JP2020138659A - 作業車輌の自動操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】前輪２を操舵して作業車輌の進行方向Ｓの変更を行う場合に、その進行方向Ｓの変更量に影響力を及ぼす肥料や苗等の消費財を積載する作業車輌１を、自動操舵装置によって走行目標経路に沿って走行させる際の前輪２の操舵量を適正に設定して、未作業領域や重複作業領域を減らしながら、安定した作業走行を行うことができる作業車輌の自動操舵装置を提供する。【解決手段】自動操舵装置は、作業車輌１の走行目標経路からの偏差に対して前輪２を操舵して予め定めた走行目標経路に沿って走行させる際の前輪２の操舵量を、前輪２又は前輪２と後輪３に加わる分担荷重ＷＦ、ＷＲに応じて調節する。【選択図】図５

Description

本発明は、乗用型田植機や野菜苗の移植機、或いは農業用トラクタ等の作業車輌に設ける自動操舵装置に関し、詳しくは、前輪と後輪を備えると共に肥料や苗等の消費財を積載する走行機体に作業機を連結する作業車輌を、その前輪を操舵して予め定めた走行目標経路に沿って走行させる自動操舵装置に関する。

農業用の作業車輌にあっては圃場内で苗の植付作業や耕起作業等を行う。そして、作業車輌はその作業走行を行う場合、走行機体をできるだけ真っすぐに且つ一定の作業間隔で走行させることが未作業領域や重複作業領域を減らして作業能率を向上させるうえで重要である。そこで、昨今、作業車輌の現在位置、作業軌跡及び作業目標経路等を表示して、作業者はその情報に基づいて作業車輌を運転することで無駄のない高精度な作業の実践を支援するナビゲーションシステムが開発されて実用化されている。

また、このナビゲーションシステムは例えば、近距離無線通信機能を備えたＧＮＳＳ（全地球測位システム）受信機とデジタル方位計、同じく近距離無線通信機能を備えたタブレットパソコン、このタブレットパソコンにインストールするナビゲーションソフトフェア等から構成する。さらに、ナビゲーションシステムはこれらの機器を作業車輌に後付けし、先ず作業の開始時に手動操舵によるティーチング走行を行って直進方向の作業方位を取得する。

そして、この取得した作業方位に基づいて次回以降の作業目標経路を演算し、次に作業車輌の現在位置と作業目標経路と作業目標経路からの偏差等をタブレットパソコンのディスプレイに数値とともにグラフィック表示して、作業者による直進走行を行うためのサポートを行う。また、このようなナビゲーションシステムは、直進走行の精度向上や作業者の操縦負担の軽減を目的に作業車輌の自動操舵機能を盛り込む研究が現在進められている。

なお、このような作業車輌の直進走行のための自動操舵技術は以前から研究されていて例えば、走行地面の凹凸にかかわらず車体を目標方向に沿って直進走行させるステアリング制御を精度よく行えるようにするために、走行車体の設定姿勢からの傾斜角度を検出する角度検出センサを設け、この角度検出センサの検出情報に基づいて、前後傾斜角度が大きいほどステアリング駆動機構の修正量を大きくさせるよう、方位センサの検出値又はこの検出値に対応する制御目標を自動補正するように構成することが知られている（特許文献１参照）。

また、農用車両の直進制御法として、ティーチング走行時、及び自動走行時に、方位センサにより検出される方位データについて、傾斜センサから得られる農用車両の傾斜情報に基づく傾斜補正などの個々のデータに対する補正を行った上で、過去数秒間に取得した複数個の方位データから擬似的なＲＣフィルタを構成して、現時点での方位データとして取得することが知られている（特許文献２参照）。

さらに、設定された目標走行経路に沿って、作業走行中であっても、高い精度をもって自動操舵走行することができるようにするために、目標走行経路に対する自車位置との間の位置偏差に基づいて偏差解消の第１操舵値が出力する第１制御演算部と、位置偏差と、位置偏差が大きくなるにしたがって減少傾向を示す重み係数を用いて調整された方位偏差とに基づいて偏差解消の第２操舵値を出力する第２制御演算部と、第１操舵値と第２操舵値とに基づいて目標走行経路に沿って走行するための目標操舵値を出力する目標操舵演算部を備えることが知られている（特許文献３参照）。

特開平７−３９２０５号公報 特開２０００−１４２０９号公報 特開２０１６−１５５４９１号公報 特開２０１７−１２３８０４号公報

前述のように、前輪と後輪を備える走行機体に作業機を連結する作業車輌にあっては、作業者の操縦負担の軽減を図るために、前輪を自動操舵して予め定めた走行目標経路に沿って走行させる自動操舵装置を設けることは有用である。また、このような自動操舵装置を設けるうえで走行目標経路に対する作業車輌の実際の走行経路の偏差を極力少なくすることは、未作業領域や重複作業領域を減らすうえで最も重要な事項である。

そこで、この偏差を少なくするために特許文献３では、電子制御ユニットに第１操舵値と第２操舵値とに基づいて目標走行経路に沿って走行するための目標操舵値を出力する目標操舵演算部を備えることが示され、また、特許文献１では走行車体の傾斜角度を検出して、この検出情報に基づいてステアリング駆動機構の修正量を変化させることが示され、種々の試みが行われていることが伺える。

ところで、これ等の自動操舵装置において目標操舵角を出力して操舵する作業車輌の前輪は、単に操舵輪として機能する場合（２輪駆動）もあるが、エンジンによって後輪と共に駆動して駆動輪としても機能させる場合（４輪駆動）があり、特に農業用の作業車輌では田畑で作業走行を行うために、その湿田での脱出性や直進安定性に優れた４輪駆動形態で使用することが多い。そして、このように４輪駆動形態で前輪を操舵して作業車輌の進行方向を変える場合、前輪と後輪の周速度を略同速に固定していると内輪差によって前輪か後輪の何れかがスリップしながら進行方向を変えることになる。

また、その際、分担荷重が前輪より後輪が大きければ、路面に対するトラクションに基づく後輪のグリップ力が前輪のグリップ力より上回って前輪がスリップする割合が多くなり、それに伴って作業車輌の進行方向Ｓを変え難くなる（曲がり難くなる）。さらに、２輪駆動形態であれば前輪と後輪の間のスリップを考慮する必要はないが、後輪のトラクションによって作業車輌が走行する際の前輪の転がり力だけに頼って作業車輌の進行方向Ｓを変更することになるから、この場合も前輪の分担荷重が少なくなれば同様に進行方向Ｓを変え難くなる。なお、作業走行を行う場合の車速は低速であるから進行方向Ｓを変更する際の遠心力の影響は殆ど無視することができる。

従って、作業車輌の前輪を自動操舵装置によって目標操舵角に制御しても前輪と後輪の分担荷重によって実際の作業車輌の進行方向Ｓ（前輪の操舵角方向の駆動力ＴＦと後輪の直進方向の駆動力ＴＲを合算した方向）の変更量は変化する。そして、この進行方向Ｓの変更量が少なければ偏差を解消させるための目標とする進行方向Ｓの変更量に届かないことになって、走行目標経路に戻す際の応答性が悪くなり、短時間で作業車輌を走行目標経路に戻すことができなくなる。

また、逆に進行方向Ｓの変更量が多ければ目標を上回って極短時間で作業車輌を走行目標経路に戻すことになり、この際には急激な進行方向Ｓの変更によって自動操舵制御が間に合わず作業車輌が走行目標経路から逆方向にオーバーシュートしたり、走行目標経路を跨いで作業車輌がハンチングする等の問題を生じさせる。

さらに、ここで問題とする前輪と後輪の分担荷重は、作業車輌の運転席に座る作業者の体重の軽重によって多少変化し、また、作業車輌の特に前後方向の傾斜（ピッチング）に伴って多少変化する。そして、走行機体に肥料や苗等の消費財を積載し、これらの消費財を走行機体に連結する作業機を介して圃場に供給したり植付ける場合には、この消費財を消費することが作業走行の主目的であるから当然、能率的な作業走行を行う上で作業開始時の消費財の積載重量は多くなり、また、作業走行に伴って消費財は消費されるから分担荷重が最も大きく変化する要因となる。

そこで、本発明は、前輪を操舵して作業車輌の進行方向Ｓの変更を行う場合に、その進行方向Ｓの変更量に影響力を及ぼす肥料や苗等の消費財を積載する作業車輌を、自動操舵装置によって走行目標経路に沿って走行させる際の前輪の操舵量を適正に設定して、未作業領域や重複作業領域を減らしながら、安定した作業走行を行うことができる作業車輌の自動操舵装置を提供することを課題とする。

本発明の作業車輌の自動操舵装置は、上記課題を解決するため、前輪と後輪を備えると共に肥料や苗等の消費財を積載する走行機体に作業機を連結する作業車輌を、その前輪を操舵して予め定めた走行目標経路に沿って走行させる自動操舵装置にあって、前記自動操舵装置は、作業車輌の走行目標経路からの偏差に対して前輪を操舵して予め定めた走行目標経路に沿って走行させる際の前輪の操舵量を、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重に応じて調節することを特徴とする。

また、本発明の作業車輌の自動操舵装置は、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重を、残存する消費財の重量に基づいて推定することを特徴とする。さらに、本発明の作業車輌の自動操舵装置は、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重を、残存する消費財の重量と走行機体の前後方向の傾斜角度に基づいて推定することを特徴とする。

そして、本発明の作業車輌の自動操舵装置は、残存する消費財の重量を、走行機体の前輪寄りに設ける容器、又は載置台、或いは容器と載置台に収容する消費財の残存レベル又は残存数に基づいて推定することを特徴とする。また、本発明の作業車輌の自動操舵装置は、作業車輌の走行目標経路からの偏差に対して前輪の操舵量を、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重に応じて設定するゲインに基づくＰＩ制御、又はＰＩＤ制御によって決定することを特徴とする。

本発明の作業車輌の自動操舵装置によれば、前輪と後輪を備えると共に肥料や苗等の消費財を積載する走行機体に作業機を連結する作業車輌を、その前輪を操舵して予め定めた走行目標経路に沿って走行させる自動操舵装置にあって、前記自動操舵装置は、作業車輌の走行目標経路からの偏差に対して前輪を操舵して予め定めた走行目標経路に沿って走行させる際の前輪の操舵量を、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重に応じて調節するから、自動操舵装置によって走行目標経路に沿って走行させる際の前輪の操舵量を適正に設定して、前輪又は前輪と後輪の分担荷重の変動に関わらず進行方向の変更量の変化を少なくすることができる。

また、この進行方向の変更量が少なければ偏差を解消させるための走行目標経路に戻す際の応答性が悪くなって、短時間（短距離）で作業車輌を走行目標経路に戻すことができなくなり、未作業領域や重複作業領域を増やすことになる。逆に進行方向の変更量が多ければ偏差は短時間で無くすことができるものの、その急激な進行方向の変更によって自動操舵制御が間に合わず作業車輌が走行目標経路から逆方向に行き過ぎてオーバーシュートを発生したり、走行目標経路を跨いで反復移動して作業車輌がハンチングする等の問題を生じさせる。

しかし、進行方向の変更量の変化を少なくすると、走行目標経路に戻す際の応答性が適正に保たれて未作業領域や重複作業領域を減らすことができる。また、進行方向の変更量の過多によって生ずるオーバーシュートやハンチングを無くして、同様に未作業領域や重複作業領域を減らすことができると共に、作業車輌のふらつきを少なくして例えば、苗の植付姿勢等の乱れもなく安定した前輪の操舵制御を行うことができる。

また、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重を直に計測しようとすると、作業車輌の構造の変更が発生したり、計測装置が大掛かりなものになり易くコストアップに繋がる。しかし、自動操舵装置は、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重を、残存する消費財の重量に基づいて推定すると、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重を、その最も変動要因となる残存する消費財の重量に基づいて直に計測する場合の分担荷重に近似する値として求めることができる。そのため、残存する消費財の重量を構造変更の発生を少なく、また、計測装置も簡単なものにすることができて、コストアップを最小限に抑えることができる。

さらに、自動操舵装置は、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重を、残存する消費財の重量と走行機体の前後方向の傾斜角度に基づいて推定すると、上記効果に加えて走行機体の前後方向の傾斜角度の変動に対する分担荷重の変動を加味したより正確な分担荷重に基づいて前輪の操舵量を調整することができる。

そして、自動操舵装置は、残存する消費財の重量を、走行機体の前輪寄りに設ける容器、又は載置台、或いは容器と載置台に収容する消費財の残存レベル又は残存数に基づいて推定すると、残存する消費財の重量を直に計測しようとする場合に比較して、消費財の残存レベルを検出するレベルセンサ又は残存数を検出するフォトセンサ或いはマイクロスイッチ等の安価なセンサを用いて推定することができ、また、元々備わったセンサを利用することもできて、コスト低減を図ることができる。

しかも、自動操舵装置は、作業車輌の走行目標経路からの偏差に対して前輪の操舵量を、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重に応じて設定するゲインに基づくＰＩ制御、又はＰＩＤ制御によって決定すると、フィードバック制御の基礎ともなっていて比較的調整を行い易い制御手法を用いて前輪の操舵量を決定することができ、開発乃至調整期間を短縮することができる。

本発明を適用する乗用型田植機の側面図である。 乗用型田植機の平面図である。 自動操舵装置に関わる機器の配置構造を示す説明図である。 自動操舵装置の制御に関わるブロック図である。 前輪の自動操舵系を示す制御図である。 作業車輌を走行目標経路に沿って走行させる説明図である。 乗用型田植機の動力伝達図である。 操舵コントローラの斜視図である。 消費財の重量を推定する説明図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１乃至図３に示すように農業用の作業車輌を構成する乗用型田植機１は、左右の前輪２と後輪３を備える走行機体４の後部にリンク機構５を介して作業機としての植付装置６をローリング自在に連結する。そして、この植付装置６は、走行機体４の後部とリンク機構５の後部に亘って取付ける油圧シリンダ７によって下降させた作業姿勢と上昇させた非作業姿勢に亘って昇降自在に設ける。

なお、後輪３と植付装置６との間には、走行機体４の旋回によって荒れた枕地を均す整地ロータ８を設け、この整地ロータ８は植付装置６と共に昇降するように設ける。一方、走行機体４は、左右のサイドメンバーに複数のクロスメンバーを固着して構成するシャーシフレーム９に、トランスミッションケース１０、左右のフロントアクスルケース１１、リヤアクスルケース１２等を取付けて一体的に構成する。

また、トランスミッションケース１０の前部寄りにエンジンフレームを取付け、このエンジンフレームにはエンジン１３を搭載する。さらに、エンジン１３後方のシャ−シフレーム９に取付けるトランスミッションケース１０は、その上面にパワーステアリング装置を構成するトルクジェネレータ１４を取付ける。そして、このトルクジェネレータ１４には、上方に延出するステアリングシャフト１５とこのステアリングシャフト１５を内包するステアリングコラム１６を立設する。また、ステアリングシャフト１５の上端部には前輪２を操舵するステアリングホイール１７を取付ける。

さらに、トルクジェネレータ１４の出力シャフトはトランスミッションケース１０内に設ける歯車減速装置に連結し、また、この歯車減速装置のセクタシャフトの下端はトランスミッションケース１０の下方に突出し、セクタシャフトの下端部にピットマンアーム１８を設ける。また、ピットマンアーム１８に取付ける左右のタイロッド１９は、フロントアクスルケース１１の両端部に設けるキングピンケース２０を介して左右の前輪２を操舵する。

一方、前記ステアリングコラム１６の中途部にブラケットを固着し、このブラケットの左右に主変速レバー２１、副変速レバー２２、及びエンジンコントロールレバー２３を回動自在に取付け、これ等の基部側を覆うと共に操作スイッチやモニタパネルを備えるパネルカバー２４を設ける。また、パネルカバー２４の下方側には、スタータスイッチ等を取付けるリヤカバー２５を設け、パネルカバー２４とリヤカバー２５の前方側には、前照灯を備えてエンジン１３の後方側と下方側を除いてこれを覆うボンネット２６を設ける。

さらに、前記シャーシフレーム９には、合成樹脂製のフロントステップ２７とリヤステップ２８を設ける。この内、フロントステップ２７は、ボンネット２６の左右側方となる左右のフロントステップ部２７ａと、これに続いてリヤカバー２５の後方となるフロアステップ部２７ｂを備える。一方、リヤステップ２８は、フロアステップ部２７ｂの後部寄りから階段状に立ち上がり、シャーシフレーム９の後部に設けるシートフレームに取付ける。

そして、このリヤステップ２８は、その上部中央に運転席２９を設け、また、運転席２９の左右にはリヤサイドステップ部２８ａを設ける。なお、フロアステップ部２７ｂの前部中央寄りには株間調節レバーを通す開口を、また、前部右寄りにはブレーキぺダル３０を通す開口を設ける。なお、３１はフロアステップ部２７ｂの左右に設ける延長ステップであって、この右延長ステップ３１と右リヤサイドステップ部２８ａの下方にはエンジンの燃料タンクを設ける。

ここで、乗用型田植機１の動力伝達系について簡単に説明すると、図７に示すようにエンジン１３は伝動ベルトを介してトランスミッションケース１０に取付けるＨＳＴ（静油圧式無段変速装置：主変速装置）３２を駆動する。また、ＨＳＴ３２からトランスミッションケース１０内に伝達された動力は、トランスミッションケース１０内に設ける歯車変速装置によって構成する副変速装置３３、及び前輪２の差動歯車装置３４を経由して、左右のフロントアクスルケース１１及びキングピンケース２０内に設ける伝動軸を介して左右の前輪２を駆動する。さらに、副変速装置３３からリヤアクスルケース１２内に設ける左右の湿式ディスク型のサイドクラッチ３５を介して後輪３を駆動する。

なお、副変速装置３３から左右のサイドクラッチ３５に動力を伝達する伝動軸にはディスクブレーキ３６を設け、前述のブレーキぺダル３０を踏み込むと主変速レバー２１は中立位置に戻ってＨＳＴ３２は中立となり、また、ディスクブレーキ３６が作動して前輪２と後輪３に四輪ブレーキがかかる。さらに、ピットマンアーム１８と左右のサイドクラッチ３５はロッドによって連結し、田植機１を枕地で旋回させる際にステアリングホイール１７を所定量以上に回すと旋回側となるサイドクラッチ３５が切られて、その側の後輪３は自由回転状態になる。

また、植付装置６への伝動は、トランスミッションケース１０内に設けるトルクリミッタ３７と植付クラッチ３８を介してギヤケースに設ける株間変速装置３９を駆動する。そして、株間変速装置３９からドライブシャフト４０を介して植付装置６のドライブケース４１に設ける植付入力シャフト４２を駆動する。なお、整地ロータ８は走行系のディスクブレーキ３６と左右のサイドクラッチ３５の間から分岐した動力をロータクラッチ４３とロータドライブシャフト４４を介してロータドライブケース４５内に設ける伝動軸によって駆動する。

ここで、植付装置６の構造について簡単に説明すると、この植付装置６は８条植えとなして走行機体４の後部にローリング自在に連結する植付フレームを備える。また、植付フレームには前高後低状に傾斜して複数のマット苗を載置する苗載台４６、苗載台４６の下端から１株分ずつ苗を植付爪４７により掻き取って田面に植付けるロータリ植付機構４８、走行跡や旋回跡を整地しながら植付け箇所を均すフロート４９等を備えて構成する。

そして、前述のドライブケース４１に入った動力によってスクリュシャフト５０を回転させて苗載台４６を左右往復スライド移動させる。また、ドライブケース４１に入った動力によってロータリ植付機構４８を構成するプランタケース５１に動力を伝達し、ロータリケース５２を回転駆動する。また、ロータリケース５２に取付けたプランタアーム５３に装着した植付爪４７が苗載台４６の下端から１株分ずつ苗を掻き取ると共に、掻き取った苗をフォークで押出して苗を田面に植付ける。

なお、次行程における作業走行の目印を田面に付ける左右のマーカー５４は前輪２の上方のシャーシフレーム９に設ける。このマーカー５４はその基部を回動自在に支持する支持杆５５の先端部に回転自在に取り付け、マーカー駆動モータ５６が支持杆５５を作動させることによってマーカー５４は、田面に接地してマーキングする作用位置とシャーシフレーム９の上方に退避した非作用位置に切り換えることができる。また、シャーシフレーム９の前部にはセンターポール５７を前後方向に回動自在に設け、シャーシフレーム９の左右にはトレースマーカー５８を設ける。

さらに、乗用型田植機１は、植付装置６によって苗を植付けると同時に土中に肥料を撒くペースト施肥機を設ける。このペースト施肥機は左右前輪２の上方となるシャーシフレーム９に取付フレーム５９を介して取付ける左右の肥料タンク６０を備える。また、この肥料タンク６０に貯留する肥料をホースで施肥ポンプに供給し、施肥ポンプは中途に設けるストップバルブやインジケータを経由して植付装置６のフロート４９近傍に取付ける各条毎のノズルに肥料を圧送し、植付けた苗の側方の土中に肥料を吐出する。

なお、乗用型田植機１は、ペースト施肥機に替えて粒状施肥機を設けることができる。その場合、粒状施肥機はリヤサイドステップ部２８ａの後部に取付フレームを設け、この取付フレームに粒状肥料を貯留するホッパと肥料の繰出装置と繰出装置の目皿ロールから繰出した肥料をエアーで圧送するブロアを設ける。そして、エアと共に圧送した肥料は各条毎にホースを介してホース端末に設ける作溝仕組に搬送し、それによって肥料を植付装置６で植付けた苗の側方の土中に撒くことができる。

一方、乗用型田植機１は、予備苗台やスライド式予備苗台を設ける。そして、実施形態に示す予備苗台６１は左右前輪２の上方となるシャーシフレーム９に門型の取付フレーム６２を取付け、この取付フレーム６２に片側４枚合わせて８枚の載置板６３を上方に向けて折り畳み自在に設ける。なお、この８枚の載置板６３には苗箱に収容するマット苗を各１枚ずつ載せて植付作業を開始し、その後、苗載台４６に供給したマット苗が植付けられて残り僅かになった際に載置板６３上のマット苗を取出して苗載台４６に補充して植付作業を再開する。

以上、乗用型田植機１の概要について説明したが、次に、ＧＮＳＳ（全地球測位システム）を用いて乗用型田植機１の圃場（水田）における位置並びに方位情報を取得し、これによって植付作業を行う場合の直進走行を前輪２の自動操舵によって行うことを主眼とする自動操舵装置について説明する。図３の配置構造に示すように自動操舵装置は、２つのＧＮＳＳアンテナ６４、６５を予備苗台６１の門型の取付フレーム６２の上部に位置並びに方位を検出するために左右方向に離して設ける。また、２つのＧＮＳＳアンテナ６４、６５の間に近距離無線通信用のアンテナ６６を設け、これ等のアンテナ６４、６５、６６を接続するＧＮＳＳコントローラ６７を下方に設ける。

さらに、取付フレーム６２の例えば左側中途部にブラケット６８を取付け、このブラケット６８に近距離無線通信を備えると共にガイダンスソフトウェアをインストールしたタブレットパソコン６９を脱着自在に取付ける。また、ステアリングホイール１７とステアリングシャフト１５との間に操舵コントローラ（モータコントローラ）７０を設ける（図８参照）。そして、左右の肥料タンク６０には夫々残量レベルゲージ７１を設け、予備苗台６１の各載置板６３には、図９に示すようにフォトセンサ７２を設ける。

また、左右の前輪２を操舵するセクタシャフトの歯車減速装置に設ける減速シャフトの回転角度を検出するステアリングセンサ（操舵角センサ）７３をトランスミッションケース１０の上面に設ける。さらに、必要に応じてＧＮＳＳアンテナとＧＮＳＳ受信機と近距離無線通信機を備えた可搬型のＲＴＫ（Real Time Kinematic ）基地局７４を用意する。

そして、これ等の機器やセンサは図４のブロック図に示すように、ＧＮＳＳコントローラ６７を構成するＧＮＳＳユニット（Electronic Control Unit）７５と、操舵コントローラ７０を構成する操舵制御ユニット（Electronic Control Unit）７６をＣＡＮ（Controller Area Network）で結ぶ。また、ＧＮＳＳユニット７５とタブレットパソコン６９を近距離無線通信によって相互に受発信可能に結ぶ。さらに、タブレットパソコン６９とＧＮＳＳユニット７５をＲＴＫ基地局７４に近距離無線通信によって相互に受発信可能に結ぶ。

また、ＧＮＳＳコントローラ６７は補完用の加速度センサ７７とジャイロセンサ７８と地磁気センサ７９を備え、これ等のセンサと２つのＧＮＳＳアンテナ（基準アンテナ、方位アンテナ）６４、６５と近距離無線通信用のアンテナ６６をＧＮＳＳユニット７５に接続する。一方、操舵コントローラ７０は、そのパネル部に設ける電源・リセット・開始／停止・Ａ点決定・Ｂ点決定・自動検出・感度調整の各押しボタン式のスイッチ８０〜８６と、トランスミッションケース１０に設ける操舵角センサ（ポテンショメータ）７３を操舵制御ユニット７６の入力回路に接続する。

さらに、操舵制御ユニット７６の出力回路には、操舵コントローラ７０のパネル部に設ける検出ランプ８７と、操舵制御ユニット７６内に設けるステッピングモータによって構成する操舵モータ８８を接続し、また、操舵制御ユニット７６の入力回路には、左右の肥料タンク６０に設ける２つの残量レベルゲージ７１と、予備苗台６１の各載置板６３に設ける８つのフォトセンサ７２を接続する。

そして、以上のように構成する乗用型田植機１の自動操舵装置は、図６に示すように水田に至って各機器の電源を入れてＧＮＳＳが利用可能になると、検出ランプ８７を点灯させて作業者にこれを報知する。なお、この場合、タブレットパソコン６９は遮蔽物のない見晴らしの良い場所に配置したり、共同で設置するＲＴＫ基地局７４との間で通信して各種の設定を終えている。さらに、ＧＮＳＳコントローラ６７とペアリングを行い、また、ガイダンスソフトウェアを立ち上げて、ＧＮＳＳコントローラ６７から乗用型田植機１におけるＧＮＳＳアンテナ６４の位置情報や傾斜補正情報等、更にはＧＮＳＳの位置方位情報を取得して待機状態にある。

次に、作業者は手動操舵によって乗用型田植機１をティーチング走行を開始するＡ点まで移動させて、Ａ点決定ボタン（スイッチ）８３を押すとともに植付作業を開始する。また、枕地のＢ点に至ると、Ｂ点決定ボタン８４を押すとともに植付作業を一旦終了して乗用型田植機１を旋回させる。そして、自動検出ボタン８５を押すと、ＧＮＳＳコントローラ６７がＲＴＫ基地局７４の補正情報の下にＧＮＳＳから得られる位置情報に基づいてＡ点とＢ点を結ぶ基準線を作成（演算）し、また、乗用型田植機１の作業幅（条間×８条）に基づいて基準線から作業幅ずつオフセットさせた走行目標経路（作業経路）を作成する。

また、タブレットパソコン６９はこの作業経路とともに乗用型田植機１の現在位置等を液晶ディスプレイに数値と共にグラフィック表示してガイダンスを開始する。そして、作業者は次行程の開始位置において開始ボタン８２を押すと、ＧＮＳＳコントローラ６７は自動操舵制御（直進操舵制御）を開始する。また、枕地に至って停止ボタン８２を押すとＧＮＳＳコントローラ６７は自動操舵制御を停止させる。さらに、それ以降は開始／停止ボタン８２の操作の下に植付作業を行うことになる。

なお、作業者はこのような自動操舵制御を行っている際に、その操舵量に過不足があると判断すると感度調整ボタン８６を押して、この操舵量の過不足をＧＮＳＳコントローラ６７に伝える。また、何らかの原因で操舵コントローラ７０とＧＮＳＳコントローラ６７との間等に接続障害が発生した場合は、操舵コントローラ７０が検出ランプ８７で異常を報知するので、作業者はリセットボタン８１を押してＧＮＳＳコントローラ６７との再接続を指示する。

そして、以上のように取り扱う自動操舵装置は、その自動操舵制御においてＧＮＳＳユニット７５が、自ら備える基準アンテナ６４と方位アンテナ６５の２つの受信機が発する位置情報に基づいて、これをＲＴＫ基地局７４の補正情報の下に補正し、更に加速度センサ７７とジャイロセンサ７８と地磁気センサ７９によって補完する。そして、この情報に基づいて例えば、乗用型田植機１の予め定めた重心の位置Ｇ、並びに前進方向の走行機体４の方位が求まる。

次に、ＧＮＳＳユニット７５は、乗用型田植機１の走行目標経路に対する左右方向の位置ずれ（偏差）ｄと乗用型田植機１の走行目標経路に対する方位ずれ（偏差）θを求め、この２つの偏差が共に無くなるようにＰＩ制御又はＰＩＤ制御を用いて目標操舵角を設定（演算）する。そして、ＧＮＳＳユニット７５はこのＰＩ制御又はＰＩＤ制御におけるゲインを設定する際に、乗用型田植機１の前輪２又は前輪２と後輪３に加わる分担荷重と感度調整スイッチ８６によって設定された手動調整値に基づいて最終的にゲインを例えば、比例ゲインＫＰ：１〜２、積分ゲインＫＩ：０．２、微分ゲインＫＤ：０等に決定する（図５参照）。

なお、ＧＮＳＳユニット７５がＰＩ制御又はＰＩＤ制御を用いて目標操舵角を設定する際に、位置ずれｄと方位ずれθの２つの偏差が共に無くなるように目標操舵角を設定する具体的な方法としては、特許文献３や特許文献４に記載されている方法を含めて種々研究されており、ここでは何れの方法を用いてもよいものとして先に進むものとする。

そして、ＧＮＳＳユニット７５はこのようにゲインを設定して目標操舵角を設定すると、ＧＮＳＳユニット７５はこの目標操舵角を操舵制御ユニット７６に与える。また、操舵制御ユニット７６は、前輪２の操舵角が与えられた目標操舵角に一致するように前輪２の操舵角を検出する操舵角センサ７３を用いて適切なゲインの下にＰＩ制御又はＰＩＤ制御を用いて前輪２の操舵制御を行う。

なお、このフィードバック制御において操舵制御ユニット７６は、図８に示すように操舵コントローラ７０に内装する操舵モータ８８を正逆回転させて外歯車の２段歯車機構によって構成する減速歯車装置を作動させて大径の最終歯車８９を回転させる。また、最終歯車８９を取付けた中継シャフト９０の下部はステアリングシャフト１５の上端部に嵌り、両者は互いのテーパとセレーションによって結合して一体回転するから、前輪２をこれによって操舵することができる。

また、この場合、中継シャフト９０の上部はステアリングホイール１７のハブを取付けているから、ステアリングホイール１７を手で回すと中継シャフト９０を介してステアリングシャフト１５を回転させることができ、前輪２をこれによって手動操舵することができる。なお、操舵モータ８８はステッピングモータによって構成し、このステッピングモータ８８によってステアリングシャフト１５を駆動するトルクは、ステアリングホイール１７を手動で回してステアリングシャフト１５を駆動するトルクより小さくなるように設定するから、手動操舵が自動操舵より優先することになる。

さらに、開始ボタン８２によって自動操舵制御を開始している際に、ステッピングモータ８８は、その回転を停止している間は自己保持するホールディングトルクによって回転の停止を保持し、また、このトルクはトルクジェネレータ１４側からの操舵トルクより大きいから、ステッピングモータ８８が停止している状態でも前輪２の操舵角はそのまま保持することができる。また、操舵コントローラ７０はステアリングコラム１６に取付けており、これを取り外す際にはステアリングホイール１７を取外して上方に引き上げればよく、その後、ステアリングシャフト１５にステアリングホイール１７を直接取り付ければ手動による操舵が可能となる。

次に、前述のＧＮＳＳユニット７５が乗用型田植機１の前輪２又は前輪２と後輪３に加わる分担荷重に基づいてゲインを設定する際の分担荷重の与え方について説明すると、先ず前輪２に加わる分担荷重Ｗ_Ｆと後輪３に加わる分担荷重Ｗ_Ｒは、作業者が運転席２９に座り、予備苗台６１の各載置板６３にマット苗を全て載せて、左右の肥料タンク６０に肥料を満タンにして、更には苗載台４６にマット苗を充填し、且つ燃料タンクに燃料を満タンにしている場合の乗用型田植機１の総重量：Ｗ、ホイールベース：Ｌ、重心から前輪２までの距離：Ｌ_Ｆ、重心から後輪３までの距離：Ｌ_Ｒとすると、Ｗ_Ｆ＝Ｗ×Ｌ_Ｒ／Ｌ、Ｗ_Ｒ＝Ｗ×Ｌ_Ｆ／Ｌとなる。

そして、植付作業に伴って予備苗台６１の各載置板６３に載せたマット苗を取り出して苗載台４６に補充すると、減った重量ΔＷ１は１枚当たりのマット苗の重量に総枚数を乗算することによつて求めることができ、この場合の予備苗台６１におけるマット苗の重心位置が前輪２を設ける位置と略等しいと仮定すれば、Ｗ_Ｆ＝Ｗ×Ｌ_Ｒ／Ｌ−ΔＷ１、Ｗ_Ｒ＝Ｗ×Ｌ_Ｆ／Ｌとなる。

また、左右の肥料タンク６０の肥料が土中に撒かれて全て無くなると、減った重量ΔＷ２は肥料タンク６０の容積に肥料の比重を乗算することによつて求めることができ、この場合の肥料タンク６０における肥料の重心位置が前輪２を設ける位置と略等しいと仮定すれば同様に、Ｗ_Ｆ＝Ｗ×Ｌ_Ｒ／Ｌ−ΔＷ２、Ｗ_Ｒ＝Ｗ×Ｌ_Ｆ／Ｌとなる。従って、前者と後者が同時に発生すると、Ｗ_Ｆ＝Ｗ×Ｌ_Ｒ／Ｌ−ΔＷ１−ΔＷ２、Ｗ_Ｒ＝Ｗ×Ｌ_Ｆ／Ｌとなる。

なお、乗用型田植機１が前高後低状に傾斜する場合は、ピッチング角度：θ、地面から重心までの高さ：Ｈ、θが比較的小さいときtanθ≒θ（ラジアン）で近似できるとして、前述の最初の状態に戻ると、Ｗ_Ｆ＝Ｗ×（Ｌ_Ｒ−Ｈθ）／Ｌ、Ｗ_Ｒ＝Ｗ×（１−（Ｌ_Ｒ−Ｈθ）／Ｌ）となる。従って、マット苗や肥料が消費された場合も同様に計算することができる。また、以上のことから乗用型田植機１にあっては、後輪３の近くに燃料タンクや粒状施肥機を設ける場合の前輪２の分担荷重はあまり変動がないが、前輪２の近くに肥料タンク６０や予備苗台６１を設ける場合の前輪２の分担荷重は大きく変動することになる。

次に、乗用型田植機１を自動操舵装置によって自動操舵する場合の走行形態について説明すると、図６に示すように自動操舵する場合は、前輪２の操舵角をその最大の切れ角となる略４０度から大きく下回る最大１０度程度に抑えて操舵する。そのため、左右の後輪３は左右のサイドクラッチ３５が共に入りなっている状態で走行し、左右の後輪３のトラクションＴＲは走行機体４をそのまま直進走行させる方向に作用する。一方、前輪２は目標操舵角に制御されているから、前輪２のトラクションＴＦは目標操舵角の方向に作用し、結局、乗用型田植機１は前輪２の操舵角方向の駆動力ＴＦと後輪の直進方向の駆動力ＴＲを合算した進行方向Ｓに走行することになる。

一方、発明が解決しようとする課題に記載する通り、乗用型田植機１の前輪２を自動操舵装置によって目標操舵角に制御しても前輪２と後輪３の分担荷重によって実際の乗用型田植機１の進行方向Ｓの変更量は変化する。そして、この進行方向Ｓの変更量が少なければ偏差を解消させるための目標とする進行方向Ｓの変更量に届かないことになって、走行目標経路に戻す際の応答性が悪くなり、短時間で乗用型田植機１を走行目標経路に戻すことができなくなり、次行程の植付作業領域や前行程の植付作業領域を何時までも侵してしまう。

また、逆に進行方向Ｓの変更量が多ければ目標を上回って極短時間で乗用型田植機１を走行目標経路に戻すことになり、この際には急激な進行方向Ｓの変更によって自動操舵制御が間に合わず乗用型田植機１が走行目標経路から逆方向に行き過ぎてオーバーシュートを発生したり、走行目標経路を跨いで乗用型田植機１が反復移動してハンチングする等の問題を生じさせる。また、これによって乗用型田植機１が左右にふらつくと植付爪４７が苗を田面に植付ける際に植付姿勢の乱れを発生させてその後の生育に悪影響を与える。

そこで、ＧＮＳＳユニット７５が乗用型田植機１の前輪２又は前輪２と後輪３に加わる分担荷重Ｗ_Ｆ、Ｗ_Ｒに基づいてゲインを設定する目的は、以上の問題を解決することであり、また、その場合、特に前輪２の分担荷重Ｗ_Ｆが多くなればゲインを下げて目標操舵角を少なくし、それにより進行方向Ｓの変更量を減らし、逆に前輪２の分担荷重Ｗ_Ｆが少なくなればゲインを上げて目標操舵角を多くし、それにより進行方向Ｓの変更量を増大させることによって、前輪２の分担荷重Ｗ_Ｆの変動に対して進行方向Ｓの変更量を変動なく一律にすることにより問題を解決しようとするものである。

そして、本実施形態においてこれを適用する際、操舵制御ユニット７６は２つの残量レベルゲージ７１と８つのフォトセンサ７２の検出状態から乗用型田植機１の当初の総重量Ｗから減った重量（ΔＷ１＋ΔＷ２）を演算して求めると共に、前述の数式に基づいて前輪２の分担荷重Ｗ_Ｆ、又は前輪２の分担荷重Ｗ_Ｆと後輪３の分担荷重Ｗ_Ｒを演算して求め、この分担荷重と感度調整スイッチ８６によって設定された手動調整値とをＧＮＳＳユニット７５に与えて、ＧＮＳＳユニット７５のゲイン設定に反映させる。

また、乗用型田植機１が圃場において前後方向に傾斜する頻度が高ければ、前輪２の分担荷重Ｗ_Ｆの変動に影響を及ぼす。その場合はＧＮＳＳユニット７５が補完のために使用する加速度センサ７７或いはジャイロセンサ７８から取得した乗用型田植機１のピッチング角を操舵制御ユニット７６が参照して傾斜時の前輪２の分担荷重Ｗ_Ｆと後輪３の分担荷重Ｗ_Ｒを演算して求め、この分担荷重をＧＮＳＳユニット７５に与える。

なお、前輪２と後輪３の分担荷重を正確に求めてこれをＧＮＳＳユニット７５に与えたい場合には、例えば、前後左右４つの車輪毎に重量センサを取付けて計測すればよい。しかし、この重量センサを取付けて分担荷重を計測するためには、乗用型田植機１の構造の変更が発生したり、計測装置が大掛かりなものになり易くコストアップに繋がる。

しかし、マット苗や肥料、或いは燃料等の消費財の消費重量をレベルセンサやフォトセンサ或いはマイクロスイッチ等の安価なセンサを用いて推定し、これに基づいて前輪２や後輪３の分担荷重を演算すると正確でなくとも相当近似した値を取得することができ、また、消費財の残量を報知するために元々備わったセンサを利用することもできて、コスト低減を図ることができる。

さらに、当然ながら、消費財を全く無くした状態の乗用型田植機１の重量（空虚重量）を予め計測しておき、この空虚重量に消費財の重量を加算して前輪２と後輪３の分担荷重を算出しても結果は同じことになる。また、本実施形態においては操舵制御ユニット７６によって荷重計算を行わせたが、ＧＮＳＳユニット７５によって荷重計算を行わせてもよく、更には操舵制御ユニット７６を無くしてＧＮＳＳユニット７５に肩代わりさせてもよく、本発明は、前記実施形態に必ずしも限定されるものではない。

１ 乗用型田植機（作業車輌）
４ 走行機体
６ 植付装置（作業機）
６０ 肥料タンク
６１ 予備苗台
６３ 載置板
７１ 残量レベルゲージ
７２ フォトセンサ
Ｓ 作業車輌の進行方向
Ｗ_Ｆ 前輪の分担荷重
Ｗ_Ｒ 前輪の分担荷重

Claims (5)

1. 前輪と後輪を備えると共に肥料や苗等の消費財を積載する走行機体に作業機を連結する作業車輌を、その前輪を操舵して予め定めた走行目標経路に沿って走行させる自動操舵装置にあって、前記自動操舵装置は、作業車輌の走行目標経路からの偏差に対して前輪を操舵して予め定めた走行目標経路に沿って走行させる際の前輪の操舵量を、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重に応じて調節することを特徴とする作業車輌の自動操舵装置。
2. 前記自動操舵装置は、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重を、残存する消費財の重量に基づいて推定することを特徴とする請求項１に記載の作業車輌の自動操舵装置。
3. 前記自動操舵装置は、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重を、残存する消費財の重量と走行機体の前後方向の傾斜角度に基づいて推定することを特徴とする請求項２に記載の作業車輌の自動操舵装置。
4. 前記自動操舵装置は、残存する消費財の重量を、走行機体の前輪寄りに設ける容器、又は載置台、或いは容器と載置台に収容する消費財の残存レベル又は残存数に基づいて推定することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の作業車輌の自動操舵装置。
5. 前記自動操舵装置は、作業車輌の走行目標経路からの偏差に対して前輪の操舵量を、前輪又は前輪と後輪に加わる分担荷重に応じて設定するゲインに基づくＰＩ制御、又はＰＩＤ制御によって決定することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１つに記載の作業車輌の自動操舵装置。

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