(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022171025
(43)【公開日】2022-11-11
(54)【発明の名称】積込機械の制御装置及び制御方法
(51)【国際特許分類】
E02F 3/43 20060101AFI20221104BHJP
E02F 9/20 20060101ALI20221104BHJP
【ＦＩ】
E02F3/43 A
E02F9/20 Q
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021077392
(22)【出願日】2021-04-30
(71)【出願人】
【識別番号】000001236
【氏名又は名称】株式会社小松製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001634
【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】畠 一尋
(72)【発明者】
【氏名】西郷 雄祐
【テーマコード（参考）】
2D003
【Ｆターム（参考）】
2D003AA01
2D003AB03
2D003AC09
2D003BA03
2D003BB07
2D003DA04
2D003FA02
(57)【要約】
【課題】積込機械の自動積込制御の後に、掘削を開始するために適切な位置にバケットを移動させる。
【解決手段】開始角度特定部は、積込機械の積込開始時の旋回体の角度である開始角度を特定する。移動制御部は、バケットが積込目標の上方の積込点に到達した後に、旋回体の角度が開始角度になるまで旋回体を駆動させる操作信号を出力し、旋回体に対するバケットの姿勢が、積込開始時のバケットの姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまで、作業機を駆動させる操作信号を出力する。
【選択図】図６
【解決手段】開始角度特定部は、積込機械の積込開始時の旋回体の角度である開始角度を特定する。移動制御部は、バケットが積込目標の上方の積込点に到達した後に、旋回体の角度が開始角度になるまで旋回体を駆動させる操作信号を出力し、旋回体に対するバケットの姿勢が、積込開始時のバケットの姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまで、作業機を駆動させる操作信号を出力する。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体を支持する支持部と、バケットを有し前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える積込機械の制御装置であって、
前記積込機械の積込開始時の前記旋回体の角度である開始角度を特定する開始角度特定部と、
前記旋回体および前記作業機を駆動させるための操作信号を生成する移動制御部と、
を備え、
前記移動制御部は、前記バケットが積込目標の上方の積込点に到達した後に、前記旋回体の角度が前記開始角度になるまで前記旋回体を駆動させる操作信号を出力し、前記旋回体に対する前記バケットの姿勢が、前記積込開始時の前記バケットの姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまで、前記作業機を駆動させる操作信号を出力する
積込機械の制御装置。
前記積込機械の積込開始時の前記旋回体の角度である開始角度を特定する開始角度特定部と、
前記旋回体および前記作業機を駆動させるための操作信号を生成する移動制御部と、
を備え、
前記移動制御部は、前記バケットが積込目標の上方の積込点に到達した後に、前記旋回体の角度が前記開始角度になるまで前記旋回体を駆動させる操作信号を出力し、前記旋回体に対する前記バケットの姿勢が、前記積込開始時の前記バケットの姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまで、前記作業機を駆動させる操作信号を出力する
積込機械の制御装置。
【請求項2】
前記開始角度は、前記積込機械の自動積込制御の開始時の前記旋回体の角度であって、
前記移動制御部は、
前記自動積込制御を開始すると、前記バケットが前記積込点に到達するまで前記旋回体及び前記作業機を駆動させて前記バケットを前記積込点に移動させる操作信号を出力する
請求項１に記載の積込機械の制御装置。
前記移動制御部は、
前記自動積込制御を開始すると、前記バケットが前記積込点に到達するまで前記旋回体及び前記作業機を駆動させて前記バケットを前記積込点に移動させる操作信号を出力する
請求項１に記載の積込機械の制御装置。
【請求項3】
前記目標姿勢に係る前記バケットの位置は、前記支持部に外接する仮想円柱と干渉しない位置である
請求項１または請求項２に記載の積込機械の制御装置。
請求項１または請求項２に記載の積込機械の制御装置。
【請求項4】
上方からの平面視において前記バケットと前記積込目標とが重なっているときに、前記バケットを駆動させてダンプ動作を実行させる操作信号を出力するダンプ制御部を備え、
前記移動制御部は、前記ダンプ動作の実行中に前記操作信号を出力する
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の積込機械の制御装置。
前記移動制御部は、前記ダンプ動作の実行中に前記操作信号を出力する
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の積込機械の制御装置。
【請求項5】
旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体を支持する支持部と、バケットを有し前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える積込機械の制御方法であって、
前記積込機械の積込開始時の前記旋回体の角度である開始角度を特定するステップと、
前記バケットが積込目標の上方の積込点に到達した後に、前記旋回体の角度が前記開始角度になるまで前記旋回体を駆動させる操作信号を出力するステップと、
前記バケットが前記積込点に位置するときに、前記旋回体に対する前記バケットの姿勢が、前記積込開始時の前記バケットの姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまで、前記作業機を駆動させる操作信号を出力するステップと
を備える積込機械の制御方法。
前記積込機械の積込開始時の前記旋回体の角度である開始角度を特定するステップと、
前記バケットが積込目標の上方の積込点に到達した後に、前記旋回体の角度が前記開始角度になるまで前記旋回体を駆動させる操作信号を出力するステップと、
前記バケットが前記積込点に位置するときに、前記旋回体に対する前記バケットの姿勢が、前記積込開始時の前記バケットの姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまで、前記作業機を駆動させる操作信号を出力するステップと
を備える積込機械の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、積込機械の制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、積込機械の半自動制御に関する技術が開示されている。特許文献１に係る半自動制御は、ダンプトラックなどの積込目標に対する積込完了後に、オペレータから掘削指示を受け付け、制御装置が積込機械の旋回及び作業機の駆動を制御することで、自動掘削を行う制御である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２０－０４１３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、オペレータによる掘削操作後に、次の掘削位置までバケットを移動させる場合に、バケットを積込開始時の位置に戻すことが考えられる。しかしながら、積込開始時の位置はオペレータによる掘削操作の完了時にバケットが存在した位置であるため、掘削の開始時の位置として適切でない可能性がある。
本開示の目的は、積込機械の自動制御により、掘削を開始するために適切な位置にバケットを移動させることができる積込機械の制御装置及び制御方法を提供することにある。
本開示の目的は、積込機械の自動制御により、掘削を開始するために適切な位置にバケットを移動させることができる積込機械の制御装置及び制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一態様によれば、積込機械の制御装置は、旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体を支持する支持部と、バケットを有し前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える積込機械の制御装置であって、前記積込機械の積込開始時の前記旋回体の角度である開始角度を特定する開始角度特定部と、前記旋回体および前記作業機を駆動させるための操作信号を生成する移動制御部と、を備え、前記移動制御部は、前記バケットが積込目標の上方の積込点に到達した後に、前記旋回体の角度が前記開始角度になるまで前記旋回体を駆動させる操作信号を出力し、前記旋回体に対する前記バケットの姿勢が、前記積込開始時の前記バケットの姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまで、前記作業機を駆動させる操作信号を出力する。
【発明の効果】
【0006】
上記態様によれば、積込機械の制御装置は、積込機械の自動制御により、掘削を開始するために適切な位置にバケットを移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。
【図2】第１の実施形態に係る運転室の内部の構成を示す図である。
【図3】第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図4】第１の実施形態に係る作業機の掘削開始時の目標姿勢の例を示す図である。
【図5】第１の実施形態に係る自動積込制御開始から排土開始までの積込機械の動きの例を示す図である。
【図6】第１の実施形態に係る排土開始から自動積込制御終了までの積込機械の動きの例を示す図である。
【図7】第１の実施形態における自動積込制御の開始時の作業機の姿勢と自動積込制御の終了時の作業機の姿勢とを対比する図である。
【図8】第１の実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図9】第１の実施形態に係る自動積込制御開始から排土開始までの制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図10】第１の実施形態に係る排土開始から自動積込制御終了までの制御装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
〈第１の実施形態〉
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
【0009】
《積込機械１００の構成》
図１は、第１の実施形態に係る積込機械１００の構成を示す概略図である。
積込機械１００は、施工現場にて稼働し、土砂などの施工対象を掘削し、ダンプトラックなどの積込目標Ｔに積み込む。第１の実施形態に係る積込機械１００は、フェイスショベルである。なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、バックホウショベルやロープショベルであってよい。積込機械１００は、走行体１１０、旋回体１２０、作業機１３０及び運転室１４０を備える。
図１は、第１の実施形態に係る積込機械１００の構成を示す概略図である。
積込機械１００は、施工現場にて稼働し、土砂などの施工対象を掘削し、ダンプトラックなどの積込目標Ｔに積み込む。第１の実施形態に係る積込機械１００は、フェイスショベルである。なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、バックホウショベルやロープショベルであってよい。積込機械１００は、走行体１１０、旋回体１２０、作業機１３０及び運転室１４０を備える。
【0010】
走行体１１０は、積込機械１００を走行可能に支持する。走行体１１０は、左右に設けられた２つの無限軌道１１１と、各無限軌道１１１を駆動するための２つの走行モータ１１２を備える。
旋回体１２０は、走行体１１０に旋回中心回りに旋回可能に支持される。
作業機１３０は、油圧により駆動する。作業機１３０は、旋回体１２０の前部に上下方向に駆動可能に支持される。運転室１４０は、オペレータが搭乗し、積込機械１００の操作を行うためのスペースである。運転室１４０は、旋回体１２０の左前部に設けられる。
ここで、旋回体１２０のうち作業機１３０が取り付けられる部分を前部という。また、旋回体１２０について、前部を基準に、反対側の部分を後部、左側の部分を左部、右側の部分を右部という。
旋回体１２０は、走行体１１０に旋回中心回りに旋回可能に支持される。
作業機１３０は、油圧により駆動する。作業機１３０は、旋回体１２０の前部に上下方向に駆動可能に支持される。運転室１４０は、オペレータが搭乗し、積込機械１００の操作を行うためのスペースである。運転室１４０は、旋回体１２０の左前部に設けられる。
ここで、旋回体１２０のうち作業機１３０が取り付けられる部分を前部という。また、旋回体１２０について、前部を基準に、反対側の部分を後部、左側の部分を左部、右側の部分を右部という。
【0011】
《旋回体１２０の構成》
旋回体１２０には、エンジン１２１、油圧ポンプ１２２、コントロールバルブ１２３、旋回モータ１２４を備える。
エンジン１２１は、油圧ポンプ１２２を駆動する原動機である。エンジン１２１は、動力源の一例である。
油圧ポンプ１２２は、エンジン１２１により駆動される可変容量ポンプである。油圧ポンプ１２２は、コントロールバルブ１２３を介して各アクチュエータ（ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、バケットシリンダ１３３Ｃ、クラムシリンダ１３３２Ｃ、走行モータ１１２、及び旋回モータ１２４）に作動油を供給する。
コントロールバルブ１２３は、油圧ポンプ１２２から供給される作動油の流量を制御する。
旋回モータ１２４は、コントロールバルブ１２３を介して油圧ポンプ１２２から供給される作動油によって駆動し、旋回体１２０を旋回させる。
旋回体１２０には、エンジン１２１、油圧ポンプ１２２、コントロールバルブ１２３、旋回モータ１２４を備える。
エンジン１２１は、油圧ポンプ１２２を駆動する原動機である。エンジン１２１は、動力源の一例である。
油圧ポンプ１２２は、エンジン１２１により駆動される可変容量ポンプである。油圧ポンプ１２２は、コントロールバルブ１２３を介して各アクチュエータ（ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、バケットシリンダ１３３Ｃ、クラムシリンダ１３３２Ｃ、走行モータ１１２、及び旋回モータ１２４）に作動油を供給する。
コントロールバルブ１２３は、油圧ポンプ１２２から供給される作動油の流量を制御する。
旋回モータ１２４は、コントロールバルブ１２３を介して油圧ポンプ１２２から供給される作動油によって駆動し、旋回体１２０を旋回させる。
【0012】
《作業機１３０の構成》
作業機１３０は、ブーム１３１、アーム１３２、クラムバケット１３３、ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、及びバケットシリンダ１３３Ｃを備える。
作業機１３０は、ブーム１３１、アーム１３２、クラムバケット１３３、ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、及びバケットシリンダ１３３Ｃを備える。
【0013】
ブーム１３１の基端部は、旋回体１２０にブームピンを介して取り付けられる。なお、図１に示す積込機械１００においては、ブーム１３１が旋回体１２０の正面中央部分に設けられるが、これに限られず、ブーム１３１は左右方向にオフセットして取り付けられたものであってもよい。この場合、旋回体１２０の旋回中心は作業機１３０の動作平面上に位置しない。
アーム１３２は、ブーム１３１とクラムバケット１３３とを連結する。アーム１３２の基端部は、ブーム１３１の先端部にアームピンを介して取り付けられる。
クラムバケット１３３は、アーム１３２の先端部にピンを介して取り付けられるバックオール１３３１と、土砂などを掘削するための刃を有するクラムシェル１３３２と、バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とを開閉するためのクラムシリンダ１３３２Ｃを有する。バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とはピンを介して開閉可能に連結される。バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とが閉じているとき、バックオール１３３１及びクラムシェル１３３２は、掘削した土砂を収容するための容器として機能する。他方、バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とが開くことで、収容した土砂を排土することができる。クラムシリンダ１３３２Ｃの基端部は、バックオール１３３１に取り付けられる。クラムシリンダ１３３２Ｃの先端部は、クラムシェル１３３２に取り付けられる。
アーム１３２は、ブーム１３１とクラムバケット１３３とを連結する。アーム１３２の基端部は、ブーム１３１の先端部にアームピンを介して取り付けられる。
クラムバケット１３３は、アーム１３２の先端部にピンを介して取り付けられるバックオール１３３１と、土砂などを掘削するための刃を有するクラムシェル１３３２と、バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とを開閉するためのクラムシリンダ１３３２Ｃを有する。バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とはピンを介して開閉可能に連結される。バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とが閉じているとき、バックオール１３３１及びクラムシェル１３３２は、掘削した土砂を収容するための容器として機能する。他方、バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とが開くことで、収容した土砂を排土することができる。クラムシリンダ１３３２Ｃの基端部は、バックオール１３３１に取り付けられる。クラムシリンダ１３３２Ｃの先端部は、クラムシェル１３３２に取り付けられる。
【0014】
ブームシリンダ１３１Ｃは、ブーム１３１を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１３１Ｃの基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１３１Ｃの先端部は、ブーム１３１に取り付けられる。
アームシリンダ１３２Ｃは、アーム１３２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１３２Ｃの基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３２Ｃの先端部は、アーム１３２に取り付けられる。
バケットシリンダ１３３Ｃは、クラムバケット１３３を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ１３３Ｃの基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。バケットシリンダ１３３Ｃの先端部は、バックオール１３３１に接続されるリンク部材に取り付けられる。
アームシリンダ１３２Ｃは、アーム１３２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１３２Ｃの基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３２Ｃの先端部は、アーム１３２に取り付けられる。
バケットシリンダ１３３Ｃは、クラムバケット１３３を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ１３３Ｃの基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。バケットシリンダ１３３Ｃの先端部は、バックオール１３３１に接続されるリンク部材に取り付けられる。
【0015】
《運転室１４０の構成》
図２は、第１の実施形態に係る運転室１４０の内部の構成を示す図である。
運転室１４０内には、運転席１４１、操作端末１４２及び操作装置１４３が設けられる。操作端末１４２は、運転席１４１の近傍に設けられ、後述する制御装置１６０とのユーザインタフェースである。操作端末１４２は、例えばタッチパネルによってオペレータからの操作を受け付けてよい。また、操作端末１４２は、ＬＣＤなどの表示部を備えるものであってよい。タッチパネルは表示部の一例である。
図２は、第１の実施形態に係る運転室１４０の内部の構成を示す図である。
運転室１４０内には、運転席１４１、操作端末１４２及び操作装置１４３が設けられる。操作端末１４２は、運転席１４１の近傍に設けられ、後述する制御装置１６０とのユーザインタフェースである。操作端末１４２は、例えばタッチパネルによってオペレータからの操作を受け付けてよい。また、操作端末１４２は、ＬＣＤなどの表示部を備えるものであってよい。タッチパネルは表示部の一例である。
【0016】
操作装置１４３は、オペレータの手動操作によって走行体１１０、旋回体１２０及び作業機１３０を駆動させるための装置である。操作装置１４３は、左操作レバー１４３ＬＯ、右操作レバー１４３ＲＯ、左フットペダル１４３ＬＦ、右フットペダル１４３ＲＦ、左走行レバー１４３ＬＴ、右走行レバー１４３ＲＴ、クラムオープンペダル１４３ＣＯ、クラムクローズペダル１４３ＣＣ、旋回ブレーキペダル１４３ＴＢ、開始スイッチ１４３ＳＷを備える。
【0017】
左操作レバー１４３ＬＯは、運転席１４１の左側に設けられる。右操作レバー１４３ＲＯは、運転席１４１の右側に設けられる。
【0018】
左操作レバー１４３ＬＯは、旋回体１２０の旋回動作、及び、アーム１３２の掘削／ダンプ動作を行うための操作機構である。具体的には、積込機械１００のオペレータが左操作レバー１４３ＬＯを前方に倒すと、アーム１３２がダンプ動作する。また、積込機械１００のオペレータが左操作レバー１４３ＬＯを後方に倒すと、アーム１３２が掘削動作する。また、積込機械１００のオペレータが左操作レバー１４３ＬＯを右方向に倒すと、旋回体１２０が右旋回する。また、積込機械１００のオペレータが左操作レバー１４３ＬＯを左方向に倒すと、旋回体１２０が左旋回する。なお、他の実施形態においては、左操作レバー１４３ＬＯを前後方向に倒した場合に旋回体１２０が右旋回又は左旋回し、左操作レバー１４３ＬＯが左右方向に倒した場合にアーム１３２が掘削動作又はダンプ動作してもよい。
【0019】
右操作レバー１４３ＲＯは、クラムバケット１３３の掘削／ダンプ動作、及び、ブーム１３１の上げ／下げ動作を行うための操作機構である。具体的には、積込機械１００のオペレータが右操作レバー１４３ＲＯを前方に倒すと、ブーム１３１の下げ動作が実行される。また、積込機械１００のオペレータが右操作レバー１４３ＲＯを後方に倒すと、ブーム１３１の上げ動作が実行される。また、積込機械１００のオペレータが右操作レバー１４３ＲＯを右方向に倒すと、クラムバケット１３３のダンプ動作が行われる。また、積込機械１００のオペレータが右操作レバー１４３ＲＯを左方向に倒すと、クラムバケット１３３の掘削動作が行われる。なお、他の実施形態においては、右操作レバー１４３ＲＯを前後方向に倒した場合に、クラムバケット１３３がダンプ動作又は掘削動作し、右操作レバー１４３ＲＯを左右方向に倒した場合にブーム１３１が上げ動作又は下げ動作してもよい。
【0020】
左フットペダル１４３ＬＦは、運転席１４１の前方の床面の左側に配置される。右フットペダル１４３ＲＦは、運転席１４１の前方の床面の右側に配置される。左走行レバー１４３ＬＴは、左フットペダル１４３ＬＦに軸支され、左走行レバー１４３ＬＴの傾斜と左フットペダル１４３ＬＦの押し下げが連動するように構成される。右走行レバー１４３ＲＴは、右フットペダル１４３ＲＦに軸支され、右走行レバー１４３ＲＴの傾斜と右フットペダル１４３ＲＦの押し下げが連動するように構成される。
【0021】
左フットペダル１４３ＬＦ及び左走行レバー１４３ＬＴは、走行体１１０の左側履帯の回転駆動に対応する。具体的には、積込機械１００のオペレータが左フットペダル１４３ＬＦ又は左走行レバー１４３ＬＴを前方に倒すと、左側履帯は前進方向に回転する。また、積込機械１００のオペレータが左フットペダル１４３ＬＦ又は左走行レバー１４３ＬＴを後方に倒すと、左側履帯は後進方向に回転する。
【0022】
右フットペダル１４３ＲＦ及び右走行レバー１４３ＲＴは、走行体１１０の右側履帯の回転駆動に対応する。具体的には、積込機械１００のオペレータが右フットペダル１４３ＲＦ又は右走行レバー１４３ＲＴを前方に倒すと、右側履帯は前進方向に回転する。また、積込機械１００のオペレータが右フットペダル１４３ＲＦ又は右走行レバー１４３ＲＴを後方に倒すと、右側履帯は後進方向に回転する。
【0023】
クラムオープンペダル１４３ＣＯ及びクラムクローズペダル１４３ＣＣは、左フットペダル１４３ＬＦの左側に配置される。クラムオープンペダル１４３ＣＯはクラムクローズペダル１４３ＣＣの右隣に配置される。クラムオープンペダル１４３ＣＯが押し下げられると、クラムバケット１３３が押し下げ量に応じた速度で開く。クラムクローズペダル１４３ＣＣが押し下げられると、クラムバケット１３３が押し下げ量に応じた速度で閉じる。
【0024】
旋回ブレーキペダル１４３ＴＢは、右フットペダル１４３ＲＦの右側に配置される。旋回ブレーキペダル１４３ＴＢが押し下げられると、コントロールバルブ１２３と旋回モータ１２４とを結ぶ油圧回路のリリーフ圧を増大させる。具体的には、旋回ブレーキペダル１４３ＴＢが押し下げられたときに、コントロールバルブ１２３と旋回モータ１２４とを結ぶ油圧回路に設けられた可変リリーフバルブのソレノイドを励磁することで、可変リリーフバルブのリリーフ圧を増大させる。これにより、旋回に係るブレーキ力を増加させることができる。
【0025】
開始スイッチ１４３ＳＷは、例えば左操作レバー１４３ＬＯのハンドル部分に設けられる。なお、開始スイッチ１４３ＳＷは、運転席１４１に着座したオペレータの近傍に位置するように配置されればよい。開始スイッチ１４３ＳＷが押下されると、制御装置１６０に自動積込指示信号が出力される。制御装置１６０は、自動積込指示信号の入力を受け付けると、後述する自動積込制御を開始する。
【0026】
《計測系の構成》
図１に示すように、積込機械１００は、位置方位演算器１５１、傾斜計測器１５２、ブーム角度センサ１５３、アーム角度センサ１５４、バケット角度センサ１５５、検出装置１５６を備える。
図１に示すように、積込機械１００は、位置方位演算器１５１、傾斜計測器１５２、ブーム角度センサ１５３、アーム角度センサ１５４、バケット角度センサ１５５、検出装置１５６を備える。
【0027】
位置方位演算器１５１は、旋回体１２０の位置及び旋回体１２０が向く方位を演算する。位置方位演算器１５１は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。２つの受信器は、それぞれ旋回体１２０の異なる位置に設置される。位置方位演算器１５１は、受信器が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における旋回体１２０の代表点（ショベル座標系の原点）の位置を検出する。
位置方位演算器１５１は、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体１２０の向く方位を演算する。旋回体１２０が向く方位とは、旋回体１２０の正面に直交する方向であって、作業機１３０のブーム１３１からクラムバケット１３３へ伸びる直線の延在方向の水平成分に等しい。
位置方位演算器１５１は、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体１２０の向く方位を演算する。旋回体１２０が向く方位とは、旋回体１２０の正面に直交する方向であって、作業機１３０のブーム１３１からクラムバケット１３３へ伸びる直線の延在方向の水平成分に等しい。
【0028】
傾斜計測器１５２は、旋回体１２０の加速度及び角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１２０の姿勢（例えば、ロール角、ピッチ角、ヨー角）を検出する。傾斜計測器１５２は、例えば旋回体１２０の下面に設置される。傾斜計測器１５２は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いることができる。
【0029】
ブーム角度センサ１５３は、ブーム１３１に取り付けられ、ブーム１３１の傾斜角を検出する。
アーム角度センサ１５４は、アーム１３２に取り付けられ、アーム１３２の傾斜角を検出する。
バケット角度センサ１５５は、クラムバケット１３３のバックオール１３３１に取り付けられ、クラムバケット１３３の傾斜角を検出する。
第１の実施形態に係るブーム角度センサ１５３、アーム角度センサ１５４、及びバケット角度センサ１５５は、地平面に対する傾斜角を検出する。なお、他の実施形態に係る角度センサはこれに限られず、他の基準面に対する傾斜角を検出してもよい。例えば、他の実施形態においては、角度センサは、ブーム１３１、アーム１３２及びクラムバケット１３３の基端部に設けられたポテンショメータによって相対回転角を検出してもよいし、ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ及びバケットシリンダ１３３Ｃのシリンダ長さを計測し、シリンダ長さを角度に変換することで傾斜角を検出するものであってもよい。
アーム角度センサ１５４は、アーム１３２に取り付けられ、アーム１３２の傾斜角を検出する。
バケット角度センサ１５５は、クラムバケット１３３のバックオール１３３１に取り付けられ、クラムバケット１３３の傾斜角を検出する。
第１の実施形態に係るブーム角度センサ１５３、アーム角度センサ１５４、及びバケット角度センサ１５５は、地平面に対する傾斜角を検出する。なお、他の実施形態に係る角度センサはこれに限られず、他の基準面に対する傾斜角を検出してもよい。例えば、他の実施形態においては、角度センサは、ブーム１３１、アーム１３２及びクラムバケット１３３の基端部に設けられたポテンショメータによって相対回転角を検出してもよいし、ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ及びバケットシリンダ１３３Ｃのシリンダ長さを計測し、シリンダ長さを角度に変換することで傾斜角を検出するものであってもよい。
【0030】
検出装置１５６は、積込機械１００の周囲に存在する物体の三次元位置を検出する。検出装置１５６の例としては、ステレオカメラ、レーザスキャナ、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）測距装置などが挙げられる。検出装置１５６は、例えば運転室１４０の上部に、検出方向が前方を向くように設けられる。なお、検出装置１５６は、積込機械１００の周囲を撮像可能であれば、どこに設けられてもよい。例えば、運転室１４０外の旋回体１２０の側壁等に設けられていてもよい。また検出方向は前方を向かなくてもよい。検出装置１５６は、物体の三次元位置を、検出装置１５６の位置を基準とした座標系で特定する。なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、複数の検出装置１５６を備えてもよい。
【0031】
《制御装置１６０の構成》
図３は、第１の実施形態に係る制御装置１６０の構成を示す概略ブロック図である。
積込機械１００は、制御装置１６０を備える。制御装置１６０は、操作端末１４２に実装されるものであってもよいし、操作端末１４２と別個に設けられ、操作端末１４２からの入出力を受け付けるものであってもよい。制御装置１６０は、操作装置１４３から操作信号を受信する。制御装置１６０は、受信した操作信号又は計算によって生成した自動積込制御のための操作信号をコントロールバルブ１２３に出力することで、作業機１３０、旋回体１２０及び走行体１１０を駆動させる。
図３は、第１の実施形態に係る制御装置１６０の構成を示す概略ブロック図である。
積込機械１００は、制御装置１６０を備える。制御装置１６０は、操作端末１４２に実装されるものであってもよいし、操作端末１４２と別個に設けられ、操作端末１４２からの入出力を受け付けるものであってもよい。制御装置１６０は、操作装置１４３から操作信号を受信する。制御装置１６０は、受信した操作信号又は計算によって生成した自動積込制御のための操作信号をコントロールバルブ１２３に出力することで、作業機１３０、旋回体１２０及び走行体１１０を駆動させる。
【0032】
制御装置１６０は、プロセッサ６１０、メインメモリ６３０、ストレージ６５０、インタフェース６７０を備えるコンピュータである。ストレージ６５０は、プログラムを記憶する。プロセッサ６１０は、プログラムをストレージ６５０から読み出してメインメモリ６３０に展開し、プログラムに従った処理を実行する。
【0033】
ストレージ６５０の例としては、半導体メモリ、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク等が挙げられる。ストレージ６５０は、制御装置１６０の共通通信線に直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース６７０を介して制御装置１６０に接続される外部メディアであってもよい。メインメモリ６３０及びストレージ６５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。
【0034】
プロセッサ６１０は、プログラムの実行により、計測データ取得部６１１、マップ生成部６１２、操作信号入力部６１３、作業機位置特定部６１４、積込目標特定部６１５、開始角度特定部６１６、回避角度特定部６１７、目標姿勢決定部６１８、移動制御部６１９、クラム制御部６２０、操作信号出力部６２１を備える。
【0035】
計測データ取得部６１１は、積込機械１００の計測系による計測データを取得する。具体的には、計測データ取得部６１１は、位置方位演算器１５１、傾斜計測器１５２、ブーム角度センサ１５３、アーム角度センサ１５４、バケット角度センサ１５５、及び検出装置１５６から計測データを取得する。計測データ取得部６１１は、傾斜計測器１５２が計測した旋回体１２０の角速度を積分することで、旋回体１２０の角度を算出する。
【0036】
マップ生成部６１２は、検出装置１５６から取得した計測データを用いて積込機械１００の周囲を表すマップデータを生成する。マップ生成部６１２は、例えばＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）技術によってマップデータを生成する。マップデータは、車体座標系で表される。車体座標系は、旋回体１２０の旋回中心を原点とし、前後方向に伸びる軸、左右方向に伸びる軸、上下方向に伸びる軸で表される直交座標系である。検出装置１５６は、旋回体１２０に固定されているため、マップ生成部６１２は、ＳＬＡＭの計算結果を、旋回中心と検出装置１５６との位置関係に基づいて平行移動させることで、車体座標系のマップデータを生成することができる。マップ生成部６１２が生成したマップデータは、メインメモリ６３０に記録される。
【0037】
操作信号入力部６１３は、操作装置１４３から操作信号の入力を受け付ける。操作信号には、ブーム１３１の回動操作信号、アーム１３２の回動操作信号、クラムバケット１３３の回動操作信号、クラムバケット１３３の開閉操作信号、旋回体１２０の旋回操作信号、走行体１１０の走行操作信号、ならびに積込機械１００の自動積込指示信号が含まれる。
【0038】
作業機位置特定部６１４は、計測データ取得部６１１が取得した計測データに基づいて、旋回体１２０を基準とする車体座標系におけるアーム１３２の先端の位置Ｐ（図５）及びアーム１３２の先端からクラムバケット１３３の最下点までの高さＨ（図５）を特定する。クラムバケット１３３の最下点とは、クラムバケット１３３の外形のうち地表面からの距離が最も短い点をいう。
【0039】
作業機位置特定部６１４は、ブーム１３１の傾斜角と既知のブーム１３１の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、ブーム１３１の長さの垂直方向成分及び水平方向成分を求める。同様に、作業機位置特定部６１４は、アーム１３２の長さの垂直方向成分及び水平方向成分を求める。作業機位置特定部６１４は、積込機械１００の位置から、積込機械１００の方位及び姿勢から特定される方向に、ブーム１３１及びアーム１３２の長さの垂直方向成分の和及び水平方向成分の和だけ離れた位置を、アーム１３２の先端の位置Ｐとして特定する。また、作業機位置特定部６１４は、クラムバケット１３３の傾斜角と既知のクラムバケット１３３の形状とに基づいて、クラムバケット１３３の鉛直方向の最下点を特定し、アーム１３２の先端から最下点までの高さＨ及び先端から最下点までの水平距離Ｄ（図５）を特定する。
【0040】
積込目標特定部６１５は、操作信号入力部６１３に自動積込指示信号が入力された場合に、マップ生成部６１２が生成したマップデータに基づいて、積込点を決定する。積込点とは、積込目標Ｔ（例えば、ダンプトラックのベッセル）より上方の位置である。自動積込制御では、アーム１３２の先端が積込点に到達したときに、ダンプ制御が開始される。具体的には、積込目標特定部６１５は、マップデータと既知の積込目標Ｔの形状とから、積込目標Ｔの位置及び形状を特定する。例えば積込目標特定部６１５は、三次元パターンマッチングによって積込目標Ｔの位置を特定する。積込目標特定部６１５は、特定した積込目標Ｔの上面の中心点とクラムバケット１３３の形状に基づいて積込点を決定する。
【0041】
開始角度特定部６１６は、操作信号入力部６１３に自動積込指示信号が入力されたときに旋回体１２０が向く方位と、積込点が存在する方位との間の角度を開始角度として特定する。自動積込指示信号が入力されたときに旋回体１２０が向く方位は、積込機械１００の自動積込制御の開始時に旋回体１２０が向く方位ともいえる。つまり、開始角度特定部６１６は、自動積込制御の開始時に旋回体１２０の旋回中心から作業機位置特定部６１４が特定したアーム１３２の先端の位置へ伸びる線分と、旋回体１２０の旋回中心から積込点へ伸びる線分とのなす角を、開始角度として特定する。
【0042】
回避角度特定部６１７は、積込目標特定部６１５が特定した積込目標Ｔの位置及び形状に基づいて干渉回避角度を特定する。干渉回避角度とは、作業機１３０と積込目標Ｔとが上方からの平面視において干渉しないときの旋回角度である。具体的には、回避角度特定部６１７は、以下の手順で干渉回避角度を特定する。
【0043】
回避角度特定部６１７は、積込目標特定部６１５が特定した積込目標Ｔの位置及び形状に基づいて、積込目標Ｔの外形のうち旋回体１２０の旋回方向の最も後方の点ｐ１（図５）を特定する。回避角度特定部６１７は、自動積込制御の開始時の旋回体１２０の旋回中心からアーム１３２の先端の位置へ伸びる線分と、旋回体１２０の旋回中心から特定した積込目標Ｔの外形の点へ伸びる線分とのなす第１角度φ１（図５）を求める。回避角度特定部６１７は、作業機位置特定部６１４が特定したアーム１３２の先端の位置と、既知のクラムバケット１３３の形状とに基づいて、クラムバケット１３３の外形のうち旋回体１２０の旋回方向の最も前方の点ｐ２（図５）を特定する。回避角度特定部６１７は、旋回体１２０の旋回中心からアーム１３２の先端の位置へ伸びる線分と、旋回体１２０の旋回中心から特定したクラムバケット１３３の外形の点へ伸びる線分とのなす第２角度φ２を求める。回避角度特定部６１７は、第１角度φ１と第２角度φ２の差から、さらに制御余裕分の角度φ３を減算することで、干渉回避角度θ１（図５）を求める。
【0044】
目標姿勢決定部６１８は、積込目標特定部６１５が決定した旋回中心から積込点までの距離及び高さに基づいて、アーム１３２の先端が積込点に位置するときの作業機１３０の姿勢を計算し、作業機１３０の排土開始時の目標姿勢を決定する。また、目標姿勢決定部６１８は、予め定められた作業機１３０の掘削開始時の目標姿勢をストレージ６５０又はメインメモリ６３０から読み出すことで、作業機１３０の掘削開始時の目標姿勢を決定する。図４は、第１の実施形態に係る作業機１３０の掘削開始時の目標姿勢の例を示す図である。掘削開始時の目標姿勢は、例えばクラムバケット１３３が走行体１１０と干渉しない程度に接近し、かつクラムバケット１３３の底面が走行体１１０の底面を含む平面Ｚ１と接触しない程度に接近するような姿勢である。つまり、掘削開始時の目標姿勢におけるクラムバケット１３３は、旋回中心からの距離が、走行体１１０に外接する仮想円柱より外側に形成される干渉禁止領域Ｚ２より外側に位置する。このような目標姿勢は、次の掘削作業に入りやすい姿勢である。なお、干渉禁止領域Ｚ２を走行体１１０相当の直方体でなく仮想円柱によって規定することで、旋回体１２０の旋回時に走行体１１０とクラムバケット１３３との接触が生じることを防ぐことができる。掘削開始時の目標姿勢に係るクラムバケット１３３の底面は、平面Ｚ１と並行となってもよいし、平面Ｚ１に対して鋭角をなしてもよい。目標姿勢は、例えば車体座標系におけるブーム１３１の先端、アーム１３２の先端、及びクラムバケット１３３の刃先の位置によって表される。なお、作業機１３０の姿勢は、作業機１３０を構成する各部品の車体座標系における位置及び角度を含む。
【0045】
図３に示す移動制御部６１９は、操作信号入力部６１３が自動積込指示信号の入力を受け付けた場合に、積込目標特定部６１５が特定した積込点、回避角度特定部６１７が特定した干渉回避角度に基づいて、クラムバケット１３３を積込点まで移動させるための旋回体１２０と作業機１３０との複合動作を実現する操作信号を生成する。具体的には、移動制御部６１９は、作業機１３０の姿勢が目標姿勢決定部６１８が決定した排土開始時の目標姿勢となるように作業機１３０を駆動させるための操作信号を生成する。また、移動制御部６１９は、旋回角度が干渉回避角度に至るまでに作業機１３０の姿勢が排土開始時の目標姿勢となるように、旋回開始タイミングを調整する。すなわち、移動制御部６１９は、旋回体１２０の旋回を開始した場合に、当該旋回による旋回角度が干渉回避角度に到達するまでに作業機１３０が目標姿勢とならない場合、旋回体１２０の旋回操作信号を生成せず、作業機１３０の操作信号のみを生成する。他方、移動制御部６１９は、旋回による旋回角度が干渉回避角度に到達するまでに作業機１３０が目標姿勢となると判定した場合、旋回体１２０の旋回操作信号及び作業機１３０の操作信号を生成し、旋回体１２０と作業機１３０との複合動作を実現する。
【0046】
また、移動制御部６１９は、アーム１３２の先端が積込点に到達した後、旋回体１２０を開始角度特定部６１６が特定した開始角度まで旋回し、作業機１３０の姿勢が目標姿勢決定部６１８が決定した掘削開始時の目標姿勢となるように旋回体１２０及び作業機１３０を駆動させるための操作信号を生成する。
【0047】
クラム制御部６２０は、アーム１３２の先端が積込点に到達したときに、クラムバケット１３３を開く操作信号を生成する。またクラム制御部６２０は、旋回体１２０の旋回角度が開始角度と干渉回避角度の差の角度を超えたときに、クラムバケット１３３を閉じる操作信号を生成する。なお、クラム制御部６２０は、アーム１３２の先端が積込点に到達する前であっても、上方からの平面視においてクラムバケット１３３と積込目標Ｔとが重なっているときに、クラムバケット１３３を開く操作信号を生成してもよい。クラム制御部６２０は、ダンプ制御部の一例である。
【0048】
操作信号出力部６２１は、操作信号入力部６１３に入力された操作信号、又は移動制御部６１９が生成した操作信号を出力する。具体的には、操作信号出力部６２１は、自動積込制御中である場合に、移動制御部６１９が生成した操作信号を出力し、自動積込制御中でない場合に、操作信号入力部６１３に入力された操作信号を出力する。
【0049】
《自動積込制御時の動作》
ここで、図面を参照しながら、第１の実施形態に係る自動積込制御時の積込機械１００の動きについて説明する。
図５は、第１の実施形態に係る自動積込制御開始から排土開始までの積込機械１００の動きの例を示す図である。図６は、第１の実施形態に係る排土開始から自動積込制御終了までの積込機械１００の動きの例を示す図である。
ここで、図面を参照しながら、第１の実施形態に係る自動積込制御時の積込機械１００の動きについて説明する。
図５は、第１の実施形態に係る自動積込制御開始から排土開始までの積込機械１００の動きの例を示す図である。図６は、第１の実施形態に係る排土開始から自動積込制御終了までの積込機械１００の動きの例を示す図である。
【0050】
第１の実施形態に係る自動積込制御は、オペレータによる手動操作によって作業機１３０が掘削対象である土砂を掘削し、クラムバケット１３３に土砂が保持された状態で、開始スイッチ１４３ＳＷが押下されると開始される。自動積込制御が開始されると、積込機械１００は土砂を積込目標Ｔの上で排土し、次の掘削開始点に作業機１３０を移動させる。第１の実施形態では、自動積込制御の終了時に、次の掘削処理が容易となるように、自動積込制御が開始された方向に旋回体１２０を向ける。また次の掘削処理が容易となるように、作業機１３０をクラムバケット１３３の底面を地面の近くまで下げ、またクラムバケット１３３を車体側に寄せた姿勢にする。
【0051】
具体的には、自動積込制御が開始されると、図５に示すように制御装置１６０は、まず作業機１３０（ブーム１３１、アーム１３２、及びクラムバケット１３３）の駆動を開始し、クラムバケット１３３を上方へ移動させる。遅れて、制御装置１６０は、旋回体１２０の旋回を開始させる。制御装置１６０は、旋回体１２０の旋回角度が干渉回避角度θ１と一致するまでに、作業機１３０の姿勢は排土開始時の目標姿勢となるように、旋回開始タイミングを調整する。以下、干渉回避角度θ１を第１干渉回避角度θ１ともよぶ。なお、旋回体１２０の旋回角度が第１干渉回避角度θ１と一致するまでに作業機１３０の姿勢が排土開始時の目標姿勢となっている場合、つまりクラムバケット１３３の最下点の高さが積込目標Ｔの上面より高い場合、旋回体１２０の旋回によって作業機１３０が積込目標Ｔに接触することがない。その後、アーム１３２の先端が積込点に到達すると、制御装置１６０はクラムバケット１３３を開き、排土を開始する。
【0052】
排土開始から一定時間が経過すると、制御装置１６０は図６に示すように旋回体１２０の旋回を開始させる。旋回体１２０の旋回角度が開始角度θ０と干渉回避角度θ１との差の角度θ２を超えるまで、制御装置１６０は作業機１３０の駆動を開始しない。以下、角度θ２を第２干渉回避角度θ２ともよぶ。旋回体１２０の旋回角度が第２干渉回避角度θ２を超えると、制御装置１６０は作業機１３０の駆動を開始する。旋回体１２０の旋回角度が開始角度θ０に至ると、制御装置１６０は旋回体１２０の駆動を終了する。また作業機１３０の姿勢が掘削開始時の目標姿勢となると、制御装置１６０は作業機１３０の駆動を終了する。
【0053】
図７は、第１の実施形態における自動積込制御の開始時の作業機１３０の姿勢と自動積込制御の終了時の作業機１３０の姿勢とを対比する図である。自動積込制御は、作業機１３０が土砂を掘削してクラムバケット１３３内に土砂が保持された状態で開始される。そのため、自動積込制御の開始時におけるクラムバケット１３３の姿勢１３３ｓは、掘削対象の上方おいて、刃を上方に向けた姿勢を取る。掘削対象を掘削するためには、刃先を掘削対象に対向させて下方からすくい上げる必要があるため、自動積込制御の開始時におけるクラムバケット１３３の姿勢１３３ｓから掘削作業を開始するためには、クラムバケット１３３の位置及び姿勢を変える必要がある。これに対し、自動積込制御の終了時におけるクラムバケット１３３の姿勢１３３ｅすなわち掘削開始時の目標姿勢は、地表に近い高さにおいて、刃を前方に向けた姿勢を取る。これにより、自動積込制御の終了時にクラムバケット１３３の姿勢を掘削開始時の目標姿勢とすることで、オペレータは、次の掘削作業へ作業を容易に移行することができる。
【0054】
【0055】
計測データ取得部６１１は、位置方位演算器１５１、傾斜計測器１５２、ブーム角度センサ１５３、アーム角度センサ１５４、バケット角度センサ１５５、及び検出装置１５６から計測データを取得する（ステップＳＳ１）。マップ生成部６１２は、ステップＳＳ１で検出装置１５６から取得した計測データを用いて、メインメモリ６３０に記録されているマップデータを更新する（ステップＳＳ２）。これにより、制御装置１６０は、積込機械１００の近傍の状況を表すマップデータを常に最新の状態に保ち、マップデータに積込目標Ｔの最新の位置が表れるようにしておくことができる。
【0056】
作業機位置特定部６１４は、ステップＳＳ１で取得した計測データに基づいて、旋回体１２０を基準とする車体座標系におけるアーム１３２の先端の位置Ｐ及びアーム１３２の先端からクラムバケット１３３の最下点までの高さＨを特定する（ステップＳＳ３）。これにより、制御装置１６０は、常に現在の作業機１３０の姿勢を特定しておくことができる。
【0057】
図９は、第１の実施形態に係る自動積込制御開始から排土開始までの制御装置１６０の動作を示すフローチャートである。図１０は、第１の実施形態に係る排土開始から自動積込制御終了までの制御装置１６０の動作を示すフローチャートである。
オペレータによって開始スイッチ１４３ＳＷが押下されると、制御装置１６０の操作信号入力部６１３は自動積込指示信号の入力を受け付ける。制御装置１６０は、自動積込信号をトリガとして、図８のステップＳＳ１から自動積込制御を開始する。
オペレータによって開始スイッチ１４３ＳＷが押下されると、制御装置１６０の操作信号入力部６１３は自動積込指示信号の入力を受け付ける。制御装置１６０は、自動積込信号をトリガとして、図８のステップＳＳ１から自動積込制御を開始する。
【0058】
制御装置１６０は、図８に示す状態更新処理により、計測データ、マップデータ及び作業機１３０の姿勢を最新の状態に更新する（ステップＳ１）。積込目標特定部６１５は、ステップＳ１で更新されたマップデータに基づいて、積込目標Ｔの位置及び形状を特定する（ステップＳ２）。積込目標特定部６１５は、ステップＳ２で特定した積込目標Ｔの位置とステップＳ１で特定したアーム１３２の先端からクラムバケット１３３の最下点までの高さＨに基づいて積込点を決定する（ステップＳ３）。
【0059】
開始角度特定部６１６は、ステップＳ３で決定したマップデータにおける積込点の位置に基づいて開始角度θ０を特定する（ステップＳ４）。マップデータは、車体座標系で表されるため、開始角度特定部６１６は、例えば旋回体１２０の前方に伸びる座標軸に対する積込点の位置ベクトルの角度を開始角度θ０として特定する。回避角度特定部６１７は、ステップＳ２で特定した積込目標Ｔの位置及び形状に基づいて第１干渉回避角度θ１を特定する（ステップＳ５）。目標姿勢決定部６１８は、アーム１３２の先端が積込点に位置するときのブーム１３１及びアーム１３２の姿勢を、目標姿勢として決定する（ステップＳ６）。
【0060】
次に、制御装置１６０は、図８に示す状態更新処理により、計測データ、マップデータ及び作業機１３０の姿勢を最新の状態に更新する（ステップＳ７）。次に、移動制御部６１９は、ステップＳ７で特定された作業機１３０の姿勢が、ステップＳ６で決定した目標姿勢と近似するか否かを判定する（ステップＳ８）。例えば、移動制御部６１９は、目標姿勢におけるアーム１３２の先端の位置と、現在のアーム１３２の先端の位置との差が所定値以下である場合に、作業機１３０の姿勢が目標姿勢と近似していると判定する。
【0061】
作業機１３０の姿勢が目標姿勢と近似していない場合（ステップＳ８：ＮＯ）、移動制御部６１９は、ブーム１３１及びアーム１３２を目標姿勢に近づける操作信号を生成する（ステップＳ９）。このとき、移動制御部６１９は、ステップＳ７で特定されたブーム１３１及びアーム１３２の位置及び速度に基づいて、操作信号を生成する。
【0062】
また移動制御部６１９は、生成したブーム１３１及びアーム１３２の操作信号に基づいてブーム１３１及びアーム１３２の角速度の和を算出し、当該角速度の和と同じ速度でクラムバケット１３３を回動させる操作信号を生成する（ステップＳ１０）。これにより、移動制御部６１９は、クラムバケット１３３の対地角を保持する操作信号を生成することができる。
【0063】
移動制御部６１９は、作業機１３０が旋回中であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。移動制御部６１９は、例えば旋回体１２０の旋回速度が所定速度以上である場合に旋回中であると判定する。作業機１３０が旋回中でない場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、移動制御部６１９は、ステップＳ７で特定したブーム１３１及びアーム１３２の速度に基づいて作業機１３０が目標姿勢となるまでの完了時間を算出する（ステップＳ１２）。また、移動制御部６１９は、旋回体１２０が旋回を開始した場合に旋回角度がステップＳ５で特定した第１干渉回避角度θ１に到達するまでの到達時間を算出する（ステップＳ１３）。移動制御部６１９は、ステップＳ１２で算出した完了時間がステップＳ１３で算出した到達時間未満であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。つまり、移動制御部６１９は、旋回角度が第１干渉回避角度θ１に到達するときに作業機１３０が目標姿勢となるか否かを判定する。
【0064】
完了時間が到達時間以上である場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、すなわち旋回角度が第１干渉回避角度θ１に到達するまでに作業機１３０が目標姿勢とならない場合、移動制御部６１９は旋回体１２０の旋回操作信号を生成しない。他方、完了時間が到達時間未満である場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、すなわち旋回角度が第１干渉回避角度θ１に到達するまでに作業機１３０が目標姿勢となる場合、移動制御部６１９は旋回体１２０の旋回操作信号を生成する（ステップＳ１５）。これにより、制御装置１６０は、作業機１３０が積込目標Ｔと接触することを防ぐことができる。
【0065】
そして、操作信号出力部６２１は、ステップＳ９、Ｓ１０、Ｓ１５の少なくとも何れか１つで生成された操作信号を、コントロールバルブ１２３に出力する（ステップＳ１６）。これにより、積込機械１００が駆動する。そして、制御装置１６０は、処理をステップＳ７に戻し、制御を継続する。
【0066】
他方、ステップＳ１１にて作業機１３０が旋回中であると判定された場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、移動制御部６１９は、ステップＳ７で特定した作業機１３０の旋回速度に基づいて、旋回の操作信号を停止した場合に、惰性による旋回によってアーム１３２の先端が積込点に到達するか否かを判定する（ステップＳ１７）。惰性による旋回ではアーム１３２の先端が積込点に到達しない場合（ステップＳ１７：ＮＯ）、移動制御部６１９はステップＳ１５にて旋回操作信号を生成し、操作信号出力部６２１はステップＳ１６にて旋回操作信号をコントロールバルブ１２３に出力する。
【0067】
他方、惰性による旋回によってアーム１３２の先端が積込点に到達すると判定された場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、制御装置１６０は、図８に示す状態更新処理により、計測データ、マップデータ及び作業機１３０の姿勢を最新の状態に更新する（図１０のステップＳ１８）。移動制御部６１９は、ステップＳ１８で更新されたマップデータに基づいて、アーム１３２の先端が積込点に到達したか否かを判定する（ステップＳ１９）。アーム１３２の先端が積込点に到達していない場合（ステップＳ１９：ＮＯ）、制御装置１６０は処理をステップＳ１８に戻し、積込点への到達を待機する。
【0068】
アーム１３２の先端が積込点に到達した場合（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、クラム制御部６２０は、クラムバケット１３３の開操作信号を生成する（ステップＳ２０）。操作信号出力部６２１はステップＳ２０で生成した開操作信号をコントロールバルブ１２３に出力する（ステップＳ２１）。クラム制御部６２０は、クラムバケット１３３の開操作信号を出力してから一定時間の経過を待機する（ステップＳ２２）。この時間は、開いたクラムバケット１３３から土砂が一定量落ちるまでの時間である。なお、この時間は、クラムバケット１３３からすべての土砂が落ちるまでの時間より短くてよい。
【0069】
一定時間後、目標姿勢決定部６１８は、予め定められた作業機１３０の掘削開始時の目標姿勢をストレージ６５０又はメインメモリ６３０から読み出すことで、作業機１３０の掘削開始時の目標姿勢を決定する（ステップＳ２３）。掘削開始時の目標姿勢は、例えばクラムバケット１３３が走行体１１０と干渉しない程度に接近し、かつクラムバケット１３３が走行体１１０の底面を通る平面と干渉しない程度に接近するような姿勢である。
【0070】
次に、制御装置１６０は、図８に示す状態更新処理により、計測データ、マップデータ及び作業機１３０の姿勢を最新の状態に更新する（ステップＳ２４）。次に、移動制御部６１９は、排土開始時から現時点までの旋回体１２０の旋回角度が、開始角度θ０と第１干渉回避角度θ１の差である第２干渉回避角度θ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ２５）。旋回角度が第２干渉回避角度θ２未満である場合（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、作業機１３０が積込目標Ｔと接触する可能性があるため、移動制御部６１９は作業機１３０の姿勢を維持する操作信号（中立信号）を生成する。
【0071】
ステップＳ２５において、旋回角度が第２干渉回避角度θ２以上である場合（ステップＳ２５：ＮＯ）、移動制御部６１９は、ステップＳ２４で特定された作業機１３０の姿勢が、ステップＳ２３で決定した目標姿勢と近似するか否かを判定する（ステップＳ２６）。作業機１３０の姿勢が目標姿勢と近似していない場合（ステップＳ２６：ＮＯ）、移動制御部６１９は、ブーム１３１、アーム１３２及びクラムバケット１３３を目標姿勢に近づける操作信号を生成する（ステップＳ２７）。またクラム制御部６２０はクラムバケットの閉操作信号を生成する（ステップＳ２８）。作業機１３０の姿勢が目標姿勢と近似している場合（ステップＳ２６：ＹＥＳ）、移動制御部６１９は作業機１３０の操作信号を生成しない。
【0072】
また、移動制御部６１９は、ステップＳ２４で特定した作業機１３０の旋回速度に基づいて、旋回の操作信号を停止した場合に、惰性による旋回によってステップＳ４で特定した開始角度θ０まで旋回できるか否かを判定する（ステップＳ２９）。惰性による旋回では開始角度θ０まで旋回できない場合（ステップＳ２９：ＮＯ）、移動制御部６１９は旋回操作信号を生成する（ステップＳ３０）。他方、惰性による旋回では開始角度θ０まで旋回できる場合（ステップＳ２９：ＹＥＳ）、移動制御部６１９は旋回操作信号を生成しない。
【0073】
次に、操作信号出力部６２１は、作業機１３０が目標姿勢と近似し、かつ旋回体１２０の旋回角度が開始角度θ０になったか否かを判定する（ステップＳ３１）。操作信号出力部６２１は、作業機１３０が目標姿勢と近似しておらず、又は旋回体１２０の旋回角度が開始角度θ０未満である場合（ステップＳ３１：ＮＯ）、操作信号出力部６２１は、ステップＳ２７、Ｓ２８及びＳ３０で生成された操作信号をコントロールバルブ１２３に出力する（ステップＳ３２）。そして、制御装置１６０は、処理をステップＳ２４に戻し、制御を継続する。
【0074】
他方、作業機１３０が目標姿勢と近似し、かつ旋回体１２０の旋回角度が開始角度θ０になった場合（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、制御装置１６０は自動積込制御を終了する。
【0075】
《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る制御装置１６０は、自動積込制御の開始時の旋回体１２０の角度である開始角度θ０を特定し、クラムバケット１３３が積込点に到達した後に、旋回体１２０の角度が開始角度θ０になるまで旋回体１２０を駆動させ、作業機１３０の姿勢が、自動積込制御の開始時の作業機１３０の姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまで、作業機１３０を駆動させる。自動積込制御の開始時の作業機１３０の姿勢は、通常掘削直後の姿勢であるため、掘削に適した姿勢でない可能性が高い。通常、掘削後のクラムバケット１３３は、土砂を保持するために開口を上に向けるため、刃先が上を向いた状態となる。一方、土砂を掘削するためには刃先が土砂に向かっていることが好ましい。そのため、第１の実施形態によれば、制御装置１６０は、自動積込制御の開始時のクラムバケット１３３の姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまでクラムバケット１３３を駆動させることで、自動積込制御の後に、クラムバケット１３３を掘削を開始するために適切な姿勢にさせることができる。
このように、第１の実施形態に係る制御装置１６０は、自動積込制御の開始時の旋回体１２０の角度である開始角度θ０を特定し、クラムバケット１３３が積込点に到達した後に、旋回体１２０の角度が開始角度θ０になるまで旋回体１２０を駆動させ、作業機１３０の姿勢が、自動積込制御の開始時の作業機１３０の姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまで、作業機１３０を駆動させる。自動積込制御の開始時の作業機１３０の姿勢は、通常掘削直後の姿勢であるため、掘削に適した姿勢でない可能性が高い。通常、掘削後のクラムバケット１３３は、土砂を保持するために開口を上に向けるため、刃先が上を向いた状態となる。一方、土砂を掘削するためには刃先が土砂に向かっていることが好ましい。そのため、第１の実施形態によれば、制御装置１６０は、自動積込制御の開始時のクラムバケット１３３の姿勢とは別に予め設定された目標姿勢になるまでクラムバケット１３３を駆動させることで、自動積込制御の後に、クラムバケット１３３を掘削を開始するために適切な姿勢にさせることができる。
【0076】
また、第１の実施形態における目標姿勢が示すクラムバケット１３３の位置は、干渉禁止領域Ｚ２より外側に位置する。すなわち、目標姿勢が示すクラムバケット１３３の位置は走行体１１０の外接円と干渉しない位置である。これにより、制御装置１６０は、作業機１３０が目標姿勢となるように制御する際にクラムバケット１３３が走行体１１０と接触しないようにすることができる。
【0077】
また、第１の実施形態に係る制御装置１６０は、クラムバケット１３３が積込点に到達した後に、開操作信号を出力し、クラムバケット１３３の閉操作信号を出力する前に、旋回体１２０の旋回操作信号を出力する。これにより、制御装置１６０は、次の掘削動作に係るサイクルタイムを短縮することができる。
【0078】
〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
【0079】
上述した実施形態に係る制御装置１６０は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、制御装置１６０の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで制御装置１６０として機能するものであってもよい。このとき、制御装置１６０を構成する一部のコンピュータが積込機械１００の内部に搭載され、他のコンピュータが積込機械１００の外部に設けられてもよい。
【0080】
上述した実施形態に係る積込機械１００は、フェイスショベルであるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、バックホウであってもよい。なお、積込機械１００がバックホウである場合、作業機１３０の掘削開始時の目標姿勢は第１の実施形態と異なる。バックホウは、作業機１３０を手前側に引くことで掘削を行うため、掘削開始時の目標姿勢に係るバケットの位置は旋回体１２０から離れていることが好ましい。例えば、積込機械１００は、マップデータから掘削対象の形状を特定し、旋回体１２０から離れ、かつ掘削対象と近接し、刃先が掘削対象に向く角度となる姿勢を、掘削開始時の目標姿勢としてもよい。
【0081】
上述した実施形態に係る積込機械１００は、クラムバケット１３３を有するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は通常のバケットを備えるものであってよい。この場合、積込機械１００はクラム制御部６２０に代えてダンプ制御部を備える。ダンプ制御部は、開操作信号に変えてダンプ方向の回動操作信号を出力する。なお、制御装置１６０は、サイクルタイムの短縮のため、ダンプ方向の回動操作信号の出力中に、旋回体１２０の旋回操作信号を出力してもよい。
【0082】
上述した実施形態に係る目標姿勢は、予め設定されてメインメモリ６３０又はストレージ６５０に記録されるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、操作端末１４２の操作によって目標姿勢を変更可能に構成してもよい。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、操作端末１４２にブーム１３１、アーム１３２及びクラムバケット１３３の位置及び角度を表す数値を入力することで目標姿勢を変更してもよい。また他の実施形態に係る積込機械１００は、オペレータの操作によって作業機１３０を好ましい姿勢に制御した後、操作端末１４２を操作することで、作業機位置特定部６１４が作業機１３０の姿勢を特定し、目標姿勢を当該姿勢で上書きしてもよい。
【0083】
上述した実施形態に係る制御装置１６０は、検出装置１５６の計測データに基づくＳＬＡＭのマップデータに基づいて積込目標を特定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１６０は、積込目標の緯度、経度及び向く方位の入力を受け付け、位置方位演算器１５１の計測結果から積込目標の車体座標系における位置及び形状を計算してもよい。また、他の実施形態に係る制御装置１６０は、車体座標系でなく、緯度、経度及び高度で表されるグローバル座標系に基づいて積込機械１００を制御してもよい。この場合、制御装置１６０は、開始角度や旋回角度などの角度を、グローバル座標系の基準方位に対する角度として計算してもよい。
【0084】
上述した実施形態に係る制御装置１６０は、傾斜計測器１５２が計測した旋回体１２０の角速度を積分することで、旋回体１２０の角度を算出するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１６０は、位置方位演算器１５１が計測する方位の差分に基づいて旋回体１２０の角度を算出してもよい。また他の実施形態においては、旋回モータ１２４に設けた回転角センサの検出値を用いて旋回体１２０の角度を特定してもよい。
【0085】
上述した実施形態に係る制御装置１６０は、旋回角度と干渉回避角度の比較に基づいて自動積込制御を行うが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１６０は、クラムバケット１３３の位置と積込目標Ｔの外形のうち旋回体１２０の旋回方向の最も後方の点ｐ１（図５）との比較に基づいて自動積込制御を行ってもよい。例えば、他の実施形態に係る制御装置１６０は、クラムバケット１３３が点ｐ１の近傍の領域に位置するように旋回開始タイミングを調整してよい。
【0086】
上述した実施形態に係る積込機械１００は、オペレータが運転室１４０に搭乗して直接操作するものであるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、遠隔操作により動作するものであってもよい。すなわち、他の実施形態では、遠隔に設けられた操作装置１４３から通信によって操作信号が制御装置１６０に伝送されてよい。
【0087】
上述した実施形態に係る自動積込制御は、クラムバケット１３３を掘削完了時の位置から、積込点へ移動させ、さらに次の掘削を開始するための位置へ移動させるものであるが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、クラムバケット１３３を、手動操作により掘削完了時の位置から積込点へ移動させて排土し、積込機械１００が積込点から次の掘削を開始するための位置への移動のみを自動制御するようにしてもよい。この場合、オペレータはクラムバケット１３３が積込点へ到達した後に、次の掘削を開始するための位置へ作業機を駆動させるための信号を、操作レバーなどに設けたスイッチ操作により制御装置１６０に出力するようにしてもよい。前述のスイッチからの信号により、制御装置１６０は、上述した実施形態に係る自動積込制御の場合と同様に、作業機１３０の姿勢が掘削開始時とは別の予め設定した目標姿勢となるように作業機１３０を制御する。
【0088】
上述した実施形態に係る制御装置１６０は、アーム１３２の先端の位置Ｐに基づいて作業機１３０を制御するが、アーム１３２の先端の位置Ｐはアーム１３２の先端の中心であってもよいし、左右にずれた位置であってもよい。また、他の実施形態においては、アーム１３２の先端の位置Ｐに代えて、クラムバケット１３３の任意の位置に基づいて作業機１３０を制御してもよい。
【符号の説明】
【0089】
１００…積込機械 １１０…走行体 １１１…無限軌道 １２０…旋回体 １２１…エンジン １２２…油圧ポンプ １２３…コントロールバルブ １２４…旋回モータ １３０…作業機 １３１…ブーム １３１Ｃ…ブームシリンダ １３２…アーム １３２Ｃ…アームシリンダ １３３…クラムバケット １３３１…バックオール １３３２…クラムシェル １３３２Ｃ…クラムシリンダ １３３Ｃ…バケットシリンダ １４０…運転室 １４１…運転席 １４２…操作端末 １４３…操作装置 １４３ＳＷ…開始スイッチ １５１…位置方位演算器 １５２…傾斜計測器 １５３…ブーム角度センサ １５４…アーム角度センサ １５５…バケット角度センサ １５６…検出装置 １６０…制御装置 ６１０…プロセッサ ６１１…計測データ取得部 ６１２…マップ生成部 ６１３…操作信号入力部 ６１４…作業機位置特定部 ６１５…積込目標特定部 ６１６…開始角度特定部 ６１７…回避角度特定部 ６１８…目標姿勢決定部 ６１９…移動制御部 ６２０…クラム制御部 ６２１…操作信号出力部 ６３０…メインメモリ ６５０…ストレージ ６７０…インタフェース
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】