JP3856416B2

JP3856416B2 - 自律走行車

Info

Publication number: JP3856416B2
Application number: JP20706698A
Authority: JP
Inventors: 陽介窪田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: JP2000023531A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転カッターが異物を噛み込んだ場合における異物の検出及びその処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自律走行技術を用いて、所定の作業を無人で行う自律走行車が、様々な分野で実用化されつつある。このような自律走行車が行い得る作業の典型的な例としては、ゴルフ場、グランド、または公園といった各種フィールドにおける芝刈りや草刈り、田畑の耕耘、農薬や肥料の散布、または土木作業等が挙げられる。
【０００３】
一般に、この類の作業車には、作業車に対する相対的位置を変更することができる昇降式作業機が取り付けられている。例えば、芝刈り作業車では、回転カッターを有するカッターユニットが走行車のフロント部に取り付けられている。フィールド上の芝や草を刈り取ろうとする場合、カッターユニットをリフトダウンさせて、回転カッターをフィールドに接触させることにより、刈り取り作業を行う。
【０００４】
この刈り取り作業中に、回転カッターがフィールド上に落下していた異物を噛み込んでしまうことがある。例えば、ゴルフ場では、ゴルフクラブ、バンカーレーキ、またはスパイクピンといった様々な固い異物が落下していることがある。このような固い異物の噛み込みは、カッター駆動系における故障の原因となることがある。従って、落下物を噛み込んだ場合、オペレータはすぐに作業を中断して、噛み込まれた異物を取り除く必要がある。
【０００５】
このような作業の一時的な中断は、作業効率を著しく落としてしまうため、従来は、事前にフィールド上の落下物の有無を確認しておく必要がある。しかしながら、確認から作業開始までの間に新たな物が落下してしまう可能性も否定できない。特に、無人で作業を行う自律走行車の場合、作業手順のティーチング後から実際の無人作業を行うまでに長時間が経過している場合が多い。そのため、作業手順のティーチング時には想定されていなかった不測の落下物がフィールド上に存在する可能性は、オペレータの操作による作業時のそれと比べて非常に高い。そこで、特に自動的に作業を行う自律走行車においては、不測の落下物を有効に検出して、これを排出できる機構が強く望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、回転カッターによる異物の噛み込みを自動的に検出して、適切な処理を実行することにより、故障の発生を未然に防止することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、本発明の第１の形態は、回転可能なカッターと、カッターに連結され、カッターを回転駆動させる駆動手段と、カッターの回転時における、駆動手段の駆動状態を示す物理量を検出する検出手段と、カッターが第１の回転数で回転する作業モードになるように、駆動手段を制御すると共に、この作業モードにおいて、検出手段により検出された駆動状態を示す物理量が、所定の値以上に変化した場合に、作業モードを中止する制御手段とを有する異物噛み込み検出装置を提供する。
【０００８】
ここで、上記の制御手段は、作業モードにおけるカッターの回転数が、第１の回転数より小さい第２の回転数以下になった場合に、作業モードを中止するようにすることが好ましい。
【０００９】
上記の構成において、駆動手段が油圧モータであり、検出手段が油圧モータに供給される油圧を測定するセンサである場合、制御手段は、作業モードにおいて、油圧が所定のしきい値以上になった時に、作業モードを中止することが好ましい。
【００１０】
また、駆動手段が油圧モータであり、検出手段が油圧モータに供給される油の流量を測定するセンサである場合、制御手段は、作業モードにおいて、流量が所定のしきい値以下になった時に、作業モードを中止することが好ましい。
【００１１】
一方、駆動手段が電動モータであり、検出手段が電動モータに供給される電流を測定するセンサである場合、制御手段が、前記作業モードにおいて、電流が、所定のしきい値以上になった時に、作業モードを中止することが好ましい。
【００１２】
さらに、駆動手段が電動モータであり、検出手段が電動モータに供給される電圧を測定するセンサであり、かつ、制御手段は、作業モードにおいて、電圧が所定のしきい値以下になった時に、作業モードを中止することが好ましい。
【００１３】
上述した制御手段は、作業モードを中止した場合、作業モードにおけるカッターの回転方向とは逆の方向に、カッターを回転させるように駆動手段を制御するように構成してもよい。また、カッターの正方向への回転を中止することに続き、カッターの逆方向及び正方向への回転を複数回繰り返すように構成してもよい。
【００１４】
本発明の第２の形態は、回転可能な作業用のカッターを有する自律走行車において、カッターに連結され、カッターを回転駆動させる駆動手段と、カッターの回転時における、駆動手段の駆動状態を示す物理量を検出する検出手段と、カッターが所定の回転数を有する作業モードになるように、駆動手段を制御する共に、作業モードにおいて、検出手段により検出された駆動状態を示す物理量が、所定の値以上に変化した場合に、作業モードを中止する制御手段と、制御手段からの制御に応じて、自律走行車の走行を制御する走行制御手段とを有し、この制御手段は、作業モードが中止された場合、自律走行車の走行が停止するように走行制御手段を制御すると共に、自律走行車が停止した停止位置から作業モードの中止時における走行位置近傍まで、自律走行車が移動するように走行制御手段を制御する自律走行車を提供する。
【００１５】
ここで、自律走行車の位置を認識する位置検出手段をさらに有していてもよい。また、この位置検出手段は、推測航法により走行車の位置を認識する手段と、測位衛星から発せられた電波に基づいて走行車の位置を認識する手段とを有していることが好ましい。
【００１６】
【作用】
上記の構成において、作業モード時には、カッターを回転駆動させる駆動手段の駆動状態を示す物理量がモニタリングされている。カッターが異物を噛み込んだ場合、この物理量が所定の値に変化する。そこで適切なしきい値を設けておけば、この物理量より異物の噛み込みの有無を検出することができる。そして、異物の噛み込みが発生したと判断される場合は、作業モードを中止する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施例における芝刈り作業車を模式的に示した側面図である。この作業車は、ゴルフ場やグランドといった各種フィールドを自律的に走行し、フィールド上の芝を自動で刈り取ることができる。作業車は、ＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ（以下、Ｄ−ＧＰＳという）を含む）及び推測航法と呼ばれる２つの技術を併用して自律走行を行う。芝刈り作業車は、車体部１、車体部１のフロントに付けられた芝刈り用作業機２、及び車輪３ａ、３ｂを有している。車体部１には、ＧＰＳ用の受信アンテナ４、無線通信用の受信アンテナ５及び地磁気センサ６が装着されている。また、芝刈り作業機２は、ブーム２ａと、このブーム２ａに懸架された複数の回転カッター２ｂを有している。作業機２は、車体部１に対して回動可能な状態で取り付けられることにより、昇降動作が可能である。また、車体部１には、ＧＰＳ装置や推測航法装置を含む制御装置が装着されており、車輪エンコーダ７が車輪の軸部に装着されている。車輪エンコーダ７は、走行車の走行距離を測定するためのセンサである。
【００１８】
図２は、芝刈り作業車の制御装置のブロック図である。位置検出部１０は、推測航法位置検出部１１及びＤ−ＧＰＳ位置検出部１２を有し、芝刈り作業車の走行位置を認識する。推測航法位置検出部１１において、ある基準となる地点からの走行履歴を算出することにより、作業車の現在位置が測定される。この走行履歴は、車輪エンコーダ８により測定された走行距離を、地磁気方位センサ６により測定された走行方向の変化に応じて累積したものである。
【００１９】
Ｄ−ＧＰＳ位置検出部１２において、ＧＰＳ衛星から発せられた電波及び固定局から得られたディファレンシャル情報に基づいて、現在の走行位置が測定される。ＧＰＳ衛星からの電波は、図１に示した受信アンテナ４を介して受信される。一方、固定局からの電波は、受信アンテナ５を介して受信される。周知のように、ＧＰＳ衛星から発せられた電波のみを用いた自己位置の測定は誤差が大きい。そこで、この測定値における同位相成分の誤差を除去するために、既知の地点に設置された固定局において、この地点の位置観測を行う。そして、この位置観測に基づいて得られた補正情報を自律走行車にフィードバックする。例えば、ポジション法を用いた場合、作業車側の受信機と固定局側の受信機の双方が捕捉するＧＰＳ衛星が同一となるように同期をとり、双方から得られた絶対位置に関する情報を引き算する。このＤ−ＧＰＳ制御を行うことで、走行車の自己位置を精度よく測定することができる。
【００２０】
作業機２における回転カッター２ｂは、回転軸を介して電動モーター１３に連結されている。モーター制御部１４は、制御部１５からの制御信号をそれに応じた制御量に変換して、その制御量を電動モータ１３に供給する。電動モーター１３は制御量に基づいて回転し、それにより回転カッター２ｂが回転される。ロータリーエンコーダ２０により、電動モーター１３の回転数がモニタリングされている。なお、ロータリーエンコーダ２０の代わりに近接スイッチを用い、回転により発生する波形の周波数から回転数を特定することも可能である。また、本実施例では、電動モーターを例に説明するが油圧モータを用いてもよい。
【００２１】
作業データ記憶部１６には、芝刈り作業車が芝刈りを自動で行いながら自律走行する上で、必要な作業データが記憶されている。作業データは、作業の具体的な内容（動作イベント）と、その作業を実行する走行位置とのセットである。図３は、芝刈り作業車の位置と走行との関係を説明した図である。ある地点（Ｘ１，Ｙ１）で芝刈り作業を開始し、次の地点（Ｘ２，Ｙ２）で作業を終了する場合には、作業データ記憶部１９中には以下のセットが記憶される。
地点動作イベント
（Ｘ１，Ｙ１）作業モードの開始
（Ｘ２，Ｙ２）作業モードの終了
【００２２】
制御部１５は、位置検出部１０から得られた位置信号に基づいて、作業車の現在位置を常にモニタリングしていると共に、必要な走行制御信号を走行制御部１７に与える。走行制御部１７は、制御部１５からの制御信号を、それに対応した制御量に変換して、その制御量を油圧モータ１８または操舵用油圧制御弁１９に出力する。油圧モータ１８は、この制御量に基づいて回転することにより走行車の駆動力を発生する。また、操舵用油圧制御弁１９は、走行制御部１７からの制御量に応じて、操舵機構を動作させる。また、制御部１５は、位置検出部１０からの位置信号により、作業車が動作イベント発生地点に到達したと判断したならば、その地点で行うべき動作イベントを実行すべく、必要な制御信号を発生する。それに応じて、モーター制御部１４や走行制御部１７、または作業機の昇降制御を行う昇降制御部（図示せず）は、それぞれ、電動モーター１３を回転させ、走行機構または作業機の昇降機構を動作させる。
【００２３】
次に、作業モード時に回転カッター２ｂが異物を噛み込みんだ場合に、異物を自動的に検出して、これを排出する処理について説明する。まず、自律走行により作業車が地点（Ｘ１，Ｙ 1）（図３参照）に到達すると作業モードが開始される。作業モードにおいて、電動モーター１３が一定の回転数（第１の回転数）で回転するように、制御部１５はモーター制御部１４を制御する。回転カッター２ｂが芝に接触する程度まで作業機２が下げられる。作業車は、地点（Ｘ２，Ｙ２）に向かって走行しながら、両地点を結ぶフィールド上の芝を刈り取る。
【００２４】
この作業中に作業フィールド上に落下物が存在した場合、作業が無人で行われているため、この落下物は必然的に回転カッター２ｂに噛み込まれてしまう。この落下物がゴルフクラブ、バンカーレーキ、またはスパイクピンといった非常に固い物体である場合、電動モータ１３に大きな負荷がかかるため回転数が大きく低下する。この回転数の低下は、上述したようにロータリーエンコーダ２０により検出される。そこで、正常な状態での回転数である第１の回転数より小さな第２の回転数を予め設定しておき、これを異常な状態を判断するためのしきい値として用いる。すなわち、作業モードにおいて、エンコーダ２０により検出された回転数が第２の回転数以下に落ち込んだ場合、制御部１５は何か固い物体が噛み込まれたと判断し、作業モードを一時中止する。しきい値として用いる第２の回転数は、正常な動作時には、その回転数以下にはならず、カッターを破損させてしまう程に固い落下物を噛み込んだ場合にだけそれ以下になるように、適切に設定しておく必要がある。作業モードが中断されるのは、換言すると、第１の回転数に対して所定の値（第１の回転数と第２の回転数との差）以上に回転数が変化した場合ということができる。
【００２５】
作業モードが一時中止された場合、制御部１５は、作業車の走行停止を制御部１７に指示する。そして、位置検出部１０からの位置情報に基づいて、作業モードの中止時点における作業車の位置が記憶される。そして、噛み込まれた異物を排出すべく、制御部１５はモーター制御部１４に対して、作業モードにおける回転方向とは逆の方向に、カッター２ｂを回転させるよう指示する。なお、この排出処理は、カッターを正逆方向へ交互に複数回転させてもよい。このような排出処理を通じて、回転数が第２の回転数以上になったならば、異物を排出して正常な状態に戻ったものと判断する。
【００２６】
図３に示したように、一定の速度で走行していた作業車は、走行停止が指示されてもすぐに停止することはできず、一定の距離を走行した後に停止する。そこで、走行車は、この停止位置から作業モードが中止された時点における走行位置に向けて移動する。制御部１５は、位置検出部１０からの位置情報に基づいて、作業モードの中止時点における作業車の位置を特定する。また、上述したように中止時点での走行位置は制御部１５において既に特定されている。そこで、制御部１５は、これらの位置に基づいて進むべき方向を決定し、中止時点での走行位置よりさらに所定距離手前まで戻るように走行制御部１７に制御信号を与える。
【００２７】
本実施例における芝刈り作業車は、無人で芝刈り作業を実行する。作業フィールド上の予期しない落下物を回転カッターが噛み込んでしまった場合、モーターの回転数が所定の値以上に変化したか否かで噛み込みの有無を判断できる。そして、必要に応じて排出処理を実行すれば、噛み込みによるカッターの損傷や回転駆動系の故障の発生を有効に低減することができる。また、排出処理後は、作業モードの中止時点における位置よりさらに所定距離余裕をもって戻り、作業を再度開始するので、作業モードが中断しても刈り残しを生じることがない。
【００２８】
なお、上記の実施例では、異物の噛み込みの有無を、実際の回転数が所定のしきい値以下になったか否かで判断している。しかしながら、時間軸に対する回転数の変化の程度に基づいて、それを判断することも可能である。すなわち、正常な動作においては回転数の変化は穏やか（回転数の微分値は小さい）であるが、固い異物を噛み込んだ場合には、その変化が急峻（微分値が大きい）になる。従って、所定の微分値を用意しておき、実際の回転数の微分値がこの値以上となった場合に、異物の噛み込みが発生したと判断することも可能である。
【００２９】
また、噛み込みの有無を判断する基準は、モーターの回転数以外にもさまざまな物理量を用いることができる。カッターを油圧モータを用いて駆動させる場合、油圧モータに供給する油圧や油の流量に基づいて、噛み込みの有無を判断することができる。この場合、上記の実施例におけるロータリーエンコーダに代えて、油圧や流量を測定するセンサを用いればよい。そして、油圧を測定する場合には設定されたしきい値以上になった時に、また流量を測定する場合にはしきい値以下になった時に、作業モードを中止すればよい。
【００３０】
また、カッターを電動モータを用いて駆動させる場合、電動モータに供給する電圧や電流に基づいて、噛み込みの有無を判断することができる。この場合、上記の実施例におけるロータリーエンコーダに代えて、電圧計や電流計を用いる。電圧を測定する場合にはしきい値以下になった時に、また電流を測定する場合にはしきい値以上になった時に、作業モードを中止すればよい。このように回転カッターを駆動する駆動系の駆動状態（負荷の程度）を示す物理量であれば、回転数以外にもさまざまな物理量を用いることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明においては、カッターが異物を噛み込んだ場合、システムは異物の噛み込みを異常として検知すると共に、カッターの回転を停止させる。これにより、カッターが異物を噛み込んだ状態で、回転し続けることを防止できるため、カッター刃の破損を抑制できる。また、このような停止により、モーターに過度の負荷が加わることを抑制できるため、モーターの故障や破壊を未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例における芝刈り作業車を模式的に示した側面図
【図２】芝刈り作業車の制御装置のブロック図
【図３】芝刈り作業車の位置を走行との関係を説明した図
【符号の説明】
１車体部、２作業機、３ａ、３ｂ車輪、４ＧＰＳ用受信アンテナ、
５無線通信用受信アンテナ、６地磁気方位センサ、
７車輪エンコーダ、１０位置検出部、１１推測航法位置検出部、
１２Ｄ−ＧＰＳ位置検出部、１３電動モーター、
１４モーター制御部、１５制御部、１６作業データ記憶部、
１７走行制御部、１８油圧モーター、１９操舵用油圧制御弁、
２０ロータリーエンコーダ

Claims

回転可能な作業用のカッターを有する自律走行車において、
前記カッターに連結され、前記カッターを回転駆動させる駆動手段と、
前記カッターの回転時における、前記駆動手段の駆動状態を示す物理量を検出する検出手段と、
前記カッターが所定の回転数を有する作業モードになるように、前記駆動手段を制御する共に、前記作業モードにおいて、前記検出手段により検出された前記駆動状態を示す前記物理量が、所定の値以上に変化した場合に、前記作業モードを中止する制御手段と、
前記制御手段からの制御に応じて、前記自律走行車の走行を制御する走行制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記作業モードが中止された場合、前記自律走行車の走行が停止するように前記走行制御手段を制御すると共に、前記自律走行車が停止した停止位置から前記作業モードの中止時における走行位置近傍まで、前記自律走行車が戻るように前記走行制御手段を制御する
ことを特徴とする自律走行車。
前記自律走行車の位置を認識する位置検出手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載された自律走行車。
前記位置検出手段は、
推測航法により前記位置を認識する手段と、
測位衛星から発せられた電波に基づいて前記位置を認識する手段と
を有することを特徴とする請求項２に記載された自律走行車。