JP6131181B2

JP6131181B2 - 作業車両の姿勢制御装置

Info

Publication number: JP6131181B2
Application number: JP2013264185A
Authority: JP
Inventors: 森口　和磨; 和磨森口; 達也藤森; 恵大北野; 丹生　秀和; 秀和丹生; 寺島　淳; 淳寺島
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: JP2015120376A

Description

本発明は、リアクションホイールを用いて、精度よく機体を所定の姿勢に制御する技術に関する。

従来、不整地走行車体の前後左右に４つのスイングアームを配置し、該スイングアームの先端に車輪を配置して駆動可能とするとともに、スイングアームを油圧シリンダにより昇降回動可能とし、スイングアームの回動角度を角度センサにより検知し、車体の傾斜角度を傾斜センサにより検知し、前記油圧シリンダを作動させて車体を水平に保つように制御する技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
また、自動車における車体に、前後方向の軸心を有するリアクションホイールを前後二ヶ所配置し、互いに反対方向に回転させ、旋回時の横揺れに対して、慣性力が打ち消されるように、リアクションホイールの回転を制動するようにした技術が公知となっている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−２３８９０６号公報特開２０１１−１１６２７１号公報

前記特許文献１における技術の場合、傾斜地を走行しているときに、ゆっくりとした傾斜角度の変化に対しては、油圧シリンダを伸縮させることで、車体を水平に保つことは可能であるが、小さな凹凸のある路面や砂利道等を走行する場合、微振動のような横揺れや前後揺れに対しては対応することができず、小さな横揺れや前後揺れを除去することはできない。
前記特許文献２における技術の場合、傾斜地の走行に対して水平を保つような構造はなく、小さな横揺れしか低減することができない。また、横揺れを低減するためには、リアクションホイールが二つ必要であり、大きな配置スペースが必要であって、コストアップとなっていた。
そこで、一方向の傾斜角度検出手段からの検出値を用いて、小さな揺れから大きな揺れに対して所定角度に保つことが可能な姿勢制御装置を提供しようとする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、請求項１においては、機体の姿勢を走行面に対して所定姿勢に保持するように、姿勢検知手段と、姿勢変更手段と、姿勢制御手段を備える走行車両において、前記姿勢検知手段は、機体の傾斜角度を検知する角度センサからなり、前記姿勢変更手段は、機体と走行部との間の位置を変更する位置変更アクチュエータと、機体の角運動量を変化させるリアクションホイールとを備え、前記姿勢制御手段は、前記角度センサの検出値を複数の周波数帯域に分離し、所定角度に保持するように、低い周波数帯域で前記位置変更アクチュエータを制御し、高い周波数帯域でリアクションホイールを制御するものである。

請求項２においては、前記姿勢制御手段には、各周波数帯域の境界となる設定周波数を変更する周波数設定手段が接続されるものである。

請求項３においては、前記姿勢制御手段には、位置変更アクチュエータとリアクションホイールの作動速度を変更する感度変更手段が接続されるものである。

請求項４においては、前記姿勢制御手段には、走行駆動停止手段と接続され、前記角度センサからの検出値が設定振幅（設定角度）以上となると、走行を停止させるものである。

請求項５においては、前記角度センサは、機体の左右傾斜角度を検知し、前記位置変更アクチュエータは、機体と左右の走行部の走行体支持部との間に介装される左右一対の伸縮シリンダからなり、リアクションホイールは、前後方向の軸心を備える回転円板と、該回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記姿勢制御手段は、前記角度センサからの検出値を帯域フィルタにより帯域分離し、左右傾斜角度を所定角度に保持するように、設定周波数よりも低い低周波数帯域で伸縮シリンダを駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータを駆動するものである。

請求項６においては、前記角度センサは、機体の左右傾斜角度を検知し、前記位置変更アクチュエータは、機体と左右の走行部の走行体支持部との間に介装される左右一対の伸縮シリンダからなり、リアクションホイールは、前後方向の軸心を備える直径の異なる複数の回転円板と、各回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記姿勢制御手段は前記角度センサからの検出値を帯域フィルタにより複数の帯域分離し、左右傾斜角度を所定角度に保持するように、最も低い低周波数帯域で伸縮シリンダを駆動し、中周波数帯域で、直径の大きい回転円板駆動モータを駆動し、高周波数帯域で直径の小さい回転円板駆動モータを駆動するものである。

請求項７においては、前記走行部における左右の走行体は、クローラ式走行装置より構成され、走行体支持部は、昇降フレームの一端を機体に上下回動支点軸により回動可能に支持し、昇降フレームの他端をクローラ式走行装置のトラックフレームに回動可能に支持するものである。

請求項８においては、前記走行部における左右の走行体は、ホイル式走行装置より構成され、走行体支持部は、昇降フレームの一端を機体に上下回動支点軸により回動可能に支持し、昇降フレームの他端を車輪軸に回動可能に支持するものである。

請求項９においては、前記角度センサは、前記上下回動支点軸の左右中央上に配置されるものである。

請求項１０においては、前記角度センサは、機体の前後傾斜角度を検知し、前記位置変更アクチュエータは、機体と走行体との間に介装されるピッチングシリンダからなり、リアクションホイールは、左右方向の軸心を備える回転円板と、該回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記姿勢制御手段は、前記角度センサからの検出値を帯域フィルタにより帯域分離し、前後傾斜角度を所定角度に保持するように、設定周波数よりも低い低周波数帯域でピッチングシリンダを駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータを駆動するものである。

請求項１１においては、前記角度センサは、機体の前後傾斜角度を検知し、前記位置変更アクチュエータは、機体と左右走行部の走行支持部との間に介装されるピッチングシリンダからなり、リアクションホイールは、左右方向に軸心を備える直径の異なる複数の回転円板と、各回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記姿勢制御手段は前記角度センサからの検出値を帯域フィルタにより複数の帯域分離し、前後傾斜角度を所定角度に保持するように、最も低い低周波数帯域で伸縮シリンダを駆動し、中周波数帯域で、直径の大きい回転円板駆動モータを駆動し、高周波数帯域で直径の小さい回転円板駆動モータを駆動するものである。

請求項１２においては機体の進行方向を設定方向に保持するように、方位検知手段と、進行方向を変更する操向アクチュエータと、進行方向制御手段を備える走行車両において、機体の進行方向に対する角運動量を変化させるリアクションホイールを備え、前記進行方向制御手段は、前記方位検知手段の検出値の周波数帯域を高低に分離し、低周波数帯域で前記操向アクチュエータを制御し、高周波数帯域でリアクションホイールを制御するものである。

請求項１３においては、前記操向アクチュエータは、操向輪を左右回動させるステアリングシリンダからなり、リアクションホイールは、鉛直方向の軸心を備える回転円板と、該回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記進行方向制御手段は、前記方位検知手段からの検出値を帯域フィルタにより帯域分離し、進行方向が設定方向となるように、設定周波数よりも低い低周波数帯域でステアリングシリンダを駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータを駆動するものである。

請求項１４においては、前記操向アクチュエータは、左右の走行体の回転数を変更する旋回用変速アクチュエータからなり、リアクションホイールは、鉛直方向の軸心を備える回転円板と、該回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記進行方向制御手段は、前記方位検知手段からの検出値を帯域フィルタにより帯域分離し、進行方向が設定方向となるように、設定周波数よりも低い低周波数帯域で旋回用変速アクチュエータを駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータを駆動するものである。

請求項１５においては、前記操向アクチュエータは、左右の走行体を制動するブレーキアクチュエータからなり、リアクションホイールは、鉛直方向の軸心を備える回転円板と、該回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記進行方向制御手段は、前記方位検知手段からの検出値を帯域フィルタにより帯域分離し、進行方向が設定方向となるように、設定周波数よりも低い低周波数帯域でブレーキアクチュエータを駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータを駆動するものである。

請求項１６においては、前記進行方向制御手段には、低周波数と高周波数との境界となる設定周波数を変更する周波数設定手段が接続されるものである。

請求項１７においては、前記進行方向制御手段には操向アクチュエータとリアクションホイールの作動速度を変更する、感度変更手段が接続されるものである。

請求項１８においては、前記リアクションホイールは、鉛直方向の軸心を備える直径の異なる複数の回転円板と、各回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記進行方向制御手段は、前記方位検知手段からの検出値を帯域フィルタにより複数に帯域分離し、進行方向が設定方向となるように、最も低い低周波数帯域で伸縮シリンダを駆動し、中周波数帯域で、直径の大きい回転円板駆動モータを駆動し、高周波数帯域で直径の小さい回転円板駆動モータを駆動するものである。

本発明の効果として、揺れの周波数が低周波数から高周波数までの全範囲で、機体を設定した角度になるように制御でき、安定した走行が可能となる。

本発明の実施形態に係る作業車両の全体構成を示した側面図。同じく平面図。同じく傾斜地を走行している状態の後面図。リアクションホイールの取付部を示す側面図。制御ブロック図。ローパスフィルタを用いたブロック線図。ハイパスフィルタを用いたブロック線図。ホイル型の作業車両の全体構成を示した側面図。角度センサの値を周波数フィルタで複数の帯域に分離したブロック線図。三つの周波数帯域に分離した実施例のブロック線図。

図１〜図４より本発明の姿勢制御装置を搭載した作業車両１の全体構成を説明する。
作業車両１は、機体フレーム１０にエンジン７やミッションケース３を搭載して機体とし、機体フレーム１０下方に走行部２を配置して走行可能としている。機体フレーム１０上にはさらに制御装置４が設けられ、該制御装置４には図示しない遠隔操作装置や操向装置や姿勢制御装置が接続され、遠隔操作による自動走行を可能としている。

前記機体フレーム１０は平面視略Ｕ字状に構成した後フレーム１０ａと平面視略Ｖ字状に構成した前フレーム１０ｂと前後中央から下方に突設した正面視略Ｕ字状に構成した下フレーム１０ｃからなり、後フレーム１０ａと前フレーム１０ｂは開放側を合わせて固定してループ状に構成している。機体フレーム１０の中央にエンジン７が配置され下フレーム１０ｃに載置固定され、エンジン７の上方にリアクションホイール６が配置され、その後方にミッションケース３が配置され、エンジン７やミッションケース３やリアクションホイール６等はボンネット５により覆われている。

機体フレーム１０の後部には作業部４０が配置される。作業部４０は左右一対のアーム４１・４１の前端が機体フレーム１０の後部に上下回動自在に支持され、アーム４１・４１の後部に爪４２および該爪４２の開閉手段４３が配置され、アーム４１・４１の前後中途部の間にバケット４４が配置されている。前記アーム４１・４１の後部と機体フレーム１０の間に昇降駆動手段となる油圧シリンダ４５・４５が配置されている。

機体フレーム１０下方に配置される走行部２は、機体フレーム１０の下方の前部に前走行体が配置され、下方後部に後走行体が配置される。本実施形態では、前走行体は一輪の前操向部３０とし、後走行体は、左右一対配置のクロー式走行装置２０・２０としている。こうして走行部２はセミクローラ式の走行装置を構成している。但し、前走行体は車輪の代わりにクローラ式走行装置とすることも可能である。後走行体はクロー式走行装置２０の代わりに、図８に示すようにホイル式の走行装置とすることも可能である。また、走行部２は前後左右の４つの走行体で構成することも可能である。

前記クロー式走行装置２０は、高さを変更するとともに動力を伝達可能とする走行体支持部５０を介して機体フレーム１０に支持される。クロー式走行装置２０及び走行体支持部５０は左右対称に構成されるため左右一側について説明する。
クロー式走行装置２０は上部に配置される駆動輪２１と、該駆動輪２１の前下方に配置される従動輪２２と、駆動輪２１の後下方に配置されるテンションローラ２３と、従動輪２２とテンションローラ２３の間に配置される補助ローラ２４・２４と、駆動輪２１と従動輪２２とテンションローラ２３と補助ローラ２４・２４に巻回されるクローラベルト２５と、これらを支持するトラックフレーム２６等を備える。

走行体支持部５０は、機体フレーム１０後部から下方に突設した支持ステー５１と、該支持ステー５１と前記クロー式走行装置２０のトラックフレーム２６との間に介装される昇降フレーム５２と、該昇降フレーム５２と平行に支持ステー５１とトラックフレーム２６との間に介装される支持リンク５３と、機体フレーム１０と昇降フレーム５２と間に介装して位置変更アクチュエータとなる昇降シリンダ５４とからなる。昇降シリンダ５４は伸縮シリンダで構成され、姿勢変更手段として作用して機体の左右傾斜姿勢を変更する。

昇降フレーム５２は、ケース状に構成して内部にスプロケットとチェーンを収納し、その上部が機体フレーム１０に固設された支持ステー５１に上下回動支点軸５５により支持され、昇降フレーム５２の下部は駆動輪軸５６が横架されてトラックフレーム２６の上部を支持し、駆動輪２１を固設している。ホイル式の走行装置の場合、駆動輪軸５６に後輪が固定される。
支持リンク５３は昇降フレーム５２の下方で上部が支持ステー５１の下部に支持軸により回転自在に支持され、下部はトラックフレーム２６に支持軸により支持され、支持リンク５３と昇降フレーム５２により平行リンクを構成し、クロー式走行装置２０が機体に対して平行に昇降する構成としている。

昇降シリンダ５４は油圧シリンダにより構成され、ボトム側が機体フレーム１０に枢支され、ピストンロッド先端が昇降フレーム５２の後上部に枢支されている。昇降シリンダ５４は後述する昇降電磁バルブ７２を切り換えることにより伸縮され、伸長することによりクロー式走行装置２０が下降され機体は上昇する。昇降シリンダ５４を縮小することによりクロー式走行装置２０が上昇され、機体は下降する。この昇降フレーム５２の上下回動量は昇降検知手段５９により検知され、制御装置４と接続されてフィードバックできるようにしいる（図５）。昇降検知手段５９の構成は限定するものではなく、角度センサにより昇降フレーム５２の回動量を検知しても、昇降シリンダ５４に設けたストロークセンサにより検知してもよい。

前記エンジン７の出力軸は後方に突出されて、出力軸上に出力プーリが固設され、該出力プーリからベルトを介して発電機やミッションケース３に動力が伝達される。
ミッションケース３には直進用油圧式無段変速装置（直進用ＨＳＴ）と旋回用油圧式無段変速装置（旋回用ＨＳＴ）と伝動歯車等を備える。直進用ＨＳＴ及び旋回用ＨＳＴはそれぞれ可変容量型の油圧ポンプと固定容量型の油圧モータを備え、油圧ポンプは斜板を傾倒させることで油圧モータへの作動油の送油量と送油方向を変更可能として、油圧モータの回転数と回転方向を変更可能としている。直進用ＨＳＴ及び旋回用ＨＳＴの斜板はそれぞれモータまたはソレノイドで構成される直進用変速アクチュエータ７３及び旋回用変速アクチュエータ７４と連結される。直進用ＨＳＴの油圧モータの出力軸は、ミッションケース３の下部から左右両側方に突出した走行駆動軸５７・５７と連動連結され、伝動ケース５８の上部に挿入される。旋回用ＨＳＴの油圧モータの出力軸は走行駆動軸５７・５７上に設けた遊星歯車と連動されて、回転数と回転方向を変更することで旋回を可能としている。前記伝動ケース５８の下部には前記上下回動支点軸５５が支持され、内部にスプロケットとチェーンを収納し、走行駆動軸５７から上下回動支点軸５５に動力を伝達可能としている。前記上下回動支点軸５５の左右中央近傍には、機体の左右傾斜角を検知する角度センサ７５が配置される。

前操向部３０は、操向輪となる１輪の前輪３１と、前輪３１を支持する前輪ブラケット３２と、前輪３１を操向回転駆動する操向アクチュエータとなるステアリングシリンダ３３等を備える。前輪３１は前輪ブラケット３２の下部に水平方向に設けた車軸に回転自在に支持される。前輪ブラケット３２は上部が円柱状の支持軸部３２ａに構成され、該支持軸部３２ａは上下方向を軸心として機体フレーム１０の前部に左右回転自在に支持される。

前記支持軸部３２ａの上部に歯車３４が固設され、該歯車３４に操向歯車３５が歯合される。操向歯車３５は略扇形に形成されて中心が軸３６により回転自在に支持される。操向歯車３５の一端がステアリングシリンダ３３のピストンロッド先端に枢支され、ステアリングシリンダ３３のボトム側基部は機体フレーム１０に枢支されている。ただし、支持軸部３２ａとステアリングシリンダ３３は歯車により連動する構成に限定せずリンク等で連結することも可能である。前記ステアリングシリンダ３３は操向電磁バルブ７１の切換により伸縮駆動され、操向電磁バルブ７１は制御装置４と接続されている。つまり、遠隔操作により制御装置４に接続した図示しない受信機に進行方向信号（設定方向の信号）が送信されると、ステアリングシリンダ３３がその方向を向くように伸長または縮小されて操向歯車３５、歯車３４を介して支持軸部３２ａを回動し、前輪３１を右または左に回動して操向操作を可能としている。

リアクションホイール６は、機体の角運動量を変化させるものであり、エンジン７の後上方でミッションケース３の前方に配置され、機体の前後左右の略中央部（機体の重心位置近傍）に配置される。リアクションホイール６は前後方向の軸心を備える回転円板６１と、該回転円板６１を正逆回転駆動する円板駆動モータ６２からなる。円板駆動モータ６２は制御装置４と接続され、左右傾斜姿勢制御される。なお、図示しない前後傾斜姿勢制御用のリアクションホイール８及び進行方向姿勢制御用のリアクションホイール９もリアクションホイール６の近傍に配置される。

次に、姿勢制御について説明する。
本実施形態では、機体の姿勢を走行面に対して所定姿勢に保持するように、姿勢検知手段と、姿勢変更手段と、姿勢制御手段を備える。前記姿勢検知手段は、機体の前後方向軸（Ｙ軸）を中心とする傾斜角度（ローリング角度）を検知する角度センサ、機体の左右方向軸（Ｘ軸）を中心とする傾斜角度（ピッチング角度）を検知する角度センサ、機体の上下方向軸（Ｚ軸）を中心とする回転角度（ヨー角度）を検知する角度センサからなり、それぞれの角度センサにより機体の姿勢を検知している。前記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心とする角度変化を検知する角度センサの検出値は、それぞれフィルタにより複数の周波数帯域に分離され、周波数帯域ごとにそれぞれアクチュエータが制御され、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれを中心にアクチュエータにより回転制御される。

一つの角度センサについて説明すると、図９に示すように、角度センサにより検出した検出値は周波数フィルタに入力されて、周波数フィルタにより複数の周波数帯域（周波数帯域Ａ、周波数帯域Ｂ、周波数帯域Ｃ・・・・）に分離される。この分離された周波数帯域はそれぞれ制御手段（制御手段ａ、制御手段ｂ、制御手段ｃ・・・）に入力されてそれぞれアクチュエータ（アクチュエータα、アクチュエータβ、アクチュエータγ・・・）を制御する。高い周波数帯域（Ａ＞Ｂ＞Ｃ・・・）の検知信号により制御されるアクチュエータは反応が速い（動作速度が速い）アクチュエータであり、低い周波数帯域のアクチュエータは反応が遅い（動作速度が遅い）アクチュエータが用いられる。反応が速いアクチュエータとしてはモータやソレノイド等であり、反応が遅いアクチュエータとしては油圧シリンダ等である。本実施形態では、高い周波数帯域の信号に対してはリアクションホイールが回転制御され、低い周波数帯域の信号に対しては油圧シリンダが伸縮制御（位置変更制御）される。

具体的に説明すると、制御装置４には、図５に示すように、前操向部３０を操向回動するためにステアリングシリンダ３３を伸縮させるための操向電磁バルブ７１、左右の昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒを伸縮するための左右の昇降電磁バルブ７２Ｌ・７２Ｒ、リアクションホイール６の回転円板６１を回転駆動する円板駆動モータ６２、リアクションホイール８の回転円板８１を回転駆動する円板駆動モータ８２、リアクションホイール９の回転円板９１を回転駆動する円板駆動モータ９２、直進用ＨＳＴの可動斜板を傾倒する直進用変速アクチュエータ７３、旋回用ＨＳＴの可動斜板を傾倒する旋回用変速アクチュエータ７４、ミッションケース３内に収納して左右の走行駆動軸５７・５７を制動可能とするブレーキアクチュエータ９６Ｌ・９６Ｒ、昇降フレーム５２・５２の上下回動量を検知する昇降検知手段５９Ｌ・５９Ｒ、機体の左右傾斜角度を検知する角度センサ７５、機体の前後傾斜角度を検知する角度センサ８７、機体の進行方向を検知する方位検知手段９５、走行速度を検知する速度センサ７７、後述するリアクションホイール６による制御と昇降シリンダ５４による制御の境界周波数を設定する周波数設定手段７９、制御感度を設定する感度変更手段６４、最大振幅を設定する振幅設定手段６５、図示しない傾斜角度設定手段等が接続されている。

機体の左右傾斜を設定角度（水平）に制御する左右傾斜姿勢制御手段４ａは、角度センサ７５からの検出値の周波数帯域を複数の帯域に分離する。本実施形態ではフィルタにより高周波数帯域と低周波数帯域の二つに分離し、高周波数帯域の検出値でリアクションホイール６を制御し、低周波数帯域で昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒを制御するのである。

つまり、制御装置４には左右傾斜姿勢制御手段４ａを備え、左右傾斜姿勢制御手段４ａは図６に示すように、角度センサ７５からの検出値をローパスフィルタ６６に入力し、ローパスフィルタ６６から出力された低周波数帯域の信号により昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒを制御（昇降シリンダ制御）する。他方、角度センサ７５からの検出値から低周波数帯域を取り除いた高周波数帯域の信号によりリアクションホイール６を制御（リアクションホイール制御）する。

制御装置４の左右傾斜姿勢制御手段４ａによる昇降シリンダ制御は、例えば、機体が左下りに傾斜すると、角度センサ７５からの検出値における低周波数帯域の信号に応じて、左昇降電磁バルブ７２Ｌを切り換えて昇降シリンダ５４Ｌを伸長し、機体が設定角度（水平）となるようにする。逆に、機体が右下りに傾斜すると、角度センサ７５からの検出値における低周波数帯域の信号に応じて、右昇降電磁バルブを切り換えて昇降シリンダ５４Ｒを伸長し、機体が設定角度（水平）となるようにする。

制御装置４の左右傾斜姿勢制御手段４ａによるリアクションホイール制御は、角度センサ７５の検出値から高周波数帯域の信号を微分して角加速度を取得し、角加速度と同等の角加速度となるように円板駆動モータ６２を傾斜方向と同方向に回転駆動する。回転円板６１を傾斜方向と同方向に傾斜する角加速度と同加速度で回転させることにより、その反作用で機体を水平方向に姿勢を変える。
こうして、リアクションホイール６の制御により、速く小さな角度変化に対して姿勢を安定させることができる。この傾斜変動に応じて回転円板６１を回動した後、回転円板６１は元の位置に戻す必要がないため、常時作動させることが可能になる。この昇降シリンダ制御とリアクションホイール制御とによって、全周波数帯において姿勢制御ができ、機体を水平に安定して走行が可能となる。

また、前記左右傾斜姿勢制御手段４ａではローパスフィルタ６６に代えてハイパスフィルタ６７を用いて制御することも可能である。つまり、図７に示すように、角度センサ７５からの検出値をハイパスフィルタ６７に入力し、ハイパスフィルタ６７から出力された高周波数帯域の信号によりリアクションホイール制御を行う。そして、角度センサ７５からの検出値から高周波数帯域を取り除いた低周波数帯域の信号により昇降シリンダ制御を行うのである。

また、高周波数帯域と低周波数帯域の境界を周波数設定手段７９で変更可能に構成することもできる。周波数設定手段７９は可変コンデンサや可変抵抗等をローパスフィルタ６６またはハイパスフィルタ６７に組み込むことにより境界周波数を変更可能とする。こうして帯域が変更されることで路面の状態や作業者が感じる振動等に合うように周波数設定手段７９で調整して、除去したい振動を確実に除去できるのである。なお、本実施形態では高低二つの帯域に分離したが、帯域フィルタを用いることで３つ以上の帯域に分離し、さらに、質量の異なるリアクションホイールを追加することで、更に精度よく姿勢制御することが可能となる。

三つの周波数帯域に分離した場合について説明する。
図１０に示すように、角度センサ７５からの検出値は周波数フィルタにより低周波数帯域と中周波数帯域と高周波数帯域とに分離し、低周波数帯域の信号では位置変更制御となる昇降シリンダ制御を行い、中周波数帯域と高周波数帯域はリアクションホイールで回転制御を行う。リアクションホイールは回転円板の直径が大きい大径リアクションホイールと、大径リアクションホイールよりも回転円板の直径が小さい小径リアクションホイールとにより回転制御を行う構成としている。つまり、中周波数帯域の信号では大径リアクションホイール制御を行い、高周波数帯域の信号では小径リアクションホイール制御を行う。但し、低周波数帯域の信号では昇降シリンダ制御を行い、中周波数帯域では反応が速い電動シリンダで制御を行い、高周波数帯域ではリアクションホイールで制御行うことも可能であり、アクチュエータの作動速度（反応速さ）を複数の周波数帯域に適応させるものであればよく、アクチュエータの種類は限定するものではない。

こうして、角度センサ７５からの検出値がローパスフィルタ６６に入力され、ローパスフィルタ６６から出力された低周波数帯域の信号により昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒが制御される。角度センサ７５からの検出値から低周波数帯域を取り除いた信号をローパスフィルタ６８に入力し、中周波数帯域の信号を得て大径リアクションホイールの円板駆動モータ６２ａが制御される。この角度センサ７５からの検出値から低周波数帯域を取り除いた信号からさらにローパスフィルタ６８からの出力信号を取り除いて高周波数帯域の信号を取得し、この高周波数帯域の信号により小径リアクションホイールの円板駆動モータ６２ｂが制御される。

このように、前記姿勢制御手段４は前記角度センサ７５からの検出値を周波数フィルタとなる帯域フィルタ６６・６８により複数の帯域に分離し、左右傾斜角度を所定角度に保持するように、最も低い低周波数帯域で伸縮シリンダ（昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒ）を駆動し、中周波数帯域で、直径の大きい回転円板の駆動モータ６２ａを駆動し、高周波数帯域で直径の小さい回転円板駆動モータ６２ｂを駆動するのである。こうして、二つの周波数帯域に分離するよりもさらに精度よく姿勢制御が可能となる。なお、前後傾斜姿勢制御及び進行方向姿勢制御にも適用可能である。

また姿勢制御において、感度変更手段６４を制御装置４と接続し、機体の傾斜に対して設定角度に戻す反応を作業者に合わせて敏感としたり鈍感としたりすることも可能である。例えば、感度変更手段６４により昇降電磁バルブ７２の切換をＰＷＭ制御として昇降シリンダ５４の伸縮速度を変更したり、電磁バルブ７２を電磁比例弁で構成し、作動油の送油量を制限したりする。また、リアクションホイール６の円板駆動モータ６２をＰＷＭ制御や位相制御等で作動速度を変更するのである。こうして、作動速度を敏感または鈍感に感度変更手段６４により変更して、作業者の好みや路面状況に合わせて姿勢制御ができる。

また、振幅設定手段６５を制御装置４と接続し、振幅設定手段６５により傾斜の最大振幅（最大傾斜角）を設定して、角度センサ７５からの検出値が最大振幅を越えると走行を停止させるようにする。走行駆動停止手段としては、直進用変速アクチュエータ７３をニュートラルとしたり、ブレーキアクチュエータ９６Ｌ・９６Ｒを作動させたり、エンジン７を停止させても良く限定するものではない。こうして、機体の転倒を未然に防止することができる。

以上のように、機体の姿勢を走行面に対して所定角度に保持するように、姿勢検知手段と、姿勢変更手段と、姿勢制御手段を備える走行車両において、前記姿勢検知手段は角度センサ７５からなり、機体の左右傾斜角度を検知し、前記姿勢変更手段は、左右一対の昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒとリアクションホイール６からなり、昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒは機体に対する走行部の高さを変更し、リアクションホイール６は機体の角運動量を変化させ、前記姿勢制御手段は、制御装置４に左右傾斜姿勢制御手段４ａが備えられて前記角度センサ７５の検出値をフィルタにより複数の周波数帯域に分離し、所定角度に保持するように、低い周波数帯域で前記位置変更アクチュエータとなる昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒを制御し、高い周波数帯域でリアクションホイール６を制御する。このように制御することによって、機体の姿勢の小さな角度変化を、応答性の良いリアクションホイール６で姿勢制御することになり、機体の姿勢を精度よく安定させることができる。また、姿勢の大きな角度変化は、昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒで姿勢制御するので、リアクションホイ−ル６で制御できない角度変化を制御し、広い範囲の角度制御が可能となる。

また、前記制御装置４には、周波数帯域の境界となる設定周波数を変更する周波数設定手段７９が接続されるので、走行路の路面状態や作業者の好みに合わせて、抑制制御する周波数を任意に変更し、制御精度を高めることができる。

また、前記制御装置４には、昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒとリアクションホイール６の作動速度を変更する感度変更手段６４が接続されるので、感度を高くしたり、低くしたりして、路面状況や作業者の好みに合わせて抑制制御ができる。

また、前記制御装置４には、走行駆動停止手段と接続され、前記角度センサ７５からの検出値が設定振幅以上となると、走行を停止させるので、機体の傾斜が大きくなると制御不能、または、転倒してしまうため、これを未然に防止できる。

また、前記走行部２における左右の走行体は、クローラ式走行装置２０より構成され、走行体支持部５０は、昇降フレーム５２の一端を機体に上下回動支点軸５５により回動可能に支持し、昇降フレーム５２の他端をクローラ式走行装置２０のトラックフレーム２６に回動可能に支持するので、クローラ式走行装置２０により接地面が大きくなり、傾斜地でも安定した走行が可能となる。

また、前記走行部２における左右の走行体をホイル式走行装置とし、走行体支持部５０は、昇降フレーム５２の一端を機体に上下回動支点軸５５により回動可能に支持し、昇降フレーム５２の他端を車輪軸に回動可能に支持することで、構造が簡単で、走行速度を速くできる。

また、前記角度センサ７５は、前記上下回動支点軸５５の左右中央上に配置されるので、安定して角度検知ができ、走行部の形式が変更されても容易に対応できる。

また、前後傾斜角を検知する角度センサ８７とリアクションホイール８とピッチングシリンダ８３を用いて前後傾斜角度の姿勢を安定することができる。
角度センサ８７は機体フレーム１０上に配置されて、機体の前後傾斜角度を検知し、制御装置４と接続され、前後傾斜姿勢制御手段４ｂにより制御される。

リアクションホイール８は、回転円板８１と円板駆動モータ８２からなり、機体の略中央（重心位置近傍）に配置される。リアクションホイール８は、前記左右傾斜姿勢制御用のリアクションホイール６と略同じ構成であり、左右方向の軸心を備える回転円板８１と、該回転円板８１を正逆回転駆動する円板駆動モータ８２からなる。円板駆動モータ８２は制御装置４の前後傾斜姿勢制御手段４ｂと接続され、前後傾斜姿勢制御される。

ピッチングシリンダ８３は、前後昇降制御バルブ８４と接続され、前後昇降制御バルブ８４は制御装置４と接続されている。ピッチングシリンダ８３は伸縮シリンダであり支持軸部３２ａに配置されて、ピッチングシリンダ８３を伸縮させることで前輪３１を昇降可能としている。つまり、前後昇降制御バルブ８４を切り換えてピッチングシリンダ８３を伸長させると機体前上がりの傾斜となり、ピッチングシリンダ８３を縮小させると機体前下がりの傾斜とすることができる。但し、ピッチングシリンダ８３を設ける代わりに前記昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒを同時に同量伸縮させて機体を傾斜させることもできるが、昇降シリンダ５４Ｌ・５４Ｒは左右傾斜制御も行っているため制御が複雑となるので、本実施形態では前輪３１を昇降させる構成としている。

前後傾斜姿勢制御手段４ｂにはフィルタが設けられて、前記左右傾斜制御と同様に、角度センサ８７からの検出信号をローパスフィルタまたはハイパスフィルタにより高周波数帯域と低周波数帯域に分離し、高周波数帯域の信号（加速度に変換して）によりリアクションホイール８を作動させ、低周波数帯域の信号によりピッチングシリンダ８３を作動させて、機体を所望の前後傾斜となるように制御する。そして、前記同様に周波数設定手段により境界周波数を変更可能とし、感度変更手段により動作感度を変更可能とし、振幅設定手段により設定傾斜以上で操向を停止させるようにしている。なお、周波数設定手段７９、感度変更手段６４、振幅設定手段６５を左右傾斜制御と前後傾斜制御とに切り換えて兼用できるようにすることもできる。

以上のように、前記角度センサ８７は、機体の前後傾斜角度を検知し、位置変更アクチュエータは、走行体となる前輪３１と機体の間に介装されるピッチングシリンダ８３からなり、リアクションホイール８は、左右方向の軸心を備える回転円板８１と、該回転円板８１を回転駆動する円板駆動モータ８２からなり、前後傾斜姿勢制御手段４ｂは、前記角度センサ８７からの検出値をフィルタにより分離し、前後傾斜角度を所定角度に保持するように、設定周波数よりも低い低周波数帯域でピッチングシリンダ８３を駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータ８２を駆動するので、ピッチングシリンダ８３により前後傾斜の周波数帯域の振動や傾倒を容易に抑制制御できる。また、円板駆動モータ８２により前後傾斜の高周波数帯域の振動や傾斜を容易に抑制制御できる。

また、機体の左右進行方向を検知する方位検知手段９５とリアクションホイール９とステアリングシリンダ３３を用いて進行方向の姿勢を安定させることができる。
方位検知手段９５は、ジャイロセンサやＧＰＳ装置等で構成して方位を検知できる。方位検知手段９５は、機体フレーム１０上に配置されて、機体の左右方向の回転角度を検知し、制御装置４と接続される。

リアクションホイール９は、回転円板９１と円板駆動モータ９２からなり、機体の略中央（重心位置近傍）に配置される。リアクションホイール９は、前記左右傾斜姿勢制御用のリアクションホイール６と略同じ構成であり、鉛直方向（上下方向）の軸心を備える回転円板９１と、該回転円板９１を正逆回転駆動する円板駆動モータ９２からなる。円板駆動モータ９２は制御装置４の進行方向姿勢制御手段４ｃと接続され、進行方向姿勢制御される。ステアリングシリンダ３３は前述したように操向電磁バルブ７１と接続されて、ステアリングシリンダ３３を伸縮させることで前輪３１を左右回動可能として、進行方向を変更できるようにしている。

進行方向姿勢制御手段４ｃにはフィルタが設けられて、前記左右傾斜制御と同様に、方位検知手段９５からの検出信号をローパスフィルタまたはハイパスフィルタにより高周波数帯域と低周波数帯域に分離し、高周波数帯域の信号によりリアクションホイール９を作動させ、低周波数帯域の信号によりステアリングシリンダ３３を作動させて、機体を所望の進行方向となるように制御する。そして、前記同様に周波数設定手段により境界周波数を変更可能とし、感度変更手段により動作感度を変更可能とし、振幅設定手段により設定傾斜以上で操向を停止させるようにしている。なお、周波数設定手段７９、感度変更手段６４、振幅設定手段６５を左右傾斜制御と前後傾斜制御とに切り換えて兼用できるようにすることもできる。

但し、前記低周波数帯域の信号によりステアリングシリンダ３３を作動させて、機体を所望の進行方向となるように制御する構成に代えて、低周波数帯域の信号により旋回用変速アクチュエータ７４を作動させて、機体を所望の進行方向となるように制御することも可能である。この場合、前輪３１を回動して旋回するよりも左右のクロー式走行装置２０・２０の走行速度を変化させたほうが旋回半径を小さくできるので、目標進行方向に対する進行方向の左右変化を効果的に矯正することができる。

また、前記低周波数帯域の信号によりステアリングシリンダ３３を作動させて、機体を所望の進行方向となるように制御する構成に代えて、低周波数帯域の信号により左右のブレーキアクチュエータ９６Ｌ・９６Ｒを作動させて、機体を所望の進行方向となるように制御することも可能である。この場合、前輪３１を回動して旋回するよりも左または右のクロー式走行装置２０の走行に対して制動させるので、方向変化が容易にでき、目標方向に対する進行方向の左右変化を効果的に矯正することができる。

以上のように、方向検知手段は、機体の進行方向を検知する方位検知手段９５からなり、方向変更手段は、機体の進行方向を変更する操向アクチュエータとしてのステアリングシリンダ３３と、機体の角運動量を変化させるリアクションホイール９とを備え、前記進行方向姿勢制御手段４ｃは、前記角度センサの検出値の周波数帯域を高低に分離し、低周波数帯域でステアリングシリンダ３３を制御し、高周波数帯域でリアクションホイール９を制御するので、走行面の凹凸や傾斜等によって設定した進行方向に対して進行方向がズレた場合、進行方向の小さな角度変化を、応答性の良いリアクションホイール９で設定した進行方向に戻すように姿勢制御することができ、機体の進行方向及び姿勢を精度よく安定させることができる。また、進行方向の大きな角度変化は、ステアリングシリンダ３３で姿勢制御するので、リアクションホイール９で制御できない進行方向変化を制御し、広い範囲の進行方向制御が可能となる。

また、前記ステアリングシリンダ３３の代わりに左右の駆動輪の回転数を変更する旋回用変速アクチュエータ７４を用いることにより、方向変換の反応がよくなり、姿勢制御の精度を向上できる。

また、前記ステアリングシリンダ３３の代わりに左右の駆動輪を制動するブレーキアクチュエータ９６Ｌ・９６Ｒを用いることにより、急旋回が可能となり、方向変換の反応がよくなり、姿勢制御の精度を向上できる。また、旋回制御とは別に制御できるため、制御が簡単にできる。

４制御装置
６・８・９リアクションホイール
２０クローラ式走行装置
２６トラックフレーム
３１前輪
３３ステアリングシリンダ
５０走行体支持部
５２昇降フレーム
５４Ｌ・５４Ｒ昇降シリンダ
５５上下回動支点軸
６１・８１・９１回転円板
６２・８２・９２円板駆動モータ
６４感度変更手段
７５・８７角度センサ
７９周波数設定手段
８３ピッチングシリンダ
９５方位検知手段

Claims

機体の姿勢を走行面に対して所定姿勢に保持するように、姿勢検知手段と、姿勢変更手段と、姿勢制御手段を備える走行車両において、前記姿勢検知手段は、機体の傾斜角度を検知する角度センサからなり、前記姿勢変更手段は、機体と走行部との間の位置を変更する位置変更アクチュエータと、機体の角運動量を変化させるリアクションホイールとを備え、前記姿勢制御手段は、前記角度センサの検出値を複数の周波数帯域に分離し、所定角度に保持するように、低い周波数帯域で前記位置変更アクチュエータを制御し、高い周波数帯域でリアクションホイールを制御することを特徴とする作業車両の姿勢制御装置。
前記姿勢制御手段には、各周波数帯域の境界となる設定周波数を変更する周波数設定手段が接続されることを特徴とする請求項１に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記姿勢制御手段には、位置変更アクチュエータとリアクションホイールの作動速度を変更する感度変更手段が接続されることを特徴とする請求項１に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記姿勢制御手段には、走行駆動停止手段と接続され、前記角度センサからの検出値が設定振幅以上となると、走行を停止させることを特徴とする請求項１に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記角度センサは、機体の左右傾斜角度を検知し、前記位置変更アクチュエータは、機体と左右の走行部の走行体支持部との間に介装される左右一対の伸縮シリンダからなり、リアクションホイールは、前後方向の軸心を備える回転円板と、該回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記姿勢制御手段は、前記角度センサからの検出値を帯域フィルタにより帯域分離し、左右傾斜角度を所定角度に保持するように、設定周波数よりも低い低周波数帯域で伸縮シリンダを駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記角度センサは、機体の左右傾斜角度を検知し、前記位置変更アクチュエータは、機体と左右の走行部の走行体支持部との間に介装される左右一対の伸縮シリンダからなり、リアクションホイールは、前後方向の軸心を備える直径の異なる複数の回転円板と、各回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記姿勢制御手段は前記角度センサからの検出値を帯域フィルタにより複数の帯域分離し、左右傾斜角度を所定角度に保持するように、最も低い低周波数帯域で伸縮シリンダを駆動し、中周波数帯域で、直径の大きい回転円板駆動モータを駆動し、高周波数帯域で直径の小さい回転円板駆動モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記走行部における左右の走行体は、クローラ式走行装置より構成され、走行体支持部は、昇降フレームの一端を機体に上下回動支点軸により回動可能に支持し、昇降フレームの他端をクローラ式走行装置のトラックフレームに回動可能に支持することを特徴とする請求項１または請求項５または請求項６に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記走行部における左右の走行体は、ホイル式走行装置より構成され、走行体支持部は、昇降フレームの一端を機体に上下回動支点軸により回動可能に支持し、昇降フレームの他端を車輪軸に回動可能に支持することを特徴とする請求項１または請求項５または請求項６に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記角度センサは、前記上下回動支点軸の左右中央上に配置されることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記角度センサは、機体の前後傾斜角度を検知し、前記位置変更アクチュエータは、機体と走行体との間に介装されるピッチングシリンダからなり、リアクションホイールは、左右方向の軸心を備える回転円板と、該回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記姿勢制御手段は、前記角度センサからの検出値を帯域フィルタにより帯域分離し、前後傾斜角度を所定角度に保持するように、設定周波数よりも低い低周波数帯域でピッチングシリンダを駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記角度センサは、機体の前後傾斜角度を検知し、前記位置変更アクチュエータは、機体と左右走行部の走行支持部との間に介装されるピッチングシリンダからなり、リアクションホイールは、左右方向に軸心を備える直径の異なる複数の回転円板と、各回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記姿勢制御手段は前記角度センサからの検出値を帯域フィルタにより複数の帯域分離し、前後傾斜角度を所定角度に保持するように、最も低い低周波数帯域で伸縮シリンダを駆動し、中周波数帯域で、直径の大きい回転円板駆動モータを駆動し、高周波数帯域で直径の小さい回転円板駆動モータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の作業車両の姿勢制御装置。
機体の進行方向を設定方向に保持するように、方位検知手段と、進行方向を変更する操向アクチュエータと、進行方向制御手段を備える走行車両において、機体の進行方向に対する角運動量を変化させるリアクションホイールを備え、前記進行方向制御手段は、前記方位検知手段の検出値の周波数帯域を高低に分離し、低周波数帯域で前記操向アクチュエータを制御し、高周波数帯域でリアクションホイールを制御することを特徴とする作業車両の姿勢制御装置。
前記操向アクチュエータは、操向輪を左右回動させるステアリングシリンダからなり、リアクションホイールは、鉛直方向の軸心を備える回転円板と、該回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記進行方向制御手段は、前記方位検知手段からの検出値を帯域フィルタにより帯域分離し、進行方向が設定方向となるように、設定周波数よりも低い低周波数帯域でステアリングシリンダを駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータを駆動することを特徴とする請求項１２に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記操向アクチュエータは、左右の走行体の回転数を変更する旋回用変速アクチュエータからなり、リアクションホイールは、鉛直方向の軸心を備える回転円板と、該回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記進行方向制御手段は、前記方位検知手段からの検出値を帯域フィルタにより帯域分離し、進行方向が設定方向となるように、設定周波数よりも低い低周波数帯域で旋回用変速アクチュエータを駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータを駆動することを特徴とする請求項１２に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記操向アクチュエータは、左右の走行体を制動するブレーキアクチュエータからなり、リアクションホイールは、鉛直方向の軸心を備える回転円板と、該回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記進行方向制御手段は、前記方位検知手段からの検出値を帯域フィルタにより帯域分離し、進行方向が設定方向となるように、設定周波数よりも低い低周波数帯域でブレーキアクチュエータを駆動し、設定周波数よりも高い高周波数帯域で円板駆動モータを駆動することを特徴とする請求項１２に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記進行方向制御手段には、低周波数と高周波数との境界となる設定周波数を変更する周波数設定手段が接続されることを特徴とする請求項１２に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記進行方向制御手段には操向アクチュエータとリアクションホイールの作動速度を変更する、感度変更手段が接続されることを特徴とする請求項１２に記載の作業車両の姿勢制御装置。
前記リアクションホイールは、鉛直方向の軸心を備える直径の異なる複数の回転円板と、各回転円板を回転駆動する円板駆動モータからなり、前記進行方向制御手段は、前記方位検知手段からの検出値を帯域フィルタにより複数に帯域分離し、進行方向が設定方向となるように、最も低い低周波数帯域で伸縮シリンダを駆動し、中周波数帯域で、直径の大きい回転円板駆動モータを駆動し、高周波数帯域で直径の小さい回転円板駆動モータを駆動することを特徴とする請求項１２に記載の作業車両の姿勢制御装置。