WO2024070412A1 - 作業機械の制御システム、作業機械、及び作業機械の制御方法 - Google Patents

作業機械の制御システム、作業機械、及び作業機械の制御方法 Download PDF

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WO2024070412A1
WO2024070412A1 PCT/JP2023/031182 JP2023031182W WO2024070412A1 WO 2024070412 A1 WO2024070412 A1 WO 2024070412A1 JP 2023031182 W JP2023031182 W JP 2023031182W WO 2024070412 A1 WO2024070412 A1 WO 2024070412A1
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WO
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design surface
design
work machine
offset
control unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/031182
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English (en)
French (fr)
Inventor
柾 山脇
安曇 市川
貴史 横尾
祥人 熊倉
康史 上原
角田　賢一
大毅 有松
Original Assignee
株式会社小松製作所
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Publication date
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    • 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
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices

Definitions

  • This disclosure relates to a work machine control system, a work machine, and a work machine control method.
  • a technique for constructing a work target based on a target construction surface In the technical field related to work machines, there is known a technique for constructing a work target based on a target construction surface.
  • Known techniques for constructing a work target based on a target construction surface include a machine guidance technique that presents a guidance image showing the relative position between the target construction surface and the bucket of the work machine to the operator of the work machine, and a machine control technique that assists and controls the operation of the operator so that the bucket of the work machine moves according to the target construction surface.
  • An example of the machine guidance technique is disclosed in Patent Document 1.
  • a target construction surface is defined by multiple design surfaces with mutually different gradients.
  • it is desired to generate a new target construction surface by offsetting each of the multiple design surfaces in the vertical direction (normal direction) of the design surfaces.
  • the design surfaces may intersect or separate from each other, and the target construction surface may not be generated properly.
  • offsetting the entire target construction surface in the vertical direction results in a huge computational load.
  • the present disclosure aims to easily offset each of multiple design surfaces vertically.
  • a work machine control system includes a construction data storage unit that stores multiple design surfaces that are set as construction targets for the work machine, a selection unit that selects at least two design surfaces from the multiple design surfaces to be offset in the vertical direction of the design surfaces, and an offset control unit that processes the selected design surfaces to offset them in the vertical direction.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a work machine according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a work machine according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a cab of a work machine according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a control system for a work machine according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic diagram of a target construction surface.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a problem associated with the embodiment.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a control method for a work machine according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a perspective view that illustrates a design surface selected by the selection unit according to the embodiment.
  • FIG. 9 is a perspective view that illustrates a design surface before and after being offset by the offset control unit according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a side view showing a schematic diagram of a design surface before and after being offset by the offset control unit according to the embodiment.
  • FIG. 11 is a side view that shows a schematic of the design surface after machining and offsetting.
  • FIG. 12 is a plan view that shows a schematic diagram of the design surface after machining and offsetting.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a processing method when two design surfaces intersect.
  • FIG. 14 is a block diagram illustrating a computer system according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a work machine 1 according to an embodiment.
  • Fig. 2 is a schematic diagram showing the work machine 1 according to an embodiment.
  • Fig. 3 is a diagram showing a cab 2 of the work machine 1 according to an embodiment.
  • the work machine 1 operates at a work site.
  • the work machine 1 is a hydraulic excavator.
  • the work machine 1 will be referred to as the hydraulic excavator 1 as appropriate.
  • the hydraulic excavator 1 includes a running body 3, a rotating body 4, a work machine 5, a hydraulic cylinder 6, an operating device 7, an on-board monitor 8, a position sensor 9, an inclination sensor 10, an attitude sensor 11, and a control device 12.
  • a three-dimensional site coordinate system (Xg, Yg, Zg) is defined at the work site.
  • a three-dimensional vehicle body coordinate system (Xm, Ym, Zm) is defined on the rotating body 4.
  • the site coordinate system is composed of the Xg axis, which extends north-south from the site reference point Og defined at the work site, the Yg axis, which extends east-west from the site reference point Og, and the Zg axis, which extends vertically from the site reference point Og.
  • the vehicle body coordinate system is composed of the Xm axis extending in the fore-and-aft direction of the rotating body 4 from the representative point Om defined on the rotating body 4, the Ym axis extending in the left-right direction of the rotating body 4 from the representative point Om, and the Zm axis extending in the up-and-down direction of the rotating body 4 from the representative point Om.
  • the +Xm direction is the front of the rotating body 4
  • the -Xm direction is the rear of the rotating body 4
  • the +Ym direction is the left of the rotating body 4
  • the -Ym direction is the right of the rotating body 4
  • the +Zm direction is above the rotating body 4
  • the -Zm direction is below the rotating body 4.
  • the running body 3 runs while supporting the rotating body 4.
  • the running body 3 has a pair of tracks 3A.
  • the running body 3 runs due to the rotation of the tracks 3A.
  • the running motion of the running body 3 includes forward motion and reverse motion.
  • the hydraulic excavator 1 can move around the work site using the running body 3.
  • the rotating body 4 is supported by the running body 3.
  • the rotating body 4 is positioned above the running body 3.
  • the rotating body 4 rotates around the rotation axis RX while supported by the running body 3.
  • the rotation axis RX is parallel to the Zm axis.
  • the rotation of the rotating body 4 includes left rotation and right rotation.
  • the driver's cab 2 is provided on the rotating body 4.
  • the work machine 5 is supported by the rotating body 4.
  • the work machine 5 performs work.
  • the work performed by the work machine 5 includes an excavation work for excavating a construction target and a loading work for loading the excavated material onto a loading target.
  • the work machine 5 includes a boom 5A, an arm 5B, and a bucket 5C.
  • the base end of the boom 5A is rotatably connected to the front of the rotating body 4.
  • the base end of the arm 5B is rotatably connected to the tip of the boom 5A.
  • the base end of the bucket 5C is rotatably connected to the tip of the arm 5B.
  • the hydraulic cylinder 6 operates the work machine 5.
  • the hydraulic cylinder 6 includes a boom cylinder 6A, an arm cylinder 6B, and a bucket cylinder 6C.
  • the boom cylinder 6A raises and lowers the boom 5A.
  • the arm cylinder 6B performs digging and dumping operations on the arm 5B.
  • the bucket cylinder 6C performs digging and dumping operations on the bucket 5C.
  • the base end of the boom cylinder 6A is connected to the rotating body 4.
  • the tip end of the boom cylinder 6A is connected to the boom 5A.
  • the base end of the arm cylinder 6B is connected to the boom 5A.
  • the tip end of the arm cylinder 6B is connected to the arm 5B.
  • the base end of the bucket cylinder 6C is connected to the arm 5B.
  • the tip end of the bucket cylinder 6C is connected to the bucket 5C.
  • the operating device 7 is disposed in the cab 2.
  • the operating device 7 is operated to operate at least one of the traveling body 3, the rotating body 4, and the work machine 5.
  • the operating device 7 is operated by an operator seated in the cab 2.
  • the operator can operate the operating device 7 while seated in the operator's seat 14 disposed in the cab 2.
  • the operating device 7 includes a left working lever 7A and a right working lever 7B that are operated to operate the rotating body 4 and the working machine 5, a left traveling lever 7C and a right traveling lever 7D that are operated to operate the traveling body 3, and a left foot pedal 7E and a right foot pedal 7F.
  • the arm 5B When the left working lever 7A is operated in the forward/backward direction, the arm 5B performs a dumping operation or an excavation operation.
  • the rotating body 4 When the left working lever 7A is operated in the left/right direction, the rotating body 4 performs a left swinging operation or a right swinging operation.
  • the bucket 5C When the right working lever 7B is operated in the left/right direction, the bucket 5C performs an excavation operation or a dumping operation.
  • the boom 5A When the right working lever 7B is operated in the forward/backward direction, the boom 5A performs a lowering operation or a raising operation.
  • the rotating body 4 performs a right swinging operation or a left swinging operation
  • the arm 5B performs a dumping operation or an excavation operation.
  • the left foot pedal 7E is linked to the left travel lever 7C.
  • the right foot pedal 7F is linked to the right travel lever 7D.
  • the in-vehicle monitor 8 is disposed in the driver's cab 2.
  • the in-vehicle monitor 8 is disposed to the right front of the driver's seat 14.
  • the in-vehicle monitor 8 has a display device 8A, an input device 8B, and an alarm device 8C.
  • the display device 8A displays the specified display data.
  • Examples of the display device 8A include a flat panel display such as a liquid crystal display (LCD) or an organic electroluminescence display (OELD).
  • LCD liquid crystal display
  • OELD organic electroluminescence display
  • the input device 8B generates input data when operated by an operator.
  • Examples of the input device 8B include a button switch, a computer keyboard, and a touch panel.
  • the alarm device 8C outputs a specified alarm.
  • the alarm device 8C is an audio output device that outputs an alarm sound.
  • the alarm device 8C may also be a light-emitting device that outputs an alarm light.
  • the position sensor 9 detects the position of the rotating unit 4 in the site coordinate system.
  • the position sensor 9 detects the position of the rotating unit 4 in the site coordinate system using a Global Navigation Satellite System (GNSS).
  • the Global Navigation Satellite System includes a Global Positioning System (GPS).
  • GPS Global Positioning System
  • the Global Navigation Satellite System detects a position defined by coordinate data of latitude, longitude, and altitude.
  • the position sensor 9 includes a GNSS receiver that receives GNSS radio waves from a GNSS satellite.
  • the position sensor 9 is disposed on the rotating unit 4. In an embodiment, the position sensor 9 is disposed on a counterweight of the rotating unit 4.
  • the position sensor 9 includes a first position sensor 9A and a second position sensor 9B.
  • the first position sensor 9A and the second position sensor 9B are arranged at different positions on the rotating body 4. In the embodiment, the first position sensor 9A and the second position sensor 9B are arranged at a distance in the left-right direction on the rotating body 4.
  • the first position sensor 9A detects a first positioning position indicating the position where the first position sensor 9A is located.
  • the second position sensor 9B detects a second positioning position indicating the position where the second position sensor 9B is located.
  • the tilt sensor 10 detects the acceleration and angular velocity of the rotating body 4.
  • the tilt sensor 10 includes an inertial measurement unit (IMU).
  • IMU inertial measurement unit
  • the tilt sensor 10 is disposed on the rotating body 4. In the embodiment, the tilt sensor 10 is installed below the cab 2.
  • the attitude sensor 11 detects the attitude of the work machine 5.
  • the attitude of the work machine 5 includes the angle of the work machine 5.
  • the attitude sensor 11 includes a first attitude sensor 11A that detects the angle of the boom 5A relative to the rotating body 4, a second attitude sensor 11B that detects the angle of the arm 5B relative to the boom 5A, and a third attitude sensor 11C that detects the angle of the bucket 5C relative to the arm 5B.
  • the attitude sensor 11 may be a stroke sensor that detects the stroke of the hydraulic cylinder 6, or a potentiometer that detects the angle of the work machine 5.
  • Control System 4 is a block diagram showing a control system 30 of the work machine 1 according to the embodiment.
  • the hydraulic excavator 1 is equipped with the control system 30.
  • the control system 30 has an on-board monitor 8, a position sensor 9, an inclination sensor 10, an attitude sensor 11, and a control device 12.
  • the control device 12 controls the hydraulic excavator 1.
  • the control device 12 includes a computer system.
  • the control device 12 has a construction data storage unit 15, a vehicle body data storage unit 16, an operation data acquisition unit 17, an input data acquisition unit 18, a sensor data acquisition unit 19, a position and orientation calculation unit 20, a tilt angle calculation unit 21, a work machine position calculation unit 22, a selection unit 23, an offset control unit 24, a display control unit 25, a travel control unit 26, a rotation control unit 27, and a work machine control unit 28.
  • the construction data storage unit 15 stores multiple design surfaces that are set at the work site.
  • the multiple design surfaces are set as the construction target of the hydraulic excavator 1 at the work site.
  • the design surfaces are created by a computer system that exists outside the hydraulic excavator 1.
  • the design surfaces are created in a facility external to the hydraulic excavator 1, such as a design room.
  • the design surfaces are surfaces that are defined in the site coordinate system.
  • the multiple design surfaces define a target construction surface that indicates the target shape of the construction target.
  • the hydraulic excavator 1 excavates the construction target based on the target construction surface.
  • the vehicle body data storage unit 16 stores vehicle body data of the hydraulic excavator 1.
  • the vehicle body data of the hydraulic excavator 1 includes the dimensions of the working equipment 5.
  • the dimensions of the working equipment 5 include the length of the boom 5A, the length of the arm 5B, and the length of the bucket 5C.
  • the vehicle body data of the hydraulic excavator 1 also includes the dimensions of the running body 3 and the dimensions of the rotating body 4.
  • the operation data acquisition unit 17 acquires operation data generated by operating the operation device 7.
  • the input data acquisition unit 18 acquires input data generated by operating the input device 8B.
  • the sensor data acquisition unit 19 acquires detection data from the position sensor 9, the tilt sensor 10, and the attitude sensor 11.
  • the position and orientation calculation unit 20 calculates the position and azimuth of the rotating body 4 in the on-site coordinate system based on the detection data of the position sensor 9.
  • the position sensor 9 includes a GNSS receiver that receives GNSS radio waves.
  • the position and orientation calculation unit 20 calculates the position and azimuth of the rotating body 4 based on the GNSS radio waves.
  • the azimuth of the rotating body 4 is, for example, the azimuth of the rotating body 4 based on the Xg axis.
  • the position and orientation calculation unit 20 calculates the position of the rotating body 4 based on at least one of the first positioning position detected by the first position sensor 9A and the second positioning position detected by the second position sensor 9B.
  • the position and orientation calculation unit 20 calculates the azimuth angle of the rotating body 4 based on the relative position between the first positioning position detected by the first position sensor 9A and the second positioning position detected by the second position sensor 9B.
  • the inclination angle calculation unit 21 calculates the inclination angle of the rotating body 4 based on the detection data of the inclination sensor 10.
  • the inclination angle of the rotating body 4 includes the roll angle and pitch angle of the rotating body 4.
  • the roll angle refers to the inclination angle of the rotating body 4 in the inclination direction centered on the Xg axis.
  • the pitch angle refers to the inclination angle of the rotating body 4 in the inclination direction centered on the Yg axis.
  • the inclination angle calculation unit 21 calculates the roll angle and pitch angle of the rotating body 4 based on the detection data of the inclination sensor 10.
  • the work implement position calculation unit 22 calculates the position of the work implement 5 based on the position of the work machine 1 calculated by the position and orientation calculation unit 20.
  • the work implement position calculation unit 22 calculates the position of the work implement 5 in the site coordinate system based on the vehicle body data of the hydraulic excavator 1 stored in the vehicle body data storage unit 16, the position and azimuth of the rotating body 4 calculated by the position and orientation calculation unit 20, the inclination angle of the rotating body 4 calculated by the inclination angle calculation unit 21, and the detection data of the attitude sensor 11.
  • the position of the work implement 5 includes the position of the bucket 5C.
  • the position of the bucket 5C includes the position of the cutting edge provided at the tip of the bucket 5C.
  • the selection unit 23 selects at least two design surfaces to be offset in the vertical direction of the design surface from among the multiple design surfaces stored in the construction data storage unit 15.
  • the design surfaces to be offset are specified by the operator.
  • the operator operates the input device 8B to specify the design surfaces to be offset.
  • the input data from the input device 8B is acquired by the input data acquisition unit 18.
  • the selection unit 23 selects at least two design surfaces to be offset in the vertical direction of the design surface from among the multiple design surfaces stored in the construction data storage unit 15 based on the input data acquired by the input data acquisition unit 18.
  • the offset control unit 24 processes at least two design surfaces selected by the selection unit 23 to offset them in the vertical direction.
  • the display control unit 25 controls the display device 8A of the in-vehicle monitor 8.
  • the display control unit 25 causes the display device 8A to display specified display data.
  • the display control unit 25 can cause the display device 8A to display both the design surface before offsetting and the design surface after offsetting.
  • the driving control unit 26 controls the running body 3 based on the operation data of the operation device 7 acquired by the operation data acquisition unit 17.
  • the rotation control unit 27 controls the rotating body 4 based on the operation data of the operation device 7 acquired by the operation data acquisition unit 17.
  • the work machine control unit 28 controls the work machine 5. Controlling the work machine 5 includes controlling the hydraulic cylinder 6. The work machine control unit 28 controls the work machine 5 based on the design surface after processing and offsetting by the offset control unit 24. The work machine control unit 28 controls the work machine 5 based on the operation data of the operation device 7 acquired by the operation data acquisition unit 17. The work machine control unit 28 also assists in controlling the operator's operation so that the bucket 5C of the work machine 5 moves according to the design surface. The work machine control unit 28 assists in controlling the work machine 5 so that the cutting edge of the bucket 5C calculated by the work machine position calculation unit 22 follows the design surface offset by the offset control unit 24, for example.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic diagram of a target construction surface 50.
  • a target construction surface 50 showing a target shape of a construction target is defined by a plurality of design surfaces 51, 52, and 53.
  • Each of the plurality of design surfaces 51, 52, and 53 is a flat surface.
  • the design surface 52 is adjacent to the design surface 51.
  • the design surface 53 is adjacent to at least one of the design surfaces 51 and 52. In the example shown in Fig. 5, the design surface 53 is adjacent to the design surface 52.
  • the target construction surface 50 is defined by a plurality of design surfaces 51, 52, and 53 having different gradients from each other.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the problem associated with the embodiment.
  • a design surface 510 is generated.
  • a design surface 520 is generated.
  • a design surface 530 is generated.
  • the offset design surface 510 and the design surface 520 may cross each other, or the offset design surface 520 and the design surface 530 may be separated from each other.
  • the target construction surface 50 may not be generated properly.
  • the design surfaces 510, 520, and 530 it is possible to enlarge or reduce each of the design surfaces 510, 520, and 530.
  • the design surfaces 510, 520, and 530 are polygonal surfaces composed of multiple triangles, and it is not possible to eliminate the intersection or separation by simply enlarging or reducing the surfaces.
  • the offset control unit 24 processes the design surfaces 51, 52, and 53 to offset them in the vertical direction.
  • the processing of the design surfaces 51, 52, and 53 by the offset control unit 24 includes changing the offset design surfaces 510, 520, and 530 into quadrilaterals based on the vertices of the design surfaces 51, 52, and 53 before the offset.
  • Control method 7 is a flowchart showing a method for controlling the hydraulic excavator 1 according to the embodiment.
  • a plurality of design surfaces are stored in the construction data storage unit 15.
  • the display control unit 25 causes the display device 8A to display the plurality of design surfaces stored in the construction data storage unit 15 (step S1).
  • the operator of the hydraulic excavator 1 operates the input device 8B to select at least two design surfaces to be offset vertically from among the multiple design surfaces displayed on the display device 8A.
  • the input data from the input device 8B is acquired by the input data acquisition unit 18.
  • the selection unit 23 selects at least two design surfaces to be offset vertically from among the multiple design surfaces stored in the construction data storage unit 15 (step S2).
  • FIG. 8 is a perspective view that shows a schematic diagram of design surfaces 51, 52, and 53 selected by the selection unit 23 according to the embodiment.
  • the selection unit 23 selects design surface 51, design surface 52 adjacent to design surface 51, and design surface 53 adjacent to at least one of design surface 51 and design surface 52.
  • design surface 53 is adjacent to design surface 52.
  • Design surface 51 is composed of six triangles adjacent to each other. The six triangles that make up design surface 51 are arranged in the same plane.
  • Design surface 52 is composed of five triangles adjacent to each other. The five triangles that make up design surface 52 are arranged in the same plane.
  • Design surface 53 is composed of four triangles adjacent to each other. The four triangles that make up design surface 53 are arranged in the same plane.
  • each of design surfaces 51, 52, and 53 is a polygon.
  • Each of design surfaces 51, 52, and 53 has at least five vertices. That is, design surfaces 51, 52, and 53 are pentagonal or more.
  • the outer shape of design surface 51 is a heptagon.
  • the outer shape of design surface 52 is a hexagon.
  • the outer shape of design surface 53 is a hexagon.
  • Design surface 51 and design surface 52 are adjacent to each other such that one side of design surface 51 coincides with one side of design surface 52.
  • Design surface 52 and design surface 53 are adjacent to each other such that one side of design surface 52 coincides with one side of design surface 53.
  • Design surface 51 and design surface 52 share an edge 61.
  • Design surface 52 and design surface 53 share an edge 62.
  • Edge 61 connects two vertices of design surface 51 and two vertices of design surface 52.
  • Edge 62 connects two vertices of design surface 52 and two vertices of design surface 53.
  • the offset control unit 24 processes the design surfaces 51, 52, and 53 selected in step S2 to offset them in the vertical direction (step S3).
  • FIG. 9 is a perspective view showing the design surfaces 51, 52, 53 before being offset by the offset control unit 24 according to the embodiment, and the design surfaces 510, 520, 530 after being offset.
  • FIG. 10 is a side view showing the design surfaces 51, 52, 53 before being offset by the offset control unit 24 according to the embodiment, and the design surfaces 510, 520, 530 after being offset.
  • the processing of the design surfaces 51, 52, and 53 by the offset control unit 24 includes forming the offset design surfaces 510, 520, and 530 into quadrilaterals based on the vertices of the design surfaces 51, 52, and 53 before the offset.
  • the external shape of the design surface 510 is a rectangle.
  • the design surface 510 has a first side 610, a second side 612 opposite the first side 610, a third side 613 connecting one end of the first side 610 and one end of the second side 612, and a fourth side 614 connecting the other end of the first side 610 and the other end of the second side 612.
  • the size and orientation of the first side 610 of the design surface 510 are equal to the size and orientation of the side 61 of the design surface 51.
  • the first side 610 of the design surface 510 and the side 61 of the design surface 51 are parallel.
  • the first side 610 and the second side 612 are parallel.
  • the size of the first side 610 and the size of the second side 612 are equal.
  • the first side 610 and the third side 613 are perpendicular to each other.
  • the first side 610 and the fourth side 614 are perpendicular to each other.
  • the third side 613 and the fourth side 614 are parallel.
  • the dimension of the third side 613 of the design surface 510 and the dimension of the fourth side 614 of the design surface 510 are equal to the distance L1 shown in FIG. 8.
  • the distance L1 is the distance between the side 61 and the vertex 51F of the design surface 51 in a direction parallel to the design surface 51 and perpendicular to the side 61.
  • the vertex 51F is the vertex that is the farthest from the side 61 of the seven vertices of the design surface 51 in a direction parallel to the design surface 51 and perpendicular to the side 61.
  • the external shape of the design surface 530 is a rectangle.
  • the design surface 530 has a fifth side 620, a sixth side 632 opposite the fifth side 620, a seventh side 633 connecting one end of the fifth side 620 to one end of the sixth side 632, and an eighth side 634 connecting the other end of the fifth side 620 to the other end of the sixth side 632.
  • the size and orientation of the fifth side 620 of the design surface 530 are equal to the size and orientation of the side 62 of the design surface 53.
  • the fifth side 620 of the design surface 530 and the side 62 of the design surface 53 are parallel.
  • the fifth side 620 and the sixth side 632 are parallel.
  • the size of the fifth side 620 and the size of the sixth side 632 are equal.
  • the fifth side 620 and the seventh side 633 are perpendicular to each other.
  • the fifth side 620 and the eighth side 634 are perpendicular to each other.
  • the seventh side 633 and the eighth side 634 are parallel.
  • the dimension of the seventh side 633 of the design surface 530 and the dimension of the eighth side 634 of the design surface 530 are equal to the distance L2 shown in FIG. 8.
  • the distance L2 is the distance between the side 62 and the vertex 53F of the design surface 53 in a direction parallel to the design surface 53 and perpendicular to the side 62.
  • the vertex 53F is the vertex that is the farthest from the side 62 of the six vertices of the design surface 53 in a direction parallel to the design surface 53 and perpendicular to the side 62.
  • the external shape of the design surface 520 is a rectangle.
  • the design surface 520 has a first side 610, a fifth side 620 opposite the first side 610, a ninth side 623 connecting one end of the first side 610 to one end of the fifth side 620, and a tenth side 624 connecting the other end of the first side 610 to the other end of the fifth side 620.
  • Design surface 510 is a plane offset by a predetermined offset amount in the vertical direction (normal direction) of design surface 51.
  • Design surface 510 and design surface 51 are parallel.
  • Design surface 520 is a plane offset by a predetermined offset amount in the vertical direction (normal direction) of design surface 52.
  • Design surface 520 and design surface 52 are parallel.
  • Design surface 530 is a plane offset by a predetermined offset amount in the vertical direction (normal direction) of design surface 53.
  • Design surface 530 and design surface 53 are parallel.
  • Design surface 510 and design surface 520 share a first side 610.
  • Design surface 520 and design surface 530 share a fifth side 620.
  • the offset vector from side 61 to first side 610 corresponds to the resultant vector V12 of normal vector V1 and normal vector V2.
  • the resultant vector V12 is calculated based on the following formula (1) from the offset amount D1 of design surface 51, the offset amount D2 of design surface 52, and the angle ⁇ 12 between normal vector V1 and normal vector V2.
  • the offset direction from side 61 to the first side 610 relative to the horizontal plane corresponds to the direction of the sum (V1 + V2) of the normal vector V1 to the horizontal plane and the normal vector V2 to the horizontal plane.
  • the offset vector from side 62 to the fifth side 620 corresponds to the resultant vector V23 of the normal vector V2 and normal vector V3.
  • the resultant vector V23 is calculated based on the following formula (2) from the offset amount D2 of design surface 52, the offset amount D3 of design surface 53, and the angle ⁇ 23 between the normal vector V2 and normal vector V3.
  • the offset direction from side 62 to the fifth side 620 relative to the horizontal plane corresponds to the direction of the sum of the vectors (V2 + V3) of the normal vector V2 to the horizontal plane and the normal vector V3 to the horizontal plane.
  • each of the multiple design surfaces 51, 52, and 53 is processed based on a predetermined rule, and each of the multiple design surfaces 51, 52, and 53 is easily offset in the vertical direction.
  • An appropriate target construction surface is generated by the multiple design surfaces 510, 520, and 530.
  • the work machine control unit 28 controls the work machine 5 based on the machined and offset design surfaces 510, 520, and 530.
  • the work machine control unit 28 assists and controls the work machine 5 so that the cutting edge of the bucket 5C follows the design surfaces 510, 520, and 530.
  • FIG. 11 is a side view showing the design surfaces 510, 520, and 530 after processing and offsetting.
  • Fig. 12 is a plan view showing the design surfaces 510 and 530 after processing and offsetting. As shown in Figs. 11 and 12, depending on the relative angle and offset amount of the design surfaces 510, 520, and 530, the design surface 510 and the design surface 530 after processing and offsetting may intersect with each other. If the design surface 510 and the design surface 530 after processing and offsetting intersect with each other, the design surface 520 does not have an appropriate shape, so that an appropriate target construction surface cannot be generated.
  • FIG. 13 is a diagram showing a schematic example of a processing method when two design surfaces 510 and 530 intersect.
  • the offset control unit 24 when the design surface 510 and the design surface 530 intersect with each other after processing and offsetting, the offset control unit 24 further processes the design surface 510, the design surface 520, and the design surface 530 after processing and offsetting.
  • the offset control unit 24 processes the design surface 520 after processing and offsetting into a triangular shape that fills the blank space between the first edge 610 and the fifth edge 620 shown in FIG. 12. This triangular shape is the design surface 540.
  • the offset control unit 24 reduces the edge 610, which is one side of the design surface 510 after processing and offsetting, so that it matches one side of the design surface 540 that is on the design surface 510.
  • the offset control unit 24 reduces the edge 620, which is one side of the design surface 530 after processing and offsetting, so that it matches one side of the design surface 540 that is on the design surface 530.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a computer system 1000 according to an embodiment.
  • the above-mentioned control device 12 includes the computer system 1000.
  • the computer system 1000 has a processor 1001 such as a CPU (Central Processing Unit), a main memory 1002 including a non-volatile memory such as a ROM (Read Only Memory) and a volatile memory such as a RAM (Random Access Memory), a storage 1003, and an interface 1004 including an input/output circuit.
  • the functions of the above-mentioned control device 12 are stored in the storage 1003 as a computer program.
  • the processor 1001 reads the computer program from the storage 1003, expands it in the main memory 1002, and executes the above-mentioned processing according to the program.
  • the computer program may be distributed to the computer system 1000 via a network.
  • the computer program or computer system 1000 can execute the following operations according to the above-described embodiment: storing a plurality of design surfaces to be set for the construction target of the hydraulic excavator 1; selecting at least two design surfaces 51, 52, 53 to be offset in the vertical direction of the design surfaces from among the plurality of design surfaces; and machining the selected design surfaces 51, 52, 53 to offset them in the vertical direction.
  • the control system 30 of the hydraulic excavator 1 comprises a construction data memory unit 15 that stores a plurality of design surfaces that are set as the construction target of the hydraulic excavator 1, a selection unit 23 that selects at least two design surfaces 51, 52, 53 to be offset in the vertical direction of the design surfaces from the plurality of design surfaces, an offset control unit 24 that processes the selected design surfaces 51, 52, 53 and offsets them in the vertical direction, and a work machine control unit 28 that controls the work machine 5 of the hydraulic excavator 1 based on the design surfaces 510, 520, 530 after they have been processed and offset.
  • each of the multiple design surfaces 51, 52, 53 is simply offset in the vertical direction while suppressing the calculation load. Furthermore, the design surfaces 51, 52, 53 are processed and offset in the vertical direction based on a predetermined rule, thereby generating design surfaces 510, 520, 530 that do not intersect or separate from each other. Since the design surfaces 510, 520, 530 do not intersect or separate from each other, the target construction surface is generated appropriately.
  • each of the construction data memory unit 15, vehicle body data memory unit 16, operation data acquisition unit 17, input data acquisition unit 18, sensor data acquisition unit 19, position and orientation calculation unit 20, inclination angle calculation unit 21, work machine position calculation unit 22, selection unit 23, offset control unit 24, display control unit 25, driving control unit 26, turning control unit 27, and work machine control unit 28 may be configured as separate hardware.
  • the work machine 1 is a hydraulic excavator having a running body 3 and a rotating body 4.
  • the work machine 1 does not have to have the running body 3 and the rotating body 4.
  • the work machine 1 only needs to have a working implement, and may be, for example, a bulldozer or a wheel loader.
  • inclination sensor 11... attitude sensor, 11A... first attitude sensor, 11B... second attitude sensor, 11C... third attitude sensor, 12... control device, 14... driver's seat, 15... construction data storage unit, 16... vehicle body data storage unit, 17... operation data acquisition unit, 18... input data acquisition unit, 19...

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Abstract

作業機械の制御システムは、作業機械の施工対象に設定される複数の設計面を記憶する施工データ記憶部と、複数の設計面の中から設計面の垂直方向にオフセットさせる少なくとも２つの設計面を選択する選択部と、選択された設計面を加工して、垂直方向にオフセットさせるオフセット制御部と、を備える。

Description

作業機械の制御システム、作業機械、及び作業機械の制御方法
　本開示は、作業機械の制御システム、作業機械、及び作業機械の制御方法に関する。
　作業機械に係る技術分野において、目標施工面に基づいて施工対象を施工する技術が知られている。目標施工面に基づいて施工対象を施工する技術として、目標施工面と作業機のバケットとの相対位置を示すガイダンス画像を作業機械のオペレータに提示するマシンガイダンス技術と、目標施工面に従って作業機のバケットが移動するようにオペレータの操作をアシスト制御するマシンコントロール技術とが知られている。特許文献１には、マシンガイダンス技術の一例が開示されている。
特開２０１４－０７４３１８号公報
　相互に異なる勾配の複数の設計面によって目標施工面が規定される場合がある。また、複数の設計面のそれぞれを設計面の垂直方向（法線方向）にオフセットして新たな目標施工面を生成したい場合がある。複数の設計面を一度に垂直方向にオフセットすると、設計面が相互に交差したり離隔したりして、目標施工面が適正に生成されない可能性がある。しかし、無数の設計面同士の交差又は離隔を解消するように目標施工面の形状を変更する簡便な方法は確立されていない。さらに、目標施工面が多くの設計面から構成される場合、目標施工面全体を垂直方向にオフセットすることは多大な計算負荷がもたらされる。
　本開示は、複数の設計面のそれぞれを垂直方向に簡便にオフセットすることを目的とする。
　本開示に従えば、作業機械の施工対象に設定される複数の設計面を記憶する施工データ記憶部と、複数の設計面の中から設計面の垂直方向にオフセットさせる少なくとも２つの設計面を選択する選択部と、選択された設計面を加工して、垂直方向にオフセットさせるオフセット制御部と、を備える、作業機械の制御システムが提供される。
　本開示によれば、複数の設計面を垂直方向にオフセットした新たな目標施工面を簡便に生成できる。
図１は、実施形態に係る作業機械を示す斜視図である。 図２は、実施形態に係る作業機械を示す模式図である。 図３は、実施形態に係る作業機械の運転室を示す図である。 図４は、実施形態に係る作業機械の制御システムを示すブロック図である。 図５は、目標施工面を模式的に示す図である。 図６は、実施形態に係る課題を説明するための図である。 図７は、実施形態に係る作業機械の制御方法を示すフローチャートである。 図８は、実施形態に係る選択部により選択された設計面を模式的に示す斜視図である。 図９は、実施形態に係るオフセット制御部によりオフセットされる前の設計面及びオフセットされた後の設計面を模式的に示す斜視図である。 図１０は、実施形態に係るオフセット制御部によりオフセットされる前の設計面及びオフセットされた後の設計面を模式的に示す側面図である。 図１１は、加工及びオフセットされた後の設計面を模式的に示す側面図である。 図１２は、加工及びオフセットされた後の設計面を模式的に示す平面図である。 図１３は、２つの設計面が交差する場合の処理方法の一例を模式的に示す図である。 図１４は、実施形態に係るコンピュータシステムを示すブロック図である。
　以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本開示は実施形態に限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
［作業機械］
　図１は、実施形態に係る作業機械１を示す斜視図である。図２は、実施形態に係る作業機械１を示す模式図である。図３は、実施形態に係る作業機械１の運転室２を示す図である。
　作業機械１は、作業現場において稼働する。実施形態において、作業機械１は、油圧ショベルである。以下の説明において、作業機械１を適宜、油圧ショベル１、と称する。
　油圧ショベル１は、走行体３と、旋回体４と、作業機５と、油圧シリンダ６と、操作装置７と、車載モニタ８と、位置センサ９と、傾斜センサ１０と、姿勢センサ１１と、制御装置１２とを備える。
　図２に示すように、作業現場に３次元の現場座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）が規定される。旋回体４に３次元の車体座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）が規定される。
　現場座標系は、作業現場に規定された現場基準点Ｏｇから南北に伸びるＸｇ軸、現場基準点Ｏｇから東西に伸びるＹｇ軸、及び現場基準点Ｏｇから鉛直に伸びるＺｇ軸により構成される。
　車体座標系は、旋回体４に規定された代表点Ｏｍから旋回体４の前後方向に伸びるＸｍ軸、代表点Ｏｍから旋回体４の左右方向に伸びるＹｍ軸、及び代表点Ｏｍから旋回体４の上下方向に伸びるＺｍ軸により構成される。旋回体４の代表点Ｏｍを基準として、＋Ｘｍ方向は旋回体４の前方であり、－Ｘｍ方向は旋回体４の後方であり、＋Ｙｍ方向は旋回体４の左方であり、－Ｙｍ方向は旋回体４の右方であり、＋Ｚｍ方向は旋回体４の上方であり、－Ｚｍ方向は旋回体４の下方である。
　走行体３は、旋回体４を支持した状態で走行する。走行体３は、一対の履帯３Ａを有する。履帯３Ａの回転により、走行体３は、走行動作する。走行体３の走行動作は、前進動作及び後進動作を含む。油圧ショベル１は、走行体３により作業現場を移動することができる。
　旋回体４は、走行体３に支持される。旋回体４は、走行体３よりも上方に配置される。旋回体４は、走行体３に支持された状態で旋回軸ＲＸを中心に旋回動作する。旋回軸ＲＸは、Ｚｍ軸に平行である。旋回体４の旋回動作は、左旋回動作及び右旋回動作を含む。運転室２は、旋回体４に設けられる。
　作業機５は、旋回体４に支持される。作業機５は、作業を実施する。実施形態において、作業機５により実施される作業は、施工対象を掘削する掘削作業及び掘削物を積込対象に積み込む積込作業を含む。
　作業機５は、ブーム５Ａと、アーム５Ｂと、バケット５Ｃとを含む。ブーム５Ａの基端部は、旋回体４の前部に回動可能に連結される。アーム５Ｂの基端部は、ブーム５Ａの先端部に回動可能に連結される。バケット５Ｃの基端部は、アーム５Ｂの先端部に回動可能に連結される。
　油圧シリンダ６は、作業機５を動作させる。油圧シリンダ６は、ブームシリンダ６Ａと、アームシリンダ６Ｂと、バケットシリンダ６Ｃとを含む。ブームシリンダ６Ａは、ブーム５Ａを上げ動作及び下げ動作させる。アームシリンダ６Ｂは、アーム５Ｂを掘削動作及びダンプ動作させる。バケットシリンダ６Ｃは、バケット５Ｃを掘削動作及びダンプ動作させる。ブームシリンダ６Ａの基端部は、旋回体４に連結される。ブームシリンダ６Ａの先端部は、ブーム５Ａに連結される。アームシリンダ６Ｂの基端部は、ブーム５Ａに連結される。アームシリンダ６Ｂの先端部は、アーム５Ｂに連結される。バケットシリンダ６Ｃの基端部は、アーム５Ｂに連結される。バケットシリンダ６Ｃの先端部は、バケット５Ｃに連結される。
　図３に示すように、操作装置７は、運転室２に配置される。操作装置７は、走行体３、旋回体４、及び作業機５の少なくとも一つを動作させるために操作される。操作装置７は、運転室２に搭乗したオペレータに操作される。オペレータは、運転室２に配置された運転シート１４に着座した状態で、操作装置７を操作することができる。
　操作装置７は、旋回体４及び作業機５の動作のために操作される左作業レバー７Ａ及び右作業レバー７Ｂと、走行体３の動作のために操作される左走行レバー７Ｃ及び右走行レバー７Ｄと、左フットペダル７Ｅ及び右フットペダル７Ｆとを含む。
　左作業レバー７Ａが前後方向に操作されることにより、アーム５Ｂがダンプ動作又は掘削動作する。左作業レバー７Ａが左右方向に操作されることにより、旋回体４が左旋回動作又は右旋回操作する。右作業レバー７Ｂが左右方向に操作されることにより、バケット５Ｃが掘削動作又はダンプ動作する。右作業レバー７Ｂが前後方向に操作されることにより、ブーム５Ａが下げ動作又は上げ動作する。なお、左作業レバー７Ａが前後方向に操作されたときに旋回体４が右旋回動作又は左旋回動作し、左作業レバー７Ａが左右方向に操作されたときにアーム５Ｂがダンプ動作又は掘削動作してもよい。
　左走行レバー７Ｃが前後方向に操作されることにより、走行体３の左側の履帯３Ａが前進動作又は後進動作する。右走行レバー７Ｄが前後方向に操作されることにより、走行体３の右側の履帯３Ａが前進動作又は後進動作する。
　左フットペダル７Ｅは、左走行レバー７Ｃと連動する。右フットペダル７Ｆは、右走行レバー７Ｄ連動する。左フットペダル７Ｅ及び右フットペダル７Ｆが操作されることにより、走行体３が前進動作又は後進動作されてもよい。
　車載モニタ８は、運転室２に配置される。車載モニタ８は、運転シート１４の右前方に配置される。車載モニタ８は、表示装置８Ａと、入力装置８Ｂと、警報装置８Ｃとを有する。
　表示装置８Ａは、規定の表示データを表示する。表示装置８Ａとして、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid　Crystal　Display）又は有機ＥＬディスプレイ（ＯＥＬＤ：Organic　Electroluminescence　Display）のようなフラットパネルディスプレイが例示される。
　入力装置８Ｂは、オペレータに操作されることにより入力データを生成する。入力装置８Ｂとして、ボタンスイッチ、コンピュータ用キーボード、及びタッチパネルが例示される。
　警報装置８Ｃは、規定の警報を出力する。実施形態において、警報装置８Ｃは、警報音を出力する音声出力装置である。なお、警報装置８Ｃは、警報光を出力する発光装置でもよい。
　位置センサ９は、現場座標系における旋回体４の位置を検出する。位置センサ９は、全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ：Global　Navigation　Satellite　System）を利用して現場座標系における旋回体４の位置を検出する。全地球航法衛星システムは、全地球測位システム（ＧＰＳ：Global　Positioning　System）を含む。全地球航法衛星システムは、緯度、経度、及び高度の座標データで規定される位置を検出する。位置センサ９は、ＧＮＳＳ衛星からＧＮＳＳ電波を受信するＧＮＳＳ受信機を含む。位置センサ９は、旋回体４に配置される。実施形態において、位置センサ９は、旋回体４のカウンタウエイトに配置される。
　位置センサ９は、第１位置センサ９Ａと、第２位置センサ９Ｂとを含む。第１位置センサ９Ａと第２位置センサ９Ｂとは、旋回体４の異なる位置に配置される。実施形態において、第１位置センサ９Ａと第２位置センサ９Ｂとは、旋回体４において左右方向に間隔をあけて配置される。第１位置センサ９Ａは、第１位置センサ９Ａが配置されている位置を示す第１測位位置を検出する。第２位置センサ９Ｂは、第２位置センサ９Ｂが配置されている位置を示す第２測位位置を検出する。
　傾斜センサ１０は、旋回体４の加速度及び角速度を検出する。傾斜センサ１０は、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial　Measurement　Unit）を含む。傾斜センサ１０は、旋回体４に配置される。実施形態において、傾斜センサ１０は、運転室２の下方に設置される。
　姿勢センサ１１は、作業機５の姿勢を検出する。作業機５の姿勢は、作業機５の角度を含む。姿勢センサ１１は、旋回体４に対するブーム５Ａの角度を検出する第１姿勢センサ１１Ａと、ブーム５Ａに対するアーム５Ｂの角度を検出する第２姿勢センサ１１Ｂと、アーム５Ｂに対するバケット５Ｃの角度を検出する第３姿勢センサ１１Ｃとを含む。姿勢センサ１１は、油圧シリンダ６のストロークを検出するストロークセンサでもよいし、作業機５の角度を検出するポテンショメータでもよい。
［制御システム］
　図４は、実施形態に係る作業機械１の制御システム３０を示すブロック図である。油圧ショベル１は、制御システム３０を備える。制御システム３０は、車載モニタ８と、位置センサ９と、傾斜センサ１０と、姿勢センサ１１と、制御装置１２とを有する。制御装置１２は、油圧ショベル１を制御する。制御装置１２は、コンピュータシステムを含む。
　制御装置１２は、施工データ記憶部１５と、車体データ記憶部１６と、操作データ取得部１７と、入力データ取得部１８と、センサデータ取得部１９と、位置方位算出部２０と、傾斜角算出部２１と、作業機位置算出部２２と、選択部２３と、オフセット制御部２４と、表示制御部２５と、走行制御部２６と、旋回制御部２７と、作業機制御部２８とを有する。
　施工データ記憶部１５は、作業現場に設定される複数の設計面を記憶する。複数の設計面は、作業現場において油圧ショベル１の施工対象に設定される。設計面は、油圧ショベル１の外部に存在するコンピュータシステムにより作成される。設計面は、例えば設計室のような油圧ショベル１の外部施設において作成される。設計面は、現場座標系において規定される面である。複数の設計面により、施工対象の目標形状を示す目標施工面が規定される。油圧ショベル１は、目標施工面に基づいて、施工対象を掘削する。
　車体データ記憶部１６は、油圧ショベル１の車体データを記憶する。油圧ショベル１の車体データは、作業機５の寸法を含む。作業機５の寸法は、ブーム５Ａの長さ、アーム５Ｂの長さ、及びバケット５Ｃの長さを含む。また、油圧ショベル１の車体データは、走行体３の寸法及び旋回体４の寸法を含む。
　操作データ取得部１７は、操作装置７が操作されることにより生成された操作データを取得する。
　入力データ取得部１８は、入力装置８Ｂが操作されることにより生成された入力データを取得する。
　センサデータ取得部１９は、位置センサ９の検出データ、傾斜センサ１０の検出データ、及び姿勢センサ１１の検出データを取得する。
　位置方位算出部２０は、位置センサ９の検出データに基づいて、現場座標系における旋回体４の位置及び方位角を算出する。上述のように、位置センサ９は、ＧＮＳＳ電波を受信するＧＮＳＳ受信機を含む。位置方位算出部２０は、ＧＮＳＳ電波に基づいて、旋回体４の位置及び方位角を算出する。旋回体４の方位角は、例えばＸｇ軸を基準とする旋回体４の方位角である。
　位置方位算出部２０は、第１位置センサ９Ａにより検出される第１測位位置及び第２位置センサ９Ｂにより検出される第２測位位置の少なくとも一方に基づいて、旋回体４の位置を算出する。位置方位算出部２０は、第１位置センサ９Ａにより検出される第１測位位置と第２位置センサ９Ｂにより検出される第２測位位置との相対位置に基づいて、旋回体４の方位角を算出する。
　傾斜角算出部２１は、傾斜センサ１０の検出データに基づいて、旋回体４の傾斜角を算出する。旋回体４の傾斜角は、旋回体４のロール角及びピッチ角を含む。ロール角とは、Ｘｇ軸を中心とする傾斜方向における旋回体４の傾斜角をいう。ピッチ角とは、Ｙｇ軸を中心とする傾斜方向における旋回体４の傾斜角をいう。傾斜角算出部２１は、傾斜センサ１０の検出データに基づいて、旋回体４のロール角及びピッチ角を算出する。
　作業機位置算出部２２は、位置方位算出部２０により算出された作業機械１の位置に基づいて、作業機５の位置を算出する。実施形態において、作業機位置算出部２２は、車体データ記憶部１６に記憶されている油圧ショベル１の車体データと、位置方位算出部２０により算出された旋回体４の位置及び方位角と、傾斜角算出部２１により算出された旋回体４の傾斜角と、姿勢センサ１１の検出データとに基づいて、現場座標系における作業機５の位置を算出する。作業機５の位置は、バケット５Ｃの位置を含む。バケット５Ｃの位置は、バケット５Ｃの先端部に設けられている刃先の位置を含む。
　選択部２３は、施工データ記憶部１５に記憶されている複数の設計面の中から設計面の垂直方向にオフセットさせる少なくとも２つの設計面を選択する。オフセットさせる設計面は、オペレータによって指定される。オペレータは、入力装置８Ｂを操作して、オフセットさせる設計面を指定する。入力装置８Ｂからの入力データは、入力データ取得部１８に取得される。選択部２３は、入力データ取得部１８により取得された入力データに基づいて、施工データ記憶部１５に記憶されている複数の設計面の中から設計面の垂直方向にオフセットさせる少なくとも２つの設計面を選択する。
　オフセット制御部２４は、選択部２３により選択された少なくとも２つの設計面を加工して、垂直方向にオフセットさせる。
　表示制御部２５は、車載モニタ８の表示装置８Ａを制御する。表示制御部２５は、規定の表示データを表示装置８Ａに表示させる。表示制御部２５は、オフセットされる前の設計面及びオフセットされた後の設計面のそれぞれを表示装置８Ａに表示させることができる。
　走行制御部２６は、操作データ取得部１７により取得された操作装置７の操作データに基づいて、走行体３を制御する。
　旋回制御部２７は、操作データ取得部１７により取得された操作装置７の操作データに基づいて、旋回体４を制御する。
　作業機制御部２８は、作業機５を制御する。作業機５を制御することは、油圧シリンダ６を制御することを含む。作業機制御部２８は、オフセット制御部２４により加工及びオフセットされた後の設計面に基づいて、作業機５を制御する。作業機制御部２８は、操作データ取得部１７により取得された操作装置７の操作データに基づいて、作業機５を制御する。また、作業機制御部２８は、設計面に従って作業機５のバケット５Ｃが移動するようにオペレータの操作をアシスト制御する。作業機制御部２８は、作業機位置算出部２２により算出されたバケット５Ｃの刃先が例えばオフセット制御部２４によりオフセットされた設計面に追従するように、作業機５をアシスト制御する。
［設計面のオフセット］
　図５は、目標施工面５０を模式的に示す図である。図５に示すように、複数の設計面５１，５２，５３により、施工対象の目標形状を示す目標施工面５０が規定される。複数の設計面５１，５２，５３のそれぞれは、平面である。設計面５２は、設計面５１に隣接する。設計面５３は、設計面５１及び設計面５２の少なくとも一方に隣接する。図５に示す例において、設計面５３は、設計面５２に隣接する。目標施工面５０は、相互に異なる勾配の複数の設計面５１，５２，５３によって規定される。
　図５に示すように、複数の設計面５１，５２，５３のそれぞれを設計面５１，５２，５３の垂直方向（法線方向）にオフセットして、新たな目標施工面を生成したい場合がある。すなわち、設計面５１を設計面５１の垂直方向（法線方向）にオフセットし、設計面５２を設計面５２の垂直方向（法線方向）にオフセットし、設計面５３を設計面５３の垂直方向（法線方向）にオフセットしたい場合がある。
　図６は、実施形態に係る課題を説明するための図である。図６に示すように、設計面５１の大きさ及び形状を維持したまま、設計面５１を設計面５１の垂直方向にオフセット量Ｄだけオフセットした場合、設計面５１０が生成される。設計面５２の大きさ及び形状を維持したまま、設計面５２を設計面５２の垂直方向にオフセット量Ｄだけオフセットした場合、設計面５２０が生成される。設計面５３の大きさ及び形状を維持したまま、設計面５３を設計面５３の垂直方向にオフセット量Ｄだけオフセットした場合、設計面５３０が生成される。複数の設計面５１，５２，５３の大きさ及び形状を維持したまま、複数の設計面５１，５２，５３を一度に垂直方向にオフセットすると、図６に示すように、オフセットされた後の設計面５１０と設計面５２０とが相互に交差したり、オフセットされた後の設計面５２０と設計面５３０とが離隔したりする可能性がある。オフセットされた後の設計面５１０，５２０，５３０が相互に交差したり離隔したりすると、目標施工面５０が適正に生成されない可能性がある。設計面５１０，５２０，５３０の交差又は離隔を解消するために、設計面５１０，５２０，５３０のそれぞれを拡大したり縮小したりする対応が考えられる。しかしながら、設計面５１０，５２０，５３０は複数の三角形により構成される多角形面であり、単純に面を拡大・縮小することにより交差または離隔を解消することはできない。また、交差または離隔を解消するために設計面の形状を部分的に変更するには、変更後の形状を実現する三角形の構成を計算する必要があり、複雑な設計面形状においては多大な計算負荷がもたらされる可能性がある。
　そのため、オフセット制御部２４は、設計面５１，５２，５３を加工して、垂直方向にオフセットさせる。オフセット制御部２４による設計面５１，５２，５３の加工は、オフセットされる前の設計面５１，５２，５３の頂点に基づいて、オフセットされた後の設計面５１０，５２０，５３０を４角形に変更することを含む。
［制御方法］
　図７は、実施形態に係る油圧ショベル１の制御方法を示すフローチャートである。施工データ記憶部１５には、複数の設計面が記憶されている。表示制御部２５は、施工データ記憶部１５に記憶されている複数の設計面を表示装置８Ａに表示させる（ステップＳ１）。
　油圧ショベル１のオペレータは、入力装置８Ｂを操作して、表示装置８Ａに表示された複数の設計面の中から垂直方向にオフセットさせる少なくとも２つの設計面を選択する。入力装置８Ｂからの入力データは、入力データ取得部１８に取得される。選択部２３は、入力データ取得部１８により取得された入力データに基づいて、施工データ記憶部１５に記憶されている複数の設計面の中から垂直方向にオフセットさせる少なくとも２つの設計面を選択する（ステップＳ２）。
　図８は、実施形態に係る選択部２３により選択された設計面５１，５２，５３を模式的に示す斜視図である。実施形態において、選択部２３は、設計面５１と、設計面５１に隣接する設計面５２と、設計面５１及び設計面５２の少なくとも一方に隣接する設計面５３とを選択する。図８に示す例において、設計面５３は、設計面５２に隣接する。
　設計面５１、設計面５２、及び設計面５３のそれぞれは、平面である。なお、設計面５１は、相互に隣接する６つの三角形により構成される。設計面５１を構成する６つの三角形は、同一平面内に配置される。設計面５２は、相互に隣接する５つの三角形により構成される。設計面５２を構成する５つの三角形は、同一平面内に配置される。設計面５３は、相互に隣接する４つの三角形により構成される。設計面５３を構成する４つの三角形は、同一平面内に配置される。
　設計面５１、設計面５２、及び設計面５３のそれぞれの外形は、多角形である。設計面５１、設計面５２、及び設計面５３のそれぞれの頂点は、少なくとも５つである。すなわち、設計面５１、設計面５２、及び設計面５３は、５角形以上である。実施形態において、設計面５１の外形は、７角形である。設計面５２の外形は、６角形である。設計面５３の外形は、６角形である。設計面５１の一辺と設計面５２の一辺とが一致するように、設計面５１と設計面５２とが隣接する。設計面５２の一辺と設計面５３の一辺とが一致するように、設計面５２と設計面５３とが隣接する。設計面５１と設計面５２とは、辺６１を共有する。設計面５２と設計面５３とは、辺６２を共有する。辺６１は、設計面５１の２つの頂点及び設計面５２の２つの頂点を結ぶ。辺６２は、設計面５２の２つの頂点及び設計面５３の２つの頂点を結ぶ。
　オフセット制御部２４は、ステップＳ２において選択された設計面５１，５２，５３を加工して、垂直方向にオフセットさせる（ステップＳ３）。
　図９は、実施形態に係るオフセット制御部２４によりオフセットされる前の設計面５１，５２，５３及びオフセットされた後の設計面５１０，５２０，５３０を模式的に示す斜視図である。図１０は、実施形態に係るオフセット制御部２４によりオフセットされる前の設計面５１，５２，５３及びオフセットされた後の設計面５１０，５２０，５３０を模式的に示す側面図である。
　オフセット制御部２４による設計面５１，５２，５３の加工は、オフセットされる前の設計面５１，５２，５３の頂点に基づいて、オフセットされた後の設計面５１０，５２０，５３０を４角形にすることを含む。
　設計面５１０の外形は、４角形である。設計面５１０は、第１辺６１０と、第１辺６１０に対向する第２辺６１２と、第１辺６１０の一端部と第２辺６１２の一端部とを結ぶ第３辺６１３と、第１辺６１０の他端部と第２辺６１２の他端部とを結ぶ第４辺６１４とを有する。設計面５１０の第１辺６１０の寸法及び向きは、設計面５１の辺６１の寸法及び向きに等しい。設計面５１０の第１辺６１０と設計面５１の辺６１とは、平行である。第１辺６１０と第２辺６１２とは、平行である。第１辺６１０の寸法と第２辺６１２の寸法とは、等しい。第１辺６１０と第３辺６１３とは、直交する。第１辺６１０と第４辺６１４とは、直交する。第３辺６１３と第４辺６１４とは、平行である。設計面５１０の第３辺６１３の寸法及び設計面５１０の第４辺６１４の寸法は、図８に示す距離Ｌ１に等しい。距離Ｌ１は、設計面５１に平行且つ辺６１に直交する方向において辺６１と設計面５１の頂点５１Ｆとの距離である。頂点５１Ｆは、設計面５１の７つの頂点のうち、設計面５１に平行且つ辺６１に直交する方向において辺６１から最も遠い頂点である。
　設計面５３０の外形は、４角形である。設計面５３０は、第５辺６２０と、第５辺６２０に対向する第６辺６３２と、第５辺６２０の一端部と第６辺６３２の一端部とを結ぶ第７辺６３３と、第５辺６２０の他端部と第６辺６３２の他端部とを結ぶ第８辺６３４とを有する。設計面５３０の第５辺６２０の寸法及び向きは、設計面５３の辺６２の寸法及び向きに等しい。設計面５３０の第５辺６２０と設計面５３の辺６２とは、平行である。第５辺６２０と第６辺６３２とは、平行である。第５辺６２０の寸法と第６辺６３２の寸法とは、等しい。第５辺６２０と第７辺６３３とは、直交する。第５辺６２０と第８辺６３４とは、直交する。第７辺６３３と第８辺６３４とは、平行である。設計面５３０の第７辺６３３の寸法及び設計面５３０の第８辺６３４の寸法は、図８に示す距離Ｌ２に等しい。距離Ｌ２は、設計面５３に平行且つ辺６２に直交する方向において辺６２と設計面５３の頂点５３Ｆとの距離である。頂点５３Ｆは、設計面５３の６つの頂点のうち、設計面５３に平行且つ辺６２に直交する方向において辺６２から最も遠い頂点である。
　設計面５２０の外形は、４角形である。設計面５２０は、第１辺６１０と、第１辺６１０に対向する第５辺６２０と、第１辺６１０の一端部と第５辺６２０の一端部とを結ぶ第９辺６２３と、第１辺６１０の他端部と第５辺６２０の他端部とを結ぶ第１０辺６２４とを有する。
　設計面５１０は、設計面５１の垂直方向（法線方向）に所定のオフセット量だけオフセットさせた平面である。設計面５１０と設計面５１とは、平行である。設計面５２０は、設計面５２の垂直方向（法線方向）に所定のオフセット量だけオフセットさせた平面である。設計面５２０と設計面５２とは、平行である。設計面５３０は、設計面５３の垂直方向（法線方向）に所定のオフセット量だけオフセットさせた平面である。設計面５３０と設計面５３とは、平行である。設計面５１０と設計面５２０とは、第１辺６１０を共有する。設計面５２０と設計面５３０とは、第５辺６２０を共有する。
　図１０に示すように、設計面５１に垂直な法線ベクトルを法線ベクトルＶ１とし、設計面５２に垂直な法線ベクトルを法線ベクトルＶ２とし、設計面５３に垂直な法線ベクトルを法線ベクトルＶ３とした場合、辺６１から第１辺６１０へのオフセットベクトルは、法線ベクトルＶ１と法線ベクトルＶ２との合成ベクトルＶ１２に相当する。合成ベクトルＶ１２は、設計面５１のオフセット量Ｄ１と、設計面５２のオフセット量Ｄ２と、法線ベクトルＶ１と法線ベクトルＶ２とがなす角度θ１２から、以下の（１）式に基づいて算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　設計面５１から設計面５１０へのオフセット量と設計面５２から設計面５２０へのオフセット量とが等しい場合、水平面に対する辺６１から第１辺６１０へのオフセット方向（水平面に対する合成ベクトルＶ１２の方向）は、水平面に対する法線ベクトルＶ１と水平面に対する法線ベクトルＶ２のベクトルの和（Ｖ１＋Ｖ２）の方向に相当する。また、辺６２から第５辺６２０へのオフセットベクトルは、法線ベクトルＶ２と法線ベクトルＶ３との合成ベクトルＶ２３に相当する。合成ベクトルＶ２３は、設計面５２のオフセット量Ｄ２と、設計面５３のオフセット量Ｄ３と、法線ベクトルＶ２と法線ベクトルＶ３とがなす角度θ２３から、以下の（２）式に基づいて算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　設計面５２から設計面５２０へのオフセット量と設計面５３から設計面５３０へのオフセット量とが等しい場合、水平面に対する辺６２から第５辺６２０へのオフセット方向（水平面に対する合成ベクトルＶ２３の方向）は、水平面に対する法線ベクトルＶ２と水平面に対する法線ベクトルＶ３のベクトルの和（Ｖ２＋Ｖ３）の方向に相当する。
　以上のように、実施形態によれば、複数の設計面５１，５２，５３のそれぞれが所定のルールに基づいて加工されることにより、複数の設計面５１，５２，５３のそれぞれが垂直方向に簡便にオフセットされる。複数の設計面５１０，５２０，５３０により、適正な目標施工面が生成される。
　設計面５１，５２，５３のそれぞれが４角形に加工され、垂直方向にオフセットされた後、作業機制御部２８は、加工及びオフセットされた後の設計面５１０，５２０，５３０に基づいて、作業機５を制御する。作業機制御部２８は、バケット５Ｃの刃先が設計面５１０，５２０，５３０に追従するように、作業機５をアシスト制御する。
［加工及びオフセット後の２つの設計面が交差する場合の処理］
　図１１は、加工及びオフセットされた後の設計面５１０，５２０，５３０を模式的に示す側面図である。図１２は、加工及びオフセットされた後の設計面５１０，５３０を模式的に示す平面図である。図１１及び図１２に示すように、設計面５１０，５２０，５３０の相対角度及びオフセット量によっては、加工及びオフセットされた後の設計面５１０と設計面５３０とが相互に交差する場合がある。加工及びオフセットされた後の設計面５１０と設計面５３０とが交差すると、設計面５２０が適正な形状とならないため、適正な目標施工面を生成することができない。
　図１３は、２つの設計面５１０，５３０が交差する場合の処理方法の一例を模式的に示す図である。図１３に示すように、加工及びオフセットされた後の設計面５１０と設計面５３０とが相互に交差する場合、オフセット制御部２４は、加工及びオフセットされた後の設計面５１０、設計面５２０、及び設計面５３０を更に加工する。例えば図１３に示すように、オフセット制御部２４は、加工及びオフセットされた後の設計面５２０を、図１２に示した第１辺６１０と第５辺６２０との間に空白部分を埋めるような三角形状に加工する。この三角形状を設計面５４０とする。オフセット制御部２４は、加工及びオフセットされた後の設計面５１０の１辺である辺６１０を、設計面５４０の１辺で設計面５１０上にあるものと一致するように縮小する。オフセット制御部２４は、加工及びオフセットされた後の設計面５３０の１辺である辺６２０を、設計面５４０の１辺で設計面５３０上にあるものと一致するように縮小する。加工及びオフセットされた後の設計面５１０、設計面５２０、及び設計面５３０が更に加工されることにより、目標施工面が適正に生成される。
［コンピュータシステム］
　図１４は、実施形態に係るコンピュータシステム１０００を示すブロック図である。上述の制御装置１２は、コンピュータシステム１０００を含む。コンピュータシステム１０００は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）のようなプロセッサ１００１と、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random　Access　Memory）のような揮発性メモリを含むメインメモリ１００２と、ストレージ１００３と、入出力回路を含むインターフェース１００４とを有する。上述の制御装置１２の機能は、コンピュータプログラムとしてストレージ１００３に記憶されている。プロセッサ１００１は、コンピュータプログラムをストレージ１００３から読み出してメインメモリ１００２に展開し、プログラムに従って上述の処理を実行する。なお、コンピュータプログラムは、ネットワークを介してコンピュータシステム１０００に配信されてもよい。
　コンピュータプログラム又はコンピュータシステム１０００は、上述の実施形態に従って、油圧ショベル１の施工対象に設定される複数の設計面を記憶することと、複数の設計面の中から設計面の垂直方向にオフセットさせる少なくとも２つの設計面５１，５２，５３を選択することと、選択された設計面５１，５２，５３を加工して、垂直方向にオフセットさせることと、を実行することができる。
［効果］
　以上説明したように、実施形態に係る油圧ショベル１の制御システム３０は、油圧ショベル１の施工対象に設定される複数の設計面を記憶する施工データ記憶部１５と、複数の設計面の中から設計面の垂直方向にオフセットさせる少なくとも２つの設計面５１，５２，５３を選択する選択部２３と、選択された設計面５１，５２，５３を加工して、垂直方向にオフセットさせるオフセット制御部２４と、加工及びオフセットされた後の設計面５１０，５２０，５３０に基づいて、油圧ショベル１が有する作業機５を制御する作業機制御部２８と、を備える。
　実施形態においては、計算負荷が抑制された状態で、複数の設計面５１，５２，５３のそれぞれが垂直方向に簡便にオフセットされる。また、設計面５１，５２，５３が所定のルールに基づいて加工及び垂直方向にオフセットされることにより、相互に交差又は離隔していない設計面５１０，５２０，５３０が生成される。設計面５１０，５２０，５３０が相互に交差又は離隔しないので、目標施工面が適正に生成される。
［その他の実施形態］
　上述の実施形態において、施工データ記憶部１５、車体データ記憶部１６、操作データ取得部１７、入力データ取得部１８、センサデータ取得部１９、位置方位算出部２０、傾斜角算出部２１、作業機位置算出部２２、選択部２３、オフセット制御部２４、表示制御部２５、走行制御部２６、旋回制御部２７、及び作業機制御部２８のそれぞれが、別々のハードウエアにより構成されてもよい。
　上述の実施形態において、作業機械１が走行体３及び旋回体４を有する油圧ショベルであることとした。作業機械１は走行体３及び旋回体４を有しなくてもよい。作業機械１は、作業機を有していればよく、例えばブルドーザでもよいしホイールローダでもよい。
　１…油圧ショベル（作業機械）、２…運転室、３…走行体、３Ａ…履帯、４…旋回体、５…作業機、５Ａ…ブーム、５Ｂ…アーム、５Ｃ…バケット、６…油圧シリンダ、６Ａ…ブームシリンダ、６Ｂ…アームシリンダ、６Ｃ…バケットシリンダ、７…操作装置、７Ａ…左作業レバー、７Ｂ…右作業レバー、７Ｃ…左走行レバー、７Ｄ…右走行レバー、７Ｅ…左フットペダル、７Ｆ…右フットペダル、８…車載モニタ、８Ａ…表示装置、８Ｂ…入力装置、８Ｃ…警報装置、９…位置センサ、９Ａ…第１位置センサ、９Ｂ…第２位置センサ、１０…傾斜センサ、１１…姿勢センサ、１１Ａ…第１姿勢センサ、１１Ｂ…第２姿勢センサ、１１Ｃ…第３姿勢センサ、１２…制御装置、１４…運転シート、１５…施工データ記憶部、１６…車体データ記憶部、１７…操作データ取得部、１８…入力データ取得部、１９…センサデータ取得部、２０…位置方位算出部、２１…傾斜角算出部、２２…作業機位置算出部、２３…選択部、２４…オフセット制御部、２５…表示制御部、２６…走行制御部、２７…旋回制御部、２８…作業機制御部、３０…制御システム、５０…目標施工面、５１…設計面（第１設計面）、５１Ｆ…頂点、５２…設計面（第２設計面）、５３…設計面（第３設計面）、５３Ｆ…頂点、６１…辺、６２…辺、５１０…設計面、５２０…設計面、５３０…設計面、５４０…設計面、６１０…第１辺、６１２…第２辺、６１３…第３辺、６１４…第４辺、６２０…第５辺、６２３…第９辺、６２４…第１０辺、６３２…第６辺、６３３…第７辺、６３４…第８辺、１０００…コンピュータシステム、１００１…プロセッサ、１００２…メインメモリ、１００３…ストレージ、１００４…インターフェース、Ｏｇ…現場基準点、Ｏｍ…代表点、ＲＸ…旋回軸。

Claims (13)

  1. 　作業機械の施工対象に設定される複数の設計面を記憶する施工データ記憶部と、
    　複数の前記設計面の中から前記設計面の垂直方向にオフセットさせる少なくとも２つの設計面を選択する選択部と、
    　選択された設計面を加工して、前記垂直方向にオフセットさせるオフセット制御部と、を備える、
    　作業機械の制御システム。
  2. 　前記加工及び前記オフセットされた後の前記設計面に基づいて、前記作業機械が有する作業機を制御する作業機制御部を備える、
    　請求項１に記載の作業機械の制御システム。
  3. 　前記設計面を表示装置に表示させる表示制御部を備える、
    　請求項１に記載の作業機械の制御システム。
  4. 　前記選択部は、第１設計面と、前記第１設計面に隣接する第２設計面と、前記第１設計面及び前記第２設計面の少なくとも一方に隣接する第３設計面とを選択する、
    　請求項１に記載の作業機械の制御システム。
  5. 　前記設計面の加工は、オフセットされる前の設計面の頂点に基づいて、オフセットされた後の設計面を４角形にすることを含む、
    　請求項１に記載の作業機械の制御システム。
  6. 　前記第３設計面は、前記第１設計面に隣接し、
    　前記加工及び前記オフセットされた後の第２設計面と第３設計面とが相互に交差する場合、前記オフセット制御部は、前記加工及び前記オフセットされた後の前記第１設計面、前記第２設計面、及び前記第３設計面を更に加工する、
    　請求項４に記載の作業機械の制御システム。
  7. 　請求項１に記載の作業機械の制御システムを備える、
    　作業機械。
  8. 　作業機械の施工対象に設定される複数の設計面を記憶することと、
    　複数の前記設計面の中から前記設計面の垂直方向にオフセットさせる少なくとも２つの設計面を選択することと、
    　選択された設計面を加工して、前記垂直方向にオフセットさせることと、を含む、
    　作業機械の制御方法。
  9. 　前記加工及び前記オフセットされた後の前記設計面に基づいて、前記作業機械が有する作業機を制御することを含む、
    　請求項８に記載の作業機械の制御方法。
  10. 　前記設計面を表示装置に表示させることを含む、
    　請求項８に記載の作業機械の制御方法。
  11. 　第１設計面と、前記第１設計面に隣接する第２設計面と、前記第１設計面及び前記第２設計面の少なくとも一方に隣接する第３設計面とが選択される、
    　請求項８に記載の作業機械の制御方法。
  12. 　前記設計面の加工は、前記設計面の頂点に基づいて前記設計面を４角形にすることを含む、
    　請求項８に記載の作業機械の制御方法。
  13. 　前記第３設計面は、前記第１設計面に隣接し、
    　前記加工及び前記オフセットされた後の第２設計面と第３設計面とが相互に交差する場合、前記加工及び前記オフセットされた後の前記第１設計面、前記第２設計面、及び前記第３設計面を更に加工する、
    　請求項１１に記載の作業機械の制御方法。
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