(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機を備える作業機械の姿勢角を求めるにあたって、
前記作業機械に備えられて、角速度及び加速度を検出する検出装置と、
前記検出装置に備えられて、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から前記作業機械の姿勢角を求める第１姿勢角演算部と、
前記第１姿勢角演算部が求めた姿勢角を通過させて高周波成分を減少させた第１姿勢角として出力するローパスフィルタと、
前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から求めた姿勢角を、前記作業機械の姿勢変化に対する応答性が前記第１姿勢角よりも高い第２姿勢角として出力する第２姿勢角演算部と、
前記作業機械の姿勢角の変動量を求め、前記姿勢角の変動量に基づき前記作業機械の姿勢変動の判定を行い、前記姿勢角の変動量が所定の閾値以下の場合には前記第１姿勢角を出力し、所定の閾値を超えた場合には前記第２姿勢角を出力する選択部と、
を含む、作業機械の姿勢演算装置。
【請求項２】
作業機を備える作業機械の姿勢角を求めるにあたって、
前記作業機械に備えられて、角速度及び加速度を検出する検出装置と、
前記検出装置に備えられて、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から前記作業機械の姿勢角を求める姿勢角演算部と、
前記姿勢角演算部で求めた姿勢角にフィルタ処理を行い高周波成分を減少させた第１姿勢角として求めるローパスフィルタと、
前記姿勢角演算部において前記姿勢角を、前記作業機械の姿勢変化に対する応答性が前記第１姿勢角よりも高い第２姿勢角とし、前記作業機械の姿勢角の変動量を求め、前記姿勢角の変動量に基づき前記作業機械の姿勢変動の判定を行い、前記作業機械の姿勢角の変動量が所定の閾値以下の場合には前記第１姿勢角を出力し、所定の閾値を超えた場合には前記第２姿勢角を出力する選択部と、
を含む、作業機械の姿勢演算装置。
【請求項３】
前記第２姿勢角演算部は、
第１ローパスフィルタ、第１ハイパスフィルタ及び前記第１ローパスフィルタの出力と前記第１ハイパスフィルタの出力とを加算して出力する第１の加算部を有し、前記第１ローパスフィルタのゲインと前記第１ハイパスフィルタのゲインとが所定値になるときの第１の遮断周波数が設定され、前記検出装置によって検出された前記角速度が前記第１ローパスフィルタに入力され、前記加速度から求められた前記姿勢角が前記第１ハイパスフィルタに入力されることにより、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から求められた前記姿勢角に含まれる雑音を低減して前記第１の加算部から第３姿勢角を出力する第１相補フィルタと、
第２ローパスフィルタ、第２ハイパスフィルタ及び前記第２ローパスフィルタの出力と前記第２ハイパスフィルタの出力とを加算して出力する第２の加算部を有し、前記第２ローパスフィルタのゲインと前記第２ハイパスフィルタのゲインとが所定値になるときの周波数であって、前記第１の遮断周波数とは異なる第２の遮断周波数が設定され、前記検出装置によって検出された前記角速度が前記第２ローパスフィルタに入力され、前記加速度から求められた前記姿勢角が前記第２ハイパスフィルタに入力されることにより、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から求められた前記姿勢角に含まれる雑音を低減して第４姿勢角を前記第２の加算部から出力する第２相補フィルタと、
前記作業機械の動きの状態に応じて、前記第３姿勢角又は前記第４姿勢角を切り替えて前記第２姿勢角として出力する切替部と、
を含む、請求項１に記載の作業機械の姿勢演算装置。
【請求項４】
前記第２姿勢角は、前記作業機械の姿勢角が前記ローパスフィルタよりも遮断周波数が高いフィルタを通過したものである、請求項１又は請求項３に記載の作業機械の姿勢演算装置。
【請求項５】
前記姿勢角の変動に関する情報は、前記作業機械の旋回に関する情報である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の作業機械の姿勢演算装置。
【請求項６】
前記作業機械は、走行体と、前記走行体の上部に備えられる旋回体とを備え、
前記作業機械の旋回に関する情報は前記旋回体の旋回速度であり、
前記選択部は、前記旋回速度が所定の閾値以下である場合には前記第１姿勢角を出力し、前記旋回速度が所定の閾値を超えた場合に前記第２姿勢角を出力する、請求項５に記載の作業機械の姿勢演算装置。
【請求項７】
前記選択部は、
前記第１姿勢角と前記第２姿勢角との差分が所定の閾値を超えた場合、前記第２姿勢角を出力する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の作業機械の姿勢演算装置。
【請求項８】
前記選択部は、
前記旋回体の旋回速度が所定の閾値以下である場合に前記第１姿勢角を出力し、前記旋回速度が所定の閾値を超えた場合に前記第２姿勢角を出力し、前記第１姿勢角と前記第２姿勢角との差分が所定の閾値を超えた場合、前記第２姿勢角を出力する、請求項６に記載の作業機械の姿勢演算装置。
【請求項９】
前記姿勢角は、前記作業機械のピッチ角である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の作業機械の姿勢演算装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の作業機械の姿勢演算装置と、
前記作業機械の姿勢演算装置から出力された前記第１姿勢角又は前記第２姿勢角を用いて、前記作業機械の少なくとも一部の位置情報を求める、作業機械。
【請求項１１】
前記作業機械の位置情報を検出する位置検出装置と、
前記作業機械の姿勢演算装置から出力された前記作業機械の少なくとも一部の位置情報と、前記位置検出装置によって検出された位置情報とに基づき前記作業機の位置を求め、かつ目標形状を示す目標施工面の情報から前記作業機の掘削対象の目標形状を示す目標掘削地形に関する情報を生成する目標掘削地形生成装置と、
を有する、請求項１０に記載の作業機械。
【請求項１２】
前記目標掘削地形を表示するための表示用の情報に基づいて、前記目標掘削地形を表示する表示装置を有する、請求項１１に記載の作業機械。
【請求項１３】
前記目標掘削地形生成装置から取得した前記目標掘削地形に関する情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行する作業機制御部を有する、請求項１１又は請求項１２に記載の作業機械。
【請求項１４】
作業機を備える作業機械の姿勢角を求めるにあたって、
前記作業機械の姿勢角を、ローパスフィルタを通過させて高周波成分を減少させた第１姿勢角として出力し、かつ前記作業機械の姿勢角を、前記ローパスフィルタを通過させずに前記作業機械の姿勢変化に対する応答性が前記第１姿勢角よりも高い第２姿勢角として出力し、
前記作業機械の姿勢角の変動量を求め、前記姿勢角の変動量に基づき前記作業機械の姿勢変動の判定を行い、前記姿勢角の変動量が所定の閾値以下の場合には前記第１姿勢角を出力し、所定の閾値を超えた場合には前記第２姿勢角を出力する、作業機械の姿勢演算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業機械の姿勢演算装置、作業機械及び作業機械の姿勢演算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、油圧ショベル又はブルドーザ等の作業機械において、掘削対象の侵入不可領域の境界線よりも掘削しないように作業機を制御して、境界線に沿って掘削させる技術がある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第１９９５／０３００５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
作業機の掘削対象の目標形状を示す目標掘削地形に沿って作業機械に掘削させる場合、作業機械が備える作業機の位置、例えば、油圧ショベルではバケットの刃先の位置を求める必要がある。この場合、作業機械の傾きに関する情報を正確に求める必要がある。例えば、ＩＭＵ（Inertial  Measurement  Unit：慣性計測装置）を作業機械に搭載し、ＩＭＵの検出値からロール角及びピッチ角といった傾斜角を作業機の傾きに関する情報として得ることができる。【０００５】
作業機械が動いている場合は、作業機械の動きに応じた作業機の位置を求めて、目標掘削地形に沿って作業機械に掘削させ、境界線を超えて掘削対象を掘り込むことを抑制するように作業機を制御する必要があるので、姿勢角を検出する際の応答性が高いことが求められる。しかし、姿勢角を検出する際の応答性を高くすると、ＩＭＵの検出した姿勢角が短い周期で変動することがある。このため、作業機械が静止しているときに目標掘削地形に沿って作業機械に掘削させ、境界線を超えて掘削対象を掘り込むことを抑制するように作業機を制御する場合は、作業機の位置の検出結果が振動することがある。【０００６】
本発明は、作業機械の動作状態に関わらず、目標掘削地形を超えて掘削対象を掘り込むことを抑制できるように作業機を制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、作業機を備える作業機械の姿勢角を求めるにあたって、前記作業機械に備えられて、角速度及び加速度を検出する検出装置と、前記検出装置に備えられて、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から前記作業機械の姿勢角を求める第１姿勢角演算部と、前記第１姿勢角演算部が求めた姿勢角を通過させて第１姿勢角として出力するローパスフィルタと、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から求めた姿勢角を第２姿勢角として出力する第２姿勢角演算部と、前記第１姿勢角と、前記第２姿勢角とを、前記作業機械の角度変動に関する情報に基づいて切り替えて出力する選択部と、を含む、作業機械の姿勢演算装置である。【０００８】
本発明は、作業機を備える作業機械の姿勢角を求めるにあたって、前記作業機械に備えられて、角速度及び加速度を検出する検出装置と、前記検出装置に備えられて、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から前記作業機械の姿勢角を求める姿勢角演算部と、前記姿勢角演算部で求めた姿勢角にフィルタ処理を行い第１姿勢角として求めるローパスフィルタと、前記姿勢角演算部において前記姿勢角を第２姿勢角とし、前記第１姿勢角と前記第２姿勢角とを前記作業機械の角度変動に関する情報に基づいて切り替えて出力する選択部と、を含む、作業機械の姿勢演算装置である。【０００９】
本発明は、前記第２姿勢角演算部は、第１の遮断周波数が設定され、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から求められた前記姿勢角に含まれる雑音を低減して第３姿勢角を出力する第１相補フィルタと、前記第１の遮断周波数とは異なる第２の遮断周波数が設定され、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から求められた前記姿勢角に含まれる雑音を低減して第４姿勢角を出力する第２相補フィルタと、前記作業機械の動きの状態に応じて、前記第３姿勢角又は前記第４姿勢角を切り替えて前記第２姿勢角として出力する切替部と、を含むことが好ましい。【００１０】
前記第２姿勢角は、前記作業機械の姿勢角が前記ローパスフィルタよりも遮断周波数が高いフィルタを通過したものであることが好ましい。【００１１】
前記角度変動に関する情報は、前記作業機械の旋回に関する情報であることが好ましい。【００１２】
前記作業機械は、走行体と、前記走行体の上部に備えられる旋回体とを備え、前記作業機械の旋回に関する情報は前記旋回体の旋回速度であり、前記選択部は、前記旋回速度が所定の閾値以下である場合には前記第１姿勢角を出力し、前記旋回速度が所定の閾値を超えた場合に前記第２姿勢角を出力することが好ましい。【００１３】
前記選択部は、前記第１姿勢角と前記第２姿勢角との差分が所定の閾値を超えた場合、前記第２姿勢角を出力することが好ましい。【００１４】
前記選択部は、前記旋回体の旋回速度が所定の閾値以下である場合に前記第１姿勢角を出力し、前記旋回速度が所定の閾値を超えた場合に前記第２姿勢角を出力し、前記第１姿勢角と前記第２姿勢角との差分が所定の閾値を超えた場合、前記第２姿勢角を出力することが好ましい。【００１５】
本発明は、前述した作業機械の姿勢演算装置と、前記作業機械の姿勢演算装置から出力された前記第１姿勢角又は前記第２姿勢角を用いて、前記作業機械の少なくとも一部の位置情報を求める、作業機械。【００１６】
前記作業機械の位置情報を検出する位置検出装置と、前記作業機械の姿勢演算装置から出力された前記作業機械の少なくとも一部の位置情報と、前記位置検出装置によって検出された位置情報とに基づき前記作業機の位置を求め、かつ目標形状を示す目標施工面の情報から前記作業機の掘削対象の目標形状を示す目標掘削地形に関する情報を生成する目標掘削地形生成装置と、を有することが好ましい。【００１７】
前記目標掘削地形を表示するための表示用の情報に基づいて、前記目標掘削地形を表示する表示装置を有することが好ましい。【００１８】
前記設定部から取得した前記目標掘削地形に関する情報に基づいて、前記作業機が掘削対象に接近する方向の速度が制限速度以下になるように制御する掘削制御を実行する作業機制御部を有することが好ましい。【００１９】
本発明は、作業機を備える作業機械の姿勢角を求めるにあたって、前記作業機械の姿勢角を、ローパスフィルタを通過させて第１姿勢角として出力し、かつ前記作業機械の姿勢角を第２姿勢角として出力し、前記第１姿勢角と、前記第２姿勢角とを、前記作業機械の角度変動に関する情報に基づいて切り替えて出力する、作業機械の姿勢演算方法である。【００２０】
本発明は、作業機械の動作状態に関わらず、目標掘削地形を超えて掘削対象を掘り込むことを抑制できるように作業機を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】図１Ａは、本実施形態に係る作業機械の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本実施形態に係る作業機械の側面図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る作業機械の制御系を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、目標施工面の一例を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、作業機制御装置及び第２表示装置を示すブロック図である。
【図４】図４は、目標掘削地形とバケットの刃先との関係の一例を示す図である。
【図５】図５は、目標速度と垂直速度成分と水平速度成分との関係を示す模式図である。
【図６】図６は、垂直速度成分と水平速度成分との算出方法を示す図である。
【図７】図７は、垂直速度成分と水平速度成分との算出方法を示す図である。
【図８】図８は、刃先と目標掘削地形との間の距離を示す模式図である。
【図９】図９は、制限速度情報の一例を示すグラフである。
【図１０】図１０は、ブームの制限速度の垂直速度成分の算出方法を示す模式図である。
【図１１】図１１は、ブームの制限速度の垂直速度成分とブームの制限速度との関係を示す模式図である。
【図１２】図１２は、刃先の移動によるブームの制限速度の変化の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、本実施形態に係る制御システム及び油圧システムの一例を示す模式図である。
【図１４】図１４は、図１３の一部を拡大した図である。
【図１５】図１５は、ＩＭＵの一例を示すブロック図である。
【図１６】図１６は、センサ制御装置の制御ブロック図である。
【図１７】図１７は、上部旋回体の旋回速度を説明するための図である。
【図１８】図１８は、相補フィルタの特性を示す図である。
【図１９】図１９は、誤差及び誤差の周波数特性を示す図である。
【図２０】図２０は、第１相補フィルタのゲイン及び第２相補フィルタのゲインと周波数との関係を示す図である。
【図２１】図２１は、第２姿勢角演算部の切替部が出力する第２姿勢角と、第３姿勢角と、第４姿勢角との時間変化の一例を示す図である。
【図２２】図２２は、第２姿勢角を求める処理の一例を示すフローチャートである。
【図２３】図２３は、本実施形態の変形例における第３姿勢角と第４姿勢角との切り替えに用いるテーブルの一例を示す図である。
【図２４】図２４は、本実施形態に係る姿勢角算出方法の第１例の処理手順を示すフローチャートである。
【図２５】図２５は、ピッチ角の変化を説明するための図である。
【図２６】図２６は、本実施形態に係る第２の姿勢角算出処理方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図２７】図２７は、遠心力をキャンセルする機能を備えたセンサ制御装置の制御ブロック図である。
【図２８】図２８は、ＩＭＵの取り付け位置の一例を説明するための図である。
【図２９】図２９は、油圧ショベルのローカル座標系と、ＩＭＵのローカル座標系とを説明するための図である。
【図３０】図３０は、第１変形例に係るセンサ制御装置の制御ブロック図である。
【図３１】図３１は、第２変形例に係るセンサ制御装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２３】
＜作業機械の全体構成＞
図１Ａは、本実施形態に係る作業機械の斜視図である。図１Ｂは、本実施形態に係る作業機械の側面図である。図２は、本実施形態に係る作業機械の制御系を示す図である。作業機械としての油圧ショベル１００は、本体部としての車両本体１と作業機２とを有する。車両本体１は、旋回体としての上部旋回体３と走行体としての走行装置５とを有する。上部旋回体３は、機関室３ＥＧの内部に、図２に示す動力発生装置としてのエンジン３６及び油圧ポンプ３７等の装置を収容している。機関室３ＥＧは、上部旋回体３の一端側に配置されている。
【００２４】
本実施形態において、油圧ショベル１００は、動力発生装置としてのエンジン３６に、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられるが、動力発生装置はこのようなものに限定されない。油圧ショベル１００の動力発生装置は、例えば、内燃機関と発電電動機と蓄電装置とを組み合わせた、いわゆるハイブリッド方式の装置であってもよい。
【００２５】
上部旋回体３は、運転室４を有する。運転室４は、上部旋回体３の他端側に設置されている。すなわち、運転室４は、機関室３ＥＧが配置されている側とは反対側に設置されている。運転室４内には、図２に示す、第１表示装置２８及び操作装置３０が配置される。これらについては後述する。上部旋回体３の上方には、手すり１９が取り付けられている。
【００２６】
走行装置５は、上部旋回体３を搭載する。走行装置５は、履帯５ａ、５ｂを有している。走行装置５は、左右に設けられた油圧モータ５ｃの一方又は両方が駆動し、履帯５ａ、５ｂが回転することにより、油圧ショベル１００を走行させる。作業機２は、上部旋回体３の運転室４の側方側に取り付けられている。
【００２７】
油圧ショベル１００は、履帯５ａ、５ｂの代わりにタイヤを備え、図２に示すエンジン３６の駆動力を、トランスミッションを介してタイヤへ伝達して走行が可能な走行装置を備えたものであってもよい。このような形態の油圧ショベル１００としては、例えば、ホイール式油圧ショベルがある。また、油圧ショベル１００は、このようなタイヤを有した走行装置を備え、さらに車両本体（本体部）に作業機が取り付けられ、図１に示すような上部旋回体３及びその旋回機構を備えていない構造を有する、例えばバックホウローダであってもよい。すなわち、バックホウローダは、車両本体に作業機が取り付けられ、車両本体の一部を構成する走行装置を備えたものである。
【００２８】
上部旋回体３は、作業機２及び運転室４が配置されている側が前であり、機関室３ＥＧが配置されている側が後である。前に向かって左側が上部旋回体３の左であり、前に向かって右側が上部旋回体３の右である。また、油圧ショベル１００又は車両本体１は、上部旋回体３を基準として走行装置５側が下であり、走行装置５を基準として上部旋回体３側が上である。油圧ショベル１００が水平面に設置されている場合、下は鉛直方向、すなわち重力の作用方向側であり、上は鉛直方向とは反対側である。
【００２９】
作業機２は、ブーム６とアーム７とバケット８とブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して車両本体１の前部に回動可能に取り付けられている。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に回動可能に取り付けられている。アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が取り付けられている。バケット８は、バケットピン１５を中心として回動する。バケット８は、バケットピン１５とは反対側に複数の刃８Ｂが取り付けられている。刃先８Ｔは、刃８Ｂの先端である。
【００３０】
バケット８は、複数の刃８Ｂを有していなくてもよい。つまり、図１に示すような刃８Ｂを有しておらず、刃先が鋼板によってストレート形状に形成されたようなバケットであってもよい。作業機２は、例えば、単数の刃を有するチルトバケットを備えていてもよい。チルトバケットとは、バケットチルトシリンダを備え、バケットが左右にチルト傾斜することで油圧ショベルが傾斜地にあっても、斜面、平地を自由な形に成形、整地をすることができ、底板プレートによる転圧作業もできるバケットである。この他にも、作業機２は、バケット８の代わりに、法面バケット又は削岩用のチップを備えた削岩用のアタッチメント等を備えていてもよい。
【００３１】
図１Ａに示すブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ作動油の圧力（以下、適宜油圧という）によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０はブーム６を駆動して、これを昇降させる。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動して、アームピン１４を中心に回動させる。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動して、バケットピン１５を中心に回動させる。
【００３２】
ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２等の油圧シリンダと図２に示す油圧ポンプ３７との間には、図２に示す油圧制御弁３８が設けられている。油圧制御弁３８は、油圧モータ５ｃを駆動するための走行用制御弁と、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２並びに上部旋回体３を旋回させる旋回モータを制御するための作業機用制御弁とを含む。図２に示す作業機制御装置２５が、油圧制御弁３８を制御することにより、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２、旋回モータ又は油圧モータ５ｃに供給される作動油の流量が制御される。その結果、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２等の動作が制御される。
【００３３】
上部旋回体３の上部には、アンテナ２０、２１が取り付けられている。アンテナ２０、２１は、油圧ショベル１００の現在位置を検出するために用いられる。アンテナ２０、２１は、図２に示す、油圧ショベル１００の現在位置を検出するためのグローバル座標演算部２３と電気的に接続されている。グローバル座標演算部２３は、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real  Time  Kinematic  -  Global  Navigation  Satellite  Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムを言う）を利用して油圧ショベル１００の現在位置を検出する。以下の説明において、アンテナ２０、２１を、適宜ＧＮＳＳアンテナ２０、２１という。
【００３４】
ＧＮＳＳアンテナ２０、２１が受信したＧＮＳＳ電波に応じた信号は、グローバル座標演算部２３に入力される。グローバル座標演算部２３は、ＧＮＳＳアンテナ２０、２１の設置位置を検出する。ＧＮＳＳアンテナ２０、２１の設置位置は、油圧ショベル１００の位置情報である。
【００３５】
上部旋回体３の上であって、油圧ショベル１００の左右方向に離れた両端位置に設置されることが好ましい。本実施形態において、ＧＮＳＳアンテナ２０、２１は、上部旋回体３の幅方向両側にそれぞれ取り付けられた手すり１９に取り付けられる。ＧＮＳＳアンテナ２０、２１が上部旋回体３に取り付けられる位置は手すり１９に限定されるものではないが、ＧＮＳＳアンテナ２０、２１は、可能な限り離れた位置に設置される方が、油圧ショベル１００の現在位置の検出精度は向上するので好ましい。また、ＧＮＳＳアンテナ２０、２１は、オペレータの視界を極力妨げない位置に設置されることが好ましい。
【００３６】
図１Ｂを用いて、グローバル座標系及び油圧ショベル１００のローカル座標系について説明する。グローバル座標系は、油圧ショベル１００の作業エリアＧＡに設置された基準となる、例えば基準杭８０の基準位置ＰＧを基準とした、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で示される３次元座標系である。図３Ａに示すように、基準位置ＰＧは、例えば、作業エリアＧＡに設置された基準杭８０の先端８０Ｔに位置する。本実施形態において、グローバル座標系とは、例えば、ＧＮＳＳにおける座標系である。
【００３７】
油圧ショベル１００のローカル座標系とは、油圧ショベル１００を基準とした、（ｘ、ｙ、ｚ）で示される３次元座標系である。ローカル座標系は、ｚ軸と直交し、かつ作業機２のブーム６及びアーム７が回動する軸と直交する軸がｘ軸であり、ｘ軸と直交する軸がｙ軸である。ｘ軸は、上部旋回体３の前後方向と平行な軸であり、ｙ軸は上部旋回体３の幅方向（横方向）と平行な軸である。本実施形態において、ローカル座標系の基準位置ＰＬは、例えば、上部旋回体３が旋回するためのスイングサークル上に位置する。
【００３８】
図１Ｂに示す角度α１はブーム６の傾斜角、角度α２はアーム７の傾斜角、角度α３はバケット８の傾斜角、角度θ５は車両本体１の前後方向に対する姿勢角である。傾斜角θ５は、油圧ショベル１００のピッチ角である。傾斜角θ５、すなわち油圧ショベル１００のピッチ角θ５は、グローバル座標に対するローカル座標の傾きを示す角度である。
【００３９】
（油圧ショベルの制御系）
図２を用いて、油圧ショベル１００の制御系について説明する。油圧ショベル１００は、制御系として、作業機械の姿勢演算装置としてのセンサ制御装置２４と、作業機制御装置２５と、エンジン制御装置２６と、ポンプ制御装置２７と、第１表示装置２８と、角速度及び加速度を検出するＩＭＵ（Inertial  Measurement  Unit：慣性計測装置）２９と、第２表示装置３９とを含む。これらは、上部旋回体３の内部に設置されている。本実施形態において、ＩＭＵ２９は運転室４下部であって、上部旋回体３上部の高剛性のフレームに取り付けられる。それ以外の装置は運転室４内に設置される。ＩＭＵ２９は、図１Ｂに示すように、上部旋回体３の回転中心となるｚ軸から離れた位置に設置される。
【００４０】
センサ制御装置２４と、作業機制御装置２５と、エンジン制御装置２６と、ポンプ制御装置２７と、第１表示装置２８とは、油圧ショベル１００内に設置された車内信号線４１と電気的に接続されている。センサ制御装置２４と、作業機制御装置２５と、エンジン制御装置２６と、ポンプ制御装置２７と、第１表示装置２８とは、車内信号線４１を介して互いに通信できる。センサ制御装置２４とＩＭＵ２９と第２表示装置３９とは、車内信号線４１とは異なる車内信号線４２と電気的に接続されている。センサ制御装置２４とＩＭＵ２９と第２表示装置３９は、車内信号線４２を介して互いに通信できる。グローバル座標演算部２３と第２表示装置３９とは、車内信号線４３によって電気的に接続されており、車内信号線４３を介して互いに通信できる。ＩＭＵ２９は、車内信号線４２ではなく、車内信号線４１と電気的に接続されて、車内信号線４１と電気的に接続されている他の電子機器と互いに通信できるようになっていてもよい。
【００４１】
センサ制御装置２４は、図１に示すブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２のストロークを検出するセンサ並びに上部旋回体３の旋回角度を検出するセンサ等といった各種のセンサ類３５が電気的に接続される。ブーム６の角度及びアーム７の角度は、例えば、ブームシリンダ１０等のストロークの変化を検出するセンサによって検出される。センサ制御装置２４は、各種のセンサ類３５が検出した信号に、フィルタ処理又はＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換等の各種の信号処理を施した後、車内信号線４１に出力する。
【００４２】
センサ制御装置２４は、車内信号線４２から、ＩＭＵ２９が出力する信号を取得する。ＩＭＵ２９が出力する信号は、例えば、加速度及び角速度がある。本実施形態において、ＩＭＵ２９は、自身が検出した加速度及び角速度から姿勢角を求めて出力するので、この姿勢角もＩＭＵ２９が出力する信号である。ＩＭＵ２９が出力する姿勢角は、ＩＭＵ２９自身の姿勢角であるとともに、ＩＭＵ２９が設置される作業機械としての油圧ショベル１００の姿勢角でもある。センサ制御装置２４は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２のそれぞれに備えられた各ストロークセンサが検出した検出値を取得し、各検出値をブーム６の傾斜角α１、アーム７の傾斜角α２及びバケット８の傾斜角α３として算出する。
【００４３】
センサ制御装置２４は、ローパスフィルタを通過した第１姿勢角と、このローパスフィルタを通過しない第２姿勢角とを、油圧ショベル１００の角度変化に関する情報に基づいて切り替えて出力する。角度変化に関する情報は、例えば、油圧ショベル１００の旋回角度の変化を含む旋回に関する情報及びピッチ角の変化に関する情報等を含む。本実施形態において、センサ制御装置２４は、ＩＭＵ２９によって求められた姿勢角を、ローパスフィルタを通過させてから第１姿勢角として出力し、ＩＭＵ２９から取得した加速度及び角速度を用いて姿勢角を求め、求めた姿勢角にフィルタ処理を施してノイズを除去してから、前述したローパスフィルタを通過させないで第２姿勢角として出力する。そして、センサ制御装置２４は、第１姿勢角と第２姿勢角とを、油圧ショベル１００の旋回に関する情報、例えば図１に示す上部旋回体３の旋回速度の大きさに応じて切り替えて出力する。旋回速度は、旋回角度を時間で微分したものであるので、旋回角度の変化に相当する。ＩＭＵ２９によって求められた姿勢角、ＩＭＵ２９が検出した加速度及び角速度を用いて求められた姿勢角、第１姿勢角並びに第２姿勢角は、いずれも、油圧ショベル１００の傾きに関する情報である。センサ制御装置２４の処理の詳細については後述する。
【００４４】
作業機制御装置２５は、操作装置３０からの入力に基づき、図１に示す作業機２の動作を制御する。操作装置３０は、操作部としての作業機操作部材３１Ｌ、３１Ｒ及び走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒを有する。本実施形態において、作業機操作部材３１Ｌ、３１Ｒ及び走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒは、パイロット圧方式のレバーであるが、これに限定されない。作業機操作部材３１Ｌ、３１Ｒ及び走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒは、例えば、電気方式のレバーであってもよい。
【００４５】
例えば、操作装置３０は、オペレータの左側に設置される左操作レバー３１Ｌと、オペレータの右側に配置される右操作レバー３１Ｒと、を有する。左操作レバー３１Ｌ及び右操作レバー３１Ｒは、前後左右の動作が２軸の動作に対応されている。右操作レバー３１Ｒの前後方向の操作は、ブーム６の操作に対応されている。右操作レバー３１Ｒが前方へ操作されるとブーム６が下がり、後方へ操作されるとブーム６が上昇する。右操作レバー３１Ｒの前後方向の操作に応じてブーム６の下げ上げの動作が実行される。右操作レバー３１Ｒの左右方向の操作は、バケット８の操作に対応されている。右操作レバー３１Ｒが左側に操作されるとバケット８が掘削し、右側に操作されるとバケット８がダンプする。右操作レバー３１Ｒ左右方向の操作に応じてバケット８の掘削又は開放動作が実行される。左操作レバー３１Ｌの前後方向の操作は、アーム７の旋回に対応されている。左操作レバー３１Ｌが前方に操作されるとアーム７がダンプし、後方に操作されるとアーム７が掘削する。左操作レバー３１Ｌの左右方向の操作は、上部旋回体３の旋回に対応されている。左操作レバー３１Ｌが左側に操作されると左旋回し、右側に操作されると右旋回する。
【００４６】
本実施形態において、ブーム６の上げ動作は、ダンプ動作に相当する。ブーム６の下げ動作は、掘削動作に相当する。アーム７の掘削動作は、下げ動作に相当する。アーム７のダンプ動作は、上げ動作に相当する。バケット８の掘削動作は、下げ動作に相当する。バケット８のダンプ動作は、上げ動作に相当する。なお、アーム７の下げ動作を曲げ動作と称してもよい。アーム７の上げ動作を伸長動作と称してもよい。
【００４７】
作業機操作部材３１Ｌ、３１Ｒは、油圧ショベル１００のオペレータが作業機２を操作するための部材であり、例えば、ジョイスティックのような握り部分と棒材とを備えた操作レバーである。このような構造の作業機操作部材３１Ｌ、３１Ｒは、握り部を握って前後左右に傾倒させることが可能である。例えば左に設置された作業機操作部材３１Ｌを操作することで、アーム７及び上部旋回体３を動作させることができ、右に設置された作業機操作部材３１Ｒを操作することで、バケット８及びブーム６を動作させることができる。
【００４８】
操作装置３０は、作業機操作部材３１Ｌ、３１Ｒに対する入力、すなわち操作内容に応じてパイロット圧を発生させ、油圧制御弁３８が備える作業用制御弁に、発生した作動油のパイロット圧を供給する。このとき、各作業機の操作に対応する操作装置からの入力によりパイロット圧が発生する。作業機制御装置２５は、発生したパイロット圧を検出することにより、作業機操作部材３１Ｌ、３１Ｒの入力の量、すなわち操作量を知ることができる。本実施形態では、ブーム６が駆動されるときの作業機操作部材３１Ｒの操作に対応して検出されたパイロット圧に基づく操作量をＭＢとする。同様にアーム７が駆動されるときの作業機操作部材３１Ｌの操作に対応して検出されたパイロット圧に基づく操作量をＭＡ、バケット８が駆動されるときの作業機操作部材３１Ｒの操作に対応して検出されたパイロット圧に基づく操作量をＭＴとする。
【００４９】
走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒは、オペレータが油圧ショベル１００の走行を操作するための部材である。走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒは、例えば、握り部と棒材とを備えた操作レバー（以下、適宜走行レバーと称呼する）である。このような走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒは、オペレータが握り部を握って前後に傾倒させることが可能である。走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒは、２つの操作レバーが同時に前に傾倒されれば油圧ショベル１００が前進し、後ろに傾倒されれば油圧ショベル１００は後進する。
【００５０】
走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒは、オペレータが足で踏むことで操作が可能な図示しないペダルであり、例えばシーソー式のペダルである。ペダルの前側又は後側のいずれかを踏むことで前述した操作レバーと同様にパイロット圧が発生し、走行用制御弁が制御され、油圧モータ５ｃが駆動し油圧ショベル１００を前進又は後進させることができる。２つのペダルを同時に、かつ前側を踏めば油圧ショベル１００は前進し、後側を踏めば油圧ショベル１００は後進する。片方のペダルの前側又は後側を踏めば、履帯５ａ、５ｂの片側のみが回転し、油圧ショベル１００を旋回させることができる。
【００５１】
このように、オペレータは、油圧ショベル１００を走行させたい場合、手で操作レバーを前後に傾倒させるか又は足でペダルの前側又は後側を踏むかのうちいずれか一方を実行すれば、走行装置５の油圧モータ５ｃを駆動させることができる。図２に示すように、走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒは２組存在する。左側の走行操作部材３３Ｌを操作することで、左側の油圧モータ５ｃを駆動させて左側の履帯５ｂを動作させることができる。右側の走行操作部材３３Ｒを操作することで、右側の油圧モータ５ｃを駆動させて右側の履帯５ａを動作させることができる。
【００５２】
操作装置３０は、走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒに対する入力、すなわち操作内容に応じてパイロット圧を発生させ、油圧制御弁３８が備える走行用制御弁に、発生したパイロット圧を供給する。このパイロット圧の大きさに応じて、走行用制御弁が動作して、走行用の油圧モータ５ｃに作動油が供給される。走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒが電気方式のレバーである場合、走行操作部材３３Ｌ、３３Ｒに対する入力、すなわち操作内容が、例えばポテンショメータ等を用いて検出され、入力を電気信号（検出信号）に変換して作業機制御装置２５へ送られる。作業機制御装置２５は、この検出信号に基づいて、走行用制御弁を制御する。
【００５３】
エンジン制御装置２６は、エンジン３６を制御する。エンジン３６は、油圧ポンプ３７を駆動して、油圧ショベル１００が備えるブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２等の油圧機器に作動油を供給する。エンジン制御装置２６には回転速度検出センサ３６Ｒ及び燃料調整ダイヤル２６Ｄが電気的に接続されている。エンジン制御装置２６は、回転速度検出センサ３６Ｒが検出したエンジン３６のクランクシャフトの回転速度及び燃料調整ダイヤル２６Ｄの設定等に基づいて、エンジン３６に供給する燃料の量を制御する。このようにして、エンジン制御装置２６は、エンジン３６を制御する。
【００５４】
ポンプ制御装置２７は、油圧ショベル１００が備える油圧ポンプ３７を制御する。油圧ポンプ３７は、例えば、斜板の傾転角を変更することにより作動油の吐出量等を変更する斜板式の油圧ポンプである。ポンプ制御装置２７は、例えば、車内信号線４１を介して作業機制御装置２５から、油圧制御弁３８の油圧センサ３８Ｃが検出したパイロット圧を取得する。ポンプ制御装置２７は、取得したパイロット圧に基づいて油圧ポンプ３７の斜板の傾転角を制御することにより、油圧ポンプ３７から吐出される作動油の流量を制御する。油圧ポンプ３７から吐出された作動油は、油圧制御弁３８が備える作業用制御弁又は走行用制御弁を介して、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２及び油圧モータ５ｃの少なくとも１つに供給され、これらの少なくとも１つを駆動する。
【００５５】
第１表示装置２８は、画像を表示する装置である。第１表示装置２８は、表示部２８Ｍと、制御部２８Ｃとを含む。第１表示装置２８は、図１に示す、油圧ショベル１００の運転室４内であって、運転席近傍に設置される。本実施形態において、第１表示装置２８は、例えば、油圧ショベル１００の稼働情報を表示部２８Ｍに表示する。稼働情報は、例えば、油圧ショベル１００の累積稼働時間、燃料の残量又はエンジン３６の冷却水温度等である。油圧ショベル１００が周辺監視用又はバックモニタ用のカメラ等を備える場合、第１表示装置２８は、このカメラが撮像した画像を表示してもよい。
【００５６】
本実施形態において、第１表示装置２８は、各種の画像を表示部２８Ｍに表示する他に、入力装置としても機能する。このために、第１表示装置２８は、表示部２８Ｍの下方に、入力装置２８Ｉを備える。本実施形態において、入力装置２８Ｉは、複数の押しボタン式のスイッチが表示部２８Ｍの横方向に対して平行に配列されている。入力装置２８Ｉが操作されることにより、表示部２８Ｍに表示される画像を切り替えたり、油圧ショベル１００の動作に関する各種の設定を実行したりすることができる。なお、入力装置２８Ｉを表示部２８Ｍに組み込んだタッチパネルによって第１表示装置２８を構成するようにしてもよい。また、入力装置２８Ｉは、第１表示装置２８とは別体として、運転席近傍のコンソールに設置するようにしてもよい。
【００５７】
第２表示装置３９は、画像を表示する装置である。第２表示装置３９は、表示部３９Ｍと、制御部３９Ｃとを含む。第２表示装置３９は、図１に示す、油圧ショベル１００の運転室４内の運転席近傍に設置される。本実施形態において、第２表示装置３９は、例えば、油圧ショベル１００が備えるバケット８の刃先８Ｔの、施工現場の地形に対する位置情報を、画像として表示部３９Ｍに表示する。このとき、第２表示装置３９は、刃先８Ｔが掘削しようとしている施工現場の地形に関する情報を、刃先８Ｔの位置情報とともに表示してもよい。
【００５８】
本実施形態において、第２表示装置３９の表示部３９Ｍは、例えば、液晶表示装置であるが、これに限定されるものではない。制御部３９Ｃは、表示部３９Ｍの動作を制御したり、刃先８Ｔの位置情報を求めたりする。また、制御部３９Ｃは、刃先８Ｔの位置と施工現場の地形との相対位置関係を示すガイダンス画像を表示部３９Ｍに表示させたりする。このために、制御部３９Ｃは、施工現場の地形についてのグローバル座標位置情報を記憶している。
【００５９】
本実施形態において、第２表示装置３９は、表示部３９Ｍの下方に入力装置３９Ｉを備える。本実施形態において、例えば、表示部３９Ｍ等にタッチパネルが設けられており、このタッチパネルを入力装置３９Ｉとして用いて表示部３９Ｍに表示されるガイダンス画像を切り替えたり、ガイダンスの内容を変更したり、各種の設定が入力されたりする。入力装置３９Ｉは、複数の押しボタン式のスイッチが表示部３９Ｍの横方向に対して平行に配列されている。入力装置３９Ｉが操作されることにより、表示部３９Ｍに表示されるガイダンス画像を切り替えたり、ガイダンスの内容を変更したりしてもよい。本実施形態において、第２表示装置３９の機能は、第１表示装置２８が実現してもよい。
【００６０】
ＩＭＵ２９は、油圧ショベル１００の角速度及び加速度を検出する。油圧ショベル１００の動作にともない、走行時に発生する加速度、旋回時に発生する角加速度及び重力加速度といった様々な加速度が生じるが、ＩＭＵ２９は少なくとも重力加速度を含む加速度を検出し、各加速度の種類を区別することなく検出した加速度を出力する。ＩＭＵ２９は、詳細については後述するが、より高い精度で加速度を検出するために、例えば、油圧ショベル１００の上部旋回体３の旋回中心軸上に設けられることが望ましいが、前述のようにＩＭＵ２９は運転室４の下部に設置されてもよい。その場合、上部旋回体３の旋回中心軸の位置からＩＭＵ２９の設置位置までの距離を旋回半径として、遠心力からから求められる加速度（以下、適宜、遠心加速度と称する）と、角加速度とを求め、ＩＭＵ２９が出力する加速度から、遠心加速度及び角加速度の成分を減算することで、ＩＭＵ２９の設置位置にともなう加速度の影響を修正すればよい。遠心加速度及び角加速度の成分についての詳細は後述する。
【００６１】
ＩＭＵ２９は、図１Ａ及び図１Ｂに示すローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）において、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向の加速度並びにｘ軸、ｙ軸及びｚ軸周りの角速度（回転角速度）を検出する。図１に示す例において、ｘ軸は油圧ショベル１００の前後方向と平行な軸であり、ｙ軸は油圧ショベル１００の幅方向と平行な軸であり、ｚ軸はｘ軸及びｙ軸の両方に直交する軸である。次に、作業機制御装置２５が実行する掘削制御の一例を説明する。
【００６２】
（掘削制御の一例）
図３Ａは、目標施工面の一例を示す模式図である。図３Ｂは、作業機制御装置２５及び第２表示装置３９を示すブロック図である。図４は、目標掘削地形７３Ｉとバケット８の刃先８Ｔとの関係の一例を示す図である。図５は、目標速度と垂直速度成分と水平速度成分との関係を示す模式図である。図６は、垂直速度成分と水平速度成分との算出方法を示す図である。図７は、垂直速度成分と水平速度成分との算出方法を示す図である。図８は、刃先と目標掘削地形７３Ｉとの間の距離を示す模式図である。図９は、制限速度情報の一例を示すグラフである。図１０は、ブームの制限速度の垂直速度成分の算出方法を示す模式図である。図１１は、ブームの制限速度の垂直速度成分とブームの制限速度との関係を示す模式図である。図１２は、刃先の移動によるブームの制限速度の変化の一例を示す図である。
【００６３】
図３Ｂに示すように、第２表示装置３９は、目標掘削地形データＵを生成して作業機制御装置２５に出力する。掘削制御は、例えば、油圧ショベル１００のオペレータが、図２に示す入力装置３９Ｉを用いて掘削制御を実行することを選択した場合に実行される。掘削制御が実行されるにあたって、作業機制御装置２５は、ブーム操作量ＭＢ、アーム操作量ＭＡ及びバケット操作量ＭＴ並びに第２表示装置３９から取得した目標掘削地形データＵ及びセンサ制御装置２４から取得した傾斜角α１、α２、α３を用いて、掘削制御に必要なブーム介入指令ＣＢＩと、必要に応じてアーム指令信号及びバケット指令信号を生成し、制御弁及び介入弁を駆動して作業機２を制御する。
【００６４】
まず、第２表示装置３９について説明する。第２表示装置３９は、目標施工情報格納部３９Ａと、バケット刃先位置データ生成部３９Ｂと、目標掘削地形データ生成部３９Ｄとを含む。目標施工情報格納部３９Ａ、バケット刃先位置データ生成部３９Ｂ及び目標掘削地形データ生成部３９Ｄの機能は、制御部３９Ｃが実現する。
【００６５】
目標施工情報格納部３９Ａは、第２表示装置３９の記憶部の一部であり、作業エリアにおける目標形状を示す情報としての目標施工情報Ｔを格納している。目標施工情報Ｔは、掘削対象の目標形状を示す情報としての目標掘削地形データＵを生成するために必要とされる座標データ及び角度データを含んでいる。目標施工情報Ｔは、複数の目標施工面７１の位置情報を含む。
【００６６】
作業機制御装置２５が作業機２を制御したり、表示部３９Ｍに目標掘削地形データＵａを表示させたりするために必要な目標施工情報Ｔは、例えば、無線通信によって、管理センターの管理サーバーから目標施工情報格納部３９Ａにダウンロードされる。また、目標施工情報Ｔは、これを保存している端末装置が第２表示装置３９に接続されて、目標施工情報格納部３９Ａにダウンロードされてもよいし、持ち出し可能な記憶装置が第２表示装置３９に接続されて目標施工情報格納部３９Ａに転送されてもよい。
【００６７】
バケット刃先位置データ生成部３９Ｂは、グローバル座標演算部２３から取得する基準位置データＰ及び旋回体方位データＱに基づいて、上部旋回体３の旋回軸ｚを通る油圧ショベル１００の旋回中心の位置を示す旋回中心位置データを生成する。旋回中心位置データは、ローカル座標系の基準位置ＰＬとｘｙ座標が一致する。
【００６８】
バケット刃先位置データ生成部３９Ｂは、旋回中心位置データとセンサ制御装置２４から取得した作業機２の傾斜角α１、α２、α３とに基づいて、バケット８の刃先８Ｔの現在位置を示すバケット刃先位置データＳを生成する。
【００６９】
バケット刃先位置データ生成部３９Ｂは、前述したように、例えば１０Ｈｚの周波数で基準位置データＰと旋回体方位データＱとをグローバル座標演算部２３から取得する。したがって、バケット刃先位置データ生成部３９Ｂは、例えば１０Ｈｚの周波数でバケット刃先位置データＳを更新することができる。バケット刃先位置データ生成部３９Ｂは、更新したバケット刃先位置データＳを目標掘削地形データ生成部３９Ｄに出力する。
【００７０】
目標掘削地形データ生成部３９Ｄは、目標施工情報格納部３９Ａに格納された目標施工情報Ｔと、バケット刃先位置データ生成部３９Ｂからのバケット刃先位置データＳと、を取得する。目標掘削地形データ生成部３９Ｄは、ローカル座標系において刃先８Ｔの現時点における刃先位置Ｐ４を通る垂線と目標施工面７１との交点を掘削対象位置７４として設定する。掘削対象位置７４は、バケット８の刃先位置Ｐ４の直下の点である。目標掘削地形データ生成部３９Ｄは、目標施工情報Ｔとバケット刃先位置データＳとに基づいて、図３Ａに示すように、上部旋回体３の前後方向で規定され、かつ掘削対象位置７４を通る作業機２の平面７２と、複数の目標施工面７１で表される目標施工情報Ｔとの交線７３を、目標掘削地形７３Ｉの候補線として取得する。掘削対象位置７４は、候補線上の一点である。平面７２は、作業機２が動作する平面（動作平面）である。
【００７１】
作業機２の動作平面は、ブーム６及びアーム７が油圧ショベル１００のローカル座標系のｚ軸と平行な軸周りを回動しない場合、油圧ショベル１００のｘｚ平面と平行な平面である。ブーム６及びアーム７の少なくとも一方が油圧ショベル１００のローカル座標系のｚ軸と平行な軸周りを回動する場合、作業機２の動作平面は、アームが回動する軸、すなわち図１に示すアームピン１４の軸線と直交する平面である。以下において、作業機２の動作平面をアーム動作平面と称する。
【００７２】
目標掘削地形データ生成部３９Ｄは、目標施工情報Ｔの掘削対象位置７４の前後における単数又は複数の変曲点とその前後の線とを、掘削対象となる目標掘削地形７３Ｉとして決定する。図３Ａに示す例では、２個の変曲点Ｐｖ１、Ｐｖ２とその前後の線とが目標掘削地形７３Ｉとして決定される。そして、目標掘削地形データ生成部３９Ｄは、掘削対象位置７４の前後における単数又は複数の変曲点の位置情報とその前後の線の角度情報とを、掘削対象の目標形状を示す情報である目標掘削地形データＵとして生成する。本実施形態において、目標掘削地形７３Ｉは線で規定しているが、例えばバケット８の幅等に基づき、面として規定されていてもよい。このようにして生成された目標掘削地形データＵは、複数の目標施工面７１の一部の情報を有している。目標掘削地形データ生成部３９Ｄは、生成した目標掘削地形データＵを作業機制御装置２５に出力する。本実施形態において、第２表示装置３９と作業機制御装置とは直接信号のやり取りをするが、例えば、ＣＡＮ（Controller  Area  Network）のような車内信号線を介して信号をやり取りしてもよい。
【００７３】
本実施形態において、目標掘削地形データＵは、作業機２が動作する動作平面としての平面７２と、目標形状を示す少なくとも１つの目標施工面（第１の目標施工面）７１とが交差する部分における情報である。平面７２は、図１Ｂに示すローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）におけるｘｚ平面である。平面７２によって、複数の目標施工面７１を切り出すことによって得られた目標掘削地形データＵを、適宜前後方向目標掘削地形データＵと称する。
【００７４】
第２表示装置３９は、必要に応じて、第１目標掘削地形情報としての前後方向目標掘削地形データＵに基づいて表示部３９Ｍに目標掘削地形７３Ｉを表示させる。表示用の情報としては、表示用の目標掘削地形データＵａが用いられる。表示用の目標掘削地形データＵａに基づき、例えば、図２に示すような、バケット８の掘削対象として設定された目標掘削地形７３Ｉと刃先８Ｔとの位置関係を示す画像が、表示部３９Ｍに表示される。第２表示装置３９は、表示用の目標掘削地形データＵａに基づいて表示部３９Ｍに目標掘削地形（表示用の目標掘削地形）７３Ｉを表示する。作業機制御装置２５に出力された前後方向目標掘削地形データＵは掘削制御に用いられる。掘削制御に用いられる目標掘削地形データＵを、適宜作業用目標掘削地形データと称する。
【００７５】
目標掘削地形データ生成部３９Ｄは、前述したように、例えば１０Ｈｚの周波数でバケット刃先位置データＳをバケット刃先位置データ生成部３９Ｂから取得する。したがって、目標掘削地形データ生成部３９Ｄは、例えば１０Ｈｚの周波数で前後方向目標掘削地形データＵを更新し、作業機制御装置２５に出力することができる。次に、作業機制御装置２５について説明する。
【００７６】
作業機制御装置２５は、目標速度決定部９０と、距離取得部９１と、制限速度決定部９２と、作業機制御部９３とを有する。作業機制御装置２５は、前述した前後方向目標掘削地形データＵに基づく目標掘削地形７３Ｉを用いて掘削制御を実行する。このように、本実施形態では、表示に用いられる目標掘削地形７３Ｉと、掘削制御に用いられる目標掘削地形７３Ｉとがある。前者を表示用目標掘削地形と称し、後者を掘削制御用目標掘削地形と称する。
【００７７】
本実施形態において、目標速度決定部９０、距離取得部９１、制限速度決定部９２及び作業機制御部９３の機能は、図２に示す作業機用処理部２５Ｐが実現する。次に、作業機制御装置２５による掘削制御について説明する。
【００７８】
目標速度決定部９０は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍと、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍと、バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔとを決定する。ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍは、ブームシリンダ１０のみが駆動されるときの刃先８Ｔの速度である。アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍは、アームシリンダ１１のみが駆動されるときの刃先８Ｔの速度である。バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔは、バケットシリンダ１２のみが駆動されるときの刃先８Ｔの速度である。ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍは、ブーム操作量ＭＢに応じて算出される。アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍは、アーム操作量ＭＡに応じて算出される。バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔは、バケット操作量ＭＴに応じて算出される。
【００７９】
作業機用記憶部２５Ｍは、ブーム操作量ＭＢとブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍとの関係を規定する目標速度情報を記憶している。目標速度決定部９０は、目標速度情報を参照することにより、ブーム操作量ＭＢに対応するブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを決定する。目標速度情報は、例えば、ブーム操作量ＭＢに対するブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの大きさが記述されたマップである。目標速度情報は、テーブル又は数式等の形態でもよい。目標速度情報は、アーム操作量ＭＡとアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍとの関係を規定する情報を含む。目標速度情報は、バケット操作量ＭＴとバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔとの関係を規定する情報を含む。目標速度決定部９０は、目標速度情報を参照することにより、アーム操作量ＭＡに対応するアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍを決定する。目標速度決定部９０は、目標速度情報を参照することにより、バケット操作量ＭＴに対応するバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔを決定する。目標速度決定部９０は、図７に示すように、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍを、目標掘削地形７３Ｉ（目標掘削地形データＵ）に垂直な方向の速度成分（以下、適宜垂直速度成分と称する）Ｖｃｙ＿ｂｍ及び目標掘削地形７３Ｉ（目標掘削地形データＵ）に平行な方向の速度成分（以下、適宜水平速度成分と称する）Ｖｃｘ＿ｂｍに変換する。
【００８０】
例えば、まず、目標速度決定部９０は、ＩＭＵ２９が検出した傾斜角θ５を取得し、グローバル座標系の垂直軸に対して目標掘削地形７３Ｉと直交する方向における傾きを求める。そして、目標速度決定部９０は、これらの傾きからローカル座標系の垂直軸と目標掘削地形７３Ｉに直交する方向との傾きを表す角度β２（図６参照）を求める。
【００８１】
次に、目標速度決定部９０は、図６に示すように、ローカル座標系の垂直軸とブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの方向とのなす角度β２とから、三角関数によりブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍをローカル座標系の垂直軸方向の速度成分ＶＬ１＿ｂｍと水平軸方向の速度成分ＶＬ２＿ｂｍとに変換する。そして、図７に示すように、目標速度決定部９０は、前述したローカル座標系の垂直軸と目標掘削地形７３Ｉに直交する方向との傾きβ１から、三角関数により、ローカル座標系の垂直軸方向における速度成分ＶＬ１＿ｂｍと水平軸方向における速度成分ＶＬ２＿ｂｍとを、前述した目標掘削地形７３Ｉに対する垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｍとに変換する。同様に、目標速度決定部９０は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍを、ローカル座標系の垂直軸方向における垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ａｍに変換する。目標速度決定部９０は、バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔを、ローカル座標系の垂直軸方向における垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｋｔに変換する。
【００８２】
距離取得部９１は、図８に示すように、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形７３Ｉとの間の距離ｄを取得する。詳細には、距離取得部９１は、前述したように取得した刃先８Ｔの位置情報及び目標掘削地形７３Ｉの位置を示す目標掘削地形データＵ等から、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形７３Ｉとの間の最短となる距離ｄを算出する。本実施形態では、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形７３Ｉとの間の最短となる距離ｄに基づいて、掘削制御が実行される。
【００８３】
制限速度決定部９２は、バケット８の刃先８Ｔと目標掘削地形７３Ｉとの間の距離ｄに基づいて、図１に示す作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔを算出する。作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは、バケット８の刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉに接近する方向において許容できる刃先８Ｔの移動速度である。図２に示す作業機用記憶部２５Ｍは、距離ｄと制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔとの関係を規定する制限速度情報を記憶している。
【００８４】
図９は、制限速度情報の一例を示している。図９中の横軸は距離ｄ、縦軸は制限速度Ｖｃｙである。本実施形態において、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉの外方、すなわち油圧ショベル１００の作業機２側に位置しているときの距離ｄは正の値であり、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉの内方、すなわち目標掘削地形７３Ｉよりも掘削対象の内部側に位置しているときの距離ｄは負の値である。これは、例えば、図８に図示されるように、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉの上方に位置しているときの距離ｄは正の値であり、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉの下方に位置しているときの距離ｄは負の値であるとも言える。また、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉに対して侵食しない位置にあるときの距離ｄは正の値であり、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉに対して侵食する位置にあるときの距離ｄは負の値であるとも言える。刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉ上に位置しているとき、すなわち刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉと接しているときの距離ｄは０である。
【００８５】
本実施形態において、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉの内方から外方に向かうときの速度を正の値とし、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉの外方から内方に向かうときの速度を負の値とする。すなわち、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉの上方に向かうときの速度を正の値とし、刃先８Ｔが下方に向かうときの速度を負の値とする。
【００８６】
制限速度情報において、距離ｄがｄ１とｄ２との間であるときの制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔの傾きは、距離ｄがｄ１以上又はｄ２以下のときの傾きより小さい。ｄ１は０より大きい。ｄ２は０より小さい。目標掘削地形７３Ｉ付近の操作においては制限速度をより詳細に設定するために、距離ｄがｄ１とｄ２との間であるときの傾きを、距離ｄがｄ１以上又はｄ２以下であるときの傾きよりも小さくする。距離ｄがｄ１以上のとき、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは負の値であり、距離ｄが大きくなるほど制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは小さくなる。つまり、距離ｄがｄ１以上のとき、目標掘削地形７３Ｉより上方において刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉから遠いほど、目標掘削地形７３Ｉの下方へ向かう速度が大きくなり、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔの絶対値は大きくなる。距離ｄが０以下のとき、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは正の値であり、距離ｄが小さくなるほど制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは大きくなる。つまり、バケット８の刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉから遠ざかる距離ｄが０以下のとき、目標掘削地形７３Ｉより下方において刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉから遠いほど、目標掘削地形７３Ｉの上方へ向かう速度が大きくなり、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔの絶対値は大きくなる。
【００８７】
距離ｄが第１所定値ｄｔｈ１以上では、制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔは、Ｖｍｉｎとなる。第１所定値ｄｔｈ１は正の値であり、ｄ１より大きい。Ｖｍｉｎは、目標速度の最小値よりも小さい。つまり、距離ｄが第１所定値ｄｔｈ１以上では、作業機２の動作の制限が行われない。したがって、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉの上方において目標掘削地形７３Ｉから大きく離れているときには、作業機２の動作の制限、すなわち掘削制御が行われない。距離ｄが第１所定値ｄｔｈ１より小さいときに、作業機２の動作の制限が行われる。詳細には、後述するように、距離ｄが第１所定値ｄｔｈ１より小さいときに、ブーム６の動作の制限が行われる。
【００８８】
制限速度決定部９２は、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔとアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍとバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔとからブーム６の制限速度の垂直速度成分（以下、適宜ブーム６の制限垂直速度成分と称する）Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを算出する。制限速度決定部９２は、図１０に示すように、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔから、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍと、バケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとを減算することにより、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを算出する。
【００８９】
制限速度決定部９２は、図１１に示すように、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを、ブーム６の制限速度（ブーム制限速度）Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに変換する。制限速度決定部９２は、前述したブーム６の傾斜角α１、アーム７の傾斜角α２、バケット８の傾斜角α３、ＧＮＳＳアンテナ２０、２１の基準位置データ及び目標掘削地形データＵ等から、目標掘削地形７３Ｉに垂直な方向とブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔの方向との間の関係を求め、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔを、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに変換する。この場合の演算は、前述したブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍから目標掘削地形７３Ｉに垂直な方向の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍを求めた演算と逆の手順により行われる。
【００９０】
後述するシャトル弁１５１は、ブーム６の操作に基づいて生成されたパイロット圧力と、ブーム介入指令ＣＢＩに基づいて、後述する介入弁１２７Ｃが生成したパイロット圧力とのうち大きい方を選択して、後述する方向制御弁１６４に供給する。ブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力がブーム６の操作に基づいて生成されたパイロット圧力よりも大きい場合、ブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力によってブームシリンダ１０に対応する、後述する方向制御弁１６４が動作する。その結果、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに基づくブーム６の駆動が実現される。
【００９１】
作業機制御部９３は、作業機２を制御する。作業機制御部９３は、アーム指令信号とブーム指令信号とブーム介入指令ＣＢＩとバケット指令信号とを後述する制御弁１２７に出力することによって、ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを制御する。アーム指令信号とブーム指令信号とブーム介入指令ＣＢＩとバケット指令信号とは、それぞれブーム指令速度とアーム指令速度とバケット指令速度とに応じた電流値を有する。
【００９２】
ブーム６の上げ操作に基づいて生成されたパイロット圧力がブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力よりも大きい場合、後述するシャトル弁１５１がレバー操作に基づくパイロット圧を選択する。ブーム６の操作に基づきシャトル弁１５１によって選択されたパイロット圧力によってブームシリンダ１０に対応する方向制御弁１６４が動作する。すなわち、ブーム６は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍに基づいて駆動されるので、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔに基づいては駆動されない。
【００９３】
ブーム６の操作に基づいて生成されたパイロット圧力がブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力よりも大きい場合、作業機制御部９３は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍ及びバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔのそれぞれを、ブーム指令速度、アーム指令速度及びバケット指令速度として選択する。作業機制御部９３は、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍ及びバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔに応じてブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２の速度（シリンダ速度）を決定する。そして、作業機制御部９３は、決定したシリンダ速度に基づいて図２に示す油圧制御弁３８を制御することにより、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２を動作させる。
【００９４】
このように、通常運転時において、作業機制御部９３は、ブーム操作量ＭＢとアーム操作量ＭＡとバケット操作量ＭＴとに応じて、ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを動作させる。したがって、ブームシリンダ１０はブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍで動作し、アームシリンダ１１はアーム目標速度Ｖｃ＿ａｍで動作し、バケットシリンダ１２はバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔで動作する。
【００９５】
ブーム介入指令ＣＢＩに基づくパイロット圧力がブーム６の操作に基づいて生成されたパイロット圧力よりも大きい場合、介入の指令に基づく介入弁１２７Ｃから出力されたパイロット圧をシャトル弁１５１が選択する。その結果、ブーム６は、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔで動作するとともに、アーム７は、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍで動作する。また、バケット８は、バケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔで動作する。
【００９６】
前述したように、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔから、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍとバケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとを減算することにより、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔが算出される。したがって、作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔが、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍとバケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとの和よりも小さいときには、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、ブームが上昇する負の値となる。
【００９７】
したがって、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、負の値となる。この場合、作業機制御部９３は、ブーム６を下降させるが、ブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍよりも減速させる。このため、オペレータの違和感を小さく抑えながらバケット８が目標掘削地形７３Ｉを侵食することを抑制することができる。
【００９８】
作業機２全体の制限速度Ｖｃｙ＿ｌｍｔが、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍとバケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔとの和よりも大きいときには、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、正の値となる。したがって、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔは、正の値となる。この場合、操作装置３０がブーム６を下降させる方向に操作されていても、介入弁１２７Ｃからの指令信号に基づき、ブーム６が上昇する。このため、目標掘削地形７３Ｉの侵食の拡大を迅速に抑えることができる。
【００９９】
刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉより上方に位置しているときには、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉに近づくほど、ブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔの絶対値が小さくなるとともに、目標掘削地形７３Ｉに平行な方向へのブーム６の制限速度の速度成分（以下、適宜制限水平速度成分と称する）Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔの絶対値も小さくなる。したがって、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉより上方に位置しているときには、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉに近づくほど、ブーム６の目標掘削地形７３Ｉに垂直な方向への速度と、ブーム６の目標掘削地形７３Ｉに平行な方向への速度とがともに減速される。油圧ショベル１００のオペレータによって左側の作業機操作部材２５Ｌ及び右側の作業機操作部材２５Ｒが同時に操作されることにより、ブーム６とアーム７とバケット８とが同時に動作する。このとき、ブーム６とアーム７とバケット８との各目標速度Ｖｃ＿ｂｍ、Ｖｃ＿ａｍ、Ｖｃ＿ｂｋｔが入力されたとして前述した制御を説明すると次の通りである。
【０１００】
図１２は、目標掘削地形７３Ｉとバケット８の刃先８Ｔとの間の距離ｄが第１所定値ｄｔｈ１より小さく、バケット８の刃先が位置Ｐｎ１から位置Ｐｎ２に移動する場合のブーム６の制限速度の変化の一例を示している。位置Ｐｎ２での刃先８Ｔと目標掘削地形７３Ｉとの間の距離は、位置Ｐｎ１での刃先８Ｔと目標掘削地形７３Ｉとの間の距離よりも小さい。このため、位置Ｐｎ２でのブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔ２は、位置Ｐｎ１でのブーム６の制限垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｍ＿ｌｍｔ１よりも小さい。したがって、位置Ｐｎ２でのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔ２は、位置Ｐｎ１でのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔ１よりも小さくなる。また、位置Ｐｎ２でのブーム６の制限水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔ２は、位置Ｐｎ１でのブーム６の制限水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｍ＿ｌｍｔ１よりも小さくなる。ただし、このとき、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍ及びバケット目標速度Ｖｃ＿ｂｋｔに対しては、制限は行われない。このため、アーム目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ａｍ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ａｍと、バケット目標速度の垂直速度成分Ｖｃｙ＿ｂｋｔ及び水平速度成分Ｖｃｘ＿ｂｋｔに対しては、制限は行われない。
【０１０１】
前述したように、アーム７に対して制限を行わないことにより、オペレータの掘削意思に対応するアーム操作量の変化は、バケット８の刃先８Ｔの速度変化として反映される。このため、本実施形態は、目標掘削地形７３Ｉの侵食の拡大を抑制しながらオペレータの掘削時の操作における違和感を抑えることができる。
【０１０２】
刃先８Ｔの刃先位置Ｐ４は、ＧＮＳＳに限らず、他の測位手段によって測位されもよい。したがって、刃先８Ｔと目標掘削地形７３Ｉとの距離ｄは、ＧＮＳＳに限らず、他の測位手段によって測位されてもよい。バケット制限速度の絶対値は、バケット目標速度の絶対値よりも小さい。バケット制限速度は、例えば前述したアーム制限速度と同様の手法で算出されてもよい。なお、アーム７の制限とともにバケット８の制限が行われてもよい。次に、油圧ショベル１００が備える油圧システムの詳細及び掘削制御時における油圧システムの動作を説明する。
【０１０３】
図１３は、本実施形態に係る制御システム２００及び油圧システム３００の一例を示す模式図である。図１４は、図１３の一部を拡大した図である。
【０１０４】
図１３及び図１４に示すように、油圧システム３００は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、及びバケットシリンダ１２を含む油圧シリンダ１６０と、上部旋回体３を旋回させる旋回モータ１６３とを備える。油圧シリンダ１６０は、図２に示す油圧ポンプ３７から供給された作動油によって作動する。旋回モータ１６３は、油圧モータであり、油圧ポンプ３７から供給された作動油によって作動する。図２に示す油圧制御弁３８は、方向制御弁１６４及び制御弁１２７を含み、油圧センサ３８Ｃは圧力センサ１６６及び圧力センサ１６７を含む。
【０１０５】
本実施形態においては、作動油が流れる方向を制御する方向制御弁１６４が設けられる。方向制御弁１６４は、複数の油圧シリンダ１６０（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２）のそれぞれに配置される。方向制御弁１６４は、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替えるスプール方式である。方向制御弁１６４は、移動可能なロッド状のスプールを有する。スプールは、供給されたパイロット油により移動する。方向制御弁１６４は、スプールの移動により油圧シリンダ１６０に作動油を供給して油圧シリンダ１６０を動作させる。油圧ポンプ３７から供給された作動油は、方向制御弁１６４を介して、油圧シリンダ１６０に供給される。スプールが軸方向に移動することにより、キャップ側油室に対する作動油の供給と、ロッド側油室に対する作動油の供給とが切り替わる。また、スプールが軸方向に移動することにより、油圧シリンダ１６０に対する作動油の供給量（単位時間当たりの供給量）が調整される。油圧シリンダ１６０に対する作動油の供給量が調整されることにより、油圧シリンダ１６０のシリンダ速度が調整される。
【０１０６】
方向制御弁１６４の駆動は、操作装置３０によって調整される。図２に示す油圧ポンプ３７から送出され、減圧弁によって減圧された作動油がパイロット油として操作装置３０に供給される。なお、油圧ポンプ３７とは別のパイロット油圧ポンプから送出されたパイロット油が操作装置３０に供給されてもよい。操作装置３０は、図２に示すように、パイロット油圧を調整可能な圧力調整弁２５０を含む。操作装置３０の操作量に基づいて、パイロット油圧が調整される。そのパイロット油圧によって、方向制御弁１６４が駆動される。操作装置３０によりパイロット油圧が調整されることによって、軸方向に関するスプールの移動量及び移動速度が調整される。
【０１０７】
方向制御弁１６４は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２及び旋回モータ１６３のそれぞれに設けられる。以下の説明において、ブームシリンダ１０に接続される方向制御弁１６４を適宜、方向制御弁６４０、と称する。アームシリンダ１１に接続される方向制御弁１６４を適宜、方向制御弁６４１、と称する。バケットシリンダ１２に接続される方向制御弁１６４を適宜、方向制御弁６４２、と称する。
【０１０８】
操作装置３０と方向制御弁１６４とは、パイロット油路４５０を介して接続される。方向制御弁１６４のスプールを移動するためのパイロット油は、パイロット油路４５０を流れる。本実施形態において、パイロット油路４５０に、制御弁１２７、圧力センサ１６６及び圧力センサ１６７が配置されている。
【０１０９】
以下の説明において、パイロット油路４５０のうち、操作装置３０と制御弁１２７との間のパイロット油路４５０を適宜、パイロット油路４５１、と称し、制御弁１２７と方向制御弁１６４との間のパイロット油路４５０を適宜、パイロット油路４５２、と称する。
【０１１０】
方向制御弁１６４に、パイロット油路４５２が接続される。パイロット油路４５２を介して、パイロット油が方向制御弁１６４に供給される。方向制御弁１６４は、第１受圧室及び第２受圧室を有する。パイロット油路４５２は、第１受圧室に接続されるパイロット油路４５２Ａと、第２受圧室に接続されるパイロット油路４５２Ｂとを含む。
【０１１１】
パイロット油路４５２Ａを介して方向制御弁１６４の第１受圧室にパイロット油が供給されると、そのパイロット油圧に応じてスプールが移動し、方向制御弁１６４を介して油圧シリンダ１６０のロッド側油室に作動油が供給される。ロッド側油圧室に対する作動油の供給量は、操作装置３０の操作量（スプールの移動量）により調整される。
【０１１２】
パイロット油路４５２Ｂを介して方向制御弁１６４の第２受圧室にパイロット油が供給されると、そのパイロット油圧に応じてスプールが移動し、方向制御弁１６４を介して油圧シリンダ１６０のキャップ側油室に作動油が供給される。キャップ側油圧室に対する作動油の供給量は、操作装置３０の操作量（スプールの移動量）により調整される。
【０１１３】
すなわち、操作装置３０によりパイロット油圧が調整されたパイロット油が方向制御弁１６４に供給されることにより、スプールは軸方向に関して一側に移動する。操作装置３０によりパイロット油圧が調整されたパイロット油が方向制御弁１６４に供給されることにより、スプールは軸方向に関して他側に移動する。その結果、軸方向に関するスプールの位置が調整される。
【０１１４】
パイロット油路４５１は、パイロット油路４５２Ａと操作装置３０とを接続するパイロット油路４５１Ａと、パイロット油路４５２Ｂと操作装置３０とを接続するパイロット油路４５１Ｂとを含む。
【０１１５】
以下の説明において、ブームシリンダ１０に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４０に接続されるパイロット油路４５２Ａを適宜、ブーム調整用油路４５２０Ａ、と称し、方向制御弁６４０に接続されるパイロット油路４５２Ｂを適宜、ブーム調整用油路４５２０Ｂ、と称する。
【０１１６】
以下の説明において、アームシリンダ１１に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４１に接続されるパイロット油路４５２Ａを適宜、アーム調整用油路４５２１Ａ、と称し、方向制御弁６４１に接続されるパイロット油路４５２Ｂを適宜、アーム調整用油路４５２１Ｂ、と称する。
【０１１７】
以下の説明において、バケットシリンダ１２に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４２に接続されるパイロット油路４５２Ａを適宜、バケット調整用油路４５２２Ａ、と称し、方向制御弁６４２に接続されるパイロット油路４５２Ｂを適宜、バケット調整用油路４５２２Ｂ、と称する。
【０１１８】
以下の説明において、ブーム調整用油路４５２０Ａに接続されるパイロット油路４５１Ａを適宜、ブーム操作用油路４５１０Ａ、と称し、ブーム調整用油路４５２０Ｂに接続されるパイロット油路４５１Ｂを適宜、ブーム操作用油路４５１０Ｂ、と称する。
【０１１９】
以下の説明において、アーム調整用油路４５２１Ａに接続されるパイロット油路４５１Ａを適宜、アーム操作用油路４５１１Ａ、と称し、アーム調整用油路４５２１Ｂに接続されるパイロット油路４５１Ｂを適宜、アーム操作用油路４５１１Ｂ、と称する。
【０１２０】
以下の説明において、バケット調整用油路４５２２Ａに接続されるパイロット油路４５１Ａを適宜、バケット操作用油路４５１２Ａ、と称し、バケット調整用油路４５２２Ｂに接続されるパイロット油路４５１Ｂを適宜、バケット操作用油路４５１２Ｂ、と称する。
【０１２１】
ブーム操作用油路（４５１０Ａ、４５１０Ｂ）及びブーム調整用油路（４５２０Ａ、４５２０Ｂ）は、パイロット油圧方式の操作装置３０と接続される。ブーム操作用油路（４５１０Ａ、４５１０Ｂ）に、操作装置３０の操作量に応じて圧力が調整されたパイロット油が流れる。
【０１２２】
アーム操作用油路（４５１１Ａ、４５１１Ｂ）及びアーム調整用油路（４５２１Ａ、４５２１Ｂ）は、パイロット油圧方式の操作装置３０と接続される。アーム操作用油路（４５１１Ａ、４５１１Ｂ）に、操作装置３０の操作量に応じて圧力が調整されたパイロット油が流れる。
【０１２３】
バケット操作用油路（４５１２Ａ、４５１２Ｂ）及びバケット調整用油路（４５２２Ａ、４５２２Ｂ）は、パイロット油圧方式の操作装置３０と接続される。バケット操作用油路（４５１２Ａ、４５１２Ｂ）に、操作装置３０の操作量に応じて圧力が調整されたパイロット油が流れる。
【０１２４】
ブーム操作用油路４５１０Ａ、ブーム操作用油路４５１０Ｂ、ブーム調整用油路４５２０Ａ及びブーム調整用油路４５２０Ｂは、ブーム６を動作させるためのパイロット油が流れるブーム用油路である。
【０１２５】
アーム操作用油路４５１１Ａ、アーム操作用油路４５１１Ｂ、アーム調整用油路４５２１Ａ及びアーム調整用油路４５２１Ｂは、アーム７を動作させるためのパイロット油が流れるアーム用油路である。
【０１２６】
バケット操作用油路４５１２Ａ、バケット操作用油路４５１２Ｂ、バケット調整用油路４５２２Ａ及びバケット調整用油路４５２２Ｂは、バケット８を動作させるためのパイロット油が流れるバケット用油路である。
【０１２７】
前述したように、操作装置３０の操作により、ブーム６は、下げ動作及び上げ動作の２種類の動作を実行する。ブーム６の下げ動作が実行されるように操作装置３０が操作されることにより、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に、ブーム操作用油路４５１０Ａ及びブーム調整用油路４５２０Ａを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４０はパイロット油圧に基づいて作動する。これにより、油圧ポンプ３７からの作動油がブームシリンダ１０に供給され、ブーム６の下げ動作が実行される。
【０１２８】
ブーム６の上げ動作が実行されるように操作装置３０が操作されることにより、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に、ブーム操作用油路４５１０Ｂ及びブーム調整用油路４５２０Ｂを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４０はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３７からの作動油がブームシリンダ１０に供給され、ブーム６の上げ動作が実行される。
【０１２９】
すなわち、本実施形態において、ブーム操作用油路４５１０Ａ及びブーム調整用油路４５２０Ａは、方向制御弁６４０の第１受圧室と接続され、ブーム６を下げ動作させるためのパイロット油が流れるブーム下げ用油路である。ブーム操作用油路４５１０Ｂ及びブーム調整用油路４５２０Ｂは、方向制御弁６４０の第２受圧室と接続され、ブーム６を上げ動作させるためのパイロット油が流れるブーム上げ用油路である。
【０１３０】
また、操作装置３０の操作により、アーム７は、下げ動作及び上げ動作の２種類の動作を実行する。アーム７の上げ動作が実行されるように操作装置３０が操作されることにより、アームシリンダ１１に接続された方向制御弁６４１に、アーム操作用油路４５１１Ａ及びアーム調整用油路４５２１Ａを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４１はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３７からの作動油がアームシリンダ１１に供給され、アーム７の上げ動作が実行される。
【０１３１】
アーム７の下げ動作が実行されるように操作装置３０が操作されることにより、アームシリンダ１１に接続された方向制御弁６４１に、アーム操作用油路４５１１Ｂ及びアーム調整用油路４５２１Ｂを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４１はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３７からの作動油がアームシリンダ１１に供給され、アーム７の下げ動作が実行される。
【０１３２】
すなわち、本実施形態において、アーム操作用油路４５１１Ａ及びアーム調整用油路４５２１Ａは、方向制御弁６４１の第１受圧室と接続され、アーム７を上げ動作させるためのパイロット油が流れるアーム上げ用油路である。アーム操作用油路４５１１Ｂ及びアーム調整用油路４５２１Ｂは、方向制御弁６４１の第２受圧室と接続され、アーム７を下げ動作させるためのパイロット油が流れるアーム下げ用油路である。
【０１３３】
操作装置３０の操作により、バケット８は、下げ動作及び上げ動作の２種類の動作を実行する。バケット８の上げ動作が実行されるように操作装置３０が操作されることにより、バケットシリンダ１２に接続された方向制御弁６４２に、バケット操作用油路４５１２Ａ及びバケット調整用油路４５２２Ａを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４２はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３７からの作動油がバケットシリンダ１２に供給され、バケット８の上げ動作が実行される。
【０１３４】
バケット８の下げ動作が実行されるように操作装置３０が操作されることにより、バケットシリンダ１２に接続された方向制御弁６４２に、バケット操作用油路４５１２Ｂ及びバケット調整用油路４５２２Ｂを介して、パイロット油が供給される。方向制御弁６４２はパイロット油圧に基づいて作動する。その結果、油圧ポンプ３７からの作動油がバケットシリンダ１２に供給され、バケット８の下げ動作が実行される。
【０１３５】
すなわち、本実施形態において、バケット操作用油路４５１２Ａ及びバケット調整用油路４５２２Ａは、方向制御弁６４２の第１受圧室と接続され、バケット８を上げ動作させるためのパイロット油が流れるバケット上げ用油路である。バケット操作用油路４５１２Ｂ及びバケット調整用油路４５２２Ｂは、方向制御弁６４２の第２受圧室と接続され、バケット８を下げ動作させるためのパイロット油が流れるバケット下げ用油路である。
【０１３６】
また、操作装置３０の操作により、上部旋回体３は、右旋回動作及び左旋回動作の２種類の動作を実行する。上部旋回体３の右旋回動作が実行されるように操作装置３０が操作されることにより、作動油が旋回モータ１６３に供給される。上部旋回体３の左旋回動作が実行されるように操作装置３０が操作されることにより方向制御弁１６４が操作され、作動油が旋回モータ１６３に供給される。
【０１３７】
制御弁１２７は、作業機制御装置２５からの制御信号（電流）に基づいて、パイロット油圧を調整する。制御弁１２７は、例えば、電磁比例制御弁であり、作業機制御装置２５からの制御信号に基づいて制御される。制御弁１２７は、制御弁１２７Ａと、制御弁１２７Ｂとを含む。制御弁１２７Ａは、方向制御弁１６４の第１受圧室に供給されるパイロット油のパイロット油圧を調整して、方向制御弁１６４を介してロッド側油室に供給される作動油の供給量を調整する。制御弁１２７Ｂは、方向制御弁１６４の第２受圧室に供給されるパイロット油のパイロット油圧を調整して、方向制御弁１６４を介してキャップ側油室に供給される作動油の供給量を調整する。
【０１３８】
以下の説明において、制御弁１２７Ａを適宜、減圧弁１２７Ａ、と称し、制御弁１２７Ｂを適宜、減圧弁１２７Ｂ、と称する。制御弁１２７の両側に、パイロット油圧を検出する圧力センサ１６６及び圧力センサ１６７が設けられる。本実施形態において、圧力センサ１６６は、パイロット油路４５１において操作装置３０と制御弁１２７との間に配置される。圧力センサ１６７は、パイロット油路４５２において制御弁１２７と方向制御弁１６４との間に配置される。圧力センサ１６６は、制御弁１２７によって調整される前のパイロット油圧を検出可能である。圧力センサ１６７は、制御弁１２７によって調整されたパイロット油圧を検出可能である。圧力センサ１６６は、操作装置３０の操作によって調整されるパイロット油圧を検出可能である。圧力センサ１６６及び圧力センサ１６７の検出結果は、作業機制御装置２５に出力される。
【０１３９】
以下の説明において、ブームシリンダ１０に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４０に対するパイロット油圧を調整可能な制御弁１２７を適宜、ブーム用減圧弁２７０、と称する。また、ブーム用減圧弁２７０のうち、一方のブーム用減圧弁（減圧弁１２７Ａに相当）を適宜、ブーム用減圧弁２７０Ａ、と称し、他方のブーム用減圧弁（減圧弁１２７Ｂに相当）を適宜、ブーム用減圧弁２７０Ｂ、と称する。ブーム用減圧弁２７０（２７０Ａ、２７０Ｂ）は、ブーム操作用油路に配置される。
【０１４０】
以下の説明において、アームシリンダ１１に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４１に対するパイロット油圧を調整可能な制御弁１２７を適宜、アーム用減圧弁２７１、と称する。また、アーム用減圧弁２７１のうち、一方のアーム用減圧弁（減圧弁１２７Ａに相当）を適宜、アーム用減圧弁２７１Ａ、と称し、他方のアーム用減圧弁（減圧弁１２７Ｂに相当）を適宜、アーム用減圧弁２７１Ｂ、と称する。アーム用減圧弁２７１（２７１Ａ、２７１Ｂ）は、アーム操作用油路に配置される。
【０１４１】
以下の説明において、バケットシリンダ１２に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４２に対するパイロット油圧を調整可能な制御弁１２７を適宜、バケット用減圧弁２７２、と称する。また、バケット用減圧弁２７２のうち、一方のバケット用減圧弁（減圧弁１２７Ａに相当）を適宜、バケット用減圧弁２７２Ａ、と称し、他方のバケット用減圧弁（減圧弁１２７Ｂに相当）を適宜、バケット用減圧弁２７２Ｂ、と称する。バケット用減圧弁２７２（２７２Ａ、２７２Ｂ）は、バケット操作用油路に配置される。
【０１４２】
ブームシリンダ１０に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４０には、パイロット油路４５１Ａ、４５１Ｂ、４５２Ａ、４５２Ｂが接続される。以下の説明において、ブーム操作用油路４５１０Ａに配置されるブーム用圧力センサ１６６を適宜、ブーム用圧力センサ６６０Ａ、と称し、ブーム操作用油路４５１０Ｂに配置されるブーム用圧力センサ１６６を適宜、ブーム用圧力センサ６６０Ｂ、と称する。また、ブーム調整用油路４５２０Ａに配置されるブーム用圧力センサ１６７を適宜、ブーム用圧力センサ６７０Ａ、と称し、ブーム調整用油路４５２０Ｂに配置されるブーム用圧力センサ１６７を適宜、ブーム用圧力センサ６７０Ｂ、と称する。
【０１４３】
以下の説明において、アームシリンダ１１に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４１には、パイロット油路４５１Ａ、４５１Ｂ、４５２Ａ、４５２Ｂが接続される。以下の説明において、アーム操作用油路４５１１Ａに配置されるアーム用圧力センサ１６６を適宜、アーム用圧力センサ６６１Ａ、と称し、アーム操作用油路４５１１Ｂに配置されるアーム用圧力センサ１６６を適宜、アーム用圧力センサ６６１Ｂ、と称する。また、アーム調整用油路４５２１Ａに配置されるアーム用圧力センサ１６７を適宜、アーム用圧力センサ６７１Ａ、と称し、アーム調整用油路４５２１Ｂに配置されるアーム用圧力センサ１６７を適宜、アーム用圧力センサ６７１Ｂ、と称する。
【０１４４】
以下の説明において、バケットシリンダ１２に対する作動油の供給を行う方向制御弁６４２には、パイロット油路４５１Ａ、４５１Ｂ、４５２Ａ、４５２Ｂが接続される。以下の説明において、バケット操作用油路４５１２Ａに配置されるバケット用圧力センサ１６６を適宜、バケット用圧力センサ６６２Ａ、と称し、バケット操作用油路４５１２Ｂに配置されるバケット用圧力センサ１６６を適宜、バケット用圧力センサ６６２Ｂ、と称する。また、バケット調整用油路４５２２Ａに配置されるバケット用圧力センサ１６７を適宜、バケット用圧力センサ６７２Ａ、と称し、バケット調整用油路４５２２Ｂに配置されるバケット用圧力センサ１６７を適宜、バケット用圧力センサ６７２Ｂ、と称する。
【０１４５】
掘削制御を実行しない場合、作業機制御装置２５は、制御弁１２７を制御して、図１３に示すパイロット油路４５０を開ける（全開にする）。パイロット油路４５０が開くことにより、パイロット油路４５１のパイロット油圧とパイロット油路４５２のパイロット油圧とは等しくなる。制御弁１２７によりパイロット油路４５０が開いた状態で、パイロット油圧は、操作装置３０の操作量に基づいて調整される。
【０１４６】
制御弁１２７によりパイロット油路４５０が全開したとき、圧力センサ１６６に作用するパイロット油圧と圧力センサ１６７に作用するパイロット油圧とは等しい。制御弁１２７の開度が小さくなることによって、圧力センサ１６６に作用するパイロット油圧と圧力センサ１６７に作用するパイロット油圧とは異なる。
【０１４７】
掘削制御等のように、作業機２が作業機制御装置２５によって制御される場合、作業機制御装置２５は、制御弁１２７に制御信号を出力する。パイロット油路４５１は、例えばパイロットリリーフ弁の作用により所定の圧力（パイロット油圧）を有する。作業機制御装置２５から制御弁１２７に制御信号が出力されると、制御弁１２７は、その制御信号に基づいて作動する。パイロット油路４５１のパイロット油は、制御弁１２７を介して、パイロット油路４５２に供給される。パイロット油路４５２のパイロット油圧は、制御弁１２７により調整（減圧）される。パイロット油路４５２のパイロット油圧が、方向制御弁１６４に作用する。これにより、方向制御弁１６４は、制御弁１２７で制御されたパイロット油圧に基づいて作動する。本実施形態において、圧力センサ１６６は、制御弁１２７によって調整される前のパイロット油圧を検出する。圧力センサ１６７は、制御弁１２７によって調整された後のパイロット油圧を検出する。
【０１４８】
減圧弁１２７Ａにより圧力が調整されたパイロット油が方向制御弁１６４に供給されることにより、スプールは軸方向に関して一側に移動する。減圧弁１２７Ｂにより圧力が調整されたパイロット油が方向制御弁１６４に供給されることにより、スプールは軸方向に関して他側に移動する。その結果、軸方向に関するスプールの位置が調整される。
【０１４９】
例えば、作業機制御装置２５は、ブーム用減圧弁２７０Ａ及びブーム用減圧弁２７０Ｂの少なくとも一方に制御信号を出力して、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に対するパイロット油圧を調整することができる。
【０１５０】
また、作業機制御装置２５は、アーム用減圧弁２７１Ａ及びアーム用減圧弁２７１Ｂの少なくとも一方に制御信号を出力して、アームシリンダ１１に接続された方向制御弁６４１に対するパイロット油圧を調整することができる。
【０１５１】
また、作業機制御装置２５は、バケット用減圧弁２７２Ａ及びバケット用減圧弁２７２Ｂの少なくとも一方に制御信号を出力して、バケットシリンダ１２に接続された方向制御弁６４２に対するパイロット油圧を調整することができる。
【０１５２】
作業機制御装置２５は、掘削制御において、前述したように、掘削対象の目標形状である設計地形を示す目標掘削地形７３Ｉ（目標掘削地形データＵ）とバケット８の位置を示すバケット刃先位置データＳとに基づき、目標掘削地形７３Ｉとバケット８との距離ｄに応じてバケット８が目標掘削地形７３Ｉに近づく速度が小さくなるように、ブーム６の速度を制限する。
【０１５３】
本実施形態において、作業機制御装置２５は、ブーム６の速度を制限するための制御信号を出力するブーム制限部を有する。本実施形態においては、操作装置３０の操作に基づいて作業機２が駆動する場合において、バケット８の刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉに侵入しないように、作業機制御装置２５のブーム制限部から出力される制御信号に基づいて、ブーム６の動きが制御（ブーム介入制御）される。具体的には、掘削制御において、刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉに侵入しないように、ブーム６は、作業機制御装置２５により、上げ動作が実行される。
【０１５４】
本実施形態においては、ブーム介入制御を実現するために、作業機制御装置２５から出力された、ブーム介入制御に関する制御信号に基づいて作動する制御弁１２７Ｃがパイロット油路１５０に設けられる。ブーム介入制御において、パイロット油路１５０に、圧力（パイロット油圧）が調整されたパイロット油が流れる。制御弁１２７Ｃは、パイロット油路１５０に配置され、パイロット油路１５０のパイロット油圧を調整可能である。
【０１５５】
以下の説明において、ブーム介入制御において圧力が調整されたパイロット油が流れるパイロット油路１５０を適宜、介入用油路５０１、５０２と称し、介入用油路５０１に接続される制御弁１２７Ｃを適宜、介入弁１２７Ｃ、と称する。
【０１５６】
介入用油路５０２に、ブームシリンダ１０に接続された方向制御弁６４０に供給されるパイロット油が流れる。介入用油路５０２は、方向制御弁６４０と接続されたブーム操作用油路４５１０Ｂ及びブーム調整用油路４５２０Ｂにシャトル弁１５１を介して接続されている。
【０１５７】
シャトル弁１５１は、２つの入口と、１つの出口とを有する。一方の入口は、介入用油路５０２と接続される。他方の入口は、ブーム操作用油路４５１０Ｂと接続される。出口は、ブーム調整用油路４５２０Ｂと接続される。シャトル弁１５１は、介入用油路５０１及びブーム操作用油路４５１０Ｂのうち、パイロット油圧が高い方の油路と、ブーム調整用油路４５２０Ｂとを接続する。例えば、介入用油路５０２のパイロット油圧がブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油圧よりも高い場合、シャトル弁１５１は、介入用油路５０２とブーム調整用油路４５２０Ｂとを接続し、ブーム操作用油路４５１０Ｂとブーム調整用油路４５２０Ｂとを接続しないように作動する。これにより、介入用油路５０２のパイロット油がシャトル弁１５１を介してブーム調整用油路４５２０Ｂに供給される。ブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油圧が介入用油路５０２のパイロット油圧よりも高い場合、シャトル弁１５１は、ブーム操作用油路４５１０Ｂとブーム調整用油路４５２０Ｂとを接続し、介入用油路５０２とブーム調整用油路４５２０Ｂとを接続しないように作動する。これにより、ブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油がシャトル弁１５１を介してブーム調整用油路４５２０Ｂに供給される。
【０１５８】
介入用油路５０１に、介入用油路５０１のパイロット油のパイロット油圧を検出する圧力センサ１６８とが設けられている。介入用油路５０１は、制御弁１２７Ｃを通過する前のパイロット油が流れる介入用油路５０１と、介入弁１２７Ｃを通過した後のパイロット油が流れる介入用油路５０２とを含む。介入弁１２７Ｃは、ブーム介入制御を実行するために作業機制御装置２５から出力された制御信号に基づいて制御される。
【０１５９】
ブーム介入制御が実行されないとき、操作装置３０の操作によって調整されたパイロット油圧に基づいて方向制御弁１６４が駆動されるようにする。このため、作業機制御装置２５は、制御弁１２７に対して制御信号を出力しない。例えば、作業機制御装置２５は、操作装置３０の操作によって調整されたパイロット油圧に基づいて方向制御弁６４０が駆動されるように、ブーム用減圧弁２７０Ｂによりブーム操作用油路４５１０Ｂを開ける（全開にする）とともに、介入弁１２７Ｃにより介入用油路５０１を閉じる。
【０１６０】
ブーム介入制御が実行されるとき、作業機制御装置２５は、介入弁１２７Ｃによって調整されたパイロット油圧に基づいて方向制御弁１６４が駆動されるように、各制御弁１２７を制御する。例えば、掘削制御においてブーム６の移動を制限するブーム介入制御を実行する場合、作業機制御装置２５は、介入弁１２７Ｃによって調整された介入用油路５０２のパイロット油圧が、操作装置３０によって調整されるブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油圧よりも高くなるように、介入弁１２７Ｃを制御する。このようにすることで、介入弁１２７Ｃからのパイロット油がシャトル弁１５１を介して方向制御弁６４０に供給される。
【０１６１】
バケット８が目標掘削地形７３Ｉに侵入しないように操作装置３０によりブーム６が高速で上げ動作される場合、ブーム介入制御は実行されない。ブーム６が高速で上げ動作されるように操作装置３０が操作され、その操作量に基づいてパイロット油圧が調整されることにより、操作装置３０の操作によって調整されるブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油圧は、介入弁１２７Ｃによって調整される介入用油路５０２のパイロット油圧よりも高くなる。これにより、操作装置３０の操作によってパイロット油圧が調整されたブーム操作用油路４５１０Ｂのパイロット油がシャトル弁１５１を介して方向制御弁６４０に供給される。
【０１６２】
ブーム介入制御において、作業機制御装置２５は、制限条件が満たされているか否かを判定する。制限条件は、距離ｄが前述した第１所定値ｄｔｈ１より小さいこと及びブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔがブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍよりも大きいことを含む。例えば、ブーム６を下降させる場合、ブーム６の下方へのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔの大きさが、下方へのブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの大きさよりも小さいときには、作業機制御装置２５は、制限条件が満たされていると判定する。また、ブーム６を上昇させる場合、ブーム６の上方へのブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔの大きさが、上方へのブーム目標速度Ｖｃ＿ｂｍの大きさよりも大きいときには、作業機制御装置２５は、制限条件が満たされていると判定する。
【０１６３】
制限条件が満たされている場合、作業機制御装置２５は、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔでブームが上昇するようにブーム介入指令ＣＢＩを生成し、ブームシリンダ１０の制御弁２７を制御する。このようにすることで、ブームシリンダ１０の方向制御弁６４０は、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔでブームが上昇するように作動油をブームシリンダ１０に供給するので、ブームシリンダ１０は、ブーム制限速度Ｖｃ＿ｂｍ＿ｌｍｔでブーム６を上昇させる。
【０１６４】
実施形態１において、アーム制限速度Ｖｃ＿ａｍ＿ｌｍｔの絶対値が、アーム目標速度Ｖｃ＿ａｍの絶対値よりも小さいことが、制限条件に含まれてもよい。制限条件は、他の条件をさらに含んでもよい。例えば、制限条件は、アーム操作量が０であることをさらに含んでもよい。制限条件は、距離ｄが第１所定値ｄｔｈ１より小さいことを含まなくてもよい。例えば、制限条件は、ブーム６の制限速度がブーム目標速度よりも大きいことのみであってもよい。
【０１６５】
第２所定値ｄｔｈ２は、第１所定値ｄｔｈ１より小さければ、０より大きくてもよい。この場合には、ブーム６の刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉに到達する前に、ブーム６の制限とアーム７の制限との両方が行われる。このため、ブーム６の刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉに到達する前であっても、ブーム６の刃先８Ｔが目標掘削地形７３Ｉを超えそうなときに、ブーム６の制限とアーム７の制限との両方を行うことができる。
【０１６６】
（操作レバーが電気方式である場合）
左側の作業機操作部材３１Ｌ及び右側の作業機操作部材３１Ｒが電気方式である場合、作業機操作部材３１Ｌ、３１Ｒに対応するポテンショメータ等の電気信号を作業機制御装置２５が取得する。この電気信号を、操作指令電流値と称する。作業機制御装置２５は、操作指令電流値に基づく開閉指令を制御弁１２７へ出力する。制御弁１２７からは、開閉指令に応じた圧力の作動油が方向制御弁のスプールに供給されてスプールを移動させるので、方向制御弁を介してブームシリンダ１０、アームシリンダ１１又はバケットシリンダ１２に作動油が供給されてこれらが伸縮する。
【０１６７】
掘削制御において、作業機制御装置２５は、掘削制御の指令値及び操作指令電流値に基づく開閉指令を制御弁１２７に出力する。掘削制御の指令値は、掘削制御においてブーム介入制御を実行するための指令値である。開閉指令が入力された制御弁１２７は、開閉指令に応じた圧力の作動油が方向制御弁のスプールに供給されてスプールを移動させる。ブームシリンダ１０の方向制御弁のスプールには、掘削制御の指令値に応じた圧力の作動油が供給されるので、ブームシリンダ１０が伸びてブーム６を上昇させる。
【０１６８】
（ガイダンスの表示）
ガイダンスにおいて、図３Ｂに示す第２表示装置３９のバケット刃先位置データ生成部３９Ｂは、グローバル座標演算部２３から取得する基準位置データＰ及び旋回体方位データＱに基づいて旋回中心位置データを生成する。そして、バケット刃先位置データ生成部３９Ｂは、旋回中心位置データと作業機２の傾斜角α１、α２、α３とに基づいてバケット刃先位置データＳを生成する。また、目標掘削地形データ生成部３９Ｄは、目標施工情報Ｔと、バケット刃先位置データＳとから、表示用の目標掘削地形データＵａを生成する。表示部３９Ｍは、表示用の目標掘削地形データＵａを用いて、目標掘削地形７３Ｉを表示する。
【０１６９】
表示部３９Ｍは、目標掘削地形７３Ｉとバケット刃先位置データＳとから、逐次（例えば、１００ｍｓｅｃ．周期）バケット８の直下における目標掘削地形７３Ｉの情報の一点を、図３Ａに示す掘削対象位置７４として決定する。表示部３９Ｍは、掘削対象位置７４から作業機２の前後方向に延伸し、表示用の目標掘削地形７３Ｉを決定し、表示する。
【０１７０】
目標掘削地形データ生成部３９Ｄは、油圧ショベル１００のローカル座標における掘削対象位置７４と、掘削対象位置７４の前後２点と、掘削対象位置７４の前後２点以降の角度情報を掘削制御のための目標掘削地形７３Ｉの情報、すなわち目標掘削地形データＵとして、作業機制御装置２５に送信する。第２表示装置３９は、ガイダンス及び掘削制御において、グローバル座標演算部２３から取得する油圧ショベル１００の位置情報及び目標施工情報Ｔを基に、例えば、１００ｍｓｅｃ．周期で目標掘削地形データＵ（目標掘削地形７３Ｉ）を生成して、作業機制御装置２５に送信する。
【０１７１】
作業機制御装置２５には、第２表示装置３９の目標掘削地形データ生成部３９Ｄから目標掘削地形データＵ（目標掘削地形７３Ｉ）が、例えば１００ｍｓｅｃ．の周期で入力される。作業機制御装置２５及び第２表示装置３９は、ＩＭＵ２９が検出した傾斜角（以下、適宜ピッチ角と称する）θ５が、例えば１０ｍｓｅｃ．毎に入力される。作業機制御装置２５及び第２表示装置３９は、ＩＭＵ２９によって検出され、センサ制御装置２４から入力されたピッチ角θ５の前回値と今回値との増減分に基づき、目標掘削地形データＵ（目標掘削地形７３Ｉ）のピッチ角θ５を更新し続ける。作業機制御装置２５は、このピッチ角θ５を用いて刃先位置Ｐ４を算出して掘削制御を実行し、第２表示装置３９はこのピッチ角θ５を用いてバケット刃先位置データＳを算出してガイダンス画像の刃先位置とする。１００ｍｓｅｃ．が経過した後、作業機制御装置２５には、第２表示装置３９から新たな目標掘削地形データＵ（目標掘削地形７３Ｉ）が入力されて更新される。
【０１７２】
図１５は、ＩＭＵ２９の一例を示すブロック図である。ＩＭＵ２９は、ジャイロ２９Ｖと、加速度センサ２９Ａと、ＡＤ変換部２９ＡＤと、物理量変換部２９ＰＴとを含む。ジャイロ２９Ｖは、油圧ショベル１００の角速度を検出する。加速度センサ２９Ａは、油圧ショベルの加速度を検出する。ジャイロ２９Ｖによって検出された角速度及び加速度センサ２９Ａによって検出された加速度はいずれもアナログ量である。ＡＤ変換部２９ＡＤは、これらのアナログ量をディジタル量に変換する。物理量変換部２９ＰＴは、ＡＤ変換部２９ＡＤの出力を、物理量に変換する。具体的には、物理量変換部２９ＰＴは、ジャイロ２９Ｖの検出値に対応するＡＤ変換部２９ＡＤの出力を角速度ωに変換し、加速度センサ２９Ａの検出値に対応するＡＤ変換部２９ＡＤの出力を加速度Ａｃに変換する。物理量変換部２９ＰＴは、角速度ω及び加速度Ａｃを車内信号線４２に出力する。
【０１７３】
ＡＤ変換部２９ＡＤは、これらのアナログ量をディジタル量に変換する。物理量変換部２９ＰＴは、ＡＤ変換部２９ＡＤの出力を、物理量に変換する。具体的には、物理量変換部２９ＰＴは、ジャイロ２９Ｖの検出値に対応するＡＤ変換部２９ＡＤの出力を角速度ωに変換し、加速度センサ２９Ａの検出値に対応するＡＤ変換部２９ＡＤの出力を加速度Ａｃに変換する。物理量変換部２９ＰＴは、角速度ω及び加速度Ａｃを車内信号線４２に出力する。姿勢角演算部２９ＣＰは、物理量変換部２９ＰＴが求めた角速度ω及び加速度Ａｃから姿勢角θを演算し、得られた姿勢角θを車内信号線４２に出力する。以下において、姿勢角は、適宜符号θを用いて表す。このように、ＩＭＵ２９は、油圧ショベル１００の姿勢角を検出する装置である。
【０１７４】
油圧ショベル１００の傾きは、ピッチ角、ロール角及びヨー角で表すことができる。ピッチ角は、ｙ軸周りに油圧ショベル１００が傾斜したときの角度であり、ロール角はｘ軸周りに油圧ショベル１００が傾斜したときの角度であり、ヨー角は、ｚ軸周りに油圧ショベル１００が傾斜したときの角度である。本実施形態において、ピッチ角及びロール角を、油圧ショベル１００の姿勢角という。本実施形態において、センサ制御装置２４は、ＩＭＵ２９が検出した、油圧ショベル１００の角速度及び加速度を、車内信号線４２を介して取得する。センサ制御装置２４は、取得した油圧ショベル１００の角速度及び加速度から、姿勢角を求める。以下において、姿勢角は、適宜符号θを用いて表す。
【０１７５】
図１６は、センサ制御装置２４の制御ブロック図である。図１７は、上部旋回体３の旋回速度を説明するための図である。本実施形態において、図１５に示すＩＭＵ２９の姿勢角演算部２９ＣＰが、検出装置としてのジャイロ２９Ｖ及び加速度センサ２９Ａによって検出された角速度ω及び加速度Ａｃから作業機械の姿勢角θを求めてローパスフィルタ６０に出力する第１姿勢角演算部として機能する。第２姿勢角演算部５０は、第２姿勢角θ２を求めて出力する。第２姿勢角演算部５０が出力する第２姿勢角θ２は、ローパスフィルタ６０を通過しないで選択部６３に入力される。第２姿勢角演算部５０の詳細については後述する。
【０１７６】
ＩＭＵ２９の検出値は、車内信号線４２を介してセンサ制御装置２４に入力される。センサ制御装置２４は、ＩＭＵ２９から、角速度ω、加速度Ａｃ及び姿勢角θが入力される。センサ制御装置２４は、第２姿勢角演算部５０と、ローパスフィルタ６０と、選択部６３とを含む。この他に、センサ制御装置２４は、旋回状態判定部６１と、姿勢角判定部６２とを含む。
【０１７７】
第１フィルタとしてのローパスフィルタ６０は、ＩＭＵ２９から入力された姿勢角θを通過させて、第１姿勢角θ１として出力する。本実施形態においては、姿勢角θとしてピッチ角θｐ及びロール角θｒがローパスフィルタ６０に入力され、第１姿勢角θ１として第１ピッチ角θ１ｐ及び第１ロール角θ１ｒが出力される。ローパスフィルタ６０が出力した第１姿勢角θ１は、選択部６３に入力される。姿勢角θがローパスフィルタ６０を通過すると、姿勢角θから高周波成分が除去された第１姿勢角θ１が出力される。
【０１７８】
選択部６３は、ローパスフィルタ６０を通過した第１姿勢角θ１と、ローパスフィルタ６０を通過しない第２姿勢角θ２とを、図１及び図２に示す油圧ショベル１００の角度変動に関する情報に基づいて切り替えて、油圧ショベル１００の姿勢角θｏとして車内信号線４１に出力する。選択部６３が出力する姿勢角θｏは、ピッチ角θｐｏ及びロール角θｒｏである。
【０１７９】
本実施形態において、第２姿勢角θ２がローパスフィルタ６０を通過しないとは、第２姿勢角θ２は、第１姿勢角θ１が通過したローパスフィルタ６０は通過したものではないということである。第２姿勢角θ２は、第１姿勢角θ１が通過したローパスフィルタ６０以外のフィルタを通過したものであってもよいし、例えば、ＩＭＵ２９からの姿勢角θが直接選択部６３に入力されるものであってもよい。
【０１８０】
本実施形態において、選択部６３は、図１に示す油圧ショベル１００の旋回に関する情報、より具体的には上部旋回体３の角速度ωｚに基づいて第１姿勢角θ１と第２姿勢角θ２とのいずれを出力するかを切り替える。例えば、選択部６３は、角速度（以下、適宜旋回速度と称する）ωｚが所定の閾値以下である場合には第１姿勢角θ１を出力し、旋回速度ωｚが所定の閾値を超えた場合に第２姿勢角θ２を出力する。旋回速度ωｚは、図１７に示すように、上部旋回体３の回転中心となるｚ軸（回転中心軸）の周りにおける角速度である。ｚ軸は、油圧ショベル１００のローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）において、上部旋回体３が旋回の中心とする軸である。
【０１８１】
選択部６３は、油圧ショベル１００の角度変動に関する情報として、例えば、油圧ショベル１００のピッチ角の変化に基づいて第１姿勢角θ１と第２姿勢角θ２とを切り替えて出力してもよい。例えば、選択部６３は、油圧ショベル１００のピッチ角の変化量が所定の閾値以下の場合には第１姿勢角θ１を出力し、所定の閾値を超えた場合には第２姿勢角θ２を出力することができる。
【０１８２】
旋回状態判定部６１は、車内信号線４２を介してＩＭＵ２９から旋回速度ωｚを取得する。旋回状態判定部６１は、取得した旋回速度ωｚと所定の閾値とを比較して、旋回速度ωｚが所定の閾値以下である場合は第１出力を選択部６３に出力し、旋回速度ωｚが所定の閾値を超えた場合には第２出力を選択部６３に出力する。選択部６３は、第１出力を取得した場合には第１姿勢角θ１を出力し、第２出力を取得した場合には第２姿勢角θ２を出力する。
【０１８３】
姿勢角判定部６２は、第１姿勢角θ１と第２姿勢角θ２との差分Δθを求め、選択部６３に出力する。選択部６３は、差分が所定の閾値を超えた場合、第２姿勢角θ２を油圧ショベル１００の姿勢角θｏとして車内信号線４１に出力する。
【０１８４】
（第２姿勢角演算部の例）
第２姿勢角演算部５０は、角度演算部５０Ｃと、第２フィルタに相当するフィルタ部５０Ｆと、切換部５５とを含む。角度演算部５０Ｃは、第３姿勢角演算部５１と、第４姿勢角演算部５２とを含み、フィルタ部５０Ｆは、第１相補フィルタ５３と、第２相補フィルタ５４とを含む。第３姿勢角演算部５１及び第４姿勢角演算部５２は、油圧ショベル１００の角速度ω及び加速度Ａｃから油圧ショベル１００の姿勢角θを求める。本実施形態において、第３姿勢角演算部５１は、ＩＭＵ２９が検出した油圧ショベル１００の加速度Ａｃから姿勢角θを求める。より具体的には、第３姿勢角演算部５１は、重力加速度の方向から姿勢角θを求める。第４姿勢角演算部５２は、ＩＭＵ２９が検出した油圧ショベル１００の角速度ωから姿勢角θを求める。より具体的には、第４姿勢角演算部５２は、角速度ωを積分して姿勢角θを求める。
【０１８５】
第１相補フィルタ５３は、第１の遮断周波数が設定され、第３姿勢角演算部５１及び第４姿勢角演算部５２によって求められた姿勢角θに含まれる雑音を低減して、第３姿勢角θ３を出力する。第２相補フィルタ５４は、第１の遮断周波数とは異なる第２の遮断周波数が設定され、第３姿勢角演算部５１及び第４姿勢角演算部５２によって求められた姿勢角θに含まれる雑音を低減して第４姿勢角θ４を出力する。第１相補フィルタ５３と第２相補フィルタ５４は、遮断周波数（カットオフ周波数）のみが異なる。
【０１８６】
第１相補フィルタ５３は、フィルタ部５３Ｆと、加算部５３ＡＤとを有する。フィルタ部５３Ｆは、第１ＬＰＦ（Low  Pass  Filter）ａと第１ＨＰＦ（High  Pass  Filter）ａとを有する。加算部５３ＡＤは、第１ＬＰＦａの出力と第１ＨＰＦａの出力とを加算して出力する。加算部５３ＡＤの出力は、第１相補フィルタ５３の出力である。第１相補フィルタ５３の出力を、適宜第３姿勢角θ３と称する。
【０１８７】
第２相補フィルタ５４は、フィルタ部５４Ｆと、加算部５４ＡＤとを有する。フィルタ部５４Ｆは、第２ＬＰＦ（Low  Pass  Filter）ｂと第２ＨＰＦ（High  Pass  Filter）ｂとを有する。加算部５４ＡＤは、第２ＬＰＦｂの出力と第２ＨＰＦｂの出力とを加算して出力する。加算部５４ＡＤの出力は、第２相補フィルタ５４の出力である。第２相補フィルタ５４の出力を、第４姿勢角θ４と称する。
【０１８８】
切替部５５は、処理部５５ｃと、切替器５５ｓとを有する。切替部５５は、油圧ショベル１００の状態に応じて、第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４を切り替えて出力する。切替部５５の処理部５５ｃは、油圧ショベル１００の状態、例えば、油圧ショベル１００が動いているか静止しているかに応じて、第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４のいずれを出力するかを判定する。処理部５５ｃの判定結果は、判定結果出力線５５ａを介して切替器５５Ｓに出力される。切替器５５ｓは、処理部５５ｃの判定結果に応じて、第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４のいずれか一方を、第２姿勢角演算部５０によって求められた第２姿勢角θ２として、姿勢角出力線５５ｂを介して車内信号線４１に出力する。
【０１８９】
図１８は、相補フィルタの特性を示す図である。図１８の縦軸はゲインＧＮ、横軸は周波数ｆである。図１８の曲線（ＬＰＦとＨＰＦ）は、相補フィルタの周波数特性を示す。相補フィルタは、ＬＰＦ（Low  Pass  Filter）と、ＨＰＦ（High  Pass  Filter）とを備えており、図１８から分かるように、ＬＰＦのゲインＧＮとＨＰＦのゲインＧＮとの和が１となるフィルタである。例えば、相補フィルタに姿勢角θを入力すると、ＬＰＦの出力ＬＰＦ（θ）とＨＰＦの出力ＨＰＦ（θ）との和は１となる。すなわち、ＬＰＦ（θ）＋ＨＰＦ（θ）＝θとなる。ＬＰＦのゲインＧＮとＨＰＦのゲインＧＮとがいずれも０．５になるときの周波数を、遮断周波数ｆｃという。センサ制御装置２４が有する第１相補フィルタ５３及び第２相補フィルタ５４は、前述したように、遮断周波数ｆｃのみが異なる。
【０１９０】
図１６に示す第３姿勢角演算部５１が重力加速度の方向から求めた姿勢角θは、真の姿勢角θｔｒと、誤差θａｎとの和で求められる。誤差θａｎは、例えば、衝撃加速度等のような重力加速度以外の加速度によって生じる。誤差θａｎは、高周波成分が主体の雑音である。図１６に示す第４姿勢角演算部５２が角速度ωを積分して求めた姿勢角θは、真の姿勢角θｔｒと、誤差θｗｎとの和で求められる。誤差θｗｎは、積分によって累積するドリフトによって生じる。誤差θｗｎは、低周波成分が主体の雑音である。
【０１９１】
このように、第３姿勢角演算部５１が重力加速度の方向から求めた姿勢角θは、高周波成分が主体の誤差θａｎを含むため、第１相補フィルタ５３の第１ＬＰＦａ及び第２相補フィルタ５４の第２ＬＰＦｂに入力される。第４姿勢角演算部５２が角速度ωを積分して求めた姿勢角θは、低周波成分が主体の誤差θｗｎを含むため、第１相補フィルタ５３の第１ＨＰＦａ及び第２相補フィルタ５４の第２ＨＰＦｂに入力される。
【０１９２】
第１ＬＰＦａの出力はＬＰＦａ（θｔｒ＋θａｎ）、第１ＨＰＦａの出力はＬＰＦａ（θｔｒ＋θｗｎ）となる。第２ＬＰＦｂの出力はＬＰＦｂ（θｔｒ＋θａｎ）、第２ＨＰＦｂの出力はＬＰＦｂ（θｔｒ＋θｗｎ）となる。ＬＰＦａ（θｔｒ＋θａｎ）、ＬＰＦａ（θｔｒ＋θｗｎ）、ＬＰＦｂ（θｔｒ＋θａｎ）及びＬＰＦｂ（θｔｒ＋θｗｎ）は、いずれも線形性を有する。このため、式（１）から式（４）が成立する。
ＬＰＦａ（θｔｒ＋θａｎ）＝ＬＰＦａ（θｔｒ）＋ＬＰＦａ（θａｎ）・・（１）
ＨＰＦａ（θｔｒ＋θｗｎ）＝ＨＰＦａ（θｔｒ）＋ＨＰＦａ（θｗｎ）・・（２）
ＬＰＦｂ（θｔｒ＋θａｎ）＝ＬＰＦｂ（θｔｒ）＋ＬＰＦｂ（θａｎ）・・（３）
ＨＰＦｂ（θｔｒ＋θｗｎ）＝ＨＰＦｂ（θｔｒ）＋ＨＰＦｂ（θｗｎ）・・（４）
【０１９３】
前述した相補フィルタの特性から、ＬＰＦａ（θ）＋ＨＰＦａ（θ）＝θ及びＬＰＦｂ（θ）＋ＨＰＦｂ（θ）＝θが成立する。第１相補フィルタ５３において、フィルタ部５３Ｆの出力、すなわち第１ＬＰＦａの出力と第１ＨＰＦａの出力とは、加算部５３ＡＤによって加算される。加算部５３ＡＤの出力、すなわち第３姿勢角θ３は、θｔｒ＋ＬＰＦａ（θａｎ）＋ＨＰＦａ（θｗｎ）となる。第２相補フィルタ５４において、フィルタ部５４Ｆの出力、すなわち第２ＬＰＦｂの出力と第２ＨＰＦｂの出力とは、加算部５４ＡＤによって加算される。加算部５４ＡＤの出力、すなわち第４姿勢角θ４は、θｔｒ＋ＬＰＦｂ（θａｎ）＋ＨＰＦｂ（θｗｎ）となる。
【０１９４】
誤差θａｎは高周波成分が主体なので、第１ＬＰＦａ及び第２ＬＰＦｂによって低減される。このため、ＬＰＦａ（θａｎ）及びＬＰＦｂ（θａｎ）の値は小さくなる。誤差θｗｎは低周波成分が主体なので、第１ＨＰＦａ及び第２ＨＰＦｂによって低減される。このため、ＬＰＦａ（θａｎ）及びＨＰＦａ（θｗｎ）並びにＬＰＦｂ（θａｎ）及びＨＰＦｂ（θｗｎ）の値は小さくなり、加算部５３ＡＤの出力である第３姿勢角θ３及び加算部５４ＡＤの出力である第４姿勢角θ４は、真の姿勢角θｔｒに近い値となる。
【０１９５】
図１９は、誤差θａｎ及び誤差θｗｎの周波数特性を示す図である。図１９の縦軸は、誤差θａｎ及び誤差θｗｎのスペクトル、横軸は周波数ｆである。仮に、ＩＭＵ２９の性能が高いものを用いることができた場合、ＩＭＵ２９が検出する角速度ω及び加速度Ａｃの精度も高いため、図１６に示すセンサ制御装置２４が有する第１姿勢角演算部５１が求める姿勢角θの誤差θａｎ及び第２姿勢角演算部５２が求める姿勢角θの誤差θｗｎは小さくなる。ＩＭＵ２９の性能が低い場合、ＩＭＵ２９が検出する角速度ω及び加速度Ａｃの精度が低くなるため、図１６に示す第２姿勢角演算部５０が有する第３姿勢角演算部５１が求める姿勢角θの誤差θａｎ及び第４姿勢角演算部５２が求める姿勢角θの誤差θｗｎは大きくなる。その結果として、図１９に示すように、誤差θｗｎと誤差θａｎとが、それぞれ相補フィルタの遮断周波数ｆｃを超えても存在してしまい、遮断周波数ｆｃを含む所定の周波数ｆの範囲で重なり合う。誤差θｗｎは、遮断周波数ｆｃよりも大きな周波数であっても存在してしまい、誤差θａｎは遮断周波数ｆｃよりも小さな周波数であっても存在してしまう。
【０１９６】
したがって、ＩＭＵ２９の性能が低い場合、一つの相補フィルタでは、雑音である誤差θｗｎ及び誤差θａｎを十分に除去できず、姿勢角θの精度低下を招く可能性がある。これは、図２に示す第２表示装置３９による刃先８Ｔの位置情報の表示精度及び油圧ショベル１００の作業機制御の精度に影響を与える可能性がある。高性能のＩＭＵ２９は価格も高いので、油圧ショベル１００の製造コストの上昇を招く。つまり、性能の低いＩＭＵ２９を油圧ショベル１００に適用するために、図１９に示した特性を考慮する必要がある。そこで、第２姿勢角演算部５０は、比較的性能が低いＩＭＵ２９を用いた場合でも、姿勢角θの精度低下を抑制できるように、遮断周波数ｆｃが異なる第１相補フィルタ５３と第２相補フィルタ５４とを用いている。
【０１９７】
図２０は、第１相補フィルタ５３のゲインＧＮ及び第２相補フィルタ５４のゲインＧＮと周波数ｆとの関係を示す図である。図２０の縦軸はゲインＧＮ、横軸は周波数ｆである。周波数ｆｃｈは第１相補フィルタ５３の第１の遮断周波数であり、周波数ｆｃｌは第２相補フィルタ５４の第２の遮断周波数である。本実施形態において、第１の遮断周波数ｆｃｈは、第２の遮断周波数ｆｃｌよりも高くなっている。すなわち、第２の遮断周波数ｆｃｌは、第１の遮断周波数ｆｃｈよりも低くなっている。
【０１９８】
第１相補フィルタ５３の第１の遮断周波数ｆｃｈは、角速度ωの積分誤差、すなわち誤差θｗｎを十分に低減できる周波数に設定される。第２相補フィルタ５４の第２の遮断周波数ｆｃｌは、重力加速度以外の加速度による誤差θａｎを十分に低減できる周波数に設定される。
【０１９９】
第１相補フィルタ５３は、第１ＨＰＦａによって角速度ωの積分による誤差θｗｎを効果的に低減することができるが、重力加速度以外の加速度に起因する誤差θａｎを効果的に低減することは難しい。このため、第１相補フィルタ５３は、油圧ショベル１００が静止している状態又は静止している状態に近い状態、すなわち静止していると見なされる状態（適宜、準静止状態という）である場合においては姿勢角θを精度よく求めることができるが、油圧ショベル１００が準静止状態でない動的状態である場合においては姿勢角θの精度が低下する。本実施形態において、動的状態とは、油圧ショベル１００が動いていると見なされる状態である。
【０２００】
第２相補フィルタ５４は、第２ＬＰＦａによって重力加速度以外の加速度による誤差θａｎを効果的に低減することができるが、角速度ωの積分による誤差θｗｎを効果的に低減することは難しい。このため、第２相補フィルタ５４は、油圧ショベル１００が動的状態である場合においては姿勢角θを精度よく求めることができるが、油圧ショベル１００が準静止状態である場合においては、第１相補フィルタ５３が算出する姿勢角θと比較して姿勢角θの精度が低下する。すなわち、第２相補フィルタ５４は、短時間の動特性には優れるが、準静止状態においては動的状態と同様に、角速度ωの積分による誤差θｗｎが存在する。
【０２０１】
図１６に示す第２姿勢角演算部５０が備える切替部５５は、油圧ショベル１００の状態が準静止状態であるか動的状態であるかに応じて、第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４を切り替えて出力する。例えば、切替部５５は、油圧ショベル１００が準静止状態である場合には、第２姿勢角θ２として、第１相補フィルタ５３が出力する第３姿勢角θ３を車内信号線４１に出力する。油圧ショベル１００が動的状態である場合、切替部５５は、第２姿勢角θ２として、第２相補フィルタ５４が出力する第４姿勢角θ４を車内信号線４１に出力する。
【０２０２】
このように、第２姿勢角演算部５０は、油圧ショベル１００が準静止状態である場合には第１相補フィルタ５３の第３姿勢角θ３を第２姿勢角θ２とするので、準静止状態において第２姿勢角θ２の精度低下を抑制することができる。油圧ショベル１００が動的状態である場合、第２姿勢角演算部５０は、第２相補フィルタ５４の第４姿勢角θ４を第２姿勢角θ２とするので、動的状態においても第２姿勢角θ２の精度低下を抑制することができる。結果として、第２姿勢角演算部５０は、油圧ショベル１００が準静止状態及び動的状態のいずれにおいても、第２姿勢角θ２の精度低下を抑制できる。
【０２０３】
油圧ショベル１００が動いているときには第２相補フィルタ５４が出力する第４姿勢角θ４が用いられて、例えば図１に示すバケット８の刃先８Ｔの位置が求められる。また、油圧ショベル１００が静止しているときには第１相補フィルタ５３が出力する第３姿勢角θ３によって、バケット８の刃先８Ｔの位置が求められる。このため、図２に示す第２表示装置３９が、バケット８の刃先８Ｔの位置に代表される作業機２の位置又は油圧ショベル１００の車両本体１の位置等を求める際の精度低下が抑制される。
【０２０４】
切替部５５の処理部５５ｃは、準静止状態と動的状態とを、例えば、次の条件Ａと条件Ｂとを用いて判定し、その判定結果に基づいて切替器５５ｓを制御する。
条件Ａ：切り替えの判定をする時点よりも前の所定期間において、第３姿勢角θ３の標準偏差が予め設定された閾値よりも小さい。
条件Ｂ：重力加速度以外の加速度の大きさが予め設定された閾値よりも小さい。
【０２０５】
第３姿勢角θ３はＩＭＵ２９が検出した角速度ω又は加速度Ａｃから求められ、重力加速度を含む加速度は、ＩＭＵ２９によって検出される。すなわち、処理部５５ｃは、油圧ショベル１００が備えるＩＭＵ２９の状態に基づき、準静止状態と動的状態とを判定する。
【０２０６】
前述の条件Ｂについて説明する。ＩＭＵ２９は、前述のように、少なくとも重力加速度を含む加速度を検出し、検出されたそれぞれの加速度の種類を区別することなく検出した加速度を出力する。重力加速度は既知である。そこで、処理部５５ｃは、ＩＭＵ２９が出力した加速度から、ｘ軸方向又はｙ軸方向の加速度を演算する。処理部５５ｃは、求められたｘ軸方向の加速度から重力加速度のｘ軸方向相当の重力加速度を減算すると、重力加速度以外の加速度の大きさを求めることができる。処理部５５ｃは、重力加速度以外の加速度の大きさと予め設定された閾値とを比較する。なお、処理部５５ｃは、求められたｙ軸方向の加速度から重力加速度のｙ軸方向相当の重力加速度を減算して、重力加速度以外の加速度の大きさを求め、予め設定された閾値と比較して条件Ｂが成立するかどうかを判定してもよい。
【０２０７】
処理部５５ｃは、ＩＭＵ２９から取得した加速度Ａｃ及び第１相補フィルタ５３の出力である第３姿勢角θ３を取得し、条件Ａ及び条件Ｂが同時に成立するか否かを判定する。条件Ａと条件Ｂとの両方が成立した場合には、準静止状態、すなわち油圧ショベル１００が静止していると見なすことができる。この場合、処理部５５ｃは、切替器５５ｓが第１相補フィルタ５３の加算部５３ＡＤと接続するように切換器５５ｓを動作させる。切替器５５ｓは、第１相補フィルタ５３が出力する第３姿勢角θ３を、第２姿勢角θ２として車内信号線４１に出力する。
【０２０８】
処理部５５Ｃは、ＩＭＵ２９から取得した加速度Ａｃ及び第１相補フィルタ５３の出力である第３姿勢角θ３を、図１６に示す加速度送信線Ｌ１又は第１姿勢角送信線Ｌ２を介して取得し、条件Ａ及び条件Ｂが同時に成立するか否かを判定する。条件Ａと条件Ｂとの両方が成立した場合には、準静止状態と見なすことができる。本実施形態において、準静止状態とは、油圧ショベル１００が、走行、上部旋回体３の旋回及び作業機２の動作のいずれも行わずに完全に静止している状態又は走行と油圧ショベル１００の上部旋回体３の旋回が行われずに作業機２だけが動作している状態である。この場合、処理部５５ｃは、切替器５５Ｓが第１相補フィルタ５３の加算部５３ＡＤと接続するように切換器５５ｓを動作させる。切替器５５ｓは、第２姿勢角θ２として、第１相補フィルタ５３が出力する第３姿勢角θ３を車内信号線４１に出力する。
【０２０９】
条件Ａと条件Ｂとが成立しない場合、すなわち、条件Ａ及び条件Ｂの少なくとも一方が成立しない場合には、動的状態、すなわち油圧ショベル１００が動いていると見なすことができる。この場合、処理部５５ｃは、切替器５５ｓが第２相補フィルタ５４の加算部５４ＡＤと接続するように切換器５５ｓを動作させる。切替器５５ｓは、第２相補フィルタ５４が出力する第４姿勢角θ４を、第２姿勢角θ２として車内信号線４１に出力する。条件Ａ及び条件Ｂを用いて切替部５５が第３姿勢角θ３と第４姿勢角θ４とを切り替えるようにすれば、ＩＭＵ２９の検出値のみで前述した切り替えが実現できる。
【０２１０】
本実施形態において、条件Ａの所定期間は、例えば１秒に設定されるが、これに限定されるものではない。条件Ａの標準偏差と比較する閾値は限定されるものではないが、例えば、０．１度とすることができる。条件Ｂは、重力加速度以外の加速度が予め設定された閾値よりも小さい場合に成立し、予め設定された閾値以上の重力加速度以外の加速度が検出された場合には成立しない。条件Ｂの閾値は限定されるものではないが、例えば、重力加速度の０．１倍以上の範囲で適宜設定することができる。
【０２１１】
図２１は、第２姿勢角演算部５０の切替部５５が出力する第２姿勢角θ２と、第３姿勢角θ３と、第４姿勢角θ４との時間変化の一例を示す図である。図２１の縦軸は姿勢角θであり、横軸は時間ｔである。図２１のＳｓｔで示す区間は準静止状態であり、第３姿勢角θ３が第２姿勢角θ２として出力される。図２１のＳｄｍで示す区間は動的状態であり、第４姿勢角θ４が第２姿勢角θ２として出力される。図２１に示す例において、時間ｔ１から時間ｔ２及び時間ｔ３以降は準静止状態Ｓｓｔであり、時間ｔ２から時間ｔ３は動的状態Ｓｄｍである。
【０２１２】
第２姿勢角θ２は、時間ｔ２で第３姿勢角θ３から第４姿勢角θ４に切り替わり、時間ｔ３で第４姿勢角θ４から第３姿勢角θ３に切り替わっている。第４姿勢角θ４は、角速度ωを積分することによる誤差θｗｎが蓄積するので、時間ｔ２において、第３姿勢角θ３と第４姿勢角θ４とは異なる値になる。同様に、時間ｔ３において、第４姿勢角θ４と第３姿勢角θ３とは異なる値になる。
【０２１３】
第２姿勢角演算部５０から出力される第２姿勢角θ２を切替部５５が第３姿勢角θ３から第４姿勢角θ４に切り替えるとき又は第４姿勢角θ４から第３姿勢角θ３に切り替えるときには、そのまま切り替えると、切替時において第２姿勢角θ２が不連続になる可能性がある。また、前述したように、第４姿勢角θ４は、角速度ωを積分することによる誤差θｗｎが蓄積するので、第４姿勢角θ４を第２姿勢角θ２として用いる場合には、積分による誤差θｗｎを低減する必要がある。
【０２１４】
第２姿勢角θ２の切り替え時に発生する第２姿勢角θ２の不連続及び積分による誤差θｗｎを低減するため、本実施形態において、切替部５５の処理部５５ｃは、式（５）から式（１０）を用いて第２姿勢角θ２を求め、出力する。
θ２＝θ３＋ｄｉｆ・・（５）
θ２＝θ４＋ｄｉｆ・・・（６）
ｄｉｆ＝Ｆｔｒ×ｄｉｆ＿ｐｒｅｖ・・・（７）
ｄｉｆ＝ｄｉｆ＿ｐｒｅｖ・・・（８）
ｄｉｆ＝ｄｉｆ＿ｐｒｅｖ＋θ３−θ４・・・（９）
ｄｉｆ＝ｄｉｆ＿ｐｒｅｖ＋θ４−θ３・・・（１０）
【０２１５】
式（５）は準静止状態で第２姿勢角θ２を求める場合に用いられ、式（６）は動的状態で第２姿勢角θ２を求める場合に用いられる。式（５）及び式（６）のｄｉｆは、緩和項である。式（７）の緩和項ｄｉｆは、準静止状態で用いられ、式（８）の緩和項ｄｉｆは動的状態で用いられる。式（７）のＦｔｒは緩和係数である。緩和係数Ｆｔｒは、０よりも大きく１よりも小さい（０＜Ｆｔｒ＜１）。式（９）の緩和項ｄｉｆは、準静止状態から動的状態に移行するタイミングで用いられる。式（１０）の緩和項ｄｉｆは、動的状態から準静止状態に移行するタイミングで用いられる。式（８）から式（１０）のｄｉｆ＿ｐｒｅｖは、直前のＩＭＵ２９の状態（準静止状態Ｓｓｔ又は動的状態Ｓｄｍ）での緩和項ｄｉｆである。ｄｉｆ＿ｐｒｅｖの初期値は０である。
【０２１６】
図２１に示すように、第３姿勢角θ３は、準静止状態Ｓｓｔでは高精度を保っているが、動的状態Ｓｄｍでは大きな誤差が生じている。第４姿勢角θ４は準静止状態Ｓｓｔ及び動的状態Ｓｄｍのいずれにおいても積分の累積による誤差が生じている。ｄｉｆ＿ｐｒｅｖの初期値は０なので、時間ｔ１から時間ｔ２の準静止状態Ｓｓｔでは緩和項ｄｉｆ＝０になる。その結果、式（５）から、準静止状態Ｓｓｔにおける第２姿勢角θ２は第３姿勢角θ３になる。
【０２１７】
準静止状態Ｓｓｔから動的状態Ｓｄｍに切り替わるとき、すなわち時間ｔ＝ｔ２のとき、処理部５５ｃは式（９）を用いて緩和項ｄｉｆを求める。前述したように、時間ｔ＝ｔ２ときの緩和項ｄｉｆは０なので、第３姿勢角θ３と第４姿勢角θ４との差である、θ３−θ４の値となる。この場合の緩和項ｄｉｆは、図２１に示すように、負の値である。時間ｔ２のとき、式（５）による第２姿勢角θ２はθ３であり、式（６）の緩和項ｄｉｆに入力されるものがθ３−θ４の値であるから、式（６）による第２姿勢角θ２もθ３となる。このため、準静止状態Ｓｓｔから動的状態Ｓｄｍに切り替わるときは、第２姿勢角θ２は連続して変化する。
【０２１８】
時間ｔ２から時間ｔ３の動的状態Ｓｄｍでは、緩和項ｄｉｆの値は、切り替わり時、すなわち時間ｔ２で得られたθ３−θ４の値がそのまま保持される。動的状態Ｓｄｍにおける第２姿勢角θ２は、式（６）から、動的状態Ｓｄｍにおける第４姿勢角θ４から時間ｔ２で得られて保持されている緩和項ｄｉｆ＝θ３−θ４を加算して求められる。このときに用いられる緩和項ｄｉｆは、式（８）からｄｉｆ＿ｐｒｅｖとなるので、動的状態Ｓｄｍで用いられる緩和項ｄｉｆは、時間ｔ２で得られて保持されている緩和項ｄｉｆ＝θ３−θ４の値が用いられる。このように、切替部５５の処理部５５ｃは、第３姿勢角θ３を第４姿勢角θ４に切り替えた後は、切り替え時での第３姿勢角θ３から第４姿勢角θ４を減算した値、すなわち切り替え時における緩和項ｄｉｆを補正値として用いて、求められた第４姿勢角θ４を補正して、第２姿勢角θ２を取得する。このようにすることで、動的状態Ｓｄｍへの切り替え以前に生じた第４姿勢角θ４の積分の蓄積による誤差θｗｎが、第２姿勢角θ２に与える影響を低減できる。
【０２１９】
動的状態Ｓｄｍから再び準静止状態Ｓｓｔに切り替わるとき、すなわち時間ｔ３において、処理部５５ｃは式（１０）を用いて緩和項ｄｉｆを求める。式（１０）のｄｉｆ＿ｐｒｅｖは、既に得られて保持されている緩和項ｄｉｆである。つまり、式（１０）のｄｉｆ＿ｐｒｅｖは、時間ｔ２での緩和項ｄｉｆ、すなわち時間ｔ２でのθ３−θ４の値である。式（１０）から、時間ｔ３における緩和項ｄｉｆは、時間ｔ２で得られて保持されている、θ３−θ４の値と、時間ｔ３で得られたθ２−θ１の値とを加算した値になる。式（１０）を用いることにより、動的状態Ｓｄｍから準静止状態Ｓｓｔに切り替わるときは、第２姿勢角θ２は連続して変化する。
【０２２０】
時間ｔ３以降の準静止状態Ｓｓｔにおいて、処理部５５ｃは、式（５）を用いて第２姿勢角θ２を求める。このときの緩和項ｄｉｆは、式（７）によって決定される。式（７）中のｄｉｆ＿ｐｒｅｖは、動的状態Ｓｄｍから準静止状態Ｓｓｔに再び切り替わるタイミング、すなわち時間ｔ３における緩和項ｄｉｆである。時間ｔ３以降の準静止状態Ｓｓｔでは、緩和係数Ｆｔｒの効果で緩和項ｄｉｆの値は徐々に小さくなり、０に収束する。すなわち、時間ｔ３以降の準静止状態Ｓｓｔにおいて、第２姿勢角θ２は、第３姿勢角θ３に収束する。このように、切替部５５の処理部５５ｃは、第４姿勢角θ４を第３姿勢角θ３に切り替えた後は、切り替え時での第４姿勢角θ４の誤差、すなわち切り替え時での緩和項ｄｉｆに、０よりも大きく１よりも小さい係数としての緩和係数Ｆｔｒを乗じた値を補正値として用いて、第３姿勢角θ３を補正する。このようにすることで、動的状態Ｓｄｍから準静止状態Ｓｓｔに切り替わった後は、第２姿勢角θ２は連続して変化する。
【０２２１】
（第２姿勢角θ２を求める処理の一例）
図２２は、第２姿勢角θ２を求める処理の一例を示すフローチャートである。第２姿勢角θ２を求めるにあたって、図１６に示す第２姿勢角演算部５０は、ステップＳ１において、車内信号線４２を介してＩＭＵ２９による角速度ω及び加速度Ａｃの検出値を取得する。ステップＳ２において、図１６に示す第３姿勢角演算部５１は、ＩＭＵ２９が検出した加速度Ａｃから姿勢角θを求める。ステップＳ３において、図１６に示す第４姿勢角演算部５２は、ＩＭＵ２９が検出した角速度ωから姿勢角θを求める。ステップＳ２とステップＳ３との順序は問わない。
【０２２２】
ステップＳ４において、図１６に示す第１相補フィルタ５３の第１ＬＰＦａは、加速度Ａｃから得られた姿勢角θにフィルタ処理を施す。ステップＳ５において、図１６に示す第２相補フィルタ５４の第２ＬＰＦｂは、加速度Ａｃから得られた姿勢角θにフィルタ処理を施す。ステップＳ６において、図１６に示す第１相補フィルタ５３の第１ＨＰＦａは、角速度ωから得られた姿勢角θにフィルタ処理を施す。ステップＳ７において、図１６に示す第２相補フィルタ５４の第２ＨＰＦｂは、角速度ωから得られた姿勢角θにフィルタ処理を施す。ステップＳ４とステップＳ５とステップＳ６とステップＳ７の順序は問わない。
【０２２３】
次に、ステップＳ８に進み、第１相補フィルタ５３は、第３姿勢角θ３を求める。具体的には、加算部５３ＡＤが、第１ＬＰＦａの出力と第１ＨＰＦａの出力とを加算することにより、第３姿勢角θ３が求められる。ステップＳ９において、第２相補フィルタ５４は、第４姿勢角θ４を求める。具体的には、加算部５４ＡＤが、第２ＬＰＦｂの出力と第２ＨＰＦｂの出力とを加算することにより、第４姿勢角θ４が求められる。ステップＳ８とステップＳ９との順序は問わない。
【０２２４】
ステップＳ１０に進み、図１６に示す切替部５５の処理部５５ｃは、油圧ショベル１００が準静止状態である場合（ステップＳ１０、Ｙｅｓ）、ステップＳ１１に処理を進める。ステップＳ１１において、処理部５５ｃは、第２姿勢角演算部５０が第３姿勢角θ３を第２姿勢角θ２として出力するように、切替器５５ｓを制御する。油圧ショベル１００が動的状態である場合（ステップＳ１０、Ｎｏ）、ステップＳ１２において、処理部５５ｃは、第２姿勢角演算部５０が第４姿勢角θ４を第２姿勢角θ２として出力するように、切替器５５ｓを制御する。
【０２２５】
（準静止状態か動的状態かの判定の変形例）
本実施形態において、図１６に示す切替部５５の処理部５５ｃは、図１５に示すＩＭＵ２９の検出値に基づき、第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４を切り替えて、第２姿勢角θ２として出力した。第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４の選択は、このようなものに限定されず、処理部５５ｃは、例えば、油圧ショベル１００の動作に関する情報（以下、適宜動作情報という）を用いて第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４を切り替えてもよい。
【０２２６】
本実施形態において、動作情報は、油圧ショベル１００に何らかの動きが発生したことに関する情報である。例えば、動作情報は、図１Ａに示す上部旋回体３が旋回しているか否かの情報、走行装置５が動作しているか否かの情報又は作業機２が動作しているか否かの情報等がある。動作情報は、例えば、上部旋回体３が旋回していることを検出するセンサから出力される検出値、上部旋回体３を旋回させるための旋回モータにレゾルバ等の旋回角度センサを設け、そのような角度検出器若しくは回転センサから出力される検出値、又は図２に示す操作装置３０により生成されるパイロット圧を検知する油圧センサから出力される検出値等が用いられる。すなわち、動作情報は、例えば、上部旋回体３又は作業機２等が実際に動作しているか否かの情報であってもよいし、上部旋回体３又は作業機２等を動作させるための操作部材に対する操作の情報であってもよい。
【０２２７】
図２３は、本実施形態の変形例における第３姿勢角θ３と第４姿勢角θ４との切り替えに用いるテーブルＴＢの一例を示す図である。本変形例において、切替部５５の処理部５５ｃは、ＩＭＵ２９の検出値に基づく準静止状態か動的状態かの判定と、上部旋回体３が旋回中であるか否かの判定とに基づき、第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４を切り替える。テーブルＴＢは、上部旋回体３の状態と、ＩＭＵ２９の検出値に基づく条件Ａ及び条件Ｂとに対して、第２姿勢角θ２として出力すべき姿勢角が記述されている。上部旋回体３の状態は、ＯＮ又はＯＦＦで表され、ＯＮであるときが旋回中であり、ＯＦＦであるときが停止中である。条件Ａ及び条件Ｂは、Ａ＆Ｂ又はＮＯＴ（Ａ＆Ｂ）で表され、Ａ＆Ｂが準静止状態であり、ＮＯＴ（Ａ＆Ｂ）は動的状態である。
【０２２８】
ＩＭＵ２９の検出値に基づく判定結果が準静止状態、かつ動作情報から上部旋回体３が旋回中（ＯＮ）であるとする。この場合、切替部５５は、第４姿勢角θ４を、第２姿勢角θ２として出力する。上部旋回体３が実際に動いていることから、第４姿勢角θ４を第２姿勢角θ２として用いることにより、第２姿勢角θ２の精度を確保できる。
【０２２９】
ＩＭＵ２９の検出値に基づく判定結果が準静止状態、かつ動作情報から上部旋回体３が停止中（ＯＦＦ）であるとする。この場合、切替部５５は、第３姿勢角θ３を第２姿勢角θ２として出力する。準静止状態であり、かつ上部旋回体３が実際には停止していることから、第３姿勢角θ３を第２姿勢角θ２として用いることにより、角速度ωの積分による誤差を低減できる。
【０２３０】
ＩＭＵ２９の検出値に基づく判定結果が動的状態、かつ動作情報から上部旋回体３が旋回中（ＯＮ）であるとする。この場合、切替部５５は、第４姿勢角θ４を第２姿勢角θ２として出力する。動的状態であり、かつ上部旋回体３が実際に動いていることから、第４姿勢角θ４を第２姿勢角θ２として用いることにより、第２姿勢角θ２の精度を確保できる。
【０２３１】
ＩＭＵ２９の検出値に基づく判定結果が動的状態、かつ動作情報から上部旋回体３が停止中（ＯＦＦ）であるとする。この場合、切替部５５は、第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４のいずれを第２姿勢角θ２として出力してもよいが、本変形例では第４姿勢角θ４を出力する。
【０２３２】
本変形例では、切替部５５は、ＩＭＵ２９の検出値に基づく準静止状態か動的状態かの判定と、上部旋回体３が旋回中であるか否かの判定とに基づき、第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４を切り替えた。このようにすることで、切替部５５は、油圧ショベル１００の状態をより精度よく判定して、適切な姿勢角を選択することができる。本変形例において、前述した処理に限定されず、切替部５５は、上部旋回体３が旋回中であるか否かの判定に基づき、第３姿勢角θ３又は第４姿勢角θ４を切り替えてもよい。例えば、上部旋回体３が旋回中であるには第４姿勢角θ４を第２姿勢角θ２とし、上部旋回体３が停止中であるには第３姿勢角θ３を第２姿勢角θ２としてもよい。次に、本実施形態に係る姿勢角算出方法の第１例を説明する。
【０２３３】
（姿勢角算出方法の第１例）
図２４は、本実施形態に係る姿勢角算出方法の第１例の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０１において、図１６に示すＩＭＵ２９及びセンサ制御装置２４は姿勢角θを求める。センサ制御装置２４のローパスフィルタ６０は、ＩＭＵ２９から取得した姿勢角θを通過させ、第１姿勢角θ１として選択部６３に出力する。第２姿勢角演算部５０が有する角度演算部５０Ｃは姿勢角θを求め、フィルタ部５０Ｆは姿勢角θを通過させて第２姿勢角θ２として出力する。
【０２３４】
ステップＳ１０２において、旋回状態判定部６１は、車内信号線４２を介して取得した旋回速度ωｚと所定の閾値ωｚｃとを比較する。旋回速度ωｚが所定の閾値ωｚｃ以下である場合（ステップＳ１０２、Ｙｅｓ）、旋回状態判定部６１は第１出力を選択部６３に出力する。この場合、上部旋回体３は旋回していないか、旋回していたとしても静止している状態に近い状態である。第１出力を取得した選択部６３は、ステップＳ１０３において第１姿勢角θ１を姿勢角θｏとして出力する。
【０２３５】
旋回速度ωｚが所定の閾値ωｚｃよりも大きい場合（ステップＳ１０２、Ｎｏ）、旋回状態判定部６１は第２出力を選択部６３に出力する。この場合、上部旋回体３は旋回している状態である。第２出力を取得した選択部６３は、ステップＳ１０４において第２姿勢角θ２を姿勢角θｏとして出力する。次に、ステップＳ１０５に進み、旋回状態判定部６１は、旋回速度ωｚが所定の閾値ωｚｃ以下である状態が時間ｔｃ１以上継続したか否かを判定する。
【０２３６】
旋回速度ωｚが所定の閾値ωｚｃ以下である状態が時間ｔｃ１以上継続した場合（ステップＳ１０５、Ｙｅｓ）、旋回状態判定部６１は第１出力を選択部６３に出力する。この場合、上部旋回体３は旋回していないか、旋回していたとしても静止している状態に近い状態に戻ったと判断できる。このため、第１出力を取得した選択部６３は、ステップＳ１０６において第１姿勢角θ１を姿勢角θｏとして出力する。旋回速度ωｚが所定の閾値以下である状態が時間ｔｃ１以上継続しない場合（ステップＳ１０５、Ｎｏ）、旋回状態判定部６１は第２出力を選択部６３に出力する。この場合、上部旋回体３は旋回している状態である。第２出力を取得した選択部６３は、ステップＳ１０４に戻り、第２姿勢角θ２を姿勢角θｏとして出力する。
【０２３７】
第２表示装置３９は、図２に示す車内信号線４１を介してセンサ制御装置２４から出力された姿勢角θｏを用いて、例えば、バケット８の刃先８Ｔの位置を求める。また、作業機制御装置２５は、図２に示す車内信号線４１を介してセンサ制御装置２４から出力された姿勢角θｏを用いて、例えば、前述した掘削制御を実行する。
【０２３８】
第１姿勢角θ１は、ＩＭＵ２９によって求められた姿勢角θがローパスフィルタ６０を通過して得られたものなので、高周波成分が減少している。このため、第２表示装置３９及び作業機制御装置２５が刃先８Ｔの位置を求めるにあたって、刃先８Ｔの位置の細かい変化が抑制される。その結果、油圧ショベル１００が静止している場合の掘削制御において、目標掘削地形７３Ｉを超えて掘削対象を掘り込むことをより確実に抑制することができる。
【０２３９】
また、上部旋回体３の旋回中においては、ローパスフィルタ６０を通過しない第２姿勢角θ２が用いられるので、油圧ショベル１００の姿勢の変化に対する第２姿勢角θ２の応答性は第１姿勢角θ１よりも高い。このため、油圧ショベル１００の動き、例えば、上部旋回体３の動きに応じた姿勢角θの変化が第２姿勢角θ２に反映される。このため、上部旋回体３の旋回中においては、刃先８Ｔの位置の変化を反映して目標掘削地形を算出することができる。その結果、掘削制御において、目標掘削地形７３Ｉを超えて掘削対象を掘り込むことを、より確実に抑制することができる。このように、センサ制御装置２４は、油圧ショベル１００の動作状態に関わらず、目標掘削地形７３Ｉを超えて掘削対象を掘り込むことを抑制できるように作業機２を制御することができる。
【０２４０】
また、第２表示装置３９は、油圧ショベル１００が静止している場合、刃先８Ｔの位置の細かい変化が抑制されたガイダンス画像が表示できる。その結果、ガイダンス画像に表示された表示用の目標掘削地形７３Ｉ及び刃先８Ｔの変動が抑制される。このため、オペレータは、ガイダンス画像に沿って作業機２を操作しやすくなるので、操作性が向上するとともに、目標掘削地形７３Ｉの掘り込み過ぎ又は掘り込み不足が抑制される。さらに、第２表示装置３９は、上部旋回体３の旋回中にガイダンス画像を表示する場合には、刃先８Ｔの位置の変化を反映したガイダンス画像が表示できる。その結果、オペレータがこのガイダンス画像を見ながら作業をすることにより、目標掘削地形７３Ｉの掘り込み過ぎ又は掘り込み不足が抑制される。
【０２４１】
（姿勢角算出方法の第２例）
図２５は、ピッチ角の変化を説明するための図である。ピッチ角θｐは、油圧ショベル１００のローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）において、油圧ショベル１００がｘ軸周りに傾斜したときの角度である。例えば、油圧ショベル１００の傾斜状態により、ピッチ角θｐは変化する。姿勢角判定部６２は、第１姿勢角θ１と第２姿勢角θ２との差分Δθを求める。第１姿勢角θ１として第１ピッチ角θ１ｐが、第２姿勢角θ２として第２ピッチ角θ２ｐが用いられる。本実施形態において、ローパスフィルタ６０を通過した第１ピッチ角θ１ｐは、地面ＧＤと傾斜ＧＤ１とがなす角度である。第２姿勢角演算部５０から取得された第２ピッチ角θ２ｐは、地面ＧＤと傾斜ＧＤ２とがなす角度である。差分は、Δθｐである。姿勢角判定部６２は、求めた差分Δθｐを選択部６３に出力する。選択部６３は、差分Δθｐが所定の閾値以上である場合、第２姿勢角θ２を油圧ショベル１００の姿勢角θｏとして車内信号線４１に出力する。
【０２４２】
差分Δθｐが所定の閾値以上である場合、油圧ショベル１００のｘ軸周りにおける傾斜が急激に大きくなっている。この場合に第１姿勢角θ１を油圧ショベル１００の姿勢角θｏとすると、油圧ショベル１００の姿勢の急変を姿勢角θｏに反映できない可能性がある。このため、選択部６３は、差分Δθｐが所定の閾値以上である場合、第２姿勢角θ２を油圧ショベル１００の姿勢角θｏとして車内信号線４１に出力する。このようにすることで、油圧ショベル１００の姿勢の急変を姿勢角θｏに反映できる。次に、本実施形態に係る第２の姿勢角算出方法を説明する。
【０２４３】
図２６は、本実施形態に係る第２の姿勢角算出処理方法の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ２０１において、図１６に示すＩＭＵ２９及びセンサ制御装置２４は姿勢角θを求める。センサ制御装置２４のローパスフィルタ６０は、ＩＭＵ２９から取得した姿勢角θを通過させ、第１姿勢角θ１として選択部６３に出力する。第２姿勢角演算部５０が有する角度演算部５０Ｃは姿勢角θを求め、フィルタ部５０Ｆは姿勢角θを通過させて第２姿勢角θ２として出力する。
【０２４４】
ステップＳ２０２において、姿勢角判定部６２は、ローパスフィルタ６０から取得した第１ピッチ角θ１ｐと第２姿勢角演算部５０から取得した第２ピッチ角θ２ｐとの差分Δθｐを求めて、選択部６３に出力する。選択部６３は、差分Δθｐが所定の閾値Δθｐｃよりも小さい場合（ステップＳ２０２、Ｙｅｓ）、ステップＳ２０３からステップＳ２０７の処理を実行する。ステップＳ２０３からステップＳ２０７の処理は、姿勢角算出方法の第１例のステップＳ１０２からステップＳ１６０の処理と同一なので、説明を省略する。
【０２４５】
差分Δθｐが所定の閾値Δθｐｃ以上である場合（ステップＳ２０２、Ｎｏ）、選択部６３は、ステップＳ２０８において第２姿勢角θ２を姿勢角θｏとして出力する。次に、ステップＳ２０９において、旋回状態判定部６１は、差分Δθｐが所定の閾値Δθｐｃよりも小さい状態が時間ｔｃ２以上継続したか否かを判定する。差分Δθｐが所定の閾値Δθｐｃよりも小さい状態が時間ｔｃ２以上継続した場合（ステップＳ２０９、Ｙｅｓ）、油圧ショベル１００のピッチ角θｐの急変は許容できる範囲であると判断できる。このため、選択部６３は、ステップＳ２１０において第１姿勢角θ１を姿勢角θｏとして出力する。差分Δθｐが所定の閾値Δθｐｃよりも小さい状態が時間ｔｃ２以上継続しない場合（ステップＳ２０９、Ｎｏ）、油圧ショベル１００のピッチ角θｐの許容できない急変が継続していると判断できる。この場合、選択部６３は、ステップＳ２０８に戻り、第２姿勢角θ２を姿勢角θｏとして出力する。
【０２４６】
例えば、油圧ショベル１００が接地している地面ＧＤが傾斜している方向へ油圧ショベル１００が侵入した場合、ピッチ角θｐが急変する。このような場合、油圧ショベル１００のオペレータは、作業機２を操作してこれを地面に接地させることで、油圧ショベル１００の姿勢の急変を抑えようとする。掘削制御は、目標掘削地形７３Ｉを掘り込み過ぎないようにする制御であるが、オペレータが目標掘削地形を作業機２が大幅に超過するように操作して油圧ショベル１００の姿勢の急変を抑制する場合には、掘削制御を解除して、オペレータの操作を優先させる必要がある。この場合、掘削制御よりも作業機２の操作量が大きくなる。
【０２４７】
第１姿勢角θ１は、ＩＭＵ２９によって求められた姿勢角θがローパスフィルタ６０を通過して得られたものなので、高周波成分が減少している。このため、本実施形態において、オペレータが作業機２を操作して油圧ショベル１００の姿勢の急変を抑制するような場合には、ローパスフィルタ６０を通過しない第２姿勢角θ２を用いて動的な応答性を向上させ、作業機制御装置２５が掘削制御を速やかに解除できるようにする。
【０２４８】
以上、本実施形態は、第１姿勢角θ１又は第２姿勢角θ２を選択することで正しい地形を把握することができる。また、本実施形態は、油圧ショベル１００の傾斜状態に基づいて第１姿勢角θ２と第２姿勢角θ２とを切り替える。具体的には、第１ピッチ角θ１ｐと第２ピッチ角θ２ｐとの差分Δθｐが所定の閾値以上である場合、第１姿勢角θ２に代えて、第２姿勢角θ２が油圧ショベル１００の姿勢角θｏとされる。このようにすることで、油圧ショベル１００の姿勢が急変した場合には、第１姿勢角θ１よりも動的応答性がより真の挙動に近い第２姿勢角θ２を用いるので、制御の応答性を向上させ、作業機制御装置２５が掘削制御を速やかに解除できるようにすることができる。このため、油圧ショベル１００のオペレータは、油圧ショベル１００の姿勢の急変に対して作業機２を操作することにより、速やかに対応できる。
【０２４９】
また、本実施形態は、油圧ショベル１００が静止している場合にはローパスフィルタ６０を通過した第１姿勢角θ１によって掘削制御及びガイダンス画像の表示が行われ、上部旋回体３の旋回中には、ローパスフィルタ６０を通過しない第２姿勢角θ２によって掘削制御及びガイダンス画像の表示が行われる。このため、油圧ショベル１００が静止している場合には刃先８Ｔの位置の細かい変化を抑制した状態で目標掘削地形７３Ｉが算出され、上部旋回体３が旋回している場合には刃先８Ｔの位置の変化を反映して目標掘削地形７３Ｉが算出される。その結果、油圧ショベル１００が静止している場合及び上部旋回体３が旋回している場合のいずれにおいても、目標掘削地形７３Ｉを超えて掘削対象を掘り込むことをより確実に抑制することができる。
【０２５０】
さらに、本実施形態は、第１の遮断周波数が設定された第１相補フィルタ５３と、第１の遮断周波数とは異なる第２の遮断周波数が設定された第２相補フィルタ５４とを用いる。第１相補フィルタ５３は、角速度ωを積分することによって累積する誤差（雑音）を低減し、第２相補フィルタ５４は、重力加速度以外の加速度による加速度による誤差（雑音）を低減する。本実施形態では、油圧ショベル１００の状態に応じて、第１相補フィルタ５３が出力する傾斜角と、第２相補フィルタ５４が出力する傾斜角とが切り替えられる。その結果、油圧ショベル１００の状態に応じた適切な相補フィルタによって第２姿勢角θ２が求められるので、動的状態及び準静止状態のいずれにおいても第２姿勢角θ２の精度低下が抑制される。
【０２５１】
精度の高いＩＭＵ２９は高価であり、安価なＩＭＵ２９は精度が相対的に低い。本実施形態は、精度の低いＩＭＵ２９を用いた場合でも、動的状態及び準静止状態のいずれにおいても第２姿勢角θ２の精度低下を抑制することができる。このため、第２姿勢角θ２の精度低下を抑えつつ、油圧ショベル１００の製造コストを低減することができる。
【０２５２】
本実施形態では、第１相補フィルタ５３及び第２相補フィルタ５４を用いたが、さらに第１の遮断周波数及び第２の遮断周波数とは異なる第３の遮断周波数が設定された第３相補フィルタが追加されたり、第１の遮断周波数、第２の遮断周波数及び第３の遮断周波数とは異なる第４の遮断周波数が設定された第４相補フィルタが追加されたりしてもよい。すなわち、遮断周波数が異なる相補フィルタの数は２個に限定されない。
【０２５３】
（遠心力をキャンセルする機能を備えたセンサ制御装置の例）
図２７は、遠心力をキャンセルする機能を備えたセンサ制御装置２４ａの制御ブロック図である。図２８は、ＩＭＵ２９の取り付け位置の一例を説明するための図である。図２９は、油圧ショベル１００のローカル座標系と、ＩＭＵ２９のローカル座標系とを説明するための図である。
【０２５４】
このセンサ制御装置２４ａは、前述したセンサ制御装置２４と同様であるが、ＩＭＵ２９に作用する重力加速度以外の加速度の影響を考慮したものである。つまり、ＩＭＵ２９の設置位置にともないＩＭＵ２９が出力する加速度には、重力加速度以外の成分が含まれるため、その成分を考慮して補正された加速度を出力する点が異なる。センサ制御装置２４ａは、ＩＭＵ２９の設置位置の影響を考慮した姿勢角を出力することで、より高精度な姿勢角を得ることを実現する。このため、センサ制御装置２４ａは、加速度補正部５６を備える。加速度補正部５６は、第２姿勢角演算部５０ａに設けられている。加速度補正部５６は、ＩＭＵ２９が検出した油圧ショベル１００の加速度Ａｃを補正して、補正加速度Ａｃｃを出力する。第３姿勢角演算部５１は、補正加速度Ａｃｃから姿勢角θを求める。加速度補正部５６の補正は、例えば、ＩＭＵ２９の設置位置にともなってＩＭＵ２９に作用する、遠心力から求められる加速度（遠心加速度）と、角加速度等のような、ＩＭＵ２９に作用する重力加速度以外の加速度とを、ＩＭＵ２９が検出した加速度Ａｃから取り除くものである。なお、ＩＭＵ２９の設置位置にともなってＩＭＵ２９に作用する、遠心力から求められる加速度及び角加速は、ＩＭＵ２９以外の検出装置、例えば加速度計によって検出されてもよい。この場合、加速度補正部５６は、ＩＭＵ２９が検出した油圧ショベル１００の加速度Ａｃから、加速度計が検出した重力加速度以外の加速度を取り除く。次に、前述のセンサ制御装置２４に対し、ＩＭＵ２９の設置位置に伴う加速度の影響を考慮した処理を行う必要性について説明する。
【０２５５】
図２８は、ｘ軸方向から油圧ショベル１００を見た状態を示している。前述のように、ＩＭＵ２９は、上部旋回体３の運転室４の下方に設置される。ＩＭＵ２９は、上部旋回体３の旋回中心軸となるｚ軸を基準とすると、ｚ軸からｘ軸方向及びｙ軸方向の両方向に所定の距離だけ離れた位置に設置される。具体的には、図２８に示すように、ｚ軸から所定の距離Ｒを半径とする円周Ｃ上にＩＭＵ２９が設置されている。このような位置にＩＭＵ２９が設置されるため、上部旋回体３がｚ軸を中心として旋回すると、ＩＭＵ２９は、所定の距離Ｒの大きさに応じてＩＭＵ２９に作用する、遠心加速度と角加速度の影響を受ける。その結果、ＩＭＵ２９が出力する加速度Ａｃは、遠心加速度と角加速度との影響を受ける。このため、ＩＭＵ２９が検出した加速度Ａｃと、油圧ショベル１００に作用している実際の加速度であって姿勢角を求めるために必要な加速度との間には、乖離が生じる。上部旋回体３の旋回中心軸であるｚ軸上にＩＭＵ２９を設置する空間を確保できれば、そのような乖離は発生しないため、この乖離を考慮する必要はなく、前述のセンサ制御装置２４を用いることができる。しかし、実際の油圧ショベル１００の旋回中心軸付近には旋回モータ等が設置されているので、ＩＭＵ２９を設置する空間を十分に確保できない。したがって、このような油圧ショベル１００の場合、ＩＭＵ２９をｚ軸から離れた位置に設置しなければならない。そこで、次に詳細を説明するような変形例に係るセンサ制御装置２４ａが必要となる。
【０２５６】
図２９に示すように、油圧ショベル１００のローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）のｚ軸からｘ軸方向及びｙ軸方向の両方向にそれぞれ所定の距離だけ離れた位置、すなわちｚ軸から距離Ｒだけ離れた位置に、ＩＭＵ２９のローカル座標系（ｘｉ、ｙｉ、ｚｉ）が存在する。本実施形態において、ＩＭＵ２９のローカル座標系におけるｚｉ軸（垂直軸）は、例えば、ＩＭＵ２９の重心位置を通る。ＩＭＵ２９が受ける重力加速度以外の加速度は、前述した遠心加速度及び角加速度なので、ＩＭＵ２９が検出した加速度Ａｃからこれらの加速度の成分を除去することにより、油圧ショベル１００に作用している加速度であって、姿勢角の演算に必要な加速度を求めることができる。
【０２５７】
油圧ショベル１００のローカル座標系におけるｚ軸周りの角速度（旋回速度）をωｚとすると、ＩＭＵ２９に作用する遠心加速度は、Ｒ×ωｚ２となる。角速度（旋回速度）ωｚは、ＩＭＵ２９から出力されるＺｉ軸方向の角速度である。また、ＩＭＵ２９に作用する角加速度は、角速度（旋回速度）ωｚを時間ｔで微分することで求めることができる。すなわち、角加速度＝ｄωｚ／ｄｔとなる。ＩＭＵ２９が検出した加速度Ａｃについて、ＩＭＵ２９のローカル座標系におけるｘｉ軸方向の加速度をＡｃｘ、ｙｉ軸方向の加速度をＡｃｙとする。加速度Ａｃｘ及び加速度Ａｃｙが、油圧ショベル１００に作用している加速度であって、姿勢角の演算に必要な加速度である。
【０２５８】
また、ＩＭＵ２９が検出する加速度Ａｃについて、油圧ショベル１００のローカル座標系におけるｘ軸方向の加速度成分をＡｃｃｘ、ｙ軸方向における加速度成分をＡｃｃｙとすると、これらはそれぞれ式（１１）及び式（１２）で表すことができる。ＩＭＵ２９が検出するｚｉ軸方向における加速度は、ＩＭＵ２９に作用する、遠心力から求められる加速度（遠心加速度）等の有無によっては変化しないので、ＩＭＵ２９が検出したｚｉ軸方向における加速度は、油圧ショベル１００のｚ軸方向における加速度になる。
Ａｃｃｘ＝Ａｃｘ−Ｒ×ωｚ２×ｃｏｓα−Ｒ×（ｄωｚ／ｄｔ）×ｓｉｎα・・・（１１）
Ａｃｃｙ＝Ａｃｙ−Ｒ×ωｚ２×ｓｉｎα＋Ｒ×（ｄωｚ／ｄｔ）×ｃｏｓα・・・（１２）
【０２５９】
式（１１）の右辺において、加速度Ａｃｘ以外の成分を除外成分とする。式（１２）の右辺において加速度Ａｃｙ以外の成分を除外成分とする。除外成分が、遠心力から求められる加速度（遠心加速度）及び角加速度に関する成分である。具体的には、遠心力から求められる加速度（遠心加速度）に関する成分は、式（１１）では、Ｒ×ωｚ２×ｃｏｓαであり、式（１２）では、Ｒ×ωｚ２×ｓｉｎαである。また、角加速度に関する成分は、式（１１）では、Ｒ×（ｄωｚ／ｄｔ）×ｓｉｎαであり、式（１２）では、Ｒ×（ｄωｚ／ｄｔ）×ｃｏｓαである。
【０２６０】
式（１１）及び式（１２）中のαは、油圧ショベル１００のローカル座標系におけるｙ軸と、ＩＭＵ２９の設置位置であって円周Ｃ上の点における接線とで形成される角度である。この角度を設置角αとする。設置角αは、油圧ショベル１００のローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）においてＩＭＵ２９が設置される位置の傾きを表す。前述したように、加速度Ａｃｘ及び加速度Ａｃｙは、油圧ショベル１００に作用している加速度であって姿勢角の演算に必要な加速度である。加速度Ａｃｘ及び加速度Ａｃｙは、式（１１）又は式（１２）から分かるように、ＩＭＵ２９が検出した、ｘ軸方向における加速度成分Ａｃｃｘ又はｙ軸方向における加速度成分Ａｃｃｙから、前述の除外成分をそれぞれ取り除く補正により求めることができる。
【０２６１】
加速度Ａｃｘ及び加速度Ａｃｙは、それぞれｘｉ軸方向及びｙｉ軸方向の加速度である。重力加速度をＧとすると、加速度Ａｃｘ及び加速度Ａｃｙは、それぞれ式（１３）及び式（１４）で示すようになる。
Ａｃｘ＝Ｇ×ｓｉｎ（γｙ）・・・（１３）
Ａｃｙ＝−Ｇ×ｓｉｎ（γｘ）×ｃｏｓ（γｙ）・・・（１４）
【０２６２】
ここで、γｘは、ｘｉ軸周りにおけるロール角であり、γｙは、ｙｉ軸周りにおけるピッチ角である。ロール角γｘ及びピッチ角γｙは、ＩＭＵ２９のローカル座標系（ｘｉ、ｙｉ、ｚｉ）におけるｚ軸、すなわち垂直軸以外の傾斜角である。ＩＭＵ２９が旋回していない場合、すなわち、重力加速度以外の加速度がＩＭＵ２９に作用していない場合、加速度Ａｃｘ及び加速度Ａｃｙは、ＩＭＵ２９が検出する加速度成分Ａｃｃｘ及び加速度成分Ａｃｃｙと同一になる。加速度Ａｃｘ及び加速度Ａｃｙが得られれば、式（１３）及び式（１４）からロール角γｘ及びピッチ角γｙが求められる。
【０２６３】
以下において、ＩＭＵ２９から出力される加速度成分Ａｃｃｘ及び加速度成分Ａｃｃｙを区別しない場合は被補正加速度Ａｃｃｄと称する。油圧ショベル１００に作用している加速度であって姿勢角の演算に必要な加速度である、加速度Ａｃｘ及び加速度Ａｃｙを区別しない場合は、加速度Ａｃと称する。
【０２６４】
図２７に示す加速度補正部５６は、前述のように、ＩＭＵ２９の情報に基づいてＩＭＵ２９が検出した被補正加速度Ａｃｃｄ（加速度Ａｃｃｘ、Ａｃｃｙ）を補正する。ＩＭＵ２９の情報は、ＩＭＵ２９が設置される位置の情報を含むものであり、例えば、式（１１）及び式（１２）に含まれる情報である。本実施形態において、ＩＭＵ２９の情報は、ロール角γｘ、ピッチ角γｙ、ＩＭＵ２９が設置される位置を表す設置角α、油圧ショベル１００のローカル座標系（ｘ、ｙ、ｚ）のｚ軸を基準とした、ＩＭＵ２９が設置された場所までの距離Ｒ及び油圧ショベル１００のローカル座標系におけるｚ軸、すなわち垂直軸周りの角速度ωｚである。
【０２６５】
以上説明したように、図２７に示す加速度補正部５６は、式（１１）及び式（１２）を用いてＩＭＵ２９が検出した加速度Ａｃｃを補正して、加速度Ａｃｘ、Ａｃｙを求める。加速度Ａｃｘ、Ａｃｙには、ＩＭＵ２９がｚ軸周りを旋回することによって発生する、遠心加速度と角加速度との成分が含まれていないので、加速度補正部５６は、ＩＭＵ２９が旋回中心軸上に設置された場合と同様の加速及び角速度を出力することができる。このため、センサ制御装置２４ａが出力する姿勢角θｏの精度が向上する。また、センサ制御装置２４ａは、油圧ショベル１００の動作状態に関わらず、正確な旋回角度を算出することができる。その結果、図２に示す作業機制御装置２５は、上部旋回体３が旋回したときにおけるバケット８の刃先８Ｔの位置を、より高い精度で算出することができる。
【０２６６】
旋回速度ωｚは、ＩＭＵ２９が検出したｘｉ−ｙｉ平面内の角速度を用いるが、旋回速度ωｚを検出するのはＩＭＵ２９に限定されない。例えば、上部旋回体３の回転角度を検出する回転角度検出装置の検出値を旋回速度ωｚとしたり、上部旋回体３を回転させる旋回モータの回転数に基づいて旋回速度ωｚを求めたりしてもよい。
【０２６７】
なお、ＩＭＵ２９が油圧ショベル１００の旋回中心軸上に設置できない場合、作業機２に備えられたバケット８の刃先８Ｔの位置を、より高い精度で算出するには、先に述べた実施形態に係るセンサ制御装置２４よりも、変形例として述べたセンサ制御装置２４ａを用いるほうがより好ましい。変形例として述べたセンサ制御装置２４ａは、前述のようにＩＭＵ２９の設置位置を考慮した処理が行われるからである。
【０２６８】
（センサ制御装置の第１変形例）
図３０は、第１変形例に係るセンサ制御装置２４ｂの制御ブロック図である。本変形例において、図１５に示すＩＭＵ２９の姿勢角演算部２９ＣＰが、検出装置としてのジャイロ２９Ｖ及び加速度センサ２９Ａによって検出された角速度ω及び加速度Ａｃから作業機械の姿勢角θを求めてローパスフィルタ６０に入力する第１姿勢角演算部として機能する。ＩＭＵ２９の検出値は、車内信号線４２を介してセンサ制御装置２４ｂに入力される。センサ制御装置２４ｂは、ＩＭＵ２９から、角速度ω、加速度Ａｃ及び姿勢角θが入力される。センサ制御装置２４ｂは、第２姿勢角演算部５０ｂと、ローパスフィルタ６０と、選択部６３とを含む。この他に、センサ制御装置２４ｂは、旋回状態判定部６１と、姿勢角判定部６２とを含む。
【０２６９】
第２姿勢角演算部５０ｂは、角度演算部５０Ｃｂと、フィルタ部５０Ｆｂとを含む。角度演算部５０Ｃｂは、図３に示すＩＭＵ２９のジャイロ２９Ｖ及び加速度センサ２９Ａによって検出された角速度ω及び加速度Ａｃから姿勢角θを求める。センサ制御装置２４ｂは、第２変形例のセンサ制御装置２４ａが備える加速度補正部５６を有していてもよい。
【０２７０】
第２フィルタとしてのフィルタ部５０Ｆｂは、角度演算部５０Ｃｂが求めた姿勢角θを通過させて雑音を減少させた後、第２姿勢角θ２として出力する。フィルタ部５０Ｆｂは、ローパスフィルタ６０よりも遮断周波数が高くなっている。第２姿勢角演算部５０ｂが出力する第２姿勢角θ２は、ローパスフィルタ６０を通過しないで選択部６３に入力される。センサ制御装置２４ｂが備えるフィルタ部５０Ｆｂは、前述したセンサ制御装置２４が備えるフィルタ部５０Ｆよりも簡単な構造なので、センサ制御装置２４ｂは製造コストが低減されるという利点がある。
【０２７１】
本変形例において、第２姿勢角演算部５０ｂは、フィルタ部５０Ｆｂを備えていなくてもよい。この場合、角度演算部５０Ｃｂによって求められた姿勢角θは、第２姿勢角θ２として姿勢角判定部６２及び選択部６３に入力される。
【０２７２】
（センサ制御装置の第２変形例）
図３１は、第２変形例に係るセンサ制御装置２４ｃのブロック図である。このセンサ制御装置２４ｃは、図３０に示すセンサ制御装置２４ｂの第２姿勢角演算部５０ｂを備えておらず、ＩＭＵ２９の、図１５に示す姿勢角演算部２９ＣＰが求めた姿勢角θを第２姿勢角θ２として選択部６３に直接入力する点が異なる。センサ制御装置２４ｃのローパスフィルタ６０は、ＩＭＵ２９の姿勢角演算部２９ＣＰが求めた姿勢角θにフィルタ処理を行い、第１姿勢角θ１として求めて選択部６３に出力する。ＩＭＵ２９の姿勢角演算部２９ＣＰにおいて、姿勢角θが第２姿勢角θ２とされる。第２姿勢角θ２は、ローパスフィルタ６０を通過しないで選択部６３に入力される。センサ制御装置２４ｃは、第２姿勢角演算部５０ｂを備えていないので、その分、構造が簡略化され、かつ製造コストが低減される。
【０２７３】
以上、本実施形態及びその変形例を説明したが、前述した内容により本実施形態及びその変形例が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、本実施形態及びその変形例の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも１つを行うことができる。例えば、作業機２は、ブーム６、アーム７及び作業具であるバケット８を有しているが、作業機２に装着される作業具はこれに限られず、バケット８には限定されない。作業機械は油圧ショベル１００に限定されず、例えば、下部走行体上に旋回体を有する作業機械であればよい。センサ制御装置２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃが実行する各処理は他のコントローラ、例えば第２表示装置３９又は作業機制御装置２５が処理してもよい。姿勢角が通過するフィルタは相補フィルタに限定されるものではなく、他の方式のフィルタであってもよい。掘削制御は、前述した制御に限定されない。
【符号の説明】
【０２７４】
１  車両本体
２  作業機
３  上部旋回体
５  走行装置
６  ブーム
７  アーム
８  バケット
８Ｔ  刃先
２０、２１  アンテナ
２３  グローバル座標演算部
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ  センサ制御装置
２５  作業機制御装置
２６  エンジン制御装置
２７  ポンプ制御装置
２８  第１表示装置
２９  ＩＭＵ
２９Ｖ  ジャイロ
２９Ａ  加速度センサ
２９ＣＰ  姿勢角演算部
２９ＰＴ  物理量変換部
３９  第２表示装置
４１、４２  車内信号線
５０、５０ａ  第２姿勢角演算部
５０Ｃ  角度演算部
５０Ｆ、５０Ｆａ、５０Ｆｂ  フィルタ部
５１  第３姿勢角演算部
５２  第４姿勢角演算部
５３  第１相補フィルタ
５４  第２相補フィルタ
５５  切換部
６０  ローパスフィルタ
６１  旋回状態判定部
６２  姿勢角判定部
６３  選択部
１００  油圧ショベル
θ１  第１姿勢角
θ２  第２姿勢角
θ３  第３姿勢角
θ４  第４姿勢角
【要約】
作業機械の姿勢演算装置は、作業機械に備えられて、角速度及び加速度を検出する検出装置と、前記検出装置に備えられて、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から前記作業機械の姿勢角を求める第１姿勢角演算部と、前記第１姿勢角演算部が求めた姿勢角を通過させて第１姿勢角として出力するローパスフィルタと、前記検出装置によって検出された前記角速度及び前記加速度から求めた姿勢角を第２姿勢角として出力する第２姿勢角演算部と、前記第１姿勢角と、前記第２姿勢角とを、前記作業機械の角度変動に関する情報に基づいて切り替えて出力する選択部と、を含む。【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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