特許 7261241 自動操舵制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-11

(45)【発行日】2023-04-19

(54)【発明の名称】自動操舵制御装置

(51)【国際特許分類】

   G05D 1/02 20200101AFI20230412BHJP

   B62D 6/00 20060101ALI20230412BHJP

   B62D 5/04 20060101ALI20230412BHJP

   A01B 69/00 20060101ALI20230412BHJP

   B62D 113/00 20060101ALN20230412BHJP

   B62D 137/00 20060101ALN20230412BHJP

【ＦＩ】

G05D1/02 W

B62D6/00 ZYW

B62D5/04

A01B69/00 303M

B62D113:00

B62D137:00

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020546005

(86)(22)【出願日】2019-09-09

(86)【国際出願番号】 JP2019035343

(87)【国際公開番号】W WO2020054654

(87)【国際公開日】2020-03-19

【審査請求日】2022-07-01

(31)【優先権主張番号】P 2018168580

(32)【優先日】2018-09-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003388

【氏名又は名称】東京計器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101856

【弁理士】

【氏名又は名称】赤澤 日出夫

(72)【発明者】

【氏名】吉田 豊織

(72)【発明者】

【氏名】荒金 宏臣

(72)【発明者】

【氏名】船山 正行

(72)【発明者】

【氏名】岡村 信行

(72)【発明者】

【氏名】内田 朗忍

(72)【発明者】

【氏名】嘉屋 和樹

【審査官】藤崎 詔夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－８０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平８－２０２４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３０５６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１２２７２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｄ １／０２

Ｂ６２Ｄ ６／００

Ｂ６２Ｄ ５／０４

Ａ０１Ｂ ６９／００

Ｂ６２Ｄ １１３／００

Ｂ６２Ｄ １３７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

自動操舵の対象である作業車両へ操舵信号を出力する自動操舵制御装置であって、
目標進行方位と検出された前記作業車両の進行方位とに基づくＰＩＤ制御により前記操舵信号を出力し、前記ＰＩＤ制御における比例ゲインに与えるべき複数の値を含む第１パラメータセットを有する操舵演算部と、
前記第１パラメータセットに含まれる複数の値を示し、択一に選択可能な選択肢を提示する提示部と、
前記第１パラメータセットについて選択された選択肢を取得する取得部とを備え、
前記操舵演算部は、前記第１パラメータセットについて取得された選択肢により示される値を前記比例ゲインに設定して前記ＰＩＤ制御を行うことを特徴とする自動操舵制御装置。

【請求項2】

前記第１パラメータセットに含まれる複数の値のそれぞれは、該値の前記第１パラメータセットにおける相対的な大きさを段階的に示す複数のレベルのそれぞれと対応付けられ、
前記提示部は、前記第１パラメータセットについての選択肢として前記複数のレベルを選択可能に提示し、
前記取得部は、選択されたレベルを取得し、
前記操舵演算部は、前記第１パラメータセットにおいて前記選択されたレベルと対応する値を前記比例ゲインに設定することを特徴とする請求項１に記載の自動操舵制御装置。

【請求項3】

予め設定された目標走行経路と検出された前記作業車両の位置とに基づいて前記目標進行方位を出力する目標進行方向演算部を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自動操舵制御装置。

【請求項4】

前記ＰＩＤ制御における積分要素の時定数または微分要素の時定数の少なくともいずれか１つは、前記作業車両の特性に基づいて設定されることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の自動操舵制御装置。

【請求項5】

前記操舵演算部は、前記積分要素の時定数または前記微分要素の時定数の少なくともいずれか１つに与えるべき値をそれぞれが有する複数のパラメータを含む第２パラメータセットを有し、
前記提示部は、前記第２パラメータセットに含まれる複数のパラメータを示し、択一に選択可能な選択肢を提示し、
前記取得部は、前記第２パラメータセットについて選択された選択肢を取得し、
前記操舵演算部は、前記第２パラメータセットについて取得された選択肢により示されるパラメータを前記積分要素の時定数または前記微分要素の時定数の少なくともいずれか１つに設定して前記ＰＩＤ制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の自動操舵制御装置。

【請求項6】

前記操舵演算部は、前記第２パラメータセットに含まれる複数のパラメータそれぞれに対応付けられた複数の第１パラメータセットを有し、
前記提示部は、前記第２パラメータセットについて選択された選択肢により示されるパラメータと対応付けられた第１パラメータセットに含まれる複数の値を示し、択一に選択可能な選択肢を提示することを特徴とする請求項５に記載の自動操舵制御装置。

【請求項7】

前記第２パラメータセットに含まれる複数のパラメータのそれぞれは、該パラメータが基づく作業車両のカテゴリと対応付けられ、
前記提示部は、選択された作業車両のカテゴリを取得し、
前記操舵演算部は、前記第２パラメータセットにおいて前記選択された作業車両のカテゴリと対応するパラメータを前記積分要素の時定数または前記微分要素の時定数のいずれか１つに設定することを特徴とする請求項６に記載の自動操舵制御装置。

【請求項8】

前記作業車両のカテゴリは、作業車両の種別、作業車両の車種、作業車両に装着された作業機の種類、または作業車両のタイヤの種類のうち少なくともいずれか１つにより区分されるカテゴリであることを特徴とする請求項７に記載の自動操舵制御装置。

【請求項9】

前記提示部は、前記選択肢をディスプレイに表示することを特徴とする請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の自動操舵制御装置。

【請求項10】

前記取得部は、前記選択された選択肢をタッチセンサの操作により取得することを特徴とする請求項９に記載の自動操舵制御装置。

【請求項11】

前記取得部は、前記選択された選択肢をスイッチに対する操作により取得することを特徴とする請求項１～請求項１０のいずれか１項に記載の自動操舵制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、作業車両の自動操舵に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、農作業の効率化を目的として、トラクタや田植機などの作業車両を指定した走行経路に追従させる自動操舵制御が行われている。この自動操舵制御によれば、目標とする走行経路上の位置と作業車両の位置との離間距離に基づいて、作業車両の位置を走行経路上に位置付けるように作業車両の操舵が制御される。

【0003】

また、作業車両の自動操舵に関する技術として、機体を操舵操作する操舵部材と、機体の位置座標を取得する位置情報取得装置と、操舵部材を作動させて機体を直進走行させる自動直進装置と、機体各部の制御を行う制御装置を備える作業車両において機体の直進走行の基準となる基準位置を取得する基準位置取得部材と、自動直進装置を入切する入切部材を設け、制御装置は、基準位置を取得した状態で入切部材を入操作することにより、自動直進装置を作動可能にすることを特徴とする作業車両、が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－９７６２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

作業車両が走行する圃場は、一般車両が走行する舗装された道路と比較して、各圃場によってその特性に大きな幅があり、例えば、田植機が走行する水田においては、その耕土の質や耕土から水面までの水位などの様々な要素によって、田植機の操舵に係る特性が水田によって異なる。そのため、想定された圃場の特性と実際の圃場の特性とが大きく異なる場合、圃場に合わせた最適な自動操舵がなされない、という問題がある。

【0006】

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、圃場に合わせた最適な作業車両の自動操舵を行うことができる自動操舵制御装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決するため、本実施形態の自動操舵制御装置は、自動操舵の対象である作業車両へ操舵信号を出力する自動操舵制御装置であって、目標進行方位と検出された前記作業車両の進行方位とに基づくＰＩＤ制御により前記操舵信号を出力し、前記ＰＩＤ制御における比例ゲインに与えるべき複数の値を含む第１パラメータセットを有する操舵演算部と、前記第１パラメータセットに含まれる複数の値を示し、択一に選択可能な選択肢を提示する提示部と、前記第１パラメータセットについて選択された選択肢を取得する取得部とを備え、前記操舵演算部は、前記第１パラメータセットについて取得された選択肢により示される値を前記比例ゲインに設定して前記ＰＩＤ制御を行うことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、圃場に合わせた最適な作業車両の自動操舵を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係る農用トラクタの構成を示す概略側面図である。

【図2】実施形態に係る自動操舵システムのハードウェア構成を示すブロック図である。

【図3】自動操舵制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。

【図4】自動操舵制御装置の機能構成を示すブロック図である。

【図5】自動操舵制御システムの制御構成を示すブロック図である。

【図6】操舵演算部の制御構成を示すブロック図である。

【図7】制御量設定に係るユーザインターフェイスを示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

【0011】

（対象車両及び自動操舵システムの構成）
まず、本実施形態に係る自動操舵システムとこの自動操舵システムにより自動操舵される対象車両について説明する。図１は、実施形態に係る農業用トラクタの構成を示す概略側面図である。図２は、実施形態に係る自動操舵システムの構成を示すブロック図である。

【0012】

本実施形態に係る自動操舵システムの操舵対象としての車両は、作業車であり、具体的には、図１に示すような農業用のトラクタ１とする。このトラクタ１は、車体１０と、２つの前輪１１と２つの後輪１２とを備える四輪車両とするが、操舵可能な車両であればどのような車両であっても良く、例えば、車輪の代わりにクローラを備える軌道車両であっても良い。また、トラクタ１は、運転者が座るための座席１３、図示しない作業機を連結接続するリンク機構１４、ステアリングコラム１５、ステアリングハンドル１６、操舵駆動装置１７、アクセル、ブレーキ等を含むペダル類１８、屋根部１９を備える。

【0013】

ステアリングコラム１５内には前輪１１に偏角を与えてトラクタ１を操舵する操舵系が備えられ、ステアリングハンドル１６または操舵駆動装置１７によるハンドル角を操舵系に入力するための入力軸１５１が内蔵され、この入力軸１５１の回転に基づく操舵角が前輪１１に与えられる。操舵駆動装置１７は、自動操舵制御をするための構成が備えられていない、手動操舵を前提としたトラクタ１を自動操舵するために後付けされる装置であり、上方においては、ステアリングハンドル１６が取り付けられるとともに、下方において、操舵系の入力軸１５１の上端部が嵌合される。屋根部１９は、車体１０において前後左右に異なる位置に設けられた４つの支持フレーム上に載置される全体として略平板上の部材である。

【0014】

屋根部１９の上面には、少なくともＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）とジャイロセンサとを含むセンサ類２１が設けられる。このセンサ類２１は、少なくとも車両の位置と走行面上の車両の方位とを検出するものであれば、いかなるセンサを含むものであっても良い。また、屋根部１９を支持する支持フレームのうち、前方に位置する１つの支持フレームには、自動操舵制御装置２２が設けられる。この自動操舵制御装置２２は、トラクタ１の自動操舵を制御するものであり、後に詳述するように、自動操舵制御に関する状況をトラクタ１の運転者に提示するとともに、自動操舵制御に関する運転者による操作を取得するものであるため、運転者の眼前に位置するように設けられることが望ましい。

【0015】

自動操舵システムは、図２に示すように、操舵系における入力軸１５１を駆動する操舵駆動装置１７と、センサ類２１と、自動操舵制御装置２２と、図１に図示されないハンドル角制御装置２３とにより構成される。

【0016】

操舵駆動装置１７は、入力軸１５１に駆動力を伝達する伝達軸１７１、伝達軸１７１を駆動するステッピングモータであるモータ１７２、伝達軸１７１の回転量及び回転位置を検知するロータリエンコーダであるエンコーダ１７３を備える。なお、モータ１７２は、入力軸１５１を回転させるのに十分なトルクを出力可能であるモータであれば、どのような種類のモータであっても良い。

【0017】

自動操舵制御装置２２は、センサ類２１による検出値に基づいて操舵信号を出力し、ハンドル角制御装置２３は、自動操舵制御装置２２により指示された操舵信号に基づいて操舵駆動装置１７をフィードバック制御する。ここで、操舵駆動装置１７は、エンコーダ１７３により検知された回転位置が所望の回転位置となるようにモータ１７２を制御して伝達軸１７１を駆動させる。

【0018】

このように、トラクタ１に対して、操舵駆動装置１７、センサ類２１、自動操舵制御装置２２及びハンドル角制御装置２３を後付けで設置することによって、手動操舵されるように構成されたトラクタ１において自動操舵を実現することが可能となる。

【0019】

（自動操舵制御装置の構成）
自動操舵制御装置のハードウェア構成及び機能構成について説明する。図３、図４は、それぞれ、自動操舵制御装置のハードウェア構成、機能構成を示すブロック図である。

【0020】

自動操舵制御装置２２は、ハードウェアとして、図３に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２２１、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２２２、記憶装置２２３、入出力Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）２２４、タッチパネル２２５、スイッチ群２２６を備える。

【0021】

ＣＰＵ２２１及びＲＡＭ２２２は協働して後述する各種機能を実行し、記憶装置２２３は各種機能により実行される処理に用いられる各種データを記憶する。タッチパネル２２５は、出力装置としてのディスプレイと入力装置としてのタッチセンサとを有する入出力装置である。スイッチ群２２６は、入力装置として、後述する選択肢の選択に用いられる複数のスイッチであり、それぞれのスイッチは、例えば、スライドスイッチやディップスイッチとして構成される。入出力Ｉ／Ｆ２２４は、入出力装置としてのタッチパネル２２５とのデータの入出力を行う。なお、自動操舵制御装置２２における入力装置及び出力装置は、いずれも、いかなる種類の装置であっても良い。

【0022】

また、自動操舵制御装置２２は、機能として、図４に示すように、経路設定部３１、操舵制御部３２、提示部３３、取得部３４を備える。経路設定部３１は、タッチパネル２２５を介した運転者からの指示に基づいて、後述する目標走行経路を設定する。操舵制御部３２は、経路設定部３１により設定された目標走行経路に基づいて、トラクタ１の自動操舵を制御する。提示部３３は、タッチパネル２２５を介して、操舵制御部３２による自動操舵に関する情報を運転者に提示する。取得部３４は、タッチパネル２２５を介して、操舵制御部３２による自動操舵の設定に関する運転者による操作を取得する。

【0023】

（自動操舵制御システムの制御構成）
自動操舵制御システムの制御構成について説明する。図５は、自動操舵制御システムの制御構成を示すブロック図である。図６は、操舵演算部の制御構成を示すブロック図である。

【0024】

図５に示すように、操舵制御部３２は、目標進行方向演算部３２１と、操舵演算部３２２とを有する。目標進行方向演算部３２１は、センサ類２１により検出されたトラクタ１の位置である車両位置と、経路設定部３１により設定された目標走行経路とに基づいて、車両位置を目標走行経路に一致させるようなトラクタ１の進行方位である目標進行方位を演算して出力する。操舵演算部３２２は、目標進行方向演算部３２１により出力された目標進行方位と、センサ類２１により検出されたトラクタ１の進行方位との偏差である進行方位偏差に基づいて、本実施形態においては操舵角を示す操舵信号を演算して出力する。

【0025】

ハンドル角制御装置２３は、操舵演算部３２２により出力された操舵信号により示される操舵角に基づくハンドル角を操舵駆動装置１７へ出力することにより入力軸１５１を制御し、入力軸１５１の回転に基づく操舵角が前輪１１に与えられてトラクタ１の進行方向が制御され、制御されたトラクタ１の車両位置と進行方位とがセンサ類２１により検出される。

【0026】

操舵演算部３２２は、図６に示すように、進行方位偏差に基づいて操舵角を出力するＰＩＤ制御を行っており、このうち、積分要素Ｉ及び微分要素Ｄについては、対象とする作業車両、本実施形態においてはトラクタ１の特性に合わせて、積分時定数Ｔ_ｉ、微分時定数Ｔ_ｄが設定される。

【0027】

比例要素は、圃場に合わせて設定されるものであり、比例要素に対して、後述するように、比例ゲインＫ_ｐの複数の値が第１パラメータセットとして予め用意され、比例ゲインＫ_ｐの値を運転者が制御量のレベルとして設定可能となっている。

【0028】

また、積分時定数Ｔ_ｉ、微分時定数Ｔ_ｄは、積分時定数Ｔ_ｉ、微分時定数Ｔ_ｄの少なくともいずれか１つの値を有し、車種の特性に基づくとともにこの車種に対応付けられたパラメータを複数有する第２パラメータセットが予め用意され、積分時定数Ｔ_ｉ、微分時定数Ｔ_ｄの少なくともいずれか１つの値を運転者が特定の車種用の制御パラメータとして設定可能となっている。ここで、車種とは、具体的には、作業車両の種別、製造元やモデルなどにより区分されるものを示し、例えば、同一の構成を有する車両が同一の区分に属するように分類するカテゴリである。なお、第２パラメータに含まれるパラメータは、作業車両を所定の基準により区分したカテゴリであれば良く、例えば、作業車両の種別、作業車両に装着された作業機の種類、または作業車両のタイヤの種類のいずれかのカテゴリに対応付けられたものであっても良い。ここで、作業車両の種別としては、トラクタ、田植機、コンバイン、野菜移植機、農業用薬剤散布車、野菜収穫機、芝刈り機などが挙げられる。また、作業機の種類としては、耕運機、フロントローダ、レーキ（鍬）、ベーラー、モーア（草刈機）、サブソイラ、ハロー（砕土機）、プラウ（犂）、スラリータンカなどが挙げられる。また、タイヤの種類としては、軟質土用、硬質土用、畑地用、草地用、泥ねい地用、砂地用、芝地用、水田用、乾田用、湿田用、浅田用、深田用などが挙げられる。更に、第２パラメータに含まれるパラメータを、作業車両の車種、作業車両の種別、作業車両に装着された作業機の種類、作業車両のタイヤの種類における少なくとも２つの組み合わせに対応付けたものとしても良い。

【0029】

（制御量設定）
制御量の設定について説明する。図７は、制御量設定に係るユーザインターフェイスを示す概略図である。

【0030】

提示部３３は、図７に示すように、比例ゲインＫ_ｐについての第１パラメータセットを制御量として、また、積分時定数Ｔ_ｉ、微分時定数Ｔ_ｄの少なくともいずれかについての第２パラメータセットを車種名として、運転者または作業者により選択可能にタッチパネル２２５に表示する。ここで、作業者とは、トラクタ１に自動操舵制御システムを装備する者を示す。提示部３３は、レベル表示領域Ｌにおいて、レベルの大きさ順に並べられた複数のレベルを表示するとともに、車種表示領域Ｖにおいて、複数の車種名を表示する。第１パラメータセットに含まれる複数の値のそれぞれは、それぞれの値の第１パラメータセットにおける相対的な大きさを段階的に示す複数のレベルのそれぞれと対応付けられ、大きな値ほど大きなレベルに対応付けられる。また、第２パラメータセットに含まれる複数のパラメータのそれぞれは、それぞれのパラメータが基づく作業車両の車種名と対応付けられる。提示部３３は、このような複数のレベル、複数の車種名を運転者または作業者に対して選択可能に提示する。

【0031】

また、提示部３３は、選択中のレベル、即ち、現行の比例ゲインＫ_ｐに適用されている値に対応付けられたレベルのみをタッチパネル２２５において強調して表示するとともに、現行の積分時定数Ｔ_ｉ、微分時定数Ｔ_ｄに適用されているパラメータに対応付けられた車種名のみをタッチパネル２２５において強調して表示する。なお、第１パラメータセットにおける複数の値のそれぞれ、第２パラメータセットにおける複数のパラメータのそれぞれは、運転者により選択可能な選択肢として提示されれば良い。

【0032】

取得部３４は、提示部３３によりタッチパネル２２５に表示された複数のレベルのうち、タップ操作によって運転者により選択されたレベルを取得する。操舵演算部３２２は、パラメータセットのうち、取得部３４により取得されたレベルに対応付けられた値を比例ゲインＫ_ｐに設定する。

【0033】

このように、比例ゲインＫ_ｐの値をレベルとして選択可能に提示し、選択されたレベルに対応する値を比例ゲインＫ_ｐに設定することによって、運転者が専門的な知識を必要とすることなく比例ゲインＫ_ｐの値を直感的に選択することができ、例えば、操舵において前輪１１に対する抵抗が強くなるような圃場に対してはより強いレベルを選択することによって、より圃場に合った自動操舵制御を行わせることができる。

【0034】

なお、提示部３３による複数のレベル、複数の車種名の提示は、タッチパネル２２５への表示以外にいかなる手段を用いてなされても良く、提示手段としては、例えば、音声、発光、振動などが挙げられ、トラクタ１に搭載される出力装置に依存する。同様に、取得部３４により取得されるレベルの選択は、タッチパネル２２５へのタッチ操作以外にいかなる手段を用いてなされても良く、選択手段としては、音声認識、物理ボタンなどが挙げられ、トラクタ１に搭載される入力装置に依存する。本実施形態においては、提示手段及び選択手段として、スイッチ群２２６を用いることも可能であり、この際、スイッチ群２２６のそれぞれがスライドスイッチである場合にはその操作部が移動可能な位置に複数のレベルや複数の車種が表記され、スイッチ群２２６のそれぞれがディップスイッチである場合にはその複数の操作部の組み合わせにより複数のレベルや複数の車種の提示がなされる。

【0035】

また、第１パラメータセットは、第２パラメータセットにおける複数のパラメータのそれぞれに対応付けて用意しても良い。この場合、制御演算部３２２は複数の第１パラメータセットと第２パラメータセットとを有し、提示部３３は第２パラメータにおいて選択されているパラメータと対応付けられた第１パラメータセットを選択可能に提示する。

【0036】

また、自動操舵制御システムによる制御対象としての作業車両としては、農耕作業用自動車であるトラクタ、田植機、コンバイン、野菜移植機、農業用薬剤散布車、野菜収穫機、芝刈り機などが挙げられ、自動操舵制御システムは、所定の経路に沿って作業を行う全ての作業車両を制御対象とすることができる。

【0037】

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0038】

１ トラクタ（作業車両）
２２ 自動操舵制御装置
３３ 提示部
３４ 取得部
３２１ 目標進行方向演算部
３２２ 操舵演算部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】