JP3877301B2 - 農業用作業車 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、GPS(グローバル・ポジショニング・システム)と、方位センサや傾斜センサ、車速センサなどの内界センサと、株倣いセンサとを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車の走行作業管理の技術に関する。
詳細には、GPSを用いた自律走行作業時に農業用作業車の車輪により作物を踏まないように、株倣いセンサからの情報に基づいて自律走行経路を修正する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、既に作物が植わっている圃場において、手動操作により作物株列間を車輪が通過するように走行・作業を行う農業用作業車が知られている。該農業用作業車の例としては、散布機を搭載した散布作業機などが挙げられる。
また、GPSやセンサ類を備え、自律的に走行・作業を行う農業用作業車も知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
手動操作により作物株列間を車輪が通過するように走行・作業を行う農業用作業車の場合、作物を車輪で踏まないようにオペレータが手動で農業用作業車を運転するため、オペレータの負担は大きいものであった。
また、GPSやセンサ類を備え、自律的に走行・作業を行う農業用作業車の場合、GPSは作物の位置情報を検知するものではないため、該農業用作業車は作物の植わっている位置を考慮せずに自律走行経路を作成する。その結果、該自律走行経路に沿って走行すると、農業用作業車は株割りなどを起こし、作物を延々踏み倒す場合があった。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【0005】
請求項1においては、グローバル・ポジショニング・システム(GPS)と、速度、姿勢、エンジン回転数、ステアリングの操舵角などを検出する内界センサ(122)と、株倣いセンサ(123)を搭載し、それぞれ制御手段と接続して自律的に作業を行う農業用作業車において、枕地の回行走行時はグローバル・ポジショニング・システム(GPS)により位置情報を基に操向制御を行い、枕地の回行走行以外の直進走行時には、株倣いセンサ(123)による作物株列に沿って操向制御を行う株倣い走行するように構成し、作物株を車輪で踏み倒しながら走行する、株割りを起こす場合、即ち、作物株列(266)の上に前記株倣いセンサ(123)が位置し、該株倣いセンサ(123)直下の作物は、該株倣いセンサ(123)により踏み倒されて前方に折れ曲がり、該株倣いセンサ(123)から左右に回動可能に突出されたセンサアーム(210L・210R)は、共に該株倣いセンサ(123)直下の作物に触れておらず、回動していない状態、または、作物株列(266)の上に前記株倣いセンサ(123)が位置し、該株倣いセンサ(123)直下の作物株を構成する複数の作物茎の束が、該株倣いセンサ(123)により左右に割られた状態で、該株倣いセンサ(123)から左右に回動可能に突出されたセンサアーム(210L・210R)は左右に割れた作物茎に当接して、共に後方へ最大回動角近傍まで回動している状態では、走行経路を左右どちらか一方に、条間距離の略半分だけずらしてから株倣い走行を再開するものである。
【0006】
請求項2においては、請求項1記載の農業用作業車において、過去に当該圃場で自律走行作業した時の自律走行経路を記憶しておき、該過去の自律走行経路に沿って自律走行するものである。
【0007】
請求項3においては、請求項1記載の農業用作業車において、枕地の回行走行から株倣い走行へ移行する際に、作物株列の長手方向に対して斜めに走行するものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の側面図、図2は本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の平面図、図3は本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の正面図、図4は本発明における自律走行システムの模式図、図5は本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の斜視図、図6は基準局ユニットを示す図、図7は本発明の農業用作業車による自律走行経路の実施例を示す模式図、図8は本発明における自律走行のフローチャート図、図9は株倣いセンサの実施例の模式図、図10は株倣いセンサと前輪との位置関係を示す図である。
【0009】
図11はセンサアームの回動角と時間との関係を示す図、図12はセンサアームの回動角と時間との関係を示す一部拡大図、図13はセンサアームと作物株の位置関係を示す模式図、図14はローパスフィルタ処理を行わない場合におけるセンサアームの回動角と時間との関係を示す図、図15は作物株列に沿って形成された自律走行経路の実施例を示す図、図16は株倣いセンサを用いた自律走行のフローチャート図、図17は株割りの一形態を示す模式図、図18は株割りの別形態を示す模式図、図19は株割り状態から株倣い走行へ復帰するときの株倣いセンサの移動経路を示す模式図、図20は斜行走行の実施例を示す図、図21は株倣いセンサの別実施例の模式図である。
【0010】
まず、本発明に係る農業用作業車の実施の一形態である散布作業機101について、図1から図3を用いて説明する。なお、本発明は本実施例の散布作業機101に限定されるものではなく、圃場表面を走査しつつ作業を行う農業用作業車に適用可能である。
散布作業機101は乗用型の走行車両22と、該走行車両22の前部及び側部に配設されたブーム部35と、該走行車両の後部に配設されたポンプ部36と、該ポンプ部36の前部に配設された薬液タンク24等で構成されている。
【0011】
前記走行車両22の前端より後方へ向けて、左右一対のメインフレーム6L・6Rが平行に水平方向に延設され、該メインフレーム6L・6Rの前部下方にはフロントアクスルケース92Fを介して前輪7・7が支承され、後部下方にはリアアクスルケース92Rを介して後輪8・8が支承されている。
また、メインフレーム6L・6R上であって走行車両22前部にはエンジン9を被覆するボンネット10が配設されている。該ボンネット10後方のカバー上に操作パネル11が設けられており、該操作パネル11の上方には操向ハンドル12が設けられて、操作パネル11及び操向ハンドル12等で散布作業機101の操縦部を構成している。
【0012】
また、メインフレーム6L・6R後部上には薬液タンク24が配設されており、該薬液タンク24の前部中央には運転席14が形成されて、該薬液タンク24によって側部と後部を取り囲まれるように載置されている。そして、薬液タンク24とボンネット10の間にはステップ13が設けられ、該ステップ13に乗降するための乗降ステップ56・56がメインフレーム6L・6Rに取り付けられている。
【0013】
前記ブーム部35は、薬液を散布するための複数のノズル23・23・・・を有するブーム40と、該ブーム40の昇降や展開を行うための機構より構成されている。
ブーム40は走行車両22の前方に位置する前方ブーム41と、該前方ブーム41の両端に枢支され、折畳み可能に側方に延設されている左右の側方ブーム42L・42Rから構成されている。そして、該ブーム40には薬液を散布するための複数のノズル23・23・・・が一定間隔をおいて配設されている。
そして、前方ブーム41と側方ブーム42L・42Rの間には、それぞれブーム開閉用シリンダ43・43が介装され、該ブーム開閉用シリンダ43・43を伸縮させることによって、側方ブーム42L・42Rを前方ブーム41と略一直線となるよう左右水平方向へ延設した作業位置と、前後方向で後ろ上がりに位置させた収納位置に回動可能としている。
【0014】
また、平行リンクにより前方ブーム41とメインフレーム6L・6Rの前部の間が連結され、該平行リンクの一方とメインフレーム6L・6Rの間にブーム昇降用シリンダ38・38を介装し、該ブーム昇降用シリンダ38・38を伸縮させることによってブーム40を上下昇降可能とした昇降リンク機構37が構成されている。
さらに、前方ブーム41の左右略中央が昇降リンク機構37に対して左右傾倒可能に支持され、該前方ブーム41と昇降リンク機構37の間にブーム水平制御用シリンダ39を介装して、走行車両22が傾いてもブーム40が略水平姿勢を保持するようブーム40を水平制御する構成としている。
【0015】
前記ポンプ部36は、エンジン9から動力を得て薬液タンク24内の薬液をノズル23・23・・・へ圧送する噴霧ポンプ4と、該噴霧ポンプ4から吐出される薬液の制御に関わる散布量制御装置3等で構成されている。噴霧ポンプ4は、走行車両22の後部に延設したサブフレーム52L・52R上に支持部材を介して該噴霧ポンプ4のクランクケースに内装されたクランク軸が車両前後方向に位置するよう配設され、該クランクケースの右上部にはエアチャンバや安全弁等が設けられている。
また、散布量制御装置3は、流量制御弁や、該流量制御弁の開閉に関わるモータ等より構成され、噴霧ポンプ4のクランクケース周囲に配設されている。
【0016】
上述の如く構成される散布作業機101は、ブーム40を広げた状態で走行車両22により圃場を走行すると同時に、薬液タンク24内の薬液が、ポンプ部36により調量されるとともにブーム部35に圧送されてブーム40に設けられたノズル23・23・・・から散布され、薬液散布作業を行う。
【0017】
そして、散布作業機101は、操縦者が車両に搭乗して操向ハンドル12や操作レバー等を操作して走行・作業する手動操縦モードと、操縦者が車両に搭乗せずにGPS(グローバル・ポジショニング・システム)を利用して車両の位置情報を得て自律走行プログラムにより圃場を走行しながら薬液散布作業を行う自動操縦モードを選択することが可能に構成されている。
【0018】
次に、本発明の農業用作業車におけるGPSについて説明する。
GPS(グローバル・ポジショニング・システム)とは、元来航空機・船舶等の航法支援用として開発されたシステムであって、上空約二万キロメートルを周回する二十四個のGPS衛星(六軌道面に四個ずつ配置)、GPS衛星の追跡と管制を行う管制局、測位を行うための利用者の受信機で構成される。GPSを用いた測量方法としては、単独側位、相対側位、DGPS(ディファレンシャルGPS)側位、RTK−GPS(リアルタイムキネマティック−GPS)側位など種々の方法が挙げられる。
【0019】
単独側位とは、GPS衛星から送信される衛星の位置や時刻などの情報を一台のアンテナで受信する方法である。衛星から電波が発信されてから受信機に到達するまでに要した時間を測り、該時間と電波の速度から距離を求める このとき、位置の判っているGPS衛星を動く基準点とし、四個以上の衛星から観測点までの距離を同時に知ることにより観測点の位置を決定する。
【0020】
相対側位とは、二台以上の受信機を使い、同時に四個以上の同じGPS衛星を観測する方法であり、GPS衛星の位置を基準として、GPS衛星からの電波信号それぞれの受信機に到達する時間差(電波の位相差)を測定して、二点(二台の受信機)間の相対的な位置関係を求める。各測定点で同じ衛星の電波を受信し、衛星から発射された電波が同じような気象条件の中を通過してくることから、二点(二台の受信機)間の観測値の差を取ることにより、観測値に含まれる衛星の位置誤差や対流圏・電離層遅延量などの誤差を解消することができる。
【0021】
DGPS(ディファレンシャルGPS)側位、RTK−GPS(リアルタイムキネマティック−GPS)側位は、位置が判っている基準局と、位置を求めようとする観測点とで同時にGPS観測を行い、基準局で観測したデータを無線等の方法で観測点にリアルタイムで送信し、基準局の位置成果に基づいて観測点の位置をリアルタイムに求める方法である。DGPS(ディファレンシャルGPS)側位は、基準局と観測点の両点で単独側位を行い、基準局において位置成果と観測された座標値の差を求め、観測点に補正情報として送信する。RTK−GPS(リアルタイムキネマティック−GPS)側位は、基準局と観測点の両点で位相の測定(相対側位)を行い、基準局で観測した位相データを観測点に送信する、 観測点のGPS受信機では、受信データと基準局から送信されたデータとをリアルタイムで解析することにより、観測点の位置を決定する。
【0022】
本発明においては、測定精度の高いRTK−GPS側位方式が採用されているが、前記他の方式を用いてもよく、限定されない。
【0023】
図4に示すように、本発明におけるGPSユニット102は、主に、散布作業機101本体に搭載される移動局ユニット103と、水田などの圃場の近くに設置される基準局側ユニット104からなる。該基準局ユニット104は地面に固定された基準局の役割を果たし、移動局側ユニット103は位置を求めようとする移動局(観測点)として機能する。
図3および図5に示すように、散布作業機101本体上面の運転席14の後部から正面視門型のフレーム105が立設されている。フレーム105の横架部105aおよび立設部105b・105bで囲まれる部分には収納部106が設けられ、該収納部106に移動局ユニット103の内、GPSアンテナ108を除く部材が収納される。GPSアンテナ108はフレーム105の横架部105a上面に固設される。
【0024】
移動局ユニット103は、GPSアンテナ108の他、GPS受信部109、CPUやRAMやROM等を備える制御手段となる処理部110、操作部111、表示部112、無線部113などで構成される。GPSアンテナ108で受信されたGPS衛星からの電波信号は、ケーブルでGPS受信部109を経て処理部110に送信される。操作部111は後述する自律走行の設定や、GPSの初期設定などを行うためのインターフェースであり、処理部110にケーブル接続されている。表示部112は処理部110にケーブル接続されており、処理部110におけるデータ処理の状況や、操作部111により入力された各種設定を表示する。無線部113は基準局ユニット104およびオペレータが携帯する無線操作手段133と、移動局ユニット103とが無線交信するためのものである。
【0025】
なお、本実施例においては移動局ユニット103をフレーム105に固設しているが、例えばGPSアンテナ108以外の移動局ユニット103を構成する他の部材はボンネット9に収納し、運転席14の前に位置する操縦部の操作パネル11に、操作部111および表示部112を組み込む構成としても良い。
また、操作部111はキーボードやスイッチ、レバー、押しボタン、ダイアルなどオペレータが入力操作可能であればよく、その形式は限定されない。さらに、操作部111と表示部112をタッチパネルとし、一体化してもよい。
また、処理部110、操作部111および表示部112として、既存のパソコンを使用してもよい。
【0026】
基準局ユニット104も移動局ユニット103と略同じ構成であり、GPSアンテナ114、GPS受信部115、処理部116、操作部117、表示部118、無線部119などで構成される。
【0027】
図6に示すように、基準局ユニット104のGPSアンテナ114は支柱114aにより地面より立設される。基準局ユニット104を構成するGPSアンテナ114以外の部材は筐体120に収納可能に構成される。
なお、基準局ユニット104は本発明の散布作業機101を使用する圃場の近傍に常設してもよく、あるいは使用後撤去可能な構成としても良い。
【0028】
次に、本発明の散布作業機101における自律走行システムについて、図4を用いて説明する。該自律走行システムは、前述のGPSユニット102の他、自律走行プログラム121や、散布作業機101の種々の情報を検出する内界センサ122、株倣いセンサ123、自律走行・作業をするための自律操作手段124などからなる。
【0029】
ある時刻に発信されたGPS衛星125からの電波信号は、散布作業機101に設けられた移動局ユニット103のGPSアンテナ108により受信され、GPS受信部109を経て処理部110に送信される。
【0030】
一方、前記GPS衛星125から同時刻に発信された電波信号は、圃場付近に設置された基準局ユニット104のGPSアンテナ114によっても受信され、GPS受信部115を経て処理部116に送信される。さらに、無線部119から無線部113を経て処理部110に無線送信される。
【0031】
処理部110では、前記基準局ユニット104において受信された電波信号と、移動局ユニット103において受信された電波信号とを比較対照し、同時刻に発信された電波信号がGPSアンテナ108およびGPSアンテナ114で受信されたときの位相差や、複数の衛星からの電波信号情報に基づき、移動局ユニット103と基準局ユニット104との相対位置を計算し、移動局ユニット103の位置計算を行う。上記の計算は処理部110に格納された自律走行プログラム121により行われる。
【0032】
このように構成することにより、散布作業機101と基準局ユニット104との三次元の相対位置、すなわち、圃場内における散布作業機101の位置(高さ方向のデータを含む)を高精度かつリアルタイムで測定可能である。
【0033】
内界センサ122は、速度、姿勢、エンジン回転数、ステアリングの操舵角など、散布作業機101を自律走行させる上で必要な情報を検知するためのセンサ類を指す。より具体的には、エンジン回転数センサ、車速センサ、操舵角センサ、方位センサ、ロール傾斜センサ、ピッチ傾斜センサなどである。これら内界センサ122からの検知信号は、処理部110に送信される。
なお、本実施例においては、内界センサ122のうち、方位センサ、ロール傾斜センサ、ピッチ傾斜センサなどは移動局ユニット103と同じ収納部106内に配設されているが、これらのセンサ類の配設位置については特に限定されない。
【0034】
株倣いセンサ123は、散布作業機101の機体前部下面に配設される。株倣いセンサ123は散布作業機101が作物を車輪で踏んだりしないように、圃場に所定の間隔を空けて植わっている作物を検知し、該散布作業機101の走行方向を制御するために用いられる。株倣いセンサ123からの検知信号も処理部110に送信される。株倣いセンサ123については後で詳述する。
【0035】
内界センサ122、株倣いセンサ123からの検知信号、およびGPSユニット102による散布作業機101の位置情報に基づき、処理部110内に格納された自律走行プログラム121によって散布作業機101の速度、姿勢、エンジン回転数、ステアリングの操舵角などを自律操作するための信号が自律操作手段124に送信される。該自律操作手段124は、より具体的には、ステアリング駆動アクチュエータやステアリング駆動電磁弁(図示せず)、ブーム昇降用パワーシリンダ(ブーム昇降用シリンダ38に相当)、ブーム開閉用パワーシリンダ(ブーム開閉用シリンダ43に相当)、ブーム水平制御用パワーシリンダ(ブーム水平制御用シリンダ39に相当)、アクセルアクチュエータ、主クラッチ用アクチュエータ、株倣いセンサ昇降アクチュエータなどである。
なお、本実施例においては、GPSユニット102から得られる散布作業機101の位置情報は高さ方向に対しても高い精度を持つ。そのため、自律作業中に圃場からブーム40までの高さが略一定となるようブーム昇降用シリンダ38を制御し、薬液の散布状態を略一定にすることが可能である。
【0036】
無線操作手段133はオペレータが携帯し、散布作業機101から離れた位置から各種の操作をおこなうためのものである。図4に示すように、本実施例の無線操作手段133は内部に合計六点の接点スイッチを備え、それぞれ第一ボタン163、第二ボタン164、第三ボタン165、第四ボタン166、第五ボタン167、第六ボタン168によりオン・オフされる。自律走行時においてオペレータが行う遠隔操作としては、次の十種類の操作が挙げられる。すなわち、(1)非常時の緊急停止(エンジン停止)は第一ボタン163、(2)散布作業機の発進・停車は第二ボタン164、(3)ブーム上昇は第四ボタン166、(4)ブーム下降は第六ボタン168、(5)右側方ブーム開は第三ボタン165+第四ボタン166、(6)右側方ブーム閉は第三ボタン165+第六ボタン168、(7)左側方ブーム開は第五ボタン167+第四ボタン166、(8)左側方ブーム閉は第五ボタン167+第六ボタン168、(9)株倣いセンサ上昇は第三ボタン165+第五ボタン167+第四ボタン166、(10)株倣いセンサ下降は第三ボタン165+第五ボタン167+第六ボタン168、である。
このように一つまたは複数のボタンを組み合わせて押すことにより、操作性を損なわず、無線操作手段133に設けられた接点スイッチの個数(本実施例においては六個)よりも多い種類(本実施例では十種類)の操作を可能としている。
【0037】
続いて、散布作業方法の実施例を図7および図8を用いて説明する。
例えば図7に示すような平面視長方形の圃場である水田126で散布作業を行う場合、水田126内に均一に、言い換えれば、一度も散布されていない場所(未散布領域)や複数回散布される場所(重複散布領域)が生じないように薬液を散布することが重要である。
よって、散布作業を行う散布作業機101が左右の側方ブーム42L・42Rを車体側方に伸ばした時の横幅(以後「全幅」と呼ぶ。10メートル程度)と略同じ幅を持つ水田126の外縁部126a(図7における斜線部)を残し、該外縁部126aの内側に位置する作業開始地点128(または作業開始地点131)から散布作業を開始する。最後に外縁部126aを一周しながら散布作業して作業終了地点129(または作業終了地点132)から散布作業機101が水田126の外に退出する。すなわち、図7において実線および点線で示された経路に沿って散布作業機101が走行しつつ、散布作業を行うのである。
このとき、図7に示される散布作業機101の走行経路のうち、実線で示された部分は薬液散布作業を行いつつ走行する工程(以後「散布工程」と呼ぶ)を示し、点線で示された部分は薬液散布作業を行わずに走行する工程(以後、「移動工程」と呼ぶ)を示している。
【0038】
本発明の散布作業機101における散布作業の場合、水田126端部の任意の地点である作業車進入地点127までオペレータが散布作業機101を運転し、作業車進入地点127で停車させて散布作業機101から降りる。次に、オペレータは携帯している無線操作手段133により、散布作業機101の自律走行を開始させる(自律走行開始ボタンを押す)。散布作業機101は作業直前に水田126の外縁部126aを周回し、GPSユニット102から得られた水田126の形状を処理部110に記憶し、自律走行プログラム121により、水田126の形状に関する情報を基に作業経路を自動作成しておくか、予め圃場毎の作業経路データを作成しておき、処理部110に記憶しておく。
【0039】
散布作業機101は処理部110内に格納されている自律走行プログラム121により、水田126の形状に関する情報を基に作業車進入地点127から作業開始地点128までの作業車誘導経路を自動作成する。散布作業機101は前記作業車誘導経路(作業車進入地点127から作業開始地点128まで)を自律走行後、停車することなく薬液散布作業を開始し、GPSユニット102による位置情報を基に自律走行を続ける。最後に作業終了地点129まで到達すると、散布作業機101は自動的に自律走行を終了し、停車する。
【0040】
なお、散布作業機101の自律走行経路は幾通りも作成することが可能であるが、作業速度の観点から見れば、走行経路が最も短い経路を選択することが望ましい。ただし、実際には圃場内に障害物(看板・鉄塔脚など)が存在したり、圃場の特定箇所が軟弱地盤であったり、あるいは作業車が圃場に進入できる地点が特定の場所に制約されるなど、種々の状況が考えられる。
また、散布作業機101が一度散布作業を行った場所を再び通過することは、薬液散布による害虫駆除・防除効果の観点から見て好ましいことではない。よって、処理部110に予め諸条件を入力するか、記憶させておくとともに、これらの諸条件を加味した上で最適の走行経路を選択可能に自律走行プログラム121を構成することが重要である。
【0041】
次に、株倣いセンサ123について説明する。
図7に示した自律走行経路に沿って自律走行作業を行う場合、圃場に均一に(未散布領域および重複散布領域を生じることなく)薬液を散布するだけでなく、作物株列(条)間を車輪が通過するよう自律走行経路を作成し、圃場に植わった作物を車輪で踏まないことが求められる。しかし、GPS自体は圃場に植わった作物を個々に検知することはできない。
そこで、株倣いセンサ123によって作物の植わっている場所を検知し、該検知情報に基づいてGPSによる自律走行経路を修正し、薬液の均一散布と、車輪で踏むことによる作物損傷防止とを両立させるのである。株倣いセンサ123は、圃場に植わっている作物の株からセンサまでの距離を検出することにより、散布作業機101の前輪7・7及び後輪8・8が条間を走行し、株を踏むことがないように操向制御するためのものである。
【0042】
図9に示す如く、株倣いセンサ123は主にセンサ本体209と、該センサ本体209に回動可能に取り付けられたセンサアーム210L・210Rで構成される。センサアーム210L・210Rは、該センサ本体209の左右側方にその先端を突出しており、散布作業機101が前進すると該センサアーム210L・210Rの胴体部は作物の株に当接し、回動支持部210aを中心に後方に回動する。
このとき、該回動支持部210aに設けられた回動角検出手段211(角度センサなど)により、回動角θが検出され、本機コントローラ169に該検出データが送信される。そして、センサアーム210L・210Rの長さL(より厳密には、回動支持部210aの回動中心軸からセンサアーム先端までの距離L)および回動角θから、図10に示す距離MR ・ML を算出する。センサアーム210L・210Rが無負荷状態(作物株に接触せず、回動していない状態)時の距離(MR +ML )は、作物の生育条件等で決められた条間距離より大きくなるようにアーム210L・210Rの長さや形状が定められる。
【0043】
図9ではアーム210L・210Rの形状は散布作業機101の進行方向に対して、平面視で後方へ弓なりに反った形状としているが、該センサアームをまっすぐな棒形状とし、無負荷状態でセンサアーム先端が散布作業機101の進行方向に対して略側方を向くように構成してもよい。
【0044】
センサアーム210L・210Rにはバネなどの弾性体による付勢手段(図示せず)が設けられ、該アーム210L・210Rが無負荷状態(すなわち、作物株などと当接していない状態)では、左右のセンサアーム210L・210Rが左右に大きく開き、距離(MR +ML )が作物の生育条件等で決められた条間距離より大きくなるように付勢される。
このとき、前記付勢手段の付勢力や剛性やセンサアーム210L・210Rの材質(プラスチックや樹脂、金属など)を変更可能に構成し、作物の種類や育成状態に適した検知条件を選択することが可能である。例えば、作物の茎が細いときは細くて柔らかい樹脂製のセンサアームを使用し、充分生育した作物のときは金属製のセンサアームを使用する、といった利用方法が可能である。
【0045】
図1から図3に示すように、株倣いセンサ123は前方ブーム41の左右両端部付近より下方に突設されたステー251・251の下端部に取り付けられる。そして、該株倣いセンサ123は散布作業機101の前輪7・7の前方に一個ずつ、計二個配置される形となる。
前方ブーム41は昇降用シリンダ38・38およびブーム水平制御用シリンダ39を伸縮させることにより圃場表面からの高さを略一定に保ち、かつ略水平姿勢を保持することが可能である。そのため、該前方ブーム41に取り付けられた株倣いセンサ123もまた、圃場表面からの高さを略一定に保たれるとともに、略水平姿勢に保持される。
なお、本実施例では左右一対の株倣いセンサ123・123が前方ブーム41下方に取り付けられ、左右の前輪7・7前方に配置されると共にブームの昇降に連動する構成としたが、該株倣いセンサ123を散布作業機101のメインフレーム6L・6Rに取り付け、専用の昇降アクチュエータを設ける構成としても良い。また、散布作業機101の左右中央かつ平面視で前輪7・7の略前方となる位置に一個の株倣いセンサを配設する構成としても良い。
【0046】
散布作業機101の左右の車輪間距離は、作物の生育条件等で決められた条間距離の略整数倍となるように構成されている。そのため、距離ML ・MR が略等しくなるように操向制御されることにより、散布作業機101の前車輪7・7が条間を走行し、作物を車輪で踏むことがない。
【0047】
株倣いセンサ123による株位置検知方法について、図11から図13を用いて説明する。
なお、以後は説明を簡略にするために、株倣いセンサ123のセンサアーム210L・210Rの形状は真っ直ぐな棒であるとし、無負荷状態では散布作業機101の進行方向に対して左右に突出した状態であるものとする。また、回動角θは散布作業機101の機体前方を基準とし、平面視反時計回りを正とする。
【0048】
図12は散布作業機101の走行中において、株倣いセンサ123のセンサアームの内、センサ本体209の左側面に突出したセンサアーム210Lが、圃場に植わった作物株252・253と当接して回動するときの回動角θと時間の関係を示している。また、図13は、散布作業機101の走行中において、センサアーム210Lが圃場に植わった作物株252・253と当接して回動するときの位置関係を示している。
以後、回動角θについては、センサアーム210Lの回動角をθL 、センサアーム210Rの回動角をθR とする。
【0049】
ある時刻t0 において、センサアーム210Lが株252に当接し、そのときの回動角θL =θ0 であったとする(当接開始点)。散布作業機101が速度Vで前進を続けると回動角θL は増加し続け、時刻t1 にはセンサアーム210Lの先端と株252とが当接した状態となる。このとき、回動角θL =θ1 であり、株252とセンサアーム210Lとが当接することによる回動角は最大値となる(当接終了点)。
さらに散布作業機101が速度Vで前進を続けると、センサアーム210Lは株252と離れて図示せぬ付勢手段により前方に回動し、時刻t2 に株252と同じ作物株列(条)を形成する隣の株253と当接する。このとき、θL =θ2 である。散布作業機101がさらに速度Vで前進を続けると回動角θL は再び増加し、時刻t3 にはセンサアーム210Lの先端と株253とが当接した状態となる。このとき、回動角θL =θ3 であり、株253とセンサアーム210Lとが当接することによる回動角は最大値となる。
【0050】
図11および図12に示すように、散布作業機101が作物株列(条)に沿って走行したときに、横軸を時間、縦軸を回動角θとして回動角θをプロットすると鋸刃状となる。センサアーム210Lの長さL、および当接終了点における回動角θL (θ1 あるいはθ3 )から、当接終了点における株倣いセンサ123と該株倣いセンサ123の左側方に位置する作物株との距離ML は以下の(式1)で表される。すなわち(式1)は、ML =L×sin(θL )である。
センサアーム210Rについても同様にして、距離MR は以下の(式2)で表される。すなわち(式2)は、MR =L×sin(θR )である。
散布作業機101の操向制御は距離ML とMR とが略等しくなるように行う。言い換えれば、距離偏差ΔD(=ML −MR )がゼロに略等しくなるように制御する。(式1)および(式2)より距離偏差ΔDは以下の(式3)で表される。すなわち(式3)は、ΔD=L×{sin(θL )−sin(θR )}である。
【0051】
散布作業機101の機体前後方向が作物株列(条)に対して常に平行であれば上述の(式1)から(式3)だけで操向制御することが可能であるが、実際には作物株列に対して散布作業機101の機体前後方向は平行ではない。従って、前述の(式1)から(式3)における回動角θL ・θR には常に作物株列の長手方向と散布作業機101の機体前後方向との成す角度偏差Δθが誤差として含まれている。
【0052】
角度偏差Δθは、(式4)に示すように、株倣いセンサ123の前後方向(すなわち散布作業機101の機体前後方向)と左側方の作物株列との成す角度ΔφL と、株倣いセンサ123と右側方の作物株列との成す角度ΔφR の平均値で表される。すなわち(式4)は、Δφ=(ΔφL +ΔφR )/2である。
図13に示すように、ΔφL は、株252の当接終了点(時刻t1 )におけるセンサアーム210Lの先端位置254と、株253の当接終了点(時刻t3 )におけるセンサアーム210Lの先端位置255とを結ぶ直線と、散布作業機101の機体前後方向との成す角度で表される。
【0053】
ΔφL は充分小さいと仮定するとともに、時刻t3 を現在の時刻、時刻t1 を過去の時刻として、T=t3 −t1 、θ1 =θLold、θ3 =θLnowと書き換えると、ΔφL は以下の(式5)で近似される。すなわち(式5)は、ΔφL =Arktan{L×(sin(θLnow)―sin(θLold))/VT}である。
同様にして、ΔφR は以下の(式6)で近似される。すなわち(式6)は、ΔφR =Arktan{L×(sin(θRnow)―sin(θRold))/VT}である。
(式4)から(式6)より、Δφは(式7)のように表される。すなわち(式7)は、Δφ=〔Arktan{L×(sin(θLnow)―sin(θLold))/VT}+Arktan{L×(sin(θRnow)―sin(θRold))/VT}〕/2である。
(式7)で得られたΔφがゼロに略等しくなるように散布作業機101の操向制御を行うことで、散布作業機101は作物株列(条)に対して略平行に走行することが可能である。
以上の如く、株倣いセンサ123の回動角θ(θL およびθR )から、距離偏差ΔDおよび角度偏差Δφを求めることが可能である。結果として、GPSユニット102では直接検知することができない圃場の作物株列(条)の方向、および個々の作物株の位置を検知し、散布作業機101が作物を踏むことなく自律走行することが可能である。
【0054】
なお、前述の(式5)から(式7)中に出てくるVT(=V×(t3 ―t1 ))は同じ作物株列に植わっていて、かつ隣り合う作物間の距離と略同じである。従って、GPSユニット102による散布作業機101の位置情報と組み合わせることにより、VT値の圃場内分布を知ることが可能である。該VT値が大きければ、作物株間距離が大きいことを意味し、欠株や植付ミスが生じており、該VT値が小さければ、作物株間距離が小さいことを意味する。言い換えれば、VTは作物の植え付け密度を表しているのである。よって、追肥作業データとして利用可能である(植え付け密度が高い場所に追肥するなど)。
また、作物株間距離が小さいことは当該地点において移植機が走行中スリップしつつ移植作業を行ったことをも示している。すなわち、軟弱地盤分布データとしても利用可能である。
【0055】
図14は株倣いセンサ123と処理部110との間にローパスフィルタ256を設けない場合の回動角θと時間tの関係を示すグラフである。本実施例では株倣いセンサ123の回動角検出手段211である角度センサの出力周波数は5Hzであり、振動的な出力を行うため、当接開始点および当接終了点を検知するのは容易ではない。本実施例のローパスフィルタ256の周波数は1Hzであり、該ローパスフィルタ256により回動角検出手段211からの出力(電圧)は図11の如く平滑化され、当接開始点および当接終了点が容易に検知可能となった。また、ローパスフィルタ256を設けたことにより、外部からのノイズが株倣いセンサ123の出力信号に及ぼす影響が小さくなり、検知データの信頼性が向上した。
【0056】
上記の株倣いセンサ123による自律走行経路の修正方法としては、次のような方法がある。
例えば図15に示すように、散布作業機101の自律走行経路を、直進走行する部分が作物株列(条)に対して略平行となるように作成する。そして、該直進経路(図15中の太い実線)を走行するときはGPSからの位置情報よりも株倣いセンサ123からの作物位置情報を優先し、作物株を踏まないように操向制御する(以後、株倣いセンサからの情報に基づき、作物株を踏まないように作物株に対して略平行に走行することを「株倣い走行」と呼ぶ)。
一方、自律走行経路のうち、図15中の太い点線で示される部分は散布作業機101が旋回走行する部分である(以後、「回行走行」と呼ぶ)。この回行走行時にはGPSからの位置情報に基づいて自律走行を行う。
すなわち、作物株列(条)に沿って走行するときはGPSによる自律走行経路から大きく外れず、かつ作物株を踏まないように走行し、旋回するときはGPSによる自律走行経路を精度良くトレースするように散布作業機101の操向制御が行われるのである。
【0057】
このように構成することにより、自律走行中において、旋回時はGPSからの位置情報に基づき自律走行経路に対して精度良く走行し、直進時は株倣いセンサからの作物株の位置情報に基づき操向制御し、作物が散布作業機の車輪に踏まれて損傷することが最小限に抑えられる。
【0058】
また、本実施例の散布作業機101の処理部110に株倣い走行時の走行経路をGPSによる位置情報として記憶させることも可能である。このように構成することにより、同一の圃場で次回に自律走行による薬液散布作業を行うときは、作物株を車輪で踏まない過去の自律走行経路を利用して、株倣いセンサを使用せずとも作物株を踏まずに自律走行を行うことが可能である。
【0059】
また、株倣い走行経路257から隣の株倣い走行経路261へ移行する際に、該株倣い走行経路257・261に枕地が隣接している際は、図16に示す旋回方法を用いることが可能である。株倣い走行経路257および株倣い走行経路261と、枕地走行経路259とは、作物株列が略垂直になっている。すなわち、枕地走行経路259と後述する回行走行経路258・260はちょうど枕地上に位置する。株倣い走行経路257の終了点に到達した散布作業機101は回行走行経路258に沿って90度左旋回(回行走行)し、枕地走行経路259では他の株倣い走行経路と同様に株倣い走行を行う。そして、回行走行経路260に沿って90度左旋回(回行走行)し、株倣い走行経路261では株倣い走行を行う。
【0060】
一方、回行経路262から中継経路263、回行経路264を経て株倣い経路261へ復帰するような、枕地でない場所での旋回作業(隣接する株倣い走行経路間の移行)を行うと、中継経路263では作物株列(条)を横切るように走行するため、該中継経路263を走行中は作物株を車輪で踏むことは避けられない。
【0061】
上記の如く、回行走行を行う場所が枕地上に来るように自律走行経路を作成し、枕地内で回行走行し、枕地の作物株列(条)に沿って株倣い走行後再び回行走行して隣の株倣い走行経路へ進入することにより、枕地ではない場所で回行走行を行う場合と比較すると、車輪で踏むことによる作物の損傷が少ない。
【0062】
次に、株割り時の操向制御方法について、図17から図19を用いて説明する。
「株割り」とは、作物株を車輪で踏み倒しながら走行することを指す。より具体的には図17または図18のような状態になる。図17では、作物株列266の上に株倣いセンサ123が位置し、該株倣いセンサ123直下の作物は株倣いセンサ123の前方に折れ曲がっている。そのため、左右のセンサアーム210L・210Rはともに該株倣いセンサ123直下の作物に触れておらず、回動していない状態(以後、「第一株割り形態」と呼ぶ)である。図18では、作物株列266の上に株倣いセンサ123が位置し、該株倣いセンサ123直下の作物株を構成する複数の作物茎の束は、株倣いセンサ123の左右に割られた状態(以後、「第二株割り形態」と呼ぶ)になっている。この左右に割れた作物茎に当接して、左右のセンサアーム210L・210Rは後方へ大きく(最大回動角近傍まで)回動している。
このような状態で株倣い走行を継続すると、株倣いセンサ123・123後方に位置する前輪7・7により作物株列266は延々踏み倒されてしまう。
【0063】
そこで、本発明の散布作業機101では、図19に示すような走行経路修正を行う。すなわち、株倣いセンサ123のセンサアーム210L・210Rからの回動角θL およびθR の情報から、第一株割り形態(回動角θL およびθR が無負荷状態の時の回動角を示す)または第二株割り形態(回動角θL およびθR が株倣いセンサの最大回動角近傍を示す)を呈していると判断されると、散布作業機101は条間距離(隣接する作物株列間の距離)の略半分だけ進行方向に対して左右どちらかにずれた位置に移動し、その位置から株倣い走行を再開するように操向制御される。図19は散布作業機101が進行方向の左側に条間距離の略半分だけずれて、作物株列265と作物株列266の条間を車輪が通過する操向制御の実施例である。なお、半分ずらす場合は散布側にずらし、未散布領域が発生しないようにする。
このように制御することにより、株倣い走行中に株割りとなっても、散布作業機101は条間距離の略半分ずれた位置に移動して株倣い走行を再開するので、作物を延々車輪で踏むことなく自律走行を行うことが可能である。
【0064】
また、本発明の散布作業機101が自律走行を行う際に株割りが発生する可能性が高いのは、GPSによる位置情報に基づいて旋回する「回行走行」から、株倣いセンサ123からの検知情報に基づいて作物株列に略平行に走行する「株倣い走行」へ移行するときである。
【0065】
本発明では回行走行から株倣い走行へ移行するときに、回行走行終了時点から作物株列の長手方向に対して斜めに走行する「斜行走行」を行い、このときの株倣いセンサ123の検知情報に基づき株倣い走行へ移行する。
【0066】
図20は、互いに略平行な作物株列265・266・267に対して略垂直な作物株列である枕地株列268・269間を株倣いセンサ123が通過するように株倣い走行していた散布作業機101が、左に90度旋回して作物株列265・266・267に略平行に株倣い走行する実施例である。
散布作業機101は、枕地走行経路の終了点270までは株倣いセンサ123の検知情報に基づき、株倣い走行を行っている。散布作業機101はGPSからの位置情報に基づいて該枕地走行終了点270から回行走行を行い、左に90度旋回する。そして株倣いセンサ123は回行走行終了点271に移動する。このとき、回行走行経路(枕地走行終了点270から回行走行終了点271まで)はGPSからの位置情報に基づいて自律走行を行うため、図20のように株倣いセンサ123がちょうど作物株列266に重なる(すなわち株割りを起こす)位置から株倣い走行を開始する場合が発生し得る。
【0067】
このような場合でも、散布作業機101は作物株276や作物株277上を株割りしつつ走行していると、前述の如くセンサアーム210L・210Rの回動角から株割りを起こしていることを検知する。そして、条間距離の略半分だけ走行経路を側方にずらして(本実施例では走行経路修正開始点274から走行経路修正終了点275へ移動して)、作物株列266と作物株列267の間を株倣いセンサ123が通過しつつ株倣い走行する。 しかし、株割りを起こしていると認識するまでは株割りしつつ走行を続けることから、幾つかの作物株(本実施例では作物株276・277)を車輪で踏むことになる。
【0068】
そこで、本発明では回行走行を行う際に90度旋回せず、手前の斜行走行開始点272から、作物株列265・266・267の長手方向に対して斜めに横切るように斜行走行を行う。この斜行走行時はGPSからの位置情報に基づき、直進走行する。そして、斜行走行時のセンサアーム210L・210Rの回動角から作物株列266・267の位置を検知し、株倣い走行開始点273から株倣い走行を開始する。
【0069】
このように制御することにより、回行走行から株倣い走行への移行時に起こりやすい株割れを回避し、自律走行による作物への損傷をより低減することが可能である。
【0070】
また、図21に示すように、接触センサや距離センサなどで構成される前方検知手段276を株倣いセンサ123の前面に設けることにより、株割れを起こしたり、作物株列を横切ったことをより早く検知することが可能となる。結果として、作物株を車輪で踏むことによる損傷を低減可能である。また、センサアーム210L・210Rからの回動角の情報と組み合わせることにより、作物株列の位置の検知精度が向上する。
【0071】
なお、本実施例においては、散布作業機101の本機コントローラ169と自律走行コントローラである処理部110とは別体であり、これらの間をケーブルで接続する構成としたが、これらを一体化して、CPUやRAMやROM等を備える一つの制御手段により制御する構成としても良い。
【0072】
また、本実施例では車輪前方に配置する左右一側の株倣いセンサ123について説明したが、実際には、左右両側の株倣いセンサ123について株割れが生じないように制御する。このことき左右の株倣いセンサ123・123の前方両側の株と株の間隔は同一とすることは不可能に近いので、左右両側の株倣いセンサ123・123の内側の株または外側の株までの距離が略均等になるように制御する。また、左右いずれか一方がどうしても株を踏むときは、左右の株から均等距離を走行すると両側を踏んでしまうので、左右一方が確実に踏まないように制御して踏み倒す株をできるだけ少なくなるように制御する。
【0073】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。
【0074】
請求項1に示す如く、グローバル・ポジショニング・システム(GPS)と、速度、姿勢、エンジン回転数、ステアリングの操舵角などを検出する内界センサ(122)と、株倣いセンサ(123)を搭載し、それぞれ制御手段と接続して自律的に作業を行う農業用作業車において、枕地の回行走行時はグローバル・ポジショニング・システム(GPS)により位置情報を基に操向制御を行い、枕地の回行走行以外の直進走行時には、株倣いセンサ(123)による作物株列に沿って操向制御を行う株倣い走行するように構成し、作物株を車輪で踏み倒しながら走行する、株割りを起こす場合、即ち、作物株列(266) の上に前記株倣いセンサ(123)が位置し、該株倣いセンサ(123)直下の作物は、該株倣いセンサ(123)により踏み倒されて前方に折れ曲がり、該株倣いセンサ(123)から左右に回動可能に突出されたセンサアーム(210L・210R)は、共に該株倣いセンサ(123)直下の作物に触れておらず、回動していない状態、または、作物株列(266)の上に前記株倣いセンサ(123)が位置し、該株倣いセンサ(123)直下の作物株を構成する複数の作物茎の束が、該株倣いセンサ(123)により左右に割られた状態で、該株倣いセンサ(123)から左右に回動可能に突出されたセンサアーム(210L・210R)は左右に割れた作物茎に当接して、共に後方へ最大回動角近傍まで回動している状態では、走行経路を左右どちらか一方に、条間距離の略半分だけずらしてから株倣い走行を再開するので、車輪は株間を走行することができるようになり、自律走行中に作物が該農業用作業車の車輪に踏まれて損傷することが最小限に抑えられる。また、株に沿って散布することができる。
また、株に沿ったり株を避けて通るようにすると、所望の位置にたどり着くことが難しくなるが、GPSによる位置情報を基に回行走行するので、最短距離で回行でき、精度良く走行することが可能である。
また、株割りを起こす場合は、走行経路を左右どちらか一方に条間距離の略半分だけずらしてから株倣い走行を再開するので、作物を延々車輪で踏むことなく自律走行を行うことが可能である。
【0075】
請求項2に示す如く、請求項1記載の農業用作業車において、過去に当該圃場で自律走行作業した時の自律走行経路を記憶しておき、該過去の自律走行経路に沿って自律走行するので、同一の圃場で次回に自律走行による薬液散布作業を行うときは、作物株を車輪で踏まない過去の自律走行経路を利用して、株倣いセンサを使用せずとも作物株を踏まずに自律走行を行うことが可能である。
【0076】
請求項3に示す如く、請求項1記載の農業用作業車において、回行走行から株倣い走行へ移行する際に、作物株列の長手方向に対して斜めに走行するので、回行走行から株倣い走行への移行時に起こりやすい株割れを回避し、自律走行による作物への損傷をより低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の側面図。
【図2】 本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の平面図。
【図3】 本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の正面図。
【図4】 本発明における自律走行システムの模式図。
【図5】 本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の斜視図。
【図6】 基準局ユニットを示す図。
【図7】 本発明の農業用作業車による自律走行経路の実施例を示す模式図。
【図8】 本発明における自律走行のフローチャート図。
【図9】 株倣いセンサの実施例の模式図。
【図10】 株倣いセンサと前輪との位置関係を示す図。
【図11】 センサアームの回動角と時間との関係を示す図。
【図12】 センサアームの回動角と時間との関係を示す一部拡大図。
【図13】 センサアームと作物株の位置関係を示す模式図。
【図14】 ローパスフィルタ処理を行わない場合におけるセンサアームの回動角と時間との関係を示す図。
【図15】 作物株列に沿って形成された自律走行経路の実施例を示す図。
【図16】 株倣いセンサを用いた自律走行のフローチャート図。
【図17】 株割りの一形態を示す模式図。
【図18】 株割りの別形態を示す模式図。
【図19】 株割り状態から株倣い走行へ復帰するときの株倣いセンサの移動経路を示す模式図。
【図20】 斜行走行の実施例を示す図。
【図21】 株倣いセンサの別実施例の模式図。
【符号の説明】
101 農業用作業機
102 GPSユニット
103 移動局ユニット
104 基準局ユニット
108 GPSアンテナ
122 内界センサ
123 株倣いセンサ
209 センサ本体
210L・210R センサアーム
Claims (3)
- グローバル・ポジショニング・システム(GPS)と、速度、姿勢、エンジン回転数、ステアリングの操舵角などを検出する内界センサ(122)と、株倣いセンサ(123)を搭載し、それぞれ制御手段と接続して自律的に作業を行う農業用作業車において、枕地の回行走行時はグローバル・ポジショニング・システム(GPS)により位置情報を基に操向制御を行い、枕地の回行走行以外の直進走行時には、株倣いセンサ(123)による作物株列に沿って操向制御を行う株倣い走行するように構成し、作物株を車輪で踏み倒しながら走行する、株割りを起こす場合、即ち、作物株列(266)の上に前記株倣いセンサ(123)が位置し、該株倣いセンサ(123)直下の作物は、該株倣いセンサ(123)により踏み倒されて前方に折れ曲がり、該株倣いセンサ(123)から左右に回動可能に突出されたセンサアーム(210L・210R)は、共に該株倣いセンサ(123)直下の作物に触れておらず、回動していない状態、または、作物株列(266)の上に前記株倣いセンサ(123)が位置し、該株倣いセンサ(123)直下の作物株を構成する複数の作物茎の束が、該株倣いセンサ(123)により左右に割られた状態で、該株倣いセンサ(123)から左右に回動可能に突出されたセンサアーム(210L・210R)は左右に割れた作物茎に当接して、共に後方へ最大回動角近傍まで回動している状態では、走行経路を左右どちらか一方に、条間距離の略半分だけずらしてから株倣い走行を再開することを特徴とする農業用作業車。
- 請求項1記載の農業用作業車において、過去に当該圃場で自律走行作業した時の自律走行経路を記憶しておき、該過去の自律走行経路に沿って自律走行することを特徴とする農業用作業車。
- 請求項1記載の農業用作業車において、枕地の回行走行から株倣い走行へ移行する際に、作物株列の長手方向に対して斜めに走行することを特徴とする農業用作業車。
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