WO2021241289A1 - 作業システムおよび制御方法 - Google Patents

作業システムおよび制御方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2021241289A1
WO2021241289A1 PCT/JP2021/018462 JP2021018462W WO2021241289A1 WO 2021241289 A1 WO2021241289 A1 WO 2021241289A1 JP 2021018462 W JP2021018462 W JP 2021018462W WO 2021241289 A1 WO2021241289 A1 WO 2021241289A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
arm
stage
boom
work
unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/018462
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
一尋 畠
立太 奥脇
Original Assignee
株式会社小松製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2020094389A external-priority patent/JP7572797B2/ja
Application filed by 株式会社小松製作所 filed Critical 株式会社小松製作所
Priority to US17/999,610 priority Critical patent/US20230193588A1/en
Priority to KR1020227041138A priority patent/KR20230003025A/ko
Priority to CN202180037865.3A priority patent/CN115667634A/zh
Priority to DE112021001939.2T priority patent/DE112021001939T5/de
Publication of WO2021241289A1 publication Critical patent/WO2021241289A1/ja

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—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
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for
    • E02F9/2033—Limiting the movement of frames or implements, e.g. to avoid collision between implements and the cabin
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—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
    • E02F3/30—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 with a dipper-arm pivoted on a cantilever beam, i.e. boom
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—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
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E02F3/437—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like providing automatic sequences of movements, e.g. linear excavation, keeping dipper angle constant
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—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
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E02F3/439—Automatic repositioning of the implement, e.g. automatic dumping, auto-return
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/40—Special vehicles
    • B60Y2200/41—Construction vehicles, e.g. graders, excavators
    • B60Y2200/412—Excavators

Definitions

  • Patent Document 1 discloses a technique relating to automatic operation of a hydraulic excavator. In the automatic operation of a hydraulic excavator, if the earth and sand held in the bucket spill during turning, the work efficiency will decrease. Patent Document 1 discloses a technique of dropping excess earth and sand held in a bucket after excavation and then performing a turning operation in order to prevent spillage of earth and sand.
  • An object of the present disclosure is to provide a working system and a control method capable of suppressing the fall of earth and sand from excavation to excavation.
  • the work system is a control device for a work machine including a boom, an arm and a bucket, based on a stage identification unit that specifies the work stage of the work machine and the specified work stage.
  • the target determination unit that determines the target posture of the boom and the arm
  • the control amount calculation unit that calculates the control amount of the boom and the arm based on the target posture
  • the specified work stage relate to hoist turning.
  • it is provided with a limiting unit that limits the control amount of the arm so that the change amount of the control amount of the arm is within a predetermined change amount.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a work system according to the first embodiment.
  • the work system 1 includes a work machine 100, one or more transport vehicles 200, and a control device 300.
  • the work system 1 is an automatic guided vehicle that automatically controls the work machine 100 and the transport vehicle 200 by the control device 300.
  • the transport vehicle 200 travels unmanned based on the course data (for example, speed data, coordinates that the transport vehicle 200 should travel) received from the control device 300.
  • the transport vehicle 200 and the control device 300 are connected by communication via the access point 400.
  • the control device 300 acquires a position and a direction from the transport vehicle 200, and generates course data used for traveling of the transport vehicle 200 based on these.
  • the control device 300 transmits the course data to the transport vehicle 200.
  • the transport vehicle 200 runs unmanned based on the received course data.
  • the work system 1 according to the first embodiment includes an automatic guided vehicle, but in other embodiments, a part or all of the automatic guided vehicles 200 may be operated by manned vehicles. In this case, the control device 300 does not need to transmit the course data and the instruction regarding loading, but acquires the position and direction of the transport vehicle 200.
  • the work machine 100 is unmanned and controlled according to an instruction received from the control device 300.
  • the work machine 100 and the control device 300 are connected by communication via the access point 400.
  • the work machine 100 and the transport vehicle 200 are provided at a work site (for example, a mine or a quarry).
  • the control device 300 may be provided at any place.
  • the control device 300 may be provided at a point (for example, in the city or in the work site) away from the work machine 100 and the transport vehicle 200.
  • the transport vehicle 200 is a dump truck provided with a vessel 201 (loading container).
  • the transport vehicle 200 according to another embodiment may be a transport vehicle other than a dump truck.
  • the transport vehicle 200 includes a vessel 201, a position / orientation calculator 210, and a control device 220.
  • the position / orientation calculator 210 calculates the position and orientation of the transport vehicle 200.
  • the position / orientation calculator 210 includes two receivers that receive positioning signals from artificial satellites constituting a GNSS (Global Navigation Satellite System).
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • An example of GNSS is GPS (Global Positioning System).
  • the two receivers are installed at different positions of the transport vehicle 200, respectively.
  • the position / orientation calculator 210 detects the position of the transport vehicle 200 in the field coordinate system based on the positioning signal received by the receiver.
  • the position / orientation calculator 210 uses each positioning signal received by the two receivers to calculate the orientation of the transport vehicle 200 as the relationship between the installation position of one receiver and the installation position of the other receiver.
  • the transport vehicle 200 may include an inertial measurement unit (IMU) and calculate the direction based on the measurement result of the inertial measurement unit. In this case, the drift of the inertial measurement unit may be corrected based on the traveling locus of the transport vehicle 200.
  • IMU inertial measurement unit
  • the control device 220 transmits the position and direction detected by the position / orientation calculator 210 to the control device 300.
  • the control device 220 receives the course data and the soil removal instruction, the entry instruction to the loading point P3, and the start instruction from the loading point P3 from the control device 300.
  • the control device 220 drives the transport vehicle 200 according to the received course data, or raises and lowers the vessel 201 of the transport vehicle 200 according to the soil removal instruction.
  • the control device 220 transmits a arrival notification indicating arrival at the destination to the control device 300.
  • FIG. 2 is an external view of the work machine 100 according to the first embodiment.
  • the work machine 100 according to the first embodiment is a hydraulic excavator.
  • the work machine 100 according to another embodiment may be a work vehicle other than the hydraulic excavator.
  • the work machine 100 includes a work machine 110 that is hydraulically operated, a swivel body 120 that supports the work machine 110, and a traveling body 130 that supports the swivel body 120.
  • the working machine 110 includes a boom 111, an arm 112, a bucket 113, a boom cylinder 114, an arm cylinder 115, a bucket cylinder 116, a boom angle sensor 117, an arm angle sensor 118, and a bucket angle sensor 119. Be prepared.
  • the base end portion of the boom 111 is attached to the front portion of the swivel body 120 via a pin.
  • the arm 112 connects the boom 111 and the bucket 113.
  • the base end portion of the arm 112 is attached to the tip end portion of the boom 111 via a pin.
  • the bucket 113 includes a blade for excavating an excavated object such as earth and sand and a container for transporting the excavated object.
  • the base end portion of the bucket 113 is attached to the tip end portion of the arm 112 via a pin.
  • the boom cylinder 114 is a hydraulic cylinder for operating the boom 111.
  • the base end of the boom cylinder 114 is attached to the swivel body 120.
  • the tip of the boom cylinder 114 is attached to the boom 111.
  • the arm cylinder 115 is a hydraulic cylinder for driving the arm 112.
  • the base end of the arm cylinder 115 is attached to the boom 111.
  • the tip of the arm cylinder 115 is attached to the arm 112.
  • the bucket cylinder 116 is a hydraulic cylinder for driving the bucket 113.
  • the base end of the bucket cylinder 116 is attached to the arm 112.
  • the tip of the bucket cylinder 116 is attached to the bucket link mechanism and operates the bucket 113 via the bucket link mechanism.
  • the boom angle sensor 117 is attached to the boom 111 and detects the tilt angle of the boom 111.
  • the arm angle sensor 118 is attached to the arm 112 and detects the tilt angle of the arm 112.
  • the bucket angle sensor 119 is attached to the bucket 113 and detects the tilt angle of the bucket 113.
  • the boom angle sensor 117, the arm angle sensor 118, and the bucket angle sensor 119 according to the first embodiment detect an inclination angle with respect to the ground plane.
  • the angle sensor according to another embodiment is not limited to this, and may detect an inclination angle with respect to another reference plane.
  • the angle sensor may detect the relative angle with respect to the mounting portion, or the stroke of each cylinder is measured and the stroke of the cylinder is converted into an angle to convert the tilt angle. May be detected.
  • the tilt angle and stroke amount (cylinder length) of the boom 111, the arm 112, and the bucket 113 represent the postures of the boom 111, the arm 112, and the bucket 113.
  • the work machine 100 includes a position / orientation calculator 123, an inclination measuring instrument 124, and a control device 125.
  • the position / orientation calculator 123 calculates the position of the swivel body 120 and the direction in which the swivel body 120 faces.
  • the position / orientation calculator 123 includes two receivers that receive positioning signals from artificial satellites constituting the GNSS. The two receivers are installed at different positions on the swivel body 120, respectively.
  • the position / orientation calculator 123 detects the position of the representative point of the swivel body 120 (the swivel center of the swivel body 120) in the field coordinate system based on the positioning signal received by one of the receivers.
  • the position / orientation calculator 123 calculates the orientation of the swivel body 120 as the relationship between the installation position of one receiver and the installation position of the other receiver by using each positioning signal received by the two receivers.
  • the inclination measuring instrument 124 measures the acceleration and the angular velocity of the swivel body 120, and detects the posture (for example, roll angle, pitch angle, yaw angle) of the swivel body 120 based on the measurement result.
  • the inclination measuring instrument 124 is installed, for example, on the lower surface of the swivel body 120.
  • an inertial measurement unit IMU: Inertial Measurement Unit
  • IMU Inertial Measurement Unit
  • the control device 125 transmits the turning speed, position and orientation of the turning body 120, the tilt angle of the boom 111, the arm 112 and the bucket 113, the running speed of the traveling body 130, and the posture of the turning body 120 to the control device 300.
  • vehicle data the data collected by the work machine 100 or the transport vehicle 200 from various sensors is also referred to as vehicle data.
  • vehicle data may not include any of turning speed, position, direction, tilt angle, traveling speed, and attitude, or may include values detected by other sensors. , May include a value calculated from the detected value.
  • the control device 125 uses the position of the representative point of the swivel body 120 in the field coordinate system detected by the position / orientation calculator 123 and the direction and orientation of the swivel body 120 related to the vehicle data to obtain the position of the field coordinate system.
  • the positions in the machine coordinate system can be converted to each other.
  • the control device 125 receives a control instruction from the control device 300.
  • the control device 125 drives the working machine 110, the turning body 120, or the traveling body 130 according to the received control instruction.
  • the control device 125 transmits a completion notification to the control device 300 when the drive based on the control instruction is completed.
  • the detailed configuration of the control device 125 will be described later.
  • FIG. 3 is a schematic block diagram showing the configuration of the control device 300 according to the first embodiment.
  • the control device 300 manages the operation of the work machine 100 and the running of the transport vehicle 200.
  • 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 stores the program.
  • the processor 310 reads a program from the storage 350, expands it into the main memory 330, and executes processing according to the program.
  • the control device 300 is connected to the network via the interface 370. Examples of the processor 310 include a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphic Processing Unit), a microprocessor and the like.
  • the program may be for realizing a part of the functions exerted by the computer of the control device 300.
  • the program may exert its function in combination with another program already stored in the storage 350, or in combination with another program mounted on another device.
  • the 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 Programmable Logic Device
  • PAL Programmable Array Logic
  • GAL Generic Array Logic
  • CPLD Complex Programmable Logic Device
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the storage 350 has a storage area as a control position storage unit 351 and a travel route storage unit 352. Examples of the storage 350 include magnetic disks, magneto-optical disks, optical disks, semiconductor memories, and the like.
  • the storage 350 may be an internal medium directly connected to the common communication line of the control device 300, or an external medium connected to the control device 300 via the interface 370.
  • the storage 350 is a non-temporary tangible storage medium.
  • the control position storage unit 351 stores the position data of the excavation point P22 and the loading point P3.
  • the excavation point P22 and the loading point P3 are points that are set in advance by, for example, an operation by a manager or the like at the work site.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the traveling route R.
  • the travel route storage unit 352 stores the travel route R for each transport vehicle 200.
  • the travel route R is a predetermined connection route R1 connecting two areas A (for example, a loading field A1 and a lumber yard A2), and an approach route R2, an approach route R3, and an exit route that are routes within the area A.
  • the approach route R2 is a route that connects the standby point P1 which is one end of the connection route R1 and the predetermined turning point P2 in the area A.
  • the approach route R3 is a route connecting the turning point P2 in the area A with the loading point P3 or the soil discharge point P4.
  • the exit route R4 is a route connecting the loading point P3 or the soil discharge point P4 in the area A and the exit point P5 which is the other end of the connection path R1.
  • the turning point P2 is a point set by the control device 300 according to the position of the loading point P3.
  • the control device 300 calculates the approach route R2, the approach route R3, and the exit route R4 each time the loading point P3 is changed.
  • the processor 310 includes a collection unit 311, a transport vehicle identification unit 312, a traveling course generation unit 313, a notification reception unit 314, a loading container identification unit 315, and an automatic excavation loading instruction unit 316 by executing a program.
  • the collection unit 311 receives vehicle data from the work machine 100 and the transport vehicle 200 via the access point 400.
  • the transport vehicle identification unit 312 identifies the transport vehicle 200 to be loaded with the excavated material based on the vehicle data of the transport vehicle 200 collected by the collection unit 311.
  • the travel course generation unit 313 generates course data indicating an area in which the transport vehicle 200 is permitted to move, based on the travel route R stored by the travel route storage unit 352 and the vehicle data collected by the collection unit 311.
  • the course data is transmitted to the transport vehicle 200.
  • the course data is data representing, for example, a region in which the transport vehicle 200 can travel at a predetermined speed within a certain time and does not overlap with the travel path R of another transport vehicle 200.
  • the notification receiving unit 314 receives the completion notification from the work machine 100 and the arrival notification from the transport vehicle 200.
  • the loading container specifying unit 315 specifies the position of the vessel 201 in the site coordinate system based on the vehicle data of the transport vehicle 200. For example, the loading container specifying unit 315 arranges the three-dimensional data representing the outer shape of the vessel 201 at the position indicated by the position data of the transport vehicle 200, and rotates the three-dimensional data in the direction indicated by the orientation data of the transport vehicle 200 to the site. The position of the vessel 201 in the coordinate system is specified. The loading container specifying unit 315 transmits the position of the specified vessel 201 to the work machine 100.
  • the automatic excavation loading instruction unit 316 transmits an automatic excavation loading instruction including the position of the excavation point P22 and the position of the loading point P3 stored in the control position storage unit 351 to the work machine 100.
  • FIG. 5 is a schematic block diagram showing the configuration of the control device 125 of the work machine 100 according to the first embodiment.
  • the control device 125 controls the actuator of the work machine 100 based on the instruction of the control device 300.
  • the control device 125 is a computer including a processor 1210, a main memory 1230, a storage 1250, and an interface 1270.
  • Storage 1250 stores the program.
  • the processor 1210 reads the program from the storage 1250, expands it in the main memory 1230, and executes the process according to the program.
  • the control device 125 is connected to the network via the interface 1270. Examples of the processor 1210 include a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphic Processing Unit), a microprocessor and the like.
  • the program may be for realizing a part of the functions exerted by the computer of the control device 125.
  • the program may exert its function in combination with another program already stored in the storage 1250, or in combination with another program mounted on another device.
  • the control device 125 may include a custom LSI such as a PLD in addition to or in place of the above configuration.
  • some or all of the functions realized by the processor 1210 may be realized by the integrated circuit. Such integrated circuits are also included as an example of a processor.
  • Examples of the storage 1250 include magnetic disks, magneto-optical disks, optical disks, semiconductor memories, and the like.
  • the storage 1250 may be an internal medium directly connected to the common communication line of the control device 125, or an external medium connected to the control device 125 via the interface 1270.
  • Storage 1250 is a non-temporary tangible storage medium.
  • the processor 1210 By executing the program, the processor 1210 includes a vehicle data acquisition unit 1211, an attitude specifying unit 1212, an instruction receiving unit 1213, a loading container specifying unit 1214, an avoidance position specifying unit 1215, an excavation position specifying unit 1216, and a start position determining unit 1217. It includes a stage specifying unit 1218, a target determination unit 1219, a control amount calculation unit 1220, a limiting unit 1221, a command generation unit 1222, and a command output unit 1223.
  • the vehicle data acquisition unit 1211 acquires vehicle data from various sensors included in the work machine 100, and transmits the acquired vehicle data to the control device 300.
  • the posture specifying unit 1212 specifies the position of the bucket 113 in the machine coordinate system with respect to the work machine 100 based on the vehicle data acquired by the vehicle data acquisition unit 1211.
  • the posture specifying portion 1212 identifies the positions of a plurality of points on the contour of the bucket 113 including the cutting edge and the bottom. Specifically, the posture specifying unit 1212 specifies the positions of the boom 111, the arm 112, and the bucket 113 by the following procedure.
  • the posture specifying unit 1212 specifies the pitch angle of the turning body 120 acquired by the vehicle data acquisition unit 1211.
  • the posture specifying unit 1212 obtains the absolute angle of the boom 111 based on the inclination angle of the boom 111 and the pitch angle of the swivel body 120.
  • the tilt angle is an angle with respect to the ground plane
  • the absolute angle is an angle with respect to the machine coordinate system.
  • the posture specifying portion 1212 determines the position of the tip portion of the boom 111 based on the absolute angle of the boom 111 and the known length of the boom 111 (distance from the pin at the proximal end to the pin at the distal end).
  • the posture specifying unit 1212 obtains the absolute angle of the arm 112 based on the pitch angle of the swivel body 120 and the inclination angle of the arm 112.
  • the posture specifying portion 1212 is an arm based on the position of the tip portion of the boom 111, the absolute angle of the arm 112, and the known length of the arm 112 (distance from the pin at the proximal end to the pin at the distal end). The position of the tip of 112 is obtained.
  • the posture specifying unit 1212 obtains the absolute angle of the bucket 113 based on the pitch angle of the swivel body 120 and the inclination angle of the bucket 113.
  • the posture specifying portion 1212 is on the contour of the bucket 113 based on the position of the tip of the arm 112, the absolute angle of the bucket 113, and the distance from the pin of the bucket 113 to a plurality of points on the contour of the bucket 113. Find the position of multiple points.
  • the instruction receiving unit 1213 receives an automatic excavation loading instruction from the control device 300.
  • the instruction receiving unit 1213 determines that the automatic excavation and loading control is started upon receiving the automatic excavation and loading instruction.
  • Automatic excavation and loading control includes automatic soil removal control. That is, the instruction receiving unit 1213 is an example of an automatic control determination unit that determines whether or not to start the automatic soil removal control.
  • the loading container specifying unit 1214 receives the position of the vessel 201 of the transport vehicle 200 from the control device 300, and based on the vehicle data acquired by the vehicle data acquisition unit 1211, the position of the vessel 201 is machined from the site coordinate system. Convert to a coordinate system.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the path of the bucket 113 before excavation in the automatic excavation loading control according to the first embodiment.
  • the avoidance position specifying unit 1215 determines the work machine 110 and the transport vehicle 200 based on the position of the work machine 100, the position of the vessel 201, and the position of the pin of the bucket 113 at the start of control (empty turn start position P01).
  • the interference avoidance position P02 which is a point where and does not interfere in a plan view from above, is specified.
  • the interference avoidance position P02 has the same height as the empty swivel start position P01, and the distance from the swivel center of the swivel body 120 is equal to the distance from the swivel center to the empty swivel start position P01 and is downward. It is a position where the transport vehicle 200 does not exist.
  • the avoidance position specifying unit 1215 specifies, for example, a circle centered on the turning center of the turning body 120 and having the distance between the turning center and the empty load turning start position P01 as a radius, and among the positions on the circle, the bucket.
  • the avoidance position specifying unit 1215 can determine whether or not the transport vehicle 200 and the bucket 113 interfere with each other based on the position of the transport vehicle 200 and the positions of a plurality of points on the contour of the bucket 113.
  • “same height” and “equal distance” are not necessarily limited to those having exactly the same height or distance, and some errors and margins are allowed.
  • the excavation position specifying unit 1216 specifies a point P2 separated from the excavation point P22 included in the automatic excavation loading instruction by the distance from the pin of the bucket 113 to the cutting edge as the excavation position P05. That is, when the bucket 113 is in a predetermined excavation posture with the cutting edge facing in the dump direction, the pin of the bucket 113 is located at the excavation position P05 when the cutting edge of the bucket 113 is located at the excavation point P22. Become. Further, the excavation position specifying portion 1216 determines a position above the excavation position P05 by a predetermined height as the turning end position P04.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the path of the bucket 113 after excavation in the automatic excavation loading control according to the first embodiment.
  • the start position determination unit 1217 determines the soil discharge start position P07 based on the position of the vessel 201. Specifically, the start position determination unit 1217 sets the height of the soil discharge start position P07 to the height of the vessel 201 plus the height of the bucket 113 and the height of the control margin of the bucket 113. decide.
  • the stage specifying unit 1218 specifies the work stage of the work machine 100 based on the vehicle data acquired by the vehicle data acquisition unit 1211.
  • Working stages include a down swivel stage, an excavation stage, a hoist swivel stage, and a soil removal stage.
  • the hoist turning is an operation of turning the swivel body 120 while raising the boom 111 to move the bucket 113 above the vessel 201.
  • the down turning is an operation of turning the swivel body 120 while lowering the boom 111 to move the bucket 113 to the excavation position.
  • the method of specifying the work stage by the stage specifying unit 1218 will be described later.
  • the target determination unit 1219 determines the target inclination angles of the boom 111, the arm 112, and the bucket 113 according to the work stage of the work machine 100. Each target tilt angle is expressed as an angle with respect to the ground plane. Specifically, the target determination unit 1219 determines the target inclination angles of the boom 111 and the arm 112 so that the position of the tip of the arm 112 becomes the excavation position P05 in the down turning stage. Further, the target determination unit 1219 determines the target inclination angle of the bucket 113 so that the angle of the bucket 113 becomes a predetermined angle suitable for the next excavation in the down turning stage.
  • the target determination unit 1219 calculates the target path of the cutting edge of the bucket 113 sequentially so that the bucket 113 can excavate a predetermined amount of soil, and the target of the boom 111, the arm 112, and the bucket 113 is based on the target path. Determine the tilt angle.
  • the target determination unit 1219 determines the target inclination angles of the boom 111 and the arm 112 so that the position of the tip of the arm 112 becomes the soil removal start position P07 in the hoist turning stage.
  • the target determination unit 1219 determines the target inclination angle of the bucket 113 to a predetermined soil removal completion angle at the soil removal stage.
  • the target tilt angle is an example of the target posture.
  • the control amount calculation unit 1220 calculates the control amount of the boom 111, the arm 112, and the bucket 113 based on the vehicle data acquired by the vehicle data acquisition unit 1211 and the target inclination angle determined by the target determination unit 1219. Specifically, the control amount calculation unit 1220 inputs the difference between the measured value of the tilt angle of the boom 111, the arm 112, and the bucket 113 and the target tilt angle into a predetermined function, so that the boom 111, the arm 112, and the bucket 113. The control amount of 113 is determined. In this function, the difference between the measured value of the tilt angle and the target tilt angle and the control amount have a monotonous increase relationship.
  • the command generation unit 1222 determines the control amount of the bucket 113 so that the ground angle of the bucket 113 does not change even if the boom 111 and the arm 112 are driven when the work stage is the hoist turning stage.
  • the limiting unit 1221 changes the control amount of the arm 112 calculated by the control amount calculation unit 1220 within a predetermined change amount upper limit value. To limit. The detailed behavior of the limiting unit 1221 will be described later.
  • the command generating unit 1222 calculates the control amount calculation unit 1220, or the turning command is based on the control amount of the working machine 110 limited by the limiting unit 1221. Generate boom commands, arm commands, and bucket commands. Further, the command generation unit 1222 temporarily raises the boom 111 and the arm 112 when the height of the pin of the bucket 113 becomes the same height as the turning end position P04 when the working stage is the down turning stage. After stopping and the tip of the arm 112 reaches the turning end position P04, the boom 111 and the arm 112 are further driven.
  • the command generation unit 1222 generates an arm command for rotating the arm 112 in the pulling direction in addition to the bucket command for rotating the bucket 113 in the excavation direction when the work stage is the excavation stage.
  • the command output unit 1223 outputs a turning command, a boom command, an arm command, and a bucket command.
  • FIG. 8 is a state transition diagram showing the transition of the work stage according to the first embodiment.
  • the stage specifying unit 1218 maintains the down turning stage Ph1 when the distance between the position of the tip of the arm 112 and the excavation position P05 is equal to or greater than a predetermined threshold value when the working stage is the down turning stage Ph1.
  • the stage specifying unit 1218 sets the work stage in the excavation stage when the distance between the position of the tip of the arm 112 and the excavation position P05 becomes less than a predetermined threshold value when the work stage is the down turning stage Ph1. Transition to Ph2.
  • the stage specifying unit 1218 maintains the excavation stage Ph2 when the difference between the inclination angle of the bucket 113 and the excavation completion angle is equal to or more than a predetermined threshold value when the work stage is the excavation stage Ph2.
  • the excavation completion angle is the angle of the bucket 113 with respect to the ground plane at the time of excavation completion.
  • the stage identification unit 1218 sets the work stage to the hoist turning stage Ph3. Make a transition.
  • the stage identification unit 1218 maintains the hoist rotation stage Ph3 when the distance between the position of the tip of the arm 112 and the soil discharge start position P07 is equal to or greater than a predetermined threshold value when the work stage is the hoist rotation stage Ph3. do.
  • the stage specifying unit 1218 performs the work stage when the distance between the position of the tip end portion of the arm 112 and the soil discharge start position P07 becomes less than a predetermined threshold value when the work stage is the hoist turning stage Ph3. Transition to the soil removal stage Ph4.
  • the stage specifying unit 1218 maintains the soil removal stage Ph4 when the difference between the inclination angle of the bucket 113 and the soil removal completion angle is equal to or more than a predetermined threshold value when the work stage is the soil removal stage Ph4.
  • the soil removal completion angle is the angle of the bucket 113 with respect to the ground plane at the time of soil removal completion.
  • the stage specifying unit 1218 when the work stage is the soil removal stage Ph4, the difference between the inclination angle of the bucket 113 and the soil removal completion angle is less than a predetermined threshold value, and the number of loadings is less than a predetermined number. In some cases, the work stage is transitioned to the down turn stage Ph1.
  • the stage specifying unit 1218 when the work stage is the soil removal stage Ph4, the difference between the inclination angle of the bucket 113 and the soil removal completion angle is less than a predetermined threshold value, and the number of loadings is equal to the predetermined number of times. If so, it is determined that the automatic excavation and loading work has been completed.
  • FIG. 9 is a block diagram showing the operation of the restriction unit 1221 according to the first embodiment.
  • the limiting unit 1221 includes a delay block B1, a subtraction block B2, an upper limit output block B3, a comparison block B4, an addition block B5, and a switch block B6.
  • the delay block B1 outputs the signal output by the switch block B6 with a delay of a unit time. That is, the delay block B1 outputs the previous control amount of the arm 112.
  • the subtraction block B2 outputs a value obtained by subtracting the previous control amount, which is the output value of the delay block B1, from the newly input control amount of the arm 112. That is, the subtraction block B2 outputs the amount of change in the control amount of the arm 112.
  • the upper limit output block B3 always outputs the upper limit of the change amount of the control amount in the hoist turning stage of the arm 112.
  • the comparison block B4 outputs a comparison result between the change amount of the control amount of the arm 112 which is the output value of the subtraction block B2 and the change amount upper limit value which is the output value of the upper limit value output block B3.
  • the comparison block B4 outputs 1 when the change amount of the control amount is equal to or more than the change amount upper limit value, and outputs 0 when the change amount of the control amount is less than the change amount upper limit value. That is, the comparison block B4 determines whether or not the change amount of the control amount of the arm 112 is equal to or more than the change amount upper limit value.
  • the addition block B5 outputs a value obtained by adding the previous control amount which is the output value of the delay block B1 and the change amount upper limit value which is the output value of the upper limit value output block B3. That is, the addition block B5 outputs a control amount that is increased by the change amount upper limit value from the previous control amount.
  • the switch block B6 outputs either the newly input control amount of the arm 112 or the output value of the addition block B5 based on the output of the comparison block B4. Specifically, the switch block B6 outputs the output value of the addition block B5 when the output of the comparison block B4 is 1. When the output of the comparison block B4 is 0, the switch block B6 outputs the newly input control amount of the arm 112. That is, the switch block B6 outputs a control amount that is increased by the change amount upper limit value from the previous control amount when the change amount of the control amount is equal to or more than the change amount upper limit value. On the other hand, the switch block B6 outputs the control amount when the change amount of the control amount is less than the change amount upper limit value.
  • the limiting unit 1221 limits the control amount of the arm 112 calculated by the control amount calculation unit 1220 so that the change amount is within a predetermined change amount upper limit value.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an output method of an automatic excavation / loading instruction by the control device 300 according to the first embodiment.
  • the notification receiving unit 314 of the control device 300 receives the arrival notification from the transport vehicle 200 to the loading point P3 (step S1)
  • the loading container specifying unit 1214 acquires vehicle data from the transport vehicle 200 (step S2). ).
  • the loading container specifying unit 1214 specifies the position of the vessel 201 in the field coordinate system based on the acquired vehicle data (step S3).
  • the loading container specifying unit 1214 transmits the position of the specified vessel 201 to the work machine 100.
  • the automatic excavation loading instruction unit 316 reads out the positions of the excavation point P22 and the loading point P3 from the control position storage unit 351 (step S4).
  • the automatic excavation loading instruction unit 316 transmits an automatic excavation loading instruction including the read excavation point P22 and the position of the loading point P3 to the work machine 100 (step S5).
  • FIG. 11 is a flowchart showing an operation when the work machine 100 according to the first embodiment receives an input of an automatic excavation loading instruction.
  • the instruction receiving unit 1213 of the control device 125 receives the input of the automatic excavation loading instruction from the control device 300, the process shown in FIG. 10 is executed.
  • the vehicle data acquisition unit 1211 acquires the position and orientation of the swivel body 120, the inclination angles of the boom 111, the arm 112 and the bucket 113, and the posture of the swivel body 120 (step S101).
  • the vehicle data acquisition unit 1211 specifies the position of the turning center of the turning body 120 based on the acquired position and orientation of the turning body 120 (step S102).
  • the loading container specifying unit 1214 acquires the position of the vessel 201 in the field coordinate system from the control device 300 (step S103).
  • the loading container specifying unit 1214 converts the position of the vessel 201 from the field coordinate system to the machine coordinate system based on the position, orientation, and attitude of the swivel body 120 acquired in step S101 (step S104).
  • the posture specifying unit 1212 determines the position of the pin of the bucket 113 at the time of inputting the automatic excavation loading instruction to the empty turning start position P01 based on the vehicle information acquired in step S101 (step S105).
  • the avoidance position specifying unit 1215 specifies the interference avoidance position P02 based on the empty load turning start position P01 determined in step S105 and the position of the vessel 201 specified in step S104 (step S106).
  • the excavation position specifying unit 1216 identifies the excavation position P05 and the turning end position P04 based on the position of the excavation point P22 included in the automatic excavation loading instruction (step S107).
  • the start position determination unit 1217 is based on the position of the vessel 201 specified in step S104, the moving distance of the lowest point of the bucket 113 by the automatic soil removal control obtained in advance, and the number of times of loading into the transport vehicle 200.
  • the soil removal start position is determined (step S108).
  • the stage specifying unit 1218 identifies the working stage based on the determination method shown in FIG. 8 (step S109).
  • the work stage immediately after the start of the automatic excavation and loading process is the down turning stage.
  • the target determination unit 1219 determines the target posture of the work machine 100 according to the work stage specified in step S109 (step S110).
  • the control amount calculation unit 1220 calculates the control amount of the boom 111, the arm 112, the bucket 113, and the swivel body 120 based on the target posture determined in step S110 and the vehicle data acquired by the vehicle data acquisition unit 1211. (Step S111).
  • the limiting unit 1221 determines whether or not the working stage specified in step S109 is the hoist turning stage (step S112). When the control step is the hoist turning step, the limiting unit 1221 limits the control amount of the arm 112 calculated in step S111 so that the change amount is within the change amount upper limit value (step S113).
  • the command generation unit 1222 generates a boom command, an arm command, a bucket command, and a turning command based on the calculated control amount (step S114).
  • the command output unit 1223 outputs a turning command, a boom command, an arm command, and a bucket command generated in step S114 (step S115).
  • the command output unit 1223 determines whether or not the work stage specified in step S109 is in the end stage (step S116). If the work stage is not the end stage (step S116: NO), the vehicle data acquisition unit 1211 newly acquires vehicle data (step S117) and returns the process to step S109. On the other hand, when the work stage is in the end stage (step S116: YES), the command output unit 1223 transmits a completion notification of the automatic excavation loading control to the control device 300 (step S118), and ends the process.
  • the work system 1 limits the change amount of the control amount of the arm 112 to be within the change amount upper limit value when the work stage is the hoist turning stage. As a result, the work machine 100 can suppress the fall of earth and sand between excavation and soil removal.
  • the work machine 100 such as a backhoe excavator excavates by moving the cutting edge of the bucket 113 to the rear side, that is, by moving the work machine 110 in the pulling direction. Therefore, at the end of excavation by the work machine 100, the bucket 113 is generally located in the vicinity of the swivel body 120. At this time, the arm 112 may be tilted toward the swivel body 120 from the vertical direction. The position of the tip of the arm 112 goes down as the angle approaches the vertical. Therefore, if the arm 112 is driven in the pushing direction while the arm 112 is tilted toward the swivel body 120, the bucket 113 temporarily lowers and then rises. Therefore, if the control amount is not limited, the bucket 113 may move at high speed due to the weight of the bucket 113 and the earth and sand when the hoist turns, and the earth and sand may spill.
  • the moving speed of the bucket 113 can be suppressed by limiting the control amount of the arm 112 in the hoist turning stage.
  • the work system 1 can suppress the fall of earth and sand even at the timing when the hoist turns start to move.
  • the control device 125 and the control device 300 may be configured by a single computer, or the configuration of the control device 125 or the control device 300 may be divided into a plurality of computers and arranged. A plurality of computers may cooperate with each other to function as a control device 125 or a control device 300. At this time, a part of the computers constituting the control device 300 may be mounted inside the work machine 100, and another computer may be provided outside the work machine 100. Further, a part of the computers constituting the control device 125 may be mounted inside the work machine 100, and another computer may be provided outside the work machine 100.
  • control device 125 always limits the control amount of the arm 112 within the upper limit value of the change amount in the hoist turning stage, but is not limited to this.
  • control device 125 may limit the control amount within the upper limit of the change amount only when the angle of the arm 112 is tilted toward the swivel body 120 from the vertical direction.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Paleontology (AREA)
  • Operation Control Of Excavators (AREA)

Abstract

段階特定部は、作業機械の作業段階を特定する。目標決定部は、特定した作業段階に基づいてブーム及びアームの目標姿勢を決定する。制御量演算部は、目標姿勢に基づいてブームおよびアームの制御量を演算する。制限部は、特定した作業段階がホイスト旋回に係る作業段階である場合に、アームの制御量の変化量が所定変化量以内となるようにアームの制御量を制限する。

Description

作業システムおよび制御方法
　本開示は、作業システムおよび制御方法に関する。
　本願は、２０２０年５月２９日に、日本に出願された特願２０２０－０９４３８９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　特許文献１には、油圧ショベルの自動運転に係る技術が開示されている。油圧ショベルの自動運転において、旋回途中にバケットに保持された土砂がこぼれ落ちると、作業効率が低下する。特許文献１には、土砂のこぼれを防ぐために、掘削終了後にバケットに保持された余分な土砂を落下させてから旋回動作を行う技術が開示されている。
日本国特開２００２－１１５２７２号公報
　しかしながら、作業効率に鑑みると、１回の旋回積込動作においてできる限り多くの土砂を積み込むことが好ましい。そのため、掘削後にできる限り土砂を落下させることなくホイスト旋回を行うことが求められている。
　本開示の目的は、掘削から排土までの間における土砂の落下を抑えることができる作業システムおよび制御方法を提供することにある。
　本開示の一態様によれば、作業システムは、ブーム、アームおよびバケットを備える作業機械の制御装置であって、前記作業機械の作業段階を特定する段階特定部と、特定した前記作業段階に基づいて前記ブーム及び前記アームの目標姿勢を決定する目標決定部と、前記目標姿勢に基づいて前記ブームおよび前記アームの制御量を演算する制御量演算部と、特定した前記作業段階がホイスト旋回に係る作業段階である場合に、前記アームの制御量の変化量が所定変化量以内となるように前記アームの制御量を制限する制限部とを備える。
　上記態様によれば、作業機械による掘削から排土までの間における土砂の落下を抑えることができる。
第１の実施形態に係る作業システムの構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る作業機械の外観図である。 第１の実施形態に係る管制装置の構成を示す概略ブロック図である。 走行経路の例を表す図である。 第１の実施形態に係る作業機械の制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削前のバケットの経路の例を示す図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削後のバケットの経路の例を示す図である。 第１の実施形態に係る作業段階の遷移を示す状態遷移図である。 第１の実施形態に係る制限部１２２１の動作を示すブロック線図である。 第１の実施形態に係る管制装置による自動掘削積込指示の出力方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る作業機械が自動掘削積込指示の入力を受け付けたときの動作を示すフローチャートである。
〈第１の実施形態〉
《作業システム１》
　図１は、第１の実施形態に係る作業システムの構成を示す概略図である。
　作業システム１は、作業機械１００と、１または複数の運搬車両２００と、管制装置３００とを備える。作業システム１は、管制装置３００によって作業機械１００と運搬車両２００とを自動制御する無人搬送システムである。
　運搬車両２００は、管制装置３００から受信するコースデータ（例えば速度データ、運搬車両２００が進むべき座標）に基づいて無人走行する。運搬車両２００と管制装置３００とは、アクセスポイント４００を介した通信により接続される。管制装置３００は、運搬車両２００から位置および方位を取得し、これらに基づいて運搬車両２００の走行に用いるコースデータを生成する。管制装置３００は、コースデータを運搬車両２００に送信する。運搬車両２００は、受信したコースデータに基づいて無人走行する。なお、第１の実施形態に係る作業システム１は、無人搬送システムを備えるが、他の実施形態においては、一部または全部の運搬車両２００が有人運転されてもよい。この場合、管制装置３００は、コースデータおよび積込に関する指示の送信を行う必要がないが、運搬車両２００の位置および方位を取得する。
　作業機械１００は、管制装置３００から受信する指示に従って無人制御される。作業機械１００と管制装置３００とは、アクセスポイント４００を介した通信により接続される。
　作業機械１００および運搬車両２００は、作業現場（例えば、鉱山、採石場）に設けられる。他方、管制装置３００は、任意の場所に設けられてよい。例えば、管制装置３００は、作業機械１００および運搬車両２００から離れた地点（例えば、市街、作業現場内）に設けられてよい。
《運搬車両２００》
　第１の実施形態に係る運搬車両２００は、ベッセル２０１（積込容器）を備えるダンプトラックである。なお、他の実施形態に係る運搬車両２００は、ダンプトラック以外の運搬車両であってもよい。
　運搬車両２００は、ベッセル２０１、位置方位演算器２１０および制御装置２２０を備える。位置方位演算器２１０は、運搬車両２００の位置および方位を演算する。位置方位演算器２１０は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。ＧＮＳＳの例としては、ＧＰＳ（Global Positioning System）が挙げられる。２つの受信器は、それぞれ運搬車両２００の異なる位置に設置される。位置方位演算器２１０は、受信器が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における運搬車両２００の位置を検出する。位置方位演算器２１０は、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、運搬車両２００の向く方位を演算する。なお、他の実施形態においてはこれに限られず、例えば運搬車両２００が慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を備え、慣性計測装置の計測結果に基づいて方位を演算してもよい。この場合、運搬車両２００の走行軌跡に基づいて慣性計測装置のドリフトを補正してもよい。
　制御装置２２０は、位置方位演算器２１０が検出した位置および方位を管制装置３００に送信する。制御装置２２０は、管制装置３００からコースデータおよび排土指示、積込点Ｐ３への進入指示、および積込点Ｐ３からの発進指示を受信する。制御装置２２０は、受信したコースデータに従って運搬車両２００を走行させ、または排土指示に従って運搬車両２００のベッセル２０１を上下させる。制御装置２２０は、運搬車両が指示に基づいて目的地に到達して停止したときに、目的地への到達を示す到達通知を管制装置３００に送信する。
《作業機械１００》
　図２は、第１の実施形態に係る作業機械１００の外観図である。
　第１の実施形態に係る作業機械１００は、油圧ショベルである。なお、他の実施形態に係る作業機械１００は、油圧ショベル以外の作業車両であってもよい。
　作業機械１００は、油圧により作動する作業機１１０と、作業機１１０を支持する旋回体１２０と、旋回体１２０を支持する走行体１３０とを備える。
　作業機１１０は、ブーム１１１と、アーム１１２と、バケット１１３と、ブームシリンダ１１４と、アームシリンダ１１５と、バケットシリンダ１１６と、ブーム角度センサ１１７と、アーム角度センサ１１８と、バケット角度センサ１１９とを備える。
　ブーム１１１の基端部は、旋回体１２０の前部にピンを介して取り付けられる。
　アーム１１２は、ブーム１１１とバケット１１３とを連結する。アーム１１２の基端部は、ブーム１１１の先端部にピンを介して取り付けられる。
　バケット１１３は、土砂などの掘削物を掘削するための刃と掘削物を搬送するための容器とを備える。バケット１１３の基端部は、アーム１１２の先端部にピンを介して取り付けられる。
　ブームシリンダ１１４は、ブーム１１１を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１１４の基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１１４の先端部は、ブーム１１１に取り付けられる。
　アームシリンダ１１５は、アーム１１２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１１５の基端部は、ブーム１１１に取り付けられる。アームシリンダ１１５の先端部は、アーム１１２に取り付けられる。
　バケットシリンダ１１６は、バケット１１３を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ１１６の基端部は、アーム１１２に取り付けられる。バケットシリンダ１１６の先端部は、バケットリンク機構に取り付けられ、バケットリンク機構を介してバケット１１３を動作させる。
　ブーム角度センサ１１７は、ブーム１１１に取り付けられ、ブーム１１１の傾斜角を検出する。
　アーム角度センサ１１８は、アーム１１２に取り付けられ、アーム１１２の傾斜角を検出する。
　バケット角度センサ１１９は、バケット１１３に取り付けられ、バケット１１３の傾斜角を検出する。
　第１の実施形態に係るブーム角度センサ１１７、アーム角度センサ１１８、およびバケット角度センサ１１９は、地平面に対する傾斜角を検出する。なお、他の実施形態に係る角度センサはこれに限られず、他の基準面に対する傾斜角を検出してもよい。例えば、他の実施形態においては、角度センサが取付部を基準とした相対角を検出するものであってもよいし、各シリンダのストロークを計測しシリンダのストロークを角度に変換することで傾斜角を検出するものであってもよい。ブーム１１１、アーム１１２、およびバケット１１３の傾斜角やストローク量（シリンダ長）は、ブーム１１１、アーム１１２、およびバケット１１３の姿勢を表す。
　作業機械１００は、位置方位演算器１２３、傾斜計測器１２４、制御装置１２５を備える。
　位置方位演算器１２３は、旋回体１２０の位置および旋回体１２０が向く方位を演算する。位置方位演算器１２３は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。２つの受信器は、それぞれ旋回体１２０の異なる位置に設置される。位置方位演算器１２３は、一方の受信器が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における旋回体１２０の代表点（旋回体１２０の旋回中心）の位置を検出する。
　位置方位演算器１２３は、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体１２０の向く方位を演算する。
　傾斜計測器１２４は、旋回体１２０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１２０の姿勢（例えば、ロール角、ピッチ角、ヨー角）を検出する。傾斜計測器１２４は、例えば旋回体１２０の下面に設置される。傾斜計測器１２４は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いることができる。
　制御装置１２５は、旋回体１２０の旋回速度、位置および方位、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の傾斜角、走行体１３０の走行速度、ならびに旋回体１２０の姿勢を、管制装置３００に送信する。以下、作業機械１００または運搬車両２００が各種センサから収集したデータを車両データともよぶ。なお、他の実施形態に係る車両データは、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る車両データは、旋回速度、位置、方位、傾斜角、走行速度、姿勢のいずれかを含まなくてもよいし、その他のセンサによって検出された値を含んでもよいし、検出された値から演算された値を含んでもよい。なお、制御装置１２５は、位置方位演算器１２３が検出する現場座標系における旋回体１２０の代表点の位置および車両データに係る旋回体１２０の方位および姿勢を用いることで、現場座標系の位置と機械座標系の位置とを互いに変換することができる。
　制御装置１２５は、管制装置３００から制御指示を受信する。制御装置１２５は、受信した制御指示に従って、作業機１１０、旋回体１２０、または走行体１３０を駆動させる。制御装置１２５は、制御指示に基づく駆動が完了したときに、管制装置３００に完了通知を送信する。制御装置１２５の詳細な構成については後述する。
《管制装置３００》
　図３は、第１の実施形態に係る管制装置３００の構成を示す概略ブロック図である。　管制装置３００は、作業機械１００の動作および運搬車両２００の走行を管理する。　管制装置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、プログラムを記憶する。プロセッサ３１０は、プログラムをストレージ３５０から読み出してメインメモリ３３０に展開し、プログラムに従った処理を実行する。管制装置３００は、インタフェース３７０を介してネットワークに接続される。プロセッサ３１０の例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。
　プログラムは、管制装置３００のコンピュータに発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージ３５０に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、管制装置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。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。
　ストレージ３５０は、制御位置記憶部３５１、走行経路記憶部３５２としての記憶領域を有する。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、光ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ３５０は、管制装置３００の共通通信線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を介して管制装置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、一時的でない有形の記憶媒体である。
　制御位置記憶部３５１は、掘削点Ｐ２２および積込点Ｐ３の位置データを記憶する。掘削点Ｐ２２および積込点Ｐ３は、例えば予め作業現場の管理者等の操作によって設定される点である。
　図４は、走行経路Ｒの例を表す図である。
　走行経路記憶部３５２は、運搬車両２００ごとに走行経路Ｒを記憶する。走行経路Ｒは、２つのエリアＡ（例えば、積込場Ａ１と排土場Ａ２）を結ぶあらかじめ定められた接続経路Ｒ１、ならびにエリアＡ内の経路である進入経路Ｒ２、アプローチ経路Ｒ３および退出経路Ｒ４を有する。進入経路Ｒ２は、エリアＡ内において接続経路Ｒ１の一端である待機点Ｐ１と所定の切り返し点Ｐ２とを接続する経路である。アプローチ経路Ｒ３は、エリアＡ内の切り返し点Ｐ２と積込点Ｐ３または排土点Ｐ４とを接続する経路である。退出経路Ｒ４は、エリアＡ内の積込点Ｐ３または排土点Ｐ４と接続経路Ｒ１の他端である出口点Ｐ５とを接続する経路である。切り返し点Ｐ２は、積込点Ｐ３の位置に応じて管制装置３００によって設定される点である。管制装置３００は、積込点Ｐ３が変更されるたびに、進入経路Ｒ２、アプローチ経路Ｒ３および退出経路Ｒ４を計算する。
　プロセッサ３１０は、プログラムの実行により、収集部３１１、運搬車両特定部３１２、走行コース生成部３１３、通知受信部３１４、積込容器特定部３１５、自動掘削積込指示部３１６を備える。
　収集部３１１は、アクセスポイント４００を介して作業機械１００および運搬車両２００から車両データを受信する。
　運搬車両特定部３１２は、収集部３１１が収集した運搬車両２００の車両データに基づいて、掘削物の積込対象となる運搬車両２００を特定する。
　走行コース生成部３１３は、走行経路記憶部３５２が記憶する走行経路Ｒと、収集部３１１が収集した車両データとに基づいて、運搬車両２００の移動を許可する領域を示すコースデータを生成し、コースデータを運搬車両２００に送信する。コースデータは、例えば、運搬車両２００が所定の速度で一定時間以内に走行可能かつ他の運搬車両２００の走行経路Ｒと重複しない領域を表すデータである。
　通知受信部３１４は、作業機械１００から完了通知を受信し、運搬車両２００から到達通知を受信する。
　積込容器特定部３１５は、運搬車両２００から積込点Ｐ３への到達通知を受信した場合に、運搬車両２００の車両データに基づいて、現場座標系におけるベッセル２０１の位置を特定する。積込容器特定部３１５は、例えば、ベッセル２０１の外形を表す三次元データを、運搬車両２００の位置データが示す位置に配置し、運搬車両２００の方位データが示す方向に回転させることで、現場座標系におけるベッセル２０１の位置を特定する。積込容器特定部３１５は、特定したベッセル２０１の位置を作業機械１００に送信する。
　自動掘削積込指示部３１６は、制御位置記憶部３５１が記憶する掘削点Ｐ２２の位置および積込点Ｐ３の位置を含む自動掘削積込指示を作業機械１００に送信する。
《作業機械１００の制御装置１２５》
　図５は、第１の実施形態に係る作業機械１００の制御装置１２５の構成を示す概略ブロック図である。
　制御装置１２５は、管制装置３００の指示に基づいて作業機械１００のアクチュエータを制御する。
　制御装置１２５は、プロセッサ１２１０、メインメモリ１２３０、ストレージ１２５０、インタフェース１２７０を備えるコンピュータである。ストレージ１２５０は、プログラムを記憶する。プロセッサ１２１０は、プログラムをストレージ１２５０から読み出してメインメモリ１２３０に展開し、プログラムに従った処理を実行する。制御装置１２５は、インタフェース１２７０を介してネットワークに接続される。プロセッサ１２１０の例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。
　プログラムは、制御装置１２５のコンピュータに発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージ１２５０に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、制御装置１２５は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤなどのカスタムＬＳＩを備えてもよい。この場合、プロセッサ１２１０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。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。
　ストレージ１２５０の例としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ１２５０は、制御装置１２５の共通通信線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１２７０を介して制御装置１２５に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ１２５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。
　プロセッサ１２１０は、プログラムの実行により、車両データ取得部１２１１、姿勢特定部１２１２、指示受信部１２１３、積込容器特定部１２１４、回避位置特定部１２１５、掘削位置特定部１２１６、開始位置決定部１２１７、段階特定部１２１８、目標決定部１２１９、制御量演算部１２２０、制限部１２２１、指令生成部１２２２、指令出力部１２２３を備える。
　車両データ取得部１２１１は、作業機械１００が備える各種センサから車両データを取得し、取得した車両データを管制装置３００に送信する。
　姿勢特定部１２１２は、車両データ取得部１２１１が取得した車両データに基づいて、作業機械１００を基準とした機械座標系におけるバケット１１３の位置を特定する。姿勢特定部１２１２は、刃先および底部を含むバケット１１３の輪郭上の複数の点の位置を特定する。
　具体的には、姿勢特定部１２１２は、以下の手順でブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の位置を特定する。姿勢特定部１２１２は、車両データ取得部１２１１が取得した旋回体１２０のピッチ角を特定する。姿勢特定部１２１２は、ブーム１１１の傾斜角と旋回体１２０のピッチ角とに基づいてブーム１１１の絶対角度を求める。傾斜角は、地平面に対する角度であり、絶対角度は、機械座標系を基準とする角度である。姿勢特定部１２１２は、ブーム１１１の絶対角度と既知のブーム１１１の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、ブーム１１１の先端部の位置を求める。姿勢特定部１２１２は、旋回体１２０のピッチ角と、アーム１１２の傾斜角とに基づいて、アーム１１２の絶対角度を求める。姿勢特定部１２１２は、ブーム１１１の先端部の位置と、アーム１１２の絶対角度と、既知のアーム１１２の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、アーム１１２の先端部の位置を求める。
　姿勢特定部１２１２は、旋回体１２０のピッチ角と、バケット１１３の傾斜角とに基づいて、バケット１１３の絶対角度を求める。姿勢特定部１２１２は、アーム１１２の先端部の位置と、バケット１１３の絶対角度と、バケット１１３のピンからバケット１１３の輪郭上の複数の点までの距離とに基づいて、バケット１１３の輪郭上の複数の点の位置を求める。
　指示受信部１２１３は、管制装置３００から自動掘削積込指示を受信する。指示受信部１２１３は、自動掘削積込指示の受信をもって、自動掘削積込制御を開始すると判定する。自動掘削積込制御は、自動排土制御を含む。つまり、指示受信部１２１３は、自動排土制御を開始するか否かを判定する自動制御判定部の一例である。
　積込容器特定部１２１４は、管制装置３００から、運搬車両２００のベッセル２０１の位置を受信し、車両データ取得部１２１１が取得した車両データに基づいて、当該ベッセル２０１の位置を現場座標系から機械座標系に変換する。
　図６は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削前のバケット１１３の経路の例を示す図である。
　回避位置特定部１２１５は、作業機械１００の位置と、ベッセル２０１の位置と、制御開始時のバケット１１３のピンの位置（空荷旋回開始位置Ｐ０１）とに基づいて、作業機１１０と運搬車両２００とが上方からの平面視において干渉しない点である干渉回避位置Ｐ０２を特定する。干渉回避位置Ｐ０２は、空荷旋回開始位置Ｐ０１と同じ高さを有し、かつ旋回体１２０の旋回中心からの距離が、当該旋回中心から空荷旋回開始位置Ｐ０１までの距離と等しく、かつ下方に運搬車両２００が存在しない位置である。回避位置特定部１２１５は、例えば、旋回体１２０の旋回中心を中心とし、当該旋回中心と空荷旋回開始位置Ｐ０１との距離を半径とする円を特定し、当該円上の位置のうち、バケット１１３の外形が上方からの平面視で運搬車両２００と干渉せず、かつ空荷旋回開始位置Ｐ０１に最も近い位置を、干渉回避位置Ｐ０２と特定する。回避位置特定部１２１５は、運搬車両２００の位置、ならびにバケット１１３の輪郭上の複数の点の位置に基づいて、運搬車両２００とバケット１１３とが干渉するか否かを判定することができる。ここで、「同じ高さ」、「距離が等しい」とは、必ずしも高さまたは距離が完全に一致するものに限られず、多少の誤差やマージンが許容されるものとする。
　掘削位置特定部１２１６は、自動掘削積込指示に含まれる掘削点Ｐ２２から、バケット１１３のピンから刃先までの距離だけ離れた点Ｐ２を、掘削位置Ｐ０５として特定する。つまり、バケット１１３は、ダンプ方向に刃先を向けた所定の掘削姿勢をとっている場合において、バケット１１３の刃先が掘削点Ｐ２２に位置するとき、バケット１１３のピンは掘削位置Ｐ０５に位置することとなる。
　また掘削位置特定部１２１６は、掘削位置Ｐ０５より所定高さだけ上方の位置を、旋回終了位置Ｐ０４に決定する。
　図７は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削後のバケット１１３の経路の例を示す図である。
　開始位置決定部１２１７は、ベッセル２０１の位置に基づいて、排土開始位置Ｐ０７を決定する。具体的には、開始位置決定部１２１７は、排土開始位置Ｐ０７の高さを、ベッセル２０１の高さに、バケット１１３の高さと、バケット１１３の制御余裕分の高さを加算した高さに決定する。
　段階特定部１２１８は、車両データ取得部１２１１が取得した車両データに基づいて作業機械１００の作業段階を特定する。作業段階は、ダウン旋回段階、掘削段階、ホイスト旋回段階、および排土段階を含む。ホイスト旋回とは、ブーム１１１を上昇させながら旋回体１２０を旋回させてバケット１１３をベッセル２０１の上方に移動させる作業である。ダウン旋回とは、ブーム１１１を下降させながら旋回体１２０を旋回させてバケット１１３を掘削位置へ移動させる作業である。段階特定部１２１８による作業段階の特定方法については後述する。
　目標決定部１２１９は、作業機械１００の作業段階に応じてブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の目標傾斜角を決定する。各目標傾斜角は、地平面に対する角度として表される。具体的には、目標決定部１２１９は、ダウン旋回段階において、アーム１１２の先端の位置が掘削位置Ｐ０５となるように、ブーム１１１およびアーム１１２の目標傾斜角を決定する。また目標決定部１２１９は、ダウン旋回段階において、バケット１１３の角度が次の掘削に適した所定の角度となるように、バケット１１３の目標傾斜角を決定する。目標決定部１２１９は、掘削段階において、バケット１１３が所定の土量を掘削できるように逐次バケット１１３の刃先の目標経路を計算し、当該目標経路に基づいてブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の目標傾斜角を決定する。目標決定部１２１９は、ホイスト旋回段階において、アーム１１２の先端の位置が排土開始位置Ｐ０７となるように、ブーム１１１およびアーム１１２の目標傾斜角を決定する。目標決定部１２１９は、排土段階において、バケット１１３の目標傾斜角を所定の排土完了角度に決定する。目標傾斜角は目標姿勢の一例である。
　制御量演算部１２２０は、車両データ取得部１２１１が取得した車両データと目標決定部１２１９が決定した目標傾斜角とに基づいて、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の制御量を演算する。具体的には、制御量演算部１２２０は、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の傾斜角の計測値と目標傾斜角との差を所定の関数に入力することで、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の制御量を決定する。当該関数において、傾斜角の計測値と目標傾斜角との差と制御量とは単調増加の関係を有する。「単調増加」とは、一方の値が増加したときに、常に他方の値が増加し、または変化しないこと（単調非減少）をいう。なお、指令生成部１２２２は、作業段階がホイスト旋回段階である場合に、ブーム１１１およびアーム１１２が駆動してもバケット１１３の対地角度が変化しないように、バケット１１３の制御量を決定する。
　制限部１２２１は、段階特定部１２１８が特定した作業段階がホイスト旋回段階である場合に、制御量演算部１２２０が算出したアーム１１２の制御量を、変化量が所定の変化量上限値以内となるように制限する。制限部１２２１の詳細な挙動については、後述する。
　指令生成部１２２２は、指示受信部１２１３が掘削積込指示を受信した場合に、制御量演算部１２２０が演算し、または制限部１２２１により制限された作業機１１０の制御量に基づいて旋回指令、ブーム指令、アーム指令、およびバケット指令を生成する。また、指令生成部１２２２は、作業段階がダウン旋回段階である場合に、バケット１１３のピンの高さが旋回終了位置Ｐ０４と同じ高さになったときに、ブーム１１１およびアーム１１２を一時的に停止し、アーム１１２の先端が旋回終了位置Ｐ０４に到達した以降、ブーム１１１およびアーム１１２をさらに駆動させる。指令生成部１２２２は、作業段階が掘削段階である場合に、バケット１１３を掘削方向に回転させるバケット指令に加え、アーム１１２を引き方向に回転させるアーム指令を生成する。
　指令出力部１２２３は、旋回指令、ブーム指令、アーム指令、およびバケット指令を出力する。
　図８は、第１の実施形態に係る作業段階の遷移を示す状態遷移図である。
　指示受信部１２１３が管制装置３００から自動掘削積込指示の入力を受け、自動掘削積制御が開始されると、段階特定部１２１８は、作業段階をダウン旋回段階Ｐｈ１に遷移させる。
　段階特定部１２１８は、作業段階がダウン旋回段階Ｐｈ１である場合に、アーム１１２の先端部の位置と掘削位置Ｐ０５との距離が所定の閾値以上であるときに、ダウン旋回段階Ｐｈ１を維持する。他方、段階特定部１２１８は、作業段階がダウン旋回段階Ｐｈ１である場合に、アーム１１２の先端部の位置と掘削位置Ｐ０５との距離が所定の閾値未満になったときに、作業段階を掘削段階Ｐｈ２に遷移させる。
　段階特定部１２１８は、作業段階が掘削段階Ｐｈ２である場合に、バケット１１３の傾斜角と掘削完了角度との差が所定の閾値以上である場合に、掘削段階Ｐｈ２を維持する。掘削完了角度は、掘削完了時における地平面に対するバケット１１３の角度である。他方、段階特定部１２１８は、作業段階が掘削段階Ｐｈ２であるときに、バケット１１３の傾斜角と掘削完了角度との差が所定の閾値未満になった場合に、作業段階をホイスト旋回段階Ｐｈ３に遷移させる。
　段階特定部１２１８は、作業段階がホイスト旋回段階Ｐｈ３である場合に、アーム１１２の先端部の位置と排土開始位置Ｐ０７との距離が所定の閾値以上であるときに、ホイスト旋回段階Ｐｈ３を維持する。他方、段階特定部１２１８は、作業段階がホイスト旋回段階Ｐｈ３である場合に、アーム１１２の先端部の位置と排土開始位置Ｐ０７との距離が所定の閾値未満になったときに、作業段階を排土段階Ｐｈ４に遷移させる。
　段階特定部１２１８は、作業段階が排土段階Ｐｈ４である場合に、バケット１１３の傾斜角と排土完了角度との差が所定の閾値以上である場合に、排土段階Ｐｈ４を維持する。排土完了角度は、排土完了時における地平面に対するバケット１１３の角度である。他方、段階特定部１２１８は、作業段階が排土段階Ｐｈ４であるときに、バケット１１３の傾斜角と排土完了角度との差が所定の閾値未満になり、かつ積込回数が所定回数未満である場合に、作業段階をダウン旋回段階Ｐｈ１に遷移させる。他方、段階特定部１２１８は、作業段階が排土段階Ｐｈ４であるときに、バケット１１３の傾斜角と排土完了角度との差が所定の閾値未満になり、かつ積込回数が所定回数と等しくなった場合に、自動掘削積込作業が終了したと判定する。
《制限部１２２１の構成》
　図９は、第１の実施形態に係る制限部１２２１の動作を示すブロック線図である。
　制限部１２２１は、遅れブロックＢ１、減算ブロックＢ２、上限値出力ブロックＢ３、比較ブロックＢ４、加算ブロックＢ５、スイッチブロックＢ６を備える。
　遅れブロックＢ１は、スイッチブロックＢ６が出力する信号を単位時間だけ遅らせて出力する。つまり、遅れブロックＢ１は、アーム１１２の前回の制御量を出力する。
　減算ブロックＢ２は、新たに入力されたアーム１１２の制御量から、遅れブロックＢ１の出力値である前回の制御量を減算した値を出力する。つまり、減算ブロックＢ２は、アーム１１２の制御量の変化量を出力する。
　上限値出力ブロックＢ３は、常にアーム１１２のホイスト旋回段階における制御量の変化量上限値を出力する。
　比較ブロックＢ４は、減算ブロックＢ２の出力値であるアーム１１２の制御量の変化量と、上限値出力ブロックＢ３の出力値である変化量上限値との比較結果を出力する。比較ブロックＢ４は、制御量の変化量が変化量上限値以上である場合に１を、制御量の変化量が変化量上限値未満である場合に０を出力する。つまり、比較ブロックＢ４は、アーム１１２の制御量の変化量が変化量上限値以上であるか否かを判定する。
　加算ブロックＢ５は、遅れブロックＢ１の出力値である前回の制御量と上限値出力ブロックＢ３の出力値である変化量上限値とを加算した値を出力する。つまり、加算ブロックＢ５は、前回の制御量から変化量上限値だけ増加した制御量を出力する。
　スイッチブロックＢ６は、比較ブロックＢ４の出力に基づいて、新たに入力されたアーム１１２の制御量と、加算ブロックＢ５の出力値との何れか一方を出力する。具体的には、スイッチブロックＢ６は、比較ブロックＢ４の出力が１である場合、加算ブロックＢ５の出力値を出力する。スイッチブロックＢ６は、比較ブロックＢ４の出力が０である場合、新たに入力されたアーム１１２の制御量を出力する。つまり、スイッチブロックＢ６は、制御量の変化量が変化量上限値以上である場合に前回の制御量から変化量上限値だけ増加した制御量を出力する。他方、スイッチブロックＢ６は、制御量の変化量が変化量上限値未満である場合に当該制御量を出力する。
　制限部１２２１は、このような構成を備えることにより、制御量演算部１２２０が算出したアーム１１２の制御量を、変化量が所定の変化量上限値以内となるように制限する。
《自動掘削積込制御》
　図１０は、第１の実施形態に係る管制装置３００による自動掘削積込指示の出力方法を示すフローチャートである。
　管制装置３００の通知受信部３１４が、運搬車両２００から積込点Ｐ３への到達通知を受信すると（ステップＳ１）、積込容器特定部１２１４は、運搬車両２００から車両データを取得する（ステップＳ２）。積込容器特定部１２１４は、取得した車両データに基づいて現場座標系におけるベッセル２０１の位置を特定する（ステップＳ３）。積込容器特定部１２１４は、特定したベッセル２０１の位置を作業機械１００に送信する。
　自動掘削積込指示部３１６は、制御位置記憶部３５１から掘削点Ｐ２２と積込点Ｐ３の位置を読み出す（ステップＳ４）。自動掘削積込指示部３１６は、読み出した掘削点Ｐ２２と積込点Ｐ３の位置を含む自動掘削積込指示を、作業機械１００に送信する（ステップＳ５）。
　図１１は、第１の実施形態に係る作業機械１００が自動掘削積込指示の入力を受け付けたときの動作を示すフローチャートである。
　制御装置１２５の指示受信部１２１３が、管制装置３００から自動掘削積込指示の入力を受け付けると、図１０に示す処理を実行する。
　車両データ取得部１２１１は、旋回体１２０の位置および方位、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する（ステップＳ１０１）。車両データ取得部１２１１は、取得した旋回体１２０の位置および方位に基づいて、旋回体１２０の旋回中心の位置を特定する（ステップＳ１０２）。
　積込容器特定部１２１４は、管制装置３００から、現場座標系におけるベッセル２０１の位置を取得する（ステップＳ１０３）。積込容器特定部１２１４は、ステップＳ１０１で取得した旋回体１２０の位置、方位、および姿勢に基づいて、ベッセル２０１の位置を現場座標系から機械座標系に変換する（ステップＳ１０４）。
　姿勢特定部１２１２は、ステップＳ１０１で取得した車両情報に基づいて、自動掘削積込指示の入力時のバケット１１３のピンの位置を、空荷旋回開始位置Ｐ０１に決定する（ステップＳ１０５）。回避位置特定部１２１５は、ステップＳ１０５で決定した空荷旋回開始位置Ｐ０１と、ステップＳ１０４で特定したベッセル２０１の位置に基づいて干渉回避位置Ｐ０２を特定する（ステップＳ１０６）。掘削位置特定部１２１６は、自動掘削積込指示に含まれる掘削点Ｐ２２の位置に基づいて、掘削位置Ｐ０５および旋回終了位置Ｐ０４を特定する（ステップＳ１０７）。開始位置決定部１２１７は、ステップＳ１０４で特定したベッセル２０１の位置と、予め求められた自動排土制御によるバケット１１３の最下点の移動距離と、運搬車両２００への積込回数に基づいて、排土開始位置を決定する（ステップＳ１０８）。
　次に、段階特定部１２１８は、図８に示す判断手法に基づいて、作業段階を特定する（ステップＳ１０９）。なお、自動掘削積込処理開始直後の作業段階は、ダウン旋回段階となる。
　目標決定部１２１９は、ステップＳ１０９で特定した作業段階に応じて、作業機械１００の目標姿勢を決定する（ステップＳ１１０）。制御量演算部１２２０は、ステップＳ１１０で決定した目標姿勢と、車両データ取得部１２１１が取得した車両データとに基づいて、ブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３、および旋回体１２０の制御量を算出する（ステップＳ１１１）。
　制限部１２２１は、ステップＳ１０９で特定された作業段階がホイスト旋回段階であるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。制御段階がホイスト旋回段階である場合、制限部１２２１は、ステップＳ１１１で算出したアーム１１２の制御量を、変化量が変化量上限値以内となるように制限する（ステップＳ１１３）。指令生成部１２２２は、算出した制御量に基づいてブーム指令、アーム指令、バケット指令、および旋回指令を生成する（ステップＳ１１４）。指令出力部１２２３は、ステップＳ１１４で生成した旋回指令、ブーム指令、アーム指令、およびバケット指令を出力する（ステップＳ１１５）。
　次に、指令出力部１２２３は、ステップＳ１０９で特定した作業段階が終了段階にあるか否かを判定する（ステップＳ１１６）。作業段階が終了段階でない場合（ステップＳ１１６：ＮＯ）、車両データ取得部１２１１は、新たに車両データを取得し（ステップＳ１１７）、ステップＳ１０９に処理を戻す。
　他方、作業段階が終了段階にある場合（ステップＳ１１６：ＹＥＳ）、指令出力部１２２３は、自動掘削積込制御の完了通知を管制装置３００に送信し（ステップＳ１１８）、処理を終了する。
《作用・効果》
　このように、第１の実施形態に係る作業システム１は、作業段階がホイスト旋回段階である場合に、アーム１１２の制御量の変化量が変化量上限値以内となるように制限する。これにより、作業機械１００は、掘削から排土までの間における土砂の落下を抑えることができる。
　ここで、ホイスト旋回段階においてアーム１１２の制御量を制限することで、土砂の落下を抑えることができる理由について説明する。
　バックホウショベルなどの作業機械１００は、バケット１１３の刃先を後方側に移動させることで、即ち作業機１１０を引き方向に移動させることで、掘削を行う。そのため、作業機械１００による掘削終了時点において、一般的にバケット１１３は旋回体１２０の近傍に位置する。このとき、アーム１１２は、鉛直より旋回体１２０側に傾いていることがある。アーム１１２の先端部の位置は、角度が鉛直に近づくにつれて下がる。そのため、アーム１１２が旋回体１２０側に傾いているときに、アーム１１２を押し方向に駆動させると、バケット１１３は一時的に下降した後に上昇する。そのため、制御量を制限しない場合、ホイスト旋回の動き出しの時、バケット１１３および土砂の重さによってバケット１１３が高速に動き、土砂がこぼれる可能性がある。
　これに対し、第１の実施形態に係る作業システム１は、ホイスト旋回段階においてアーム１１２の制御量を制限することで、バケット１１３の移動速度を抑えることができる。これにより、作業システム１は、ホイスト旋回の動き出しのタイミングにおいても、土砂の落下を抑えることができる。
〈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。すなわち、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制御装置１２５および管制装置３００は、それぞれ単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、制御装置１２５または管制装置３００の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで制御装置１２５または管制装置３００として機能するものであってもよい。このとき、管制装置３００を構成する一部のコンピュータが作業機械１００の内部に搭載され、他のコンピュータが作業機械１００の外部に設けられてもよい。また、制御装置１２５を構成する一部のコンピュータが作業機械１００の内部に搭載され、他のコンピュータが作業機械１００の外部に設けられてもよい。
　また、上述した実施形態に係る制御装置１２５は、ホイスト旋回段階において常にアーム１１２の制御量を変化量上限値以内に制限するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２５は、アーム１１２の角度が鉛直より旋回体１２０側に傾いているときにのみ制御量を変化量上限値以内に制限してもよい。
　作業機械による掘削から排土までの間における土砂の落下を抑えることができる。
１…作業システム　１００…作業機械　１１０…作業機　１１１…ブーム　１１２…アーム　１１３…バケット　１２５…制御装置　２２０…制御装置　１２１８…段階特定部　１２１９…目標決定部　１２２０…制御量演算部　１２２１…制限部

Claims (4)

  1. 　ブーム、アームおよびバケットを備える作業機械の制御装置であって、
    　前記作業機械の作業段階を特定する段階特定部と、
    　特定した前記作業段階に基づいて前記ブーム及び前記アームの目標姿勢を決定する目標決定部と、
    　前記目標姿勢に基づいて前記ブームおよび前記アームの制御量を演算する制御量演算部と、
    　特定した前記作業段階がホイスト旋回に係る作業段階である場合に、前記アームの制御量の変化量が所定変化量以内となるように前記アームの制御量を制限する制限部と
    　を備える作業システム。
  2. 　前記ブームおよび前記アームの姿勢の計測値を取得する姿勢取得部を備え、
    　前記制御量演算部は、前記姿勢の計測値と前記目標姿勢とに基づいて前記ブームおよび前記アームの制御量を演算する
    　請求項１に記載の作業システム。
  3. 　前記制御量は、前記姿勢の計測値と前記目標姿勢との差に対して単調増加する
    　請求項２に記載の作業システム。
  4. 　ブーム、アームおよびバケットを備える作業機械の制御方法であって、
    　前記作業機械の作業段階を特定するステップと、
    　特定した前記作業段階に基づいて前記ブーム及び前記アームの目標姿勢を決定するステップと、
    　前記目標姿勢に基づいて前記ブームおよび前記アームの制御量を演算するステップと、
    　特定した前記作業段階がホイスト旋回に係る作業段階である場合に、前記アームの制御量の変化量が所定変化量以内となるように前記アームの制御量を制限するステップと
    　を備える制御方法。
PCT/JP2021/018462 2020-05-29 2021-05-14 作業システムおよび制御方法 WO2021241289A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/999,610 US20230193588A1 (en) 2020-05-29 2021-05-14 Work system and control method
KR1020227041138A KR20230003025A (ko) 2020-05-29 2021-05-14 작업 시스템 및 제어 방법
CN202180037865.3A CN115667634A (zh) 2020-05-29 2021-05-14 作业系统以及控制方法
DE112021001939.2T DE112021001939T5 (de) 2020-05-29 2021-05-14 Arbeitssystem und Steuerverfahren

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020094389A JP7572797B2 (ja) 2020-05-29 作業システムおよび制御方法
JP2020-094389 2020-05-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021241289A1 true WO2021241289A1 (ja) 2021-12-02

Family

ID=78744598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/018462 WO2021241289A1 (ja) 2020-05-29 2021-05-14 作業システムおよび制御方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230193588A1 (ja)
JP (1) JP2024124484A (ja)
KR (1) KR20230003025A (ja)
CN (1) CN115667634A (ja)
DE (1) DE112021001939T5 (ja)
WO (1) WO2021241289A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017166232A (ja) * 2016-03-16 2017-09-21 住友重機械工業株式会社 ショベル
JP2018154976A (ja) * 2017-03-15 2018-10-04 日立建機株式会社 作業機械
WO2019189260A1 (ja) * 2018-03-27 2019-10-03 住友重機械工業株式会社 ショベル
JP2020056310A (ja) * 2020-01-15 2020-04-09 住友重機械工業株式会社 ショベル及びショベルの重量算出装置
WO2020101006A1 (ja) * 2018-11-14 2020-05-22 住友重機械工業株式会社 ショベル、ショベルの制御装置

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002115272A (ja) 2000-10-11 2002-04-19 Hitachi Constr Mach Co Ltd 自動運転ショベル
CN100464036C (zh) * 2005-03-28 2009-02-25 广西柳工机械股份有限公司 用于液压挖掘机工作装置的轨迹控制系统及方法
CN104619922B (zh) * 2014-09-10 2017-04-26 株式会社小松制作所 作业车辆
WO2016186218A1 (ja) * 2016-05-31 2016-11-24 株式会社小松製作所 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
JP6618856B2 (ja) * 2016-06-21 2019-12-11 株式会社小松製作所 施工システム及び施工方法
JP6887229B2 (ja) * 2016-08-05 2021-06-16 株式会社小松製作所 施工管理システム
US10501911B2 (en) * 2016-11-29 2019-12-10 Komatsu Ltd. Work equipment control device and work machine
WO2020023103A1 (en) * 2018-07-23 2020-01-30 Massachusetts Institute Of Technology Automated control for excavators
EP3879036A4 (en) * 2018-11-08 2022-01-05 Sumitomo Construction Machinery Co., Ltd. SHOVEL, INFORMATION PROCESSING DEVICE, INFORMATION PROCESSING PROCESS, INFORMATION PROCESSING PROGRAM, TERMINAL DEVICE, DISPLAY PROCESS AND DISPLAY PROGRAM
WO2020101005A1 (ja) * 2018-11-14 2020-05-22 住友重機械工業株式会社 ショベル、ショベルの制御装置
WO2020101004A1 (ja) * 2018-11-14 2020-05-22 住友重機械工業株式会社 ショベル、ショベルの制御装置
JP7244267B2 (ja) 2018-12-12 2023-03-22 清水建設株式会社 制振構造
US20200232191A1 (en) * 2019-01-23 2020-07-23 Deere & Company Work-tool guidance system for a work vehicle
JP7315333B2 (ja) * 2019-01-31 2023-07-26 株式会社小松製作所 建設機械の制御システム、及び建設機械の制御方法
EP3951076B1 (en) * 2019-03-26 2024-05-08 Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Work machine
KR20210140742A (ko) * 2019-03-28 2021-11-23 스미토모 겐키 가부시키가이샤 쇼벨 및 시공시스템
JP7179688B2 (ja) * 2019-06-19 2022-11-29 日立建機株式会社 作業機械
US11821167B2 (en) * 2019-09-05 2023-11-21 Deere & Company Excavator with improved movement sensing
JP2022157459A (ja) * 2021-03-31 2022-10-14 株式会社小松製作所 施工管理システム、データ処理装置、及び施工管理方法
EP4317616A1 (en) * 2021-03-31 2024-02-07 Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Construction machine
JP2023034980A (ja) * 2021-08-31 2023-03-13 株式会社小松製作所 制御システム、制御方法および制御プログラム
JP2023050975A (ja) * 2021-09-30 2023-04-11 株式会社小松製作所 作業機械を制御するためのシステムおよび方法
JP2023051363A (ja) * 2021-09-30 2023-04-11 株式会社小松製作所 作業機械を制御するためのシステムおよび方法
JP2023050803A (ja) * 2021-09-30 2023-04-11 株式会社小松製作所 作業機械を制御するためのシステムおよび方法
JP2023050846A (ja) * 2021-09-30 2023-04-11 株式会社小松製作所 作業機械を制御するためのシステム、方法およびプログラム
WO2024053315A1 (ja) * 2022-09-08 2024-03-14 日立建機株式会社 施工履歴演算システム及び地形データ生成システム
JP2024092244A (ja) * 2022-12-26 2024-07-08 住友重機械工業株式会社 ショベル、ショベルの操作システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017166232A (ja) * 2016-03-16 2017-09-21 住友重機械工業株式会社 ショベル
JP2018154976A (ja) * 2017-03-15 2018-10-04 日立建機株式会社 作業機械
WO2019189260A1 (ja) * 2018-03-27 2019-10-03 住友重機械工業株式会社 ショベル
WO2020101006A1 (ja) * 2018-11-14 2020-05-22 住友重機械工業株式会社 ショベル、ショベルの制御装置
JP2020056310A (ja) * 2020-01-15 2020-04-09 住友重機械工業株式会社 ショベル及びショベルの重量算出装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021188364A (ja) 2021-12-13
CN115667634A (zh) 2023-01-31
DE112021001939T5 (de) 2023-02-23
JP2024124484A (ja) 2024-09-12
US20230193588A1 (en) 2023-06-22
KR20230003025A (ko) 2023-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7469127B2 (ja) 制御システムおよび制御方法
AU2018345223B2 (en) Work machine control device and control method
CN112424427B (zh) 作业机械的控制装置及控制方法
CN112639210A (zh) 装载机械的控制装置及控制方法
CN112424430B (zh) 控制装置、装载机械及控制方法
WO2019069947A1 (ja) 積込機械制御装置および制御方法
CN114761643B (zh) 作业机械的控制系统、作业机械、作业机械的控制方法
JP7058100B2 (ja) 制御装置および制御方法
WO2021210664A1 (ja) 作業システムおよび制御方法
WO2021241289A1 (ja) 作業システムおよび制御方法
JP2021096129A (ja) 衛星測位方法、衛星測位装置、衛星測位システム及び建設機械
JP7572797B2 (ja) 作業システムおよび制御方法
KR102720714B1 (ko) 제어 시스템 및 제어 방법
CN114787455B (zh) 作业机械的控制系统、作业机械以及作业机械的控制方法
WO2023188131A1 (ja) 作業機械の自動制御システム
JP2022079773A (ja) 作業システムおよび制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21811898

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20227041138

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21811898

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1