KR20230056747A - 적재 작업 지원 시스템 - Google Patents

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KR20230056747A
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dump truck
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KR1020237010173A
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신지 이시하라
류 나리까와
아끼라 가나자와
Original Assignee
가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

적재 작업 지원 시스템은, 적재기의 제1 위치 산출기의 출력과 적재기의 작업 장치의 자세 검출기의 출력과 작업 장치의 동특성을 사용하여 유한 시간 구간의 작업 장치의 궤도를 예측하는 연산을 행하고, 반송기의 제2 위치 산출기의 출력을 기초로 설정한 금지 영역에 작업 장치가 침입하지 않는다고 판정한 경우, 예측 연산의 결과를 기초로 작업 장치의 선단부가 제2 위치 산출기의 출력을 기초로 설정한 목표 위치에 가까워지는 동특성의 제1 입력을 연산하고, 금지 영역에 작업 장치가 침입한다고 판정한 경우, 금지 영역 외의 목표 위치와는 다른 위치에서 작업 장치의 선단부의 위치보다 목표 위치에 가까운 위치를 목표로 하여 당해 선단부가 가까워지는 동특성의 제2 입력을 연산하고, 연산 결과의 제1 입력 및 제2 입력을 기초로 적재기의 동작을 제어하는 제어 입력을 연산한다.

Description

적재 작업 지원 시스템
본 발명은, 적재기가 반송기에 대하여 적하를 적재하는 적재 작업을 지원하는 적재 작업 지원 시스템에 관한 것이다.
유압 셔블 등의 건설 기계의 분야에서는, 근년, 건설 시공에 정보 통신 기술을 적용함으로써 다양한 정보를 효율적으로 활용하여 시공의 합리화를 도모하는 정보화 시공의 도입이 진행되고 있다. 예를 들어, 붐, 암 및 버킷 등의 복수의 피구동 부재를 연결한 다관절형의 작업 장치의 위치나 자세를 오퍼레이터에 표시하는 머신 가이던스나, 당해 작업 장치를 목표 시공면을 따라 움직이도록 제어하는 머신 컨트롤 등의 오퍼레이터의 조작을 지원하는 기능을 구비하는 경우가 있다.
머신 가이던스나 머신 컨트롤 등의 조작 지원을 행할 때에, 시공 현장에 있어서의 자차의 좌표를 이용하는 것을 3차원 정보화 시공(이하, 3D 정보화 시공이라고 칭함)이라고 한다. 3D 정보화 시공에 대응하는 건설 기계에서는, 자차의 위치를 취득하기 위해서, 위성 측위 시스템(Global Navigation Satellite System: GNSS)을 구비하고 있다. GNSS는, 복수의 위성으로부터의 측위 신호를 수신하여 자차의 3차원 위치(위도, 경도, 고도)를 측정하는 것이다. 유압 셔블과 같이 작업 장치를 구비하는 건설 기계에서는, 자차의 위치뿐만 아니라, 작업 장치가 향하고 있는 방향(방위)도 조작 지원에 필요하다. 그 때문에, 측위 신호를 수신하는 GNSS 안테나를 2개 탑재하고, 그것들이 수신한 측위 신호를 기초로 작업 장치의 방위를 특정하는 건설 기계가 공지이다.
유압 셔블에 있어서의 일반적인 정보화 시공에서는, 토사를 조굴삭한 후에, 머신 컨트롤을 이용하여 마무리 굴삭을 행한다. 조굴삭 시에는, 현장 내에서 불필요한 토사가 나오므로, 당해 토사를 덤프 트럭 등의 반송기에 적재하여 현장으로부터 반송할 필요가 있다. 유압 셔블의 버킷 내의 토사를 덤프 트럭의 짐받이에 싣는 「적입 작업(적재 작업)」은, 조굴삭 공정에 있어서 고빈도로 발생한다. 그 때문에, 적입 작업에 대한 조작 지원을 제공함으로써, 오퍼레이터의 작업 부하의 경감을 기대할 수 있다. 특히, 적입 작업에서는, 버킷을 덤프 트럭의 짐받이의 상방으로 이동시키는 과정에서 버킷이 덤프 트럭에 접촉할 우려가 있으므로, 자동 제어에 의해 접촉 회피의 동작을 실현할 수 있으면, 시공 현장의 안전성이 향상된다. 건설 시공 현장에서는, 덤프 트럭이 유압 셔블에 접근할 때에 포장로를 주행하는 경우가 없으므로, 덤프 트럭과 유압 셔블의 위치 관계가 적입 작업마다 다른 경우가 많다.
또한, 적입 작업은, 유압 셔블과 덤프 트럭 사이에서의 대표적인 작업이지만, 이 작업은 건설 기계에 한정된 것은 아니다. 예를 들어, 공장이나 창고에서 가동하는 작업 로봇이 포크리프트나 반송 대차에 짐을 실어 넣는 작업도 마찬가지로 적입 작업이라고 칭할 수 있다. 공장이나 창고에서의 작업의 경우, 실은 짐을 회수하는 작업도 필요해진다. 이 회수 작업 시에도, 작업 로봇이 반송 대차에 접촉하지 않고 안전하게 짐을 회수하는 것이 요구된다. 이러한 회수 작업 시의 접촉 회피의 기술은, 항만 작업에 있어서의 크레인에 의한 배(예를 들어, 탱커)로부터의 컨테이너의 적하나 반송 차량으로부터의 적하의 적하 경우에도 필요하다. 단, 공장이나 창고, 항만에 있어서의 작업에서는, 반송차에 대하여 전용 레인을 준비하거나, 복수의 환경 센서에 의해 그 움직임을 감시하거나 하고 있다. 이 때문에, 유압 셔블과 덤프 트럭과 같이 적입 작업 시마다 양자 간의 위치 관계가 크게 다르다고 하는 경우는 없다.
양자 간의 위치 관계의 재현성이 부족한 적입 작업에 대한 지원 기능으로서, 특허문헌 1에 기재된 기술이 공지이다. 특허문헌 1에 기재된 기술은, 건설 기계의 선회체가 선회하여 굴삭물을 덤프 트럭의 짐받이에 운반할 때의 프런트 작업 장치의 작업기(버킷)의 궤도를 수정하는 것이며, 유압 셔블 및 덤프 트럭의 양쪽의 위치 정보 등을 사용하여, 작업기의 속도 및 가속도로부터 예측되는 작업기의 궤도가 덤프 트럭의 영역과 교차하는지 여부를 판정하고, 작업기의 궤도가 교차한다고 판정한 경우에는 선회체의 선회 속도를 감소시키는 제어 및 프런트 작업 장치의 상승 속도를 증가시키는 제어의 적어도 한쪽을 행하는 것이다.
일본 특허 공개 제2018-24997호 공보
특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 건설 기계의 덤프 트럭에 대한 적입 작업을 선회 동작과 프런트 작업 장치의 동작의 복합 동작으로 실행하는 것을 전제로 하고 있다. 그러나, 건설 기계와 덤프 트럭의 위치 관계에 따라서는, 선회 동작을 수반하지 않고 적입 작업을 행하는 경우가 있다. 예를 들어, 건설 기계의 프런트 작업 장치의 바로 정면에 덤프 트럭이 위치하고 있는 경우이다. 이 경우, 특허문헌 1에 기재된 기술에 있어서는, 건설 기계의 작업기와 덤프 트럭의 접촉 회피의 지원 동작으로서 실행 가능한 것은 프런트 작업 장치의 상승 속도를 증가시키는 것만이고, 적입 작업의 동작 지원이 곤란한 경우가 있다.
본 발명은, 상기의 사항에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 적재기와 반송기의 양자의 위치 관계에 구애되지 않고 적재 작업을 확실하게 지원할 수 있는 적재 작업 지원 시스템을 제공하는 것이다.
본원은 상기 과제를 해결하는 수단을 복수 포함하고 있지만, 그 일례를 들면, 짐받이를 구비한 반송기에 대하여, 복수의 피구동 부재를 회동 가능하게 연결하여 구성된 다관절형의 작업 장치를 구비한 적재기가 적하를 적재하는 적재 작업을 지원하는 적재 작업 지원 시스템이며, 상기 적재기의 위치 및 방위를 산출하는 제1 위치 산출기와, 상기 작업 장치의 자세를 검출하는 자세 검출기와, 상기 반송기의 위치 및 방위를 산출하는 제2 위치 산출기와, 상기 적재기의 동작을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 작업 장치가 적재 작업에 의해 도달해야 할 위치인 목표 위치를 상기 제2 위치 산출기의 출력을 기초로 설정하고, 상기 작업 장치의 침입이 금지되는 영역인 금지 영역을 상기 제2 위치 산출기의 출력을 기초로 설정하고, 상기 제1 위치 산출기의 출력과 상기 자세 검출기의 출력과 상기 작업 장치의 동특성을 사용하여 유한한 예측 시간 구간에 있어서의 상기 작업 장치의 궤도를 예측하는 예측 연산을 행하고, 상기 작업 장치의 궤도 예측의 연산 결과를 기초로, 상기 작업 장치가 상기 예측 시간 구간에 있어서 상기 금지 영역 내에 침입하는지 여부를 판정하고, 상기 작업 장치가 상기 금지 영역 내에 침입하지 않는다고 판정한 경우에는, 상기 작업 장치의 궤도 예측의 연산 결과를 기초로, 상기 작업 장치의 선단부가 상기 예측 시간 구간에 있어서 상기 목표 위치를 향하여 가까워지는 상기 작업 장치의 동특성 입력인 제1 입력을 연산하고, 상기 작업 장치가 상기 금지 영역 내에 침입한다고 판정한 경우에는, 상기 금지 영역 외에 있어서의 상기 목표 위치와는 다른 위치이며 상기 작업 장치의 선단부 위치보다도 상기 목표 위치에 가까운 위치를 목표로 하여, 상기 작업 장치의 선단부가 상기 예측 시간 구간에 있어서 가까워지는 상기 작업 장치의 동특성 입력인 제2 입력을 연산하고, 연산 결과의 상기 작업 장치의 동특성의 제1 입력 및 제2 입력을 기초로, 상기 적재기의 동작을 제어하는 제어 입력을 연산하고, 연산 결과의 제어 입력을 기초로 상기 적재기의 제어를 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일례에 의하면, 적재기의 작업 장치의 동특성을 사용한 작업 장치의 궤도 예측의 연산 결과를 기초로 작업 장치의 선단부가 금지 영역에 침입하지 않는다고 하는 제약 조건 하에서 산출한 적재기의 제어 입력을 사용함으로써, 작업 장치의 선단부가 금지 영역을 회피하여 적재 작업의 목표 위치에 근접하도록 적재기의 동작을 제어할 수 있다. 따라서, 적재기와 반송기의 양자의 위치 관계에 구애되지 않고 적재 작업을 확실하게 지원할 수 있다.
상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시 형태의 설명에 의해 밝혀진다.
도 1은, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서의 지원 대상의 적재기의 일례인 유압 셔블을 도시하는 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서의 지원 대상의 반송기의 일례인 덤프 트럭의 외관을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 3은, 덤프 트럭에 대한 유압 셔블의 적입 작업에 있어서의 동작의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 4는, 덤프 트럭에 대한 유압 셔블의 적입 작업에 있어서의 동작의 다른 예를 도시하는 설명도이다.
도 5는, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 6은, 도 5에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7은, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 동특성 연산부에서 사용되는 프런트 작업 장치의 모델을 도시하는 설명도이다.
도 8은, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 목표 위치 설정부가 설정하는 목표 위치의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 9a는, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 금지 영역 설정부가 설정하는 금지 영역의 일례를 도시하는 도면(덤프 트럭의 측면측을 보는 도면)이다.
도 9b는, 도 9a에 도시하는 금지 영역을 덤프 트럭의 상방에서 내려다보았을 때의 도면이다.
도 10은, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 금지 영역 설정부가 설정하는 금지 영역의 제2 예를 도시하는 도면(덤프 트럭의 측면측을 보는 도면)이다.
도 11은, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 금지 영역 설정부가 설정하는 금지 영역의 제3 예를 도시하는 도면(덤프 트럭의 측면측을 보는 도면)이다.
도 12a는, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 회피 동작 제어 입력 연산부의 연산 방법을 설명하는 도면이고, 당해 연산의 제1 단계의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 12b는, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 회피 동작 제어 입력 연산부의 연산 방법을 설명하는 도면이고, 당해 연산의 제2 단계의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 12c는, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 회피 궤도 연산부의 연산 방법을 설명하는 도면이고, 당해 연산의 제1 단계의 다른 예를 도시하는 설명도이다.
도 12d는, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 회피 궤도 연산부의 연산 방법을 설명하는 도면이고, 당해 연산의 제2 단계의 다른 예를 도시하는 설명도이다.
도 13은, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서의 처리 수순의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 14a는, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서 모델 예측 제어의 연산의 틀을 사용하는 경우의 유압 셔블과 금지 영역의 위치 관계의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 14b는, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서 모델 예측 제어의 연산의 틀을 사용하는 경우의 페널티 함수를 설명하는 도면이다.
도 15는, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 변형예의 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 16은, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제2 실시 형태의 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 17은, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제3 실시 형태의 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 18은, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제3 실시 형태의 변형예의 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 19는, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 그 밖의 실시 형태의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
이하, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 실시 형태에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.
[제1 실시 형태]
먼저, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서의 지원 대상의 적재기측의 일례인 유압 셔블의 구성에 대하여 도 1을 사용하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서의 지원 대상의 적재기의 일례인 유압 셔블을 도시하는 사시도이다. 여기에서는, 운전석에 착좌한 오퍼레이터로부터 본 방향을 사용하여 설명한다.
도 1에 있어서, 유압 셔블(100)은, 반송기에 대하여 적하를 적재하는 적재기의 1종이고, 적하로서의 토사나 광석 등을 적재한다. 유압 셔블(100)은, 굴삭 작업이나 적재 작업 등을 행하는 프런트 작업 장치(101)와, 프런트 작업 장치(101)가 회동 가능하게 설치된 차체로 구성되어 있다. 차체는, 자주 가능한 하부 주행체(102)와, 하부 주행체(102) 상에 선회 가능하게 탑재된 상부 선회체(103)로 구성되어 있다.
프런트 작업 장치(101)는, 복수의 피구동 부재를 수직 방향으로 회동 가능하게 연결하여 구성된 다관절형이 것이다. 복수의 피구동 부재는, 예를 들어 붐(106), 암(107), 버킷(108)으로 구성되어 있다. 붐(106)의 기단부는, 상부 선회체(103)의 전방부에 수직 방향으로 회동 가능하게 지지되어 있다. 붐(106)의 선단부에는, 암(107)의 기단부가 회동 가능하게 지지되어 있다. 암(107)의 선단부에는, 버킷(108)이 회동 가능하게 지지되어 있다. 작업구로서의 버킷(108)은, 프런트 작업 장치(101)의 선단부에 배치되는 것이다. 붐(106), 암(107), 버킷(108)은 각각, 유압 액추에이터인 붐 실린더(110), 암 실린더(111), 버킷 실린더(112)에 의해 구동된다. 또한, 버킷(108)은, 버킷(108)과 연동하여 회동하는 링크 부재(113)를 통해 구동된다.
하부 주행체(102)는, 예를 들어 좌우로 크롤러식의 주행 장치(114)(일방 측만 도시)을 구비하고 있다. 주행 장치(114)는, 유압 액추에이터인 주행 유압 모터(114a)에 의해 구동한다.
상부 선회체(103)는, 예를 들어 유압 액추에이터인 선회 유압 모터(104)에 의해 하부 주행체(102)에 대하여 선회 구동되도록 구성되어 있다. 상부 선회체(103)는, 오퍼레이터가 탑승하는 운전실(116)과, 각종 기기를 수용하는 기계실(117)을 구비하고 있다.
운전실(116)에는, 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112, 114a)를 조작하기 위한 조작 장치(118a, 118b, 118c)가 마련되어 있다. 조작 장치(118a, 118b)는, 예를 들어 전후 좌우로 경도 가능한 조작 레버를 갖는 전기식의 조작 레버 장치이다. 전기식의 조작 레버 장치(118a, 118b)는, 조작 레버의 경도 방향 및 경도량, 즉 조작 방향 및 조작량을 전기적으로 검출하는 검출 장치(도시하지 않음)를 갖고 있고, 검출한 조작 방향 및 조작량에 따른 조작 신호를 후술하는 셔블 컨트롤러(10)(후술하는 도 5 참조)에 전기 배선을 통해 출력한다. 조작 레버 장치(118a, 118b)의 전후 방향의 조작 및 좌우 방향의 조작은 각각, 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112)의 조작으로서 할당되어 있다. 즉, 조작 레버 장치(118a, 118b)의 각 조작은, 프런트 작업 장치(101)의 조작이나 상부 선회체(103)의 선회 조작 등으로서 할당되어 있다. 조작 장치(118c)는, 전후로 경도 가능한 주행 레버 및 주행 페달을 갖는 전기식의 조작 장치이다. 조작 장치(118c)는, 유압 액추에이터(114a)의 조작, 즉, 좌우의 주행 장치(114)의 주행 조작으로서 할당되어 있다.
기계실(117)에는, 엔진이나 전동기 등의 원동기(121)나 원동기(121)에 의해 구동되는 유압 펌프 장치(122) 등이 배치되어 있다. 유압 펌프 장치(122)로부터 토출된 압유가 공급됨으로써 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112, 114a)가 구동한다. 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112, 114a)의 구동은, 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112, 114a)에 대응하는 제어 밸브의 집합체인 제어 밸브 유닛(123)에 의해 제어된다. 제어 밸브 유닛(123)을 구성하는 각 제어 밸브는, 대응하는 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112, 114a)에 대하여 유압 펌프 장치(122)로부터 공급되는 압유의 방향 및 유량을 제어하는 것이다. 각 제어 밸브의 구동은, 예를 들어 파일럿 펌프(도시하지 않음)로부터 전자 비례 밸브(도시하지 않음)를 통해 출력되는 파일럿압에 의해 제어된다. 각 전자 비례 밸브가 조작 장치(118a, 118b, 118c)로부터의 조작 신호를 기초로 셔블 컨트롤러(10)에 의해 제어됨으로써, 제어 밸브 유닛(123)의 각 제어 밸브를 통해 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112, 114a)의 동작이 제어된다.
또한, 조작 장치(118a, 118b, 118c)는, 전기식이 아닌, 유압식으로 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 각 조작 장치(118a, 118b, 118c)의 조작 방향 및 조작량에 따른 파일럿압을 제어 밸브 유닛(123)의 각 제어 밸브에 대하여 공급함으로써, 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112, 114a)를 구동시키도록 구성한다.
상부 선회체(103)에는, 관성 계측 장치(Inertial Measurement Unit: IMU)(125)가 설치되어 있다. 또한, 프런트 작업 장치(101)를 구성하는 붐(106), 암(107), 버킷(108)에도 각각, 관성 계측 장치(IMU)(126, 127, 128)가 설치되어 있다. 이들 4개의 관성 계측 장치를 구별하기 위해서, 상부 선회체(103)(차체)용의 관성 계측 장치(125)를 차체 IMU, 붐(106)용의 관성 계측 장치(126)를 붐 IMU, 암(107)용의 관성 계측 장치(127)를 암 IMU, 버킷(108)용의 관성 계측 장치(128)를 버킷 IMU라고 칭한다. 또한, 버킷 IMU(128)는, 버킷(108)이 아닌, 버킷(108)과 연동하여 회동하는 링크 부재(113)에 설치하는 것도 가능하다.
각 IMU(125, 126, 127, 128)는, 설치 부분(103, 106, 107, 108)에 발생하는 가속도 및 각속도를 검출함과 함께, 검출한 가속도 및 각속도에 기초하여 당해 설치 부분(103, 106, 107, 108)의 각도를 연산하는 것이다. 이들 4개의 IMU(125 내지 128)는, 차체(102, 103) 및 프런트 작업 장치(101)의 각 구성 부재(106, 107, 108)의 가속도 및 각속도를 검출함과 함께 검출 결과의 가속도 및 각속도에 기초하여 각도 연산을 행함으로써, 프런트 작업 장치(101)의 자세를 검출하는 자세 검출기로서 기능한다.
차체 IMU(125)는, 예를 들어 상부 선회체(103)가 정지 상태일 때, 차체 IMU(125)에 설정된 IMU 좌표계에 있어서 검출된 중력 가속도의 방향(연직 하향의 방향) 및 차체 IMU(125)의 설치 상태(차체 IMU(125)와 상부 선회체(103)의 상대적인 위치 관계)에 기초하여, 수평면에 대한 상부 선회체(103)의 전후 방향으로의 기울기(피치각) 및 좌우 방향(폭 방향)으로의 기울기(롤각)를 연산하는 것이 가능하다. 또한, 차체 IMU(125)는, 검출한 각속도를 시간적으로 적분함으로써 기준 시점으로부터의 각도 변화를 연산하는 것이 가능하다. 차체 IMU(125)는, 차체(102, 103)의 가속도 및 각속도의 검출 결과 및 차체(102, 103)의 각도 연산 결과를 셔블 컨트롤러(10)에 출력한다. 붐 IMU(126), 암 IMU(127), 버킷 IMU(128)의 경우도, 차체 IMU(125)와 마찬가지이다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 각 IMU(125, 126, 127, 128)가 각각 가속도 및 각속도의 검출 결과에 기초하여 당해 설치 부분의 각도 정보를 연산하는 각도 연산 기능을 실장하고 있는 것을 상정하고 있다. 그러나, 그것들의 IMU(125 내지 128)가 당해 각도 연산 기능을 내장하고 있지 않은 경우에는, 셔블 컨트롤러(10)가 당해 각도 연산 기능을 구비하도록 구성하면 된다.
붐 실린더(110)에는, 실린더 압력을 검출하는 압력 센서(129)가 설치되어 있다. 압력 센서(129)는, 프런트 작업 장치(101)의 부하를 검출하는 부하 검출기로서 기능하는 것이고, 검출 결과를 셔블 컨트롤러(10)에 출력한다. 압력 센서(129)에 의해 검출된 붐 실린더(110)의 압력과 IMU(125 내지 128)에 의해 취득된 프런트 작업 장치(101)의 자세 정보에 기초하여, 버킷(108)이 안는 토사의 중량을 산출하는 페이로드 연산이 가능하다. 또한, 암 실린더(111)나 버킷 실린더(112)에도, 압력 센서를 마련하는 구성이 가능하다. 당해 압력 센서는, 후술하는 적재 작업 지원 시스템(1)에 의한 유압 셔블(100)의 동작 제어에 이용할 수 있다.
상부 선회체(103)에는, 복수의 위성으로부터의 측위 신호를 수신 가능한 2개의 GNSS 안테나(131, 132)가 설치되어 있다. 각 GNSS 안테나(131, 132)가 수신한 측위 신호는, GNSS 수신기(133)(후술하는 도 5 참조)에 입력된다. GNSS 수신기(133)는, GNSS 안테나(131, 132)가 수신한 측위 신호를 기초로, 안테나 좌표(유압 셔블(100)의 특정 위치)의 연산이나 상부 선회체(103)의 방위 연산 등의 측위 연산을 행하는 것이다. GNSS 수신기(133)는, 측위 연산의 연산 결과인 유압 셔블(100)(상부 선회체(103))의 위치, 속도, 방위를 셔블 컨트롤러(10)에 출력한다. GNSS 안테나(131, 132)와 GNSS 수신기(133)는, 유압 셔블(100)에 대한 위성 측위를 행하는 측위 시스템을 구성하고 있다. GNSS 안테나(131, 132)는 위치를 검출하는 위치 검출기로서 기능하고, GNSS 수신기(133)는 유압 셔블(100) 자신의 위치 및 방위를 산출하는 자기 위치 산출기(제1 위치 산출기)로서 기능한다.
GNSS 수신기(133)는, 현장 내에 설치된 GNSS 고정국에 무선 통신을 통해 접속함으로써, RTK(Real Time Kinematic) 측위를 실행하는 것이 가능하다. GNSS 고정국이 없는 현장의 경우에는, 인터넷을 통해 전자 기준국의 정보를 취득하는 네트워크형 RTK를 이용한 측위를 실행하는 것이 가능하다. 이하, 현장 내의 고정국의 유무를 막론하고, GNSS 수신기(133)가 RTK 측위를 실행 가능한 것을 상정하고 있다.
이어서, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서의 지원 대상의 반송기측의 일례인 덤프 트럭의 구성에 대하여 도 2를 사용하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서의 지원 대상의 반송기의 일례인 덤프 트럭의 외관을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2에 있어서, 덤프 트럭(200)은, 적하를 반송하는 반송기의 1종이고, 토사나 광석 등을 적하로서 반송한다. 덤프 트럭(200)은, 자주 가능한 차체(201)와, 차체(201) 상에 틸팅 가능하게 탑재되어, 적하를 적재하는 짐받이(202)로 대략 구성되어 있다. 차체(201)는, 전후 방향(도 2 중, 좌우 방향)으로 연장되는 지지 구조체인 차체 프레임(204)과, 차체 프레임(204)의 전단부에 배치된 운전실(205)과, 차체 프레임(204)의 전후의 좌우 양측에 각각 회전 가능하게 마련된 차륜(206)을 구비하고 있다. 차체 프레임(204)과 짐받이(2)의 저부에 호이스트 실린더(203)가 설치되어 있다. 호이스트 실린더(203)는, 예를 들어 신축하는 유압 실린더이다. 짐받이(202)는, 호이스트 실린더(203)의 신축에 의해, 적하를 반송할 때의 반송 위치(이점쇄선으로 나타냄)와 짐받이(202)로부터 적하를 방토할 때의 방토 위치(실선으로 나타냄) 사이에서 차체 프레임(204)에 대하여 틸팅한다.
운전실(205)의 후방 또는 차체 프레임(204)에는, 엔진이나 트랜스미션 등의 파워 트레인(도시하지 않음)이 배치되어 있고, 당해 파워 트레인을 제어함으로써 차륜(206)의 움직임(주행 동작)이 제어된다. 운전실(205)에는, 액셀러레이터 페달이나 브레이크 페달(도시하지 않음)이 배치되어 있고, 액셀러레이터 페달이나 브레이크 페달의 조작에 따라서 차륜(206)의 회전 동작이 제어된다. 예를 들어, 브레이크 조작을 행하면, 차륜(206)에 설치된 브레이크 패드(도시하지 않음)가 차륜(206)에 압박됨으로써 덤프 트럭(200)의 전후진을 정지시키는 것이 가능하다. 파워 트레인이나 브레이크의 제어는, 후술하는 트럭 컨트롤러(20)(후술하는 도 5 참조)를 통해 실행된다.
운전실(205)에는, GNSS 안테나(211) 및 GNSS 수신기(212)가 설치되어 있다. 운전실(205)에는, 또한, 덤프 트럭(200)의 가속도 및 각속도를 검출 가능한 관성 계측 장치(213)(이하, 트럭 IMU라고 칭함)가 설치되어 있다. 도 2 중, GNSS 안테나(211)를 운전실(205)의 외부에 배치하는 구성을 도시하고 있지만, 소형 안테나를 운전실(205) 내에 배치하는 구성도 가능하다.
GNSS 안테나(211)는, 예를 들어 유압 셔블(100)의 경우와 마찬가지로, 2개의 안테나로 구성하는 것이 가능하다. 이 경우, GNSS 수신기(212)는, 2개의 GNSS 안테나(211)가 수신한 측위 신호를 기초로, 덤프 트럭(200)의 위치(좌표)의 연산에 추가하여, 덤프 트럭(200)의 방위 연산을 행하는 것이 가능하다. 한편, GNSS 안테나(211)가 1개의 안테나로 구성되어 있는 경우에는, GNSS 수신기(212)가 덤프 트럭(200)의 위치(좌표)만을 연산하고, 덤프 트럭(200)의 지금까지의 주행 궤적 및 트럭 IMU(213)에 의해 검출된 각속도를 기초로 트럭 컨트롤러(20)가 덤프 트럭(200)의 방위를 연산하도록 구성하는 것도 가능하다. 또한, GNSS 수신기(212)는, GNSS 안테나(211)에 의해 검출된 도플러 시프트를 기초로, 덤프 트럭(200)의 이동 속도를 연산하는 것도 가능하다.
GNSS 수신기(212)는, 측위 연산의 연산 결과인 덤프 트럭(200)의 위치나 방위, 이동 속도 등을 트럭 컨트롤러(20)에 출력한다. 트럭 IMU(213)는, 검출한 가속도나 각속도를 트럭 컨트롤러(20)에 출력한다. GNSS 안테나(211)는 위치를 검출하는 위치 검출기로서 기능하고, GNSS 수신기(212)는 덤프 트럭(200)의 위치 및 방위를 산출하는 자기 위치 산출기(제2 위치 산출기)로서 기능한다. 트럭 IMU(213)는, 덤프 트럭(200)의 자세를 검출하는 자세 검출기로서 기능한다.
이어서, 유압 셔블의 덤프 트럭에 대한 적재 작업에 있어서의 유압 셔블의 동작에 대하여 도 3 및 도 4를 사용하여 설명한다. 도 3은 덤프 트럭에 대한 유압 셔블의 적입 작업에 있어서의 동작의 일례를 도시하는 설명도이다. 도 4는 덤프 트럭에 대한 유압 셔블의 적입 작업에 있어서의 동작의 다른 예를 도시하는 설명도이다.
유압 셔블(100)의 덤프 트럭(200)에 대한 토사의 적재 작업은, 예를 들어 도 3에 도시하는 바와 같이, 유압 셔블(100)이 토사와 덤프 트럭(200) 사이에 위치하는 위치 관계인 경우, 상부 선회체(103)의 선회 동작과 프런트 작업 장치(101)의 동작을 조합한 복합 동작에 의해 행해진다. 한편, 도 4에 도시하는 바와 같이, 유압 셔블(100)의 바로 정면에 토사와 덤프 트럭(200)이 일직선 상으로 배열된 위치 관계인 경우에는, 당해 적재 작업은 프런트 작업 장치(101)의 동작만에 의해 행해진다.
유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 위치 관계가 도 3에 도시하는 경우나 도 4에 도시하는 경우에도, 덤프 트럭(200)에 대한 유압 셔블(100)의 적재 작업의 작업 지원을 실행할 수 있는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 위치 관계에 구애되지 않고 유압 셔블(100)의 프런트 작업 장치(101)와 덤프 트럭(200)의 접촉 회피의 지원 동작을 실행할 수 있는 적재 작업 지원 시스템(1)을 구축하는 것이다.
이어서, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 구성에 대하여 도 5를 사용하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
적재 작업 지원 시스템(1)은, 예를 들어 유압 셔블(100)(도 1 참조)의 동작을 제어하는 셔블 컨트롤러(10)와, 덤프 트럭(200)(도 2 참조)의 동작을 제어하는 트럭 컨트롤러(20)와, 관제 컨트롤러(30)를 구비하고 있다. 셔블 컨트롤러(10) 및 트럭 컨트롤러(20)는 각각 유압 셔블(100) 및 덤프 트럭(200)에 탑재되어 있다. 관제 컨트롤러(30)는, 예를 들어 컴퓨터(서버)에 의해 구성되어 있고, 유압 셔블(100) 및 덤프 트럭(200)의 가동 상황을 관리하는 것이다. 관제 컨트롤러(30)는, 시공 현장 내나 시공 현장으로부터 이격된 장소 등 임의의 장소에 설치 가능하다. 관제 컨트롤러(30)는, 유압 셔블(100)에 탑재해도 된다.
셔블 컨트롤러(10)는, 조작 장치(118a, 118b, 118c)(도 1 참조)의 조작 방향이나 조작량에 따라서 유압 펌프 장치(122)나 제어 밸브 유닛(123)(모두 도 1 참조)의 각 제어 밸브 등에 대한 제어 지령(틸팅각이나 전자 밸브 조작압 등)을 산출하여 각종 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112, 114a)(도 1 참조)의 거동을 제어하는 것이다. 셔블 컨트롤러(10)에는, 자기 위치 산출기로서의 GNSS 수신기(133)가 출력하는 유압 셔블의 위치 및 방위의 정보, 부하 검출기로서의 압력 센서(129)가 출력하는 실린더 압력, 그리고, 자세 검출기로서의 복수의 IMU(125 내지 128)가 출력하는 각도 및 각속도(자세 정보)가 입력된다.
트럭 컨트롤러(20)는, 액셀러레이터(207) 및 브레이크(208)의 동작을 제어함으로써, 덤프 트럭(200)의 이동을 제어하는 것이다. 트럭 컨트롤러(20)에는, 자기 위치 산출기로서의 GNSS 수신기(212)가 출력하는 덤프 트럭(200)의 위치 및 이용 가능한 경우에는 방위의 정보, 그리고, 자세 검출기로서의 IMU(213)가 출력하는 각속도의 정보가 입력된다.
셔블 컨트롤러(10), 트럭 컨트롤러(20), 관제 컨트롤러(30)는, 각각 통신 기능을 갖고 있고, 통신 네트워크를 통해 서로 접속 가능하다. 관제 컨트롤러(30)는, 당해 통신 기능에 의해, 셔블 컨트롤러(10) 및 트럭 컨트롤러(20)와 서로 상술한 각종 정보의 수수를 행한다. 또한, 관제 컨트롤러(30)는, 상술한 각종 센서(125 내지 129, 133, 212 내지 213)가 출력한 각종 정보를 셔블 컨트롤러(10) 및 트럭 컨트롤러(20)를 통하지 않고 직접 취득하는 구성도 가능하다(도 5 중, 이점쇄선의 라인을 참조). 이 경우, 각종 센서(125 내지 129, 133, 212 내지 213)는, 통신 기능을 미리 구비하고 있는 것을 채용해도 되고, 통신 기능을 구비하고 있지 않은 경우에는, 통신 유닛을 별도 추가하는 구성이어도 된다.
본 실시 형태에 있어서는, 셔블 컨트롤러(10), 트럭 컨트롤러(20) 및 관제 컨트롤러(30)의 3개의 컨트롤러의 집합체가 적재 작업 지원 시스템(1)의 제어 장치이고, 당해 제어 장치에 의해 실현되는 기능을 지원 시스템 관제부(40)라고 칭한다. 각 컨트롤러(10, 20, 30)는, 하드 구성으로서 예를 들어, RAM이나 ROM 등으로 이루어지는 기억 장치(10a, 20a, 30a)와, CPU 또는 MPU 등으로 이루어지는 처리 장치(10b, 20b, 30b)를 구비하고 있다. 기억 장치(10a, 20a, 30a)에는, 유압 셔블(100)의 덤프 트럭(200)에 대한 적재 작업을 지원하기 위하여 필요한 플러그 램이나 각종 정보가 미리 기억되어 있다. 처리 장치(10b, 20b, 30b)는, 기억 장치(10a, 20a, 30a)로부터 프로그램이나 각종 정보를 적절히 읽어들여, 당해 프로그램에 따라서 처리를 실행함으로써 이하의 지원 시스템 관제부(40)의 기능을 포함하는 각종 기능을 실현한다.
이어서, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 기능부의 구성에 대하여 도 6 내지 도 12를 사용하여 설명한다. 도 6은 도 5에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 6에 있어서, 적재 작업 지원 시스템(1)의 제어 장치로서의 지원 시스템 관제부(40)는, 개략하면, 유압 셔블(100)(도 1 참조)의 덤프 트럭(200)(도 2 참조)에 대한 적재 작업에 있어서, 유압 셔블(100)의 모델(동특성)을 사용하여 프런트 작업 장치(101)(도 1 참조)의 궤도를 예측하는 연산을 행하고, 예측 결과를 사용하여 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)과의 접촉을 회피하는 제약 조건 하에서 제어 입력을 연산하고, 연산 결과의 제어 입력에 기초하여 유압 셔블(100)의 제어를 행하는 것이다.
본 실시 형태의 지원 시스템 관제부(40)에서는, 예를 들어 하중 연산부(41), 동특성 연산부(42), 셔블 제어부(61)가 셔블 컨트롤러(10)에 실장되어 있다. 또한, 목표 위치 설정부(43), 금지 영역 설정부(44)가 트럭 컨트롤러(20)에 실장되어 있다. 또한, 제어 입력 연산부(50)가 관제 컨트롤러(30)에 실장되어 있다. 제어 입력 연산부(50)는, 예를 들어 궤도 예측부(51), 침입 판정부(52), 제1 제어 입력 연산부(53), 제2 제어 입력 연산부(54), 제어 입력 결정부(55)로 구성되어 있다. 상술한 각 기능부(41 내지 44, 51 내지 55, 61)의 각 컨트롤러(10, 20, 30)로의 배분은 일례이고, 동일한 기능을 실현할 수 있으면, 각 기능부(41 내지 44, 51 내지 55, 61)의 배분은 임의이다. 또한, 3개의 컨트롤러에 물리적인 접속이 없는 경우에는 각 컨트롤러에 통신 기능이 필요하게 되지만, 도면의 간이화를 위해 통신 기능을 생략하고 있다.
하중 연산부(41)는, 부하 검출기(129)의 출력 및 자세 검출기(125 내지 128)의 출력에 기초하여, 유압 셔블(100)의 버킷(108)이 건져져 보유 지지하고 있는 토사(적하)의 중량(하중)을 연산하는 것이다. 구체적으로는, 토사의 중량은, 압력 센서(129)에 의해 검출된 실린더 압력 및 각 IMU(125 내지 128)가 검출한 자세 정보를 기초로 산출한 프런트 작업 장치(101)의 유압 실린더(110)의 지지력과 프런트 작업 장치(101)에 작용하는 힘의 모멘트로부터 연산하는 것이 가능하다. 여기서, 하중 연산부(41)의 연산 결과인 토사의 중량을 mBK로 한다.
동특성 연산부에 대하여 도 7을 사용하여 설명한다. 도 7은 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 동특성 연산부에서 사용되는 프런트 작업 장치의 모델을 도시하는 설명도이다.
동특성 연산부(42)는, 하중 연산부(41)의 연산 결과의 토사의 중량을 고려한 유압 셔블(100)의 프런트 작업 장치(101)의 동특성(모델)을 산출한다. 프런트 작업 장치(101)의 동특성으로서, 예를 들어 운동 방정식을 채용하는 것이 가능하다. 버킷(108)이 빈 짐 상태일 때의 운동 방정식은, 프런트 작업 장치(101)의 각 피구동 부재(106, 107, 108)의 각 치수 및 프런트 작업 장치(101)의 관성 모멘트를 사전에 취득해 둠으로써 미리 도출해 둘 수 있다. 동특성 연산부(42)는, 버킷(108)이 빈 짐 상태인 경우에 도출한 운동 방정식의 파라미터를 하중 연산부(41)의 연산 결과의 토사 중량 mBK에 기초하여 조정하는 기능으로서 사용된다.
프런트 작업 장치(101)는, 예를 들어 도 7에 도시하는 바와 같이, 붐(106), 암(107), 버킷(108)을 각각 강체 Link계로 모의할 수 있다. 각 강체 링크의 링크 길이 LSWG, LBM, LAM, LBK 및 관성 모멘트 I를 이용하면, 오일러·라그랑주 방정식에 의해, 각 링크의 운동 방정식을 이하의 식 (1)로 표현할 수 있다.
Figure pct00001
또한, 식 (1) 중, θ, ω, τ는 각각, 각 링크의 회전 각도, 각속도, 각 링크의 회동 축에 가해지는 구동 토크를 나타내고 있다. 또한, 식 (1) 및 도 7 중, 아래 첨자 문자의 BM, AM, BK, SWG는 각각, 붐(106), 암(107), 버킷(108), 상부 선회체(103)를 도시하고 있다.
각 링크의 회동 축의 회동 동작은, 프런트 작업 장치(101)의 각 유압 실린더(110 내지 112)의 신축 동작 또는 선회 유압 모터(104)의 회동 동작에 의해 실현된다. 그 때문에, 구동 토크 τ는, 이하의 식 (2)와 같은 유압 액추에이터(110 내지 112, 104)에 작용하는 압유의 압력 p에 따른 변환식이 필요하다. 또한, 식 (1) 및 식 (2)의 상세한 설명은, 본 발명의 본질적인 것은 아니므로, 생략한다.
Figure pct00002
상술한 식 (1)에 있어서의 버킷(108)의 관성 모멘트 IBK는 하중 연산부(41)에 의해 산출된 토사(적하)의 중량(하중) mBK에 따라서 변화하고, 상부 선회체(103)의 관성 모멘트 ISWG는 프런트 작업 장치(101)의 자세에 따라서 변화한다. 이와 같이, 유압 셔블(100)의 동작은 엄밀하게는 관성 모멘트 I에 의존하므로, 식 (1)의 운동 방정식(동특성)은 관성 모멘트 I에 의존하는 것이다. 따라서, 프런트 작업 장치(101)의 거동을 정확하게 예측하기 위해서는, 관성 모멘트 I를 고려한 동특성을 사용할 필요가 있다.
목표 위치 설정부에 대하여 도 8을 사용하여 설명한다. 도 8은 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 목표 위치 설정부(43)가 설정하는 목표 위치의 일례를 도시하는 설명도이다.
목표 위치 설정부(43)는, 자기 위치 산출기(212)가 출력하는 덤프 트럭(200)의 위치 및 방위의 정보를 기초로, 프런트 작업 장치(101)의 버킷(108)이 적재 작업에 의해 도달해야 할 위치로서의 목표 위치를 설정하는 것이다. 구체적으로는, 목표 위치는, 덤프 트럭(200)의 짐받이(202)의 상방에 설정된다. 덤프 트럭(200)의 사이즈가 유압 셔블(100)에 대하여 작지 않은 한, 유압 셔블(100)의 적재 작업은, 덤프 트럭(200)이 토사(적하)를 반송할 때까지 복수회 실행되는 것이 일반적이다. 이러한 경우, 설정되는 목표 위치는 적입 횟수에 따라서 적절히 변경하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 적입 작업이 3회 필요한 사이즈의 덤프 트럭인 경우, 도 8에 도시하는 바와 같이, 짐받이(202)에 대하여 다른 3군데의 위치에 목표 위치를 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 적입 작업에 있어서의 1회째의 목표 위치 Pt1을 짐받이(202)의 전방측에, 2회째의 목표 위치 Pt2를 짐받이(202)의 중앙측에, 3회째의 목표 위치 Pt3을 짐받이(202)의 후방측에 설정한다.
금지 영역 설정부(44)에 대하여 도 9 내지 도 11을 사용하여 설명한다. 도 9a는 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 금지 영역 설정부가 설정하는 금지 영역의 일례를 도시하는 도면(덤프 트럭의 측면측을 보는 도면)이다. 도 9b는 도 9a에 도시하는 금지 영역을 덤프 트럭의 상방에서 내려다보았을 때의 도면이다. 도 10은 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 금지 영역 설정부가 설정하는 금지 영역의 제2 예를 도시하는 도면(덤프 트럭의 측면측을 보는 도면)이다. 도 11은 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 금지 영역 설정부가 설정하는 금지 영역의 제3 예를 도시하는 도면(덤프 트럭의 측면측을 보는 도면)이다.
금지 영역 설정부(44)는, 자기 위치 산출기(212)가 출력하는 덤프 트럭(200)의 위치 및 방위의 정보를 기초로, 프런트 작업 장치(101)의 침입을 금지하는 금지 영역을 설정하는 것이다. 금지 영역은, 예를 들어 도 9a 및 도 9b에 도시하는 바와 같이, 덤프 트럭(200)을 둘러싸도록 설정된다. 금지 영역이 덤프 트럭(200)을 둘러싸도록 설정됨으로써, 유압 셔블(100)의 덤프 트럭(200)에 대한 접촉 회피의 지원 동작의 제어가 실행 가능하게 된다.
금지 영역은, 예를 들어 도 10에 도시하는 바와 같이, 덤프 트럭(200)의 운전실(205)의 주위를 도 9a 및 도 9b에 도시하는 금지 영역보다도 넓게 하는 것이 가능하다. 이에 의해, 덤프 트럭(200)의 오퍼레이터에 불안을 주는 프런트 작업 장치(101)의 경로가 선택되는 것을 회피하는 것이 가능하게 된다.
또한, 금지 영역은, 덤프 트럭(200)이 이동하고 있는 경우, 정지 시에 비하여 넓게 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 덤프 트럭(200)이 소정 위치를 향하여 후진으로 접근하는 경우, 도 11에 도시하는 바와 같이, 금지 영역을 덤프 트럭의 후방에서 넓게 설정한다. 이에 의해, 덤프 트럭(200)이 유압 셔블(100)에 접근해 오는 경우에도, 안전성을 높일 수 있다.
또한, 덤프 트럭(200)의 이동 속도의 검출은, 자기 위치 산출기로서의 GNSS 수신기(212)의 출력이 고정밀도이므로, GNSS 수신기(212)의 이용을 전제로 하고 있다. 그러나, 덤프 트럭(200)의 이동 속도를 검출하는 검출기로서, 덤프 트럭(200)에 탑재되어 있는 차속 센서로 대용할 수도 있다.
제어 입력 연산부(50)는, 유압 셔블(100)의 모델(동특성)을 사용하여 유한한 시간 구간에 있어서의 프런트 작업 장치(101)의 궤도를 예측하는 연산을 행하고, 궤도 예측의 연산 결과를 기초로, 프런트 작업 장치(101)의 선단부가 상술한 금지 영역에 침입하지 않는다고 하는 제약 조건 하에서 상술한 적재 작업의 목표 위치에 가까워지는 동특성의 입력(유압 셔블(100)에 대한 제어 입력)을 연산하는 것이다. 구체적으로는, 제어 입력 연산부(50)는, 예를 들어 프런트 작업 장치(101)의 궤도를 예측하는 연산을 행하는 궤도 예측부(51)와, 궤도 예측의 연산 결과가 상술한 금지 영역에 침입할지를 판정하는 침입 판정부(52)와, 궤도 예측의 연산 결과가 금지 영역에 침입하지 않는다고 판정된 경우에 어떤 조건 하의 동특성 입력(제어 입력)을 연산하는 제1 제어 입력 연산부(53)와, 궤도 예측의 연산 결과가 금지 영역에 침입한다고 판정된 경우에 제1 제어 입력 연산부(53)의 연산과는 다른 조건 하의 동특성 입력(제어 입력)을 연산하는 제2 제어 입력 연산부(54)와, 제1 제어 입력 연산부(53)의 연산 결과와 제2 제어 입력 연산부(54)의 연산 결과를 기초로 유압 셔블(100)의 제어 입력을 결정하는 제어 입력 결정부(55)로 구성되어 있다.
궤도 예측부(51)는, 동특성 연산부(42)에 의해 산출된 운동 방정식(관성 모멘트가 결정되어 있는 모델)을 사용하여, 특정한 구동 토크를 입력했을 때의 프런트 작업 장치(101)의 궤도를 유한한 시간 구간에 있어서 예측하는 것이다. 구체적으로는, 동특성(모델)을 기초로 한 이하의 식 (3)을 따라서 어떤 유한한 예측 시간 구간(시각 t0으로부터 시각 tp까지의 구간)의 적분 연산을 행함으로써 프런트 작업 장치의 궤도를 예측한다. 식 (3)에 있어서, up는 제어 입력이고, x0은 xp의 초깃값이다.
Figure pct00003
초깃값 x0으로서는, 자세 검출기(125 내지 128)로부터 검출된 프런트 작업 장치(101)의 각도 θ(BM, AM, BK), 각속도 ω(BM, AM, BK), 선회 각속도 ωSWG 및 자기 위치 산출기(133)에 의해 검출된 선회 각도 θSWG(방위)를 사용한다. 이들 정보는 셔블 컨트롤러(10)를 통해 이용 가능하다. 제어 입력 up는, 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112)에 대한 구동 토크 τp를 통합한 것이다. 이 제어 입력 up(각 구동 토크 τp)의 결정 방법은 후술한다. 또한, 식 (3)은 연속 시간 시스템의 표기이지만, 이산 시간 시스템의 표기여도 된다. 식 (3)의 출력 xp나 제어 입력 up는, 예측 시간 구간(시각 t0 내지 tp)을 복수로 구분하는 각 시각(예측 스텝)마다 정해지는 것이다.
침입 판정부(52)는, 궤도 예측부(51)에 의한 프런트 작업 장치(101)의 궤도 예측의 연산 결과가 금지 영역 설정부(44)에 의해 설정된 금지 영역에 침입하는지 여부를 판정하는 것이다. 또한, 침입 판정부(52)는, 궤도 예측부(51)의 예측 연산과 마찬가지로, 덤프 트럭(200)의 이동(위치 정보)을 예측하는 예측 연산 기능을 구비하는 구성도 가능하다.
제1 제어 입력 연산부(53)는, 궤도 예측부(51)에 의한 프런트 작업 장치(101)의 궤도 예측 중, 버킷(108)의 클로 앞 위치(프런트 작업 장치(101)의 선단부)의 궤도에 주목하여 제어 입력을 연산하는 것이다. 즉, 당해 클로 끝 위치가 예측 시간 구간(시각 t0 내지 tp)의 경과 후에 목표 위치 설정부(43)에 의해 설정된 목표 위치 yd에 접근하는 구동 토크 τ를 연산한다. 구체적으로는, 프런트 작업 장치(101)의 궤도로부터 버킷(108)의 클로 끝 위치 y(프런트 작업 장치(101)의 선단부 위치)로의 변환식인 이하의 식 (4)와 프런트 작업 장치(101)의 궤도를 연산하기 위한 이하의 식 (5)에 따라, 클로 끝 위치 y가 목표 위치 yd가 되는 xd를 실현하는 제어 입력 ud를 연산한다. 제어 입력 ud는, 유압 셔블(100)의 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112)에 대한 이상적인 구동 토크 τd를 통합한 것이다.
Figure pct00004
Figure pct00005
또한, 목표 위치 yd는, 덤프 트럭(200)의 위치에 따라서 변화한다. 이 때문에, 목표 위치 yd는, 덤프 트럭(200)의 위치 xtr에 의존하는 좌표 변환의 이하의 식 (6)에 의해 산출되는 것에 주의하길 바란다.
Figure pct00006
제2 제어 입력 연산부(54)는, 프런트 작업 장치(101)의 궤도 중 버킷(108)의 클로 끝 위치가 예측 시간 구간(시각 t0 내지 tp)에 있어서 금지 영역 설정부(44)에 의해 설정된 금지 영역에 침입하는 것을 회피하는 제어 입력 ua를 연산하는 것이다. 제어 입력 ua의 연산 방법은, 제1 제어 입력 연산부(53)의 제어 입력 ud의 연산 방법과 유사한 것이고, 상술한 식 (4) 및 식 (5)를 사용한다. 단, 프런트 작업 장치(101)의 궤도는, 버킷(108)의 적재 작업의 목표 위치 yd를 기초로 연산되는 것은 아니고, 금지 영역 외의 목표 위치 yd와는 다른 위치를 기초로 연산된다.
이어서, 제어 입력 연산부(50)의 구체적인 연산의 흐름에 대하여 도 12a 내지 도 12d를 사용하여 설명한다. 도 12a 내지 도 12d는, 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 일부를 구성하는 제어 입력 연산부의 연산 방법을 설명하는 도면이고, 당해 연산의 제1 단계 내지 제4 단계의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 12a는, 버킷(108)의 클로 끝 위치를 목표 위치 yd에 도달시키기 위한 궤도 예측의 연산 결과(파선)가 나타나 있다. 이 궤도 예측의 연산 결과는, 금지 영역 설정부(44)에 의해 설정된 금지 영역에 침입하고 있다. 궤도 예측의 연산 결과가 금지 영역에 침입한 최초의 좌표를 좌표 ya1로 한다.
이 경우, 제2 제어 입력 연산부(54)는, 도 12b에 도시하는 바와 같이, 금지 영역으로의 침입 위치인 좌표 ya1을 참조하고, 금지 영역 외이며 클로 끝 위치보다도 방토(적재 작업)의 목표 위치 yd에 근접하는 새로운 좌표 ya2를 설정한다. 방토의 목표 위치 yd로부터 이 좌표 ya2에 클로 끝 위치의 목표를 치환함으로써, 당해 클로 끝 위치가 예측 시간 구간(시각 t0 내지 tp) 후에 좌표 ya2에 접근하는 제어 입력 ua를 연산할 수 있다. 이에 의해, 버킷(108)의 클로 끝 위치가 방토 위치로서의 목표 위치 yd에는 도달하지 않지만, 금지 영역으로의 침입을 회피하면서 당해 클로 끝 위치가 목표 위치 yd에 접근하는 제어를 실현할 수 있다.
다음의 제어 주기 시에도, 도 12c에 도시하는 바와 같이, 도 12a에 도시하는 경우와 마찬가지로, 버킷(108)의 클로 끝 위치를 목표 위치 yd에 도달시키기 위한 궤도 예측의 연산을 행한다. 궤도 예측의 연산 결과가 금지 영역에 침입하고 있는 경우, 제2 제어 입력 연산부(54)는, 금지 영역에 침입한 좌표 ya1을 산출한다. 이어서, 도 12d에 도시하는 바와 같이, 도 12b에 도시하는 경우와 마찬가지로, 좌표 ya1을 참조하여 금지 영역 외이며 당해 클로 끝 위치보다도 방토의 목표 위치 yd에 근접하는 새로운 좌표 ya2를 산출한다.
이와 같이, 버킷(108)의 클로 끝 위치를 목표 위치 yd에 도달시키기 위한 궤도 예측의 연산 결과가 금지 영역에 침입하는 경우에는, 제2 제어 입력 연산부(54)가 금지 영역에 침입한 좌표 ya1 근방의 새로운 좌표 ya2를 목표로 하여 궤도 예측의 연산을 반복함으로써, 버킷(108)의 클로 끝 위치를 금지 영역에 침입시키지 않고 방토의 목표 위치 yd에 맞출 수 있다.
또한, 제2 제어 입력 연산부(54)는, 프런트 작업 장치(101)의 클로 끝 이외의 임의의 부위의 궤도를 고려하는 구성도 가능하다. 단, 프런트 작업 장치(101)의 복수 위치의 금지 영역으로의 침입을 고려하면, 제2 제어 입력 연산부(54)의 연산 부하가 방대해져 버릴 우려가 있다. 그래서, 금지 영역 설정부(44)가 금지 영역을 넓히는 것으로 설정함으로써, 버킷(108)의 클로 끝 위치만이 금지 영역에 침입하지 않도록 제어하는 구성도 가능하다.
제어 입력 결정부(55)는, 예측 시간 구간(시각 t0 내지 tp)을 복수로 구분하는 각 시각(예측 스텝)에 있어서의 제1 제어 입력 연산부(53)의 연산 결과인 제어 입력 ud 또는 제2 제어 입력 연산부(54)의 연산 결과인 제어 입력 ua에 기초하여, 예측 시간 구간(시각 t0 내지 tp)의 전 구간에 걸친 제어 입력 uf를 결정한다. 제어 입력 결정부(55)는, 각 예측 스텝에서 연산한 제어 입력을 축차 기억해 두고, 기억하고 있는 일련의 제어 입력을 궤도 예측부(51)의 궤도 예측의 연산용으로 궤도 예측부(51)에 출력한다. 제어 입력 uf는, 제1 제어 입력 연산부(53)의 연산 결과 및 제2 제어 입력 연산부(54)의 연산 결과에 의해 구성되는 것이므로, 버킷(108)의 클로 끝이 금지 영역에 침입하지 않는 범위에서 목표 위치에 근접하는 제어 입력이 된다. 제어 입력 uf는, 프런트 작업 장치(101)의 각 링크에 가해지는 구동 토크 τf이다. 제어 입력 결정부(55)는, 결정한 구동 토크 τf를 셔블 제어부(61)(셔블 컨트롤러(10))에 송신한다.
셔블 제어부(61)는, 제어 입력 결정부(55)로부터 송신된 제어 입력 uf(구동 토크 τf)를 실현하는 지령값을 산출한다. 구체적으로는, 유압 셔블(100)의 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112)의 구동 토크 τf를 상술한 식 (2)의 관계식을 따라서 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112)의 압력 p로 변환한다. 셔블 제어부(61)는, 각 유압 액추에이터(104, 110, 111, 112)의 압력이 지령값이 되도록, 유압 펌프 장치(122) 및 제어 밸브 유닛(123)의 각 제어 밸브를 제어함으로써, 상술한 구동 토크 τf를 실현한다.
또한, 지원 시스템 관제부(40)의 기능부를 도시하는 도 6의 블록도는, 이해의 용이함을 우선한 것으로 되어 있다. 그러나, 실제로는, 지원 시스템 관제부(40)의 제어 입력 연산부(50)의 연산은, 반복 계산이 실행되는 구성으로 되어 있다. 즉, 제어 입력 연산부(50)는, 어떤 유한한 예측 시간 구간의 궤도 예측을 사용하여 당해 예측 시간 구간 중의 복수의 시각의 각 시각(예측 스텝)에 대한 제어 입력을 반복하여 계산에 의해 결정하는 것이다.
여기에서는, 제어 입력 연산부(50)의 연산 수순의 상세에 대하여 도 13을 사용하여 설명한다. 도 13은 도 6에 도시하는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서의 처리 수순의 일례를 도시하는 흐름도이다. 도 13에 도시하는 흐름도는 제어 주기의 1회분의 연산을 나타내는 것이고, 도 13에 도시하는 연산은 시스템 가동 중 쭉 반복되는 것에 주의하길 바란다.
먼저, 도 6에 도시하는 지원 시스템 관제부(40)는, 각종 센서로부터 각종 정보를 취득한다(스텝 S10). 구체적으로는, 유압 셔블(100)의 자세 검출기(125 내지 128)로부터 유압 셔블(100)의 자세 정보, 자기 위치 산출기(133)로부터 유압 셔블(100)의 위치 및 방위의 정보, 부하 검출기(129)로부터 프런트 작업 장치(101)의 부하 정보를 취득한다. 또한, 덤프 트럭(200)의 자기 위치 산출기(212)로부터 덤프 트럭(200)의 위치 및 방위의 정보를 취득한다.
다음에, 지원 시스템 관제부(40)는, 각종 센서의 출력에 기초하여 동특성(운동 방정식)을 결정한다(스텝 S20). 구체적으로는, 동특성 연산부(42)가 프론트 작업 장치(101)의 자세 및 하중 연산부(41)가 연산된 버킷(108) 내의 토사의 중량 mBK에 기초하여, 프론트 작업 장치(101)의 관성 모멘트 I를 연산하여 상술한 식 (1)의 운동 방정식을 결정한다.
또한, 지원 시스템 관제부(40)는, 버킷(108)의 클로 끝의 적재 작업의 최종적인 도달점(방토 위치)인 목표 위치를 설정한다(스텝 S30). 구체적으로는, 목표 위치 설정부(43)가, 자기 위치 산출기(212)로부터의 덤프 트럭(200)의 위치 xtr에 기초하여 방토의 목표 위치를 설정한다(예를 들어, 도 8 참조).
또한, 지원 시스템 관제부(40)는, 프론트 작업 장치(101)의 침입이 금지되는 영역인 금지 영역을 설정한다(스텝 S40). 구체적으로는, 금지 영역 설정부(44)가, 자기 위치 산출기(212)로부터의 덤프 트럭(200)의 위치 xtr에 기초하여 덤프 트럭(200)의 주위를 둘러싸는 금지 영역을 설정한다(예를 들어, 도 9a 내지 도 11 참조). 또한, 스텝 S20 내지 S40의 처리에 대해서는 순서를 불문한다.
다음에, 지원 시스템 관제부(40)는, 후술하는 스텝 S60에서 실행되는 궤도 예측의 연산의 초기 입력을 설정한다(스텝 S50). 구체적으로는, 궤도 예측부(51)가, 스텝 S20에서 결정된 운동 방정식의 초기 입력으로서, 각종 센서로부터 취득한 각종 정보를 기초로 정해지는 프론트 작업 장치(101)의 초기 상태 x0을 설정한다. 또한, 궤도 예측부(51)는, 스텝 S20에서 결정된 운동 방정식의 제어 입력 up의 초기 입력으로서, 임의의 제어 입력 u0을 설정한다.
이어서, 지원 시스템 관제부(40)는, 유한 예측 시간 구간에 있어서의 프론트 작업 장치(101)의 궤도를 예측하는 연산을 행한다(스텝 S60). 구체적으로는, 궤도 예측부(51)가, 제어 입력 up=초기 입력 u0으로서 상술한 식 (3)을 사용하여 연산한다. 이 연산은, 예측 시간 구간(시각 t0 내지 시각 tp)의 적분 연산을 포함하므로, 제어 입력 up는, 예측 시간 구간 중의 복수의 시각(예를 들어, t0, t1, t2, … , tk=tp)의 각 시각(각 예측 스텝)에 대하여 필요하다.
지원 시스템 관제부(40)는, 스텝 S60에서 연산된 예측 궤도의 연산 결과가 스텝 S40에서 설정된 금지 영역에 침입했는지 여부를 판정한다(스텝 S70). 침입 판정부(52)가 침입하지 않았다("아니오")고 판정한 경우에는, 스텝 S80으로 진행하는 한편, 침입 판정부(52)가 침입했다("예")고 판정한 경우에는, 스텝 S90으로 진행한다.
스텝 S70에 있어서 "아니오"라고 판정한 경우에는, 지원 시스템 관제부(40)는, 버킷(108)의 클로 끝 위치가 방토용의 목표 위치 yd에 접근하는 제어 입력 ud를 연산한다(스텝 S80). 구체적으로는, 제1 제어 입력 연산부(53)는, 예측 궤도의 연산 결과를 기초로, 상술한 식 (4) 내지 식 (6)을 사용하여 클로 끝 위치 y가 방토용의 목표 위치 yd에 도달하는 xd를 실현하는 제어 입력 ud를 연산한다.
한편, 스텝 S70에 있어서 "예"라고 판정한 경우에는, 지원 시스템 관제부(40)는, 버킷(108)의 클로 끝 위치가 금지 영역에 침입하는 것을 회피하는 제어 입력 ua를 연산한다(스텝 S90). 구체적으로는, 제2 제어 입력 연산부(54)는, 제1 제어 입력 연산부(53)와 마찬가지인 연산 방법을 사용하여 제어 입력 ua를 연산한다. 단, 클로 끝 위치 y의 예측 시간 구간의 경과 후의 도달 위치를, 방토용의 목표 위치 yd로 하는 것이 아니라, 예측 궤도의 연산 결과가 금지 영역에 침입한 위치 근방의 금지 영역 외의 어떤 위치 ya2를 목표 위치로서 설정한다(도 12a 내지 도 12d를 참조).
지원 시스템 관제부(40)는, 스텝 S70의 판정에 따라서 연산된 제어 입력 ud 또는 제어 입력 ua를 실제의 제어로 사용하는 제어 입력 uf로서 결정하고(스텝 S100), 제어 입력 uf를 기억 장치(30a)(도 5 참조)에 기억한다. 단, 이 결정된 제어 입력 uf는, 예측 시간 구간 중의 1예측 스텝(예를 들어, 시각 t0, t1, t2, …, tk 중 어느 것)의 제어 입력이다. 즉, 스텝 S60 내지 S100까지의 연산은, 예측 시간 구간 중의 1예측 스텝분의 제어 입력을 결정하는 것이다. 본 실시 형태에 있어서는, 제어 입력 연산부(50)가 스텝 S60 내지 S100의 연산을 반복 실행함으로써, 예측 시간 구간 중의 복수의 시각 모두(전체 예측 스텝)에 대하여 제어 입력 uf를 결정한다(후술하는 스텝 S110을 참조).
스텝 S100에 있어서는, 제어 입력 결정부(55)가, 각 예측 스텝에서 연산된 제어 입력 ud 또는 제어 입력 ua를 실제의 제어로 사용하는 제어 입력 uf로서 기억 장치(30a)에 축차 기억시키고, 최종적으로 예측 시간 구간의 전체 예측 스텝에 대한 제어 입력 uf를 기억한다. 예를 들어, 예측 시간 구간에 대하여 시각 t0, t1, t2, …, tk의 k+1개의 예측 스텝으로 한 경우, 제어 입력 결정부(55)는, U=[uf[t0], uf[t1], …, uf[tk]]라고 하는 벡터 열을 기억한다.
스텝 S100에 있어서 각 예측 스텝의 제어 입력이 결정된 후, 지원 시스템 관제부(40)는, 예측 시간 구간의 전체 예측 스텝의 연산을 종료했는지 여부를 판정한다(스텝 S110). 구체적으로는, 제어 입력 결정부(55)가, 벡터 열 U의 전체 요소 uf[t]가 저장되어 있는지 여부로 판정한다. 벡터 열 U의 전체 요소 uf[t]가 저장되어 있지 않은 경우에는, 전체 예측 스텝이 완료되어 있지 않다("아니오")고 판정하는 한편, 전체 요소 uf[t]가 저장되어 있는 경우에는, 전체 예측 스텝이 완료되었다("예")고 판정한다.
스텝 S110에서 "아니오"라고 판정한 경우, 스텝 S60 내지 S100의 연산을 반복 실행한다. 단, 2회째 이후의 스텝 S60의 연산에서는, 궤도 예측에 사용하는 제어 입력 up로서, 스텝 S50에서 설정한 초기 입력 u0이 아니라, 1개 전의 연산 루프로 결정되어 있는 제어 입력의 벡터 열 U에 저장되어 있는 요소 uf[t]를 사용하는 점이 다르다.
스텝 S110에서 "예"라고 판정한 경우, 지원 시스템 관제부(40)는, 스텝 S100에서 결정된 제어 입력의 벡터 열 U를 제어 지령으로 변환하고, 변환된 제어 지령을 유압 셔블(100)에 대하여 출력한다(스텝 S120). 구체적으로는, 셔블 제어부(61)가 스텝 S100에서 결정된 제어 입력 uf의 벡터 열 U를 상술한 식 (2)의 관계에 따라서 압력 p로 변환한다. 이에 의해, 유압 셔블(100)의 유압 펌프 장치(122)나 제어 밸브 유닛(123)의 각 제어 밸브가 각 제어 지령에 따라서 제어되고, 프론트 작업 장치(101)가 덤프 트럭(200)에 접촉하지 않고 토사를 짐받이(202)에 적재 할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 프론트 작업 장치(101)의 궤도 예측이 금지 영역에 침입하는지 여부를 판정하고, 당해 예측 궤도가 침입한다고 판정한 경우에는, 목표 위치 설정부(43)에 의해 설정된 방토용의 목표 위치 yd와는 다른 금지 범위 외의 위치를 목표로 하여 설정함으로써 금지 영역에 침입하지 않는 프론트 작업 장치(101)의 궤도를 가능하게 하는 제어 입력을 연산한다. 따라서, 프론트 작업 장치(101)가 덤프 트럭(200)에 확실하게 접촉하지 않고 적재 작업을 행할 수 있다.
또한, 상술한 제어 입력 연산부(50)의 연산은, 모델 예측 제어(Model Predictive Control: MPC)의 틀에 의해 실행하는 것이 가능하다. MPC는, 제어 대상의 동특성(예를 들어, 운동 방정식)을 사용하여 특정한 시간처의 거동을 예측하고, 특정한 평가 함수를 최소화하도록 제어 입력을 산출하는 제어 방법이다(상세는, 비선형 최적 제어 입문, 오쓰카 도시유키, 코로나사(2011)를 참조).
본 실시 형태에 있어서의 MPC의 연산에 대하여 도 14a 및 도 14b를 사용하여 설명한다. 도 14a는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서 모델 예측 제어의 연산 틀을 사용하는 경우의 유압 셔블과 금지 영역의 위치 관계의 일례를 도시하는 개략도이다. 도 14b는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태에 있어서 모델 예측 제어의 연산 틀을 사용하는 경우의 페널티 함수를 설명하는 도면이다.
궤도 예측부(51)로부터 제어 입력 결정부(55)의 반복 연산, 즉, 제어 입력 연산부(50)의 연산은, MPC에 있어서의 평가 함수를 이하의 식 (7)로서 설계하는 것과 등가이다. 식 (7)의 평가 함수 J를 최소화하는 제어 입력 u를 산출함으로써, 프론트 작업 장치(101)가 금지 영역에 침입하지 않는 유압 셔블(100)의 제어가 가능해진다.
Figure pct00007
식 (7)은, 식 (7a)와 식 (7b)와 식 (7c)를 사용하여 구성되어 있다. 식 (7a)는 종단부 비용이며, 식 (7b)는 스테이지 비용이다. 식 (7c)는 제약 조건으로서의 페널티 비용이다. 또한, 식 중의 h(x)는, 프론트 작업 장치(101)의 궤도를 버킷(108)의 클로 끝 위치로 변환하는 변환식인 전술한 식 (4)이다. 또한, yd는, 전술한 목표 위치 설정부(43)에 의해 설정된 방토용의 목표 위치이다.
식 (7a) 및 식 (7b)는 모두, 시각 t의 클로 끝 위치 h(x(t))가 목표 위치 yd에 가까울수록 값이 작아지는 함수인 것을 알 수 있다. 평가 함수 J는, 예측 시간 구간인 시각 t0으로부터 시각 tp까지의 적분 연산을 포함하는 것이며, 프론트 작업 장치(101)의 궤도 예측의 연산도 실행하는 연산이라고 말할 수 있다. 즉, 식 (7a) 및 식 (7b)의 최적화(최소화)는, 궤도 예측부(51)와 제1 제어 입력 연산부(53)의 연산 기능을 실행하고 있다고 말할 수 있다.
식 (7c)의 페널티 비용은, 페널티 함수 F로 정의되어 있다. 페널티 함수 F는, 클로 끝 위치 h(x(t))가 금지 영역에 침입한 경우만 큰 값을 출력하는 한편, 금지 영역의 범위 외에 있는 경우에는 0을 출력하는 함수이다. 이하에, 이 페널티 함수 F의 특성에 대해서 설명한다. 설명을 간단하게 하기 위해, 도 14a에 도시한 바와 같이, 유압 셔블의 클로 끝 위치가 범위로서 덤프 트럭의 측면(도 14a의 x-z 평면)의 영역만을 생각한다.
클로 끝 위치의 x 좌표가 xmin으로부터 xmax까지의 범위, 또한, z 좌표가 zmin으로부터 zmax까지의 범위에 있는 경우, 즉, 클로 끝 위치가 금지 영역의 범위 내에 있는 경우만, 도 14b에 도시한 바와 같이, 페널티 함수 F는 큰 값을 출력하는 것이 특징이다. 이러한 페널티 함수 F가 평가 함수 J에 포함되어 있는 경우, 클로 끝 위치의 예측 궤도가 금지 영역에 침입하면, 평가 함수 J의 값이 급격하게 증가한다. 그 때문에, 평가 함수 J의 최적화의 과정에 의해 페널티 함수 F가 큰 값을 출력하는 해답은 제외된다. 즉, 클로 끝 위치가 금지 영역을 저절로 회피하는 제어 입력이 산출된다. 이 연산은, 침입 판정부(52)와 제2 제어 입력 연산부(54)를 실행하고 있다고 말할 수 있다.
이와 같이, 평가 함수 J는, 버킷(108)의 클로 끝 위치를 목표 위치 yd에 접근하는 종단부 비용 및 스테이지 비용과, 클로 끝 위치를 금지 영역으로부터 멀리 떨어지게 하는 페널티 함수 F로 구성되어 있다. 따라서, 평가 함수 J는, 제1 제어 입력 연산부(53)의 연산 결과 up 및 제2 제어 입력 연산부(54)의 연산 결과 ua를 사용하여 최종적인 제어 입력 uf를 결정하는 제어 입력 결정부(55)와 등가라고 말할 수 있다.
상술한 식 (7)의 평가 함수 J에서는, 제어 입력 u에 관한 항이 양에 포함되어 있지 않고, 프론트 작업 장치(101)의 궤도가 상술한 식 (3)을 통하여 제어 입력 u와 관련하고 있다. 단, 평가 함수 J는, 이하의 식 (8)과 같이 설정함으로써, 제어 입력 u에 관한 평가를 도입하는 구성도 가능하다. 이 경우, 식 (8)과 같이 제어 입력 u의 항을 도입함으로써, 제어 입력이 과잉이 되는 것을 방지할 수 있다.
Figure pct00008
상술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1)은, 짐받이(2)를 구비한 덤프 트럭(200)(반송기)에 대하여, 복수의 피구동 부재(106, 107, 108)를 회동 가능하게 연결하여 구성된 다관절형의 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)를 구비한 유압 셔블(100)(적재기)이 적하를 적재하는 적재 작업을 지원하는 것으로서, 유압 셔블(100)(적재기)의 위치 및 방위를 산출하는 제1 위치 산출기(133)와, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 자세를 검출하는 자세 검출기(125 내지 128)와, 덤프 트럭(200)(반송기)의 위치 및 방위를 산출하는 제2 위치 산출기(212)와, 유압 셔블(100)(적재기)의 동작을 제어하는 지원 시스템 관제부(40)(셔블 컨트롤러(10)와 트럭 컨트롤러(20)와 관제 컨트롤러(30)로 구성된 제어 장치)를 구비하고 있다. 지원 시스템 관제부(40)(제어 장치)는 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)가 적재 작업에 의해 도달해야 할 위치인 목표 위치 yd를 제2 위치 산출기(212)의 출력을 기초로 설정하고, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 침입이 금지되는 영역인 금지 영역을 제2 위치 산출기(212)의 출력을 기초로 설정하고, 제1 위치 산출기(133)의 출력과 자세 검출기(125 내지 128)의 출력과 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 동특성을 사용하여 유한 예측 시간 구간(시각 t0 내지 시각 tp)에 있어서의 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 궤도를 예측하는 예측 연산을 행하고, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 궤도 예측의 연산 결과를 기초로, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)가 예측 시간 구간(시각 t0 내지 시각 tp)에 있어서 금지 영역 내에 침입하는지 여부를 판정하고, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)가 금지 영역 내에 침입하지 않는다고 판정한 경우에는, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 궤도 예측의 연산 결과를 기초로, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 버킷(108)의 클로 끝(선단부)이 예측 시간 구간(시각 t0 내지 시각 tp)에 있어서 목표 위치 yd를 향하여 가까워지는 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 동특성의 입력인 제1 입력 up를 연산하고, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)가 금지 영역 내에 침입한다고 판정한 경우에는, 금지 영역 외에 있어서의 목표 위치 yd와는 다른 위치이며 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 버킷(108)의 클로 끝(선단부)의 위치보다도 목표 위치 yd에 가까운 위치를 목표로 하여, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 선단부가 예측 시간 구간(시각 t0 내지 시각 tp)에 있어서 가까워지는 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 동특성의 입력인 제2 입력 ua를 연산하고, 연산 결과의 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 동특성의 제1 입력 up 및 제2 입력 ua를 기초로, 유압 셔블(100)(적재기)의 동작을 제어하는 제어 입력을 연산하고, 연산 결과의 제어 입력을 기초로 유압 셔블(100)(적재기)의 제어를 행하도록 구성되어 있다.
이 구성 의하면, 유압 셔블(100)(적재기)의 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 동특성을 사용한 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 궤도 예측의 연산 결과를 기초로 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 버킷(108)의 클로 끝(선단부)이 금지 영역에 침입하지 않는다고 하는 제약 조건 하에서 산출한 유압 셔블(100)(적재기)의 제어 입력을 사용함으로써, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 버킷(108)의 클로 끝(선단부)이 금지 영역을 회피하여 적재 작업의 목표 위치 yd에 근접하도록 유압 셔블(100)(적재기)의 동작을 제어할 수 있다. 따라서, 유압 셔블(100)(적재기)과 덤프 트럭(200)(반송기)의 양자의 위치 관계에 구애되지 않고 적재 작업을 확실하게 지원할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1)에 있어서는, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 부하를 검출하는 부하 검출기(129)를 더 구비하고 있다. 지원 시스템 관제부(40)(제어 장치)는, 또한, 부하 검출기(129)의 출력 및 자세 검출기(125 내지 128)의 출력을 기초로 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)가 보유 지지하는 적하의 하중을 연산하고, 연산 결과의 적하의 하중 및 자세 검출기(125 내지 128)의 출력을 기초로 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 동특성을 조정하도록 구성되어 있다.
이 구성에 의하면, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 동특성을 예측 연산 시의 적재 작업의 상태에 따라서 조정하고 있으므로, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 궤도 예측을 보다 고정밀도로 행할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1)에 있어서는, 지원 시스템 관제부(40)(제어 장치)가 덤프 트럭(200)의 주위를 둘러싸고 또한 운전실(205)의 주위의 쪽이 짐받이(202)의 주위보다도 넓어지도록 금지 영역을 설정하도록 구성되어 있다. 이 구성에 의하면, 덤프 트럭(200)의 운전실(205)에 탑승하고 있는 오퍼레이터에 불안을 주는 프론트 작업 장치(101)의 경로가 선택되는 것을 회피할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1)의 지원 시스템 관제부(40)(제어 장치)는, 덤프 트럭(200)이 이동하고 있는 경우에는, 금지 영역을 덤프 트럭(200)의 진행 방향측에서 덤프 트럭(200)이 정지하고 있는 경우보다도 넓게 설정하도록 구성되어 있다. 이 구성에 의하면, 덤프 트럭(200)이 유압 셔블(100)에 접근해 오는 경우에서도, 프론트 작업 장치(101)와 덤프 트럭(200)의 접촉 가능성을 보다 저하시킬 수 있으므로, 적재 작업의 안전성을 높일 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1)의 지원 시스템 관제부(40)(제어 장치)는, 덤프 트럭(200)이 적하를 반송할 때까지 유압 셔블(100)이 복수회의 적재 작업을 행하는 경우에는, 목표 위치를 유압 셔블(100)의 적재 작업마다 덤프 트럭(200)의 짐받이(202)에 대하여 다른 위치에 설정하도록 구성되어 있다. 이 구성에 의하면, 짐받이(202)의 전체에 적하를 적재할 수 있으므로, 적하의 반송 횟수를 저감시켜서 효율적인 반송이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1)의 지원 시스템 관제부(40)(제어 장치)는, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 궤도 예측의 연산, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 금지 영역 내로의 침입 유무의 판정, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 동특성의 제1 입력의 연산, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 동특성의 제2 입력의 연산의 일련 처리를, 모델 예측 제어의 평가 함수 J를 사용하여 실행하도록 구성되어 있다.
이 구성에 의하면, 평가 함수 J의 알고리즘을 지원 시스템 관제부(40)(제어 장치)에 실장함으로써, 유압 셔블(100)(적재기)의 동작의 제어를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1)의 지원 시스템 관제부(40)(제어 장치)에 있어서는, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)가 금지 영역 내에 침입한 경우에 평가 함수 J의 값을 증가시키는 페널티 함수 F를 포함하도록 평가 함수 J가 구성되어 있다. 이 구성에 의하면, 페널티 함수 F가 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 버킷(108)의 클로 끝(선단부)이 금지 영역에 침입하지 않는다고 하는 제약 조건으로서 기능하므로, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 버킷(108)의 클로 끝(선단부)이 금지 영역을 회피하여 적재 작업의 목표 위치 yd에 가까워지는 유압 셔블(100)(적재기)의 동작의 제어를 확실하게 실현할 수 있다.
[제1 실시 형태의 변형예]
다음으로, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 변형예에 대하여 도 15를 사용하여 설명한다. 도 15는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 변형예의 기능 구성을 도시하는 블록도이다. 또한, 도 15에 있어서, 도 1 내지 도 13에 도시하는 부호와 동일 부호의 것은, 마찬가지의 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
제1 실시 형태가 유압 셔블(100)의 동작만을 제어함으로써 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 적재 작업 시의 접촉을 회피하는 것인 것에 반해서, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 변형예는, 유압 셔블(100) 및 덤프 트럭(200)의 양쪽의 동작을 제어함으로써 양자의 적재 작업 시의 접촉을 회피하는 것이다. 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 적재 작업 시의 접촉을 회피하기 위해서는, 양자를 제어하는 쪽이 유리하다.
예를 들어, 덤프 트럭(200)이 유압 셔블(100)에 접근해 오는 경우, 덤프 트럭(200)을 충분히 저속으로 접근시킴으로써 양자의 접촉 회피가 용이해진다. 또한, 유압 셔블(100)의 접촉 회피를 위한 제어 동작이 프론트 작업 장치(101)의 동작 한계를 초과하는 경우를 상정하면, 덤프 트럭(200)이 유압 셔블(100)로부터 이격되는 동작을 실행시킴으로써 양자의 접촉을 회피하는 것이 생각된다. 본 변형예의 적재 작업 지원 시스템(1A)은, 이러한 동작을 실현하는 것이다.
구체적으로는, 적재 작업 지원 시스템(1A)의 지원 시스템 관제부(40A)는, 제1 실시 형태의 각 기능부(41 내지 44, 50, 61)에 더하여, 트럭 제어부(62)를 구비하고 있다. 트럭 제어부(62)는 덤프 트럭(200)의 액셀러레이터(207) 및 브레이크(208)에 간섭함으로써, 덤프 트럭(200)의 전후진 및 속도를 제어한다. 트럭 제어부(62)는, 예를 들어, 트럭 컨트롤러(20)에 실장되어 있다.
또한, 본 변형예의 제어 입력 연산부(50) 중, 침입 판정부(52A), 제2 제어 입력 연산부(54A), 제어 입력 결정부(55A)의 연산은, 제1 실시 형태의 기능부(52, 54, 55)의 연산과는 달리, 덤프 트럭(200)의 제어를 고려한 연산 내용으로 변경되어 있다.
구체적으로는, 침입 판정부(52A)는, 덤프 트럭(200)의 동특성(예를 들어, 운동 방정식)을 고려하여 프론트 작업 장치(101)가 금지 영역에 침입했는지 여부를 판정한다. 덤프 트럭(200)의 운동 방정식은, 예를 들어, 이하의 식 (9)로 부여된다. 침입 판정부(52A)는, 식 (9)에 기초하여 시각 t0으로부터 시각 tp까지의 예측 시간 구간(유압 셔블의 예측 시간 구간과 동일한 구간)의 금지 영역의 위치 변화(이동)를 예측한다. 즉, 상술한 식 (3)과 마찬가지의 적분 연산을 행한다.
Figure pct00009
또한, xt, yt는 평면 좌표에 있어서의 덤프 트럭의 GNSS 안테나의 위치이며, θt는 덤프 트럭(200)의 방위각이다. 제어 입력 v는 액셀러레이터의 제어량 a와 브레이크의 제어량 b로 부여된다.
제2 제어 입력 연산부(54A)는, 프론트 작업 장치(101)의 궤도 예측의 연산 결과가 덤프 트럭(200)의 주위에 설정된 금지 영역에 침입하지 않는 유압 셔블(100)의 제어 입력 u 및 덤프 트럭(200)의 제어 입력 v의 양자의 제어 입력을 연산한다. 또한, 프론트 작업 장치(101)를 매끄럽게 동작시키기 위해서는, 덤프 트럭(200)의 동작을 제어하는 쪽이 바람직하므로, 유압 셔블(100)의 제어 입력 u보다도 덤프 트럭(200)의 제어 입력 v를 적극적으로 변화시키도록 양자의 제어 입력을 산출하도록 설정하는 것이 가능하다.
제어 입력 결정부(55A)는, 제1 제어 입력 연산부(53)의 연산 결과 및 제2 제어 입력 연산부(54A)의 연산 결과에 기초하여, 유압 셔블(100)의 예측 시간 구간의 제어 입력 u를 결정함과 함께, 덤프 트럭(200)의 예측 시간 구간의 제어 입력 v를 결정한다. 제어 입력 결정부(55A)는, 유압 셔블(100)의 제어 입력 u를 셔블 제어부(61)로 송신함과 함께, 덤프 트럭(200)의 제어 입력 v를 트럭 제어부(62)로 송신한다.
이와 같이, 본 변형예에 있어서는, 덤프 트럭(200)의 동특성을 사용하여 금지 영역의 위치 변화를 예측하고, 당해 금지 영역에 프론트 작업 장치(101)의 예측 궤도가 금지 영역에 침입하는지 여부를 판정하고, 예측한 금지 영역에 침입하지 않는 프론트 작업 장치(101)의 궤도를 가능하게 하는 유압 셔블(100)의 제어 입력 u와 덤프 트럭(200)의 제어 입력 v를 연산한다. 따라서, 프론트 작업 장치(101)와 덤프 트럭(200)의 접촉을 회피하기 위한 동작으로서 유압 셔블(100)의 동작과 덤프 트럭(200)의 동작의 양쪽 동작을 제어할 수 있으므로, 회피 동작의 폭이 넓어진다.
또한, 본 변형예에 있어서의 제어 입력 연산부(50)의 연산도, 제1 실시 형태의 제어 입력 연산부(50)의 연산이 MPC로 실현 가능한 것과 마찬가지로, MPC의 틀에 의해 실현하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 상술한 식 (7)의 평가 함수 J에 있어서, 프론트 작업 장치(101)의 궤도 x를 산출하기 위해 사용하고 있는 유압 셔블(100)만의 동특성 f 대신에, 유압 셔블(100)의 동특성과 덤프 트럭(200)의 동특성을 조합한 이하의 식 (10)을 사용함으로써, 제1 실시 형태의 경우와 동일한 틀에 의해 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 양쪽 제어 입력의 연산을 실현할 수 있다.
Figure pct00010
상술한 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제1 실시 형태의 변형예에 의하면, 전술한 제1 실시 형태와 마찬가지로, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 버킷(108)의 클로 끝(선단부)이 금지 영역을 회피하여 적재 작업의 목표 위치 yd에 근접하도록 유압 셔블(100)(적재기)의 동작을 제어할 수 있으므로, 유압 셔블(100)(적재기)과 덤프 트럭(200)(반송기)의 양자의 위치 관계에 구애되지 않고 적재 작업을 확실하게 지원할 수 있다.
또한, 본 변형예에 관한 적재 작업 지원 시스템(1A)에 있어서는, 지원 시스템 관제부(40A)(제어 장치)가 유압 셔블(100)(적재기)의 동작에 더하여 덤프 트럭(200)(반송기)의 동작도 제어하도록 구성되어 있고, 지원 시스템 관제부(40A)(제어 장치)는 또한 덤프 트럭(200)(반송기)의 동특성을 사용하여 예측 시간 구간(시각 t0 내지 시각 tp)에 있어서의 덤프 트럭(200)(반송기)의 이동을 예측하는 예측 연산을 행한다. 또한, 지원 시스템 관제부(40A)(제어 장치)에 의한 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 금지 영역 내로의 침입 유무의 판정은, 덤프 트럭(200)(반송기)의 이동 예측의 연산 결과를 고려하여 행해짐과 함께, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)가 금지 영역 내에 침입한다고 판정한 경우의 지원 시스템 관제부(40A)(제어 장치)의 연산은, 금지 영역 외에 있어서의 목표 위치 yd와는 다른 위치이며 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 버킷(108)의 클로 끝(선단부)의 위치보다도 목표 위치 yd에 가까운 위치를 목표로 하여, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 버킷(108)의 클로 끝(선단부)이 예측 시간 구간(시각 t0 내지 시각 tp)에 있어서 가까워지는 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 동특성의 제2 입력 및 덤프 트럭(200)(반송기)의 동특성의 제2 입력을 연산하도록 변경된다. 또한, 지원 시스템 관제부(40A)(제어 장치)는, 연산 결과의 덤프 트럭(200)(반송기)의 동특성의 제2 입력을 기초로 덤프 트럭(200)(반송기)의 동작을 제어하는 제어 입력을 연산하고, 연산 결과의 제어 입력을 기초로 덤프 트럭(200)(반송기)의 제어를 행한다.
이 구성에 의하면, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)와 덤프 트럭(200)(반송기)의 접촉 회피의 지원 동작으로서 유압 셔블(100)의 동작과 덤프 트럭(200)의 동작의 양쪽 동작을 제어함으로써, 접촉 회피의 제어 동작의 폭이 넓어지므로, 보다 확실하게 적재 작업을 지원할 수 있다.
[제2 실시 형태]
다음으로, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제2 실시 형태에 대하여 도 16을 사용하여 설명한다. 도 16은 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제2 실시 형태의 기능 구성을 도시하는 블록도이다. 또한, 도 16에 있어서, 도 1 내지 도 15에 도시하는 부호와 동일 부호의 것은, 마찬가지의 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
제1 실시 형태에서는, 제어 입력 연산부(50)의 각 기능부(51 내지 55)가 시각 t0으로부터 시각 tp까지 일정한 예측 시간 구간을 사용하여 연산하는 것에 반해서, 도 16에 도시하는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1B)은, 제어 입력 연산부(50)의 각 기능부(51 내지 55)의 연산에 있어서 당해 예측 시간 구간을 변경 가능하게 한 것이다.
예를 들어, 유압 셔블(100)에 대하여 덤프 트럭(200)이 충분히 멀리 위치하고 있는 경우에는, 예측 시간 구간(연산의 적분 구간)을 짧게 해도, 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 충돌 가능성은 없다. 한편, 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 상대적인 접근 속도가 빠른 경우에는, 짧은 예측 시간 구간의 예측에서는, 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 충돌 가능성을 무시할 수 없다. 이러한 상황을 확실하게 해소하기 위해서는, 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 상호의 상황에 따라서, 예측 시간 구간을 적절하게 조정할 필요가 있다.
그래서, 본 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1B)의 지원 시스템 관제부(40B)는, 제1 실시 형태의 각 기능부(41 내지 44, 50, 61)에 더하여, 제어 입력 연산부(50)의 각 기능부(51 내지 55)의 각 연산에 있어서의 예측 시간 구간(적분 구간)을 변경하는 예측 시간 변경부(57)를 더 구비하고 있다. 예측 시간 변경부(57)는, 유압 셔블(100) 및 덤프 트럭(200)의 각각의 자기 위치 산출기(133, 212)로부터 위치와 이동 속도(위치의 갱신 차분)의 정보를 취득한다. 예측 시간 변경부(57)는, 취득한 각종 정보를 기초로 산출한 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 상대 거리가 짧아지고, 또한, 덤프 트럭(200)의 접근 속도가 빠를수록 예측 시간 구간을 통상보다도 길게 설정하도록 구성되어 있다. 예측 시간 변경부(57)가 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 상호의 상황에 따라서 예측 시간 구간을 적절하게 설정함으로써, 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)의 접촉 회피를 확실하게 실행할 수 있다.
상술한 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제2 실시 형태에 의하면, 전술한 제1 실시 형태와 마찬가지로, 프론트 작업 장치(101)(작업 장치)의 버킷(108)의 클로 끝(선단부)이 금지 영역을 회피하여 적재 작업의 목표 위치 yd에 근접하도록 유압 셔블(100)(적재기)의 동작을 제어할 수 있으므로, 유압 셔블(100)(적재기)과 덤프 트럭(200)(반송기)의 양자의 위치 관계에 구애되지 않고 적재 작업을 확실하게 지원할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1B)에 있어서는, 지원 시스템 관제부(40B)(제어 장치)가 예측 시간 구간의 길이를 변경 가능하게 구성되어 있다. 이 구성에 의하면, 유압 셔블(100)(적재기)과 덤프 트럭(200)(반송기)의 상호의 상황에 따라서 예측 시간 구간의 길이를 변경함으로써, 적재 작업의 적절한 동작 지원이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 관한 적재 작업 지원 시스템(1B)의 지원 시스템 관제부(40B)(제어 장치)는, 제1 위치 산출기(133)의 출력 및 제2 위치 산출기(212)의 출력에 기초하여 산출한 덤프 트럭(200)(반송기)의 유압 셔블(100)(적재기)에 대한 상대적인 접근 속도가 빠르면 빠를수록, 예측 시간 구간의 길이가 길어지도록 변경하게 구성되어 있다. 이 구성에 의하면, 덤프 트럭(200)(반송기)과 유압 셔블(100)(적재기)의 접촉의 가능성을 무시할 수 없을 때에 예측 시간 구간을 길게 함으로써, 적재 작업의 적절한 동작 지원이 가능해진다.
[제3 실시 형태]
다음으로, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제3 실시 형태에 대하여 도 17을 사용하여 설명한다. 도 17은 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제3 실시 형태의 기능 구성을 도시하는 블록도이다. 또한, 도 17에 있어서, 도 1 내지 도 16에 도시하는 부호와 동일 부호의 것은, 마찬가지의 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제3 실시 형태가 제1 실시 형태에 대하여 서로 다른 점은, 적재기로서 유압 셔블(100) 대신에 작업 로봇(300)을 대상으로 함과 함께, 반송기로서 덤프 트럭(200) 대신에 반송 로봇(400)을 대상으로 하여, 반송 로봇(400)에 대한 작업 로봇(300)의 적재 작업의 지원을 행하는 것이다.
작업 로봇(300)은, 복수의 링크 부재를 회동 가능하게 연결하여 구성된 다관절형의 암을 구비하고 있다. 즉, 다관절형의 암은, 도 7에 도시한 바와 같이, 유압 셔블(100)의 프론트 작업 장치(101)와 마찬가지의 구성이다. 단, 암의 동작은, 예를 들어, 유압 실린더와 같은 유압 액추에이터는 없고, 전동 모터 등의 액추에이터(323)에 의해 행해진다. 반송 로봇은, 덤프 트럭(200)과 마찬가지로, 짐받이를 구비하고 있다. 단, 반송 로봇(400)의 동작(이동)은, 예를 들어, 액셀러레이터(207)를 통한 엔진에 의한 것이 아니라, 전동 모터 등의 액추에이터(407)(후술하는 도 18 참조)에 의해 행해진다.
본 실시 형태의 적재 작업 지원 시스템(1C)에서는, 작업 로봇(300)의 암의 부하를 검출하는 부하 검출기(129C)로서, 압력 센서(129)를 대신하여, 액추에이터(323)의 부하를 검출하는 센서가 사용되고 있다. 또한, 유압 셔블(100)의 동작을 제어하는 셔블 제어부(61) 대신에, 작업 로봇(300)의 동작(액추에이터)을 제어하는 작업 로봇 제어부(61C)를 구비하고 있다. 또한, 지원 시스템 관제부(40C)에 있어서의 제어 입력 연산부(50)의 제1 제어 입력 연산부(53C) 및 제2 제어 입력 연산부(54C)에서는, 유압 셔블(100)의 버킷(108)의 클로 끝 위치 대신에, 암의 선단 위치를 사용하여 연산을 행한다.
상술한 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제3 실시 형태에 의하면, 작업 로봇(300)과 반송 로봇(400)의 적재 작업을 대상으로 해도, 전술한 제1 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 작업 로봇(300)의 암의 선단이 반송 로봇(400)에 접촉하지 않고 안전한 적재 작업을 실현할 수 있다.
[제3 실시 형태의 변형예]
다음으로, 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제3 실시 형태의 변형예에 대하여 도 18을 사용하여 설명한다. 도 18은 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 제3 실시 형태의 변형예의 기능 구성을 도시하는 블록도이다. 또한, 도 18에 있어서, 도 1 내지 도 17에 도시하는 부호와 동일 부호의 것은, 마찬가지의 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 18에 도시하는 본 발명의 제3 실시 형태의 변형예에 관한 적재 작업 지원 시스템(1D)이 제1 실시 형태의 변형예에 대하여 서로 다른 점은, 적재기로서 유압 셔블(100) 대신에 작업 로봇(300)을 대상으로 함과 함께 반송기로서 덤프 트럭(200) 대신에 반송 로봇(400)을 대상으로 하여, 반송 로봇(400)에 대한 작업 로봇(300)의 적재 작업의 지원을 행하는 것이다. 또한, 제3 실시 형태가 작업 로봇(300)(적재기)의 동작만을 제어함으로써 작업 로봇(300)과 반송 로봇(반송기)(400)의 적입 작업 시의 접촉을 회피하는 것인 것에 반해서, 제3 실시 형태의 변형예는 작업 로봇(300) 및 반송 로봇의 양쪽의 동작을 제어함으로써 양자의 적재 작업 시의 접촉을 회피하는 것이다.
본 변형예의 적재 작업 지원 시스템(1D)의 지원 시스템 관제부(40D)는, 제3 실시 형태의 각 기능부(41 내지 44, 50, 61C)에 더하여, 반송 로봇 제어부(62D)를 구비하고 있다. 반송 로봇 제어부(62D)는, 반송 로봇(400)의 액추에이터(407)의 동작을 제어함으로써, 반송 로봇(400)의 이동을 제어한다.
또한, 본 변형예의 제어 입력 연산부(50) 중, 침입 판정부(52D), 제2 제어 입력 연산부(54D), 제어 입력 결정부(55D)의 연산은, 제3 실시 형태의 기능부(52, 54C, 55)의 연산과는 달리, 반송 로봇(400)의 제어를 고려한 연산 내용으로 변경되어 있다. 구체적인 내용은, 제1 실시 형태의 변형예의 설명에 있어서의 덤프 트럭(200)을 반송 로봇(400)으로 치환한 것 뿐이다.
본 변형예에 있어서는, 작업 로봇의 동작을 제어할 뿐만 아니라, 반송 로봇의 동작을 동시에 제어하므로, 제3 실시 형태의 경우와 비교하여, 적입 작업 및 반송 작업을 보다 안전하게 실행하는 것이 가능해진다. 즉, 제3 실시 형태의 변형예에 의하면, 작업 로봇(300)과 반송 로봇(400)의 적재 작업을 대상으로 해도, 전술한 제1 실시 형태의 변형예 경우와 마찬가지로, 작업 로봇(300)의 암의 선단이 반송 로봇(400)에 접촉하지 않고 안전한 적재 작업을 보다 확실하게 실현할 수 있다.
[그 밖의 실시 형태]
또한, 본 발명은 본 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 상기한 실시 형태는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 임의의 실시 형태의 구성의 일부를 다른 실시 형태의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한, 임의의 실시 형태의 구성에 다른 실시 형태의 구성을 추가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시 형태의 구성의 일부에 대해서, 다른 구성의 추가, 삭제, 치환을 하는 것도 가능하다.
예를 들어, 상술한 본 실시 형태에 있어서는, 적재 작업 지원 시스템(1, 1A, 1B, 1C, 1D)이 셔블 컨트롤러(10), 트럭 컨트롤러(20), 관제 컨트롤러(30)를 포함한 구성의 예(도 5 참조)를 도시하였다. 그러나, 유압 셔블(100)과 덤프 트럭(200)이 작업 현장에 1대씩이며, 또한, 양자의 조합이 변하지 않는 경우, 도 19에 도시하는 적재 작업 지원 시스템(1E)의 구성이 가능하다. 즉, 지원 시스템 관제부(40E)는, 도 5에 도시하는 관제 컨트롤러(30)를 생략하고, 셔블 컨트롤러(10)와 트럭 컨트롤러(20)가 직접 통신함으로써 적재 작업의 작업 지원을 행하도록 구성하는 것도 가능하다. 도 19는 본 발명의 적재 작업 지원 시스템의 그 밖의 실시 형태의 개략 구성을 도시하는 블록도이다. 이 경우, 도 5에 도시하는 관제 컨트롤러(30)의 기능을 셔블 컨트롤러(10) 또는 트럭 컨트롤러(20)에 실장하면 된다.
또한, 상술한 본 실시 형태에 있어서는, 적재 작업 지원 시스템(1, 1A, 1B, 1C, 1D)이 하중 연산부(41)를 포함하는 구성의 예를 나타냈다. 그러나, 적재 작업 지원 시스템은, 하중 연산부(41)의 기능부를 생략하는 구성도 가능하다. 이 경우, 하중 연산부(41)의 기능부를 생략하는 만큼, 연산 처리가 삭감되지만, 작업 장치의 동특성이 적하의 하중을 고려하지 않는 것이 되므로, 예측 연산의 정밀도가 저하되어 버리는 경우가 있다.
10: 셔블 컨트롤러(제어 장치)
20: 트럭 컨트롤러(제어 장치)
30: 관제 컨트롤러(제어 장치)
100: 유압 셔블(적재기)
101: 프론트 작업 장치(작업 장치)
103: 상부 선회체(선회체)
106: 붐(피구동 부재)
107: 암(피구동 부재)
108: 버킷(피구동 부재)
125: 차체 IMU(자세 검출기)
126: 붐 IMU(자세 검출기)
127: 암 IMU(자세 검출기)
128: 버킷 IMU(자세 검출기)
129: 압력 센서(부하 검출기)
133: GNSS 수신기(제1 위치 산출기)
200: 덤프 트럭(반송기)
202: 짐받이
205: 운전실
212: GNSS 수신기(제2 위치 산출기)
300: 작업 로봇(적재기)
400: 반송 로봇(반송기)

Claims (12)

  1. 짐받이를 구비한 반송기에 대하여, 복수의 피구동 부재를 회동 가능하게 연결하여 구성된 다관절형의 작업 장치를 구비한 적재기가 적하를 적재하는 적재 작업을 지원하는 적재 작업 지원 시스템이며,
    상기 적재기의 위치 및 방위를 산출하는 제1 위치 산출기와,
    상기 작업 장치의 자세를 검출하는 자세 검출기와,
    상기 반송기의 위치 및 방위를 산출하는 제2 위치 산출기와,
    상기 적재기의 동작을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 작업 장치가 적재 작업에 의해 도달해야 할 위치인 목표 위치를 상기 제2 위치 산출기의 출력을 기초로 설정하고,
    상기 작업 장치의 침입이 금지되는 영역인 금지 영역을 상기 제2 위치 산출기의 출력을 기초로 설정하고,
    상기 제1 위치 산출기의 출력과 상기 자세 검출기의 출력과 상기 작업 장치의 동특성을 사용하여 유한 예측 시간 구간에 있어서의 상기 작업 장치의 궤도를 예측하는 예측 연산을 행하고,
    상기 작업 장치의 궤도 예측의 연산 결과를 기초로, 상기 작업 장치가 상기 예측 시간 구간에 있어서 상기 금지 영역 내에 침입하는지 여부를 판정하고,
    상기 작업 장치가 상기 금지 영역 내에 침입하지 않는다고 판정한 경우에는, 상기 작업 장치의 궤도 예측의 연산 결과를 기초로, 상기 작업 장치의 선단부가 상기 예측 시간 구간에 있어서 상기 목표 위치를 향하여 가까워지는 상기 작업 장치의 동특성의 입력인 제1 입력을 연산하고,
    상기 작업 장치가 상기 금지 영역 내에 침입한다고 판정한 경우에는, 상기 금지 영역 외에 있어서의 상기 목표 위치와는 다른 위치이며 상기 작업 장치의 선단부의 위치보다도 상기 목표 위치에 가까운 위치를 목표로 하여, 상기 작업 장치의 선단부가 상기 예측 시간 구간에 있어서 가까워지는 상기 작업 장치의 동특성의 입력인 제2 입력을 연산하고,
    연산 결과의 상기 작업 장치의 동특성의 제1 입력 및 제2 입력을 기초로, 상기 적재기의 동작을 제어하는 제어 입력을 연산하고,
    연산 결과의 제어 입력을 기초로 상기 적재기의 제어를 행하는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작업 장치의 부하를 검출하는 부하 검출기를 더 구비하고,
    상기 제어 장치는, 또한
    상기 부하 검출기의 출력 및 상기 자세 검출기의 출력을 기초로, 상기 작업 장치가 보유 지지하는 적하의 하중을 연산하고,
    연산 결과의 적하의 하중 및 상기 자세 검출기의 출력을 기초로, 상기 작업 장치의 동특성을 조정하는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 적재기의 동작에 더하여, 상기 반송기의 동작도 제어하도록 구성되고,
    상기 제어 장치는, 또한, 상기 반송기의 동특성을 사용하여 상기 예측 시간 구간에 있어서의 상기 반송기의 이동을 예측하는 예측 연산을 행하고,
    상기 제어 장치에 의한 상기 작업 장치의 상기 금지 영역 내로의 침입 유무의 판정은, 상기 반송기의 이동 예측의 연산 결과를 고려하여 행해지고,
    상기 작업 장치가 상기 금지 영역 내에 침입한다고 판정한 경우의 상기 제어 장치의 연산은, 상기 금지 영역 외에 있어서의 상기 목표 위치와는 다른 위치이며 상기 작업 장치의 선단부의 위치보다도 상기 목표 위치에 가까운 위치를 목표로 하여, 상기 작업 장치의 선단부가 상기 예측 시간 구간에 있어서 가까워지는 상기 작업 장치의 동특성의 제2 입력 및 상기 반송기의 동특성의 제2 입력을 연산하도록 변경되고,
    상기 제어 장치는, 또한, 연산 결과의 상기 반송기의 동특성의 제2 입력을 기초로 상기 반송기의 동작을 제어하는 제어 입력을 연산하고, 연산 결과의 제어 입력을 기초로 상기 반송기의 제어를 행하는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반송기는, 상기 짐받이에 더하여 운전실을 구비한 덤프 트럭이며,
    상기 적재기는, 상기 작업 장치로서의 프론트 작업 장치와 상기 프론트 작업 장치가 마련된 선회 가능한 선회체를 구비한 유압 셔블이며,
    상기 제어 장치는, 상기 프론트 작업 장치의 동작 및 상기 선회체의 선회 동작을 제어하는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반송기는, 상기 짐받이에 더하여 운전실을 구비한 덤프 트럭이며,
    상기 적재기는, 상기 작업 장치로서의 프론트 작업 장치와 상기 프론트 작업 장치가 마련된 선회 가능한 선회체를 구비한 유압 셔블이며,
    상기 제어 장치는, 상기 유압 셔블의 상기 프론트 작업 장치의 동작 및 상기 선회체의 선회 동작을 제어함과 함께, 상기 덤프 트럭의 이동을 제어하는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 덤프 트럭의 주위를 둘러싸고, 또한, 상기 운전실의 주위의 쪽이 상기 짐받이의 주위보다도 넓어지도록 상기 금지 영역을 설정하는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 덤프 트럭이 이동하고 있는 경우에는, 상기 금지 영역을 상기 덤프 트럭의 진행 방향측에서 상기 덤프 트럭이 정지하고 있는 경우보다도 넓게 설정하는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 덤프 트럭이 적하를 반송할 때까지 상기 유압 셔블이 복수회의 적재 작업을 행하는 경우에는, 상기 목표 위치를 상기 유압 셔블의 적재 작업마다 상기 덤프 트럭의 상기 짐받이에 대하여 다른 위치에 설정하는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 예측 시간 구간의 길이를 변경 가능한
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 위치 산출기의 출력 및 상기 제2 위치 산출기의 출력에 기초하여 산출한 상기 반송기의 상기 적재기에 대한 상대적인 접근 속도가 빠르면 빠를수록, 상기 예측 시간 구간의 길이가 길어지도록 변경하는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 작업 장치의 궤도 예측의 연산, 상기 작업 장치의 상기 금지 영역 내로의 침입 유무의 판정, 상기 작업 장치의 동특성의 제1 입력의 연산, 상기 작업 장치의 동특성의 제2 입력의 연산의 일련의 처리를, 모델 예측 제어의 평가 함수를 사용하여 실행하도록 구성되어 있는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 평가 함수는, 상기 작업 장치가 상기 금지 영역 내에 침입한 경우에 상기 평가 함수의 값을 증가시키는 페널티 함수를 포함하는
    것을 특징으로 하는 적재 작업 지원 시스템.
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