JP7101567B2 - 制御システム - Google Patents

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本発明は、相互にデータ交換されるメインECUと複数のサブECUとを用いて作業車両を制御する制御システムに関する。
近年、CANなどの車載LANを用いて複数の電子制御ユニット間でデータ交換を行いながら機器制御する制御システムが作業車両に採用されている。電子制御ユニットは、単にECUと略称され、マイクロプロセッサやIOインターフェースを有するコンピュータシステムである。
例えば、特許文献1には、CAN通信バスで接続された複数のコントローラ(ECU)がエンジンや作業機といった制御対象部に接続されており、各コントローラにインストールされている制御プログラムに基づいて各制御対象部に対する制御処理が実行されるトラクタのための制御システムが開示されている。
特開2010-260441号公報
コンバインやトラクタなどの農作業車両では、それぞれが専用のECUによって制御される機器が数個から数十個備えられている。このため、車両全体の適正な制御のためには、これらの専用のECU(一般にサブECUと呼ばれる)の制御を管理する、メインECUと呼ばれるECUが必要となる。メインECUは、サブECUの基本的な制御仕様を一元管理するために、車両の始動時(キースイッチON時)に、初期設定に必要な初期設定データを各サブECUに送信する機能も有する。このような初期設定データには、エンジンを始動させてもよいかどうかを判定するための条件設定データも含まれているので、エンジン始動に関係するサブECUの初期設定が終了しない限り、エンジンは始動できない。したがって、サブECUへの初期設定データの送信にかかる時間が、キースイッチONから実際にエンジンが始動するまでの遅れ時間にほぼ相当することになる。従来の作業車両におけるメインECUでは、メインECUを構成するマイクロプロセッサの基本処理時間(単位処理クロック)毎に1つの初期設定データを送信する送信処理が採用されていた。この場合、送信すべき初期設定データの数が多い場合、あるいは、マイクロプロセッサの基本処理時間が長い(処理時間が遅い)場合、その遅れ時間が無視できないものとなる。
上記実情に鑑みて、本発明の目的は、作業車両の起動時に、メインECUからサブECUに送られる初期設定データの転送時間を短くし、エンジン始動の遅れを少なくすることである。
本発明による作業車両のための制御システムは、エンジンを始動させるエンジン始動スイッチと、基本処理時間単位でデータ処理を行って車両を制御するメインECUと、前記作業車両に搭載された機器を制御する複数のサブECUと、前記メインECUと前記サブECUとに組み込まれ、前記メインECUと前記サブECUとの間のデータ交換を行うCANコントローラとを備えている。さらに、前記メインECUは、前記エンジン始動スイッチからの信号をトリガーとして前記エンジンを始動するように構成され、かつ前記エンジンを始動する前に、初期設定データ群を前記サブECUに送信する初期設定処理として前記基本処理時間内に前記初期設定データ群から選択された複数の初期設定データを前記メインECUの前記CANコントローラに与え、前記基本処理時間内において、前記メインECUの前記CANコントローラは、受け取った前記複数の初期設定データを複数のデータフレームに振り分けて、前記サブECUにマルチキャストする。
この構成では、メインECUの基本処理時間(処理クロック)の間に複数の初期設定データが順次CANコントローラに与えられるので、従来のように基本処理時間の間に1つの初期設定データだけがCANコントローラに与えられる方式に比べて、初期設定データ群の全てが迅速にCANコントローラに与えられる。CANコントローラによって制御されるCANのデータ通信(データフレームのマルチキャスト)は、メインECUの基本処理時間などに比べて圧倒的に短い処理クロックで行われるので、CANコントローラに与えられてデータフレーム化された初期設定データは、滞留することなく、マルチキャストされ、各サブECUに受信される。その結果、作業車両の起動時に、メインECUからサブECUへの初期設定データ群の転送時間が短くなり、エンジン始動の遅れが抑制される。
CANフォーマットでデータ送信を行う場合、各データフレームにはCAN-IDが必要である。このため、前記メインECUの前記CANコントローラは、前記複数の初期設定データを異なるCAN-IDを有する複数の前記データフレームに振り分ける。ただし、次のメインECUの基本処理時間において送信される複数の初期設定データは、今回の送信に用いられた複数の異なるCAN-IDをそのまま流用して生成されるデータフレームに割り当てることが可能である。つまり、前記メインECUの前記CANコントローラは、後続の前記基本処理時間においては、前記複数の初期設定データに対して、先行の前記基本処理時間において用いられた同じ前記CAN-IDを用いることができる。これにより、メインECUの基本処理時間毎にCAN-IDを作成する必要がなくなる。
作業車両を適切に始動するためには、エンジン機器やトランスミッション機器などを管理している種々のサブECUの機器動作制御が必要である。対応するサブECUによる各機器動作制御は、初期設定データに基づく初期設定処理の後に実行可能となる。したがって、メインECUが各サブECUとの間で制御データの交換を行うためには、サブECUの初期設定処理が終了していることが前提となる。このため、本発明の好適な実施形態の1つでは、前記サブECUのそれぞれが、必要とする全ての前記初期設定データを受信すると、受信完了フラグを前記メインECUに前記CANコントローラを介して送信する。次いで、前記メインECUは、全ての前記サブECUから前記受信完了フラグを受信すると、前記サブECUに初期設定データ送信完了フラグをマルチキャストする。さらに、前記サブECUは、前記初期設定データ送信完了フラグを受信すると、通常データ送信モードに復帰して制御データを前記メインECUに前記CANコントローラを介して送信する。この構成によれば、各サブECUは、自己の初期設定処理のための初期設定データの受信が終了すると、その旨をメインECUに送信する。メインECUは、全てのサブECUから初期設定データの受信終了を示す受信完了フラグを受け取ると、全てのサブECUに初期設定データ送信完了フラグを送信し、通常データ送信モードでのサブECUとの制御データのデータ交換を開始する。
メインECUは、サブECUから制御データを受け取らないと、作業車両の全体的な動作制御を管理することができない。例えば、トランスミッションを制御しているサブECUからトランスミッションが中立状態であるとの制御データを受け取らないと、エンジン始動を許可しない。このため、初期設定データ送信完了フラグを何らかのエラーにより受信しなかったサブECUが、制御データをメインECUに送信しなかった場合、エンジン始動ができないか、あるいはエンジン始動が無視できない程度まで遅延するという問題が生じる。このような問題を抑制するため、本発明の好適な実施形態の1つでは、前記サブECUは所定時間以内に前記初期設定データ送信完了フラグを受信しなかった場合、前記通常データ送信モードに復帰して、前記メインECUに前記制御データを送信する。
メインECUから各サブECUへの初期設定データの送信(マルチキャスト)は、エンジン始動の遅れなどを回避するために、メインECUの基本処理時間毎に複数の初期設定データをCANコントローラに与えるという特別な送信処理によって行われた。そのような初期設定データの送受信の後に行われるの制御データの送信は、処理速度的には、基本処理時間に1つの送信用データをCANコントローラに与える送信処理(通常データ送信モード)で十分である。したがって、通常データ送信モードでは、基本処理時間に1つの送信用データをCANコントローラに与える送信処理が用いられる。
コンバインの右側面図である。 コンバインの制御系の構成を示す機能ブロック図である。 初期設定処理における制御の流れを示すフローチャートである。 初期設定処理におけるメインECUからサブECUへの初期設定データの送信を示すチャートである。
本発明による制御システムを採用した作業車両の実施形態の1つを図面に基づき説明する。この作業車両は、図1に示すように、普通型のコンバインである。このコンバインは、刈取部11と、搬送装置12と、キャビン13と、脱穀装置14と、穀粒タンク15と、穀粒排出装置16とを備えている。刈取部11は、圃場の植立穀稈を刈り取る切断装置21と、リール22と、刈取穀稈を機体横幅方向に横送りするオーガ23とを備えている。脱穀装置14は、搬送装置12の後方に位置している。また、穀粒タンク15は、脱穀装置14の右側に位置している。キャビン13の内部には、運転部17が形成されている。運転部17には、運転座席18に着座した運転者によって操作される各種操作具が配置されている。
刈取部11は、切断装置21によって圃場の植立穀稈を刈り取る。刈取穀稈はオーガ23によって機体横断方向に搬送装置12の前方まで移送され、搬送装置12に掻き込まれる。搬送装置12は、刈取穀稈の全稈を機体後方に向けて搬送して脱穀装置14に送り込む。脱穀装置14は、受け入れた刈取穀稈を脱穀処理する。脱穀処理により得られた穀粒は、穀粒タンク15に収容される。穀粒タンク15に貯留された穀粒は、必要に応じて、穀粒排出装置16によって機外に排出される。
このコンバインは、左右一対のクローラ機構を有する走行装置20を備えている。また、キャビン13の内部に形成されている運転部17に配置された運転座席18の下方に、エンジン4が配置されている。走行装置20は、エンジン4からの動力により駆動する。
図2の機能ブロック図には、このコンバインの制御システムと動力伝達経路とが模式的に示されている。エンジン4と走行装置20との間の走行動力伝達経路には、無段変速装置を含むトランスミッション40が介在している。エンジン4には、エンジン駆動に用いられるエンジン機器90、エンジン状態を検出するエンジン状態センサ80が含まれている。トランスミッション40には、無段変速装置の変速位置を操作する変速機器を含む走行用機器91、変速位置を検出するセンサや回転速度(車速)を検出する速度センサを含む走行用センサ81が含まれている。もう1つの動力伝達経路である作業動力伝達経路は、刈取部11、脱穀装置14、穀粒排出装置16などにエンジン4からの動力を伝達する。刈取部11には、刈取り作業に関する刈取り用機器92、刈取り作業における各種状態を検出する刈取り用センサ82が含まれている。脱穀装置14には、脱穀作業に関する脱穀用機器93、脱穀作業における各種状態を検出する脱穀用センサ83が含まれている。穀粒排出装置16には、穀粒排出作業に関する穀粒排出用機器94、穀粒排出作業における各種状態を検出する穀粒排出用センサ84が含まれている。
制御系は、実質的に、メインECUと、複数のサブECUと、これらのECUをデータ交換可能に接続する車載LANとから構成されている。図2に示すように、この実施形態では、車両制御ユニット7が基本処理時間単位でデータ処理を行って車両制御を管理するメインECUとして構成されている。エンジンユニット60、走行ユニット61、刈取ユニット62、脱穀ユニット63、排出ユニット64、報知ユニット65、操作ユニット30が、サブECUとして構成されている。メインECUと各サブECUとの間及び各サブECUの間は、車載LANでデータ交換可能に接続されている。
操作ユニット30は、運転者によって操作されるスイッチ、レバー、ボタン等の操作具の操作量や操作状態を信号化して、他のサブECUや車両制御ユニット7に転送する。図2では、操作具として、走行操作具31、作業操作具32、エンジン始動スイッチであるキースイッチ33が示されている。エンジンユニット60は、車両制御ユニット7と連係して、エンジン4への燃料供給量等を調節して、所定のエンジン回転数あるいは所定のトルクでエンジン4を駆動させる制御を行う。走行ユニット61は、走行用センサ81からの信号を利用して、トランスミッション40などの走行用機器91の制御を行う。刈取ユニット62は、刈取り用センサ82からの信号を利用して、刈取部11に付属する刈取り用機器92の制御を行う。脱穀ユニット63は、脱穀用センサ83からの信号を利用して、脱穀装置14に付属する脱穀用機器93の制御を行う。排出ユニット64は、穀粒排出用センサ84からの信号を利用して、穀粒排出装置16に付属する穀粒排出用機器94の制御を行う。報知ユニット65は、このコンバインに生じている各種事象を運転者や監視者に報知デバイス95を通じて報知する。報知デバイス95は、ランプ、ブザー、スピーカ、ディスプレイなどの総称である。
車載LANには、CAN(Controller Area Network)プロトコルが採用されている。このため、メインECU及びサブECUには、CANコントローラ(図2では単にCANと示されている)5が付属している。
車両制御ユニット7には、走行管理部71、作業管理部72、通信管理部73、初期設定データ管理部74などが含まれており、サブECUを管理するとともに、コンバインの作業走行を制御する。走行管理部71は、走行ユニット61などの走行に関するサブECUと連係して、コンバインの走行に関する制御を管理する。作業管理部72は、刈取ユニット62や脱穀ユニット63などの作業装置に関するサブECUと連係して、コンバインの作業に関する制御を管理する。なお、操作ユニット30との間の信号処理を行っているサブECUも、メインECUや他のサブECUとの間でデータ交換を管理する。通信管理部73は、CANコントローラ5との間のデータ転送や、無線LANなどのその他の通信プロトコルを用いたデータ交換を管理する。
キースイッチ33がONされ、サブECUが給電されると、メインECUは、サブECUを初期化するために必要な初期設定データをサブECUにCANコントローラ5を介して送信する。初期設定データには、各機器の初期設定値、動作機器のホームポジション位置、各種制御しきい値、センサの不感帯領域値、揺動機構の揺動範囲、昇降機構の上昇制限値、昇降機構の下降制限値、エンジン回転数上限値、エンジン定格回転数などが含まれている。サブECUを初期化する初期設定処理では、以下に述べる特別なデータ送信モードが用いられるが、この初期設定処理が終了すると、通常データ送信モードに復帰し、車両制御ユニット7と各サブECUとの間の制御データの交換が行われる。
以下、特別なデータ送信モードによる初期設定処理の一例が、図3と図4とを用いて説明される。図3には、キースイッチ33の操作による信号をトリガーとして実行される初期設定処理における、メインECU(車両制御ユニット7)、CANコントローラ5、サブECU(エンジンユニット60、走行ユニット61、刈取ユニット62、など)の制御の流れが示めされている。図4には、初期設定処理において、メインECUから初期設定データがCANコントローラ5を介してサブECUに送信(マルチキャスト)される様子が模式的に示されている。
キースイッチ33が、OFF位置からON位置を経てIG位置(イグニッション位置)に操作されると(#11Yes分岐)、サブECUやコンバインに搭載されている機器が給電される(#12)。これにより初期設定処理が開始される。
図4に示されているように、サブECUで用いられる初期設定データは、メインECUに、初期設定データ群として格納されている。この実施形態では、メインECUの基本処理時間内で、つまりメインECUの処理クロック毎に複数(この実施形態では4つ)の初期設定データがサブECUへ送信される。その際、基本処理時間内に送信される4つの初期設定データのデータフレームにはそれぞれ異なるCAN-IDが付与され、CANコントローラ5によって全サブECUにマルチキャストされる。
メインECUは、次の処理クロック(基本処理時間の経過)を待って、処理タイミングがOKとなれば(#21Yes分岐)、初期設定データの送信処理を行う。基本処理時間内で4つの初期設定データを行うための個数管理のためにカウント値:Nに0を代入する(#22)。基本処理時間内で送信される4つの初期設定データには各初期設定データのために作成されたCAN-IDが設定される(#23)。初期設定群から1つの初期設定データが選択されて読み込まれ、その初期設定データのためのCAN-IDが付与され(#24)。メインECUは、このCAN-IDによって規定されるデータフレームに初期設定データが書き込まれ、サブECUへ送信されるように、CANコントローラ5に依頼する(#25)。
初期設定データ群の中に未送信の初期設定データが残っていないかどうかチェックされ(#26)、未送信データが有れば(#26Yes分岐)、カウント値:Nをインクリメントする(#27)。カウント値:Nが4に達していなければ、ステップ#23にジャンプして、異なるCAN-IDが設定され、この基本処理時間内での次の初期設定データの送信依頼が行われる(#24、#25)。カウント値:Nが4に達しておれば、基本処理時間内で4つの初期設定データの送信依頼が行われたことになるので、ステップ#21にジャンプし、次の処理クロックを待って、次の4つの初期設定データの送信が行われる(#22~#28)。なお、この実施形態では、この次の処理クロックにおいて用いられるCAN-IDは、最初の処理クロックにおいて用いられた4つのCAN-IDが流用される。
図4で模式的に示されているように、CANコントローラ5は、依頼された初期設定データの送信を、異なるCAN-IDを有する複数のデータフレームに振り分けて、マルチキャストを用いて全サブECUに送信する(図3における#a1)。サブECUは、マルチキャストされてきた初期設定データを含むデータフレームをメモリに格納する。初期設定データ群には、各サブECUの初期化に用いられる初期設定データが含まれている。したがって、各サブECUは、受け取った初期設定データが自分の初期化に用いられるものであれば、当該初期設定データを用いて、初期設定を行い、受け取った初期設定データが自分の初期化に用いられないものであれば、無視する。図4に示すように、処理クロック毎に行われる初期設定データのマルチキャストには、同じCAN-ID群が用いられている。
図3に示されているように、順次、初期設定データがメインECUから全サブECUへ送信され(#a1)、全サブECUによって受信されていく(#a2)。各サブECUは、自分の初期化に必要な全ての初期設定データの受信が完了したかどうかチェックし(#a3)、全ての初期設定データの受信が完了した段階で(#a3Yes分岐)、受信完了フラグをメインECUに送信する(#b1、#b2)。
ステップ#26のチェックで、初期設定データ群の中に未送信の初期設定データが残っていない場合(#26No分岐)、全ての初期設定データの送信が完了したことになるので、メインECUは全てのサブECUからの受信完了フラグが受信されるのを待つ(#30)。全てのサブECUからの受信完了フラグが受信されると(#30Yes分岐)、メインECUはサブECUへの初期設定データ送信完了フラグの送信を依頼する(#31)。
メインECUからの初期設定データ送信完了フラグの送信依頼に応答して、CANコントローラ5からサブECUに初期設定データ送信完了フラグがマルチキャストされる(#c1)。各サブECUは、初期設定データ送信完了フラグを受信するか(#c2Yes分岐)、あるいは、初期設定データ送信完了フラグを受信しなくても(#c2No分岐)所定時間経過すれば(#c21Yes分岐)、初期設定処理を終了させる(#c3)。次いで、通常の制御処理が実行され、制御データがメインECUに送信される(#c4、#c5)。送信される制御データには、トランスミッション40の変速位置が中立であることや作業装置がOFFであることを示すデータが含まれている。
メインECUは、初期設定データ送信完了フラグを送信することで、初期設定処理が終了し、通常データ送信モードに戻って制御処理が実行される(#32)。この制御処理において、メインECUはサブECUからの制御データを受信する(#33)。このフローチャートでは、ステップ#11において、キースイッチ33がIG位置に操作されているので、エンジン始動のために設定されている条件が満たされ、エンジン始動が許可可能であるかどうかチェックされる(#34)。エンジン始動条件には、例えば、「トランスミッション40の変速位置が中立である」や「作業装置がOFF状態である」が含まれている。サブECUから送信されてきた制御データから、エンジン始動条件が満たされ、エンジン始動が許可されると(#34Yes分岐)、エンジン4が始動される(#35)。以後、メインECUとサブECUがデータ交換しながら、コンバインの作業走行が実施される。
〔別実施形態〕
(1)上述した実施形態では、メインECUの基本処理時間内において、CANコントローラ5に与える初期設定データは4つであったが、4つ以外でもよい。
(2)本発明では、メインECUとサブECUとの間のデータ交換がCANプロトコルで行われることが前提とされているが、このCANなる用語は、CANに類似する車載LANプロトコルを含むものであり、CANは狭義に解釈されるべきではない。
(3)上述した実施形態におけるサブECUの割り当ては一例であり、作業車両を構成する種々の構成要素に合わせて、その割り当てを変更することができる。
本発明は、普通型コンバインの他、自脱型コンバイン、トウモロコシ収穫機(粒とり)などの収穫機、さらには、トラクタや田植機などにも適用できる。
4 :エンジン
5 :CANコントローラ
7 :車両制御ユニット
33 :キースイッチ(エンジン始動スイッチ)
40 :トランスミッション
60 :エンジンユニット
61 :走行ユニット
62 :刈取ユニット
63 :脱穀ユニット
64 :排出ユニット
65 :報知ユニット
71 :走行管理部
72 :作業管理部
73 :通信管理部
80 :エンジン状態センサ
81 :走行用センサ
82 :刈取り状態センサ
83 :脱穀状態センサ
84 :穀粒排出状態センサ
90 :エンジン機器
91 :走行用機器
92 :刈取り機器
93 :脱穀機器
94 :排出機器
95 :報知デバイス

Claims (6)

  1. 作業車両のための制御システムであって、
    エンジンを始動させるエンジン始動スイッチと、
    基本処理時間単位でデータ処理を行って車両を制御するメインECUと、
    前記作業車両に搭載された機器を制御する複数のサブECUと、
    前記メインECUと前記サブECUとに組み込まれ、前記メインECUと前記サブECUとの間のデータ交換を行うCANコントローラと、を備え、
    前記メインECUは、前記エンジン始動スイッチからの信号をトリガーとして前記エンジンを始動するように構成され、かつ前記エンジンを始動する前に、初期設定データ群を前記サブECUに送信する初期設定処理として前記基本処理時間内に前記初期設定データ群から選択された複数の初期設定データを前記メインECUの前記CANコントローラに与え、
    前記基本処理時間内において、前記メインECUの前記CANコントローラは、受け取った前記複数の初期設定データを複数のデータフレームに振り分けて、前記サブECUにマルチキャストする制御システム。
  2. 前記メインECUの前記CANコントローラは、前記複数の初期設定データを異なるCAN-IDを有する複数の前記データフレームに振り分ける請求項1に記載の制御システム。
  3. 前記メインECUの前記CANコントローラは、後続の前記基本処理時間においては、前記複数の初期設定データに対して、先行の前記基本処理時間において用いられた同じ前記CAN-IDを用いることができる請求項2に記載の制御システム。
  4. 前記サブECUのそれぞれが、必要とする全ての前記初期設定データを受信すると、受信完了フラグを前記メインECUに前記CANコントローラを介して送信し、
    前記メインECUは、全ての前記サブECUから前記受信完了フラグを受信すると、前記サブECUに初期設定データ送信完了フラグをマルチキャストし、
    前記サブECUは、前記初期設定データ送信完了フラグを受信すると、通常データ送信モードに復帰して制御データを前記メインECUに前記CANコントローラを介して送信する請求項1から3のいずれか一項に記載の制御システム。
  5. 前記サブECUは、所定時間以内に前記初期設定データ送信完了フラグを受信しなかった場合、前記通常データ送信モードに復帰して、前記メインECUに前記制御データを送信する請求項に記載の制御システム。
  6. 前記通常データ送信モードでは、前記メインECUは、前記基本処理時間に1つの送信用データを前記CANコントローラに与える請求項またはに記載の制御システム。
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