JP2004016160A - 農業用作業車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】GPSと、内界センサ122と、株倣いセンサ201とを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車であって、GPSアンテナ108を前後方向において前車輪7・7と後車輪8・8の間であって、左右方向において車両左右略中央に位置する点Pの上方に配設し、さらに、車両最前部に株倣いセンサ201を配設した。株倣いセンサ201・201は、左右の前車輪7・7の前方にそれぞれ配設し、メインフレーム6L・6Rに対してリンク206(或いは、昇降リンク機構37)を介して昇降可能に取り付けた。さらに、株倣いセンサ201の下部にフロート202を設けた。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自律的に作業を行う農業用作業車に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、既に作物が植わっている圃場において、GPSやセンサ類を備え、自律的に走行・作業を行う農業作業車が知られている。該農業作業車の例としては、耕耘機を備えたトラクタや、散布機を搭載した散布作業機などが挙げられる。このような農業用作業車は、圃場内の作業開始地点まではオペレータが農業用作業車を運転する。そして、オペレータは作業開始地点に到達後、該作業車から降りて圃場の外に退出し、作業車は自律走行・作業を開始する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述の農業用作業車は、作物育成中の圃場を条に沿って走行するが、その際に作物を車輪で踏み倒すことのないように操向制御する必要がある。
しかし、車両の旋回時には車両の各部位によって移動方向が異なるため、走行車両側に取り付けるGPSアンテナの位置によれば、車両の操向を確実に捉えることが困難となり、車両の操向制御が複雑となる恐れがある。
また、GPSによる位置制御のみでは、間隔の狭い条間を正確に捉えることは困難である。そこで、本発明では、走行車両に備えた株倣いセンサで、株と車輪との位置関係を検出し、GPSによる操向制御に加え、株倣いセンサによる情報を元に走行車両の株倣い操向制御を行う構成として、より精密な株倣い操向制御を行うための構造を提案する。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【0005】
即ち、請求項1においては、GPS装置と、内界センサとを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車であって、GPSアンテナを前車輪と後車輪の間であって車両の左右略中心に配設したものである。
【0006】
請求項2においては、GPS装置と、内界センサと、株位置を検出するための株倣いセンサを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車であって、株倣いセンサを車両最前部に配設したものである。
【0007】
請求項3においては、請求項1又は請求項2に記載の農業用作業車において、車両を構成するフレームに対してリンクを介して株倣いセンサを取り付けたものである。
【0008】
請求項4においては、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の農業用作業車において、株倣いセンサの下部にフロートを設けたものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明の一実施例に係る散布作業車の全体的な構成を示した側面図、図2は同じく平面図、図3は自律操向制御機構を示す模式図、図4は自律操向のためのステアリング機構を示す図、図5は自律操向制御機構を示すブロック図である。図6は旋回する走行車両の様子を示す平面図である。
図7は前方ブームに前車輪の前方に位置する株倣いセンサを取り付けた散布作業車の正面図、図8は同じく側面図、図9は前方ブーム中央に株倣いセンサを取り付けた散布作業車の正面図、図10は左右の前車輪の前方にそれぞれ株倣いセンサを設けた散布作業車を示す正面図、図11は左右の前車輪にそれぞれ設けたデバイダに株倣いセンサを設けた散布作業車を示す平面図、図12はメインフレームにリンクを介して株倣いセンサを取り付けた散布作業車の側面図、図13は株倣いセンサの下部にフロートを設けた散布作業車を示す側面図、図14は株倣いセンサにカメラを設けた散布作業車を示す正面図である。
図15は株倣いセンサを示す平面図、図16は株倣いセンサと前車輪の配置を示す平面図、図17は株倣いセンサのセンサアームの回動角と出力電圧の関係を示す図、図18は株倣い操向制御を示すフローチャート図、図19は株倣い操向制御時の株倣いセンサからの出力電圧を示す図である。
図20は株倣いセンサと前車輪の配置を示す平面図、図21は株倣い操向制御を示すフローチャート図である。図22は株倣いセンサのセンサアームの別実施例を示す図、図23は株倣いセンサのセンサアームの回動角と出力電圧の関係を示す図である。図24は株倣いセンサとして非接触式センサを採用した散布作業車を示す正面図、図25は株倣いセンサの出力電圧と株までの距離の関係を示す図である。
【0010】
まず、本発明に係る農業用作業車の実施の一形態である散布作業車について、図1及び図2を用いて説明する。なお、本発明は本実施例の散布作業車に限定されるものではなく、圃場表面を走査しつつ作業を行う農業作業車に適用可能である。
散布作業車は乗用型の走行車両22と、該走行車両22の前部及び側部に配設されたブーム部35と、該走行車両の後部に配設されたポンプ部36と、該ポンプ部36の前部に配設された薬液タンク24等で構成されている。
【0011】
前記走行車両22の前端より後方へ向けて、左右一対のメインフレーム6L・6Rが平行に水平方向に延設され、該メインフレーム6L・6Rの前部下方にはフロントアクスルケース92Fを介して前車輪7・7が支承され、後部下方にはリアアクスルケース92Rを介して後車輪8・8が支承されている。
また、メインフレーム6L・6R上であって走行車両22前部にはエンジン9を被覆するボンネット10が配設されている。該ボンネット10後方のカバー上に操作パネル11が設けられており、該操作パネル11の上方には操向ハンドル12が設けられて、操作パネル11及び操向ハンドル12等で散布作業車の操縦部を構成している。
【0012】
また、メインフレーム6L・6R後部上には薬液タンク24が配設されており、該薬液タンク24の前部中央には運転席14が形成されて、該薬液タンク24によって側部と後部を取り囲まれるように載置されている。そして、薬液タンク24とボンネット10の間にはステップ13が設けられ、該ステップ13に乗降するための乗降ステップ56・56がメインフレーム6L・6Rに取り付けられている。
【0013】
前記ブーム部35は、薬液を散布するための複数のノズル23・23・・・を有するブーム40と、該ブーム40の昇降や展開を行うための機構より構成されている。
ブーム40は走行車両22の前方に位置する前方ブーム41と、該前方ブーム41の両端に枢支され、折畳み可能に側方に延設されている左右の側方ブーム42L・42Rから構成されている。そして、該ブーム40には薬液を散布するための複数のノズル23・23・・・が一定間隔をおいて配設されている。
そして、前方ブーム41と側方ブーム42L・42Rの間には、それぞれブーム開閉用シリンダ43・43が介装され、該ブーム開閉用シリンダ43・43を伸縮させることによって、側方ブーム42L・42Rを前方ブーム41と略一直線となるよう左右水平方向へ延設した作業位置と、前後方向で後ろ上がりに位置させた収納位置に回動可能としている。
【0014】
また、平行リンクにより前方ブーム41とメインフレーム6L・6Rの前部の間が連結され、該平行リンクの一方とメインフレーム6L・6Rの間にブーム昇降用シリンダ38・38を介装し、該ブーム昇降用シリンダ38・38を伸縮させることによってブーム40を上下昇降可能とした昇降リンク機構37が構成されている。
さらに、前方ブーム41の左右略中央が昇降リンク機構37に対して左右傾倒可能に支持され、該前方ブーム41と昇降リンク機構37の間にブーム水平制御用シリンダ39を介装して、走行車両22が傾いてもブーム40が略水平姿勢を保持するようブーム40を水平制御する構成としている。
【0015】
前記ポンプ部36は、エンジン9から動力を得て薬液タンク24内の薬液をノズル23・23・・・へ圧送する噴霧ポンプ4と、該噴霧ポンプ4から吐出される薬液の制御に関わる散布量制御装置3等で構成されている。
噴霧ポンプ4は、走行車両22の後部に延設したサブフレーム52L・52R上に支持部材を介して該噴霧ポンプ4のクランクケースに内装されたクランク軸が車両前後方向に位置するよう配設され、該クランクケースの右上部にはエアチャンバや安全弁等が設けられている。
また、散布量制御装置3は、流量制御弁や、該流量制御弁の開閉に関わるモータ等より構成され、噴霧ポンプ4のクランクケース周囲に配設されている。
【0016】
上述の如く構成される散布作業車は、ブーム40を広げた状態で走行車両22により圃場を走行すると同時に、薬液タンク24内の薬液が、ポンプ部36により調量されるとともにブーム部35に圧送されてブーム40に設けられたノズル23・23・・・から散布され、薬液散布作業を行う。
そして、散布作業車は、操縦者が車両に搭乗して操向ハンドル12や操作レバー等を操作して操向する手動走行モードと、操縦者が車両に搭乗せずにGPS(グローバル・ポジショニング・システム)を利用して車両の位置情報を得て自律操向プログラムにより圃場を走行しながら薬液散布作業を行う自律走行モードを選択することが可能に構成されている。
【0017】
次に、走行車両22のステアリング機構について説明する。
図3及び図4に示す如く、操向ハンドル12はステアリング軸12aの上端に設けられている。該ステアリング軸12aの下端とシャフト139の上端とはユニバーサルジョイント140により連結されている。該シャフト139下端にはトルクジェネレータ222が設けられ、操向ハンドル12を操作する回動力が小さくてもシャフト139を容易に回動可能に構成される。トルクジェネレータ222の下部にはステアリングギアボックス224が連結されており、シャフト139から入力された回動は、ステアリングギアボックス224からの出力軸であるステアリング出力軸230によって出力され、該ステアリング出力軸230に連結されたステアリングプレート218を回動操作する。また、前記ステアリングプレート218には、ロッド213・213を介して左右の前車輪7・7に設けられたナックルアーム212・212に連結されている。従って、ステアリングプレート218の回動を受けて前車輪7・7が操向される。
【0018】
さらに、前車輪7・7に設けられたナックルアーム212・212には、切換装置231・231を介してアーム212a・212aが接続・接続解除可能とされており、該アーム212a・212aには、ロッド214・214を介して後車輪8・8に設けられたナックルアーム215・215が連結されている。
【0019】
前記切換装置231・231によって、ナックルアーム212・212とアーム212a・212aが接続されているときには、前車輪7・7と後車輪8・8とが操向される四輪操向式ステアリング(4WS)となり、ナックルアーム212・212とアーム212a・212aの接続が解除されているときには、後車輪8・8の操向は直進状態に固定された二輪操向式ステアリングとなるように切り換えることが可能となっており、後述の株倣い操向制御によって散布作業時に条に沿って直進しているときには二輪操向式ステアリングとし、旋回時等のその他操向時には四輪操向式ステアリングとなるように、制御装置141により切換装置231・231が切換制御されている。
【0020】
また、前記制御装置141には、操作パネル11、内界センサ122、ステアリング駆動アクチュエータ219・クラッチアクチュエータ・アクセルアクチュエータ等を操作する制御回路等が接続されて、散布作業車の操向制御や、散布制御を行っている。
前記内界センサ122は、速度、姿勢、エンジン回転数、ステアリングの操舵角など、散布作業車を自律走行させる上で必要な情報を検知するためのセンサ類を指す。より具体的には、エンジン回転数センサ、車速センサ、操舵角センサ、方位センサ、ロール傾斜センサ、ピッチ傾斜センサなどである。これら内界センサ122からの検知信号は、制御装置141に送信される。
【0021】
一方、走行車両22の自律走行時は自律走行プログラムによりステアリング機構を作動させる必要がある。
本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機においては、自律走行時には内界センサ122、株倣いセンサ201、GPSユニットからの各種検知信号、位置情報等に基づき、制御装置141が自律操作手段124を作動させて、作業経路に沿って走行するとともに、散布作業を行う。
このとき、自律操作手段124の内、ステアリングに関するものとしては、ステアリング駆動アクチュエータ219、ステアリング駆動電磁弁137などが挙げられる。本実施例では、ステアリング駆動アクチュエータ219として油圧モータを採用している。
【0022】
ステアリング軸12aに連結したシャフト139の中途部には、スプロケット143が設けられ、ステアリング駆動アクチュエータ219の出力軸に設けられたスプロケット144との間はチェーン145が巻回されている。ステアリング駆動アクチュエータ219には油圧配管146・147の一端が接続され、油圧配管146・147の他端はステアリング駆動電磁弁137と接続されている。そして、油圧配管146・147の中途部において両油圧配管をバイパスするバイパス配管148が設けられ、該バイパス配管148の中途部にバルブ149が配設されている。
【0023】
ステアリング駆動電磁弁137は図示せぬ油圧ポンプから送られてきた作動油を油圧配管146、ステアリング駆動アクチュエータ219、油圧配管147の順に送った後作動油タンクに戻す、油圧配管147、ステアリング駆動アクチュエータ219、油圧配管146の順に送った後作動油タンクに戻す、あるいはステアリング駆動電磁弁137側の油圧配管146・147端部を閉塞する、という三つの油圧回路を自律走行プログラムからの指令により選択可能に構成されており、左右の操舵と、ある操舵角でのステアリング機構の固定が可能である。なお、自律走行時にはバルブ149は閉じられており、手動走行時にはバルブ149は開けられ操向ハンドル12を自在に操作できる。
【0024】
次に、前記散布作業車のGPSを利用した自律走行について説明する。
図3及び図5に示す如く、GPSユニットは、主に、散布作業車本体に搭載される移動局ユニット103と、水田などの圃場の近くに設置される基準局ユニット104からなる。該基準局ユニット104は地面に固定された基準局の役割を果たし、移動局ユニット103は位置を求めようとする移動局(観測点)として機能する。
【0025】
図1、図2及び図7に示す如く、散布作業車本体上面の運転席14の後部から正面視門型のフレーム105が立設され、該フレーム105は横架部105a及び立設部105b・105bで構成され、該立設部105b・105bの基部は、薬液タンク24の上面に形成された取付部32L・32Rに着脱可能に固定されている。従って、薬液タンク24を走行車両22より取り外して内部を洗浄する際等には、フレーム105を取り外すことができる。
そして、GPSアンテナ108はフレーム105の横架部105aであって左右略中央に固設されたステー228を介して車両側に取り付けられている。該ステー228により、GPSアンテナ108は、前後方向において前車輪7・7と後車輪8・8の間であって、左右方向において車両左右略中央に位置する点Pの上方に配置されている。
【0026】
上述の如く、本実施例に係る走行車両22では、四輪操向式ステアリング(4WS)を採用している。そして、走行車両22は、旋回時において、ステアリング出力軸230の回動により前車輪7・7及び後車輪8・8が操向される、いわゆる、四輪操向方式ステアリングとし、さらに、前車輪7・7と後車輪8・8の操向角は、左右逆位相として、旋回半径の縮小が図られている。
四輪操向方式ステアリングを採用する走行車両22では、図6にも示す如く、車両の旋回中心P0を中心として旋回する際に、車両の部位によって移動方向が異なる。従って、移動局ユニット103側のGPSアンテナ108を、直進・旋回時において姿勢変化の少ない、前車輪7・7と後車輪8・8の間であって、車両左右略中央に位置する点Pの上方に配置することで、GPSユニットによる旋回時の車体の挙動を捉えることを容易にして、自律走行プログラムの制御ソフト上での位置情報の処理を単純化し、安定したデータを収集できるようにしているのである。
【0027】
なお、本実施例では四輪操向式ステアリングを採用しているが、例えば、前輪操向式ステアリングを採用した走行車両においては、移動局ユニット103側のGPSアンテナ108を備える場合は、直進・旋回時において姿勢変化の少ない、左右の後車輪8・8間であって車両左右略中心上に配置するのがよい。このように、走行車両の操向方式に拘わらず、直進・旋回時において姿勢変化の少ない点に移動局ユニット103側のGPSアンテナ108を備えることで、操向制御を安定させるとともに、操向用プログラムにおける計算を簡易なものとすることができる。
【0028】
図3及び図5に示す如く、前記GPSユニットのうち移動局ユニット103は、前記GPSアンテナ108の他、GPS受信部109、制御装置141に具備される処理部110及び無線部113、操作パネル11に具備される操作部111、表示部112、などで構成される。
GPSアンテナ108で受信されたGPS衛星からの電波信号は、ケーブルでGPS受信部109を経て制御装置141の処理部110に送信される。
制御装置141に設けられた無線部113は、基準局ユニット104及び操縦者が携帯する無線操作手段133と、移動局ユニット103とが無線交信するためのものである。
【0029】
操作パネル11に設けられた操作部111は、手動走行時における散布量等の設定や、自律走行の設定や、GPSの初期設定などを行うためのインターフェースである。
また、操作パネル11に設けられた表示部112は、制御装置141の処理部110におけるデータ処理の状況や、操作部111により入力された各種設定を表示するとともに、異常検出時の警告灯216が設けられている。また、後述するが、車両にカメラを備えたときには、表示部に設けられたモニタ217に画像が写し出されるようにすることもできる。
【0030】
基準局ユニット104も移動局ユニット103と略同じ構成であり、GPSアンテナ114、GPS受信部115、処理部116、操作部117、表示部118、無線部119などで構成される。なお、処理部116、操作部117、表示部118、無線部119は無線操作手段133に具備されている。
【0031】
無線操作手段133は操縦者が携帯し、散布作業車から離れた位置から各種の操作を行うためのものである。より具体的には、散布作業車の自律走行の開始・停止、エンジンの停止、側方ブーム42L・42Rの開閉、ブーム40の昇降などを該無線操作手段133により行うことができるよう構成されている。
【0032】
次に、散布作業車における自律走行システムを説明する。
自律走行システムは、前述のGPSユニットの他、自律走行プログラムや、散布作業車の種々の情報を検出する内界センサ122、株倣いセンサ201、自律走行・作業をするための自律操作手段124などからなる。
【0033】
ある時刻にGPS衛星125からの電波信号は、散布作業車に設けられた移動局ユニット103のGPSアンテナ108により受信され、GPS受信部109を経て制御装置141の処理部110に送信される。
一方、前記GPS衛星125から同時刻に発信された電波信号は、圃場付近に設置された基準局ユニット104のGPSアンテナ114によっても受信され、GPS受信部115を経て制御装置141に送信される。さらに、無線操作手段133の無線部119から、制御装置141の無線部113に無線送信される。
【0034】
制御装置141の処理部110では、前記基準局ユニット104において受信された電波信号と、移動局ユニット103の位置計算結果とを比較対照し、同時刻に発信された電波信号がGPSアンテナ108及びGPSアンテナ114で受信されたときの位相差や、複数のGPS衛星125・125・・・からの電波信号情報に基づき、移動局ユニット103と基準局ユニット104との相対位置を計算して、移動局ユニット103の位置計算を行う。上記の計算は処理部110に格納された自律走行プログラムにより行われる。
【0035】
さらに、内界センサ122、株倣いセンサ201からの検知信号、及びGPSユニットによる散布作業車の位置情報に基づき、散布作業車の速度、姿勢、エンジン回転数、ステアリングの操舵角などを自律操作するための信号が自律操作手段124に送信される。
該自律操作手段124は、より具体的には、ステアリング駆動アクチュエータ219やステアリング駆動電磁弁(図示せず)、ブーム昇降用シリンダ38、ブーム開閉用シリンダ43、ブーム水平制御用シリンダ39、アクセルアクチュエータ、主クラッチ用アクチュエータなどである。
【0036】
次に、株倣いセンサ201の配置について説明する。
株倣いセンサ201は、図1、図2及び図7に示す如く、散布作業車の車両前部下面に配設されている。株倣いセンサ201は、散布作業車が作物を車輪で踏んだりしないように、圃場に所定の間隔を空けて植わっている作物を検知し、制御装置141は株倣いセンサ201から検出される検知信号を受けて、株と車輪との距離を算出し、該散布作業車の操向を制御する。
このように、株倣いセンサ201を車両最前部に配置することで、株位置を最も早く検出し、走行車両22の操向制御に反映させるようにすることで、踏み倒しによる作物の損傷を抑制しているのである。
【0037】
図7及び図8に示す株倣いセンサ201は、走行車両22に対して昇降リンク機構37を介して上下昇降可能とされているブーム40のうち、前方ブーム41にステー207を介して取り付けられている。
【0038】
該ステー207により、株倣いセンサ201が前方ブームより前方且つ下方であって、株倣いセンサ201のセンサアーム210が作物の株元近傍の密集した高さ範囲内に位置するように調整されており、該ステー207に設けられた調整部を調整することにより、前方ブーム41と株倣いセンサ201の上下方向距離を微調整可能としている。
株倣いセンサ201をブーム40に取り付けることにより、該株倣いセンサ201の上下方向の検出位置を、昇降リンク機構37によりブーム40とともに上下昇降遠隔操作することで調整することができ、また、水平制御が行われるので検知部分の高さも一定に保持される。
【0039】
そして、株倣いセンサ201は、図9に示す如く、走行車両22の左右略中央に一つ設けることもできるが、車輪前方を確実に検知できないので、通常は図7に示す如く、該走行車両22の左右前車輪7・7の前方に位置するよう左右それぞれ一個ずつ計二個設ける。このとき、いずれの株倣いセンサ201・210も前7・7の前方であって条間に位置するようになる。
前車輪7・7の前方に設けることで、前車輪7・7の前方の情報を捉えることにより、前車輪7・7による株の踏み倒しをより効果的に防止することができる。
また、図10に示す如く、センサ本体209に設ける検出アーム210を左右片側のとすることができる。さらに、条間が均等に植え付けされていないために隣接条間が変化しても、条からの距離が常に左右同じになるように走行位置を制御することが可能となるので、株を踏まない最適な走行経路を決定することができる。
【0040】
また、図8に示す如く、株倣いセンサ201とともに、前方ブーム41と地上との距離(高さ)を認識する高さセンサ233を該前方ブーム41に設けることもできる。前方ブーム41に取り付けた株倣いセンサ201は、該前方ブーム41とともに上下昇降可能となるため、前方ブーム41の高さ位置を高さセンサ233で検出することで、前方ブーム41と地上との距離並びに株倣いセンサ201と地上との距離を知ることが可能となる。従って、作物の適切な位置、すなわち、株が集結した位置をセンシングでき、また、高さセンサ233からの情報に基づいて、前方ブーム41を上下昇降させることで常にセンシングに適切な高さを保持することができ、株倣いセンサ201の精度の向上を図ることができる。
【0041】
また、株倣いセンサ201は、図11に示す如く、条間を掻き分けるために前車輪7・7に装着したデバイダ208・208に設けることもできる。株倣いセンサ201は、デバイダ208・208の前方に配置されており、前車輪7・7のすぐ前方の情報を得ることを可能としている。
【0042】
また、図12に示す如く、株倣いセンサ201をメインフレーム6L・6Rにリンク206を介して取り付けることもできる。このときも、株倣いセンサ201は前方ブーム41の前方且つ下方に配置され、また、リンク206を介して取り付けることで、株倣いセンサ201の水平方向が略一定に保持される。
【0043】
さらに、株倣いセンサ201をリンク206を介してメインフレーム6L・6Rに取り付けたうえ、フロート202の上に浮かべた状態に配置することもできる。図13では、センサ本体209の上部にはリンク206を受ける支承部201aが設けられ、該センサ本体209の下部にはフロート202を回動可能に支承するフロート取付部201bが設けられている。
株倣いセンサ201にフロート202を付設することで、走行車両22の走行する地面Hbの高さが変化しても、フロート202は常に水面Ha上に位置するため、株倣いセンサ201の上下方向の検出位置は、常に水面Haから一定の位置に保持されることになる。また、株倣いセンサ201はフロート202により常に水面Haより上に位置するよう保持されるので、株倣いセンサ201が水面Ha下に潜って土中に入って破損したり、土や水が多く付着してセンサの機能を低下させたりすることを防止している。
【0044】
なお、図14に示す如く、株倣いセンサ201とともにカメラ204をフロート202に取り付けることもできる。カメラ204により撮影された映像は、操作パネル11に設けられたモニタ217及び無線操作手段133に設けられたモニタ217により見ることができる。
カメラ204による撮影で、株元近傍を写し出して株元の両側の列を画像処理して、左右の列が左右対称となるように、または、車輪が通過できる条間となるように操向装置を制御する。この画像を検出することは、作物が成長して背丈が長くなっても、該作物の根元近傍は集結しているため、株元の情報を得ることで条間を確実に検出できる。
【0045】
なお、走行車両22の旋回中は昇降リンク機構37によりブーム40を上げて、該ブーム40とともに株倣いセンサ201を作物より上方に移動させるよう制御する。
圃場内では、次の条へ作業を移行させるための旋回動作は、GPSユニットからの情報と設定した旋回経路のデータが一致するように制御されるが、走行車両22は弧を描いて旋回するために、旋回時には株倣いセンサ201と作物との衝突が避け難い。そこで、ブーム40を上昇位置に保持した状態で旋回することで、旋回時に株倣いセンサ201と作物とが衝突してお互いが損傷を受けることを回避し、株倣い制御がされないようにして設定した経路から外れないように操向するのである。
【0046】
なお、メインフレーム6L・6Rにリンク206を介して株倣いセンサ201を取り付けるときにも、リンク206とメインフレーム6L・6Rとの間に株倣いセンサ昇降用シリンダ234を設け、走行車両22の旋回時や、作業開始地点までの移動時等に株倣いセンサ201が上昇位置に保持されて、株倣いセンサ201及び作物の損傷を防止している。
【0047】
次に、株倣いセンサ201について説明する。
前記株倣いセンサ201は、株からセンサの距離を検出することにより、株を踏んでしまうことのないように、前車輪7・7及び後車輪8・8が条間を走行するように走行車両22を操向制御するためのものである。
【0048】
図15に示す如く、株倣いセンサ201はセンサ本体209と、該センサ本体209に取り付けられたセンサアーム210・210で構成されている。そして、センサアーム210・210が作物に当接することによりセンサアーム210・210が回動し、その回動角θをセンサ本体209に内装された回動角検出手段211・211によって検出することにより、図16に示す如く、センサ本体209と、株倣いセンサ201の左右側方に位置する作物の株Y・Y・・・までの距離から、株倣いセンサ201の左右側方に位置する条までの距離ML・MRを算出することができるようにしている。そして、走行車両22は、距離ML・MRが略等しくなるように操向制御されることにより、走行車両22の前車輪7・7が条間を走行する。
【0049】
前記株倣いセンサ201のうちセンサ本体209の左右にそれぞれセンサアーム210・210を延出する形態のものでは、図15に示す如く、センサアーム210・210はセンサ本体209の左右それぞれに別体に構成され、該センサ本体209に略水平方向に回動可能に支承されている。センサアーム210・210の側方先端からセンサアーム210・210の左右方向中心までの距離は等しく、無負荷状態でのセンサアーム210・210を含む株倣いセンサ201の左右幅(W2)は条間(W1)より広くなるように構成されている。センサ本体209の左右両側にセンサアーム210・210を設けることで、該センサ本体209の左右両側の情報をより正確に得ることができ、すなわち、前車輪7・7と条との距離ML・MRをより正確に算出することが可能となる。
【0050】
そして、センサアーム210・210に設けた回動角検出手段211・211により、図17に示すような関係の、各センサアーム210・210の回動角に比例した電圧出力Vが情報として制御装置141に送信される。制御装置141では、左右のセンサアーム210・210から検出された電圧差ΔVを元に、センサ本体209の左右方向中心から左右両側の株Y・Y・・・までの距離を算出することにより、前車輪7・7から条までの距離ML・MRを決定している。このように、電圧差ΔVを利用して前車輪7・7から条までの距離ML・MRを得ているので、高い精度を得ることができる。
【0051】
上述の如く構成した株倣いセンサ201は、左右の前車輪7・7の前方にそれぞれ設けられる。
そして、株倣い操向制御では、左右二つの株倣いセンサ201・201のうち、図16に示す如く、左側の株倣いセンサ201(201L)から左右の条までの距離d1(=ML)・d2(=MR)とし、右側の株倣いセンサ201(201R)から左右の条までの距離d3(=ML)・d4(=MR)として、これらの距離d1・d2・d3・d4が均平されるように操向制御する。
【0052】
そして、左右の前車輪のうち、左車輪を基準輪とし、左右の前車輪のうちいずれかが作物を踏んでしまうことを避けられないときには、左車輪が作物を踏まないように操向制御して、作物の損傷を最小にとどめるようにしている。
なお、右車輪を基準輪とすることもできる。
【0053】
ここで、前記株倣いセンサ201L・201Rを用いた株倣い操向制御を、図18のフローチャート図を用いて説明する。初期状態を、走行車両22が自律走行モードであって、走行しながら薬剤散布作業を行っている状態とする。
左右各株倣いセンサ201L・201Rのセンサアーム210・210・・・の回動が回動角検出手段211・211・・・により検出されて、該株倣いセンサ201L・201Rからの出力電圧が制御装置141に送信される(S180)。
【0054】
図19の図表に示す如く、株倣いセンサ201のセンサアーム210・210の回動が検出され、株倣いセンサ201の左側のセンサアーム210の右方向への回動により出力される電圧を原出力電圧値Vl、右側のセンサアーム210の左方向への回動により出力される電圧を原出力電圧値Vrとしたものが制御装置141に送られる。そして、制御装置141では、これらの原出力電圧値Vl・Vrより、出力電圧値VL・VRが算出され、その電圧差ΔV(ΔV=VL−VR)が算出される。
なお、図19の図表に示す如く、株倣いセンサ201のセンサアーム210・210が当接する株Y・Y・・・は、条に沿って略等間隔に存在するため、原出力電圧値Vl・Vrは略規則的な波形となる。そして、株Y・Y・・・の存在点は波の一サイクルにおいて原出力電圧値Vl・Vrが最大となる点であると推測され、このような点を直線で結んで近似したものが条間と株倣いセンサ201との距離ML・MRを決定する出力電圧値VL・VRとされ、電圧差ΔVの算出に採用される。なお、距離ML・MRは出力電圧値VL・VRの関数として算出される(ML=kVL、MR=kVR)。
【0055】
上述の方法により、左側の株倣いセンサ201Lで検出された値を基に得られた電圧差ΔVを、電圧差ΔVαとし、右側の株倣いセンサ201Rで検出された値を基に得られた電圧差ΔVを、電圧差ΔVβとする(S181)。また、上述の如く、距離d1・d2・d3・d4は出力電圧値VL・VRに基づいて算出される。上述の如く算出された電圧差ΔVα・ΔVβより、左右それぞれの前車輪が条間の中心から左右のいずれに寄っているかが判明する。
【0056】
電圧差Δαの正負を判断し(S182)、電圧差ΔVαが負の値であれば左側に、また、電圧差ΔVαが正の値であれば右側に寄っていることになる。
電圧差ΔVαが負の値であれば、距離d1と距離d4が等しくなるように外均等操向制御する(S183)。また、電圧差ΔVαが正の値であれば、距離d2と距離d3が等しくなるように内均等操向制御する(S184)。
【0057】
まず、左右各株倣いセンサ201L・201Rから隣接条までの距離d1・d2・d3・d4が、限界状態にないかを判断する(S186・S187)。
限界状態とは、左右の車輪のうちいずれかが株を踏んでしまうことを避けられない状態に至ることが予測される状態である。左右の車輪のうちいずれかが株を踏んでしまうのは、二通りの状態が考えられ、(1)左車輪が左寄り、右車輪が右寄りの状態で(外均等操向制御時)、左車輪左側に隣接する条と、右車輪右側に隣接する条との距離が轍間距離と等しい、(2)左車輪が右寄り、右車輪が左寄りの状態で(内均等操向制御時)、左車輪右側に隣接する条と、右車輪左側に隣接する条との距離が轍間距離と等しい、これらの状態に至ることが予想されるときには、基準輪である左車輪を条と一定の間隔を保持した状態で走行し、作物の損傷を右車輪によって受ける最小限に留めることのできるようにしている。
【0058】
限界状態は、(1)左車輪が左寄りの状態、すなわち、外均等操向制御で、距離d1及びd4距離がともに限界値dZより小さい、(2)左車輪が右寄りの状態、すなわち、内均等操向制御でで、距離d2及びd3がともに限界値dZより小さい、の各場合であり、このときは限界操向制御が行われる(S188)。なお、限界値dZは予め設定される。
限界操向制御では、(1)では距離d1を、(2)では距離d2を、限界値dZに保持した状態で走行させる。また、(1)では距離d1とd4が、(2)では距離d2とd3が限界値より大きな値となったときに限界操向制御が解除され、(1)では外均等操向制御に、(2)では内均等操向制御に移行される。
【0059】
外均等操向制御では、距離d1と距離d4が等しくなるように車輪を操向制御する。その際の、左側の株倣いセンサ201Lから左側の条までの目標距離D1(D1=d1/2+d4/2)は、距離d1と距離d4に基づいて算出され、さらに、移動距離Δd(Δd=D1−d1=d4/2−d1/2)が算出される(S189)。
そして、Δdだけ前車輪が移動するよう操向制御される。なお、移動距離Δdの正負を判断し(S190)、移動距離Δdが負の値のときには、制御装置141は左方向に|Δd|だけ移動するようステアリング駆動アクチュエータ219に指令して前車輪の切れ角を変更し(S192)、移動距離Δdが正の値のときには、制御装置141は車輪を右方向に|Δd|だけ移動するようステアリング駆動アクチュエータ219に指令して前車輪の切れ角を変更する(S193)。なお、|Δd|に対する前輪切れ角の変更具合は、予め制御装置141に登録された|Δd|に対する前輪切れ角の変更具合を示すマップに基づいて決定される。
【0060】
内均等操向制御では、距離d2と距離d3が等しくなるように車輪を操向制御する。その際の、左側の株倣いセンサ201Lから右側の条までの目標距離D2(D2=d2/2+d3/2)が、距離d2と距離d3に基づいて算出される。さらに、移動距離Δd(Δd=D2−d2=d3/2−d2/2)が算出される(S193)。
そして、Δdだけ前車輪が移動するよう操向制御される。なお、移動距離Δdの正負を判断し(S194)、移動距離Δdが正の値のときには、制御装置141は左方向に|Δd|だけ移動するようステアリング駆動アクチュエータ219に指令して前車輪の切れ角を変更し(S195)、移動距離Δdが負の値のときには、制御装置141は車輪を右方向に|Δd|だけ移動するようステアリング駆動アクチュエータ219に指令して前車輪の切れ角を変更する(S196)。
【0061】
なお、上述の株倣い操向制御は、自律走行モードにおける散布作業中は、旋回時、作業開始地点までの移動時、作業終了地点からの移動時を除いて常に行われる。
【0062】
また、前述の如く、株倣いセンサ201を左右両側に二個設けるときには、図10に示す如く、各株倣いセンサ201・201に設けるセンサアーム210は一本とすることもできる。
このとき、図20にも示す如く、各株倣いセンサ201(201L)・201(201R)にはセンサ本体209から車両左右側方側へ突出するセンサアーム210・210を設け、右側に設けられた株倣いセンサ201Rでは、該株倣いセンサ201Rから右側(又は左側)の株Y・Y・・・までの距離を検出することにより、該株倣いセンサ201Rから直ぐ右側(又は左側)の条までの距離MRを算出する。同様に、左側に設けられた株倣いセンサ201Lでは、該株倣いセンサ201Lから左側(又は右側)の株Y・Y・・・までの距離を検出することにより、該株倣いセンサ201Lから直ぐ左側(又は右側)の条までの距離MLを検出する。
【0063】
上述の、センサアーム210を各株倣いセンサ201・201に一つ設けるときの株倣い操向制御について、図21に示すフローチャートを用いて説明する。左右の株倣いセンサ201L・201Rのセンサアーム210・210の回動が検出され、右側に設けられた株倣いセンサ201Rの回動角により得られる原出力電圧値Vrと、左側に設けられた株倣いセンサ201Lの回動角により得られる原出力電圧値Vlとしたものが制御装置141に送られる(S158)。そして、制御装置141では、これらの原出力電圧値Vl・Vrより、出力電圧値VL・VRが算出され(S159)、その電圧差ΔV(ΔV=VL−VR)が算出される(S160)。
【0064】
そして、上述の如く算出された電圧差ΔVの値が、予め設定された不感帯の範囲(−V0≦ΔV≦+V0)内であるか否かが判断される(S161)。不感帯の範囲内でなければ、続いて、電圧差ΔVの値の大きさと、予め設定された警告値VZの値とが比較されて(S162)、電圧差ΔVの値の大きさが警告値VZより大きければ、操向ハンドル12近傍に設けられた操作パネル11及び無線操作手段133に設けられた警告灯216・216が点灯される(S166)。
このとき、操縦者は走行車両22の走行を停止して作業を中断するか、走行及び作業を続行するかを選択して指令することができる(S167)。走行の停止を選択したことが、制御装置141に伝達されると、該制御装置141は走行を停止するよう指令する(S168)。
【0065】
一方、電圧差ΔVの値の大きさが警告値VZ未満であれば、次に、ΔVの正負を判断し(S163)、ΔVが正の値であれば、左側に寄っていることになるので、制御装置141は右方向に移動するようステアリング駆動アクチュエータ219に指令する(S164)。また、ΔVの正負を判断し(S163)、ΔVが負の値であれば、右側に寄っていることになるので、制御装置141は左方向に移動するようステアリング駆動アクチュエータ219に指令する(S165)。
【0066】
また、株倣いセンサ201のセンサアームは、図22に示す如く、無負荷状態でセンサ本体209に対し左右略対象である平面視略三角形状とすることもできる。このとき、センサアーム210aは一つとなるので回動角検出手段211も一つで足り、株倣いセンサ201の構成部材数を低減させることでコストの削減を図ることができる。
上述のセンサアーム210aを採用するときには、図23に示す如く、該センサアーム210aが中央にある時の電圧値VCを設定して、センサアーム210aの左右回動により電圧が変化するものとし、右側(左側)をVCより小さい値、左側(右側)をVCより大きい値とする。そして、制御装置141に送られた出力電圧Vと中央にあるときの電圧値VCとを比較して、電圧差ΔV(ΔV=VC−V)を算出する。電圧差ΔVが算出されれば、前記(S161)から(S168)の過程に沿って、株倣い操向制御が為される。
【0067】
さらに、株倣いセンサ201に、例えば、超音波センサ等の、非接触式センサを用いることもできる。非接触式センサを用いることで、作物を傷めずに、確実な検出が可能となる。
図24に示す如く、前方ブーム41にステー207を介して株倣いセンサ201を取り付ける。該株倣いセンサ201は超音波を発生するとともに反射した超音波を受信するものであり、超音波を発生する超音波発生面を左・下・右と揺動させ、超音波発生面より放出た超音波を該超音波発生で受け取ったその応答時間に応じた出力電圧を制御装置141に発信する。
図25の図表に示す如く、株倣いセンサ201からの出力電圧Vは波状となり、ピーク点は左右交互に現れ、株の存在域と非存在域とでピークの値及び波形が大きく異なる。制御装置141では、過去数サイクルのデータを元に、株の存在域を検出し、株の存在域における左右それぞれのピーク値と、該ピーク値における超音波発生面の角度から、株倣いセンサ201と該株倣いセンサ201の左右に位置する株Y・Y・・・との距離を算出する。
【0068】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。
【0069】
即ち、請求項1に示す如く、GPS装置と、内界センサとを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車であって、GPSアンテナを前車輪と後車輪の間であって車両の左右略中心に配設したので、旋回時の車両の挙動を捉えることが容易となり、車両の位置情報処理が簡易となる。
【0070】
請求項2に示す如く、GPS装置と、内界センサと、株位置を検出するための株倣いセンサを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車であって、株倣いセンサを車両最前部に配設したので、作物の位置情報を早く検出し車両の操向制御に反映させることができる。
【0071】
請求項3に示す如く、請求項1又は請求項2に記載の農業用作業車において、車両を構成するフレームに対してリンクを介して株倣いセンサを取り付けたので、株倣いセンサを昇降可能とし、センシング高さを一定に保持することができてより正確なデータを得ることができる。
【0072】
請求項4に示す如く、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の農業用作業車において、株倣いセンサの下部にフロートを設けたので、車両の走行する地面の高さが変化しても、水面から略一定の高さ位置に株倣いセンサを保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る散布作業車の全体的な構成を示した側面図。
【図2】同じく平面図。
【図3】自律操向制御機構を示す模式図。
【図4】自律操向のためのステアリング機構を示す図。
【図5】自律操向制御機構を示すブロック図。
【図6】旋回する走行車両の様子を示す平面図。
【図7】前方ブームに前車輪の前方に位置する株倣いセンサを取り付けた散布作業車の正面図。
【図8】同じく側面図。
【図9】前方ブーム中央に株倣いセンサを取り付けた散布作業車の正面図。
【図10】左右の前車輪の前方にそれぞれ株倣いセンサを設けた散布作業車を示す正面図。
【図11】左右の前車輪にそれぞれ設けたデバイダに株倣いセンサを設けた散布作業車を示す平面図。
【図12】メインフレームにリンクを介して株倣いセンサを取り付けた散布作業車の側面図。
【図13】株倣いセンサの下部にフロートを設けた散布作業車を示す側面図。
【図14】株倣いセンサにカメラを設けた散布作業車を示す正面図。
【図15】株倣いセンサを示す平面図。
【図16】株倣いセンサと前車輪の配置を示す平面図。
【図17】株倣いセンサのセンサアームの回動角と出力電圧の関係を示す図。
【図18】株倣い操向制御を示すフローチャート図。
【図19】株倣い操向制御時の株倣いセンサからの出力電圧を示す図。
【図20】株倣いセンサと前車輪の配置を示す平面図。
【図21】株倣い操向制御を示すフローチャート図。
【図22】株倣いセンサのセンサアームの別実施例を示す図。
【図23】株倣いセンサのセンサアームの回動角と出力電圧の関係を示す図。
【図24】株倣いセンサとして非接触式センサを採用した散布作業車を示す正面図。
【図25】株倣いセンサの出力電圧と株までの距離の関係を示す図。
【符号の説明】
6L・6R メインフレーム
7 前車輪
8 後車輪
22 走行車両
41 前方ブーム
103 (GPS)移動局ユニット
104 (GPS)基準局ユニット
108 GPSアンテナ
122 内界センサ
201 株倣いセンサ
202 フロート
206 リンク
210 センサアーム
Claims (4)
- GPS装置と、内界センサとを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車であって、
GPSアンテナを前車輪と後車輪の間であって車両の左右略中心に配設したことを特徴とする農業用作業車。 - GPS装置と、内界センサと、株位置を検出するための株倣いセンサを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車であって、
株倣いセンサを車両最前部に配設したことを特徴とする農業用作業車。 - 請求項1又は請求項2に記載の農業用作業車において、
車両を構成するフレームに対してリンクを介して株倣いセンサを取り付けたことを特徴とする農業用作業車。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の農業用作業車において、株倣いセンサの下部にフロートを設けたことを特徴とする農業用作業車。
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