WO2020255608A1 - 作業機械を制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

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WO2020255608A1
WO2020255608A1 PCT/JP2020/019866 JP2020019866W WO2020255608A1 WO 2020255608 A1 WO2020255608 A1 WO 2020255608A1 JP 2020019866 W JP2020019866 W JP 2020019866W WO 2020255608 A1 WO2020255608 A1 WO 2020255608A1
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excavation
target
pass
distance
controller
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PCT/JP2020/019866
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志尚 ▲高▼岡
広太 別府
悠人 藤井
徹 倉金
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株式会社小松製作所
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    • E02F9/2228Control of flow rate; Load sensing arrangements using pressure-compensating valves including an electronic controller
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    • E02F9/22Hydraulic or pneumatic drives
    • E02F9/2264Arrangements or adaptations of elements for hydraulic drives
    • E02F9/2267Valves or distributors

Definitions

  • This disclosure relates to systems and methods for controlling work machines.
  • the controller presets the target profile of the work machine to be moved at the work site from the topography of the work site.
  • the controller starts excavation from the starting position on the current terrain of the work site and operates the work equipment according to the target profile.
  • the work equipment may move away from the target profile before reaching the target end position. In that case, if the work is continued as it is, unevenness will be created on the terrain, and the work efficiency will decrease.
  • the purpose of the present disclosure is to suppress a decrease in work efficiency due to factors such as soil hardness in automatic control of work machines.
  • the system according to the first aspect is a system for controlling a work machine including a work machine.
  • the system includes a controller.
  • the controller acquires the position of the end of excavation by the work machine, the target amount of soil, and the excavation distance.
  • the controller determines the target excavation depth of the first pass based on the position of the excavation end, the target soil volume, and the excavation distance.
  • the controller operates the work equipment to the target excavation depth of the first pass to execute the excavation of the first pass.
  • the controller acquires the actual amount of soil excavated in the first pass.
  • the controller corrects the target soil volume based on the actual soil volume.
  • the controller determines the target excavation depth for the second pass based on the modified target soil volume.
  • the controller operates the work equipment to the target excavation depth of the second pass to execute the excavation of the second pass.
  • the method according to the second aspect is a method executed by a controller to control a work machine including a work machine.
  • the method includes the following processing.
  • the first process is to obtain the position of the end of excavation by the work machine, the target amount of soil, and the excavation distance.
  • the second process is to determine the target excavation depth of the first pass based on the position of the excavation end, the target soil volume, and the excavation distance.
  • the third process is to operate the working machine to the target excavation depth of the first pass to execute the excavation of the first pass.
  • the fourth process is to obtain the actual amount of soil excavated in the first pass.
  • the fifth treatment is to modify the target soil volume based on the actual soil volume.
  • the sixth process is to determine the target excavation depth of the second pass based on the modified target soil volume.
  • the seventh process is to operate the working machine to the target excavation depth of the second pass and execute the excavation of the second pass.
  • the system according to the third aspect is a system for controlling a work machine including a work machine.
  • the system includes a controller.
  • the controller acquires the position of the end of excavation by the work machine, the target amount of soil, and the excavation distance.
  • the controller determines the target excavation depth of the first pass based on the position of the excavation end, the target soil volume, and the excavation distance.
  • the controller operates the work equipment to the target excavation depth of the first pass to execute the excavation of the first pass.
  • FIG. 1 is a side view showing the work machine 1 according to the embodiment.
  • the work machine 1 according to the present embodiment is a bulldozer.
  • the work machine 1 includes a vehicle body 11, a traveling device 12, and a work machine 13.
  • the vehicle body 11 includes a driver's cab 14 and an engine chamber 15.
  • a driver's seat (not shown) is arranged in the driver's cab 14.
  • the traveling device 12 is attached to the vehicle body 11.
  • the traveling device 12 has left and right tracks 16. In FIG. 1, only the left track 16 is shown.
  • the work machine 1 travels as the track 16 rotates.
  • the work machine 13 is attached to the vehicle body 11.
  • the working machine 13 includes a lift frame 17, a blade 18, and a lift cylinder 19.
  • the lift frame 17 is attached to the vehicle body 11 so as to be movable up and down.
  • the lift frame 17 supports the blade 18.
  • the blade 18 moves up and down with the operation of the lift frame 17.
  • the lift frame 17 may be attached to the traveling device 12.
  • the lift cylinder 19 is connected to the vehicle body 11 and the lift frame 17. As the lift cylinder 19 expands and contracts, the lift frame 17 moves up and down.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the control system 3 of the work machine 1.
  • the control system 3 is mounted on the work machine 1.
  • the work machine 1 includes an engine 22, a hydraulic pump 23, and a power transmission device 24.
  • the hydraulic pump 23 is driven by the engine 22 and discharges hydraulic oil.
  • the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 23 is supplied to the lift cylinder 19.
  • one hydraulic pump 23 is shown in FIG. 2, a plurality of hydraulic pumps may be provided.
  • the power transmission device 24 transmits the driving force of the engine 22 to the traveling device 12.
  • the power transmission device 24 may be, for example, an HST (Hydro Static Transmission).
  • the power transmission device 24 may be, for example, a torque converter or a transmission having a plurality of transmission gears.
  • the control system 3 includes an input device 25, a controller 26, and a control valve 27.
  • the input device 25 is arranged in the driver's cab 14.
  • the input device 25 can be operated by an operator.
  • the input device 25 outputs an operation signal corresponding to the operation by the operator.
  • the input device 25 outputs an operation signal to the controller 26.
  • the input device 25 includes an operator such as an operation lever, a pedal, or a switch for operating the traveling device 12 and the working machine 13.
  • the input device 25 may include a touch panel.
  • the travel of the work machine 1 such as forward movement and reverse movement is controlled according to the operation of the input device 25.
  • Operations such as raising and lowering of the working machine 13 are controlled according to the operation of the input device 25.
  • the controller 26 is programmed to control the work machine 1 based on the acquired data.
  • the controller 26 includes a storage device 28 and a processor 29.
  • the storage device 28 includes a non-volatile memory such as ROM and a volatile memory such as RAM.
  • the storage device 28 may include a hard disk or an auxiliary storage device such as an SSD (Solid State Drive).
  • the storage device 28 is an example of a recording medium that can be read by a non-transitory computer.
  • the storage device 28 stores computer commands and data for controlling the work machine 1.
  • the processor 29 is, for example, a CPU (central processing unit).
  • the processor 29 executes a process for controlling the work machine 1 according to a program.
  • the controller 26 causes the work machine 1 to travel by controlling the traveling device 12 or the power transmission device 24.
  • the controller 26 moves the blade 18 up and down by controlling the control valve 27.
  • the control valve 27 is a proportional control valve and is controlled by a command signal from the controller 26.
  • the control valve 27 is arranged between the hydraulic actuator such as the lift cylinder 19 and the hydraulic pump 23.
  • the control valve 27 controls the flow rate of the hydraulic oil supplied from the hydraulic pump 23 to the lift cylinder 19.
  • the controller 26 generates a command signal to the control valve 27 so that the blade 18 operates. As a result, the lift cylinder 19 is controlled.
  • the control valve 27 may be a pressure proportional control valve. Alternatively, the control valve 27 may be an electromagnetic proportional control valve.
  • the control system 3 includes a position sensor 33.
  • the position sensor 33 includes a GNSS (Global Navigation Satellite System) receiver such as a GPS (Global Positioning System).
  • the position sensor 33 receives a positioning signal from the satellite and acquires the current position of the work machine 1 from the positioning signal.
  • the controller 26 calculates the cutting edge position of the blade 18 from the current position of the work machine 1.
  • the controller 26 acquires the current terrain data.
  • the current terrain data shows the current terrain of the work site.
  • the current terrain data shows a three-dimensional survey map of the current terrain.
  • FIG. 3 is a side view showing an example of the current topography 50.
  • the current terrain data shows the coordinates and altitudes of a plurality of points on the current terrain 50.
  • the initial current topographical data is stored in the storage device 28 in advance.
  • early current terrain data may be obtained by laser surveying.
  • the controller 26 acquires the latest current terrain data while the work machine 1 is moving, and updates the current terrain data. Specifically, the controller 26 acquires the heights of a plurality of points on the current terrain 50 through which the track 16 has passed. Alternatively, the controller 26 may acquire the latest current terrain data from an external device of the work machine 1.
  • the control system 3 includes a soil volume sensor 34.
  • the soil volume sensor 34 detects the actual amount of soil held by the blade 18.
  • the controller 26 acquires soil volume data indicating the actual soil volume from the soil volume sensor 34.
  • the soil volume sensor 34 may be, for example, a hydraulic sensor that detects the load received by the blade 18.
  • the controller 26 may calculate the actual amount of soil from the load received by the blade 18.
  • the soil volume sensor 34 may be a scanning device such as Lidar (light detection and ringing), or a camera.
  • the controller 26 may calculate the actual amount of soil from the shape of the soil held by the blade 18 or the image.
  • the controller 26 may calculate the actual amount of soil from the current topography 50 before excavation and the trajectory of the cutting edge of the blade 18 at the time of excavation.
  • the automatic control of the work machine 1 may be a semi-automatic control performed in combination with a manual operation by the operator.
  • the automatic control of the work machine 1 may be a fully automatic control performed without manual operation by the operator.
  • 4 and 5 are flowcharts showing the processing of automatic control of the work machine 1.
  • step S101 the controller 26 acquires the current position data.
  • the current position data indicates the current cutting edge position of the blade 18.
  • the controller 26 acquires the current terrain data.
  • the controller 26 acquires the target terrain data.
  • the target terrain data indicates the target terrain 60 for work by the work machine 1.
  • the target terrain 60 is a target profile of the terrain to be worked on, and shows a desired shape as a result of excavation work.
  • the target terrain data shows the lower limit of the target excavation depth due to excavation. At least a part of the target terrain 60 is located below the current terrain 50.
  • the target terrain data may be generated by the operation of the input device 25 by the operator. Alternatively, the target terrain data may be automatically generated by the controller 26 based on the current terrain data.
  • the target terrain 60 is horizontal. However, the target terrain 60 may be inclined with respect to the horizontal direction.
  • step S104 the controller 26 acquires work data.
  • the work data includes the position of the end of excavation by the work machine 1, the target soil amount, the excavation distance L1, the angle A1 of the approach path, and the angle A2 of the exit path.
  • the target amount of soil indicates the target amount of soil excavated by the blade 18 in one pass.
  • One pass means a series of operations from the work machine 1 moving forward to start excavation to switching to reverse to finish excavation.
  • the excavation distance L1 indicates the distance between the first start position P1 and the excavation end.
  • the first start position P1 is the start position of excavation of the first path.
  • the controller 26 may acquire work data by operating the input device 25 by the operator. Alternatively, the controller 26 may acquire work data from an external computer that manages the construction of the work site. Alternatively, the controller 26 may automatically determine the work data.
  • step S105 the controller 26 determines the target excavation depth H1 of the first pass based on the work data.
  • the controller 26 determines the target excavation depth H1 of the first pass so that the excavated soil amount predicted based on the work data matches the target soil amount.
  • the hatched portion 51 (hereinafter referred to as “first cut 51”) in FIG. 3 corresponds to the predicted amount of excavated soil.
  • the controller 26 determines the target excavation depth H1 of the first pass so that the target trajectory 71 of the first pass, which will be described later, does not exceed the target terrain 60 downward.
  • the controller 26 determines the target trajectory 71 of the first pass.
  • the target track 71 of the first pass includes an approach road 71a, an intermediate road 71b, and an exit road 71c.
  • the approach road 71a extends from the first start position P1 at an angle A1.
  • the exit path 71c extends at an angle A2 to the position of the end of excavation.
  • the intermediate road 71b is located between the approach road 71a and the exit road 71c.
  • the intermediate road 71b is horizontal. However, the intermediate road 71b may be inclined with respect to the horizontal direction.
  • the controller 26 is based on the position of the excavation end, the excavation distance L1, the angle A1 of the approach road 71a, the angle A2 of the exit road 71c, and the target excavation depth H1 of the first pass.
  • the target trajectory 71 for one pass is determined.
  • the controller 26 determines the first start position P1 from the position of the excavation end and the excavation distance L1.
  • the controller 26 determines the target trajectory 71 of the first pass from the first start position P1, the angle A1 of the approach road 71a, the angle A2 of the exit road 71c, and the target excavation depth H1 of the first pass. At least a part of the target trajectory 71 of the first pass is located below the current terrain 50.
  • step S107 the controller 26 controls the blade 18 according to the target trajectory 71 of the first pass.
  • the controller 26 starts the work by the work machine 13 from the start position of the excavation, and controls the work machine 13 so as to move the cutting edge of the blade 18 according to the target trajectory 71 of the first pass.
  • the controller 26 moves the cutting edge of the blade 18 from the first start position P1 toward the target trajectory 71 of the first pass, and moves along the target trajectory 71 of the first pass.
  • the blade 18 moves to the target excavation depth H1 of the first pass, and the first cut 51 is excavated.
  • the controller 26 moves the cutting edge of the blade 18 to the soil placement range beyond the excavation end. As a result, the excavated soil is discharged from the blade 18 in the soil placement range.
  • the cutting edge of the blade 18 does not always move along the target trajectory 71.
  • the cutting edge of the blade 18 may separate from the target trajectory 71.
  • the cutting edge of the blade 18 deviates from the target track 71 during the excavation of the previous path, a difference occurs between the target soil amount and the actual soil amount.
  • step S108 the controller 26 updates the current terrain data.
  • the current terrain 50 may be updated at any time.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the excavation process after the second pass. As shown in FIG. 5, in step S201, the controller 26 acquires the actual amount of soil excavated in the previous path.
  • step S202 the controller 26 corrects the target soil amount based on the actual soil amount.
  • step S202 the controller 26 calculates the difference between the initial target soil amount and the actual soil amount.
  • the controller 26 corrects the target soil amount based on the difference. For example, the controller 26 corrects the target soil amount by subtracting the value obtained by multiplying the difference by a predetermined coefficient from the initial target soil amount. Alternatively, the controller 26 may use the actual soil amount as the target soil amount.
  • step S203 the controller 26 acquires the retreat distance.
  • the retreat distance indicates the distance from the start position of excavation of the previous path to the start position of excavation of the next path, or the distance from the position of the end of excavation to the first start position P1.
  • the controller 26 may acquire the backward distance by operating the input device 25 by the operator.
  • the controller 26 may acquire the retreat distance from an external computer that manages the construction of the work site.
  • the controller 26 may automatically determine the retreat distance.
  • step S204 the controller 26 corrects the target excavation depth based on the corrected target soil volume.
  • the controller 26 corrects the target excavation depth based on the corrected target soil volume, the retreat distance, and the approach path angle A1.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the current terrain 50 at the start of excavation of the second pass.
  • the controller 26 determines the target excavation depth H2 of the second pass based on the modified target soil volume.
  • the controller 26 determines the target excavation depth H2 of the second pass so that the excavated soil amount predicted based on the work data matches the modified target soil amount.
  • the hatched portion 52 (hereinafter referred to as “second cut 52”) in FIG. 6 corresponds to the predicted amount of excavated soil.
  • the controller 26 determines the target excavation depth H2 of the second pass so that the target trajectory 72 of the second pass, which will be described later, does not exceed the target terrain 60 downward.
  • step S205 the controller 26 determines whether the modified target excavation depth has reached the target terrain 60. For example, in FIG. 6, the target excavation depth H2 of the second pass has not reached the target terrain 60. In that case, the process proceeds to step S206.
  • step S206 the controller 26 determines the target trajectory of the next path.
  • the controller 26 is based on the start position of excavation of the previous path, the end position of excavation, the retreat distance, the angle A1 of the approach path, the angle A2 of the exit path, and the modified target excavation depth. Determine the target trajectory of the path.
  • the controller 26 determines the second start position P2 from the first start position P1 and the retreat distance L2.
  • the second start position P2 is the start position of excavation of the second path.
  • the controller 26 determines the target trajectory 72 of the second pass from the second start position P2, the excavation end position, the approach path angle A1, the exit path angle A2, and the modified target excavation depth H2. decide.
  • step S207 the controller 26 controls the working machine 13 according to the target trajectory determined in step S206. As shown in FIG. 6, the controller 26 controls the working machine 13 according to the target trajectory 72 of the second pass. As a result, the blade 18 moves to the target excavation depth H2 of the second pass, and the second cut 52 is excavated.
  • step S208 the controller 26 updates the current terrain data as in step S108.
  • step S205 when the modified target excavation depth reaches the target terrain 60, the process proceeds to step S209.
  • step S209 the controller 26 corrects the retreat distance based on the corrected target soil volume. The controller 26 corrects the retreat distance so that the excavated soil amount predicted based on the work data matches the corrected target soil amount.
  • FIG. 7 is a diagram showing the current terrain 50 at the start of excavation of the third pass.
  • the target excavation depth H3 of the third pass has reached the target terrain 60.
  • the controller 26 determines the retreat distance L3 of the third pass based on the modified target soil volume.
  • the controller 26 determines the retreat distance L3 of the third pass so that the excavated soil volume predicted based on the work data matches the modified target soil volume.
  • the hatched portion 53 hereinafter referred to as “third cut 53”) in FIG. 7 corresponds to the amount of excavated soil predicted in the third pass.
  • the controller 26 determines the third start position P3 from the second start position P2 and the modified retreat distance L3.
  • the third start position P3 is the start position of excavation of the third path.
  • the controller 26 determines the target trajectory 73 of the third pass from the third start position P3, the position of the excavation end, the angle A1 of the approach path, the angle A2 of the exit path, and the target excavation depth H3.
  • the controller 26 controls the working machine 13 according to the target trajectory 73 of the third pass. As a result, as shown in FIG. 7, the third cut 53 is excavated.
  • the controller 26 corrects the target soil amount and determines the retreat distance L4 of the 4th pass based on the corrected target soil amount as in the 3rd pass.
  • the controller 26 determines the retreat distance L4 of the fourth pass so that the excavated soil volume predicted based on the work data matches the modified target soil volume.
  • the hatched portion 54 (hereinafter referred to as “fourth cut 54”) in FIG. 7 corresponds to the amount of excavated soil predicted in the fourth pass.
  • the controller 26 determines the fourth start position P4 from the third start position P3 and the modified retreat distance L4.
  • the controller 26 determines the target trajectory 74 of the fourth pass from the fourth start position P4, the position of the excavation end, the angle A1 of the approach path, the angle A2 of the exit path, and the target excavation depth H3.
  • the controller 26 controls the working machine 13 according to the target trajectory 74 of the fourth pass. As a result, as shown in FIG. 7, the fourth cut 54 is excavated.
  • the current terrain 50 is excavated so as to approach the target terrain 60. Further, when the excavation of one target terrain 60 is completed, the controller 26 performs the same work as described above for the next target terrain located further below.
  • the target soil amount is modified based on the actual soil amount, and the target excavation depth of the next path is modified based on the modified target soil amount. Is determined.
  • the automatic control of the work machine 1 it is possible to suppress a decrease in work efficiency due to factors such as soil hardness.
  • the work machine 1 is not limited to the bulldozer, and may be another vehicle such as a wheel loader, a motor grader, or a hydraulic excavator.
  • the work machine 1 may be a vehicle driven by an electric motor.
  • the controller 26 may have a plurality of controllers that are separate from each other.
  • the processing by the controller 26 may be distributed to a plurality of controllers and executed.
  • the above-mentioned processing may be distributed to a plurality of processors and executed.
  • the work machine 1 may be a vehicle that can be remotely controlled. In that case, a part of the control system 3 may be arranged outside the work machine 1.
  • the controller 26 may include a remote controller 261 and an in-vehicle controller 262.
  • the remote controller 261 may be arranged outside the work machine 1.
  • the remote controller 261 may be arranged in a management center outside the work machine 1.
  • the in-vehicle controller 262 may be mounted on the work machine 1.
  • the input device 25 may be arranged outside the work machine 1.
  • the input device 25 may be omitted from the work machine 1. In that case, the driver's cab may be omitted from the work machine 1.
  • the remote controller 261 and the in-vehicle controller 262 may be able to communicate wirelessly via the communication devices 38 and 39. Then, a part of the functions of the controller 26 described above may be executed by the remote controller 261 and the remaining functions may be executed by the in-vehicle controller 262. For example, the process of determining the target trajectory may be executed by the remote controller 261. The process of outputting the command signal to the work machine 13 may be executed by the vehicle-mounted controller 262.
  • the automatic control process is not limited to that of the above-described embodiment, and may be changed, omitted, or added.
  • the execution order of the automatic control processing is not limited to that of the above-described embodiment, and may be changed.

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Abstract

コントローラは、掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離とに基づいて、第1パスの目標掘削深さを決定する。コントローラは、第1パスの目標掘削深さまで作業機を動作させて第1パスの掘削を実行する。コントローラは、第1パスで掘削された実際の土量を取得する。コントローラは、実際の土量に基づいて、目標土量を修正する。コントローラは、修正された目標土量に基づいて、第2パスの目標掘削深さを決定する。コントローラは、第2パスの目標掘削深さまで作業機を動作させて第2パスの掘削を実行する。

Description

作業機械を制御するためのシステム及び方法
 本開示は、作業機械を制御するためのシステム及び方法に関する。
 従来、作業機械を自動的に制御するシステムが知られている。例えば、特許文献1のシステムでは、コントローラが、作業現場での作業機の動くべき目標プロファイルを作業現場の地形などから予め設定する。コントローラは、作業現場の現況地形上の開始位置から掘削を開始し、目標プロファイルに沿って作業機を動作させる。
米国特許第8639393号
 地形、土質、或いは土の硬さなどの要因により、作業機が、目標とする終了位置まで到達する前に、目標プロファイルから離れてしまうことがある。その場合、そのまま作業が継続されると、地形に凹凸を作り出すことになり、作業効率が低下してしまう。
 本開示の目的は、作業機械の自動制御において、土の硬さなどの要因による作業効率の低下を抑えることにある。
 第1の態様に係るシステムは、作業機を含む作業機械を制御するためのシステムである。当該システムは、コントローラを備える。コントローラは、作業機械による掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離とを取得する。コントローラは、掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離とに基づいて、第1パスの目標掘削深さを決定する。コントローラは、第1パスの目標掘削深さまで作業機を動作させて第1パスの掘削を実行する。コントローラは、第1パスで掘削された実際の土量を取得する。コントローラは、実際の土量に基づいて、目標土量を修正する。コントローラは、修正された目標土量に基づいて、第2パスの目標掘削深さを決定する。コントローラは、第2パスの目標掘削深さまで作業機を動作させて第2パスの掘削を実行する。
 第2の態様に係る方法は、作業機を含む作業機械を制御するためにコントローラによって実行される方法である。当該方法は、以下の処理を備える。第1の処理は、作業機械による掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離とを取得することである。第2の処理は、掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離とに基づいて、第1パスの目標掘削深さを決定することである。第3の処理は、第1パスの目標掘削深さまで作業機を動作させて第1パスの掘削を実行することである。第4の処理は、第1パスで掘削された実際の土量を取得することである。第5の処理は、実際の土量に基づいて、目標土量を修正することである。第6の処理は、修正された目標土量に基づいて、第2パスの目標掘削深さを決定することである。第7の処理は、第2パスの目標掘削深さまで作業機を動作させて第2パスの掘削を実行することである。
 第3の態様に係るシステムは、作業機を含む作業機械を制御するためのシステムである。当該システムは、コントローラを備える。コントローラは、作業機械による掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離とを取得する。コントローラは、掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離とに基づいて、第1パスの目標掘削深さを決定する。コントローラは、第1パスの目標掘削深さまで作業機を動作させて、第1パスの掘削を実行する。
 本開示によれば、作業機械の自動制御において、土の硬さなどの要因による作業効率の低下を抑えることができる。
実施形態に係る作業機械を示す側面図である。 作業機械の制御システムの構成を示すブロック図である。 現況地形の一例を示す側面図である。 作業機械の自動制御の処理を示すフローチャートである。 作業機械の自動制御の処理を示すフローチャートである。 第2パスの掘削の開始時の現況地形の一例を示す図である。 第3パスの掘削の開始時の現況地形の一例を示す図である。 他の実施形態に係る制御システムの構成を示すブロック図である。
 以下、実施形態に係る作業機械1について、図面を参照しながら説明する。図1は、実施形態に係る作業機械1を示す側面図である。本実施形態に係る作業機械1は、ブルドーザである。作業機械1は、車体11と、走行装置12と、作業機13とを含む。
 車体11は、運転室14とエンジン室15とを含む。運転室14には、図示しない運転席が配置されている。走行装置12は、車体11に取り付けられている。走行装置12は、左右の履帯16を有している。なお、図1では、左側の履帯16のみが図示されている。履帯16が回転することによって、作業機械1が走行する。
 作業機13は、車体11に取り付けられている。作業機13は、リフトフレーム17と、ブレード18と、リフトシリンダ19とを含む。リフトフレーム17は、上下に動作可能に車体11に取り付けられている。リフトフレーム17は、ブレード18を支持している。ブレード18は、リフトフレーム17の動作に伴って上下に移動する。リフトフレーム17は、走行装置12に取り付けられてもよい。リフトシリンダ19は、車体11とリフトフレーム17とに連結されている。リフトシリンダ19が伸縮することによって、リフトフレーム17は、上下に動作する。
 図2は、作業機械1の制御システム3の構成を示すブロック図である。本実施形態では、制御システム3は、作業機械1に搭載されている。図2に示すように、作業機械1は、エンジン22と、油圧ポンプ23と、動力伝達装置24とを含む。油圧ポンプ23は、エンジン22によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ23から吐出された作動油は、リフトシリンダ19に供給される。なお、図2では、1つの油圧ポンプ23が図示されているが、複数の油圧ポンプが設けられてもよい。
 動力伝達装置24は、エンジン22の駆動力を走行装置12に伝達する。動力伝達装置24は、例えば、HST(Hydro Static Transmission)であってもよい。或いは、動力伝達装置24は、例えば、トルクコンバーター、或いは複数の変速ギアを有するトランスミッションであってもよい。
 制御システム3は、入力装置25と、コントローラ26と、制御弁27とを備える。入力装置25は、運転室14に配置されている。入力装置25は、オペレータによって操作可能である。入力装置25は、オペレータによる操作に応じた操作信号を出力する。入力装置25は、コントローラ26に操作信号を出力する。
 入力装置25は、走行装置12と作業機13とを操作するための操作レバー、ペダル、或いはスイッチ等の操作子を含む。入力装置25は、タッチパネルを含んでもよい。入力装置25の操作に応じて、作業機械1の前進及び後進などの走行が制御される。入力装置25の操作に応じて、作業機13の上昇及び下降などの動作が制御される。
 コントローラ26は、取得したデータに基づいて作業機械1を制御するようにプログラムされている。コントローラ26は、記憶装置28とプロセッサ29とを含む。記憶装置28は、ROMなどの不揮発性メモリと、RAMなどの揮発性メモリとを含む。記憶装置28は、ハードディスク、或いはSSD(Solid State Drive)などの補助記憶装置を含んでもよい。記憶装置28は、非一時的な(non-transitory)コンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置28は、作業機械1を制御するためのコンピュータ指令及びデータを記憶している。
 プロセッサ29は、例えばCPU(central processing unit)である。プロセッサ29は、プログラムに従って、作業機械1を制御するための処理を実行する。コントローラ26は、走行装置12、或いは動力伝達装置24を制御することで、作業機械1を走行させる。コントローラ26は、制御弁27を制御することで、ブレード18を上下に移動させる。
 制御弁27は、比例制御弁であり、コントローラ26からの指令信号によって制御される。制御弁27は、リフトシリンダ19などの油圧アクチュエータと、油圧ポンプ23との間に配置される。制御弁27は、油圧ポンプ23から、リフトシリンダ19に供給される作動油の流量を制御する。コントローラ26は、ブレード18が動作するように、制御弁27への指令信号を生成する。これにより、リフトシリンダ19が制御される。なお、制御弁27は、圧力比例制御弁であってもよい。或いは、制御弁27は、電磁比例制御弁であってもよい。
 図2に示すように、制御システム3は、位置センサ33を含む。位置センサ33は、例えばGPS(Global Positioning System)などのGNSS(Global Navigation Satellite System)レシーバを含む。位置センサ33は、衛星より測位信号を受信し、測位信号により、作業機械1の現在位置を取得する。コントローラ26は、作業機械1の現在位置からブレード18の刃先位置を算出する。
 コントローラ26は、現況地形データを取得する。現況地形データは、作業現場の現況地形を示す。現況地形データは、現況地形の三次元測量図を示す。図3は、現況地形50の一例を示す側面図である。現況地形データは、現況地形50上の複数の地点の座標と高度とを示す。
 初期の現況地形データは、予め記憶装置28に保存されている。例えば、初期の現況地形データは、レーザ測量によって得られてもよい。コントローラ26は、作業機械1の移動中に、最新の現況地形データを取得して、現況地形データを更新する。詳細には、コントローラ26は、履帯16が通過した現況地形50上の複数の地点の高さを取得する。或いは、コントローラ26は、作業機械1の外部の機器から、最新の現況地形データを取得してもよい。
 制御システム3は、土量センサ34を含む。土量センサ34は、ブレード18に保持されている実際の土量を検出する。コントローラ26は、実際の土量を示す土量データを土量センサ34から取得する。土量センサ34は、例えば、ブレード18が受ける負荷を検出する油圧センサであってもよい。コントローラ26は、ブレード18が受ける負荷から実際の土量を算出してもよい。或いは、土量センサ34は、Lidar(light detection and ranging)などの走査装置、或いはカメラであってもよい。コントローラ26は、ブレード18に保持されている土の形状、或いは画像から実際の土量を算出してもよい。或いは、コントローラ26は、掘削前の現況地形50と、掘削時のブレード18の刃先の軌跡とから実際の土量を算出してもよい。
 次に、コントローラ26によって実行される作業機械1の自動制御について説明する。なお、作業機械1の自動制御は、オペレータによる手動操作と合わせて行われる半自動制御であってもよい。或いは、作業機械1の自動制御は、オペレータによる手動操作無しで行われる完全自動制御であってもよい。以下の説明では、作業機械1は、例えばスロットドージングにおける各スロットを前後に行き来して、各スロットの掘削を行うものとする。図4及び図5は、作業機械1の自動制御の処理を示すフローチャートである。
 図4に示すように、ステップS101では、コントローラ26は、現在位置データを取得する。現在位置データは、ブレード18の現在の刃先位置を示す。ステップS102では、コントローラ26は、現況地形データを取得する。
 ステップS103では、コントローラ26は、目標地形データを取得する。図3に示すように、目標地形データは、作業機械1による作業の目標地形60を示す。目標地形60は、作業対象である地形の目標プロファイルであり、掘削作業の結果として望まれる形状を示す。目標地形データは、掘削による目標掘削深さの下限値を示す。目標地形60の少なくとも一部は、現況地形50よりも下方に位置する。目標地形データは、オペレータによる入力装置25の操作によって生成されてもよい。或いは、目標地形データは、現況地形データに基づいて、コントローラ26によって自動的に生成されてもよい。なお、図3において、目標地形60は水平である。しかし、目標地形60は、水平方向に対して傾斜していてもよい。
 ステップS104では、コントローラ26は、作業データを取得する。作業データは、作業機械1による掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離L1と、進入路の角度A1と、退出路の角度A2とを含む。目標土量は、1回のパスでブレード18によって掘削される土の目標量を示す。1回のパスは、作業機械1が前進して掘削を開始してから、後進に切り換えて掘削を終了するまでの一連の動作を意味する。
 図3に示すように、掘削距離L1は、第1開始位置P1と掘削終端との間の距離を示す。第1開始位置P1は、第1のパスの掘削の開始位置である。コントローラ26は、オペレータによる入力装置25の操作によって作業データを取得してもよい。或いは、コントローラ26は、作業現場の施工管理を行う外部のコンピュータから、作業データを取得してもよい。或いは、コントローラ26が自動的に作業データを決定してもよい。
 ステップS105では、コントローラ26は、作業データに基づいて、第1パスの目標掘削深さH1を決定する。コントローラ26は、作業データに基づいて予測される掘削土量が目標土量に一致するように、第1パスの目標掘削深さH1を決定する。なお、図3においてハッチングを付した部分51(以下、「第1カット51」と呼ぶ)が、予測される掘削土量に相当する。コントローラ26は、後述する第1パスの目標軌道71が目標地形60を下方に越えないように、第1パスの目標掘削深さH1を決定する。
 ステップS106では、コントローラ26は、第1パスの目標軌道71を決定する。図3に示すように、第1パスの目標軌道71は、進入路71aと、中間路71bと、退出路71cとを含む。進入路71aは、第1開始位置P1から角度A1で延びている。退出路71cは、掘削終端の位置へ角度A2で延びている。中間路71bは、進入路71aと退出路71cとの間に位置する。なお、図3に示す例では、中間路71bは水平である。しかし、中間路71bは、水平方向に対して傾斜していてもよい。
 コントローラ26は、掘削終端の位置と、掘削距離L1と、進入路71aの角度A1と、退出路71cの角度A2と、第1パスの目標掘削深さH1とに基づいて、作業機13の第1パスの目標軌道71を決定する。コントローラ26は、掘削終端の位置と掘削距離L1とから、第1開始位置P1を決定する。コントローラ26は、第1開始位置P1と、進入路71aの角度A1と、退出路71cの角度A2と、第1パスの目標掘削深さH1とから、第1パスの目標軌道71を決定する。第1パスの目標軌道71の少なくとも一部は、現況地形50よりも下方に位置する。
 ステップS107では、コントローラ26は、第1パスの目標軌道71に従ってブレード18を制御する。コントローラ26は、掘削の開始位置から作業機13による作業を開始し、第1パスの目標軌道71に従ってブレード18の刃先を移動させるように、作業機13を制御する。例えば、図3に示すように、コントローラ26は、ブレード18の刃先を第1開始位置P1から第1パスの目標軌道71に向かって移動させ、第1パスの目標軌道71に沿って移動させる。それにより、第1パスの目標掘削深さH1までブレード18が移動し、第1カット51が掘削される。コントローラ26は、ブレード18の刃先を、掘削終端を越えた置土範囲まで移動させる。それにより、掘削された土が、置土範囲においてブレード18から排出される。
 掘削においては、ブレード18の刃先は、必ずしも目標軌道71に沿って移動するとは限らない。例えば、土が硬いなどの要因により、ブレード18への負荷が過大となったときに、ブレード18の刃先が、目標軌道71から離脱することがある。前回のパスの掘削時に、ブレード18の刃先が、目標軌道71から離脱したときには、目標土量と実際の土量とに差分が生じる。
 ステップS108では、コントローラ26は、現況地形データを更新する。現況地形50の更新は、随時、行われてもよい。第1パスの掘削が完了すると、作業機械1は、後退して第2開始位置P2に移動する。そして、作業機械1は、第2開始位置P2から第2パスの掘削を開始する。
 図5は、第2パス以降の掘削の処理を示すフローチャートである。図5に示すように、ステップS201では、コントローラ26は、前回のパスで掘削された実際の土量を取得する。
 ステップS202では、コントローラ26は、実際の土量に基づいて、目標土量を修正する。ステップS202では、コントローラ26は、当初の目標土量と実際の土量との差分を算出する。コントローラ26は、差分に基づいて、目標土量を修正する。例えば、コントローラ26は、差分に所定の係数を乗じた値を当初の目標土量から減ずることで、目標土量を修正する。或いは、コントローラ26は、実際の土量を目標土量としてもよい。
 ステップS203では、コントローラ26は、後退距離を取得する。後退距離は、前回のパスの掘削の開始位置から次回のパスの掘削の開始位置までの距離、又は、掘削終端の位置から第1開始位置P1までの距離を示す。コントローラ26は、オペレータによる入力装置25の操作によって後退距離を取得してもよい。或いは、コントローラ26は、作業現場の施工管理を行う外部のコンピュータから、後退距離を取得してもよい。或いは、コントローラ26が自動的に後退距離を決定してもよい。
 ステップS204では、コントローラ26は、修正された目標土量に基づいて、目標掘削深さを修正する。コントローラ26は、修正された目標土量と、後退距離と、進入路の角度A1とに基づいて、目標掘削深さを修正する。例えば、図6は、第2パスの掘削の開始時の現況地形50の一例を示す図である。
 図6に示すように、コントローラ26は、修正された目標土量に基づいて、第2パスの目標掘削深さH2を決定する。コントローラ26は、作業データに基づいて予測される掘削土量が、修正された目標土量に一致するように、第2パスの目標掘削深さH2を決定する。なお、図6においてハッチングを付した部分52(以下、「第2カット52」と呼ぶ)が、予測される掘削土量に相当する。コントローラ26は、後述する第2パスの目標軌道72が目標地形60を下方に越えないように、第2パスの目標掘削深さH2を決定する。
 ステップS205では、コントローラ26は、修正された目標掘削深さが目標地形60に到達したかを判定する。例えば、図6では、第2パスの目標掘削深さH2は、目標地形60に到達していない。その場合、処理はステップS206に進む。
 ステップS206では、コントローラ26は、次のパスの目標軌道を決定する。コントローラ26は、前回のパスの掘削の開始位置と、掘削終端の位置と、後退距離と、進入路の角度A1と、退出路の角度A2と、修正された目標掘削深さとに基づいて、次のパスの目標軌道を決定する。図6に示すように、コントローラ26は、第1開始位置P1と後退距離L2とから、第2開始位置P2を決定する。第2開始位置P2は、第2のパスの掘削の開始位置である。コントローラ26は、第2開始位置P2と、掘削終端の位置と、進入路の角度A1と、退出路の角度A2と、修正された目標掘削深さH2とから、第2パスの目標軌道72を決定する。
 ステップS207では、コントローラ26は、ステップS206で決定された目標軌道に従って、作業機13を制御する。図6に示すように、コントローラ26は、第2パスの目標軌道72に従って、作業機13を制御する。それにより、第2パスの目標掘削深さH2までブレード18が移動し、第2カット52が掘削される。ステップS208では、コントローラ26は、ステップS108と同様に、現況地形データを更新する。
 ステップS205において、修正された目標掘削深さが目標地形60に到達したときには、処理はステップS209に進む。ステップS209では、コントローラ26は、修正された目標土量に基づいて、後退距離を修正する。コントローラ26は、作業データに基づいて予測される掘削土量が、修正された目標土量に一致するように、後退距離を修正する。
 例えば、図7は、第3パスの掘削の開始時の現況地形50を示す図である。図7に示すように、第3パスの目標掘削深さH3は、目標地形60に到達している。この場合、コントローラ26は、修正された目標土量に基づいて、第3パスの後退距離L3を決定する。コントローラ26は、作業データに基づいて予測される掘削土量が、修正された目標土量に一致するように、第3パスの後退距離L3を決定する。なお、図7においてハッチングを付した部分53(以下、「第3カット53」と呼ぶ)が、第3パスにおいて予測される掘削土量に相当する。
 コントローラ26は、第2開始位置P2と、修正された後退距離L3とから第3開始位置P3を決定する。第3開始位置P3は、第3のパスの掘削の開始位置である。コントローラ26は、第3開始位置P3と、掘削終端の位置と、進入路の角度A1と、退出路の角度A2と、目標掘削深さH3とから、第3パスの目標軌道73を決定する。コントローラ26は、第3パスの目標軌道73に従って、作業機13を制御する。それにより、図7に示すように、第3カット53が掘削される。
 第4パスの掘削についても、第3パスと同様に、コントローラ26は、目標土量を修正し、修正された目標土量に基づいて、第4パスの後退距離L4を決定する。コントローラ26は、作業データに基づいて予測される掘削土量が、修正された目標土量に一致するように、第4パスの後退距離L4を決定する。なお、図7においてハッチングを付した部分54(以下、「第4カット54」と呼ぶ)が、第4パスにおいて予測される掘削土量に相当する。
 コントローラ26は、第3開始位置P3と、修正された後退距離L4とから第4開始位置P4を決定する。コントローラ26は、第4開始位置P4と、掘削終端の位置と、進入路の角度A1と、退出路の角度A2と、目標掘削深さH3とから、第4パスの目標軌道74を決定する。コントローラ26は、第4パスの目標軌道74に従って、作業機13を制御する。それにより、図7に示すように、第4カット54が掘削される。
 以上の作業が繰り返されることで、現況地形50が目標地形60に近づくように掘削される。また、1つの目標地形60の掘削が完了すると、コントローラ26は、さらに下方に位置する次の目標地形について、上記と同様の作業を行う。
 以上説明した、本実施形態に係る作業機械1の制御システム3では、実際の土量に基づいて目標土量が修正され、修正された目標土量に基づいて、次のパスの目標掘削深さが決定される。それにより、作業機械1の自動制御において、土の硬さなどの要因による作業効率の低下を抑えることができる。
 以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
 作業機械1は、ブルドーザに限らず、ホイールローダ、モータグレーダ、油圧ショベル等の他の車両であってもよい。作業機械1は、電動モータで駆動される車両であってもよい。
 コントローラ26は、互いに別体の複数のコントローラを有してもよい。コントローラ26による処理は、複数のコントローラに分散して実行されてもよい。上述した処理は、複数のプロセッサに分散して実行されてもよい。
 作業機械1は、遠隔操縦可能な車両であってもよい。その場合、制御システム3の一部は、作業機械1の外部に配置されてもよい。例えば、図8に示すように、コントローラ26は、リモートコントローラ261と車載コントローラ262とを含んでもよい。リモートコントローラ261は、作業機械1の外部に配置されてもよい。例えば、リモートコントローラ261は、作業機械1の外部の管理センタに配置されてもよい。車載コントローラ262は、作業機械1に搭載されてもよい。入力装置25は、作業機械1の外部に配置されてもよい。入力装置25が作業機械1から省略されてもよい。その場合、運転室は、作業機械1から省略されてもよい。
 リモートコントローラ261と車載コントローラ262とは、通信装置38,39を介して無線により通信可能であってもよい。そして、上述したコントローラ26の機能の一部がリモートコントローラ261によって実行され、残りの機能が車載コントローラ262によって実行されてもよい。例えば、目標軌道を決定する処理は、リモートコントローラ261によって実行されてもよい。作業機13への指令信号を出力する処理は、車載コントローラ262によって実行されてもよい。
 自動制御の処理は、上述した実施形態のものに限らず、変更、省略、或いは追加されてもよい。自動制御の処理の実行順序は、上述した実施形態のものに限らず、変更されてもよい。
 本開示によれば、作業機械の自動制御において、土の硬さなどの要因による作業効率の低下を抑えることができる。
1   作業機械
13  作業機
26  コントローラ
 

Claims (15)

  1.  作業機を含む作業機械を制御するためのシステムであって、
     コントローラを備え、
     前記コントローラは、
      前記作業機械による掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離とを取得し、
      前記掘削終端の位置と、前記目標土量と、前記掘削距離とに基づいて、第1パスの目標掘削深さを決定し、
      前記第1パスの目標掘削深さまで前記作業機を動作させて前記第1パスの掘削を実行し、
      前記第1パスで掘削された実際の土量を取得し、
      前記実際の土量に基づいて、前記目標土量を修正し、
      修正された目標土量に基づいて、第2パスの目標掘削深さを決定し、
      前記第2パスの目標掘削深さまで前記作業機を動作させて前記第2パスの掘削を実行する、
    システム。
  2.  前記コントローラは、
      進入路の角度を取得し、
      前記掘削終端の位置と、前記目標土量と、前記掘削距離と、前記進入路の角度とに基づいて、前記第1パスの目標掘削深さを決定する、
    請求項1に記載のシステム。
  3.  前記コントローラは、
      退出路の角度を取得し、
      前記掘削終端の位置と、前記目標土量と、前記掘削距離と、前記進入路の角度と、前記退出路の角度とに基づいて、前記第1パスの目標掘削深さを決定する、
    請求項2に記載のシステム。
  4.  前記コントローラは、
      前記掘削終端の位置と、前記掘削距離と、前記進入路の角度と、前記退出路の角度と、前記第1パスの目標掘削深さとに基づいて、第1パスの目標軌道を決定し、
      前記第1パスの掘削において、前記第1パスの目標軌道に従って前記作業機を動作させるように制御する、
    請求項3に記載のシステム。
  5.  前記コントローラは、
      前回のパスの掘削開始位置から次回のパスの掘削開始位置までの距離、又は、前記掘削終端の位置から前記第1パスの掘削開始位置までの距離を示す後退距離を取得し、
      前記修正された目標土量と、前記後退距離とに基づいて、前記第2パスの目標掘削深さを決定する、
    請求項1に記載のシステム。
  6.  前記コントローラは、
      進入路の角度を取得し、
      前記修正された目標土量と、前記後退距離と、前記進入路の角度とに基づいて、前記第2パスの目標掘削深さを決定する、
    請求項5に記載のシステム。
  7.  前記コントローラは、
      前回のパスの掘削開始位置から次回のパスの掘削開始位置までの距離、又は、前記掘削終端の位置から前記第1パスの掘削開始位置までの距離を示す後退距離を取得し、
      前記目標掘削深さの下限値を取得し、
      前記目標掘削深さが前記下限値に到達するまでは、前記修正された目標土量と、前記後退距離とに基づいて、次回のパスの前記目標掘削深さを決定し、
      前記目標掘削深さが前記下限値に到達した後には、前記修正された目標土量に基づいて前記後退距離を修正する、
    請求項1に記載のシステム。
  8.  作業機を含む作業機械を制御するためにコントローラによって実行される方法であって、
     前記作業機械による掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離とを取得することと、
     前記掘削終端の位置と、前記目標土量と、前記掘削距離とに基づいて、第1パスの目標掘削深さを決定することと、
     前記第1パスの目標掘削深さまで前記作業機を動作させて前記第1パスの掘削を実行することと、
     前記第1パスで掘削された実際の土量を取得することと、
     前記実際の土量に基づいて、前記目標土量を修正することと、
     修正された目標土量に基づいて、第2パスの目標掘削深さを決定することと、
     前記第2パスの目標掘削深さまで前記作業機を動作させて前記第2パスの掘削を実行すること、
    を備える方法。
  9.  進入路の角度を取得することと、
     前記掘削終端の位置と、前記目標土量と、前記掘削距離と、前記進入路の角度とに基づいて、前記第1パスの目標掘削深さを決定すること、
    をさらに備える請求項8に記載の方法。
  10.  退出路の角度を取得することと、
      前記掘削終端の位置と、前記目標土量と、前記掘削距離と、前記進入路の角度と、前記退出路の角度とに基づいて、前記第1パスの目標掘削深さを決定すること
    をさらに備える請求項9に記載の方法。
  11.  前記掘削終端の位置と、前記掘削距離と、前記進入路の角度と、前記退出路の角度と、前記第1パスの目標掘削深さとに基づいて、第1パスの目標軌道を決定することと、
     前記第1パスの掘削において、前記第1パスの目標軌道に従って前記作業機を動作させるように制御すること
    をさらに備える請求項10に記載の方法。
  12.  前回のパスの掘削開始位置から次回のパスの掘削開始位置までの距離、又は、前記掘削終端の位置から前記第1パスの掘削開始位置までの距離を示す後退距離を取得することと、
     前記修正された目標土量と、前記後退距離とに基づいて、前記第2パスの目標掘削深さを決定すること、
    をさらに備える請求項8に記載の方法。
  13.  進入路の角度を取得することと、
     前記修正された目標土量と、前記後退距離と、前記進入路の角度とに基づいて、前記第2パスの目標掘削深さを決定すること、
    をさらに備える請求項12に記載の方法。
  14.  前回のパスの掘削開始位置から次回のパスの掘削開始位置までの距離、又は、前記掘削終端の位置から前記第1パスの掘削開始位置までの距離を示す後退距離を取得することと、
     前記目標掘削深さの下限値を取得することと、
     前記目標掘削深さが前記下限値に到達するまでは、前記修正された目標土量と、前記後退距離とに基づいて、次回のパスの前記目標掘削深さを決定することと、
     前記目標掘削深さが前記下限値に到達した後には、前記修正された目標土量に基づいて前記後退距離を修正すること、
    をさらに備える請求項8に記載の方法。
  15.  作業機を含む作業機械を制御するためのシステムであって、
     コントローラを備え、
     前記コントローラは、
      前記作業機械による掘削終端の位置と、目標土量と、掘削距離とを取得し、
      前記掘削終端の位置と、前記目標土量と、前記掘削距離とに基づいて、第1パスの目標掘削深さを決定し、
      前記第1パスの目標掘削深さまで前記作業機を動作させて前記第1パスの掘削を実行する、
    システム。
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