JP2984024B2 - 超音波センサーつき自動走行作業車両 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、車体に搭載し、且つ左右に回動する超音波
センサーから、当該走行車体の左右両側に配列された２
列状の目標物に向かって超音波を送波し、その目標物か
ら反射して戻ってくるまでの時間を測定することによ
り、前記２つの目標物列の間で、当該目標物列に沿って
無人自動走行できるようにするための制御装置を備えた
自動走行作業車両に関するものである。

〔従来の技術〕

特開昭62−61509号公報では、芝刈り用の無人作業車
両の車体に搭載したビデオカメラで既作業地と未作業地
との境界線（目標物）を撮像して得られた画像情報か
ら、前記境界線の仮想線を演算し、この演算結果から、
操舵制御指示量を演算し、走行車体が境界線に略沿うよ
うに操舵制御することを提案している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしビデオカメラのような撮像手段をセンサーとし
て使用すると、その得られた画像情報を処理する画像処
理手段が複雑になり、コストが高くなるという問題があ
った。

他方、例えば特開昭58−217012号公報では、果樹園等
で使用する薬剤散布機（スピードスプレヤ）等の無人作
業車両において、その車体に搭載した超音波センサーに
より車体前方位置の障害物を検出して、車両を停止させ
るように制御することが開示されているが、この超音波
センサーを利用して前記の撮像手段によるのと同様の操
舵制御を実行することは、今まで考えられていなかっ
た。

ところで、超音波センサーから目標物に向かって超音
波を照射し、目標物から反射して帰って来る時間を測定
することにより、当該目標物迄の距離が検出できるし、
その照射（送波）方向（超音波センサーの方位）を知れ
ば、超音波センサーに対する目標物の方向を検出するこ
とができる。

しかしながら、果樹園等における樹木列や杭のように
列状に並んだ目標物列の間を、その目標物列に沿って車
体を走行させるように制御する場合、目標物列を直線と
仮想し、超音波センサーの検出結果からその仮想線を演
算し、この仮想線に沿って操舵制御することも考えられ
るが、この仮想線の演算に誤差が生じると、正確且つ安
全な操舵制御が困難になる。

特に、樹木では枝葉が茂っているので、この枝葉に超
音波が反射される状態は複雑であり、また、前記枝葉は
目標物である樹木の幹列から横に大きくはみ出し、しか
もそのはみ出しの形態は整然としていないことから、超
音波センサーの検出結果から樹木の幹の列を１列として
特定することが困難であるという問題があった。

本発明は、こ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〕

この目的を達成するため、本発明は、左右２列の目標
物列間を走行する自動走行作業車両の車体に設けた超音
波センサーを、回動駆動手段にて左右回動するように構
成し、超音波センサーから送波された超音波が目標物箇
所で反射して戻って来るまでの伝搬時間に対応する出力
値とその送波方位とによる検出値分布図を作成し、該検
出値分布図が左右ほぼ対称形状となる位置に沿って車体
が走行するように操舵制御指示量を演算する制御手段を
備えたものである。

〔発明の作用および効果〕

本発明の構成によれば、レーダーのように超音波セン
サーを左右に回動させて、超音波センサーによる検出範
囲を、作業車両の前方の左右に広げて走査するものであ
り、しかも、超音波センサーから目標物までの距離に比
例する出力値と、その超音波の送波方向である方位とに
よる検出値分布図を作成し、該検出値分布図が左右ほぼ
対称形状となる位置に沿って車体が走行するように、操
舵制御指示量を求めると、樹木のように複雑な形状の目
標物であっても、その目標物による左右２列の中間の最
も広い空間を目指すように操舵制御できるから、仮想線
を求めて、その仮想線に略沿うように操舵制御指示量を
決定する場合のように、前提となる仮想線自体に含まれ
得る誤差のため、目標物に衝突するという、危険性も無
くなり、確実、且つ安全な自動操舵制御を実行すること
ができるという顕著な効果を奏する。

また、目標物による左右２列の中間位置は、前記検出
値分布図が左右対称状となる場合の左右対称中心線上と
対応するから、前記目標物による左右の列に沿う方向を
簡単に判別することができ、前記仮想線を求めるという
煩雑な演算を実行しないので、迅速な演算処理を行うこ
とができ、走行車体の操舵制御のような頻繁な調節の必
要なものであっても、正確、且つ安全な制御を達成する
ことができるという効果も奏するのである。

〔実施例〕

次に本発明の操舵制御装置を自動走行型の薬剤散布機
（スピードスプレヤ）に適用した実施例について説明す
ると、スピードスプレヤである作業車両１は、車体２の
前部にハンドル３を備えた運転操作部を有し、車体２の
後部には薬液タンク４とその後部に噴霧部５とを備えて
いる。

噴霧部５は、車体２の下面を除く外周面に適宜間隔で
半径外向きに臨ませた多数の噴霧ノズル６と、その半径
外向きに風を送る送風機（図示せず）が装着され、前記
噴霧ノズル６は車体２の左右及び上面との３区画若しく
は左右２区画ごとに噴霧の作業を実行するように散布制
御できるものである。

符号7,7は左右前輪、符号8,8は左右後輪であり、これ
らの４輪はエンジン13からの動力が走行変速機構14を介
して各々伝達されて駆動できるいわゆる４輪駆動型であ
り、さらに前後４輪とも、前部操舵装置９と後部操舵装
置10により各々その車輪の向きを左右に回動変更できる
いわゆる４輪操舵型である。

前部操舵装置９とハンドル３とは従来周知のステアリ
ング機構介して連結されている。このステアリング機構
は機械的または油圧系統を含む機構である。

前部操舵装置９は、そのステアリング機構に取付く複
動式の油圧シリンダ15の作動にて左右前輪7,7の向きを
変更させることができる。

同様に後部操舵装置10においても、そのステアリング
機構に取付く左右一対の油圧シリンダ16の作動にて左右
前輪8,8の向きを変更させることができる。

第２図に示す油圧回路17は油圧ポンプ18から電磁制御
弁19を介して前記前部操舵装置９における油圧シリンダ
15に、また電磁制御弁20を介して後部操舵装置10におけ
る油圧シリンダ16に各々作動油を送るものであり、符号
21は前輪７の操舵角度を検出できる操舵角度センサー、
符号22は後輪８の操舵角度を検出し、フィードバック制
御に利用できる操舵角度センサーである。この場合、左
右車輪の向き角度の平均値を求めて検出しても良い。

なお、操舵制御は前部操舵装置９または後部操舵装置
10のいずれか一方のみ設けた車体（作業車両）であって
も良いのである。

符号23は、車体２の前部に設けた超音波センサーで、
その送波器23a及び受波器23bをステップモータ24に連結
し、作業車両１の進行方向左右両側に同じ角度 （実施例では−π/2≦θｏ≦π/2）だけ首振り回動する
ように設けてある。

そして、目標物である樹木Ｍの幹Mbの部分ではなく、
枝葉Maの箇所に向かって超音波を照射（送波）するよう
に、超音波センサー23の設置高さを高くする。

前記ステップモータ24は、前記超音波センサー23によ
る照射方向が適宜ピッチで右または左の方向に移るよう
に回動駆動するための駆動手段であり、適宜ピッチのス
テップでステップモータ24を駆動させて超音波センサー
23を間欠的に回動させることにより、車体２前方適宜範
囲（中心角度θｏ、実施例では180度）を走査するよう
にしたものである（第５図及び第７図参照）。

第３図の実施例の制御回路ブロック図における符号25
は中央コントローラで、読み書き可能メモリ（RAM）、
読み出し専用メモリ（ROM）および入出力インターフェ
イス等が接続されている。

符号26は、所定の周波数（高周波）の超音波インパル
スを超音波センサー23における送波器23aから送波し、
受波器23bで反射波を受波するためのセンサーコントロ
ーラで、同期パルス発生器、パルス発信器、増幅器等を
備えている。

符号27は超音波センサー23に対するステップモータ24
の基準位置検出センサーである。

前記超音波センサー23における送波側と同期させた検
出信号をA/D変換し、マルチプレクサを介して中央コン
トローラ25にはデジタル信号として入力する。

他方、超音波の照射方向（方位）θは、ステップモー
タ24に対する入力パルス数やステップモータ24に取りつ
くポテンショメータの検出値で知ることができる。

送波器23aから送波して目標物Ｍ箇所で反射し、受波
器23bまで到達する超音波の伝搬時間（Ｔ）は、超音波
センサー23から目標物Ｍまでの距離（ｍ）に比例するの
で、この伝搬時間（Ｔ）の長短の検出信号を第４図に示
すうような電圧（Ｖ）と距離（ｍ）との関係に変換し、
センサーコントローラ26から出力する。

この場合、超音波センサーから目標物までの距離が一
定以下の近距離では、送波と受波とが互いに干渉して距
離の測定が不可能な、いわゆる不感知範囲が存在し、ま
た、前記距離が一定以上のときには、反射して帰ってく
る超音波がないので、最大検出距離（Lmax）の電圧値
（Vmax）と同じ値とする。

なお、空気中における超音波の伝搬速度は、当該空気
の温度（気温）が高くなるのに比例して速くなるので、
温度補正センサーを設けて置くのが好ましい。

次に本発明の制御装置における制御の態様を、第９図
に示すフローチャート（サブルーチン）に従って説明す
ると、スタートおよび初期設定に続くステップ901で、
超音波センサー23を、作業車両の進行方向に対して右向
き90度方向〔角度（π/2）〕に向けるスタート位置にセ
ットする。

ステップ902では、超音波センサー23の照射方向を右
から左へ適宜回動角度のステップで移動させて検出作業
を実行し、ステップ903では、その検出信号である電圧
信号（出力値Ｖ）と、超音波の照射方向（方位）θの対
のデータをメモリに記憶させる。

ステップ904は、前記方位θが（−π/2、作業車両の
進行方向に対して左向き90度方向）に向いているか否か
を判別するものであり、noのときには、ステップ905で
超音波センサー23を一定ステップ角度だけ回動させた後
ステップ902に戻して検出作業や記憶作業を繰り返す。

中心角度θｏ（180度）だけの一回の走査（スキャ
ン）の検出作業が完了すると、ステップ904でyesの判別
となり、前記出力値（Ｖ）と方位θとのデータを、中央
コントローラ25における検出値分布図作成回路に送り込
み、第６図や第８図のごとき検出値分布図を作成する
（ステップ906）。

中央コントローラ25における検出値分布図作成回路
（図示せず）では、超音波センサーから送波された超音
波が目標物箇所で反射して戻って来るまでの伝搬時間に
対応する出力値とその送波方位とによる検出値分布図を
作成する。

第５図に示すように、作業車両１が左右の目標物Ｍの
列X1,X2の中央にあって、その進行方向が前記両列X1,X2
と略平行状になっている場合には、第６図に示すような
左右対称形状の検出値分布図が作成されるのであり、左
側列の目標物M₁,M₃,M₅…の箇所及び右側列の目標物M₂,M
₄,M₆…の箇所では、超音波センサーまでの距離に応じて
出力値（Ｖ）が低くなる。なお、各目標物である樹木の
枝葉Mbの張り出し程度に応じて、前記出力値（Ｖ）が低
い区間幅も異なることになるし、超音波センサーから遠
い位置での樹木での出力値の低い区間幅は小さくなる。

また第７図に示すように、作業車両１が左右の目標物
Ｍの列X1,X2の間にあって、その進行方向が前記両列X1,
X2と交差するように傾いている場合には、第８図に示す
ように、前記と同様に左側列の目標物M₁,M₃,M₅…の箇所
及び右側列の目標物M₂,M₄,M₆…の箇所では、超音波セン
サーまでの距離に応じて出力値（Ｖ）が低くなるが、そ
の低くなる方位（θ）の箇所が左右非対称形状となる。

ついでステップ907において、前記検出値分布図の重
心位置（Ｇ）の座標（θG,VG）を求める演算を実行す
る。この演算は、中央コントローラ25における演算回路
で行い、前記超音波センサー23のステップ回動角度ごと
の幅に出力超音波（Ｖ）の高さを掛けた短冊面積の和
（積分値）にて検出値分布図形の面積をまず求め、これ
から、重心位置Ｇの原点Ｏに関する座標（θG,VG）を求
めれば良い。

次いで、ステップ908では、前記検出値分布図の重心
位置（Ｇ）に基づいて、前記目標物列に沿って走行する
ように操舵制御指示量θｓを演算する。このとき、 操舵制御指示量θｓ＝ａ・（θG/VG） のように、θＧの絶対値が小さくなる方向で、且つVGが
大きくなる方向、換言すれば、左右２列の中央の空間の
多い方向に向かって進行できるように操舵制御を実行す
るのである。

このように、θＧの絶対値をとるのは、実施例で進行
方向に対してθが正負の値を採ることからであり、θＧ
の絶対値が小さくなる方向に制御するのは、第６図に示
すように、左右対称形状の場合には、θが０（零）とな
ることからも理解できるように、左右２列の略中間の位
置に作業車両１の車体２を向けるためである。

換言すれば、目標物による左右２列の中間位置は、前
記検出値分布図が左右対称状となる場合の左右対称中心
線上と対応するから、前記左右対称中心線上に沿いもし
くはそれと平行状に車体を沿わせるべく操舵すれば、前
記目標物による左右の列に沿う方向を簡単に判別するこ
とができて、左右２列の間を安全に自動走行（無人走
行）することができる。

また、出力値（VG）が大きくなる方向というのは、超
音波センサーから目標物までの距離が大きい方向は前記
出力値も大きくなり、作業車両の進行方向前方の空間が
大きく開いているから、その方向に進路を求めると、目
標物である樹木に衝突したり接触することなく走行でき
るからである。

次いで、ステップ909では、前記操舵制御指示量θｓ
に基づき、操舵駆動手段である前記電磁制御弁19,20の
電磁ソレノイド28,29を操作する信号を出し、実操舵角
度θｌが許容範囲θva内に入っているか否かを判別し
（ステップ910）、許容範囲θva内であるとき（yesのと
き）には、ステップ901の前に戻し、再度超音波センサ
ーによる検出による制御を実行し、許容範囲θva外にあ
るとき（noのとき）には、ステップ909に戻して電磁ソ
レノイド28,29の操作を続行するのである。

このように操舵制御すれば、作業車両１は左右両側の
目標物（樹木）の列の略中央位置で、左右に横ずれする
ことなく、樹木列に沿って進行することができる。

なお、左右いずれか一方の樹木の列に近づけつつ、前
進したい場合には、前記θＧの値に±いずれかの補正値
を加える等の補正を実行して操舵制御指示量を決定すれ
ば良いのである。

また、目標物Ｍから超音波センサー23ひいては車体２
の前端部迄の距離か所定の距離以内であると中央コント
ローラ25で判断するときには、車体２に搭載し、又は遠
隔操作装置（図示せず）に設けたブザー等の警報装置30
を作動させ、これに加えて、ブレーキ駆動手段及び／又
はエンジン停止装置を作動させて作業車両１を緊急停止
させるようにしても良いのである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は作業車両の斜視
図、第２図は操舵制御の機構と油圧回路を示す図、第３
図は制御装置ブロック図、第４図は超音波センサーによ
る目標物迄の距離と出力値との関係を示す図、第５図は
作業車両が目標物列に対して略平行状に位置している関
係を示す平面説明図、第６図は第５図の状態における検
出値分布図、第７図は作業車両が目標物列に対して傾斜
状に位置している関係を示す平面説明図、第８図は第７
図の状態における検出値分布図、第９図はフローチャー
トである。 １……作業車両、２……車体、３……ハンドル、５……
噴霧部、７……前輪、８……後輪、９……前部操舵装
置、10……後部操舵装置、23……超音波センサー、24…
…ステップモータ、25……中央コントローラ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】左右２列の目標物列間を走行する自動走行
   作業車両の車体に設けた超音波センサーを、回動駆動手
   段にて左右回動するように構成し、超音波センサーから
   送波された超音波が目標物箇所で反射して戻って来るま
   での伝搬時間に対応する出力値とその送波方位とによる
   検出値分布図を作成し、該検出値分布図が左右ほぼ対称
   形状となる位置に沿って車体が走行するように操舵制御
   指示量を演算する制御手段を備えたことを特徴とする超
   音波センサーつき自動走行作業車両。