JPH09128043A

JPH09128043A - 無人移動作業機械の制御方式

Info

Publication number: JPH09128043A
Application number: JP7285825A
Authority: JP
Inventors: Shintarou Hatsumoto; 慎太郎初本; Kenjiro Fujii; 健二郎藤井; Yuji Matsuda; 有司松田; Noriyuki Kamiya; 敬之神谷; Toshihiro Aono; 俊宏青野; Masami Otobo; 正美乙母; Kenji Kiyono; 憲二清野; Kazuo Kobayashi; 和男小林
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Keiyo Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Keiyo Engineering Co Ltd
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1995-11-02
Publication date: 1997-05-16
Anticipated expiration: 2015-11-02
Also published as: JP3359799B2

Abstract

(57)【要約】【課題】車体のヨー角度を検知するジャイロを有する
自律航法装置とＧＰＳ航法装置を備える無人移動作業機
械における起伏地の通過を制御する方式を提供する。【解決手段】無人移動作業機械１は、車体１０を支持
する操舵輪２４と駆動輪２２を有し、車体１０のヨー角
度を検知するジャイロを有する自律航法装置と、ＧＰＳ
航法装置を備えて、予め与えられる地図情報に基づいて
動作プログラムの経路Ｐ₁₀を演算し、無人走行する。経
路Ｐ₁₀が等高線Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃に沿って高くなるマウン
ドＭの中腹を通過するピッチ角、ロール角を得て、ヨー
角を補正して直進経路Ｐ₁₀を維持する。ＧＰＳ航法のア
ンテナ５００の先端も傾くので、これを補正して経路Ｐ
₁₀のプログラムを正確に演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は各種のセンサを有す
る自律航法装置を備えた自動移動作業機械、特に自動芝
刈り機の制御方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８はゴルフ場の概要を示す平面図、図
９は側面図である。ゴルフ場のコースはティーグランド
Ｔ₁、フェアウェイＦ₁、パッティンググリーンＧ₁を単
位とし、これらのコースが森Ｗ₁やマウンドＭ等の間に
配設されている。このような地形を有するゴルフ場の芝
生を刈る作業は、マニュアルによって操作される芝刈り
機によって昼間に作業が行なわれているのが現状であ
る。例えば、ＧＰＳ航法装置を備えて、無人走行しつつ
芝刈り作業を行なう無人移動作業機械は、本出願人によ
って既に提案されている。

【０００３】この種の無人移動作業機械Ｖ₁は、ＧＰＳ
衛星Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄からの電波を受信するアンテナ
Ａ₁を有し、自己の現在位置を絶対位置として認識しつ
つ移動を行なう。この際に、ゴルフ場内に固定地上局Ｒ
₁を設置して、ＧＰＳ衛星からの信号を受信し、概知の
現在位置にある固定局のデータと、受信したＧＰＳデー
タとの間に生ずる誤差を補正するデータを移動作業機械
Ｖ₁へ送って、より正確な位置検出を達成することがで
きる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１０は、移動作業機
械Ｖ₁がヨー角のみを検知するセンサと、無人による直
進経路走行が可能なプログラム制御機能を備える場合
に、直線走行しつつ芝刈りを行なう例を示す。移動作業
機械Ｖ₁は、作業エリアＬ₁が平坦面であればヨー角のみ
を検知しつつ直線走行し、経路Ｐ₁，Ｐ₂に沿って作業を
実行することができる。作業エリアＬ₁内に等高線Ｍ₁，
Ｍ₂，Ｍ₃に沿って順次高くなるマウンドＭが存在する場
合に、経路Ｐ₁はこの等高線Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃を直交して横
断するように設定されているので、移動作業機械Ｖ₁は
直進することができる。

【０００５】しかしながら、経路Ｐ₂は、マウンドＭの
等高線を斜めに横断する経路であるので、移動作業機械
Ｖ₁のロール角は順次変化する。このロール角が変化す
ると、ヨー角のみを検知する移動作業機械Ｖ₁は、直進
経路Ｐ₂から等高線に沿う旋回経路Ｐ₃に移行してしま
う。そこで本発明は、プログラム動作する直進経路が傾
斜をもった起伏地の場合は、予め与えられる地図データ
から進行経路の方向のヨー角、ピッチ角およびロール角
の傾斜角情報と車輪センサ等の速度に基づいて移動経路
を演算して動作を制御することが可能となる制御方式を
提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明が適用される無人
移動作業機械は、操舵輪と駆動輪を有する車体と、車体
に装備される作業ユニットと、車体のヨー角度を検知す
るセンサと、車体のピッチ角度、ロール角度を検知する
センサと、車体の進行速度を検知するセンサと、予め与
えられる地図情報に基づいて車体の移動経路をプログラ
ム制御する自律航法装置を備える。そして、車体が起伏
地上の経路を通過する際には、車体のヨー角度を検知す
るセンサから得られる進行経路方向のヨー角と、車体の
ピッチ角度、ロール角度を検知するセンサまたは地図情
報から得られる進行経路方向のピッチ角およびロール角
の車体の傾斜角度情報と車体の速度および距離データに
基づいて、動作制御を演算し、車体の動作を制御するも
のである。

【０００８】また、本発明が適用される無人移動作業機
械が、操舵輪と駆動輪を有する車体と、車体に装備され
る作業ユニットと、車体のヨー角度を検知するセンサ
と、車体の進行速度を検知するセンサと、予め与えられ
る地図情報に基づいて車体の移動経路をプログラム制御
する自律航法装置と、ＧＰＳアンテナを有するＧＰＳ航
法装置とを備えるものであれば、車体が起伏地上の経路
を通過する際には、地図情報から得られる進行経路方向
のヨー角、ピッチ角およびロール角の車体の傾斜角度情
報と車体の速度および距離データとＧＰＳデータに基づ
いて、動作制御を演算し、車体の動作を制御するもので
ある。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の移動作業機械の平
面図、図２は側面図である。移動作業機械１は、例えば
芝刈り機であって、車体を構成するメインフレーム１０
と、メインフレーム１０を支持する２個の前輪２４と２
個の後輪２２を有する。フレーム１０の下部には、芝の
カッティングユニット７０，７２が配設され、フレーム
１０の上部にはエンジン３０が配設される。エンジンは
油圧ポンプ１００を駆動し、油圧ポンプ１００が発生す
る圧油によって車輪の駆動及び操舵、芝刈りユニットの
昇降及びカッターの駆動等が実行される。

【００１０】フレーム１０の両側には燃料タンク３２、
油圧ポンプの作動油のタンク３４等が配設される。フレ
ーム１０上にはオペレータ用の座席５０とステアリング
６０が配設され、有人運転時には、オペレータが乗車
し、運転を行なう。座席５０の周囲には、有人運転時の
操作レバー８０やアクセルペダル、ブレーキペダル等が
配設される。

【００１１】芝刈りユニット７０は、カッターブレード
を有し、図示しないアクチュエータにより回転駆動され
る。

【００１２】フレーム１０の前部には、前部バンパー８
２がとりつけてあって、バンパスイッチ３２０と障害物
センサ３４０が設けてある。フレーム１０の後部には後
部バンパー８４がとりつけてあって、バンパスイッチ３
２０と障害物センサ３４０が設けてある。車輪２２，２
４には車速センサ４３０がとりつけてあって、各車輪の
回転数に基づいて車速を検出する。

【００１３】エンジン３０は油圧ポンプ１００を駆動
し、油圧ポンプ１００は、各車輪にとりつけた油圧モー
タを駆動する。また、芝刈りユニット７０，７２の上下
動も油圧シリンダにより操作され、芝刈りユニットにと
りつけたカッターも油圧モータで駆動される。ステアリ
ング６０やアクセルの操作も、マニュアル運転と自動運
転が選択でき、自動運転時には、油圧アクチュエータに
よってステアリングとアクセルワークが操作される。

【００１４】この移動作業機械１は自律による自動運転
に必要とする各種のセンサを装備する。まず、姿勢計測
センサは、機械の現在の姿勢（水平面に対する、ロール
角度、ピッチ角度）を検知する。光ファイバージャイロ
は、機械のヨー角度を検知し、操舵角センサは、ステア
リングの操舵角を検知して、操舵輪の角度を算出する。
車速センサは各車輪の回転数から車速を算出し、走行制
御角度センサは、アクセルアクチュエータの制御角度を
検出する。

【００１５】その他にも、自動運転中に機械の周囲の障
害物を認識するセンサ４５０や機械のバンパが障害物に
触れたときに機械を非常停止するためのバンパースイッ
チ３２０も設けてある。この移動作業機械は、以上の各
センサからの情報を処理するコントローラ２００を搭載
し、自律航法によって無人による自動運転と芝刈り作業
等を実行することができる。

【００１６】また、この自動作業機械は、ＧＰＳの受信
装置を装備して、ＧＰＳを利用した航法も実行する機能
を有する。フレーム１０上に起立するＧＰＳアンテナ５
００は宇宙空間のＧＰＳ衛星からの電波を受信し、フレ
ーム上に設置したＧＰＳの移動局装置へ送る。移動局装
置は受信したＧＰＳ信号から移動局の現在位置を絶対値
として算出する。このアンテナポストを利用して、光学
的なサインポスト５０５を設けることができる。この自
律作業機械が稼働するエリアの近傍にＧＰＳの固定局を
配置し、この固定局からの信号電波を受信することで、
現在位置を補正し、精度を向上することができる。

【００１７】図３は、固定局の構成を示すもので、ＧＰ
Ｓ受信と補正信号の発信を行なう装置６１０と、衛星か
らのＧＰＳ電波信号の受信用アンテナ６１５と、補正信
号の発信用アンテナ６２５を備える。フレーム１０に装
備されるＧＰＳの補正情報受信機５５０は、アンテナ５
６０を有し、固定局からの補正情報を受信する。ＧＰＳ
アンテナ５００が受信する衛星からの信号によって算出
した現在位置を固定局から受信する補正情報によって補
正することで、より正確な現在位置を得ることができ
る。

【００１８】図４は、本移動作業機械のシステム構成を
示すブロック図である。移動作業機械を駆動、操作する
機構としては、エンジン３０により駆動される油圧ポン
プ１００を備え、油圧ポンプから送られる圧油は操作用
シリンダ１１０を介して操舵輪２４の操舵角を制御す
る。操舵制御装置１２０は、操舵制御アクチュエータに
より駆動される操舵制御機構１２４を有し、制御量は操
舵各センサ１２６で検知される。有人運転時にはステア
リング６０で手動操作される。

【００１９】圧油は油圧モータ１３０へ送られ、全ての
車輪２２，２４を駆動する。走行制御装置１４０は、走
行制御アクチュエータ１４２により駆動される駆動制御
機構１４４を有し、制御量は走行制御角度センサ１４６
で検出される。具体的にはアクセル開度の角度が制御、
検出される。有人運転時にはアクセルペダルにより手動
操作される。

【００２０】圧油により駆動される油圧モータ１５０は
カッターユニット７０，７２のカッターを駆動する。カ
ッター駆動制御装置１６０は、カッター駆動アクチュエ
ータ１６２によって駆動される駆動制御機構１６４を有
し、制御量は動作確認センサ１６６で検知される。有人
運転時には操作レバー８０により手動操作される。圧油
により駆動される油圧シリンダ１７０は、芝刈りユニッ
ト７０を上下動させるカッター上下制御装置１８０は、
カッター駆動アクチュエータ１８２によって駆動される
駆動制御機構１８４を有し、制御量は動作確認センサ１
８６で検出される。有人運転時には操作レバー８０によ
り手動操作される。

【００２１】コントローラ２００は、地図情報手段２１
０、作業パス生成手段２２０、軌道目標値手段２３０、
位置推定手段２４０、誤差補正手段２５０、目標速度・
方向演算手段２６０を備える。目標速度・方向演算手段
２６０の出力は運転指令手段を介して各機器の制御装置
へ送られる。スイッチボックス３３０のメインスイッチ
によりエンジン制御装置３１０を介してエンジンが始動
される。車体フレーム２０のバンパーに設けたバンパー
スイッチ３２０は、車体が障害物に接したことを検出し
てエンジンを止めて、非常停止を実行する。

【００２２】本移動作業機械は、無人移動、作業を実行
するために、種々のセンサを有する。障害物認識センサ
３４０は、超音波等を用いて周囲の障害物を検知する。
移動作業機械が装備する内界センサ４００は、姿勢計測
センサ４１０、光ファイバジャイロ４２０、車速センサ
４３０を有し、機械の進行方向や移動量を検知する。操
舵角センサ１２６は操舵角度を検知し、走行制御センサ
１４６はアクセル角度を検知する。移動作業機械１は、
これらのセンサの情報と、コントローラが備える地図情
報によって無人運転による自律走行と自動作業が可能で
ある。

【００２３】本移動作業機械１は、これらの内界センサ
４００に加えて、ＧＰＳセンサ５００を有する。このＧ
ＰＳセンサ５００は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信して
現在位置を演算することができる。また、作業エリアの
近傍に設置した固定局からのＧＰＳ用データを受信する
装置５５０を有する。ＧＰＳ固定局６００は、ＧＰＳ衛
星からの信号を受信するアンテナ６１５と、受信したデ
ータから現在位置を絶対位置として算出するＧＰＳの固
定局６１０と、ＧＰＳの補正信号の送信機６２０と、送
信用アンテナ６２５を備え、移動作業機械に補正データ
を送信する。このＧＰＳシステムを備えることによっ
て、移動作業機械は自己の現在位置を正確に認識するこ
とができる。

【００２４】図５，図６は、本発明による移動作業機械
の起伏地の通過の制御方法を示す説明図である。すなわ
ち、移動作業機械１が有する自律航法機能のみを使用し
て、図５，図６に示すような起伏地を直線経路Ｐ₁₀に沿
って移動しようとする場合に、車輪と大地との間にスリ
ップ等が生ずるために、直線経路からずれてしまうこと
が起こる。

【００２５】そこで、移動作業機械が有するＧＰＳ航法
機能を用いて経路の補正を行なう。しかしながら、移動
作業機械１がロール角が発生する起伏地を通過する際に
は、移動作業機械１に立設されたＧＰＳアンテナ５００
は、アンテナの高さをＨ、ロール角をθとしたときに、
車体中心から横方向に距離Ｅだけずれる。ここで、Ｅ＝Ｈ・Ｔａｎθ で表わされる。

【００２６】したがって、ピッチ角θが変化する起伏地
を通過する際には、たとえ、移動作業機械１が直線経路
Ｐ₁₀を通過しても、ＧＰＳアンテナが受信する経路Ｐ₁₂
は、図５に示すような軌跡となる。そこで、これらの誤
差要因を補正する制御を実行する。

【００２７】図７は、起伏地を通過する際の制御フロー
を示す。ステップＳ１０でスタートした処理は、ステッ
プＳ１１で自律航法データの入力処理を行なう。入力デ
ータとしては、・進行角データ（１軸ジャイロセンサのヨー角データ）・傾斜角データ（姿勢計測センサまたは地図情報から算
出した経路方向のピッチ角・ロール角データ）・車輪センサデータがある。

【００２８】ステップＳＴ１３ではＧＰＳ測位データの
受信処理を行なう。ＧＰＳデータとしては、位置デー
タ、ＰＤＯＰ値、位置データ精度指標データ等がある。
ステップＳＴ１４では、ＰＤＯＰ値の判定を行なう。Ｐ
ＤＯＰ値はＧＰＳ衛星の配置関係による精度を示す指標
であって、値が小さい程側位精度は高くなる。ＰＤＯＰ
値が６以上のときには、ステップＳＴ２０へ進み、自律
航法によって、自己位置測定と制御量を算出し、ステッ
プＳＴ２１で移動体である移動作業機械を制御する。

【００２９】ＰＤＯＰ値が６以下であれば、ＧＰＳによ
る航法が使用できるので、ステップＳＴ１５で位置精度
指標が高精度（ＦＩＸ）かをチェックし、ＦＩＸの状況
であれば、ステップＳＴ１６でＧＰＳデータを制御に使
用できるフォーマットに変換する。

【００３０】ステップＳＴ１７では、１軸ジャイロデー
タ・傾斜角データ・車輪センサデータを用いてプログラ
ムの経路方向に進むよう経路制御を行なうと共に、ＧＰ
Ｓデータを傾斜角に応じて補正し、その補正データから
実走行経路を求めて自律航法経路を補正することによ
り、高い精度でプログラムの経路の沿わせるよう制御す
る。

【００３１】ステップＳＴ２１でメモリ側から供給され
る目標経路に合わせて移動作業機械を制御し、ステップ
ＳＴ２２で作業終了を確認し、ステップＳＴ２３で処理
を終了する。

【００３２】

【発明の効果】本発明は以上のように、車体のヨー角度
のみを検知するセンサを備えて、予め与えられる地図情
報に基づいて無人移動しつつ作業を実行する機械にあっ
て、車体が起伏地を通過する際には、地図情報または姿
勢計測センサから車体のピッチ角度、ロール角度等のデ
ータを得て、車体がプログラム経路上を通過するように
制御することができる。さらに、ＧＰＳ航法装置を備
え、ＧＰＳデータを利用して、より高精度な制御によっ
て経路上を移動することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用する芝刈り機の平面図。

【図２】本発明の適用する芝刈り機の側面図。

【図３】ＧＰＳ固定局の概要を示す説明図。

【図４】芝刈り機の制御系のブロック図。

【図５】芝刈り機が起伏地を通過する際の平面図。

【図６】芝刈り機が起伏地を通過する際の正面図。

【図７】芝刈り機が起伏地の通過の際の制御方式を示す
フロー図。

【図８】芝刈り対象となるゴルフ場の平面図。

【図９】芝刈り対象となるゴルフ場とＧＰＳ衛星の関係
を示す側面図。

【図１０】ヨー角のみを検知して制御する移動作業機械
が起伏地を通過する際の経路を示す平面図。

【符号の説明】

１芝刈り機１０車体２２後輪２４前輪３０エンジン７０，７２芝刈りユニット２００制御装置４００内界センサ５００ＧＰＳアンテナ６００ＧＰＳ固定局

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田有司千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者神谷敬之千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者青野俊宏茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者乙母正美千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号日立京葉エンジニアリング株式会社内 (72)発明者清野憲二千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号日立京葉エンジニアリング株式会社内 (72)発明者小林和男東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所産業機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】操舵輪と駆動輪を有する車体と、車体に
装備される作業ユニットと、車体のヨー角度を検知する
センサと、車体のピッチ角度、ロール角度を検知するセ
ンサと、車体の進行速度を検知するセンサと、予め与え
られる地図情報に基づいて車体の移動経路をプログラム
制御する自律航法装置を備えた無人移動作業機械の制御
方式であって、車体が起伏地上の経路を通過する際には、車体のヨー角
度を検知するセンサから得られる進行経路方向のヨー角
と、車体のピッチ角度、ロール角度を検知するセンサま
たは地図情報から得られる進行経路方向のピッチ角およ
びロール角の車体の傾斜角度情報と車体の速度および距
離データに基づいて、動作制御を演算し、車体の動作を
制御する無人移動作業機械の制御方式。
【請求項２】操舵輪と駆動輪を有する車体と、車体に
装備される作業ユニットと、車体のヨー角度を検知する
センサと、車体のピッチ角度、ロール角度を検知するセ
ンサと、車体の進行速度を検知するセンサと、予め与え
られる地図情報に基づいて車体の移動経路をプログラム
制御する自律航法装置と、ＧＰＳアンテナを有するＧＰ
Ｓ航法装置とを備えた無人移動作業機械の制御方式であ
って、車体が起伏地上の経路を通過する際には、車体のヨー角
度を検知するセンサから得られる進行経路方向のヨー角
と、車体のピッチ角度、ロール角度を検知するセンサま
たは地図情報から得られる進行経路方向のピッチ角およ
びロール角の車体の傾斜角度情報と車体の速度および距
離データとＧＰＳデータに基づいて、動作制御を演算
し、車体の動作を制御する無人移動作業機械の制御方
式。