JP6420173B2

JP6420173B2 - Automated traveling field work vehicle

Info

Publication number: JP6420173B2
Application number: JP2015035375A
Authority: JP
Inventors: 石見　憲一; 憲一石見; 林　繁樹; 繁樹林
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: JP2016155491A

Description

本発明は、設定された目標走行経路に沿って自動操舵走行する自動走行作業車両に関する。 The present invention relates to an automatic traveling work vehicle that performs automatic steering traveling along a set target traveling route.

設定された目標走行経路に沿って自動操舵される自動操舵機能を有する作業車両として、特許文献１には、ＧＰＳ装置により計測される位置情報に基づいて、ティーチング経路生成手段により生成されたティーチング経路に対して平行な目標経路を生成し、該目標経路上を自律的に走行する田植機が開示されている。この田植機では、自動走行中の実際の走行経路をＧＰＳユニットにより測定し、目標経路と実際の走行目標経路のずれ量が演算され、予め設定した閾値と比較される。その際、目標経路方向と進行方向とが成す角度をずれ量としており、そのずれ量が閾値を越えている場合には、基準線に対するずれの方向を検知して判定を行い、左方にずれが生じている場合にはそのズレ量に応じてステアリング装置を右方向に補正し、右方にズレが生じている場合にはそのズレ量に応じてステアリング装置を左方向に補正する。しかしながら、このような自動走行の原理を採用した作業車両では、目標経路方向と進行方向とが成す角度だけを走行ズレとして操舵制御に用いているので、目標経路と車体とが接近しているのにずれ量だけが大きい場合や、ずれ量が小さいのに目標経路と車体とが遠く離れている場合には適正な走行が困難となる。 As a work vehicle having an automatic steering function that is automatically steered along a set target travel route, Patent Document 1 discloses a teaching route generated by a teaching route generation unit based on position information measured by a GPS device. A rice transplanter that generates a target route parallel to the vehicle and travels autonomously on the target route is disclosed. In this rice transplanter, an actual travel route during automatic travel is measured by the GPS unit, and a deviation amount between the target route and the actual travel target route is calculated and compared with a preset threshold value. At that time, the angle between the target path direction and the traveling direction is used as the amount of deviation. If the amount of deviation exceeds the threshold, the direction of deviation from the reference line is detected and judged, and the deviation to the left is detected. If a deviation occurs, the steering device is corrected in the right direction according to the amount of deviation, and if a deviation occurs in the right direction, the steering device is corrected in the left direction according to the amount of deviation. However, in a work vehicle that employs such a principle of automatic driving, only the angle formed by the target route direction and the traveling direction is used for steering control as a driving shift, so the target route and the vehicle body are close to each other. However, when only the deviation amount is large, or when the target route is far away from the vehicle body even though the deviation amount is small, it is difficult to travel appropriately.

特許文献２で開示されている車両系の走行制御技術では、いろいろな曲率が混在する目標走行経路（目標軌道）に対しては、目標走行経路からの横ずれ量と方位角のずれ量及び目標走行経路の曲率を計測し、２つのずれ量及び曲率に応じた操舵角が演算出力される。具体的には、車両位置が目標走行経路の法線方向になるように参照点を設け、その座標系に対して、座標系を車両位置の絶対座標系から参照点を基準とした相対座標系に変換するとともに、目標走行経路からの相対的な横ずれ及び方位角のずれを計算し、比例制御によりずれ量に応じたフィードバック的な操作量と、目標軌道の曲率及び横ずれ量に応じたフィードフォワード的な操作量により、操舵角が求められる。しかしながら、舗装された道路を走行する自動車などには有効であるかもしれないが、田植機やトラクタやコンバインさらには芝刈機などの農業作業機、あるいはドーザなどの土木作業機では、その走行速度は低速であることから同じ操舵角では高速走行する車両に比べて走行ズレの解消に時間がかかる。さらには、スリップや土塊の乗り上げなどによって瞬時に目標位置からの位置ずれが生じることがある。このため、特許文献２に開示された走行制御技術を、そのまま作業車両の自動操舵走行に適用することができない。 In the vehicle system travel control technology disclosed in Patent Document 2, for a target travel route (target track) in which various curvatures are mixed, a lateral shift amount and an azimuth shift amount from the target travel route, and a target travel The curvature of the route is measured, and the steering angle corresponding to the two deviation amounts and the curvature is calculated and output. Specifically, a reference point is provided so that the vehicle position is in the normal direction of the target travel route, and relative to the coordinate system, the coordinate system is a relative coordinate system based on the reference point from the absolute coordinate system of the vehicle position. In addition to calculating the relative lateral deviation and azimuth deviation from the target travel route, the feedforward operation amount according to the deviation amount by proportional control and the feed forward according to the curvature and lateral deviation amount of the target track The steering angle is determined by the amount of operation. However, although it may be effective for automobiles traveling on paved roads, the traveling speed of farming machines such as rice transplanters, tractors, combines, lawn mowers, and civil engineering machines such as dozers is Because of the low speed, it takes time to eliminate the traveling deviation compared to a vehicle that travels at a high speed at the same steering angle. Furthermore, there may be a momentary displacement from the target position due to slipping or climbing of a lump. For this reason, the traveling control technique disclosed in Patent Document 2 cannot be applied to the automatic steering traveling of the work vehicle as it is.

特開２００８−１３１８８０号公報JP 2008-131880 A 特開２００２−２１５２３９号公報JP 2002-215239 A

上記実情に鑑み、本発明の目的は、設定された目標走行経路に沿って、作業走行中であっても、高い精度をもって自動操舵走行することができる自動走行作業車両を提供することである。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an automatic traveling work vehicle capable of performing automatic steering traveling with high accuracy even during working traveling along a set target traveling route.

圃場に設定された直線状の目標走行経路に沿って自動操舵走行する、本発明による自動走行圃場作業車両は、自車位置を算定する自車位置算定部と、自車の走行方位を算定する自車方位算定部と、前記自車位置に基づいて前記目標走行経路に対する前記自車の横方向の位置ずれである位置偏差を演算する位置偏差演算部と、前記目標走行経路の方位線と前記走行方位との間の方位偏差を演算する方位偏差演算部と、前記位置偏差に基づいて偏差解消の第１操舵値を出力する第１制御演算部と、前記位置偏差が大きくなるにしたがって減少傾向を示す重み係数を用いて調整された前記方位偏差に基づいて偏差解消の第２操舵値を出力する第２制御演算部と、前記第１操舵値と前記第２操舵値とに基づいて前記目標走行経路に沿って走行するための目標操舵値を出力する目標操舵演算部と、前記目標操舵値を入力として操舵駆動信号を出力する操舵駆動制御部と、前記操舵駆動信号に基づいて操向輪の操舵を行う操舵駆動部とを備えている。 An automatic traveling field work vehicle according to the present invention that automatically steers along a linear target traveling path set in a field calculates a vehicle position calculation unit that calculates the position of the vehicle and a traveling direction of the vehicle. A vehicle direction calculation unit, a position deviation calculation unit that calculates a positional deviation that is a lateral displacement of the vehicle with respect to the target travel route based on the vehicle position, an azimuth line of the target travel route, and the and azimuth deviation calculation unit that calculates an azimuth deviation between the traveling direction, and a first control arithmetic unit for outputting a first steering value of the deviation eliminating based on the positional deviation, decreases according to the previous SL positional deviation increases based second control arithmetic unit for outputting a second steering value of the deviation eliminating based on the orientation deviation that is adjusted using the weighting coefficient indicating the trend, in the second steering value and the first steering value To travel along the target travel route A target steering calculation unit that outputs a target steering value; a steering drive control unit that outputs a steering drive signal with the target steering value as an input; and a steering drive unit that steers steering wheels based on the steering drive signal I have.

この構成によれば、目標走行経路に対する位置偏差及び目標走行経路に対する方位偏差とから目標走行経路に沿って走行するための目標操舵値を出力する。しかしながら、単純に目標走行経路に対する位置偏差から偏差解消のために演算される第１操舵値と、目標走行経路に対する方位偏差と偏差解消のために演算される第２操舵値を求めるのではなく、第２操舵値を求める際に、目標走行経路に対する位置偏差も考慮される。具体的には、前記位置偏差を変数として重み係数を導出する重み関数を導入し、その際、この重み関数は位置偏差が大きくなるほど重み係数が減少する傾向を有するものとする。つまり、位置偏差をｄとし、重み関数をＧとすると、重み係数ｗは、Ｇ(ｄ)で求められ、Ｇは単調減少、または段階的に減少する関数となる。ｗは、通常、０より大きく、１以下の数値となる。重み係数ｗは乗算で用いられる。これにより、前記位置偏差が大きい場合には前記方位偏差の重みが低減されるという条件で、前記位置偏差と前記方位偏差とに基づいて偏差解消の第２操舵値が出力される。そのようにして求められた第１操舵値と第２操舵値とに基づいて目標走行経路に沿って走行するための、最終的な目標操舵値が出力される。この構成では、位置偏差が大きい場合には、方位偏差をある程度無視して、位置偏差の解消に重きをおいた目標操舵値が出力されるので、車体がスリップや土塊の乗り上げなどによって大きな位置偏差（位置ずれ）が生じた場合には、迅速にその位置偏差を解消することができる。このことは、田植機、コンバイン、トラクタ、芝刈機などのように、直線状の目標走行経路から大きく外れてしまうことを、単に真っ直ぐ走行することを犠牲にしても極力避けねばならない作業車両にとって利点がある。
なお、本願では、目標走行経路が直線状であるとして、位置偏差は車体から目標走行経路に下した垂線の長さとして、方位偏差とは車体の走行方向線と目標走行経路とのなす角度として表すことができる値であると定義される。 According to this configuration, the target steering value for traveling along the target travel route is output from the position deviation with respect to the target travel route and the azimuth deviation with respect to the target travel route. However, instead of simply obtaining the first steering value calculated for eliminating the deviation from the position deviation with respect to the target travel route and the second steering value calculated for canceling the azimuth deviation and deviation with respect to the target travel route, When obtaining the second steering value, a positional deviation with respect to the target travel route is also taken into consideration. Specifically, a weighting function for deriving a weighting coefficient using the position deviation as a variable is introduced, and at this time, the weighting function tends to decrease as the position deviation increases. That is, if the position deviation is d and the weighting function is G, the weighting coefficient w is obtained by G (d), and G is a function that decreases monotonously or decreases stepwise. w is usually a numerical value greater than 0 and less than or equal to 1. The weight coefficient w is used in multiplication. Thereby, when the position deviation is large, the second steering value for eliminating the deviation is output based on the position deviation and the direction deviation under the condition that the weight of the direction deviation is reduced. A final target steering value for traveling along the target travel route is output based on the first steering value and the second steering value thus determined. In this configuration, if the position deviation is large, the azimuth deviation is ignored to some extent, and the target steering value is output with emphasis on eliminating the position deviation. When (positional deviation) occurs, the positional deviation can be quickly eliminated. This is an advantage for work vehicles such as rice transplanters, combine harvesters, tractors, lawn mowers, etc., that must be avoided as much as possible at the expense of simply running straight, as they deviate significantly from the straight target travel path. There is.
In this application, it is assumed that the target travel route is a straight line, the position deviation is the length of a perpendicular line from the vehicle body to the target travel route, and the heading deviation is the angle between the travel direction line of the vehicle body and the target travel route. Defined as a value that can be represented.

低速あるいは中速での走行において適切に偏差解消ための目標操舵値を出力する制御系の場合、同一操舵角度であれば、車速が高速になるほど、一定時間における車体の位置変化や方位変化が大きくなる。その結果、高速走行時には、車体が蛇行しやすくなるという問題がある。この問題を解決するため、本発明の好適な実施形態の１つでは、車速を算定する車速算定部が備えられ、前記目標操舵演算部は、前記第１操舵値と前記第２操舵値とに基づいて前記目標操舵値を出力する際に前記車速が大きくなるにしたがって減少傾向を示す調整係数を用いて前記車速が大きい場合には前記目標操舵値を低減するように構成されている。具体的には、前記車速を変数として調整係数（例えば０より大きく１以下の数値）を導出する調整関数を導入し、その際、この調整関数は車速が大きくなるほど調整係数が減少する傾向を有するものとする。つまり、車速をｓとし、調整関数をＫとすると、調整係数ｋは、Ｋ(ｋ)で求められ、Ｋは単調減少、または段階的に減少する関数となる。調整係数ｋは乗算で用いられる。これにより、車速が高速になれば、目標操舵値が低減されるので、低速走行から高速走行にわたって適切な偏差解消が実現し、自動操舵走行が安定する。 In the case of a control system that outputs a target steering value for appropriately deviating a deviation when traveling at a low speed or a medium speed, the vehicle body position change and azimuth change at a given time increase as the vehicle speed increases at the same steering angle. Become. As a result, there is a problem that the vehicle body is likely to meander during high-speed traveling. In order to solve this problem, in a preferred embodiment of the present invention, a vehicle speed calculation unit for calculating a vehicle speed is provided, and the target steering calculation unit is configured to calculate the first steering value and the second steering value. On the basis of the output of the target steering value, the target steering value is reduced when the vehicle speed is high using an adjustment coefficient that shows a decreasing tendency as the vehicle speed increases. Specifically, an adjustment function for deriving an adjustment coefficient (for example, a numerical value greater than 0 and equal to or less than 1) using the vehicle speed as a variable is introduced. At this time, the adjustment function tends to decrease as the vehicle speed increases. Shall. That is, assuming that the vehicle speed is s and the adjustment function is K, the adjustment coefficient k is obtained by K (k), and K is a function that decreases monotonously or decreases stepwise. The adjustment coefficient k is used for multiplication. As a result, when the vehicle speed becomes high, the target steering value is reduced, so that appropriate deviation cancellation is realized from low speed running to high speed running, and automatic steering running is stabilized.

車速が高速になればなるほど、偏差解消の操舵角が車体に及ぼす影響が大きくなるという問題に対する別な方策として、本発明による好適な実施形態の１つでは、前記目標操舵演算部は、前記目標操舵値に対する上限リミッタ機能を有し、前記車速に応じて上限リミット値が設定されている。この上限リミット値は作業種によって変更可能であることが好ましい。これにより、低速走行から高速走行にわたって適切な偏差解消が実現し、自動操舵走行が安定する。 As another measure for the problem that the higher the vehicle speed is, the greater the influence of the steering angle for canceling the deviation on the vehicle body is. In one preferred embodiment according to the present invention, the target steering calculation unit includes the target steering unit. It has an upper limiter function for the steering value, and an upper limit value is set according to the vehicle speed. This upper limit value is preferably changeable depending on the work type. As a result, appropriate deviation cancellation from low speed running to high speed running is realized, and automatic steering running is stabilized.

本発明の特徴の一つは、上述したように、位置偏差が大きい場合には、方位偏差をある程度無視して、位置偏差の解消に重きをおいた目標操舵値が出力されることである。その際、作業走行する土壌の状態や作業種によって方位偏差を無視する度合を変えた方が、より作業に適応した自動操舵走行が得られる可能性が高い。このため、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記第２制御演算部における、前記位置偏差の大きさに依存する前記方位偏差の重み係数を用いた重みの低減度合は、変更可能なように構成されている。 One of the features of the present invention is that, as described above, when the position deviation is large, the azimuth deviation is ignored to some extent, and a target steering value that emphasizes the elimination of the position deviation is output. At that time, it is more likely that automatic steering traveling adapted to the work can be obtained by changing the degree of ignoring the azimuth deviation depending on the state of the soil and the work type. For this reason, in one preferred embodiment of the present invention, the weight reduction degree using the weighting coefficient of the azimuth deviation depending on the magnitude of the position deviation in the second control calculation unit can be changed. It is configured as follows.

第１操舵値と第２操舵値とに基づいて目標走行経路に沿って走行するための目標操舵値を出力する目標操舵演算部を簡単化するため、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記目標操舵演算部は前記第１操舵値と前記第２操舵値とを加算演算して前記目標操舵値を出力するように構成されている。これにより、車体の走行方向を目標走行経路に対して平行な線に一致させる制御を行いつつ、徐々に車体を目標走行経路に接近させる制御を行うことで、特に圃場作業などで要求される直線状の目標走行経路に沿った作業走行が適切に行われる。 In order to simplify the target steering calculation unit that outputs the target steering value for traveling along the target travel route based on the first steering value and the second steering value, in one preferred embodiment of the present invention, The target steering calculation unit is configured to add the first steering value and the second steering value and output the target steering value. As a result, while performing control to make the traveling direction of the vehicle body coincide with a line parallel to the target traveling route, control is performed to gradually bring the vehicle body closer to the target traveling route, so that a straight line required particularly in farm work etc. The work travel along the target travel route is appropriately performed.

本発明による自動操舵走行制御の基本原理を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the basic principle of the automatic steering traveling control by this invention. 本発明による自動走行作業車両の実施形態の１つであるトラクタの側面図である。It is a side view of the tractor which is one of the embodiments of the automatic traveling work vehicle by the present invention. トラクタに搭載された制御系を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the control system mounted in the tractor. 自動操舵制御系を示す制御線図である。It is a control diagram which shows an automatic steering control system. 別の自動操舵制御系を示す制御線図である。It is a control diagram which shows another automatic steering control system. 別の自動操舵制御系を示す制御線図である。It is a control diagram which shows another automatic steering control system.

本発明による自動走行作業車両の具体的な実施形態を説明する前に、図１を用いて、本発明による自動操舵走行制御の基本原理を説明する。ここでは、自動走行作業車両（以下単に作業車両と略称する）として、圃場で直線状の走行作業をＵターンを行いながら繰り返す、田植機、トラクタ、コンバインなどの農作業機が想定されている。この作業車両は、予め設定された目標走行経路に沿って自動操舵走行するように構成されている。自動操舵を行うためには、作業車両の現在の位置（以下自車位置と呼ぶ）及び現在の走行方向（以下自車方位）を知る必要がある。このため、この作業車両は、ＧＰＳ（Global Positioning System）ないしはＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）と呼ばれる衛星を用いた衛星航法機器と加速度計やジャイロを用いた慣性航法機器を備えている。図１に示されているように、ここでは自車位置は、作業車中心の測位値（緯度、経度）で示され、自車方位は、単位時間自車位置の変化から算定される走行方向で示される。 Before describing a specific embodiment of an automatic traveling work vehicle according to the present invention, the basic principle of automatic steering traveling control according to the present invention will be described with reference to FIG. Here, as an automatic traveling work vehicle (hereinafter, simply referred to as a working vehicle), a farm working machine such as a rice transplanter, a tractor, or a combiner that repeats a linear traveling work while performing a U-turn on a farm field is assumed. This work vehicle is configured to perform automatic steering travel along a preset target travel route. In order to perform automatic steering, it is necessary to know the current position of the work vehicle (hereinafter referred to as the own vehicle position) and the current traveling direction (hereinafter referred to as the own vehicle direction). For this reason, this work vehicle includes satellite navigation equipment using a satellite called GPS (Global Positioning System) or GNSS (Global Navigation Satellite System) and inertial navigation equipment using an accelerometer or a gyro. As shown in FIG. 1, here, the vehicle position is indicated by a positioning value (latitude, longitude) at the center of the work vehicle, and the vehicle direction is a traveling direction calculated from a change in the vehicle position of the unit time. Indicated by

図１に示すように、作業車中心から直線状の目標走行経路（方位線）に対して平行に引いた直線と目標走行経路との間隔：ｄが位置偏差として取り扱われ、車体中心を通る車体前後方向線（走行方位）と目標走行経路とがなす角度：θが方位偏差として取り扱われる。自動操舵走行制御における目標となる自車位置は目標走行経路上の点であり、目標となる自車方位は、目標走行経路の方位である。したがって、目標走行経路に対する自車位置との間の位置偏差はｄとなり、目標走行経路の方位線と走行方位との間の方位偏差はθとなる。 As shown in FIG. 1, the distance between a straight line drawn parallel to the straight target travel route (azimuth line) from the center of the work vehicle and the target travel route: d is treated as a positional deviation, and the vehicle body passes through the vehicle center. An angle formed by the front-rear direction line (traveling azimuth) and the target travel route: θ is treated as an azimuth deviation. The target vehicle position in the automatic steering travel control is a point on the target travel route, and the target vehicle direction is the direction of the target travel route. Accordingly, the positional deviation between the vehicle position relative to the target travel route is d, and the azimuth deviation between the azimuth line of the target travel route and the travel azimuth is θ.

位置偏差に基づいて偏差解消の第１操舵値が演算される。この演算には、好ましくはＰＩＤ制御演算を採用することができる。方位偏差に基づいて偏差解消の第２操舵値が演算されるが、その際位置偏差も考慮される。位置偏差が大きい場合には方位偏差に基づく偏差解消の第２操舵値は小さくされる。例えば、方位偏差に基づいて第２操舵値を導出する関数Ｆ(θ)で得られた値に対して、位置偏差が大きいほどその値が小さくなる重み係数ｗ（０＜ｗ＜１）を導出する関数Ｗ(ｄ)を作成しておき、Ｗ(ｄ)×Ｆ(θ)で、第２操舵値を求める。つまり、位置偏差が大きい場合には方位偏差の重みを低減した上で前記位置偏差と前記方位偏差とに基づいて偏差解消の第２操舵値が出力される。なお方位偏差に基づいて第２操舵値を導出する際にも、ＰＩＤ制御演算が採用することが好ましい。 A first steering value for canceling the deviation is calculated based on the position deviation. For this calculation, preferably a PID control calculation can be employed. The second steering value for canceling the deviation is calculated based on the azimuth deviation, and the position deviation is also taken into consideration. When the position deviation is large, the second steering value for canceling the deviation based on the azimuth deviation is made small. For example, with respect to the value obtained by the function F (θ) for deriving the second steering value based on the azimuth deviation, a weighting coefficient w (0 <w <1) is obtained that decreases as the position deviation increases. A function W (d) is created, and the second steering value is obtained by W (d) × F (θ). That is, when the position deviation is large, the weight of the azimuth deviation is reduced and the second steering value for eliminating the deviation is output based on the position deviation and the azimuth deviation. It should be noted that the PID control calculation is preferably employed also when the second steering value is derived based on the azimuth deviation.

このようにして求められた第１操舵値と第２操舵値とを入力として、作業車両が目標走行経路に沿って走行するための目標操舵値が求められ、出力される。最も簡単には、目標操舵値は、第１操舵値と第２操舵値との符号を考慮した加算演算で求めることができる。さらに、この目標操舵値を入力として、作業車両の操向輪（クローラも含まれる）の操舵角を駆動する操舵駆動部に操舵駆動信号を出力する操舵制御系が備えられている。操舵駆動部は、電気モータまたは油圧機器あるいはその両方で構成することができる。操舵制御系は、ＰＩフィードバック制御手法で構築することが好ましいが、その他の制御手法を用いてもよい。ここでは、フィードバックとして、操舵速度と操舵角とが採用されている。 Using the first steering value and the second steering value thus determined as inputs, a target steering value for the work vehicle to travel along the target travel route is determined and output. Most simply, the target steering value can be obtained by an addition operation that takes into account the signs of the first steering value and the second steering value. Further, a steering control system is provided that outputs a steering drive signal to a steering drive unit that drives the steering angle of a steered wheel (including a crawler) of the work vehicle using the target steering value as an input. The steering drive unit can be composed of an electric motor, hydraulic equipment, or both. The steering control system is preferably constructed by the PI feedback control method, but other control methods may be used. Here, the steering speed and the steering angle are adopted as feedback.

なお、図１では点線で示されているが、第１操舵値と第２操舵値とから目標操舵値を求める際に、作業車両の走行速度、つまり車速を考慮することも好適である。つまり同一の操舵角の場合、車速が速いほど時間当たりの車体の姿勢変更量は大きくなる。時間当たりの姿勢変更量が大きくなりすぎると、圃場を荒らすという不都合が生じる。このため、第１操舵値と第２操舵値とから演算された目標操舵値は車速が速いほど弱めることが好ましい。例えば、低速走行時には演算された目標操舵値をそのまま使用し、所定以上の高速走行時には所定の低減割合で目標操舵値を小さくするとよい。 Although shown by a dotted line in FIG. 1, it is also preferable to consider the traveling speed of the work vehicle, that is, the vehicle speed, when obtaining the target steering value from the first steering value and the second steering value. That is, when the steering angle is the same, the vehicle body posture change amount per hour increases as the vehicle speed increases. If the amount of posture change per hour becomes too large, there is a disadvantage that the field is devastated. For this reason, it is preferable to weaken the target steering value calculated from the first steering value and the second steering value as the vehicle speed increases. For example, the target steering value calculated during low-speed traveling may be used as it is, and the target steering value may be decreased at a predetermined reduction rate during high-speed traveling above a predetermined level.

次に、本発明の自動走行作業車両の具体的な実施形態の１つを説明する。この実施形態では、作業車両は畦によって境界づけられた圃場に対して耕耘作業などの農作業を行う作業装置を装備したトラクタである。このトラクタは、前輪２ａと後輪２ｂとによって支持された車体３の中央部に操縦部３０が形成されている。車体３の後部には油圧式の昇降機構４を介して対地作業装置５が装備されている。前輪２ａは操向輪として機能し、その操舵角を変更することでトラクタの走行方向が変更される。前輪２ａの操舵角は操舵機構６の動作によって変更される。操舵機構６には自動操舵のための操舵駆動部６０が備えられている。操舵駆動部６０を構成する電気モータの制御は、後で説明する電子制御ユニット７からの操舵駆動信号によって行わる。なお、前輪２ａの操舵角は従来通りのステアリングホイールの操作によっても可能であり、ステアリングホイールは、操縦部３０に各種操作レバーや運転者が着座するシートとともにトラクタの操縦部３０に配置されている。操縦部３０には、自動操舵操向時に必要となる自機位置を測定するための測位ユニット８も配置されている。測位ユニット８には、ＧＮＳＳモジュールとして構成されている衛星航法用モジュールやと、ジャイロ加速度センサや磁気方位センサを組み込んだジャイロモジュールとして構成されている慣性航法用モジュールが含まれている。衛星航法用モジュールには、ＧＰＳ信号やＧＮＳＳ信号を受信するための衛星用アンテナが含まれているが、図２では省略されている。 Next, one specific embodiment of the automatic traveling work vehicle of the present invention will be described. In this embodiment, the work vehicle is a tractor equipped with a work device that performs farm work such as tillage work on a farm field that is bounded by straw. In this tractor, a steering section 30 is formed at the center of the vehicle body 3 supported by the front wheels 2a and the rear wheels 2b. A ground working device 5 is provided at the rear of the vehicle body 3 via a hydraulic lifting mechanism 4. The front wheel 2a functions as a steered wheel, and the traveling direction of the tractor is changed by changing the steering angle. The steering angle of the front wheel 2 a is changed by the operation of the steering mechanism 6. The steering mechanism 6 is provided with a steering drive unit 60 for automatic steering. Control of the electric motor which comprises the steering drive part 60 is performed by the steering drive signal from the electronic control unit 7 demonstrated later. The steering angle of the front wheel 2a can also be achieved by a conventional steering wheel operation, and the steering wheel is arranged in the steering unit 30 of the tractor together with various operation levers and a seat on which the driver is seated. . The steering unit 30 is also provided with a positioning unit 8 for measuring the position of the own aircraft that is necessary during the steering operation. The positioning unit 8 includes a satellite navigation module configured as a GNSS module and an inertial navigation module configured as a gyro module incorporating a gyro acceleration sensor and a magnetic bearing sensor. The satellite navigation module includes a satellite antenna for receiving GPS signals and GNSS signals, but is omitted in FIG.

図３には、この作業車両に装備されている制御系が示されている。この制御系は、図１を用いて説明された自動操舵制御の基本原理を流用している。図３に示されている制御系は、電子制御ユニット７、測位ユニット８、スイッチ・センサ群９、操舵駆動部６０を含んでいる。 FIG. 3 shows a control system equipped in this work vehicle. This control system uses the basic principle of the automatic steering control described with reference to FIG. The control system shown in FIG. 3 includes an electronic control unit 7, a positioning unit 8, a switch / sensor group 9, and a steering drive unit 60.

測位ユニット８は、ＧＮＳＳを用いて緯度や経度などの方位を検出する衛星航法用モジュール８１を備えており、その構成は、カーナビゲーションシステムなどで用いられている測位ユニットに類似している。測位ユニット８には、瞬間的な作業車両の動き（方向ベクトルなど）や向きを検出するために、及び衛星航法用モジュール８１を補完するために、ジャイロ加速度センサなどを有する慣性航法用モジュール８２が備えられている。操舵駆動部６０は、電子制御ユニット７から出力される操舵駆動信号に基づいて操向輪である前輪２ａの操舵角を調整する。スイッチ・センサ群９は、作業車両の走行状態や設定状況を検出するスイッチやセンサの総称であり、これらからの検出信号が電子制御ユニット７に入力し、種々の制御のための入力パラメータとして利用される。スイッチ・センサ群９には、車速を算定するための検出信号を出力するセンサや、操舵駆動部６０の駆動状態（例えば、操作速度や操舵角）を算定するための検出信号を出力するセンサも含まれている。 The positioning unit 8 includes a satellite navigation module 81 that detects an orientation such as latitude and longitude using GNSS, and its configuration is similar to that of a positioning unit used in a car navigation system or the like. The positioning unit 8 includes an inertial navigation module 82 having a gyro acceleration sensor and the like in order to detect instantaneous work vehicle movement (direction vector and the like) and direction, and to complement the satellite navigation module 81. Is provided. The steering drive unit 60 adjusts the steering angle of the front wheels 2 a that are steered wheels based on the steering drive signal output from the electronic control unit 7. The switch / sensor group 9 is a general term for switches and sensors for detecting the traveling state and setting state of the work vehicle. Detection signals from these are input to the electronic control unit 7 and used as input parameters for various controls. Is done. The switch / sensor group 9 includes a sensor that outputs a detection signal for calculating the vehicle speed, and a sensor that outputs a detection signal for calculating the driving state (for example, operation speed and steering angle) of the steering drive unit 60. include.

電子制御ユニット７には、特に本発明に関係する機能部として、基準経路取得部７１、基準経路設定部７２、自車位置算定部７３１、自車方位算定部７３２、位置偏差演算部７４１、方位偏差演算部７４２、第１制御演算部７５１、第２制御演算部７５２、目標操舵演算部７６、車速算定部７８、操舵駆動制御部７９が含まれている。 The electronic control unit 7 includes a reference route acquisition unit 71, a reference route setting unit 72, a vehicle position calculation unit 731, a vehicle direction calculation unit 732, a position deviation calculation unit 741, a direction, as functional units particularly related to the present invention. A deviation calculator 742, a first control calculator 751, a second control calculator 752, a target steering calculator 76, a vehicle speed calculator 78, and a steering drive controller 79 are included.

基準経路取得部７１は、作業対象となっている圃場の地図位置や当該圃場の境界線を規定する畦の位置データなどの圃場情報や、実施されるべき圃場作業に関する機器設定データ（例えば作業幅）などの作業情報に基づいて、自動操舵作業走行のための目標走行経路を取得する。目標走行経路の取得に関しては、遠隔地の管理サーバからのダウンロード、圃場別及び作業別で作業車両自体が保有する目標走行経路からの読み出しなどを採用することができる。目標走行経路を算定するアルゴリズムによって、その都度演算して求めてもよい。また、ティーチング走行を通じて目標走行経路を算定してもよい。目標走行経路が決定すると、基準経路設定部７２は当該目標走行経路を作業走行用地図に組み込み、自動操舵走行の制御目標として利用できるように内部処理する。 The reference path acquisition unit 71 includes field information such as the map position of the farm field that is the work target and the position data of the ridge that defines the boundary line of the field, and device setting data relating to the field work to be performed (for example, work width) ) And the like, a target travel route for automatic steering work travel is acquired. Regarding acquisition of the target travel route, downloading from a remote management server, reading from the target travel route possessed by the work vehicle itself for each field and operation, etc. can be employed. You may calculate and obtain | require each time with the algorithm which calculates a target driving | running route. Further, the target travel route may be calculated through teaching travel. When the target travel route is determined, the reference route setting unit 72 incorporates the target travel route into the work travel map and performs internal processing so that it can be used as a control target for automatic steering travel.

自車位置算定部７３１は、測位ユニット８から送られてくる測位データに基づいて作業走行用地図での自車位置を算定する。自車方位算定部７３２は、測位ユニット８から送られてくる測位データに基づいて作業走行用地図での自車の走行方位を算定する。位置偏差演算部７４１は、目標走行経路に対する自車位置との間の位置偏差（図１において記号ｄで示されている）を演算する。方位偏差演算部７４２は、目標走行経路の方位線と走行方位との間の方位偏差（図１において記号θで示されている）を演算する。 The own vehicle position calculation unit 731 calculates the own vehicle position on the work travel map based on the positioning data sent from the positioning unit 8. The own vehicle direction calculation unit 732 calculates the traveling direction of the own vehicle on the work travel map based on the positioning data sent from the positioning unit 8. The position deviation calculation unit 741 calculates a position deviation (indicated by symbol d in FIG. 1) between the vehicle position relative to the target travel route. The azimuth deviation calculation unit 742 calculates an azimuth deviation (indicated by the symbol θ in FIG. 1) between the azimuth line of the target travel route and the travel azimuth.

第１制御演算部７５１は位置偏差に基づいて偏差解消の第１操舵値を出力する。第２制御演算部７５２は、位置偏差が大きい場合には上述したような重み係数を用いて方位偏差の重みを低減した上で位置偏差と方位偏差とに基づいて偏差解消の第２操舵値を出力する。この第２制御演算部７５２は、方位偏差に基づいて偏差解消の仮第２操舵値を出力し、この仮第２操舵値を位置偏差が大きいほど低減させて、正式な第２操舵値として出力するように構成してもよい。なお、位置偏差の大きさに依存する方位偏差の低減度合は、入力デバイスを通じて調整可能である。 The first control calculation unit 751 outputs a first steering value for eliminating the deviation based on the position deviation. When the position deviation is large, the second control calculation unit 752 reduces the weight of the azimuth deviation using the weighting coefficient as described above, and then sets the second steering value for deviation cancellation based on the position deviation and the azimuth deviation. Output. The second control calculation unit 752 outputs a provisional second steering value for canceling the deviation based on the azimuth deviation, and reduces the provisional second steering value as the position deviation increases, and outputs it as a formal second steering value. You may comprise. In addition, the reduction degree of the azimuth | direction deviation depending on the magnitude | size of a position deviation can be adjusted through an input device.

目標操舵演算部７６は、第１操舵値と第２操舵値とに基づいてこの作業車両が目標走行経路に沿って走行するための目標操舵値を出力する。最も簡単な形態では、第１操舵値と第２操舵値との加算演算結果が目標操舵値となる。目標操舵演算部７６から出力された目標操舵値は、操舵駆動制御部７９において、操舵駆動部６０を駆動するための操舵駆動信号を出力するための制御演算における入力パラメータとして用いられる。 The target steering calculation unit 76 outputs a target steering value for the work vehicle to travel along the target travel route based on the first steering value and the second steering value. In the simplest form, the addition calculation result of the first steering value and the second steering value becomes the target steering value. The target steering value output from the target steering calculation unit 76 is used as an input parameter in a control calculation for outputting a steering drive signal for driving the steering drive unit 60 in the steering drive control unit 79.

この実施形態では、目標操舵演算部７６は、目標操舵値を演算する際に、車速算定部７８から得られる作業車両の車速を考慮し、車速が速い場合には、第１操舵値と第２操舵値とに基づいて演算出力される目標操舵値を減じる機能も備えている。さらには、目標操舵演算部７６には操舵上限設定部７６０が組み込まれており、この操舵上限設定部７６０は、第１操舵値と第２操舵値とさらには車速を用いてに求められた目標操舵値に対して、その上限をクランプする機能、つまり上限リミッタ機能を有する。この上限リミット値も車速によって変動することが好ましい。つまり、車速が大きくなるほど出力される最大目標操舵値が低くなるように設定することで、高速走行時の操向安定性が向上する。 In this embodiment, the target steering calculation unit 76 considers the vehicle speed of the work vehicle obtained from the vehicle speed calculation unit 78 when calculating the target steering value, and if the vehicle speed is high, the target steering value and the second steering value are calculated. It also has a function of reducing the target steering value that is calculated and output based on the steering value. Further, a steering upper limit setting unit 760 is incorporated in the target steering calculation unit 76, and the steering upper limit setting unit 760 uses the first steering value, the second steering value, and the target obtained by using the vehicle speed. It has a function of clamping the upper limit of the steering value, that is, an upper limiter function. It is preferable that the upper limit value also varies depending on the vehicle speed. That is, the steering stability during high-speed traveling is improved by setting the maximum target steering value to be output as the vehicle speed increases.

以上のように構成された電子制御ユニット７のより具体的な制御的な仕組みを、図４に示された制御線図を用いて説明する。第１制御演算部７５１は、目標位置偏差：Δｄと位置偏差：ｄとを入力パラメータとして、位置偏差：ｄを小さくするための第１操舵値を、ＰＩ制御を用いて演算出力する。ＰＩ制御に代えて、ＰＩＤ制御を用いてもよい。第２制御演算部７５２は、目標方位偏差：Δθと方位偏差：θとを入力パラメータとして、方位偏差：θを小さくするための仮の第２操舵値を、ＰＩ制御を用いて演算出力する。ここでも、ＰＩ制御に代えて、ＰＩＤ制御を用いてもよい。ただし、第２制御演算部７５２では、位置偏差が大きい場合には、位置偏差量に応じて比例的にまたは非線形的に、方位偏差に基づいて得られた仮の第２操舵値を低減して、第２操舵値として出力する。目標操舵演算部７６は、第１制御演算部７５１から出力された第１操舵値と第２制御演算部７５２から出力された第２操舵値との加算値を目標操舵値として制御出力する。 A more specific control mechanism of the electronic control unit 7 configured as described above will be described with reference to the control diagram shown in FIG. The first control calculation unit 751 calculates and outputs a first steering value for reducing the position deviation: d using PI control with the target position deviation: Δd and the position deviation: d as input parameters. PID control may be used instead of PI control. The second control calculation unit 752 calculates and outputs a temporary second steering value for reducing the azimuth deviation: θ using PI control, with the target azimuth deviation: Δθ and the azimuth deviation: θ as input parameters. Here, PID control may be used instead of PI control. However, when the position deviation is large, the second control calculation unit 752 reduces the provisional second steering value obtained based on the azimuth deviation proportionally or nonlinearly according to the position deviation amount. And output as the second steering value. The target steering calculation unit 76 controls and outputs an addition value between the first steering value output from the first control calculation unit 751 and the second steering value output from the second control calculation unit 752 as a target steering value.

操舵駆動制御部７９は、フィードバック方式の操舵制御モジュールとして構成されている。入力された目標操舵値は実際の操舵角：Ｓθとの比較演算で得られた操舵角指令値：Ｓθ*を入力してＰＩ制御を用いて前段出力値を求める。この前段出力値は、実際の操舵速度：Ｓｗと比較演算され、その演算結果を入力としてＰＩ制御を用いて、操舵駆動信号が出力される。操舵駆動信号は、ドライバを介して操舵駆動部６０を構成するモータを駆動して、前輪２ａを操舵する。操舵駆動制御部７９のおけるＰＩ制御は、ＰＩＤ制御に置き換えてもよい。 The steering drive control unit 79 is configured as a feedback-type steering control module. As the input target steering value, the steering angle command value: Sθ * obtained by the comparison calculation with the actual steering angle: Sθ is input, and the preceding output value is obtained by using PI control. The preceding stage output value is compared and calculated with the actual steering speed: Sw, and a steering drive signal is output using PI control with the calculation result as an input. The steering drive signal drives a motor constituting the steering drive unit 60 via a driver to steer the front wheels 2a. The PI control in the steering drive control unit 79 may be replaced with PID control.

図５には、図４で示された電子制御ユニット７の制御線図の変形例が示されている。図５の制御線図は、目標操舵演算部７６に車速に応じて最終的に出力する目標操舵値が低減される機能が付加されていることで、図４と異なっている。つまり、この変形例では、第１制御演算部７５１から出力された第１操舵値と第２制御演算部７５２から出力された第２操舵値との加算値をさらに、車速が大きくなるほど当該加算値を低減する演算機能が付加されている。 FIG. 5 shows a modification of the control diagram of the electronic control unit 7 shown in FIG. The control diagram of FIG. 5 differs from FIG. 4 in that a function for reducing the target steering value that is finally output according to the vehicle speed is added to the target steering calculation unit 76. That is, in this modified example, the addition value of the first steering value output from the first control calculation unit 751 and the second steering value output from the second control calculation unit 752 is further increased as the vehicle speed increases. An arithmetic function for reducing the above is added.

図６には、図５で示された電子制御ユニット７の制御線図の変形例が示されている。図６の制御線図は、目標操舵演算部７６に、最終的に出力される目標操舵値を上限クランプする機能が付加されていることで、図５と異なっている。つまり、この変形例では、求められた目標操舵値を出力する手前で、車速に応じて変化するしきい値によって出力される最高目標操舵値が抑えこまれる。車速が大きいほど、出力される最高目標操舵値が小さくなるように設定されている。 FIG. 6 shows a modification of the control diagram of the electronic control unit 7 shown in FIG. The control diagram of FIG. 6 is different from FIG. 5 in that a function for clamping the upper limit of the target steering value that is finally output is added to the target steering calculation unit 76. In other words, in this modification, the maximum target steering value output by the threshold value that changes according to the vehicle speed is suppressed before the obtained target steering value is output. The maximum target steering value that is output becomes smaller as the vehicle speed increases.

〔別実施の形態〕
（１）上述した実施形態では、操舵駆動制御部７９は、実際の操舵角と操舵速度とをフィードバック量とする操舵制御モジュールとして構成された。しかしながら、本発明では、操舵駆動制御部７９の制御構成を限定しているわけではなく、その他の公知の制御構成を採用することも可能である。
（２）上述した実施形態では、目標走行経路を直線と見なしていたが、目標走行経路が曲線であっても、本発明を適用することができる。
（３）上述した実施形態では、測位ユニット８は、衛星航法用モジュール８１と慣性航法用モジュール８２とで構成されていたが、衛星航法用モジュール８１だけで構成することも可能である。 [Another embodiment]
(1) In the above-described embodiment, the steering drive control unit 79 is configured as a steering control module that uses the actual steering angle and steering speed as feedback amounts. However, in the present invention, the control configuration of the steering drive control unit 79 is not limited, and other known control configurations may be employed.
(2) In the above-described embodiment, the target travel route is regarded as a straight line, but the present invention can be applied even if the target travel route is a curve.
(3) In the above-described embodiment, the positioning unit 8 is configured by the satellite navigation module 81 and the inertial navigation module 82, but may be configured by only the satellite navigation module 81.

本発明は、農作業車両だけでなく、各種作業装置を装備した自動操舵走行可能な作業車両に適用可能である。 The present invention is applicable not only to agricultural work vehicles but also to work vehicles capable of automatic steering traveling equipped with various work devices.

２ａ：前輪
２ｂ：後輪
３：車体
６：操舵機構
７：電子制御ユニット
８：測位ユニット
９：センサ群
３０：操縦部
６０：操舵駆動部
７１：基準経路取得部
７２：基準経路設定部
７６：目標操舵演算部
７８：車速算定部
７９：操舵駆動制御部
８１：衛星航法用モジュール
８２：慣性航法用モジュール
７３１：自車位置算定部
７３２：自車方位算定部
７４１：位置偏差演算部
７４２：方位偏差演算部
７５１：第１制御演算部
７５２：第２制御演算部
７６０：操舵上限設定部 2a: Front wheel 2b: Rear wheel 3: Car body 6: Steering mechanism 7: Electronic control unit 8: Positioning unit 9: Sensor group 30: Steering unit 60: Steering drive unit 71: Reference route acquisition unit 72: Reference route setting unit 76: Target steering calculation unit 78: vehicle speed calculation unit 79: steering drive control unit 81: satellite navigation module 82: inertial navigation module 731: own vehicle position calculation unit 732: own vehicle direction calculation unit 741: position deviation calculation unit 742: direction Deviation calculation unit 751: first control calculation unit 752: second control calculation unit 760: steering upper limit setting unit

Claims

圃場に設定された直線状の目標走行経路に沿って自動操舵走行する自動走行圃場作業車両であって、
自車位置を算定する自車位置算定部と、
自車の走行方位を算定する自車方位算定部と、
前記自車位置に基づいて前記目標走行経路に対する前記自車の横方向の位置ずれである位置偏差を演算する位置偏差演算部と、
前記目標走行経路の方位線と前記走行方位との間の方位偏差を演算する方位偏差演算部と、
前記位置偏差に基づいて偏差解消の第１操舵値を出力する第１制御演算部と、
前記位置偏差が大きくなるにしたがって減少傾向を示す重み係数を用いて調整された前記方位偏差に基づいて偏差解消の第２操舵値を出力する第２制御演算部と、
前記第１操舵値と前記第２操舵値とに基づいて前記目標走行経路に沿って走行するための目標操舵値を出力する目標操舵演算部と、
前記目標操舵値を入力として操舵駆動信号を出力する操舵駆動制御部と、
前記操舵駆動信号に基づいて操向輪の操舵を行う操舵駆動部と、
を備えた自動走行圃場作業車両。 An automatic traveling field work vehicle for automatic steering travel along a straight target traveling route set in the field,
A vehicle position calculation unit for calculating the vehicle position;
A vehicle direction calculation unit for calculating the traveling direction of the vehicle;
A position deviation computing unit that computes a position deviation that is a lateral displacement of the host vehicle with respect to the target travel route based on the host vehicle position ;
An azimuth deviation calculation unit for calculating an azimuth deviation between the azimuth line of the target travel route and the travel azimuth;
A first control calculation unit that outputs a first steering value for canceling the deviation based on the position deviation;
A second control arithmetic unit for outputting a second steering value of the deviation eliminating based on the orientation deviation that is adjusted using the weighting coefficient indicating a decreasing trend according to the positional deviation is increased,
A target steering calculation unit that outputs a target steering value for traveling along the target travel route based on the first steering value and the second steering value;
A steering drive control unit that outputs a steering drive signal with the target steering value as an input; and
A steering drive unit for steering the steered wheels based on the steering drive signal;
An automatic traveling field work vehicle equipped with.

車速を算定する車速算定部が備えられ、
前記目標操舵演算部は、前記第１操舵値と前記第２操舵値とに基づいて前記目標操舵値を出力する際に前記車速が大きくなるにしたがって減少傾向を示す調整係数を用いて前記車速が大きい場合には前記目標操舵値を低減する請求項１に記載の自動走行圃場作業車両。 A vehicle speed calculation unit that calculates the vehicle speed is provided.
The target steering calculation unit uses an adjustment coefficient that indicates a decreasing tendency as the vehicle speed increases when outputting the target steering value based on the first steering value and the second steering value. The automatic traveling field work vehicle according to claim 1, wherein when it is large, the target steering value is reduced.

前記目標操舵演算部は、前記目標操舵値に対する上限リミッタ機能を有し、前記車速に応じて上限リミット値が設定される請求項１又は２に記載の自動走行圃場作業車両。 The automatic traveling field work vehicle according to claim 1 or 2, wherein the target steering calculation unit has an upper limiter function for the target steering value, and an upper limit value is set according to the vehicle speed.

前記第２制御演算部における、前記位置偏差の大きさに依存する前記方位偏差の重み係数を用いた重みの低減度合は、変更可能である請求項１から３のいずれか一項に記載の自動走行圃場作業車両。 The automatic reduction according to any one of claims 1 to 3, wherein the degree of weight reduction using the weighting coefficient of the azimuth deviation depending on the magnitude of the position deviation in the second control calculation unit can be changed. Traveling field work vehicle.

前記目標操舵演算部は前記第１操舵値と前記第２操舵値とを加算演算して前記目標操舵
値を出力する請求項１から４のいずれか一項に記載の自動走行圃場作業車両。 The automatic traveling field work vehicle according to any one of claims 1 to 4, wherein the target steering calculation unit adds the first steering value and the second steering value and outputs the target steering value.