JP5953426B2 - 作業用車両の自動操舵システム - Google Patents
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Description
車両の位置、速度、方位及び姿勢を含む計測値を計測する計測部と、
処理部と、を備え、
前記処理部は、車両特徴量を演算する車両特徴量演算部と、路面特徴量を演算する路面特徴量演算部と、車両特徴量と路面特徴量とを用いて操舵量を演算する操舵量演算部と、を備え、
自動操舵システムは、作業路面を走行するときの作業モードと、作業モードの事前に行う調整モードと、を備え、
調整モードにおいて、前記車両特徴量演算部は、前記計測部によって得られた計測値を用いて車両特徴量を求め、
作業モードにおいて、前記車両特徴量演算部は前記車両特徴量の更新を行い、前記路面特徴量演算部は、前記計測部によって得られた計測値を用いて路面特徴量を求める、
ことを特徴とする。
車両特徴量演算部122は、作業場での作業中に大きく変化しない車両の状態等を表す特徴量である車両特徴量を求める。よって、車両特徴量は、経年変化または車両個体差を特徴づけるものとなる。
ハンドル回転角と旋回半径の関係、すなわち、車両のハンドルを回転させた場合に標準状態でどの程度旋回するかを表す特徴量であり、以下の4つの特徴量を挙げることができる。
ハンドル回転角とタイヤ回転角との比であり、右回りと左回りに対してそれぞれ存在する。
前輪軸と後輪軸の距離である。初期値はユーザ等によってユーザインターフェース18に入力された入力値,あるいは標準値とする。
g=α/(sin-1(l/R))
R1=lx/(sin(α1/gx))
R2=lx/(sin(α2/gx))
g[n]=g[n-1]+εg(gx-g[n-1])
l[n]=l[n-1]+εl(lx-l[n-1])
ハンドルの右回転限界と左回転限界の角度を表す特徴量である。調整モードにおいてハンドル左右回転限界までハンドル200を操作し、その際のハンドル回転角センサ144のハンドル回転角の計測値から得る。
ハンドルの原点が、左右ハンドル回転限界の中点からずれている量を表す特徴量である。初期値は0とする。
ここで、iは直進が認められた範囲のサンプルを表し,その総数をIとする。α[i]はi時点のハンドル回転角の計測値、αCは後述する、(3-4)斜面横滑り量C分の位置ずれを補正するために必要なハンドル回転角である。
タイヤの圧力や取付位置の歪み等により常に車体にかかる傾きを表す特徴量であり、ロール角とピッチ角がある。この特徴量の導出は、調整モードにおいてその計測区間内に姿勢・方位計測部142で計測されるロール角、ピッチ角の平均を求めることで行う。
ここで、iは調整モード中の全サンプルを表し、その総数をIとする。a[i]はi時点の姿勢計測値である。この特徴量は、危険警告部136において、閾値と比較することができ、閾値を超えた場合、危険警告部136が警告信号を出力し、ユーザインターフェース18で車両・タイヤ取付に問題がある旨の警告を視覚的又は音響的に出力して、ユーザに知らしめる。
ba[n]=ba[n-1]+εa(a-ba[n-1])
ここで、nは更新時を示し、εaは更新量である。
bΩz[k]) (次元:(m/s2 m/s2 m/s2 rad/s rad/s rad/s)
エンジンやタイヤの凹凸などにより常に車体にかかる振動を表す特徴量である。この特徴量の導出は、調整モードにおいてその計測区間内の全振動の平均を求めることで行う。
ここで、iは調整モード中の全サンプルを表し、その総数をIとする。V[i][k]はi時点の車体振動である。この特徴量は、危険警告部136において、閾値と比較することができ、閾値を超えた場合、危険警告部136が警告信号を出力し、ユーザインターフェース18で車両・タイヤ取付に問題がある旨の警告を視覚的又は音響的に出力して、ユーザに知らしめる。
bv[n][k]=bv[n][k]+εbv(V[k]-bv[n][k])
ここで、nは更新時を示し、εbvは更新量である。
路面特徴量演算部124は、作業場での作業中に常に変化する路面の状態を表す特徴量である路面特徴量を求める。具体的には、作業モードにおいて、計測部14によって計測された計測値に基づき路面特徴量を路面モデルに従って演算することで、走行中の状態に応じて即座に適応して速応性を高める。
土地の起伏による車体の傾斜を表す特徴量であり、ロール角とピッチ角がある。この特徴量の導出は、姿勢・方位計測部142で計測されるロール角、ピッチ角から(1-2)で求めた車体傾きbaを減ずる。
ha=a-ba
土地の起伏による車体の傾斜の変化量を表す特徴量であり、ロール角とピッチ角のそれぞれの変化量がある。この特徴量の導出は、路面傾きの前時点サンプルと現時点サンプルの差分から得る。
Δha[n]= ha[n]- ha[n-1]
ここで、nは現時点を表す。
計測される車両の旋回半径と、所望の旋回半径の比率を表す特徴量である。期待される旋回半径に対して実際の旋回半径との差異を表す。この特徴量の導出は、位置・速度計測部141で求められる車両の位置の軌跡から求めた旋回半径の計測値を、所望の旋回半径で除することで得る。
SR=Rm/R
ここで、Rmは旋回半径の計測値であり、Rは制御しているハンドル回転角によって得られるべき所望の旋回半径である。よって、所望の旋回半径を計測滑りやすさで補正した後、その補正旋回半径に対応するハンドル操作量を求めることで、所望の旋回半径を得ることができる。
路面の凹凸などにより一時的に車体にかかる振動を表す特徴量である。
gv[k]=V[k]- bv[k].
以下の(2-5)の推定滑りやすさの導出、(2-6)の推定不安定性の導出に使用する。
路面状態による車体振動から推定される路面の滑りやすさを表す特徴量である。砂利地等で高くなる。
Sv=ζΣkWS[k] gv[k]
ここで、WS[k]は高周波成分を抽出するための窓関数であり、Σkは全帯域の値を総和することを表す。また、ζは高周波成分量から滑りやすさに変換するパラメータである。以下の(2-7)の斜面横滑り量の導出に使用する。
路面状態による車体振動から推定される路面の不安定性を表す特徴量である。凸凹した荒地などほど高くなる。
Dv=ΣkWD[k] gv[k]
ここで、WD[k]は低周波成分を抽出するための窓関数であり、Σkは全帯域の値を総和することを表す。この特徴量は、危険警告部136において、閾値と比較することができ、閾値を超えた場合、危険警告部136が警告信号をユーザインターフェース18に出力し、ユーザインターフェース18で危険がある旨の警告を視覚的又は音響的に出力してユーザに知らしめる。また、自動操舵停止手段138において自動操舵の停止を行うことができる。
傾斜と滑りやすさから推定される横滑り量を表す特徴量である。この特徴量は、路面傾きと滑りやすさを乗ずることにより求める。
C= Sv hφ
この斜面横滑り量Cは、以下のハンドル回転角の算出に使用する。
最終的な車両の自動操舵の目標は、
・車両を目標走行経路上に走行させる。
・車両を目標方向に向けさせる。
ことである。
目標走行経路決定部16で決定された目標走行経路が操舵量演算部126へと入力され、計測部14で求めた現在車両位置から目標走行経路のうちの現在の区間を特定する。
操舵量演算部126は、特定された目標走行経路の現在の区間と、計測部14で求めた現在車両位置との位置偏差wを求める。
θw=θt+aww
である。ここで、比例定数awは目標走行経路への収束速度を決める定数であり、安全性等を考慮して決定する値である。また、awwはその値の上限を90[deg]とする。
次に、操舵量演算部126は、目標進行方向θwと、位置・速度計測部141によって計測された車両進行方向θwの偏差θdから車両の所望の旋回半径を決定する。
R=ad/θd
である。ここで、比例定数adは目標進行方向への収束速度を決める定数であり、安全性等を考慮して決定する値である。また、Rは車両の特性による制約を受ける(一定以上小さなRは取れない)。
所望の旋回半径に対するハンドル回転角は次式(右旋回の場合)で求めることができる。
α=gRSin-1(SR/R)-β+αC
ただし、αがαRrを超える場合にはαをαRrにする。
αC=gRSin-1(SR awC/ ad)
から求めることができる。
12 主処理部
14 計測部
100 作業用車両
122 車両特徴量演算部
124 路面特徴量演算部
126 操舵量演算部
136 危険警告部
Claims (4)
- 目標走行経路に沿って作業路面を自動走行するように作業用車両を操舵する作業用車両の自動操舵システムであって、
車両の位置、速度、方位及び姿勢を含む計測値を計測する計測部と、
処理部と、を備え、
前記処理部は、車両特徴量を演算する車両特徴量演算部と、路面特徴量を演算する路面特徴量演算部と、車両特徴量と路面特徴量とを用いて操舵量を演算する操舵量演算部と、を備え、
自動操舵システムは、作業路面を走行するときの作業モードと、作業モードの事前に行う調整モードと、を備え、
調整モードにおいて、前記車両特徴量演算部は、前記計測部によって得られた計測値を用いて車両特徴量を求め、
作業モードにおいて、前記車両特徴量演算部は前記車両特徴量の更新を行い、前記路面特徴量演算部は、前記計測部によって得られた計測値を用いて路面特徴量を求める、
ことを特徴とする作業用車両の自動操舵システム。 - 前記車両特徴量は、操舵量−旋回半径関係、車体傾き及び車体自身の車体振動の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1記載の作業用車両の自動操舵システム。
- 前記路面特徴量は、路面傾き及び路面の滑りやすさの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の作業用車両の自動操舵システム。
- 前記処理部は、さらに、路面特徴量演算部で求めた路面特徴量を閾値と比較して、閾値を超えた場合に警告信号を出力する危険警告手段を備えることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の作業用車両の自動操舵システム。
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