JP2018198582A - 自動走行作業車 - Google Patents

Abstract

【課題】車体の走行が不安定になる走行区域を推定して、その推定結果に基づいて効果的に車速を低減することができる自動走行作業車の提供。【解決手段】自動走行作業車は、車速を制御する車速制御部５３と、作業地を走行するための走行経路を設定する走行経路設定部５６と、設定された走行経路に沿って前記車体を自動操舵する操舵制御部５２と、走行が不安定となる走行不安定経路部分を決定する不安定経路部分決定モジュール９と、自車位置を算出する自車位置算出部５７と、車体が走行不安定経路部分を走行している間、車速を低減させる減速指令を車速制御部５３に与える減速指令出力部９０を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、作業地を走行経路に沿って走行する自動走行作業車に関する。

無人で走行する自動走行作業車は、予め設定された車速で走行するが、地面の状態によっては、設定されている車速で走行すると、走行軌跡の精度や作業品質が悪化する場合がある。これを避けるためには、自動走行作業車を監視している監視者が、自動走行作業車の走行先の地面を監視し、状態の悪い地面を見つけると、そこを自動走行作業車が走行する前に、リモコン装置等で、車速を低減する必要がある。

特許文献１に開示された作業車では、位置情報の取得間隔が長くなったり、走行車体の左右方向のずれが大きくなったり、圃場の深さが深くなったりすると、車速が低減される。これにより、走行車体を高い精度で直進走行させること及び作業精度を向上させることが意図されている。

特開２０１６−４２８５７号公報

特許文献１による作業車は、走行精度や作業精度に悪影響を与える要因が発生したことを検知し、その後、走行停止や車速を低減する。しかしながら、そのような影響を与える要因が発生したことを判定する判定条件の選び方によっては、迅速な対応が取れないという問題や、それほど悪影響を与えない要因に対しても敏感反応して走行が安定しないという問題が生じる。
このため、車体の走行が不安定になる走行区域を予め推定して、その推定結果に基づいて、効果的に車速を低減することができる自動走行作業車が要望されている。

本発明による、作業地を走行する自動走行作業車は、作業装置を装備した車体と、前記車体の車速を制御する車速制御部と、前記作業地を走行するための走行経路を設定する走行経路設定部と、設定された前記走行経路に沿って前記車体を自動操舵する操舵制御部と、前記車体の走行が不安定となる走行不安定経路部分を決定する不安定経路部分決定モジュールと、衛星測位モジュールからの測位データに基づいて前記車体の位置である自車位置を算出する自車位置算出部と、前記車体が前記走行不安定経路部分を走行している間、前記車速を低減させる減速指令を前記車速制御部に与える減速指令出力部とを備えている。

この構成によれば、この自動走行作業車が走行する走行経路は走行経路設定部によって走行前に設定されているので、設定された走行経路から、車体の走行が不安定となる区間を推定することができる。走行不安定経路部分決定モジュールは、そのような区間を走行不安定経路部分として決定する。一旦、走行不安定経路部分が決定されると、自車位置算出部によって遂次算出される自車位置と、当該走行不安定経路部分の位置とを比較することで、車体が走行不安定経路部分に進入する直前の状態であること、走行不安定経路部分を走行している状態であること、走行不安定経路部分を抜け出した直後の状態であること、が容易に判定できる。これにより、車体が走行不安定経路部分を走行している間だけ、確実に車速を低減させることができる。

作業地が圃場等であり、作業装置が耕耘装置のように対地作業を行う装置である場合、対地作業を実施した作業済領域の地面状態と、対地作業が実施されていない非作業領域の地面状態が大きく異なる。そして、一方の車輪（例えば左車輪）が作業済領域上に位置するとともに他方の車輪（例えば右車輪）が非作業領域上に位置する場合、特に車体の走行が不安定となる。なお、このような走行状態を、ここでは、跨ぎ走行と称し、跨ぎ走行となる走行経路部分を跨ぎ走行経路部分と称する。この跨ぎ走行において、安定した走行を得るためには、車速を遅くすることが有効であることも、発明者の知見により、見いだされている。このことから、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記不安定経路部分決定モジュールは、前記作業地における対地作業の作業済領域と非作業領域とに跨がって前記車体が走行する跨ぎ走行経路部分を、前記走行経路設定部によって設定された走行経路から求め、この求められた前記跨ぎ走行経路部分を前記走行不安定経路部分とする。これにより、跨ぎ走行が、通常より遅い車速で行われ、走行安定性が向上する。

走行経路設定部で予め走行経路が設定されていても、障害物の存在や作業手順の変更などによって、一時的に走行経路の一部が変更される場合がある。このような事態が生じると、走行の前に決定した跨ぎ走行経路部分の位置が、実際に走行した軌跡に依存して、変わってしまう。このような問題に対処するため、本発明による好適な実施形態の１つでは、前記不安定経路部分決定モジュールは、前記作業地における対地作業の作業済領域と非作業領域とに跨がって前記車体が走行する跨ぎ走行経路部分を、前記車体の走行軌跡と、前記走行経路設定部によって設定された走行経路うちの未走行経路とから求め、この求められた前記跨ぎ走行経路部分を前記走行不安定経路部分とする。この構成では、実際に走行した走行経路である走行軌跡と、これから走行する走行経路とから跨ぎ走行経路部分が決定されるので、作業の途中で走行経路の一部が変更されても、適正な跨ぎ走行経路部分で車速を低減することが可能となる。

圃場などの作業地では、周期的に作業が行われるので、過去の作業走行に関する情報から、車体の走行が不安定になる走行不安定領域を抽出することができる。そのような走行不安定領域と、今回の作業前に設定された走行経路とで重なり合う走行経路部分が、走行不安定経路部分であるとみなされるので、当該走行不安定経路部分において車速を減速することで、安定した作業走行が実現する。このことから、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記作業地の作業履歴情報を管理する作業履歴情報管理部が備えられ、かつ前記不安定経路部分決定モジュールは、前記作業履歴情報から読み出された走行不安定領域に設定された走行経路部分を、前記走行不安定経路部分とする。

自動走行作業車には、作業走行状態を検出する種々のセンサが装備されている。特に、慣性航法を採用している自動走行作業車には、車体の振動や加速度を検出することができるセンサも装備されている。このようなセンサからの検出信号を利用することで、車体の走行不安定を検知することが可能である。このことから、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記車体の走行不安定を検知する走行不安定検知部が備えられており、かつ前記不安定経路部分決定モジュールは、前記走行不安定が検知された場合、走行中の前記走行経路を前記走行不安定経路部分とする。これにより、予期しない走行の不安定が突発的に生じても、直ちに車速を低減することで、走行安定性を維持することが可能となる。

自動走行作業車の一例としてのトラクタを示す側面図である。 作業地としての圃場を作業走行するトラクタのための走行経路を示す模式図である。 トラクタの制御系の機能を説明するための機能ブロック図である。

次に、図面を用いて、本発明による自動走行作業車の実施形態の１つを説明する。この実施形態では、自動走行作業車は、作業地としての圃場を耕耘するトラクタである。図１は、そのようなトラクタの側面図である。図１に示されているように、このトラクタは、前輪１１と後輪１２とによって支持された車体１０の中央部に運転室２０が設けられている。車体１０の後部には、油圧式の昇降機構３１を介して、対地作業を行う作業装置としてのロータリ式の耕耘装置３０が装備されている。前輪１１は操向輪として機能し、その操舵角を変更することでトラクタの走行方向が変更される。前輪１１の操舵角は操舵機構１３の動作によって変更される。操舵機構１３には自動操舵のための操舵モータ１４が含まれている。手動走行の際には、前輪１１の操舵は運転室２０に配置されているステアリングホイール２２の操作によって行われる。このトラクタは、自車位置検出機能を実現するために、トラクタのキャビン２１に、衛星測位モジュール８０を備えている。衛星測位モジュール８０の構成要素として、ＧＮＳＳ（global navigation satellite system）信号（ＧＰＳ信号を含む）を受信するための衛星用アンテナがキャビン２１の天井領域に取り付けられている。さらに、この衛星測位モジュール８０による衛星航法を補完するために、ジャイロ加速度センサや磁気方位センサを組み込んだ慣性航法モジュール８１が備えられている。衛星測位モジュール８０と慣性航法モジュール８１とは、同じユニットハウジングに組み込むことも可能である。運転室２０には、この実施形態では、タブレットコンピュータによって構成されている汎用端末装置６が操縦席に設置されたクレードルに装着されている。この汎用端末装置６は、無線データ伝送機能を備えており、クレードルから取り外して、監視者が作業車の外部に持ち出しても、トラクタの制御系との間でデータ通信可能である。汎用端末装置６は、運転者や管理者に情報を提供する機能と、運転者や管理者からの情報を入力する機能とを有する。

このトラクタは、圃場の形状に基づいて生成された走行経路に沿って自動走行することができる。図２で例示された走行経路は、圃場の耕耘作業では良く用いられている走行経路であり、実質的には、直進経路ＳＬ及び各直進経路同士をつなぐＵターン経路ＴＬとからなる内側走行経路と、Ｕターン経路ＴＬを含む圃場の境界領域を周回する周回走行経路ＣＬから構成されている。圃場は、外周領域ＨＡと、外周領域の内側に位置する中央領域ＣＡとに区分けされ、中央領域ＣＡには直進経路ＳＬが設定され、外周領域にはＵターン経路ＴＬと周回走行経路ＣＬとが設定される。外周領域は、Ｕターン経路ＴＬに必要なスペースを確保するための領域であり、その幅は、作業車の作業幅と最小旋回半径とに基づいて決定される。内側走行経路における直進経路の間隔は作業車の作業幅、詳しくはオーバーラップを考慮した作業幅となる。トタクタが出入口から中央領域ＣＡに設定されている内側走行経路における最初の直進経路ＳＬまでは、耕耘装置３０を上昇させて走行する非作業走行が行われる。直進経路ＳＬに入ると、耕耘装置３０を上昇させて走行する作業走行が行われ、Ｕターン経路ＴＬを走行する間だけ、耕耘装置３０を上昇させて走行する非作業走行が行われる。中央領域ＣＡの作業走行が行われると、外周領域ＨＡに対する作業走行が周回走行経路ＣＬに沿って行われる。

図２から理解できるように、一番内側の周回走行経路ＣＬの沿って行われる作業走行では、作業済領域（中央領域ＣＡ）に一方側の車輪（図２では左車輪）が位置するとともに未作業領域（外周領域ＨＡ）に他方側の車輪（図２では右車輪）が位置することになる。つまり、車体１０が作業済領域と非作業領域とに跨がって走行する、跨ぎ走行が行われる。図２の例では、跨ぎ走行として、直進経路ＳＬに平行に走行する平行跨ぎ走行と、直進経路ＳＬに直交する方向に走行する直交跨ぎ走行が示されている。特に、直交跨ぎ走行では、複数列の直進経路ＳＬを横切ることから、その走行が特に不安定となる。したがって、この直交跨ぎ走行の領域は、走行不安定領域ＵＳとして斜線で示されている。このトラクタは、このような走行不安定領域ＵＳにおいて跨ぎ走行することなる走行経路を不安定走行経路部分とみなして、その他の経路部分に比べて、その車速を低減し、走行の安定化を図る。

図３には、作業車の制御系の機能ブロック図が示されている。この実施形態の制御系は、1つ以上のＥＣＵからなる制御ユニット５と、汎用端末装置６とを備えている。制御ユニット５は、トラクタの車載ＬＡＮに固定的に接続されている。汎用端末装置６は、クレードル等を介して車載ＬＡＮに接続されるか、あるいは、無線通信によって制御ユニット５と接続される。衛星測位モジュール８０及び慣性航法モジュール８１は、車載ＬＡＮを介して制御ユニット５と接続されている。

汎用端末装置６は、実質的には、タブレットコンピュータのような無線通信機能を有するコンピュータであり、タッチパネル６０、入出力処理部６１などが標準機能として備えられている。さらに、この汎用端末装置６には、走行経路管理モジュール６２を実現するコンピュータプログラムがインストールされている。走行経路管理モジュール６２には、圃場情報管理部６３と作業履歴情報管理部６４と経路生成部６５が含まれている。

圃場情報管理部６３は、作業対象となる圃場の地図上の場所を示す地図データや圃場の外形を示す圃場外形データと当該圃場の出入口の位置や形状を示す出入口位置データを管理する。これらのデータは、通信またはポータブルメモリなどを介して入力される。作業履歴情報管理部６４は、これまで、この圃場に対して行われた作業に関する作業履歴情報が抽出可能に格納している。作業履歴情報には、作業において利用された走行経路や走行軌跡が含まれている。さらに、作業履歴情報には、過去の走行で走行不安定が生じた走行不安定領域ＵＳも含まれている。

経路生成部６５は、圃場外形データや圃場の出入口の位置や形状を示す出入口位置データに基づいて、直進経路ＳＬ、Ｕターン経路ＴＬ、周回走行経路ＣＬを生成する。また、この経路生成部６５は、新たに走行経路を生成するのではなく、別なコンピュータで生成された走行経路をダウンロードして、当該走行経路を利用することも可能である。

制御ユニット５は、入出力インタフェースとして、出力処理部７と入力処理部８とを備えている。出力処理部７は、車両走行機器群７１及び作業装置機器群７２と接続している。車両走行機器群７１には、車両走行に関する制御機器、例えばエンジン制御機器、変速制御機器、制動制御機器、操舵制御機器などが含まれている。作業装置機器群７２には、耕耘装置３０への動力伝達を入り切りするＰＴＯクラッチなどの動力制御機器や、耕耘装置３０を昇降させる昇降機構３１の昇降シリンダ制御機器などが含まれている。

入力処理部８には、走行系検出センサ群８２、作業系検出センサ群８３、走行モード切替器８４などが接続されている。走行モード切替器８４は、自動操舵で走行する自動走行モードと、手動操舵で走行する手動操舵モードとのいずれかを選択するスイッチである。例えば、自動操舵モードで走行中に走行モード切替器８４を操作することで、手動操舵での走行に切り替えられ、手動操舵での走行中に走行モード切替器８４を操作することで、自動操舵での走行に切り替えられる。走行系検出センサ群８２には、エンジン回転数調整具、アクセルペダル、ブレーキペダル、ステアリングホイール２２などの操作具の状態を検出するセンサが含まれている。作業系検出センサ群８３には、耕耘装置３０の駆動状態や姿勢を検出するセンサなどが含まれている。

制御ユニット５には、作業走行制御モジュール５０、自車位置算出部５７、不安定経路部分決定モジュール９、減速指令出力部９０、走行不安定検知部９３が備えられている。自車位置算出部５７は、衛星測位モジュール８０から逐次送られてくる測位データに基づいて、車体１０の座標位置（地図座標または圃場座標）である自車位置を算出する。

作業走行制御モジュール５０には、エンジン制御部５１、操舵制御部５２、車速制御部５３、作業制御部５４、自動作業走行指令部５５、走行経路設定部５６が含まれている。この作業車は自動走行（自動操舵）と手動走行（手動操舵）の両方で走行可能である。このため、作業走行制御モジュール５０は、手動走行制御機能と自動走行制御機能とを有する。手動走行制御機能が実行されている場合、運転者による操作に基づいて車両走行機器群７１が制御される。自動走行制御機能が実行されている場合、自動作業走行指令部５５から与えられる自動走行指令に基づいて、操舵制御部５２が操舵に関する車両走行機器群７１を制御し、車速制御部５３が車速に関する車両走行機器群７１を制御する。作業制御部５４は、耕耘装置３０の動きを制御するために、作業装置機器群７２に作業制御信号を与える。エンジン制御部５１は、エンジンの動作機器にエンジン制御信号を与える。

走行経路設定部５６は、経路生成部６５から送られてきた走行経路をメモリに展開する。メモリに展開された走行経路は、自動走行における目標となる走行経路として用いられる。もちろん、この走行経路は、手動走行であっても、作業車が当該走行経路に沿って走行するためのガイダンスのために利用できる。

自動作業走行指令部５５は、走行経路設定部５６によって走行経路と、自車位置算出部５７によって算出された自車位置との間の方位ずれ及び位置ずれを算出し、その方位ずれ及び位置ずれを解消する自動操舵指令を生成して、操舵制御部５２に与える。さらに、自動作業走行指令部５５は、前もって設定された車速値に基づいて、設定車速指令を生成して、車速制御部５３に与える。さらに、自動作業走行指令部５５は、作業制御部５４に、自車位置や自車の走行状態に応じて、作業装置動作指令を与える。

不安定経路部分決定モジュール９は、自動走行のための走行経路において、車体１０の走行が不安定となる走行不安定経路部分を決定する。この実施形態では、不安定経路部分決定モジュール９は、跨ぎ走行経路算出部９１と走行軌跡記録部９２とを有する。跨ぎ走行経路算出部９１は、図２で説明した、走行不安定領域ＵＳを通る走行経路において、直交跨ぎ走行が発生するかどうかチェックし、直交跨ぎ走行が発生する場合、直交跨ぎ走行が行われる走行経路部分を、走行不安定経路部分と決定する。さらに、跨ぎ走行経路算出部９１は、この決定された走行不安定経路部分を規定する位置座標または内部コードを算出する。走行軌跡記録部９２は、今回の自動走行の開始からの車体１０の走行軌跡を、自車位置算出部５７から得られる自車位置に基づいて生成し、記録する。

不安定経路部分決定モジュール９は、走行不安定経路部分の決定のために以下のようなルールを有する。
（１）前記走行経路設定部５６によって設定された走行経路に基づいて、圃場における作業済領域（耕耘済領域）と非作業領域（非耕耘領域）とに跨がって車体１０が走行する跨ぎ走行経路部分が求められ、さらにその跨ぎ走行が直交跨ぎ走行であれば、当該跨ぎ走行経路部分が走行不安定経路部分として決定される。
（２）走行軌跡記録部９２から読み出した走行軌跡から作業済み領域を算出し、この作業済み領域と、これから走行する走行経路（未走行経路）が設定されている未作業領域とにまたがって走行する、跨ぎ走行が発生するかどうかチェックされる。このチェックで、見つけ出された跨ぎ走行が直交跨ぎ走行であれば、その走行経路部分が走行不安定経路部分として決定される。
（３）作業履歴情報管理部６４から読み出された作業履歴情報に、走行不安定領域ＵＳの位置データが含まれている場合、メモリに展開されている走行経路に走行不安定領域ＵＳを重ね合わせる。この走行不安定領域ＵＳを通過する走行経路部分が、走行不安定経路部分として決定される。このルールは、跨ぎ走行とは関係なく、急斜面領域など、通常車速では走行安定性が維持できないような領域の走行経路部分を、走行不安定経路部分とみなすものである。

減速指令出力部９０は、不安定経路部分決定モジュール９によって決定された走行不安定経路部分を走行する間、車速を低減させる減速指令を車速制御部５３に与える。この減速指令は、車速制御部５３が設定している車速を上書きする。減速指令は、標準車速に対する８０％程度の減速であるが、この減速率は任意に変更可能である。また、減速率でなく特定の車速を減速指令としてもよい。

減速指令が出力されると、汎用端末装置６のタッチパネル６０に、「減速中」というメッセージが表示される。その際、「減速キャンセル」ボタンも表示されるので、トラクタに乗り込んでいる監視者、またはトラクタから取り外した汎用端末装置６を持参している監視者の意思により、この減速指令をキャンセルして、車速の低減を回避することも可能である。さらには、この「減速中」が表示されている間に、車速値を調整することで、監視者の望む減速値でトラクタを減速走行させることも可能である。この監視者による減速率または減速値は、減速指令出力部９０に記録されるので、それ以降に減速指令出力部９０から出力される減速指令は、記録された減速率または減速値を実現する指令となる。

さらに、この実施形態の制御ユニット５には、走行不安定検知部９３が備えられている。この走行不安定検知部９３は、慣性航法モジュール８１に備えられているジャイロ加速度センサなどの検出信号を用いて車体１０の異常な振動、加速度、スリップなどの走行不安定事象をリアルタイムで検知する。この走行不安定事象が許容範囲を超えたものであると判定されると、現時点で走行中の走行経路が走行不安定経路部分とみなされる。これにより、減速指令出力部９０から減速指令が出力される。つまり、許容されない走行不安定事象が検知されている限り、減速指令が出力され、車速は低減される。これにより、予期しない走行の不安定が突発的に生じても、走行安定性が維持される。

〔別実施の形態〕
（１）上述した実施形態では、走行経路管理モジュール６２は汎用端末装置６に構築されていたが、走行経路管理モジュール６２を制御ユニット５に構築することが可能である。また、不安定経路部分決定モジュール９は制御ユニット５に構築されていたが、不安定経路部分決定モジュール９も汎用端末装置６に構築することも可能である。その際、タッチパネル６０による表示機能や入力操作機能は、車体１０に装備されているディスプレイ及び操作ボタン、あるいは車体１０に装備されているタッチパネルに委譲することになる。
（２）図３で示された各機能部は、主に説明目的で区分けされている。実際には、各機能部は他の機能部と統合してもよいし、またはさらに複数の機能部に分けてもよい。
（３）上述した実施形態では、本発明は単独の自動走行作業車による作業に適用されていたが、複数の自動走行作業車が協調して作業を行う協調作業にも適用可能である。その際は、各自動走行作業車による全ての走行経路が、走行不安定経路部分を決定する対象となる。
（４）上述した実施形態では、自動走行作業車として、耕耘装置３０を作業装置として装備したトラクタを取り上げたが、そのようなトラクタ以外にも、例えば、田植機、施肥機、コンバインなどの農作業車、建設作業車両、などの種々の作業車両にも、本願発明を適用することができる。また協調作業を行う複数台の自動走行作業車は同一種類の作業車でなくてもよく、例えば、一方がコンバインで他方がトラクタでもよい。

本発明は、作業地を設定された走行経路に沿って作業走行する自動走行作業車に適用することができる。

５ ：制御ユニット
５０ ：作業走行制御モジュール
５３ ：車速制御部
５６ ：走行経路設定部
５７ ：自車位置算出部
６ ：汎用端末装置
６０ ：タッチパネル
６２ ：走行経路管理モジュール
６３ ：圃場情報管理部
６４ ：作業履歴情報管理部
６５ ：経路生成部
８０ ：衛星測位モジュール
８１ ：慣性航法モジュール
８２ ：走行系検出センサ群
８３ ：作業系検出センサ群
９ ：不安定経路部分決定モジュール
９０ ：減速指令出力部
９１ ：跨ぎ走行経路算出部
９２ ：走行軌跡記録部
９３ ：走行不安定検知部
ＣＬ ：周回走行経路
ＳＬ ：直進経路
ＴＬ ：Ｕターン経路
ＵＳ ：走行不安定領域

Claims (5)

1. 作業地を走行する自動走行作業車であって、
   作業装置を装備した車体と、
   前記車体の車速を制御する車速制御部と、
   前記作業地を走行するための走行経路を設定する走行経路設定部と、
   設定された前記走行経路に沿って前記車体を自動操舵する操舵制御部と、
   前記車体の走行が不安定となる走行不安定経路部分を決定する不安定経路部分決定モジュールと、
   衛星測位モジュールからの測位データに基づいて前記車体の位置である自車位置を算出する自車位置算出部と、
   前記車体が前記走行不安定経路部分を走行している間、前記車速を低減させる減速指令を前記車速制御部に与える減速指令出力部と、
   を備えた自動走行作業車。
2. 前記不安定経路部分決定モジュールは、前記作業地における対地作業の作業済領域と非作業領域とに跨がって前記車体が走行する跨ぎ走行経路部分を、前記走行経路設定部によって設定された走行経路から求め、この求められた前記跨ぎ走行経路部分を前記走行不安定経路部分とする請求項１に記載の自動走行作業車。
3. 前記不安定経路部分決定モジュールは、前記作業地における対地作業の作業済領域と非作業領域とに跨がって前記車体が走行する跨ぎ走行経路部分を、前記車体の走行軌跡と、前記走行経路設定部によって設定された走行経路うちの未走行経路とから求め、この求められた前記跨ぎ走行経路部分を前記走行不安定経路部分とする請求項１または２に記載の自動走行作業車。
4. 前記作業地の作業履歴情報を管理する作業履歴情報管理部が備えられ、かつ
   前記不安定経路部分決定モジュールは、前記作業履歴情報から読み出された走行不安定領域に設定された走行経路部分を、前記走行不安定経路部分とする請求項１から３のいずれか一項に記載の自動走行作業車。
5. 前記車体の走行不安定を検知する走行不安定検知部が備えられており、かつ
   前記不安定経路部分決定モジュールは、前記走行不安定が検知された場合、走行中の前記走行経路を前記走行不安定経路部分とする請求項１から４のいずれか一項に記載の自動走行作業車。

Images