WO2006016655A1

WO2006016655A1 - キャブマウント制御装置、キャブマウント制御方法、建設機械

Info

Publication number: WO2006016655A1
Application number: PCT/JP2005/014764
Authority: WO
Inventors: Shinji Mitsuta; Hideki Tsuji; Masatake Tamaru
Original assignee: Komatsu Ltd.
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2006-02-16
Also published as: JP2007276497A

Abstract

　建設機械のキャブを支持する可変減衰キャブマウント３０用のキャブマウント制御装置５０は、キャブの状態変化を検出する状態変化検出手段５１と、状態変化検出手段５１での検出結果から最大の振幅を持つ定常成分を推定し、該検出結果から除去する定常成分分離手段５９と、定常成分分離手段５９により定常成分が除去された検出結果に基づいて、前記キャブの揺れを推定する状態量推定手段５６と、状態量推定手段５６での推定結果に基づいて、キャブマウント３０で生じさせる減衰力を演算する減衰力演算手段５７と、減衰力演算手段５７で演算された減衰力に基づいて、可変減衰キャブマウント３１に対する制御指令を生成し、該可変キャブマウントに出力伝達する指令出力伝達手段５８とを備えている。

Description

キヤブマウント制御装置、キヤブマウント制御方法、建設機械技術分野

[0001] 本発明は、キヤブマウント制御装置、キヤブマウント制御方法、およびそのようなキヤブマウント制御装置を備えた建設機械に関する。

背景技術

[0002] 従来、不整地で作業するブルドーザやパワーショベル等の建設機械は、走行装置が取り付けられる車体フレーム上に運転 ·操作用のキヤブが設けられて、る。このキヤブは、一般の車両に比べて車体フレーム側から伝搬する外力が大きぐそれに伴う振動が激、ので、制振装置として機能するキヤブマウントを介在させて車体フレームに装着されている。

[0003] そして、キヤブを支持するキヤブマウントとしては、いわゆる液体封入マウントと呼ばれるものが知られている。液体封入マウントは、例えば、シリコーンオイル等の粘性流体が封入された容器内に摺動自在に可動体を設け、この可動体の往復動に伴って変形するコイルパネ等の弾性体を一体ィ匕した構成を有している。また、液体封入マウントは、建設機械の車体フレーム側にマウント本体が装着され、可動体がキヤブ側に取り付けられ、車体フレームに作用した振動は、弾性体で吸収されるとともに、可動体の往復動によって粘性流体が攪拌されることにより、弾性体の復元力により生じるキヤブの振動を速やかに減衰することができる。

[0004] 一方、近年、液体封入マウントとして粘性流体に磁性流体や電気粘性流体を用いた減衰力可変式のものが提案されている (例えば、特許文献 1、特許文献 2参照)。磁性流体および電気粘性流体は、その近傍で磁気や電気を流すと粘性が変化するという特性を有し、容器内の粘性流体の粘性を振動の程度に応じて変化させることにより、減衰力を可変にして制振特性を制御できるとヽぅ利点を有する。

[0005] 特許文献 1 :特開平 7— 164877号公報

特許文献 2：特開 2002— 372095号公報

発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0006] ところで、例えば、ブルドーザの走行装置には、複数のシユーをリンクおよびピンにて連結した履帯が用いられている。この履帯を構成するリンクは、走行中においてァィドラに差し掛かると、所定の一部分がアイドラの外周で保持される。この時、地面と接する際の抵抗により、接触面に滑りが生じ、当初平坦に形成されていたリンクの接触面は、走行を長期にわたって繰り返すことにより、前述した一部分がアイドラの外周になぞられるように摩耗し、周囲の摩耗部分に比して段付状に窪んでしまう（段付摩耗)。同様なことが、トラックローラでも生じる。そして、この摩耗面上をトラックローラが転動することで、ごつごつとした振動が生じ、キヤブに伝達されることになる。

[0007] このような振動は、走行中において比較的速い周期で定常的に生じるのである力減衰力可変式のキヤブマウントを使用した場合、振動によるキヤブの揺れを抑える目的で減衰力を大きくしたのでは、キヤブマウントが硬くなつてごつごつ感がオペレータに伝わってしまい、乗り心地を阻害する。そこで、そのような振動が生じている間は、キヤブマウントの減衰力を小さく維持して振動を柔ら力べ吸収しつつ、他の振動に対しては、減衰力を速やかに大きくしてキヤブの揺れを抑制するといつた制御が望まれる。

[0008] 本発明の目的は、定常的な振動を確実に吸収し、かつキヤブの揺れをも確実に抑制できるキヤブマウント制御装置、キヤブマウント制御方法、建設機械を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0009] 第 1発明に係るキヤブマウント制御装置は、

キヤブを少なくとも 3点で支持する可変減衰キヤブマウントを制御するためのキヤブマウント制御装置であって、

前記キヤブの状態変化を検出する状態変化検出手段と、

前記状態変化検出手段での検出結果から最大の振幅を持つ定常成分を推定し、該検出結果から除去する定常成分分離手段と、

前記定常成分分離手段により定常成分が除去された検出結果に基づいて、前記キヤブの揺れを推定する状態量推定手段と、前記状態量推定手段での推定結果に基づ!、て、前記キヤブマウントで生じさせる減衰力を演算する減衰力演算手段と、

前記減衰力演算手段で演算された減衰力に基づ!、て、前記可変減衰キヤブマウントに対する制御指令を生成し、該可変キヤブマウントに出力伝達する指令出力伝達手段とを備えてヽることを特徴とする。

ここで、「高周波」とは、キヤブの共振周波数の 2^1/2倍以上の周波数をいう。以下においても同様である。

[0010] 第 2発明に係るキヤブマウント装置は、第 1発明において、

前記定常成分分離手段は、自己相関関数を用いて前記の最大振幅を持つ定常成分を推定することを特徴とする。

[0011] 第 3発明に係るキヤブマウントの制御方法は、

キヤブを少なくとも 3点で支持する可変減衰キヤブマウントを制御するキヤブマウントの制御方法であって、

前記キヤブの状態変化を検出するステップと、

状態変化の検出結果力最大の振幅を持つ定常成分を推定し、該検出結果から除去するステップと、

定常成分が除去された検出結果に基づいて、前記キヤブの揺れを推定するステツプと、

推定結果に基づ、て、前記キヤブマウントで生じさせる減衰力を演算するステップと演算された減衰力に基づいて、前記可変キヤブマウントに対する制御指令を生成し、出力するステップとを備えていることを特徴とする。

[0012] 第 4発明に係るキヤブマウントの制御方法は、第 3発明にお、て、

定常成分を推定する際、自己相関関数を用いて最大振幅を持つ定常成分を推定することを特徴とする。

[0013] 第 5発明に係る建設機械は、第 1発明又は第 2発明に係るキヤブマウント装置が搭載されて!ヽることを特徴とする。

発明の効果 [0014] 以上において、第 1発明、第 2発明、及び第 5発明によれば、キヤブの状態変化の検出結果力高周波の定常成分を分離して除くので、例えば、背景技術で述べた段付摩耗により、定常的に振動が生じている場合には、検出結果から得られる振動全体の成分力段付摩耗に係る成分のみが除かれることになり、段付摩耗による振動に対応した減衰力の演算が行われず、キヤブマウントを硬くするような制御が行われない。

従って、キヤブマウントを何ら制御しない時の減衰力を比較的小さめに設定しておけば、段付摩耗等による振動が生じている間においては、その振動が確実に吸収される。

一方で、定常成分以外の成分に対しては、減衰力の演算を行って制御するから、段付摩耗以外の振動によってキヤブが揺れた場合には、揺れに応じた減衰力でキヤブマウントを硬くすればよぐ揺れが確実に抑制される。

なお、振動全体の成分からは、キヤブの共振周波数の 2^1/2倍以上の定常成分が除かれるので、共振周波数に近い成分の振動に対しては減衰力を演算することになり、キヤブの共振による揺れを抑制する。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1]図 1は、本発明の一実施形態に係る建設機械を示す外観側面図。

[図 2]図 2は、前記建設機械に設けられたキヤブぉよびこれを支持するキヤブマウントを模式的に示す側面図。

[図 3]図 3は、図 2でのキヤブおよびキヤブマウントを模式的に示す平面図。

[図 4]図 4は、キヤブマウント制御手段 (装置）を示すブロック図。

[図 5]図 5は、本実施形態を構成する各機能的手段による処理を説明するフローチヤート。

[図 6]図 6は、本実施形態での加速度モード分離を説明するための模式図。

[図 7]図 7は、本実施形態での座標を示す模式図。

[図 8]図 8は、本実施形態での制御系設計用ロールモデルを説明するための模式図 [図 9]図 9は、本実施形態での減衰ゲインを説明するための模式図。 [図 10]図 10は、履帯の構成部材を示す側面図。

[図 11]図 11は、第 1〜3実施形態に係る定常成分分離手段による処理を表すフローチャート。

[図 12]図 12は、高周波成分抽出手段による処理を表すフローチャート。

[図 13]図 13は、高周波成分抽出手段の他の処理を表すフローチャート。

[図 14]図 14は、第 1実施形態に係る定常成分分離手段による処理を表すフローチヤート。

[図 15]図 15は、第 2実施形態におけるメモリへの格納方法を示す概念図。

[図 16]図 16は、第 2実施形態に係る定常成分分離手段による自己相関関数を算出する方法を示す概念図。

[図 17]図 17は、第 2実施形態に係る定常成分分離手段による処理を表すフローチヤート。

[図 18]図 18は、第 3実施形態に係る定常成分分離手段による処理を表すフローチヤート。

[図 19]図 19は、定常成分分離手段の機能を説明するための図。

[図 20]図 20は、定常成分分離手段の他の機能を説明するための図。

符号の説明

[0016] 1…ブルドーザ（建設機械）、 3· ··キヤブ、 30· ··キヤブマウント、 50…キヤブマウント制御装置、 51…加速度センサ (状態変化検出手段)、 57· ··減衰力演算手段、 59· ·· 定常成分分離手段、 fl, f2, f3, f4…減衰力。

発明を実施するための最良の形態

[0017] 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

■1.建設機械 1の概略構成

まず、全ての実施形態に共通な構成について説明する。

図 1は、本実施形態に係るブルドーザ (建設機械） 1の概略外観を示す側面図、図 2 、図 3は、ブルドーザ 1に設けられたキヤブ 3およびこれを支持するキヤブマウント 30を模式的に示す側面図、平面図である。図 4は、キヤブマウント 30を制御するためのキャブマウント制御装置（以下、単に制御手段と称する） 50を示すブロック図である。 [0018] ブルドーザ 1は、掘削、運土、散土、盛土等の作業を行う建設機械であり、車体 2、及び車体 2上に設けられたキヤブ 3を備えて構成されている。車体 2は、車体フレーム 4、走行装置 5、作業機 6を備えている。キヤブ 3は、 4つのキヤブマウント 30を介して車体フレーム 4に 4点支持されている。なお、キヤブ 3の支持点数は 3点以上であればよぐ 4点支持に限定されない。

[0019] 車体フレーム 4は、図示しないエンジンが搭載される部分であり、このエンジンの後方側にキヤブ 3が設けられている。走行装置 5は、車体フレーム 4の下部の両側に設けられたクローラ式であって、履帯 70を備えている。走行装置 5の後方側には駆動用のスプロケット 5Aが設けられ、前方側にはアイドラ 5Bが設けられ、履帯 70がスプロケット 5Aおよびアイドラ 5Bに卷回されているのである。作業機 6は、掘肖 ij、盛土等の作業を行う部分であり、フレーム 7、ブレード 8、リフトシリンダ 9、およびチルトシリンダ 10 を備えている。

[0020] フレーム 7は、走行装置 5の両側力走行方向前方に延びるアーム状部材であり、揺動自在に設けられている。ブレード 8は、ブルドーザ 1を走行させた際、土砂等が当たる部分であり、フレーム 7の先端部分に設けられている。リフトシリンダ 9は、ブレード 8を上下させるための油圧ァクチユエータであり、チルトシリンダ 10は、ブレード 8 の幅方向の傾斜を変化させる油圧ァクチユエータである。

[0021] 國2.キヤブマウント 30の概略構成

キヤブマウント 30は、図 3に示すように、ブルドーザ 1の走行方向の前方両側（左右両側）に 2箇所、走行方向の後方両側 (左右両側）に 2箇所、合計 4箇所に設けられている。前方側に設けられたキヤブマウント 30は、互いに左右方向に大きく離れた位置で、車体フレーム 4およびキヤブ 3の補助フレーム 3Aに対してゴムブッシュを介して固定され、後方側に設けられたキヤブマウント 30は、前方側よりも高い位置 (ハイマゥント)で、例えば、マウントの上端、下端にゴムブッシュを介して固定されている。

[0022] また、キヤブマウント 30は減衰力を変化させることができる可変減衰キヤブマウントであり、本実施形態では、構成の詳細な説明を省略するが、磁性流体を用いたタイプである。

すなわち、図 2に基づいて簡略ィ匕して説明すると、キヤブマウント 30は、車体フレーム 4側に支承されたシリンダ 31と、シリンダ 31に対して進退自在に設けられ、かつ上端がキヤブ 3に固定された可動部材 32とを備え、可動部材 32の下端側が振動吸収用のコイルパネ 33で受けられている。

[0023] シリンダ 31内のヘッド側およびボトム側の空間内には前述した磁性流体が封入されており、各空間を行き来するための連通路で磁性流体に磁界をかけると、磁性流体の剪断力が変化し、ダンバとして機能する際の減衰力を変えることが可能である。シリンダ 31の外周側に模式的に図示した励磁コイル 34は、後述する制御手段 50からの電流信号によって磁界を生じさせるものである。

[0024] ただし、本発明に用いられる可変減衰キヤブマウントとしては、本実施形態のような磁性流体を用いたものに限定されず、電気粘性流体を用いるタイプ、ヘッド側およびボトム側の空間を連通させる連通路の断面積を可変にし、よって減衰力を変化させる可変オリフィスタイプなど、任意の構造のものを採用できる。

[0025] 國3.制御手段 50の構成

〔1〕全体構成

制御手段 50は、図 4に示すように、加速度センサ (状態変化検出手段） 51と、入出力部 52と、演算部 53とを備え、入出力部 52および演算部 53が MPU等で構成されている。

入出力部 52は、加速度信号入力手段 54、減衰力指令出力伝達手段 58を備え、演算部 53が、モード分離手段 55、状態量推定手段 56、減衰力演算手段 57、および定常成分分離手段 59を備えている。この定常成分分離手段 59については後述する。

[0026] 加速度センサ 51は、図 2、図 3にも示すように、キヤブ 3内の前方中央、左後方、及び右後方の 3箇所にそれぞれ設けられ、キヤブ 3に揺れが生じた際に、各部位での上下方向の加速度を検出する。なお、本発明での状態変化検出手段としては、加速度センサ 51の代わりにストロークセンサでもよいし、加速度センサ 51にさらにストロークセンサをカ卩えてもょ、し、加速度センサやストロークセンサに代えてジャイロを用いてもよい。しかし、これらを使用することで、演算部 53での演算を簡略ィ匕することができるが、耐久性およびコストの面では加速度センサ 51のみの方がよぐ制御上の面でも実用に足りる。

加速度信号入力手段 54は、加速度センサ 51から出力された検出信号を入力し、所定の変換を行って演算部 53に出力する機能を有している。

[0027] 〔2〕各機能的手段の構成

前述したモード分離手段 55、状態量推定手段 56、減衰力演算手段 57、及び減衰力指令伝達手段 58、及び定常成分分離手段 59は、図 5に示されるフローチャートに示される処理を分担して実行する。

具体的には、モード分離手段 55が加速度センサ 51で検出された各点における加速度信号から、ピッチ加速度、ロール加速度、バウンス加速度を演算し、状態量推定手段 56が、ピッチ加速度、ロール加速度、バウンス加速度力前後左右の相対速度を演算し、減衰力演算手段 57が前後左右の制御力の演算を行う。尚、モード分離手段 55で算出される各加速度は、定常成分分離手段 59により高周波成分が除去された後、状態量推定手段 56及び減衰力演算手段 57で処理される。

以下、これらの各機能的手段について詳述する。

[0028] (3-1)モード分離手段 55の構成

モード分離手段 55は、 3点力の上下方向の加速度信号力ピッチ、ロール、バウンスの成分にモード分離する。尚、ここでは簡単のため変位に関するモード分離で説明するが，速度でも加速度でも同様のやり方でモード分離可能である。

具体的には、図 6に示されるように、キヤブの挙動は、ピッチ、ロール、ノゥンスの 3 自由度の挙動力もなるという仮定の基に、各モードの足し合わせで表現されるとし、ここでは 3箇所に取り付けられたセンサからの変位信号 Zl、 Z2、 Z3から各モードの量を算出するとする。

[0029] 座標系は、図 7に示されるように、 X—Y—Zからなる直交座標系で定義され、 X軸回りの回転をロール、 Y軸回りの回転をピッチとし、各センサの重心に対する座標をそれぞれ (xl,yl)、（x2,y2) , (x3,y3)とする。重心回りのバウンス変位を Zb、ピッチ変位を Θ pitch,ピッチ変位を Θ rollとすると、各センサ点での上下変位は、次の式（1) 〜式（3)で与えられる。

[0030] [数 1]

[0031] 式（1)〜式（3)から 0pitch、 0 roll、及び Zbを求めると、これらは、次の式（4)〜式（

6)となる。

[0032] [数 2] θ₌ (^ζι -Ζ₂)(γ₂-γ,)-(Ζ₂ -Z₃)(y, -y₂) ... _{(4 )}

P

— 2)

Q = C¾— ） (ぶ ₂ -JC₃)_(Z₂ -Z₃){x -x₂)

r。" ( 1 - y₂ )(^X2— ）—（ 2一 3 Xぶ 1 — 2 ) ^{5 )} ^zb = ^ζι ^{+ χ}β _pitch -yAou … （⁶)

[0033] すなわち、各加速度センサ 51で検出される 3点の変位 (加速度）と座標に基づいて、式 (4)〜（6)を用いることにより、ピッチ，ロール，バウンスの変位 (加速度）を算出することが可能となり、式 (4)〜式 (6)がモード分離の計算式として定義される。

[0034] (3-2)状態量推定手段 56の構成

状態量推定手段 56は、所定の加速度（copt, ωΠ, abt)が生じた際のパネ下の動きを推定するカルマンフィルタを用い、状態量であるピッチ方向の相対角速度 ωρ、口ール方向の相対角速度 cor、およびバウンス方向の相対速度 Ζを算出する。

1自由度系のカルマンフィルタは、ロール、バウンス、及びピッチングのモードについてもそれぞれ同様のやり方で、独立して用いることができ、ピッチング，バウンス、口ールのそれぞれのモードに対して 1自由度系のカルマンフィルタを用いて状態量を推定している力ここでは、ロール方向の相対速度を 1自由度系のカルマンフィルタを用いて推定する方法を説明する。

[0035] ロール方向の状態量を推定する 1自由度系のカルマンフィルタは，図 8のようなロールを対象にした 1自由度剛体モデルを制御系設計モデルとし、前後、左右方向の剛性は考慮しないこととする。

図 8におけるキヤブのフレームに対する相対的なロール変形 Δ θ = θ - Θ に伴う

r r r2 マウントの上下方向の変形量は、左前方の変形量を Δζ、右前方の変形量を Δζ

fl fr 左後方の変形量を Δζ、右後方の変形量を Δζとすると、次の式（7)で与えられる。

rl rr

[0036] [数 3]

Αζ_β =-l_ylA0_r Az_fr =l_y2A0_r Az_rl = -Ι_γ3ΑΘ_Γ Az_rr =l_y4A9_r … （ァ） [0037] この式（7)より、マウントの上下方向の相対速度は、左前方の相対速度を Δζにドッ fl トを付した記号、右前方の相対速度を Δζにドットを付した記号、左後方の相対速度 fr

を Δζにドットを付した記号、右後方の変形量を Δζにドットを付した記号とすると、 rl rr

次の式（8)で与えられる。

[0038] [数 4]

= -!_y Af _r = l_y2A0_r Az_rl = -l_yiA0_r tsz„ = l_y4A0_r … （ 8 ) [0039] 左前方、右前方、左後方、右後方に発生するマウント力を f f f f とすると、マ

fl fr rl rr

ゥント力によるロールモーメント N は、次の式（9)のようになる。

rm

[0040] [数 5]

= - 、 ffl lylffr ― ly rr O)

[0041] また、マウント力はマウントの上下方向ばね剛性を k 上下方向減衰係数を cとする

z z と、次の式（10)のようになる。

[0042] 園 ffl

-c fl ffr = - k ~c₂Az_fr frl = -

—ん _ζΔζ 一 C_∑A∑_rr

[0043] さらに、ロール制御モーメントを Nとし、ロールモーメント Nとマウントのロール変位

cr r

Δ Θの関係は、式（9)、式（10)を用いて次の式（11)で与えられる。 [0044] [数 7] =N_rm +N_cr

= - ¾ + I + ¾ + ¾ )Δ - c: (/, + /；₂ + ¾ + ¾ )ΑΘ_Γ +Ν_ίΤ'" ( ^{1 1}

[0045] キヤブのロール運動に関する運動方程式は、ロールに対するイナ一シャを Irとすると次の式（12)で表される。

[0046] [数 8]

I - N_r … d ₂₎

[0047] 式（12)に式（11)を代入すると、次の式（13)が得られる。

[0048] [数 9]

IA =— +/;₃+ ₄)Δ^ -c_z(;, +/；₂ +l_y ² _{) +}l_y ² ₄)A0_r +N_cr . (！ 3) [0049] 運動方程式の自由度をロール相対角度を Δ 0 、ばね下ロール絶対角度 0 とする r r2

。このとき，式（13)の運動方程式は以下の式（14)のように表現できる。

[0050] [数 10]

+ ) Δ = N_cr - I

… (14)

[0051] ここで、状態変数 X、入力 u、外乱 wを次の式（15)のようにとる。

[0052] [数 11]

X = {ΑΘ_Γ A0_r}^T = N_cr w = l'_r2 ■■■ (15)

[0053] このとき状態方程式は、次の式（16)のようになる。

[0054] [数 12] X = AX + Bu + Gw ... (l 6)

ここO 1で、 c - k

A = - 一 f ( 1 ^{+ /} 2 + 3 + 4)

1 " 0

B

[0055] オブザーバを構成するために、オブザーバ出力に関する出力方程式が必要になる。この出力方程式を次の式（17)のようにおく。ここでは観測出力をロール加速度とする。

[0056] [数 13] y_v =C_VX + D_VU + H_VW ... (i 7)

[0057] このとき、出力変数 y は、次の式（18)で表される _c

[0058] [数 14] y_v = … (18)

[0059] そして、式（ 17)は、次の式（ 19)の形となる。

[0060] [数 15] u (19)

[0061] 従って，式（17)の各係数は次の式（20)のようになる。

[0062] [数 16] , = - - (¾ + ΐ + ¾ + ¾ ) - -f ¾ + ¾ + ¾ + ¾ )

D" = H.. =0 (20)

[0063] 推定する状態変数に対して、下記式（21)のカルマンフィルタを構成する。

[0064] [数 17]

X = AX + Bu + L{y_v-C_vX-D_vu) ... (21)

X ：推定する状態変数

[0065] ここで、ノイズ共分散データを、次の式（22)で仮定し、リツカチ方程式を解くことにより、カルマンフィルタゲイン Lを算出することができる。

[0066] [数 18]

E(ww^T) = Q_n E(vv^T) = R_n (wv^r) = N„ ... (22)

[0067] 実際の設計においては、次の式（23)のようにおく。

[0068] [数 19] =ο.ι α=ι... (23)

[0069] 式（21)のカルマンフィルタは次の式（24)で示される状態方程式に変形できる。

[0070] [数 20]

X = (A-LC_V)X + [B-LD_V (24)

[0071] すなわち、制御入力 u、測定量 v を合わせた {u y を入力とする状態方程式で記述でき、コントローラに組み込むことができる。カルマンフィルタによって推定される状態変数は、下記の式（25)で与えられる。

[0072] [数 21]

X = {ΑΘ_Γ ΑΘ_Γ}^Τ … (25 [0073] 従って、ロールの相対変位、相対速度をカルマンフィルタにより推定することができる。

[0074] (3-3)減衰力演算手段 57の構成

減衰力演算手段 57は、ピッチ、ロール、バウンスに必要な減衰力に基づき、各キヤブ

マウント 30における減衰力 fl、 f2、 f3、 f4を算出する。

本実施形態における減衰力演算手段 57は、例えば、各軸独立したスカイフック制御を行う場合には、図 9に示すように、加速度信号入力手段 54からの検出信号に基づいて 4軸の絶対加速度 (al, a2, a3, a4)を算出した上で積分し、状態量としての絶対速度 (VI, V2, V3, V4)を演算して推定する。図 9において、 Cは各軸での減衰ゲイン (減衰力 Z速度)である。

この時、減衰力 fl, f2, f3, f4は、以下の式（26)〜（29)式で算出される。

[0075] [数 22] f 1=-C*V1 ··■ (26)

f 2=_C * V 2 ··· (27)

f 3=-C * V 3 ··· (28)

f 4=— C * V4 ··· (29)

[0076] 減衰力指令出力伝達手段 58は、減衰力演算手段 57で算出された減衰力 fl〜f4 に応じた制御指令となる電流信号を生成し、各キヤブマウント 30の励磁コイル 34に出力することになる。

[0077] (3-4)定常成分分離手段 59の構成

ところで、ブルドーザ 1の走行装置 5では、履帯 70を長期にわたって使用すると、履帯 70に段付摩耗が生じる。

具体的に、履帯 70は、図 1での下側での一部（図 1中の囲み円付近)を図 10に拡大して示すように、外側に突出したグローサ 71Aを有するシユー 71と、シユー 71の内側にシユーボルト 71Bおよびシユーナット 71Cで固定されたリンク 72とを備えている。リンク 72は、履帯 70の幅方向（図 10の紙面表裏方向）に一対設けられるのである力ここでは一つのみを図示してある。そして、移動方向に沿った複数のリンク 72同士を図示しな！、ピンにより連結することで、一連の履帯 70が形成される。

リンク 72に穿設された一対の丸孔開口 72A, 72Bは、ピン挿入用であり、隣接するリンクとの結合を考慮して、幅方向の位置がオフセットされている。

[0078] リンク 72の図中の上面 72Cは、図示しないトラックローラ（TZR)の転動面であり、また、アイドラ 5Bと接触する接触面でもあり、走行を長期にわたって繰り返すことで、二点鎖線で示す位置力図示のように段付状に摩耗する。図中の矢印 Aで示す部分が段付摩耗した部分であり、段付摩耗は履帯 70の全てのリンク 72に略一様に発生する。

従って、このような面をトラックローラが転動すると、それぞれの段付摩耗部分を通過する度に振動が生じることになる。つまり、高周波の振動が定常的に生じるのである。このような振動に対しても、制御手段 50にて減衰力 fl〜f4を算出し、各キヤブマゥント 30を硬めに制御すると、かえってごつごつ感がオペレータに伝わってしまい、乗り心地を阻害する。

[0079] そこで、本発明では、図 5に示されるように、モード分離手段 55で分離されたバウンス加速度、ピッチ加速度、ロール加速度で表されるそれぞれの検出結果から、最大の振幅を持つ定常成分を推定し、該検出結果力も除去する定常成分分離手段 59による処理を行った後、状態量推定手段 56及び減衰力演算手段 57による演算処理を行っている。

定常成分分離手段 59は、図 11に示されるように、高周波成分抽出手段 61、自己相関関数演算手段 62、定常成分推定手段 63、非定常成分推定手段 64、及び制御信号算出手段 65を備え、各手段によって次の処理が行われる。

[0080] (1)まず、高周波成分抽出手段 61によって、ピッチ、ロール、バウンスの各モードに分離した加速度信号を、ローパスまたはハイパスフィルタによって高周波成分を抽出する。

(2)次に、自己相関関数演算手段 62によって、 FFTもしくは自己相関関数を用いて自己相関関数最大となるラグ lmaxあるいは自己相関関数最大値 AacKlmax)の定常信号に関する特性を求める。

(3)そして、定常成分推定手段 63によって、定常信号をリアルタイム推定する。 (4)さらに、非定常成分推定手段 64によって、非定常信号を算出する。

(5)最後に、制御信号算出手段 65によって、（1)で分離した低周波信号と非定常信号を足し合わせて制御信号を算出し、状態量推定手段 56に出力する。

[0081] ここで、図 11に示されるように、自己相関関数演算手段 62及び定常成分推定手段 63による定常成分の推定処理は、第 1実施形態 Rl、第 2実施形態 R2、第 3実施形態 R3のように、種々の方法を採用することができるため、以下、各実施形態 R1〜R3 について説明する。

[0082] 〔第 1実施形態〕

モード分離手段から来た信号に対して高周波成分抽出手段 61を用いて、所定の高周波信号を抽出する。

ピッチ、ロール、バウンス方向にそれぞれ分離された加速度信号 X (t)、 x (t)、

P r

X (t)に対して、時刻 tにおける加速度信号を代表して X (t)とする。

b 0

コントローラは、一定サンプリング時間 Atごとの処理を行うため、加速度信号は離散化された時系列として扱われる。ここでは任意の時刻 t0における加速度を n番目の信号として X (n)と表記し、離散化した時系列を、 X (1)、 X (2)、 · ··, X (n)、 · ··, x (N)と表

0 0 0 0 0 す。

1次のローパスフィルタをフィルタ後の信号 X (n)として、デジタルフィルタの形で表

LP

すと次の式（30)のようになる。

[0083] [数 23] x_LP (n) = A^₀ (n) + A₂x₀ (n - l) + B_xx_LP (n - 1) … ( ₃ o ) [0084] ここで、例えばサンプリング時間 10msecとすると各係数 A、 A、 Bは、 2Hz、 6Hzの

1 2 1

カットオフ周波数を持つローパスフィルタの係数で次の式（31)、式（32)のようになる [0085] [数 24]

4 = ^ = 0.05919, ^ = 0.8816 (2H_Z ローパスの場合） … （3 1 ) A_x = A₂ = 0.1602, 5, = 0.6796 (6Hz 口一パスの場合） … ( 3 2 )

[0086] また、 1次のハイパスフィルタの場合もフィルタ後の信号 X (n)として次の式（33)に示されるようなデジタルフィルタの形になる。

[数 25] x_HP (n) = A_xx_Q (n) + A₂x₀ (« - 1) + B_xx_HP (n - \) … （ 3 3 )

[0088] 各係数 A、 A、 Bは、 2Hz、 6Hzのハイパスフィルタで以下の式（34)、式（35)のよ

1 2 1

うになる。

[0089] [数 26]

A = 0.9408, A₂ = -0.9408, Β = 0.8816 (₂ ハイパスの場合）…（3 4 ) Α_λ = 0.8398, Α₂ = -0.8398, Β, = 0.6796 (₆¾ハイパスの場合)… ( 3 5 )

[0090] 高周波信号 x(n)の抽出はローパス、ハイパスどちらを使ってもよぐ次の式（36)のようになる。

[0091] [数 27] x(n) = x₀ (n) - x_LP (n) あるいは x(n) = x_HP (n)

… （3 6 )

[0092] 図 12には、ローパスを用いた場合の高周波成分抽出手段 61の処理を表すフローチャートが示され、図 13には、ハイパスを用いた場合の高周波成分抽出手段 61の処理を表すフローチャートが示されて、る。

[0093] 第 1実施形態の場合は、メモリへ格納する必要が無ぐダイレクトに下記の式（37) を用いて自己相関関数を算出する。 τは時定数、 A tはサンプリング時間である。例えば τ =2sec、 A t = 0.01secゝ N = 200とし、十分長い時定数 τを設定する。

[0094] [数 28]

[0095] この計算式に基づく自己相関関数ならば、次の式（38)で表されるアルゴリズムにより、過去の 1個の時系列の履歴のみで計算することができ、メモリ容量を少なくして計算できる。

[0096] [数 29] Λ_αί{1,η) = x(n)x(n -/) + NA_acf (/， "一 1) (38)

N

[0097] この自己相関関数 Aac l)を 1=5〜15について計算し、最大値となるラグを lmax、最大自己相関関数を Aac lmax)とする。

[0098] 一方、短、時定数での時系列の二乗平均値を時刻 nにお!/、て次の式（39)のように算出する。例えば、 τ =0.05secゝ At = 0.01sec、 N = 5とする。

[0099] [数 30]

X² («) = (39)

[0100] これも前述同様に、次の式 (40)で表されるアルゴリズムで算出できる。

[0101] [数 31]

[0102] この二乗平均値は、各時刻における定常成分と非定常成分の和の成分を意味する。従って、入力となる時系列の大きさに対する定常成分の大きさの比は各時刻において、式 (41)で表されるため、時系列 x(t)から定常成分 X (t)を分離すると、式（

stationary

42)のようになる。

[0103] [数 32]

I ^acf max )

racf ― (4 1)

(42)

[0104] 非定常成分は元の時系列力定常成分を取り除いた成分であるから、非定常成分

X (t)は次の式 (43)で表される。

non-stationary

[0105] [数 33] on-stationary (") = ^X(ⁿ) - ^stationary (") … （ 43 ) [0106] 以上のような第 1実施形態に係る定常成分分離手段 59による処理を総括すると、図 14に示されるフローチャートによる処理が実行される。

まず、高周波成分抽出手段 61によって抽出された高周波信号に基づいて、自己相関関数演算手段 62は、対象周波数に対するラグにおける自己相関関数を算出し (処理 S1)、算出された自己相関関数に基づいて、最大自己相関関数を算出する（処理 S2)。

一方、自己相関関数演算手段 62は、これと平行して短い時定数での時系列の二乗平均値を算出する (処理 S3)。

これらが算出されたら、定常成分推定手段 63は、算出された最大自己相関関数及び時系列の二乗平均値に基づいて、定常成分の推定を行う（処理 S4)。最後に非定常成分推定手段 64は、検出結果力も推定された定常成分の差分をとつて非定常成分を算出し (処理 S5)、その結果に基づいて、制御信号算出手段 65は制御信号を算出し、算出結果を状態量推定手段 56に出力する。

[0107] 〔第 2実施形態〕

本実施形態では、高周波成分抽出手段 61を経た時系列信号をアルゴリズムで処理しゃすいようにするために、コントローラ内メモリに格納する必要がある。ここでは、逐次送られてくるデータを、図 15に示されるように、 N個の領域を持つ変数 a(n)に nが増える方向へ順次格納していき、変数 a(Na_Cl)を超えたら a(l)に戻り、また順次格納していく。以降簡単のため，離散化した時系列を x(0)、 x(l)、 · · ·、 x(n)、 · · ·、 x(N)と表し、変数 a(0)、 a(l)、 · · ·、 a(n)、 · · ·、 a(N)と区別する。

[0108] 次に、取り除きたい定常振動の周波数範囲の自己相関関数を算出する。ここでは 5Hz〜20Hzの定常振動を取り除くため、探索するラグ 1はサンプリング時間 Atに対して次の式 (44)のようになる。

[0109] [数 34]

[0110] ラグ 1の場合の自己相関関数は、図 16のメモリ上のデータを用いて下記の式 (45) で算出される。 [0111] [数 35]

^Aacf … （4 5 )

[0112] この自己相関関数 AaclO)を 1=5〜15について計算し、最大値となるラグを lmax,最大自己相関関数を Aac lmax)とする。

[0113] 式 (45)で算出したもっとも自己相関の強い定常信号における位相は、

信号 x(n-j*lmax) (jは任意の整数)の位相と同じである。

そこで、ラグ lmaxにおける定常信号を過去取り込んだ信号の同位相点における信号の平均で次の式 (46)のように近似する。

[0114] [数 36]

I N

^ta_ti。_naly < > ⁼ ^~ "—ゾ * ax ) ^{( 4 6 )}

V ave ゾ =0

[0115] 非定常成分は相関がないため、過去の信号に対して平均をとることにより相対的に小さくなり、本推定により定常信号が強調されて残ることになる。

また， Naveは平均を取るサンプル個数であり、次の式（47)のようになる。

[0116] [数 37]

N _e = floor 、

[0117] 以上のような第 2実施形態に係る定常成分分離手段 59による処理を総括すると、図 17のフローチャートに示されるように、一定時間間隔で高周波成分抽出手段 61から出力された高周波信号は、順次メモリに格納される（処理 S6)。

自己相関関数演算手段 62は、メモリに格納された N個のデータに基づいて、対象周波数に対するラグ 1における自己相関関数を算出し (処理 S7)、さらに自己相関関数が最大となるラグ lmaxを算出する（処理 S8)。

定常成分推定手段 63は、算出されたラグ lmaxに基づいて、メモリ内の同位相点における平均値を算出することで定常成分を推定し (処理 S9)、非定常成分推定手段 64は、検出結果力も推定された定常成分の差分をとつて非定常成分を算出し (処理 S 10)、その結果に基づいて、制御信号算出手段 65は制御信号を算出し、算出結果を状態量推定手段 56に出力する。

[0118] 〔第 3実施形態〕

第 3実施形態に係る定常成分分離手段 59による処理は、第 2実施形態のアルゴリズムのうち、自己相関関数の算出を FFTで行っているのが特徴である。 FFTを用いるため、時系列をメモリに第 2実施形態と同様に格納する必要があり、また演算速度を増やすため格納個数は 2のべき乗に設定するのが望ましい。

[0119] 信号の周波数を求める場合は、自己相関関数ではなくて一般的には次の式 (48) により FFT処理を行う。

[0120] [数 38]

[0121] ここで、 X(k)は、周波数領域上のスペクトル値を示す。このスペクトルからもっとも成分の大きい振幅 X(kmax)を求める.そのときの周波数 fmaxは、 kmaxから以下の式（4 9)で判定する。

[0122] [数 39]

[0123] 自己相関関数における相関の最も大きいラグ lmaxは以下の式（50)のようになる。

[0124] [数 40]

= _ 1 一 N

' max一 Λ *— ~ … ( 0 /

J max max

[0125] この情報から第 2実施形態の式 (46)と同様の推定アルゴリズムを用いて、式 (51) により定常成分を推定することができる。

[0126] [数 41] … （^{5 1} )

[0127] この方法の問題点は、 FFTを用いるためには時系列を保持しておくためのメモリ、

FFTを行うための CPU演算時間が大きいことにある。

[0128] 以上のような第 3実施形態に係る定常成分分離手段 59による処理を総括すると、図 18のフローチャートに示されるように、まず、一定時間間隔で高周波成分抽出手段 61から出力された高周波信号が順次メモリに格納される（処理 Sl l)。

次に、自己相関関数演算手段 62は、メモリに格納されたデータに基づいて、 FFT による振動スペクトルを算出し (処理 S12)、自己相関関数が最大となるラグ lmaxを算出する（処理 S 13)。

後は、第 2実施形態と同様に、算出されたラグ lmaxに基づいて、メモリ内の同位相 …における平均値を算出して定常成分を推定し (処理 S14)、非定常成分算出 64は、検出結果力も推定された定常成分の差分をとつて非定常成分を算出し (処理 S15) 、その結果に基づいて、制御信号算出手段 65は制御信号を算出し、算出結果を状態量推定手段 56に出力する。

[0129] 國4.第 1〜3実施形態の作用及び効果

前述した第 1〜3実施形態の制御装置 50において、演算部 53のモード分離手段 5 5と状態量推定手段 56との間には、定常成分分離手段 59が設けられている。

この定常成分分離手段 59は、キヤブ 3で生じる振動全体の成分から、履帯 70での段付摩耗が原因とされる高周波の定常的な成分を除去し、この定常的に生じる振動に対しては、状態量推定手段 56以下での処理を行わな、ようにして、る。

[0130] 高周波成分抽出手段 61は、図 19に示すように、モード分離手段 55 (図 4)で分離された各モードについて、キヤブ 3に作用した振動全体の成分 (本実施形態では、加速度として与えられる）から低周波成分と高周波成分とを抽出し、互いを分離する。このような抽出および分離は、一般的なローパスフィルタ等によって行われる。

[0131] 定常成分分離手段 59は、図 20に示すように、高周波成分力さらに定常成分を抽出し、他の成分を分離する。抽出は前述したように、高周波成分を、自己相関関数を用いて定常的な振動成分を抽出し、残りを他の衝撃、ランダム成分とすることができる。定常成分以外の振動成分は、地形の不連続性力も生じる場合が多ぐ抽出された後に状態量推定手段 56に出力される。この後、減衰力演算手段 57が減衰力 fl〜 f4を算出し、キヤブ 3の揺れを抑制する。そして、定常成分は状態量推定手段 56には出力されず、制御対象カゝら除かれる。

[0132] このような本実施形態によれば、以下の効果がある。

すなわち、ブルドーザ 1において、キヤブマウント 30を制御する制御手段 50には、定常成分分離手段 59が設けられており、キヤブ 3の状態変化の検出結果力もは、段付摩耗による振動力生じた高周波の定常成分が分離されるので、段付摩耗による振動にのみ限定して減衰力 fl〜f4の演算を行わずに済ますことができ、キヤブマウント 30を硬くするような制御を行わないようにできる。従って、キヤブマウント 30の減衰力は、コイルパネ 33自身のパネ特性に依存した小さいものにでき、段付摩耗等による振動が生じている間においては、その振動をコイルパネ 33で確実に吸収できる。

[0133] 一方で、定常成分以外の成分に対しては、減衰力 f l〜f4の演算を行って制御するから、段付摩耗以外の振動によってキヤブ 3が揺れた場合には、揺れに応じた減衰力 fl〜f4でキヤブマウント 30を硬くすればよぐ揺れを確実に抑制できる。

[0134] 特に、定常成分分離手段 59の高周波成分抽出手段 61によれば、キヤブ 3の共振周波数の 2^1/2倍以上の定常成分が段付摩耗による成分として限定的に除かれ、キヤブ 3の共振周波数に近い成分が抽出されるので、抽出された成分に基づいて減衰力 fl〜f4を演算することにより、キヤブ 3の共振による揺れを防止できる。

[0135] 前記実施形態では、高周波の定常的な振動が段付摩耗によって生じるものとして説明したが、例えば、エンジンが駆動している時の振動も同様に扱うことができる。従つて、エンジン駆動時の振動に対しても、本発明を適用することにより、キヤブマウント 30の減衰力を必要以上に硬くせず、そのような振動を確実に吸収できるのである。勿論、その他の定常的に生じる任意の振動に対して、本発明を適用してもよい。産業上の利用可能性

[0136] 本発明は、ブルドーザやパワーショベルといった履帯で走行する建設機械の他、ェンジンを搭載したあらゆる建設機械、さらには輸送用トラック等にも適用できる。

Claims

請求の範囲

[1] キヤブを少なくとも 3点で支持する可変減衰キヤブマウントを制御するためのキヤブマウント制御装置であって、

前記キヤブの状態変化を検出する状態変化検出手段と、

前記定常成分分離手段により定常成分が除去された検出結果に基づいて、前記キヤブの揺れを推定する状態量推定手段と、

前記状態量推定手段での推定結果に基づ!、て、前記キヤブマウントで生じさせる減衰力を演算する減衰力演算手段と、

前記減衰力演算手段で演算された減衰力に基づ!、て、前記可変減衰キヤブマウントに対する制御指令を生成し、該可変キヤブマウントに出力伝達する指令出力伝達手段とを備えていることを特徴とするキヤブマウント制御装置。

[2] 請求項 1記載のキヤブマウント制御装置において、

前記定常成分分離手段は、自己相関関数を用いて前記の最大振幅を持つ定常成分を推定することを特徴とするキヤブマウント制御装置。

[3] キヤブを少なくとも 3点で支持する可変減衰キヤブマウントを制御するキヤブマウントの制御方法であって、

前記キヤブの状態変化を検出するステップと、

推定結果に基づ、て、前記キヤブマウントで生じさせる減衰力を演算するステップと演算された減衰力に基づいて、前記可変キヤブマウントに対する制御指令を生成し、出力するステップとを備えて、ることを特徴とするキヤブマウントの制御方法。

[4] 請求項 3に記載のキヤブマウントの制御方法において、定常成分を推定する際、自己相関関数を用いて最大振幅を持つ定常成分を推定することを特徴とするキヤブマウントの制御方法。

建設機械において、

請求項 1又は請求項 2に記載のキヤブマウント制御装置が搭載されていることを特徴とする建設機械。