JP2026036725A - 作業機械の制御システム、作業機械、作業機械の遠隔操作システム、及び作業機械の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業機に保持された積荷の崩れを抑制すること。
【解決手段】作業機械の制御システムは、プロセッサを備える。プロセッサは、作業機及び走行装置を有する作業機械を動作させるために操作された操作装置からの操作信号を受信し、作業機械の動作状態を示す車両状態パラメータに基づいて、作業機に保持された積荷が崩れない制約条件を算出し、制約条件に基づいて、操作信号を修正する。
【選択図】図７

Description

本開示は、作業機械の制御システム、作業機械、作業機械の遠隔操作システム、及び作業機械の制御方法に関する。

作業機械に係る技術分野において、特許文献１に開示されているような、ホイールローダの遠隔操作システムが知られている。特許文献１において、ホイールローダは、カメラ及びアンテナを有する。ホイールローダのオンボードコントローラは、アンテナを介してオフボードコントローラからのリモート信号を受信する。オフボードコントローラは、カメラからのカメラ画像を受信してディスプレイに表示させる。

欧州特許出願公開第３９２６１０７号明細書

作業機械は、オペレータにより操作される操作装置からの操作信号に基づいて動作する。操作装置が急激に操作されると、作業機械の状態が急激に変化する。作業機械の状態が急激に変化すると、作業機械の作業機に保持された積荷が崩れる可能性がある。

本開示は、作業機に保持された積荷の崩れを抑制することを目的とする。

本開示に従えば、プロセッサを備える作業機械の制御システムが提供される。プロセッサは、プロセッサは、作業機及び走行装置を有する作業機械を動作させるために操作された操作装置からの操作信号を受信し、作業機械の動作状態を示す車両状態パラメータに基づいて、作業機に保持された積荷が崩れない制約条件を算出し、制約条件に基づいて、操作信号を修正する。

本開示によれば、作業機に保持された積荷の崩れが抑制される。

図１は、第１実施形態に係る作業機械の遠隔操作システムを示す図である。 図２は、第１実施形態に係る作業機械及び操作装置を示す構成図である。 図３は、第１実施形態に係る車載コントローラを示すハードウエア構成図である。 図４は、第１実施形態に係る作業機械の制御システムを示すブロック図である。 図５は、第１実施形態に係る作業機のバケットに保持された積荷が崩れない制約条件を説明する図である。 図６は、第１実施形態に係る作業機のバケットに保持された積荷が崩れない制約条件を説明する図である。 図７は、第１実施形態に係る車載コントローラの処理を説明する図である。 図８は、第１実施形態に係る作業機械の動作を説明する図である。 図９は、第１実施形態に係る作業機械の制御方法を示すフローチャートである。 図１０は、第２実施形態に係る作業機械の制御方法を示すフローチャートである。 図１１は、第３実施形態に係る作業機械を上方から見た模式図である。 図１２は、第３実施形態に係る作業機械を上方から見た模式図である。

以下、本開示に係る本実施形態について図面を参照しながら説明するが、本開示は実施形態に限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

［第１実施形態］
第１実施形態について説明する。

＜遠隔操作システム＞
図１は、本実施形態に係る作業機械１の遠隔操作システム２００を示す図である。遠隔操作システム２００は、作業現場２０１に存在する作業機械１を遠隔操作する。遠隔操作システム２００の少なくとも一部は、作業機械１の外部に設けられた遠隔操作室２０２に配置される。遠隔操作システム２００は、操作装置７０と、表示装置８０と、入力装置８１と、遠隔コントローラ８２とを備える。

操作装置７０は、作業機械１の外部の遠隔操作室２０２に配置される。操作装置７０は、遠隔操作室２０２においてオペレータにより操作される。オペレータは、操縦シート８３に着座した状態で、操作装置７０を操作することができる。なお、オペレータは、可搬式の操作装置７００を操作してもよい。操作装置７００は、遠隔操作室２０２の外部で操作されてもよい。

表示装置８０は、作業機械１の外部の遠隔操作室２０２に配置される。表示装置８０として、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイのようなフラットパネルディスプレイが例示される。表示装置８０は、少なくとも作業現場２０１の画像を表示する。表示装置８０は、作業現場２０１の音声を出力してもよい。

オペレータは、表示装置８０に表示される作業現場２０１の画像を確認しながら、操作装置７０を操作する。作業機械１は、操作装置７０によって遠隔操作される。

入力装置８１は、作業機械１の外部の遠隔操作室２０２に配置される。入力装置８１は、遠隔操作室２０２においてオペレータにより操作される。入力装置８１として、コンピュータ用キーボード、タッチパネル、マウス、及び音声入力装置が例示される。

遠隔コントローラ８２は、作業機械１の外部の遠隔操作室２０２に配置される。遠隔コントローラ８２と作業機械１とは、通信システム２０３を介して通信する。通信システム２０３として、インターネット（internet）、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ：Local Area Network）、携帯電話通信網、及び衛星通信網が例示される。

＜作業機械＞
本実施形態において、作業機械１は、ホイールローダである。図１に示すように、作業機械１は、車体２と、アーティキュレートシリンダ７及び車輪４を含む走行装置５と、作業機６とを備える。作業機械１は、走行装置５により作業現場２０１を走行する。作業機械１は、作業現場２０１において作業機６を用いる作業を実施する。作業機械１が実施する作業として、掘削作業、積込作業、及び運搬作業が例示される。

車体２は、作業機６を支持する。車体２は、フロントフレーム２Ｆと、リヤフレーム２Ｒとを含む。フロントフレーム２Ｆは、リヤフレーム２Ｒよりも前方に配置される。フロントフレーム２Ｆとリヤフレーム２Ｒとは、アーティキュレート機構３を介して連結される。

走行装置５は、車体２を支持する。走行装置５は、車輪４及びアーティキュレートシリンダ７を含む。車輪４は、フロントフレーム２Ｆに装着される前輪４Ｆと、リヤフレーム２Ｒに装着される後輪４Ｒとを含む。車輪４は、タイヤを含む。アーティキュレートシリンダ７は、フロントフレーム２Ｆとリヤフレーム２Ｒとを連結する。アーティキュレートシリンダ７は、油圧シリンダである。アーティキュレートシリンダ７が伸縮することにより、フロントフレーム２Ｆは、リヤフレーム２Ｒに対して左右方向に屈曲する。フロントフレーム２Ｆがリヤフレーム２Ｒに対して屈曲することにより、作業機械１の走行方向が調整される。アーティキュレートシリンダ７は、作業機械１のステアリング装置の一例である。

作業機６は、車体２に支持される。作業機６は、フロントフレーム２Ｆに連結される。作業機６は、ブーム８と、バケット９と、ベルクランク１０と、バケットリンク１１と、ブームシリンダ１２と、バケットシリンダ１３とを有する。

ブーム８の基端部は、フロントフレーム２Ｆに回動可能に連結される。バケット９の基端部は、ブーム８の先端部に回動可能に連結される。ベルクランク１０の中間部は、ブーム８のブラケット１４に回動可能に連結される。ベルクランク１０の下端部は、バケットリンク１１の基端部に回動可能に連結される。バケットリンク１１の先端部は、バケット９のブラケット１５に回動可能に連結される。ベルクランク１０は、バケットリンク１１を介してバケット９に連結される。

バケット９は、掘削対象を掘削する作業部材である。バケット９は、他の作業部材と交換可能である。他の作業部材として、運搬対象を運搬するフォークが例示される。

ブーム８は、ブームシリンダ１２により動作する。ブームシリンダ１２は、油圧シリンダである。ブームシリンダ１２の基端部は、フロントフレーム２Ｆに連結される。ブームシリンダ１２の先端部は、ブーム８に連結される。バケット９は、バケットシリンダ１３により動作する。バケットシリンダ１３は、油圧シリンダである。バケットシリンダ１３の基端部は、フロントフレーム２Ｆに連結される。バケットシリンダ１３の先端部は、ベルクランク１０の上端部に連結される。

本実施形態において、作業機６は、掘削作業においてバケット９の開口部が前方を向くフロントローディング方式の作業機である。ブームシリンダ１２が伸縮することによって、ブーム８が上げ動作又は下げ動作する。バケットシリンダ１３が伸縮することによって、バケット９がチルト動作又はダンプ動作する。

＜作業機械及び操作装置の構成＞
図２は、本実施形態に係る作業機械１及び操作装置７０を示す構成図である。図２に示すように、作業機械１は、駆動機１６と、パワーテイクオフ（ＰＴＯ：Power Take Off）１７と、動力伝達装置１８と、車輪４と、ブレーキ装置１９と、ステアリングポンプ２０と、ステアリング制御弁２１と、アーティキュレートシリンダ７と、作業機ポンプ２２と、作業機制御弁２３と、ブームシリンダ１２と、バケットシリンダ１３と、位置センサ２４と、方位センサ２５と、速度センサ２６と、ステアリングセンサ２７と、作業機姿勢センサ２８と、外界センサ２９と、積荷センサ３０と、カメラ３１と、車載コントローラ３２と、を備える。走行装置５は、動力伝達装置１８と、ブレーキ装置１９と、車輪４と、アーティキュレートシリンダ７とを含む。

駆動機１６は、作業機械１の駆動源である。駆動機１６は、車体２に支持される。駆動機１６として、ディーゼルエンジン及び電気モータが例示される。パワーテイクオフ１７は、駆動機１６の駆動力を動力伝達装置１８とステアリングポンプ２０及び作業機ポンプ２２とに分配する。

動力伝達装置１８は、駆動機１６の駆動力を車輪４に伝達する。動力伝達装置１８は、作業機械１の走行速度及び進行方向を制御する。作業機械１の進行方向は、前進及び後進を含む。動力伝達装置１８は、トルクコンバータを有するトランスミッションでもよいし、複数の変速ギアを有するトランスミッションでもよい。ブレーキ装置１９は、走行する作業機械１を減速又は停止させる。

ステアリングポンプ２０は、駆動機１６が発生する駆動力によって動作する油圧ポンプである。ステアリングポンプ２０から吐出された作動油は、ステアリング制御弁２１を介して、アーティキュレートシリンダ７に供給される。ステアリング制御弁２１は、ステアリングポンプ２０からアーティキュレートシリンダ７に供給される作動油の流量及び方向を制御する。アーティキュレートシリンダ７は、ステアリングポンプ２０からの作動油により動作する。

作業機ポンプ２２は、駆動機１６が発生する駆動力によって動作する油圧ポンプである。作業機ポンプ２２から吐出された作動油は、作業機制御弁２３を介して、ブームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３のそれぞれに供給される。作業機制御弁２３は、作業機ポンプ２２からブームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３のそれぞれに供給される作動油の流量及び方向を制御する。作業機６は、作業機ポンプ２２からの作動油により動作する。作業機６は、作業機ポンプ２２からの作動油により動作する。

位置センサ２４は、作業機械１の位置を検出する。作業機械１の位置は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）を利用して検出される。全地球航法衛星システムは、全地球測位システム（ＧＰＳ：Global Positioning System）を含む。全地球航法衛星システムは、緯度、経度、及び高度の座標データで規定されるグローバル座標系の位置を検出する。グローバル座標系とは、地球に固定された座標系をいう。位置センサ２４は、ＧＮＳＳ受信機を含み、グローバル座標系における作業機械１の位置を示す作業機械１の絶対位置を検出する。

方位センサ２５は、作業機械１の方位を検出する。作業機械１の方位は、基準方位に対する方位角度を含む。方位センサ２５として、慣性センサ（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）が例示される。なお、方位センサ２５は、作業機械１に設けられた２本のＧＮＳＳアンテナにより検出される位置データから方位を算出する演算器を含んでもよい。演算器は、２本のＧＮＳＳアンテナを結ぶベクトルから方位を算出することができる。

速度センサ２６は、作業機械１の走行速度を検出する。速度センサ２６として、車輪４に連結されるドライブシャフトの回転速度を検出する磁気センサが例示される。

ステアリングセンサ２７は、作業機械１のステアリング角度及びステアリング角速度の一方又は両方を検出する。ステアリングセンサ２７として、アーティキュレートシリンダ７のストローク長を検出するシリンダストロークセンサ、及びリヤフレーム２Ｒに対するフロントフレーム２Ｆの角度を検出する角度センサが例示される。

作業機姿勢センサ２８は、作業機６の姿勢を検出する。作業機６の姿勢は、作業機６の角度及び高さを含む。作業機姿勢センサ２８は、ブーム８の姿勢を検出するブーム角度センサ２８Ａと、バケット９の姿勢を検出するバケット角度センサ２８Ｂとを含む。

ブーム８の姿勢は、ブーム８の角度及び高さを含む。ブーム角度センサ２８Ａは、ブーム８の角度を示すブーム角を検出する。ブーム角とは、作業機械１に規定されたローカル座標系における車体２に対するブーム８の角度をいう。ブーム８の長さは、既知である。ブーム角が検出されることにより、ブーム８の先端部の高さが算出される。ブーム角度センサ２８Ａとして、フロントフレーム２Ｆとブーム８との連結部に配置される角度センサが例示される。

バケット９の姿勢は、バケット９の角度及び高さを含む。バケット角度センサ２８Ｂは、バケット９の角度を示すバケット角を検出する。バケット角とは、作業機械１に規定されたローカル座標系におけるブーム８に対するバケット９の角度をいう。本実施形態において、バケット角度センサ２８Ｂは、ローカル座標系におけるブーム８に対するベルクランク１０の角度を示すベルクランク角を検出する。バケット角度センサ２８Ｂとして、ブーム８とベルクランク１０との連結部に配置される角度センサが例示される。バケット角とベルクランク角とは、１対１で対応する。バケット角度センサ２８Ｂは、ベルクランク角を検出する。ベルクランク角の検出データとブーム角の検出データとに基づいて、バケット角が算出される。バケット９の寸法は、既知である。バケット角が検出されることにより、バケット９の先端部の高さが算出される。バケット９の先端部は、バケット９の刃先を含む。

なお、作業機姿勢センサ２８は、角度センサに限定されない。作業機姿勢センサ２８は、シリンダストロークセンサでもよいし、慣性センサ（ＩＭＵ）のような傾斜センサでもよい。ブーム角度センサ２８Ａは、ブームシリンダ１２のストローク長を検出するシリンダストロークセンサでもよいし、ブーム８に取り付けられた傾斜センサでもよい。バケット角度センサ２８Ｂは、バケットシリンダ１３のストローク長を検出するシリンダストロークセンサでもよいし、バケット９に取り付けられた傾斜センサでもよい。

外界センサ２９は、作業機械１の周辺の物体を検出する。本実施形態において、外界センサ２９は、作業機械１の周辺の物体の３次元形状を検出する。外界センサ２９は、車体２の少なくとも一部に配置される。外界センサ２９として、レーザ光を射出することにより物体を検出するレーザセンサ（ＬｉＤＡＲ：Light Detection and Ranging）が例示される。なお、外界センサ２９は、電波を射出することにより物体を検出するレーダセンサ（ＲＡＤＡＲ：Radio Detection and Ranging）でもよいし、ステレオカメラでもよい。本実施形態において、外界センサ２９は、バケット９に保持された積荷の３次元形状を検出する。外界センサ２９は、作業機械１の周辺の障害物を検出する。

積荷センサ３０は、作業機６の積荷状態を検出する。積荷センサ３０は、バケット９が積荷を保持する積荷状態であるか又は積荷を保持しない空荷状態であるかを検出する。本実施形態において、積荷センサ３０は、作業機６の重量を検出する重量センサを含む。バケット９が積荷を保持する積荷状態と保持しない空荷状態とでは、作業機６の重量が異なる。積荷センサ３０は、作業機６の重量を検出することにより、作業機６が積荷状態であるか空荷状態であるかを検出することができる。積荷センサ３０として、ブームシリンダ１２のボトム圧を検出するボトム圧センサが例示される。

なお、外界センサ２９がレーザスキャナ又はステレオカメラのような３次元センサである場合、外界センサ２９の検出データに基づいて、バケット９に保持された積荷の重量が算出されてもよい。外界センサ２９が３次元センサを含む場合、バケット９に保持された積荷の３次元形状を検出することができる。車載コントローラ３２は、外界センサ２９により検出された積荷の３次元形状に基づいて、バケット９に保持された積荷の体積を推定することができる。積荷の密度が既知である場合、車載コントローラ３２は、推定した積荷の体積と積荷の密度とに基づいて、バケット９に保持された積荷の重量を算出することができる。なお、外界センサ２９は、カメラを含んでもよい。外界センサ２９がカメラを含む場合、バケット９に保持された積荷を撮像することができる。車載コントローラ３２は、積荷の画像データに基づいて、バケット９に保持された積荷の体積を推定することができる。

カメラ３１は、作業現場２０１を撮像する。カメラ３１は、少なくとも作業機械１の前方の作業現場２０１を撮像する。カメラ３１は、作業機６の少なくとも一部を撮像する。カメラ３１は、例えばリヤフレーム２Ｒに設けられたキャブに配置される。カメラ３１により撮像された画像データは、車載コントローラ３２及び通信システム２０３を介して、遠隔コントローラ８２に送信される。遠隔コントローラ８２は、カメラ３１により撮像された画像データを表示装置８０に表示させる。

操作装置７０は、オペレータにより操作される。操作装置７０は、オペレータにより操作されることにより、作業機械１を動作させるための操作信号を生成する。操作装置７０において生成された操作信号は、遠隔コントローラ８２及び通信システム２０３を介して、車載コントローラ３２に送信される。車載コントローラ３２は、遠隔コントローラ８２から送信された操作信号に基づいて、作業機械１を動作させるための制御指令を出力する。操作装置７０は、走行系操作装置７０Ａと、作業機操作装置７０Ｂとを含む。

走行系操作装置７０Ａは、駆動機１６、動力伝達装置１８、及びブレーキ装置１９の少なくとも一つを動作させるためにオペレータにより操作される。走行系操作装置７０Ａは、駆動機１６、動力伝達装置１８、及びブレーキ装置１９の少なくとも一つを動作させるための操作信号を生成する。走行系操作装置７０Ａは、アクセルペダル７１と、ブレーキペダル７２と、ステアリングホイール７３と、前後進切換レバー７４とを含む。

アクセルペダル７１が操作されると、作業機械１（走行装置５）が加速する。ブレーキペダル７２が操作されると、作業機械１（走行装置５）が減速する。ステアリングホイール７３が操作されると、作業機械１（走行装置５）が旋回する。前後進切換レバー７４が操作されると、作業機械１（走行装置５）の前後進が切り換えられる。

作業機操作装置７０Ｂは、作業機６を動作させるためにオペレータにより操作される。作業機操作装置７０Ｂは、作業機６を動作させるための操作信号を生成する。作業機操作装置７０Ｂは、ブームレバー７５と、バケットレバー７６とを含む。ブームレバー７５は、ブーム８を動作させるために操作される。バケットレバー７６は、バケット９を動作させるために操作される。

ブームレバー７５が操作されると、作業機制御弁２３のブーム用スプールが移動する。ブームレバー７５がブームレバー７５の中立位置から一方側に操作されて、ブーム用スプールがボトム位置に配置されると、ブームシリンダ１２が伸びる。ブームレバー７５がブームレバー７５の中立位置から他方側に操作されて、ブーム用スプールがロッド位置に配置されると、ブームシリンダ１２が縮む。ブーム用スプールが中立位置に配置されると、ブームシリンダ１２の伸縮が停止される。

バケットレバー７６が操作されると、作業機制御弁２３のバケット用スプールが移動する。バケット用スプールがボトム位置に配置されると、バケットシリンダ１３が伸びる。バケット用スプールがロッド位置に配置されると、バケットシリンダ１３が縮む。バケット用スプールが中立位置に配置されると、バケットシリンダ１３の伸縮が停止する。

入力装置８１は、オペレータにより操作される。入力装置８１は、オペレータにより操作されることにより、入力データを生成する。入力装置８１において生成された入力データは、遠隔コントローラ８２及び通信システム２０３を介して、車載コントローラ３２に送信される。

＜車載コントローラ＞
図３は、本実施形態に係る車載コントローラ３２を示すハードウエア構成図である。車載コントローラ３２は、コンピュータ３３を含む。コンピュータ３３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサ３４と、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリを含むメインメモリ３５と、ストレージ３６と、入出力回路を含む入出力インターフェース３７と、通信回路を含む通信インターフェース３８とを有する。車載コントローラ３２の機能は、コンピュータプログラム３９としてストレージ３６に記憶されている。プロセッサ３４は、コンピュータプログラム３９をストレージ３６から読み出してメインメモリ３５に展開し、コンピュータプログラム３９に従って処理を実行する。なお、コンピュータプログラム３９は、ネットワークを介してコンピュータ３３に配信されてもよい。

遠隔コントローラ８２も、コンピュータを含む。車載コントローラ３２と同様、遠隔コントローラ８２は、プロセッサと、メインメモリと、ストレージと、入出力インターフェースと、通信インターフェースとを有する。

＜制御システム＞
図４は、本実施形態に係る作業機械１の制御システム１００を示すブロック図である。制御システム１００は、遠隔コントローラ８２と、車載コントローラ３２を含む。位置センサ２４、方位センサ２５、速度センサ２６、ステアリングセンサ２７、作業機姿勢センサ２８、外界センサ２９、及び積荷センサ３０のそれぞれの検出データは、車載コントローラ３２に送信される。操作装置７０からの操作指令は、通信システム２０３を介して、車載コントローラ３２に送信される。入力装置８１からの入力データは、通信システム２０３を介して、車載コントローラ３２に送信される。車載コントローラ３２は、走行装置５及び作業機６のそれぞれに制御指令を送信する。

図４に示すように、車載コントローラ３２は、操作信号受信部４０と、制約条件算出部４１と、制御指令部４２とを有する。操作信号受信部４０、制約条件算出部４１、及び制御指令部４２のそれぞれは、上述のプロセッサ３４を含むコンピュータ３３により実現される。

操作信号受信部４０は、作業機械１を動作させるために操作された操作装置７０からの操作信号を受信する。操作信号受信部４０は、通信システム２０３を介して、操作装置７０からの操作信号を受信する。

制約条件算出部４１は、作業機械１の安定性を維持するための制約条件を算出する。本実施形態において、作業機械１の安定性を維持するための制約条件は、走行装置５の走行において作業機６のバケット９に保持された積荷が崩れない制約条件を含む。本実施形態において、バケット９に保持される積荷は、土砂を含む。バケット９に保持された積荷（土砂）が崩れないことは、積荷がバケット９からこぼれないこと、又は積荷がバケット９から落下しないことを意味する。

制約条件算出部４１は、位置センサ２４の検出データ、方位センサ２５の検出データ、速度センサ２６の検出データ、ステアリングセンサ２７の検出データ、作業機姿勢センサ２８の検出データ、外界センサ２９の検出データ、及び積荷センサ３０の検出データのそれぞれを取得する。また、制約条件算出部４１は、通信システム２０３を介して、入力装置８１からの入力データを取得する。

制約条件算出部４１は、少なくとも車両状態パラメータに基づいて、作業機６のバケット９に保持された積荷が崩れない制約条件を算出する。実施形態において、制約条件算出部４１は、車両状態パラメータと積荷パラメータとに基づいて、作業機６のバケット９に保持された積荷が崩れない制約条件を算出する。制約条件算出部４１は、検出データ及び入力データの一方又は両方を取得することにより、車両状態パラメータ及び積荷パラメータを取得することができる。

車両状態パラメータは、作業機械１の動作状態を示す。車両状態パラメータは、作業機械１の位置、作業機械１の姿勢（傾斜角度）、作業機械１の前進加速度、作業機械１の横加速度、作業機６の位置（高さ）、作業機６の姿勢（角度）、作業機６の動作速度、及び作業機６の動作加速度を含む。制約条件算出部４１は、位置センサ２４の検出データを取得することにより、作業機械１の位置を取得することができる。方位センサ２５が慣性センサ（ＩＭＵ）である場合、制約条件算出部４１は、方位センサ２５の検出データを取得することにより、作業機械１の姿勢及び前進加速度を取得することができる。制約条件算出部４１は、速度センサ２６の検出データとステアリングセンサ２７の検出データとに基づいて、作業機械１の横加速度を推定することができる。制約条件算出部４１は、作業機姿勢センサ２８の検出データに基づいて、作業機６の位置、作業機６の姿勢、作業機６の動作速度、及び作業機６の動作加速度のそれぞれを算出することができる。

積荷パラメータは、作業機６のバケット９に保持された積荷の状態を示す。積荷の状態は、バケット９に保持された積荷の質量、積荷の慣性テンソル、及び積荷の重心位置を含む。制約条件算出部４１は、積荷センサ３０の検出データを取得することにより、積荷の質量を取得することができる。制約条件算出部４１は、外界センサ２９の検出データに基づいて、積荷の慣性テンソル及び重心位置を算出することができる。外界センサ２９は、バケット９に保持された積荷の３次元形状を検出することができる。積荷の密度が一定であると仮定した場合、制約条件算出部４１は、外界センサ２９により検出された積荷の３次元形状に基づいて、積荷の慣性テンソル及び重心位置を算出することができる。なお、積荷パラメータは、入力装置８１から制約条件算出部４１に入力されてもよい。

制御指令部４２は、作業機械１を動作させるための制御指令を出力する。制御指令部４２は、制約条件算出部４１により算出された制約条件を満足するように、作業機械１を動作させるための制御指令を出力する。走行装置５及び作業機６のそれぞれは、制御指令部４２から出力された制御指令に基づいて動作する。

＜制約条件＞
図５及び図６のそれぞれは、本実施形態に係る作業機６のバケット９に保持された積荷が崩れない制約条件を説明する図である。制約条件算出部４１は、作業機械１の走行において作業機６のバケット９に保持された積荷が崩れない制約条件を算出する。

本実施形態において、制約条件を算出するための積荷パラメータは、積荷である土砂の性状を示す土質パラメータを含む。制約条件算出部４１は、バケット９に保持された積荷に作用する慣性力と、バケット９に保持された積荷の形状と、バケット９に保持された積荷の性状を示す土質パラメータとに基づいて、制約条件を算出する。本実施形態において、制約条件算出部４１は、モールの破壊基準に基づいて、バケット９に保持された積荷が崩れない制約条件を算出する。

図５に示すように、作業機械１の走行において作業機械１が加減速することにより、バケット９に保持された積荷に前後方向の慣性力Ｆａが作用する。作業機械１の走行において作業機械１が旋回することにより、バケット９に保持された積荷に左右方向の慣性力Ｆｂ（遠心力）が作用する。バケット９に保持された積荷に作用する慣性力Ｆは、慣性力Ｆａと慣性力Ｆｂとの合力である。

本実施形態において、土質パラメータは、土砂の粘着力ｃ［Ｎ／ｍ^２］、土砂の内部摩擦角φ［°］、及び土砂の密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］を含む。なお、土質パラメータは、入力装置８１から入力されてもよい。

なお、制約条件算出部４１は、バケット９に保持された土砂の３次元形状（体積）と、バケット９に保持された土砂の重量とに基づいて、土砂の密度ρを算出してもよい。外界センサ２９は、バケット９に保持された土砂の３次元形状（体積）を検出可能である。積荷センサ３０は、バケット９に保持された土砂の重量を検出可能である。

図６に示すように、モールの破壊基準においては、バケット９に保持された土砂にすべり面が設定される。すべり面と最小主応力（水平面）とがなす角度θは、任意に設定される。慣性力Ｆは、角度θと、作業機械１の走行速度ｖ［ｍ／ｓｅｃ］と、作業機械１の加速度ａ［ｍ／ｓｅｃ^２］と、ステアリング角度δ［ｒａｄ］との関数である。慣性力Ｆ［θ，ｖ，ａ，δ］は、すべり面上部の土砂に作用する慣性力である。

バケット９に保持された積荷の形状は、バケット９の開口と、バケット９の開口よりも外側に配置される土砂とバケット９の開口との接点を通りバケット９の開口よりも外側に配置された土砂の表面の接線とがなす角度θｍａｘを含む。角度θｍａｘは、外界センサ２９により検出される。

すべり面上部の土砂に作用する重力Ｗは、角度θの関数である。制約条件算出部４１は、外界センサ２９により検出された土砂の３次元形状（すべり面上部の土砂の体積）と、土砂の密度ρとに基づいて、重力Ｗ（θ）を算出することができる。

すべり面の面積Ａは、角度θの関数である。制約条件算出部４１は、外界センサ２９により検出された土砂の３次元形状に基づいて、面積Ａ（θ）を算出することができる。

すべり面に垂直応力σ及びせん断応力τが作用する。すべり面に作用する垂直応力σは、以下の（１）式に示すつり合い式により表される。

本実施形態において、バケット９に保持された積荷が崩れない制約条件は、すべり面において土砂のすべりが発生しない条件である。すべり面において土砂のすべりが発生しない条件は、以下の（２）式により表される。

制御指令部４２は、［０＜θ＜θｍａｘ］の範囲において、上述の（２）式の条件を満足するように、制御指令を算出する。

なお、制約条件算出部４１は、作業現場２０１の地形を考慮して、バケット９に保持された積荷が崩れない制約条件を算出してもよい。すなわち、制約条件算出部４１は、作業現場２０１の地面の傾斜角度を考慮して、制約条件を決定してもよい。作業現場２０１の地面が斜面を含む場合、作業機械１が斜面を走行すると、バケット９に保持された積荷が崩れ易い可能性がある。そのため、制約条件算出部４１は、作業現場２０１の地面の傾斜角度を考慮して、制約条件を決定してもよい。

＜介入制御＞
図７は、本実施形態に係る車載コントローラ３２の処理を説明する図である。制御指令部４２は、制約条件に基づいて、操作装置７０からの操作信号を修正する。本実施形態において、制御指令部４２は、作業機械１の介入制御を実施する。操作信号を修正することは、介入制御を実施することを含む。

介入制御とは、操作装置７０が操作されている状態で、作業機械１が予め定められた規定動作条件で動作しない場合、作業機械１が規定動作条件で動作するように、作業機械１を制御することをいう。本実施形態において、規定動作条件は、積荷が崩れない制約条件を満足する動作条件である。すなわち、本実施形態において、介入制御とは、操作信号受信部４０が操作装置７０からの操作信号を受信している状態で、作業機械１が制約条件を満足していない場合、操作装置７０からの操作信号に関わらずに、作業機械１が制約条件を満足するように、制御指令部４２が制御指令を出力することをいう。

制御指令部４２は、操作装置７０からの操作信号に基づいて作業機械１が動作している状態で、作業機械１が制約条件を満足すると判定した場合、介入制御しない。すなわち、制御指令部４２は、操作信号受信部４０が操作装置７０からの操作信号を受信している状態で、作業機械１が制約条件を満足すると判定した場合、操作装置７０からの操作信号に基づいて、作業機械１を動作させるための制御指令を出力する。

制御指令部４２は、操作装置７０からの操作信号に基づいて作業機械１が動作している状態で、作業機械１が制約条件を満足しないと判定した場合、介入制御する。すなわち、制御指令部４２は、操作信号受信部４０が操作装置７０からの操作信号を受信している状態で、作業機械１が制約条件を満足しないと判定した場合、操作装置７０からの操作信号に関わらずに、作業機械１が制約条件を満足するように、作業機械１を動作させるための制御指令を出力する。

以下の説明において、操作装置７０からの操作信号が受信されている状態で作業機械１が制約条件を満足すると判定された場合、操作装置７０からの操作信号に基づいて制御指令部４２から出力される制御指令を適宜、手動操作指令、と称する。操作装置７０からの操作信号が受信されている状態で作業機械１が制約条件を満足しないと判定された場合、操作装置７０からの操作信号に関わらずに制御指令部４２から出力される制御指令を適宜、介入制御指令、と称する。

走行系操作装置７０Ａが急激に操作されると、作業機械１の状態が急激に変化する。作業機械１の状態は、作業機械１（走行装置５）の走行状態を含む。走行状態の急激な変化は、作業機械１の急加速、急減速、及び急旋回の少なくとも一つを含む。アクセルペダル７１が急激に操作された場合、作業機械１が急加速する。ブレーキペダル７２が急激に操作された場合、作業機械１が急減速する。ステアリングホイール７３が急激に操作された場合、作業機械１が急旋回する。バケット９に積荷が保持されている状態で、走行系操作装置７０Ａが急激に操作され、作業機械１の状態が急激に変化した場合、作業機械１は制約条件を満足しない可能性が高い。作業機械１が急加速したり急減速したり急旋回したりするように走行系操作装置７０Ａが操作された場合、バケット９に保持された積荷が崩れる可能性が高い。

本実施形態において、制御指令部４２は、バケット９に積荷が保持され且つ操作信号受信部４０が操作装置７０からの操作信号を受信している状態で、作業機械１が制約条件を満足しないと判定した場合、作業機械１が制約条件を満足するように、走行装置５を介入制御する。制御指令部４２は、バケット９に保持された積荷が崩れるように走行系操作装置７０Ａ及び作業機操作装置７０Ｂの少なくとも一方が操作された場合、積荷が崩れないように、走行装置５に介入制御指令を出力する。本実施形態において、制御指令部４２は、［０＜θ＜θｍａｘ］の範囲において、上述の（２）式の条件を満足するように、介入制御指令を出力する。

走行系操作装置７０Ａの操作量に基づいて、走行系操作装置７０Ａからの操作信号の値が変化する。制御指令部４２は、走行系操作装置７０Ａからの操作信号の値を示す操作信号値に基づいて、手動操作指令の値を示す手動操作指令値を算出する。操作信号値と手動操作指令値とは、１対１で対応する。走行系操作装置７０Ａの操作量が大きく、操作信号値が大きいほど、手動操作指令値が大きくなる。走行系操作装置７０Ａが急激に操作され、操作信号値の変化率が大きいほど、手動操作指令値の変化率が大きくなる。

アクセルペダル７１からの操作信号値が大きいほど、作業機械１を加速させるための手動操作指令値が大きくなり、作業機械１の走行速度が高くなる。アクセルペダル７１が急激に操作され、アクセルペダル７１からの操作信号値の変化率が大きいほど、作業機械１を加速させるための手動操作指令値の変化率が大きくなり、作業機械１が急加速する。

ブレーキペダル７２からの操作信号値が大きいほど、作業機械１を減速させるための手動操作指令値が大きくなり、作業機械１の走行速度が低くなる。ブレーキペダル７２が急激に操作され、ブレーキペダル７２からの操作信号値の変化率が大きいほど、作業機械１を減速させるための手動操作指令値の変化率が大きくなり、作業機械１が急減速する。

ステアリングホイール７３からの操作信号値が大きいほど、作業機械１を旋回させるための手動操作指令値が大きくなり、作業機械１の旋回半径が小さくなる。ステアリングホイール７３からの操作信号値の変化率が大きいほど、作業機械１を旋回させるための手動操作指令値の変化率が大きくなり、作業機械１が急旋回する。

制御指令部４２は、作業機械１が制約条件を満足しないと判定した場合、制約条件を満足する制御指令値の範囲において、操作信号値に基づいて算出される手動制御指令の値に最も近い値の介入制御指令を出力する。すなわち、制御指令部４２は、作業機械１が制約条件を満足しないと判定した場合、制約条件を満足する制御指令値の範囲において、手動制御指令の値を示す手動制御指令値と介入制御指令の値である介入制御指令値との差が最も小さくなるように、介入制御指令を出力する。制御指令部４２は、制約条件を満足する制御指令値の範囲において、介入制御指令値が最も高い制御指令値になるように、介入制御指令を出力する。

例えばアクセルペダル７１が急激に操作され、バケット９に保持された積荷が崩れると判定した場合、制御指令部４２は、アクセルペダル７１からの操作信号に関わらずに、作業機械１の急加速が緩和されるように、介入制御指令を出力する。制御指令部４２は、アクセルペダル７１からの操作信号に基づいて算出した加速度よりも小さく、且つ、制約条件を満足する加速度の範囲において最も大きい加速度で作業機械１が加速するように、走行装置５に介入制御指令を出力する。一方、アクセルペダル７１からの操作信号に基づいて算出した加速度で作業機械１が加速したときにバケット９に保持された積荷が崩れないと判定した場合、制御指令部４２は、アクセルペダル７１からの操作信号に基づいて、作業機械１を加速させるための手動制御指令を出力する。

例えばブレーキペダル７２が急激に操作され、バケット９に保持された積荷が崩れると判定した場合、制御指令部４２は、ブレーキペダル７２からの操作信号に関わらずに、作業機械１の急減速が緩和されるように、介入制御指令を出力する。制御指令部４２は、ブレーキペダル７２からの操作信号に基づいて算出した減速度よりも小さく、且つ、制約条件を満足する減速度の範囲において最も大きい減速度で作業機械１が減速するように、走行装置５に介入制御指令を出力する。一方、ブレーキペダル７２からの操作信号に基づいて算出した減速度で作業機械１が減速したときにバケット９に保持された積荷が崩れないと判定した場合、制御指令部４２は、ブレーキペダル７２からの操作信号に基づいて、作業機械１を減速させるための手動制御指令を出力する。

例えばステアリングホイール７３が急激に操作され、バケット９に保持された積荷が崩れると判定した場合、制御指令部４２は、ステアリングホイール７３からの操作信号に関わらずに、作業機械１の急旋回が緩和されるように、介入制御指令を出力する。制御指令部４２は、ステアリングホイール７３の操作信号に基づいて算出した旋回半径の変化率よりも小さく、且つ、制約条件を満足する旋回半径の変化率の範囲において最も大きい旋回半径の変化率で作業機械１が旋回するように、走行装置５に介入制御指令を出力する。一方、ステアリングホイール７３からの操作信号に基づいて算出した旋回半径の変化率で作業機械１が旋回したときにバケット９に保持された積荷が崩れないと判定した場合、制御指令部４２は、ステアリングホイール７３からの操作信号に基づいて、作業機械１を旋回させるための手動制御指令を出力する。

例えば作業機操作装置７０Ｂが急激に操作され、バケット９に保持された積荷が崩れると判定した場合、制御指令部４２は、走行系操作装置７０Ａからの操作信号に関わらずに、作業機械１が制約条件を満足するように、走行装置５に介入制御指令を出力する。制御指令部４２は、制約条件を満足する制御指令値の範囲において、走行系操作装置７０Ａからの操作信号に基づいて算出された手動制御指令値と走行装置５を介入制御するための介入制御指令値との差が最も小さくなるように、走行装置５に介入制御指令を出力する。一方、走行系操作装置７０Ａ及び作業機操作装置７０Ｂからの操作信号に基づいて算出した動作条件で作業機械１が動作したときにバケット９に保持された積荷が崩れないと判定した場合、制御指令部４２は、走行系操作装置７０Ａ及び作業機操作装置７０Ｂからの操作信号に基づいて、作業機械１を動作させるための手動制御指令を出力する。

なお、制御指令部４２は、作業機械１が制約条件を満足しないと判定した場合、制約条件を満足するように、作業機６を介入制御してもよい。例えば作業機操作装置７０Ｂが急激に操作され、バケット９に保持された積荷が崩れると判定した場合、制御指令部４２は、作業機操作装置７０Ｂからの操作信号に基づいて算出した作業機６の動作加速度よりも小さく、且つ、制約条件を満足する作業機６の動作加速度の範囲において最も大きい動作加速度で作業機６が動作するように、作業機６に介入制御指令を出力する。走行装置５が急加速したり急減速したり急旋回したりしても、作業機６の位置又は姿勢が介入制御指令により調整されることにより、バケット９に保持された積荷が崩れることが抑制される。

すなわち、制御指令部４２は、作業機械１が制約条件を満足しないと判定した場合、制約条件を満足するように、走行装置５のみを介入制御してもよいし、作業機６のみを介入制御してもよいし、走行装置５及び作業機６の両方を介入制御してもよい。

なお、介入制御指令が出力されている場合、介入制御指令が出力されていることがオペレータに通知されてもよい。例えば遠隔操作室２０２に発光装置及び音声出力装置のような通知装置が配置されてもよい。制御指令部４２から介入制御指令が出力されている場合、通知装置は、制御指令部４２から出力される介入制御指令に基づいて、光又は音を出力して、介入制御指令が出力されていることをオペレータに通知してもよい。オペレータは、通知装置からの通知データに基づいて、作業機械１が介入制御されていることを認識することができる。

＜障害物が検出された場合の処理＞
図８は、本実施形態に係る作業機械１の動作を説明する図である。作業機械１は、外界センサ２９を備える。外界センサ２９は、作業機械１の周辺の障害物を検出する。外界センサ２９は、例えばリヤフレーム２Ｒに配置される。外界センサ２９は、作業機械１の進行方向の障害物を検出する。図８に示す例において、外界センサ２９は、前進する作業機械１の前方の障害物を検出する。なお、作業機械１が後進する場合、作業機械１の後方の障害物を検出する外界センサ２９が作業機械１に設けられてもよい。

制御指令部４２は、外界センサ２９の検出データに基づいて、作業機械１が障害物に接触する可能性があると判定した場合、操作装置７０からの操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する。制御指令部４２は、作業機械１が制約条件を満足しないと判定しても、作業機械１が障害物に接触する可能性があると判定した場合、介入制御指令を出力せずに、操作装置７０からの操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する。

オペレータが作業機械１と障害物との接触を抑制するためにブレーキペダル７２を急激に操作した場合、制約条件を満足させるための介入制御指令が出力され、走行装置５の急減速が緩和されると、作業機械１が障害物に接触する可能性がある。オペレータが作業機械１と障害物との接触を抑制するためにステアリングホイール７３を急激に操作した場合、制約条件を満足させるための介入制御指令が出力され、走行装置５の急旋回が緩和されてしまうと、作業機械１が障害物に接触する可能性がある。制御指令部４２は、外界センサ２９の検出データに基づいて、作業機械１が障害物に接触する可能性があると判定した場合、介入制御指令を出力せず、操作装置７０からの操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する。操作装置７０からの操作信号に基づいて手動制御指令が出力されることにより、作業機械１と障害物との接触が回避される。

なお、作業機械１は、障害物との接触を防止する衝突防止機能を有してもよい。制御指令部４２は、外界センサ２９の検出データに基づいて、作業機械１が障害物に接触する可能性があると判定した場合、作業機械１と障害物との接触が回避されるように、すなわち、衝突防止機能が発揮されるように、走行装置５を制御してもよい。制御指令部４２は、作業機械１と障害物との接触が回避されるように、走行装置５を減速させたり、走行装置５の走行を停止させたり、走行装置５を旋回させたりしてもよい。作業機械１が、積荷の崩れを防止する荷崩れ防止機能と、作業機械１と障害物との接触を防止する衝突防止機能とを有する場合、衝突防止機能と荷崩れ防止機能が干渉しないように、荷崩れ防止機能がオフされてもよい。作業機械１が荷崩れ防止機能と衝突防止機能とが存在する場合、衝突防止機能が優先されてもよい。作業機械１が荷崩れ防止機能を有し、衝突防止機能を有しない場合、制御指令部４２は、荷崩れ防止機能が発揮されるように、操作信号に基づいて、手動制御指令を出力してもよい。

＜制御方法＞
図９は、本実施形態に係る作業機械１の制御方法を示すフローチャートである。操作信号受信部４０は、通信システム２０３を介して、作業機械１を動作させるために操作された操作装置７０からの操作信号を受信する（ステップＳＡ１）。

制約条件算出部４１は、積荷センサ３０の検出データに基づいて、バケット９に積荷が保持されているか否かを判定する（ステップＳＡ２）。

ステップＳＡ２において、バケット９に積荷が保持されていると判定した場合（ステップＳＡ２：Ｙｅｓ）、制約条件算出部４１は、作業機械１の動作状態を示す車両状態パラメータとバケット９に保持された積荷の性状を示す積荷パラメータとに基づいて、バケット９に保持された積荷が崩れない制約条件を算出する（ステップＳＡ３）。

制御指令部４２は、作業機械１がステップＳＡ３において算出された制約条件を満足するか否かを判定する（ステップＳＡ４）。

ステップＳＡ４において、作業機械１が制約条件を満足しないと判定した場合（ステップＳＡ４：Ｎｏ）、制御指令部４２は、外界センサ２９の検出データに基づいて、作業機械１の進行方向に障害物が存在するか否かを判定する（ステップＳＡ５）。

ステップＳＡ５において、作業機械１の進行方向に障害物が存在しないと判定した場合（ステップＳＡ５：Ｎｏ）、制御指令部４２は、ステップＳＡ１において受信された操作信号に関わらずに、作業機械１が制約条件を満足するように、介入制御指令を出力する（ステップＳＡ６）。

ステップＳＡ２において、バケット９に積荷が保持されていないと判定された場合（ステップＳＡ２：Ｎｏ）、制御指令部４２は、ステップＳＡ１において受信された操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する（ステップＳＡ７）。

ステップＳＡ４において、作業機械１が制約条件を満足すると判定した場合（ステップＳＡ４：Ｙｅｓ）、制御指令部４２は、ステップＳＡ１において受信された操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する（ステップＳＡ７）。

ステップＳＡ５において、作業機械１の進行方向に障害物が存在し、作業機械１が障害物に接触する可能性があると判定した場合（ステップＳＡ５：Ｙｅｓ）、制御指令部４２は、ステップＳＡ１において受信された操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する（ステップＳＡ７）。

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、作業機械１の動作状態を示す車両状態パラメータと作業機６に保持された積荷の性状を示す積荷パラメータとに基づいて、作業機６に保持された積荷が崩れない制約条件が算出される。操作装置７０からの操作信号に基づいて作業機械１が動作した場合において、作業機械１が制約条件を満足しない場合、制約条件を満足するように介入制御が実施される。オペレータにより操作装置７０が急激に操作された場合、作業機械１の状態が急激に変化して、作業機６に保持された積荷が崩れる可能性がある。本実施形態によれば、オペレータにより操作装置７０が急激に操作されても、介入制御が実施されることにより、作業機６に保持された積荷が崩れることが抑制される。

本実施形態において、作業機６に保持された積荷が崩れない制約条件が、土砂の粘着力ｃ［Ｎ／ｍ^２］、土砂の内部摩擦角φ［°］、及び土砂の密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］を含む土質パラメータに基づいて算出される。これにより、作業機６に保持されている積荷が土砂である場合、作業機６に保持された土砂が崩れない制約条件が適正に算出される。

本実施形態において、制御指令部４２は、制約条件を満足する範囲において、手動制御指令値と介入制御指令値との差が小さくなるように、介入制御指令を出力する。手動制御指令値と介入制御指令値との差が小さくなるように介入制御指令を出力されることにより、作業機械１の動作が過度に遅くなることが抑制される。作業機械１の動作が過度に遅くなることが抑制されるので、作業機械１の作業効率の低下が抑制される。

本実施形態において、制御指令部４２は、外界センサ２９の検出データに基づいて、作業機械１が障害物に接触する可能性があると判定した場合、介入制御指令を出力せず、操作装置７０からの操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する。オペレータが作業機械１と障害物との接触を回避するために操作装置７０を操作した場合、操作装置７０からの操作信号に基づいて手動制御指令が出力されることにより、作業機械１と障害物との接触が回避される。

本実施形態において、作業機械１は遠隔操作される。作業機械１が遠隔操作される場合、遠隔操作室２０２のオペレータは、操作装置７０を急激に操作しても、作業機械１の状態が急激に変化することを体感し難い。遠隔操作室２０２のオペレータは、走行系操作装置７０Ａを急激に操作しても、作業機械１が急加速したり急減速したり急旋回したりすることを体感し難い。遠隔操作室２０２のオペレータは、作業機操作装置７０Ｂを急激に操作しても、作業機６が急激に動作することを体感し難い。そのため、遠隔操作室２０２のオペレータは、操作装置７０を無意識に急激に操作してしまう可能性がある。操作装置７０が急激に操作され、作業機械１の状態が急激に変化すると、バケット９に保持された積荷が崩れる可能性が高くなる。本実施形態によれば、操作装置７０が急激に操作された場合、作業機械１の状態が急激に変化しないように、すなわち、作業機械１が制約条件を満足するように、介入制御指令が出力される。そのため、バケット９に保持された積荷が崩れることが抑制される。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その構成要素の説明を簡略又は省略する。

上述の第１実施形態においては、制約条件が車両状態パラメータと積荷の性状を示す積荷パラメータとに基づいて算出されることとした。本実施形態においては、車両状態パラメータが作業機械１の加速度を含み、積荷パラメータがバケット９における積荷の有無を含み、制約条件がバケット９に保持された積荷の加速度が閾値未満である条件である例について説明する。

バケット９に積荷が保持された状態で、作業機械１（走行装置５）が走行した場合、積荷が加速する。積荷の加速度が大きい場合、積荷が崩れる可能性が高い。積荷の加速度は、正の加速度と、負の加速度である減速度とを含む。

作業機械１の加速度と積荷の加速度とは、実質的に同一であるとみなすことができる。作業機械１の加速度が算出されることにより、バケット９に保持された積荷の加速度が算出される。

本実施形態において、制御指令部４２は、積荷の加速度が予め定められている閾値未満であると判定した場合、作業機械１は制約条件を満足すると判定し、手動制御指令を出力する。制御指令部４２は、積荷の加速度が閾値以上であると判定した場合、作業機械１は制約条件を満足しないと判定し、積荷の加速度が閾値未満になるように、介入制御指令を出力する。

制約条件算出部４１は、速度センサ２６の検出データに基づいて、作業機械１の進行方向の積荷の加速度（前進加速度）を算出することができる。制約条件算出部４１は、速度センサ２６の検出データを微分処理することにより、積荷の前進加速度を算出することができる。制約条件算出部４１は、速度センサ２６の検出データとステアリングセンサ２７の検出データとに基づいて、作業機械１の旋回方向の積荷の加速度（横加速度）を算出することができる。制約条件算出部４１は、ステアリングセンサ２７の検出データに基づいて、作業機械１の旋回半径を算出することができる。制約条件算出部４１は、速度センサ２６の検出データと作業機械１の旋回半径とに基づいて、積荷の横加速度を算出することができる。

なお、車体２又はバケット９に加速度センサが設けられる場合、制約条件算出部４１は、加速度センサの検出データを取得することにより、積荷の加速度を取得してもよい。

なお、制約条件算出部４１は、駆動機１６の回転数に基づいて、積荷の正の加速度を算出することができる。駆動機１６がエンジンである場合、駆動機１６の回転数はエンジン回転数であり、駆動機１６がモータである場合、駆動機１６の回転数はモータ回転数である。制約条件算出部４１は、駆動機１６の回転数に基づいて、動力伝達装置１８から動力が伝達される車輪４のトルクを示すタイヤトルクを算出する。制約条件算出部４１は、タイヤトルクに基づいて、作業機械１の加速度及び積荷の加速度を算出することができる。

なお、制約条件算出部４１は、ブレーキ装置１９の圧力であるブレーキ圧力に基づいて、積荷の負の加速度（減速度）を算出することができる。制約条件算出部４１は、ブレーキ圧力に基づいて、動力伝達装置１８から動力が伝達される車輪４のトルクを示すタイヤトルクを算出する。制約条件算出部４１は、タイヤトルクに基づいて、作業機械１の減速度及び積荷の減速度を算出することができる。

積荷の正の加速度を閾値未満するための介入制御指令は、作業機械１を加速させるアクセル指令の値を小さくすること、及び作業機械１を減速させるブレーキ指令の値を大きくすることの一方又は両方を含む。

積荷の負の加速度（減速度）を閾値未満するための介入制御指令は、作業機械１を減速させるブレーキ指令の値を小さくすること、及び作業機械１を加速させるアクセル指令の値を大きくすることの一方又は両方を含む。

図１０は、本実施形態に係る作業機械１の制御方法を示すフローチャートである。操作信号受信部４０は、通信システム２０３を介して、作業機械１を動作させるために操作された操作装置７０からの操作信号を受信する（ステップＳＢ１）。

制約条件算出部４１は、積荷センサ３０の検出データに基づいて、バケット９に積荷が保持されているか否かを判定する（ステップＳＢ２）。

ステップＳＢ２において、バケット９に積荷が保持されていると判定した場合（ステップＳＢ２：Ｙｅｓ）、制約条件算出部４１は、作業機械１の走行において、例えば速度センサ２６の検出データとステアリングセンサ２７の検出データとに基づいて、バケット９に保持された積荷の加速度を算出する。制御指令部４２は、制約条件算出部４１により算出された積荷の加速度が予め定められている閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳＢ３）。

ステップＳＢ３において、積荷の加速度が閾値以上であると判定した場合（ステップＳＢ３：Ｙｅｓ）、制御指令部４２は、ステップＳＢ１において受信された操作信号に関わらずに、積荷の加速度が閾値未満になるように、走行装置５に介入制御指令を出力する（ステップＳＢ４）。

ステップＳＢ２において、バケット９に積荷が保持されていないと判定された場合（ステップＳＢ２：Ｎｏ）、制御指令部４２は、ステップＳＢ１において受信された操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する（ステップＳＢ５）。

ステップＳＢ３において、積荷の加速度が閾値未満であると判定した場合（ステップＳＢ３：Ｎｏ）、制御指令部４２は、ステップＳＢ１において受信された操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する（ステップＳＢ５）。

以上説明したように、本実施形態によれば、オペレータにより走行系操作装置７０Ａが急激に操作され、積荷の加速度が大きくなっても、介入制御が実施されることにより、作業機６に保持された積荷が崩れることが抑制される。

本実施形態において、制御指令部４２は、上述の第１実施形態において説明した制約条件（第１制約条件）と、第２実施形態において説明した制約条件（第２制約条件）とのいずれか一方の制約条件を満足しないと判定した場合、介入制御指令を出力してもよい。制御指令部４２は、上述の第１実施形態において説明した制約条件（第１制約条件）と、第２実施形態において説明した制約条件（第２制約条件）との両方の制約条件を満足しないと判定した場合、介入制御指令を出力してもよい。

［第３実施形態］
第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その構成要素の説明を簡略又は省略する。

上述の第１実施形態及び第２実施形態においては、作業機械１がホイールローダであることとした。作業機械１は、積荷を保持する作業機を有する作業機械であればよい。作業機械は、例えばフォークリフトでもよい。

図１１は、本実施形態に係る作業機械３０１を上方から見た模式図である。作業機械３０１は、フォークリフトである。作業機械３０１は、車体３０２と、車体３０２の前部に配置される作業機３０６とを有する。

作業機３０６は、マスト３０７と、ブラケット３０８と、フォーク３０９とを有する。マスト３０７は、車体３０２の前部に傾動可能に支持される。マスト３０７は、上下方向に長い。ブラケット３０８は、フォーク３０９を支持する。ブラケット３０８は、マスト３０７に支持される。ブラケット３０８は、マスト３０７に沿って上下方向に移動可能である。フォーク３０９は、積荷４００を支持する。フォーク３０９は、積荷４００を支持する支持面（上面）を有する。積荷４００は、フォーク３０９の支持面に載せられる。

フォーク３０９は、ブラケット３０８を介してマスト３０７に支持される。フォーク３０９は、一対設けられる。フォーク３０９は、第１のフォーク３０９Ｌと、第１のフォーク３０９Ｌよりも右側に配置される第２のフォーク３０９Ｒとを含む。ブラケット３０８は、第１のフォーク３０９Ｌと第２のフォーク３０９Ｒとを支持する。

制約条件算出部４１は、作業機械３０１の走行において、フォーク３０９に支持された積荷４００が崩れない制約条件を算出する。フォーク３０９に支持される積荷４００は、コンテナを含む。フォーク３０９に支持された積荷４００（コンテナ）が崩れないことは、積荷４００がフォーク３０９から落下しないことを意味する。

制約条件算出部４１は、積荷パラメータに基づいて、フォーク３０９に支持された積荷４００が崩れない制約条件を算出する。制約条件は、フォーク３０９の形状に基づいて設定された設定範囲ＡＰから積荷４００のゼロモーメントポイントＺ０が逸脱しない条件を含む。ゼロモーメントポイント（ＺＭＰ：Zero Moment Point）とは、慣性力（遠心力）の影響を考慮した作業機械１の動的な重心位置をいう。ゼロモーメントポイントＺ０は、重力と慣性力との合力が地面と交わる点である。

設定範囲ＡＰは、フォーク３０９に載っている積荷４００の支持多角形に相当する。設定範囲ＡＰは、第１のフォーク３０９Ｌの支持面の左端部の前端部と、第１のフォーク３０９Ｌの支持面の左端部の後端部と、第２のフォーク３０９Ｒの支持面の右端部の前端部と、第２のフォーク３０９Ｒの支持面の右端部の後端部とを結ぶ四角形状の範囲である。

制約条件算出部４１は、フォーク３０９に支持された積荷４００に係る積荷パラメータに基づいて、ゼロモーメントポイントＺ０を算出する。ゼロモーメントポイントＺ０を算出するための積荷パラメータは、フォーク３０９に支持された積荷４００の質量、積荷４００の慣性テンソル、及び積荷４００の重心位置を含む。

作業機械３０１は、積荷４００の重量を検出する積荷センサと、積荷４００の３次元形状を検出する外界センサとを有する。制約条件算出部４１は、積荷センサの検出データを取得することにより、積荷４００の質量を取得することができる。制約条件算出部４１は、外界センサの検出データに基づいて、積荷４００の慣性テンソル及び重心位置を算出することができる。積荷４００の密度が一定であると仮定した場合、制約条件算出部４１は、外界センサにより検出された積荷の３次元形状に基づいて、積荷４００の慣性テンソル及び重心位置を算出することができる。

図１２は、本実施形態に係る作業機械３０１を上方から見た模式図である。フォーク３０９は、パレット４１０を介して積荷４００を支持する場合がある。すなわち、フォーク３０９の支持面にパレット４１０が載せられ、パレット４１０の上に積荷４００が載せられた状態で、作業機械３０１が走行する場合がある。フォーク３０９がパレット４１０を介して積荷４００を支持する場合、制約条件は、設定範囲ＡＰからパレットの上に載せられている積荷４００のゼロモーメントポイントが逸脱しない条件を含む。

フォーク３０９がパレット４１０を介して積荷４００を保持する場合、制約条件は、積荷４００がパレット４１０の上で滑らない条件を含んでもよい。すなわち、制約条件は、積荷４００にかかる力のすべり面成分ＳＬが静止摩擦力より大きくならない条件を含んでもよい。この制約条件は、積荷４００にかかる力のパレット面上のすべり面成分ＳＬが積荷４００とパレット４１０との間の静止摩擦力より小さくなる条件として算出される。この制約条件は、慣性力が図１２に示す摩擦円ＣＬの外に出ない条件として算出される。静止摩擦力は、静止摩擦係数μと積荷４００にかかる垂直抗力Ｎとから算出される。垂直抗力Ｎは、作業機３０６の角度と積荷４００の質量とから算出される。静止摩擦係数μは、入力装置８１から制約条件算出部４１に入力されてもよい。制約条件算出部４１は、積荷４００の質量及び静止摩擦係数に基づいて、制約条件を算出することができる。

制御指令部４２は、作業機械３０１を動作させるための操作信号が受信されている状態で、制約条件を満足しないと判定した場合、操作信号に関わらずに、制約条件を満足するように介入制御指令を出力する。制御指令部４２は、作業機械３０１の走行装置に介入制御指令を出力してもよいし、作業機３０６に介入制御指令を出力してもよい。

以上説明したように、本実施形態においても、介入制御が実施されることにより、フォーク３０９に支持された積荷が落下することが抑制される。

本実施形態において、制約条件算出部４１は、上述の第２実施形態と同様、フォーク３０９に支持された積荷の加速度を取得してもよい。制御指令部４２は、上述の第２実施形態において説明した制約条件（第２制約条件）と、第３実施形態において説明した制約条件（第３制約条件）とのいずれか一方の制約条件を満足しないと判定した場合、介入制御指令を出力してもよい。制御指令部４２は、上述の第２実施形態において説明した制約条件（第２制約条件）と、第３実施形態において説明した制約条件（第３制約条件）との両方の制約条件を満足しないと判定した場合、介入制御指令を出力してもよい。

［その他の実施形態］
上述の第１実施形態及び第２実施形態において、アーティキュレートシリンダ７、ブームシリンダ１２、及びバケットシリンダ１３のそれぞれが油圧シリンダであることとした。アーティキュレートシリンダ７、ブームシリンダ１２、及びバケットシリンダ１３の少なくとも一つが、電力で作動する電動シリンダでもよい。

上述の実施形態に基づいて、制約条件算出部４１は、車両状態パラメータと積荷パラメータとに基づいて、作業機６のバケット９に保持された積荷が崩れない制約条件を算出することとした。制約条件算出部４１は、積荷パラメータを考慮せずに、車両状態パラメータに基づいて、制約条件を算出してもよい。プロセッサ３４は、積荷の性状等を考慮せずに，作業機械１の加速度が予め定められた閾値を超えた時点で積荷が崩れると判定して、介入制御を実施してもよい。

上述の実施形態において、制御指令部４２は、制約条件に基づいて、操作装置７０からの操作信号を修正することとした。操作信号を修正することは、介入制御を実施することを含む。介入制御とは、操作信号受信部４０が操作装置７０からの操作信号を受信している状態で、操作装置７０からの操作信号に関わらずに、制御指令部４２が制御指令を出力することとした。介入制御は、操作装置７０からの操作信号の全部を制限又は修正する概念でもよい、操作信号の一部を制限又は修正する概念でもよい。すなわち、介入制御において、操作信号の少なくとも一部が制御指令部４２から出力される介入制御指令に反映されてもよい。

上述の実施形態において、車載コントローラ３２の機能の少なくとも一部が、遠隔コントローラ８２に設けられてもよい。制約条件算出部４１及び制御指令部４２の少なくとも一方が遠隔コントローラ８２に設けられてもよい。

上述の実施形態においては、作業機械１が遠隔操作されることとした。作業機械１のキャブに搭乗したオペレータが作業機械１を操作してもよい。操作装置７０が作業機械１のキャブに配置されてもよい。

［付記］
本開示は以下の構成も採り得る。
（付記１）
プロセッサを備え、
前記プロセッサは、
作業機及び走行装置を有する作業機械を動作させるために操作された操作装置からの操作信号を受信し、
前記作業機械の動作状態を示す車両状態パラメータに基づいて、前記作業機に保持された積荷が崩れない制約条件を算出し、
前記制約条件に基づいて、前記操作信号を修正する、
作業機械の制御システム。
（付記２）
前記プロセッサは、前記車両状態パラメータと前記作業機に保持された積荷の性状を示す積荷パラメータとに基づいて、前記制約条件を算出する、
付記１に記載の作業機械の制御システム。
（付記３）
前記プロセッサは、
前記操作信号を受信している状態で、前記制約条件を満足しないと判定した場合、前記制約条件を満足するように介入制御指令を出力する、
付記１又は付記２に記載の作業機械の制御システム。
（付記４）
前記プロセッサは、
前記積荷に作用する慣性力と、前記積荷の形状と、前記積荷パラメータとに基づいて、前記制約条件を算出する、
付記２に記載の作業機械の制御システム。
（付記５）
前記積荷は、土砂を含み、
前記積荷パラメータは、前記土砂の粘着力、前記土砂の内部摩擦角、及び前記土砂の密度を含む、
付記２に記載の作業機械の制御システム。
（付記６）
前記プロセッサは、
前記積荷の質量、前記積荷の慣性テンソル、及び前記積荷の重心位置を含む積荷パラメータに基づいて、前記制約条件を算出し、
前記制約条件は、前記作業機の形状に基づいて設定された設定範囲から前記積荷のゼロモーメントポイントが逸脱しない条件を含む、
付記１から付記５のいずれか一つに記載の作業機械の制御システム。
（付記７）
前記プロセッサは、
前記積荷の質量及び静止摩擦係数に基づいて、前記制約条件を算出し、
前記制約条件は、積荷にかかる力のすべり面成分が静止摩擦力より大きくならない条件を含む、
付記１から付記６のいずれか一つに記載の作業機械の制御システム。
（付記８）
前記プロセッサは、
前記作業機械の走行において前記積荷の加速度を算出し、
前記制約条件は、前記加速度が予め定められている閾値未満である条件を含む、
付記１から付記７のいずれか一つに記載の作業機械の制御システム。
（付記９）
前記プロセッサは、
前記制約条件を満足すると判定した場合、前記操作信号に基づいて、手動制御指令を出力し、
前記制約条件を満足しないと判定した場合、前記制約条件を満足する範囲において、前記手動制御指令の値と前記介入制御指令の値との差が小さくなるように、前記介入制御指令を出力する、
付記１から付記８のいずれか一つに記載の作業機械の制御システム。
（付記１０）
前記プロセッサは、前記走行装置に前記介入制御指令を出力する、
付記１から付記９のいずれか一つに記載の作業機械の制御システム。
（付記１１）
前記作業機械の周辺の障害物を検出する外界センサを備え、
前記プロセッサは、
前記外界センサの検出データに基づいて、前記作業機械が障害物に接触する可能性があると判定した場合、前記操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する、
付記１から付記１０のいずれか一つに記載の作業機械の制御システム。
（付記１２）
前記作業機械の周辺の障害物を検出する外界センサを備え、
前記プロセッサは、
前記外界センサの検出データに基づいて、前記作業機械が障害物に接触する可能性があると判定した場合、前記作業機械と障害物との接触が回避されるように、前記走行装置を制御する、
付記１１に記載の作業機械の制御システム。
（付記１３）
車体と、
前記車体に支持される作業機と、
前記車体に配置される外界センサと、
付記１から付記１２のいずれか一つに記載の作業機械の制御システムと、を備える、
作業機械。
（付記１４）
車体と、
前記車体に支持される作業機と、
前記車体に配置される外界センサと、
前記車体に搭載され、前記車体の外部に配置された操作装置からの操作信号を受信する車載コントローラと、
付記１から付記１３のいずれか一つに記載の作業機械の制御システムと、を備える、
作業機械の遠隔操作システム。
（付記１５）
プロセッサが、
作業機及び走行装置を有する作業機械を動作させるために操作された操作装置からの操作信号を受信し、
前記作業機械の動作状態を示す車両状態パラメータに基づいて、前記作業機に保持された積荷が崩れない制約条件を算出し、
前記制約条件に基づいて、前記操作信号を修正する、
作業機械の制御方法。

１…作業機械、２…車体、２Ｆ…フロントフレーム、２Ｒ…リヤフレーム、３…アーティキュレート機構、４…車輪、４Ｆ…前輪、４Ｒ…後輪、５…走行装置、６…作業機、７…アーティキュレートシリンダ、８…ブーム、９…バケット、１０…ベルクランク、１１…バケットリンク、１２…ブームシリンダ、１３…バケットシリンダ、１４…ブラケット、１５…ブラケット、１６…駆動機、１７…パワーテイクオフ、１８…動力伝達装置、１９…ブレーキ装置、２０…ステアリングポンプ、２１…ステアリング制御弁、２２…作業機ポンプ、２３…作業機制御弁、２４…位置センサ、２５…方位センサ、２６…速度センサ、２７…ステアリングセンサ、２８…作業機姿勢センサ、２８Ａ…ブーム角度センサ、２８Ｂ…バケット角度センサ、２９…外界センサ、３０…積荷センサ、３１…カメラ、３２…車載コントローラ、３３…コンピュータ、３４…プロセッサ、３５…メインメモリ、３６…ストレージ、３７…入出力インターフェース、３８…通信インターフェース、３９…コンピュータプログラム、４０…操作信号受信部、４１…制約条件算出部、４２…制御指令部、７０…操作装置、７０Ａ…走行系操作装置、７０Ｂ…作業機操作装置、７１…アクセルペダル、７２…ブレーキペダル、７３…ステアリングホイール、７４…前後進切換レバー、７５…ブームレバー、７６…バケットレバー、８０…表示装置、８１…入力装置、８２…遠隔コントローラ、８３…操縦シート、１００…制御システム、２００…遠隔操作システム、２０１…作業現場、２０２…遠隔操作室、２０３…通信システム、３０１…作業機械、３０２…車体、３０６…作業機、３０７…マスト、３０８…ブラケット、３０９…フォーク、３０９Ｌ…フォーク、３０９Ｒ…フォーク、７００…操作装置、ＡＰ…設定範囲、Ｚ０…ゼロモーメントポイント。

Claims (15)

1. プロセッサを備え、
   前記プロセッサは、
   作業機及び走行装置を有する作業機械を動作させるために操作された操作装置からの操作信号を受信し、
   前記作業機械の動作状態を示す車両状態パラメータに基づいて、前記作業機に保持された積荷が崩れない制約条件を算出し、
   前記制約条件に基づいて、前記操作信号を修正する、
   作業機械の制御システム。
2. 前記プロセッサは、前記車両状態パラメータと前記作業機に保持された積荷の性状を示す積荷パラメータとに基づいて、前記制約条件を算出する、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
3. 前記プロセッサは、
   前記操作信号を受信している状態で、前記制約条件を満足しないと判定した場合、前記制約条件を満足するように介入制御指令を出力する、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
4. 前記プロセッサは、
   前記積荷に作用する慣性力と、前記積荷の形状と、前記積荷パラメータとに基づいて、前記制約条件を算出する、
   請求項２に記載の作業機械の制御システム。
5. 前記積荷は、土砂を含み、
   前記積荷パラメータは、前記土砂の粘着力、前記土砂の内部摩擦角、及び前記土砂の密度を含む、
   請求項２に記載の作業機械の制御システム。
6. 前記プロセッサは、
   前記積荷の質量、前記積荷の慣性テンソル、及び前記積荷の重心位置を含む積荷パラメータに基づいて、前記制約条件を算出し、
   前記制約条件は、前記作業機の形状に基づいて設定された設定範囲から前記積荷のゼロモーメントポイントが逸脱しない条件を含む、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
7. 前記プロセッサは、
   前記積荷の質量及び静止摩擦係数に基づいて、前記制約条件を算出し、
   前記制約条件は、積荷にかかる力のすべり面成分が静止摩擦力より大きくならない条件を含む、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
8. 前記プロセッサは、
   前記作業機械の走行において前記積荷の加速度を算出し、
   前記制約条件は、前記加速度が予め定められている閾値未満である条件を含む、
   請求項１に記載の作業機械の制御システム。
9. 前記プロセッサは、
   前記制約条件を満足すると判定した場合、前記操作信号に基づいて、手動制御指令を出力し、
   前記制約条件を満足しないと判定した場合、前記制約条件を満足する範囲において、前記手動制御指令の値と前記介入制御指令の値との差が小さくなるように、前記介入制御指令を出力する、
   請求項３に記載の作業機械の制御システム。
10. 前記プロセッサは、前記走行装置に前記介入制御指令を出力する、
    請求項３に記載の作業機械の制御システム。
11. 前記作業機械の周辺の障害物を検出する外界センサを備え、
    前記プロセッサは、
    前記外界センサの検出データに基づいて、前記作業機械が障害物に接触する可能性があると判定した場合、前記操作信号に基づいて、手動制御指令を出力する、
    請求項１に記載の作業機械の制御システム。
12. 前記作業機械の周辺の障害物を検出する外界センサを備え、
    前記プロセッサは、
    前記外界センサの検出データに基づいて、前記作業機械が障害物に接触する可能性があると判定した場合、前記作業機械と障害物との接触が回避されるように、前記走行装置を制御する、
    請求項１１に記載の作業機械の制御システム。
13. 車体と、
    前記車体に支持される作業機と、
    前記車体に配置される外界センサと、
    請求項１に記載の作業機械の制御システムと、を備える、
    作業機械。
14. 車体と、
    前記車体に支持される作業機と、
    前記車体に配置される外界センサと、
    前記車体に搭載され、前記車体の外部に配置された操作装置からの操作信号を受信する車載コントローラと、
    請求項１に記載の作業機械の制御システムと、を備える、
    作業機械の遠隔操作システム。
15. プロセッサが、
    作業機及び走行装置を有する作業機械を動作させるために操作された操作装置からの操作信号を受信し、
    前記作業機械の動作状態を示す車両状態パラメータに基づいて、前記作業機に保持された積荷が崩れない制約条件を算出し、
    前記制約条件に基づいて、前記操作信号を修正する、
    作業機械の制御方法。