特許 7197392 建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-19

(45)【発行日】2022-12-27

(54)【発明の名称】建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法

(51)【国際特許分類】

   E02F 3/43 20060101AFI20221220BHJP

   E02F 9/22 20060101ALI20221220BHJP

   G05B 13/04 20060101ALI20221220BHJP

【ＦＩ】

E02F3/43 E

E02F9/22 F

G05B13/04

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019017393

(22)【出願日】2019-02-01

(65)【公開番号】P2020125599

(43)【公開日】2020-08-20

【審査請求日】2022-01-20

(73)【特許権者】

【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】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 吉朗

【審査官】大塚 裕一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０３０２２０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／１５８７７９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０２Ｆ ３／４３

Ｅ０２Ｆ ９／２２

Ｇ０５Ｂ １３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アーム及びチルトバケットを含む作業機と前記作業機を支持する旋回体とを備える建設機械の制御システムであって、
施工対象の目標形状を示す設計面を取得する設計面取得部と、
前記作業機及び前記旋回体を操作する操作装置の操作データを取得する操作データ取得部と、
前記作業機及び前記旋回体が操作されたときの前記操作データと前記設計面とに基づいて、前記チルトバケットのチルト回転に係る制御量の目標値及び前記旋回体の制御量の目標値を生成する目標値生成部と、
前記目標値と前記建設機械の予測モデルとに基づいて、前記チルトバケットのチルト回転に係る制御量の予測値及び前記旋回体の旋回に係る制御量の予測値を算出し、前記予測値と前記設計面とに基づいて、前記チルトバケットの所定部位と前記設計面との距離及び前記チルトバケットの姿勢が維持されるように、前記作業機及び前記旋回体を制御する駆動量を算出する予測部と、
前記駆動量に基づいて、前記作業機及び前記旋回体を制御する制御指令を出力する指令部と、
を備える建設機械の制御システム。

【請求項2】

前記指令部は、前記操作データに基づいて前記チルトバケットの所定部位と前記設計面との距離及び前記チルトバケットの姿勢が維持されるように算出された前記チルトバケットのチルト回転に係る制御量の予測値が予め定められている規定値以上のときに、前記予測部により算出された前記旋回体の前記駆動量に基づいて、前記旋回体を制御する前記制御指令を出力する、
請求項１に記載の建設機械の制御システム。

【請求項3】

前記指令部は、前記操作装置により前記チルトバケットが第１位置から前記第１位置よりも前記旋回体に近い第２位置に移動され、前記旋回体が旋回される状態で、前記チルトバケットのチルト回転に係る制御量の予測値が前記規定値以上のときに、前記旋回体を制御する前記制御指令を出力する、
請求項２に記載の建設機械の制御システム。

【請求項4】

前記制御量は、前記チルトバケットの移動速度を含む、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。

【請求項5】

前記予測部は、前記制御量の予測値が目標値に追従するように前記駆動量を算出する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。

【請求項6】

前記予測部は、前記制御量の目標値及び予測値により規定される評価関数が最小になるように前記駆動量を算出する、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の建設機械の制御システム。

【請求項7】

前記建設機械の性能に係る第１制約条件及び前記チルトバケットの位置に係る第２制約条件を算出する制約条件算出部を備え、
前記予測部は、前記第１制約条件及び前記第２制約条件を満足するように前記駆動量を算出する、
請求項６に記載の建設機械の制御システム。

【請求項8】

前記作業機を支持する旋回体と、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の建設機械の制御システムと、
を備える建設機械。

【請求項9】

アーム及びチルトバケットを含む作業機と前記作業機を支持する旋回体とを備える建設機械の制御方法であって、
前記作業機及び前記旋回体を操作する操作装置の操作データを取得することと、
前記作業機及び前記旋回体が操作されたときの前記操作データと施工対象の目標形状を示す設計面とに基づいて、前記チルトバケットのチルト回転に係る制御量の目標値及び前記旋回体の制御量の目標値を生成することと、
前記目標値と前記建設機械の予測モデルとに基づいて、前記チルトバケットのチルト回転に係る制御量の予測値及び前記旋回体の旋回に係る制御量の予測値を算出することと、
前記予測値と前記設計面とに基づいて、前記チルトバケットの所定部位と前記設計面との距離及び前記チルトバケットの姿勢が維持されるように、前記作業機及び前記旋回体を制御する駆動量を算出することと、
前記駆動量に基づいて、前記作業機及び前記旋回体を制御する制御指令を出力することと、
を含む建設機械の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、建設機械の制御システム、建設機械、及び建設機械の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

建設機械に係る技術分野において、特許文献１に開示されているような、施工対象の目標形状を示す設計面に従って作業機のバケットを移動させる建設機械の制御システムが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１４／１６７７１８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

建設機械は、旋回体を有する。作業機は、旋回体に支持される。建設機械がチルト回転可能なチルトバケットを有する場合がある。建設機械は、チルトバケットが旋回体に近付くように作業機を作動させるだけで、施工対象に斜面を形成することができる。チルトバケットにより施工対象に斜面を形成するとき、チルトバケットが設計面を掘り込まないように、旋回体を旋回させながら作業機を作動させる場合がある。運転者による操作装置の操作に基づいて旋回体が旋回するとき、旋回体の旋回速度が高いと、チルトバケットが設計面を掘り込んでしまい、施工対象が所望の形状に施工されない可能性がある。

【0005】

本発明の態様は、施工対象を所望の形状に施工することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の態様に従えば、アーム及びチルトバケットを含む作業機と前記作業機を支持する旋回体とを備える建設機械の制御システムであって、施工対象の目標形状を示す設計面を取得する設計面取得部と、前記作業機及び前記旋回体を操作する操作装置の操作データを取得する操作データ取得部と、前記作業機及び前記旋回体が操作されたときの前記操作データと前記設計面とに基づいて、前記チルトバケットのチルト回転に係る制御量の目標値及び前記旋回体の制御量の目標値を生成する目標値生成部と、前記目標値と前記建設機械の予測モデルとに基づいて、前記チルトバケットのチルト回転に係る制御量の予測値及び前記旋回体の旋回に係る制御量の予測値を算出し、前記予測値と前記設計面とに基づいて、前記チルトバケットの所定部位と前記設計面との距離及び前記チルトバケットの姿勢が維持されるように、前記作業機及び前記旋回体を制御する駆動量を算出する予測部と、前記駆動量に基づいて、前記作業機及び前記旋回体を制御する制御指令を出力する指令部と、を備える建設機械の制御システムが提供される。

【発明の効果】

【0007】

本発明の態様によれば、施工対象を所望の形状に施工することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本実施形態に係る建設機械の一例を示す斜視図である。

【図2】図２は、本実施形態に係る建設機械の制御システムを示すブロック図である。

【図3】図３は、本実施形態に係る建設機械を模式的に示す図である。

【図4】図４は、本実施形態に係るバケットを模式的に示す図である。

【図5】図５は、本実施形態に係る制御装置を示す機能ブロック図である。

【図6】図６は、本実施形態に係る目標並進速度算出部によるバケットの目標並進速度の算出方法を説明するための図である。

【図7】図７は、本実施形態に係る制限速度テーブルの一例を示す図である。

【図8】図８は、本実施形態に係る目標回転速度算出部によるバケットの目標回転速度の算出方法を説明するための図である。

【図9】図９は、本実施形態に係る建設機械の動作の一例を示す図である。

【図10】図１０は、本実施形態に係る建設機械の動作の一例を示す図である。

【図11】図１１は、本実施形態に係る建設機械の制御方法を示すフローチャートである。

【図12】図１２は、本実施形態に係るコンピュータシステムの一例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

【0010】

以下の説明においては、３次元の車体座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を規定して、各部の位置関係について説明する。車体座標系とは、建設機械に固定された原点を基準とする座標系をいう。車体座標系は、建設機械に設定された原点を基準として規定方向に延在するＸ軸と、Ｘ軸と直交するＹ軸と、Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれと直交するＺ軸とによって規定される。Ｘ軸と平行な方向をＸ軸方向とする。Ｙ軸と平行な方向をＹ軸方向とする。Ｚ軸と平行な方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＸ方向とする。Ｙ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＹ方向とする。Ｚ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＺ方向とする。

【0011】

［建設機械］
図１は、本実施形態に係る建設機械１００の一例を示す斜視図である。本実施形態においては、建設機械１００が油圧ショベルである例について説明する。以下の説明においては、建設機械１００を適宜、油圧ショベル１００、と称する。

【0012】

図１に示すように、油圧ショベル１００は、油圧により作動する作業機１と、作業機１を支持する旋回体２と、旋回体２を支持する走行体３とを備える。旋回体２は、運転者が搭乗する運転室４を有する。運転室４には、運転者が着座するシート４Ｓが配置される。旋回体２は、走行体３に支持された状態で旋回軸ＲＸを中心に旋回可能である。

【0013】

走行体３は、一対の履帯３Ｃを有する。履帯３Ｃの回転により、油圧ショベル１００が走行する。なお、走行体３がタイヤを有してもよい。

【0014】

作業機１は、旋回体２に支持される。作業機１は、旋回体２に連結されるブーム６と、ブーム６の先端部に連結されるアーム７と、アーム７の先端部に連結されるバケット８とを有する。バケット８は、刃先９を有する。本実施形態において、バケット８の刃先９は、ストレート形状の刃の先端部である。なお、バケット８の刃先９は、バケット８に設けられた凸形状の刃の先端部でもよい。

【0015】

ブーム６は、ブーム軸ＡＸ１を中心に旋回体２に対して回転可能である。アーム７は、アーム軸ＡＸ２を中心にブーム６に対して回転可能である。本実施形態において、バケット８は、チルトバケットである。バケット８は、バケット軸ＡＸ３、チルト軸ＡＸ４、及びローテート軸ＡＸ５のそれぞれを中心にアーム７に対して回転可能である。ブーム軸ＡＸ１、アーム軸ＡＸ２、及びバケット軸ＡＸ３は、Ｙ軸と平行である。チルト軸ＡＸ４は、バケット軸ＡＸ３と直交する。ローテート軸ＡＸ５は、バケット軸ＡＸ３及びチルト軸ＡＸ４のそれぞれと直交する。旋回軸ＲＸは、Ｚ軸と平行である。Ｘ軸方向は、旋回体２の前後方向である。Ｙ軸方向は、旋回体２の車幅方向である。Ｚ軸方向は、旋回体２の上下方向である。シート４Ｓに着座した運転者を基準として作業機１が存在する方向が前方である。

【0016】

図２は、本実施形態に係る油圧ショベル１００の制御システム２００を示すブロック図である。図３は、本実施形態に係る油圧ショベル１００を模式的に示す図である。図４は、本実施形態に係るバケット８を模式的に示す図である。

【0017】

図２に示すように、油圧ショベル１００の制御システム２００は、エンジン５と、作業機１を駆動する複数の油圧シリンダ１０と、旋回体２を駆動する旋回モータ１６と、作動油を吐出する油圧ポンプ１７と、油圧ポンプ１７から吐出された作動油を複数の油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６のそれぞれに分配するバルブ装置１８と、旋回体２の位置データを算出する位置演算装置２０と、作業機１の角度θを検出する角度検出装置３０と、作業機１及び旋回体２を操作する操作装置４０と、制御装置５０とを備える。

【0018】

作業機１は、油圧シリンダ１０が発生する動力により作動する。油圧シリンダ１０は、油圧ポンプ１７から供給された作動油に基づいて駆動する。油圧シリンダ１０は、ブーム６を作動させるブームシリンダ１１と、アーム７を作動させるアームシリンダ１２と、バケット８を作動させるバケットシリンダ１３、チルトシリンダ１４、及びローテートシリンダ１５とを含む。ブームシリンダ１１は、ブーム軸ＡＸ１を中心にブーム６を回転させる動力を発生する。アームシリンダ１２は、アーム軸ＡＸ２を中心にアーム７を回転させる動力を発生する。バケットシリンダ１３は、バケット軸ＡＸ３を中心にバケット８を回転させる動力を発生する。チルトシリンダ１４は、チルト軸ＡＸ４を中心にバケット８を回転させる動力を発生する。ローテートシリンダ１５は、ローテート軸ＡＸ５を中心にバケット８を回転させる動力を発生する。

【0019】

以下の説明においては、バケット軸ＡＸ３を中心とするバケット８の回転を適宜、バケット回転、と称し、チルト軸ＡＸ４を中心とするバケット８の回転を適宜、チルト回転、と称し、ローテート軸ＡＸ５を中心とするバケット８の回転を適宜、ローテート回転、と称する。

【0020】

旋回体２は、旋回モータ１６が発生する動力により旋回する。旋回モータ１６は、油圧モータであり、油圧ポンプ１７から供給された作動油に基づいて駆動する。旋回モータ１６は、旋回軸ＲＸを中心に旋回体２を旋回させる動力を発生する。

【0021】

エンジン５は、旋回体２に搭載される。エンジン５は、油圧ポンプ１７を駆動するための動力を発生する。

【0022】

油圧ポンプ１７は、油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６を駆動するための作動油を吐出する。

【0023】

バルブ装置１８は、油圧ポンプ１７から供給された作動油を複数の油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６に分配する複数のバルブを有する。バルブ装置１８は、複数の油圧シリンダ１０のそれぞれに供給される作動油の流量を調整する。油圧シリンダ１０に供給される作動油の流量が調整されることにより、油圧シリンダ１０の作動速度が調整される。バルブ装置１８は、旋回モータ１６に供給される作動油の流量を調整する。旋回モータ１６に供給される作動油の流量が調整されることにより、旋回モータ１６の回転速度が調整される。

【0024】

位置演算装置２０は、旋回体２の位置データを算出する。旋回体２の位置データは、旋回体２の位置、旋回体２の姿勢、及び旋回体２の方位を含む。位置演算装置２０は、旋回体２の位置を算出する位置演算器２１と、旋回体２の姿勢を算出する姿勢演算器２２と、旋回体２の方位を算出する方位演算器２３とを有する。

【0025】

位置演算器２１は、旋回体２の位置として、グローバル座標系における旋回体２の位置を算出する。位置演算器２１は、旋回体２に配置される。グローバル座標系とは、地球に固定された原点を基準とする座標系をいう。グローバル座標系は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）によって規定される座標系である。ＧＮＳＳとは、全地球航法衛星システムをいう。全地球航法衛星システムとして、ＧＰＳ（Global Positioning System）が例示される。ＧＮＳＳは、複数の測位衛星を有する。ＧＮＳＳは、緯度、経度、及び高度の座標データで規定される位置を検出する。旋回体２にＧＰＳアンテナが設けられる。ＧＰＳアンテナは、ＧＰＳ衛星から電波を受信して、受信した電波に基づいて生成した信号を位置演算器２１に出力する。位置演算器２１は、ＧＰＳアンテナから供給された信号に基づいて、グローバル座標系における旋回体２の位置を算出する。位置演算器２１は、例えば図３に示すような、旋回体２の代表点Ｏの位置を算出する。図３に示す例において、旋回体２の代表点Ｏは、旋回軸ＲＸに設定される。なお、代表点Ｏは、ブーム軸ＡＸ１に設定されてもよい。

【0026】

姿勢演算器２２は、旋回体２の姿勢として、グローバル座標系における水平面に対する旋回体２の傾斜角度を算出する。姿勢演算器２２は、旋回体２に配置される。姿勢演算器２２は、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を含む。水平面に対する旋回体２の傾斜角度は、車幅方向における旋回体２の傾斜角度を示すロール角度α、及び前後方向における旋回体２の傾斜角度を示すピッチ角度βを含む。

【0027】

方位演算器２３は、旋回体２の方位として、グローバル座標系における基準方位に対する旋回体２の方位を算出する。基準方位は、例えば北である。方位演算器２３は、旋回体２に配置される。方位演算器２３は、ジャイロセンサを含む。なお、方位演算器２３は、ＧＰＳアンテナから供給された信号に基づいて方位を算出してもよい。基準方位に対する旋回体２の方位は、基準方位と旋回体２の方位とがなす角度を示すヨー角度γを含む。

【0028】

角度検出装置３０は、作業機１の角度θを検出する。角度検出装置３０は、作業機１に配置される。図３及び図４に示すように、作業機１の角度θは、Ｚ軸に対するブーム６の角度を示すブーム角度θ１と、ブーム６に対するアーム７の角度を示すアーム角度θ２と、アーム７に対するバケット回転方向のバケット８の角度を示すバケット角度θ３と、ＸＹ平面に対するチルト回転方向のバケット８の角度を示すチルト角度θ４と、ＹＺ平面に対するローテート回転方向のバケット８の角度を示すローテート角度θ５とを含む。

【0029】

角度検出装置３０は、ブーム角度θ１を検出するブーム角度検出器３１と、アーム角度θ２を検出するアーム角度検出器３２と、バケット角度θ３を検出するバケット角度検出器３３と、チルト角度θ４を検出するチルト角度検出器３４と、ローテート角度θ５を検出するローテート角度検出器３５とを有する。角度検出装置３０は、油圧シリンダ１０のストロークを検出するストロークセンサを含んでもよいし、ロータリーエンコーダのような作業機１の角度θを検出する角度センサを含んでもよい。角度検出装置３０がストロークセンサを含む場合、角度検出装置３０は、ストロークセンサの検出データに基づいて、作業機１の角度θを算出する。

【0030】

操作装置４０は、油圧シリンダ１０及び旋回モータ１６を駆動するために運転者に操作される。操作装置４０は、運転室４に配置される。運転者により操作装置４０が操作されることにより、作業機１が作動する。操作装置４０は、油圧ショベル１００の運転者に操作されるレバーを含む。操作装置４０のレバーは、右操作レバー４１と、左操作レバー４２と、チルト操作レバー４３とを含む。

【0031】

中立位置にある右操作レバー４１が前方に操作されると、ブーム６が下げ動作し、後方に操作されると、ブーム６が上げ動作する。中立位置にある右操作レバー４１が右方に操作されると、バケット８がダンプ動作し、左方に操作されると、バケット８が掘削動作する。

【0032】

中立位置にある左操作レバー４２が前方に操作されると、アーム７がダンプ動作し、後方に操作されると、アーム７が掘削動作する。中立位置にある左操作レバー４２が右方に操作されると、旋回体２が右旋回し、左方に操作されると、旋回体２が左旋回する。

【0033】

チルト操作レバー４３が操作されると、バケット８がチルト回転又はローテート回転する。

【0034】

［制御装置］
図５は、本実施形態に係る制御装置５０を示す機能ブロック図である。制御装置５０は、位置データ取得部５１と、角度データ取得部５２と、操作データ取得部５３と、設計面取得部５４と、目標値生成部５５と、モデル予測制御部５６と、制約条件算出部５７と、指令部５８と、記憶部６０とを有する。

【0035】

位置データ取得部５１は、位置演算装置２０から旋回体２の位置データを取得する。旋回体２の位置データは、旋回体２の位置、旋回体２の姿勢、及び旋回体２の方位を含む。

【0036】

角度データ取得部５２は、角度検出装置３０から作業機１の角度θを示す角度データを取得する。作業機１の角度データは、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、バケット角度θ３、チルト角度θ４、及びローテート角度θ５を含む。

【0037】

操作データ取得部５３は、作業機１及び旋回体２を操作する操作装置４０の操作データを取得する。操作装置４０の操作データは、操作装置４０が操作された量を含む。操作装置４０には、レバーが操作された量を検出する操作量センサが設けられる。操作データ取得部５３は、操作装置４０の操作量センサから操作装置４０の操作データを取得する。

【0038】

設計面取得部５４は、施工対象の目標形状を示す設計面を取得する。設計面は、油圧ショベル１００による施工後の３次元の目標形状を示す。本実施形態においては、設計面データ供給装置７０により、設計面を示す設計面データが生成される。設計面取得部５４は、設計面データ供給装置７０から設計面データを取得する。設計面データ供給装置７０は、油圧ショベル１００の遠隔地に設けられてもよい。設計面データ供給装置７０で生成された設計面データは、通信システムを介して制御装置５０に送信されてもよい。なお、設計面データ供給装置７０により生成された設計面データが記憶部６０に記憶されてもよい。設計面取得部５４は、記憶部６０から設計面データを取得してもよい。

【0039】

目標値生成部５５は、作業機１の制御量の目標値を生成する。本実施形態において、作業機１の制御量は、バケット８の移動速度及びバケット８の所定部位の位置の一方又は両方を含む。バケット８の所定部位は、バケット８の刃先９を含む。バケット８の移動速度は、刃先９の移動速度を含む。バケット８の所定部位の位置は、刃先９の位置を含む。目標値生成部５５は、操作データ取得部５３により取得された操作データに基づいて、作業機１の制御量の目標値を生成する。また、目標値生成部５５は、旋回体２の制御量の目標値を生成する。本実施形態において、旋回体２の制御量は、旋回体２の旋回速度を含む。目標値生成部５５は、操作データ取得部５３により取得された操作データに基づいて、旋回体２の制御量の目標値を生成する。本実施形態において、目標値生成部５５は、少なくとも作業機１及び旋回体２が操作されたときの操作データと設計面とに基づいて、バケット８のチルト回転に係る制御量の目標値及び旋回体２の旋回に係る制御量の目標値を生成する。

【0040】

バケット８のチルト回転に係る制御量は、チルト方向のバケット８の位置を示すチルト角度θ４、チルト方向のバケット８の回転速度を示すチルト速度、及びチルト方向のバケット８の回転加速度を示すチルト加速度の少なくとも一つを含む。旋回体２の旋回に係る制御量は、旋回体２の旋回速度を含む。

【0041】

以下の説明においては、バケット８の所定部位が刃先９であることとする。なお、バケット８の所定部位は、刃先９でなくてもよい。バケット８の所定部位は、バケット８の床面（底面）でもよい。

【0042】

バケット８の移動速度は、バケット８の並進速度及び回転速度を含む。バケット８の並進速度とは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のそれぞれの移動速度をいう。バケット８の回転速度とは、θＸ方向、θＹ方向、及びθＺ方向のそれぞれの回転角速度をいう。本実施形態において、目標値生成部５５は、並進速度の目標値である目標並進速度ｖ_targetを算出する目標並進速度算出部５５１と、回転速度の目標値である目標回転速度ω_targetを算出する目標回転速度算出部５５２とを含む。目標値生成部５５は、角度データ取得部５２により取得された角度データ、及び操作データ取得部５３により取得された操作データ、及び設計面取得部５４により取得された設計面に基づいて、目標並進速度ｖ_target及び目標回転速度ω_targetのそれぞれを算出する。

【0043】

図６は、本実施形態に係る目標並進速度算出部５５１によるバケット８の目標並進速度ｖ_targetの算出方法を説明するための図である。目標並進速度算出部５５１は、操作装置４０の操作データ及び作業機１の角度データに基づいて、バケット８の並進速度を算出する並進速度算出部５５１Ａと、刃先９と設計面との距離及び設計面データに基づいて、バケット８の制限速度を算出する制限速度算出部５５１Ｂと、ＰＩ制御部５５１Ｃと、減速処理部５５１Ｄとを含む。

【0044】

目標並進速度算出部５５１は、設計面を掘り込まないためのバケット８の目標並進速度ｖ_targetを算出する。バケット８の目標並進速度ｖ_targetは，（１）式から（６）式に基づいて算出される。

【0045】

【数1】

【数2】

【数3】

【数4】

【数5】

【数6】

【0046】

ｎ∈Ｒ^３は、刃先９と最も近い設計面の単位法線ベクトルであり、^ｗＲ１∈Ｒ^３×３は、車体座標系からグローバル座標系へ変換する回転行列であり、ｖ_sagyo∈Ｒ^３は、操作装置４０の操作に基づいて作業機１が作動した場合の並進速度のうち作業機平面（車体座標系のＸＺ平面）におけるブーム６及びアーム７による並進速度成分であり、Ｖ_ＭＡＸは、設計面を掘り込まないための設計面の法線方向のバケット８の最大速度である。Ｊ_ｖ∈Ｒ^３×５及びＪ_ω∈Ｒ^３×５のそれぞれは、ヤコビ行列の並進速度成分及び回転速度成分を示す。

【0047】

目標並進速度算出部５５１は、位置データ取得部５１により取得された旋回体２の位置データと、角度データ取得部５２により取得された作業機１の角度データと、記憶部６０に記憶されている作業機データとに基づいて、刃先９と設計面との距離を算出することができる。図３及び図４に示すように、作業機データは、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、及びバケット幅Ｌ５を含む。ブーム長さＬ１は、ブーム軸ＡＸ１とアーム軸ＡＸ２との距離である。アーム長さＬ２は、アーム軸ＡＸ２とバケット軸ＡＸ３との距離である。バケット長さＬ３は、バケット軸ＡＸ３とバケット８の刃先９との距離である。チルト長さＬ４は、バケット軸ＡＸ３とチルト軸ＡＸ４との距離である。バケット幅Ｌ５は、バケット８の幅方向の寸法である。作業機データは、バケット８の形状及び寸法を示すバケット外形データを含む。バケット外形データは、バケット８の外面の輪郭を含むバケット８の外面データを含む。バケット外形データは、バケット８の所定部位を基準としたバケット８の複数の外形点ＲＰの座標データを含む。

【0048】

目標並進速度算出部５５１は、外形点ＲＰの位置データを算出する。目標並進速度算出部５５１は、車体座標系における旋回体２の代表点Ｏと複数の外形点ＲＰのそれぞれとの相対位置を算出する。目標並進速度算出部５５１は、ブーム長さＬ１、アーム長さＬ２、バケット長さＬ３、チルト長さＬ４、バケット幅Ｌ５、及びバケット外形データを含む作業機データと、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、バケット角度θ３、チルト角度θ４、及びローテート角度θ５を含む作業機１の角度データとに基づいて、車体座標系における旋回体２の代表点Ｏとバケット８の複数の外形点ＲＰのそれぞれとの相対位置を算出することができる。外形点ＲＰが刃先９に設定されることにより、目標並進速度算出部５５１は、代表点Ｏと刃先９との相対位置を算出することができる。設計面は、車体座標系において規定される。したがって、目標並進速度算出部５５１は、車体座標系における刃先９と設計面との距離を算出することができる。また、目標並進速度算出部５５１は、グローバル座標系における複数の外形点ＲＰのそれぞれの位置を算出する。目標並進速度算出部５５１は、旋回体２の代表点Ｏの絶対位置と、旋回体２の代表点Ｏとバケット８の外形点ＲＰとの相対位置とに基づいて、グローバル座標系におけるバケット８の外形点ＲＰの位置を算出することができる。

【0049】

制限速度算出部５５１Ｂは、バケット８と設計面との距離と作業機１の制限速度との関係を示す制限速度テーブルにより、設計面の法線方向におけるブーム６の制限速度を決定する。

【0050】

図７は、本実施形態に係る制限速度テーブルの一例を示す図である。図７に示すように、制限速度テーブルは、刃先９と設計面との距離と作業機１の制限速度との関係を示す。制限速度テーブルにおいて、刃先９と設計面との距離が０のときに、設計面の法線方向における作業機１の速度が０になる。制限速度テーブルにおいて、刃先９が施工面よりも上方に配置されるときに、刃先９と設計面との距離は正の値になる。刃先９が施工面よりも下方に配置されるときに、刃先９と施工面との距離は負の値になる。制限速度テーブルにおいて、刃先９を上方に移動させるときの速度は正の値になる。刃先９と施工面との距離が正の値である作業機制御閾値ｔｈ以下のときに、刃先９と施工面との距離に基づいて、作業機１の制限速度が規定される。刃先９と施工面との距離が作業機制御閾値ｔｈ以上のときに、作業機１の制限速度の絶対値は作業機１の目標速度の最大値より大きい値になる。すなわち、刃先９と施工面との距離が作業機制御閾値ｔｈ以上である場合、作業機１の目標速度の絶対値は常に制限速度の絶対値より小さいため、ブーム６は、常に目標速度で駆動する。

【0051】

図８は、本実施形態に係る目標回転速度算出部５５２によるバケット８の目標回転速度ω_targetの算出方法を説明するための図である。目標回転速度算出部５５２は、作業機１の角度データに基づいてバケット８の現在姿勢Ｒ_curを算出する現在姿勢算出部５５２Ａと、操作装置４０の操作データ及び設計面データに基づいてバケット８の目標姿勢Ｒ_targetを算出する目標姿勢算出部５５２Ｂと、バケット８の現在姿勢Ｒ_curと目標姿勢Ｒ_targetとに基づいて、回転速度ω’_targetを算出する回転速度算出部５５２Ｃと、回転速度ω’_targetをＰ制御して目標回転速度ω_targetを算出するＰ制御部５５２Ｄとを含む。

【0052】

回転速度ω’_targetは、（７）式から（１０）式に基づいて算出される。

【0053】

【数7】

【数8】

【数9】

【数10】

【0054】

ΔＴ_targetは、バケット８の姿勢を修正するのに要する時間に対応するパラメータである。Ｐ制御部５５２Ｄは、回転速度算出部５５２Ｃにより算出された回転速度ω’_targetに基づいてＰ制御することにより、目標回転速度ω_targetを算出する。

【0055】

モデル予測制御部５６は、目標値生成部５５により生成された作業機１の制御量の目標値及び旋回体２の制御量の目標値と作業機１及び旋回体２を含む油圧ショベル１００の予測モデルとに基づいて、作業機１の制御量の予測値及び旋回体２の制御量の予測値を算出する。モデル予測制御部５６は、作業機１の制御量の予測値及び旋回体２の制御量の予測値と設計面とに基づいて、バケット８の所定部位と設計面との距離及びバケット８の姿勢が維持されるように、すなわち目標とする設計面にバケット８が所定の姿勢で追従するように、作業機１及び旋回体２を制御する駆動量を算出する。作業機１の制御量の予測値には、バケット８のチルト回転に係る予測値も含まれる。

【0056】

予測モデル記憶部５６１は、作業機１及び旋回体２を含む油圧ショベル１００の予測モデルを記憶する。予測モデルは、油圧ショベル１００の動力学モデルを含む。予測モデルは、旋回軸ＲＸを中心に旋回する旋回体２のモデルと、ブーム軸ＡＸ１を中心に回転するブーム６のモデルと、アーム軸ＡＸ２を中心に回転するアーム７のモデルと、バケット軸ＡＸ３、チルト軸ＡＸ４、及びローテート軸ＡＸ５を中心に回転するバケット８のモデルとを含む。

【0057】

予測モデルは、離散の状態方程式及び出力方程式により表される。油圧ショベル１００の制御のサンプリングタイムΔＴで離散化された予測モデルの状態方程式を（１１）式に示す。状態方程式の各行列を（１２）式及び（１３）式に示す。予測モデルの出力方程式を（１４）式に示す。

【0058】

【数11】

【数12】

【数13】

【数14】

【0059】

Ｍ∈Ｒ^５×５及びＣｏ∈Ｒ^５のそれぞれは、運動方程式の慣性行列及びコリオリ力・重力のベクトルである．Ｃ_tay∈Ｒ^２npは、所定の時刻ｔにおいてｎ・ｐを角度θ周りにテーラー展開したときの定数項である．ｎ_pは、考慮する設計面の数を示す。予測モデルの出力方程式の出力は、角度θ、角速度、目標並進速度ｖ_target、目標回転速度ω_target、及び刃先９と設計面との距離ｄ及び作動油の流量Ｑである。

【0060】

予測部５６２は、予測モデルに基づいて最適化演算を行い、作業機１及び旋回体２のそれぞれの制御量の予測値を算出する。上述のように、本実施形態において、作業機１の制御量は、バケット８の移動速度及びバケット８の所定部位の位置の一方又は両方を含む。バケット８の所定部位は、刃先９を含む。また、作業機１の制御量は、ブーム６の角速度、アーム７の角速度、及びバケット８の角速度を含む。バケット８の角速度は、バケット軸ＡＸ３を中心とする角速度、チルト軸ＡＸ４を中心とする角速度、及びローテート軸ＡＸ５を中心とする角速度を含む。

【0061】

本実施形態において、予測部５６２は、バケット８のチルト回転に係る制御量の目標値と予測モデルとに基づいて、バケット８のチルト回転に係る制御量の予測値を算出し、予測値に基づいて作業機１を制御する。上述のように、バケット８のチルト回転に係る制御量は、バケット８のチルト角度θ４、チルト速度、及びチルト加速度の少なくとも一つを含む。また、予測部５６２は、旋回体２の制御量の目標値と予測モデルとに基づいて、旋回体２の制御量の予測値を算出し、予測値に基づいて、目標とする設計面にバケット８が所定の姿勢で追従するように、旋回体２を制御する。

【0062】

予測部５６２は、現時点から何ステップか先の（１４）式の左辺の値を予測する。

【0063】

予測部５６２は、バケット８の移動速度の予測値、各軸の角速度の予測値、バケット８の刃先９の位置の予測値、及び作動油の流量の予測値の少なくとも一つに基づいて、作業機１を制御する駆動量を算出する。予測部５６２は、制御量の予測値が目標値に追従するように、駆動量を算出する。予測部５６２は、旋回体２の旋回速度の予測値に基づいて、旋回体２を制御する駆動量を算出する。

【0064】

本実施形態において、予測部５６２は、バケット８の移動速度の予測値、各軸の角速度の予測値、バケット８の刃先９の位置の予測値、作動油の流量の予測値、及び旋回体２の旋回速度の予測値と設計面とに基づいて、目標とする設計面にバケット８が所定の姿勢で追従するように、駆動量を算出する。すなわち、予測部５６２は、バケット８が設計面を掘り込まず、刃先９の位置と設計面の位置とが一致するように、駆動量を算出する。

【0065】

予測部５６２は、評価関数が最小となり、かつ各制約条件を守るように作業機１及び旋回体２を制御する駆動量を算出する。

【0066】

モデル予測制御においては、（１５）式に示すような評価関数が一般的に用いられる。

【0067】

【数15】

【0068】

Ｅ_y（ｔ）は、出力の目標値と予測値との差、Ｅ_u（ｔ）は、入力の目標値と予測値との差、ＥΔ_u（ｔ）は入力の変化量の大きさ、Ｅ_c（ｔ）は、後述する制約条件を満足していない場合に課せられるペナルティ関数である．本実施形態においては、Ｅ_u（ｔ）＝０、ＥΔ_ｕ（ｔ）＝０とし、出力の目標値に対する出力の追従誤差を評価関数として用いる。評価関数を（１６）式及び（１７）式に示す。

【0069】

【数16】

【数17】

【0070】

ｒ（ｔ＋ｉ|ｔ）は、時刻ｔにおける時刻ｔ＋ｉの目標値、ｙ（ｔ＋ｉ|ｔ）は、時刻ｔにおいて予測した時刻ｔ＋ｉにおけるプラント出力、Ｈ_pは、何ステップ先まで予測するかを決定する予測ホライズン、Ｗは、変数に対して重みを与える対角行列である。

【0071】

制約条件算出部５７は、制約条件を算出する。制約条件は、油圧ショベル１００の性能に係る第１制約条件、及びバケット８の位置に係る第２制約条件を含む。予測部５６２は、制約条件算出部５７により算出された制約条件を満足するように、駆動量を算出する。

【0072】

制御対象である油圧ショベル１００において、作業機１の角度θ、角速度、角加速度、及び作動油の流量には制約がある。例えば、作業機１が可動可能な角度θには限界がある。同様に、作業機１の角速度及び角加速度には限界がある。また、油圧ポンプ１７から吐出される作動油の流量には限界がある。このように、油圧ショベル１００には、ハードウエア上の制約がある。そのため，モデル予測制御においても、油圧ショベル１００のハードウエア上の制約を示す第１制約条件を考慮する必要がある。制約条件算出部５７は、作業機１の角度θ、角速度、角加速度、及び作動油の流量を含む第１制約条件を算出する。予測部５６２は、第１制約条件を満足するように、駆動量を算出する。

【0073】

角度θ、角速度、及び作動油の流量についてのそれぞれの制約条件を（１８）式から（２１）式に示す。

【0074】

【数18】

【数19】

【数20】

【数21】

【0075】

角加速度の制約条件を（２２）式に示す。

【0076】

【数22】

【0077】

本実施形態において、制約条件算出部５７は、角加速度の制約条件をトルクの制約条件に変換する。変換後の角加速度の制約条件を（２３）式に示す。

【0078】

【数23】

【0079】

作業機１の制御において、バケット８が設計面を掘り込まないようにする必要がある。すなわち、バケット８の位置には、設計面を掘り込まないようにするという制約がある。そのため、モデル予測制御においても、バケット８の位置の制約を示す第２制約条件を考慮する必要がある。制約条件算出部５７は、設計面に対するバケット８の位置を含む第２制約条件を算出する。予測部５６２は、第２制約条件を満足するように、駆動量を算出する。

【0080】

出力ｄ（t）は、刃先９と設計面との距離を示す。ｉ番目の設計面の方程式は、単位法線ベクトルｎ_iによってｎ・ｐ＋ｄ_i=０と表わされる。刃先９の右端及び左端が設計面を掘り込まないようにするという制約条件を（２４）式及び（２５）式に示す。

【0081】

【数24】

【数25】

【0082】

刃先９の座標は、状態変数中の角度θに対して非線形である．そのため、（２６）式及び（２７）式に示すように、線形近似を行う。

【0083】

【数26】

【数27】

【0084】

予測部５６２は、（１８）式から（２７）式に示した制約条件を満足するように、（１６）式及び（１７）式に示した評価関数を用いて、モデル予測制御における最適化演算を行う。本実施形態における最適化問題を（２８）式に示す。最適化演算には、例えばＱＰ（二次計画法）が使用されるが、その他の計算方法でもよい。

【0085】

【数28】

【0086】

τ（ｔ）は、制御プラントの制御入力トルクであり、最適化演算の解である。Ｈ_ｕは、何ステップ先までの入力を最適化問題で扱うのかを決定する制御ホライズンである。

【0087】

予測部５６２は、予測されたバケット８のチルト回転に係る制御量の予測値及び旋回体２の旋回に係る制御量の予測値に基づいて、バケット８の刃先９と設計面との距離及びバケット８の姿勢が維持されるように、旋回体２の旋回速度を制御する制御指令を出力する。旋回体２は、運転者による操作装置４０の操作に基づいて旋回する。操作装置４０の操作に基づいて旋回する旋回体２の旋回速度が過度に高いとき、予測部５６２は、旋回体２の旋回速度の予測値に基づいて、旋回体２の旋回速度が低下するように、バルブ装置１８を制御するための制限指令を出力する。上述のように、バルブ装置１８は、旋回モータ１６に供給される作動油の流量を調整することができる。旋回モータ１６に供給される作動油の流量が調整されることにより、旋回モータ１６の回転速度及び旋回体２の旋回速度が調整される。予測部５６２からバルブ装置１８に制限指令が出力されることにより、旋回モータ１６に供給される作動油の流量が低減される。旋回モータ１６に供給される作動油の流量が低減されることにより、旋回体２の旋回速度が低下する。

【0088】

図９及び図１０のそれぞれは、本実施形態に係る油圧ショベル１００の動作の一例を示す図である。図９に示すように、斜面を含む設計面ＩＳが設定される。油圧ショベル１００は、チルト回転可能なバケット８が旋回体２に近付くように作業機１を作動させることにより、施工対象に斜面を形成することができる。施工対象に斜面を形成するとき、油圧ショベル１００の運転者は、バケット８が設計面ＩＳの第１位置Ｐ１から第１位置Ｐ１よりも旋回体２に近い第２位置Ｐ２に移動するように、操作装置４０を操作する。

【0089】

図９に示すように、車幅方向の旋回体２の中心の位置と設計面ＩＳの中心の位置とが異なる場合、バケット８が設計面ＩＳを掘り込まないように、旋回体２を旋回させながら作業機１を作動させる場合がある。図９に示す例においては、車幅方向において設計面ＩＳの中心が旋回体２の中心よりも左側に配置されている。そのため、バケット８を第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に移動するとき、バケット８の刃先９を設計面ＩＳに追従させるためには、旋回体２を左旋回させながら作業機１を作動させる必要がある。

【0090】

旋回体２は、運転者による操作装置４０の操作に基づいて旋回する。操作装置４０の操作により旋回体２が旋回するとき、旋回体２の旋回速度が高いと、バケット８が設計面を掘り込んでしまい、施工対象が所望の形状に施工されない可能性がある。すなわち、旋回体２の旋回速度が高いと、バケット８が最高速度でチルト回転しても、刃先９の姿勢の変化により、図１０に示すように、一方の刃先９があがるのが間に合わずに、バケット８は設計面を掘り込んでしまう可能性がある。

【0091】

本実施形態において、予測部５６２は、作業機１及び旋回体２を操作する操作装置４０の操作データに基づいて、バケット８のチルト速度の予測値を算出する。また、予測部５６２は、作業機１及び旋回体２を操作する操作装置４０の操作データに基づいて、刃先９が設計面ＩＳに追従するように、バケット８のチルト回転を含む作業機１の動作を制御する駆動量を算出する。

【0092】

指令部５８は、予測部５６２により算出された駆動量基づいて、作業機１及び旋回体２（バルブ装置１８）を制御する制御指令を出力する。

【0093】

指令部５８は、旋回体２を操作する操作装置４０の操作データに基づいて、刃先９と設計面ＩＳとの距離及びバケット８の姿勢が維持されるように算出されたバケット８のチルト速度の予測値が、予め定められている規定値以上のときに、予測部５６２により算出された旋回体２の駆動量に基づいて、旋回体２の旋回を制御する制御指令を出力する。

【0094】

チルト速度に係る規定値は、チルト速度の最高速度（最高値）でもよいし、最高速度よりも低い速度でもよい。チルト速度の最高速度は、バケット８がチルト回転可能な最高速度であり、例えばチルトシリンダ１４の性能又は油圧ポンプ１７の性能等に基づいて決定される既知データである。

【0095】

本実施形態においては、指令部５８は、旋回体２を操作する操作装置４０の操作データに基づいて、刃先９が設計面ＩＳに追従するように算出されたバケット８のチルト速度の予測値が、最高速度を超えるとき、旋回体２の旋回速度を制限するように、予測部５６２により算出された旋回体２の駆動量に基づいて、旋回体２の旋回速度を制御する制御指令を出力する。

【0096】

バケット８は、チルト速度の最高速度を超えてチルト回転することができない。バケット８のチルト速度の予測値が最高速度を超えているにもかかわらず、旋回体２が操作装置４０の操作に基づいて高速で旋回し続けると、バケット８は、設計面ＩＳを掘り込んでしまう可能性がある。予測部５６２は、旋回体２を旋回させる操作装置４０の操作データに基づいて、旋回体２の旋回速度の予測値を算出することができる。指令部５８は、旋回体２の旋回速度の予測値に基づいて、バケット８の刃先９が設計面ＩＳに追従するように算出されたバケット８のチルト速度が最高速度を超えるときに、旋回体２の旋回速度が制限されるように、制御指令を出力する。すなわち、指令部５８は、バケット８の刃先９が設計面ＩＳに追従するように算出されたバケット８のチルト速度が最高速度を超えるときに、バケット８が設計面ＩＳを掘り込まないように算出された旋回速度で旋回体２が旋回するように、制御指令を出力する。これにより、バケット８が設計面ＩＳを掘り込んでしまうことが抑制される。

【0097】

［制御方法］
図１１は、本実施形態に係る油圧ショベル１００の制御方法を示すフローチャートである。本実施形態においては、図９を参照して説明したような、バケット８を第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に移動する作業が実行されるときの制御方法について説明する。

【0098】

設計面取得部５４は、設計面データを取得する（ステップＳ１）。

【0099】

位置データ取得部５１は、現在値として、位置演算装置２０から旋回体２の位置データを取得する。また、角度データ取得部５２は、現在値として、角度検出装置３０から作業機１の角度データ及び角速度データを取得する（ステップＳ２）。

【0100】

運転者は、バケット８が第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に移動するように操作装置４０を操作する。また、運転者は、バケット８が第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に移動している状態で、旋回体２が旋回するように操作装置４０を操作する。操作データ取得部５３は、操作装置４０から操作データを取得する。目標値生成部５５は、少なくとも操作装置４０の操作データに基づいて、作業機１の制御量の目標値及び旋回体２の制御量の目標値を生成する（ステップＳ３）。

【0101】

作業機１の制御量の目標値は、バケット８の移動速度の目標値を含む。旋回体２の制御量の目標値は、旋回体２の旋回速度の目標値を含む。バケット８の移動速度の目標値は、図６を参照して説明したバケット８の目標並進速度ｖ_targetと、図８を参照して説明したバケット８の目標回転速度ω_targetとを含む。目標値生成部５５は、操作装置４０の操作データと、操作装置４０が操作されることにより変化する作業機１の角度θを示す角度データ及び単位時間当たりの角度θの変化量を示す角速度データと、操作装置４０が操作されることにより変化する旋回体２の位置データと、設計面データとに基づいて、バケット８の目標並進速度ｖ_target及び目標回転速度ω_targetを含む目標値を算出する。

【0102】

制約条件算出部５７は、操作装置４０の操作データと、操作装置４０が操作されることにより変化する作業機１の角度θを示す角度データ及び単位時間当たりの角度θの変化量を示す角速度データと、設計面データとに基づいて、油圧ショベル１００の性能に係る第１制約条件及びバケット８の位置に係る第２制約条件を含む制約条件を算出する（ステップＳ４）。

【0103】

予測部５６２は、作業機１の制御量の目標値及び旋回体２の制御量の目標値と予測モデル記憶部５６１に記憶されている予測モデルとに基づいて、ステップＳ４において算出された制約条件を満足するように、作業機１を制御するための駆動量及び旋回体２を制御するための駆動量を算出する（ステップＳ５）。

【0104】

駆動量として、バルブ装置１８のバルブの駆動量が例示される。駆動量として、作業機１のトルクが算出されてもよい。

【0105】

予測部５６２は、現時点から、例えば１０ステップ先までの作業機１の駆動量、及び旋回体２の駆動量を算出する。

【0106】

予測部５６２は、ステップＳ５で算出した駆動量と、ステップＳ２において取得された現在値とに基づいて、作業機１の制御量の予測値及び旋回体２の制御量の予測値を算出する（ステップＳ６）。

【0107】

予測部５６２は、現時点から、例えば１０ステップ先までの作業機１の移動速度の予測値、刃先９の位置の予測値、及び旋回体２の旋回速度の予測値を算出する。

【0108】

予測部５６２は、作業機１及び旋回体２を操作する操作装置４０の操作データに基づいて、バケット８の刃先９が設計面ＩＳに追従するように算出されたバケット速度の予測値が、最高速度を超えているか否かを判定する（ステップＳ７）。

【0109】

ステップＳ７において、バケット速度の予測値が最高速度を超えていないと判定された場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、予測部５６２は、制御量の予測値が目標値に追従するように駆動量を再算出する（ステップＳ５）。

【0110】

予測部５６２は、制御量の目標値及び現在値により規定される評価関数が最小になるように駆動量を再算出する。予測部５６２は、第１制約条件及び第２制約条件を満足するように駆動量を再算出する。

【0111】

ステップＳ７において、バケット速度の予測値が、最高速度を超えていると判定した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、予測部５６２は、評価関数が最小であるか否かを判定する（ステップＳ８）。

【0112】

バケット８の速度は、作業機１又は旋回体２の各軸の角速度や角加速度でもよい。最高速度は、上限値でよい。つまり、ステップＳ７において、予測部５６２は、各軸の角加速度の予測値が、上限角加速度を超えているか否かを判定してもよい。

【0113】

ステップＳ８において、評価関数が最小でないと判定した場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、予測部５６２は、制御量の予測値が目標値に追従するように駆動量を再算出する（ステップＳ５）。

【0114】

予測部５６２は、評価関数が最小になるまで、ステップＳ５、ステップＳ６、ステップＳ７、及びステップＳ８の処理を繰り返す。

【0115】

ステップＳ８において、評価関数が最小であると判定された場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、指令部５８は、評価関数が最小になるように算出された旋回体２を制御する駆動量に基づいて、旋回体２の旋回速度を制限するように、旋回体２を制御する制御指令を出力する。指令部５８は、予測部５６２により算出された駆動量に基づいてバルブが駆動するように、バルブ装置１８に制御指令を出力する。また、指令部５８は、ステップＳ５において算出された作業機１を制御する駆動量に基づいて、作業機１を制御する制御指令を出力する（ステップＳ９）。

【0116】

上述のように、駆動量は、現時点から、例えば１０ステップ先まで算出される。指令部５８は、１０ステップ先まで算出された駆動量のうち、直近の１ステップ目の駆動量を制御指令として出力する。

【0117】

旋回体２は、指令部５８から出力された制御指令に基づいて、旋回速度を制限されながら旋回する。これにより、図９を参照して説明したように、第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に移動するバケット８は、設計面ＩＳに追従するようにチルト回転することができる。したがって、バケット８は設計面ＩＳを掘り込まないので、施工対象は所望の形状に整地される。

【0118】

［効果］
以上説明したように、本実施形態によれば、作業機１及び旋回体２をモデル予測制御で動かすことで、操作装置４０の操作データにより規定される旋回体２の旋回速度が過度に高い場合、制御装置５０は、バケット８が設計面ＩＳに追従することができるように、旋回体２の旋回速度が制限されるように、制御指令を出力することができる。したがって、バケット８が設計面ＩＳを掘り込んでしまうことが抑制され、施工対象は所望の形状に施工される。

【0119】

［コンピュータシステム］
図１１は、本実施形態に係るコンピュータシステム１０００の一例を示すブロック図である。上述の制御装置５０は、コンピュータシステム１０００を含む。コンピュータシステム１０００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサ１００１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリを含むメインメモリ１００２と、ストレージ１００３と、入出力回路を含むインターフェース１００４とを有する。上述の制御装置５０の機能は、プログラムとしてストレージ１００３に記憶されている。プロセッサ１００１は、プログラムをストレージ１００３から読み出してメインメモリ１００２に展開し、プログラムに従って上述の処理を実行する。なお、プログラムは、ネットワークを介してコンピュータシステム１０００に配信されてもよい。

【0120】

コンピュータシステム１０００は、上述の実施形態に従って、作業機１及び旋回体２を操作する操作装置４０の操作データを取得することと、作業機１及び旋回体２が操作されたときの操作データと施工対象の目標形状を示す設計面ＩＳとに基づいて、バケット８のチルト回転に係る制御量の目標値及び旋回体の制御量の目標値を生成することと、目標値と油圧ショベル１００の予測モデルとに基づいて、バケット８のチルト回転に係る制御量の予測値及び旋回体２の旋回に係る制御量の予測値を算出することと、予測値と設計面ＩＳとに基づいて、バケット８の所定部位と設計面ＩＳとの距離及びバケット８の姿勢が維持されるように、作業機１及び旋回体２を制御する駆動量を算出することと、駆動量に基づいて、作業機１及び旋回体２を制御する制御指令を出力することと、を実行することができる。

【0121】

［その他の実施形態］
上述の実施形態において、目標値生成部５５は、バケット８の速度（並進速度及び回転角速度）を、モデル予測制御部５６の目標値として生成することとした。目標値生成部５５は、バケット８の位置及び姿勢を、モデル予測制御部５６の目標値として生成してもよい。

【0122】

なお、上述の実施形態において、制御装置５０の一部の機能又は全部の機能が、油圧ショベル１００の外部コンピュータシステムに設けられてもよい。例えば、目標値生成部５５及びモデル予測制御部５６が外部コンピュータシステムに設けられ、外部コンピュータシステムにおいて算出された駆動量が無線通信システムを介して油圧ショベル１００に送信されてもよい。

【0123】

なお、上述の実施形態においては、建設機械１００が油圧ショベルであることとした。上述の実施形態で説明した構成要素は、油圧ショベルとは別の、作業機を有する建設機械に適用可能である。

【0124】

なお、上述の実施形態において、旋回体２を旋回させる旋回モータ１６は、油圧モータでなくてもよい。旋回モータ１６は、電力が供給されることにより駆動する電動モータでもよい。また、作業機１は、油圧シリンダ１０によらずに、例えば電気モータのような電動アクチュエータが発生する動力により作動してもよい。

【符号の説明】

【0125】

１…作業機、２…旋回体、３…走行体、３Ｃ…履帯、４…運転室、４Ｓ…シート、５…エンジン、６…ブーム、７…アーム、８…バケット、９…刃先、１０…油圧シリンダ、１１…ブームシリンダ、１２…アームシリンダ、１３…バケットシリンダ、１４…チルトシリンダ、１５…ローテートシリンダ、１６…旋回モータ、１７…油圧ポンプ、１８…バルブ装置、２０…位置演算装置、２１…位置演算器、２２…姿勢演算器、２３…方位演算器、３０…角度検出装置、３１…ブーム角度検出器、３２…アーム角度検出器、３３…バケット角度検出器、３４…チルト角度検出器、３５…ローテート角度検出器、４０…操作装置、４１…右操作レバー、４２…左操作レバー、４３…チルト操作レバー、５０…制御装置、５１…位置データ取得部、５２…角度データ取得部、５３…操作データ取得部、５４…設計面取得部、５５…目標値生成部、５６…モデル予測制御部、５７…制約条件算出部、５８…指令部、６０…記憶部、７０…設計面データ供給装置、１００…建設機械、２００…制御システム、５５１…目標並進速度算出部、５５１Ａ…並進速度算出部、５５１Ｂ…制限速度算出部、５５１Ｃ…ＰＩ制御部、５５１Ｄ…減速処理部、５５２…目標回転速度算出部、５５２Ａ…現在姿勢算出部、５５２Ｂ…目標姿勢算出部、５５２Ｃ…回転速度算出部、５５２Ｄ…Ｐ制御部、５６１…予測モデル記憶部、５６２…予測部、ＡＸ１…ブーム軸、ＡＸ２…アーム軸、ＡＸ３…バケット軸、ＡＸ４…チルト軸、ＡＸ５…ローテート軸。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】