JP7261468B2 - 自律制御型草刈機 - Google Patents

Description

本発明は、無人で草刈り作業を行う自律制御型草刈機に関する。

草刈りに従事する作業者の負担を軽減するために、草刈機が各種提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示される草刈機は、同公報の図６によれば、Ｓ１１で通常作業を実施し、ＳＴ１２で負荷状態を監視する。
ＳＴ１２で第一の設定時間以上の過負荷状態が認められたときには、ＳＴ１３で、対策Ａ（走行速度の減速制御）と対策Ｂ（後部開閉扉の開放制御）が実施され、ＳＴ１４で対策Ａ、Ｂの効果を調べる。
ＳＴ１４で第二の設定時間以上の過負荷状態が認められたときには、ＳＴ１５で非常停止し、作業を中断する。

このような特許文献１の草刈機は、同公報の図２に示されるように、シート及び操舵ハンドルを有する有人草刈機である。
すなわち、従来、芝刈りを含む草刈り作業は、有人草刈機で実施されてきた。人件費の高騰もあり、作業の無人化が求められ、自律制御型草刈機が各種提案されてきた（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に開示される自走式草刈機は、ガイドワイヤセンサを備えており、ガイドワイヤで囲われた草刈り場内を、自律的に走行しつつ草刈りを行う。
特許文献２には、格別の過負荷対策が開示されていない。そこで、特許文献２の草刈機に、特許文献１に開示される、対策Ａ（走行速度の減速制御）を付加することが考えられる。

しかし、特許文献２に特許文献１を組み合わせてなる草刈機においても、次に述べる問題点が存在する。
自律制御型草刈機において、刈刃への負荷が設定を超えたときに、走行速度を落とすことは有効であり、刈刃への負荷が軽減されることが期待される。
ただし、刈刃は、草に隠れた障害物（樹木や岩）に当たることがある。この場合は、特許文献１のＳＴ１５に基づいて作業を中断する。

特許文献２に特許文献１を組み合わせてなる自律制御型草刈機は、人が関与することなく草刈り作業を実施することが特長であるが、頻繁に作業が中断されるようでは、無人運転の意味が薄れる。
そこで、簡単には作業が中断しないような自律制御型草刈機が望まれる。

特開２００３－３１００２６号公報 国際公開第２０１７／０５１６６２号パンフレット

本発明は、簡単には作業が中断しないような自律制御型草刈機を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、自律制御を実施する制御部を備え、走行しつつ刈刃で草を刈る自律制御型草刈機において、
前記制御部は、車速マップに基づいて車速を制御し、
この制御で使用する車速マップは、横軸が刈刃回転速度であり、前記横軸に前記刈刃の最高回転速度Ｎｍａｘ、この最高回転速度Ｎｍａｘより低速の第１回転速度Ｎ１、この第１回転速度Ｎ１より低速の第２回転速度Ｎ２、及び前記第１回転速度Ｎ１と前記第２回転速度Ｎ２の間の中間回転速度Ｎｍを定め、
縦軸が車速であり、前記縦軸に最高車速Ｖｍａｘ及びこの最高車速Ｖｍａｘより低速の最低車速Ｖｍｉｎを定め、
車速曲線は、前記第２回転速度Ｎ２と前記中間回転速度Ｎｍとの間は横軸に平行な最低車速Ｖｍｉｎとし、前記中間回転速度Ｎｍと前記第１回転速度Ｎ１との間は刈刃回転速度に正比例する曲線とし、前記第１回転速度Ｎ１と前記最高回転速Ｎｍａｘとの間は横軸に平行な最高車速Ｖｍａｘとし、
前記制御部は、
前記刈刃の実測回転速度が、前記第１回転速度Ｎ１を下回るときに、前記実測回転速度に対応して車速を低減する制御を実施するという第１次対策を講じ、
車速を低減しても前記刈刃の実測回転速度が、前記第２回転速度Ｎ２を下回るときに、一定時間後進制御を実施するという第２次対策を前記第１次対策の後に講じることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の自律制御型草刈機であって、
前記制御部は、前記第２次対策を講じても前記刈刃の実測回転速度が、前記第２回転速度を超えないときに、以下の復帰策（１）～（５）の少なくとも１つからなる第３次対策を前記第２次対策の後に実施することを特徴とする。（１）車速を０にすること。（２）所定時間後進すること。（３）刈刃の回転を停止し、機体を前進すること。（４）刈刃を逆回転すること。（５）刈刃の回転を停止し、機体を旋回すること。

請求項３に係る発明は、請求項１記載の自律制御型草刈機であって、
前記制御部は、前記第２次対策を講じても前記刈刃の実測回転速度が、前記第２回転速度を超えないときに、以下の復帰策（１）～（６）の少なくとも１つからなる第３次対策を前記第２次対策の後に実施することを特徴とする。（１）車速を０にすること。（２）所定時間後進すること。（３）刈刃の回転を停止し、機体を前進すること。（４）刈刃を逆回転すること。（５）刈刃の回転を停止し、機体を旋回すること。（６）刈刃の回転トルクを、所定時間だけ増加する。

請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３記載の自律制御型草刈機であって、
前記制御部は、前記第３次対策を講じても前記刈刃の実測回転速度が、前記第２回転速度を超えないときに、充電ステーションへ帰還させるという第４次対策を前記第３次対策の後に実施することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、刈刃の回転速度を監視するに当たり、最大回転速度より低速の第１回転速度と、この第１回転速度より低速の第２回転速度とを設定した。
第１回転速度で草刈りにおける過負荷を検知し、第２回転速度で草に隠れた障害物（樹木や岩）による過負荷を検知する。

刈刃の回転速度が第１回転速度を下回ったときには、車速を低減する（第１次対策）。
刈刃の回転速度が第２回転速度を下回ったときには、一定時間後進させる（第２次対策）。
後進させることで、障害物（樹木や岩）から自律制御型草刈機を十分に離すことができ、以降通常の草刈り作業を継続させることができる。
よって、請求項１によれば、簡単には作業が中断しないような自律制御型草刈機が提供される。

請求項２及び請求項３に係る発明では、後進させても刈刃の回転速度が第２回転速度を超えないときには、第３次対策を講じる。
第３次対策を講じることにより、更に草刈り作業を継続させることができる。

請求項４に係る発明では、第３次対策に効果がないことが、確認された後に、自律制御型草刈機を帰還させる。
第１次対策、第２次対策及び第３次対策を講じるため、極力、草刈り作業を継続させることができる。

自律制御型草刈機の正面図である。 自律制御型草刈機の右側面図である。 自律制御型草刈機の底面図である。 自律制御型草刈機の平面視構成図である。 自律制御型草刈機の作用説明図である。 本発明で使用する車速マップの一例を説明する図である。 制御部で実施する制御フロー図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１に示すように、自律制御型草刈機（以下、草刈機という）１０は、前輪１１と、左後輪１２Ｌと、右後輪１２Ｒを備えている。また、草刈機１０は、カバー１３の前面中央に横長矩形の開口部１４を有している。この開口部１４の奥に、Ｖ字部品（図４、符号３６）が配置される。
図２に示すように、前輪１１と、後輪車軸１５との間に、カッターハウジング１６を有する。

図３に示すように、底面視で、機体１８に、旋回する刈刃１９と、この刈刃１９より前に配置される前輪１１と、刈刃１９より後に配置される後輪１２Ｌ、１２Ｒとを備える草刈機１０において、この草刈機１０は、刈刃１９より前輪１１側に配置される左ワイヤセンサ２１Ｌ及び右ワイヤセンサ２１Ｒを備えている。

左ワイヤセンサ２１Ｌ及び右ワイヤセンサ２１Ｒは、刈刃１９の旋回円２２より外であれば、任意の位置に配置することができる。旋回円２２から前にαだけ離れた位置で、且つ旋回円２２から左に（図では右へ）βだけ離れた位置に左ワイヤセンサ２１Ｌを配置する。同様に、旋回円２２から前にαだけ離れた位置で、且つ旋回円２２から右にβだけ離れた位置に右ワイヤセンサ２１Ｒを配置する。βはαと同じであっても異なっていても差し支えない。

図４は、図３を反転した平面図である。
図４に示すように、刈刃１９は刈刃モータ２４で駆動される。この刈刃モータ２４はバッテリ２５から給電されると共にドライバ２６を介して、制御部２７で回転速度及び正転、停止、逆転が制御される。刈刃モータ２４が過負荷状態になったときには、例えば逆転制御される。

前輪１１は前輪モータ２８で駆動される。この前輪モータ２８はバッテリ２５から給電されると共にドライバ２９を介して、制御部２７で回転速度及び正転、停止、逆転が制御される。
前輪１１は操舵輪であり、操舵モータ３１で操舵される。この操舵モータ３１は、バッテリ２５から給電されると共にドライバ３２を介して、制御部２７で直進、左操舵、右操舵の制御がなされる。

左後輪１２Ｌは左後輪モータ３３Ｌで駆動される。この左後輪モータ３３Ｌはバッテリ２５から給電されると共にドライバ３４Ｌを介して、制御部２７で回転速度及び正転、停止、逆転が制御される。
同様に、右後輪１２Ｒは右後輪モータ３３Ｒで駆動される。この右後輪モータ３３Ｒはバッテリ２５から給電されると共にドライバ３４Ｒを介して、制御部２７で回転速度及び正転、停止、逆転が制御される。

本発明の草刈機１０は、全輪駆動車であるため、前輪１１が地面に接していれば、後輪１２Ｌ、１２Ｒが浮いたとしても、走行が継続される。結果、管理者の負担が大幅に軽減される。

また、本発明の草刈機１０では、前輪１１は、左右２輪であってもよいが、実施例では、１輪とした。１輪であれば、前輪モータ２８、ドライバ２９、操舵モータ３１及びドライバ３２の数が半分になり、コストダウンが図れる。

作図の都合で、カバー１３の外に示したバッテリ２５及び制御部２７は、カバー１３内に配置される。
カバー１３の前部に、Ｖ字部品３６が収納され、このＶ字部品３６に充電端子３７が設けられている。充電端子３７を介して、外部からバッテリ２５へ充電される。

以上に述べた草刈機１０の作用を、図５に基づいて説明する。
図５に示すように、草刈機１０は、矢印（１）のように直進し、矢印（２）のように左旋回し、矢印（３）のように右旋回し、矢印（４）のように後進する。

次に、制御部（図４、符号２７）で実施する制御とこの制御で使用する車速マップとを説明する。
図６において、横軸は刈刃回転速度であり、横軸に、刈刃の最高回転速度Ｎｍａｘ、このＮｍａｘより低速の第１回転速度Ｎ１、この第１回転速度Ｎ１より低速（例えば、Ｎ１の半分）の第２回転速度Ｎ２、及びＮ１とＮ２の間の速度Ｎｍを定める。
車速曲線は、Ｎ２－Ｎｍ間は横軸に平行な最低車速Ｖｍｉｎとし、Ｎｍ－Ｎ１間は刈刃回転速度に正比例する曲線とし、Ｎ１以上は横軸に平行な最高車速Ｖｍａｘとした。

Ｎａｃｔは、刈刃モータ（図４、符号２４）のモータ軸の回転速度を実際に測定してなる実測回転速度である。実測回転速度Ｎａｃｔを図６に適用することで、対応する車速Ｖｃｏｎが求まる。実測は、モータ軸に回転センサを付設する他、モータ電圧又はモータ電流から回転速度を推定してもよい。
なお、図６の曲線は適宜変更することは可能であり、また、図６の内容は数式又はデータ化して、電子情報として制御部に保存する。

図７に示すように、制御部に、刈刃回転速度Ｎ１、Ｎ２及び車速Ｖｍａｘを含む車速マップを保存する（ＳＴ０１）。既に保存されている場合は、このステップはパスする。
前進しつつ刈刃を正転させることで、草刈りを開始する（ＳＴ０２）。
刈刃回転速度Ｎａｃｔを読み込む（ＳＴ０３）。

ＳＴ０４で、刈刃回転速度Ｎａｃｔが第１回転速度Ｎ１を超えているか否かを調べ、超えていれば、作業継続に全く支障がないため、車速をＶｍａｘとする（ＳＴ０５）。これで、草刈り作業の効率を最大にすることができる。

ＳＴ０４で、否（刈刃回転速度Ｎａｃｔが第１回転速度Ｎ１以下）であれば、Ｎａｃｔと車速マップから車速をＶｃｏｎに設定するという第１対策を講じる（ＳＴ０６）。
図６に示す車速マップでは、刈刃回転速度がＮｍまで下がると、車速はＶｍｉｎに設定される。刈刃への抵抗は、車速が小さく且つ刈刃回転速度が小さい程、軽減されることが予測される。

刈刃への抵抗があっても、刈刃回転速度は、少なくとも第２回転速度Ｎ２を超えるようにしたい。
そこで、刈刃回転速度Ｎａｃｔを読み込み（ＳＴ０７）、ＳＴ０８で刈刃回転速度Ｎａｃｔが第２回転速度Ｎ２を超えているか否かを調べ、超えていれば、ＳＴ０３に戻る。

ＳＴ０８で、否（刈刃回転速度Ｎａｃｔが第２回転速度Ｎ２以下）であれば、ＳＴ０６で講じた第１次対策が不十分であるから、ｔ１時間後進させるという第２次対策を講じる（ＳＴ０９）。ｔ１時間は任意であるが、数秒程度で差し支えない。
第２次対策の効果をＳＴ１０とＳＴ１１で調べる。

ＳＴ１１で、刈刃回転速度Ｎａｃｔが第２回転速度Ｎ２を超えていれば、草刈り作業の継続は可能であるが、障害物が刈刃に接している可能性はある。
そこで、先ず、草刈機を左旋回させる（ＳＴ１２）。ＳＴ１３で旋回したか否かを調べる。否であれば、草刈機を右旋回させる（ＳＴ１４）。これで、障害物から刈刃を離すことができる。
Ｎａｃｔと車速マップから車速をＶｃｏｎに設定するという対策（第１次対策相当）を講じ（ＳＴ１５）し、ＳＴ０３へ戻る。

車速を低速にし（ＳＴ０６）、後進（ＳＴ０９）の対策を講じても、過負荷状態が解消しないときには、次に述べる第３次対策としての回転速度復帰策を講じる。

回転速度復帰策は、例えば、項目（１）～項目（５）の少なくとも１つである。
項目（１）：車速をゼロにすると、その場で草刈りが進行し、草の丈が徐々に小さくなるため、刈刃回転速度の回復が期待される。
項目（２）：ｔ２時間後進すると、草刈機が草刈り済みの場所に戻り、草による抵抗が軽減され、回転速度の回復が期待される。刈刃が障害物に干渉している場合は、後進により刈刃が障害物から離れるため、刈刃回転速度の回復が期待される。ｔ２時間は数秒間で差し支えない。

項目（３）：刈刃を停止して前進すると、過負荷エリア（例えば、一部密集して草が生えているところ）を抜けて、草による抵抗が軽減され、回転速度の回復が期待される。
項目（４）：刈刃を逆回転することにより、絡まっている刈草を刈刃から外すことができる。
項目（５）：刈刃を停止し、旋回すると、旋回により、抵抗の大きい場所から抵抗の小さな場所へ、刈刃を移動させることが期待できる。

草刈機の制御部は、項目（１）～項目（５）から、１つ又は複数を設定順に選択することにより、効果的な刈刃回転速度の回復を図ることができる。また、項目（１）～項目（５）からの選択はランダム（無作為）でもかまわない。

好ましくは、選択項目に項目（６）を加える。
項目（６）：刈刃の回転トルクを、ｔ４時間だけ、増加する。ｔ４時間は数秒で差し支えない。刈刃モータ（図４、符号２４）が直流モータであれば、トルク＝（トルク定数）×（電気子電流）の算式により、回転トルクが求められる。トルク定数は刈刃モータの構造から定まる一定の値である。よって、電流を増加することでトルクを増加することができる。刈刃トルクの寿命を考慮して、使用トルク範囲を定める。

使用トルク範囲の最大値をＴｍｎとしたとき、例えば（１．０５～１．５０）×Ｔｍｎに、回転トルクを増加する。回転トルクを増加することにより、刈刃に絡まっている刈草を断ち切ることや、過負荷により低下した刈刃回転速度を回復することが期待される。
なお、トルク増加のために電流を増加し、電流増加により刈刃モータは発熱するが、ｔ４時間は数秒と短いため、発熱量は許容できる範囲に収まる。したがって、短時間でのトルク増加は刈刃モータの寿命に影響しない。

よって、好ましくは、草刈機の制御部は、項目（１）～項目（６）から、１つ又は複数を設定順に選択することにより、効果的な刈刃回転速度の回復を図ることができる。また、項目（１）～項目（６）からの選択はランダム（無作為）でもかまわない。

刈刃回転速度復帰策（第３次対策）を講じることにより、刈刃回転速度の回復が期待される。
そこで、図７のＳＴ１７で刈刃回転速度Ｎａｃｔを読み込み、ＳＴ１８で刈刃回転速度Ｎａｃｔが第２回転速度Ｎ２を超えているか否かを調べ、超えていれば、ＳＴ１２へ進む。

ＳＴ１８で否であれば、ＳＴ１１以降にｔ３時間を経過したか否かを調べる（ＳＴ１９）。ｔ３は数秒で差し支えない。
ＳＴ１１以降にｔ３時間を経過しても刈刃回転速度Ｎａｃｔが第２回転速度Ｎ２を超えないときは、ＳＴ２０で、第４次対策として充電ステーションへ帰還命令を発する。

帰還命令を受けると、作業は中断される。しかし、本発明では、その前に第１次対策、第２次対策及び第３次対策を講じるため、少々のことでは草刈り作業は続けられる。

本発明の草刈機は、岩や瘤のある地面での草刈りに好適である。

１０…自律制御型草刈機、１９…刈刃、２７…制御部、Ｎａｃｔ…刈刃の実測回転速度、Ｎｍａｘ…刈刃の最大回転速度、Ｎ１…第１回転速度、Ｎ２…第２回転速度。

Claims (4)

1. 自律制御を実施する制御部を備え、走行しつつ刈刃で草を刈る自律制御型草刈機において、
   前記制御部は、車速マップに基づいて車速を制御し、
   この制御で使用する車速マップは、横軸が刈刃回転速度であり、前記横軸に前記刈刃の最高回転速度Ｎｍａｘ、この最高回転速度Ｎｍａｘより低速の第１回転速度Ｎ１、この第１回転速度Ｎ１より低速の第２回転速度Ｎ２、及び前記第１回転速度Ｎ１と前記第２回転速度Ｎ２の間の中間回転速度Ｎｍを定め、
   縦軸が車速であり、前記縦軸に最高車速Ｖｍａｘ及びこの最高車速Ｖｍａｘより低速の最低車速Ｖｍｉｎを定め、
   車速曲線は、前記第２回転速度Ｎ２と前記中間回転速度Ｎｍとの間は横軸に平行な最低車速Ｖｍｉｎとし、前記中間回転速度Ｎｍと前記第１回転速度Ｎ１との間は刈刃回転速度に正比例する曲線とし、前記第１回転速度Ｎ１と前記最高回転速Ｎｍａｘとの間は横軸に平行な最高車速Ｖｍａｘとし、
   前記制御部は、
   前記刈刃の実測回転速度が、前記第１回転速度Ｎ１を下回るときに、前記実測回転速度に対応して車速を低減する制御を実施するという第１次対策を講じ、
   車速を低減しても前記刈刃の実測回転速度が、前記第２回転速度Ｎ２を下回るときに、一定時間後進制御を実施するという第２次対策を前記第１次対策の後に講じることを特徴とする自律制御型草刈機。
2. 請求項１記載の自律制御型草刈機であって、
   前記制御部は、前記第２次対策を講じても前記刈刃の実測回転速度が、前記第２回転速度を超えないときに、以下の復帰策（１）～（５）の少なくとも１つからなる第３次対策を前記第２次対策の後に実施することを特徴とする自律制御型草刈機。
   （１）車速を０にすること。
   （２）所定時間後進すること。
   （３）刈刃の回転を停止し、機体を前進すること。
   （４）刈刃を逆回転すること。
   （５）刈刃の回転を停止し、機体を旋回すること。
3. 請求項１記載の自律制御型草刈機であって、
   前記制御部は、前記第２次対策を講じても前記刈刃の実測回転速度が、前記第２回転速度を超えないときに、以下の復帰策（１）～（６）の少なくとも１つからなる第３次対策を前記第２次対策の後に実施することを特徴とする自律制御型草刈機。
   （１）車速を０にすること。
   （２）所定時間後進すること。
   （３）刈刃の回転を停止し、機体を前進すること。
   （４）刈刃を逆回転すること。
   （５）刈刃の回転を停止し、機体を旋回すること。
   （６）刈刃の回転トルクを、所定時間だけ増加する。
4. 請求項２又は請求項３記載の自律制御型草刈機であって、
   前記制御部は、前記第３次対策を講じても前記刈刃の実測回転速度が、前記第２回転速度を超えないときに、充電ステーションへ帰還させるという第４次対策を前記第３次対策の後に実施することを特徴とする自律制御型草刈機。

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