JP2007248248A - 計測器及び刈取機 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象物までの距離を計測する計測器及び該計測器を備えた刈取機の提供。
【解決手段】受信する信号（反射波）に対して２つの閾値Ｖ１，Ｖ２を設定しておき、信号レベルが閾値Ｖ１を越える時間Ｔ１と信号レベルが閾値Ｖ２を越える時間Ｔ２とを検出する。（Ｔ１，Ｖ１）及び（Ｔ２，Ｖ２）の双方を通る直線において、信号レベルがゼロとなる時間を求め、求めた時間を反射波の受信時間として決定する。また、決定した受信時間を用いて圃場面に対する刈取部の高さを算出し、算出した高さに基づいて刈高さの調整を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、計測対象物までの距離を計測する計測器及び該計測器を備えた刈取機に関する。

従来、コンバインの刈取部は、その支持フレームを走行機体に立設した回動支持部に軸支し、この回動支持部を中心に支持フレームの下方を油圧シリンダの伸縮動作で上下動することにより、刈取部を昇降させて刈高さを調節するように構成されている。

刈高さの調節では、圃場面に対する刈取部の高さを超音波センサなどの非接触型のセンサを用いて検出し、検出した高さに応じて刈取部の昇降移動を制御する手法が公知となっている（例えば、特許文献１）。
特開昭５８−１０１６１０号公報

超音波センサは、通常、計測対象物である圃場面に向けて超音波を発する発信部と、計測対象物から反射される超音波を受信する受信部とを備えており、超音波を発してから受信部にて反射波を受信するまでの時間を計測することにより、計測対象物までの距離を計測していた。図８は従来の超音波センサの動作を説明する説明図である。図８（ａ）は発振波の信号波形を示しており、図８（ｂ）は反射波の信号波形を示している。なお、横軸は時間を表し、縦軸は信号レベルを表している。

超音波センサから発振される超音波は、図８（ａ）に示すような矩形波である。これに対し、圃場面によって反射された反射波は、図８（ｂ）に示すように信号の立ち上がり及び立ち下がりの部分が緩やかになり、しかもノイズが重畳されたような信号となる。従来では、反射波の信号レベルに対して閾値を１つだけ設定し、その閾値を越える時間を受信時間として定めていた。例えば、図８（ｂ）の例において閾値をＶ１とした場合、従来の決定方法では受信時間はＴ１となり、本来の受信時間Ｔ０から大きくずれ、穀稈の刈高さを良好に定めることができないという問題点を有していた。閾値Ｖ１を小さな値に設定した場合、Ｔ０とＴ１との差を小さくすることが可能であるが、信号レベルが小さい所では大きなノイズが重畳し易いため、必ずしも時間Ｔ１を良好に決定することができないという問題点を有していた。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、受信する信号に対して異なる２つの閾値を設定しておき、受信した信号のレベルが閾値の一方を越える時間と他方を越える時間とに基づく演算により、信号の受信時間を決定する構成とすることにより、反射信号を受信する時間の検出精度を高めることができ、計測対象物までの距離を正確に計測することができる計測器及びこの計測器を備えた刈取機を提供することを目的とする。

第１発明に係る計測器は、計測対象物に対して信号を発信する発信手段と、前記計測対象物にて反射された信号を受信する受信手段とを備え、該発信手段が信号を発信してから前記受信手段が信号を受信するまでの時間を計測して前記計測対象物までの距離を計測する計測器において、前記受信手段が受信する信号に対して異なる２つの閾値を設定する手段と、前記受信手段にて受信した信号のレベルと前記閾値との大小を比較する手段と、前記信号のレベルが前記閾値の一方を越える時間と前記閾値の他方を越える時間とに基づく演算により、前記受信手段による前記信号の受信時間を決定する手段とを備え、決定した受信時間に基づいて前記計測対象物までの距離を計測するようにしてあることを特徴とする。

第１発明にあっては、受信する信号に対して異なる２つの閾値を設定しておき、受信した信号のレベルが閾値の一方を越える時間と他方を越える時間とに基づく演算により、信号の受信時間を決定するようにしているため、受信した信号の立ち上がり部分が緩やかな波形をしている場合であっても、受信時間の検出精度が低下しないため、計測対象物までの距離が正確に求まる。

第２発明に係る計測器は、設定してある閾値をＶ１，Ｖ２（ただし、Ｖ２＞Ｖ１）、受信した信号のレベルがＶ１を越える時間をＴ１、Ｖ２を越える時間をＴ２とした場合、前記受信時間を、Ｔ１−（Ｔ２−Ｔ１）×Ｖ１／（Ｖ２−Ｖ１）により算出する手段を備えることを特徴とする。

第２発明にあっては、所定の演算により受信時間が決定される。反射波の立ち上がり部分が時間に対して直線的に増加すると仮定した場合、（Ｔ１，Ｖ１）及び（Ｔ２，Ｖ２）を通る直線は、時間Ｔ及び信号レベルＶを変数として、Ｖ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１）Ｔ＋Ｖ１−（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１）Ｔ１となる。受信時間は、信号レベルＶがゼロとなる時間Ｔとして算出される。

第３発明に係る刈取機は、走行機体と、圃場に植立する穀稈を刈取る刈取部と、穀稈の刈高さを調節すべく前記刈取部を前記走行機体に対して昇降させる昇降手段とを備える刈取機において、第１発明又は第２発明に記載の計測器と、圃場面からの前記刈取部の高さを前記計測器を用いて計測する手段と、計測した高さに基づいて前記昇降手段による前記刈取部の昇降移動を制御する手段とを備えることを特徴とする。

第３発明にあっては、第１発明又は第２発明に記載の計測器で計測した圃場面からの刈取部の高さに基づいて刈取部の昇降移動を制御するようにしているため、圃場面の高さを正確に把握することができ、刈高さを適切に調整することができる。

第１発明による場合は、受信する信号に対して異なる２つの閾値を設定しておき、受信した信号のレベルが閾値の一方を越える時間と他方を越える時間とに基づく演算により、信号の受信時間を決定するようにしている。したがって、受信した信号の立ち上がり部分が緩やかな波形をしている場合であっても、受信時間の検出精度が低下しないため、計測対象物までの距離を正確に求めることができる。

第２発明による場合は、所定の演算により受信時間が決定することができる。反射波の立ち上がり部分が時間に対して直線的に増加すると仮定した場合、（Ｔ１，Ｖ１）及び（Ｔ２，Ｖ２）を通る直線は、時間Ｔ及び信号レベルＶを変数として、Ｖ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１）Ｔ＋Ｖ１−（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１）Ｔ１となる。受信時間は、信号レベルＶがゼロとなる時間Ｔとして算出することができる。すなわち、２つの閾値Ｖ１，Ｖ２を設定しておき、コンパレータなどによる比較判定、ＣＰＵなどによる演算処理を利用して信号の受信時間を求めることができる。

第３発明による場合は、第１発明又は第２発明に記載の計測器で計測した圃場面からの刈取部の高さに基づいて刈取部の昇降移動を制御するようにしている。したがって、圃場面の高さを正確に把握することができ、刈高さを適切に調整することができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
実施の形態１．
図１は本実施の形態に係るコンバインの平面図であり、図２は同じく左側側面図である。図中１は左右一対の走行クローラ２にて支持された走行機体であり、走行機体１の進行方向右側には、操縦座席、走行機体１を操向操作するための操向ハンドル、刈取作業、脱穀作業、排出作業等を指示するための各種操作パネル１４（図３参照）を備える操縦室３が設けられている。また、その後方には収穫した穀物を貯留するための穀物タンク７が設けられている。更に、操縦室３の下部にはエンジンが設けられており、エンジンの動力を走行用ミッションケースを介して走行クローラ２に伝達させることにより、走行機体１を走行させるように構成されている。

走行機体１の前部には、複数組の分草体４１、穀稈引起装置４２、及び刈刃４３、並びに穀稈搬送装置４４を備えた刈取部４が昇降シリンダ４５を介して昇降可能に装着されている。また、走行機体１の左側には、フィードチェーン５１が装備された脱穀装置５が配設されており、刈取部４から搬送された穀稈の根元部をフィードチェーン５１にて受け継いで挟持搬送すると共に、その穀稈の穂先部を脱穀装置５内の扱胴５２及び処理胴５３にて脱穀するようにしている。なお、排藁は、フィードチェーン５１の後端で排藁チェーン５５に受け継がれ、走行機体１の後端から圃場に排出される。扱胴５２の下方には、チャフシーブ等による搖動選別と唐箕ファンの風による風選別とを行うための選別装置５６が設けられている。選別装置５６にて選別されて集積された穀粒は、図示しない揚穀コンベアによって穀物タンク７内に集められる。穀物タンク７内に集められた穀粒は、エンジンの動力にて回転するスクリューコンベアを装備した底コンベア７１から、排出オーガ８を介して、穀物搬送用のトラックの荷台等に排出される。

本実施の形態に係るコンバインは、走行機体１と刈取部４との相対高さを検出するセンサとして回動ポテンショメータ式の昇降ポジションセンサ１１を備えている。昇降ポジションセンサ１１は、走行機体１に立設された軸受ブラケット１１１に固定されており、その感知回動アームを軸受ブラケット１１１に回動自在に支持された水平筒１１２に当接させ、水平筒１１２の回動角度を検出する。昇降ポジションセンサ１１により検出される回動角度は、昇降筒フレーム１１３の回動角度に相当するため、この回動角度に基づいて走行機体１に対する刈取部４の昇降位置を検出できるように構成されている。より具体的には、昇降ポジションセンサ１１が検出した回動角度に基づいて後述する中央処理装置１０１（図３参照）が演算処理を行うことにより、走行クローラ２の底面を基準面として刈取部４のデバイダ先端の高さを算出する。

また、コンバインは、圃場面に対する刈取部４の高さを検出するセンサとして超音波センサ１２を備えている。超音波センサ１２は、前述した穀稈引起装置４２の裏面側に設けたブラケットに配置され、圃場面に向けて超音波を発信する発信回路１２２と圃場面から反射される超音波を受信する受信回路１２３とを備えている（図４参照）。超音波センサ１２の設置高さと刈刃４３の設置高さとが異なる場合には、超音波センサ１２の検出値から所定の演算を行うことにより、刈高さを求めるようにしている。

本実施の形態のコンバインは、昇降ポジションセンサ１１によって検出される刈取部４の走行機体１に対する相対的な高さと、超音波センサ１２によって検出される刈取部４の圃場面からの高さとに基づいて、刈取部４の昇降移動を制御し、穀稈の刈高さを調整する。

以下、本実施の形態に係るコンバインの制御系の構成について説明する。図３は本実施の形態に係るコンバインの制御系の構成を示すブロック図である。コンバインは、ハードウェア各部の動作を制御するために制御装置１００を備えている。制御装置１００が制御するハードウェアには、刈取部４の昇降移動を制御するために、前述した昇降シリンダ４５を制御する電磁制御弁１５が含まれる。

制御装置１００は、昇降ポジションセンサ１１、超音波センサ１２、車速センサ１３などの各種センサ、及び操作パネル１４から入力される各種信号に基づいて演算処理を実行する中央処理装置１０１（以下、ＣＰＵという）、ハードウェア各部を制御するための制御プログラムを格納したＲＯＭ１０２、ＣＰＵ１０１の演算中に生成されるデータを一時的に保持するＲＡＭ１０３、及び時間を計時するタイマ１０４により構成される。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に格納された制御プログラムを必要に応じてＲＡＭ１０３にロードして実行し、制御装置１００に接続されたハードウェア各部の動作を制御することにより全体として本発明に係る刈取機として動作させるように構成されている。

図４は超音波センサ１２の内部構成を示すブロック図である。超音波センサ１２は、タイミング回路１２１、発信回路１２２、受信回路１２３、反射波増幅回路１２４、及びＡＤ変換回路１２５を備えている。タイミング回路１２１は、前述した制御装置１００が出力する制御信号に従ってトリガー信号を発信回路１２２へ出力する。発信回路１２２は、図に示していない振動子を備えており、タイミング回路１２１が出力するトリガー信号に従って振動子を励振させることにより、超音波を発生させる。発信回路１２２によって発生する超音波は計測対象物である圃場面に向けて放射され、圃場面で反射した超音波が受信回路１２３によって受信される。

受信回路１２３は、超音波を受信してアナログ形式の電気信号に変換する。反射波増幅回路１２４は、受信回路１２３が出力する電気信号を増幅し、得られた電気信号をＡＤ変換回路１２５へ出力する。ＡＤ変換回路１２５は、入力された反射波増幅回路１２４からの電気信号をデジタル形式の電気信号へと変換し、センサ出力として制御装置１００へ出力する。

次に、超音波センサ１２の動作について説明する。図５は超音波センサ１２の動作を説明する説明図である。図５（ａ）は超音波の発信時の信号波形（発振波の波形）を示しており、図５（ｂ）は超音波の受信時の信号波形（反射波の波形）を示している。なお、横軸は時間を表し、縦軸は信号レベルを表している。

超音波センサ１２から放射される超音波は、例えば、図５（ａ）に示すように所定時間一定の信号レベルを有する矩形波である。これに対し、圃場面によって反射された反射波は、図５（ｂ）に示すように信号の立ち上がり及び立ち下がりの部分が緩やかになり、しかもノイズが重畳されたような信号となる。従来では、反射波の信号レベルに対して閾値を１つだけ設定し、その閾値を越える時間を受信時間として定めていた。例えば、図５（ｂ）の例において閾値をＶ１とした場合、従来の決定方法では受信時間はＴ１となり、本来の受信時間Ｔ０から大きくずれていることが分かる。閾値Ｖ１を小さな値に設定した場合、Ｔ０とＴ１との差を小さくすることが可能であるが、信号レベルが小さい所では大きなノイズが重畳し易いため、必ずしも時間Ｔ１を良好に決定することができないという問題点を有していた。

そこで、本実施の形態では、反射波の信号レベルに対して２つの閾値Ｖ１，Ｖ２を設定しておき、反射波の信号レベルが閾値Ｖ１を越える時間Ｔ１と閾値Ｖ２を越える時間Ｔ２とに基づいて反射波の受信時間を決定することをＣＰＵ１０１の演算処理により行う。なお、２つの閾値Ｖ１，Ｖ２はＲＯＭ１０２に格納されており、必要に応じてＲＡＭ１０３上に読込まれる。

具体的には、反射波の立ち上がり部分が時間に対して直線的に増加すると仮定し、（Ｔ１，Ｖ１）及び（Ｔ２，Ｖ２）を通る直線で外挿して受信時間を求める。すなわち、（Ｔ１，Ｖ１）及び（Ｔ２，Ｖ２）を通る直線は、時間Ｔ及び信号レベルＶを変数として、Ｖ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１）Ｔ＋Ｖ１−（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１）Ｔ１となるため、信号レベルＶがゼロとなる時間Ｔを求め、受信時間を決定する。算出される受信時間は、Ｔ１−（Ｔ２−Ｔ１）×Ｖ１／（Ｖ２−Ｖ１）となり、本来の受信時間Ｔ０に近い値となる。

次に、刈取部４の高さ制御について説明する。図６は制御装置１００が刈高さ制御を行う際の処理手順を説明するフローチャートである。制御装置１００のＣＰＵ１０１は、超音波センサ１２のセンサ出力を適宜のサンプリングレートで取込む（ステップＳ１１）。

次いで、ＣＰＵ１０１は、取込んだセンサ出力に基づいて、反射波の信号レベルが設定してある閾値Ｖ１より大きいか否かを判断する（ステップＳ１２）。反射波の信号レベルが閾値Ｖ１以下であると判断した場合（Ｓ１２：ＮＯ）、取込んだセンサ出力と閾値Ｖ１との比較を順次行い、反射波の信号レベルが閾値Ｖ１より大きくなるまで待機する。

そして、反射波の信号レベルが閾値Ｖ１より大きいと判断した場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１０１は、反射波の信号レベルが閾値Ｖ１を始めて越えたときの時間をＴ１としてＲＡＭ１０３に記憶させる（ステップＳ１３）。

次いで、ＣＰＵ１０１は、取込んだセンサ出力に基づいて、反射波の信号レベルが設定してある閾値Ｖ２より大きいか否かを判断する（ステップＳ１４）。反射波の信号レベルが閾値Ｖ２以下であると判断した場合（Ｓ１４：ＮＯ）、取込んだセンサ出力と閾値Ｖ２との比較を順次行い、反射波の信号レベルが閾値Ｖ２より大きくなるまで待機する。

そして、反射波の信号レベルが閾値Ｖ２より大きいと判断した場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ＣＰＵ１０１は、反射波の信号レベルが閾値Ｖ２を始めて越えたときの時間をＴ２としてＲＡＭ１０３に記憶させる（ステップＳ１５）。

次いで、ＣＰＵ１０１は、反射波の受信時間を演算により決定する（ステップＳ１６）。前述したように、本実施の形態では、反射波の信号レベルが閾値Ｖ１を越える時間Ｔ１と閾値Ｖ２を越える時間Ｔ２とに基づいて受信時間を決定する。具体的には、Ｔ１−（Ｔ２−Ｔ１）×Ｖ１／（Ｖ２−Ｖ１）の演算を行う。

次いで、ＣＰＵ１０１は、ステップＳ１６で算出した受信時間を用いて圃場面からの刈取部４の高さを算出する（ステップＳ１７）。そして、算出した刈取部４の高さと走行機体１に対する刈取部４の相対的な高さとに基づいて刈取部４に対する上昇下降力を決定し、ＣＰＵ１０１が電磁制御弁１５を制御して昇降シリンダ４５を伸長又は収縮させることにより刈取部の昇降移動を制御する（ステップＳ１８）。

実施の形態２．
実施の形態１では、超音波センサ１２のセンサ出力を基にＣＰＵ１０１が２つの閾値Ｖ１，Ｖ２とのレベル判定処理、及び受信時間の算出を行う構成としたが、超音波センサ１２にこれらの判定・演算処理の機能を持たせる構成であってもよい。
なお、超音波センサ１２以外の構成については実施の形態１と全く同様であるため、その説明を省略することとする。

図７は実施の形態２に係る超音波センサ２２の内部構成を示すブロック図である。超音波センサ２２は、タイミング回路２２１、発信回路２２２、受信回路２２３、反射波増幅回路２２４、ＡＤ変換回路２２５、レベル判定回路２２６Ａ，２２６Ｂ、及び演算回路２２７を備えている。

タイミング回路２２１は、外部から入力される制御信号に従ってトリガー信号を発信回路２２２及び２つのレベル判定回路２２６Ａ，２２６Ｂへ出力する。発信回路２２２は、図に示していない振動子を備えており、タイミング回路２２１が出力するトリガー信号に従って振動子を励振させることにより、超音波を発生させる。発信回路２２２によって発生する超音波は計測対象物である圃場面に向けて放射され、圃場面で反射した超音波が受信回路２２３によって受信される。

受信回路２２３は、超音波を受信してアナログ形式の電気信号に変換する。反射波増幅回路２２４は、受信回路２２３が出力する電気信号を増幅し、得られた電気信号をＡＤ変換回路２２５へ出力する。ＡＤ変換回路２２５は、入力された反射波増幅回路２２４からの電気信号をデジタル形式の電気信号へと変換し、変換した電気信号を２つのレベル判定回路２２６Ａ，２２６Ｂへ出力する。

レベル判定回路２２６Ａ，２２６Ｂは、それぞれコンパレータ及びタイマを備えており、タイミング回路２２１から出力されるトリガー信号が入力されたときにタイマを作動させる。レベル判定回路２２６Ａは、ＡＤ変換回路２２５が出力するデジタル形式の電気信号とコンパレータにて設定している閾値Ｖ１とを比較し、電気信号のレベルが閾値Ｖ１を越えるときの時間（Ｔ１）を演算回路２２７へ出力する。同様に、レベル判定回路２２６Ｂは、ＡＤ変換回路２２５が出力するデジタル形式の電気信号とコンパレータにて設定している閾値Ｖ２とを比較し、電気信号のレベルが閾値Ｖ２を越えるときの時間（Ｔ２）を演算回路２２７へ出力する。

演算回路２２７は、レベル判定回路２２６Ａから出力される時間Ｔ１とレベル判定回路２２６Ｂから出力される時間Ｔ２とを用いて所定の演算を行い、超音波を受信した時間（受信時間）を決定する。受信時間の算出方法は、実施の形態１と同じであり、Ｔ１−（Ｔ２−Ｔ１）×Ｖ１／（Ｖ２−Ｖ１）の値を算出する。

なお、以上の実施の形態では、圃場面に対する刈取部４の高さを検出するために超音波センサ１２（又は超音波センサ２２）を用いる構成としたが、光学センサなどの他の非接触型センサを用いる構成としてもよい。

本実施の形態に係るコンバインの平面図である。 本実施の形態に係るコンバインの左側側面図である。 本実施の形態に係るコンバインの制御系の構成を示すブロック図である。 超音波センサの内部構成を示すブロック図である。 超音波センサの動作を説明する説明図である。 制御装置が刈高さ制御を行う際の処理手順を説明するフローチャートである。 実施の形態２に係る超音波センサの内部構成を示すブロック図である。 従来の超音波センサの動作を説明する説明図である。

符号の説明

１１ 昇降ポジションセンサ
１２ 超音波センサ
１３ 車速センサ
１４ 操作パネル
１５ 電磁制御弁
４５ 昇降シリンダ
１００ 制御装置
１０１ 中央処理装置（ＣＰＵ）
１０２ ＲＯＭ
１０３ ＲＡＭ
１０４ タイマ
１２１ タイミング回路
１２２ 発信回路
１２３ 受信回路
１２４ 反射波増幅回路
１２５ ＡＤ変換回路

Claims (3)

1. 計測対象物に対して信号を発信する発信手段と、前記計測対象物にて反射された信号を受信する受信手段とを備え、該発信手段が信号を発信してから前記受信手段が信号を受信するまでの時間を計測して前記計測対象物までの距離を計測する計測器において、
   前記受信手段が受信する信号に対して異なる２つの閾値を設定する手段と、前記受信手段にて受信した信号のレベルと前記閾値との大小を比較する手段と、前記信号のレベルが前記閾値の一方を越える時間と前記閾値の他方を越える時間とに基づく演算により、前記受信手段による前記信号の受信時間を決定する手段とを備え、決定した受信時間に基づいて前記計測対象物までの距離を計測するようにしてあることを特徴とする計測器。
2. 設定してある閾値をＶ１，Ｖ２（ただし、Ｖ２＞Ｖ１）、受信した信号のレベルがＶ１を越える時間をＴ１、Ｖ２を越える時間をＴ２とした場合、前記受信時間を、Ｔ１−（Ｔ２−Ｔ１）×Ｖ１／（Ｖ２−Ｖ１）により算出する手段を備えることを特徴とする計測器。
3. 走行機体と、圃場に植立する穀稈を刈取る刈取部と、穀稈の刈高さを調節すべく前記刈取部を前記走行機体に対して昇降させる昇降手段とを備える刈取機において、
   請求項１又は請求項２に記載の計測器と、圃場面からの前記刈取部の高さを前記計測器を用いて計測する手段と、計測した高さに基づいて前記昇降手段による前記刈取部の昇降移動を制御する手段とを備えることを特徴とする刈取機。

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