WO2020158243A1 - 建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法 - Google Patents

建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法 Download PDF

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WO2020158243A1
WO2020158243A1 PCT/JP2019/049950 JP2019049950W WO2020158243A1 WO 2020158243 A1 WO2020158243 A1 WO 2020158243A1 JP 2019049950 W JP2019049950 W JP 2019049950W WO 2020158243 A1 WO2020158243 A1 WO 2020158243A1
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bucket
target
control
unit
design surface
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PCT/JP2019/049950
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Inventor
吉朗 岩崎
Original Assignee
株式会社小松製作所
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Publication date
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • 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
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    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • 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)
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators

Definitions

  • the present invention relates to a construction machine control system, a construction machine, and a construction machine control method.
  • the work machine operates hydraulically.
  • the design surface may be composed of a plurality of surfaces having different slopes.
  • the control delay may cause the bucket to be unable to follow the design surface.
  • the bucket may dig into the design surface, and the construction target may not be constructed in a desired shape.
  • the aspect of the present invention aims to excavate a construction object into a desired shape.
  • a control system for a construction machine including a working machine, wherein a design surface acquiring unit that acquires a design surface indicating a target shape of a construction target, and a target value of a control amount of the working machine are generated. Calculating a predicted value of the control amount of the working machine based on the target value generation unit, the target value and a prediction model of the working machine, and controlling the working machine based on the predicted value and the design surface.
  • a control system for a construction machine comprising: a prediction unit that calculates a driving amount to perform, and a command unit that outputs a control command to control the working machine based on the driving amount.
  • the construction target is excavated into a desired shape.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a construction machine according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the control system for the construction machine according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the construction machine according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the bucket according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a functional block diagram showing the control device according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method of calculating the target translational speed of the bucket by the target translational speed calculation unit according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the speed limit table according to the present embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a construction machine according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the control system for the construction machine according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the construction machine according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the bucket according
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a method of calculating the target rotation speed of the bucket by the target rotation speed calculation unit according to the present embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a design surface according to the present embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a design surface according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a flowchart showing the method for controlling the construction machine according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a result of comparison between the case where the work machine is controlled by the control method according to the present embodiment and the case where the work machine is controlled by the control method according to the comparative example.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a design surface according to the present embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a design surface according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a flowchart showing the method for controlling the construction machine according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a result of comparison between the case where the work machine is controlled
  • FIG. 13 is a diagram showing a result of comparison between the case where the work machine is controlled by the control method according to the present embodiment and the case where the work machine is controlled by the control method according to the comparative example.
  • FIG. 14 is a block diagram showing an example of a computer system according to this embodiment.
  • the vehicle body coordinate system refers to a coordinate system whose origin is fixed to the construction machine.
  • the vehicle body coordinate system is defined by an X axis extending in a specified direction with an origin set in the construction machine as a reference, a Y axis orthogonal to the X axis, and a Z axis orthogonal to each of the X axis and the Y axis. It
  • the direction parallel to the X axis is defined as the X axis direction.
  • the direction parallel to the Y axis is the Y axis direction.
  • the direction parallel to the Z axis is the Z axis direction.
  • the direction of rotation or inclination about the X axis is the ⁇ X direction.
  • the rotation or inclination direction about the Y axis is defined as the ⁇ Y direction.
  • the direction of rotation or inclination about the Z axis is the ⁇ Z direction.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a construction machine 100 according to the present embodiment.
  • the construction machine 100 is a hydraulic excavator
  • the construction machine 100 will be appropriately referred to as a hydraulic excavator 100.
  • the hydraulic excavator 100 includes a working machine 1 that is hydraulically operated, a revolving structure 2 that supports the working machine 1, and a traveling structure 3 that supports the revolving structure 2.
  • the revolving structure 2 has a driver's cab 4 on which a driver rides. In the cab 4, a seat 4S on which a driver sits is arranged.
  • the revolving unit 2 is capable of revolving around the revolving axis RX while being supported by the traveling unit 3.
  • the running body 3 has a pair of crawler tracks 3C.
  • the hydraulic excavator 100 runs by the rotation of the crawler belt 3C.
  • the traveling body 3 may have tires.
  • the work machine 1 is supported by the revolving structure 2.
  • the work machine 1 includes a boom 6 connected to the revolving structure 2, an arm 7 connected to the tip of the boom 6, and a bucket 8 connected to the tip of the arm 7.
  • the bucket 8 has a cutting edge 9.
  • the blade edge 9 of the bucket 8 is the tip of a straight blade.
  • the blade tip 9 of the bucket 8 may be the tip of a convex blade provided on the bucket 8.
  • the boom 6 can rotate with respect to the revolving structure 2 around the boom axis AX1.
  • the arm 7 is rotatable with respect to the boom 6 around the arm axis AX2.
  • the bucket 8 is rotatable with respect to the arm 7 about each of the bucket axis AX3, the tilt axis AX4, and the rotate axis AX5.
  • the boom axis AX1, the arm axis AX2, and the bucket axis AX3 are parallel to the Y axis.
  • the tilt axis AX4 is orthogonal to the bucket axis AX3.
  • the rotate axis AX5 is orthogonal to the bucket axis AX3 and the tilt axis AX4.
  • the turning axis RX is parallel to the Z axis.
  • the X-axis direction is the front-back direction of the revolving unit 2.
  • the Y-axis direction is the vehicle width direction of the swing body 2.
  • the Z-axis direction is the vertical direction of the revolving unit 2.
  • the direction in which the work implement 1 is present is the front with respect to the driver seated on the seat 4S.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a control system 200 of the hydraulic excavator 100 according to this embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the hydraulic excavator 100 according to this embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the bucket 8 according to this embodiment.
  • the control system 200 of the hydraulic excavator 100 includes an engine 5, a plurality of hydraulic cylinders 10 that drive the working machine 1, a swing motor 16 that drives the swing body 2, and a hydraulic pressure that discharges hydraulic fluid.
  • the angle detection device 30 that detects the angle ⁇ of the first unit, the operation device 40 that operates the work machine 1 and the swing body 2, and the control device 50 are provided.
  • the work machine 1 is operated by the power generated by the hydraulic cylinder 10.
  • the hydraulic cylinder 10 is driven based on the hydraulic oil supplied from the hydraulic pump 17.
  • the hydraulic cylinder 10 includes a boom cylinder 11 that operates the boom 6, an arm cylinder 12 that operates the arm 7, a bucket cylinder 13 that operates the bucket 8, a tilt cylinder 14, and a rotate cylinder 15.
  • the boom cylinder 11 generates power for rotating the boom 6 around the boom axis AX1.
  • the arm cylinder 12 generates power for rotating the arm 7 around the arm axis AX2.
  • the bucket cylinder 13 generates power for rotating the bucket 8 around the bucket axis AX3.
  • the tilt cylinder 14 generates power for rotating the bucket 8 about the tilt axis AX4.
  • the rotate cylinder 15 generates power for rotating the bucket 8 about the rotate shaft AX5.
  • the rotation of the bucket 8 about the bucket axis AX3 is referred to as bucket rotation
  • the rotation of the bucket 8 about the tilt axis AX4 is referred to as tilt rotation
  • the rotation axis AX5 is referred to as rotation.
  • the rotation of the bucket 8 around the center is appropriately referred to as rotation rotation.
  • the revolving structure 2 revolves by the power generated by the revolving motor 16.
  • the swing motor 16 is a hydraulic motor and is driven based on the hydraulic oil supplied from the hydraulic pump 17.
  • the swing motor 16 generates power for swinging the swing body 2 around the swing axis RX.
  • the engine 5 is mounted on the revolving structure 2.
  • the engine 5 generates power for driving the hydraulic pump 17.
  • the hydraulic pump 17 discharges hydraulic oil for driving the hydraulic cylinder 10 and the swing motor 16.
  • the valve device 18 has a plurality of valves for distributing the hydraulic oil supplied from the hydraulic pump 17 to the plurality of hydraulic cylinders 10 and the swing motor 16.
  • the valve device 18 adjusts the flow rate of the hydraulic oil supplied to each of the plurality of hydraulic cylinders 10.
  • the operating speed of the hydraulic cylinder 10 is adjusted by adjusting the flow rate of the hydraulic oil supplied to the hydraulic cylinder 10.
  • the valve device 18 adjusts the flow rate of the hydraulic oil supplied to the turning motor 16. By adjusting the flow rate of the hydraulic oil supplied to the swing motor 16, the rotation speed of the swing motor 16 is adjusted.
  • the position calculation device 20 calculates the position data of the swing structure 2.
  • the position data of the swing body 2 includes the position of the swing body 2, the attitude of the swing body 2, and the orientation of the swing body 2.
  • the position calculation device 20 includes a position calculator 21 that calculates the position of the swing body 2, a posture calculator 22 that calculates the posture of the swing body 2, and an azimuth calculator 23 that calculates the azimuth of the swing body 2.
  • the position calculator 21 calculates the position of the swing body 2 in the global coordinate system as the position of the swing body 2.
  • the position calculator 21 is arranged on the revolving structure 2.
  • the global coordinate system refers to a coordinate system whose origin is fixed to the earth.
  • the global coordinate system is a coordinate system defined by GNSS (Global Navigation Satellite System).
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • GPS Global Positioning System
  • the GNSS has a plurality of positioning satellites.
  • the GNSS detects a position defined by coordinate data of latitude, longitude, and altitude.
  • the revolving unit 2 is provided with a GPS antenna.
  • the GPS antenna receives radio waves from GPS satellites and outputs a signal generated based on the received radio waves to the position calculator 21.
  • the position calculator 21 calculates the position of the revolving unit 2 in the global coordinate system based on the signal supplied from the GPS antenna.
  • the position calculator 21 calculates the position of the representative point O of the swing structure 2 as shown in FIG. 3, for example.
  • the representative point O of the swing body 2 is set on the swing axis RX.
  • the representative point O may be set on the boom axis AX1.
  • the attitude calculator 22 calculates the tilt angle of the revolving structure 2 with respect to the horizontal plane in the global coordinate system as the attitude of the revolving structure 2.
  • the attitude calculator 22 is arranged on the revolving unit 2.
  • the attitude calculator 22 includes an inertial measurement unit (IMU: Inertial Measurement Unit).
  • the tilt angle of the revolving structure 2 with respect to the horizontal plane includes a roll angle ⁇ indicating the tilt angle of the revolving structure 2 in the vehicle width direction and a pitch angle ⁇ indicating the tilt angle of the revolving structure 2 in the front-rear direction.
  • the azimuth calculator 23 calculates the azimuth of the revolving unit 2 with respect to the reference azimuth in the global coordinate system as the azimuth of the revolving unit 2.
  • the reference azimuth is, for example, north.
  • the azimuth calculator 23 is arranged on the revolving unit 2.
  • the azimuth calculator 23 includes a gyro sensor.
  • the azimuth calculator 23 may calculate the azimuth based on the signal supplied from the GPS antenna.
  • the azimuth of the revolving unit 2 with respect to the reference azimuth includes a yaw angle ⁇ indicating an angle formed by the reference azimuth and the azimuth of the revolving unit 2.
  • the angle detection device 30 detects the angle ⁇ of the work machine 1.
  • the angle detection device 30 is arranged in the work machine 1.
  • the angle ⁇ of the work implement 1 is a boom angle ⁇ 1 indicating the angle of the boom 6 with respect to the Z axis, an arm angle ⁇ 2 indicating the angle of the arm 7 relative to the boom 6, and a bucket relative to the arm 7.
  • a bucket angle ⁇ 3 indicating the angle of the bucket 8 in the rotation direction
  • a tilt angle ⁇ 4 indicating the angle of the bucket 8 in the tilt rotation direction with respect to the XY plane
  • a rotate angle ⁇ 5 indicating the angle of the bucket 8 in the rotate rotation direction with respect to the YZ plane.
  • the angle detection device 30 detects a boom angle detector 31 that detects a boom angle ⁇ 1, an arm angle detector 32 that detects an arm angle ⁇ 2, a bucket angle detector 33 that detects a bucket angle ⁇ 3, and a tilt angle ⁇ 4.
  • the angle detection device 30 may include a stroke sensor that detects the stroke of the hydraulic cylinder 10, or may include an angle sensor that detects the angle ⁇ of the work machine 1 such as a rotary encoder. When the angle detection device 30 includes a stroke sensor, the angle detection device 30 calculates the angle ⁇ of the work machine 1 based on the detection data of the stroke sensor.
  • the operating device 40 is operated by the driver to drive the hydraulic cylinder 10 and the swing motor 16.
  • the operating device 40 is arranged in the cab 4.
  • the operating device 40 is operated by the driver operating the operating device 40.
  • the operation device 40 includes a lever operated by a driver of the hydraulic excavator 100.
  • the levers of the operation device 40 include a right operation lever 41, a left operation lever 42, and a tilt operation lever 43.
  • the arm 7 When the left operation lever 42 in the neutral position is operated forward, the arm 7 performs a dump operation, and when it is operated backward, the arm 7 performs an excavation operation.
  • the left operation lever 42 in the neutral position is operated to the right, the revolving unit 2 turns to the right, and when it is operated to the left, the revolving unit 2 turns to the left.
  • FIG. 5 is a functional block diagram showing the control device 50 according to the present embodiment.
  • the control device 50 includes a position data acquisition unit 51, an angle data acquisition unit 52, an operation data acquisition unit 53, a design surface acquisition unit 54, a target value generation unit 55, a model prediction control unit 56, and constraint condition calculation. It has a unit 57, a command unit 58, and a storage unit 60.
  • the position data acquisition unit 51 acquires the position data of the revolving structure 2 from the position calculation device 20.
  • the position data of the swing body 2 includes the position of the swing body 2, the attitude of the swing body 2, and the orientation of the swing body 2.
  • the angle data acquisition unit 52 acquires angle data indicating the angle ⁇ of the work machine 1 from the angle detection device 30.
  • the angle data of the work machine 1 includes a boom angle ⁇ 1, an arm angle ⁇ 2, a bucket angle ⁇ 3, a tilt angle ⁇ 4, and a rotate angle ⁇ 5.
  • the operation data acquisition unit 53 acquires operation data of the operation device 40 that operates the work machine 1.
  • the operation data of the operating device 40 includes the amount of operation of the operating device 40.
  • the operation device 40 is provided with an operation amount sensor that detects the amount of operation of the lever.
  • the operation data acquisition unit 53 acquires the operation data of the operation device 40 from the operation amount sensor of the operation device 40.
  • the design surface acquisition unit 54 acquires a design surface indicating the target shape of the construction target.
  • the design surface shows a three-dimensional target shape after construction by the hydraulic excavator 100.
  • the design surface data supply device 70 generates design surface data indicating the design surface.
  • the design surface acquisition unit 54 acquires design surface data from the design surface data supply device 70.
  • the design surface data supply device 70 may be provided at a remote location of the hydraulic excavator 100.
  • the design surface data generated by the design surface data supply device 70 may be transmitted to the control device 50 via the communication system.
  • the design surface data generated by the design surface data supply device 70 may be stored in the storage unit 60.
  • the design surface acquisition unit 54 may acquire the design surface data from the storage unit 60.
  • the target value generation unit 55 generates a target value for the control amount of the work machine 1.
  • the control amount of the work machine 1 includes one or both of the moving speed of the bucket 8 and the position of the predetermined portion of the bucket 8.
  • the predetermined portion of the bucket 8 includes the cutting edge 9 of the bucket 8.
  • the moving speed of the bucket 8 includes the moving speed of the blade edge 9.
  • the position of the predetermined portion of the bucket 8 includes the position of the cutting edge 9.
  • the target value generation unit 55 generates a target value of the control amount of the work machine 1 based on the operation data acquired by the operation data acquisition unit 53.
  • the predetermined part of the bucket 8 is the cutting edge 9.
  • the predetermined portion of the bucket 8 does not have to be the cutting edge 9.
  • the predetermined portion of the bucket 8 may be the floor surface (bottom surface) of the bucket 8.
  • the moving speed of the bucket 8 includes the translation speed and the rotation speed of the bucket 8.
  • the translation speed of the bucket 8 refers to the moving speed in each of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
  • the rotation speed of the bucket 8 refers to each rotation angular speed in the ⁇ X direction, the ⁇ Y direction, and the ⁇ Z direction.
  • the target value generation unit 55 calculates the target translational speed calculation unit 551 that calculates the target translational speed v target that is the target value of the translational speed, and the target rotation speed ⁇ target that is the target value of the rotation speed.
  • the target rotation speed calculation unit 552 is included.
  • the target value generation unit 55 calculates the target translational speed based on the angle data acquired by the angle data acquisition unit 52, the operation data acquired by the operation data acquisition unit 53, and the design surface acquired by the design surface acquisition unit 54.
  • the v target and the target rotation speed ⁇ target are calculated.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method of calculating the target translational velocity v target of the bucket 8 by the target translational velocity calculation unit 551 according to the present embodiment.
  • the target translational speed calculation unit 551 calculates the translational speed of the bucket 8 based on the operation data of the operation device 40 and the angle data of the working machine 1, the translational speed calculation unit 551A, the distance between the cutting edge 9 and the design surface, and the design.
  • a speed limit calculation unit 551B that calculates the speed limit of the bucket 8 based on the surface data, a PI control unit 551C, and a deceleration processing unit 551D are included.
  • the target translational velocity calculation unit 551 calculates the target translational velocity v target of the bucket 8 for not excavating the design surface.
  • the target translational velocity v target of the bucket 8 is calculated based on the equations (1) to (6).
  • n ⁇ R 3 is a unit normal vector of the design surface closest to the cutting edge 9
  • w R1 ⁇ R 3 ⁇ 3 is a rotation matrix for converting from the vehicle body coordinate system to the global coordinate system
  • v sagyo ⁇ R 3 Is a translational speed component of the boom 6 and the arm 7 in the work machine plane (XZ plane of the vehicle body coordinate system) in the translational speed when the work machine 1 is operated based on the operation of the operation device 40
  • V MAX is It is the maximum speed of the bucket 8 in the direction normal to the design surface so as not to dig into the design surface.
  • Each of J v ⁇ R 3 ⁇ 5 and J ⁇ ⁇ R 3 ⁇ 5 indicates a translation velocity component and a rotation velocity component of the Jacobian matrix.
  • the target translational velocity calculation unit 551 is stored in the storage unit 60, the position data of the revolving structure 2 acquired by the position data acquisition unit 51, the angle data of the working machine 1 acquired by the angle data acquisition unit 52.
  • the distance between the cutting edge 9 and the design surface can be calculated based on the work machine data.
  • the work machine data includes a boom length L1, an arm length L2, a bucket length L3, a tilt length L4, and a bucket width L5.
  • the boom length L1 is the distance between the boom axis AX1 and the arm axis AX2.
  • the arm length L2 is the distance between the arm axis AX2 and the bucket axis AX3.
  • the bucket length L3 is the distance between the bucket axis AX3 and the blade edge 9 of the bucket 8.
  • the tilt length L4 is the distance between the bucket axis AX3 and the tilt axis AX4.
  • the bucket width L5 is the widthwise dimension of the bucket 8.
  • the work machine data includes bucket outline data indicating the shape and size of the bucket 8.
  • the bucket outline data includes the outer surface data of the bucket 8 including the contour of the outer surface of the bucket 8.
  • the bucket outline data includes coordinate data of a plurality of outline points RP of the bucket 8 with reference to a predetermined part of the bucket 8.
  • the target translational speed calculation unit 551 calculates the position data of the outer shape point RP.
  • the target translational speed calculation unit 551 calculates the relative position between the representative point O of the swinging body 2 and each of the plurality of outer shape points RP in the vehicle body coordinate system.
  • the target translational velocity calculation unit 551 uses the boom length L1, the arm length L2, the bucket length L3, the tilt length L4, the bucket width L5, and the work machine data including the bucket outer shape data, the boom angle ⁇ 1, and the arm angle ⁇ 2. ,
  • the bucket angle ⁇ 3, the tilt angle ⁇ 4, and the rotation angle ⁇ 5, based on the angle data of the working machine 1, the representative point O of the revolving structure 2 and the plurality of outer shape points RP of the bucket 8 in the vehicle body coordinate system.
  • the relative position can be calculated.
  • the target translational speed calculation unit 551 can calculate the relative position between the representative point O and the cutting edge 9.
  • the design surface is defined in the vehicle body coordinate system. Therefore, the target translational speed calculation unit 551 can calculate the distance between the cutting edge 9 and the design surface in the vehicle body coordinate system. Further, the target translational velocity calculation unit 551 calculates the position of each of the outer shape points RP in the global coordinate system.
  • the target translational velocity calculation unit 551 determines the absolute position of the representative point O of the revolving unit 2 and the relative position of the representative point O of the revolving unit 2 and the outer shape point RP of the bucket 8 for the bucket 8 in the global coordinate system.
  • the position of the outer shape point RP can be calculated.
  • the speed limit calculation unit 551B determines the speed limit of the boom 6 in the normal direction of the design surface based on the speed limit table indicating the relationship between the distance between the bucket 8 and the design surface and the speed limit of the work implement 1.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a speed limit table according to the present embodiment.
  • the speed limit table shows the relationship between the distance between the cutting edge 9 and the design surface and the speed limit of the working machine 1.
  • the speed limit table when the distance between the cutting edge 9 and the design surface is 0, the speed of the working machine 1 in the normal direction of the design surface becomes 0.
  • the speed limit table when the cutting edge 9 is arranged above the construction surface, the distance between the cutting edge 9 and the design surface has a positive value.
  • the distance between the cutting edge 9 and the construction surface becomes a negative value.
  • the speed at which the blade edge 9 is moved upward has a positive value.
  • the speed limit of the working machine 1 is defined based on the distance between the cutting edge 9 and the construction surface.
  • the absolute value of the speed limit of the work implement 1 becomes a value larger than the maximum value of the target speed of the work implement 1. That is, when the distance between the cutting edge 9 and the construction surface is equal to or greater than the work implement control threshold th, the absolute value of the target speed of the work implement 1 is always smaller than the absolute value of the speed limit, so the boom 6 is always driven at the target speed. To do.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a method of calculating the target rotation speed ⁇ target of the bucket 8 by the target rotation speed calculation unit 552 according to this embodiment.
  • the target rotation speed calculation unit 552 calculates the current posture R cur of the bucket 8 based on the angle data of the working machine 1, and the current posture calculation unit 552A of the bucket 8 based on the operation data of the operating device 40 and the design surface data.
  • a target orientation calculation unit 552B for calculating a target posture R target, based on the current attitude R cur and the target posture R target of the bucket 8, the rotation speed omega 'a rotation speed calculation unit 552C for calculating a target, the rotation speed omega' the target and P control and a P controller 552D for calculating a target rotational speed omega target.
  • the rotation speed ⁇ 'target is calculated based on the equations (7) to (10).
  • ⁇ T target is a parameter corresponding to the time required to correct the attitude of the bucket 8.
  • the P control unit 552D calculates the target rotation speed ⁇ target by performing P control based on the rotation speed ⁇ ′ target calculated by the rotation speed calculation unit 552C.
  • the model prediction control unit 56 calculates the predicted value of the control amount of the working machine 1 based on the target value of the control amount of the working machine 1 generated by the target value generation unit 55 and the prediction model of the working machine 1.
  • the model prediction control unit 56 calculates the drive amount for controlling the work machine 1 based on the predicted value and the design surface.
  • the model prediction control unit 56 calculates a predicted value of the control amount of the work machine 1 based on a prediction model storage unit 561 that stores the prediction model of the work machine 1 and a target value of the control amount of the work machine 1 and the prediction model.
  • the prediction unit 562 that calculates the drive amount that controls the work implement 1 based on the predicted value of the control amount of the work implement 1 and the design surface acquired by the design surface acquisition unit 54.
  • the prediction model storage unit 561 stores a prediction model of the hydraulic excavator 100 including the work implement 1.
  • the prediction model includes a dynamic model of the hydraulic excavator 100.
  • the prediction model is a model of the swing body 2 that swings about the swing axis RX, a model of the boom 6 that rotates about the boom axis AX1, a model of the arm 7 that rotates about the arm axis AX2, and a bucket axis AX3.
  • a model of the bucket 8 that rotates around the tilt axis AX4 and the rotate axis AX5.
  • Prediction model is represented by discrete state equation and output equation.
  • the equation of state of the prediction model discretized at the sampling time ⁇ T of the control of the hydraulic excavator 100 is shown in equation (11).
  • the matrices of the state equation are shown in equations (12) and (13).
  • the output equation of the prediction model is shown in equation (14).
  • M ⁇ R 5 ⁇ 5 and Co ⁇ R 5 are the inertia matrix of the equation of motion and the Coriolis force/gravity vector, respectively.
  • C tay ⁇ R 2np is a constant term when Taylor's expansion of n ⁇ p around the angle ⁇ is performed at a predetermined time t.
  • n p indicates the number of design surfaces to be considered.
  • the output of the output equation of the prediction model is the angle ⁇ , the angular velocity, the target translational velocity v target , the target rotational velocity ⁇ target , the distance d between the cutting edge 9 and the design surface, and the flow rate Q of the hydraulic oil.
  • the prediction unit 562 performs an optimization calculation based on the prediction model, and calculates a predicted value of the control amount of the work machine 1.
  • the control amount of the work machine 1 includes one or both of the moving speed of the bucket 8 and the position of the predetermined portion of the bucket 8.
  • the predetermined portion of the bucket 8 includes the cutting edge 9.
  • the control amount of the work machine 1 includes the angular velocity of the boom 6, the angular velocity of the arm 7, and the angular velocity of the bucket 8.
  • the angular velocity of the bucket 8 includes an angular velocity about the bucket axis AX3, an angular velocity about the tilt axis AX4, and an angular velocity about the rotate axis AX5.
  • the predicting unit 562 predicts the moving speed of the bucket 8 or the position of the blade edge 9 of the bucket 8 several steps ahead from the present time.
  • the prediction unit 562 calculates the drive amount for controlling the working machine 1 based on the predicted value of the moving speed of the bucket 8 or the predicted value of the position of the blade edge 9 of the bucket 8. The prediction unit 562 calculates the drive amount so that the predicted value of the control amount follows the target value.
  • the prediction unit 562 includes the predicted value of the moving speed of the bucket 8, the predicted value of the angular velocity of each axis, the predicted value of the position of the blade edge 9 of the bucket 8, the predicted value of the hydraulic fluid flow rate, and the revolving structure 2. Based on the predicted value of the turning speed and the design surface, the drive amount is calculated so that the bucket 8 follows the target design surface in a predetermined posture. That is, the prediction unit 562 calculates the drive amount so that the bucket 8 does not dig into the design surface and the position of the cutting edge 9 and the position of the design surface match.
  • the predicting unit 562 calculates the drive amount for controlling the work implement 1 and the swing structure 2 so that the evaluation function becomes the minimum and each constraint condition is observed.
  • E y (t) is the difference between the output target value and the predicted value
  • E u (t) is the difference between the input target value and the predicted value
  • E ⁇ u (t) is the magnitude of the input change amount
  • E c (t) is a penalty function that is imposed when the constraint condition described later is not satisfied.
  • the evaluation function is shown in equations (16) and (17).
  • t) is the target value at time t+i at time t
  • t) is the plant output at time t+i predicted at time t
  • H p is the number of steps to predict.
  • the prediction horizon, W is a diagonal matrix that gives weights to variables.
  • the constraint condition calculation unit 57 calculates constraint conditions.
  • the constraint conditions include a first constraint condition related to the performance of the hydraulic excavator 100 and a second constraint condition related to the position of the bucket 8.
  • the prediction unit 562 calculates the drive amount so as to satisfy the constraint condition calculated by the constraint condition calculation unit 57.
  • the hydraulic excavator 100 there are restrictions on the angle ⁇ of the work implement 1, the angular velocity, the angular acceleration, and the flow rate of hydraulic fluid. For example, there is a limit to the angle ⁇ at which the work machine 1 can move. Similarly, there is a limit to the angular velocity and the angular acceleration of the work machine 1. Further, there is a limit to the flow rate of hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 17. As described above, the hydraulic excavator 100 has hardware restrictions. Therefore, also in the model predictive control, it is necessary to consider the first constraint condition indicating the constraint on the hardware of the hydraulic excavator 100.
  • the constraint condition calculation unit 57 calculates the first constraint condition including the angle ⁇ of the work machine 1, the angular velocity, the angular acceleration, and the flow rate of the hydraulic oil.
  • the prediction unit 562 calculates the drive amount so as to satisfy the first constraint condition.
  • Equation (22) shows the constraint condition of angular acceleration.
  • the constraint condition calculation unit 57 converts the constraint condition of angular acceleration into the constraint condition of torque.
  • the constraint condition of the converted angular acceleration is shown in Expression (23).
  • the constraint condition calculation unit 57 calculates the second constraint condition including the position of the bucket 8 with respect to the design surface.
  • the prediction unit 562 calculates the drive amount so that the second constraint condition is satisfied.
  • the output d(t) indicates the distance between the cutting edge 9 and the design surface.
  • Expressions (24) and (25) show the constraint condition that the right end and the left end of the cutting edge 9 prevent the design surface from being dug.
  • the prediction unit 562 uses the evaluation functions shown in the equations (16) and (17) so that the constraint conditions shown in the equations (18) to (27) are satisfied, and the optimization calculation in the model prediction control is performed. I do.
  • the optimization problem in this embodiment is shown in equation (28).
  • QP quaddratic programming
  • ⁇ (t) is the control input torque of the control plant and is the solution of the optimization calculation.
  • H u is a control horizon that determines how many steps ahead the input is treated in the optimization problem.
  • the command unit 58 outputs a control command for controlling the work machine 1 based on the drive amount calculated by the prediction unit 562.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the design surface IS according to the present embodiment.
  • the design surface IS may be composed of a plurality of surfaces having different gradients.
  • the design surface IS includes a first surface F1 and a second surface F2 having a gradient different from that of the first surface F1.
  • the second surface F2 exists closer to the revolving structure 2 than the first surface F1.
  • Each of the first surface F1 and the second surface F2 is inclined so as to approach the revolving structure 2 downward.
  • the slope of the first surface F1 and the slope of the second surface F2 are different.
  • the inclination angle F ⁇ 1 of the first surface F1 with respect to the horizontal plane is larger than the inclination angle F ⁇ 2 of the second surface F2 with respect to the horizontal plane.
  • the angle F ⁇ 3 formed by the first surface F1 and the second surface F2 is smaller than 180 [°].
  • the second surface F2 is connected to the bottom of the first surface F1.
  • the bottom of the first surface F1 is the foot of slope.
  • the skirt includes a boundary portion CP between the first surface F1 and the second surface F2.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the design surface IS according to the present embodiment.
  • the design surface IS may be composed of a plurality of surfaces having different gradients.
  • the design surface IS includes a first surface F1 and a second surface F2 having a different gradient from the first surface F1.
  • the second surface F2 exists closer to the revolving structure 2 than the first surface F1.
  • Each of the first surface F1 and the second surface F2 is inclined so as to approach the revolving structure 2 downward.
  • the slope of the first surface F1 and the slope of the second surface F2 are different.
  • the inclination angle F ⁇ 1 of the first surface F1 with respect to the horizontal plane is smaller than the inclination angle F ⁇ 2 of the second surface F2 with respect to the horizontal plane.
  • the angle F ⁇ 3 formed by the first surface F1 and the second surface F2 is larger than 180[°].
  • the first surface F1 is connected to the uppermost part of the second surface F2.
  • the top of the second surface F2 is the top of the slope.
  • the upper shoulder includes a boundary portion CP between the first surface F1 and the second surface F2.
  • the work machine 1 is operated so that the bucket 8 makes a transition from a state in which the bucket 8 faces the first surface F1 to a state in which the bucket 8 faces the second surface F2.
  • the predicting unit 562 allows the work implement 1 to transition from a state in which it faces the first surface F1 to a state in which it faces the second surface F2, in which the cutting edge 9 and the design surface, which are predetermined parts of the work implement 1,
  • the drive amount is calculated so that the distance from the IS and the posture are maintained.
  • the prediction unit 562 transitions from the state in which the bucket 8 faces the first surface F1 to the state in which the bucket 8 faces the boundary portion CP between the first surface F1 and the second surface F2 and then faces the second surface F2.
  • the cutting edge 9 of the bucket 8 and the design surface IS are respectively formed on the first surface F1, the boundary portion CP, and the second surface F2.
  • the drive amount is calculated so that the distance is maintained at a constant value.
  • the predicting unit 562 is driven so that the bucket 8 does not dig into the design surface IS and the blade edge 9 moves along the design surface IS on each of the first surface F1, the boundary portion CP, and the second surface F2. Calculate the amount.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a control method of the hydraulic excavator 100 according to this embodiment.
  • the design surface acquisition unit 54 acquires design surface data (step S1).
  • the position data acquisition unit 51 acquires the position data of the revolving structure 2 from the position calculation device 20 as the current value. Further, the angle data acquisition unit 52 acquires the angle data and the angular velocity data of the working machine 1 from the angle detection device 30 as the current values (step S2).
  • the driver operates the operation device 40.
  • the operation data acquisition unit 53 acquires operation data from the operation device 40.
  • the target value generation unit 55 generates a target value of the control amount of the work machine 1 based on at least the operation data of the operation device 40 (step S3).
  • the target value of the control amount of the work machine 1 includes the target value of the moving speed of the bucket 8.
  • the target value of the moving speed of the bucket 8 includes the target translational speed v target of the bucket 8 described with reference to FIG. 6 and the target rotational speed ⁇ target of the bucket 8 described with reference to FIG.
  • the target value generation unit 55 includes the operation data of the operating device 40, the angle data indicating the angle ⁇ of the work implement 1 that changes when the operating device 40 is operated, and the angular velocity data indicating the amount of change in the angle ⁇ per unit time. And a target value including the target translational speed v target and the target rotation speed ⁇ target of the bucket 8 based on the design surface data.
  • the constraint condition calculation unit 57 includes the operation data of the operating device 40, the angle data indicating the angle ⁇ of the working machine 1 that changes when the operating device 40 is operated, and the angular velocity data indicating the amount of change in the angle ⁇ per unit time. And constraint conditions including the first constraint condition related to the performance of the hydraulic excavator 100 and the second constraint condition related to the position of the bucket 8 are calculated based on the design surface data (step S4).
  • the prediction unit 562 sets the work implement 1 so as to satisfy the constraint condition calculated in step S4 based on the target value of the control amount of the work implement 1 and the prediction model stored in the prediction model storage unit 561.
  • the drive amount for control is calculated (step S5).
  • the prediction unit 562 calculates the drive amount of the work machine 1 from the present time point, for example, up to 10 steps ahead.
  • the prediction unit 562 calculates the predicted value of the control amount of the work machine 1 based on the drive amount calculated in step S6 and the current value acquired in step S3 (step S6).
  • the predicting unit 562 calculates the predicted value of the moving speed of the working machine 1 and the predicted value of the position of the cutting edge 9 from the current point to, for example, 10 steps ahead.
  • the predicting unit 562 calculates that the predicted value of the bucket speed calculated so that the blade edge 9 of the bucket 8 follows the design surface IS based on the operation data of the operating device 40 that operates the work machine 1 exceeds the maximum speed. It is determined whether or not there is (step S7).
  • step S8 When it is determined in step S8 that the predicted value of the bucket speed does not exceed the maximum speed (step S7: No), the prediction unit 562 re-adjusts the drive amount so that the predicted value of the control amount follows the target value. Calculate (step S5).
  • the predicting unit 562 recalculates the drive amount so that the evaluation function defined by the target value and the current value of the control amount becomes the minimum.
  • the prediction unit 562 recalculates the drive amount so as to satisfy the first constraint condition and the second constraint condition.
  • step S7 When it is determined in step S7 that the predicted value of the bucket speed exceeds the maximum speed (step S7: Yes), the prediction unit 562 determines whether the evaluation function is the minimum (step S8).
  • the speed of the bucket 8 may be the angular speed or the angular acceleration of each axis of the work machine 1 or the revolving structure 2.
  • the maximum speed may be the upper limit value. That is, in step S8, the prediction unit 562 may determine whether or not the predicted value of the angular acceleration of each axis exceeds the upper limit angular acceleration.
  • step S8 When it is determined that the evaluation function is not the minimum in step S8 (step S8: No), the prediction unit 562 recalculates the drive amount so that the predicted value of the control amount follows the target value (step S5).
  • the prediction unit 562 repeats the processing of step S5, step S6, step S7, and step S8 until the evaluation function becomes the minimum.
  • step S8 When it is determined in step S8 that the evaluation function is the minimum (step S8: Yes), the command unit 58 controls the work implement 1 based on the drive amount for controlling the work implement 1 calculated in step S6. A control command to perform is output (step S9).
  • the drive amount is calculated from the present time, for example, up to 10 steps ahead.
  • the command unit 58 outputs, as a control command, the drive amount of the most recent first step among the drive amounts calculated up to 10 steps ahead.
  • the work implement 1 is model-predicted and controlled, and therefore, when the design surface IS includes the first surface F1 and the second surface F2 having a gradient different from that of the first surface F1. Also, the control device 50 can control the work machine 1 so that the bucket 8 moves according to the design surface.
  • FIGS. 12 and 13 are diagrams showing the results of comparison between the case where the working machine 1 is controlled by the control method according to the present embodiment and the case where the working machine 1 is controlled by the control method according to the comparative example.
  • the horizontal axis represents the position of the bucket 8 and the design surface IS in the X-axis direction
  • the vertical axis represents the position of the bucket 8 and the design surface IS in the Z-axis direction.
  • FIG. 12 shows an example of constructing the design surface IS including the slope.
  • the bucket 8 moves from the right side to the left side in the X-axis direction.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the angular velocity of the boom 6.
  • a line IS indicates a design surface IS
  • a line La indicates a control result when the working machine 1 is controlled by the control method according to the present embodiment
  • a line Lb indicates a control method according to a comparative example.
  • the control result at the time of controlling the working machine 1 is shown.
  • a line Lc shows operation data of the operating device 40 operated by the driver
  • a line Ld shows a control result when the work machine 1 is controlled by the control method according to the present embodiment
  • a line Le Shows a control result when the working machine 1 is controlled by the control method according to the comparative example.
  • the control method according to the comparative example is a control method in which the model predictive control is not executed and the feedback control is simply performed based on the angle data of the working machine 1.
  • the control method according to the present embodiment allows the bucket 8 to move according to the design surface IS without digging the design surface IS. That is, in the state where the bucket 8 faces the first surface F1, the prediction unit 562 can predict the boundary portion CP and the second surface F2 and control the work machine 1. Specifically, as shown in FIG. 13, in the control method according to the comparative example, the deceleration of the boom 6 is started after the bucket 8 reaches the boundary portion CP that is the trailing edge, whereas In the control method according to the embodiment, deceleration of the boom 6 is started before the bucket 8 reaches the boundary portion CP. Therefore, as shown in FIG. 12, the occurrence of the control delay is suppressed, and the bucket 8 can follow the design surface IS.
  • the control device 50 can control the working machine 1 so that the construction target is constructed in a desired shape.
  • FIG. 14 is a block diagram showing an example of a computer system 1000 according to this embodiment.
  • the control device 50 described above includes a computer system 1000.
  • 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), It has a storage 1003 and an interface 1004 including an input/output circuit.
  • the functions of the control device 50 described above are stored in the storage 1003 as programs.
  • the processor 1001 reads the program from the storage 1003, expands it in the main memory 1002, and executes the above-described processing according to the program.
  • the program may be distributed to the computer system 1000 via a network.
  • the computer system 1000 calculates the predicted value of the controlled variable of the working machine 1 based on the target value of the controlled variable of the working machine 1 and the prediction model of the working machine 1 according to the above-described embodiment, and calculates the predicted value. Calculating a drive amount for controlling the working machine 1 based on the design surface IS indicating the target shape of the construction target, and outputting a control command for controlling the working machine 1 based on the driving amount. Can be executed.
  • control device 50 may be provided in the external computer system of the hydraulic excavator 100.
  • the target value generation unit 55 and the model prediction control unit 56 may be provided in an external computer system, and the drive amount calculated by the external computer system may be transmitted to the hydraulic excavator 100 via the wireless communication system.
  • the construction machine 100 is a hydraulic excavator.
  • the components described in the above-described embodiment are applicable to a construction machine having a working machine, which is different from the hydraulic excavator.
  • the swing motor 16 that swings the swing structure 2 does not have to be a hydraulic motor.
  • the swing motor 16 may be an electric motor driven by being supplied with electric power.
  • the work machine 1 may be operated not by the hydraulic cylinder 10 but by the power generated by an electric actuator such as an electric motor.
  • Rotate angle detector 40... Operating device, 41... Right operating lever, 42... Left operating lever, 43... Tilt operating lever, 50... Control device, 51... Position data acquisition unit, 52... Angle data acquisition unit, 53... Operation data acquisition unit, 54... Design surface acquisition unit, 55... Target value generation unit, 56... Model prediction control unit, 57... Constraint condition calculation unit, 58... Command unit, 60... Storage unit, 70... Design surface data Supply device, 100... Construction machine, 200... Control system, 551... Target translational speed calculation unit, 551A... Translational speed calculation unit, 551B... Limit speed calculation unit, 551C... PI control unit, 551D... Deceleration processing unit, 552... Target Rotation speed calculation unit, 552A... Current posture calculation unit, 552B...
  • Target posture calculation unit 552C... Rotation speed calculation unit, 552D... P control unit, 561... Prediction model storage unit, 562... Prediction unit, AX1... Boom axis, AX2 ... Arm axis, AX3... Bucket axis, AX4... Tilt axis, AX5... Rotate axis, CP... Boundary part, F1... First surface, F2... Second surface, IS... Design surface.

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Abstract

建設機械の制御システムは、施工対象の目標形状を示す設計面を取得する設計面取得部と、作業機の制御量の目標値を生成する目標値生成部と、目標値と作業機の予測モデルとに基づいて作業機の制御量の予測値を算出し、予測値と設計面とに基づいて作業機を制御する駆動量を算出する予測部と、駆動量に基づいて、作業機を制御する制御指令を出力する指令部と、を備える。

Description

建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法
　本発明は、建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法に関する。
　建設機械に係る技術分野において、特許文献１に開示されているような、施工対象の目標形状を示す設計面に従って作業機のバケットを移動させる建設機械の制御システムが知られている。
国際公開第２０１４／１６７７１８号
　作業機は、油圧により作動する。設計面が異なる勾配の複数の面によって構成される場合がある。異なる勾配の面の境界をバケットが通過するとき、制御遅れが発生すると、バケットは設計面を追従しきれなくなる可能性がある。その結果、バケットが設計面を掘り込んでしまい、施工対象が所望の形状に施工されない可能性がある。
　本発明の態様は、施工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、作業機を備える建設機械の制御システムであって、施工対象の目標形状を示す設計面を取得する設計面取得部と、前記作業機の制御量の目標値を生成する目標値生成部と、前記目標値と前記作業機の予測モデルとに基づいて前記作業機の制御量の予測値を算出し、前記予測値と前記設計面とに基づいて前記作業機を制御する駆動量を算出する予測部と、前記駆動量に基づいて、前記作業機を制御する制御指令を出力する指令部と、を備える建設機械の制御システムが提供される。
　本発明の態様によれば、施工対象が所望の形状に掘削される。
図１は、本実施形態に係る建設機械の一例を示す斜視図である。 図２は、本実施形態に係る建設機械の制御システムを示すブロック図である。 図３は、本実施形態に係る建設機械を模式的に示す図である。 図４は、本実施形態に係るバケットを模式的に示す図である。 図５は、本実施形態に係る制御装置を示す機能ブロック図である。 図６は、本実施形態に係る目標並進速度算出部によるバケットの目標並進速度の算出方法を説明するための図である。 図７は、本実施形態に係る制限速度テーブルの一例を示す図である。 図８は、本実施形態に係る目標回転速度算出部によるバケットの目標回転速度の算出方法を説明するための図である。 図９は、本実施形態に係る設計面の一例を示す図である。 図１０は、本実施形態に係る設計面の一例を示す図である。 図１１は、本実施形態に係る建設機械の制御方法を示すフローチャートである。 図１２は、本実施形態に係る制御方法により作業機を制御した場合と比較例に係る制御方法により作業機を制御した場合とを比較した結果を示す図である。 図１３は、本実施形態に係る制御方法により作業機を制御した場合と比較例に係る制御方法により作業機を制御した場合とを比較した結果を示す図である。 図１４は、本実施形態に係るコンピュータシステムの一例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。以下で説明する各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、３次元の車体座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を規定して、各部の位置関係について説明する。車体座標系とは、建設機械に固定された原点を基準とする座標系をいう。車体座標系は、建設機械に設定された原点を基準として規定方向に延在するＸ軸と、Ｘ軸と直交するＹ軸と、Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれと直交するＺ軸とによって規定される。Ｘ軸と平行な方向をＸ軸方向とする。Ｙ軸と平行な方向をＹ軸方向とする。Ｚ軸と平行な方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＸ方向とする。Ｙ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＹ方向とする。Ｚ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＺ方向とする。
［建設機械］
　図１は、本実施形態に係る建設機械１００の一例を示す斜視図である。本実施形態においては、建設機械１００が油圧ショベルである例について説明する。以下の説明においては、建設機械１００を適宜、油圧ショベル１００、と称する。
　図１に示すように、油圧ショベル１００は、油圧により作動する作業機１と、作業機１を支持する旋回体２と、旋回体２を支持する走行体３とを備える。旋回体２は、運転者が搭乗する運転室４を有する。運転室４には、運転者が着座するシート４Ｓが配置される。旋回体２は、走行体３に支持された状態で旋回軸ＲＸを中心に旋回可能である。
　走行体３は、一対の履帯３Ｃを有する。履帯３Ｃの回転により、油圧ショベル１００が走行する。なお、走行体３がタイヤを有してもよい。
　作業機１は、旋回体２に支持される。作業機１は、旋回体２に連結されるブーム６と、ブーム６の先端部に連結されるアーム７と、アーム７の先端部に連結されるバケット８とを有する。バケット８は、刃先９を有する。本実施形態において、バケット８の刃先９は、ストレート形状の刃の先端部である。なお、バケット８の刃先９は、バケット８に設けられた凸形状の刃の先端部でもよい。
　ブーム６は、ブーム軸ＡＸ１を中心に旋回体２に対して回転可能である。アーム７は、アーム軸ＡＸ２を中心にブーム６に対して回転可能である。バケット８は、バケット軸ＡＸ３、チルト軸ＡＸ４、及びローテート軸ＡＸ５のそれぞれを中心にアーム７に対して回転可能である。ブーム軸ＡＸ１、アーム軸ＡＸ２、及びバケット軸ＡＸ３は、Ｙ軸と平行である。チルト軸ＡＸ４は、バケット軸ＡＸ３と直交する。ローテート軸ＡＸ５は、バケット軸ＡＸ３及びチルト軸ＡＸ４のそれぞれと直交する。旋回軸ＲＸは、Ｚ軸と平行である。Ｘ軸方向は、旋回体２の前後方向である。Ｙ軸方向は、旋回体２の車幅方向である。Ｚ軸方向は、旋回体２の上下方向である。シート４Ｓに着座した運転者を基準として作業機１が存在する方向が前方である。
　図２は、本実施形態に係る油圧ショベル１００の制御システム２００を示すブロック図である。図３は、本実施形態に係る油圧ショベル１００を模式的に示す図である。図４は、本実施形態に係るバケット８を模式的に示す図である。
　図２に示すように、油圧ショベル１００の制御システム２００は、エンジン５と、作業機１を駆動する複数の油圧シリンダ１０と、旋回体２を駆動する旋回モータ１６と、作動油を吐出する油圧ポンプ１７と、油圧ポンプ１７から吐出された作動油を複数の油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６のそれぞれに分配するバルブ装置１８と、旋回体２の位置データを算出する位置演算装置２０と、作業機１の角度θを検出する角度検出装置３０と、作業機１及び旋回体２を操作する操作装置４０と、制御装置５０とを備える。
　作業機１は、油圧シリンダ１０が発生する動力により作動する。油圧シリンダ１０は、油圧ポンプ１７から供給された作動油に基づいて駆動する。油圧シリンダ１０は、ブーム６を作動させるブームシリンダ１１と、アーム７を作動させるアームシリンダ１２と、バケット８を作動させるバケットシリンダ１３、チルトシリンダ１４、及びローテートシリンダ１５とを含む。ブームシリンダ１１は、ブーム軸ＡＸ１を中心にブーム６を回転させる動力を発生する。アームシリンダ１２は、アーム軸ＡＸ２を中心にアーム７を回転させる動力を発生する。バケットシリンダ１３は、バケット軸ＡＸ３を中心にバケット８を回転させる動力を発生する。チルトシリンダ１４は、チルト軸ＡＸ４を中心にバケット８を回転させる動力を発生する。ローテートシリンダ１５は、ローテート軸ＡＸ５を中心にバケット８を回転させる動力を発生する。
　以下の説明においては、バケット軸ＡＸ３を中心とするバケット８の回転を適宜、バケット回転、と称し、チルト軸ＡＸ４を中心とするバケット８の回転を適宜、チルト回転、と称し、ローテート軸ＡＸ５を中心とするバケット８の回転を適宜、ローテート回転、と称する。
　旋回体２は、旋回モータ１６が発生する動力により旋回する。旋回モータ１６は、油圧モータであり、油圧ポンプ１７から供給された作動油に基づいて駆動する。旋回モータ１６は、旋回軸ＲＸを中心に旋回体２を旋回させる動力を発生する。
　エンジン５は、旋回体２に搭載される。エンジン５は、油圧ポンプ１７を駆動するための動力を発生する。
　油圧ポンプ１７は、油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６を駆動するための作動油を吐出する。
　バルブ装置１８は、油圧ポンプ１７から供給された作動油を複数の油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６に分配する複数のバルブを有する。バルブ装置１８は、複数の油圧シリンダ１０のそれぞれに供給される作動油の流量を調整する。油圧シリンダ１０に供給される作動油の流量が調整されることにより、油圧シリンダ１０の作動速度が調整される。バルブ装置１８は、旋回モータ１６に供給される作動油の流量を調整する。旋回モータ１６に供給される作動油の流量が調整されることにより、旋回モータ１６の回転速度が調整される。
　位置演算装置２０は、旋回体２の位置データを算出する。旋回体２の位置データは、旋回体２の位置、旋回体２の姿勢、及び旋回体２の方位を含む。位置演算装置２０は、旋回体２の位置を算出する位置演算器２１と、旋回体２の姿勢を算出する姿勢演算器２２と、旋回体２の方位を算出する方位演算器２３とを有する。
　位置演算器２１は、旋回体２の位置として、グローバル座標系における旋回体２の位置を算出する。位置演算器２１は、旋回体２に配置される。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として、ＧＰＳ（Global　Positioning　System）が例示される。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。旋回体２にＧＰＳアンテナが設けられる。ＧＰＳアンテナは、ＧＰＳ衛星から電波を受信して、受信した電波に基づいて生成した信号を位置演算器２１に出力する。位置演算器２１は、ＧＰＳアンテナから供給された信号に基づいて、グローバル座標系における旋回体２の位置を算出する。位置演算器２１は、例えば図３に示すような、旋回体２の代表点Ｏの位置を算出する。図３に示す例において、旋回体２の代表点Ｏは、旋回軸ＲＸに設定される。なお、代表点Ｏは、ブーム軸ＡＸ１に設定されてもよい。
　姿勢演算器２２は、旋回体２の姿勢として、グローバル座標系における水平面に対する旋回体２の傾斜角度を算出する。姿勢演算器２２は、旋回体２に配置される。姿勢演算器２２は、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial　Measurement　Unit）を含む。水平面に対する旋回体２の傾斜角度は、車幅方向における旋回体２の傾斜角度を示すロール角度α、及び前後方向における旋回体２の傾斜角度を示すピッチ角度βを含む。
　方位演算器２３は、旋回体２の方位として、グローバル座標系における基準方位に対する旋回体２の方位を算出する。基準方位は、例えば北である。方位演算器２３は、旋回体２に配置される。方位演算器２３は、ジャイロセンサを含む。なお、方位演算器２３は、ＧＰＳアンテナから供給された信号に基づいて方位を算出してもよい。基準方位に対する旋回体２の方位は、基準方位と旋回体２の方位とがなす角度を示すヨー角度γを含む。
　角度検出装置３０は、作業機１の角度θを検出する。角度検出装置３０は、作業機１に配置される。図３及び図４に示すように、作業機１の角度θは、Ｚ軸に対するブーム６の角度を示すブーム角度θ１と、ブーム６に対するアーム７の角度を示すアーム角度θ２と、アーム７に対するバケット回転方向のバケット８の角度を示すバケット角度θ３と、ＸＹ平面に対するチルト回転方向のバケット８の角度を示すチルト角度θ４と、ＹＺ平面に対するローテート回転方向のバケット８の角度を示すローテート角度θ５とを含む。
　角度検出装置３０は、ブーム角度θ１を検出するブーム角度検出器３１と、アーム角度θ２を検出するアーム角度検出器３２と、バケット角度θ３を検出するバケット角度検出器３３と、チルト角度θ４を検出するチルト角度検出器３４と、ローテート角度θ５を検出するローテート角度検出器３５とを有する。角度検出装置３０は、油圧シリンダ１０のストロークを検出するストロークセンサを含んでもよいし、ロータリーエンコーダのような作業機１の角度θを検出する角度センサを含んでもよい。角度検出装置３０がストロークセンサを含む場合、角度検出装置３０は、ストロークセンサの検出データに基づいて、作業機１の角度θを算出する。
　操作装置４０は、油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６を駆動するために運転者に操作される。操作装置４０は、運転室４に配置される。運転者により操作装置４０が操作されることにより、作業機１が作動する。操作装置４０は、油圧ショベル１００の運転者に操作されるレバーを含む。操作装置４０のレバーは、右操作レバー４１と、左操作レバー４２と、チルト操作レバー４３とを含む。
　中立位置にある右操作レバー４１が前方に操作されると、ブーム６が下げ動作し、後方に操作されると、ブーム６が上げ動作する。中立位置にある右操作レバー４１が右方に操作されると、バケット８がダンプ動作し、左方に操作されると、バケット８が掘削動作する。
　中立位置にある左操作レバー４２が前方に操作されると、アーム７がダンプ動作し、後方に操作されると、アーム７が掘削動作する。中立位置にある左操作レバー４２が右方に操作されると、旋回体２が右旋回し、左方に操作されると、旋回体２が左旋回する。
　チルト操作レバー４３が操作されると、バケット８がチルト回転又はローテート回転する。
［制御装置］
　図５は、本実施形態に係る制御装置５０を示す機能ブロック図である。制御装置５０は、位置データ取得部５１と、角度データ取得部５２と、操作データ取得部５３と、設計面取得部５４と、目標値生成部５５と、モデル予測制御部５６と、制約条件算出部５７と、指令部５８と、記憶部６０とを有する。
　位置データ取得部５１は、位置演算装置２０から旋回体２の位置データを取得する。旋回体２の位置データは、旋回体２の位置、旋回体２の姿勢、及び旋回体２の方位を含む。
　角度データ取得部５２は、角度検出装置３０から作業機１の角度θを示す角度データを取得する。作業機１の角度データは、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、バケット角度θ３、チルト角度θ４、及びローテート角度θ５を含む。
　操作データ取得部５３は、作業機１を操作する操作装置４０の操作データを取得する。操作装置４０の操作データは、操作装置４０が操作された量を含む。操作装置４０には、レバーが操作された量を検出する操作量センサが設けられる。操作データ取得部５３は、操作装置４０の操作量センサから操作装置４０の操作データを取得する。
　設計面取得部５４は、施工対象の目標形状を示す設計面を取得する。設計面は、油圧ショベル１００による施工後の３次元の目標形状を示す。本実施形態においては、設計面データ供給装置７０により、設計面を示す設計面データが生成される。設計面取得部５４は、設計面データ供給装置７０から設計面データを取得する。設計面データ供給装置７０は、油圧ショベル１００の遠隔地に設けられてもよい。設計面データ供給装置７０で生成された設計面データは、通信システムを介して制御装置５０に送信されてもよい。なお、設計面データ供給装置７０により生成された設計面データが記憶部６０に記憶されてもよい。設計面取得部５４は、記憶部６０から設計面データを取得してもよい。
　目標値生成部５５は、作業機１の制御量の目標値を生成する。本実施形態において、作業機１の制御量は、バケット８の移動速度及びバケット８の所定部位の位置の一方又は両方を含む。バケット８の所定部位は、バケット８の刃先９を含む。バケット８の移動速度は、刃先９の移動速度を含む。バケット８の所定部位の位置は、刃先９の位置を含む。目標値生成部５５は、操作データ取得部５３により取得された操作データに基づいて、作業機１の制御量の目標値を生成する。
　以下の説明においては、バケット８の所定部位が刃先９であることとする。なお、バケット８の所定部位は、刃先９でなくてもよい。バケット８の所定部位は、バケット８の床面（底面）でもよい。
　バケット８の移動速度は、バケット８の並進速度及び回転速度を含む。バケット８の並進速度とは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のそれぞれの移動速度をいう。バケット８の回転速度とは、θＸ方向、θＹ方向、及びθＺ方向のそれぞれの回転角速度をいう。本実施形態において、目標値生成部５５は、並進速度の目標値である目標並進速度ｖtargetを算出する目標並進速度算出部５５１と、回転速度の目標値である目標回転速度ωtargetを算出する目標回転速度算出部５５２とを含む。目標値生成部５５は、角度データ取得部５２により取得された角度データ、操作データ取得部５３により取得された操作データ、及び設計面取得部５４により取得された設計面に基づいて、目標並進速度ｖtarget及び目標回転速度ωtargetのそれぞれを算出する。
　図６は、本実施形態に係る目標並進速度算出部５５１によるバケット８の目標並進速度ｖtargetの算出方法を説明するための図である。目標並進速度算出部５５１は、操作装置４０の操作データ及び作業機１の角度データに基づいて、バケット８の並進速度を算出する並進速度算出部５５１Ａと、刃先９と設計面との距離及び設計面データに基づいて、バケット８の制限速度を算出する制限速度算出部５５１Ｂと、ＰＩ制御部５５１Ｃと、減速処理部５５１Ｄとを含む。
　目標並進速度算出部５５１は、設計面を掘り込まないためのバケット８の目標並進速度ｖtargetを算出する。バケット８の目標並進速度ｖtargetは、（１）式から（６）式に基づいて算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ｎ∈Ｒ３は、刃先９と最も近い設計面の単位法線ベクトルであり、ｗＲ１∈Ｒ３×３は、車体座標系からグローバル座標系へ変換する回転行列であり、ｖsagyo∈Ｒ３は、操作装置４０の操作に基づいて作業機１が作動した場合の並進速度のうち作業機平面（車体座標系のＸＺ平面）におけるブーム６及びアーム７による並進速度成分であり、ＶＭＡＸは、設計面を掘り込まないための設計面の法線方向のバケット８の最大速度である。Ｊｖ∈Ｒ３×５及びＪω∈Ｒ３×５のそれぞれは、ヤコビ行列の並進速度成分及び回転速度成分を示す。
　目標並進速度算出部５５１は、位置データ取得部５１により取得された旋回体２の位置データと、角度データ取得部５２により取得された作業機１の角度データと、記憶部６０に記憶されている作業機データとに基づいて、刃先９と設計面との距離を算出することができる。図３及び図４に示すように、作業機データは、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、及びバケット幅Ｌ５を含む。ブーム長さＬ１は、ブーム軸ＡＸ１とアーム軸ＡＸ２との距離である。アーム長さＬ２は、アーム軸ＡＸ２とバケット軸ＡＸ３との距離である。バケット長さＬ３は、バケット軸ＡＸ３とバケット８の刃先９との距離である。チルト長さＬ４は、バケット軸ＡＸ３とチルト軸ＡＸ４との距離である。バケット幅Ｌ５は、バケット８の幅方向の寸法である。作業機データは、バケット８の形状及び寸法を示すバケット外形データを含む。バケット外形データは、バケット８の外面の輪郭を含むバケット８の外面データを含む。バケット外形データは、バケット８の所定部位を基準としたバケット８の複数の外形点ＲＰの座標データを含む。
　目標並進速度算出部５５１は、外形点ＲＰの位置データを算出する。目標並進速度算出部５５１は、車体座標系における旋回体２の代表点Ｏと複数の外形点ＲＰのそれぞれとの相対位置を算出する。目標並進速度算出部５５１は、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、バケット幅Ｌ５、及びバケット外形データを含む作業機データと、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、バケット角度θ３、チルト角度θ４、及びローテート角度θ５を含む作業機１の角度データとに基づいて、車体座標系における旋回体２の代表点Ｏとバケット８の複数の外形点ＲＰのそれぞれとの相対位置を算出することができる。外形点ＲＰが刃先９に設定されることにより、目標並進速度算出部５５１は、代表点Ｏと刃先９との相対位置を算出することができる。設計面は、車体座標系において規定される。したがって、目標並進速度算出部５５１は、車体座標系における刃先９と設計面との距離を算出することができる。また、目標並進速度算出部５５１は、グローバル座標系における複数の外形点ＲＰのそれぞれの位置を算出する。目標並進速度算出部５５１は、旋回体２の代表点Ｏの絶対位置と、旋回体２の代表点Ｏとバケット８の外形点ＲＰとの相対位置とに基づいて、グローバル座標系におけるバケット８の外形点ＲＰの位置を算出することができる。
　制限速度算出部５５１Ｂは、バケット８と設計面との距離と作業機１の制限速度との関係を示す制限速度テーブルにより、設計面の法線方向におけるブーム６の制限速度を決定する。
　図７は、本実施形態に係る制限速度テーブルの一例を示す図である。図７に示すように、制限速度テーブルは、刃先９と設計面との距離と作業機１の制限速度との関係を示す。制限速度テーブルにおいて、刃先９と設計面との距離が０のときに、設計面の法線方向における作業機１の速度が０になる。制限速度テーブルにおいて、刃先９が施工面よりも上方に配置されるときに、刃先９と設計面との距離は正の値になる。刃先９が施工面よりも下方に配置されるときに、刃先９と施工面との距離は負の値になる。制限速度テーブルにおいて、刃先９を上方に移動させるときの速度は正の値になる。刃先９と施工面との距離が正の値である作業機制御閾値ｔｈ以下のときに、刃先９と施工面との距離に基づいて、作業機１の制限速度が規定される。刃先９と施工面との距離が作業機制御閾値ｔｈ以上のときに、作業機１の制限速度の絶対値は作業機１の目標速度の最大値より大きい値になる。すなわち、刃先９と施工面との距離が作業機制御閾値ｔｈ以上である場合、作業機１の目標速度の絶対値は常に制限速度の絶対値より小さいため、ブーム６は、常に目標速度で駆動する。
　図８は、本実施形態に係る目標回転速度算出部５５２によるバケット８の目標回転速度ωtargetの算出方法を説明するための図である。目標回転速度算出部５５２は、作業機１の角度データに基づいてバケット８の現在姿勢Ｒcurを算出する現在姿勢算出部５５２Ａと、操作装置４０の操作データ及び設計面データに基づいてバケット８の目標姿勢Ｒtargetを算出する目標姿勢算出部５５２Ｂと、バケット８の現在姿勢Ｒcurと目標姿勢Ｒtargetとに基づいて、回転速度ω’targetを算出する回転速度算出部５５２Ｃと、回転速度ω’targetをＰ制御して目標回転速度ωtargetを算出するＰ制御部５５２Ｄとを含む。
　回転速度ω’targetは、（７）式から（１０）式に基づいて算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ΔＴtargetは、バケット８の姿勢を修正するのに要する時間に対応するパラメータである。Ｐ制御部５５２Ｄは、回転速度算出部５５２Ｃにより算出された回転速度ω’targetに基づいてＰ制御することにより、目標回転速度ωtargetを算出する。
　モデル予測制御部５６は、目標値生成部５５により生成された作業機１の制御量の目標値と作業機１の予測モデルとに基づいて、作業機１の制御量の予測値を算出する。モデル予測制御部５６は、予測値と設計面とに基づいて作業機１を制御するための駆動量を算出する。モデル予測制御部５６は、作業機１の予測モデルを記憶する予測モデル記憶部５６１と、作業機１の制御量の目標値と予測モデルとに基づいて作業機１の制御量の予測値を算出し、作業機１の制御量の予測値と設計面取得部５４により取得された設計面とに基づいて作業機１を制御する駆動量を算出する予測部５６２とを有する。
　予測モデル記憶部５６１は、作業機１を含む油圧ショベル１００の予測モデルを記憶する。予測モデルは、油圧ショベル１００の動力学モデルを含む。予測モデルは、旋回軸ＲＸを中心に旋回する旋回体２のモデルと、ブーム軸ＡＸ１を中心に回転するブーム６のモデルと、アーム軸ＡＸ２を中心に回転するアーム７のモデルと、バケット軸ＡＸ３、チルト軸ＡＸ４、及びローテート軸ＡＸ５を中心に回転するバケット８のモデルとを含む。
　予測モデルは、離散の状態方程式及び出力方程式により表される。油圧ショベル１００の制御のサンプリングタイムΔＴで離散化された予測モデルの状態方程式を（１１）式に示す。状態方程式の各行列を（１２）式及び（１３）式に示す。予測モデルの出力方程式を（１４）式に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　Ｍ∈Ｒ５×５及びＣｏ∈Ｒ５のそれぞれは、運動方程式の慣性行列及びコリオリ力・重力のベクトルである。Ｃtay∈Ｒ２npは、所定の時刻ｔにおいてｎ・ｐを角度θ周りにテーラー展開したときの定数項である。ｎpは、考慮する設計面の数を示す。予測モデルの出力方程式の出力は、角度θ、角速度、目標並進速度ｖtarget、目標回転速度ωtarget、及び刃先９と設計面との距離ｄ及び作動油の流量Ｑである。
　予測部５６２は、予測モデルに基づいて最適化演算を行い、作業機１の制御量の予測値を算出する。上述のように、本実施形態において、作業機１の制御量は、バケット８の移動速度及びバケット８の所定部位の位置の一方又は両方を含む。バケット８の所定部位は、刃先９を含む。また、作業機１の制御量は、ブーム６の角速度、アーム７の角速度、及びバケット８の角速度を含む。バケット８の角速度は、バケット軸ＡＸ３を中心とする角速度、チルト軸ＡＸ４を中心とする角速度、及びローテート軸ＡＸ５を中心とする角速度を含む。
　予測部５６２は、現時点から何ステップか先のバケット８の移動速度又はバケット８の刃先９の位置を予測する。
　予測部５６２は、バケット８の移動速度の予測値又はバケット８の刃先９の位置の予測値に基づいて、作業機１を制御する駆動量を算出する。予測部５６２は、制御量の予測値が目標値に追従するように、駆動量を算出する。
　本実施形態において、予測部５６２は、バケット８の移動速度の予測値、各軸の角速度の予測値、バケット８の刃先９の位置の予測値、作動油の流量の予測値、及び旋回体２の旋回速度の予測値と設計面とに基づいて、目標とする設計面にバケット８が所定の姿勢で追従するように、駆動量を算出する。すなわち、予測部５６２は、バケット８が設計面を掘り込まず、刃先９の位置と設計面の位置とが一致するように、駆動量を算出する。
　予測部５６２は、評価関数が最小となり、かつ各制約条件を守るように作業機１及び旋回体２を制御する駆動量を算出する。
　モデル予測制御においては、（１５）式に示すような評価関数が一般的に用いられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　Ｅy（ｔ）は、出力の目標値と予測値との差、Ｅu（ｔ）は、入力の目標値と予測値との差、ＥΔu（ｔ）は入力の変化量の大きさ、Ｅc（ｔ）は、後述する制約条件を満足していない場合に課せられるペナルティ関数である。本実施形態においては、Ｅu（ｔ）＝０、ＥΔｕ（ｔ）＝０とし、出力の目標値に対する出力の追従誤差を評価関数として用いる。評価関数を（１６）式及び（１７）式に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　ｒ（ｔ＋ｉ|ｔ）は、時刻ｔにおける時刻ｔ＋ｉの目標値、ｙ（ｔ＋ｉ|ｔ）は、時刻ｔにおいて予測した時刻ｔ＋ｉにおけるプラント出力、Ｈpは、何ステップ先まで予測するかを決定する予測ホライズン、Ｗは、変数に対して重みを与える対角行列である。
　制約条件算出部５７は、制約条件を算出する。制約条件は、油圧ショベル１００の性能に係る第１制約条件、及びバケット８の位置に係る第２制約条件を含む。予測部５６２は、制約条件算出部５７により算出された制約条件を満足するように、駆動量を算出する。
　制御対象である油圧ショベル１００において、作業機１の角度θ、角速度、角加速度、及び作動油の流量には制約がある。例えば、作業機１が可動可能な角度θには限界がある。同様に、作業機１の角速度及び角加速度には限界がある。また、油圧ポンプ１７から吐出される作動油の流量には限界がある。このように、油圧ショベル１００には、ハードウエア上の制約がある。そのため、モデル予測制御においても、油圧ショベル１００のハードウエア上の制約を示す第１制約条件を考慮する必要がある。制約条件算出部５７は、作業機１の角度θ、角速度、角加速度、及び作動油の流量を含む第１制約条件を算出する。予測部５６２は、第１制約条件を満足するように、駆動量を算出する。
　角度θ、角速度、及び作動油の流量についてのそれぞれの制約条件を（１８）式から（２１）式に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　角加速度の制約条件を（２２）式に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　本実施形態において、制約条件算出部５７は、角加速度の制約条件をトルクの制約条件に変換する。変換後の角加速度の制約条件を（２３）式に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
　作業機１の制御において、バケット８が設計面を掘り込まないようにする必要がある。すなわち、バケット８の位置には、設計面を掘り込まないようにするという制約がある。そのため、モデル予測制御においても、バケット８の位置の制約を示す第２制約条件を考慮する必要がある。制約条件算出部５７は、設計面に対するバケット８の位置を含む第２制約条件を算出する。予測部５６２は、第２制約条件を満足するように、駆動量を算出する。
　出力ｄ（t）は、刃先９と設計面との距離を示す。ｉ番目の設計面の方程式は、単位法線ベクトルｎiによってｎ・ｐ＋ｄi=０と表わされる。刃先９の右端及び左端が設計面を掘り込まないようにするという制約条件を（２４）式及び（２５）式に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
　刃先９の座標は、状態変数中の角度θに対して非線形である。そのため、（２６）式及び（２７）式に示すように、線形近似を行う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
　予測部５６２は、（１８）式から（２７）式に示した制約条件を満足するように、（１６）式及び（１７）式に示した評価関数を用いて、モデル予測制御における最適化演算を行う。本実施形態における最適化問題を（２８）式に示す。最適化演算には、例えばＱＰ（二次計画法）が使用されるが、その他の計算方法でもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
　τ（ｔ）は、制御プラントの制御入力トルクであり、最適化演算の解である。Ｈｕは、何ステップ先までの入力を最適化問題で扱うのかを決定する制御ホライズンである。
　指令部５８は、予測部５６２により算出された駆動量に基づいて、作業機１を制御する制御指令を出力する。
［施工面］
　図９は、本実施形態に係る設計面ＩＳの一例を示す図である。図９に示すように、設計面ＩＳが異なる勾配の複数の面によって構成される場合がある。図９に示す例において、設計面ＩＳは、第１面Ｆ１及び第１面Ｆ１とは異なる勾配の第２面Ｆ２を含む。第２面Ｆ２は、第１面Ｆ１よりも旋回体２に近い位置に存在する。第１面Ｆ１及び第２面Ｆ２のそれぞれは、下方に向かって旋回体２に近付くように傾斜する。第１面Ｆ１の勾配と第２面Ｆ２の勾配とは異なる。水平面に対する第１面Ｆ１の傾斜角度Ｆθ１は、水平面に対する第２面Ｆ２の傾斜角度Ｆθ２よりも大きい。設計面ＩＳにおいて、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とがなす角度Ｆθ３は、１８０［°］よりも小さい。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。法尻は、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との境界部ＣＰを含む。
　図１０は、本実施形態に係る設計面ＩＳの一例を示す図である。図１０に示すように、設計面ＩＳが異なる勾配の複数の面によって構成される場合がある。図１０に示す例において、設計面ＩＳは、第１面Ｆ１及び第１面Ｆ１とは異なる勾配の第２面Ｆ２を含む。第２面Ｆ２は、第１面Ｆ１よりも旋回体２に近い位置に存在する。第１面Ｆ１及び第２面Ｆ２のそれぞれは、下方に向かって旋回体２に近付くように傾斜する。第１面Ｆ１の勾配と第２面Ｆ２の勾配とは異なる。水平面に対する第１面Ｆ１の傾斜角度Ｆθ１は、水平面に対する第２面Ｆ２の傾斜角度Ｆθ２よりも小さい。設計面ＩＳにおいて、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２とがなす角度Ｆθ３は、１８０［°］よりも大きい。第２面Ｆ２の最上部に第１面Ｆ１が接続される。第２面Ｆ２の最上部は、法肩（top　of　slope）である。法肩は、第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との境界部ＣＰを含む。
　図９及び図１０に示す例において、作業機１は、バケット８が第１面Ｆ１に面する状態から第２面Ｆ２に面する状態に遷移するように、操作される。本実施形態において、予測部５６２は、作業機１が第１面Ｆ１に面する状態から第２面Ｆ２に面する状態に遷移するときに、作業機１の所定部位である刃先９と設計面ＩＳとの距離及び姿勢が維持されるように、駆動量を算出する。
　すなわち、予測部５６２は、バケット８が第１面Ｆ１に面する状態から第１面Ｆ１と第２面Ｆ２との境界部ＣＰに面する状態を経て第２面Ｆ２に面する状態に遷移するときに、作業機１の制御量の予測値と設計面ＩＳとに基づいて、第１面Ｆ１、境界部ＣＰ、及び第２面Ｆ２のそれぞれにおいて、バケット８の刃先９と設計面ＩＳとの距離が一定値に維持されるように、駆動量を算出する。予測部５６２は、第１面Ｆ１、境界部ＣＰ、及び第２面Ｆ２のそれぞれにおいて、バケット８が設計面ＩＳを掘り込まずに、刃先９が設計面ＩＳに沿って移動するように、駆動量を算出する。
［制御方法］
　図１１は、本実施形態に係る油圧ショベル１００の制御方法を示すフローチャートである。
　設計面取得部５４は、設計面データを取得する（ステップＳ１）。
　位置データ取得部５１は、現在値として、位置演算装置２０から旋回体２の位置データを取得する。また、角度データ取得部５２は、現在値として、角度検出装置３０から作業機１の角度データ及び角速度データを取得する（ステップＳ２）。
　運転者は、操作装置４０を操作する。操作データ取得部５３は、操作装置４０から操作データを取得する。目標値生成部５５は、少なくとも操作装置４０の操作データに基づいて、作業機１の制御量の目標値を生成する（ステップＳ３）。
　作業機１の制御量の目標値は、バケット８の移動速度の目標値を含む。バケット８の移動速度の目標値は、図６を参照して説明したバケット８の目標並進速度ｖtargetと、図８を参照して説明したバケット８の目標回転速度ωtargetとを含む。目標値生成部５５は、操作装置４０の操作データと、操作装置４０が操作されることにより変化する作業機１の角度θを示す角度データ及び単位時間当たりの角度θの変化量を示す角速度データと、設計面データとに基づいて、バケット８の目標並進速度ｖtarget及び目標回転速度ωtargetを含む目標値を算出する。
　制約条件算出部５７は、操作装置４０の操作データと、操作装置４０が操作されることにより変化する作業機１の角度θを示す角度データ及び単位時間当たりの角度θの変化量を示す角速度データと、設計面データとに基づいて、油圧ショベル１００の性能に係る第１制約条件及びバケット８の位置に係る第２制約条件を含む制約条件を算出する（ステップＳ４）。
　予測部５６２は、作業機１の制御量の目標値と予測モデル記憶部５６１に記憶されている予測モデルとに基づいて、ステップＳ４において算出された制約条件を満足するように、作業機１を制御するための駆動量を算出する（ステップＳ５）。
　予測部５６２は、現時点から、例えば１０ステップ先までの作業機１の駆動量を算出する。
　予測部５６２は、ステップＳ６で算出した駆動量と、ステップＳ３において取得された現在値とに基づいて、作業機１の制御量の予測値を算出する（ステップＳ６）。
　予測部５６２は、現時点から、例えば１０ステップ先までの作業機１の移動速度の予測値、及び刃先９の位置の予測値を算出する。
　予測部５６２は、作業機１を操作する操作装置４０の操作データに基づいて、バケット８の刃先９が設計面ＩＳに追従するように算出されたバケット速度の予測値が、最高速度を超えているか否かを判定する（ステップＳ７）。
　ステップＳ８において、バケット速度の予測値が最高速度を超えていないと判定された場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、予測部５６２は、制御量の予測値が目標値に追従するように駆動量を再算出する（ステップＳ５）。
　予測部５６２は、制御量の目標値及び現在値により規定される評価関数が最小になるように駆動量を再算出する。予測部５６２は、第１制約条件及び第２制約条件を満足するように駆動量を再算出する。
　ステップＳ７において、バケット速度の予測値が、最高速度を超えていると判定した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、予測部５６２は、評価関数が最小であるか否かを判定する（ステップＳ８）。
　バケット８の速度は、作業機１又は旋回体２の各軸の角速度や角加速度でもよい。最高速度は、上限値でよい。つまり、ステップＳ８において、予測部５６２は、各軸の角加速度の予測値が、上限角加速度を超えているか否かを判定してもよい。
　ステップＳ８において、評価関数が最小でないと判定した場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、予測部５６２は、制御量の予測値が目標値に追従するように駆動量を再算出する（ステップＳ５）。
　予測部５６２は、評価関数が最小になるまで、ステップＳ５、ステップＳ６、ステップＳ７、及びステップＳ８の処理を繰り返す。
　ステップＳ８において、評価関数が最小であると判定された場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、指令部５８は、ステップＳ６において算出された作業機１を制御する駆動量に基づいて、作業機１を制御する制御指令を出力する（ステップＳ９）。
　上述のように、駆動量は、現時点から、例えば１０ステップ先まで算出される。指令部５８は、１０ステップ先まで算出された駆動量のうち、直近の１ステップ目の駆動量を制御指令として出力する。
［効果］
　以上説明したように、本実施形態によれば、作業機１がモデル予測制御されるので、設計面ＩＳが第１面Ｆ１及び第１面Ｆ１とは異なる勾配の第２面Ｆ２を含む場合においても、制御装置５０は、バケット８が設計面に従って移動するように作業機１を制御することができる。
　図１２及び図１３のそれぞれは、本実施形態に係る制御方法により作業機１を制御した場合と比較例に係る制御方法により作業機１を制御した場合とを比較した結果を示す図である。図１２に示すグラフにおいて、横軸はバケット８及び設計面ＩＳのＸ軸方向の位置を示し、縦軸はバケット８及び設計面ＩＳのＺ軸方向の位置を示す。図１２は、法尻を含む設計面ＩＳを施工する例を示す。バケット８は、Ｘ軸方向の右側から左側に向かって移動する。図１３に示すグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はブーム６の角速度を示す。
　図１２において、ラインＩＳは、設計面ＩＳを示し、ラインＬａは、本実施形態に係る制御方法により作業機１を制御したときの制御結果を示し、ラインＬｂは、比較例に係る制御方法により作業機１を制御したときの制御結果を示す。図１３において、ラインＬｃは、運転者により操作された操作装置４０の操作データを示し、ラインＬｄは、本実施形態に係る制御方法により作業機１を制御したときの制御結果を示し、ラインＬｅは、比較例に係る制御方法により作業機１を制御したときの制御結果を示す。比較例に係る制御方法は、モデル予測制御を実行せずに、単に作業機１の角度データに基づいてフィードバック制御する制御方法である。
　図１２に示すように、本実施形態に係る制御方法により、バケット８は設計面ＩＳを掘り込むことなく、設計面ＩＳに従って移動することができる。すなわち、バケット８が第１面Ｆ１に面する状態において、予測部５６２は、境界部ＣＰ及び第２面Ｆ２を予測して、作業機１を制御することができる。具体的には、図１３に示すように、比較例に係る制御方法においては、バケット８が法尻である境界部ＣＰに到達してからブーム６の減速が開始されているのに対し、本実施形態に係る制御方法においては、バケット８が境界部ＣＰに到達する前にブーム６の減速が開始されている。そのため、図１２に示すように、制御遅れの発生が抑制され、バケット８は設計面ＩＳを追従することができる。
　一方、比較例に係る制御方法においては、バケット８が境界部ＣＰを通過するとき、制御遅れが発生し、設計面ＩＳを追従しきれなくなり、その結果、バケット８が設計面ＩＳの第２面Ｆ２を掘り込んでしまい、施工対象が所望の形状に施工されない。
　以上のように、本実施形態によれば、作業機１がモデル予測制御されるので、境界部ＣＰをバケット８が通過するとき、制御遅れの発生が抑制され、バケット８は設計面ＩＳを追従することができる。したがって、制御装置５０は、施工対象が所望の形状に施工されるように、作業機１を制御することができる。
［コンピュータシステム］
　図１４は、本実施形態に係るコンピュータシステム１０００の一例を示すブロック図である。上述の制御装置５０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。上述の制御装置５０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。
　コンピュータシステム１０００は、上述の実施形態に従って、作業機１の制御量の目標値と作業機１の予測モデルとに基づいて、作業機１の制御量の予測値を算出することと、予測値と施工対象の目標形状を示す設計面ＩＳとに基づいて、作業機１を制御する駆動量を算出することと、駆動量に基づいて、作業機１を制御する制御指令を出力することと、を実行することができる。
［その他の実施形態］
　なお、上述の実施形態において、制御装置５０の一部の機能又は全部の機能が、油圧ショベル１００の外部コンピュータシステムに設けられてもよい。例えば、目標値生成部５５及びモデル予測制御部５６が外部コンピュータシステムに設けられ、外部コンピュータシステムにおいて算出された駆動量が無線通信システムを介して油圧ショベル１００に送信されてもよい。
　なお、上述の実施形態においては、建設機械１００が油圧ショベルであることとした。上述の実施形態で説明した構成要素は、油圧ショベルとは別の、作業機を有する建設機械に適用可能である。
　なお、上述の実施形態において、旋回体２を旋回させる旋回モータ１６は、油圧モータでなくてもよい。旋回モータ１６は、電力が供給されることにより駆動する電動モータでもよい。また、作業機１は、油圧シリンダ１０によらずに、例えば電気モータのような電動アクチュエータが発生する動力により作動してもよい。
　１…作業機、２…旋回体、３…走行体、３Ｃ…履帯、４…運転室、４Ｓ…シート、５…エンジン、６…ブーム、７…アーム、８…バケット、９…刃先、１０…油圧シリンダ、１１…ブームシリンダ、１２…アームシリンダ、１３…バケットシリンダ、１４…チルトシリンダ、１５…ローテートシリンダ、１６…旋回モータ、１７…油圧ポンプ、１８…バルブ装置、２０…位置演算装置、２１…位置演算器、２２…姿勢演算器、２３…方位演算器、３０…角度検出装置、３１…ブーム角度検出器、３２…アーム角度検出器、３３…バケット角度検出器、３４…チルト角度検出器、３５…ローテート角度検出器、４０…操作装置、４１…右操作レバー、４２…左操作レバー、４３…チルト操作レバー、５０…制御装置、５１…位置データ取得部、５２…角度データ取得部、５３…操作データ取得部、５４…設計面取得部、５５…目標値生成部、５６…モデル予測制御部、５７…制約条件算出部、５８…指令部、６０…記憶部、７０…設計面データ供給装置、１００…建設機械、２００…制御システム、５５１…目標並進速度算出部、５５１Ａ…並進速度算出部、５５１Ｂ…制限速度算出部、５５１Ｃ…ＰＩ制御部、５５１Ｄ…減速処理部、５５２…目標回転速度算出部、５５２Ａ…現在姿勢算出部、５５２Ｂ…目標姿勢算出部、５５２Ｃ…回転速度算出部、５５２Ｄ…Ｐ制御部、５６１…予測モデル記憶部、５６２…予測部、ＡＸ１…ブーム軸、ＡＸ２…アーム軸、ＡＸ３…バケット軸、ＡＸ４…チルト軸、ＡＸ５…ローテート軸、ＣＰ…境界部、Ｆ１…第１面、Ｆ２…第２面、ＩＳ…設計面。

Claims (9)

  1. 　作業機を備える建設機械の制御システムであって、
    　施工対象の目標形状を示す設計面を取得する設計面取得部と、
    　前記作業機の制御量の目標値を生成する目標値生成部と、
    　前記目標値と前記作業機の予測モデルとに基づいて前記作業機の制御量の予測値を算出し、前記予測値と前記設計面とに基づいて前記作業機を制御する駆動量を算出する予測部と、
    　前記駆動量に基づいて、前記作業機を制御する制御指令を出力する指令部と、
    を備える建設機械の制御システム。
  2. 　前記設計面は、第１面及び前記第１面とは異なる勾配の第２面を含み、
    　前記予測部は、前記作業機が前記第１面に面する状態から前記第２面に面する状態に遷移するときに、前記作業機の所定部位と前記設計面との距離及び姿勢が維持されるように、前記駆動量を算出する、
    請求項１に記載の建設機械の制御システム。
  3. 　前記作業機を操作する操作装置の操作データを取得する操作データ取得部を備え、
    　前記目標値生成部は、前記操作データに基づいて、前記目標値を生成する、
    請求項１又は請求項２に記載の建設機械の制御システム。
  4. 　前記制御量は、前記作業機の移動速度を含む、
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。
  5. 　前記予測部は、前記制御量の予測値が目標値に追従するように前記駆動量を算出する、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。
  6. 　前記予測部は、前記制御量の目標値及び予測値により規定される評価関数が最小になるように前記駆動量を算出する、
    請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。
  7. 　前記建設機械の性能に係る第１制約条件及び前記作業機の位置に係る第２制約条件を算出する制約条件算出部を備え、
    　前記予測部は、前記第１制約条件及び前記第２制約条件を満足するように前記駆動量を算出する、
    請求項６に記載の建設機械の制御システム。
  8. 　前記作業機を支持する旋回体と、
    　請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の建設機械の制御システムと、
    を備える建設機械。
  9. 　作業機を備える建設機械の制御方法であって、
    　前記作業機の制御量の目標値と前記作業機の予測モデルとに基づいて、前記作業機の制御量の予測値を算出することと、
    　前記予測値と施工対象の目標形状を示す設計面とに基づいて、前記作業機を制御する駆動量を算出することと、
    　前記駆動量に基づいて、前記作業機を制御する制御指令を出力することと、
    を含む建設機械の制御方法。
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