JP2017179961A

JP2017179961A - 建設機械

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Publication number: JP2017179961A
Application number: JP2016070625A
Authority: JP
Inventors: 秀一森木; Shuichi Moriki; 弘幸山田; Hiroyuki Yamada; 枝村　学; Manabu Edamura; 学枝村; 坂本　博史; Hiroshi Sakamoto; 博史坂本
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: KR20170113046A; EP3235961B1; EP3235961A1; CN107268699A; JP6506205B2; US20170284057A1; US10301794B2; CN107268699B; KR101910523B1

Abstract

【課題】表示や制御の対象とする目標面を効率良く正確に取得できる建設機械を提供する。
【解決手段】３次元の目標地形を複数の設計面として記憶する設計面情報記憶部と、作業機の速度を検出または推定する作業機速度ベクトル取得部と、作業機位置を検出または推定する作業機位置取得部と、作業機位置に基づき、設計面情報記憶部で記憶した複数の設計面から主目標面を取得し、複数の設計面を基に次の主目標面となり得る予測目標面を取得する目標面取得部と、作業機位置と主目標面との位置関係に応じて作業機の速度を補正する動作制御部と、作業機位置と主目標面との位置関係を表示する表示装置とを備えた建設機械であって、目標面取得部は、作業機位置に基づき、作業機の速度ベクトルの方向に位置する設計面を予測目標面と決定する予測目標面演算部を備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、建設機械に関する。

建設機械によって元の地形を３次元の目標地形に施工する際、掘削作業において、オペレータの操作を支援する掘削支援装置が知られている。例えば、従来の施工に用いられていた丁張りに替えて、目標地形と作業機の位置関係をモニタ上に表示するマシンガイダンスや、目標地形と作業機の位置との偏差に応じて建設機械を半自動で制御するマシンコントロール等である。

これらの掘削支援装置は、３次元の目標地形を複数の設計面情報として記憶し、必要に応じて表示や制御の対象とする目標面を複数の設計面情報のなかから取得する。

特許文献１には、形成予定の構造物の位置、形状、寸法がまとめられた電子データを基に目標面（目標作業面と記載されている）を算出する目標作業面演算手段を備えた目標作業面設定装置が開示されている。また、特許文献１に記載の目標作業面設定装置を備えた作業機械では、作業機に最も近い設計面を制御対象の目標面として設定し、作業機が目標面へ侵入する方向の速度を制限するので、掘削作業中に作業機が目標面に侵入することを防止できる。

特開２００６−２６５９５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の目標作業面演算手段などの従来技術では、油圧ショベルの作業機の位置に基づき、表示や制御の対象とする目標面を複数の設計面から取得しているので、以下のような課題があった。

従来技術の目標面取得の方法について、図１４Ａ、１４Ｂを用いて説明する。図１４Ａは従来の掘削支援装置における目標面取得方法の処理フローを示すフローチャート図、図１４Ｂは従来の掘削支援装置における目標面取得方法における処理を説明する概念図である。従来技術では、図１４Ａに示す処理フローによって、油圧ショベルの作業機に最も近い設計面を目標面として抽出する。図１４Ｂに示す点群を構成する点Ｐ０乃至点Ｐ８は、設計面を示す座標点群を表し、点Ｐｗは作業機上の代表点（例えば、バケット歯先の中心点）を表している。

まず、ステップＳ００１において、点と面との距離の演算に必要なベクトルを設定する。例えば、点Ｐ０からそれぞれ点Ｐ１、Ｐ２および点Ｐｗへのベクトルを設定する。次にステップＳ００２において、点Ｐ０からそれぞれ点Ｐ１、Ｐ２へのベクトルの外積を基に、面Ｐ０Ｐ１Ｐ２に対する法線ベクトルｎを演算する。次にステップＳ００３において、法線ベクトルｎと点Ｐ０から点Ｐｗへのベクトルの内積を基に、点Ｐｗと面Ｐ０Ｐ１Ｐ２の距離（点Ｐｗから点Ｐｗ’への距離）を演算する。また、ステップＳ００４において、点Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２から点Ｐｗ’へのベクトルを設定し、これらの外積を求め、外積の方向が全て一致していれば点Ｐｗ’が面Ｐ０Ｐ１Ｐ２の内部にあると判定する。ここまでのステップを他の設計面についても実行し、ステップＳ００５において、点Ｐｗ’を内部に持ち、かつ、点Ｐｗからの距離が最も近い設計面を目標面として抽出する。なお、点Ｐｗから点Ｐｗ’への距離を主目標面距離とする。

このような、従来の目標面取得方法では、ステップＳ００１からステップＳ００４までを１制御周期中に設計面の数と同じ回数実施する必要があるので、その処理負荷が大きく、効率が悪いという課題があった。

また、上述した従来技術では、作業機に最も近い設計面のみを表示や制御の対象とする目標面として取得するので、他の設計面に対して作業機が侵入してしまう可能性があった。従来技術の目標面取得方法の動作について図１５を用いて説明する。図１５は従来の掘削支援装置における目標面取得方法の動作を説明する概念図である。

図１５は、例えば、路肩に排水用の溝を設けようとする道路の断面形状であって、図中の塗りつぶしたところは現況地形であり、図に示すＳ１からＳ７が設計面の断面である。現況地形をこのような形状に施工しようとする場合、まず、設計面Ｓ１とＳ５とＳ６を施工するために、作業機は図中に示す矢印に沿って動作する。このとき、従来の目標面取得方法では、作業機の移動に伴い目標面として設計面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を選択した後、図に示す点Ｐの位置に作業機が到達したとき、設計面Ｓ５を目標面として選択する。

点Ｐの位置を通過した作業機は、設計面Ｓ５に向けて直進しているので、設計面Ｓ５を目標面として選択した後に作業機の目標面へ侵入する方向の速度を減速したとしても減速が間に合わず、作業機が設計面Ｓ５に侵入してしまう可能性があった。

本発明は上述した事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、表示や制御の対象とする目標面を効率良く正確に取得できる建設機械を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、車両本体と、前記車両本体に対して揺動可能に取り付けられたブーム、前記ブームに対して揺動可能に取り付けられたアーム、及び、前記アームに対して揺動可能に取り付けられたバケットを有する作業機と、前記ブーム、前記アーム及び前記バケットを操作する操作レバー装置と、３次元の目標地形を複数の設計面として記憶する設計面情報記憶部と、前記作業機の代表点の位置である作業機位置を演算する作業機位置する作業機位置取得部とを備えた建設機械において、前記操作レバー装置の操作量に基づき前記作業機の速度を検出または推定する作業機速度ベクトル取得部と、前記作業機の代表点の位置である作業機位置を検出または推定する作業機位置取得部と、前記作業機位置取得部で検出または推定された前記作業機位置及び前記作業機の速度ベクトルに基づき、前記設計面情報記憶部で記憶した前記複数の設計面から主目標面を取得し、前記複数の設計面を基に次の主目標面となり得る予測目標面を取得する目標面取得部とを備え、前記目標面取得部は、前記作業機位置に基づき、前記作業機の速度ベクトルの方向に位置する設計面を予測目標面と決定する予測目標面演算部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の設計面のなかから作業機が接触する可能性が高い設計面を目標面として取得するので、表示または制御の対象とする目標面を効率良く正確に取得することができる。

本発明の建設機械の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルを示す斜視図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を示す構成図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する制御装置を示すブロック図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する制御装置の目標面取得部を示すブロック図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する予測目標面演算部の処理フローを示すフローチャート図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する予測目標面演算部の処理の一例を説明する概念図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する予測目標面演算部の交差点演算処理の一例を説明する概念図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する主目標面演算部の処理フローを示すフローチャート図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する目標面取得部による一の段階における動作を説明する概念図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する目標面取得部による他の段階における動作を説明する概念図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する目標面取得部による更に他の段階における動作を説明する概念図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する制御装置の動作制御部を示すブロック図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を隣接した２つの設計面に適用した場合の表示装置の表示内容の一例を示す概念図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を複雑な設計面に適用した場合の表示装置の表示内容の一例を示す概念図である。本発明の建設機械の第１の実施の形態を旋回しながらの掘削に適用した場合の表示装置の表示内容の一例を示す概念図である。本発明の建設機械の第２の実施の形態を構成する制御装置の目標面取得部を示すブロック図である。本発明の建設機械の第２の実施の形態を構成する予測目標面演算部の処理フローを示すフローチャート図である。本発明の建設機械の第２の実施の形態を構成する予測目標面演算部の処理の一例を説明する概念図である。従来の掘削支援装置における目標面取得方法の処理フローを示すフローチャート図である。従来の掘削支援装置における目標面取得方法における処理を説明する概念図である。従来の掘削支援装置における目標面取得方法の動作を説明する概念図である。

以下、本発明の建設機械の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の建設機械の第１の実施の形態を備えを示す斜視図である。図１に示すように、油圧ショベル１は下部走行体９と上部旋回体１０と作業機１５を備えている。下部走行体９は左右のクローラ式走行装置を有し、左右の走行油圧モータ３ｂ、３ａ（左側３ｂのみ図示）により駆動される。上部旋回体１０は下部走行体９上に旋回可能に搭載され、旋回油圧モータ４により旋回駆動される。上部旋回体１０には、原動機としてのエンジン１４と、エンジン１４により駆動される油圧ポンプ装置２とを備えている。下部走行体９と上部旋回体１０とで車両本体を構成する。

作業機１５は車両本体を構成する上部旋回体１０の前部に揺動可能に取り付けられている。上部旋回体１０には運転室が備えられ、運転室内には走行用右操作レバー装置１ａ、走行用左操作レバー装置１ｂ、作業機１５の動作及び旋回動作を指示するための右操作レバー装置１ｃ、左操作レバー装置１ｄ等の操作装置が配置されている。

作業機１５はブーム１１、アーム１２、バケット８を有する多関節構造であり、ブーム１１はブームシリンダ５の伸縮により上部旋回体１０に対して上下方向に揺動し、アーム１２はアームシリンダ６の伸縮によりブーム１１に対して上下及び前後方向に揺動し、バケット８はバケットシリンダ７の伸縮によりアーム１２に対して上下及び前後方向に揺動する。

また、作業機１５の任意の点の位置を算出するために、水平面に対する上部旋回体１０の傾斜角度（ロール角、ピッチ角）および旋回角速度を検出する第１慣性センサ１３ａと、上部旋回体１０とブーム１１との連結部近傍に設けられ、ブーム１１の水平面に対する角度（ブーム角度）を検出する第２慣性センサ１３ｂと、ブーム１１とアーム１２との連結部近傍に設けられ、アーム１２の水平面に対する角度（アーム角度）を検出する第３慣性センサ１３ｃと、アーム１２とバケット８との連結部近傍に設けられ、バケット８の水平面に対する角度（バケット角度）を検出する第４慣性センサ１３ｄとを備えている。これらの第１乃至４慣性センサ１３ａ〜１３ｄが検出した角度信号および角速度信号は、後述する制御装置１００に入力されている。

車体位置と車体方位とを取得するために、上部旋回体１０にはＧＮＳＳアンテナ１６ａ、１６ｂが取り付けられている。ＧＮＳＳアンテナ１６ａ、１６ｂは、人工衛星などから受信した信号を後述する測位装置２００へ送信する。

コントロールバルブ２０は、油圧ポンプ装置２から上述した旋回油圧モータ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、左右の走行油圧モータ３ｂ、３ａ等の油圧アクチュエータのそれぞれに供給される圧油の流れ（流量と方向）を制御するものである。

［掘削支援装置］
図２は本発明の建設機械の第１の実施の形態を示す構成図である。図２において、掘削支援装置は、制御装置１００と、測位装置２００と、表示装置３００とを備えている。測位装置２００は、ＧＮＳＳアンテナ１６ａ、１６ｂにて人工衛星などから受信した信号を基に、車体位置と車体方位とを演算し、制御装置１００へ送信する。

制御装置１００は、測位装置２００が演算した車体位置と車体方位を受信する。制御装置１００は、設計面情報入力部３０から設計面情報を入力し、右操作レバー装置１ｃに備えられた操作量検出センサ３１、３３からそれぞれブーム操作信号、バケット操作信号を入力し、左操作レバー装置１ｄに備えられた操作量検出センサ３２、３４からそれぞれアーム操作信号、旋回操作信号を入力する。また、制御装置１００は、第１慣性センサ１３ａ、第２慣性センサ１３ｂ、第３慣性センサ１３ｃ、第４慣性センサ１３ｄからそれぞれ車体ロール角と車体ピッチ角および旋回角速度、ブーム角度、アーム角度、バケット角度を入力する。

制御装置１００は、これらの入力信号を基に演算し、演算結果を表示装置３００へ送信すると共に、演算結果に基づき、ブーム上げ比例電磁弁２１、ブーム下げ比例電磁弁２２、アームクラウド比例電磁弁２３、アームダンプ比例電磁弁２４にそれぞれブーム上げ増速信号、ブーム下げ減速信号、アームクラウド減速信号、アームダンプ減速信号を送信する。

制御装置１００で行う演算の詳細と、表示装置３００で行う表示内容の詳細とは後述する。測位装置２００で行う演算は従来技術と同様であるため、その詳細な説明を省略する。なお、ブーム上げ比例電磁弁２１、ブーム下げ比例電磁弁２２、アームクラウド比例電磁弁２３、アームダンプ比例電磁弁２４の吐出ポートはコントロールバルブ２０へ接続されており、これらの電磁弁から吐出された圧油はコントロールバルブ２０内の方向制御弁を駆動する。各電磁弁とコントロールバルブ２０との接続関係は従来技術と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

［制御装置］
本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する制御装置１００について図を用いて説明する。図３は本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する制御装置を示すブロック図、図４は本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する制御装置の目標面取得部を示すブロック図である。

図３に示すように、制御装置１００は、設計面情報記憶部１１０と、作業機位置取得部１２０と、作業機速度ベクトル取得部１３０と、目標面取得部１４０と、動作制御部１５０とを備えている。

設計面情報記憶部１１０は、設計面情報入力部３０からの設計面情報信号と、測位装置２００からの車体位置信号とを入力し、設計面情報信号から車体位置に近い座標点を含む設計面を選択して車体周囲設計面信号を決定し、目標面取得部１４０へ出力する。

作業機位置取得部１２０は、従来技術と同様に、測位装置２００からの車体位置信号と車体方位信号と、第１慣性センサ１３ａからの車体ロール角と車体ピッチ角と旋回角速度と、第２慣性センサ１３ｂからのブーム角度と、第３慣性センサ１３ｃからのアーム角度と、第４慣性センサ１３ｄからのバケット角度とを入力し、設計面を定義する３次元座標系における作業機上の代表点（例えばバケット８の刃先の中心）の位置を示す作業機位置信号を演算し、目標面取得部１４０へ出力する。なお、作業機位置信号は、演算して推定する場合を例に説明しているが、これに限るものではなく、直接に検出した作業機位置信号を用いても良い。

作業機速度ベクトル取得部１３０は、操作量検出センサ３１からのブーム操作信号、操作量検出センサ３２からのアーム操作信号、操作量検出センサ３３からのバケット操作信号、操作量検出センサ３４からの旋回操作信号、後述する動作制御部１５０からのブーム上げ増速信号、ブーム下げ減速信号、アームクラウド減速信号、アームダンプ減速信号を入力し、設計面を定義する３次元座標系における作業機上の代表点（以下作業機位置と記載する）の速度ベクトルを示す作業機速度ベクトル信号を演算し、目標面取得部１４０へ出力する。なお、作業機１５の速度信号は、ベクトル演算により推定する場合を例に説明しているが、これに限るものではなく、直接に検出した作業機１５の速度信号を用いても良い。

目標面取得部１４０は、設計面情報記憶部１１０からの車体周囲設計面信号と、作業機位置取得部１２０からの作業機位置信号と、作業機速度ベクトル取得部１３０からの作業機速度ベクトル信号とを入力し、主目標面、主目標面距離、予測目標面、予測目標面距離、予測目標面到達時間を演算し、演算した各信号を表示装置３００へ送信するとともに、主目標面距離、予測目標面距離を動作制御部１５０へ出力する。

動作制御部１５０は、目標面取得部１４０からの主目標面距離信号、予測目標面距離信号を入力し、ブーム上げ増速信号、ブーム下げ減速信号、アームクラウド減速信号、アームダンプ減速信号を演算して出力し、それぞれブーム上げ比例電磁弁２１、ブーム下げ比例電磁弁２２、アームクラウド比例電磁弁２３、アームダンプ比例電磁弁２４を駆動するとともに、作業機速度ベクトル取得部１３０へも出力する。

［目標面取得部］
図４に示すように、目標面取得部１４０は、予測目標面演算部１４１と、主目標面演算部１４２とを備えている。
予測目標面演算部１４１は、設計面情報記憶部１１０からの車体周囲設計面信号と、作業機位置取得部１２０からの作業機位置信号と、作業機速度ベクトル取得部１３０からの作業機速度ベクトル信号とを入力し、予測目標面、予測目標面距離、予測目標面到達時間を演算し、演算した各信号を出力する。

主目標面演算部１４２は、予測目標面演算部１４１からの予測目標面信号と予測目標面距離信号と、作業機位置取得部１２０からの作業機位置信号とを入力し、主目標面と主目標面距離を演算し、演算した各信号を出力する。

次に、予測目標面演算部１４１で行う演算の一例を、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃを用いて説明する。図５Ａは本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する予測目標面演算部の処理フローを示すフローチャート図、図５Ｂは本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する予測目標面演算部の処理の一例を説明する概念図、図５Ｃは本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する予測目標面演算部の交差点演算処理の一例を説明する概念図である。

本実施の形態における予測目標面演算部１４１は、図５Ａに示す処理フローによって、作業機１５が接触する可能性が高い設計面を予測目標面として取得する。図５Ｂ及び５Ｃに示す点群を構成する点Ｐ０乃至点Ｐ５は、設計面を示す座標点群を表し、点Ｐｗは作業機上の代表点（例えば、バケット歯先の中心点）を表している。

まず、ステップＳ１４１１において、ベクトル設定を行う。具体的には、図５Ｂに示すように、作業機上の代表点である点Ｐｗから設計面を示す座標点Ｐ０からＰ５それぞれへの座標点方向ベクトル（図５Ｂの点線で示す矢印）を設定する。

次に、ステップＳ１４１２において、ベクトル角度演算を行う。具体的には、図５Ｂに示すように、点Ｐｗの速度ベクトルである作業機速度ベクトルｖと各座標点方向ベクトルとの内積を基に、それらそれぞれの成す角度を演算する。

ステップＳ１４１３において、候補設計面を抽出する。一般に２つのベクトルの成す角度が小さいほど、２つのベクトルの方向が合っていることを示す。このため、本ステップにおいて、ステップＳ１４１２で演算した点Ｐｗの速度ベクトルである作業機速度ベクトルｖと各座標点方向ベクトルの成す角度に基づき、最も角度が小さい座標点方向ベクトルを構成する座標点を含む設計面を、候補設計面として抽出する。

ステップＳ１４１４において、公知のTomas Mollerの交差判定方法を用いて、候補設計面から予測目標面を選択する。図５Ｃを用いてステップＳ１４１４の処理の詳細を説明する。図５Ｃにおいて、作業機速度ベクトルｖと候補設計面Ｐ１Ｐ２Ｐ３の交差点をＰｃとおき、座標点Ｐ１から座標点Ｐ２へのベクトルをＰ１２、座標点Ｐ１から座標点Ｐ３へのベクトルをＰ１３、座標点Ｐ１から点ＰｗへのベクトルをＰ１ｗとすると、交差点Ｐｃは数式１と数式２で表すことができる。

ただし、ａ、ｂ、ｔはそれぞれベクトルＰ１２、Ｐ１３、ｖにかける比率である。

次に、数式１と数式２を連立させて整理すると数式３となり、ベクトルＰ１２、Ｐ１３、Ｐ１ｗ、ｖから比率ａ、ｂ、ｔを算出できる。

ここで、比率ａ、ｂがいずれも０以上かつ、比率ａ、ｂの和が１以下である場合に、交差点Ｐｃが候補設計面Ｐ１Ｐ２Ｐ３の内部にあると判定し、候補設計面Ｐ１Ｐ２Ｐ３を予測目標面とする。また、ベクトルｖが作業機速度ベクトルであることから、比率ｔは作業機が交差点Ｐｃに達するまでの時間である予測目標面到達時間を表し、作業機速度ベクトルｖと比率ｔの積が予測目標面距離を表す。いずれの候補設計面も予測目標面でない場合には、予測目標面なしとし、予測目標面到達時間と予測目標面距離とを無効値として出力する。このとき、予測目標面距離は演算上の最大値として扱われる。

本実施の形態における予測目標面演算部１４１は、図５Ａに示すように、ステップＳ１４１１とステップＳ１４１２だけを１制御周期中に座標点の数と同じ回数実施する。従来の目標面取得方法では外積演算を２回と内積演算を１回実施する必要があったのに対し、本発明における本実施の形態では、内積演算を１回のみ実施し、設計面を候補設計面に絞ってから交差判定を行うため、その処理負荷が従来の目標面取得方法よりも小さくなり効率が良くなる。

次に、主目標面演算部１４２で行う演算の一例を、図６を用いて説明する。図６は本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する主目標面演算部の処理フローを示すフローチャート図である。本実施の形態における主目標面演算部１４２は、図６に示す処理フローによって、作業機位置に基づき設計面情報記憶部１１０で記憶した複数の設計面から主目標面を取得すると共に、作業機１５に最も近い設計面であった１制御周期前の主目標面距離と予測目標面との距離に応じて、主目標面を保持または切り替える。

主目標面演算部１４２は、ステップＳ１４２１において、予測目標面があるか否かを判断する。具体的には、予測目標面演算部１４１から予測目標面信号を受信したか否かを判断する。予測目標面がある場合はステップＳ１４２２へ進み、それ以外の場合はステップＳ１４２４へ進む。

主目標面演算部１４２は、ステップＳ１４２２において、予測目標面距離と１制御周期前の主目標面距離とを比較し、予測目標面距離が１制御周期前の主目標面距離よりも小さいか否かを判断する。予測目標面距離が１制御周期前の主目標面距離よりも小さい場合はステップＳ１４２３へ進み、それ以外の場合はステップＳ１４２４へ進む。

主目標面演算部１４２は、ステップＳ１４２３において、予測目標面を新たな主目標面とする種目表面切替を行う。一方、ステップＳ１４２２で予測目標面距離が１制御周期前の主目標面距離よりも小さくなかった場合または、ステップＳ１４２１で予測目標面が無かった場合には、主目標面演算部１４２は、ステップＳ１４２４において、１制御周期前の主目標面をそのまま主目標面として保持する。

主目標面演算部１４２は、ステップＳ１４２５、Ｓ１４２６、Ｓ１４２７、Ｓ１４２８において、それぞれ、従来の目標面取得方法として説明した図１４ＡのステップＳ００１、Ｓ００２、Ｓ００３、Ｓ００４と同様の演算を行い、主目標面距離を演算する。なお、ステップＳ１４２８の内部判定において、主目標面に該当する設計面がない場合には、主目標面なしとして、主目標面距離を無効値として出力する。このとき主目標面距離は演算上の最大値として扱われる。

本実施の形態において、主目標面演算部１４２は、ステップＳ１４２５からステップＳ１４２８をそれぞれ１制御周期に１回だけ実施するため、その処理負荷は従来の目標面取得方法や本実施の形態の予測目標面演算部１４１によるものよりも小さい。

また、作業機１５が接触する可能性が高い設計面として取得された予測目標面を新たな主目標面とするので、表示または制御の対象とする目標面を正確に取得することができる。

次に、本実施の形態における目標面取得部１４０の動作の一例を図７Ａ乃至図７Ｃを用いて説明する。図７Ａは本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する目標面取得部による一の段階における動作を説明する概念図、図７Ｂは本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する目標面取得部による他の段階における動作を説明する概念図、図７Ｃは本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する目標面取得部による更に他の段階における動作を説明する概念図である。図７Ａ乃至図７Ｃは、図１５と同様に、例えば、路肩に排水用の溝を設けようとする道路の断面形状であって、図中の塗りつぶしたところは現況地形であり、図に示すＳ１からＳ７が設計面の断面である。

図７Ａは、作業機１５が設計面Ｓ１に接近していく段階を示している。このとき図中の矢印で示される作業機１５の速度ベクトルが設計面Ｓ１を指すため、予測目標面演算部１４１において、設計面Ｓ１が予測目標面として選択され、予測目標面距離として作業機１５と設計面Ｓ１の距離が演算される。

また、主目標面演算部１４２の演算において、演算初期には、主目標面がないので、主目標面距離は演算上の最大値として扱われる。このため、図６に示す処理フローのステップＳ１４２２において予測目標面距離が１制御周期前の主目標面距離よりも小さいと判定され、ステップＳ１４２３において予測目標面である設計面Ｓ１が主目標面として選択される。

図７Ａに戻り、その後、作業機１５の速度ベクトルの方向が変わるまで、設計面Ｓ１が予測目標面として選択され続け、かつ、設計面Ｓ１が主目標面として保持され続ける。

図７Ｂは、作業機１５を設計面Ｓ１に沿って水平方向に移動させていく段階を示している。このとき、図中の矢印で示される作業機１５の速度ベクトルが設計面Ｓ５を指すため、予測目標面演算部１４１において、設計面Ｓ５が予測目標面として選択され、予測目標面距離として作業機１５と設計面Ｓ５の距離が演算される。

また、主目標面演算部１４２の演算において、設計面Ｓ１が主目標面として設定されており、作業機１５と設計面Ｓ５との距離よりも作業機１５と設計面Ｓ１との距離の方が小さいため、図６に示す処理フローのステップＳ１４２２において予測目標面距離が１制御周期前の主目標面距離よりも小さくないと判定され、ステップＳ１４２４において設計面Ｓ１が主目標面として保持され続ける。

図７Ｃは、作業機１５を設計面Ｓ１に沿って水平方向に移動させて、設計面Ｓ１の上面から逸れた段階を示している。このときは、図６に示す処理フローのステップＳ１４２８の内部判定において、主目標面に該当する設計面がないと判定され、主設計面なしで主目標面距離が無効値に設定される。そして、次の制御周期におけるステップＳ１４２２において、予測目標面距離が１制御周期前の主目標面距離より小さいと判定され、ステップＳ１４２３において予測目標面である設計面Ｓ５が主目標面として選択される。

以上のように、本実施の形態における目標面取得部１４０では、図７Ａの段階では設計面Ｓ１を予測目標面かつ主目標面として、図７Ｂの段階では設計面Ｓ１を主目標面としつつ設計面Ｓ５を予測目標面として、図７Ｃの段階では設計面Ｓ５を予測目標面かつ主目標面として、それぞれ正確に選択することができる。また、図７Ｃの段階で、設計面Ｓ２など作業機１５に近くとも遠ざかる位置にある設計面を主目標面や予測目標面として選択することを避けられる。

［動作制御部］
動作制御部１５０で行う演算の一例を図８を用いて説明する。図８は本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する制御装置の動作制御部を示すブロック図である。
動作制御部１５０は、主目標面距離信号を入力し予め設定されたマップに従った信号を出力する４個の関数発生器１５１〜１５４と、予測目標面距離信号を入力し予め設定されたマップに従った信号を出力する２個の関数発生器１５、１５６と、最小値選択器１５７、１５８とを備えている。動作制御部１５０は、主目標面距離信号と予測目標面距離信号とに応じて作業機１５の速度の補正（抑制）を行うことで、作業機１５の目標面への侵入等を防ぐ。

関数発生器１５１と１５２は、主目標面距離に応じて、予め定めたマップを用いてそれぞれブーム上げ増速信号、ブーム下げ減速信号を演算して出力する。関数発生器１５１のマップは主目標面距離が負の値に大きくなるほど（作業機１５が主目標面へ侵入するほど）ブーム上げ速度を大きくするように設定されていて、関数発生器１５２のマップは主目標面距離が正の値から小さくなるほど（作業機１５が主目標面へ近づくほど）ブーム下げ速度を小さくするように設定されている。これにより、作業機１５を主目標面に一致させるようにブーム速度が調整される。

関数発生器１５３と１５４は、主目標面距離に応じて、予め定めたマップを用いてそれぞれ第１アームクラウド減速信号、第１アームダンプ減速信号を演算して最小値選択器１５７、１５８へ出力する。関数発生器１５３、１５４のマップは、共に主目標面距離が小さくなるほどアームクラウド速度又はアームダンプ速度を小さくするように設定されている。これにより、主目標面へ作業機１５が侵入することを防止できる。

関数発生器１５５と１５６は、予測目標面距離に応じて、予め定めたマップを用いてそれぞれ第２アームクラウド減速信号、第２アームダンプ減速信号を演算して最小値選択器１５７、１５８へ出力する。関数発生器１５５、１５６のマップは、共に予測目標面距離が小さくなるほどアームクラウド速度又はアームダンプ速度を小さくするように設定されている。これにより、予測目標面へ作業機１５が侵入することを防止できる。

最小値選択器１５７は、入力信号である第１アームクラウド減速信号と第２アームクラウド減速信号の最小値を選択してアームクラウド減速信号として出力する。同様に最小値選択器１５８は、入力信号である第１アームダンプ減速信号と第２アームダンプ減速信号の最小値を選択してアームダンプ減速信号として出力する。

また、関数発生器１５５と１５６は、マップを共に入力信号である予測目標面距離が０の場合に、アームクラウド速度およびアームダンプ速度が０となるように設定してもよい。このように設定すると、例えば、ブーム上げ操作により作業機１５が移動するときに、作業機１５の速度ベクトルの方向がそのときの予測目標面から逸れるまで、アームの動作を停止抑制するので、より確実に予測目標面へ作業機１５が侵入することを防止できる。なお、作業機１５の速度ベクトルの方向がそのときの予測目標面から逸れると、その設計面は予測目標面ではなくなるため、アームの動作を開始できる。

なお、本実施の形態の動作制御部１５０の説明は、ブーム１１とアーム１２に関する速度制御を例に行ったが、これに限るものではない。作業機１５を構成するバケット８の速度制御を行う事で、作業機１５の速度の抑制を行っても良い。

［表示装置］
次に、本発明の建設機械の第１の実施の形態を構成する表示装置３００について図を用いて説明する。図９は本発明の建設機械の第１の実施の形態を隣接した２つの設計面に適用した場合の表示装置の表示内容の一例を示す概念図、図１０は本発明の建設機械の第１の実施の形態を複雑な設計面に適用した場合の表示装置の表示内容の一例を示す概念図、図１１は本発明の建設機械の第１の実施の形態を旋回しながらの掘削に適用した場合の表示装置の表示内容の一例を示す概念図である。図９乃至図１１において、図１乃至図８に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態において、表示装置３００は、作業機１５の位置と、主目標面ＰＳの位置と、予測目標面ＥＳの位置と、予測目標面距離と予測目標面到達時間とからなる予測目標面情報ＥＳＩとを表示する。

図９の例では、オペレータへ作業機１５と主目標面ＰＳとの位置関係を報知しつつ、予測目標面ＥＳと予測目標面情報ＥＳＩを表示するので、予測目標面ＥＳへの作業機１５の侵入を未然に防ぐ減速タイミング等をオペレータに報知できる。

図１０の例でも、図９の例と同様に、作業機１５を減速させる必要性をオペレータへ報知できる。また、本実施の形態の掘削支援装置では、複数の設計面から構成される設計面形状が複雑な場合でも、表示または制御の対象とする予測目標面ＥＳを正確に取得できるので、作業機１５を減速させる必要性をオペレータへ分かりやすく報知できる。

図１１の例でも、図９、１０の例と同様に、作業機１５を減速させる必要性をオペレータへ報知できる。また、本実施の形態の掘削支援装置では、旋回しながら掘削を行う場合でも、設計面を定義する３次元座標系における３次元ベクトルである作業機速度ベクトルに基づき予測目標面ＥＳを取得することで、予測目標面ＥＳを正確に取得することができ、作業機１５を減速させる必要性をオペレータへ報知できる。

なお、本実施の形態においては、図９乃至１１に示すように、予測目標面情報ＥＳＩとして予測目標面到達時間を表示しているので、作業機１５の速度を考慮せず予測目標面距離だけを表示するよりも効果的に、作業機１５を減速させる必要性をオペレータへ報知できる。このことにより、作業機１５の予測目標面ＥＳへの侵入が抑制できる。

上述した本発明の建設機械の第１の実施の形態によれば、複数の設計面のなかから作業機１５が接触する可能性が高い設計面を目標面として取得するので、表示または制御の対象とする目標面を効率良く正確に取得することができる。

なお、本実施の形態において、表示装置３００の予測目標面情報ＥＳＩとして予測目標面距離と予測目標面到達時間が示される場合を例に説明したが、これに限るものではない。少なくともいずれか一方が示されていれば良い。

また、本実施の形態においては、表示装置３００と制御装置の動作制御部１５０とを備えた掘削支援装置を例に説明したが、これに限るものではない。表示装置３００と制御装置の動作制御部１５０の少なくともいずれか一方を備えていれば良い。

以下、本発明の建設機械の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図１２は本発明の建設機械の第２の実施の形態を構成する制御装置の目標面取得部を示すブロック図、図１３Ａは本発明の建設機械の第２の実施の形態を構成する予測目標面演算部の処理フローを示すフローチャート図、図１３Ｂは本発明の建設機械の第２の実施の形態を構成する予測目標面演算部の処理の一例を説明する概念図である。図１２乃至図１３Ｂにおいて、図１乃至図１１に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の建設機械の第２の実施の形態において、掘削支援装置の構成は、大略第１の実施の形態と同じであるが、目標面取得部１４０において、主目標面演算部１４２が演算した主目標面信号を入力して処理内容が異なる予測目標面演算部１４３を備えた点が異なる。

図１２に示すように、本発明の建設機械の第２の実施の形態において制御装置１４０は、予測目標面演算部１４３と、主目標面演算部１４２とを備えている。予測目標面演算部１４３は、設計面情報記憶部１１０からの車体周囲設計面信号と、作業機位置取得部１２０からの作業機位置信号と、作業機速度ベクトル取得部１３０からの作業機速度ベクトル信号とに加えて、主目標面演算部１４２からの主目標面信号を入力し、予測目標面、予測目標面距離、予測目標面到達時間を演算し、演算した各信号を出力する。主目標面演算部１４２は、第１の実施の形態と同様であるため、その説明を省略する。

予測目標面演算部１４３で行う演算の一例を、図１３Ａ、図１３Ｂを用いて説明する。図１３Ａに示すステップＳ１４１１からステップＳ１４１４までは、第１の実施の形態と同様であるため、その説明を省略する。予測目標面演算部１４３は、ステップＳ１４１５において、予測目標面が取得されているか否かを判断する。予測目標面が取得されている場合には、リターンへ進み、それ以外の場合にはステップＳ１４１６へ進む。図１３Ｂに示すように、作業機速度ベクトルｖに対して設計面が平行になっている場合などは、予測目標面が取得されない。なお、図１３Ｂにおいて、設計面Ｐ０Ｐ１Ｐ２は主目標面を表している。

予測目標面演算部１４３は、ステップＳ１４１６において、ベクトル角度演算を行う。具体的には、図１３Ｂに示すように、作業機上の代表点である点Ｐｗから主目標面Ｐ０Ｐ１Ｐ２を構成する座標点Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２それぞれへの座標点方向ベクトル（図１３Ｂ中の点線矢印）を設定し、作業機速度ベクトルｖと各座標点方向ベクトルとの内積を基に、それらそれぞれの成す角度を演算する。

予測目標面演算部１４３は、ステップＳ１４１７において、予測目標面を抽出する。具体的には、図１３Ｂに示すようにステップＳ１４１６で演算した作業機速度ベクトルｖと各座標点方向ベクトルの成す角度に基づき、最も角度が小さい座標点方向ベクトルを構成する座標点と、２番目に角度が小さい座標点方向ベクトルを構成する座標点とを選択し、それらの座標点を含む設計面を予測目標面として抽出すると共に、予測目標面到達時間と予測目標面距離とを無効値として出力する。

予測目標面演算部１４３で以上の演算を行うことによって、設計面Ｐ０Ｐ２Ｐ６や設計面Ｐ０Ｐ１Ｐ７あるいは、設計面Ｐ１Ｐ７Ｐ８を選択することなく、作業機１５が進む方向かつ作業機１５に近い位置にある設計面Ｐ１Ｐ２Ｐ３を予測目標面として選択するので、次の主目標面となり得る設計面を正確に取得することができる。

上述した本発明の建設機械の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上述した第１及び第２の実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易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。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

１：油圧ショベル、５：ブームシリンダ、６：アームシリンダ、１１：ブーム、１２：アーム、８：バケット、１３ａ：第１慣性センサ、１３ｂ：第２慣性センサ、１３ｃ：第３慣性センサ、１３ｄ：第４慣性センサ、１５：作業機、１００：制御装置、１４０：目標面取得部、１４１：予測目標面演算部、２００：測位装置、３００：表示装置

Claims

車両本体と、前記車両本体に対して揺動可能に取り付けられたブーム、前記ブームに対して揺動可能に取り付けられたアーム、及び、前記アームに対して揺動可能に取り付けられたバケットを有する作業機と、前記ブーム、前記アーム及び前記バケットを操作する操作レバー装置と、
３次元の目標地形を複数の設計面として記憶する設計面情報記憶部と、
前記作業機の代表点の位置である作業機位置を演算する作業機位置する作業機位置取得部とを備えた建設機械において、
前記操作レバー装置の操作量に基づき前記作業機の速度を検出または推定する作業機速度ベクトル取得部と、
前記作業機の代表点の位置である作業機位置を検出または推定する作業機位置取得部と、
前記作業機位置取得部で検出または推定された前記作業機位置及び前記作業機の速度ベクトルに基づき、前記設計面情報記憶部で記憶した前記複数の設計面から主目標面を取得し、前記複数の設計面を基に次の主目標面となり得る予測目標面を取得する目標面取得部とを備え、
前記目標面取得部は、前記作業機位置に基づき、前記作業機の速度ベクトルの方向に位置する設計面を予測目標面と決定する予測目標面演算部を備えた
ことを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械において、
前記目標面取得部は、更に前記主目標面の位置に基づき、前記作業機の速度ベクトルの方向に位置する設計面を予測目標面と決定する予測目標面演算部を備えた
ことを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械において、
前記目標面取得部は、前記作業機位置と前記予測目標面との距離が、前記作業機位置と前記主目標面との距離以上である場合には、取得した前記主目標面を保持し、
前記作業機位置と前記予測目標面との距離が、前記作業機位置と前記主目標面との距離より小さい場合には、前記予測目標面を新たな主目標面に切替える主目標面演算部を備えた
ことを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械において、
前記作業機位置と前記主目標面との位置関係を表示する表示装置を更に備え、
前記表示装置は、前記作業機位置と前記予測目標面との間の距離情報と、前記作業機が前記予測目標面に到達するまでの時間情報との少なくともいずれか１つを予測目標面情報として表示する
ことを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械において、
前記作業機位置と前記主目標面との位置関係に応じて前記作業機の速度を補正する動作制御部を更に備え、
前記動作制御部は、前記予測目標面と前記作業機位置との間の距離に基づき、前記作業機の速度を制限する
ことを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械において、
前記予測目標面演算部は、前記作業機位置から設計面を構成する座標点への座標点方向ベクトルを演算し、前記作業機の速度ベクトルと前記座標点方向ベクトルとの成す角度に基づき座標点を選択し、選択した座標点を含む設計面を予測目標面と決定する
ことを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械において、
前記予測目標面演算部は、前記作業機位置から前記主目標面を構成する複数の座標点への座標点方向ベクトルを演算し、前記作業機の速度ベクトルと前記座標点方向ベクトルとの成す角度に基づき座標点を選択し、選択した座標点を含む設計面を予測目標面と決定する
ことを特徴とする建設機械。