JP2016186753A - 無人作業車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電ステーションまでの効率的な帰還動作を実現することが可能な無人作業車の制御装置を提供する。【解決手段】無人作業車の制御装置は、作業領域ＡＲに作成された複数のセル６１を配列してなるマップＭＰ上の作業車の位置を検出する位置検出手段と、作業車の位置に基づき、作業モード時に作業車が通過した充電装置３を起点とするセル６１ａを特定し、特定したセル６１ａに順次セル番号を付して記憶するセル記憶手段と、帰還モードに切り替えられると、記憶されたセル６１ａの中から、マップＭＰ上で隣接かつセル番号が小さくなるセル６１ａを順次選択するセル選択手段と、選択されたセルに沿って作業車が帰還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。【選択図】図８

Description

本発明は、作業領域を自律走行して芝刈りなどの作業を行う無人作業車の制御装置に関する。

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の走行動作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、充電ステーションまで帰還させる。

特開２０１３−１６４７４２号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置は、エリアワイヤに沿って作業車を走行させるため、同一の経路を通る頻度が高まり、轍が生じやすい。また、充電ステーションまでの帰還の道のりが長くなり、作業車の効率的な帰還動作を実現することが困難である。

本発明の一態様は、走行手段と二次電池とを有する作業車を、作業領域を自律走行するように制御する無人作業車の制御装置であって、作業領域を自律走行して作業を行う作業モードと二次電池を充電するための充電装置に帰還する帰還モードとに動作モードを切り替えるモード切替手段と、予め作業領域に作成された複数のセルを配列してなるマップ上における作業車の位置を検出する位置検出手段と、位置検出手段により検出された作業車の位置に基づき、作業モード時に作業車が通過した充電装置を起点とするセルを特定し、特定したセルに順次セル番号を付して記憶するセル記憶手段と、モード切替手段により作業モードから帰還モードに切り替えられると、セル記憶手段に記憶されたセルの中から、マップ上で隣接し、かつ、セル番号が小さくなるセルを順次選択するセル選択手段と、セル選択手段により選択されたセルに沿って作業車が帰還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ことを特徴とする。

本発明によれば、作業モード時に作業車が通過したマップ上のセルを特定するとともに特定したセルに順次セル番号を付して記憶し、記憶されたセルの中からマップ上で隣接かつセル番号が小さくなるセルを順次選択し、選択したセルに沿って作業車を帰還させる。したがって、作業車は、作業モード時の走行軌跡に応じた作業領域の内側の経路を通って帰還するので、帰還の道のりが短くなり、作業車の効率的な帰還動作を実現することができるとともに、轍の発生を抑制できる。

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装置の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。 図４の充電ステーションの構成を示すブロック図。 トレースモード時の作業車の動作を示す図。 図３のマップ生成部により生成される作業領域マップの一例を示す図。 図８の作業領域マップの一部を拡大して示す図。 図８の作業領域マップ上における帰還経路の一例を示す図。 図３のＥＣＵで実行される処理（作業モード処理）の一例を示すフローチャート。 図３のＥＣＵで実行される処理（帰還モード処理）の一例を示すフローチャート。 図８の変形例を示す図。 図１３の作業領域マップ上における帰還経路の一例を示す図。

以下、図１〜図１４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４参照）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ＣＬに対して左右対称に、一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒが配置される。

図３は、本発明の実施形態に係る無人作業車の制御装置の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）４０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、左右一対の磁気センサ５１（５１Ｌ，５１Ｒ）と、Ｙａｗセンサ５２と、Ｇセンサ５３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。

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。

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３７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、例えば予め敷設（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。なお、エリアワイヤ２上には、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。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。

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。

図６は、エリアワイヤ２上に配置された充電ステーション３の構成を示すブロック図である。図６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充電器３０と、充電器３０に接続された端子３３およびステーションコイル３４とを有する。充電器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、エリアワイヤ２とステーションコイル３４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。ステーションコイル３４は、充電ステーション３上に配置され、ステーションコイル３４を流れる電流によって磁界が生じる。この磁界によって、図４に示すように充電ステーション３を中心として半径１ｍ程度の円内に充電器検出エリア３ａが形成される。作業車１の充電器検出エリア３ａ内への進入は、磁気センサ５１により検出される。

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を把握する。作業領域ＡＲを把握した後は、作業モードの度にトレースモードを実行する必要はない。

図７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７に示すように、トレースモードにおいては、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に接続した状態から開始され、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。トレースモード時の作業車１の旋回角θは、Ｙａｗセンサ５２により検出される角速度を時間積分することにより取得することができる。走行距離Ｌは、車輪速センサ５７により検出される車輪速を時間積分することにより取得することができる。これらトレースモード時に検出される作業車１の旋回角θと走行距離Ｌとに基づき、エリアワイヤ２によって画定される作業領域ＡＲの境界線ＢＬ（図４）を把握する。

ところで、帰還モードにおいて、作業車１をエリアワイヤ２に沿ってトレース走行させれば、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。例えば、図４の位置Ａにおける作業車１を、矢印Ａ１に示すように直進走行させ、エリアワイヤ２に到達した後、充電ステーション３に向けて旋回させ、矢印Ａ２に示すようにエリアワイヤ２に沿って走行させる。あるいは図４の位置Ｂにおける作業車１を、矢印Ｂ１に示すように直進走行させ、エリアワイヤ２に到達した後、充電ステーション３に向けて旋回させ、矢印Ｂ２に示すようにエリアワイヤ２に沿って走行させる。これによりエリアワイヤ２上の充電ステーション３まで作業車１を帰還させることができる。

しかしながら、トレース走行で作業車１を帰還させると、作業車１は帰還の度に同一の経路（エリアワイヤ２上）を通るため、エリアワイヤ２に沿って轍が生じやすい。また、トレース走行による帰還は、帰還の道のりが長くなるため、帰還に比較的長い時間を要し、作業効率が低下する。そこで、本実施形態では、轍の発生を防止し、かつ、効率的な帰還モードを実現するため、以下のように無人作業車の制御装置を構成する。

図３に示すように、ＥＣＵ４０は機能的構成として、マップ生成部４１と、モード切替部４２と、セル記憶部４３と、セル選択部４４と、走行制御部４５とを有する。

マップ生成部４１は、トレースモードにおいて把握された境界線ＢＬの位置情報に基づき、作業領域ＡＲのマップ（作業領域マップＭＰ）を生成する。なお、トレースモードによる走行は、エリアワイヤ２を敷設した後に一度だけ行えばよく、このときに得られた作業領域マップＭＰは、ＥＣＵ４０の記憶部（メモリ）に記憶される。図８は、作業領域マップＭＰの一例を示す図である。図８に示すように、作業領域マップＭＰは、作業領域ＡＲに複数のセル６１を配列してなるビットマップにより構成される。

図９は、作業領域マップＭＰの一部を拡大して示す図である。図９では、一辺が所定長さａ（例えば２００ｍｍ）の正方形状のセル６１を、Ｘ軸とＹ軸とを含む水平面（ＸＹ平面）内に格子状に配列して作業領域マップＭＰが構成される。各セル６１は所定位置（例えば充電ステーション３）を基準（原点）とした位置情報を含む。なお、セル６１の寸法は適宜変更可能であり、例えば作業機１６の作業幅（ブレード最外径）に一致するように寸法を設定してもよい。

モード切替部４２は、作業モードと帰還モードとの切り替えを行う。例えば電圧センサ５８により検出される電圧が所定値以下となり、バッテリ２０の充電が必要になると、モード切替部４２は、作業モードから帰還モードへ動作モードを切り替える。一方、バッテリ２０の充電が完了すると、帰還モードから作業モードへ動作モードを切り替える。モード切替部４２が作業モードと帰還モードとの切り替えだけでなく、トレースモードと作業モードと帰還モードとの切り替えを行うようにしてもよい。

セル記憶部４３は、作業モード時に作業車１が通過した作業領域マップＭＰ上のセル６１、すなわち走行軌跡ＰＡ１上のセル（走行軌跡セル）６１ａ（図８）を特定するとともに、特定した走行軌跡セル６１ａに順次セル番号ｎを付して記憶する。作業モード時には、作業車１は充電ステーション３を起点として走行するため、充電ステーション３の位置に対応するセル６１のセル番号ｎは０となる。以降、図８に示すように、走行軌跡ＰＡ１に沿って走行軌跡セル６１ａのセル番号ｎが１ずつ増加する。

この点について、図９を参照して、より詳細に説明する。セル記憶部４３は、まず、Ｙａｗセンサ５２からの信号に基づき所定時間Δｔ（例えば１００ｍｓ）毎に基準線（例えばＸ軸）に対する作業車１の旋回角Δθを検出する。さらに、車輪速センサ５７からの信号に基づき所定時間Δｔの間に作業車１が走行した走行距離ΔＬを検出する。次いで、検出された旋回角Δθと走行距離ΔＬとを用いて、次式(I)により、基準位置（例えば充電ステーション３の位置）に対するＸＹ平面上における所定時間Δｔ毎の作業車１の移動点Ｐの位置座標（Ｘ，Ｙ）を算出する。
Ｘ＝ΔＬ×cosΔθ，Ｙ＝ΔＬ×sinΔθ ・・・(I)

算出された移動点Ｐを順次直線で結ぶことにより、図９に示すように走行軌跡ＰＡ１が得られる。セル記憶部４３は、この走行軌跡ＰＡ１を含む走行軌跡セル６１ａ（斜線部）に、１ずつ増加するセル番号ｎ（＝ｑ，ｑ＋１，ｑ＋２，・・）を順次付して記憶する。すなわち、走行軌跡セル６１ａの固有のセル情報として、位置情報とともにセル番号ｎを記憶する。

ところで、図８に示すように、作業モード時には、走行軌跡ＰＡ１同士が交差、すなわち走行軌跡セル６１ａが重複することがある。この場合、セル記憶部４３は、既にセル番号ｎが付された走行軌跡セル６１ａに新たにセル番号ｎを付すことなく、元のセル番号ｎよりも大きなセル番号ｎを一旦削除する。セル番号ｎが削除されると、走行軌跡セル６１ａは単なるセル６１となり、セル記憶部４３の記憶対象から除外される。次いで、重複する走行軌跡セル６１ａを起点にして、走行軌跡セル６１ａの番号付けを再開する。

図８の例では、点Ｐ１におけるセル番号ｎ＝７の走行軌跡セル６１ａ上で走行軌跡ＰＡ１同士が交差する。したがって、セル番号ｎ＝８〜６１までが一旦メモリから削除される。これにより、ループ状の走行軌跡セル６１ａ（走行軌跡セル６１ａの集合６１０）が、セル番号ｎを有しない単なるセル６１に変更される。その後、セル番号ｎ＝７の走行軌跡セル６１ａを起点として、セル番号ｎ（＝８，９．・・）が順次付与される。

セル選択部４４は、モード切替部４２により動作モードが作業モードから帰還モードに切り替えられると、作業車１の現在の走行軌跡セル６１ａを起点として、セル記憶部４３に記憶された走行軌跡セル６１ａの中から、セル番号ｎが順次小さくなるようなセル（帰還セル６１ｂ）を選択する。帰還セル６１ｂは、現在の走行軌跡セル６１ａの周囲のセル６１の中から選択する。例えば走行軌跡セル６１ａに前後左右および斜め方向に隣接する８マスのセル６１の中から選択する。８マスのセル６１の中に複数の走行軌跡セル６１ａが存在する場合、セル番号ｎが最も小さいものを選択する。このようにして選択した帰還セル６１ｂを、順次直線で接続することにより、作業車１の帰還経路ＰＡ２を生成できる。なお、セル選択部４４が、走行軌跡セル６１ａに前後左右方向に隣接する４マスのセル６１の中から、帰還セル６１ｂを選択してもよい。

図１０は、帰還経路ＰＡ２の一例を示す図である。なお、図１０は、図８の走行軌跡ＰＡ１を用いて生成された帰還経路ＰＡ２を表す。図１０の例では、帰還セル６１ｂとして選択された各々の走行軌跡セル６１ａに、未だ帰還セル６１ｂとして選択されていない単一の走行軌跡セル６１ａが隣接する。したがって、各々の走行軌跡セル６１ａがそのまま帰還セル６１ｂとなり、帰還セル６１ｂ同士を選択順（セル番号ｎの大きい順）に接続することで帰還経路ＰＡ２を生成できる。なお、走行軌跡セル６１ａの周囲に複数の走行軌跡セル６１ａが隣接する例については、後述する（図１４）。

走行制御部４５は、Ｙａｗセンサ５２と車輪速センサ５７の検出値に基づいて走行モータ１８に制御信号を出力し、セル選択部４４により選択された帰還セル６１ｂに沿って作業車１を走行させる。すなわち、作業車１が通過する帰還セル６１ｂのセル番号ｎが徐々に小さくなるように充電ステーション３に向けて作業車１を走行させる。磁気センサ５１が充電器検出エリア３ａ内に進入し、充電ステーション３を検出すると、走行制御部４５は、作業車１が充電ステーション３にドッキングして端子２２と端子３３とが接続するように走行モータ１８を制御する。

次に、ＥＣＵ４０で実行される処理を具体的に説明する。図１１，１２は、ＥＣＵ４０で実行される処理の一例を示すフローチャートである。とくに図１１は、作業モード時の処理（作業モード処理）の一例を、図１２は、帰還モード時の処理（帰還モード処理）の一例を示す。作業モード処理は、作業車１が充電ステーション３にドッキングしてバッテリ２０の充電が完了した状態から開始される。

まず、ステップＳ１で、モータ駆動ドライバを介して走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１の姿勢を作業開始姿勢に制御する。具体的には、作業車１を後進させて充電ステーション３から離脱するとともに、作業領域ＡＲの内側に向けて作業車１を旋回させる。次いで、ステップＳ２で、モータ駆動ドライバを介して作業モータ１７に制御信号を出力し、作業機１６を駆動する。次いで、ステップＳ３で、走行モータ１８に制御信号を出力して作業車１を直進走行させる。

次いで、ステップＳ４で、電圧センサ５８により検出されるバッテリ２０の残電圧が所定値以上であるか否か、すなわちバッテリ２０の充電が不要であるか否かを判定する。ステップＳ４で肯定されるとステップＳ５に進む。一方、ステップＳ４で否定されると、バッテリ２０の充電が必要であるため、図１２のステップＳ２１に進む。

ステップＳ５では、Ｙａｗセンサ５２からの信号により検出された旋回角θと車輪速センサ５７からの信号により検出された走行距離ΔＬとを上式(I)に代入し、作業車１の位置座標（Ｘ，Ｙ）を演算する。次いで、ステップＳ６で、ステップＳ５で演算された作業車１の位置と、予めマップ生成部４１により定められた作業領域マップＭＰとに基づき、作業車１が隣接するセル６１（走行軌跡セル６１ａ）に進入したか否かを判定する。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、作業車が進入した走行軌跡セル６１ａに、既にセル番号ｎが付与されているか否かを判定する。ステップＳ７で否定、すなわちセル番号ｎが未だ付与されていないと判定されると、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、セル記憶部４３での処理により、作業車１が進入した走行軌跡セル６１ａのセル情報として、現時点での最大のセル番号ｎ（＝ｑ）に１を加算したセル番号ｎ（＝ｑ＋１）をメモリに記憶する。すなわちセル番号ｎをカウントアップする。

一方、ステップＳ７で肯定、すなわち走行軌跡セル６１ａにセル番号ｎが既に付与されていると判定されると、換言すると、作業車１が重複した走行軌跡セル６１ａを通過すると、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、既に付与されたセル番号ｎから現在のセル番号ｎまでを削除する。すなわち、重複位置における元のセル番号ｎ以降を削除する。図８の例では、セル番号ｎ＝７〜６１を削除する。これにより、ループ状の走行軌跡セル６１ａがセル記憶部４３から除外される。次いで、ステップＳ１０で、現在の走行軌跡セル６１ａに、初めに付与したのと同一のセル番号ｎ（図８の例ではｎ＝７）を付与してメモリに記憶する。

次いで、ステップＳ１１で、磁気センサ５１の検出値に基づき、直進走行中の作業車１がエリアワイヤ２に到達したか否かを判定する。ステップＳ１１で肯定されるとステップＳ１２に進み、否定されるとステップＳ３に戻る。ステップＳ１２では、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を一旦停止させるとともに作業領域ＡＲの内側に向けて旋回させ、ステップＳ３に戻る。以上の作業モード処理によれば、作業車１が走行した作業領域マップＭＰ上の走行軌跡セル６１ａがセル番号ｎを付してセル記憶部４３に記憶される。

次に、図１２の帰還モード処理について説明する。帰還モード処理は、電圧センサ５８により検出されるバッテリ２０の残電圧が所定値以下になると開始される。このとき、作業機１６の駆動が停止される。まず、ステップＳ２１で、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を１８０°旋回させる。すなわち、作業車１は走行軌跡セル６１ａ上を帰還するため、初めに作業車１の向きを反転させる。次いで、ステップＳ２２で、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。

次いで、ステップＳ２３で、セル選択部４４での処理により、セル記憶部４３に記憶された作業車１の周囲の走行軌跡セル６１ａの中から、セル番号ｎが最も小さいセル、すなわち帰還セル６１ｂを選択する。次いで、ステップＳ２４で、走行モータ１８に制御信号を出力し、選択した帰還セル６１ｂに向けて作業車１を旋回させる。次いで、ステップＳ２５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、すなわち充電器検出エリア３ａ内に進入したか否かを判定する。ステップＳ２５で肯定されるとステップＳ２６に進み、否定されるとステップＳ２２に戻る。ステップＳ２６では、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１が充電ステーション３にドッキングして端子２２と端子３３とが接続するようにドッキング動作を開始させる。

図１３、１４は、それぞれ図８，１０の変形例であり、走行軌跡ＰＡ１と帰還経路ＰＡ２の他の例を示す図である。図１３に示すように、作業モード時には、作業車１はエリアワイヤ２に到達する度に方向を変え、作業領域ＡＲ内をランダムに直進走行する（ステップＳ３、ステップＳ１２）。このとき、セル記憶部４３での処理により、作業車１が通過した作業領域マップＭＰ上のセル６１、すなわち走行軌跡セル６１ａに順次セル番号ｎが付与され、セル情報として記憶される（ステップＳ８）。

例えば図１３の位置Ｐ１１において、作業車１が既にセル番号ｎ（＝５５）が付された走行軌跡セル６１ａを再通過する場合、セル番号ｎが５９にカウントアップされることなく、ｎ＝５５〜５８までが一旦削除される（ステップＳ９）。次いで、位置Ｐ１１の走行軌跡セル６１ａに元のセル番号ｎ（＝５５）が付与され（ステップＳ１０）、カウントアップが再開される。したがって、各々の走行軌跡セル６１ａには、単一のセル番号ｎが対応付けて記憶される。

一方、例えば図１３の位置Ｐ１２において、走行軌跡ＰＡ１同士が交差すると、その交差部における元のセル番号ｎ（＝３４）以降のセル番号ｎ（＝３４〜４７）が削除される（ステップＳ９）。これによりｎ＝３４〜４７が付されたループ状の走行軌跡セル６１ａ（走行軌跡セル６１ａの集合６１０）が、セル番号ｎを有しない単なるセル６１となり、セル記憶部４３から削除される。この場合も、元のセル番号ｎ（＝３４）からカウントアップが再開される（ステップＳ１０）。

図１４に示すように、帰還モード時には、セル選択部４４での処理により、走行軌跡セル６１ａの中からセル番号ｎが小さくなるような帰還セル６１ｂが順次選択され、走行制御部４５での処理により、選択した帰還セル６１ｂに沿って作業車１が走行する（ステップＳ２２，ステップＳ２３，ステップＳ２４）。例えば図１４の位置Ｐ２１において、セル番号ｎ＝１６の帰還セル６１ｂの周囲に、この帰還セル６１ｂよりもセル番号ｎが小さい複数の走行軌跡セル６１ａ、すなわちｎ＝１３，１４，１５の走行軌跡セル６１ａが存在する場合を想定する。この場合、セル選択部４４での処理により、最小のセル番号ｎ（＝１３）の走行軌跡セル６１ａが帰還セル６１ｂとして選択される（ステップＳ２３）。したがって、作業車１は、全ての走行軌跡セル６１ａを通過するわけではなく、より短い帰還経路ＰＡ２で充電ステーション３まで帰還することができる。

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）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）とを有する作業車１を、作業領域ＡＲを自律走行するように制御する無人作業車の制御装置は、作業領域ＡＲを自律走行して作業を行う作業モードとバッテリ２０を充電するための充電ステーション３（充電装置の一例）に帰還する帰還モードとに動作モードを切り替えるモード切替部４２（モード切替手段の一例）と、予め作業領域ＡＲに作成された複数のセル６１を配列してなるマップＭＰ上における作業車１の位置を検出するＹａｗセンサ５２および車輪速センサ５７（位置検出手段の一例）と、検出された作業車１の位置に基づき、作業モード時に作業車１が通過した充電ステーション３を起点とするセル（走行軌跡セル６１ａ）を特定し、特定したセル６１ａに順次セル番号ｎを付して記憶するセル記憶部４３（セル記憶手段の一例）と、モード切替部４２により作業モードから帰還モードに切り替えられると、セル記憶部４３に記憶されたセル６１ａの中から、作業領域マップＭＰ上で隣接し、かつ、セル番号ｎが小さくなるセル（帰還セル６１ｂ）を順次選択するセル選択部４４（セル選択手段の一例）と、セル選択部４４により選択されたセル４１ｂに沿って作業車１が帰還するように走行モータ１８を制御する走行制御部４５（走行制御手段の一例）とを備える。

このように本実施形態では、作業車１が通った作業領域マップＭＰ上の走行軌跡セル６１ａを順次番号付けして記憶し、記憶した走行軌跡セル６１ａの中からセル番号ｎが小さくなるように走行軌跡セル６１ａを順次選択し、選択したセル（帰還セル６１ｂ）を辿って作業車１を帰還するようにした。これにより、例えば図１４の位置Ｐ１５における作業車１は、作業領域ＡＲの内側の帰還経路ＰＡ２に沿って帰還する。このため、帰還の道のりが短くなり、効率的な帰還動作を実現できる。また、帰還経路ＰＡ２は走行軌跡ＰＡ１に応じて常に変化するため、轍の発生を防止できる。これに対し、例えば図１４の点線の矢印ＡまたはＢに示すように、作業車１が位置Ｐ１５からトレース走行で充電ステーション３まで帰還する場合、帰還の道のりが長くなり、帰還動作に要する時間が長くなる。また、同一の経路を通って帰還するため、轍も生じやすい。

（２）セル記憶部４３は、セル番号ｎが付された走行軌跡セル６１ａを作業車１が再通過するとき、そのセル番号ｎよりも大きなセル番号を一旦削除し（ステップＳ９，ステップＳ１０）、セル番号ｎから番号付けを再開する（ステップＳ８）。これにより走行軌跡ＰＡ１が交差する場合に、ループ状の走行軌跡セル６１ａが削除されるので、走行軌跡セル６１ａから選択される帰還セル６１ｂは交差部を有しない（図１０，１４）。したがって、帰還経路ＰＡ２が短くなり、効率的な帰還動作を実現できる。また、セル番号ｎを一部削除することで、セル記憶部４３が記憶する走行軌跡セル６１ａの個数が少なくなり、記憶容量を節約できる。

（３）セル選択部４４は、作業領域マップＭＰ上で隣接する複数の走行軌跡セル６１ａがセル記憶部４３に記憶されているとき、その中からセル番号ｎの最も小さいセル６１ａを帰還セル６１ｂとして選択する（ステップＳ２３）。したがって、例えば狭路を通過する場合等、帰還セル６１ｂの候補として複数の走行軌跡セル６１ａがあるとき（図１３）、帰還経路ＰＡ２が最短となる走行軌跡セル６１ａが選択され、効率的な帰還動作を実現できる。

（４）Ｙａｗセンサ５２と車輪速センサ５７とからの検出値により、予め作業領域ＡＲに作成された複数のセル６１を配列してなるマップＭＰ上における作業車１の位置を検出する。したがって、ＧＰＳセンサや地磁気センサ等の高価な位置検出センサが不要であり、装置全体を安価に構成できる。セル単位で作業車１の走行軌跡ＰＡ１を特定するとともに作業車１の帰還動作を制御するので、作業車１の精密な位置を求める必要がなく、制御装置の構成を簡素化できる。セル記憶部４３はセル６１の属性データとしてセル番号ｎを記憶し、セル選択部４４は、セル番号ｎに基づいて帰還セル６１ｂを選択するので、ＥＣＵ４０での処理が容易である。

−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、セル記憶部４３が、既にセル番号ｎが付された走行軌跡セル６１ａを作業車１が再通過するとき、そのセル番号ｎよりも大きなセル番号を一旦削除して、そのセル番号ｎから番号付けを再開するようにした。しかしながら、セル番号ｎを削除せずにそのまま残すようにしてもよい。例えば、図１１のステップＳ７，ステップＳ９，ステップＳ１０の処理を削除し、作業車１がセル６１に進入する度に、セル番号ｎを常にカウントアップするようにしてもよい。この場合には、同一の走行軌跡セル６１ａに複数のセル番号ｎが付されることがあるが、セル選択部４４により帰還セル６１ｂを選択する際に、複数のセル番号ｎの中から最小のセル番号ｎを選択すればよい。

すなわち、検出された作業車１の位置に基づいて作業モード時に作業車１が通過した充電ステーション３を起点とするセル６１ａを特定し、特定したセル６１ａに順次セル番号ｎを付して記憶するのであれば、セル記憶手段としてのセル記憶部４３の構成はいかなるものでもよい。また、作業モードから帰還モードに切り替えられると、セル記憶部４３に記憶されたセル６１ａの中から、マップＭＰ上で隣接し、かつ、セル番号ｎが小さくなるセル６１ａ（帰還セル６１ｂ）を順次選択するのであれば、セル選択手段としてのセル選択部４４の構成はいかなるものでもよい。

上記実施形態では、Ｙａｗセンサ５２と車輪速センサ５７との検出値により作業車１の位置を検出するようにしたが、位置検出手段の構成はこれに限らない。上記実施形態では、予め敷設されたエリアワイヤ２によって作業領域ＡＲを画定したが、エリアワイヤ２を用いずに作業領域ＡＲを画定することもできる。この場合、例えば作業車１にカメラを搭載し、磁気センサ５１ではなくカメラからの信号により、作業車１が作業領域ＡＲの境界線ＢＬへ到達したか否かを判定してもよい。磁気センサ５１やカメラ以外（例えばＧＰＳセンサや障害物検出器等）により、作業領域ＡＲを検出する領域検出器を構成してもよい。上記実施形態では、エリアワイヤ２上に充電ステーション３を配置したが、エリアワイヤ２上ではなく、その近傍に配置してもよい。バッテリ２０（二次電池）を充電する充電装置としての充電ステーション３の構成は図６のものに限らない。上記実施形態では、モード切替部４２での処理により、バッテリ２０の残電圧が所定値以下になると作業モードから帰還モードに切り替えるようにしたが（ステップＳ４）、モード切替手段の構成はこれに限らない。

上記実施形態では、走行制御部４５が、セル選択部４４により選択された帰還セル６１ｂに沿って作業車１が充電ステーション３に帰還するように走行モータ１８を制御したが、作業車１の走行および旋回動作を制御する走行制御手段の構成はこれに限らない。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。作業車１に、左右一対の磁気センサ５１Ｌ，５１Ｒではなく、単一の磁気センサ５１を設け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、１８ 走行モータ、２０ バッテリ、４０ ＥＣＵ、４２ モード切替部、４３ セル記憶部、４４ セル選択部、４５ 走行制御部、５２ Ｙａｗセンサ、５７ 車輪速センサ、６１ セル、６１ａ 走行軌跡セル、６１ｂ 帰還セル

Claims (3)

1. 走行手段と二次電池とを有する作業車を、作業領域を自律走行するように制御する無人作業車の制御装置であって、
   前記作業領域を自律走行して作業を行う作業モードと前記二次電池を充電するための充電装置に帰還する帰還モードとに動作モードを切り替えるモード切替手段と、
   予め前記作業領域に作成された複数のセルを配列してなるマップ上における前記作業車の位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段により検出された前記作業車の位置に基づき、前記作業モード時に前記作業車が通過した前記充電装置を起点とするセルを特定し、特定したセルに順次セル番号を付して記憶するセル記憶手段と、
   前記モード切替手段により前記作業モードから前記帰還モードに切り替えられると、前記セル記憶手段に記憶された前記セルの中から、前記マップ上で隣接し、かつ、セル番号が小さくなるセルを順次選択するセル選択手段と、
   前記セル選択手段により選択された前記セルに沿って前記作業車が帰還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制御装置。
2. 請求項１に記載の無人作業車の制御装置において、
   前記セル記憶手段は、既にセル番号が付されたセルを前記作業車が再通過するとき、該セル番号よりも大きなセル番号を一旦削除し、該セル番号から番号付けを再開することを特徴とする無人作業車の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の無人作業車の制御装置において、
   前記セル選択手段は、前記マップ上で隣接する複数のセルが前記セル記憶手段に記憶されているとき、その中からセル番号の最も小さいセルを選択することを特徴とする無人作業車の制御装置。
   

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