JP6936356B2 - 作業車自動走行システム - Google Patents
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Description
このシステムでは、圃場を特定した後、第一作業車に対する第二作業車の位置関係が設定されると、第一作業車と第二作業車の作業を行うための走行経路が決定される。走行経路が決定されると、第一作業車と第二作業車とは、自車の位置を測位して、走行経路に沿って走行しながら作業を行う。
このため、本発明の好適な実施形態の1つでは、前記経路要素選択部は、前記中割り領域を作り出す作業走行と前記中割り領域によって作り出される前記区画の作業走行とが同時に行われるように、前記次走行経路要素を選択するように構成されている。中割り領域を作り出す作業走行のための走行経路要素が選択された段階で、その中割り領域によって分割される区画の形状寸法はある程度推定できる。このことから、特定の作業車による、中割り領域を作り出す作業走行が開始されると同時に、他の作業車が当該中割り領域によって分割される区画の作業走行を開始することができる。
図1には、作業車自動走行システムにおける作業車の作業走行が模式的に示されている。この実施形態では、作業車は、作業走行として、走行しながら農作物を収穫する収穫作業(刈取作業)を行う収穫機1であり、一般に普通型コンバインと呼ばれている機種である。収穫機1によって作業走行される作業地は圃場と呼ばれる。圃場における収穫作業では、収穫機1が畦と呼ばれる圃場の境界線に沿って作業を行いながら周回走行した領域が外周領域SAとして設定される。外周領域SAの内側は作業対象領域CAとして設定される。外周領域SAは、収穫機1が収穫物の排出や燃料補給のための移動用スペース及び方向転換用スペース等として利用される。外周領域SAの確保のため、収穫機1は、最初の作業走行として、圃場の境界線に沿って3〜4周の周回走行を行う。周回走行では、一周毎に収穫機1の作業幅分だけ、圃場が作業されることになるので、外周領域SAは収穫機1の作業幅の3〜4倍程度の幅を有する。このことから、特別に注記しない限り、外周領域SAは既刈地(既作業地)として扱われ、作業対象領域CAは未刈地(未作業地)として扱われる。なお、この実施形態では、作業幅は、刈取り幅にオーバーラップ量を減算した値として取り扱われる。しかしながら、作業幅の概念は、作業車の種類によって異なる。本発明での作業幅は、作業車の種類や作業種類によって規定されるものである。
さらに、本明細書では、作業車の作業環境という語句には、作業車の状態、作業地の状態、人(監視者、運転者、管理者など)による指令なども含めることができ、この作業環境を評価することで状態情報が求められる。この状態情報には、燃料補給や収穫物の排出などの機械的要因や天候の変動や作業地状態などの環境的要因、さらには、不測の作業中断指令などの人的要求が含まれる。また、複数台の作業車が協調しながら作業走行する場合には、他車の状態情報が、他車の作業走行状態として取り扱われ、自車と他車との位置関係を示す他車位置関係等も、他車の作業走行状態に含まれる。なお、監視者や管理者は、作業車に乗り込んでいてもよいし、作業車の近くに、あるいは作業車から遠く離れていてもよい。
本発明の作業車自動走行システムに組み込まれた収穫機1が、収穫作業を自動走行で行うためには、走行の目標となる走行経路を生成し、その走行経路を管理する走行経路管理装置が必要となる。この走行経路管理装置の基本的な構成と、この走行経路管理装置を用いた自動走行制御の基本的な流れとを、図2を用いて説明する。
自動走行制御部511は、選択された走行経路要素と自車位置とに基づいて、車体が当該走行経路要素に沿うように自動走行データを生成して、自動走行を実行する。
走行経路要素群の一例として、図3には、作業対象領域CAを短冊状に分割する多数の平行分割線を走行経路要素とする走行経路要素群が示されている。この走行経路要素群は2つのノード(両端点であって、ここで経路変更可能である経路変更可能点と称する)を1本のリンクで連結した線状の走行経路要素を平行に並べたものである。走行経路要素は、作業幅のオーバーラップ量を調整することにより、等間隔を開けて並ぶように設定される。1つの線で示される走行経路要素の端点から他の線で示される走行経路要素の端点への移行には、Uターン走行(例えば180°の方向転換走行)が行われる。このような平行な走行経路要素をUターン走行によって繋ぎながら自動走行することを、以降は、『往復走行』と称する。このUターン走行には、ノーマルUターン走行と、スイッチバックターン走行とが含まれる。ノーマルUターン走行は、収穫機1の前進だけで行われ、その走行軌跡はU字状となる。スイッチバックターン走行は、収穫機1の前進と後進とを用いて行われ、その走行軌跡はU字状とはならないが、結果的には、収穫機1はノーマルUターン走行と同じ方向転換走行が得られる。ノーマルUターン走行を行うためには、方向転換走行前の経路変更可能点と方向転換走行後の経路変更可能点との間に2本以上の走行経路要素を挟む距離が必要となる。それより短い距離では、スイッチバックターン走行が用いられる。つまり、スイッチバックターン走行は、ノーマルUターン走行と異なって後進を行うため、収穫機1の旋回半径の影響がなく、移行する走行経路要素の選択肢が多い。しかし、スイッチバックターン走行では前後進の切替えが行われるため、スイッチバックターン走行は、基本的には、ノーマルUターン走行と比べて時間がかかる。
経路要素選択部63が、順次、次に走行すべき走行経路要素である次走行経路要素を選択する際の選択ルールは、作業走行の前に予め設定される静的ルールと、作業走行中にリアルタイムで利用される動的ルールとに分けることができる。静的ルールには、予め決められた基本的な走行パターンに基づいて走行経路要素を選択すること、例えば、図3に示すようなUターン走行を行いながら往復走行を実現するように走行経路要素を選択するルールや、図4に示すような外から内に向かう反時計回りの渦巻き走行を実現するように走行経路要素を選択するルールなどが含まれる。動的ルールは、原則、静的ルールに優先して用いられる。動的ルールには、時々刻々と変化するリアルタイムでの収穫機1の状態、作業地の状態、監視者(運転者や管理者も含む)の指令などの状態情報の内容が含まれる。作業状態評価部55は、入力パラメータとして種々の一次情報(作業環境)や、収穫機1の状態、作業地の状態、監視者の指令などを取り込み、状態情報を出力する。なお、この一次情報には、収穫機1に設けられている各種センサやスイッチからの信号だけでなく、天候情報や時刻情報や乾燥施設などの外部施設情報なども含まれている。さらに、複数台の収穫機1で協調作業を行う場合には、作業状態評価部55から出力される状態情報には、他車位置関係算出部56によって算出される他車位置関係も含まれる。そして、この状態情報が、他車の作業走行状態として用いられる。
図5は、この実施の形態での説明に採用されている作業車としての収穫機1の側面図である。この収穫機1は、クローラ式の走行機体11を備えている。走行機体11の前部には、運転部12が設けられている。運転部12の後方には、脱穀装置13及び収穫物を貯留する収穫物タンク14が、左右方向に並設されている。また、走行機体11の前方には、収穫部15が高さ調整可能に設けられている。収穫部15の上方には、穀稈を起こすリール17が高さ調節可能に設けられている。収穫部15と脱穀装置13との間には刈取穀稈を搬送する搬送装置16、収穫物タンク14から収穫物を排出する排出装置18が設けられている。収穫物タンク14の下部に収穫物の重量(収穫物の貯留状態)を検出するロードセンサが装備され、収穫物タンク14の内部や周辺に、収量計や食味計(登録商標)が装備されている。食味計(登録商標)からは、品質データとして収穫物の水分値とタンパク値の測定データが出力される。収穫機1には、GNSSモジュールやGPSモジュールなどとして構成される衛星測位モジュール80が設けられている。衛星測位モジュール80の構成要素として、GPS信号やGNSS信号を受信するための衛星用アンテナが走行機体11の上部に取り付けられている。なお、衛星測位モジュール80には、衛星航法を補完するために、ジャイロ加速度センサや磁気方位センサを組み込んだ慣性航法モジュールを含めることができる。
図6には、この収穫機1に構築されている制御系と、通信端末4の制御系とが示されている。この実施形態では、収穫機1のための走行経路を管理する走行経路管理装置は、通信端末4に構築された第1走行経路管理モジュールCM1と、収穫機1の制御ユニット5に構築された第2走行経路管理モジュールCM2とから構成されている。
(a)走行パターン(往復走行、渦巻き走行、ジグザグ走行等)(b)運搬車CVの支援車の駐車位置や収穫物排出等のための収穫機の駐車位置(c)作業形態(一台の収穫機1による作業、複数台の収穫機1による作業)(d)いわゆる中割ライン(e)収穫対象となる作物種(稲(ジャポニカ米、インディカ米)、麦、大豆、菜種、そば等)に応じた車速や脱穀装置13の回転速度の値等。
特に(e)の情報から、作物種に応じた走行機器パラメータの設定や収穫機器パラメータの設定が自動的に実行されるので、設定ミスが回避される。
領域設定部44は、収穫機1の周回走行の走行軌跡データから外周領域SAと作業対象領域CAを設定する。設定された外周領域SA及び作業対象領域CAの位置座標、つまり外周領域SA及び作業対象領域CAの外形データは、自動走行のための走行経路の生成に用いられる。この実施形態では、走行経路の生成は、収穫機1の制御ユニット5に構築された第2走行経路管理モジュールCM2で行われるので、設定された外周領域SA及び作業対象領域CAの位置座標は、第2走行経路管理モジュールCM2に送られる。
設定可能な車速には、収穫走行時の車速、非作業旋回(Uターン走行など)時の車速、収穫物排出時や燃料補給時の作業対象領域CAから離脱して外周領域SAを走行する際の車速などが含まれる。自動走行制御部511は、衛星測位モジュール80によって得られた測位データに基づいて実車速を算出する。出力処理部7は、実車速が設定された車速に合うように、走行への変速操作指令等を車両走行機器群71に送る。
作業車自動走行システムにおける自動走行の例を、往復走行を行う例と、渦巻き走行を行う例とに分けて説明する。
図13を用いて、Uターン経路算出部603がUターン走行経路を生成する基本原理を説明する。図13では、LS0で示された旋回元の走行経路要素からLS1で示された旋回先の走行経路要素に移行するUターン走行経路が示されている。通常の走行では、LS0が作業対象領域CAにおける走行経路要素であれば、LS1が外周領域SAでの走行経路要素(=中間直進経路)となり、逆に、LS1が作業対象領域CAにおける走行経路要素であれば、LS0が外周領域SAでの走行経路要素(=中間直進経路)となるのが一般的である。例えば走行経路要素LS0とLS1の直線式(または直線上の2点)がメモリに記録されており、これらの直線式からその交点(図13ではPXで示されている)及び交差角(図13ではθで示されている)が算出される。次に、走行経路要素LS0及び走行経路要素LS1に接するとともに、収穫機1の最小旋回半径と等しい半径(図13ではrで示されている)の接円が算出される。この接円と走行経路要素LS0及びLS1との接点(図13ではPS0,PS1で示されている)を結ぶ円弧(接円の一部)が、旋回経路となる。そこで、走行経路要素LS0とLS1との交点PXと、円との接点までの距離Yを、Y=r/(tan(θ/2))で求める。最小旋回半径が収穫機1の仕様により実質的に決まっているため、rは規定値である。なお、rは、最小旋回半径と同一の値でなくても良く、無理のない旋回半径を予め通信端末4等によって設定し、その旋回半径となるような旋回操作をプログラミングしてあれば良い。走行制御的には、収穫機1は、旋回元の走行経路要素LS0を走行中に、交点までの距離がYである位置座標(PS0)に到達すると、旋回走行を開始し、次いで、旋回走行中に収穫機1の方位と旋回先の走行経路要素LS1の方位との差が許容値に収まれば旋回走行を終了する。その際、収穫機1の旋回半径は正確に半径rに一致しなくてもよい。旋回先の走行経路要素LS1との距離及び方位差に基づいて操舵制御されることで、収穫機1は旋回先の走行経路要素LS1に移行することができる。
図17には、上述した渦巻き走行において、走行経路要素の経路変更可能点である交点での経路変更に用いられる方向転換走行の一例が示されている。以降、この方向転換走行をαターン走行と称する。このαターン走行における走行経路(αターン走行経路)は、いわゆる切り返し走行経路の一種であり、走行元の走行経路要素(図17ではLS0で示されている)と旋回先の走行経路要素(図17ではLS1で示されている)の交点から、前進での旋回経路を経て、後進での旋回経路で旋回先の走行経路要素に接する経路である。αターン走行経路は基準化されているので、走行元の走行経路要素と旋回先の走行経路要素との交差角に応じて生成されたαターン走行経路が予め登録されている。したがって、経路管理部60は、算出された交差角に基づいて適正なαターン走行経路を読み出し、経路設定部64に与える。この構成に代えて、交差角毎の自動制御プログラムを自動走行制御部511に登録しておき、経路管理部60によって算出された交差角に基づいて、自動走行制御部511が適正な自動制御プログラム読み出すような構成を採用してもよい。
経路要素選択部63は、管理センタKSから受け取った作業計画書や通信端末4から人為的に入力された走行パターン(例えば、往復走行パターンや渦巻き走行パターン)と、自車位置と、作業状態評価部55から出力される状態情報とに基づいて、走行経路要素を順次選択する。即ち、設定された走行パターンのみを基準にして全走行経路を形成してしまう場合とは異なって、作業前には予測し得ない事態に対応した好適な走行経路が形成されたことになる。また、経路要素選択部63には、上述した基本的なルール以外に、以下のような経路選択ルールA1からA11が予め登録可能であり、走行パターンと状態情報とに応じて、好適な経路選択ルールが適応される。
また、『旋回エリアが狭くなっています。御注意下さい。』等といった報知を行うように構成してあっても良い。
次に、複数の作業車が投入される作業車自動走行システムによる作業走行について説明する。ここでは、理解のしやすさのために、2台の収穫機1による作業走行(自動走行)を説明する。図19には、マスタ収穫機1m(本発明の『第1作業車』の一例)と、スレーブ収穫機1s(本発明の『第2作業車』の一例)とが協調して、1つの圃場を作業走行する様子が示されている。2台の収穫機1を区別するために、それぞれに対してマスタ収穫機1mとスレーブ収穫機1sいう名称が与えられているが、区別して説明する必要がない場合には、単に収穫機1と称する。なお、マスタ収穫機1mには、監視者が乗り込んでおり、監視者は、マスタ収穫機1mに持ち込まれた通信端末4を操作する。便宜的に、マスタ及びスレーブという用語を使用したが、厳密な主従関係を示すものではない。マスタ収穫機1mとスレーブ収穫機1sとの間はそれぞれの通信処理部70を介してデータ通信可能であり、作業走行状態に相当する状態情報の交換を行う。通信端末4は、マスタ収穫機1mに監視者の指令や走行経路に関するデータなどを与えるだけでなく、通信端末4とマスタ収穫機1mとを介して、スレーブ収穫機1sにも監視者の指令や走行経路に関するデータを与えることができる。例えば、スレーブ収穫機1sの作業状態評価部55から出力された状態情報はマスタ収穫機1mにも転送され、マスタ収穫機1mの作業状態評価部55から出力された状態情報はスレーブ収穫機1sにも転送される。したがって、双方の経路要素選択部63は、双方の状態情報と双方の自車位置とを考慮して次走行経路要素を選択する機能を有する。また、通信端末4に、経路管理部60と経路要素選択部63が構築されている場合には、双方の収穫機1が、状態情報を通信端末4に与え、そこで選択された次走行経路要素を受け取ることになる。
図23では、スレーブ収穫機1sの前を横切ったマスタ収穫機1mは、駐車位置で停車している。したがって、スレーブ収穫機1sが走行経路要素L04からUターン走行で走行経路要素L07に移行するために外周領域SAに進入すると、マスタ収穫機1mと衝突する。駐車位置にマスタ収穫機1mが駐車した場合、走行経路要素L05、L06、L07を用いた作業対象領域CAへの進入や作業対象領域CAからの離脱は不可能となるので、走行経路要素L05、L06、L07は一時的に走行禁止(選択禁止)となる。マスタ収穫機1mが排出作業を終え、駐車位置から移動すると、スレーブ収穫機1sの経路要素選択部63が、マスタ収穫機1mの走行経路を加味して、走行経路要素L05−L10から、次に移行すべき走行経路要素を選択し、スレーブ収穫機1sは自動走行を再開する。
例えば、一方の収穫機1に往復走行パターンが設定されている場合は、他方の収穫機1にも往復走行パターンが設定される。
マスタ収穫機1mとスレーブ収穫機1sとが協調して作業走行する場合、通常マスタ収穫機1mには、監視者が搭乗しているので、マスタ収穫機1mについては、必要に応じて、通信端末4を通じて、自動走行制御における車両走行機器群71や作業装置機器群72に対するパラメータの値を微調整できる。マスタ収穫機1mの車両走行機器群71や作業装置機器群72に対するパラメータの値を、スレーブ収穫機1sにおいても実現するため、図27に示すように、マスタ収穫機1mからスレーブ収穫機1sのパラメータを調整できる構成を採用することができる。ただし、通信端末4は、スレーブ収穫機1sにも備えられていても何ら問題はない。なぜならば、スレーブ収穫機1sも、単独自動走行をする場合も、マスタ収穫機1mとして使用される場合もあるからである。
<ステップ#01>
事前の周回走行によって、圃場は、収穫作業が終わった外周領域SAと、これから収穫作業が行われる作業対象領域CAとに区分けされる。事前の周回走行後においては、図28のステップ#01に示すように、周辺領域PPとUターン経路群ULとが外周領域SAにおける同じ部分に位置している。そして、外周領域SAにおけるUターン経路群ULが設定されている部分の幅は、往復走行だけでは拡張されることはない。したがって、この部分の幅を拡張するために、自動的に、あるいは監視者の指示に基づいて、図28のステップ#02で示す追加周回走行が実行される。
<ステップ#02>
この追加周回走行では、往復走行の線状の走行経路要素である、左端の走行経路要素Lsと右端の走行経路要素Leとを対辺とする矩形に対する周回走行経路を構成する複数の周回走行経路要素(図28で太線)が算出される。ここでは、その周回走行経路要素は、走行経路要素Lsと、走行経路要素Leと、走行経路要素Ls及び走行経路要素Leの上端同士を接続する走行経路要素と、走行経路要素Ls及び走行経路要素Leの下端同士を接続する走行経路要素と、からなる。自動走行が開始されると、この追加的な周回走行経路に適合する周回走行経路要素が経路要素選択部63によって選択され、自動走行(周回走行での作業走行)が実行される。
<ステップ#03>
図28のステップ#03で示すように、この追加周回走行により、外周領域SAが拡大され、駐車位置の周辺領域に1以上の作業幅分のスペースが新たに作り出される。次いで、作業対象領域CAが、この追加周回走行での周回数の作業幅分だけ縮小されたことにより、左端の走行経路要素Lsと右端の走行経路要素Leとは、作業対象領域CAが縮小された分だけ内側に移動する。そして、移動された走行経路要素Ls及び走行経路要素Leを対辺とする矩形である新たな作業対象領域CAに対して、Uターン走行パターンによる作業走行経路が決定され、新たな作業対象領域CAの自動作業走行が開始される。
このケースでは、作業対象領域CAに、縦横の間隔が第1作業幅である縦線群と横線群とで走行経路要素群が設定される。横線群に属する走行経路要素には、その経路番号として、X1からX9の記号が与えられており、縦線群に属する走行経路要素には、その経路番号として、Y1からY9の記号が与えられている。
1m :マスタ収穫機(第1作業車の一例)
1s :スレーブ収穫機(第2作業車の一例)
4 :通信端末
5 :制御ユニット
41 :タッチパネル
42 :作業地データ入力部
43 :外形データ生成部
44 :領域設定部
50 :通信処理部
51 :走行制御部
511 :自動走行制御部
512 :手動走行制御部
52 :作業制御部
53 :自車位置算出部
55 :作業状態評価部
56 :他車位置関係算出部
60 :経路管理部
63 :経路要素選択部
64 :経路設定部
70 :通信処理部
80 :衛星測位モジュール
SA :外周領域
CA2 :作業対象領域(第2区画の一例)
CC :中割り領域(第1区画の一例)
Claims (4)
- 作業地のうちの第1区画を作業走行する第1作業車と、前記作業地のうちの第2区画を作業走行する第2作業車とのための作業車自動走行システムであって、
前記第1作業車による前記第1区画の作業走行状態に関する情報に基づいて、前記第2区画を前記第2作業車の作業対象領域に設定する領域設定部と、
前記第1作業車及び前記第2作業車の位置を算出する作業車位置算出部と、
前記作業対象領域を網羅する走行経路を構成する多数の走行経路要素の集合体である走行経路要素群を読み出し可能に管理する経路管理部と、
前記作業対象領域が前記第2作業車で作業走行されるように、次に走行すべき次走行経路要素を、前記走行経路要素群から選択する経路要素選択部と、を備えた作業車自動走行システム。 - 前記第2区画は、前記作業地のうちの内側の領域であり、
前記第1区画は、前記作業地のうちの前記第2区画の外側の領域である請求項1に記載の作業車自動走行システム。 - 前記経路要素選択部は、前記作業対象領域を網羅する全行程を予め決めることなく、前記次走行経路要素を前記走行経路要素群から順次選択する請求項1または2に記載の作業車自動走行システム。
- 前記第1作業車と前記第2作業車との位置関係を示す作業車位置関係を算出する作業車位置関係算出部が備えられている請求項1から3のいずれか一項に記載の作業車自動走行システム。
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