WO2019230043A1 - ブレード制御装置及びブレード制御方法 - Google Patents

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WO2019230043A1
WO2019230043A1 PCT/JP2019/002788 JP2019002788W WO2019230043A1 WO 2019230043 A1 WO2019230043 A1 WO 2019230043A1 JP 2019002788 W JP2019002788 W JP 2019002788W WO 2019230043 A1 WO2019230043 A1 WO 2019230043A1
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blade
design surface
height
correction
work vehicle
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PCT/JP2019/002788
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English (en)
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隆男 石原
大地 登尾
裕 中山
Original Assignee
株式会社小松製作所
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/76—Graders, bulldozers, or the like with scraper plates or ploughshare-like elements; Levelling scarifying devices
    • E02F3/7609—Scraper blade mounted forwardly of the tractor on a pair of pivoting arms which are linked to the sides of the tractor, e.g. bulldozers
    • E02F3/7618—Scraper blade mounted forwardly of the tractor on a pair of pivoting arms which are linked to the sides of the tractor, e.g. bulldozers with the scraper blade adjustable relative to the pivoting arms about a horizontal axis
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/76—Graders, bulldozers, or the like with scraper plates or ploughshare-like elements; Levelling scarifying devices
    • E02F3/80—Component parts
    • E02F3/84—Drives or control devices therefor, e.g. hydraulic drive systems
    • E02F3/844—Drives or control devices therefor, e.g. hydraulic drive systems for positioning the blade, e.g. hydraulically
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices
    • E02F9/261—Surveying the work-site to be treated
    • E02F9/262—Surveying the work-site to be treated with follow-up actions to control the work tool, e.g. controller
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices
    • E02F9/264—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool
    • E02F9/265—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool with follow-up actions (e.g. control signals sent to actuate the work tool)

Definitions

  • the present invention relates to a blade control device and a blade control method.
  • the work vehicle having the blade is used for excavation or leveling of the excavation target.
  • Work vehicles have been proposed in which the blade follows the design surface.
  • the design surface means a target shape to be excavated.
  • the blade is driven by a hydraulic system.
  • the hydraulic system is driven based on a control command output from the blade control device.
  • An aspect of the present invention aims to excavate an excavation target into a desired shape.
  • the first surface present in front of the work vehicle and the second surface having a different slope from the first design surface indicating the target shape of the excavation target excavated by the blade of the work vehicle.
  • a blade control device comprising: a correction design surface generation unit that generates a correction design surface connecting the surfaces; and a blade control unit that outputs a control command for controlling the height of the blade based on the correction design surface.
  • the object to be excavated can be excavated into a desired shape.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a work vehicle according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the work vehicle according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a functional block diagram showing the blade control device according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an initial design surface according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a correction design surface according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the blade control method according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the operation of the work vehicle according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating the operation of the work vehicle according to the comparative example.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a computer system according to the present embodiment.
  • the global coordinate system is a coordinate system based on the origin fixed on the earth.
  • the global coordinate system is a coordinate system defined by GNSS (Global Navigation Satellite System).
  • GNSS refers to the global navigation satellite system.
  • GPS Global Positioning System
  • the GNSS has a plurality of positioning satellites.
  • the GNSS detects a position defined by latitude, longitude, and altitude coordinate data.
  • the local coordinate system is a coordinate system based on the origin fixed to the vehicle body 2 of the work vehicle 1. In the local coordinate system, a vertical direction, a horizontal direction, and a front-back direction are defined.
  • the work vehicle 1 includes a vehicle body 2 on which a seat 13 and an operation device 14 are provided, and a traveling device 3 including a drive wheel 15 and a crawler belt 17.
  • the vertical direction refers to a direction orthogonal to the ground contact surface of the crawler belt 17.
  • the left-right direction refers to a direction parallel to the rotation axis of the drive wheel 15.
  • the left-right direction is synonymous with the vehicle width direction of the work vehicle 1.
  • the front-rear direction means a direction orthogonal to the left-right direction and the up-down direction.
  • “Upper” means one direction in the vertical direction, and the direction away from the ground contact surface of the crawler belt 17.
  • the downward direction refers to the upward opposite direction in the vertical direction and refers to the direction approaching the ground contact surface of the crawler belt 17.
  • the left direction refers to one direction in the left-right direction, and refers to the left direction with respect to the driver of the work vehicle 1 seated on the seat 13 so as to face the operation device 14.
  • the right direction refers to the opposite direction to the left in the left-right direction, and refers to the right direction with respect to the driver of the work vehicle 1 seated on the seat 13.
  • the front refers to one direction in the front-rear direction, and refers to the direction from the seat 13 toward the operation device 14.
  • the rear refers to a direction opposite to the front in the front-rear direction, and refers to a direction from the operation device 14 toward the seat 13.
  • the upper part refers to the upper part of the member or space in the vertical direction, and refers to the part away from the ground contact surface of the crawler belt 17.
  • the lower portion refers to a lower portion of the member or space in the vertical direction, and refers to a portion close to the contact surface of the crawler belt 17.
  • the left part means a left part of a member or space when the driver of the work vehicle 1 seated on the seat 13 is used as a reference.
  • the right part means a member or a right part of the space when the driver of the work vehicle 1 seated on the seat 13 is used as a reference.
  • a front part means the part of the front side of a member or space in the front-back direction.
  • the rear portion refers to a rear portion of the member or space in the front-rear direction.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a work vehicle 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the work vehicle 1 according to the present embodiment.
  • the work vehicle 1 includes a vehicle body 2, a traveling device 3, a work implement 4, a hydraulic cylinder 5, a position sensor 6, a tilt sensor 7, a speed sensor 8, an operation amount sensor 9, and a blade control device 10. Is provided.
  • the vehicle body 2 has a cab 11 and an engine compartment 12.
  • the engine compartment 12 is disposed in front of the cab 11.
  • a seat 13 on which the driver is seated and an operating device 14 that is operated by the driver are arranged.
  • the operation device 14 includes a work lever for operating the work machine 4 and a travel lever for operating the travel device 3.
  • the traveling device 3 supports the vehicle body 2.
  • the traveling device 3 includes a drive wheel 15 called a sprocket, an idle wheel 16 called an idler, and a crawler belt 17 supported by the drive wheel 15 and the idle wheel 16.
  • the idler wheel 16 is disposed in front of the drive wheel 15.
  • the drive wheel 15 is driven by power generated by a drive source such as a hydraulic motor.
  • the drive wheel 15 is rotated by operating the travel lever of the operation device 14.
  • the work vehicle 1 travels as the drive wheel 15 rotates and the crawler belt 17 rotates.
  • the work machine 4 is supported by the vehicle body 2 so as to be movable.
  • the work machine 4 includes a lift frame 18 and a blade 19.
  • the lift frame 18 is supported by the vehicle body 2 so as to be rotatable in the vertical direction around a rotation axis AX extending in the vehicle width direction.
  • the lift frame 18 supports the blade 19 via the ball joint portion 20, the pitch support link 21, and the column portion 22.
  • the blade 19 is disposed in front of the vehicle body 2.
  • the blade 19 includes a universal joint 23 that contacts the ball joint portion 20 and a pitching joint 24 that contacts the pitch support link 21.
  • the blade 19 is movably supported on the vehicle body 2 via the lift frame 18. The blade 19 moves in the vertical direction in conjunction with the vertical rotation of the lift frame 18.
  • the blade 19 has a cutting edge 19P.
  • the cutting edge 19 ⁇ / b> P is disposed at the lower end of the blade 19. In the excavation work or leveling work, the cutting edge 19P excavates the excavation target.
  • the hydraulic cylinder 5 generates power for moving the work implement 4.
  • the hydraulic cylinder 5 includes a lift cylinder 25, an angle cylinder 26, and a tilt cylinder 27.
  • the lift cylinder 25 is a hydraulic cylinder 5 that can move the blade 19 in the vertical direction (lift direction).
  • the lift cylinder 25 is connected to each of the vehicle body 2 and the lift frame 18. As the lift cylinder 25 expands and contracts, the lift frame 18 and the blade 19 move up and down around the rotation axis AX.
  • the angle cylinder 26 is a hydraulic cylinder 5 capable of rotating the blade 19 in the rotation direction (angle direction).
  • the angle cylinder 26 is connected to each of the lift frame 18 and the blade 19. As the angle cylinder 26 expands and contracts, the blade 19 rotates about the rotation axis BX.
  • the rotation axis BX passes through the rotation axis of the universal joint 23 and the rotation axis of the pitching joint 24.
  • the tilt cylinder 27 is a hydraulic cylinder 5 capable of rotating the blade 19 in the rotation direction (tilt direction).
  • the tilt cylinder 27 is connected to the support column 22 of the lift frame 18 and the upper right end of the blade 19. As the tilt cylinder 27 expands and contracts, the blade 19 rotates about the rotation axis CX.
  • the rotation axis CX passes through the ball joint portion 20 and the lower end portion of the pitch support link 21.
  • the position sensor 6 detects the position of the vehicle body 2 of the work vehicle 1.
  • the position sensor 6 includes a GPS receiver and detects the position of the vehicle body 2 in the global coordinate system.
  • the detection data of the position sensor 6 includes vehicle body position data indicating the absolute position of the vehicle body 2.
  • the tilt sensor 7 detects the tilt angle of the vehicle body 2 with respect to the horizontal plane.
  • the detection data of the inclination sensor 7 includes vehicle body angle data indicating the inclination angle of the vehicle body 2.
  • the inclination sensor 7 includes an inertial measurement device (IMU: Inertial Measurement Unit).
  • the speed sensor 8 detects the traveling speed of the traveling device 3.
  • the detection data of the speed sensor 8 includes travel speed data indicating the travel speed of the travel device 3.
  • the operation amount sensor 9 detects the operation amount of the hydraulic cylinder 5.
  • the operation amount of the hydraulic cylinder 5 includes the stroke length of the hydraulic cylinder 5.
  • the detection data of the operation amount sensor 9 includes operation amount data indicating the operation amount of the hydraulic cylinder 5.
  • the operation amount sensor 9 includes a rotating roller that detects the position of the rod of the hydraulic cylinder 5 and a magnetic sensor that returns the position of the rod to the origin.
  • the actuation amount sensor 9 may be an angle sensor that detects the inclination angle of the work implement 4. Further, the operation amount sensor 9 may be an angle sensor that detects the rotation angle of the hydraulic cylinder 5.
  • the operation amount sensor 9 is provided in each of the lift cylinder 25, the angle cylinder 26, and the tilt cylinder 27.
  • the operation amount sensor 9 detects the stroke length of the lift cylinder 25, the stroke length of the angle cylinder 26, and the stroke length of the tilt cylinder 27.
  • the lift angle ⁇ of the blade 19 is calculated based on the stroke length L of the lift cylinder 25.
  • the lift angle ⁇ refers to the descending angle of the blade 19 from the origin position of the work machine 4.
  • the origin position of the work machine 4 refers to the position of the work machine 4 when the cutting edge 19 ⁇ / b> P of the blade 19 contacts a predetermined surface parallel to the ground contact surface of the crawler belt 17.
  • the lift angle ⁇ corresponds to the distance (penetration depth) between the predetermined surface and the cutting edge 19P disposed below the predetermined surface.
  • Excavation work or leveling work by the blade 19 is performed by the work vehicle 1 moving forward with the cutting edge 19P of the blade 19 disposed below the predetermined surface.
  • FIG. 3 is a functional block diagram showing the blade control device 10 according to the present embodiment.
  • the blade control device 10 includes a computer system.
  • a target height generation device 30 is connected to the blade control device 10.
  • the target height generation device 30 includes a computer system.
  • the blade control device 10 outputs a control command for controlling the height of the cutting edge 19P of the blade 19.
  • the control command includes a drive command for driving a lift cylinder 25 that can move the blade 19 in the vertical direction.
  • the blade control device 10 controls the height of the cutting edge 19P by outputting a control command to the control valve 28 that controls the flow rate and direction of the hydraulic oil supplied to the lift cylinder 25.
  • the control command output from the blade control device 10 includes a current for controlling the control valve 28.
  • the control valve 28 includes a proportional control valve.
  • the control valve 28 is disposed in an oil path between the lift cylinder 25 and a hydraulic pump (not shown) that discharges hydraulic oil for driving the blade 19.
  • the hydraulic pump supplies hydraulic oil to the lift cylinder 25 via the control valve 28.
  • the lift cylinder 25 is driven based on the hydraulic oil controlled by the control valve 28.
  • the target height generation device 30 generates target height data indicating the target height of the cutting edge 19P of the blade 19 based on the initial design surface IS indicating the target shape to be excavated.
  • the target height of the cutting edge 19P refers to the position of the cutting edge 19P that can match the initial design surface IS in the local coordinate system.
  • the target height generation device 30 includes a design surface data storage unit 31, an outer shape data storage unit 32, a data acquisition unit 33, and a target height calculation unit 34.
  • the design surface data storage unit 31 stores initial design surface data indicating an initial design surface IS that is a target shape to be excavated.
  • the initial design surface IS includes three-dimensional shape data indicating a target shape to be excavated.
  • the initial design surface IS includes CAD (Computer Aided Design) data created based on the target shape to be excavated, for example, and is stored in advance in the design surface data storage unit 31.
  • CAD Computer Aided Design
  • the design surface data may be transmitted from the outside of the work vehicle 1 to the target height generation device 30 via a communication line.
  • the outer shape data storage unit 32 stores outer shape data indicating the size and shape of the work vehicle 1.
  • the dimensions of the work vehicle 1 include the dimensions of the lift frame 18 and the dimensions of the blade 19.
  • the shape of the work vehicle 1 includes the shape of the blade 19.
  • the outline data is known data that can be derived from the design data or specification data of the work vehicle 1, and is stored in advance in the outline data storage unit 32.
  • the data acquisition unit 33 acquires vehicle data indicating data related to the work vehicle 1. At least a part of the vehicle data is detected by a vehicle data sensor provided in the work vehicle 1.
  • the data acquisition unit 33 acquires vehicle data from the vehicle data sensor.
  • the vehicle data sensor includes a position sensor 6, a tilt sensor 7, and an operation amount sensor 9.
  • the vehicle data includes vehicle body position data indicating the absolute position of the vehicle body 2, vehicle body angle data indicating the tilt angle of the vehicle body 2, operation amount data indicating the stroke length of the lift cylinder 25, and outline data of the work vehicle 1.
  • the data acquisition unit 33 acquires vehicle body position data from the position sensor 6.
  • the data acquisition unit 33 acquires vehicle body angle data from the tilt sensor 7.
  • the data acquisition unit 33 acquires operation amount data from the operation amount sensor 9.
  • the data acquisition unit 33 acquires the outer shape data from the outer shape data storage unit 32.
  • the data acquisition unit 33 acquires initial design surface data indicating the initial design surface IS from the design surface data storage unit 31.
  • the data acquisition unit 33 acquires outer shape data indicating the size and shape of the work vehicle 1 from the outer shape data storage unit 32.
  • the target height calculation unit 34 calculates the target height of the cutting edge 19P based on the vehicle body position data, the vehicle body angle data, the operation amount data, the external shape data, and the initial design surface data.
  • the blade control device 10 includes an initial design surface acquisition unit 101, an inflection position search unit 102, a corrected design surface generation unit 103, a blade control unit 104, a vehicle data acquisition unit 120, and an actual height calculation unit 109.
  • the target height acquisition unit 110 and the target height correction unit 111 are included.
  • the initial design surface acquisition unit 101 acquires from the design surface data storage unit 31 an initial design surface IS that indicates a target shape to be excavated by the blade 19.
  • the inflection position search unit 102 searches for an inflection position CP that indicates a boundary between the first surface F1 and the second surface F2 existing in front of the work vehicle 1 on the initial design surface IS.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the initial design surface IS according to the present embodiment.
  • the initial design surface IS there may be a plurality of surfaces having different slopes.
  • the first surface F1 of the initial design surface IS exists in front of the work vehicle 1
  • the second surface F2 exists in front of the first surface F1.
  • the gradient of the first surface F1 is different from the gradient of the second surface F2.
  • the angle ⁇ formed by the first surface F1 and the second surface F2 is smaller than 180 [°].
  • the first surface F ⁇ b> 1 is inclined downward toward the front of the work vehicle 1.
  • the second surface F2 is substantially parallel to the horizontal plane.
  • the second surface F2 is connected to the lowermost portion of the first surface F1.
  • the lowermost part of the first surface F1 is a foot of slope.
  • the inflection position search unit 102 can search for the inflection position CP indicating the boundary between the first surface F1 and the second surface F2 based on the initial design surface data acquired by the initial design surface acquisition unit 101. .
  • the inflection position search unit 102 may search for the inflection position CP in the two-dimensional plane, or may search for the inflection position CP in the three-dimensional space.
  • the inflection position search unit 102 first surface F1 on the intersection line between the surface extending through the blade edge 19P in the local coordinate system and extending in the front-rear direction and the initial design surface IS.
  • the inflection position CP can be specified by searching for the intersection between the first surface F2 and the second surface F2.
  • the inflection position search unit 102 When searching for the inflection position CP in the three-dimensional space, the inflection position search unit 102 changes the inflection position CP based on the change in the height data of the initial design surface IS existing in front of the vehicle body 2 with respect to the vehicle body 2. Can be specified.
  • the corrected design surface generation unit 103 generates a corrected design surface CS that connects the first surface F1 existing in front of the work vehicle 1 on the initial design surface IS and the second surface F2 having a gradient different from the first surface F1.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the correction design surface CS according to the present embodiment.
  • the corrected design surface generation unit 103 generates a corrected design surface CS based on the inflection position CP.
  • the corrected design surface generation unit 103 includes a first portion P1 of the first surface F1 located at the first distance D1 rearward from the inflection position CP in the traveling direction of the work vehicle 1, and a second portion forward from the inflection position CP.
  • the corrected design surface CS is generated so as to connect the second portion P2 of the second surface F2 located at the distance D2.
  • the angle ⁇ 1 formed by the first surface F1 and the correction design surface CS and the angle ⁇ 2 formed by the second surface F2 and the correction design surface CS are larger than the angle ⁇ .
  • the correction design surface generation unit 103 generates a correction design surface CS when the specified correction condition is satisfied.
  • the correction condition includes that the angle ⁇ formed by the first surface F1 and the second surface F2 is equal to or smaller than the angle threshold value, and the traveling speed V of the work vehicle 1 entering the first surface F1 is equal to or larger than the speed threshold value.
  • the angle ⁇ can be derived based on the initial design surface data. Further, the corrected design surface generation unit 103 acquires travel speed data indicating the travel speed V of the work vehicle 1 from the speed sensor 8. The angle threshold value and the speed threshold value are predetermined values and are stored in the corrected design surface generation unit 103. Therefore, the corrected design surface generation unit 103 sets the correction condition based on the initial design surface data acquired by the initial design surface acquisition unit 101, the traveling speed data acquired from the speed sensor 8, the angle threshold value, and the speed threshold value. It can be determined whether or not the user is satisfied.
  • the corrected design surface generation unit 103 sets the first distance D1 and the second distance D2 so as to be interlocked with the angle ⁇ and the traveling speed V.
  • the corrected design surface generation unit 103 sets the first distance D1 and the second distance D2 to longer values as the angle ⁇ is smaller, and sets the first distance D1 and the second distance D2 to shorter values as the angle ⁇ is larger.
  • the corrected design surface generation unit 103 sets the first distance D1 and the second distance D2 to longer values as the traveling speed V is higher, and sets the first distance D1 and the second distance D2 to shorter values as the traveling speed V is lower. To do.
  • the corrected design surface generation unit 103 may generate the corrected design surface CS such that the angle ⁇ 1 and the angle ⁇ 2 increase as the angle ⁇ decreases, and the angle ⁇ 1 and the angle ⁇ 2 decrease as the angle ⁇ increases. .
  • the corrected design surface generation unit 103 generates the corrected design surface CS so that the angle ⁇ 1 and the angle ⁇ 2 increase as the traveling speed V increases, and the angle ⁇ 1 and the angle ⁇ 2 decrease as the traveling speed V decreases. Also good.
  • the first distance D1 and the second distance D2 are distances from the inflection position CP in the direction parallel to the second surface F2.
  • a first distance D1b from the inflection position CP in a direction parallel to the first surface F1 may be set.
  • the vehicle data acquisition unit 120 acquires vehicle data indicating data related to the work vehicle 1 from the data acquisition unit 33.
  • the vehicle data includes vehicle body position data, vehicle body angle data, operation amount data, and outline data.
  • the vehicle data acquisition unit 120 includes a vehicle body position acquisition unit 105, a vehicle body angle acquisition unit 106, an operation amount acquisition unit 107, and an outer shape data acquisition unit 108.
  • the vehicle body position acquisition unit 105 acquires vehicle body position data indicating the position of the vehicle body 2 from the data acquisition unit 33.
  • the vehicle body angle acquisition unit 106 acquires vehicle body angle data indicating the tilt angle of the vehicle body 2 from the data acquisition unit 33.
  • the operation amount acquisition unit 107 acquires operation amount data indicating the operation amount of the lift cylinder 25 that can move the blade 19 from the data acquisition unit 33.
  • the outer shape data acquisition unit 108 acquires outer shape data indicating the size and shape of the work vehicle 1 from the data acquisition unit 33.
  • the actual height calculation unit 109 calculates an actual height indicating the actual height of the cutting edge 19P of the blade 19 in the local coordinate system based on the vehicle data acquired by the vehicle data acquisition unit 120. That is, the actual height calculation unit 109 indicates the actual height of the cutting edge 19P of the blade 19 in the local coordinate system based on the vehicle body position data, the vehicle body angle data, the operation amount data, and the outer shape data. Is calculated.
  • the actual height calculation unit 109 calculates the lift angle ⁇ of the blade 19 based on the operation amount data.
  • the actual height calculation unit 109 calculates the height of the cutting edge 19P of the blade 19 in the local coordinate system based on the lift angle ⁇ and the outer shape data.
  • the actual height calculator 109 includes a lift angle ⁇ indicating the angle of the blade 19 in the lift direction, an angle angle indicating the angle of the blade 19 in the angle direction, an angle angle indicating the angle of the blade 19 in the tilt direction, and the outer shape. Based on the data, the height of the blade edge 19P may be calculated.
  • the actual height calculation unit 109 can calculate the height of the blade edge 19P of the blade 19 in the global coordinate system based on the origin of the local coordinate system and the detection data of the position sensor 6.
  • the target height acquisition unit 110 acquires the target height of the cutting edge 19P calculated by the target height calculation unit 34 from the target height calculation unit 34.
  • the target height correction unit 111 corrects the target height based on the corrected design surface CS, and generates a corrected target height of the blade edge 19P of the blade 19.
  • the correction target height of the cutting edge 19P refers to the position of the cutting edge 19P that can be matched with the correction design plane CS in the local coordinate system.
  • the blade control unit 104 outputs a control command for controlling the height of the cutting edge 19P of the blade 19 based on the corrected design surface CS.
  • the blade control unit 104 outputs a control command so that the cutting edge 19P matches the corrected design surface CS.
  • the blade control unit 104 outputs a control command to the control valve 28.
  • the blade control unit 104 calculates the actual height calculation unit 109 when the cutting edge 19P of the blade 19 is positioned behind the first part P1 or ahead of the second part P2, that is, when positioned on the initial design surface IS.
  • a control command is output so that the deviation between the height of the cutting edge 19P of the blade 19 and the target height acquired by the target height acquisition unit 110 becomes small.
  • the blade controller 104 is calculated by the actual height calculator 109 when the cutting edge 19P of the blade 19 is located between the first part P1 and the second part P2, that is, in a state where it is positioned on the corrected design surface CS.
  • a control command is output so that the deviation between the height of the cutting edge 19P of the blade 19 and the corrected target height generated by the target height correcting unit 111 is small.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the blade control method according to the present embodiment. The processing shown in FIG. 6 is performed at a prescribed cycle.
  • the initial design surface acquisition unit 101 acquires the initial design surface IS from the design surface data storage unit 31 (step S10).
  • the initial design surface IS in a specified range (for example, 10 [m]) ahead of the work vehicle 1 is transmitted from the target height generation device 30 to the blade control device 10 while the work vehicle 1 is moving forward. Is done.
  • the initial design surface acquisition unit 101 acquires the initial design surface IS in the specified range ahead of the work vehicle 1 from the design surface data storage unit 31.
  • the initial design surface acquisition unit 101 acquires an initial design surface IS in a specified range ahead of the work vehicle 1 that changes as the work vehicle 1 moves forward at a specified period.
  • the inflection position search unit 102 searches the inflection position CP indicating the boundary between the first surface F1 and the second surface F2 in the initial design surface IS acquired by the initial design surface acquisition unit 101 (step S20).
  • the corrected design surface generation unit 103 determines whether or not the initial design surface IS satisfies a specified correction condition.
  • the corrected design surface generation unit 103 determines whether or not the angle ⁇ formed by the first surface F1 and the second surface F2 is equal to or smaller than the angle threshold (step S30).
  • step S30 If it is determined in step S30 that the angle ⁇ is equal to or smaller than the angle threshold (step S30: Yes), the corrected design surface generation unit 103 determines whether the travel speed V of the work vehicle 1 traveling on the first surface F1 is equal to or greater than the speed threshold. It is determined whether or not (step S40).
  • step S40 When it is determined in step S40 that the traveling speed V is equal to or higher than the speed threshold (step S40: Yes), the corrected design surface generation unit 103 generates a corrected design surface CS (step S50).
  • the corrected design surface generation unit 103 generates the corrected design surface CS so as to connect the first portion P1 of the first surface F1 and the second portion P2 of the second surface F2. .
  • the corrected design surface generation unit 103 When the angle ⁇ is greatly below the angle threshold value, the corrected design surface generation unit 103 generates the corrected design surface CS in a state where the first distance D1 and the second distance D2 are increased.
  • the traveling speed V is significantly higher than the speed threshold value, the corrected design surface generation unit 103 generates the corrected design surface CS in a state where the first distance D1 and the second distance D2 are increased.
  • the target height acquisition unit 110 acquires the target height of the cutting edge 19P from the target height calculation unit 34.
  • the target height correction unit 111 acquires the target height of the cutting edge 19P from the target height acquisition unit 110.
  • the target height correction unit 111 corrects the target height of the blade edge 19P based on the corrected design surface CS generated by the correction design surface generation unit 103, and calculates the corrected target height of the blade edge 19P.
  • the blade control unit 104 outputs a control command for controlling the height of the blade 19 to the control valve 28 based on the corrected design surface CS (step S60).
  • the blade control unit 104 outputs a control command so that the deviation between the height of the cutting edge 19P and the target height is small in a state where the cutting edge 19P is positioned on the initial design surface IS. In a state where the blade edge 19P is positioned on the correction design surface CS, the blade controller 104 outputs a control command so that the deviation between the height of the blade edge 19P and the corrected target height is small.
  • step S30 When it is determined in step S30 that the angle ⁇ is not less than or equal to the angle threshold (step S30: No), or in step S40, it is determined that the traveling speed V is not greater than or equal to the speed threshold (step S40: No), the correction condition is Since it is not satisfied, the corrected design surface generation unit 103 does not generate the corrected design surface CS.
  • the blade control unit 104 outputs a control command for controlling the height of the blade 19 to the control valve 28 based on the initial design surface IS.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the operation of the work vehicle 1 according to the present embodiment.
  • the work vehicle 1 excavates an excavation target using the blade 19 while moving forward.
  • the deviation between the height of the cutting edge 19P and the target height is reduced, that is, the cutting edge 19P is
  • the height of the blade 19 is controlled so as to coincide with the first surface F1.
  • the blade control apparatus 10 controls the height of the blade 19 so that the cutting edge 19P of the blade 19 follows the corrected design surface CS.
  • the blade is adjusted so that the deviation between the height of the cutting edge 19P and the correction target height is small, that is, the cutting edge 19P matches the correction design surface CS.
  • the height of 19 is controlled.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing the operation of the work vehicle 1 according to the comparative example.
  • the blade 19 passes the inflection position CP when the angle ⁇ formed by the first surface F1 and the second surface F2 is small or the traveling speed V of the work vehicle 1 entering the inflection position CP is high.
  • the control delay of the blade 19 occurs, the blade 19 may not be able to follow the initial design surface IS. Since the height and moving speed of the blade 19 are controlled by hydraulic pressure, there is a possibility that a control delay due to the hydraulic pressure may occur. Further, there is a possibility that a control delay due to a data communication delay occurs.
  • the control delay of the blade 19 occurs, as shown in FIG. 8, the blade 19 excavates the excavation target with the cutting edge 19P exceeding the second surface F2 of the initial design surface IS, and the excavation target has a desired shape. May not be excavated.
  • the corrected design surface CS is generated when the angle ⁇ is equal to or smaller than the angle threshold value and the traveling speed V of the work vehicle 1 entering the inflection position CP is equal to or larger than the speed threshold value.
  • the corrected design surface CS is generated so as to connect the first surface F1 and the second surface F2.
  • the angle ⁇ 1 formed by the first surface F1 and the corrected design surface CS is larger than the angle ⁇ . Therefore, even if a control delay of the blade 19 occurs, the blade edge 19P follows the corrected design surface CS.
  • the cutting edge 19 ⁇ / b> P is suppressed from exceeding the initial design surface IS. Therefore, the excavation target is suppressed from being deeply dug.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a computer system 1000 according to this embodiment.
  • the computer system 1000 includes a processor 1001 such as a CPU (Central Processing Unit), a main memory 1002 including a nonvolatile memory such as a ROM (Read Only Memory) and a volatile memory such as a RAM (Random Access Memory), A storage 1003 and an interface 1004 including an input / output circuit are included.
  • the functions of the blade control device 10 and the target height generation device 30 described above are stored in the storage 1003 as programs.
  • the processor 1001 reads out the program from the storage 1003, expands it in the main memory 1002, and executes the above-described processing according to the program. Note that the program may be distributed to the computer system 1000 via a network.
  • the corrected design surface CS that connects the first surface F1 and the second surface F2 is generated when the specified correction condition is satisfied.
  • the cutting edge 19P is suppressed from exceeding the initial design surface IS. Therefore, the excavation target is suppressed from being deeply excavated, and the excavation target is excavated into a desired shape.
  • the corrected design surface generation unit 103 can generate the corrected design surface CS based on the inflection position CP.
  • the corrected design surface CS is generated so as to connect the second portion P2. Thereby, the calculation load by the corrected design surface generation unit 103 is reduced.
  • the correction condition is that the angle ⁇ formed by the first surface F1 and the second surface F2 is equal to or smaller than the angle threshold, and the traveling speed V of the work vehicle 1 entering the first surface F1. Is included to be greater than or equal to the speed threshold.
  • the correction condition is that either the angle ⁇ formed by the first surface F1 and the second surface F2 is equal to or smaller than the angle threshold value, and the traveling speed V of the work vehicle 1 entering the first surface F1 is equal to or larger than the speed threshold value. Either one is fine.
  • At least one of the position sensor 6 and the tilt sensor 7 may be attached to the blade 19.
  • the work vehicle 1 may be a motor grader having a blade mechanism.
  • SYMBOLS 1 ... Work vehicle, 2 ... Vehicle body, 3 ... Traveling device, 4 ... Work machine, 5 ... Hydraulic cylinder, 6 ... Position sensor, 7 ... Inclination sensor, 8 ... Speed sensor, 9 ... Operation amount sensor, 10 ... Blade control device DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Driver's cab, 12 ... Engine compartment, 13 ... Seat, 14 ... Operating device, 15 ... Drive wheel, 16 ... Idle wheel, 17 ... Track, 18 ... Lift frame, 19 ... Blade, 19P ... Blade edge, 20 ... Ball Joint part, 21 ... pitch support link, 22 ... post part, 23 ... universal joint, 24 ... pitching joint, 25 ...

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Abstract

ブレード制御装置は、作業車両のブレードで掘削される掘削対象の目標形状を示す初期設計面において作業車両の前方に存在する第１面と第１面とは異なる勾配の第２面とを結ぶ補正設計面を生成する補正設計面生成部と、補正設計面に基づいてブレードの高さを制御する制御指令を出力するブレード制御部と、を備える。

Description

ブレード制御装置及びブレード制御方法
　本発明は、ブレード制御装置及びブレード制御方法に関する。
　ブレードを有する作業車両は、掘削対象の掘削又は整地に使用される。ブレードを設計面に追従させる作業車両が提案されている。設計面とは、掘削対象の目標形状をいう。
国際公開第２０１５／０８３４６９号
　ブレードは、油圧システムにより駆動する。油圧システムは、ブレード制御装置から出力される制御指令に基づいて駆動する。設計面において異なる勾配の複数の面が存在する場合がある。異なる勾配の面の境界をブレードが通過するとき、制御遅れが発生すると、ブレードは設計面を追従しきれなくなる可能性がある。その結果、ブレードが設計面を超えて掘削対象を掘削してしまい、掘削対象が所望の形状に掘削されない可能性がある。
　本発明の態様は、掘削対象を所望の形状に掘削することを目的とする。
　本発明の態様に従えば、作業車両のブレードで掘削される掘削対象の目標形状を示す初期設計面において前記作業車両の前方に存在する第１面と前記第１面とは異なる勾配の第２面とを結ぶ補正設計面を生成する補正設計面生成部と、前記補正設計面に基づいて前記ブレードの高さを制御する制御指令を出力するブレード制御部と、を備えるブレード制御装置が提供される。
　本発明の態様によれば、掘削対象を所望の形状に掘削することができる。
図１は、本実施形態に係る作業車両を示す図である。 図２は、本実施形態に係る作業車両を模式的に示す図である。 図３は、本実施形態に係るブレード制御装置を示す機能ブロック図である。 図４は、本実施形態に係る初期設計面を模式的に示す図である。 図５は、本実施形態に係る補正設計面を模式的に示す図である。 図６は、本実施形態に係るブレード制御方法を示すフローチャートである。 図７は、本実施形態に係る作業車両の動作を模式的に示す図である。 図８は、比較例に係る作業車両の動作を模式的に示す図である。 図９は、本実施形態に係るコンピュータシステムを示すブロック図である。
　以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
　以下の説明においては、グローバル座標系及びローカル座標系を規定して、各部の位置関係について説明する。グローバル座標系とは、地球に固定された原点を基準とする座標系をいう。グローバル座標系は、ＧＮＳＳ（Global　Navigation　Satellite　System）によって規定される座標系である。ＧＮＳＳとは、全地球航法衛星システムをいう。全地球航法衛星システムの一例として、ＧＰＳ（Global　Positioning　System）が挙げられる。ＧＮＳＳは、複数の測位衛星を有する。ＧＮＳＳは、緯度、経度、及び高度の座標データで規定される位置を検出する。ローカル座標系とは、作業車両１の車体２に固定された原点を基準とする座標系をいう。ローカル座標系において、上下方向、左右方向、及び前後方向が規定される。後述するように、作業車両１は、シート１３及び操作装置１４が設けられる車体２と、駆動輪１５及び履帯１７を含む走行装置３とを備える。上下方向とは、履帯１７の接地面と直交する方向をいう。左右方向とは、駆動輪１５の回転軸と平行な方向をいう。左右方向は、作業車両１の車幅方向と同義である。前後方向とは、左右方向及び上下方向と直交する方向をいう。
　上方とは、上下方向の一方向をいい、履帯１７の接地面から離れる方向をいう。下方とは、上下方向において上方の反対方向をいい、履帯１７の接地面に近付く方向をいう。左方とは、左右方向の一方向をいい、操作装置１４と正対するようにシート１３に着座した作業車両１の運転者を基準として左側の方向をいう。右方とは、左右方向において左方の反対方向をいい、シート１３に着座した作業車両１の運転者を基準として右側の方向をいう。前方とは、前後方向の一方向をいい、シート１３から操作装置１４に向かう方向をいう。後方とは、前後方向において前方の反対方向をいい、操作装置１４からシート１３に向かう方向をいう。
　また、上部とは、上下方向において部材又は空間の上側の部分をいい、履帯１７の接地面から離れた部分をいう。下部とは、上下方向において部材又は空間の下側の部分をいい、履帯１７の接地面に近い部分をいう。左部とは、シート１３に着座した作業車両１の運転者を基準としたときの部材又は空間の左側の部分をいう。右部とは、シート１３に着座した作業車両１の運転者を基準としたときの部材又は空間の右側の部分をいう。前部とは、前後方向において部材又は空間の前側の部分をいう。後部とは、前後方向において部材又は空間の後側の部分をいう。
［作業車両］
　図１は、本実施形態に係る作業車両１を示す図である。図２は、本実施形態に係る作業車両１を模式的に示す図である。本実施形態においては、作業車両１がブルドーザであることとする。作業車両１は、車体２と、走行装置３と、作業機４と、油圧シリンダ５と、位置センサ６と、傾斜センサ７と、速度センサ８と、作動量センサ９と、ブレード制御装置１０とを備える。
　車体２は、運転室１１とエンジン室１２とを有する。エンジン室１２は、運転室１１の前方に配置される。運転室１１には、運転者が着座するシート１３と、運転者に操作される操作装置１４とが配置される。操作装置１４は、作業機４を操作するための作業レバー及び走行装置３を操作するための走行レバーを含む。
　走行装置３は、車体２を支持する。走行装置３は、スプロケットと呼ばれる駆動輪１５と、アイドラと呼ばれる遊動輪１６と、駆動輪１５及び遊動輪１６に支持される履帯１７とを有する。遊動輪１６は、駆動輪１５の前方に配置される。駆動輪１５は、油圧モータのような駆動源が発生する動力により駆動する。駆動輪１５は、操作装置１４の走行レバーの操作により回転する。駆動輪１５が回転して履帯１７が回転することにより作業車両１が走行する。
　作業機４は、車体２に移動可能に支持される。作業機４は、リフトフレーム１８とブレード１９とを有する。
　リフトフレーム１８は、車幅方向に延在する回転軸ＡＸを中心に上下方向に回動可能に車体２に支持される。リフトフレーム１８は、球関節部２０、ピッチ支持リンク２１、及び支柱部２２を介して、ブレード１９を支持する。
　ブレード１９は、車体２の前方に配置される。ブレード１９は、球関節部２０に接触する自在継手２３と、ピッチ支持リンク２１に接触するピッチング継手２４とを有する。ブレード１９は、リフトフレーム１８を介して、車体２に移動可能に支持される。ブレード１９は、リフトフレーム１８の上下方向の回動に連動して、上下方向に移動する。
　ブレード１９は、刃先１９Ｐを有する。刃先１９Ｐは、ブレード１９の下端部に配置される。掘削作業又は整地作業において、刃先１９Ｐが掘削対象を掘削する。
　油圧シリンダ５は、作業機４を移動させる動力を発生する。油圧シリンダ５は、リフトシリンダ２５と、アングルシリンダ２６と、チルトシリンダ２７とを含む。
　リフトシリンダ２５は、ブレード１９を上下方向（リフト方向）に移動可能な油圧シリンダ５である。リフトシリンダ２５は、車体２及びリフトフレーム１８のそれぞれに連結される。リフトシリンダ２５が伸縮することによって、リフトフレーム１８及びブレード１９は、回転軸ＡＸを中心に上下方向に移動する。
　アングルシリンダ２６は、ブレード１９を回転方向（アングル方向）に回動可能な油圧シリンダ５である。アングルシリンダ２６は、リフトフレーム１８及びブレード１９のそれぞれに連結される。アングルシリンダ２６が伸縮することによって、ブレード１９は、回転軸ＢＸを中心に回動する。回転軸ＢＸは、自在継手２３の回転軸とピッチング継手２４の回転軸とを通る。
　チルトシリンダ２７は、ブレード１９を回転方向（チルト方向）に回動可能な油圧シリンダ５である。チルトシリンダ２７は、リフトフレーム１８の支柱部２２とブレード１９の右上端部とに連結される。チルトシリンダ２７が伸縮することによって、ブレード１９は、回転軸ＣＸを中心に回動する。回転軸ＣＸは、球関節部２０とピッチ支持リンク２１の下端部とを通る。
　位置センサ６は、作業車両１の車体２の位置を検出する。位置センサ６は、ＧＰＳ受信機を含み、グローバル座標系における車体２の位置を検出する。位置センサ６の検出データは、車体２の絶対位置を示す車体位置データを含む。
　傾斜センサ７は、水平面に対する車体２の傾斜角度を検出する。傾斜センサ７の検出データは、車体２の傾斜角度を示す車体角度データを含む。傾斜センサ７は、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial　Measurement　Unit）を含む。
　速度センサ８は、走行装置３の走行速度を検出する。速度センサ８の検出データは、走行装置３の走行速度を示す走行速度データを含む。
　作動量センサ９は、油圧シリンダ５の作動量を検出する。油圧シリンダ５の作動量は、油圧シリンダ５のストローク長を含む。作動量センサ９の検出データは、油圧シリンダ５の作動量を示す作動量データを含む。作動量センサ９は、油圧シリンダ５のロッドの位置を検出する回転ローラと、ロッドの位置を原点復帰する磁力センサとを有する。なお、作動量センサ９は、作業機４の傾斜角度を検出する角度センサでもよい。また、作動量センサ９は、油圧シリンダ５の回転角度を検出する角度センサでもよい。
　作動量センサ９は、リフトシリンダ２５、アングルシリンダ２６、及びチルトシリンダ２７のそれぞれに設けられる。作動量センサ９は、リフトシリンダ２５のストローク長、アングルシリンダ２６のストローク長、及びチルトシリンダ２７のストローク長を検出する。
　図２に示すように、リフトシリンダ２５のストローク長Ｌに基づいて、ブレード１９のリフト角θが算出される。リフト角θとは、作業機４の原点位置からのブレード１９の下降角度をいう。図２の二点鎖線で示すように、作業機４の原点位置とは、ブレード１９の刃先１９Ｐが履帯１７の接地面と平行な所定面に接触したときの作業機４の位置をいう。リフト角θは、所定面と所定面よりも下方に配置された刃先１９Ｐとの距離（貫入深さ）に相当する。ブレード１９の刃先１９Ｐが所定面よりも下方に配置された状態で作業車両１が前進することによって、ブレード１９による掘削作業又は整地作業が実施される。
［ブレード制御装置］
　図３は、本実施形態に係るブレード制御装置１０を示す機能ブロック図である。ブレード制御装置１０は、コンピュータシステムを含む。ブレード制御装置１０に目標高さ生成装置３０が接続される。目標高さ生成装置３０は、コンピュータシステムを含む。
　ブレード制御装置１０は、ブレード１９の刃先１９Ｐの高さを制御する制御指令を出力する。制御指令は、ブレード１９を上下方向に移動可能なリフトシリンダ２５を駆動する駆動指令を含む。
　ブレード制御装置１０は、リフトシリンダ２５に供給される作動油の流量及び方向を制御する制御弁２８に制御指令を出力することによって、刃先１９Ｐの高さを制御する。ブレード制御装置１０から出力される制御指令は、制御弁２８を制御する電流を含む。
　制御弁２８は、比例制御弁を含む。制御弁２８は、ブレード１９を駆動するための作動油を吐出する油圧ポンプ（不図示）とリフトシリンダ２５との間の油路に配置される。油圧ポンプは、制御弁２８を介して、リフトシリンダ２５に作動油を供給する。リフトシリンダ２５は、制御弁２８により制御された作動油に基づいて駆動する。
　目標高さ生成装置３０は、掘削対象の目標形状を示す初期設計面ＩＳに基づいて、ブレード１９の刃先１９Ｐの目標高さを示す目標高さデータを生成する。刃先１９Ｐの目標高さとは、ローカル座標系において初期設計面ＩＳに一致させることができる刃先１９Ｐの位置をいう。
＜目標高さ生成装置＞
　目標高さ生成装置３０は、設計面データ記憶部３１と、外形データ記憶部３２と、データ取得部３３と、目標高さ算出部３４とを含む。
　設計面データ記憶部３１は、掘削対象の目標形状である初期設計面ＩＳを示す初期設計面データを記憶する。初期設計面ＩＳは、掘削対象の目標形状を示す３次元形状データを含む。初期設計面ＩＳは、例えば掘削対象の目標形状に基づいて作成されたＣＡＤ（Computer　Aided　Design）データを含み、設計面データ記憶部３１に予め記憶される。
　なお、設計面データは、作業車両１の外部から通信回線を介して目標高さ生成装置３０に送信されてもよい。
　外形データ記憶部３２は、作業車両１の寸法及び形状を示す外形データを記憶する。作業車両１の寸法は、リフトフレーム１８の寸法及びブレード１９の寸法を含む。作業車両１の形状は、ブレード１９の形状を含む。外形データは、作業車両１の設計データ又は諸元データから導出可能な既知データであり、外形データ記憶部３２に予め記憶される。
　データ取得部３３は、作業車両１に係るデータを示す車両データを取得する。車両データの少なくとも一部は、作業車両１に設けられている車両データセンサによって検出される。データ取得部３３は、車両データセンサから車両データを取得する。車両データセンサは、位置センサ６、傾斜センサ７、及び作動量センサ９を含む。車両データは、車体２の絶対位置を示す車体位置データ、車体２の傾斜角度を示す車体角度データ、リフトシリンダ２５のストローク長を示す作動量データ、及び作業車両１の外形データを含む。データ取得部３３は、車体位置データを位置センサ６から取得する。データ取得部３３は、車体角度データを傾斜センサ７から取得する。データ取得部３３は、作動量データを作動量センサ９から取得する。データ取得部３３は、外形データを外形データ記憶部３２から取得する。
　データ取得部３３は、初期設計面ＩＳを示す初期設計面データを設計面データ記憶部３１から取得する。データ取得部３３は、作業車両１の寸法及び形状を示す外形データを外形データ記憶部３２から取得する。
　目標高さ算出部３４は、車体位置データと、車体角度データと、作動量データと、外形データと、初期設計面データとに基づいて、刃先１９Ｐの目標高さを算出する。
＜ブレード制御装置＞
　ブレード制御装置１０は、初期設計面取得部１０１と、変曲位置探索部１０２と、補正設計面生成部１０３と、ブレード制御部１０４と、車両データ取得部１２０と、実高さ算出部１０９と、目標高さ取得部１１０と、目標高さ補正部１１１とを有する。
　初期設計面取得部１０１は、ブレード１９で掘削される掘削対象の目標形状を示す初期設計面ＩＳを設計面データ記憶部３１から取得する。
　変曲位置探索部１０２は、初期設計面ＩＳにおいて作業車両１の前方に存在する第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との境界を示す変曲位置ＣＰを探索する。
　図４は、本実施形態に係る初期設計面ＩＳを模式的に示す図である。初期設計面ＩＳにおいて、勾配が異なる複数の面が存在する場合がある。図４に示す例において、作業車両１の前方に、初期設計面ＩＳの第１面Ｆ１が存在し、第１面Ｆ１よりも前方に第２面Ｆ２が存在する。第１面Ｆ１の勾配と第２面Ｆ２の勾配とは異なる。初期設計面において、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とがなす角度αは、１８０［°］よりも小さい。図４に示す例において、第１面Ｆ１は、作業車両１の前方に向かって下方に傾斜する。第２面Ｆ２は、実質的に水平面と平行である。第１面Ｆ１の最下部に第２面Ｆ２が接続される。第１面Ｆ１の最下部は、法尻（foot　of　slope）である。
　変曲位置探索部１０２は、初期設計面取得部１０１により取得された初期設計面データに基づいて、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との境界を示す変曲位置ＣＰを探索することができる。
　変曲位置探索部１０２は、２次元平面において変曲位置ＣＰを探索してもよいし、３次元空間において変曲位置ＣＰを探索してもよい。２次元平面において変曲位置ＣＰを探索する場合、変曲位置探索部１０２は、ローカル座標系において刃先１９Ｐを通り前後方向に延在する面と初期設計面ＩＳとの交線上で第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との交点を探索することによって、変曲位置ＣＰを特定することができる。３次元空間において変曲位置ＣＰを探索する場合、変曲位置探索部１０２は、車体２の前方に存在する初期設計面ＩＳの車体２に対する高さデータの変化具合に基づいて、変曲位置ＣＰを特定することができる。
　補正設計面生成部１０３は、初期設計面ＩＳにおいて作業車両１の前方に存在する第１面Ｆ１と第１面Ｆ１とは異なる勾配の第２面Ｆ２とを結ぶ補正設計面ＣＳを生成する。
　図５は、本実施形態に係る補正設計面ＣＳを模式的に示す図である。補正設計面生成部１０３は、変曲位置ＣＰに基づいて、補正設計面ＣＳを生成する。
　補正設計面生成部１０３は、作業車両１の進行方向において、変曲位置ＣＰから後方に第１距離Ｄ１に位置する第１面Ｆ１の第１部分Ｐ１と、変曲位置ＣＰから前方に第２距離Ｄ２に位置する第２面Ｆ２の第２部分Ｐ２とを結ぶように、補正設計面ＣＳを生成する。
　第１面Ｆ１と補正設計面ＣＳとがなす角度β１及び第２面Ｆ２と補正設計面ＣＳとがなす角度β２のそれぞれは、角度αよりも大きい。
　補正設計面生成部１０３は、規定の補正条件を満足するときに、補正設計面ＣＳを生成する。補正条件は、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とがなす角度αが角度閾値以下であり、第１面Ｆ１に進入する作業車両１の走行速度Ｖが速度閾値以上であることを含む。
　角度αは、初期設計面データに基づいて導出可能である。また、補正設計面生成部１０３は、作業車両１の走行速度Ｖを示す走行速度データを速度センサ８から取得する。角度閾値及び速度閾値は、予め定められている値であり、補正設計面生成部１０３に記憶されている。そのため、補正設計面生成部１０３は、初期設計面取得部１０１により取得された初期設計面データと、速度センサ８から取得した走行速度データと、角度閾値及び速度閾値とに基づいて、補正条件を満足するか否かを判定することができる。
　本実施形態において、補正設計面生成部１０３は、角度α及び走行速度Ｖに連動するように、第１距離Ｄ１及び第２距離Ｄ２を設定する。補正設計面生成部１０３は、角度αが小さいほど第１距離Ｄ１及び第２距離Ｄ２を長い値に設定し、角度αが大きいほど第１距離Ｄ１及び第２距離Ｄ２を短い値に設定する。補正設計面生成部１０３は、走行速度Ｖが高いほど第１距離Ｄ１及び第２距離Ｄ２を長い値に設定し、走行速度Ｖが低いほど第１距離Ｄ１及び第２距離Ｄ２を短い値に設定する。
　補正設計面生成部１０３は、角度αが小さいほど角度β１及び角度β２が大きくなるように、角度αが大きいほど角度β１及び角度β２が小さくなるように、補正設計面ＣＳを生成してもよい。補正設計面生成部１０３は、走行速度Ｖが高いほど角度β１及び角度β２が大きくなるように、走行速度Ｖが低いほど角度β１及び角度β２が小さくなるように、補正設計面ＣＳを生成してもよい。
　なお、図５に示す例において、第１距離Ｄ１及び第２距離Ｄ２は、第２面Ｆ２と平行な方向における変曲位置ＣＰからの距離である。第１距離Ｄ１として、第１面Ｆ１と平行な方向における変曲位置ＣＰからの第１距離Ｄ１ｂが設定されてもよい。
　車両データ取得部１２０は、作業車両１に係るデータを示す車両データをデータ取得部３３から取得する。上述のように、車両データは、車体位置データ、車体角度データ、作動量データ、及び外形データを含む。車両データ取得部１２０は、車体位置取得部１０５と、車体角度取得部１０６と、作動量取得部１０７と、外形データ取得部１０８とを含む。
　車体位置取得部１０５は、車体２の位置を示す車体位置データをデータ取得部３３から取得する。車体角度取得部１０６は、車体２の傾斜角度を示す車体角度データをデータ取得部３３から取得する。作動量取得部１０７は、ブレード１９を移動可能なリフトシリンダ２５の作動量を示す作動量データをデータ取得部３３から取得する。外形データ取得部１０８は、作業車両１の寸法及び形状を示す外形データをデータ取得部３３から取得する。
　実高さ算出部１０９は、車両データ取得部１２０により取得された車両データに基づいて、ローカル座標系におけるブレード１９の刃先１９Ｐの実際の高さを示す実高さを算出する。すなわち、実高さ算出部１０９は、車体位置データと、車体角度データと、作動量データと、外形データとに基づいて、ローカル座標系におけるブレード１９の刃先１９Ｐの実際の高さを示す実高さを算出する。
　実高さ算出部１０９は、作動量データに基づいて、ブレード１９のリフト角θを算出する。実高さ算出部１０９は、リフト角θと外形データとに基づいて、ローカル座標系におけるブレード１９の刃先１９Ｐの高さを算出する。なお、実高さ算出部１０９は、リフト方向のブレード１９の角度を示すリフト角θ、アングル方向のブレード１９の角度を示すアングル角、及びチルト方向のブレード１９の角度を示すアングル角と、外形データに基づいて、刃先１９Ｐの高さを算出してもよい。また、実高さ算出部１０９は、ローカル座標系の原点と位置センサ６の検出データとに基づいて、グローバル座標系におけるブレード１９の刃先１９Ｐの高さを算出することができる。
　目標高さ取得部１１０は、目標高さ算出部３４で算出された刃先１９Ｐの目標高さを目標高さ算出部３４から取得する。
　目標高さ補正部１１１は、補正設計面ＣＳに基づいて目標高さを補正して、ブレード１９の刃先１９Ｐの補正目標高さを生成する。刃先１９Ｐの補正目標高さとは、ローカル座標系において補正設計面ＣＳに一致させることができる刃先１９Ｐの位置をいう。
　ブレード制御部１０４は、補正設計面ＣＳに基づいて、ブレード１９の刃先１９Ｐの高さを制御する制御指令を出力する。ブレード制御部１０４は、補正設計面ＣＳに刃先１９Ｐが一致するように制御指令を出力する。ブレード制御部１０４は、制御弁２８に制御指令を出力する。
　ブレード制御部１０４は、ブレード１９の刃先１９Ｐが第１部分Ｐ１より後方又は第２部分Ｐ２より前方に位置する場合、すなわち初期設計面ＩＳに位置付けられる状態においては、実高さ算出部１０９により算出されたブレード１９の刃先１９Ｐの高さと目標高さ取得部１１０により取得された目標高さとの偏差が小さくなるように、制御指令を出力する。
　ブレード制御部１０４は、ブレード１９の刃先１９Ｐが第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２の間に位置する場合、すなわち補正設計面ＣＳに位置付けられる状態においては、実高さ算出部１０９により算出されたブレード１９の刃先１９Ｐの高さと目標高さ補正部１１１により生成された補正目標高さとの偏差が小さくなるように、制御指令を出力する。
［ブレード制御方法］
　次に、本実施形態に係るブレード制御方法について説明する。図６は、本実施形態に係るブレード制御方法を示すフローチャートである。図６に示す処理は、規定の周期で実施される。
　初期設計面取得部１０１は、初期設計面ＩＳを設計面データ記憶部３１から取得する（ステップＳ１０）。本実施形態において、作業車両１が前進している状態で、作業車両１の前方の規定範囲（例えば１０［ｍ］）における初期設計面ＩＳが目標高さ生成装置３０からブレード制御装置１０に送信される。初期設計面取得部１０１は、作業車両１の前方の規定範囲における初期設計面ＩＳを設計面データ記憶部３１から取得する。初期設計面取得部１０１は、作業車両１の前進に伴って変化する作業車両１の前方の規定範囲における初期設計面ＩＳを規定の周期で取得する。
　変曲位置探索部１０２は、初期設計面取得部１０１により取得された初期設計面ＩＳにおいて第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との境界を示す変曲位置ＣＰを探索する（ステップＳ２０）。
　補正設計面生成部１０３は、初期設計面ＩＳが規定の補正条件を満足するか否かを判定する。補正設計面生成部１０３は、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とがなす角度αが角度閾値以下か否かを判定する（ステップＳ３０）。
　ステップＳ３０において、角度αが角度閾値以下であると判定した場合（ステップＳ３０：Ｙｅｓ）、補正設計面生成部１０３は、第１面Ｆ１を走行する作業車両１の走行速度Ｖが速度閾値以上か否かを判定する（ステップＳ４０）。
　ステップＳ４０において、走行速度Ｖが速度閾値以上であると判定した場合（ステップＳ４０：Ｙｅｓ）、補正設計面生成部１０３は、補正設計面ＣＳを生成する（ステップＳ５０）。
　図５を参照して説明したように、補正設計面生成部１０３は、第１面Ｆ１の第１部分Ｐ１と第２面Ｆ２の第２部分Ｐ２とを結ぶように補正設計面ＣＳを生成する。また、角度αが角度閾値を大きく下回っている場合、補正設計面生成部１０３は、第１距離Ｄ１及び第２距離Ｄ２を長くした状態で、補正設計面ＣＳを生成する。また、走行速度Ｖが速度閾値を大きく上回っている場合、補正設計面生成部１０３は、第１距離Ｄ１及び第２距離Ｄ２を長くした状態で、補正設計面ＣＳを生成する。
　目標高さ取得部１１０は、目標高さ算出部３４から刃先１９Ｐの目標高さを取得する。目標高さ補正部１１１は、目標高さ取得部１１０から刃先１９Ｐの目標高さを取得する。目標高さ補正部１１１は、補正設計面生成部１０３により生成された補正設計面ＣＳに基づいて、刃先１９Ｐの目標高さを補正して、刃先１９Ｐの補正目標高さを算出する。
　ブレード制御部１０４は、補正設計面ＣＳに基づいて、ブレード１９の高さを制御する制御指令を制御弁２８に出力する（ステップＳ６０）。
　ブレード制御部１０４は、刃先１９Ｐが初期設計面ＩＳに位置付けられる状態においては、刃先１９Ｐの高さと目標高さとの偏差が小さくなるように、制御指令を出力する。ブレード制御部１０４は、刃先１９Ｐが補正設計面ＣＳに位置付けられる状態においては、刃先１９Ｐの高さと補正目標高さとの偏差が小さくなるように、制御指令を出力する。
　ステップＳ３０において、角度αが角度閾値以下でないと判定した場合（ステップＳ３０：Ｎｏ）、又は、ステップＳ４０において、走行速度Ｖが速度閾値以上でないと判定した場合（ステップＳ４０：Ｎｏ）、補正条件は満足していないため、補正設計面生成部１０３は、補正設計面ＣＳを生成しない。ブレード制御部１０４は、初期設計面ＩＳに基づいて、ブレード１９の高さを制御する制御指令を制御弁２８に出力する。
［作用］
　図７は、本実施形態に係る作業車両１の動作を模式的に示す図である。作業車両１は前進しながら、ブレード１９を用いて掘削対象を掘削する。図７に示すように、ブレード１９の刃先１９Ｐが初期設計面ＩＳの第１面Ｆ１に位置付けられる状態においては、刃先１９Ｐの高さと目標高さとの偏差が小さくなるように、すなわち、刃先１９Ｐが第１面Ｆ１に一致するように、ブレード１９の高さが制御される。
　補正設計面ＣＳが生成された場合、ブレード制御装置１０は、ブレード１９の刃先１９Ｐが補正設計面ＣＳに追従するように、ブレード１９の高さを制御する。ブレード１９の刃先１９Ｐが補正設計面ＣＳに位置付けられる状態においては、刃先１９Ｐの高さと補正目標高さとの偏差が小さくなるように、すなわち、刃先１９Ｐが補正設計面ＣＳに一致するように、ブレード１９の高さが制御される。
　刃先１９Ｐが補正設計面ＣＳを通過した後、ブレード１９の刃先１９Ｐが初期設計面ＩＳの第２面Ｆ２に位置付けられる状態においては、刃先１９Ｐの高さと目標高さとの偏差が小さくなるように、すなわち、刃先１９Ｐが第２面Ｆ２に一致するように、ブレード１９の高さが制御される。
　図８は、比較例に係る作業車両１の動作を模式的に示す図である。第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とがなす角度αが小さかったり、変曲位置ＣＰに進入する作業車両１の走行速度Ｖが高かったりした場合において、ブレード１９が変曲位置ＣＰを通過するとき、ブレード１９の制御遅れが発生すると、ブレード１９は初期設計面ＩＳを追従しきれなくなる可能性がある。ブレード１９の高さ及び移動速度は、油圧により制御されるため、油圧に起因する制御遅れが発生する可能性がある。また、データ通信遅延に起因する制御遅れが発生する可能性がある。ブレード１９の制御遅れが発生すると、図８に示すように、刃先１９Ｐが初期設計面ＩＳの第２面Ｆ２を超えた状態でブレード１９が掘削対象を掘削してしまい、掘削対象が所望の形状に掘削されない可能性がある。
　本実施形態においては、角度αが角度閾値以下であり、変曲位置ＣＰに進入する作業車両１の走行速度Ｖが速度閾値以上である場合において、補正設計面ＣＳが生成される。補正設計面ＣＳは、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とを結ぶように生成される。これにより、第１面Ｆ１と補正設計面ＣＳとがなす角度β１が角度αよりも大きくなるので、ブレード１９の制御遅れが発生しても、刃先１９Ｐが補正設計面ＣＳに追従するようにブレード１９が制御されることにより、刃先１９Ｐが初期設計面ＩＳを超えることが抑制される。したがって、掘削対象が深掘りされてしまうことが抑制される。
［コンピュータシステム］
　図９は、本実施形態に係るコンピュータシステム１０００を示すブロック図である。上述のブレード制御装置１０及び目標高さ生成装置３０のそれぞれは、コンピュータシステム１０００を含む。コンピュータシステム１０００は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）のようなプロセッサ１００１と、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random　Access　Memory）のような揮発性メモリを含むメインメモリ１００２と、ストレージ１００３と、入出力回路を含むインターフェース１００４とを有する。上述のブレード制御装置１０の機能及び目標高さ生成装置３０の機能は、プログラムとしてストレージ１００３に記憶されている。プロセッサ１００１は、プログラムをストレージ１００３から読み出してメインメモリ１００２に展開し、プログラムに従って上述の処理を実行する。なお、プログラムは、ネットワークを介してコンピュータシステム１０００に配信されてもよい。
［効果］
　以上説明したように、本実施形態によれば、規定の補正条件を満足するときに、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とを結ぶ補正設計面ＣＳが生成される。刃先１９Ｐが補正設計面ＣＳに追従するようにブレード１９が制御されることにより、刃先１９Ｐが初期設計面ＩＳを超えることが抑制される。したがって、掘削対象が深掘りされてしまうことが抑制され、掘削対象は所望の形状に掘削される。
　本実施形態においては、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との境界を示す変曲位置ＣＰが探索される。これにより、補正設計面生成部１０３は、変曲位置ＣＰに基づいて、補正設計面ＣＳを生成することができる。また、本実施形態においては、変曲位置ＣＰから第１距離Ｄ１（Ｄ１ｂ）に位置する第１面Ｆ１の第１部分Ｐ１と、変曲位置ＣＰから第２距離Ｄ２に位置する第２面Ｆ２の第２部分Ｐ２とを結ぶように補正設計面ＣＳが生成される。これにより、補正設計面生成部１０３による演算の負荷が軽減される。
［他の実施形態］
　なお、上述の実施形態においては、補正条件が、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とがなす角度αが角度閾値以下であること、及び第１面Ｆ１に進入する作業車両１の走行速度Ｖが速度閾値以上であることの両方を含むこととした。補正条件は、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とがなす角度αが角度閾値以下であること、及び第１面Ｆ１に進入する作業車両１の走行速度Ｖが速度閾値以上であることのいずれか一方でもよい。
　なお、上述の実施形態において、位置センサ６及び傾斜センサ７の少なくとも一方は、ブレード１９に取り付けられていてもよい。
　なお、上述の実施形態においては、作業車両１がブルドーザである例について説明した。作業車両１は、ブレード機構を有するモータグレーダでもよい。
　１…作業車両、２…車体、３…走行装置、４…作業機、５…油圧シリンダ、６…位置センサ、７…傾斜センサ、８…速度センサ、９…作動量センサ、１０…ブレード制御装置、１１…運転室、１２…エンジン室、１３…シート、１４…操作装置、１５…駆動輪、１６…遊動輪、１７…履帯、１８…リフトフレーム、１９…ブレード、１９Ｐ…刃先、２０…球関節部、２１…ピッチ支持リンク、２２…支柱部、２３…自在継手、２４…ピッチング継手、２５…リフトシリンダ、２６…アングルシリンダ、２７…チルトシリンダ、２８…制御弁、３０…目標高さ生成装置、３１…設計面データ記憶部、３２…外形データ記憶部、３３…データ取得部、３４…目標高さ算出部、１０１…初期設計面取得部、１０２…変曲位置探索部、１０３…補正設計面生成部、１０４…ブレード制御部、１０５…車体位置取得部、１０６…車体角度取得部、１０７…作動量取得部、１０８…外形データ取得部、１０９…実高さ算出部、１１０…目標高さ取得部、１１１…目標高さ補正部、ＡＸ…回転軸、ＢＸ…回転軸、ＣＳ…補正設計面、ＣＸ…回転軸、Ｄ１…第１距離、Ｄ１ｂ…第１距離、Ｄ２…第２距離、Ｆ１…第１面、Ｆ２…第２面、ＩＳ…初期設計面、Ｌ…ストローク長、Ｐ１…第１部分、Ｐ２…第２部分、α…角度、β１…角度、β２…角度、θ…リフト角。

Claims (7)

  1. 　作業車両のブレードで掘削される掘削対象の目標形状を示す初期設計面において前記作業車両の前方に存在する第１面と前記第１面とは異なる勾配の第２面とを結ぶ補正設計面を生成する補正設計面生成部と、
    　前記補正設計面に基づいて前記ブレードの高さを制御する制御指令を出力するブレード制御部と、
    を備えるブレード制御装置。
  2. 　前記初期設計面において前記第１面と前記第２面との境界を示す変曲位置を探索する変曲位置探索部を備え、
    　前記補正設計面生成部は、前記変曲位置に基づいて、前記補正設計面を生成する、
    請求項１に記載のブレード制御装置。
  3. 　前記補正設計面生成部は、前記変曲位置から第１距離に位置する前記第１面の第１部分と、前記変曲位置から第２距離に位置する前記第２面の第２部分とを結ぶように前記補正設計面を生成する、
    請求項２に記載のブレード制御装置。
  4. 　前記補正設計面生成部は、規定の補正条件を満足するときに前記補正設計面を生成し、
    　前記補正条件は、前記第１面と前記第２面とがなす角度が角度閾値以下であること、及び前記第１面に進入する前記作業車両の走行速度が速度閾値以上であることの少なくとも一方を含む、
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のブレード制御装置。
  5. 　前記初期設計面において、前記第１面と前記第２面とがなす角度は１８０［°］よりも小さい、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のブレード制御装置。
  6. 　前記作業車両に係る車両データに基づいて前記ブレードの高さを算出する実高さ算出部と、
    　前記初期設計面に基づいて算出された前記ブレードの目標高さを取得する目標高さ取得部と、
    　前記補正設計面に基づいて前記目標高さを補正して補正目標高さを生成する目標高さ補正部と、を備え、
    　前記ブレード制御部は、前記ブレードの刃先が前記初期設計面に位置付けられる状態においては、前記ブレードの刃先の高さと前記目標高さとの偏差が小さくなるように、前記制御指令を出力し、前記ブレードの刃先が前記補正設計面に位置付けられる状態においては、前記ブレードの刃先の高さと前記補正目標高さとの偏差が小さくなるように、前記制御指令を出力する、
    請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のブレード制御装置。
  7. 　作業車両のブレードで掘削される掘削対象の目標形状を示す初期設計面において前記作業車両の前方に存在する第１面と前記第１面とは異なる勾配の第２面とを結ぶ補正設計面を生成することと、
    　前記補正設計面に基づいて前記ブレードの高さを制御する制御指令を出力することと、
    を含むブレード制御方法。
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