特開 2024-85102 作業機械を含むシステム、作業機械の制御方法、および作業機械のコントローラ

(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】P2024085102

(43)【公開日】2024-06-26

(54)【発明の名称】作業機械を含むシステム、作業機械の制御方法、および作業機械のコントローラ

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/26 20060101AFI20240619BHJP

【ＦＩ】

E02F9/26 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022199448

(22)【出願日】2022-12-14

(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】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松山 高史

【テーマコード（参考）】

2D015

【Ｆターム（参考）】

2D015HA03

2D015HB05

(57)【要約】

【課題】積付け作業で形成されるマテリアルの山の高さを適正に決定する。
【解決手段】作業機械本体は、走行体を有している。作業機は、作業機械本体に取り付けられ、バケットを有している。コントローラは、走行体および作業機の動作を指令する。コントローラは、走行体が地面に接地した状態でバケット内のマテリアルを地面上に排出することで形成されるマテリアルの山の高さである積付け高さＨ１を、作業機械本体の寸法と作業機の寸法とを含む機械寸法より決定する。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

走行体を有する作業機械本体と、
前記作業機械本体に取り付けられ、バケットを有する作業機と、
前記走行体および前記作業機の動作を指令するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記走行体が地面に接地した状態で前記バケット内のマテリアルを前記地面上に排出することで形成される前記マテリアルの山の高さを、前記作業機械本体の寸法と前記作業機の寸法とを含む機械寸法より決定する、作業機械を含むシステム。

【請求項2】

前記作業機は、先端に前記バケットが取り付けられるブームを有し、
前記機械寸法は、前記作業機械本体への前記ブームの取付位置の高さを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記バケットは、刃先を有し、
前記機械寸法は、前記ブームの前記取付位置から前記刃先までの長さを含む、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記コントローラは、前記山の前記高さを、前記機械寸法と前記マテリアルの安息角とにより決定する、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記作業機械本体の周辺の物体を検出する物体センサをさらに備え、
前記コントローラは、前記物体センサにより検出された前記山の形状から前記山の現状高さを認識し、前記山の前記現状高さが前記高さに到達したか否かを判断する、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記コントローラは、前記地面上に目標点を設定し、前記目標点への前記マテリアルの排出を複数回実行するように前記走行体および作業機を制御することにより前記山を形成する、請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記コントローラは、前記山の前記現状高さが前記高さに到達したと判断されると、前記目標点への前記マテリアルの排出を停止し、前記地面上に次の目標点を設定する、請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

走行体を有する作業機械本体の寸法と、前記作業機械本体に取り付けられバケットを有する作業機の寸法と、を含む機械寸法を取得することと、
前記走行体が地面に接地した状態で前記バケット内のマテリアルを前記地面上に排出することで形成される前記マテリアルの山の高さを、前記機械寸法より決定することと、を備える、作業機械の制御方法。

【請求項9】

走行体を有する作業機械本体の寸法と、前記作業機械本体に取り付けられバケットを有する作業機の寸法と、を含む機械寸法を取得し、
前記走行体が地面に接地した状態で前記バケット内のマテリアルを前記地面上に排出することで形成される前記マテリアルの山の高さを、前記機械寸法より決定する、作業機械のコントローラ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、作業機械を含むシステム、作業機械の制御方法、および作業機械のコントローラに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１７－０４３８８７号公報（特許文献１）には、積込対象車両における積込状況に基づいて積込対象車両に対する積込位置を決定する、作業機械の制御システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－０４３８８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ホイールローダによる作業の１つとして、ストックヤードにマテリアルを充填する作業がある。マテリアルは、作業現場で掘削された、またはダンプトラックなどの運搬機械により作業現場に搬入された、土砂、岩石または鉱石などである。

【0005】

ストックヤードへのマテリアルの充填作業は、以下の手順で行われる。第１の手順は、ホイールローダで同じ場所にマテリアルを複数回積み、マテリアルの山を作ることである。第１の手順を積付け作業と称する。第２の手順は、ストックヤード内に積付けた山の前後／左右方向に、同様形状の山を整列させるように積付けることである。第３の手順は、整列した山の斜面を掘削しながらホイールローダが山を登り、バケットに掬い込んだマテリアルを山の上部に積み上げる作業である。第３の手順をかき上げ作業と称する。

【0006】

ストックヤードなどのマテリアル集積地へのマテリアルの充填を効率よくするために、積付け作業において、マテリアルの山を適正なサイズにすることが求められている。本開示では、積付け作業で形成されるマテリアルの山の高さを適正に予想できる技術が提案される。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示のある局面に係る作業機械を含むシステムは、走行体を有する作業機械本体と、作業機械本体に取り付けられ、バケットを有する作業機と、走行体および作業機の動作を指令するコントローラとを備えている。コントローラは、走行体が地面に接地した状態でバケット内のマテリアルを地面上に排出することで形成されるマテリアルの山の高さを、作業機械本体の寸法と作業機の寸法とを含む機械寸法より決定する。

【0008】

本開示のある局面に係る作業機械の制御方法は、以下のステップを備えている。第１のステップは、走行体を有する作業機械本体の寸法と、作業機械本体に取り付けられバケットを有する作業機の寸法と、を含む機械寸法を取得することである。第２のステップは、走行体が地面に接地した状態でバケット内のマテリアルを地面上に排出することで形成されるマテリアルの山の高さを、機械寸法より決定することである。

【0009】

本開示のある局面に係る作業機械のコントローラは、走行体を有する作業機械本体の寸法と、作業機械本体に取り付けられバケットを有する作業機の寸法と、を含む機械寸法を取得する。コントローラは、走行体が地面に接地した状態でバケット内のマテリアルを地面上に排出することで形成されるマテリアルの山の高さを、機械寸法より決定する。

【発明の効果】

【0010】

本開示によると、積付け作業で形成されるマテリアルの山の高さを適正に予想することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】作業機械の一例としてのホイールローダの側面図である。

【図2】図１に示されるホイールローダの平面図である。

【図3】ホイールローダの制御システムの概略構成を示すブロック図である。

【図4】ホイールローダの自動制御システムの構成を示すブロック図である。

【図5】ホイールローダによる掘削作業を説明する図である。

【図6】ホイールローダによるかき上げ作業を説明する図である。

【図7】自動制御により積付け作業およびかき上げ作業を実行する処理の流れを示すフローチャートである。

【図8】積付け目標点および積付け高さの設定について示す図である。

【図9】積付け目標点に向かって前進するホイールローダを模式的に示す図である。

【図10】積付け作業中のホイールローダを模式的に示す図である。

【図11】積付け作業により形成されたマテリアルの山を模式的に示す図である。

【図12】かき上げ領域および被かき上げ領域の設定について示す図である。

【図13】積付け作業を継続中のホイールローダを模式的に示す図である。

【図14】積付け作業完了時のマテリアルの山を模式的に示す図である。

【図15】かき上げ作業完了時のマテリアルの山を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらについての詳細な説明は繰り返さない。実施形態から任意の構成が抽出され、それらが任意に組み合わされることも、当初から予定されている。

【0013】

＜ホイールローダ１の全体構成＞
実施形態においては、作業機械の一例としてホイールローダ１について説明する。図１は、作業機械の一例としてのホイールローダ１の側面図である。図２は、図１に示されるホイールローダ１の平面図である。

【0014】

図１，２に示されるように、ホイールローダ１は、車体フレーム２と、作業機３と、走行装置４と、キャブ５とを主に備えている。車体フレーム２、キャブ５などからホイールローダ１の車体が構成されている。ホイールローダ１の車体には、作業機３および走行装置４が取り付けられている。ホイールローダ１の本体（作業機械本体）は、車体と、走行装置４とを有している。

【0015】

走行装置４は、ホイールローダ１の車体を走行させるものであり、走行輪４ａ，４ｂを含んでいる。ホイールローダ１は、車体の左右方向の両側に走行用回転体として走行輪４ａ，４ｂを備える装輪車両である。ホイールローダ１は、走行輪４ａ，４ｂが回転駆動されることにより自走可能であり、作業機３を用いて所望の作業を行うことができる。走行装置４は、「走行体」の一例に対応する。

【0016】

本明細書中において、ホイールローダ１が直進走行する方向を、ホイールローダ１の前後方向という。ホイールローダ１の前後方向において、車体フレーム２に対して作業機３が配置されている側を前方向とし、前方向と反対側を後方向とする。ホイールローダ１の左右方向とは、平坦な地面上にあるホイールローダ１を平面視したときに前後方向と直交する方向である。前方向を見て左右方向の右側、左側が、それぞれ右方向、左方向である。ホイールローダ１の上下方向とは、前後方向および左右方向によって定められる平面に直交する方向である。上下方向において地面のある側が下側、空のある側が上側である。

【0017】

車体フレーム２は、前フレーム２ａと後フレーム２ｂとを含んでいる。前フレーム２ａは、後フレーム２ｂの前方に配置されている。前フレーム２ａと後フレーム２ｂとは、センタピン１０により、互いに左右方向に動作可能に取り付けられている。

【0018】

前フレーム２ａと後フレーム２ｂとに亘って、左右一対のステアリングシリンダ１１が取り付けられている。ステアリングシリンダ１１は、油圧シリンダである。ステアリングシリンダ１１が図示しないステアリングポンプからの作動油によって伸縮することによって、ホイールローダ１の進行方向が左右に変更される。前フレーム２ａと後フレーム２ｂとにより、アーティキュレート構造の車体フレーム２が構成されている。ホイールローダ１は、前フレーム２ａと後フレーム２ｂとが屈曲動作可能に連結されたアーティキュレート式の作業機械である。

【0019】

前フレーム２ａには、作業機３および一対の走行輪（前輪）４ａが取り付けられている。作業機３は、ホイールローダ１の車体の前方に取り付けられている。作業機３は、ホイールローダ１の車体によって支持されている。作業機３は具体的には、車体フレーム２、より特定的には前フレーム２ａによって、回転可能に支持されている。作業機３は、車体フレーム２の前方に配置されている。

【0020】

作業機３は、ブーム１４を含んでいる。ブーム１４の基端部は、ブームピン９によって前フレーム２ａに回転自在に取付けられている。ブーム１４は、左ブーム部材１４Ｌと、右ブーム部材１４Ｒとを含んでいる。左ブーム部材１４Ｌと右ブーム部材１４Ｒとが左右方向に延びる接合部材により互いに相対移動不能に接合されて、一体構造のブーム１４が形成されている。ブームピン９は、左右一対の左ブームピン９Ｌと右ブームピン９Ｒとを含んでいる。ブーム１４は、左ブームピン９Ｌおよび右ブームピン９Ｒを回転中心として、前フレーム２ａに対して回転可能である。左ブームピン９Ｌと右ブームピン９Ｒとは、作業機３を車体フレーム２に対して回転可能に支持している。

【0021】

作業機３は、バケット６を含んでいる。バケット６は、作業機３の先端に配置されている。バケット６は、掘削・積込用の作業具である。刃先６ａは、バケット６の先端部である。背面６ｂは、バケット６の外面の一部である。背面６ｂは、平面で形成されている。背面６ｂは、刃先６ａから後方に延びている。バケット６は、ブーム１４の先端に位置するバケットピン１７によって、回転自在にブーム１４に取付けられている。バケット６は、左ブーム部材１４Ｌが取り付けられる左ブーム取付部と、右ブーム部材１４Ｒが取り付けられる右ブーム取付部とを有している。

【0022】

作業機３は、ベルクランク１８と、リンク１５とをさらに含んでいる。ベルクランク１８は、そのほぼ中央部が、ブーム１４の長手方向のほぼ中央に位置する支持ピン１８ａによって、ブーム１４に回転自在に支持されている。リンク１５は、ベルクランク１８の下端部（先端部）に設けられた連結ピン１８ｃに連結されている。リンク１５は、ベルクランク１８とバケット６とを連結している。ベルクランク１８とリンク１５とは、左右方向において、左ブーム部材１４Ｌと右ブーム部材１４Ｒとの間に配置されている。

【0023】

前フレーム２ａとブーム１４とは、一対のブームシリンダ１６により連結されている。ブームシリンダ１６は、油圧シリンダである。ブームシリンダ１６は、ブーム１４を、ブームピン９を中心として上下に回転駆動する。ブームシリンダ１６の基端は、前フレーム２ａに取り付けられている。ブームシリンダ１６の先端は、ブーム１４に取り付けられている。ブームシリンダ１６は、ブーム１４を前フレーム２ａに対し上下に動作させる油圧アクチュエータである。ブーム１４の昇降に伴って、ブーム１４の先端に取り付けられたバケット６も昇降する。

【0024】

バケットシリンダ１９は、ベルクランク１８と前フレーム２ａとを連結している。バケットシリンダ１９の基端は、前フレーム２ａに取り付けられている。バケットシリンダ１９の先端は、ベルクランク１８の上端部（基端部）に設けられた連結ピン１８ｂに取り付けられている。バケットシリンダ１９は、バケット６をブーム１４に対し上下に回動させる油圧アクチュエータである。バケットシリンダ１９は、バケット６を駆動する作業具シリンダである。バケットシリンダ１９は、バケット６を、バケットピン１７を中心として回転駆動する。バケット６は、ブーム１４に対し動作可能に構成されている。バケット６は、前フレーム２ａに対し動作可能に構成されている。

【0025】

ブームシリンダ１６と、バケットシリンダ１９とは、作業機３を駆動する作業機アクチュエータを構成している。

【0026】

後フレーム２ｂには、オペレータが搭乗するキャブ５、および一対の走行輪（後輪）４ｂが取り付けられている。箱状のキャブ５は、ブーム１４の後方に配置されている。キャブ５は、後フレーム２ｂに搭載されている。キャブ５は、車体フレーム２上に載置されている。キャブ５内には、ホイールローダ１のオペレータが着座するシート、および後述する操作装置８などが配置されている。

【0027】

キャブ５には、知覚装置１１１が設けられている。知覚装置１１１は、たとえばキャブ５の天井部に配置されている。知覚装置１１１は、たとえばキャブ５の上面に搭載されている。知覚装置１１１は、たとえばキャブ５の前部に配置されている。知覚装置１１１は、たとえば前方を向いてキャブ５に取り付けられており、キャブ５の前方の情報を取得可能である。知覚装置１１１の詳細は後述する。

【0028】

図１に示される長さＬ１は、前後方向における、前輪４ａの中心から後輪４ｂの中心までの長さ（ホイールベース長）である。長さＬ２は、前後方向における、後輪４ｂの中心から車体の後端までの長さ（リアオーバハング長）である。長さＬ３は、後輪４ｂの径（タイヤ径）であって、上下方向における地面Ｇから後輪４ｂの中心までの長さである。長さＬ４は、前後方向における、前輪４ａの中心からブームピン９の中心までの長さである。長さＬ５は、上下方向における、地面Ｇからブームピン９の中心までの長さである。長さＬ６は、バケットピン１７の中心からバケット６の刃先６ａまでの長さ（バケット長）である。長さＬ７は、ブームピン９の中心からバケットピン１７の中心までの長さ（ブーム長）である。

【0029】

図１に示される角度αは、ブームピン９の中心とバケットピン１７の中心とを通る直線であるブーム基準線Ａと、ブームピン９の中心から前方に延びる水平線Ｈと、の成す角度（ブーム角度）である。ブーム基準線Ａが水平である場合を角度α＝０°と定義する。ブーム基準線Ａが水平線Ｈよりも上方にある場合に角度αを正とする。ブーム基準線Ａが水平線Ｈよりも下方にある場合に角度αを負とする。

【0030】

角度βは、支持ピン１８ａの中心と連結ピン１８ｂの中心とを通る直線であるベルクランク基準線Ｂと、ブーム基準線Ａと、の成す角度（ベルクランク角度）である。バケット６を接地した状態でバケット６の背面６ｂが地上において水平となる場合を角度β＝０°と定義する。バケット６を掘削方向（上向き）に移動した場合に角度βを正とする。バケット６をダンプ方向（下向き）に移動した場合に角度βを負とする。

【0031】

角度γは、車体後方下部の角度（背離角）である。角度γ（背離角）は、後輪４ｂが地面Ｇに接地する接地部と車体の後端の下面とを結ぶ直線である背離角規定線と、地面Ｇとの成す角度である。背離角規定線は、角度γ（背離角）を規定する線である。

【0032】

図２に示される長さＬ８は、左右方向における、左ブームピン９Ｌから右ブームピン９Ｒまでの長さ（ブームピン間距離）である。長さＬ９は、左右方向における、バケット６の左端から右端までの長さ（バケット幅）である。

【0033】

図１，２に示される長さＬ１～Ｌ５，Ｌ８は、作業機械本体の寸法に含まれる。図１，２に示される長さＬ６，Ｌ７，Ｌ９は、作業機３の寸法に含まれる。長さＬ１～Ｌ９および角度α，β，γは、作業機械本体の寸法および作業機３の寸法を含む、機械寸法に含まれる。長さＬ１～Ｌ９および角度γは、ホイールローダ１の個体ごとに固有の値であり、後述する車体コントローラ５０に記憶されている。角度α，βは、作業機３の姿勢によって変動し、後述するブーム角度センサ１２３およびバケット角度センサ１２４の検出結果に基づいて求められる。

【0034】

＜システム構成＞
図３は、ホイールローダ１を制御する制御システムの概略構成を示すブロック図である。

【0035】

エンジン２１は、作業機３および走行装置４を駆動するための駆動力を発生する駆動源であり、たとえばディーゼルエンジンである。駆動源として、エンジン２１に代えて、蓄電体により駆動するモータが用いられてもよく、またエンジンとモータとの双方が用いられてもよい。エンジン２１の出力は、エンジン２１のシリンダ内に噴射する燃料量を調整することにより制御される。

【0036】

エンジン２１の発生する駆動力は、トランスミッション２３へ伝達される。トランスミッション２３は、駆動力を適切なトルクおよび回転速度に変速する。トランスミッション２３の出力軸に、アクスル２５が接続されている。トランスミッション２３で変速された駆動力は、アクスル２５に伝達される。アクスル２５から走行輪４ａ，４ｂ（図１，２）に、駆動力が伝達される。これにより、ホイールローダ１が走行する。実施形態のホイールローダ１においては、走行輪４ａと走行輪４ｂとの両方が、駆動力を受けてホイールローダ１を走行させる駆動輪を構成している。

【0037】

エンジン２１の駆動力の一部は、作業機ポンプ１３に伝達される。作業機ポンプ１３は、エンジン２１により駆動され、吐出する作動油によって作業機３を作動させる油圧ポンプである。作業機３は、作業機ポンプ１３からの作動油によって駆動される。作業機ポンプ１３から吐出された作動油は、メインバルブ３２を介して、ブームシリンダ１６およびバケットシリンダ１９に供給される。ブームシリンダ１６が作動油の供給を受けて伸縮することによって、ブーム１４が昇降する。バケットシリンダ１９が作動油の供給を受けて伸縮することによって、バケット６が上下に回動する。

【0038】

ホイールローダ１は、車体コントローラ５０を備えている。車体コントローラ５０は、エンジンコントローラ６０と、トランスミッションコントローラ７０と、作業機コントローラ８０とを含んでいる。

【0039】

車体コントローラ５０は、一般的にＣＰＵ（Central Processing Unit）により各種のプログラムを読み込むことにより実現される。車体コントローラ５０は、図示しないメモリを有している。メモリは、ワークメモリとして機能するとともに、ホイールローダ１の機能を実現するための各種のプログラムを格納する。

【0040】

操作装置８は、キャブ５に設けられている。操作装置８は、オペレータによって操作される。操作装置８は、オペレータがホイールローダ１を動作させるために操作する、複数種類の操作部材を備えている。操作装置８は、アクセルペダル４１と、作業機操作レバー４２とを含んでいる。操作装置８は、図示しないステアリングハンドル、シフトレバーなどを含んでいてもよい。

【0041】

アクセルペダル４１は、エンジン２１の目標回転数を設定するために操作される。エンジンコントローラ６０は、アクセルペダル４１の操作量に基づいて、エンジン２１の出力を制御する。アクセルペダル４１の操作量（踏み込み量）を増大すると、エンジン２１の出力が増大する。アクセルペダル４１の操作量を減少すると、エンジン２１の出力が減少する。トランスミッションコントローラ７０は、アクセルペダル４１の操作量に基づいて、トランスミッション２３を制御する。

【0042】

作業機操作レバー４２は、作業機３を動作させるために操作される。作業機コントローラ８０は、作業機操作レバー４２の操作量に基づいて、電磁比例制御弁３５，３６を制御する。

【0043】

電磁比例制御弁３５は、バケットシリンダ１９を縮めて、バケット６がダンプ方向（バケット６の刃先が下がる方向）に移動するように、メインバルブ３２を切り換える。また電磁比例制御弁３５は、バケットシリンダ１９を伸ばして、バケット６がチルト方向（バケット６の刃先が上がる方向）に移動するように、メインバルブ３２を切り換える。電磁比例制御弁３６は、ブームシリンダ１６を縮めて、ブーム１４が下がるようにメインバルブ３２を切り換える。また電磁比例制御弁３６は、ブームシリンダ１６を伸ばして、ブーム１４が上がるようにメインバルブ３２を切り換える。

【0044】

機械モニタ５１は、車体コントローラ５０から指令信号の入力を受けて、各種情報を表示する。機械モニタ５１に表示される各種情報は、たとえば、ホイールローダ１により実行される作業に関する情報、燃料残量、冷却水温度および作動油温度などの車体情報、ホイールローダ１の周辺を撮像した周辺画像などであってもよい。機械モニタ５１はタッチパネルであってもよく、この場合、オペレータが機械モニタ５１の一部に触れることにより生成される信号が、機械モニタ５１から車体コントローラ５０に出力される。

【0045】

＜ホイールローダ１の自動制御システム＞
ホイールローダ１の作業を自動化するにあたり、熟練オペレータの操作を自動制御によって再現することが望まれている。図４は、ホイールローダ１の自動制御システムの構成を示すブロック図である。

【0046】

自動化コントローラ１００は、図３を参照して説明した車体コントローラ５０との間で信号の送受信が可能に構成されている。自動化コントローラ１００はまた、外界情報取得部１１０との間で信号の送受信が可能に構成されている。外界情報取得部１１０は、知覚装置１１１と、位置情報取得装置１１２とを有している。知覚装置１１１と位置情報取得装置１１２とは、ホイールローダ１に搭載されている。

【0047】

知覚装置１１１は、ホイールローダ１の周囲の情報を取得する。知覚装置１１１は、たとえばキャブ５の上面の前部に取り付けられている。知覚装置１１１は、ホイールローダ１の本体（作業機械本体）の周辺の物体を検出する「物体センサ」の一例に対応する。

【0048】

知覚装置１１１は、ホイールローダ１の外部の対象物の方向および対象物までの距離を、非接触で検出する。知覚装置１１１はたとえば、レーザ光を射出して対象物の情報を取得するＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）である。知覚装置１１１は、カメラを含む視覚センサであってもよい。知覚装置１１１は、電波を射出することにより対象物の情報を取得するＲａｄａｒ（Radio Detection and Ranging）であってもよい。知覚装置１１１は、赤外線センサであってもよい。

【0049】

位置情報取得装置１１２は、ホイールローダ１の現在位置の情報を取得する。位置情報取得装置１１２はたとえば、衛星測位システムを利用して、地球を基準としたグローバル座標系におけるホイールローダ１の位置情報を取得する。位置情報取得装置１１２はたとえば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems：全地球航法衛星システム）を用いるものであり、ＧＮＳＳレシーバを有している。衛星測位システムは、ＧＮＳＳレシーバが衛星から受信した測位信号により、ＧＮＳＳレシーバのアンテナの位置を演算して、ホイールローダ１の位置を算出する。

【0050】

知覚装置１１１によるホイールローダ１の外界情報、および、位置情報取得装置１１２によるホイールローダ１の位置情報は、自動化コントローラ１００に入力される。

【0051】

車体コントローラ５０は、車両情報取得部１２０との間で信号の送受信が可能に構成されており、車両情報取得部１２０が取得するホイールローダ１の情報の入力を受ける。車両情報取得部１２０は、ホイールローダ１に搭載されている各種のセンサにより構成されている。車両情報取得部１２０は、アーティキュレート角度センサ１２１、車両速度センサ１２２、ブーム角度センサ１２３、バケット角度センサ１２４、およびブームシリンダ圧力センサ１２５を有している。

【0052】

アーティキュレート角度センサ１２１は、前フレーム２ａと後フレーム２ｂとのなす角度であるアーティキュレート角度を検出し、検出したアーティキュレート角度の信号を発生する。アーティキュレート角度センサ１２１は、アーティキュレート角度の信号を車体コントローラ５０に出力する。

【0053】

車両速度センサ１２２は、たとえば、トランスミッション２３の出力軸の回転速度を検出することにより、走行装置４によるホイールローダ１の移動速度を検出し、検出した車速の信号を発生する。車両速度センサ１２２は、車速の信号を車体コントローラ５０に出力する。車両速度センサ１２２は、走行装置４（走行体）の進行状況を検出する走行センサの一例に対応する。

【0054】

ブーム角度センサ１２３は、たとえば、ブーム１４の車体フレーム２に対する取付部であるブームピン９に設けられたロータリーエンコーダで構成される。ブーム角度センサ１２３は、水平方向に対するブーム１４の角度（図１に示される角度α（ブーム角度））を検出し、検出したブーム１４の角度の信号を発生する。ブーム角度センサ１２３は、ブーム１４の角度の信号を車体コントローラ５０に出力する。

【0055】

バケット角度センサ１２４は、たとえば、ベルクランク１８の回転軸である支持ピン１８ａに設けられたロータリーエンコーダで構成される。バケット角度センサ１２４は、ブーム１４に対するベルクランク１８の角度（図１に示される角度β（ベルクランク角度））を検出し、検出したベルクランク１８の角度の信号を発生する。車両情報取得部１２０、または車体コントローラ５０は、検出したベルクランク１８の角度から、ブーム１４に対するバケット６の角度（バケット角度）を算出する。バケット角度は、バケットピン１７の中心とバケット６の刃先６ａとを通る直線と、ブーム基準線Ａとの成す角度である。

【0056】

ブーム角度センサ１２３と、バケット角度センサ１２４とは、作業機３の姿勢を検出する作業機姿勢センサの一例に対応する。ブーム角度センサ１２３は、ブームシリンダ１６に配置されたストロークセンサであってもよい。バケット角度センサ１２４は、バケットピン１７に取り付けられたポテンショメータまたは近接スイッチであってもよく、バケットシリンダ１９に配置されたストロークセンサであってもよい。

【0057】

ブームシリンダ圧力センサ１２５は、ブームシリンダ１６のボトム側の圧力（ブームボトム圧）を検出し、検出したブームボトム圧の信号を発生する。ブームボトム圧は、バケット６に荷が積まれた場合に高くなり、空荷の場合に低くなる。ブームシリンダ圧力センサ１２５は、ブームボトム圧の信号を車体コントローラ５０に出力する。

【0058】

車体コントローラ５０は、車両情報取得部１２０から入力された情報を、自動化コントローラ１００へ出力する。自動化コントローラ１００は、車体コントローラ５０を介して、車両速度センサ１２２、ブーム角度センサ１２３およびバケット角度センサ１２４の検出値を入力する。

【0059】

アクチュエータ１４０は、車体コントローラ５０との間で信号の送受信が可能に構成されている。車体コントローラ５０からの指令信号を受けて、アクチュエータ１４０が駆動する。アクチュエータ１４０は、走行装置４のブレーキを作動させるためのブレーキＥＰＣ（電磁比例制御弁）１４１と、ホイールローダ１の走行方向を調節するためのステアリングＥＰＣ１４２と、作業機３を動作させるための作業機ＥＰＣ１４３と、ＨＭＴ（Hydraulic Mechanical Transmission）１４４とを含んでいる。

【0060】

図３に示される電磁比例制御弁３５，３６は、作業機ＥＰＣ１４３を構成している。図３に示されるトランスミッション２３は、電子制御を活用したＨＭＴ１４４として実現される。トランスミッション２３は、ＨＳＴ（Hydro-Static Transmission）であってもよい。エンジン２１から走行輪４ａ，４ｂへ動力を伝達する動力伝達装置は、ディーゼル・エレクトリック方式などの電気式駆動装置を含んでもよく、ＨＭＴ、ＨＳＴ、電気式駆動装置のいずれかの組み合わせを含んでもよい。

【0061】

トランスミッションコントローラ７０は、ブレーキ制御部７１と、アクセル制御部７２とを有している。ブレーキ制御部７１は、ブレーキＥＰＣ１４１に対して、ブレーキの作動を制御するための指令信号を出力する。アクセル制御部７２は、ＨＭＴ１４４に対して、車速を制御するための指令信号を出力する。

【0062】

作業機コントローラ８０は、ステアリング制御部８１と、作業機制御部８２とを有している。ステアリング制御部８１は、ステアリングＥＰＣ１４２に対して、ホイールローダ１の走行方向を制御するための指令信号を出力する。作業機制御部８２は、作業機ＥＰＣ１４３に対して、作業機３の動作を制御するための指令信号を出力する。

【0063】

自動化コントローラ１００は、位置推定部１０１と、パスプランニング部１０２と、経路追従制御部１０３とを有している。

【0064】

位置推定部１０１は、位置情報取得装置１１２が取得した位置情報によって、ホイールローダ１の自己位置を推定する。また位置推定部１０１は、知覚装置１１１が取得した外界情報によって、目標位置を認識する。目標位置は、たとえば、地面Ｇに設定される目標点（後述）の位置、または、バケット６内のマテリアルを地面上に排出することで形成されるマテリアルの山の位置である。知覚装置１１１が目標位置を認識して自動化コントローラ１００に入力してもよく、知覚装置１１１が検出した検出結果に基づいて位置推定部１０１が目標位置を認識してもよい。

【0065】

パスプランニング部１０２は、ホイールローダ１を自動制御するときの、ホイールローダ１の最適経路を生成する。最適経路は、走行装置４による走行の経路と、作業機３の動作の経路とを含んでいる。たとえばパスプランニング部１０２は、同じ目標点に複数回マテリアルを積みマテリアルの山を作る積付け作業における、目標点に向かって直線的に前進する走行装置４の走行の経路と、バケット６内のマテリアルを目標点に排出する作業機３の動作の経路と、の最適経路を生成する。パスプランニング部１０２はまた、かき上げ作業における、マテリアルの山に向かって前進してマテリアルの山を登る走行装置４の走行の経路と、マテリアルの山の斜面を掘削しバケット６に掬い込んだマテリアルを山の上部に積み上げる作業機３の動作の経路と、の最適経路を生成する。

【0066】

経路追従制御部１０３は、走行装置４および作業機３の動作を指令する。経路追従制御部１０３は、パスプランニング部１０２が生成した最適経路に追従してホイールローダ１が走行するように、アクセル、ブレーキおよびステアリングを制御する。経路追従制御部１０３から、ブレーキ制御部７１、アクセル制御部７２およびステアリング制御部８１に、ホイールローダ１を最適経路に沿って走行させるための指令信号が出力される。経路追従制御部１０３は、パスプランニング部１０２が生成した最適経路に沿って作業機３が動作するように、ブームシリンダ１６およびバケットシリンダ１９を制御する。経路追従制御部１０３から、作業機制御部８２に、作業機３を最適経路に沿って移動させるための指令信号が出力される。

【0067】

インターフェース１３０は、車体コントローラ５０との間で信号の送受信が可能に構成されている。インターフェース１３０は、自動化切替スイッチ１３１、エンジン緊急停止スイッチ１３２、およびモードランプ１３３を有している。

【0068】

自動化切替スイッチ１３１は、オペレータによって操作される。オペレータは、自動化切替スイッチ１３１を操作することにより、ホイールローダ１をマニュアルで操作するか、ホイールローダ１を自動制御するかを切り替える。エンジン緊急停止スイッチ１３２は、オペレータによって操作される。エンジン２１を緊急停止させることが求められる事象が発生したとき、オペレータは、エンジン緊急停止スイッチ１３２を操作する。自動化切替スイッチ１３１およびエンジン緊急停止スイッチ１３２の操作の信号は、車体コントローラ５０に入力される。

【0069】

モードランプ１３３は、ホイールローダ１が現在、オペレータによるマニュアル操作されるモードであるか、または自動制御されるモードであるか、を表示する。車体コントローラ５０からモードランプ１３３に、ランプの点灯を制御するための指令信号が出力される。

【0070】

＜掘削作業＞
実施形態のホイールローダ１は、土砂などのマテリアルをバケット６に掬い取る掘削作業を実行する。図５は、ホイールローダ１による掘削作業を説明する図である。

【0071】

図５に示されるように、ホイールローダ１は、土砂などのマテリアル２００へ向かって前進走行する。ホイールローダ１がバケット６をマテリアル２００へ突っ込み、バケット６の刃先６ａをマテリアル２００に食い込ませた状態で、前進方向に牽引力を掛けながら、バケット６を上昇させる。図５中に曲線矢印で示されるバケット軌跡ＢＬに表されるように、バケット６が動作する。これにより、バケット６にマテリアル２００を掬い取る掘削作業が実行される。

【0072】

ホイールローダ１は、掬い込んだバケット６内のマテリアル２００を、走行装置４の前輪４ａおよび後輪４ｂの両方が地面Ｇに接地した状態で、地面Ｇの同じ場所に複数回排出して、地面Ｇ上にマテリアル２００の山を形成する、積付け作業を実行する。

【0073】

＜かき上げ作業＞
実施形態のホイールローダ１は、積付けたマテリアル２００により形成される山の斜面をバケット６で掘削しながらマテリアル２００の山の斜面を上方へ登り、マテリアル２００の山の斜面の上部に新たなマテリアル２００を積み上げる、かき上げ作業を実行する。図６は、ホイールローダ１によるかき上げ作業を説明する図である。

【0074】

図６に示されるように、ホイールローダ１は、マテリアル２００の山へ向かって前進走行する。バケット６の刃先６ａをマテリアル２００に食い込ませた状態で、バケット６を上昇させる。このときホイールローダ１は前進走行を継続しており、ホイールローダ１はマテリアル２００の山をバケット６で掘削しながら山の中腹まで登るように走行する。図６中に曲線矢印で示されるバケット軌跡ＢＬに表されるように、バケット６が動作する。バケット６が山の上部に到達すると、ホイールローダ１は、バケット６をダンプ動作させて、バケット６内のマテリアル２００をバケット６から排出する。これにより、バケット６に掬い込んだマテリアル２００を山の上部に積み上げるかき上げ作業が実行される。

【0075】

＜積付け／かき上げ作業の自動制御＞
図７は、自動制御により積付け作業およびかき上げ作業を実行する処理の流れを示すフローチャートである。図７および後続の図８～１５を適宜参照して、積付け作業およびかき上げ作業の自動制御について、説明する。

【0076】

まず、ステップＳ１において、自動化コントローラ１００のパスプランニング部１０２は、地面Ｇ上に、積付け目標点Ｏを設定する。積付け目標点Ｏは、たとえば、ストックヤード内への積付け作業のために、ストックヤード内の地面Ｇに設定されてもよい。または積付け目標点Ｏは、更地に設定されてもよい。

【0077】

ステップＳ２において、パスプランニング部１０２は、積付け高さＨ１を決定する。図８は、積付け目標点Ｏおよび積付け高さＨ１の設定について示す図である。積付け目標点Ｏの真っ直ぐ上方に、積付け作業により形成されるマテリアル２００の山の頂点Ｐが設定される。積付け高さＨ１は、地面Ｇから頂点Ｐまでの距離である。図８に示される角度θは、マテリアル２００の安息角である。パスプランニング部１０２は、ホイールローダ１の機械寸法より、積付け高さＨ１が最大になる頂点Ｐを決定する。

【0078】

具体的に、マテリアル２００の安息角θは、マテリアル２００の素材および状態によって異なる。マテリアルの安息角θが小さければ、マテリアル２００の山が前輪４ａと干渉しないためには、頂点Ｐをホイールローダ１の車体からより離れた位置に設定する必要があり、このときの積付け高さＨ１は比較的小さくなる。マテリアルの安息角θが大きければ、マテリアル２００の山が自発的に崩れにくくなるので、頂点Ｐをホイールローダ１の車体により近くより高い位置に設定でき、積付け高さＨ１は比較的大きくなる。

【0079】

パスプランニング部１０２は、ホイールローダ１の機械寸法より、作業機械本体に対してバケット６の刃先６ａを配置可能な領域を算出する。具体的には、パスプランニング部１０２は、図１に示される、ブームピン９の高さを示す長さＬ５と、作業機３の寸法（長さＬ６（バケット長）および長さＬ７（ブーム長））と、作業機械本体に対してとり得るブーム１４の角度（ブーム角、角度α）と、ブーム１４に対してとり得るバケット６の角度（バケット角）と、より、作業機械本体に対してバケット６の刃先６ａを配置可能な領域を算出する。ブームピン９は、作業機械本体へのブーム１４の取付位置である。作業機３の寸法は、ブームピン９からバケット６の刃先６ａまでの長さを含む。

【0080】

上述したように、長さＬ５～Ｌ７は、車体コントローラ５０に記憶されている。ブーム角およびバケット角は、ブーム角度センサ１２３およびバケット角度センサ１２４の検出結果より求められる。

【0081】

パスプランニング部１０２は、前輪４ａと後輪４ｂとを地面Ｇに接地した状態で積付け高さＨ１を最大にできる頂点Ｐを、ホイールローダ１の機械寸法と、マテリアルの安息角θとにより決定する。パスプランニング部１０２は、作業機械本体に対してバケット６の刃先６ａを配置可能な領域内の各位置にバケット６の刃先６ａを配置した状態で、バケット６からマテリアル２００を排出した場合に、形成されるマテリアル２００の山が前輪４ａと干渉しない条件を満たす、刃先６ａの位置を算出する。パスプランニング部１０２は、算出された刃先６ａの位置のうち、地面Ｇから最も離れ最も高い位置にある刃先６ａの位置を決定する。パスプランニング部１０２は、その刃先６ａの最も高い位置を、積付け作業により形成されるマテリアル２００の山の頂点Ｐとする。

【0082】

パスプランニング部１０２は、積付け高さＨ１を最も高くできる頂点Ｐを決定し、その頂点Ｐに対応する積付け高さＨ１を決定する。パスプランニング部１０２は、積付け作業によって形成されるマテリアル２００の山の高さを、積付け高さＨ１とする。パスプランニング部１０２は、その頂点Ｐおよび積付け高さＨ１を有するマテリアル２００の山を形成するときの走行装置４および作業機３の位置を決定し、その位置に向かうホイールローダ１の最適経路を生成する。

【0083】

マテリアルの安息角θは、オペレータがインターフェース１３０を介して入力し、車体コントローラ５０に記憶されてもよい。自動化コントローラ１００のパスプランニング部１０２は、車体コントローラ５０に記憶された安息角θを適宜読み出して、積付け高さＨ１の計算、および後述するかき上げ高さＨ２の計算などの他の計算に使用してもよい。または、パスプランニング部１０２は、知覚装置１１１により検出された車体前方のマテリアル２００の情報と、自動化コントローラ１００または車体コントローラ５０に記憶されているデータベースとを照合することで、マテリアル２００の素材および状態を認識して、安息角θを決定してもよい。

【0084】

図７に戻って、ステップＳ３において、自動化コントローラ１００の経路追従制御部１０３は、積付け目標点Ｏを通る直線に沿って積付け作業を実行するように、ホイールローダ１を最適経路に追従して動作させる。

【0085】

図９は、積付け目標点Ｏに向かって前進するホイールローダ１を模式的に示す図である。図９に示される中心線ＣＬは、左右方向におけるホイールローダ１の中心線である。中心線ＣＬは直線である。中心線ＣＬ上に、積付け目標点Ｏがある。図９に示される中心線ＣＬは、積付け目標点Ｏを通る直線の一例である。ホイールローダ１は、中心線ＣＬに沿って直進して、積付け目標点Ｏに向かって前進する。積付け目標点Ｏに向かって前進するホイールローダ１は、バケット６にマテリアル２００を搭載している。

【0086】

図１０は、積付け作業中のホイールローダ１を模式的に示す図である。図１０および後続の図１１，１３，１５では、図１，２に示されるホイールローダ１の構成のうち、前フレーム２ａ、後フレーム２ｂ、前輪４ａ、後輪４ｂ、バケット６、およびブーム１４のみが、代表的に図示されている。

【0087】

自動化コントローラ１００の経路追従制御部１０３は、図９に示される中心線ＣＬに沿ってホイールローダ１を直線的に前進させて、積付け目標点Ｏに接近させる。経路追従制御部１０３は、バケット６の刃先６ａが積付け目標点Ｏの上方（すなわち、頂点Ｐの上方）に到達すると、バケット６をダンプ動作させて、バケット６内のマテリアル２００を地面Ｇ上に排出させる。これにより、地面Ｇ上にマテリアル２００の山が形成される。マテリアル２００の排出を複数回繰り返すことによって積付け高さＨ１のマテリアル２００の山が形成される。図１０に示される積付け作業の途中では、マテリアル２００の山の頂点は、ステップＳ２で決定された頂点Ｐよりも低い（地面Ｇに近い）位置にある。

【0088】

図７に戻って、ステップＳ４において、マテリアル２００の山の高さが積付け高さＨ１に達したか否かが判断される。知覚装置１１１は、マテリアル２００の山を検出する。知覚装置１１１は、現在のマテリアル２００の山の形状を検出する。知覚装置１１１が検出した検出結果は、自動化コントローラ１００の位置推定部１０１に入力される。位置推定部１０１は、知覚装置１１１により検出されたマテリアル２００の山の形状から、山の現状高さを認識する。マテリアル２００の山の現状高さは、積付け高さＨ１以下の高さになる。

【0089】

自動化コントローラ１００は、マテリアル２００の山の現状高さと、ステップＳ２で決定された積付け高さＨ１とを比較する。現状高さが積付け高さＨ１よりも低いと判断されると、マテリアル２００の山の高さが積付け高さＨ１に達していない（ステップＳ４においてＮＯ）と判断される。その場合、処理はステップＳ３に戻り、積付け作業が継続される。

【0090】

図１１は、積付け作業により形成されたマテリアル２００の山を模式的に示す図である。図１１には、自動化コントローラ１００の経路追従制御部１０３が、積付け目標点Ｏへのマテリアル２００の排出を複数回実行するように走行装置４および作業機３を制御した後の状態が示されている。図１１に示されるマテリアル２００の山の高さは、積付け高さＨ１に到達している。このとき、自動化コントローラ１００は、マテリアル２００の山の現状高さが積付け高さＨ１に達した（ステップＳ４においてＹＥＳ）と判断して、積付け作業を終了する。

【0091】

ステップＳ５に進み、自動化コントローラ１００のパスプランニング部１０２は、かき上げ高さＨ２を決定する。図１２は、かき上げ領域Ｖ１および被かき上げ領域Ｖ２の設定について示す図である。かき上げ高さＨ２は、地面Ｇから、かき上げ作業によって成形された後のマテリアル２００の山の頂点Ｑまでの距離である。頂点Ｑは、頂点Ｐよりも高い位置にある。

【0092】

かき上げ作業は、マテリアル２００の山をバケット６で掘削しながらホイールローダ１がマテリアル２００の山を登っていく作業である。ホイールローダ１が山を登るにつれて、ホイールローダ１の車体は、その前方が上向きになるように傾斜する。ホイールローダ１は、車体が地面Ｇに接触する角度まで車体を傾けて斜面を登ることができる。

【0093】

自動化コントローラ１００のパスプランニング部１０２は、ホイールローダ１の機械寸法より、かき上げ高さＨ２を決定する。パスプランニング部１０２は、ホイールローダ１がマテリアル２００の山の斜面を登るときに、ホイールローダ１の後フレーム２ｂの後端の下面が地面Ｇに接触することなくホイールローダ１の車体が傾斜可能な範囲を、ホイールベース長（長さＬ１、図１）、リアオーバハング長（長さＬ２、図１）、および背離角（角度γ、図１）より、決定する。

【0094】

パスプランニング部１０２は、マテリアル２００の山の頂点Ｐから図１２中の右下方向に延びる斜面に平行な、仮想直線ＶＬ１を設定する。図１２に示される仮想直線ＶＬ１は、かき上げ作業によって成形された後のマテリアル２００の山の斜面の一例に相当する。またパスプランニング部１０２は、マテリアル２００の山の頂点Ｐから図１２中の左下方向に延びる斜面を頂点Ｐの右上方向に延長した仮想直線ＶＬ２を設定する。仮想直線ＶＬ１，ＶＬ２は、図１２においては破線で図示されている。

【0095】

パスプランニング部１０２は、後フレーム２ｂの後端の下面を地面Ｇに接触させずに、仮想直線ＶＬ１に沿ってマテリアル２００の山の斜面を登り、仮想直線ＶＬ２上にバケット６の刃先６ａを配置することが可能な、ホイールローダ１の姿勢を算出する。パスプランニング部１０２は、そのようなホイールローダ１の姿勢を、少なくとも１つ、好ましくは複数、好ましくは取り得る全ての姿勢を、算出する。

【0096】

パスプランニング部１０２は、図１に示される、ホイールベース長を示す長さＬ１と、リアオーバハング長を示す長さＬ２と、ブームピン９の高さを示す長さＬ５と、作業機３の寸法（長さＬ６（バケット長）および長さＬ７（ブーム長））と、作業機械本体に対してとり得るブーム１４の角度（ブーム角、角度α）と、ブーム１４に対してとり得るバケット６の角度（バケット角）と、背離角を示す角度γと、より、仮想直線ＶＬ１に沿ってマテリアル２００の山の斜面を登り仮想直線ＶＬ２上にバケット６の刃先６ａを配置可能な、ホイールローダ１の姿勢を算出する。ブームピン９は、作業機械本体へのブーム１４の取付位置である。作業機３の寸法は、ブームピン９からバケット６の刃先６ａまでの長さを含む。

【0097】

上述したように、長さＬ１～Ｌ２，Ｌ５～Ｌ７および角度γは、車体コントローラ５０に記憶されている。ブーム角およびバケット角は、ブーム角度センサ１２３およびバケット角度センサ１２４の検出結果より求められる。

【0098】

パスプランニング部１０２は、上記の仮想直線ＶＬ２上における、バケット６の刃先６ａを配置可能な範囲のうち、地面Ｇから最も離れ最も高い位置にある刃先６ａの位置を、決定する。パスプランニング部１０２は、その刃先６ａの最も高い位置を、かき上げ作業により成形されるマテリアル２００の山の頂点Ｑとする。パスプランニング部１０２は、かき上げ高さＨ２を最も高くできる頂点Ｑを決定し、その頂点Ｑに対応する仮想直線ＶＬ１をマテリアル２００により成形される山の斜面として決定し、その頂点Ｑに対応するかき上げ高さＨ２を決定する。パスプランニング部１０２は、かき上げ作業によって成形されるマテリアル２００の高さを、かき上げ高さＨ２とする。

【0099】

パスプランニング部１０２は、その頂点Ｑおよびかき上げ高さＨ２を有するマテリアル２００の山を成形するときの走行装置４および作業機３の位置を決定し、その位置に向かうホイールローダ１の最適経路を生成する。パスプランニング部１０２は、マテリアル２００の山の頂点Ｑを目標位置として、バケット６内にマテリアル２００を掬い込みながら、走行装置４を前進走行させてホイールローダ１に斜面を登らせるように、最適経路を生成する。パスプランニング部１０２は、目標位置である山の頂点Ｑの位置にバケット６の刃先６ａが到達すると、バケット６をダンプ動作させてバケット６内のマテリアル２００を排出させて、マテリアル２００の山の斜面の上部にマテリアル２００を積み上げるように、最適経路を生成する。

【0100】

図７に戻って、ステップＳ６において、パスプランニング部１０２は、かき上げ領域Ｖ１を計算する。図１２を再び参照して、パスプランニング部１０２は、積付け作業により形成されるマテリアル２００の山の頂点Ｐを通り、地面Ｇと平行に延びる、典型的には水平に延びる、仮想平面を設定する。かき上げ作業で成形されるマテリアル２００の山の頂点Ｑから図１２中の右下方向に延びる仮想直線ＶＬ１と、上記の仮想平面との成す角度は、安息角θである。したがって図１２中に破線で示される、頂点Ｐと頂点Ｑとを２つの頂点とする三角形は、両底角が安息角θで等しいので、二等辺三角形である。その二等辺三角形の底辺は図１２中の左右方向に延び、その底辺の長さを辺長ＳＬ１とする。パスプランニング部１０２は、その二等辺三角形で囲まれる領域を、かき上げ領域Ｖ１とする。

【0101】

図１２に示される上記の二等辺三角形の高さは、かき上げ高さＨ２と積付け高さＨ１との差である。マテリアル２００の安息角θによって二等辺三角形の２つの等辺が決定され、２つの等辺をむすぶ二等辺三角形の底辺が決定される。二等辺三角形の底辺の長さは、辺長ＳＬ１である。積付け高さＨ１と、かき上げ高さＨ２と、マテリアル２００の安息角θから決定される辺長ＳＬ１と、により、二等辺三角形の面積が計算される。

【0102】

かき上げ作業（および積付け作業）により形成される山は三次元形状を有しており、図１２における紙面垂直方向に幅を有している。したがって、かき上げ作業によってかき上げ領域Ｖ１に積み上げられるマテリアル２００に関して、そのマテリアル２００の体積が決定される。かき上げ領域Ｖ１に積み上げられるマテリアル２００の体積を、積み上げ体積とも称する。たとえば、かき上げ作業によって図１２の紙面垂直方向に同じ幅のマテリアル２００が積み上げられると想定し、そのマテリアル２００の幅がバケット６の幅と等しいと想定すれば、図１２に示される上記の二等辺三角形の面積に、バケット幅を示す長さＬ９（図２）を乗じることによって、積み上げ体積を計算することができる。

【0103】

図７に戻って、ステップＳ７において、パスプランニング部１０２は、被かき上げ領域Ｖ２を計算し、仮想面ＶＰを設定する。被かき上げ領域Ｖ２は、かき上げ作業によってかき上げ領域Ｖ１に運ばれるべきマテリアル２００が積まれる領域である。パスプランニング部１０２は、かき上げ領域Ｖ１の体積である積み上げ体積と、被かき上げ領域Ｖ２との体積とが等しくなるように、積み上げ体積に基づいて被かき上げ領域Ｖ２を計算する。パスプランニング部１０２は、被かき上げ領域Ｖ２の境界の一部を構成する仮想面ＶＰを設定する。

【0104】

図１２を再び参照して、ステップＳ６で設定した、かき上げ作業で形成されるマテリアル２００の山の頂点Ｑから図１２中の右下方向に延びる仮想直線ＶＬ１は、かき上げ作業の終了後のマテリアル２００の山の斜面に対応する。パスプランニング部１０２は、その山の斜面と、仮想直線ＶＬ１と平行に延び図１２の紙面垂直方向に延びる平面である仮想面ＶＰと、地面Ｇと、地面Ｇと平行に延び頂点Ｐを通る平面と、によって囲まれる領域を、被かき上げ領域Ｖ２とする。パスプランニング部１０２は、かき上げ作業の終了後のマテリアル２００の山の斜面に沿って、被かき上げ領域Ｖ２を設定する。パスプランニング部１０２は、かき上げ作業の終了後のマテリアル２００の山の外側に、被かき上げ領域Ｖ２を設定する。仮想面ＶＰと地面Ｇとの成す角度であって鋭角である角度は、安息角θである。

【0105】

図１２に示される、被かき上げ領域Ｖ２を設定する四角形は、平行四辺形である。その平行四辺形の上辺は図１２中の左右方向に延び、その上辺（および下辺）の長さを辺長ＳＬ２とする。平行四辺形の高さは積付け高さＨ１である。被かき上げ領域Ｖ２は、平行四辺形を底面とする四角柱形状を有している。図１２に示される、辺長ＳＬ１を有する辺と、辺長ＳＬ２を有する辺とは、一直線上にある。かき上げ領域Ｖ１の底面と、被かき上げ領域Ｖ２の頂面とは、同一平面上にある。

【0106】

かき上げ領域Ｖ１の体積と被かき上げ領域Ｖ２の体積とが等しいので、図１２の紙面垂直方向におけるマテリアル２００の幅がかき上げ領域Ｖ１と被かき上げ領域Ｖ２とで等しいと仮定すれば、図１２に示される二等辺三角形の面積と、図１２に示される平行四辺形との面積が等しくなる。したがって、下記の式１によって、辺長ＳＬ２を計算することができる。

【0107】

ＳＬ１×（Ｈ２－Ｈ１）／２＝ＳＬ２×Ｈ１ ・・・ （式１）
被かき上げ領域Ｖ２の高さは、必ずしも積付け高さＨ１でなくてもよい。被かき上げ領域Ｖ２の形状は、四角柱に限られない。被かき上げ領域Ｖ２の体積がかき上げ領域Ｖ１の体積と等しければ、被かき上げ領域Ｖ２は任意の形状を有していてもよい。被かき上げ領域Ｖ２の全体が、頂点Ｐよりも高さの低い位置に設定されてもよい。図１２の紙面垂直方向における、かき上げ領域Ｖ１の幅と、被かき上げ領域Ｖ２の幅とが、互いに異なってもよい。

【0108】

図７に戻って、ステップＳ８において、自動化コントローラ１００は、積付け作業を継続する。図１３は、積付け作業を継続中のホイールローダ１を模式的に示す図である。パスプランニング部１０２は、地面Ｇ上の、ステップＳ１で設定した積付け目標点Ｏよりも後方（ホイールローダ１の前後方向における後方。図１３においては図中の右方）に、次の目標点を設定する。パスプランニング部１０２は、その次の目標点の真っ直ぐ上方の点であって、ステップＳ２で設定される頂点Ｐと同じ高さの点を、次の山の頂点として決定する。パスプランニング部１０２は、その次の山を形成するときの走行装置４および作業機３の位置を決定し、その位置に向かうホイールローダ１の最適経路を生成する。

【0109】

経路追従制御部１０３は、新たに生成された最適経路に追従してホイールローダ１を動作させることにより、次の山の積付け作業を実行する。経路追従制御部１０３は、複数の山の積付け作業を繰り返し実行する。図１３には、最初の積付け作業により形成されたマテリアル２００の山の後方に、３つの山が形成された状態が図示されている。

【0110】

図７に戻って、ステップＳ９において、自動化コントローラ１００は、仮想面ＶＰ内が充填されたか否かを判断する。知覚装置１１１は、マテリアル２００の山を検出する。知覚装置１１１は、現在のマテリアル２００の山の形状を検出する。知覚装置１１１が検出した検出結果は、自動化コントローラ１００の位置推定部１０１に入力される。位置推定部１０１は、知覚装置１１１の検出結果から、積付け作業により形成されたマテリアル２００の山の現在の形状を認識し、マテリアル２００の山の現状高さを認識する。

【0111】

自動化コントローラ１００は、積付け作業により形成されたマテリアル２００の山の斜面と、ステップＳ７で決定された仮想面ＶＰとを比較する。マテリアル２００の山の斜面が仮想面ＶＰに到達していないと判断されると（ステップＳ９においてＮＯ）、処理はステップＳ８に戻り、積付け作業が継続される。たとえば図１３に示される山の状態では、直近に積付けられたマテリアル２００の山の斜面が仮想面ＶＰよりも前方（図中の左方）にあり、マテリアル２００の山の斜面が仮想面ＶＰに到達していない。したがって被かき上げ領域Ｖ２内にマテリアル２００が積まれていない。

【0112】

自動化コントローラ１００は、積付け作業によって被かき上げ領域Ｖ２にマテリアル２００を積み、被かき上げ領域Ｖ２にマテリアル２００を充填するように、走行装置４および作業機３を制御する。積付け作業により形成されたマテリアル２００の山の斜面が仮想面ＶＰに到達し、かつ、その山の現状高さが積付け高さＨ１に到達したと判断されると（ステップＳ９においてＹＥＳ）、被かき上げ領域Ｖ２にマテリアル２００が積まれたと判断され、積付け作業を完了する。

【0113】

図１４は、積付け作業完了時のマテリアル２００の山を模式的に示す図である。図１４には、最初の積付け作業により形成されたマテリアル２００の山の後方（図１４においては図中の右方）に、６つの山が形成された状態が図示されている。最後に積付けられたマテリアル２００の山の斜面が、仮想面ＶＰに到達して、被かき上げ領域Ｖ２内のほぼ全体にマテリアル２００が積まれている。

【0114】

被かき上げ領域Ｖ２にマテリアル２００が積まれると、積付け作業からかき上げ作業へ移行する。図７に戻って、ステップＳ１０において、自動化コントローラ１００の経路追従制御部１０３は、ステップＳ５で生成された最適経路に追従してホイールローダ１を動作させることにより、かき上げ作業を実行する。

【0115】

経路追従制御部１０３は、マテリアル２００の山に向かってホイールローダ１を前進走行させて、被かき上げ領域Ｖ２内のマテリアル２００にバケット６の刃先６ａを食い込ませる。経路追従制御部１０３は、その状態でホイールローダ１を前進走行させて、ホイールローダ１が、被かき上げ領域Ｖ２のマテリアル２００をバケット６内に掬い込みながら、マテリアル２００の山の斜面を登るようにする。バケット６が山の上部の目標位置である頂点Ｑに到達すると、経路追従制御部１０３は、バケット６内のマテリアル２００を排出して、山の斜面の上部にマテリアル２００を積み上げる。このようにして、被かき上げ領域Ｖ２のマテリアル２００の、かき上げ領域Ｖ１への移動が実行される。

【0116】

ステップＳ１１において、マテリアル２００の山の高さがかき上げ高さＨ２に達したか否かが判断される。知覚装置１１１は、マテリアル２００の山を検出する。知覚装置１１１は、現在のマテリアル２００の山の形状を検出する。知覚装置１１１が検出した検出結果は、自動化コントローラ１００の位置推定部１０１に入力される。位置推定部１０１は、知覚装置１１１により検出されたマテリアル２００の山の形状から、山の現状高さを認識する。

【0117】

自動化コントローラ１００は、かき上げ作業によって成形されるマテリアル２００の山の現状高さと、ステップＳ５で決定されたかき上げ高さＨ２とを比較する。現状高さがかき上げ高さＨ２よりも低いと判断されると、マテリアル２００の山の高さがかき上げ高さＨ２に達していない（ステップＳ１１においてＮＯ）と判断される。その場合、処理はステップＳ１０に戻り、かき上げ作業が継続される。

【0118】

図１５は、かき上げ作業完了時のマテリアル２００の山を模式的に示す図である。図１５には、自動化コントローラ１００の経路追従制御部１０３が、被かき上げ領域Ｖ２のマテリアル２００の全部をかき上げ領域Ｖ１に移動させるように、走行装置４および作業機３を制御した後の状態が示されている。図１５に示されるマテリアル２００の山の高さは、かき上げ高さＨ２に到達している。自動化コントローラ１００は、知覚装置１１１の検出結果から、マテリアル２００の山の現状高さがかき上げ高さＨ２に達した（ステップＳ１１においてＹＥＳ）と判断して、かき上げ作業を終了する。

【0119】

このようにして、積付け作業およびかき上げ作業を実行する一連の処理を終了する（図７の「終了」）。

【0120】

＜作用および効果＞
上述した説明と一部重複する記載もあるが、本実施形態の特徴的な構成および作用効果についてまとめて記載すると、以下の通りである。

【0121】

図７、図８および図１１に示されるように、自動化コントローラ１００のパスプランニング部１０２は、前輪４ａと後輪４ｂとが地面Ｇに接地した状態でバケット６内のマテリアルを地面Ｇ上に排出することで形成されるマテリアル２００の山の高さである積付け高さＨ１を、作業機械本体の寸法と作業機３の寸法とを含む機械寸法より決定する。

【0122】

ホイールローダ１の本体（作業機械本体）および作業機３の幾何学的形状で決まるホイールローダ１の機械寸法から、積付け作業で形成されるマテリアル２００の山の高さである積付け高さＨ１を決定することで、マテリアル２００の山の高さを適正に決定することができる。ストックヤードなどの限られたスペースにマテリアル２００を充填する場合に、充填するマテリアル２００を増大することができる。

【0123】

図１に示されるように、ブームピン９は、作業機械本体へのブーム１４の取付位置であり、ホイールローダ１の機械寸法は、ブームピン９の高さである長さＬ５を含んでもよい。ブームピン９の高さから積付け高さＨ１を決定することで、マテリアル２００の山の高さを適正に決定することができる。

【0124】

図１に示されるように、ホイールローダ１の機械寸法は、ブーム１４の取付位置であるブームピン９からバケット６の刃先６ａまでの長さを含んでもよい。作業機３の寸法から積付け高さＨ１を決定することで、マテリアル２００の山の高さを適正に決定することができる。

【0125】

図８に示されるように、パスプランニング部１０２は、積付け高さＨ１を、ホイールローダ１の機械寸法とマテリアル２００の安息角θとにより決定してもよい。ホイールローダ１の機械寸法に加えてマテリアル２００の安息角θを考慮して積付け高さＨ１を決定することで、マテリアル２００の山の高さを適正に決定することができる。

【0126】

図７、図１０および図１１に示されるように、自動化コントローラ１００は、知覚装置１１１により検出されたマテリアル２００の山の形状からマテリアル２００の山の現状高さを認識し、マテリアル２００の現状高さが積付け高さＨ１に到達したか否かを判断してもよい。マテリアル２００の現状高さが積付け高さＨ１に到達していなければ積付け作業を継続し、マテリアル２００の現状高さが積付け高さＨ１に到達した時点で積付け作業を終了とすることで、積付け高さＨ１を有するマテリアル２００の山を確実に形成することができる。

【0127】

図７、図８および図１１に示されるように、パスプランニング部１０２は、地面Ｇ上に積付け目標点Ｏを設定し、経路追従制御部１０３は、積付け目標点Ｏへのマテリアル２００の排出を複数回実行するように走行装置４および作業機３を制御することにより、マテリアル２００の山を形成してもよい。このようにすれば、積付け目標点Ｏに積付け高さＨ１のマテリアル２００の山を確実に形成することができる。積付け目標点Ｏをストックヤード内に設定すれば、ストックヤードへのマテリアル２００の充填量を増大することができる。

【0128】

図７、図１１および図１３に示されるように、自動化コントローラ１００は、マテリアル２００の山の現状高さが積付け高さＨ１に到達したと判断されると、積付け目標点Ｏへのマテリアル２００の排出を停止し、地面Ｇ上に次の目標点を設定してもよい。積付け目標点Ｏから少し離れた適切な位置に次の目標点を設定することで、図１４に示されるように、積付け作業によって、同様形状のマテリアル２００の山を整列させて形成することができる。図１５に示されるように、この連なった山の中央に、かき上げ作業によりマテリアル２００を積み上げることで、限られたスペースへのマテリアル２００の充填量をさらに増大することができる。

【0129】

上記の実施形態で説明した、ホイールローダ１の自動制御システムを構成する自動化コントローラ１００は、必ずしもホイールローダ１に搭載されていなくてもよい。ホイールローダ１に搭載されたコントローラが、外界情報取得部１１０および車両情報取得部１２０などによって取得された情報を、外部のコントローラへ送信する処理を行い、信号を受信した外部のコントローラがホイールローダ１を自動制御するシステムを構成してもよい。外部のコントローラは、ホイールローダ１の作業現場に配置されてもよく、ホイールローダ１の作業現場から離れた遠隔地に配置されてもよい。

【0130】

実施形態では、ホイールローダ１はキャブ５を備えており、オペレータがキャブ５に搭乗する有人車両である例について説明した。ホイールローダ１は、無人車両であってもよい。ホイールローダ１は、オペレータが搭乗して操作するためのキャブ５を備えていなくてもよい。ホイールローダ１は、搭乗したオペレータによる操縦機能を搭載していなくてもよい。ホイールローダ１は、遠隔操縦専用の作業機械であってもよい。ホイールローダ１の操縦は、遠隔操縦装置からの無線信号により行われてもよい。

【0131】

＜付記＞
以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。

【0132】

（付記１）
走行体を有する作業機械本体と、
前記作業機械本体に取り付けられ、バケットを有する作業機と、
前記走行体および前記作業機の動作を指令するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記走行体が地面に接地した状態で前記バケット内のマテリアルを前記地面上に排出することで形成される前記マテリアルの山の高さを、前記作業機械本体の寸法と前記作業機の寸法とを含む機械寸法より決定する、作業機械を含むシステム。

【0133】

（付記２）
前記作業機は、先端に前記バケットが取り付けられるブームを有し、
前記機械寸法は、前記作業機械本体への前記ブームの取付位置の高さを含む、付記１に記載のシステム。

【0134】

（付記３）
前記バケットは、刃先を有し、
前記機械寸法は、前記ブームの前記取付位置から前記刃先までの長さを含む、付記１または付記２に記載のシステム。

【0135】

（付記４）
前記コントローラは、前記山の前記高さを、前記機械寸法と前記マテリアルの安息角とにより決定する、付記１から付記３のいずれか１つに記載のシステム。

【0136】

（付記５）
前記作業機械本体の周辺の物体を検出する物体センサをさらに備え、
前記コントローラは、前記物体センサにより検出された前記山の形状から前記山の現状高さを認識し、前記山の前記現状高さが前記高さに到達したか否かを判断する、付記１から付記４のいずれか１つに記載のシステム。

【0137】

（付記６）
前記コントローラは、前記地面上に目標点を設定し、前記目標点への前記マテリアルの排出を複数回実行するように前記走行体および作業機を制御することにより前記山を形成する、付記１から付記５のいずれか１つに記載のシステム。

【0138】

（付記７）
前記コントローラは、前記山の前記現状高さが前記高さに到達したと判断されると、前記目標点への前記マテリアルの排出を停止し、前記地面上に次の目標点を設定する、付記６に記載のシステム。

【0139】

今回開示された実施形態はすべ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。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0140】

１ ホイールローダ、２ 車体フレーム、２ａ 前フレーム、２ｂ 後フレーム、３ 作業機、４ 走行装置、４ａ 前輪、４ｂ 後輪、６ バケット、６ａ 刃先、６ｂ 背面、９ ブームピン、１４ ブーム、１７ バケットピン、１８ ベルクランク、１８ａ 支持ピン、１８ｂ，１８ｃ 連結ピン、１００ 自動化コントローラ、１０１ 位置推定部、１０２ パスプランニング部、１０３ 経路追従制御部、１１０ 外界情報取得部、１１１ 知覚装置、１２０ 車両情報取得部、１２３ ブーム角度センサ、１２４ バケット角度センサ、１２５ ブームシリンダ圧力センサ、１３０ インターフェース、１４０ アクチュエータ、２００ マテリアル、Ａ ブーム基準線、Ｂ ベルクランク基準線、ＢＬ バケット軌跡、ＣＬ 中心線、Ｇ 地面、Ｈ 水平線、Ｈ１ 積付け高さ、Ｈ２ かき上げ高さ、Ｌ１～Ｌ９ 長さ、Ｏ 積付け目標点、Ｐ，Ｑ 頂点、Ｖ１ かき上げ領域、Ｖ２ 被かき上げ領域、ＶＰ 仮想面、α ブーム角、β ベルクランク角、γ 背離角、θ 安息角。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】