용 유로 (4511A, 4511B) 에, 조작 장치 (30) 의 조작량에 따라 압력이 조정된 파일럿유가 흐른다.

버킷 조작용 유로 (4512A, 4512B) 및 버킷 조정용 유로 (4522A, 4522B) 는, 파일럿 유압 방식의 조작 장치 (30) 와 접속된다. 버킷 조작용 유로 (4512A, 4512B) 에, 조작 장치 (30) 의 조작량에 따라 압력이 조정된 파일럿유가 흐른다.

붐 조작용 유로 (4510A), 붐 조작용 유로 (4510B), 붐 조정용 유로 (4520A) 및 붐 조정용 유로 (4520B) 는, 붐 (6) 을 동작시키기 위한 파일럿유가 흐르는 붐용 유로이다.

아암 조작용 유로 (4511A), 아암 조작용 유로 (4511B), 아암 조정용 유로 (4521A) 및 아암 조정용 유로 (4521B) 는, 아암 (7) 을 동작시키기 위한 파일럿유가 흐르는 아암용 유로이다.

버킷 조작용 유로 (4512A), 버킷 조작용 유로 (4512B), 버킷 조정용 유로 (4522A) 및 버킷 조정용 유로 (4522B) 는, 버킷 (8) 을 동작시키기 위한 파일럿유가 흐르는 버킷용 유로이다.

전술한 바와 같이, 조작 장치 (30) 의 조작에 의해, 붐 (6) 은, 내림 동작 및 올림 동작의 2 종류의 동작을 실행한다. 붐 (6) 의 내림 동작이 실행되도록 조작 장치 (30) 가 조작됨으로써, 붐 실린더 (10) 에 접속된 방향 제어 밸브 (640) 에, 붐 조작용 유로 (4510A) 및 붐 조정용 유로 (4520A) 를 개재하여, 파일럿유가 공급된다. 방향 제어 밸브 (640) 는 파일럿 유압에 기초하여 작동한다. 이로써, 유압 펌프 (37) 로부터의 작동유가 붐 실린더 (10) 에 공급되어, 붐 (6) 의 내림 동작이 실행된다.

붐 (6) 의 올림 동작이 실행되도록 조작 장치 (30) 가 조작됨으로써, 붐 실린더 (10) 에 접속된 방향 제어 밸브 (640) 에, 붐 조작용 유로 (4510B) 및 붐 조정용 유로 (4520B) 를 개재하여, 파일럿유가 공급된다. 방향 제어 밸브 (640) 는 파일럿 유압에 기초하여 작동한다. 그 결과, 유압 펌프 (37) 로부터의 작동유가 붐 실린더 (10) 에 공급되어, 붐 (6) 의 올림 동작이 실행된다.

즉, 본 실시형태에 있어서, 붐 조작용 유로 (4510A) 및 붐 조정용 유로 (4520A) 는, 방향 제어 밸브 (640) 의 제 1 수압실과 접속되고, 붐 (6) 을 내림 동작시키기 위한 파일럿유가 흐르는 붐 내림용 유로이다. 붐 조작용 유로 (4510B) 및 붐 조정용 유로 (4520B) 는, 방향 제어 밸브 (640) 의 제 2 수압실과 접속되고, 붐 (6) 을 올림 동작시키기 위한 파일럿유가 흐르는 붐 올림용 유로이다.

또한, 조작 장치 (30) 의 조작에 의해, 아암 (7) 은, 내림 동작 및 올림 동작의 2 종류의 동작을 실행한다. 아암 (7) 의 올림 동작이 실행되도록 조작 장치 (30) 가 조작됨으로써, 아암 실린더 (11) 에 접속된 방향 제어 밸브 (641) 에, 아암 조작용 유로 (4511A) 및 아암 조정용 유로 (4521A) 를 개재하여, 파일럿유가 공급된다. 방향 제어 밸브 (641) 는 파일럿 유압에 기초하여 작동한다. 그 결과, 유압 펌프 (37) 로부터의 작동유가 아암 실린더 (11) 에 공급되어, 아암 (7) 의 올림 동작이 실행된다.

아암 (7) 의 내림 동작이 실행되도록 조작 장치 (30) 가 조작됨으로써, 아암 실린더 (11) 에 접속된 방향 제어 밸브 (641) 에, 아암 조작용 유로 (4511B) 및 아암 조정용 유로 (4521B) 를 개재하여, 파일럿유가 공급된다. 방향 제어 밸브 (641) 는 파일럿 유압에 기초하여 작동한다. 그 결과, 유압 펌프 (37) 로부터의 작동유가 아암 실린더 (11) 에 공급되어, 아암 (7) 의 내림 동작이 실행된다.

즉, 본 실시형태에 있어서, 아암 조작용 유로 (4511A) 및 아암 조정용 유로 (4521A) 는, 방향 제어 밸브 (641) 의 제 1 수압실과 접속되고, 아암 (7) 을 올림 동작시키기 위한 파일럿유가 흐르는 아암 올림용 유로이다. 아암 조작용 유로 (4511B) 및 아암 조정용 유로 (4521B) 는, 방향 제어 밸브 (641) 의 제 2 수압실과 접속되고, 아암 (7) 을 내림 동작시키기 위한 파일럿유가 흐르는 아암 내림용 유로이다.

조작 장치 (30) 의 조작에 의해, 버킷 (8) 은, 내림 동작 및 올림 동작의 2 종류의 동작을 실행한다. 버킷 (8) 의 올림 동작이 실행되도록 조작 장치 (30) 가 조작됨으로써, 버킷 실린더 (12) 에 접속된 방향 제어 밸브 (642) 에, 버킷 조작용 유로 (4512A) 및 버킷 조정용 유로 (4522A) 를 개재하여, 파일럿유가 공급된다. 방향 제어 밸브 (642) 는 파일럿 유압에 기초하여 작동한다. 그 결과, 유압 펌프 (37) 로부터의 작동유가 버킷 실린더 (12) 에 공급되어, 버킷 (8) 의 올림 동작이 실행된다.

버킷 (8) 의 내림 동작이 실행되도록 조작 장치 (30) 가 조작됨으로써, 버킷 실린더 (12) 에 접속된 방향 제어 밸브 (642) 에, 버킷 조작용 유로 (4512B) 및 버킷 조정용 유로 (4522B) 를 개재하여, 파일럿유가 공급된다. 방향 제어 밸브 (642) 는 파일럿 유압에 기초하여 작동한다. 그 결과, 유압 펌프 (37) 로부터의 작동유가 버킷 실린더 (12) 에 공급되어, 버킷 (8) 의 내림 동작이 실행된다.

즉, 본 실시형태에 있어서, 버킷 조작용 유로 (4512A) 및 버킷 조정용 유로 (4522A) 는, 방향 제어 밸브 (642) 의 제 1 수압실과 접속되고, 버킷 (8) 을 올림 동작시키기 위한 파일럿유가 흐르는 버킷 올림용 유로이다. 버킷 조작용 유로 (4512B) 및 버킷 조정용 유로 (4522B) 는, 방향 제어 밸브 (642) 의 제 2 수압실과 접속되고, 버킷 (8) 을 내림 동작시키기 위한 파일럿유가 흐르는 버킷 내림용 유로이다.

또한, 조작 장치 (30) 의 조작에 의해, 상부 선회체 (3) 는, 우선회 동작 및 좌선회 동작의 2 종류의 동작을 실행한다. 상부 선회체 (3) 의 우선회 동작이 실행되도록 조작 장치 (30) 가 조작됨으로써, 작동유가 선회 모터 (163) 에 공급된다. 상부 선회체 (3) 의 좌선회 동작이 실행되도록 조작 장치 (30) 가 조작됨으로써 방향 제어 밸브 (164) 가 조작되어, 작동유가 선회 모터 (163) 에 공급된다.

제어 밸브 (127) 는, 작업기 제어 장치 (25) 로부터의 제어 신호 (전류) 에 기초하여, 파일럿 유압을 조정한다. 제어 밸브 (127) 는, 예를 들어, 전자 비례 제어 밸브이고, 작업기 제어 장치 (25) 로부터의 제어 신호에 기초하여 제어된다. 제어 밸브 (127) 는, 제어 밸브 (127A) 와 제어 밸브 (127B) 를 포함한다. 제어 밸브 (127A) 는, 방향 제어 밸브 (164) 의 제 1 수압실에 공급되는 파일럿유의 파일럿 유압을 조정하여, 방향 제어 밸브 (164) 를 개재하여 로드측 유실에 공급되는 작동유의 공급량을 조정한다. 제어 밸브 (127B) 는, 방향 제어 밸브 (164) 의 제 2 수압실에 공급되는 파일럿유의 파일럿 유압을 조정하여, 방향 제어 밸브 (164) 를 개재하여 캡측 유실에 공급되는 작동유의 공급량을 조정한다.

이하의 설명에 있어서, 제어 밸브 (127A) 를 적절히, 감압 밸브 (127A) 라고 칭하고, 제어 밸브 (127B) 를 적절히, 감압 밸브 (127B) 라고 칭한다. 제어 밸브 (127) 의 양측에, 파일럿 유압을 검출하는 압력 센서 (166) 및 압력 센서 (167) 가 형성된다. 본 실시형태에 있어서, 압력 센서 (166) 는 파일럿 유로 (451) 에 있어서 조작 장치 (30) 와 제어 밸브 (127) 사이에 배치된다. 압력 센서 (167) 는, 파일럿 유로 (452) 에 있어서 제어 밸브 (127) 와 방향 제어 밸브 (164) 사이에 배치된다. 압력 센서 (166) 는, 제어 밸브 (127) 에 의해 조정되기 전의 파일럿 유압을 검출 가능하다. 압력 센서 (167) 는, 제어 밸브 (127) 에 의해 조정된 파일럿 유압을 검출 가능하다. 압력 센서 (166) 는, 조작 장치 (30) 의 조작에 의해 조정되는 파일럿 유압을 검출 가능하다. 압력 센서 (166) 및 압력 센서 (167) 의 검출 결과는, 작업기 제어 장치 (25) 에 출력된다.

이하의 설명에 있어서, 붐 실린더 (10) 에 대한 작동유의 공급을 실시하는 방향 제어 밸브 (640) 에 대한 파일럿 유압을 조정 가능한 제어 밸브 (127) 를 적절히, 붐용 감압 밸브 (270) 라고 칭한다. 또한, 붐용 감압 밸브 (270) 중, 일방의 붐용 감압 밸브 (감압 밸브 (127A) 에 상당) 를 적절히, 붐용 감압 밸브 (270A) 라고 칭하고, 타방의 붐용 감압 밸브 (감압 밸브 (127B) 에 상당) 를 적절히, 붐용 감압 밸브 (270B) 라고 칭한다. 붐용 감압 밸브 (270) (270A, 270B) 는, 붐 조작용 유로에 배치된다.

이하의 설명에 있어서, 아암 실린더 (11) 에 대한 작동유의 공급을 실시하는 방향 제어 밸브 (641) 에 대한 파일럿 유압을 조정 가능한 제어 밸브 (127) 를 적절히, 아암용 감압 밸브 (271) 라고 칭한다. 또한, 아암용 감압 밸브 (271) 중, 일방의 아암용 감압 밸브 (감압 밸브 (127A) 에 상당) 를 적절히, 아암용 감압 밸브 (271A) 라고 칭하고, 타방의 아암용 감압 밸브 (감압 밸브 (127B) 에 상당) 를 적절히, 아암용 감압 밸브 (271B) 라고 칭한다. 아암용 감압 밸브 (271) (271A, 271B) 는, 아암 조작용 유로에 배치된다.

이하의 설명에 있어서, 버킷 실린더 (12) 에 대한 작동유의 공급을 실시하는 방향 제어 밸브 (642) 에 대한 파일럿 유압을 조정 가능한 제어 밸브 (127) 를 적절히, 버킷용 감압 밸브 (272) 라고 칭한다. 또한, 버킷용 감압 밸브 (272) 중, 일방의 버킷용 감압 밸브 (감압 밸브 (127A) 에 상당) 를 적절히, 버킷용 감압 밸브 (272A) 라고 칭하고, 타방의 버킷용 감압 밸브 (감압 밸브 (127B) 에 상당) 를 적절히, 버킷용 감압 밸브 (272B) 라고 칭한다. 버킷용 감압 밸브 (272) (272A, 272B) 는, 버킷 조작용 유로에 배치된다.

붐 실린더 (10) 에 대한 작동유의 공급을 실시하는 방향 제어 밸브 (640) 에는, 파일럿 유로 (451A, 451B, 452A, 452B) 가 접속된다. 이하의 설명에 있어서, 붐 조작용 유로 (4510A) 에 배치되는 붐용 압력 센서 (166) 를 적절히, 붐용 압력 센서 (660A) 라고 칭하고, 붐 조작용 유로 (4510B) 에 배치되는 붐용 압력 센서 (166) 를 적절히, 붐용 압력 센서 (660B) 라고 칭한다. 또한, 붐 조정용 유로 (4520A) 에 배치되는 붐용 압력 센서 (167) 를 적절히, 붐용 압력 센서 (670A) 라고 칭하고, 붐 조정용 유로 (4520B) 에 배치되는 붐용 압력 센서 (167) 를 적절히, 붐용 압력 센서 (670B) 라고 칭한다.

이하의 설명에 있어서, 아암 실린더 (11) 에 대한 작동유의 공급을 실시하는 방향 제어 밸브 (641) 에는, 파일럿 유로 (451A, 451B, 452A, 452B) 가 접속된다. 이하의 설명에 있어서, 아암 조작용 유로 (4511A) 에 배치되는 아암용 압력 센서 (166) 를 적절히, 아암용 압력 센서 (661A) 라고 칭하고, 아암 조작용 유로 (4511B) 에 배치되는 아암용 압력 센서 (166) 를 적절히, 아암용 압력 센서 (661B) 라고 칭한다. 또한, 아암 조정용 유로 (4521A) 에 배치되는 아암용 압력 센서 (167) 를 적절히, 아암용 압력 센서 (671A) 라고 칭하고, 아암 조정용 유로 (4521B) 에 배치되는 아암용 압력 센서 (167) 를 적절히, 아암용 압력 센서 (671B) 라고 칭한다.

이하의 설명에 있어서, 버킷 실린더 (12) 에 대한 작동유의 공급을 실시하는 방향 제어 밸브 (642) 에는, 파일럿 유로 (451A, 451B, 452A, 452B) 가 접속된다. 이하의 설명에 있어서, 버킷 조작용 유로 (4512A) 에 배치되는 버킷용 압력 센서 (166) 를 적절히, 버킷용 압력 센서 (662A) 라고 칭하고, 버킷 조작용 유로 (4512B) 에 배치되는 버킷용 압력 센서 (166) 를 적절히, 버킷용 압력 센서 (662B) 라고 칭한다. 또한, 버킷 조정용 유로 (4522A) 에 배치되는 버킷용 압력 센서 (167) 를 적절히, 버킷용 압력 센서 (672A) 라고 칭하고, 버킷 조정용 유로 (4522B) 에 배치되는 버킷용 압력 센서 (167) 를 적절히, 버킷용 압력 센서 (672B) 라고 칭한다.

굴삭 제어를 실행하지 않는 경우, 작업기 제어 장치 (25) 는, 제어 밸브 (127) 를 제어하여, 도 13 에 나타내는 파일럿 유로 (450) 를 연다 (전개로 한다). 파일럿 유로 (450) 가 열림으로써, 파일럿 유로 (451) 의 파일럿 유압과 파일럿 유로 (452) 의 파일럿 유압은 동일해진다. 제어 밸브 (127) 에 의해 파일럿 유로 (450) 가 열린 상태에서, 파일럿 유압은, 조작 장치 (30) 의 조작량에 기초하여 조정된다.

제어 밸브 (127) 에 의해 파일럿 유로 (450) 가 전개되었을 때, 압력 센서 (166) 에 작용하는 파일럿 유압과 압력 센서 (167) 에 작용하는 파일럿 유압은 동등하다. 제어 밸브 (127) 의 개도가 작아지는 것에 의해, 압력 센서 (166) 에 작용하는 파일럿 유압과 압력 센서 (167) 에 작용하는 파일럿 유압은 상이하다.

굴삭 제어 등과 같이, 작업기 (2) 가 작업기 제어 장치 (25) 에 의해 제어되는 경우, 작업기 제어 장치 (25) 는, 제어 밸브 (127) 에 제어 신호를 출력한다. 파일럿 유로 (451) 는, 예를 들어 파일럿 릴리프 밸브의 작용에 의해 소정의 압력 (파일럿 유압) 을 갖는다. 작업기 제어 장치 (25) 로부터 제어 밸브 (127) 에 제어 신호가 출력되면, 제어 밸브 (127) 는, 그 제어 신호에 기초하여 작동한다. 파일럿 유로 (451) 의 파일럿유는, 제어 밸브 (127) 를 개재하여, 파일럿 유로 (452) 에 공급된다. 파일럿 유로 (452) 의 파일럿 유압은, 제어 밸브 (127) 에 의해 조정 (감압) 된다. 파일럿 유로 (452) 의 파일럿 유압이, 방향 제어 밸브 (164) 에 작용한다. 이로써, 방향 제어 밸브 (164) 는, 제어 밸브 (127) 로 제어된 파일럿 유압에 기초하여 작동한다. 본 실시형태에 있어서, 압력 센서 (166) 는 제어 밸브 (127) 에 의해 조정되기 전의 파일럿 유압을 검출한다. 압력 센서 (167) 는, 제어 밸브 (127) 에 의해 조정된 후의 파일럿 유압을 검출한다.

감압 밸브 (127A) 에 의해 압력이 조정된 파일럿유가 방향 제어 밸브 (164) 에 공급됨으로써, 스풀은 축 방향에 관해서 일측으로 이동한다. 감압 밸브 (127B) 에 의해 압력이 조정된 파일럿유가 방향 제어 밸브 (164) 에 공급됨으로써, 스풀은 축 방향에 관해서 타측으로 이동한다. 그 결과, 축 방향에 관한 스풀의 위치가 조정된다.

예를 들어, 작업기 제어 장치 (25) 는, 붐용 감압 밸브 (270A) 및 붐용 감압 밸브 (270B) 의 적어도 일방에 제어 신호를 출력하여, 붐 실린더 (10) 에 접속된 방향 제어 밸브 (640) 에 대한 파일럿 유압을 조정할 수 있다.

또한, 작업기 제어 장치 (25) 는, 아암용 감압 밸브 (271A) 및 아암용 감압 밸브 (271B) 의 적어도 일방에 제어 신호를 출력하여, 아암 실린더 (11) 에 접속된 방향 제어 밸브 (641) 에 대한 파일럿 유압을 조정할 수 있다.

또한, 작업기 제어 장치 (25) 는, 버킷용 감압 밸브 (272A) 및 버킷용 감압 밸브 (272B) 의 적어도 일방에 제어 신호를 출력하여, 버킷 실린더 (12) 에 접속된 방향 제어 밸브 (642) 에 대한 파일럿 유압을 조정할 수 있다.

작업기 제어 장치 (25) 는, 굴삭 제어에 있어서, 전술한 바와 같이, 굴삭 대상의 목표 형상인 설계 지형을 나타내는 목표 굴삭 지형 (73I) (목표 굴삭 지형 데이터 (U)) 과 버킷 (8) 의 위치를 나타내는 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 에 기초하여, 목표 굴삭 지형 (73I) 과 버킷 (8) 의 거리 (d) 에 따라 버킷 (8) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 가까워지는 속도가 작아지도록, 붐 (6) 의 속도를 제한한다.

본 실시형태에 있어서, 작업기 제어 장치 (25) 는, 붐 (6) 의 속도를 제한하기 위한 제어 신호를 출력하는 붐 제한부를 갖는다. 본 실시형태에 있어서는, 조작 장치 (30) 의 조작에 기초하여 작업기 (2) 가 구동하는 경우에 있어서, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 침입하지 않도록, 작업기 제어 장치 (25) 의 붐 제한부로부터 출력되는 제어 신호에 기초하여, 붐 (6) 의 움직임이 제어 (붐 개입 제어) 된다. 구체적으로는, 굴삭 제어에 있어서, 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 침입하지 않도록, 붐 (6) 은, 작업기 제어 장치 (25) 에 의해, 올림 동작이 실행된다.

본 실시형태에 있어서는, 붐 개입 제어를 실현하기 위해서, 작업기 제어 장치 (25) 로부터 출력된, 붐 개입 제어에 관한 제어 신호에 기초하여 작동하는 제어 밸브 (127C) 가 파일럿 유로 (150) 에 형성된다. 붐 개입 제어에 있어서, 파일럿 유로 (150) 에, 압력 (파일럿 유압) 이 조정된 파일럿유가 흐른다. 제어 밸브 (127C) 는, 파일럿 유로 (150) 에 배치되고, 파일럿 유로 (150) 의 파일럿 유압을 조정 가능하다.

이하의 설명에 있어서, 붐 개입 제어에 있어서 압력이 조정된 파일럿유가 흐르는 파일럿 유로 (150) 를 적절히, 개입용 유로 (501, 502) 라고 칭하고, 개입용 유로 (501) 에 접속되는 제어 밸브 (127C) 를 적절히, 개입 밸브 (127C) 라고 칭한다.

개입용 유로 (502) 에, 붐 실린더 (10) 에 접속된 방향 제어 밸브 (640) 에 공급되는 파일럿유가 흐른다. 개입용 유로 (502) 는, 방향 제어 밸브 (640) 와 접속된 붐 조작용 유로 (4510B) 및 붐 조정용 유로 (4520B) 에 셔틀 밸브 (151) 를 개재하여 접속되어 있다.

셔틀 밸브 (151) 는 2 개의 입구와 1 개의 출구를 갖는다. 일방의 입구는, 개입용 유로 (502) 와 접속된다. 타방의 입구는, 붐 조작용 유로 (4510B) 와 접속된다. 출구는, 붐 조정용 유로 (4520B) 와 접속된다. 셔틀 밸브 (151) 는 개입용 유로 (501) 및 붐 조작용 유로 (4510B) 중, 파일럿 유압이 높은 쪽의 유로와 붐 조정용 유로 (4520B) 를 접속한다. 예를 들어, 개입용 유로 (502) 의 파일럿 유압이 붐 조작용 유로 (4510B) 의 파일럿 유압보다 높은 경우, 셔틀 밸브 (151) 는 개입용 유로 (502) 와 붐 조정용 유로 (4520B) 를 접속하고, 붐 조작용 유로 (4510B) 와 붐 조정용 유로 (4520B) 를 접속하지 않도록 작동한다. 이로써, 개입용 유로 (502) 의 파일럿유가 셔틀 밸브 (151) 를 개재하여 붐 조정용 유로 (4520B) 에 공급된다. 붐 조작용 유로 (4510B) 의 파일럿 유압이 개입용 유로 (502) 의 파일럿 유압보다 높은 경우, 셔틀 밸브 (151) 는 붐 조작용 유로 (4510B) 와 붐 조정용 유로 (4520B) 를 접속하고, 개입용 유로 (502) 와 붐 조정용 유로 (4520B) 를 접속하지 않도록 작동한다. 이로써, 붐 조작용 유로 (4510B) 의 파일럿유가 셔틀 밸브 (151) 를 개재하여 붐 조정용 유로 (4520B) 에 공급된다.

개입용 유로 (501) 에, 개입용 유로 (501) 의 파일럿유의 파일럿 유압을 검출하는 압력 센서 (168) 가 형성되어 있다. 개입용 유로 (501) 는, 제어 밸브 (127C) 를 통과하기 전의 파일럿유가 흐르는 개입용 유로 (501) 와, 개입 밸브 (127C) 를 통과한 후의 파일럿유가 흐르는 개입용 유로 (502) 를 포함한다. 개입 밸브 (127C) 는, 붐 개입 제어를 실행하기 위해서 작업기 제어 장치 (25) 로부터 출력된 제어 신호에 기초하여 제어된다.

붐 개입 제어가 실행되지 않을 때, 조작 장치 (30) 의 조작에 의해 조정된 파일럿 유압에 기초하여 방향 제어 밸브 (164) 가 구동되도록 한다. 이 때문에, 작업기 제어 장치 (25) 는, 제어 밸브 (127) 에 대하여 제어 신호를 출력하지 않는다. 예를 들어, 작업기 제어 장치 (25) 는, 조작 장치 (30) 의 조작에 의해 조정된 파일럿 유압에 기초하여 방향 제어 밸브 (640) 가 구동되도록, 붐용 감압 밸브 (270B) 에 의해 붐 조작용 유로 (4510B) 를 여는 (전개로 한다) 것과 함께, 개입 밸브 (127C) 에 의해 개입용 유로 (501) 를 닫는다.

붐 개입 제어가 실행될 때, 작업기 제어 장치 (25) 는, 개입 밸브 (127C) 에 의해 조정된 파일럿 유압에 기초하여 방향 제어 밸브 (164) 가 구동되도록, 각 제어 밸브 (127) 를 제어한다. 예를 들어, 굴삭 제어에 있어서 붐 (6) 의 이동을 제한하는 붐 개입 제어를 실행하는 경우, 작업기 제어 장치 (25) 는, 개입 밸브 (127C) 에 의해 조정된 개입용 유로 (502) 의 파일럿 유압이, 조작 장치 (30) 에 의해 조정되는 붐 조작용 유로 (4510B) 의 파일럿 유압보다 높아지도록, 개입 밸브 (127C) 를 제어한다. 이와 같이 함으로써, 개입 밸브 (127C) 로부터의 파일럿유가 셔틀 밸브 (151) 를 개재하여 방향 제어 밸브 (640) 에 공급된다.

버킷 (8) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 침입하지 않도록 조작 장치 (30) 에 의해 붐 (6) 이 고속으로 올림 동작되는 경우, 붐 개입 제어는 실행되지 않는다. 붐 (6) 이 고속으로 올림 동작되도록 조작 장치 (30) 가 조작되고, 그 조작량에 기초하여 파일럿 유압이 조정됨으로써, 조작 장치 (30) 의 조작에 의해 조정되는 붐 조작용 유로 (4510B) 의 파일럿 유압은, 개입 밸브 (127C) 에 의해 조정되는 개입용 유로 (502) 의 파일럿 유압보다 높아진다. 이로써, 조작 장치 (30) 의 조작에 의해 파일럿 유압이 조정된 붐 조작용 유로 (4510B) 의 파일럿유가 셔틀 밸브 (151) 를 개재하여 방향 제어 밸브 (640) 에 공급된다.

붐 개입 제어에 있어서, 작업기 제어 장치 (25) 는, 제한 조건이 만족되어 있는지 여부를 판정한다. 제한 조건은, 거리 (d) 가 전술한 제 1 소정치 (dth1) 보다 작은 것 및 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 가 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 보다 큰 것을 포함한다. 예를 들어, 붐 (6) 을 하강시키는 경우, 붐 (6) 의 하방으로의 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 의 크기가, 하방으로의 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 의 크기보다 작을 때에는, 작업기 제어 장치 (25) 는, 제한 조건이 만족되어 있는 것으로 판정한다. 또한, 붐 (6) 을 상승시키는 경우, 붐 (6) 의 상방으로의 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 의 크기가, 상방으로의 붐 목표 속도 (Vc＿bm) 의 크기보다 클 때에는, 작업기 제어 장치 (25) 는, 제한 조건이 만족되어 있는 것으로 판정한다.

제한 조건이 만족되어 있는 경우, 작업기 제어 장치 (25) 는, 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 로 붐이 상승하도록 붐 개입 지령 (CBI) 을 생성하고, 붐 실린더 (10) 의 제어 밸브 (127) 를 제어한다. 이와 같이 함으로써, 붐 실린더 (10) 의 방향 제어 밸브 (640) 는, 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 로 붐이 상승하도록 작동유를 붐 실린더 (10) 에 공급하기 때문에, 붐 실린더 (10) 는, 붐 제한 속도 (Vc＿bm＿lmt) 로 붐 (6) 을 상승시킨다.

실시형태 1 에 있어서, 아암 제한 속도 (Vc＿am＿lmt) 의 절대치가, 아암 목표 속도 (Vc＿am) 의 절대치보다 작은 것이, 제한 조건에 포함되어도 된다. 제한 조건은, 다른 조건을 추가로 포함해도 된다. 예를 들어, 제한 조건은, 아암 조작량이 0 인 것을 추가로 포함해도 된다. 제한 조건은, 거리 (d) 가 제 1 소정치 (dth1) 보다 작은 것을 포함하지 않아도 된다. 예를 들어, 제한 조건은, 붐 (6) 의 제한 속도가 붐 목표 속도보다 큰 것만이어도 된다.

제 2 소정치 (dth2) 는, 제 1 소정치 (dth1) 보다 작으면, 0 보다 커도 된다. 이 경우에는, 붐 (6) 의 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 도달하기 전에, 붐 (6) 의 제한과 아암 (7) 의 제한의 양방이 실시된다. 이 때문에, 붐 (6) 의 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 에 도달하기 전이어도, 붐 (6) 의 날끝 (8T) 이 목표 굴삭 지형 (73I) 을 초과할 것 같을 때에, 붐 (6) 의 제한과 아암 (7) 의 제한의 양방을 실시할 수 있다.

(조작 레버가 전기 방식인 경우)

좌측의 작업기 조작 부재 (31L) 및 우측의 작업기 조작 부재 (31R) 가 전기 방식인 경우, 작업기 조작 부재 (31L, 31R) 에 대응하는 포텐셔미터 등의 전기 신호를 작업기 제어 장치 (25) 가 취득한다. 이 전기 신호를, 조작 지령 전류치라고 칭한다. 작업기 제어 장치 (25) 는, 조작 지령 전류치에 기초하는 개폐 지령을 제어 밸브 (127) 에 출력한다. 제어 밸브 (127) 로부터는, 개폐 지령에 따른 압력의 작동유가 방향 제어 밸브의 스풀에 공급되어 스풀을 이동시키기 때문에, 방향 제어 밸브를 개재하여 붐 실린더 (10), 아암 실린더 (11) 또는 버킷 실린더 (12) 에 작동유가 공급되어 이들이 신축한다.

굴삭 제어에 있어서, 작업기 제어 장치 (25) 는, 굴삭 제어의 지령치 및 조작 지령 전류치에 기초하는 개폐 지령을 제어 밸브 (127) 에 출력한다. 굴삭 제어의 지령치는, 굴삭 제어에 있어서 붐 개입 제어를 실행하기 위한 지령치이다. 개폐 지령이 입력된 제어 밸브 (127) 는, 개폐 지령에 따른 압력의 작동유가 방향 제어 밸브의 스풀에 공급되어 스풀을 이동시킨다. 붐 실린더 (10) 의 방향 제어 밸브의 스풀에는, 굴삭 제어의 지령치에 따른 압력의 작동유가 공급되기 때문에, 붐 실린더 (10) 가 신장하여 붐 (6) 을 상승시킨다.

(가이던스의 표시)

가이던스에 있어서, 도 3b 에 나타내는 제 2 표시 장치 (39) 의 버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 는, 글로벌 좌표 연산부 (23) 로부터 취득하는 기준 위치 데이터 (P) 및 선회체 방위 데이터 (Q) 에 기초하여 선회 중심 위치 데이터를 생성한다. 그리고, 버킷 날끝 위치 데이터 생성부 (39B) 는, 선회 중심 위치 데이터와 작업기 (2) 의 경사각 (α1, α2, α3) 에 기초하여 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 를 생성한다. 또한, 목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 는, 목표 시공 정보 (T) 와 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 로부터, 표시용의 목표 굴삭 지형 데이터 (Ua) 를 생성한다. 표시부 (39M) 는, 표시용의 목표 굴삭 지형 데이터 (Ua) 를 이용하여, 목표 굴삭 지형 (73I) 을 표시한다.

표시부 (39M) 는, 목표 굴삭 지형 (73I) 과 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 로부터, 축차 (예를 들어, 100 msec. 주기) 버킷 (8) 의 바로 아래에 있어서의 목표 굴삭 지형 (73I) 의 정보의 1 점을, 도 3a 에 나타내는 굴삭 대상 위치 (74) 로서 결정한다. 표시부 (39M) 는, 굴삭 대상 위치 (74) 로부터 작업기 (2) 의 전후 방향으로 연신하고, 표시용의 목표 굴삭 지형 (73I) 을 결정하여, 표시한다.

목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 는, 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표에 있어서의 굴삭 대상 위치 (74) 와, 굴삭 대상 위치 (74) 의 전후 2 점과, 굴삭 대상 위치 (74) 의 전후 2 점 이후의 각도 정보를 굴삭 제어를 위한 목표 굴삭 지형 (73I) 의 정보, 즉 목표 굴삭 지형 데이터 (U) 로서, 작업기 제어 장치 (25) 에 송신한다. 제 2 표시 장치 (39) 는, 가이던스 및 굴삭 제어에 있어서, 글로벌 좌표 연산부 (23) 로부터 취득하는 유압 셔블 (100) 의 위치 정보 및 목표 시공 정보 (T) 를 기초로, 예를 들어, 100 msec. 주기에 목표 굴삭 지형 데이터 (U) (목표 굴삭 지형 (73I)) 를 생성하여, 작업기 제어 장치 (25) 에 송신한다.

작업기 제어 장치 (25) 에는, 제 2 표시 장치 (39) 의 목표 굴삭 지형 데이터 생성부 (39D) 로부터 목표 굴삭 지형 데이터 (U) (목표 굴삭 지형 (73I)) 가, 예를 들어 100 msec. 의 주기로 입력된다. 작업기 제어 장치 (25) 및 제 2 표시 장치 (39) 는, IMU (29) 가 검출한 경사각 (이하, 적절히 피치각이라고 칭한다) (θ5) 이, 예를 들어 10 msec. 마다 입력된다. 작업기 제어 장치 (25) 및 제 2 표시 장치 (39) 는, IMU (29) 에 의해 검출되고, 센서 제어 장치 (24) 로부터 입력된 피치각 (θ5) 의 전회치와 금회치의 증감분에 기초하여, 목표 굴삭 지형 데이터 (U) (목표 굴삭 지형 (73I)) 의 피치각 (θ5) 을 계속 갱신한다. 작업기 제어 장치 (25) 는, 이 피치각 (θ5) 을 이용하여 날끝 위치 (P4) 를 산출하여 굴삭 제어를 실행하고, 제 2 표시 장치 (39) 는 이 피치각 (θ5) 을 이용하여 버킷 날끝 위치 데이터 (S) 를 산출하여 가이던스 화상의 날끝 위치로 한다. 100 msec. 가 경과한 후, 작업기 제어 장치 (25) 에는, 제 2 표시 장치 (39) 로부터 새로운 목표 굴삭 지형 데이터 (U) (목표 굴삭 지형 (73I)) 가 입력되어 갱신된다.

도 15 는, IMU (29) 의 일례를 나타내는 블록도이다. IMU (29) 는, 자이로 (29V) 와, 가속도 센서 (29A) 와, AD 변환부 (29AD) 와, 물리량 변환부 (29PT) 를 포함한다. 자이로 (29V) 는, 유압 셔블 (100) 의 각속도를 검출한다. 가속도 센서 (29A) 는, 유압 셔블의 가속도를 검출한다. 자이로 (29V) 에 의해 검출된 각속도 및 가속도 센서 (29A) 에 의해 검출된 가속도는 모두 아날로그량이다. AD 변환부 (29AD) 는, 이들 아날로그량을 디지탈량으로 변환한다. 물리량 변환부 (29PT) 는, AD 변환부 (29AD) 의 출력을, 물리량으로 변환한다. 구체적으로는, 물리량 변환부 (29PT) 는, 자이로 (29V) 의 검출치에 대응하는 AD 변환부 (29AD) 의 출력을 각속도 (ω) 로 변환하고, 가속도 센서 (29A) 의 검출치에 대응하는 AD 변환부 (29AD) 의 출력을 가속도 (Ac) 로 변환한다. 물리량 변환부 (29PT) 는, 각속도 (ω) 및 가속도 (Ac) 를 차내 신호선 (42) 에 출력한다.

AD 변환부 (29AD) 는, 이들 아날로그량을 디지탈량으로 변환한다. 물리량 변환부 (29PT) 는, AD 변환부 (29AD) 의 출력을, 물리량으로 변환한다. 구체적으로는, 물리량 변환부 (29PT) 는, 자이로 (29V) 의 검출치에 대응하는 AD 변환부 (29AD) 의 출력을 각속도 (ω) 로 변환하고, 가속도 센서 (29A) 의 검출치에 대응하는 AD 변환부 (29AD) 의 출력을 가속도 (Ac) 로 변환한다. 물리량 변환부 (29PT) 는, 각속도 (ω) 및 가속도 (Ac) 를 차내 신호선 (42) 에 출력한다. 자세각 연산부 (29CP) 는, 물리량 변환부 (29PT) 가 구한 각속도 (ω) 및 가속도 (Ac) 로부터 자세각 (θ) 을 연산하고, 얻어진 자세각 (θ) 을 차내 신호선 (42) 에 출력한다. 이하에 있어서, 자세각은, 적절히 부호 θ 를 이용하여 나타낸다. 이와 같이, IMU (29) 는, 유압 셔블 (100) 의 자세각을 검출하는 장치이다.

유압 셔블 (100) 의 기울기는, 피치각, 롤각 및 요각으로 나타낼 수 있다. 피치각은, y 축 주위에 유압 셔블 (100) 이 경사졌을 때의 각도이고, 롤각은 x 축 주위에 유압 셔블 (100) 이 경사졌을 때의 각도이고, 요각은, z 축 주위에 유압 셔블 (100) 이 경사졌을 때의 각도이다. 본 실시형태에 있어서, 피치각 및 롤각을, 유압 셔블 (100) 의 자세각이라고 한다. 본 실시형태에 있어서, 센서 제어 장치 (24) 는, IMU (29) 가 검출한, 유압 셔블 (100) 의 각속도 및 가속도를, 차내 신호선 (42) 을 개재하여 취득한다. 센서 제어 장치 (24) 는, 취득한 유압 셔블 (100) 의 각속도 및 가속도로부터, 자세각을 구한다. 이하에 있어서, 자세각은, 적절히 부호 θ 를 이용하여 나타낸다.

도 16 은 센서 제어 장치 (24) 의 제어 블록도이다. 도 17 은, 상부 선회체 (3) 의 선회 속도를 설명하기 위한 도면이다. 본 실시형태에 있어서, 도 15 에 나타내는 IMU (29) 의 자세각 연산부 (29CP) 가, 검출 장치로서의 자이로 (29V) 및 가속도 센서 (29A) 에 의해 검출된 각속도 (ω) 및 가속도 (Ac) 로부터 작업 기계의 자세각 (θ) 을 구하여 로우 패스 필터 (60) 에 출력하는 제 1 자세각 연산부로서 기능한다. 제 2 자세각 연산부 (50) 는, 제 2 자세각 (θ2) 을 구하여 출력한다. 제 2 자세각 연산부 (50) 가 출력하는 제 2 자세각 (θ2) 은 로우 패스 필터 (60) 를 통과하지 않고 선택부 (63) 에 입력된다. 제 2 자세각 연산부 (50) 의 상세한 것에 대해서는 후술한다.

IMU (29) 의 검출치는, 차내 신호선 (42) 을 개재하여 센서 제어 장치 (24) 에 입력된다. 센서 제어 장치 (24) 는, IMU (29) 로부터, 각속도 (ω), 가속도 (Ac) 및 자세각 (θ) 이 입력된다. 센서 제어 장치 (24) 는, 제 2 자세각 연산부 (50) 와 로우 패스 필터 (60) 와 선택부 (63) 를 포함한다. 이 밖에, 센서 제어 장치 (24) 는, 선회 상태 판정부 (61) 와 자세각 판정부 (62) 를 포함한다.

제 1 필터로서의 로우 패스 필터 (60) 는, IMU (29) 로부터 입력된 자세각 (θ) 을 통과시켜, 제 1 자세각 (θ1) 으로서 출력한다. 본 실시형태에 있어서는, 자세각 (θ) 으로서 피치각 (θp) 및 롤각 (θr) 이 로우 패스 필터 (60) 에 입력되고, 제 1 자세각 (θ1) 으로서 제 1 피치각 (θ1p) 및 제 1 롤각 (θ1r) 이 출력된다. 로우 패스 필터 (60) 가 출력한 제 1 자세각 (θ1) 은 선택부 (63) 에 입력된다. 자세각 (θ) 이 로우 패스 필터 (60) 를 통과하면, 자세각 (θ) 으로부터 고주파 성분이 제거된 제 1 자세각 (θ1) 이 출력된다.

선택부 (63) 는, 로우 패스 필터 (60) 를 통과한 제 1 자세각 (θ1) 과 로우 패스 필터 (60) 를 통과하지 않은 제 2 자세각 (θ2) 을, 도 1 및 도 2 에 나타내는 유압 셔블 (100) 의 각도 변동에 관한 정보에 기초하여 전환하여, 유압 셔블 (100) 의 자세각 (θo) 으로서 차내 신호선 (41) 에 출력한다. 선택부 (63) 가 출력하는 자세각 (θo) 은, 피치각 (θpo) 및 롤각 (θro) 이다.

본 실시형태에 있어서, 제 2 자세각 (θ2) 이 로우 패스 필터 (60) 를 통과하지 않는다는 것은, 제 2 자세각 (θ2) 은 제 1 자세각 (θ1) 이 통과한 로우 패스 필터 (60) 는 통과한 것이 아니라는 것이다. 제 2 자세각 (θ2) 은 제 1 자세각 (θ1) 이 통과한 로우 패스 필터 (60) 이외의 필터를 통과한 것이어도 되고, 예를 들어, IMU (29) 로부터의 자세각 (θ) 이 직접 선택부 (63) 에 입력되는 것이어도 된다.

본 실시형태에 있어서, 선택부 (63) 는, 도 1 에 나타내는 유압 셔블 (100) 의 선회에 관한 정보, 보다 구체적으로는 상부 선회체 (3) 의 각속도 (ωz) 에 기초하여 제 1 자세각 (θ1) 과 제 2 자세각 (θ2) 중 어느 것을 출력할지를 전환한다. 예를 들어, 선택부 (63) 는, 각속도 (이하, 적절히 선회 속도라고 칭한다) (ωz) 가 소정의 임계치 이하인 경우에는 제 1 자세각 (θ1) 을 출력하고, 선회 속도 (ωz) 가 소정의 임계치를 초과한 경우에 제 2 자세각 (θ2) 을 출력한다. 선회 속도 (ωz) 는, 도 17 에 나타내는 바와 같이, 상부 선회체 (3) 의 회전 중심이 되는 z 축 (회전 중심축) 의 주위에 있어서의 각속도이다. z 축은, 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계 (x, y, z) 에 있어서, 상부 선회체 (3) 가 선회의 중심으로 하는 축이다.

선택부 (63) 는, 유압 셔블 (100) 의 각도 변동에 관한 정보로서, 예를 들어, 유압 셔블 (100) 의 피치각의 변화에 기초하여 제 1 자세각 (θ1) 과 제 2 자세각 (θ2) 을 전환하여 출력해도 된다. 예를 들어, 선택부 (63) 는, 유압 셔블 (100) 의 피치각의 변화량이 소정의 임계치 이하인 경우에는 제 1 자세각 (θ1) 을 출력하고, 소정의 임계치를 초과한 경우에는 제 2 자세각 (θ2) 을 출력할 수 있다.

선회 상태 판정부 (61) 는, 차내 신호선 (42) 을 개재하여 IMU (29) 로부터 선회 속도 (ωz) 를 취득한다. 선회 상태 판정부 (61) 는 취득한 선회 속도 (ωz) 와 소정의 임계치를 비교하여, 선회 속도 (ωz) 가 소정의 임계치 이하인 경우에는 제 1 출력을 선택부 (63) 에 출력하고, 선회 속도 (ωz) 가 소정의 임계치를 초과한 경우에는 제 2 출력을 선택부 (63) 에 출력한다. 선택부 (63) 는, 제 1 출력을 취득한 경우에는 제 1 자세각 (θ1) 을 출력하고, 제 2 출력을 취득한 경우에는 제 2 자세각 (θ2) 을 출력한다.

자세각 판정부 (62) 는 제 1 자세각 (θ1) 과 제 2 자세각 (θ2) 의 차분 (Δθ) 을 구하고, 선택부 (63) 에 출력한다. 선택부 (63) 는, 차분이 소정의 임계치를 초과한 경우, 제 2 자세각 (θ2) 을 유압 셔블 (100) 의 자세각 (θo) 으로서 차내 신호선 (41) 에 출력한다.

(제 2 자세각 연산부의 예)

제 2 자세각 연산부 (50) 는, 각도 연산부 (50C) 와, 제 2 필터에 상당하는 필터부 (50F) 와, 전환부 (55) 를 포함한다. 각도 연산부 (50C) 는, 제 3 자세각 연산부 (51) 와, 제 4 자세각 연산부 (52) 를 포함하고, 필터부 (50F) 는, 제 1 상보 필터 (53) 와, 제 2 상보 필터 (54) 를 포함한다. 제 3 자세각 연산부 (51) 및 제 4 자세각 연산부 (52) 는 유압 셔블 (100) 의 각속도 (ω) 및 가속도 (Ac) 로부터 유압 셔블 (100) 의 자세각 (θ) 을 구한다. 본 실시형태에 있어서, 제 3 자세각 연산부 (51) 는, IMU (29) 가 검출한 유압 셔블 (100) 의 가속도 (Ac) 로부터 자세각 (θ) 을 구한다. 보다 구체적으로는, 제 3 자세각 연산부 (51) 는 중력 가속도의 방향으로부터 자세각 (θ) 을 구한다. 제 4 자세각 연산부 (52) 는 IMU (29) 가 검출한 유압 셔블 (100) 의 각속도 (ω) 로부터 자세각 (θ) 을 구한다. 보다 구체적으로는, 제 4 자세각 연산부 (52) 는 각속도 (ω) 를 적분하여 자세각 (θ) 을 구한다.

제 1 상보 필터 (53) 는, 제 1 차단 주파수가 설정되고, 제 3 자세각 연산부 (51) 및 제 4 자세각 연산부 (52) 에 의해 구해진 자세각 (θ) 에 포함되는 잡음을 저감시켜, 제 3 자세각 (θ3) 을 출력한다. 제 2 상보 필터 (54) 는, 제 1 차단 주파수와는 상이한 제 2 차단 주파수가 설정되고, 제 3 자세각 연산부 (51) 및 제 4 자세각 연산부 (52) 에 의해 구해진 자세각 (θ) 에 포함되는 잡음을 저감시켜 제 4 자세각 (θ4) 을 출력한다. 제 1 상보 필터 (53) 와 제 2 상보 필터 (54) 는, 차단 주파수 (컷오프 주파수) 만이 상이하다.

제 1 상보 필터 (53) 는, 필터부 (53F) 와 가산부 (53AD) 를 갖는다. 필터부 (53F) 는, 제 1 LPF (Low Pass Filter) a 와 제 1 HPF (High Pass Filter) a 를 갖는다. 가산부 (53AD) 는, 제 1 LPFa 의 출력과 제 1 HPFa 의 출력을 가산하여 출력한다. 가산부 (53AD) 의 출력은, 제 1 상보 필터 (53) 의 출력이다. 제 1 상보 필터 (53) 의 출력을, 적절히 제 3 자세각 (θ3) 이라고 칭한다.

제 2 상보 필터 (54) 는, 필터부 (54F) 와 가산부 (54AD) 를 갖는다. 필터부 (54F) 는, 제 2 LPF (Low Pass Filter) b 와 제 2 HPF (High Pass Filter) b 를 갖는다. 가산부 (54AD) 는, 제 2 LPFb 의 출력과 제 2 HPFb 의 출력을 가산하여 출력한다. 가산부 (54AD) 의 출력은, 제 2 상보 필터 (54) 의 출력이다. 제 2 상보 필터 (54) 의 출력을, 제 4 자세각 (θ4) 이라고 칭한다.

전환부 (55) 는, 처리부 (55c) 와 전환기 (55s) 를 갖는다. 전환부 (55) 는, 유압 셔블 (100) 의 상태에 따라, 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 을 전환하여 출력한다. 전환부 (55) 의 처리부 (55c) 는, 유압 셔블 (100) 의 상태, 예를 들어, 유압 셔블 (100) 이 움직이고 있는지 정지하고 있는지에 따라, 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 중 어느 것을 출력할지를 판정한다. 처리부 (55c) 의 판정 결과는, 판정 결과 출력선 (55a) 을 개재하여 전환기 (55S) 에 출력된다. 전환기 (55s) 는, 처리부 (55c) 의 판정 결과에 따라, 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 의 어느 일방을, 제 2 자세각 연산부 (50) 에 의해 구해진 제 2 자세각 (θ2) 으로서, 자세각 출력선 (55b) 을 개재하여 차내 신호선 (41) 에 출력한다.

도 18 은, 상보 필터의 특성을 나타내는 도면이다. 도 18 의 세로축은 게인 (GN), 가로축은 주파수 (f) 이다. 도 18 의 곡선 (LPF 와 HPF) 은, 상보 필터의 주파수 특성을 나타낸다. 상보 필터는, LPF (Low Pass Filter) 와 HPF (High Pass Filter) 를 구비하고 있고, 도 18 로부터 알 수 있는 바와 같이, LPF 의 게인 (GN) 과 HPF 의 게인 (GN) 의 합이 1 이 되는 필터이다. 예를 들어, 상보 필터에 자세각 (θ) 을 입력하면, LPF 의 출력 LPF(θ) 와 HPF 의 출력 HPF(θ) 의 합은 1 이 된다. 즉, LPF(θ) ＋ HPF(θ) = θ 가 된다. LPF 의 게인 (GN) 과 HPF 의 게인 (GN) 이 모두 0.5 가 될 때의 주파수를, 차단 주파수 (fc) 라고 한다. 센서 제어 장치 (24) 가 갖는 제 1 상보 필터 (53) 및 제 2 상보 필터 (54) 는, 전술한 바와 같이, 차단 주파수 (fc) 만이 상이하다.

도 16 에 나타내는 제 3 자세각 연산부 (51) 가 중력 가속도의 방향으로부터 구한 자세각 (θ) 은, 진짜 자세각 (θtr) 과 오차 (θan) 의 합으로 구해진다. 오차 (θan) 는, 예를 들어, 충격 가속도 등과 같은 중력 가속도 이외의 가속도에 의해 발생한다. 오차 (θan) 는, 고주파 성분이 주체인 잡음이다. 도 16 에 나타내는 제 4 자세각 연산부 (52) 가 각속도 (ω) 를 적분하여 구한 자세각 (θ) 은, 진짜 자세각 (θtr) 과 오차 (θwn) 의 합으로 구해진다. 오차 (θwn) 는, 적분에 의해 누적되는 드리프트에 의해 발생한다. 오차 (θwn) 는, 저주파 성분이 주체인 잡음이다.

이와 같이, 제 3 자세각 연산부 (51) 가 중력 가속도의 방향으로부터 구한 자세각 (θ) 은, 고주파 성분이 주체인 오차 (θan) 를 포함하기 때문에, 제 1 상보 필터 (53) 의 제 1 LPFa 및 제 2 상보 필터 (54) 의 제 2 LPFb 에 입력된다. 제 4 자세각 연산부 (52) 가 각속도 (ω) 를 적분하여 구한 자세각 (θ) 은, 저주파 성분이 주체인 오차 (θwn) 를 포함하기 때문에, 제 1 상보 필터 (53) 의 제 1 HPFa 및 제 2 상보 필터 (54) 의 제 2 HPFb 에 입력된다.

제 1 LPFa 의 출력은 LPFa(θtr ＋ θan), 제 1 HPFa 의 출력은 LPFa(θtr ＋ θwn) 가 된다. 제 2 LPFb 의 출력은 LPFb(θtr ＋ θan), 제 2 HPFb 의 출력은 LPFb(θtr ＋ θwn) 가 된다. LPFa(θtr ＋ θan), LPFa(θtr ＋ θwn), LPFb(θtr ＋ θan) 및 LPFb(θtr ＋ θwn) 는, 모두 선형성을 갖는다. 이 때문에, 식 (1) 내지 식 (4) 가 성립한다.

LPFa(θtr ＋ θan) = LPFa(θtr) ＋ LPFa(θan)··(1)

HPFa(θtr ＋ θwn) = HPFa(θtr) ＋ HPFa(θwn)··(2)

LPFb(θtr ＋ θan) = LPFb(θtr) ＋ LPFb(θan)··(3)

HPFb(θtr ＋ θwn) = HPFb(θtr) ＋ HPFb(θwn)··(4)

전술한 상보 필터의 특성으로부터, LPFa(θ) ＋ HPFa(θ) = θ 및 LPFb(θ) ＋ HPFb(θ) = θ 가 성립한다. 제 1 상보 필터 (53) 에 있어서, 필터부 (53F) 의 출력, 즉 제 1 LPFa 의 출력과 제 1 HPFa 의 출력은, 가산부 (53AD) 에 의해 가산된다. 가산부 (53AD) 의 출력, 즉 제 3 자세각 (θ3) 은, θtr ＋ LPFa(θan) ＋ HPFa(θwn) 가 된다. 제 2 상보 필터 (54) 에 있어서, 필터부 (54F) 의 출력, 즉 제 2 LPFb 의 출력과 제 2 HPFb 의 출력은, 가산부 (54AD) 에 의해 가산된다. 가산부 (54AD) 의 출력, 즉 제 4 자세각 (θ4) 은, θtr ＋ LPFb(θan) ＋ HPFb(θwn) 가 된다.

오차 (θan) 는 고주파 성분이 주체이기 때문에, 제 1 LPFa 및 제 2 LPFb 에 의해 저감된다. 이 때문에, LPFa(θan) 및 LPFb(θan) 의 값은 작아진다. 오차 (θwn) 는 저주파 성분이 주체이기 때문에, 제 1 HPFa 및 제 2 HPFb 에 의해 저감된다. 이 때문에, LPFa(θan) 및 HPFa(θwn) 그리고 LPFb(θan) 및 HPFb(θwn) 의 값은 작아지고, 가산부 (53AD) 의 출력인 제 3 자세각 (θ3) 및 가산부 (54AD) 의 출력인 제 4 자세각 (θ4) 은, 진짜 자세각 (θtr) 에 가까운 값이 된다.

도 19 는, 오차 (θan) 및 오차 (θwn) 의 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 도 19 의 세로축은, 오차 (θan) 및 오차 (θwn) 의 스펙트럼, 가로축은 주파수 (f) 이다. 만일, IMU (29) 의 성능이 높은 것을 사용할 수 있었던 경우, IMU (29) 가 검출하는 각속도 (ω) 및 가속도 (Ac) 의 정밀도도 높기 때문에, 도 16 에 나타내는 센서 제어 장치 (24) 가 갖는 제 1 자세각 연산부 (51) 가 구하는 자세각 (θ) 의 오차 (θan) 및 제 2 자세각 연산부 (52) 가 구하는 자세각 (θ) 의 오차 (θwn) 는 작아진다. IMU (29) 의 성능이 낮은 경우, IMU (29) 가 검출하는 각속도 (ω) 및 가속도 (Ac) 의 정밀도가 낮아지기 때문에, 도 16 에 나타내는 제 2 자세각 연산부 (50) 가 갖는 제 3 자세각 연산부 (51) 가 구하는 자세각 (θ) 의 오차 (θan) 및 제 4 자세각 연산부 (52) 가 구하는 자세각 (θ) 의 오차 (θwn) 는 커진다. 그 결과로서, 도 19 에 나타내는 바와 같이, 오차 (θwn) 와 오차 (θan) 가, 각각 상보 필터의 차단 주파수 (fc) 를 초과해도 존재하게 되어, 차단 주파수 (fc) 를 포함하는 소정의 주파수 (f) 의 범위에서 서로 겹친다. 오차 (θwn) 는, 차단 주파수 (fc) 보다 큰 주파수여도 존재하게 되고, 오차 (θan) 는 차단 주파수 (fc) 보다 작은 주파수여도 존재하게 된다.

따라서, IMU (29) 의 성능이 낮은 경우, 1 개의 상보 필터로는, 잡음인 오차 (θwn) 및 오차 (θan) 를 충분히 제거하지 못하여, 자세각 (θ) 의 정밀도 저하를 초래할 가능성이 있다. 이것은, 도 2 에 나타내는 제 2 표시 장치 (39) 에 의한 날끝 (8T) 의 위치 정보의 표시 정밀도 및 유압 셔블 (100) 의 작업기 제어의 정밀도에 영향을 줄 가능성이 있다. 고성능의 IMU (29) 는 가격도 비싸기 때문에, 유압 셔블 (100) 의 제조 비용의 상승을 초래한다. 요컨대, 성능이 낮은 IMU (29) 를 유압 셔블 (100) 에 적용하기 위해서, 도 19 에 나타낸 특성을 고려할 필요가 있다. 그래서, 제 2 자세각 연산부 (50) 는, 비교적 성능이 낮은 IMU (29) 를 사용한 경우에도, 자세각 (θ) 의 정밀도 저하를 억제할 수 있도록, 차단 주파수 (fc) 가 상이한 제 1 상보 필터 (53) 와 제 2 상보 필터 (54) 를 이용하고 있다.

도 20 은, 제 1 상보 필터 (53) 의 게인 (GN) 및 제 2 상보 필터 (54) 의 게인 (GN) 과 주파수 (f) 의 관계를 나타내는 도면이다. 도 20 의 세로축은 게인 (GN), 가로축은 주파수 (f) 이다. 주파수 (fch) 는 제 1 상보 필터 (53) 의 제 1 차단 주파수이고, 주파수 (fcl) 는 제 2 상보 필터 (54) 의 제 2 차단 주파수이다. 본 실시형태에 있어서, 제 1 차단 주파수 (fch) 는, 제 2 차단 주파수 (fcl) 보다 높아져 있다. 즉, 제 2 차단 주파수 (fcl) 는, 제 1 차단 주파수 (fch) 보다 낮아져 있다.

제 1 상보 필터 (53) 의 제 1 차단 주파수 (fch) 는, 각속도 (ω) 의 적분 오차, 즉 오차 (θwn) 를 충분히 저감시킬 수 있는 주파수로 설정된다. 제 2 상보 필터 (54) 의 제 2 차단 주파수 (fcl) 는, 중력 가속도 이외의 가속도에 의한 오차 (θan) 를 충분히 저감시킬 수 있는 주파수로 설정된다.

제 1 상보 필터 (53) 는, 제 1 HPFa 에 의해 각속도 (ω) 의 적분에 의한 오차 (θwn) 를 효과적으로 저감시킬 수 있지만, 중력 가속도 이외의 가속도에서 기인하는 오차 (θan) 를 효과적으로 저감시키는 것은 어렵다. 이 때문에, 제 1 상보 필터 (53) 는, 유압 셔블 (100) 이 정지하고 있는 상태 또는 정지하고 있는 상태에 가까운 상태, 즉 정지하고 있는 것으로 간주되는 상태 (적절히, 준정지 상태라고 한다) 인 경우에 있어서는 자세각 (θ) 을 양호한 정밀도로 구할 수 있지만, 유압 셔블 (100) 이 준정지 상태가 아닌 동적 상태인 경우에 있어서는 자세각 (θ) 의 정밀도가 저하한다. 본 실시형태에 있어서, 동적 상태란, 유압 셔블 (100) 이 움직이고 있는 것으로 간주되는 상태이다.

제 2 상보 필터 (54) 는, 제 2 LPFa 에 의해 중력 가속도 이외의 가속도에 의한 오차 (θan) 를 효과적으로 저감시킬 수 있지만, 각속도 (ω) 의 적분에 의한 오차 (θwn) 를 효과적으로 저감시키는 것은 어렵다. 이 때문에, 제 2 상보 필터 (54) 는, 유압 셔블 (100) 이 동적 상태인 경우에 있어서는 자세각 (θ) 을 양호한 정밀도로 구할 수 있지만, 유압 셔블 (100) 이 준정지 상태인 경우에 있어서는, 제 1 상보 필터 (53) 가 산출하는 자세각 (θ) 과 비교하여 자세각 (θ) 의 정밀도가 저하한다. 즉, 제 2 상보 필터 (54) 는, 단시간의 동작 특성은 우수하지만, 준정지 상태에 있어서는 동적 상태와 마찬가지로, 각속도 (ω) 의 적분에 의한 오차 (θwn) 가 존재한다.

도 16 에 나타내는 제 2 자세각 연산부 (50) 가 구비하는 전환부 (55) 는, 유압 셔블 (100) 의 상태가 준정지 상태인지 동적 상태인지에 따라, 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 을 전환하여 출력한다. 예를 들어, 전환부 (55) 는, 유압 셔블 (100) 이 준정지 상태인 경우에는, 제 2 자세각 (θ2) 으로서, 제 1 상보 필터 (53) 가 출력하는 제 3 자세각 (θ3) 을 차내 신호선 (41) 에 출력한다. 유압 셔블 (100) 이 동적 상태인 경우, 전환부 (55) 는, 제 2 자세각 (θ2) 으로서, 제 2 상보 필터 (54) 가 출력하는 제 4 자세각 (θ4) 을 차내 신호선 (41) 에 출력한다.

이와 같이, 제 2 자세각 연산부 (50) 는, 유압 셔블 (100) 이 준정지 상태인 경우에는 제 1 상보 필터 (53) 의 제 3 자세각 (θ3) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로 하기 때문에, 준정지 상태에 있어서 제 2 자세각 (θ2) 의 정밀도 저하를 억제할 수 있다. 유압 셔블 (100) 이 동적 상태인 경우, 제 2 자세각 연산부 (50) 는, 제 2 상보 필터 (54) 의 제 4 자세각 (θ4) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로 하기 때문에, 동적 상태에 있어서도 제 2 자세각 (θ2) 의 정밀도 저하를 억제할 수 있다. 결과적으로, 제 2 자세각 연산부 (50) 는, 유압 셔블 (100) 이 준정지 상태 및 동적 상태 중 어느 것에 있어서도, 제 2 자세각 (θ2) 의 정밀도 저하를 억제할 수 있다.

유압 셔블 (100) 이 움직이고 있을 때에는 제 2 상보 필터 (54) 가 출력하는 제 4 자세각 (θ4) 이 이용되어, 예를 들어 도 1 에 나타내는 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 의 위치가 구해진다. 또한, 유압 셔블 (100) 이 정지하고 있을 때에는 제 1 상보 필터 (53) 가 출력하는 제 3 자세각 (θ3) 에 의해, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 의 위치가 구해진다. 이 때문에, 도 2 에 나타내는 제 2 표시 장치 (39) 가, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 의 위치로 대표되는 작업기 (2) 의 위치 또는 유압 셔블 (100) 의 차량 본체 (1) 의 위치 등을 구할 때의 정밀도 저하가 억제된다.

전환부 (55) 의 처리부 (55c) 는, 준정지 상태와 동적 상태를, 예를 들어, 다음의 조건 A 와 조건 B 를 이용하여 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 전환기 (55s) 를 제어한다.

조건 A : 전환의 판정을 하는 시점보다 전의 소정 기간에 있어서, 제 3 자세각 (θ3) 의 표준 편차가 미리 설정된 임계치보다 작다.

조건 B : 중력 가속도 이외의 가속도의 크기가 미리 설정된 임계치보다 작다.

제 3 자세각 (θ3) 은 IMU (29) 가 검출한 각속도 (ω) 또는 가속도 (Ac) 로부터 구해지고, 중력 가속도를 포함하는 가속도는, IMU (29) 에 의해 검출된다. 즉, 처리부 (55c) 는, 유압 셔블 (100) 이 구비하는 IMU (29) 의 상태에 기초하여, 준정지 상태와 동적 상태를 판정한다.

전술한 조건 B 에 대하여 설명한다. IMU (29) 는, 전술한 바와 같이, 적어도 중력 가속도를 포함하는 가속도를 검출하고, 검출된 각각의 가속도의 종류를 구별하지 않고 검출한 가속도를 출력한다. 중력 가속도는 이미 알려져 있다. 그래서, 처리부 (55c) 는, IMU (29) 가 출력한 가속도로부터, x 축 방향 또는 y 축 방향의 가속도를 연산한다. 처리부 (55c) 는, 구해진 x 축 방향의 가속도로부터 중력 가속도의 x 축 방향 상당의 중력 가속도를 감산하면, 중력 가속도 이외의 가속도의 크기를 구할 수 있다. 처리부 (55c) 는, 중력 가속도 이외의 가속도의 크기와 미리 설정된 임계치를 비교한다. 또한, 처리부 (55c) 는, 구해진 y 축 방향의 가속도로부터 중력 가속도의 y 축 방향 상당의 중력 가속도를 감산하여, 중력 가속도 이외의 가속도의 크기를 구하고, 미리 설정된 임계치와 비교하여 조건 B 가 성립하는지 여부를 판정해도 된다.

처리부 (55c) 는, IMU (29) 로부터 취득한 가속도 (Ac) 및 제 1 상보 필터 (53) 의 출력인 제 3 자세각 (θ3) 을 취득하고, 조건 A 및 조건 B 가 동시에 성립하는지 여부를 판정한다. 조건 A 와 조건 B 의 양방이 성립한 경우에는, 준정지 상태, 즉 유압 셔블 (100) 이 정지하고 있는 것으로 간주할 수 있다. 이 경우, 처리부 (55c) 는, 전환기 (55s) 가 제 1 상보 필터 (53) 의 가산부 (53AD) 와 접속하도록 전환기 (55s) 를 동작시킨다. 전환기 (55s) 는, 제 1 상보 필터 (53) 가 출력하는 제 3 자세각 (θ3) 을, 제 2 자세각 (θ2) 으로서 차내 신호선 (41) 에 출력한다.

처리부 (55C) 는, IMU (29) 로부터 취득한 가속도 (Ac) 및 제 1 상보 필터 (53) 의 출력인 제 3 자세각 (θ3) 을, 도 16 에 나타내는 가속도 송신선 (L1) 또는 제 1 자세각 송신선 (L2) 을 개재하여 취득하고, 조건 A 및 조건 B 가 동시에 성립하는지 여부를 판정한다. 조건 A 와 조건 B 의 양방이 성립한 경우에는, 준정지 상태라고 간주할 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 준정지 상태란, 유압 셔블 (100) 이, 주행, 상부 선회체 (3) 의 선회 및 작업기 (2) 의 동작의 어느 것도 실시하지 않고 완전하게 정지하고 있는 상태 또는 주행과 유압 셔블 (100) 의 상부 선회체 (3) 의 선회가 실시되지 않고 작업기 (2) 만이 동작하고 있는 상태이다. 이 경우, 처리부 (55c) 는, 전환기 (55S) 가 제 1 상보 필터 (53) 의 가산부 (53AD) 와 접속하도록 전환기 (55s) 를 동작시킨다. 전환기 (55s) 는, 제 2 자세각 (θ2) 으로서 제 1 상보 필터 (53) 가 출력하는 제 3 자세각 (θ3) 을 차내 신호선 (41) 에 출력한다.

조건 A 와 조건 B 가 성립하지 않는 경우, 즉, 조건 A 및 조건 B 의 적어도 일방이 성립하지 않는 경우에는, 동적 상태, 즉 유압 셔블 (100) 이 움직이고 있는 것으로 간주할 수 있다. 이 경우, 처리부 (55c) 는, 전환기 (55s) 가 제 2 상보 필터 (54) 의 가산부 (54AD) 와 접속하도록 전환기 (55s) 를 동작시킨다. 전환기 (55s) 는, 제 2 상보 필터 (54) 가 출력하는 제 4 자세각 (θ4) 을, 제 2 자세각 (θ2) 으로서 차내 신호선 (41) 에 출력한다. 조건 A 및 조건 B 를 이용하여 전환부 (55) 가 제 3 자세각 (θ3) 과 제 4 자세각 (θ4) 을 전환하도록 하면, IMU (29) 의 검출치만으로 전술한 전환을 실현할 수 있다.

본 실시형태에 있어서, 조건 A 의 소정 기간은, 예를 들어 1 초로 설정되지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 조건 A 의 표준 편차와 비교하는 임계치는 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 0.1 도로 할 수 있다. 조건 B 는, 중력 가속도 이외의 가속도가 미리 설정된 임계치보다 작은 경우에 성립하고, 미리 설정된 임계치 이상의 중력 가속도 이외의 가속도가 검출된 경우에는 성립하지 않는다. 조건 B 의 임계치는 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 중력 가속도의 0.1 배 이상의 범위에서 적절히 설정할 수 있다.

도 21 은 제 2 자세각 연산부 (50) 의 전환부 (55) 가 출력하는 제 2 자세각 (θ2) 과, 제 3 자세각 (θ3) 과, 제 4 자세각 (θ4) 의 시간 변화의 일례를 나타내는 도면이다. 도 21 의 세로축은 자세각 (θ) 이고, 가로축은 시간 (t) 이다. 도 21 의 Sst 로 나타내는 구간은 준정지 상태이고, 제 3 자세각 (θ3) 이 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력된다. 도 21 의 Sdm 으로 나타내는 구간은 동적 상태이고, 제 4 자세각 (θ4) 이 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력된다. 도 21 에 나타내는 예에 있어서, 시간 (t1) 내지 시간 (t2) 및 시간 (t3) 이후에는 준정지 상태 (Sst) 이고, 시간 (t2) 내지 시간 (t3) 은 동적 상태 (Sdm) 이다.

제 2 자세각 (θ2) 은, 시간 (t2) 에서 제 3 자세각 (θ3) 으로부터 제 4 자세각 (θ4) 으로 바뀌고, 시간 (t3) 에서 제 4 자세각 (θ4) 으로부터 제 3 자세각 (θ3) 으로 바뀌어 있다. 제 4 자세각 (θ4) 은, 각속도 (ω) 를 적분하는 것에 의한 오차 (θwn) 가 축적되기 때문에, 시간 (t2) 에 있어서, 제 3 자세각 (θ3) 과 제 4 자세각 (θ4) 은 상이한 값이 된다. 마찬가지로, 시간 (t3) 에 있어서, 제 4 자세각 (θ4) 과 제 3 자세각 (θ3) 은 상이한 값이 된다.

제 2 자세각 연산부 (50) 로부터 출력되는 제 2 자세각 (θ2) 을 전환부 (55) 가 제 3 자세각 (θ3) 으로부터 제 4 자세각 (θ4) 으로 전환할 때 또는 제 4 자세각 (θ4) 으로부터 제 3 자세각 (θ3) 으로 전환할 때에는, 그대로 전환하면, 전환시에 있어서 제 2 자세각 (θ2) 이 불연속이 될 가능성이 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 제 4 자세각 (θ4) 은, 각속도 (ω) 를 적분하는 것에 의한 오차 (θwn) 가 축적되기 때문에, 제 4 자세각 (θ4) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로서 사용하는 경우에는, 적분에 의한 오차 (θwn) 를 저감시킬 필요가 있다.

제 2 자세각 (θ2) 의 전환시에 발생하는 제 2 자세각 (θ2) 의 불연속 및 적분에 의한 오차 (θwn) 를 저감시키기 위해서, 본 실시형태에 있어서, 전환부 (55) 의 처리부 (55c) 는, 식 (5) 내지 식 (10) 을 이용하여 제 2 자세각 (θ2) 을 구하여, 출력한다.

θ2 = θ3 ＋ dif··(5)

θ2 = θ4 ＋ dif···(6)

dif = Ftr × dif＿prev···(7)

dif = dif＿prev···(8)

dif = dif＿prev ＋ θ3 - θ4···(9)

dif = dif＿prev ＋ θ4 - θ3···(10)

식 (5) 는 준정지 상태에서 제 2 자세각 (θ2) 을 구하는 경우에 이용되고, 식 (6) 은 동적 상태에서 제 2 자세각 (θ2) 을 구하는 경우에 사용된다. 식 (5) 및 식 (6) 의 dif 는, 완화항이다. 식 (7) 의 완화항 (dif) 은, 준정지 상태에서 이용되고, 식 (8) 의 완화항 (dif) 은 동적 상태에서 사용된다. 식 (7) 의 Ftr 은 완화 계수이다. 완화 계수 (Ftr) 는, 0 보다 크고 1 보다 작다 (0 ＜ Ftr ＜ 1). 식 (9) 의 완화항 (dif) 은, 준정지 상태로부터 동적 상태로 이행하는 타이밍에서 사용된다. 식 (10) 의 완화항 (dif) 은, 동적 상태로부터 준정지 상태로 이행하는 타이밍에서 사용된다. 식 (8) 내지 식 (10) 의 dif＿prev 는, 직전의 IMU (29) 의 상태 (준정지 상태 (Sst) 또는 동적 상태 (Sdm)) 에서의 완화항 (dif) 이다. dif＿prev 의 초기치는 0 이다.

도 21 에 나타내는 바와 같이, 제 3 자세각 (θ3) 은, 준정지 상태 (Sst) 에서는 고정밀도를 유지하고 있지만, 동적 상태 (Sdm) 에서는 큰 오차가 발생해 있다. 제 4 자세각 (θ4) 은 준정지 상태 (Sst) 및 동적 상태 (Sdm) 중 어느 것에 있어서도 적분의 누적에 의한 오차가 발생해 있다. dif＿prev 의 초기치는 0 이기 때문에, 시간 (t1) 내지 시간 (t2) 의 준정지 상태 (Sst) 에서는 완화항 (dif) = 0 이 된다. 그 결과, 식 (5) 로부터, 준정지 상태 (Sst) 에 있어서의 제 2 자세각 (θ2) 은 제 3 자세각 (θ3) 이 된다.

준정지 상태 (Sst) 로부터 동적 상태 (Sdm) 로 바뀔 때, 즉 시간 (t) = t2 일 때, 처리부 (55c) 는 식 (9) 를 이용하여 완화항 (dif) 을 구한다. 전술한 바와 같이, 시간 (t) = t2 일 때의 완화항 (dif) 은 0 이기 때문에, 제 3 자세각 (θ3) 과 제 4 자세각 (θ4) 의 차인, θ3 - θ4 의 값이 된다. 이 경우의 완화항 (dif) 은, 도 21 에 나타내는 바와 같이, 부의 값이다. 시간 (t2) 일 때, 식 (5) 에 의한 제 2 자세각 (θ2) 은 θ3 이고, 식 (6) 의 완화항 (dif) 에 입력되는 것이 θ3 - θ4 의 값이기 때문에, 식 (6) 에 의한 제 2 자세각 (θ2) 도 θ3 이 된다. 이 때문에, 준정지 상태 (Sst) 로부터 동적 상태 (Sdm) 로 바뀔 때에는, 제 2 자세각 (θ2) 은 연속해서 변화한다.

시간 (t2) 내지 시간 (t3) 의 동적 상태 (Sdm) 에서는, 완화항 (dif) 의 값은, 전환시, 즉 시간 (t2) 에서 얻어진 θ3 - θ4 의 값이 그대로 유지된다. 동적 상태 (Sdm) 에 있어서의 제 2 자세각 (θ2) 은 식 (6) 으로부터, 동적 상태 (Sdm) 에 있어서의 제 4 자세각 (θ4) 으로부터 시간 (t2) 에서 얻어져 유지되고 있는 완화항 (dif) = θ3 - θ4 를 가산하여 구할 수 있다. 이 때에 사용되는 완화항 (dif) 은, 식 (8) 로부터 dif＿prev 가 되기 때문에, 동적 상태 (Sdm) 에서 사용되는 완화항 (dif) 은, 시간 (t2) 에서 얻어져 유지되고 있는 완화항 (dif) = θ3 - θ4 의 값이 사용된다. 이와 같이, 전환부 (55) 의 처리부 (55c) 는, 제 3 자세각 (θ3) 을 제 4 자세각 (θ4) 으로 전환한 후에는, 전환시에서의 제 3 자세각 (θ3) 으로부터 제 4 자세각 (θ4) 을 감산한 값, 즉 전환시에 있어서의 완화항 (dif) 을 보정치로서 이용하여, 구해진 제 4 자세각 (θ4) 을 보정하여, 제 2 자세각 (θ2) 을 취득한다. 이와 같이 함으로써, 동적 상태 (Sdm) 로의 전환 이전에 발생한 제 4 자세각 (θ4) 의 적분의 축적에 의한 오차 (θwn) 가, 제 2 자세각 (θ2) 에 주는 영향을 저감시킬 수 있다.

동적 상태 (Sdm) 로부터 다시 준정지 상태 (Sst) 로 바뀔 때, 즉 시간 (t3) 에 있어서, 처리부 (55c) 는 식 (10) 을 이용하여 완화항 (dif) 을 구한다. 식 (10) 의 dif＿prev 는, 이미 얻어져 유지되고 있는 완화항 (dif) 이다. 요컨대, 식 (10) 의 dif＿prev 는, 시간 (t2) 에서의 완화항 (dif), 즉 시간 (t2) 에서의 θ3 - θ4 의 값이다. 식 (10) 으로부터, 시간 (t3) 에 있어서의 완화항 (dif) 은, 시간 (t2) 에서 얻어져 유지되고 있는, θ3 - θ4 의 값과 시간 (t3) 에서 얻어진 θ2 - θ1 의 값을 가산한 값이 된다. 식 (10) 을 사용함으로써, 동적 상태 (Sdm) 로부터 준정지 상태 (Sst) 로 바뀔 때에는, 제 2 자세각 (θ2) 은 연속해서 변화한다.

시간 (t3) 이후의 준정지 상태 (Sst) 에 있어서, 처리부 (55c) 는, 식 (5) 를 이용하여 제 2 자세각 (θ2) 을 구한다. 이 때의 완화항 (dif) 은, 식 (7) 에 의해 결정된다. 식 (7) 중의 dif＿prev 는, 동적 상태 (Sdm) 로부터 준정지 상태 (Sst) 로 다시 바뀌는 타이밍, 즉 시간 (t3) 에 있어서의 완화항 (dif) 이다. 시간 (t3) 이후의 준정지 상태 (Sst) 에서는, 완화 계수 (Ftr) 의 효과로 완화항 (dif) 의 값은 서서히 작아져, 0 에 수속한다. 즉, 시간 (t3) 이후의 준정지 상태 (Sst) 에 있어서, 제 2 자세각 (θ2) 은 제 3 자세각 (θ3) 에 수속한다. 이와 같이, 전환부 (55) 의 처리부 (55c) 는, 제 4 자세각 (θ4) 을 제 3 자세각 (θ3) 으로 전환한 후에는, 전환시에서의 제 4 자세각 (θ4) 의 오차, 즉 전환시에서의 완화항 (dif) 에, 0 보다 크고 1 보다 작은 계수로서의 완화 계수 (Ftr) 를 곱한 값을 보정치로서 이용하여, 제 3 자세각 (θ3) 을 보정한다. 이와 같이 함으로써, 동적 상태 (Sdm) 로부터 준정지 상태 (Sst) 로 바뀐 후에는, 제 2 자세각 (θ2) 은 연속해서 변화한다.

(제 2 자세각 (θ2) 을 구하는 처리의 일례)

도 22 는 제 2 자세각 (θ2) 을 구하는 처리의 일례를 나타내는 플로우 차트이다. 제 2 자세각 (θ2) 을 구하는 데에 있어서, 도 16 에 나타내는 제 2 자세각 연산부 (50) 는, 스텝 S1 에 있어서, 차내 신호선 (42) 을 개재하여 IMU (29) 에 의한 각속도 (ω) 및 가속도 (Ac) 의 검출치를 취득한다. 스텝 S2 에 있어서, 도 16 에 나타내는 제 3 자세각 연산부 (51) 는, IMU (29) 가 검출한 가속도 (Ac) 로부터 자세각 (θ) 을 구한다. 스텝 S3 에 있어서, 도 16 에 나타내는 제 4 자세각 연산부 (52) 는 IMU (29) 가 검출한 각속도 (ω) 로부터 자세각 (θ) 을 구한다. 스텝 S2 와 스텝 S3 의 순서는 상관없다.

스텝 S4 에 있어서, 도 16 에 나타내는 제 1 상보 필터 (53) 의 제 1 LPFa 는, 가속도 (Ac) 로부터 얻어진 자세각 (θ) 에 필터 처리를 실시한다. 스텝 S5 에 있어서, 도 16 에 나타내는 제 2 상보 필터 (54) 의 제 2 LPFb 는, 가속도 (Ac) 로부터 얻어진 자세각 (θ) 에 필터 처리를 실시한다. 스텝 S6 에 있어서, 도 16 에 나타내는 제 1 상보 필터 (53) 의 제 1 HPFa 는, 각속도 (ω) 로부터 얻어진 자세각 (θ) 에 필터 처리를 실시한다. 스텝 S7 에 있어서, 도 16 에 나타내는 제 2 상보 필터 (54) 의 제 2 HPFb 는, 각속도 (ω) 로부터 얻어진 자세각 (θ) 에 필터 처리를 실시한다. 스텝 S4 와 스텝 S5 와 스텝 S6 과 스텝 S7 의 순서는 상관없다.

다음으로, 스텝 S8 로 진행되어, 제 1 상보 필터 (53) 는, 제 3 자세각 (θ3) 을 구한다. 구체적으로는, 가산부 (53AD) 가, 제 1 LPFa 의 출력과 제 1 HPFa 의 출력을 가산함으로써, 제 3 자세각 (θ3) 이 구해진다. 스텝 S9 에 있어서, 제 2 상보 필터 (54) 는, 제 4 자세각 (θ4) 을 구한다. 구체적으로는, 가산부 (54AD) 가, 제 2 LPFb 의 출력과 제 2 HPFb 의 출력을 가산함으로써, 제 4 자세각 (θ4) 이 구해진다. 스텝 S8 과 스텝 S9 의 순서는 상관없다.

스텝 S10 으로 진행되어, 도 16 에 나타내는 전환부 (55) 의 처리부 (55c) 는, 유압 셔블 (100) 이 준정지 상태인 경우 (스텝 S10, Yes), 스텝 S11 로 처리를 진행시킨다. 스텝 S11 에 있어서, 처리부 (55c) 는, 제 2 자세각 연산부 (50) 가 제 3 자세각 (θ3) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력하도록, 전환기 (55s) 를 제어한다. 유압 셔블 (100) 이 동적 상태인 경우 (스텝 S10, No), 스텝 S12 에 있어서, 처리부 (55c) 는, 제 2 자세각 연산부 (50) 가 제 4 자세각 (θ4) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력하도록, 전환기 (55s) 를 제어한다.

(준정지 상태인지 동적 상태인지의 판정의 변형예)

본 실시형태에 있어서, 도 16 에 나타내는 전환부 (55) 의 처리부 (55c) 는, 도 15 에 나타내는 IMU (29) 의 검출치에 기초하여, 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 을 전환하여, 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력하였다. 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 의 선택은, 이와 같은 것에 한정되지 않고, 처리부 (55c) 는, 예를 들어, 유압 셔블 (100) 의 동작에 관한 정보 (이하, 적절히 동작 정보라고 한다) 를 이용하여 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 을 전환해도 된다.

본 실시형태에 있어서, 동작 정보는, 유압 셔블 (100) 에 어떠한 움직임이 발생했던 것에 관한 정보이다. 예를 들어, 동작 정보는, 도 1a 에 나타내는 상부 선회체 (3) 가 선회하고 있는지 여부의 정보, 주행 장치 (5) 가 동작하고 있는지 여부의 정보 또는 작업기 (2) 가 동작하고 있는지 여부의 정보 등이 있다. 동작 정보는, 예를 들어, 상부 선회체 (3) 가 선회하고 있는 것을 검출하는 센서로부터 출력되는 검출치, 상부 선회체 (3) 를 선회시키기 위한 선회 모터에 리졸버 등의 선회 각도 센서를 형성하고, 그러한 각도 검출기 혹은 회전 센서로부터 출력되는 검출치, 또는 도 2 에 나타내는 조작 장치 (30) 에 의해 생성되는 파일럿압을 검지하는 유압 센서로부터 출력되는 검출치 등이 사용된다. 즉, 동작 정보는, 예를 들어, 상부 선회체 (3) 또는 작업기 (2) 등이 실제로 동작하고 있는지 여부의 정보여도 되고, 상부 선회체 (3) 또는 작업기 (2) 등을 동작시키기 위한 조작 부재에 대한 조작의 정보여도 된다.

도 23 은, 본 실시형태의 변형예에 있어서의 제 3 자세각 (θ3) 과 제 4 자세각 (θ4) 의 전환에 사용하는 테이블 (TB) 의 일례를 나타내는 도면이다. 본 변형예에 있어서, 전환부 (55) 의 처리부 (55c) 는, IMU (29) 의 검출치에 기초하는 준정지 상태인지 동적 상태인지의 판정과, 상부 선회체 (3) 가 선회 중인지 여부의 판정에 기초하여, 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 을 전환한다. 테이블 (TB) 은, 상부 선회체 (3) 의 상태와, IMU (29) 의 검출치에 기초하는 조건 A 및 조건 B 에 대하여, 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력해야 하는 자세각이 기술되어 있다. 상부 선회체 (3) 의 상태는, ON 또는 OFF 로 나타내고, ON 일 때가 선회 중이고, OFF 일 때가 정지 중이다. 조건 A 및 조건 B 는, A ＆ B 또는 NOT (A ＆ B) 로 나타내고, A ＆ B 가 준정지 상태이고, NOT (A ＆ B) 는 동적 상태이다.

IMU (29) 의 검출치에 기초하는 판정 결과가 준정지 상태, 또한 동작 정보로부터 상부 선회체 (3) 가 선회 중 (ON) 인 것으로 한다. 이 경우, 전환부 (55) 는, 제 4 자세각 (θ4) 을, 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력한다. 상부 선회체 (3) 가 실제로 움직이고 있는 점에서, 제 4 자세각 (θ4) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로서 사용함으로써, 제 2 자세각 (θ2) 의 정밀도를 확보할 수 있다.

IMU (29) 의 검출치에 기초하는 판정 결과가 준정지 상태, 또한 동작 정보로부터 상부 선회체 (3) 가 정지 중 (OFF) 인 것으로 한다. 이 경우, 전환부 (55) 는, 제 3 자세각 (θ3) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력한다. 준정지 상태이고, 또한 상부 선회체 (3) 가 실제로는 정지하고 있는 점에서, 제 3 자세각 (θ3) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로서 사용함으로써, 각속도 (ω) 의 적분에 의한 오차를 저감시킬 수 있다.

IMU (29) 의 검출치에 기초하는 판정 결과가 동적 상태, 또한 동작 정보로부터 상부 선회체 (3) 가 선회 중 (ON) 인 것으로 한다. 이 경우, 전환부 (55) 는, 제 4 자세각 (θ4) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력한다. 동적 상태이고, 또한 상부 선회체 (3) 가 실제로 움직이고 있는 점에서, 제 4 자세각 (θ4) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로서 사용함으로써, 제 2 자세각 (θ2) 의 정밀도를 확보할 수 있다.

IMU (29) 의 검출치에 기초하는 판정 결과가 동적 상태, 또한 동작 정보로부터 상부 선회체 (3) 가 정지 중 (OFF) 인 것으로 한다. 이 경우, 전환부 (55) 는, 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 중 어느 것을 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력해도 되지만, 본 변형예에서는 제 4 자세각 (θ4) 을 출력한다.

본 변형예에서는, 전환부 (55) 는, IMU (29) 의 검출치에 기초하는 준정지 상태인지 동적 상태인지의 판정과, 상부 선회체 (3) 가 선회 중인지 여부의 판정에 기초하여, 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 을 전환하였다. 이와 같이 함으로써, 전환부 (55) 는, 유압 셔블 (100) 의 상태를 보다 양호한 정밀도로 판정하여, 적절한 자세각을 선택할 수 있다. 본 변형예에 있어서, 전술한 처리에 한정되지 않고, 전환부 (55) 는, 상부 선회체 (3) 가 선회 중인지 여부의 판정에 기초하여, 제 3 자세각 (θ3) 또는 제 4 자세각 (θ4) 을 전환해도 된다. 예를 들어, 상부 선회체 (3) 가 선회 중이려면 제 4 자세각 (θ4) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로 하고, 상부 선회체 (3) 가 정지 중이려면 제 3 자세각 (θ3) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로 해도 된다. 다음으로, 본 실시형태에 관련된 자세각 산출 방법의 제 1 예를 설명한다.

(자세각 산출 방법의 제 1 예)

도 24 는, 본 실시형태에 관련된 자세각 산출 방법의 제 1 예의 처리 순서를 나타내는 플로우 차트이다. 스텝 S101 에 있어서, 도 16 에 나타내는 IMU (29) 및 센서 제어 장치 (24) 는 자세각 (θ) 을 구한다. 센서 제어 장치 (24) 의 로우 패스 필터 (60) 는, IMU (29) 로부터 취득한 자세각 (θ) 을 통과시켜, 제 1 자세각 (θ1) 으로서 선택부 (63) 에 출력한다. 제 2 자세각 연산부 (50) 가 갖는 각도 연산부 (50C) 는 자세각 (θ) 을 구하고, 필터부 (50F) 는 자세각 (θ) 을 통과시켜 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력한다.

스텝 S102 에 있어서, 선회 상태 판정부 (61) 는, 차내 신호선 (42) 을 개재하여 취득한 선회 속도 (ωz) 와 소정의 임계치 (ωzc) 를 비교한다. 선회 속도 (ωz) 가 소정의 임계치 (ωzc) 이하인 경우 (스텝 S102, Yes), 선회 상태 판정부 (61) 는 제 1 출력을 선택부 (63) 에 출력한다. 이 경우, 상부 선회체 (3) 는 선회하고 있지 않거나, 선회하고 있었다고 해도 정지하고 있는 상태에 가까운 상태이다. 제 1 출력을 취득한 선택부 (63) 는, 스텝 S103 에 있어서 제 1 자세각 (θ1) 을 자세각 (θo) 으로서 출력한다.

선회 속도 (ωz) 가 소정의 임계치 (ωzc) 보다 큰 경우 (스텝 S102, No), 선회 상태 판정부 (61) 는 제 2 출력을 선택부 (63) 에 출력한다. 이 경우, 상부 선회체 (3) 는 선회하고 있는 상태이다. 제 2 출력을 취득한 선택부 (63) 는, 스텝 S104 에 있어서 제 2 자세각 (θ2) 을 자세각 (θo) 으로서 출력한다. 다음으로, 스텝 S105 로 진행되어, 선회 상태 판정부 (61) 는, 선회 속도 (ωz) 가 소정의 임계치 (ωzc) 이하인 상태가 시간 (tc1) 이상 계속되었는지 여부를 판정한다.

선회 속도 (ωz) 가 소정의 임계치 (ωzc) 이하인 상태가 시간 (tc1) 이상 계속된 경우 (스텝 S105, Yes), 선회 상태 판정부 (61) 는 제 1 출력을 선택부 (63) 에 출력한다. 이 경우, 상부 선회체 (3) 는 선회하고 있지 않거나, 선회하고 있었다고 해도 정지하고 있는 상태에 가까운 상태로 돌아간 것으로 판단할 수 있다. 이 때문에, 제 1 출력을 취득한 선택부 (63) 는, 스텝 S106 에 있어서 제 1 자세각 (θ1) 을 자세각 (θo) 으로서 출력한다. 선회 속도 (ωz) 가 소정의 임계치 이하인 상태가 시간 (tc1) 이상 계속되지 않은 경우 (스텝 S105, No), 선회 상태 판정부 (61) 는 제 2 출력을 선택부 (63) 에 출력한다. 이 경우, 상부 선회체 (3) 는 선회하고 있는 상태이다. 제 2 출력을 취득한 선택부 (63) 는, 스텝 S104 로 돌아가, 제 2 자세각 (θ2) 을 자세각 (θo) 으로서 출력한다.

제 2 표시 장치 (39) 는, 도 2 에 나타내는 차내 신호선 (41) 을 개재하여 센서 제어 장치 (24) 로부터 출력된 자세각 (θo) 을 이용하여, 예를 들어, 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 의 위치를 구한다. 또한, 작업기 제어 장치 (25) 는, 도 2 에 나타내는 차내 신호선 (41) 을 개재하여 센서 제어 장치 (24) 로부터 출력된 자세각 (θo) 을 이용하여, 예를 들어, 전술한 굴삭 제어를 실행한다.

제 1 자세각 (θ1) 은, IMU (29) 에 의해 구해진 자세각 (θ) 이 로우 패스 필터 (60) 를 통과하여 얻어진 것이기 때문에, 고주파 성분이 감소되어 있다. 이 때문에, 제 2 표시 장치 (39) 및 작업기 제어 장치 (25) 가 날끝 (8T) 의 위치를 구하는 데에 있어서, 날끝 (8T) 의 위치의 세세한 변화가 억제된다. 그 결과, 유압 셔블 (100) 이 정지하고 있는 경우의 굴삭 제어에 있어서, 목표 굴삭 지형 (73I) 을 초과하여 굴삭 대상을 굴입하는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있다.

또한, 상부 선회체 (3) 의 선회 중에 있어서는, 로우 패스 필터 (60) 를 통과하지 않은 제 2 자세각 (θ2) 가 사용되기 때문에, 유압 셔블 (100) 의 자세의 변화에 대한 제 2 자세각 (θ2) 의 응답성은 제 1 자세각 (θ1) 보다 높다. 이 때문에, 유압 셔블 (100) 의 움직임, 예를 들어, 상부 선회체 (3) 의 움직임에 따른 자세각 (θ) 의 변화가 제 2 자세각 (θ2) 에 반영된다. 이 때문에, 상부 선회체 (3) 의 선회 중에 있어서는, 날끝 (8T) 의 위치의 변화를 반영하여 목표 굴삭 지형을 산출할 수 있다. 그 결과, 굴삭 제어에 있어서, 목표 굴삭 지형 (73I) 을 초과하여 굴삭 대상을 굴입하는 것을, 보다 확실하게 억제할 수 있다. 이와 같이, 센서 제어 장치 (24) 는, 유압 셔블 (100) 의 동작 상태에 상관없이, 목표 굴삭 지형 (73I) 을 초과하여 굴삭 대상을 굴입하는 것을 억제할 수 있도록 작업기 (2) 를 제어할 수 있다.

또한, 제 2 표시 장치 (39) 는, 유압 셔블 (100) 이 정지하고 있는 경우, 날끝 (8T) 의 위치의 세세한 변화가 억제된 가이던스 화상을 표시할 수 있다. 그 결과, 가이던스 화상에 표시된 표시용의 목표 굴삭 지형 (73I) 및 날끝 (8T) 의 변동이 억제된다. 이 때문에, 오퍼레이터는, 가이던스 화상을 따라 작업기 (2) 를 조작하기 쉬워지기 때문에, 조작성이 향상됨과 함께, 목표 굴삭 지형 (73I) 의 굴입 초과 또는 굴입 부족이 억제된다. 또한, 제 2 표시 장치 (39) 는, 상부 선회체 (3) 의 선회 중에 가이던스 화상을 표시하는 경우에는, 날끝 (8T) 의 위치의 변화를 반영한 가이던스 화상을 표시할 수 있다. 그 결과, 오퍼레이터가 이 가이던스 화상을 보면서 작업을 함으로써, 목표 굴삭 지형 (73I) 의 굴입 초과 또는 굴입 부족이 억제된다.

(자세각 산출 방법의 제 2 예)

도 25 는, 피치각의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 피치각 (θp) 은, 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계 (x, y, z) 에 있어서, 유압 셔블 (100) 이 x 축 주위에 경사졌을 때의 각도이다. 예를 들어, 유압 셔블 (100) 의 경사 상태에 따라, 피치각 (θp) 은 변화한다. 자세각 판정부 (62) 는 제 1 자세각 (θ1) 과 제 2 자세각 (θ2) 의 차분 (Δθ) 을 구한다. 제 1 자세각 (θ1) 으로서 제 1 피치각 (θ1p) 이, 제 2 자세각 (θ2) 으로서 제 2 피치각 (θ2p) 이 사용된다. 본 실시형태에 있어서, 로우 패스 필터 (60) 를 통과한 제 1 피치각 (θ1p) 은, 지면 (GD) 과 경사 (GD1) 가 이루는 각도이다. 제 2 자세각 연산부 (50) 로부터 취득된 제 2 피치각 (θ2p) 은, 지면 (GD) 과 경사 (GD2) 가 이루는 각도이다. 차분은 Δθp 이다. 자세각 판정부 (62) 는 구한 차분 (Δθp) 을 선택부 (63) 에 출력한다. 선택부 (63) 는, 차분 (Δθp) 이 소정의 임계치 이상인 경우, 제 2 자세각 (θ2) 을 유압 셔블 (100) 의 자세각 (θo) 으로서 차내 신호선 (41) 에 출력한다.

차분 (Δθp) 이 소정의 임계치 이상인 경우, 유압 셔블 (100) 의 x 축 주위에 있어서의 경사가 급격하게 커지고 있다. 이 경우에 제 1 자세각 (θ1) 을 유압 셔블 (100) 의 자세각 (θo) 으로 하면, 유압 셔블 (100) 의 자세의 급변을 자세각 (θo) 에 반영할 수 없을 가능성이 있다. 이 때문에, 선택부 (63) 는, 차분 (Δθp) 이 소정의 임계치 이상인 경우, 제 2 자세각 (θ2) 을 유압 셔블 (100) 의 자세각 (θo) 으로서 차내 신호선 (41) 에 출력한다. 이와 같이 함으로써, 유압 셔블 (100) 의 자세의 급변을 자세각 (θo) 에 반영할 수 있다. 다음으로, 본 실시형태에 관련된 제 2 자세각 산출 방법을 설명한다.

도 26 은 본 실시형태에 관련된 제 2 자세각 산출 처리 방법의 처리 순서를 나타내는 플로우 차트이다. 스텝 S201 에 있어서, 도 16 에 나타내는 IMU (29) 및 센서 제어 장치 (24) 는 자세각 (θ) 을 구한다. 센서 제어 장치 (24) 의 로우 패스 필터 (60) 는, IMU (29) 로부터 취득한 자세각 (θ) 을 통과시켜, 제 1 자세각 (θ1) 으로서 선택부 (63) 에 출력한다. 제 2 자세각 연산부 (50) 가 갖는 각도 연산부 (50C) 는 자세각 (θ) 을 구하고, 필터부 (50F) 는 자세각 (θ) 을 통과시켜 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력한다.

스텝 S202 에 있어서, 자세각 판정부 (62) 는, 로우 패스 필터 (60) 로부터 취득한 제 1 피치각 (θ1p) 과 제 2 자세각 연산부 (50) 로부터 취득한 제 2 피치각 (θ2p) 의 차분 (Δθp) 을 구하여, 선택부 (63) 에 출력한다. 선택부 (63) 는, 차분 (Δθp) 이 소정의 임계치 (Δθpc) 보다 작은 경우 (스텝 S202, Yes), 스텝 S203 내지 스텝 S207 의 처리를 실행한다. 스텝 S203 내지 스텝 S207 의 처리는, 자세각 산출 방법의 제 1 예의 스텝 S102 내지 스텝 S160 의 처리와 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.

차분 (Δθp) 이 소정의 임계치 (Δθpc) 이상인 경우 (스텝 S202, No), 선택부 (63) 는, 스텝 S208 에 있어서 제 2 자세각 (θ2) 을 자세각 (θo) 으로서 출력한다. 다음으로, 스텝 S209 에 있어서, 선회 상태 판정부 (61) 는, 차분 (Δθp) 이 소정의 임계치 (Δθpc) 보다 작은 상태가 시간 (tc2) 이상 계속되었는지 여부를 판정한다. 차분 (Δθp) 이 소정의 임계치 (Δθpc) 보다 작은 상태가 시간 (tc2) 이상 계속된 경우 (스텝 S209, Yes), 유압 셔블 (100) 의 피치각 (θp) 의 급변은 허용할 수 있는 범위라고 판단할 수 있다. 이 때문에, 선택부 (63) 는, 스텝 S210 에 있어서 제 1 자세각 (θ1) 을 자세각 (θo) 으로서 출력한다. 차분 (Δθp) 이 소정의 임계치 (Δθpc) 보다 작은 상태가 시간 (tc2) 이상 계속되지 않은 경우 (스텝 S209, No), 유압 셔블 (100) 의 피치각 (θp) 의 허용할 수 없는 급변이 계속되고 있는 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 선택부 (63) 는, 스텝 S208 로 돌아가서, 제 2 자세각 (θ2) 을 자세각 (θo) 으로서 출력한다.

예를 들어, 유압 셔블 (100) 이 접지하고 있는 지면 (GD) 이 경사져 있는 방향으로 유압 셔블 (100) 이 침입한 경우, 피치각 (θp) 이 급변한다. 이와 같은 경우, 유압 셔블 (100) 의 오퍼레이터는, 작업기 (2) 를 조작하여 이것을 지면에 접지시킴으로써, 유압 셔블 (100) 의 자세의 급변을 억제하고자 한다. 굴삭 제어는, 목표 굴삭 지형 (73I) 을 지나치게 굴입하지 않도록 하는 제어이지만, 오퍼레이터가 목표 굴삭 지형을 작업기 (2) 가 대폭 초과하도록 조작하여 유압 셔블 (100) 의 자세의 급변을 억제하는 경우에는, 굴삭 제어를 해제하여, 오퍼레이터의 조작을 우선시킬 필요가 있다. 이 경우, 굴삭 제어보다 작업기 (2) 의 조작량이 커진다.

제 1 자세각 (θ1) 은, IMU (29) 에 의해 구해진 자세각 (θ) 이 로우 패스 필터 (60) 를 통과하여 얻어진 것이기 때문에, 고주파 성분이 감소되어 있다. 이 때문에, 본 실시형태에 있어서, 오퍼레이터가 작업기 (2) 를 조작하여 유압 셔블 (100) 의 자세의 급변을 억제하는 것과 같은 경우에는, 로우 패스 필터 (60) 를 통과하지 않은 제 2 자세각 (θ2) 을 이용하여 동적인 응답성을 향상시켜, 작업기 제어 장치 (25) 가 굴삭 제어를 신속하게 해제할 수 있도록 한다.

이상, 본 실시형태는, 제 1 자세각 (θ1) 또는 제 2 자세각 (θ2) 을 선택함으로써 올바른 지형을 파악할 수 있다. 또한, 본 실시형태는, 유압 셔블 (100) 의 경사 상태에 기초하여 제 1 자세각 (θ1) 과 제 2 자세각 (θ2) 을 전환한다. 구체적으로는, 제 1 피치각 (θ1p) 과 제 2 피치각 (θ2p) 의 차분 (Δθp) 이 소정의 임계치 이상인 경우, 제 1 자세각 (θ1) 대신에, 제 2 자세각 (θ2) 이 유압 셔블 (100) 의 자세각 (θo) 이 된다. 이와 같이 함으로써, 유압 셔블 (100) 의 자세가 급변한 경우에는, 제 1 자세각 (θ1) 보다 동적 응답성이 보다 진짜 거동에 가까운 제 2 자세각 (θ2) 을 사용하기 때문에, 제어의 응답성을 향상시켜, 작업기 제어 장치 (25) 가 굴삭 제어를 신속하게 해제할 수 있도록 할 수 있다. 이 때문에, 유압 셔블 (100) 의 오퍼레이터는, 유압 셔블 (100) 의 자세의 급변에 대하여 작업기 (2) 를 조작함으로써, 신속하게 대응할 수 있다.

또한, 본 실시형태는, 유압 셔블 (100) 이 정지하고 있는 경우에는 로우 패스 필터 (60) 를 통과한 제 1 자세각 (θ1) 에 의해 굴삭 제어 및 가이던스 화상의 표시가 실시되고, 상부 선회체 (3) 의 선회 중에는, 로우 패스 필터 (60) 를 통과하지 않은 제 2 자세각 (θ2) 에 의해 굴삭 제어 및 가이던스 화상의 표시가 실시된다. 이 때문에, 유압 셔블 (100) 이 정지하고 있는 경우에는 날끝 (8T) 의 위치의 세세한 변화를 억제한 상태에서 목표 굴삭 지형 (73I) 이 산출되고, 상부 선회체 (3) 가 선회하고 있는 경우에는 날끝 (8T) 의 위치의 변화를 반영하여 목표 굴삭 지형 (73I) 이 산출된다. 그 결과, 유압 셔블 (100) 이 정지하고 있는 경우 및 상부 선회체 (3) 가 선회하고 있는 경우 중 어느 것에 있어서도, 목표 굴삭 지형 (73I) 을 초과하여 굴삭 대상을 굴입하는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태는, 제 1 차단 주파수가 설정된 제 1 상보 필터 (53) 와, 제 1 차단 주파수와는 상이한 제 2 차단 주파수가 설정된 제 2 상보 필터 (54) 를 사용한다. 제 1 상보 필터 (53) 는, 각속도 (ω) 를 적분함으로써 누적되는 오차 (잡음) 를 저감시키고, 제 2 상보 필터 (54) 는, 중력 가속도 이외의 가속도에 의한 오차 (잡음) 를 저감시킨다. 본 실시형태에서는, 유압 셔블 (100) 의 상태에 따라, 제 1 상보 필터 (53) 가 출력하는 경사각과, 제 2 상보 필터 (54) 가 출력하는 경사각이 전환된다. 그 결과, 유압 셔블 (100) 의 상태에 따른 적절한 상보 필터에 의해 제 2 자세각 (θ2) 이 구해지기 때문에, 동적 상태 및 준정지 상태 중 어느 것에 있어서도 제 2 자세각 (θ2) 의 정밀도 저하가 억제된다.

정밀도가 높은 IMU (29) 는 고가이고, 저가의 IMU (29) 는 정밀도가 상대적으로 낮다. 본 실시형태는, 정밀도가 낮은 IMU (29) 를 사용한 경우에도, 동적 상태 및 준정지 상태 중 어느 것에 있어서도 제 2 자세각 (θ2) 의 정밀도 저하를 억제할 수 있다. 이 때문에, 제 2 자세각 (θ2) 의 정밀도 저하를 억제하면서, 유압 셔블 (100) 의 제조 비용을 저감시킬 수 있다.

본 실시형태에서는, 제 1 상보 필터 (53) 및 제 2 상보 필터 (54) 를 사용하였지만, 추가로 제 1 차단 주파수 및 제 2 차단 주파수와는 상이한 제 3 차단 주파수가 설정된 제 3 상보 필터가 추가되거나, 제 1 차단 주파수, 제 2 차단 주파수 및 제 3 차단 주파수와는 상이한 제 4 차단 주파수가 설정된 제 4 상보 필터가 추가되어도 된다. 즉, 차단 주파수가 상이한 상보 필터의 수는 2 개에 한정되지 않는다.

(원심력을 캔슬하는 기능을 구비한 센서 제어 장치의 예)

도 27 은, 원심력을 캔슬하는 기능을 구비한 센서 제어 장치 (24a) 의 제어 블록도이다. 도 28 은, IMU (29) 의 장착 위치의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 도 29 는, 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계와 IMU (29) 의 로컬 좌표계를 설명하기 위한 도면이다.

이 센서 제어 장치 (24a) 는, 전술한 센서 제어 장치 (24) 와 동일하지만, IMU (29) 에 작용하는 중력 가속도 이외의 가속도의 영향을 고려한 것이다. 요컨대, IMU (29) 의 설치 위치에 수반하여 IMU (29) 가 출력하는 가속도에는, 중력 가속도 이외의 성분이 포함되기 때문에, 그 성분을 고려하여 보정된 가속도를 출력하는 점이 상이하다. 센서 제어 장치 (24a) 는, IMU (29) 의 설치 위치의 영향을 고려한 자세각을 출력함으로써, 보다 고정밀의 자세각을 얻는 것을 실현한다. 이 때문에, 센서 제어 장치 (24a) 는, 가속도 보정부 (56) 를 구비한다. 가속도 보정부 (56) 는 제 2 자세각 연산부 (50a) 에 형성되어 있다. 가속도 보정부 (56) 는, IMU (29) 가 검출한 유압 셔블 (100) 의 가속도 (Ac) 를 보정하여, 보정 가속도 (Acc) 를 출력한다. 제 3 자세각 연산부 (51) 는 보정 가속도 (Acc) 로부터 자세각 (θ) 을 구한다. 가속도 보정부 (56) 의 보정은, 예를 들어, IMU (29) 의 설치 위치에 수반하여 IMU (29) 에 작용하는, 원심력으로부터 구해지는 가속도 (원심 가속도) 와, 각가속도 등과 같은, IMU (29) 에 작용하는 중력 가속도 이외의 가속도를, IMU (29) 가 검출한 가속도 (Ac) 로부터 제거하는 것이다. 또한, IMU (29) 의 설치 위치에 수반하여 IMU (29) 에 작용하는, 원심력으로부터 구해지는 가속도 및 각가속도는, IMU (29) 이외의 검출 장치, 예를 들어 가속도계에 의해 검출되어도 된다. 이 경우, 가속도 보정부 (56) 는, IMU (29) 가 검출한 유압 셔블 (100) 의 가속도 (Ac) 로부터, 가속도계가 검출한 중력 가속도 이외의 가속도를 제거한다. 다음으로, 전술한 센서 제어 장치 (24) 에 대하여, IMU (29) 의 설치 위치에 수반하는 가속도의 영향을 고려한 처리를 실시하는 필요성에 대하여 설명한다.

도 28 은, x 축 방향으로부터 유압 셔블 (100) 을 본 상태를 나타내고 있다. 전술한 바와 같이, IMU (29) 는, 상부 선회체 (3) 의 운전실 (4) 의 하방에 설치된다. IMU (29) 는, 상부 선회체 (3) 의 선회 중심축이 되는 z 축을 기준으로 하면, z 축으로부터 x 축 방향 및 y 축 방향의 양방향으로 소정 거리만큼 떨어진 위치에 설치된다. 구체적으로는, 도 28 에 나타내는 바와 같이, z 축으로부터 소정 거리 (R) 를 반경으로 하는 원주 (C) 상에 IMU (29) 가 설치되어 있다. 이와 같은 위치에 IMU (29) 가 설치되기 때문에, 상부 선회체 (3) 가 z 축을 중심으로 하여 선회하면, IMU (29) 는, 소정 거리 (R) 의 크기에 따라 IMU (29) 에 작용하는, 원심 가속도와 각가속도의 영향을 받는다. 그 결과, IMU (29) 가 출력하는 가속도 (Ac) 는, 원심 가속도와 각가속도의 영향을 받는다. 이 때문에, IMU (29) 가 검출한 가속도 (Ac) 와, 유압 셔블 (100) 에 작용하고 있는 실제의 가속도로서 자세각을 구하기 위해서 필요한 가속도 사이에는, 괴리가 생긴다. 상부 선회체 (3) 의 선회 중심축인 z 축 상에 IMU (29) 를 설치하는 공간을 확보할 수 있으면, 그러한 괴리는 발생하지 않기 때문에, 이 괴리를 고려할 필요는 없고, 전술한 센서 제어 장치 (24) 를 사용할 수 있다. 그러나, 실제의 유압 셔블 (100) 의 선회 중심축 부근에는 선회 모터 등이 설치되어 있기 때문에, IMU (29) 를 설치하는 공간을 충분히 확보할 수 없다. 따라서, 이와 같은 유압 셔블 (100) 의 경우, IMU (29) 를 z 축으로부터 떨어진 위치에 설치해야 한다. 그래서, 다음에 상세를 설명하는 것과 같은 변형예에 관련된 센서 제어 장치 (24a) 가 필요해진다.

도 29 에 나타내는 바와 같이, 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계 (x, y, z) 의 z 축으로부터 x 축 방향 및 y 축 방향의 양방향으로 각각 소정 거리만큼 떨어진 위치, 즉 z 축으로부터 거리 (R) 만큼 떨어진 위치에, IMU (29) 의 로컬 좌표계 (xi, yi, zi) 가 존재한다. 본 실시형태에 있어서, IMU (29) 의 로컬 좌표계에 있어서의 zi 축 (수직축) 은, 예를 들어, IMU (29) 의 무게 중심 위치를 통과한다. IMU (29) 가 받는 중력 가속도 이외의 가속도는, 전술한 원심 가속도 및 각가속도이기 때문에, IMU (29) 가 검출한 가속도 (Ac) 로부터 이들 가속도의 성분을 제거함으로써, 유압 셔블 (100) 에 작용하고 있는 가속도로서, 자세각의 연산에 필요한 가속도를 구할 수 있다.

유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계에 있어서의 z 축 주위의 각속도 (선회 속도) 를 ωz 라고 하면, IMU (29) 에 작용하는 원심 가속도는, R × ωz² 가 된다. 각속도 (선회 속도) (ωz) 는, IMU (29) 로부터 출력되는 Zi 축 방향의 각속도이다. 또한, IMU (29) 에 작용하는 각가속도는, 각속도 (선회 속도) (ωz) 를 시간 (t) 으로 미분함으로써 구할 수 있다. 즉, 각가속도 = dωz/dt 가 된다. IMU (29) 가 검출한 가속도 (Ac) 에 대하여, IMU (29) 의 로컬 좌표계에 있어서의 xi 축 방향의 가속도를 Acx, yi 축 방향의 가속도를 Acy 라고 한다. 가속도 (Acx) 및 가속도 (Acy) 가, 유압 셔블 (100) 에 작용하고 있는 가속도로서, 자세각의 연산에 필요한 가속도이다.

또한, IMU (29) 가 검출하는 가속도 (Ac) 에 대하여, 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계에 있어서의 x 축 방향의 가속도 성분을 Accx, y 축 방향에 있어서의 가속도 성분을 Accy 라고 하면, 이들은 각각 식 (11) 및 식 (12) 로 나타낼 수 있다. IMU (29) 가 검출하는 zi 축 방향에 있어서의 가속도는, IMU (29) 에 작용하는, 원심력으로부터 구해지는 가속도 (원심 가속도) 등의 유무에 따라서는 변화하지 않기 때문에, IMU (29) 가 검출한 zi 축 방향에 있어서의 가속도는, 유압 셔블 (100) 의 z 축 방향에 있어서의 가속도가 된다.

Accx = Acx - R × ωz² × cosα - R × (dωz/dt) × sinα···(11)

Accy = Acy - R × ωz² × sinα ＋ R × (dωz/dt) × cosα···(12)

식 (11) 의 우변에 있어서, 가속도 (Acx) 이외의 성분을 제외 성분으로 한다. 식 (12) 의 우변에 있어서 가속도 (Acy) 이외의 성분을 제외 성분으로 한다. 제외 성분이, 원심력으로부터 구해지는 가속도 (원심 가속도) 및 각가속도에 관한 성분이다. 구체적으로는, 원심력으로부터 구해지는 가속도 (원심 가속도) 에 관한 성분은, 식 (11) 에서는, R × ωz² × cosα 이고, 식 (12) 에서는, R × ωz² × sinα 이다. 또한, 각가속도에 관한 성분은, 식 (11) 에서는, R × (dωz/dt) × sinα 이고, 식 (12) 에서는, R × (dωz/dt) × cosα 이다.

식 (11) 및 식 (12) 중의 α 는, 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계에 있어서의 y 축과, IMU (29) 의 설치 위치로서 원주 (C) 상의 점에 있어서의 접선에서 형성되는 각도이다. 이 각도를 설치각 (α) 이라고 한다. 설치각 (α) 은, 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계 (x, y, z) 에 있어서 IMU (29) 가 설치되는 위치의 기울기를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 가속도 (Acx) 및 가속도 (Acy) 는, 유압 셔블 (100) 에 작용하고 있는 가속도로서 자세각의 연산에 필요한 가속도이다. 가속도 (Acx) 및 가속도 (Acy) 는, 식 (11) 또는 식 (12) 로부터 알 수 있는 바와 같이, IMU (29) 가 검출한, x 축 방향에 있어서의 가속도 성분 (Accx) 또는 y 축 방향에 있어서의 가속도 성분 (Accy) 으로부터, 전술한 제외 성분을 각각 제거하는 보정에 의해 구할 수 있다.

가속도 (Acx) 및 가속도 (Acy) 는, 각각 xi 축 방향 및 yi 축 방향의 가속도이다. 중력 가속도를 G 라고 하면, 가속도 (Acx) 및 가속도 (Acy) 는, 각각 식 (13) 및 식 (14) 로 나타내는 바와 같이 된다.

Acx = G × sin(γy)···(13)

Acy = -G × sin(γx) × cos(γy)···(14)

여기서, γx 는, xi 축 주위에 있어서의 롤각이고, γy 는, yi 축 주위에 있어서의 피치각이다. 롤각 (γx) 및 피치각 (γy) 은, IMU (29) 의 로컬 좌표계 (xi, yi, zi) 에 있어서의 z 축, 즉 수직축 이외의 경사각이다. IMU (29) 가 선회하고 있지 않은 경우, 즉, 중력 가속도 이외의 가속도가 IMU (29) 에 작용하고 있지 않은 경우, 가속도 (Acx) 및 가속도 (Acy) 는, IMU (29) 가 검출하는 가속도 성분 (Accx) 및 가속도 성분 (Accy) 과 동일해진다. 가속도 (Acx) 및 가속도 (Acy) 가 얻어지면, 식 (13) 및 식 (14) 로부터 롤각 (γx) 및 피치각 (γy) 이 구해진다.

이하에 있어서, IMU (29) 로부터 출력되는 가속도 성분 (Accx) 및 가속도 성분 (Accy) 을 구별하지 않는 경우에는 피보정 가속도 (Accd) 라고 칭한다. 유압 셔블 (100) 에 작용하고 있는 가속도로서 자세각의 연산에 필요한 가속도인, 가속도 (Acx) 및 가속도 (Acy) 를 구별하지 않는 경우에는, 가속도 (Ac) 라고 칭한다.

도 27 에 나타내는 가속도 보정부 (56) 는, 전술한 바와 같이, IMU (29) 의 정보에 기초하여 IMU (29) 가 검출한 피보정 가속도 (Accd) (가속도 (Accx, Accy)) 를 보정한다. IMU (29) 의 정보는, IMU (29) 가 설치되는 위치의 정보를 포함하는 것으로, 예를 들어, 식 (11) 및 식 (12) 에 포함되는 정보이다. 본 실시형태에 있어서, IMU (29) 의 정보는, 롤각 (γx), 피치각 (γy), IMU (29) 가 설치되는 위치를 나타내는 설치각 (α), 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계 (x, y, z) 의 z 축을 기준으로 한, IMU (29) 가 설치된 장소까지의 거리 (R) 및 유압 셔블 (100) 의 로컬 좌표계에 있어서의 z 축, 즉 수직축 주위의 각속도 (ωz) 이다.

이상 설명한 바와 같이, 도 27 에 나타내는 가속도 보정부 (56) 는, 식 (11) 및 식 (12) 를 이용하여 IMU (29) 가 검출한 가속도 (Acc) 를 보정하여, 가속도 (Acx, Acy) 를 구한다. 가속도 (Acx, Acy) 에는, IMU (29) 가 z 축 주위를 선회함으로써 발생하는, 원심 가속도와 각가속도의 성분이 포함되어 있지 않기 때문에, 가속도 보정부 (56) 는, IMU (29) 가 선회 중심축 상에 설치된 경우와 동일한 가속 및 각속도를 출력할 수 있다. 이 때문에, 센서 제어 장치 (24a) 가 출력하는 자세각 (θo) 의 정밀도가 향상된다. 또한, 센서 제어 장치 (24a) 는, 유압 셔블 (100) 의 동작 상태에 상관없이, 정확한 선회 각도를 산출할 수 있다. 그 결과, 도 2 에 나타내는 작업기 제어 장치 (25) 는, 상부 선회체 (3) 가 선회했을 때에 있어서의 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 의 위치를, 보다 높은 정밀도로 산출할 수 있다.

선회 속도 (ωz) 는, IMU (29) 가 검출한 xi - yi 평면 내의 각속도를 사용하지만, 선회 속도 (ωz) 를 검출하는 것은 IMU (29) 에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상부 선회체 (3) 의 회전 각도를 검출하는 회전 각도 검출 장치의 검출치를 선회 속도 (ωz) 로 하거나, 상부 선회체 (3) 를 회전시키는 선회 모터의 회전수에 기초하여 선회 속도 (ωz) 를 구해도 된다.

또한, IMU (29) 를 유압 셔블 (100) 의 선회 중심축 상에 설치할 수 없는 경우, 작업기 (2) 에 구비된 버킷 (8) 의 날끝 (8T) 의 위치를, 보다 높은 정밀도로 산출하기 위해서는, 상기 서술한 실시형태에 관련된 센서 제어 장치 (24) 보다, 변형예로서 서술한 센서 제어 장치 (24a) 를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 변형예로서 서술한 센서 제어 장치 (24a) 는, 전술한 바와 같이 IMU (29) 의 설치 위치를 고려한 처리가 실시되기 때문이다.

(센서 제어 장치의 제 1 변형예)

도 30 은, 제 1 변형예에 관련된 센서 제어 장치 (24b) 의 제어 블록도이다. 본 변형예에 있어서, 도 15 에 나타내는 IMU (29) 의 자세각 연산부 (29CP) 가, 검출 장치로서의 자이로 (29V) 및 가속도 센서 (29A) 에 의해 검출된 각속도 (ω) 및 가속도 (Ac) 로부터 작업 기계의 자세각 (θ) 을 구하여 로우 패스 필터 (60) 에 입력하는 제 1 자세각 연산부로서 기능한다. IMU (29) 의 검출치는, 차내 신호선 (42) 을 개재하여 센서 제어 장치 (24b) 에 입력된다. 센서 제어 장치 (24b) 는, IMU (29) 로부터, 각속도 (ω), 가속도 (Ac) 및 자세각 (θ) 이 입력된다. 센서 제어 장치 (24b) 는, 제 2 자세각 연산부 (50b) 와, 로우 패스 필터 (60) 와, 선택부 (63) 를 포함한다. 이 밖에, 센서 제어 장치 (24b) 는, 선회 상태 판정부 (61) 와 자세각 판정부 (62) 를 포함한다.

제 2 자세각 연산부 (50b) 는, 각도 연산부 (50Cb) 와 필터부 (50Fb) 를 포함한다. 각도 연산부 (50Cb) 는, 도 3 에 나타내는 IMU (29) 의 자이로 (29V) 및 가속도 센서 (29A) 에 의해 검출된 각속도 (ω) 및 가속도 (Ac) 로부터 자세각 (θ) 을 구한다. 센서 제어 장치 (24b) 는, 제 2 변형예의 센서 제어 장치 (24a) 가 구비하는 가속도 보정부 (56) 를 가지고 있어도 된다.

제 2 필터로서의 필터부 (50Fb) 는, 각도 연산부 (50Cb) 가 구한 자세각 (θ) 을 통과시켜 잡음을 감소시킨 후, 제 2 자세각 (θ2) 으로서 출력한다. 필터부 (50Fb) 는, 로우 패스 필터 (60) 보다 차단 주파수 높아져 있다. 제 2 자세각 연산부 (50b) 가 출력하는 제 2 자세각 (θ2) 은, 로우 패스 필터 (60) 를 통과하지 않고 선택부 (63) 에 입력된다. 센서 제어 장치 (24b) 가 구비하는 필터부 (50Fb) 는, 전술한 센서 제어 장치 (24) 가 구비하는 필터부 (50F) 보다 간단한 구조이기 때문에, 센서 제어 장치 (24b) 는 제조 비용이 저감된다는 이점이 있다.

본 변형예에 있어서, 제 2 자세각 연산부 (50b) 는, 필터부 (50Fb) 를 구비하고 있지 않아도 된다. 이 경우, 각도 연산부 (50Cb) 에 의해 구해진 자세각 (θ) 은, 제 2 자세각 (θ2) 으로서 자세각 판정부 (62) 및 선택부 (63) 에 입력된다.

(센서 제어 장치의 제 2 변형예)

도 31 은 제 2 변형예에 관련된 센서 제어 장치 (24c) 의 블록도이다. 이 센서 제어 장치 (24c) 는, 도 30 에 나타내는 센서 제어 장치 (24b) 의 제 2 자세각 연산부 (50b) 를 구비하고 있지 않고, IMU (29) 의, 도 15 에 나타내는 자세각 연산부 (29CP) 가 구한 자세각 (θ) 을 제 2 자세각 (θ2) 으로서 선택부 (63) 에 직접 입력하는 점이 상이하다. 센서 제어 장치 (24c) 의 로우 패스 필터 (60) 는, IMU (29) 의 자세각 연산부 (29CP) 가 구한 자세각 (θ) 에 필터 처리를 실시하여, 제 1 자세각 (θ1) 으로서 구하여 선택부 (63) 에 출력한다. IMU (29) 의 자세각 연산부 (29CP) 에 있어서, 자세각 (θ) 이 제 2 자세각 (θ2) 이 된다. 제 2 자세각 (θ2) 은, 로우 패스 필터 (60) 를 통과하지 않고 선택부 (63) 에 입력된다. 센서 제어 장치 (24c) 는, 제 2 자세각 연산부 (50b) 를 구비하고 있지 않기 때문에, 그 만큼, 구조가 간략화되고, 또한 제조 비용이 저감된다.

이상, 본 실시형태 및 그 변형예를 설명했지만, 전술한 내용에 의해 본 실시형태 및 그 변형예가 한정되는 것은 아니다. 또한, 전술한 구성 요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것, 이른바 균등한 범위의 것이 포함된다. 또한, 전술한 구성 요소는 적절히 조합하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시형태 및 그 변형예의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소의 다양한 생략, 치환 및 변경 중 적어도 1 개를 실시할 수 있다. 예를 들어, 작업기 (2) 는, 붐 (6), 아암 (7) 및 작업 도구인 버킷 (8) 을 가지고 있지만, 작업기 (2) 에 장착되는 작업 도구는 이것에 한정되지 않고, 버킷 (8) 에는 한정되지 않는다. 작업 기계는 유압 셔블 (100) 에 한정되지 않고, 예를 들어, 하부 주행체 상에 선회체를 갖는 작업 기계이면 된다. 센서 제어 장치 (24, 24a, 24b, 24c) 가 실행하는 각 처리는 다른 컨트롤러, 예를 들어 제 2 표시 장치 (39) 또는 작업기 제어 장치 (25) 가 처리해도 된다. 자세각이 통과하는 필터는 상보 필터에 한정되는 것이 아니고, 다른 방식의 필터여도 된다. 굴삭 제어는, 전술한 제어에 한정되지 않는다.

1 ; 차량 본체
2 ; 작업기
3 ; 상부 선회체
5 ; 주행 장치
6 ; 붐
7 ; 아암
8 ; 버킷
8T ; 날끝
20, 21 ; 안테나
23 ; 글로벌 좌표 연산부
24, 24a, 24b, 24c ; 센서 제어 장치
25 ; 작업기 제어 장치
26 ; 엔진 제어 장치
27 ; 펌프 제어 장치
28 ; 제 1 표시 장치
29 ; IMU
29V ; 자이로
29A ; 가속도 센서
29CP ; 자세각 연산부
29PT ; 물리량 변환부
39 ; 제 2 표시 장치
41, 42 ; 차내 신호선
50, 50a ; 제 2 자세각 연산부
50C ; 각도 연산부
50F, 50Fa, 50Fb ; 필터부
51 ; 제 3 자세각 연산부
52 ; 제 4 자세각 연산부
53 ; 제 1 상보 필터
54 ; 제 2 상보 필터
55 ; 전환부
60 ; 로우 패스 필터
61 ; 선회 상태 판정부
62 ; 자세각 판정부
63 ; 선택부
100 ; 유압 셔블
θ1 ; 제 1 자세각
θ2 ; 제 2 자세각
θ3 ; 제 3 자세각
θ4 ; 제 4 자세각

Claims (14)

1. 작업기를 구비하는 작업 기계의 자세각을 구하는 데에 있어서,
   상기 작업 기계에 구비되어, 각속도 및 가속도를 검출하는 검출 장치와,
   상기 검출 장치에 구비되어, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 상기 작업 기계의 자세각을 구하는 제 1 자세각 연산부와,
   상기 제 1 자세각 연산부가 구한 자세각을 통과시켜 고주파 성분을 감소시킨 제 1 자세각으로서 출력하는 로우 패스 필터와,
   상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 구한 자세각을, 상기 작업 기계의 자세 변화에 대한 응답성이 상기 제 1 자세각보다 높은 제 2 자세각으로서 출력하는 제 2 자세각 연산부와,
   상기 작업 기계의 자세각의 변동량을 구하고, 상기 자세각의 변동량에 기초하여 상기 작업 기계의 자세 변동의 판정을 실시하여, 상기 자세각의 변동량이 소정의 임계치 이하인 경우에는 상기 제 1 자세각을 출력하고, 소정의 임계치를 초과한 경우에는 상기 제 2 자세각을 출력하는 선택부를 포함하는, 작업 기계의 자세 연산 장치.
2. 작업기를 구비하는 작업 기계의 자세각을 구하는 데에 있어서,
   상기 작업 기계에 구비되어, 각속도 및 가속도를 검출하는 검출 장치와,
   상기 검출 장치에 구비되어, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 상기 작업 기계의 자세각을 구하는 자세각 연산부와,
   상기 자세각 연산부에서 구한 자세각에 필터 처리를 실시하여 고주파 성분을 감소시킨 제 1 자세각으로서 구하는 로우 패스 필터와,
   상기 자세각 연산부에 있어서 상기 자세각을, 상기 작업 기계의 자세 변화에 대한 응답성이 상기 제 1 자세각보다 높은 제 2 자세각으로 하고, 상기 작업 기계의 자세각의 변동량을 구하고, 상기 자세각의 변동량에 기초하여 상기 작업 기계의 자세 변동의 판정을 실시하여, 상기 작업 기계의 자세각의 변동량이 소정의 임계치 이하인 경우에는 상기 제 1 자세각을 출력하고, 소정의 임계치를 초과한 경우에는 상기 제 2 자세각을 출력하는 선택부를 포함하는, 작업 기계의 자세 연산 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 자세각 연산부는,
   제 1 로우 패스 필터, 제 1 하이 패스 필터 및 상기 제 1 로우 패스 필터의 출력과 상기 제 1 하이 패스 필터의 출력을 가산하여 출력하는 제 1 가산부를 갖고, 상기 제 1 로우 패스 필터의 게인과 상기 제 1 하이 패스 필터의 게인이 소정값이 될 때의 제 1 차단 주파수가 설정되고, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도가 상기 제 1 로우 패스 필터에 입력되고, 상기 가속도로부터 구해진 상기 자세각이 상기 제 1 하이 패스 필터에 입력됨으로써, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 구해진 상기 자세각에 포함되는 잡음을 저감시켜 상기 제 1 가산부로부터 제 3 자세각을 출력하는 제 1 상보 필터와,
   제 2 로우 패스 필터, 제 2 하이 패스 필터 및 상기 제 2 로우 패스 필터의 출력과 상기 제 2 하이 패스 필터의 출력을 가산하여 출력하는 제 2 가산부를 갖고, 상기 제 2 로우 패스 필터의 게인과 상기 제 2 하이 패스 필터의 게인이 소정값이 될 때의 주파수로서, 상기 제 1 차단 주파수와는 상이한 제 2 차단 주파수가 설정되고, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도가 상기 제 2 로우 패스 필터에 입력되고, 상기 가속도로부터 구해진 상기 자세각이 상기 제 2 하이 패스 필터에 입력됨으로써, 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 각속도 및 상기 가속도로부터 구해진 상기 자세각에 포함되는 잡음을 저감시켜 제 4 자세각을 상기 제 2 가산부로부터 출력하는 제 2 상보 필터와,
   상기 작업 기계의 움직임의 상태에 따라, 상기 제 3 자세각 또는 상기 제 4 자세각을 전환하여 상기 제 2 자세각으로서 출력하는 전환부를 포함하는, 작업 기계의 자세 연산 장치.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 제 2 자세각은, 상기 작업 기계의 자세각이 상기 로우 패스 필터보다 차단 주파수가 높은 필터를 통과한 것인, 작업 기계의 자세 연산 장치.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 자세각의 변동에 관한 정보는, 상기 작업 기계의 선회에 관한 정보인, 작업 기계의 자세 연산 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 작업 기계는, 주행체와, 상기 주행체의 상부에 구비되는 선회체를 구비하고,
   상기 작업 기계의 선회에 관한 정보는 상기 선회체의 선회 속도이고,
   상기 선택부는, 상기 선회 속도가 소정의 임계치 이하인 경우에는 상기 제 1 자세각을 출력하고, 상기 선회 속도가 소정의 임계치를 초과한 경우에 상기 제 2 자세각을 출력하는, 작업 기계의 자세 연산 장치.
7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 선택부는,
   상기 제 1 자세각과 상기 제 2 자세각의 차분이 소정의 임계치를 초과한 경우, 상기 제 2 자세각을 출력하는 작업 기계의 자세 연산 장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 선택부는,
   상기 선회체의 선회 속도가 소정의 임계치 이하인 경우에 상기 제 1 자세각을 출력하고, 상기 선회 속도가 소정의 임계치를 초과한 경우에 상기 제 2 자세각을 출력하고, 상기 제 1 자세각과 상기 제 2 자세각의 차분이 소정의 임계치를 초과한 경우, 상기 제 2 자세각을 출력하는, 작업 기계의 자세 연산 장치.
9. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 자세각은, 상기 작업 기계의 피치각인 작업 기계의 자세 연산 장치.
10. 제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 작업 기계의 자세 연산 장치와,
    상기 작업 기계의 자세 연산 장치로부터 출력된 상기 제 1 자세각 또는 상기 제 2 자세각을 이용하여, 상기 작업 기계의 적어도 일부의 위치 정보를 구하는, 작업 기계.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 작업 기계의 위치 정보를 검출하는 위치 검출 장치와,
    상기 작업 기계의 자세 연산 장치로부터 출력된 상기 작업 기계의 적어도 일부의 위치 정보와, 상기 위치 검출 장치에 의해 검출된 위치 정보에 기초하여 상기 작업기의 위치를 구하고, 또한 목표 형상을 나타내는 목표 시공면의 정보로부터 상기 작업기의 굴삭 대상의 목표 형상을 나타내는 목표 굴삭 지형에 관한 정보를 생성하는 목표 굴삭 지형 생성 장치를 갖는, 작업 기계.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 목표 굴삭 지형을 표시하기 위한 표시용의 정보에 기초하여, 상기 목표 굴삭 지형을 표시하는 표시 장치를 갖는, 작업 기계.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 목표 굴삭 지형 생성 장치로부터 취득한 상기 목표 굴삭 지형에 관한 정보에 기초하여, 상기 작업기가 굴삭 대상에 접근하는 방향의 속도가 제한 속도 이하가 되도록 제어하는 굴삭 제어를 실행하는 작업기 제어부를 갖는, 작업 기계.
14. 작업기를 구비하는 작업 기계의 자세각을 구하는 데에 있어서,
    상기 작업 기계의 자세각을, 로우 패스 필터를 통과시켜 고주파 성분을 감소시킨 제 1 자세각으로서 출력하고, 또한 상기 작업 기계의 자세각을, 상기 로우 패스 필터를 통과시키지 않고 상기 작업 기계의 자세 변화에 대한 응답성이 상기 제 1 자세각보다 높은 제 2 자세각으로서 출력하고,
    상기 작업 기계의 자세각의 변동량을 구하고, 상기 자세각의 변동량에 기초하여 상기 작업 기계의 자세 변동의 판정을 실시하여, 상기 자세각의 변동량이 소정의 임계치 이하인 경우에는 상기 제 1 자세각을 출력하고, 소정의 임계치를 초과한 경우에는 상기 제 2 자세각을 출력하는, 작업 기계의 자세 연산 방법.

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