JP3835079B2

JP3835079B2 - センサの零点誤差の補正方法

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Publication number: JP3835079B2
Application number: JP29610399A
Authority: JP
Inventors: 治光十亀
Original assignee: Iseki and Co Ltd
Current assignee: Iseki and Co Ltd
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2019-10-19
Also published as: JP2001116586A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、農作業機に関するもので、例えば田植機等の苗移植機や他の機械における苗植付作業部等の作業装置の傾斜制御等に使用されるセンサの零点誤差の補正方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走行部に対し苗植付部が昇降可能かつ前後方向の軸回りに回動（ローリング）可能に連結された田植機等の苗移植機が広く知られている。この種の苗移植機は、苗の移植を適正に行うため、苗植付部の姿勢を圃場面に対し常に平行になるように維持する制御を行っている。
【０００３】
例えば特開平６−１３３６１２号公報に記載されているように、走行部に当該走行部の傾斜角速度を検出して出力する傾斜角速度センサを設けるとともに、苗植付部に当該苗植付部の圃場面に対する左右傾斜角度を検出する左右傾斜センサを設け、これら二つのセンサの検出値に応じて苗植付部の左右回動（ローリング）を制御する技術は公知である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記傾斜角速度センサとしては、検出結果を電気信号として出力するセンサ、例えば音叉振動型のセンサが使用されている。このような傾斜角の制御に用いる角速度センサは、作業停止時に零点電圧を設定し、以後その値に基づいて制御を行うようにしているが、この種のセンサは、作業中に零点が種々の原因で変化するので、高精度のローリング制御を行うためには、該検出信号の零点を常時補正してやる必要がある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記苗移植機のローリング制御等に使用される角速度センサの零点補正を常時簡単な操作で精度よく行うことのできる方法を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明にかかる零点誤差の補正方法は、零点を中心として上下に変動する検出値を電気信号として出力するセンサにおける零点誤差の補正方法であって、刻々変化する検出信号からデジタルフィルターを用いて低周波成分を抽出し、得られた低周波成分の平均値を新たな零点とするに際し、前記抽出される低周波成分の二次の微分係数を演算して、得られた微分係数が所定範囲内にあり、かつ移動平均値からの低周波成分の偏差が設定以内であるとき、前記低周波成分から零点を求め、さらに、予め求められている低周波成分の理論値とフィルター係数の有限桁数で算出する算出値との差に基づいて、前記算出値を補正することを特徴としている。
【０００７】
上記零点誤差の補正方法では、抽出される低周波成分の二次の微分係数を演算し、得られた微分係数が所定範囲内にあり、かつ移動平均値からの低周波成分の偏差が設定以内であるときの低周波成分を用いて零点を演算することにより、抽出された低周波成分にバラツキがあっても精度の高い補正を行うことができるのである。
【０００８】
なお、上記低周波成分の抽出は、デジタルフィルターを用いて行うのが効果的である。この場合、センサに通電を開始してから所定時間内の信号と、所定時間経過後の信号とで周波数特性の異なるデジタルフィルターを使用すれば、過渡状態においても零点誤差の補正が行えるようになるので好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１及び図２は本発明を施した苗移植機を表し、この苗移植機１は、走行部である走行車体２の後側に昇降リンク装置３を介して水稲用の苗植付部４を昇降可能かつ前後方向の軸回りに回動可能に装着するとともに、走行車体２の後部上側に施肥装置５を設け、全体で施肥田植機として構成している。
【００１０】
走行車体２は、駆動輪である各左右一対の前輪１０，１０及び後輪１１，１１を備えた四輪駆動車両であって、機体の前部に配設したミッションケース１２の左右側方に前輪ファイナルケース１３，１３を設けて、該ケースに前輪１０，１０を変向可能に取り付けるとともに、ミッションケース１２の背面部に固着連結されているメインフレーム１５の後端左右中央部に支持された前後水平な後輪ローリング軸を支点にして後輪ギヤケース１８，１８をローリング自在に設けて、該後輪ギヤケースに後輪１１，１１を取り付けている。
【００１１】
メインフレーム１５の上に搭載されたエンジン２０の回転動力が、第一ベルト伝動装置２１と第二ベルト伝動装置２３を介してミッションケース１２に伝達され、該ミッションケース内のトランスミッションにて変速された後、一部が前輪ファイナルケース１３，１３に伝達されて前輪１０，１０を駆動し、別の一部が後輪ギヤケース１８，１８に伝達されて後輪１１，１１を駆動し、また残りの外部取出動力が植付クラッチ２５に伝達され、それから植付伝動軸２６によって苗植付部４へ伝動されるとともに、施肥伝動軸２７によって施肥装置５へ伝動される。
【００１２】
エンジン２０の上部はエンジンカバー３０で覆われており、その上に座席３１が設置されている。座席３１の前方には各種操作機構を内蔵するフロントカバー３２があり、その上方に前輪１０，１０を操向操作するハンドル３４が設けられている。エンジンカバー３０及びフロントカバー３２の下端左右両側は水平状のフロアステップ３５になっている。フロアステップ３５の後部は、後輪フェンダを兼ねるリヤステップ３６となっている。走行車体２の前部左右両側には、補給用の苗を載せておく予備苗載台３７，３７が設けられている。なお、走行車体の移動速度は車速センサ３８によって、また走行車体の左右傾斜角の加速度は傾斜角速度センサ３９によってそれぞれ検出される。
【００１３】
昇降リンク装置３は平行リンク構成であって、１本の上リンク４０と左右一対の下リンク４１，４１を備えている。これらリンク４０，４１，４１は、その基部側がメインフレーム１５の後端部に立設した背面視門形のリンクベースフレーム４２に回動自在に取り付けられ、その先端側に縦枠４３が連結されている。そして、この縦枠４３の下端部に、苗植付部４の後記伝動ケース６０に回転自在に支承された連結軸４４の前端部が挿入連結されている。メインフレーム１５に固着した支持部材と上リンク４０に一体形成したスイングアーム４５の先端部との間に昇降油圧シリンダ４６が設けられており、該シリンダを油圧で伸縮させることにより、上リンク４０が上下に回動し、苗植付部４がほぼ一定姿勢のまま昇降する。昇降油圧シリンダ４６は、リンクベースフレーム４２の上部に設けた油圧バルブ４７によって制御される。
【００１４】
前記連結軸４４は若干後ろ下がりの略前後方向を向いており、苗植付部４はこの連結軸４４を支点にして回動（ローリング）自在に支持されている。縦枠４３の上部には、両ロッド型のローリング油圧シリンダ５０が、シリンダ部を当該縦枠に固定して左右方向に設けられている。そして、そのシリンダの左右両ロッド５０ａ，５０ａと苗植付部の後記苗載台フレーム６７の左右支柱部６７ａ，６７ａとがリンク５１，５１を介して連結されている。ローリング油圧シリンダ５０は、モータ５２で駆動の油圧ポンプ５３によって供給される作動油で作動する。ローリング油圧シリンダ５０が作動してロッド５０ａ，５０ａが左右にスライドすると、苗植付部４が連結軸４４回りにローリングする。苗植付部４の左右傾斜角度は、伝動ケース６０の上に設置した左右傾斜センサ５４によって検出される。また、ローリング油圧シリンダ５０の作動量は、ストロークセンサ５５によって検出される。
【００１５】
苗植付部４は６条植の構成で、フレームを兼ねる伝動ケース６０、苗を載せて左右往復動し苗を一株づつ各条の苗取出口６１ａ，…に供給する苗載台６１、苗取出口６１ａ，…に供給された苗を圃場に植付ける苗植付装置６２，…、左右中央に１個とその両側各１個づつの整地フロート６３，６４，６４等を備えている。各フロートを圃場の泥面に接地させた状態で機体を進行させると、フロートが泥面を整地しつつ滑走し、その整地跡に苗植付装置６２，…により苗が植付けられる。各フロート６３，６４，６４は圃場表土面の凹凸に応じて前端側が上下動するように回動自在に取り付けられており、植付作業時にはセンターフロート６３の前部の上下動が接地センサ６５により検出され、その検出結果に応じ前記昇降油圧シリンダ４６を制御する油圧バルブを切り替えて苗植付部４を昇降させることにより、苗の植付深さを常に一定に維持する。
【００１６】
なお、苗載台６１は、前側が上位となるよう傾斜して設けられており、伝動ケース６０の上側に横向きに配した支持レール６６と、伝動ケース６０に基部が固着された苗載台フレーム６７の上端部に設けたローラ６８，６８とによって左右にスライド自在に支持されている。両端が苗載台６１の裏面側に連結された横移動棒６９を伝動ケース６０内の作動機構により左右に往復動させることにより、苗載台６１が左右往復動するようになっている。苗載台６１がが左右往復動すると、該苗載台の最下段の苗が苗取出口６１ａ，…に一株づつ供給される。横一列分の苗が全て供給されると、各条ごとに設けた苗送りベルト６１ｂ，…が作動し、苗を一段下方に移送する。
【００１７】
施肥装置５は、各条共用の肥料タンク７０内の肥料を肥料繰出部７１…によって一定量づつ下方に繰り出し、その繰り出された肥料をブロア７２から供給されるエアによって施肥ホース７３，…を通って施肥ガイド７４，…まで移送し、該施肥ガイドの前側に設けた作溝体７５，…によって苗植付条の側部近傍に形成される施肥溝内に落とし込むようになっている。
【００１８】
植付作業時には、表土面の凹凸に応じて苗植付部４の対地高さを制御する昇降制御と、表土面の左右傾斜に応じて苗植付部４の連結軸４４回りの姿勢を制御するローリング制御とを行い、苗の植付深さを一定に維持する。図５はその苗植付部位置制御装置のブロック図である。前記各センサ３８，３９，５４，６５からの情報がＣＰＵ、メモリ等からなるコントローラ８０に入力され、その情報に基づきコントローラ８０で下記の制御を行い、前記昇降用油圧バルブ４７及びローリング用モータ５２に出力する。
【００１９】
まず、昇降制御については、接地センサ６５の検出値が所定の目標値の不感帯内に収まるように油圧バルブ４７に出力信号を出す。例えば、センターフロート６３が上動すると、昇降油圧シリンダ４６が伸びる方向に油圧バルブ４７を駆動して、苗植付部４を上昇させる。逆に、センターフロート６３が下動すると、昇降油圧シリンダ４６が縮む方向に油圧バルブ４７を駆動して、苗植付部４を下降させる。これにより、苗植付部全体の対地高さを一定に維持する。
【００２０】
上記昇降制御に際しては、苗植付部４が一度接地してからでないと昇降制御を行わないようにし、苗植付部４の接地を検出した後は、傾斜角速度センサ３９によって走行車体２の左右傾斜状況を判定し、走行車体２が急激に傾斜していない時には、現在接地センサ値に基づき昇降制御を行い、走行車体２が急激に傾斜し且つ接地センサ値が一定以上変動した時には、変動直前の接地センサ値に基づき昇降制御を行う。走行車体２が急激に傾斜しているか否かの基準は、例えば傾斜角速度センサ値で±（左右）１．１度／ミリ秒程度とする。
【００２１】
走行車体２が急激に傾斜するのは、車輪が耕盤の凹凸に落ち込んだり乗り上げたりした場合であり、このような場合には走行車体２に追随して苗植付部４も傾斜し、苗植付部４が表土面から浮上する等の事態が生じる。しかしながら、それは一時的なものであって、車輪が耕盤の凹凸を通過したなら直ちに元の状況に復帰するから、上記のような一時的に苗植付部４の対地関係が変化したことに対しその都度忠実に現在接地センサ値に基づき苗植付部を昇降させることは、昇降制御が不安定になるので好ましくない。そこで、一度苗植付部４の接地を検出した後は、一時的に走行車体２が急激に傾斜して接地センサ値が大きく変動しても、苗植付部４が通常接地状態のままであるとみなして、変動直前の接地センサ値に基づき昇降制御を行わせるとよい。
【００２２】
次に、ローリング制御について説明する。このローリング制御は、基本的には、傾斜角速度センサ３９の検出値と左右傾斜センサ５４の検出値から、予め定められているルールに基づいてモータ５２への出力量を決定し、左右傾斜センサ５４が所定の目標値（通常は水平）の不感帯内に収まるように苗植付部４をローリングさせる。この場合、左右傾斜が急激に変化する場合は、傾斜角速度センサ３９の検出結果に基づいて制御するのが好ましい。なお、傾斜角速度センサと左右傾斜センサを用いる制御の方法については、例えば上記特開平６−１３３６１２号公報に記載されている。
【００２３】
傾斜角速度センサの出力信号は、例えば図６に示すようなものである。同図において縦軸は傾斜角速度センサの電圧値であり、横軸は時間（ｓｅｃ）を表している。同図にからわかるように、作業開始時の基準値（零点）は２．５Ｖであっても、作業中における機体の左右傾動によって、センサの出力電圧の零点（Ｏで示す）は基準値を中心として徐々に変動する。このため、逐次零点を補正する必要がある。
【００２４】
このための補正方法として、本発明では、零点を中心として上下に変動する検出信号から低周波成分を抽出し、該抽出された複数の値から零点を演算する。図７は、抽出した零点電圧の変化を表す。抽出した零点電圧に基づく演算方法の概要を具体的に例示すれば次のとおりである。すなわち、図８は、上記低周波成分の抽出を含む演算方法を表すフローチャートであって、まず角速度センサーの検出信号に含まれる低周波成分（ほぼ直流成分）をデジタルフィルターで抽出する。この抽出は、デジタルフィルターを用いず他の方法で抽出を行ってもよいが、公知のデジタルフィルターを使用して行うのが便利である。次に、抽出したデータから二次微分係数を算出する。さらに得られた二次微分係数値が設定範囲内の有効データであるかどうかを判断し、有効データであるなら零点電圧算出用のデータとし、設定範囲外であれば零点電圧算出用のデータとしない。換言すれば、二次微分係数と移動平均からの偏差によって変動部分（ピーク、ボトム、カットオフ周波数以下の成分）を除去したＤＦＴ値を零点電圧の算出データとする。そして、このＤＦＴ値の移動平均値を零点電圧とするのである。
【００２５】
上記算出方法の詳細は次のとおりである。上記デジタルフィルターのサンプリング周波数を例えばｆ（ｔｓｅｃごと）、カットオフ周波数を例えばＦｃＨｚ（これ以上の周波数をカットする）とする。また、フィルター係数をｈ（０），ｈ（１），ｈ（２），ｈ（３），ｈ（４），ｈ（５），ｈ（６），ｈ（７），ｈ（８）とすると、有限インパルス応答システム（ＦＩＲフィルター）によるＤＦＴ値（Ｖ_n ）算出式は、数式（数１）のとおりである。ここに、Ｘ_n-16，Ｘ_n-15，…はデジタルフィルターの抽出値である。
【００２６】
【数１】

【００２７】
このようにして得られるＶ_n の一次微分係数Ｐ_n 及び二次微分係数ａは次のとおりである。
Ｐ_n ＝（Ｖ_n −Ｖ_n-1 ）／ｔ
ａ＝（Ｐ_n −Ｐ_n-1 ）／ｔ
【００２８】
上記計算結果に基づいて有効データの判定を行う。その基準は次の二つの条件を満たす場合に有効データとする。
１）二次微分係数（ａ）が次の条件を満たすこと、
−ｐ＜ａ＜ｐ（ｐは設定値）
２）Ｖ_n が次の条件を満たすこと（ＤＦＴ値の低周波（ｆ_c 以下）変動の除去のため）
移動平均値−ｑｂｉｔ≦Ｖ_n ≦移動平均値＋ｑｂｉｔ
（ｑは設定ビット数）
【００２９】
上記二つの条件が満たされる場合のＤＦＴ値（Ｖ_n ）を有効値として移動平均データとし、例えばこの有効データ５点の移動平均を求めてこれを新たな零点とする。図７は、算出した零点電圧の二次微分係数の変化を表す。上下の２本の線Ｌ１，Ｌ２が有効データの範囲を示すもので、この範囲内に含まれるデータの平均値をもって新たな零点とするのである。
【００３０】
次に、図９は電源投入時のセンサ（Ａ，Ｂ，Ｃ）の出力の変化を表すもので、電源投入時から数十秒間はドリフトのため出力が安定しない。したがって、この間は零点誤差の補正を行わないという考え方もあるが、次に述べるように、エンジン始動時から予め設定した時間内と、この時間以後とで周波数特性の異なるフィルター（設定時間以後のフィルターの方がカットオフ周波数が低いものとする）を用いて補正を行うことにより、この時間内でも零点誤差の補正を行うことができる。
【００３１】
すなわち、エンジン始動時からのドリフトは１分間程度で安定するが、この間の零点電圧は、低周波成分に時間と共に一定値に収束する交流成分が加算された状態で安定する。したがって、この間に低周波成分を抽出してこれを零点電圧とすると誤差を生じる。これを避けるためには、エンジン始動時のドリフトは上記低周波成分と交流成分によって、それ以後は低周波成分で零点誤差の補正を行えばよい。この方法によれば、ドリフトに対応した補正ができ、エンジン始動直後からの補正が可能となり、精度の高い補正を行うことができる。
【００３２】
さらに、角速度センサからの信号出力は、通電後一定時間（数秒）経過した後に出力され、その後数秒で信号がほぼ安定状態となる。このため、角速度センサの信号測定をエンジン始動から一定時間（角速度センサからの信号が出力される時間）経過後から行うのが好ましい。図１１は、この方法を表すフローチャートである。このようにすると、センサの特性に基づいてゼロ点電圧の算出を行うため、角速度センサによる制御を早く行うことができるのである。
【００３３】
なお、角速度センサの零点電圧の抽出演算をデジタルフィルターを用いて行う装置において、理論値と算出値（有限桁数で行う）の差を予め求めておき、算出値をこの値で補正するのが好ましい。角速度センサの零点は、角速度の量を検出するための基準となるもので、できるだけ精度良く検出する必要があるが、実際には零点電圧を算出するためのフィルター係数の有効桁数によって理論値（ＤＦ）と算出値（ＤＦ’）との間に誤差が生じる。図１２は、この様子を表すものである。したがって、予め求めておいた理論値（ＤＦ）と算出値（ＤＦ’）との差（α）で補正を行うのであり、この方法によると、有効桁数による誤差をキャンセルすることができる。
【００３４】
また、複数のアナログセンサ（例えば角速度センサ、左右傾斜センサ、ピッチングセンサ等）の信号をデジタルフィルターを用いて処理する装置の場合は、同じ次数のデジタルフィルター（周波数特性は異なる）で処理を行うようにすればよい。デジタルフィルターは、用いる次数によって応答後れが生じるが、この遅れは次数によって決定されるので、同じ次数のデジタルフィルターを用いることによって、応答後れが生じても複数のセンサ信号の同時性は保てるため、安定した制御を行うことができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明した如く、本発明にかかるセンサの零点補正方法によれば、二次の微分係数が所定範囲内にある場合で、かつ移動平均値からの低周波成分の偏差が設定以内である場合にデータを有効とするので、データのピーク値又はボトム値を除去することができ、精度の高い補正を行うことができる。また、予め求められている低周波成分の理論値とフィルター係数の有限桁数で算出する算出値との差に基づいて、前記算出値を補正するので、有効桁数による誤差をキャンセルすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】苗移植機の側面図である。
【図２】苗移植機の平面図である。
【図３】昇降リンク装置の要部及び苗植付部の側面図である。
【図４】昇降リンク装置の要部及び苗植付部の背面図である。
【図５】苗植付部位置制御装置のブロック図である。
【図６】角速度センサの出力値と基準値の変化を表すグラフである。
【図７】算出した零点電圧の二次微分係数の変化を表すグラフである。
【図８】零点誤差の補正方法を表すフローチャートである。
【図９】電源投入時のセンサの出力変化を表すグラフである。
【図１０】電源投入時のドリフト特性を表すグラフである。
【図１１】電源投入時の処理方法のフローチャートである。
【図１２】算出値と理論値との差を表すグラフである。
【符号の説明】
１苗移植機
２走行車体（走行部）
３昇降リンク装置
４苗植付部
５施肥装置
３８車速センサ
３９傾斜角速度センサ
４４連結軸（前後方向の軸）
４７昇降用油圧バルブ
５２ローリング用モータ
５４左右傾斜角センサ
５５ストロークセンサ
６５接地センサ
８０コントローラ

Claims

零点を中心として上下に変動する検出値を電気信号として出力するセンサにおける零点誤差の補正方法であって、刻々変化する検出信号からデジタルフィルターを用いて低周波成分を抽出し、得られた低周波成分の平均値を新たな零点とするに際し、前記抽出される低周波成分の二次の微分係数を演算して、得られた微分係数が所定範囲内にあり、かつ移動平均値からの低周波成分の偏差が設定以内であるとき、前記低周波成分から零点を求め、さらに、予め求められている低周波成分の理論値とフィルター係数の有限桁数で算出する算出値との差に基づいて、前記算出値を補正することを特徴とするセンサの零点誤差の補正方法。
センサへの通電開始後、所定時間内の信号と所定時間経過後の信号とで周波数特性の異なるデジタルフィルターを使用する請求項１に記載のセンサの零点誤差の補正方法。