JP2583584B2 - 農作業機における自動操舵制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圃場に既に植付けられて列状に並ぶ、いわ
ゆる作物列に沿って略並行状に田植機等の農作業機を走
行できるようにする自動操舵制御装置の構造に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来、例えば田植機により圃場に苗を植付ける場合、
田植機にその進行方向左右に適宜間隔で植付機構を設
け、田植機の進行につれて上下回動する植付機構にて苗
載台の苗マットを適宜株数ごとに分割しながら圃場面に
植付けるので、圃場面には、田植機の進行方向に沿って
適宜の苗植付間隔で、植付け苗箇所が並ぶと同時に、進
行方向に対して左右方向に適宜間隔で複数列にて植付け
られることは周知である。

そして、圃場に既に植付けられた植付苗列（以下作物
列という）と略並行状に田植機を走行できるようにする
自動操舵装置の先行技術として、特開昭62−61509号公
報では、前進させる田植機に搭載したカラービデオカメ
ラにて、前記隣接した部分の作物列のうちの適宜範囲を
撮像し、この画像情報を２値化処理して角植付け作物箇
所に対応する領域を抽出して後、ハフ（Hough）変換等
の処理により前記複数の領域からなる列から直線を近似
計算し、この計算上の仮想直線と撮像画面の縦横中心線
等の任意の基準線及び基準点に対する横ずれ及び傾斜の
ずれの隔たり等の偏差を目標値の一定の許容範囲内に納
まるように機体の操舵制御を実行することを提案してい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで通常の作業者によるいわゆる手動操舵操作に
おいては、例えば作物列の側方から遠い側に偏っている
場合に、所定の偏差内に戻すべく近付く方向に操縦ハン
ドルを切り、その偏差内に近付く近傍で反対側、つまり
操縦ハンドルを中立に戻すように切り返す操作を実行し
ているのが通常であり、操縦ハンドルを右または左に所
定の角度まで切る大きさ（操舵量または操舵角度）とそ
の速度、および前記操縦ハンドルを切った後に中立位置
等に戻す舵取りの速度を人間の感覚により調整して円滑
な操舵を実行している。

しかるに、自動操舵制御において、前記先行技術を含
めて撮像手段等により検出された偏差である検出値と目
標値とに差異がある場合、操舵駆動手段（例えば油圧シ
リンダ）に出力信号（操作量）を出す制御動作が不連続
的に行われるものとして、操作量が適宜の定まった値を
取り、その値をON・OFFさせる所謂２位置動作（ON・OFF
制御）を実行することが良く知られているが、この制御
によるときには、制御の構成が至極簡単であるけれど
も、操舵角度を特定の値にいきなり変更し、一定期間そ
の値を取った後いきなり中立位置に戻すという急激な操
舵操作を実行とることになるから、目標値に対して制御
値が上下する所謂ハンチング現象が生じ易く、操舵がぎ
くしゃくしたり操舵後の走行機体の向きが種々異なると
いう欠点があった。

また、苗植え作業後の適宜時期に施肥または薬剤散布
する管理機は、前記既に植付けられた作物列に沿って進
行させつつ作業を実行するし、コンバインでは、未刈取
部分と既刈取り部分との略直線状の境界線に沿って前進
させながら刈取脱穀作業するので、前記の田植機におけ
る自動操舵制御と同様に、無人の所謂自動操舵を人間が
実際に操舵するような操向の円滑さを得ることが困難で
あるという問題があった。

本発明は、前記のように従来解決できなかった円滑且
つ確実な自動操舵制御を、農作業機における自動操舵制
御装置において実現することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕 そこで本発明は、圃場内に既に植付けられた作物列に
沿ってその側方で略並行状に走行するように田植機等の
農作業機を自動操舵制御する装置において、農作業機に
は、前記作物列を検出する検出手段と、該検出手段から
の信号に応じて農作業機の直進等の基準に対する前記作
物列の偏差を演算して操舵指示量を決定する指示量決定
手段と、該決定された操舵指示量に応じて操舵駆動手段
に操舵出力信号を出力する制御量出力手段とを設け、該
制御量出力手段における信号出力サイクル時間中に、前
記決定された操舵指示量に対応する第１設定操舵出力信
号を適宜一定時間だけ出力させた後、中立操舵位置方向
に修正する第２設定操舵出力信号を出力させる時間帯を
設けたものである。

〔発明の作用・効果〕

本発明においては、農作業機の走行機体に搭載した撮
像手段等の検出手段により、作物列に対する走行機体の
側方位置とか走行機体の進行方向の左右の傾きとかを検
出した結果から、指示量決定手段にて基準（目標値）に
対する偏差を演算し、操舵を修正すべき操舵指示量を決
定する。

そして、制御量出力手段では、前記決定された操舵指
示量に応じて走行機体の車輪の向きを変える油圧シリン
ダ等の操舵駆動手段に操舵出力信号を出すものであり、
この制御量出力手段での出力信号の出す時間は一定の範
囲の時間サイクルごとになるように設定されている。

さらに、この信号出力サイクル時間中の始めの時間帯
では、前記決定された操舵指示量に対応する第１設定操
舵出力信号を適宜一定時間だけ出力保持させた後、中立
操舵位置方向に修正する第２設定操舵出力信号を出力さ
せる時間帯を設けたもので、所謂２段階の出力信号によ
り、操舵修正するのであるから、操縦ハンドルを元の方
向に戻す操作にも急激な変化がない。

従って、従来のごとく単一の出力信号だけで操舵修正
するよりはきめ細かい修正を実現することができるので
ある。

このように本発明によれば、無人の自動操舵操作にお
いても作業者が実際に操舵操作するのと略同様な滑らか
な操作を実現させることができる。

従って、作物列に追従するように修正操舵する間の走
行機体の向きの変化も滑らかで、この向きの変更中に農
作業を実行させた場合、例えば田植え作業での植付苗列
の曲がりやコンバインによる刈取り跡の曲がりも急激に
生じることがなく、見栄えの良い作物列を得ることがで
きるのである。

〔実施例〕

以下田植機に適用した実施例について説明すると、図
において１は前部左右両側の前車輪3,3の後部左右両側
の後車輪4,4にて支持された走行機体で、この走行機体
１の後部には、苗載台５と複数の植付機構６とから成る
多条植え式の苗植装置７が、リンク機構８を介して上下
昇降可能に装着されている。

走行機体１の上面に搭載したエンジン９の動力は、ク
ラッチ10及びミッションケース11を介して前後両車輪3,
4に伝達する一方、このミッションケース11から突出す
るPTO軸12を介して前記苗植装置７に動力伝達する。な
お、符号13はクラッチ10のON・OFF用アクチェータ、14
は走行変速用アクチェータ、15はPTO軸変速用アクチェ
ータである。

前記走行機体１における操縦座席16の前方に設けた操
向ハンドル17を介してステアリング機構18を回動操作
し、前車輪3,3の向きを左右に変えるように構成してあ
り、自動操舵装置は前記ステアリング機構18における回
動支点軸19に水平回動自在に装着された平面視Ｌ字型の
ステアリングアーム20、該ステアリングアーム20に連結
する左右一対のタイロッド21,21、油圧シリンダ22、手
動操舵用の制御弁23ならびに該操舵制御弁23を操作する
ステアリングギアボックス24の前後揺動自在なピットマ
ンアーム25から成る。

前記ステアリングアーム20には、前記制御弁23を球関
節を介して後向きに連結する一方、該制御弁23の後端の
スプールと前記ピットマンアーム25とを連結する。

また、走行機体１に前端を回動自在に連結する油圧シ
リンダ22の後端を前記ステアリングアーム20に回動自在
に連結してあり、前記操縦ハンドル17の回動角度に対応
して揺動するピットマンアーム25により、制御弁23のス
プールを進退動させて、エンジン９により駆動される油
圧ポンプ26からの油圧を送り、油圧シリンダ22における
ピストンロッドを出没動させ、ステアリングアーム20の
回動に応じて、左右両前車輪3,3の向きを変える。

この油圧シリンダ22は、電磁ソレノイド式の自動操舵
制御弁27によっても駆動され、その際前輪３の舵取り角
度は、回動支点軸23に取付くポテンションメータ28にて
ステアリングアーム20の回動角度を検出することにより
知ることができる。

そして、前記自動操舵制御弁27は、自動操舵・走行用
の中央制御装置30にて駆動される操舵コントローラ31の
出力信号により作動し、また、前記クラッチ10のON・OF
F用アクチェータ13、走行変速用アクチェータ14、PTO軸
変速用アクチェータ15も中央制御装置30にて駆動される
走行コントローラ32にて作動する。

本発明の検出装置33は、作物列を撮像する倣い用の撮
像手段34と、該撮像手段34にて撮像された画像情報を２
値化等の特徴を抽出する特徴抽出手段36及びこの特徴抽
出手段36による抽出特徴を処理して必要な情報（デー
タ）を中央制御装置30とやりとりするための画像処理コ
ントローラ38とからなる。

前記撮像手段34は走行機体１の側方に突出するアーム
や立設する支柱にステッピングモータ等の姿勢維持手段
を介して回動自在に取付ける。

走行機体１が作物列の側方に沿って前進し、その作物
列の終端部分で180度転回折返して走行する場合のこと
を考慮すれば、この撮像手段34は、走行機体１の左右両
側に設けるのが好ましい。

倣い用の撮像手段34はその撮像走行の基準線Koを走行
機体１の側方における進行方向と並行状になるように、
且つ前向き斜め下向きにセットする。

撮像手段34は、対象を検出するに際して、いわゆるビ
デオカメラのごとく撮像画面がｘ−ｙ平面のように縦横
の拡がりを持つ二次元的な平面を有するいわるエリアセ
ンサーであり、例えば、二次元MOS撮像素子や二次元CCD
撮像素子を内臓したものでは、レンズを通して結ばれた
像は、その結像面に二次元的アレイ状に配列された各撮
像素子（光電素子）にて感知されて撮像平面40の情報を
電気信号として出力できるものである。

またこの撮像手段34はカラー用、白黒用のいずれであ
っても良いが、作物列を撮像する撮像手段34をカラー用
とすることにより、圃場面と作物列とを区別してその特
徴を明確に認識することができる。

次に、走行機体１を圃場内において、その畦際から一
本目の走行を実行して後、その終端部で略180度転回
し、二本目の走行を実行するというように、直線的に前
進した後折返して往復走行しながら田植え作業等の農作
業を実行する場合の、検出装置33及び中央制御装置30で
実行される処理の概略フローチャート（第４−ａ図、第
４−ｂ図）について説明する。

まず、スタートに続くステップS1にて、初期値を設定
したのち、ステップS2にて農作業機のオペレータが走行
機体１を運転して作物列の隣接走行に入る。ついで、ス
テップS3にて撮像手段34を作動開始させて撮像作業に入
り、ステップS4にてΔｔ時間ごとに撮像手段34の画像デ
ータを取り込み、ステップS5にて１画面ごと記憶させ
る。

第５図は植付け作物個所（NAE）を撮像画面40に撮像
した状態を示す。

次にステップS6では、植付け作物個所（NAE）を他の
圃場面から抽出区別する２値化処理を行う。

本実施例において、倣い用撮像手段34をカラー用とす
るときには、RGB表色系〔赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青
色（Ｂ）の色光を原色光とし、加光により白が得られ
る〕による赤色成分、緑色成分、青色成分との各色成分
の信号にて圃場面の特徴を抽出し、この三色成分の信号
出力の総和（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ＝１）に対する緑色（Ｇ）成分
の信号出力比率が所定の値以上のときを苗（作物）と判
別してその値がほぼ一定とみなせる領域（Ｎ）を撮像画
面40の他の箇所から分割（Segmentation）して特定する
２値化処理を実行するのである（第６図参照）。

なお、色線分のうち緑色成分から青色成分を引いた色
差画像データ（Ｇ−Ｂ）が一定以上の出力である箇所を
苗と判別する色差処理による２値化を実行しても良い。

この２値化された特徴は画像処理コントローラ38また
は中央制御装置30等で記憶させておく。

前記倣い用撮像手段34の画像情報を２値化して得られ
た複数の植付け作物個所の領域（N1），（N2），（N3）
‥‥が撮像画面40上に同時に写るから、ステップS7で
は、２値化された各植付け作物個所の位置の座標を決定
する計算を実行した後に、ステップS8において、前記画
像のデータから前記各領域（N1），（N2），（N3）‥‥
に最も近い直線近似としての仮想線Klを計算し、該仮想
線Nlの撮像画面40上の基準線Koに対する偏角Δρと横ず
れ偏差ρとを計算する。

この仮想線Klの計算は画像処理コントローラ38に予め
組み込まれたソフトによる計算手法で、例えば良く知ら
れた最小二乗誤差法やハフ（HOUGH）変換法等によるも
のであり、ハフ変換では、Ｘ−Ｙ直交座標系のある一点
（Xi,Yi）が与えられたとき、それを通る総ての線分群
は極座標系ではρｉ＝Xicosθｉ＋Yisinθｉで表現でき
る。

従って、撮像画面40における前記各領域（N1），（N
2），（N3）‥‥ごとにその線分群を極座標系（ρｉ＝X
icosθｉ＋Yisinθｉ）で表現するハフ処理を実行し、
同一のρ及びθを取る頻度を二次元ヒストグラムとして
計数し、その最大値となるρｏ及びθｏを求めて、作物
列の仮想直線Klを特定するものである。

このようにして求められた仮想直線Klが基準線Ko（走
行機体１の進行方向に沿うＹ軸でも良い）と交差する角
度を偏角Δρとし、走行機体１の幅方向のＸ軸と基準線
Koとが交差する基準点０（撮像画面40の中央位置等）か
らＸ軸方向に沿う仮想直線Kl迄の距離を横ずれ偏差ρと
定義して、これらの偏差をステップS9にて計算する。

なお、撮像画面40において基準線Koより右にあるとき
にはρ＞０であり、左にあるときにはρ＜０となる。ま
た、撮像画面40における上方に行くに従って仮想線が基
準線Koより右に傾く場合をΔρ＞０、反対の場合をΔρ
＜０とする。

このようにして得た基準との偏差に基づきステップS1
0の操舵修正制御のサブルーチンを実行する、このサブ
ルーチンでは、データ記憶部や演算部、比較部等を有す
る中央制御装置30において、第４−ｂ図で示すステップ
R1からステップR11までのフローチャートに従い、前記
複数の偏差ρ，Δρを基にファジー（Fuzzy）推論を応
用したファジィ制御や、クリスプ（CRISP）制御等の制
御理論に従って操舵指示量ｓを算出し、操舵コントロー
ラ31、例えばステアリングの回動駆動のための操舵駆動
手段である自動操舵制御弁27などに操舵出力信号Ｖを出
力するものである。

即ち、操舵修正制御のサブルーチンにおけるステップ
R2では、前記の複数の偏差ρ、Δρの大きさに対応して
操舵指示量ｓを決定するものであり、この場合、ファジ
ィ制御では、前記撮像手段34で得られた画像情報の画像
処理を高速で実行するため、作物列の検出精度を落とし
たことを補うため、その精度の荒い検出値、つまりあい
まいな入力で実用可能な制御出力を得ることができるも
のであり、また、制御における検出対象の条件の制御量
との関係、換言すれば、入力と出力の関係に厳密にモデ
ル化して記述することが困難な場合の制御に適するもの
である。

また、クリスプ（CRISP）制御（クリスプとは、ぱき
ぱきしたとか、明快なという意味）では、従来良く知ら
れた入力信号と出力信号とを比較的な関係にするとか、
入力信号を変数とする一定の線形関数関係で出力信号を
定義する制御を実行するものである。

次いで、ステップR3で前記操作指示量ｓまたは前記の
偏差が操舵修正不要の許容範囲内に入っているか否かを
判別し、操舵修正不要の許容範囲内てあるとき（yesの
とき）には、ステップR4で操舵修正することなくそのま
まの状態を保持する。

反対に許容範囲外であるときには、ステップR5からス
テップR11までのフローチャートに従い、操舵指示量ｓ
の数値に応じて、中央制御装置30に第１設定操舵出力信
号V1および操舵の中立位置方向に修正するための適宜値
を持つ第２設定操舵出力信号V2を出し、操舵駆動手段で
ある操舵制御弁27の電磁ソレノイドを作動させ、ステア
リング機構におけるステアリングアーム20の回動角度を
変える油圧シリンダ22を駆動させて修正操舵し、所定の
作物列の側方において、当該作物列に沿って並行状に走
行機体１が前進する自動操舵制御を実行するのである。

この場合、ステアリングアーム20の回動角度を検出す
るポテンショメータ28にて前車輪３が既に進行方向に対
して右または左に傾く操舵角度を有しているか否かの判
断を実行して、作物列と並行状態に進行するフィードバ
ック制御に役立てることができる。

ステップR5では、前記演算された操舵指示量ｓの数値
に応じて第１設定操舵出力信号V1およびこれより値の小
さい第２設定操舵出力信号V2の各値を決定する。この決
定は制御量決定手段である中央制御装置30または操舵コ
ントローラ31において予め設定された比例常数または関
数関係にて決める。

また、ステップR6では、前記操舵制御弁27の電磁ソレ
ノイドの駆動時間を所定の定められた信号出力サイクル
時間（To）ごととするときのその値と、第１設定操舵出
力信号V1に固定状態で保持させる時間帯（t1）、並びに
第２設定操舵出力信号V2で保持する時間帯（t2）を各々
決定する。

そして、ステップR7では、第１設定操舵出力信号V1の
値で（t1）時間固定し、次いでステップR8で第２設定操
舵出力信号V2の状態で（t2）時間保持し、ステップR9で
出力信号を０等の元の値Voに戻すのである。

このように、操舵出力信号を出す場合に、第１設定操
舵出力信号V1と、操舵の中立位置方向に修正する値を持
つ第２設定操舵出力信号V2との二段階の出力信号を順次
出すことにより、人間が手動で実際に実行している操舵
修正作業に近似した滑らかな操舵修正の動作を、自動操
舵修正操作において実現することができるのである。

このような自動操舵制御を実行することで、安定した
操舵制御が可能であるし、作物列の側方と略並行状に走
行する操舵の追従性も向上するのである。

なお、前記第１設定操舵出力信号V1と第２設定操舵出
力信号V2の各値、並びに前記両出力信号を保持する時間
帯（t1），（t2）の長さの決定は、次のようバリエーシ
ョンがある。

つまり、 第１設定操舵出力信号V1と第２設定操舵出力信号V2の
各値は、各々前記前記演算された操舵指示量ｓの数値に
比例して増減させるように設定し、時間帯（t1），（t
2）のいずれか一方の長さを操舵指示量ｓの数値に比例
して増減させるように設定する。

第１設定操舵出力信号V1の取り得る最大値を操舵指示
量ｓの数値の如何に拘わらず一定にし、その保持の時間
帯（t1）及び第２設定操舵出力信号V2の各値は操舵指示
量ｓの数値に比例して増減させるように設定する。

第１設定操舵出力信号V1の取り得る最大値及びその保
持の時間帯（t1）操舵指示量ｓの数値の如何に拘わらず
一定にする一方、第２設定操舵出力信号V2の値は操舵指
示量ｓの数値に比例して増減させるように設定する。

第１設定操舵出力信号V1の取り得る最大値及び第２設
定操舵出力信号V2の取り得る最大値を操舵指示量ｓの数
値の如何に拘わらず一定にし、第１設定操舵出力信号V1
の保持の時間帯（t1）は操舵指示量ｓの数値に比例して
増減させるように設定する。

第１設定操舵出力信号V1を保持する時間帯（t1）の長
さよりも、第２設定操舵出力信号V2を保持する時間帯
（t2）の長さを多くすることで、大きく修正した後の操
縦ハンドル（舵）の切返しを滑らかにして、安定した操
舵操作を得ることができる。

また、この時間帯（t2）の長さを、前記演算された操
舵指示量ｓの数値に比例して増減させるように設定すれ
ば、操舵指示量が大きいときには、目標と作物列に近接
するように修正操舵を加える第１設定操舵出力信号V1に
て方向修正操舵操作を迅速に実行しつつ、該第１設定操
舵出力信号V1からあて舵（復元舵取り）となる第２設定
操舵出力信号V2の保持時間長さも多くでき、一層滑らか
な復元操舵操作を実現することができるのである。

なお、この第２設定操舵出力信号V2自体の大きさは車
輪が中立位置に復元するように、所謂出力信号Ｖを０に
セットしても良い。

【図面の簡単な説明】

図面の本発明の実施例を示し、第１図は乗用型田植機の
平面図、第２図は側面図、第３図は操舵・走行自動制御
装置のブロック図と油圧回路を含む作用説明図、第４−
ａ図及び第４−ｂ図は各々制御フローチャート、第５図
は倣い用撮像手段による撮像画面の図、第６図は２値化
された撮像画面の図、第７図は操舵指示量ｓに対する第
１設定操舵出力信号V1および第２設定操舵出力信号V2の
タイムチャートである。 １……走行機体、２……フレーム、3,4……車輪、５…
…苗載台、６……植付機構、７……苗植装置、９……エ
ンジン、11……ミッションケース、17……操向ハンド
ル、20……操縦ハンドル、NAE……植付け作物箇所、19
……回動支点軸、20……ステアリングアーム、22……油
圧シリンダ、27……自動操舵制御弁、30……中央制御装
置、31……操舵コントローラ、32……走行コントロー
ラ、33……検出装置、34……撮像手段、36……特徴抽出
手段、38……画像処理コントローラ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圃場内に既に植付けられた作物列に沿って
   その側方で略並行状に走行するように田植機等の農作業
   機を自動操舵制御する装置において、農作業機には、前
   記作物列を検出する検出手段と、該検出手段からの信号
   に応じて農作業機の直進等の基準に対する前記作物列の
   偏差を演算して操舵指示量を決定する指示量決定手段
   と、該決定された操舵指示量に応じて操舵駆動手段に操
   舵出力信号を出力する制御量出力手段とを設け、該制御
   量出力手段における信号出力サイクル時間中に、前記決
   定された操舵指示量に対応する第１設定操舵出力信号を
   適宜一定時間だけ出力させた後、中立操舵位置方向に修
   正する第２設定操舵出力信号を出力させる時間帯を設け
   たことを特徴とする農作業機における自動操舵制御装
   置。