JP2024091670A - 制御システムおよび制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動排土制御においてバケットの最下点の低下を抑える。【解決手段】自動制御判定部は、自動排土制御を開始するか否かを判定する。排土制御部は、自動排土制御を開始すると判定した場合に、バケットの傾きが所定の排土完了角度になるまで、バケットを排土方向に回転させる第１指令を生成する。排土制御部は、バケットの傾きが、自動排土制御の開始時の傾きから排土完了角度になるまでの間に、ブームを上げ方向に回転させる第２指令を生成する。【選択図】図８

Description

本開示は、作業システムの制御装置および制御方法に関する。

特許文献１には、作業機械の自動積込制御に関する技術が開示されている。特許文献１に記載の作業機械は、バケットが運搬車両に接触することを防ぎながら自動的にホイスト旋回制御を行い、その後、掘削物を排土する。

特開２０１９－１３２０６４号公報

特許文献１に記載の作業機械は、バケットを排土方向に回転させることで掘削物を排土する。一般的にバケットの外殻のうちバケットピンから最も遠い点はバケットの刃先であるため、バケットを排土方向に回転させるとバケットの最下点が下がる。そのため、特許文献１に記載の作業機械は、バケットの回転による最下点の軌跡を考慮して、高い位置から掘削物を排土させる必要がある。一方で、排土位置が高いほど、運搬車両から掘削物がこぼれる可能性が高くなる。掘削物のこぼれが多いと、運搬車両の目標停車位置周辺の足場が荒れて停車が困難になる。
本開示の目的は、自動排土制御において低い位置での排土を実現できる制御システムおよび制御方法を提供することにある。

一態様によれば、制御システムは、作業機械本体と、前記作業機械本体に回転可能に取り付けられたブームと、前記ブームの先端に回転可能に取り付けられたアームと、前記アームの先端に回転可能に取り付けられたバケットとを備える作業機械の制御装置であって、自動排土制御を開始するか否かを判定する自動制御判定部と、前記自動排土制御を開始すると判定した場合に、前記バケットの傾きが所定の排土完了角度になるまで、前記バケットを排土方向に回転させる第１指令を生成するバケット制御部と、前記バケット指令によって、前記バケットの傾きが、前記自動排土制御の開始時の傾きから前記排土完了角度になるまでの間に、前記ブームを上げ方向に回転させる第２指令を生成するブーム制御部とを備える。

上記態様によれば、制御システムは、自動排土制御においてバケットの最下点の低下を抑えることができる。

第１の実施形態に係る作業システムの構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る作業機械１００の外観図である。 第１の実施形態に係る管制装置の構成を示す概略ブロック図である。 走行経路の例を表す図である。 第１の実施形態に係る作業機械の制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削前のバケットの軌跡の例を示す図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削後のバケットの軌跡の例を示す図である。 第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における排土時のバケットの軌跡の例を示す図である。 第１の実施形態に係る回避制御の例を示す第１の図である 第１の実施形態に係る回避制御の例を示す第２の図である 第１の実施形態に係る管制装置による自動掘削積込指示の出力方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る作業機械による自動掘削積込制御を示すフローチャートである。

〈第１の実施形態〉
《作業システム１》
図１は、第１の実施形態に係る作業システムの構成を示す概略図である。
作業システム１は、作業機械１００と、１または複数の運搬車両２００と、管制装置３００とを備える。作業システム１は、管制装置３００によって作業機械１００と運搬車両２００とを自動制御する無人搬送システムである。

運搬車両２００は、管制装置３００から受信するコースデータ（例えば速度データ、運搬車両２００が進むべき座標）に基づいて無人走行する。運搬車両２００と管制装置３００とは、アクセスポイント４００を介した通信により接続される。管制装置３００は、運搬車両２００から位置および方位を取得し、これらに基づいて運搬車両２００の走行に用いるコースデータを生成する。管制装置３００は、コースデータを運搬車両２００に送信する。運搬車両２００は、受信したコースデータに基づいて無人走行する。なお、第１の実施形態に係る作業システム１は、無人搬送システムを備えるが、他の実施形態においては、一部または全部の運搬車両２００が有人運転されてもよい。この場合、管制装置３００は、コースデータおよび積込に関する指示の送信を行う必要がないが、運搬車両２００の位置および方位を取得する。

作業機械１００は、管制装置３００から受信する指示に従って無人制御される。作業機械１００と管制装置３００とは、アクセスポイント４００を介した通信により接続される。

作業機械１００および運搬車両２００は、作業現場（例えば、鉱山、採石場）に設けられる。他方、管制装置３００は、任意の場所に設けられてよい。例えば、管制装置３００は、作業機械１００および運搬車両２００から離れた地点（例えば、市街、作業現場内）に設けられてよい。

《運搬車両２００》
第１の実施形態に係る運搬車両２００は、ベッセル２０１ベッセルを備えるダンプトラックである。なお、他の実施形態に係る運搬車両２００は、ダンプトラック以外の運搬車両であってもよい。
運搬車両２００は、ベッセル２０１、位置方位演算器２１０および制御装置２２０を備える。位置方位演算器２１０は、運搬車両２００の位置および方位を演算する。位置方位演算器２１０は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。ＧＮＳＳの例としては、ＧＰＳ（Global Positioning System）が挙げられる。２つの受信器は、それぞれ運搬車両２００の異なる位置に設置される。位置方位演算器２１０は、受信器が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における運搬車両２００の位置を検出する。位置方位演算器２１０は、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、運搬車両２００の向く方位を演算する。なお、他の実施形態においてはこれに限られず、例えば運搬車両２００が慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を備え、慣性計測装置の計測結果に基づいて方位を演算してもよい。この場合、運搬車両２００の走行軌跡に基づいて慣性計測装置のドリフトを補正してもよい。

制御装置２２０は、位置方位演算器２１０が検出した位置および演算した方位を管制装置３００に送信する。制御装置２２０は、管制装置３００からコースデータおよび排土指示、積込点Ｐ３への進入指示、および積込点Ｐ３からの発進指示を受信する。制御装置２２０は、受信したコースデータに従って運搬車両２００を走行させ、または排土指示に従って運搬車両２００のベッセル２０１を上下させる。制御装置２２０は、運搬車両が指示に基づいて目的地に到達して停止したときに、目的地（例えば、図４に示す積込点Ｐ３）への到達を示す到達通知を管制装置３００に送信する。

《作業機械１００》
図２は、第１の実施形態に係る作業機械１００の外観図である。
第１の実施形態に係る作業機械１００は、油圧ショベルである。なお、他の実施形態に係る作業機械１００は、油圧ショベル以外の作業車両であってもよい。
作業機械１００は、油圧により作動する作業機１１０と、作業機１１０を支持する旋回体１２０と、旋回体１２０を支持する走行体１３０とを備える。

作業機１１０は、ブーム１１１と、アーム１１２と、バケット１１３と、ブームシリンダ１１４と、アームシリンダ１１５と、バケットシリンダ１１６と、ブーム角度センサ１１７と、アーム角度センサ１１８と、バケット角度センサ１１９とを備える。

ブーム１１１の基端部は、旋回体１２０の前部にピンを介して取り付けられる。
アーム１１２は、ブーム１１１とバケット１１３とを連結する。アーム１１２の基端部は、ブーム１１１の先端部にピンを介して取り付けられる。
バケット１１３は、土砂などの掘削物を掘削するための刃と掘削物を搬送するための容器とを備える。バケット１１３の基端部は、アーム１１２の先端部にピンを介して取り付けられる。掘削物の例としては、土砂、鉱石、砕石、石炭などが挙げられる。

ブームシリンダ１１４は、ブーム１１１を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１１４の基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１１４の先端部は、ブーム１１１に取り付けられる。
アームシリンダ１１５は、アーム１１２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１１５の基端部は、ブーム１１１に取り付けられる。アームシリンダ１１５の先端部は、アーム１１２に取り付けられる。
バケットシリンダ１１６は、バケット１１３を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ１１６の基端部は、アーム１１２に取り付けられる。バケットシリンダ１１６の先端部は、バケット１１３に取り付けられる。

ブーム角度センサ１１７は、ブーム１１１に取り付けられ、ブーム１１１の傾斜角を検出する。
アーム角度センサ１１８は、アーム１１２に取り付けられ、アーム１１２の傾斜角を検出する。
バケット角度センサ１１９は、バケット１１３に取り付けられ、バケット１１３の傾斜角を検出する。
第１の実施形態に係るブーム角度センサ１１７、アーム角度センサ１１８、およびバケット角度センサ１１９は、地平面に対する傾斜角を検出する。なお、他の実施形態に係る角度センサはこれに限られず、他の基準面に対する傾斜角を検出してもよい。例えば、他の実施形態においては、角度センサが取付部を基準とした相対角を検出するものであってもよいし、各シリンダのストロークを計測しシリンダのストロークを角度に変換することで傾斜角を検出するものであってもよい。

作業機械１００は、位置方位演算器１２３、傾斜計測器１２４、制御装置１２５を備える。

位置方位演算器１２３は、旋回体１２０の位置および旋回体１２０が向く方位を演算する。位置方位演算器１２３は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。２つの受信器は、それぞれ旋回体１２０の異なる位置に設置される。位置方位演算器１２３は、一方の受信器が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における旋回体１２０の代表点（例えば、旋回体１２０の旋回中心）の位置を検出する。
位置方位演算器１２３は、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体１２０の向く方位を演算する。なお、制御装置１２５は、現場座標系における旋回体１２０の代表点の位置を用いることで、現場座標系の位置と機械座標系の位置とを互いに変換することができる。機械座標系とは、旋回体１２０の代表点を基準とする直交座標系である。

傾斜計測器１２４は、旋回体１２０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１２０の姿勢（例えば、ロール角、ピッチ角、ヨー角）を検出する。傾斜計測器１２４は、例えば旋回体１２０の下面に設置される。傾斜計測器１２４は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いることができる。

制御装置１２５は、旋回体１２０の旋回速度、位置および方位、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の傾斜角、走行体１３０の走行速度、ならびに旋回体１２０の姿勢を、管制装置３００に送信する。以下、作業機械１００または運搬車両２００が各種センサから収集したデータを車両データともよぶ。なお、他の実施形態に係る車両データは、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る車両データは、旋回速度、位置、方位、傾斜角、走行速度、姿勢のいずれかを含まなくてもよいし、その他のセンサによって検出された値を含んでもよいし、検出された値から演算された値を含んでもよい。
制御装置１２５は、管制装置３００から制御指示を受信する。制御装置１２５は、受信した制御指示に従って、作業機１１０、旋回体１２０、または走行体１３０を駆動させる。制御装置１２５は、制御指示に基づく駆動が完了したときに、管制装置３００に自動掘削積込制御の完了通知を送信する。制御装置１２５の詳細な構成については後述する。

《管制装置３００》
図３は、第１の実施形態に係る管制装置３００の構成を示す概略ブロック図である。 管制装置３００は、作業機械１００の動作および運搬車両２００の走行を管理する。 管制装置３００は、プロセッサ３１０、メインメモリ３３０、ストレージ３５０、インタフェース３７０を備えるコンピュータである。ストレージ３５０は、プログラムを記憶する。プロセッサ３１０は、プログラムをストレージ３５０から読み出してメインメモリ３３０に展開し、プログラムに従った処理を実行する。管制装置３００は、インタフェース３７０を介してネットワークに接続される。プロセッサ３１０の例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。

プログラムは、管制装置３００のコンピュータに発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、管制装置３００は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサ３１０によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。

ストレージ３５０は、制御位置記憶部３５１、走行経路記憶部３５２としての記憶領域を有する。ストレージ３５０の例としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ３５０は、管制装置３００の共通通信線に直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース３７０を介して管制装置３００に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ３５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。

制御位置記憶部３５１は、掘削点Ｐ２２（図６を参照）および積込点Ｐ３の位置データを記憶する。掘削点Ｐ２２および積込点Ｐ３は、例えば予め作業現場の管理者等の操作によって設定される点である。なお、制御位置記憶部３５１が記憶する掘削点Ｐ２２および積込点Ｐ３の位置データは、作業の進捗等によって管理者等によって更新されてもよい。

図４は、走行経路の例を表す図である。
走行経路記憶部３５２は、運搬車両２００ごとに走行経路Ｒを記憶する。走行経路Ｒは、２つのエリアＡ（例えば、積込場Ａ１と排土場Ａ２）を結ぶあらかじめ定められた接続経路Ｒ１、ならびにエリアＡ内の経路である進入経路Ｒ２、アプローチ経路Ｒ３および退出経路Ｒ４を有する。進入経路Ｒ２は、エリアＡ内において接続経路Ｒ１の一端である待機点Ｐ１と所定の切り返し点Ｐ２とを接続する経路である。アプローチ経路Ｒ３は、エリアＡ内の切り返し点Ｐ２と積込点Ｐ３または排土点Ｐ４とを接続する経路である。退出経路Ｒ４は、エリアＡ内の積込点Ｐ３または排土点Ｐ４と接続経路Ｒ１の他端である出口点Ｐ５とを接続する経路である。切り返し点Ｐ２は、積込点Ｐ３の位置に応じて管制装置３００によって設定される点である。管制装置３００は、積込点Ｐ３が変更されるたびに、進入経路Ｒ２、アプローチ経路Ｒ３および退出経路Ｒ４を計算する。

プロセッサ３１０は、プログラムの実行により、収集部３１１、運搬車両特定部３１２、走行コース生成部３１３、通知受信部３１４、ベッセル特定部３１５、自動掘削積込指示部３１６を備える。

収集部３１１は、アクセスポイント４００を介して作業機械１００および運搬車両２００から車両データを収集する。

運搬車両特定部３１２は、収集部３１１が収集した運搬車両２００の車両データに基づいて、掘削物の積込対象となる運搬車両２００を特定する。
走行コース生成部３１３は、走行経路記憶部３５２が記憶する走行経路と、収集部３１１が収集した車両データとに基づいて、運搬車両２００の移動を許可する領域を示すコースデータを生成し、コースデータを運搬車両２００に送信する。コースデータは、例えば、運搬車両２００が所定の速度で一定時間以内に走行可能かつ他の運搬車両２００の走行経路と重複しない領域を表すデータである。

通知受信部３１４は、作業機械１００から自動掘削積込制御の完了通知を受信し、運搬車両２００から積込点Ｐ３への到達通知を受信する。

ベッセル特定部３１５は、運搬車両２００から積込点Ｐ３への到達通知を受信した場合に、運搬車両２００の車両データに基づいて、現場座標系におけるベッセル２０１の位置を特定する。例えば、ベッセル特定部３１５は、ベッセル２０１の底面の中心位置を特定する。ベッセル特定部３１５は、例えば、以下の手順でベッセル２０１の位置を特定する。ベッセル特定部３１５は、ベッセル２０１を含む運搬車両２００の形状を表す三次元データを、運搬車両２００の位置データが示す位置に、ベッセル２０１の底面が上を向くように配置する。、ベッセル特定部３１５は、三次元データを運搬車両２００の方位データが示す方向に回転させることで、現場座標系におけるベッセル２０１の位置を特定する。ベッセル特定部３１５は、特定したベッセル２０１の位置を作業機械１００に送信する。

自動掘削積込指示部３１６は、制御位置記憶部３５１が記憶する掘削点Ｐ２２の位置および積込点Ｐ３の位置を含む自動掘削積込指示を作業機械１００に送信する。

《作業機械の制御装置１２５》
図５は、第１の実施形態に係る作業機械の制御装置１２５の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置１２５は、管制装置３００の指示に基づいて作業機械１００のアクチュエータを制御する。
制御装置１２５は、プロセッサ１２１０、メインメモリ１２３０、ストレージ１２５０、インタフェース１２７０を備えるコンピュータである。ストレージ１２５０は、プログラムを記憶する。プロセッサ１２１０は、プログラムをストレージ１２５０から読み出してメインメモリ１２３０に展開し、プログラムに従った処理を実行する。制御装置１２５は、インタフェース１２７０を介してネットワークに接続される。プロセッサ１２１０の例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。

プログラムは、制御装置１２５のコンピュータに発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、制御装置１２５は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤなどのカスタムＬＳＩを備えてもよい。この場合、プロセッサ１２１０によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。

ストレージ１２５０の例としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ１２５０は、制御装置１２５の共通通信線に直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース１２７０を介して制御装置１２５に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ１２５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。

プロセッサ１２１０は、プログラムの実行により、車両データ取得部１２１１、バケット特定部１２１２、指示受信部１２１３、座標変換部１２１４、回避位置特定部１２１５、掘削位置特定部１２１６、下げ停止判定部１２１７、開始位置決定部１２１８、ダウン旋回制御部１２１９、掘削制御部１２２０、ホイスト旋回制御部１２２１、排土制御部１２２２、回避制御部１２２３、指令出力部１２２４を備える。

車両データ取得部１２１１は、作業機械１００が備える各種センサから車両データを取得し、取得した車両データを管制装置３００に送信する。

バケット特定部１２１２は、車両データ取得部１２１１が取得した車両データに基づいて、作業機械１００を基準とした機械座標系におけるバケット１１３の位置を特定する。バケット特定部１２１２は、刃先および底部を含むバケット１１３の輪郭上の複数の点の位置を特定する。バケット１１３の輪郭とは、バケット１１３の形状のうち異なる面どうし（例えば、側面と底面など）を区分する線をいう。バケット特定部１２１２は、少なくともバケット１１３を側面から見たときの輪郭上の複数の点の位置を特定する。
具体的には、バケット特定部１２１２は、以下の手順でバケット１１３の輪郭上の複数の点の位置を特定する。バケット特定部１２１２は、ブーム１１１の傾斜角から求められるブーム１１１の絶対角度と既知のブーム１１１の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、ブーム１１１の先端部の位置を求める。バケット特定部１２１２は、ブーム１１１の絶対角度と、アーム１１２の傾斜角とに基づいて、アーム１１２の絶対角度を求める。バケット特定部１２１２は、ブーム１１１の先端部の位置と、アーム１１２の絶対角度と、既知のアーム１１２の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、アーム１１２の先端部の位置を求める。
バケット特定部１２１２は、アーム１１２の絶対角度と、バケット１１３の傾斜角とに基づいて、バケット１１３の絶対角度を求める。バケット特定部１２１２は、アーム１１２の先端部の位置と、バケット１１３の絶対角度と、バケット１１３のピンからバケット１１３の輪郭上の複数の点までの距離とに基づいて、バケット１１３の輪郭上の複数の点の位置を求める。

指示受信部１２１３は、管制装置３００から自動掘削積込指示を受信する。指示受信部１２１３は、自動掘削積込指示の受信をもって、自動掘削積込制御を開始すると判定する。自動掘削積込制御は、自動排土制御を含む。つまり、指示受信部１２１３は、自動排土制御を開始するか否かを判定する自動制御判定部の一例である。

座標変換部１２１４は、管制装置３００から、運搬車両２００のベッセル２０１の位置を受信し、車両データ取得部１２１１が取得した車両データに基づいて、当該ベッセル２０１の位置を現場座標系から機械座標系に変換する。座標変換部１２１４は、機械座標系におけるベッセル２０１の位置を特定する積込容器特定部の一例である。

図６は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削前のバケットの軌跡の例を示す図である。
回避位置特定部１２１５は、作業機械１００の位置と、ベッセル２０１の位置と、制御開始時のバケット１１３のピンの位置（空荷旋回開始位置Ｐ０１）とに基づいて、作業機１１０と運搬車両２００とが上方からの平面視において干渉しない点である干渉回避位置Ｐ０２を特定する。干渉回避位置Ｐ０２は、空荷旋回開始位置Ｐ０１と同じ高さを有し、かつ旋回体１２０の旋回中心からの距離が、当該旋回中心から排土開始位置Ｐ０７までの距離と等しく、かつ下方に運搬車両２００が存在しない位置である。なお、バケット１１３のピンは、後述する排土制御によって排土開始位置Ｐ０７より高い空荷旋回開始位置Ｐ０１へ移動する。回避位置特定部１２１５は、例えば、旋回体１２０の旋回中心を中心とし、当該旋回中心と空荷旋回開始位置Ｐ０１との距離を半径とする円を特定し、当該円上の位置のうち、バケット１１３の外形が上方からの平面視で運搬車両２００と干渉せず、かつ空荷旋回開始位置Ｐ０１に最も近い位置を、干渉回避位置Ｐ０２と特定する。回避位置特定部１２１５は、運搬車両２００の位置、ならびにバケット１１３の輪郭上の複数の点の位置に基づいて、運搬車両２００とバケット１１３とが干渉するか否かを判定することができる。ここで、「同じ高さ」、「距離が等しい」とは、必ずしも高さまたは距離が完全に一致するものに限られず、多少の誤差やマージンが許容されるものとする。

掘削位置特定部１２１６は、自動掘削積込指示に含まれる掘削点Ｐ２２から、バケット１１３のピンから刃先までの距離だけ離れた点を、掘削位置Ｐ０５として特定する。つまり、バケット１１３は、排土方向に刃先を向けた所定の掘削姿勢をとっている場合において、バケット１１３の刃先が掘削点Ｐ２２に位置するとき、バケット１１３のピンは掘削位置Ｐ０５に位置することとなる。
また掘削位置特定部１２１６は、掘削位置Ｐ０５より所定高さだけ上方の位置を、旋回終了位置Ｐ０４に決定する。

下げ停止判定部１２１７は、旋回体１２０の空荷旋回と同時に作業機１１０の下げ操作をしているときに、バケット１１３のピンの高さが旋回終了位置Ｐ０４と同じ高さになったか否かを判定する。このときのアーム１１２の先端の位置を、下げ停止位置Ｐ０３という。

図７は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における掘削後のバケットの軌跡の例を示す図である。
開始位置決定部１２１８は、ベッセル２０１の位置に基づいて、排土開始位置Ｐ０７を決定する。具体的には、開始位置決定部１２１８は、排土開始位置Ｐ０７の高さを、ベッセル２０１の高さに、予め求められた自動排土制御によるバケット１１３の高さの変化量と、バケット１１３の高さと、バケット１１３の制御余裕分の高さを加算した高さに決定する。バケット１１３の高さとは、例えば、地表からバケット１１３の最下点までの高さである。制御余裕分の高さとは、センサの誤差や制御の遅れによって生じるバケット１１３の高さの誤差のばらつきに応じて決定される余裕しろである。自動排土制御によるバケット１１３の最下点の移動距離については後述する。
また、開始位置決定部１２１８は、同一の運搬車両２００への積込回数に応じて、排土開始位置Ｐ０７のベッセル２０１の長手方向成分を変化させる。具体的には、開始位置決定部１２１８は、初めの排土開始位置Ｐ０７をベッセル２０１の奥側（運搬車両２００の前方側）の位置に決定し、積込回数が多くなるにつれて排土開始位置Ｐ０７をベッセル２０１の手前側（運搬車両２００の後方側）の位置に移動させる。

ダウン旋回制御部１２１９は、指示受信部１２１３が掘削積込指示を受信した場合に、掘削位置Ｐ０５および干渉回避位置Ｐ０２に基づいて、バケット１１３を掘削位置Ｐ０５まで移動させるために、旋回体１２０、ブーム１１１、アーム１１２、およびバケット１１３を制御するための指令を生成する。すなわち、ダウン旋回制御部１２１９は、空荷旋回開始位置Ｐ０１から、干渉回避位置Ｐ０２、下げ停止位置Ｐ０３、および旋回終了位置Ｐ０４を経由して、掘削位置Ｐ０５に到達するように、各指令を生成する。なお、ダウン旋回とは、バケット１１３をベッセル２０１の上から掘削位置まで移動させるために、ブーム１１１を下げながら旋回体１２０を旋回させることをいう。

掘削制御部１２２０は、バケット１１３が掘削位置Ｐ０５に到達すると、バケット１１３を掘削方向へ回転させ、また移動させるための指令を生成する。

ホイスト旋回制御部１２２１は、排土開始位置Ｐ０７および干渉回避位置Ｐ０２に基づいて、バケット１１３を排土開始位置Ｐ０７まで移動させるために、旋回体１２０、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３を制御するための指令を生成する。すなわち、ホイスト旋回制御部１２２１は、掘削完了位置Ｐ０５´から、積荷旋回開始位置Ｐ０６、および干渉回避位置Ｐ０２を経由して、排土開始位置Ｐ０７に到達するように、各指令を生成する。このとき、ホイスト旋回制御部１２２１は、ブーム１１１およびアーム１１２が駆動してもバケット１１３の高さが変化しないように、バケット１１３を回転させる指令を生成する。なお、排土開始位置Ｐ０７が干渉回避位置Ｐ０２より低い場合、ホイスト旋回制御部１２２１は、干渉回避位置Ｐ０２から旋回体１２０を旋回させる指令のみを出力してバケット１１３のピンが排土開始位置Ｐ０７に到達した後に、ブーム１１１を下げる指令を出力し、バケット１１３のピンを排土開始位置Ｐ０７へ移動させる。ホイスト旋回制御部１２２１は、排土開始位置Ｐ０７までバケット１１３が移動するようにブーム１１１を回転させる指令を生成する排土位置調整部の一例である。なお、ホイスト旋回とは、土砂を抱えたバケット１１３をベッセル２０１の上へ移動させるために、ブーム１１１を上げながら旋回体１２０を旋回させることをいう。

排土制御部１２２２は、バケット１１３が排土開始位置Ｐ０７に到達すると、バケット１１３を排土方向へ回転させるために、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３を制御するための指令を生成する。
図８は、第１の実施形態に係る自動掘削積込制御における排土時のバケットの軌跡の例を示す図である。
排土制御部１２２２は、バケット１１３の高さの変動を抑えるために、以下の手順で各指令を生成する。排土制御部１２２２は、バケット１１３の傾きが所定の排土完了角度になるまで、バケット１１３を排土方向に回転させる指令を生成する。排土制御部１２２２は、バケット１１３の回転中に、例えばバケット１１３が、当該バケット１１３の側面の幾何重心Ｇを中心に回転するようにブーム１１１およびアーム１１２を駆動するための指令を生成する。
排土制御部１２２２による自動排土制御時のバケット１１３のピンの軌跡Ｌｐは予め計算により求められる。排土制御部１２２２は、当該軌跡Ｌｐに沿ってバケット１１３のピンが移動するように、ブーム１１１およびアーム１１２を駆動するための指令を生成する。

バケット１１３の絶対角度が排土完了角度になるまでバケット１１３を排土方向に回転させるときのバケット１１３の幾何重心Ｇの軌跡Ｌｇは、予め計算により求めることができる。図８において、排土開始時のバケット１１３の位置および傾きは、実線で描画されるバケット１１３によって表される。また、バケット１１３のピンの位置を維持したままバケット１１３を回転させたときのバケット１１３の位置および傾きは、破線で描画されるバケット１１３によって表される。なお、バケット１１３の絶対角度とは、例えば車体座標系または現場座標系における軸に対するバケット１１３の角度である。軌跡Ｌｇを１８０度回転させ、始点をバケット１１３のピンに合わせることで、幾何重心Ｇの位置を一定に保つためのバケット１１３のピンの軌跡Ｌｐを求めることができる。図８において、軌跡Ｌｐに従ってバケット１１３のピンを移動させながらバケット１１３を回転させたときのバケット１１３の位置および傾きは、一点鎖線で描画されるバケット１１３によって表される。なお、図８に示すように軌跡Ｌｇを反転させた軌跡が極大点Ｍを持つ場合、すなわち軌跡Ｌｇを反転させた軌跡が途中から下降する場合、バケット１１３のピンの軌跡Ｌｐは、当該極大点Ｍから水平方向に移動するよう定めておく。軌跡Ｌｇを反転させた軌跡は、図８において破線の矢印で表される。これは、当該極大点を境にブーム１１１の駆動方向が上げ方向から下げ方向に切り替わることで作業機１１０の挙動が不安定になることを防ぐためである。
ピンの軌跡Ｌｐは、図８に示すように、バケット１１３の上方向かつ手前方向へ向かう。したがって、排土制御部１２２２は、バケット１１３の傾きが自動排土制御の開始時の傾きから排土完了角度になるまでの間に、ブーム１１１を上げ方向に回転させる指令を出力する。また、排土制御部１２２２は、バケット１１３の傾きが自動排土制御の開始時の傾きから排土完了角度になるまでの間に、アームを引き方向に回転させる指令を出力する。
なお、図８に示すように、バケット１１３のピンを軌跡Ｌｐに沿って移動させながらバケット１１３を回転させたときのバケット１１３の最下点の移動距離ｄ１は、バケット１１３のピンを中心にバケット１１３を回転させたときの移動距離ｄ０より小さくなる。このように、自動排土制御によるバケット１１３の最下点の移動距離ｄ１は、予め求めておくことができる。

図９および図１０は、第１の実施形態に係る回避制御の例を示す図である。
回避制御部１２２３は、バケット１１３とベッセル２０１との距離が、所定の近接閾値ｔｈ以内である場合に、ブーム１１１を上げ方向に回転させる指令、またはアーム１１２を引き方向に回転させる指令を生成し、バケット１１３を駆動させる指令の出力を停止する。具体的には、回避制御部１２２３は、ベッセル２０１とバケット１１３とを最短距離で結ぶ線分Ｖの伸びる方向にバケット１１３を移動させるようにブーム１１１またはアーム１１２を駆動させる指令を生成する。例えば、図９に示すように、ベッセル２０１の底面とバケット１１３との距離が最短となる場合、回避制御部１２２３は、ベッセル２０１とバケット１１３とを最短距離で結ぶ線分Ｖの伸びる上方向へバケット１１３が移動するように、ブーム１１１を駆動させる。他方、図１０に示すように、ベッセル２０１のフロントパネル部分とバケット１１３との距離が最短となる場合、回避制御部１２２３は、ベッセル２０１とバケット１１３とを最短距離で結ぶ線分Ｖの伸びる後ろ方向へバケット１１３が移動するように、アーム１１２を駆動させる。なお、回避制御部１２２３は、バケット１１３を駆動させる指令の出力を停止することに代えて、バケット１１３の駆動を停止する指令を出力してもよい。なお、他の実施形態においては、回避制御部１２２３は、ベッセル２０１のサイドゲート部分とバケット１１３との距離が最短となる場合に、上方向へバケット１１３が移動するように、ブーム１１１を駆動させてもよい。

指令出力部１２２４は、各種指令を出力する。

《自動掘削積込制御》
図１１は、第１の実施形態に係る管制装置による自動掘削積込指示の出力方法を示すフローチャートである。
管制装置３００の通知受信部３１４が、運搬車両２００から積込点Ｐ３への到達通知を受信すると（ステップＳ１）、ベッセル特定部３１５は、運搬車両２００から車両データを取得する（ステップＳ２）。ベッセル特定部３１５は、取得した車両データに基づいて現場座標系におけるベッセル２０１の位置を特定する（ステップＳ３）。ベッセル特定部３１５は、特定したベッセル２０１の位置を作業機械１００に送信する。
自動掘削積込指示部３１６は、制御位置記憶部３５１から掘削点Ｐ２２と積込点Ｐ３の位置を読み出す（ステップＳ４）。自動掘削積込指示部３１６は、読み出した掘削点Ｐ２２と積込点Ｐ３の位置を含む自動掘削積込指示を、作業機械１００に送信する（ステップＳ５）。

図１２は、第１の実施形態に係る作業機械による自動掘削積込制御を示すフローチャートである。
制御装置１２５の指示受信部１２１３が、管制装置３００から自動掘削積込指示の入力を受け付けると、図１２に示す自動掘削積込制御を実行する。なお、自動掘削積込制御中、車両データ取得部１２１１は、所定の周期に従って旋回体１２０の位置および方位、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する。

座標変換部１２１４は、管制装置３００から、現場座標系におけるベッセル２０１の位置を取得する（ステップＳ１０１）。座標変換部１２１４は、車両データ取得部１２１１が取得した旋回体１２０の位置、方位、および姿勢に基づいて、ベッセル２０１の位置を現場座標系から機械座標系に変換する（ステップＳ１０２）。

バケット特定部１２１２、回避位置特定部１２１５、掘削位置特定部１２１６、および開始位置決定部１２１８は、それぞれ空荷旋回開始位置Ｐ０１、干渉回避位置Ｐ０２、旋回終了位置Ｐ０４、および排土開始位置Ｐ０７を決定する（ステップＳ１０３）。

ダウン旋回制御部１２１９は、ステップＳ１０３で決定した各制御位置に基づいて掘削位置Ｐ０５に到達するように、旋回体１２０、ブーム１１１、アーム１１２、およびバケット１１３を駆動させる指令を生成する。指令出力部１２２４は、生成した各指令を出力する（ステップＳ１０４）。

バケット１１３が掘削位置Ｐ０５に到達すると、掘削制御部１２２０は、バケット１１３を掘削方向へ回転させ、また移動させるために、アーム１１２およびバケット１１３を駆動させる指令を生成する。指令出力部１２２４は、生成した各指令を出力する（ステップＳ１０５）。

ステップＳ１０５の掘削制御が終了すると、ホイスト旋回制御部１２２１は、ステップＳ１０３で決定した各制御位置に基づいて、バケット１１３を排土開始位置Ｐ０７まで移動させるために、旋回体１２０、ブーム１１１、アーム１１２およびバケット１１３を制御するための指令を生成する。指令出力部１２２４は、ステップＳ１１１で生成した各指令を出力する（ステップＳ１０６）。

バケット１１３が排土開始位置Ｐ０７に到達すると、回避制御部１２２３は、バケット１１３とベッセル２０１との距離が、所定の近接閾値以内であるか否かを判定する（ステップＳ１０７）。バケット１１３とベッセル２０１との距離が、所定の近接閾値以内でない場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、排土制御部１２２２は、バケット１１３を一定角速度で排土方向へ回転させるための指令を生成する（ステップＳ１０８）。排土制御部１２２２は、バケット１１３のピンの位置と、軌跡Ｌｐとに基づくＰＩＤ制御により、ブーム１１１およびアーム１１２を駆動させる指令を生成する（ステップＳ１０９）。すなわち、排土制御部１２２２は、ブーム１１１を上げ方向に回転させる指令と、アーム１１２を引き方向に回転させる指令とを生成する。指令出力部１２２４は、ステップＳ１０８で生成した指令、およびステップＳ１０９で生成した指令を出力する（ステップＳ１１０）。

他方、バケット１１３とベッセル２０１との距離が、所定の近接閾値以内である場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、回避制御部１２２３は、高さ方向においてバケット１１３とベッセル２０１との距離が、所定の近接閾値以内となったか否かを判定する（ステップＳ１１１）。バケット１１３とベッセル２０１との距離が高さ方向において近接閾値以内である場合（ステップＳ１１１：ＹＥＳ）、回避制御部１２２３は、ブーム１１１を上げ方向に回転させる指令を生成する（ステップＳ１１２）。また、回避制御部１２２３は、水平方向においてバケット１１３とベッセル２０１との距離が、所定の近接閾値以内となったか否かを判定する（ステップＳ１１３）。バケット１１３とベッセル２０１との距離が水平方向において近接閾値以内である場合（ステップＳ１１３：ＹＥＳ）、回避制御部１２２３は、アーム１１２を引き方向に回転させる指令を生成する（ステップＳ１１４）。指令出力部１２２４は、ステップＳ１０７で生成した指令、およびステップＳ１０８で生成した指令の少なくとも一方を出力する（ステップＳ１１５）。このとき、指令出力部１２２４は、バケット１１３を回転させる指令を出力しない。

排土制御部１２２２は、バケット１１３の傾きが排土完了角度になったか否かを判定する（ステップＳ１１６）。バケット１１３の傾きが排土完了角度になっていない場合（ステップＳ１１６：ＮＯ）、制御装置１２５は処理をステップＳ１０７に戻し、排土制御を続ける。他方、バケット１１３の傾きが排土完了角度になった場合（ステップＳ１１６：ＹＥＳ）、排土制御部１２２２は、同一の運搬車両２００への積込回数が所定回数に達したか否かを判定する（ステップＳ１１７）。同一の運搬車両２００への積込回数が所定回数に達していない場合（ステップＳ１１７：ＮＯ）、ステップＳ１０１に戻り、制御装置１２５は、再度、自動掘削積込制御を実行する。他方、同一の運搬車両２００への積込回数が所定回数に達した場合（ステップＳ１１７：ＹＥＳ）、排土制御部１２２２は、自動掘削積込制御の完了通知を管制装置３００に送信し（ステップＳ１１８）、処理を終了する。

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る作業機械１００の制御装置１２５は、自動排土制御を開始すると判定した場合に、バケット１１３の傾きが排土完了角度になるまで、バケット１１３を排土方向に回転させる指令を生成し、バケット１１３の傾きが、自動排土制御の開始時の傾きから排土完了角度になるまでの間に、ブーム１１１を上げ方向に回転させる指令を生成する。つまり、バケット１１３の高さの低下を、ブーム１１１の上げ処理により打ち消すことができるため、バケット１１３の高さの変動を低減することができる。なお、バケット１１３に対して運搬車両２００のベッセル２０１が小さいほど、バケット１１３の軌跡を小さくできる分、バケット１１３の高さの変動を低減する効果が大きくなる。

また、第１の実施形態に係る制御装置１２５は、バケット１１３の傾きが、自動排土制御の開始時の傾きから前記排土完了角度になるまでの間に、アーム１１２を引き方向に回転させる指令を生成する。これにより、掘削物の落下点のばらつきを低減することができる。
アーム１１２を動かさずにバケット１１３を排土方向に回転させると、バケット１１３の刃先の水平方向の位置は回転に伴って移動する。他方、バケット１１３が排土方向に回転しているときにアーム１１２を引き方向に回転させることで、バケット１１３の刃先の水平方向の移動を打ち消すことができる。なお、他の実施形態に係る制御装置１２５は、ブーム１１１を上げ方向に移動させ、アーム１１２を動かさないものであってもよい。

また、第１の実施形態に係る制御装置１２５は、ブーム１１１およびアーム１１２を制御しない場合と比較してバケット１１３の側面の幾何重心Ｇの移動量が低減するように指令を生成する。なお、他の実施形態においては、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２５は、バケット１１３の側面の輪郭に接する外接円の中心点の移動量が低減するように指令を生成してもよい。なお、制御装置１２５は、バケット１１３の刃先とピンとを結ぶ線分を直径とする円の内側の点の移動量が低減するように指令を生成すれば、バケット１１３の移動量を適切に低減することができる。

また、第１の実施形態に係る制御装置１２５は、バケットの輪郭とベッセル２０１との距離が、近接閾値以内である場合に、ブーム１１１を上げ方向に回転させる指令、またはアーム１１２を引き方向に回転させる指令を生成し、バケット１１３を駆動させる指令の出力を停止する。これにより、作業機械１００の足場のがたつきなど外乱が生じる場合にも、バケット１１３とベッセル２０１との接触が生じる可能性を低減することができる。

また、第１の実施形態によれば、排土開始位置の水平方向の位置は、同一の運搬車両２００への自動排土制御の回数に応じて異なる。これにより、運搬車両２００への排土位置の集中を避け、ベッセル２０１から掘削物がこぼれることを防ぐことができる。

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。

上述した実施形態では、作業機械１００は管制装置３００によって自動運転制御がなされるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る作業機械１００はオペレータによって操作されてもよい。この場合、オペレータは、運転席に設けられた図示しない自動掘削積込ボタンを押下することで、制御装置１２５に自動掘削積込指示を出力してもよい。また、他の実施形態においては、作業機械１００は、アクセスポイントを介した通信でなく、車車間通信により信号の送受信を行ってもよい。

上述した実施形態に係る制御装置１２５は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、制御装置１２５の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで制御装置１２５として機能するものであってもよい。このとき、制御装置１２５を構成する一部が管制装置３００によって実現されてもよい。

１００…作業機械 １１０…作業機 １１１…ブーム １１２…アーム １１３…バケット １２０…旋回体 １３０…走行体 １２５…制御装置 １２１１…車両データ取得部 １２１２…バケット特定部 １２１３…指示受信部 １２１４…座標変換部 １２１５…回避位置特定部 １２１６…掘削位置特定部 １２１７…下げ停止判定部 １２１８…開始位置決定部 １２１９…ダウン旋回制御部 １２２０…掘削制御部 １２２１…ホイスト旋回制御部 １２２２…排土制御部 １２２３…回避制御部 １２２４…指令出力部 ２００…運搬車両 ２０１…ベッセル ３００…管制装置

Claims (8)

1. 作業機械本体と、前記作業機械本体に回転可能に取り付けられたブームと、前記ブームの先端に回転可能に取り付けられたアームと、前記アームの先端に回転可能に取り付けられたバケットとを備える作業機械の制御システムであって、
   自動排土制御を開始するか否かを判定する自動制御判定部と、
   前記自動排土制御を開始すると判定した場合に、前記バケットの傾きが所定の排土完了角度になるまで、前記バケットを排土方向に回転させる第１指令を生成し、前記バケットの傾きが、前記自動排土制御の開始時の傾きから前記排土完了角度になるまでの間に、前記ブームを上げ方向に回転させる第２指令を生成する排土制御部と
   を備える制御システム。
2. 前記排土制御部は、前記バケットの傾きが、前記自動排土制御の開始時の傾きから前記排土完了角度になるまでの間に、前記アームを一方向に回転させる第３指令を生成する 請求項１に記載の制御システム。
3. 前記排土制御部は、前記アームと前記バケットとを接続するピンと、前記バケットの刃先とを結ぶ線分を直径とする円より内側の点である基準点の移動量が低減するように前記第２指令を生成する
   請求項１または請求項２に記載の制御システム。
4. 前記基準点は、前記バケットの側面の幾何重心である
   請求項３に記載の制御システム。
5. ベッセルの位置を特定するベッセル特定部と、
   前記バケットを側面から見たときの輪郭の位置を特定するバケット特定部と、
   前記バケットを側面から見たときの輪郭と前記ベッセルとの距離が、所定の近接閾値以内である場合に、前記ブームを上げ方向に回転させる第４指令、または前記アームを一方向に回転させる第５指令を生成し、前記第１指令の出力を停止する回避制御部と
   を備える請求項１から請求項４の何れか１項に記載の制御システム。
6. 前記自動排土制御を開始すると判定した場合に、前記自動排土制御による前記バケットの高さの変化量以上、ベッセルの高さより高い排土開始位置まで前記バケットが移動するように前記ブームを回転させる第６指令を生成する排土位置調整部
   を備え、
   前記排土制御部は、前記バケットの最下点が前記排土開始位置まで移動した後に、前記第１指令を生成する
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載の制御システム。
7. 前記排土位置調整部は、前記排土開始位置の前記ベッセルの水平方向の位置を、同一の前記ベッセルへの前記自動排土制御の回数に応じて異ならせる
   請求項６に記載の制御システム。
8. 作業機械本体と、前記作業機械本体に回転可能に取り付けられたブームと、前記ブームの先端に回転可能に取り付けられたアームと、前記アームの先端に回転可能に取り付けられたバケットとを備える作業機械の制御方法であって、
   自動排土制御を開始するか否かを判定するステップと、
   前記自動排土制御を開始すると判定した場合に、前記バケットの傾きが所定の排土完了角度になるまで、前記バケットを排土方向に回転させる第１指令を生成するステップと、 前記第１指令によって、前記バケットの傾きが、前記自動排土制御の開始時の傾きから前記排土完了角度になるまでの間に、前記ブームを上げ方向に回転させる第２指令を生成するステップと
   を備える制御方法。

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