JP7069285B2 - 圃場作業車 - Google Patents

Description

本発明は、圃場を自動走行する圃場作業車に関する。

トラクタによる耕耘作業やコンバインによる刈取り収穫作業などを、自動走行によって行うことが提案されている。圃場の形状はそれぞれ異なっており、自動走行を行うためには、圃場の外形に関連づけられた走行経路を生成する必要がある。

特許文献１には、圃場における耕耘作業を自動走行によって行うトラクタが開示されている。この耕耘作業は、圃場周辺領域を周回作業する周回作業走行と、圃場周辺領域（枕地とも称せられる）で１８０°旋回（Ｕターン走行）を行いながら圃場の中央領域（圃場周辺領域の内側）の直進作業を繰り返す往復直進作業走行とに分けて行われる。その際、往復直進作業走行の開始点から終了点に至る折り返し行程数、及び周回作業走行の開始点から終了点に至る周回数が、作業車両の諸元を含む作業条件に基づいて決定される。

特許文献２による圃場作業車は、圃場情報格納部から読み出された圃場の地形データを基本条件として、自動走行のための走行経路を算出する経路算出部を備えている。この経路算出部は、地形データから圃場の外形を求め、設定された走行開始地点から始まって走行終了地点で終わる走行経路を算出する。ここでも、走行経路は、圃場の外周領域を周回走行する周回走行経路と、外周領域の内側に位置する中央領域を走行する中央走行経路とから構成されている。中央走行経路として、直進経路と、前記直進経路同士をつなぐＵターン経路とからなる往復直進走行経路が提案されている。

特開平１０－６６４０５号公報 特開２０１５－１１２０７１号公報

上述した従来技術による走行経路の生成では、圃場の外形が四角形とみなされており、四角形で示される圃場形状の各辺が直線となっている。このため、周回走行経路及び中央走行経路は、実質的には、圃場の外形を示す四角形の一辺に平行な直線経路群と、その直線経路群の端点をつなぐターン経路で構成することができ。しかしながら、実際の圃場は、概略的には、四角形や五角形などの単純な多角形で表すことができたとしても、実際には、各一辺には、圃場の外形を内側に入り込ませた作業不能領域（例えば資材置きなどために用いられる）が存在する。このような作業不能領域が存在すると、圃場の外形線には局部的に入り込んだ凹部が生じる。このため、周回走行経路は、この凹部に倣うような凹状屈曲部をもって延びるように形成される。周回走行経路の凹状屈曲部の内側への入り込み量が大きければ、この凹状屈曲部によって周回走行経路の内側に配置される中央走行経路の直線経路の一部が分断されることになる。このような分断される直線経路は走行不能となるので、直線経路の生成においてエラーとなってしまう。

本発明の課題は、このような実情に鑑み、圃場の外形線が内側に局部的に入り込んだ凹部を有する場合でも、適切に走行経路を生成することである。

本発明の一実施形態に係る圃場作業車は、外形が内側に入り込んだ凹部を有する圃場の外周領域における周回走行経路、および、前記外周領域の内側の中央領域における中央走行経路を自動走行する圃場作業車であって、前記周回走行経路を算出すると共に、直進経路と、前記直進経路同士をつなぐＵターン経路とからなる、前記中央走行経路を算出する経路生成モジュールと、所定の報知を行う報知デバイスと、前記中央領域内において、前記中央走行経路が生成されなかった部分である空白の面積が、前記中央領域の面積に対して所定の割合以上であると前記報知デバイスに報知を行わせる報知部とを備えている。

また、前記経路生成モジュールは、前記中央領域全体において、所定間隔で前記圃場の基準辺に平行に延びる複数の基準直線に対して、前記凹部によって分割された部分を除外したそれぞれの前記基準直線を前記直進経路として算出し、前記空白は、前記中央領域内において、前記基準直線の配置領域のうちの前記Ｕターン経路がつなげられなかったことにより前記中央走行経路が生成されなかった部分であっても良い。

また、前記基準辺は、前記中央領域の外形を表す多角形の最長辺であり、
前記空白の面積が前記中央領域の全面積の所定割合以上である場合、前記経路生成モジュールは、前記多角形の前記最長辺に平行ではなくて前記最長辺の次に長い辺を前記基準辺として前記中央走行経路を再度生成しても良い。

本発明の一実施形態に係る圃場作業車は、外形が内側に入り込んだ凹部を有する圃場の外周領域における周回走行経路、および、前記外周領域の内側の中央領域における中央走行経路を自動走行する圃場作業車であって、前記周回走行経路を算出すると共に、前記中央領域全体において、所定間隔で前記圃場の基準辺に平行に延びる複数の基準直線に対して、前記凹部によって分割された部分と分割されない部分とを区別し、前記基準直線のうち少なくとも前記凹部によって分割されない部分を直進経路として算出し、前記直進経路と、前記直進経路同士をつなぐＵターン経路とからなる、前記中央走行経路を算出する経路生成モジュールと、所定の報知を行う報知デバイスと、前記中央領域内において、前記基準直線の配置領域のうちの前記中央走行経路が生成される面積が、前記中央領域の面積に対して所定の割合未満であると前記報知デバイスに報知を行わせる報知部とを備えている。

また、前記基準辺は、前記中央領域の外形を表す多角形の最長辺であり、前記中央走行経路が生成される面積が前記中央領域の面積に対して所定の割合未満である場合、前記経路生成モジュールは、前記多角形の前記最長辺に平行ではなくて前記最長辺の次に長い辺を前記基準辺として前記中央走行経路を再度生成しても良い。

また、前記経路生成モジュールは、機体の外部に設けられ、前記経路生成モジュールと通信を行う通信処理部をさらに備えても良い。

本発明による走行経路生成装置によって生成される走行経路を模式的に示す模式図である。 圃場作業車の一例であるトラクタの側面図である。 走行経路生成装置として機能する制御機能部を示す機能ブロック図である。 本発明による走行経路生成装置による走行経路の生成過程を概略的に示す説明図である。 凹部を形成している圃場の一例を示す平面図である。 図５の圃場に対して生成された周回走行経路を示す平面図である。 図６の中央領域を網羅する有効基準直線部分群を示す平面図である。 大きな凹部を形成している圃場に対して生成された周回走行経路及び有効基準直線部分群を示す平面図である。

図面を用いて、本発明による走行経路生成装置の実施形態の１つを説明する。この走行経路生成装置は、図１において模式的に示されているように、圃場作業車が自動操舵で圃場内を作業走行するための走行経路を生成する。走行経路には、圃場の外周領域を１周以上周回走行するための周回走行経路と、外周領域の内側に位置する中央領域を走行するための中央走行経路とが含まれている。中央走行経路は、直進経路と、この直進経路同士をつなぐＵターン経路とからなる。周回走行経路は、圃場の畦によって規定される境界線に沿って生成され、通常３周程度の周回数（図１では２周）となる。この周回数と作業幅とを掛け合わせることによって外周領域の幅が算出される。外周領域の幅は、圃場作業車がスムーズにＵターンできるという条件を満たす必要がある。

この走行経路生成装置は、図１に示すような凹部が形成されているような圃場に対しても、適切な走行経路を生成する機能を有する。走行経路の生成では、周回走行経路が算出され、これにより圃場が外周領域と中央領域に区分けされる。さらに、中央走行経路として、当該中央領域を作業幅（オーバーラップが考慮される）で網羅する直進経路が算出される。中央領域に直進経路を形成する場合には、長い直進経路が形成される方向が採用される（図１では、略長方形形状の圃場の長辺に沿う方向）。

直進経路を算出する際に、凹部に近接して外周領域を通過する直進経路は、最外周の周回走行経路と交差するかどうか判定される。最外周の周回走行経路と交差しない交直進経路は、有効となるが（図１において例示された走行経路Ａ）、最外周の周回走行経路と交差する直進経路は、無効となる（図１において例示された走行経路Ｂ）。凹部が圃場内部に深く入り込んでいると、無効となる直線経路が多数生じて、直線経路が形成されない空白領域が大きくなる。このような場合には、直線経路の延びる方向を変更する（図１において例示された走行経路Ｃ）。

この実施形態では、圃場作業車は、車体１に作業装置３０を装備したトラクタであり、設定された走行経路に沿って圃場を作業走行する。図２に示されているように、このトラクタは、前輪１１と後輪１２とによって支持された車体１の中央部に運転室２０が設けられている。車体１の後部には油圧式の昇降機構３１を介してロータリ耕耘装置である作業装置３０が装備されている。前輪１１は操向輪として機能し、その操舵角を変更することでトラクタの走行方向が変更される。前輪１１の操舵角は操舵機構１３の動作によって変更される。操舵機構１３には自動操舵のための操舵モータ１４が含まれている。手動走行の際には、前輪１１の操舵は運転室２０に配置されているステアリングホイール２２の操作によって行われる。運転室２０には、ユーザによる指令を受け付けるとともにユーザに情報を提供する汎用端末４が装備されている。トラクタのキャビン２１には、衛星測位モジュール８０が設けられている。衛星測位モジュール８０の構成要素として、ＧＮＳＳ（ｇｌｏｂａｌ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｓｙｓｔｅｍ）信号（ＧＰＳ信号を含む）を受信するための衛星用アンテナがキャビン２１の天井領域に取り付けられている。なお、この衛星測位モジュール８０に、衛星航法を補完するために、ジャイロ加速度センサや磁気方位センサを組み込んだ慣性航法モジュールを組み合わせることも可能である。もちろん、慣性航法モジュールは、衛星測位モジュール８０とは別の場所に設けてもよい。

図３には、このトラクタに構築されている制御系が示されている。この実施形態の制御系は、グラフィカルユーザインターフェースを備えた汎用端末４である第１制御ユニットと、トラクタの車体１や作業装置３０の制御を行う制御ユニット５と、トラクタの走行開始と走行停止とを外部から無線で制御するためのリモコン８４とを備えている。本発明による走行経路生成装置は経路生成モジュール６としてモジュール化され、汎用端末４に組み込まれている。

汎用端末４は、経路生成モジュール６以外に、通信制御部４０やタッチパネル６０など、一般的なコンピュータシステムの諸機能を備えている。汎用端末４は、車載ＬＡＮ、無線通信、有線通信などによって、制御ユニット５とデータ交換可能に接続されている。さらに、汎用端末４は、遠隔地の管理センタＫＳに構築された管理コンピュータ１００とも、無線回線やインターネットを通じて、データ交換可能である。また、汎用端末４をタブレットコンピュータや携帯電話などで構成し、トラクタの制御系とデータ交換可能に接続すれば、汎用端末４をトラクタの外に持ち出して、使用することも可能である。

この実施形態では、圃場の地図上の位置や圃場を取り巻く農道等の配置などを含む圃場情報が、管理コンピュータ１００の圃場情報格納部１０１に格納されており、この圃場情報は、作業すべき圃場を見つけ出すために必要となる。管理コンピュータ１００は、指定された圃場での作業内容を記述した作業計画書を管理している作業計画管理部１０２も備えている。汎用端末４は、管理コンピュータ１００にアクセスし、圃場情報格納部１０１から圃場情報を、そして作業計画管理部１０２から作業計画書をダウンロードすることができる。あるいは、汎用端末４は、ＵＳＢメモリなどの記録媒体を通じて圃場情報や作業計画書を入力することも可能である。

経路生成モジュール６は、走行経路を生成する機能部として、圃場データ入力部６１、周回走行経路算出部６２１、基準直線算出部６２２、有効基準直線部分算出部６２３、中央走行経路算出部６２４、移行走行経路算出部６２５を備えている。経路生成モジュール６の各機能部の基本的な役割を、図４に示されている走行経路生成処理の流れ図を用いて説明する。

圃場データ入力部６１は、作業対象となる圃場の外形とを示す圃場外形データと当該圃場の出入口の位置や形状を示す出入口位置データを入力し、ワーキングメモリエリアに展開する。

周回走行経路算出部６２１は、圃場の外周領域を周回走行するための周回走行経路を決定する。この外周領域はトラクタがＵターン走行する領域であり、トラクタがＵターン走行で要求される外周領域の幅は、トラクタの作業幅と適正旋回半径とに基づいて算出される。この外周領域の幅を満たすためのトラクタの周回回数が算出される。つまり、トラクタの作業幅（正確にはオーバーラップ幅を考慮した作業幅）の整数倍（周回数）の値が、Ｕターン走行で必要な外周領域の幅を上回るように、周回数が算出される。この算出された周回数に基づいて実際の外周領域の幅が決定される。一般的な耕耘作業では、２周から４周の周回走行経路に相当する領域が外周領域として設定される。外周領域の内側の領域が、実質的に直進での作業走行が行われる中央領域となる。図１に示しているように、外周領域の内側の領域が中央領域となる。図４で例示された圃場の形状は、ほぼ台形（四角形）であり、その上辺に凹部が形成されている。したがって、周回走行経路は、凹部を回避するように延びており、その結果中央領域の上辺も凹部に対応する位置で凹部を有する。

基準直線算出部６２２は、圃場の基準辺に平行に延びるとともに、所定間隔で中央領域を網羅する基準直線を算出する。この基準直線は、中央領域における走行経路のベースとなる。このような基準直線の決定は、内側走行経路を生成するための前処理である。その際、圃場の基準辺として、一般的には、圃場の外形が作り出す近似多角形の最長辺が採用される。図４の例では、台形の最長辺が基準辺として選択されており、この基準辺に平行で、かつ作業幅で中央領域を網羅する多数の基準直線からなる基準線群が算出されている。

有効基準直線部分算出部６２３は、第１機能と第２機能とを有する。第１機能は、基準直線群のうちから、中央領域に重なり合って延びている直線部分を基準直線部分として算出することである。第１機能を実現する具体的な例は、基準直線群を中央領域の外形に沿って切断（トリム）する切断プログラムを導入することである。なお、中央領域に重なり合って延びている直線部分だけでは、中央領域の一部（図４では下方領域）に未作業領域が残る場合、中央領域に近接する基準直線の対応する直線部分も基準直線部分とする例外処理が行われる。第２機能の機能は、第１機能によって算出された基準直線部分群のうちで、最外周の周回走行経路と交差する基準直線部分があれば、当該基準直線部分を除外し、残った基準直線部分を有効基準直線群とすることである。これは、最外周の周回走行経路と交差する基準直線部分に基づいて生成された直進経路に沿って作業走行が行われると、その作業幅が凹部にかかってしまうことになり、事実上、トラクタの走行が不可能となるからである。

中央走行経路算出部６２４は、有効基準直線部分算出部６２３によって最終的に算出された有効基準直線部分群の各有効基準直線部分を一本の直進経路として算出するとともに、この直進経路同士をつなぐＵターン経路を設定する。これにより、直進経路がＵターン経路によって順次つながれていくことで一本の連続した蛇行状の走行経路となる。この蛇行状の走行経路が、中央領域を走行するための中央走行経路として算出される。

移行走行経路算出部６２５は、中央走行経路算出部６２４によって算出された中央走行経路の終端と、周回走行経路算出部６２１によって算出された周回走行経路とを接続する移行走行経路を算出する。これにより、中央走行経路と周回走行経路とが一本の連続した走行経路となる。トラクタの耕耘作業では、中央領域での作業走行を行ってから周回領域では作業走行を行うので、この走行経路は好都合である。トラクタは、農道から出入口を通過して圃場に進入し、中央走行経路の始端から周回走行経路の後端までに至る作業走行を行い、圃場から出入口を通過して農道に抜ける。このため、移行走行経路算出部６２５は、農道から出入口を通過して圃場に進入して内側走行経路の始端と接続する進入経路、及び、周回走行経路の終端に接続して圃場から出入口を通過して農道に抜ける退出経路を算出することも可能である。これにより、進入経路、内側走行経路、周回走行経路、退出経路に至る、この圃場をトラクタが走行するための走行経路が生成される。

次に、より具体的な例として、図５に示された圃場に対して、経路生成モジュール６が、周回走行経路及び中央走行経路の直進経路を算出する過程を以下に説明する。
（１）３周の周回走行経路を算出し、これによって圃場は外周領域と中央領域とに区分けされる（図６参照）。
（２）基準辺を圃場の上辺として算出された基準直線群（多数の基準直線）を、中央領域の外形線を用いてトリミングし、基準直線部分群（多数の基準直線部分）を算出する。なお、図７で示された例では、基準直線部分群のなかで最も凹部に接近している基準直線部分（図７でＬ１で示されている）が、最外周の周回走行経路（図７でＬ０で示されている）と交差していないので、当該基準直線部分群に含まれている全ての基準直線部分が、有効基準直線部分となっている。この有効基準直線部分が中央走行経路の直進経路となる。この例の場合、凹部の近くで、周回走行経路と中央走行経路とが重なり合うので、この重なり合う領域で、作業走行が重複することになる。

図８には、より内部に向かって深い凹部が形成されている圃場において算出された、周回走行経路及び中央走行経路の直進経路が示されている。この例では、基準直線部分群の凹部に近い数本の基準直線部分（図８で点線で示されている）が、最外周の周回走行経路（図８でＬ０で示されている）と交差しているので、当該基準直線部分は、有効基準直線部分として算出されない。このため、中央領域における凹部の両側に、中央走行経路が生成されない空白（図８で斜線で示されている）が生じる。この空白の面積が中央領域の全面積の所定割合以上であれば、中央領域に未作業地が生じるとの報知を行う。そのような報知を行って、未作業地が生じる走行経路を生成してもよいが、基準辺を変更して、再度走行経路の生成を行うようにしてもよい。

図３に示すように、トラクタの制御系の中核要素である制御ユニット５には、入出力インタフェースとして機能する、出力処理部７、入力処理部８、通信処理部７０が備えられている。出力処理部７は、トラクタに装備されている、車両走行機器群７１、作業装置機器群７２、報知デバイス７３などと接続している。車両走行機器群７１には、操舵モータ１４や、図示されていないが変速機構やエンジンユニットなど車両走行のために制御される機器が含まれている。作業装置機器群７２には、作業装置３０の駆動機構や、作業装置３０を昇降させる昇降機構３１などが含まれている。報知デバイス７３には、ディスプレイやランプやスピーカが含まれている。報知デバイス７３は、走行注意事項や自動操舵走行での目標走行経路からの外れなど、注意情報や警告情報を運転者や監視者に報知するために用いられる。通信処理部７０は、制御ユニット５で処理されたデータを管理コンピュータ１００に送信するとともに、管理コンピュータ１００から種々のデータを受信する機能を有する。さらに、通信処理部７０は、リモコン８４からのリモコン指令も受信する。

入力処理部８は、衛星測位モジュール８０、走行系検出センサ群８１、作業系検出センサ群８２、自動／手動切替操作具８３などと接続している。走行系検出センサ群８１には、エンジン回転数や変速状態などの走行状態を検出するセンサが含まれている。作業系検出センサ群８２には、作業装置３０の位置や傾きを検出するセンサ、作業負荷などを検出するセンサなどが含まれている。自動／手動切替操作具８３は、自動操舵で走行する自動走行モードと手動操舵で走行する手動操舵モードとのいずれかを選択するスイッチである。

さらに、制御ユニット５には、走行制御部５０、作業制御部５４、自車位置算出部５３、走行経路設定部５５、報知部５６が備えられている。自車位置算出部５３は、衛星測位モジュール８０から送られてくる測位データに基づいて、自車位置を算出する。車両走行機器群７１を制御する走行制御部５０には、このトラクタが自動走行（自動操舵）と手動走行（手動操舵）の両方で走行可能に構成されているため、手動走行制御部５１と自動走行制御部５２とが含まれている。手動走行制御部５１は、運転者による操作に基づいて車両走行機器群７１を制御する。自動走行制御部５２は、走行経路設定部５５で設定された走行経路と自車位置との間の方位ずれ及び位置ずれを算出し、自動操舵指令を生成する。生成された自動操舵指令は、出力処理部７を介して操舵モータ１４に出力される。自動走行制御部５２は、リモコン８４からの停止指令に基づいてトラクタを停止させるとともに、リモコン８４からの開始指令に基づいてトラクタの走行を開始させる。作業制御部５４は、作業装置３０の動きを制御するために、作業装置機器群７２に制御信号を与える。報知部５６は、運転者や監視者に必要な情報を報知するための報知信号（表示データや音声データ）を生成して、計器パネルに組み込まれた報知デバイス７３に与える。

走行経路設定部５５は、経路生成モジュール６によって生成された走行経路を汎用端末４から通信処理部７０を介して受け取り、トラクタの目標走行経路として設定する。

〔別実施の形態〕
（１）図３で示された機能ブロック図における各機能部は、主に説明目的で区分けされている。実際には、各機能部は他の機能部と統合または複数の機能部に分けることができる。例えば、経路生成モジュール６を管理コンピュータ１００に構築し、管理コンピュータ１００で生成された走行経路を作業車の制御ユニット５にダウンロードする構成を採用してもよい。また、経路生成モジュール６を作業車の制御ユニット５内に構築してもよい。
（２）上述した実施形態では、多角形で示された圃場の最長辺を基準辺としていたが、多角形で示された圃場の、ユーザによって指定された辺を基準辺としてもよい。さらには、多角形の辺に基づく仮想辺（例えば、多角形の対辺や隣接する辺を繋ぐ辺など）を基準辺とすることも可能である。
（３）上述した実施形態では、中央走行経路の算出において、隣接する直進経路同士がＵターン経路によってつながれていたが、１つの直進経路が１つ以上の直進経路を挟んで別の直進経路とＵターン経路によってつながれてもよい。
（４）上述した実施形態では、作業車として、ロータリ耕耘機を作業装置３０として装備したトラクタを、作業車として取り上げたが、そのようなトラクタ以外にも、例えば、田植機、施肥機、コンバインなどの農作業車にも適用可能である。

本発明は、設定された走行経路に沿って圃場を作業する圃場作業車に適用可能である。

１ ：車体
４ ：汎用端末
５ ：制御ユニット
５０ ：走行制御部
５１ ：手動走行制御部
５２ ：自動走行制御部
５３ ：自車位置算出部
５４ ：作業制御部
５５ ：走行経路設定部
５６ ：報知部
６ ：経路生成モジュール
６０ ：タッチパネル
６１ ：圃場データ入力部
６２１ ：周回走行経路算出部
６２２ ：基準直線算出部
６２３ ：有効基準直線部分算出部
６２４ ：中央走行経路算出部
６２５ ：移行走行経路算出部
８０ ：衛星測位モジュール
１００ ：管理コンピュータ
１０１ ：圃場情報格納部
１０２ ：作業計画管理部
ＫＳ ：管理センタ

Claims (3)

1. 外形が内側に入り込んだ凹部を有する圃場の外周領域における周回走行経路、および、前記外周領域の内側の中央領域における中央走行経路を自動走行する圃場作業車であって、
   前記周回走行経路を算出すると共に、前記中央領域全体において、所定間隔で前記圃場の基準辺に平行に延びる複数の基準直線に対して、前記凹部によって分割された部分と分割されない部分とを区別し、前記基準直線のうち少なくとも前記凹部によって分割されない部分を直進経路として算出し、前記直進経路と、前記直進経路同士をつなぐＵターン経路とからなる、前記中央走行経路を算出する経路生成モジュールと、
   所定の報知を行う報知デバイスと、
   前記中央領域内において、前記基準直線の配置領域のうちの前記中央走行経路が生成される面積が、前記中央領域の面積に対して所定の割合未満であると前記報知デバイスに報知を行わせる報知部とを備えた圃場作業車。
2. 前記基準辺は、前記中央領域の外形を表す多角形の最長辺であり、
   前記中央走行経路が生成される面積が前記中央領域の面積に対して所定の割合未満である場合、前記経路生成モジュールは、前記多角形の前記最長辺に平行ではなくて前記最長辺の次に長い辺を前記基準辺として前記中央走行経路を再度生成する請求項１に記載の圃場作業車。
3. 前記経路生成モジュールは、機体の外部に設けられ、
   前記経路生成モジュールと通信を行う通信処理部をさらに備えた請求項１または２に記載の圃場作業車。

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