JP6763210B2

JP6763210B2 - 自走式作業機

Info

Publication number: JP6763210B2
Application number: JP2016127629A
Authority: JP
Inventors: 恭嗣中野
Original assignee: Koki Holdings Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2036-06-28
Also published as: JP2018000021A

Description

本発明は、電動モータを駆動源とし作業機器を動作させることによって、作業領域内を自律的に走行して目的とする作業を行う自走式作業機に関する。

磁界を発生するワイヤーや壁で区画された作業領域内を自動的に走行して様々な作業を行う自走式作業機が知られている。この自走式作業機を草刈り作業に適用したのが自走式草刈機である。自走式草刈機は、ワイヤー等で区画された草刈領域内を自動的に走行しながら草を刈り取るもので、車輪を駆動するための車輪モータと、草刈用の刈刃を駆動する刈刃用のモータを独立して設け、これらモータに電力を供給する二次電池を搭載して制御装置にて自律走行を制御する。ここで従来の自走式草刈機の使用例を図９を用いて説明する。図９において家屋２００に隣接する庭２１０に芝生（図示せず）が植えられており、そこが草刈りを行う対象たる草刈領域２９０である。草刈領域２９０には芝生の上に自走式の草刈機３０１が配置される。草刈領域２９０には、草刈機３０１を充電するための充電ステーション２７０が配置される。充電ステーション２７０は、芝刈り領域の隅に設置され、ケーブル２６０によってＡＣアダプタ２５０に接続される。ＡＣアダプタ２５０は、商用交流電源等のコンセント（図示せず）に接続され、コンセントから供給される交流電圧（例えば２３０Ｖ）を、直流電圧（例えば２１Ｖ）に変換する。充電ステーション２７０は直流出力端子（正極、負極）を有し、草刈機３０１が充電ステーション２７０の充電位置に到達すると、草刈機３０１の受電端子（図示せず）が充電ステーション２７０の直流出力端子（図示せず）に接触するようにして停止し、充電ステーション２７０側から草刈機３０１側への電力の供給が行われ、草刈機３０１は搭載された二次電池の充電を行う。

草刈機３０１の自律走行を助けるために、庭２１０内の草刈領域２９０とその他の領域との境界部分には、境界ケーブルや、柵や、無線や光等を用いた境界報知手段が予め配置される。図９では境界報知手段としてループ状に形成されたガイドワイヤ（誘導ワイヤー）２８０が配設（例えば埋設）される。ガイドワイヤ２８０の配設は草刈機３０１の使用者が草刈り前に予め行うもので、自走式の草刈機３０１はガイドワイヤ２８０を外縁とする内側の領域にて草刈作業を行う。ガイドワイヤ２８０には充電ステーション２７０内の誘導信号発生器（図示せず）が接続され、所定間隔でパルス状の電流が流される。草刈機３０１は、ガイドワイヤ２８０に流れる電流により発生した磁界を検知することにより、ガイドワイヤ２８０の内側にいるか外側にいるかを判別し、自動かつ自律的に走行しながら草刈作業を行う。

自走式にて草刈作業中に二次電池の電圧が低下した場合、草刈機は送電装置が設けられた充電ステーション２７０に向けて自動的に帰還走行を行い、充電ステーション２７０に到着したら自動的に充電を行う。二次電池としてはリチウムイオン電池が広く用いられる。二次電池の充電が終了した後は、指定された草刈領域での作業が自動的に再開される。このような自律走行式の草刈機は、作業者不在のまま長時間に渡る草刈り作業を自動で行うことができる。

特開２０１５−１５９２２号公報

草刈機は草の長さ、密度、硬さ等の作業条件の変化に応じてモータ及び電池への負荷が変動する。作業負荷が軽い程、長時間の作業が可能となるが、電池電圧の監視による単純な残量チェックだけで帰還時期を制御すると深く放電される恐れがあるので、充電ステーションへの帰還走行に要する二次電池のエネルギーの余裕は小さくなる場合があった。リチウムイオン二次電池は過放電により劣化が進みサイクル寿命が低下する特徴を有するため、深い放電を避けることが重要である。電池の劣化防止のためには帰還作業を開始する電圧閾値を高めに設定するのが好ましいが、電圧閾値を高めに設定すると１回あたりの作業時間が短くなってしまい作業性の低下につながる。発明者らの検討によると、二次電池の特性として大電流を必要とする作業を行う場合は、その電圧降下によって作業時の二次電池の電圧（又はモータの駆動電圧）値が低くなるため、充電ステーションへの帰還走行に移行する電圧閾値に到達しても帰還走行に要する電池エネルギーの余裕が比較的大きい。逆に、低負荷の作業を続けている場合は、電圧降下が少ないため充電ステーションへの帰還走行に移行する電圧閾値まで放電させると予想以上に放電が進んだ状態となってしまい、帰還走行に要する電池エネルギーの余裕は小さくなる。以上のように、帰還走行へ移行させるタイミングを単に電池電圧の監視だけで検出すると、効率の良い制御が難しかった。

本発明の目的は、上記背景に鑑みてなされたもので、充電ステーションへの帰還走行に要する電池エネルギーの不足状態が発生しないようにしつつ、長時間の作業を行うことができる自走式作業機を提供することにある。
本発明の他の目的は、作業負荷の大きさに合わせて帰還走行に移行するタイミングを決める電圧閾値を可変とし、特に作業負荷が高いときの作業量の低下を低減させるようにした自走式作業機を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの特徴を説明すれば次の通りである。
本発明の一つの特徴によれば、二次電池を電源として駆動し、作業機器を駆動する作業用モータと、車輪を駆動する車輪用モータと、これらのモータの駆動を制御するマイクロコンピュータ等の制御装置と、二次電池の電圧を検出する電池電圧検出手段とを有し、作業走行中に電池電圧が低下して作業中断閾値に到達したら、充電のため作業を中断して充電ステーションへの帰還走行を行い、放電停止電圧閾値に到達したら作業用モータ及び車輪用モータを停止させる自走式作業機において、充電ステーションへの帰還を行う作業中断閾値を変更可能に構成した。制御装置は、放電停止電圧閾値を一定に維持したままで、充電ステーションへの帰還を行う作業中断閾値を作業負荷が重いときのほうが低くなるようにした。また、作業用モータの作業負荷を検出する作業負荷検出手段を設け、制御装置によって二次電池の電圧の検出と作業負荷の状況を検出し、作業負荷検出手段の検出結果に基づき作業中断閾値を変更可能とした。作業負荷検出手段は、作業用モータの負荷電流によって作業負荷を検出する。

本発明の他の特徴によれば、制御装置によって二次電池の電圧の検出と作業用モータと車輪用モータの夫々の負荷電流を検出し、これら負荷電流の合算値を草刈作業走行に費やしている時間で平均化した負荷電流平均値を算出する。制御装置は、負荷電流平均値の大きさに応じて変動するようプログラムされた電池電圧低下判定のための作業中断閾値を設定し、負荷電流平均値が大きくなるほど作業中断閾値を低く設定し、負荷電流平均値が小さくなるほど作業中断閾値を高く設定する。草刈等の作業中においては、作業中断閾値と二次電池の電圧との比較を行い、二次電池の電圧が作業中断閾値を下回ったら、作業を終了して充電ステーションへの帰還走行に移行する。尚、作業負荷検出手段は車輪用モータの電流値を検出し、作業用モータの電流値に合算して平均値を算出しても良いし、二次電池から供給される電流値を直接測定することにより消費される電流値の平均値を求めても良い。

本発明によれば、充電ステーションへの帰還走行に要する電池エネルギーを作業負荷の大きさによらず十分に確保しながら、作業負荷が高いときの作業量の低下を防止できる。また、軽負荷の場合に深放電状態に陥りやすい状態を回避して、電池の寿命を伸ばすことができる。さらに、作業走行中の負荷電流の平均値に応じて作業中断閾値を変動させるので、作業負荷の大きさによらず充電ステーションへの帰還走行に移行するタイミングを適切に設定できる。

本発明の実施例に係る自走式の草刈機１の外観形状を示す斜視図である。本発明の実施例に係る草刈機１の本体カバー２を外した状態の上面図である。図２のＡ−Ａ部の断面図及び断面位置から右方向を見た図である。本発明の実施例に係る草刈機１の本体シャーシ１０に装備される各種機能部品を示すブロック図である。草刈機１の動作中の電池の放電状況を示す図であり、負荷電流と電池電圧の関係を示す図である。草刈機１の充電ステーションへの帰還タイミングを決定する制御手順を示すフローチャートである。マイコン５０のメモリに格納される平均電流値と帰還電圧閾値の関係を示すデータテーブルである。本発明の第二の実施例に係る自走式草刈機のブロック図である。従来技術における自走式の草刈機３０１の動作概要を説明するための図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において自走式作業機の例として自走式の草刈機１を用いるものとし、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、前後左右、上下の方向は図中に示す方向であるとして説明する。

図１は本発明の実施例に係る草刈機１の斜視図である。草刈機１は、走行方向に沿って転回または揺動可能に設けられる小径の前輪１２ｂと、駆動輪である大径の後輪１３ｂが左右にそれぞれ設けられ、草刈機１は合成樹脂製の本体カバー２によって上部全体が覆われる。草刈機１の電源は、着脱可能なバッテリパック（後述）であって、制御装置に含まれるマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と称する）によって車輪モータ（図示せず）の駆動が制御され、自律的に走行しながら草を刈り取る。本体カバー２の前方下端２ｃは、地面との間に所定の距離Ｈの隙間を隔てるように構成され、この隙間から本体カバー２の内部に入りこんだ草が、本体シャーシ１０の下側に配置される刈刃（後述）によって刈り取られる。本体カバー２の上側には、前方側の回動軸を中心に開閉可能な開閉カバー３が設けられる。開閉カバー３は例えば樹脂部材により構成され、開閉カバー３を開けることにより図２にて後述するダイヤルノブ３２、キーボード２４、ディスプレイ２５にアクセス可能となる。本体カバー２の前方には前面視で略長方形の開口部５が設けられ、充電時に開口部５を介して図示しない充電ステーションの送電端子が受電端子４１と接触可能となる。開口部５の内側には、本体シャーシ１０の先端部分が位置する。本体カバー２の開口部５の左右両側には、前輪１２ａ（図２参照）、１２ｂの上部を覆うためのフェンダー２ａ、２ｂが形成される。本体カバー２の後方側上部には、手動停止用のストップ用のスイッチレバー４が設けられる。

図２は、本発明の実施例に係る草刈機１の本体カバー２を外した状態の上面図である。本体シャーシ１０は先端が凸状に、上面視で三角形に絞り込まれ、その斜面から左右両側には取付アーム１１ａ、１１ｂが伸びるように設けられる。取付アーム１１ａ、１１ｂには前輪１２ａ、１２ｂが軸支され、草刈機１の移動方向に応じて車輪の向きが自在に追従可能なようにそれぞれ保持される。本体シャーシ１０の後方側には後輪１３ａ、１３ｂが設けられる。ここでは後輪１３ａ、１３ｂに大径の車輪を用いて、それぞれ独立した走行用の車輪モータ（右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ）で駆動される。２つの車輪モータは、同期して又は非同期に駆動することによりメイン基板２６に搭載されるマイコン（図示せず）による操舵制御を可能としている。車輪モータの回転軸は図示しない減速機構によって所定の減速比にて減速された後に後輪１３ａ、１３ｂを回転させる。例えば、後輪１３ａ、１３ｂを同期して駆動することにより草刈機１が前進（直進）又は後進し、後輪１３ａ、１３ｂの回転差を生じさせるように駆動することにより所定方向に草刈機１を転回させることができる。車輪モータは、例えばブラシレスＤＣモータが用いられ、図示しないインバータ回路を介して駆動される。

本体シャーシ１０の先端近傍の左右両側の斜面には、２つの受電端子４１（正極端子４１ａ、負極端子４１ｂ）が設けられる。取付アーム１１ａ、１１ｂの水平部の上側には、本体カバー２を支持するために、本体カバー２の内壁部に設けられる板ばね部（図示せず）の端部を所定範囲内で移動可能に収容する凹部１７ａ、１７ｂが設けられる。本体シャーシ１０の後方側端部付近には、本体カバー２の内壁部に設けられる板ばね部（図示せず）の端部を所定範囲内で移動可能に収容する凹部１８ａ（左側端部付近の凹部は図示せず）が設けられる。

本体シャーシ１０の中央付近には、図示しない刈刃用のモータの上下方向を移動させることによって刈刃の地面からの高さＨ１（後述する図３参照）、即ち、刈り込み高さを調整する刈り込み高さ調整機構が設けられる。ダイヤルノブ３２は作業者によって回転操作が可能である。ダイヤルノブ３２は、後述する刈刃と地面との距離（刈り込み高さ）を２０〜６０の範囲で刻印された基台部２１により回転可能なように保持され、いずれかの数値に合わせることにより、それに対応して後述する刈刃と刈刃モータが上方向又は下方向に移動する。ダイヤルノブ３２の前方には、本体シャーシ１０と本体カバー２の相対移動量から、草刈機１が障害物への衝突や、本体カバー２の持ち上げ状態、傾斜状態等を検出するリフトセンサ４７と接触センサ４８が設けられる。リフトセンサ４７と接触センサ４８と対応する位置であって本体カバー２の内壁側には、マグネット１９ａ、１９ｂが設けられる。リフトセンサ４７と接触センサ４８は、例えばホールセンサを有する基板を備えて構成される。

本体シャーシ１０の後方側にはバッテリパック（図３にて後述）を収容する容器部２２が設けられ、容器部２２の開口部はヒンジ２３ａにより開閉可能な蓋部２３にて覆われる。蓋部２３の上面には液晶表示パネル等のディスプレイ２５と、キーボード２４と、メインスイッチ４２が設けられる。作業者はキーボード２４を操作して草刈りスケジュールの設定等を行うことができる。マイコンが搭載されるメイン基板は、本体シャーシ１０の容器部２２の内部に設けられている。バッテリパックは、ねじ締め工具等の電動工具で広く使用されているものと互換性を有し、その内部には複数の二次電池セル（図示せず）が収容される。

図３は図２のＡ−Ａ部の断面から右方向を見た図（草刈機１の左右中心位置を通る鉛直断面図）である。本体カバー２は地面側を除いて本体シャーシ１０のほぼ全体を覆う形状であって、バネ等によって本体シャーシ１０に対して浮いた状態で保持されることにより、前後左右及び上下方向に僅かに移動可能である。本体カバー２は岩や突起、壁などの障害物にぶつかることがあり、その際の本体カバー２の相対的な位置変動を後述するリフトセンサや接触センサ等で検出することにより、後述する制御装置が草刈機１の衝突等を検出する。

本体シャーシ１０の中央付近下側には、複数の刃３５ｂを回転させるための駆動装置（刈刃モータ３０）と駆動装置を収容するモータ筒部３４を有する。モータ筒部３４はダイヤルノブ３２を回転させることによって、本体シャーシ１０に対してモータの上下位置を移動させて、刈刃３５の上下方向に相対移動が可能なように構成された刈刃保持部である。図３では刈刃モータ３０の回転軸に対してモータ筒部３４が最下位置（刈刃高さＨ_１＝２０ｍｍ）にある状態を示している。

上方に開口を有するカップ状のモータ筒部３４の内側に、刈刃モータ３０が収容される。刈刃モータ３０の回転軸は鉛直方向に延びるように配置され、回転軸の下端に刈刃３５が取り付けられる。刈刃３５は円盤状に形成された合成樹脂製の円盤部３５ａの外周側の数カ所、例えば４カ所に可動式の金属製の刃３５ｂを設けたものであり、地面に対して略平行な水平面内で回転する。

刈刃モータ３０は励磁コイルが巻かれたステータ（図示せず）の内側にて、永久磁石を有するロータコア（図示せず）が回転する。刈刃モータ３０の上端側には円形のインバータ回路基板（図示せず）が設けられ、そこに複数のホールＩＣ（図示せず）と、複数のスイッチング素子（例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ））が搭載される。

本体シャーシ１０の前端付近にはガイドワイヤセンサ４５が設けられる。ガイドワイヤセンサ４５はコイルによって、周囲の磁界の変化を電流の変化に変換する。ここでは図示しないコイルの軸方向（磁界の検出方向）が上下方向（鉛直方向）になるようにガイドワイヤセンサ４５の取り付け向きが設定される。尚、図３では図示していないが、本体シャーシ１０の後端付近には第２のガイドワイヤセンサが設けられる。

図４は草刈機１の本体シャーシ１０に装備される各種機能部品を示すブロック図である。メイン基板２６には草刈機１の動作を制御する制御装置や図示しない電源回路等が搭載される。制御装置は、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン５０」と称する）や図示しない記憶装置、その他の電子素子が含まれる。メイン基板２６には、充電ステーション２７０の２つの送電端子（正極、負極）に接続可能な受電端子４１（正極端子４１ａ、負極端子４１ｂ）と、充電回路５１と、電池取付部に装着されたバッテリパック２８の端子（図示しない出力電圧端子、過放電検出用端子、及び識別用端子）と着脱自在に接続する電池ターミナル２９が接続される。メインスイッチ４２は電池ターミナル２９とメイン基板２６の接続線路に挿入されるもので、草刈機１のメイン基板２６やモータ等への電源の供給スイッチである。メイン基板２６には、刈刃モータ３０と車輪用モータ（右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ）が、駆動電力がモータ駆動回路２７ａ〜２７ｃを介して接続される。モータ駆動回路２７ａ〜２７ｃはインバータ回路が含まれ、マイコン５０によって制御されるＰＷＭ制御信号に応じて直流電圧から三相交流の励磁電流を生成して刈刃モータ３０、右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂを回転させる。マイコン５０は刈刃モータ３０を回転させる事により、刈刃モータ３０の回転軸に減速機構無しで直結される刈刃３５を回転させる。また、マイコン５０は、右車輪モータ１６ａと左車輪モータ１６ｂを連動させて又は非連動で回転させることにより後輪１３ａ、１３ｂを回転させる。また、マイコン５０はモータ駆動回路２７ａ〜２７ｃに流れる刈刃モータ３０、右車輪モータ１６ａ、及び左車輪モータ１６ｂの負荷電流を夫々検出する。

メイン基板２６にはキーボード２４、ディスプレイ２５、ストップスイッチ３７が接続されるとともに、第１（前方側）のガイドワイヤセンサ４５、第２（後方側）のガイドワイヤセンサ４６、リフトセンサ４７、接触センサ４８等の各種センサが接続される。第１及び第２ガイドワイヤセンサ４５，４６のコイルにより検出された信号はメイン基板２６に出力され、草刈り領域の境界をメイン基板２６に搭載された本体制御用のマイコンで認識し、草刈機１の方向制御等を左車輪のモータ１６ｂと右車輪のモータ１６ａを独立して駆動することにより、草刈機１の前進、後退、及び転回をおこなう。リフトセンサ４７は、草刈機１の本体シャーシ１０が持ち上げられたときにこれを検知するものであり、その際にマイコンは右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ、及び、刈刃モータ３０を停止させる。接触センサ４８は草刈機１が地面に対して所定角度以上傾斜したときに、これを検知して傾斜面に草刈機１が侵入しないように回避する。ストップスイッチ３７は手動停止手段であり、本体カバー２の後端側上部の操作しやすい位置にストップ用のスイッチレバー４（図１参照）が設けられ、ユーザは手動操作で自動走行中若しくは草刈り中の草刈機１を停止させることができる。キーボード２４とそれに搭載されるディスプレイ２５は、草刈りに関する情報の入出力装置であり、操作者が手動操作可能なように本体シャーシ１０の外面からアクセスできるように配置され、動作開始の指示、タイマ設定、作業領域等の設定を行うものである。

以上の草刈機１の構成において、本体シャーシ１０の電池取付部にバッテリパック２８を装着し、本体シャーシ１０を充電ステーション２７０に位置付けると、充電ステーション２７０側の制御装置は草刈機１の接続を判別して、図示しない送電回路から充電用の直流電圧を本体シャーシ１０に供給し、充電回路５１によって定格出力電圧にてバッテリパック２８を充電する。充電が完了したら、草刈機１は運転プログラムに従って充電ステーション２７０から離脱し、自動走行プログラムに沿って草刈り作業を行う。草刈機１は要求された草刈り動作が終了したとき、又はバッテリパック２８の電圧が低下したときに充電ステーション２７０に自律的に帰還する。

電池電圧低下の判定は、マイコン５０が電圧検出回路５２を用いてバッテリパック２８の電圧を監視する。また、マイコン５０は各モータの負荷電流を監視し夫々の負荷電流の合算値を草刈作業走行モード中の時間で平均化した平均負荷電流Ｉ_ａｖｅを算出する。草刈作業走行モード中に電池電圧低下判定をおこなうとき、平均負荷電流Ｉ_ａｖｅの大きさに応じて電池電圧低下判定に用いる閾値を切り替える。以下、電池電圧低下の判定手段について、図５を用いて詳細に説明する。

図５は草刈機１の動作中の負荷電流と電池電圧を示す概念図である。（１）が刈刃モータ３０の負荷が比較的軽い状態、例えば前回の芝刈り後に芝があまり伸びてない状態で再び芝刈りを行う際の電池の放電状況を示す図であり、それぞれの比較を容易にするために（１）と（２）の図を左右に並べて図示している。（２）は刈刃モータ３０の負荷が重い状態の特性を示す図であり、例えばかなり伸びている状態の芝生に自走式の草刈機１を投入するような場合の電池の放電状況を示す図である。図５の上側はマイコン５０によって検出される負荷電流の合計値６１、６６を示す図であり、図５の下側の図は、マイコン５０によって検出される電池電圧６２、６７を示す図である。いずれの図も横軸は時間（単位：分）であり、それぞれの横軸のスケールを合わせて図示している。

図５の上側の図において縦軸は負荷電流Iであり、所定値Ｉ１は、草刈作業走行モード中の負荷電流の大小判定に用いるための閾値である。ここでは、草刈機１が草刈り作業を行う区間、即ち（１）及び（２）のＡからＢまでの区間において、マイコン５０により検出された負荷電流６１、６６が所定値Ｉ１より大きいか否かによって低負荷作業か高負荷作業かを判定する。Ｂ〜Ｃの区間は刈刃モータ３０を停止させて、車輪モータ１６ａ、１６ｂの駆動だけで帰還走行を行うモード（帰還走行モード）の実行区間である。時点Ｃは帰還走行モードの最大走行可能時間が経過した時点、即ち草刈機１の電池が所定値Ｖ１にまで低下した時点である。電池電圧の所定値Ｖ１は、電池の過放電防止のための閾値であり、この所定値Ｖ１に到達したら草刈機１のすべてのモータを停止させる。従って、自走式の草刈機１では時点ＢからＣの区間の間に充電ステーションまで確実に帰還できるように構成することが重要である。草刈機１が時点ＢからＣまでの間に充電ステーションに到達できない場合は、時点Ｃで草刈機１の動作を停止させる。

図５の下側の図は電池電圧６２、６７を示す図であって、これらは電圧検出回路５２（図４参照）によってマイコン５０により検出される。つまり二次電池の電圧を検出する電池電圧検出手段は、電圧検出回路５２とマイコン５０により構成される。電池電圧の所定値Ｖ２、Ｖ３は電池電圧低下判定に用いる閾値であって、草刈作業走行モードから帰還走行モードに移行するタイミングを決定する。マイコン５０は草刈作業中の電池電圧を監視して、所定値Ｖ２又はＶ３のいずれか選択された閾値に到達したら、刈刃モータ３０の駆動を停止し、車輪用モータ１６ａ、１６ｂだけを駆動して草刈機１を充電ステーションへ帰還させる。ここで、電圧の所定値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の大きさの関係は、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３である。

図５(１)は刈り取りのための作業負荷が低い場合を示す図であり、草刈作業走行モード中の刈刃モータ３０と車輪モータ１６ａ、１６ｂの合計の負荷電流Ｉが、時点Ａから時点Ｂまでの間に矢印６１ａに示すように所定値Ｉ１よりも小さい（実際には一定値で無く変動を伴うが、ここでは変動分は無視する）。この場合は、帰還走行モードに移行するための電池電圧６２の閾値としてＶ３を採用する。草刈り作業に伴い（１）の下図のように、電池電圧６２は矢印６２ａ、６２ｂのように低下し、時刻ｔ_１２において電圧の所定値Ｖ３に到達する。マイコン５０は時刻ｔ_１２で刈刃モータ３０を停止させるので、負荷電流６１の矢印６１ｂのような減少に伴い電圧降下が減少するため電池電圧６２は矢印６２ｃのように一時的に上昇する。しかし、電池電圧６２は再び低下して、矢印６２ｄの時点で再び所定値Ｖ３になり、時刻ｔ_１３にて所定値Ｖ２となり、矢印６２ｅのようにさらに低下して、時刻ｔ_１４にて所定値Ｖ１に到達する。所定値Ｖ１に到達すると、マイコン５０は草刈機１が帰還ステーションに到達していなくても車輪用モータ１６ａ、１６ｂを停止させる。ここでは、帰還走行モードＢからＣのいつの時点で草刈機１が帰還ステーションに到達するかを示していないが、帰還走行モードでは時刻ｔ_１２から時刻ｔ_１４までの時間Ｔ１の間に帰還ができれば良く、帰還して充電ステーション２７０の送電端子が受電端子４１と接触したらマイコン５０は車輪用モータ１６ａ、１６ｂを停止させる。従って、Ｂ時点において草刈機１が図９に示した草刈領域２９０のいずれの位置にあっても時間Ｔ１の間に帰還できるように、所定値Ｖ３を適切な値として予め設定しておく。このためＶ１〜Ｖ３の設定値は製造出荷時に予めマイコン５０に記憶させておく。

想定される草刈領域２９０が狭い場合は、所定値Ｖ３を図５の値よりも低く設定しても良いし、反対に草刈領域２９０が広い場合は、所定値Ｖ３を図５の値よりも高く設定しても良い。本実施例では、草刈作業走行モード中の合計の負荷電流Iが、矢印６１ａに示すように所定値Ｉ１よりも小さい時は、電池電圧が所定値Ｖ２よりも高い所定値Ｖ３の時点で刈刃モータ３０を停止させて草刈作業走行を中断し、帰還走行モードに移行するので、草刈機１は確実に充電ステーション２７０に帰還することができる。

一方、図５(２)に示すように草刈作業走行モード中の合計負荷電流６６が、矢印６６ａに示すように所定値Ｉ１に対し大きい場合は、電池電圧６７が所定値Ｖ３まで低下しても、草刈作業走行を中断せずに続行させ、電池電圧が更に低下して所定値Ｖ２になったら、刈刃モータ３０を停止させて草刈作業走行を終了させる。図５（２）の下図において、草刈り作業を開始すると電池電圧６７は、矢印６７ａのように低下し、時刻ｔ_２２にて所定値Ｖ３に到達し、矢印６７ｂのようにさらに低下して時刻ｔ_２３において所定値Ｖ２に到達する。マイコン５０は時刻ｔ_２３で刈刃モータ３０を停止させるので、矢印６６ｂのような負荷電流の減少に伴う電圧降下の減少により、電池電圧６７は矢印６７ｃのように一時的に上昇する。ここで高負荷作業時の場合は、電圧降下の影響分が大きいため矢印６７ｃ部の電池電圧上昇量は（１）よりも大きくなる。その後、電池電圧６７は再び低下して、矢印６７ｄの時点で再び所定値Ｖ２になり、矢印６７ｅのようにさらに減少して、時刻ｔ_２４にて所定値Ｖ１に到達する。従って、時刻ｔ_２３からｔ_２４の時間Ｔ２内に、草刈機１が帰還ステーションに到達できるようにすれば良いことになる。図５（２）の場合は、電池電圧６７が所定値Ｖ２まで減少した場合であっても帰還に要する時間がＴ２だけ確保できる。尚、仮に所定値Ｖ３で帰還走行モードに移行する場合には、時間Ｔ２よりもさらに長い帰還時間が確保できるようになるが、その分だけ草刈走行モードに要する時間が短くなってしまうので不都合である。

以上のように、本実施例では作業負荷検出手段を設けて作業負荷の大きさに合わせて、帰還走行モードへ移行するための電池電圧の閾値を切り替えるように構成したので、高負荷の場合には、草刈作業に要する時間を大きく確保することができる上に、低負荷の場合には過放電に伴う帰還不能現象の発生を効果的に防止できる。尚、本実施例では作業負荷の大きさをマイコンを用いて電流値で検出することにより作業負荷検出手段を実現したが、電流値だけで無く電池やモータの温度のパラメータを追加したり、作業時間の経過時間等も考慮して作業負荷の度合いを判定するようにしても良い。また、作業負荷を検出するために、電池電圧の減少率を算出して減少率に基づいて移行するための電池電圧の閾値を切り替えるように構成しても良い。この場合は、所定時間ごとの電圧減少率を算出して、電圧減少率が所定値よりも高い場合は閾値Ｖ２を選択し、電圧減少率が所定値よりも低い場合は閾値Ｖ３を選択するように構成すれば良い。

次に図６のフローチャートを用いて、草刈機１の充電ステーションへの帰還タイミングを決定する制御手順を説明する。図６に示す一連の手順は、マイコン５０にあらかじめ格納されたコンピュータプログラムによってソフトウェア的に実行可能である。草刈機１が充電ステーション出発すると、図６の処理が実行される。最初に、マイコン５０は帰還電圧の閾値をＶ３にセットする（ステップ１０１）。この時点では、刈刃モータにかかる負荷が高いかどうかがわからないため、条件的に帰還用の残余電力が大きい方の値（Ｖ３）を閾値として初期設定する。次に、マイコン５０は、所定の走行用のプログラムに従って右車輪モータ１６ａと左車輪モータ１６ｂを駆動させて草刈機１を走行させる。同時に刈刃モータ３０を回転させることにより刈刃３５を回転させて草刈り作業を開始する（ステップ１０２）。次に、マイコン５０は、モータ駆動回路２７ａ〜２７ｃに含まれる図示しない電流計からの電流値（負荷電流値）を受け取ることにより、作業用モータ（刈刃モータ３０）と車輪用モータ（右車輪モータ１６ａと左車輪モータ１６ｂ）の合計電流値を測定する（ステップ１０３）。これは１秒毎にそれぞれの電流値を測定して積算する。

次にマイコン５０は所定の間隔が経過したら、積算電流値を秒数（６０秒）で割り算をする。その結果、測定された電流値から草刈り作業と走行に要した電流の平均値Ｉ_ａｖｅを算出することができるので、それをマイコン内の図示しないメモリに記憶する（ステップ１０４）。この格納する電流値Ｉ_ａｖｅは例えば１分毎に更新される。ここでメモリに格納される内容を図７を用いて説明する。図７はマイコン５０のメモリに格納される電流の平均値Ｉ_ａｖｅと帰還電圧閾値の関係を示すデータテーブルである。電流の平均値Ｉ_ａｖｅは、自走式の作業が開始されてから１分毎に格納される。例えば、経過時間５分経過後の電流値Ｉ_ａｖｅは、０〜５分までに測定された電流値の平均値であって、その平均値Ｉ_ａｖｅが１．６０Ａであることを示している。ここでは、マイコン５０に平均値Ｉ_ａｖｅが１．５０Ａ未満の場合は帰還電圧閾値Ｖ３を用いて、平均値Ｉ_ａｖｅが１．５０Ａ以上の場合は帰還電圧閾値Ｖ２を用いるように設定する。従って、経過時間１〜５分までは帰還電圧閾値としてＶ３が用いられ、経過５分より以降においては、帰還電圧閾値としてＶ２が用いられる。このようにして、メモリに記憶した電流平均値Ｉ_ａｖｅに基づいて、帰還電圧閾値を１分毎に再設定する。尚、本実施例では、帰還電圧閾値としてＶ２とＶ３の２つの閾値が準備され、これらのいずれかが選択されるようにしたが、閾値を何段階に設定するかは任意である。また、負荷電流の平均値Ｉ_ａｖｅに基づいて予め設定された複数の閾値の中からいずれかの閾値を選択するように構成するので無く、負荷電流の平均値Ｉ_ａｖｅを用いた何らかの演算式によって帰還電圧閾値をその都度計算して求めるように構成しても良い。さらに負荷電流の平均値Ｉ_ａｖｅは、草刈り作業開始時（図５のＡ時点）からの全体の電流値の平均であるが、直近の所定範囲だけ（例えば直近１０分間）の電流の平均値だけを求めるようにしても良い。そうすれば、草刈り開始直後だけ作業負荷が大きくて、その後落ち着いて負荷が小さくなったような場合でも適切に帰還電圧閾値を設定できる。

再び図６のフローチャートに戻る。ステップ１０６において、マイコン５０はメインスイッチ４２を通る電源供給ラインから電池電圧を測定する。次にマイコン５０は、測定された電池電圧とステップ１０５で設定された帰還電圧閾値とを比較し、電池電圧が帰還電圧閾値まで低下した否かを判定する（ステップ１０７）。電池電圧が帰還電圧閾値まで低下していない場合はステップ１０３に戻りステップ１０３以降を繰り返し、低下している場合はステップ１０８に進む。ステップ１０８では刈刃モータ３０を停止させて刈刃３５の回転を停止させた後に、帰還走行へ移行して図示しない充電ステーションに帰還する（ステップ１０９）。草刈機１が充電ステーション２７０に帰還するか、又は電池電圧が閾値Ｖ１に到達したら処理を終了する。

本実施例の構成によれば、作業負荷の大きさによらず充電ステーションへの帰還走行に要する電池エネルギーを適切に確保することができる。また、作業負荷が高いときの作業量の低下を効果的に防止することができる。

次に図８を用いて本発明の第二の実施例を説明する。図８は第二の実施例に係る自走式草刈機のブロック図である。図５で示した第一の実施例では、マイコン５０はモータ駆動回路２７ａ〜２７ｃに流れる刈刃モータ３０、右車輪モータ１６ａ、及び左車輪モータ１６ｂの負荷電流を信号線７２〜７４によって夫々検出し、これら負荷電流の値の合算値を算出して、この合算値を作業時間に渡り平均化して求めた値を電圧低下判定閾値の切替え条件とした。これに対して第二の実施例では、各モータの負荷電流の合算値を検出する代わりに、バッテリパック２８の放電電流を直接検出するようにし、この放電電流値を作業時間に渡って平均化した値を電池電圧低下判定閾値の切替え条件とした。回路的には、バッテリパック２８からメインスイッチ４２を介してモータ駆動回路２７ａ〜２７ｃに供給される電流ラインに電流検出回路５３を設ければ良い。この場合、太線で示す電流ラインにシャント抵抗を配置するが図８ではその図示を省略している。尚、バッテリパック２８側において放電電流の大きさを検出し、その電流の大きさに応じた信号をマイコン側に出力するような専用の端子を配置するように構成しても良い。その場合は過放電検出信号用の信号線５４に加えて、更なる信号線が追加されることになる。

電流検出回路５３から出力される信号は、電圧検出回路５２から出力される電池電圧と共にマイコン５０に入力される。マイコン５０は、放電電流値を検出し、放電電流から草刈作業走行モードの実行中で平均化した平均負荷電流を算出する。マイコン５０によって検出された電流値は図５のフローチャートと同様の手順によって処理される。

第二の実施例においても第一の実施例同様に作業負荷の大きさに合わせて、充電ステーションへの帰還走行に要する電池エネルギーの余裕を十分に確保しながら、帰還走行に移管させるためのタイミングを適切に判断することができる。また、帰還走行時に過放電停止電圧（Ｖ１）に到達することなく余力を残した状態で充電ステーション２７０への確実な帰還が可能となる。さらに、電池を過放電停止電圧（Ｖ１）まで放電させることを阻止できるので、電池の寿命を延ばすことが可能となる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施例では平均負荷電流が所定値Ｉ１に対して大きいか小さいかの条件に基づき電圧低下判定閾値を所定値Ｖ２と所定値Ｖ３のいずれかを選択する構成としたが、選択する電圧低下判定閾値を３つ以上に増やしても良い。また、電圧低下判定閾値を平均負荷電流の関数にて算出するようにし、電圧低下判定閾値を細かく変動させてもよい。さらに、運転時の放電電流値を制御するように構成し、高放電モードと低放電モードを含む複数の放電モードを設けるようにして、制御装置は放電モードの違いに応じて帰還走行に移行するタイミングを変えるように制御しても良い。

１草刈機２本体カバー２ａフェンダー３開閉カバー
４スイッチレバー５開口部１０本体シャーシ
１１ａ、１１ｂ取付アーム１２ａ、１２ｂ前輪（従動輪）
１３ａ、１３ｂ後輪（駆動輪）１６ａ、１６ｂモータ
１７ａ、１８ａ凹部１９ａマグネット２１基台部
２２容器部２３蓋部２３ａヒンジ２４キーボード
２５ディスプレイ２６メイン基板２７ａ〜２７ｃモータ駆動回路
２８バッテリパック２９電池ターミナル３０刈刃モータ
３２ダイヤルノブ３４モータ筒部３５刈刃
３５ａ円盤部３５ｂ刃３７ストップスイッチ
４１受電端子４１ａ正極端子４１ｂ負極端子
４２メインスイッチ４５、４６ガイドワイヤセンサ
４７リフトセンサ４８接触センサ５０マイコン
５１充電回路５２電圧検出回路５３電流検出回路
５４（過放電検出信号用の）信号線６１合計負荷電流
６２電池電圧６６合計負荷電流６７電池電圧
７２〜７４（負荷電流の）信号線２００家屋２１０庭
２５０ＡＣアダプタ２６０ケーブル２７０充電ステーション
２８０ガイドワイヤ２９０草刈領域３０１草刈機
Ｉ１（負荷電流の大小判定に用いるための）電流閾値
Ｖ１（過放電防止のための）電圧閾値
Ｖ２、Ｖ３（帰還走行を開始する）帰還電圧閾値
Ｉ_ａｖｅ電流平均値

Claims

二次電池を電源として駆動し、作業機器を駆動する作業用モータと、
車輪を駆動する車輪用モータと、
これらのモータの駆動を制御する制御装置と、
前記二次電池の電圧を検出する電池電圧検出手段と、を有し、
電池電圧の低下を検出して作業中断閾値に到達したら作業を中断して充電のために充電ステーションへの帰還走行を行い、電池電圧がさらに低下して放電停止電圧閾値に到達したら前記作業用モータ及び前記車輪用モータを停止させるようにした自走式作業機において、
前記作業用モータの作業負荷を検出する作業負荷検出手段を設け、
前記制御装置は、前記放電停止電圧閾値を一定に維持したままで、前記充電ステーションへの帰還を行う前記作業中断閾値を前記作業負荷が重いときのほうが低くなるように変更可能としたことを特徴とする自走式作業機。
前記作業負荷検出手段は、前記作業用モータの負荷電流によって前記作業負荷を検出することを特徴とする請求項１に記載の自走式作業機。
前記作業負荷検出手段は、前記負荷電流の合算値を前記作業機器による作業に費やしている時間で平均化した電流値の平均値を算出し、前記平均値に応じて前記作業中断閾値を変更することを特徴とする請求項２に記載の自走式作業機。
前記作業負荷検出手段は、前記車輪用モータの電流値を検出し、前記作業用モータの電流値に合算して前記平均値を算出することを特徴とする請求項３に記載の自走式作業機。
前記作業負荷検出手段は、前記二次電池から供給される電流値を測定することにより消費される電流値の平均値を求め、
前記平均値に応じて前記作業中断閾値を変更することを特徴とする請求項２に記載の自走式作業機。
検出された前記電流値の平均値が高いときは前記作業中断閾値を低い電圧値とし、
検出された前記電流値の平均値が低いときは前記作業中断閾値を高い電圧値としたことを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の自走式作業機。
二次電池を電源として駆動し、作業機器を駆動する作業用モータと、車輪を駆動する車輪用モータと、これらのモータの駆動を制御する制御装置と、前記二次電池の電圧を検出する電池電圧検出手段とを有し、電池電圧の低下を検出して作業中断閾値まで低下したら充電のため作業を中断して充電ステーションへの帰還走行を行う自走式作業機において、
前記電池電圧の減少率に基づいて前記作業用モータの作業負荷を検出する作業負荷検出手段を設け、
前記制御装置によって、前記二次電池の電圧の検出と、前記作業負荷の状況を検出し、
前記作業負荷検出手段の検出結果に基づき、前記作業中断閾値を変更可能としたことを特徴とする自走式作業機。
二次電池を電源として駆動し、作業機器を駆動する作業用モータと、車輪を駆動する車輪用モータと、これらのモータの駆動を制御する制御装置と、前記二次電池の電圧を検出する電池電圧検出手段とを有し、電池電圧が作業中断閾値まで低下したことを検出したら作業を中断して充電のために充電ステーションへの帰還走行を行い、電池電圧がさらに低下して放電停止電圧閾値に到達したら前記作業用モータ及び前記車輪用モータを停止させる自走式作業機において、
前記制御装置は、前記二次電池から放電される電流値を検出し、放電電流の大きさに基づいて前記放電電流が大きいほうが前記作業中断閾値が低くなるように変更し、前記放電停止電圧閾値は一定に維持したままとすることを特徴とする自走式作業機。
前記放電電流の平均値と、前記作業中断閾値の関係を予め前記制御装置に格納しておくことを特徴とする請求項８に記載の自走式作業機。
前記作業機器は草刈り用の刈刃であって、前記作業用モータは前記刈刃を駆動することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の自走式作業機。
二次電池を電源として駆動し、作業機器を駆動する作業用モータと、
車輪を駆動する車輪用モータと、
これらのモータの駆動を制御する制御装置と、
前記二次電池の電圧を検出する電池電圧検出手段と、を有し、
電池電圧の低下を検出して作業中断閾値に到達したら作業を中断して帰還走行を行い、電池電圧がさらに低下して放電停止電圧閾値に到達したら前記作業用モータ及び前記車輪用モータを停止させるようにした自走式作業機において、
前記作業用モータの作業負荷を検出する作業負荷検出手段を設け、
前記制御装置は、前記放電停止電圧閾値を一定に維持したままで、前記作業中断閾値を前記作業負荷が重いときのほうが低くなるように変更可能としたことを特徴とする自走式作業機。