JP2016186752A - 充電ステーションおよび無人作業車の充電ステーション誘導装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配置の自由度を高めることができる充電ステーションを提供する。【解決手段】エリアワイヤ２によって画定される作業領域ＡＲを自律走行する無人作業車１に設けられた二次電池を充電する充電ステーションであって、一対の充電端子３３と、作業領域ＡＲの内側または外側に配置された環状のステーションワイヤ３４と、ステーションワイヤ３４に向けて突出し、一対の充電端子３３の中間点とステーションワイヤ３４の中心とを結ぶ軸線ＣＬ３に対し対称形状を呈する突出ワイヤ３５とを備える。【選択図】図８

Description

本発明は、無人作業車を充電するための充電ステーションおよび無人作業車を充電ステーションに誘導する無人作業車の充電ステーション誘導装置に関する。

従来、エリアワイヤによって画定された作業領域を自律走行しつつ作業を行うように、電動モータとバッテリとを有する無人作業車を制御する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置は、バッテリの充電が必要になると、磁気センサの検出値に基づいてエリアワイヤに沿って作業車を走行させ、エリアワイヤ上に配置された充電ステーションまで帰還させる。

特開２０１３−１６４７４１号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置は、エリアワイヤ上かつエリアワイヤに平行な向きで充電ステーションを配置する必要があるため、充電ステーションの配置の自由度を損なう。

本発明の一態様は、エリアワイヤによって画定される作業領域を自律走行する無人作業車に設けられた二次電池を充電する充電ステーションであって、一対の充電端子と、作業領域の内側または外側に配置された環状のステーションワイヤと、ステーションワイヤに向けて突出し、一対の充電端子の中間点とステーションワイヤの中心とを結ぶ軸線に対し対称形状を呈する突出ワイヤとを備える。

本発明の他の態様は、走行手段と二次電池とを有し、エリアワイヤによって画定される作業領域を自律走行する無人作業車と、二次電池を充電する充電ステーションとを備え、作業車を充電ステーションに誘導する無人作業車の充電ステーション誘導装置であって、充電ステーションは、一対の充電端子と、作業領域の内側または外側に配置された環状のステーションワイヤと、ステーションワイヤに向けて突出し、一対の充電端子の中間点とステーションワイヤの中心とを結ぶ第１軸線に対し対称形状を呈する突出ワイヤとを備え、作業車は、一対の充電端子に接続可能な一対の相手側充電端子と、一対の相手側充電端子の中間点を通って作業車の直進方向に延在する第２軸線上に設けられ、ステーションワイヤを流れる電流によって生じる磁界を検出する第１磁気検出器と、第２軸線に対して対称に設けられ、ステーションワイヤおよび突出ワイヤを流れる電流によって生じる磁界を検出する一対の第２磁気検出器と、第１磁気検出器および一対の第２磁気検出器の検出値に基づき、第２軸線が第１軸線に一致するように走行手段を制御する走行制御手段とを備える。

本発明によれば、充電ステーションをエリアワイヤ上だけでなくエリアワイヤの内側または外側の任意の位置に配置することができ、充電ステーションの配置の自由度が向上する。

本発明の実施形態に係る無人作業車の構成を概略的に示す側面図。 本発明の実施形態に係る無人作業車の構成を概略的に示す平面図。 本発明の実施形態に係る無人作業車の制御構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係る無人作業車によって作業を行う作業領域の一例を示す図。 エリアワイヤからの距離と磁界強度との関係を示す図。 トレースモード時の作業車の動作を示す図。 本発明の実施形態に係る充電ステーションの斜視図。 図７の充電ステーションの要部構成を示す平面図。 本発明の実施形態に係る充電ステーションの制御構成を示すブロック図。 充電ステーションを構成するステーションワイヤおよび突出ワイヤと無人作業車に搭載された磁気センサとの位置関係の一例を示す図。 図３の走行制御部で実行される処理の一例を示すフローチャート。 本発明の実施形態に係る無人作業車の誘導装置の動作の一例を示す図。

以下、図１〜図１２を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る自律走行式の無人作業車の構成を概略的に示す側面図であり、図２は平面図である。本発明の制御装置は、種々の無人作業車（以下、単に作業車と呼ぶ場合もある）に適用することができるが、本実施形態では、特に芝刈り作業を行う移動式芝刈り機に適用する。なお、以下では、平面視における作業車の直進方向（長さ方向）および直進方向に垂直な車幅方向を、それぞれ前後方向および左右方向と定義するとともに、作業車の高さ方向を上下方向と定義し、この定義に従い各部の構成を説明する。

図１，２に示すように、無人作業車１は、シャシ１１とフレーム１２とを有する車体１０と、車体１０を接地面ＧＲから走行可能に支持する左右一対の前輪１３および左右一対の後輪１４とを備える。前輪１３は、ステー１１ａを介してシャシ１１の前側に回転可能に取り付けられる。後輪１４は、前輪１３よりも大径であり、シャシ１１の後側に直接、回転可能に取り付けられる。作業車１は、ユーザ自身が搬送可能な重量および寸法を有する。一例を挙げると、作業車１の全長（前後方向長さ）は５００ｍｍ程度、全幅は３００ｍｍ程度、高さは３００ｍｍ程度である。

シャシ１１とフレーム１２とで包囲された作業車１の内部空間１５には、作業機１６と、作業機駆動用の作業モータ１７と、後輪駆動用の走行モータ１８と、充電ユニット１９と、バッテリ２０とが配置される。

作業機１６は、回転体と回転体に取り付けられた芝刈り用のブレードとを有し、全体が略円盤形状を呈する。作業機１６は、回転体中央の回転軸を上下方向に向けて配置され、高さ調節機構２１により接地面ＧＲからのブレードの高さを調整可能に構成される。高さ調節機構２１は、例えばユーザにより操作可能なねじを備える。作業モータ１７は、作業機１６の上方に配置された電動モータにより構成され、その出力軸が回転体の回転軸に連結され、回転体と一体にブレードを回転駆動する。

走行モータ１８は、左右の後輪１４の左右内側に配置された一対の電動モータ１８Ｌ，１８Ｒにより構成される。走行モータ１８Ｌ，１８Ｒの出力軸は、左右の後輪１４の回転軸にそれぞれ連結され、走行モータ１８Ｌ，１８Ｒは、左右の後輪１４を互いに独立に回転駆動する。すなわち、作業車１は、前輪１３を従動輪、後輪１４を駆動輪として構成され、走行モータ１８Ｌ，１８Ｒは、左右の後輪１４を互いに独立に正転（前進方向への回転）または逆転（後進方向への回転）させる。左右の後輪１４の回転に速度差を生じさせることで、作業車１は任意の方向に旋回することができる。

例えば、左右の後輪１４をそれぞれ正転させた際に、右後輪１４の回転速度が左後輪１４の回転速度よりも速いと、その速度差に応じた旋回角で作業車１は左方に旋回する。一方、左後輪１４の回転速度が右後輪１４の回転速度よりも速いと、その速度差に応じた旋回角で作業車１は右方に旋回する。左右の後輪１４を互いに同一速度で一方を正転、他方を逆転させると、作業車１はその場で旋回する。

充電ユニット１９は、ＡＣ／ＤＣ変換器を含み、フレーム１２の前端部に設けられた端子２２に配線を介して接続されるとともに、バッテリ２０に配線を介して接続される。端子２２は、接点２２ａを有し、端子２２が接点２２ａを介して充電ステーション３（図７参照）に接続することで、バッテリ２０に充電することができる。バッテリ２０は、配線を介して作業モータ１７と走行モータ１８とに接続され、作業モータ１７と走行モータ１８とは、ドライバを介してバッテリ２０から供給される電力により駆動する。

作業車１の前部には、左右方向に離間して一対の磁気センサ５１（磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ）が配置される。より具体的には、図２に示すように、作業車１の車幅方向中心を通り、かつ、直進方向に向かう中心線ＣＬ１に対して左右対称に、互いに所定距離ｄ１１隔てて一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒが配置される。さらに、磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒから所定距離ｄ１２後方かつ中心線ＣＬ１上に磁気センサ５１Ｃが配置される。なお、ｄ１２は、例えば磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒから後輪１４の回転軸までの距離に相当する。磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ，５１Ｃは、互いに同一構成の磁気センサである。なお、以下では、磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒを前側磁気センサ、磁気センサ５１Ｃを後側磁気センサと呼ぶことがある。

図３は、作業車１の制御構成を示すブロック図である。図３において、作業車１に搭載されたＥＣＵ（電子制御ユニット）は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ、その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成されるマイクロコンピュータである。

ＥＣＵ４０には、作業車１の各種状態を検出するセンサ群５０と、充電ユニット１９と、バッテリ２０と、操作スイッチ２５と、表示部２６と、作業モータ１７と、左右一対の走行モータ１８（１８Ｌ，１８Ｒ）とが接続される。センサ群５０は、左右一対の前側および後側の磁気センサ５１（５１Ｌ，５１Ｒ，５１Ｃ）と、Ｙａｗセンサ５２と、Ｇセンサ５３と、方位センサ５４と、ＧＰＳセンサ５５と、接触センサ５６と、左右一対の車輪速センサ５７（５７Ｌ，５７Ｒ）と、電圧センサ５８とを含む。

各磁気センサ５１は、磁界の大きさ（磁界強度）を示す信号を出力する。Ｙａｗセンサ５２は、作業車１の高さ方向の軸線（Ｚ軸）回りに生じる角速度（ヨーレート）を示す信号を出力する角速度センサであり、Ｙａｗセンサ５２からの信号により作業車１のＺ軸回りの旋回角を検出することができる。Ｇセンサ５３は、作業車１に作用する直交３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向の加速度を示す信号を出力する。方位センサ５４は、地磁気に応じた信号を出力する２軸または３軸構造の地磁気センサであり、方位センサ５４からの信号により所定方位（例えば北）に対する作業車１の向きを検出することができる。

ＧＰＳセンサ５５は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信し、作業車１の現在位置（緯度、経度）を検出する。接触センサ５６は、作業車１が障害物等に接近または接触するとオン信号を出力する。車輪速センサ５７Ｌ，５７Ｒは、左右の後輪１４の車輪速を示す信号をそれぞれ出力し、車輪速センサ５７Ｌ，５７Ｒからの信号により、作業車１の走行距離を算出することができる。電圧センサ５８は、バッテリ２０の残電圧を検出する。

操作スイッチ２５は、ユーザにより操作され、作業車１の動作開始等を指令するメインスイッチと、非常停止を指令する非常停止スイッチとを含む。表示部２６は、ユーザに提供するための各種情報を表示するディスプレイにより構成される。

以上のように構成された作業車１は、予め定められた作業領域内を自律走行して作業を行う。図４は、作業領域ＡＲの一例を示す図である。作業領域ＡＲは、予め敷設（例えば接地面ＧＲから所定深さに埋設）されたエリアワイヤ２によって画定される。エリアワイヤ２には電流が流され、これにより作業領域ＡＲに磁界が発生する。作業領域ＡＲは、作業車１の走行範囲を規定し、作業予定領域の他、作業を行わない非作業の領域を含んでもよい。エリアワイヤ２の近傍（図ではエリアワイヤ２の内側）には、バッテリ２０を充電するための充電ステーション３が配置される。

図５は、エリアワイヤ２からの距離ｄと磁界強度Ｈとの関係を示す図である。図５に示すように、磁界強度Ｈは、エリアワイヤ２からの距離ｄに応じて変化する。すなわち、磁界強度Ｈは、エリアワイヤ２上において０となり、作業領域ＡＲの内側でプラス、外側でマイナスの値となる。作業時には、ＥＣＵ４０が磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒからの検出値を読み込み、検出値がマイナスになると、例えばＹａｗセンサ５２の検出値に基づき作業車１を作業領域ＡＲの内側に向けて所定角度だけ旋回させる。これにより作業領域ＡＲの内側で作業車１を走行（例えばランダムに直進走行）させながら作業を行うことができる。

本実施形態では、ＥＣＵ４０からの指令により、作業車１を作業モードとトレースモードと帰還モードとで動作させる。作業モードは、作業車１が作業領域ＡＲ内を自律走行しながら作業（芝刈り作業）を行うモードである。帰還モードは、バッテリ２０への充電が必要になったときに、作業車１を充電ステーション３まで帰還させるモードである。トレースモードは、エリアワイヤ２に沿って作業車１を走行させるモードである。トレースモードは、作業モードの前に実行され、トレースモードにおいて作業領域ＡＲを画定する。

図６は、トレースモード時の作業車１の動作を示す図である。図６に示すように、トレースモードにおいては、左右一対の磁気センサ５１Ｒ，５１Ｌのうち一方の磁気センサ（例えば５１Ｌ）をエリアワイヤ２の内側に位置させた状態で、他方の磁気センサ（例えば５１Ｒ）がエリアワイヤ２上を矢印Ａ方向に移動するように、ＥＣＵ４０の指令によりエリアワイヤ２に沿って作業車１を周回走行させる。すなわち、ＥＣＵ４０が磁気センサ５１Ｒの出力を監視し、磁気センサ５１Ｒによって検出される磁界強度Ｈが０となるように走行モータ１８Ｌ，１８Ｒを制御する。

例えば、磁気センサ５１Ｒによって検出される磁界強度Ｈがプラスになると、右側の走行モータ１８Ｒを減速かつ左側の走行モータ１８Ｌを増速させ、作業車１を右側に旋回させる。一方、磁気センサ５１Ｒによって検出される磁界強度Ｈがマイナスになると、右側の走行モータ１８Ｒを増速かつ左側の走行モータ１８Ｌを減速させ、作業車１を左側に旋回させる。これにより、磁気センサ５１Ｒをエリアワイヤ２に近づけ、磁気センサ５１Ｒにより検出される磁界強度Ｈを０に維持する。

トレースモードは、作業車１の端子２２が充電ステーション３の端子３３（図７）に接続した状態（ドッキング状態）から開始され、作業車１がエリアワイヤ２に沿って周回走行した後、端子２２が再度端子３３に接続したときに終了する。トレース走行開始から終了までの作業車１の位置は、ＧＰＳセンサ５５により検出される。ＥＣＵ４０は、ＧＰＳセンサ５５からの信号に基づき、充電ステーション３を基準（原点）とした作業領域ＡＲの境界線（図８のＬ０）の位置座標を特定する。

ところで、例えば図４の点線に示すようにエリアワイヤ２上に充電ステーション３を配置すると、帰還モード時に、磁気センサ５１の検出値に基づきエリアワイヤ２に沿って作業車１を走行（トレース走行）させることで、作業車１を充電ステーション３まで帰還させることができる。

しかしながら、トレース走行によって作業車１を帰還させる場合、充電ステーション３をエリアワイヤ２上にエリアワイヤ２に平行な向きで配置する必要があり、充電ステーション３の配置に対する制約が大きい。そこで、充電ステーション３の配置の自由度を高めるため、本実施形態では以下のように充電ステーション３を構成する。

図７は、本発明の実施形態に係る充電ステーション３（図４の実線）の斜視図である。なお、以下では、便宜上、図示のように直交３軸方向を、それぞれ充電ステーション３の前後方向（長さ方向）、左右方向（幅方向）および上下方向（高さ方向）と定義する。図７では、エリアワイヤ２の図示を省略する。充電ステーション３の向きは、その長さ方向（図７の中心線ＣＬ３の向き）によって代表する。

図７に示すように、充電ステーション３は、充電時に作業車１が載るベース３ａと、ベース３ａの前端部から立設し、充電時の作業車１の位置を規制するガイド３ｂと、ガイド３ｂの上端部かつ左右方向中央部から後方に向けて突出する略三角形状の突出部３ｃとを有する。ガイド３ｂの左右方向中央部の前側には基板３０が設けられ、突出部３ｃの左右両側面には、充電ステーション３の中心を通る長手方向の中心線ＣＬ３に対し対称に、左右一対の端子３３が設けられる。突出部３ｃは、作業車１の左右一対の充電端子２２の間に挿入される。これにより、端子２２，３３同士（より正確には端子２２，３３の接点２２ａ，３３ａ同士）が接続し、バッテリ２０が充電される。

本実施形態では、図４の実線に示すように作業領域ＡＲの内側、かつ、エリアワイヤ２と直交する向きに充電ステーション３が配置される。図８は、充電ステーション３の要部構成、とくにワイヤの配置を示す平面図であり、図９は、充電ステーション３の制御構成を示すブロック図である。

図９に示すように、充電ステーション３は、商用電源３１にコンセント３２を介して接続される基板３０と、それぞれが基板３０に接続された端子３３とステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５とを有する。突出ワイヤ３５はエリアワイヤ２に直列に接続されるが、ステーションワイヤ３４はエリアワイヤ２に接続されない。基板３０は、ＡＣ／ＡＣ変換器３０１と、ＡＣ／ＡＣ変換器３０１の動作を制御するＥＣＵ（電子制御ユニット）３０２と、ステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５とに交流を通電して信号を発生させる信号発生器３０３とを有する。

商用電源３１からの交流は、ＡＣ／ＡＣ変換器３０１で適宜な電圧に降圧される。作業車１が充電ステーション３まで帰還して、作業車１の端子２２の接点２２ａが端子３３の接点３３ａに接続すると、ＡＣ／ＡＣ変換器３０１で降圧された電力が作業車１に供給され、バッテリ２０が充電される。信号発生器３０３は、ＥＣＵ３０２からの指令により、ステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５とを繰り返し交互に通電し、両者から互いに異なるタイミングで信号を発生させる。

図８に示すように、ステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５とは、互いに交差しないように高さ方向の位置をずらしてベース３ａの内部または下方に配置される。なお、ステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５はそれぞれ基板３０に接続されるが、図８では基板３０の図示を省略する。

ステーションワイヤ３４は全体が円形状を呈し、エリアワイヤ２から所定量ｄ３０だけ離れて作業領域ＡＲの内側に配置される。ステーションワイヤ３４の円の中心点Ｐ０は、一対の端子３３を結ぶ線分の垂直二等分線上、すなわち、充電ステーション３の中心線ＣＬ３上に位置する。ステーションワイヤ３４は、充電ステーション３の位置を表す磁界を発生するものであり、磁界の大きさを考慮して円の直径が決定される。一例を挙げると、円の直径は磁気センサ５１の大きさにほぼ等しい。

突出ワイヤ３５は、その両端部３５ａ，３５ｂがエリアワイヤ２の端部２ａ，２ｂに直列に接続されるとともに、ステーションワイヤ３４に向けて略コ字状に突出して形成される。すなわち、突出ワイヤ３５は、エリアワイヤ２の端部２ａ，２ｂから作業領域ＡＲの内側に向けてそれぞれ略垂直に延在するワイヤ部３５１，３５２と、ワイヤ部３５１，３５２同士を接続するワイヤ部３５３とを有し、中心線ＣＬ３に対し左右対称に形成される。厳密にいうと、端部３５ａ，３５ｂ間の距離はワイヤ部３５３の長さよりも短く、突出ワイヤ３５は台形形状を呈する。

ワイヤ部３５１，３５２間の距離ｄ３１およびステーションワイヤ３４の中心点Ｐ０とワイヤ部３５３との距離ｄ３２は、作業車１に設けられた磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ，５１Ｃの配置に応じて決定される。図１０は、各ワイヤ３４，３５と磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ，５１Ｃの位置関係の一例を示す図である。図１０では、磁気センサ５１Ｃがステーションワイヤ３４の中心点Ｐ０上に位置し、かつ、作業車１の中心線ＣＬ１と充電ステーション３の中心線ＣＬ３とが一致している。このとき、充電ステーション３の左右一対の端子３３と作業車１の左右一対の端子２２とは、所定量だけ離れて互いに対向する。図１０に示す作業車１の姿勢を目標姿勢と呼ぶ。目標姿勢にある作業車１は、矢印Ａ方向に端子３３に向けて直進走行（前進走行）すれば、端子２２を端子３３に接続、すなわち作業車１を充電ステーション３にドッキングすることができる。

図１０に示すように、ワイヤ部３５１，３５２間の距離ｄ３１は、作業車１の左右の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ間の距離ｄ１１よりも長く、かつ、ステーションワイヤ３４の中心点Ｐ０とワイヤ部３５３との距離ｄ３２は、前後の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｃ間の距離ｄ１２よりも短い。したがって、作業車１が目標姿勢にあるとき、前側の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒは突出ワイヤ３５の内側の領域ＡＲ１に位置する。

以上のように構成された充電ステーション３に対し、作業車１のＥＣＵ４０は、目標姿勢を介して作業車１を充電ステーション３まで誘導するように構成される。図３に示すように、ＥＣＵ４０は機能的構成として、作業モータ１７を制御する作業制御部４０Ａと、走行モータ１８を制御する走行制御部４０Ｂとを有する。走行制御部４０Ｂは、トレースモード、作業モードおよび帰還モードで、それぞれ異なる態様で走行モータ１８を制御する。

とくに帰還モード時には、走行制御部４０Ｂは磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ，５１Ｃの検出値に基づき走行モータ１８を制御する。帰還モード時の構成として、走行制御部４０Ｂは、後側磁気センサ５１Ｃがステーションワイヤ３４の中心点（目標位置）Ｐ０に位置するように作業車１を誘導する第１誘導部４１と、中心点Ｐ０に位置する磁気センサ５１Ｃを中心に、作業車１の中心線ＣＬ１と充電ステーション３の中心線ＣＬ３とが一致する目標姿勢に作業車１を旋回させる第２誘導部４２と、目標姿勢にある作業車１を前進走行させて端子２２，３３同士を接続する第３誘導部４３とを有する。

図１１は、ＥＣＵ４０、とくに走行制御部４０Ｂでの処理（帰還処理）の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、作業モードで作業車１が走行しているときに、電圧センサ５８の検出値が所定値以下となり、バッテリ２０への充電が必要と判定されると開始される。

まず、ステップＳ１で、走行モータ１８に制御信号を出力し、充電ステーション３に向けて作業車１を走行させる。充電ステーション３の位置（緯度、経度）は、予め作業車１をトレースモードで走行させ、端子２２，３３同士を接続したときのＧＰＳセンサ５５の検出値を記憶することで、把握することができる。一方、作業車１の現在位置はＧＰＳセンサ５５により検出することができ、向きは方位センサ５４あるいはＹａｗセンサ５２により検出することができる。したがって、ステップＳ１では、ＧＰＳセンサ５５と方位センサ５４あるいはＹａｗセンサ５２の検出値に基づき作業車１を充電ステーション３に接近させる。

次いで、ステップＳ２で、磁気センサ５１が充電ステーション３を検出したか否かを判定する。帰還モード時には、充電ステーション３のＥＣＵ３０２からの指令により、第１パターンでエリアワイヤ２に電流が流され、エリアワイヤ２および突出ワイヤ３５の周囲には第１パターンの磁界が生じる。一方、ステーションワイヤ３４には第１パターンとは異なる第２パターンで電流が流され、ステーションワイヤ３４の周囲には第１パターンとは異なる第２パターンの磁界が生じる。したがって、ステップＳ２では、磁気センサ５１が、ステーションワイヤ３４の周囲の第２パターンの磁界を検出したか否か、換言すれば、作業車１がステーションワイヤ３４に接近したか否かを判定する。図１２（ａ）に示すように、磁気センサ５１がステーションワイヤ３４を中心とした磁界検出エリアＡＲ２内に進入すると、ステップＳ２で肯定される。ステップＳ２で肯定されるとステップＳ３に進み、否定されるとステップＳ１に戻る。

ステップＳ３では、前側磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒにより検出される第２パターンの磁界の検出値（磁界強度）Ｈが互いに等しいか否か、すなわち、一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒからステーションワイヤ３４までの距離が互いに等しいか否かを判定する。作業車１の中心線ＣＬ１がステーションワイヤ３４の中心点Ｐ０上に存在すれば、一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒの検出値が互いに等しい。この場合には、ステップＳ３が肯定されてステップＳ４に進み、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を直進走行させる。

一方、一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒの検出値Ｈが互いに異なる場合、ステップＳ３で否定されてステップＳ５に進み、これら磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒの検出値Ｈが互いに等しくなるように走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を旋回させる。例えば図１２（ａ）に示す状態では、左側の磁気センサ５１Ｌの方がステーションワイヤ３４に近いため、左側の磁気センサ５１Ｌの検出値Ｈの方が右側の磁気センサ５１Ｒの検出値Ｈよりも大きい。この場合、ステップＳ５で左右の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒの検出値Ｈが一致するように作業車１を左側（矢印Ａ方向）に旋回させた後、ステップＳ３に戻る。これにより図１２（ｂ）に示すように作業車１がステーションワイヤ３４に接近する。

次いで、ステップＳ６で、後側磁気センサ５１Ｃによる第２パターンの磁界の検出値に基づき、磁気センサ５１Ｃがステーションワイヤ３４の内側に進入したか否か、より厳密にいうと磁気センサ５１Ｃが中心点Ｐ０に位置するか否かを判定する。これは、作業車１が目標位置に到達したか否かの判定である。ステップＳ６で肯定されるとステップＳ７に進み、否定されるとステップＳ３に戻る。ステップＳ７では、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を停止させる。

次いで、ステップＳ８で、前側磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒにより検出されるエリアワイヤ２（突出ワイヤ３５）を流れる第１パターンの磁界の検出値Ｈに基づき、磁気センサ５１Ｃの位置を中心にして、作業車１の中心線ＣＬ１が充電ステーション３の中心線ＣＬ３に一致するように作業車１を旋回させる。例えば図１２（ｃ）に示すように磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒがいずれも作業領域ＡＲに位置する場合、より大きな検出値Ｈを示す磁気センサ（この例では磁気センサ５１Ｌ）の方向（矢印Ａ方向）に作業車１を旋回させる。一方、作業車１を旋回させる途中で、磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒの一方（例えば５１Ｌ）が作業領域ＡＲの外側に出た場合、すなわち突出ワイヤ３５の内側の領域ＡＲ１に存在する場合、その外側の磁気センサ５１Ｌの方向に作業車１を旋回させる。

次いで、ステップＳ９で、磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒの検出値に基づき、両方の前側磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒが作業領域ＡＲの外側に位置するか否かを判定する。ステップＳ９で肯定されるとステップＳ１０に進み、否定されるとステップＳ８に戻る。ステップＳ１０では、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を停止させる。これにより図１２（ｄ）に示すように作業車１の中心線ＣＬ１が充電ステーション３の中心線ＣＬ３に一致するとともに、作業車１の端子２２が充電ステーション３の端子３３に対向し、作業車１が目標姿勢となる。

次いで、ステップＳ１１で、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を前進走行させる。次いで、ステップＳ１２で、例えば電圧センサ５８の検出値に基づき端子２２が端子３３に接続したか否か、すなわちドッキングが完了したか否かを判定する。ステップＳ１２で肯定されるとステップＳ１３に進み、否定されるとステップＳ１１に戻る。ステップＳ１３では、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を停止させる。以上で、走行制御部４０Ｂでの帰還処理を終了する。

以上の処理のうち、ステップＳ１〜ステップＳ７の処理は第１誘導部で実行され、ステップＳ８〜ステップＳ１０の処理は第２誘導部で実行され、ステップＳ１１〜ステップＳ１３の処理は第３誘導部で実行される。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）エリアワイヤ２によって画定される作業領域ＡＲを自律走行する無人作業車１にはバッテリ２０（二次電池の一例）が設けられる。このバッテリ２０を充電する充電ステーション３は、一対の充電端子３３と、作業領域ＡＲの内側に配置された環状、より具体的には円形状のステーションワイヤ３４と、エリアワイヤ２に直列に接続されるとともにステーションワイヤ３４に向けて突出し、一対の充電端子３３の中間点とステーションワイヤ３４の中心とを結ぶ中心線ＣＬ３に対し対称形状を呈する突出ワイヤ３５とを備える（図８）。

このように充電ステーション３を構成することで、充電ステーション３をエリアワイヤ２上ではなく、エリアワイヤ２の内側の任意の位置に配置することができ、充電ステーション３の配置の自由度が向上する。この場合、充電ステーション３は、円形状のステーションワイヤ３４を有するので、作業車１に設けられた磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ，５１Ｃによりステーションワイヤ３４の周囲の磁界を検出し、その検出値に基づいて走行モータ１８を制御することで、磁気センサ５１Ｃの位置をステーションワイヤ３４の中心点Ｐ０に一致させることができる。また、作業車１に設けられた磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒにより左右対称形状の突出ワイヤ３５の磁界を検出し、その検出値に基づいて走行モータ１８を制御することで、作業車１の中心線ＣＬ１の位置を充電ステーション３の中心線ＣＬ３の位置に一致させることができる。これにより作業車１の端子２２を充電ステーション３の端子３３に接続するドッキング動作を行うことができる。また、トレース走行により充電ステーションまで帰還する場合には、同一の走行経路を通過するため、轍が生じやすいが、本実施形態によればトレース走行が不要であるため、轍の発生も抑制できる。トレース走行をして帰還する場合に比べ、充電ステーション３までの帰還の道のりが短く、効率的な帰還動作を実現可能である。

（２）ステーションワイヤ３４は円形であるので（図８）、ステーションワイヤ３４からは週方向均等に磁界が生じる。このため、作業車１をどの方向からでもステーションワイヤ３４に近づけ、磁気センサ５１Ｃをステーションワイヤ３４の中心点Ｐ０に容易かつ精度よく位置させることができる。すなわち、作業車１を精度よく目標位置に導くことができる。なお、この場合の円形は、厳密な意味での円形でなく実質的な円形（略円形）も含む。

（３）充電ステーション３は、ステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５とから互いに異なる態様の磁界（第１パターンの磁界、第２パターンの磁界）が生じるようにステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５とに流れる電流を制御するＥＣＵ３０２および信号発生器３０３（電流制御部の一例）をさらに備える（図９）。これにより磁気センサ５１は突出ワイヤ３５（エリアワイヤ２）からの磁界とステーションワイヤ３４からの磁界とを区別して検出することができ、ステーションワイヤ３４からの磁界を用いた作業車１の位置制御を精度よく実行可能である。

（４）無人作業車の充電ステーション誘導装置は、走行モータ１８（走行手段の一例）とバッテリ２０（二次電池の一例）とを有し、エリアワイヤ２によって画定される作業領域ＡＲを自律走行する無人作業車１と、バッテリ２０を充電する充電ステーション３とを備え、作業領域ＡＲの内側に位置する作業車１を充電ステーション３に誘導する。充電ステーション３は、一対の充電端子３３と、作業領域ＡＲの内側に配置された円形のステーションワイヤ３４と、エリアワイヤ２に直列に接続されるとともにステーションワイヤ３４に向けて突出し、一対の充電端子３３の中間点とステーションワイヤ３４の中心点Ｐ０とを結ぶ中心線（第１軸線）ＣＬ３に対し対称形状を呈する突出ワイヤ３５とを備える（図８）。作業車１は、一対の充電端子３３に接続可能な一対の相手側の充電端子２２と、一対の相手側充電端子２２の中間点を通って作業車１の直進方向に延在する中心線（第２軸線）ＣＬ１上に設けられ、ステーションワイヤ３４を流れる電流によって生じる磁界を検出する磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ，５１Ｃ（第１磁気検出器の一例）と、中心線ＣＬ１に対して対称に設けられ、ステーションワイヤ３４および突出ワイヤ３５を流れる電流によって生じる磁界を検出する一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ（第２磁気検出器の一例）と、磁気センサ５１Ｃおよび一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒの検出値に基づき、中心線ＣＬ１が中心線ＣＬ３に一致するように走行モータ１８を制御する走行制御部４０Ｂ（走行制御手段の一例）とを備える（図２，３）。

このように充電ステーション３が、中心線ＣＬ３上に配置されたステーションワイヤ３４と中心線ＣＬ３に対して対称に配置された突出ワイヤ３５とを有し、これらワイヤ３４，３５に対応して作業車１が、中心線ＣＬ１上に配置された磁気センサ５１Ｃと中心線ＣＬ１に対して対称に配置された一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒとを有し、磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ，５１Ｃの検出値に基づき作業車１の走行動作を制御することで（図１１）、帰還モード時に、トレース走行によらなくても、作業車１の中心線ＣＬ１を充電ステーション３の中心線ＣＬ３に一致させることができる。したがって、充電ステーション３をエリアワイヤ２上以外の任意の位置および任意の向きに配置することができ、充電ステーション３の配置の自由度が向上する。

（５）走行制御部４０Ｂは、磁気センサ５１Ｃがステーションワイヤ３４の中心部（中心点Ｐ０）に位置するように作業車１を誘導する第１誘導部４１と、ステーションワイヤ３４の中心部に位置する磁気センサ５１Ｃを中心に、中心線ＣＬ１が中心線ＣＬ３に一致するように作業車１を旋回させる第２誘導部４２と、中心線ＣＬ１が中心線ＣＬ３に一致した作業車１を充電端子３３に向けて直進走行させる第３誘導部４３とを有する（図３）。これにより作業車１を充電ステーション３の近傍まで導いた後に、作業車１の向きを充電ステーション３の向きに一致させ、その後、目標姿勢にある作業車１を端子３３に向けて直進走行させるので、作業車１を容易かつ確実に充電ステーション３に誘導することができ、端子２２，３３同士の確実な接続が可能である。

（６）一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ間の距離ｄ１１は、突出ワイヤ３５の中心線ＣＬ３に直交する方向における幅（ワイヤ部間の距離ｄ３１）よりも短い（図１０）。したがって、作業車１の中心線ＣＬ１が充電ステーション３の中心線ＣＬ３に一致した状態において、一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒが突出ワイヤ３５の内側、すなわち作業領域ＡＲの外側の領域ＡＲ１に位置し、磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒの検出値を用いて作業車１を精度よく目標姿勢に移動することができる。

（７）突出ワイヤ３５は略コ字状を呈し、ステーションワイヤ３４は突出ワイヤ３５の外側（領域ＡＲ１の外側）に配置される（図８）。このため、突出ワイヤ３５とステーションワイヤ３４とからそれぞれ互いに離れた位置で磁界が発生し、作業車１を位置制御した後、作業車１を容易に姿勢制御することができる。

−変形例−
上記実施形態は、例えば以下のような変形が可能である。上記実施形態では、ステーションワイヤ３４を作業領域ＡＲの内側に配置したが、外側に配置することもできる。この場合、突出ワイヤ３５は、ステーションワイヤ３４に向け作業領域ＡＲの外側に突出して配置すればよい。充電ステーション３がステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５とを有することで、充電ステーション３をエリアワイヤ２の内側または外側の任意の位置に配置できるが、充電ステーション３をエリアワイヤ２上に配置してもよい。この場合にも、充電ステーション３を任意の向きに配置できるため、充電ステーション３の配置の自由度が高まる。

上記実施形態では、ステーションワイヤ３４を円形（略円形）に構成したが、円形以外であってもよい。上記実施形態では、突出ワイヤ３５をエリアワイヤ２に直列に接続したが、エリアワイヤ２と突出ワイヤ３５とを別々に基板３０に接続するようにしてもよい。エリアワイヤ２から分岐して突出ワイヤ３５を設けてもよい。上記実施形態では、突出ワイヤ３５を略コ字状に構成したが、ステーションワイヤ３４に向けて突出し、一対の充電端子３３の中間点とステーションワイヤ３４の中心点Ｐ０とを結ぶ軸線ＣＬ３に対し対称形状を呈するのであれば、突出ワイヤ３５の形状はいかなるものでもよい。例えばワイヤ部３５１，３５２が円弧状ないし曲線状に構成されてもよく、ワイヤ部３５３が円弧状ないし曲線状に構成されてもよい。

上記実施形態では、ＥＣＵ３０２からの指令により信号発生器３０３を制御して、ステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５とから互いに異なる態様の磁界が生じるようにステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５とに流れる電流を制御したが、電流制御部の構成はこれに限らない。バッテリ２０（二次電池）を充電する充電ステーション３は、ステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５とを有すればよく、充電ステーション３の構成は図７〜９に示したものに限らない。ステーションワイヤ３４と突出ワイヤ３５を、ベース３ａと一体に設けてもよく、ベース３ａと別に設けてもよい。

上記実施形態では、一対の相手側充電端子２２の中間点を通って作業車１の直進方向に延在する中心線ＣＬ１（第２軸線）上に磁気センサ５１Ｃを設け、ステーションワイヤ３４を流れる電流によって生じる磁界を検出するようにしたが、ステーションワイヤ３４の中心点Ｐ０に導かれる第１磁気検出器の構成はこれに限らない。例えば、磁気センサ５１Ｃを車幅方向に複数（例えば３個）設け、中心線ＣＬ１上に位置する磁気センサ５１Ｃをステーションワイヤ３４の中心点Ｐ０に導くようにしてもよい。上記実施形態では、中心線ＣＬ１に対し対称に一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒを設け、ステーションワイヤ３４および突出ワイヤ３５を流れる電流によって生じる磁界を検出するようにしたが、一対の第２磁気検出器の構成はこれに限らない。

上記実施形態では、磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ，５１Ｃの検出値Ｈに基づき、第１誘導部４１と第２誘導部４２と第３誘導部４３とを有する走行制御部４０Ｂにより、中心線ＣＬ１が中心線ＣＬ３に一致するように走行モータ１８を制御したが、走行制御手段の構成はこれに限らない。作業車１の基準姿勢におけるステーションワイヤ３４および突出ワイヤ３５と磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒ，５１Ｃとの位置関係（図１０）は一例であり、他の位置関係とすることもできる。例えば基準姿勢においてワイヤ部３５１，３５２上に磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒが配置されるようにしてもよい。

上記実施形態では、左右一対の走行モータ１８Ｌ，１８Ｒにより作業車１を走行かつ旋回させるようにしたが、走行手段の構成はこれに限らない。例えば、前輪１３あるいは後輪１４を操舵可能なアクチュエータを作業車１に搭載し、アクチュエータの駆動により作業車を旋回させるようにしてもよい。したがって、作業車１の構成は上述したものに限らない。上記実施形態では、ＧＰＳセンサ５５により作業車１の現在位置を検出するようにしたが、車輪速センサ５７の検出値により作業車１の走行距離を検出するとともに、Ｙａｗセンサ５２の検出値により作業車１の向きを検出することで、作業車１の現在位置を検出するようにしてもよい。この場合、ＧＰＳセンサ５５を省略することができる。したがって、位置検出手段の構成は上述したものに限らない。

上記実施形態は、芝刈り作業車に適用したが、本発明は、これに限らず種々の自律走行可能な無人作業車に適用可能である。したがって、作業機１６の構成は上述したものに限らない。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

１ 無人作業車、２ エリアワイヤ、３ 充電ステーション、１８ 走行モータ、２０ バッテリ、２２ 端子、３３ 端子、３４ ステーションワイヤ、３５ 突出ワイヤ、４０Ｂ 走行制御部、４１ 第１誘導部、４２ 第２誘導部、４３ 第３誘導部、５１Ｌ、５１Ｒ，５１Ｃ 磁気センサ

Claims (6)

1. エリアワイヤによって画定される作業領域を自律走行する無人作業車に設けられた二次電池を充電する充電ステーションであって、
   一対の充電端子と、
   前記作業領域の内側または外側に配置された環状のステーションワイヤと、
   前記ステーションワイヤに向けて突出し、前記一対の充電端子の中間点と前記ステーションワイヤの中心とを結ぶ軸線に対し対称形状を呈する突出ワイヤとを備えることを特徴とする充電ステーション。
2. 請求項１に記載の充電ステーションにおいて、
   前記ステーションワイヤは、略円形であることを特徴とする充電ステーション。
3. 請求項１または２に記載の充電ステーションにおいて、
   前記ステーションワイヤと前記突出ワイヤとから互いに異なる態様の磁界が生じるように前記ステーションワイヤと前記突出ワイヤとに流れる電流を制御する電流制御部をさらに備えることを特徴とする充電ステーション。
4. 走行手段と二次電池とを有し、エリアワイヤによって画定される作業領域を自律走行する無人作業車と、前記二次電池を充電する充電ステーションとを備え、前記作業車を前記充電ステーションに誘導する無人作業車の充電ステーション誘導装置であって、
   前記充電ステーションは、
   一対の充電端子と、
   前記作業領域の内側または外側に配置された環状のステーションワイヤと、
   前記ステーションワイヤに向けて突出し、前記一対の充電端子の中間点と前記ステーションワイヤの中心とを結ぶ第１軸線に対し対称形状を呈する突出ワイヤとを備え、
   前記作業車は、
   前記一対の充電端子に接続可能な一対の相手側充電端子と、
   前記一対の相手側充電端子の中間点を通って前記作業車の直進方向に延在する第２軸線上に設けられ、前記ステーションワイヤを流れる電流によって生じる磁界を検出する第１磁気検出器と、
   前記第２軸線に対して対称に設けられ、前記ステーションワイヤおよび前記突出ワイヤを流れる電流によって生じる磁界を検出する一対の第２磁気検出器と、
   前記第１磁気検出器および前記一対の第２磁気検出器の検出値に基づき、前記第２軸線が前記第１軸線に一致するように前記走行手段を制御する走行制御手段とを備えることを特徴とする無人作業車の充電ステーション誘導装置。
5. 請求項４に記載の無人作業車の充電ステーション誘導装置において、
   前記走行制御手段は、
   前記第１磁気検出器が前記ステーションワイヤの中心部に位置するように前記作業車を誘導する第１誘導部と、
   前記ステーションワイヤの中心部に位置する前記第１磁気検出器を中心に、前記第２軸線が前記第１軸線に一致するように前記作業車を旋回させる第２誘導部と、
   前記第２軸線が前記第１軸線に一致した前記作業車を前記充電端子に向けて直進走行させる第３誘導部とを有することを特徴とする無人作業車の充電ステーション誘導装置。
6. 請求項４または５に記載の無人作業車の充電ステーション誘導装置において、
   前記一対の第２磁気センサ間の距離は、前記第１軸線に直交する方向における前記突出ワイヤの幅よりも短いことを特徴とする無人作業車の充電ステーション誘導装置。
   

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