JP5973610B1 - 無人作業車の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】充電ステーションまでの効率的な帰還動作を実現することが可能な無人作業車の制御装置を提供する。【解決手段】無人作業車の制御装置は、作業領域ARに作成された複数のセル61を配列してなるマップMP上の作業車の位置を検出する位置検出手段と、作業車の位置に基づき、作業モード時に作業車が通過した充電装置3を起点とするセル61aを特定し、特定したセル61aに順次セル番号を付して記憶するセル記憶手段と、帰還モードに切り替えられると、記憶されたセル61aの中から、マップMP上で隣接かつセル番号が小さくなるセル61aを順次選択するセル選択手段と、選択されたセルに沿って作業車が帰還するように走行手段を制御する走行制御手段とを備える。【選択図】図8
Description
本発明は、作業領域を自律走行して芝刈りなどの作業を行う無人作業車の制御装置に関する。
従来、エリアワイヤによって画定された作業領域を自律走行しつつ作業を行うように、電動モータとバッテリとを有する無人作業車の走行動作を制御する装置が知られている(例えば特許文献1参照)。この特許文献1記載の装置は、バッテリの充電が必要になると、磁気センサの検出値に基づいてエリアワイヤに沿って作業車を走行させ、充電ステーションまで帰還させる。
しかしながら、上記特許文献1記載の装置は、エリアワイヤに沿って作業車を走行させるため、同一の経路を通る頻度が高まり、轍が生じやすい。また、充電ステーションまでの帰還の道のりが長くなり、作業車の効率的な帰還動作を実現することが困難である。
本発明の一態様は、走行手段と二次電池とを有する作業車を、作業領域を自律走行するように制御する無人作業車の制御装置であって、作業領域を自律走行して作業を行う作業モードと二次電池を充電するための充電装置に帰還する帰還モードとに動作モードを切り替えるモード切替手段と、予め作業領域に作成された複数のセルを配列してなるマップ上における作業車の位置を検出する位置検出手段と、位置検出手段により検出された作業車の位置に基づき、作業モード時に作業車が通過した充電装置を起点とするセルを特定し、特定したセルに順次セル番号を付して記憶するセル記憶手段と、モード切替手段により作業モードから帰還モードに切り替えられると、セル記憶手段に記憶されたセルの中から、マップ上で隣接し、かつ、セル番号が小さくなるセルを順次選択するセル選択手段と、セル選択手段により選択されたセルに沿って作業車が帰還するように走行手段を制御する走行制御手段とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、作業モード時に作業車が通過したマップ上のセルを特定するとともに特定したセルに順次セル番号を付して記憶し、記憶されたセルの中からマップ上で隣接かつセル番号が小さくなるセルを順次選択し、選択したセルに沿って作業車を帰還させる。したがって、作業車は、作業モード時の走行軌跡に応じた作業領域の内側の経路を通って帰還するので、帰還の道のりが短くなり、作業車の効率的な帰還動作を実現することができるとともに、轍の発生を抑制できる。
以下、図1〜図14を参照して本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る無人作業車の構成を概略的に示す側面図であり、図2は平面図である。本発明の制御装置は、種々の無人作業車(以下、単に作業車と呼ぶ場合もある)に適用することができるが、本実施形態では、特に芝刈り作業を行う移動式芝刈り機に適用する。なお、以下では、平面視における作業車の直進方向(長さ方向)および直進方向に垂直な車幅方向を、それぞれ前後方向および左右方向と定義するとともに、作業車の高さ方向を上下方向と定義し、この定義に従い各部の構成を説明する。
図1,2に示すように、無人作業車1は、シャシ11とフレーム12とを有する車体10と、車体10を接地面GRから走行可能に支持する左右一対の前輪13および左右一対の後輪14とを備える。前輪13は、ステー11aを介してシャシ11の前側に回転可能に取り付けられる。後輪14は、前輪13よりも大径であり、シャシ11の後側に直接、回転可能に取り付けられる。作業車1は、ユーザ自身が搬送可能な重量および寸法を有する。一例を挙げると、作業車1の全長(前後方向長さ)は500mm程度、全幅は300mm程度、高さは300mm程度である。
シャシ11とフレーム12とで包囲された作業車1の内部空間15には、作業機16と、作業機駆動用の作業モータ17と、後輪駆動用の走行モータ18と、充電ユニット19と、バッテリ20とが配置される。
作業機16は、回転体と回転体に取り付けられた芝刈り用のブレードとを有し、全体が略円盤形状を呈する。作業機16は、回転体中央の回転軸を上下方向に向けて配置され、高さ調節機構21により接地面GRからのブレードの高さを調整可能に構成される。高さ調節機構21は、例えばユーザにより操作可能なねじを備える。作業モータ17は、作業機16の上方に配置された電動モータにより構成され、その出力軸が回転体の回転軸に連結され、回転体と一体にブレードを回転駆動する。
走行モータ18は、左右の後輪14の左右内側に配置された一対の電動モータ18L,18Rにより構成される。走行モータ18L,18Rの出力軸は、左右の後輪14の回転軸にそれぞれ連結され、走行モータ18L,18Rは、左右の後輪14を互いに独立に回転駆動する。すなわち、作業車1は、前輪13を従動輪、後輪14を駆動輪として構成され、走行モータ18L,18Rは、左右の後輪14を互いに独立に正転(前進方向への回転)または逆転(後進方向への回転)させる。左右の後輪14の回転に速度差を生じさせることで、作業車1は任意の方向に旋回することができる。
例えば、左右の後輪14をそれぞれ正転させた際に、右後輪14の回転速度が左後輪14の回転速度よりも速いと、その速度差に応じた旋回角で作業車1は左方に旋回する。一方、左後輪14の回転速度が右後輪14の回転速度よりも速いと、その速度差に応じた旋回角で作業車1は右方に旋回する。左右の後輪14を互いに同一速度で一方を正転、他方を逆転させると、作業車1はその場で旋回する。
充電ユニット19は、AC/DC変換器を含み、フレーム12の前端部に設けられた端子22に配線を介して接続されるとともに、バッテリ20に配線を介して接続される。端子22は、接点22aを有し、端子22が接点22aを介して充電ステーション3(図4参照)に接続することで、バッテリ20に充電することができる。バッテリ20は、配線を介して作業モータ17と走行モータ18とに接続され、作業モータ17と走行モータ18とは、ドライバを介してバッテリ20から供給される電力により駆動する。
作業車1の前部には、左右方向に離間して一対の磁気センサ51(磁気センサ51L,51R)が配置される。より具体的には、図2に示すように、作業車1の車幅方向中心を通り、かつ、直進方向に向かう中心線CLに対して左右対称に、一対の磁気センサ51L,51Rが配置される。
図3は、本発明の実施形態に係る無人作業車の制御装置の構成を示すブロック図である。図3において、作業車1に搭載されたECU(電子制御ユニット)40は、CPU,ROM,RAM、その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成されるマイクロコンピュータである。
ECU40には、作業車1の各種状態を検出するセンサ群50と、充電ユニット19と、バッテリ20と、操作スイッチ25と、表示部26と、作業モータ17と、左右一対の走行モータ18(18L,18R)とが接続される。センサ群50は、左右一対の磁気センサ51(51L,51R)と、Yawセンサ52と、Gセンサ53と、接触センサ56と、左右一対の車輪速センサ57(57L,57R)と、電圧センサ58とを含む。
磁気センサ51は、磁界の大きさ(磁界強度)を示す信号を出力する。Yawセンサ52は、作業車1の高さ方向の軸線(Z軸)回りに生じる角速度(ヨーレート)を示す信号を出力する角速度センサであり、Yawセンサ52からの信号により作業車1のZ軸回りの旋回角を検出することができる。Gセンサ53は、作業車1に作用する直交3軸(X軸、Y軸、Z軸)方向の加速度を示す信号を出力する。
接触センサ56は、作業車1が障害物等に接近または接触するとオン信号を出力する。車輪速センサ57L,57Rは、左右の後輪14の車輪速を示す信号をそれぞれ出力し、車輪速センサ37からの信号により、作業車1の走行距離を算出することができる。電圧センサ58は、バッテリ20の残電圧を検出する。
操作スイッチ25は、ユーザにより操作され、作業車1の動作開始等を指令するメインスイッチと、非常停止を指令する非常停止スイッチとを含む。表示部26は、ユーザに提供するための各種情報を表示するディスプレイにより構成される。
以上のように構成された作業車1は、予め定められた作業領域内を自律走行して作業を行う。図4は、作業領域ARの一例を示す図である。作業領域ARは、例えば予め敷設(例えば接地面GRから所定深さに埋設)されたエリアワイヤ2によって画定される。エリアワイヤ2には電流が流され、これにより作業領域ARに磁界が発生する。なお、エリアワイヤ2上には、バッテリ20を充電するための充電ステーション3が配置される。作業領域ARは、作業車1の走行範囲を規定し、作業予定領域の他、作業を行わない非作業の領域を含んでもよい。
図5は、エリアワイヤ2からの距離dと磁界強度Hとの関係を示す図である。図5に示すように、磁界強度Hは、エリアワイヤ2からの距離dに応じて変化する。すなわち、磁界強度Hは、エリアワイヤ2上において0となり、作業領域ARの内側でプラス、外側でマイナスの値となる。作業時には、ECU40が磁気センサ51L,51Rからの検出値を読み込み、検出値がマイナスになると、例えばYawセンサ52の検出値に基づき作業車1を作業領域ARの内側に向けて所定角度だけ旋回させる。これにより作業領域ARの内側で作業車1を走行(例えばランダムに直進走行)させながら作業を行うことができる。
図6は、エリアワイヤ2上に配置された充電ステーション3の構成を示すブロック図である。図6に示すように充電ステーション3は、商用電源31にコンセント32を介して接続される充電器30と、充電器30に接続された端子33およびステーションコイル34とを有する。充電器30は、AC/AC変換器301と、AC/AC変換器301の動作を制御するECU(電子制御ユニット)302と、エリアワイヤ2とステーションコイル34とに交流を通電して信号を発生させる信号発生器303とを有する。
商用電源31からの交流は、AC/AC変換器301で適宜な電圧に降圧される。作業車1が充電ステーション3まで帰還して、作業車1の端子22の接点22aが端子33に接続すると、AC/AC変換器301で降圧された電力が作業車1に供給され、バッテリ20が充電される。ステーションコイル34は、充電ステーション3上に配置され、ステーションコイル34を流れる電流によって磁界が生じる。この磁界によって、図4に示すように充電ステーション3を中心として半径1m程度の円内に充電器検出エリア3aが形成される。作業車1の充電器検出エリア3a内への進入は、磁気センサ51により検出される。
本実施形態では、ECU40からの指令により、作業車1を作業モードとトレースモードと帰還モードとで動作させる。作業モードは、作業車1が作業領域AR内を自律走行しながら作業(芝刈り作業)を行うモードである。帰還モードは、バッテリ20への充電が必要になったときに、作業車1を充電ステーション3まで帰還させるモードである。トレースモードは、エリアワイヤ2に沿って作業車1を走行させるモードである。トレースモードは、作業モードの前に実行され、トレースモードにおいて作業領域ARを把握する。作業領域ARを把握した後は、作業モードの度にトレースモードを実行する必要はない。
図7は、トレースモード時の作業車1の動作を示す図である。図7に示すように、トレースモードにおいては、一対の磁気センサ51R,51Lのうち一方の磁気センサ(例えば51L)をエリアワイヤ2の内側に位置させた状態で、他方の磁気センサ(例えば51R)がエリアワイヤ2上を矢印A方向に移動するように、ECU40の指令によりエリアワイヤ2に沿って作業車1を周回走行させる。すなわち、ECU40が磁気センサ51Rの出力を監視し、磁気センサ51Rによって検出される磁界強度Hが0となるように走行モータ18L,18Rを制御する。
例えば、磁気センサ51Rによって検出される磁界強度Hがプラスになると、右側の走行モータ18Rを減速かつ左側の走行モータ18Lを増速させ、作業車1を右側に旋回させる。一方、磁気センサ51Rによって検出される磁界強度Hがマイナスになると、右側の走行モータ18Rを増速かつ左側の走行モータ18Lを減速させ、作業車1を左側に旋回させる。これにより、磁気センサ51Rをエリアワイヤ2に近づけ、磁気センサ51Rにより検出される磁界強度Hを0に維持する。
トレースモードは、作業車1の端子22が充電ステーション3の端子33に接続した状態から開始され、作業車1がエリアワイヤ2に沿って周回走行した後、端子22が再度端子33に接続したときに終了する。トレースモード時の作業車1の旋回角θは、Yawセンサ52により検出される角速度を時間積分することにより取得することができる。走行距離Lは、車輪速センサ57により検出される車輪速を時間積分することにより取得することができる。これらトレースモード時に検出される作業車1の旋回角θと走行距離Lとに基づき、エリアワイヤ2によって画定される作業領域ARの境界線BL(図4)を把握する。
ところで、帰還モードにおいて、作業車1をエリアワイヤ2に沿ってトレース走行させれば、作業車1を充電ステーション3まで帰還させることができる。例えば、図4の位置Aにおける作業車1を、矢印A1に示すように直進走行させ、エリアワイヤ2に到達した後、充電ステーション3に向けて旋回させ、矢印A2に示すようにエリアワイヤ2に沿って走行させる。あるいは図4の位置Bにおける作業車1を、矢印B1に示すように直進走行させ、エリアワイヤ2に到達した後、充電ステーション3に向けて旋回させ、矢印B2に示すようにエリアワイヤ2に沿って走行させる。これによりエリアワイヤ2上の充電ステーション3まで作業車1を帰還させることができる。
しかしながら、トレース走行で作業車1を帰還させると、作業車1は帰還の度に同一の経路(エリアワイヤ2上)を通るため、エリアワイヤ2に沿って轍が生じやすい。また、トレース走行による帰還は、帰還の道のりが長くなるため、帰還に比較的長い時間を要し、作業効率が低下する。そこで、本実施形態では、轍の発生を防止し、かつ、効率的な帰還モードを実現するため、以下のように無人作業車の制御装置を構成する。
図3に示すように、ECU40は機能的構成として、マップ生成部41と、モード切替部42と、セル記憶部43と、セル選択部44と、走行制御部45とを有する。
マップ生成部41は、トレースモードにおいて把握された境界線BLの位置情報に基づき、作業領域ARのマップ(作業領域マップMP)を生成する。なお、トレースモードによる走行は、エリアワイヤ2を敷設した後に一度だけ行えばよく、このときに得られた作業領域マップMPは、ECU40の記憶部(メモリ)に記憶される。図8は、作業領域マップMPの一例を示す図である。図8に示すように、作業領域マップMPは、作業領域ARに複数のセル61を配列してなるビットマップにより構成される。
図9は、作業領域マップMPの一部を拡大して示す図である。図9では、一辺が所定長さa(例えば200mm)の正方形状のセル61を、X軸とY軸とを含む水平面(XY平面)内に格子状に配列して作業領域マップMPが構成される。各セル61は所定位置(例えば充電ステーション3)を基準(原点)とした位置情報を含む。なお、セル61の寸法は適宜変更可能であり、例えば作業機16の作業幅(ブレード最外径)に一致するように寸法を設定してもよい。
モード切替部42は、作業モードと帰還モードとの切り替えを行う。例えば電圧センサ58により検出される電圧が所定値以下となり、バッテリ20の充電が必要になると、モード切替部42は、作業モードから帰還モードへ動作モードを切り替える。一方、バッテリ20の充電が完了すると、帰還モードから作業モードへ動作モードを切り替える。モード切替部42が作業モードと帰還モードとの切り替えだけでなく、トレースモードと作業モードと帰還モードとの切り替えを行うようにしてもよい。
セル記憶部43は、作業モード時に作業車1が通過した作業領域マップMP上のセル61、すなわち走行軌跡PA1上のセル(走行軌跡セル)61a(図8)を特定するとともに、特定した走行軌跡セル61aに順次セル番号nを付して記憶する。作業モード時には、作業車1は充電ステーション3を起点として走行するため、充電ステーション3の位置に対応するセル61のセル番号nは0となる。以降、図8に示すように、走行軌跡PA1に沿って走行軌跡セル61aのセル番号nが1ずつ増加する。
この点について、図9を参照して、より詳細に説明する。セル記憶部43は、まず、Yawセンサ52からの信号に基づき所定時間Δt(例えば100ms)毎に基準線(例えばX軸)に対する作業車1の旋回角Δθを検出する。さらに、車輪速センサ57からの信号に基づき所定時間Δtの間に作業車1が走行した走行距離ΔLを検出する。次いで、検出された旋回角Δθと走行距離ΔLとを用いて、次式(I)により、基準位置(例えば充電ステーション3の位置)に対するXY平面上における所定時間Δt毎の作業車1の移動点Pの位置座標(X,Y)を算出する。
X=ΔL×cosΔθ,Y=ΔL×sinΔθ ・・・(I)
X=ΔL×cosΔθ,Y=ΔL×sinΔθ ・・・(I)
算出された移動点Pを順次直線で結ぶことにより、図9に示すように走行軌跡PA1が得られる。セル記憶部43は、この走行軌跡PA1を含む走行軌跡セル61a(斜線部)に、1ずつ増加するセル番号n(=q,q+1,q+2,・・)を順次付して記憶する。すなわち、走行軌跡セル61aの固有のセル情報として、位置情報とともにセル番号nを記憶する。
ところで、図8に示すように、作業モード時には、走行軌跡PA1同士が交差、すなわち走行軌跡セル61aが重複することがある。この場合、セル記憶部43は、既にセル番号nが付された走行軌跡セル61aに新たにセル番号nを付すことなく、元のセル番号nよりも大きなセル番号nを一旦削除する。セル番号nが削除されると、走行軌跡セル61aは単なるセル61となり、セル記憶部43の記憶対象から除外される。次いで、重複する走行軌跡セル61aを起点にして、走行軌跡セル61aの番号付けを再開する。
図8の例では、点P1におけるセル番号n=7の走行軌跡セル61a上で走行軌跡PA1同士が交差する。したがって、セル番号n=8〜61までが一旦メモリから削除される。これにより、ループ状の走行軌跡セル61a(走行軌跡セル61aの集合610)が、セル番号nを有しない単なるセル61に変更される。その後、セル番号n=7の走行軌跡セル61aを起点として、セル番号n(=8,9.・・)が順次付与される。
セル選択部44は、モード切替部42により動作モードが作業モードから帰還モードに切り替えられると、作業車1の現在の走行軌跡セル61aを起点として、セル記憶部43に記憶された走行軌跡セル61aの中から、セル番号nが順次小さくなるようなセル(帰還セル61b)を選択する。帰還セル61bは、現在の走行軌跡セル61aの周囲のセル61の中から選択する。例えば走行軌跡セル61aに前後左右および斜め方向に隣接する8マスのセル61の中から選択する。8マスのセル61の中に複数の走行軌跡セル61aが存在する場合、セル番号nが最も小さいものを選択する。このようにして選択した帰還セル61bを、順次直線で接続することにより、作業車1の帰還経路PA2を生成できる。なお、セル選択部44が、走行軌跡セル61aに前後左右方向に隣接する4マスのセル61の中から、帰還セル61bを選択してもよい。
図10は、帰還経路PA2の一例を示す図である。なお、図10は、図8の走行軌跡PA1を用いて生成された帰還経路PA2を表す。図10の例では、帰還セル61bとして選択された各々の走行軌跡セル61aに、未だ帰還セル61bとして選択されていない単一の走行軌跡セル61aが隣接する。したがって、各々の走行軌跡セル61aがそのまま帰還セル61bとなり、帰還セル61b同士を選択順(セル番号nの大きい順)に接続することで帰還経路PA2を生成できる。なお、走行軌跡セル61aの周囲に複数の走行軌跡セル61aが隣接する例については、後述する(図14)。
走行制御部45は、Yawセンサ52と車輪速センサ57の検出値に基づいて走行モータ18に制御信号を出力し、セル選択部44により選択された帰還セル61bに沿って作業車1を走行させる。すなわち、作業車1が通過する帰還セル61bのセル番号nが徐々に小さくなるように充電ステーション3に向けて作業車1を走行させる。磁気センサ51が充電器検出エリア3a内に進入し、充電ステーション3を検出すると、走行制御部45は、作業車1が充電ステーション3にドッキングして端子22と端子33とが接続するように走行モータ18を制御する。
次に、ECU40で実行される処理を具体的に説明する。図11,12は、ECU40で実行される処理の一例を示すフローチャートである。とくに図11は、作業モード時の処理(作業モード処理)の一例を、図12は、帰還モード時の処理(帰還モード処理)の一例を示す。作業モード処理は、作業車1が充電ステーション3にドッキングしてバッテリ20の充電が完了した状態から開始される。
まず、ステップS1で、モータ駆動ドライバを介して走行モータ18に制御信号を出力し、作業車1の姿勢を作業開始姿勢に制御する。具体的には、作業車1を後進させて充電ステーション3から離脱するとともに、作業領域ARの内側に向けて作業車1を旋回させる。次いで、ステップS2で、モータ駆動ドライバを介して作業モータ17に制御信号を出力し、作業機16を駆動する。次いで、ステップS3で、走行モータ18に制御信号を出力して作業車1を直進走行させる。
次いで、ステップS4で、電圧センサ58により検出されるバッテリ20の残電圧が所定値以上であるか否か、すなわちバッテリ20の充電が不要であるか否かを判定する。ステップS4で肯定されるとステップS5に進む。一方、ステップS4で否定されると、バッテリ20の充電が必要であるため、図12のステップS21に進む。
ステップS5では、Yawセンサ52からの信号により検出された旋回角θと車輪速センサ57からの信号により検出された走行距離ΔLとを上式(I)に代入し、作業車1の位置座標(X,Y)を演算する。次いで、ステップS6で、ステップS5で演算された作業車1の位置と、予めマップ生成部41により定められた作業領域マップMPとに基づき、作業車1が隣接するセル61(走行軌跡セル61a)に進入したか否かを判定する。ステップS6で肯定されるとステップS7に進み、否定されるとステップS3に戻る。
ステップS7では、作業車が進入した走行軌跡セル61aに、既にセル番号nが付与されているか否かを判定する。ステップS7で否定、すなわちセル番号nが未だ付与されていないと判定されると、ステップS8に進む。ステップS8では、セル記憶部43での処理により、作業車1が進入した走行軌跡セル61aのセル情報として、現時点での最大のセル番号n(=q)に1を加算したセル番号n(=q+1)をメモリに記憶する。すなわちセル番号nをカウントアップする。
一方、ステップS7で肯定、すなわち走行軌跡セル61aにセル番号nが既に付与されていると判定されると、換言すると、作業車1が重複した走行軌跡セル61aを通過すると、ステップS9に進む。ステップS9では、既に付与されたセル番号nから現在のセル番号nまでを削除する。すなわち、重複位置における元のセル番号n以降を削除する。図8の例では、セル番号n=7〜61を削除する。これにより、ループ状の走行軌跡セル61aがセル記憶部43から除外される。次いで、ステップS10で、現在の走行軌跡セル61aに、初めに付与したのと同一のセル番号n(図8の例ではn=7)を付与してメモリに記憶する。
次いで、ステップS11で、磁気センサ51の検出値に基づき、直進走行中の作業車1がエリアワイヤ2に到達したか否かを判定する。ステップS11で肯定されるとステップS12に進み、否定されるとステップS3に戻る。ステップS12では、走行モータ18に制御信号を出力し、作業車1を一旦停止させるとともに作業領域ARの内側に向けて旋回させ、ステップS3に戻る。以上の作業モード処理によれば、作業車1が走行した作業領域マップMP上の走行軌跡セル61aがセル番号nを付してセル記憶部43に記憶される。
次に、図12の帰還モード処理について説明する。帰還モード処理は、電圧センサ58により検出されるバッテリ20の残電圧が所定値以下になると開始される。このとき、作業機16の駆動が停止される。まず、ステップS21で、走行モータ18に制御信号を出力し、作業車1を180°旋回させる。すなわち、作業車1は走行軌跡セル61a上を帰還するため、初めに作業車1の向きを反転させる。次いで、ステップS22で、走行モータ18に制御信号を出力し、作業車1を直進走行させる。
次いで、ステップS23で、セル選択部44での処理により、セル記憶部43に記憶された作業車1の周囲の走行軌跡セル61aの中から、セル番号nが最も小さいセル、すなわち帰還セル61bを選択する。次いで、ステップS24で、走行モータ18に制御信号を出力し、選択した帰還セル61bに向けて作業車1を旋回させる。次いで、ステップS25で、磁気センサ51が充電ステーション3を検出したか否か、すなわち充電器検出エリア3a内に進入したか否かを判定する。ステップS25で肯定されるとステップS26に進み、否定されるとステップS22に戻る。ステップS26では、走行モータ18に制御信号を出力し、作業車1が充電ステーション3にドッキングして端子22と端子33とが接続するようにドッキング動作を開始させる。
図13、14は、それぞれ図8,10の変形例であり、走行軌跡PA1と帰還経路PA2の他の例を示す図である。図13に示すように、作業モード時には、作業車1はエリアワイヤ2に到達する度に方向を変え、作業領域AR内をランダムに直進走行する(ステップS3、ステップS12)。このとき、セル記憶部43での処理により、作業車1が通過した作業領域マップMP上のセル61、すなわち走行軌跡セル61aに順次セル番号nが付与され、セル情報として記憶される(ステップS8)。
例えば図13の位置P11において、作業車1が既にセル番号n(=55)が付された走行軌跡セル61aを再通過する場合、セル番号nが59にカウントアップされることなく、n=55〜58までが一旦削除される(ステップS9)。次いで、位置P11の走行軌跡セル61aに元のセル番号n(=55)が付与され(ステップS10)、カウントアップが再開される。したがって、各々の走行軌跡セル61aには、単一のセル番号nが対応付けて記憶される。
一方、例えば図13の位置P12において、走行軌跡PA1同士が交差すると、その交差部における元のセル番号n(=34)以降のセル番号n(=34〜47)が削除される(ステップS9)。これによりn=34〜47が付されたループ状の走行軌跡セル61a(走行軌跡セル61aの集合610)が、セル番号nを有しない単なるセル61となり、セル記憶部43から削除される。この場合も、元のセル番号n(=34)からカウントアップが再開される(ステップS10)。
図14に示すように、帰還モード時には、セル選択部44での処理により、走行軌跡セル61aの中からセル番号nが小さくなるような帰還セル61bが順次選択され、走行制御部45での処理により、選択した帰還セル61bに沿って作業車1が走行する(ステップS22,ステップS23,ステップS24)。例えば図14の位置P21において、セル番号n=16の帰還セル61bの周囲に、この帰還セル61bよりもセル番号nが小さい複数の走行軌跡セル61a、すなわちn=13,14,15の走行軌跡セル61aが存在する場合を想定する。この場合、セル選択部44での処理により、最小のセル番号n(=13)の走行軌跡セル61aが帰還セル61bとして選択される(ステップS23)。したがって、作業車1は、全ての走行軌跡セル61aを通過するわけではなく、より短い帰還経路PA2で充電ステーション3まで帰還することができる。
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)走行モータ18(走行手段の一例)とバッテリ20(二次電池の一例)とを有する作業車1を、作業領域ARを自律走行するように制御する無人作業車の制御装置は、作業領域ARを自律走行して作業を行う作業モードとバッテリ20を充電するための充電ステーション3(充電装置の一例)に帰還する帰還モードとに動作モードを切り替えるモード切替部42(モード切替手段の一例)と、予め作業領域ARに作成された複数のセル61を配列してなるマップMP上における作業車1の位置を検出するYawセンサ52および車輪速センサ57(位置検出手段の一例)と、検出された作業車1の位置に基づき、作業モード時に作業車1が通過した充電ステーション3を起点とするセル(走行軌跡セル61a)を特定し、特定したセル61aに順次セル番号nを付して記憶するセル記憶部43(セル記憶手段の一例)と、モード切替部42により作業モードから帰還モードに切り替えられると、セル記憶部43に記憶されたセル61aの中から、作業領域マップMP上で隣接し、かつ、セル番号nが小さくなるセル(帰還セル61b)を順次選択するセル選択部44(セル選択手段の一例)と、セル選択部44により選択されたセル41bに沿って作業車1が帰還するように走行モータ18を制御する走行制御部45(走行制御手段の一例)とを備える。
(1)走行モータ18(走行手段の一例)とバッテリ20(二次電池の一例)とを有する作業車1を、作業領域ARを自律走行するように制御する無人作業車の制御装置は、作業領域ARを自律走行して作業を行う作業モードとバッテリ20を充電するための充電ステーション3(充電装置の一例)に帰還する帰還モードとに動作モードを切り替えるモード切替部42(モード切替手段の一例)と、予め作業領域ARに作成された複数のセル61を配列してなるマップMP上における作業車1の位置を検出するYawセンサ52および車輪速センサ57(位置検出手段の一例)と、検出された作業車1の位置に基づき、作業モード時に作業車1が通過した充電ステーション3を起点とするセル(走行軌跡セル61a)を特定し、特定したセル61aに順次セル番号nを付して記憶するセル記憶部43(セル記憶手段の一例)と、モード切替部42により作業モードから帰還モードに切り替えられると、セル記憶部43に記憶されたセル61aの中から、作業領域マップMP上で隣接し、かつ、セル番号nが小さくなるセル(帰還セル61b)を順次選択するセル選択部44(セル選択手段の一例)と、セル選択部44により選択されたセル41bに沿って作業車1が帰還するように走行モータ18を制御する走行制御部45(走行制御手段の一例)とを備える。
このように本実施形態では、作業車1が通った作業領域マップMP上の走行軌跡セル61aを順次番号付けして記憶し、記憶した走行軌跡セル61aの中からセル番号nが小さくなるように走行軌跡セル61aを順次選択し、選択したセル(帰還セル61b)を辿って作業車1を帰還するようにした。これにより、例えば図14の位置P15における作業車1は、作業領域ARの内側の帰還経路PA2に沿って帰還する。このため、帰還の道のりが短くなり、効率的な帰還動作を実現できる。また、帰還経路PA2は走行軌跡PA1に応じて常に変化するため、轍の発生を防止できる。これに対し、例えば図14の点線の矢印AまたはBに示すように、作業車1が位置P15からトレース走行で充電ステーション3まで帰還する場合、帰還の道のりが長くなり、帰還動作に要する時間が長くなる。また、同一の経路を通って帰還するため、轍も生じやすい。
(2)セル記憶部43は、セル番号nが付された走行軌跡セル61aを作業車1が再通過するとき、そのセル番号nよりも大きなセル番号を一旦削除し(ステップS9,ステップS10)、セル番号nから番号付けを再開する(ステップS8)。これにより走行軌跡PA1が交差する場合に、ループ状の走行軌跡セル61aが削除されるので、走行軌跡セル61aから選択される帰還セル61bは交差部を有しない(図10,14)。したがって、帰還経路PA2が短くなり、効率的な帰還動作を実現できる。また、セル番号nを一部削除することで、セル記憶部43が記憶する走行軌跡セル61aの個数が少なくなり、記憶容量を節約できる。
(3)セル選択部44は、作業領域マップMP上で隣接する複数の走行軌跡セル61aがセル記憶部43に記憶されているとき、その中からセル番号nの最も小さいセル61aを帰還セル61bとして選択する(ステップS23)。したがって、例えば狭路を通過する場合等、帰還セル61bの候補として複数の走行軌跡セル61aがあるとき(図13)、帰還経路PA2が最短となる走行軌跡セル61aが選択され、効率的な帰還動作を実現できる。
(4)Yawセンサ52と車輪速センサ57とからの検出値により、予め作業領域ARに作成された複数のセル61を配列してなるマップMP上における作業車1の位置を検出する。したがって、GPSセンサや地磁気センサ等の高価な位置検出センサが不要であり、装置全体を安価に構成できる。セル単位で作業車1の走行軌跡PA1を特定するとともに作業車1の帰還動作を制御するので、作業車1の精密な位置を求める必要がなく、制御装置の構成を簡素化できる。セル記憶部43はセル61の属性データとしてセル番号nを記憶し、セル選択部44は、セル番号nに基づいて帰還セル61bを選択するので、ECU40での処理が容易である。
−変形例−
上記実施形態は、例えば以下のような変形が可能である。上記実施形態では、セル記憶部43が、既にセル番号nが付された走行軌跡セル61aを作業車1が再通過するとき、そのセル番号nよりも大きなセル番号を一旦削除して、そのセル番号nから番号付けを再開するようにした。しかしながら、セル番号nを削除せずにそのまま残すようにしてもよい。例えば、図11のステップS7,ステップS9,ステップS10の処理を削除し、作業車1がセル61に進入する度に、セル番号nを常にカウントアップするようにしてもよい。この場合には、同一の走行軌跡セル61aに複数のセル番号nが付されることがあるが、セル選択部44により帰還セル61bを選択する際に、複数のセル番号nの中から最小のセル番号nを選択すればよい。
上記実施形態は、例えば以下のような変形が可能である。上記実施形態では、セル記憶部43が、既にセル番号nが付された走行軌跡セル61aを作業車1が再通過するとき、そのセル番号nよりも大きなセル番号を一旦削除して、そのセル番号nから番号付けを再開するようにした。しかしながら、セル番号nを削除せずにそのまま残すようにしてもよい。例えば、図11のステップS7,ステップS9,ステップS10の処理を削除し、作業車1がセル61に進入する度に、セル番号nを常にカウントアップするようにしてもよい。この場合には、同一の走行軌跡セル61aに複数のセル番号nが付されることがあるが、セル選択部44により帰還セル61bを選択する際に、複数のセル番号nの中から最小のセル番号nを選択すればよい。
すなわち、検出された作業車1の位置に基づいて作業モード時に作業車1が通過した充電ステーション3を起点とするセル61aを特定し、特定したセル61aに順次セル番号nを付して記憶するのであれば、セル記憶手段としてのセル記憶部43の構成はいかなるものでもよい。また、作業モードから帰還モードに切り替えられると、セル記憶部43に記憶されたセル61aの中から、マップMP上で隣接し、かつ、セル番号nが小さくなるセル61a(帰還セル61b)を順次選択するのであれば、セル選択手段としてのセル選択部44の構成はいかなるものでもよい。
上記実施形態では、Yawセンサ52と車輪速センサ57との検出値により作業車1の位置を検出するようにしたが、位置検出手段の構成はこれに限らない。上記実施形態では、予め敷設されたエリアワイヤ2によって作業領域ARを画定したが、エリアワイヤ2を用いずに作業領域ARを画定することもできる。この場合、例えば作業車1にカメラを搭載し、磁気センサ51ではなくカメラからの信号により、作業車1が作業領域ARの境界線BLへ到達したか否かを判定してもよい。磁気センサ51やカメラ以外(例えばGPSセンサや障害物検出器等)により、作業領域ARを検出する領域検出器を構成してもよい。上記実施形態では、エリアワイヤ2上に充電ステーション3を配置したが、エリアワイヤ2上ではなく、その近傍に配置してもよい。バッテリ20(二次電池)を充電する充電装置としての充電ステーション3の構成は図6のものに限らない。上記実施形態では、モード切替部42での処理により、バッテリ20の残電圧が所定値以下になると作業モードから帰還モードに切り替えるようにしたが(ステップS4)、モード切替手段の構成はこれに限らない。
上記実施形態では、走行制御部45が、セル選択部44により選択された帰還セル61bに沿って作業車1が充電ステーション3に帰還するように走行モータ18を制御したが、作業車1の走行および旋回動作を制御する走行制御手段の構成はこれに限らない。上記実施形態では、左右一対の走行モータ18L,18Rにより作業車1を走行かつ旋回させるようにしたが、走行手段の構成はこれに限らない。例えば、前輪13あるいは後輪14を操舵可能なアクチュエータを作業車1に搭載し、アクチュエータの駆動により作業車を旋回させるようにしてもよい。作業車1に、左右一対の磁気センサ51L,51Rではなく、単一の磁気センサ51を設けるようにしてもよい。したがって、作業車1の構成は上述したものに限らない。
上記実施形態は、芝刈り作業車に適用したが、本発明は、これに限らず種々の無人作業車に適用可能である。したがって、作業機16の構成は上述したものに限らない。
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。
1 無人作業車、2 エリアワイヤ、18 走行モータ、20 バッテリ、40 ECU、42 モード切替部、43 セル記憶部、44 セル選択部、45 走行制御部、52 Yawセンサ、57 車輪速センサ、61 セル、61a 走行軌跡セル、61b 帰還セル
Claims (3)
- 走行手段と二次電池とを有する作業車を、作業領域を自律走行するように制御する無人作業車の制御装置であって、
前記作業領域を自律走行して作業を行う作業モードと前記二次電池を充電するための充電装置に帰還する帰還モードとに動作モードを切り替えるモード切替手段と、
予め前記作業領域に作成された複数のセルを配列してなるマップ上における前記作業車の位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段により検出された前記作業車の位置に基づき、前記作業モード時に前記作業車が通過した前記充電装置を起点とするセルを特定し、特定したセルに順次セル番号を付して記憶するセル記憶手段と、
前記モード切替手段により前記作業モードから前記帰還モードに切り替えられると、前記セル記憶手段に記憶された前記セルの中から、前記マップ上で隣接し、かつ、セル番号が小さくなるセルを順次選択するセル選択手段と、
前記セル選択手段により選択された前記セルに沿って前記作業車が帰還するように前記走行手段を制御する走行制御手段とを備えることを特徴とする無人作業車の制御装置。 - 請求項1に記載の無人作業車の制御装置において、
前記セル記憶手段は、既にセル番号が付されたセルを前記作業車が再通過するとき、該セル番号よりも大きなセル番号を一旦削除し、該セル番号から番号付けを再開することを特徴とする無人作業車の制御装置。 - 請求項1または2に記載の無人作業車の制御装置において、
前記セル選択手段は、前記マップ上で隣接する複数のセルが前記セル記憶手段に記憶されているとき、その中からセル番号の最も小さいセルを選択することを特徴とする無人作業車の制御装置。
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