JP7072496B2 - 自動走行作業車のための制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、目標走行経路に沿って自動走行する作業車のための制御装置に関する。

特許文献１には、予め設定された目標走行経路に沿って自動走行する農業用作業車が開示されている。この農業用作業車では、ＧＰＳを用いて算出された自車位置が目標走行経路上に設定された目標点に向かうように操向機構が制御される。その際、目標点は、目標走行経路と車体前側との横方向の離間距離が大きいほど車体前側から目標点までの距離が小さくなるように設定される。

特許文献２には、目標走行経路に対する位置偏差及び目標走行経路に対する方位偏差とから目標操舵値を演算し、この目標操舵値に基づいて操舵駆動信号が出力される作業車が開示されている。具体的には、横位置偏差に基づいて演算された第１操舵値と、方位偏差に基づいて導出された演算値を位置偏差が大きいほどその値が小さくなる重み係数によって調整された値に基づいて演算された第２操舵値とから、目標操舵値が演算される。

特開２００２－１８２７４１号公報 特開２０１６－１５５４９１号公報

特許文献１及び特許文献２による作業車では、目標走行経路から位置ずれを検出した時点で、その位置ずれを解消するための操舵角を算出し、操舵制御が行われる。このため、位置ずれが検出された時点で、時間経過とともに車体が目標走行経路に向かっていても、その時点での位置ずれが大きければ、大きな操舵角で操舵制御される。これは、過剰操舵制御による不安定な自動走行を導く。逆に、位置ずれが検出された時点で、時間経過とともに車体が目標走行経路からさらに離れていくような状況であっても、その時点での位置ずれが小さければ、小さな操舵角で操舵制御される。これは、過小操舵制御による不安定な自動走行を導く。

上記実情から、作業車の自動走行において、目標走行経路から外れた車体を適切に戻すことができるように改善された制御装置が要望されている。

上記課題を解決するため、目標走行経路に沿って自動走行する作業車のための制御装置は、前記作業車の自車位置を算出する自車位置算出部と、前記作業車の車体前後方向での走行方位を算出する走行方位算出部と、前記作業車の操舵状態を取得する操舵状態取得部と、前記自車位置から、所定走行後の前記自車位置である推定自車位置を算出する自車位置推定部と、前記目標走行経路の経路方位に直交する方向での前記推定自車位置から前記目標走行経路までの距離を推定横偏差として算出する推定横偏差算出部と、前記推定自車位置における前記走行方位である推定走行方位と前記目標走行経路とがなす角度を推定方位偏差として算出する推定方位偏差算出部と、前記推定横偏差及び前記推定方位偏差に基づいて目標操舵値を算出する目標操舵値算出部と、前記目標操舵値に基づいて操舵制御する自動走行制御部と、を備える。

この構成によれば、目標走行経路に沿うように車体を自動操舵する際、現状の自車位置ではなくて、当該自車位置から所定の走行が行われたのちの自車位置である推定自車位置が算出され、この推定自車位置に基づいて操舵制御が実行される。操舵制御の基準となる自車位置を先読みすることで、過小操舵制御及び過大操舵制御が抑制された操舵が行われ、適切な自動走行が実現される。

作業車の目標走行経路に対する偏差の１つは、横偏差である。横偏差は、目標走行経路の経路方位に直交する方向での作業車の位置ずれである。横偏差を小さくすることで、作業車は、目標走行経路に正確な走行軌跡で作業を行うことができる。このことから、本発明では、前記目標走行経路の経路方位に直交する方向での前記推定自車位置から前記目標走行経路までの距離を推定横偏差として算出する推定横偏差算出部が備えられ、前記偏差算出部は、前記偏差として前記推定横偏差を用いる。

作業車の目標走行経路に対する偏差の１つは、方位偏差である。方位偏差は、目標走行経路の延び方向と作業車の走行方向との間の角度ずれである。方位偏差が大きく、しかも作業車が対地作業を行う作業装置を搭載している場合、適切に対地作業が行われなくなる。このことから、本発明では、前記推定自車位置における前記走行方位である推定走行方位と前記目標走行経路とがなす角度を推定方位偏差として算出する推定方位偏差算出部が備えられ、前記偏差算出部は、前記偏差として前記推定方位偏差を用いる。なお、横偏差を縮小するような操舵制御の結果、基本的には方位偏差も縮小する。しかしながら、横偏差を縮小する操舵制御過程において、方位偏差が拡大することもある。このため、方位偏差を縮小する操舵制御と横偏差を縮小する操舵制御とを適切に組み合わせることが最適である。

現時点の自車位置から、所定走行後の自車位置である推定自車位置を算出するための具体的は方法の１つは、現状の走行方位のままで、作業車が一定車速で所定時間走行した位置を推定自車位置とすることである。これを実践する本発明の実施形態では、前記作業車の車速を算出する車速算出部が備えられ、前記自車位置推定部は、前記作業車が前記走行方位に沿って前記車速で所定時間走行した際の前記作業車の位置を前記推定自車位置として算出する。所定時間は、ユーザによって選択可能としてもよいし、作業車による作業状態に応じて自動的に決定されるようにしてもよい。

現時点の自車位置から、所定走行後の自車位置である推定自車位置を算出するための具体的は方法の他の１つは、現状の操舵状態のままで、作業車が一定車速で所定時間走行した位置を推定自車位置とすることである。これを実践する本発明の実施形態では、前記作業車の車速を算出する車速算出部が備えられ、前記自車位置推定部は、前記作業車が前記操舵状態及び前記車速で所定時間走行した際の前記作業車の位置を前記推定自車位置として算出する。ここでは、所定時間も、ユーザによって選択可能としてもよいし、作業車による作業状態に応じて自動的に決定されるようにしてもよい。

現時点の自車位置から、所定走行後の自車位置である推定自車位置を算出するための具体的は方法の他の１つは、現状の作業車の走行方位の延長線上で現状の自車位置から所定距離だけ離れた位置を推定自車位置とすることである。これを実践する本発明の実施形態では、前記自車位置推定部は、前記走行方位に沿って前記作業車が所定距離走行した際の前記作業車の位置を前記推定自車位置として算出する。ここでの所定距離は、ユーザによって選択可能としてもよいし、作業車による作業状態に応じて自動的に決定されるようにしてもよい。

現時点の自車位置から、所定走行後の自車位置である推定自車位置を算出するための具体的は方法の他の１つは、現状の操舵状態で作り出される予想走行軌跡上で現状の自車位置から所定距離だけ離れた位置を推定自車位置とすることである。これを実践する本発明の実施形態では、前記自車位置推定部は、前記操舵状態で前記作業車が所定距離走行した際の前記作業車の位置を前記推定自車位置として算出する。ここでの所定距離も、ユーザによって選択可能としてもよいし、作業車による作業状態に応じて自動的に決定されるようにしてもよい。

目標走行経路に沿って自動走行するトラクタの側面図である。 トラクタによる耕耘作業における走行経路を説明するための模式図である。 トラクタの制御系の機能ブロック図である。 推定演算ユニットの機能とデータの流れを示す機能ブロック図である。 推定自車位置、推定横偏差、推定方位偏差を説明するための模式図である。

次に、図面を用いて、本発明による制御装置を搭載して、目標走行経路に沿って自動走行する作業車の実施形態の１つを説明する。図１は、そのような作業車であるトラクタの側面図である。図１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を介して作業装置３０としてのロータリ式の耕耘装置が装備されている。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には自動走行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。このトラクタは、自車位置を検出するために、測位ユニット８を備えている。運転室２０には、汎用型のデータ処理端末４が配置されている。このデータ処理端末４は、ユーザ操作デバイス及び報知デバイスとして機能するタッチパネル４０を備えたタブレット型コンピュータであり、タッチパネル４０を通じて、運転者による各種操作入力の受け入れ、運転者へ種々の情報を報知する。

図２には、トラクタによる耕耘作業の一例が模式的に示されている。この耕耘作業では、直線状の作業経路に沿って走行しながら耕耘作業を行う走行と、次の直線状の作業経路に移行するための旋回走行とが交互に繰り返される。その際、最初の直線状の作業経路は、手動走行によるティーチング経路ＴＬであり、次からの直線状の経路は、順次、ティーチング経路ＴＬに沿って並列するように設定される。これらの経路は、自動走行のための目標走行経路であり、図２では、符号ＬＭ（１）～ＬＭ（６）で示されている。

次に、この耕耘作業の走行プロセスを説明する。耕耘作業を開始するにあたって、運転者は、手動で車体１を圃場内の畦際の始点位置Ｔｓに位置させ、人為操作具９０を操作する。運転者が手動で、始点位置Ｔｓから畦際の直線状に車体１を走行させ、反対側の畦際近くの終点位置Ｔｆまで移動させてから人為操作具９０を再度操作する。これにより、始点位置Ｔｓにおける車体１の位置座標と終点位置Ｔｆにおける車体１の位置座標とから、始点位置Ｔｓと終点位置Ｔｆとを結ぶティーチング経路ＴＬが算出される。なお、ティーチング経路ＴＬの方位が前もって設定されている場合には、このティーチング走行の少なくとも一部は自動操舵で行うことも可能である。

ティーチング経路ＴＬの設定完了後、ティーチング経路ＴＬに隣接する、最初の目標走行経路ＬＭ（１）が設定される始点位置Ｌｓ（１）に移行するために、１８０度の旋回走行が行われる。

この旋回走行が終了し、車体１が次の耕耘作業に適した姿勢になれば、人為操作具９０が操作されると、目標走行経路ＬＭ（１）が経路設定部５４によって設定される。その際、人為操作具９０が操作された地点が耕耘作業に適した位置（一般的には、耕耘作業が中断された位置から作業幅の整数倍離れた位置）であるかどうか、つまり走行ずれが許容範囲であるかどうかがチェックされる。その走行ずれが許容範囲内であれば、設定された目標走行経路ＬＭ（１）を目標とする自動走行が再開される。走行ずれが許容範囲外であれば、自動走行が開始されないので、車体１の走行ずれが許容範囲内に入るように手動操舵される。

自動走行が開始されると、車体１が目標走行経路ＬＭ（１）に沿うように、自動操舵が行われる。目標走行経路ＬＭ（１）は、ティーチング走行後に車体１が最初に作業走行を行う目標走行経路ＬＭである。目標走行経路ＬＭ（１）に沿った自動走行が終了すると、旋回走行を経て、始点位置Ｌｓ（２）から次の目標走行経路ＬＭ（２）が先の目標走行経路ＬＭ（１）の未作業領域側に隣接して設定される。同様なプロセスで、始点位置Ｌｓ（３）、Ｌｓ（４）、Ｌｓ（５）、Ｌｓ（６）から、それぞれ、目標走行経路ＬＭ（３），ＬＭ（４），ＬＭ（５），ＬＭ（６）の順番で、旋回走行を挟んで、目標走行経路ＬＭの設定と、作業走行とが繰り返される。

次に、図３を用いて、トラクタの制御系における、本発明に特に関係する機能部を説明する。

このトラクタは、測位ユニット８として、衛星測位モジュール８ａと、慣性計測モジュール８ｂとを備えている。衛星測位モジュール８ａは、衛星からの電波を受信して車体１の位置を検出する衛星測位用システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ
Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の一例として、周知の技術であるＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用して、車体１の位置を求める衛星測位機能を有する。本実施形態では、衛星測位として、ＤＧＰＳ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＧＰＳ：相対測位方式）が採用されているが、ＲＴＫ－ＧＰＳ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ＧＰＳ：干渉測位方式）などの他の方式を採用することも可能である。慣性計測モジュール８ｂは、３軸ジャイロセンサ及び３軸加速度センサを含んでいる。

慣性計測モジュール８ｂは、ジャイロセンサや加速度センサを有し、車体１の旋回角度の角速度を検出可能であり、角速度を積分することで車体方位の角度変位を求めることができる。慣性計測モジュール８ｂは、車体１の旋回角度の角速度の他、車体１の左右傾斜角度、車体１の前後傾斜角度の角速度等も計測可能である。慣性計測モジュール８ｂは、運転座席４１の後側下方位置であって車体１の横幅方向中央の低い位置に配置されている。慣性計測モジュール８ｂは衛星測位モジュール８ａと同じ場所に配置されてもよい。

制御装置５は、入出力インタフェースとして、入出力処理部５０を備えている。入出力処理部５０は、状態検出器群７０や種々の人為操作具９０などと接続している。この機能ブロック図では、上述した測位ユニット８は、車載ＬＡＮを介して制御装置５と接続している。報知機器の１つである液晶ディスプレイ４８は、報知ユニット７２に組み込まれている報知制御部７２０からの報知信号に基づいて、種々の情報を表示する。報知ユニット７２は、車載ＬＡＮを介して制御装置５と接続している。

種々のセンサやスイッチなどからなる状態検出器群７０には、走行機器状態検出器７４と作業機器状態検出器７５とが含まれている。走行機器状態検出器７４には、図示されていないが、車速センサ、操舵角センサ、エンジン回転数センサ、ブレーキペダル検出センサ、駐車ブレーキ検出センサ、などの走行状態を検出するセンサが含まれている。作業機器状態検出器７５には、作業装置３０（図１参照）を構成する昇降機構などの各種機構の状態を検出するセンサが含まれている。

人為操作具９０は、運転者によって操作されるレバー、スイッチ、ボタン、ボリュームなど総称であり、その操作によって制御指令が制御装置５に与えられる。

制御装置５には、自車位置算出部８０、走行方位算出部８１、走行制御部５１、作業制御部５２、ティーチング管理部５３、経路設定部５４、車速算出部５５、操舵状態取得部５６、操舵演算ユニット６などが備えられている。

自車位置算出部８０は、測位ユニット８から逐次送られてくる衛星測位データに基づいて、車体１（図１参照）の地図座標（自車位置）を算出する。その際、衛星測位データから直接算出される位置を、車体１の基準点（例えば車体中心や作業装置３０の作業中心の位置）に変換する。走行方位算出部８１は、自車位置算出部８０によって算出された自車位置を経時的に処理して、車体１の前後方向での向きである走行方位を算出する。

走行制御部５１は、操舵制御信号を操舵モータ１４（図１参照）に送り、変速制御信号や制動制御信号を図示されていないトランスミッションなどの走行機器に送る。このトラクタは、自動走行と手動走行とが可能であるので、走行制御部５１には、自動走行制御部５１１と手動走行制御部５１２と走行モード管理部５１３とが含まれている。

自動運転を行うために、自動走行モードが設定され、手動運転を行うためには手動走行モードが設定される。このような走行モードは、走行モード管理部５１３によって管理される。自動走行モードが設定されている場合、自動走行制御部５１１は操舵演算ユニット６から自動操舵データ（目標操舵値）を受け取る。

作業制御部５２は、車体１の走行に伴って作業装置３０の昇降や作業装置３０への動力伝達を制御する。

ティーチング管理部５３は、上述したティーチング走行に基づいて、ティーチング経路ＴＬのデータ（地図座標など）を算出する。経路設定部５４は、図２を用いて説明した手順に基づいて、自動走行の目標となる目標走行経路（この実施形態では直進自動操舵走行のための経路）を設定する。

車速算出部５５は、車速センサからの信号、または経時的な自車位置の変化量に基づいてトラクタの車速を算出する。操舵状態取得部５６は、操舵センサなどの操舵機器の状態を検出する信号に基づいて、トタクタの操舵状態（操舵角など）を取得する。

操舵演算ユニット６は、現状の自車位置から所定走行した後のトラクタの位置である推定自車位置を求め、この推定自車位置に基づいて算出された偏差（位置に関する偏差、または方位に関する偏差、あるいはその両方）に基づいて目標操舵値を算出し、自動走行制御部５１１に出力する。

操舵演算ユニット６は、図４に示されているように、自車位置推定部６１と、偏差算出部６２と、目標操舵値算出部６３とを備えている。自車位置推定部６１は、自車位置算出部８０によって算出された現状の自車位置から、所定走行後の前記自車位置である推定自車位置を算出する。偏差算出部６２は、自車位置推定部６１によって算出された推定自車位置における前記作業車の前記目標走行経路に対する偏差を算出する。目標操舵値算出部６３は、偏差算出部６２によって算出された偏差に基づいて、その偏差が小さくなる目標操舵値を算出する。

自車位置推定部６１が推定自車位置を算出するいくつかの方法を、図５を用いて説明する。図５では、現時点の車体１は、目標走行経路（図５では符号ＴＬが付与されている）に対して紙面右側にずれており、車体１の前後方向での向きを示す走行方位線（図５では符号ＤＬが付与されている）は、目標走行経路に対して斜めとなっている。
（１）車体１の基準点（図５では符号ＢＰが付与されている）を、走行方位線に沿って、予め設定された所定距離だけ走行方向に移動させた位置（図５では符号Ｐ１が付与されている）を推定自車位置とする。
（２）車体１の基準点を、走行方位線に沿って、現時点の車速で予め設定された所定時間だけ移動させた位置（図５では符号Ｐ２が付与されている）を推定自車位置とする。
（３）車体１の基準点を、現時点での操舵情報（操舵角）に基づく予想走行軌跡（図５では点線で示され、符号ＶＬが付与されている）に沿って、予め設定された所定距離だけ走行方向に移動させた位置、つまり所定距離走行した後の位置（図５では符号Ｐ３が付与されている）を推定自車位置とする。
（４）車体１の基準点を、現時点での操舵情報（操舵角）に基づく予想走行軌跡に沿って、現時点の車速で予め設定された所定時間だけ移動させた位置（図５では符号Ｐ４が付与されている）を推定自車位置とする。

自車位置推定部６１は、これらの推定自車位置算出方法またはそれに類似する方法の少なくとも１つを採用する。あるいは、自車位置推定部６１は、複数の推定自車位置算出方法を採用して、そのうちの１つを、人為選択できるように構成してもよいし、トラクタの作業状態に応じて自動的に選択してもよい。さらに、自車位置推定部６１で用いられる所定距離や所定時間も、人為的または自動的に決定されるように構成してもよいし、トラクタの作業状態に応じて自動的に選択されてもよい。自車位置推定部６１は、さらに、推定自車位置における車体１の走行方位である推定走行方位も算出する。

偏差算出部６２は、算出された推定自車位置における車体１の横偏差である推定横偏差と、推定自車位置における車体１の方位偏差である推定方位偏差とを算出する。推定横偏差は、目標走行経路の経路方位に直交する方向での推定自車位置における車体１の基準点から目標走行経路までの距離である。推定方位偏差は、推定走行方位と目標走行経路とがなす角度である。

この実施形態では、偏差算出部６２は、推定横偏差算出部６２１と推定方位偏差算出部６２２と演算器６２３とを備えている。推定横偏差算出部６２１は、推定横偏差を算出する。算出される推定方位偏差は、図５において、符号Δｄ１～Δｄ４で示されている。推定方位偏差算出部６２２は、推定方位偏差を算出する。上記（１）、（２）では、推定走行方位は、現状の車体１の走行方位（図５ではθで示されている）と同じである。上記（３）、（４）では、推定走行方位は、予想走行軌跡上の推定自車位置における走行方位に基づいて算出される。図５では、それぞれ、θ３、θ４で示されている。

演算器６２３は、推定横偏差算出部６２１からの推定横偏差及び推定方位偏差算出部６２２からの推定方位偏差を入力パラメータとして、重み演算などを行い、偏差を出力する。なお、推定横偏差算出部６２１と推定方位偏差算出部６２２のいずれか一方だけが備えられてもよいし、両方を備えて選択して利用するようにしてもよい。

偏差算出部６２から出力された偏差は、入力パラメータとして目標操舵値算出部６３に入力される。なお、目標操舵値算出部６３は、偏差算出部６２から出力される偏差に代えて、推定横偏差と推定方位偏差とを入力パラメータとして利用してもよい。目標操舵値算出部６３は、ＰＩ制御器やＰＩＤ制御器などとして構築することができる。

〔別実施の形態〕
（１）上述した実施形態では、車体の操向は、操舵輪としての前輪１１によって行われ、操舵機器として、操舵モータ１４が用いられていた。操舵方式として、操舵輪に代えてクローラ式の走行装置が用いられた場合は、自動走行制御部５１１によって制御される操舵機器は、左右のクローラの速度を変更する機器である。

（２）上述した実施形態では、目標走行経路が直線で示されていたが、目標走行経路が大きな曲率半径をもつ湾曲線であってもよい。

（３）上述した実施形態では、最初にティーチング走行を実施し、ティーチング走行で得られたティーチング経路に基づいて目標走行経路が設定された。これに代えて、ティーチング走行は行われずに、圃場の形状等から自動的にすべての目標走行経路を生成して設定するような構成を採用してもよい。

（４）図３及び図４で示された各機能部は、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されてもよいし、または複数の機能部に分けられてもよい。さらに、制御装置５に構築された機能部のうち少なくとも一部の機能部は、データ処理端末４に構築されてもよい。

（５）上述した実施形態では、本発明の制御装置はトラクタに搭載されていたが、コンバインや田植機などの圃場作業車に搭載しても、良好な自動走行性能が得られる。

本発明は、目標走行経路に沿って自動走行する作業車のための全てに適用可能である。

１ ：車体
４ ：データ処理端末
８ ：測位ユニット
８ａ ：衛星測位モジュール
８ｂ ：慣性計測モジュール
１１ ：前輪
１２ ：後輪
１３ ：操舵機構
１４ ：操舵モータ
２０ ：運転室
２２ ：ステアリングホイール
３０ ：作業装置
４０ ：タッチパネル

Claims (9)

1. 目標走行経路に沿って自動走行する作業車のための制御装置であって、
   前記作業車の自車位置を算出する自車位置算出部と、
   前記作業車の車体前後方向での走行方位を算出する走行方位算出部と、
   前記作業車の操舵状態を取得する操舵状態取得部と、
   前記自車位置から、所定走行後の前記自車位置である推定自車位置を算出する自車位置推定部と、
   前記目標走行経路の経路方位に直交する方向での前記推定自車位置から前記目標走行経路までの距離を推定横偏差として算出する推定横偏差算出部と、
   前記推定自車位置における前記走行方位である推定走行方位と前記目標走行経路とがなす角度を推定方位偏差として算出する推定方位偏差算出部と、
   前記推定横偏差及び前記推定方位偏差に基づいて目標操舵値を算出する目標操舵値算出部と、
   前記目標操舵値に基づいて操舵制御する自動走行制御部と、を備えた制御装置。
2. 前記作業車の車速を算出する車速算出部が備えられ、
   前記自車位置推定部は、前記作業車が前記走行方位に沿って前記車速で所定時間走行した際の前記作業車の位置を前記推定自車位置として算出する請求項１に記載の制御装置。
3. 前記作業車の車速を算出する車速算出部が備えられ、
   前記自車位置推定部は、前記作業車が前記操舵状態及び前記車速で所定時間走行した際の前記作業車の位置を前記推定自車位置として算出する請求項１に記載の制御装置。
4. 前記所定時間は、ユーザによって選択可能である請求項２又は３に記載の制御装置。
5. 前記所定時間は、前記作業車による作業状態に応じて自動的に決定される請求項２又は３に記載の制御装置。
6. 前記自車位置推定部は、前記走行方位に沿って前記作業車が所定距離走行した際の前記作業車の位置を前記推定自車位置として算出する請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
7. 前記自車位置推定部は、前記操舵状態で前記作業車が所定距離走行した際の前記作業車の位置を前記推定自車位置として算出する請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
8. 前記所定距離は、ユーザによって選択可能である請求項６又は７に記載の制御装置。
9. 前記所定距離は、前記作業車による作業状態に応じて自動的に決定される請求項６又は７に記載の制御装置。

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