CN117836489A - 用于控制作业机械的系统以及方法 - Google Patents

Abstract

计测值取得部从多个传感器取得计测值。姿势计算部基于计测值来计算配件相对于车身的姿势。操作信号取得部从操作装置取得操作信号。介入控制部基于操作信号以保持配件的姿势的方式生成倾转旋转器的控制信号。输出部输出所生成的控制信号。

Description

用于控制作业机械的系统以及方法

技术领域

本公开涉及用于控制作业机械的系统以及方法。

本申请针对2021年9月30日在日本提出申请的特愿2021-161093号而主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

在专利文献1中公开了如下技术：在具备能够使铲斗的铲尖的角度倾斜的倾转铲斗的作业机械中，使铲斗沿着倾斜的设计面移动。倾转铲斗的倾转轴沿着铲斗的开口方向延伸。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2016/186219号

发明内容

发明所要解决的课题

然而，已知有将作业机械的配件支承为能够绕相互正交的三个轴旋转的倾转旋转器这样的部件。通过将倾转旋转器安装于作业机械，能够使配件朝向任意的方向。然而，关于倾转旋转器，旋转的自由度高，另一方面，由操作员进行的操作变得困难。在专利文献1中，虽然能够使绕倾转轴的动作自动化，但是没有公开具备倾转旋转器的作业机械的控制。

本公开的目的在于提供一种能够对具备经由倾转旋转器而支承于支承部的配件的作业机械的操作进行支援的系统以及方法。

用于解决课题的手段

根据本公开的一方案，一种用于控制作业机械的系统，所述作业机械具备：支承部，其以能够动作的方式支承于车身；倾转旋转器，其安装于支承部的前端；以及配件，其经由倾转旋转器以能够绕在相互不同的平面上交叉的三个轴旋转的方式支承于支承部，其中，所述用于控制作业机械的系统具备处理器。在处理器中，从多个传感器取得计测值。在处理器中，基于计测值，计算配件相对于车身的姿势。在处理器中，基于来自操作装置的操作信号，以保持配件的姿势的方式生成倾转旋转器的控制信号，输出所生成的控制信号。

发明效果

根据上述方案，系统能够对具备经由倾转旋转器而支承于支承部的配件的作业机械的操作进行支援。

附图说明

图1是表示第一实施方式的作业机械的结构的概要图。

图2是表示第一实施方式的倾转旋转器的结构的图。

图3是表示第一实施方式的作业机械的驱动系统的图。

图4是表示第一实施方式的控制装置的结构的概要框图。

图5是表示第一实施方式中的铲斗姿势保持控制的流程图。

具体实施方式

<第一实施方式)

《作业机械的结构》

以下，参照附图对实施方式进行详细说明。

图1是表示第一实施方式的作业机械100的结构的概要图。第一实施方式的作业机械100例如是液压挖掘机。作业机械100具备行驶体120、回转体140、工作装置160、驾驶室180、以及控制装置200。第一实施方式的作业机械100以铲斗164的铲尖不越过设计面的方式进行控制。

行驶体120将作业机械100支承为能够行驶。行驶体120例如是左右1对履带。

回转体140以能够绕回转中心回转的方式支承于行驶体120。回转体140是车身的一例。行驶体120是将回转体140支承为能够回转的基部的一例。

工作装置160以能够动作的方式支承于回转体140。工作装置160由液压驱动。工作装置160具备动臂161、斗杆162、倾转旋转器163、以及作为配件的铲斗164。动臂161的基端部以能够转动的方式安装于回转体140。斗杆162的基端部以能够转动的方式安装于动臂161的前端部。倾转旋转器163以能够转动的方式安装于斗杆162的前端部。铲斗164安装于倾转旋转器163。铲斗164经由倾转旋转器163以能够绕在相互不同的平面上交叉的三个轴旋转的方式支承于工作装置160。在此，将回转体140中的安装有工作装置160的部分称为前部。另外，关于回转体140，以前部为基准，将相反侧的部分称为后部，将左侧的部分称为左部，将右侧的部分称为右部。动臂161以及斗杆162是以能够动作的方式支承于回转体140的支承部的一例。

图2是表示第一实施方式的倾转旋转器163的结构的图。倾转旋转器163以支承铲斗164的方式安装于斗杆162的前端。倾转旋转器163具备安装部1631、倾转部1632、以及旋转部1633。安装部1631以能够绕沿图示左右方向延伸的轴旋转的方式安装于斗杆162的前端。倾转部1632以能够绕沿着图示前后方向延伸的轴旋转的方式安装于安装部1631。旋转部1633以能够绕沿图示上下方向延伸的轴旋转的方式安装于倾转部1632。理想的是，安装部1631、倾转部1632、旋转部1633的旋转轴相互正交。铲斗164的基端部固定于旋转部1633。由此，铲斗164能够相对于斗杆162以相互正交的三个轴为中心旋转。但是，实际上，存在安装部1631、倾转部1632、旋转部1633的旋转轴包含设计误差，有可能未必正交。

驾驶室180设置于回转体140的前部。在驾驶室180内设置有用于供操作员操作作业机械100的操作装置271、以及作为控制装置200的人机接口的监视器装置272。操作装置271接受来自操作员的行驶马达304的操作量、回转马达305的操作量、动臂缸306的操作量、斗杆缸307的操作量、铲斗缸308的操作量、倾转缸309的操作量以及旋转马达310的操作量的输入。操作装置271输出表示作业机械的操作量的操作信号。操作装置271由操作员操作，输出用于使动臂161以及斗杆162动作的操作信号。操作装置271由操作员操作，向行驶体120输出用于使回转体140回转的操作信号。操作装置271由操作员操作，输出用于使倾转旋转器163动作的操作信号。监视器装置272接受来自操作员的铲斗姿势保持控制的设定以及解除的输入。铲斗姿势保持控制是指控制装置200为了自动地保持全局坐标系中的铲斗164的姿势而控制铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310。监视器装置272例如通过具备触摸面板的计算机来实现。

控制装置200基于操作员对操作装置271的操作，对行驶体120、回转体140、以及工作装置160进行控制。控制装置200例如设置于驾驶室180的内部。

《作业机械100的驱动系统》

图3是表示第一实施方式的作业机械100的驱动系统的图。

作业机械100具备用于驱动作业机械100的多个致动器。具体而言，作业机械100具备发动机301、液压泵302、控制阀303、一对行驶马达304、回转马达305、动臂缸306、斗杆缸307、铲斗缸308、倾转缸309、以及旋转马达310。

发动机301是驱动液压泵302的原动机。

液压泵302由发动机301驱动，经由控制阀303向行驶马达304、回转马达305、动臂缸306、斗杆缸307以及铲斗缸308供给工作油。

控制阀303控制从液压泵302向行驶马达304、回转马达305、动臂缸306、斗杆缸307以及铲斗缸308供给的工作油的流量。

行驶马达304由从液压泵302供给的工作油驱动，驱动行驶体120。

回转马达305由从液压泵302供给的工作油驱动，使回转体140相对于行驶体120回转。

动臂缸306是用于驱动动臂161的液压缸。动臂缸306的基端部安装于回转体140。动臂缸306的前端部安装于动臂161。

斗杆缸307是用于驱动斗杆162的液压缸。斗杆缸307的基端部安装于动臂161。斗杆缸307的前端部安装于斗杆162。

铲斗缸308是用于驱动倾转旋转器163以及铲斗164的液压缸。铲斗缸308的基端部安装于斗杆162。铲斗缸308的前端部经由连杆构件而安装于倾转旋转器163。

倾转缸309是用于驱动倾转部1632的液压缸。倾转缸309的基端部安装于安装部1631。倾转缸309的前端部安装于倾转部1632。

旋转马达310是用于驱动旋转部1633的液压马达。旋转马达310的托架以及定子固定于倾转部1632。旋转马达310的旋转轴以及转子以沿图示上下方向延伸的方式设置，并固定于旋转部1633。

《作业机械100的计测系统》

作业机械100具备用于计测作业机械100的姿势、方位以及位置的多个传感器。具体而言，作业机械100具备倾斜计测器401、位置方位计测器402、动臂角传感器403、斗杆角传感器404、铲斗角传感器405、倾转角传感器406、以及旋转角传感器407。

倾斜计测器401计测回转体140的姿势。倾斜计测器401计测回转体140相对于水平面的倾斜度(例如，侧倾角、俯仰角以及横摆角)。作为倾斜计测器401的例子，可举出作为IMU(Inertial Measure ment Unit：惯性计测装置)。在该情况下，倾斜计测器401计测回转体140的加速度以及角速度，并基于计测结果来计算回转体140相对于水平面的倾斜度。倾斜计测器401例如设置于驾驶室180的下方。倾斜计测器401将作为计测值的回转体140的姿势数据向控制装置200输出。

位置方位计测器402通过GNSS(Global Navigation Satellite System)计测回转体140的代表点的位置以及回转体140所朝向的方位。位置方位计测器402例如具备安装于回转体140的未图示的两个GNSS天线，将与连结两个天线的位置的直线正交的方位作为作业机械100所朝向的方位检测。位置方位计测器402将作为计测值的回转体140的位置数据以及方位数据向控制装置200输出。

动臂角传感器403计测动臂161相对于回转体140的角度即动臂角。动臂角传感器403可以是安装于动臂161的IMU。在该情况下，动臂角传感器403基于动臂161相对于水平面的倾斜度和倾斜计测器401计测出的回转体的倾斜度来计测动臂角。动臂角传感器403的计测值例如在通过动臂161的基端和前端的直线的方向与回转体140的前后方向一致时表示零。需要说明的是，其他实施方式的动臂角传感器403也可以是安装于动臂缸306的行程传感器。另外，其他实施方式的动臂角传感器403也可以是设置于将回转体140与动臂161以能够旋转的方式连接的关节轴的旋转传感器。动臂角传感器403将作为计测值的动臂角数据向控制装置200输出。

斗杆角传感器404计测斗杆162相对于动臂161的角度即斗杆角。斗杆角传感器404可以是安装于斗杆162的IMU。在该情况下，斗杆角传感器404基于斗杆162相对于水平面的倾斜度和动臂角传感器403计测出的动臂角，计测斗杆角。斗杆角传感器404的计测值例如在通过斗杆162的基端和前端的直线的方向与通过动臂161的基端和前端的直线的方向一致时表示零。需要说明的是，其他实施方式的斗杆角传感器404也可以在斗杆缸307安装行程传感器来进行角度的计算。另外，其他实施方式的斗杆角传感器404也可以是设置于将动臂161与斗杆162以能够旋转的方式连接的关节轴的旋转传感器。斗杆角传感器404将作为计测值的斗杆角数据向控制装置200输出。

铲斗角传感器405计测倾转旋转器163相对于斗杆162的角度即铲斗角。铲斗角传感器405可以是设置于铲斗缸308的行程传感器。在该情况下，铲斗角传感器405基于铲斗缸308的行程量来计测铲斗角。铲斗角传感器405的计测值例如在通过铲斗164的基端和铲尖的直线的方向与通过斗杆162的基端和前端的直线的方向一致时表示零。需要说明的是，其他实施方式的铲斗角传感器405也可以是设置于将斗杆162与倾转旋转器163的安装部1631以能够旋转的方式连接的关节轴的旋转传感器。另外，其他实施方式的铲斗角传感器405也可以是安装于铲斗164的IMU。铲斗角传感器405将作为计测值的铲斗角数据向控制装置200输出。

倾转角传感器406计测倾转部1632相对于倾转旋转器163的安装部1631的角度即倾转角。倾转角传感器406可以是设置于将安装部1631与倾转部1632以能够旋转的方式连接的关节轴的旋转传感器。倾转角传感器406的计测值例如在斗杆162的旋转轴与旋转部1633的旋转轴正交时表示零。需要说明的是，其他实施方式的倾转角传感器406也可以在将行程传感器安装于倾转缸309来进行角度的计算。倾转角传感器406将作为计测值的倾转角数据向控制装置200输出。

旋转角传感器407计测旋转部1633相对于倾转旋转器163的倾转部1632的角度即旋转角。旋转角传感器407可以是设置于旋转马达310的旋转传感器。倾转角传感器406的计测值例如在铲斗164的铲尖朝向的方向与工作装置160的动作平面平行时表示零。旋转角传感器407将作为计测值的旋转角数据向控制装置200输出。

《控制装置200的结构》

图4是表示第一实施方式的控制装置200的结构的概要框图。

控制装置200是具备处理器210、主存储器230、储存器250、以及接口270的计算机。控制装置200是控制系统的一例。控制装置200从倾斜计测器401、位置方位计测器402、动臂角传感器403、斗杆角传感器404、铲斗角传感器405、倾转角传感器406以及旋转角传感器407接收计测值。

储存器250是非临时的有形的存储介质。作为储存器250的例子，可举出磁盘、光盘、光磁盘、半导体存储器等。储存器250可以是与控制装置200的总线直接连接的内部介质，也可以是经由接口270或通信线路与控制装置200连接的外部介质。操作装置271及监视器装置272经由接口270与处理器210连接。

储存器250存储用于控制作业机械100的控制程序。控制程序也可以用于实现使控制装置200发挥的功能的一部分。例如，控制程序可以是通过与已存储于储存器250的其他程序的组合、或者与安装于其他装置的其他程序的组合来发挥功能。需要说明的是，在其他实施方式中，控制装置200也可以除了上述结构之外或者取代上述结构而具备PLD(Programmable Logic Device)等定制LSI(Large Scale Integrated Circuit)。作为PLD的例子，可举出PAL(Programmable Array Logic)、GAL(Generic Array Logic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array)。在该情况下，由处理器实现的功能的一部分或全部也可以由该集成电路来实现。

在储存器250中记录有表示回转体140、动臂161、斗杆162以及铲斗164的尺寸以及重心位置的几何数据。几何数据是表示规定的坐标系中的物体的位置的数据。另外，在储存器250中记录有表示全局坐标系中的施工现场的设计面的形状的三维数据即设计面数据。全局坐标系是由沿着纬线方向延伸的X_g轴、沿着经线方向延伸的Y_g轴、沿着铅垂方向延伸的Z_g轴构成的坐标系。设计面数据例如由TIN(Triangular Irregular Networks)数据表示。

《软件结构》

处理器210为了执行控制程序而具备操作信号取得部211、输入部212、显示控制部213、计测值取得部214、位置姿势计算部215、介入判定部216、介入控制部217、以及控制信号输出部218。

操作信号取得部211从操作装置271取得表示各致动器的操作量的操作信号。

输入部212从监视器装置272接受由操作员进行的操作输入。

显示控制部213将显示于监视器装置272的画面数据向监视器装置272输出。

计测值取得部214从倾斜计测器401、位置方位计测器402、动臂角传感器403、斗杆角传感器404、铲斗角传感器405、倾转角传感器406以及旋转角传感器407取得计测值。

位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的各种计测值和储存器250中记录的几何数据，计算全局坐标系以及车身坐标系中的作业机械100的位置以及姿势。例如位置姿势计算部215计算全局坐标系以及车身坐标系中的铲斗164的铲尖的位置以及姿势。车身坐标系是指以回转体140的代表点(例如，通过回转中心的点)为原点的正交坐标系。关于位置姿势计算部215的计算将在后面叙述。位置姿势计算部215是计算铲斗164相对于回转体140的姿势的姿势计算部的一例。

介入判定部216基于位置姿势计算部215计算出的铲斗164的铲尖的位置与设计面数据所示的设计面的位置关系，判定是否限制工作装置160的速度。以下，也将控制装置200限制工作装置160的速度称为介入控制。具体而言，介入判定部216求出设计面与铲斗164的最短距离，在该最短距离为规定距离以下的情况下，判定为对工作装置160进行介入控制。具体而言，介入判定部216基于倾转计测器401以及位置方位计测器402的计测值，使记录于储存器250的设计面数据旋转以及平行移动，由此将由全局坐标系表示的设计面的位置转换为车身坐标系的位置。介入判定部216将铲斗164的多个轮廓点中的、距设计面的距离最近的轮廓点确定为控制点。介入判定部216确定在设计面数据中位于控制点的铅垂下方的面(多边形)。介入判定部216计算通过控制点的铲斗坐标系的X_bk-Z_bk平面平行的面与所确定的面的交线即第一设计线。介入判定部216判定控制点与第一设计线的距离是否为介入阈值以下。另外，介入判定部216基于输入部212是否从监视器装置272接受到铲斗姿势保持控制的设定或者解除的输入，判定是否设定了铲斗姿势保持控制。

介入控制部217在由介入判定部216判定为进行介入控制的情况下，控制操作信号取得部211取得到的操作量中的介入对象的操作量。在介入控制中，介入控制部217以使工作装置160不侵入设计线的方式控制动臂161的操作量。由此，动臂161以铲斗164的速度成为和铲斗164与设计线的距离相应的速度的方式工作。也就是说，介入控制部217在操作员操作斗杆162来进行挖掘作业时，通过根据设计面使动臂161上升来限制铲斗164的铲尖的速度。

控制信号输出部218将操作信号取得部211所取得的操作量、或由介入控制部217控制的操作量向控制阀303输出。

《位置姿势计算部215的计算》

在此，说明位置姿势计算部215对作业机械100的外壳的点的位置的计算方法。位置姿势计算部215基于计测值取得部214取得到的各种计测值和储存器250中记录的几何数据，计算外壳的点的位置。在储存器250中记录有表示回转体140、动臂161、斗杆162、倾转旋转器163(安装部1631、倾转部1632以及旋转部1633)以及铲斗164的尺寸的几何数据。

回转体140的几何数据在作为局部坐标系的车身坐标系中，表示回转体140支承动臂161的关节轴的中心位置(x_bm、y_bm、z_bm)。车身坐标系是由以回转体140的回转中心为基准沿着前后方向延伸的X_sb轴、沿着左右方向延伸的Y_sb轴、以及沿着上下方向延伸的Z_sb轴构成的坐标系。需要说明的是，回转体140的上下方向未必与铅垂方向一致。

动臂161的几何数据在作为局部坐标系的动臂坐标系中，表示动臂161支承斗杆162的关节轴的位置(x_am、y_am、z_am)。动臂坐标系是以连接回转体140和动臂161的关节轴的中心位置为基准，由沿着长度方向延伸的X_bm轴、沿着关节轴延伸的方向延伸的Y_bm轴、以及与X_bm轴和Y_bm轴正交的Z_bm轴构成的坐标系。

斗杆162的几何数据在作为局部坐标系的斗杆坐标系中，表示斗杆162支承倾转旋转器163的安装部1631的关节轴的位置(x_tl、y_t1、z_t1)。斗杆坐标系是以将动臂161和斗杆162连接的关节轴的中心位置为基准，由沿着长度方向延伸的X_am轴、沿着关节轴延伸的方向延伸的Y_am轴、以及与X_am轴和Y_am轴正交的Z_am轴构成的坐标系。

倾转旋转器163的安装部1631的几何数据在作为局部坐标系的第一倾转旋转坐标系中，表示安装部1631支承倾转部1632的关节轴的位置(x_t2、y_t2、z_t2)和关节轴的倾斜度(φ_t)。关节轴的倾斜度φ_t是与倾转旋转器163的设计误差相关的角度，通过倾转旋转器163的校准等求出。第一倾转旋转坐标系是以将斗杆162与安装部1631连接的关节轴的中心位置为基准，由沿将斗杆162和安装部1631连接的关节轴延伸的方向延伸的Y_t1轴、沿将安装部1631和倾转部1632连接的关节轴延伸的方向延伸的Z_t1轴、以及与Y_t1轴和Z_t1轴正交的X_t1轴构成的坐标系。

倾转旋转器163的倾转部1632的几何数据表示作为局部坐标系的第二倾转旋转坐标系中的旋转马达310的旋转轴的前端位置(x_t3bk、y_t3、z_t3)和旋转轴的倾斜度(φ_r)。旋转轴的倾斜度φ_r是与倾转旋转器163的设计误差相关的角度，通过倾转旋转器163的校准等求出。第二倾转旋转坐标系是以将安装部1631与倾转部1632连接的关节轴的中心位置为基准，由沿将安装部1631与倾转部1632连接的关节轴延伸的方向延伸的X_t2轴、沿旋转马达310的旋转轴延伸的方向延伸的Z_t2轴、以及与X_t2轴和Z_t2轴正交的Y_t2轴构成的坐标系。

倾转旋转器163的旋转部1633的几何数据表示作为局部坐标系的第三倾转旋转坐标系中的铲斗164的安装面的中心位置(x_t4、y_t4、z_t4)。第三倾转旋转坐标系是以铲斗164的安装面的中心位置为基准，由沿着旋转马达310的旋转轴延伸的方向延伸的Z_t3轴、与旋转轴正交的X_t3轴及Y_t3轴构成的坐标系。需要说明的是，铲斗164以铲尖与Y_t3轴平行的方式安装于旋转部1633。

铲斗164的几何数据表示第三倾转旋转坐标系中的铲斗164的多个轮廓点的位置(x_bk、y_bk、z_bk)。作为轮廓点的例子，可列举铲斗164的铲尖的两端以及中央的位置、铲斗164的底部的两端以及中央的位置、以及铲斗164的后部的两端以及中央的位置。

位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的动臂角θ_bm的计测值和回转体140的几何数据，通过下述数学式(1)，生成用于从动臂坐标系向车身坐标系转换的动臂-车身转换矩阵T^bm _sb。动臂-车身转换矩阵T^bm _sb是绕Y_bm轴旋转动臂角θ_bm，并且平行移动车身坐标系的原点与动臂坐标系的原点的偏差(x_bm、y_bm、z_bm)的矩阵。

[数学式1]

位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的斗杆角θ_am的计测值和动臂161的几何数据，通过下述数学式(2)，生成用于从斗杆坐标系向动臂坐标系转换的斗杆-动臂转换矩阵T^am _bm。斗杆-动臂转换矩阵T^am _bm是绕Y_am轴旋转斗杆角θ_am，并且平行移动动臂坐标系的原点与斗杆坐标系的原点的偏差(x_am、y_am、z_am)的矩阵。另外，位置姿势计算部215通过求出动臂一车身转换矩阵T^bm _sb与斗杆一动臂转换矩阵T^arm _bm的积，生成用于从斗杆坐标系向车身坐标系转换的斗杆一车身转换矩阵T^am _sb。

[数学式2]

位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的铲斗角θ_bk的计测值和斗杆162的几何数据，通过下述数学式(3)，生成用于从第一倾转旋转坐标系向斗杆坐标系转换的第一倾转-斗杆转换矩阵T^t1 _am。第一倾转-斗杆转换矩阵T^t1 _am是绕Y_t1轴旋转铲斗角θ_bk，并且平行移动斗杆坐标系的原点与第一倾转旋转坐标系的原点的偏差(X_t1、y_t1、z_t1)，进而使倾转部1632的关节轴倾斜倾斜度φ_t的矩阵。另外，位置姿势计算部215通过求出斗杆-车身转换矩阵T^am _sb和第一倾转-斗杆转换矩阵T^t1 _am的积，生成用于从第一倾转旋转坐标系向车身坐标系转换的第一倾转-车身转换矩阵T^t1 _sb。

[数学式3]

位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的倾转角θ_t的计测值和倾转旋转器163的几何数据，通过下述数学式(4)，生成用于从第一倾转旋转坐标系向第二倾转旋转坐标系转换的第二倾转-第一倾转转换矩阵T^t2 _t1。第二倾转-第一倾转转换矩阵T^t2 _t1是绕X_t2轴旋转倾转角θ_t，并且平行移动第一倾转旋转坐标系的原点与第二倾转旋转坐标系的原点的偏差(x_t2、y_t2、z_t2)，进而使旋转部1633的旋转轴倾斜倾斜度φ_r的矩阵。另外，位置姿势计算部215通过求出第一倾转-车身转换矩阵T^t1 _sb和第二倾转-第一倾转转换矩阵T^t2 _t1的积，生成用于从第二倾转旋转坐标系向车身坐标系转换的第二倾转-车身转换矩阵T^t2 _sb。

[数学式4]

位置姿势计算部215基于计测值取得部214所取得的旋转角θ_r的计测值和倾转旋转器163的几何数据，通过下述数学式(5)，生成用于从第二倾转旋转坐标系向第三倾转旋转坐标系转换的第三倾转-第二倾转转换矩阵T^t3 _t2。第三倾转一第二倾转转换矩阵T^t3 _t2是绕Z_t3轴旋转旋转角θ_r，并且平行移动第二倾转旋转坐标系的原点与第三倾转旋转坐标系的原点的偏差(x_t3、y_t3、z_t3)的矩阵。另外，位置姿势计算部215通过求出第二倾转一车身转换矩阵T^t2 _sb和第三倾转一第二倾转转换矩阵T^t3 _t2的积，生成用于从第三倾转旋转坐标系向车身坐标系转换的第三倾转一车身转换矩阵T^t3 _sb。

[数学式5]

位置姿势计算部215通过求出铲斗164的安装面的中心位置(x_t4、y_t4、z_t4)与铲斗164的几何数据所示的第三倾转旋转坐标系中的多个轮廓点的位置(x_bk、y_bk、z_bk)的和与第三倾转-车身转换矩阵T^bk _sb之积，能够求出车身坐标系中的铲斗164的多个轮廓点的位置。

然而，铲斗164的铲尖相对于作业机械100的接地面的角度、即车身坐标系的X_sb-Y_sb平面与第三倾转旋转坐标系的Y_t3轴所成的角由动臂角θ_bm、斗杆角θ_am、铲斗角θ_bk、倾转角θ_t以及旋转角θ_r来确定。因此，位置姿势计算部215如图1所示确定以铲斗164的基端部、即倾转旋转器163中的铲斗164的安装面的中心位置为起点的铲斗坐标系。铲斗坐标系是由沿铲斗164的铲尖所朝向的方向延伸的X_bk轴、与X_bk轴正交且沿着铲斗164的铲尖延伸的Y_bk轴、以及与X_bk轴及Y_bk轴正交的Z_bk轴构成的正交坐标系。以下，也将X_bk轴称为铲斗倾转轴，将Y_bk轴称为铲斗俯仰轴，将Z_bk轴称为铲斗旋转轴。铲斗倾转轴X_bk、铲斗俯仰轴Y_bk以及铲斗旋转轴Z_bk是假想的轴，与倾转旋转器163的关节轴不同。需要说明的是，在旋转马达310的旋转轴的倾斜度为零的情况下，铲斗坐标系与第三倾转旋转坐标系一致。

位置姿势计算部215基于倾转旋转器163的几何数据，通过下述数学式(6)，生成用于从第三倾转旋转坐标系向铲斗坐标系转换的铲斗-第三倾转转换矩阵T^bk _t3。铲斗-第三倾转转换矩阵T^bk _t3是使旋转轴绕Y_t3轴旋转倾斜度φ_r的矩阵。

[数学式6]

《铲斗姿势保持控制》

以下，对第一实施方式的铲斗姿势保持控制进行说明。铲斗姿势保持控制是用于保持全局坐标系中的铲斗的姿势的控制。铲斗姿势保持控制即使在进行了动臂动作、斗杆动作以及回转动作中的至少任一者的情况下，也以保持全局坐标系中的铲斗的姿势的方式控制倾转旋转器163。具体而言，铲斗姿势保持控制是以保持全局坐标系中的铲斗坐标系的3轴(铲斗倾转轴X_bk、铲斗俯仰轴Y_bk、铲斗旋转轴Z_bk)的轴向的方式至少使铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310中的任一者工作的控制。

图5是表示第一实施方式中的铲斗姿势保持控制的流程图。当作业机械100的操作员开始操作作业机械100时，控制装置200每隔规定的控制周期(例如，1000毫秒)执行以下所示的控制。

计测值取得部214取得倾斜计测器401、位置方位计测器402、动臂角传感器403、斗杆角传感器404、铲斗角传感器405、倾转角传感器406以及旋转角传感器407的计测值(步骤S101)。

位置姿势计算部215基于在步骤S101中所取得的计测值来计算车身坐标系中的铲斗的姿势(步骤S102)。车身坐标系中的铲斗的姿势由示出车身坐标系中的铲斗坐标系的各轴(X_bk、Y_bk、Z_bk)的方向的姿势矩阵R_cur表示。表示铲斗164的姿势的姿势矩阵R_cur的平行移动分量全部为零。

接下来，介入判定部216判定是否设定了铲斗姿势保持控制(步骤S103)。在第一实施方式中，介入判定部216基于输入部212是否从监视器装置272接受到铲斗姿势保持控制的设定或者解除的输入，判定是否设定了铲斗姿势保持控制。在未设定铲斗姿势保持控制的情况下(步骤S103：否)，控制装置200不进行铲斗姿势保持控制。另一方面，在设定了铲斗姿势保持控制的情况下(步骤S103：是)，介入判定部216基于操作信号取得部211所取得的来自操作装置271的操作信号，判定是否接受到铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310中的任一者的操作(步骤S104)。

在接受铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310中的任一者的操作的情况下(步骤S104：是)，推测为操作员具有操作倾转旋转器163的意向，因此控制装置200不进行铲斗姿势保持控制。另一方面，在未接受铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310中的任一者的操作的情况下(步骤S104：否)，介入控制部217基于操作信号取得部211从操作装置271取得到的回转马达305、动臂161以及斗杆162的操作量、以及计测值取得部214取得到的倾转计测器401的计测值，求出表示单位时间(控制周期)后的铲斗164的姿势的姿势矩阵R_man(步骤S105)。

姿势矩阵R_man由当前的作业机械100的车身坐标系表示。即，回转马达305的回转反映于姿势矩阵R_man。接下来，介入控制部217使用在步骤S102中计算出的铲斗164的姿势矩阵R_cur和姿势矩阵R_man，通过下述数学式(7)-(9)，求出铲斗缸308的角速度的目标值θ_{bk_tgt}、倾转缸309的角速度的目标值θ_{t_tgt}以及旋转马达310的角速度的目标值θ_{r_tgt}(步骤S106)。

[数学式7]

[数学式8]

[数学式9]

在数学式(7)中，ε表示误差阈值，K表示增益。旋转矩阵是标准正交矩阵，因此旋转矩阵的转置矩阵与旋转矩阵的逆矩阵相等。因此，根据数学式(7)-(9)，介入控制部217能够求出用于抵消操作信号取得部211按照从操作装置271取得到的操作量使致动器工作时的铲斗164的姿势R_man与当前的铲斗164的姿势R_cur的差量的角速度θ_{bk_tgt}、θ_{t_tgt}、θ_{r_tgt}。介入控制部217基于在步骤S202中求出的角速度的目标值，生成各致动器(铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310)的控制信号(步骤S107)。

并且，控制信号输出部218将介入控制部217所生成的各致动器(铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310)的控制信号输出到控制阀303(步骤S108)。

《作用/效果》

另外，根据第一实施方式，通过操作员设定姿势保持控制，即使回转体140、动臂161以及斗杆162被操作，也能够使从全局坐标系观察到的铲斗164的姿势保持恒定。例如，在挖掘比设计面足够高的场所的情况下等，通过维持铲斗164的姿势，能够容易地使铲尖朝向挖掘方向。另外，例如，在代替铲斗164而将抓斗等配件安装于工作装置160而使货物移动的情况下，通过以保持全局坐标系中的配件的姿势的方式控制倾转旋转器，能够抑制由姿势变化引起的货物的落下。

另外，关于控制装置200，在输入了用于操作倾转旋转器163的操作信号、即铲斗缸308、倾转缸309以及旋转马达310中的任一者的操作信号的情况下，介入控制部217不生成倾转旋转器的控制信号。由操作员输入了用于操作倾转旋转器163的操作信号的情况下，操作员具有想要自己操作铲斗164朝向的方向这一意向的可能性高。因此，在这样的情况下，控制装置200不生成倾转旋转器的控制信号，从而不妨碍操作员的操作。

(第一实施方式的变形例)

在上述的第一实施方式中，说明了输入部212从监视器装置272接受铲斗姿势保持控制的设定的输入来设定铲斗姿势保持控制的情况。即，在第一实施方式中，铲斗姿势保持控制通过操作员的操作而开始。但是，在其他实施方式中，并不限定于该方式。例如，第一实施方式的变形例的控制装置200也可以具有以下那样的功能。

作为铲斗姿势保持控制的设定条件，第一实施方式的变形例的介入判定部216在铲斗164从地面接近了规定的距离的情况下，开始铲斗姿势保持控制。

铲斗164是否从地面接近了规定的距离的判定例如能够利用上述的介入判定部216的功能。即，介入判定部216时时刻刻求出铲斗164的铲尖的位置与设计面的最短距离。并且，介入判定部216在铲斗164下降的过程中，在时时刻刻计算出的最短距离成为规定的判定阈值以下的时刻判定为满足了规定的控制开始条件，开始步骤S104的处理。

由此，在执行铲斗姿势保持控制时，能够排除操作员的操作，能够实现整地作业等的进一步简化。

<其他实施方式>

以上，参照附图对一实施方式进行了详细说明，但具体结构并不局限于上述方式，而能够进行各种设计变更等。即，在其他实施方式中，也可以适当变更上述处理的顺序。另外，也可以并行执行一部分的处理。

上述实施方式的控制装置200既可以是由单独的计算机构成的装置，也可以是将控制装置200的构成分开配置于多个计算机并通过多个计算机相互配合来作为控制装置200发挥功能。此时，构成控制装置200的一部分的计算机搭载于作业机械的内部，其他计算机设置于作业机械的外部。例如，在其他实施方式中，操作装置271以及监视器装置272也可以从作业机械100远程设置，控制装置200中的计测值取得部214以及控制信号输出部218以外的结构设置于远程的服务器。

另外，上述实施方式的作业机械100是液压挖掘机，但不限于此。例如，其他实施方式的作业机械100也可以是固定设置于地上的不自行驶的作业机械。另外，其他实施方式的作业机械100也可以是不具有回转体的作业机械。

上述的实施方式的作业机械100具备铲斗164来作为工作装置160的配件，但并不限定于此。例如，其他实施方式的作业机械100也可以具备破碎器、叉、抓斗等来作为配件。在该情况下，控制装置200也与铲斗坐标系同样地通过由沿配件的铲尖朝向的方向延伸的X_bk轴、沿着铲尖的方向延伸的Y_bk轴、与X_bk轴以及Y_bk轴正交的Z_bk轴构成的局部坐标系来控制倾转旋转器163。

另外，在其他实施方式中，只要倾转旋转器163的各轴在相互不同的平面上交叉即可，也可以不正交。具体而言，关于将斗杆162与安装部1631连接的关节轴的轴AX1、将安装部1631与倾转部1632连接的关节轴的轴AX2、以及旋转马达310的旋转轴AX3，在倾转旋转器163的倾转角以及旋转角为零时，与轴AX1以及轴AX2平行的面、与轴AX2以及轴AX3平行的面、与轴AX3以及轴AX1平行的面分别不同即可。

另外，其他实施方式的控制装置200也可以不具有设计面的设定功能。在这样的情况下，控制装置200也能够通过进行铲斗姿势保持控制来自动控制倾转旋转器163。例如，操作员能够不设定设计面而实施简易的整地作业。

工业上的可利用性

根据上述方式，系统能够对具备经由倾转旋转器而支承于支承部的配件的作业机械的操作进行支援。

附图标记说明

100…作业机械；120…行驶体；140…回转体；160…工作装置；161…动臂；162…斗杆；163…倾转旋转器；1631…安装部；1632…倾转部；1633…旋转部；164…铲斗；180…驾驶室；200…控制装置；210…处理器；211…操作信号取得部；212…输入部；213…显示控制部；214…计测值取得部；215…位置姿势计算部；216…介入判定部；217…介入控制部；218…控制信号输出部；230…主存储器；250…储存器；270…接口；271…操作装置；272…监视器装置；301…发动机；302…液压泵；303…控制阀；304…行驶马达；305…回转马达；306…动臂缸；307…斗杆缸；308…铲斗缸；309…倾转缸；310…旋转马达；401…倾斜计测器；402…位置方位计测器；403…动臂角传感器；404…斗杆角传感器；405…铲斗角传感器；406…倾转角传感器；407…旋转角传感器。

Claims (7)

1.一种用于控制作业机械的系统，所述作业机械具备：支承部，其以能够动作的方式支承于车身；倾转旋转器，其安装于所述支承部的前端；以及配件，其经由所述倾转旋转器以能够绕在相互不同的平面上交叉的三个轴旋转的方式支承于所述支承部，

其中，

所述用于控制作业机械的系统具备处理器，

在所述处理器中，

从多个传感器取得计测值，

基于所述计测值，计算所述配件相对于所述车身的姿势，

基于来自操作装置的操作信号，以保持所述配件的所述姿势的方式生成所述倾转旋转器的控制信号，

输出所生成的所述控制信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，

在所述处理器中，

从所述操作装置取得用于使所述支承部动作的操作信号，

基于用于使所述支承部动作的所述操作信号所表示的操作量，以保持所述配件的所述姿势的方式生成所述倾转旋转器的控制信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，

所述作业机械具备将所述车身支承为能够回转的基部，

在所述处理器中，

从所述操作装置取得用于使所述车身相对于所述基部回转的操作信号，

基于用于使所述车身回转的所述操作信号所表示的操作量，以保持所述配件的所述姿势的方式生成所述倾转旋转器的控制信号。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，

在所述处理器中，

以保持全局坐标系中的所述配件的所述姿势的方式生成所述倾转旋转器的控制信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，

在所述处理器中，

基于所述操作信号所表示的操作量，计算用于供所述配件保持所述姿势的绕所述三个轴的角速度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，

所述处理器在从所述操作装置输入了用于使所述倾转旋转器动作的操作信号的情况下，不输出所生成的所述倾转旋转器的控制信号，而输出基于所输入的所述操作信号的控制信号。

7.一种用于控制作业机械的方法，所述作业机械具备：基部，其将车身支承为能够回转；支承部，其以能够动作的方式支承于所述车身；倾转旋转器，其安装于所述支承部的前端；以及配件，其经由所述倾转旋转器以能够绕在相互不同的平面上交叉的三个轴旋转的方式支承于所述支承部，

其中，

所述用于控制作业机械的方法包括：

从多个传感器取得计测值的步骤；

基于所述计测值来计算所述配件相对于所述车身的姿势的步骤；

基于来自操作装置的操作信号，以保持所述配件的所述姿势的方式生成所述倾转旋转器的控制信号的步骤；以及

根据所生成的所述控制信号，控制所述倾转旋转器的步骤。