作业机械的控制系统、作业机械以及作业机械的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及具备工作装置的作业机械的控制系统、作业机械W及作业机械的控制 方法。
【背景技术】
[0002] W往，在具备包括伊斗在内的前侧装置的建设机械中，提出有使伊斗沿着挖掘对 象的作为目标的地形移动而用于避免伊斗侵入作为目标的地形的控制（例如，专利文献 1)。
[0003] 在先技术文献
[0004] 专利文献
[0005] 专利文献1 :日本特开2013-217137号公报
【发明内容】
[0006] 发明要解决的课题
[0007] 然而，在W避免侵入作为目标的地形的方式控制工作装置时，有时出现不需要的 作为目标的地形。在运样的情况下，在工作装置急剧上升等与工作装置的操作不同的动作 中，操作人员有时感到不协调感。
[0008] 本发明的目的在于使工作装置按照操作人员的意图动作。
[0009] 用于解决课题的手段
[0010] 本发明的作业机械的控制系统是控制具备设有作业工具的工作装置的作业机械 的控制系统，所述作业机械的控制系统包括：位置检测部，其检测所述作业机械的位置信 息；生成部，其根据利用所述位置检测部检测到的所述位置信息求出所述工作装置的位置， 并且生成第一目标挖掘地形信息，该第一目标挖掘地形信息是表示目标形状的至少一个目 标施工面与第一切出面交叉的部分的信息，该第一切出面与所述工作装置进行动作的平面 即工作装置动作平面交叉且与铅垂方向平行；W及工作装置控制部，其根据从所述生成部 获取的所述第一目标挖掘地形信息来执行挖掘控制，将所述工作装置向挖掘对象接近的方 向的速度控制在限制速度W下。
[0011] 优选为，所述生成部生成第二目标挖掘地形信息，该第二目标挖掘地形信息是至 少一个所述目标施工面与所述工作装置动作平面或者平行于所述工作装置动作平面的第 二切出面交叉的部分的信息，所述工作装置控制部根据从所述设定部获取的所述第一目标 挖掘地形信息W及所述第二目标挖掘地形信息来执行所述挖掘控制。
[0012] 本发明的作业机械的控制系统是控制具备设有作业工具的工作装置的作业机械 的控制系统，所述作业机械的控制系统包括：位置检测部，其检测所述作业机械的位置信 息；生成部，其根据利用所述位置检测部检测到的所述位置信息求出所述工作装置的位置， 并且生成第一目标挖掘地形信息，该第一目标挖掘地形信息是第一切出面与表示目标形状 的第一目标施工面W及第二目标施工面交叉的部分的信息，所述第一切出面与所述工作装 置进行动作的平面即工作装置动作平面交叉且与铅垂方向平行，所述第二目标施工面与所 述第一目标施工面的侧方相连；W及工作装置控制部，其根据从所述生成部获取的所述第 一目标挖掘地形信息来执行挖掘控制，将所述工作装置向挖掘对象接近的方向的速度控制 在限制速度W下。
[0013] 优选为，所述生成部生成第二目标挖掘地形信息，所述第二目标挖掘地形信息是 所述第一目标施工面与所述工作装置动作平面或者平行于所述工作装置动作平面的第二 切出面交叉的部分的信息，所述工作装置控制部根据从所述设定部获取的所述第一目标挖 掘地形信息W及所述第二目标挖掘地形信息来执行所述挖掘控制。
[0014] 优选为，所述工作装置控制部根据所述第二目标挖掘地形信息来执行所述挖掘控 审IJ，根据所述第一目标挖掘地形信息使执行中的所述挖掘控制停止或者使停止中的所述挖 掘控制再次开始。
[0015] 优选为，在所述作业工具的正下方的所述第一目标挖掘地形信息的、所述作业机 械相对于水平面的角度为预先确定的大小W上的情况下，所述工作装置控制部使所述挖掘 控制停止。
[0016] 优选为，所述工作装置控制部根据所述作业工具的伊尖与所述第一目标挖掘地形 信息之间的最小距离来执行所述挖掘控制。
[0017] 优选为，所述工作装置控制部根据所述作业工具的伊尖与所述第一目标挖掘地形 信息之间的距离，来决定是否对与所述第一目标挖掘地形信息对应的目标施工面执行所述 挖掘控制。
[0018] 优选为，所述作业机械具备供所述工作装置安装且绕规定的轴线转动的回转体， 所述工作装置控制部在所述工作装置与所述回转体一起回转时执行所述挖掘控制。
[0019] 优选为，所述工作装置控制部根据将所述工作装置进行回转的方向上的目标速度 与所述作业工具的前后方向上的目标速度合成而得到的速度来执行所述挖掘控制。
[0020] 优选为，所述作业机械的控制系统具有配设于所述作业机械、用于检测角速度W 及加速度的检测装置，所述作业机械的控制系统使用所述检测装置检测到的所述工作装置 的回转速度来预测所述工作装置的位置。
[0021] 本发明的作业机械具备前述的作业机械的控制系统。
[0022] 本发明的作业机械的控制方法是控制具备设有作业工具的工作装置的作业机械 的控制方法，所述作业机械的控制方法如下：检测所述工作装置的位置；根据检测到的所 述位置的信息求出所述工作装置的位置，并且生成第一目标挖掘地形信息，所述第一目标 挖掘地形信息是表示目标形状的至少一个目标施工面与第一切出面交叉的部分的信息，所 述第一切出面与所述工作装置进行动作的平面即工作装置动作平面交叉且与铅垂方向平 行；根据所述第一目标挖掘地形信息将所述工作装置向挖掘对象接近的方向的速度控制在 限制速度W下。
[0023] 优选为，根据所述第一目标挖掘地形信息W及所述第二目标挖掘地形信息，将所 述工作装置向挖掘对象接近的方向的速度控制在限制速度W下，所述第二目标挖掘地形信 息是至少一个所述目标施工面与所述工作装置动作平面或者平行于所述工作装置动作平 面的第二切出面交叉的部分的信息。
[0024] 优选为，在将所述工作装置向挖掘对象接近的方向的速度控制在限制速度W下 时，根据所述作业工具的伊尖与所述第一目标挖掘地形信息之间的距离来决定是否对与所 述第一目标挖掘地形信息对应的目标施工面执行所述挖掘控制。
[0025] 优选为，在所述工作装置与配设于所述作业机械的所述回转体一起回转时执行所 述挖掘控制。
[00%] 本发明能够使工作装置按照操作人员的意图动作。
【附图说明】
[0027] 图1是实施方式1的作业机械的立体图。
[0028] 图2是示出液压挖掘机的驱动系统与控制系统的结构的框图。
[0029] 图3A是液压挖掘机的侧视图。
[0030] 图3B是液压挖掘机的后视图。
[0031] 图4是示出目标施工信息的一例的示意图。
[0032] 图5是示出工作装置控制器W及显示控制器的框图。
[0033] 图6是示出显示于显示部的目标挖掘地形的一例的图。
[0034] 图7是示出目标速度、垂直速度分量与水平速度分量之间的关系的示意图。
[0035] 图8是示出垂直速度分量与水平速度分量的计算方法的图。
[0036] 图9是示出垂直速度分量与水平速度分量的计算方法的图。
[0037] 图10是示出伊尖与目标挖掘地形之间的距离的示意图。
[0038] 图11是示出限制速度信息的一例的图。
[0039] 图12是示出动臂的限制速度的垂直速度分量的计算方法的示意图。
[0040] 图13是示出动臂的限制速度的垂直速度分量与动臂的限制速度之间的关系的示 意图。
[0041] 图14是示出伊尖的移动引起的动臂的限制速度的变化的一例的图。
[0042] 图15是示出液压挖掘机100所具备的液压系统300的详细结构的图。
[0043] 图16是示出挖掘槽时的伊斗与槽之间的关系的图。
[0044] 图17是示出挖掘槽时的伊斗与槽之间的关系的图。
[0045] 图18是示出挖掘槽时的伊斗与槽之间的关系的图。
[0046] 图19A是示出挖掘槽时的伊斗与槽之间的关系的图。
[0047] 图19B是示出挖掘槽时的伊斗与槽之间的关系的图。
[0048] 图20是用于对从目标挖掘地形切出前后方向目标挖掘地形数据的位置进行说明 的图。
[0049] 图21是用于对从目标挖掘地形切出前后方向目标挖掘地形数据的平面进行说明 的图。
[0050] 图22是用于对切出宽度方向目标挖掘地形数据的平面进行说明的图。
[0051] 图23是用于对切出宽度方向目标挖掘地形数据的平面进行说明的图。
[0052] 图24是示出挖掘槽时的目标挖掘地形与液压挖掘机的伊斗之间的关系的图。
[0053] 图25是示出挖掘槽时的控制例的流程图。
[0054] 图26是示出当正在挖掘槽时液压挖掘机的伊斗趋近槽壁的状态的图。
[0055] 图27是示出从液压挖掘机的后方观察伊斗时的状态的图。
[0056] 图28是用于对伊斗接近槽壁时的速度分量进行说明的图。
[0057] 图29是示出伊斗的伊尖与槽壁之间的距离的图。
[0058] 图30是用于对动臂的限制速度进行说明的图。
[0059] 图31是示出宽度方向上的挖掘控制的处理例的流程图。
[0060] 图32是示出基于将回转目标速度与前后方向的目标速度合成而得到的速度进行 的挖掘控制的处理的流程图。
[0061] 图33是求出前后方向的目标速度的方法的说明图。
[0062] 图34是示出求出将回转目标速度与前后方向的目标速度合成而得到的速度的方 法的图。
[0063] 图35是用于对伊斗向与侧壁对应的目标挖掘地形接近时的速度分量进行说明的 图。
[0064] 图36是用于对动臂限制速度进行说明的图。 W65] 图37是示出显示控制器、变形例的工作装置控制器W及传感器控制器的框图。
[0066] 图38A是不出液压挖掘机的姿态的图。
[0067] 图38B是示出液压挖掘机的姿态的图。
[0068] 图39是用于对预测修正部更新修正回转体方位数据的处理进行说明的流程图。
[0069] 图40是用于对与上部回转体的动作相应地执行的预测修正部的处理进行说明的 图。
【具体实施方式】
[0070] 参照附图对用于实施本发明的方式（实施方式）进行详细说明。 阳0川（实施方式1)
[0072] <作业机械的整体结构〉
[0073] 图1是实施方式1的作业机械的立体图。图2是示出液压挖掘机100的液压系统 300与控制系统200的结构的框图。作为作业机械的液压挖掘机100具有作为主体部的车 辆主体1与工作装置2。车辆主体1具有作为回转体的上部回转体3与作为行驶体的行驶 装置5。上部回转体3在发动机室3EG的内部收纳有作为动力产生装置的发动机W及液压 累等装置。发动机室3EG配置在上部回转体3的一端侧。 阳074] 在本实施方式中，在液压挖掘机100中，作为力产生装置的发动机使用例如柴油 发动机等内燃机，但动力产生装置不限定于此。液压挖掘机100的动力产生装置也可W为 例如将内燃机、发电电动机与蓄电装置组合而得到的所谓混合动力式的装置。另外，液压 挖掘机100的动力产生装置也可W不具有内燃机，通过将蓄电装置与发电电动机组合而得 到。
[00巧]上部回转体3具有驾驶室4。驾驶室4设置在上部回转体3的另一端侧。目P，驾驶 室4设置在与配置有发动机室3EG的一侧相反的一侧。在驾驶室4内配置有图2所示的显 示部29 W及操作装置25。显示部29 W及操作装置25之后叙述。在上部回转体3的上方 安装有扶手9。
[0076] 行驶装置5搭载上部回转体3。行驶装置5具有履带5a、5b。行驶装置5由设置 在左右的行驶马达5c的一方或者双方驱动，履带5曰、化旋转而使液压挖掘机100行驶。工 作装置2安装在上部回转体3的驾驶室4的侧方侧。
[0077] 液压挖掘机100也可W具备代替履带5a、化而具有轮胎的行驶装置，该行驶装置 通过将发动机的驱动力经由传动装置向轮胎传递而能够行驶。作为运样的方式的液压挖掘 机100,例如有轮式液压挖掘机。另外，液压挖掘机100也可W是例如反伊装载机，该反伊装 载机具备具有运样的轮胎的行驶装置，而且在车辆主体（主体部）上安装有工作装置，不具 备图1所示那样的上部回转体3 W及其回转机构。目P，反伊装载机在车辆主体上安装有工 作装置，且具备构成车辆主体的一部分的行驶装置。
[0078] 就上部回转体3而言，配置有工作装置2 W及驾驶室4的一侧是前方，配置有发动 机室3EG的一侧是后方（X方向）。朝向前方时，左侧是上部回转体3的左方，朝向前方时， 右侧是上部回转体3的右方。上部回转体3的左右方向也称作宽度方向（y方向）。就液压 挖掘机100或者车辆主体1而言，W上部回转体3作为基准，行驶装置5侧是下方，W行驶 装置5作为基准，上部回转体3侧是上方（Z方向）。在液压挖掘机100设置于水平面的情 况下，下方是铅垂方向、即重力的作用方向侧，上方是与铅垂方向相反的一侧。 阳079] 工作装置2具有动臂6、斗杆7、作为作业工具的伊斗8、动臂油缸10、斗杆油缸11 W及伊斗油缸12。动臂6的基端部经由动臂销13而W能够转动的方式安装在车辆主体1 的前部。斗杆7的基端部经由斗杆销14而W能够转动的方式安装在动臂6的前端部。在 斗杆7的前端部，经由伊斗销15而安装有伊斗8。伊斗8 W伊斗销15作为中屯、而转动。伊 斗8在与伊斗销15相反的一侧安装有多个伊8B。伊尖8T是伊8B的顶端。
[0080] 伊斗8也可W不具有多个伊8B。换句话说，也可W是不具有图1所示的伊8B而将 伊尖由钢板形成为直线形状的伊斗。工作装置2例如也可W具备具有单个伊的倾转伊斗。 倾转伊斗指的是如下伊斗：具备伊斗倾转油缸，通过使伊斗向左右倾转倾斜，从而液压挖掘 机即使处于倾斜地也能够将斜面、平地成形、平整为任意的形状，且还能够利用底板进行滚 压作业。除此之外，工作装置2也可W代替伊斗8而具备法面伊斗或者具有凿岩用的针头 的凿岩用的配件等。
[0081] 图1所示的动臂油缸10、斗杆油缸11与伊斗油缸12是分别由工作油的压力（W 下，酌情称作液压）驱动的液压缸。动臂油缸10驱动动臂6,使动臂6升降。斗杆油缸11 驱动斗杆7,绕斗杆销14转动。伊斗油缸12驱动伊斗8,绕伊斗销15转动。
[0082] 在动臂油缸10、斗杆油缸11 W及伊斗油缸12等液压缸与图2所示的液压累36、 37之间，设置有图2所示的方向控制阀64。方向控制阀64控制从液压累36、37向动臂油 缸10、斗杆油缸11 W及伊斗油缸12等供给的工作油的流量，并且切换工作油流动的方向。 方向控制阀64包括：行驶用方向控制阀，其用于驱动行驶马达5c ; W及工作装置用方向控 制阀，其用于控制动臂油缸10、斗杆油缸11、伊斗油缸12 W及使上部回转体3回转的回转 马达。
[0083] 当从操作装置25供给的、被调整为规定的先导压力的工作油使方向控制阀64的 滑柱动作时，能调整从方向控制阀64流出的工作油的流量，从而能控制从液压累36、37向 动臂油缸10、斗杆油缸11、伊斗油缸12、回转马达或者行驶马达5c供给的工作油的流量。 其结果，能控制动臂油缸10、斗杆油缸11 W及伊斗油缸12等的动作。
[0084] 另外，图2所示的工作装置控制器26通过控制图2所示的控制阀27来控制从操 作装置25向方向控制阀64供给的工作油的先导压力，因此，能控制从方向控制阀64向动 臂油缸10、斗杆油缸11、伊斗油缸12供给的工作油的流量。其结果，工作装置控制器26能 够控制动臂油缸10、斗杆油缸11 W及伊斗油缸12等的动作。
[00化]在上部回转体3的上部安装有天线21、22。天线21、22用于检测液压挖掘机 100的当前位置。天线21、22与图2所示的、用于检测液压挖掘机100的当前位置的作 为位置检测部的位置检测装置19电连接。位置检测装置19利用RTK-GNSS巧eal Time Kinematic-Global 化vigation Satellite Systems, GNSS 称作全球导航卫星系统）来检 测液压挖掘机100的当前位置。在W下说明中，将天线21、22酌情称作GNSS天线21、22。 与GNSS天线21、22接收到的GNSS电波相应的信号向位置检测装置19输入。位置检测装 置19检测GNSS天线21、22的设置位置。位置检测装置19例如包括=维位置传感器。
[0086] 如图1所示，GNSS天线21、22优选设置在上部回转体3之上，且设置在液压挖掘 机100的沿左右方向分离的两端位置。在实施方式中，GNSS天线21、22安装于分别设置在 上部回转体3的宽度方向两侧的扶手9。GNSS天线21、22安装于上部回转体3的位置不限 定于扶手9,但GNSS天线21、22设置在尽可能分离的位置的情况下，液压挖掘机100的当前 位置的检测精度有所提高，故而优选。另外，GNSS天线21、22优选设置在尽量不阻碍操作 人员的视野的位置。
[0087] 如图2所示，液压挖掘机100的液压系统300具备作为动力产生源的发动机35与 液压累36、37。液压累36、37由发动机35驱动，排出工作油。从液压累36、37排出的工作 油向动臂油缸10、斗杆油缸11与伊斗油缸12供给。另外，液压挖掘机100具备回转马达 38。回转马达38是液压马达，由从液压累36、37排出的工作油驱动。回转马达38使上部 回转体3回转。需要说明的是，在图2中，图示了两个液压累36、37,但也可W仅设置一个液 压累。回转马达38不局限于液压马达，也可W是电动马达。
[0088] 作为作业机械的控制系统的控制系统200包括位置检测装置19、全局坐标运算部 23、检测角速度W及加速度的作为检测装置的IMUQnedial Measurement化it :惯性计测 装置）24、操作装置25、作为工作装置控制部的工作装置控制器26、传感器控制器39、作为 生成部的显示控制器28 W及显示部29。操作装置25是用于操作图1所示的工作装置2的 装置。操作装置25接受用于驱动工作装置2的由操作人员进行的操作，输出与操作量相应 的工作油。
[0089] 例如，操作装置25具有设置在操作人员的左侧的左操作杆2化和配置在操作人员 的右侧的右操作杆25R。左操作杆25L W及右操作杆25R的前后左右的动作与两轴的动作 对应。例如，右操作杆25R的前后方向的操作与动臂6的操作对应。当向前方操作右操作 杆25R时，动臂6下降，当向后方操作右操作杆25R时，动臂6上升。与前后方向的操作相 应地执行动臂6的升降的动作。右操作杆25R的左右方向的操作与伊斗8的操作对应。当 向左侧操作右操作杆25R时，伊斗8进行挖掘，当向右侧操作右操作杆25R时，伊斗8进行 卸载。与左右方向的操作相应地执行伊斗8的挖掘或者释放动作。左操作杆25L的前后方 向的操作与斗杆7的操作对应。当向前方操作左操作杆25L时，斗杆7进行卸载，当向后方 操作左操作杆2化时，斗杆7进行挖掘。左操作杆25L的左右方向的操作与上部回转体3 的回转对应。当向左侧操作左操作杆2化时，上部回转体3左回转，当向右侧操作左操作杆 2化时，上部回转体3右回转。
[0090] 在本实施方式中，动臂6的上升动作相当于卸载动作。动臂6的下降动作相当于 挖掘动作。斗杆7的挖掘动作相当于下降动作。斗杆7的卸载动作相当于上升动作。伊斗 8的挖掘动作相当于下降动作。伊斗8的卸载动作相当于上升动作。需要说明的是，也可W 将斗杆7的下降动作称作弯曲动作。也可W将斗杆7的上升动作称作伸长动作。
[0091] 在本实施方式中，操作装置25使用先导液压式。利用未图示的减压阀降低至规定 的先导压力的工作油基于动臂操作、伊斗操作、斗杆操作W及回转操作从液压累36向操作 装置25供给。
[0092] 能够与右操作杆25R的前后方向的操作相应地向先导油路450供给先导油压，接 受操作人员对动臂6进行的操作。右操作杆25R所具备的阀装置与右操作杆25R的操作量 相应地打开，向先导油路450供给工作油。另外，压力传感器66检测此时的先导油路450内 的工作油的压力而作为先导压力。压力传感器66将检测到的先导压力作为动臂操作量MB 向工作装置控制器26发送。W下，将右操作杆25R的前后方向的操作量酌情称作动臂操作 量MB。在操作装置25与动臂油缸10之间的先导油路50中设置有压力传感器68、控制阀 (W下，酌情称作介入阀）27C W及梭形滑阀51。介入阀27C W及梭形滑阀51之后叙述。
[0093] 能够与右操作杆25R的左右方向的操作相应地向先导油路450供给先导油压，接 受操作人员对伊斗8进行的操作。右操作杆25R所具备的阀装置与右操作杆25R的操作量 相应地打开，向先导油路450供给工作油。另外，压力传感器66检测此时的先导油路450内 的工作油的压力而作为先导压力。压力传感器66将检测