WO2023067886A1 - 作業機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

消費燃料を削減できる作業機械の制御装置を提供する。作業機械は、車体と、車体に支持された作業機と、作業機の駆動源であるエンジンとを有している。作業機械の制御装置は、エンジンの目標回転速度を設定するために手動で操作可能な回転速度設定部材（４８）と、通常制御と介入制御とのいずれか一方を選択的に実行するコントローラとを備えている。通常制御を実行するとき、エンジンコントローラ（３４）は、回転速度設定部材（４８）の操作に基づく目標回転速度でエンジンを制御する。介入制御を実行するとき、介入コントローラ（６０）は、作業機の作業内容を推定する。エンジンコントローラ（３４）は、推定された作業内容に対応する目標回転速度を設定し、回転速度設定部材（４８）の操作量にかかわらず、設定した目標回転速度でエンジンを制御する。

Description

作業機械の制御装置

　本開示は、作業機械の制御装置に関する。

　特開平３－２７９６３８号公報（特許文献１）には、重掘削、掘削、整正、微操作などの作業モードを選択するスイッチの投入状態と、スロットル量設定器から入力されたエンジン回転設定値とに応じて、エンジンに入力するエンジン回転指令値を決定する制御が開示されている。

特開平３－２７９６３８号公報

　作業機械は様々な作業を行うが、作業機械による一連の作業の中では、エンジン出力を要しない作業を含むことがある。エンジン出力を要しない作業中にも、たとえばエンジンの回転数が高く保たれる「重掘削」作業モード下での制御では、燃料が不必要に消費されてしまう。

　本開示では、消費燃料を削減できる、作業機械の制御装置が提案される。

　本開示に従うと、作業機械の制御装置が提案される。作業機械は、車体と、車体に支持された作業機と、作業機の駆動源であるエンジンとを有している。作業機械の制御装置は、エンジンの目標回転速度を設定するために手動で操作可能な回転速度設定部材と、通常制御と介入制御とのいずれか一方を選択的に実行するコントローラとを備えている。通常制御を実行するとき、コントローラは、回転速度設定部材の操作に基づく目標回転速度でエンジンを制御する。介入制御を実行するとき、コントローラは、作業機の作業内容を推定し、推定された作業内容に対応する目標回転速度を設定し、回転速度設定部材の操作量にかかわらず、設定した目標回転速度でエンジンを制御する。

　本開示の作業機械の制御装置によれば、消費燃料を削減して燃費を向上することができる。

実施形態における作業機械の構成を概略的に示す側面図である。 図１に示される作業機械のシステム構成を示すブロック図である。 介入コントローラの機能構成を示すブロック図である。 エンジンの目標回転速度を設定する処理の流れを示すフローチャートである。 作業分類の一例を示すテーブルである。 指令値を選択する処理の流れを示すフローチャートである。 第２実施形態における指令値を選択する処理の流れを示すフローチャートである。

　以下、本開示の実施の形態について図に基づいて説明する。
　明細書および図面において、同一の構成要素または対応する構成要素には、同一の符号を付し、重複する説明を繰り返さない。また、図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。

　以下の説明において、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」とは、運転室２ａ内の運転席２ｂに着座したオペレータを基準とした方向である。

　［第１実施形態］
　＜作業機械の構成＞
　図１は、実施形態における作業機械の一例としての油圧ショベル１００の構成を概略的に示す側面図である。図１に示されるように、本実施の形態の油圧ショベル１００は、走行体１と、旋回体２と、作業機３とを主に有している。走行体１と旋回体２とにより、油圧ショベル１００の車体が構成されている。

　走行体１は、左右一対の履帯装置１ａを有している。この左右一対の履帯装置１ａの各々は、履帯を有している。左右一対の履帯が回転駆動されることにより、油圧ショベル１００が自走する。

　旋回体２は、走行体１に対して旋回自在に設置されている。この旋回体２は、運転室（キャブ）２ａと、運転席２ｂと、エンジンルーム２ｃと、カウンタウェイト２ｄとを主に有している。運転室２ａは、旋回体２のたとえば前方左側（車両前側）に配置されている。運転室２ａの内部空間には、オペレータが着座するための運転席２ｂが配置されている。

　エンジンルーム２ｃおよびカウンタウェイト２ｄの各々は、運転室２ａに対して旋回体２の後方側（車両後側）に配置されている。エンジンルーム２ｃは、エンジンユニット（エンジン３１（図２）、排気処理構造体など）を収納している。エンジンルーム２ｃの上方はエンジンフードにより覆われている。カウンタウェイト２ｄは、エンジンルーム２ｃの後方に配置されている。

　作業機３は、旋回体２の前方側であって運転室２ａのたとえば右側において、旋回体２に支持されている。作業機３は、たとえばブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃ、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂ、バケットシリンダ４ｃなどを有している。ブーム３ａの基端部は、ブームフートピン５ａにより旋回体２に回転可能に連結されている。アーム３ｂの基端部は、ブームトップピン５ｂによりブーム３ａの先端部に回転可能に連結されている。バケット３ｃは、アームトップピン５ｃによりアーム３ｂの先端部に回転可能に連結されている。

　ブーム３ａは、ブームシリンダ４ａにより駆動可能である。この駆動により、ブーム３ａは、ブームフートピン５ａを中心に旋回体２に対して上下方向に回動可能である。アーム３ｂは、アームシリンダ４ｂにより駆動可能である。この駆動により、アーム３ｂは、ブームトップピン５ｂを中心にブーム３ａに対して上下方向に回動可能である。バケット３ｃは、バケットシリンダ４ｃにより駆動可能である。この駆動によりバケット３ｃは、アームトップピン５ｃを中心にアーム３ｂに対して上下方向に回動可能である。このように作業機３は駆動可能である。

　作業機３は、バケットリンク３ｄを有している。バケットリンク３ｄは、第１リンク部材３ｄａと、第２リンク部材３ｄｂとを有している。第１リンク部材３ｄａの先端と第２リンク部材３ｄｂの先端とは、バケットシリンダトップピン３ｄｃを介して、相対回転可能に連結されている。バケットシリンダトップピン３ｄｃは、バケットシリンダ４ｃの先端に連結されている。したがって第１リンク部材３ｄａおよび第２リンク部材３ｄｂは、バケットシリンダ４ｃにピン連結されている。

　第１リンク部材３ｄａの基端は、第１リンクピン３ｄｄによりアーム３ｂに回転可能に連結されている。第２リンク部材３ｄｂの基端は、第２リンクピン３ｄｅによりバケット３ｃの根元部分のブラケットに回転可能に連結されている。

　ブームシリンダ４ａのヘッド側には、圧力センサ６ａが取り付けられている。圧力センサ６ａは、ブームシリンダ４ａのシリンダヘッド側油室１４Ａ内の作動油の圧力（ヘッド圧）を検出することができる。ブームシリンダ４ａのボトム側には、圧力センサ６ｂが取り付けられている。圧力センサ６ｂは、ブームシリンダ４ａのシリンダボトム側油室１４Ｂ内の作動油の圧力（ボトム圧）を検出することができる。

　ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂおよびバケットシリンダ４ｃのそれぞれには、ストロークセンサ７ａ，７ｂ，７ｃが取り付けられている。ストロークセンサ７ａは、ブームシリンダ４ａにおけるシリンダ４ａａに対するシリンダロッド４ａｂの変位量を検出する。ストロークセンサ７ｂは、アームシリンダ４ｂにおけるシリンダロッドの変位量を検出する。ストロークセンサ７ｃは、バケットシリンダ４ｃにおけるシリンダロッドの変位量を検出する。

　ブームフートピン５ａ、ブームトップピン５ｂおよびアームトップピン５ｃのそれぞれの周囲には、角度センサ９ａ，９ｂ，９ｃが取り付けられていてもよい。角度センサ９ａ，９ｂ，９ｃは、ポテンショメータであってもよく、ロータリーエンコーダであってもよい。

　図１に示されるように、側方視において、ブームフートピン５ａとブームトップピン５ｂとを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）と、上下方向に延びる直線（図１中に破線で図示）とのなす角度を、ブーム角θｂとする。ブーム角θｂは、通常、鋭角である。ブーム角θｂは、旋回体２に対するブーム３ａの角度を表す。ブーム角θｂは、ストロークセンサ７ａの検出結果から算出することができ、また角度センサ９ａの測定値から算出することができる。

　側方視において、ブームフートピン５ａとブームトップピン５ｂとを通る直線と、ブームトップピン５ｂとアームトップピン５ｃとを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）とのなす角度を、アーム角θａとする。アーム角θａは、側方視でアーム３ｂが回動する領域におけるブーム３ａに対するアーム３ｂの角度を表す。アーム角θａは、ストロークセンサ７ｂの検出結果から算出することができ、また角度センサ９ｂの測定値から算出することができる。

　側方視において、ブームトップピン５ｂとアームトップピン５ｃとを通る直線と、アームトップピン５ｃとバケット３ｃの刃先とを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）とのなす角度を、バケット角θｋとする。バケット角θｋは、側方視でバケット３ｃが回動する領域におけるアーム３ｂに対するバケット３ｃの角度を表す。バケット角θｋは、ストロークセンサ７ｃの検出結果から算出することができ、また角度センサ９ｃの測定値から算出することができる。

　また旋回体２、ブーム３ａ、アーム３ｂおよび第１リンク部材３ｄａのそれぞれには、ＩＭＵ（Inertial　Measurement　Unit：慣性計測装置）８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが取り付けられている。ＩＭＵ８ａは、前後方向、左右方向および上下方向における旋回体２の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりの旋回体２の角速度とを計測する。ＩＭＵ８ｂ，８ｃ，８ｄのそれぞれは、前後方向、左右方向および上下方向におけるブーム３ａ、アーム３ｂ、第１リンク部材３ｄａの加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりのブーム３ａ、アーム３ｂ、第１リンク部材３ｄａの角速度とを計測する。

　旋回体２に取り付けられたＩＭＵ８ａで測定された加速度とブーム３ａに取り付けられたＩＭＵ８ｂで測定された加速度との差分に基づいて、ブームシリンダ４ａの伸縮の加速度（ブームシリンダ４ａの伸縮速度の変化量）を取得することができる。ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋは、それぞれＩＭＵ８ｂ，８ｃ，８ｄの検出結果から算出されてもよい。

　ＩＭＵ８ａは、作業機械の車体に取り付けられ車体の位置を検出する車体位置センサを構成している。ストロークセンサ７ａ，７ｂ，７ｃ、角度センサ９ａ，９ｂ，９ｃ、およびＩＭＵ８ｂ，８ｃ，８ｄは、作業機３に取り付けられ作業機３の位置を検出する作業機位置センサを構成している。

　油圧ショベル１００は、ペイロードメータ１１をさらに有している。ペイロードメータ１１は、たとえば旋回体２に搭載されている。ペイロードメータ１１は、油圧ショベル１００が掬った土砂などの荷の重量を計測する。ペイロードメータ１１は、バケット３ｃ内に積載されている荷の重量を計測する。ブームシリンダ４ａに掛かる圧力は、圧力センサ６ａ，６ｂで検出される。ペイロードメータ１１は、圧力センサ６ａ，６ｂが検出したブームシリンダ４ａの圧力の大きさを、バケット３ｃ内の荷の積載重量に変換する。

　＜システム構成＞
　次に、作業機械のシステム構成について図２を用いて説明する。図２は、図１に示される作業機械のシステム構成を示すブロック図である。図２に示される実施形態のシステムは、エンジン３１を制御するためのシステムであり、エンジンコントローラ３４を備えている。

　エンジン３１は、軽油を燃料油として駆動するディーゼルエンジンである。エンジン３１は、コモンレール式の燃料噴射装置（不図示）と、燃料をコモンレールに圧送する燃料ポンプ３６と、エンジン３１の冷却水の水温を検出するエンジン水温センサ３７とを備えている。エンジン３１の出力軸は、油圧ポンプ３２に接続されている。

　油圧ポンプ３２は、斜板駆動装置３８によって駆動する斜板を備え、斜板の回転位置で作動油の吐出圧を調整するアキシャルピストンポンプである。油圧ポンプ３２の作動油吐出側には、コントロールバルブ３９を介して、油圧アクチュエータ４０が接続されている。油圧アクチュエータ４０は、図１を参照して説明したブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂ、バケットシリンダ４ｃに加えて、図示しない旋回用油圧モータおよび走行用油圧モータを含んでいる。

　作業機３は、油圧ポンプ３２が吐出する作動油によって駆動される。油圧ポンプ３２は、エンジン３１によって駆動される。エンジン３１は、作業機３の動作の駆動源である。エンジン３１は、燃料の供給に従って回転駆動して、作業機３を動作させるための駆動力を発生する。

　油圧ポンプ３２には、パイロット圧生成用の油圧ポンプ３２Ａが接続されている。油圧ポンプ３２Ａの吐出側は、パイロット管路を介して、操作レバー２０，２１、走行レバー１３，１４に接続されている。操作レバー２０，２１、走行レバー１３、１４を操作すると、パイロット管路を介してコントロールバルブ３９の吐出圧が変化し、油圧アクチュエータ４０が動作する。エンジン３１および油圧ポンプ３２は、旋回体２に搭載されている。

　操作レバー２０，２１は、たとえば運転室２ａ内の運転席２ｂの側方に配置されている。操作レバー２０は、たとえばアーム３ｂの回動および旋回体２の旋回動作を行うための操作装置である。操作レバー２１は、たとえばブーム３ａの上下動およびバケット３ｃの回動を行うための操作装置である。走行レバー１３，１４は、たとえば運転室２ａ内の運転席２ｂよりも前方に配置されている。走行レバー１３，１４は、走行体１を走行させるための操作装置である。

　油圧ポンプ３２Ａと操作レバー２０，２１、走行レバー１３，１４との間には、ソレノイドバルブ２２Ａが設けられている。ロックレバー２２は、作業機３の操作、旋回体２の旋回、および走行体１の走行の機能を停止させるための操作装置である。ロックレバー２２をロック側に操作すると、ソレノイドバルブ２２Ａによりパイロット管路が遮断される。この状態で、オペレータが操作レバー２０，２１、走行レバー１３，１４を操作しても、油圧アクチュエータ４０は駆動しない。したがって作業機３などが動作しないようになっている。

　操作検出部４０Ａは、操作レバー２０，２１、走行レバー１３，１４が操作されたか否かを検出するセンサであり、アナログ式のセンサであってもよく、オン－オフのセンサであってもよい。操作検出部４０Ａは、たとえば操作レバー２０，２１、走行レバー１３，１４の操作をコントロールバルブ３９に伝達するパイロット管路に設けられ、パイロット管路内のパイロット油の圧力を検出する、圧力センサであってもよい。圧力センサに代えて、操作レバー２０，２１などにポテンショメータを組み込み、このポテンショメータによりレバーが操作されたか否かを判定するようにしてもよい。

　モニタ装置２３は、油圧ショベル１００の種々の状態（エンジン水温、作動油温、燃料残量など）を表示する。モニタ装置２３は、たとえば運転室２ａ内に配置されている。モニタ装置２３は、運転室２ａ内のたとえば運転席２ｂよりも前方に配置されている。モニタ装置２３は、外装ケース２８と、モニタ画面２９と、操作用スイッチ３０とを有している。外装ケース２８の前面に、モニタ画面２９と操作用スイッチ３０が設けられている。モニタ画面２９は、例えば、液晶パネルによって構成されている。操作用スイッチ３０は、オペレータが操作する少なくとも１つのスイッチを有している。操作用スイッチ３０は、運転室２ａ内の計器盤に設けられるなど、モニタ装置２３と別体であってもよい。

　排気ガス浄化装置３３は、エンジン３１の排気ガス中に含まれるＰＭ（Particulate　Matter）を除去する装置であり、フィルター４１および酸化触媒４２を備えている。

　フィルター４１は、セラミックなどの材料からなり、排気ガス中に含まれるＰＭを捕捉する。

　酸化触媒４２は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）のうち一酸化窒素（ＮＯ）を低減させて二酸化窒素（ＮＯ_２）を増加させる機能を備える。また酸化触媒４２は、酸化触媒４２より排気ガス流れの上流側に設けられる燃料噴射インジェクタ４３から噴射された炭化水素（ハイドロカーボン）を酸化させ、酸化反応により生じた反応熱により、フィルター４１で捕捉されたＰＭを燃焼させるフィルター４１の再生処理を行う機能も備える。燃料噴射インジェクタ４３から噴射される炭化水素としては、たとえば燃料である軽油を用いることができる。

　排気ガス浄化装置３３には、フィルター４１の入口側および出口側の差圧を検出する差圧センサ４４と、排気ガス浄化装置３３の入口、フィルター４１の入口、および排気ガス浄化装置３３の出口のそれぞれの温度を検出する温度センサ４５，４６，４７とが設けられている。これら各センサ４４～４７で検出された検出値は、電気信号としてエンジンコントローラ３４に出力される。

　エンジンコントローラ３４は、エンジン３１の燃料ポンプ３６に制御信号を出力して、図示しない燃料噴射装置からの燃料の噴射量を制御することにより、エンジン３１の回転数、または回転速度を制御する。制御されたエンジン３１の動作中にエンジン３１に設けられているエンジン水温センサ３７で検出された水温等は、電気信号としてモニタ装置２３に出力される。

　ポンプコントローラ３５は、油圧ポンプ３２の吐出圧を検出するポンプ圧力センサ４９、エンジン３１および油圧ポンプ３２間を接続する出力軸に設けられるエンジン回転センサ５０、および、油圧アクチュエータ４０に供給される作動油の温度を検出する作動油温センサ５１の検出値に基づいて、斜板駆動装置３８を制御する。また、ポンプコントローラ３５は、パイロット管路の圧力を検出する操作検出部４０Ａに基づいて、操作レバー２０，２１、走行レバー１３，１４が操作されたか否かのデータを生成し、電気信号としてモニタ装置２３に出力する。

　モニタ装置２３、エンジンコントローラ３４、およびポンプコントローラ３５は、互いにＣＡＮ（Controller　Area　Network）で通信可能に接続されている。

　回転速度設定部材４８は、エンジン３１への燃料供給量の目標値を設定することにより、エンジン３１の目標回転速度を設定するための部材である。回転速度設定部材４８は、たとえば、運転室２ａ内の運転室２ａの右側の計器盤に設けられている。回転速度設定部材４８は、たとえばダイヤル状の部材であり、手動で操作可能に設けられている。ただし、回転速度設定部材４８は、レバー、ペダル、またはスイッチなどの他の部材であってもよい。

　回転速度設定部材４８は、回転速度設定部材４８の操作量を示す操作信号をエンジンコントローラ３４に出力する。操作信号は、たとえば電圧値としてエンジンコントローラ３４に入力される。エンジンコントローラ３４は、回転速度設定部材４８から入力された操作信号に従って、エンジン３１の目標回転速度を設定する。エンジンコントローラ３４は、設定した目標回転速度で、エンジン３１を制御する。

　回転速度設定部材４８とエンジンコントローラ３４との間の信号経路に介入する介入コントローラ６０が設けられている。実施形態の「コントローラ」は、エンジンコントローラ３４と、介入コントローラ６０とを含んで構成されている。

　図３は、介入コントローラ６０の機能構成を示すブロック図である。図３に示されるように、介入コントローラ６０は、演算部６１と、記憶部６４と、出力部６５と、切り替えスイッチ６６とを主に備えている。

　演算部６１は、作業分類部６２を有している。作業分類部６２は、作業機３の作業内容を推定する。作業機３の作業内容を推定するために、たとえば、センサ７０の検出結果が用いられる。センサ７０は、図１を参照して説明したＩＭＵ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと、圧力センサ６ａ，６ｂとを含んでいる。センサ７０は、ストロークセンサ７ａ，７ｂ，７ｃおよび角度センサ９ａ，９ｂ，９ｃを含んでもよい。センサ７０は、操作レバー２０，２１の操作量を検出するポテンショメータなどの操作量センサを含んでもよい。作業機３の作業内容を推定するために、車体位置センサおよび作業機位置センサの検出結果が用いられる。

　センサ７０は、介入コントローラ６０に電気的に接続されている。したがって、圧力センサ６ａ，６ｂ、車体位置センサ（ＩＭＵ８ａ）および作業機位置センサ（ストロークセンサ７ａ，７ｂ，７ｃ、角度センサ９ａ，９ｂ，９ｃならびにＩＭＵ８ｂ，８ｃ，８ｄ）の検出結果が、介入コントローラ６０に直接入力される構成とされている。センサ７０は、有線または無線で介入コントローラ６０に接続されてもよい。

　作業機３の作業内容を推定するために、圧力センサ６ａ，６ｂの検出結果に基づいてペイロードメータ１１が計測した、作業機３（バケット３ｃ）に積載されている荷の重量が用いられてもよい。

　作業機３の作業内容を推定するために、前回の作業内容の推定結果が用いられてもよい。油圧ショベル１００が土砂を掘削しダンプトラックなどの搬送車両に掘削した土砂を積み込む一連の作業においては、掘削、積荷旋回、排土、空荷旋回という特徴的な動作がこの順に繰り返される。今回推定された作業内容が、前回推定された作業内容の直後に実行されるべきものであるか否かを判断し、作業の連続性を考慮して作業内容を推定することで、作業内容の推定の精度が高められる。

　演算部６１は、指令値選択部６３を有している。指令値選択部６３は、作業分類部６２が推定した作業内容に対応する指令値を選択する。

　作業分類部６２および指令値選択部６３は、記憶部６４に記憶されているプログラム、パラメータ、閾値などを適宜読み出すことにより、処理を実行する。

　出力部６５は、指令値選択部６３で選択された指令値を示す信号を出力する。指令値は、たとえば電圧値としてエンジンコントローラ３４に入力される。出力部６５からエンジンコントローラ３４に入力される指令値と、回転速度設定部材４８からエンジンコントローラ３４に入力される操作信号とは、電圧値という同種の物理量とされている。出力部６５は、電圧出力装置として構成されている。

　切り替えスイッチ６６は、回転速度設定部材４８とエンジンコントローラ３４との間の信号経路に電気的に接続されている。切り替えスイッチ６６は、回転速度設定部材４８の操作量を示す操作信号をエンジンコントローラ３４に入力し介入コントローラ６０から指令値をエンジンコントローラ３４に入力しない設定と、介入コントローラ６０から指令値をエンジンコントローラ３４に入力し回転速度設定部材４８の操作量を示す操作信号をエンジンコントローラ３４に入力しない設定と、を切り替え可能である。

　＜作業機械の制御＞
　図４は、エンジン３１の目標回転速度を設定する処理の流れを示すフローチャートである。図４および図３、ならびに後述の図５，６を適宜参照して、本実施形態における油圧ショベル１００の制御方法について説明する。本実施形態に基づくエンジン３１の制御は、通常制御と、介入制御とを含む。コントローラは、通常制御と介入制御とのいずれか一方を選択的に実行可能である。

　通常制御では、エンジン３１の目標回転速度が、回転速度設定部材４８の操作で設定される。通常制御を実行するとき、回転速度設定部材４８の操作量を示す操作信号が、回転速度設定部材４８からエンジンコントローラ３４に入力されるように、切り替えスイッチ６６が設定される。エンジンコントローラ３４は、入力された回転速度設定部材４８の操作量に基づき、エンジン３１の目標回転速度を設定する。エンジンコントローラ３４は、回転速度設定部材４８の操作に基づく目標回転速度で、エンジン３１を制御する。

　介入制御では、エンジン３１の目標回転速度が、作業機３の作業内容に対応して自動で設定される。介入コントローラ６０は、作業機３の作業内容を推定し、推定された作業内容に対応する指令値を選択する。介入制御を実行するとき、切り替えスイッチ６６は、推定された作業内容に対応する指令値を示す信号が介入コントローラ６０からエンジンコントローラ３４に出力されるように、設定される。エンジンコントローラ３４は、入力された指令値に基づきエンジン３１の目標回転速度を設定し、回転速度設定部材４８の操作量にかかわらず、設定した目標回転速度でエンジン３１を制御する。

　実施形態においては、図４に示されるように、作業開始時に、システムを起動するか否かが判断される（ステップＳ１）。システムを起動する（ステップＳ１においてＹＥＳ）場合には、エンジン３１の目標回転速度が作業機３の作業内容に対応して自動で設定される介入制御が実行される。システムは、作業開始と同時に自動的に起動される。システムは、介入コントローラ６０と通信可能な図示されないタブレットコンピュータからの操作により起動されてもよい。

　コントローラは、作業機３に積載されている荷の重量を計測する機能が有効に設定されている場合に、介入制御を実行する。機能は、モニタ装置２３により有効、無効が設定される。作業機３に積載されている荷の重量を計測する機能は、ペイロードメータ１１によって実現される。オペレータが操作可能な手動の切替スイッチまたは外部モニタなどの操作によって、ペイロードメータ１１のオン／オフが切り替えられる。ペイロードメータ１１のオン／オフの切り替えに従って、介入制御と通常制御とのいずれを実行するかが決定されてもよい。

　介入制御が実行される場合、ステップＳ２において、作業分類が行われる。図５は、作業分類の一例を示すテーブルである。図５には、積込作業の場合、すなわち、掘削、積荷旋回、排土および空荷旋回の作業がこの順に繰り返して行われる場合の、作業内容を推定するための判定条件が示されている。

　作業分類部６２（図３）は、図５に示されるように、センサ７０の検出結果、センサ７０の検出結果から導出される車体の稼働情報、および、前回の作業内容の推定結果に基づいて、作業内容を推定する。

　具体的に、アーム３ｂの動作は、たとえば、ＩＭＵ８ｃ、ストロークセンサ７ｂ、角度センサ９ｂ、およびアーム３ｂを操作するための操作レバー２０の操作量などの検出結果から判定される。バケット３ｃの動作は、たとえば、ＩＭＵ８ｄ、ストロークセンサ７ｃ、角度センサ９ｃ、およびバケット３ｃを操作するための操作レバー２１の操作量などの検出結果から判定される。旋回体２の旋回動作は、たとえば、ＩＭＵ８ａ、および旋回体２の旋回を操作するための操作レバー２０の操作量などの検出結果から判定される。バケット３ｃに積載されている荷の重量は、圧力センサ６ａ，６ｂなどの検出結果から判定される。

　前回の作業内容の推定結果は、記憶部６４に記憶されている。作業分類部６２は、前回の作業内容の推定結果を、記憶部６４から読み出す。

　バケット３ｃが、バケット３ｃの刃先が車体に近づく方向（図１においては、アームトップピン５ｃまわりの反時計回り方向）である掘削方向に操作されており、アーム３ｂが、アーム３ｂの先端部が車体に近づく方向（図１においては，ブームトップピン５ｂまわりの反時計回り方向）である掘削方向に操作されており、旋回体２は旋回しておらず、かつ、前回の作業内容が「空荷旋回」または「その他」と判定された場合、作業分類部６２は、作業内容は「掘削」であると判定する。

　旋回体２が旋回しており、バケット３ｃ内に荷が積載されており、かつ、前回の作業内容が「掘削」または「その他」と判定された場合、作業分類部６２は、作業内容は「積荷旋回」であると判定する。

　バケット３ｃが、バケット３ｃの刃先が車体から離れる方向（図１においては、アームトップピン５ｃまわりの時計回り方向）であるダンプ方向に操作されており、アーム３ｂが、アーム３ｂの先端部が車体から離れる方向（図１においては，ブームトップピン５ｂまわりの時計回り方向）であるダンプ方向に操作されており、旋回体２は旋回しておらず、かつ、前回の作業内容が「積荷旋回」または「その他」と判定された場合、作業分類部６２は、作業内容は「排土」であると判定する。

　旋回体２が旋回しており、バケット３ｃ内に荷が積載されておらず、かつ、前回の作業内容が「排土」または「その他」と判定された場合、作業分類部６２は、作業内容は「空荷旋回」であると判定する。

　「掘削」「積荷旋回」「排土」および「空荷旋回」のいずれの判定条件にも該当しない場合、作業分類部６２は、作業内容は「その他」と判定する。

　図４に戻って、次にステップＳ３において、作業内容に対応する指令値が選択される。図６は、指令値を選択する処理の流れを示すフローチャートである。指令値選択部６３（図３）は、図６に示されるフローに従って、指令値を選択する。

　図６に示されるように、作業内容が「掘削」であるか否かの判断がされ（ステップＳ１１）、作業内容が「掘削」であれば（ステップＳ１１においてＹＥＳ）、ステップＳ１２において、指令値選択部６３は指令値ａを選択する。

　作業内容が「掘削」でなければ（ステップＳ１１においてＮＯ）、作業内容が「積荷旋回」であるか否かの判断がされ（ステップＳ１３）、作業内容が「積荷旋回」であれば（ステップＳ１３においてＹＥＳ）、ステップＳ１４において、指令値選択部６３は指令値ｂを選択する。

　作業内容が「積荷旋回」でなければ（ステップＳ１３においてＮＯ）、作業内容が「排土」であるか否かの判断がされ（ステップＳ１５）、作業内容が「排土」であれば（ステップＳ１５においてＹＥＳ）、ステップＳ１６において、指令値選択部６３は指令値ｃを選択する。

　作業内容が「排土」でなければ（ステップＳ１５においてＮＯ）、作業内容が「空荷旋回」であるか否かの判断がされ（ステップＳ１７）、作業内容が「空荷旋回」であれば（ステップＳ１７においてＹＥＳ）、ステップＳ１８において、指令値選択部６３は指令値ｄを選択する。

　作業内容が「空荷旋回」でなければ（ステップＳ１７においてＮＯ）、「掘削」「積荷旋回」「排土」および「空荷旋回」のいずれの作業でもないので、ステップＳ１９において作業内容が「その他」であると判断されて、指令値選択部６３は指令値ｅを選択する。

　図４に戻って、次にステップＳ４において、選択された指令値が出力される。出力部６５は、指令値選択部６３が選択した指令値を、指令形式に合わせて電圧値などに変換して、エンジンコントローラ３４に出力する。

　続いてステップＳ５において、演算部６１は、推定した作業内容を記憶部６４に保存する。そして、次回の作業分類のときに、今回の作業内容の推定結果を利用できるようにする。

　ステップＳ１の判断において、システムを起動しない（ステップＳ１においてＮＯ）場合には、エンジン３１の目標回転速度が回転速度設定部材４８の操作で設定される通常制御が実行される。ステップＳ６において、回転速度設定部材４８は、回転速度設定部材４８の操作量に従った操作信号を、エンジンコントローラ３４に出力する。

　次に、ステップＳ７において、エンジンコントローラ３４は、エンジン３１の目標回転速度を設定する。エンジンコントローラ３４は、ステップＳ４でエンジンコントローラ３４に入力された指令値に対応する電圧値、または、ステップＳ６でエンジンコントローラ３４に入力された操作信号に対応する電圧値に基づいて、エンジン３１の回転数を制御する。

　続いて、作業を終了するか否かが判断される（ステップＳ８）。作業を終了しないのであれば（ステップＳ８においてＮＯ）、ステップＳ１の判断に戻り、上述した一連の処理が繰り返される。作業を終了するのであれば、処理を終了する（図４の「終了」）。

　＜作用および効果＞
　上述した実施形態の特徴的な構成および作用効果についてまとめて説明すると、以下の通りである。

　図４に示されるように、通常制御を実行するとき、エンジンコントローラ３４は、回転速度設定部材４８の操作に基づく目標回転速度でエンジン３１を制御する。介入制御を実行するとき、介入コントローラ６０は、作業機３の作業内容を推定する。エンジンコントローラ３４は、介入コントローラ６０の推定した作業内容に対応する目標回転速度を設定し、回転速度設定部材４８の操作量にかかわらず、設定した目標回転速度でエンジン３１を制御する。

　介入コントローラ６０は、作業機３による作業の内容を細かく分類することができる。介入コントローラ６０は、作業機３の作業内容がエンジン３１の出力を要しない作業であると推定されるときに介入コントローラ６０が選択する指令値を、作業内容がエンジン３１の出力を要する作業であると推定されるときに介入コントローラ６０が選択する指令値よりも、小さく設定することができる。たとえば、作業内容が排土のときの指令値ｃおよび空荷旋回のときの指令値ｄを、作業内容が掘削のときの指令値ａおよび積荷旋回のときの指令値ｂよりも、小さくすることができる。

　エンジンコントローラ３４は、介入コントローラ６０から入力された指令値に基づいて、エンジン３１の目標回転速度を低く設定することができる。これにより、エンジン３１の出力を要しない作業中にエンジン３１の回転数を下げることができるので、エンジン３１の消費燃料を削減できる。作業に応じたエンジン３１の回転数を自動で調整することで、作業性を落とさずに燃費を向上することができる。

　図４に示されるように、通常制御を実行するとき、回転速度設定部材４８の操作量を示す信号が回転速度設定部材４８からエンジンコントローラ３４に入力され、エンジンコントローラ３４は入力された操作量に基づき目標回転速度を設定する。介入制御を実行するとき、介入コントローラ６０は、作業機３の作業内容を推定し、推定された作業内容に対応する指令値を選択し、選択した指令値を示す信号をエンジンコントローラ３４に出力する。エンジンコントローラ３４は、入力された指令値に基づき目標回転速度を設定する。このようにして設定された目標回転速度でエンジン３１を制御することにより、エンジン３１の出力を要しない作業中にエンジン３１の回転数を下げることができる。

　図１に示されるように、油圧ショベル１００は、車体に取り付けられ車体の位置を検出する車体位置センサと、作業機３に取り付けられ作業機３の位置を検出する作業機位置センサとを有している。図５に示されるように、介入コントローラ６０は、車体位置センサおよび作業機位置センサの検出結果に基づいて、作業内容を推定する。介入コントローラ６０は、車体位置センサおよび作業機位置センサの検出結果に基づいて、車体および作業機の姿勢を演算し、その姿勢から作業内容を推定する。これにより、介入コントローラ６０は、作業機３が実施している作業の内容を精度よく推定することができる。

　図３に示されるように、車体位置センサおよび作業機位置センサの検出結果が、介入コントローラ６０に直接入力される。このようにすれば、既存の油圧ショベル１００に、車体位置センサおよび作業機位置センサを後付けで設置し、回転速度設定部材４８とエンジンコントローラ３４との間の信号経路に介入コントローラ６０を介入させてエンジンコントローラ３４に信号を出力することで、油圧ショベル１００の燃費の向上を実現することができる。油圧ショベル１００の他のエンジン制御の変更は不要であるので、制御を簡単に実現することができる。

　図５に示されるように、介入コントローラ６０は、作業機３に積載されている荷の重量に基づいて、作業内容を推定してもよい。これにより、介入コントローラ６０は、作業機３の作業内容を精度よく推定することができる。

　図５に示されるように、介入コントローラ６０は、作業内容の前回の推定結果に基づいて、作業内容を推定してもよい。作業の連続性を考慮して作業内容を推定することで、介入コントローラ６０は、作業機３の作業内容を精度よく推定することができる。

　図４に示されるように、介入コントローラ６０は、作業機３に積載されている荷の重量を計測する機能が有効に設定されている場合に、介入制御を実行してもよい。このようにすれば、通常制御と介入制御とのいずれを実行するかを、オペレータの意思で容易にかつ確実に設定することができる。

　［第２実施形態］
　図７は、第２実施形態における指令値を選択する処理の流れを示すフローチャートである。図７には、介入コントローラ６０が作業内容に対応する設定値を選択する処理の変形例が示されている。

　図７に示されるように、ステップＳ２１において、作業内容が「掘削」であるか否かの判断が、図５のテーブルに従って行われる。作業内容が「掘削」であれば（ステップＳ２１においてＹＥＳ）、ステップＳ２２において、指令値選択部６３は、指令値ｐを選択する。

　作業内容が「掘削」でなければ（ステップＳ２１においてＮＯ）、ステップＳ２３において、作業内容が「積荷旋回」であるか否かの判断が、図５のテーブルに従って行われる。作業内容が「積荷旋回」であれば（ステップＳ２３においてＹＥＳ）、次にステップＳ２４において、旋回状態の判断が行われる。具体的には、旋回体２の走行体１に対する旋回の加速度の判断が行われる。旋回体２の旋回の加速度は、図１に示されるＩＭＵ８ａの検出結果から、求めることができる。旋回の加速中であると判断されると、ステップＳ２５に進み、指令値選択部６３は、指令値ｐを選択する。旋回の減速中であると判断されると、ステップＳ２６に進み、指令値選択部６３は、指令値ｐよりも小さい値の指令値ｑを選択する。

　作業内容が「積荷旋回」でなければ（ステップＳ２３においてＮＯ）、ステップＳ２７において、作業内容が「排土」であるか否かの判断が、図５のテーブルに従って行われる。作業内容が「排土」であれば（ステップＳ２７においてＹＥＳ）、ステップＳ２８において、指令値選択部６３は、指令値ｑを選択する。

　作業内容が「排土」でなければ（ステップＳ２７においてＮＯ）、ステップＳ２９において、作業内容が「空荷旋回」であるか否かの判断が、図５のテーブルに従って行われる。佐合内容が「空荷旋回」であれば（ステップＳ２９においてＹＥＳ）、次にステップＳ３０において、旋回状態の判断が行われる。具体的には、旋回体２の走行体１に対する旋回の加速度の判断が行われる。旋回の加速中であると判断されると、ステップＳ３１に進み、指令値選択部６３は、指令値ｑを選択する。旋回の減速中であると判断されると、ステップＳ３２に進み、指令値選択部６３は、指令値ｐを選択する。

　作業内容が「空荷旋回」でなければ（ステップＳ２９においてＮＯ）、「掘削」「積荷旋回」「排土」および「空荷旋回」のいずれの作業でもないので、ステップＳ３３において作業内容が「その他」であると判断されて、指令値選択部６３は指令値ｒを選択する。

　以上説明した第２実施形態における指令値を選択する処理によれば、作業内容が「排土」のとき、作業内容が「掘削」であるときに選択される指令値ｐよりも小さい値の指令値ｑが選択される。エンジン３１の出力を要しない排土作業中に、エンジンコントローラ３４は、指令値ｑに基づいて、エンジン３１の目標回転速度を低く設定することができる。これにより、エンジン３１の消費燃料を削減して、燃費を向上することができる。

　作業内容が「積荷旋回」または「空荷旋回」の場合において、旋回体２の旋回の減速中であると判断されれば、旋回の加速中に選択される指令値とは異なる指令値が選択される。具体的に、「積荷旋回」中の旋回の加速中には「掘削」のときと同じ指令値ｐが選択され、「積荷旋回」中の旋回の減速中には「掘削」のときに選択される指令値ｐではなく「排土」のときに選択される指令値ｑが選択される。「空荷旋回」中の旋回の加速中には「排土」のときと同じ指令値ｑが選択され、「空荷旋回」中の旋回の減速中には「排土」のときに選択される指令値ｑではなく「掘削」のときに選択される指令値ｐが選択される。

　このようにすれば、「積荷旋回」中の旋回の減速中に、次に行われるべき「排土」作業に備えて、エンジン３１の出力を小さくすることができる。「空荷旋回」中の旋回の減速中に、次に行われるべき「掘削」作業に備えて、エンジン３１の出力を大きくすることができる。したがって、掘削、積荷旋回、排土、空荷旋回の作業がこの順に繰り返される一連の積込作業を、スムーズに実行することができる。

　これまでの実施形態の説明では、エンジンコントローラ３４と介入コントローラ６０とが別々に設けられる例について説明したが、この例に限られるものではない。同じ１つのコントローラが、実施形態のエンジンコントローラ３４と介入コントローラ６０との両方の機能を備える構成としてもよい。たとえば、既存の油圧ショベル１００のエンジンコントローラ３４に、実施形態の介入コントローラ６０の機能を追加してもよい。

　実施形態では、作業機械の一例として油圧ショベル１００について説明したが、油圧ショベル１００に限らず、他の種類の作業機械、たとえばブルドーザ、ホイールローダ、モータグレーダなどに本開示の思想を適用してもよい。実施形態では、作業機３の作業内容は作業機位置により推定されたが、作業機３の画像認識により推定してもよい。

　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　走行体、２　旋回体、３　作業機、３ａ　ブーム、３ｂ　アーム、３ｃ　バケット、４ａ　ブームシリンダ、４ｂ　アームシリンダ、４ｃ　バケットシリンダ、６ａ，６ｂ　圧力センサ、７ａ，７ｂ，７ｃ　ストロークセンサ、９ａ，９ｂ，９ｃ　角度センサ、１１　ペイロードメータ、１３，１４　走行レバー、２０，２１　操作レバー、３１　エンジン、３２，３２Ａ　油圧ポンプ、３４　エンジンコントローラ、４０　油圧アクチュエータ、４８　回転速度設定部材、５０　エンジン回転センサ、５１　油温センサ、６０　介入コントローラ、６１　演算部、６２　作業分類部、６３　指令値選択部、６４　記憶部、６５　出力部、６６　切り替えスイッチ、７０　センサ、１００　油圧ショベル。

Claims (7)

1. 　作業機械の制御装置であって、前記作業機械は、車体と、前記車体に支持された作業機と、前記作業機の駆動源であるエンジンとを有し、
   　前記エンジンの目標回転速度を設定するために手動で操作可能な回転速度設定部材と、
   　通常制御と介入制御とのいずれか一方を選択的に実行するコントローラとを備え、
   　前記通常制御を実行するとき、前記コントローラは、前記回転速度設定部材の操作に基づく前記目標回転速度で前記エンジンを制御し、
   　前記介入制御を実行するとき、前記コントローラは、前記作業機の作業内容を推定し、推定された前記作業内容に対応する前記目標回転速度を設定し、前記回転速度設定部材の操作量にかかわらず、設定した前記目標回転速度で前記エンジンを制御する、作業機械の制御装置。
2. 　前記コントローラは、前記エンジンに制御信号を出力するエンジンコントローラと、前記回転速度設定部材と前記エンジンコントローラとの間の信号経路に介入する介入コントローラとを含み、
   　前記通常制御を実行するとき、前記回転速度設定部材の操作量を示す信号が前記回転速度設定部材から前記エンジンコントローラに入力され、前記エンジンコントローラは入力された前記操作量に基づき前記目標回転速度を設定し、
   　前記介入制御を実行するとき、前記介入コントローラは、前記作業機の作業内容を推定し、推定された前記作業内容に対応する指令値を選択し、前記指令値を示す信号を前記エンジンコントローラに出力し、前記エンジンコントローラは、入力された前記指令値に基づき前記目標回転速度を設定する、請求項１に記載の作業機械の制御装置。
3. 　前記作業機械は、前記車体に取り付けられ前記車体の位置を検出する車体位置センサと、前記作業機に取り付けられ前記作業機の位置を検出する作業機位置センサとをさらに有し、
   　前記コントローラは、前記車体位置センサおよび前記作業機位置センサの検出結果に基づいて、前記作業内容を推定する、請求項１または請求項２に記載の作業機械の制御装置。
4. 　前記車体位置センサおよび前記作業機位置センサの検出結果が前記コントローラに直接入力される、請求項３に記載の作業機械の制御装置。
5. 　前記コントローラは、前記作業機に積載されている荷の重量に基づいて、前記作業内容を推定する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の作業機械の制御装置。
6. 　前記コントローラは、前記作業内容の前回の推定結果に基づいて、前記作業内容を推定する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の作業機械の制御装置。
7. 　前記コントローラは、前記作業機に積載されている荷の重量を計測する機能が有効に設定されている場合に、前記介入制御を実行する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の作業機械の制御装置。

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