JP2001344017A

JP2001344017A - 自動走行機械

Info

Publication number: JP2001344017A
Application number: JP2001093393A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Hatsumoto; 慎太郎初本; Kenjiro Fujii; 健二郎藤井; Yuji Matsuda; 有司松田; Noriyuki Kamiya; 敬之神谷; Toshihiro Aono; 俊宏青野; Masami Otobo; 正美乙母; Kenji Kiyono; 憲二清野; Kazuo Kobayashi; 和男小林
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi KE Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi KE Systems Ltd
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2001-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】ＧＰＳによる自律航法装置を備えた芝刈り機
等の自動走行機械であり、移動計をオフラインのパソコ
ン上で生成するシステムの適用される自動走行機械を提
供する。【解決手段】自動走行機械である芝刈り機は、コント
ローラ２００とＧＰＳ受信機５１０と、各種のセンサを
備えて、自律走行する機能を有する。芝刈り機を作業対
象エリア内でマニュアル運転すると同時にＧＰＳを利用
して測量を行ない、測量データをＦＤ等にとり込む。こ
の測量データをオフラインのパソコン８００により処理
し、地形データ、障害物を作成し、地図データ８５２を
得る。この地図データ８５２を基に、芝刈り機の移動経
路パス８５４と動作データ８５６を作成し、ＦＤのメデ
ィアを介して芝刈り機のコントローラに供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は各種のセンサを有す
る自律航法装置を備えた自動走行機械、特に自動芝刈り
機の作業経路の生成方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバジャイロや車速センサ等の各
種のセンサを有する自律航法装置を備えて自動走行する
自動走行機械は本出願人により既に提案されている。こ
の種の自動走行機械は、走行すべき経路を予め測量した
地図情報等に基づいてオフラインによって生成し、機械
に対して教示する必要がある。図１４は、自動走行機械
である芝刈り機械１を用いて芝刈り作業を行なう状況を
示している。芝刈り機１は、カッターユニットＣＵを備
えて、経路Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３上を走行しつつ芝刈りを実
行する。カッターユニットＣＵによる芝の刈り幅をＷ_１
とすると、芝生を一様に刈るためには、隣接する刈り幅
をオーバーラップさせて芝を刈る必要がある。すなわ
ち、経路Ｐ_１と経路Ｐ_２の間の経路間隔をＣ_１とすると
刈り幅オーバーラップは符号ＯＬ_１で示される量とな
る。この経路Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３の生成は、平面で示され
る地図情報によって作成される。したがって、水平な平
坦地Ｆ_１を作業エリアとする場合には、設定された経路
間隔に対応する刈り幅オーバーラップ量を得ることがで
きる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１５に示す
ように、作業エリアＦ_２が傾斜角θをもつ起伏地の場合
には、その表面積が平坦地よりも広い（重力方向に経路
を生成する対象エリアを見た場合）ため、重力方向に等
間隔で経路を生成すると、起伏地の傾斜面に鉛直な方向
からその経路を見た場合、その経路の間隔は平坦地より
も傾斜面のほうが広くなる。このため、芝刈り機等の作
業機械では、その経路間隔Ｃ_２が広くなることにより必
要な刈り幅オーバーラップがとれなくなる。刈り幅オー
バーラップＯＬ_２は、自動走行機械の自動運転時にその
経路制御が一時的にずれても刈り残し部分を作らないた
めの予備エリアであるため、傾斜が変ってもこの刈り幅
オーバーラップを常に一定以上保っておく必要がある。
本発明は、これを解決するために、傾斜角に応じて経路
間隔を変えて経路を生成する方式を提供するものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明が適用される自動
走行は、操舵輪と駆動輪を有する車体と、車体に装備さ
れる作業ユニットと、車体の姿勢を検知するセンサと、
車体の進行速度を検知するセンサと、予め与えられる地
図情報に基づいて車体の移動経路をプログラム制御する
自律航法装置と、ＧＰＳアンテナを有するＧＰＳ航法装
置とを備える。そして、本発明の経路生成方式は、オフ
ラインのパソコンを用いて、自動走行機械が作業対象エ
リアを走行することによって得られる測量データに基づ
いて、地図データを作成する処理と、地図データに基づ
いて自動走行機械の作業対象エリア内での走行経路と作
業の動作データを作成する処理を実行するものである。
そして、作業対象エリア内での作業経路は直線経路で生
成され、隣接する作業経路幅がオーバーラップ幅を有す
るように経路が生成される。また、作業対象エリア内に
起伏地が存在する場合には、起伏地の傾斜によるオーバ
ーラップ幅の変化を算出し、設定されたオーバーラップ
幅を確保する経路間隔が生成される。さらに、作業対象
エリアを複数の矩形のブロックに区切って、経路の自動
生成を行なうこともできる。

【０００５】

【発明の実施の形態】図１は本発明を適用する自動走行
機械である移動作業機械の平面図、図２は側面図であ
る。自動走行機械である移動作業機械１は、例えば芝刈
り機であって、車体を構成するメインフレーム１０と、
メインフレーム１０を支持する２個の前輪２４と２個の
後輪２２を有する。フレーム１０の下部には、芝のカッ
ティングユニット７０，７２が配設され、フレーム１０
の上部にはエンジン３０が配設される。エンジンは油圧
ポンプ１００を駆動し、油圧ポンプ１００が発生する圧
油によって車輪の駆動及び操舵、芝刈りユニットの昇降
及びカッターの駆動等が実行される。

【０００６】フレーム１０の両側には燃料タンク３２、
油圧ポンプの作動油のタンク３４等が配設される。フレ
ーム１０上にはオペレータ用の座席５０とステアリング
６０が配設され、有人運転時には、オペレータが乗車
し、運転を行なう。座席５０の周囲には、有人運転時の
操作レバー８０やアクセルペダル、ブレーキペダル等が
配設される。

【０００７】芝刈りユニット７０は、カッターブレード
を有し、図示しないアクチュエータにより回転駆動され
る。

【０００８】フレーム１０の前部には、前部バンパー８
２がとりつけてあって、バンパスイッチ３２０と障害物
センサ３４０が設けてある。フレーム１０の後部には後
部バンパー８４がとりつけてあって、バンパスイッチ３
２０と障害物センサ３４０が設けてある。車輪２２，２
４には車速センサ４３０がとりつけてあって、各車輪の
回転数に基づいて車速を検出する。

【０００９】エンジン３０は油圧ポンプ１００を駆動
し、油圧ポンプ１００は、各車輪にとりつけた油圧モー
タを駆動する。また、芝刈りユニット７０，７２の上下
動も油圧シリンダにより操作され、芝刈りユニットにと
りつけたカッターも油圧モータで駆動される。ステアリ
ング６０やアクセルの操作も、マニュアル運転と自動運
転が選択でき、自動運転時には、油圧アクチュエータに
よってステアリングとアクセルワークが操作される。

【００１０】この移動作業機械１は自律による自動運転
に必要とする各種のセンサを装備する。まず、姿勢計測
センサは、機械の現在のピッチ角及びロール角を検知す
る。光ファイバージャイロは、機械のヨー角度を検知
し、操舵角センサは、ステアリングの操舵角を検知し
て、操舵輪の角度を算出する。車速センサは各車輪の回
転数から車速を算出し、走行制御角度センサは、機械の
制御角度を検出する。

【００１１】その他にも、自動運転中に機械の周囲の障
害物を認識するセンサ３４０や機械のバンパが障害物に
触れたときに機械を非常停止するためのバンパースイッ
チ３２０も設けてある。この移動作業機械は、以上の各
センサからの情報を処理するコントローラ２００を搭載
し、自律航法によって無人による自動運転と芝刈り作業
等を実行することができる。

【００１２】また、この移動作業機械は、ＧＰＳの受信
装置を装備して、ＧＰＳの受信装置を装備して、ＧＰＳ
を利用した航法も実行する機能を有する。フレーム１０
上に起立するＧＰＳアンテナ５００は宇宙空間のＧＰＳ
衛星からの電波を受信し、フレーム上に設置したＧＰＳ
の移動局装置へ送る。移動局装置は受信したＧＰＳ信号
から移動局の現在位置を絶対値として算出する。このア
ンテナポストを利用して、光学的なサインポスト５０５
を設けることができる。この移動作業機械が稼働するエ
リアの近傍にＧＰＳの固定局を配置し、この固定局から
の信号電波を受信することで、現在位置を補正し、精度
を向上することができる。

【００１３】図３は、固定局の構成を示すもので、ＧＰ
Ｓ受信と補正信号の発信を行なう装置６１０と、衛星か
らのＧＰＳ電波信号の受信用アンテナ６１５と、補正信
号の発信用アンテナ６２５を備える。フレーム１０に装
備されるＧＰＳの補正情報受信機５５０は、アンテナ５
６０を有し、固定局からの補正情報を受信する。ＧＰＳ
アンテナ５００が受信する衛星からの信号によって算出
した現在位置を固定局から受信する補正情報によって補
正することで、より正確な現在位置を得ることができ
る。

【００１４】図４は、本移動作業機械のシステム構成を
示すブロック図である。移動作業機械を駆動、操作する
機構としては、エンジン３０により駆動される油圧ポン
プ１００を備え、油圧ポンプから送られる圧油は操作用
シリンダ１１０を介して操舵輪２４の操舵角を制御す
る。操舵制御装置１２０は、操舵制御アクチュエータに
より駆動される操舵制御機構１２４を有し、制御量は操
舵各センサ１２６で検知される。有人運転時にはステア
リング６０で手動操作される。

【００１５】圧油は油圧モータ１３０へ送られ、全ての
車輪２２，２４を駆動する。走行制御装置１４０は、走
行制御アクチュエータ１４２により駆動される駆動制御
機構１４４を有し、制御量は走行制御角度センサ１４６
で検出される。具体的にはアクセル開度の角度が制御、
検出される。有人運転時にはアクセルペダルにより手動
操作される。

【００１６】圧油により駆動される油圧モータ１５０は
カッターユニット７０，７２のカッターを駆動する。カ
ッター駆動制御装置１６０は、カッター駆動アクチュエ
ータ１６２によって駆動される駆動制御機構１６４を有
し、制御量は動作確認センサ１６６で検知される。有人
運転時には操作レバー８０により手動操作される。圧油
により駆動される油圧シリンダ１７０は、芝刈りユニッ
ト７０を上下動させるカッター上下制御装置１８０は、
カッター駆動アクチュエータ１８２によって駆動される
駆動制御機構１８４を有し、制御量は動作確認センサ１
８６で検出される。有人運転時には操作レバー８０によ
り手動操作される。

【００１７】コントローラ２００は、地図情報手段２１
０、作業パス生成手段２２０、軌道目標値手段２３０、
位置推定手段２４０、誤差補正手段２５０、目標速度・
方向演算手段２６０を備える。目標速度・方向演算手段
２６０の出力は運転指令手段を介して各機器の制御装置
へ送られる。スイッチボックス３３０のメインスイッチ
によりエンジン制御装置３１０を介してエンジンが始動
される。車体フレーム２０のバンパーに設けたバンパー
スイッチ３２０は、車体が障害物に接したことを検出し
てエンジンを止めて、非常停止を実行する。

【００１８】本移動作業機械は、無人移動、作業を実行
するために、種々のセンサを有する。障害物認識センサ
３４０は、超音波等を用いて周囲の障害物を検知する。
移動作業機械が装備する内界センサ４００は、姿勢計測
センサ４１０、光ファイバジャイロ４２０、車速センサ
４３０を有し、機械の進行方向や移動量を検知する。操
舵角センサ１２６は操舵角度を検知し、走行制御センサ
１４６はアクセル角度を検知する。移動作業機械１は、
これらのセンサの情報と、コントローラが備える地図情
報によって無人運転による自律走行と自動作業が可能で
ある。

【００１９】本移動作業機械１は、これらの内界センサ
４００に加えて、ＧＰＳセンサ５００を有する。このＧ
ＰＳセンサ５００は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信して
現在位置を演算することができる。また、作業エリアの
近傍に設置した固定局からのＧＰＳ用データを受信する
装置５５０を有する。ＧＰＳ固定局６００は、ＧＰＳ衛
星からの信号を受信するアンテナ６１５と、受信したデ
ータから現在位置を絶対位置として算出するＧＰＳの固
定局６１０と、ＧＰＳの補正信号の送信機６２０と、送
信用アンテナ６２５を備え、移動作業機械に補正データ
を送信する。このＧＰＳシステムを備えることによっ
て、移動作業機械は自己の現在位置を正確に認識するこ
とができる。

【００２０】図５は、本発明の自動走行機械の経路生成
方式に使用するオフライン教示システムのハードウェア
構成を示し、図６はソフトウェア環境を示す。システム
のハードウェアは、パソコン本体８００と、ディスプレ
イ８１０、キーボード８２０、マウス８４０等を備え、
本体８００はフロッピー（登録商標）ディスクドライブ
８３０とハードディスクドライブ８３２を有する。パソ
コン本体８００内には、ソフトウェアとしてＭＳ−ＤＯ
Ｓ８０２、ＭＳ−ウインドウズ８０４、自動芝刈り機オ
フライン教示システムプログラム８０６等が搭載されて
いる。

【００２１】図７は、地形データ作成用パソコン８００
を用いて自動芝刈り機のオフライン教示プログラムを作
成する処理のフローを示す。芝刈り機１は、作業対象と
なるエリアを有人運転により走行する。この走行にとも
ない、芝刈り機のコントローラ２００はＧＰＳ受信機５
１０からの現在位置のデータを利用して、走行エリアを
測量し、その測量データは、例えば、フロッピーディス
クに収容されて、パソコン８００に供給される。

【００２２】パソコン８００は、この測量データに基づ
いて地図データの作成フェーズに移行し、地形データ８
５０を作成する。この地形データには障害物データ等も
含まれる。次に、この地形データ８５０から地図データ
８５２を作成する。地図データの作成が完了すると、こ
の地図データは作業指示作成のためのフェーズに送られ
る。このフェーズにおいては、作業機械の経路パス８５
４と作業のための動作データ８５６が作成される。作成
された動作データは、フロッピーディスク等のメディア
を介して芝刈り機のコントローラ２００へ供給される。
芝刈り機は供給された動作データに基づいて、自動走行
と自動作業を実行する。

【００２３】図８は操作のフロー図である。ステップＳ
Ｔ１０でスタートした処理は、ステップＳＴ１１でパソ
コン８００の電源をオンして、ステップＳＴ１２でオフ
ライン教示ソフト８０６を立ち上げる。ステップＳＴ１
３で芝刈り機が作業エリアを走行して得た測量データ／
障害物データをロードし、ステップＳＴ１４で動作デー
タ作成条件を入力する。ステップＳＴ１５で動作データ
８５６を作成し、ステップＳＴ１６で動作データの追
加、修正、変更等を行なう。ステップＳＴ１７で動作デ
ータの追加等の完了を確認し、ステップＳＴ１８で全動
作データの作成完了を確認する。ステップＳＴ１９で動
作データ８５６をメディアに登録し、ステップＳＴ２０
でフロッピーディスク等を介して芝刈り機への動作デー
タのロードを行なう。ステップＳＴ２１でオフライン教
示ソフト８０６を立ち下げ、ステップＳＴ２２でパソコ
ン８００を立ち下げて、ステップＳＴ２３で処理を完了
する。

【００２４】図９は動作データの生成処理のフロー図で
ある。ステップＳＴ５０でスタートした処理は、地図デ
ータ８５２、芝刈り機の性能データ８６０、経路生成条
件８６１をとり込んで、ステップＳＴ５１でスタート点
からの直線経路を決定する。ステップＳＴ５２で直線形
路上の最大傾斜角を算出する。ステップＳＴ５３で傾斜
角から刈り幅を算出し、ステップＳＴ５４で傾斜角から
隣接する刈り幅のオーバーラップ幅を算出する。ステッ
プＳＴ５５で刈り幅とオーバーラップ幅から芝刈り機の
経路間隔を算出し、ステップＳＴ５６で経路間隔に合わ
せた折り返しパターンを作成する。通常は、直線経路の
終点で、芝刈り機は半円弧の経路に沿って走行して折り
返す。この円弧の半径は経路間隔に応じて変更される。
ステップＳＴ５７で次の経路の生成の必要性をチェック
し、必要であれば、ステップＳＴ５８で折り返しパター
ンに継続して、次の直線経路の生成ステップ（ステップ
ＳＴ５２）へ戻る。全ての経路の生成を確認し、ステッ
プＳＴ５９で動作データ８５６の生成を終了する。

【００２５】図１０は、作業エリアＦ_１内にマウンドＭ
を含むエリア内で、等間隔Ｌ_１〜Ｌ _４の直線経路Ｐ_１〜
Ｐ_７で芝刈り作業を行なう場合の例を示す。芝刈り機が
マウントＭの中腹を通る直線経路を走行しつつ刈る場合
には、平面上のオーバーラップ幅ＯＬに比べて、傾斜面
でのオーバーラップ幅ＯＬ_１０は狭くなる。傾斜の条件
によっては、このオーバーラップ幅Ｌ_１０が狭くなりす
ぎて、芝の刈り残しを発生してしまう。

【００２６】この問題を解決するために、本発明の経路
作成処理では傾斜面の条件を考慮に入れて、図１１に示
すように不等間隔の直線経路Ｐ_１〜Ｐ_４を設定する。直
線経路Ｐ_１からＰ_２へ折り返すためには、周回経路Ｒ_１
を通過し、経路Ｐ_２からＰ_３へ折り返すためには、周回
経路Ｒ_２を通過する。経路Ｐ_１とＰ_２の間隔Ｌ_１と経路
Ｐ_２とＰ_３の間隔Ｌ_２は等しくないので、折り返し経路
Ｒ_１，Ｒ_２は等しくならない。

【００２７】図１２は、パソコン８００の画面８１０上
での経路生成の状況を示す図である。作業エリアＦ_１で
作業機械の助走開始位置Ｓ_１と経路スタート／エンドポ
イントＥ_１が決められ、点線で示す直線の自動運転経路
Ｐが決められる。図中矩形で示すエリアＲ_１は自動生成
される折り返しの運転パターンを示す。作業エリアＦ_１
内には障害物Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３のデータが示されるの
で、経路はこれらの障害物を避けて生成される。自動運
転が困難な経路は、破線で示すマニュアル運転経路Ｍ_１
が生成される。以上のように、画面上に自動生成される
自動運転とマニュアル運転の経路をオペレータが確認し
つつ、適切な修正等を施して最終的な動作データを作成
する。

【００２８】図１３は、パソコンの画面表示の他の例を
示す。この処理にあっては、作業エリアＦ_１を矩形のブ
ロックに区切る。この例では、ブロック１からブロック
９の９個のブロックに区切られる。そして、各ブロック
内で直線経路Ｐ_１と折り返し経路Ｒ_１が自動生成され
る。ブロックから次のブロックへの移動や、ブロック内
での自動運転が困難なエリアはマニュアル運転経路Ｍ_１
で結ばれる。作業エリアＦ_１をブロック化することによ
って、障害物Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３を含むエリアもブロック
化され、このエリアを避けて、より合理的な移動経路を
生成することができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明を適用する自動走行機械は、操舵
輪と駆動輪を有する車体と、車体に装備される作業ユニ
ットと、車体の姿勢を検知するセンサと、車体の進行速
度を検知するセンサと、予め与えられる地図情報に基づ
いて車体の移動経路をプログラム制御する自律航法装置
と、ＧＰＳアンテナを有するＧＰＳ航法装置とを備え
る。そして、この自動走行機械の移動経路を生成する方
式は、オフラインのパソコンを用いて、自動走行機械が
作業対象エリアを走行することによって得られる測量デ
ータに基づいて、地図データを作成する処理と、地図デ
ータに基づいて自動走行機械の作業対象エリア内での走
行経路と作業の動作データを作成する処理を実行するも
のである。

【００３０】本発明によれば、オフラインのパソコンの
画面上で作業エリアの表示と、エリアに合わせた経路を
自動的に生成することができるので、最適な経路の作成
と、チェックを画面上で行ない、経路生成の効率を向上
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用する芝刈り機の平面図。

【図２】本発明の適用する芝刈り機の側面図。

【図３】ＧＰＳ固定局の概要を示す説明図。

【図４】芝刈り機の制御系のブロック図。

【図５】オフラインによる経路生成方式に使用するハー
ドウェアの構成図。

【図６】オフラインによる経路生成方式に使用するソフ
トウェアの環境を示す説明図。

【図７】オフラインによる経路生成の処理のフロー図。

【図８】オフラインによる経路生成の操作のフロー図。

【図９】オフラインによる経路生成の動作データ生成処
理フロー図。

【図１０】等間隔経路に基づいた刈り幅の状態を示す説
明図。

【図１１】傾斜角を考慮した経路間隙を示す説明図。

【図１２】パソコン画面の表示例を示す説明図。

【図１３】パソコン画面の表示例を示す他の説明図。

【図１４】平坦地での経路を示す説明図。

【図１５】起伏地での経路を示す説明図。

【符号の説明】

１芝刈り機１０車体２２後輪２４前輪３０エンジン７０，７２芝刈りユニット２００制御装置４００内界センサ５００ＧＰＳアンテナ５１０ＧＰＳ受信機６００ＧＰＳ固定局８００パソコン８１０表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ６２Ｄ 113:00 Ｂ６２Ｄ 113:00 (72)発明者藤井健二郎千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者松田有司千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者神谷敬之千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者青野俊宏茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者乙母正美千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号日立京葉エンジニアリング株式会社内 (72)発明者清野憲二千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号日立京葉エンジニアリング株式会社内 (72)発明者小林和男東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所産業機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】操舵輪と駆動輪を有する車体と、車体に
装備される作業ユニットと、車体の姿勢を検知するセン
サと、車体の進行速度を検知するセンサと、予め与えら
れる地図情報に基づいて車体の移動経路をプログラム制
御する自律航法装置と、ＧＰＳアンテナを有するＧＰＳ
航法装置とを備えた自動走行機械であって、オフラインのパソコンを用いて、自動走行機械が作業対
象エリアを走行することによって得られる測量データに
基づいて、地図データを作成する処理と、地図データに
基づいて自動走行機械の作業対象エリア内での走行経路
と作業の動作データを作成する処理を実行する自動走行
機械。
【請求項２】作業対象エリア内での作業経路は直線経
路で生成され、隣接する作業経路幅がオーバーラップ幅
を有するように経路が生成される請求項１記載の自動走
行機械。
【請求項３】作業対象エリア内に起伏地が存在する場
合には、起伏地の傾斜によるオーバーラップ幅の変化を
算出し、設定されたオーバーラップ幅を確保する経路間
隔が生成される請求項２記載の自動走行機械。
【請求項４】作業対象エリアを複数の矩形のブロック
に区切って、経路の自動生成を行なう請求項２記載の自
動走行機械。