JP6364677B2

JP6364677B2 - 圃場状態測定方法

Info

Publication number: JP6364677B2
Application number: JP2014231130A
Authority: JP
Inventors: 敏史平松
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-11-13
Also published as: JP2016095213A

Description

本発明は、圃場状態として、圃場硬さを測定する方法に関し、特に、自律走行作業車両に併走して作業を行う随伴走行作業車両にカメラを搭載し、該カメラにて自律走行作業車両と圃場面とを撮影して、沈下量を測定することにより圃場硬さを連続的に測定する技術に関する。

従来、フレームに、土壌表面の硬さに応じて貫入深さが変わる円錐状の感知部と、この感知部の上部に固設さて上方に延びるシャフトと、このシャフトを常時は固定し測定時に開放する挟持部と、該シャフトの移動量を表示する表示部とを備え、測定しようとする土壌表面に接する高さになるように挟持部によりシャフトを固定し、その後シャフトの固定を開放して前記感知部を自然落下させて土壌中に貫入させ、この時の貫入深さにより土壌表面の硬度を測定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１参照）。

特開平１１−９４７２３号公報

前記技術を用いて硬度を測定する場合、狭い圃場であれば数箇所を測定するだけで、大体の硬度は分かる。しかし、稲や麦やイモ類等を栽培する圃場は大きく、全体の硬度の分布を知りたい場合には、数十か所以上の地点を順番に測定しなければならず、前記測定装置を用いて硬度を測定するには、一回一回感知部を土壌中に貫入させなければならず、測定にかかる手間や時間は相当多くなっていた。

本発明は、以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、連続的に圃場の硬さを検知でき、圃場全体の硬さ分布を容易に得られる硬さ測定方法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、自律走行作業車両に併走して作業を行う随伴走行作業車両に取り付けられ、前記自律走行作業車両の所定位置とその下方の圃場面とを撮影するカメラを備え、圃場面に対する自律走行作業車両の所定位置の高さを演算して、圃場への沈下量から圃場の硬さを測定する圃場状態測定方法である。

請求項２においては、前記測定された硬さは、圃場マップに連続的に書き込まれるものである。

以上のような手段を用いることにより、自律走行作業車両を走行させながら連続的に硬さを測定できるようになり、硬さ測定にかかる手間及び時間を格段に削減できるようになる。また、測定するための操作が殆どなく、取扱いが簡単となる。

自律走行作業車両に硬さを測定するカメラを設けた概略側面図。制御ブロック図。自律走行作業車両による作業時の状態を示す図。随伴走行作業車両に硬さを測定するカメラを設け、自律走行作業車両の沈下を測定する概略側面図。制御ブロック図。

無人で自動走行可能な自律走行作業車両１をトラクタとし、自律走行作業車両１に装着される作業機としてロータリ耕耘装置２４が装着された実施形態について説明する。なお、Ｆ方向を前方として説明する。

図１、図２において、自律走行作業車両１となるトラクタの全体構成について説明する。ボンネット２内にエンジン３が内設され、該ボンネット２の後部のキャビン１１内にダッシュボード１４が設けられ、ダッシュボード１４上に操向操作手段となるステアリングハンドル４が設けられている。該ステアリングハンドル４の回動により操向装置を介して前輪９・９の向きが回動される。自律走行作業車両１の操向方向は操向センサ２０により検知される。操向センサ２０はロータリエンコーダ等の角度センサからなり、前輪９の回動基部に配置される。但し、操向センサ２０の検知構成は限定するものではなく操舵方向が認識されるものであればよく、ステアリングハンドル４の回動を検知したり、パワーステアリングの作動量を検知してもよい。操向センサ２０により得られた検出値は制御装置３０に入力される。制御装置３０はＣＰＵ（中央演算処理装置）やＲＡＭやＲＯＭ等の記憶装置３０ｍやインターフェース等を備え、記憶装置３０ｍには自律走行作業車両１を動作させるためのプログラムやデータ等が記憶される。

前記ステアリングハンドル４の後方に運転席５が配設され、運転席５下方にミッションケース６が配置される。ミッションケース６の左右両側にリアアクスルケース８・８が連設され、該リアアクスルケース８・８には車軸を介して後輪１０・１０が支承される。エンジン３からの動力はミッションケース６内の変速装置（主変速装置や副変速装置）により変速されて、後輪１０・１０を駆動可能としている。変速装置は例えば油圧式無段変速装置で構成して、可変容量型の油圧ポンプの可動斜板をモータ等の変速手段４４により作動させて変速可能としている。変速手段４４は制御装置３０と接続されている。後輪１０の回転数は車速センサ２７により検知され、走行速度として制御装置３０に入力される。但し、車速の検知方法や車速センサ２７の配置位置は限定するものではない。

ミッションケース６内にはＰＴＯクラッチやＰＴＯ変速装置が収納され、ＰＴＯクラッチはＰＴＯ入切手段４５により入り切りされ、ＰＴＯ入切手段４５は制御装置３０と接続され、ＰＴＯ軸への動力の断接を制御可能としている。

前記エンジン３を支持するフロントフレーム１３にはフロントアクスルケース７が支持され、該フロントアクスルケース７の両側に前輪９・９が支承され、前記ミッションケース６からの動力が前輪９・９に伝達可能に構成している。前記前輪９・９は操向輪となっており、ステアリングハンドル４の回動操作により回動可能とするとともに、操向装置の駆動手段となるパワステシリンダからなる操舵アクチュエータ４０により前輪９・９が左右操向回動可能となっている。操舵アクチュエータ４０は制御装置３０と接続され、自動走行手段により制御されて駆動される。

制御装置３０にはエンジン回転制御手段となるエンジンコントローラ６０が接続され、エンジンコントローラ６０にはエンジン回転数センサ６１や水温センサや油圧センサ等が接続され、エンジンの状態を検知できるようにしている。エンジンコントローラ６０では設定回転数と実回転数から負荷を検出し、過負荷とならないように制御する。

また、ステップ８１近傍に配置した燃料タンク１５には燃料の液面を検知するレベルセンサ２９が配置されて制御装置３０と接続され、自律走行作業車両１のダッシュボードに設ける表示手段４９には燃料の残量を表示する燃料計が設けられ制御装置３０と接続されている。前記ダッシュボード１４上にはエンジンの回転計や燃料計や油圧等や異常を示すモニタや設定値等を表示する表示手段４９が配置されている。

また、トラクタ機体後方に作業機装着装置２３を介して作業機としてロータリ耕耘装置２４が昇降自在に装設させている。前記ミッションケース６上に昇降シリンダ２６が設けられ、該昇降シリンダ２６を伸縮させることにより、作業機装着装置２３を構成する昇降アームを回動させてロータリ耕耘装置２４を昇降できるようにしている。昇降シリンダ２６は昇降アクチュエータ２５の作動により伸縮され、昇降アクチュエータ２５は制御装置３０と接続されている。

制御装置３０には衛星測位システムを構成する移動通信機３３が接続されている。移動通信機３３には移動ＧＰＳアンテナ３４とデータ受信アンテナ３８が接続され、移動ＧＰＳアンテナ３４とデータ受信アンテナ３８は前記キャビン１１上に設けられる。該移動通信機３３には、位置算出手段を備えて緯度と経度を制御装置３０に送信し、現在位置を把握できるようにしている。なお、ＧＰＳ（米国）に加えて準天頂衛星（日本）やグロナス衛星（ロシア）等の衛星測位システム（ＧＮＳＳ）を利用することで精度の高い測位ができるが、本実施形態ではＧＰＳを用いて説明する。

自律走行作業車両１は、機体の姿勢変化情報を得るためにジャイロセンサ３１、および進行方向を検知するために方位センサ３２を具備し制御装置３０と接続されている。但し、ＧＰＳの位置計測から進行方向を算出できるので、方位センサ３２を省くことができる。ジャイロセンサ３１は自律走行作業車両１の機体前後方向の傾斜（ピッチ）の角速度、機体左右方向の傾斜（ロール）の角速度、および旋回（ヨー）の角速度、を検出するものである。該三つの角速度を積分計算することにより、自律走行作業車両１の機体の前後方向および左右方向への傾斜角度、および旋回角度を求めることが可能である。ジャイロセンサ３１の具体例としては、機械式ジャイロセンサ、光学式ジャイロセンサ、流体式ジャイロセンサ、振動式ジャイロセンサ等が挙げられる。ジャイロセンサ３１は制御装置３０に接続され、当該三つの角速度に係る情報を制御装置３０に入力する。

方位センサ３２は自律走行作業車両１の向き（進行方向）を検出するものである。方位センサ３２の具体例としては磁気方位センサ等が挙げられる。方位センサ３２は制御装置３０に接続され、機体の向きに係る情報を制御装置３０に入力する。

こうして制御装置３０は、上記ジャイロセンサ３１、方位センサ３２から取得した信号を姿勢・方位演算手段により演算し、自律走行作業車両１の姿勢（向き、機体前後方向及び機体左右方向の傾斜、旋回方向）を求める。

次に、自律走行作業車両１の位置情報をＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）を用いて取得する方法について説明する。ＧＰＳは、元来航空機・船舶等の航法支援用として開発されたシステムであって、上空約二万キロメートルを周回する二十四個のＧＰＳ衛星（六軌道面に四個ずつ配置）、ＧＰＳ衛星の追跡と管制を行う管制局、測位を行うための利用者の通信機で構成される。ＧＰＳを用いた測位方法としては、単独測位、相対測位、ＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）測位、ＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティック−ＧＰＳ）測位など種々の方法が挙げられ、これらいずれの方法を用いることも可能であるが、本実施形態では測定精度の高いＲＴＫ−ＧＰＳ測位方式を採用し、この方法について図１、図２より説明する。

ＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティック−ＧＰＳ）測位は、位置が判っている基準局と、位置を求めようとする移動局とで同時にＧＰＳ観測を行い、基準局で観測したデータを無線等の方法で移動局にリアルタイムで送信し、基準局の位置成果に基づいて移動局の位置をリアルタイムに求める方法である。

本実施形態においては、自律走行作業車両１に移動局となる移動通信機３３と移動ＧＰＳアンテナ３４とデータ受信アンテナ３８が配置され、基準局となる固定通信機３５と固定ＧＰＳアンテナ３６とデータ送信アンテナ３９が圃場の作業の邪魔にならない所定位置に配設される。本実施形態のＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティック−ＧＰＳ）測位は、基準局および移動局の両方で位相の測定（相対測位）を行い、基準局の固定通信機３５で測位したデータをデータ送信アンテナ３９からデータ受信アンテナ３８に送信する。

自律走行作業車両１に配置された移動ＧＰＳアンテナ３４はＧＰＳ衛星３７・３７・・・からの信号を受信する。この信号は移動通信機３３に送信され測位される。そして、同時に基準局となる固定ＧＰＳアンテナ３６でＧＰＳ衛星３７・３７・・・からの信号を受信し、固定通信機３５で測位し移動通信機３３に送信し、観測されたデータを解析して移動局の位置を決定する。こうして得られた位置情報は制御装置３０に送信される。

こうして、この自律走行作業車両１における制御装置３０は自動走行させる自動走行手段を備えて、自動走行手段はＧＰＳ衛星３７・３７・・・から送信される電波を受信して移動通信機３３において設定時間間隔で機体の位置情報を求め、ジャイロセンサ３１及び方位センサ３２から機体の変位情報および方位情報を求め、これら位置情報と変位情報と方位情報に基づいて機体が予め設定した設定経路Ｒに沿って走行するように、操舵アクチュエータ４０、変速手段４４、昇降アクチュエータ２５、ＰＴＯ入切手段４５、エンジンコントローラ６０等を制御して自動走行し自動で作業できるようにしている。なお、作業範囲となる圃場Ｈの外周の位置情報も周知の方法によって予め設定され、記憶装置３０ｍに記憶されている。

また、自律走行作業車両１には障害物センサ４１が配置されて制御装置３０と接続され、障害物に当接しないようにしている。例えば、障害物センサ４１はレーザセンサや超音波センサで構成して機体の前部や側部や後部に配置して制御装置３０と接続し、機体の前方や側方や後方に障害物があるかどうかを検出し、障害物が設定距離以内に近づくと走行を停止させるように制御する。

前記自律走行作業車両１の走行経路Ｒや作業工程は遠隔操作装置１１２により設定可能としている。また、遠隔操作装置１１２は自律走行作業車両１を遠隔操作したり、自律走行作業車両１の走行状態や作業機の作動状態を監視したり、作業データを記憶したりすることができ、制御装置（ＣＰＵやメモリ）１１９や通信装置１１１や表示装置１１３等を備える。

遠隔操作装置１１２は、自律走行作業車両１のダッシュボード等の操作部に着脱可能に構成されている。遠隔操作装置１１２は自律走行作業車両１の外に持ち出して携帯して操作することも可能としている。遠隔操作装置１１２は例えばノート型やタブレット型のパーソナルコンピュータで構成することができる。本実施形態ではタブレット型のコンピュータで構成している。

さらに、遠隔操作装置１１２と自律走行作業車両１は無線で相互に通信可能に構成しており、自律走行作業車両１と遠隔操作装置１１２には通信するための通信装置１１０・１１１がそれぞれ設けられている。前記通信装置１１１は遠隔操作装置１１２に一体的に構成されている。通信手段は例えばＷｉＦｉ等の無線ＬＡＮで相互に通信可能に構成されている。遠隔操作装置１１２は画面に触れることで操作可能なタッチパネル式の操作画面とした表示装置１１３を筐体表面に設け、筐体内に通信装置１１１やＣＰＵや記憶装置やバッテリ等を収納している。

このような構成において、図３に示すような圃場Ｈに設定走行経路Ｒを予め設定して記憶装置３０ｍに記憶し、自動走行開始制御モードのとき自律走行作業車両１が設定走行経路Ｒに沿って走行させることができる。なお、前記圃場Ｈの位置を定めたり、衛星測位システムを利用して走行したり、走行経路Ｒを設定したりするために地図データ（情報）が参照されるが、この地図データは、インターネットに公開されている地図データや地図メーカ等が配信している地図データやカーナビ地図データ等が用いられる。本実施形態での作業はロータリ耕耘装置２４による耕耘作業とし、設定走行経路Ｒは往復耕耘とし、枕地旋回した後に隣接の条に移動して作業を行う。

そして、図１に示すように、前記自律走行作業車両１には、圃場面Ｇと自律走行作業車両１の所定位置として後輪１０の中心を撮影するカメラ４２を備えている。この後輪１０の中心と圃場面Ｇとを同時に撮影して制御装置３０に入力して画像処理を行い、作業車両後輪１０の中心と圃場面Ｇの間の距離を演算して高さＬ１を得る。なお、予め機体が沈まない状態での後輪１０の中心の高さが測定されて標準高さＬ０としている。そして、標準高さＬ０と測定高さＬ１との差Ｌ２を演算して、圃場への沈下量Ｌ２を求め、圃場の硬さを測定するようにしている。但し、沈下量と圃場の硬さの関係は、柔らかいほど深く沈む関係にあるため、予めマップ等としてその関係が記憶装置３０ｍに記憶されている。また、所定位置としては、本実施形態では、後輪１０の中心としているが、限定するものではなく、図４位示すように機体前後略中央に位置しているステップ８１の下端であってもよく、圃場面Ｇとの高さを測定できる部分であればよく、機体の前後左右の中央が最も好ましい。

こうして、走行（作業）しながらカメラ４２により圃場面Ｇと自律走行作業車両１の所定位置を撮影して、高さを求めて、沈下量Ｌ２を測定し、この沈下量Ｌ２に応じて作業機となるロータリ耕耘装置２４の高さを制御する。即ち、圃場面が柔らかく沈下量Ｌ２が大きいと、昇降アクチュエータ２５を作動させて昇降シリンダ２６を伸長させてロータリ耕耘装置２４を沈下量Ｌ２に合わせて上昇させる。圃場面が硬く沈下量Ｌ２が小さい場合には前記と逆にロータリ耕耘装置２４を下降させるのである。よって、耕深制御がさらに正確に行えるようになり、耕深を一定にすることができる。また例えば、播種作業では播種深さ、施肥作業では施肥深さ、移植作業では植付深さを一定に保つことができ、作業性能を高めることができるようになる。

また、走行（作業）しながら所定距離毎に沈下量Ｌ２を測定し、その測定値、または、測定値から演算した硬さを圃場Ｈの地図（圃場マップ）上の測定位置に連続的に書き込んで硬さ分布を作成していく。この書き込みは、数字であっても、点や着色等であってもよく限定するものではない。こうして、表示手段４９または遠隔操作装置１１２の表示装置１１３に圃場マップを表示させ、硬さ分布を重ねることで、圃場Ｈのどの位置が硬いか柔らかいかが容易に認識できるようになり、雨の後の作業などでは、柔らかい位置が容易に判るので、その場所を避けたり浅く作業したりして負荷がかからないようにしてスタックすることを未然に防止することが可能となる。

さらに、前記制御装置３０には、通信回線４０１を介して管理サーバ４００と通信可能とされ、通信回線４０１を介して管理サーバ４００に作業（測定）終了後に前記の測定操作により得られた硬さ分布を送信し、圃場における硬さ分布データとして記憶する。管理サーバ４００では、圃場データとしてとしてデータベースに保存し、今後の作業等に役立てられるようにする。

また、図４、図５に示すように、前記沈下量の撮影は、自律走行作業車両１に併走して作業を行う随伴走行作業車両１００にカメラ４２を取り付けて、該カメラ４２は前記自律走行作業車両１の所定位置としてのステップ８１（または後輪１０の中心）と圃場面Ｇとを撮影するようにし、自律走行作業車両１のステップ８１の圃場面Ｇに対する高さを測定するように構成することも可能である。ただし、所定位置は前記同様に後輪１０や機体フレーム等であってもよい。

そして、自律走行作業車両１のステップ８１と圃場面Ｇの映像は随伴走行作業車両１００の制御装置１３０に送信されて、制御装置１３０において、沈下量Ｌ２は圃場面Ｇとステップ８１の距離と、沈下しない路面からのステップ８１の高さの差を演算して沈下量Ｌ２として求め、硬さを演算する。この沈下量Ｌ２は通信装置１３３・１１０を介して自律走行作業車両１の制御装置３０に送信されて、ロータリ耕耘装置２４の耕深制御に利用される。また、遠隔操作装置１１２にも送信して、圃場マップに自律走行作業車両１の走行位置に合わせて硬さが書き込まれるようにしている。更に、前記同様に硬さは通信回線４０１を介して管理サーバ４００に送信されて書きこまれ、硬さ分布データとして保存される。

以上のように、自律走行作業車両１に取り付けられ、該自律走行作業車両１の機体のステップ８１または後輪１０の中心等の所定位置と、その下方の圃場面Ｇとを撮影するカメラ４２を備え、圃場面Ｇに対する自律走行作業車両１のステップ８１または後輪１０の高さを走行しながら演算して、任意位置の圃場面Ｇに対する機体の沈下量から圃場の硬さを測定するので、自律走行作業車両１を走行させながら連続的に硬さを測定できるようになり、硬さ測定にかかる手間及び時間を格段に削減できるようになる。また、測定するための操作が殆どなく、取扱いが簡単となる。また、測定して得られた圃場の硬さを耕深制御等に適用することで、作業精度を高くすることができる。

また、自律走行作業車両１に併走して作業を行う随伴走行作業車両１００に取り付けられ、前記自律走行作業車両１の所定位置としてのステップ８１または後輪１０の中心等とその下方の圃場面Ｇとを撮影するカメラ４２を備え、任意位置の圃場面Ｇに対する自律走行作業車両１のステップ８１または後輪１０の中心等の高さを演算して、圃場への沈下量から圃場の硬さを測定するので、自律走行作業車両１から離れた側方位置から測定することになり、誤差が小さくなり、所定位置の高さを正確に測定することができる。

また、前記測定された硬さは圃場マップに連続的に書き込まれるので、作業機の高さ制御が追随して可能となり、作業精度を向上することができる。また、圃場の硬さ分布が容易に分かるようになる。

１自律走行作業車両
３０制御装置
４２カメラ
１００随伴走行作業車両
１１２遠隔操作装置
１３０制御装置

Claims

自律走行作業車両に併走して作業を行う随伴走行作業車両に取り付けられ、前記自律走行作業車両の所定位置とその下方の圃場面とを撮影するカメラを備え、
圃場面に対する自律走行作業車両の所定位置の高さを演算して、圃場への沈下量から圃場の硬さを測定する
ことを特徴とする圃場状態測定方法。
前記測定された硬さは、圃場マップに連続的に書き込まれる
ことを特徴とする請求項１に記載の圃場状態測定方法。