JP7206099B2 - Control device for self-driving work vehicle - Google Patents
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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。 The present invention relates to a control device for a work vehicle that automatically travels along a target travel route.
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、車体前側部分から目標点までの距離は、車体前側部分から目標走行経路に下ろした垂線の長さ(横偏差)が大きいほど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横偏差及び目標走行経路に対する方位偏差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、第1操舵値と第2操舵値とから目標操舵値が演算される。第1操舵値は、横偏差に基づいて演算される。第2操舵値は、方位偏差に基づいて導出された演算値を、さらに重み係数によって調整して得られる値に基づいて演算される。この重み係数は、横偏差が大きいほどその値が小さくなる係数である。
特許文献1による作業車では、車体が目標走行経路から横方向に大きく外れている場合には、大きな操舵角で位置ずれが解消され、車体が目標走行経路から横方向に小さく外れている場合には、小さな操舵角で位置ずれが解消される。大きな操舵角を用いることで、位置ずれは迅速に解消されるが、作業地を走行装置(車輪やクローラ)によって荒らしてしまうという問題が生じる。特に、作業地が圃場などの場合、この問題は深刻である。
In the work vehicle according to
特許文献2による作業車では、横偏差が大きい場合には、方位偏差をある程度無視して、横偏差の解消に重きをおいた目標操舵値が出力される。このため、この作業車でも横偏差が大きい場合には、大きな操舵角が用いられることになり、作業地を走行装置(車輪やクローラ)によって荒らしてしまうという、特許文献1による作業車と同様な問題が生じる。
In the vehicle according to
上記実情から、目標走行経路から外れた自動走行作業車を元に戻すための改善された制御装置が要望されている。 In view of the above circumstances, there is a need for an improved control system for returning an autonomous vehicle that has deviated from its intended travel path.
自車が目標走行経路上の推定目標点に向かうように走行方向が調節されると、作業車の目標走行経路からの位置ずれは縮小される。このことから、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、所定時間後の前記目標走行経路における推定目標点を算出する目標点推定部と、前記推定目標点と前記自車位置との間の偏差を解消する補正方位を演算する補正方位演算ユニットと、前記補正方位を入力パラメータとして、前記偏差が縮小されるように前記作業車の走行方向を変更するための制御量を出力する制御演算ユニットとを備え、前記推定目標点と前記自車位置とを通る直線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、前記補正方位演算ユニットは、前記推定方位偏差を入力パラメータとして第1補正方位を出力する第1制御器を備え、前記第1補正方位に基づいて前記補正方位が演算される。When the traveling direction is adjusted so that the own vehicle moves toward the estimated target point on the target traveling route, the positional deviation of the work vehicle from the target traveling route is reduced. Therefore, in order to solve the above problem, a control device for a work vehicle that automatically travels along a target travel route includes a vehicle position calculation unit that calculates the vehicle position of the work vehicle, and A target point estimating unit that calculates an estimated target point on the target travel route, a corrected azimuth calculation unit that calculates a corrected azimuth that eliminates the deviation between the estimated target point and the vehicle position, and inputs the corrected azimuth. a control operation unit that outputs, as a parameter, a control amount for changing the traveling direction of the work vehicle so as to reduce the deviation; An estimated heading deviation calculating section is provided for calculating an angle formed with the traveling route as an estimated heading deviation, and the corrected heading calculation unit includes a first controller for outputting a first corrected heading using the estimated heading deviation as an input parameter. , the corrected orientation is calculated based on the first corrected orientation.
この構成では、作業車を目標走行経路に沿って走行させる制御を行う際に、まずは、所定時間後に目標走行経路上の制御目標点となると推定される推定目標点が算出され、その推定目標点と自車位置との間の偏差が縮小される制御量が演算され、出力される。出力された制御量によって、車輪やクローラなどの操向機器が駆動される。作業車を目標走行経路に沿って走行させる制御を行う際には、所定時間後の目標走行経路上での作業車の位置、つまり現状の自車位置より進行方向に離れた目標走行経路上の位置、が推定目標点となる。このため、当該所定時間が長くなるほど、推定目標点に対する車体方位(車体前後方向の向き)のずれは小さくなり、操向機器を駆動する制御量は小さくなる。この所定時間を、この制御装置を搭載する作業車に応じて適切に設定することにより、作業車に適した操舵制御が実現する。 In this configuration, when performing control to cause the work vehicle to travel along the target travel route, first, an estimated target point that is estimated to become a control target point on the target travel route after a predetermined time is calculated, and the estimated target point is calculated. and the position of the vehicle is calculated and output. Steering devices such as wheels and crawlers are driven by the output control amount. When controlling the work vehicle to travel along the target travel route, the position of the work vehicle on the target travel route after a predetermined time, that is, the position of the work vehicle on the target travel route away from the current position of the vehicle in the traveling direction. position is the estimated target point. Therefore, the longer the predetermined time, the smaller the deviation of the vehicle body orientation (orientation in the longitudinal direction of the vehicle body) from the estimated target point, and the smaller the control amount for driving the steering device. By appropriately setting this predetermined time according to the work vehicle on which this control device is mounted, steering control suitable for the work vehicle is realized.
本発明の制御における、適切な所定時間は、作業車の種類によって異なり、さらに、作業地における作業車走行面の状態、作業車の走行状態など種々の条件によって異なる可能性がある。このような作業車の種類、作業状態、圃場状態などを、ここでは作業車の状態と総称するとすれば、前記所定時間は、前記作業車の状態によって変更されることが好ましい。もちろん、作業車に対して運転者が設定した操作機器の状態に基づいて自動的に前記所定時間が設定されてもよい。 The appropriate predetermined time in the control of the present invention varies depending on the type of work vehicle, and may also vary depending on various conditions such as the state of the work vehicle running surface on the work site and the running state of the work vehicle. If the type of work vehicle, working condition, field condition, and the like are collectively referred to as the condition of the work vehicle, it is preferable that the predetermined time is changed according to the condition of the work vehicle. Of course, the predetermined time may be automatically set based on the state of the operation device set by the driver for the work vehicle.
推定方位偏差が大きいほど車体の走行方向を変更するための制御量も大きくなる。したがって、この制御をスムーズに行うために、前記第1制御器は比例制御器で構成されることが好ましい。 The greater the estimated heading deviation, the greater the control amount for changing the traveling direction of the vehicle body. Therefore, in order to perform this control smoothly, it is preferable that the first controller is composed of a proportional controller.
推定方位偏差だけを入力パラメータとして車体の走行方向を変更するための補正方位を演算するよりは、目標走行経路の左右方向での車体と目標走行経路との距離(横偏差と称する)も入力パラメータとして車体の走行方向を変更するための補正方位を演算する方が、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。このため、本発明の好適な実施形態の1つでは、前記目標走行経路の経路方位に直交する方向での前記自車位置から前記目標走行経路までの距離を横偏差として算出する横偏差算出部が備えられ、前記補正方位演算ユニットは、前記横偏差を入力パラメータとして第2補正方位を出力する第2制御器を備え、前記第1補正方位と前記第2補正方位とに基づいて、前記補正方位が演算される。 Rather than using only the estimated heading deviation as an input parameter to calculate a corrected heading for changing the running direction of the vehicle body, the distance between the vehicle body and the target running path in the lateral direction of the target running path (lateral deviation) is also an input parameter. , the vehicle body that has deviated from the target travel route can be returned appropriately. For this reason, in one preferred embodiment of the present invention, a lateral deviation calculator for calculating a distance from the vehicle position to the target travel route in a direction orthogonal to the direction of the target travel route as a lateral deviation. wherein the corrected azimuth calculation unit includes a second controller that outputs a second corrected azimuth using the lateral deviation as an input parameter, and based on the first corrected azimuth and the second corrected azimuth, the corrected A bearing is calculated.
横偏差に基づく車体の走行方向を変更するための補正方位を求める際に、単純な比例演算を用いると、横偏差が大きい場合、演算結果としての補正方位が大きくなり過ぎることがある。この問題を避けるため、本発明の好適な実施形態の1つでは、前記第2制御器は積分制御器で構成されることが好ましい。 If a simple proportional calculation is used to obtain a corrected bearing for changing the running direction of the vehicle body based on the lateral deviation, the calculated corrected bearing may become too large if the lateral deviation is large. To avoid this problem, in one preferred embodiment of the invention, said second controller preferably consists of an integral controller.
車体の走行方向を変更する場合、その車体の挙動は、車速によって異なる。高い車速での走行方向の大きな変更は避ける必要がある。このため、車速が大きいほど、推定目標点が、車体から遠ざかることが好ましい。このことから、本発明の好適な実施形態の1つでは、前記作業車の車速を算出する車速算出部が備えられ、前記目標点推定部は、前記自車位置から前記目標走行経路への射影点を出発点として、前記目標走行経路を前記車速で前記所定時間移動した点の位置を前記推定目標点とする。これにより、車速が高いほど、推定目標点は車体から走行方向に離れることになる。上記射影点という語句は、厳密には、ある点から目標走行経路に垂線を下ろしたときの垂線と直線との交点であるが、ここでは、ある点から目標走行経路に対して垂線を下すのではなく、目標走行経路に対して垂直ではなくてやや傾きをもって下した線と目標走行経路との交点も射影点に含めるものとする。 When changing the traveling direction of the vehicle body, the behavior of the vehicle body differs depending on the vehicle speed. Large changes in direction of travel at high vehicle speeds should be avoided. Therefore, it is preferable that the estimated target point moves away from the vehicle body as the vehicle speed increases. For this reason, in one of the preferred embodiments of the present invention, a vehicle speed calculation unit for calculating the vehicle speed of the working vehicle is provided, and the target point estimation unit projects the position of the vehicle onto the target travel route. The point is set as the starting point, and the position of the point after moving along the target travel route at the vehicle speed for the predetermined time is set as the estimated target point. As a result, the higher the vehicle speed, the farther the estimated target point is from the vehicle body in the running direction. Strictly speaking, the term "projection point" refers to the point of intersection between a perpendicular line drawn from a certain point and a straight line. Instead, the points of intersection between a line that is not perpendicular to the target travel route but slightly inclined and the target travel route are included in the projection points.
車体の走行方向を変更する場合、その時の車体の向きである車体方位も考慮すれば、目標走行経路から外れた車体は、より適切に目標走行経路に戻ることができる。このことから、本発明の好適な実施形態の1つでは、車体の向きを示す車体方位を算出する車体方位算出部が備えられ、前記制御演算ユニットは、さらに前記車体方位を入力パラメータとして用いる。 When changing the traveling direction of the vehicle body, the vehicle body direction, which is the orientation of the vehicle body at that time, is also taken into consideration, so that the vehicle body that has deviated from the target traveling route can more appropriately return to the target traveling route. For this reason, in one of the preferred embodiments of the present invention, a vehicle body orientation calculation section is provided for calculating a vehicle orientation indicating the orientation of the vehicle body, and the control operation unit further uses the vehicle orientation as an input parameter.
これまでの本発明の説明では、推定目標点は、所定時間後の作業車の位置を考慮して、算出されている。車速に所定時間をかけることで、所定時間での作業車の移動距離は得られる。コンバインや田植機などの圃場を走行する作業車では、作業時の車速はそれほど大きくないので、おおよその車速が前もって決められていれば、所定時間で作業車が移動する距離も前もって算出できる。つまり、目標点推定部は、前もって設定されている所定距離を出発点に加算するだけで推定目標点を算出することも可能である。このことを利用した、本発明による、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、前記自車位置から前記目標走行経路への射影点から前記目標走行経路上で前記作業車の走行方向側に所定距離離れた位置を推定目標点として算出する目標点推定部と、前記推定目標点と前記自車位置との間の偏差を解消する補正方位を演算する補正方位演算ユニットと、前記補正方位を入力パラメータとして、前記偏差が縮小されるように前記作業車を制御するための制御量を出力する制御演算ユニットと、を備え、前記推定目標点と前記自車位置とを通る直線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、前記補正方位演算ユニットは、前記推定方位偏差を入力パラメータとして第1補正方位を出力する第1制御器を備え、前記第1補正方位に基づいて前記補正方位が演算される。この構成の制御装置も、実質的に上述した作用効果と同じ作用効果を得ることができる。 In the description of the present invention so far, the estimated target point is calculated in consideration of the position of the work vehicle after a predetermined period of time. By multiplying the vehicle speed by a predetermined time, the moving distance of the work vehicle in the predetermined time can be obtained. A work vehicle such as a combine or a rice transplanter that travels in a field does not operate at a very high speed during work, so if the approximate vehicle speed is determined in advance, the distance traveled by the work vehicle in a predetermined time can also be calculated in advance. In other words, the target point estimating section can also calculate the estimated target point simply by adding a predetermined distance set in advance to the starting point. A control device for a work vehicle that automatically travels along a target travel route according to the present invention, which utilizes this fact, comprises a vehicle position calculation unit that calculates the vehicle position of the work vehicle, and from the vehicle position: a target point estimating unit that calculates, as an estimated target point, a position that is a predetermined distance away from a projection point onto the target travel route in the traveling direction of the work vehicle on the target travel route; and the estimated target point and the vehicle position. and a control calculation that outputs a control amount for controlling the work vehicle so as to reduce the deviation, using the corrected orientation as an input parameter. and an estimated heading deviation calculation unit for calculating an angle between the target travel route and a straight line passing through the estimated target point and the vehicle position as an estimated heading deviation, wherein the corrected heading calculation unit comprises: and a first controller for outputting a first corrected heading using the estimated heading deviation as an input parameter, wherein the corrected heading is calculated based on the first corrected heading. The control device having this configuration can also obtain substantially the same effects as those described above.
次に、本発明による制御装置を搭載した自動走行可能な作業車の一例として、普通型のコンバインが取り上げられ、説明される。なお、本明細書では、特に断りがない限り、「前」(図1に示す矢印Fの方向)は車体前後方向(走行方向)に関して前方を意味し、「後」(図1に示す矢印Bの方向)は車体前後方向(走行方向)に関して後方を意味する。また、左右方向または横方向は、車体前後方向に直交する車体横断方向(車体幅方向)を意味する。「上」(図1に示す矢印Uの方向)及び「下」(図1に示す矢印Dの方向)は、車体10の鉛直方向(垂直方向)での位置関係であり、地上高さにおける関係を示す。
Next, as an example of an automatically traveling work vehicle equipped with the control device according to the present invention, an ordinary combine harvester will be taken up and explained. In this specification, unless otherwise specified, "front" (the direction of arrow F shown in FIG. 1) means the front with respect to the longitudinal direction of the vehicle body (running direction), and "rear" (the direction of arrow B shown in FIG. 1). direction) means the rear with respect to the vehicle longitudinal direction (running direction). Further, the left-right direction or the lateral direction means a vehicle transverse direction (vehicle width direction) perpendicular to the vehicle longitudinal direction. "Up" (direction of arrow U shown in FIG. 1) and "down" (direction of arrow D shown in FIG. 1) are positional relationships in the vertical direction (vertical direction) of the
図1に示すように、このコンバインは、車体10、クローラ式の走行装置11、運転部12、脱穀装置13、収穫物タンクとしての穀粒タンク14、収穫部15、搬送装置16、穀粒排出装置18、自車位置検出ユニット80を備えている。
As shown in FIG. 1, the combine includes a
走行装置11は、車体10の下部に備えられている。コンバインは、走行装置11によって自走可能に構成されている。運転部12、脱穀装置13、穀粒タンク14は、走行装置11の上方に備えられている。運転部12には、コンバインを運転する運転者及びコンバインの作業を監視する監視者が搭乗可能である。なお、監視者は、コンバインの機外からコンバインの作業を監視してもよい。
The
穀粒排出装置18は、穀粒タンク14の後下部に連結されている。また、自車位置検出ユニット80は、運転部12の上方面に取り付けられている。
The
収穫部15は、コンバインにおける前部に備えられている。そして、搬送装置16は、収穫部15の後方に設けられている。コンバインは、収穫部15によって圃場の穀物を収穫しながら走行装置11によって走行する作業走行が可能である。
A
収穫部15で刈り取られた刈取穀稈は、搬送装置16によって脱穀装置13へ搬送される。脱穀装置13において、刈取穀稈は脱穀処理される。脱穀処理により得られた穀粒は、穀粒タンク14に貯留される。穀粒タンク14に貯留された穀粒は、必要に応じて(満杯など)、穀粒排出装置18によって機外に排出される。
The harvested culms harvested by the
また、運転部12には、汎用端末4が配置されている。本実施形態において、汎用端末4は、運転部12に固定されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、汎用端末4は、運転部12に対して着脱可能に構成されていても良いし、汎用端末4は、コンバインの機外に持ち出し可能であってもよい。
A general-
図2に示すように、このコンバインは、圃場において設定された走行経路に沿って自動走行する。これには、自車位置の情報が必要である。自車位置検出ユニット80には、衛星測位モジュール81と慣性計測モジュール82とが含まれている。衛星測位モジュール81は、人工衛星GSから送信される位置情報であるGNSS(global navigation satellite system)信号(GPS信号を含む)を受信して、自車位置を算出するための測位データを出力する。慣性計測モジュール82は、ジャイロ加速度センサ及び磁気方位センサを組み込んでおり、瞬時の走行方向を示す信号を出力する。慣性計測モジュール82は、衛星測位モジュール81による自車位置算出を補完するために用いられる。慣性計測モジュール82は、衛星測位モジュール81とは別の場所に配置されてもよい。
As shown in FIG. 2, this combine automatically travels along a travel route set in a field. This requires information on the position of the vehicle. The vehicle
このコンバインによって圃場での収穫作業を行う場合の手順は、以下に説明する。まず、運転者兼監視者は、コンバインを操作し、図2に示すように、圃場内の外周部分において、圃場の境界線に沿って周囲刈り走行しながら収穫を行う。周囲刈り走行により刈取り収穫作業が終えた領域は、外周領域SAとして設定される。そして、外周領域SAの内側に残された内部領域は未作業領域CAであり、今後の作業対象領域として設定される。この実施形態では、未作業領域CAが四角形となるように、周囲刈り走行が行われる。もちろん、三角形や五角形の未作業領域CAが採用されてもよい。 The procedure for harvesting in a field using this combine will be described below. First, the driver/monitoring operator operates the combine harvester, and as shown in FIG. The area where the mowing and harvesting work has been completed by the perimeter mowing travel is set as the outer peripheral area SA. The internal area left inside the outer peripheral area SA is an unworked area CA, which is set as a future work target area. In this embodiment, the perimeter mowing run is performed so that the unworked area CA is square. Of course, a triangular or pentagonal unworked area CA may be employed.
外周領域SAは、作業対象領域である未作業領域CAにおいて収穫走行を行うときに、コンバインが方向転換するためのスペースとして利用される。また、外周領域SAは、収穫走行を一旦終えて、穀粒の排出場所へ移動する際や、燃料の補給場所へ移動する際等の移動用のスペースとしても利用される。このため、外周領域SAの幅をある程度広く確保するために、自動または手動によって、2~3周の周囲刈り走行が行われる。 The outer peripheral area SA is used as a space for the combine to change direction when traveling for harvesting in the unworked area CA, which is the work target area. In addition, the outer peripheral area SA is also used as a space for movement, such as when moving to a grain discharge location or a fuel replenishment location after temporarily finishing harvesting. Therefore, in order to secure the width of the outer peripheral area SA to some extent, the perimeter mowing travel is performed automatically or manually for 2 to 3 rounds.
なお、図2に示す運搬車CVは、コンバインが穀粒排出装置18から排出した穀粒を収集し、乾燥施設等へ運搬する。穀粒排出の際、コンバインは、外周領域SAを通って運搬車CVの近傍へ移動した後、穀粒排出装置18によって穀粒を運搬車CVへ排出し、外周領域SAを通って作業を中断した位置である作業開始点に戻る。
The transport vehicle CV shown in FIG. 2 collects the grains discharged from the
未作業領域CAの形状を示す未作業マップデータが、既作業領域である外周領域SAの内周形状に基づいて作成される。この未作業マップデータに基づいて、未作業領域CAを自動運転で作業するために、線状(直線又は湾曲線または屈曲線)の経路が作業用走行経路として未作業領域CAに設定され、1つの作業用走行経路から次の作業用走行経路に移行するための旋回走行経路が外周領域SAに設定される。未作業マップデータは、未作業領域CAに対する作業の進行に伴って更新される。 Unworked map data indicating the shape of the unworked area CA is created based on the inner circumference shape of the outer circumference area SA, which is the already worked area. Based on this unworked map data, a linear (straight line, curved line, or curved line) route is set in the unworked area CA as a working travel route in order to automatically work in the unworked area CA. A turning travel route for transitioning from one travel route for work to the next travel route for work is set in the outer peripheral area SA. The unworked map data is updated as the work on the unworked area CA progresses.
未作業領域CAを作業走行(収穫走行)する際に用いられる走行パターンとして、図3に示す往復走行パターンと、図4に示す渦巻き走行パターンとがある。往復走行パターンでコンバインが走行する経路は、未作業領域CAの外形を示す多角形の一辺に平行な作業用走行経路とUターン旋回経路とを含む。渦巻き走行パターンでコンバインが走行する経路は、未作業領域CAの外形を示す多角形の一辺に平行な作業用走行経路とアルファターン経路とを含む。アルファターン経路は、直進経路と後進旋回経路と前進旋回経路とからなり、周方向で隣り合う作業用走行経路をつなぐ旋回経路である。 Traveling patterns used for work travel (harvesting travel) in the unworked area CA include a reciprocating travel pattern shown in FIG. 3 and a spiral travel pattern shown in FIG. The route along which the combine travels in the reciprocating travel pattern includes a work travel route parallel to one side of a polygon representing the outline of the unworked area CA and a U-turn turning route. The route along which the combine travels in the spiral travel pattern includes a work travel route parallel to one side of the polygon representing the outline of the unworked area CA and an alpha-turn route. The alpha-turn path is composed of a straight path, a reverse turning path, and a forward turning path, and is a turning path that connects working travel paths that are adjacent in the circumferential direction.
図5に、コンバインの制御系が示されている。この制御系は、1つ以上のECUと呼ばれる電子制御ユニットからなる制御装置5、及びこの制御装置5との間で車載LANなどの配線網を通じて信号通信(データ通信)を行う各種入出力機器から構成されている。
FIG. 5 shows the control system of the combine. This control system consists of a
制御装置5は、この制御系の中核要素であり、複数のECUの集合体として示されている。自車位置検出ユニット80からの信号は、車載LANを通じて制御装置5に入力される。
A
制御装置5は、入出力インタフェースとして、報知部501と入力処理部502と出力処理部503とを備えている。
The
報知部501は、制御装置5の各機能部からの指令等に基づいて報知データを生成し、報知デバイス62に与える。報知デバイス62は、運転者等に作業走行状態や種々の警告を報知するためのデバイスであり、ブザー、ランプ、スピーカ、ディスプレイなどである。
The
入力処理部502には、走行状態センサ群63、作業状態センサ群64、人為操作具65、などが接続されている。作業状態センサ群64には、穀粒タンク14内の穀粒貯留量を検出するセンサが含まれている。人為操作具65は、運転者によって手動操作され、その操作信号が制御装置5に入力されるレバー、スイッチ、ボタンなどの総称である。
The
出力処理部503は、機器ドライバ73を介して種々の動作機器70と接続している。動作機器70として、走行関係の機器である走行機器群71と作業関係の機器である作業機器群72とがある。走行機器群71には、車体10を操舵する操舵機器が含まれている。この操舵機器は、この実施形態のようにクローラ式の走行装置11が採用されている場合には、左右のクローラの速度を変更する機器である。操舵輪方式の走行装置11が採用されている場合には、操舵機器は、操舵輪の操舵角を変更する機器である。
The
制御装置5には、自車位置算出部40、車体方位算出部41、車速算出部42、走行制御部51、作業制御部52、走行モード管理部53、作業領域決定部54、走行経路算出部55、横偏差算出部56、目標点推定部57、補正方位演算ユニット9A、制御演算ユニット9Bが備えられている。
The
自車位置算出部40は、自車位置検出ユニット80から逐次送られてくる測位データに基づいて、自車位置を地図座標(または圃場座標)の形式で算出する。その際、自車位置として、車体10の基準点となる特定箇所(例えば車体中心や収穫部15の端部など)の位置を設定することができる。
The vehicle
車体方位算出部41は、自車位置算出部40によって経時的算出された複数の自車位置から車体10の向きを示す車体方位を算出する。なお、車体方位は、慣性計測モジュール82からの出力データに含まれている方位データに基づいて車体方位を算出することも可能である。車速算出部42は、車速センサまたはトランスミッションの変速状態から車速を算出する。
The vehicle body
作業領域決定部54は、自車位置算出部40によって算出された自車位置を経時的にプロットすることで走行軌跡データを算出する走行軌跡算出機能、走行軌跡データから作業対象領域となる未作業領域CAの形状を示す未作業マップデータを作成する未作業領域決定機能を有する。
The work
走行経路算出部55は、登録されている経路算出アルゴリズムによって、未作業領域CAを網羅する自動走行のための目標走行経路となる走行経路(作業用走行経路、Uターン走行経路、アルファターン経路など)を算出する。
The travel
走行制御部51は、エンジン制御機能や走行装置制御機能(車体10の操舵制御や車速制御を含む)などを有し、走行機器群71に走行制御信号を与える。作業制御部52は、収穫作業装置(収穫部15、脱穀装置13、搬送装置16、穀粒排出装置18など)の動きを制御するために、作業機器群72に作業制御信号を与える。
The
走行制御部51には、手動走行制御部511と自動走行制御部512と目標走行経路設定部513とが含まれている。自動走行モードが設定されると自動走行となり、手動走行モードが設定されると手動走行となる。このような走行モードの切り替えは、走行モード管理部53によって管理される。目標走行経路設定部513は、自動走行モードが設定された場合に、走行経路算出部55によって算出された作業用走行経路と旋回走行経路とを用いて、目標走行経路を設定する。
The
横偏差算出部56は、目標走行経路設定部513によって設定された目標走行経路の経路方位(経路の延び方向)に直交する方向での自車位置から目標走行経路までの距離を横偏差として算出する。
The
手動走行モードが選択されている場合、運転者による操作に基づいて、手動走行制御部511が、機器ドライバ73を介して制御信号を対応する走行機器群71に与えることで、手動走行が実現する。
When the manual travel mode is selected, manual travel is realized by the manual
自動走行モードが設定されている場合、自動走行制御部512が、機器ドライバ73を介して自動操舵及び停止を含む車速変更の制御信号を対応する走行機器群71に与えることで、自動走行が実現する。自動走行制御部512は、以下に説明するように、制御演算ユニット9Bから出力される制御量に基づいて、自動操舵のための制御信号を出力する。
When the automatic driving mode is set, the automatic
次に、図6と図7とを用いて、補正方位演算ユニット9A及び制御演算ユニット9Bにおける演算時のデータの流れを説明する。なお、図7に示されている符号は次のように定義されている。RPは、車体10の基準点(車体中心や作業装置中心など)を示しており、自車位置算出部40からの自車位置に基づいて算出される。TLは、目標走行経路設定部513によって設定された、自動走行のための目標走行経路である。RLは、車体10の基準点:RPを通って、目標走行経路:TLに平行な仮想線である。DLは、車体10の前後方向の向きである車体方位を示す車体方位線である。図7では、車体方位線:DLは、仮想線:RLから傾斜しており、その傾斜角度はγで示されている。コンバインの車体10は、目標走行経路:TLに対して紙面右側に離れており、車体10の車体方位線:DLは、車体走行方向に進むほど目標走行経路:TLから離れる向きとなっている。dは、横偏差算出部56によって算出される車体10の横偏差である。VPは、目標点推定部57によって算出される推定目標点である。APは補助点であり、自車位置における車体10の基準点:RPから目標走行経路:TLへの射影点である。AL1は第1補助線であり、この第1補助線は、推定目標点:VPと車体10の基準点:RPとを通る直線である。AL2は第2補助線であり、後述する第2補正方位対応する補正角(αで示されている)だけ、第1補助線:AL1に対して角度をもって基準点:RPから径方向に延びた直線である。
Next, the flow of data during calculation in the correction
目標点推定部57は、現時点から車体10が走行した後の位置(未来自車位置)に対応する、目標走行経路:TL上の位置である推定目標点:VPを算出する。この推定目標点:VPの算出は、例えば、次の方法で算出できる。
(1)補助点:APを出発点として、目標走行経路:TLを所定時間だけ移動した後の位置を推定目標点:VPとする。その際の移動速度を現時点の車速とする場合は、車速算出部42によって算出された車速が用いられる。所定時間は、予め設定されていてもよいし、収穫物の状態や圃場状態によって自動的にあるいは人為的(運転者や管理者)に選択されてもよい。コンバインの場合、所定時間は、0.5秒から5秒ぐらいが好ましい。
(2)補助点:APを出発点として、目標走行経路:TL上で所定距離だけ離れた位置を推定目標点:VPとする。当該所定距離は、予め設定されていてもよいし、収穫物の状態や圃場状態によって自動的にあるいは人為的(運転者や管理者)に選択されてもよい。コンバインの場合、所定距離は、1mから数mぐらいが好ましい。
The
(1) Auxiliary point: AP is the starting point, and the position after moving the target travel route: TL for a predetermined time is assumed to be the estimated target point: VP. When the moving speed at that time is set as the current vehicle speed, the vehicle speed calculated by the vehicle
(2) Auxiliary point: AP is the starting point, and a position a predetermined distance away on the target travel route: TL is assumed to be an estimated target point: VP. The predetermined distance may be set in advance, or may be selected automatically or artificially (by the driver or administrator) according to the state of harvested crops or the state of the field. In the case of a combine, the predetermined distance is preferably about 1 m to several meters.
補正方位演算ユニット9Aは、推定目標点:VPと自車位置との間の偏差を解消する補正方位を演算する。この補正方位は、車体10が目標走行経路:TLに乗るための目標となる操舵方位(操舵制御における操舵量)である。この実施形態では、図6に示すように、補正方位演算ユニット9Aは、補正方位を演算するために、推定方位偏差算出部90と、第1制御器91と、第2制御器92と、演算器93とを備えている。
The corrected
推定方位偏差算出部90は、第1補助線:AL1と仮想線:RLとがなす角度(図7ではβで示されている)を推定方位偏差として算出する。第1制御器91は、推定方位偏差を入力パラメータとして、車体10の仮の操舵目標となるべき第1補正方位を出力する。第1補正方位は、推定方位偏差を解消するために演算された、操舵制御における操舵方位である。推定方位偏差は、車体10が推定目標点:VPに向かうための角度:βに対応しているので、第1制御器91からの出力は、入力である推定方位偏差に比例することが好ましい。このことから、この実施形態では、第1制御器91は比例制御器として構成されている。
The estimated heading deviation calculator 90 calculates the angle (indicated by β in FIG. 7) formed by the first auxiliary line AL1 and the virtual line RL as the estimated heading deviation. The first controller 91 uses the estimated heading deviation as an input parameter and outputs a first corrected heading that should be a provisional steering target of the
第2制御器92は、横偏差:dを入力パラメータとして第2補正方位を出力する。第2制御器92は、横偏差:dに基づく補正角度(図7ではαで示されている)を演算しており、この第2補正方位は、この補正角度:αに対応する、操舵制御における操舵方位である。第2制御器92は、横偏差:dを縮小するように車体10の向きを変更するための操舵方位を算出するものであり、この実施形態では、積分制御器として構成されている。もちろん、第2制御器92は、比例制御器として構成されてもよい。
The
演算器93は、第1補正方位と第2補正方位との加算演算を行い、演算結果として補正方位を出力する。この加算演算は、図7を参照して角度で表現すれば、α+βに対応する。この補正方位が、補正方位演算ユニット9Aの出力値であり、制御演算ユニット9Bに与えられる。演算器93における加算演算として、単純加算以外に重み演算などが用いられてもよい。また、第2制御器92が省略されてもよい。その場合には、演算器93は不要となる。
The
制御演算ユニット9Bは、車体10が、目標走行経路:TLに沿って走行するための制御量を出力するために、演算器95と操舵制御器96とを備えている。操舵制御器96は、PI制御器またはP制御器として構成されている。この実施形態では、制御演算ユニット9Bは、入力パラメータとして、補正方位演算ユニット9Aからの補正方位だけでなく、車体方位算出部41で算出された現時点の車体方位も用いる。この現時点の車体方位は、仮想線:RLと車体方位線:DLとのなす角度(図7ではγで示されている)に相当する。演算器95は、補正方位と車体方位との加算演算を行う。この加算演算は、図7を参照して角度で表現すれば、θ(=α+β+γ)に対応する。演算器95の演算出力は、操舵制御器96の制御目標値として操舵制御器96に与える。さらに、操舵制御器96からの出力値は、操舵のための制御量として、自動走行制御部512に与えられる。
The control
次に、自動走行制御部512で行われる、制御演算ユニット9Bから与えられた制御量を入力制御量として力制御量を導出する演算を図8と図9とを用いて説明する。
Next, the calculation for deriving the force control amount by using the control amount given from the
自動走行制御部512は、制御演算ユニット9Bから与えられた制御量(操舵入力と称する)を、16ビット化して、操舵出力として出力している。一般には、図8に示すグラフのように、操舵入力は、各ビットに均等に割り当てられて、操舵出力を導出する。このような演算を改善して、ゼロに近い小さな入力制御量に対して精密な操舵が実現するために、ビット拡張機能が導入された演算が、図9に示されている。ここでは、操舵入力の最小領域に対応する、1ビットは、さらに4分割される。これにより、ゼロに近い小さな制御量が制御演算ユニット9Bから入力されても、それに見合った小さな制御出力が導出される。その結果、微細な制御信号を出力することができ、精密な操舵が実現する。
The automatic
〔別実施の形態〕
(1)図7を用いて説明した実施形態では、推定目標点:VPを推定するために用いられる補助点(出発点):APは、車体10の基準点:RPから目標走行経路:TLに下ろした垂線と目標走行経路:TLとの交点(射影点)であった。これに代えて、基準点:RPから目標走行経路:TLに対して90°に所定角をプラスマイナスした角度で下した線と目標走行経路:TLとの交点(射影点)を補助点:APとしてもよい。その際、当該所定角は0より大きく数十度までの角度であり、固定値でもよいし、車速や圃場状態によって手動または自動で変更されてもよい。さらに、車体方位線:DLと目標走行経路:TLとの交点が補助点:APより車体10の進行方向下流側に位置する場合には、車体方位線:DLと目標走行経路:TLとの交点を補助点:APとしてもよい。
[Another embodiment]
(1) In the embodiment described with reference to FIG. 7, the estimated target point: the auxiliary point (starting point) used for estimating VP: AP moves from the reference point of the vehicle body 10: RP to the target travel route: TL. It was the point of intersection (projection point) between the dropped perpendicular line and the target travel route: TL. Instead of this, the intersection (projection point) of the line drawn from the reference point RP to the target travel route TL by plus or minus a predetermined angle to 90° with respect to the target travel route TL and the target travel route TL is the auxiliary point AP. may be At this time, the predetermined angle is an angle greater than 0 and up to several tens of degrees, and may be a fixed value, or may be changed manually or automatically depending on the vehicle speed and field conditions. Furthermore, when the intersection of the vehicle body direction line: DL and the target travel route: TL is located downstream of the auxiliary point: AP in the traveling direction of the
(2)上述した実施形態では、実質的な収穫作業は、コンバインの直線状の走行経路に沿った走行によって行われている。この直線状の走行経路は、1本の直線に限定されない。折れ曲がった経路でもよいし、大きな曲率半径で湾曲した経路でもよいし、蛇行形状の経路でもよい。 (2) In the above-described embodiment, the substantial harvesting work is performed by running the combine along a straight running route. This linear travel route is not limited to one straight line. A curved path, a curved path with a large radius of curvature, or a meandering path may be used.
(3)上述した実施形態では、未作業領域CAの形状は四角形であったが、これが三角形や五角形などの他の多角形であってもよい。 (3) In the above-described embodiment, the shape of the unworked area CA is a quadrangle, but it may be another polygon such as a triangle or a pentagon.
(4)図5及び図6で示された制御装置5の機能ブロック群は、わかりやすい説明を目的としており、各機能ブロックは、さらに分割されたり、統合されたり、省略されたりしてもよい、また、その機能ブロックの全てまたは一部は、汎用端末4に構築してもよい。
(4) The functional block groups of the
なお、上述の実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 It should be noted that the configurations disclosed in the above-described embodiments (including other embodiments, the same shall apply hereinafter) can be applied in combination with configurations disclosed in other embodiments as long as there is no contradiction. The embodiments disclosed in this specification are examples, and the embodiments of the present invention are not limited thereto, and can be modified as appropriate without departing from the scope of the present invention.
本発明による制御装置は、普通型のコンバインだけでなく、自脱型のコンバインにも利用可能であり、田植機やトラクタなどの圃場作業車、さらには、芝刈機やフロントローダなどの作業車にも適用できる。 The control device according to the present invention can be used not only for a normal combine harvester but also for a self-removing combine harvester. can also be applied.
5 :制御装置
9A :補正方位演算ユニット
9B :制御演算ユニット
10 :車体
11 :走行装置
40 :自車位置算出部
41 :車体方位算出部
42 :車速算出部
51 :走行制御部
511 :手動走行制御部
512 :自動走行制御部
513 :目標走行経路設定部
56 :横偏差算出部
57 :目標点推定部
65 :人為操作具
80 :自車位置検出ユニット
81 :衛星測位モジュール
82 :慣性計測モジュール
90 :推定方位偏差算出部
91 :第1制御器
92 :第2制御器
93 :演算器
95 :演算器
96 :操舵制御器
5:
Claims (8)
前記作業車の自車位置を算出する自車位置算出部と、
所定時間後の前記目標走行経路における推定目標点を算出する目標点推定部と、
前記推定目標点と前記自車位置との間の偏差を解消する補正方位を演算する補正方位演算ユニットと、
前記補正方位を入力パラメータとして、前記偏差が縮小されるように前記作業車を制御するための制御量を出力する制御演算ユニットと、を備え、
前記推定目標点と前記自車位置とを通る直線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、
前記補正方位演算ユニットは、前記推定方位偏差を入力パラメータとして第1補正方位を出力する第1制御器を備え、前記第1補正方位に基づいて前記補正方位が演算される制御装置。 A control device for a work vehicle that automatically travels along a target travel route,
a vehicle position calculation unit that calculates the vehicle position of the working vehicle;
a target point estimation unit that calculates an estimated target point on the target travel route after a predetermined time;
a corrected heading calculation unit that calculates a corrected heading that eliminates the deviation between the estimated target point and the vehicle position;
a control calculation unit that uses the corrected heading as an input parameter and outputs a control amount for controlling the work vehicle so as to reduce the deviation;
an estimated heading deviation calculator for calculating an angle between the target travel route and a straight line passing through the estimated target point and the vehicle position as an estimated heading deviation,
The corrected azimuth calculation unit includes a first controller that outputs a first corrected azimuth using the estimated azimuth deviation as an input parameter, and the controller calculates the corrected azimuth based on the first corrected azimuth.
前記補正方位演算ユニットは、前記横偏差を入力パラメータとして第2補正方位を出力する第2制御器を備え、前記第1補正方位と前記第2補正方位とに基づいて、前記補正方位が演算される請求項1または2に記載の制御装置。 a lateral deviation calculator that calculates a lateral deviation as a distance from the vehicle position to the target travel route in a direction perpendicular to the direction of the target travel route;
The corrected azimuth calculation unit includes a second controller that outputs a second corrected azimuth using the lateral deviation as an input parameter, and the corrected azimuth is calculated based on the first corrected azimuth and the second corrected azimuth. 3. The control device according to claim 1 or 2 .
前記目標点推定部は、前記自車位置から前記目標走行経路への射影点を出発点として、前記目標走行経路を前記車速で前記所定時間移動した点の位置を前記推定目標点とする請求項1から4のいずれか一項に記載の制御装置。 A vehicle speed calculation unit that calculates the vehicle speed of the work vehicle is provided,
The target point estimating unit sets a position of a point obtained by moving the target travel route at the vehicle speed for the predetermined time from a point projected from the vehicle position onto the target travel route as the estimated target point. 5. The control device according to any one of 1 to 4 .
前記制御演算ユニットは、さらに前記車体方位を入力パラメータとして用いる請求項1から5のいずれか一項に記載の制御装置。 A vehicle body direction calculation unit for calculating a vehicle body direction indicating the direction of the vehicle body is provided,
6. The control device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the control arithmetic unit further uses the vehicle body orientation as an input parameter.
前記作業車の自車位置を算出する自車位置算出部と、
前記自車位置から前記目標走行経路への射影点から前記目標走行経路上で前記作業車の走行方向側に所定距離離れた位置を推定目標点として算出する目標点推定部と、
前記推定目標点と前記自車位置との間の偏差を解消する補正方位を演算する補正方位演算ユニットと、
前記補正方位を入力パラメータとして、前記偏差が縮小されるように前記作業車を制御するための制御量を出力する制御演算ユニットと、を備え、
前記推定目標点と前記自車位置とを通る直線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、
前記補正方位演算ユニットは、前記推定方位偏差を入力パラメータとして第1補正方位を出力する第1制御器を備え、前記第1補正方位に基づいて前記補正方位が演算される制御装置。 A control device for a work vehicle that automatically travels along a target travel route,
a vehicle position calculation unit that calculates the vehicle position of the working vehicle;
a target point estimating unit that calculates, as an estimated target point, a position that is a predetermined distance away on the target travel route from a point projected onto the target travel route from the vehicle position in the direction in which the work vehicle travels;
a corrected heading calculation unit that calculates a corrected heading that eliminates the deviation between the estimated target point and the vehicle position;
a control calculation unit that uses the corrected heading as an input parameter and outputs a control amount for controlling the work vehicle so as to reduce the deviation;
an estimated heading deviation calculator for calculating an angle between the target travel route and a straight line passing through the estimated target point and the vehicle position as an estimated heading deviation,
The corrected azimuth calculation unit includes a first controller that outputs a first corrected azimuth using the estimated azimuth deviation as an input parameter, and the controller calculates the corrected azimuth based on the first corrected azimuth.
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