JP4624969B2 - 農作業機のローリング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、田植機や農用トラクタなどの農作業機に利用されるローリング制御装置に関する。

農作業機の一例である乗用型の田植機では、例えば特許文献１に示されているように、作業装置として苗植付け装置を走行機体の後部に駆動ローリング自在に連結し、苗植付け装置の傾斜角検出情報に基づいてローリング駆動機構を作動制御して、苗植付け装置の左右方向での傾斜角度を目標傾斜角度に安定維持するよう構成したものが知られている。

左右方向での傾斜角を検出する手段として、一般には重力式の角度センサが利用されるのであるが、より高い精度および応答性のローリング制御を行うために、例えば、農用トラクタのローリング制御装置においては、特許文献２に開示されているように、左右方向の角速度を検知する振動ジャイロ型の角速度センサを導入して、左右方向での傾斜角度を検出することも行われている。
特開２０００−８３４２０号公報 特開２００３−９２９０２号公報

角速度センサは、温度の影響を受けて出力値が変化する特性、いわゆる温度ドリフトがあるので、精度の高い検出を行うためには角速度検知の基準出力（零点値）を適正に設定することが必要となる。特に、角速度センサからの検出値を積分処理して角度に演算する場合には、時間経過とともに誤差が累積して精度が大きく低下するので、零点値を補正設定することはローリング制御の精度を高める上で重要となる。

本発明は、このような点に着目してなされたものであって、角速度センサを導入したローリング制御において、適切な零点値の設定によって制御精度を高めることができるようにすることを目的としている。

第１の発明は、走行機体に作業装置を駆動ローリング自在に連結し、左右方向の傾斜角度を検知する角度センサからの検出値と、左右方向の傾斜角速度を検知する角速度センサからの検出値から作業装置における左右方向の検出傾斜角度を演算し、算出された検出傾斜角度に基づいてローリング駆動機構を作動させて、作業装置の左右傾斜角度を目標傾斜角度に近づけるよう構成した農作業機のローリング制御装置であって、
前記角速度センサにおける零点値設定作動を行う零点値設定手段を備え、この零点値設定手段による零点値設定作動が実行される条件が成立した状態において、この条件が成立してから所定時間内における前記角速度センサの検出値の変動が判別され、前記所定時間内における角速度センサの検出値の変動が設定範囲以内の場合は、キーオンした時点に取得された角速度センサの検出値を零点値とし、前記所定時間内における角速度センサの検出値の変動が設定範囲外の場合は、最新のキーオフ時点に記憶格納された角速度センサの零点値を今回の零点値とするよう前記零点値設定手段を構成してあることを特徴とする。

上記構成によると、零点値設定手段による零点値設定作動が実行される条件が成立した状態において走行機体や作業装置の姿勢が安定していて、所定時間内における角速度センサの検出値の変動が設定範囲以内にあると、この時は、キーオンした時点に記憶格納された角速度センサの検出値が初期の零点値として設定される。

零点値設定手段による零点値設定作動が実行される条件が成立した状態において、作業装置の姿勢が不安定で、所定時間内における角速度センサの検出値の変動が設定範囲外にあると、この時は、最新のキーオフ時点、つまり、先に作業が終了された時点に記憶格納された角速度センサの零点値が暫定的に今回の零点値として設定される。キーオフして作業を停止した状態では、一般に、走行機体および作業装置の姿勢が安定しているので、キーオフ時と現在の温度とが特に大きく異なっていなければ暫定的な零点値として妥当なものとして採用される。

従って、第１の発明によると、零点値設定手段による零点値設定作動を実行する場合、走行機体や作業装置の姿勢が安定しているとみなすことのできる状態での角速度センサの検出値を初期の零点値として設定することで、高い精度でのローリング制御を開始することができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、
最新のキーオフ時点に記憶格納された角速度センサの零点値が予め設定されている正常範囲内にあるか否かを判断する判断手段を備え、正常範囲から外れていることが判断されると、予め設定してある正常範囲内の基準値を今回の零点値とするよう前記零点値設定手段を構成してあるものである。

上記構成によると、最新のキーオフ時点の零点値が正常範囲から外れた不適切なものであると、予め設定してある正常範囲内の基準値が現時点での妥当な零点値として設定されることになり、精度が大きく低下した状態でローリング制御が開始されることを未然に回避することができる。

第３の発明は、上記第１または２の発明において、
前記零点値設定手段による零点値設定作動が実行される条件を、キーオン作動の検知としてあるものである。

上記構成によると、キーオン操作は、走行機体も作業装置も停止した安定状態で行われるので、角速度センサからの検出値も安定しており、初期の零点値設定作動を適切に実行することができる。

図１に、本発明に係る農作業機の一例として施肥装置付きの乗用型田植機の側面図が、図２にその平面図が示されている。この乗用型田植機は、前輪１および後輪２を備えて４輪駆動走行可能に構成された走行機体３の後部に、平行四連リンク構造のリンク機構４を介して８条植え仕様の苗植付け装置（作業装置）５が昇降自在に連結され、機体後部に施肥装置６が装備されるとともに機体前部の左右に予備苗のせ台７を備えた構造となっており、前記リンク機構４を油圧シリンダ８で上下に駆動揺動することで苗植付け装置５を昇降制御することができるようになっている。苗植付け装置５は、リンク機構４の後端部に前後方向支点Ｘ周りにローリング自在に連結されるとともに、リンク機構４の後端上部に備えたローリング駆動機構９によって苗植付け装置５が後述のようにローリング制御される。

前記走行機体３の前部にはエンジン１０が搭載され、その出力が前後進の無段変速が可能な油圧式無段変速装置（ＨＳＴ）１１に伝達され、その変速出力がミッションケース１２に入力され、図示されない副変速装置でギヤ変速された後、ミッションケース１２に支持された左右の前輪１に伝達されるとともに、ミッションケース１２から後方に取出された走行系動力が伝動軸１３を介して後部伝動ケース１４に伝達され、後部伝動ケース１４に支持された左右の後輪２に伝達されるようになっている。油圧式無段変速装置１１からミッションケース１２に伝達された変速出力の内の正転動力が作業用動力として分岐され、ミッションケース１２に内装された図示されない株間変速装置でギヤ変速された後、ミッションケース１２の後方から取り出され、伝動軸１５および伸縮伝動軸１６を介して苗植付け装置５に伝達されるようになっている。

図２，図３に示すように、前記苗植付け装置５は、横長角筒状の植付けフレーム２１、走行機体３から取り出された作業用動力を受けるフィードケース２２、一定ストロークで左右に往復横移動する苗のせ台２３、８組の回転式の植付け機構２４、および、後部左右に２条分づつの前記植付け機構２４を備えた４個の植付けケース２５、田面Ｔの植付け箇所を均平整地する５個の整地フロート２６、等を備えている。

並列配備された５個の整地フロート２６のうちの中央のものは、苗植付け装置５の田面Ｔに対する高さを検知する接地センサＳＦとして利用されている。図５の制御ブロック図に示すように、前記接地センサＳＦの後部部支点ｑ周りの上下揺動変位がポテンショメータ２７によって電気的に検知され、その検知情報が制御装置２８に入力されて演算処理され、接地センサＳＦの上下揺動姿勢が設定姿勢となるように前記油圧シリンダ８の作動を司る電磁式の制御弁２９を作動させることで、苗植付け装置５の田面Ｔに対する高さを一定に維持して、植付け深さを安定維持する自動植付け深さ制御が実行されるようになっている。

図４に示すように、ローリング駆動機構９は、リンク機構４の後端上部に連結したブラケット５０に前後向き支点ａ周りに左右揺動可能に支持されたローリング駆動アーム５１と、これをギヤ減速機構５２を介して揺動駆動する電動モータ５３とから構成されている。図３に示すように、前記植付けフレーム２１の左右から立設された支柱５４の上端に亘って支持枠５５が横架され、この支持枠５５の左右箇所に装着されたガイド部材５６が、苗のせ台２３の背部に補強枠を兼ねて横架連結された案内レール５７に係合されて、苗のせ台２３の上部が左右移動可能に係合案内されている。前記ローリング駆動アーム５１の上方遊端部と前記支持枠５５の左右箇所とが融通バネ５８を介して連結されている。

このような構成によると、苗植付け装置５はローリング駆動アーム５１に対して融通バネ５８を介して所定小範囲で自由ローリング可能に弾性支持されることになり、苗植付け装置５が整地フロート２６を介して田面Ｔに接地している状態では、走行機体３が多少左右傾斜しても弾性融通の範囲内で苗植付け装置５は田面Ｔに接地追従するようになっている。

ローリング駆動機構９の電動モータ５３は、苗植付け装置５に装備された後述する傾斜角検出手段からの検出情報に基づいて作動制御され、走行機体３が耕盤の凹凸等によって左右に傾斜して苗植付け装置５が傾斜しかかっても、その傾斜を復元させる方向に苗植付け装置５がローリング制御されて、常に設定されたローリング姿勢（一般に水平）に安定維持され、もって、各植付け機構２４による植付け深さに差異の少ない植付けが行われるようになっている。前記ローリング駆動アーム５１の揺動位置がポテンショメータ６０で検出され、ローリング駆動アーム５１の設定された揺動位置に至るとそれ以上の揺動を阻止するように電動モータ５３が停止制御されて、ローリング駆動アーム５１の揺動範囲が制限されるようになっている。

リンク機構４の後端上部に連結した前記ブラケット５０と苗のせ台２３の背面における前記案内レール５７の左右箇所とに亘って復帰用バネ５９が張設されており、苗のせ台２３の横移動によって移動方向側の復帰用バネ５９が伸ばされることで、苗のせ台横移動に伴う前後方向支点Ｘ周りの重量バランスの崩れを是正する方向の回動力が、伸長された復帰用バネ５９によってもたらされるようになっている。

苗植付け装置５の左右方向の傾斜角度を検知する手段としては、重力式の角度センサ６１と、左右方向の角速度を検知する振動ジャイロ型の角速度センサ６２とが利用されて、前後方向支点Ｘ近くにおいて植付けフレーム２１に取付けられている。両センサ６１，６２からの検出情報は前記制御装置２８に入力され、苗植付け装置５をローリング制御するための検出傾斜角度θが以下のようにして算出され、ローリング制御が実行される。

図６に示すように、前記角度センサ６１の検出値(θg)は、ローパスフィルタ６３に通されてその低周波成分だけが取得され、角速度センサ６２の検出値ｅ（=dθj/dt）は、ローカットフィルタ６４を通されたのち積分処理されて傾斜角が算出され、この演算値が更にローカットフィルタ６５に通されてその高周波成分だけが取得される。角度センサ６１の検出値θgに基づいて取得された低周波成分の傾斜角度θ1と、角速度センサ６２からの検出値ｅに基づいて取得された高周波成分の傾斜角度θ2とが加算されて、この値が検出傾斜角度θとされる。

なお、角度センサ６１からの検出値θgは重力式センサ自体の平滑特性によって検出信号の高周波成分の一部が外乱とともに除去されているので、この除去された高周波成分を補うために角度センサ６１の特性に対応した特性のローカットフィルタ６４が導入されている。また、ローパスフィルタ６３で除去された高周波成分を補うようにローカットフィルタ６５の特性が設定される。

つまり、苗植付け装置５が急速に傾斜すると、角度センサ６１からの検出値θgには振動等による外乱が含まれるとともに、慣性の影響で逆方向の信号が出力されることがあるので、これらを含む高周波成分を除去した値が基本的な傾斜角度θ1として取得される。そして、傾斜角変動の除去された高周波成分を補うために、角速度センサ６２の検出値ｅに基づいて演算取得された高周波成分の傾斜角度θ2が加算され、全体として優れた応答性および高い精度で検出傾斜角度θが算出されるのである。

上記のようにして算出された検出傾斜角度θは、傾斜角度設定器６６によって設定された目標傾斜角度θ0と比較演算され、両者の偏差｜θ0-θ｜が予め入力設定されている不感帯εより大きいと、その偏差が不感帯内に収まる方向に電動モータ５３が通電制御されることで、苗植付け装置５が目標傾斜角度θ0に安定維持されるのである。

なお、田植機においては、ほとんどの田面Ｔが水平であるので、前記目標傾斜角度θ0
を水平に設定することで、苗植付け装置５を田面Ｔと平行な水平姿勢に維持して全条での植付け深さを均一にすることができるが、畦際において田面Ｔが左右に傾斜しているような水田における畦際での植付け作業においては、傾斜角度設定器６６を調節して目標傾斜角度θ0を田面Ｔの傾斜に合わせて調整することで、傾斜した田面Ｔと平行な植付けを行
って植付け深さの均一化を図ることができるものとなる。

前記角速度センサ６２は、温度の影響を受けて出力が変化す特性（温度ドリフト）があるので、運転作業時の温度条件によって適切な零点値（基準出力値）に設定することが必要であり、その零点値設定作動のいくつかの例を次に説明する。

図７のフロー図に示すように、走行機体３の運転部に備えられたキースイッチ（図示せず）をオン操作して、前記エンジン１０を起動するとともに電気系統の電源を投入した時点から角速度センサ６２の検出値ｅの取り込みが開始され、キーオンされた時点に検出された検出値ｅ’が不揮発性メモリなどに記憶格納される（♯01）。キーオンされた時点から所定短時間（数秒以内）が経過すると（♯02）、その所定時間内における角速度センサ６２の検出値ｅの変動が判別され（♯03）、検出値ｅの変動量が予め設定された許容範囲内にあることが判断されると、キーオンされた時点に検出されて記憶格納された検出値ｅ'が今回の零点値ｅ0として設定される（♯04）。

角速度センサ６２の検出値ｅの変動量が許容範囲から外れていることが判断されると、最新にキーオフされた時点に記憶格納されている零点値ｅ0mが、予め設定されている正常範囲内にあるか否かが判断され（♯05）、正常範囲内にある場合には、最新にキーオフされた時点に記憶格納されている零点値ｅ0mが今回の零点値ｅ0に設定される（♯06）。最新にキーオフされた時点に記憶格納されている零点値ｅ0mが前記正常範囲から外れていると、予め入力設定されている基準値ｅsが暫定的に今回の零点値ｅ0に設定される（♯07）。

以上によって、キーオンしてから植付け作業を開始するまでの間、苗植付け装置５の姿勢が安定している状態で、角速度センサ６２における初期の零点値ｅ0を設定することができる。

初期の零点値ｅ0が設定された後、植付け作業に移行すると、温度ドリフトに対して零点値ｅ0を書き換える補正制御が実行される（♯08）。

苗植付け装置５の左右傾斜は長い距離を走行する間には水平に戻されるので、この間に角速度センサ６２の検出値ｅを平均した値を静止時の基準出力値、つまり、零点値とみなすことができ、例えば、往復植え作業を行うために一行程の植付け走行を終えて畦際で走行機体３を方向転換するたびに、先の一行程の植付け走行中に取り込んだ検出値ｅを平均処理し、その演算値を新しい零点値ｅ0として逐次書き替えを行うことで、累積誤差や温度ドリフトの影響を抑制した角速度を精度良く検知することができる。

植付け作業が終了してキーオフ操作されたことが検知されると（♯09）、その時点の零点値がキーオフ時の零点値ｅ0mとして記憶格納され（♯10）、必要に応じて次回における初期の零点値設定作動に利用される。

この場合、畦際での機体方向転換においては、苗植付け装置５が田面Ｔから浮上され、機体方向転換の後、再び植付け作業高さまで下降されて次工程の植付け走行に以降することになり、機体方向転換中、および、苗植付け装置５が植付け作業高さまで下降された直後は未だ苗植付け装置５の姿勢が不安定であり、角速度センサ６２の検出値ｅは零点値補正用のデータとして好ましくないので、図８に示すように、苗植付け装置５が田面Ｔまで下降したことが、前記センサフロートＳＦの接地に伴うポテンショメータ２７の出力変動として検知され、この検知時点から設定時間が経過した以後の角速度センサ６２の検出値ｅが零点値補正用のデータとして取り込まれ、次回の機体方向転換時における零点値設定作動に利用される。

〔他の実施例〕
本発明は、乗用型の田植機の他に、走行機体３に水田直播装置や水田除草装置などの作業装置５を昇降およびローリング自在に連結した農作業機や、ロータリ耕耘装置を昇降およびローリング自在に連結した農用トラクタに適用することもできる。

田植機の全体側面図 田植機の全体平面図 苗植付け装置を機体前方から見た正面図 ローリング用駆動機構の縦断側面図 制御系全体の概略ブロック図 ローリング制御系のブロック図 零点値設定作動の第１例を示すフロー図 零点値の補正制御のフロー図

３ 走行機体
５ 作業装置（苗植付け装置）
９ ローリング駆動機構
６１ 角度センサ
６２ 角速度センサ
θ 検出傾斜角度
θ0 目標傾斜角度
θg 角度センサの検出値
ｅ 角速度センサの検出値
ｅ’ キーオン時の検出値
ｅ0m キーオフ時の零点値
ｅ0 零点値
ｅs 基準値

Claims (3)

1. 走行機体に作業装置を駆動ローリング自在に連結し、左右方向の傾斜角度を検知する角度センサからの検出値と、左右方向の傾斜角速度を検知する角速度センサからの検出値から作業装置における左右方向の検出傾斜角度を演算し、算出された検出傾斜角度に基づいてローリング駆動機構を作動させて、作業装置の左右傾斜角度を目標傾斜角度に近づけるよう構成した農作業機のローリング制御装置であって、
   前記角速度センサにおける零点値設定作動を行う零点値設定手段を備え、この零点値設定手段による零点値設定作動が実行される条件が成立した状態において、この条件が成立してから所定時間内における前記角速度センサの検出値の変動が判別され、前記所定時間内における角速度センサの検出値の変動が設定範囲以内の場合は、キーオンした時点に取得された角速度センサの検出値を零点値とし、前記所定時間内における角速度センサの検出値の変動が設定範囲外の場合は、最新のキーオフ時点に記憶格納された角速度センサの零点値を今回の零点値とするよう前記零点値設定手段を構成してあることを特徴とする農作業機のローリング制御装置。
2. 最新のキーオフ時点に記憶格納された角速度センサの零点値が予め設定されている正常範囲内にあるか否かを判断する判断手段を備え、正常範囲から外れていることが判断されると、予め設定してある正常範囲内の基準値を今回の零点値とするよう前記零点値設定手段を構成してある請求項１記載の農作業機のローリング制御装置。
3. 前記零点値設定手段による零点値設定作動が実行される条件を、キーオン作動の検知としてある請求項１または２記載の農作業機のローリング制御装置。

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