特開 2024-47189 自動操舵システム、携帯端末及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024047189

(43)【公開日】2024-04-05

(54)【発明の名称】自動操舵システム、携帯端末及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   A01B 69/00 20060101AFI20240329BHJP

   G05D 1/43 20240101ALI20240329BHJP

【ＦＩ】

A01B69/00 301

A01B69/00 303M

G05D1/02 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022152678

(22)【出願日】2022-09-26

(71)【出願人】

【識別番号】000001878

【氏名又は名称】三菱マヒンドラ農機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100085394

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 哲夫

(74)【代理人】

【識別番号】100128392

【弁理士】

【氏名又は名称】服部 秀一

(74)【代理人】

【識別番号】100165456

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 佑子

(72)【発明者】

【氏名】加藤 将太郎

(72)【発明者】

【氏名】林田 淳一

(72)【発明者】

【氏名】鶴原 優太

【テーマコード（参考）】

2B043

5H301

【Ｆターム（参考）】

2B043AA03

2B043AB20

2B043BA02

2B043BB01

2B043BB06

2B043BB14

2B043DA04

2B043DA17

2B043DC03

2B043EA03

2B043EA32

2B043EB04

2B043EB05

2B043EB12

2B043EB15

2B043EB18

2B043EC02

2B043EC14

2B043EC15

2B043ED02

2B043EE01

2B043EE05

2B043EE06

2B043EE08

5H301AA03

5H301BB01

5H301BB02

5H301CC03

5H301CC06

5H301CC10

5H301DD06

5H301DD17

5H301GG09

5H301GG16

5H301HH02

(57)【要約】

【課題】作業車両側の装備や制御負担を軽減し、自動操舵システムの大幅なコストダウンを実現する。
【解決手段】トラクタＴは、アクチュエータの動力で機体を操舵する操舵装置１０と、操舵装置１０を制御する車両側制御部１５と、携帯端末１２と通信可能な車両側通信装置１６と、を備え、携帯端末１２は、センサ類Ｓと、センサ類Ｓの検出情報を入力する端末側制御部１８と、トラクタＴと通信可能な端末側通信装置２０と、を備え、端末側制御部１８は、センサ類Ｓの検出情報に基づいて、車両位置及び周辺環境を推定し、車両位置及び周辺環境に基づいて、トラクタＴの目標作業経路Ｋを生成し、車両位置及び目標作業経路Ｋに基づいて、トラクタＴの目標操舵角φを算出し、目標操舵角φをトラクタＴに送信し、車両側制御部１５は、携帯端末１２が送信した目標操舵角φとなるように操舵装置１０を制御する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圃場を作業走行する作業車両と、
前記作業車両に取り付けられる携帯端末と、を備える自動操舵システムであって、
前記作業車両は、
アクチュエータの動力で前記作業車両を操舵する操舵装置と、
前記操舵装置を制御する車両側制御部と、
前記携帯端末と通信可能な車両側通信装置と、を備え、
前記携帯端末は、
センサ類と、
前記センサ類の検出情報を入力する端末側制御部と、
前記作業車両と通信可能な端末側通信装置と、を備え、
前記端末側制御部は、
前記センサ類の検出情報に基づいて、車両位置及び周辺環境を推定する車両位置・周辺環境推定手段と、
前記車両位置及び前記周辺環境に基づいて、前記作業車両の目標作業経路を生成する目標作業経路生成手段と、
前記車両位置及び前記目標作業経路に基づいて、前記作業車両の目標操舵角を算出する目標操舵角算出手段と、
前記目標操舵角を前記端末側通信装置を介して前記作業車両に送信する目標操舵角送信手段と、を備え、
前記車両側制御部は、
前記携帯端末が送信した前記目標操舵角を前記車両側通信装置を介して受信する目標操舵角受信手段と、
受信した前記目標操舵角となるように前記操舵装置を制御する自動操舵制御手段と、を備えることを特徴とする自動操舵システム。

【請求項2】

前記周辺環境は、前記圃場の平面形状であり、
前記目標作業経路は、直線経路であり、
前記目標作業経路生成手段は、前記圃場の平面内に並列する複数の前記目標作業経路を生成することを特徴とする請求項１に記載の自動操舵システム。

【請求項3】

前記センサ類には、
前記作業車両の進行方向を撮影可能なカメラと、
前記作業車両の姿勢を検出可能な姿勢センサと、が含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動操舵システム。

【請求項4】

前記センサ類には、さらに、対象物までの距離を検出する距離センサが含まれることを特徴とする請求項３に記載の自動操舵システム。

【請求項5】

圃場を作業走行する作業車両に取り付けられる携帯端末であって、
センサ類と、
前記センサ類の検出情報を入力する端末側制御部と、
前記作業車両と通信可能な端末側通信装置と、を備え、
前記端末側制御部は、
前記センサ類の検出情報に基づいて、車両位置及び周辺環境を推定する車両位置・周辺環境推定手段と、
前記車両位置及び前記周辺環境に基づいて、前記作業車両の目標作業経路を生成する目標作業経路生成手段と、
前記車両位置及び前記目標作業経路に基づいて、前記作業車両の目標操舵角を算出する目標操舵角算出手段と、
前記目標操舵角を前記端末側通信装置を介して前記作業車両に送信する目標操舵角送信手段と、を備えることを特徴とする携帯端末。

【請求項6】

圃場を作業走行する作業車両に取り付けられる携帯端末用のプログラムであって、
前記携帯端末は、
センサ類と、
前記センサ類の検出情報を入力する端末側制御部と、
前記作業車両と通信可能な端末側通信装置と、を備え、
前記端末側制御部を、
前記センサ類の検出情報に基づいて、車両位置及び周辺環境を推定する車両位置・周辺環境推定手段と、
前記車両位置及び前記周辺環境に基づいて、前記作業車両の目標作業経路を生成する目標作業経路生成手段と、
前記車両位置及び前記目標作業経路に基づいて、前記作業車両の目標操舵角を算出する目標操舵角算出手段と、
前記目標操舵角を前記端末側通信装置を介して前記作業車両に送信する目標操舵角送信手段として機能させることを特徴とするプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トラクタなどの作業車両を自動操舵するための自動操舵システム、携帯端末及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

スマートフォン、タブレットなどの携帯端末を利用して作業を行う作業車両が知られている。例えば、特許文献１には、少なくとも一方の面にカメラを有し、かつ少なくとも他方の面にディスプレイを有するスマートフォンと、スマートフォンを支持するスマートフォン支持台と、を備え、カメラが撮影した機体前方の画像とディスプレイ上の絶対位置に表示される指標とをディスプレイに合成表示させる農作業機が開示されている。このような農作業機によれば、作業者の視点のずれに拘わらず、圃場側指標と機体側指標との絶対的な位置関係を認識することができるので、作業者の視点のずれに起因するステアリングハンドルの誤操作を防止し、直進性を向上させることが可能になる。また、特許文献２には、自動操舵可能な乗用田植機において、タブレットを利用して速度超過警告報知や速度アップ報知を行うことが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１６３７７号公報

【特許文献2】特開２０２１－４０５４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１、２では、携帯端末を指標表示や警告報知などに補助的に利用しているに過ぎないため、自動操舵システムの大幅なコストダウンを実現することはできない。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、圃場を作業走行する作業車両と、前記作業車両に取り付けられる携帯端末と、を備える自動操舵システムであって、前記作業車両は、アクチュエータの動力で前記作業車両を操舵する操舵装置と、前記操舵装置を制御する車両側制御部と、前記携帯端末と通信可能な車両側通信装置と、を備え、前記携帯端末は、センサ類と、前記センサ類の検出情報を入力する端末側制御部と、前記作業車両と通信可能な端末側通信装置と、を備え、前記端末側制御部は、前記センサ類の検出情報に基づいて、車両位置及び周辺環境を推定する車両位置・周辺環境推定手段と、前記車両位置及び前記周辺環境に基づいて、前記作業車両の目標作業経路を生成する目標作業経路生成手段と、前記車両位置及び前記目標作業経路に基づいて、前記作業車両の目標操舵角を算出する目標操舵角算出手段と、前記目標操舵角を前記端末側通信装置を介して前記作業車両に送信する目標操舵角送信手段と、を備え、前記車両側制御部は、前記携帯端末が送信した前記目標操舵角を前記車両側通信装置を介して受信する目標操舵角受信手段と、受信した前記目標操舵角となるように前記操舵装置を制御する自動操舵制御手段と、を備えることを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の自動操舵システムであって、前記周辺環境は、前記圃場の平面形状であり、前記目標作業経路は、直線経路であり、前記目標作業経路生成手段は、前記圃場の平面内に並列する複数の前記目標作業経路を生成することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の自動操舵システムであって、前記センサ類には、前記作業車両の進行方向を撮影可能なカメラと、前記作業車両の姿勢を検出可能な姿勢センサと、が含まれることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項３に記載の自動操舵システムであって、前記センサ類には、さらに、対象物までの距離を検出する距離センサが含まれることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、圃場を作業走行する作業車両に取り付けられる携帯端末であって、センサ類と、前記センサ類の検出情報を入力する端末側制御部と、前記作業車両と通信可能な端末側通信装置と、を備え、前記端末側制御部は、前記センサ類の検出情報に基づいて、車両位置及び周辺環境を推定する車両位置・周辺環境推定手段と、前記車両位置及び前記周辺環境に基づいて、前記作業車両の目標作業経路を生成する目標作業経路生成手段と、前記車両位置及び前記目標作業経路に基づいて、前記作業車両の目標操舵角を算出する目標操舵角算出手段と、前記目標操舵角を前記端末側通信装置を介して前記作業車両に送信する目標操舵角送信手段と、を備えることを特徴とする。
また、請求項６の発明は、圃場を作業走行する作業車両に取り付けられる携帯端末用のプログラムであって、前記携帯端末は、センサ類と、前記センサ類の検出情報を入力する端末側制御部と、前記作業車両と通信可能な端末側通信装置と、を備え、前記端末側制御部を、前記センサ類の検出情報に基づいて、車両位置及び周辺環境を推定する車両位置・周辺環境推定手段と、前記車両位置及び前記周辺環境に基づいて、前記作業車両の目標作業経路を生成する目標作業経路生成手段と、前記車両位置及び前記目標作業経路に基づいて、前記作業車両の目標操舵角を算出する目標操舵角算出手段と、前記目標操舵角を前記端末側通信装置を介して前記作業車両に送信する目標操舵角送信手段として機能させることを特徴とするプログラム。

【発明の効果】

【0006】

請求項１の発明によれば、携帯端末は、装備されたセンサ類を利用して車両位置及び周辺環境を推定するともに、推定した車両位置及び周辺環境に基づいて目標作業経路を生成し、さらに、車両位置及び目標作業経路に基づいて作業車両の目標操舵角を算出するので、目標操舵角を作業車両に送信すれば、作業車両側で車両位置を検出したり、目標作業経路の生成や目標操舵角の算出を行うことなく、作業車両を自動操舵することが可能になる。その結果、作業車両側の装備や制御負担を軽減し、自動操舵システムの大幅なコストダウンを実現できる。
また、請求項２の発明によれば、推定する周辺環境は、圃場の平面形状であり、目標作業経路は、直線経路であり、目標作業経路生成手段は、圃場の平面内に並列する複数の目標作業経路を生成するので、予め圃場の平面情報を用意しなくても、適切な目標作業経路を生成することができる。
また、請求項３の発明によれば、センサ類には、作業車両の進行方向を撮影可能なカメラと、作業車両の姿勢を検出可能な姿勢センサと、が含まれるので、カメラ及び姿勢センサを備える一般的なスマートフォンやタブレットを使用して安価な自動操舵システムを構築できる。
また、請求項４の発明によれば、センサ類には、さらに、対象物までの距離を検出する距離センサが含まれるので、車両位置や周辺環境の推定精度を高めることができる。
また、請求項５の発明によれば、携帯端末として本発明を実施し、請求項１と同等の効果が得られる。
また、請求項６の発明によれば、プログラムとして本発明を実施し、請求項１と同等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】トラクタの側面図である。

【図2】トラクタの操縦部を示す斜視図である。

【図3】自動操舵システムの構成を示すブロック図である。

【図4】圃場の平面形状、目標作業経路及び操舵角を示す説明図である。

【図5】自動操舵システムの処理手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

【0009】

図１において、１はトラクタＴ（作業車両）の走行機体であって、該走行機体１は、エンジン（図示せず）が搭載されるエンジン搭載部２と、エンジン動力を変速して走行動力及び作業動力を出力するミッションケース３と、ステアリングハンドル４（図２参照）の操作に応じて操舵され、且つミッションケース３から出力される走行動力で回転駆動される左右の前輪５と、ミッションケース３から出力される走行動力で回転駆動される左右の後輪６と、ステアリングハンドル４などの各種の操作具が配置される運転部７と、各種の作業機８（図４参照）を連結可能な作業機連結部９と、を備える。

【0010】

図１及び図２に示すように、運転部７には、前述したステアリングハンドル４の他に、操舵装置１０や携帯端末スタンド１１が設けられる。操舵装置１０は、モータ動力でステアリングハンドル４を回し操作し、前輪５を操舵する。携帯端末スタンド１１は、スマートフォンなどの携帯端末１２（図３参照）を取り付けるためのもので、カメラ１３が前方を向き、ディスプレイ１４が後方を向く姿勢で携帯端末１２を支持する。

【0011】

図３に示す自動操舵システム１００は、トラクタＴを自動操舵するためのシステムであり、圃場を作業走行するトラクタＴ側の構成と、トラクタＴに取り付けられる携帯端末１２側の構成と、を含む。

【0012】

トラクタＴ側の構成には、前述した操舵装置１０と、操舵装置１０を制御する車両側制御部１５と、携帯端末１２と通信可能な車両側通信装置１６と、が含まれる。

【0013】

携帯端末１２側の構成には、後述するセンサ類Ｓと、タッチスクリーンなどの入力装置１７と、センサ類Ｓの検出情報を入力して各種の処理を行う端末側制御部１８と、画像表示を行う前述のディスプレイ１４と、音を出力するスピーカ１９と、トラクタＴと通信可能な端末側通信装置２０と、が含まれる。

【0014】

センサ類Ｓには、トラクタＴの進行方向を撮影可能な前述のカメラ１３と、対象物までの距離を計測可能なＴＯＦセンサなどの距離センサ２１と、携帯端末１２（トラクタＴ）の向き（地磁気）を検出する磁気センサ２２と、携帯端末１２（トラクタＴ）の姿勢を検出可能なＩＭＵセンサ２３（姿勢センサ：加速度センサ及びジャイロセンサ）と、が含まれる。

【0015】

端末側制御部１８は、ハードウェアとソフトウェア（プログラム）との協働により実現される機能構成として、車両位置・周辺環境推定手段と、目標作業経路生成手段と、目標操舵角算出手段と、目標操舵角送信手段と、を備える。

【0016】

車両位置・周辺環境推定手段は、センサ類Ｓの検出情報に基づいて、車両位置及び周辺環境を推定する。例えば、ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）を使用して、車両位置を推定するとともに、周辺環境として圃場の平面形状を推定する。なお、ＳＬＡＭは、カメラ１３の撮影画像やその他のセンサ信号（距離センサ２１、磁気センサ２２、ＩＭＵセンサ２３などのセンサ値）をリアルタイムに処理し、自己位置推定と環境地図を作成する技術である。このようなＳＬＡＭによれば、特定のマーカに頼らずに、圃場面や畦を認識し、空間を３次元的に処理（例えば、圃場の平面形状の推定）することが可能になる。

【0017】

目標作業経路生成手段は、車両位置・周辺環境推定手段が推定した車両位置及び周辺環境に基づいて、トラクタＴの目標作業経路を生成する。例えば、図４に示すように、目標作業経路Ｋは、直線経路であり、圃場の平面内に並列する複数の目標作業経路Ｋを生成する。このとき、複数の目標作業経路Ｋの間隔Ｗ１は、トラクタＴの作業幅Ｗ２に基づいて算出される。また、目標作業経路Ｋの長さＬは、トラクタＴが次行程に向けて旋回するための枕地Ｍを残すように算出される。

【0018】

目標操舵角算出手段は、車両位置・周辺環境推定手段が推定した車両位置と、目標作業経路生成手段が作成した目標作業経路に基づいて、トラクタＴの目標操舵角を算出する。例えば、目標操舵角をφ、位置誤差ゲインをK_px、方位誤差ゲインをK_pθ、車両目標位置をX、車両推定位置をX_n、車両目標方向をθ_z、車両推定方向をθ_zn、その他の補正値をC_nとして下記の式で算出する。
φ＝K_px（X－X_n）＋K_pθ（θ_z－θ_zn）＋C_n

【0019】

目標操舵角送信手段は、目標操舵角算出手段が算出した目標操舵角を端末側通信装置２０を介してトラクタＴに送信する。例えば、Bluetooth（登録商標）などの近距離無線通信を用いて目標操舵角φをトラクタＴに送信する。

【0020】

一方、トラクタＴの車両側制御部１５は、ハードウェアとソフトウェアとの協働により実現される機能構成として、目標操舵角受信手段と、自動操舵制御手段と、を備える。

【0021】

目標操舵角受信手段は、携帯端末１２が送信した目標操舵角φを車両側通信装置１６を介して受信する。また、自動操舵制御手段は、受信した目標操舵角φとなるように操舵装置１０を制御する。

【0022】

つぎに、上記のような機能構成を実現する自動操舵システム１００の処理手順について、図５を参照して説明する。

【0023】

図５に示すように、端末側制御部１８は、センサ類Ｓの検出情報を取得しつつＳＬＡＭを使用し、自己位置（端末基準）の推定と、周辺環境の把握を行う（Ｓ１）。つぎに、端末側制御部１８は、目標作業経路Ｋを生成済みであるか否かを判断し（Ｓ２）、この判断結果がＹＥＳの場合は、ステップＳ３、Ｓ４において目標作業経路Ｋを生成し、判断結果がＮＯの場合は、ステップＳ３、Ｓ４をスキップする。端末側制御部１８は、ステップＳ３において、現在位置から任意の方向への基準目標作業経路Ｋ０を生成した後、ステップＳ４において、基準目標作業経路Ｋ０に並列する複数の目標作業経路Ｋを生成する。なお、基準目標作業経路Ｋ０は、例えば、作業開始時に圃場の一辺（例えば、畦際）に沿うように生成される。

【0024】

つぎに、端末側制御部１８は、自己位置を端末基準から機体基準に補正した後（Ｓ５）、目標作業経路Ｋと自己位置（機体基準）との差を算出するとともに（Ｓ６）、目標作業経路Ｋの方向と自己の方向（機体基準）との差を算出する（Ｓ７）。その後、端末側制御部１８は、自己位置（機体基準）が目標作業経路Ｋ上を走行するための目標操舵角φを算出し（Ｓ８）、トラクタＴに送信する。

【0025】

車両側制御部１５は、携帯端末１２から目標操舵角φを受信すると、目標操舵角φとなるように操舵装置１０を制御する。

【0026】

叙述の如く構成された本実施形態によれば、圃場を作業走行するトラクタＴと、トラクタＴに取り付けられる携帯端末１２と、を備える自動操舵システム１００であって、トラクタＴは、アクチュエータの動力で機体を操舵する操舵装置１０と、操舵装置１０を制御する車両側制御部１５と、携帯端末１２と通信可能な車両側通信装置１６と、を備え、携帯端末１２は、センサ類Ｓと、センサ類Ｓの検出情報を入力する端末側制御部１８と、トラクタＴと通信可能な端末側通信装置２０と、を備え、端末側制御部１８は、センサ類Ｓの検出情報に基づいて、車両位置及び周辺環境を推定する車両位置・周辺環境推定手段と、車両位置及び周辺環境に基づいて、トラクタＴの目標作業経路Ｋを生成する目標作業経路生成手段と、車両位置及び目標作業経路Ｋに基づいて、トラクタＴの目標操舵角φを算出する目標操舵角算出手段と、目標操舵角φを端末側通信装置２０を介してトラクタＴに送信する目標操舵角送信手段と、を備え、車両側制御部１５は、携帯端末１２が送信した目標操舵角φを車両側通信装置１６を介して受信する目標操舵角受信手段と、受信した目標操舵角φとなるように操舵装置１０を制御する自動操舵制御手段と、を備えるので、自動操舵システム１００の大幅なコストダウンを実現できる。つまり、携帯端末１２は、装備されたセンサ類Ｓを利用して車両位置及び周辺環境を推定するともに、推定した車両位置及び周辺環境に基づいて目標作業経路Ｋを生成し、さらに、車両位置及び目標作業経路に基づいてトラクタＴの目標操舵角φを算出するので、目標操舵角φをトラクタＴに送信すれば、トラクタＴ側で車両位置を検出したり、目標作業経路の生成や目標操舵角の算出を行うことなく、トラクタＴを自動操舵することが可能になる。その結果、トラクタＴ側の装備や制御負担を軽減し、自動操舵システム１００の大幅なコストダウンを実現できる。

【0027】

また、周辺環境は、圃場の平面形状であり、目標作業経路Ｋは、直線経路であり、目標作業経路生成手段は、圃場の平面内に並列する複数の目標作業経路Ｋを生成するので、予め圃場の平面情報を用意しなくても、適切な目標作業経路Ｋを生成することができる。

【0028】

また、センサ類Ｓには、トラクタＴの進行方向を撮影可能なカメラ１３と、トラクタＴの姿勢を検出可能なＩＭＵセンサ２３と、が含まれるので、カメラ１３及びＩＭＵセンサ２３を備える一般的なスマートフォンやタブレットを使用して安価な自動操舵システム１００を構築できる。

【0029】

また、センサ類Ｓには、さらに、対象物までの距離を検出する距離センサ２１が含まれるので、車両位置や周辺環境の推定精度を高めることができる。

【0030】

なお、本発明は前記実施形態に限定されないことは勿論である。例えば、適用する作業車両は、前記実施形態のトラクタＴに限定されず、田植機やコンバインであってもよい。

【符号の説明】

【0031】

１００ 自動操舵システム
Ｔ トラクタ
１ 走行機体
４ ステアリングハンドル
５ 前輪
１０ 操舵装置
１１ 携帯端末スタンド
１２ 携帯端末
１３ カメラ
１５ 車両側制御部
１６ 車両側通信装置
１８ 端末側制御部
２０ 端末側通信装置
２１ 距離センサ
２２ 磁気センサ
２３ ＩＭＵセンサ
Ｓ センサ類

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】