JP6997293B2 - 自律走行作業機、及び制御システム - Google Patents
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Description
また、一般に、ロボット芝刈機には、芝刈作業を行う作業対象領域である芝刈エリアのエリアデータが格納されており、このエリアデータに基づいて、芝刈作業時におけるロボット芝刈機の走行経路が決定されている。そして、芝刈作業時においては、ロボット芝刈機は、オドメトリ(自己位置推定)機能により、自己の位置を推定しながら、既定の走行経路にしたがって自律走行している。
そこで従来、ロボット芝刈機が自律走行時にスリップの発生をモニタリングし、ある程度の大きさのスリップが検出された場合に、走行速度を落とすことで、それ以上の大きなスリップの発生を防止する、という技術が提案されている。
なお、この問題は、ロボット芝刈機に限らず、自律走行しながら作業を行う自律走行作業機に共通する課題である。
図1は、本実施形態に係る無人芝刈システム1の構成を示す図である。
無人芝刈システム1は、ロボット芝刈機2と、芝刈作業対象の芝刈エリア4を区画するエリアワイヤ6と、ステーション8と、を備える。
ロボット芝刈機2は、芝刈エリア4の中を無人で自律走行しながら芝草を刈る自律走行型の作業機である。
エリアワイヤ6は、芝刈エリア4の境界Aをロボット芝刈機2が検知可能にするために、業者等によって境界Aに沿って敷設される部材である。本実施形態では、敷設されたエリアワイヤ6が磁性を帯びており、ロボット芝刈機2がエリアワイヤ6の磁気を検出することで芝刈エリア4の境界Aを検知する。
ステーション8は、ロボット芝刈機2を充電する充電装置8Aを有し、芝刈エリア4の中に設置される。このステーション8は、非作業時におけるロボット芝刈機2の待機場所でもある。ロボット芝刈機2は、芝刈作業の終了時には、自律走行によりステーション8に帰還し、ステーション8で適宜に充電を受けるようになっている。
ロボット芝刈機2は、箱形の本体12を備え、本体12の前部には操舵自在な前輪14Aが左右に設けられ、後部には駆動輪である後輪14Bが左右に設けられている。また本体12には、操舵機構16と、駆動機構18と、芝刈機構20と、モーター22と、バッテリーユニット24と、センサー部28と、制御ユニット30と、操作部32と、表示部34と、が設けられている。
操作部32は、使用者の操作を受け付ける各種の操作子(ボタン、テンキー、タッチパネル・・・)を備え、この操作を制御ユニット30に出力する。表示部34は、表示パネル等を備え、各種情報を表示する。
スリップ率λ=(従動輪車速-駆動輪車速)/駆動輪車速
従動輪車速は、従動輪である前輪14Aの車速である。かかる定義によれば、大きなスリップが発生するほどスリップ率λの値は大きくなり「1」に近づく。
スリップ率λ=(車体速度-車輪車速)/車体車速
また、スリップ率λには、他の任意の定量化手法を用いることができる。この場合において、スリップ率検知センサー部28Cには、その定量化手法に用いられる物理量の検出に必要な検出デバイスが設けられる。
制御ユニット30は、同図に示すように、位置情報取得部50と、スリップ率取得部52と、速度情報取得部54と、スリップ率分布生成部55と、走行経路設定部56と、格納部58と、走行制御部60と、を備える。これらの機能部は、プロセッサ40がコンピュータプログラムを実行することで実現されている。
スリップ率取得部52は、ロボット芝刈機2が自律走行している間、スリップ率検知センサー部28Cが備える検出デバイスの検出信号に基づいて、逐次にスリップ率λを取得する。
同図に示すように、スリップ率分布データ70には、位置情報Pとスリップ率λとが対応付けて記録されている。さらに、このスリップ率分布データ70では、高スリップ地点Pkでのスリップ発生走行速度Vλと、その高スリップ地点Pkを芝刈作業時に通過した通過回数Nとが対応付けて記録されている。
このスリップ率分布データ70により、芝刈エリア4の各地点のスリップ率λと、高スリップ地点Pkで実際にスリップが発生したときのスリップ発生走行速度Vλと、高スリップ地点Pkを通過した通過回数Nと、が一元管理される。
かかるスリップ率分布データ70によれば、高スリップ地点Pk、及び低スリップ地点Ptの各々の通過回数Nを比較可能となり、走行経路が低スリップ地点Ptに偏っているか否かが判断可能になる。
なお、第2所定値λth2として第1所定値λth1を設定することで、高スリップ地点Pk以外を低スリップ地点Ptとみなすようにもできる。
格納部58に既にスリップ率分布データ70が格納されている場合、スリップ率分布生成部55は、ロボット芝刈機2が自律走行している間、逐次にスリップ率分布データ70を更新記録する。具体的には、スリップ率分布生成部55は、新たな位置情報Pについてのスリップ率λ、及びスリップ発生走行速度Vλ(ただし、スリップ率λ≧第1所定値λth1のとき)が取得された場合、これらをスリップ率分布データ70に追加する。またスリップ率分布生成部55は、既存の位置情報Pについて、既に記録されている値とは異なるスリップ率λやスリップ発生走行速度Vλが取得された場合には、これらの値でスリップ率分布データ70を更新する。さらに高スリップ地点Pk又は低スリップ地点Ptをロボット芝刈機2が通過したときには、スリップ率分布生成部55は、高スリップ地点Pk又は低スリップ地点Ptの通過回数Nを更新記録する。またスリップ率分布生成部55は、既存の高スリップ地点Pkについて、スリップ抑制走行速度Vsが取得された場合には、これを更新記録する。
なお、スリップ率分布データ70には、上記の他にも、走行速度Vなどの任意の情報を位置情報Pに対応付けて記録してもよい。
詳述すると、本実施形態では、芝刈エリア4においてロボット芝刈機2が芝刈作業時に描く走行軌跡(すなわち芝刈経路)のパターンとして、「ランダムパターン」、「ジグザグパターン」、及び「ミックスパターン」の3種類のパターン(以下、「走行パターン」という)が予め規定されている。
ランダムパターンは、図5に示すように、ロボット芝刈機2が芝刈エリア4の境界A(本実施形態ではエリアワイヤー6)を検出するまで直進し、境界Aの検出時に、比較的大きな第1旋回角度θaで旋回して方向転換する芝刈経路のパターンである。このランダムパターンは、比較的広い芝刈エリア4をロボット芝刈機2で芝刈する際に好適に用いられる。
ジグザグパターンは、ランダムパターンにおいて、第1旋回角度θaを小さくしたものである。すなわち、ジグザグパターンでは、図6に示すように、ロボット芝刈機2が芝刈エリア4の境界Aを検出するまで直進し、境界Aの検出時に第1旋回角度θaよりも小さな第2旋回角度θbで旋回して方向転換する芝刈経路のパターンである。ジグザグパターンは、比較的狭い芝刈エリア4をロボット芝刈機2で芝刈する際に好適に用いられる。
ミックスパターンは、芝刈作業の間、ロボット芝刈機2がランダムパターンとジグザグパターンと、を一定の時間ごと、又は一定の走行距離ごとに交互に繰り返す芝刈経路のパターンである。
そして、芝刈経路のパターン、及びパラメータによって、芝刈作業時のロボット芝刈機2の芝刈経路が規定される。かかる芝刈経路のパターン、及びパラメータは、走行経路データ71として格納部58に格納される。
芝刈走行変更制御部80、及び帰還走行変更制御部82はいずれも、制御情報74に基づいて自律走行時の第1の大きさのスリップ発生を抑える制御を実行するものであり、芝刈走行変更制御部80は、芝刈作業走行時の第1の大きさのスリップ発生を抑え、帰還走行変更制御部82は帰還走行時の第1の大きさのスリップ発生を抑えている。
芝刈作業の開始前は、ロボット芝刈機2はステーション8で待機する。そして、ロボット芝刈機2は、例えばユーザ操作や、芝刈作業日時を予め指定したタイマー設定などに基づいて芝刈作業を開始する。ロボット芝刈機2は、芝刈作業を開始すると(ステップSa1)、走行経路データ71に基づき規定の作業経路Dに沿って自律走行しつつ、芝刈機構20を駆動して芝刈を行う芝刈走行制御を実行する(ステップSa2)。その後、芝刈作業が完了すると(ステップSa3:YES)、ロボット芝刈機2は、ステーション8に向かって帰還経路Eに沿って自律走行する帰還走行制御を実行する(ステップSa4。)
このスリップ抑制制御では、芝刈走行変更制御部80が上述した減速制御、旋回地点変更制御、及び通過地点変更制御を実行する。
すなわち、図8に示すように、芝刈走行変更制御部80は、ロボット芝刈機2が高スリップ地点Pkに進入するか否か(すなわち、高スリップ地点Pkの直前か否か)を判定する(ステップSb1)。このステップSb1の判定は、ロボット芝刈機2の位置情報と、スリップ率分布データ70とに基づいて行われる。具体的には、芝刈走行変更制御部80は、直進中の作業経路D上における高スリップ地点Pkをスリップ率分布データ70に基づいて特定し、当該高スリップ地点Pkから所定距離の位置まで近づいたか否かを判定する。そして、高スリップ地点Pkまで所定距離の位置にロボット芝刈機2が達したときに、芝刈走行変更制御部80は、高スリップ地点Pkに進入すると判定する。なお、所定距離は適宜に設定される値である。
これにより、図9において矢印Xaで示すロボット芝刈機2は、作業経路Dに沿って走行する際、高スリップ地点PkのエリアQに進入する前に減速し、減速状態を維持してエリアQを横断し、エリアQから抜け出した後に走行速度Vを元に戻すこととなる。このように、ロボット芝刈機2は、減速状態で高スリップ地点Pkを通過するので、高スリップ地点Pkにおいて第1の大きさのスリップ発生が抑えられる。
具体的には、芝刈走行変更制御部80は、先ず、規定の第1旋回角度θaまたは第2旋回角度θbで旋回した場合に描かれる作業経路Dを特定する(ステップSb6)。
次いで、芝刈走行変更制御部80は、その作業経路Dにおける次の旋回地点Ps(すなわち作業経路Dと境界Aとの交点付近)が高スリップ地点Pkであるか否か、及び、その作業経路Dに含まれている高スリップ地点Pkを通過する頻度が低スリップ地点Ptを通過する頻度よりも多くなるか否かを、スリップ率分布データ70に基づいて判定する(ステップSb7)。
この旋回角度でロボット芝刈機2が旋回することで、図9において矢印Xbで示すロボット芝刈機2にあっては、次に高スリップ地点Pkで旋回することがなくなる。さらに、高スリップ地点Pkの通過頻度が多くなるような場合には、ロボット芝刈機2が高スリップ地点Pkを避けて走行し、或いは低スリップ地点Ptを通過するように走行する。
このスリップ抑制制御では、先ず、帰還走行変更制御部82が、上述したスタート位置変更制御を実行する。
すなわち、図10に示すように、帰還走行変更制御部82は、現在位置とステーション8とを結ぶ直線的に結ぶ帰還経路Eを特定し(ステップSc1)、この帰還経路E上に高スリップ地点Pkがあるか否かをスリップ率分布データ70に基づいて判定する(ステップSc2)。高スリップ地点Pkがある場合(ステップSc2:YES)、帰還走行変更制御部82は、高スリップ地点Pkを通過せずにステーション8まで直進により帰還できる位置を特定し(ステップSc3)、当該位置までロボット芝刈機2を移動させる(ステップSc4)。これにより、図11において矢印Yaで示すロボット芝刈機2にあっては、帰還経路E上に高スリップ地点Pkが存在する場合、高スリップ地点Pkを通らずに帰還できる位置Pfに移動した後に帰還走行を開始することとなる。したがって、帰還走行時における第1の大きさのスリップ発生が抑制される。
これにより、自律走行時に、スリップが生じやすい地点を考慮した自律走行が可能となり、ある程度の大きさ(本実施形態では第1の大きさ)のスリップの発生を防止し、当該スリップによる芝はぎや、位置情報の誤差の増大を抑止することが可能となる。
これにより、規定の走行経路に沿ってロボット芝刈機2が自律走行する場合でも、スリップの発生が防止される。
これにより、芝刈作業時において、スリップ率λに応じてロボット芝刈機2が減速されるので、高スリップ地点Pkで確実に減速させることができる。この結果、高スリップ地点Pkを通過するときのスリップが低減され、スリップによる芝はぎや位置情報の誤差をより抑止することが可能となる。
これにより、高スリップ地点Pkを通過するときのスリップの大きさを確実に第1の大きさよりも小さくすることができ、スリップによる芝はぎや位置情報の誤差をより一層抑止することが可能となる。
これにより、高スリップ地点Pkを通過するときに発生するスリップを第2の大きさ以下に確実に抑えることができ、スリップによる芝はぎや位置情報の誤差を確実に抑止することが可能となる。
これにより、ロボット芝刈機2が高スリップ地点Pkで旋回することがないので、旋回時のスリップを抑制することが可能となり、旋回地点Psでのスリップによる芝はぎや位置情報の誤差を抑止することが可能となる。
これにより、高スリップ地点Pkの走行頻度が下げられるので、第1の大きさのスリップ発生リスクを下げることができ、当該スリップによる芝はぎや位置情報の誤差をより一層抑止することが可能となる。
これにより、高スリップ地点Pkを通らない帰還経路Eに沿ってロボット芝刈機2が帰還走行するので、ステーション8への帰還走行のように位置情報の検出精度が求められる状況でのスリップ発生を抑制でき、ステーション8ヘの帰還精度を向上できる。
例えば、ロボット芝刈機2のエリア検知センサー部28Aが、境界Aの位置情報(ステーション8に対する相対位置情報、又は、GPS等から求められる絶対位置情報)を取得する構成とし、ロボット芝刈機2がオドメトリ検知センサー部28Bの検出信号に基づいて、自身が境界Aに位置するか否かを判断してもよい。この場合、エリア検知センサー部28Aは、境界Aの位置情報を外部のコンピュータから取得してもよいし、メモリデバイス42やストレージ装置44に予め格納されたデータから取得してもよい。
また例えば、カメラやセンサ等で検知可能なマーカーをエリアワイヤ6に代えて芝刈エリア4の境界Aに沿って適宜の間隔で設け、ロボット芝刈機2のエリア検知センサー部28Aが、これらのマーカーをカメラやセンサ等を用いて検知することで、各マーカーを繋いで得られる境界Aを検知する構成としてもよい。
2 ロボット芝刈機(自律走行作業機)
4 芝刈エリア
8 ステーション(所定位置)
20 芝刈機構
28 センサー部
28A エリア検知センサー部
28B オドメトリ検知センサー部
28C スリップ率検知センサー部
28D 速度検知センサー部
30 制御ユニット
50 位置情報取得部
52 スリップ率取得部
54 速度情報取得部
54A スリップ発生速度取得部
55 スリップ率分布生成部
56 走行経路設定部
58 格納部
60 走行制御部
70 スリップ率分布データ
71 走行経路データ
74 制御情報
80 芝刈走行変更制御部
82 帰還走行変更制御部
A 境界
D 作業経路
E 帰還経路
N 通過回数
P 位置情報
Pk 高スリップ地点
Ps 旋回地点
Pt 低スリップ地点
V 走行速度
Vs スリップ抑制走行速度
Vλ スリップ発生走行速度
θa 第1旋回角度
θb 第2旋回角度
λ スリップ率
λth1 第1所定値
λth2 第2所定値
Claims (5)
- 自律走行しながら所定の作業を実行する自律走行作業機において、
位置情報を取得する位置情報取得部と、
スリップの大きさを示すスリップ率を取得するスリップ率取得部と、
走行速度を取得する速度情報取得部と、
第1の大きさのスリップを示すスリップ率が取得されたときの走行速度を取得するスリップ発生速度取得部と、
前記位置情報取得部にて取得した位置情報と、前記スリップ率取得部にて取得したスリップ率と、前記スリップ発生速度取得部によって取得された速度情報と、を対応付けた制御情報を格納する格納部と、
走行経路を規定する情報を設定する走行経路設定部と、
前記格納部に格納された制御情報と、前記走行経路設定部にて設定された情報によって規定される走行経路と、に基づいて、前記走行経路に沿った自律走行を制御し、前記第1の大きさのスリップを示すスリップ率の地点に進入する場合に、前記スリップ発生速度取得部にて取得されている走行速度よりも低い速度に減速する走行制御部と、
を備え、
前記格納部は、
前記第1の大きさのスリップを示すスリップ率の地点を前記走行制御部の制御によって減速して通過したときのスリップが、前記第1の大きさのスリップよりも小さな第2の大きさのスリップ以下となったときの減速時の走行速度と、前記第1の大きさのスリップを示すスリップ率の地点とを対応付けた前記制御情報を格納し、
前記走行制御部は、
前記第1の大きさのスリップを示すスリップ率の地点に進入する場合、少なくとも、前記格納部に格納されている前記減速時の走行速度まで減速する
ことを特徴とする自律走行作業機。 - 前記走行制御部は、
前記走行経路設定部にて設定された情報によって規定される作業経路の中に含まれる旋回地点が、前記第1の大きさのスリップ発生を示すスリップ率の位置である場合、当該位置から前記旋回地点が外れる作業経路を自律走行する、
ことを特徴とする請求項1に記載の自律走行作業機。 - 前記走行制御部は、
前記第1の大きさのスリップ発生を示すスリップ率の地点を通過する頻度よりも、前記第2の大きさ以下のスリップ発生を示すスリップ率の地点を通過する頻度の方が高くなるように前記自律走行する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の自律走行作業機。 - 前記走行制御部は、
所定位置へ帰還するための帰還経路に前記第1の大きさのスリップ発生を示すスリップ率の地点が含まれる場合、当該地点を含まないように経路を自律走行して帰還する、
ことを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の自律走行作業機。 - 自律走行しながら所定の作業を実行する自律走行作業機の制御システムにおいて、
前記自律走行作業機の位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記自律走行作業機のスリップの大きさを示すスリップ率を取得するスリップ率取得部と、
前記自律走行作業機の走行速度を取得する速度情報取得部と、
第1の大きさのスリップを示すスリップ率が取得されたときの前記自律走行作業機の走行速度を取得するスリップ発生速度取得部と、
前記位置情報取得部にて取得した位置情報と、前記スリップ率取得部にて取得したスリップ率と、前記スリップ発生速度取得部によって取得された速度情報と、を対応付けた制御情報を格納する格納部と、
前記自律走行作業機の走行経路を規定する情報を設定する走行経路設定部と、
前記自律走行作業機と通信し、前記格納部に格納された制御情報と、前記走行経路設定部にて設定された情報によって規定される走行経路と、に基づいて前記自律走行作業機の前記走行経路に沿った自律走行を制御し、前記自律走行作業機が前記第1の大きさのスリップを示すスリップ率の地点に進入する場合に、前記スリップ発生速度取得部にて取得されている走行速度よりも低い速度に減速する走行制御部と、
を備え、
前記格納部は、
前記第1の大きさのスリップを示すスリップ率の地点を前記走行制御部の制御によって前記自律走行作業機が減速して通過したときのスリップが、前記第1の大きさのスリップよりも小さな第2の大きさのスリップ以下となったときの減速時の走行速度と、前記第1の大きさのスリップを示すスリップ率の地点とを対応付けた前記制御情報を格納し、
前記走行制御部は、
前記第1の大きさのスリップを示すスリップ率の地点に前記自律走行作業機が進入する場合、少なくとも、前記格納部に格納されている前記減速時の走行速度まで減速する
ことを特徴とする制御システム。
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