JP2583587B2 - 自動走行作業機における操舵制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、稲、麦、大豆等を走行機体の前方の全幅に
わたって刈取りしたのち脱穀できる、いわゆる汎用コン
バインまたは普通形コンバイン等の収穫機やその他の走
行作業機を、所定の目標方位に沿い、且つ、作物列の側
方に沿うように倣いながら自動走行させるための操舵制
御装置の構造に関するものである。

〔従来の技術とその解決すべき課題〕

圃場に植立した稲列を、当該圃場の畦際に近い外周か
ら順々に刈取り脱穀するため、コンバインを平面視略矩
形状などに回行するように無人自動走行させる技術とし
て、例えば、特開昭61−1303号公報では、既刈り部に隣
接する未刈り側の稲列までの距離を検出する非接触セン
サーと、地磁気による方位検出器とを併用して、前記未
刈り側の稲列に沿って倣い自動操舵する構成が提案され
ている。

この制御においては、コンバインを進めるべき基準と
なる目標方位は、作業者が方位検出器の検出値（例えば
磁気コンパスのように北に対して何度傾いているかを36
0度の目盛で読む）を読み取って予め設定し、その後コ
ンバインの進行中にその走行機体の基準方向（進行方
向）が前記目標方位から一定程度以上角度がずれている
と、その目標方位に向くようにコンバインを操向制御す
る一方、前記非接触センサーにて稲刈までの距離が所定
範囲内に入るように操向制御するものである。

この場合、非接触センサーによる検出感度が方位検出
器による検出感度よりも良いのが通常で、しかも作業機
が稲列から大きく外れて刈取り作業が不完全になる不都
合を防止するため、非接触センサーの検出結果による制
御を方位検出器の検出結果による制御よりも優先させる
のを通常としているため、例えば次のような不都合が生
じる。

例えば稲列等の作物例における既刈取り部分と未刈取
り部分との境界線に沿って、この作物列を境界線から左
側に適宜幅だけ刈取り脱穀するようにコンバインを前進
させる場合、当該コンバインの走行機体を前進させるべ
き目標方位θｏに対して作物列の境界線が進行方向右側
に凸の湾曲状になっている箇所を刈り取るとき、走行機
体が境界線に近付き過ぎていると非接触センサーにより
判断されると、その非接触センサーによる検出結果か
ら、コンバインの操舵の向きを右に適宜角度Δθｈだけ
修正する。

この場合、その修正角度Δθｈが方位検出器の不感帯
幅（目標方位θｏに対して左右にΔθ１だけ取るように
予め設定し、その範囲内では方位検出器による検出結果
から操向角度修正の指令がでない状態となるようなもの
をいう）を越えると、方位検出器の検出結果から、操向
角度の修正指令が出て、前記不感帯幅内に入るように、
コンバインの向きは左側に修正される。

そうすると、再度非接触センサーが作物列との境界線
に近付き過ぎていることを感知し、右方向への操向指令
を出すというように、非接触センサーと方位検出器との
指令が相反する結果、走行機体がジグザグ操向すること
になり、始めの境界線の凹凸が少なくても、自動操向制
御のために、その凹凸が一層激しくなるという問題があ
った。

この問題を解決するため、方位検出器の不感帯を大き
くすると、事実上方位検出器による制御は実行されない
のと同じ結果となり、方位検出器を装備した意味が無く
なるという問題があった。

本発明は、非接触センサー等の対作物距離センサーに
よる検出結果と方位検出器による検出結果とを同時に考
慮することにより、前記従来の問題を解決することを目
的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

この目的達成のため本発明は、刈取部等の対地作業部
を備えて成る走行機体に、対地作業部から作物列等の被
検出物までの進行方向右または左の対作物距離を検出す
る対作物距離センサーと、目標方位に対する走行機体の
方位検出器とを搭載し、該方位検出器の検出方位から予
め方位設定器に読み込ませた目標方位に沿って進行し、
且つ、前記対作物距離センサーによる検出結果から、被
検出物に沿って倣い操舵するように制御する自動操舵装
置において、適宜時間間隔または走行距離間隔ごとに、
目標方位に対する検出方位偏差とその変化量、及び基準
に対する対作物距離偏差とその変化量とを計算する手段
と、前記検出方位偏差とその変化量のデータの組並びに
対作物距離偏差とその変化量のデータの組から操舵指示
量を決定する指示量決定手段とから成るようにしたもの
である。

〔発明の作用・効果〕

この構成によれば、適宜時間間隔または走行距離間隔
ごとに、対作物距離センサーにて対作物距離を検出する
と共に、方位検出器による方位の検出で作業機の向きを
検出することで、作業機と作物列迄の横方向の距離が直
接検出できと共に作業機の向きを同時に検出できる。

そして、適宜時間間隔または走行距離間隔ごとに、目
標方位に対する検出方位偏差とその変化量、及び基準に
対する対作物距離偏差とその変化量とを計算する手段を
設けたので、対作物距離の変化や方位の変化という細か
い変化を知ることができる。

これらの計算結果のうち、前記検出方位偏差とその変
化量のデータの組並べに対作物距離偏差とその変化量の
データの組という２つのデータの組から操舵指示量を決
定するのであるから、いずれのデータの組を優先的に採
用するのではなく略平等に採用することができる。

従って、従来では、方位検出器の結果と対作物距離セ
ンサーによる検出結果とにより相反する操舵指令が出る
可能性がある場合、対作物距離センサーによる検出結果
からの指令を優先して、方位検出器の検出結果を全く無
視する操舵制御を実行することにより、作業機が左右ジ
グザグ状に走行するというハンチング現象があったが、
本発明では、方位検出器と対作物距離センサーとの各検
出結果を同時に考慮できるので、作業機が左右ジグザグ
状に走行するというハンチング現象が無くなり、方位検
出器と対作物距離センサーとの両検出結果を有効に利用
した制御を実行でき、熟練した作業者が刈取り等の作業
を実行するのと同様な安定した操舵を自動的に実行でき
るのである。

〔実施例〕

次に本発明を収穫機に適用した実施例について説明す
ると、汎用コンバインである収穫機１は走行機体２の下
面に左右一対の履帯式の走行装置3,3を備え、走行機体
２の前進方向に向かって右側前部には座席付きの操縦部
４を配設し、その後方にはエンジン（図示せず）及び穀
粒蓄積用のタンク５を備え、走行機体２の左側には、円
周外面にダブルピッチのスクリュー板と適宜個数の扱歯
とを植設した前後長手の扱胴6a等を内蔵した脱穀部６
と、その下方に受け網８と、シーブ等による揺動選別装
置９と、唐箕フアン10の風による風選別装置とを備え
る。

一方、走行機体２の前面には、前記脱穀部６の前部開
口に連通する角筒状のフイーダハウス11を昇降用油圧シ
リンダ12を介して走行機体に対して昇降自在に装着して
あり、該フイーダハウス11の内部には、左右長手の搬送
板を左右一対のチエンに適宜間隔で取付けたチエンコン
ベヤ13を配設し、このチエンコンベヤ13の前端ドラム13
aはフイーダハウス11の外側面に沿って前記走行機体２
のミッションケース（図示せず）からのチエン等の伝動
部14を介して回転駆動させ、後述の刈取部15からの刈取
穀稈をチエンコンベヤ13にてフイーダハウス11における
後向き上昇傾斜する底板に沿わせ前記脱穀部６に搬送す
るものである。

符号7aは、二番樋（図示せず）からの穀粒を脱穀部６
に還元するように搬送する二番還元筒、符号7bは前記タ
ンク５内の穀粒を外部に排出するための排出筒である。

刈取部15は、前記フイーダハウス11の前端開口部に連
通する矩形筒状の介挿枠体16と、該介挿枠体16に着脱自
在に取付き、且つ走行機体２の全幅にわたって左右に延
びるバケット状のプラットホーム17とから成り、該プラ
ットホーム17には、走行機体２の全幅にわたってタイン
バー18付きのリール19を第２図の矢印方向に回転駆動さ
せるように装着してあり、プラットホーム17の下面側に
は同じく左右長手のバリカン状の刈刃20を有し、プラッ
トホーム17の底板上方には、矢印Ａ方向に回転する横長
の掻き込み用のオーガ22を備えてあり、前記伝動部14か
ら自在継手付き横向き伝動軸を介して前記リール19及び
オーガ22を回転駆動し、且つ刈刃20を駆動する。

この刈取前処理装置における回転するリール19及びタ
インバー18にて後方に引き倒された穀稈を刈刃20にて刈
取り後、掻き込み用のオーガ22にて集稈し、刈取り穀稈
はオーガ22の回転によりプラットホーム17上を横方向
（オーガ22の長手略中央方向）に送られた後、プラット
ホーム17の後板における導入口から前記フイーダハウス
11の前端開口部16の箇所にて、フイーダハウス11内のチ
エンコンベヤ13に受け継がれる。

なお、符号23は刈取部15の左右両端から前向きに突出
する分草体であり、また、前記リール19は、穀稈の倒伏
状態等に応じて前後移動調節及び上下揺動調節自在に構
成されている。

そして、刈取部15は、その左右方向略中央位置を前記
フイーダハウス11の前部に対して前向きに突出する支持
ピン箇所を中心に左右ローリング調節自在に連結するも
のであり、油圧シリンダ（図示せず）にてその左右傾斜
角度を調節できるように構成されている。

第３図は、本発明の制御手段のブロック図を示し、符
号25は中央制御装置（CPU）、26は読み出し専用メモリ
（ROM）、27は読み書き可能メモリ（RAM）を各々示し、
これらにより、後述の目標方位θｏ、検出方位θ′およ
び基準に対する対作物距離偏差ρの読取り記憶、θｏに
対する検出方位偏差（θ＝θｏ−θ′）とその適宜時間
間隔または走行距離間隔ごとに検出した値の変化量つま
り偏差変化量Δθ、前記適宜時間間隔または走行距離間
隔ごとに検出した対作物距離偏差ρの変化量つまり偏差
変化量Δρを計算し、さらにこれらの値を元にファジィ
規則により操舵指示量を決定する。

符号28は入出力インターフェイス、29は収穫機１の走
行距離を計測する走行距離検出器、符号30は地磁気（例
えば北）に対する収穫機１の進行方向の基準線（Ｋ）の
方位角度を検出する方位検出器であり、地磁気方位セン
サーや、ホール素子と磁気抵抗素子との組合せで特定の
方向の磁気（地磁気）に対して良好な感度を持ち、その
他の方向には不感とするように構成したものである。

方位検出器30は収穫機１における鉄鋼等の金属部によ
る影響をなるべく少なくするため、走行機体２の上方に
上向き突出させた支柱の上端に設けるのが好ましい（第
２図参照）。

符号31は方位設定器で、収穫機１を予め進行方向に向
けたときの前記方位検出器30にて読み込んだ基準線
（Ｋ）の方位（目標方位＝θｏ）を手動にてセットする
ことができるものであり、後述のごとく、目標方位θｏ
は修正され得る。

符号32は超音波を利用する等した非接触センサー等の
対作物距離センサーで、発信器と受信器との対からなる
対作物距離センサー32は、前記刈取部５における分草体
23の内側方等に横向きに装着してあり、刈取部５におけ
るプラットホーム17の左右幅内に位置する植立した穀稈
のうち分草体23に対してもっとも近い位置の穀稈Ｃに向
けて発信した超音波の反射音を受信器で受け、発信から
受信迄の時間の多少により、分草体23の側方から走行機
体の進行方向と略直角の横方向に位置する穀稈迄の検出
距離（ρ′）を検出し、電圧等の出力信号を出すもので
ある。

第５図及び第６図の図示実施例において刈取部15の右
側先端の分草体23側面に対作物距離センサー32を設けて
ある。

なお、前記対作物距離偏差ρとは、対作物距離センサ
ー32から穀稈Ｃ迄の基準距離ρｏに対して実際に検出さ
れた検出距離（ρ′）との差異、つまりρ＝ρｏ−ρ′
をいう。

第５図及び第６図の図示実施例において刈取部15の右
側先端の分草体23側面に設けた対作物距離センサー32が
作動しており、境界線Ｋ（既刈り取り部分と未刈取り部
分との境界線をいう）がプラットホーム17の右端部に対
して基準距離ρｏ±Δαの状態で進行するようにしてい
る。

符号33は、後述の決定された操舵指示量の出力信号に
応じて右側の走行装置３への動力伝達をOFFにする操舵
クラッチを作動させる油圧切換弁等の電磁ソレノイド
で、該操舵クラッチは手動レバー34に依っても操作で
き、OFF操作にて収穫機１は右側に旋回できる。

同様に、電磁ソレノイド35は前記決定された操舵指示
量出力信号（操向指令）に応じて左側の走行装置３への
動力伝達をOFFにする操向クラッチを作動させる油圧切
換弁等を切換え操作するものであり、該操向クラッチは
手動レバー36に依っても操作でき、OFF操作にて収穫機
１は左側に旋回できる。

次にこの構成による自動操舵制御について説明する
と、圃場を平面視矩形状に外周から刈取り脱穀するよう
に、ループ状に収穫機１を走らせて操舵する場合等にお
いて、第４図に示すフローチャートのスタート及びおよ
び初期値設定に続くステップS1で、オペレータが収穫機
１を回行して未刈取り部分との境界線の端部に位置さ
せ、当該収穫機１の向きを所定の走行方向に向かわせ
る。

ステップS2にて方位検出器30および対作物距離センサ
ー32を作動させる。このとき、同時に図示しないタイマ
ー及び／または走行距離検出器29も計測開始する。

ステップS3にて、前記ステップS1にて刈取り作業開始
位置において直進する方向に収穫機１の向きを定めた状
態で、当該収穫機１の直進すべき目標方位θｏを定める
べく方位検出器30にて方位を読み取り、方位設定器31に
てセットして記憶させる。

ステップS4では、適宜間隔（時間間隔ΔＴまたは走行
距離間隔ΔＬ）ごとに、前記方位検出器30にて検出方位
θ′を検出読み込み及び対作物距離センサー32にて作物
箇所迄の横方向の検出距離ρ′を読み込む。

ステップS5では、前記基準方位θｏ、検出方位θ′及
び検出距離ρ′から、目標方位θｏ、に対する検出方位
偏差（θ＝θｏ−θ′）とその適宜時間間隔または走行
距離間隔ごとに検出した値の変化量つまり偏差変化量Δ
θ、前記適宜時間間隔または走行距離間隔ごとに検出し
た対作物距離偏差ρ（＝ρｏ−ρ′）及びその変化量つ
まり偏差変化量Δρを計算する。

この場合、第ｎ−１回目の検出方位偏差θｎ−１と
し、第ｎ回目の検出方位偏差θｎとすれば、Δθ＝（θ
ｎ）−（θｎ−１）であり、同様に第ｎ−１回目の対作
物距離偏差ρｎ−１とし、第ｎ回目の対作物距離偏差ρ
ｎとすれば、 Δρ＝（ρｎ）−（ρｎ−１）である。

ついで、ステップS6にて以下にのべるファジィ規則に
従って操舵指示量を演算するのであり、ステップS7で
は、演算結果の操舵指示量に基づき、修正制御して、略
直進状の自動操舵制御の下に圃場をその外周から平面視
略矩形状に刈取り脱穀していくものである。

この場合、ファジィ制御では、前記２つの検出手段で
ある方位検出器30と対作物距離センサー32とで得られた
検出結果のデータ処理を高速で実行するため、作物列の
検出や方位検出の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と制御量との関係、換言すれば、
入力と出力の関係を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。

さらに、本発明のように検出対象が対作物距離と、方
位というように、一見関連のないものを、複数組合せて
制御の条件部分とする場合にもファジィ制御が適するも
のである。

次にファジィ推論を応用したファジィ制御について説
明する。

一般にファジィ推論による制御においては、制御アル
ゴリズムを、制御のための複数の情報の入力変数、例え
ば２つの入力変数（x,y）と制御機器への出力（操作
量）ｚのあいまいな関係として記述するものである。

例えば、 もしｘが小さく、ｙが大きいならば、ｚは中にする。

もしｘが大きく、ｙが中ならば、ｚは大きくする。

のように、制御アルゴリズムは（もし‥‥であれば、‥
‥にせよ）（if−then）形式のファジィ制御規則と呼ば
れるもので表現される。規則のif‥‥の部分を前件部、
then‥‥の部分を後件部と呼ぶ。

今、このファジィ制御規則を、自動操舵の制御に応用
するにあたり、本実施例では、適宜時間または適宜距離
ごとに検出した対作物距離偏差ρとその偏差の変化量Δ
ρとのデータの組、及び適宜時間または適宜距離ごとに
検出した検出方位偏差θとその偏差の変化量Δθとのデ
ータの組を前件部とし、自動操舵の操作指示量ｓを後件
部とする、ファジィ制御規則をからまでの合計18個
の規則を第１表に示す。

ここで、例えば、の規則は、もしρのラベルが「大
きく右」で、且つΔρのラベルが「０」ならば、ｓのラ
ベルは「小さく左に切る」ということを示す。

第２表から第６表までは、各偏差ρ、Δρ、θ、Δθ
の各入力変数と操作指示量ｓの出力変数が各々取るファ
ジィ変数を、整数の領域に離散化した離散型ファジィ変
数で示したものである。

そして、これらのあいまいな領域であるファジィ変数
の領域は、入力変数の全体集合の要素（メンバー）が領
域（変域）に含まれる程度（グレード）を与えることに
より定義するものであり、このグレードを与える関数を
メンバーシップ関数という。例えば、ρのファジィ変数
の領域は、対作物距離偏差ρの全体集合の要素（メンバ
ー）が領域（変域）に含まれる程度（グレード）を与え
ることにより定義される。

各表における最上段の（値）とあるのは、各変数の変
域を示し、例えば第２表における−５から５は入力変数
ρが取る値である。

実施例では、各表におけるファジー変数のラベルは、
「大きく右」、「小さく右」、「０」、「小さく左」、
「大きく左」の５種類とし、前記変数の値がこれらのラ
ベルの集合に含まれる度合（適合度＝メンバーシップ
値）を、０から10までの整数で段階的に表す。

以下に、ρｎ−１＝３（単位1/10V電圧）、ρｎ＝４
（単位1/10V電圧）、Δρ＝１（単位1/10V電圧）、θｎ
−１＝−１（単位1/30rad.）、θｎ＝−２（単位1/30ra
d.）、Δθ＝−１（単位1/30rad.）のとき、本実施例で
のファジィ推論の制御方法を説明する。

ρ＝４とΔρ＝１の組から成立するファジィ制御規則
は第１表の、の２つである。

つまり、ρ＝４のときには、第２表の値＝４から、ラ
ベル「大きく右」と「小さく右」であり、Δρ＝１のと
きには、第４表の値＝１から、ラベル「小さく右」と
「０」だからこれらの組合せのうち第１表のからま
でに存在する組合せを点検して見ると、、の２つで
ある。

同様にして、θ＝−２とΔθ＝−１の組から成立する
ファジィ制御規則は第１表の、、の３つとなる。

ファジィ制御規則のにおいて、前件部としてのρの
ラベルは「大きく右」を取る。このときの変数ρ＝４が
取り得る、前記ラベル「大きく右」におけるメンバーシ
ップ関数の適合度は、第２表から「８」となる。同様に
前件部としてのΔρのラベルは「０」を取る。このとき
の変数Δρ＝１が取り得る、前記ラベル「０」における
メンバーシップ関数の適合度は、第４表から「７」とな
る。

この２つのメンバーシップ関数の適合度「８」及び
「７」のうち小さい方の値「７」を、ファジィ制御規則
のの「もしρが大きく右でΔρが０ならば」という前
件部全体の条件に対する適合度とする。

さらに、前記ファジィ制御規則のの後件部（推論結
果）「ｓは小さく左に切る」によって与えられる、当該
操作指示量ｓのラベルは「小さく左」であるから、第６
表における離散型メンバーシップ関数の適合度の上限
を、前記前件部全体における適合度の「７」とする。

この関係を第７図、第８図、第９図に示す。

以下前記と同様にファジィ制御規則の関係は第10
図、第11図、第12図に示し、ファジィ制御規則の関係
は第13図〜第15図、ファジィ制御規則の関係は第16図
〜第18図、ファジィ制御規則の関係は第19図〜第21図
に各々すように、合計５の処理を実行したのち、各々の
規則から得られた操作指示量ｓを合成する。合成は各々
の操作指示量ｓを重ね合せて、その最も大きい値を採用
して得る。

最終的な出力値であるsoは、こうして得られたｓのメ
ンバーシップ関係の集合の重心位置の値とする（第22図
参照）。

このように中央制御装置28にて演算された最終的な操
作指示量soの数値に応じて、出力信号を出し、操舵制御
弁の電磁ソレノイド33または35を作動させ、修正操舵す
るのである。

なお、区画整理された大規模圃場のような箇所での農
作業では、圃場が平面視矩形状であるから農作業機の直
進がし易いので、前記ファジィ制御において、遠景等の
目標物という基準線に対する方位偏差θのメンバーシッ
プ関係の適合度を大きくするように、いわゆる重み付け
の設定を変更すれば、当該遠景の目標物を目印とする自
動操舵制御を強く出すことができる。

本実施例のように自動操舵制御において、ファジィ制
御を採用すれば、複数の異なる検出対象（本実施例では
入力としての偏差）で、且つ入力条件の種々の組合せを
条件部とする制御が可能となり、しかも、入力の適合度
を制御ソフトにより至極簡単に変更できるのである。

【図面の簡単な説明】

図面の本発明の実施例を示し、第１図はコンバインの平
面図、第２図は側面図、第３図は自動操舵制御装置のブ
ロック図、第４図はフローチャート、第５図はコンバイ
ンによる刈取り作業の説明図、第６図は拡大説明図、第
７図と第８図と第９図はファジィ制御規則の場合のメ
ンバーシップ関数の図、第10図と第11図と第12図はファ
ジィ制御規則の場合のメンバーシップ関数の図、第13
図と第14図と第15図はファジィ制御規則の場合のメン
バーシップ関数の図、第16図と第17図と第18図はファジ
ィ制御規則の場合のメンバーシップ関数の図、第19図
と第20図と第21図はファジィ制御規則の場合のメンバ
ーシップ関数の図、第22図は操舵指示量の決定方法を示
す説明図である。 １……作業機、3,3……走行装置、４……操縦部、15…
…刈取部、17……プラットホーム、23……分草体、25…
…中央制御装置、29……走行距離検出器、30……方位検
出器、31……方位設定器、32……対作物距離センサー、
33,35……電磁ソレノイド。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】刈取部等の対地作業部を備えて成る走行機
   体に、対地作業部から作物列等の被検出物までの進行方
   向右または左の対作物距離を検出する対作物距離センサ
   ーと、目標方位に対する走行機体の方位検出器とを搭載
   し、該方位検出器の検出方位から予め方位設定器に読み
   込ませた目標方位に沿って進行し、且つ、前記対作物距
   離センサーによる検出結果から、被検出物に沿って倣い
   操舵するように制御する自動操舵装置において、適宜時
   間間隔または走行距離間隔ごとに、目標方位に対する検
   出方位偏差とその変化量、及び基準に対する対作物距離
   偏差とその変化量とを計算する手段と、前記検出方位偏
   差とその変化量のデータの組並びに対作物距離偏差とそ
   の変化量のデータの組から操舵指示量を決定する指示量
   決定手段とから成ることを特徴とする自動走行作業機に
   おける操舵制御装置。