JP2025033951A - Soil quality discrimination system and soil quality discrimination method - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、土質判別システムおよび土質判別方法に関する。 This disclosure relates to a soil type discrimination system and a soil type discrimination method.
特開2020-173150号公報(特許文献1)には、建設機械に搭載された土質判定装置が開示されている。土質判定装置は、画像に写された土の土質を判定するための、機械学習によって構築された学習モデルを記憶する記憶部と、建設機械に搭載されたカメラが撮影している土のカメラ画像と、学習モデルとを用いて、カメラ画像に写された土の土質を、カメラの撮影中にリアルタイムで判定する判定部と、を備えている。 JP 2020-173150 A (Patent Document 1) discloses a soil quality determination device mounted on a construction machine. The soil quality determination device includes a storage unit that stores a learning model constructed by machine learning for determining the soil quality of soil captured in an image, and a determination unit that uses a camera image of the soil captured by a camera mounted on the construction machine and the learning model to determine the soil quality of the soil captured in the camera image in real time while the camera is capturing the image.
特開2019-163621号公報(特許文献2)には、アタッチメントを所定速度及び所定角度で地面に接触させる所定動作を行ったときのセンサの検出値と、所定動作を行ったときのセンサの検出値と地盤の硬さとが対応付けされたデータとに基づいて、地盤の硬さを推定すると記載されている。 JP 2019-163621 A (Patent Document 2) describes that the hardness of the ground is estimated based on the sensor detection value when a predetermined operation is performed in which the attachment contacts the ground at a predetermined speed and a predetermined angle, and on data in which the sensor detection value when the predetermined operation is performed is associated with the hardness of the ground.
ICT(情報通信技術)機能を有する作業機械の導入が進んでいる。作業機械の作業時に取得可能なデータが増えてきている。そのデータを、作業機械の生産性向上に活用できることが期待されている。 The introduction of work machines equipped with ICT (information and communication technology) functions is progressing. The amount of data that can be acquired while the work machines are operating is increasing. It is hoped that this data can be used to improve the productivity of the work machines.
本開示では、作業時に取得されるデータを有効に利活用できるシステムおよび方法が提案される。 This disclosure proposes a system and method that can effectively utilize data acquired during work.
本開示に従った土質判別システムは、作業機を有する作業機械と、掘削対象を作業機で掘削する掘削作業時に、作業機の動作に関連する動作データを取得する取得部と、動作データと掘削対象の土質との対応関係に基づき、動作データから土質を判別する、コントローラと、を備えている。 The soil type discrimination system according to the present disclosure includes a work machine having a work implement, an acquisition unit that acquires operation data related to the operation of the work implement during an excavation operation in which the work implement is used to excavate an excavation target, and a controller that discriminates the soil type from the operation data based on the correspondence between the operation data and the soil type of the excavation target.
本開示に従った土質判別方法は、以下のステップを備えている。第1のステップは、作業機械の作業機で掘削対象を掘削する掘削作業時に、作業機の動作に関連する動作データを取得することである。第2のステップは、動作データと掘削対象の土質との対応関係に基づき、動作データから土質を判別することである。 The soil type discrimination method according to the present disclosure comprises the following steps. The first step is to acquire operation data related to the operation of the work machine during an excavation operation in which the work machine excavates an excavation target. The second step is to discriminate the soil type from the operation data based on the correspondence between the operation data and the soil type of the excavation target.
本開示によれば、掘削作業時に取得されるデータから掘削対象の土質を簡便に推定できるシステムおよび方法を実現することができる。 The present disclosure makes it possible to realize a system and method that can easily estimate the soil quality of the excavation target from data acquired during excavation work.
以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらについての詳細な説明は繰り返さない。実施形態から任意の構成が抽出され、それらが任意に組み合わされることも、当初から予定されている。 The following describes the embodiments with reference to the drawings. In the following description, identical parts and components are given the same reference numerals. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed descriptions of these will not be repeated. It is also intended from the outset that any configuration may be extracted from the embodiments and that they may be combined in any manner.
<作業機械の構成>
図1は、本開示に基づく作業機械の一例としての油圧ショベル100の構成を概略的に示す側面図である。図1に示されるように、本実施の形態の油圧ショベル100は、走行体1と、旋回体2と、作業機3とを主に有している。走行体1と旋回体2とにより、油圧ショベル100の車体が構成されている。
<Configuration of the work machine>
Fig. 1 is a side view showing a schematic configuration of a
走行体1は左右一対の履帯装置1aを有している。この左右一対の履帯装置1aの各々は、走行モータ1bと履帯とを有している。走行モータ1bは、走行体1の駆動源として設けられている。走行モータ1bは、油圧により駆動する油圧モータである。走行モータ1bが、左右一対の履帯を回転駆動することにより、油圧ショベル100が自走する。
The running
旋回体2は、走行体1の上に配置され、走行体1により支持されている。旋回体2は、運転室(キャブ)2aと、運転席2bと、エンジンルーム2cと、カウンタウェイト2dと、旋回モータ2eとを主に有している。運転室2aは、旋回体2のたとえば前方左側(車両前側)に配置されている。運転室2aの内部空間には、オペレータが着座するための運転席2bが配置されている。
The rotating
エンジンルーム2cおよびカウンタウェイト2dの各々は、運転室2aに対して旋回体2の後方側(車両後側)に配置されている。エンジンルーム2cは、エンジンユニット(エンジン、排気処理構造体など)を収納している。エンジンルーム2cの上方はエンジンフードにより覆われている。カウンタウェイト2dは、エンジンルーム2cの後方に配置されている。
The
旋回体2は、走行体1上に旋回サークル部を介して取り付けられている。旋回サークル部は、円環状の概略形状を有しており、内周面に旋回用の内歯を有している。この内歯と噛み合うピニオンが、旋回モータ2eに装着されている。旋回モータ2eから駆動力が伝達されて旋回サークル部が回転することにより、旋回体2は走行体1に対して相対回転可能とされている。旋回モータ2eは、油圧により駆動する油圧モータである。旋回モータ2eは、電動モータであってもよい。
The
振動センサ2fは、旋回体2のフレーム上に搭載されている。振動センサ2fは、旋回体2に発生する振動を検出する。
The
作業機3は、旋回体2の前方側であって運転室2aのたとえば右側にて軸支されている。作業機3は、たとえばブーム3a、アーム3b、バケット3c、ブームシリンダ4a、アームシリンダ4b、バケットシリンダ4cなどを有している。ブーム3aの基端部(一端)は、ブームボトムピン5aにより旋回体2に回転可能に連結されている。アーム3bの基端部(一端)は、ブームトップピン5bによりブーム3aの先端部(他端)に回転可能に連結されている。バケット3c(の一端)は、アームトップピン5cによりアーム3bの先端部(他端)に回転可能に連結されている。
The working
バケット3cは、作業機3の先端に配置されている。バケット3cの先端部を、刃先3caと称する。底面3cbは、バケット3cの外面の一部である。底面3cbは、平面で形成されている。
The
本実施形態においては、作業機3を基準として、油圧ショベル100の各部の位置関係について説明する。
In this embodiment, the positional relationship of each part of the
作業機3のブーム3aは、旋回体2に対して、ブームボトムピン5aを中心に回転移動する。旋回体2に対して回動するブーム3aの特定の部分、たとえばブーム3aの先端部が移動する軌跡は円弧状であり、その円弧を含む平面が特定される。油圧ショベル100を平面視した場合に、当該平面は直線として表される。この直線の延びる方向が、油圧ショベル100の車体の前後方向、または旋回体2の前後方向であり、以下では単に前後方向ともいう。油圧ショベル100の車体の左右方向(車幅方向)、または旋回体2の左右方向とは、平面視において前後方向と直交する方向であり、以下では単に左右方向ともいう。油圧ショベル100の車体の上下方向、または旋回体2の上下方向とは、前後方向および左右方向によって定められる平面に直交する方向であり、以下では単に上下方向ともいう。
The
前後方向において、車体から作業機3が突き出している側が前方向であり、前方向と反対方向が後方向である。前方向を視て左右方向の右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。上下方向において地面のある側が下側、空のある側が上側である。
In the front-to-rear direction, the side where the
前後方向とは、運転室2a内の運転席2bに着座したオペレータの前後方向である。左右方向とは、運転席2bに着座したオペレータの左右方向である。上下方向とは、運転席2bに着座したオペレータの上下方向である。運転席2bに着座したオペレータに正対する方向が前方向であり、運転席2bに着座したオペレータの背後方向が後方向である。運転席2bに着座したオペレータが正面に正対したときの右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。運転席2bに着座したオペレータの足元側が下側、頭上側が上側である。
The front-to-rear direction refers to the front-to-rear direction of the operator seated in the driver's
ブーム3aは、ブームシリンダ(ブーム油圧シリンダ)4aにより駆動可能である。この駆動により、ブーム3aは、ブームボトムピン5aを中心に旋回体2に対して上下方向に回動可能である。アーム3bは、アームシリンダ(アーム油圧シリンダ)4bにより駆動可能である。この駆動により、アーム3bは、ブームトップピン5bを中心にブーム3aに対して上下方向に回動可能である。バケット(アタッチメント)3cは、バケットシリンダ(アタッチメント油圧シリンダ)4cにより駆動可能である。この駆動によりバケット3cは、アームトップピン5cを中心にアーム3bに対して上下方向に回動可能である。このように作業機3は駆動可能である。
The
ブームボトムピン5aは、油圧ショベル100の車体に支持されている。ブームボトムピン5aは、旋回体2のフレームの一対の縦板(図示せず)に支持されている。ブームトップピン5bは、ブーム3aの先端に取り付けられている。アームトップピン5cは、アーム3bの先端に取り付けられている。ブームボトムピン5a、ブームトップピン5bおよびアームトップピン5cは、いずれも左右方向に延びている。ブームボトムピン5aはブームフートピンとも呼ばれる。
The
作業機3は、バケットリンク3dを有している。バケットリンク3dは、第1リンク部材3daと、第2リンク部材3dbとを有している。第1リンク部材3daの先端と第2リンク部材3dbの先端とは、バケットシリンダトップピン3dcを介して、相対回転可能に連結されている。バケットシリンダトップピン3dcは、バケットシリンダ4cの先端に連結されている。したがって第1リンク部材3daおよび第2リンク部材3dbは、バケットシリンダ4cにピン連結されている。
The
第1リンク部材3daの基端は、第1リンクピン3ddによりアーム3bに回転可能に連結されている。第2リンク部材3dbの基端は、第2リンクピン3deによりバケット3cの根元部分のブラケットに回転可能に連結されている。
The base end of the first link member 3da is rotatably connected to the
ブームシリンダ4aのヘッド側には、圧力センサ6aが取り付けられている。圧力センサ6aは、ブームシリンダ4aのシリンダヘッド側油室40A内の作動油の圧力(ヘッド圧)を検出することができる。ブームシリンダ4aのボトム側には、圧力センサ6bが取り付けられている。圧力センサ6bは、ブームシリンダ4aのシリンダボトム側油室40B内の作動油の圧力(ボトム圧)を検出することができる。圧力センサ6a,6bは、ヘッド圧とボトム圧とからなる作動油圧力情報を後述のメインコントローラ50に出力する。
A
アームシリンダ4bのヘッド側には、圧力センサ6cが取り付けられている。圧力センサ6cは、アームシリンダ4bのシリンダヘッド側油室内の作動油の圧力(ヘッド圧)を検出することができる。アームシリンダ4bのボトム側には、圧力センサ6dが取り付けられている。圧力センサ6dは、アームシリンダ4bのシリンダボトム側油室内の作動油の圧力(ボトム圧)を検出することができる。圧力センサ6c,6dは、ヘッド圧とボトム圧とからなる作動油圧力情報を後述のメインコントローラ50に出力する。
A
バケットシリンダ4cのヘッド側には、圧力センサ6eが取り付けられている。圧力センサ6eは、バケットシリンダ4cのシリンダヘッド側油室内の作動油の圧力(ヘッド圧)を検出することができる。バケットシリンダ4cのボトム側には、圧力センサ6fが取り付けられている。圧力センサ6fは、バケットシリンダ4cシリンダボトム側油室内の作動油の圧力(ボトム圧)を検出することができる。圧力センサ6e,6fは、ヘッド圧とボトム圧とからなる作動油圧力情報を後述のメインコントローラ50に出力する。
A
ブーム3a、アーム3bおよびバケット3cには、それぞれの位置および姿勢の情報を得るための位置センサが設けられている。位置センサは、ブーム3a、アーム3bおよびバケット3cのそれぞれの位置を得るためのブーム情報、アーム情報およびアタッチメント情報を、後述のメインコントローラ50に出力する。
The
ブームシリンダ4aには、位置センサとして、ストロークセンサ7aが取り付けられている。ストロークセンサ7aは、ブームシリンダ4aにおけるシリンダ4aaに対するシリンダロッド4abの変位量をブーム情報として検出する。アームシリンダ4bには、位置センサとして、ストロークセンサ7bが取り付けられている。ストロークセンサ7bは、アームシリンダ4bにおけるシリンダロッドの変位量をアーム情報として検出する。バケットシリンダ4cには、位置センサとして、ストロークセンサ7cが取り付けられている。ストロークセンサ7cは、バケットシリンダ4cにおけるシリンダロッドの変位量をアタッチメント情報として検出する。
A
位置センサは、角度センサであってもよい。ブームボトムピン5aの周囲には、角度センサ9aが取り付けられている。ブームトップピン5bの周囲には、角度センサ9bが取り付けられている。アームトップピン5cの周囲には、角度センサ9cが取り付けられている。角度センサ9a,9b,9cは、ポテンショメータであってもよく、ロータリーエンコーダであってもよい。角度センサ9a,9b,9cは、ブーム3aなどの回転角情報(ブーム情報、アーム情報およびアタッチメント情報)を、後述のメインコントローラ50に出力する。
The position sensor may be an angle sensor. An
図1に示されるように、側方視において、ブームボトムピン5aとブームトップピン5bとを通る直線(図1中に二点鎖線で図示)と、上下方向に延びる直線(図1中に破線で図示)とのなす角度を、ブーム角θbとする。ブーム角θbは、通常、鋭角である。ブーム角θbは、旋回体2に対するブーム3aの角度を表す。ブーム角θbは、ストロークセンサ7aの検出結果から算出することができ、また角度センサ9aの測定値から算出することができる。
As shown in FIG. 1, the angle between a straight line passing through the
側方視において、ブームボトムピン5aとブームトップピン5bとを通る直線と、ブームトップピン5bとアームトップピン5cとを通る直線(図1中に二点鎖線で図示)とのなす角度を、アーム角θaとする。アーム角θaは、側方視でアーム3bが回動する領域におけるブーム3aに対するアーム3bの角度を表す。アーム角θaは、ストロークセンサ7bの検出結果から算出することができ、また角度センサ9bの測定値から算出することができる。
In a side view, the angle between a straight line passing through the
側方視において、ブームトップピン5bとアームトップピン5cとを通る直線と、アームトップピン5cとバケット3cの刃先とを通る直線(図1中に二点鎖線で図示)とのなす角度を、バケット角θkとする。バケット角θkは、側方視でバケット3cが回動する領域におけるアーム3bに対するバケット3cの角度を表す。バケット角θkは、ストロークセンサ7cの検出結果から算出することができ、また角度センサ9cの測定値から算出することができる。
In a side view, the angle between a line passing through the
位置センサは、IMU(Inertial Measurement Unit:慣性計測装置)であってもよい。旋回体2、ブーム3a、アーム3bおよび第1リンク部材3daのそれぞれには、IMU8a,8b,8c,8dが取り付けられている。IMU8aは、前後方向、左右方向および上下方向における旋回体2の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりの旋回体2の角速度とを計測する。IMU8b,8c,8dのそれぞれは、前後方向、左右方向および上下方向におけるブーム3a、アーム3b、第1リンク部材3daの加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりのブーム3a、アーム3b、第1リンク部材3daの角速度とを計測する。
The position sensor may be an IMU (Inertial Measurement Unit).
旋回体2に取り付けられたIMU8aで測定された加速度とブーム3aに取り付けられたIMU8bで測定された加速度との差分に基づいて、ブームシリンダ4aの伸縮の加速度(ブームシリンダ4aの伸縮速度の変化量)を取得することができる。ブーム角θb、アーム角θa、バケット角θkは、それぞれIMU8b,8c,8dの検出結果から算出されてもよい。
The acceleration of the
位置センサとして、各油圧シリンダのストロークセンサ、ブーム3aなどの各リンクの角度センサ、およびIMUを挙げたが、位置センサは六軸加速度センサであってもよい。位置センサは上記センサのいくつかを併用するものであってもよい。位置センサは上記センサに加え、GNSS(Global Navigation Satellite System:衛星測位システム)を併用するものであってもよい。
Although the position sensors mentioned above include stroke sensors for each hydraulic cylinder, angle sensors for each link such as the
<作業機械のシステムの概略構成>
次に、作業機械のシステムの概略構成について図2を用いて説明する。図2は、図1に示される作業機械のシステムの概略構成を示すブロック図である。
<Overall configuration of the work machine system>
Next, the schematic configuration of the system of the work machine will be described with reference to Fig. 2. Fig. 2 is a block diagram showing the schematic configuration of the system of the work machine shown in Fig. 1.
図2に示されるように、本実施形態におけるシステムは、図1に示す作業機械の一例としての油圧ショベル100と、図2に示されるメインコントローラ50とを含んでいる。
As shown in FIG. 2, the system in this embodiment includes a
エンジン31は、一例としてディーゼルエンジンである。エンジン31の出力軸は、油圧ポンプ34に連結されている。エンジン31は、油圧ポンプ34を回転させる駆動力を発生する。ガバナ32は、エンジン31内の燃料噴射装置による燃料噴射量を調節する。
The
エンジンコントローラ41は、エンジン31の指令回転数に基づく燃料噴射量の指令値をガバナ32に出力して、燃料噴射装置が噴射する燃料量を制御することにより、エンジン31の回転数を調節する。エンジン31の出力軸には、回転センサ33が設けられている。回転センサ33は、エンジン31の回転数を検出する。回転センサ33は、エンジン31の回転数の検出結果を、エンジンコントローラ41に出力する。
The
油圧ポンプ34は、エンジン31の回転駆動力が伝達されることにより駆動されて、油圧アクチュエータを駆動する油圧を発生させるための圧油を吐出する。油圧アクチュエータは、図1にも示される油圧シリンダ、すなわちブームシリンダ4a、アームシリンダ4b、およびバケットシリンダ4cと、図1にも示される油圧モータ、すなわち走行モータ1bおよび旋回モータ2eと、を含んでいる。油圧アクチュエータは、操作弁35を介して、油圧ポンプ34と接続されている。
The
油圧ポンプ34は、たとえば斜板を有し、斜板の傾転角が変更されることにより吐出容量を変化させる可変容量型の油圧ポンプである。油圧ポンプ34には、斜板駆動装置39が接続されている。斜板駆動装置39は、油圧ポンプ34の斜板の傾斜角度を変更する。圧力センサ36は、油圧ポンプ34から吐出された油の圧力を検出する。圧力センサ36は、油圧の検出結果を、ポンプコントローラ42に出力する。油圧ポンプ34から吐出された油の一部は、作動油として操作弁35に供給される。油圧ポンプ34から吐出された油の一部は、自己圧減圧弁37によって一定の圧力に減圧されて、パイロット油として使用される。
The
操作弁35は、たとえば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換えるスプール方式の弁である。スプールが軸方向に移動することにより、油圧アクチュエータに対する作動油の供給量が調整される。操作弁35には、スプールの移動距離(スプールストローク)を検出するストロークセンサ35aが設けられる。油圧アクチュエータへの油圧の供給および排出が制御されることにより、作業機3の動作、旋回体2の旋回、および走行体1の走行動作が制御される。
The
なお、本例においては、油圧アクチュエータを作動するために油圧アクチュエータに供給される油は、作動油と称される。また、操作弁35のスプールを作動するために操作弁35に供給される油はパイロット油と称される。また、パイロット油の圧力はパイロット油圧と称される。
In this example, the oil supplied to the hydraulic actuator to operate the hydraulic actuator is called hydraulic oil. Also, the oil supplied to the operating
油圧ポンプ34は、上記のように作動油とパイロット油との両方を送出するものであってもよい。油圧ポンプ34は、作動油を送出する油圧ポンプ(メイン油圧ポンプ)と、パイロット油を送出する油圧ポンプ(パイロット油圧ポンプ)とを別々に有してもよい。
The
パイロット油の経路に、EPC(電磁比例制御)弁38が設けられている。EPC弁38は、メインコントローラ50からの指令電流に従って、パイロット油圧を操作弁35に出力する。操作弁35は、パイロット油圧に従って、油圧アクチュエータを制御する。
An EPC (electromagnetic proportional control)
エンジンコントローラ41とポンプコントローラ42とは、油圧ショベル100に搭載されている。エンジンコントローラ41とポンプコントローラ42とは、電気的に接続されており、互いに情報の送受信が可能である。エンジンコントローラ41とポンプコントローラ42とはまた、メインコントローラ50に電気的に接続されている。
The
メインコントローラ50は、油圧ショベル100全体を制御するコントローラであり、CPU(Central Processing Unit)、不揮発性メモリ、タイマなどにより構成される。メインコントローラ50は、エンジンコントローラ41およびポンプコントローラ42を制御する。
The
メインコントローラ50は、油圧ショベル100に搭載されていてもよい。メインコントローラ50は、油圧ショベル100の外部に設置されていてもよい。メインコントローラ50は、油圧ショベル100の作業現場に配置されてもよく、油圧ショベル100の作業現場から離れた遠隔地に配置されてもよい。メインコントローラ50は、たとえばコンピュータ、サーバ、携帯端末などであってもよい。
The
操作装置25は、運転室2a(図1)内に配置されている。操作装置25は、オペレータにより操作される。操作装置25は、作業機3を駆動するオペレータ操作を受け付ける。また操作装置25は、旋回体2を旋回させるオペレータ操作を受け付ける。操作装置25は、たとえば電気式の操作装置であって、操作レバー25aと、操作量センサ25bとを有している。
The operating
操作レバー25aは、オペレータにより操作される。操作量センサ25bは、オペレータによる操作レバー25aの操作内容を検出する。操作量センサ25bは、たとえばポテンショメータ、ホール素子などである。操作量センサ25bは、操作レバー25aの操作内容の検出結果を、メインコントローラ50に出力する。メインコントローラ50は、操作装置25からの操作指令に基づいて、EPC弁38を制御して、油圧アクチュエータを駆動する。
The
操作装置25は、電気式に限られず、パイロット油圧方式の操作装置であってもよい。操作装置25がパイロット油圧方式である場合には、操作レバー25aの操作内容は、たとえばパイロット油の圧力を検出する圧力センサによって検出される。
The operating
メインコントローラ50には、ストロークセンサ7a~7c、IMU8a~8d、角度センサ9a~9c、圧力センサ6a~6fおよび振動センサ2fの検出信号も入力される。メインコントローラ50は、各センサと有線で電気的に接続されていてもよく、また無線で通信可能とされていてもよい。
Detection signals from the
メインコントローラ50は、詳細を後述するように、油圧ショベル100による掘削対象の土質を判別する。メインコントローラ50は、土質の判別結果を、出力部60に出力する。出力部60は、たとえばモニタ、プリンタなどのハードウェアであってもよい。出力部60は、油圧ショベル100に搭載されていてもよい。出力部60は、油圧ショベル100の外部に配置されている外部コントローラであってもよい。外部コントローラは、コンピュータ、サーバ、携帯端末などであってもよい。外部コントローラは、施工管理システムを構成するコンピュータであってもよい。
The
回転センサ33が検出するエンジン31の回転数は、エンジンコントローラ41に入力される。エンジンコントローラ41、ポンプコントローラ42およびメインコントローラ50のいずれかは、エンジン31の回転数に応じたエンジン31の出力トルクと油圧ポンプ34による吸収トルクとを演算する。図3は、エンジン回転数とトルクとの関係の例を示す図である。
The
図3に示されるように、エンジン31の回転数が大きいほど、エンジン31の出力トルクは小さくなる。一方、油圧ポンプ34はエンジン31の回転数に応じた吸収トルクを発生し、エンジン31の回転数が大きいほど、油圧ポンプ34が吸収するトルクは大きくなる。
As shown in FIG. 3, the higher the rotation speed of the
そのため、エンジン31の回転数が上がると、エンジン31の出力トルクが低下し、油圧ポンプ34による吸収トルクが上昇するため、エンジン31の回転数は低下し始める。他方、エンジン31の回転数が下がると、エンジン31の出力トルクが上昇し、油圧ポンプ34による吸収トルクが低下するため、エンジン31の回転数は増加し始める。この繰り返しにより、エンジン31および油圧ポンプ34は、エンジン31の回転数とエンジン31の出力トルクと油圧ポンプ34の回転数および吸収トルクとが一致するマッチング点で安定して動作することとなる。
Therefore, when the rotation speed of the
<メインコントローラ50内の機能ブロック>
次に、メインコントローラ50内の機能ブロックについて図4を用いて説明する。図4は、図2に示されるメインコントローラ50内の機能ブロックを示す図である。
<Functional blocks in the
Next, the functional blocks in the
位置センサを構成するストロークセンサ7a~7c、IMU8a~8d、角度センサ9a~9cなどの検出結果が、メインコントローラ50に入力される。作業機姿勢取得部56は、位置センサの検出結果に基づいて、作業機3の姿勢を取得する。作業機姿勢取得部56は、掘削作業中の各時点における作業機3の姿勢から、掘削作業中のバケット3cの刃先3caの軌跡を取得する。
The detection results of the
土工量算出部51は、圧力センサ6aによって検出されるブームシリンダ4aのヘッド圧と、圧力センサ6bによって検出されるブームシリンダ4aのボトム圧との差に基づいて、バケット3cに積載されている荷L(図1)の重量(ペイロード)を算出する。土工量算出部51は、作業機3の姿勢に対してのブームシリンダ4aのヘッド圧とボトム圧との圧力差の変化を認識し、その作業機3の姿勢でバケット3cがどのくらいの荷重を抱えているかを示すデータテーブルを参照して、バケット3cに載った荷Lの重量を算出する。当該データテーブルは、記憶部59に記憶されている。
The earthwork
掘削時間算出部57は、操作量センサ25bから、操作レバー25aの操作内容の検出結果の入力を受ける。掘削時間算出部57は、アーム3bを掘削方向へ駆動させる指令を開始した時刻と、アーム3bを掘削方向へ駆動させる指令を停止した時刻と、を把握する。掘削時間算出部57は、アーム3bを掘削方向へ駆動させる指令をした時間を算出し、算出した時間を掘削時間としてもよい。
The excavation
掘削時間算出部57は、作業機姿勢取得部56が取得した作業機3の姿勢を用いて、予め規定した作業機3の掘削開始の姿勢を検知した時点を起点とし、予め規定した作業機3の掘削終了の姿勢(たとえば、バケット3cが荷Lを抱え込み終えた姿勢)を検知した時点を終点として、作業機3が起点から終点まで移動するのに要した時間を算出し、算出した時間を掘削時間としてもよい。作業機3の、掘削開始の姿勢、および掘削終了の姿勢は、記憶部59に記憶されている。
The excavation
掘削時間算出部57は、作業機姿勢取得部56が取得したバケット3cのみの姿勢を用いて、バケット3cの掘削開始姿勢を検知した時点を起点とし、バケット3cの掘削終了姿勢を終点として、バケット3cが起点から終点まで移動するのに要した時間を算出し、算出した時間を掘削時間としてもよい。バケット3cの掘削開始姿勢および掘削終了姿勢は、記憶部59に記憶されている。
The excavation
作業機姿勢取得部56は、バケット3cの刃先3caの位置を、位置センサからの入力に基づいて取得する。刃先速度算出部52は、掘削開始から掘削終了までの、時系列の刃先3caの位置を取得する。刃先速度算出部52は、時系列の刃先3caの位置座標の微分より、刃先3caの速度を求めて、その速度の平均を掘削作業時の刃先3caの平均速度として算出する。
The work machine
刃先速度算出部52は、掘削開始時点のバケット3cの刃先3caの位置と、掘削終了時点の刃先3caの位置とから、掘削作業中に刃先3caが移動した距離を算出して、刃先3caが移動した距離を掘削時間で割ることにより、掘削作業時の刃先3caの平均速度を算出してもよい。
The cutting edge
効率算出部53は、土工量算出部51が算出したペイロードを、掘削時間算出部57が算出した掘削時間で割ることにより、単位時間あたりの土工量を算出し、これを掘削作業の作業効率とする。効率算出部53はまた、エンジンコントローラ41からガバナ32へ指令される燃料噴射量を取得する。効率算出部53は、土工量算出部51が算出したペイロードを、掘削作業中にエンジン31に供給された燃料量で割ることにより、エンジン31への燃料の単位供給量あたりの土工量を算出し、これを掘削作業の燃費効率とする。
The
刃先負荷算出部54は、圧力センサ6a,6bによって検出されるブームシリンダ4aのヘッド圧とボトム圧とに基づいて、ブームシリンダ4aの推力を算出する。刃先負荷算出部54は、圧力センサ6c,6dによって検出されるアームシリンダ4bのヘッド圧とボトム圧とに基づいて、アームシリンダ4bの推力を算出する。刃先負荷算出部54は、圧力センサ6e,6fによって検出されるバケットシリンダ4cのヘッド圧とボトム圧とに基づいて、バケットシリンダ4cの推力を算出する。
The blade
刃先負荷算出部54は、各シリンダの推力と、位置センサの検出結果に基づく作業機3の位置関係のモーメントとから、バケット3cの刃先3caにかかる負荷を算出することができる。
The blade
作業機姿勢取得部56は、位置センサの検出結果に基づいて、バケット3cの姿勢を取得する。貫入量算出部55は、地表面に対してバケット3cがどのような位置にあるかを認識する。貫入量算出部55は、側方視したバケット3cのうち、地中に貫入している面積を算出する。貫入量算出部55は、バケット3cの地中に貫入している面積と、バケット3cの幅と、を掛け合わせることにより、地中に貫入したバケット3cの体積を算出する。貫入量算出部55は、算出したバケット3cの体積を、バケット3c内に掬い込まれた見かけ上の土量とする。
The work machine
土質判別部58は、刃先3caの速度、刃先3caにかかる負荷、バケット3c内に積載された荷Lの重量、掘削作業の燃費効率、掘削作業の作業効率、刃先3caの軌跡、操作レバー25aの操作内容、地中に貫入したバケット3cの体積、のうちの少なくともいずれか1つから、掘削対象の土質を判別する。
The soil
掘削対象を作業機3で掘削する掘削作業時の作業機3の動作に関連する動作データは、位置センサによって検出される作業機3の姿勢、圧力センサ6a~6fによって検出される各シリンダ4a,4b,4cの油圧、操作量センサ25bによって検出される操作レバー25aの操作内容、および、エンジンコントローラ41からガバナ32へ指令される燃料噴射量、を含む。掘削作業時の作業機3の動作に関連する動作データはまた、上記の検出される各データの値を演算させることで得られる、刃先3caの速度、刃先3caにかかる負荷、バケット3c内に積載された荷Lの重量、掘削作業の燃費効率、掘削作業の作業効率、刃先3caの軌跡、および地中に貫入したバケット3cの体積を含む。動作データと土質との対応関係は、記憶部59に記憶されている。
Operation data related to the operation of the
<簡易N値>
実施形態では、掘削作業時に取得される動作データから、土質のパラメータの1つである硬さを推定する。掘削対象である土系材料の硬さの指標として、簡易N値が用いられる。簡易N値は、簡易N値計を使用して計測される。図5は、簡易N値計200の構成を示す模式図である。
<Simple N value>
In the embodiment, hardness, which is one of the parameters of soil quality, is estimated from operation data acquired during excavation work. A simplified N-value is used as an index of hardness of the soil material to be excavated. The simplified N-value is measured using a simplified N-value meter. Fig. 5 is a schematic diagram showing the configuration of a simplified N-
簡易N値計200は、先端コーン201と、ハンマー202と、貫入ロッド203と、ガイドロッド204と、ノッキングヘッド205とを備えている。先端コーン201は、貫入ロッド203の下端に取り付けられている。先端コーン201の下端は、尖った形状を有している。先端コーン201は、全体としてコーン(円錐)形状を有している。ノッキングヘッド205は、貫入ロッド203の上端に取り付けられている。先端コーン201とノッキングヘッド205とは、貫入ロッド203に対して相対移動不能に、貫入ロッド203に固定されている。
The simplified N-
ガイドロッド204の下端が、ノッキングヘッド205に取り付けられている。ノッキングヘッド205とガイドロッド204とは、相対移動不能に固定されている。貫入ロッド203とガイドロッド204とは、同一直線上に延びている。ハンマー202は、ガイドロッド204に対して相対移動可能に、ガイドロッド204に取り付けられている。ハンマー202は、ガイドロッド204に沿って、ノッキングヘッド205に対して相対移動可能である。ハンマー202の下面は平坦であり、ノッキングヘッド205の上面も平坦である。
The lower end of the
先端コーン201、貫入ロッド203、およびノッキングヘッド205からなるアセンブリは、「先端がコーン形状の部品」の一例に対応する。先端コーン201は、「先端がコーン形状の部品」の先端に対応し、ノッキングヘッド205は、「先端がコーン形状の部品」の先端の反対側の他端に対応する。
The assembly consisting of the
簡易N値は、以下のようにして計測される。先端コーン201の下端を地表面GLに突き当てた状態で、貫入ロッド203およびガイドロッド204が地表面GLに対して垂直な方向に延びるように、簡易N値計200を配置する。この状態で、ハンマー202をノッキングヘッド205から規定高さだけ持ち上げて、ガイドロッド204に沿わせてハンマー202を自由落下させる。
The simplified N value is measured as follows. The simplified
ハンマー202は、ガイドロッド204に沿って落下して、ノッキングヘッド205に衝突する。ノッキングヘッド205がハンマー202の打撃を受けて、ノッキングヘッド205に衝撃が与えられると、ノッキングヘッド205は、地表面GLに向かって下方へ移動しようとする。ノッキングヘッド205と一体的に、先端コーン201と貫入ロッド203とが下方へ移動しようとする。下方へ移動した先端コーン201が、地中に貫入する。先端コーン201が所定の深さ(たとえば、地表面GLから10cmの深さ)まで貫入するまでの、ハンマー202を落下させる回数を計測し、この回数を簡易N値とする。
The
<掘削対象の土質判別>
実施形態では、土質判別部58は、掘削作業時に取得した動作データに対応する、動作データと掘削対象の土質との対応関係を、記憶部59から読み出す。土質判別部58は、読み出した対応関係に基づき、動作データから掘削対象の土質を判別する。具体的に、土質判別部58は、読み出した対応関係に、取得した動作データを当てはめることにより、掘削対象の土質を判別する。
<Determining the soil type of the excavation target>
In the embodiment, the soil
図6は、動作データと土質との対応関係の例を示す第1の図である。図6に示されるグラフの横軸は上述した簡易N値であり、縦軸は掘削作業時の刃先3caの速度(単位:mm/sec)である。図6に示されるように、掘削作業中の刃先3caの速度と簡易N値との間にはよい相関がある。図6に示される、刃先3caの速度と簡易N値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部59に記憶されている。
Figure 6 is a first diagram showing an example of the correspondence between operation data and soil type. The horizontal axis of the graph shown in Figure 6 is the simplified N value described above, and the vertical axis is the speed of the cutting edge 3ca during excavation work (unit: mm/sec). As shown in Figure 6, there is a good correlation between the speed of the cutting edge 3ca during excavation work and the simplified N value. The data table shown in Figure 6, which associates the speed of the cutting edge 3ca with the simplified N value, is stored in the
掘削作業時に、作業機姿勢取得部56は、作業機3の姿勢を取得し、刃先速度算出部52は、掘削作業時の刃先3caの平均速度を算出する。土質判別部58は、図6に示されるデータテーブルを記憶部59から読み出し、算出された刃先3caの速度に対応する簡易N値を求める。このようにして土質判別部58は、刃先3caの速度から、掘削対象の硬さの指標である簡易N値を求めることができる。土質判別部58は、刃先3caの速度が小さいほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易N値は土質のパラメータの1つであるので、土質判別部58は、刃先3caの速度から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。
During excavation work, the work machine
図7は、動作データと土質との対応関係の例を示す第2の図である。図7に示されるグラフの横軸は簡易N値であり、縦軸は掘削作業の作業効率(単位:ton/h)である。図7に示されるように、掘削作業の作業効率と簡易N値との間にはよい相関がある。図7に示される、作業効率と簡易N値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部59に記憶されている。
Figure 7 is a second diagram showing an example of the correspondence between operation data and soil type. The horizontal axis of the graph shown in Figure 7 is the simplified N value, and the vertical axis is the work efficiency of excavation work (unit: ton/h). As shown in Figure 7, there is a good correlation between the work efficiency of excavation work and the simplified N value. The data table shown in Figure 7, which associates work efficiency with the simplified N value, is stored in the
掘削作業時に、作業機姿勢取得部56は、作業機3の姿勢を取得し、土工量算出部51は、ブームシリンダ4aのシリンダ圧を取得して、バケット3c内に積載された荷Lの重量(ペイロード)を算出する。効率算出部53は、ペイロードに基づいて、作業効率を算出する。土質判別部58は、図7に示されるデータテーブルを記憶部59から読み出し、算出された作業効率に対応する簡易N値を求める。このようにして土質判別部58は、作業効率から、掘削対象の硬さの指標である簡易N値を求めることができる。土質判別部58は、作業効率が低いほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易N値は土質のパラメータの1つであるので、土質判別部58は、作業効率から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。
During excavation work, the work machine
図8は、動作データと土質との対応関係の例を示す第3の図である。図8に示されるグラフの横軸は掘削作業時の刃先3caの速度(単位:mm/sec)であり、縦軸は掘削作業時に地中に貫入した刃先3caにかかる負荷(単位:kN)である。図8に示されるように、刃先3caにかかる負荷と刃先3caの速度との間にはよい相関がある。図8に示される、刃先3caにかかる負荷と刃先3caの速度とを関連付けたデータテーブルは、記憶部59に記憶されている。
Figure 8 is a third diagram showing an example of the correspondence between operation data and soil type. The horizontal axis of the graph shown in Figure 8 is the speed (unit: mm/sec) of the cutting edge 3ca during excavation work, and the vertical axis is the load (unit: kN) on the cutting edge 3ca that has penetrated into the ground during excavation work. As shown in Figure 8, there is a good correlation between the load on the cutting edge 3ca and the speed of the cutting edge 3ca. The data table shown in Figure 8 that associates the load on the cutting edge 3ca with the speed of the cutting edge 3ca is stored in the
図9は、動作データと土質との対応関係の例を示す第4の図である。図9に示されるグラフの横軸は簡易N値であり、縦軸は刃先3caにかかる負荷(単位:kN)である。図6に示されるように刃先3caの速度と簡易N値との間にはよい相関があり、図8に示されるように刃先3caにかかる負荷と刃先3caの速度との間にはよい相関がある。そのため、図9に示されるように、刃先3caにかかる負荷から簡易N値を推定することが可能である。図9に示される、刃先3caにかかる負荷と簡易N値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部59に記憶されている。
Figure 9 is a fourth diagram showing an example of the correspondence between operation data and soil type. The horizontal axis of the graph shown in Figure 9 is the simplified N value, and the vertical axis is the load (unit: kN) on the cutting edge 3ca. As shown in Figure 6, there is a good correlation between the speed of the cutting edge 3ca and the simplified N value, and as shown in Figure 8, there is a good correlation between the load on the cutting edge 3ca and the speed of the cutting edge 3ca. Therefore, as shown in Figure 9, it is possible to estimate the simplified N value from the load on the cutting edge 3ca. The data table shown in Figure 9, which associates the load on the cutting edge 3ca with the simplified N value, is stored in the
掘削作業時に、作業機姿勢取得部56は、作業機3の姿勢を取得し、刃先負荷算出部54は、圧力センサ6a~6fによって検出される各シリンダの圧力を取得して、バケット3cの刃先3caにかかる負荷を算出する。土質判別部58は、図9に示されるデータテーブルを記憶部59から読み出し、算出された刃先3caにかかる負荷に対応する簡易N値を求める。このようにして土質判別部58は、刃先3caにかかる負荷から、掘削対象の硬さの指標である簡易N値を求めることができる。土質判別部58は、刃先3caにかかる負荷が大きいほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易N値は土質のパラメータの1つであるので、土質判別部58は、地中に貫入した刃先3caにかかる負荷から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。
During excavation work, the work machine
油圧ショベル100が、刃先3caの速度を算出するための動作データを取得できるセンサを備えていない場合でも、シリンダの圧力を取得できれば、簡易N値を推定することができる。シリンダの圧力を検出する圧力センサを外付けすることで、簡易N値の推定を可能にすることもできる。したがって、実施形態の土質の判別を適用可能な作業車両の範囲を広げることが可能になる。
Even if the
図15は、動作データと土質との対応関係の例を示す第7の図である。図15に示されるグラフの横軸は簡易N値であり、縦軸は掘削作業の燃費効率(単位:t/L)である。図15に示されるように、掘削作業の燃費効率と簡易N値との間にはよい相関がある。図15に示される、燃費効率と簡易N値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部59に記憶されている。
Figure 15 is the seventh diagram showing an example of the correspondence between operation data and soil type. The horizontal axis of the graph shown in Figure 15 is the simplified N value, and the vertical axis is the fuel efficiency of excavation work (unit: t/L). As shown in Figure 15, there is a good correlation between the fuel efficiency of excavation work and the simplified N value. The data table shown in Figure 15, which associates fuel efficiency with the simplified N value, is stored in the
掘削作業時に、土工量算出部51は、ペイロードを算出し、効率算出部53は、エンジン31への燃料の供給量を取得する。効率算出部53は、ペイロードと燃料供給量とに基づいて、燃費効率を算出する。土質判別部58は、図15に示されるデータテーブルを記憶部59から読み出し、算出された燃費効率に対応する簡易N値を求める。このようにして土質判別部58は、燃費効率から、掘削対象の硬さの指標である簡易N値を求めることができる。土質判別部58は、燃費効率が低いほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易N値は土質のパラメータの1つであるので、土質判別部58は、燃費効率から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。
During excavation work, the earthwork
図16は、動作データと土質との対応関係の例を示す第8の図である。図16に示されるグラフの横軸は、掘削開始点を座標ゼロとしたときの、バケット3cの刃先3caの水平方向の移動距離である。図16に示されるグラフの縦軸は、掘削開始点を座標ゼロとしたときの、バケット3cの刃先3caの深さ方向の掘削距離である。つまり、縦軸の座標がゼロの地点が地表面であり、縦軸の座標がゼロから離れるほど、地中のより深くにまで刃先3caが到達していることになる。図16には、掘削対象の硬さの指標である簡易N値=3のときの掘削中の刃先3caの軌跡を太線で示し、簡易N値=49のときの掘削中の刃先3caの軌跡を細線で示している。
Figure 16 is the eighth diagram showing an example of the correspondence between operation data and soil type. The horizontal axis of the graph shown in Figure 16 is the horizontal movement distance of the blade tip 3ca of the
図16に示されるように、掘削作業中の刃先3caの軌跡には、掘削対象の硬さによる差がある。掘削対象が硬いと、刃先3caが地中に貫入しにくいため、刃先3caは地中の浅い位置を長い距離移動し、地表面を削り取るような刃先3caの軌跡になる。バケット3c内により多くの荷Lを積載するために、オペレータは刃先3caの角度を細かく調整したり刃先3caにかかる負荷を細かく調整したりするので、刃先3caの軌跡には凹凸が多く見られるようになる。一方、掘削対象が軟らかいと、刃先3caが地中に容易に貫入するため、深さ方向の掘削距離が大きくなる。バケット3cの姿勢を細かく調整しなくてもバケット3c内に多くの荷Lを容易に積載することが可能なので、刃先3caの軌跡に凹凸は少なく、滑らかな軌跡となる。
As shown in FIG. 16, the trajectory of the cutting edge 3ca during excavation work varies depending on the hardness of the excavation target. If the excavation target is hard, the cutting edge 3ca has difficulty penetrating the ground, so the cutting edge 3ca moves a long distance at a shallow position in the ground, resulting in a trajectory of the cutting edge 3ca that scrapes away the ground surface. In order to load more load L into the
掘削作業時に、作業機姿勢取得部56は、作業機3の姿勢を取得し、掘削開始点から掘削終了点までの刃先3caの軌跡を取得する。作業機姿勢取得部56は、刃先3caの軌跡から、刃先3caが地中の最も深い位置に到達したときの深さ方向の掘削距離を求め、求めた深さ方向の掘削距離を、最大深さとする。最大深さを平均化して比較すれば、簡易N値との相関が現れる。記憶部59には、最大深さと簡易N値とを関連付けたデータテーブルが記憶されている。
During excavation work, the work machine
土質判別部58は、最大深さと簡易N値とを関連付けたデータテーブルを記憶部59から読み出し、最大深さに対応する簡易N値を求める。このようにして土質判別部58は、地中に貫入したバケット3cの刃先3caから、掘削対象の硬さの指標である簡易N値を求めることができる。土質判別部58は、最大深さが小さいほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易N値は土質のパラメータの1つであるので、土質判別部58は、刃先3caの軌跡から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。
The soil
図17は、動作データと土質との対応関係の例を示す第9の図である。図18は、動作データと土質との対応関係の例を示す第10の図である。図17,18に示されるグラフの横軸は、掘削開始時点を時刻ゼロとしたときの、掘削中の時間の経過を示す。 Figure 17 is a ninth diagram showing an example of the correspondence between operation data and soil type. Figure 18 is a tenth diagram showing an example of the correspondence between operation data and soil type. The horizontal axis of the graphs shown in Figures 17 and 18 indicates the passage of time during excavation, with the start of excavation being time zero.
図17,18に示されるグラフの縦軸は、掘削作業時の刃先3caの速度(単位:mm/sec)、および、掘削作業時の操作レバー25aの操作内容を示す。操作レバー25aが中立のときの入力を0%とし、操作レバー25aを最大に傾斜させたときの入力を100%とする。ブーム3aを操作するための操作レバー25aの操作が、ブームレバー入力である。アーム3bを操作するための操作レバー25aの操作が、アームレバー入力である。バケット3cを操作するための操作レバー25aの操作が、バケットレバー入力である。
The vertical axis of the graphs shown in Figures 17 and 18 indicates the speed (unit: mm/sec) of the cutting edge 3ca during excavation work, and the operation of the
図17には、掘削対象の硬さの指標である簡易N値=3のときの、掘削中の刃先速度およびレバー入力を示す。図17に示されるように、掘削対象が軟らかいと、バケット3cが地中に容易に貫入するため、車体の掘削力を最大限使用しなくても容易にバケット3cを満杯にすることが可能である。バケット3cを地中に深く貫入させすぎて荷Lを積載しすぎたことによる掘削速度の低下に注意をしておけば、操作レバー25aの細かい操作による調整がなくとも、掘削速度が低下することはない。
Figure 17 shows the cutting edge speed and lever input during excavation when the simplified N value, an index of the hardness of the excavation target, is 3. As shown in Figure 17, if the excavation target is soft, the
図18には、掘削対象の硬さの指標である簡易N値=70のときの、掘削中の刃先速度およびレバー入力を示す。図18に示されるように、掘削対象が硬いと、バケット3cが地中に貫入しにくく、掘削対象から受ける反力も高いため、作業機3が停止しやすい。掘削対象が軟らかいときと同じ操作レバー25aの操作で、バケット3c内に掘削対象を多く積載することができない。オペレータは、掘削速度を犠牲にしても、少しでもバケット3cの積載量を多くするため、掘削中の刃先3caの速度および作業機3の姿勢を、操作レバー25aの細かい操作により調整し、負荷を適切に逃がしながら時間をかけて掘削を行うことになる。
Figure 18 shows the cutting edge speed and lever input during excavation when the simplified N value, an index of the hardness of the excavation target, is 70. As shown in Figure 18, if the excavation target is hard, the
掘削作業時に、掘削時間算出部57は、操作量センサ25bから、操作レバー25aの操作内容の検出結果の入力を受ける。作業機姿勢取得部56は、作業機3の姿勢を取得し、刃先速度算出部52は、掘削作業時の刃先3caの速度を算出する。掘削時間と簡易N値との間の相関、および、掘削作業時の操作レバー25aの操作内容と簡易N値との間の相関が現れる。記憶部59には、掘削時間と簡易N値とを関連付けたデータテーブル、および、操作レバー25aの操作内容と簡易N値とを関連付けたデータテーブルが記憶されている。
During excavation work, the excavation
土質判別部58は、操作レバー25aの操作内容と簡易N値とを関連付けたデータテーブルを記憶部59から読み出し、掘削作業時の操作レバー25aの操作内容に対応する簡易N値を求める。このようにして土質判別部58は、掘削作業時の操作レバー25aの操作内容から、掘削対象の硬さの指標である簡易N値を求めることができる。土質判別部58は、掘削作業時に操作レバー25aが細かく操作されているほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易N値は土質のパラメータの1つであるので、土質判別部58は、掘削作業時の操作レバー25aの操作内容から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。
The soil
図10は、土質判別専用操作を開始するときの姿勢を示す作業機械の側面図である。油圧ショベル100を操作するオペレータ毎に、技量の差があったり、操作の癖があることで、掘削作業に取得できる動作データにばらつきが存在することがある。このばらつきを低減するため、油圧ショベル100に土質判別専用操作を設定して、掘削作業時に予め決められた動作をするように作業機3を制御することができる。
Figure 10 is a side view of the work machine showing the posture when starting a dedicated soil type discrimination operation. Due to differences in skill and operating habits between operators who operate the
具体的には、図10に示されるように、作業機3を、油圧ショベル100を側方から見た場合に、ブームトップピン5bとアームトップピン5cとを通る直線と、バケット3cの底面3cbとが垂直になるような姿勢にする。そのアーム3bとバケット3cとの相対姿勢を維持しながら、アームシリンダ4bの長さを最小にして、アーム3bを最も伸ばした姿勢にする。この姿勢で、アーム角θa(図1)が最小になる。またブーム3aを動作させて、バケット3cの刃先3caを地表面に接触させる。この姿勢から、アーム3bを掘削方向に操作する。典型的に、アーム3bを掘削方向に最大速度で動作させる。このアーム3bの動作によって、バケット3cの刃先3caは円弧運動をし、刃先3caは地中に貫入する。地中で掘削対象が刃先3caの移動の抵抗となって刃先3caが停止するまでの、動作データを取得する。
Specifically, as shown in FIG. 10, the working
オペレータが任意に掘削作業をするか、土質判別専用操作による掘削作業をするかを、求められる土質判別の精度に従って、使い分けることができる。たとえば、掘削対象の土質が極端に変わりそうなときなどに、土質判別専用操作による掘削作業をすることができる。土質判別専用操作による掘削作業をすることで、オペレータの影響を除いて、土質判別の精度を向上することができる。 The operator can choose whether to perform excavation work at will or to perform excavation work using dedicated soil type discrimination operations, depending on the required accuracy of soil type discrimination. For example, excavation work using dedicated soil type discrimination operations can be performed when the soil quality of the excavation target is likely to change drastically. By performing excavation work using dedicated soil type discrimination operations, the accuracy of soil type discrimination can be improved without the influence of the operator.
図11は、動作データと土質との対応関係の例を示す第5の図である。図11に示されるグラフの横軸は簡易N値であり、縦軸は最大刃先速度(単位:mm/sec)である。図11に示されるように、土質判別専用操作で掘削作業をするときに地中に貫入した刃先3caの最大速度と、簡易N値との間には、よい相関がある。図11に示される、刃先3caの最大速度と簡易N値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部59に記憶されている。
Figure 11 is a fifth diagram showing an example of the correspondence between operation data and soil type. The horizontal axis of the graph shown in Figure 11 is the simplified N value, and the vertical axis is the maximum cutting edge speed (unit: mm/sec). As shown in Figure 11, there is a good correlation between the maximum speed of the cutting edge 3ca that penetrates into the ground when performing excavation work using the soil type discrimination dedicated operation, and the simplified N value. The data table shown in Figure 11 that associates the maximum speed of the cutting edge 3ca with the simplified N value is stored in the
刃先速度算出部52は、土質判別専用操作による掘削作業時に、作業機3の姿勢を取得して、刃先3caの位置座標の微分より刃先3caの速度を算出する。刃先速度算出部52は、土質判別専用操作による掘削作業の開始から終了までの時間を等分割した単位時間における、時系列での刃先3caの速度を算出する。刃先速度算出部52は、時間の経過に対する刃先3caの速度の変化を算出する。刃先速度算出部52は、各単位時間における刃先3caの速度のうちの最大値を求めて、刃先3caの最大速度とする。
The cutting edge
土質判別部58は、図11に示されるデータテーブルを記憶部59から読み出し、算出された刃先3caの最大速度に対応する簡易N値を求める。このようにして土質判別部58は、土質判別専用操作をするときの刃先3caの最大速度から、掘削対象の硬さの指標である簡易N値を求めることができる。土質判別部58は、最大刃先速度が小さいほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易N値は土質のパラメータの1つであるので、土質判別部58は、土質判別専用操作をするときに地中に貫入した刃先3caの最大速度から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。
The soil
図12は、掘削作業中の刃先速度の経緯の一例を示す図である。図12に示されるグラフの横軸は時間であり、縦軸は刃先速度である。時刻ゼロで、土質判別専用操作による掘削作業が開始されている。図12には、簡易N値が比較的小さい掘削対象を掘削するときの例が示されている。 Figure 12 shows an example of the progress of the cutting edge speed during excavation work. The horizontal axis of the graph shown in Figure 12 is time, and the vertical axis is the cutting edge speed. At time zero, excavation work is started using an operation dedicated to soil type discrimination. Figure 12 shows an example of excavating an excavation target with a relatively small simplified N value.
掘削対象の硬さが小さいと、図12に示されるように、刃先3caの速度は、掘削作業を開始してから直ぐに、ピークの値をとる。ピークを越えてから、掘削作業を終了するまで、すなわち刃先3caの移動が停止するまで、刃先3caは低速で動き続ける。ピークを越えてから停止するまでの刃先3caの速度は、刃先3caの速度の最大値と比較して遙かに小さくなっている。図6に示されるように刃先3caの平均速度を算出すると、刃先速度のピークが隠れてしまい、土質の特徴が判別しにくくなる。そのため、土質判別専用操作をするときには、刃先3caの最大速度で土質を特徴付けるようにしている。これにより、掘削対象の土質を精度よく判別することができる。 When the hardness of the excavation target is low, as shown in FIG. 12, the speed of the cutting edge 3ca reaches a peak value immediately after the excavation work begins. After passing the peak, the cutting edge 3ca continues to move at a low speed until the excavation work ends, i.e., until the movement of the cutting edge 3ca stops. The speed of the cutting edge 3ca from passing the peak until it stops is much smaller than the maximum speed of the cutting edge 3ca. If the average speed of the cutting edge 3ca is calculated as shown in FIG. 6, the peak of the cutting edge speed is hidden, making it difficult to distinguish the characteristics of the soil type. For this reason, when performing operations dedicated to soil type discrimination, the soil type is characterized by the maximum speed of the cutting edge 3ca. This makes it possible to accurately distinguish the soil type of the excavation target.
刃先3caの最大速度を取得するには、掘削作業中の全工程において動作データを必ずしも取得しなくてもよい。掘削作業を開始してから一定の時間帯のみの、掘削作業中の一部分の動作データによって、地中に貫入した刃先3caの最大速度を取得し、取得した刃先3caの最大速度から掘削対象の土質を判別することができる。掘削作業中の全工程における動作データから土質を判別する必要はない。掘削開始時の動作データのみから土質を判別することができるので、動作データを取得する処理を簡素化でき、土質を迅速に判別することが可能になる。 To obtain the maximum speed of the cutting edge 3ca, it is not necessary to obtain operation data for the entire excavation process. The maximum speed at which the cutting edge 3ca penetrates into the ground can be obtained from operation data for only a portion of the excavation process during a certain period of time after the excavation process begins, and the soil type of the excavation target can be determined from the obtained maximum speed of the cutting edge 3ca. It is not necessary to determine the soil type from operation data for all steps during the excavation process. Because the soil type can be determined only from operation data at the start of excavation, the process of obtaining operation data can be simplified, and the soil type can be determined quickly.
図13は、動作データと土質との対応関係の例を示す第6の図である。図13に示されるグラフの横軸は簡易N値であり、縦軸はバケット3cの地中への貫入量(単位:m3)である。バケット3cの地中への貫入量とは、位置センサの検出結果から取得されるバケット3cの姿勢を用いて算出される、地表面GLから地中に貫入しているバケット3cの体積を示す。
Fig. 13 is a sixth diagram showing an example of the correspondence between operation data and soil type. The horizontal axis of the graph shown in Fig. 13 is the simplified N value, and the vertical axis is the penetration amount of the
図14は、地中に貫入しているバケット3cを示す概略図である。図14に示されるバケット3cは、刃先3caを含む一部分が地中に存在しており、一部分が地表面GLよりも上方に存在している。上述した通り、側方視したバケット3cのうち、地中に貫入している面積と、バケット3cの幅と、を掛け合わせることにより、地中に貫入したバケット3cの体積を算出することができる。簡易的には、バケット3cの刃先3caの地表面GLからの深さとバケット3cの幅との積を、バケット3cの体積としてもよい。
Figure 14 is a schematic diagram showing a
土質判別専用操作で掘削作業をするときには、刃先3caの移動が停止したときのバケット3cの地中への貫入量を算出することができる。図13に示されるように、土質判別専用操作をするときのバケット3cの貫入量と簡易N値との間にはよい相関がある。図13に示される、バケット3cの地中への貫入量と簡易N値とを関連付けたデータテーブルは、記憶部59に記憶されている。
When performing excavation work using the dedicated soil type discrimination operation, it is possible to calculate the amount of penetration of the
貫入量算出部55は、土質判別専用操作による掘削作業時に、作業機3の姿勢を取得して、バケット3cの地中への貫入量を算出する。土質判別部58は、図13に示されるデータテーブルを記憶部59から読み出し、算出された貫入量に対応する簡易N値を求める。このようにして土質判別部58は、土質判別専用操作をするときに地中に貫入したバケット3cの体積から、掘削対象の硬さの指標である簡易N値を求めることができる。土質判別部58は、地中に貫入したバケット3cの体積が小さいほど、掘削対象が硬いと判別することができる。簡易N値は土質のパラメータの1つであるので、土質判別部58は、土質判別専用操作をするときに地中に貫入したバケット3cの体積から、掘削対象の土質を判別することができるといえる。
The penetration
<その他>
掘削作業時の作業機3の動作に関連する動作データは、上記の実施形態で説明した例に限られるものではない。図2,3に示される、ストロークセンサ35aで検出される操作弁35のスプールストローク、圧力センサ36で検出される油圧ポンプ34の吐出圧、回転センサ33で検出されるエンジン31の回転数、エンジン31の回転数に応じて演算されるエンジン31の出力トルクおよび油圧ポンプ34の吸収トルク、振動センサ2fで検出される旋回体2の振動、IMU8aで検出される車体(旋回体2)の角度、などが動作データに含まれてもよい。動作データは、掘削作業時に作業機3を動作させるための動力に関連するデータであってもよく、作業機3の動作に付随して取得できるデータであってもよい。
<Other>
The operation data related to the operation of the working
動作データを取得するセンサは、油圧ショベル100の出荷時に油圧ショベル100に装備されているセンサであってもよい。センサは、油圧ショベル100の出荷後に油圧ショベル100に後付けされたセンサであってもよい。
The sensor that acquires the operation data may be a sensor that is equipped on the
動作データは、オペレータが油圧ショベル100を手動で操作して掘削作業をするときに取得されるデータに限られない。自動掘削装置などを用いた掘削作業時に取得されたデータが、動作データに含まれてもよい。動作データは、掘削開始時のデータ、掘削途中のデータなど、掘削工程の一部分のデータであってもよい。
The operation data is not limited to data acquired when an operator manually operates the
動作データは、リアルタイムで取得されたデータに限られない。作業機械が過去に作業したときの稼働データから、掘削作業時のデータのみを抜き出してもよい。過去の掘削作業時に取得された動作データから、その掘削作業時の掘削対象の土質を判別してもよい。 Operation data is not limited to data acquired in real time. Only data from excavation work may be extracted from operational data from when the work machine worked in the past. The type of soil to be excavated during the excavation work may be determined from operation data acquired during the past excavation work.
土質判別部58は、記憶部59に記憶されているデータテーブルを読み出して土質を判別する例に限られない。動作データと掘削対象の土質との対応関係を表すデータテーブルは、メインコントローラ50の内部の記憶部59ではなく、外部の記憶装置に記憶されてもよい。
The soil
土質判別部58は、機械学習によって学習済みの土質判別モデルを有してもよい。学習済みの土質判別モデルは、掘削対象を掘削作業したときの動作データに対して、その掘削対象を簡易N値計200で計測した簡易N値をラベル付けした学習用データを用いた学習処理により生成されてもよい。学習済みの土質判別モデルは、作業機の動作に関連する動作データが入力されると、動作データから簡易N値を出力するように、学習用データセットを用いた学習処理がなされていてもよい。
The soil
作業機3の動作に関連する動作データを取得する取得部は、油圧ショベル100に搭載された各種センサに限られない。動作データを取得する取得部は、油圧ショベル100の外部に配置されてもよい。たとえば、油圧ショベル100を外部から撮像する撮像装置が、動作データを取得する取得部に含まれてもよい。撮像装置は、作業機3の静止画像を取得してもよく、作業機3の動画を取得してもよい。取得された画像を解析することにより、作業機3の動作に関連する動作データが取得されてもよい。
The acquisition unit that acquires operation data related to the operation of the
上述した通り、メインコントローラ50は、油圧ショベル100に搭載されていてもよく、油圧ショベル100の外部に設置されていてもよい。したがって、掘削対象の土質の判別は、油圧ショベル100内で実行されてもよく、油圧ショベル100の外部のサーバ、タブレットコンピュータなどで実行されてもよい。
As described above, the
実施形態では、作業機械の一例として油圧ショベル100について説明したが、油圧ショベル100に限らず、たとえばホイールローダなどの、他の種類の掘削作業を行う作業機械に、本開示の思想を適用してもよい。作業機械は、履帯装置1aを有する装軌式の走行体1に限られず、装輪式の走行体を備えてもよい。また、作業機械は、遠隔から無線を介して操作可能な遠隔操作対応のものであってもよい。
In the embodiment, a
<付記>
以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。
<Additional Notes>
The above description includes the following additional features.
(付記1)
作業機を有する作業機械と、
掘削対象を前記作業機で掘削する掘削作業時に、前記作業機の動作に関連する動作データを取得する取得部と、
前記動作データと前記掘削対象の土質との対応関係に基づき、前記動作データから前記土質を判別する、コントローラと、を備える、土質判別システム。
(Appendix 1)
A work machine having a work implement;
an acquisition unit that acquires operation data related to an operation of the work machine during an excavation operation of excavating an excavation target with the work machine;
A soil type discrimination system comprising: a controller that discriminates the soil type from the operation data based on a correspondence between the operation data and the soil type of the excavation target.
(付記2)
前記作業機は、刃先を有するバケットを含み、
前記動作データは、前記刃先の速度を含む、付記1に記載の土質判別システム。
(Appendix 2)
The work machine includes a bucket having a cutting edge,
2. The soil type discrimination system of
(付記3)
前記動作データは、地中に貫入した前記刃先の最大速度を含む、付記2に記載の土質判別システム。
(Appendix 3)
3. The soil type discrimination system of
(付記4)
前記コントローラは、掘削作業中の一部分の前記動作データから前記土質を判別する、付記1から付記3のいずれか1つに記載の土質判別システム。
(Appendix 4)
4. The soil type discrimination system according to
(付記5)
前記作業機は、刃先を有するバケットを含み、
前記動作データは、地中に貫入した前記刃先にかかる負荷を含む、付記1から付記4のいずれか1つに記載の土質判別システム。
(Appendix 5)
The work machine includes a bucket having a cutting edge,
The soil type discrimination system according to any one of
(付記6)
前記作業機は、バケットを有し、
前記動作データは、前記バケット内に積載された荷の重量を含む、付記1から付記5のいずれか1つに記載の土質判別システム。
(Appendix 6)
The work machine has a bucket,
6. The soil type discrimination system of
(付記7)
前記作業機を動作させる駆動力を発生するエンジンをさらに備え、
前記動作データは、前記荷の単位重量あたりの、前記エンジンへの燃料の供給量を含む、付記6に記載の土質判別システム。
(Appendix 7)
The working machine further includes an engine that generates a driving force for operating the working machine,
7. The soil type discrimination system of claim 6, wherein the operational data includes an amount of fuel supplied to the engine per unit weight of the load.
(付記8)
前記動作データは、前記バケットによる掘削作業の作業効率を含む、付記6または付記7に記載の土質判別システム。
(Appendix 8)
8. The soil type discrimination system according to claim 6, wherein the operational data includes a work efficiency of an excavation work performed by the bucket.
(付記9)
前記作業機は、バケットを有し、
前記動作データは、前記バケットの姿勢を含む、付記1から付記8のいずれか1つに記載の土質判別システム。
(Appendix 9)
The work machine has a bucket,
9. The soil type discrimination system according to
(付記10)
前記動作データは、地中に貫入した前記バケットの体積を含む、付記9に記載の土質判別システム。
(Appendix 10)
10. The soil type discrimination system of claim 9, wherein the operational data includes a volume of the bucket penetrated into the ground.
(付記11)
前記バケットは、刃先を有し、
前記動作データは、地中に貫入した前記刃先の軌跡を含む、付記9または付記10に記載の土質判別システム。
(Appendix 11)
The bucket has a cutting edge,
11. The soil type discrimination system of
(付記12)
前記作業機を駆動する操作を受け付ける操作装置をさらに備え、
前記動作データは、前記操作装置の操作内容を含む、付記1から付記11のいずれか1つに記載の土質判別システム。
(Appendix 12)
The work machine further includes an operating device that receives an operation to drive the work machine,
The soil type discrimination system according to any one of
(付記13)
前記作業機は、掘削作業時に、予め決められた動作をするように制御される、付記1から付記12のいずれか1つに記載の土質判別システム。
(Appendix 13)
13. The soil type discrimination system according to any one of
(付記14)
前記取得部は、前記作業機械に搭載される、付記1から付記13のいずれか1つに記載の土質判別システム。
(Appendix 14)
14. The soil type discrimination system according to
(付記15)
前記土質は、先端がコーン形状の部品を地面にあてて、前記先端の反対側から前記部品に衝撃を与え、前記先端が所定の深さまで貫入するまでの回数に基づき得られた指標である、付記1から付記14のいずれか1つに記載の土質判別システム。
(Appendix 15)
The soil type discrimination system according to any one of
以上のように実施形態について説明を行ったが、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Although the embodiments have been described above, the embodiments disclosed herein are illustrative in all respects and should not be considered as limiting. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
1 走行体、2 旋回体、2f 振動センサ、3 作業機、3a ブーム、3b アーム、3c バケット、3ca 刃先、3cb 底面、4a ブームシリンダ、4b アームシリンダ、4c バケットシリンダ、6a,6b,6c,6d,6e,6f,36 圧力センサ、7a,7b,7c,35a ストロークセンサ、8a,8b,8c,8d IMU、9a,9b,9c 角度センサ、25 操作装置、25a 操作レバー、25b 操作量センサ、31 エンジン、33 回転センサ、34 油圧ポンプ、35 操作弁、50 メインコントローラ、51 土工量算出部、52 刃先速度算出部、53 効率算出部、54 刃先負荷算出部、55 貫入量算出部、56 作業機姿勢取得部、57 掘削時間算出部、58 土質判別部、59 記憶部、60 出力部、100 油圧ショベル、200 簡易N値計、GL 地表面、L 荷。 1 Traveling body, 2 Swivel body, 2f Vibration sensor, 3 Work machine, 3a Boom, 3b Arm, 3c Bucket, 3ca Cutting edge, 3cb Bottom surface, 4a Boom cylinder, 4b Arm cylinder, 4c Bucket cylinder, 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 36 Pressure sensor, 7a, 7b, 7c, 35a Stroke sensor, 8a, 8b, 8c, 8d IMU, 9a, 9b, 9c Angle sensor, 25 Operation device, 25a Operation lever, 25b Operation amount sensor, 31 Engine, 33 Rotation sensor, 34 Hydraulic pump, 35 Operation valve, 50 Main controller, 51 Earthwork amount calculation unit, 52 Cutting edge speed calculation unit, 53 Efficiency calculation unit, 54 Cutting edge load calculation unit, 55 Penetration amount calculation unit, 56 Work machine attitude acquisition unit, 57 Excavation time calculation unit, 58 soil type determination unit, 59 memory unit, 60 output unit, 100 hydraulic excavator, 200 simple N value meter, GL ground surface, L load.
Claims (16)
掘削対象を前記作業機で掘削する掘削作業時に、前記作業機の動作に関連する動作データを取得する取得部と、
前記動作データと前記掘削対象の土質との対応関係に基づき、前記動作データから前記土質を判別する、コントローラと、を備える、土質判別システム。 A work machine having a work implement;
an acquisition unit that acquires operation data related to an operation of the work machine during an excavation operation of excavating an excavation target with the work machine;
A soil type discrimination system comprising: a controller that discriminates the soil type from the operation data based on a correspondence between the operation data and the soil type of the excavation target.
前記動作データは、前記刃先の速度を含む、請求項1に記載の土質判別システム。 The work machine includes a bucket having a cutting edge,
The soil type discrimination system of claim 1 , wherein the operational data includes a speed of the cutting edge.
前記動作データは、地中に貫入した前記刃先にかかる負荷を含む、請求項1に記載の土質判別システム。 The work machine includes a bucket having a cutting edge,
The soil type discrimination system according to claim 1 , wherein the operational data includes a load applied to the cutting edge that has penetrated into the ground.
前記動作データは、前記バケット内に積載された荷の重量を含む、請求項1に記載の土質判別システム。 The work machine has a bucket,
The soil type determination system of claim 1 , wherein the operational data includes a weight of a load placed in the bucket.
前記動作データは、前記荷の単位重量あたりの、前記エンジンへの燃料の供給量を含む、請求項6に記載の土質判別システム。 The working machine further includes an engine that generates a driving force for operating the working machine,
The soil type discrimination system of claim 6 , wherein the operational data includes an amount of fuel supplied to the engine per unit weight of the load.
前記動作データは、前記バケットの姿勢を含む、請求項1に記載の土質判別システム。 The work machine has a bucket,
The soil type discrimination system of claim 1 , wherein the operational data includes an attitude of the bucket.
前記動作データは、地中に貫入した前記刃先の軌跡を含む、請求項9に記載の土質判別システム。 The bucket has a cutting edge,
The soil type discrimination system according to claim 9 , wherein the operational data includes a trajectory of the cutting edge as it penetrates into the ground.
前記動作データは、前記操作装置の操作内容を含む、請求項1に記載の土質判別システム。 The work machine further includes an operating device that receives an operation to drive the work machine,
The soil type discrimination system according to claim 1 , wherein the operation data includes operation details of the operation device.
前記動作データと前記掘削対象の土質との対応関係に基づき、前記動作データから前記土質を判別することと、を備える、土質判別方法。
Acquiring operation data related to an operation of a work implement of a work machine during an excavation operation of excavating an excavation target with the work implement;
and determining the soil type from the operation data based on a correspondence between the operation data and the soil type of the excavation target.
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