JP4273027B2 - トラクタの姿勢制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、走行するトラクタなどの車両にかかるヨー方向モーメントの影響を低減して、車両の姿勢の保持・修正を行う車両の姿勢制御装置に関する。

一般的に、ロータリーなどの作業機をトラクタに装着して、耕うん作業や代かき作業などを行う場合、耕うん抵抗の水平分力により発生するヨー方向のモーメントや、左右輪のコーナリングフォースやドライビングフォースの差によるヨー方向モーメントといった要因により、トラクタの姿勢を一定に保つことが困難であった。従って、作業者は、トラクタの姿勢を保持するために、前輪の操舵角をコーナリングフォースやドライビングフォースの変化に応じて変化させ、かつ頻繁に行う必要があり、多大な労力を要するものであり、姿勢を保持するための操舵を適切に行うためには熟練を要していた。

このような、作業中のトラクタの姿勢を保持するためには、大きな労力を必要とし、熟練を要するものであるが、作業中のトラクタの姿勢変化量を、前輪の操舵角に応じた量となるように、自動的に制御することができれば、作業者の操舵負担が軽減し、熟練者でなくても効率の良い作業を行うことが可能となる。

ここで、作業中のトラクタの姿勢を制御するために、前輪の操舵を自動制御することが考えられるが、代かき作業を行う湛水水田において、前輪を頻繁に操舵すると、作土を前輪で排除しながら走行することとなるため、耕うん、整地した圃場を荒らし、さらには耕盤を痛めてしまう可能性がある。従って、作業中のトラクタの姿勢を制御するためには、前輪の操舵を自動制御するよりも、作土を排除することがない後輪を用いて制御する方が適切であると考えられる。

後輪の制御としては、例えば、後輪のデフ装置にデフロック作動機構を設けて、車両の直進性を向上させたものがある。このデフロック作動機構の作動・解除を切り換え可能とするものがある。デフロック作動機構の作動・解除は自動での切り換えは可能となっており、前輪の切れ角が一定角度以上になったときにオン・オフが切り換えられる車輪切れ角スイッチや、左右後輪ブレーキの何れか一方が作動されたことを検知する片ブレーキスイッチなどのオン・オフ状態に応じてデフロック作動機構の作動・解除が切り換えられるように構成されている（特許文献１参照）。

特許２９２２７３９号公報

しかし、前述のように、直進性を向上させるためのデフロック作動機構を設けた場合でも、圃場の凹凸や耕うん抵抗などにより、トラクタなどの車両にヨー方向のモーメントが生じたときには、必ずしも直進状態を保持できるものではない。そこで、本発明においては、左右後輪の制動力差により、車両にかかるヨー方向のモーメントを軽減して、車両の姿勢を保持・修正する車両の姿勢制御装置を提供するものである。

上記課題を解決する車両の姿勢制御装置は、以下の特徴を有する。

請求項１の如く、トラクタ（１）の本体（５）に、トラクタのヨー角速度を検出するための角速度センサ（１１）を付設し、前輪（３・３）の操舵角を検出するための操舵角センサ（１３）を付設したトラクタの姿勢制御装置において、前記角速度センサ（１１）と操舵角センサ（１３）と制御ブレーキ（１２ａ・１２ｂ）は、それぞれメインコントローラ（１４）に接続し、該メインコントローラ（１４）は、入力された角速度センサ（１１）によるトラクタのヨー方向の角速度の検出値、及び操舵角センサ（１３）による前輪（３・３）の操舵角の検出値に基づいて、トラクタ（１）に付与するヨー方向のモーメント値を算出し、算出したモーメント値を制御ブレーキ（１２ａ・１２ｂ）の踏力指令値に変換し、該制御ブレーキ（１２ａ・１２ｂ）へ出力する構成とし、該トラクタ（１）の本体（５）に作業機（７）を装着し、該本体（５）に圃場からだけでなく、該作業機（７）からもヨー方向のモーメントを受ける場合に、該本体（５）に作業機（７）を装着するリンク機構のロアリンク（８）に、該作業機（７）から本体（５）が受ける力を検出するセンサを設け、該作業機（７）から受ける力をも加味して制御ブレーキ（１２ａ・１２ｂ）の踏力指令値を決定するものである。
これにより、圃場の凹凸や耕うん抵抗などにより、トラクタなどの車両にヨー方向のモーメントが生じたときでも、車両にかかったヨー方向のモーメントの影響を自動的に軽減して、車両の姿勢を保持・修正することができる。
また、これにより、トラクタの姿勢を保持するための前輪操舵の度合いを減少させることができ、作業者の労力を低減するとともに、熟練者でなくても車両の運転操作などの作業を効率的に行うことが可能となる。

また、前記車両は、左右後輪のブレーキを独立して制御可能であって、左右の後輪ブレーキをそれぞれ制御する制御手段を備えており、前記制御手段は、検出したヨー角速度に基づいて、車両の回転方向とは逆の方向にヨーモーメントが生じるように、左右後輪のブレーキを駆動して、車両の姿勢を制御する。
これにより、作土を排除することがなく、耕盤を痛めずに車両の姿勢制御を行うことが可能となる。

また、前記制御手段は、前記ヨー角速度に加えて、前輪の操舵角にも基づいて左右後輪のブレーキを制御し、車両の姿勢変化量が、前輪の操舵角に応じた量となるように制御を行う。
これにより、路面状態の変化にかかわらず、前輪の操舵角に応じた正確な姿勢変化が実現できるため、車両を操舵する作業者の意図した方向へ車両を進行させることができ、作業者の労力を軽減することができる。

また、前記車両に作業機を装着するためのリンク機構に、車両が作業機から受ける力の大きさを検出する手段を設けた。
このように構成し、作業機から受ける力をも加味して左右後輪のブレーキの踏力指令値を決定することで、さらに高精度な姿勢制御を行うことが可能となる。

また、請求項２記載の如く、請求項１記載のトラクタの姿勢制御装置において、前記トラクタ（１）には表示手段が設けられ、姿勢制御装置による姿勢制御前後での、トラクタ（１）の横位置ずれ量を算出し、該表示手段に表示するものである。
これにより、作業者にとって、本来走行すべき走行経路へ車両の左右位置を戻すことが容易となり、作業者の負担を軽減するとともに、作業の質を向上することができる。

また、請求項３記載の如く、請求項２記載のトラクタの姿勢制御装置において、姿勢制御装置による姿勢制御を行い、前記横位置ずれ量に基づいて、トラクタ（１）の位置を元の走行経路へ戻すように、左右後輪のブレーキ（１２ａ・１２ｂ）を制御するものである。
これにより、姿勢制御後の作業者の操舵の負担をさらに軽減することが可能となる。

本発明によれば、圃場の凹凸、耕うん抵抗、コーナリングフォースやドライビングフォースの変化により、操舵角に応じた車両の旋回半径が異なる場合やトラクタなどの車両にヨー方向のモーメントが生じたときでも、車両に生じたヨー方向のモーメントの影響を自動的に軽減して、車両の姿勢を保持・修正することができる。
これにより、トラクタの姿勢を保持するための前輪操舵の度合いを減少させることができ、作業者の労力を低減するとともに、熟練者でなくても車両の運転操作などの作業を効率的に行うことが可能となる。
また、作土を排除することがなく、耕盤を痛めずに車両の姿勢制御を行うことが可能となる。
さらに、車両を操舵する作業者の意図した方向へ車両を進行させることができ、作業者の労力を軽減することができる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。まず、図１、図２に示すように、本発明にかかる車両の姿勢制御装置を備えたトラクタ１は、車両本体５に車両のヨー角速度を検出するための角速度センサ１１を取り付けるとともに、前輪３・３の操舵角を検出するための操舵角センサ１３を設けている。

角速度センサ１１としては、例えば、振動型ジャイロセンサが用いられ、操舵角センサ１３としては、例えば、ポテンショメータが用いられている。また、トラクタ１の左右後輪２・２には、それぞれ電子制御化された制御ブレーキ１２ａ・１２ｂが備えられている。

前記角速度センサ１１、操舵角センサ１３は、および制御ブレーキ１２ａ・１２ｂは、それぞれメインコントローラ１４に接続されている。そして、これらのメインコントローラ１４、角速度センサ１１、操舵角センサ１３、制御ブレーキ１２ａ・１２ｂなどにより、車両の姿勢制御装置が構成されている。

メインコントローラ１４は、入力された角速度センサ１１による車両のヨー方向の角速度の検出値、および操舵角センサ１３による前輪３・３の操舵角の検出値に基づいて、車両に付与するヨー方向のモーメント値を算出し、算出したモーメント値を制御ブレーキ１２ａ・１２ｂの踏力指令値に変換した後に、制御ブレーキ１２ａ・１２ｂへ出力する。

図３に示すように、制御ブレーキ１２ａ・１２ｂは、図示せぬブレーキ装置と、ブレーキ装置を作動させる電動モータ２１と、ブレーキ装置と電動モータ２１とを接続する中間リンク２２およびブレーキリンク２３と、ブレーキ装置の動作を制御するモータドライバ１５と、などにより構成されている。

電動モータ２１は、モータドライバ１５により伸縮動作されるピストン２１ａを備えており、該ピストン２１ａには、支点２２ａを中心に回動可能な中間リンク２２の一端が接続されている。中間リンク２２の他端はブレーキリンク２３の一端に係止している。そして、電動モータ２１のピストン２１ａが伸張すると、中間リンク２２によりブレーキリンク２３が引っ張られ、ブレーキリンク２３の他端に接続されるブレーキ装置（図示せず）が作動して、後輪２が制動されるように構成されている。

モータドライバ１５は、サブコントローラ１５ａおよびＰＷＭアンプ２７を備えており、前記電動モータ２１は、ＰＷＭアンプ２７を介してサブコントローラ１５ａと接続されている。そして、モータドライバ１５のサブコントローラ１５ａには、メインコントローラ１４からの踏力指令値が入力され、サブコントローラ１５ａは、入力された踏力指令値に基づいて電動モータ２１を動作させる。踏力指令値とは、ブレーキ装置の制動度合いを作業者がブレーキペダルを踏む力の大きさで表したものであり、本制御装置では、ブレーキペダルに繋がっているブレーキリンク２３を引っ張る力として表している。

また、中間リンク２２には、ストレインゲージ２４が貼着されており、中間リンク２２の歪量を検出するようにしている。すなわち、ストレインゲージ２４は、電動モータ２１のピストン２１ａが伸張して中間リンク２２が押動されることにより生じる、中間リンク２２の曲げ歪を検出するものである。ストレインゲージ２４により検出された歪量は、ストレインアンプ２６を通じてサブコントローラ１５ａにフィードバックされる。

サブコントローラ１５ａにおいては、メインコントローラ１４からの踏力指令値と、ストレインゲージ２４により検出された中間リンク２２の歪量とを比較して、電動モータ２１の作動量を決定する。

このように構成される車両の姿勢制御装置では、検出した車両のヨー方向の角速度、および操舵角センサ１３により検出された前輪３・３の操舵角に基づいて左右の制御ブレーキ１２ａ・１２ｂの踏力指令値を決定し、その踏力指令値を用いて電動モータ２１をフィードバック制御して、検出したヨーモーメント方向とは逆方向のヨーモーメントを生じさせることで、車両の姿勢を制御するようにしている。また、メインコントローラ１４内には、トラクタ１の車両重量や慣性モーメントなどの値が予め記憶されており、これらの値はメインコントローラ１４が制御ブレーキ１２ａ・１２ｂの踏力指令値を決定する際に考慮される。

例えば、左回り方向のヨーモーメントが車両にかかった場合には、右制御ブレーキ１２ｂの制動力が左制動ブレーキ１２ａの制動力よりも大きくなるように左右の制御ブレーキ１２ａ・１２ｂを制御して、車両に逆方向のヨーモーメントを生じさせ、車両の姿勢を元に戻すようにしている。車両の姿勢は、前輪３・３の操舵角が０°（即ち直進状態）であったときには、進行方向へ向くように制御され、前輪３・３が左右に操舵されているときには、その操舵角方向へ向くように制御される（つまり、前輪３・３の操舵角が左１０°であれば、その操舵角に応じた姿勢変化量を実現するように制御される）。

図４には、フィードバック制御される左右の制御ブレーキ１２ａ・１２ｂにおける、メインコントローラ１４からの踏力指令値に対する、制御ブレーキ１２ａ・１２ｂの作動により実際に生じる踏力の応答性を示している。図４における踏力の実際の観測値は、ストレインゲージ２４により検出された歪量の値を、ブレーキペダルの踏力に換算した値である。図４によれば、踏力指令値が増加していくとき、および減少していくときの両方において、踏力の観測値は、メインコントローラ１４からの踏力指令値に追従しており、制御ブレーキ１２ａ・１２ｂの応答性は良好であるといえる。

次に、姿勢制御装置により、実際に車両の姿勢制御を行った実施例について説明する。前記メインコントローラ１４およびサブコントローラ１５ａには、それぞれマイクロコントローラＰＩＣ１６Ｆ８７７を用い、角速度センサ１１には振動型ジャイロセンサを、操舵角センサ１３にはポテンショメータを用い、ＰＷＭアンプ２７にはＭＯＳＦＥＴによるＨブリッジで構成された電圧型ＰＷＭアンプを用い、電動モータ２１には直動ＤＣモータを用いた。

また、本姿勢制御装置は、圃場などを走行しているトラクタ１の姿勢を制御するものであるが、本実施例では舗装路面を走行するトラクタ１に対して姿勢制御を行った。また、メインコントローラ１４に入力される操舵角は０°に固定して設定した（つまり、操舵角センサ１３の検出値をメインコントローラ１４に入力しない設定とした）。

さらに、トラクタ１が走行する舗装路面からは、車両の姿勢が乱れるようなヨー方向の外力を受けることがないので、走行中に前輪３・３を急激に操舵することにより、トラクタ１にヨーモーメントを意図的に発生させ、車両の姿勢を変化させた。この場合、前述のように、操舵角センサ１３の検出値はメインコントローラ１４に入力されないので、前輪３・３の操舵によるコーナリングフォースは、姿勢制御装置にとっては、外乱によるヨーモーメントとして取り扱われる。

図５に示すように、本実施例では、ｙ軸方向をトラクタ１の進行方向とし、トラクタ１の車両の姿勢をｙ軸に対する角度である姿勢角φ（左回り方向が＋）で表し、操舵により車両にかかるヨー角速度をγ（左回り方向が＋）で表している。

図６（ａ）〜（d ）に示すように、直進走行中のトラクタ１の前輪３・３を左側（＋側）に操舵開始すると（時刻t １）、ヨー角速度γが＋側へ増加し、左右後輪２・２の制御ブレーキ１２ａ・１２ｂに対し、メインコントローラ１４から踏力指令値が出力され、制御ブレーキ１２ａ・１２ｂが作動を開始する。また、前輪３・３の操舵開始とともに、車両の姿勢角φも＋側に増加する。

図５では、車両は左側へ操舵されてヨー角速度γが＋となっているので、制御ブレーキ１２ａ・１２ｂは、左後輪よりも右後輪の制動力が大きくなるように制御され、車両には制御ブレーキ１２ａ・１２ｂの作動により−側（右側）のヨーモーメントがかかる。このように、制御ブレーキ１２ａ・１２ｂが作動を開始するとヨー角速度γが減少し始め、時刻ｔ２になると車両の姿勢角φが減少に転じ、時刻ｔ３で姿勢角φは０となって操舵開始前の姿勢に戻る。なお、時刻ｔ３以降も同様の制御が行われている。

このように、姿勢制御装置の角速度センサ１１により、トラクタ１の車両にかかるヨー方向回転の角速度γを検出し、検出したヨー角速度γに基づいて車両の水平方向の姿勢を制御することで、圃場の凹凸や耕うん抵抗などにより、トラクタなどの車両にヨー方向のモーメントがかかったときでも、車両にかかったヨー方向のモーメントを自動的に軽減して、車両の姿勢を保持・修正することができる。これにより、トラクタの姿勢を保持するための前輪操舵の度合いを減少させることができ、作業者の労力を低減するとともに、熟練者でなくても車両の運転操作などの作業を効率的に行うことが可能となる。

また、姿勢制御装置は、検出したヨー角速度に基づいて、車両の回転方向とは逆の方向にヨーモーメントが生じるように、左右後輪の制御ブレーキ１２ａ・１２ｂを制動して車両の姿勢を制御するようにしているので、つまり左右後輪の制御ブレーキ１２ａ・１２ｂの制動力差を利用して車両の姿勢制御を行っているので、作土を排除することがなく、耕盤を痛めずに車両の姿勢制御を行うことが可能となっている。なお、姿勢制御装置により制御ブレーキ１２ａ・１２ｂを制御する場合には、後輪２・２がロックしないように制御することで、耕盤への影響をさらに低減するとともに、姿勢制御の効率を高めることが可能である。

また、姿勢制御装置は、前記ヨー角速度に加えて、操舵角センサ１３により検出された前輪の操舵角にも基づいて左右後輪のブレーキを制御し、車両の姿勢変化量が、前輪の操舵角に応じた量となるように制御を行っているので、トラクタ１を操舵する作業者の意図した方向へトラクタ１を進行させることができ、作業者の労力を軽減することができる。

また、図７（ａ）に示すように、車両が進行方向に対して姿勢角φだけ傾いている状態で、制御ブレーキ１２ａ・１２ｂの制御により車両の姿勢を進行方向へ修正すると、図７（ｂ）に示すように、元の車両の走行中心Ｐから距離ｄだけ横方向へずれた走行中心Ｐａを中心として車両が進行する場合がある。このような場合は、姿勢制御装置では、姿勢制御途中における、角速度センサ１１の検出値や、メインコントローラ１４から制御ブレーキ１２ａ・１２ｂへ出力される踏力指令値などに基づいて、車両の横ずれ量である距離ｄをメインコントローラ１４にて算出するように構成している。

算出した横ずれ量ｄは、トラクタ１の車両本体５に設置される表示器３１に表示され、トラクタ１を運転操作する作業者が横ずれ量ｄを把握できるようにしている。このように、姿勢制御後の車両の横ずれ量ｄを作業者が把握できるように構成することで、作業者にとって、本来走行すべき走行経路へ（走行中心Ｐａから走行中心Ｐへ）車両の左右位置を戻すことが容易となり、作業者の負担を軽減するとともに、作業の質を向上することができる。

また、姿勢制御装置は、車両の横ずれ量ｄを算出した後、左右後輪２・２の制御ブレーキ１２ａ・１２ｂを制御して、自動的に車両を元の走行経路へ戻すように構成することも可能である。このように、自動的に元の走行経路に戻るように構成することで、姿勢制御後の作業者の操舵の負担をさらに軽減することが可能となる。さらに、本姿勢制御装置による車両の姿勢制御を、ＧＰＳを用いた自動走行制御と組み合わせることで、トラクタ１などの車両の高精度な自動走行制御を実現することも可能である。

また、図５に示すトラクタ１のように、車両本体５に作業機７を装着しているときには、車両本体５は、圃場からだけでなく、作業機７からもヨー方向のモーメントを受ける。従って、車両本体５に作業機７を装着するためのリンク機構を構成するロアリンク８・８（図５に図示）に、作業機７から車両本体５が受ける力を検出するセンサを設けて、この作業機７から受ける力をも加味して制御ブレーキ１２ａ・１２ｂの踏力指令値を決定することで、さらに高精度な姿勢制御を行うことが可能となる。

また、本実施形態では、角速度センサ１１として、ｘｙ平面でのヨー角速度が検出可能な振動型ジャイロセンサを用いているが、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸の角速度を検出可能な角速度センサを用いることも可能であり、このような角速度センサを用いた場合は、車両重量や慣性モーメントなどの値を考慮することなく角速度センサからの検出値のみで、高精度な姿勢制御を行うことが可能である。

また、本姿勢制御装置は、トラクタ１の旋回時などに、前輪３・３の操舵角が一定以上になると、旋回内側の後輪３の制御ブレーキ１２ａ・１２ｂを自動的に作動させるオートブレーキ機構に適用することも可能である。つまり、旋回時のオートブレーキ機構作動時に、制御ブレーキ１２ａ・１２ｂの制動度合いを、車両が受ける耕うん抵抗やコーナリングフォースの大きさ（車両にかかるヨーモーメントの大きさ）に応じて変化させるように制御し、安定した姿勢でスムーズに旋回できるようにすることが可能である。

車両の姿勢制御装置を搭載したトラクタを示す側面図である。 姿勢制御装置の概略構成を示すブロック図である。 姿勢制御装置を構成する制御ブレーキを示すブロック図である。 踏力指令値と制御ブレーキの作動による踏力の実際の観測値との関係を示す図である。 姿勢制御されるトラクタの座標系を示す図である。 姿勢制御時における、前輪操舵角、ヨー角速度、姿勢角、および左右の制御ブレーキ動作の変化を示す図である。 姿勢制御による車両位置の横ずれを示す図である。

符号の説明

１ トラクタ
２ 後輪
３ 前輪
５ 車両本体
１１ 角速度センサ
１２ａ・１２ｂ （左右の）制御ブレーキ
１３ 操舵角センサ
１４ メインコントローラ
１５ａ サブコントローラ
２１ 電動モータ
２４ ストレインゲージ

Claims (3)

1. トラクタ（１）の本体（５）に、トラクタのヨー角速度を検出するための角速度センサ（１１）を付設し、前輪（３・３）の操舵角を検出するための操舵角センサ（１３）を付設したトラクタの姿勢制御装置において、前記角速度センサ（１１）と操舵角センサ（１３）と制御ブレーキ（１２ａ・１２ｂ）は、それぞれメインコントローラ（１４）に接続し、該メインコントローラ（１４）は、入力された角速度センサ（１１）によるトラクタのヨー方向の角速度の検出値、及び操舵角センサ（１３）による前輪（３・３）の操舵角の検出値に基づいて、トラクタ（１）に付与するヨー方向のモーメント値を算出し、算出したモーメント値を制御ブレーキ（１２ａ・１２ｂ）の踏力指令値に変換し、該制御ブレーキ（１２ａ・１２ｂ）へ出力する構成とし、該トラクタ（１）の本体（５）に作業機（７）を装着し、該本体（５）に圃場からだけでなく、該作業機（７）からもヨー方向のモーメントを受ける場合に、該本体（５）に作業機（７）を装着するリンク機構のロアリンク（８）に、該作業機（７）から本体（５）が受ける力を検出するセンサを設け、該作業機（７）から受ける力をも加味して制御ブレーキ（１２ａ・１２ｂ）の踏力指令値を決定することを特徴とするトラクタの姿勢制御装置。
2. 請求項１記載のトラクタの姿勢制御装置において、前記トラクタ（１）には表示手段が設けられ、姿勢制御装置による姿勢制御前後での、トラクタ（１）の横位置ずれ量を算出し、該表示手段に表示することを特徴とするトラクタの姿勢制御装置。
3. 請求項２記載のトラクタの姿勢制御装置において、姿勢制御装置による姿勢制御を行い、前記横位置ずれ量に基づいて、トラクタ（１）の位置を元の走行経路へ戻すように、左右後輪のブレーキ（１２ａ・１２ｂ）を制御することを特徴とするトラクタの姿勢制御装置。

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