JP2019039278A - 作業車両の制御システム、方法、及び作業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】適切な掘削開始点をコントローラによる演算によって決定すると共に、コントローラへの演算負荷を軽減する。
【解決手段】作業車両の制御システムは、記憶装置とコントローラとを含む。記憶装置は、目標パラメータデータを記憶している。目標パラメータデータは、作業車両の移動距離と、作業機の目標掘削量に関する目標パラメータとの関係を規定する。目標パラメータデータは、所定の掘削領域内での作業車両の移動距離と目標プロファイとの関係を規定する掘削時データを含む。コントローラは、以下の処理を実行するようにプログラムされている。コントローラは、掘削領域の距離から目標戻り距離を決定する。コントローラは、所定の基準位置から目標戻り距離、戻った位置を掘削開始推奨位置として決定する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、作業車両の制御システム、方法、及び作業車両に関する。

作業車両は、ある経路上において前進と後進とを繰り返して、当該経路の表層を掘削する作業を行うことがある。例えば、作業車両は、経路上の掘削開始位置から掘削を開始して前進する。作業車両は、ある範囲まで掘削した後、土を土捨て場まで運ぶ。その後、作業車両は、後進して、掘削開始位置よりも後退した位置まで戻る。そして、作業車両は、前進して、次の掘削開始位置から再び掘削を開始する。

上記のような作業においては、掘削開始位置の選定が作業効率に影響を与える。しかし、適切な掘削開始位置の選定には熟練した経験が必要であり、経験の少ないオペレータにとっては、適切な掘削開始位置を選定することは容易ではない。

そこで、特許文献１では、コントローラが、作業地面の目標プロファイルの掘削開始地点を、計算上、逐次移動させ、作業機にとって適切な負荷となる掘削開始点を、逐次近似法による演算によって決定することが記載されている。

米国特許公報第９，０１４，９２２号

しかし、特許文献１による技術では、掘削開始点を算出する逐次近似法のためのコントローラの演算負荷が過大となる場合がある。

本発明は、適切な掘削開始点をコントローラによる演算によって決定すると共に、コントローラへの演算負荷を軽減することを目的とする。

第1の態様は、作業機を有する作業車両の制御システムであって、記憶装置とコントローラとを含む。記憶装置は、目標パラメータデータを記憶している。目標パラメータデータは、作業車両の移動距離と、作業機の目標掘削量に関する目標パラメータとの関係を規定する。目標パラメータデータは、所定の掘削領域内での作業車両の移動距離と目標パラメータとの関係を示す掘削時データを含む。コントローラは、記憶装置と通信する。コントローラは、以下の処理を実行するようにプログラムされている。コントローラは、目標パラメータデータにおいて規定されている掘削領域の距離から目標戻り距離を決定する。コントローラは、所定の基準位置から目標戻り距離、戻った位置を掘削開始推奨位置として決定する。

第2の態様は、作業機を有する作業車両の掘削開始推奨位置を決定するためにコントローラによって実行される方法である。当該方法は、以下の処理を含む。第1の処理は、目標パラメータデータを参照することである。目標パラメータデータは、作業車両の移動距離と、作業機の目標掘削量に関する目標パラメータとの関係を規定する。目標パラメータデータは、所定の掘削領域内での作業車両の移動距離と目標パラメータとの関係を規定する掘削時データを含む。第2の処理は、目標パラメータデータにおいて規定されている掘削領域の距離から目標戻り距離を決定することである。第3の処理は、所定の基準位置から目標戻り距離、戻った位置を掘削開始推奨位置として決定することである。

第3の態様は、作業車両であって、作業機と、作業機を制御する指令信号を出力するコントローラとを含む。コントローラは、以下の処理を実行するようにプログラムされている。コントローラは、目標パラメータデータを参照する。目標パラメータデータは、作業車両の移動距離と、作業機の目標掘削量に関する目標パラメータとの関係を規定する。目標パラメータデータは、所定の掘削領域内での作業車両の移動距離と目標パラメータとの関係を規定する掘削時データを含む。コントローラは、目標パラメータデータにおいて規定されている掘削領域の距離から目標戻り距離を決定する。コントローラは、所定の基準位置から目標戻り距離、戻った位置を掘削開始推奨位置として決定する。

本発明では、コントローラは、掘削領域の距離から目標戻り距離を決定し、所定の基準位置から目標戻り距離、戻った位置を掘削開始推奨位置として決定する。掘削領域の距離は、掘削を行う範囲として目標パラメータデータにおいて規定されている距離であるため、掘削開始のために適切な位置を、掘削開始推奨位置として決定することができる。また、コントローラは、所定の基準位置から目標戻り距離、戻った位置を掘削開始推奨位置として決定する。そのため、コントローラへの演算負荷を軽減することができる。

実施形態に係る作業車両を示す側面図である。 作業車両の駆動系と制御システムとの構成を示すブロック図である。 作業車両の構成を示す模式図である。 作業機の自動制御の処理を示すフローチャートである。 最終設計地形、現況地形、及び目標設計地形の一例を示す図である。 目標パラメータデータの一例を示す図である。 目標変位を決定するための処理を示すフローチャートである。 各作業パスでの掘削開始位置の例を示す図である。 掘削開始推奨位置を決定するための処理を示すフローチャートである。 掘削開始推奨位置の例を示す図である。 ガイド画面の一例を示す図である。 ガイド画面の他の例を示す図である。 第1変形例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。 第2変形例に係る制御システムの構成を示すブロック図である。 目標パラメータデータの他の例を示す図である。 他の実施形態に係る掘削開始推奨位置を決定するための処理を示すフローチャートである。 他の実施形態に係るガイド画面の例を示す図である。

以下、実施形態に係る作業車両について、図面を参照しながら説明する。図1は、実施形態に係る作業車両1を示す側面図である。本実施形態に係る作業車両1は、ブルドーザである。作業車両1は、車体11と、走行装置12と、作業機13と、を備えている。

車体11は、運転室14とエンジン室15とを有する。運転室14には、図示しない運転席が配置されている。エンジン室15は、運転室14の前方に配置されている。走行装置12は、車体11の下部に取り付けられている。走行装置12は、左右一対の履帯16を有している。なお、図1では、左側の履帯16のみが図示されている。履帯16が回転することによって、作業車両1が走行する。作業車両1の走行は、自律走行、セミ自律走行、オペレータの操作による走行のいずれの形式であってもよい。

作業機13は、車体11に取り付けられている。作業機13は、リフトフレーム17と、ブレード18と、リフトシリンダ19と、を有する。

リフトフレーム17は、車幅方向に延びる軸線Ｘを中心として上下に動作可能に車体11に取り付けられている。リフトフレーム17は、ブレード18を支持している。ブレード18は、車体11の前方に配置されている。ブレード18は、リフトフレーム17の上下動に伴って上下に移動する。

リフトシリンダ19は、車体11とリフトフレーム17とに連結されている。リフトシリンダ19が伸縮することによって、リフトフレーム17は、軸線Ｘを中心として上下に回転する。

図2は、作業車両1の駆動系2と制御システム3との構成を示すブロック図である。図2に示すように、駆動系2は、エンジン22と、油圧ポンプ23と、動力伝達装置24と、を備えている。

油圧ポンプ23は、エンジン22によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ23から吐出された作動油は、リフトシリンダ19に供給される。なお、図2では、1つの油圧ポンプ23が図示されているが、複数の油圧ポンプが設けられてもよい。

動力伝達装置24は、エンジン22の駆動力を走行装置12に伝達する。動力伝達装置24は、例えば、HST（Hydro Static Transmission）であってもよい。或いは、動力伝達装置24は、例えば、トルクコンバーター、或いは複数の変速ギアを有するトランスミッションであってもよい。

制御システム3は、第1操作装置25aと第2操作装置25bとを備える。第1操作装置25aと第2操作装置25bとは、運転室14に配置されている。第1操作装置25aは、走行装置12を操作するための装置である。第1操作装置25aは、走行装置12を駆動するためのオペレータによる操作を受け付け、操作に応じた操作信号を出力する。

第2操作装置25bは、作業機13を操作するための装置である。第2操作装置25bは、作業機13を駆動するためのオペレータによる操作を受け付け、操作に応じた操作信号を出力する。第1操作装置25aと第2操作装置25bとは、例えば、操作レバー、ペダル、スイッチ等を含む。

第1操作装置25aは、前進位置と後進位置と中立位置とに操作可能に設けられる。第1操作装置25aの位置を示す操作信号は、コントローラ26に出力される。コントローラ26は、第1操作装置25aの操作位置が前進位置であるときには、作業車両1が前進するように、走行装置12、或いは動力伝達装置24を制御する。第1操作装置25aの操作位置が後進位置であるときには、コントローラ26は、作業車両1が後進するように、走行装置12、或いは動力伝達装置24を制御する。

第2操作装置25bは、上げ位置と、下げ位置と、中立位置とに操作可能に設けられる。第2操作装置25bの位置を示す操作信号は、コントローラ26に出力される。コントローラ26は、第2操作装置25bの操作位置が上げ位置であるときには、ブレード18が上昇するように、リフトシリンダ19を制御する。第2操作装置25bの操作位置が下げ位置であるときには、コントローラ26は、ブレード18が下降するように、リフトシリンダ19を制御する。

制御システム3は、入力装置25cとディスプレイ25dとを備える。入力装置25c及びディスプレイ25dは、例えばタッチパネル式の表示入力装置である。ディスプレイ25dは、例えば、LCD、或いはOLEDである。ただし、ディスプレイ25dは、他の種類の表示装置であってもよい。入力装置25c及びディスプレイ25dとは別の装置であってもよい。例えば、入力装置25cは、スイッチ等の他の入力装置であってもよい。入力装置25cは、マウス、或いはトラックボールなどのポインティングデバイスであってもよい。入力装置25cは、オペレータによる操作を示す操作信号をコントローラ26に出力する。

制御システム3は、コントローラ26と、記憶装置28と、制御弁27とを備える。コントローラ26は、取得したデータに基づいて作業車両1を制御するようにプログラムされている。コントローラ26は、例えばCPU等の処理装置（プロセッサ）を含む。コントローラ26は、操作装置25a,25bから操作信号を取得する。コントローラ26は、操作信号に基づいて、制御弁27を制御する。コントローラ26は、入力装置25cから操作信号を取得する。コントローラ26は、所定の画面をディスプレイ25dに表示させる信号を出力する。なお、コントローラ26は、一体に限らず、複数のコントローラに分かれていてもよい。

制御弁27は、比例制御弁であり、コントローラ26からの指令信号によって制御される。制御弁27は、リフトシリンダ19などの油圧アクチュエータと、油圧ポンプ23との間に配置される。制御弁27は、油圧ポンプ23からリフトシリンダ19に供給される作動油の流量を制御する。コントローラ26は、第2操作装置25bの操作に応じてブレード18が動作するように、制御弁27への指令信号を生成する。これにより、リフトシリンダ19が、第2操作装置25bの操作量に応じて、制御される。なお、制御弁27は、圧力比例制御弁であってもよい。或いは、制御弁27は、電磁比例制御弁であってもよい。

制御システム3は、作業機センサ29を備える。作業機センサ29は、作業機の位置を検出し、作業機の位置を示す作業機位置信号を出力する。詳細には、作業機センサ29は、リフトシリンダ19のストローク長さ（以下、「リフトシリンダ長Ｌ」という。）を検出する。図3に示すように、コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌに基づいてブレード18のリフト角θliftを算出する。図3は、作業車両1の構成を示す模式図である。

図3では、作業機13の原点位置が二点鎖線で示されている。作業機13の原点位置は、水平な地面上でブレード18の刃先が地面に接触した状態でのブレード18の位置である。リフト角θliftは、作業機13の原点位置からの角度である。

図2に示すように、制御システム3は、位置センサ31を備えている。位置センサ31は、作業車両1の位置を測定する。位置センサ31は、GNSS(Global Navigation Satellite System)レシーバ32と、IMU 33と、を備える。GNSSレシーバ32は、例えばGPS（Global Positioning System）用の受信機である。GNSSレシーバ32のアンテナは、運転室14上に配置される。GNSSレシーバ32は、衛星より測位信号を受信し、測位信号によりアンテナの位置を演算して車体位置データを生成する。コントローラ26は、GNSSレシーバ32から車体位置データを取得する。コントローラ26は、車体位置データにより、作業車両1の進行方向と車速とを得る。

IMU 33は、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit）である。IMU 33は、車体傾斜角データを取得する。車体傾斜角データは、車両前後方向の水平に対する角度（ピッチ角）、および車両横方向の水平に対する角度（ロール角）を含む。コントローラ26は、IMU 33から車体傾斜角データを取得する。

コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌと、車体位置データと、車体傾斜角データとから、刃先位置P0を演算する。図3に示すように、コントローラ26は、車体位置データに基づいて、GNSSレシーバ32のグローバル座標を算出する。コントローラ26は、リフトシリンダ長Ｌに基づいて、リフト角θliftを算出する。コントローラ26は、リフト角θliftと車体寸法データに基づいて、GNSSレシーバ32に対する刃先位置P0のローカル座標を算出する。車体寸法データは、記憶装置28に記憶されており、GNSSレシーバ32に対する作業機13の位置を示す。コントローラ26は、GNSSレシーバ32のグローバル座標と刃先位置P0のローカル座標と車体傾斜角データとに基づいて、刃先位置P0のグローバル座標を算出する。コントローラ26は、刃先位置P0のグローバル座標を刃先位置データとして取得する。

記憶装置28は、例えばメモリと補助記憶装置とを含む。記憶装置28は、例えば、RAM、或いはROMなどであってもよい。記憶装置28は、半導体メモリ、或いはハードディスクなどであってもよい。記憶装置28は、非一時的な（non-transitory）コンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置28は、プロセッサによって実行可能であり作業車両1を制御するためのコンピュータ指令を記録している。

記憶装置28は、設計地形データと作業現場地形データとを記憶している。設計地形データは、最終設計地形を示す。最終設計地形は、作業現場の表面の最終的な目標形状である。設計地形データは、例えば、三次元データ形式の土木施工図である。作業現場地形データは、作業現場の現況の地形を示す。作業現場地形データは、例えば、三次元データ形式の現況地形測量図である。作業現場地形データは、例えば、航空レーザ測量で得ることができる。

コントローラ26は、現況地形データを取得する。現況地形データは、作業現場の現況地形を示す。作業現場の現況地形は、作業車両1の進行方向に沿う領域の実際の地形である。現況地形データは、作業現場地形データと上述の位置センサ31から得られる作業車両1の位置と進行方向とからコントローラ26での演算により取得される。

コントローラ26は、現況地形データと、設計地形データと、刃先位置データとに基づいて、作業機13を自動的に制御する。なお、作業機13の自動制御は、オペレータによる手動操作と合わせて行われる半自動制御であってもよい。或いは、作業機13の自動制御は、オペレータによる手動操作無しで行われる完全自動制御であってもよい。

以下、コントローラ26によって実行される、掘削における作業機13の自動制御について説明する。図4は、掘削作業における作業機13の自動制御の処理を示すフローチャートである。

図4に示すように、ステップS101では、コントローラ26は、現在位置データを取得する。ここでは、コントローラ26は、上述したように、ブレード18の現在の刃先位置P0を取得する。

ステップS102では、コントローラ26は、設計地形データを取得する。図5に示すように、設計地形データは、作業車両1の進行方向において、複数の参照点Pn（n=0,1,2,3,...,A）での最終設計地形60の高さZdesignを含む。複数の参照点Pnは、作業車両１の進行方向に沿う所定間隔ごとの複数地点を示す。複数の参照点Pnは、ブレード18の進行パス上にある。なお、図5では、最終設計地形60は、水平方向に平行な平坦な形状であるが、これと異なる形状であってもよい。

ステップS103では、コントローラ26は、現況地形データを取得する。コントローラ26は、記憶装置28より得られる作業現場地形データと、位置センサ31より得られる車体の位置データ及び進行方向データから演算により、現況地形データを取得する。

現況地形データは、作業車両1の進行方向に位置する地形を示す情報である。図5は、現況地形50の断面を示す。なお、図5において、縦軸は、地形の高さを示しており、横軸は、作業車両1の進行方向における現在位置からの距離を示している。

詳細には、現況地形データは、作業車両1の進行方向において、現在位置から所定の地形認識距離LAまでの複数の参照点Pnでの現況地形50の高さZnを含む。本実施形態において、現在位置は、作業車両1の現在の刃先位置P0に基づいて定められる位置である。ただし、現在位置は、作業車両1の他の部分の現在位置に基づいて定められてもよい。複数の参照点は、所定間隔、例えば１ｍごとに並んでいる。

ステップS104では、コントローラ26は、掘削開始位置を取得する。例えば、コントローラ26は、刃先位置P0が、現況地形50の高さZ0を最初に下回ったときの位置を掘削開始位置として取得する。これにより、ブレード18の刃先が下げられて現況地形50を掘削し始めた位置が掘削開始位置として取得される。ただし、コントローラ26は、他の方法によって、掘削開始位置を取得してもよい。例えば、コントローラ26は、第2操作装置25bの操作に基づいて、掘削開始位置を取得してもよい。或いは、コントローラ26は、現況地形データから最適な掘削開始位置を演算することで、掘削開始位置を取得してもよい。

ステップS105では、コントローラ26は、作業車両1の移動距離を取得する。コントローラ26は、ブレード18の進行パスにおいて掘削開始位置から現在位置まで進んだ距離を、移動距離として取得する。作業車両1の移動距離は、車体11の移動距離であってもよい。或いは、作業車両1の移動距離は、ブレード18の刃先の移動距離であってもよい。

ステップS106では、コントローラ26は、目標設計地形データを決定する。目標設計地形データは、図5に破線で記載された目標設計地形70を示す。目標設計地形70は、作業におけるブレード18の刃先の望まれる軌跡を示す。目標設計地形70は、掘削作業の結果として望まれる形状を示す。

図5に示すように、コントローラ26は、現況地形50から、目標変位Z_offset、下方に変位した目標設計地形70を決定する。目標変位Z_offsetは、各参照点Pnでの鉛直方向における目標変位である。本実施形態において、目標変位Z_offsetは、各参照点Pnでの目標深さであり、現況地形50の下方におけるブレード18の目標位置を示す。ブレード18の目標位置とは、ブレード18の刃先位置を意味する。言い換えれば、目標変位Z_offsetは、ブレード18によって掘削される単位移動距離当たりの土量を示す。従って、目標設計地形データは、複数の参照点Pnと複数の目標土量との関係を示す。目標変位Z_offsetは、ブレード18の目標掘削量に関係する目標パラメータの一例である。

なお、コントローラ26は、最終設計地形60を下方に越えないように、目標設計地形70を決定する。従って、コントローラ26は、掘削作業時には、最終設計地形60以上、且つ、現況地形50より下方に位置する目標設計地形70を決定する。

詳細には、コントローラ26は、以下の（1）式により、目標設計地形70の高さZを決定する。
Z = Zn - Z_offset (1)
目標変位Z_offsetは、目標パラメータデータCを参照することで決定される。目標パラメータデータCは、記憶装置28に記憶されている。図6は、目標パラメータデータCの一例を示す図である。目標パラメータデータCは、作業車両1の移動距離nと、目標パラメータとの関係を規定する。本実施形態では、目標パラメータデータCは、作業車両1の移動距離nと、目標変位Z_offsetとの関係を規定する。

詳細には、目標パラメータデータCは、ブレード18の地表からの鉛直下方向への掘削深さ（目標変位）Z_offsetを、作業車両1の水平方向の移動距離nの従属変数として示す。作業車両1の水平方向の移動距離nは、ブレード18の水平方向の移動距離と実質的に同じ値である。コントローラ26は、図6に示す目標パラメータデータCを参照して、作業車両1の移動距離nから、目標変位Z_offsetを決定する。

図6に示すように、目標パラメータデータCは、開始時データc1と、掘削時データc2と、移行時データc3と、運土時データc4とを含む。開始時データc1は、掘削開始領域での移動距離nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。掘削開始領域は、掘削開始点Sから定常掘削開始点Dまでの領域である。開始時データc1で示されるように、掘削開始領域では、移動距離nの増大に応じて増大する目標変位Z_offsetが規定される。

掘削時データc2は、掘削領域での移動距離nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。掘削領域は、定常掘削開始点Dから運土移行開始点Tまでの領域である。掘削時データc2で示されるように、掘削領域では、目標変位Z_offsetは、一定値に規定される。掘削時データc2は、移動距離nに対して一定の目標変位Z_offsetを規定する。

移行時データc3は、運土移行領域での移動距離nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。運土移行領域は、定常掘削終了点Tから運土開始点Pまでの領域である。移行時データc3は、移動距離nの増大に応じて減少する目標変位Z_offsetを規定する。

運土時データc4は、運土領域での移動距離nと目標変位Z_offsetとの関係を規定する。運土領域は、運土開始点Pから開始される領域である。運土時データc4に示されるように、運土領域では、目標変位Z_offsetは一定値に規定される。運土時データc4は、移動距離ｎに対して一定の目標変位Z_offsetを規定する。

詳細には、掘削領域は、第1開始値b1から開始され、第1終了値b2で終了する。運土領域は、第2開始値b3から開始される。第1終了値b2は、第2開始値b3よりも小さい。従って、掘削領域は、運土領域よりも、移動距離nが小さいときに開始される。掘削領域での目標変位Z_offsetは、第1目標値a1で一定である。運土領域での目標変位Z_offsetは、第2目標値a2で一定である。第1目標値a1は、第2目標値a2よりも大きい。従って、掘削領域では運土領域よりも大きな目標変位Z_offsetが規定される。

掘削開始位置での目標変位Z_offsetは、開始値a0である。開始値a0は、第1目標値a1よりも小さい。開始目標値a0は、第2目標値a2よりも小さい。

図7は、目標変位Z_offsetの決定処理を示すフローチャートである。説明を簡単にするため、以下に説明する決定処理では、作業車両1の走行は前進のみであるものとする。決定処理は、第1操作装置25aが前進の位置に移動すると開始される。ステップS201では、コントローラ26は、移動距離nが0以上、且つ、第1開始値b1未満であるか判定する。移動距離nが0以上、且つ、第1開始値b1未満であるときには、ステップS202において、コントローラ26は、移動距離nの増大に応じて、目標変位Z_offsetを開始値a0から徐々に増大させる。

開始値a0は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。開始値a0は、掘削開始時にブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度に小さな値であることが好ましい。第1開始値b1は、図6に示す掘削開始領域での傾きc1、開始値a0、及び第1目標値a1から演算により求められる。傾きc1は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。傾きc1は、掘削開始から掘削作業に迅速に移行可能であると共に、ブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

ステップS203では、コントローラ26は、移動距離nが、第1開始値b1以上、且つ、第1終了値b2未満であるか判定する。移動距離nが、第1開始値b1以上、且つ、第1終了値b2未満であるときには、ステップS204において、コントローラ26は、目標変位Z_offsetを第1目標値a1に設定する。第1目標値a1は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。第1目標値a1は、効率よく掘削を行うことができると共に、ブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

ステップS205では、コントローラ26は、移動距離nが、第1終了値b2以上、且つ、第2開始値b3未満であるか判定する。移動距離nが、第1終了値b2以上、且つ、第2開始値b3未満であるときには、ステップS206において、コントローラ26は、移動距離nの増大に応じて、目標変位Z_offsetを第1目標値a1から徐々に低減させる。

第1終了値b2は、ブレード18の現在の保有土量が、所定の閾値を越えるときの移動距離である。従って、ブレード18の現在の保有土量が、所定の閾値を越えたときに、コントローラ26は、目標変位Z_offsetを第1目標値a1から低減させる。所定の閾値は、例えばブレード18の最大容量に基づいて決定される。例えば、ブレード18の現在の保有土量は、ブレード18への負荷が測定され、当該負荷から演算により決定されてもよい。或いは、ブレード18の画像がカメラによって取得され、当該画像を分析することによって、ブレード18の現在の保有土量が算出されてもよい。

なお、作業開始時には、第1終了値b2として、所定の初期値が設定される。作業開始後には、ブレード18の保有土量が所定の閾値を越えたときの移動距離が更新値として記憶され、第1終了値b2は記憶された更新値に基づいて更新される。

ステップS207では、コントローラ26は、移動距離nが、第2開始値b3以上であるか判定する。移動距離nが、第2開始値b3以上であるかときには、ステップS208において、コントローラ26は、目標変位Z_offsetを第2目標値a2に設定する。

第2目標値a2は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。第2目標値a2は、運土作業に適した値に設定されることが好ましい。第2開始値b3は、図6に示す運土移行領域での傾きc2、第1目標値a1、及び第2目標値a2から演算により求められる。傾きc2は、定数であり、記憶装置28に記憶されている。傾きc2は、掘削作業から運土作業に迅速に移行可能であると共に、ブレード18への負荷が過剰に大きくならない程度の値であることが好ましい。

なお、開始値a0、第1目標値a1、及び第2目標値a2は、作業車両１の状況等に応じて変更されてもよい。第1開始値b1、第1終了値b2、及び第2開始値b3は、定数として記憶装置28に記憶されてもよい。

以上のように、目標変位Z_offsetが決定されることで、目標設計地形70の高さZが決定される。

図4に示すステップS107では、コントローラ26は、目標設計地形70に向ってブレード18を制御する。ここでは、コントローラ26は、ステップS106で作成した目標設計地形70に向ってブレード18の刃先位置が移動するように、作業機13への指令信号を生成する。生成された指令信号は、制御弁27に入力される。それにより、作業機13の刃先位置P0が目標設計地形70に沿って移動する。

上述した掘削領域では、現況地形50と目標設計地形70との間の目標変位Z_offsetが、他の領域と比べて大きい。これにより、掘削領域では、現況地形50の掘削作業が行われる。運土領域では、現況地形50と目標設計地形70との間の目標変位Z_offsetが他の領域と比べて小さい。これにより、運土領域では、地面の掘削が控えられ、ブレード18に保持されている土砂が運搬される。

ステップS108では、コントローラ26は、作業現場地形データを更新する。コントローラ26は、刃先位置P0の最新の軌跡を示す位置データによって作業現場地形データを更新する。或いは、コントローラ26は、車体位置データと車体寸法データとから履帯16の底面の位置を算出し、履帯16の底面の軌跡を示す位置データによって作業現場地形データを更新してもよい。この場合、作業現場地形データの更新は即時に行うことができる。

或いは、作業現場地形データは、作業車両1の外部の測量装置によって計測された測量データから生成されてもよい。外部の測量装置として、例えば、航空レーザ測量を用いてよい。或いは、カメラによって現況地形50を撮影し、カメラによって得られた画像データから作業現場地形データが生成されてもよい。例えば、UAV(Unmanned Aerial Vehicle)による空撮測量を用いてよい。外部の測量装置又はカメラの場合、作業現場地形データの更新は、所定周期ごと、あるいは随時に行われてもよい。

なお、上記の処理は、作業車両1が前進しているときに実行される。例えば、第1操作装置25aが前進位置であるときに、上記の処理が実行される。ただし、作業車両1が、所定距離以上、後進すると、掘削開始位置、移動距離n、及びブレード18の保有土量は、初期化される。

そして、再び作業車両1が前進したときに、上記の処理が実行される。コントローラ26は、更新された作業現場地形データを基に現況地形50を更新し、更新された現況地形50に基づいて、目標設計地形70を新たに決定する。そして、コントローラ26は、新たに決定された目標設計地形70に沿って、ブレード18を制御する。このような処理が繰り返されることにより、現況地形50が最終設計地形60に近づくように、掘削が行われる。

以上のように、作業車両1が前進して掘削を開始してから後進に切り換わるまでを1回の作業パスと呼ぶものとする。作業車両1が後進して元の掘削開始位置を越える位置まで戻り、再び作業車両1が前進して掘削を開始することで、次の作業パスが実行される。

例えば、図8に示すように、第1作業パスでは、作業車両1は、土捨て位置から所定距離、後方に離れた掘削開始位置Ps1で掘削を開始する。コントローラ26は、第1作業パスの目標設計地形70-1に従って、作業機13を制御する。第1作業パスが終了すると、作業車両1は、後進して元の掘削開始位置Ps1を越える位置まで戻る。

次に、第2作業パスでは、作業車両1は、元の掘削開始位置Ps1から所定距離、後方に離れた作業開位置Ps2で掘削を開始する。コントローラ26は、第2作業パスの目標設計地形70-2に従って、作業機13を制御する。第2作業パスが終了すると、作業車両1は、後進して元の掘削開始位置Ps2を越える位置まで戻る。

次に、第3作業パスでは、作業車両1は、元の掘削開始位置P2から所定距離、後方に離れた作業開位置Ps3で掘削を開始する。コントローラ26は、第3作業パスの目標設計地形70-3従って、作業機13を制御する。このような作業が繰り返されることにより、作業車両1の進行経路の表層を掘削することができる。

本実施形態に係る作業車両1の制御システム3では、コントローラ26は、上記のような作業において、次の作業パスでの掘削開始推奨位置を決定し、ディスプレイ25d上のガイド画面に表示する。以下、掘削開始推奨位置の決定処理について説明する。図9は、掘削開始推奨位置を決定するための処理を示すフローチャートである。

図9に示すように、ステップS301では、コントローラ26は、今回の作業パスが第1作業パスであるかを判定する。例えば、コントローラ26は、作業車両1のエンジン始動後に最初に作業を実行するときに、今回の作業パスが第1作業パスであると判定してもよい。或いは、コントローラ26は、オペレータが、入力装置25cによって作業現場中のある位置を土捨て位置として設定した後に、最初に行われる作業パスを第1作業パスとして判定してもよい。今回の作業パスが第1作業パスであるとコントローラ26が判定したときには、処理はステップS302に進む。

ステップS302では、コントローラ26は、土捨て位置を所定の基準位置として決定する。例えば、コントローラ26は、オペレータが、入力装置25cによって設定した作業現場中のある位置を土捨て位置として取得する。或いは、コントローラ26は、現況地形データに予め設定された所定位置を土捨て位置として決定してもよい。

ステップS303では、コントローラ26は、掘削領域の距離d1と掘削開始領域の距離d2と運土移行領域の距離d3との和を、目標戻り距離として決定する。図6に示すように、コントローラ26は、目標パラメータデータCから、掘削領域の距離d1と掘削開始領域の距離d2と運土移行領域の距離d3とを取得する。

掘削領域の距離d1は、掘削領域での作業車両1の移動距離である。言い換えれば、掘削領域の距離d1は、掘削領域の開始位置から終了位置までの距離である。掘削開始領域の距離d2は、掘削開始領域での作業車両1の移動距離である。言い換えれば、掘削開始領域の距離d2は、掘削開始領域の開始位置から終了位置までの距離である。運土移行領域の距離d3は、運土移行領域での作業車両1の移動距離である。言い換えれば、運土移行領域の距離d3は、運土移行領域の開始位置から終了位置までの距離である。

ステップS304では、コントローラ26は、第1作業パスの掘削開始推奨位置を決定する。ここでは、図10に示すように、コントローラ26は、土捨て位置から目標戻り距離d1+d2+d3、後方に戻った位置を第1作業パスの掘削開始推奨位置Pr1として決定する。

ステップS301において、今回の作業パスが第1作業パスではないとコントローラ26が判定したときには、ステップS305に進む。すなわち、今回の作業パスが第2作業パス以降の作業パスであるときには、ステップS305に進む。ステップS305では、コントローラ26は、前回の掘削開始位置を所定の基準位置として決定する。コントローラ26は、図4のステップS104と同様にして取得した前回の掘削開始位置を所定の基準位置として決定する。

ステップS306では、コントローラ26は、掘削領域の距離d1と掘削開始領域の距離d2との和を、目標戻り距離として決定する。

ステップS307では、コントローラ26は、次の作業パスの掘削開始推奨位置を決定する。ここでは、コントローラ26は、前回の掘削開始位置から目標戻り距離d1+d2、後方に戻った位置を次の作業パスの掘削開始推奨位置として決定する。例えば、図10に示すように、第2作業パスの開始時には、コントローラ26は、第1作業パスの掘削開始位置（例えば掘削開始推奨位置Pr1）から目標戻り距離d1+d2、後方に戻った位置を第2作業パスの掘削開始推奨位置Pr2として決定する。また、第3作業パスの開始時には、コントローラ26は、第2作業パスの掘削開始位置（例えば掘削開始推奨位置Pr2）から目標戻り距離d1+d2、後方に戻った位置を第3作業パスの掘削開始推奨位置Pr3として決定する。

ステップS308では、コントローラ26は、掘削開始推奨位置をディスプレイ25d上のガイド画面80に表示する。図9は、ガイド画面80の一例を示す図である。図9に示すように、ガイド画面80は、作業車両1の現在位置を示すアイコン81と、作業車両1の周囲の現況地形50と、掘削開始推奨位置を示すアイコン82とを含む。コントローラ26は、ガイド画面80を示す表示信号をディスプレイ25dに出力する。

なお、図11ではガイド画面80は側面図であるが、図12に示すように、ガイド画面80は上面図であってもよい。或いは、ガイド画面80において側面図と上面図とが切り換え可能であってもよい。上面図によるガイド画面80では、現況地形50は、その高さに応じて異なる色で示されるとよい。図11においてはハッチングの種類によって異なる色を表現している。

以上説明した本実施形態に係る作業車両1の制御システム3では、コントローラ26は、掘削領域の距離d1から目標戻り距離を決定し、所定の基準位置から目標戻り距離、戻った位置を掘削開始推奨位置として決定する。掘削領域の距離d1は、掘削を行う範囲として目標パラメータデータにおいて規定されている距離であるため、次の掘削のために適切な位置を、掘削開始推奨位置として決定することができる。また、コントローラ26は、所定の基準位置から目標戻り距離、戻った位置を次の掘削開始推奨位置として決定する。そのため、コントローラ26への演算負荷を軽減することができる。

第1作業パスの開始時には、コントローラ26は、掘削領域の距離d1と掘削開始領域の距離d2と運土移行領域の距離d3の和を目標戻り距離として決定し、土捨て位置から目標戻り距離d1+d2+d3、戻った位置を第1作業パスの掘削開始推奨位置Pr1として決定する。従って、掘削領域のみならず、掘削開始領域、及び、運土移行領域を考慮して、適切な掘削開始推奨位置を決定することができる。

第2作業パス以降の作業パスの開始時には、コントローラ26は、掘削領域の距離d1と掘削開始領域の距離d2との和を目標戻り距離として決定し、前回の掘削開始位置から目標戻り距離d1+d2、戻った位置を次の作業パスの掘削開始推奨位置として決定する。従って、掘削開始領域と掘削領域とを考慮して、適切な次の掘削開始推奨位置を決定することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

作業車両1は、ブルドーザに限らず、ホイールローダ、モータグレーダ等の他の車両であってもよい。

作業車両1は、遠隔操縦可能な車両であってもよい。その場合、制御システム3の一部は、作業車両1の外部に配置されてもよい。例えば、コントローラ26は、作業車両1の外部に配置されてもよい。コントローラ26は、作業現場から離れたコントロールセンタ内に配置されてもよい。

コントローラ26は、互いに別体の複数のコントローラ26を有してもよい。例えば、図13に示すように、コントローラ26は、作業車両1の外部に配置されるリモートコントローラ261と、作業車両1に搭載される車載コントローラ262とを含んでもよい。リモートコントローラ261と車載コントローラ262とは通信装置38,39を介して無線により通信可能であってもよい。そして、上述したコントローラ26の機能の一部がリモートコントローラ261によって実行され、残りの機能が車載コントローラ262によって実行されてもよい。例えば、目標設計地形70を決定する処理がリモートコントローラ261によって実行され、作業機13への指令信号を出力する処理が車載コントローラ262によって実行されてもよい。

操作装置25a,25bと、入力装置25cと、ディスプレイ25dとは、作業車両1の外部に配置されてもよい。その場合、運転室は、作業車両1から省略されてもよい。或いは、操作装置25a,25bと、入力装置25cと、ディスプレイ25dとが作業車両1から省略されてもよい。操作装置25a,25bによる操作無しで、コントローラ26による自動制御のみによって作業車両1が操作されてもよい。

現況地形50は、上述した位置センサ31に限らず、他の装置によって取得されてもよい。例えば、図14に示すように、外部の装置からのデータを受け付けるインターフェ−ス装置37によって現況地形50が取得されてもよい。インターフェ−ス装置37は、外部の計測装置41が計測した現況地形データを無線によって受信してもよい。或いは、インターフェ−ス装置37は、記録媒体の読み取り装置であって、外部の計測装置41が計測した現況地形データを記録媒体を介して受け付けてもよい。

目標パラメータデータは、図6に示すデータに限らず、変更されてもよい。目標パラメータは、作業機13の目標掘削量に関するパラメータであり、上記の実施形態の目標変位に限らず、他のパラメータであってもよい。例えば、図15は、目標パラメータデータの他の例を示す図である。

図15に示すように、目標パラメータは、平坦な地形の各地点ごとの目標土量S_targetであってもよい。すなわち、目標パラメータは、単位距離当たりの目標土量S_targetであってもよい。例えば、コントローラ26は、目標土量S_targetとブレード18の幅とから、目標変位Z_offsetを算出することができる。或いは、目標パラメータは、単位距離当たりの目標土量S_targetと異なるパラメータであってもよい。例えば、目標パラメータは、各地点での作業機13への負荷の目標値を示すパラメータであってもよい。コントローラ26は、目標パラメータから各地点ごとの目標変位Z_offsetを算出することができる。その場合、コントローラ26は、目標パラメータの増大に応じて、目標変位Z_offsetを増大させてもよい。

目標変位Z_offsetに所定の係数が乗じられてもよい。或いは、目標変位Z_offsetに所定の定数が加算、或いは減算されてもよい。所定の係数、及び、所定の定数は、制御モードの変更に応じて変更されてもよい。

上記の実施形態では、コントローラ26は、掘削開始推奨位置を決定し、決定した掘削開始推奨位置をディスプレイ25d上のガイド画面80に表示している。しかし、図16に示すステップS408のように、コントローラ26は、決定した掘削開始推奨位置に従って、作業車両1を制御してもよい。なお、図16におけるステップS401〜S407の処理は、図9におけるステップS301〜S307の処理と同様である。

ステップS408では、コントローラ26は、掘削開始推奨位置で作業機13が掘削を開始するように、指令信号を出力する。或いは、ステップS408において、コントローラ26は、作業車両1を掘削開始推奨位置に移動させ、掘削開始推奨位置で作業機13が掘削を開始するように、指令信号を出力してもよい。或いは、ステップS308の掘削開始推奨位置の表示と、ステップS408の作業車両1の制御とが共に行われてもよい。

ガイド画面80において、複数の掘削開始推奨位置が表示されてもよい。例えば、図17に示すように、第1作業パスの掘削開始推奨位置を示すアイコン83と第2作業パスの掘削開始推奨位置を示すアイコン84とを含む複数の掘削開始推奨位置を示すアイコン83-85が、ガイド画面80に表示されてもよい。

各作業パスにおいて、掘削領域の距離d1と掘削開始領域の距離d2と運土移行領域の距離d3との少なくとも１つの値が更新され、更新された値に基づいて、次の作業パスの掘削開始推奨位置が決定されてもよい。例えば、上述したように掘削領域の第1終了値b2が更新されたときには、更新された第1終了値b2によって、掘削開始領域の距離d2が更新されてもよい。

コントローラ26は、オペレータによる入力装置25cの操作によって設定された位置を、掘削開始位置として決定してもよい。目標戻り距離の決定方法が変更されてもよい。目標戻り距離は、上記の実施形態で記載された以外の目標パラメータデータにおけるパラメータ（d1、d2、d3など）の関数であってよい。たとえば、コントローラ26は、掘削領域の距離d1に所定の係数を乗じることで目標戻り距離を決定してもよい。或いは、コントローラ26は、掘削領域の距離d1に所定の定数を加算することで目標戻り距離を決定してもよい。

コントローラ26は、現在位置から所定の地形認識距離LAより短い範囲内において、現況地形データを取得してもよい。すなわち、コントローラ26は、複数の参照点Pnの一部のみに対して現況地形データを取得してもよい。コントローラ26は、現在位置から所定の地形認識距離LAより短い範囲内において、目標設計地形70を決定してもよい。すなわち、コントローラ26は、複数の参照点Pnの一部のみに対して、目標設計地形70を決定してもよい。

本発明によれば、適切な掘削開始点をコントローラによる演算によって決定すると共に、コントローラへの演算負荷を軽減することができる。

13 作業機
1 作業車両
28 記憶装置
26 コントローラ
25c 入力装置
31 位置センサ
25d ディスプレイ

Claims (20)

1. 作業機を有する作業車両の制御システムであって、
   前記作業車両の移動距離と、作業機の目標掘削量に関する目標パラメータとの関係を規定する目標パラメータデータを記憶している記憶装置と、
   前記記憶装置と通信するコントローラと、
   を備え、
   前記目標パラメータデータは、所定の掘削領域内での前記作業車両の移動距離と前記目標パラメータとの関係を規定する掘削時データを含み、
   前記コントローラは、
   前記目標パラメータデータにおいて規定されている前記掘削領域の距離から目標戻り距離を決定し、
   所定の基準位置から前記目標戻り距離、戻った位置を掘削開始推奨位置として決定する、
   作業車両の制御システム。
2. オペレータによる操作を示す操作信号を出力する入力装置をさらに備え、
   前記コントローラは、前記入力装置から前記操作信号を受信し、
   前記コントローラは、オペレータが前記入力装置によって設定した位置を、前記基準位置として決定する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
3. 前記作業車両の位置を示す位置信号を出力する位置センサをさらに備え、
   前記コントローラは、
   前記位置センサから前記位置信号を受信し、
   前記位置信号から、今回の掘削開始位置を取得し、
   前記今回の掘削開始位置を前記基準位置として決定し、
   前記今回の掘削開始位置から前記目標戻り距離、戻った位置を次の掘削開始推奨位置として決定する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
4. 前記コントローラと通信するディスプレイをさらに備え、
   前記コントローラは、前記作業車両の現在位置と、前記作業車両の周囲の地形と、前記掘削開始推奨位置とを含むガイド画面を示す表示信号を前記ディスプレイに出力する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
5. 前記コントローラは、前記作業車両を前記掘削開始推奨位置に移動させ、前記掘削開始推奨位置で前記作業機が掘削を開始するように、前記作業車両に指令信号を出力する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
6. 前記目標パラメータデータは、所定の移行範囲内での前記作業車両の移動距離と前記目標パラメータとの関係を規定する移行時データをさらに含み、
   前記移行時データは、掘削される土量が徐々に減少又は増大するように、前記作業車両の移動距離と前記目標パラメータとの関係を規定し、
   前記コントローラは、前記掘削範囲の距離と前記移行範囲の距離との和から前記目標戻り距離を決定する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
7. 前記作業車両の位置を示す位置信号を出力する位置センサをさらに備え、
   前記コントローラは、
   前記位置センサから前記位置信号を受信し、
   作業対象の現況地形を示す現況地形データを取得し、
   前記位置信号から前記作業車両の移動距離を取得し、
   前記目標パラメータデータを参照して、前記作業車両の移動距離から前記目標パラメータを決定し、
   前記目標パラメータに応じて前記現況地形を変位させた目標設計地形を決定し、
   前記目標設計地形に従って前記作業機を制御する指令信号を出力する、
   請求項１に記載の作業車両の制御システム。
8. 作業機を有する作業車両の掘削開始推奨位置を決定するためにコントローラによって実行される方法であって、
   前記作業車両の移動距離と、作業機の目標掘削量に関する目標パラメータとの関係を規定し、所定の掘削領域内での前記作業車両の移動距離と前記目標パラメータとの関係を示す掘削時データを含む、目標パラメータデータを参照することと、
   前記目標パラメータデータにおいて規定されている前記掘削領域の距離から目標戻り距離を決定することと、
   所定の基準位置から前記目標戻り距離、戻った位置を掘削開始推奨位置として決定すること、
   を備える方法。
9. オペレータによる操作を示す操作信号を入力装置から受信することと、
   オペレータが前記入力装置によって設定した位置を、前記基準位置として決定すること、
   をさらに備える請求項８に記載の方法。
10. 前記作業車両の位置を示す位置信号を受信することと、
    前記位置信号から、今回の掘削開始位置を取得することと、
    前記今回の掘削開始位置を前記基準位置として決定することと、
    をさらに備え、
    前記掘削開始推奨位置を決定することは、前記今回の掘削開始位置から前記目標戻り距離、戻った位置を次の掘削開始推奨位置として決定することを含む、
    請求項８に記載の方法。
11. 前記作業車両の現在位置と、前記作業車両の周囲の地形と、前記掘削開始推奨位置とを含むガイド画面を示す表示信号をディスプレイに出力することをさらに備える、
    請求項８に記載の方法。
12. 前記作業車両を前記掘削開始推奨位置に移動させ、前記掘削開始推奨位置に前記作業機が掘削を開始するように、前記作業車両に指令信号を出力することをさらに備える、
    請求項８に記載の方法。
13. 前記目標パラメータデータは、所定の移行範囲内での前記作業車両の移動距離と前記目標パラメータとの関係を示す移行時データを含み、
    前記移行時データは、掘削される土量が減少又は増大するように、前記作業車両の移動距離と前記目標パラメータとの関係を規定し、
    前記目標戻り距離を決定することは、前記掘削範囲の距離と前記移行範囲の距離との和から前記目標戻り距離を決定することを含む、
    請求項８に記載の方法。
14. 前記作業車両の位置を示す位置信号を受信することと、
    作業対象の現況地形を示す現況地形データを取得することと、
    前記位置信号から前記作業車両の移動距離を取得することと、
    前記目標パラメータデータを参照して、前記作業車両の移動距離から前記目標パラメータを決定することと、
    前記目標パラメータに応じて前記現況地形を変位させた目標設計地形を決定することと、
    前記目標設計地形に従って前記作業機を制御する指令信号を出力すること、
    をさらに備える請求項８に記載の方法。
15. 作業機と、
    前記作業機を制御する指令信号を出力するコントローラと、
    を備え、
    前記コントローラは、前記作業車両の移動距離と、作業機の目標掘削量に関する目標パラメータとの関係を規定する目標パラメータデータを参照し、
    前記目標パラメータデータは、所定の掘削領域内での前記作業車両の移動距離と前記目標パラメータとの関係を規定する掘削時データを含み、
    前記コントローラは、
    前記目標パラメータデータにおいて規定されている前記掘削領域の距離から目標戻り距離を決定し、
    所定の基準位置から前記目標戻り距離、戻った位置を掘削開始推奨位置として決定する、
    作業車両。
16. オペレータによる操作を示す操作信号を出力する入力装置をさらに備え、
    前記コントローラは、前記入力装置から前記操作信号を受信し、
    前記コントローラは、オペレータが前記入力装置によって設定した位置を、前記基準位置として決定する、
    請求項１５に記載の作業車両。
17. 前記作業車両の位置を示す位置信号を出力する位置センサをさらに備え、
    前記コントローラは、
    前記位置センサから前記位置信号を受信し、
    前記位置信号から、今回の掘削開始位置を取得し、
    前記今回の掘削開始位置を前記基準位置として決定し、
    前記今回の掘削開始位置から前記目標戻り距離、戻った位置を次の掘削開始推奨位置として決定する、
    請求項１５に記載の作業車両。
18. 前記コントローラと通信するディスプレイをさらに備え、
    前記コントローラは、前記作業車両の現在位置と、前記作業車両の周囲の地形と、前記掘削開始推奨位置とを含むガイド画面を示す表示信号を前記ディスプレイに出力する、
    請求項１５に記載の作業車両。
19. 前記コントローラは、前記作業車両を前記掘削開始推奨位置に移動させ、前記掘削開始推奨位置に前記作業機が掘削を開始するように、前記作業車両に指令信号を出力する、
    請求項１５に記載の作業車両。
20. 前記目標パラメータデータは、所定の移行範囲内での前記作業車両の移動距離と前記目標パラメータとの関係を規定する移行時データを含み、
    前記移行時データは、掘削される土量が徐々に減少又は増大するように、前記作業車両の移動距離と前記目標パラメータとの関係を規定し、
    前記コントローラは、前記掘削範囲の距離と前記移行範囲の距離との和から前記目標戻り距離を決定する、
    請求項１５に記載の作業車両。

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