CN111372440A - 自动转向系统以及自动转向方法 - Google Patents

Abstract

作业车的自动转向系统具备：转向行驶装置，其基于以直进方向为基准的向左的转向量进行左转弯，并基于以中立位置为基准的向右的转向量进行右转弯；自车位置计算部(55)，其计算自车位置；位置偏移计算部(57)，其根据行驶路径与自车位置计算位置偏移；车身方位计算部(56)，其计算表示车身的朝向的车身方位；方位偏移计算部(58)，其根据行驶路径与车身方位计算方位偏移；转向量计算部(41)，其基于位置偏移与方位偏移，计算用于消除位置偏移以及方位偏移的转向量即第一转向量；以及转向量限制部(42)，其基于当前的所述转向量即第二转向量限制第一转向量。

Description

自动转向系统以及自动转向方法

技术领域

本发明涉及在作业地上自动行驶的作业车的自动转向系统以及自动转向方法。

背景技术

专利文献1的作业车具备：转向操作单元，其对变更车身的行进方向的转向前轮进行操作；路径设定单元，其设定车身应行驶的目标行驶路径；检测自车位置的位置检测单元；检测车身方位的方位检测单元；控制单元。该控制单元执行对转向操作单元进行操作以使自车位置处于目标行驶路径上且检测方位为目标行驶路径上的目标方位的自动转向控制。

专利文献2的农业用作业车具备接收来自GPS卫星的电波的GPS接收装置，基于计算出的自车位置以追踪目标路径的方式进行自动行驶。在直进行驶中，在车身偏离了直线状的目标路径的情况下，即在设置于车身中心线上的控制基准点偏离了目标路径的情况下，基于位置偏差(位置偏移)以及方位偏差(方位偏移)进行转向控制。在转弯行驶中，车身前侧的前轮中心部被设定为控制基准位置，计算控制基准位置相对于在将转弯路径的中心和控制基准位置连结的直线与转弯路径的交点处通过的车身的切线矢量的位置偏差和方位偏差。基于计算出的位置偏差与方位偏差进行转向控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2017－123804号公报

专利文献2:日本特开2002－358122号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在以往的转向控制中，存在不能准确地对偏移量进行控制的情况。例如，在专利文献1的作业车中，在检测方位与目标方位的偏移大的情况下，为了消除该偏移，以较大的转向角进行转向控制。因此，在过度切换了转向角的情况下，会出现如下不良情况：通过向相反方向进行大幅度回轮的转向控制，导致反复出现控制超量，从而不能进行顺畅的转弯行驶。特别是，在车身进行换向那样的转弯行驶的情况下，由于目标方位时刻变化，因此控制超量的程度有变大的趋势，顺畅的转弯行驶变难。

鉴于这种实际情况，期望一种可抑制控制超量的自动转向系统。

另外，在专利文献2的转向控制中，为了求出位置偏差(位置偏移量)与方位偏差(方位偏移量)，需要计算出在将转弯路径的转弯中心和控制基准位置连结的直线与转弯路径的交点处通过的车身的切线矢量，但是就切线矢量的计算而言，由于气运算负荷较高，因此很费运算时间。另外，在作业车中，与乘用车等相比，使用较小的转弯半径，因此在转弯行驶中，切线矢量迅速地变化，需要在短时间内对运算负荷较高的切线矢量进行计算。为了进行这种计算，要求较高成本的运算功能。

鉴于这种实际情况，期望一种能够在转弯行驶中通过简单的算法高速计算位置偏移量以及方位偏移量而进行准确的转向控制的自动转向系统。

为了解决上述问题，本发明的目的在于进行准确的转向控制。

用于解决技术问题的手段

本发明的一实施方式的自动转向系统是一种作业车的自动转向系统，该作业车在作业地上沿设定好的行驶路径自动行驶，其中，所述自动转向系统具备：转向行驶装置，其基于以直进方向为基准的向左的转向量进行左转弯，并基于以所述直进方向为基准的向右的转向量进行右转弯；自车位置计算部，其计算自车位置；位置偏移计算部，其根据所述行驶路径与所述自车位置计算位置偏移；车身方位计算部，其计算表示车身的朝向的车身方位；方位偏移计算部，其根据所述行驶路径与所述车身方位计算方位偏移；转向量计算部，其基于所述位置偏移与所述方位偏移，计算用于消除所述位置偏移以及所述方位偏移的所述转向量即第一转向量；以及转向量限制部，其基于当前的所述转向量即第二转向量限制所述第一转向量。

另外，本发明的一实施方式的自动转向方法为一种作业车的自动转向方法，该作业车在作业地上沿设定好的行驶路径自动行驶，其中，所述自动转向方法具备：计算自车位置的工序；根据所述行驶路径与所述自车位置计算位置偏移的工序；计算表示车身的朝向的车身方位的工序；根据所述行驶路径与所述车身方位计算方位偏移的工序；基于所述位置偏移与所述方位偏移计算用于消除所述位置偏移以及所述方位偏移的第一转向量的工序；基于当前的所述转向量即第二转向量限制所述第一转向量的工序；以及根据被限制后的所述第一转向量使所述作业车转向的工序。

根据这些方案，为了消除位置偏移以及方位偏移而计算的转向量被转向量限制部限制，因此可避免以一举消除这些偏移的大转向量进行转向。因此，可抑制反复出现控制超量的情况，可顺畅地进行转弯行驶。

在本发明的自动转向系统的一个优选的实施方式中，所述转向量限制部对于所述转向量计算部，禁止从左右方向中的一个方向越过所述直进方向而到达左右方向中的另一方向的转向量。同样，在本发明的自动转向方法的一个优选的实施方式中，在限制所述第一转向量时，禁止从左右方向中的一个方向越过直进方向而到达左右方向中的另一方向的转向量。在这些方案中，由于禁止相反方向转向，换句话说是禁止从左转向状态向右转向状态的转向变更、或者从右转向状态向左转向状态的转向变更，因此可抑制导致车身大幅度摆动的过度转向，可顺畅地消除方位偏移。

在沿伴有车身换向的转弯行驶路径进行行驶的情况下，作为目标方位的行驶路径的延伸方向时刻伴随着行驶而变化。因此，如果是以往的只为了消除该时刻的方位偏移而计算出的转向量，则与直进行驶相比，控制超量的程度大，难以进行顺畅的行驶。因此，在本发明的自动转向系统的一个优选的实施方式中，所述转向量限制部对所述第一转向量的限制在所述行驶路径为转弯行驶路径的情况下有效，同样，在本发明的自动转向方法的一个优选的实施方式中，限制所述第一转向量的工序在所述行驶路径为转弯行驶路径的情况下有效。其结果，抑制了转弯行驶中的过度转向。

而且，关于转弯行驶，在车身存在于转弯内侧的情况下，转弯行驶路径以接近车身的方式延伸，因此转向控制中的控制超量容易变大。因此，在本发明的一个优选的实施方式中，在所述自车位置存在于所述转弯行驶路径中的转弯内侧的情况下，所述转向量限制部对所述第一转向量的限制有效，在所述自车位置存在于所述转弯行驶路径中的转弯外侧的情况下，所述转向量限制部对所述第一转向量的限制无效。如此，通过限定对转向量进行限制的行驶状态，可获得适当的转弯性。

在行驶于易滑的行驶面或凸凹的行驶面等的情况下，由于会突发地产生车身的位置偏移、方位偏移，因此若限制转向量，则不能应对这样的位置偏移、方位偏移。在这样的情况下，紧急避难性地降低车速对于稳定行驶来说较好。因此，在本发明的自动转向系统的一个优选的实施方式中，所述自动转向系统具备解除所述转向量限制部对所述第一转向量的限制的限制解除部，所述限制解除部在解除对所述第一转向量的限制的同时，输出车速降低指令。同样，在本发明的自动转向方法的一个优选的实施方式中，在解除对所述第一转向量的限制的同时，输出车速降低指令。

作业车的转向行驶装置有如下方式：通过使用转向轮控制转向轮的转向角而使车身转向的方式；使用可左右独立地调整速度的行驶单元(车轮或者履带)通过左行驶单元与右行驶单元的速度差使车身转向的方式。在后一种方式中，能够进行急剧改变车身朝向的转向，但因此会有转向控制变得过度的趋势。因此，上述对转向量的限制适合于后一种方式。

本发明的一实施方式的自动转向系统使作业车沿设定好的转弯圆自动行驶，其中，具备：基准点计算部，其计算所述作业车中的基准点的位置；基准直线计算部，其计算通过所述转弯圆的中心与所述基准点的直线作为基准直线；位置偏移量计算部，其计算从所述基准直线与所述转弯圆的交点到所述基准点的距离作为位置偏移量；车身方位计算部，其计算表示所述作业车的车身朝向的车身方位；方位偏移量计算部，其计算通过所述基准点并垂直于所述基准直线的线与所述车身方位的交叉角作为方位偏移量；以及转向控制部，其输出使所述位置偏移量与所述方位偏移量变小的第一转向量。另外，本发明的一实施方式的自动转向方法使作业车沿设定好的转弯圆自动行驶，其中，具备：计算所述作业车中的基准点的位置的工序；计算通过所述转弯圆的中心与所述基准点的直线作为基准直线的工序；计算从所述基准直线与所述转弯圆的交点到所述基准点的距离作为位置偏移量的工序；计算表示所述作业车的车身朝向的车身方位的工序；计算通过所述基准点并垂直于所述基准直线的线与所述车身方位的交叉角作为方位偏移量的工序；输出使所述位置偏移量与所述方位偏移量变小的第一转向量的工序；以及根据所述第一转向量使所述作业车转向的工序。这种转向能够在前进以及后退中执行。

注意，这里的转弯圆并不限定于严格的圆，也包含近似的圆，而且，也包含在微小时间内半径变化的转弯圆的中心变化的圆。

在这些方案中，计算出将成为所设定的行驶目标的转弯圆的中心与作业车的基准点连结的基准直线的直线式，通过使用该基准直线，能够在不求出切线的直线式的情况下，通过简单的运算计算出位置偏移量与方位偏移量。即，位置偏移量是基准直线与转弯圆的交点和基准点之间的距离(长度)。方位偏移量是通过基准点并垂直于基准直线的直线、与表示由车身方位计算部计算出的车身方位的直线所成的角度。所获得的位置偏移量与方位偏移量成为用于利用转向控制部求出转向量的输入量。

如此，根据上述方案，能够通过简单的计算求出位置偏移量与方位偏移量，因此能够提供一种可在转弯行驶中通过简单的算法高速地计算位置偏移量以及方位偏移量而进行准确的转向控制的自动转向系统。

成为位置偏移量的基准直线与转弯圆的交点和基准点之间的长度是转弯圆的中心与基准点间的长度与转弯圆半径之差。因而，在本发明的自动转向系统的一个优选的实施方式中，所述位置偏移量计算部通过使所述基准直线上的所述转弯圆的中心与所述基准点之间的长度减去所述转弯圆的半径而计算所述距离。同样，在本发明的自动转向方法的一个优选的实施方式中，在计算所述位置偏移量时，通过使所述基准直线上的所述转弯圆的中心与所述基准点之间的长度减去所述转弯圆的半径而计算所述距离。

在本发明的自动转向系统的一个优选的实施方式中，所述转向控制部将当前的转向量即第二转向量、所述位置偏移量以及所述方位偏移量作为输入参数，通过PID控制方式或者PI控制方式运算所述第一转向量并输出该第一转向量。同样，在本发明的自动转向方法的一个优选的实施方式中，在输出所述第一转向量时，将当前的转向量即第二转向量、所述位置偏移量以及所述方位偏移量作为输入参数，通过PID控制方式或者PI控制方式运算所述第一转向量并输出该第一转向量。通过这些方案，控制振荡得以抑制，作业车的转弯行驶变得顺畅。由此，可抑制由于转弯而毁坏田地。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述转弯圆被设定为用圆弧连接延伸方向不同的转弯前行驶路径与转弯后行驶路径，作为所述转弯圆，准备了可供选择的急转弯用转弯圆与缓转弯用转弯圆。在该方案中，能够根据田地状态和行驶状态选择使用更适当的转弯圆进行转弯行驶。

在本发明的一个优选的实施方式中，基于前次的转弯行驶中的转弯行驶误差，调整在接下来的转弯行驶中设定的转弯圆的半径。在该方案中，例如，如果使作业车的转弯性变差的田地状态导致行驶的作业车成为从作为目标路径的转弯圆圆弧大幅度向外侧突出，则通过在从下次起的转弯中选择半径更大的转弯圆，能够沿着转弯圆圆弧顺畅地进行行驶。

附图说明

图1是作为采用了自动转向系统的作业车的一个例子的联合收割机的侧视图。

图2是表示联合收割机的自动行驶的概要的图。

图3是表示自动行驶中的行驶路径的图。

图4是表示使用了后退的转弯行驶路径的例子的图。

图5是表示使用了后退的转弯行驶路径的例子的图。

图6是表示联合收割机的控制系统的构成的功能框图。

图7是说明转向量的说明图。

图8是说明计算位置偏移量以及方位偏移量时使用的基本原理的说明图。

图9是表示转弯控制的另一实施方式的示意图。

图10是表示转弯控制的另一实施方式的示意图。

图11是表示转弯控制的另一实施方式的示意图。

图12是表示转弯控制的另一实施方式的示意图。

具体实施方式

接下来，作为采用本发明的自动转向系统的、能够自动行驶的作业机的一个例子，列举全喂入型的联合收割机进行说明。注意，在本说明书中，只要没有特别指出，“前”(图1所示的箭头F的方向)的意思是车身前后方向(行驶方向)上的前方，“后”(图1所示的箭头B的方向)的意思是车身前后方向(行驶方向)上的后方。另外，左右方向或者横向的意思是与车身前后方向正交的车身横断方向(车身宽度方向)。“上”(图1所示的箭头U的方向)以及“下”(图1所示的箭头D的方向)为车身的铅垂方向(垂直方向)上的位置关系，表示离地高度上的关系。

如图1所示，该联合收割机具备行驶车身10、履带式的行驶装置11、驾驶部12、脱粒装置13、谷粒箱14、收获部H、输送装置16、谷粒排出装置18、自车位置检测模块80。

行驶装置11配备于行驶车身10(以下简称作车身10)的下部。联合收割机构成为能够通过行驶装置11自走行驶。该行驶装置11是由左右一对履带机构(行驶单元)构成的转向行驶装置。左边的履带机构(左行驶单元)的履带速度与右边的履带机构(右行驶单元)的履带速度能够独立地进行调整，通过调整该速度差，可变更车身10在行驶方向上的朝向。驾驶部12、脱粒装置13、谷粒箱14配备于行驶装置11的上侧，构成了车身10的上部。驾驶部12能够供驾驶联合收割机的驾驶员、监视联合收割机的作业的监视者搭乘。通常，驾驶员兼任监视者。注意，在驾驶员与监视者是不同人的情况下，监视者也可以从联合收割机的机外监视联合收割机的作业。

谷粒排出装置18连结于谷粒箱14的后下部。另外，自车位置检测模块80安装于驾驶部12的前上部。

收获部H在联合收割机中配备于前部。而且，输送装置16连接于收获部H的后侧。另外，收获部H具有切断机构15以及滚筒17。切断机构15割取田地的植立谷秆。另外，滚筒17一边旋转驱动一边拨入收获对象的植立谷秆。通过该结构，收获部H收获田地的谷物(农作物的一种)。而且，联合收割机能够进行一边通过收获部H收获田地的谷物一边通过行驶装置11进行行驶的作业行驶。

由切断机构15割取到的割取谷秆被输送装置16向脱粒装置13输送。在脱粒装置13中，割取谷秆被进行脱粒处理。通过脱粒处理获得的谷粒被存储于谷粒箱14。存储于谷粒箱14的谷粒被谷粒排出装置18排出到机外。

在驾驶部12配置有通信终端2。在本实施方式中，通信终端2固定于驾驶部12。然而，本发明并不限定于此，通信终端2也可以构成为能够相对于驾驶部12装卸。另外，通信终端2也可以带到联合收割机的机外。

如图2所示，该联合收割机在田地中沿设定好的行驶路径自动行驶。为此，需要自车位置。自车位置检测模块80中包含卫星导航模块81与惯性导航模块82。卫星导航模块81接收来自人造卫星GS的GNSS(global navigation satellite system：全球卫星定位系统)信号(包含GPS信号)，并输出用于计算自车位置的定位数据。惯性导航模块82组装有陀螺仪加速度传感器以及磁方位传感器，输出表示瞬时的行驶方向的位置矢量。惯性导航模块82为了对卫星导航模块81的自车位置计算进行补充而使用。惯性导航模块82也可以配置于与卫星导航模块81不同的场所。

以下对利用该联合收割机在田地中进行收获作业的情况下的步骤进行说明。

首先，驾驶员兼监视者手动操作联合收割机，如图2所示，在田地内的外周部分，以沿田地的分界线环绕的方式进行收获行驶。由此成为已收割地(已作业地)的区域被设定为外周区域SA。而且，在外周区域SA的内侧仍然作为未收割地(未作业地)而残留下来的区域被设定为作业对象区域CA。图2示出了外周区域SA与作业对象区域CA的一个例子。

另外，此时，为了在某种程度上宽广地确保外周区域SA的宽度，驾驶员使联合收割机行驶2～3周。在该行驶中，联合收割机每行驶1周，外周区域SA的宽度就扩大联合收割机的作业宽度大小。若最初的2～3周的行驶结束，则外周区域SA的宽度成为联合收割机的作业宽度的2～3倍左右的宽度。该环绕行驶也可以基于预先赋予的田地外形数据通过自动行驶来进行。

外周区域SA当在作业对象区域CA中进行收获行驶时被用作联合收割机进行换向所用的空间。另外，外周区域SA也被用作暂时结束收获行驶而向谷粒排出场所移动时或向燃料补给场所移动时等的移动用空间。

注意，图2所示的运输车CV能够收集从联合收割机排出的谷粒并运输该谷粒。在排出谷粒时，联合收割机在向运输车CV的附近移动之后，通过谷粒排出装置18将谷粒向运输车CV排出。

若设定了外周区域SA以及作业对象区域CA，则如图3所示推算作业对象区域CA中的行驶路径。推算出的行驶路径被基于作业行驶的方式而依次设定，联合收割机沿设定好的行驶路径自动行驶。注意，该联合收割机作为用于转弯行驶的转弯方式，具有图3所示的沿U字状的转弯行驶路径进行换向的U转弯方式、图4所示的重复前进后退来进行换向的α转弯方式以及图5所示的伴有后退行驶且在比U转弯方式窄的区域进行与U转弯方式相同的换向的折返转弯方式。在图4的α转弯方式中，示出了90°的回轮转弯行驶路径。在该回轮转弯行驶中，其路径从转移起点行驶路径L1经由前进行驶路径ML1、后退行驶路径ML2、前进行驶路径ML3到达转移目标行路径L2。在图5的折返转弯方式中，示出了直线往复行驶的路径转移中使用的180°的回轮转弯行驶。在该回轮转弯行驶中，其路径也同样从转移起点行驶路径L1经由前进行驶路径ML4、后退行驶路径ML5、前进行驶路径ML6到达转移目标行路径L2。在谷粒箱14装满而脱离了作业对象区域CA的行驶路径的联合收割机与运输车CV进行对位时等也进行这种包含后退的转弯行驶。

图6中示出了利用本发明的自动转向系统的联合收割机的控制系统。联合收割机的控制系统由控制单元5以及各种输入输出设备构成，控制单元5由多个被称作ECU的电子控制单元构成，各种输入输出设备与该控制单元5之间通过车载LAN等布线网进行信号通信(数据通信)。

报告器件62是用于向驾驶员等报告作业行驶状态和各种警告的器件，并且是蜂鸣器、灯、扬声器、显示器等。通信部66用于供该联合收割机的控制系统与通信终端2之间、或者与设置于远程地的管理计算机之间进行数据交换。通信终端2包含供站在田地上的监视者或者坐在联合收割机中的驾驶员兼监视者操作的平板计算机、设置于自家或管理事务所的计算机等。控制单元5是该控制系统的核心要素，体现为多个ECU的集合体。来自自车位置检测模块80的信号通过车载LAN被输入到控制单元5。

控制单元5作为输入输出接口具备输出处理部503与输入处理部502。输出处理部503经由设备驱动器65与各种动作设备70连接。作为动作设备70，有行驶设备组71与作业设备组72，行驶设备组71是与行驶相关的设备，作业设备组72是与作业相关的设备。行驶设备组71例如包含转向设备710、发动机设备、变速设备、制动设备等。作业设备组72包含收获部H、脱粒装置13、输送装置16、谷粒排出装置18(在以下的说明中也参照图1)中的动力控制设备等。

在输入处理部502连接有行驶状态传感器组63、作业状态传感器组64、行驶操作单元90等。行驶状态传感器组63包含发动机转速传感器、过热检测传感器、制动踏板位置检测传感器、变速位置检测传感器、转向位置检测传感器等。作业状态传感器组64包含检测收获作业装置(收获部H、脱粒装置13、输送装置16、谷粒排出装置18)的驱动状态的传感器、检测谷秆和谷粒的状态的传感器等。

行驶操作单元90是由驾驶员手动操作且其操作信号被输入到控制单元5的操作件的通称。行驶操作单元90包含主变速操作件91、转向操作件92、模式操作件93、自动开始操作件94等。在手动行驶模式中，通过将转向操作件92从中立位置向左右摆动操作，调整左边的履带机构的履带速度与右边的履带机构的履带速度，变更车身10的朝向。即，根据转向操作件92的摆动操作量决定车身10的朝向。因此，转向操作件92以中立位置为基准的摆动操作量以及用于使车身10相对于直进方向(也称作中立位置)的朝向变更的左右履带机构的速度差都相当于转向量。这在自动行驶中也相同。另外，行驶装置并不局限于履带，也可以使用车轮。车轮的转向角也相当于转向量。模式操作件93具有将用于在进行自动驾驶的自动行驶模式与进行手动驾驶的手动行驶模式之间切换的指令赋予到控制单元5的功能。自动开始操作件94具有将用于开始自动行驶的最终的自动开始指令赋予到控制单元5的功能。注意，也有与模式操作件93的操作无关地通过软件自动地从自动行驶模式向手动行驶模式转移的情况。例如，若产生了不能自动驾驶的状况，则控制单元5强制地执行从自动行驶模向式手动行驶模式的转移。

控制单元5具备报告部501、行驶控制部51、作业控制部52、行驶模式管理部53、行驶路径设定部54、自车位置计算部55、车身方位计算部56、位置偏移量计算部57、方位偏移量计算部58、基准直线计算部59、转向量计算模块4。报告部501基于来自控制单元5的各功能部的指令等生成报告数据，并将该报告数据赋予到报告器件62。自车位置计算部55基于从自车位置检测模块80逐次送来的定位数据，计算自车位置，该自车位置是预先设定的车身10的基准点的地图坐标(或者田地坐标)。即，作为计算车身10的基准点的位置的基准点计算部发挥功能。该基准点包含将要在后文中说明的车身基准点、转弯基准点等。车身方位计算部56根据由自车位置计算部55逐次计算的自车位置，求出微小时间内的行驶轨迹来确定表示车身10在行驶方向上的朝向的车身方位。另外，车身方位计算部56也能够基于来自惯性导航模块82的输出数据中包含的方位数据确定车身方位。

行驶控制部51具有发动机控制功能、转向控制功能、车速控制功能等，行驶控制部51向行驶设备组71赋予控制信号。作业控制部52为了控制收获作业装置(收获部H、脱粒装置13、输送装置16、谷粒排出装置18等)的动作，向作业设备组72赋予控制信号。

行驶控制部51所包含的转向控制部510基于由位置偏移量计算部57计算的位置偏移量以及由方位偏移量计算部58计算的方位偏移量计算转向量，并向转向设备710输出。即，转向控制部510以使由行驶路径设定部54设定的目标行驶路径和由自车位置计算部55计算出的自车位置之间的位置偏移量和方位偏移量变小的方式进行转向控制。在该实施方式中，转向控制部510采用PID控制方式或者PI控制方式。当然，也可以采用其他控制方式。该联合收割机能够以自动驾驶和手动驾驶这两种方式进行行驶，自动驾驶是通过自动行驶进行收获作业，手动驾驶是通过手动行驶进行收获作业。因此，行驶控制部51还包含手动行驶控制部511与自动行驶控制部512。注意，在进行自动驾驶时，设定自动行驶模式，为了进行手动驾驶而设定手动行驶模式。如上所述，行驶模式的切换由行驶模式管理部53管理。

在设定了自动行驶模式的情况下，自动行驶控制部512与转向控制部510协作并生成包含自动转向以及停止的车速变更控制信号，控制行驶设备组71。此时，基于预先设定的车速值而生成与车速变更相关的控制信号。以消除由行驶路径设定部54设定的目标行驶路径和由自车位置计算部55计算出的自车位置之间的位置偏移(包含方位偏移)的方式，生成与自动转向相关的控制信号。

行驶路径设定部54依次选择包含所管理的转弯路径的行驶路径，设定为行驶目标路径。转弯路径实质上是转弯圆的圆弧。利用该转弯圆的中心与转弯圆的半径规定圆弧状的转弯路径。在假设车身10准确地行驶于转弯路径的情况下，该转弯圆的中心成为车身10的转弯中心。由行驶路径设定部54管理的行驶路径也能够由行驶路径设定部54通过路径计算算法自己生成，但也能够下载通信终端2、远程地的管理计算机等生成的行驶路径来使用。

在选择了手动行驶模式的情况下，手动行驶控制部511基于驾驶员的操作生成控制信号，控制行驶设备组71，从而实现手动驾驶。注意，即使是在手动驾驶中，由行驶路径设定部54计算出的行驶路径也能够用于指引联合收割机沿该行驶路径行驶。

位置偏移量计算部57计算位置偏移，该位置偏移是由行驶路径设定部54设定的行驶路径和由自车位置计算部55计算出的自车位置之间的距离。方位偏移量计算部58计算由行驶路径设定部54设定的行驶路径的延伸方向和由车身方位计算部56计算出的车身方位之间的角度差，将其作为方位偏移。注意，在行驶路径是转弯行驶路径的情况下，能够将从距车身10最近的转弯行驶路径上的点引出的切线的延伸方向视为假想的行驶路径的延伸方向。在该实施方式中，由自车位置计算部55计算出的自车位置在无偏移的理想的转弯行驶中被作为转弯基准点，该转弯基准点是位于由转弯圆规定的转弯路径上的点。当然，在直线行驶路径上的无偏移的理想行驶中，由于该转弯基准点也位于直线行驶路径，因此转弯基准点能够用作直线行驶路径上的车身基准点。在该情况下，转弯基准点与车身基准点为同一点。

转向量计算模块4具备转向量计算部41、转向量限制部42以及限制解除部43。转向量计算部41基于由位置偏移量计算部57计算出的位置偏移和由方位偏移量计算部58计算出的方位偏移，计算用于消除位置偏移以及方位偏移的转向量。转向量限制部42基于当前的转向量限制由转向量计算部41计算的所述转向量。限制解除部43具有解除转向量限制部42对转向量的限制的功能。另外，限制解除部43也具有在解除对转向量的限制的同时，对行驶控制部51输出使车速降低的车速降低指令的功能。

在说明转向量限制部42对转向量的限制时，参照图6并使用图7对这里定义的转向量进行说明。

首先，位置偏移是从车身10的基准点BP(车身中心、卫星定位用天线位置等)到行驶路径的最短距离，在图7中，用d表示位置偏移。方位偏移是通过基准点BP的车身前后方向线(图7中的单点划线)与行驶路径的所成的角度，在图7中，用θ表示方位偏移。在图7中用粗箭头示出的是用履带方式的左行驶单元与右行驶单元之间的速度差制作出的转向方向线，与转向量对应。例如，如果左行驶单元与右行驶单元是转向轮的话，则转向量是转向角(转向角)，转向方向线是由转向角规定的方向线。

在转向方向线与车身方位一致的情况下，将其转向量(转向角)称作中立转向量：Sn。在图7中，空白粗箭头是表示中立转向量的转向方向线。在转向方向线从车身方位向左倾斜的情况下，其转向量(转向角)是左转弯的转向量，称作左转向量：SL()。在图7中，斜线粗箭头是表示右转向量的转向方向线。在转向方向线从车身方位向右倾斜的情况下，其转向量(转向角)是右转弯的转向量，称作右转向量：SR()。在转向方向线从车身方位向左倾斜的情况下，其转向量(转向角)是左转弯的转向量，称作左转向量：SL()。在()内填入表示倾斜度(转向角)的值。例如，SL(α)表示向左倾斜α°的转向方向线(转向角)，SR(β)表示向右倾斜β°的转向方向线(转向角)。

这种转向量、SL(α)或者SR(β)或者Sn是将位置偏移：d与方位偏移：θ作为输入参数而导出的。即，该关系由“G(d，θ)→SL(α)或者SR(β)或者Sn”表示。另外，中立位置转向量Sn是与中立位置(直进方向)对应的转向量，示出了所谓的零转向角的状态。

在该实施方式中，转向量限制部42对于转向量计算部41，禁止从左右方向中的一个方向越过中立位置(Sn)到达左右方向中的另一方向的转向量。例如，如果当前的转向量为SL(α)，则禁止转向量越过Sn变更为SR(β)(相反方向转向)。即，转向量的变更被限制为从SL(α)到Sn。同样，如果当前的转向量为SR(β)，则禁止转向量越过Sn变更为SL(α)(相反方向转向)。即，如图7所示，转向量的变更被限制为从SR(β)到Sn。这里，0°＜α＜＝最大转向量(最大转向角)，0°＜β＜＝最大转向量(最大转向角)。

在该实施方式中，转向量限制部42具有可供选择的三个限制模式。第一限制模式是仅在自动行驶中的行驶路径为转弯行驶路径的情况下使对转向量的限制有效的模式。第二限制模式是仅在自动行驶中的行驶路径为转弯行驶路径且自车位置存在于转弯行驶路径中的转弯内侧的情况下使对转向量的限制有效的模式。换句话说，在自车位置存在于所述转弯行驶路径中的转弯外侧的情况下或者在直进行驶路径的行驶中，对转向量的限制无效。第三限制模式是在自动行驶中的所有行驶路径中对转向量的限制都有效的模式。当然，也可以准备在手动行驶中对转向量的限制也有效的模式。

图6所示的基准直线计算部59计算基准直线。在转弯行驶中的、由位置偏移量计算部57执行的位置偏移量计算、以及由方位偏移量计算部58执行的方位偏移计算中，使用基准直线。接下来，参照图6并使用图8对基准直线、位置偏移量以及方位偏移量的关系进行说明。

图8示出了在从转弯前的行驶路径即转弯前行驶路径向转弯目标行驶路径即转弯后行驶路径进行转弯行驶时设定的转弯圆与车身10的关系。在该例子中，转弯前行驶路径与转弯后行驶路径为正交关系，因此转弯路径是转弯圆的90°圆弧。图8的说明中使用的附图标记如以下那样定义。C表示转弯圆。P是转弯圆C的中心。转弯圆的中心P的坐标值是(X，Y)，由行驶路径设定部54管理。R是转弯圆C的半径。VP是车身10的转弯基准点(车身基准点)，由坐标值(x，y)表示。转弯基准点VP的坐标值(x，y)由自车位置计算部55计算。CL是沿车身10的前后方向延伸的中心线即车身中心线。d是转弯圆的中心P与转弯基准点VP的两点间距离。BL是将转弯圆的中心P与转弯基准点VP这两个点连结的直线，该直线是“基准直线”。PL是通过转弯基准点VP且与基准直线BL垂直的直线，以下，称作“方位基准线”。

图8示出了转弯行驶中途的状态，车身10的位置向转弯圆C的外侧偏移，并且车身方位(车身中心线CL)相对于方位基准线PL向右侧偏离。基准直线计算部59求出将转弯圆的中心P与转弯基准点VP这两个点连结的直线式，计算基准直线BL。位置偏移量计算部57计算转弯圆的中心P与转弯基准点VP的两点间距离d，使该两点间距离d减去R而计算位置偏移量δ。在该减法运算中考虑正负符号，如果减法运算值为负，则车身10的位置向转弯圆C的内侧偏移，如果减法运算值为正，则车身10的位置向转弯圆C的外侧偏移。方位偏移量计算部58计算车身中心线CL与方位基准线PL所成的角度(交叉角)，将其作为方位偏移量θ。如果方位偏移量θ是正值，则车身10在行驶方向上向右偏移，如果方位偏移量θ是负值，则车身10在行驶方向上向左偏移。如此，通过在微小行驶单位内计算位置偏移量δ与方位偏移量θ并赋予给转向控制部510，输出基于PID或者PI控制的转向量。

以下示出转弯行驶中的转向量的计算步骤的一个例子。

(1)从自车位置计算部55取得车身10的自车位置即转弯基准点VP的坐标值(x，y)。

(2)求出基准直线BL的直线式。

(3)求出转弯圆C的中心P与转弯基准点VP之间的长度即两点间距离d。

(4)使两点间距离d减去转弯圆半径R，将其值设为位置偏移量δ。

(5)基于来自车身方位计算部56的车身方位求出车身中心线CL的直线式。

(6)基于基准直线BL的直线式计算与基准直线BL垂直的方位基准线PL，并计算车身中心线CL与方位基准线PL所成的角度(交叉角)作为方位偏移量θ。

(7)使角度α减去90°，将其值设为方位偏移量θ。

(8)根据位置偏移量δ与方位偏移量θ计算转向量。

注意，在取代(3)、(4)而简单地求出基准直线BL与转弯圆C的交点的情况下，通过运算所求出的交点与基准点VP的两点间距离，可获得位置偏移量δ。另外，在简单地求出通过基准点并与基准直线垂直的直线的直线式的情况下，也可以代替(6)，直接求出车身中心线CL与基准直线BL所成的角度(交叉角)，并将使该角度减去90°而得的值作为方位偏移量θ。

接下来，列举在使用了转弯圆的自动转向中产生了转弯行驶误差的情况下的应对方案。

(A)图9示出了在沿所设定的转弯圆C(转弯圆C的半径设为R)进行转弯行驶的过程中，在转弯结束时产生了位置偏移量δ的状况。作为产生这种转弯偏移的原因，可考虑“在转弯开始时，车身10的方位发生了偏移”、或者“由于在田地中打滑等而导致实际的转弯半径变大”这样的多个原因，因此很难采取决定性的方案。为了解决该问题，根据转弯开始时以及转弯结束时的车身10的实际的位置与方位，计算能够适当地进行转弯行驶的合理化转弯圆Co。如图9所示，求出通过转弯开始时的车身10的转弯基准点VP并垂直于车身中心线CL的直线K1和通过转弯结束时的车身10的转弯基准点VP并垂直于车身中心线CL的直线K2的交点，以该交点为中心并通过转弯开始时的车身10的转弯基准点VP与转弯结束时的车身10的转弯基准点VP的圆就是合理化转弯圆，具有半径Rc。在以后的转弯行驶中，通过设定该合理化转弯圆Co，能够期待转弯偏移少的转弯行驶。

(B)图10示出了在沿设定好的转弯圆C进行转弯行驶的过程中产生了转弯行驶误差时，在下一转弯行驶中考虑该转弯行驶误差而实现转弯偏移更少的转弯行驶的方案。这里，将在最初的转弯行驶中产生的位置偏移量δ作为输入参数，使用函数：F(δ)导出消除该位置偏移量δ所需的转弯开始点的挪动量ΔL。这种函数F(δ)能够通过模拟、实验来制作。通过以由函数F(δ)导出的挪动量ΔL使接下来的转弯路径的转弯开始预定点Ps挪动到校正转弯开始点Pc，可期待在接下来的转弯行驶中减少转弯偏移。

(C)在图11中，示出了与图10所示的转弯偏移改善方案类似的转弯偏移改善方案。这里，将在最初的转弯行驶中产生的位置偏移量δ作为输入参数，使用函数：G(δ)导出消除该位置偏移量δ所需的转弯圆的半径的调整量ΔR。这种函数G(δ)也能够通过模拟、实验来制作。在下一转弯行驶中，使用具有用由函数G(δ)导出的调整量ΔR调整后的半径Rc的合理化转弯圆Co来取代转弯圆C。此时，转弯圆的中心P也移动到新的中心P’。通过使用该合理化转弯圆Co，可期待减少转弯偏移。

(D)图12是说明如下方案的图：在沿设定好的转弯圆C进行转弯行驶的过程中产生了转弯行驶误差时，使用转弯开始时的车身10的方位偏移量θs和转弯结束时的车身10的方位偏移量θe，调整在接下来的转弯行驶中设定的转弯圆，从而实现转弯偏移更少的转弯行驶。因此，这里，将转弯开始时的方位偏移量θs以及转弯开始时的方位偏移量θe作为输入参数，使用函数：J(θs，θe)导出消除该转弯偏移所需的转弯圆C的半径的调整量ΔR。这种函数J(θs，θe)也能够通过模拟、实验来制作。在下一转弯行驶中，使用具有用由函数J(θs，θe)导出的调整量ΔR调整后的半径Rc的合理化转弯圆Co来取代转弯圆C，可期待减少转弯偏移。

(E)根据经验可知，基于实际的联合收割机的转弯轨迹的转弯半径随着存储于谷粒箱14的谷粒的量而变动。如此，通过设定根据存储谷粒量V来调整半径的转弯圆，能够改善由于存储谷粒量V而产生的转弯行驶误差。为此，将存储谷粒量V作为输入参数，使用导出转弯圆的半径的调整量ΔR的函数：H(V)。此时，优选的是，将V＝0时的调整量ΔR设为0，并使达到满量以前的调整量阶段性地增加。

注意，在上述(A)至(E)的应对方案中，假定了产生了转弯偏移的转弯圆与接下来进行转弯行驶的转弯圆具有相同的半径，但如果要对半径不同的转弯圆应用上述方案，则通过使用预先制作的校正半径之差的校正系数表，能够消除这样的转弯圆的半径之差所带来的问题。

〔其他实施方式〕

以下，对其他实施方式进行说明。在以下的说明中，使用在上述的说明中使用过的图1至图12中标注的附图标记。

(1)所述控制单元5所进行的控制动作、例如模式变更控制并不局限于由硬件实施的情况，也可以由软件实施。另外，也可以通过执行规定了控制动作的程序来实施。在该情况下，程序存储于未图示的存储装置，由未图示的CPU、ECU执行。

(2)在上述实施方式中，转向量限制部42禁止了从左右方向中的一个方向越过中立位置到达左右方向中的另一方向的转向量。取代于此，也可以采用禁止相对于当前转向量超过规定值的转向量的结构。而且，也可以采用如下结构：配备将当前操作量作为输入参数而导出允许转向量范围的查找表，并禁止处于所导出的允许转向量范围外的转向量。

(3)在上述实施方式中，用于转弯路径的转弯圆是通过行驶路径制作算法针对田地而生成的，或者包含于人为生成的行驶路径中，在行驶时，由行驶路径设定部54依次设定为目标行驶路径。此时，还说明了基于转弯偏移的产生等而自动地变更转弯圆的半径的例子。除此之外，也可以采用人为变更转弯圆的半径的结构。例如，也可以设置能够选择设定半径较大的转弯圆(缓转弯用转弯圆)的“平缓模式”和设定半径较小的转弯圆(急转弯用转弯圆)的“高速模式”这样的多个转弯模式的人为操作件。若选择“平稳模式”，则实现尽量不损毁田地的转弯，若选择“高速模式”，则转弯行驶的时间变短，作业时间缩短。注意，实际的车身10的转弯半径由左右履带机构的履带速度之差或者左右驱动车轮的速度差决定，但也能够调整将行驶动力向履带机构或驱动车轮传递的液压传动机构中的液压来调整转弯半径。

(4)在上述实施方式中，作为自车位置检测模块80，使用了卫星导航模块81与惯性导航模块82的组合，但也可以仅为卫星导航模块81。另外，也可以采用基于相机的拍摄图像计算自车位置、车身方位的方法。

(5)图6所示的各功能部主要是出于说明目的而进行划分。实际上，各功能部可以与其他功能部合并，或者也可以分为多个功能部。而且，也可以将构建于控制单元5的功能部中的行驶模式管理部53、行驶路径设定部54、位置偏移量计算部57、方位偏移量计算部58、基准直线计算部59、转向量计算模块4中的全部或一部分构建于可连接控制单元5的便携式的通信终端2(平板计算机等)，并经由无线、车载LAN与控制单元5进行数据交换。

注意，上述实施方式(包含其他实施方式，以下相同)所公开的结构只要不产生矛盾，就能够与其他实施方式中公开的结构组合应用，另外，本说明书中公开的实施方式是示例，本发明的实施方式并不限定于此，能够在不脱离本发明的目的范围内适当改变。

工业实用性

本发明不仅能够应用于全喂入型的联合收割机，也能够应用于半喂入型的联合收割机。

另外，也能够应用于玉米收获机、马铃薯收获机、胡萝卜收获机、甘蔗收获机等各种收获机、插秧机、拖拉机等田地作业车。而且，也能够应用于草坪修剪机、工程机械等。

附图标记说明

5：控制单元

10：车身(行驶车身)

11：行驶装置

51：行驶控制部

510：转向控制部

511：手动行驶控制部

512：自动行驶控制部

52：作业控制部

53：行驶模式管理部

54：行驶路径设定部

55：自车位置计算部

56：车身方位计算部

57：位置偏移量计算部

58：方位偏移量计算部

59：基准直线计算部

80：自车位置检测模块

81：卫星导航模块

82：惯性导航模块

BL：基准直线

C：转弯圆

CL：车身中心线

PL：方位基准线

R：转弯圆的半径

VP：转弯基准点(基准点)

δ：位置偏移量

θ：方位偏移量

Claims (21)

1.一种自动转向系统，该自动转向系统是在作业地上沿设定好的行驶路径自动行驶的作业车的自动转向系统，其中，具备：

转向行驶装置，其基于以直进方向为基准的向左的转向量进行左转弯，并基于以所述直进方向为基准的向右的转向量进行右转弯；

自车位置计算部，其计算自车位置；

位置偏移计算部，其根据所述行驶路径与所述自车位置计算位置偏移；

车身方位计算部，其计算表示车身的朝向的车身方位；

方位偏移计算部，其根据所述行驶路径与所述车身方位计算方位偏移；

转向量计算部，其基于所述位置偏移与所述方位偏移，计算用于消除所述位置偏移以及所述方位偏移的所述转向量即第一转向量；以及

转向量限制部，其基于当前的所述转向量即第二转向量限制所述第一转向量。

2.根据权利要求1所述的自动转向系统，其中，

所述转向量限制部对于所述转向量计算部，禁止从左右方向中的一个方向越过所述直进方向而到达左右方向中的另一方向的转向量。

3.根据权利要求1或2所述的自动转向系统，其中，

所述转向量限制部对所述第一转向量的限制在所述行驶路径为转弯行驶路径的情况下有效。

4.根据权利要求3所述的自动转向系统，其中，

在所述自车位置存在于所述转弯行驶路径中的转弯内侧的情况下，所述转向量限制部对所述第一转向量的限制有效，在所述自车位置存在于所述转弯行驶路径中的转弯外侧的情况下，所述转向量限制部对所述第一转向量的限制无效。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的自动转向系统，其中，

所述自动转向系统具备解除所述转向量限制部对所述第一转向量的限制的限制解除部，所述限制解除部在解除对所述第一转向量的限制的同时，输出车速降低指令。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的自动转向系统，其中，

所述转向行驶装置由能够分别独立地调整速度的左行驶单元与右行驶单元构成，所述转向量是所述左行驶单元与所述右行驶单元的速度差。

7.一种自动转向系统，该自动转向系统使作业车沿设定好的转弯圆自动行驶，其中，具备：

基准点计算部，其计算所述作业车中的基准点的位置；

基准直线计算部，其计算通过所述转弯圆的中心与所述基准点的直线作为基准直线；

位置偏移量计算部，其计算从所述基准直线与所述转弯圆的交点到所述基准点的距离作为位置偏移量；

车身方位计算部，其计算表示所述作业车的车身朝向的车身方位；

方位偏移量计算部，其计算通过所述基准点并垂直于所述基准直线的线与所述车身方位的交叉角作为方位偏移量；以及

转向控制部，其输出使所述位置偏移量与所述方位偏移量变小的第一转向量。

8.根据权利要求7所述的自动转向系统，其中，

所述位置偏移量计算部通过使所述基准直线上的所述转弯圆的中心与所述基准点之间的长度减去所述转弯圆的半径而计算所述距离。

9.根据权利要求7或8所述的自动转向系统，其中，

所述转向控制部将当前的转向量即第二转向量、所述位置偏移量以及所述方位偏移量作为输入参数，通过PID控制方式或者PI控制方式运算所述第一转向量并输出该第一转向量。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的自动转向系统，其中，

所述转弯圆被设定为用圆弧连接延伸方向不同的转弯前行驶路径与转弯后行驶路径，作为所述转弯圆，准备了可供选择的急转弯用转弯圆与缓转弯用转弯圆。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的自动转向系统，其中，

基于前次的转弯行驶中的转弯行驶误差，调整在接下来的转弯行驶中设定的转弯圆的半径。

12.一种自动转向方法，该自动转向方法是在作业地上沿设定好的行驶路径自动行驶的作业车的自动转向方法，其中，具备：

计算自车位置的工序；

根据所述行驶路径与所述自车位置计算位置偏移的工序；

计算表示车身的朝向的车身方位的工序；

根据所述行驶路径与所述车身方位计算方位偏移的工序；

基于所述位置偏移与所述方位偏移计算用于消除所述位置偏移以及所述方位偏移的转向量即第一转向量的工序；

基于当前的所述转向量即第二转向量限制所述第一转向量的工序；以及

根据被限制后的所述第一转向量使所述作业车转向的工序。

13.根据权利要求12所述的自动转向方法，其中，

在限制所述第一转向量时，禁止从左右方向中的一个方向越过直进方向而到达左右方向中的另一方向的转向量。

14.根据权利要求12或13所述的自动转向方法，其中，

限制所述第一转向量的工序在所述行驶路径为转弯行驶路径的情况下有效。

15.根据权利要求14所述的自动转向方法，其中，

在所述自车位置存在于所述转弯行驶路径中的转弯内侧的情况下，对所述第一转向量的限制有效，在所述自车位置存在于所述转弯行驶路径中的转弯外侧的情况下，对所述第一转向量的限制无效。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的自动转向方法，其中，

在解除对所述第一转向量的限制的同时，输出车速降低指令。

17.一种自动转向方法，该自动转向方法使作业车沿设定好的转弯圆自动行驶，其中，具备：

计算所述作业车中的基准点的位置的工序；

计算通过所述转弯圆的中心与所述基准点的直线作为基准直线的工序；

计算从所述基准直线与所述转弯圆的交点到所述基准点的距离作为位置偏移量的工序；

计算表示所述作业车的车身朝向的车身方位的工序；

计算通过所述基准点并垂直于所述基准直线的线与所述车身方位的交叉角作为方位偏移量的工序；

输出使所述位置偏移量与所述方位偏移量变小的第一转向量的工序；以及

根据所述第一转向量使所述作业车转向的工序。

18.根据权利要求17所述的自动转向方法，其中，

在计算所述位置偏移量时，通过使所述基准直线上的所述转弯圆的中心与所述基准点之间的长度减去所述转弯圆的半径而计算所述距离。

19.根据权利要求17或18所述的自动转向方法，其中，

在输出所述第一转向量时，将当前的转向量即第二转向量、所述位置偏移量以及所述方位偏移量作为输入参数，通过PID控制方式或者PI控制方式运算所述第一转向量并输出该第一转向量。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的自动转向方法，其中，

所述转弯圆被设定为用圆弧连接延伸方向不同的转弯前行驶路径与转弯后行驶路径，作为所述转弯圆，准备了可供选择的急转弯用转弯圆与缓转弯用转弯圆。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的自动转向方法，其中，

基于前次的转弯行驶中的转弯行驶误差，调整在接下来的转弯行驶中设定的转弯圆的半径。

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