作业机械的控制系统以及控制方法与流程

1.本公开涉及作业机械的控制系统以及控制方法。


背景技术：

2.以往，在推土机等作业机械中，提出了自动地调整工作装置的位置的控制。例如在专利文献1中，控制器决定目标设计面。目标设计面的至少一部分位于比现状地形靠下方。在作业机械前进的过程中，控制器使作业机械配合于目标设计面地上下移动。由此可挖掘现状地形。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2018－021348号公报


技术实现要素：

6.发明将要解决的课题
7.作业机械不仅有前进的情况，也有后退的情况。但是，在上述的技术中，关于后退时的作业机械的控制没有记载。
8.本公开的目的在于使作业机械的作业效率提高。
9.用于解决课题的手段
10.第一方式为一种包含工作装置的作业机械的控制系统，具备控制器。控制器在作业机械的后退过程中使工作装置按照工作装置的后退时的目标轨道动作。
11.第二方式为一种为了控制包含工作装置的作业机械而由处理器执行的方法。该方法包含在作业机械的后退过程中使工作装置按照后退时的目标轨道动作的步骤。
12.发明效果
13.根据本公开，在作业机械后退时，工作装置按照目标轨道动作。由此，能够提高作业机械的作业效率。
附图说明
14.图1是表示实施方式的作业机械的侧视图。
15.图2是表示作业机械的控制系统的构成的框图。
16.图3是示意地表示作业机械的侧视图。
17.图4是示意地表示作业机械的主视图。
18.图5是表示现状地形数据的俯视图。
19.图6是表示现状地形数据的侧视图。
20.图7是表示作业机械的前进控制的处理的流程图。
21.图8是表示作业机械的后退控制的处理的流程图。
22.图9是表示用于决定铲尖位置处的目标高度的方法的图。
23.图10是表示作业机械的后退时的动作的一个例子的图。
24.图11是表示控制系统的构成的第一变形例的框图。
25.图12是表示控制系统的构成的第二变形例的框图。
26.图13是表示作业机械的控制的第一变形例的图。
27.图14是表示作业机械的控制的第二变形例的图。
28.图15是表示作业机械的控制的第二变形例的图。
29.图16是表示作业机械的控制的第三变形例的图。
30.图17是表示作业机械的控制的第四变形例的图。
具体实施方式
31.以下，一边参照附图一边对实施方式的作业车辆进行说明。图1是表示实施方式的作业机械1的侧视图。本实施方式的作业机械1是推土机。作业机械1具备车身11、行驶装置12、及工作装置13。
32.车身11具有驾驶室14与发动机室15。在驾驶室14配置有未图示的驾驶座。发动机室15配置于驾驶室14的前方。行驶装置12安装于车身11的下部。行驶装置12具有左右的履带16。另外，在图1中，仅图示了左侧的履带16。履带16旋转，从而作业机械1行驶。
33.工作装置13安装于车身11。工作装置13包含提升框架17、推土铲18、提升缸19、及倾斜缸20。
34.提升框架17以能够以轴线x为中心上下动作的方式安装于车身11。轴线x沿车宽方向延伸。提升框架17支承推土铲18。推土铲18配置于车身11的前方。推土铲18伴随着提升框架17的动作上下移动。提升框架17也可以安装于行驶装置12。
35.提升缸19连结于车身11与提升框架17。提升缸19伸缩，使得提升框架17以轴线x为中心上下动作。倾斜缸20连结于车身11与推土铲18。倾斜缸20伸缩，使得推土铲18以轴线y为中心倾动。轴线y沿前后方向延伸。
36.图2是表示作业机械1的控制系统3的构成的框图。在本实施方式中，控制系统3搭载于作业机械1。如图2所示，作业机械1具备发动机22、液压泵23、及动力传递装置24。
37.液压泵23由发动机22驱动，排出工作油。从液压泵23排出的工作油向提升缸19与倾斜缸20供给。另外，在图2中，图示了一个液压泵23，但也可以设有多个液压泵。
38.动力传递装置24将发动机22的驱动力传递到行驶装置12。动力传递装置24例如也可以是hst(hydro static transmission)。或者，动力传递装置24例如也可以是变矩器或者具有多个变速齿轮的变速器。
39.控制系统3具备输入装置25、控制器26、及控制阀27。输入装置25配置于驾驶室14。输入装置25受理操作人员的操作，输出与操作相应的操作信号。输入装置25向控制器26输出操作信号。
40.输入装置25包含用于操作行驶装置12与工作装置13的操作杆、踏板、或者开关等操纵器。输入装置25也可以包含触摸面板。根据输入装置25的操作控制作业机械1的前进以及后退等行驶。根据输入装置25的操作控制工作装置13的上升以及下降等动作。根据输入装置25的操作控制工作装置13的倾斜角度。
41.控制器26被编程为基于取得的数据控制作业机械1。控制器26包含存储装置28与
处理器29。存储装置28包含rom等非易失性存储器与ram等易失性存储器。存储装置28也可以包含硬盘或者ssd(solid state drive)等辅助存储装置。存储装置28是非暂时性的(non
‑
transitory)计算机所能够读取的记录介质的一个例子。存储装置28存储有用于控制作业机械1的计算机指令以及数据。
42.处理器29例如是cpu(central processing unit)。处理器29按照程序执行用于控制作业机械1的处理。控制器26通过控制行驶装置12或者动力传递装置24，使作业机械1行驶。控制器26通过控制控制阀27，使推土铲18上下移动。控制器26通过控制控制阀27，使推土铲18进行倾斜动作。
43.控制阀27是比例控制阀，由来自控制器26的指令信号控制。控制阀27配置于提升缸19以及倾斜缸20等液压促动器、和液压泵23之间。控制阀27控制从液压泵23向提升缸19以及倾斜缸20供给的工作油的流量。控制器26生成向控制阀27的指令信号以使推土铲18动作。由此，提升缸19以及倾斜缸20被控制。另外，控制阀27也可以是压力比例控制阀。或者，控制阀27也可以是电磁比例控制阀。
44.控制系统3包含工作装置传感器34、35。工作装置传感器34、35取得工作装置位置数据。工作装置位置数据示出工作装置13相对于车身11的位置。详细地说，工作装置传感器34、35包含提升传感器34与倾斜传感器35。工作装置位置数据包含提升角θlift与倾斜角度θtilt。提升传感器34如图3所示，检测推土铲18的提升角θlift。例如提升传感器34检测提升缸19的行程长度。控制器26根据提升缸19的行程长度计算推土铲18的提升角θlift。或者，提升传感器34也可以是直接检测推土铲18的绕轴线x的旋转角度的传感器。
45.倾斜传感器35如图4所示，检测推土铲18的倾斜角度θtilt。例如提升传感器34检测倾斜缸20的行程长度。控制器26根据倾斜缸20的行程长度计算推土铲18的倾斜角度θtilt。或者，倾斜传感器35也可以是直接检测推土铲18的绕轴线y的旋转角度的传感器。
46.如图2所示，控制系统3包含姿势传感器32与位置传感器33。姿势传感器32输出表示车身11的姿势的姿势数据。姿势传感器32例如包含imu(惯性测量装置：inertial measurement unit)。姿势数据包含俯仰角与倾侧角。俯仰角是车身11的前后方向相对于水平的角度。倾侧角是车身11的车宽方向相对于水平的角度。姿势传感器32将姿势数据向控制器26输出。
47.位置传感器33例如包含gps(global positioning system)等gnss(global navigation satellite system)接收器。位置传感器33通过卫星接收定位信号，根据定位信号取得车身位置数据。车身位置数据示出车身11的全局坐标。全局坐标示出地理坐标系中的位置。位置传感器33将车身位置数据向控制器26输出。控制器26根据车身位置数据，获得作业机械1的行进方向与车速。
48.控制器26根据工作装置位置数据、车身位置数据、及姿势数据运算工作装置13的铲尖位置pb。详细地说，控制器26基于车身位置数据，计算车身11的全局坐标。控制器26基于工作装置位置数据与机械数据，计算铲尖位置pb相对于车身11的局部坐标。局部坐标示出以车身11为基准的坐标系中的位置。机械数据存储于存储装置28。机械数据包含作业机械1所含的多个构成要素的位置以及尺寸。即，机械数据示出工作装置13相对于车身11的位置。
49.控制器26基于车身11的全局坐标、铲尖位置pb的局部坐标、及姿势数据，计算铲尖
位置pb的全局坐标。控制器26取得铲尖位置pb的全局坐标作为铲尖位置数据。另外，位置传感器33也可以安装于推土铲18。在该情况下，铲尖位置pb也可以由位置传感器33直接取得。
50.控制器26取得现状地形数据。现状地形数据示出作业现场的现状地形。现状地形数据示出现状地形的三维测量图。图5是表示作业机械1的周围的现状地形50的俯视图。如图5所示，现状地形数据示出现状地形50上的多个地点pn(n是整数)的位置。多个地点pn是由网格划分的多个区域内的代表点。现状地形数据示出现状地形50上的多个地点pn的全局坐标。另外，在图5中，仅对多个地点pn的一部分标注附图标记，省略了其他部分的附图标记。
51.图6是现状地形50的侧面剖面图。在图6中，纵轴示出了地形的高度。横轴示出了作业机械1的行进方向上的距当前位置的距离。如图6所示，现状地形数据表示多个地点pn处的高度zn。多个地点pn按照规定间隔配置。规定间隔例如是1m。但是，规定间隔也可以是与1m不同的距离。
52.初期的现状地形数据预先保存于存储装置28。例如初期的现状地形数据也可以通过激光测量获得。控制器26在作业机械1的移动中，取得最新的现状地形数据，更新现状地形数据。详细地说，控制器26取得履带16所通过的现状地形50上的多个地点pn的高度。
53.详细地说，如图3以及图5所示，控制器26基于车身11的全局坐标与机械数据，取得履带16的底部的位置pc1、pc2。位置pc1是左侧的履带16的底部的位置。位置pc2是右侧的履带16的底部的位置。控制器取得履带16的底部的位置pc1、pc2作为履带16所通过的现状地形50上的多个地点pn的高度。
54.接下来，对由控制器26执行的作业机械1的自动控制进行说明。另外，作业机械1的自动控制也可以是与操作人员的手动操作结合而进行的半自动控制。例如也可以是作业机械1的前进与后退由操作人员操作，工作装置13的动作由控制器26自动控制。或者，作业机械1的自动控制也可以是在没有操作人员的手动操作的情况下进行的完全自动控制。
55.图7是表示作业机械1的自动控制的处理的流程图。如图7所示，在步骤s100中，控制器26判定作业机械1的行进方向。这里，控制器26基于来自输入装置25的信号，判定作业机械1正在前进还是后退。在作业机械1正在前进时，控制器26执行步骤s101以后所示的前进控制的处理。在步骤s101中，控制器26取得铲尖位置数据。这里，控制器26如上述那样取得推土铲18的当前的铲尖位置pb。
56.在步骤s102中，控制器26取得现状地形数据。例如控制器26从存储装置28读出作业机械1的前方的规定范围内的现状地形数据。
57.在步骤s103中，控制器26决定工作装置13的前进时的目标轨道70(以下，称作“前进目标轨道70”)。如图6所示，前进目标轨道70的至少一部分位于现状地形50的下方。前进目标轨道70示出作业中的推土铲18的铲尖的目标轨道。另外，在图6中，前进目标轨道70的整体位于比现状地形50靠下方。但是，前进目标轨道70的一部分也可以位于与现状地形50相同的高度、或者比现状地形50靠上方的位置。
58.例如控制器26将距现状地形50为规定距离的位于下方的平面决定为前进目标轨道70。但是，前进目标轨道70的决定方法并不限定于此，也可以变更。例如控制器26也可以将使现状地形50向下方位移规定距离的地形决定为前进目标轨道70。前进目标轨道70也可以水平。前进目标轨道70也可以在作业机械1的行进方向上相对于水平倾斜。前进目标轨道
70也可以在作业机械1的车宽方向上相对于水平倾斜。
59.在步骤s104中，控制器26按照前进目标轨道70使工作装置13动作。控制器26生成向工作装置13的指令信号，以使推土铲18的铲尖位置pb按照前进目标轨道70移动。控制器26将指令信号向控制阀27输出。由此，工作装置13按照前进目标轨道70动作。作业机械1一边前进一边使工作装置13按照前进目标轨道70动作。由此，通过工作装置13挖掘现状地形50。
60.在步骤s105中，控制器26更新现状地形数据。如上述那样，控制器26在作业机械1的前进过程中取得履带16所通过的现状地形50上的多个地点pn的高度。控制器26根据在前进中取得的多个地点pn的高度更新现状地形数据。
61.若作业机械1到达规定的反转位置，则作业机械1从前进切换为后退。在该情况下，在上述的步骤s100中，控制器26判定为作业机械1正在后退。在作业机械1后退中，控制器26执行图8所示的步骤s201以后所示的后退控制的处理。
62.如图8所示，在步骤s201中，控制器26取得铲尖位置数据。这里，控制器26如上述那样取得推土铲18的当前的铲尖位置pb。
63.在步骤s202中，控制器26取得现状地形数据。例如控制器26从存储装置28读出作业机械1的后方的规定范围内的现状地形数据。
64.在步骤s203中，控制器26更新现状地形数据。控制器26在作业机械1的后退过程中，取得履带16所通过的现状地形50上的多个地点pn的高度。控制器26根据在后退中取得的多个地点pn的高度更新现状地形数据。
65.在步骤s204中，控制器26决定工作装置13的后退时的目标轨道80(以下，称作“后退目标轨道80”)。控制器26基于所更新的现状地形50上的多个地点pn的高度，决定后退目标轨道80。详细地说，控制器26取得工作装置13的铲尖位置pb。如图5所示，铲尖位置pb是推土铲18的铲尖的车宽方向上的中点位置。控制器26基于铲尖位置pb的周围的多个地点pn的高度，决定后退目标轨道80。
66.例如，如图9所示，控制器26取得位于铲尖位置pb的前后左右的四个地点p(x1，y1)、p(x2，y1)、p(x1，y2)、p(x2，y2)的高度。根据四个地点p(x1，y1)、p(x2，y1)、p(x1，y2)、p(x2，y2)的高度计算铲尖位置pb处的目标高度。控制器26例如通过双线性增补，根据四个地点p(x1，y1)、p(x2，y1)、p(x1，y2)、p(x2，y2)的高度计算铲尖位置pb处的目标高度。
67.控制器26通过以下的式(1)计算铲尖位置pb处的目标高度。
68.zb＝{a1*z(x1，y1) a2*z(x1，y2) a3*z(x2，y1) a4*z(x2，y2)}/(a1 a2 a3 a4)(1)
69.zb是铲尖位置pb处的目标高度。z(x1，y1)、z(x2，y1)、z(x1，y2)、z(x2，y2)分别是铲尖位置pb的周围的多个地点p(x1，y1)、p(x2，y1)、p(x1，y2)、p(x2，y2)的高度。a1是区域b1的面积。a2是区域b2的面积。a3是区域b3的面积。a4是区域b4的面积。
70.控制器26计算铲尖位置pb处的目标高度zb，更新目标高度zb。在作业机械1后退的期间，控制器26重复执行目标高度zb的计算与后退。控制器26以使铲尖位置pb位于目标高度zb的方式决定后退目标轨道80。
71.控制器26在作业机械1的车宽方向上以与前进目标轨道70平行的方式决定后退目标轨道80。或者，控制器26也可以以在作业机械1的车宽方向上成为水平的方式决定后退目
标轨道80。或者，控制器26也可以以在作业机械1的车宽方向上相对于水平倾斜规定角度的方式决定后退目标轨道80。
72.在步骤s204中，控制器26使工作装置13按照后退目标轨道80动作。控制器26生成向工作装置13的指令信号，以使推土铲18的铲尖位置pb按照后退目标轨道80移动。控制器26将指令信号向控制阀27输出。由此，工作装置13按照后退目标轨道80动作。作业机械1一边后退一边使工作装置13按照后退目标轨道80动作。
73.例如如图10a所示，在作业机械1前进而进行挖掘时，有从推土铲18溢出的土100(以下，称作“料堆(windrow)100”)残留在现状地形50上的情况。在本实施方式的控制系统3中，作业机械1后退而移动到接下来的挖掘开始位置时，控制器26如图10b所示，决定后退目标轨道80。然后，如图10c所示，工作装置13按照后退目标轨道80动作，从而能够将料堆100去除。
74.在以上说明的本实施方式的作业机械1的控制系统3中，不仅在作业机械1的前进时，在后退时，工作装置13也按照后退目标轨道80动作。由此，能够提高作业机械1的作业效率。
75.以上，说明了一实施方式，但本发明并不限定于上述实施方式，能够在不脱离发明的主旨的范围进行各种变更。
76.作业机械1并不局限于推土机，也可以是轮式装载机、机动平地机、液压挖掘机等其他车辆。作业机械1也可以是由电动马达驱动的车辆。在该情况下，也可以省略发动机22以及发动机室15。
77.控制器26也可以具有相互独立的多个控制器。上述的处理也可以在多个控制器中分散执行。
78.作业机械1也可以是可远程操纵的车辆。在该情况下，控制系统3的一部分也可以配置于作业机械1的外部。例如如图11所示，控制器26也可以包含遥控器261与车载控制器262。遥控器261也可以配置于作业机械1的外部。例如遥控器261也可以配置于作业机械1的外部的管理中心。车载控制器262也可以搭载于作业机械1。
79.遥控器261与车载控制器262也可以是能够经由通信装置38、39通过无线进行通信。而且，也可以是上述的控制器26的功能的一部分由遥控器261执行，剩余的功能由车载控制器262执行。例如决定前进目标轨道70与后退目标轨道80的处理也可以由遥控器261执行。输出向工作装置13的指令信号的处理也可以由车载控制器262执行。
80.输入装置25也可以配置于作业机械1的外部。也可以从作业机械1中省略输入装置25。在该情况下，也可以从作业机械1中省略驾驶室。
81.现状地形50并不局限于上述的位置传感器33，也可以由其他装置取得。例如作业机械1也可以具备lidar(light detection and ranging)等测量装置。控制器26也可以基于测量装置测量到的现状地形50取得现状地形数据。
82.如图12所示，也可以由受理来自外部装置的数据的接口装置37取得现状地形50。接口装置37也可以通过无线接收外部的测量装置41测量到的现状地形数据。或者，接口装置37也可以是记录介质的读取装置。控制器26也可以经由记录介质受理外部的测量装置41测量到的现状地形数据。
83.在上述的实施方式中，控制器26以在车宽方向上与前进目标轨道70平行的方式决
定后退目标轨道80。但是，控制器26也可以根据输入装置25的手动操作变更工作装置13的倾斜角度。例如如图13a所示，有现状地形50相对于前进目标轨道70在车宽方向上倾斜的情况。在该情况下，操作人员也可以操作输入装置25，以使推土铲18的铲尖与现状地形50平行的方式通过手动变更工作装置13的倾斜角度。由此，如图13b所示，控制器26也可以根据手动操作变更工作装置13的倾斜角度。之后，如图13c所示，控制器26也可以在作业机械1的后退中一边将工作装置13保持为变更后的倾斜角度，一边根据后退目标轨道80使工作装置13上下动作。
84.后退目标轨道80的决定方法并不局限于上述的实施方式，也可以变更。例如控制器26也可以使上述的实施方式的目标高度zb在上下方向上位移规定距离。
85.控制器26也可以决定推土铲18的铲尖处的在车宽方向上分离的至少2点的位置处的目标高度zb。例如如图14所示，控制器26也可以决定铲尖的左端位置pbl的目标高度zbl(以下，称作“左目标高度zbl”)与右端位置pbr的目标高度zbr(以下，称作“右目标高度zbr”)。
86.控制器26也可以取得铲尖的左端位置pbl的周围的多个地点的高度。控制器26也可以与上述的实施方式的目标高度zb的决定方法相同地根据多个地点的高度计算左目标高度zbl。控制器26也可以取得铲尖的右端位置pbr的周围的多个地点的高度。控制器26也可以与上述的实施方式的目标高度zb的决定方法相同地根据多个地点的高度计算右目标高度zbr。
87.控制器26如图15所示，也可以根据左目标高度zbl与右目标高度zbr计算铲尖位置pb处的目标高度zb。控制器26也可以将左目标高度zbl与右目标高度zbr的平均值决定为铲尖位置pb处的目标高度zb。
88.另外，控制器26也可以根据左目标高度zbl与右目标高度zbr决定目标倾斜角度。控制器26也可以根据左目标高度zbl与右目标高度zbr之差计算目标倾斜角度。控制器26也可以以使推土铲18的倾斜角度成为目标倾斜角度的方式自动控制工作装置13。
89.控制器26也可以校正后退目标轨道80以使推土铲18的铲尖不会向下方越过前进目标轨道70。例如如图16a所示，有铲尖的左端位置pbl位于比前进目标轨道70靠下方的情况。铲尖的右端位置pbr位于比前进目标轨道70靠上方。
90.在该情况下，如图16b所示，控制器26也可以根据铲尖的右端位置pbr与前进目标轨道70的左端位置701决定目标倾斜角度。前进目标轨道70的左端位置701是铲尖的左端位置pbl所对应的前进目标轨道70上的位置。
91.或者，虽然省略图示，但有时铲尖的右端位置pbr位于比前进目标轨道70靠下方，铲尖的左端位置pbl位于比前进目标轨道70靠上方。在该情况下，控制器26也可以根据铲尖的左端位置pbl与前进目标轨道70的右端位置702决定目标倾斜角度。前进目标轨道70的右端位置702是铲尖的右端位置pbr所对应的前进目标轨道70上的位置。
92.如图17a所示，有时铲尖的左端位置pbl与右端位置pbr这两方位于比前进目标轨道70靠下方。在该情况下，如图17b所示，控制器26也可以根据前进目标轨道70的左端位置701与前进目标轨道70的右端位置702决定目标倾斜角度。
93.在上述的实施方式中，控制器26根据铲尖位置pb的周围的四个地点的高度决定后退目标轨道80。但是，用于决定后退目标轨道80的地点的数量也可以比四个少，或者也可以
比四个多。
94.或者，控制器26也可以基于前进目标轨道70决定后退目标轨道80。例如控制器26也可以在与前进目标轨道70相同的高度决定后退目标轨道80。或者，控制器26也可以将使前进目标轨道70上下位移后的轨道决定为后退目标轨道80。
95.前进控制不限于上述的实施方式，也可以变更。或者，也可以省略前进控制。例如也可以在前进时由操作人员手动地操作作业机械1。在该情况下，与上述的实施方式相同，控制器26也可以在前进中取得现状地形50。控制器26也可以基于在前进中取得的现状地形进行后退控制。
96.工业上的可利用性
97.根据本公开，能够提高作业机械的作业效率。
98.附图标记说明
[0099]1ꢀꢀꢀꢀ
作业机械
[0100]
13
ꢀꢀꢀ
工作装置
[0101]
26
ꢀꢀꢀ
控制器
[0102]
70
ꢀꢀꢀ
前进目标轨道(前进时的目标轨道)
[0103]
80
ꢀꢀꢀ
后退目标轨道(后退时的目标轨道)