KR20210109019A

KR20210109019A - 건설 기계의 제어 시스템, 건설 기계, 및 건설 기계의 제어 방법

Info

Publication number: KR20210109019A
Application number: KR1020217024216A
Authority: KR
Inventors: 요시로 이와사키
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-09-03
Also published as: DE112019006544T5; CN113383130B; KR102637388B1; CN113383130A; WO2020158235A1; JP2023026481A; US20220106773A1; JP7197392B2; JP2020125599A

Abstract

건설 기계의 제어 시스템은, 시공 대상의 목표 형상을 나타내는 설계면을 취득하는 설계면 취득부와, 작업기 및 선회체를 조작하는 조작 장치의 조작 데이터를 취득하는 조작 데이터 취득부와, 작업기 및 선회체가 조작되었을 때의 조작 데이터와 설계면에 기초하여, 틸트 버킷의 틸트 회전에 관한 제어량의 목표값 및 선회체의 제어량의 목표값을 생성하는 목표값 생성부와, 목표값과 건설 기계의 예측 모델에 기초하여, 틸트 버킷의 틸트 회전에 관한 제어량의 예측값 및 선회체의 선회에 관한 제어량의 예측값을 산출하고, 예측값과 설계면에 기초하여, 틸트 버킷의 소정 부위와 설계면과의 거리 및 틸트 버킷의 자세가 유지되도록, 작업기 및 선회체를 제어하는 구동량을 산출하는 예측부와 구동량에 기초하여, 작업기 및 선회체를 제어하는 제어 지령을 출력하는 지령부를 구비한다.

Description

건설 기계의 제어 시스템, 건설 기계, 및 건설 기계의 제어 방법

본 발명은, 건설 기계의 제어 시스템, 건설 기계, 및 건설 기계의 제어 방법에 관한 것이다.

건설 기계에 관한 기술 분야에 있어서, 특허문헌 1에 개시되어 있는 것과 같은, 시공(施工) 대상의 목표 형상을 나타내는 설계면을 따라 작업기의 버킷(bucket)을 이동시키는 건설 기계의 제어 시스템이 알려져 있다.

국제 공개 제2014/167718호

건설 기계는, 선회체(旋回體)를 구비한다. 작업기는, 선회체에 지지된다. 건설 기계가 틸트 회전 가능한 틸트 버킷(tilt bucket)을 가지는 경우가 있다. 건설 기계는, 틸트 버킷이 선회체에 가까워지도록 작업기를 작동시키는 것만으로, 시공 대상에 경사면을 형성할 수 있다. 틸트 버킷에 의해 시공 대상에 경사면을 형성할 때, 틸트 버킷이 설계면을 파들어 가지 않도록, 선회체를 선회시키면서 작업기를 작동시키는 경우가 있다. 운전자에 의한 조작 장치의 조작에 기초하여 선회체가 선회할 때, 선회체의 선회 속도가 높으면, 틸트 버킷이 설계면을 파들어가버려, 시공 대상이 원하는 형상으로 시공되지 않을 가능성이 있다.

본 발명의 태양(態樣)은, 시공 대상을 원하는 형상으로 시공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 태양에 따르면, 암(arm) 및 틸트 버킷을 포함하는 작업기와, 상기 작업기를 지지하는 선회체를 구비하는 건설 기계의 제어 시스템으로서, 시공 대상의 목표 형상을 나타내는 설계면을 취득하는 설계면 취득부와, 상기 작업기 및 상기 선회체를 조작하는 조작 장치의 조작 데이터를 취득하는 조작 데이터 취득부와, 상기 작업기 및 상기 선회체가 조작되었을 때의 상기 조작 데이터와 상기 설계면에 기초하여, 상기 틸트 버킷의 틸트 회전에 관한 제어량의 목표값 및 상기 선회체의 제어량의 목표값을 생성하는 목표값 생성부와, 상기 목표값과 상기 건설 기계의 예측 모델에 기초하여, 상기 틸트 버킷의 틸트 회전에 관한 제어량의 예측값 및 상기 선회체의 선회에 관한 제어량의 예측값을 산출하고, 상기 예측값과 상기 설계면에 기초하여, 상기 틸트 버킷의 소정 부위와 상기 설계면과의 거리 및 상기 틸트 버킷의 자세가 유지되도록, 상기 작업기 및 상기 선회체를 제어하는 구동량을 산출하는 예측부와, 상기 구동량에 기초하여, 상기 작업기 및 상기 선회체를 제어하는 제어 지령을 출력하는 지령부를 구비하는 건설 기계의 제어 시스템이 제공된다.

본 발명의 태양에 의하면, 시공 대상을 원하는 형상으로 시공할 수 있다.

도 1은, 본 실시형태에 관한 건설 기계의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 2는, 본 실시형태에 관한 건설 기계의 제어 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3은, 본 실시형태에 관한 건설 기계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는, 본 실시형태에 관한 버킷을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는, 본 실시형태에 관한 제어 장치를 나타낸 기능 블록도이다.
도 6은, 본 실시형태에 관한 목표 병진(竝進) 속도 산출부에 의한 버킷의 목표 병진 속도의 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 본 실시형태에 관한 제한 속도 테이블의 일례를 나타낸 도면이다.
도 8은, 본 실시형태에 관한 목표 회전 속도 산출부에 의한 버킷의 목표 회전 속도의 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, 본 실시형태에 관한 건설 기계의 동작의 일례를 나타낸 도면이다.
도 10은, 본 실시형태에 관한 건설 기계의 동작의 일례를 나타낸 도면이다.
도 11은, 본 실시형태에 관한 건설 기계의 제어 방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 12는, 본 실시형태에 관한 컴퓨터 시스템의 일례를 나타낸 블록도이다.

이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 이하에서 설명하는 각각의 실시형태의 구성 요소는 적절히 조합시키는 것이 가능하다. 또한, 일부의 구성 요소를 사용하지 않을 경우도 있다.

이하의 설명에 있어서는, 3차원의 차체 좌표계(X, Y, Z)를 규정하여, 각 부의 위치 관계에 대하여 설명한다. 차체 좌표계란, 건설 기계에 고정된 원점을 기준으로 하는 좌표계를 말한다. 차체 좌표계는, 건설 기계에 설정된 원점을 기준으로 하여 규정 방향으로 연장되는 X축과, X축과 직교하는 Y축과, X축 및 Y축의 각각과 직교하는 Z축에 의해 규정된다. X축과 평행한 방향을 X축 방향이라고 한다. Y축과 평행한 방향을 Y축 방향이라고 한다. Z축과 평행한 방향을 Z축 방향이라고 한다. X축을 중심으로 하는 회전 또는 경사 방향을 θX 방향이라고 한다. Y축을 중심으로 하는 회전 또는 경사 방향을 θY 방향이라고 한다. Z축을 중심으로 하는 회전 또는 경사 방향을 θZ 방향이라고 한다.

[건설 기계]

도 1은, 본 실시형태에 관한 건설 기계(100)의 일례를 나타낸 사시도이다. 본 실시형태에 있어서는, 건설 기계(100)가 유압 셔블인 예에 대하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, 건설 기계(100)를 적절히, 유압 셔블(100)이라고 한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 유압 셔블(100)은, 유압(油壓)에 의해 작동하는 작업기(1)와, 작업기(1)를 지지하는 선회체(2)와, 선회체(2)를 지지하는 주행체(3)를 구비한다. 선회체(2)는, 운전자가 탑승하는 운전실(4)을 구비한다. 운전실(4)에는, 운전자가 착석(着座)하는 시트(4S)가 배치된다. 선회체(2)는, 주행체(3)에 지지된 상태로 선회축(RX)을 중심으로 선회할 수 있다.

주행체(3)는, 한 쌍의 크롤러(crawler)(3C)를 구비한다. 크롤러(3C)의 회전에 의해, 유압 셔블(100)이 주행한다. 그리고, 주행체(3)가 타이어를 가져도 된다.

작업기(1)는, 선회체(2)에 지지된다. 작업기(1)는, 선회체(2)에 연결되는 붐(boom)(6)과, 붐(6)의 선단부에 연결되는 암(7)과, 암(7)의 선단부에 연결되는 버킷(8)을 구비한다. 버킷(8)은, 날끝(9)을 구비한다. 본 실시형태에 있어서, 버킷(8)의 날끝(9)은, 스트레이트 형상의 날(刃)의 선단부이다. 그리고, 버킷(8)의 날끝(9)은, 버킷(8)에 형성된 볼록 형상의 날의 선단부라도 된다.

붐(6)은, 붐축(boom axis)(AX1)을 중심으로 선회체(2)에 대하여 회전 가능하다. 암(7)은, 암축(arm axis)(AX2)를 중심으로 붐(6)에 대하여 회전 가능하다. 본 실시형태에 있어서, 버킷(8)은, 틸트 버킷이다. 버킷(8)은, 버킷축(bucket axis)(AX3), 틸트축(tilt axis)(AX4), 및 로테이트축(rotate axis)(AX5)의 각각을 중심으로 암(7)에 대하여 회전 가능하다. 붐축(AX1), 암축(AX2), 및 버킷축(AX3)은, Y축과 평행이다. 틸트축(AX4)는, 버킷축(AX3)과 직교한다. 로테이트축(AX5)는, 버킷축(AX3) 및 틸트축(AX4)의 각각과 직교한다. 선회축(RX)는, Z축과 평행이다. X축 방향은, 선회체(2)의 전후 방향이다. Y축 방향은, 선회체(2)의 차폭 방향이다. Z축 방향은, 선회체(2)의 상하 방향이다. 시트(4S)에 착석한 운전자를 기준으로 하여 작업기(1)가 존재하는 방향이 전방이다.

도 2는, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 제어 시스템(200)을 나타낸 블록도이다. 도 3은, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 4는, 본 실시형태에 관한 버킷(8)을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 유압 셔블(100)의 제어 시스템(200)은, 엔진(5)과 작업기(1)를 구동시키는 복수의 유압 실린더(10)와, 선회체(2)를 구동시키는 선회 모터(16)와, 작동유를 토출(吐出)하는 유압 펌프(17)와, 유압 펌프(17)로부터 토출된 작동유를 복수의 유압 실린더(10) 및 선회 모터(16)의 각각에 분배하는 밸브 장치(18)와 선회체(2)의 위치 데이터를 산출하는 위치 연산 장치(20)와, 작업기(1)의 각도 θ를 검출하는 각도 검출 장치(30)와, 작업기(1) 및 선회체(2)를 조작하는 조작 장치(40)와, 제어 장치(50)를 구비한다.

작업기(1)는, 유압 실린더(10)가 발생하는 동력에 의해 작동한다. 유압 실린더(10)는, 유압 펌프(17)로부터 공급된 작동유에 기초하여 구동한다. 유압 실린더(10)는, 붐(6)을 작동시키는 붐 실린더(11)와, 암(7)을 작동시키는 암 실린더(12)와, 버킷(8)을 작동시키는 버킷 실린더(13), 틸트 실린더(14), 및 로테이트 실린더(15)를 포함한다. 붐 실린더(11)는, 붐축(AX1)을 중심으로 붐(6)을 회전시키는 동력을 발생한다. 암 실린더(12)는, 암축(AX2)을 중심으로 암(7)을 회전시키는 동력을 발생한다. 버킷 실린더(13)는, 버킷축(AX3)을 중심으로 버킷(8)을 회전시키는 동력을 발생한다. 틸트 실린더(14)는, 틸트축(AX4)을 중심으로 버킷(8)을 회전시키는 동력을 발생한다. 로테이트 실린더(15)는, 로테이트축(AX5)을 중심으로 버킷(8)을 회전시키는 동력을 발생한다.

이하의 설명에 있어서는, 버킷축(AX3)을 중심으로 하는 버킷(8)의 회전을 적절히, 버킷 회전이라고 하고, 틸트축(AX4)을 중심으로 하는 버킷(8)의 회전을 적절히, 틸트 회전이라고 하고, 로테이트축(AX5)을 중심으로 하는 버킷(8)의 회전을 적절히, 로테이트 회전이라고 한다.

선회체(2)는, 선회 모터(16)가 발생하는 동력에 의해 선회한다. 선회 모터(16)는, 유압 모터이며, 유압 펌프(17)로부터 공급된 작동유에 기초하여 구동한다. 선회 모터(16)는, 선회축(RX)을 중심으로 선회체(2)를 선회시키는 동력을 발생한다.

엔진(5)은, 선회체(2)에 탑재된다. 엔진(5)은, 유압 펌프(17)를 구동시키기 위한 동력을 발생한다.

유압 펌프(17)는, 유압 실린더(10) 및 선회 모터(16)를 구동시키기 위한 작동유를 토출한다.

밸브 장치(18)는, 유압 펌프(17)로부터 공급된 작동유를 복수의 유압 실린더(10) 및 선회 모터(16)에 분배하는 복수의 밸브를 가진다. 밸브 장치(18)는, 복수의 유압 실린더(10)의 각각에 공급되는 작동유의 유량(流量)을 조정한다. 유압 실린더(10)에 공급되는 작동유의 유량이 조정되는 것에 의해, 유압 실린더(10)의 작동 속도가 조정된다. 밸브 장치(18)는, 선회 모터(16)에 공급되는 작동유의 유량을 조정한다. 선회 모터(16)에 공급되는 작동유의 유량이 조정되는 것에 의해, 선회 모터(16)의 회전 속도가 조정된다.

위치 연산 장치(20)는, 선회체(2)의 위치 데이터를 산출한다. 선회체(2)의 위치 데이터는, 선회체(2)의 위치, 선회체(2)의 자세, 및 선회체(2)의 방위를 포함한다. 위치 연산 장치(20)는, 선회체(2)의 위치를 산출하는 위치 연산기(21)와, 선회체(2)의 자세를 산출하는 자세 연산기(22)와, 선회체(2)의 방위를 산출하는 방위 연산기(23)를 구비한다.

위치 연산기(21)는, 선회체(2)의 위치로 하여, 글로벌 좌표계에서의 선회체(2)의 위치를 산출한다. 위치 연산기(21)는, 선회체(2)에 배치된다. 글로벌 좌표계란, 지구에 고정된 원점을 기준으로 하는 좌표계를 말한다. 글로벌 좌표계는, GNSS[Global Navigation Satellite System)에 의해 규정되는 좌표계이다. GNSS란, 전지구(全地球) 항법 위성 시스템을 말한다. 전지구 항법 위성 시스템으로서, GPS(Global Positioning System)가 예시된다. GNSS는, 복수의 측위 위성을 가진다. GNSS는, 위도, 경도, 및 고도의 좌표 데이터로 규정되는 위치를 검출한다. 선회체(2)에 GPS 안테나가 설치된다. GPS 안테나는, GPS 위성으로부터 전파를 수신하여, 수신한 전파에 기초하여 생성한 신호를 위치 연산기(21)에 출력한다. 위치 연산기(21)는, GPS 안테나로부터 공급된 신호에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 선회체(2)의 위치를 산출한다. 위치 연산기(21)는, 예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같은, 선회체(2)의 대표점 O의 위치를 산출한다. 도 3에 나타낸 예에 있어서, 선회체(2)의 대표점 O은, 선회축(RX)에 설정된다. 그리고, 대표점 O은, 붐축(AX1)에 설정되어도 된다.

자세 연산기(22)는, 선회체(2)의 자세로서, 글로벌 좌표계에서의 수평면에 대한 선회체(2)의 경사 각도를 산출한다. 자세 연산기(22)는, 선회체(2)에 배치된다. 자세 연산기(22)는, 관성 계측 장치(IMU: Inertial Measurement Unit)를 포함한다. 수평면에 대한 선회체(2)의 경사 각도는, 차폭 방향에서의 선회체(2)의 경사 각도를 나타내는 롤 각도 α, 및 전후 방향에서의 선회체(2)의 경사 각도를 나타내는 피치 각도 β를 포함한다.

방위 연산기(23)는, 선회체(2)의 방위로서, 글로벌 좌표계에서의 기준 방위에 대한 선회체(2)의 방위를 산출한다. 기준 방위는, 예를 들면, 북쪽이다. 방위 연산기(23)는, 선회체(2)에 배치된다. 방위 연산기(23)는, 쟈이로 센서(gyro sensor)를 포함한다. 그리고, 방위 연산기(23)는, GPS 안테나로부터 공급된 신호에 기초하여 방위를 산출해도 된다. 기준 방위에 대한 선회체(2)의 방위는, 기준 방위와 선회체(2)의 방위가 이루는 각도를 나타내는 요 각도(yaw angle) γ를 포함한다.

각도 검출 장치(30)는, 작업기(1)의 각도 θ를 검출한다. 각도 검출 장치(30)는, 작업기(1)에 배치된다. 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 작업기(1)의 각도 θ는, Z축에 대한 붐(6)의 각도를 나타내는 붐 각도 θ1과, 붐(6)에 대한 암(7)의 각도를 나타내는 암 각도 θ2와, 암(7)에 대한 버킷 회전 방향의 버킷(8)의 각도를 나타내는 버킷 각도 θ3과, XY 평면에 대한 틸트 회전 방향의 버킷(8)의 각도를 나타내는 틸트 각도(tilt angle) θ4와, YZ 평면에 대한 로테이트 회전 방향의 버킷(8)의 각도를 나타내는 로테이트 각도 θ5를 포함한다.

각도 검출 장치(30)는, 붐 각도 θ1을 검출하는 붐 각도 검출기(31)와, 암 각도 θ2를 검출하는 암 각도 검출기(32)와, 버킷 각도 θ3을 검출하는 버킷 각도 검출기(33)와, 틸트 각도 θ4를 검출하는 틸트 각도 검출기(34)와, 로테이트 각도 θ5를 검출하는 로테이트 각도 검출기(35)를 구비한다. 각도 검출 장치(30)는, 유압 실린더(10)의 스트로크를 검출하는 스트로크 센서를 포함해도 되고, 로터리 인코더(encoder)와 같은 작업기(1)의 각도 θ를 검출하는 각도 센서를 포함해도 된다. 각도 검출 장치(30)가 스트로크 센서를 포함하는 경우, 각도 검출 장치(30)는, 스트로크 센서의 검출 데이터에 기초하여, 작업기(1)의 각도 θ를 산출한다.

조작 장치(40)는, 유압 실린더(10) 및 선회 모터(16)를 구동시키기 위해 운전자에 의해 조작된다. 조작 장치(40)는, 운전실(4)에 배치된다. 운전자에 의해 조작 장치(40)가 조작됨으로써, 작업기(1)가 작동한다. 조작 장치(40)는, 유압 셔블(100)의 운전자에 의해 조작되는 레버를 포함한다. 조작 장치(40)의 레버는, 우측 조작 레버(41)와 좌측 조작 레버(42)와 틸트 조작 레버(43)를 포함한다.

중립 위치에 있는 우측 조작 레버(41)가 전방으로 조작되면, 붐(6)이 하강 동작하고, 후방으로 조작되면, 붐(6)이 상승 동작한다. 중립 위치에 있는 우측 조작 레버(41)가 우측으로 조작되면, 버킷(8)이 덤핑 동작(dumping operation)하고, 좌측 방향으로 조작되면, 버킷(8)이 굴삭 동작(excavating operation)한다.

중립 위치에 있는 좌측 조작 레버(42)가 전방으로 조작되면, 암(7)이 덤핑 동작하고, 후방으로 조작되면, 암(7)이 굴삭 동작한다. 중립 위치에 있는 좌측 조작 레버(42)가 우측으로 조작되면, 선회체(2)가 우측 선회하고, 좌측 방향으로 조작되면, 선회체(2)가 좌측 선회한다.

틸트 조작 레버(43)가 조작되면, 버킷(8)이 틸트 회전 또는 로테이트 회전한다.

[제어 장치]

도 5는, 본 실시형태에 관한 제어 장치(50)를 나타내는 기능 블록도이다. 제어 장치(50)는, 위치 데이터 취득부(51)와, 각도 데이터 취득부(52)와, 조작 데이터 취득부(53)와, 설계면 취득부(54)와, 목표값 생성부(55)와, 모델 예측 제어부(56)와, 제약 조건 산출부(57)와, 지령부(58)와, 기억부(60)를 구비한다.

위치 데이터 취득부(51)는, 위치 연산 장치(20)로부터 선회체(2)의 위치 데이터를 취득한다. 선회체(2)의 위치 데이터는, 선회체(2)의 위치, 선회체(2)의 자세, 및 선회체(2)의 방위를 포함한다.

각도 데이터 취득부(52)는, 각도 검출 장치(30)보다 작업기(1)의 각도 θ를 나타내는 각도 데이터를 취득한다. 작업기(1)의 각도 데이터는, 붐 각도 θ1, 암 각도 θ2, 버킷 각도 θ3, 틸트 각도 θ4, 및 로테이트 각도 θ5를 포함한다.

조작 데이터 취득부(53)는, 작업기(1) 및 선회체(2)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작 데이터를 취득한다. 조작 장치(40)의 조작 데이터는, 조작 장치(40)가 조작된 양을 포함한다. 조작 장치(40)에는, 레버가 조작된 양을 검출하는 조작량 센서가 설치된다. 조작 데이터 취득부(53)는, 조작 장치(40)의 조작량 센서로부터 조작 장치(40)의 조작 데이터를 취득한다.

설계면 취득부(54)는, 시공 대상의 목표 형상을 나타내는 설계면을 취득한다. 설계면은, 유압 셔블(100)에 의한 시공 후의 3차원의 목표 형상을 나타낸다. 본 실시형태에 있어서는, 설계면 데이터 공급 장치(70)에 의해, 설계면을 나타내는 설계면 데이터가 생성된다. 설계면 취득부(54)는, 설계면 데이터 공급 장치(70)로부터 설계면 데이터를 취득한다. 설계면 데이터 공급 장치(70)는, 유압 셔블(100)의 원격지에 설치되어도 된다. 설계면 데이터 공급 장치(70)에 의해 생성된 설계면 데이터는, 통신 시스템을 통해 제어 장치(50)에 송신되어도 된다. 그리고, 설계면 데이터 공급 장치(70)에 의해 생성된 설계면 데이터가 기억부(60)에 기억되어도 된다. 설계면 취득부(54)는, 기억부(60)로부터 설계면 데이터를 취득해도 된다.

목표값 생성부(55)는, 작업기(1)의 제어량의 목표값을 생성한다. 본 실시형태에 있어서, 작업기(1)의 제어량은, 버킷(8)의 이동 속도 및 버킷(8)의 소정 부위의 위치의 한쪽 또는 양쪽을 포함한다. 버킷(8)의 소정 부위는, 버킷(8)의 날끝(9)을 포함한다. 버킷(8)의 이동 속도는, 날끝(9)의 이동 속도를 포함한다. 버킷(8)의 소정 부위의 위치는, 날끝(9)의 위치를 포함한다. 목표값 생성부(55)는, 조작 데이터 취득부(53)에 의해 취득된 조작 데이터에 기초하여, 작업기(1)의 제어량의 목표값을 생성한다. 또한, 목표값 생성부(55)는, 선회체(2)의 제어량의 목표값을 생성한다. 본 실시형태에 있어서, 선회체(2)의 제어량은, 선회체(2)의 선회 속도를 포함한다. 목표값 생성부(55)는, 조작 데이터 취득부(53)에 의해 취득된 조작 데이터에 기초하여, 선회체(2)의 제어량의 목표값을 생성한다. 본 실시형태에 있어서, 목표값 생성부(55)는, 적어도 작업기(1) 및 선회체(2)가 조작되었을 때의 조작 데이터와 설계면에 기초하여, 버킷(8)의 틸트 회전에 관한 제어량의 목표값 및 선회체(2)의 선회에 관한 제어량의 목표값을 생성한다.

버킷(8)의 틸트 회전에 관한 제어량은, 틸트 방향의 버킷(8)의 위치를 나타내는 틸트 각도 θ4, 틸트 방향의 버킷(8)의 회전 속도를 나타내는 틸트 속도, 및 틸트 방향의 버킷(8)의 회전 가속도를 나타내는 틸트 가속도 중 하나 이상을 포함한다. 선회체(2)의 선회에 관한 제어량은, 선회체(2)의 선회 속도를 포함한다.

이하의 설명에 있어서는, 버킷(8)의 소정 부위가 날끝(9)인 것으로 한다. 그리고, 버킷(8)의 소정 부위는, 날끝(9)이 아니라도 된다. 버킷(8)의 소정 부위는, 버킷(8)의 바닥면(바닥면)이라도 된다.

버킷(8)의 이동 속도는, 버킷(8)의 병진 속도 및 회전 속도를 포함한다. 버킷(8)의 병진 속도란, X축 방향, Y축 방향, 및 Z축 방향의 각각의 이동 속도를 말한다. 버킷(8)의 회전 속도란 θX 방향, θY 방향, 및 θZ 방향의 각각의 회전 각속도를 말한다. 본 실시형태에 있어서, 목표값 생성부(55)는, 병진 속도의 목표값인 목표 병진 속도 v_target를 산출하는 목표 병진 속도 산출부(551)와, 회전 속도의 목표값인 목표 회전 속도 ω_target를 산출하는 목표 회전 속도 산출부(552)를 포함한다. 목표값 생성부(55)는, 각도 데이터 취득부(52)에 의해 취득된 각도 데이터, 및 조작 데이터 취득부(53)에 의해 취득된 조작 데이터, 및 설계면 취득부(54)에 의해 취득된 설계면에 기초하여, 목표 병진 속도 v_target 및 목표 회전 속도 ω_target의 각각을 산출한다.

도 6은, 본 실시형태에 관한 목표 병진 속도 산출부(551)에 의한 버킷(8)의 목표 병진 속도 v_target의 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다. 목표 병진 속도 산출부(551)는, 조작 장치(40)의 조작 데이터 및 작업기(1)의 각도 데이터에 기초하여, 버킷(8)의 병진 속도를 산출하는 병진 속도 산출부(551A)와, 날끝(9)과 설계면과의 거리 및 설계면 데이터에 기초하여, 버킷(8)의 제한 속도를 산출하는 제한 속도 산출부(551B)와, PI 제어부(551C)와, 감속 처리부(551D)를 포함한다.

목표 병진 속도 산출부(551)는, 설계면을 파들어 가지 않기 위한 버킷(8)의 목표 병진 속도 v_target를 산출한다. 버킷(8)의 목표 병진 속도 v_target는, 식 1 내지 식6에 기초하여 산출된다.

[수식 1]

[수식 2]

[수식 3]

[수식 4]

[수식 5]

[수식 6]

n∈R³는, 날끝(9)과 가장 가까운 설계면의 단위 법선 벡터이며, ^wR1∈R^3×3은, 차체 좌표계로부터 글로벌 좌표계로 변환하는 회전 행렬이며, v_sagyo∈R³는, 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 작업기(1)가 작동한 경우의 병진 속도 중 작업기 평면(차체 좌표계의 XZ 평면)에서의 붐(6) 및 암(7)에 의한 병진 속도 성분이며, V_MAX는, 설계면을 파들어 가지 않기 위한 설계면의 법선 방향의 버킷(8)의 최대 속도이다. J_v∈R^3×5 및 J_ω∈R^3×5의 각각은, 야코비안 행렬의 병진 속도 성분 및 회전 속도 성분을 나타낸다.

목표 병진 속도 산출부(551)는, 위치 데이터 취득부(51)에 의해 취득된 선회체(2)의 위치 데이터와, 각도 데이터 취득부(52)에 의해 취득된 작업기(1)의 각도 데이터와, 기억부(60)에 기억되어 있는 작업기 데이터에 기초하여, 날끝(9)과 설계면과의 거리를 산출할 수 있다. 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 작업기 데이터는, 붐 길이(boom length) L1, 암 길이(arm length) L2, 버킷 길이 L3, 틸트 길이(tilt length) L4, 및 버킷 폭 L5를 포함한다. 붐 길이 L1은, 붐축(AX1)과 암축(AX2)와의 거리이다. 암 길이 L2는, 암축(AX2)와 버킷축(AX3)과의 거리이다. 버킷 길이 L3은, 버킷축(AX3)과 버킷(8)의 날끝(9)과의 거리이다. 틸트 길이 L4는, 버킷축(AX3)과 틸트축(AX4)와의 거리이다. 버킷 폭 L5는, 버킷(8)의 폭 방향의 치수이다. 작업기 데이터는, 버킷(8)의 형상 및 치수를 나타내는 버킷 외형 데이터를 포함한다. 버킷 외형 데이터는, 버킷(8)의 외면의 윤곽을 포함하는 버킷(8)의 외면 데이터를 포함한다. 버킷 외형 데이터는, 버킷(8)의 소정 부위를 기준으로 한 버킷(8)의 복수의 외형점 RP의 좌표 데이터를 포함한다.

목표 병진 속도 산출부(551)는, 외형점 RP의 위치 데이터를 산출한다. 목표 병진 속도 산출부(551)는, 차체 좌표계에서의 선회체(2)의 대표점 O과 복수의 외형점 RP의 각각과의 상대(相對) 위치를 산출한다. 목표 병진 속도 산출부(551)는, 붐 길이 L1, 암 길이 L2, 버킷 길이 L3, 틸트 길이 L4, 버킷 폭 L5, 및 버킷 외형 데이터를 포함하는 작업기 데이터와, 붐 각도 θ1, 암 각도 θ2, 버킷 각도 θ3, 틸트 각도 θ4, 및 로테이트 각도 θ5를 포함하는 작업기(1)의 각도 데이터에 기초하여, 차체 좌표계에서의 선회체(2)의 대표점 O과 버킷(8)의 복수의 외형점 RP의 각각과의 상대 위치를 산출할 수 있다. 외형점 RP가 날끝(9)에 설정되는 것에 의해, 목표 병진 속도 산출부(551)는, 대표점 O과 날끝(9)과의 상대 위치를 산출할 수 있다. 설계면은, 차체 좌표계에 있어서 규정된다. 따라서, 목표 병진 속도 산출부(551)는, 차체 좌표계에서의 날끝(9)과 설계면과의 거리를 산출할 수 있다. 또한, 목표 병진 속도 산출부(551)는, 글로벌 좌표계에서의 복수의 외형점 RP의 각각의 위치를 산출한다. 목표 병진 속도 산출부(551)는, 선회체(2)의 대표점 O의 절대 위치와, 선회체(2)의 대표점 O과 버킷(8)의 외형점 RP와의 상대 위치에 기초하여, 글로벌 좌표계에서의 버킷(8)의 외형점 RP의 위치를 산출할 수 있다.

제한 속도 산출부(551B)는, 버킷(8)과 설계면과의 거리와 작업기(1)의 제한 속도와의 관계를 나타내는 제한 속도 테이블에 의해, 설계면의 법선 방향에서의 붐(6)의 제한 속도를 결정한다.

도 7은, 본 실시형태에 관한 제한 속도 테이블의 일례를 나타낸 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 제한 속도 테이블은, 날끝(9)과 설계면과의 거리와 작업기(1)의 제한 속도와의 관계를 나타낸다. 제한 속도 테이블에 있어서, 날끝(9)과 설계면과의 거리가 0일 때, 설계면의 법선 방향에서의 작업기(1)의 속도가 0이 된다. 제한 속도 테이블에 있어서, 날끝(9)이 시공면(施工面)보다 위쪽에 배치될 때, 날끝(9)과 설계면과의 거리는 플러스의 값으로 된다. 날끝(9)이 시공면보다 아래쪽에 배치될 때, 날끝(9)과 시공면과의 거리는 마이너스의 값으로 된다. 제한 속도 테이블에 있어서, 날끝(9)을 위쪽으로 이동시킬 때의 속도는 플러스의 값으로 된다. 날끝(9)과 시공면과의 거리가 플러스의 값인 작업기 제어 임계값 th 이하일 때, 날끝(9)과 시공면과의 거리에 기초하여, 작업기(1)의 제한 속도가 규정된다. 날끝(9)과 시공면과의 거리가 작업기 제어 임계값 th 이상일 때, 작업기(1)의 제한 속도의 절대값은 작업기(1)의 목표 속도의 최대값보다 큰 값으로 된다. 즉, 날끝(9)과 시공면과의 거리가 작업기 제어 임계값 th 이상일 경우, 작업기(1)의 목표 속도의 절대값은 항상 제한 속도의 절대값보다 작으므로, 붐(6)은, 항상 목표 속도로 구동한다.

도 8은, 본 실시형태에 관한 목표 회전 속도 산출부(552)에 의한 버킷(8)의 목표 회전 속도 ω_target의 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다. 목표 회전 속도 산출부(552)는, 작업기(1)의 각도 데이터에 기초하여 버킷(8)의 현재 자세 R_cur을 산출하는 현재 자세 산출부(552A)와, 조작 장치(40)의 조작 데이터 및 설계면 데이터에 기초하여 버킷(8)의 목표 자세 R_target를 산출하는 목표 자세 산출부(552B)와, 버킷(8)의 현재 자세 R_cur과 목표 자세 R_target에 기초하여, 회전 속도 ω'_target를 산출하는 회전 속도 산출부(552C)와, 회전 속도 ω'_target를 P 제어하여 목표 회전 속도ω_target를 산출하는 P 제어부(552D)를 포함한다.

회전 속도 ω'_target는, (7)식으로부터 (10)식에 기초하여 산출된다.

[수식 7]

[수식 8]

[수식 9]

[수식 10]

ΔT_target는, 버킷(8)의 자세를 수정하는 데 필요로 하는 시간에 대응하는 파라미터이다. P 제어부(552D)는, 회전 속도 산출부(552C)에 의해 산출된 회전 속도 ω'target에 기초하여 P 제어함으로써, 목표 회전 속도ω_target를 산출한다.

모델 예측 제어부(56)는, 목표값 생성부(55)에 의해 생성된 작업기(1)의 제어량의 목표값 및 선회체(2)의 제어량의 목표값과 작업기(1) 및 선회체(2)를 포함하는 유압 셔블(100)의 예측 모델에 기초하여, 작업기(1)의 제어량의 예측값 및 선회체(2)의 제어량의 예측값을 산출한다. 모델 예측 제어부(56)는, 작업기(1)의 제어량의 예측값 및 선회체(2)의 제어량의 예측값과 설계면에 기초하여, 버킷(8)의 소정 부위와 설계면과의 거리 및 버킷(8)의 자세가 유지되도록, 즉 목표로 하는 설계면에 버킷(8)이 소정의 자세로 추종하도록, 작업기(1) 및 선회체(2)를 제어하는 구동량을 산출한다. 작업기(1)의 제어량의 예측값에는, 버킷(8)의 틸트 회전에 관한 예측값도 포함된다.

예측 모델 기억부(561)는, 작업기(1) 및 선회체(2)를 포함하는 유압 셔블(100)의 예측 모델을 기억한다. 예측 모델은, 유압 셔블(100)의 동역학(動力學) 모델을 포함한다. 예측 모델은, 선회축(RX)을 중심으로 선회하는 선회체(2)의 모델과, 붐축(AX1)을 중심으로 회전하는 붐(6)의 모델과, 암축(AX2)을 중심으로 회전하는 암(7)의 모델과, 버킷축(AX3), 틸트축(AX4), 및 로테이트축(AX5)을 중심으로 회전하는 버킷(8)의 모델을 포함한다.

예측 모델은, 이산(離散)의 상태 방정식 및 출력 방정식에 의해 표현된다. 유압 셔블(100)의 제어의 샘플링 타임 ΔT에서 이산화된 예측 모델의 상태 방정식을 (11)식에 나타낸다. 상태 방정식의 각각의 행렬을 (12)식 및 (13)식에 나타낸다. 예측 모델의 출력 방정식을 (14)식에 나타낸다

[수식 11]

[수식 12]

[수식 13]

[수식 14]

M∈R^5×5 및 Co∈R⁵의 각각은, 운동 방정식의 관성 행렬 및 코리올리력(Coriolis force)·중력의 벡터이다. C_tay∈R^2np는, 소정의 시각 t에 있어서 n·p를 각도 θ주위로 테일러 전개했을 때의 상수항(定數項)이다. n_p는, 고려하는 설계면의 수를 나타낸다. 예측 모델의 출력 방정식의 출력은, 각도 θ, 각속도(角速度; angular speed), 목표 병진 속도 v_target, 목표 회전 속도 ω_target, 및 날끝(9)과 설계면과의 거리 d 및 작동유의 유량 Q이다.

예측부(562)는, 예측 모델에 기초하여 최적화 연산을 행하여, 작업기(1)의 제어량의 예측값을 산출한다. 전술한 바와 같이, 본 실시형태에 있어서, 작업기(1)의 제어량은, 버킷(8)의 이동 속도 및 버킷(8)의 소정 부위의 위치의 한쪽 또는 양쪽을 포함한다. 버킷(8)의 소정 부위는, 날끝(9)을 포함한다. 또한, 작업기(1)의 제어량은, 붐(6)의 각속도, 암(7)의 각속도, 및 버킷(8)의 각속도를 포함한다. 버킷(8)의 각속도는, 버킷축(AX3)을 중심으로 하는 각속도, 틸트축(AX4)을 중심으로 하는 각속도, 및 로테이트축(AX5)을 중심으로 하는 각속도를 포함한다.

본 실시형태에 있어서, 예측부(562)는, 버킷(8)의 틸트 회전에 관한 제어량의 목표값과 예측 모델에 기초하여, 버킷(8)의 틸트 회전에 관한 제어량의 예측값을 산출하고, 예측값에 기초하여 작업기(1)를 제어한다. 전술한 바와 같이, 버킷(8)의 틸트 회전에 관한 제어량은, 버킷(8)의 틸트 각도 θ4, 틸트 속도, 및 틸트 가속도 중 하나 이상을 포함한다. 또한, 예측부(562)는, 선회체(2)의 제어량의 목표값과 예측 모델에 기초하여, 선회체(2)의 제어량의 예측값을 산출하고, 예측값에 기초하여, 목표로 하는 설계면에 버킷(8)이 소정의 자세로 추종하도록, 선회체(2)를 제어한다.

예측부(562)는, 현시점으로부터 여러 스텝 앞(several steps ahead)의 (14) 식의 좌측변의 값을 예측한다.

예측부(562)는, 버킷(8)의 이동 속도의 예측값, 각 축의 각속도의 예측값, 버킷(8)의 날끝(9)의 위치의 예측값, 및 작동유의 유량의 예측값 중 적어도 하나에 기초하여, 작업기(1)를 제어하는 구동량을 산출한다. 예측부(562)는, 제어량의 예측값이 목표값에 추종하도록, 구동량을 산출한다. 예측부(562)는, 선회체(2)의 선회 속도의 예측값에 기초하여, 선회체(2)를 제어하는 구동량을 산출한다.

본 실시형태에 있어서, 예측부(562)는, 버킷(8)의 이동 속도의 예측값, 각 축의 각속도의 예측값, 버킷(8)의 날끝(9)의 위치의 예측값, 작동유의 유량의 예측값, 및 선회체(2)의 선회 속도의 예측값과 설계면에 기초하여, 목표로 하는 설계면에 버킷(8)이 소정의 자세로 추종하도록, 구동량을 산출한다. 즉, 예측부(562)는, 버킷(8)이 설계면을 파들어가지 않고, 날끝(9)의 위치와 설계면의 위치가 일치하도록, 구동량을 산출한다.

예측부(562)는, 평가 함수가 최소로 되고, 또한, 각 제약 조건을 지키도록 작업기(1) 및 선회체(2)를 제어하는 구동량을 산출한다.

모델 예측 제어에 있어서는, (15)식에 나타낸 바와 같은 평가 함수가 일반적으로 사용된다.

[수식 15]

E_y(t)는, 출력의 목표값과 예측값과의 차, E_u(t)는, 입력의 목표값과 예측값과의 차, EΔ_u(t)는 입력의 변화량의 크기, E_c(t)는, 후술하는 제약 조건을 만족시키고 있지 않은 경우에 부과되는 패널티 함수이다. 본 실시형태에 있어서는, E_u(t)= 0, EΔ_u(t)= 0로 하고, 출력의 목표값에 대한 출력의 추종 오차를 평가 함수로서 사용한다. 평가 함수를 (16)식 및 (17)식에 나타낸다

[수식 16]

[수식 17]

r(t＋i|t)는, 시각 t에서의 시각 t＋i의 목표값, y(t＋i|t)는, 시각 t에 있어서 예측했을 때 각 t＋i에서의 플랜트 출력, H_p는, 어느 정도의 스텝 앞까지 예측할 것인지를 결정하는 예측 호라이즌, W는, 변수(變數)에 대하여 중량을 부여하는 대각(對角) 행렬이다.

제약 조건 산출부(57)는, 제약 조건을 산출한다. 제약 조건은, 유압 셔블(100)의 성능에 관한 제1 제약 조건, 및 버킷(8)의 위치에 관한 제2 제약 조건을 포함한다. 예측부(562)는, 제약 조건 산출부(57)에 의해 산출된 제약 조건을 만족시키도록, 구동량을 산출한다.

제어 대상인 유압 셔블(100)에 있어서, 작업기(1)의 각도 θ, 각속도(angular speed), 각가속도(angular acceleration)), 및 작동유의 유량에는 제약이 있다. 예를 들면, 작업기(1)가 가동(可動) 가능한 각도 θ에는 한계가 있다. 마찬가지로, 작업기(1)의 각속도 및 각가속도에는 한계가 있다. 또한, 유압 펌프(17)로부터 토출되는 작동유의 유량에는 한계가 있다. 이와 같이, 유압 셔블(100)에는, 하드웨어상의 제약이 있다. 그러므로, 모델 예측 제어에 있어서도, 유압 셔블(100)의 하드웨어상의 제약을 나타내는 제1 제약 조건을 고려할 필요가 있다. 제약 조건 산출부(57)는, 작업기(1)의 각도 θ, 각속도, 각가속도, 및 작동유의 유량을 포함하는 제1 제약 조건을 산출한다. 예측부(562)는, 제1 제약 조건을 만족시키도록, 구동량을 산출한다.

각도 θ, 각속도, 및 작동유의 유량에 대한 각각의 제약 조건을 (18)식으로 부터 (21)식에 나타낸다

[수식 18]

[수식 19]

[수식 20]

[수식 21]

각가속도의 제약 조건을 (22)식에 나타낸다

[수식 22]

본 실시형태에 있어서, 제약 조건 산출부(57)는, 각가속도의 제약 조건을 토크의 제약 조건으로 변환한다. 변환 후의 각가속도의 제약 조건을 (23)식에 나타낸다

[수식 23]

작업기(1)의 제어에 있어서, 버킷(8)이 설계면을 파들어 가지 않도록 할 필요가 있다. 즉, 버킷(8)의 위치에는, 설계면을 파들어 가지 않도록 한다는 제약이 있다. 그러므로, 모델 예측 제어에 있어서도, 버킷(8)의 위치의 제약을 나타내는 제2 제약 조건을 고려할 필요가 있다. 제약 조건 산출부(57)는, 설계면에 대한 버킷(8)의 위치를 포함하는 제2 제약 조건을 산출한다. 예측부(562)는, 제2 제약 조건을 만족시키도록, 구동량을 산출한다.

출력 d(t)는, 날끝(9)과 설계면과의 거리를 나타낸다. i번째의 설계면의 방정식은, 단위 법선 벡터 n_i에 의해 n·p＋di= 0으로 표현된다. 날끝(9)의 우측단 및 좌측단이 설계면을 파들어 가지 않도록 한다는 제약 조건을 (24)식 및 (25)식에 나타낸다

[수식 24]

[수식 25]

날끝(9)의 좌표는, 상태 변수 중의 각도 θ에 대하여 비선형(非線形)이다. 그러므로, (26)식 및 (27)식에 나타낸 바와 같이, 선형(線形) 근사(近似)를 행한다.

[수식 26]

[수식 27]

예측부(562)는, (18)식으로부터 (27)식에 나타낸 제약 조건을 만족시키도록, (16)식 및 (17)식에 나타낸 평가 함수를 사용하여, 모델 예측 제어에서의 최적화 연산을 행한다. 본 실시형태에 있어서의 최적화 문제를 (28)식에 나타낸다. 최적화 연산에는, 예를 들면, QP(2차 계획법)가 사용되지만, 그 외의 계산 방법이라도 된다.

[수식 28]

τ(t)는, 제어 플랜트의 제어 입력 토크이며, 최적화 연산의 솔루션이다. H_u는, 어느 정도의 스텝 앞까지의 입력을 최적화 문제로 취급할 것인지를 결정하는 제어 호라이즌이다.

예측부(562)는, 예측된 버킷(8)의 틸트 회전에 관한 제어량의 예측값 및 선회체(2)의 선회에 관한 제어량의 예측값에 기초하여, 버킷(8)의 날끝(9)과 설계면과의 거리 및 버킷(8)의 자세가 유지되도록, 선회체(2)의 선회 속도를 제어하는 제어 지령을 출력한다. 선회체(2)는, 운전자에 의한 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 선회한다. 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 선회하는 선회체(2)의 선회 속도가 과도하게 높을 때, 예측부(562)는, 선회체(2)의 선회 속도의 예측값에 기초하여, 선회체(2)의 선회 속도가 저하되도록, 밸브 장치(18)를 제어하기 위한 제한 지령을 출력한다. 전술한 바와 같이, 밸브 장치(18)는, 선회 모터(16)에 공급되는 작동유의 유량을 조정할 수 있다. 선회 모터(16)에 공급되는 작동유의 유량이 조정되는 것에 의해, 선회 모터(16)의 회전 속도 및 선회체(2)의 선회 속도가 조정된다. 예측부(562)로부터 밸브 장치(18)에 제한 지령이 출력됨으로써, 선회 모터(16)에 공급되는 작동유의 유량이 저감된다. 선회 모터(16)에 공급되는 작동유의 유량이 저감되는 것에 의해, 선회체(2)의 선회 속도가 저하된다.

도 9 및 도 10의 각각은, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 동작의 일례를 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 경사면을 포함하는 설계면(IS)이 설정된다. 유압 셔블(100)은, 틸트 회전 가능한 버킷(8)이 선회체(2)에 가까워지도록 작업기(1)를 작동시킴으로써, 시공 대상에 경사면을 형성할 수 있다. 시공 대상에 경사면을 형성할 때, 유압 셔블(100)의 운전자는, 버킷(8)이 설계면(IS)의 제1 위치 P1로부터 제1 위치 P1보다 선회체(2)에 가까운 제2 위치 P2로 이동하도록, 조작 장치(40)를 조작한다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 차폭 방향의 선회체(2)의 중심의 위치와 설계면(IS)의 중심의 위치가 상이한 경우, 버킷(8)이 설계면(IS)을 파들어 가지 않도록, 선회체(2)를 선회시키면서 작업기(1)를 작동시키는 경우가 있다. 도 9에 나타낸 예에 있어서는, 차폭 방향에 있어서 설계면(IS)의 중심이 선회체(2)의 중심보다 좌측에 배치되어 있다. 그러므로, 버킷(8)을 제1 위치 P1로부터 제2 위치 P2로 이동할 때, 버킷(8)의 날끝(9)을 설계면(IS)에 추종시키기 위해서는, 선회체(2)를 좌측 선회시키면서 작업기(1)를 작동시킬 필요가 있다.

선회체(2)는, 운전자에 의한 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 선회한다. 조작 장치(40)의 조작에 의해 선회체(2)가 선회할 때, 선회체(2)의 선회 속도가 높으면, 버킷(8)이 설계면을 파들어가버려, 시공 대상이 원하는 형상으로 시공되지 않을 가능성이 있다. 즉, 선회체(2)의 선회 속도가 높으면, 버킷(8)이 최고 속도로 틸트 회전해도, 날끝(9)의 자세의 변화에 따라 도 10에 나타낸 바와 같이, 한쪽의 날끝(9)이 오르는 것이 사이에 맞지 않아, 버킷(8)은 설계면을 파들어가버릴 가능성이 있다.

본 실시형태에 있어서, 예측부(562)는, 작업기(1) 및 선회체(2)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작 데이터에 기초하여, 버킷(8)의 틸트 속도의 예측값을 산출한다. 또한, 예측부(562)는, 작업기(1) 및 선회체(2)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작 데이터에 기초하여, 날끝(9)이 설계면(IS)에 추종하도록, 버킷(8)의 틸트 회전를 포함하는 작업기(1)의 동작을 제어하는 구동량을 산출한다.

지령부(58)는, 예측부(562)에 의해 산출된 구동량 기초하여, 작업기(1) 및 선회체(2)[밸브 장치(18)]를 제어하는 제어 지령을 출력한다.

지령부(58)는, 선회체(2)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작 데이터에 기초하여, 날끝(9)과 설계면(IS)와의 거리 및 버킷(8)의 자세가 유지되도록 산출된 버킷(8)의 틸트 속도의 예측값이, 미리 정해져 있는 규정값 이상일 때, 예측부(562)에 의해 산출된 선회체(2)의 구동량에 기초하여, 선회체(2)의 선회를 제어하는 제어 지령을 출력한다.

틸트 속도로 관계되는 규정값은, 틸트 속도의 최고 속도(최고값)라도 되고, 최고 속도보다 낮은 속도라도 된다. 틸트 속도의 최고 속도는, 버킷(8)이 틸트 회전 가능한 최고 속도이며, 예를 들면, 틸트 실린더(14)의 성능 또는 유압 펌프(17)의 성능 등에 기초하여 결정되는 기지(旣知) 데이터이다.

본 실시형태에 있어서는, 지령부(58)는, 선회체(2)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작 데이터에 기초하여, 날끝(9)이 설계면(IS)에 추종하도록 산출된 버킷(8)의 틸트 속도의 예측값이, 최고 속도를 넘으면, 선회체(2)의 선회 속도를 제한하도록, 예측부(562)에 의해 산출된 선회체(2)의 구동량에 기초하여, 선회체(2)의 선회 속도를 제어하는 제어 지령을 출력한다.

버킷(8)은, 틸트 속도의 최고 속도를 초과하여 틸트 회전할 수 없다. 버킷(8)의 틸트 속도의 예측값이 최고 속도를 초과하고 있음에도 불구하고, 선회체(2)가 조작 장치(40)의 조작에 기초하여 고속으로 계속 선회하면, 버킷(8)은, 설계면(IS)을 파들어가버릴 가능성이 있다. 예측부(562)는, 선회체(2)를 선회시키는 조작 장치(40)의 조작 데이터에 기초하여, 선회체(2)의 선회 속도의 예측값을 산출할 수 있다. 지령부(58)는, 선회체(2)의 선회 속도의 예측값에 기초하여, 버킷(8)의 날끝(9)이 설계면(IS)에 추종하도록 산출된 버킷(8)의 틸트 속도가 최고 속도를 넘을 때, 선회체(2)의 선회 속도가 제한되도록, 제어 지령을 출력한다. 즉, 지령부(58)는, 버킷(8)의 날끝(9)이 설계면(IS)에 추종하도록 산출된 버킷(8)의 틸트 속도가 최고 속도를 넘을 때, 버킷(8)이 설계면(IS)을 파들어 가지 않도록 산출된 선회 속도로 선회체(2)가 선회하도록, 제어 지령을 출력한다. 이로써, 버킷(8)이 설계면(IS)을 파들어가버리는 것이 억제된다.

[제어 방법]

도 11은, 본 실시형태에 관한 유압 셔블(100)의 제어 방법을 나타낸 플로우 차트이다. 본 실시형태에 있어서는, 도 9를 참조하여 설명한 바와 같은, 버킷(8)을 제1 위치 P1로부터 제2 위치 P2로 이동하는 작업이 실행될 때의 제어 방법에 대하여 설명한다.

설계면 취득부(54)는, 설계면 데이터를 취득한다(스텝 S1).

위치 데이터 취득부(51)는, 현재값으로서, 위치 연산 장치(20)로부터 선회체(2)의 위치 데이터를 취득한다. 또한, 각도 데이터 취득부(52)는, 현재값으로서, 각도 검출 장치(30)보다 작업기(1)의 각도 데이터 및 각속도 데이터를 취득한다(스텝 S2).

운전자는, 버킷(8)이 제1 위치 P1로부터 제2 위치 P2로 이동하도록 조작 장치(40)를 조작한다. 또한, 운전자는, 버킷(8)이 제1 위치 P1로부터 제2 위치 P2로 이동하고 있는 상태에서, 선회체(2)가 선회하도록 조작 장치(40)를 조작한다. 조작 데이터 취득부(53)는, 조작 장치(40)로부터 조작 데이터를 취득한다. 목표값 생성부(55)는, 적어도 조작 장치(40)의 조작 데이터에 기초하여, 작업기(1)의 제어량의 목표값 및 선회체(2)의 제어량의 목표값을 생성한다(스텝 S3).

작업기(1)의 제어량의 목표값은, 버킷(8)의 이동 속도의 목표값을 포함한다. 선회체(2)의 제어량의 목표값은, 선회체(2)의 선회 속도의 목표값을 포함한다. 버킷(8)의 이동 속도의 목표값은, 도 6을 참조하여 설명한 버킷(8)의 목표 병진 속도 v_target와 도 8을 참조하여 설명한 버킷(8)의 목표 회전 속도 ω_target를 포함한다. 목표값 생성부(55)는, 조작 장치(40)의 조작 데이터와, 조작 장치(40)가 조작됨으로써 변화하는 작업기(1)의 각도 θ를 나타내는 각도 데이터 및 단위 시간당의 각도 θ의 변화량을 나타내는 각속도 데이터와, 조작 장치(40)가 조작됨으로써 변화하는 선회체(2)의 위치 데이터와, 설계면 데이터에 기초하여, 버킷(8)의 목표 병진 속도 vtarget 및 목표 회전 속도 ω_target를 포함하는 목표값을 산출한다.

제약 조건 산출부(57)는, 조작 장치(40)의 조작 데이터와, 조작 장치(40)가 조작됨으로써 변화하는 작업기(1)의 각도 θ를 나타내는 각도 데이터 및 단위 시간당의 각도 θ의 변화량을 나타내는 각속도 데이터와, 설계면 데이터에 기초하여, 유압 셔블(100)의 성능에 관한 제1 제약 조건 및 버킷(8)의 위치에 관한 제2 제약 조건을 포함하는 제약 조건을 산출한다(스텝 S4).

예측부(562)는, 작업기(1)의 제어량의 목표값 및 선회체(2)의 제어량의 목표값과 예측 모델 기억부(561)에 기억되어 있는 예측 모델에 기초하여, 스텝 S4에서 산출된 제약 조건을 만족시키도록, 작업기(1)를 제어하기 위한 구동량 및 선회체(2)를 제어하기 위한 구동량을 산출한다(스텝 S5).

구동량으로서, 밸브 장치(18)의 밸브의 구동량이 예시된다. 구동량으로서, 작업기(1)의 토크가 산출되어도 된다.

예측부(562)는, 현시점으로부터, 예를 들면, 10스텝 앞까지의 작업기(1)의 구동량, 및 선회체(2)의 구동량을 산출한다.

예측부(562)는, 스텝 S5에서 산출한 구동량과 스텝 S2에서 취득된 현재값에 기초하여, 작업기(1)의 제어량의 예측값 및 선회체(2)의 제어량의 예측값을 산출한다(스텝 S6).

예측부(562)는, 현시점으로부터, 예를 들면, 10스텝 앞까지의 작업기(1)의 이동 속도의 예측값, 날끝(9)의 위치의 예측값, 및 선회체(2)의 선회 속도의 예측값을 산출한다.

예측부(562)는, 작업기(1) 및 선회체(2)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작 데이터에 기초하여, 버킷(8)의 날끝(9)이 설계면(IS)에 추종하도록 산출된 버킷 속도의 예측값이, 최고 속도를 초과하고 있는지의 여부를 판정한다(스텝 S7).

스텝 S7에서, 버킷 속도의 예측값이 최고 속도를 초과하고 있지 않은 것으로 판정된 경우(스텝 S7: No), 예측부(562)는, 제어량의 예측값이 목표값에 추종하도록 구동량을 재산출한다(스텝 S5).

예측부(562)는, 제어량의 목표값 및 현재값에 의해 규정되는 평가 함수가 최소로 되도록 구동량을 재산출한다. 예측부(562)는, 제1 제약 조건 및 제2 제약 조건을 만족시키도록 구동량을 재산출한다.

스텝 S7에서, 버킷 속도의 예측값이, 최고 속도를 넘고 있는 것으로 판정한 경우(스텝 S7: Yes), 예측부(562)는, 평가 함수가 최소인지의 여부를 판정한다(스텝 S8).

버킷(8)의 속도는, 작업기(1) 또는 선회체(2)의 각 축의 각속도나 각가속도라도 된다. 최고 속도는, 상한값으로 된다. 즉, 스텝 S7에서, 예측부(562)는, 각 축의 각가속도의 예측값이, 상한 각가속도를 초과하고 있는지의 여부를 판정해도 된다.

스텝 S8에서, 평가 함수가 최소가 아닌 것으로 판정한 경우(스텝 S8: No), 예측부(562)는, 제어량의 예측값이 목표값에 추종하도록 구동량을 재산출한다(스텝 S5).

예측부(562)는, 평가 함수가 최소로 될 때까지, 스텝 S5, 스텝 S6, 스텝 S7, 및 스텝 S8의 처리를 반복한다.

스텝 S8에서, 평가 함수가 최소인 것으로 판정되었을 경우(스텝 S8: Yes), 지령부(58)는, 평가 함수가 최소로 되도록 산출된 선회체(2)를 제어하는 구동량에 기초하여, 선회체(2)의 선회 속도를 제한하도록, 선회체(2)를 제어하는 제어 지령을 출력한다. 지령부(58)는, 예측부(562)에 의해 산출된 구동량에 기초하여 밸브가 구동하도록, 밸브 장치(18)에 제어 지령을 출력한다. 또한, 지령부(58)는, 스텝 S5에서 산출된 작업기(1)를 제어하는 구동량에 기초하여, 작업기(1)를 제어하는 제어 지령을 출력한다(스텝 S9).

전술한 바와 같이, 구동량은, 현시점으로부터, 예를 들면, 10스텝 앞까지 산출된다. 지령부(58)는, 10스텝 앞까지 산출된 구동량 중, 바로 옆의 1스텝째의 구동량을 제어 지령으로서 출력한다.

선회체(2)는, 지령부(58)로부터 출력된 제어 지령에 기초하여, 선회 속도가 제한되면서 선회한다. 이로써, 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 위치 P1로부터 제2 위치 P2로 이동하는 버킷(8)은, 설계면(IS)에 추종하도록 틸트 회전할 수 있다. 따라서, 버킷(8)은 설계면(IS)을 파들어가지 않기 때문에, 시공 대상은 원하는 형상으로 정지(整地; ground leveling)된다.

[효과]

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 작업기(1) 및 선회체(2)를 모델 예측 제어로 움직임으로써, 조작 장치(40)의 조작 데이터에 의해 규정되는 선회체(2)의 선회 속도가 과도하게 높은 경우, 제어 장치(50)는, 버킷(8)이 설계면(IS)에 추종할 수 있도록, 선회체(2)의 선회 속도가 제한되도록, 제어 지령을 출력할 수 있다. 따라서, 버킷(8)이 설계면(IS)을 파들어가버리는 것이 억제되어, 시공 대상은 원하는 형상으로 시공된다.

[컴퓨터 시스템]

도 11은, 본 실시형태에 관한 컴퓨터 시스템(1000)의 일례를 나타낸 블록도이다. 전술한 제어 장치(50)는, 컴퓨터 시스템(1000)을 포함한다. 컴퓨터 시스템(1000)은, CPU(CentralProcessingUnit)와 같은 프로세서(1001)와, ROM(Read Only Memory)과 같은 불휘발성 메모리 및 RAM(Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리를 포함하는 메인 메모리(1002)와, 스토리지(storage)(1003)와, 입출력 회로를 포함하는 인터페이스(1004)를 구비한다. 전술한 제어 장치(50)의 기능은, 프로그램으로서 스토리지(1003)에 기억되어 있다. 프로세서(1001)는, 프로그램을 스토리지(1003)로부터 판독하여 메인 메모리(1002)에 전개하고, 프로그램에 따라 전술한 처리를 실행한다. 그리고, 프로그램은, 네트워크를 통해 컴퓨터 시스템(1000)에 배신(配信; dilivery)되어도 된다.

컴퓨터 시스템(1000)은, 전술한 실시형태에 따라서, 작업기(1) 및 선회체(2)를 조작하는 조작 장치(40)의 조작 데이터를 취득하는 것과, 작업기(1) 및 선회체(2)가 조작되었을 때의 조작 데이터와 시공 대상의 목표 형상을 나타내는 설계면(IS)에 기초하여, 버킷(8)의 틸트 회전에 관한 제어량의 목표값 및 선회체의 제어량의 목표값을 생성하는 것과, 목표값과 유압 셔블(100)의 예측 모델에 기초하여, 버킷(8)의 틸트 회전에 관한 제어량의 예측값 및 선회체(2)의 선회에 관한 제어량의 예측값을 산출하는 것과 예측값과 설계면(IS)에 기초하여, 버킷(8)의 소정 부위와 설계면(IS)와의 거리 및 버킷(8)의 자세가 유지되도록, 작업기(1) 및 선회체(2)를 제어하는 구동량을 산출하는 것과 구동량에 기초하여, 작업기(1) 및 선회체(2)를 제어하는 제어 지령을 출력하는 것을 실행할 수 있다.

[그 외의 실시형태]

전술한 실시형태에 있어서, 목표값 생성부(55)는, 버킷(8)의 속도(병진 속도 및 회전 각속도)를, 모델 예측 제어부(56)의 목표값으로서 생성하는 것으로 했다. 목표값 생성부(55)는, 버킷(8)의 위치 및 자세를, 모델 예측 제어부(56)의 목표값으로서 생성해도 된다.

그리고, 전술한 실시형태에 있어서, 제어 장치(50)의 일부의 기능 또는 전부(全部)의 기능이, 유압 셔블(100)의 외부 컴퓨터 시스템에 설치되어도 된다. 예를 들면, 목표값 생성부(55) 및 모델 예측 제어부(56)가 외부 컴퓨터 시스템에 설치되고, 외부 컴퓨터 시스템에 있어서 산출된 구동량이 무선 통신 시스템을 통해 유압 셔블(100)에 송신되어도 된다.

그리고, 전술한 실시형태에 있어서는, 건설 기계(100)가 유압 셔블인 것으로 하였다. 전술한 실시형태에서 설명한 구성 요소는, 유압 셔블과는 다른, 작업기를 구비하는 건설 기계에 적용할 수 있다.

그리고, 전술한 실시형태에 있어서, 선회체(2)를 선회시키는 선회 모터(16)는, 유압 모터가 아니라도 된다. 선회 모터(16)는, 전력이 공급되는 것에 의해 구동하는 전동 모터라도 된다. 또한, 작업기(1)는, 유압 실린더(10)에 의하지 않고, 예를 들면, 전기 모터와 같은 전동 액추에이터가 발생하는 동력에 의해 작동해도 된다.

1: 작업기, 2: 선회체, 3: 주행체, 3C: 크롤러, 4: 운전실, 4 S: 시트, 5: 엔진, 6: 붐, 7: 암, 8: 버킷, 9: 날끝, 10: 유압 실린더, 11: 붐 실린더, 12: 암 실린더, 13: 버킷 실린더, 14: 틸트 실린더, 15: 로테이트 실린더, 16: 선회 모터, 17: 유압 펌프, 18: 밸브 장치, 20: 위치 연산 장치, 21: 위치 연산기, 22: 자세 연산기, 23: 방위 연산기, 30: 각도 검출 장치, 31: 붐 각도 검출기, 32: 암 각도 검출기, 33: 버킷 각도 검출기, 34: 틸트 각도 검출기, 35: 로테이트 각도 검출기, 40: 조작 장치, 41: 우측 조작 레버, 42: 좌측 조작 레버, 43: 틸트 조작 레버, 50: 제어 장치, 51: 위치 데이터 취득부, 52: 각도 데이터 취득부, 53: 조작 데이터 취득부, 54: 설계면 취득부, 55: 목표값 생성부, 56: 모델 예측 제어부, 57: 제약 조건 산출부, 58: 지령부, 60: 기억부, 70: 설계면 데이터 공급 장치, 100: 건설 기계, 200: 제어 시스템, 551: 목표 병진 속도 산출부, 551A: 병진 속도 산출부, 551B: 제한 속도 산출부, 551C: PI 제어부, 551D: 감속 처리부, 552: 목표 회전 속도 산출부, 552A: 현재 자세 산출부, 552B: 목표 자세 산출부, 552C: 회전 속도 산출부, 552D: P 제어부, 561: 예측 모델 기억부, 562: 예측부, AX1: 붐축, AX2: 암축, AX3: 버킷축, AX4: 틸트축, AX5: 로테이트축.

Claims

암(arm) 및 틸트 버킷(tilt bucket)을 포함하는 작업기와, 상기 작업기를 지지하는 선회체(旋回體)를 포함하는 건설 기계의 제어 시스템으로서,
시공(施工) 대상의 목표 형상을 나타내는 설계면을 취득하는 설계면 취득부;
상기 작업기 및 상기 선회체를 조작하는 조작 장치의 조작 데이터를 취득하는 조작 데이터 취득부;
상기 작업기 및 상기 선회체가 조작되었을 때의 상기 조작 데이터와 상기 설계면에 기초하여, 상기 틸트 버킷의 틸트 회전에 관한 제어량의 목표값 및 상기 선회체의 제어량의 목표값을 생성하는 목표값 생성부;
상기 목표값과 상기 건설 기계의 예측 모델에 기초하여, 상기 틸트 버킷의 틸트 회전에 관한 제어량의 예측값 및 상기 선회체의 선회에 관한 제어량의 예측값을 산출하고, 상기 예측값과 상기 설계면에 기초하여, 상기 틸트 버킷의 소정 부위와 상기 설계면과의 거리 및 상기 틸트 버킷의 자세가 유지되도록, 상기 작업기 및 상기 선회체를 제어하는 구동량을 산출하는 예측부; 및
상기 구동량에 기초하여, 상기 작업기 및 상기 선회체를 제어하는 제어 지령을 출력하는 지령부;
를 포함하는 건설 기계의 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 지령부는, 상기 조작 데이터에 기초하여 상기 틸트 버킷의 소정 부위와 상기 설계면과의 거리 및 상기 틸트 버킷의 자세가 유지되도록 산출된 상기 틸트 버킷의 틸트 회전에 관한 제어량의 예측값이 미리 정해져 있는 규정값 이상일 때, 상기 예측부에 의해 산출된 상기 선회체의 상기 구동량에 기초하여, 상기 선회체를 제어하는 상기 제어 지령을 출력하는, 건설 기계의 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 지령부는, 상기 조작 장치에 의해 상기 틸트 버킷이 제1 위치로부터 상기 제1 위치보다 상기 선회체에 가까운 제2 위치로 이동되고, 상기 선회체가 선회되는 상태에서, 상기 틸트 버킷의 틸트 회전에 관한 제어량의 예측값이 상기 규정값 이상일 때, 상기 선회체를 제어하는 상기 제어 지령을 출력하는, 건설 기계의 제어 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어량은, 상기 틸트 버킷의 이동 속도를 포함하는, 건설 기계의 제어 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예측부는, 상기 제어량의 예측값이 목표값에 추종하도록 상기 구동량을 산출하는, 건설 기계의 제어 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예측부는, 상기 제어량의 목표값 및 예측값에 의해 규정되는 평가 함수가 최소로 되도록 상기 구동량을 산출하는, 건설 기계의 제어 시스템.
제6항에 있어서,
상기 건설 기계의 성능에 관한 제1 제약 조건 및 상기 틸트 버킷의 위치에 관한 제2 제약 조건을 산출하는 제약 조건 산출부를 구비하고,
상기 예측부는, 상기 제1 제약 조건 및 상기 제2 제약 조건을 만족시키도록 상기 구동량을 산출하는, 건설 기계의 제어 시스템.
상기 작업기를 지지하는 선회체; 및
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 건설 기계의 제어 시스템;
을 포함하는, 건설 기계.
암 및 틸트 버킷을 포함하는 작업기와, 상기 작업기를 지지하는 선회체를 구비하는 건설 기계의 제어 방법으로서,
상기 작업기 및 상기 선회체를 조작하는 조작 장치의 조작 데이터를 취득하는 단계;
상기 작업기 및 상기 선회체가 조작되었을 때의 상기 조작 데이터와 시공 대상의 목표 형상을 나타내는 설계면에 기초하여, 상기 틸트 버킷의 틸트 회전에 관한 제어량의 목표값 및 상기 선회체의 제어량의 목표값을 생성하는 단계;
상기 목표값과 상기 건설 기계의 예측 모델에 기초하여, 상기 틸트 버킷의 틸트 회전에 관한 제어량의 예측값 및 상기 선회체의 선회에 관한 제어량의 예측값을 산출하는 단계;
상기 예측값과 상기 설계면에 기초하여, 상기 틸트 버킷의 소정 부위와 상기 설계면과의 거리 및 상기 틸트 버킷의 자세가 유지되도록, 상기 작업기 및 상기 선회체를 제어하는 구동량을 산출하는 단계; 및
상기 구동량에 기초하여, 상기 작업기 및 상기 선회체를 제어하는 제어 지령을 출력하는 단계;
를 포함하는, 건설 기계의 제어 방법.