特開 2022-63624 作業車両の制御システム、作業車両の制御方法、および作業車両

(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】P2022063624

(43)【公開日】2022-04-22

(54)【発明の名称】作業車両の制御システム、作業車両の制御方法、および作業車両

(51)【国際特許分類】

   E02F 3/85 20060101AFI20220415BHJP

   E02F 3/76 20060101ALI20220415BHJP

   E02F 9/20 20060101ALI20220415BHJP

【ＦＩ】

E02F3/85 D

E02F3/76 C

E02F9/20 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】19

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020171979

(22)【出願日】2020-10-12

(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】特許業務法人 志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 裕輔

(72)【発明者】

【氏名】安藤 友起

(72)【発明者】

【氏名】津村 総一

(72)【発明者】

【氏名】本村 拓斗

(72)【発明者】

【氏名】岡本 研二

【テーマコード（参考）】

2D003

【Ｆターム（参考）】

2D003AA02

2D003AB04

2D003AB05

2D003AC03

2D003BA02

2D003DA04

2D003FA02

(57)【要約】

【課題】作業車両の作業状態に応じてブレードのピッチ角を自動制御する。
【解決手段】車体と、車体に対し高さおよびピッチの変更が可能な作業機を有する作業車両の制御システムは、コントローラを備える。コントローラは、作業開始位置からの作業車両の移動量に応じた作業機の高さの目標変位を示す目標変位データを参照して切換え点を決定する。コントローラは、作業開始位置からの作業車両の移動量に基づいて、作業車両が切換え点に到達したか否かを判定する。コントローラは、作業車両が切換え点に到達したと判定した場合に、作業機のピッチを変更させる指令を出力する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

車体と、前記車体に対し高さおよびピッチの変更が可能な作業機を有する作業車両の制御システムであって、
コントローラを備え、
前記コントローラは、
作業開始位置からの前記作業車両の移動量に応じた前記作業機の高さの目標変位を示す目標変位データを参照して切換え点を決定し、
前記作業開始位置からの前記作業車両の前記移動量に基づいて、前記作業車両が前記切換え点に到達したか否かを判定し、
前記作業車両が前記切換え点に到達したと判定した場合に、前記作業機のピッチを変更させる指令を出力する、
作業車両の制御システム。

【請求項2】

前記コントローラは、前記作業車両が前記切換え点に到達したと判定した場合に、前記作業機が前記車体に対して後方に傾斜するようにピッチを変更させる前記指令を出力する
請求項１に記載の作業車両の制御システム。

【請求項3】

前記目標変位データは、
前記作業車両の移動量が第１距離未満である第１の領域について、ゼロ以上所定値未満の範囲で前記作業車両の移動量の増大に応じて単調増加する目標変位を示し、
前記作業車両の移動量が第１距離以上第２距離未満である第２の領域について、前記所定値と等しい目標変位を示し、
前記作業車両の移動量が第２距離以上第３距離未満である第３の領域について、ゼロ以上前記所定値未満の範囲で前記作業車両の移動量の増大に応じて単調減少する目標変位を示し、
前記切換え点は、前記第２の領域および前記第３の領域の範囲内に位置する、
請求項１に記載の作業車両の制御システム。

【請求項4】

前記切換え点は、前記作業開始位置から前記第２距離だけ離れた点である
請求項３に記載の作業車両の制御システム。

【請求項5】

前記切換え点は、前記作業開始位置から前記第１距離だけ離れた点である
請求項３に記載の作業車両の制御システム。

【請求項6】

前記切換え点は、前記作業開始位置から前記第３距離だけ離れた点である
請求項３に記載の作業車両の制御システム。

【請求項7】

前記コントローラは、前記作業機の刃先が前記切換え点に到達したと判定した場合に、前記作業機のピッチを変更させる前記指令を出力する
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の作業車両の制御システム。

【請求項8】

前記コントローラは、前記車体の重心位置が前記切換え点の直上に到達したと判定した場合に、前記作業機のピッチを変更させる前記指令を出力する
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の作業車両の制御システム。

【請求項9】

前記コントローラは、
作業対象の現況地形を示す現況地形情報を取得し、
前記目標変位データを参照して前記現況地形から鉛直方向に変位した目標設計面を決定し、
前記目標設計面に沿って前記作業機の高さを変更させる指令を出力する。
請求項１から請求項８の何れか１項に記載の作業車両の制御システム。

【請求項10】

前記目標設計面は、前記現況地形よりも下方に位置する、
請求項９に記載の作業車両の制御システム。

【請求項11】

前記コントローラは、前記作業機のピッチを変更させる前記指令による前記作業機の刃先高さの変動を相殺するように前記作業機を下げる
請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の作業車両の制御システム。

【請求項12】

車体と、前記車体に対し高さおよびピッチの変更が可能な作業機を有する作業車両の制御方法であって、
作業開始位置からの前記作業車両の移動量に応じた前記作業機の高さの目標変位を示す目標変位データを参照して切換え点を決定し、
前記作業開始位置からの前記作業車両の前記移動量に基づいて、前記作業車両が前記切換え点に到達したか否かを判定し、
前記作業車両が前記切換え点に到達したと判定した場合に、前記作業機のピッチを変更させる指令を出力することを備える、
作業車両の制御方法。

【請求項13】

前記作業車両が前記切換え点に到達したと判定した場合に、前記作業機が前記車体に対して後方に傾斜するようにピッチを変更させる前記指令を出力する
請求項１２に記載の作業車両の制御方法。

【請求項14】

前記作業機の刃先が前記切換え点に到達したと判定した場合に、前記作業機のピッチを変更させる前記指令を出力する
請求項１２又は請求項１３に記載の作業車両の制御方法。

【請求項15】

前記車体の重心位置が前記切換え点の直上に到達したと判定した場合に、前記作業機のピッチを変更させる前記指令を出力する
請求項１２又は請求項１３に記載の作業車両の制御方法。

【請求項16】

作業対象の現況地形を示す現況地形情報を取得し、
前記目標変位データを参照して前記現況地形から鉛直方向に変位した目標設計面を決定し、
前記目標設計面に沿って前記作業機の高さを変更させる指令を出力する。
請求項１２から請求項１５の何れか１項に記載の作業車両の制御方法。

【請求項17】

前記目標設計面は、前記現況地形よりも下方に位置する、
請求項１６に記載の作業車両の制御方法。

【請求項18】

前記作業機のピッチを変更させる前記指令による前記作業機の刃先高さの変動を相殺するように前記作業機を下げる
請求項１２から請求項１７の何れか１項に記載の作業車両の制御方法。

【請求項19】

車体と、
前記車体に対し高さおよびピッチの変更が可能な作業機と、
コントローラと
を備える作業車両であって、
前記コントローラは、
作業開始位置からの前記作業車両の移動量に応じた前記作業機の高さの目標変位を示す目標変位データを参照して切換え点を決定し、
前記作業開始位置からの前記作業車両の前記移動量に基づいて、前記作業車両が前記切換え点に到達したか否かを判定し、
前記作業車両が前記切換え点に到達したと判定した場合に、前記作業機が前記車体に対して後方に傾斜するように前記作業機のピッチを変更させる指令を出力する、
作業車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、作業車両の制御システム、作業車両の制御方法、および作業車両に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ブレードのピッチ角を切り替えることで、掘削、運土及び排土の効率を向上させるブルドーザに係る技術が開示されている。特許文献１によれば、チルト・ピッチ切り替えスイッチをＯＮにした状態で操作レバーを倒すことで、ブレードのピッチ角を変化させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７－２５２８５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一方で、特許文献１に記載の技術のようにブレードのピッチ角を手動で調整する場合、オペレータが操作のタイミングや操作量を誤ると、作業効率が低下する可能性がある。

【0005】

本開示の目的は、作業車両の作業状態に応じてブレードのピッチを自動制御する作業車両の制御装置および作業車両の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】

【0006】

本発明の第一の態様によれば、車体と、車体に対し高さおよびピッチの変更が可能な作業機を有する作業車両の制御システムであって、コントローラを備える。コントローラは、作業開始位置からの作業車両の移動量に応じた作業機の高さの目標変位を示す目標変位データを参照して切換え点を決定する。コントローラは、作業開始位置からの作業車両の移動量に基づいて、作業車両が切換え点に到達したか否かを判定する。コントローラは、作業車両が切換え点に到達したと判定した場合に、作業機のピッチを変更させる指令を出力する。

【0007】

本発明の第二の態様によれば、車体と、車体に対し高さおよびピッチの変更が可能な作業機を有する作業車両の制御方法であって、以下の処理を備える。第１の処理は、作業開始位置からの作業車両の移動量に応じた作業機の高さの目標変位を示す目標変位データを参照して切換え点を決定する。第２の処理は、作業開始位置からの作業車両の移動量に基づいて、作業車両が切換え点に到達したか否かを判定する。第３の処理は、作業車両が切換え点に到達したと判定した場合に、作業機のピッチを変更させる指令を出力する。

【0008】

本発明の第三の態様によれば、作業車両は、車体と、車体に対し高さおよびピッチの変更が可能な作業機と、コントローラとを備える。コントローラは、作業開始位置からの作業車両の移動量に応じた作業機の高さの目標変位を示す目標変位データを参照して切換え点を決定する。コントローラは、作業開始位置からの作業車両の移動量に基づいて、作業車両が切換え点に到達したか否かを判定する。コントローラは、作業車両が切換え点に到達したと判定した場合に、作業機が車体に対して後方に傾斜するように作業機のピッチを変更させる指令を出力する。

【発明の効果】

【0009】

上記態様によれば、制御装置は、作業車両の作業状態に応じてブレードのピッチを自動制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態に係る作業車両の側面図である。

【図2】第１の実施形態に係るブレードの姿勢を示す図である。

【図3】第１の実施形態に係る作業車両の駆動系と制御システムとの構成を示すブロック図である。

【図4】第１の実施形態に係る作業車両のコントローラの構成を示す概略ブロック図である。

【図5】第１の実施形態に係る作業機の制御の処理を示すフローチャートである。

【図6】第１の実施形態に係る最終設計地形、現況地形、及び目標設計地形の例を示す図である。

【図7】第１の実施形態に係る目標変位データの例を示す図である。

【図8】第１の実施形態に係る目標変位を決定するための処理を示すフローチャートである。

【図9】第１の実施形態に係るブレードの高さの変動を示す図である。

【図10】第１変形例に係る駆動系と制御システムの構成を示すブロック図である。

【図11】第２変形例に係る駆動系と制御システムの構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

〈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。
図１は、第１の実施形態に係る作業車両１００の側面図である。
第１の実施形態に係る作業車両１００は、例えばブルドーザである。作業車両１００は、車体１１０と、走行装置１２０と、作業機１３０とを備える。

【0012】

車体１１０には、運転室１４０を有する。運転室１４０は、車体１１０の上部に設けられる。運転室１４０には、図示しない運転席が配置されている。走行装置１２０は、車体１１０の下部に設けられる。走行装置１２０は、左右一対の履帯１２１、スプロケット１２２およびアイドラ１２４を有している。なお、図１では、左側の履帯１２１、スプロケット１２２およびアイドラ１２４のみが図示されている。履帯１２１が回転することによって、作業車両１００が走行する。作業車両１００の走行は、自律走行、セミ自律走行、オペレータの操作による走行のいずれの形式であってもよい。スプロケット１２２の回転軸には、回転センサ１２３が設けられる。回転センサ１２３は、スプロケット１２２の回転軸の回転数を計測する。スプロケット１２２の回転軸の回転数は、走行装置１２０の速度および車体１１０の移動量に換算可能である。

【0013】

作業機１３０は、土砂等の掘削対象の掘削および運搬に用いられる。作業機１３０は、車体１１０の前部に設けられる。作業機１３０は、リフトフレーム１３１、ブレード１３２、リフトシリンダ１３３及びピッチシリンダ１３４を有する。

【0014】

リフトフレーム１３１は、車幅方向に伸びるピンを介して、車体１１０の側面に取り付けられる。リフトフレーム１３１は、車幅方向に延びる軸線Ｘ１を中心として車体１１０に対して上下方向に回動可能に支持される。リフトフレーム１３１は、ブレード１３２を支持している。

【0015】

ブレード１３２は、リフトフレーム１３１を介して、車体１１０の前方に取付けられる。ブレード１３２は、車幅方向に延びる軸線Ｘ２を中心としてリフトフレーム１３１に対して回動可能に支持される。ブレード１３２は、リフトフレーム１３１の上下動に伴って上下に移動する。ブレード１３２の前面下端部には、刃先１３２ｅが設けられる。

【0016】

リフトシリンダ１３３は、油圧シリンダである。リフトシリンダ１３３は、車体１１０とブレード１３２とに連結されている。リフトシリンダ１３３が伸縮することによって、リフトフレーム１３１およびブレード１３２は、軸線Ｘ１を中心として上下方向に回動する。

【0017】

ピッチシリンダ１３４は、油圧シリンダである。ピッチシリンダ１３４は、リフトフレーム１３１とブレード１３２とに連結されている。ピッチシリンダ１３４が伸縮することによって、ブレード１３２は、リフトフレーム１３１に対して軸線Ｘ２を中心に回動する。より詳しくは、ピッチシリンダ１３４が伸長することで、ブレード１３２は、リフトフレーム１３１に対して軸線Ｘ２を中心に車体前方へ傾斜（ピッチダンプ）する。ピッチシリンダ１３４が縮小することで、ブレード１３２は、リフトフレーム１３１に対して軸線Ｘ２を中心に車体後方へ傾斜（ピッチバック）する。

【0018】

図２は、第１の実施形態に係るブレード１３２の姿勢を示す図である。ブレード１３２は、後述するコントローラ３２０によって、掘削姿勢、運土姿勢及び排土姿勢に切り替えられる。掘削姿勢は、ブレード１３２の刃先の角度を履帯１２１底面に対して第１角度（例えば、５２度）とする姿勢である。運土姿勢は、ブレード１３２を車体後方へ最大限傾斜させることで、ブレード１３２の刃先の角度を第２角度とする姿勢である。排土姿勢は、ブレード１３２を車体前方へ傾斜させることで、ブレード１３２の刃先の角度を第３角度とする姿勢である。第１角度は第２角度より大きく、第３角度より小さい。

【0019】

図３は、第１の実施形態に係る作業車両１００の駆動系２００と制御システム３００との構成を示すブロック図である。

【0020】

《駆動系２００》
駆動系２００は、動力源２１０、ＰＴＯ（Power Take Off）２２０、動力伝達装置２３０、油圧ポンプ２４０を備える。

【0021】

動力源２１０は、例えばディーゼルエンジンである。

【0022】

ＰＴＯ２２０は、動力源２１０の駆動力の一部を、油圧ポンプ２４０に伝達する。つまり、ＰＴＯ２２０は、動力源２１０の駆動力を、動力伝達装置２３０および油圧ポンプ２４０に分配する。

【0023】

動力伝達装置２３０は、動力源２１０の駆動力を走行装置１２０に伝達する。動力伝達装置２３０は、例えば、ＨＳＴ（Hydro Static Transmission）であってもよい。或いは、動力伝達装置２３０は、例えば、トルクコンバーター、或いは複数の変速ギアを有するトランスミッション、或いはＨＭＴ（Hydraulic Mechanical Transmission）、或いは、発電機と駆動用電動モータとを組み合わせた電動式伝達装置であってもよい。

【0024】

油圧ポンプ２４０は、動力源２１０によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ２４０から吐出された作動油は、制御弁３３０を介してリフトシリンダ１３３及びピッチシリンダ１３４に供給される。制御弁３３０は、油圧ポンプ２４０から吐出された作動油の流量を制御する。

【0025】

《制御システム３００》
制御システム３００は、操作装置３１０と、コントローラ３２０と、制御弁３３０とを備える。

【0026】

操作装置３１０は、作業機１３０及び走行装置１２０を操作するための装置である。操作装置３１０は、運転室１４０に配置されている。操作装置３１０は、作業機１３０及び走行装置１２０を駆動するためのオペレータによる操作を受け付け、操作に応じた操作信号を出力する。操作装置３１０は、例えば、操作レバー、ペダル、スイッチ等を含む。

【0027】

操作装置３１０は、ブレード１３２のピッチを制御するためのピッチ操作スイッチ３１２を含む。ピッチ操作スイッチ３１２は例えば、ピッチダンプ位置とピッチバック位置とに操作可能なモーメンタリスイッチである。ピッチ操作スイッチ３１２の操作信号は、コントローラ３２０に出力される。コントローラ３２０は、ピッチ操作スイッチ３１２からの操作信号に応答して、ブレード１３２をリフトフレーム１３１に対して軸線Ｘ２を中心に回動するようにピッチシリンダ１３４を制御するための指令信号を制御弁３３０へ出力する。コントローラ３２０は、ピッチ操作スイッチ３１２の操作位置がピッチダンプ位置であるときには、ブレード１３２が車体前方へ傾斜するように、制御弁３３０を制御する。コントローラ３２０は、ピッチ操作スイッチ３１２の操作位置がピッチバック位置であるときには、ブレード１３２が車体後方へ傾斜するように、制御弁３３０を制御する。なお、ピッチ操作スイッチ３１２は、ピッチダンプ操作信号およびピッチバック操作信号をそれぞれ出力する２つの押し釦で構成されてもよい。

【0028】

コントローラ３２０は、作業車両１００を制御する。コントローラ３２０は、後述するプログラムにより、施工現場の現況地形と、最終設計面と、各種センサの計測値とに基づいて作業機１３０を自動制御する。

【0029】

制御弁３３０は、比例制御弁であり、コントローラ３２０からの指令信号によって制御される。制御弁３３０は、リフトシリンダ１３３やピッチシリンダ１３４などの油圧アクチュエータと、油圧ポンプ２４０との間に配置される。制御弁３３０は、油圧ポンプ２４０からリフトシリンダ１３３およびピッチシリンダ１３４へ供給される作動油の流量を制御する。コントローラ３２０は、上述した操作装置３１０の操作に応じてブレード１３２が動作するように、制御弁３３０への指令信号を生成する。これにより、リフトシリンダ１３３およびピッチシリンダ１３４が、操作装置３１０の操作量に応じて制御される。なお、制御弁３３０は、圧力比例制御弁であってもよい。或いは、制御弁３３０は、電磁比例制御弁であってもよい。

【0030】

制御システム３００は、ストロークセンサ１３３ｓを備える。ストロークセンサ１３３ｓは、リフトシリンダ１３３のストローク量を検出する。ストロークセンサ１３３ｓが検出するストローク量を用いることで、車体１１０を基準としたローカル座標系である車体座標系における刃先１３２ｅの位置を算出することができる。具体的には、コントローラ３２０は、リフトシリンダ１３３のストローク量に基づいて、リフトフレーム１３１の回転角を算出する。リフトフレーム１３１およびブレード１３２の寸法は既知であるため、リフトフレーム１３１の回転角から、ブレード１３２の刃先１３２ｅの位置を特定することができる。なお、他の実施形態に係る作業車両１００は、エンコーダ等の他のセンサで回転角を検出してもよい。

【0031】

図３に示すように、制御システム３００は、位置検出装置３４０を備えている。位置検出装置３４０は、作業車両１００の位置を測定する。位置検出装置３４０は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）レシーバ３４１と、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）３４２とを有する。ＧＮＳＳレシーバ３４１は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）用の受信機である。ＧＮＳＳレシーバ３４１のアンテナは、例えば、運転室１４０上に取り付けられる。ＧＮＳＳレシーバ３４１は、衛星より測位信号を受信し、測位信号によりアンテナの位置を演算して車両位置データを生成する。ＧＮＳＳレシーバ３４１は、作業車両１００の位置データをコントローラ３２０に出力する。

【0032】

ＩＭＵ３４２は、車体傾斜角データと車体加速度データを取得する。車体傾斜角データは、車両前後方向の水平に対する角度（ピッチ角）、および車両横方向の水平に対する角度（ロール角）を含む。車体加速度データは、作業車両１００の加速度を含む。ＩＭＵ３４２は、車体傾斜角データ及び車体加速度データをコントローラへ出力する。コントローラ３２０は、車体加速度データにより、作業車両１００の進行方向と車速とを得る。

【0033】

図４は、第１の実施形態に係る作業車両１００のコントローラ３２０の構成を示す概略ブロック図である。コントローラ３２０は、プロセッサ３２１、メインメモリ３２２、ストレージ３２３、インタフェース３２４を備えるコンピュータである。プロセッサ３２１は、プログラムを実行することで、作業機１３０の動作を演算処理する。

【0034】

メインメモリ３２２は、設計地形データと作業現場地形データとを記憶している。設計地形データは、最終設計地形を示す。最終設計地形は、作業現場の表面の最終的な目標形状である。設計地形データは、例えば、三次元データ形式の土木施工図である。作業現場地形データは、作業現場の現況の地形を示す。作業現場地形データは、例えば、三次元データ形式の現況地形測量図である。作業現場地形データは、例えば、航空レーザ測量で得ることができる。

【0035】

ストレージ３２３は、一時的でない有形の記憶媒体である。ストレージ３２３の例としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ３２３は、コントローラ３２０のバス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３２４または通信回線を介してコントローラ３２０に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ３２３は、作業車両１００を制御するためのプログラムを記憶する。

【0036】

なお、他の実施形態においては、コントローラ３２０は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサ３２１によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。

【0037】

《作業車両１００の動作》
以下、コントローラ３２０によって実行される、掘削における作業機１３０の制御について説明する。図５は、第１の実施形態に係る作業機１３０の制御の処理を示すフローチャートである。作業車両１００の作業開始時において、ブレード１３２の姿勢は掘削姿勢をとる。

【0038】

図５に示すように、ステップＳ１では、コントローラ３２０は、位置検出装置３４０から現在位置データを取得する。

【0039】

ステップＳ２では、コントローラ３２０は、施工現場の設計地形データを取得する。図６に示すように、設計地形データは、作業車両１００の進行方向において、複数の参照点での最終設計地形６０の高さＺｄｅｓｉｇｎを含む。複数の参照点は、作業車両１００の進行方向に沿う所定間隔ごとの複数地点を示す。複数の参照点は、ブレード１３２の進行パス上にある。なお、図６では、最終設計地形６０は、水平方向に平行な平坦な形状であるが、これと異なる形状であってもよい。設計地形データは、インタフェース３２４を介して取得されてもよいし、外部記憶装置を介して取得されてもよいし、ネットワークを介して接続される他の装置から取得されてもよい。コントローラ３２０は、設計地形データをメインメモリ３２２に記憶させる。

【0040】

ステップＳ３では、コントローラ３２０は、施工現場の現況地形データを取得する。コントローラ３２０は、メインメモリ３２２より得られる作業現場地形データと、位置検出装置３４０より得られる車体の位置データ及び進行方向データから演算により、現況地形データを取得する。現況地形データは、作業車両１００の進行方向に位置する地形を示す情報である。図６は、現況地形５０の断面を示す。なお、図６において、縦軸は、地形の高さを示しており、横軸は、作業車両１００の進行方向における現在位置からの距離を示している。

【0041】

ステップＳ４では、コントローラ３２０は、作業開始位置を取得する。例えば、コントローラ３２０は、ストロークセンサ１３３ｓの計測値及び位置検出装置３４０の計測値に基づいて現場座標系におけるブレード１３２の刃先１３２ｅの位置を算出し、刃先１３２ｅの位置が現況地形の高さを最初に下回ったときの位置を掘削開始位置として取得する。ただし、コントローラ３２０は、他の方法によって、掘削開始位置を取得してもよい。例えば、コントローラ３２０は、作業機操作装置３１１の操作に基づいて、掘削開始位置を取得してもよい。例えば、コントローラ３２０は、ボタン、或いは、タッチパネルによる画面操作などの操作に基づいて、掘削開始位置を取得してもよい。

【0042】

ステップＳ５では、コントローラ３２０は、作業車両１００の移動量を取得する。コントローラ３２０は、ブレード１３２の進行パスにおいて掘削開始位置から現在位置まで進んだ距離を、移動量として取得する。作業車両１００の移動量は、車体１１０の移動量であってもよい。或いは、作業車両１００の移動量は、刃先１３２ｅの移動量であってもよい。

【0043】

ステップＳ６では、コントローラ３２０は、目標設計地形データを決定する。目標設計地形データは、図６に破線で記載された目標設計地形７０を示す。目標設計地形７０は、作業におけるブレード１３２の刃先１３２ｅの望まれる軌跡を示す。目標設計地形７０は、掘削作業の結果として望まれる地形プロファイルである。図６に示すように、コントローラ３２０は、現況地形５０から、変位距離ΔＺ、下方に変位した目標設計地形７０を決定する。変位距離ΔＺは、各参照点での鉛直方向における目標変位である。本実施形態において、変位距離ΔＺは、各参照点での目標深さであり、現況地形５０の下方におけるブレード１３２の目標位置を示す。ブレード１３２の目標位置とは、ブレード１３２の刃先１３２ｅの位置を意味する。言い換えれば、変位距離ΔＺは、ブレード１３２によって掘削される単位移動量当たりの土量を示す。従って、目標設計地形データは、複数の参照点と複数の目標土量との関係を示す。なお、コントローラ３２０は、最終設計地形６０を下方に越えないように、目標設計地形７０を決定する。従って、コントローラ３２０は、目標高さを最終設計地形６０以上、且つ、現況地形５０より下方に位置する目標設計地形７０を決定する。

【0044】

詳細には、コントローラ３２０は、以下の数１式により、目標設計地形７０の高さＺを決定する。
［数１］
Ｚ ＝ Ｚｍ － ΔＺ
ΔＺ ＝ ｔ１ ＊ ｔ２ ＊ Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔ

【0045】

Ｚｍ（ｍ ＝ １，・・・，ｎ）は、複数の参照点での現況地形５０の高さＺ０～Ｚｎである。ΔＺは変位距離であり、図６では掘削深さを示す。ｔ１は、作業車両が利用可能な牽引力の大きさを示す牽引力データに基づく倍率である。

【0046】

ｔ２は、ブレード仕様データによる倍率である。ブレード仕様データは、選択されたブレードの仕様に応じて決定される。

【0047】

Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔは、作業車両１００の移動量に応じて決定される目標変位である。目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔは、ブレード１３２への負荷に関係する目標負荷パラメータの一例である。目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔは、地表からのブレード１３２の高さ方向（鉛直方向）の変位量を示す。図７は、目標変位データＣの一例を示す図である。目標変位データＣは、ブレード１３２の地表から鉛直下方向への掘削深さ（目標変位）Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを、作業車両１００の水平方向の移動量ｎの従属変数として示す。作業車両１００の水平方向の移動量ｎは、ブレード１３２の水平方向の移動量と実質的に同じ値である。コントローラ３２０は、図７に示す目標変位データＣを参照して、作業車両１００の移動量ｎから、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを決定する。

【0048】

図７に示すように、目標変位データＣは作業車両１００の移動量ｎと、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔと、の関係を規定する。目標変位データＣは、メインメモリ３２２に記憶されている。以降は説明を簡単にするため、ｔ１とｔ２の値を１として変位距離ΔＺは目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔに等しいとする。

【0049】

図７に示すように、目標変位データＣは、開始時データｃ１と、掘削時データｃ２と、移行時データｃ３と、運土時データｃ４とを含む。開始時データｃ１は、掘削開始領域での移動量ｎと目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔとの関係を規定する。掘削開始領域は、掘削開始点Ｓから定常掘削開始点Ｄまでの領域である。開始時データｃ１で示されるように、掘削開始領域では、移動量ｎの増大に応じて徐々に増大する目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔが規定される。開始時データｃ１は、移動量ｎに対して線的に増加する目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを規定する。

【0050】

掘削時データｃ２は、掘削領域での移動量ｎと目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔとの関係を規定する。掘削領域は、定常掘削開始点Ｄから運土移行開始点Ｔまでの領域である。掘削時データｃ２で示されるように、掘削領域では、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔは、一定値に規定される。掘削時データｃ２は、移動量ｎに対して一定の目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを規定する。

【0051】

移行時データｃ３は、運土移行領域での移動量ｎと目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔとの関係を規定する。運土移行領域は、運土移行開始点Ｔから運土開始点Ｐまでの領域である。移行時データｃ３で示されるように、運土移行領域では、移動量ｎの増大に応じて徐々に減少する目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔが規定される。移行時データｃ３は、移動量ｎに対して線的に減少する目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを規定する。

【0052】

運土時データｃ４は、運土領域での移動量ｎと目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔとの関係を規定する。運土領域は、運土開始点Ｐから開始される領域である。運土時データｃ４に示されるように、運土領域では、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔは一定値に規定される。運土時データｃ４は、移動量ｎに対して一定の目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを規定する。

【0053】

詳細には、掘削領域は、第１開始値ｂ１から開始され、第１終了値ｂ２で終了する。運土領域は、第２開始値ｂ３から開始される。第１終了値ｂ２は、第２開始値ｂ３よりも小さい。従って、掘削領域は、運土領域よりも、移動量ｎが小さいときに開始される。掘削領域での目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔは、第１目標値ａ１で一定である。運土領域での目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔは、第２目標値ａ２で一定である。第１目標値ａ１は、第２目標値ａ２よりも大きい。従って、掘削領域では運土領域よりも大きな変位距離ΔＺが規定される。

【0054】

掘削開始位置での目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔは、開始値ａ０である。開始値ａ０は、第１目標値ａ１よりも小さい。図７に示す例では、開始目標値ａ０は、第２目標値ａ２よりも小さい。

【0055】

図８は、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔの決定処理を示すフローチャートである。説明を簡単にするため、以下に説明する決定処理では、作業車両１００の走行は前進のみであるものとする。決定処理は、走行装置１２０を操作するための操作装置３１０が前進の位置に移動すると開始される。ステップＳ２０１では、コントローラ３２０は、移動量ｎが０以上、且つ、第１開始値ｂ１未満であるか判定する。移動量ｎが０以上、且つ、第１開始値ｂ１未満であるときには、ステップＳ２０２において、コントローラ３２０は、移動量ｎの増大に応じて、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを開始値ａ０から徐々に増大させる。

【0056】

開始値ａ０は、定数であり、メインメモリ３２２に記憶されている。開始値ａ０は、掘削開始時にブレード１３２への負荷が過剰に大きくならない程度に小さな値であることが好ましい。第１開始値ｂ１は、図７に示す掘削開始領域での傾きｃ１、開始値ａ０、及び第１目標値ａ１から演算により求められる。傾きｃ１は、定数であり、メインメモリ３２２に記憶されている。傾きｃ１は、掘削開始から掘削作業に迅速に移行可能であると共に、ブレード１３２への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

【0057】

ステップＳ２０３では、コントローラ３２０は、移動量ｎが、第１開始値ｂ１以上、且つ、第１終了値ｂ２未満であるか判定する。移動量ｎが、第１開始値ｂ１以上、且つ、第１終了値ｂ２未満であるときには、ステップＳ２０４において、コントローラ３２０は、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを第１目標値ａ１に設定する。第１目標値ａ１は、定数であり、メインメモリ３２２に記憶されている。第１目標値ａ１は、効率よく掘削を行うことができると共に、ブレード１３２への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

【0058】

ステップＳ２０５では、コントローラ３２０は、移動量ｎが、第１終了値ｂ２以上、且つ、第２開始値ｂ３未満であるか判定する。移動量ｎが、第１終了値ｂ２以上、且つ、第２開始値ｂ３未満であるときには、ステップＳ２０６において、コントローラ３２０は、移動量ｎの増大に応じて、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを第１目標値ａ１から徐々に低減させる。

【0059】

第１終了値ｂ２は、ブレード１３２の現在の保有土量が、所定の閾値を越えるときの移動量である。従って、ブレード１３２の現在の保有土量が、所定の閾値を越えたときに、コントローラ３２０は、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを第１目標値ａ１から低減させる。所定の閾値は、例えばブレード１３２の最大容量に基づいて決定される。例えば、ブレード１３２の現在の保有土量は、ブレード１３２への負荷が測定され、当該負荷から演算により決定されてもよい。或いは、ブレード１３２の画像がカメラによって取得され、当該画像を分析することによって、ブレード１３２の現在の保有土量が算出されてもよい。或いは、ブレード１３２の点群データがスキャナによって取得され、当該点群データを分析することによって、ブレード１３２の現在の保有土量が算出されてもよい。

【0060】

なお、作業開始時には、第１終了値ｂ２として、所定の初期値が設定される。作業開始後には、ブレード１３２の保有土量が所定の閾値を越えたときの移動量が更新値として記憶され、第１終了値ｂ２は記憶された更新値に基づいて更新される。

【0061】

ステップＳ２０７では、コントローラ３２０は、移動量ｎが、第２開始値ｂ３以上であるか判定する。移動量ｎが、第２開始値ｂ３以上であるときには、ステップＳ２０８において、コントローラ３２０は、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔを第２目標値ａ２に設定する。

【0062】

第２目標値ａ２は、定数であり、メインメモリ３２２に記憶されている。第２目標値ａ２は、運土作業に適した値に設定されることが好ましい。例えば、運土領域での目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔが０となるように、第２目標値ａ２を設定してもよい。すなわち、第２目標値ａ２は初期目標値ａ０以下の値であってよい。第２開始値ｂ３は、図７に示す運土移行領域での傾きｃ３、第１目標値ａ１、及び第２目標値ａ２から演算により求められる。傾きｃ３は、定数であり、メインメモリ３２２に記憶されている。傾きｃ３は、掘削作業から運土作業に迅速に移行可能であると共に、ブレード１３２への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

【0063】

なお、開始値ａ０、第１目標値ａ１、及び第２目標値ａ２は、作業車両１００の状況等に応じて変更されてもよい。第１開始値ｂ１、第１終了値ｂ２、及び第２開始値ｂ３は、定数としてメインメモリ３２２に記憶されてもよい。

【0064】

以上のように、目標変位Ｚ＿ｏｆｆｓｅｔが決定されることで、目標設計地形７０の高さＺが決定される。

【0065】

ステップＳ７では、コントローラ３２０は、目標設計地形７０に向って作業機１３０を制御する。ここでは、コントローラ３２０は、ステップＳ６で作成した目標設計地形７０に向ってブレード１３２の刃先１３２ｅの位置が移動するように、作業機１３０への指令信号を生成する。生成された指令信号は、制御弁３３０に入力される。それにより、ブレード１３２の刃先１３２ｅが目標設計地形７０に沿って移動する。

【0066】

上述した掘削領域では、現況地形５０と目標設計地形７０との間の変位距離ΔＺが、他の領域と比べて大きい。これにより、掘削領域では、現況地形５０の掘削作業が行われる。運土領域では、現況地形５０と目標設計地形７０との間の変位距離ΔＺが他の領域と比べて小さい。これにより、運土領域では、地面の掘削が控えられ、ブレード１３２に保持されている土砂が運搬される。

【0067】

ステップＳ８では、コントローラ３２０は、ステップＳ５で取得した移動量に基づいて、作業車両１００が切換え点に到達した、またはオペレータによってピッチ操作スイッチ３１２をビッチバック位置に一定時間継続して操作されたかを判定する。切換え点は、掘削開始点から第１距離だけ離れた点、第２距離だけ離れた点、及び掘削開始点から第３距離だけ離れた点のいずれかである。切換え点は、オペレータによって適宜選択できる。図７に示すように、掘削開始点から第１距離だけ離れた点は、定常掘削開始点Ｄに相当する。また、掘削開始点から第２距離だけ離れた点は、運土移行開始点Ｔに相当する。また、掘削開始点から第３距離だけ離れた点は、運土開始点Ｐに相当する。判定基準位置は、車体１１０の重心位置又は刃先１３２ｅの位置である。

【0068】

判定基準位置が切換え点に到達しておらず、かつピッチ操作スイッチ３１２がビッチバック位置へ一定時間継続して操作されていない場合（ステップＳ８：ＮＯ）、ステップＳ９において、コントローラ３２０は、目標設計地形７０に向って作業機１３０を制御する。ここでは、ステップＳ６で作成した目標設計地形７０に向ってブレード１３２の刃先１３２ｅの位置が移動するように、作業機１３０への指令信号を生成する。生成された指令信号は、制御弁３３０に入力される。それにより、作業機１３０の刃先１３２ｅの位置が目標設計地形７０に沿って移動する。

【0069】

他方、判定基準位置が切換え点に到達し、またはピッチ操作スイッチ３１２がビッチバック位置へ一定時間継続して操作された場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、ステップＳ１０において、コントローラ３２０は、ブレード１３２が運土姿勢になるように作業機１３０への指令信号を生成する。ここでは、ブレード１３２が運土姿勢となるようにピッチシリンダ１３４を制御する指令信号を生成する。例えば、運土姿勢はブレード１３２を車体後方へ最大限傾斜させた姿勢であるため、コントローラ３２０は、油圧ポンプ２４０の吐出圧力がピッチシリンダ１３４のリリーフ圧以上となってから所定時間が経過するまで指令信号を制御弁３３０へ出力すればよい。

【0070】

ステップＳ１１では、コントローラ３２０は、目標設計地形７０に向かってリフトシリンダ１３３を制御する。図９は、第１の実施形態に係るブレードの高さの変動を示す図である。状態ＳＴ＿Ａは、ブレード１３２を掘削姿勢にさせて刃先１３２ｅを基準高さＨ０に合わせた状態を示す。作業車両１００は、状態ＳＴ＿Ａにおいて、ブレード１３２がピッチダンプするようにピッチシリンダ１３４を伸長させると、軸線Ｘ２を中心にブレード１３２が回動し、刃先１３２ｅの高さが基準高さＨ０よりも低い状態状態ＳＴ＿Ｂとなる。

【0071】

作業車両１００は、状態ＳＴ＿Ａにおいて、ブレード１３２がピッチバックするようにピッチシリンダ１３４を縮小させると、軸線Ｘ２を中心にブレード１３２が回動し、刃先１３２ｅの高さが基準高さＨ０よりも高い状態ＳＴ＿Ｃとなる。したがって、ステップＳ１１では、コントローラ３２０は、ピッチシリンダ１３４の駆動による刃先高さの変動を相殺しつつ、目標設計地形７０に向かってブレード１３２の刃先１３２ｅの位置が移動するように、リフトシリンダ１３３への制御信号を生成する。なお、ピッチシリンダ１３４の駆動による刃先高さの変動量は、作業機１３０の寸法データにより特定することが出来る。

【0072】

ステップＳ１２では、コントローラ３２０は、作業現場地形データを更新する。コントローラ３２０は、刃先１３２ｅの最新の軌跡を示す位置データを、現況地形データとして取得し、取得した現況地形データによって作業現場地形データを更新する。或いは、コントローラ３２０は、車体位置データと車体寸法データとから履帯１２１の底面の位置を算出し、履帯１２１の底面の軌跡を示す位置データを現況地形データとして取得してもよい。この場合、作業地形データの更新は即時に行うことができる。

【0073】

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係るコントローラ３２０は、作業開始位置からの作業車両の移動量に応じた作業機の高さの目標変位を示す目標変位データを参照して切換え点を決定する。また、作業車両１００が切換え点に到達したか否かを判定し、作業車両１００が切換え点に到達したと判定した場合に、作業機１３０を車体後方へ傾斜させる。これによりコントローラ３２０は掘削作業から運土作業への移行時に自動的にブレード１３２のピッチ操作を行うため、オペレータの作業負担を軽減することができる。また、コントローラ３２０は、ブレード１３２のピッチを制御すると共に、ブレード１３２の高さも制御することで、掘削作業から運土作業への移行時に土こぼれが生じることを防ぐことができる。また、コントローラ３２０は、最適なタイミングでブレード１３２のピッチ角を変化させることで、運土時の土量を最大化し、作業効率を向上させることができる。

【0074】

また、第１の実施形態によれば、切換え点を、掘削開始点から第１距離だけ離れた点とするか、掘削開始点から第２距離だけ離れた点とするか、掘削開始点から第３距離だけ離れた点とするか、及び判定基準位置をブレード１３２の刃先１３２ｅとするか車体１１０の重心とするかは、オペレータによって設定される。これにより、オペレータは、ブレード１３２のピッチ角の制御タイミングが作業対象の土質やオペレータの操作感に適するように、設定することができる。例えば、土質によっては、ブレード１３２をリフトアップするときにブレード１３２が掘削姿勢のままであると、ブレード１３２が作業対象に押し付けられ、掘削が効率よく行われない場合がある。このような場合には、切換え点を掘削開始点から第２距離だけ離れた点とし、判定基準位置をブレード１３２の刃先１３２ｅとすることで、適切なタイミングでブレード１３２のピッチ角を制御することができる。なお、他の実施形態においては、切換え点が掘削開始点から第１距離だけ離れた点又は掘削開始点から第２距離だけ離れた点又は掘削開始点から第３距離だけ離れた点に予め設定され、かつ判定基準位置がブレード１３２の刃先１３２ｅ又は車体１１０の重心に予め設定されることで、オペレータによる設定を受け付けないものであってもよい。

【0075】

〈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。

【0076】

上述した実施形態に係るコントローラ３２０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、コントローラ３２０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コントローラ３２０として機能するものであってもよい。例えば、図１０に示すように、コントローラ３２０は、作業車両１００の外部に配置されるリモートコントローラ３５０と、作業車両１００に搭載される車載コントローラ３６０とを含んでもよい。リモートコントローラ３５０と車載コントローラ３６０とは通信装置３８０、３９０を介して無線により通信可能であってもよい。そして、上述したコントローラ３２０の機能の一部がリモートコントローラ３５０によって実行され、残りの機能が車載コントローラ３６０によって実行されてもよい。例えば、目標設計地形７０を決定する処理がリモートコントローラ３５０によって実行され、作業機１３０への指令信号を出力する処理が車載コントローラ３６０によって実行されてもよい。

【0077】

或いは、操作装置３１０は、作業車両１００の外部に配置されてもよい。その場合、運転室は、作業車両１００から省略されてもよい。或いは、操作装置３１０が作業車両１００から省略されてもよい。操作装置３１０による操作無しで、コントローラ３２０による自動制御のみによって作業車両１００が操作されてもよい。

【0078】

或いは、図１１に示すように、現況地形データは、作業車両１００の外部の測量装置４００によって計測された測量データから生成されてもよい。外部の測量装置として、例えば、航空レーザ測量を用いてよい。或いは、カメラによって現況地形５０を撮影し、カメラによって得られた画像データから現況地形データが生成されてもよい。例えば、ＵＡＶ(Unmanned Aerial Vehicle)による空撮測量を用いてよい。外部の測量装置又はカメラの場合、作業現場地形データの更新は、所定周期ごと、あるいは随時に行われてもよい。

【0079】

上述した実施形態に係るコントローラ３２０は、掘削開始時に目標設計地形を作成し、刃先１３２ｅが当該目標設計地形に沿うように制御するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係るコントローラ３２０は、目標設計地形を作成せず、一定タイミング毎に目標変位関数に基づいて走行距離から目標変位を計算し、都度目標高さを計算してもよい。

【0080】

上述した実施形態に係る作業車両１００はブルドーザであるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る作業車両１００はモータグレーダであってもよい。

【符号の説明】

【0081】

１００…作業車両 １１０…車体 １２０…走行装置 １２１…履帯 １２２…スプロケット １２３…回転センサ １２４…アイドラ １３０…作業機 １３１…リフトフレーム １３２…ブレード １３２ｅ…刃先 １３３…リフトシリンダ １３３ｓ…ストロークセンサ １３４…ピッチシリンダ １４０…運転室 ２１０…動力源 ２２０…ＰＴＯ ２３０…動力伝達装置 ２４０…油圧ポンプ ３１０…操作装置 ３１１…作業機操作装置 ３１２…ピッチ操作スイッチ ３２０…コントローラ ３２１…プロセッサ ３２２…メインメモリ ３２３…ストレージ ３２４…インタフェース ３３０…制御弁 ３４１…ＧＮＳＳレシーバ ３４２…ＩＭＵ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】