JP2994841B2 - 作業用走行車の自動操向制御装置 - Google Patents

作業用走行車の自動操向制御装置

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JP2994841B2
JP2994841B2 JP4032704A JP3270492A JP2994841B2 JP 2994841 B2 JP2994841 B2 JP 2994841B2 JP 4032704 A JP4032704 A JP 4032704A JP 3270492 A JP3270492 A JP 3270492A JP 2994841 B2 JP2994841 B2 JP 2994841B2
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弘章 山崎
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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
  • Guiding Agricultural Machines (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、トラクタ、田植機等の
作業用走行車の自動操向制御装置に関するものである。
【0002】
【従来技術及び発明が解決しようとする課題】今日、こ
の種作業用走行車においては、予め畦道等に設置される
標識体を走行機体に設けたカメラで撮影すると共に、該
撮影した画像を認識処理して走行機体を自動操向制御す
ることが試みられており、そしてこの場合には、撮影し
た画像における標識体位置と画像基準位置とのずれ量を
演算し、該演算されたずれ量に基づいて無人操向操作用
アクチユエータを作動制御することで自動操向が行われ
ることになる。しかるに圃場走行する走行機体は、圃場
の凹凸や作業の種類によつて左右に傾斜(ローリング)
して走行することがあり、この場合には、仮令標識体を
目標に直進制御を行つたとしても、その機体の向きは機
体傾斜方向に大きくズレてしまうことになつて自動操向
制御の精度が著しく低下するという不都合があり問題と
なつていた。
【0003】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の如き実
情に鑑みこれらの欠点を一掃することができる作業用走
行車の自動操向制御装置を提供することを目的として創
案されたものであつて、圃場に配設した標識体を走行機
体に設けたカメラで撮影すると共に、該撮影した画像に
おける標識体位置と画像基準位置とのずれ量に基づいて
走行機体を自動操向制御してなる作業用走行車におい
て、前記標識体を、上下方向に長い円柱形状もしくは円
筒形状に形成する一方、自動操向制御を行う制御部に
は、画像における標識体の左右傾斜角を演算する傾斜角
演算手段と、該演算した傾斜角に基づいて操向方向の補
正をする操向方向補正手段とを設けたことを特徴とする
ものである。そして本発明は、この構成によつて、走行
機体の左右傾斜に基づく制御誤差を補正して自動操向制
御の精度を著しく向上させることができるようにしたも
のである。
【0004】
【実施例】次に、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図1、5において、1はトラクタの走行機体で
あつて、該走行機体1の前端部中央には、正面を向くカ
メラ2が設けられており、そして実施例のカメラ2は、
CCD(Charge Coupled Device
の略、電荷結合素子)イメージセンサ機能を備えるもの
であるが、さらには、望遠並びに広角撮影を可能にする
ズーム機能を備えると共に、ズーム調整を行うためのズ
ーム調整用アクチユエータ3が装備されている。また、
カメラ2のレンズには、所定反射分光特性のピーク波長
域のみを通過させるバンドパスフイルタ(帯域通過フイ
ルタ)が取り付けられている。
【0005】図5において、4は走行機体1に設けられ
る制御部であつて、該制御部4は、所謂マイクロコンピ
ユータ(CPU、ROM、RAM等で構成される制御ユ
ニツト)を用いて形成されるものであるが、このもの
は、前記カメラ2、遠隔操作信号を受信するための受信
機5、自動操向制御をON−OFFするための自動操向
スイツチ6、後述する標識体7F、7Rの移動ピツチを
設定するためのピツチ設定器8、標識体7F、7Rをそ
れぞれ手動操作するための標識手動スイツチ9F、9R
等から信号を入力する一方、これら入力信号に基づく判
断で、操向操作用アクチユエータ、変速操作用アクチユ
エータ、クラツチ操作用アクチユエータ、ブレーキ操作
用アクチユエータ、アクセル操作用アクチユエータ、作
業部昇降操作用アクチユエータ等の無人操作用アクチユ
エータ、さらには前記カメラ2のズーム調整を行うズー
ム調整用アクチユエータ3、遠隔位置から認識可能に設
けられるモニタランプ10、標識制御信号を送信する送
信機11等に作動信号を出力するようになつている。
【0006】一方、図1に示される12F、12Rは圃
場の短辺(畦道等)に水平方向を向いて対向設置される
一対のガイドレールであつて、該ガイドレール12に
は、図2に示されるように標識移動機構13を介して前
記標識体7F、7Rがそれぞれ設けられているが、各標
識体7F、7Rは、カメラ2の撮影角度(左右角度)に
拘らず像の面積が一定となり、かつカメラ2(走行機体
1)が左右傾斜する状態では画像において標識体像の傾
斜を認識し得るよう上下方向に長い円柱もしくは円筒形
状に形成されると共に、前記バンドパスフイルタの帯域
に対応する色彩が施されている。
【0007】前記標識移動機構13は、図3に示される
ようにブラケツト14を介して標識体7F、7Rが固設
されるコ字状のフレーム15、該フレーム15の内周部
上下に前後方向を向いて軸支される各一対のローラ1
6、上下に対向するローラ16同志を連動連結する第一
ギヤ17、下側ローラ16同志を連動連結する第二ギヤ
18、該第二ギヤ18を正逆駆動せしめるモータ19、
ローラ16の回転検出をする回転センサ20、アンテナ
21を経由して前記送信機11からの標識制御信号を受
信する受信機(図示せず)、さらには上記回転センサ2
0および受信機から入力される信号に基づいてモータ1
9を駆動制御する標識移動制御部(図示せず)等で構成
されている。即ち、標識移動機構13は、上下ローラ1
6間にガイドレール12を挟む状態でガイドレール12
に移動自在に支持され、モータ駆動に伴うローラ16の
正逆回転によりガイドレール12に沿つて進退移動する
ようになつている。
【0008】ところで、前記制御部4においては、標識
体7F、7Rを移動制御する標識移動制御、遠隔操作用
送信機からの遠隔操作信号に基づいて各無人操作用アク
チユエータを作動制御する遠隔操作制御、カメラ2のズ
ーム調整を行うズーム制御、カメラ2の画像信号を二値
化する二値化処理制御、二値化処理された情報に基づい
て画像における標識体7F、7Rの有無を認識する標識
体認識処理制御、画像における標識体7F、7Rの位置
を認識する位置認識処理制御、画像における標識体7
F、7Rの位置に基づいて走行機体1を自動操向制御す
る自動操向制御、前記モニタランプ10を点灯制御する
モニタランプ制御等の各種制御を行うようになつてお
り、そして各制御の手順を図面に示すフローチヤートに
基づいて以下に説明するが、遠隔操作制御、二値化処理
制御および標識体認識処理制御は一般的な処理ルーチン
を採用しているため説明を省略する。
【0009】まず、図6において標識移動制御について
説明するが、該制御では、始めに標識手動スイツチ9
F、9Rが操作されたか否かが判断される。ここでYE
Sと判断されると、さらに前進操作であるか否かが判断
される。そして、これがYESの場合には標識体7F、
7Rを前進させるべく標識移動制御信号を送信する一
方、NOの場合には標識体7F、7Rを後退させるべく
標識移動制御信号を送信するが、両標識手動スイツチ9
F、9RがOFFの状態では、標識自動制御スイツチ
(図示せず)がONか否かが判断されると共に、これが
YESの場合には標識体7F、7Rの移動が自動制御さ
れることになる。即ち、標識自動制御スイツチがONし
た状態では、走行機体1が旋回したか否かが常時監視さ
れており、そして機体旋回が行われた場合には、旋回位
置側の標識体7F、7Rを、前記ピツチ設定器8で設定
された移動ピツチ(移動ピツチは作業幅の略二倍、但
し、耕耘作業時には作業幅をオーバーラツプさせる必要
があるため、移動ピツチは作業幅の二倍幅よりも小さく
設定される)だけを前進せしめるべく標識移動制御信号
を出力するようになつている。
【0010】一方、ズーム制御は図7に示されるが、ま
ず画像における標識体7F、7Rの有無が判断される。
ここで無しと判断された場合には、標識体7F、7Rを
見失つたと判断して一気に広角側にズーム調整すること
になる。つまり、標識体7F、7Rを見失つた場合に
は、一気に視野を広げて標識体7F、7Rを画像内に捕
らえるようになつている。一方、画像に標識体7F、7
Rが存在する状態では、画像における標識体7F、7R
の面積を算出すると共に、該算出した面積と予め設定さ
れる設定面積Kとの大小比較(不感帯α)が行われる。
そして算出した面積と予め設定される設定面積Kとが一
致する場合にはズーム調整用アクチユエータ3を停止状
態とするが、面積が一致しない場合には、画像における
標識体7F、7Rの面積が一定となるようズーム調整用
アクチユエータ3に対して作動信号を出力するようにな
つている。
【0011】また、図8に示される位置認識処理制御で
は、画像における標識体7F、7Rの位置と画像基準位
置(画像中心)とのずれ量を演算するが、該ずれ量の演
算に際しては、まず標識体7F、7Rの水平方向重心
(Hx)を以下の演算式に基づいて演算する。(但し、
カメラ2の画像は、水平方向(x方向)にn個、垂直方
向(y方向)にm個の画素を配列して構成され、またN
iはHxi列における標識体像の画素数、Sは標識体像
の総画素数、Aは標識体高さ、Vyは標識体像の垂直画
素数をそれぞれ示すものとする。) Hx=Σ{(Hxi−n/2)・Ni}/S 続いて、 W=(Hx×A)/Vy を演算することで、標識体7F、7Rの水平方向重心
(Hx)と画像基準位置との水平距離(W)を求めるよ
うになつている。
【0012】さて、図9に示される自動操向制御におい
ては、まずカメラ2の焦点距離(b)を計測すると共
に、下記の演算式に基づいてカメラ2から標識体7F、
7Rまでの距離(W)を演算する。(但し、Bは、B=
V/m×Vyによつて演算される標識体像の高さ、Vは
画像の垂直寸法をそれぞれ示すものとする。) a=(A×b)/B 次に、上記演算した距離(a)および予め設定される設
定不感帯角度(θF)に基づいて不感帯幅(WF)を下
記の如く演算する。 WF=a×tanθF そして、これらの演算が完了すると、前記位置認識処理
制御で演算した水平距離(W)の絶対値と不感帯幅(W
F)との大小比較に基づいて操向操作用アクチユエータ
に対する作動信号出力が行われることになるが、該信号
出力に先立ち走行機体1の左右傾斜に基づいた操向方向
の補正処理が行われるようになつている。
【0013】この補正処理は、二値化された標識体像デ
ータの一次回帰式{f(x)}から標識体像のロール角
(ψ)を演算し、該演算したロール角(ψ)を予め設定
される関数f(ψ)に代入して直進基準値(S)を求め
ることによつて行われる。即ち、画像における標識体位
置(左右位置)に基づいて操向輪を一定角度だけ左右方
向に操向して直進制御をするにあたり、その基準となる
直進基準値(S)を走行機体1の左右傾斜に基づいて補
正しているため、圃場の凹凸や作業の種類に拘らず精度
の高い直進制御が行われるようになつている。
【0014】さらに、図10に示されるモニタランプ制
御は、モニタランプ10の点灯を制御するものである
が、遠隔位置で走行機体1を無線操作するオペレータに
対して自動操向制御の制御状態を報知するべくモニタラ
ンプ10の状態を点灯、点滅、消灯等に切換えるように
なつている。即ち、標識体7F、7Rがカメラ画像に捉
えられている状態では、モニタランプ10を連続点灯す
ると共に、前記自動操向制御を実行する一方、カメラ2
が標識体7F、7Rを見失つた状態では、これが広角撮
影時である場合にはモニタランプ10を点滅し、望遠撮
影時である場合にはモニタランプ10を消灯すると共
に、操向輪をニユートラル位置に維持するようになつて
いる。そして、このように制御されるモニタランプ10
の状態を視認することで、オペレータは、自動操向制御
から手動遠隔操作への切換えタイミングを計ることがで
きるようになつている。
【0015】また、図14に示される22はスリツプに
影響を受けずに走行機体1の方位および位置を精度良く
認識(精度が求められる防除作業時や施肥作業時、また
は自動旋回制御等の自動制御に利用される)するために
設けられる計測装置であつて、該計測装置22は、平行
リンク23を介して走行機体1の底部に支持されるソリ
体24、該ソリ体24上に所定間隔Tを存して左右に配
設される接地輪25(機体操向に伴つて横移動すること
がないよう回動軸芯が平面視で後輪軸芯に一致してい
る)、各接地輪25の回転を検出するロータリエンコー
ダ26等で構成されている。そしてこのものでは、駆動
輪のスリツプに影響されない実際の走行距離がロータリ
エンコーダ26から検出されることになるが、両接地輪
25の軸線中心点PがPn-1からPnへ移動したときの
接地輪25L、25Rの移動量をΔlL、ΔlRとする
と、P点の移動量は、Δl=(ΔlL+ΔlR)/2で
得られ、このときの回行角(Δθ)は、Δθ(rad)
=(ΔlL−ΔlR)/Tで得られることになり、従つ
て、Pn点における回行角(θn)および座標(Xn、
Yn)は、 θn=θn-1+Δθ Xn=Xn-1+Δlsin(θn-1+Δθ/2) Yn=Yn-1+Δlcos(θn-1+Δθ/2) となり、この様な演算を行うことで方位および位置が認
識できるようになつている。
【0016】またさらに、図16に示される27は走行
機体1のトランスミツシヨンであつて、該トランスミツ
シヨン27には、図17に示されるように前進動力を断
続する前進用電磁クラツチ28、後進動力を断続する後
進用電磁クラツチ29、ブレーキをON−OFFする電
磁ブレーキ30等が設けられるが、前進用電磁クラツチ
28、後進用電磁クラツチ29および電磁ブレーキ30
の各ドライバ回路は、安全回路31を介して前記制御部
4に接続されている。この安全回路31は、所謂論理回
路で構成されるが、回路仕様を普通仕様と遠隔操作仕様
とに切換えるためのジヤンパ線回路32と、電磁ブレー
キ30を手動でON−OFFするための手動スイツチ3
3(2極双投型)とを備えている。まず、ジヤンパ線回
路32の実線側(普通仕様)が選択され、手動スイツチ
33がa側に投入されている状態の作用を説明すると、
制御部4の前進指令出力ポートP0および後進指令出力
ポートP1が共にH(ハイ)またはL(ロー)の場合、
安全回路31のA、B点は何れのときもLとなり、これ
に伴いTr1、Tr2がOFFとなつて前進用電磁クラ
ツチ28および後進用電磁クラツチ29がOFFとなる
が、C点はHとなつてTr3をONにし電磁ブレーキ3
0をONとする。一方、前進指令出力ポートP0と後進
指令出力ポートP1とが背反的な信号を出力した場合、
A、B点はL、HまたはH、Lとなり、前進用電磁クラ
ツチ28、後進用電磁クラツチ29は背反的に作動する
が、このときC点はLとなつて電磁ブレーキ30はOF
Fとなる。即ち、普通仕様状態においては、制御部4が
暴走して不自然な信号が出力された場合(前進指令出力
ポートP0および後進指令出力ポートP1が共にHの場
合等)であつても、複数のアクチユエータが同時作動す
ることを規制してトランスミツシヨン27の破損を防止
すると共に、前進用電磁クラツチ28および後進用電磁
クラツチ29がOFFのときには電磁ブレーキ30を自
動的にONさせて走行機体1の暴走を防止するようにな
つている。次に、ジヤンパ線回路32の点線側(遠隔操
作仕様)が選択され、手動スイツチ33がa側に投入さ
れている状態の作用を説明する。ここで、水平信号出力
ポートP2は、傾斜センサ34のピツチング(前後傾
斜)信号に基づき、その値が不感帯を含む水平レベルで
ある場合にHを出力するものとすると、前記C点がHの
とき機体が傾斜するとTr3がONして電磁ブレーキ3
0をONさせることになる。つまり、圃場への出入りの
際(機体傾斜を伴う)、両電磁クラツチ28、29がO
FFした場合に電磁ブレーキ30を自動的にONするこ
とで、走行機体1が暴走することを防止し、さらに水平
状態では両電磁クラツチ28、29がOFFしても電磁
ブレーキ30をOFF状態に維持することで消費電力を
節約すると共に、電磁コイルの焼き付きを防止するよう
になつている。尚、手動スイツチ33を中立のb位置に
操作した場合は電磁ブレーキ30はOFFとなり、c側
に投入した場合には電磁ブレーキ30がONすると共
に、両電磁クラツチ28、29を無条件にOFFとする
ようになつている。
【0017】叙述の如く構成された本発明の実施例にお
いて、標識体7F、7Rは、カメラ2の撮影角度に拘ら
ず像の面積が一定で、かつ走行機体1が左右傾斜する状
態では画像において標識体像の傾斜を認識し得るよう上
下方向に長い円柱もしくは円筒形状に形成される一方、
自動操向制御では、画像における標識体像の傾斜に基づ
いて直進基準値(S)を補正することになる。従つて、
圃場の凹凸や作業の種類によつて走行機体1が左右傾斜
したとしても、これに拘らず精度の高い直進制御が実行
されることになり、この結果、自動操向制御時に走行機
体1が目標から大きくズレてしまうような不都合を確実
に防止して作業精度の著しい向上を計ることができる。
【0018】しかも、標識体7F、7Rは、カメラ2の
撮影角度に拘らず像の面積が一定となるよう形成される
ため、例えば前記ズーム制御に影響を与えることもなく
極めて都合が良い。
【0019】さらに、実施例においては、画像における
標識体像が一定面積となるようズーム制御することによ
り、標識体までの距離に拘らず画像上でのずれ幅と実際
のずれ幅とを一致させて精度の高い操向制御を行う許り
でなく、一定の設定不感帯角度(θF)を設定し、該設
定不感帯角度(θF)および標識体距離(a)に基づい
て不感帯幅(WF)を逐次演算しているため、走行機体
1が標識体7F、7Rから遠い場合と近い場合とで目標
方向に対する走行機体1の許容角度が大きく異つてしま
うような不都合を解消でき、この結果、標識体7F、7
Rまでの距離に拘らず一定の制御感度で精度の高い操向
制御を行うことができる。
【0020】また、実施例のズーム制御では、標識体7
F、7Rを見失つた場合に、一気に広角側にズームして
標識体7F、7Rを探すため、完全に標識体7F、7R
を見失つて暴走状態に陥る不都合を解消することができ
る。
【0021】またさらに、カメラ2には所定の帯域のみ
を通過させるバンドパスフイルタが装着されているた
め、背景に拘らず標識体7F、7Rを確実に認識でき、
もつて標識体像の二値化を極めて容易に行うことができ
る。
【0022】尚、本発明は、前記実施例に限定されない
ものであることは勿論であつて、例えば走行機体1の左
右傾斜に基づく補正の対象は、直進基準値(S)に限ら
ず、直進基準値(S)を一定値(So)とし、操向輪の
操向量(角度、時間等)を補正するようにしてもよい。
また、標識体7F、7Rは、必ずしも単色で塗装するこ
となく、図18に示す如く正面中央に上下方向に長いス
リツト部を形成し、二色(赤と青等)以上の色彩を施し
て背景との境界を明確にするようにしてもよい。そして
この場合には、レンズLからイメージセンサS1に至る
入光経路に、波長に基づいて透過光と反射光に分光する
ダイクロイツクミラーMを設けると共に、ダイクロイツ
クミラーMの反射位置には第二のイメージセンサS2を
設け、さらに各イメージセンサS1、S2に、透過帯域
の異なるバンドパスフイルタF1、F2を装着するべく
構成すれば、各イメージセンサS1、S2において境界
が極めて鮮明な標識体像が得られて画像認識度を著しく
向上させることができる。
【0023】
【作用効果】以上要するに、本発明は叙述の如く構成さ
れたものであるから、圃場に配設した標識体の撮影画像
に基づいて走行機体を自動操向制御するものでありなが
ら、標識体は、左右傾斜を認識し得るよう上下方向に長
い円柱形状もしくは円筒形状に形成される一方、自動操
向制御においては、画像における標識体の左右傾斜角に
基づいて操向方向の補正が行われることになる。従つ
て、圃場の凹凸や作業の種類によつて走行機体が左右傾
斜した場合に、該機体傾斜に拘らず精度の高い操向制御
が実行されることになり、この結果、自動操向制御時に
走行機体が目標から大きくズレてしまうような不都合を
確実に防止して作業精度の著しい向上を計ることができ
る。
【0024】しかも、円柱形状もしくは円筒形状に形成
された標識体は、撮影角度が左右にズレても画像におけ
る面積が不変であるため、画像における標識体面積を利
用する制御に影響を与えることがなく極めて都合がよい
ものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1の(A)は圃場の平面図、(B)は側面図
である。
【図2】標識体の正面図である。
【図3】同上平面図である。
【図4】同上側面図である。
【図5】制御機構の概略構成を示すブロツク図である。
【図6】標識移動制御を示すフローチヤートである。
【図7】ズーム制御を示すフローチヤートである。
【図8】位置認識処理制御を示すフローチヤートであ
る。
【図9】自動操向制御を示すフローチヤートである。
【図10】モニタランプ制御を示すフローチヤートであ
る。
【図11】図11の(A)は画像の正面図、(B)は要
部拡大平面図である。
【図12】図12の(A)は距離aの演算を説明する説
明図、(B)は不感帯幅WFの演算を説明する説明図で
ある。
【図13】走行機体の平面図である。
【図14】図14の(A)は計測装置の側面図、(B)
は背面図である。
【図15】方位および位置の演算を説明するグラフ図で
ある。
【図16】トランスミツシヨンの伝動回路図である。
【図17】安全回路を示す回路図である。
【図18】他例を示す標識体の正面図である。
【図19】他例を示すカメラの側面図である。
【図20】図20の(A)、(B)はそれぞれ作用説明
図である。
【符号の説明】
1 走行機体 2 カメラ 4 制御部 7 標識体

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圃場に配設した標識体を走行機体に設け
    たカメラで撮影すると共に、該撮影した画像における標
    識体位置と画像基準位置とのずれ量に基づいて走行機体
    を自動操向制御してなる作業用走行車において、前記標
    識体を、上下方向に長い円柱形状もしくは円筒形状に形
    成する一方、自動操向制御を行う制御部には、画像にお
    ける標識体の左右傾斜角を演算する傾斜角演算手段と、
    該演算した傾斜角に基づいて操向方向の補正をする操向
    方向補正手段とを設けたことを特徴とする作業用走行車
    の自動操向制御装置。
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