JP4718393B2 - 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、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一層精度よく、かつ、高い応答性で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

角度センサからの検出値と角速度センサからの検出値とを合成して検出傾斜角度を演算する場合、角度センサによって低周波数領域の検知を行わせ、角速度センサによって高周波数領域の検知を行わせるよう周波数特性を与えることで、応答性に優れ、かつ、精度の高い傾斜角度検知を行わせることが望ましい。しかし、圃場や運転の条件によっては、各センサの周波数特性が必ずしも適合するとは限らず、時には応答性や制御精度が低下することがあった。

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、圃場や運転の条件に適合した好適な特性での傾斜角度検知を行え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情報と、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情報とを合成して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、
前記角度センサの検知情報をローパスフィルタを通して取得した低周波成分の傾斜角度である前記角度センサの検出情報と、前記角速度センサの検知情報をローカットフィルタを通して取得した高周波成分の傾斜角度である前記角速度センサからの検出情報との合成比率を変更する演算補正手段を備えるとともに、この演算補正手段を、作業状況検知情報に基づいて自動作動させるよう構成してあり、
前記作業状況検知情報を、前記角度センサからの検知情報としてあり、
前記演算補正手段を、前記角度センサからの検知情報に含まれる高周波成分が所定量より多いと、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数を基準値より下げるとともに、前記ローカットフィルタのカットオフ周波数を基準値より高くするように補正することで、前記合成比率を変更するように構成してあることを特徴とする。

上記構成によると、作業装置の傾斜角度変動具合の作業状況検知情報によって、角度センサの検出情報と角速度センサからの検出情報との合成比率が自動的に変更され、角速度センサの検出情報が大きく影響するローリング制御や、角速度センサの検出情報による影響が少ないローリング制御が実行される。

従って、第１の発明によると、作業状況に好適な特性でのローリング制御を行うことができ、応答性が過剰になってオーバーシュートが発生したり、応答性が鈍感になりすぎるようなことが自動的に抑制され、精度の高い、安定性に優れたローリング制御を行うことができる。

又、上記構成によると、例えば、角度センサからの検知情報に含まれている高周波成分が所定量以下の少量であれば、角度センサの検出系に介在するローパスフィルタのカットオフ周波数（閾値）を予め設定されている高い基準値に固定するとともに、角速度センサの検出系に介在するローカットフィルタのカットオフ周波数（閾値）を予め設定されている低い基準値に固定し、角度センサからの検知情報に含まれている高周波成分が所定量より多いと、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数を前記基準値より下げるとともに、前記ローカットフィルタのカットオフ周波数を基準値より高くするように補正することで、高周波成分による悪影響の少ない傾斜角度検出を行うことが可能となる。

つまり、耕盤の凹凸が多い、あるいは、走行速度が速い、等の作業条件で高周波成分が多く含まれるようになると、角度センサに働く横向きの加速度の影響が大きくなるので、高周波成分が多い作業条件では、検出傾斜角度の演算における角度センサからの検出情報のうちの低周波数領域の利用比率を高くして、高周波成分による悪影響の少ない傾斜角度検出を行うことが可能となるのである。

第２の発明は、上記第１の発明において、
前記角速度センサの異常が検知されると、前記角速度センサからの検出情報を除いた検出情報に基づいて検出傾斜角度を演算するよう構成してあるものである。

上記構成によると、角速度センサから、ありえない検出情報が出力されたり、全く検出情報が出力されないような現象が検知されると、角速度センサに異常が発生したと判断され、以降は、角速度センサからの検出情報を除いた検出情報に基づいて検出傾斜角度が演算されることになり、角速度センサが正常である場合に比べて多少精度および応答性は低下するがローリング制御を続行することができ、作業を中断することなく遂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）からなる主変速装置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。

主変速装置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て制御装置２８に入力され、制御感度調節器３０によって調節設定された基準値と比較演算処理され、ポテンショメータ２７の検出値が前記基準値に合致（不感帯を含む）するように、つまり、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。

前記制御感度調節器３０は、制御弁２９が中立状態にある時の接地センサＳＦの基準姿勢を設定するものであり、接地センサＳＦの基準姿勢が前下がり方向に調節されるほど接地センサＳＦが接地反力を受けやすくなって制御感度が敏感となり、逆に、接地センサＳＦの基準姿勢が前上がり方向に調節されるほど接地センサＳＦが接地反力を受けにくくなって制御感度が鈍感となるものであり、圃場が柔らかいほど制御感度調節器３０を「軟」（敏感）方向に調節し、圃場が硬いほど制御感度調節器３０を「硬」（鈍感）方向に運転作業者が人為調節することになる。

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ローリング用の支点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。

前記傾斜角検出手段には、苗植付け装置５の左右方向の傾斜角度を検知する重力式の角度センサ６１と、苗植付け装置５における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とが備えられており、両センサ６１，６２からの検出情報に基づいて苗植付け装置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るものであり、その演算およびローリング制御を行うブロック図が図６に示されている。

前記角度センサ６１からの検出信号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、また、角速度センサ６２で検出された角速度ω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度が算出され、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、次に、角度センサ６１からの検出信号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からの検出信号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。

従って、苗植付け装置５が急速に傾斜すると、角度センサ６１からの検出信号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、除去された高周波成分を補うために、角速度センサ６２で検出された角速度ωに基づいて演算取得された高周波成分の傾斜角度θ2が低周波成分の前記傾斜角度θ1加算されて検出傾斜角度θが算出されるのである。

角度センサ６１からの検出信号θgはセンサ自体に備えられた平滑特性によって傾斜角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。

上記のようにして演算された検出傾斜角度θ、角速度センサ６２で検出された角速度ω、および、これを微分処理した角加速度dω/dtが、それぞれ所定の係数Kp，Kd，Kddを乗じて加算処理される。

上記のように加算演算された値Ｅ〔=kp・θ+Kd・ω+Kdd・(dω/dt)〕は、予め設定された閾値eと比較され、この演算値Ｅが閾値eを越えると電動モータ５３が起動される。電動モータ５３の作動方向は、検出傾斜角度θと予め設定された目標傾斜角度θ0とを比較演算処理して決定される。

前記電動モータ５３はその駆動電流がＰＷＭ制御されるものであって、上記演算値Ｅはそのデューティ比を設定する電圧となっており、この演算値Ｅが増大するほどデューティ比が大きくなって駆動電流値が大きくなり、電動モータ５３の作動速度が速くなる。

上記構成によると、角度センサ６１からの検出信号θgに基づいて得られた傾斜角度θ1、角速度センサ６２によって検出された角速度ωに基づいて得られた傾斜角度θ2、角速度センサ６２で検出された角速度ω、これに基づいて得られた角加速度dω/dt、のいずれかが大きくなるほど電動モータ５３の作動速度が速くなって、苗植付け装置５の傾斜修正作動が速やかに行われる。つまり、苗植付け装置５の左右傾斜が大きくなるほど、あるいは、苗植付け装置５が急速に左右傾斜するほど電動モータ５３が速く作動されることになり、目標傾斜姿勢への復帰が速やかに行われるのである。また、検出演算された傾斜角度が小さくても、急激に傾斜されようとすると電動モータ５３が起動されることになり、大きな傾斜への発展を抑制する機能が発揮される。

前記角速度センサ６２の検出情報に基づいて、検出傾斜角度θの演算モードが切り替えられるようになっている。つまり、図７のフロー図に示すように、角速度センサ６２で検出された角速度ωの大きさが判断され（♯01）、角速度ωが予め設定された所定範囲内にある場合には、角度センサ６１からの検出情報と合成されて検出傾斜角度θの演算処理が上記のように行われるが（♯02）、角速度センサ６２から所定範囲を越える異常な値の出力が発生したり、無出力状態が連続すると、角速度センサ６２に異常が発生したとみなされ、以降は、角速度センサ６２からの検出情報を除いて、角度センサ６１からの検出情報のみに基づいて検出傾斜角度θが演算処理される緊急モードに自動的に切換えられる（♯03）。このように、角速度センサ６２に異常が発生すると、角度センサ６１からの検出情報のみに基づいて検出傾斜角度θが演算処理され、角度センサ６１からの検出情報と角速度センサ６２からの検出情報を合成利用する場合に比べて制御性能は多少劣るが、ローリング制御を行いながらの植付け作業を続行することができる。

なお、角速度センサ６２の異常が発生した場合に、緊急モードに切換ったことをランプ表示などで報知するようにしておくと、以後の整備に便利となる。

前記検出傾斜角度θの算出処理において、作業状況の検知情報に基づいて角度センサ６１および角速度センサ６２による演算特性が自動的に変更されるようになっている。

図８のフロー図に示すように、角度センサ６１からの検出信号θgに含まれる高周波成分の量が判断され（♯01）、高周波成分が所定量以下の少量であれば、ローパスフィルタ６３のカットオフ周波数（閾値）ｎ1が予め設定されている高い基準値ｎ01に固定されるとともに、ローカットフィルタ６４，６５のカットオフ周波数（閾値）ｎ2が予め設定されている低い基準値ｎ02に固定され（♯02）、高周波成分が所定量より多いと、ローパスフィルタ６３のカットオフ周波数ｎ1が前記基準値ｎ01より下げられるとともに、ローカットフィルタ６４，６５のカットオフ周波数ｎ2が基準値ｎ02より高くなるように補正される（♯03）。

つまり、耕盤の凹凸が多い、あるいは、走行速度が速い、等の作業条件で高周波成分が多く含まれるようになると、角度センサ６１に働く横向きの加速度の影響が大きくなるので、高周波成分が多い作業条件では、検出傾斜角度の演算における角度センサ６１からの検出情報のうちの低周波数領域の利用比率を高くして、高周波成分による悪影響の少ない傾斜角度検出を行うことが可能となるのである。

〔他の実施例〕
（１）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 演算モード切換え制御のフロー図 ローリング制御系のブロック図 演算特性変更制御を示すフロー図

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
６３ ローパスフィルター
６４，６５ ローカットフィルター
θ 検出傾斜角度
θ0 目標傾斜角度

Claims (2)

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情報と、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情報とを合成して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、
   前記角度センサの検知情報をローパスフィルタを通して取得した低周波成分の傾斜角度である前記角度センサの検出情報と、前記角速度センサの検知情報をローカットフィルタを通して取得した高周波成分の傾斜角度である前記角速度センサからの検出情報との合成比率を変更する演算補正手段を備えるとともに、この演算補正手段を、作業状況検知情報に基づいて自動作動させるよう構成してあり、
   前記作業状況検知情報を、前記角度センサからの検知情報としてあり、
   前記演算補正手段を、前記角度センサからの検知情報に含まれる高周波成分が所定量より多いと、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数を基準値より下げるとともに、前記ローカットフィルタのカットオフ周波数を基準値より高くするように補正することで、前記合成比率を変更するように構成してある農作業機のローリング制御装置。
2. 前記角速度センサの異常が検知されると、前記角速度センサからの検出情報を除いた検出情報に基づいて検出傾斜角度を演算するよう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。

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