WO2025047151A1 - 土質判別システムおよび土質判別方法 - Google Patents

Abstract

作業時に取得されるデータを有効に利活用できるシステムを提供する。土質判別システムは、作業機を有する作業機械と、掘削対象を作業機で掘削する掘削作業時に、作業機の動作に関連する動作データを取得する取得部と、動作データと掘削対象の土質との対応関係に基づき、動作データから土質を判別する、コントローラ（５０）と、を備えている。

Description

土質判別システムおよび土質判別方法

　本開示は、土質判別システムおよび土質判別方法に関する。

　特開２０２０－１７３１５０号公報（特許文献１）には、建設機械に搭載された土質判定装置が開示されている。土質判定装置は、画像に写された土の土質を判定するための、機械学習によって構築された学習モデルを記憶する記憶部と、建設機械に搭載されたカメラが撮影している土のカメラ画像と、学習モデルとを用いて、カメラ画像に写された土の土質を、カメラの撮影中にリアルタイムで判定する判定部と、を備えている。

　特開２０１９－１６３６２１号公報（特許文献２）には、アタッチメントを所定速度及び所定角度で地面に接触させる所定動作を行ったときのセンサの検出値と、所定動作を行ったときのセンサの検出値と地盤の硬さとが対応付けされたデータとに基づいて、地盤の硬さを推定すると記載されている。

特開２０２０－１７３１５０号公報 特開２０１９－１６３６２１号公報

　ＩＣＴ（情報通信技術）機能を有する作業機械の導入が進んでいる。作業機械の作業時に取得可能なデータが増えてきている。そのデータを、作業機械の生産性向上に活用できることが期待されている。

　本開示では、作業時に取得されるデータを有効に利活用できるシステムおよび方法が提案される。

　本開示に従った土質判別システムは、作業機を有する作業機械と、掘削対象を作業機で掘削する掘削作業時に、作業機の動作に関連する動作データを取得する取得部と、動作データと掘削対象の土質との対応関係に基づき、動作データから土質を判別する、コントローラと、を備えている。

　本開示に従った土質判別方法は、以下のステップを備えている。第１のステップは、作業機械の作業機で掘削対象を掘削する掘削作業時に、作業機の動作に関連する動作データを取得することである。第２のステップは、動作データと掘削対象の土質との対応関係に基づき、動作データから土質を判別することである。

　本開示によれば、掘削作業時に取得されるデータから掘削対象の土質を簡便に推定できるシステムおよび方法を実現することができる。

作業機械の構成を概略的に示す側面図である。 作業機械のシステムの概略構成を示すブロック図である。 エンジン回転数とトルクとの関係の例を示す図である。 メインコントローラ内の機能ブロックを示す図である。 簡易Ｎ値計の構成を示す模式図である。 動作データと土質との対応関係の例を示す第１の図である。 動作データと土質との対応関係の例を示す第２の図である。 動作データと土質との対応関係の例を示す第３の図である。 動作データと土質との対応関係の例を示す第４の図である。 土質判別専用操作を開始するときの姿勢を示す作業機械の側面図である。 動作データと土質との対応関係の例を示す第５の図である。 掘削作業中の刃先速度の経緯の一例を示す図である。 動作データと土質との対応関係の例を示す第６の図である。 地中に貫入しているバケットを示す概略図である。 動作データと土質との対応関係の例を示す第７の図である。 動作データと土質との対応関係の例を示す第８の図である。 動作データと土質との対応関係の例を示す第９の図である。 動作データと土質との対応関係の例を示す第１０の図である。

　以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらについての詳細な説明は繰り返さない。実施形態から任意の構成が抽出され、それらが任意に組み合わされることも、当初から予定されている。

　＜作業機械の構成＞
　図１は、本開示に基づく作業機械の一例としての油圧ショベル１００の構成を概略的に示す側面図である。図１に示されるように、本実施の形態の油圧ショベル１００は、走行体１と、旋回体２と、作業機３とを主に有している。走行体１と旋回体２とにより、油圧ショベル１００の車体が構成されている。

　走行体１は左右一対の履帯装置１ａを有している。この左右一対の履帯装置１ａの各々は、走行モータ１ｂと履帯とを有している。走行モータ１ｂは、走行体１の駆動源として設けられている。走行モータ１ｂは、油圧により駆動する油圧モータである。走行モータ１ｂが、左右一対の履帯を回転駆動することにより、油圧ショベル１００が自走する。

　旋回体２は、走行体１の上に配置され、走行体１により支持されている。旋回体２は、運転室（キャブ）２ａと、運転席２ｂと、エンジンルーム２ｃと、カウンタウェイト２ｄと、旋回モータ２ｅとを主に有している。運転室２ａは、旋回体２のたとえば前方左側（車両前側）に配置されている。運転室２ａの内部空間には、オペレータが着座するための運転席２ｂが配置されている。

　エンジンルーム２ｃおよびカウンタウェイト２ｄの各々は、運転室２ａに対して旋回体２の後方側（車両後側）に配置されている。エンジンルーム２ｃは、エンジンユニット（エンジン、排気処理構造体など）を収納している。エンジンルーム２ｃの上方はエンジンフードにより覆われている。カウンタウェイト２ｄは、エンジンルーム２ｃの後方に配置されている。

　旋回体２は、走行体１上に旋回サークル部を介して取り付けられている。旋回サークル部は、円環状の概略形状を有しており、内周面に旋回用の内歯を有している。この内歯と噛み合うピニオンが、旋回モータ２ｅに装着されている。旋回モータ２ｅから駆動力が伝達されて旋回サークル部が回転することにより、旋回体２は走行体１に対して相対回転可能とされている。旋回モータ２ｅは、油圧により駆動する油圧モータである。旋回モータ２ｅは、電動モータであってもよい。

　振動センサ２ｆは、旋回体２のフレーム上に搭載されている。振動センサ２ｆは、旋回体２に発生する振動を検出する。

　作業機３は、旋回体２の前方側であって運転室２ａのたとえば右側にて軸支されている。作業機３は、たとえばブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃ、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂ、バケットシリンダ４ｃなどを有している。ブーム３ａの基端部（一端）は、ブームボトムピン５ａにより旋回体２に回転可能に連結されている。アーム３ｂの基端部（一端）は、ブームトップピン５ｂによりブーム３ａの先端部（他端）に回転可能に連結されている。バケット３ｃ（の一端）は、アームトップピン５ｃによりアーム３ｂの先端部（他端）に回転可能に連結されている。

　バケット３ｃは、作業機３の先端に配置されている。バケット３ｃの先端部を、刃先３ｃａと称する。底面３ｃｂは、バケット３ｃの外面の一部である。底面３ｃｂは、平面で形成されている。

　本実施形態においては、作業機３を基準として、油圧ショベル１００の各部の位置関係について説明する。

　作業機３のブーム３ａは、旋回体２に対して、ブームボトムピン５ａを中心に回転移動する。旋回体２に対して回動するブーム３ａの特定の部分、たとえばブーム３ａの先端部が移動する軌跡は円弧状であり、その円弧を含む平面が特定される。油圧ショベル１００を平面視した場合に、当該平面は直線として表される。この直線の延びる方向が、油圧ショベル１００の車体の前後方向、または旋回体２の前後方向であり、以下では単に前後方向ともいう。油圧ショベル１００の車体の左右方向（車幅方向）、または旋回体２の左右方向とは、平面視において前後方向と直交する方向であり、以下では単に左右方向ともいう。油圧ショベル１００の車体の上下方向、または旋回体２の上下方向とは、前後方向および左右方向によって定められる平面に直交する方向であり、以下では単に上下方向ともいう。

　前後方向において、車体から作業機３が突き出している側が前方向であり、前方向と反対方向が後方向である。前方向を視て左右方向の右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。上下方向において地面のある側が下側、空のある側が上側である。

　前後方向とは、運転室２ａ内の運転席２ｂに着座したオペレータの前後方向である。左右方向とは、運転席２ｂに着座したオペレータの左右方向である。上下方向とは、運転席２ｂに着座したオペレータの上下方向である。運転席２ｂに着座したオペレータに正対する方向が前方向であり、運転席２ｂに着座したオペレータの背後方向が後方向である。運転席２ｂに着座したオペレータが正面に正対したときの右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。運転席２ｂに着座したオペレータの足元側が下側、頭上側が上側である。

　ブーム３ａは、ブームシリンダ（ブーム油圧シリンダ）４ａにより駆動可能である。この駆動により、ブーム３ａは、ブームボトムピン５ａを中心に旋回体２に対して上下方向に回動可能である。アーム３ｂは、アームシリンダ（アーム油圧シリンダ）４ｂにより駆動可能である。この駆動により、アーム３ｂは、ブームトップピン５ｂを中心にブーム３ａに対して上下方向に回動可能である。バケット（アタッチメント）３ｃは、バケットシリンダ（アタッチメント油圧シリンダ）４ｃにより駆動可能である。この駆動によりバケット３ｃは、アームトップピン５ｃを中心にアーム３ｂに対して上下方向に回動可能である。このように作業機３は駆動可能である。

　ブームボトムピン５ａは、油圧ショベル１００の車体に支持されている。ブームボトムピン５ａは、旋回体２のフレームの一対の縦板（図示せず）に支持されている。ブームトップピン５ｂは、ブーム３ａの先端に取り付けられている。アームトップピン５ｃは、アーム３ｂの先端に取り付けられている。ブームボトムピン５ａ、ブームトップピン５ｂおよびアームトップピン５ｃは、いずれも左右方向に延びている。ブームボトムピン５ａはブームフートピンとも呼ばれる。

　作業機３は、バケットリンク３ｄを有している。バケットリンク３ｄは、第１リンク部材３ｄａと、第２リンク部材３ｄｂとを有している。第１リンク部材３ｄａの先端と第２リンク部材３ｄｂの先端とは、バケットシリンダトップピン３ｄｃを介して、相対回転可能に連結されている。バケットシリンダトップピン３ｄｃは、バケットシリンダ４ｃの先端に連結されている。したがって第１リンク部材３ｄａおよび第２リンク部材３ｄｂは、バケットシリンダ４ｃにピン連結されている。

　第１リンク部材３ｄａの基端は、第１リンクピン３ｄｄによりアーム３ｂに回転可能に連結されている。第２リンク部材３ｄｂの基端は、第２リンクピン３ｄｅによりバケット３ｃの根元部分のブラケットに回転可能に連結されている。

　ブームシリンダ４ａのヘッド側には、圧力センサ６ａが取り付けられている。圧力センサ６ａは、ブームシリンダ４ａのシリンダヘッド側油室４０Ａ内の作動油の圧力（ヘッド圧）を検出することができる。ブームシリンダ４ａのボトム側には、圧力センサ６ｂが取り付けられている。圧力センサ６ｂは、ブームシリンダ４ａのシリンダボトム側油室４０Ｂ内の作動油の圧力（ボトム圧）を検出することができる。圧力センサ６ａ，６ｂは、ヘッド圧とボトム圧とからなる作動油圧力情報を後述のメインコントローラ５０に出力する。

　アームシリンダ４ｂのヘッド側には、圧力センサ６ｃが取り付けられている。圧力センサ６ｃは、アームシリンダ４ｂのシリンダヘッド側油室内の作動油の圧力（ヘッド圧）を検出することができる。アームシリンダ４ｂのボトム側には、圧力センサ６ｄが取り付けられている。圧力センサ６ｄは、アームシリンダ４ｂのシリンダボトム側油室内の作動油の圧力（ボトム圧）を検出することができる。圧力センサ６ｃ，６ｄは、ヘッド圧とボトム圧とからなる作動油圧力情報を後述のメインコントローラ５０に出力する。

　バケットシリンダ４ｃのヘッド側には、圧力センサ６ｅが取り付けられている。圧力センサ６ｅは、バケットシリンダ４ｃのシリンダヘッド側油室内の作動油の圧力（ヘッド圧）を検出することができる。バケットシリンダ４ｃのボトム側には、圧力センサ６ｆが取り付けられている。圧力センサ６ｆは、バケットシリンダ４ｃシリンダボトム側油室内の作動油の圧力（ボトム圧）を検出することができる。圧力センサ６ｅ，６ｆは、ヘッド圧とボトム圧とからなる作動油圧力情報を後述のメインコントローラ５０に出力する。

　ブーム３ａ、アーム３ｂおよびバケット３ｃには、それぞれの位置および姿勢の情報を得るための位置センサが設けられている。位置センサは、ブーム３ａ、アーム３ｂおよびバケット３ｃのそれぞれの位置を得るためのブーム情報、アーム情報およびアタッチメント情報を、後述のメインコントローラ５０に出力する。

　ブームシリンダ４ａには、位置センサとして、ストロークセンサ７ａが取り付けられている。ストロークセンサ７ａは、ブームシリンダ４ａにおけるシリンダ４ａａに対するシリンダロッド４ａｂの変位量をブーム情報として検出する。アームシリンダ４ｂには、位置センサとして、ストロークセンサ７ｂが取り付けられている。ストロークセンサ７ｂは、アームシリンダ４ｂにおけるシリンダロッドの変位量をアーム情報として検出する。バケットシリンダ４ｃには、位置センサとして、ストロークセンサ７ｃが取り付けられている。ストロークセンサ７ｃは、バケットシリンダ４ｃにおけるシリンダロッドの変位量をアタッチメント情報として検出する。

　位置センサは、角度センサであってもよい。ブームボトムピン５ａの周囲には、角度センサ９ａが取り付けられている。ブームトップピン５ｂの周囲には、角度センサ９ｂが取り付けられている。アームトップピン５ｃの周囲には、角度センサ９ｃが取り付けられている。角度センサ９ａ，９ｂ，９ｃは、ポテンショメータであってもよく、ロータリーエンコーダであってもよい。角度センサ９ａ，９ｂ，９ｃは、ブーム３ａなどの回転角情報（ブーム情報、アーム情報およびアタッチメント情報）を、後述のメインコントローラ５０に出力する。

　図１に示されるように、側方視において、ブームボトムピン５ａとブームトップピン５ｂとを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）と、上下方向に延びる直線（図１中に破線で図示）とのなす角度を、ブーム角θｂとする。ブーム角θｂは、通常、鋭角である。ブーム角θｂは、旋回体２に対するブーム３ａの角度を表す。ブーム角θｂは、ストロークセンサ７ａの検出結果から算出することができ、また角度センサ９ａの測定値から算出することができる。

　側方視において、ブームボトムピン５ａとブームトップピン５ｂとを通る直線と、ブームトップピン５ｂとアームトップピン５ｃとを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）とのなす角度を、アーム角θａとする。アーム角θａは、側方視でアーム３ｂが回動する領域におけるブーム３ａに対するアーム３ｂの角度を表す。アーム角θａは、ストロークセンサ７ｂの検出結果から算出することができ、また角度センサ９ｂの測定値から算出することができる。

　側方視において、ブームトップピン５ｂとアームトップピン５ｃとを通る直線と、アームトップピン５ｃとバケット３ｃの刃先とを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）とのなす角度を、バケット角θｋとする。バケット角θｋは、側方視でバケット３ｃが回動する領域におけるアーム３ｂに対するバケット３ｃの角度を表す。バケット角θｋは、ストロークセンサ７ｃの検出結果から算出することができ、また角度センサ９ｃの測定値から算出することができる。

　位置センサは、ＩＭＵ（Inertial　Measurement　Unit：慣性計測装置）であってもよい。旋回体２、ブーム３ａ、アーム３ｂおよび第１リンク部材３ｄａのそれぞれには、ＩＭＵ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが取り付けられている。ＩＭＵ８ａは、前後方向、左右方向および上下方向における旋回体２の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりの旋回体２の角速度とを計測する。ＩＭＵ８ｂ，８ｃ，８ｄのそれぞれは、前後方向、左右方向および上下方向におけるブーム３ａ、アーム３ｂ、第１リンク部材３ｄａの加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりのブーム３ａ、アーム３ｂ、第１リンク部材３ｄａの角速度とを計測する。

　旋回体２に取り付けられたＩＭＵ８ａで測定された加速度とブーム３ａに取り付けられたＩＭＵ８ｂで測定された加速度との差分に基づいて、ブームシリンダ４ａの伸縮の加速度（ブームシリンダ４ａの伸縮速度の変化量）を取得することができる。ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋは、それぞれＩＭＵ８ｂ，８ｃ，８ｄの検出結果から算出されてもよい。

　位置センサとして、各油圧シリンダのストロークセンサ、ブーム３ａなどの各リンクの角度センサ、およびＩＭＵを挙げたが、位置センサは六軸加速度センサであってもよい。位置センサは上記センサのいくつかを併用するものであってもよい。位置センサは上記センサに加え、ＧＮＳＳ（Global　Navigation　Satellite　System：衛星測位システム）を併用するものであってもよい。

　＜作業機械のシステムの概略構成＞
　次に、作業機械のシステムの概略構成について図２を用いて説明する。図２は、図１に示される作業機械のシステムの概略構成を示すブロック図である。

　図２に示されるように、本実施形態におけるシステムは、図１に示す作業機械の一例としての油圧ショベル１００と、図２に示されるメインコントローラ５０とを含んでいる。

　エンジン３１は、一例としてディーゼルエンジンである。エンジン３１の出力軸は、油圧ポンプ３４に連結されている。エンジン３１は、油圧ポンプ３４を回転させる駆動力を発生する。ガバナ３２は、エンジン３１内の燃料噴射装置による燃料噴射量を調節する。

　エンジンコントローラ４１は、エンジン３１の指令回転数に基づく燃料噴射量の指令値をガバナ３２に出力して、燃料噴射装置が噴射する燃料量を制御することにより、エンジン３１の回転数を調節する。エンジン３１の出力軸には、回転センサ３３が設けられている。回転センサ３３は、エンジン３１の回転数を検出する。回転センサ３３は、エンジン３１の回転数の検出結果を、エンジンコントローラ４１に出力する。

　油圧ポンプ３４は、エンジン３１の回転駆動力が伝達されることにより駆動されて、油圧アクチュエータを駆動する油圧を発生させるための圧油を吐出する。油圧アクチュエータは、図１にも示される油圧シリンダ、すなわちブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂ、およびバケットシリンダ４ｃと、図１にも示される油圧モータ、すなわち走行モータ１ｂおよび旋回モータ２ｅと、を含んでいる。油圧アクチュエータは、操作弁３５を介して、油圧ポンプ３４と接続されている。

　油圧ポンプ３４は、たとえば斜板を有し、斜板の傾転角が変更されることにより吐出容量を変化させる可変容量型の油圧ポンプである。油圧ポンプ３４には、斜板駆動装置３９が接続されている。斜板駆動装置３９は、油圧ポンプ３４の斜板の傾斜角度を変更する。圧力センサ３６は、油圧ポンプ３４から吐出された油の圧力を検出する。圧力センサ３６は、油圧の検出結果を、ポンプコントローラ４２に出力する。油圧ポンプ３４から吐出された油の一部は、作動油として操作弁３５に供給される。油圧ポンプ３４から吐出された油の一部は、自己圧減圧弁３７によって一定の圧力に減圧されて、パイロット油として使用される。

　操作弁３５は、たとえばロッド状のスプールを動かして作動油が流れる方向を切り換えるスプール方式の弁である。スプールが軸方向に移動することにより、油圧アクチュエータに対する作動油の供給量が調整される。操作弁３５には、スプールの移動距離（スプールストローク）を検出するストロークセンサ３５ａが設けられる。油圧アクチュエータへの油圧の供給および排出が制御されることにより、作業機３の動作、旋回体２の旋回、および走行体１の走行動作が制御される。

　なお、本例においては、油圧アクチュエータを作動するために油圧アクチュエータに供給される油は、作動油と称される。また、操作弁３５のスプールを作動するために操作弁３５に供給される油はパイロット油と称される。また、パイロット油の圧力はパイロット油圧と称される。

　油圧ポンプ３４は、上記のように作動油とパイロット油との両方を送出するものであってもよい。油圧ポンプ３４は、作動油を送出する油圧ポンプ（メイン油圧ポンプ）と、パイロット油を送出する油圧ポンプ（パイロット油圧ポンプ）とを別々に有してもよい。

　パイロット油の経路に、ＥＰＣ（電磁比例制御）弁３８が設けられている。ＥＰＣ弁３８は、メインコントローラ５０からの指令電流に従って、パイロット油圧を操作弁３５に出力する。操作弁３５は、パイロット油圧に従って、油圧アクチュエータを制御する。

　エンジンコントローラ４１とポンプコントローラ４２とは、油圧ショベル１００に搭載されている。エンジンコントローラ４１とポンプコントローラ４２とは、電気的に接続されており、互いに情報の送受信が可能である。エンジンコントローラ４１とポンプコントローラ４２とはまた、メインコントローラ５０に電気的に接続されている。

　メインコントローラ５０は、油圧ショベル１００全体を制御するコントローラであり、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、不揮発性メモリ、タイマなどにより構成される。メインコントローラ５０は、エンジンコントローラ４１およびポンプコントローラ４２を制御する。

　メインコントローラ５０は、油圧ショベル１００に搭載されていてもよい。メインコントローラ５０は、油圧ショベル１００の外部に設置されていてもよい。メインコントローラ５０は、油圧ショベル１００の作業現場に配置されてもよく、油圧ショベル１００の作業現場から離れた遠隔地に配置されてもよい。メインコントローラ５０は、たとえばコンピュータ、サーバ、携帯端末などであってもよい。

　操作装置２５は、運転室２ａ（図１）内に配置されている。操作装置２５は、オペレータにより操作される。操作装置２５は、作業機３を駆動するオペレータ操作を受け付ける。また操作装置２５は、旋回体２を旋回させるオペレータ操作を受け付ける。操作装置２５は、たとえば電気式の操作装置であって、操作レバー２５ａと、操作量センサ２５ｂとを有している。

　操作レバー２５ａは、オペレータにより操作される。操作量センサ２５ｂは、オペレータによる操作レバー２５ａの操作内容を検出する。操作量センサ２５ｂは、たとえばポテンショメータ、ホール素子などである。操作量センサ２５ｂは、操作レバー２５ａの操作内容の検出結果を、メインコントローラ５０に出力する。メインコントローラ５０は、操作装置２５からの操作指令に基づいて、ＥＰＣ弁３８を制御して、油圧アクチュエータを駆動する。

　操作装置２５は、電気式に限られず、パイロット油圧方式の操作装置であってもよい。操作装置２５がパイロット油圧方式である場合には、操作レバー２５ａの操作内容は、たとえばパイロット油の圧力を検出する圧力センサによって検出される。

　メインコントローラ５０には、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、ＩＭＵ８ａ～８ｄ、角度センサ９ａ～９ｃ、圧力センサ６ａ～６ｆおよび振動センサ２ｆの検出信号も入力される。メインコントローラ５０は、各センサと有線で電気的に接続されていてもよく、また無線で通信可能とされていてもよい。

　メインコントローラ５０は、詳細を後述するように、油圧ショベル１００による掘削対象の土質を判別する。メインコントローラ５０は、土質の判別結果を、出力部６０に出力する。出力部６０は、たとえばモニタ、プリンタなどのハードウェアであってもよい。出力部６０は、油圧ショベル１００に搭載されていてもよい。出力部６０は、油圧ショベル１００の外部に配置されている外部コントローラであってもよい。外部コントローラは、コンピュータ、サーバ、携帯端末などであってもよい。外部コントローラは、施工管理システムを構成するコンピュータであってもよい。

　回転センサ３３が検出するエンジン３１の回転数は、エンジンコントローラ４１に入力される。エンジンコントローラ４１、ポンプコントローラ４２およびメインコントローラ５０のいずれかは、エンジン３１の回転数に応じたエンジン３１の出力トルクと油圧ポンプ３４による吸収トルクとを演算する。図３は、エンジン回転数とトルクとの関係の例を示す図である。

　図３に示されるように、エンジン３１の回転数が大きいほど、エンジン３１の出力トルクは小さくなる。一方、油圧ポンプ３４はエンジン３１の回転数に応じた吸収トルクを発生し、エンジン３１の回転数が大きいほど、油圧ポンプ３４が吸収するトルクは大きくなる。

　そのため、エンジン３１の回転数が上がると、エンジン３１の出力トルクが低下し、油圧ポンプ３４による吸収トルクが上昇するため、エンジン３１の回転数は低下し始める。他方、エンジン３１の回転数が下がると、エンジン３１の出力トルクが上昇し、油圧ポンプ３４による吸収トルクが低下するため、エンジン３１の回転数は増加し始める。この繰り返しにより、エンジン３１および油圧ポンプ３４は、エンジン３１の回転数とエンジン３１の出力トルクと油圧ポンプ３４の回転数および吸収トルクとが一致するマッチング点で安定して動作することとなる。

　＜メインコントローラ５０内の機能ブロック＞
　次に、メインコントローラ５０内の機能ブロックについて図４を用いて説明する。図４は、図２に示されるメインコントローラ５０内の機能ブロックを示す図である。

　位置センサを構成するストロークセンサ７ａ～７ｃ、ＩＭＵ８ａ～８ｄ、角度センサ９ａ～９ｃなどの検出結果が、メインコントローラ５０に入力される。作業機姿勢取得部５６は、位置センサの検出結果に基づいて、作業機３の姿勢を取得する。作業機姿勢取得部５６は、掘削作業中の各時点における作業機３の姿勢から、掘削作業中のバケット３ｃの刃先３ｃａの軌跡を取得する。

　土工量算出部５１は、圧力センサ６ａによって検出されるブームシリンダ４ａのヘッド圧と、圧力センサ６ｂによって検出されるブームシリンダ４ａのボトム圧との差に基づいて、バケット３ｃに積載されている荷Ｌ（図１）の重量（ペイロード）を算出する。土工量算出部５１は、作業機３の姿勢に対してのブームシリンダ４ａのヘッド圧とボトム圧との圧力差の変化を認識し、その作業機３の姿勢でバケット３ｃがどのくらいの荷重を抱えているかを示すデータテーブルを参照して、バケット３ｃに載った荷Ｌの重量を算出する。当該データテーブルは、記憶部５９に記憶されている。

　掘削時間算出部５７は、操作量センサ２５ｂから、操作レバー２５ａの操作内容の検出結果の入力を受ける。掘削時間算出部５７は、アーム３ｂを掘削方向へ駆動させる指令を開始した時刻と、アーム３ｂを掘削方向へ駆動させる指令を停止した時刻と、を把握する。掘削時間算出部５７は、アーム３ｂを掘削方向へ駆動させる指令をした時間を算出し、算出した時間を掘削時間としてもよい。

　掘削時間算出部５７は、作業機姿勢取得部５６が取得した作業機３の姿勢を用いて、予め規定した作業機３の掘削開始の姿勢を検知した時点を起点とし、予め規定した作業機３の掘削終了の姿勢（たとえば、バケット３ｃが荷Ｌを抱え込み終えた姿勢）を検知した時点を終点として、作業機３が起点から終点まで移動するのに要した時間を算出し、算出した時間を掘削時間としてもよい。作業機３の、掘削開始の姿勢、および掘削終了の姿勢は、記憶部５９に記憶されている。

　掘削時間算出部５７は、作業機姿勢取得部５６が取得したバケット３ｃのみの姿勢を用いて、バケット３ｃの掘削開始姿勢を検知した時点を起点とし、バケット３ｃの掘削終了姿勢を終点として、バケット３ｃが起点から終点まで移動するのに要した時間を算出し、算出した時間を掘削時間としてもよい。バケット３ｃの掘削開始姿勢および掘削終了姿勢は、記憶部５９に記憶されている。

　作業機姿勢取得部５６は、バケット３ｃの刃先３ｃａの位置を、位置センサからの入力に基づいて取得する。刃先速度算出部５２は、掘削開始から掘削終了までの、時系列の刃先３ｃａの位置を取得する。刃先速度算出部５２は、時系列の刃先３ｃａの位置座標の微分より、刃先３ｃａの速度を求めて、その速度の平均を掘削作業時の刃先３ｃａの平均速度として算出する。

　刃先速度算出部５２は、掘削開始時点のバケット３ｃの刃先３ｃａの位置と、掘削終了時点の刃先３ｃａの位置とから、掘削作業中に刃先３ｃａが移動した距離を算出して、刃先３ｃａが移動した距離を掘削時間で割ることにより、掘削作業時の刃先３ｃａの平均速度を算出してもよい。

　効率算出部５３は、土工量算出部５１が算出したペイロードを、掘削時間算出部５７が算出した掘削時間で割ることにより、単位時間あたりの土工量を算出し、これを掘削作業の作業効率とする。効率算出部５３はまた、エンジンコントローラ４１からガバナ３２へ指令される燃料噴射量を取得する。効率算出部５３は、土工量算出部５１が算出したペイロードを、掘削作業中にエンジン３１に供給された燃料量で割ることにより、エンジン３１への燃料の単位供給量あたりの土工量を算出し、これを掘削作業の燃費効率とする。

　刃先負荷算出部５４は、圧力センサ６ａ，６ｂによって検出されるブームシリンダ４ａのヘッド圧とボトム圧とに基づいて、ブームシリンダ４ａの推力を算出する。刃先負荷算出部５４は、圧力センサ６ｃ，６ｄによって検出されるアームシリンダ４ｂのヘッド圧とボトム圧とに基づいて、アームシリンダ４ｂの推力を算出する。刃先負荷算出部５４は、圧力センサ６ｅ，６ｆによって検出されるバケットシリンダ４ｃのヘッド圧とボトム圧とに基づいて、バケットシリンダ４ｃの推力を算出する。

　刃先負荷算出部５４は、各シリンダの推力と、位置センサの検出結果に基づく作業機３の位置関係のモーメントとから、バケット３ｃの刃先３ｃａにかかる負荷を算出することができる。

　作業機姿勢取得部５６は、位置センサの検出結果に基づいて、バケット３ｃの姿勢を取得する。貫入量算出部５５は、地表面に対してバケット３ｃがどのような位置にあるかを認識する。貫入量算出部５５は、側方視したバケット３ｃのうち、地中に貫入している面積を算出する。貫入量算出部５５は、バケット３ｃの地中に貫入している面積と、バケット３ｃの幅と、を掛け合わせることにより、地中に貫入したバケット３ｃの体積を算出する。貫入量算出部５５は、算出したバケット３ｃの体積を、バケット３ｃ内に掬い込まれた見かけ上の土量とする。

　土質判別部５８は、刃先３ｃａの速度、刃先３ｃａにかかる負荷、バケット３ｃ内に積載された荷Ｌの重量、掘削作業の燃費効率、掘削作業の作業効率、刃先３ｃａの軌跡、操作レバー２５ａの操作内容、地中に貫入したバケット３ｃの体積、のうちの少なくともいずれか１つから、掘削対象の土質を判別する。

　掘削対象を作業機３で掘削する掘削作業時の作業機３の動作に関連する動作データは、位置センサによって検出される作業機３の姿勢、圧力センサ６ａ～６ｆによって検出される各シリンダ４ａ，４ｂ，４ｃの油圧、操作量センサ２５ｂによって検出される操作レバー２５ａの操作内容、および、エンジンコントローラ４１からガバナ３２へ指令される燃料噴射量、を含む。掘削作業時の作業機３の動作に関連する動作データはまた、上記の検出される各データの値を演算させることで得られる、刃先３ｃａの速度、刃先３ｃａにかかる負荷、バケット３ｃ内に積載された荷Ｌの重量、掘削作業の燃費効率、掘削作業の作業効率、刃先３ｃａの軌跡、および地中に貫入したバケット３ｃの体積を含む。動作データと土質との対応関係は、記憶部５９に記憶されている。

　＜簡易Ｎ値＞
　実施形態では、掘削作業時に取得される動作データから、土質のパラメータの１つである硬さを推定する。掘削対象である土系材料の硬さの指標として、簡易Ｎ値が用いられる。簡易Ｎ値は、簡易Ｎ値計を使用して計測される。図５は、簡易Ｎ値計２００の構成を示す模式図である。

　簡易Ｎ値計２００は、先端コーン２０１と、ハンマー２０２と、貫入ロッド２０３と、ガイドロッド２０４と、ノッキングヘッド２０５とを備えている。先端コーン２０１は、貫入ロッド２０３の下端に取り付けられている。先端コーン２０１の下端は、尖った形状を有している。先端コーン２０１は、全体としてコーン（円錐）形状を有している。ノッキングヘッド２０５は、貫入ロッド２０３の上端に取り付けられている。先端コーン２０１とノッキングヘッド２０５とは、貫入ロッド２０３に対して相対移動不能に、貫入ロッド２０３に固定されている。

　ガイドロッド２０４の下端が、ノッキングヘッド２０５に取り付けられている。ノッキングヘッド２０５とガイドロッド２０４とは、相対移動不能に固定されている。貫入ロッド２０３とガイドロッド２０４とは、同一直線上に延びている。ハンマー２０２は、ガイドロッド２０４に対して相対移動可能に、ガイドロッド２０４に取り付けられている。ハンマー２０２は、ガイドロッド２０４に沿って、ノッキングヘッド２０５に対して相対移動可能である。ハンマー２０２の下面は平坦であり、ノッキングヘッド２０５の上面も平坦である。

　先端コーン２０１、貫入ロッド２０３、およびノッキングヘッド２０５からなるアセンブリは、「先端がコーン形状の部品」の一例に対応する。先端コーン２０１は、「先端がコーン形状の部品」の先端に対応し、ノッキングヘッド２０５は、「先端がコーン形状の部品」の先端の反対側の他端に対応する。

　簡易Ｎ値は、以下のようにして計測される。先端コーン２０１の下端を地表面ＧＬに突き当てた状態で、貫入ロッド２０３およびガイドロッド２０４が地表面ＧＬに対して垂直な方向に延びるように、簡易Ｎ値計２００を配置する。この状態で、ハンマー２０２をノッキングヘッド２０５から規定高さだけ持ち上げて、ガイドロッド２０４に沿わせてハンマー２０２を自由落下させる。

　ハンマー２０２は、ガイドロッド２０４に沿って落下して、ノッキングヘッド２０５に衝突する。ノッキングヘッド２０５がハンマー２０２の打撃を受けて、ノッキングヘッド２０５に衝撃が与えられると、ノッキングヘッド２０５は、地表面ＧＬに向かって下方へ移動しようとする。ノッキングヘッド２０５と一体的に、先端コーン２０１と貫入ロッド２０３とが下方へ移動しようとする。下方へ移動した先端コーン２０１が、地中に貫入する。先端コーン２０１が所定の深さ（たとえば、地表面ＧＬから１０ｃｍの深さ）まで貫入するまでの、ハンマー２０２を落下させる回数を計測し、この回数を簡易Ｎ値とする。

　＜掘削対象の土質判別＞
　実施形態では、土質判別部５８は、掘削作業時に取得した動作データに対応する、動作データと掘削対象の土質との対応関係を、記憶部５９から読み出す。土質判別部５８は、読み出した対応関係に基づき、動作データから掘削対象の土質を判別する。具体的に、土質判別部５８は、読み出した対応関係に、取得した動作データを当てはめることにより、掘削対象の土質を判別する。

　図６は、動作データと土質との対応関係の例を示す第１の図である。図６に示されるグラフの横軸は上述した簡易Ｎ値であり、縦軸は掘削作業時の刃先３ｃａの速度（単位：ｍｍ／ｓｅｃ）である。図６に示されるように、掘削作業中の刃先３ｃａの速度と簡易Ｎ値との間にはよい相関がある。図６に示される、刃先３ｃａの速度と簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部５９に記憶されている。

　掘削作業時に、作業機姿勢取得部５６は、作業機３の姿勢を取得し、刃先速度算出部５２は、掘削作業時の刃先３ｃａの平均速度を算出する。土質判別部５８は、図６に示されるデータテーブルを記憶部５９から読み出し、算出された刃先３ｃａの速度に対応する簡易Ｎ値を求める。このようにして土質判別部５８は、刃先３ｃａの速度から、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値を求めることができる。土質判別部５８は、刃先３ｃａの速度が小さいほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易Ｎ値は土質のパラメータの１つであるので、土質判別部５８は、刃先３ｃａの速度から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。

　図７は、動作データと土質との対応関係の例を示す第２の図である。図７に示されるグラフの横軸は簡易Ｎ値であり、縦軸は掘削作業の作業効率（単位：ｔｏｎ／ｈ）である。図７に示されるように、掘削作業の作業効率と簡易Ｎ値との間にはよい相関がある。図７に示される、作業効率と簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部５９に記憶されている。

　掘削作業時に、作業機姿勢取得部５６は、作業機３の姿勢を取得し、土工量算出部５１は、ブームシリンダ４ａのシリンダ圧を取得して、バケット３ｃ内に積載された荷Ｌの重量（ペイロード）を算出する。効率算出部５３は、ペイロードに基づいて、作業効率を算出する。土質判別部５８は、図７に示されるデータテーブルを記憶部５９から読み出し、算出された作業効率に対応する簡易Ｎ値を求める。このようにして土質判別部５８は、作業効率から、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値を求めることができる。土質判別部５８は、作業効率が低いほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易Ｎ値は土質のパラメータの１つであるので、土質判別部５８は、作業効率から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。

　図８は、動作データと土質との対応関係の例を示す第３の図である。図８に示されるグラフの横軸は掘削作業時の刃先３ｃａの速度（単位：ｍｍ／ｓｅｃ）であり、縦軸は掘削作業時に地中に貫入した刃先３ｃａにかかる負荷（単位：ｋＮ）である。図８に示されるように、刃先３ｃａにかかる負荷と刃先３ｃａの速度との間にはよい相関がある。図８に示される、刃先３ｃａにかかる負荷と刃先３ｃａの速度とを関連付けたデータテーブルは、記憶部５９に記憶されている。

　図９は、動作データと土質との対応関係の例を示す第４の図である。図９に示されるグラフの横軸は簡易Ｎ値であり、縦軸は刃先３ｃａにかかる負荷（単位：ｋＮ）である。図６に示されるように刃先３ｃａの速度と簡易Ｎ値との間にはよい相関があり、図８に示されるように刃先３ｃａにかかる負荷と刃先３ｃａの速度との間にはよい相関がある。そのため、図９に示されるように、刃先３ｃａにかかる負荷から簡易Ｎ値を推定することが可能である。図９に示される、刃先３ｃａにかかる負荷と簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部５９に記憶されている。

　掘削作業時に、作業機姿勢取得部５６は、作業機３の姿勢を取得し、刃先負荷算出部５４は、圧力センサ６ａ～６ｆによって検出される各シリンダの圧力を取得して、バケット３ｃの刃先３ｃａにかかる負荷を算出する。土質判別部５８は、図９に示されるデータテーブルを記憶部５９から読み出し、算出された刃先３ｃａにかかる負荷に対応する簡易Ｎ値を求める。このようにして土質判別部５８は、刃先３ｃａにかかる負荷から、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値を求めることができる。土質判別部５８は、刃先３ｃａにかかる負荷が大きいほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易Ｎ値は土質のパラメータの１つであるので、土質判別部５８は、地中に貫入した刃先３ｃａにかかる負荷から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。

　油圧ショベル１００が、刃先３ｃａの速度を算出するための動作データを取得できるセンサを備えていない場合でも、シリンダの圧力を取得できれば、簡易Ｎ値を推定することができる。シリンダの圧力を検出する圧力センサを外付けすることで、簡易Ｎ値の推定を可能にすることもできる。したがって、実施形態の土質の判別を適用可能な作業車両の範囲を広げることが可能になる。

　図１５は、動作データと土質との対応関係の例を示す第７の図である。図１５に示されるグラフの横軸は簡易Ｎ値であり、縦軸は掘削作業の燃費効率（単位：ｔ／Ｌ）である。図１５に示されるように、掘削作業の燃費効率と簡易Ｎ値との間にはよい相関がある。図１５に示される、燃費効率と簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部５９に記憶されている。

　掘削作業時に、土工量算出部５１は、ペイロードを算出し、効率算出部５３は、エンジン３１への燃料の供給量を取得する。効率算出部５３は、ペイロードと燃料供給量とに基づいて、燃費効率を算出する。土質判別部５８は、図１５に示されるデータテーブルを記憶部５９から読み出し、算出された燃費効率に対応する簡易Ｎ値を求める。このようにして土質判別部５８は、燃費効率から、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値を求めることができる。土質判別部５８は、燃費効率が低いほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易Ｎ値は土質のパラメータの１つであるので、土質判別部５８は、燃費効率から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。

　図１６は、動作データと土質との対応関係の例を示す第８の図である。図１６に示されるグラフの横軸は、掘削開始点を座標ゼロとしたときの、バケット３ｃの刃先３ｃａの水平方向の移動距離である。図１６に示されるグラフの縦軸は、掘削開始点を座標ゼロとしたときの、バケット３ｃの刃先３ｃａの深さ方向の掘削距離である。つまり、縦軸の座標がゼロの地点が地表面であり、縦軸の座標がゼロから離れるほど、地中のより深くにまで刃先３ｃａが到達していることになる。図１６には、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値＝３のときの掘削中の刃先３ｃａの軌跡を太線で示し、簡易Ｎ値＝４９のときの掘削中の刃先３ｃａの軌跡を細線で示している。

　図１６に示されるように、掘削作業中の刃先３ｃａの軌跡には、掘削対象の硬さによる差がある。掘削対象が硬いと、刃先３ｃａが地中に貫入しにくいため、刃先３ｃａは地中の浅い位置を長い距離移動し、地表面を削り取るような刃先３ｃａの軌跡になる。バケット３ｃ内により多くの荷Ｌを積載するために、オペレータは刃先３ｃａの角度を細かく調整したり刃先３ｃａにかかる負荷を細かく調整したりするので、刃先３ｃａの軌跡には凹凸が多く見られるようになる。一方、掘削対象が軟らかいと、刃先３ｃａが地中に容易に貫入するため、深さ方向の掘削距離が大きくなる。バケット３ｃの姿勢を細かく調整しなくてもバケット３ｃ内に多くの荷Ｌを容易に積載することが可能なので、刃先３ｃａの軌跡に凹凸は少なく、滑らかな軌跡となる。

　掘削作業時に、作業機姿勢取得部５６は、作業機３の姿勢を取得し、掘削開始点から掘削終了点までの刃先３ｃａの軌跡を取得する。作業機姿勢取得部５６は、刃先３ｃａの軌跡から、刃先３ｃａが地中の最も深い位置に到達したときの深さ方向の掘削距離を求め、求めた深さ方向の掘削距離を、最大深さとする。最大深さを平均化して比較すれば、簡易Ｎ値との相関が現れる。記憶部５９には、最大深さと簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブルが記憶されている。

　土質判別部５８は、最大深さと簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブルを記憶部５９から読み出し、最大深さに対応する簡易Ｎ値を求める。このようにして土質判別部５８は、地中に貫入したバケット３ｃの刃先３ｃａから、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値を求めることができる。土質判別部５８は、最大深さが小さいほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易Ｎ値は土質のパラメータの１つであるので、土質判別部５８は、刃先３ｃａの軌跡から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。

　図１７は、動作データと土質との対応関係の例を示す第９の図である。図１８は、動作データと土質との対応関係の例を示す第１０の図である。図１７，１８に示されるグラフの横軸は、掘削開始時点を時刻ゼロとしたときの、掘削中の時間の経過を示す。

　図１７，１８に示されるグラフの縦軸は、掘削作業時の刃先３ｃａの速度（単位：ｍｍ／ｓｅｃ）、および、掘削作業時の操作レバー２５ａの操作内容を示す。操作レバー２５ａが中立のときの入力を０％とし、操作レバー２５ａを最大に傾斜させたときの入力を１００％とする。ブーム３ａを操作するための操作レバー２５ａの操作が、ブームレバー入力である。アーム３ｂを操作するための操作レバー２５ａの操作が、アームレバー入力である。バケット３ｃを操作するための操作レバー２５ａの操作が、バケットレバー入力である。

　図１７には、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値＝３のときの、掘削中の刃先速度およびレバー入力を示す。図１７に示されるように、掘削対象が軟らかいと、バケット３ｃが地中に容易に貫入するため、車体の掘削力を最大限使用しなくても容易にバケット３ｃを満杯にすることが可能である。バケット３ｃを地中に深く貫入させすぎて荷Ｌを積載しすぎたことによる掘削速度の低下に注意をしておけば、操作レバー２５ａの細かい操作による調整がなくとも、掘削速度が低下することはない。

　図１８には、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値＝７０のときの、掘削中の刃先速度およびレバー入力を示す。図１８に示されるように、掘削対象が硬いと、バケット３ｃが地中に貫入しにくく、掘削対象から受ける反力も高いため、作業機３が停止しやすい。掘削対象が軟らかいときと同じ操作レバー２５ａの操作で、バケット３ｃ内に掘削対象を多く積載することができない。オペレータは、掘削速度を犠牲にしても、少しでもバケット３ｃの積載量を多くするため、掘削中の刃先３ｃａの速度および作業機３の姿勢を、操作レバー２５ａの細かい操作により調整し、負荷を適切に逃がしながら時間をかけて掘削を行うことになる。

　掘削作業時に、掘削時間算出部５７は、操作量センサ２５ｂから、操作レバー２５ａの操作内容の検出結果の入力を受ける。作業機姿勢取得部５６は、作業機３の姿勢を取得し、刃先速度算出部５２は、掘削作業時の刃先３ｃａの速度を算出する。掘削時間と簡易Ｎ値との間の相関、および、掘削作業時の操作レバー２５ａの操作内容と簡易Ｎ値との間の相関が現れる。記憶部５９には、掘削時間と簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブル、および、操作レバー２５ａの操作内容と簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブルが記憶されている。

　土質判別部５８は、操作レバー２５ａの操作内容と簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブルを記憶部５９から読み出し、掘削作業時の操作レバー２５ａの操作内容に対応する簡易Ｎ値を求める。このようにして土質判別部５８は、掘削作業時の操作レバー２５ａの操作内容から、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値を求めることができる。土質判別部５８は、掘削作業時に操作レバー２５ａが細かく操作されているほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易Ｎ値は土質のパラメータの１つであるので、土質判別部５８は、掘削作業時の操作レバー２５ａの操作内容から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。

　図１０は、土質判別専用操作を開始するときの姿勢を示す作業機械の側面図である。油圧ショベル１００を操作するオペレータ毎に、技量の差があったり、操作の癖があることで、掘削作業に取得できる動作データにばらつきが存在することがある。このばらつきを低減するため、油圧ショベル１００に土質判別専用操作を設定して、掘削作業時に予め決められた動作をするように作業機３を制御することができる。

　具体的には、図１０に示されるように、作業機３を、油圧ショベル１００を側方から見た場合に、ブームトップピン５ｂとアームトップピン５ｃとを通る直線と、バケット３ｃの底面３ｃｂとが垂直になるような姿勢にする。そのアーム３ｂとバケット３ｃとの相対姿勢を維持しながら、アームシリンダ４ｂの長さを最小にして、アーム３ｂを最も伸ばした姿勢にする。この姿勢で、アーム角θａ（図１）が最小になる。またブーム３ａを動作させて、バケット３ｃの刃先３ｃａを地表面に接触させる。この姿勢から、アーム３ｂを掘削方向に操作する。典型的に、アーム３ｂを掘削方向に最大速度で動作させる。このアーム３ｂの動作によって、バケット３ｃの刃先３ｃａは円弧運動をし、刃先３ｃａは地中に貫入する。地中で掘削対象が刃先３ｃａの移動の抵抗となって刃先３ｃａが停止するまでの、動作データを取得する。

　オペレータが任意に掘削作業をするか、土質判別専用操作による掘削作業をするかを、求められる土質判別の精度に従って、使い分けることができる。たとえば、掘削対象の土質が極端に変わりそうなときなどに、土質判別専用操作による掘削作業をすることができる。土質判別専用操作による掘削作業をすることで、オペレータの影響を除いて、土質判別の精度を向上することができる。

　図１１は、動作データと土質との対応関係の例を示す第５の図である。図１１に示されるグラフの横軸は簡易Ｎ値であり、縦軸は最大刃先速度（単位：ｍｍ／ｓｅｃ）である。図１１に示されるように、土質判別専用操作で掘削作業をするときに地中に貫入した刃先３ｃａの最大速度と、簡易Ｎ値との間には、よい相関がある。図１１に示される、刃先３ｃａの最大速度と簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部５９に記憶されている。

　刃先速度算出部５２は、土質判別専用操作による掘削作業時に、作業機３の姿勢を取得して、刃先３ｃａの位置座標の微分より刃先３ｃａの速度を算出する。刃先速度算出部５２は、土質判別専用操作による掘削作業の開始から終了までの時間を等分割した単位時間における、時系列での刃先３ｃａの速度を算出する。刃先速度算出部５２は、時間の経過に対する刃先３ｃａの速度の変化を算出する。刃先速度算出部５２は、各単位時間における刃先３ｃａの速度のうちの最大値を求めて、刃先３ｃａの最大速度とする。

　土質判別部５８は、図１１に示されるデータテーブルを記憶部５９から読み出し、算出された刃先３ｃａの最大速度に対応する簡易Ｎ値を求める。このようにして土質判別部５８は、土質判別専用操作をするときの刃先３ｃａの最大速度から、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値を求めることができる。土質判別部５８は、最大刃先速度が小さいほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易Ｎ値は土質のパラメータの１つであるので、土質判別部５８は、土質判別専用操作をするときに地中に貫入した刃先３ｃａの最大速度から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。

　図１２は、掘削作業中の刃先速度の経緯の一例を示す図である。図１２に示されるグラフの横軸は時間であり、縦軸は刃先速度である。時刻ゼロで、土質判別専用操作による掘削作業が開始されている。図１２には、簡易Ｎ値が比較的小さい掘削対象を掘削するときの例が示されている。

　掘削対象の硬さが小さいと、図１２に示されるように、刃先３ｃａの速度は、掘削作業を開始してから直ぐに、ピークの値をとる。ピークを越えてから、掘削作業を終了するまで、すなわち刃先３ｃａの移動が停止するまで、刃先３ｃａは低速で動き続ける。ピークを越えてから停止するまでの刃先３ｃａの速度は、刃先３ｃａの速度の最大値と比較して遙かに小さくなっている。図６に示されるように刃先３ｃａの平均速度を算出すると、刃先速度のピークが隠れてしまい、土質の特徴が判別しにくくなる。そのため、土質判別専用操作をするときには、刃先３ｃａの最大速度で土質を特徴付けるようにしている。これにより、掘削対象の土質を精度よく判別することができる。

　刃先３ｃａの最大速度を取得するには、掘削作業中の全工程において動作データを必ずしも取得しなくてもよい。掘削作業を開始してから一定の時間帯のみの、掘削作業中の一部分の動作データによって、地中に貫入した刃先３ｃａの最大速度を取得し、取得した刃先３ｃａの最大速度から掘削対象の土質を判別することができる。掘削作業中の全工程における動作データから土質を判別する必要はない。掘削開始時の動作データのみから土質を判別することができるので、動作データを取得する処理を簡素化でき、土質を迅速に判別することが可能になる。

　図１３は、動作データと土質との対応関係の例を示す第６の図である。図１３に示されるグラフの横軸は簡易Ｎ値であり、縦軸はバケット３ｃの地中への貫入量（単位：ｍ^３）である。バケット３ｃの地中への貫入量とは、位置センサの検出結果から取得されるバケット３ｃの姿勢を用いて算出される、地表面ＧＬから地中に貫入しているバケット３ｃの体積を示す。

　図１４は、地中に貫入しているバケット３ｃを示す概略図である。図１４に示されるバケット３ｃは、刃先３ｃａを含む一部分が地中に存在しており、一部分が地表面ＧＬよりも上方に存在している。上述した通り、側方視したバケット３ｃのうち、地中に貫入している面積と、バケット３ｃの幅と、を掛け合わせることにより、地中に貫入したバケット３ｃの体積を算出することができる。簡易的には、バケット３ｃの刃先３ｃａの地表面ＧＬからの深さとバケット３ｃの幅との積を、バケット３ｃの体積としてもよい。

　土質判別専用操作で掘削作業をするときには、刃先３ｃａの移動が停止したときのバケット３ｃの地中への貫入量を算出することができる。図１３に示されるように、土質判別専用操作をするときのバケット３ｃの貫入量と簡易Ｎ値との間にはよい相関がある。図１３に示される、バケット３ｃの地中への貫入量と簡易Ｎ値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部５９に記憶されている。

　貫入量算出部５５は、土質判別専用操作による掘削作業時に、作業機３の姿勢を取得して、バケット３ｃの地中への貫入量を算出する。土質判別部５８は、図１３に示されるデータテーブルを記憶部５９から読み出し、算出された貫入量に対応する簡易Ｎ値を求める。このようにして土質判別部５８は、土質判別専用操作をするときに地中に貫入したバケット３ｃの体積から、掘削対象の硬さの指標である簡易Ｎ値を求めることができる。土質判別部５８は、地中に貫入したバケット３ｃの体積が小さいほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易Ｎ値は土質のパラメータの１つであるので、土質判別部５８は、土質判別専用操作をするときに地中に貫入したバケット３ｃの体積から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。

　＜その他＞
　掘削作業時の作業機３の動作に関連する動作データは、上記の実施形態で説明した例に限られるものではない。図２，３に示される、ストロークセンサ３５ａで検出される操作弁３５のスプールストローク、圧力センサ３６で検出される油圧ポンプ３４の吐出圧、回転センサ３３で検出されるエンジン３１の回転数、エンジン３１の回転数に応じて演算されるエンジン３１の出力トルクおよび油圧ポンプ３４の吸収トルク、振動センサ２ｆで検出される旋回体２の振動、ＩＭＵ８ａで検出される車体（旋回体２）の角度、などが動作データに含まれてもよい。動作データは、掘削作業時に作業機３を動作させるための動力に関連するデータであってもよく、作業機３の動作に付随して取得できるデータであってもよい。

　動作データを取得するセンサは、油圧ショベル１００の出荷時に油圧ショベル１００に装備されているセンサであってもよい。センサは、油圧ショベル１００の出荷後に油圧ショベル１００に後付けされたセンサであってもよい。

　動作データは、オペレータが油圧ショベル１００を手動で操作して掘削作業をするときに取得されるデータに限られない。自動掘削装置などを用いた掘削作業時に取得されたデータが、動作データに含まれてもよい。動作データは、掘削開始時のデータ、掘削途中のデータなど、掘削工程の一部分のデータであってもよい。

　動作データは、リアルタイムで取得されたデータに限られない。作業機械が過去に作業したときの稼働データから、掘削作業時のデータのみを抜き出してもよい。過去の掘削作業時に取得された動作データから、その掘削作業時の掘削対象の土質を判別してもよい。

　土質判別部５８は、記憶部５９に記憶されているデータテーブルを読み出して土質を判別する例に限られない。動作データと掘削対象の土質との対応関係を表すデータテーブルは、メインコントローラ５０の内部の記憶部５９ではなく、外部の記憶装置に記憶されてもよい。

　土質判別部５８は、機械学習によって学習済みの土質判別モデルを有してもよい。学習済みの土質判別モデルは、掘削対象を掘削作業したときの動作データに対して、その掘削対象を簡易Ｎ値計２００で計測した簡易Ｎ値をラベル付けした学習用データを用いた学習処理により生成されてもよい。学習済みの土質判別モデルは、作業機の動作に関連する動作データが入力されると、動作データから簡易Ｎ値を出力するように、学習用データセットを用いた学習処理がなされていてもよい。

　作業機３の動作に関連する動作データを取得する取得部は、油圧ショベル１００に搭載された各種センサに限られない。動作データを取得する取得部は、油圧ショベル１００の外部に配置されてもよい。たとえば、油圧ショベル１００を外部から撮像する撮像装置が、動作データを取得する取得部に含まれてもよい。撮像装置は、作業機３の静止画像を取得してもよく、作業機３の動画を取得してもよい。取得された画像を解析することにより、作業機３の動作に関連する動作データが取得されてもよい。

　上述した通り、メインコントローラ５０は、油圧ショベル１００に搭載されていてもよく、油圧ショベル１００の外部に設置されていてもよい。したがって、掘削対象の土質の判別は、油圧ショベル１００内で実行されてもよく、油圧ショベル１００の外部のサーバ、タブレットコンピュータなどで実行されてもよい。

　実施形態では、作業機械の一例として油圧ショベル１００について説明したが、油圧ショベル１００に限らず、たとえばホイールローダなどの、他の種類の掘削作業を行う作業機械に、本開示の思想を適用してもよい。作業機械は、履帯装置１ａを有する装軌式の走行体１に限られず、装輪式の走行体を備えてもよい。また、作業機械は、遠隔から無線を介して操作可能な遠隔操作対応のものであってもよい。

　＜付記＞
　以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。

　（付記１）
　作業機を有する作業機械と、
　掘削対象を前記作業機で掘削する掘削作業時に、前記作業機の動作に関連する動作データを取得する取得部と、
　前記動作データと前記掘削対象の土質との対応関係に基づき、前記動作データから前記土質を判別する、コントローラと、を備える、土質判別システム。

　（付記２）
　前記作業機は、刃先を有するバケットを含み、
　前記動作データは、前記刃先の速度を含む、付記１に記載の土質判別システム。

　（付記３）
　前記動作データは、地中に貫入した前記刃先の最大速度を含む、付記２に記載の土質判別システム。

　（付記４）
　前記コントローラは、掘削作業中の一部分の前記動作データから前記土質を判別する、付記１から付記３のいずれか１つに記載の土質判別システム。

　（付記５）
　前記作業機は、刃先を有するバケットを含み、
　前記動作データは、地中に貫入した前記刃先にかかる負荷を含む、付記１から付記４のいずれか１つに記載の土質判別システム。

　（付記６）
　前記作業機は、バケットを有し、
　前記動作データは、前記バケット内に積載された荷の重量を含む、付記１から付記５のいずれか１つに記載の土質判別システム。

　（付記７）
　前記作業機を動作させる駆動力を発生するエンジンをさらに備え、
　前記動作データは、前記荷の単位重量あたりの、前記エンジンへの燃料の供給量を含む、付記６に記載の土質判別システム。

　（付記８）
　前記動作データは、前記バケットによる掘削作業の作業効率を含む、付記６または付記７に記載の土質判別システム。

　（付記９）
　前記作業機は、バケットを有し、
　前記動作データは、前記バケットの姿勢を含む、付記１から付記８のいずれか１つに記載の土質判別システム。

　（付記１０）
　前記動作データは、地中に貫入した前記バケットの体積を含む、付記９に記載の土質判別システム。

　（付記１１）
　前記バケットは、刃先を有し、
　前記動作データは、地中に貫入した前記刃先の軌跡を含む、付記９または付記１０に記載の土質判別システム。

　（付記１２）
　前記作業機を駆動する操作を受け付ける操作装置をさらに備え、
　前記動作データは、前記操作装置の操作内容を含む、付記１から付記１１のいずれか１つに記載の土質判別システム。

　（付記１３）
　前記作業機は、掘削作業時に、予め決められた動作をするように制御される、付記１から付記１２のいずれか１つに記載の土質判別システム。

　（付記１４）
　前記取得部は、前記作業機械に搭載される、付記１から付記１３のいずれか１つに記載の土質判別システム。

　（付記１５）
　前記土質は、先端がコーン形状の部品を地面にあてて、前記先端の反対側から前記部品に衝撃を与え、前記先端が所定の深さまで貫入するまでの回数に基づき得られた指標である、付記１から付記１４のいずれか１つに記載の土質判別システム。

　以上のように実施形態について説明を行ったが、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　走行体、２　旋回体、２ｆ　振動センサ、３　作業機、３ａ　ブーム、３ｂ　アーム、３ｃ　バケット、３ｃａ　刃先、３ｃｂ　底面、４ａ　ブームシリンダ、４ｂ　アームシリンダ、４ｃ　バケットシリンダ、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，３６　圧力センサ、７ａ，７ｂ，７ｃ，３５ａ　ストロークセンサ、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ　ＩＭＵ、９ａ，９ｂ，９ｃ　角度センサ、２５　操作装置、２５ａ　操作レバー、２５ｂ　操作量センサ、３１　エンジン、３３　回転センサ、３４　油圧ポンプ、３５　操作弁、５０　メインコントローラ、５１　土工量算出部、５２　刃先速度算出部、５３　効率算出部、５４　刃先負荷算出部、５５　貫入量算出部、５６　作業機姿勢取得部、５７　掘削時間算出部、５８　土質判別部、５９　記憶部、６０　出力部、１００　油圧ショベル、２００　簡易Ｎ値計、ＧＬ　地表面、Ｌ　荷。

Claims (16)

1. 　作業機を有する作業機械と、
   　掘削対象を前記作業機で掘削する掘削作業時に、前記作業機の動作に関連する動作データを取得する取得部と、
   　前記動作データと前記掘削対象の土質との対応関係に基づき、前記動作データから前記土質を判別する、コントローラと、を備える、土質判別システム。
2. 　前記作業機は、刃先を有するバケットを含み、
   　前記動作データは、前記刃先の速度を含む、請求項１に記載の土質判別システム。
3. 　前記動作データは、地中に貫入した前記刃先の最大速度を含む、請求項２に記載の土質判別システム。
4. 　前記コントローラは、掘削作業中の一部分の前記動作データから前記土質を判別する、請求項３に記載の土質判別システム。
5. 　前記作業機は、刃先を有するバケットを含み、
   　前記動作データは、地中に貫入した前記刃先にかかる負荷を含む、請求項１に記載の土質判別システム。
6. 　前記作業機は、バケットを有し、
   　前記動作データは、前記バケット内に積載された荷の重量を含む、請求項１に記載の土質判別システム。
7. 　前記作業機を動作させる駆動力を発生するエンジンをさらに備え、
   　前記動作データは、前記荷の単位重量あたりの、前記エンジンへの燃料の供給量を含む、請求項６に記載の土質判別システム。
8. 　前記動作データは、前記バケットによる掘削作業の作業効率を含む、請求項６に記載の土質判別システム。
9. 　前記作業機は、バケットを有し、
   　前記動作データは、前記バケットの姿勢を含む、請求項１に記載の土質判別システム。
10. 　前記動作データは、地中に貫入した前記バケットの体積を含む、請求項９に記載の土質判別システム。
11. 　前記バケットは、刃先を有し、
    　前記動作データは、地中に貫入した前記刃先の軌跡を含む、請求項９に記載の土質判別システム。
12. 　前記作業機を駆動する操作を受け付ける操作装置をさらに備え、
    　前記動作データは、前記操作装置の操作内容を含む、請求項１に記載の土質判別システム。
13. 　前記作業機は、掘削作業時に、予め決められた動作をするように制御される、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の土質判別システム。
14. 　前記取得部は、前記作業機械に搭載される、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の土質判別システム。
15. 　前記土質は、先端がコーン形状の部品を地面にあてて、前記先端の反対側から前記部品に衝撃を与え、前記先端が所定の深さまで貫入するまでの回数に基づき得られた指標である、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の土質判別システム。
16. 　作業機械の作業機で掘削対象を掘削する掘削作業時に、前記作業機の動作に関連する動作データを取得することと、
    　前記動作データと前記掘削対象の土質との対応関係に基づき、前記動作データから前記土質を判別することと、を備える、土質判別方法。

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