JP7274741B2

JP7274741B2 - 自律制御型草刈機

Info

Publication number: JP7274741B2
Application number: JP2019147290A
Authority: JP
Inventors: 正寛藤原; 実美花房
Original assignee: 和同産業株式会社
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: JP2021027805A

Description

本発明は、無人で草刈り作業を行う自律制御型草刈機に関する。

従来、芝刈りを含む草刈り作業は、有人草刈機で実施されてきた。人件費の高騰もあり、作業の無人化が求められ、草刈機が自律的に走向しつつ草刈りを行う自律制御型草刈機が各種提案されてきた（例えば、特許文献１参照（図４））。

特許文献１の草刈機を、図１２に基づいて説明する。
図１２に示すように、草場１００は、エリアワイヤ１０１で囲われている。草刈機１０２はエリアワイヤ１０１内を自律走行しつつ、草を刈る。草刈機１０２は、バッテリを内蔵し、このバッテリにより走行及び草刈りを行う。残量が一定値まで減少したら、充電ステーション１０３へ帰還して、充電を受ける。

特許文献１では、複数の帰還路１０５～１０８を設定している。
仮に、帰還路１０５のみであると、同じところを草刈機１０２が走行するため、走行車輪の跡が轍となって残る。深い轍は、走行の妨げになる。
轍対策として、複数の帰還路１０５～１０８の一つを自動的に選択させる。
この選択により、深い轍の発生を抑えることができる。

ところで、帰還路１０５に沿って帰還する草刈機１０２は、充電ステーション１０３に近づくと、充電ステーション１０３一般に、帰還プログラムから充電直前プログラムに移行し、この充電直前プログラムにより、向きを変え、充電ステーション１０３にコンタクトする。
特許文献１では、帰還路１０５～１０８から充電ステーション１０３までの距離が、各々異なるため、充電直前プログラムは帰還路１０５～１０８毎に準備する必要があり、充電直前プログラムが複雑になる。
轍対策を講じつつ、充電直前プログラムを簡単にすることができる草刈機が求められる。

そこで、帰還路を１路で済ませる草刈機が提案されている（例えば、特許文献２参照（図４））。
特許文献２に開示される草刈機は、エリアワイヤを検出するまでは直進する。エリアワイヤを検出すると、草刈機を後退させ、旋回させ、カーブ走行させる。この動作は、充電ステーションにコンタクトするまで続ける。
帰還路が複雑な曲線を描くため、轍の発生は抑えられる。
しかし、充電ステーションに接近したとき、草刈機の姿勢が定まっていない。そのため、充電直前プログラムが極めて複雑になる。
轍対策を講じつつ、充電直前プログラムを簡単にすることができる草刈機が求められる。

特開２０１３－１６５５８８号公報特開２０１５－１６５７７５号公報

本発明は、轍対策を講じつつ、充電直前プログラムを簡単にすることができる草刈機を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、機体に、旋回する刈刃と、この刈刃より前に配置される前輪と、前記刈刃より後に配置される後輪と、前記前輪及び前記後輪の駆動に供する電気エネルギーを蓄えるバッテリと、作業エリアを囲うエリアワイヤを検出するワイヤセンサと、前記後輪を回転制御すると共に前記前輪を操舵制御する制御部とを備え、自律走向する自律制御型草刈機において、
前記制御部は、前記バッテリの残量が一定値まで低下したら、帰還プログラムに基づいて、前記機体を充電ステーションへ向かわせ、前記機体と前記充電ステーションの距離が所定値になったら充電直前プログラムに基づいて前記機体を充電ステーションにコンタクトさせる制御を実施し、
前記帰還プログラムでは、平面視で帰還路が前記エリアワイヤに沿いつつ不規則に蛇行するように、前記ワイヤセンサの感知レンジがランダムに変更され、
前記充電直前プログラムでは、前記感知レンジを固定し、前記エリアワイヤと草刈機との距離を一定値に維持することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、機体に、旋回する刈刃と、この刈刃より前に配置される前輪と、前記刈刃より後に配置される後輪と、前記前輪及び前記後輪の駆動に供する電気エネルギーを蓄えるバッテリと、作業エリアを囲うエリアワイヤを検出するワイヤセンサと、前記後輪を回転制御すると共に前記前輪を操舵制御する制御部とを備え、自律走向する自律制御型草刈機において、
前記制御部は、前記バッテリの残量が一定値まで低下したら、帰還プログラムに基づいて、前記機体を充電ステーションへ向かわせ、前記機体と前記充電ステーションの距離が所定値になったら充電直前プログラムに基づいて前記機体を充電ステーションにコンタクトさせる制御を実施し、
前記エリアワイヤは、直線部分と平面視で屈曲している屈曲部分とを含み、
前記帰還プログラムでは、前記機体がある直線部分に沿っているときには前記ワイヤセンサの感知レンジがある値に設定され、続く屈曲部で前記感知レンジが別の値に設定し直される要領で、直線部分ごとに感知レンジが異なるように感知レンジがランダムに設定され、
前記充電直前プログラムでは、前記感知レンジを固定し、前記エリアワイヤと草刈機との距離を一定値に維持することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、帰還路はエリアワイヤに沿いつつ不規則に蛇行しているため、有害な轍ができることはない。
加えて、機体が充電ステーションに近づいた時点で、帰還プログラムから充電直前プログラムに切り替えられ、この充電直前プログラムでは一義的に機体の方向などが制御される。充電直前プログラムは、簡単になる。
よって、本発明によれば、轍対策を講じつつ、充電直前プログラムを簡単にすることができる草刈機が提供される。

請求項２に係る発明では、エリアワイヤから機体の距離が、エリアワイヤの直線部分毎に異なる。ランダムに変更されるため、距離は毎回異なる。そのため、有害な轍ができることはない。
加えて、機体が充電ステーションに近づいた時点で、帰還プログラムから充電直前プログラムに切り替えられ、この充電直前プログラムでは一義的に機体の方向などが制御される。充電直前プログラムは、簡単になる。
よって、本発明によれば、轍対策を講じつつ、充電直前プログラムを簡単にすることができる草刈機が提供される。

本発明に係る自律制御型草刈機の正面図である。本発明に係る自律制御型草刈機の右側面図である。本発明に係る自律制御型草刈機の平面視構成図である。（ａ）は草刈機の走行方向の種類を説明する図、（ｂ）は前進及び後進を説明する図である。（ａ）は草刈機がエリアワイヤに接近するときの図、（ｂ）は遠ざかりときの図である。草刈機が帰還するときの説明図である。感知レンジを説明する概念図である。帰還プログラムと充電直前プログラムの区域を説明する平面図である。感知レンジをランダムに変更する例を説明する図である。草刈機の動線を示す図である。変更例に係る平面図である。従来の技術を説明する平面図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示すように、自律制御型草刈機（以下、草刈機という）１０は、前輪１１と、左後輪１２Ｌと、右後輪１２Ｒを備えている。また、草刈機１０は、カバー１３の前面中央に横長矩形の開口部１４を有している。この開口部１４の奥に、Ｖ字部品（図３、符号３６）が配置される。
図２に示すように、前輪１１と、後輪車軸１５との間に、カッターハウジング１６を有する。

図３に示すように、カバー１３内に、旋回する刈刃１９と、この刈刃１９より前に配置される前輪１１と、刈刃１９より後に配置される後輪１２Ｌ、１２Ｒとを備える草刈機１０において、この草刈機１０は、刈刃１９より前輪１１側に配置される左ワイヤセンサ２１Ｌ及び右ワイヤセンサ２１Ｒを備えている。

刈刃１９は刈刃モータ２４で駆動される。この刈刃モータ２４はバッテリ２５から給電されると共にドライバ２６を介して、制御部２７で回転速度及び正転、停止、逆転が制御される。刈刃モータ２４が過負荷状態になったときには逆転制御される。

前輪１１は前輪モータ２８で駆動される。この前輪モータ２８はバッテリ２５から給電されると共にドライバ２９を介して、制御部２７で回転速度及び正転、停止、逆転が制御される。
前輪１１は操舵輪であり、操舵モータ３１で操舵される。この操舵モータ３１は、バッテリ２５から給電されると共にドライバ３２を介して、制御部２７で直進、左操舵、右操舵の制御がなされる。

左後輪１２Ｌは左後輪モータ３３Ｌで駆動される。この左後輪モータ３３Ｌはバッテリ２５から給電されると共にドライバ３４Ｌを介して、制御部２７で回転速度及び正転、停止、逆転が制御される。
同様に、右後輪１２Ｒは右後輪モータ３３Ｒで駆動される。この右後輪モータ３３Ｒはバッテリ２５から給電されると共にドライバ３４Ｒを介して、制御部２７で回転速度及び正転、停止、逆転が制御される。

ところで、従来の多くの草刈機は、コスト低減の点から、前輪駆動車又は後輪駆動車である。何らかの理由（例えば、刈刃を囲うカッターハウジングが瘤に乗り上げるなど）で、駆動輪が地面から浮き上がると、走行不能となる。この場合、管理者が草刈機まで走っていって、瘤から草刈機を離脱させる。

対して、図３に示す本発明の草刈機１０は、全輪駆動車であるため、前輪１１が地面に接していれば、後輪１２Ｌ、１２Ｒが浮いたとしても、自力での離脱が可能となり、走行が継続される。結果、管理者の負担が大幅に軽減される。

また、本発明の草刈機１０では、前輪１１は、左右２輪であってもよいが、実施例では、１輪とした。１輪であれば、前輪モータ２８、ドライバ２９、操舵モータ３１及びドライバ３２の数が半分になり、コストダウンが図れる。

作図の都合で、カバー１３の外に示したバッテリ２５及び制御部２７は、カバー１３内に配置される。
カバー１３の前部に、Ｖ字部品３６が収納され、このＶ字部品３６に充電端子３７が設けられている。充電端子３７を介して、外部からバッテリ２５へ充電される。

また、制御部２７は、左ワイヤセンサ２１Ｌと右ワイヤセンサ２１Ｒから、エリアワイヤ（図４（ｂ）、符号３８）の検知信号を受ける。

図４（ａ）に示すように、草刈機１０は、矢印（１）のように前進し、矢印（２）のように左旋回し、矢印（３）のように右旋回し、矢印（４）のように後進する。
図４（ｂ）に示すように、矢印（１）のように前進する草刈機１０が、エリアワイヤ３８に接近し、このエリアワイヤ３８が発する電磁気を、左ワイヤセンサ２１Ｌと右ワイヤセンサ２１Ｒの両方が検知したときには、制御部（図３、符号２７）は、矢印（４）のように草刈機１０を後進させる。一定距離又は一定時間後進させた後は、通常運転に切り替える。

図５（ａ）に示すように、左ワイヤセンサ２１Ｌだけがエリアワイヤ３８を検知したら、図５（ｂ）に示すように、制御部（図３、符号２７）は、矢印（３）のように草刈機１０を右旋回させる。一定距離又は一定時間旋回させた後は、通常運転に切り替える。

図面は省略するが、右ワイヤセンサ２１Ｒだけがエリアワイヤ３８を検知したときには、草刈機１０を左旋回させ、一定距離又は一定時間旋回させた後は、通常運転に切り替える。

また、バッテリ２５の残量が一定値まで減少したときには、制御部（図３、符号２７）は、図６に示すように、左ワイヤセンサ２１Ｌ（又は右ワイヤセンサ２１Ｒ）がエリアワイヤ３８に沿うようにして、草刈機１０を充電ステーションへ帰還させる。
ただし、本発明では、轍対策の一環として、帰還時の動線に工夫を凝らした。この工夫の具体例は後述する。

次に、感知レンジについて、図７で説明する。
図７（ａ）に示すように、エリアワイヤ３８から距離Ｌ１の所にワイヤセンサ２１Ｌがある。エリアワイヤ３８に通電されているため、エリアワイヤ３８を中心に電磁気が形成される。電磁気はエリアワイヤ３８に近いほど強く、離れるほど弱くなる。

制御部は、ワイヤセンサ２１Ｌで検知した電流が、所定値より小さいときには、ワイヤセンサ２１Ｌがエリアワイヤ３８に接近するように草刈機を移動する。この移動は、検知した電流が所定値になったら停止する。
同様に、制御部は、ワイヤセンサ２１Ｌで検知した電流が、所定値より大きいときには、ワイヤセンサ２１Ｌがエリアワイヤ３８から離れるように草刈機を移動する。この移動は、検知した電流が所定値になったら停止する。
結果、感知レンジが１のときには、エリアワイヤ３８とワイヤセンサ２１Ｌの距離はＬ１に保たれる。

図７（ｂ）に示すように、感知レンジを例えば１．５に変更すると、ワイヤセンサ２１Ｌで検知した電流は、見かけ上、所定値より１．５倍になる。制御部は検知電流が小さくなるように、草刈機をエリアワイヤ３８から離す。
結果、感知レンジが１.５のときには、エリアワイヤ３８とワイヤセンサ２１Ｌの距離はＬ１より大きなＬ２に保たれる。

図７（ｃ）に示すように、感知レンジを例えば０．５に変更すると、ワイヤセンサ２１Ｌで検知した電流は、見かけ上、所定値より０．５倍になる。制御部は検知電流が大きくなるように、草刈機をエリアワイヤ３８に接近させる。
結果、感知レンジが０.５のときには、エリアワイヤ３８とワイヤセンサ２１Ｌの距離はＬ１より小さなＬ３に保たれる。

図８に示すように、充電が必要になると、草刈機１０は、充電ステーション４０に帰還する。充電ステーション４０には、電波発信部４１が内蔵されており、この電波発信部４１から電波が発せられる。この電波は、電波発信部４１から離れるほど弱くなる。草刈機１０にはこの電波を受信する受信部が搭載されている。この電波の強さが一定以上である領域の縁は、半径Ｒで描かれる。

制御部は、草刈機１０が半径Ｒに到達した点４２までは「帰還プログラム」により走行を制御する。そして、点４２から充電ステーション４０までは「充電直前プログラム」により走行及び方位を制御する。

本発明では、「充電直前プログラム」では、感知レンジを１に固定する。すると、点４２から充電ステーション４０の間では、エリアワイヤ３８と草刈機１０との距離はＬ４に維持される。この距離Ｌ４は図７（ａ）の距離Ｌ１に対応している。
結果、半径Ｒ内では、草刈機１０の動線は一義的に決まり、「充電直前プログラム」は簡単になる。

本発明の「帰還プログラム」を、図９～図１０で説明する。
図９に示すように、制御部はバッテリの残量が一定値まで減ったら、横軸を時間（又は距離）、縦軸を感知レンジとしたグラフにおいて、感知レンジがランダムに変化した曲線３９を発生する。この曲線３９により、ワイヤセンサの感知レンジを変化させる。

すると、図１０に示すように、草刈機１０は、マクロ的にはエリアワイヤ３８に沿いながら走行し、ミクロ的にはエリアワイヤ３８との距離がランダムに変化しながら走行する。結果、轍ができにくくなり、できたとても軽微である。
図８の点４２で充電直前プログラムに移行し、感知レンジを１に戻す。

図９～図１０で説明した具体例は、エリアワイヤ３８の形態に左右されない。例えば、平面視で円形や楕円形であっても差し支えない。半面、蛇行走行するために、帰還に係る走行距離が長くなる。充電が待たれる中、帰還距離は短いことが望まれる。

帰還距離が短くて済む、本発明の変更例を、図１１に基づいて説明する。
この変更例は、エリアワイヤ３８に直線部分と屈曲部分が含まれている場合に適用できる。
すなわち、図１１に示すように、エリアワイヤ３８は、横長矩形であり、第１直線部分４４と第２直線部分４５との境界に、第１屈曲部分４６を有し、第２直線部分４５と第３直線部分４７との境界に、第２屈曲部分４８を有する。

制御部は、草刈機１０が第１直線部分４４に沿っているときには、エリアワイヤ３８と草刈機１０との距離をＬ５に維持する。
制御部は、第１屈曲部分４６で草刈機１０が９０°程度旋回するときに、感知レンジを弱める。すると、草刈機１０は、距離Ｌ５より小さな距離Ｌ６を保って第２直線部分４５に沿って走行する。
制御部は、第２屈曲部分４８で草刈機１０が９０°程度旋回するときに、感知レンジを強める。すると、草刈機１０は、距離Ｌ６より大きな距離Ｌ７を保って第３直線部分４７に沿って走行する。
点４２で充電直前プログラムに移行し、感知レンジを１に戻す。

距離Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７はランダムな値であり、確率的に同じ値になることはない。
よって、有効な轍対策を講じることができる。
なお、変更例において、第１・第２屈曲部分４６、４８での旋回は、制御部自身が発する旋回命令に基づいて認識させることができる。

また、本発明の草刈機は、芝刈機に適用することは差し支えない。
また、実施例では、前輪１１に、前輪モータ２８を備えたが、前輪モータ２８を省いて前輪１１は従動輪としてもよい。

本発明は、無人で草刈り作業を行う自律制御型草刈機に好適である。

１０…自律制御型草刈機（草刈機）、１１…前輪、１２Ｌ…左後輪、１２Ｒ…右後輪、１８…機体、１９…刈刃、２１Ｌ…左ワイヤセンサ、２１Ｒ…右ワイヤセンサ、２５…バッテリ、２７…制御部、３８…エリアワイヤ、４０…充電ステーション、４４…第１直線部分、４５…第２直線部分、４６…第１屈曲部分、４７…第３直線部分、４８…第２屈曲部分。

Claims

機体に、旋回する刈刃と、この刈刃より前に配置される前輪と、前記刈刃より後に配置される後輪と、前記前輪及び前記後輪の駆動に供する電気エネルギーを蓄えるバッテリと、作業エリアを囲うエリアワイヤを検出するワイヤセンサと、前記後輪を回転制御すると共に前記前輪を操舵制御する制御部とを備え、自律走向する自律制御型草刈機において、
前記制御部は、前記バッテリの残量が一定値まで低下したら、帰還プログラムに基づいて、前記機体を充電ステーションへ向かわせ、前記機体と前記充電ステーションの距離が所定値になったら充電直前プログラムに基づいて前記機体を充電ステーションにコンタクトさせる制御を実施し、
前記帰還プログラムでは、平面視で帰還路が前記エリアワイヤに沿いつつ不規則に蛇行するように、前記ワイヤセンサの感知レンジがランダムに変更され、
前記充電直前プログラムでは、前記感知レンジを固定し、前記エリアワイヤと草刈機との距離を一定値に維持することを特徴とする自律制御型草刈機。
機体に、旋回する刈刃と、この刈刃より前に配置される前輪と、前記刈刃より後に配置される後輪と、前記前輪及び前記後輪の駆動に供する電気エネルギーを蓄えるバッテリと、作業エリアを囲うエリアワイヤを検出するワイヤセンサと、前記後輪を回転制御すると共に前記前輪を操舵制御する制御部とを備え、自律走向する自律制御型草刈機において、
前記制御部は、前記バッテリの残量が一定値まで低下したら、帰還プログラムに基づいて、前記機体を充電ステーションへ向かわせ、前記機体と前記充電ステーションの距離が所定値になったら充電直前プログラムに基づいて前記機体を充電ステーションにコンタクトさせる制御を実施し、
前記エリアワイヤは、直線部分と平面視で屈曲している屈曲部分とを含み、
前記帰還プログラムでは、前記機体がある直線部分に沿っているときには前記ワイヤセンサの感知レンジがある値に設定され、続く屈曲部で前記感知レンジが別の値に設定し直される要領で、直線部分ごとに感知レンジが異なるように感知レンジがランダムに設定され、
前記充電直前プログラムでは、前記感知レンジを固定し、前記エリアワイヤと草刈機との距離を一定値に維持することを特徴とする自律制御型草刈機。