土壌‐機構‐油圧連成モデルによる油圧ショベルの自動掘削システムのモデルベース開発

本研究では, 熟練作業者と同等あるいはそれ以上の生産性を実現するための自動掘削システムの構築を目的とした. そして, シミュレーションにより自動掘削における生産性向上のための制御方策を構築・評価した. 土壌モデルと油圧ショベルの機構モデルで構成される生産性評価シミュレーション用いて単位エネルギあたりの掘削した土の量を掘削効率として評価した. そして掘削効率が最大となる最適軌道を生成した. 軌道の生成では, 掘削軌道の深さ・バケット角度・軌道形状などを軌道生成のためのパラメータとし, このパラメータに基づき掘削軌道を生成した. 各パラメータを変化させて掘削シミュレーションを行い, 掘削効率が最大となる掘削軌跡とパラメータの組み合わせを特定した. 熟練オペレータの掘削軌跡をシミュレーション上で再現し, 生成した軌跡と掘削効率を比較すると, 生成した軌道の生産性が熟練者を上回ることを確認した. その後, 作成した軌道の有効性を検証するために, 実機による制御試験を実施した. この試験では20トンクラスの油圧ショベルをDSPからの制御信号により各油圧シリンダを制御し, 生成した軌道に追従させる制御実験を行った. 実験時の計測データより, 生成した軌跡で掘削することで, 小さい掘削抵抗でバケットの容量に対して十分な量の土を掘削できることを確認した. これと同時に, 3次元距離計測カメラを用いた掘削面の形状計測システムを構築した. この計測システムによって掘削面の形状を計測できることを確認した. また, 計測結果をもとに複数回掘削を行う場合には, カメラの計測値をもとに掘削開始位置を決定できることを確認した.

本研究では, 熟練作業者と同等あるいはそれ以上の生産性を実現するための自動掘削システムの構築を目的とした. そして, シミュレーションにより自動掘削における生産性向上のための制御方策を構築・評価した. 土壌モデルと油圧ショベルの機構モデルで構成される生産性評価シミュレーション用いて単位エネルギあたりの掘削した土の量を掘削効率として評価した. そして掘削効率が最大となる最適軌道を生成した. 軌道の生成では, 掘削軌道の深さ・バケット角度・軌道形状などを軌道生成のためのパラメータとし, このパラメータに基づき掘削軌道を生成した. 各パラメータを変化させて掘削シミュレーションを行い, 掘削効率が最大となる掘削軌跡とパラメータの組み合わせを特定した. 熟練オペレータの掘削軌跡をシミュレーション上で再現し, 生成した軌跡と掘削効率を比較すると, 生成した軌道の生産性が熟練者を上回ることを確認した. その後, 作成した軌道の有効性を検証するために, 実機による制御試験を実施した. この試験では20トンクラスの油圧ショベルをDSPからの制御信号により各油圧シリンダを制御し, 生成した軌道に追従させる制御実験を行った. 実験時の計測データより, 生成した軌跡で掘削することで, 小さい掘削抵抗でバケットの容量に対して十分な量の土を掘削できることを確認した. これと同時に, 3次元距離計測カメラを用いた掘削面の形状計測システムを構築した. この計測システムによって掘削面の形状を計測できることを確認した. また, 計測結果をもとに複数回掘削を行う場合には, カメラの計測値をもとに掘削開始位置を決定できることを確認した.