特開 2024-48983 作業機械の自動制御システム

(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】P2024048983

(43)【公開日】2024-04-09

(54)【発明の名称】作業機械の自動制御システム

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/20 20060101AFI20240402BHJP

   E02F 9/26 20060101ALI20240402BHJP

【ＦＩ】

E02F9/20 Q

E02F9/20 M

E02F9/26 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022155191

(22)【出願日】2022-09-28

(71)【出願人】

【識別番号】000005522

【氏名又は名称】日立建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊東 勝道

(72)【発明者】

【氏名】山本 慎二郎

(72)【発明者】

【氏名】石井 宏紀

(72)【発明者】

【氏名】辺見 森象

【テーマコード（参考）】

2D003

2D015

【Ｆターム（参考）】

2D003AA01

2D003AB03

2D003AB04

2D003AC09

2D003BA02

2D003BA03

2D003BB04

2D003CA02

2D003DA02

2D003DA04

2D003DB02

2D003DB04

2D003DB05

2D003FA02

2D015HA03

2D015HB04

2D015HB05

(57)【要約】

【課題】作業機械の自動運転（自動制御）による作業性を向上させる作業機械の自動制御システムを提供する。
【解決手段】自動運転の動作軌道を計画する際に、作業対象の地形が変化するか否かの予想地形データが存在する場合は予想地形データに基づいて動作計画を行い、予想地形データが存在しない場合は現況地形データに基づいて動作計画を行う。
【選択図】図１１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のアクチュエータによって駆動する複数の被駆動部材を有する作業機械と、
前記作業機械を制御する制御装置と、
地形データを管理する地形データ管理装置と、を備える作業機械の自動制御システムにおいて、
前記制御装置は、前記地形データに基づいて前記作業機械の動作軌道を計画する動作軌道計画部を備え、
前記動作軌道計画部は、前記動作軌道によって地形がいつどのように変化するかを示した予想地形データを作成して前記地形データ管理装置へ通知し、
前記動作軌道計画部は、前記作業機械の次の動作軌道を計画する際に、前記地形データ管理装置へ通知された前記予想地形データに基づいて、動作を行う時刻に作業を行う範囲の地形が変化するか否かを確認し、地形が変化する場合は前記予想地形データに基づいて前記作業機械の動作軌道を計画することを特徴とする作業機械の自動制御システム。

【請求項2】

請求項１に記載の作業機械の自動制御システムにおいて、
前記動作軌道計画部は、前記動作軌道によって地形が変化するか否かを判定し、地形が変化すると判定される場合、前記予想地形データを作成して前記地形データ管理装置へ通知することを特徴とする作業機械の自動制御システム。

【請求項3】

請求項１に記載の作業機械の自動制御システムにおいて、
前記動作軌道計画部は、前記作業機械の次の動作軌道を計画する際に、前記地形データ管理装置に、動作を行う時刻に作業を行う範囲の予想地形データが有るか否かを確認し、前記予想地形データが有る場合は、前記予想地形データに基づいて前記作業機械の動作軌道を計画することを特徴とする作業機械の自動制御システム。

【請求項4】

請求項１に記載の作業機械の自動制御システムにおいて、
前記動作軌道計画部は、前記作業機械の次の動作軌道を計画する際に、前記地形データ管理装置に、動作を行う時刻に作業を行う範囲の予想地形データが有るか否かを確認し、前記予想地形データが無い場合は、地形計測装置により計測された現況地形データに基づいて前記作業機械の動作軌道を計画することを特徴とする作業機械の自動制御システム。

【請求項5】

請求項１に記載の作業機械の自動制御システムにおいて、
前記予想地形データを作成して前記地形データ管理装置へ通知する前記動作軌道計画部と、前記地形データ管理装置へ通知された前記予想地形データに基づいて前記作業機械の動作軌道を計画する前記動作軌道計画部とが、別の作業機械に搭載されたものであることを特徴とする作業機械の自動制御システム。

【請求項6】

請求項１に記載の作業機械の自動制御システムにおいて、
前記地形データ管理装置は、前記地形が変化する予想時刻を過ぎた前記予想地形データを削除することを特徴とする作業機械の自動制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、作業機械の自動制御システムに関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、走行する走行体と、走行体の上部に旋回自在に設けられた上部旋回体を有する油圧ショベル等の作業機械がある。

【0003】

特許文献１では、地形を考慮して掘削位置を決定するという油圧ショベルの自動化に関する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－０２０１５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の従来技術によれば、地形を計測して、計測された地形データに基づいて掘削位置を決定するため、効率的に作業ができる。

【0006】

一方、例えば図１４に示すように、油圧ショベル３００が掘削した土砂を領域３１０に放土し、油圧ショベル３０１が領域３１０の土砂を掘削して運搬機３０２に積み込む、といった、複数の油圧ショベルが土砂を受け渡しながら、掘削を行う場合がある。

【0007】

この場合、特許文献１の従来技術のように、油圧ショベル３０１が領域３１０の土砂の地形を計測して掘削開始位置を決定したとしても、油圧ショベル３００が領域３１０に土砂を放土するため、油圧ショベル３０１が掘削を開始する時点で領域３１０内の土砂形状が計測した土砂形状から変化し、計画した時点での掘削開始位置で掘削すると、作業性が悪化してしまう可能性がある。

【0008】

本発明は、上記如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的としてなされたものであり、作業機械の自動運転（自動制御）について効率よく作業を行うことができる作業機械の自動制御システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明の作業機械の自動制御システムは、複数のアクチュエータによって駆動する複数の被駆動部材を有する作業機械と、前記作業機械を制御する制御装置と、地形データを管理する地形データ管理装置と、を備える作業機械の自動制御システムにおいて、前記制御装置は、前記地形データに基づいて前記作業機械の動作軌道を計画する動作軌道計画部を備え、前記動作軌道計画部は、前記動作軌道によって地形がいつどのように変化するかを示した予想地形データを作成して前記地形データ管理装置へ通知し、前記動作軌道計画部は、前記作業機械の次の動作軌道を計画する際に、前記地形データ管理装置へ通知された前記予想地形データに基づいて、動作を行う時刻に作業を行う範囲の地形が変化するか否かを確認し、地形が変化する場合は前記予想地形データに基づいて前記作業機械の動作軌道を計画することを特徴とする作業機械の自動制御システムである。

【発明の効果】

【0010】

本発明により、作業機械の自動運転（自動制御）について効率よく作業を行うことができる。

【0011】

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】油圧ショベルとサーバシステムの構成図。

【図2】油圧ショベルの制御コントローラを油圧駆動装置と共に示す図。

【図3】電磁弁ユニットの詳細図。

【図4A】図１の油圧ショベルにおける座標系を示す側面図。

【図4B】図１の油圧ショベルにおける座標系を示す上面図。

【図5】本実施形態の制御コントローラのハードウェア構成図。

【図6】本実施形態の制御コントローラの機能ブロック図（搭乗操作時）。

【図7】本実施形態の制御コントローラの機能ブロック図（自動制御時）。

【図8】電磁比例弁の目標制御圧と操作信号の関係を示す図。

【図9】本実施形態のサーバシステムの制御コントローラのハードウェア構成図。

【図10】本実施形態のサーバシステムの制御コントローラの機能ブロック図。

【図11】本実施形態の掘削軌道計画部７００の制御フローチャート。

【図12A】本実施形態の掘削時の予想地形算出方法を示す図。

【図12B】本実施形態の放土時の予想地形算出方法を示す図。

【図13】本実施形態の動作例のタイムチャート図。

【図14】本実施形態の動作例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。各図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付して繰り返し説明を省略する場合がある。なお、以下では、作業装置の先端の作業具（アタッチメント）としてバケット１０を備える油圧ショベルを例示するが、バケット以外の作業具を備えた油圧ショベル、油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。

【0014】

また、本稿の以下の説明では、同一の構成要素が複数存在する場合、符号（数字）の末尾にアルファベットを付すことがあるが、当該アルファベットを省略して当該複数の構成要素をまとめて表記することがある。例えば、２つのポンプ２ａ、２ｂが存在するとき、これらをまとめてポンプ２と表記することがある。

【0015】

＜油圧ショベル１の基本構成＞
図１は本発明の一実施形態に係る油圧ショベルとサーバシステムの構成図であり、図２は本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの制御コントローラを油圧駆動装置と共に示す図であり、図３は図２中の電磁弁ユニット１６０の詳細図である。

【0016】

図１において、油圧ショベル１は、多関節型のフロント作業装置１Ａと、車体１Ｂで構成されている。車体１Ｂは、左右の走行油圧モータ３ａ（図２、図３）、３ｂ（走行右油圧モータ３ａ、走行左油圧モータ３ｂ）により走行する下部走行体１１と、下部走行体１１の上に取り付けられ、旋回油圧モータ４により旋回する上部旋回体１２とからなる。

【0017】

フロント作業装置１Ａは、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム８、アーム９及びバケット１０）を連結して構成されている。ブーム８の基端は上部旋回体１２の前部においてブームピンを介して回動可能に支持されている。ブーム８の先端にはアームピンを介してアーム９が回動可能に連結されており、アーム９の先端にはバケットピンを介してバケット１０が回動可能に連結されている。ブーム８はブームシリンダ５によって駆動され、アーム９はアームシリンダ６によって駆動され、バケット１０はバケットシリンダ７によって駆動される。

【0018】

ブーム８、アーム９、バケット１０の回動角度α、β、γ（図４Ａ参照）を測定可能なように、ブームピンにブーム角度センサ３０、アームピンにアーム角度センサ３１、バケットリンク１３にバケット角度センサ３２が取り付けられ、上部旋回体１２には基準面（例えば水平面）に対する上部旋回体１２（車体１Ｂ）の傾斜角φ（図４Ａ参照）を検出する車体傾斜角センサ３３が取り付けられている。なお、角度センサ３０、３１、３２はそれぞれ基準面（例えば水平面）に対する角度センサに代替可能である。

【0019】

上部旋回体１２と下部走行体１１の相対角度θ（図４Ａ、Ｂ参照）を測定可能なように、旋回中心軸（旋回軸とも称する）に旋回角度センサ３４が取り付けられている。

【0020】

上部旋回体１２に設けられた運転室１２０内には、走行右油圧モータ３ａ（下部走行体１１）を操作するための走行右レバー２３ａと、走行左油圧モータ３ｂ（下部走行体１１）を操作するための走行左レバー２３ｂと、ブームシリンダ５（ブーム８）及びバケットシリンダ７（バケット１０）を操作するための操作右レバー２２ａと、アームシリンダ６（アーム９）及び旋回油圧モータ４（上部旋回体１２）を操作するための操作左レバー２２ｂが設置されている。以下では、走行右レバー２３ａ、走行左レバー２３ｂ、操作右レバー２２ａおよび操作左レバー２２ｂを操作装置２２、２３と総称することがある。

【0021】

また、運転室１２０内には、エンジン回転数を設定するためのエンジン回転数設定装置４８０が設置されている。また、車体１Ｂには制御コントローラ４０が搭載されている。

【0022】

図２に示すように、上部旋回体１２に搭載された原動機であるエンジン１８は、油圧ポンプ２ａ、２ｂとパイロットポンプ４８を駆動する。油圧ポンプ２ａ、２ｂはレギュレータ２ａａ、２ｂａによって容量が制御される可変容量型ポンプであり、パイロットポンプ４８は固定容量型ポンプである。油圧ポンプ２およびパイロットポンプ４８はタンク２００より作動油を吸引する。本実施形態においては、図２に示すように、制御コントローラ４０から出力された制御信号が、レギュレータ２ａａ、２ｂａに入力される。レギュレータ２ａａ、２ｂａの詳細構成は省略するが、油圧ポンプ２ａ、２ｂの吐出流量が当該制御信号に応じて制御される。

【0023】

パイロットポンプ４８の吐出配管であるポンプライン１３０はロック弁３９を通った後、電磁弁ユニット１６０内の各電磁比例弁に接続している。ロック弁３９は本例では電磁切換弁であり、その電磁駆動部は運転室１２０（図１）に配置されたゲートロックレバー（不図示）の位置検出器と電気的に接続している。ゲートロックレバーのポジションは位置検出器で検出され、その位置検出器からロック弁３９に対してゲートロックレバーのポジションに応じた信号が入力される。ゲートロックレバーのポジションがロック位置にあれば、ロック弁３９が閉じてポンプライン１３０が遮断され、ロック解除位置にあれば、ロック弁３９が開いてポンプライン１３０が開通する。つまり、ポンプライン１３０が遮断された状態では操作装置２２、２３による操作が無効化され、走行、旋回、掘削等の動作が禁止される。

【0024】

操作装置２２、２３は、電気レバー方式であり、オペレータの操作量と操作方向に応じた電気信号を発生させる。このように発生した電気信号は制御コントローラ４０に入力され、操作装置２２、２３に入力された操作に応じた電磁弁５０～５５（図３参照）を駆動させるべく、制御コントローラ４０は電磁弁ユニット１６０に電気信号を出力する。電磁比例弁５０～５５は、入力された電気信号に応じて対応する流量制御弁１５ａ～１５ｆの油圧駆動部１５０ａ～１５５ｂにパイロットライン１４０ａ～１４５ｂを介して供給され、これら流量制御弁１５ａ～１５ｆを駆動する制御信号として利用される。

【0025】

油圧ポンプ２から吐出された圧油は、流量制御弁１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆを介して走行右油圧モータ３ａ、走行左油圧モータ３ｂ、旋回油圧モータ４、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７に供給される。供給された圧油によってブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７が伸縮することで、ブーム８、アーム９、バケット１０がそれぞれ回動し、バケット１０の位置及び姿勢が変化する。また、供給された圧油によって旋回油圧モータ４が回転することで、下部走行体１１に対して上部旋回体１２が旋回する。そして、供給された圧油によって走行右油圧モータ３ａ、走行左油圧モータ３ｂが回転することで、下部走行体１１が走行する。

【0026】

旋回油圧モータ４、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７には、そのアクチュエータ圧が検出できるように圧力センサ１６ａ～１６ｆ、１６ｋ～１６ｌが備えられる。圧力センサ１６ａ～１６ｆ、１６ｋ～１６ｌは、旋回油圧モータ４の入出力ラインそれぞれの圧力、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７のボトム側の圧力とロッド側の圧力をそれぞれ検出し、電気信号として制御コントローラ４０へ出力する（図２では圧力センサ１６ａ～１６ｆ、１６ｋ～１６ｌから制御コントローラ４０への接続線は紙面の都合上不図示）。

【0027】

走行油圧モータ３ａ、３ｂと流量制御弁１５ｅ、１５ｆの接続される流路には、走行油圧モータ３ａ、３ｂのアクチュエータ圧が検収できるように圧力センサ１６ｇ～１６ｊが備えられる。圧力センサ１６ｇ～１６ｊは、走行油圧モータ３ａ、３ｂの入出力ラインのそれぞれの圧力を検出し、電気信号として制御コントローラ４０へ出力する（図２では圧力センサ１６ｇ～１６ｊから制御コントローラ４０への接続線は紙面の都合上不図示）。

【0028】

エンジン１８は、制御コントローラ４０の制御信号に応じてエンジン１８の回転数などを制御するエンジン制御コントローラ４７０を備えている。エンジン１８は、エンジン回転数を検出するための回転センサであるエンジン回転数検出装置４９０を備えている。

【0029】

＜電磁弁ユニット１６０＞
図３に示すように、電磁弁ユニット１６０は、一次ポート側がポンプライン１３０を介してパイロットポンプ４８に接続され、パイロットポンプ４８からのパイロット圧を減圧してパイロットライン１４０ａ～１４５ｂに出力する電磁比例弁５０ａ～５５ｂを備えている。

【0030】

パイロットライン１４０ａ～１４５ｂには、電磁比例弁５０ａ～５５ｂの出力圧を検出できるように圧力センサ１７a～１７ｌを備えている。

【0031】

電磁比例弁５０ａ～５５ｂは、非通電時には開度が最小で、制御コントローラ４０からの制御信号である電流を増大させるほど開度は大きくなる。このように各電磁比例弁５０ａ～５５ｂの開度は制御コントローラ４０からの制御信号に応じたものとなる。

【0032】

電磁比例弁５４ａ、５５ａは走行油圧モータ３を下部走行体１１が前進する方向に駆動させ、電磁比例弁５４ｂ、５５ｂは走行油圧モータ３を下部走行体１１が後進する方向に駆動させる。

【0033】

上記のように構成される電磁弁ユニット１６０において、制御コントローラ４０から制御信号を出力して電磁比例弁５０ａ～５５ｂを駆動すると、対応する操作装置２２、２３のオペレータ操作が無い場合にもパイロット圧を発生できるので、各アクチュエータ（３～７）の動作を強制的に発生できる。

【0034】

ここで、油圧ショベルに設定される油圧ショベル座標系について説明する。図４Ａ、Ｂは、ショベル座標系について説明する図であり、図４Ａは側面図を、図４Ｂは上面図をそれぞれ示している。

【0035】

図４Ａ、Ｂに示すように、本実施形態においては、油圧ショベル１に対して、ショベル座標系を定義する。ショベル座標系は、下部走行体１１に対して固定のＸＹＺ座標系であり、上部旋回体１２の旋回中心軸に沿う方向に旋回中心点を通って上方を正とするＺ軸と、下部走行体１１に対して上部旋回体１２が正面を向いた姿勢のときに、フロント作業装置１Ａの稼働する平面に沿う方向であってＺ軸に垂直にブームの基端を通って前方を正とするＸ軸と、Ｚ軸とＸ軸の交点を通り、右手座標系となるように図４Ａ紙面手前方向を正とするＹ軸とを有する車体座標系を設定する。

【0036】

また、Ｘ軸とＺ軸の交点（原点Ｏ）からブーム基端までの距離をＬ０、ブーム８の長さ（両端の連結部の間の直線距離）をＬ１、アーム９の長さ（両端の連結部の間の直線距離）をＬ２、バケット１０の長さ（アームとの連結部と爪先の間の直線距離）をＬ３とし、ブーム８とＸＹ平面との成す角（長さ方向の直線とＸＹ平面との相対角度）を回動角度α、アーム９とブーム８との成す角（長さ方向の直線の相対角度）を回動角度β、バケット１０とアーム９との成す角（長さ方向の直線の相対角度）を回動角度γ、下部走行体１１と上部旋回体１２の成す角（Ｚ軸上方からＸＹ平面を俯瞰したときのフロント作業装置１Ａの中心線とＸ軸との相対角度、図４Ａ参照）を回動角度（相対角度）θと定義する。これにより、ショベル座標系におけるバケット爪先位置の座標およびフロント作業装置１Ａの姿勢はＬ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、α、β、γ、θで表現することができる。

【0037】

さらに、油圧ショベル１の車体１Ｂの水平面に対する前後方向の傾きを角度（傾斜角）φ（図４Ａ参照）とする。

【0038】

図５は本発明の一実施形態に係る油圧ショベルが備えるシステムの構成図である。

【0039】

図５のシステムは、姿勢検出装置６０と、操作装置２２、２３と、運転室１２０内に備えられ、エンジン回転数を設定するためのエンジン回転数設定装置４８０と、同じく運転室１２０内に備えられ、制御を司るコンピュータである制御コントローラ（制御装置）４０と、制御コントローラ４０の制御信号に応じてエンジン１８の回転数などを制御するエンジン制御コントローラ４７０と、制御コントローラ４０の制御信号に応じて各アクチュエータ（３～７）の動作を発生させる電磁比例弁５０～５５と、を備えている。

【0040】

姿勢検出装置６０は、ブーム角度センサ３０、アーム角度センサ３１、バケット角度センサ３２、車体傾斜角センサ３３、旋回角度センサ３４から構成される。これらの角度センサ３０、３１、３２、３４及び傾斜角センサ３３は、フロント作業装置１Ａの姿勢を検出する姿勢センサとして機能している。

【0041】

油圧ショベル１は、油圧ショベル１の操作状態を搭乗操作状態と自動制御状態とで切り替える制御切替装置６５０を備えている。制御切替装置６５０は、例えば運転室１２０内に備えられている。搭乗操作状態が選択されている場合には、油圧ショベル１は運転室１２０内に搭乗したオペレータによって操作装置２２、２３が操作され、この操作装置２２、２３から出力される信号に基づいて動作し、自動制御状態が選択されている場合には、油圧ショベル１はオペレータによる操作装置２２、２３の操作によらず、後述する通信装置６７０で受信した信号に基づいて動作する。

【0042】

さらに自動制御には、走行動作を自動化する自動走行制御と掘削作業を自動化する自動作業制御（自動掘削制御）とがある。

【0043】

油圧ショベル１は、油圧ショベル１の位置と方位を検出する自己位置検出装置６６０を備えている。自己位置検出装置６６０は、例えばＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）で構成しても良いし、ＬｉＤＡＲやステレオカメラによるＳＬＡＭ（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ）を用いて自己位置を検出するように構成しても良い。

【0044】

油圧ショベル１は、油圧ショベル１の周囲の地形を計測する地形計測装置６８０を備えている。地形計測装置６８０は、例えばＬｉＤＡＲやステレオカメラ、ミリ波レーダ、超音波センサ等で構成しても良い。地形計測装置６８０は、油圧ショベル１に設置されていても良いし、油圧ショベル１の周囲を計測できるように油圧ショベル１の外部に設置されていても良い。

【0045】

油圧ショベル１は、外部システムと通信を行う（言い換えると、油圧ショベル１と外部システムを通信可能に接続する）通信装置６７０、６７１を備えている。通信装置６７０、６７１は、油圧ショベル１に設置されていても良いし、油圧ショベル１の外部に設置されていても良い。また、通信装置（受信部）６７０と通信装置（送信部）６７１は、一部品として構成しても良いし、別部品として構成しても良い。通信装置（受信部）６７０は、外部システムから当該油圧ショベル１の自動制御に関わる信号を受信する。通信装置（送信部）６７１は、外部システムへ当該油圧ショベル１の状態を送信する。

【0046】

＜制御コントローラ４０＞
図５において制御コントローラ４０は、入力部９１と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）９２と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）９３及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９４と、出力部９５とを有している。入力部９１は、姿勢検出装置６０である角度センサ３０～３２、３４及び傾斜角センサ３３からの信号と、操作装置２２、２３からの操作量を示す信号と、エンジン回転数設定装置４８０からの信号と、制御切替装置６５０からの信号と、自己位置検出装置６６０からの信号と、通信装置６７０からの信号と、地形計測装置６８０からの信号を入力し、ＣＰＵ９２が演算可能なように変換する。ＲＯＭ９３は、後述するフローチャートに係る処理を含めた制御内容を実行するための制御プログラムと、当該フローチャートの実行に必要な各種情報等が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ９２は、ＲＯＭ９３に記憶された制御プログラムに従って入力部９１及びメモリ（９３、９４）から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力部９５は、ＣＰＵ９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、その信号をエンジン制御コントローラ４７０や電磁比例弁５０～５５に出力することで、エンジン１８、油圧アクチュエータ（３～７）を駆動・制御する。出力部９５は、ＣＰＵ９２での演算結果を通信装置６７１に送信することで、油圧ショベル１の状態を油圧ショベル１の外部（外部システム）へ送信する。

【0047】

なお、図５の制御コントローラ４０は、記憶装置としてＲＯＭ９３及びＲＡＭ９４という半導体メモリを備えているが、記憶装置であれば代替可能であり、例えばハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備えても良い。

【0048】

図６、図７は、制御コントローラ４０の機能ブロック図である。図６は制御切替装置６５０が搭乗操作状態のとき（搭乗したオペレータによる手動操作時）に実行される機能ブロック図を示しており、図７は制御切替装置６５０が自動制御状態のとき（オペレータの操作によらない自動での運転時）に実行される機能ブロック図を示している。

【0049】

制御コントローラ４０は、電磁比例弁制御部４４と、目標動作演算部７１０と、エンジン回転数設定部７４０と、掘削軌道計画部７００と、自動運転制御部７０１と、現況地形演算部７０２と、を備えている。

【0050】

エンジン回転数設定部７４０（図６）は、エンジン回転数設定装置４８０からの信号に基づき、目標とするエンジン回転数を設定し、設定した目標エンジン回転数に相当する信号をエンジン制御コントローラ４７０に出力する。

【0051】

目標動作演算部７１０（図６）は、操作装置２２、２３から出力された操作信号と姿勢検出装置６０からの信号に基づいて、操作装置２２、２３の操作に対応する電磁比例弁５０～５５の目標制御圧を演算し、出力する。具体的な演算内容は、図８に示すような操作信号に対応した電磁比例弁目標制御圧をテーブルとしてあらかじめ設定し、これに従って各電磁比例弁５０～５５の目標制御圧を出力する。

【0052】

掘削軌道計画部７００（図７）は、通信装置６７０からの信号（現況地形データと予想地形データ、掘削領域、放土領域）と、姿勢検出装置６０からの信号（油圧ショベル１の姿勢情報）と、自己位置検出装置６６０からの信号（油圧ショベル１の位置）を用いて、後述するフローチャートに従って掘削を行うための車体（が有するフロント作業装置１Ａの例えばバケット１０）の動作軌道の計画と地形変化の予測を行う。掘削軌道計画部７００は、演算した動作軌道を自動運転制御部７０１へ送信し、地形変化の予想結果を通信装置６７１へ出力する。

【0053】

自動運転制御部７０１（図７）は、掘削軌道計画部７００から受信する目標位置と、姿勢検出装置６０からの信号に基づいて、自動掘削を行うための電磁比例弁５０～５３の目標制御圧を算出する。具体的には、例えば、姿勢検出装置６０の結果を用いて、バケット先端（爪先）位置Ｐ（図４Ａ、Ｂ参照）を算出し、目標位置へ向かうための方向を算出する。その後、その方向へ動作させるために油圧ショベル１のアクチュエータをどのように動作させると良いかを演算し、それを実現するための電磁比例弁５０～５３の目標制御圧を算出し、油圧ショベル１を動作させる。

【0054】

電磁比例弁制御部４４（図６、図７）は、目標動作演算部７１０または自動運転制御部７０１で出力される目標制御圧に応じて、対応する電磁比例弁５０～５５の制御指令値を出力する。

【0055】

現況地形演算部７０２（図７）は、地形計測装置６８０で取得したデータについて、姿勢検出装置６０と自己位置検出装置６６０からの信号からグローバル座標系におけるどの位置の地形データであるかの座標変換を行い、通信装置６７１へ出力する。

【0056】

＜サーバシステム８００と制御コントローラ８４０の構成＞
図１において、サーバシステム８００は制御コントローラ８４０を備える。

【0057】

図９において制御コントローラ８４０は、入力部１９１と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）１９２と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）１９３及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１９４と、出力部１９５とを有している。入力部１９１は、通信装置６９０からの信号を入力し、ＣＰＵ１９２が演算可能なように変換する。ＲＯＭ１９３は、後述する機能ブロック図に係る処理を含めた制御内容を実行するための制御プログラムと、当該制御プログラムの実行に必要な各種情報等が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ１９２は、ＲＯＭ１９３に記憶された制御プログラムに従って入力部１９１及びメモリ（１９３、１９４）から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力部１９５は、ＣＰＵ１９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、その信号を通信装置６９１に送信することで、サーバシステム８００の状態をサーバシステム８００の外部へ送信する。

【0058】

なお、図９の制御コントローラ８４０は、記憶装置としてＲＯＭ１９３及びＲＡＭ１９４という半導体メモリを備えているが、記憶装置であれば代替可能であり、例えばハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備えても良い。

【0059】

図１０は、制御コントローラ８４０の機能ブロック図である。

【0060】

制御コントローラ８４０は、地形データ管理部７５０と、現況地形データ記憶部７５１と、予想地形データ記憶部７５２と、を備えている。

【0061】

地形データ管理部７５０は、通信装置６９０から受信した現況地形データから現況地形情報を更新し、現況地形データ記憶部７５１へ送信し、データを格納する。また、地形データ管理部７５０は、現況地形データ記憶部７５１に格納されている現況地形データを取得し、通信装置６９１へ送信することで、サーバシステム８００の外部のシステム（例えば、油圧ショベル１）へ現況地形データを送信する。

【0062】

地形データ管理部７５０は、通信装置６９０から受信した予想地形データを、予想地形データ記憶部７５２へ送信し、データを格納する。また、地形データ管理部７５０は、予想地形データ記憶部７５２に格納されている予想地形データを取得し、通信装置６９１へ送信することで、サーバシステム８００の外部のシステム（例えば、油圧ショベル１）へ予想地形データを送信する。さらに、地形データ管理部７５０は、不要になった予想地形データ（例えば、後述する地形が変化する予想時間を過ぎた予想地形データ）を予想地形データ記憶部７５２から削除する。

【0063】

現況地形データ記憶部７５１は、現況地形データが格納されている。データの形式は、例えばＬｉＤＡＲから取得されるような点群データである。

【0064】

予想地形データ記憶部７５２は、予想地形データが格納されている。データの形式は、例えばＬｉＤＡＲから取得されるような点群データであるが、現況地形データと異なり、未来のいつの時点の地形であるかの時刻情報も含んでいる。

【0065】

なお、現況地形データ記憶部７５１や予想地形データ記憶部７５２に格納される点群データはデータ形式の一例であり、ＴＩＮ（Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄ Ｉｒｒｅｇｕｌａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ）やグリッドマップ形式などであっても良い。

【0066】

＜制御フローチャート＞
図１１に、本実施形態の掘削軌道計画部７００の制御フローチャートを示す。図１１の掘削軌道計画部７００の制御フローチャートについて説明する。

【0067】

Ｓ４００では、通信装置６７０を介してサーバシステム８００より受信した掘削領域と、姿勢検出装置６０で検出される現在姿勢より、掘削領域へ到達するまでの時間を演算する。

【0068】

Ｓ４１０では、Ｓ４００で演算された掘削領域へ到達するまでの時間から、掘削領域へ到達する時刻（つまり、想定する掘削時刻）を算出し、予想地形データ記憶部７５２に格納されている予想地形データのうち、算出された時刻における掘削領域内の地形の予想地形データが存在するか否かを確認する。換言すると、予想地形データ記憶部７５２に格納されている予想地形データのうち、動作を行う時刻に作業を行う範囲（掘削領域）内の予想地形データが存在するか否かを確認する。これにより、通信装置６９０を介して油圧ショベル１より通知されて地形データ管理部７５０で管理される予想地形データに基づいて、動作を行う時刻に作業を行う範囲（掘削領域）の地形が変化するか否かを確認する。

【0069】

Ｓ４２０では、Ｓ４１０での確認の結果、予想地形データが有る場合（すなわち、動作を行う時刻に作業を行う範囲の地形が変化する）はＳ４３０へ、予想地形データが無い場合はＳ４４０へ進む。

【0070】

Ｓ４３０では、掘削領域へ到達する際の時刻を含む予想地形データに基づき、車体が動作する軌道を計画する。

【0071】

Ｓ４４０では、現況地形データに基づき、車体が動作する軌道を計画する。

【0072】

なお、Ｓ４３０およびＳ４４０で計画される地形データに基づいて車体が動作する軌道を計画するとは、例えば、掘削領域内の土砂のうち、地形の頂点部を含み、バケットに含むことができる容積分をバケットが通過するような軌道を演算する、などである。

【0073】

Ｓ４５０では、軌道計画を行った結果、地形を変化させる軌道があるかどうかを判定する。換言すると、Ｓ４３０およびＳ４４０で計画される動作軌道によって地形が変化するかどうかを判定する。判定の結果、ＹＥＳ（地形が変化する）の場合はＳ４６０へ進み、ＮＯ（地形が変化しない）の場合は処理を終了する。

【0074】

Ｓ４６０では、Ｓ４５０で地形が変化するため、いつどのように地形が変化するかの予想地形データを作成し、通信装置６７１を介して、サーバシステム８００へ作成した予想地形データ（言い換えると、地形変化の予想結果）を送信する。

【0075】

Ｓ４６０での予想地形データの作成方法について、例えば図１２Ａ、Ｂのように予想地形データを作成してよい。

【0076】

図１２Ａに、掘削時に地形がどのような形になるかの算出方法を示す。図１２Ａでは、バケットの爪先の軌道より上方にある土砂が取り除かれるものとして形状を算出している。

【0077】

図１２Ｂに、土砂を放土した際にどのような形になるかの算出方法を示す。図１２Ｂでは、放土位置にある土砂に対してバケットの容積分の体積（図面斜線部）だけ大きくなるように算出している。

【0078】

図１２Ａ、Ｂでは、土砂の形状変化を算出する一例を示したが、その他の算出方法であっても良い。例えば、土砂を粒子モデルとして扱いシミュレーションを行うなどで土砂の形状変化を算出しても良い。

【0079】

＜動作・効果＞
以下、図１３、図１４を用いて、動作例を示す。

【0080】

図１３には動作のタイムチャート図、図１４には２台の油圧ショベル３００、３０１の作業の概略図を示す。

【0081】

図１４のように、油圧ショベル３００が領域３１１の土砂を掘削し、領域３１０に放土し、油圧ショベル３０１は、領域３１０にある土砂を掘削し、運搬機３０２の荷台へ積み込む作業についての動作例を示す。

【0082】

油圧ショベル３００、３０１は共に本実施形態の油圧ショベル１の構成である。

【0083】

サーバシステム８００（図１４には不図示）から油圧ショベル３００の掘削領域として領域３１１が設定され、放土領域として領域３１０が設定される。

【0084】

サーバシステム８００（図１４には不図示）から油圧ショベル３０１の掘削領域として領域３１０（油圧ショベル３００の放土領域と共通の作業領域）が設定され、放土領域として運搬機３０２の荷台が設定される。

【0085】

以下、図１３のタイムチャート図を用いて説明する。

【0086】

サーバシステム８００より油圧ショベル３００に自動運転開始指令が送信されると、油圧ショベル３００は車体（が有するフロント作業装置の例えばバケット）の動作の軌道を計画する（図１３Ａ～Ｂ）。

【0087】

動作計画（図１３Ａ～Ｂ）では、図１１のフローチャート図に従って処理が実行される。

【0088】

Ｓ４００にて、現在の姿勢と掘削領域である領域３１１の位置関係から車体（が有するフロント作業装置の例えばバケット）の到達時間を計算する。

【0089】

Ｓ４１０にて、Ｓ４００で算出された到達時間から、掘削する時刻における領域３１１が含まれる予想地形データが存在するかどうかを確認する。この時点（図１３Ａ～Ｂ）では予想地形データが存在していないため（Ｓ４２０、ＮＯ）、Ｓ４４０に進む。

【0090】

Ｓ４４０にて、領域３１１を掘削して領域３１０に放土するための車体（が有するフロント作業装置の例えばバケット）の動作軌道を計画する。

【0091】

Ｓ４５０にて、軌道計画の中に地形変化があるかどうかを判定する。換言すると、動作軌道によって地形が変化するかどうかを判定する。この時点（図１３Ａ～Ｂ）では、領域３１１が掘削されるため地形が変化し、領域３１０が放土のため地形が変化するため、地形変化があると判定し、Ｓ４６０へ進む。

【0092】

Ｓ４６０にて、図１２Ａ、Ｂの手法により（ｌ時ｍ分ｎ秒の）予想地形データを作成する。さらに、作成した予想地形データを通信装置６７１を介してサーバシステム８００へ送信する（図１３Ｂ、Ｎ）。

【0093】

油圧ショベル３００は動作計画が終了したため、図１３Ｂ～Ｅの間、自動運転で作業を実行する。

【0094】

次に、サーバシステム８００より油圧ショベル３０１に自動運転開始指令が送信されると、油圧ショベル３０１は車体（が有するフロント作業装置の例えばバケット）の動作の軌道を計画する（図１３Ｈ～Ｉ）。

【0095】

動作計画（図１３Ｈ～Ｉ）では、図１１のフローチャート図に従って処理が実行される。

【0096】

Ｓ４００にて、現在の姿勢と掘削領域である領域３１０の位置関係から車体（が有するフロント作業装置の例えばバケット）の到達時間を計算する。

【0097】

Ｓ４１０にて、Ｓ４００で算出された到達時間から、掘削する時刻における領域３１０が含まれる予想地形データが存在するかどうかを確認する。この時点（図１３Ｈ～Ｉ）では、油圧ショベル３００が図１３Ｎの時点で領域３１０を含む領域での（ｌ時ｍ分ｎ秒の）予想地形データを送信しており、予想地形データ記憶部７５２に予想地形データが存在しているため（Ｓ４２０、ＹＥＳ）、Ｓ４３０に進む。

【0098】

Ｓ４３０にて、図１３Ｎで登録されている（ｌ時ｍ分ｎ秒の）予想地形データに基づいて油圧ショベル３０１の車体（が有するフロント作業装置の例えばバケット）の動作軌道を計画する。

【0099】

Ｓ４５０にて、軌道計画の中に地形変化があるかどうかを判定する。換言すると、動作軌道によって地形が変化するかどうかを判定する。この時点（図１３Ｈ～Ｉ）では、領域３１０を掘削するため地形変化があると判定し、Ｓ４６０へ進む。

【0100】

Ｓ４６０にて、図１２Ａの手法により（ｏ時ｐ分ｑ秒の）予想地形データを作成し、作成した予想地形データを通信装置６７１を介してサーバシステム８００へ送信する（図１３Ｉ、Ｐ）。

【0101】

油圧ショベル３０１は動作計画が終了したため、図１３Ｉ～Ｌの間、自動運転で作業を実行する。

【0102】

ここで、図１３のｌ時ｍ分ｎ秒の時点で、油圧ショベル３００が領域３１０へ土砂の放土が完了し、領域３１０の地形が変化する。その後、油圧ショベル３０１が領域３１０の土砂を掘削するが、図１３Ｈ～Ｉの動作計画時に領域３１０の土砂が変化することを考慮して動作軌道を計画しているため、効率よく作業を実施できる。

【0103】

図１３ Ｏでは、予想地形データの時刻（地形が変化する予想時刻）が十分時間経過したため、地形データ管理部７５０は予想地形データ記憶部７５２から予想地形データ（地形が変化する予想時刻を過ぎた予想地形データ）を削除する。

【0104】

以降、同様に、油圧ショベル３００は、動作計画（図１３Ｅ～Ｆ）の処理および図１３Ｆ以降の自動運転での作業を実行し、油圧ショベル３０１は、動作計画（図１３Ｌ～Ｍ）の処理および図１３Ｍ以降の自動運転での作業を実行する。

【0105】

上記のように、本実施形態の作業機械（油圧ショベル１）の自動制御システムは、複数のアクチュエータ（３～７）によって駆動する複数の被駆動部材を有する作業機械と、前記作業機械を制御する制御装置（制御コントローラ４０）と、地形データを管理する地形データ管理装置（地形データ管理部７５０）と、を備え、前記制御装置は、前記地形データに基づいて前記作業機械の動作軌道を計画する動作軌道計画部（掘削軌道計画部７００）を備え、前記動作軌道計画部は、前記動作軌道によって地形が変化するか否かを判定し、地形が変化すると判定される場合、地形がいつどのように変化するかを示した予想地形データを作成して前記地形データ管理装置へ通知し、前記動作軌道計画部は、前記作業機械の次の動作軌道を計画する際に、前記地形データ管理装置へ通知された前記予想地形データに基づいて、動作を行う時刻に作業を行う範囲（掘削領域）の地形が変化するか否かを確認し、地形が変化する場合は前記予想地形データに基づいて前記作業機械の動作軌道を計画する。

【0106】

また、前記地形データ管理装置（地形データ管理部７５０）は、地形が変化する予想時刻を過ぎた後に前記地形が変化する予想時刻を過ぎた前記予想地形データを削除する。

【0107】

上記のように構成される作業機械の自動制御システムにおいて、予想した地形データを基に動作軌道を計画するため、作業機械の自動運転（自動制御）について効率よく作業を行うことができる。

【0108】

上記の実施形態では、ブーム８、アーム９、バケット１０の角度を検出する角度センサを用いたが、角度センサではなくシリンダストロークセンサにより油圧ショベル１の姿勢情報を算出するとしても良い。また、電気レバー式の油圧ショベル１を例として説明したが、油圧パイロット式のショベルであれば油圧パイロットから生成される指令パイロット圧を制御するような構成としても良い。

【0109】

上記の制御コントローラ４０、８４０に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、上記の制御コントローラ４０、８４０に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該制御コントローラ４０、８４０の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。

【0110】

上記の実施形態の動作例として、２台の油圧ショベルの協働作業を例としたが、３台以上の作業機械に適用してもよい。さらに、１台で複数の作業装置を備えた作業機械（例えば双腕機など）に適用しても良い。

【0111】

上記の実施形態では、地形データ管理部７５０、現況地形データ記憶部７５１、予想地形データ記憶部７５２をサーバシステム８００へ実装した例を示したが、作業機械に実装しても良い。

【0112】

上記の実施形態では、油圧ショベルを例に示したが、地形を変化させる作業を行う作業機械（例えばホイールローダなど）に適用しても良い。

【0113】

上記の実施形態では、掘削作業を例に示したが、地形を変化させる作業について適用可能であり、例えば整地作業などへ適用しても良い。

【0114】

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0115】

１…油圧ショベル（作業機械）
１Ａ…フロント作業装置
１Ｂ…車体
８…ブーム
９…アーム
１０…バケット
１６ａ～１６ｆ…圧力センサ
２２、２３…操作装置
３０…ブーム角度センサ
３１…アーム角度センサ
３２…バケット角度センサ
４０、８４０…制御コントローラ（制御装置）
４４…電磁比例弁制御部
５０、５１、５２、５３、５４、５５…電磁比例弁
６０…姿勢検出装置
３００、３０１…油圧ショベル
３０２…運搬機
３１０、３１１…領域
４７０…エンジン制御コントローラ
４８０…エンジン回転数設定装置
６５０…制御切替装置
６６０…自己位置検出装置
６７０、６７１、６９０、６９１…通信装置
６８０…地形計測装置
７００…掘削軌道計画部（動作軌道計画部）
７０１…自動運転制御部
７０２…現況地形演算部
７１０…目標動作演算部
７４０…エンジン回転数設定部
７５０…地形データ管理部（地形データ管理装置）
７５１…現況地形データ記憶部
７５２…予想地形データ記憶部
８００…サーバシステム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13】

【図14】