JP2022016479A5 - - Google Patents

Description

本発明は、自動走行システムに関する。このシステムは、特に、圃場を走行経路に沿って自動走行して農作業を行う圃場作業車に適している。

特許文献１に開示されているコンバインは、圃場の外周を手動で周回作業走行することで得られた外形マップに基づいて、自動走行用の走行経路を算出し、自車位置検出モジュールによって検出された自車位置が走行経路に沿うように自動作業走行を行う。

特許文献２に開示されている圃場作業機は、車輪の回転速度から算出される走行距離と、ＧＰＳによる位置情報から算出される走行距離とに基づいて車輪のスリップ率を算出し、このスリップ率に基づいて苗植付装置や施肥装置などの作業装置の動作タイミングを調整する。

さらに、特許文献３に開示されているトラクタは、プラウなどの対地作業装置の昇降を牽引負荷センサの検出結果に基づいて行うドラフト制御において、ＧＰＳを用いて算出されたスリップ率でドラフト制御量を補正する。

特開２０１７－０５５６７３号公報 特開２０１５－１１２０７０号公報 特開２０１２－１９１８５７号公報

悪天候などによって大きく変化する圃場の状態の影響を受けずに、設定された走行経路に沿って正確に自動走行するためには、正確な自車位置測定だけではなく、自動走行制御の制御対象となる走行装置（操舵機構を含む）の高い応答性が要求される。しかしながら、これらの要求を満たしたとしても、圃場の自動走行にとって問題となるのは、車輪やクローラのスリップである。このため、自動走行している走行車両がスリップの生じやすい領域に進入した際の対策が重要となる。

上記実情に鑑み、自動走行時にスリップの生じやすい領域に走行車両が進入した際、走行車両に適切な制御情報を与えることができるスリップ判定システムが要望されている。

本発明による自動走行システムは、走行車体と、自車位置を検出する自車位置検出モジュールと、前記自車位置と設定された走行経路とに基づいて自動走行を実行し、検出された自車位置に基づいて算出される単位時間当たりの実移動距離と、単位時間当たりの推定移動距離と、の差に基づいて前記走行車体の車速を制御する制御ユニットと、を備えている。

この構成では、自動走行に適しない走行面状態であれば、車速が制御されるので、自動走行時に目標となる走行経路から外れてしまうことが抑制される。

前記制御ユニットは、算出された前記差が所定値を超えた場合に自動走行を停止する。この構成では、自動走行に適しない走行面状態であれば、自動走行が停止されるので、自動走行時に目標となる走行経路から外れてしまうことが抑制される。

スリップ判定システムを採用した収穫機の一例としてのコンバインの側面図である。 コンバインの自動走行の概要を示す図である。 自動走行における走行経路を示す図である。 コンバインの制御系の構成を示す機能ブロック図である。 スリップ判定に基づくコンバインの走行制御を示すフローチャートである。

次に、本発明のスリップ判定システムを採用した圃場作業機の一例である収穫機として、普通型のコンバインを取り上げて説明する。なお、本明細書では、特に断りがない限り、「前」(図２に示す矢印Ｆの方向)は機体前後方向（走行方向）における前方を意味し、「後」(図２に示す矢印Ｂの方向)は機体前後方向（走行方向）における後方を意味する。
また、左右方向または横方向は、機体前後方向に直交する機体横断方向（機体幅方向）を意味する。「上」(図１に示す矢印Ｕの方向)及び「下」(図１に示す矢印Ｄの方向)は、車体の鉛直方向（垂直方向）での位置関係であり、地上高さにおける関係を示す。

図１に示すように、このコンバインは、普通型コンバインと呼ばれ、走行車体１０、クローラ式の走行装置１１、運転部１２、脱穀装置１３、穀粒タンク１４、収穫部Ｈ、搬送装置１６、穀粒排出装置１８、自車位置検出モジュール８０を備えている。

走行装置１１は、走行車体１０（以下単に車体１０と称する）の下部に備えられている。コンバインは、走行装置１１によって自走可能に構成されている。運転部１２、脱穀装置１３、穀粒タンク１４は、走行装置１１の上側に備えられ、車体１０の上部を構成している。運転部１２は、コンバインを運転する運転者やコンバインの作業を監視する監視者が搭乗可能である。通常、運転者と監視者とは兼務される。なお、運転者と監視者が別人の場合、監視者は、コンバインの機外からコンバインの作業を監視していても良い。

穀粒排出装置１８は、穀粒タンク１４の後下部に連結されている。また、衛星測位モジュール８０は、運転部１２の前上部に取り付けられている。

収穫部Ｈは、コンバインにおける前部に備えられている。そして、搬送装置１６は、収穫部Ｈの後側に設けられている。また、収穫部Ｈは、切断機構１５及びリール１７を有している。切断機構１５は、圃場の植立穀稈を刈り取る。また、リール１７は、回転駆動しながら収穫対象の植立穀稈を掻き込む。この構成により、収穫部Ｈは、圃場の穀物（農作物の一種）を収穫する。そして、コンバインは、収穫部Ｈによって圃場の穀物を収穫しながら走行装置１１によって走行する作業走行が可能である。

切断機構１５により刈り取られた刈取穀稈は、搬送装置１６によって脱穀装置１３へ搬送される。脱穀装置１３において、刈取穀稈は脱穀処理される。脱穀処理により得られた穀粒は、穀粒タンク１４に貯留される。穀粒タンク１４に貯留された穀粒は、必要に応じて、穀粒排出装置１８によって機外に排出される。なお、このコンバインは、車体１０と走行装置１１との間に、油圧式の傾斜機構１１０が設けられており、走行面（圃場面）に対して左右方向及び前後方向で車体１０を傾斜させることができる。

運転部１２には、通信端末２が配置されている。本実施形態において、通信端末２は、運転部１２に固定されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、通信端末２は、運転部１２に対して着脱可能に構成されていても良いし、コンバインの機外に位置していても良い。

図２に示すように、このコンバインは、圃場において設定された走行経路に沿って自動走行する。このためには、自車位置が必要である。自車位置検出モジュール８０には、衛星航法モジュール８１と慣性航法モジュール８２とが含まれている。衛星航法モジュール８１は、人工衛星ＧＳからのＧＮＳＳ（global navigation satellite system）信号（ＧＰＳ信号を含む）を受信して、自車位置を算出するための測位データを出力する。慣性航法モジュール８２は、ジャイロ加速度センサ及び磁気方位センサを組み込んでおり、瞬時の走行方向を示す位置ベクトルを出力する。慣性航法モジュール８２は、衛星航法モジュール８１による自車位置算出を補完するために用いられる。慣性航法モジュール８２は、衛星航法モジュール８１とは別の場所に配置してもよい。

このコンバインによって圃場での収穫作業を行う場合の手順は、以下に説明する通りである。

まず、運転者兼監視者は、コンバインを手動で操作し、図２に示すように、圃場内の外周部分において、圃場の境界線に沿って周回するように収穫走行を行う。これにより既刈地（既作業地）となった領域は、外周領域ＳＡとして設定される。そして、外周領域ＳＡの内側に未刈地（未作業地）のまま残された領域は、作業対象領域ＣＡとして設定される。

また、このとき、外周領域ＳＡの幅をある程度広く確保するために、運転者は、コンバインを３～４周走行させる。この走行においては、コンバインが１周する毎に、コンバインの作業幅分だけ外周領域ＳＡの幅が拡大する。最初の、３～４周の走行が終わると、外周領域ＳＡの幅は、コンバインの作業幅の３～４倍程度の幅となる。

外周領域ＳＡは、作業対象領域ＣＡにおいて収穫走行を行うときに、コンバインが方向転換するためのスペースとして利用される。また、外周領域ＳＡは、収穫走行を一旦終えて、穀粒の排出場所へ移動する際や、燃料の補給場所へ移動する際等の移動用のスペースとしても利用される。

なお、図２に示す運搬車ＣＶは、コンバインから排出された穀粒を収集し、運搬することができる。穀粒排出の際、コンバインは運搬車ＣＶの近傍へ移動した後、穀粒排出装置１８によって穀粒を運搬車ＣＶへ排出する。

外周領域ＳＡ及び作業対象領域ＣＡが設定されると、図３に示すように、作業対象領域ＣＡにおける走行経路が算定される。算定された走行経路は、作業走行のパターンに基づいて順次設定され、設定された走行経路に沿って走行するように、コンバインが自動走行制御される。

図４に、本発明によるスリップ判定システムを利用するコンバインの制御系が示されている。コンバインの制御系は、多数のＥＣＵと呼ばれる電子制御ユニットからなる制御ユニット５、及び、この制御ユニット５との間で車載ＬＡＮなどの配線網を通じて信号通信（データ通信）を行う各種入出力機器から構成されている。

報知デバイス６２は、運転者等に作業走行状態や種々の警告を報知するためのデバイスであり、ブザー、ランプ、スピーカ、ディスプレイなどである。通信部６６は、このコンバインの制御系が、通信端末２との間で、あるいは、遠隔地に設置されている管理コンピュータとの間でデータ交換するために用いられる。通信端末２には、圃場に立っている監視者、またはコンバイン乗り込んでいる運転者兼監視者が操作するタブレットコンピュータ、自宅や管理事務所に設置されているコンピュータなどが含まれる。制御ユニット５は、この制御系の中核要素であり、複数のＥＣＵの集合体として示されている。自車位置検出モジュール８０からの信号は、車載ＬＡＮを通じて制御ユニット５に入力される。

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５８と入力処理部５７とを備えている。出力処理部５８は、機器ドライバ６５を介して種々の動作機器７０と接続している。動作機器７０として、走行関係の機器である走行機器群７１と作業関係の機器である作業機器群７２とがある。走行機器群７１には、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。作業機器群７２には、収穫部Ｈ、脱穀装置１３、搬送装置１６、穀粒排出装置１８、傾斜機構１１０における動力制御機器などが含まれている。

入力処理部５７には、走行状態センサ群６３、作業状態センサ群６４、走行操作ユニット９０、などが接続されている。走行状態センサ群６３には、走行装置１１の対地速度に直接関係する車軸の回転数を検出する車軸回転数センサ６３１が含まれている。車軸回転数センサ６３１からの検出信号に基づいて、単位時間当たりの推定移動距離である推定車速が算出可能である。推定移動距離（推定車速）は、スリップがない場合には、実移動距離（実車速）となる。走行状態センサ群６３にはその他のセンサとして、エンジン回転数センサ、オーバーヒート検出センサ、ブレーキペダル位置検出センサ、変速位置検出センサ、操舵位置検出センサなどが含まれている。作業状態センサ群６４には、収穫作業装置（収穫部Ｈ、脱穀装置１３、搬送装置１６、穀粒排出装置１８）の駆動状態を検出するセンサ、及び穀稈や穀粒の状態を検出するセンサがあり、例えば、刈取り脱穀センサや穀粒容量センサなどが含まれている。

走行操作ユニット９０は、運転者によって手動操作され、その操作信号が制御ユニット５に入力される操作具の総称である。走行操作ユニット９０には、主変速操作具９１、操舵操作具９２、モード操作具９３、自動開始操作具９４、などが含まれている。モード操作具９３は、自動運転と手動運転とを切り替えるための指令を制御ユニット５に与える機能を有する。自動開始操作具９４は、自動走行を開始するための最終的な自動開始指令を制御ユニット５に与える機能を有する。この実施形態では、自動開始操作具９４は２ボタン式であり、第１ボタン(第１の操作器)と第２ボタン（第２の操作器）とを同時に操作しないと自動開始指令が送り出されない。なお、モード操作具９３による操作とは無関係に、制御ユニット５において、ソフトウエアによって、自動運転が行われる自動走行モードから手動運転が行われる手動走行モードへの移行が可能である。例えば、自動運転が不可能な状況が発生すると、制御ユニット５は、強制的に自動走行モードから手動走行モードへの移行を実行する。このようなモード移行の際には、コンバインは一時的に停車する。

制御ユニット５には、自車位置算出部５０、走行制御部５１、作業制御部５２、走行モード管理部５３、経路算出部５４、旋回性能調整部５５、スリップ判定モジュール４が備えられている。自車位置算出部５０は、自車位置検出モジュール８０から逐次送られてくる測位データに基づいて、予め設定されている車体１０の特定箇所の地図座標（または圃場座標）である自車位置を算出する。報知部５６は、制御ユニット５の各機能部からの指令等に基づいて報知データを生成し、報知デバイス６２に与える。

走行制御部５１は、エンジン制御機能、操舵制御機能、車速制御機能などを有し、走行機器群７１に制御信号を与える。作業制御部５２は、収穫作業装置（収穫部Ｈ、脱穀装置１３、搬送装置１６、穀粒排出装置１８など）の動きを制御するために、作業機器群７２に制御信号を与える。

このコンバインは自動走行で収穫作業を行う自動運転と手動走行で収穫作業を行う手動運転との両方で走行可能である。このため、走行制御部５１には、手動走行制御部５１１と自動走行制御部５１２と走行経路設定部５１３とが含まれている。なお、自動運転を行う際には、自動走行モードが設定され、手動運転を行うためには手動走行モードが設定される。このような走行モードは、走行モード管理部５３によって管理される。

自動走行モードが設定されている場合、自動走行制御部５１２は、自動操舵及び停止を含む車速変更の制御信号を生成して、走行機器群７１を制御する。自動操舵に関する制御信号は、走行経路設定部５１３によって設定された目標となる走行経路と、自車位置算出部５０によって算出された自車位置との間の位置ずれ（方位ずれを含む）を解消するように生成される。車速変更に関する制御信号は、前もって設定された車速値に基づいて生成される。走行経路設定部５１３によって設定される走行経路は、経路算出部５４に登録されている経路算出アルゴリズムによって算出される。

手動走行モードが選択されている場合、運転者による操作に基づいて、手動走行制御部５１１が制御信号を生成し、走行機器群７１を制御することで、手動運転が実現する。なお、経路算出部５４によって算出された走行経路は、手動運転であっても、コンバインが当該走行経路に沿って走行するためのガイダンス目的で利用することができる。

自動運転を行う自動走行モードと、手動運転を行う手動走行モードとの間の移行は、直接ではなく、遷移モードの介在の下に、行われる。手動走行モードから自動走行モードに移行する際の遷移モードとして、自動待機モードが用意されている。また、自動走行モードから手動走行モードに移行する際の遷移モードとして、自動運転中に車体１０の一時停止を行う一時停止モードと、この一時停止モードから手動走行モードへの移行の最終段階としての牽制モードとが用意されている。自動走行モードと、手動走行モードと、それらをつなぐ遷移モードとの間の移行には、それぞれ移行条件が設定されている。走行モード管理部５３は、このような移行条件の成立を判定し、各モードへの移行を管理する。

旋回性能調整部５５は、走行状態センサ群６３、作業状態センサ群６４、スリップ判定モジュール４からの情報に応じて、車体１０の旋回性能を調整する。旋回性能の調整項目は、左右の走行装置１１の速度差を変更すること、旋回車速を加速させること（直線走行から旋回走行への移行時に増速すること）、旋回時に傾斜機構１１０を駆動して旋回外側が高くなるように車体１０を傾斜させること、などである。

この実施形態では、エンジンから走行装置１１への動力伝達経路において左右一対の静油圧変速装置を介在させて、変速が行われている。左右の静油圧変速装置の変速の違いにより車体１０が旋回する。静油圧変速装置への油圧の供給は油圧パックと呼ばれる油圧ポンプを含む油圧回路によって行われる。静油圧変速装置を正常に動作させるためには、エンジンによって駆動される油圧パックの油圧が十分確保されている必要がある。しかしながら、旋回走行などにおいて、走行負荷が増大すると、一時的なエンジン回転数の低下や静油圧変速装置での滑りが生じ、油圧ポンプの回転不足から、油圧パックの油圧が不十分となって、旋回性が悪化する。このため、旋回性能調整部５５は、そのような旋回時にエンジン回転数を上昇させる機能も有する。

スリップ判定モジュール４は、スリップ量算出部４１と、適否判定部４２と、自動走行停止部４３とを備えている。スリップ量算出部４１は、車軸回転数センサ６３１から得られる駆動車軸の回転数に基づいて算出される車体１０の単位時間当たりの推定移動距離と、自車位置算出部５０から得られる自車位置に基づいて算出される車体１０の単位時間当たりの実移動距離とから車体１０（走行装置１１）のスリップ量（またはスリップ率）を算出する。なお、単位走行距離だけ移動するために必要となった推定時間と実時間とからスリップ量を求めることも可能である。

適否判定部４２は、スリップ量に基づいて走行地面の状態が自動走行モードによる自動運転（自動走行）に適するかどうかの適否判定を行う。適否判定部４２は、スリップ許容量を超えるスリップ量を検知すると、自動走行に適しない状態であると判定する。自動走行において許容されるスリップ量(スリップ許容量)は、予め設定されている。スリップ許容量は、コンバインの仕様によって調整されてもよいし、圃場毎に調整されてもよい。さらに、スリップ許容量は、監視者の判断によって、調整することも可能である。この実施形態では、適否判定部４２は、突発的な信号エラーや演算エラーなどを考慮して、継時挙動を、例えば継時的に算出された複数のスリップ量の最大及び最小を除いた平均を、適否判定のためのスリップ量とする。

自動走行停止部４３は、自動走行中に、適否判定部４２が自動走行に適しないスリップ量が発生していると判定した場合、走行モード管理部５３に、自動走行モードから手動走行モードに移行して、自動走行を停止することを指令する。走行モード管理部５３は、自動走行停止部４３から、自動走行停止指令を受けると、走行モードを手動走行モードとし、車体１０を停止させる。

次に、図５のフローチャートを用いて、スリップ判定処理に関する制御の流れを説明する。
コンバインが走行すると同時に、スリップを検知する処理が始まる（＃０１）。まず、自車位置が自車位置算出部５０によって算出される（＃１１）。所定時間間隔で算出された２つの自車位置の差から単位時間当たりの実際の移動距離である実移動距離が算出される（＃１２）。さらに、車軸回転数センサ６３１による駆動車軸の単位時間当たりの回転数が検出される（＃１３）。検出された回転数に基づいて、単位時間当たりの推定移動距離が算出される（＃１４）。スリップ量算出部４１は、実移動距離と推定移動距離との差から、スリップ量を算出する（＃１５）。算出されたスリップ量は、報知部５６と報知デバイス６２とを通じて、メータ表示または数値表示などの形態で報知される（＃１６）。

連続して算出されたスリップ量の傾向から、スリップが生じやすい路面状態であるかどうかチェックされる（＃２０）。このチェックには、予め設定されている注意しきい値が用いられる。スリップに注意する必要があると判定されると（＃２０必要分岐）、その旨を報知するため、スリップ注意報が発令される（＃２１）。スリップに注意する必要がないと判定されると（＃２０不要分岐）、その時点でスリップ注意報が発令されていると解除され（＃２２）、スリップ注意報が発令されていなければ、そのまま何も行われずに、ステップ＃１１に戻る。

スリップに注意する必要があると判定されると（＃２０必要分岐）、さらに、現在の走行モードが、自動走行モード（自動走行中）であるか、手動走行モード（手動走行中）であるかがチェックされる（＃３０）。手動走行中であれば（＃３０手動分岐）、そのままステップ＃１１に戻る。自動走行中であれば（＃３０自動分岐）、さらに、算出されているスリップ量に基づいて、現状のスリップ状況で自動走行を続行してもよいかどうかを、適否判定部４２が判定する（＃３１）。この適否判定においても、予め判定基準となる所定値のスリップ量が用いられるか、あるいは、スリップ量の継時挙動が判定基準として用いられる。現状のスリップ状況であってもまだ自動走行を続行してもよいと判定された場合（＃３１適分岐）、ステップ＃１１に戻る。現状のスリップ状況では自動走行の続行は避けるべきと判定された場合（＃３１否分岐）、自動走行制御部５１２による自動走行が停止される（＃３２）。これに伴って、コンバインが一時停車する（＃３３）。

次いで、報知部５６は、監視者兼運転者に、なおも自動走行を続行するかどうか問いかける（＃４０）。監視者兼運転者が、自動走行の続行を望み、自動走行の続行を指令した場合（＃４０続行分岐）、適否判定部４２による適否判定条件がやや緩和され（＃４１）、ステップ＃０１に戻り、自動走行での走行が再開される。監視者兼運転者が、自動走行の続行を断念し、手動走行への切り替えを指令した場合（＃４０中止分岐）、手動走行モードに切り替えられ、ステップ＃０１に戻り、手動走行での走行が開始される。

〔別実施の形態〕（１）上述した実施形態では、自車位置検出モジュール８０として、衛星航法モジュール８１と慣性航法モジュール８２との組み合わせたものが用いられていたが、衛星航法モジュール８１だけもよい。また、実移動距離の算出に、カメラによる撮影画像に基づいて単位時間当たりの移動距離を算出する方法を採用してもよい。

（２）図４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、または複数の機能部に分けてもよい。さらに、制御ユニット５に構築されている機能部のうち、走行モード管理部５３、経路算出部５４、旋回性能調整部５５、スリップ判定モジュール４のうちの全て、または一部が、コンバインに持ち込み可能な携帯型の通信端末２（タブレットコンピュータなど）に構築され、無線や車載ＬＡＮを経由して制御ユニット５とデータ交換するような構成を採用してもよい。

（３）上述の実施形態においては、監視者は、コンバインを手動運転し、図２に示すように、圃場内の外周部分において、圃場の境界線に沿って周回するように収穫走行を行い、その後、走行経路を算出して、自動運転に切り替える。しかしながら、本発明はこれに限定されず、最初から、コンバインが自動運転され、特別な事態が発生した際に、手動運転に切り替えられる運転方法でもよい。

（４）上述の実施形態においては、適否判定部４２が自動走行の続行不可と判定すれば、自動走行モードによる自動走行が停止され、車体１０は一時停車した。これに代えて、適否判定部４２が自動走行の続行不可と判定すれば、自動走行モードから手動走行モードに強制的に切り替えられ、その旨の報知だけ行われ、車体１０は走行を続行するようにしてもよい。

なお、上述の実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、普通型のコンバインだけでなく、自脱型のコンバインにも適用可能である。
また、トウモロコシ収穫機、ジャガイモ収穫機、ニンジン収穫機、サトウキビ収穫機等の種々の収穫機、田植機、トラクタなどの圃場作業車にも適用できる。さらには、芝刈機や建機などにも適用可能である。

１０ ：車体（走行車体）
１１ ：走行装置
１１０ ：傾斜機構
４ ：スリップ判定モジュール
４１ ：スリップ量算出部
４２ ：適否判定部
４３ ：自動走行停止部
５ ：制御ユニット
５０ ：自車位置算出部
５１ ：走行制御部
５１１ ：手動走行制御部
５１２ ：自動走行制御部
５１３ ：走行経路設定部
５２ ：作業制御部
５３ ：走行モード管理部
５４ ：経路算出部
５５ ：旋回性能調整部
５６ ：報知部
５７ ：入力処理部
５８ ：出力処理部
６３１ ：車軸回転数センサ
８０ ：自車位置検出モジュール
８１ ：衛星航法モジュール
８２ ：慣性航法モジュール

Claims (2)

1. 走行車体と、
   自車位置を検出する自車位置検出モジュールと、
   前記自車位置と設定された走行経路とに基づいて自動走行を実行し、検出された自車位置に基づいて算出される単位時間当たりの実移動距離と、単位時間当たりの推定移動距離と、の差に基づいて前記走行車体の車速を制御する制御ユニットと、を備えた自動走行システム。
2. 前記制御ユニットは、算出された前記差が所定値を超えた場合に自動走行を停止する請求項１に記載の自動走行システム。