JP2007061042A

JP2007061042A - 作業機の自動制御システム

Info

Publication number: JP2007061042A
Application number: JP2005253547A
Authority: JP
Inventors: Mikio Kinoshita; 幹男木下; Susumu Umemoto; 享梅本; Toshiya Fukumoto; 俊也福本
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-09-01
Also published as: JP4746384B2

Abstract

【課題】走行機体に連結した作業装置の位置あるいは姿勢を駆動手段によって変更制御するよう構成した作業機の自動制御システムにおいて、数多くのセンサ類を要することなく、複雑な制御を高い精度で安定良く行うことができるようにする。
【解決手段】作業装置Ｓ、あるいは、走行機体Ｔと作業装置Ｓを撮像手段によって撮影し、撮影した画像の解析によって作業装置Ｓの位置情報あるいは姿勢情報を取得し、取得された情報に基づいて駆動手段を作動制御して作業装置の位置あるいは姿勢を変更制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、耕耘装置、バックホウ装置、あるいは、整地装置、などの作業装置を走行機体に連結し、この作業装置の位置あるいは姿勢を駆動機構によって変更制御するよう構成した作業機の自動制御システムに関する。

例えば、ロータリ型の耕耘装置を走行機体に連結した農用トラクタにおいては、耕耘装置による耕深を設定された目標耕深に安定させる自動耕深制御や、耕耘装置の左右方向での傾斜姿勢を設定角度に維持する自動ローリング制御、などの各種自動制御が行われるようになっている。自動耕深制御においては、耕耘装置に備えられた後カバーの揺動角度で実耕深を電気的に検知し、この検知結果に基づいて耕耘装置昇降用の駆動機構であるリフトシリンダを作動制御している。また、自動ローリング制御においては、走行機体の左右傾斜角度を傾斜センサや傾斜角速度センサなどの検出手段で検知し、この検知結果に基づいてリフトロッドシリンダを作動制御して耕耘装置の走行機体に対する傾斜角度を変更制御するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−７８５０７号公報

近年、農作業機や土工機に導入される自動制御手段は次第に高度化されており、そのために位置制御や姿勢制御に係わる関節部や可動部の変化を検出するために各種のセンサが多く必要となり、制御システム全体がコスト高になる傾向がある。また、各種のセンサを用いて得られる情報は局所的なものにならざるを得ず、そのために検出精度を高めることが困難になる。

本発明は、このような点に着目してなされたものであって、数多くのセンサ類を要することなく、複雑な制御を高い精度で安定良く行うことができるようにすることを目的としている。

第１の発明は、走行機体に連結した作業装置の位置あるいは姿勢を駆動機構によって変更制御するよう構成した作業機の自動制御システムであって、
前記作業装置、あるいは、走行機体と作業装置を撮像手段によって撮影し、撮影した画像の解析によって作業装置の位置情報あるいは姿勢情報を取得し、取得された情報に基づいて前記駆動機構を作動制御するよう構成してあることを特徴とする。

上記構成によると、撮影した画像の解析によって取得された情報に基づいて、作業装置の地面に対する高さ、作業装置の地面に対する傾斜姿勢、などを制御することが可能となる。この場合、画像の解析によって位置や姿勢が変化する速度や加速度を割り出すこともでき、きめ細かい制御のための情報として利用することができる。また、地面に対する走行機体の姿勢や沈下具合を検知することで、これらが作業装置の位置や姿勢の変化に及ぼす影響を前もって予測するようなことも容易となる。

第２の発明は、上記第１の発明において、
前記作業装置が耕耘装置であり、画像解析によって耕耘装置の実耕深を計測して、この計測情報に基づいて実耕深を設定耕深に安定維持する自動耕深制御を実行するよう構成してあるものである。

上記構成によると、例えば、耕耘装置に基準となる指標やゲージを備えておき、これの画像から実耕深を計測あるいは演算することが可能となる。

第３の発明は、上記第１の発明において、
前記作業装置がバックホウ装置であり、撮影した画像の解析によってバックホウ装置の掘削深さを計測して、この計測情報に基づいて予め設定された自動掘削制御を実行するよう構成してあるものである。

上記構成によると、走行機体とバックホウ装置を撮影すると、バックホウ装置におけるブームの起伏角度、ブームに対するアームの屈折角度、および、アームに対するバケットの屈折角度、および、走行機体に対するバックホウ装置の旋回方向、などを画像解析によって得ることができ、この情報からバケットの先端掘削点の位置、その移動方向、移動速度、など演算し、これに基づいてバックホウ装置を作動制御して所望深さの掘削作業や、水平掘削、法面の傾斜掘削、などを自動的に行うことが可能となる。

第４の発明は、上記第１の発明において、
前記作業装置が整地装置であり、撮影した画像の解析によって整地度合いを計測して、この計測情報に基づいて予め設定された自動整地制御を実行するよう構成してあるものである。

上記構成によると、走行機体と排土板やフロントローダなどの整地装置を撮影すると、整地装置の地面に対する高さや角度姿勢、走行機体の位置、などを画像解析によって得ることができ、この情報に基づいて走行機体の走行制御、整地装置の高さや角度姿勢を制御して、水平あるいは所望勾配での整地を自動的に行うことが可能となる。

第５の発明は、上記第１〜４のいずれか一つの発明において、
前記撮像手段を機外に配置してあるものである。

上記構成によると、走行機体と作業装置とを撮像することができ、走行機体に対する作業装置の位置や姿勢、地面に対する作業装置の位置や姿勢、地面に対する走行機体に位置や姿勢、などの数多くの情報を画像解析によって得ることができ、取得する情報の項目に比べてセンサ類の数を少なくすることができる。

以下、本発明の実施例のいくつかを図面に基づいて説明する。

〔第１例〕

図１〜図５に、本発明を農用トラクタＡに適用した場合が示されており、この例では、走行機体Ｔである４輪駆動式のトラクタ本機１の後部に、作業装置Ｓの一例であるロータリ型の耕耘装置２が昇降自在に連結されている。

耕耘装置２はサイドドライブ型のものが利用されており、耕耘幅に対応した左右間隔をもって配備されたロータリケース３とサイドフレーム４の下部に亘って耕耘ロータ５が駆動回転可能に軸支横架され、この耕耘ロータ５を上方から覆うロータリカバー６の後端に、土壌の飛散を防止するとともに耕起跡を鎮圧整地する後カバー７が上下揺動可能、かつ、バネ８によって下方付勢されて配備され、さらに、耕耘ロータ５の左右には土壌の飛散を防止するサイドカバー９が配備されている。

トラクタ本機１の後部には、トップリンプ１０ａと左右一対のロアーリンク１０ｂからなる３点リンク式の昇降リンク機構１０が備えられ、この昇降リンク機構１０の後端に耕耘装置２が連結支持されている。昇降リンク機構１０を構成する左右のロアーリンク１０ｂは、トラクタ本機１の後端上部に装備された左右一対のリフトアーム１１にそれぞれリフトロッド１２，１３を介してそれぞれ連結され、内装されたリフトシリンダ１４で左右のリフトアーム１１を一体に駆動揺動することで耕耘装置２を昇降作動することができるようになっている。

右側のロアーリンク１０ｂと右側のリフトアーム１１とを連結するリフトロッド１３は油圧シリンダで構成されて伸縮自在となっており、このリフトロッド１３を伸縮作動させて左右のロアーリンク１０ｂの相対高さを変えることで耕耘装置２の左右傾斜姿勢（ローリング姿勢）を変更することができるようになっている。

図２の制御ブロック図に示されるように、昇降用のリフトシリンダ１４、および、ローリング用のリフトロッド（油圧シリンダ）１３はそれぞれ電磁制御バルブ１５，１６に接続されており、トラクタ本機１に搭載した制御装置１７からの指令によって電磁制御バルブ１５，１６を作動制御することで耕耘装置２の自動耕深制御および自動ローリング制御を行うようになっている。

図３に示すように、上記農用トラクタＡが乗り入れられる圃場の外周適所、具体的には、往復耕耘走行する農用トラクタＡを横側面から望む位置、および、往復耕耘走行する農用トラクタＡを前後から望む位置に、ＣＣＤカメラを利用した撮像装置２１，２２が図示されない三脚等を用いて所定高さに設置されている。

側面の撮像装置２１は、トラクタ本機１と耕耘装置２およびその圃場面を側面から撮影するものであり、農用トラクタＡの往復走行にかかわらず撮影画面の所定範囲に所定の大きさで農用トラクタＡが撮像されるように、水平首振り追従制御、および、自動ズーム制御が行われるようになっている。

前後の撮像装置２２は、耕耘装置２を背面から撮影するもであり、農用トラクタＡの往復走行にかかわらず撮影画面の所定範囲に所定の大きさで耕耘装置２が撮像されるように、水平首振り追従制御、および、自動ズーム制御が行われるようになっている。

撮像装置２１，２２には、撮影した画像の解析を行う解析装置２３と、画像解析によって取得された情報を無線で送信する送信装置２４とを備えた解析ユニット２５が接続されている。他方、トラクタ本機１には送信装置２４からの無線情報を受信する受信装置２６が備えられて前記制御装置１７に接続されており、撮影された画像の解析によって得られた情報に基づいて耕耘装置２の自動耕深制御と自動ローリング制御が以下のように行われる。

（自動耕深制御）

図４に示すように、耕耘装置２におけるロータリケース３およびサイドフレーム４の外側面には、耕耘ロータ５の回転軸心位置を示す基準指標ｍが設けられており、撮影した画像を解析して地表面ＧＬと基準指標ｍとの距離ｈを演算計測することで、所定の回転半径Ｒで作動する耕耘ロータ５の地中への没入深さ、つまり、実耕深ｄが得られる。

この場合、耕耘装置２における外側面の適所に適当長さの直線ゲージを付して撮影すると、この直線ゲージを基準にして実耕深ｄを計測することが可能となる。

このようにして取得された情報は送信装置２４によってトラクタ本機１の受信装置２６に無線伝送され、トラクタ本機１の制御装置１７においては、得られた実耕深ｄが予め入力された設定耕深ｄ0と比較され、実耕深ｄが設定耕深（不感帯を含む）ｄ0から外れると、その外れが減少する方向にリフトアーム１１を作動させるよう電磁制御バルブ１５が制御される。

上記制御作動と同時にトラクタ本機１の車輪沈下量や機体の前後ピッチング姿勢が、撮影した画像の解析によって演算計測され、取得されたこれらの情報が上記自動耕深制御を実行する上での制御量や制御速度を補償する情報として制御装置１７に伝送され、応答性の向上やハンチング防止などに活用される。

（自動ローリング制御）

耕耘装置２を後方から撮影した画像（図５参照）を解析して、耕耘装置２の左右方向での絶対傾斜角度や地表面ＧＬに対する相対傾斜角度、などが演算計測される。

このようにして取得された情報は送信装置２４によってトラクタ本機１の受信装置２６に無線伝送され、トラクタ本機１の制御装置１７においては、計測された耕耘装置２の絶対傾斜角度が予め設定された設定傾斜角度（普通は水平）と比較され、計測された絶対傾斜角度が設定傾斜角度（不感帯を含む）から外れると、その外れが減少する方向にローリング制御用のリフトロッド１３を伸縮させるよう電磁制御バルブ１６が作動制御される。

上記制御作動と同時にトラクタ本機１の前方からの撮影画像が解析されて、トラクタ本機１の左右方向での絶対傾斜角度、および、トラクタ本機１の地表面ＧＬに対する左右方向での傾斜角度、等が演算計測され、取得されたこれらの情報が自動ローリング制御を実行する上での制御量や制御速度を補償する情報として制御装置１７に伝送され、応答性の向上やハンチング防止などに活用される。

この場合、耕耘装置２のロータリカバー６と後カバー７の塗装色を異ならせて、後方から撮影した耕耘装置２の画像からロータリカバー５と後カバー６の境界線を認識しやすくしておき、この境界線の左右傾斜角度を耕耘装置２の左右傾斜角度として演算計測することができる。

〔第２例〕

図６，図７に、本発明を掘削機Ｂに適用した場合が示されており、この例の走行機体Ｔは、クローラ走行式の走行車体３１に旋回台３２を全旋回可能に搭載して構成されており、その旋回台３２の前部に、作業装置Ｓの一例であるバックホウ装置３３が連結されるとともに、走行基台３１の前部に他の作業装置Ｓとしてドーザブレード（整地装置）３４が昇降自在に連結されている。

バックホウ装置３３は、ブーム３５、アーム３６、および、バケット３７を順次連結して、それぞれをブームシリンダＣ1、アームシリンダＣ2、および、バケットシリンダＣ3で起伏屈伸作動させるよう構成されている。図７に示すように、、これらの掘削作業用のシリンダＣ1，Ｃ2，Ｃ3、および、ドーザブレード３４を昇降するドーザシリンダＣ4、旋回台駆動用の旋回モータＭＴ、および、左右の走行モータＭＬ，ＭＲの作動を司る電磁制御バルブＶ1〜Ｖ7が制御装置３８に接続されている。

上記のように構成された掘削機Ｂが稼働される作業地の適所、具体的には掘削機Ｂを横側面から望む位置にＣＣＤカメラを利用した撮像装置４１が設置される。バックホウ装置３３における各関節部、つまり、ブーム３５の基端支点p1、ブーム３５とアーム３６の枢支連結点ｐ2、および、アーム３６とバケット３７の枢支連結点ｐ3にそれぞれマークが設けられるとともに、シリンダ群の連結点ｐ4〜ｐ9にもマークが設けられて、画像解析における指標点に利用される。

撮像装置４１には、撮影した画像の解析を行う解析装置４２、画像解析によって取得された情報を無線で送信する送信装置４３を備えた解析ユニット４４が備えられている。他方、掘削機Ｂの走行機体３１にはこの無線情報を受信する受信装置４５が備えられて前記制御装置３８に接続されており、撮影された画像の解析によってバケット３７における掘削点ｘの位置が演算計測され、得られた情報に基づいて所望深さの掘削作業や、水平掘削、法面の傾斜掘削、などが行われる。

整地作業においては、走行機体３１の絶対傾斜角度、ドーザブレード３４の掘削点ｙの高さ位置、作業地の起伏具合、整地跡の傾斜角度、などの情報が画像解析によって取得されて制御装置３８に送信され、この情報に基づいてドーザブレード３４の高さが走行機体１の前後進に対応して制御され、水平整地や所望勾配の整地などが行われる。

この場合、走行機体３１の前後進制御およびドーザブレード３４の高さ制御を全て画像解析情報に基づいて全自動で行う他に、走行機体３１の前後進の切換えを搭乗作業者が行い、前後進に伴うドーザブレード３４の高さ制御を画像解析情報に基づいて行うこともできる。

〔他の実施例〕

（１）上記第１例において、走行機体Ｔと作業装置Ｓとを左右両側方から撮影して、地表面ＧＬに対する作業装置Ｓの左右の高さを計測演算し、その左右の高さの差異から作業装置Ｓの地表面ＧＬに対する左右傾斜角度を割り出すことも可能である。

（２）本発明は、４輪走行式の走行機体Ｔの後部に作業装置Ｓとしての苗植付け装置を昇降自在およびローリング自在に連結した田植機における苗植付け装置の自動昇降制御（自動植付け深さ制御）やローリング制御、あるいは、クローラ走行式の走行機体Ｔの前部に作業装置Ｓとしての刈取り部を昇降自在に連結したコンバインにおける刈取り部の自動昇降制御（刈高さ自動制御）や、走行機体Ｔの左右傾斜制御、など各種農用作業機に適用することも可能である。

（３）本発明は、作業装置Ｓだけを機外から撮影して画像解析を行う形態で実施することもできる。

（４）走行機体Ｔに備えた撮像装置で作業装置Ｓを撮影し、その画像解析によって、走行機体Ｔに対する作業装置Ｓの位置情報や姿勢情報を取得する形態で実施することも可能である。

第１例における農用トラクタの側面図第１例における制御用のブロック図第１例における作業形態を示す概略平面図第１例における側方からの撮影画面図第１例における後方からの撮影画面図第２例における掘削機の側面図第２例における制御用のブロック図

符号の説明

２耕耘装置
３３バックホウ装置
３４整地装置（ドーザブレード）
Ｓ作業装置
Ｔ走行機体

Claims

走行機体に連結した作業装置の位置あるいは姿勢を駆動手段によって変更制御するよう構成した作業機の自動制御システムであって、
前記作業装置、あるいは、走行機体と作業装置を撮像手段によって撮影し、撮影した画像の解析によって作業装置の位置情報あるいは姿勢情報を取得し、取得された情報に基づいて前記駆動手段を作動制御するよう構成してあることを特徴とする作業機の自動制御システム。
前記作業装置が耕耘装置であり、画像解析によって耕耘装置の実耕深を計測して、この計測情報に基づいて実耕深を設定耕深に安定維持する自動耕深制御を実行するよう構成してある請求項１記載の作業機の自動制御システム。
前記作業装置がバックホウ装置であり、撮影した画像の解析によってバックホウ装置の掘削深さを計測して、この計測情報に基づいて予め設定された自動掘削制御を実行するよう構成してある請求項１記載の作業機の自動制御システム。
前記作業装置が整地装置であり、撮影した画像の解析によって整地度合いを計測して、この計測情報に基づいて予め設定された自動整地制御を実行するよう構成してある請求項１記載の作業機の自動制御システム。
前記撮像手段を機外に配置してある請求項１〜４のいずれか一項に記載の作業機の自動制御システム。