(57)【要約】  機械（１００）オペレータを、前記機械（１００）の作業具（１３２）を制御するに際して、支援するためのシステムおよび方法が提供される。一実施形態では、前記作業具（１３２）が第１の高さに設定されかつ前記機械（１００）が第１の機械（１００）速度で走行しており、結果的に第１の作業具（１３２）または機械（１００）負荷をもたらす。これらの要因に基づいて、第１の作業具（１３２）制御モード（３０１）または第２の作業具（１３２）制御モード（３０２）が選ばれる。前記第１の作業具（１３２）制御モード（３０１）において、前記作業具（１３２）が負荷限度内および作業具（１３２）高さ限度内に手動で制御されるのに対して、前記第２の作業具（１３２）制御モード（３０２）において、前記作業具（１３２）負荷が前記第１の作業具（１３２）負荷に向かって制御される。オペレータ入力および機械（１００）状態とともに、地表面などの他の要因に基づいて、前記機械（１００）は制御モード（３０１、３０２）間で切り換えてもよい、または自動作業具（１３２）制御から完全に切り換えてもよい。【選択図】図３
2017521580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械（１００）オペレータを、前記機械（１００）の作業具（１３２）制御するに際して、支援する方法であって、
自動工具（１３２）制御が所望されることを判定することと、
目標機械（１００）動作状態を判定することと、
アクティブなオペレータ指令作業具（１３２）運動を検知することと、
最後のオペレータ指令作業具（１３２）位置を検知することと、
前記機械（１００）が第１の機械（１００）動作状態において作動しつつあることを検知することと、
前記検知されたアクティブなオペレータ指令工具（１３２）運動および第１の機械（１００）動作状態に基づいて、第１の作業具（１３２）制御モード（３０１）および第１の作業具（１３２）制御モードから作業具（１３２）制御モードを選択することと、を含み、前記第１の作業具（１３２）制御モード（３０１）において、前記作業具（１３２）の手動制御が維持される、但し望ましくない機械（１００）状態が検知されたときに前記作業具（１３２）が前記機械（１００）状態を調節するように自動的に移動されることを除いて、および前記第２の作業具（１３２）制御モード（３０２）、前記目標機械（１００）動作状態に向かって前記機械（１００）動作状態を制御するように前記作業具（１３２）位置が調節される、方法。
【請求項２】
前記選択された作業具（１３２）制御モードが前記第１の工具（１３２）制御モードであり、かつ前記機械（１００）動作状態が機械（１００）速度を含み、前記方法は手動工具（１３２）制御指令が前記オペレータによって与えられるか否かを判定することと、工具（１３２）下降指令が与えられかつ前記機械（１００）速度が所定閾値機械（１００）速度未満である場合に、前記オペレータ指令を減衰させることと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記選択された工具（１３２）制御モードが前記第１の工具（１３２）制御モードであり、前記機械（１００）動作状態が機械（１００）速度を含み、かつ前記方法が前記工具（１３２）位置が前記最後のオペレータ指令工具（１３２）位置より大きいか否かを判定することと、前記機械（１００）速度が所定の閾値機械（１００）速度より大きいか否かを判定することと、前記工具（１３２）位置が前記最後のオペレータ指令工具（１３２）位置より大きくかつ前記機械（１００）速度が所定の閾値機械（１００）速度より大きい場合には、前記工具（１３２）下降させることと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記選択された工具（１３２）制御モードが前記第１の工具（１３２）制御モードであり、前記機械（１００）動作状態が機械（１００）速度を含み、かつ前記方法は、前記機械（１００）速度が所定閾値機械（１００）速度未満か否かを判定することと、前記機械（１００）速度が所定の閾値機械（１００）速度未満である場合に、前記工具（１３２）を上昇させることと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記選択された工具（１３２）制御モードが前記第２の工具（１３２）制御モードであり、前記方法は手動工具（１３２）下降指令が前記オペレータによって与えられたか否かを判定することと、手動工具（１３２）下降指令が与えられた場合、手動工具（１３２）下降を抑止することと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
手動工具（１３２）指令を受信することと、前記手動工具（１３２）指令の前記大きさが所定閾値時間より長く所定閾値を超えるか否かを判定することと、を更に含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記手動工具（１３２）指令の前記大きさが前記所定閾値時間より長く前記所定の工具（１３２）指令閾値を超えることが判定された場合に前記手動工具（１３２）下降抑制動作を停止させること、を更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記手動工具（１３２）指令の前記大きさが前記所定の閾値時間より長く前記所定の工具（１３２）指令閾値を超えないことが判定された場合に、手動指令とは無関係に機械（１００）動作状態に基づいて前記工具（１３２）位置を制御すること、を更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記選択された工具（１３２）制御モードは、前記第１の工具（１３２）制御モードおよび前記第２の工具（１３２）制御モードの選択された片方であり、前記方法は前記第１の工具（１３２）制御モードおよび前記第２の工具（１３２）制御モードの選択された片方に対する条件がもはや満たされないことを判定すること、かつその後前記第１の工具（１３２）制御モードおよび前記第２の工具（１３２）制御モードの他方に切り換えること、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記選択された工具（１３２）制御モードが前記第１の工具（１３２）制御モードであり、条件がもはや満たされないことを判定することは、所定閾値時間より長く所定閾値より大きい手動工具（１３２）下降指令の受信を検知することと、前記機械（１００）速度が第１の機械（１００）速度閾値未満であることを判定することと、を含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、大型機械運転支援に関し、より詳しくは、トラック型トラクタードーザーなどであるがそれらに限定されない建設機械または土工機械のオペレータに対してブレードまたはバケット制御支援を提供することに関する。
【背景技術】
【０００２】
大抵の土工機械が人間のオペレータの存在を必要とする一方、人間のオペレータは機械自身が経験できないプレッシャや障害の影響を受けやすくなり得る。例えば、人間のユーザーは長時間にわたる反復タスクまたは微細なモータ技能タスクによって疲労してくることがあり得る。このために、ある特定の機械機能を自動化する努力がなされてきた。
【０００３】
排土のプロセスに関して、例えば、山本らに付与された米国特許第５，８７５，８５４号（ブルドーザー用のドージングシステム）は、自動ドージング運転を行うことができると言われるブルドーザーに使用するためのシステムについて記載している。該技術は、参考文献により具体的に記載されている様々な要因および入力に応じて掘起し、運土およびダンプの作業サイクルを自動化するといわれている。しかしながら、‘８５４技術は依然としてかなりのユーザー入力および注意を必要としているように思われる。例えば、システムティーチング制御は上記の自動化操作を中断することによって実行され、かつ機械の自動化モードへのエントリーはユーザー判定を必要とするように思われる。
【０００４】
本明細書に開示されたシステム、方法および技術が、前述した若しくは他のシステムに固有の欠陥のあるものを解決または軽減できる一方、いかなる特定の問題の解決も、明示的に明記された範囲を除いて該開示の範囲または添付請求の範囲に対する制限ではないことが正しく評価されるべきである。更に、この「背景技術」の項は読者の便宜のために設けられているものであり、また発明者の見解および解釈を表している。掲げられている特許文献は公知の公開を表している一方、その特許文献に関する発明者の所見は先行技術ではないし、また先行技術の拘束力を有する解釈を表していない。特許文献に関する正確な情報が要求される場合には読者は特許文献それ自身に委ねられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示の一態様によれば、機械の作業具を制御するに際して機械オペレータを支援するための方法が提供される。該方法は、自動工具制御が所望されることを判定することと、目標機械動作状態を判定することと、を含む。オペレータが指令したアクティブな作業具運動は、オペレータが最後に指令した作業具位置であるとして検知される。機械が第１の機械動作状態において作動しつつあり、かつオペレータが指令した工具運動および第１の機械動作状態に基づいて、第１の作業具制御モードと第２の作業具制御モードのうちから作業具制御モードが選択される。第１の作業具制御モードにおいて、作業具の手動制御が維持される。ただし、望ましくない機械状態が検知される場合には機械状態を調節するように作業具が自動的に移動されることを除く。第２の作業具制御モードにおいて、目標機械動作状態に向かって機械動作状態を制御するように作業具位置が調節される。
【０００６】
開示された動作原理の別の態様において、機械のオペレータを支援するための自動ブレード制御モードを有する機械が提供される。該機械はシャーシに装着されたブレードと、ブレードコントローラによって制御されるブレードアクチュエータとを含む。該ブレードコントローラは、自動ブレード制御が望まれることを判定し、目標動作状態を判定し、オペレータがブレードを第１の位置へ指令したことおよび機械が第１の機械動作状態にあることを検知し、結果的に第１のブレード負荷に対応するブレード負荷がもたらし、かつ検知された第１の高さおよび第１の機械動作状態に基づいて、第１のブレード制御モードおよび第２のブレード制御モードの片方を選択するように構成される。第１のブレード制御モードにおいて、ブレードが負荷限度内に手動で制御される。ただし、望ましくない機械動作状態が検知された場合に機械動作状態を調節するようにブレードが自動的に移動されることを除く。第２のブレード制御モードにおいて、ブレード負荷が目標動作状態に向かって制御される。
【０００７】
開示された動作原理のなお別の態様では、複数の要素を含む機械作業具制御システムが提供される。これらは作業具動作点を判定するために機械データに基づいて機械の目標動作状態を判定するように構成される動作点判定部と、オペレータ入力に基づいて修正済み作業具動作点を生成するために判定済み作業具動作点を修正するように構成される動作点調節部とを含む。コントローラモード判定部が含まれ、かつ機械データおよびオペレータ入力を分析するように構成され、かつ使用される対象が第１の作業具制御モードと第２の作業具制御モードのうちどちらか片方を指示するコントローラモードインジケータを設けるように構成される。作業具負荷コントローラは、修正済み作業具動作点、コントローラモードインジケータ、作業具最低値および機械データに基づいて作業具制御支援のための機械指令を生成するように構成される。
【０００８】
開示された方法およびシステムの付加的および代替的特徴および態様は、添付された図面と併せて詳細明細書を読むことから明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】開示された動作原理の実施形態が実施されてもよい土工機械の一例の側面図である。
【図２】開示された動作原理の一実施形態に係る機能モジュール、入力部および出力部を含むコントローラレイアウトを示すコントローラアーキテクチャ概略図である。
【図３】開示された動作原理の様々な実施形態に係るモード選択プロセスを示す簡略化された状態図である。
【図４】開示された動作原理の一実施形態に係る軽ドージングモード内のブレード制御の例示的プロセスを示すフローチャートである。
【図５】開示された動作原理の一実施形態に係る重ドージングモード内の例示的プロセスを示すフローチャートである。
【図６】開示された動作原理の一実施形態に係るブレード最低値を設定する例示的プロセスを示すフローチャートである。
【図７】開示された動作原理の一実施形態に係るブレード制御支援プロセス概要を示すプロセス概要チャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
前述したように、開示された動作原理は、多種多様な土工機械、例えばドーザー、エクスカベータ、モーターグレーダーなどに適用可能である。与えられた説明図において、トラック型トラクタードーザーは一例として用いられることになる。前述したように、トラック型トラクターを用いたドージングが、排土（ｅａｒｔｈ  ｍｏｖｉｎｇ）および削土（shaping）タスクを行うための頻繁に使用される操作である。多数のトラック型トラクター用途が、軽ドージングまたは重ドージングのいずれかとして分類されることができる。軽ドージングとして分類されることができる用途例は整地（ｇｒａｄｉｎｇ）、片付け（ｃｌｅａｎ−ｕｐ）作業および物質拡散（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）を含むが、それらに限定されない。重ドージングとして分類されることができる用途例はスロットドージング、貯留（ｓｔｏｃｋｐｉｌｉｎｇ）またはバルク排土（ｂｕｌｋ  ｅａｒｔｈ−ｍｏｖｉｎｇ）を含むが、それらに限定されない。一般に、重ドージングにおける目的は可能な限り多くの物質を可能な限り少ない時間で移動させることにある。軽ドージングでは目的は微細な削土（ｆｉｎｅｒ  ｓｈａｐｉｎｇ）または清掃（ｃｌｅａｎｉｎｇ）を行うこと、例えば所望の勾配を維持することまたは作業エリアを平らにすることにある。軽ドージングに関して、最大ブレード負荷を維持することは所望されていない。
【００１１】
先に進む前に、本明細書で使用されるとき用語「ブレード負荷」または「工具負荷」について更に論述することが有益であると思われる。文脈が他の意味を示唆しない限り、これらの用語はブレードまたは他の工具の位置決めに起因して機械、それの地面係合要素、若しくはそれの駆動系構成要素に対して加えられる反作用の負荷を示すのに使用される。そこで、例えば、ブレード負荷は実際に現れることがあり、かつトラック型トラクターにおいて牽引力として計測される。牽引力とは、本明細書に使用されるときトラック型トラクターの軌道へ伝えられる力を指す。該力は基本的には軌道を移動させる、例えば負荷を押すことによって、および軌道スリップの形態で軌道の下の物質を移動させることによって費やされ得る。その他の力は摩擦損失を介して費やされ得る、また牽引力において説明され得る。同様に、用語「機械負荷」および「駆動系トルク」はまた、本明細書に使用されるときブレードまたは他の工具によって加えられる反作用負荷を指す。
【００１２】
より大きなジョブの中では、サイクルの異なる部分において重および軽ドージングタスクの両方があってもよい。例えば、スロットドージングまたはバルク排土用途の中で、まず可能な限り大きな負荷を取得し、その取得した物質を別の場所まで移動させ、次いでその物質を区域全体にわたって拡散させることが所望されてよい。負荷取得モード中に、典型的には物質移動に関して最も効率的な動作点において機械を稼働することが所望されることになる。サイクルの運土および拡散部分の間には、典型的には平滑な地面を維持することが所望されることになる。
【００１３】
記載されシステムおよび技術は、ブレード位置（例えばブレードリフト／下降）、機械ギア、エンジンスロットル設定、機械設定等などのようなオペレータ指令をモニターし、かつそのモニターされたデータを使用してオペレータが軽ドージングモード若しくは重ドージングモードにおいて運転することを意図するか否かを判定し、それに応じて運転モードを自動的に設定する。該システムは、次いで、格納されたデータまたはサイクル特性および物質特性から計算された、所望の動作点を使用して、オペレータを支援する。これによってオペレータはブレード位置を調節することによって機械を制御する。
【００１４】
軽ドージングモードにある間、システムは負荷保護または負荷制限機能を発揮する。特に、該モードでは、オペレータがブレード運動を制御していなくてかつ負荷が非常に高くなってくる場合には、オペレータは機械を手動で制御するがシステムはブレードを自動的に上昇させる。オペレータがブレード運動を制御していない場合には、システムは負荷が減少するにつれてブレードを自動的に下降させる。しかしながら、システムはその前回の位置（「ブレード下限値」の下には行かずに）の下に下降させないようにすることになる。一実施形態では、オペレータは手動ブレード制御入力を介して自動ブレード制御をオーバライドさせてもよい。更なる実施形態では、ブレード負荷が増加して所望の動作点に近づくにつれて、いかなるオペレータ指令も、所望の動作点付近でより細かい制御を可能にしかつ定常状態目標動作点までより円滑な移行を可能にするように減衰される。
【００１５】
この句が本明細書に使用されるとき、「ブレード下限値」とはオペレータがブレードに対して最後に手動で指令した位置を指す。該位置は自動装置がその点以下では第１のブレード制御モード（軽ドージングモード）において指令しない基準点として使用される。ブレード高さは幾つかある方法の１つで定義されることができる。例えば、ブレード高さは機械フレーム原点位置に対してブレード切刃の高さとして計測されてよい。あるいは、ブレード高さは調整された機械フレーム原点位置に対してブレード刃先の高さとして計測されてよい。該方法は機械シャーシピッチを説明する。言い換えれば、機械がある特定の傾斜からより急峻な傾斜へ移行しつつある場合には、ブレード下限値が一定のままであるがブレード高さ計算はより大きな値を指示する。これによって、リフトシリンダ伸張の変更がなされなかったとしてもコントローラがブレードを下降させることが可能になる。
【００１６】
重ドージングモードにある間、システムは所望の動作点、例えば最大生産性をもたらす動作点を維持するに際してオペレータを支援する。該モードにおいて、オペレータは一般的にある特定の負荷を維持しかつ地形偏位または傾斜遷移を補償することが必要とされる場合にのみ軽微なブレード高さ調節を行うように手動指令を与えることを所望する。オペレータを支援するために、システムが所望される負荷を維持するためにブレードを自動的に上昇および下降させる。
【００１７】
一実施形態では、機械が軽ドージングモードから重ドージングモードへ移行するにつれて、手動下降指令は自動システムによって抑制されかつオーバーライドされ得る。オペレータがシステムをオーバーライドすることを所望する場合には、指令レバーを中性または上昇位置に入れることによって、例えば若しくは極めて大きなブレード下降指令を与えることによって、該抑制を解除することができる。抑制を停止させた後、オペレータは手動指令で自動調節をオーバーライドできることになる。
【００１８】
この概要からして、読者は開示された動作原理の詳細をより容易に理解できるであろう。開示された実施形態および動作原理に特有である詳細および特徴を論述する前に、背景を掴むために環境の一例を論述する。この点に関して、図１は開示された動作原理の実施形態が実施されてもよい土工機械の一例の側面図である。前述した通り、この記載され動作原理は他の機械形式に関しても同様に有益な用途を見出す。
【００１９】
例示されたトラック型トラクター１００は、電源１０４が搭載されるメインフレーム１０２を含む。電源１０４はディーゼル形式内燃機関、ガソリン形式内燃機関、天然ガスエンジン、ガスタービンエンジン、電動または油圧モータ等のいかなる好適な形式のエンジンであってよい。運転室１０６はメインフレーム１０２の上部にも設けられる。
【００２０】
メインフレーム１０２の下にはトラクター１００を推進するために車台１０８が位置付けられている。車台１０８は１つまたは２つ以上のトランスミッション、ギアアセンブリ、ディファレンシャルステアリングユニットなどのメカニカルリンク（見えない）によって電源１０４に作動可能に連結されてよい。車台１０８はドライブスプロケット１１２、一対の遊動輪１１４、および複数のミッドローラー１１６を含んでよい。地面係合無限軌道１１８はドライブスプロケット１１２、遊動輪１１４、およびミッドローラー１１６の周りに掛け渡されている。該地面係合軌道１１８はピン１２２によって相互にヒンジ結合された複数のシュー１２０を含んでよい。各シュー１２０はトラクター１００の下に横たわる地表面の中へ直接係合するためのグローサー１２４含んでよい。
【００２１】
図１に示された例示されたブルドーザー構成において、トラクター１００はローラーフレーム１３０から延出しかつブレード１３２に連結される一対のプッシュアーム１２８を含む。ブレード１３２を上昇、傾斜、および下降させるために、１つまたは２つ以上の油圧シリンダー１３４がブレード１３２およびトラクター１００に接続されてよい。該油圧シリンダー１３４は、以下により詳細に論述するように、ブレード位置制御電磁弁の制御の下でトラクター１００の油圧システム１２６によって電力供給されてよい。該トラクター１００の油圧システム１３６は電源１０４によって電力供給されるポンプとともに、加圧作動油の発生源を提供しかつ使用済みの作動油、例えばブレード下降時に油圧シリンダー１３４から流出する流体のためのシンクとして機能するのに好適なゲージ、タンクおよび弁を含んでよい。
【００２２】
前述した通り、ブレード１３２を上昇および下降させる役割を果たす油圧シリンダー１３４は、高圧力作動油の通過を許可または不許可にするための電気制御弁である、１つまたは２つ以上の電磁弁を介して制御されてよい。これらの電磁弁自身は、一実施形態では、ブレードコントローラによって制御され、該ブレードコントローラは、一実施形態では、より一般的な目的を達成する別のコントローラ内での機能として実行される。あるいは、ブレードコントローラは専用特殊機能コントローラとして実行されてよい。
【００２３】
ブレード制御システムの位置決めおよびモニタリング機能とともに、機械の他の普通の機能を促進するために、トラクター１００は、ブレード高さセンサ、機械対地速度センサ、軌道速度センサ、チルトセンサ、トランスミッションセンサ、エンジン速度センサ等を含む複数のセンサを含んでよい。
【００２４】
図２のコントローラのアーキテクチャ概略図は、一実施形態において機能モジュール、入力部および出力部を含むコントローラ・アーキテクチャ２００の一例を示す。例示された実施例において、受信される入力としては機械対地速度２０１、軌道速度２０２、スプロケットトルク２０３、機械ピッチ２０４、エンジン速度２０５およびギア２０６が挙げられる。加えて、コントローラ・アーキテクチャ２００はオペレータからブレード高さ２０７、オペレータブレードリフト指令２０８、および動作点調節２０９の指示を受信する。該例示されたコントローラ・アーキテクチャ２００は、受信された入力（および／または微分値）を処理してブレード制御支援を提供するための機械指令２１０を生成する。
【００２５】
初めに、動作点判定部２１１は機械対地速度２０１、軌道速度２０２、スプロケットトルク２０３、機械ピッチ２０４、エンジン速度２０５およびギア２０６を処理して、機械状態を判定しかつ最適動作点を導出する。用語「最適な」とは、本明細書で使用されるとき、特段の指定が無い限り、１つまたは２つ以上の望ましい値を実質的に最大化する若しくは増加させる状態を指すことが正当に評価されるであろう。必ずしもすべての望ましい値を最大化する若しくはすべての望ましくない値を最小化するのではない。該実施例において、動作点は機械対地速度、ブレード負荷、軌道スリップ、ギア等のようなある特定の機械動作パラメータまたは条件によって定義される点である。
【００２６】
オペレータからのいかなる動作点調節２０９とともに、この判定された最適な動作点は動作点調節部２１２へ送られる。該動作点調節部２１２はこれらの入力に基づいて所望の動作点を生成する、そして所望の動作点が結果的に、ブレード制御支援をもたらすための機械指令２１０を生成する役割を果たしているブレード負荷コントローラ２１３へ入力として提供される。該ブレード負荷コントローラ２１３はまた、例示された実施例において機械指令２１０生成するために、複数の他の入力を受信する。ブレード負荷コントローラ２１３は、所望の機械動作点を維持するために、以下に続くより詳細な論述から正当に評価されるように、一実施形態において閉ループコントローラを使用する。該閉ループコントローラはコントローラの様々な段階を駆動する対地速度、駆動系トルク、軌道スリップおよびブレード高さを有するマルチループコントローラであってよい。
【００２７】
そこで、振り返って入力を参照すると、機械対地速度２０１、軌道速度２０２、スプロケットトルク２０３、機械ピッチ２０４、エンジン速度２０５およびギア２０６とともに、ブレード高さ２０７およびオペレータブレードリフト指令２０８の指示がコントローラモード判定部２１４によって受信される。該コントローラモード判定部２１４は、コントローラモードインジケータおよびブレード下限値を出力する、それらの両方がブレード負荷コントローラ２１３へ提供される。
【００２８】
最後に、該ブレード負荷コントローラ２１３はまた、未処理機械対地速度２０１、トラック速度２０２、スプロケットトルク２０３、機械ピッチ２０４、エンジン速度２０５およびギア２０６とともに、ブレード高さ２０７およびオペレータブレードリフト指令２０８の指示を受信する。前述した通り、ブレード負荷コントローラ２１３の出力は、複数の制御モードのうちの１つにおいて機械ブレードを制御する1組の機械指令２１０である。
【００２９】
機能モジュールについてより具体的に論述すると、動作点判定部２１１は機械対地速度２０１、軌道速度２０２、スプロケットトルク２０３、機械ピッチ２０４、エンジン速度２０５およびギア２０６を監視しかつ物質特性（例えば、トラクション係数および剪断弾性率）並びにサイクル特性（例えば、傾斜およびサイクル距離）を推定する。これらの情報を利用して、システムは機械性能値（例えば、生産性、サイクル時間、燃料効率、その他）を実質的に最大化するであろう動作点を予測する。動作点判定部２１１によって出力される最適な動作点は、例えば、ある特定のスロットル設定において目標ブレード負荷と相互に関係がある目標機械対地速度のように簡単であってよい。
【００３０】
ある状況下で、オペレータは動作点判定部２１１によって判定された推奨動作点において機械を稼働させないように選んでもよい。このような状況に対処するために、所望の動作点を調節する能力がＧＵＩ（グラフィカルユーザーインターフェース）などのユーザーインターフェースを介してオペレータへ提供される。例えば、最適な動作点が目標対地速度である場合には、オペレータは所望の対地速度偏差（または対地速度偏差と相互に関係がある正規化されたパラメータなどの別の要因）を設定してもよい。該偏差によって、必要に応じて、依然システムが物質および傾斜の変動に対して調節することを可能にしつつオペレータがより重い若しくはより軽い負荷を維持するようにシステムに強制することが可能になるであろう。
【００３１】
コントローラモード判定部２１４を参照すると、このモジュールはオペレータが軽モードまたは重モードのどれで運転しているかを判定する。これらのモードについては本明細書に更に詳細に後述される。コントローラモード判定部２１４はまた、ブレード下限値パラメータを判定し、これについては以下により詳細に論述する。
【００３２】
コントローラモード判定部２１４によって使用されるモード判定プロセスの一例が、図３に示されるプロセス３００によって要約される。この例示されたプロセス３００は、状態プロセスフローであり、安定した状態（軽ドージングモード３０１および重ドージングモード３０２）間の遷移は、機械状態およびオペレータ入力に結び付けられた一連の判定によって駆動される。
【００３３】
特に、軽ドージングモード３０１から、コントローラは判定３０３においてオペレータが所定下降閾値ＢＬＴより大きいブレード下降指令を所定時間ＴＢＬより長く与えてきたか否かを判定する。オペレータがＢＬＴより大きいブレード下降指令をＴＢＬより長く与えてこなかった場合、コントローラは軽ドージングモード３０１のままとする。オペレータがＢＬＴより大きいブレード下降指令をＴＢＬより長く与えてきた場合、プロセスは判定３０４まで続き、コントローラは定められた機械状態基準が満たされているか否かを、例えば一実施形態では、機械対地速度ＳＧが所定速度閾値ＳＴ１未満であるか否か判定する。基準が満たされている場合、コントローラは重ドージングモード３０２へ移行する。基準が満たされていない場合、コントローラは軽ドージングモード３０１のままとする。
【００３４】
重ドージングモード３０２にあるとき、コントローラはオペレータ入力および機械状態に基づいて様々な判定を介して、軽ドージングモード３０１へ移行するか若しくは重ドージングモード３０２のままとするか否かを判定する。特に、判定３０５において、コントローラは判定３０４におけると同様に、定められた機械状態基準が満たされているか否か、例えば一実施形態では、機械対地速度ＳＧが所定速度閾値ＳＴ２以上であるか否かを判定する。該速度閾値ＳＴ２は判定３０４で適用された速度閾値ＳＴ１と同じでもそれとは異なっていてもよい。基準が満たされる場合、コントローラは軽ドージングモード３０１へ移行する。基準が満たされない場合、コントローラは判定３０６へ移行する。
【００３５】
判定３０６において、コントローラはオペレータが所定上昇閾値ＢＲＴより大きいブレード上昇指令を所定時間ＴＢＲより長く与えてきたか否かを判定する。ＢＲＴより大きいブレード上昇指令をＴＢＲより長く与えてきた場合、コントローラは軽ドージングモード３０１へ移行する。ＢＲＴより大きいブレード上昇指令をＴＢＲより長く与えてこなかった場合、コントローラは重ドージングモード３０２のままとするか若しくは複数の上昇指令閾値が適用される一実施形態においてオプションにより判定３０７まで続くかのいずれかである。この実施形態では、コントローラはオペレータが第２の所定上昇閾値ＢＲＴ２より大きいブレード上昇指令を第２の所定時間ＴＢＲ２より長く与えてきたか否かを判定３０７において判定する。ＢＲＴ２より大きいブレード上昇指令をＴＢＲ２より長く与えてきた場合、コントローラは軽ドージングモード３０１へ移行する。ＢＲＴ２より大きいブレード上昇指令をＴＢＲ２より長く与えてこなかった場合、コントローラは重ドージングモード３０２のままとする。
【００３６】
図４に示される通り、コントローラが軽ドージングモード３０１にあるとき、コントローラの挙動は機械負荷を制限するように基本的に構成される。言い換えれば、軽ドージングモードの１つの結果は負荷保護若しくは負荷限度特徴として機能することである。該モードにおいてオペレータはほとんどの時間機械を手動で制御しかつコントローラは負荷が非常に高くなった場合ブレード１３２を上昇させる。オペレータがブレード運動を制御していない場合には、負荷が減少するにつれてシステムはブレードを自動的に下降させるが、前回オペレータが指令した位置を過ぎてブレードを下降させない。オペレータは手動指令で自動制御をオーバーライドさせてもよい。また、負荷が増加して所望の動作点に近づくと、所望の動作点付近でのより細かい制御を可能にし、かつ定常状態目標動作点へのより円滑な遷移を可能にするためにオペレータの指令はコントローラによって減衰される。
【００３７】
ブレード下限値は、オペレータが例えばジョイスティック指令を介して、最後に手動でブレード１３２を指令した位置であると定義される。該位置はそれより下にはコントローラが指令しないブレード高さ２０７を設定するための基準点として用いられる。ブレード高さ２０７を定義する方法は重要ではなく、例えば機械フレーム原点位置に対するブレード刃先の高さ若しくはピッチ機械フレーム原点位置に対するブレード刃先の高さなど、どんな好適なプロトコルでも使用されてよい。
【００３８】
後者のプロトコルは機械シャーシピッチを説明する。言い換えれば、機械がある一定の傾斜からより急峻な傾斜へ移行しつつある場合には、ブレード下限値は一定のままであるがブレード高さ計算はより大きな値を指示する。これによって、リフトシリンダ伸張の変化がなされなかったとしても、コントローラはブレード１３２を下降させることが可能になる。そこで、いずれかのプロトコルが使用可能であるが、前者を超える後者の１つの利点は、機械が地形標高の変動を果敢にはねのけることが可能になり、結果的により平滑なプロファイルにつながる。
【００３９】
プロセス４００のステージ４０１において軽ドージングモード３０１が起動されると、図３に関して前述したモード判定には左右されないで、コントローラは一連の制御判定を推移する。特に、プロセス４００のステージ４０２において、コントローラはオペレータがブレード上昇または下降指令を与えつつあるか否かを判定する。オペレータがブレード上昇もブレード下降指令も与えていないと判定される場合、プロセス４００はステージ４０３へ移行して、コントローラは現在のブレード高さＢＨがブレード下限値ＢＦより小さいか等しいか否かを判定する。
【００４０】
現在のブレード高さがブレード下限値より小さいか等しい場合、コントローラは、ある一定の機械状態基準が満たされる限り、例えば機械対地速度ＳＧが所望の機械対地速度ＳＤより小さい限り、ステージ４０４においてブレード負荷コントローラがブレードを上昇させることを可能にする。現在のブレード高さＢＨがブレード下限値ＢＦより大きいか等しい場合、コントローラは機械状態基準満たされる限りステージ４０５においてブレード負荷コントローラがブレードを上昇または下降させることを可能にする。
【００４１】
ステージ４０２において、コントローラはオペレータがブレード上昇または下降指令を与えつつあると判定する場合、プロセス４００はステージ４０６へ移行し、コントローラは指令がブレード下降指令でありかつ機械状態基準が満たされているか否かを判定する。ブレード下降指令でありかつ機械状態基準が満たされている場合、ステージ４０７において、コントローラはブレード状態、例えばブレード負荷と所望のブレード負荷（または対地速度と所望の対地速度）との間の差異が減少するにつれての減少応答性に基づいてオペレータのブレード下降指令を減衰させる。
【００４２】
図３を参照して以上から分かるように、コントローラは軽ドージングモードまたは重ドージングモードのいずれかにおいてブレード制御支援をもたらすことができる。図４は、軽ドージングモードにある状態でのコントローラ挙動について説明してきた一方、重ドージングモードにある状態でのコントローラの挙動は図５に示されている。
【００４３】
コントローラは１つまたは２つ以上の関心パラメータに基づいて最大生産性を許容する動作点などの所望の動作点を維持するに際しては、オペレータを支援するように重ドージングモードにおいて構成されている。一実施形態では、この構成はある一定の負荷を維持する目標を有している。この場合、コントローラが所望される負荷を維持するためにブレードを上昇および下降させている間にオペレータが地形偏位または傾斜遷移を補償するために小さなブレード高さ調節を行うだけのためにおそらく手動指令を発する。 
【００４４】
コントローラが軽ドージングモードから重ドージングモードへ移行するにつれて、いかなるアクティブな手動下降指令がコントローラによって抑制されかつオーバーライドされることになる。オペレータがコントローラをオーバーライドさせることを望む場合は、中性または上昇位置に指令レバーを置くことによって、若しくは非常に大きなブレード下降指令を与えることによって抑制が一実施形態において解除される。該実施形態では、いったんオペレータ抑制が停止されると、オペレータは手動指令でコントローラをオーバーライドさせてもよい。
【００４５】
いったん重ドージングモードが、例示されたプロセス５００のステージ５０１におけるように起動されると、コントローラはステージ５０２においてアクティブなオペレータ・ブレード下降指令があるか否かを判定する。このような指令がある場合、その指令はステージ５０３において抑制されかつプロセス５００がステージ５０４まで続く。コントローラはステージ５０４においてブレード下降指令抑制がアクティブであるか否かを判定する。ブレード下降指令抑制がアクティブである場合、ステージ５０５においてコントローラはオペレータがオペレータ制御抑制のオーバライディングを保証するであろう入力を提供しつつあるか否かを判定する。例えば、オペレータはブレード上昇指令または大きな（ある特定の上昇閾値より大きな）下降指令を入力してもよい。
【００４６】
オペレータがオペレータ制御抑制のオーバライディングを保証する入力を与えた場合、ステージ５０６においてオペレータ・ブレード下降指令の抑制を停止してコントローラはステージ５０７においてオペレータ・ブレード制御を可能にする。オペレータがオペレータ制御抑制のオーバライディングを保証する入力を与えなかった場合、抑制はアクティブなままでありかつコントローラはステージ５０８において機械状態に基づいてすべてのブレード上昇および下降判定を行う。例えば、コントローラは機械対地速度が所望の対地速度より小さい場合にはブレードを上昇させてもよい、また機械対地速度が所望の対地速度より大きい場合にはブレードを下降させてもよい。
【００４７】
前述した通り、コントローラはある一定の自動操作中にブレード高さを制御するに際して使用するための基準としてブレード下限値Ｂｆを確立する。当該技術分野における当業者は次の例に基づいてブレード下限値Ｂｆを設定する他の方法を正しく評価するであろうが、一方でこの例は少なくとも１つの好適な方法について読者を案内するために提供される。
【００４８】
自動化ブレード制御がいつもアクティブである場合で機械が始動するときに、あるいは別の方法としてステージ６０１におけるように、特徴が起動されるときに、ブレード下限値設定プロセス６００が開始してもよい。ステージ６０２において、コントローラはブレード下限値Ｂｆを現在の計測ブレード高さＢＨに設定する。前述した通り、ブレード高さＢＨをいかなる好適な方法でも計測することができる、例えばＢＨは機械フレーム原点位置に対してブレード刃先の高さとして若しくはピッチ機械フレーム原点位置に対してブレード刃先の高さとして計測されてもよい。
【００４９】
プロセス６００のステージ６０３において、コントローラはオペレータが手動でブレード上昇または下降を指令しているか否かを判定する。オペレータがブレード上昇または下降を指令しつつある場合、コントローラはプロセス６００のステージ６０２へ戻り、ブレード下限値Ｂｆが現在の計測ブレード高さＢＨに設定されている。オペレータがブレード上昇または下降を指令していな場合、コントローラはステージ６０４においてシステムが今しがたモードを、すなわち、軽ドージングモードから重ドージングモードへ若しくは重ドージングモードから軽ドージングモードへ移行させたか否かを判定する。
【００５０】
移行が今しがた、例えばプロセス６００の実行時間内に起きた場合は、コントローラがステージ６０２を再実行する。移行が今しがた起こらなかった場合は、コントローラはステージ６０３へ戻りオペレータ垂直ブレード運動を指令しつつあるか否かを確認する。このようにして、ブレード下限値が例えば、軽ドージングブレード制御プロセス中に後での使用のために基準として確立されてよい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
大まかに言えば、前述のことから正しく評価されるように、本開示はブレード制御支援のモードを自動的に判定しかつ判定されたモードに入るためのシステムおよび方法を説明する。この開示された実施例および動作原理によってユーザーは別のサイクル若しくは同じサイクルの別の部分の間に生産性指向タスクを効率的に行いつつも細かいタスクを正確に行うことが可能になる。
【００５２】
一実施形態では、ユーザーは自動モード選択および切換特徴をオンまたはオフにすることができるのに対して、代替実施形態では特徴をオンのままにする。更なる実施形態では、特徴は停止されない限りデフォルトで起動される。
【００５３】
本明細書の主要部分で特記された通り、トラック型トラクタードーザーは使い易い例を本明細書に提供するが、開示された動作原理はその環境の外部でも同様に適用可能である。名の知れた代替例としてはモーターグレーダーおよびエクスガベータにおける用途を含む。前者に関しては、モーターグレーダーは軌道駆動され得る土工機械であるが、より典型的には車輪駆動による。該モーターグレーダーはフレーム屈折式および操向可能車輪式の両方であってよい、また機械走行方向に対して略直交に構成される吊り下げ式ブレードまたはスクレーパを含む。用語「略」（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）は、ブレードが直交から４５度以上旋回されてよいが、機械の前進運動を介して切り込むので柔軟に理解されるべきである。
【００５４】
モーターグレーダーのブレードは、異なる切込み深さを作り出して、トラック型トラクタードーザーに関してブレード高さが機械負荷に影響を及ぼすのとおおよそ同じようにさまざまな機械負荷を引き起こすために上昇および下降されてもよい。そこで、この背景において、開示された動作原理の適用はトラック型トラクタードーザーとおおよそ同じようになされてよい。予想される相違は、ブレード高さだけに依拠するのではなく機械負荷に影響を及ぼすブレードのピボットまたはチルトの使用を含む。これらの付加的な対策は、切刃位置、切込幅などのような他の所望のパラメータを維持する安全措置とともに実施されてよい。
【００５５】
エクスカベータの背景において開示された動作原理の適用に関して、更なる検討が対処されてもよく、一実施形態において機械速度が無視される。正しく評価されるように、エクスカベータは稼働中には全体としてほとんど固定している、すなわち、稼働中に走行しない、またしたがって対地速度を持たない土工機械である。むしろ、エクスカベータは作業具、この場合ではバケットの到達範囲内にある所望の現場に隣接して据え付けされ、かつ土または他の物質を現場から除去または置換するためにバケットが並進および操作される間機械は全体として所定位置のままとする。
【００５６】
この背景において、記載された動作原理はバケットが与える負荷を制限するように働き、よって失速（ストール）を防止する。例えばエクスカベータのオペレータは、例えばジョイスティックを介して、粗い物質除去時にバケットで大きなバイトを指令することがある。しかしながら、物質が予想したより密である場合、あるいはある深度で岩盤のような固定基層に遭遇した場合、付加的な負荷がエクスカベータを失速させる原因になり得る。
【００５７】
この場合に、システムは負荷を所定の閾値以下に低減させるためにすくい込み（ｓｃｏｏｐｉｎｇ）中にまたはすくい込み前にバケットを自動的に上昇させる。自動負荷低減のオペレータ・オーバーライドは、一実施形態において、例えばオペレータが大きな手動打消し指令を作用させることによって許容されてよい。失速を防止するためというよりむしろ機械効率を高めるために負荷限度が設定された場合、これによってオペレータは継続することが可能になる。しかしながら、失速を回避するために負荷限度が設定された場合、オペレータは自動負荷限度をオーバーライドすることによって失速を引き起こす虞がある。
【００５８】
これらの付加的な実施例からして、前述した実施例および次のプロセスフローはすべての起こり得る実施を鑑みて考慮されるべきであり、かつ単にプロセス実施例に関して特有の背景をもたらすトラック型トラクタードーザーだけではない。
【００５９】
便利な実施例としてトラック型トラクタードーザーに戻ると、稼働中に、自動モード選択および切換プロセスは、ブレード位置および機械状態値を分析して何のドージングモードにおいて機械が制御されるべきかを判定して、次いで、モードと整合性の取れたブレード制御を行う。例えば、軽ドージングモードにおいて、排土生産性は重要ではないが、ある一定の値以下にブレードを下降させないようにすることが望まれる。重ドージングモードにおいて、可能な限り多くの土を移動させる、すなわち、効率的に物質を除去および移動させることが望ましい。正確な切込深さは該モードでは重要でないが、効率的な性能は重要である。
【００６０】
プロセスの全体像は図７のプロセスフローに示されている。該プロセスはユーザーがブレード高さを設定し、かつある一定の機械速度およびある一定のスプロケットトルクである一定の物質を通過することを開始し、ある一定の結果のブレード負荷をもたらすことからスタートする。この瞬間はプロセス７００においてステージ７０１として示される。
【００６１】
ステージ７０２において、モード選択および切換プロセスは、ブレード高さおよび機械状態を分析しかつブレードが軽ドージングモードまたは重ドージングモードにおいて有利に自動的に制御できるか否かを判定する。例えば、前述の通り、機械速度が１．５ｍｐｈといったある一定の速度閾値以下である場合、およびオペレータが十分なブレード下降指令、例えば２０％を与えつつある場合、モード選択および切換プロセスはステージ７０３において重ドージングモードに入り得る。
【００６２】
同様に、機械速度が高い（該実施例において例えば１．８ｍｐｈより高い、速度が該範囲を持続する場合にモードハンチングを防止するために１．５ｍｐｈと１．８ｍｐｈとの間の差はヒステリシス幅をもたらす）場合若しくはオペレータが十分なブレード上昇指令を十分な持続時間（該実施例では、例えば５０％上昇で、少なくとも０．２秒）与える場合、モード選択および切換プロセスはステージ７０４において軽ドージングモードに入り得る。一実施形態では、ステージ７０５によって示される通り、いずれのモードも適切でないことが起こり得る。
【００６３】
いずれかの制御モード内から、コントローラはオーバーライド指令に関してユーザー入力を評価し、かついずれかのモードからおよびいずれの制御モードも選択されなかったとしても、コントローラは機械状態を定期的に再評価して現在の制御モードの使用が依然として適切であるか否かを判定して、必要に応じてモードを切り換える。
【００６４】
本開示がドージングタスク中にブレード制御を実行するに際してユーザーを支援するためのシステムおよび方法を提供することは正しく評価されるだろう。記載されシステムおよび方法は軽ドージングタスク中に一般的に微細な制御を向上させるばかりでなく、重ドージングタスク中にユーザー制御および機械効率をも向上させる。記載されシステムおよび方法のある特定の実施例だけが明記されてきた一方で、代替および修正は以上の記載からして当該技術分野における当業者にとって明らかであろう。これらの代替および他の代替は均等物でありかつ該開示および添付請求項の精神および範囲内であると考えられる。
【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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【国際調査報告】
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