JP3205006B2 - 作業車両における自動操舵制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、農作業機等の作業車両
を誘導経路に沿って敷設した誘導ケーブルに略沿うよう
に自動操舵制御する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、果樹園等における自動走行型
の薬剤散布機（スピードスプレヤ）等においては、作業
経路（誘導経路）に沿って地中に埋設した誘導ケーブル
に交流電流を流し、この誘導ケーブルから発生する交流
磁界の強度の変化を走行車両の前部等に装着した左右一
対のピックアップコイル等の磁気センサーにて検出し、
この誘導ケーブルに対する走行車両の横ずれの大きさに
対応して発生する左右一対の磁気センサーでの出力値
（電圧値）の差を取って、横ずれの大きさ（偏位量）と
横ずれの方向（右か左かの判別）とを求め、これらの検
出結果から走行車両を誘導ケーブルに沿って走行するよ
うに、走行車両における操舵車輪の向きを変えて操舵制
御することが行われている（実開平２−８４９０９号公
報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように誘導ケーブ
ルに沿うように操舵制御するときには、その誘導経路中
に別の障害物が存在してもこれを感知することができ
ず、特に、誘導ケーブルを敷設した後に他の障害物が誘
導経路内に出ているときには、これを回避する操舵がで
きないという問題があった。

【０００４】この問題を解決するため、別の先行技術と
しての特開昭６０−２５８６１２号公報では、薬剤散布
機（スピードスプレヤ）の車体に複数の超音波センサー
を設け、これら超音波センサーの検出結果により、左右
一対の立木列と車体迄の距離を判別して当該左右一対の
立木列の間を通過するように操舵制御することを提案し
ている。

【０００５】しかしながら、超音波センサーによる検出
範囲、特に計測可能な距離範囲に限界がある。さらに、
立木列のように間隔を空けて樹木が立設していると、誘
導経路であるか障害物かの判別が困難となる。従って、
超音波センサーによる検出だけで操舵制御すると、蛇行
状の操舵制御になり易いという問題があった。そこで本
発明は、前記両先行技術の欠点を補い、２種類のセンサ
ーにて正確且つ迅速に操舵制御を実行できる操舵制御装
置を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明では、誘導ケーブルから出る交流電界を磁気
センサーにて検出して、当該誘導ケーブルに略沿うよう
に操舵する制御手段を設けてなる作業車両において、該
作業車両には、障害物等を検出する超音波センサーを設
け、前記誘導ケーブルに沿う操舵制御に優先させて超音
波センサーの検出による障害物回避制御を実行すると共
に、前記超音波センサーの検出結果が障害物なしとの結
果を得たときには、障害物検出及び判定を所定回数繰り
返す制御手段を設けたものである。

【０００７】

【実施例】次に本発明を自動走行型の薬剤散布機（スピ
ードスプレヤ）を誘導するシステムに適用した実施例に
ついて説明する。スピードスプレヤの作業車両１の前部
側にハンドル３を備えた運転操作部２を有し、作業車両
１には平面視略Ｌ字状の薬液タンク４とその後部に噴霧
部５とを備えている。

【０００８】噴霧部５は、作業車両１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７が装着され、
前記噴霧ノズル６は作業車両１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８，８は左右前輪、
符号９，９は左右後輪であり、これらの４輪はエンジン
１０からの動力が走行変速機構１１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、エンジン１
０からの動力を別の動力伝達機構１２を介して送風機７
を回転させ、また噴霧ノズル６に対する動力ポンプ１３
を駆動させる。

【０００９】ハンドル３付き操舵装置１４は、図３に示
すような機械的または油圧系統を含むパワーステアリン
グ機構１５であり、このパワーステアリング機構１５は
油圧回路１６における複動式の油圧シリンダ１７にて作
動し、油圧シリンダ１７が伸長するとき、平面視Ｗ字状
のベルクランク１８を介して後輪９，９を左向きに変更
すると共に、連結ロッド１９及び平面視Ｖ字状のベルク
ランク２０を介して前輪８，８を右向きに変更する（油
圧シリンダ１７が縮小するときには前輪は左向き、後輪
は右向きに変更される）というように、前後４輪ともに
向きを変えて左右に回動変更できるいわゆる４輪操舵型
である。

【００１０】その油圧回路１６を図４に示し、符号２８
は、自動操舵用の油圧シリンダ１７に対する電磁ソレノ
イド式制御弁であり、符号２９は走行ブレーキ及びクラ
ッチ作動のための油圧シリンダ３０を制御する制御弁で
あり、これらは、油圧ポンプ２２からの作動油送りの場
合に前記手動操舵用の制御弁２３よりも上流から分岐し
た油圧管３１に接続する。

【００１１】手動操舵のときには、ハンドル３の回動角
度に比例して制御弁２３を介して油吐出量を送る油圧モ
ータ２１から、前記ステアリング機構１５に取付く複動
式の油圧シリンダ１７に油を送り、自動操舵制御のとき
には油圧ポンプ２２から電磁ソレノイド式制御弁２８を
介して油圧シリンダ１７に作動油を送る。符号２５は前
輪８の操舵角度を検出できるポテンショメータ等の操舵
角度センサーであり、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。

【００１２】なお、前輪と後輪とを別々の油圧シリンダ
式パワーステアリング機構を介して連結して、前輪と後
輪とを個別的に操舵制御するようにしても良い。作業車
両１の下面には、その前部に左右一対の磁気センサー２
６ａ，２６ｂを設ける。この磁気センサー２６ａ，２６
ｂは、導体をコイル状に巻いたピックアップコイルであ
っても良いし、ホール素子、ホールＩＣ、磁気抵抗素
子、磁気トランジスタであっても良く、後述する交流電
流発生装置５３にて誘導ケーブル２７に印加された適宜
周波数の交流電流により、当該誘導ケーブル２７の周囲
に発生する交流磁界の強度を検出することができるもの
である。誘導ケーブル２７は果樹園の作業経路である誘
導経路に沿って形成した溝内に敷設するか、または地中
に埋設する。

【００１３】なお、前記誘導ケーブル２７にパルス的に
直流電流を流したり、直流電流にパルス信号を載せる等
して交流磁界を発生させても良い。さらに、敷設する誘
導ケーブル２７は、一本（単線）であっても良いし、左
右に適宜隔てて平行状に敷設する、いわゆるステレオ型
であっても良い。誘導ケーブル２７の形状は通常の断面
円形のワイヤ状又は偏平な帯状であっても良い。

【００１４】図５は操舵制御装置３２のブロック図を示
し、マイクロコンピュータ等の中央処理装置３３には、
読み書き可能メモリ（ＲＡＭ）３４及び読み出し専用メ
モリ（ＲＯＭ）３５が接続されている。また、中央処理
装置３３には、前記磁気センサー２６ａ，２６ｂからの
検出信号をＡ／Ｄ変換器３６，３６でデジタル信号に変
換した後入力し、誘導ケーブル２７の軸線に対する作業
車両１の中心線の横ずれの偏位量や、車体の横ずれ方向
が左右いずれであるかを中央処理装置３３にて演算する
のである。

【００１５】つまり、一対の磁気センサー２６ａ，２６
ｂの検出信号を演算すれば、車体の前部における誘導ケ
ーブル２７に対する横ずれの偏位量を求めることおよび
横ずれの向き（右または左）を判別することができる。
なお、作業車両１の前後に各々左右対の磁気センサーを
設けて、前部対の磁気センサーの検出・演算結果から前
部操舵装置を作動する一方、後部磁気センサーの検出・
演算結果から後部操舵装置を作動するように構成しても
良い。

【００１６】符号３７は、誘導経路中の障害物を検出す
るための超音波センサーで、該超音波センサー３７は、
その送波器３７ａと受波器３７ｂとをステップモータ３
８にて水平回動するように構成する。つまり、作業車両
１の進行方向の左右両側に同じ角度の走査領域θｏ（実
施例では、−π／２≦θｏ≦π／２）だけ首振り回動す
るように構成する。符号３９は超音波センサー３７（特
に受波器３７ｂ）の向きを検出するためのポテンショメ
ータ等の方位センサーである。

【００１７】前記送波器３７ａで送波する超音波のパル
スのデューティ比をτ／Ｔｏとする。但し、超音波のパ
ルスのデューティをτ（秒）、パルス繰り返し間隔をＴ
ｏ（秒）とする。また、障害物を検出することが可能な
最大計測距離をＬｏとし、超音波センサー３７の受波器
３７ｂの指向角度をαとし、ステップモータ３８を一定
の回動走査角速度ω（ラジアン／秒）で回動させる。

【００１８】そして、本実施例では、回動する送波器３
７ａから出た超音波が前記最大計測距離Ｌｏの箇所の障
害物で反射し、同じく回動している受波器３７ｂで受波
できるように、回動走査角速度ωを設定するものとす
る。符号４０は作業車両１の向きを地磁気にて検出する
ための地磁気センサー、符号４１は薬液タンク４内の薬
液レベル（水面高さ）を検出するための電気抵抗式等の
レベルセンサー、符号４２は噴霧時の薬液消費量を検出
するための流量検出センサーを示し、これらは、中央処
理装置３３におけるインターフエイスの入力端子に接続
する。

【００１９】中央処理装置３３におけるインターフエイ
スの出力端子には次のものを接続する。即ち、薬液タン
ク４から噴霧ノズル６に薬液を送る動力ポンプ１３の駆
動回路４３と、薬液流通管の途中に設けて液の流通量を
調節し，遮断することが可能な調節バルブ４４の駆動回
路４５と、前記自動操舵用の制御弁２８の右操舵用電磁
ソレノイド２８Ｒの電気式駆動回路４６と左操舵用電磁
ソレノイド２８Ｌの電気式駆動回路４７と、前記薬液タ
ンク４内の薬液レベルが最低になったとき、点灯する表
示ランプ４８と、作業車両１の走行ブレーキを作動させ
るアクチェータの駆動回路４９と、エンジンの動力伝達
を継断するクラッチを作動させるアクチェータの駆動回
路５０とを接続する。

【００２０】なお、噴霧部５からの薬液散布量を調節す
るための薬量調節バルブ４４の駆動回路４５を無線操作
機器にて遠隔操作できるように構成すれば、薬液散布の
ＯＮ・ＯＦＦも実行できる。また、中央処理装置３３に
車速センサー５２の検出信号を入力し、走行変速機構１
１の油圧シリンダもしくはＤＣモータ等のアクチェータ
を作動させる駆動回路５３に出力信号を出すように構成
する。

【００２１】なお、図８及び図９において、符号Ｍ１〜
Ｍ６は立木の位置を示し、右のＭ１，Ｍ３，Ｍ５‥‥の
立木列と、左のＭ２，Ｍ４，Ｍ６の立木列との間に立木
列と略平行状に誘導ケーブル２７を配設する。この構成
において、中央処理装置３３にて、前記作業車両１に設
けた左右一対の磁気センサー２６ａ，２６ｂで検出した
誘導ケーブル２７に対する横ずれ量を演算し、この検出
横ずれ量と操舵角度センサー２５の検出値とから、前記
横ずれ量が小さくなるように操舵制御するための操舵修
正指令量信号を求めて、電気式駆動回路４６，４７に駆
動パルス信号を与える。

【００２２】他方、図８及び図９に示すように、前記誘
導ケーブル２７に略沿うように操舵制御を実行中に、超
音波センサー３７にて障害物５５を検出したときには、
この障害物箇所を回避する操舵、もしくは走行停止する
制御を優先して実行するように、中央処理装置３３で制
御処理する。前記障害物検出の制御を、図６に示したサ
ブルーチンフローチャートに従って説明すると、スター
トに続き、前述の超音波センサーを所定走査角速度で回
動させながら、対象物（障害物５５）までの距離を検出
する（ステップ６０１）。次いで、後に詳述する（図７
のフローチャート参照）障害物判定制御を実行して（ス
テップ６０２）、ステップ６０３で障害物有りと判断さ
れると、その障害物に対して作業車両１が衝突しないよ
うにする障害物回避制御を実行する（ステップ６０
４）。この障害物回避制御は、作業車両１の走行停止、
または走行停止に加えて警報音発生、もしくは警報表示
ランプ（赤色ランプ）５６の点滅を実行するのである。
このように、障害物回避制御を実行したとき、離れた位
置の作業者（監視者）にその旨の警報音または警報表示
ランプの点灯（点滅）等にて知らせるようにすれば、一
層効果的である。警報表示ランプ５６は作業車両１から
上向きに突出する支柱５７上に装着して遠くから識別で
きるようにすると良い。

【００２３】前記ステップ６０４で障害物なしと判別す
ると、通常の誘導ケーブル２７から発生する交流磁界を
磁気センサー２６ａ，２６ｂで検出した検出値を読み込
み（ステップ６０５）、この検出値に基づいて、誘導ケ
ーブル２７に略沿うような操舵制御、いわゆる電磁誘導
操舵制御を実行するのである。次に、障害物判定制御に
ついて説明すると、スタートに続き、超音波センサーの
検出回数をカウントするためのカウンタ値ｎを０にセッ
トし（ステップ７０１）た後、超音波センサーの検出値
Ｌ（ｎ）を読み込む（ステップ７０２）。次いでステッ
プ７０３にて、前記検出値Ｌ（ｎ）が所定距離Ｘ（ｄ）
より小さいか否かを判別する。この所定距離Ｘ（ｄ）
は、障害物Ｓが存在するとき車体を停止させる等の回避
処置が必要な距離のうちの最大値であり、予め、読み出
し専用メモリ（ＲＯＭ）３４または読み書き可能メモリ
（ＲＡＭ）３５に記憶させておく。また、所定距離Ｘ
（ｄ）は、前記最大計測可能距離Ｌｏより小さい値であ
る。

【００２４】ステップ７０３で、noと判断されると、前
記カウンタ値ｎをインクリメントし、カウンタ値が所定
値Ｎを越えたか否かを判断し（ステップ７０４，７０
５）、所定値Ｎを越えない（yes の）とき、ステップ７
０２の前に戻し、再度前記超音波の検出値読み込みおよ
び判別を所定回数Ｎだけ繰り返して後、「障害物なし」
と判別する（ステップ７０６）。このように所定回数繰
り返すことで、超音波センサーの検出時のノイズ等で障
害物が有るのに無しと判断する誤判断を防止できる。前
記ステップ７０３でyes と判断するときには、「障害物
有り」と判別する。のである。

【００２５】次に、誘導経路が直線部と回行部（湾曲
部）とを有する場合において、作業車両１をそれらの各
部分に沿うように正確に且つ迅速に操舵制御することに
関して説明する。前述の場合、作業車両１に搭載した左
右一対または左右２対の磁気センサーで誘導ケーブル２
７から出る交流磁界の強さの偏差を単純に検出しただけ
では、その箇所が直線部であるか回行部であるかの判別
が困難である。そこで、複数回検出した結果の移動平均
値を演算することで、前記の直線部と回行部との区別を
迅速・確実且つ精度よく行えるようにする。つまり、Δ
Ｔ時間ごとにサンプリングした左右対の磁気センサー２
６ａ，２６ｂによる検出結果から演算した各横ずれ量
（Δｅ１，Δｅ２，Δｅ３，Δｅ４，Δｅ５，Δｅ６‥
‥）を、過去の数回分（例えば５回分）づつ採用して、
その平均値を演算するとき、時系列的に並べるという移
動平均法により、移動平均値Δｅｍを求める。前記の場
合、第１回目の移動平均値Δｅｍ１＝（Δｅ１＋Δｅ２
＋Δｅ３＋Δｅ４＋Δｅ５）／５であり、第２回目の移
動平均値Δｅｍ２＝（Δｅ２＋Δｅ３＋Δｅ４＋Δｅ５
＋Δｅ６）／５、第３回目の移動平均値Δｅｍ３＝（Δ
ｅ３＋Δｅ４＋Δｅ５＋Δｅ６＋Δｅ７）／５となる。
直線部では、通常操舵制御による収斂にて誘導ケーブル
２７が作業車両１の左右中心に位置するようになるか
ら、移動平均値が大きく変動しないし、移動平均値自体
も小さい。

【００２６】他方、回行部、特に直線部から回行部に移
る箇所では移動平均値が増大するように変化するのが一
般的である。また、回行部から直線部に移る箇所では、
移動平均値が減少するように変化するのが一般的であ
る。そして回行部では、前記移動平均値自体も大きい値
を示す。また、直線部では、一般に誘導ケーブル２７に
対する車体の横ずれ量Ｅの大きさが小さく、且つ修正す
べき操舵角度は小さいものである。他方、回行部では誘
導ケーブル２７に対する作業車両１の横ずれ量の大きさ
が大きく、且つ操舵角度を大きく変更する必要がある。
そこで、図１０に示すように、前記誘導ケーブル２７に
対する車体の横ずれ量の大きさ及びずれ方向により、例
えば５つのゾーンに区別する。第１ゾーン及び第２ゾー
ンは作業車両１の左右中心に対して左寄り位置にあるこ
とを意味し、第３ゾーンは中央位置、第４ゾーン及び第
５ゾーンは右寄り位置にあることを意味し、。横ずれ
量、ひいては前記演算結果の移動平均値Δｅｍが第１ゾ
ーン及び第２ゾーンにあるときは、左旋回の回行部とな
り、且つ第１ゾーンは小旋回半径の回行部、第２ゾーン
は大旋回半径の回行部と判断される。第４ゾーン及び第
５ゾーンは、前記と反対に右旋回の回行部であって、第
５ゾーンは小旋回半径の回行部、第４ゾーンは大旋回半
径の回行部と判断される。第３ゾーンは直線部と考えて
良い。

【００２７】ここで、各ゾーンにおける車体の横ずれ量
Ｅと前記移動平均値との関係を「表１」に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】そして各ゾーンにおいて基準値ＫＥを設定
し、この各基準値に対して、車体の基準操舵角度を設定
する。例えば、各ゾーンでの横ずれ量の中間値を基準値
ＫＥとする。この基準値ＫＥに対して前記演算した移動
平均値Δｅｍとの偏差をρ、偏差の変化率をΔρとし、
前記基準値ＫＥに対して修正操舵指令角度θを予め設定
しておく。この場合、直線部に対する修正操舵指令角度
θは相対的に小であり、回行部に対する修正操舵指令角
度θは相対的に大になるように設定すべきである。

【００３０】そして、各ゾーンにおける前記基準値ＫＥ
に対する偏差ρ及び／または偏差の変化率Δρに略比例
する操舵修正指令量（角度）の増分Δθを演算にて求
め、最終的な操舵修正指令量（角度）（θ＋Δθ）に対
応する駆動パルス信号を電気式駆動回路４６，４７に与
えて、回行部や直線部における誘導ケーブル２７に対す
る横ずれ量が小さくなるように操舵制御するのである。

【００３１】このように、作業車両１が直線部に沿うよ
うに操舵制御する態様と、回行部に沿って操舵制御する
態様とを、別々に予め想定し、操舵修正指令量が異なる
ように設定しておけば、正確な操舵制御を迅速に実行で
きるという効果を奏する。

【００３２】

【発明の作用及び効果】本発明では、作業車両に、誘導
ケーブルから出る交流電界を検出するための磁気センサ
ーと、作業車両が通過する誘導経路上の障害物を検出す
るための超音波センサーとを設けてあり、超音波センサ
ーで障害物を検出すれば、通常の誘導ケーブルに略沿う
ように操舵制御することに優先させて、障害物を回避す
べく作業車両の操向停止等の制御を実行するので、作業
車両を無人で走行させても安全である。障害物回避制御
を実行したとき、離れた位置の作業者（監視者）にその
旨の警報音または警報表示ランプの点灯（点滅）等にて
知らせるようにすれば、一層効果的である。

【００３３】そして、前記制御手段は、前記超音波セン
サーの検出結果が障害物なしとの結果を得たときには、
障害物検出及び判定を所定回数繰り返すのであるから、
超音波センサーの検出時のノイズ等で障害物が有るのに
無しと判断する誤判断を防止できるという効果を奏す
る。なお、障害物等を検出する超音波センサーを左右往
復回動するようにして設けると、少ない数の超音波セン
サーで広い範囲を監視することができ、コストの低減を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】薬剤散布機の側面図である。

【図２】薬剤散布機の平面図である。

【図３】操舵装置１４の概略平面図である。

【図４】操舵装置の制御油圧回路図である。

【図５】操舵制御装置の機能ブロック図である。

【図６】メインフローチャートである。

【図７】障害物判定のサブルーチンフローチャートであ
る。

【図８】誘導経路の概要を示す平面図である。

【図９】超音波センサーによる検出の態様を示す説明図
である。

【図１０】ゾーンの説明図である。

【符号の説明】

１ 作業車両 ３ ハンドル ６ 噴霧ノズル ７ 送風機 ８，８ 前輪 ９，９ 後輪 １０ エンジン １１ 走行変速機構 １２ 動力伝達機構 １３ 動力ポンプ １４ 操舵装置 １６ 油圧回路 １７ 油圧シリンダ ２２ 油圧ポンプ ２３ 制御弁 ２５ 操舵角度センサー ２６ａ，２６ｂ 磁気センサー ２７ 誘導ケーブル ２８ 自動操舵用制御弁 ３２ 操舵制御装置 ３３ 中央処理装置 ３７ 超音波センサー ３８ ステップモータ ４６，４７ 駆動回路 ５５ 障害物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A01B 69/00 G05D 1/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘導ケーブルから出る交流電界を磁気セ
   ンサーにて検出して、当該誘導ケーブルに略沿うように
   操舵する制御手段を設けてなる作業車両において、該作
   業車両には、障害物を検出する超音波センサーを設け、
   前記誘導ケーブルに沿う操舵制御に優先させて超音波セ
   ンサーの検出による障害物回避制御を実行すると共に、
   前記超音波センサーの検出結果が障害物なしとの結果を
   得たときには、障害物検出及び判定を所定回数繰り返す
   制御手段を設けたことを特徴とする作業車両における自
   動操舵制御装置。