WO2020203804A1 - 作業車両、作業車両の制御装置、および作業車両の方向特定方法 - Google Patents

作業車両、作業車両の制御装置、および作業車両の方向特定方法 Download PDF

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WO2020203804A1
WO2020203804A1 PCT/JP2020/014108 JP2020014108W WO2020203804A1 WO 2020203804 A1 WO2020203804 A1 WO 2020203804A1 JP 2020014108 W JP2020014108 W JP 2020014108W WO 2020203804 A1 WO2020203804 A1 WO 2020203804A1
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WO
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vehicle body
traveling direction
work
vehicle
work vehicle
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PCT/JP2020/014108
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English (en)
French (fr)
Inventor
貴臣 幸村
和也 尾尻
Original Assignee
株式会社小松製作所
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Publication date
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/76Graders, bulldozers, or the like with scraper plates or ploughshare-like elements; Levelling scarifying devices
    • E02F3/80Component parts
    • E02F3/84Drives or control devices therefor, e.g. hydraulic drive systems
    • E02F3/844Drives or control devices therefor, e.g. hydraulic drive systems for positioning the blade, e.g. hydraulically
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02F3/80Component parts
    • E02F3/84Drives or control devices therefor, e.g. hydraulic drive systems
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    • E02F3/844Drives or control devices therefor, e.g. hydraulic drive systems for positioning the blade, e.g. hydraulically
    • E02F3/845Drives or control devices therefor, e.g. hydraulic drive systems for positioning the blade, e.g. hydraulically using mechanical sensors to determine the blade position, e.g. inclinometers, gyroscopes, pendulums
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20Drives; Control devices
    • E02F9/2025Particular purposes of control systems not otherwise provided for
    • E02F9/2041Automatic repositioning of implements, i.e. memorising determined positions of the implement
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02F3/76Graders, bulldozers, or the like with scraper plates or ploughshare-like elements; Levelling scarifying devices
    • E02F3/7609Scraper blade mounted forwardly of the tractor on a pair of pivoting arms which are linked to the sides of the tractor, e.g. bulldozers
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26Indicating devices
    • E02F9/261Surveying the work-site to be treated
    • E02F9/262Surveying the work-site to be treated with follow-up actions to control the work tool, e.g. controller

Definitions

  • the present invention relates to a work vehicle, a control device for the work vehicle, and a method for specifying the direction of the work vehicle.
  • the present application claims priority with respect to Japanese Patent Application No. 2019-068988 filed in Japan on March 29, 2019, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • Patent Document 1 discloses a work vehicle in which the cutting edge of the blade follows the design surface. According to the technique disclosed in Patent Document 1, the control device identifies the position of the work vehicle by using GNSS (Global Navigation Satellite System), and determines the target height of the blade based on the specified position.
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • Control using GNSS as in the technique disclosed in Patent Document 1 may not be able to receive GNSS radio waves depending on the environment of the construction site, and it may not be possible to specify the position of the work vehicle. Therefore, it is conceivable to specify the position of the work vehicle by autonomous navigation instead of GNSS.
  • the front part of the traveling device may travel in a floating state due to the reaction force from the excavation target.
  • the IMU Inertial Measurement Unit
  • An object of the present invention is to provide a work vehicle, a control device for the work vehicle, and a method for determining the direction of the work vehicle, which can correctly identify the traveling direction of the work vehicle when excavating the ground with a blade. is there.
  • the control device for a work vehicle is a control device for a work vehicle including a work machine that is movable in the vertical direction and is supported by the vehicle body, and is a pitch angle for acquiring the pitch angle of the vehicle body.
  • An acquisition unit a work machine position calculation unit that calculates the position of the work machine with respect to the vehicle body, and a traveling direction specifying unit that specifies the traveling direction of the vehicle body based on the pitch angle and the position of the working machine.
  • control device of the work vehicle can correctly identify the traveling direction of the work vehicle when excavating the ground with the blade.
  • FIG. 1 is a side view of the work vehicle according to the first embodiment.
  • the work vehicle 100 according to the first embodiment is, for example, a bulldozer.
  • the work vehicle 100 includes a vehicle body 110, a traveling device 120, a work machine 130, and a driver's cab 140.
  • the traveling device 120 is provided at the lower part of the vehicle body 110.
  • the traveling device 120 includes a crawler 121, a sprocket 122 and an idler 124.
  • the crawler 121 is rotated by the drive of the sprocket 122, so that the work vehicle 100 travels.
  • a rotation sensor 123 is provided on the rotation axis of the sprocket 122.
  • the rotation sensor 123 measures the rotation speed of the sprocket 122.
  • the rotation speed of the sprocket 122 can be converted into the speed of the traveling device 120.
  • the IMU111 is provided on the vehicle body 110.
  • the IMU 111 measures the inclination angle in the roll direction and the pitch direction of the vehicle body 110 and the angular displacement in the yaw direction.
  • the vehicle body coordinate system is a Cartesian coordinate system represented by an X-axis extending in the front-rear direction of the vehicle body, a Y-axis extending in the left-right direction of the vehicle body, and a Z-axis extending in the vertical direction of the vehicle body with the origin as the center of the idler 124.
  • the rotation direction of the vehicle body around the X axis is the roll direction
  • the rotation direction of the vehicle body around the Y axis is the pitch direction
  • the rotation direction of the vehicle body around the Z axis is the yaw direction.
  • the working machine 130 is used for excavating and transporting an excavation target such as earth and sand.
  • the working machine 130 is provided at the front portion of the vehicle body 110.
  • the working machine 130 includes a lift frame 131, a blade 132, and a lift cylinder 133.
  • the base end portion of the lift frame 131 is attached to the side surface of the vehicle body 110 via a pin extending in the vehicle width direction.
  • the tip of the lift frame 131 is attached to the back surface of the blade 132 via a ball joint.
  • the blade 132 is supported so as to be movable in the vertical direction with respect to the vehicle body 110.
  • a cutting edge 132e is provided at the lower end of the blade 132.
  • the lift cylinder 133 is a hydraulic cylinder.
  • the base end portion of the lift cylinder 133 is attached to the side surface of the vehicle body 110.
  • the tip of the lift cylinder 133 is attached to the lift frame 131. As the lift cylinder 133 expands and contracts with the hydraulic oil, the lift frame 131 and the blade 132 are driven in the raising direction or the lowering direction.
  • the lift cylinder 133 is provided with a stroke sensor 134 that measures the stroke amount of the lift cylinder 133.
  • the stroke amount measured by the stroke sensor 134 can be converted into the position of the cutting edge 132e with respect to the vehicle body 110.
  • the rotation angle of the lift frame 131 is calculated based on the stroke amount of the lift cylinder 133. Since the shapes of the lift frame 131 and the blade 132 are known, the position of the cutting edge 132e of the blade 132 can be specified from the rotation angle of the lift frame 131.
  • the work vehicle 100 may detect the rotation angle with another sensor such as an encoder.
  • the driver's cab 140 is a space for the operator to board and operate the work vehicle 100.
  • the driver's cab 140 is provided above the vehicle body 110.
  • FIG. 2 is a diagram showing an internal configuration of the driver's cab according to the first embodiment. Inside the driver's cab 140, a seat 141, a console 142, a work equipment operation lever 143, a traveling operation lever 144, a brake pedal 145, and a desel pedal 146 are provided.
  • An operation panel, instruments and switches are attached to the console 142.
  • the operator can visually check the console 142 and confirm the state of the work vehicle 100. Further, the operator sets a design surface indicating the target shape of the excavation target by operating the console 142.
  • the work equipment operation lever 143 is operated to set the movement amount of the raising operation or the lowering operation of the blade 132.
  • the work equipment operation lever 143 receives a lowering operation by being tilted forward, and receives an raising operation by being tilted backward.
  • the traveling operation lever 144 is operated to set the traveling direction of the traveling device 120.
  • the traveling operation lever 144 receives a forward operation when tilted forward, and receives a reverse operation when tilted backward.
  • the traveling operation lever 144 receives a left turning operation by being tilted to the left, and a right turning operation by being tilted to the right.
  • the operator instructs the start and end of the automatic blade control by operating the work machine operation lever 143 or the travel operation lever 144 after setting the design surface on the console 142.
  • the operator can instruct the start and end of the automatic blade control by operating the switch attached to the work machine operation lever 143 after setting the design surface.
  • the operator instructs the start of the automatic blade control by tilting the traveling operation lever 144 forward, and then instructs the end of the automatic blade control by returning the traveling operation lever 144.
  • the brake pedal 145 is operated to brake the traveling device 120.
  • the dessel pedal 146 is operated to reduce the rotation speed of the traveling device 120.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a power system of the work vehicle according to the first embodiment.
  • the work vehicle 100 includes an engine 210, a PTO 220 (Power Take Off), a transmission 230, an axle 240, a hydraulic pump 250, and a proportional control valve 260.
  • the engine 210 is, for example, a diesel engine.
  • the PTO 220 transmits a part of the driving force of the engine 210 to the hydraulic pump 250. That is, the PTO 220 distributes the driving force of the engine 210 to the transmission 230 and the hydraulic pump 250.
  • the transmission 230 shifts the driving force input to the input shaft and outputs it from the output shaft.
  • the input shaft of the transmission 230 is connected to the PTO 220 and the output shaft is connected to the axle 240. That is, the transmission 230 transmits the driving force of the engine 210 distributed by the PTO 220 to the axle 240.
  • the axle 240 transmits the driving force output by the transmission 230 to the sprocket 122. As a result, the traveling device 120 rotates.
  • the hydraulic pump 250 is driven by a driving force from the engine 210.
  • the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 250 is supplied to the lift cylinder 133 via the proportional control valve 260.
  • the proportional control valve 260 controls the flow rate of the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 250.
  • the hydraulic pump 250 may supply hydraulic oil to other supply destinations such as a steering clutch (not shown) provided between the axle 240 and the sprocket 122.
  • the work vehicle 100 includes a control device 300 for controlling the work vehicle 100.
  • the control device 300 is a fuel injection device for the engine 210 according to the amount of operation of each operation device (console 142, work machine operation lever 143, travel operation lever 144, brake pedal 145, and deceleration pedal 146) in the driver's cab 140.
  • a control signal is output to the transmission 230 and the proportional control valve 260.
  • FIG. 4 is a schematic block diagram showing a configuration of a control device for a work vehicle according to the first embodiment.
  • the control device 300 is a computer including a processor 310, a main memory 330, a storage 350, and an interface 370.
  • the storage 350 is a tangible storage medium that is not temporary. Examples of the storage 350 include magnetic disks, magneto-optical disks, semiconductor memories, and the like.
  • the storage 350 may be internal media directly connected to the bus of the control device 300, or external media connected to the control device 300 via the interface 370 or a communication line.
  • the storage 350 stores a program for controlling the work vehicle 100.
  • the design surface data stored in the storage 350 may be data that defines only the gradient of the design surface.
  • the design surface data is defined in the ad hoc coordinate system described later.
  • control device 300 may include a custom LSI (Large Scale Integrated Circuit) such as a PLD (Programmable Logic Device) in addition to or in place of the above configuration.
  • PLDs include PAL (Programmable Array Logic), GAL (Generic Array Logic), CPLD (Complex Programmable Logic Device), and FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • PLDs include PAL (Programmable Array Logic), GAL (Generic Array Logic), CPLD (Complex Programmable Logic Device), and FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • PAL Programmable Array Logic
  • GAL Generic Array Logic
  • CPLD Complex Programmable Logic Device
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the processor 310 executes the operation amount acquisition unit 311, the measurement value acquisition unit 312, the blade position calculation unit 313, the traveling direction identification unit 314, the movement distance identification unit 315, the position identification unit 316, and the target height identification unit.
  • a unit 317 and a blade control unit 318 are provided.
  • the operation amount acquisition unit 311 acquires the start instruction and the end instruction of the automatic blade control from the console 142.
  • the measurement value acquisition unit 312 acquires measurement values from the IMU 111, the rotation sensor 123, and the stroke sensor 134, respectively. That is, the measured value acquisition unit 312 acquires the measured values of the yaw angle of the vehicle body 110, the roll angle of the vehicle body 110, the pitch angle of the vehicle body 110, the rotation speed of the sprocket 122, and the stroke amount of the lift cylinder 133.
  • the measured value acquisition unit 312 is an example of a pitch angle acquisition unit. Further, since the rotation speed of the sprocket 122 can be converted into the speed of the vehicle body 110, the measured value acquisition unit 312 can be said to be an example of the speed acquisition unit.
  • the blade position calculation unit 313 calculates the position of the cutting edge 132e of the blade 132 with respect to the vehicle body 110 based on the measurement value of the stroke amount of the lift cylinder 133 acquired by the measurement value acquisition unit 312. That is, the blade position calculation unit 313 calculates the position of the cutting edge 132e in the vehicle body coordinate system from the dimension information of the vehicle body 110 stored in advance and the measured value of the stroke amount of the lift cylinder 133.
  • the traveling direction specifying unit 314 of the vehicle body 110 is based on the position of the cutting edge 132e calculated by the blade position calculation unit 313 and the measured values of the yaw angle, roll angle and pitch angle of the vehicle body 110 acquired by the measured value acquisition unit 312. Identify the direction of travel.
  • FIG. 5 is a first diagram showing a method of specifying the traveling direction of the vehicle.
  • FIG. 6 is a second diagram showing a method of specifying the traveling direction of the vehicle.
  • the angle ⁇ formed by the vehicle body front direction D1 and the straight line direction D2 connecting the position P of the crawler 121 (grounding portion) directly below the sprocket 122 and the cutting edge 132e in the vehicle body coordinate system is 0 degrees or more.
  • the fact that the angle ⁇ is 0 degrees or more indicates that the position of the cutting edge 132e is above the bottom surface of the traveling device 120 as shown in FIG.
  • the fact that the angle ⁇ is less than 0 degrees indicates that the position of the cutting edge 132e is below the bottom surface of the traveling device 120, as shown in FIG.
  • the traveling direction specifying unit 314 specifies the direction D1 of the measured value of the pitch angle of the vehicle body 110 as the pitch direction component of the traveling direction of the vehicle body 110.
  • the traveling direction specifying unit 314 specifies the direction obtained by adding the angle ⁇ to the measured value of the pitch angle of the vehicle body 110 as the pitch direction component of the traveling direction of the vehicle body 110.
  • the moving distance specifying unit 315 specifies the moving distance of the vehicle body 110 during a predetermined control time based on the measured value of the rotation speed of the sprocket 122 acquired by the measured value acquiring unit 312. That is, the moving distance specifying unit 315 specifies the moving distance by multiplying the control time by the traveling speed of the vehicle body 110 specified from the rotation speed of the sprocket 122.
  • the position specifying unit 316 specifies the position of the vehicle body 110 based on the previous position of the vehicle body 110, the traveling direction specified by the traveling direction specifying unit 314, and the moving distance specified by the moving distance specifying unit 315.
  • the position of the vehicle body 110 is a coordinate system in which the initial position of the vehicle body 110 is the origin, the initial orientation is the X axis, the vertical direction is the Z axis, and the direction orthogonal to the X axis and the Z axis is the Y axis (hereinafter referred to as an ad hoc coordinate system). It is represented by (called).
  • the position of the ad hoc coordinate system specified by the position specifying unit 316 is stored in the main memory 330.
  • the origin of the ad hoc coordinate system may coincide with the origin of the vehicle body coordinate system at the initial position of the vehicle body 110.
  • the ad hoc coordinate system is set at the start of automatic blade control and may be deleted at the end of automatic blade control.
  • the target height specifying unit 317 includes the position of the vehicle body 110 in the ad hoc coordinate system stored in the main memory 330, the measured value of the speed acquired by the measured value acquisition unit 312, and the traveling direction specified by the traveling direction specifying unit 314. , The target height of the cutting edge 132e is specified based on the design surface data in the ad hoc coordinate system stored in the storage 350.
  • the blade control unit 318 issues a drive command for controlling the blade 132 based on the position of the cutting edge 132e calculated by the blade position calculation unit 313 and the target height specified by the target height identification unit 317. Output to. For example, the blade control unit 318 calculates the moving speed of the cutting edge 132e from the time series of the position of the cutting edge 132e calculated by the blade position calculating unit 313, and after the control time when the cutting edge 132e is moved at the current moving speed. A drive command is output so that the deviation between the height of the cutting edge 132e and the target height becomes small.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an automatic blade control method according to the first embodiment.
  • the operator moves the work vehicle 100 to the start position of the excavation work by the automatic blade control, moves the blade 132 to the excavation start height, operates the console 142, and inputs the start instruction of the automatic blade control.
  • the measurement value acquisition unit 312 acquires the measurement values from the IMU 111 and the stroke sensor 134, respectively (step S1).
  • the position specifying unit 316 defines an ad hoc coordinate system based on the current position and orientation of the vehicle body 110, and stores the position and orientation of the vehicle body 110 in the ad hoc coordinate system in the main memory 330. That is, the position specifying unit 316 sets the position of the vehicle body 110 to the coordinates (0,0,0) and sets the orientation of the vehicle body 110 in the X-axis direction.
  • the blade position calculation unit 313 calculates the initial position of the cutting edge 132e in the vehicle body coordinate system based on the measurement value of the stroke amount of the lift cylinder 133 acquired by the measurement value acquisition unit 312 (step S2).
  • the blade position calculation unit 313 converts the initial position of the cutting edge 132e from the vehicle body coordinate system to the ad hoc coordinate system based on the measured value of the IMU 111 acquired in step S1 (step S3). That is, the blade position calculation unit 313 specifies the vertical direction from the measured value of the IMU 111, and rotates the initial position of the cutting edge 132e by the deviation angle between the vertical direction and the vertical direction of the vehicle body 110, whereby the cutting edge in the ad hoc coordinate system. Find the initial position of 132e.
  • the target height specifying unit 317 defines the design surface in the ad hoc coordinate system so as to pass through the initial position of the cutting edge 132e calculated in step S3 based on the design surface data (step S4).
  • the specified design surface of the target height specifying unit 317 is stored in the main memory 330.
  • the operation amount acquisition unit 311 acquires the operation amount of the traveling operation lever 144 (step S5). Further, the measured value acquisition unit 312 acquires measured values from the IMU 111, the rotation sensor 123, and the stroke sensor 134, respectively (step S6). Next, the moving distance specifying unit 315 specifies the moving distance of the vehicle body 110 in the control time based on the measured value of the rotation sensor 123 acquired in step S6 (step S7).
  • the blade position calculation unit 313 calculates the position of the cutting edge 132e in the vehicle body coordinate system based on the measurement value of the stroke amount of the lift cylinder 133 acquired by the measurement value acquisition unit 312 (step S8).
  • the traveling direction specifying portion 314 has the vehicle body front direction D1 and the linear direction D2 connecting the position P of the crawler 121 directly under the sprocket 122 and the cutting edge 132e.
  • the angle ⁇ formed by the crawler is calculated (step S9).
  • the traveling direction specifying unit 314 determines whether or not the angle ⁇ is 0 degrees or more (step S10).
  • the traveling direction specifying unit 314 specifies the vehicle body front direction D1 as the traveling direction of the vehicle body 110 in the vehicle body coordinate system (step S11).
  • the traveling direction specifying unit 314 sets the direction D2 of the straight line connecting the position P of the crawler 121 directly below the sprocket 122 and the cutting edge 132e in the vehicle body coordinate system. It is specified as the traveling direction of the vehicle body 110 in (step S12).
  • the traveling direction specifying unit 314 converts the traveling direction of the vehicle body 110 identified in step S11 or step S12 from the vehicle body coordinate system to the ad hoc coordinate system based on the measured value of the IMU 111 acquired in step S6 (step). S13).
  • the position specifying unit 316 is stored in the main memory 330 based on the position of the vehicle body 110 in the ad hoc coordinate system stored in the main memory 330, the moving distance specified in step S7, and the traveling direction specified in step S13.
  • the position of the vehicle body 110 is updated (step S14).
  • the target height specifying unit 317 of the vehicle body 110 after the control time is based on the moving distance specified in step S7, the traveling direction specified in step S13, and the position of the vehicle body 110 updated in step S14. Predict the position (step S15).
  • the target height specifying unit 317 specifies the target height of the cutting edge 132e based on the position predicted in step S15 and the design surface stored in the main memory 330 in step S4 (step S16).
  • the blade control unit 318 outputs a drive command for controlling the blade 132 to the proportional control valve 260 based on the position of the cutting edge 132e calculated in step S8 and the target height specified in step S16 (step S17). ..
  • the operation amount acquisition unit 311 determines whether or not an end instruction for automatic blade control has been input to the console 142 (step S18).
  • the control device 300 returns the process to step S5 and continues the automatic blade control process.
  • the control device 300 ends the automatic blade control process.
  • the control device 300 specifies the traveling direction of the vehicle body 110 based on the pitch angle of the vehicle body 110 and the position of the blade with respect to the vehicle body 110. As a result, as shown in FIG. 6, even when the work vehicle 100 travels with the front portion of the traveling device 120 floating due to the reaction force from the excavation target, the control device 300 keeps the traveling direction of the working vehicle 100. Can be identified correctly.
  • control device 300 specifies the position of the vehicle based on the speed of the vehicle body and the specified traveling direction. Thereby, the control device 300 can specify the position of the work vehicle 100 by autonomous navigation. Further, the control device 300 outputs a control signal of the blade 132 based on the target height of the blade 132 and the specified traveling direction. As a result, the control device 300 can realize automatic blade control by self-contained navigation. In other embodiments, the use of the specified position information is not limited to automatic blade control. For example, the control device 300 according to another embodiment may display the specified position information on the console 142.
  • the work vehicle 100 according to the above-described embodiment is a bulldozer, but is not limited to this.
  • the work vehicle 100 according to another embodiment may be another work vehicle such as a wheel loader or a grader having a work machine such as a bucket.
  • the traveling device 120 is a wheel. Therefore, the direction D1 is the direction of a straight line connecting the ground contact portion of the front wheel and the ground contact portion of the rear wheel.
  • the direction D2 is the direction of a straight line connecting the ground contact portion of the rear wheel and the cutting edge 132e.
  • the control device 300 determines whether the traveling direction is the direction D1 or the direction D2 based on the angle ⁇ formed by the direction D1 and the direction D2, but the present invention is not limited to this.
  • the control device 300 determines whether the traveling direction is the direction D1 or the direction D2 based on whether or not the position of the cutting edge 132e is above the bottom surface of the traveling device 120. You may. Further, the position of the cutting edge 132e in the vehicle body coordinate system is determined based on the measured value of the stroke sensor 134. Therefore, the control device 300 according to another embodiment may determine whether the traveling direction is the direction D1 or the direction D2 based on whether or not the measured value of the stroke sensor 134 is equal to or greater than the threshold value. ..
  • the control device 300 stores design surface data in the storage 350, but is not limited to this.
  • the control device 300 may receive design surface data from the outside of the vehicle body by a communication device provided on the vehicle body (not shown).
  • control device of the work vehicle can correctly specify the traveling direction of the work vehicle when excavating the ground with a blade.
  • Interface 311 Operation amount acquisition unit 312 ... Measured value acquisition unit 313 ... Blade position calculation unit 314 ... Travel direction identification unit 315 ... Movement distance identification unit 316 ... Position identification unit 317 ... Target height identification unit 318 ... Blade control unit

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Abstract

ピッチ角取得部は、車体のピッチ角を取得する。ブレード位置算出部は、車体を基準としたブレードの位置を算出する。進行方向特定部は、ピッチ角およびブレードの位置に基づいて、車体の進行方向を特定する。

Description

作業車両、作業車両の制御装置、および作業車両の方向特定方法
 本発明は、作業車両、作業車両の制御装置、および作業車両の方向特定方法に関する。
 本願は、2019年3月29日に日本に出願された特願2019-068988号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 特許文献1には、ブレードの刃先を設計面に追従させる作業車両が開示されている。特許文献1に開示された技術によれば、制御装置は、GNSS(Global Navigation Satellite System)を利用して作業車両の位置を特定し、特定した位置に基づいてブレードの目標高さを決定する。
国際公開2015/083469号
 特許文献1に開示された技術のようにGNSSを利用した制御は、施工現場の環境によってはGNSSの電波が受信できず、作業車両の位置を特定することができない可能性がある。そのため、GNSSに代えて自律航法によって作業車両の位置を特定することが考えられる。
 ところで、ブレードを有する作業車両は、ブレードを掘削対象に押し当てて前進するため、掘削対象からの反力により走行装置の前部が浮いた状態で走行することがある。このとき、制御装置がIMU(Inertial Measurement Unit)から読み出すピッチ角に基づいて作業車両の進行方向を斜め上方向と誤認し、ブレードを適切に制御することができなくなる可能性がある。
 本発明の目的は、ブレードによって地面を掘削しているときに、作業車両の進行方向を正しく特定することができる作業車両、作業車両の制御装置、および作業車両の方向特定方法を提供することにある。
 本発明の一態様によれば、作業車両の制御装置は、上下方向に移動可能に車体に支持される作業機を備える作業車両の制御装置であって、前記車体のピッチ角を取得するピッチ角取得部と、前記車体を基準とした前記作業機の位置を算出する作業機位置算出部と、前記ピッチ角および前記作業機の位置に基づいて、前記車体の進行方向を特定する進行方向特定部と、を備える。
 上記態様によれば、作業車両の制御装置は、ブレードによって地面を掘削しているときに、作業車両の進行方向を正しく特定することができる。
第1の実施形態に係る作業車両の側面図である。 第1の実施形態に係る運転室の内部の構成を示す図である。 第1の実施形態に係る作業車両の動力系統を示す模式図である。 第1の実施形態に係る作業車両の制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 車両の進行方向の特定方法を示す第1の図である。 車両の進行方向の特定方法を示す第2の図である。 第1の実施形態に係る自動ブレード制御方法を示すフローチャートである。
〈第1の実施形態〉
 以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
 図1は、第1の実施形態に係る作業車両の側面図である。
 第1の実施形態に係る作業車両100は、例えばブルドーザである。作業車両100は、車体110、走行装置120、作業機130、運転室140を備える。
 走行装置120は、車体110の下部に設けられる。走行装置120は、クローラ121、スプロケット122およびアイドラ124を備える。スプロケット122の駆動によってクローラ121が回転することで、作業車両100が走行する。スプロケット122の回転軸には、回転センサ123が設けられる。回転センサ123は、スプロケット122の回転数を計測する。スプロケット122の回転数は、走行装置120の速度に換算可能である。
 車体110には、IMU111が設けられる。IMU111は、車体110のロール方向およびピッチ方向の傾斜角と、ヨー方向の角度変位を計測する。車体座標系は、原点をアイドラ124の中心とし、車体前後方向に伸びるX軸、車体左右方向に伸びるY軸、車体上下方向に伸びるZ軸によって表される直交座標系である。X軸を中心とした車体の回転方向をロール方向、Y軸を中心とした車体の回転方向をピッチ方向、Z軸を中心とした車体の回転方向をヨー方向とする。
 作業機130は、土砂等の掘削対象の掘削および運搬に用いられる。作業機130は、車体110の前部に設けられる。作業機130は、リフトフレーム131、ブレード132、およびリフトシリンダ133を備える。
 リフトフレーム131の基端部は、車幅方向に伸びるピンを介して、車体110の側面に取り付けられる。リフトフレーム131の先端部は、ブレード132の裏面に球体関節を介して取り付けられる。これにより、ブレード132は、車体110に対して上下方向に移動可能に支持される。ブレード132の下端部には、刃先132eが設けられる。リフトシリンダ133は、油圧シリンダである。リフトシリンダ133の基端部は車体110の側面に取り付けられる。リフトシリンダ133の先端部はリフトフレーム131に取り付けられる。リフトシリンダ133が作動油によって伸縮することによって、リフトフレーム131およびブレード132が上げ方向または下げ方向に駆動する。
 リフトシリンダ133には、リフトシリンダ133のストローク量を計測するストロークセンサ134が設けられる。ストロークセンサ134が計測するストローク量は、車体110を基準とした刃先132eの位置に換算可能である。具体的には、リフトシリンダ133のストローク量に基づいて、リフトフレーム131の回転角を算出する。リフトフレーム131およびブレード132の形状は既知であるため、リフトフレーム131の回転角から、ブレード132の刃先132eの位置を特定することができる。なお、他の実施形態に係る作業車両100は、エンコーダ等の他のセンサで回転角を検出してもよい。
 運転室140は、オペレータが搭乗し、作業車両100の操作を行うためのスペースである。運転室140は、車体110の上部に設けられる。
 図2は、第1の実施形態に係る運転室の内部の構成を示す図である。運転室140の内部には、シート141、コンソール142、作業機操作レバー143、走行操作レバー144、ブレーキペダル145、およびデセルペダル146が設けられる。
 コンソール142には、操作パネル、計器類およびスイッチ類が取り付けられる。オペレータは、コンソール142を視認して作業車両100の状態を確認することができる。また、オペレータは、コンソール142の操作により、掘削対象の目標形状を示す設計面を設定する。
 作業機操作レバー143は、ブレード132の上げ操作または下げ操作の移動量を設定するために操作される。作業機操作レバー143は、前方へ傾けられることにより下げ操作を受け付け、後方へ傾けられることにより上げ操作を受け付ける。
 走行操作レバー144は、走行装置120の進行方向を設定するために操作される。走行操作レバー144は、前方へ傾けられることにより前進操作を受け付け、後方へ傾けられることにより後進操作を受け付ける。また走行操作レバー144は、左方へ傾けられることにより左旋回操作を受け付け、右方へ傾けられることにより右旋回操作を受け付ける。オペレータは、コンソール142にて設計面を設定した後に作業機操作レバー143または走行操作レバー144を操作することで、自動ブレード制御の開始および終了を指示する。例えば、オペレータは、設計面を設定した後に、作業機操作レバー143に付随するスイッチを操作することで、自動ブレード制御の開始および終了を指示することができる。またオペレータは、設計面を設定した後に、走行操作レバー144を前方へ傾けることで自動ブレード制御の開始を指示し、その後走行操作レバー144を戻すことで自動ブレード制御の終了を指示する。
 ブレーキペダル145は、走行装置120を制動させるために操作される。
 デセルペダル146は、走行装置120の回転数を低減させるために操作される。
《動力系統》
 図3は、第1の実施形態に係る作業車両の動力系統を示す模式図である。
 作業車両100は、エンジン210、PTO220(Power Take Off)、変速機230、アクスル240、油圧ポンプ250、比例制御弁260を備える。
 エンジン210は、例えばディーゼルエンジンである。
 PTO220は、エンジン210の駆動力の一部を、油圧ポンプ250に伝達する。つまり、PTO220は、エンジン210の駆動力を、変速機230および油圧ポンプ250に分配する。
 変速機230は、入力軸に入力される駆動力を変速して出力軸から出力する。変速機230の入力軸はPTO220に接続され、出力軸はアクスル240に接続される。つまり、変速機230は、PTO220によって分配されたエンジン210の駆動力をアクスル240に伝達する。
 アクスル240は、変速機230が出力する駆動力をスプロケット122に伝達する。これにより、走行装置120が回転する。
 油圧ポンプ250は、エンジン210からの駆動力によって駆動される。油圧ポンプ250から吐出された作動油は、比例制御弁260を介してリフトシリンダ133に供給される。
 比例制御弁260は、油圧ポンプ250から吐出された作動油の流量を制御する。油圧ポンプ250は、比例制御弁260に加えて、アクスル240とスプロケット122との間に設けられた図示しないステアリングクラッチなどの他の供給先に作動油を供給してもよい。
《制御装置》
 作業車両100は、作業車両100を制御するための制御装置300を備える。
 制御装置300は、運転室140内の各操作装置(コンソール142、作業機操作レバー143、走行操作レバー144、ブレーキペダル145、およびデセルペダル146)の操作量に応じて、エンジン210の燃料噴射装置、変速機230、および比例制御弁260に制御信号を出力する。
 図4は、第1の実施形態に係る作業車両の制御装置の構成を示す概略ブロック図である。制御装置300は、プロセッサ310、メインメモリ330、ストレージ350、インタフェース370を備えるコンピュータである。
 ストレージ350は、一時的でない有形の記憶媒体である。ストレージ350の例としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ350は、制御装置300のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース370または通信回線を介して制御装置300に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ350は、作業車両100を制御するためのプログラムを記憶する。ストレージ350に記憶される設計面データは、設計面の勾配のみを規定するデータであってよい。なお設計面データは、後述するアドホック座標系で定義されている。
 なお、他の実施形態においては、制御装置300は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてPLD(Programmable Logic Device)などのカスタムLSI(Large Scale Integrated Circuit)を備えてもよい。PLDの例としては、PAL(Programmable Array Logic)、GAL(Generic Array Logic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array)が挙げられる。この場合、プロセッサ310によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。
 プロセッサ310は、プログラムを実行することで、操作量取得部311、計測値取得部312、ブレード位置算出部313、進行方向特定部314、移動距離特定部315、位置特定部316、目標高さ特定部317、ブレード制御部318を備える。
 操作量取得部311は、コンソール142から自動ブレード制御の開始指示および終了指示を取得する。
 計測値取得部312は、IMU111、回転センサ123およびストロークセンサ134からそれぞれ計測値を取得する。すなわち、計測値取得部312は、車体110のヨー角、車体110のロール角、車体110のピッチ角、スプロケット122の回転数、およびリフトシリンダ133のストローク量の計測値を取得する。計測値取得部312は、ピッチ角取得部の一例である。また、スプロケット122の回転数は、車体110の速度に換算可能であるため、計測値取得部312は、速度取得部の一例であるといえる。
 ブレード位置算出部313は、計測値取得部312が取得したリフトシリンダ133のストローク量の計測値に基づいて、車体110を基準としたブレード132の刃先132eの位置を算出する。つまり、ブレード位置算出部313は、予め記憶している車体110の寸法情報とリフトシリンダ133のストローク量の計測値から車体座標系における刃先132eの位置を算出する。
 進行方向特定部314は、ブレード位置算出部313が算出した刃先132eの位置と計測値取得部312が取得した車体110のヨー角、ロール角およびピッチ角の計測値とに基づいて、車体110の進行方向を特定する。
 図5は、車両の進行方向の特定方法を示す第1の図である。図6は、車両の進行方向の特定方法を示す第2の図である。具体的には、車体正面方向D1と、車体座標系においてスプロケット122の直下のクローラ121(接地部)の位置Pと刃先132eとを結ぶ直線の方向D2とがなす角θが0度以上であるか否かを判定する。角θが0度以上であるということは、刃先132eの位置が、図5に示すように、走行装置120の底面より上方にあることを示す。他方、角θが0度未満であるということは、刃先132eの位置が、図6に示すように、走行装置120の底面より下方にあることを示す。
 角θが0度以上である場合、進行方向特定部314は、車体110のピッチ角の計測値の方向D1を、車体110の進行方向のピッチ方向成分と特定する。他方、角θが0度未満である場合、進行方向特定部314は、車体110のピッチ角の計測値に角θを加算した方向を、車体110の進行方向のピッチ方向成分と特定する。
 移動距離特定部315は、計測値取得部312が取得したスプロケット122の回転数の計測値に基づいて、所定の制御時間の間における車体110の移動距離を特定する。つまり、移動距離特定部315は、制御時間にスプロケット122の回転数から特定される車体110の走行速度を乗算することで、移動距離を特定する。
 位置特定部316は、前回の車体110の位置と、進行方向特定部314が特定した進行方向と、移動距離特定部315が特定した移動距離とに基づいて、車体110の位置を特定する。車体110の位置は、車体110の初期位置を原点とし、初期方位をX軸、鉛直方向をZ軸、X軸とZ軸に直交する方向をY軸とする座標系(以下、アドホック座標系とよぶ)で表される。位置特定部316が特定したアドホック座標系の位置は、メインメモリ330に記憶される。アドホック座標系の原点は、車体110の初期位置における、車体座標系の原点と一致させてもよい。アドホック座標系は、自動ブレード制御開始時に設定され、自動ブレード制御終了時に削除されてもよい。
 目標高さ特定部317は、メインメモリ330に記憶されたアドホック座標系における車体110の位置と、計測値取得部312が取得した速度の計測値と、進行方向特定部314が特定した進行方向と、ストレージ350に記憶されたアドホック座標系における設計面データとに基づいて、刃先132eの目標高さを特定する。
 ブレード制御部318は、ブレード位置算出部313が算出した刃先132eの位置と目標高さ特定部317が特定した目標高さとに基づいて、ブレード132を制御するための駆動指令を、比例制御弁260に出力する。例えば、ブレード制御部318は、ブレード位置算出部313が算出する刃先132eの位置の時系列から刃先132eの移動速度を算出し、現在の移動速度で刃先132eを移動させた場合の制御時間後の刃先132eの高さと目標高さとの偏差が小さくなるように、駆動指令を出力する。
《自動ブレード制御方法》
 次に、第1の実施形態に係る自動ブレード制御方法について説明する。図7は、第1の実施形態に係る自動ブレード制御方法を示すフローチャートである。
 オペレータは、自動ブレード制御による掘削作業の開始位置まで作業車両100を移動させ、ブレード132を掘削開始高さまで移動させると、コンソール142を操作し、自動ブレード制御の開始指示を入力する。
 制御装置300の操作量取得部311が自動ブレード制御の開始指示を受け付けると、計測値取得部312は、IMU111、ストロークセンサ134からそれぞれ計測値を取得する(ステップS1)。次に、位置特定部316は、現在の車体110の位置および方位に基づいてアドホック座標系を規定し、メインメモリ330にアドホック座標系における車体110の位置および姿勢を記憶させる。すなわち位置特定部316は、車体110の位置を座標(0,0,0)に設定し、車体110の方位をX軸方向に設定する。
 次に、ブレード位置算出部313は、計測値取得部312が取得したリフトシリンダ133のストローク量の計測値に基づいて、車体座標系における刃先132eの初期位置を算出する(ステップS2)。ブレード位置算出部313は、ステップS1で取得したIMU111の計測値に基づいて、刃先132eの初期位置を、車体座標系からアドホック座標系に変換する(ステップS3)。すなわち、ブレード位置算出部313は、IMU111の計測値から鉛直方向を特定し、車体110の上下方向と鉛直方向とのずれ角だけ、刃先132eの初期位置を回転させることで、アドホック座標系における刃先132eの初期位置を求める。
 次に、目標高さ特定部317は、設計面データに基づいて、ステップS3で算出した刃先132eの初期位置を通るように、アドホック座標系に設計面を規定する(ステップS4)。目標高さ特定部317は、規定した設計面は、メインメモリ330に記憶される。
 次に、操作量取得部311は、走行操作レバー144の操作量を取得する(ステップS5)。また、計測値取得部312は、IMU111、回転センサ123およびストロークセンサ134からそれぞれ計測値を取得する(ステップS6)。次に、移動距離特定部315は、ステップS6で取得した回転センサ123の計測値に基づいて、制御時間における車体110の移動距離を特定する(ステップS7)。
 次に、ブレード位置算出部313は、計測値取得部312が取得したリフトシリンダ133のストローク量の計測値に基づいて、車体座標系における刃先132eの位置を算出する(ステップS8)。次に、ステップS8で算出した刃先132eの位置に基づいて、進行方向特定部314は、車体正面方向D1と、スプロケット122の直下のクローラ121の位置Pと刃先132eとを結ぶ直線の方向D2とがなす角θを算出する(ステップS9)。進行方向特定部314は、角θが0度以上であるか否かを判定する(ステップS10)。
 角θが0度以上である場合(ステップS10:YES)、進行方向特定部314は、車体正面方向D1を、車体座標系における車体110の進行方向と特定する(ステップS11)。他方、角θが0度未満である場合(ステップS10:NO)、進行方向特定部314は、スプロケット122の直下のクローラ121の位置Pと刃先132eとを結ぶ直線の方向D2を、車体座標系における車体110の進行方向と特定する(ステップS12)。
 次に、進行方向特定部314は、ステップS6で取得したIMU111の計測値に基づいて、ステップS11またはステップS12で特定した車体110の進行方向を、車体座標系からアドホック座標系に変換する(ステップS13)。
 位置特定部316は、メインメモリ330に記憶されたアドホック座標系における車体110の位置と、ステップS7で特定した移動距離と、ステップS13で特定した進行方向とに基づいて、メインメモリ330に記憶された車体110の位置を更新する(ステップS14)。
 次に、目標高さ特定部317は、ステップS7で特定した移動距離と、ステップS13で特定した進行方向と、ステップS14で更新した車体110の位置とに基づいて、制御時間後の車体110の位置を予測する(ステップS15)。次に、目標高さ特定部317は、ステップS15で予測した位置と、ステップS4でメインメモリ330に記憶された設計面とに基づいて、刃先132eの目標高さを特定する(ステップS16)。
 ブレード制御部318は、ステップS8で算出した刃先132eの位置とステップS16で特定した目標高さとに基づいて、ブレード132を制御するための駆動指令を、比例制御弁260に出力する(ステップS17)。
 次に、操作量取得部311は、コンソール142に自動ブレード制御の終了指示が入力されたか否かを判定する(ステップS18)。コンソール142に自動ブレード制御の終了指示が入力されていない場合(ステップS18:NO)、制御装置300は、ステップS5に処理を戻し、自動ブレード制御処理を継続する。
 他方、自動ブレード制御の終了指示が入力された場合(ステップS18:YES)、制御装置300は、自動ブレード制御処理を終了する。
《作用・効果》
 このように、第1の実施形態によれば、制御装置300は、車体110のピッチ角および車体110を基準としたブレードの位置に基づいて、車体110の進行方向を特定する。これにより、図6に示すように、掘削対象からの反力により走行装置120の前部が浮いた状態で作業車両100が走行する場合にも、制御装置300は、作業車両100の進行方向を正しく特定することができる。
 また、制御装置300は、車体の速度と、特定した進行方向に基づいて車両の位置を特定する。これにより、制御装置300は、自律航法によって作業車両100の位置を特定することができる。
 また、制御装置300は、ブレード132の目標高さと特定した進行方向とに基づいて、ブレード132の制御信号を出力する。これにより、制御装置300は、自立航法によって自動ブレード制御を実現することができる。なお、他の実施形態において、特定した位置情報の用途は、自動ブレード制御に限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置300は、特定した位置情報をコンソール142に表示させてもよい。
《他の実施形態》
 以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。例えば、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
 上述した実施形態に係る作業車両100は、ブルドーザであるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る作業車両100は、バケット等の作業機を有するホイールローダーやグレーダなどの他の作業車両であってもよい。なお、作業車両100がホイールローダーである場合、走行装置120は車輪である。そのため、方向D1は、前輪の接地部と後輪の接地部とを結ぶ直線の方向である。方向D2は、後輪の接地部と刃先132eとを結ぶ直線の方向である。
 上述した実施形態に係る制御装置300は、方向D1と方向D2とがなす角θに基づいて、進行方向を方向D1とするか方向D2とするかを決定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置300は、刃先132eの位置が走行装置120の底面より上にあるか否かに基づいて、進行方向を方向D1とするか方向D2とするかを決定してもよい。また、車体座標系における刃先132eの位置はストロークセンサ134の計測値に基づいて定められる。そのため、他の実施形態に係る制御装置300は、ストロークセンサ134の計測値が閾値以上であるか否かに基づいて、進行方向を方向D1とするか方向D2とするかを決定してもよい。
 上述した実施形態に係る制御装置300は、ストレージ350に設計面データを記憶するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置300は、図示しない車体に設けられた通信装置により、車体外部から設計面データを受信してもよい。
 本発明の上記開示によれば、作業車両の制御装置は、ブレードによって地面を掘削しているときに、作業車両の進行方向を正しく特定することができる。
100…作業車両 110…車体 111…IMU 120…走行装置 121…クローラ 122…スプロケット 123…回転センサ 130…作業機 131…リフトフレーム 132…ブレード 132e…刃先 133…リフトシリンダ 134…ストロークセンサ 140…運転室 141…シート 142…コンソール 143…作業機操作レバー 144…走行操作レバー 145…ブレーキペダル 146…デセルペダル 210…エンジン 220…PTO 230…変速機 240…アクスル 250…油圧ポンプ 260…比例制御弁 300…制御装置 310…プロセッサ 330…メインメモリ 350…ストレージ 370…インタフェース 311…操作量取得部 312…計測値取得部 313…ブレード位置算出部 314…進行方向特定部 315…移動距離特定部 316…位置特定部 317…目標高さ特定部 318…ブレード制御部

Claims (4)

  1.  上下方向に移動可能に車体に支持される作業機を備える作業車両の制御装置であって、
     前記車体のピッチ角を取得するピッチ角取得部と、
     前記車体を基準とした前記作業機の位置を算出する作業機位置算出部と、
     前記ピッチ角および前記作業機の位置に基づいて、前記車体の進行方向を特定する進行方向特定部と、
     前記車体の速度を取得する速度取得部と、
     前記速度および前記車体の進行方向に基づいて、前記車体の位置を特定する位置特定部と、
     掘削対象の目標形状を示す設計面データに基づいて、特定した前記車体の位置における前記掘削対象の目標高さを特定する目標高さ特定部と、
     前記目標高さと前記進行方向とに基づいて、作業機の制御信号を出力する作業機制御部と
     を備える作業車両の制御装置。
  2.  前記進行方向特定部は、
     前記作業機の位置が前記車体の走行装置の接地部より下方である場合に、前記車体の進行方向を、前記接地部から作業機位置へ伸びる方向に特定し、
     前記作業機の位置が前記接地部より上方である場合に、前記車体の進行方向を前記ピッチ角に従った方向に特定する
     請求項1に記載の作業車両の制御装置。
  3.  車体と、
     上下方向に移動可能に前記車体に支持される作業機と、
     請求項1または請求項2に記載の制御装置と
     を備える作業車両。
  4.  上下方向に移動可能に車体に支持される作業機を備える作業車両の方向特定方法であって、
     前記車体のピッチ角を計測するステップと、
     前記車体を基準とした前記作業機の位置を算出するステップと、
     前記ピッチ角および前記作業機の位置に基づいて、前記車体の進行方向を決定するステップと、
     前記車体の速度を取得するステップと、
     前記速度および前記車体の進行方向に基づいて、前記車体の位置を特定するステップと、
     掘削対象の目標形状を示す設計面データに基づいて、特定した前記車体の位置における前記掘削対象の目標高さを特定するステップと、
     前記目標高さと前記進行方向とに基づいて、作業機の制御信号を出力するステップと
     を備える作業車両の方向特定方法。
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