(57)【要約】  本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体（１）と、下部走行体（１）に搭載される上部旋回体（３）と、上部旋回体（３）に取り付けられる掘削アタッチメントと、上部旋回体（３）に搭載され且つ掘削アタッチメントによる掘削動作を支援する外部演算装置（３０Ｅ）とを有する。外部演算装置（３０Ｅ）は、掘削対象の硬さＫに基づいて目標掘削深さＨを導出する。
2018174154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
前記上部旋回体に搭載され且つ前記アタッチメントによる掘削動作を支援する制御装置と、を有し、
前記制御装置は、掘削対象の硬さに基づいて目標掘削深さを導出する、
ショベル。
【請求項２】
前記制御装置は、前記掘削対象の硬さに基づいてバケットの許容積載重量に対応する目標掘削体積を導出し、且つ、前記目標掘削深さと前記目標掘削体積から目標掘削長さを導出する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項３】
前記アタッチメントは、複数の油圧アクチュエータによって駆動されるように構成され、
前記制御装置は、バケットに積載する掘削対象の重量が許容積載重量を超えないよう、複数の前記油圧アクチュエータの少なくとも１つを自動的に制御する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項４】
前記制御装置は、前記掘削対象の硬さが所定の硬さより硬いと判定した場合に、バケットの爪先を揺動させる、
請求項１に記載のショベル。
【請求項５】
下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
前記上部旋回体に搭載される制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象範囲の体積を導出し、前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の単位体積重量を導出し、且つ、前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象範囲の体積と単位体積重量から掘削対象物の総重量を算出するように構成されている、
ショベル。
【請求項６】
前記制御装置は、現在の地形に関するデータと目標地形データとに基づいて前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象範囲の体積を導出し、且つ、前記アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物の重量と前記アタッチメントによる掘削によってできた掘削対象物における空間の体積とに基づいて前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の単位体積重量を導出するように構成されている、
請求項５に記載のショベル。
【請求項７】
現在の地形に関するデータは、カメラが撮像した画像から導き出される、
請求項６に記載のショベル。
【請求項８】
前記アタッチメントによる掘削によってできた掘削対象物における空間の体積は、カメラが撮像した掘削前の掘削対象物の画像と、掘削後の掘削対象物の画像とから導き出される、
請求項６に記載のショベル。
【請求項９】
前記制御装置は、掘削対象物の総重量から運搬車両の配車台数を算出し、該運搬車両の配車台数に関する情報を表示する、
請求項５に記載のショベル。
【請求項１０】
前記制御装置は、掘削対象範囲の体積又は掘削対象物の総重量と、掘削対象物を掘削するのに要した掘削エネルギとに基づいて掘削効率を算出し、該掘削効率に関する情報を表示する、
請求項５に記載のショベル。
【請求項１１】
掘削対象物の総重量から運搬車両の配車台数を算出する制御装置と、
算出された運搬車両の配車台数に関する情報を表示する表示装置と、を備える、
ショベルの管理装置。
【請求項１２】
下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントとを備えるショベルからの情報を受信する受信装置を備え、
前記制御装置は、前記受信装置が受信した情報に基づき、前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象範囲の体積を導出し、前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の単位体積重量を導出し、且つ、前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象範囲の体積と単位体積重量から掘削対象物の総重量を算出する、
請求項１１に記載のショベルの管理装置。
【請求項１３】
掘削対象物の総重量から運搬車両の配車台数を算出する制御装置と、
算出された運搬車両の配車台数に関する情報を表示する表示装置と、を備える、
ショベルの支援装置。
【請求項１４】
下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントとを備えるショベルからの情報を受信する受信装置を備え、
前記制御装置は、前記受信装置が受信した情報に基づき、前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象範囲の体積を導出し、前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の単位体積重量を導出し、且つ、前記アタッチメントによって掘削される前の掘削対象範囲の体積と単位体積重量から掘削対象物の総重量を算出する、
請求項１３に記載のショベルの支援装置。
【請求項１５】
下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、前記上部旋回体に搭載され、且つ、掘削対象物の単位体積重量を導出する制御装置と、を備えるショベルの支援装置であって、
前記ショベルが導出した掘削対象物の単位体積重量と地形情報とを重畳表示する、
ショベルの支援装置。
【請求項１６】
下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、前記上部旋回体に搭載され、且つ、掘削対象物の単位体積重量を導出する制御装置と、を備えるショベルの支援装置であって、
前記ショベルが導出した掘削対象物の硬さと地形情報とを重畳表示する、
ショベルの支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削アタッチメントを備えたショベルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ブーム、アーム、及び、バケットで構成される掘削アタッチメントを備えたショベルが知られている（特許文献１参照。）。このショベルは、掘削アタッチメントの姿勢からバケットの先端に作用する掘削反力を算出する。そして、その掘削反力が所定値を上回る場合に自動的にブームを上昇させる。掘削深さを浅くすることによって、バケットが動かなくなるような無駄な掘削動作が行われないようにするためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２５２３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のショベルは、掘削深さを浅くすることで１回の掘削動作でバケット内に入る土砂の重量を低減させてしまい、作業効率を低下させてしまうおそれがある。【０００５】
上述に鑑み、より効率的な掘削を可能にするショベルを提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、前記上部旋回体に搭載され且つ前記アタッチメントによる掘削動作を支援する制御装置と、を有し、前記制御装置は、掘削対象の硬さに基づいて目標掘削深さを導出する。
【発明の効果】
【０００７】
上述の手段により、より効率的な掘削を可能にするショベルが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例に係るショベルの側面図である。
【図２】図１のショベルに搭載される姿勢検出装置を構成する各種センサの出力内容の一例を示すショベルの側面図である。
【図３】図１のショベルに搭載される基本システムの構成例を示す図である。
【図４】図１のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図である。
【図５】外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図６】地面形状情報取得部が取得する掘削対象地面の現在の形状に関する情報の概念図である。
【図７】掘削段階を説明する図である。
【図８】硬さテーブルに記憶された対応関係を表すグラフである。
【図９】掘削支援処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０】外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図１１】配車台数算出処理のフローチャートである。
【図１２】掘削アタッチメントによって掘削される前の地山の総体積の導出方法の一例を説明する図である。
【図１３】掘削アタッチメントによって掘削される前の地山の単位体積重量（密度）の導出方法の一例を説明する図である。
【図１４】掘削効率算出処理のフローチャートである。
【図１５】画像表示装置に表示される画面の一例を示す図である。
【図１６】ショベルを管理・支援する管理・支援システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
最初に、図１を参照し、本発明の実施例に係る建設機械としてのショベル（掘削機）について説明する。図１は、本発明の実施例に係るショベル１００の側面図である。図１に示すショベル１００の下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられている。作業要素としてのブーム４、アーム５及びバケット６は、アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成する。ブーム４は、ブームシリンダ７により駆動される。アーム５は、アームシリンダ８により駆動される。バケット６は、バケットシリンダ９により駆動される。上部旋回体３にはキャビン１０が設けられ、エンジン１１等の動力源が搭載されている。また、上部旋回体３には通信装置Ｄ１、測位装置Ｄ２、姿勢検出装置Ｄ３、撮像装置Ｄ４、及び、シリンダ圧検出装置Ｄ５等の情報取得装置が取り付けられている。
【００１０】
通信装置Ｄ１は、ショベル１００と外部機器との間の通信を制御する。本実施例では、通信装置Ｄ１は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）測量システムとショベル１００との間の無線通信を制御する。具体的には、通信装置Ｄ１は、例えば１日１回の頻度で、ショベル１００の作業を開始する際に作業現場の地形情報を取得する。ＧＮＳＳ測量システムは、例えばネットワーク型ＲＴＫ−ＧＮＳＳ測位方式を採用する。外部機器は、例えば、管理センタに設置された管理装置、支援装置としての携帯端末、ショベル１００の周囲を飛行する飛行体等を含む。
【００１１】
測位装置Ｄ２は、ショベル１００の位置及び向きを測定する装置である。本実施例では、測位装置Ｄ２は、電子コンパスを組み込んだＧＮＳＳ受信機であり、ショベル１００の存在位置の緯度、経度、高度を測定し、且つ、ショベル１００の向きを測定する。
【００１２】
姿勢検出装置Ｄ３は、アタッチメントの姿勢を検出する装置である。本実施例では、姿勢検出装置Ｄ３は、掘削アタッチメントの姿勢を検出する装置である。上部旋回体３の姿勢と、掘削アタッチメントを構成するブーム４、アーム５、及び、バケット６のそれぞれの姿勢とを検出する装置であってもよい。
【００１３】
撮像装置Ｄ４は、ショベル１００の周辺の画像を取得する。本実施例では、撮像装置Ｄ４は上部旋回体３に取り付けられる前方カメラを含む。前方カメラは、ショベル１００の前方を撮像するステレオカメラであり、キャビン１０の屋根、すなわちキャビン１０の外部に取り付けられている。キャビン１０の天井、すなわちキャビン１０の内部に取り付けられていてもよい。前方カメラは、掘削アタッチメントを撮像可能である。前方カメラは、単眼カメラであってもよい。撮像装置Ｄ４は、単眼カメラ、ＬＩＤＡＲ、レーザレーダ、ミリ波レーダ又はソナー等であってもよい。
【００１４】
シリンダ圧検出装置Ｄ５は、油圧シリンダにおける作動油の圧力を検出する。本実施例では、シリンダ圧検出装置Ｄ５は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８及びバケットシリンダ９のそれぞれにおける作動油の圧力を検出する。
【００１５】
図２は、図１のショベル１００に搭載される姿勢検出装置Ｄ３及びシリンダ圧検出装置Ｄ５のそれぞれを構成する各種センサの配置例の一例を示すショベル１００の側面図である。具体的には、姿勢検出装置Ｄ３は、ブーム角度センサＤ３ａ、アーム角度センサＤ３ｂ、バケット角度センサＤ３ｃ、及び、車体傾斜センサＤ３ｄを含む。シリンダ圧検出装置Ｄ５は、ブームロッド圧センサＤ５ａ、ブームボトム圧センサＤ５ｂ、アームロッド圧センサＤ５ｃ、アームボトム圧センサＤ５ｄ、バケットロッド圧センサＤ５ｅ、及び、バケットボトム圧センサＤ５ｆを含む。
【００１６】
ブーム角度センサＤ３ａは、ブーム角度を取得するセンサであり、例えば、ブームフートピンの回転角度を検出する回転角度センサ、ブームシリンダ７のストローク量を検出するストロークセンサ、ブーム４の傾斜角を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。ブーム角度センサＤ３ａは、例えば、ブーム角度θ１を取得する。ブーム角度θ１は、ＸＺ平面において、ブームフートピン位置Ｐ１とアーム連結ピン位置Ｐ２とを結ぶ線分Ｐ１−Ｐ２の水平線に対する角度である。
【００１７】
アーム角度センサＤ３ｂは、アーム角度を取得するセンサであり、例えば、アーム連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、アームシリンダ８のストローク量を検出するストロークセンサ、アーム５の傾斜角を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。アーム角度センサＤ３ｂは、例えば、アーム角度θ２を取得する。アーム角度θ２は、ＸＺ平面において、アーム連結ピン位置Ｐ２とバケット連結ピン位置Ｐ３とを結ぶ線分Ｐ２−Ｐ３の水平線に対する角度である。
【００１８】
バケット角度センサＤ３ｃは、バケット角度を取得するセンサであり、例えば、バケット連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、バケットシリンダ９のストローク量を検出するストロークセンサ、バケット６の傾斜角を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。バケット角度センサＤ３ｃは、例えば、バケット角度θ３を取得する。バケット角度θ３は、ＸＺ平面において、バケット連結ピン位置Ｐ３とバケット爪先位置Ｐ４とを結ぶ線分Ｐ３−Ｐ４の水平線に対する角度である。
【００１９】
ブーム角度センサＤ３ａ、アーム角度センサＤ３ｂ、及び、バケット角度センサＤ３ｃは、加速度センサとジャイロセンサの組み合わせで構成されていてもよい。
【００２０】
車体傾斜センサＤ３ｄは、ショベル１００のＹ軸回りの傾斜角θ４、及び、ショベル１００のＸ軸回りの傾斜角θ５（図示せず。）を取得するセンサであり、例えば２軸傾斜（加速度）センサ等を含む。図２のＸＹ平面は水平面である。
【００２１】
ブームロッド圧センサＤ５ａはブームシリンダ７のロッド側油室の圧力（以下、「ブームロッド圧」とする。）を検出し、ブームボトム圧センサＤ５ｂはブームシリンダ７のボトム側油室の圧力（以下、「ブームボトム圧」とする。）を検出する。アームロッド圧センサＤ５ｃはアームシリンダ８のロッド側油室の圧力（以下、「アームロッド圧」とする。）を検出し、アームボトム圧センサＤ５ｄはアームシリンダ８のボトム側油室の圧力（以下、「アームボトム圧」とする。）を検出する。バケットロッド圧センサＤ５ｅはバケットシリンダ９のロッド側油室の圧力（以下、「バケットロッド圧」とする。）を検出し、バケットボトム圧センサＤ５ｆはバケットシリンダ９のボトム側油室の圧力（以下、「バケットボトム圧」とする。）を検出する。
【００２２】
次に、図３を参照してショベル１００の基本システムについて説明する。ショベル１００の基本システムは、主に、エンジン１１、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、コントローラ３０、エンジン制御装置（ＥＣＵ７４）等を含む。
【００２３】
エンジン１１はショベル１００の駆動源であり、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。エンジン１１の出力軸はメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５のそれぞれの入力軸に接続されている。
【００２４】
メインポンプ１４は、作動油ライン１６を介して作動油をコントロールバルブ１７に供給する油圧ポンプであり、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。メインポンプ１４は、斜板の角度（傾転角）を変更することでピストンのストローク長を調整し、吐出量、すなわち、ポンプ出力を変化させることができる。メインポンプ１４の斜板は、レギュレータ１４ａにより制御される。レギュレータ１４ａは、コントローラ３０が出力する制御電流の変化に応じて斜板の傾転角を変化させる。例えば、制御電流の増加に応じ、斜板の傾転角を大きくし、メインポンプ１４の吐出量を多くする。また、制御電流の減少に応じ、斜板の傾転角を小さくし、メインポンプ１４の吐出量を少なくする。
【００２５】
パイロットポンプ１５は、パイロットライン２５を介して各種油圧制御機器に作動油を供給するための油圧ポンプであり、例えば、固定容量型油圧ポンプである。
【００２６】
コントロールバルブ１７は、油圧システムを制御する油圧制御装置である。コントロールバルブ１７は、例えば、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、及び、旋回用油圧モータ２Ａのうちの一又は複数のものに対し、メインポンプ１４から作動油ライン１６を通じて供給された作動油を選択的に供給する。以下の説明では、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、及び旋回用油圧モータ２Ａを集合的に「油圧アクチュエータ」と称する。
【００２７】
操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。操作装置２６は、パイロットライン２５を介してパイロットポンプ１５から作動油の供給を受ける。そして、パイロットライン２５ａを通じて、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートにその作動油を供給する。パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力（パイロット圧）は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応するレバー又はペダル２６Ａ〜２６Ｃの操作方向及び操作量に対応する。
【００２８】
コントローラ３０は、ショベル１００を制御するための制御装置であり、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたコンピュータで構成される。コントローラ３０は、各種機能に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭにロードし且つそれらプログラムのそれぞれに対応する処理をＣＰＵに実行させる。
【００２９】
コントローラ３０は、例えば、メインポンプ１４の吐出量を制御する。具体的には、コントローラ３０は、ネガコン弁（不図示）のネガコン圧に応じてレギュレータ１４ａに対する制御電流を変化させ、レギュレータ１４ａを介してメインポンプ１４の吐出量を制御する。
【００３０】
ＥＣＵ７４は、エンジン１１を制御する。ＥＣＵ７４は、例えば、コントローラ３０からの指令に基づき、エンジン回転数調整ダイヤル７５を用いて操作者が設定したエンジン回転数（モード）に応じてエンジン１１の回転数を制御するための燃料噴射量等をエンジン１１に出力する。
【００３１】
エンジン回転数調整ダイヤル７５は、キャビン１０内に設けられる、エンジン回転数を調整するためのダイヤルであり、本実施例では、Ｒｍａｘ、Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２及びＲ１の５段階でエンジン回転数を切り換えることができる。なお、図３は、エンジン回転数調整ダイヤル７５でＲ４が選択された状態を示す。
【００３２】
Ｒｍａｘは、エンジン１１の最高回転数であり、作業量を優先したい場合に選択される。Ｒ４は、二番目に高いエンジン回転数であり、作業量と燃費を両立させたい場合に選択される。Ｒ３及びＲ２は、三番目及び四番目に高いエンジン回転数であり、燃費を優先させながら低騒音でショベル１００を稼働させたい場合に選択される。Ｒ１は、最も低いエンジン回転数（アイドリング回転数）であり、エンジン１１をアイドリング状態にしたい場合に選択されるアイドリングモードにおけるエンジン回転数である。例えば、Ｒｍａｘ（最高回転数）を２０００ｒｐｍ、Ｒ１（アイドリング回転数）を１０００ｒｐｍとし、その間を２５０ｒｐｍ毎に、Ｒ４（１７５０ｒｐｍ）、Ｒ３（１５００ｒｐｍ）、Ｒ２（１２５０ｒｐｍ）と多段階に設定してよい。そして、エンジン１１は、エンジン回転数調整ダイヤル７５で設定されたエンジン回転数で一定に回転数制御される。なお、ここでは、エンジン回転数調整ダイヤル７５による５段階でのエンジン回転数調整の事例を示したが、５段階には限られず何段階であってもよい。
【００３３】
ショベル１００には、操作者による操作を補助するために画像表示装置４０がキャビン１０の運転席の近傍に配置されている。操作者は画像表示装置４０の入力部４２を利用して情報や指令をコントローラ３０に入力できる。コントローラ３０は、ショベル１００の運転状況及び制御情報等を画像表示装置４０の画像表示部４１に表示させることで、操作者に情報を提供できる。
【００３４】
画像表示装置４０は、画像表示部４１及び入力部４２を含む。画像表示装置４０は、運転席内のコンソールに固定される。一般的に、運転席に着座した操作者からみて右側にブーム４が配置されており、操作者はブーム４の先端に取り付けられたアーム５、バケット６を視認しながらショベル１００を操作することが多い。キャビン１０の右側前方のフレームは操作者の視界の妨げとなる部分であるが、本実施例では、この部分を利用して画像表示装置４０を設けている。これにより、もともと視界の妨げとなっていた部分に画像表示装置４０が配置されるので、画像表示装置４０自体が操作者の視界を大きく妨げることは無い。フレームの幅にもよるが、画像表示装置４０全体がフレームの幅に入るように、画像表示装置４０は、画像表示部４１が縦長となるように構成されてもよい。
【００３５】
本実施例では、画像表示装置４０は、ＣＡＮ、ＬＩＮ等の通信ネットワークを介してコントローラ３０に接続される。なお、画像表示装置４０は、専用線を介してコントローラ３０に接続されてもよい。
【００３６】
また、画像表示装置４０は、画像表示部４１上に表示する画像を生成する変換処理部４０ａを含む。本実施例では、変換処理部４０ａは、ショベル１００に取り付けられた撮像装置Ｄ４の出力に基づいて画像表示部４１上に表示する画像を生成する。そのため、撮像装置Ｄ４は、例えば専用線を介して画像表示装置４０に接続される。また、変換処理部４０ａは、コントローラ３０の出力に基づいて画像表示部４１上に表示する画像を生成してもよい。
【００３７】
なお、変換処理部４０ａは、画像表示装置４０が有する機能としてではなく、コントローラ３０が有する機能として実現されてもよい。この場合、撮像装置Ｄ４は、画像表示装置４０ではなく、コントローラ３０に接続される。
【００３８】
画像表示装置４０は、入力部４２としてのスイッチパネルを含む。スイッチパネルは、各種ハードウェアスイッチを含むパネルである。本実施例では、スイッチパネルは、ハードウェアボタンとしてのライトスイッチ４２ａ、ワイパースイッチ４２ｂ、及びウインドウォッシャスイッチ４２ｃを含む。ライトスイッチ４２ａは、キャビン１０の外部に取り付けられるライトの点灯・消灯を切り換えるためのスイッチである。ワイパースイッチ４２ｂは、ワイパーの作動・停止を切り換えるためのスイッチである。また、ウインドウォッシャスイッチ４２ｃは、ウインドウォッシャ液を噴射するためのスイッチである。
【００３９】
画像表示装置４０は、蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。蓄電池７０はオルタネータ１１ａ（発電機）で発電した電力で充電される。蓄電池７０の電力は、コントローラ３０及び画像表示装置４０以外のショベル１００の電装品７２等にも供給される。また、エンジン１１のスタータ１１ｂは、蓄電池７０からの電力で駆動され、エンジン１１を始動する。
【００４０】
エンジン１１は、上述のとおり、ＥＣＵ７４により制御される。ＥＣＵ７４からは、エンジン１１の状態を示す各種データ（例えば、水温センサ１１ｃで検出される冷却水温（物理量）を示すデータ）がコントローラ３０に常時送信される。したがって、コントローラ３０は一時記憶部（メモリ）３０ａにこのデータを蓄積し、必要なときに画像表示装置４０に送信できる。
【００４１】
斜板の傾転角を示すデータは、レギュレータ１４ａからコントローラ３０に供給される。メインポンプ１４の吐出圧力を示すデータは、吐出圧力センサ１４ｂからコントローラ３０に供給される。エンジン回転数の設定状態を示すデータは、エンジン回転数調整ダイヤル７５からコントローラ３０に供給される。作動油タンクとメインポンプ１４との間の管路には油温センサ１４ｃが設けられている。その管路を流れる作動油の温度を表すデータは、油温センサ１４ｃからコントローラ３０に供給される。
【００４２】
レバー又はペダル２６Ａ〜２６Ｃが操作されたときにパイロットライン２５ａを通じてコントロールバルブ１７に伝えられるパイロット圧は、油圧センサ１５ａ、１５ｂで検出される。パイロット圧を示すデータは、油圧センサ１５ａ、１５ｂからコントローラ３０に供給される。これらのデータは、コントローラ３０の一時記憶部３０ａに格納される。
【００４３】
外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｄ１、測位装置Ｄ２、姿勢検出装置Ｄ３、撮像装置Ｄ４及びシリンダ圧検出装置Ｄ５等の出力に基づいて各種演算を行い、演算結果をコントローラ３０に対して出力する制御装置である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。
【００４４】
図４は、図１のショベル１００に搭載される駆動系の構成例を示す図であり、機械的動力伝達ライン、作動油ライン、パイロットライン、及び電気制御ラインをそれぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示す。
【００４５】
ショベル１００の駆動系は、主に、エンジン１１、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒ、吐出量調整装置１４ａＬ、１４ａＲ、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、操作内容検出装置２９、コントローラ３０、外部演算装置３０Ｅ、及びパイロット圧調整装置５０を含む。
【００４６】
コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油の流れを制御する流量制御弁１７１〜１７６を含む。そして、コントロールバルブ１７は、流量制御弁１７１〜１７６を通じ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの１又は複数のものに対しメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油を選択的に供給する。
【００４７】
操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。本実施例では、操作装置２６は、パイロットライン２５を通じ、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに供給する。
【００４８】
操作内容検出装置２９は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を検出する装置である。本実施例では、操作内容検出装置２９は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６のレバー又はペダルの操作方向及び操作量を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。なお、操作装置２６の操作内容は、ポテンショメータ等、圧力センサ以外の他のセンサの出力を用いて導き出されてもよい。
【００４９】
エンジン１１によって駆動されるメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒは、センターバイパス管路４０Ｌ、４０Ｒのそれぞれを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。
【００５０】
センターバイパス管路４０Ｌは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７１、１７３、及び１７５を通る作動油ラインであり、センターバイパス管路４０Ｒは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７２、１７４、及び１７６を通る作動油ラインである。
【００５１】
流量制御弁１７１、１７２、１７３は、左走行用油圧モータ１Ａ、右走行用油圧モータ１Ｂ、旋回用油圧モータ２Ａに流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。
【００５２】
また、流量制御弁１７４、１７５、１７６は、バケットシリンダ９、アームシリンダ８、ブームシリンダ７に流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。
【００５３】
吐出量調整装置１４ａＬ、１４ａＲは、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒの吐出量を調整する機能要素である。本実施例では、吐出量調整装置１４ａＬはレギュレータであり、コントローラ３０からの制御指令に応じてメインポンプ１４Ｌの斜板傾転角を増減させてメインポンプ１４Ｌの押し退け容積を増減させることでメインポンプ１４Ｌの吐出量を調整する。具体的には、吐出量調整装置１４ａＬは、コントローラ３０が出力する制御電流が大きくなるにつれて斜板傾転角を増大させて押し退け容積を増大させることでメインポンプ１４Ｌの吐出量を増大させる。吐出量調整装置１４ａＲによるメインポンプ１４Ｒの吐出量の調整についても同様である。
【００５４】
パイロット圧調整装置５０は、流量制御弁のパイロットポートに供給されるパイロット圧を調整する機能要素である。本実施例では、パイロット圧調整装置５０は、コントローラ３０が出力する制御電流に応じ、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を用いてパイロット圧を増減させる減圧弁である。この構成により、パイロット圧調整装置５０は、例えば、操作者によるバケット操作レバーの操作とは無関係に、コントローラ３０からの制御電流に応じてバケット６を開閉させることができる。また、操作者によるブーム操作レバーの操作とは無関係に、コントローラ３０からの制御電流に応じてブーム４を上下させることができる。下部走行体１の前進、後進、上部旋回体３の左旋回、右旋回、アーム５の開閉等についても同様である。
【００５５】
次に、図５を参照して外部演算装置３０Ｅの機能について説明する。なお、図５は、外部演算装置３０Ｅの構成例を示す機能ブロック図である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｄ１、測位装置Ｄ２、姿勢検出装置Ｄ３、撮像装置Ｄ４、シリンダ圧検出装置Ｄ５の出力を受けて各種演算を実行し、その演算結果をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、例えば、その演算結果に応じた制御指令を動作制御部Ｅ１に対して出力する。
【００５６】
動作制御部Ｅ１はアタッチメントの動きを制御するための機能要素であり、例えば、パイロット圧調整装置５０、流量制御弁１７１〜１７６等を含む。流量制御弁１７１〜１７６が電気信号に応じて動作する構成である場合、コントローラ３０は、流量制御弁１７１〜１７６に電気信号を直接的に送信する。
【００５７】
また、動作制御部Ｅ１は、アタッチメントの動きを自動調整した旨をショベル１００の操作者に知らせる情報通知装置を含んでいてもよい。情報通知装置は、例えば、音声出力装置、ＬＥＤランプ等を含む。
【００５８】
具体的には、外部演算装置３０Ｅは、主に、地形データベース更新部３１、位置座標更新部３２、地面形状情報取得部３３、及び掘削反力導出部３４を含む。
【００５９】
地形データベース更新部３１は、作業現場の地形情報を参照可能に体系的に記憶する地形データベースを更新する機能要素である。本実施例では、地形データベース更新部３１は、例えばショベル１００の起動時に通信装置Ｄ１を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。地形データベースは不揮発性メモリ等に記憶される。また、作業現場の地形情報は、例えば世界測位系に基づく３次元地形モデルで記述される。
【００６０】
位置座標更新部３２は、ショベル１００の現在位置を表す座標及び向きを更新する機能要素である。本実施例では、位置座標更新部３２は、測位装置Ｄ２の出力に基づいて世界測位系におけるショベル１００の位置座標及び向きを取得し、不揮発性メモリ等に記憶されるショベル１００の現在位置を表す座標及び向きに関するデータを更新する。
【００６１】
地面形状情報取得部３３は、作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する機能要素である。本実施例では、地面形状情報取得部３３は、地形データベース更新部３１が更新した地形情報と、位置座標更新部３２が更新したショベル１００の現在位置を表す座標及び向きと、姿勢検出装置Ｄ３が検出した掘削アタッチメントの姿勢の過去の推移とに基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得する。
【００６２】
ここで、図６を参照し、地面形状情報取得部３３が掘削動作後の地面形状に関する情報を取得する処理について説明する。図６は、掘削動作後の地面形状に関する情報の概念図である。なお、図６の破線で示す複数のバケット形状Ｘ０〜Ｘ８は、前回の掘削動作の際のバケット６の軌跡を表す。バケット６の軌跡は、姿勢検出装置Ｄ３が過去に検出した掘削アタッチメントの姿勢の推移から導き出される。また、図６の太実線は、地面形状情報取得部３３が把握している掘削対象地面の現在の断面形状を表し、太点線は、地面形状情報取得部３３が把握している前回の掘削動作が行われる前の掘削対象地面の断面形状を表す。すなわち、地面形状情報取得部３３は、前回の掘削動作が行われる前の掘削対象地面の形状から、前回の掘削動作の際にバケット６が通過した空間に対応する部分を取り除くことで掘削対象地面の現在の形状を導き出す。このようにして、地面形状情報取得部３３は、掘削動作後の地面形状を推定できる。また、図６の一点鎖線で示すＺ軸方向に伸びる各ブロックは３次元地形モデルの各要素を表す。各要素は例えばＸＹ平面に平行な単位面積の上面と−Ｚ方向に無限大の長さを有するモデルで表現される。なお、３次元地形モデルは３次元メッシュモデルで表現されてもよい。
【００６３】
地面形状情報取得部３３は、撮像装置Ｄ４が撮像したショベル１００周辺の画像に基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得してもよい。地面形状情報取得部３３は、レーザレンジファインダ、レーザスキャナ、距離画像センサ等の距離測定装置の出力に基づいて掘削対象地面の現在の形状に関する情報を取得してもよい。
【００６４】
掘削反力導出部３４は掘削反力を導き出す機能要素である。掘削反力導出部３４は、例えば、掘削アタッチメントの姿勢と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削反力を導き出す。掘削アタッチメントの姿勢は姿勢検出装置Ｄ３によって検出され、掘削対象地面の現在の形状に関する情報は地面形状情報取得部３３によって取得される。掘削反力導出部３４は、掘削アタッチメントの姿勢と、シリンダ圧検出装置Ｄ５が出力する情報とに基づいて掘削反力を導き出してもよい。
【００６５】
本実施例では、掘削反力導出部３４は、所定の計算式を用いて所定の演算周期で掘削反力を導き出す。例えば、掘削深さが深いほど、すなわち、ショベル１００の接地面とバケット爪先位置Ｐ４（図２参照。）との鉛直距離が大きいほど掘削反力が大きくなるように掘削反力を導き出す。また、掘削反力導出部３４は、例えば、バケット６の爪先の掘削対象地面に対する地面挿入深さが大きいほど掘削反力が大きくなるように掘削反力を導き出す。また、掘削反力導出部３４は、土砂密度等の土砂特性を考慮して掘削反力を導き出してもよい。土砂特性は、車載入力装置（図示せず。）を通じて操作者が入力する値であってもよく、シリンダ圧センサ等の各種センサの出力に基づいて自動的に算出される値であってもよい。
【００６６】
また、掘削反力導出部３４は、掘削アタッチメントの姿勢と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削中であるか否かを判定し、その判定結果をコントローラ３０に対して出力してもよい。掘削反力導出部３４は、例えば、バケット爪先位置Ｐ４（図２参照。）と掘削対象地面との間の鉛直距離が所定値以下となった場合に掘削中であると判定する。また、掘削反力導出部３４は、バケット６の爪先と掘削対象地面とが接触する前に掘削中であると判定してもよい。
【００６７】
外部演算装置３０Ｅは、掘削反力導出部３４により掘削中であると判定されると、操作者の操作内容に基づいて現在の掘削段階を導出する。なお、外部演算装置３０Ｅ自身が、掘削アタッチメントの姿勢と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削中であるか否かを判定してもよい。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、操作装置２６が出力する操作内容に基づいて現在の掘削段階を導出する。
【００６８】
また、外部演算装置３０Ｅは、姿勢検出装置Ｄ３の出力と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいてバケット爪先角度αを算出する。バケット爪先角度αは、バケット６の爪先の掘削対象地面に対する角度である。
【００６９】
ここで、図７を参照し、掘削初期段階、掘削中期段階、及び掘削後期段階の３段階を含む掘削段階について説明する。図７は掘削段階を説明する図であり、Ｆ７Ａが掘削初期段階におけるバケット６と掘削対象地面との関係を示し、Ｆ７Ｂが掘削中期段階におけるバケット６と掘削対象地面との関係を示し、Ｆ７Ｃが掘削後期段階におけるバケット６と掘削対象地面との関係を示す。Ｆ７Ｄは、掘削段階の後に行われるブーム上げ段階におけるバケット６と掘削対象地面との関係を示す。
【００７０】
掘削初期段階は、Ｆ７Ａの矢印で示すようにバケット６を鉛直下方に移動させる段階を意味する。そのため、掘削初期段階における掘削反力Ｆｚは、主にバケット６の爪先を掘削対象地面に挿入する際の挿入抵抗で構成され、主に鉛直上方を向く。また、挿入抵抗はバケット６の爪先の地面挿入深さｈが大きいほど大きくなる。また、挿入抵抗は、バケット６の爪先の地面挿入深さｈが同じであれば、バケット爪先角度αが略９０度のときに最小となる。なお、外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削中にブーム下げ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階が掘削初期段階であると判定する。掘削初期段階における掘削動作は、所定の動作により実現される。所定の動作は、好ましくは、所定の掘削アタッチメントの姿勢で、且つ、所定の挿入速度で実行される。挿入時の掘削アタッチメントの姿勢又は挿入速度が変化すると、挿入抵抗の導出結果にバラツキが生じるおそれがあるためである。
【００７１】
掘削中期段階は、Ｆ７Ｂの矢印で示すようにバケット６をショベル１００の機体側に引き寄せる段階を意味する。そのため、掘削中期段階における掘削反力Ｆｚは、主に掘削対象地面のすべり破壊に対するせん断抵抗力で構成され、主に機体から離れる方向を向く。なお、外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削中にアーム閉じ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階が掘削中期段階であると判定する。或いは、外部演算装置３０Ｅは、掘削中にブーム下げ操作が行われておらず且つアーム閉じ操作が行われていると判定した場合に現在の掘削段階が掘削中期段階であると判定してもよい。
【００７２】
また、掘削中期段階における掘削反力Ｆｚは、バケット爪先角度αが小さいほど掘削対象地面のすべり破壊が発生し難くなるために大きくなる。反対に、掘削中期段階における掘削反力Ｆｚは、バケット爪先角度αが大きいほど掘削対象地面のすべり破壊が発生し易くなるために小さくなる。また、掘削量は、バケット爪先角度αが９０度より大きい場合には、バケット爪先角度αが大きいほど小さくなる。
【００７３】
掘削後期段階は、Ｆ７Ｃの矢印で示すようにバケット６を鉛直上方に持ち上げる段階を意味する。そのため、掘削後期段階における掘削反力Ｆｚは、主にバケット６内に取り込まれた土砂等の重量で構成され、主に鉛直下方を向く。なお、外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削中にブーム上げ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階が掘削後期段階であると判定する。或いは、外部演算装置３０Ｅは、掘削中にアーム閉じ操作が行われておらず且つブーム上げ操作が行われていると判定した場合に現在の掘削段階が掘削後期段階であると判定してもよい。
【００７４】
外部演算装置３０Ｅは、掘削初期段階でのバケット６の爪先の挿入深さｈと挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）に基づいて掘削対象である地盤の硬さ（例えば、土砂、岩又は砂利等の特性等を含む。）を導出する。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、挿入深さｈと掘削反力Ｆｚと硬さＫとの対応関係を記憶する硬さテーブルを参照して掘削対象の硬さＫを導き出す。所定の計算式を用いて硬さＫを導き出してもよい。
【００７５】
挿入深さｈは、例えば、掘削反力導出部３４により、バケット爪先位置と掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて導き出される。掘削反力Ｆｚは、例えば、掘削反力導出部３４により、掘削アタッチメントの姿勢と、シリンダ圧検出装置Ｄ５が出力する情報とに基づいて導き出される。
【００７６】
図８は、硬さテーブルに記憶された対応関係を表すグラフであり、縦軸に挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）を配置し、横軸に挿入深さｈを配置している。
【００７７】
図８に示すように、挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）は、例えば、挿入深さｈの二乗に比例する関数として表される。係数Ｋ１、Ｋ２は、硬さＫの例であり、値が大きいほど硬いことを表している。
【００７８】
外部演算装置３０Ｅは、掘削反力導出部３４が導き出した挿入深さｈ及び挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）と、図８に示すような対応関係とに基づいて硬さＫを導き出す。外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫを数値として導き出す代わりに、掘削対象の硬さＫを複数の硬さ段階から選択してもよい。また、外部演算装置３０Ｅは、シリンダ圧検出装置Ｄ５の検出値に基づいて硬さＫを推定してもよい。この場合、外部演算装置３０Ｅは、挿入時の掘削アタッチメントの姿勢が所定の姿勢であれば、バケットシリンダ圧、アームシリンダ圧、若しくは、ブームシリンダ圧の変化に基づいて硬さＫを推定してもよい。
【００７９】
その後、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫに基づいて目標掘削深さＨを導出する。目標掘削深さＨは、掘削動作中にバケット６が動かなくなるような状況を引き起こすことなく、効率的な掘削動作を実現できる掘削深さを意味する。すなわち、実際の掘削深さが目標掘削深さＨを超えると、バケット６の動きが鈍化し或いは停止する場合がある。目標掘削深さＨは、例えば、掘削対象の硬さＫに関連付けてＲＯＭ等に予め記憶されている。目標掘削深さＨは、例えば、掘削対象が硬いほど浅くなるように設定されている。Ｆ７Ｃは、掘削深さが目標掘削深さＨになるように掘削が適切に行われた後の状態を示している。目標掘削深さＨは、掘削対象の硬さＫに加え、ショベル１００の姿勢、バケット６の姿勢等に関連付けて設定されていてもよい。目標掘削深さＨは、例えば、掘削アタッチメントが伸張されて旋回半径が大きくなっているときほど浅くなるように設定されていてもよい。
【００８０】
また、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫに基づいてバケット６の許容積載重量に対応する目標掘削体積Ｖｔを導出する。バケット６の許容積載重量は、バケット６を用いて持ち上げることができる掘削対象の最大重量を意味する。許容積載重量は、例えば、ショベル１００の種類、動作モード等に関連付けてＲＯＭ等に予め記憶されている。目標掘削体積Ｖｔは、１回の掘削動作で掘削しようとする掘削対象の掘削体積（目標値）を意味する。例えば、１回の掘削動作でバケット６によって排土される土砂の体積（目標値）である。
【００８１】
「バケット６の許容積載重量に対応する目標掘削体積Ｖｔ」は、掘削対象の単位体積重量（密度ρ）に応じて異なる。具体的には、密度ρが大きいほど小さく、密度ρが小さいほど大きい。そのため、外部演算装置３０Ｅは、硬さＫに基づいて密度ρを導き出す。密度ρは、例えば、掘削対象の硬さＫに関連付けてＲＯＭ等に予め記憶されている。密度ρは、例えば、掘削対象が硬いほど大きくなるように設定されている。すなわち、掘削対象が硬いほど「バケット６の許容積載重量に対応する目標掘削体積Ｖｔ」が小さくなるように設定されている。
【００８２】
その後、外部演算装置３０Ｅは、目標掘削深さＨと目標掘削体積Ｖｔから目標掘削長さＬを導出する。目標掘削長さＬは、上部旋回体３の前後軸に沿った長さである。目標掘削長さＬは、ショベル１００の姿勢によって制限されてもよい。目標掘削体積Ｖｔは、例えば、目標掘削深さＨと目標掘削長さＬとバケット幅Ｗで決まる空間の体積Ｖにほぼ等しい。バケット幅Ｗは、上部旋回体３の左右軸方向におけるバケット６の長さである。目標掘削体積Ｖｔは、体積Ｖに回収率ηを乗じた値として導出されてもよい。回収率ηは、バケット６によって掘削された掘削対象の体積に占める、バケット６内に入った掘削対象の体積の比率を表す。回収率ηは、予め記憶された値であってもよく、任意のタイミングで設定される値であってもよい。Ｆ７Ｄは、掘削長さが目標掘削長さＬになるように掘削が適切に行われた後の状態を示している。具体的には、掘削初期段階でバケット６の爪先が掘削対象に入った位置Ｐａから掘削後期段階でバケット６の爪先が掘削対象から出た位置Ｐｂまでの水平距離が目標掘削長さＬになったことを示している。また、Ｆ７Ｄは、掘削体積が目標掘削体積Ｖｔ（＝目標掘削深さＨ×目標掘削長さＬ×バケット幅Ｗ×回収率η）になるように掘削が適切に行われた後の状態を示している。
【００８３】
仕上げ面として目標施工面が設定されている場合、外部演算装置３０Ｅは、現在の掘削面（地表面）から目標施工面までの間で複数の目標掘削深さＨを段階的に導出してもよい。このようにして、ショベル１００のコントローラ３０は、作業部位であるバケット６の爪先が、段階的に設定された目標掘削深さＨを超えないように制御できる。
【００８４】
次に、図９を参照し、外部演算装置３０Ｅが掘削アタッチメントによる掘削動作を支援する処理（以下、「掘削支援処理」とする。）について説明する。図９は、掘削支援処理の一例を示すフローチャートである。外部演算装置３０Ｅは、ショベル１００の稼働中に所定の制御周期で繰り返しこの掘削支援処理を実行する。掘削中であると判定した場合に限り実行してもよい。
【００８５】
最初に、外部演算装置３０Ｅは、現在の掘削段階が掘削初期段階であるか否かを判定する（ステップＳＴ１）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、掘削中にブーム下げ操作が行われていると判定した場合、現在の掘削段階が掘削初期段階であると判定する。
【００８６】
現在の掘削段階が掘削初期段階でないと判定した場合（ステップＳＴ１のＮＯ）、外部演算装置３０Ｅは、今回の掘削支援処理を終了する。
【００８７】
現在の掘削段階が掘削初期段階であると判定した場合（ステップＳＴ１のＹＥＳ）、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫを導出する（ステップＳＴ２）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、挿入深さｈと掘削反力Ｆｚと硬さＫとの対応関係を記憶する硬さテーブルを参照して掘削対象の硬さＫを導き出す。短時間で複数の硬さＫを導出した場合、それらの平均値を硬さＫとしてもよく、直近の値を硬さＫとしてもよい。目標掘削深さＨ等の他のパラメータについても同様である。
【００８８】
その後、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫに基づいて目標掘削深さＨを導出する（ステップＳＴ３）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、硬さＫと目標掘削深さＨとの対応関係を記憶する目標掘削深さテーブルを参照して目標掘削深さＨを導き出す。所定の計算式を用いて目標掘削深さＨを導き出してもよい。
【００８９】
その後、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さＫに基づいて掘削対象の単位体積重量（密度ρ）を導出する（ステップＳＴ４）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、硬さＫと密度ρとの対応関係を記憶する密度テーブルを参照して密度ρを導き出す。所定の計算式を用いて密度ρを導き出してもよい。
【００９０】
その後、外部演算装置３０Ｅは、密度ρに基づいて目標掘削体積Ｖｔを導出する（ステップＳＴ５）。目標掘削体積Ｖｔは、バケット６の許容積載体積以下の値として導出される。バケット６の許容積載体積は、バケット６を用いて持ち上げることができる掘削対象の最大体積を意味する。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、バケット６の許容積載重量と密度ρから目標掘削体積Ｖｔを導き出す。バケット６の許容積載重量は、バケット６を用いて持ち上げることができる掘削対象の最大重量を意味する。バケット６の許容積載体積及び許容積載重量のそれぞれは、ショベル１００の動作モード等に応じて異なる値であってもよい。外部演算装置３０Ｅは、許容積載重量未満の所定の積載重量と密度ρから目標掘削体積Ｖｔを導き出してもよい。
【００９１】
その後、外部演算装置３０Ｅは、目標掘削長さＬを導出する（ステップＳＴ６）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、目標掘削深さＨ、目標掘削体積Ｖｔ、回収率η、バケット幅Ｗから目標掘削長さＬを導き出す。目標掘削体積Ｖｔは、Ｈ×Ｌ×Ｗ×ηで表されるためである。回収率η及びバケット幅Ｗは、例えば、予め記憶された値である。
【００９２】
その後、外部演算装置３０Ｅは、掘削支援機能を開始する（ステップＳＴ７）。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、現在の掘削段階が掘削中期段階であると判定した場合、例えば、ブーム下げ操作が中止され且つアーム閉じ操作が行われている場合に掘削支援機能を開始する。
【００９３】
掘削支援機能は、例えば、掘削アタッチメントを半自動で動作させて掘削動作を支援する機能である。この場合、外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削中期段階においてアーム閉じ操作が行われている際に、現在の掘削面である最新の掘削面（地表面）からの掘削深さが目標掘削深さＨとなるようにブーム４を自動的に上下させる。バケット６を自動的に開閉させてもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、掘削深さが目標掘削深さＨを超えそうなときには、目標掘削深さＨを超えないよう、ブーム４を自動的に上昇させてもよい。或いは、掘削深さが目標掘削深さＨに達しそうにないときには、目標掘削深さＨに達するよう、ブーム４を自動的に下降させてもよい。バケット６の開閉についても同様である。また、アーム５の閉じ速度を調整してもよい。
【００９４】
また、外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階においてアーム閉じ操作が行われている際に、掘削長さが目標掘削長さＬとなるようにブーム４を自動的に上下させる。バケット６を自動的に開閉させてもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、掘削長さが目標掘削長さＬを超えそうなときには、目標掘削長さＬを超えないよう、バケット６を自動的に閉じ、且つ、ブーム４を自動的に上昇させてもよい。或いは、掘削長さが目標掘削長さＬに達しそうにないときには、目標掘削長さＬに達するよう、ブーム４を自動的に下降させてもよい。また、アーム５の閉じ速度を調整してもよい。
【００９５】
また、外部演算装置３０Ｅは、掘削中期段階においてアーム閉じ操作が行われている際に、掘削体積が目標掘削体積Ｖｔとなるようにブーム４を自動的に上下させてもよく、バケット６を自動的に開閉させてもよい。具体的には、外部演算装置３０Ｅは、掘削体積が目標掘削体積Ｖｔを超えそうなときには、目標掘削体積Ｖｔを超えないよう、バケット６を自動的に閉じ、且つ、ブーム４を自動的に上昇させてもよい。或いは、掘削体積が目標掘削体積Ｖｔに達しそうにないときには、目標掘削体積Ｖｔに達するよう、ブーム４を自動的に下降させてもよい。この場合、外部演算装置３０Ｅは、撮像装置Ｄ４、距離測定装置等の出力に基づいて掘削体積を導出してもよい。また、目標掘削長さＬの実現よりも目標掘削体積Ｖｔの実現を優先させてもよい。すなわち、掘削長さが目標掘削長さＬに達していない場合にブーム４を自動的に上昇させてもよく、掘削長さが目標掘削長さＬを超えそうな場合にブーム４を自動的に下降させてもよい。また、アーム５の閉じ速度を調整してもよい。
【００９６】
或いは、掘削支援機能は、掘削アタッチメントを全自動で動作させて掘削動作を支援する機能であってもよい。或いは、目標掘削深さＨ及び目標掘削長さＬに関する情報を画像表示装置４０に表示する機能であってもよい。この場合、操作者は、画像表示装置４０に表示された情報を見ながら掘削を行うことで、効率的な掘削を行うことができる。
【００９７】
上述のように、外部演算装置３０Ｅは、掘削初期段階でのバケット６の爪先の挿入深さｈと挿入抵抗（掘削反力Ｆｚ）に基づいて掘削対象の硬さＫを導出し、その硬さＫに基づいて目標掘削深さＨを導出し、且つ、その硬さＫに基づいてバケット６の許容積載重量に対応する目標掘削体積Ｖｔを導出する。そして、導出した目標掘削深さＨを利用して掘削アタッチメントによる掘削動作を適切に支援することができる。そのため、本発明の実施例に係るショベル１００は、より効率的な掘削を実現できる。具体的には、掘削中に掘削負荷の影響を受けて掘削を継続できなくなってしまったり、掘削体積が小さくなってしまったりといった状況が発生するのを防止できる。また、掘削対象の硬さＫは、上述の如く、シリンダ圧検出装置Ｄ５等のショベル１００に取り付けられた機器の検出値に基づいて導出されてもよく、ショベル１００の外部に設置された機器の検出値に基づいて導出されてもよい。このように、本実施例では、硬さＫに応じて最新の掘削面からの目標掘削深さＨが設定される。また、硬さＫが変化したことが検出されると、変化後の硬さＫに応じて目標掘削深さＨが自動的に補正される。このようにして、ショベル１００のコントローラ３０は、作業部位であるバケット６の爪先が、設定された目標掘削深さＨ及び目標掘削長さＬを超えないように制御できる。
【００９８】
また、外部演算装置３０Ｅは、目標掘削深さＨと目標掘削体積Ｖｔから目標掘削長さＬを導出する。そして、導出した目標掘削深さＨと目標掘削長さＬを利用して掘削アタッチメントによる掘削動作を適切に支援することができる。そのため、本発明の実施例に係るショベル１００は、より効率的な掘削を実現できる。
【００９９】
そして、外部演算装置３０Ｅは、掘削支援機能の一例として、掘削アタッチメントを半自動的に動作させて掘削動作を支援してもよい。例えば、バケット６内に入る掘削対象の重量が許容積載重量を超えないよう、複数の油圧アクチュエータのうちの少なくとも１つを自動的に制御してもよい。
【０１００】
外部演算装置３０Ｅは、掘削対象の硬さが所定の硬さより硬いと判定した場合に、バケット６の爪先を揺動させてもよい。掘削動作がより効率的に行われるようにするためである。例えば、外部演算装置３０Ｅは、掘削初期段階において掘削対象の硬さＫが所定の硬さより硬いと判定した場合に、バケット６の微小な開閉を繰り返すことでバケット６の爪先を揺動させてもよい。或いは、ブーム４の微小な上下動、アーム５の微小な開閉、及び、バケット６の微小な開閉の少なくとも１つを繰り返すことでバケット６の爪先を揺動させてもよい。
【０１０１】
また、従来、掘削対象物としての地山を掘削するショベルが知られている（特開２００２−３０４４４１号公報参照。）。そして、地山を構成する土砂、すなわち、ショベルが掘削する土砂を搬出する工程は、一般的に、その地山における掘削対象範囲の体積（総体積）に基づいて計画される。
【０１０２】
しかしながら、地山を構成する土砂の単位体積重量（密度）は土質等に応じて異なる。また、掘削前のほぐれていない土砂の密度と掘削後のほぐれた土砂の密度も異なる。また、運搬車両の台数は、搬出しようとする土砂の総体積ではなく総重量に基づいて決まる。運搬車両の最大積載量は最大限度重量を意味するためである。そのため、地山の総体積を算出するだけでは土砂を搬出する工程を正確に計画することができず、運搬車両の台数を正確に予測することもできない。
【０１０３】
上述に鑑み、本発明の実施例に係る建設機械としてのショベル（掘削機）は、掘削対象物の総重量をより正確に導出できるように構成されていてもよい。
【０１０４】
ここで、図１０を参照して外部演算装置３０Ｅの機能について説明する。なお、図１０は、外部演算装置３０Ｅの構成例を示す機能ブロック図である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｄ１、測位装置Ｄ２、姿勢検出装置Ｄ３、撮像装置Ｄ４、シリンダ圧検出装置Ｄ５等の出力を受けて各種演算を実行し、その演算結果をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、例えば、その演算結果に応じた制御指令を画像表示装置４０等に対して出力する。
【０１０５】
具体的には、外部演算装置３０Ｅは、主に、地形データベース更新部３１、位置座標更新部３２、地面形状情報取得部３３、及び算出部３５を含む。
【０１０６】
地形データベース更新部３１は、地形データベースを更新する機能要素である。地形データベースは、作業現場の地形情報を参照可能に体系的に記憶している。本実施例では、地形データベース更新部３１は、ショベル１００の起動時に通信装置Ｄ１を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。地形データベースはＮＶＲＡＭ等の不揮発性メモリに記憶されている。作業現場の地形情報は、世界測位系に基づく３次元地形モデルで記述されている。
【０１０７】
位置座標更新部３２は、ショベル１００の現在位置を表す位置座標及び向きを更新する機能要素である。本実施例では、位置座標更新部３２は、測位装置Ｄ２の出力に基づいて世界測位系におけるショベル１００の位置座標及び向きを取得し、不揮発性メモリに記憶されているショベル１００の現在位置を表す位置座標及び向きに関するデータを更新する。
【０１０８】
地面形状情報取得部３３は、作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する機能要素である。本実施例では、地面形状情報取得部３３は、地形データベース更新部３１が更新した地形情報と、位置座標更新部３２が更新したショベル１００の現在位置を表す位置座標及び向きと、姿勢検出装置Ｄ３が検出した掘削アタッチメントの姿勢の過去の推移とに基づいて掘削対象物（例えば地山）の現在の形状に関する情報を取得する。
【０１０９】
地面形状情報取得部３３は、例えば、前回の掘削動作が行われる前の掘削対象物の形状から、前回の掘削動作の際にバケット６が通過した空間に対応する部分を取り除くことで掘削対象物の現在の形状を導き出す。
【０１１０】
地面形状情報取得部３３は、撮像装置Ｄ４が撮像したショベル１００周辺の画像に基づいて掘削対象物の現在の形状に関する情報を取得してもよい。地面形状情報取得部３３は、レーザレンジファインダ、レーザスキャナ、距離画像センサ等の距離測定装置の出力に基づいて掘削対象物の現在の形状に関する情報を取得してもよい。
【０１１１】
地面形状情報取得部３３は、通信装置Ｄ１を通じて、現在の形状に関する情報を、管理センタに設置された管理装置、携帯端末（支援装置）等に送信してもよい。管理装置、支援装置等は、付属の受信装置を通じて受信した情報に基づき、自身が保持する作業現場の地形情報を更新してもよい。
【０１１２】
算出部３５は、掘削対象物に関する情報を算出する機能要素である。本実施例では、算出部３５は、掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の総体積Ｖ１と単位体積重量（密度ρ１）から総重量Ｍ１を算出する。
【０１１３】
掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の総体積Ｖ１は、現在の地形に関するデータと目標地形データとに基づいて導き出される。掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の総体積Ｖ１は、例えば、現在の地形を構成する地形構成物（例えば土砂）の総体積から目標地形を構成する地形構成物（例えば土砂）の総体積を差し引いた体積に相当するためである。
【０１１４】
掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の密度ρ１は、掘削アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物（例えば土砂）の重量Ｍ２から導き出される。これは、掘削アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物の重量Ｍ２が、掘削アタッチメントによる掘削によってできた掘削対象物における空間（穴）を占めていた掘削対象構成物の重量Ｍ３に等しいという第１前提条件に基づく。また、掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の密度ρ１が、掘削アタッチメントによる掘削によってできた掘削対象物における空間（穴）を占めていた掘削対象構成物の密度ρ３に等しいという第２前提条件に基づく。
【０１１５】
すなわち、掘削アタッチメントによる掘削によってできた空間（穴）を占めていた掘削対象構成物の体積を体積Ｖ３とすると、第１前提条件は式（１）で表され、第２前提条件は式（２）で表される。また、掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の密度ρ１は式（３）で表され、掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の総重量Ｍ１は式（４）で表される。なお、体積Ｖ２は、掘削アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物の体積に相当し、体積Ｖ３は、掘削アタッチメントによる掘削によってできた空間（穴）の体積に相当する。また、密度ρ２は、掘削アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物の単位体積重量に相当する。
【０１１６】
【数１】
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掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の密度ρ１は、典型的には、掘削アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物の密度ρ２より大きい。掘削によって土砂がほぐれるためである。これは、掘削アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物の体積Ｖ２が、掘削アタッチメントによる掘削によってできた空間（穴）を占めていた掘削対象構成物の体積Ｖ３よりも大きいことを意味する。
【０１１７】
従って、算出部３５は、掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物（地山）の総体積Ｖ１、掘削アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物（土砂）の重量Ｍ２、及び、掘削アタッチメントによる掘削によってできた空間（穴）の体積Ｖ３を導出できれば、掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の総重量Ｍ１を算出できる。そして、総体積Ｖ１は、上述のように、現在の地形に関するデータと目標地形データとに基づいて導き出される。
【０１１８】
そこで、算出部３５は、情報取得装置の出力に基づき、掘削アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物の重量Ｍ２、及び、掘削アタッチメントによる掘削によってできた空間（穴）の体積Ｖ３を導き出す。
【０１１９】
本実施例では、算出部３５は、掘削アタッチメントの姿勢とブームボトム圧から、掘削アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物の重量Ｍ２を導き出す。掘削アタッチメントの姿勢は、例えば、ブーム角度センサＤ３ａ、アーム角度センサＤ３ｂ、バケット角度センサＤ３ｃ、及び、車体傾斜センサＤ３ｄのそれぞれの出力から導き出される。ブームボトム圧は、例えば、ブームボトム圧センサＤ５ｂによって検出される。掘削アタッチメントの姿勢とブームボトム圧と重量Ｍ２との関係は、例えば、予めＮＶＲＡＭ等に記憶されている。
【０１２０】
算出部３５は、ブームロッド圧、ブームボトム圧、アームロッド圧、アームボトム圧、バケットロッド圧、及び、バケットボトム圧の少なくとも１つと掘削アタッチメントの姿勢とに基づいて掘削アタッチメントが持ち上げた掘削対象構成物の重量Ｍ２を導き出してもよい。
【０１２１】
また、算出部３５は、例えば、掘削前の地形データと掘削後の地形データとに基づき、掘削アタッチメントによる掘削によってできた空間（穴）の体積Ｖ３を導き出す。本実施例では、算出部３５は、撮像装置Ｄ４が撮像した掘削前の掘削対象物の画像と掘削後の掘削対象物の画像に基づき、掘削前の地形データと掘削後の地形データを取得する。
【０１２２】
或いは、算出部３５は、掘削前の地形データとその後の掘削動作の際にバケット６が通過した空間に関する情報とに基づき、掘削アタッチメントによる掘削によってできた空間（穴）の体積Ｖ３を導き出してもよい。バケット６が通過した空間に関する情報は、例えば、掘削動作開始後のブーム角度センサＤ３ａ、アーム角度センサＤ３ｂ、バケット角度センサＤ３ｃ、及び、車体傾斜センサＤ３ｄのそれぞれの時系列データから導き出される。
【０１２３】
このようにして、算出部３５は、掘削アタッチメントによって掘削される前の掘削対象物の総重量Ｍ１を算出できる。
【０１２４】
算出部３５は、掘削対象物の総重量Ｍ１から運搬車両の配車台数を算出してもよい。運搬車両の配車台数は、例えば、掘削対象物の総重量Ｍ１を運搬車両の最大積載量（最大限度重量）で除算することで算出される。そして、算出部３５は、その運搬車両の配車台数に関する情報を画像表示装置４０に表示させてもよい。本実施例では、算出部３５は、運搬車両の配車台数に関する情報をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、運搬車両の配車台数に関する情報を受信すると、制御指令を画像表示装置４０に対して出力する。画像表示装置４０は、コントローラ３０が受信した運搬車両の配車台数に関する情報を画像表示部４１に表示させる。
【０１２５】
算出部３５は、掘削対象物の総体積Ｖ１又は総重量Ｍ１と、掘削対象物を掘削するのに要した掘削エネルギとに基づいて掘削効率を算出してもよい。掘削対象物を掘削するのに要した掘削エネルギは、例えば、掘削対象物を掘削するのに要した時間、燃料の消費量等を含む。掘削効率は、例えば、掘削対象物の総体積Ｖ１又は総重量Ｍ１を、掘削対象物を掘削するのに要した時間で除算することで算出される。この場合、掘削効率は、単位時間当たりの掘削体積又は掘削重量として算出される。或いは、掘削効率は、掘削対象物の総体積Ｖ１又は総重量Ｍ１を、掘削対象物を掘削するのに要した燃料消費量で除算することで算出されてもよい。この場合、掘削効率は、単位燃料消費量当たりの掘削体積又は掘削重量として算出される。そして、その掘削効率に関する情報を画像表示装置４０に表示させてもよい。本実施例では、算出部３５は、掘削効率に関する情報をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、掘削効率に関する情報を受信すると、制御指令を画像表示装置４０に対して出力する。画像表示装置４０は、コントローラ３０が受信した掘削効率に関する情報を画像表示部４１に表示させる。
【０１２６】
次に、図１１〜図１３を参照し、ショベル１００に搭載された外部演算装置３０Ｅが運搬車両３００の配車台数を算出する処理（以下、「配車台数算出処理」とする。）について説明する。図１１は、配車台数算出処理のフローチャートである。図１２は、掘削アタッチメントによって掘削される前の地山ＥＴの総体積Ｖ１の導出方法の一例を説明する図である。図１２の粗いドットパターンの領域は施工前の地面ＧＳを構成する掘削対象物としての地山ＥＴ（Ｖ１、ρ１、Ｍ１）を表し、一点鎖線は地山ＥＴに埋まっている目標地形の表面（目標施工面ＴＳ）を表す。Ｖ１、ρ１、Ｍ１は地山ＥＴの総体積、密度、総重量を表す。図１３は、掘削アタッチメントによって掘削される前の地山ＥＴの単位体積重量（密度ρ１）の導出方法の一例を説明する図である。図１３の粗いドットパターンの領域は掘削対象物としての地山ＥＴを表し、一点鎖線は地山ＥＴに埋まっている目標地形の表面を表す。また、細かいドットパターンの領域はバケット６が持ち上げた土砂ＥＳ（Ｖ２、ρ２、Ｍ２）を表し、細かい斜線パターンの領域は掘削アタッチメントによる掘削によってできた地山ＥＴにおける穴ＳＰ（Ｖ３、ρ３、Ｍ３）を表す。Ｖ２、ρ２、Ｍ２は土砂ＥＳの体積、密度、重量を表す。Ｖ３、ρ３、Ｍ３は掘削前に穴ＳＰを占めていた土砂の体積、密度、重量を表す。
【０１２７】
本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、ショベル１００が試し掘削モードで動作しているときに、この配車台数算出処理を実行する。操作者は、例えば、画像表示装置４０における入力部４２としてのスイッチパネルに含まれるモードスイッチを操作してショベル１００の動作モードを通常モードから試し掘削モードに切り替えることができる。
【０１２８】
最初に、外部演算装置３０Ｅの算出部３５は、地山ＥＴの総体積Ｖ１を導出する（ステップＳＴ１１）。この例では、算出部３５は、図１２に示すように、飛行体２００に搭載された撮像装置Ｄ４Ａが撮像した掘削前の地山ＥＴ（現在の地表面）の撮像データである画像と目標地形データに基づき、地山ＥＴの総体積Ｖ１を導き出す。ブーム４の側面に取り付けられた撮像装置Ｄ４が撮像した掘削前の地山ＥＴの撮像データと目標地形データに基づき、地山ＥＴの総体積Ｖ１を導き出してもよい。
【０１２９】
ショベル１００は、通信装置Ｄ１を通じて飛行体２００と通信し、飛行体２００が送信する画像を取得する。破線で示す領域Ｒ１は、撮像装置Ｄ４Ａの撮像範囲を表す。
【０１３０】
算出部３５は、ステレオカメラとしての撮像装置Ｄ４Ａが送信する画像に基づき、地山ＥＴを含むショベル１００の周辺の現在の地形に関する情報を取得できる。現在の地形に関する情報は、例えば、現在の地形を構成する土砂の総体積を含む。そして、現在の地形を構成する土砂の総体積から目標地形を構成する土砂の総体積を差し引いた体積を、掘削アタッチメントによって掘削される前の地山ＥＴの総体積Ｖ１として導き出す。目標地形を構成する土砂の総体積は、目標地形データから導き出される。これらの処理の少なくとも一部は飛行体２００で実行されてもよい。
【０１３１】
その後、算出部３５は、地山ＥＴの単位体積重量（密度ρ１）を導出する（ステップＳＴ１２）。この例では、算出部３５は、図１３に示すように、ブーム４の側面に取り付けられた撮像装置Ｄ４が撮像した掘削前後の地山ＥＴの撮像データと、姿勢検出装置Ｄ３が検出した掘削アタッチメントの姿勢と、シリンダ圧検出装置Ｄ５が検出したブームボトム圧とに基づいて密度ρ１を導き出す。図１３の破線で示す領域Ｒ２は、撮像装置Ｄ４の撮像範囲を表す。算出部３５は、撮像装置Ｄ４Ａが撮像した掘削前後の地山ＥＴの撮像データと、姿勢検出装置Ｄ３が検出した掘削アタッチメントの姿勢と、シリンダ圧検出装置Ｄ５が検出したブームボトム圧とに基づいて密度ρ１を導き出してもよい。これらの処理の少なくとも一部は飛行体２００で実行されてもよい。
【０１３２】
具体的には、算出部３５は、掘削アタッチメントの姿勢とブームボトム圧から、掘削アタッチメントが持ち上げた土砂ＥＳの重量Ｍ２を導き出す。また、算出部３５は、掘削前の地形データと掘削後の地形データから、掘削アタッチメントによる掘削によってできた穴ＳＰの体積Ｖ３を導き出す。掘削前の地形データは、撮像装置Ｄ４が撮像した掘削前の地山ＥＴの撮像データから導き出される。掘削後の地形データについても同様である。
【０１３３】
算出部３５は、撮像装置Ｄ４が撮像した、バケット６が持ち上げた土砂ＥＳの画像に基づいて土砂ＥＳの体積Ｖ２を導き出してもよい。この場合、体積Ｖ２と重量Ｍ２から単位体積重量（密度ρ２）を導き出してもよい。そして、算出部３５は、撮像装置Ｄ４が撮像した、バケット６からこぼれ落ちた土砂の画像に基づき、そのこぼれ落ちた土砂の体積Ｖ４（図示せず。）を導き出してもよい。この場合、体積Ｖ４と密度ρ２から、こぼれ落ちた土砂の重量Ｍ４（図示せず。）を導き出してもよい。これは、こぼれ落ちた土砂の密度ρ４（図示せず。）とバケット６が持ち上げた土砂ＥＳの密度ρ２が等しいという前提条件に基づく。その上で、算出部３５は、重量Ｍ２と重量Ｍ４の合計から、掘削アタッチメントによって掘削される前の地山ＥＴの密度ρ１を導き出してもよい。これは、バケット６が持ち上げた土砂の重量Ｍ２とバケット６からこぼれ落ちた土砂の重量Ｍ４の合計が、掘削アタッチメントによる掘削によってできた地山ＥＴにおける穴ＳＰを占めていた土砂の重量Ｍ３に等しいという前提条件に基づく。
【０１３４】
その後、算出部３５は、地山ＥＴの総重量Ｍ１を算出する（ステップＳＴ１３）。この例では、算出部３５は、ステップＳＴ１１で導出した地山ＥＴの総体積Ｖ１と、ステップＳＴ１２で導出した地山ＥＴの単位体積重量（密度ρ１）とに基づいて地山ＥＴの総重量Ｍ１を算出する。算出部３５は、例えば、上述の式（１）〜式（４）に基づいて地山ＥＴの総重量Ｍ１を算出する。
【０１３５】
その後、算出部３５は、運搬車両の配車台数を算出する（ステップＳＴ１４）。この例では、算出部３５は、ステップＳＴ１３で算出した地山ＥＴの総重量Ｍ１と運搬車両の最大積載量（最大限度重量）に基づいて地山ＥＴを構成する土砂の全てを搬出するために必要な運搬車両の台数を算出する。
【０１３６】
算出部３５は、ステップＳＴ１３で算出した地山ＥＴの総重量Ｍ１を通信装置Ｄ１経由で管理センタに設置された管理装置、携帯端末（支援装置）等に送信してもよい。この場合、運搬車両の配車台数は管理装置、支援装置等で算出されてもよい。地山ＥＴの総体積Ｖ１、単位体積重量（密度ρ１）、及び、総重量Ｍ１の少なくとも１つが管理装置、支援装置等で導出或いは算出されてもよい。
【０１３７】
この構成により、外部演算装置３０Ｅは、掘削対象物としての地山ＥＴの総重量Ｍ１をより正確に導き出すことができる。また、外部演算装置３０Ｅ、管理装置、支援装置等は、地山ＥＴの総重量Ｍ１に基づき、運搬車両の配車台数をより正確に導き出すことができる。
【０１３８】
次に、図１４を参照し、ショベル１００に搭載された外部演算装置３０Ｅがショベル１００の掘削効率を算出する処理（以下、「掘削効率算出処理」とする。）について説明する。図１４は、掘削効率算出処理のフローチャートである。外部演算装置３０Ｅは、例えば、画像表示装置４０における入力部４２としてのスイッチパネルに含まれる所定のスイッチが操作されたときにこの掘削効率算出処理を実行する。外部演算装置３０Ｅは、所定条件が満たされた場合にこの掘削効率算出処理を自動的に実行してもよい。
【０１３９】
最初に、外部演算装置３０Ｅは、地山ＥＴの総重量Ｍ１を取得する（ステップＳＴ２１）。この例では、外部演算装置３０Ｅは、配車台数算出処理で算出され且つ所定の記憶領域に記憶された地山ＥＴの総重量Ｍ１を読み出して取得する。
【０１４０】
その後、外部演算装置３０Ｅは、掘削に要した時間を取得する（ステップＳＴ２２）。この例では、外部演算装置３０Ｅは、タイマを用いて計測されたショベル稼働時間を掘削に要した時間として取得する。タイマは、例えば、エンジン１１が始動された時に計時を開示し、エンジン１１が停止された時に計時を終了する。レバー操作が行われた時間の累積時間等を掘削に要した時間として取得してもよい。
【０１４１】
その後、外部演算装置３０Ｅは、掘削効率を算出して表示する（ステップＳＴ２３）。この例では、外部演算装置３０Ｅは、ステップＳＴ２１で取得した地山ＥＴの総重量Ｍ１をステップＳＴ２２で取得したショベル稼働時間で除算して単位時間当たりの掘削重量を掘削効率として算出する。そして、算出した掘削効率を画像表示装置４０に表示する。
【０１４２】
外部演算装置３０Ｅは、地山ＥＴの総体積Ｖ１及びショベル稼働時間を通信装置Ｄ１経由で管理センタに設置された管理装置、携帯端末（支援装置）等に送信してもよい。この場合、ショベル１００の掘削効率は管理装置、支援装置等で算出されてもよい。
【０１４３】
掘削効率は、単位時間（例えば１日）で掘削した土砂の重量であってもよい。この場合、掘削した土砂の重量は、バケット６が持ち上げた土砂の重量Ｍ２の積算値であってもよい。掘削効率は、単位時間で掘削した土砂の体積であってもよい。この場合、掘削した土砂の体積は、撮像装置Ｄ４、撮像装置Ｄ４Ａ等が撮像した画像から導き出されてもよい。
【０１４４】
この構成により、外部演算装置３０Ｅ、管理装置、支援装置等は、ショベル１００の掘削効率をより正確に導き出すことができる。そして、ショベル１００の掘削効率を操作者、管理者等に提示できる。
【０１４５】
次に、図１５を参照し、画像表示装置４０に表示される運搬車両に関する情報について説明する。図１５は、画像表示装置４０の画像表示部４１に表示される画面Ｇの一例を示す。画面Ｇは管理センタに設置された管理装置、携帯端末（支援装置）等の表示装置に表示されてもよい。
【０１４６】
画面Ｇは、主に、時刻表示部Ｇ１、台数情報表示部Ｇ２、及び、地図情報表示部Ｇ３を含む。時刻表示部Ｇ１は、時刻を表示する領域である。この例では、現在時刻が「１５：００」であることを表示している。
【０１４７】
台数情報表示部Ｇ２は、運搬車両の配車台数に関する情報を表示する領域である。この例では、必要台数が「２０台」、現在積み込み台数が「１５台」、及び、残り積み込み台数が「５台」であることを表示している。必要台数は、例えば、掘削対象物としての地山ＥＴを構成する土砂の全てを搬出するのに必要な運搬車両の台数を表す。現在積み込み台数は、例えば、既に土砂の積み込みを行った運搬車両の台数を表す。残り積み込み台数は、例えば、必要台数から現在積み込み台数を差し引いた台数を表す。運搬車両の配車台数に関する情報は、主に、外部演算装置３０Ｅによって算出された地山ＥＴの総重量Ｍ１と、運搬車両の最大積載量（最大限度重量）とに基づいて算出される。
【０１４８】
地図情報表示部Ｇ３は、地図画像を表示する領域である。この例では、作業現場及び排土場を含む地域の地図画像を表示している。そのため、地図情報表示部Ｇ３は、排土場を表す画像Ｇ３−１、及び、作業現場を表す画像Ｇ３−２を含んでいる。また、地図情報表示部Ｇ３は、地山ＥＴを表す地山画像Ｇ４、ショベル１００を表すショベル画像Ｇ５、運搬車両を表す車両画像Ｇ６、及び、運搬車両の番号を表す番号画像Ｇ７を含んでいる。地図情報表示部Ｇ３は、導出した掘削対象構成物の密度ρ２に関する画像を含んでいてもよい。この場合、地形情報に密度ρ２に関する情報が重畳表示されてもよい。また、地図情報表示部Ｇ３は、導出した掘削対象の硬さＫに関する画像を含んでいてもよい。この場合、地形情報に硬さＫに関する情報が重畳表示されてもよい。
【０１４９】
地山画像Ｇ４は、例えば、地山ＥＴを表す地山アイコンである。地山アイコンの形状（大きさ）は、例えば、既に搬出された土砂の重量が大きいほど小さくなるように変更されてもよい。
【０１５０】
ショベル画像Ｇ５は、例えば、ショベル１００を表すショベルアイコンである。
【０１５１】
運搬車両を表す車両画像Ｇ６は、例えば、運搬車両を表す車両アイコンである。車両アイコンの表示位置は、運搬車両のそれぞれが発信する位置情報に基づく。図１３の車両画像Ｇ６−１５は１５台目の運搬車両の位置を表し、車両画像Ｇ６−１６は１６台目の運搬車両の位置を表し、車両画像Ｇ６−１７は１７台目の運搬車両の位置を表している。外部演算装置３０Ｅは、例えば、通信装置Ｄ１を介して受信した各運搬車両からの位置情報に基づいて車両アイコンの表示位置を決定する。外部演算装置３０Ｅは、管理センタに設置された管理装置、携帯端末（支援装置）等を通じて各運搬車両の位置情報を取得してもよい。
【０１５２】
運搬車両の番号を表す番号画像Ｇ７は、例えば、運搬車両の積み込み順を表す吹き出し画像である。積み込み順は、運搬車両のそれぞれが発信する情報に基づく。図１３の番号画像Ｇ７−１５は積み込み順が１５番目であることを表し、番号画像Ｇ７−１６は積み込み順が１６番目であることを表し、番号画像Ｇ７−１７は積み込み順が１７番目であることを表している。外部演算装置３０Ｅは、例えば、通信装置Ｄ１を介して受信した各運搬車両からの順番情報に基づいて各運搬車両の積み込み順を表示する。外部演算装置３０Ｅは、作業現場に向かう各運搬車両の積み込み順を、作業現場から近い順に割り振ってもよい。また、土砂の積み込みが完了した後の運搬車両の積み込み順をその運搬車両が排土場で土砂を排土するまで維持し、土砂の排土が完了した後で新たな積み込み順を割り振るようにしてもよい。
【０１５３】
外部演算装置３０Ｅは、管理装置、支援装置等が生成した画像を受信して表示する構成であってもよい。この場合、画像表示装置４０の画像表示部４１に表示される画面Ｇは、管理装置、支援装置等が生成した画像となる。そのため、運搬車両の表示位置、積み込み順等は管理装置、支援装置等で決定される。
【０１５４】
この構成により、外部演算装置３０Ｅは、運搬車両に関する情報を画像表示装置４０に表示させることで、運搬車両に関する情報を分かり易く操作者に伝えることができる。ショベル１００の操作者は、例えば、画面Ｇを見ることで次の運搬車両がいつ頃作業現場に到着するかを容易に把握できる。
【０１５５】
以上、本発明の好ましい実施例が説明された。しかしながら、本発明は、上述した実施例に限定されることはない。上述した実施例は、本発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形、置換等が適用され得る。また、上述の実施例を参照して説明された特徴のそれぞれは、技術的に矛盾しない限り、適宜に組み合わされてもよい。
【０１５６】
例えば、上述の実施例では、外部演算装置３０Ｅはコントローラ３０の外部にある別の演算装置として説明されたが、コントローラ３０に一体的に統合されていてもよい。また、コントローラ３０の代わりに外部演算装置３０Ｅが画像表示装置４０を直接的に制御してもよい。また、コントローラ３０の代わりに外部演算装置３０Ｅが動作制御部Ｅ１を直接的に制御してもよい。
【０１５７】
また、上述の実施例では、ショベル１００の操作者は、掘削作業の開始前に試し掘削モードを選択して配車台数算出処理を実行しているが、掘削作業の途中で試し掘削モードを選択して配車台数算出処理を実行してもよい。この場合、操作者は、掘削作業の途中で、運搬車両の配車台数を修正できる。
【０１５８】
また、上述の実施例では、外部演算装置３０Ｅは、掘削作業が行われた後で、地山ＥＴの総体積Ｖ１又は総重量Ｍ１と、地山ＥＴを掘削するのに要した掘削エネルギとに基づいて掘削効率を算出している。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。外部演算装置３０Ｅは、例えば、掘削作業が行われる前に、地山ＥＴの総体積Ｖ１又は総重量Ｍ１と、過去の掘削効率に関する情報等とに基づき、地山ＥＴを掘削するのに要するショベル稼働時間、燃料消費量等を推定してもよい。
【０１５９】
また、ショベル１００による作業は、外部の管理装置を通じて管理されてもよく、外部の携帯端末（支援装置）を通じて支援されてもよい。ここで、図１６を参照し、ショベル１００を管理し且つ／或いは支援するための管理・支援システムについて説明する。図１６は、管理・支援システムの一例を示す概略図である。図１６で示すように、管理・支援システムは、ショベル１００、管理装置ＦＳ、携帯端末ＭＳ（支援装置）を含む。ショベル１００、管理装置ＦＳ、及び携帯端末ＭＳは、通信ネットワークＣＮを通じて互いに接続される通信端末として機能する。管理・支援システムを構成するショベル１００、管理装置ＦＳ、及び携帯端末ＭＳは、それぞれ１台であってもよく、複数台であってもよい。図１６の例では、管理・支援システムは、１台のショベル１００と、１台の管理装置ＦＳと、１台の携帯端末ＭＳとを含む。
【０１６０】
ショベル１００は通信装置Ｄ１を有する。通信装置Ｄ１はショベル１００の外部に向けて情報を発信する。通信装置Ｄ１は、例えば、管理装置ＦＳ及び携帯端末ＭＳの少なくとも一方が受信可能な情報を発信する。
【０１６１】
管理装置ＦＳは、ショベル１００の作業を管理する装置であり、例えば、作業現場外の管理センタ等に設置される、表示装置を備えたコンピュータである。管理装置ＦＳは、使用者が持ち運び可能な可搬性のコンピュータであってもよい。携帯端末ＭＳは、表示装置を備えた通信端末であり、スマートフォン、タブレット端末、ノートパソコン等を含む。
【０１６２】
例えば、ショベル１００において掘削対象物の総重量が算出された場合、通信装置Ｄ１は、通信ネットワークＣＮを介して管理装置ＦＳ及び携帯端末ＭＳに情報を発信する。この情報は、運搬車両の配車台数を算出するために必要な情報を含む。管理装置ＦＳ及び携帯端末ＭＳは、運搬車両の配車台数を算出し、その配車台数に関する情報を付属の表示装置に表示する。これにより、ショベル１００の管理者等は、管理装置ＦＳ及び携帯端末ＭＳの少なくとも一方を用いて運搬車両の配車台数を確認できる。
【０１６３】
或いは、ショベル１００又は管理装置ＦＳは、運搬車両の配車台数を算出し、算出した配車台数に関するデータを携帯端末ＭＳに送信し、携帯端末ＭＳの表示装置でその配車台数に関する情報を表示させるようにしてもよい。
【０１６４】
本願は、２０１７年３月２２日に出願した日本国特許出願２０１７−０５６００４号、及び、２０１７年３月２７日に出願した日本国特許出願２０１７−０６１９５６号のそれぞれに基づく優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
【符号の説明】
【０１６５】
１・・・下部走行体  １Ａ・・・左走行用油圧モータ  １Ｂ・・・右走行用油圧モータ  ２・・・旋回機構  ２Ａ・・・旋回用油圧モータ  ３・・・上部旋回体  ４・・・ブーム  ５・・・アーム  ６・・・バケット  ７・・・ブームシリンダ  ８・・・アームシリンダ  ９・・・バケットシリンダ  １０・・・キャビン  １１・・・エンジン  １１ａ・・・オルタネータ  １１ｂ・・・スタータ  １１ｃ・・・水温センサ  １４、１４Ｌ、１４Ｒ・・・メインポンプ  １４ａ・・・レギュレータ  １４ａＬ、１４ａＲ・・・吐出量調整装置  １４ｂ・・・吐出圧力センサ  １４ｃ・・・油温センサ  １５・・・パイロットポンプ  １５ａ、１５ｂ・・・油圧センサ  １６・・・作動油ライン  １７・・・コントロールバルブ  ２５、２５ａ・・・パイロットライン  ２６・・・操作装置  ２６Ａ〜２６Ｃ・・・レバー又はペダル  ２９・・・操作内容検出装置  ３０・・・コントローラ  ３０ａ・・・一時記憶部  ３０Ｅ・・・外部演算装置  ３１・・・地形データベース更新部  ３２・・・位置座標更新部  ３３・・・地面形状情報取得部  ３４・・・掘削反力導出部  ３５・・・算出部  ４０・・・画像表示装置  ４０ａ・・・変換処理部  ４０Ｌ、４０Ｒ・・・センターバイパス管路  ４１・・・画像表示部  ４２・・・入力部  ４２ａ・・・ライトスイッチ  ４２ｂ・・・ワイパースイッチ  ４２ｃ・・・ウインドウォッシャスイッチ  ５０・・・パイロット圧調整装置  ７０・・・蓄電池  ７２・・・電装品  ７４・・・ＥＣＵ  ７５・・・エンジン回転数調整ダイヤル  １００・・・ショベル  １７１〜１７６・・・流量制御弁  ２００・・・飛行体  ３００・・・運搬車両  Ｅ１・・・動作制御部  Ｄ１・・・通信装置  Ｄ２・・・測位装置  Ｄ３・・・姿勢検出装置  Ｄ３ａ・・・ブーム角度センサ  Ｄ３ｂ・・・アーム角度センサ  Ｄ３ｃ・・・バケット角度センサ  Ｄ３ｄ・・・車体傾斜センサ  Ｄ４、Ｄ４Ａ・・・撮像装置  Ｄ５・・・シリンダ圧検出装置  Ｄ５ａ・・・ブームロッド圧センサ  Ｄ５ｂ・・・ブームボトム圧センサ  Ｄ５ｃ・・・アームロッド圧センサ  Ｄ５ｄ・・・アームボトム圧センサ  Ｄ５ｅ・・・バケットロッド圧センサ  Ｄ５ｆ・・・バケットボトム圧センサ  ＥＳ・・・土砂  ＥＴ・・・地山  Ｇ・・・画面  Ｇ１・・・時刻表示部  Ｇ２・・・台数情報表示部  Ｇ３・・・地図情報表示部  Ｇ４・・・地山画像  Ｇ５・・・ショベル画像  Ｇ６・・・車両画像  Ｇ７・・・番号画像  ＳＰ・・・穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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