WO2024100969A1 - 作業機械の作業状態推定システムおよび作業機械の作業状態推定方法 - Google Patents

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WO2024100969A1
WO2024100969A1 PCT/JP2023/031448 JP2023031448W WO2024100969A1 WO 2024100969 A1 WO2024100969 A1 WO 2024100969A1 JP 2023031448 W JP2023031448 W JP 2023031448W WO 2024100969 A1 WO2024100969 A1 WO 2024100969A1
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WO
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state
work
angle
work machine
determination unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/031448
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English (en)
French (fr)
Inventor
年晃 熊谷
竜平 倉松
幹 小山
伸好 山中
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
Application filed by 株式会社小松製作所 filed Critical 株式会社小松製作所
Publication of WO2024100969A1 publication Critical patent/WO2024100969A1/ja

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Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20Drives; Control devices

Definitions

  • This disclosure relates to the state of a work machine, and in particular to technology for estimating the working state.
  • An object of the present disclosure is to provide a work state estimation system and a work state estimation method for a work machine that are capable of estimating the work state of a work machine in a simple manner.
  • a work state estimation system for a work machine based on an aspect of the present disclosure includes a tilt angle acquisition unit that acquires the tilt angle of the work machine, and a work state estimation unit that estimates the work state of the work machine based on a change in the tilt angle.
  • the tilt angle includes at least a pitch angle.
  • a method for estimating the working state of a work machine based on a certain aspect of the present disclosure includes a step of acquiring the tilt angle of the work machine, and a step of estimating the working state of the work machine based on a change in the tilt angle.
  • the tilt angle includes at least a pitch angle.
  • the work machine work state estimation system and work machine work state estimation method disclosed herein are capable of estimating the work state of a work machine in a simple manner.
  • FIG. 1 is an external view of a work machine based on an embodiment.
  • 7A to 7C are diagrams illustrating an inclination angle detection device 70 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a controller 60 of a work machine 100 according to the embodiment.
  • 4 is a diagram for explaining a flow of a work state of the work machine 100 according to the embodiment.
  • FIG. 3A to 3C are diagrams illustrating estimation of a work state of the work machine 100 according to the embodiment. 4 is a diagram illustrating determination of a work state of the work machine 100 according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a flow of a process for estimating a work state of a work machine 100 according to an embodiment.
  • FIG. 11 is a flow diagram illustrating a task status estimation process by a task classification unit 62 according to the embodiment.
  • 13 is a flow diagram illustrating an excavation cargo determination process by an excavation cargo determination unit 160 according to an embodiment.
  • FIG. 11A to 11C are diagrams illustrating a specific example of an excavation cargo determination process of an excavation cargo determination unit 160 according to an embodiment.
  • 11A to 11C are diagrams illustrating a turning determination process of a turning determination unit 162 according to the embodiment.
  • 11A and 11B are diagrams illustrating a cargo turning determination process of a turning determination unit 162 according to an embodiment.
  • 11A to 11C are diagrams illustrating the empty turning determination process of the turning determination unit 162 according to the embodiment.
  • 11A to 11C are diagrams illustrating specific examples of the loaded turning determination process and the unladen turning determination process of the turning determination unit 162 according to the embodiment.
  • 11A to 11C are diagrams illustrating the soil discharge determination process of a soil discharge determiner 164 according to the embodiment.
  • 11A to 11C are diagrams illustrating a specific example of the soil discharge determination process of the soil discharge determiner 164 according to the embodiment.
  • FIG. 11 is a flow diagram illustrating a turning determination by a turning determination unit 162 according to a second modified example of the embodiment.
  • FIGS. 13A to 13C are diagrams illustrating a specific example of a turning determination process of a turning determination unit 162 according to a second modified example of the embodiment.
  • 10A and 10B are diagrams illustrating a bucket angle during soil discharge according to an embodiment.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating the soil discharge determination process of a soil discharge determiner 164 according to a third modified example of the embodiment.
  • 13A to 13C are diagrams illustrating a specific example of the soil discharge determination process of the soil discharge determiner 164 according to the third modified example of the embodiment.
  • FIG. 1 is an external view of a work machine based on an embodiment.
  • a hydraulic excavator equipped with a hydraulically operated work implement 2 will be used as an example of a work machine to which the concepts of this disclosure can be applied.
  • the work machine 100 comprises a vehicle body 1 and a work implement 2 .
  • the vehicle body 1 has a rotating body 3, a driver's cab 4, and a traveling device 5.
  • the rotating body 3 is disposed on the traveling device 5.
  • the traveling device 5 supports the rotating body 3.
  • the rotating body 3 can rotate around a rotation axis AX.
  • the cab 4 is provided with a driver's seat 4S where an operator sits.
  • the operator operates the work machine 100 in the cab 4.
  • the traveling device 5 has a pair of tracks 5Cr.
  • the work machine 100 travels due to the rotation of the tracks 5Cr.
  • the traveling device 5 may be composed of wheels (tires).
  • the forward/backward direction refers to the forward/backward direction of the operator seated in the driver's seat 4S.
  • the left/right direction refers to the left/right direction with reference to the operator seated in the driver's seat 4S.
  • the left/right direction coincides with the width direction of the vehicle (vehicle width direction).
  • the direction directly facing the operator seated in the driver's seat 4S is the forward direction, and the direction opposite the forward direction is the rearward direction.
  • the right and left directions are respectively the right direction and the left direction.
  • the rotating body 3 has an engine room 9 in which an engine is housed, and a counterweight provided at the rear of the rotating body 3.
  • a handrail 19 is provided in front of the engine room 9 on the rotating body 3.
  • An engine, a hydraulic pump, etc. are arranged in the engine room 9.
  • the work machine 2 is supported by the rotating body 3.
  • the work machine 2 has a boom 6, an arm 7, a bucket 8, a boom cylinder 10, an arm cylinder 11, and a bucket cylinder 12.
  • the boom 6 is connected to the rotating body 3 via a boom pin 13.
  • the arm 7 is connected to the boom 6 via an arm pin 14.
  • the bucket 8 is connected to the arm 7 via a bucket pin 15.
  • the boom cylinder 10 drives the boom 6.
  • the arm cylinder 11 drives the arm 7.
  • the bucket cylinder 12 drives the bucket 8.
  • the base end of the boom 6 (boom foot) is connected to the rotating body 3.
  • the tip end of the boom 6 (boom top) is connected to the base end of the arm 7 (arm foot).
  • the tip end of the arm 7 (arm top) is connected to the base end of the bucket 8.
  • the boom cylinder 10, arm cylinder 11, and bucket cylinder 12 are all hydraulic cylinders driven by hydraulic oil.
  • the boom 6 can rotate relative to the rotating body 3 around the boom pin 13, which is a rotation axis.
  • the arm 7 can rotate relative to the boom 6 around the arm pin 14, which is a rotation axis parallel to the boom pin 13.
  • the bucket 8 can rotate relative to the arm 7 around the bucket pin 15, which is a rotation axis parallel to the boom pin 13 and arm pin 14.
  • the base end of the boom 6 is connected to the revo frame, and the tip of the revo frame is provided with an inclination angle detection device 70, which in this example is an IMU (Inertial Measurement Unit) sensor as an example.
  • IMU Inertial Measurement Unit
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an inclination angle detection device 70 according to an embodiment.
  • an IMU sensor which is an example of a tilt angle detection device 70 , is attached to the tip of a revolving frame that supports the work machine 2 .
  • the inclination angle detection device 70 is a sensor that detects the inclination angle of the work machine 100, and is capable of detecting pitch angle, roll angle, and yaw angle, as examples.
  • the inclination angle detection device 70 is mounted in a position close to the center in the left-right direction. This mounting position makes it possible to detect the inclination angle of the work machine 100 with high accuracy.
  • the tilt angle detection device 70 detects a pitch angle indicating the tilt angle of the vehicle body 1 about an axis extending in the left-right direction of the work machine 100, a roll angle indicating the tilt angle of the vehicle body 1 about an axis extending in the front-rear direction of the work machine 100, and a yaw angle indicating the tilt angle of the vehicle body 1 about an axis extending in the up-down direction of the work machine 100.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the controller 60 of the work machine 100 according to the embodiment.
  • the controller 60 of the work machine 100 includes a calculation unit 61, a storage unit 64, and an output unit 65.
  • the calculation unit 61 is, for example, a CPU (Central Processing Unit) and executes various calculations.
  • the memory unit 64 stores programs and data for executing various calculation processes executed by the calculation unit 61.
  • the calculation unit 61 includes a task classification unit 62 and an acquisition unit 63 .
  • the acquisition unit 63 acquires the tilt angle, which is the detection result of the tilt angle detection device 70. Note that the acquired data regarding the detection result may be corrected before use.
  • the work classification unit 62 estimates the work state of the work machine 100 based on the change in the inclination angle acquired by the acquisition unit 63.
  • the work classification unit 62 includes an excavation load determination unit 160, a rotation determination unit 162, and an earth removal determination unit 164.
  • the excavation load determination unit 160 determines the excavation state and the loaded state based on the change in the inclination angle acquired by the acquisition unit 63. Specifically, it determines the excavation state after the unloaded state. It also determines the loaded state after the excavation state.
  • the turning determination unit 162 determines the turning state based on the change in the inclination angle acquired by the acquisition unit 63. Specifically, turning after a loaded state is determined to be a loaded turning state. Also, turning after a soil unloading state is determined to be an unloaded turning state.
  • the soil discharge determination unit 164 determines the soil discharge state based on the change in the inclination angle acquired by the acquisition unit 63. Specifically, it determines the soil discharge state after the load rotation state.
  • the output unit 65 outputs the results of the calculations performed by the calculation unit 61.
  • the output unit 65 may output the results of the calculations to a display unit (not shown).
  • the output unit 65 may also transmit the results of the calculations via a network.
  • the output unit 65 may transmit the estimated work state of the work machine 100 calculated by the calculation unit 61 to an external server via the network.
  • the output unit 65 may also record the work state of the work machine 100 for one day as a report and output it on paper.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the flow of the working state of the work machine 100 according to the embodiment.
  • the work machine 100 repeatedly executes a series of various work states, including (1) excavation, (2) loading, (3) loading rotation, (4) soil removal, (5) empty loading rotation, and (6) empty loading.
  • the above working conditions (1) to (6) of the work machine 100 are estimated based on the detection results obtained by the tilt angle detection device 70.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the estimation of the working state of the work machine 100 according to the embodiment.
  • the vertical axis represents the pitch angle, and the horizontal axis represents time t.
  • pitch angle data is shown as the tilt angle of the tilt angle detection device 70.
  • the work classification unit 62 estimates the work state of the work machine 100 based on at least the change in the pitch angle, which is the inclination angle acquired by the acquisition unit 63.
  • the system estimates a series of different work states, including (1) excavation, (2) loading, (3) loading rotation, (4) soil removal, (5) empty-load rotation, and (6) empty load.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the determination of the work state of the work machine 100 according to the embodiment.
  • the task classification unit 62 determines the excavation state when the task state is the unloaded state.
  • the task classification unit 62 determines the loaded state when the task state is the excavation state.
  • the task classification unit 62 determines the loaded rotation state when the task state is the loaded state.
  • the task classification unit 62 determines the earth dumping state when the task state is the loaded rotation state.
  • the task classification unit 62 determines the unloaded rotation state when the task state is the unloaded rotation state.
  • the task classification unit 62 determines the unloaded state when the task state is the unloaded rotation state.
  • the process returns to the initial process, and the task classification unit 62 determines the excavation state when the task state is the unloaded state.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the flow of the process for estimating the work state of the work machine 100 according to an embodiment.
  • the acquisition unit 63 acquires data from the inclination angle detection device 70 (step S2).
  • the task classification unit 62 estimates the task state of the work machine 100 based on the change in the tilt angle acquired by the acquisition unit 63 (step S4). The detailed process of estimating the task state will be described later.
  • the output unit 65 outputs the determination result (step S6). Then, the process ends (END).
  • FIG. 8 is a flow diagram illustrating the task status estimation process performed by the task classification unit 62 according to an embodiment.
  • the excavation load determination unit 160 executes an excavation load determination process for the work machine 100 based on the change in the inclination angle acquired by the acquisition unit 63 (step S10). The details of the excavation load determination process will be described later.
  • the turning determination unit 162 executes a load turning determination process for the work machine 100 based on the change in the inclination angle acquired by the acquisition unit 63 (step S12).
  • the load turning determination process will be described in detail later.
  • the soil discharge determination unit 164 executes soil discharge determination processing for the work machine 100 based on the change in the inclination angle acquired by the acquisition unit 63 (step S14). Details of the soil discharge determination processing will be described later.
  • the turning determination unit 162 executes an empty turning determination process for the work machine 100 based on the change in the inclination angle acquired by the acquisition unit 63 (step S16).
  • the empty turning determination process will be described in detail later.
  • step S18 it is determined whether or not the work of the work machine 100 has been completed. In step S18, if it is determined that the work of the work machine 100 has not been completed (NO in step S18), the process returns to step S10 and the above processing is repeated.
  • step S18 if it is determined in step S18 that the work of the work machine 100 has been completed (YES in step S18), the process ends (returns).
  • FIG. 9 is a flow diagram illustrating an excavation cargo determination process by the excavation cargo determiner 160 according to the embodiment.
  • the excavation load determination unit 160 sets an excavation threshold and a load threshold for the pitch angle when the excavation load determination process is started (step S20).
  • the pitch angle when the excavation load determination process is started may be a pitch angle that is preset as an initial value, or, as an example, the pitch angle when the previous empty rotation process was completed may be used.
  • the excavation load determination unit 160 sets the excavation threshold (negative side) (example of a first threshold) to a pitch angle that is a predetermined value lower than the initial value or the pitch angle when the previous empty-load rotation process was completed. Also, the excavation load determination unit 160 sets the load threshold (positive side) (example of a second threshold) to a pitch angle that is a predetermined value higher than the initial value or the pitch angle when the previous empty-load rotation process was completed.
  • the excavation load determination unit 160 determines whether the pitch angle is equal to or less than the excavation threshold (negative side) (step S22).
  • the excavation load determination unit 160 calculates and uses the time average value of the pitch angle for a predetermined period. The length of the predetermined period can be adjusted as appropriate.
  • step S22 if the excavation load determination unit 160 determines that the pitch angle is not equal to or less than the excavation threshold (NO in step S22), it maintains the previous state.
  • step S22 if the excavation load determination unit 160 determines that the pitch angle is equal to or less than the excavation threshold (YES in step S22), it determines that an excavation state is being established (step S24).
  • the excavation load determination unit 160 determines whether the pitch angle is greater than or equal to the load threshold (positive side) (step S26).
  • step S26 if the excavation load determination unit 160 determines that the pitch angle is not greater than or equal to the load threshold (positive side) (NO in step S26), the previous state is maintained.
  • step S26 if the excavation load determination unit 160 determines that the pitch angle is equal to or greater than the load threshold (positive side) (YES in step S26), the excavation load determination unit 160 determines that the vehicle is in a loaded state (step S28).
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a specific example of the excavation load determination process of the excavation load determination unit 160 according to the embodiment.
  • the vertical axis represents the pitch angle
  • the horizontal axis represents time t.
  • pitch angles P1 to P3 are shown as initial values or values at the end of the previous empty turning process.
  • the excavation load determination unit 160 sets an excavation threshold value PDth1 (negative side) and a load threshold value PUth1 (positive side) for the initial pitch angle P1.
  • the excavation load determination unit 160 determines that excavation is occurring when the pitch angle is equal to or less than the excavation threshold value PDth1 (negative side).
  • the excavation load determination unit 160 determines that there is a load when the pitch angle is equal to or greater than the load threshold PUth1 (positive side).
  • the excavation load determination unit 160 sets an excavation threshold value PDth2 (negative side) and a load threshold value PUth2 (positive side) for the pitch angle P2 at the time when the previous empty-load rotation process was completed.
  • the excavation load determination unit 160 determines that the excavation state is occurring when the pitch angle is equal to or less than the excavation threshold value PDth2 (negative side).
  • the excavation load determination unit 160 determines that the vehicle is in a loaded state when the pitch angle is equal to or greater than the load threshold PUth2 (positive side).
  • the excavation load determination unit 160 sets an excavation threshold value PDth3 (negative side) and a load threshold value PUth3 (positive side) for the pitch angle P3 at the time when the previous empty-load rotation process was completed.
  • the excavation load determination unit 160 determines that the excavation state is occurring when the pitch angle is equal to or less than the excavation threshold value PDth3 (negative side).
  • the excavation load determination unit 160 determines that the vehicle is in a loaded state when the pitch angle is equal to or greater than the load threshold PUth3 (positive side).
  • This process makes it possible to estimate the working state of the work machine in a simple manner by determining the excavation state and loading state based on changes in the pitch angle of the inclination angle.
  • excavation is performed by pulling the boom, arm and/or bucket backwards to collect soil into the bucket.
  • the entire vehicle body is pulled forward by the reaction force from the ground, causing it to lean forward.
  • the soil is lifted from the ground, there is also a reaction from the excavation, and the entire vehicle body leans further backward than it was before excavation.
  • the fore-and-aft angle (pitch angle) of the vehicle body changes in a characteristic way during excavation work, making it possible to determine the excavation and load conditions.
  • the threshold value used to determine the work status can be a fixed value determined in advance. However, the value can be adjusted depending on the work site, the work content, individual differences in the work vehicle, etc. Therefore, by setting the threshold value based on the initial value or the pitch angle when the previous empty turning process was completed, it is possible to determine the work status with greater accuracy.
  • the pitch angle and roll angle may also be used to estimate the working state.
  • the pitch angle and roll angle in this way, it is possible to more accurately determine the excavation state and loading state.
  • ⁇ Turning Judgment Processing> 11 is a diagram for explaining the turning determination process of turning determination unit 162 according to the embodiment.
  • the vertical axis represents the pitch angle or roll angle, and the horizontal axis represents time t.
  • the turning determination unit 162 utilizes changes in pitch angle and roll angle. Specifically, as shown in the figure, during turning operation of the work machine 100, the pitch angle and roll angle become sine wave and cosine wave with different phases. In other words, the pitch angle and roll angle become similar waveforms that are linked. If the ground on which the work machine 100 is located is a completely horizontal plane, the pitch angle and roll angle do not change even when the work machine 100 turns, so it is difficult to determine the turning state from the pitch angle and roll angle. On the other hand, the ground on which the work machine 100 is located is generally not a completely horizontal plane, and the pitch angle and roll angle change due to turning. Therefore, it is possible to determine the turning state from the changes in the pitch angle and roll angle.
  • the turning determination unit 162 compares the waveforms of the pitch angle and roll angle and determines that a turning state is occurring if linked waveforms are detected.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the cargo rotation determination process of the rotation determination unit 162 according to an embodiment.
  • the turning determination unit 162 determines that the turning state after the loaded state is a loaded turn. Specifically, the turning determination unit 162 determines whether the pitch angle and roll angle are changing in conjunction with each other (step S30). The turning determination unit 162 calculates and uses the time average values of the pitch angle and roll angle for a predetermined period. The length of the predetermined period can be adjusted as appropriate.
  • step S30 if the turning determination unit 162 determines that the pitch angle and roll angle have not changed in conjunction with each other (NO in step S30), the previous state is maintained.
  • step S30 determines that the pitch angle and roll angle are changing in tandem (YES in step S30). It determines that the vehicle is in a cargo turning state (step S32).
  • the turning determination unit 162 determines whether the state in which the pitch angle and roll angle change in tandem has ended (step S34).
  • step S34 the turning determination unit 162 determines that the state in which the pitch angle and roll angle change in tandem has not ended (NO in step S34), the turning determination unit 162 returns to step S32 and maintains that state.
  • step S34 if the turning determination unit 162 determines that the state in which the pitch angle and roll angle change in conjunction with each other has ended (YES in step S34), the process ends (returns). Then, the process proceeds to the next soil discharge determination process.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating the empty turning determination process of the turning determination unit 162 according to the embodiment.
  • the turning determination unit 162 determines that the turning state after the soil discharge state is an empty turning state. Specifically, the turning determination unit 162 determines whether the pitch angle and roll angle are changing in conjunction with each other (step S40). The turning determination unit 162 calculates and uses the time average values of the pitch angle and roll angle for a predetermined period. The length of the predetermined period can be adjusted as appropriate.
  • step S40 if the turning determination unit 162 determines that the pitch angle and roll angle have not changed in conjunction with each other (NO in step S40), the previous state is maintained.
  • step S40 determines that the pitch angle and roll angle are changing in tandem (YES in step S40). It determines that the vehicle is turning unladen (step S42).
  • the turning determination unit 162 determines whether the state in which the pitch angle and roll angle change in tandem has ended (step S44).
  • step S44 the turning determination unit 162 determines that the state in which the pitch angle and roll angle change in tandem has not ended (NO in step S44), the turning determination unit 162 returns to step S42 and maintains that state.
  • step S44 determines in step S44 that the state in which the pitch angle and roll angle change in tandem has ended (YES in step S44)
  • step S46 determines that the vehicle is in an unloaded state (step S46). Then, it ends the process (returns). If the work is to be continued, it returns to the initial excavation load determination process.
  • the pitch angle at the end of the empty rotation determination process is also stored. This pitch angle is used for the excavation threshold and load threshold in the excavation load determination process.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a specific example of the loaded rotation determination process and the unloaded rotation determination process of the rotation determination unit 162 according to an embodiment.
  • the vertical axis represents the pitch angle or roll angle, and the horizontal axis represents time t.
  • the turning determination unit 162 uses the changes in the pitch angle and roll angle to determine whether the pitch angle and roll angle are changing in conjunction with each other. Specifically, since the roll angle and pitch angle change in the same direction during turning, it is possible to obtain the amount of change in each and determine that the vehicle is in a turning state when the amount of change is the same as the positive or negative value.
  • the roll angle value changes significantly in conjunction with a large change in pitch angle.
  • the roll angle decreases significantly, and shortly before that, the pitch angle also decreases significantly. In this way, it is difficult to determine the turning state based on the change in pitch angle alone, but it is possible to determine the turning state by combining it with the change in roll angle.
  • the turning state after loading is judged to be a loaded turning state, and the turning state after unloading is judged to be an unloaded turning state.
  • This process makes it possible to estimate the working state of the work machine in a simple manner by determining the load rotation state and the empty load state based on the changes in the pitch angle and roll angle of the inclination angle.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the soil discharge determination process of the soil discharge determiner 164 according to the embodiment.
  • the soil discharge determination unit 164 determines whether the pitch angle for a predetermined period of time has dropped by a predetermined value or more after the end of the turn (step S50). This can be determined based on the fact that the work vehicle tilts slightly forward when soil discharge is performed, causing a change in pitch angle.
  • the predetermined value may be a predetermined initial value.
  • the predetermined value may be a percentage value rather than a fixed value. Since the change in pitch angle associated with soil discharge may vary depending on the type of work vehicle and the target object, the predetermined value may be adjusted according to the situation.
  • the predetermined value may be adjusted manually, or may be automatically calculated and adjusted based on the change in pitch angle during work.
  • the soil discharge determination unit 164 calculates and uses the time average value of the pitch angle for the predetermined period of time. The length of the predetermined period of time can be adjusted as appropriate.
  • step S50 if the soil discharge determination unit 164 determines that the pitch angle does not drop by a predetermined value or more for a predetermined period after the end of the turn (NO in step S50), the previous state is maintained.
  • step S50 if the soil discharge determination unit 164 determines that the pitch angle has dropped by a predetermined value or more for a predetermined period after the end of the turn (YES in step S50), it determines that the soil discharge state is occurring (step S52).
  • 16 is a diagram for explaining a specific example of the earth discharge determination process of the earth discharge determination unit 164 according to the embodiment.
  • the vertical axis represents the pitch angle
  • the horizontal axis represents time t.
  • the soil discharge determination unit 164 determines whether the pitch angle for a specified period of time drops by more than a specified value, and if it is determined that the pitch angle has dropped by more than the specified value, determines that soil discharge has occurred.
  • This process makes it possible to estimate the working state of the work machine in a simple manner by determining the soil discharge state based on changes in the pitch angle of the inclination angle.
  • the above process allows the task classification unit 62 according to the embodiment to estimate a series of various task states, such as excavation, loading, loading rotation, soil removal, empty rotation, and empty load, in a simple manner by using at least the pitch angle as the tilt angle.
  • FIG. 17 is a flow diagram explaining the excavation cargo determination process by the excavation cargo determination unit 160 according to the first modified embodiment.
  • FIG. 17 the flow diagram of FIG. 9 is different in that steps S23 and S27 have been added. The rest of the process is similar, so detailed description thereof will not be repeated.
  • step S22 determines whether the pitch angle has been below the excavation threshold for a predetermined period of time or more (step S23).
  • step S23 if the excavation cargo determination unit 160 determines that the load is below the excavation threshold for a predetermined period of time (YES in step S23), it determines that the excavation state is in progress (step S24).
  • step S23 if the excavation cargo determination unit 160 determines that the load has not been below the excavation threshold for a predetermined period of time (NO in step S23), the process returns to step S22.
  • step S26 if the excavation load determination unit 160 determines that the pitch angle is equal to or greater than the load threshold (positive side) (YES in step S26), it determines whether the pitch angle has been equal to or greater than the load threshold for a predetermined period of time (step S27).
  • step S27 if the excavation load determination unit 160 determines that the load threshold has been exceeded for a predetermined period of time (YES in step S27), it determines that the excavation load is in a loaded state (step S28).
  • step S27 if the excavation cargo determination unit 160 determines that the cargo has not been above the cargo threshold for the predetermined period of time (NO in step S27), the process returns to step S26.
  • This process determines whether the condition has been present for a specified period of time or more, below the digging threshold or above the loaded threshold, and if the condition has been present for a specified period of time or more, below the digging threshold or above the loaded threshold, it is determined that the condition is digging or loaded.
  • This process avoids erroneous determinations due to the effects of noise in the pitch angle as an inclination angle, and determines the excavation and loading conditions based on changes in the pitch angle, making it possible to perform highly accurate excavation or loading determination processing.
  • FIG. 18 is a flow diagram illustrating the turning determination by the turning determination unit 162 according to the second modification of the embodiment.
  • the turning determination unit 162 determines whether the yaw angle is greater than or equal to a predetermined threshold value or less than or equal to a threshold value (step S60).
  • step S60 if the turning determination unit 162 determines that the yaw angle is greater than or equal to a predetermined threshold value or less than or equal to a threshold value (YES in step S60), it determines that the vehicle is in a turning state.
  • step S60 when the turning determination unit 162 determines that the yaw angle is not equal to or greater than the predetermined threshold value or equal to or less than the threshold value (NO in step S60), the previous state is maintained.
  • the turning determination unit 162 determines that the turning state is loaded when turning after loading. Also, the turning determination unit 162 determines that the turning state is unloaded when turning after dumping soil.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a specific example of the turning determination process of the turning determination unit 162 according to the second modified example of the embodiment.
  • the vertical axis represents the yaw angle, and the horizontal axis represents time t.
  • the turning determination unit 162 determines whether the value is above or below a predetermined threshold value, and if it is determined that the value is above or below the predetermined threshold value, determines that the vehicle is in a turning state.
  • the turning state after loading is judged to be a loaded turning state, and the turning state after unloading is judged to be an unloaded turning state.
  • This process makes it possible to estimate the working state of the work machine in a simple manner, since the turning state is determined based on the change in yaw angle instead of the pitch angle and roll angle as the inclination angle.
  • the yaw angle is an angle that indicates the turning direction itself, so by using the change in yaw angle instead of the pitch angle and roll angle, it is possible to estimate the turning state more accurately.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the bucket angle during soil unloading according to the embodiment.
  • the bucket angle is obtained using a sensor (not shown) that detects the bucket angle, which is the inclination angle from a reference line attached to the bucket 8 of the work machine 100.
  • FIG. 21 is a flow diagram explaining the soil discharge determination process of the soil discharge determination unit 164 according to the third modified embodiment.
  • the soil discharge determination unit 164 determines whether the bucket angle is equal to or less than a predetermined threshold (step S70).
  • step S70 determines that the bucket angle is equal to or less than the predetermined threshold (YES in step S70)
  • step S70 if the soil discharge determination unit 164 determines that the bucket angle is not equal to or less than the predetermined threshold (NO in step S70), the previous state is maintained.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating a specific example of the soil discharge determination process of the soil discharge determination unit 164 according to the third modified example of the embodiment.
  • the vertical axis represents the bucket angle, and the horizontal axis represents time t.
  • the soil discharge determination unit 164 determines whether the bucket angle is equal to or less than a predetermined threshold, and if it determines that the bucket angle is equal to or less than the predetermined threshold, determines that the soil discharge state is occurring.
  • a certain angle is set as a threshold, and it is possible to determine that the bucket is in an earth discharge state when the bucket angle is equal to or less than the certain threshold.
  • This process makes it possible to estimate the working condition of the work machine in a simple manner, since the soil discharge condition is determined based on the change in bucket angle instead of the pitch angle as the tilt angle.
  • the bucket angle is used, but the bucket angle may also be used in combination with the pitch angle to estimate the working condition of the work machine.
  • the tilt angle obtained by the tilt angle detection device 70 may be used to correct the value, and the soil discharge state of the work machine may be determined.
  • a learning model for estimating the work state may be created by creating training data that combines the above-mentioned tilt angle data with the work state judgment results as correct answer data, and learning the data using a machine learning algorithm.
  • the controller may also be connected to a network (not shown) and perform data communication processing with an external device (e.g., a server).
  • an external device e.g., a server
  • At least some of the functions executed in the controller may be distributed and executed by multiple devices that can communicate over a network (wide area network and/or local network). Specifically, at least some of the various functions executed in the controller may be executed by a server.
  • a hydraulic excavator is given as an example of a work machine, but the present invention is not limited to hydraulic excavators and can be applied to other types of work machines such as wheel loaders, bulldozers, motor graders, etc.
  • An inclination angle acquisition unit (63) that acquires an inclination angle of the work machine (100); a work state estimation unit (62) that estimates a work state of the work machine based on a change in the inclination angle,
  • the work machine includes a work implement (2), 2.
  • Appendix 4 The work state estimation system according to any one of appendix 2 to 3, wherein the work state includes a soil unloading state.
  • ⁇ Appendix 5> The work state estimation system for a work machine according to any one of appendix 1 to 4, wherein the tilt angle further includes at least one of a roll angle and a yaw angle.
  • the work machine includes a rotating bed (3), 6.
  • the work state estimation unit includes an excavation/load determination unit (160) that determines an excavation state and a loaded state as the work state,
  • the work state estimation unit further includes a turning determination unit (162) that determines turning as the work state, 7.
  • the work state estimation unit further includes an earth discharge determination unit (164) for determining earth discharge as the work state, 5.
  • ⁇ Appendix 12> A step (S2) of acquiring a tilt angle of a work machine; and a step (S4) of estimating a working state of the work machine based on a change in the inclination angle, A method for estimating a working state of a working machine, wherein the tilt angle includes at least a pitch angle.

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Abstract

作業機械の作業状態推定システムは、作業機械の傾斜角度を取得する傾斜角度取得部と、記傾斜角度の変化に基づいて作業機械の作業状態を推定する作業状態推定部とを備える。傾斜角度は少なくともピッチ角を含む。

Description

作業機械の作業状態推定システムおよび作業機械の作業状態推定方法
 本開示は、作業機械の状態に関し、特に作業状態を推定する技術に関する。
 従来より、作業機械の作業状態に関し、種々のセンサーを設けて当該センサー結果に基づいて作業状態を推定する方式が種々提案されている(特許文献1~4参照)。
特開2020-71742号公報 特開2021-21245号公報 特開2021-22179号公報 特開2021-55360号公報
 一方で、上記方式は複雑であり作業状態を推定する点で改善の余地がある。
 本開示の目的は、簡易な方式で作業機械の作業状態を推定することが可能な作業機械の作業状態推定システムおよび作業機械の作業状態推定方法を提供することである。
 本開示のある局面に基づく作業機械の作業状態推定システムは、作業機械の傾斜角度を取得する傾斜角度取得部と、記傾斜角度の変化に基づいて作業機械の作業状態を推定する作業状態推定部とを備える。傾斜角度は少なくともピッチ角を含む。
 本開示のある局面に基づく作業機械の作業状態推定方法は、作業機械の傾斜角度を取得するステップと、傾斜角度の変化に基づいて作業機械の作業状態を推定するステップとを備える。傾斜角度は少なくともピッチ角を含む。
 本開示の作業機械の作業状態推定システムおよび作業機械の作業状態推定方法は、簡易な方式で作業機械の作業状態を推定することが可能である。
実施形態に基づく作業機械の外観図である。 実施形態に従う傾斜角検出装置70について説明する図である。 実施形態に従う作業機械100のコントローラ60の構成について説明する図である。 実施形態に従う作業機械100の作業状態の流れについて説明する図である。 実施形態に従う作業機械100の作業状態の推定について説明する図である。 実施形態に従う作業機械100の作業状態の判定について説明する図である。 実施形態に従う作業機械100の作業状態の推定処理のフローについて説明する図である。 実施形態に従う作業分類部62による作業状態の推定処理について説明するフロー図である。 実施形態に従う掘削積荷判定部160による掘削積荷判定処理について説明するフロー図である。 実施形態に従う掘削積荷判定部160の掘削積荷判定処理の具体例について説明する図である。 実施形態に従う旋回判定部162の旋回判定処理について説明する図である。 実施形態に従う旋回判定部162の積荷旋回判定処理について説明する図である。 実施形態に従う旋回判定部162の空荷旋回判定処理について説明する図である。 実施形態に従う旋回判定部162の積荷旋回判定処理および空荷旋回判定処理の具体例について説明する図である。 実施形態に従う排土判定部164の排土判定処理について説明する図である。 実施形態に従う排土判定部164の排土判定処理の具体例について説明する図である。 実施形態の変形例1に従う掘削積荷判定部160による掘削積荷判定処理について説明するフロー図である。 実施形態の変形例2に従う旋回判定部162の旋回判定について説明するフロー図である。 実施形態の変形例2に従う旋回判定部162の旋回判定処理の具体例について説明する図である。 実施形態に従う排土の際のバケット角について説明する図である。 実施形態の変形例3に従う排土判定部164の排土判定処理について説明するフロー図である。 実施形態の変形例3に従う排土判定部164の排土判定処理の具体例について説明する図である。
 以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明では、同一部品には、同一の符号を付している。それらの名称および機能は同じである。したがって、それらについての詳細な説明については繰り返さない。
 <作業機械の全体構成>
 図1は、実施形態に基づく作業機械の外観図である。
 図1に示されるように、本開示の思想を適用可能な作業機械として油圧により作動する作業機2を備える油圧ショベルを例に挙げて説明する。
 作業機械100は、車両本体1と、作業機2とを備える。
 車両本体1は、旋回体3と、運転室4と、走行装置5とを有する。
 旋回体3は、走行装置5の上に配置される。走行装置5は、旋回体3を支持する。旋回体3は、旋回軸AXを中心に旋回可能である。運転室4には、オペレータが着座する運転席4Sが設けられる。オペレータは、運転室4において作業機械100を操作する。走行装置5は、一対の履帯5Crを有する。履帯5Crの回転により、作業機械100が走行する。走行装置5は、車輪(タイヤ)で構成されていてもよい。
 運転席4Sに着座したオペレータを基準として各部の位置関係について説明する。前後方向とは、運転席4Sに着座したオペレータの前後方向をいう。左右方向とは、運転席4Sに着座したオペレータを基準とした左右方向をいう。左右方向は、車両の幅方向(車幅方向)に一致する。運転席4Sに着座したオペレータに正面に正対する方向を前方向とし、前方向とは反対の方向を後方向とする。運転席4Sに着座したオペレータが正面に正対したとき右側、左側をそれぞれ右方向、左方向とする。
 旋回体3は、エンジンが収容されるエンジンルーム9と、旋回体3の後部に設けられるカウンタウェイトとを有する。旋回体3において、エンジンルーム9の前方に手すり19が設けられる。エンジンルーム9には、エンジン及び油圧ポンプなどが配置されている。
 作業機2は、旋回体3に支持される。作業機2は、ブーム6と、アーム7と、バケット8と、ブームシリンダ10と、アームシリンダ11と、バケットシリンダ12とを有する。
 ブーム6は、ブームピン13を介して旋回体3に接続される。アーム7は、アームピン14を介してブーム6に接続される。バケット8は、バケットピン15を介してアーム7に接続される。ブームシリンダ10は、ブーム6を駆動する。アームシリンダ11は、アーム7を駆動する。バケットシリンダ12は、バケット8を駆動する。ブーム6の基端部(ブームフート)と旋回体3とが接続される。ブーム6の先端部(ブームトップ)とアーム7の基端部(アームフート)とが接続される。アーム7の先端部(アームトップ)とバケット8の基端部とが接続される。ブームシリンダ10、アームシリンダ11およびバケットシリンダ12はいずれも、作動油によって駆動される油圧シリンダである。
 ブーム6は、回動軸であるブームピン13を中心に旋回体3に体して回動可能である。アーム7は、ブームピン13と平行な回動軸であるアームピン14を中心にブーム6に対して回転可能である。バケット8は、ブームピン13およびアームピン14と平行な回動軸であるバケットピン15を中心にアーム7に対して回動可能である。
 ブーム6の基端部はレボフレームと連結されており、レボフレームの先端に傾斜角検出装置70、本例においては、一例としてIMU(Inertial Measurement Unit)センサーが設けられる。
 図2は、実施形態に従う傾斜角検出装置70について説明する図である。
 図2に示されるように、作業機2を支持するレボフレームの先端に傾斜角検出装置70の一例であるIMUセンサーが装着される場合が示される。
 傾斜角検出装置70は、作業機械100の傾斜角度を検出するセンサーであり、一例としてピッチ角、ロール角およびヨー角を検出することが可能である。傾斜角検出装置70は、左右方向の中心に近い位置に装着されている。当該装着位置により、精度良く作業機械100の傾斜角度を検出することが可能である。
 具体的には、傾斜角検出装置70は、作業機械100の左右方向に延びる軸を中心とする車両本体1の傾斜角度を示すピッチ角と、作業機械100の前後方向に延びる軸を中心とする車両本体1の傾斜角度を示すロール角と、作業機械100の上下方向に延びる軸を中心とする車両本体1の傾斜角度を示すヨー角とを検出する。
 図3は、実施形態に従う作業機械100のコントローラ60の構成について説明する図である。図3を参照して作業機械100のコントローラ60は、演算部61と、記憶部64と、出力部65とを含む。
 演算部61は、一例としてCPU(Central Processing Unit)であり、各種の演算を実行する。記憶部64は、演算部61で実行する各種の演算処理を実行するためのプログラムおよびデータを格納する。
 演算部61は、作業分類部62と、取得部63とを含む。
 取得部63は、傾斜角検出装置70の検出結果である傾斜角度を取得する。なお、検出結果について取得したデータを補正して用いるようにしてもよい。
 作業分類部62は、取得部63で取得した傾斜角度の変化に基づいて作業機械100の作業状態を推定する。
 作業分類部62は、掘削積荷判定部160と、旋回判定部162と、排土判定部164とを含む。
 掘削積荷判定部160は、取得部63で取得した傾斜角度の変化に基づいて掘削状態および積荷状態を判定する。具体的には空荷状態の後の掘削状態を判定する。また、掘削状態の後の積荷状態を判定する。
 旋回判定部162は、取得部63で取得した傾斜角度の変化に基づいて旋回状態を判定する。具体的には積荷状態の後の旋回は積荷旋回状態と判定する。また、排土状態の後の旋回は空荷旋回状態と判定する。
 排土判定部164は、取得部63で取得した傾斜角度の変化に基づいて排土状態を判定する。具体的には積荷旋回状態の後の排土状態を判定する。
 出力部65は、演算部61で実行した演算結果を出力する。出力部65は、一例として表示部(図示せず)に演算結果を出力するようにしてもよい。また、出力部65は、ネットワークを介して演算結果を送信するようにしてもよい。例えば出力部65は、ネットワークを介して演算部61で演算した作業機械100の推定した作業状態を外部のサ-バに送信してもよい。また、出力部65は、一日の作業機械100の作業状態をレポートとして記録して紙で出力するようにしてもよい。
 図4は、実施形態に従う作業機械100の作業状態の流れについて説明する図である。
 図4を参照して、作業機械100は、作業状態として(1)掘削、(2)積荷、(3)積荷旋回、(4)排土、(5)空荷旋回、(6)空荷の各種の一連の作業状態を繰り返し実行する。
 実施形態においては、傾斜角検出装置70で取得した検出結果に基づいて作業機械100の上記(1)~(6)の作業状態を推定する。
 図5は、実施形態に従う作業機械100の作業状態の推定について説明する図である。縦軸はピッチ角を表し、横軸は時間tを表す。
 図5を参照して、本例においては、傾斜角検出装置70の傾斜角度としてピッチ角のデータが示されている。
 作業分類部62は、取得部63で取得した傾斜角度である少なくともピッチ角の変化に基づいて作業機械100の作業状態を推定する。
 具体的には、作業状態として(1)掘削、(2)積荷、(3)積荷旋回、(4)排土、(5)空荷旋回、(6)空荷の各種の一連の作業状態を推定する。
 図6は、実施形態に従う作業機械100の作業状態の判定について説明する図である。
 図6を参照して、作業分類部62は、作業状態が空荷状態の際に掘削状態を判定する。次に作業分類部62は、掘削状態の際に積荷状態を判定する。次に、作業分類部62は、積荷状態の際に積荷旋回状態を判定する。次に、作業分類部62は、積荷旋回状態の際に排土状態を判定する。次に、作業分類部62は、排土状態の際に空荷旋回状態を判定する。次に、作業分類部62は、空荷旋回状態の際に空荷状態を判定する。そして、再び、最初の処理に戻り、作業分類部62は、作業状態が空荷状態の際に掘削状態を判定する。
 図7は、実施形態に従う作業機械100の作業状態の推定処理のフローについて説明する図である。
 図7を参照して、取得部63は、傾斜角検出装置70からのデータを取得する(ステップS2)。
 次に、作業分類部62は、取得部63で取得した傾斜角度の変化に基づいて作業機械100の作業状態を推定する(ステップS4)。作業状態の推定の詳細処理については後述する。
 次に、出力部65は、判定結果を出力する(ステップS6)。
 そして、処理を終了する(エンド)。
 図8は、実施形態に従う作業分類部62による作業状態の推定処理について説明するフロー図である。
 図8を参照して、掘削積荷判定部160は、取得部63で取得した傾斜角度の変化に基づいて作業機械100の掘削積荷判定処理を実行する(ステップS10)。掘削積荷判定処理の詳細については後述する。
 次に、旋回判定部162は、取得部63で取得した傾斜角度の変化に基づいて作業機械100の積荷旋回判定処理を実行する(ステップS12)。積荷旋回判定処理の詳細については後述する。
 次に、排土判定部164は、取得部63で取得した傾斜角度の変化に基づいて作業機械100の排土判定処理を実行する(ステップS14)。排土判定処理の詳細については後述する。
 次に、旋回判定部162は、取得部63で取得した傾斜角度の変化に基づいて作業機械100の空荷旋回判定処理を実行する(ステップS16)。空荷旋回判定処理の詳細については後述する。
 そして、作業機械100の作業が終了したか否かを判断する(ステップS18)。
 ステップS18において、作業機械100の作業が終了していないと判断した場合(ステップS18においてNO)には、ステップS10に戻り、上記処理を繰り返す。
 一方、ステップS18において、作業機械100の作業が終了したと判断した場合(ステップS18においてYES)には、処理を終了する(リターン)。
 <掘削積荷判定処理>
 図9は、実施形態に従う掘削積荷判定部160による掘削積荷判定処理について説明するフロー図である。
 図9を参照して、掘削積荷判定部160は、掘削積荷判定処理を開始した際のピッチ角に対して掘削閾値および積荷閾値を設定する(ステップS20)。掘削積荷判定処理を開始した際のピッチ角は、初期値として予め設定されたピッチ角を用いても良いし、一例として前回の空荷旋回処理が終了した際のピッチ角を用いても良い。
 具体的には、掘削積荷判定部160は、初期値あるいは前回の空荷旋回処理が終了した際のピッチ角から所定の値低いピッチ角を掘削閾値(負側)(第1の閾値の例)に設定する。また、掘削積荷判定部160は、初期値あるいは前回の空荷旋回処理が終了した際のピッチ角から所定の値高いピッチ角を積荷閾値(正側)(第2の閾値の例)に設定する。
 次に、掘削積荷判定部160は、ピッチ角が掘削閾値(負側)以下か否かを判断する(ステップS22)。掘削積荷判定部160は、所定期間のピッチ角の時間平均値を算出して利用する。所定期間の長さは適宜調整することが可能である。
 ステップS22において、掘削積荷判定部160は、ピッチ角が掘削閾値以下ではないと判断した場合(ステップS22においてNO)には、前の状態を維持する。
 一方、ステップS22において、掘削積荷判定部160は、ピッチ角が掘削閾値以下と判断した場合(ステップS22においてYES)には、掘削状態と判定する(ステップS24)。
 次に、掘削積荷判定部160は、ピッチ角が積荷閾値(正側)以上か否かを判断する(ステップS26)。
 ステップS26において、掘削積荷判定部160は、ピッチ角が積荷閾値(正側)以上ではないと判断した場合(ステップS26においてNO)には、前の状態を維持する。
 一方、ステップS26において、掘削積荷判定部160は、ピッチ角が積荷閾値(正側)以上と判断した場合(ステップS26においてYES)には、掘削積荷判定部160は、積荷状態と判定する(ステップS28)。
 そして、処理を終了する(リターン)。そして、次の積荷旋回判定処理に進む。
 図10は、実施形態に従う掘削積荷判定部160の掘削積荷判定処理の具体例について説明する図である。縦軸はピッチ角を表し、横軸は時間tを表す。
 図10を参照して、本例においては、初期値あるいは前回の空荷旋回処理が終了した際のピッチ角P1~P3が示されている。
 掘削積荷判定部160は、初期値のピッチ角P1に対して掘削閾値PDth1(負側)と積荷閾値PUth1(正側)とを設定する。
 掘削積荷判定部160は、ピッチ角が掘削閾値PDth1(負側)以下の場合に掘削と判定する。
 掘削積荷判定部160は、ピッチ角が積荷閾値PUth1(正側)以上の場合に積荷と判定する。
 同様に、掘削積荷判定部160は、前回の空荷旋回処理が終了した際のピッチ角P2に対して掘削閾値PDth2(負側)と積荷閾値PUth2(正側)とを設定する。
 掘削積荷判定部160は、ピッチ角が掘削閾値PDth2(負側)以下の場合に掘削状態と判定する。
 掘削積荷判定部160は、ピッチ角が積荷閾値PUth2(正側)以上の場合に積荷状態と判定する。
 同様に、掘削積荷判定部160は、前回の空荷旋回処理が終了した際のピッチ角P3に対して掘削閾値PDth3(負側)と積荷閾値PUth3(正側)とを設定する。
 掘削積荷判定部160は、ピッチ角が掘削閾値PDth3(負側)以下の場合に掘削状態と判定する。
 掘削積荷判定部160は、ピッチ角が積荷閾値PUth3(正側)以上の場合に積荷状態と判定する。
 当該処理により、傾斜角度のピッチ角の変化に基づいて掘削状態および積荷状態を判定するため簡易な方式で作業機械の作業状態を推定することが可能である。
 通常、バケットの先端を地面に挿した状態で、ブーム・アーム・バケット、またはそのいずれかを後方に引き込むような動きをすることで掘削をおこない、バケット内に土砂を抱え込む。バケット内に土砂を抱え込んで引き上げようとする際、地面からの反力を受けることで車体全体は前方に引っ張られ、前のめりになる。土砂を地面から引き上げると、掘削時の反動もあり、車体全体は掘削前の状態よりも、後方に傾くことになる。このように掘削作業において、車体前後方向の角度(ピッチ角)が特徴的な変化をするため、掘削状態・積荷状態を判定することが可能である。
 発明者らは掘削作業におけるピッチ角の微細な変化から、作業状態を判定できることに着目し、種々の試験を実施した結果その有効性を確認し、本開示の考案に至った。
 作業状態の判定に用いる閾値には、予め決められた固定の値を用いることも可能である。しかし、作業現場や作業内容、作業車両の個体差等によって、その値を調節するようにしてもよい。そのため、初期値あるいは前回の空荷旋回処理が終了した際のピッチ角に基づいて閾値を設定することで、より精度高く作業状態を判定することが可能である。
 本例においてはピッチ角のみに基づいた作業状態の推定方法について説明したが、作業状態の推定にピッチ角およびロール角を用いても良い。後述するが、ピッチ角およびロール角に基づいて、旋回状態を判定することが可能である。つまり、ロール角の変化を組み合わせることで、ピッチ角が旋回に伴って変化したものなのか、そうでないかを判断することが可能である。このようにピッチ角とロール角とを用いることで、より精度よく掘削状態および積荷状態を判定することが可能である。
 <旋回判定処理>
 図11は、実施形態に従う旋回判定部162の旋回判定処理について説明する図である。縦軸はピッチ角またはロール角を表し、横軸は時間tを表す。
 図11を参照して、実施形態に従う旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角の変化を利用する。具体的には、当該図に示されるように作業機械100の旋回動作中は、ピッチ角およびロール角は位相が異なるsin波形およびcos波形になる。すなわち、ピッチ角およびロール角は連動した類似の波形となる。作業機械100が位置する地面が仮に完全な水平面であれば、旋回をしてもピッチ角およびロール角は変化しないため、ピッチ角およびロール角から旋回状態を判定することは難しい。一方、作業機械100が位置する地面は一般的に完全な水平面ではなく旋回によってピッチ角およびロール角が変化する。そのため、ピッチ角およびロール角の変化から、旋回状態を判定することが可能である。
 したがって、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角の波形を比較して連動した波形を検出した場合には旋回状態と判定する。
 図12は、実施形態に従う旋回判定部162の積荷旋回判定処理について説明する図である。
 図12を参照して、旋回判定部162は、積荷状態の後の旋回状態を積荷旋回と判定する。具体的には、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化しているか否かを判断する(ステップS30)。旋回判定部162は、所定期間のピッチ角およびロール角の時間平均値を算出して利用する。所定期間の長さは適宜調整することが可能である。
 ステップS30において、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化していないと判断した場合(ステップS30においてNO)には、前の状態を維持する。
 一方、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化していると判断した場合(ステップS30においてYES)には、積荷旋回状態と判定する(ステップS32)。
 次に、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化する状態が終了したか否かを判断する(ステップS34)。
 ステップS34において、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化する状態が終了しないと判断した場合(ステップS34においてNO)には、ステップS32に戻り、当該状態を維持する。
 一方、ステップS34において、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化する状態が終了したと判断した場合(ステップS34においてYES)には、処理を終了する(リターン)。そして、次の排土判定処理に進む。
 図13は、実施形態に従う旋回判定部162の空荷旋回判定処理について説明する図である。
 図13を参照して、旋回判定部162は、排土状態の後の旋回状態を空荷旋回と判定する。具体的には、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化しているか否かを判断する(ステップS40)。旋回判定部162は、所定期間のピッチ角およびロール角の時間平均値を算出して利用する。所定期間の長さは適宜調整することが可能である。
 ステップS40において、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化していないと判断した場合(ステップS40においてNO)には、前の状態を維持する。
 一方、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化していると判断した場合(ステップS40においてYES)には、空荷旋回状態と判定する(ステップS42)。
 次に、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化する状態が終了したか否かを判断する(ステップS44)。
 ステップS44において、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化する状態が終了しないと判断した場合(ステップS44においてNO)には、ステップS42に戻り、当該状態を維持する。
 一方、ステップS44において、旋回判定部162は、ピッチ角およびロール角が連動して変化する状態が終了したと判断した場合(ステップS44においてYES)には、空荷状態と判定する(ステップS46)。そして、処理を終了する(リターン)。そして、作業が継続される場合には、最初の掘削積荷判定処理に戻る。
 また、空荷旋回判定処理が終了した際のピッチ角を記憶する。当該ピッチ角は、掘削積荷判定処理の掘削閾値および積荷閾値に用いられる。
 図14は、実施形態に従う旋回判定部162の積荷旋回判定処理および空荷旋回判定処理の具体例について説明する図である。縦軸はピッチ角またはロール角を表し、横軸は時間tを表す。
 図14を参照して、実施形態に従う旋回判定部162は、ピッチ角とロール角の変化を利用してピッチ角およびロール角が連動して変化しているか否かを判定する。具体的には、旋回時にはロール角とピッチ角とが同じ方向に変化するため、それぞれの変化量を求め、変化量の正負が同じ場合に旋回状態と判断することが可能である。
 本例における斜線部においては、ピッチ角の大きな変化に伴って、ロール角の値が大きく変化している。例えば、一番左側の斜線部においては、ロール角が大きく減少しており、その少し前に、ピッチ角も大きく減少していることが分かる。このように、ピッチ角の変化のみでは旋回状態を判定することは難しいが、ロール角の変化も組み合わせることにより、旋回状態を判定することが可能である。
 当該図に示されるように、積荷後の旋回状態について積荷旋回状態と判定し、排土後の旋回状態について空荷旋回状態と判定する場合が示されている。
 当該処理により、傾斜角度のピッチ角およびロール角の変化に基づいて積荷旋回状態および空荷積荷状態を判定するため簡易な方式で作業機械の作業状態を推定することが可能である。
 <排土判定処理>
 図15は、実施形態に従う排土判定部164の排土判定処理について説明する図である。
 図15を参照して、排土判定部164は、旋回終了の後、所定期間のピッチ角が所定の値以上降下したか否かを判定する(ステップS50)。これは、排土作業をおこなうことで、作業車両が僅かに前方に傾き、ピッチ角が変化することに基づいて判定することが可能である。所定の値は、予め決められた初期値でも良い。所定の値は定量値ではなく、割合値を用いても良い。排土に伴うピッチ角の変化は、作業車両の種類や、対象物等によっても変動する可能性があるため、所定の値は状況に応じて調整しても良い。なお、所定の値は手動で調整しても良いし、作業中のピッチ角の変化に推移に基づいて自動で算出して調整しても良い。排土判定部164は、所定期間のピッチ角の時間平均値を算出して利用する。所定期間の長さは適宜調整することが可能である。
 ステップS50において、排土判定部164は、旋回終了の後、所定期間のピッチ角が所定の値以上降下しないと判断した場合(ステップS50においてNO)には、前回の状態を維持する。
 一方、ステップS50において、排土判定部164は、旋回終了の後、所定期間のピッチ角が所定の値以上降下したと判断した場合(ステップS50においてYES)には、排土状態と判定する(ステップS52)。
 そして、処理を終了する(リターン)。そして、次の空荷旋回判定処理に進む。
 図16は、実施形態に従う排土判定部164の排土判定処理の具体例について説明する図である。縦軸はピッチ角を表し、横軸は時間tを表す。
 図16を参照して、実施形態に従う排土判定部164は、所定期間のピッチ角が所定の値以上降下するか否かを判断して、所定の値以上降下したと判断した場合に排土と判定する場合が示されている。
 当該処理により、傾斜角度のピッチ角の変化に基づいて排土状態を判定するため簡易な方式で作業機械の作業状態を推定することが可能である。
 上記処理により実施形態に従う作業分類部62は、傾斜角度として少なくともピッチ角を用いることにより簡易な方式で掘削、積荷、積荷旋回、排土、空荷旋回、空荷の各種の一連の作業状態を推定することが可能である。
 (変形例1)
 実施形態の変形例1においては、精度の高い掘削積荷判定処理について説明する。
 図17は、実施形態の変形例1に従う掘削積荷判定部160による掘削積荷判定処理について説明するフロー図である。
 図17を参照して、図9のフロー図と比較して、ステップS23およびS27を追加した点が異なる。他の部分については同様であるのでその詳細な説明については繰り返さない。
 ステップS22において、掘削積荷判定部160は、ピッチ角が掘削閾値以下と判断した場合(ステップS22においてYES)には、所定期間以上、掘削閾値以下か否かを判断する(ステップS23)。
 ステップS23において、掘削積荷判定部160は、所定期間以上、掘削閾値以下と判断した場合(ステップS23においてYES)には、掘削状態と判定する(ステップS24)。
 一方、ステップS23において、掘削積荷判定部160は、所定期間以上、掘削閾値以下ではないと判断した場合(ステップS23においてNO)には、ステップS22に戻る。
 また、ステップS26において、掘削積荷判定部160は、ピッチ角が積荷閾値(正側)以上と判断した場合(ステップS26においてYES)には、所定期間以上、積荷閾以上か否かを判断する(ステップS27)。
 ステップS27において、掘削積荷判定部160は、所定期間以上、積荷閾値以上と判断した場合(ステップS27においてYES)には、積荷状態と判定する(ステップS28)。
 一方、ステップS27において、掘削積荷判定部160は、所定期間以上、積荷閾値以上ではないと判断した場合(ステップS27においてNO)には、ステップS26に戻る。
 当該処理により所定期間以上、掘削閾値以下あるいは積荷閾値以上か否かを判断して所定期間以上、掘削閾値以下あるいは積荷閾値以上の場合に掘削状態あるいは積荷状態と判定する。
 当該処理により傾斜角度としてピッチ角のノイズの影響による誤判定を回避してピッチ角の変化に基づいて掘削状態および積荷状態を判定するため精度の高い掘削あるいは積荷の判定処理を実行することが可能である。
 (変形例2)
 図18は、実施形態の変形例2に従う旋回判定部162の旋回判定について説明するフロー図である。
 図18を参照して、旋回判定部162は、ヨー角が所定の閾値以上あるいは閾値以下か否かを判断する(ステップS60)。
 ステップS60において、旋回判定部162は、ヨー角が所定の閾値以上あるいは閾値以下と判断した場合(ステップS60においてYES)には、旋回状態と判定する。
 そして、処理を終了する(リターン)。
 一方、ステップS60において、旋回判定部162は、ヨー角が所定の閾値以上あるいは閾値以下ではないと判断した場合(ステップS60においてNO)には、前の状態を維持する。
 例えば、旋回判定部162は、積荷の後の旋回の場合には積荷旋回状態と判定する。また、旋回判定部162は、排土の後の旋回の場合には空荷旋回状態と判定する。
 図19は、実施形態の変形例2に従う旋回判定部162の旋回判定処理の具体例について説明する図である。縦軸はヨー角を表し、横軸は時間tを表す。
 図19を参照して、実施形態に従う旋回判定部162は、所定の閾値以上あるいは閾値以下か否かを判断して、所定の閾値以上あるいは閾値以下と判断した場合に旋回状態と判定する場合が示されている。
 当該図に示されるように、積荷後の旋回状態について積荷旋回状態と判定し、排土後の旋回状態について空荷旋回状態と判定する場合が示されている。
 当該処理により傾斜角度としてピッチ角およびロール角の代わりにヨー角の変化に基づいて旋回状態を判定するため簡易な方式で作業機械の作業状態を推定することが可能である。
 図2に示されるように、ヨー角は旋回方向そのものを示す角度のため、ピッチ角およびロール角の代わりにヨー角の変化を利用することで、より精度よく旋回状態を推定することが可能である。
 (変形例3)
 図20は、実施形態に従う排土の際のバケット角について説明する図である。
 図20を参照して、バケット角が所定の角度以下になったときには排土と判定することが可能である。バケット角は、作業機械100のバケット8に装着された基準線からの傾斜角度であるバケット角を検出する図示しないセンサーを用いて取得する。
 図21は、実施形態の変形例3に従う排土判定部164の排土判定処理について説明するフロー図である。
 図21を参照して、排土判定部164は、バケット角が所定の閾値以下か否かを判断する(ステップS70)。
 ステップS70において、排土判定部164は、バケット角が所定の閾値以下と判断した場合(ステップS70においてYES)には、排土状態と判定する(ステップS72)。そして、処理を終了する(リターン)。
 一方、ステップS70において、排土判定部164は、バケット角が所定の閾値以下ではないと判断した場合(ステップS70においてNO)には、前の状態を維持する。
 図22は、実施形態の変形例3に従う排土判定部164の排土判定処理の具体例について説明する図である。縦軸はバケット角を表し、横軸は時間tを表す。
 図22を参照して、実施形態の変形例3に従う排土判定部164は、バケット角が所定の閾値以下か否かを判断して、バケット角が所定の閾値以下と判断した場合に排土状態と判定する場合が示されている。
 当該図に示されるように、所定の角度を閾値として当該バケット角が所定の閾値以下の場合に排土状態と判定することが可能である。
 当該処理により傾斜角度としてピッチ角の代わりにバケット角の変化に基づいて排土状態を判定するため簡易な方式で作業機械の作業状態を推定することが可能である。
 なお、本例においては、バケット角を利用する場合について説明したが例えばピッチ角と併用してバケット角を用いて作業機械の作業状態を推定するようにしてもよい。
 また、バケット角の算出にあたり傾斜角検出装置70で取得した傾斜角度を用いて補正した値を用いて作業機械の排土状態を判定するようにしてもよい。
 (他の実施形態)
 上記の傾斜角度のデータと、正解データとして作業状態の判定結果とを組み合わせた教師データを作成し、機械学習のアルゴリズムを用いて学習させることにより作業状態を推定する学習モデルを作成するようにしてもよい。
 また、上記のコントローラは、図示しないネットワークと接続され、外部装置(例えば、サーバ)との間でのデータ通信処理を実行してもよい。
 コントローラにおいて実行される機能の少なくとも一部が、ネットワーク(広域ネットワークおよび/またはローカルネットワーク)によって通信可能な複数の装置によって分散して実行されてもよい。具体的には、コントローラにおいて実行される各種機能の少なくとも一部をサーバに実行させるようにしてもよい。
 上記の実施形態では、作業機械の一例として油圧ショベルを挙げているが油圧ショベルに限られず、ホイールローダ、ブルドーザ、モータグレーダ等の他の種類の作業機械にも適用可能である。
 <付記>
 上述したような本実施の形態は、以下のような技術思想を含む。
 <付記1>
 作業機械(100)の傾斜角度を取得する傾斜角度取得部(63)と、
 前記傾斜角度の変化に基づいて前記作業機械の作業状態を推定する作業状態推定部(62)とを備え、
 前記傾斜角度は少なくともピッチ角を含む、作業機械の作業状態推定システム。
 <付記2>
 前記作業機械は、作業機(2)を含み、
 前記作業状態は掘削状態を含む、付記1に記載の作業機械の作業状態推定システム。
 <付記3>
 前記作業状態は積荷状態あるいは空荷状態を含む、付記2に記載の作業状態推定システム。
 <付記4>
 前記作業状態は排土状態を含む、付記2~3のいずれか1項に記載の作業状態推定システム。
 <付記5>
 前記傾斜角度はロール角およびヨー角の少なくとも一方をさらに含む、付記1~4のいずれか1項に記載の作業機械の作業状態推定システム。
 <付記6>
 前記作業機械は、旋回体(3)を含み、
 前記作業状態は旋回状態を含む、付記5に記載の作業機械の作業状態推定システム。
 <付記7>
 前記作業状態推定部は、前記作業状態として掘削状態および積荷状態を判定する掘削積荷判定部(160)を含み、
 前記掘削積荷判定部は、前記傾斜角度と第1の閾値との比較に基づいて前記掘削状態を判定する、付記2~6のいずれか1項に記載の作業機械の作業状態推定システム。
 <付記8>
 前記掘削積荷判定部は、前記傾斜角度と第2の閾値との比較に基づいて前記積荷状態を判定する付記7記載の作業機械の作業状態推定システム。
 <付記9>
 前記掘削積荷判定部は、前記傾斜角度が所定期間前記第2の閾値以上の場合に前記積荷状態を判定する、付記8記載の作業機械の作業状態推定システム。
 <付記10>
 前記作業状態推定部は、前記作業状態として旋回を判定する旋回判定部(162)をさらに含み、
 前記旋回判定部は、前記ピッチ角および前記ロール角あるいは前記ヨー角の変化に基づいて前記旋回を判定する付記6記載の作業機械の作業状態推定システム。
 <付記11>
 前記作業状態推定部は、前記作業状態として排土を判定する排土判定部(164)をさらに含み、
 前記排土判定部は、前記傾斜角度と所定の閾値との比較に基づいて前記排土を判定する付記4記載の作業機械の作業状態推定システム。
 <付記12>
 作業機械の傾斜角度を取得するステップ(S2)と、
 前記傾斜角度の変化に基づいて前記作業機械の作業状態を推定するステップ(S4)とを備え、
 前記傾斜角度は少なくともピッチ角を含む、作業機械の作業状態推定方法。
 以上、本開示の実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は全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。本開示の範囲は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全ての変更が含まれることが意図される。
1 車両本体、2 作業機、3 旋回体、4 運転室、4S 運転席、5 走行装置、5Cr 履帯、6 ブーム、7 アーム、8 バケット、9 エンジンルーム、10 ブームシリンダ、11 アームシリンダ、12 バケットシリンダ、13 ブームピン、14 アームピン、15 バケットピン、19 手すり、60 コントローラ、61 演算部、62 作業分類部、63 取得部、64 記憶部、65 出力部、70 傾斜角検出装置、100 作業機械、160 掘削積荷判定部、162 旋回判定部、164 排土判定部。

Claims (12)

  1.  作業機械の傾斜角度を取得する傾斜角度取得部と、
     前記傾斜角度の変化に基づいて前記作業機械の作業状態を推定する作業状態推定部とを備え、
     前記傾斜角度は少なくともピッチ角を含む、作業機械の作業状態推定システム。
  2.  前記作業機械は、作業機を含み、
     前記作業状態は掘削状態を含む、請求項1に記載の作業機械の作業状態推定システム。
  3.  前記作業状態は積荷状態あるいは空荷状態を含む、請求項2に記載の作業状態推定システム。
  4.  前記作業状態は排土状態を含む、請求項2に記載の作業状態推定システム。
  5.  前記傾斜角度はロール角およびヨー角の少なくとも一方をさらに含む、請求項1に記載の作業機械の作業状態推定システム。
  6.  前記作業機械は、旋回体を含み、
     前記作業状態は旋回状態を含む、請求項5に記載の作業機械の作業状態推定システム。
  7.  前記作業状態推定部は、前記作業状態として掘削状態および積荷状態を判定する掘削積荷判定部を含み、
     前記掘削積荷判定部は、前記傾斜角度と第1の閾値との比較に基づいて前記掘削状態を判定する、請求項2記載の作業機械の作業状態推定システム。
  8.  前記掘削積荷判定部は、前記傾斜角度と第2の閾値との比較に基づいて前記積荷状態を判定する請求項7記載の作業機械の作業状態推定システム。
  9.  前記掘削積荷判定部は、前記傾斜角度が所定期間前記第2の閾値以上の場合に前記積荷状態を判定する、請求項8記載の作業機械の作業状態推定システム。
  10.  前記作業状態推定部は、前記作業状態として旋回を判定する旋回判定部をさらに含み、
     前記旋回判定部は、前記ピッチ角および前記ロール角の変化、あるいは前記ヨー角の変化に基づいて前記旋回を判定する請求項6記載の作業機械の作業状態推定システム。
  11.  前記作業状態推定部は、前記作業状態として排土を判定する排土判定部をさらに含み、
     前記排土判定部は、前記傾斜角度が所定の値変化したか否かに基づいて前記排土を判定する請求項4記載の作業機械の作業状態推定システム。
  12.  作業機械の傾斜角度を取得するステップと、
     前記傾斜角度の変化に基づいて前記作業機械の作業状態を推定するステップとを備え、
     前記傾斜角度は少なくともピッチ角を含む、作業機械の作業状態推定方法。
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