JP2019106104A - 自律移動システム及びコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】作用器を対象物に作用させるために移動する場合において、対象物に合わせて移動を制御する。【解決手段】本開示の自律移動システムは、対象物に作用する作用器１４１と、前記作用器１４１を移動させる移動装置１３と、前記作用器１４１が作用すべき１又は複数の対象物の位置を検出し、１又は複数の前記対象物の位置に基づいて前記移動装置１４１を制御するコントローラ３０と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、自律移動システム及びコントローラに関する。

特許文献１は、野菜等収穫作業車の自動走行装置を開示している。この自動走行装置は、作業車の後方の作業者の有無を検出することで、キャベツを収穫する作業者との距離を一定距離に保つように作業車を自動的に無人走行させる。

実開平６−１００４２号公報

キャベツを自動で収穫するには、キャベツ収穫機をキャベツの位置に合わせて移動させる必要がある。特許文献１は、作業者に合わせて移動を制御することを開示しているだけで、キャベツに合わせて移動を制御することを開示していない。

キャベツの収穫に限られず、何らかの機器を所望の対象物に作用させるために移動する場合には、対象物に合わせて移動を制御することが望まれる。

本開示の一態様は、自律移動システムである。実施形態において、自律移動システムは、前記対象物に作用する作用器と、前記作用器を移動させる移動装置と、前記作用器が作用すべき１又は複数の対象物の位置を検出し、１又は複数の前記対象物の位置に基づいて前記移動装置を制御するコントローラと、を備える。

本開示の他の態様は、作用器が作用すべき１又は複数の対象物の位置を検出し、１又は複数の前記対象物の位置に基づいて移動装置を制御するコントローラである。

図１Ａは収穫機の左側面図である。 図１Ｂは収穫機の平面図である。 図２は収穫機が有する収穫部（スターホイール）を示す写真である。 図３は収穫機の制御ブロック図である。 図４はキャベツの画像認識結果を示す画像である。 図５は非マスク領域において認識されたキャベツの座標を示す図である。 図６は画像認識結果に基づく経路生成処理を示すフローチャートである。 図７は経路追従制御における参照車両と実車両を示す図である。 図８は車両重心における参照経路と収穫部における参照経路との関係を示す図である。 図９は高さ計測の説明図である。 図１０は横偏差と角度偏差の実験結果を示す図である。 第２制御の説明図である。

［１．自律移動システム及びコントローラの概要］

（１）実施形態に係る自律移動システムは、対象物に作用する作用器を備える。作用器は、対象物に対して、何らかの物理的な作用を加える機器である。作用器は、例えば、対象物を集めるために取り込む機器である。取り込まれる対象物は、例えば、野菜などの農作物である。対象物は、農作物以外の物であってもよい。以下では、農作物を取り込むことを、「収穫」という。収穫のための作用器は、収穫部又は収穫作業部と呼ぶことができる。また、収穫のための自律移動システムは、自動収穫機と呼ぶことができる。

自律移動システムは、前記作用器を移動させる移動装置を備える。移動装置は、自律移動システム全体を移動させることで作用器を移動させるものであってもよいし、自律移動システム全体に対して作用器を相対的に移動させるものであってもよい。移動は、２次元的な移動であってもよいし、３次元的な移動であってもよい。

自律移動システムは、コントローラを備える。コントローラは、前記作用器が作用すべき１又は複数の対象物の位置を検出する。コントローラは、１又は複数の前記対象物の位置に基づいて前記移動装置を制御する。コントローラは、作用器が作用すべき対象物の位置を検出するため、作用器が作用すべき対象物への移動を自律的に行うことができる。この結果、自律移動システムは、位置の決まっていない対象物へ向けて自律的に移動して、作用器を対象物に作用させることができる。

（２）前記コントローラは、複数の前記対象物のうち前記作用器が直近に作用する第１対象物の位置を前記作用器が通る経路を生成する。「作用器が直近に作用する第１対象物」とは、作用器が次に作用すべき対象物であり、作用が収穫である場合、次に収穫すべき対象物である。前記コントローラが生成する前記経路は、複数の前記対象物のうち前記第１対象物以外の第２対象物の位置に基づく経路であるのが好ましい。第２対象物は、作用器が第１対象物に作用した後に作用する対象物になり得るため、第２対象物の位置も考慮して経路を生成することで、適切な経路が得られる。前記コントローラは、前記経路に基づいて、前記移動装置を制御することができる。

（３）前記コントローラは、前記作用器が前記第１対象物に作用した後に、前記経路の再生成をすることができる。この場合、作用器が第１対象物に作用する毎に経路が再生成される。

（４）前記経路の再生成は、前記第１対象物を含まず前記第２対象物を含む１又は複数の対象物の位置に基づいてなされてもよい。

（５）前記コントローラは、１又は複数の前記対象物を含む画像において、１又は複数の前記対象物を画像認識により検出することで、１又は複数の前記対象物の位置を求めることができる。

（６）前記コントローラは、前記画像内の一部の領域である処理対象領域内にある１又は複数の前記対象物の位置に基づいて前記経路を生成することができる。

（７）前記対象物は、複数の列に配置され、各列の列方向に間隔をおいて配置されており、前記処理対象領域は、前記作用器が作用すべき対象物が属する列を含むが、他の列を含まない領域であるのが好ましい。列は、例えば、農作物が植え付けられた列である。

（８）前記対象物は、不定形物であってもよい。

（９）前記不定形物は、農作物であってもよい。
請求項８に記載の自律移動システム。

（１０）前記コントローラは、前記経路に基づいて前記移動装置を制御する第１制御と、前記経路に基づかずに前記移動装置を制御する第２制御と、を実行可能であり、前記第２制御を実行すべきことが検出されると、前記第１制御に優先して前記第２制御を実行することができる。

（１１）実施形態においてコントローラは、作用器が３次元的に移動するように移動装置を制御することができる。

（１２）実施形態に係る自律移動システムは、自律移動システムが移動する移動面までの距離を非接触で検出するセンサを更に備えることができる。自律移動システムは、前記センサによって検出された前記距離に応じて作用器が移動するように前記移動装置を制御するコントローラを備えることができる。この場合、移動面までの距離を非接触で検出し、作用器を移動させることができる。

（１３）前記センサは、前記移動面における複数の点までの距離を測定し、複数の点までの距離に基づいて、前記移動装置を制御することができる。

（１４）前記対象物は、農作物であり、前記作用器は、前記農作物の収穫部であり、前記自律移動システムは、前記収穫部によって収穫された前記農作物を搬送する搬送部と、前記搬送部による搬送中に前記農作物の一部を切断する切断部と、をさらに含み、前記センサは、前記収穫部と前記切断部との間の範囲における地面からの高さを非接触で検出するよう設けられているのが好ましい。

（１５）実施形態に係るコントローラは、対象物に作用する作用器を移動させる移動装置を制御する。コントローラは、前記作用器が作用すべき１又は複数の対象物の位置を検出し、１又は複数の前記対象物の位置に基づいて前記移動装置を制御するよう構成されている。

［２．収穫機］

図１Ａ及び図１Ｂは、自律移動システムの一例として収穫機１０を示している。収穫機１０は、例えば、野菜などの農作物を収穫する。野菜は、例えば、葉菜類又は根菜類である。葉菜類は、キャベツ又は白菜などの結球性葉菜類であってもよいし、非結球性葉菜類であってもよい。以下では、キャベツを収穫する収穫機１０を例として説明する。

図１Ａ及び図１Ｂに示す収穫機１０は、走行機体１１を備える。走行機体１１は、移動装置１３によって走行する。移動装置１３は、例えば、左右一対の走行クローラを有する。収穫機１０は、移動装置１３により、圃場内を移動することができる。なお、収穫の対象物であるキャベツは、圃場内において、複数の列に配置され、各列の列方向に間隔をおいて配置されるよう植え付けられている。収穫機１０は、キャベツの列に沿って走行しながらキャベツを収穫する。

走行機体１１の前部には、操縦部１２が設けられている。操縦部１２には、作業者が着座するための操縦座席が設けられている。操縦部１２は、操向ハンドル及び収穫機１０を操作するためのその他の操作具が設けられている。本実施形態の収穫機１０は、作業者によるマニュアル操作が可能であるほか、操舵システム１６による自律移動が可能である。操舵システム１６は、後述のコントローラ３０から操舵のための情報、例えば、舵角を取得し、収穫機１０の自動操舵を行う。実施形態の収穫機１０は、自律移動により、キャベツを自動収穫することができる。

収穫機１０は、操縦部１２の側方に配置された収穫作業部１４を備える。収穫作業部１４は、収穫の対象物であるキャベツを取り込んで、収穫機１０の後部に搬送する。収穫作業部１４は、キャベツを引き抜く収穫部１４１を備える。収穫部１４１は、操縦部１２の前方に配置されている。なお、収穫部１４は、より正確には、操縦部１２の斜め前方に配置されている。収穫部１４１は、例えば、左右一対のスターホイール（Star Wheels）１４１ａ，１４１ｂを備える。図２に示すように、左右一対のスターホイール１４１ａ，１４１ｂは、収穫機１０の前進に伴って圃場にて育成されたキャベツの結球部の下側に入り込み、スターホイール１４ａ，１４ｂ間に根茎部を引き込む。スターホイール１４ａ，１４ｂは、キャベツの根茎部を左右から挟み、キャベツを後方に移動させるように回転する。収穫機１０が自律走行することで、収穫部１４１は、２次元的な位置調整がなされることになる。

収穫作業部１４は、収穫部１４１によって取り込まれたキャベツを後方に搬送する搬送部１４２を備える。搬送部１４２は、後側ほど高くなるように前傾姿勢で設けられている。搬送部１４２は、キャベツを左右から挟持する左右一対の回転ベルトを備え、キャベツを後ろ斜め上方に搬送する。

収穫作業部１４は、キャベツの一部を切断する切断部１４３を備える。切断部１４３は、例えば、キャベツの根茎部を切断する。切断部１４３は、搬送部１４２の搬送方向中途に設けられている。キャベツは、搬送部１４２によって搬送されている途中において、根茎部及びその近傍の葉が切断される。切断された根茎部等は、圃場上に落下する。

収穫作業部１４は、走行機体１１の前部に設けられた支点１４６に対して回動可能に支持されている。収穫作業部１４は、支点１４６を中心とした回動により、高さを調整自在である。走行機体１１と収穫作業部１４との間には、高さ調整部１４５が設けられている高さ調整部１４５は、収穫作業部１４の高さ調整のための駆動機構を含む。高さ調整部１４５は、図１Ａに示すように、例えば、油圧シリンダである。油圧シリンダ１４５の伸縮動作により、収穫作業部１４を昇降動作させることができる。収穫作業部１４の高さ調整により、キャベツに作用する収穫部１４１の高さを調整することができる。このように、高さ調整部１４５は、収穫部１４１及び収穫作業部１４の移動装置でもある。収穫機１０を自律走行させながら、収穫部１４１の高さ調整を行うと、収穫部１４１は３次元的な位置調整がなされることになる。

収穫機１０は、走行機体１１の上方に配置された日除け（ルーフ）１５を備える。日除け１５には、カメラ（第１カメラ）２１が設けられている。カメラ２１は、収穫機１０の前方にあるキャベツを撮影できるように配置されている。カメラ２１は、収穫作業部１４の直上位置付近に設けられていると、収穫の対象物であるキャベツを撮影するのに好適である。カメラ２１は、収穫部１４１と収穫機１０前方にある複数のキャベツとを撮影できる視野が確保できるように、高所に設けられているのが好ましい。カメラ２１は、操縦部１２に着座した作業者の視線の高さの同程度以上の高さに設けられているのが好ましい。カメラ２１を日除け１５に設けると、適切なカメラ視野を容易に確保することができる。

なお、作業者用キャビンを有する収穫機１０の場合には、カメラ２１は、作業者用キャビンの上部に設けてもよい。また、収穫機１０の高い位置に収穫機１０のフレームが存在する場合には、カメラ２１は、そのフレームに設けてもよい。

収穫機１０は、カメラ（第２カメラ）２２を備える。カメラ２２は、例えば、日除け１５に設けられ、カメラ２１の側方に位置している。カメラ２１は、キャベツを上方からみた画像を取得できるよう配置されているのに対して、カメラ２２は、キャベツを側方からみた画像を取得できるよう配置されている。カメラ２２は、収穫作業部１４の左右側方に設けられているのが好ましく、特に、収穫作業部１４よりも操縦部１２側の側方に設けられているのが好ましい。図示のカメラ２２は、日除け１５に設けられているが、より適切にキャベツを側方から撮影できるように、カメラ２１よりも低い位置に設けられているのが好ましい。このため、カメラ２１は、例えば、日除け１５の支持フレームの中途部、又は、カメラ２１を支持するための専用フレームに設けてもよい。カメラ２２は、収穫部１４１と収穫部１４１の前方にあるキャベツとを撮影できる視野が確保できる位置に設けられているのが好ましい。

収穫機１０は、圃場の地面位置を検出するセンサとして、レーザレンジファインダ２３を備える。レーザレンジファインダ２３は、収穫部１４１の後方に位置するように、搬送部１４２に設けられている。レーザレンジファインダ２３は、収穫機１０の移動面である地面に向けて取り付けられ、レーザレンジファインダ２３から地面までの距離を計測する。レーザレンジファインダ２３は、切断部１４２よりも前方に設けられている。レーザレンジファインダ２３は、収穫部１４１と切断部１４２との間の範囲における地面からの高さを非接触で検出する。切断部１４２の下及びその後方の地面には、切断部１４２によって切断された根茎部及び葉が散乱しているため位置検出の対象としては適さないが、切断部１４２よりも前方であれば、落下した根茎部及び葉が存在しないか存在しても少ないため、位置検出の対象として好適である。

前述のように、実施形態の収穫機１０は、キャベツの自動収穫を行う。収穫機１０は、圃場にあるキャベツの位置を検出し、キャベツの列に沿った経路を生成し、生成した経路に追従するように自律走行する。

図３は、自律走行のための制御ブロックを示している。収穫機１０は、車両の位置を検出する位置検出センサ２５を備える。位置検出センサ２５は、例えば、ＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite System；全球測位衛星システム)受信機である。車両の位置は、例えば、位置座標として検出される。検出された収穫機１０の位置は、コントローラ３０に与えられる。

収穫機１０は、収穫機１０の回頭角を計測する回頭角センサ２６を備える。回頭角センサ２６は、例えば、方位角センサである。方位角センサは、例えば、磁気方位を計測する磁気センサである。計測された回頭角は、コントローラ３０に与えられる。

なお、前述のカメラ２１，２２によって撮影された画像とレーザレンジファインダ２３による計測結果も、コントローラ３０に与えられる。

コントローラ３０は、収穫機１０を制御する。コントローラ３０は、収穫機１０の自律移動を制御するほか、高さ調整部１４５などの収穫機１０が備える機構を制御する。コントローラ３０は、プロセッサ及び情報記憶のためのストレージ装置を備えるコンピュータによって構成される。ストレージ装置は、一次記憶装置であってもよいし、二次記憶装置であってもよい。ストレージ装置は、プロセッサによって実行されるコンピュータプログラムが格納されている。コンピュータプログラムがプロセッサによって実行されることで、コンピュータがコントローラ３０として機能する。

コントローラ３０は、例えば、操舵システム１６に、収穫機１０の舵角を示す情報を与える。操舵システム１６は、コントローラ３０から与えられた舵角に従って、操舵制御をし、収穫機１０を自律走行させる。コントローラ３０は、収穫機１０の速度を示す情報を与えてもよい。

コントローラ３０は、レーザレンジファインダ２３の出力に基づいて、収穫作業部１４を地面の位置に合わせて昇降させる高さ制御３７を行う。コントローラ３０は、収穫作業部１４を昇降させる高さ調整部１４５に与えられる高さ制御量を出力する。高さ調整部１４５は、コントローラ３０から与えられた高さ制御量に応じて動作し、収穫作業部１４の高さを調整する。例えば、コントローラ３０は、レーザレンジファインダ２３と地面との距離を一定に保つように収穫作業部１４を制御することで、収穫部１４１の高さを地面に対して一定にする。

［３．キャベツ（対象物）検出と経路生成］

コントローラ３０は、カメラ２１から得られた画像中のキャベツを画像認識し、画像中におけるキャベツの位置を検出する。この検出を物体検出という。また、コントローラによる物体検出機能を、対象物の位置検出部３１という。実施形態において、物体検出には、ディープラーニングによる物体検出手法を用いる。ディープラーニングベースの物体検出は、ディープラーニングベースでない物体検出に比べて、画像の認識精度及び物体の検出精度が飛躍的に高くなる。キャベツのような農作物は不定形であり物体検出が困難な場合も多いが、ディープラーニングベースの物体検出では、キャベツのような不定形物であっても、適切に検出することができる。

図４は、カメラ２１から得られた画像中のキャベツをディープラーニングベースの物体検出によって検出した結果を示している。図４の画像では、キャベツが２列で並んでおり、各列中の個々のキャベツの外観は一定でないにもかかわらず、すべてのキャベツが検出されていることがわかる。

コントローラ３０は、物体検出により、画像中におけるキャベツの位置座標を得る。なお、カメラ２１は、収穫部１４１の上方であって、収穫部１４１の後方に配置されているため、カメラ２１の光軸は地面に対して完全に垂直ではない。そこで、コントローラ３０は、透視変換を行うことにより、画像中の座標から地面上の座標に変換する。透視変換によって得られた地面上のキャベツの座標を（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）とする。

図４に示すように、カメラ２１から得られた画像には、収穫対象のキャベツ列以外の列のキャベツも含まれる。例えば、図４の画像には、収穫対象のキャベツ列の左隣の列（次の収穫対象のキャベツ列）のキャベツも存在する。また、図４の画像においては、収穫対象のキャベツ列の右隣には、キャベツを収穫済みの領域も存在している。

そこで、コントローラ３０は、収穫対象のキャベツ列以外のキャベツが、経路生成の際に考慮されるのを防止するため、マスク処理により、収穫対象のキャベツ列に存在するキャベツを抽出する。マスク処理は、例えば、カメラ２１から得られた画像のうち、収穫対象のキャベツ列が存在する領域を、物体検出処理の処理対象領域である非マスク領域（Unmasked）とし、それ以外の領域をマスク領域（Masked）として予め設定しておき、非マスク領域に存在するキャベツだけが収穫対象物として検出されるようにする。このように、非マスク領域は、圃場における複数のキャベツ列のうち、収穫部１４１が収穫しようとするキャベツが属する列を含み、他のキャベツ列を含まない領域である。

なお、非マスク領域及びマスク領域は、コントローラ３０において、予め設定されていてもよいし、コントローラ３０が、画像中に存在する収穫部１４１を基準として非マスク領域を自動的に検出してもよい。また、図４では、マスク領域におけるキャベツの位置検出結果を示しているが、マスク領域においては、キャベツの位置の検出は行われなくてもよい。

図５は、非マスク領域に存在するキャベツの位置を示している。図５では、キャベツの位置座標が、収穫部１４１に近い側から順に、（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），・・（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）となっている。ここでは、検出されたキャベツのうち、収穫部１４１の直近にあり次に収穫されるキャベツ（位置（ｘ_１，ｙ_１））を第１対象物といい、他のキャベツ（（
位置（ｘ_２，ｙ_２），・・（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ））を第２対象物という。なお、図５においては、一つの第１対象物及び４つの第２対象物の計５個の対象物（キャベツ）が存在している。

コントローラ３０は、５個（複数）の対象物の位置に基づいて、作用器である収穫部１４１が追従すべき経路を生成する。コントローラ３０の経路生成機能を経路生成部３２という。なお、画像中に収穫すべき対象物が１個しかない場合には、１個の対象物の位置に基づいて経路を生成してもよい。

経路は、次に収穫される第１対象物を必ず通るものである必要があるため、経路の生成の際には、第１対象物を必ず通るという制約（第１条件）の下で生成される。また、第１対象物の後に収穫される第２対象物の位置も考慮したほうが適切な経路になるため、第２対象物の位置も考慮するという条件（第２条件）の下で生成される。より具体的には、経路は、第１条件を満たすため、例えば、第１対象物の中心（位置（ｘ_１，ｙ_１））を通る直線経路として生成される。また、経路は、第２条件を満たすため、第２対象物（（
位置（ｘ_２，ｙ_２），・・（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）））に対して最小二乗法を適用し、第１対象物を通る直線のうち、第２対象物の位置との差の二乗和が最小となる直線が、経路として生成される。コントローラ３０が生成する経路は、収穫部（Harvesting Part）が追従するための参照経路（Reference Path for Harvesting Part）として用いられる。

ここで、経路とする直線の式は以下のようになる。

式（１）において、ａ，ｂは、第２対象物に対する最小二乗法の適用により、次のとおりになる。


ここで、ｎは、非マスク領域に検出されたキャベツの個数であり、第１対象物であるキャベツの座標は、（ｘ_１，ｙ_１）である。

上記の直線は、第１対象物の位置（ｘ_１，ｙ_１）を必ず通り、第２対象物（ｘ_２，ｙ_２）・・（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）の位置に照らしてもっともらしい経路となっている。

経路を生成する際には、第１対象物と第２対象物全てに対して最小二乗法を適用してもよい。ただし、第１対象物も含めて最小二乗法を適用すると、生成された経路が、第１対象物から外れることもあるため、第１対象物を通るという制約の下で、第２対象物に対して最小二乗法を適用するほうがより好ましい。また、第２対象物の位置が反映された経路を生成する手法としては、最小二乗法に限られるものではなく、第２対象物の位置を用いた経路生成手法であれば特に限定されない。

ここで、収穫部１４１の座標を（ｘ_ｈ，ｙ_ｈ）とすると、生成された経路に対する収穫部１４１の横偏差ｅ_２ｈは、ヘッセの公式より、

となり、車両と経路の角度偏差ｅ_３ｈは、

と表される。

コントローラ３０は、生成した経路を参照経路として、後述のＰａｔｈ Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ制御により、収穫機１０を自律走行させる。図６は、経路生成処理のフローチャートを示している。

コントローラ３０は、画像認識によりキャベツの位置を検出すると、ステップＳ１１において、上述の式（１）〜（３）により経路を生成する。収穫機１０が移動していると、カメラ２１で得られた画像中のキャベツ（第１対象物及び第２対象物）の位置が変動するが、経路生成に用いられた第１対象物（収穫部１４１に直近のキャベツ）が画像中に存在する間は、既に生成された経路を用いて自律走行が行われる。

第１対象物である直近のキャベツが収穫部１４１によって収穫されて、収穫機１０に取り込まれると、カメラ２１で得られた画像から第１対象物が存在しなくなり、元々存在していた第２対象物及び新たに画像中に登場した対象物（キャベツ）だけが画像中に存在することなる。

コントローラ３０は、第１対象物として扱っていたキャベツが、画像中から失われ、第１対象物であったキャベツが検出できなくなると（ステップＳ１２）、その時点での画像に存在するキャベツの位置に基づいて、再度、経路を生成する（ステップＳ１１）。経路の再生成の際には、それまで第２対象物であったキャベツのうち、収穫部１４１に最も近いキャベツを第１対象物とし、画像中のその他のキャベツを第２対象物として、経路が計算される。すなわち、経路の再生成は、第１対象物を含まず第２対象物を含む１又は複数の対象物の位置に基づいてなされる。

［４．Ｐａｔｈ Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ制御（第１制御）］

前述のように、コントローラ３０は、経路追従（Ｐａｔｈ Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ）制御によって収穫機１０を自律走行させる。図７に示すように、経路追従制御では、仮想的な参照車両（Reference Vehicle）１０ａが用いられる。経路追従制御においては、実車両（Actual Vehicle）である収穫機１０は、参照車両１０ａに参照入力が与えられたときに参照車両１０ａが描く参照経路（Reference Path）に追従する。図７に示すように、経路追従制御では、実車両１０は、参照車両１０ａの真横に位置して、参照車両１０ａに追従することができる。

参照車両１０ａの重心と実車両１０の重心との縦偏差（進行方向の相対変位をｅ_１、横偏差（進行方向垂直向きの相対変位）をｅ_２、角度偏差をｅ_３、車両の速度をＶとして、以下のように定義する。ただし、添え字ｒは参照車両の変数であることを示す。θは実車両１０の回頭角であり、θｒは参照車両１０ａの回頭角である。

とする。

このとき、式（７）、（８）より次式が導かれる。

ここで、正の定数Ｋ２，Ｋ３を用いて次式のような制御則を導入することにより、ｅ_２，ｅ_３の収束性が補償され、実車両１０は参照経路へより適切に追従できる。なお、ωは、実車両１０の旋回角速度に相当する。

以上の説明は、実車両１０の重心Ｃを参照経路に追従させる手法である。しかし、キャベツの収穫においては、収穫部１４１の前方にあるキャベツの列を基準として参照経路として生成されるため、キャベツ列を基準とした参照経路を、車両重心Ｃの参照経路にする必要がある。

図１Ｂに示すように、車両重心Ｃは、収穫部１４１から車両進行方向前向きにＤ［ｍ］、車両進行方向左向きにＷ［ｍ］だけオフセットしており、これに基づいて経路追従制御に用いる車両重心の横偏差ｅ_２及び角度偏差ｅ_３を算出すればよい。

収穫部１４１基準の参照経路Ｐ_２を、図８に示すように、Ｗ［ｍ］だけオフセットさせると、車両重心Ｃの参照経路Ｐ_１となる。その参照経路Ｐ_１に対して、横偏差ｅ_２、角度偏差ｅ_３を求めると以下のようになる。

ただし、


である。

コントローラ３０は、式（１０）によって算出された旋回角速度ωを、収穫機１０の操舵制御のための舵角に変換する。舵角は、収穫機１０の自律走行のため、操舵システム１６に与えられる。なお、本実施形態では、速度を一定として扱うが、速度も変更してもよい。

［５．高さ調整］
図９は、地面（圃場）からの高さを計測する方法を示している。前述のように、搬送部１４２には、レーザレンジファインダ２３取り付けられている。このレーザレンジファインダ２３は、２次元レーザレンジファインダである。レーザレンジファインダ２３は、レーザが地面に向けて出射されるよう取り付けられている。レーザレンジファインダ２３は、地面における複数の点Ｔまでの距離を計測する。

計測点である複数の点Ｔは、収穫部１４１から切断部１９までの間の領域Ｂに含まれる。領域Ｂよりも後方（図９において右方）には、地面上にキャベツの根茎部や葉が落下していることが多いが、領域Ｂでは地面上に落下した根茎部は少ないため、距離を精度よく計測できる。

コントローラ３０は、レーザレンジファインダ２３によって得た複数の点Ｔまでの距離のデータに対して、最小二乗法を適用し、推定地面（Estimated Ground Surface）Ｇ_Ｅを示す直線を計算する。そして、コントローラ３０は、点と直線の距離を求めるヘッセの公式により、レーザレンジファインダ２３と地面との相対距離を計算する。さらに、コントローラ３０は、レンジファインダ２３と地面との距離を一定に保つように、収穫作業部１４を高さ調整すべく高さ調整部１４５を制御する。このように、レンジファインダ２３によって検出された距離に応じて、収穫部１４１を有する収穫作業部１４が高さ調整される。

圃場における実際の地面Ｇ_Ａは凹凸が多いため、レーザレンジファインダ２３から地面の１点までの距離を計測する場合には、収穫機１０の移動中に地面までの距離の変動が大きく変動し、安定した制御を困難にするが、複数の点までの距離に基づいて、地面からの高さを計測することで、平均化された距離が得られ、安定した高さ制御が可能になる。

［６．自動収穫実験］

図１０は、収穫機１０を自律走行させた実験結果を示している。実験では、直線上に植えられたキャベツを自動で収穫した。実験における車両パラメータＷ，Ｄ及び制御ゲインＫ２，Ｋ３は、以下のとおりである。
Ｗ＝０．５４［ｍ］
Ｄ＝２．７２［ｍ］
Ｋ_２＝０．８
Ｋ_３＝０．３

実験では、収穫機３０のヨーレートが目標のヨーレートに追従するように、舵角制御入力としたフィードバック制御（ＰＤ制御）を行った。なお、収穫機３０の速度は、約０．１［ｍ／ｓ］で一定とした。

図１０（ａ）は、自動収穫を行った際の車両重心Ｃを基準にした横偏差を示し、図１０（ｂ）は、収穫部１４１を基準にした横偏差を示し、図１０（ｃ）は角度偏差を示している。図１０（ａ）によると、しばしば横偏差が瞬間的に大きくなっているが、横偏差が０［ｍ］に収束していることがわかる。なお、瞬間的な偏差の増大は、キャベツの誤検出時に起きやすく、式（１１）からもわかるように、角度偏差変動の影響を受けやすいため、車両重心の横偏差増大は、図１０（ｃ）の角度偏差変動に連動する。

図１０（ｂ）も同様に、横偏差が収束している。図１０（ａ）（ｂ）によれば、瞬間的な偏差の増大時以外は、偏差は概ね０．１［ｍ］以内に収まっている。スターホイールのように回転によりキャベツを取り込む機構の収穫部１４１であれば、０．１［ｍ］程度の精度があれば、収穫が十分に可能である。このように、車両重心について経路追従制御を行うことにより、直接の制御量ではない収穫部１４１の横偏差が収束し、所望の精度で自律走行が可能である。

［７．第２制御］

図１１に示すように、実施形態のコントローラ３０は、物体検出の結果から生成された経路に基づいて収穫機１０の移動を経路追従制御（第１制御）３３するほか、物体検出の結果から生成された経路に基づかずに収穫機１０の移動を制御する第２制御３５を実行することができる。コントローラ３０は、第１制御３３と第２制御３５とを選択的に実行可能であり、第１制御３３と第２制御３５とを切り替える機能３４も有している（図３参照）。

図１１に示すように、第２制御による収穫機１０の移動制御は、例えば、ある作物列の収穫が全て完了した場合に、隣の作物列へ移動するため、収穫機１０を旋回させる動作である。また、第２制御による移動制御は、ある作物列の収穫を行っている場合に、隣の作物列に誤進入したときに元の作物列に復帰する動作であってもよい。第２制御による移動制御は、収穫部１４１の高さ調整を誤ったこと等に起因して、第１制御又は収穫部１４１の高さ調整が適切に行えなくなった場合に、収穫機１０の移動を停止させる等である。第２制御による移動制御は、収穫作業の開始のため、作物列外から最初に収穫機３０を作物列に進入させる動作である。

コントローラ３０の切替部３４は、第１制御から第２制御に切り替えるべき切替トリガの発生を検出すると、仮に第１制御を実行していても、第２制御に優先的に切り替える。制御の切替により、第１制御が適切でない状況において、他の動作を収穫機に行わせることができる。

例えば、ある作物列から他の作物列の移動の制御は、作物の作付配置を示す作付データ３６を参照することで行える。キャベツなどの作物が、自動作付機で行われている場合、作付時に、作付された位置を示すデータ３６が存在する。コントローラ３０は、内部記憶装置又はネットワークを介した外部記憶装置に保存された作付データ３６を参照することで、作物列の位置を把握することができる。

作付データ３６は、例えば、図３に示すように、各作物列の始点座標（ｘ，ｙ）と終点座標（ｘ，ｙ）とを含むため、コントローラ３０は、収穫機３０の位置情報(ＧＮＳＳ情報)に基づいて、収穫機３０が作物列の端部（始点又は終点）に到達したことを検出することができる。収穫機３０が作物列の端部に到達したことが検出されると、コントローラ３０は、作物列に沿って自律走行（第１制御）状態から、未収穫の隣の作物列の端部（始点又は終点）に向けて収穫機３０を自律旋回する走行（第２制御）状態に移行する。

また、隣の作物列に誤進入すると、画像で認識される作物列が直線状でなくなり、配置が乱れるため、そのことを検出することで、誤進入を検出することができる。誤進入からの復帰動作は、例えば、誤進入する前までの位置への後退動作を含んでもよい。

また、収穫部１４１の高さ調整を誤ると、収穫部１４１がキャベツを破壊し、葉が圃場に散乱し、キャベツの画像認識や高さ調整が適切に行えなくなることがある。キャベツの破壊は、カメラ２１によって得られた画像を用いて検出してもよいし、カメラ２２によって得られた画像を用いて検出してもよい。カメラ２２は、キャベツを側方からみた画像を取得できるため、キャベツの破壊を検出するのが容易である。

また、作物列への初期進入は、例えば、作業者から与えられた初期進入指令操作に基づいて行われる。

［８．変形］

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

１０ 収穫機（自律移動システム）
１１ 走行機体
１２ 操縦部
１２ａ 操縦座席
１２ｂ 操向ハンドル
１３ 走行クローラ（移動装置）
１４ 収穫作業部（作用器）
１５ ルーフ部
１６ 操舵システム
１４１ 収穫部（スターホイール；刈り取り部；作用器）
１４１ａ スターホイール
１４１ｂ スターホイール
１４２ 搬送部
１４３ 切断部
１４５ 高さ調整部（移動装置）
１４６ 支点
２１ 第１カメラ
２２ 第２カメラ
２３ レーザレンジファインダ（地面位置検出センサ）
２５ ＧＮＳＳセンサ
２６ 方位角センサ
３０ コントローラ
３１ 対象物の位置検出部
３２ 経路生成部
３３ Ｐａｔｈ Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ制御部（第１制御部）
３４ 切替部
３５ 第２制御部
３６ 作付データ
３７ 高さ制御部

Claims (15)

1. 対象物に作用する作用器と、
   前記作用器を移動させる移動装置と、
   前記作用器が作用すべき１又は複数の対象物の位置を検出し、１又は複数の前記対象物の位置に基づいて前記移動装置を制御するコントローラと、
   を備える自律移動システム。
2. 前記コントローラは、複数の前記対象物のうち前記作用器が直近に作用する第１対象物の位置を前記作用器が通る経路であって、複数の前記対象物のうち前記第１対象物以外の第２対象物の位置に基づく経路を生成し、前記経路に基づいて、前記移動装置を制御する
   請求項１に記載の自律移動システム。
3. 前記コントローラは、前記作用器が前記第１対象物に作用した後に、前記経路の再生成をする
   請求項２に記載の自律移動システム。
4. 前記経路の再生成は、前記第１対象物を含まず前記第２対象物を含む１又は複数の対象物の位置に基づいてなされる
   請求項２に記載の自律移動システム。
5. 前記コントローラは、１又は複数の前記対象物を含む画像において、１又は複数の前記対象物を画像認識により検出することで、１又は複数の前記対象物の位置を求める
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の自律移動システム。
6. 前記コントローラは、前記画像内の一部の領域である処理対象領域内にある１又は複数の前記対象物の位置に基づいて前記経路を生成する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の自律移動システム。
7. 前記対象物は、複数の列に配置され、各列の列方向に間隔をおいて配置されており、
   前記処理対象領域は、前記作用器が作用すべき対象物が属する列を含むが、他の列を含まない領域である
   請求項６に記載の自律移動システム。
8. 前記対象物は、不定形物である
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の自律移動システム。
9. 前記不定形物は、農作物である
   請求項８に記載の自律移動システム。
10. 前記コントローラは、前記経路に基づいて前記移動装置を制御する第１制御と、前記経路に基づかずに前記移動装置を制御する第２制御と、を実行可能であり、前記第２制御を実行すべきことが検出されると、前記第１制御に優先して前記第２制御を実行する
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の自律移動システム。
11. 前記コントローラは、前記作用器が３次元的に移動するように前記移動装置を制御する
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の自律移動システム。
12. 自律移動システムが移動する移動面までの距離を非接触で検出するセンサを更に備え、
    前記コントローラは、前記センサによって検出された前記距離に応じて前記作用器が移動するように前記移動装置を制御する
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の自律移動システム。
13. 前記センサは、前記移動面における複数の点までの距離を測定し、複数の点までの距離に基づいて、前記移動装置を制御する
    請求項１２に記載の自律移動システム。
14. 前記対象物は、農作物であり、
    前記作用器は、前記農作物の収穫部であり、
    前記自律移動システムは、
    前記収穫部によって収穫された前記農作物を搬送する搬送部と、
    前記搬送部による搬送中に前記農作物の一部を切断する切断部と、をさらに含み、
    前記センサは、前記収穫部と前記切断部との間の範囲における地面からの高さを非接触で検出するよう設けられている
    請求項１２又は１３に記載の自律移動システム。
15. 対象物に作用する作用器を移動させる移動装置を制御するコントローラであって、
    前記作用器が作用すべき１又は複数の対象物の位置を検出し、１又は複数の前記対象物の位置に基づいて前記移動装置を制御するよう構成されている
    コントローラ。