JP6014192B1 - 無人作業車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標位置までの効率的な移動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、作業車１から目標位置までの目標移動経路ＲＴを生成する経路生成手段４３と、目標移動経路ＲＴに沿って作業車１が走行するように走行手段１８を制御する走行制御手段４４とを備える。経路生成手段４３は、作業車１を中心として放射状に延びる第１放射直線群および目標位置を中心として放射状に延びる第２放射直線群の中から、作業車１から目標位置までの距離が最短となる第１放射直線および第２放射直線をそれぞれ選択し、目標移動経路ＲＴは、選択した第１放射直線と第２放射直線とを含んで生成される。【選択図】図３

Description

本発明は、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。

特開２０１３−１６４７４２号公報

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、目標位置（充電ステーション）までの移動の道のりが長くなる。このため、作業車の目標位置までの効率的な移動を実現することができない。

本発明の一態様は、走行手段を有する作業車を、エリアワイヤによって画定される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、作業車の位置を検出する位置検出手段と、目標位置を特定する目標位置特定手段と、位置検出手段により検出された作業車から前記目標位置特定手段により特定された目標位置までの目標移動経路を生成する経路生成手段と、経路生成手段により生成された目標移動経路に沿って作業車が走行するように走行手段を制御する走行制御手段と、を備え、経路生成手段は、作業車を中心として放射状に延びる第１放射直線群および目標位置を中心として放射状に延びる第２放射直線群の中から、作業領域における第１放射直線群と第２放射直線群との交点を算出することにより、作業車から目標位置までの距離が最短となる第１放射直線および第２放射直線をそれぞれ選択し、目標帰移動路は、選択した第１放射直線と第２放射直線とを含み、交点を経由して生成されることを特徴とする。

本発明によれば、自律走行する作業車を中心として放射状に延びる第１放射直線群および充電装置を中心として放射状に延びる第２放射直線群の中から、作業車から目標位置までの距離が最短となる第１放射直線および第２放射直線をそれぞれ選択して目標移動経路を生成する。したがって、作業車から目標位置までの移動の道のりが短くなり、作業車の目標位置までの効率的な移動を実現することができる。

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。 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平面図。 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。 本発明の実施形態に係る無人作業車によって作業を行う作業領域の一例を示す図。 エリアワイヤからの距離と磁界強度との関係を示す図。 図４の充電ステーションの構成を示すブロック図。 トレースモード時の作業車の動作を示す図。 図３のＥＣＵにより生成される作業領域マップの一例を示す図。 図８の変形例を示す図。 図３のＥＣＵで実行される処理の一例を示すフローチャート。 図１０の目標帰還経路の生成に係る処理を説明するフローチャート。

以下、図１〜図１１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、方位センサ５４と、ＧＰＳセンサ５５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。方位センサ５４は、地磁気に応じた信号を出力する２軸または３軸構造の地磁気センサであり、方位センサ５４からの信号により所定方位（例えば北）に対する作業車１の向きを検出することができる。

ＧＰＳセンサ５５は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信し、作業車１の位置（緯度、経度）を検出する。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５７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、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。

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。トレース走行開始から終了までの作業車１の位置は、ＧＰＳセンサ５５により検出される。ＥＣＵ４０は、ＧＰＳセンサ５５からの信号に基づき、充電ステーション３を基準（原点）とした作業領域ＡＲの境界線（図８のＬ０）の位置座標を特定する。

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を目標位置である充電ステーション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、帰還時の道のりが長くなる。このため、帰還に要する時間が長くなり、作業効率が低下する。また、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。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、主に帰還モードに関する機能的構成として、マップ生成部４１と、位置特定部４２と、経路生成部４３と、走行制御部４４とを有する。

マップ生成部４１は、トレースモードにおいて作業車１をトレース走行させた際のＧＰＳセンサ５５の検出値に基づき、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。作業領域マップＭＰは、ＧＰＳセンサ５５により検出されたエリアワイヤ２の位置と充電ステーション３の位置Ｐ０とを用いて形成される。なお、作業領域マップＭＰ上のエリアワイヤ２の位置は、境界線Ｌ０で表す。

具体的には、トレース走行開始時の充電ステーション３の位置Ｐ０を原点とし、かつ、方位センサ５４により規定される所定方向を基準とした直交２軸座標の平面（ＸＹ平面）上において、境界線Ｌ０の内側の作業領域ＡＲを格子状に等間隔に分割する。これにより作業領域ＡＲに複数のセル２ａを配列し、作業領域マップＭＰを形成する。このようにして形成された作業領域マップＭＰの各セル２ａは、それぞれ固有の位置座標（Ｘ座標、Ｙ座標）を有する。なお、境界線Ｌ０の内側の作業領域ＡＲを等間隔に分割するのではなく、所定位置（例えば充電ステーション３の位置）を起点としてＸ方向およびＹ方向に所定ピッチ毎にセル２ａを形成してもよい。

位置特定部４２は、作業領域マップＭＰ上における作業車１の現在位置（例えば図８の位置Ａ、位置Ｂ）に対する充電ステーション３の位置を特定する。充電ステーション３は作業領域マップＭＰの原点Ｐ０に位置するため、作業車１の位置をＧＰＳセンサ５５により検出し、作業領域マップＭＰ上における作業車１の位置座標（ＸＹ座標）を把握することで、作業車１から見た充電ステーション３の位置を特定できる。

経路生成部４３は、ＧＰＳセンサ５５により検出された作業車１から位置特定部４２により特定された充電ステーション３までの目標帰還経路ＲＴを生成する。この場合、まず、図８に示すように、作業領域マップＭＰ上に第１放射直線群４３１ｇ（斜線部）と第２放射直線群４３２ｇ（斜線部）とを形成する。第１放射直線群４３１ｇは、作業車１を中心として作業領域ＡＲ内で所定角度θ１（図では３０°）毎に放射状に延びる複数の第１放射直線４３１からなり、第２放射直線群４３２ｇは、充電ステーション３を中心として作業領域ＡＲ内で所定角度θ２（図では３０°）毎に放射状に延びる複数の第２放射直線４３２からなる。なお、複数の第１放射直線４３１および第２放射直線４３２は、それぞれセル単位で形成される。第１放射直線群４３１ｇおよび第２放射直線群４３２ｇは、それぞれ方位センサ５４により検出された所定方位を基準として形成される。

次いで、経路生成部４３は、第１放射直線群４３１ｇおよび第２放射直線群４３２ｇの中から、作業車１から充電ステーション３までの距離が最短となる第１放射直線４３１および第２放射直線４３２をそれぞれ選択する。そして、選択した第１放射直線４３１と第２放射直線４３２とにより、目標帰還経路ＲＴを生成する。

この場合、図８に示すように、第１放射直線４３１と第２放射直線４３２とが交差する交点Ｐ１が複数ある場合、交点Ｐ１を経由して第１放射直線４３１と第２放射直線４３２とを通る帰還経路は複数存在する。したがって、経路生成部４３は、第１放射直線４３１と第２放射直線４３２との各交点Ｐ１を算出し、その中から、作業車１の現在位置から充電ステーション３までの距離（セル２ａの個数）が最短となる交点（目標交点）Ｐ１ａを含む経路を、目標帰還経路ＲＴとして選択する。

一方、第１放射直線４３１と第２放射直線４３２との交点Ｐ１が作業領域ＡＲに存在しない場合、経路生成部４３は、以下のように目標帰還経路ＲＴを生成する。図９は、作業領域マップＭＰの他の例を示す図である。図９では、作業車１の現在位置ＡまたはＢを中心とした複数の第１放射直線４３１は、充電ステーション３を中心とした第２放射直線４３２と交差せず、エリアワイヤ２の位置を示す境界線Ｌ０と交差する。したがって、第１放射直線４３１と第２放射直線４３２との交点Ｐ１は存在しない。

この場合、経路生成部４３は、まず第１放射直線４３１と境界線Ｌ０とが交差する複数の第１交点Ｐ１１、および第２放射直線４３２と境界線Ｌ０とが交差する複数の第２交点Ｐ２１をそれぞれ算出する。次いで、エリアワイヤ２に沿った第１交点Ｐ１１から第２交点Ｐ２１までのワイヤ経路ＲＴａを含むように目標帰還経路ＲＴを生成する。すなわち、経路生成部４３は、第１放射直線群４３１ｇおよび第２放射直線群４３２ｇの中から、ワイヤ経路ＲＴａを経由した作業車１の現在位置（図９の位置Ａ，Ｂ）から充電ステーション３の位置Ｐ０までの経路が最短となる第１放射直線４３１および第２放射直線４３２を選択する。そして、選択した第１放射直線４３１と第２放射直線４３２、およびワイヤ経路ＲＴａにより目標帰還経路ＲＴを生成する。

図９に示すように、目標帰還経路ＲＴを構成するワイヤ経路ＲＴａは、複数の第１交点Ｐ１１の中から選択した第１交点（目標第１交点）Ｐ１１ａと、複数の第２交点Ｐ２１の中から選択した第２交点（目標第２交点）Ｐ２１ａとの間に形成されるが、目標第１交点Ｐ１１ａと目標第２交点Ｐ２１ａとの間に、他の交点Ｐ１１，Ｐ２１は存在しない。したがって、経路生成部４３は、複数の第１交点Ｐ１１および第２交点Ｐ２１の中から、第１交点Ｐ１１から第２交点Ｐ２１までの道のりが最短となるものを目標第１交点Ｐ１１ａおよび目標第２交点Ｐ２１ａとして選択することで、目標帰還経路ＲＴを生成することができる。経路生成部４３は、作業車１が帰還動作を行う前に目標帰還経路ＲＴを算出し、ＥＣＵ４０の記憶部に記憶する。

走行制御部４４は、方位センサ５４（方向検出器）とＧＰＳセンサ５５（位置検出器）とからの信号に基づき作業車１の向きおよび位置を検出し、経路生成部４３により生成された目標帰還経路ＲＴに沿って作業車１が走行するように走行モータ１８Ｌ，１８Ｒに制御信号を出力する。これにより、作業車１をエリアワイヤ２に沿ってトレース走行させる場合よりも、充電ステーション３までの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。なお、作業車の向きを検出する方向検出器として、方位センサ５４の代わりに、あるいは方位センサ５４とともにＹａｗセンサ５２を用いることもできる。

図１０は、ＥＣＵ４０における処理、とくに帰還モード時の処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、予めトレースモードで作業車１を走行させて作業領域マップＭＰを取得した後、作業モードで作業を行っているときに、電圧センサ５８の検出値が所定値以下となり、バッテリ２０への充電が必要になると開始される。

まず、ステップＳ１で、作業車１から充電ステーション３までの目標帰還経路ＲＴを生成する。図１１は、ステップＳ１の処理（経路生成処理）をより具体的に示すフローチャートである。図１１に示すように、目標帰還経路ＲＴを生成する際には、まず、ステップＳ１Ａで、位置特定部４２での処理により、作業領域マップＭＰ上の充電ステーション３の位置、すなわち作業領域マップＭＰの原点位置を特定する。

次いで、ステップＳ１Ｂで、経路生成部４３での処理により、作業領域マップＭＰ上に、作業車１を中心とした第１放射直線群４３１ｇと充電ステーション３を中心とした第２放射直線群４３２ｇとを形成する。次いで、ステップＳ１Ｃで、経路生成部４３での処理により、ステップＳ１Ｂで形成された複数の第１放射直線４３１と複数の第２放射直線４３２との交点Ｐ１があるか否かを判定する。

ステップＳ１Ｃで肯定されるとステップＳ１Ｄに進み、経路生成部４３での処理により、作業車１から充電ステーション３までの道のりが最短となる目標交点Ｐ１ａを選択する。さらに、第１放射直線群４３１ｇおよび第２放射直線群４３２ｇの中から目標交点Ｐ１ａを含む第１放射直線４３１および第２放射直線４３２を選択し、目標交点Ｐ１ａを経由する第１放射直線４３１と第２放射直線４３２とにより目標帰還経路ＲＴを生成する。

一方、ステップＳ１Ｃで否定されるとステップＳ１Ｅに進み、経路生成部４３での処理により、複数の第１放射直線４３１と境界線Ｌ０とが交差する第１交点Ｐ１１および複数の第２放射直線４３２と境界線Ｌ０とが交差する第２交点Ｐ２１の中から、作業車１から充電ステーション３までの道のりが最短となる目標第１交点Ｐ１１ａおよび目標第２交点Ｐ２１ａをそれぞれ選択する。すなわち、作業車１から充電ステーション３までの道のりが最短となるワイヤ経路ＲＴａを選択する。さらに、第１放射直線群４３１ｇの中から目標第１交点Ｐ１１ａを含む第１放射直線４３１を選択するとともに、第２放射直線群４３２ｇの中から目標第２交点Ｐ２１ａを含む第２放射直線４３２を選択し、ワイヤ経路ＲＴａを経由する第１放射直線４３１と第２放射直線４３２とにより目標帰還経路ＲＴを生成する。

目標帰還経路ＲＴの生成が完了すると、図１０のステップＳ２に進む。なお、以降の処理は、主に走行制御部４４が実行する。ステップＳ２では、方位センサ５４のキャリブレーションを実行する。例えば、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１をその場で３６０°回転させてキャリブレーションを行う。なお、キャリブレーションの方法についての詳細な説明は省略する。次いで、ステップＳ３で、所定時間（例えば１秒）毎にＧＰＳセンサ５５からの信号を読み込み、作業領域マップＭＰ上の作業車１の現在位置を特定する。

次いで、ステップＳ４で、目標帰還経路ＲＴと作業車１の現在位置とを比較して、作業車１が目標帰還経路ＲＴ上を走行してい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に進み、否定されるとステップＳ６に進む。ステップＳ６では、方位センサ５４あるいはＹａｗセンサ５２の検出値により作業車１の現在の向きを把握した上で、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を目標帰還経路ＲＴに向けて旋回させる。

次いで、ステップＳ５で、磁気センサ５１の検出値を用いて作業車１が作業領域ＡＲ内に位置するか否かを判定する。ステップＳ５で否定されるとステップＳ７に進み、方位センサ５４あるいはＹａｗセンサ５２の検出値により作業車１の現在の向きを把握した上で、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を作業領域ＡＲ側に旋回させ、ステップＳ３に戻る。一方、ステップＳ５で肯定されるとステップＳ８に進み、接触センサ５６の検出値を用いて作業車１の進行方向に障害物が存在するか否かを判定する。

ステップＳ８で肯定されるとステップＳ９に進み、走行モータ１８に制御信号を出力し、作業車１を所定量だけ後退させる。次いで、ステップＳ１に戻り、新たな目標帰還経路ＲＴを生成する。すなわち、前回の目標帰還経路ＲＴには障害物があり、目標帰還経路ＲＴ上を走行不能であるので、その経路ＲＴを除いた上で、作業車１から充電ステーション３までの距離が最短となる新たな目標帰還経路ＲＴを生成する。

ステップＳ８で否定されるとステップＳ１０に進み、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Ｓ１１で、磁気センサ５１の検出値に基づき充電ステーション３を検出したか否か、すなわち充電器検出エリア３ａ内に作業車１が進入したか否かを判定する。ステップＳ１１が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、作業車１の端子２２を充電ステーション３の端子３３に接続するためのドッキング動作を実行する。ドッキングの方向は、充電ステーション３の配置によって定まり、例えば図４の矢印Ｃ方向である。端子２２は作業車１の進行方向先端部に設けられているため、ドッキング動作時には、作業車１を矢印Ｃ方向に沿って充電ステーション３に向けて走行させる。これにより端子２２，３３同士が接続し、端子２２，３３を介してバッテリ２０が充電される。

本実施形態に係る無人作業車の制御装置の動作をより具体的に説明する。作業モードで走行中に、電圧センサ５８の検出値が所定値以下となり、バッテリ２０の充電が必要になると、帰還モードに移行する。このとき、作業車１が図８のＡまたはＢに位置すると、ＥＣＵ４０の経路生成部４３は、第１放射直線４３１と第２放射直線４３２との交点Ｐ１のうち、作業車１から充電ステーション３までの距離が最短となる目標交点Ｐ１ａを経由して目標帰還経路ＲＴを生成する（Ｓ１Ｄ）。

作業車１は、走行制御部４４からの指令により、まず目標帰還経路ＲＴの第１放射直線４３１に沿って直進走行する（ステップＳ１０）。作業車１が目標交点Ｐ１ａを過ぎて目標帰還経路ＲＴからそれると、目標帰還経路ＲＴに向けて旋回する（ステップＳ６）。以降、作業車１は第２放射直線４３２に沿って直進走行する（ステップＳ１０）。直進走行時に障害物（例えば人）を検出すると、作業車１は所定量後退する（ステップＳ９）。このとき、経路生成部４３は、障害物との衝突を回避する新たな目標帰還経路ＲＴを生成する。作業車１が充電ステーション３に接近するとドッキング動作を開始し、作業車１の端子２２と充電ステーション３の端子３３とが接続する（ステップＳ１２）。

一方、帰還モードに移行した際に、作業車１が図９のＡまたはＢに位置すると、経路生成部４３は、第１放射直線４３１と境界線Ｌ０との交点Ｐ１１、および第２放射直線４３２と境界線Ｌ０との交点Ｐ２１のうち、作業車１から充電ステーション３までの距離が最短となる目標第１交点Ｐ１１ａおよび目標第２交点Ｐ２１ａを経由して目標帰還経路ＲＴを生成する（Ｓ１Ｅ）。

この場合、作業車１は、走行制御部４４からの指令により、第１放射直線４３１に沿って直進走行し（ステップＳ１０）、エリアワイヤ２を超えると、作業領域ＡＲ側に向けて旋回する（ステップＳ７）。以降、目標第２交点Ｐ２１ａに至るまで作業車１はエリアワイヤ２に沿ってトレース走行する。作業車１が目標第２交点Ｐ２１ａを過ぎて目標帰還経路ＲＴからそれると、目標帰還経路ＲＴに向けて旋回する（ステップＳ６）。以降、作業車１は第２放射直線４３２に沿って直進走行する（ステップＳ１０）。

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）を有する作業車１を、エリアワイヤ２によって画定される作業領域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、作業車１の位置を検出するＧＰＳセンサ５５（位置検出手段の一例）と、充電ステーション３の位置（目標位置の一例）を特定する位置特定部４２（目標位置特定手段の一例）と、ＧＰＳセンサ５５により検出された作業車１から位置特定部４２により特定された充電ステーション３までの目標帰還経路ＲＴ（目標移動経路の一例）を生成する経路生成部４３（経路生成手段の一例）と、経路生成部４３により生成された目標帰還経路ＲＴに沿って作業車１が走行するように走行モータ１８を制御する走行制御部４４（走行制御手段の一例）とを備える。経路生成部４３は、作業車１を中心として放射状に延びる第１放射直線群４３１ｇおよび充電ステーション３を中心として放射状に延びる第２放射直線群４３２ｇの中から、作業車１から充電ステーション３までの距離が最短となる第１放射直線４３１および第２放射直線４３２をそれぞれ選択し、目標帰還経路ＲＴは、選択した第１放射直線４３１と第２放射直線４３２とを含んで生成される（ステップＳ１Ｄ，ステップＳ１Ｅ）。

すなわち、本実施形態に係る制御装置では、作業車１の位置をＧＰＳセンサ５５で検出するとともに、作業車１の現在位置を中心とした第１放射直線群４３１ｇと充電ステーション３を中心とした第２放射直線群４３２ｇをそれぞれ形成し、これら放射直線群４３１ｇ，４３２ｇの中から、作業車１から充電ステーション３までの距離（道のり）が最短となる一対の放射直線４３１，４３２を選択する。このため、作業領域ＡＲの内側を通過して作業車１を充電ステーション３（目標位置）まで帰還させることができる。したがって、トレース走行によって作業車１を帰還させる場合に比べ、目標位置までの帰還の道のりを短縮することができ、作業車１の効率的な帰還動作、すなわち目標位置までの効率的な移動を実現することができる。また、トレースモード時のようにエリアワイヤ２に沿って作業車１を帰還させる必要がないため、轍の発生も防止できる。

ところで、ＧＰＳセンサ５５を備える作業車１を充電ステーション３まで帰還させる場合、ＧＰＳセンサ５５により作業車１の現在位置を検出し、この作業車１の位置と作業領域マップＭＰ上の充電ステーション３の位置とを直線で結んだ経路を帰還経路とすることが考えられる。しかしながら、この場合、直線上にエリアワイヤ２が存在すると、直線の一部が作業領域ＡＲの外側に位置することになる。このため、帰還経路上に、作業車１が走行できない区間が生じ、作業車１の効率的な帰還動作が困難となる。

この点、本実施形態では、作業車１および充電ステーション３を中心とした放射直線群４３１ｇ，４３２ｇを利用して目標帰還経路ＲＴを生成するため、作業車１と充電ステーション３とを結ぶ直線上にエリアワイヤ２が存在する場合（例えば図８のＢ位置から帰還する場合）であっても、エリアワイヤ２を回避した単純な経路で作業車１を帰還させることができ、帰還時間を短縮できる。また、目標帰還経路ＲＴがワイヤ経路ＲＴａを含む場合（図９）であっても、ワイヤ経路ＲＴａの長さは最短であり、帰還経路の道のりを短縮できる。すなわち、本実施形態によれば、作業車１と充電ステーション３との間に狭路が存在する場合等、作業領域ＡＲが複雑形状であっても、効率的な帰還動作を実現可能である。

（２）経路生成部４３は、作業領域ＡＲにおける第１放射直線群４３１ｇと第２放射直線群４３２ｇとの交点Ｐ１ａを算出し、目標帰還経路ＲＴは、この交点Ｐ１ａを経由して生成される（ステップＳ１Ｄ）。したがって、目標帰還経路ＲＴは、第１放射直線と第２放射直線との組み合わせ、すなわち一対の直進走行の組み合わせからなり、走行パターンが単純であって、走行制御が容易である。

（３）経路生成部４３は、第１放射直線群４３１ｇとエリアワイヤ２との第１交点Ｐ１１、および第２放射直線群４３２ｇとエリアワイヤ２との第２交点Ｐ１２をそれぞれ算出し、目標帰還経路ＲＴは、第１交点（目標第１交点）Ｐ１１ａから第２交点（目標第２交点）Ｐ２１ａまでのエリアワイヤ２に沿った経路ＲＴａを経由して生成される（ステップＳ１Ｅ）。したがって、第１放射直線４３１と第２放射直線４３２との交点Ｐ１が存在しない場合であっても、作業車１を最短ルートで帰還させることができる。

（４）経路生成部４３は、複数のセル２ａを配列してなる作業領域マップＭＰ上に目標帰還経路ＲＴを生成する（図８，９）。作業領域マップＭＰを用いることにより、ＸＹの位置座標とともに目標帰還経路ＲＴをセル２ａの属性データとして記憶し、セル単位で作業車１を帰還させればよいので、データ処理が容易である。

（５）作業車１と障害物との接触の有無を検出する接触センサ５６を設け、帰還モードで走行中に障害物を検出すると、作業車を一旦後退させて、新たな目標帰還経路ＲＴを生成する（ステップＳ９）。したがって、障害物を回避して作業車１を効率よく充電ステーション３まで帰還させることができる。

−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、ＧＰＳセンサ５５により作業車１の位置を検出するようにしたが、車輪速センサ５７の検出値により作業車１の走行距離を検出するとともに、Ｙａｗセンサ５２の検出値により作業車１の向きを検出することで、作業車１の位置を検出するようにしてもよい。この場合、ＧＰＳセンサ５５を省略することができる。したがって、位置検出手段の構成は上述したものに限らない。なお、ＧＰＳセンサ５５を用いると、作業車１の絶対位置を検出できるため、精度よい位置検出が可能である。

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）を充電する充電ステーション３（充電装置）の構成は図６のものに限らない。上記実施形態では、充電ステーション３の位置を目標位置として、帰還モード時に作業車１を充電ステーション３の位置まで帰還させるようにしたが、充電ステーション３の位置以外を目標位置として、作業車１を目標位置まで移動させるようにしてもよい。したがって、経路生成部４３は、目標帰還経路ＲＴとは異なる目標位置までの目標移動経路を生成してもよい。

上記実施形態では、マップ生成部４１での処理により、予めトレースモードで作業車１を走行させた際の作業車１の位置検出値を用いて作業領域マップＭＰを作成するとともに、位置特定部４２での処理により、作業領域マップＭＰ上の充電ステーション３の位置を特定するようにしたが、作業領域マップＭＰを用いずに作業車１の現在位置に対する充電ステーション３の位置あるいは他の目標位置を特定してもよい。したがって、目標位置特定手段の構成は上述したものに限らない。予めトレースモードで作業車１を走行させるのではなく、作業モードで作業領域ＡＲを走行させ、その際に検出される作業車１の位置座標を用いて、作業領域マップＭＰを作成するようにしてもよい。

上記実施形態では、第２放射直線群４３２ｇが充電ステーション３を中心として放射状に延びるようにしたが、第２放射直線群４３２ｇは充電ステーション３以外の目標位置を中心として放射状に延びるものであってもよい。したがって、作業車１を中心として放射状に延びる第１放射直線群４３１ｇおよび目標位置を中心として放射状に延びる第２放射直線群４３２ｇの中から、作業車１から目標位置までの距離が最短となる第１放射直線４３１および第２放射直線４３２をそれぞれ選択し、選択した第１放射直線４３１と第２放射直線４３２とを含んで目標帰還経路ＲＴ等の目標移動経路を生成するのであれば、経路生成手段としての経路生成部４３の構成はいかなるものでもよい。

上記実施形態では、走行制御部４４が、経路生成部４３により生成された目標帰還経路ＲＴに沿って作業車１が走行するように走行モータ１８を制御するようにしたが、目標移動経路に沿って作業車１が走行するように作業車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、３ 充電ステーション、１８ 走行モータ、２０ バッテリ、４０ ＥＣＵ、４２ 位置特定部、４３ 経路生成部、４４ 走行制御部、５４ 方位センサ、５５ ＧＰＳセンサ、４３１ 第１放射直線、４３１ｇ 第１放射直線群、４３２ 第２放射直線、４３２ｇ 第２放射直線群、ＲＴ 目標帰還経路

Claims (3)

1. 走行手段を有する作業車を、エリアワイヤによって画定される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、
   前記作業車の位置を検出する位置検出手段と、
   目標位置を特定する目標位置特定手段と、
   前記位置検出手段により検出された前記作業車から前記目標位置特定手段により特定された前記目標位置までの目標移動経路を生成する経路生成手段と、
   前記経路生成手段により生成された前記目標移動経路に沿って前記作業車が走行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、
   前記経路生成手段は、前記作業車を中心として放射状に延びる第１放射直線群および前記目標位置を中心として放射状に延びる第２放射直線群の中から、前記作業領域における前記第１放射直線群と前記第２放射直線群との交点を算出することにより、前記作業車から前記目標位置までの距離が最短となる第１放射直線および第２放射直線をそれぞれ選択し、前記目標移動経路は、選択した前記第１放射直線と前記第２放射直線とを含み、前記交点を経由して生成されることを特徴とする無人作業車の制御装置。
2. 請求項１に記載の無人作業車の制御装置において、
   前記経路生成手段は、前記第１放射直線群と前記第２放射直線との前記交点が存在しないとき、前記第１放射直線群と前記エリアワイヤとの第１交点、および前記第２放射直線群と前記エリアワイヤとの第２交点をそれぞれ算出し、前記目標移動経路は、前記第１交点から前記第２交点までの前記エリアワイヤに沿った経路を経由して生成されることを特徴とする無人作業車の制御装置。
3. 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、
   前記経路生成手段は、複数のセルを配列してなるマップ上に前記目標移動経路を生成することを特徴とする無人作業車の制御装置。

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