JP7333582B2

JP7333582B2 - 無人作業設備

Info

Publication number: JP7333582B2
Application number: JP2019098182A
Authority: JP
Inventors: 充千葉; 正寛藤原; 薫瀬川
Original assignee: 和同産業株式会社
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2023-08-25
Anticipated expiration: 2039-05-27
Also published as: JP2020194249A

Description

本発明は、無人で草刈り等の作業を行わせることができる無人作業設備に関する。

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、草刈機が自律的に走向しつつ草刈りを行う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１（図５、図６）参照）。

特許文献１の充電技術を、図６に基づいて説明する。
図６（ａ）に示すように、自律制御型草刈機１００は、ワイヤ１０１で囲われた作業域内を自律走行しつつ自律的に草刈り作業を行う。自律制御型草刈機１００は適宜充電ステーション１０２に帰還して、電気エネルギーの供給を受ける。
そのために、自律制御型草刈機１００に、充電端子１０３を備え、充電ステーション１０２に給電端子１０４を備える。

図６（ｂ）に示すように、商用電源１０５から供給される電気エネルギーが給電端子１０４を介して充電端子１０３へ供給される。
ところで、草刈り等の作業を行う作業場は、人家から離れた山間部や、無人島に存在することがある。山間部や無人島では、商用電源１０５が準備できないため、これに代わる手段が求められる。

特開２０１２－９４１２３号公報

本発明は、商用電源が準備できない作業場であっても、草刈り等の作業を無人で行うことができる無人作業設備を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、地面又は固定物に設置される定置給電部と、この定置給電部から給電され環状に敷設されたワイヤで規定される走行範囲を自律走行しつつ自律的に作業を行う自律制御型作業機とからなり、無人での作業が可能な無人作業設備であって、
前記自律制御型作業機は、電気エネルギーを蓄える車載バッテリと、自律走行及び自律的な作業を制御する車載制御部とを備え、
前記定置給電部は、太陽光を電気エネルギーに変換するソーラーパネルと、このソーラーパネルで供給される前記電気エネルギーを蓄える定置バッテリと、この定置バッテリの電圧を監視する定置制御部と、前記定置バッテリに蓄えられている電気エネルギーを前記車載バッテリへ充填する充電ステーションとを備え、
前記定置バッテリは、前記充電ステーションへ給電する他、前記ワイヤ及び前記定置制御部へも給電し、
前記定置制御部は、前記定置バッテリの電圧が一定値を下回ったときに、前記定置バッテリから自己への通電を遮断すると共に前記ワイヤ及び前記充電ステーションへの通電を遮断して前記定置バッテリの過放電を防止し、
前記定置制御部は、前記定置バッテリの電圧が一定値以上であるときに、運転許可信号を発信する送信部を更に備え、前記自律制御型作業機は、前記送信部が発した信号を受信する受信部を更に備え、
前記車載制御部は、運転許可信号が受信できなくなったら前記自律制御型作業機の走行及び作業を停止し、運転許可信号が受信できたら前記自律制御型作業機の走行及び作業を行う制御を実施することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、電気エネルギーは、ソーラーパネル→定置バッテリ→車載バッテリの順で移動し、車載バッテリにより自律制御型作業機を走行させる。ソーラーパネルで電気エネルギーが得られるため、商用電源は不要である。

ただし、定置バッテリは、車載バッテリの充電の他、ワイヤ及び定置制御部へも電気エネルギーを供給する。曇天や雨天でソーラーパネルの発電量が小さくなると、定置バッテリにおける入力より出力が大きくなり、定置バッテリの電圧が低下する。この低下が著しいときには定置制御部の健全な制御が維持できなくなる。

対策として、本発明は、定置バッテリの電圧が一定値以上であるときに、自律制御型作業機の走行及び作業を許可させるようにし、定置バッテリの電圧が一定値を下回ったときに、自律制御型作業機の走行及び作業を停止するようにすると共にワイヤ及び充電ステーションへの通電を遮断して定置バッテリの過放電を防止するようにした。
以上の対策を講じたことにより、商用電源が準備できない作業場であっても、草刈り等の作業を無人で行うことができる無人作業設備が提供される。

本発明に係る無人作業設備の平面図である。自律制御型作業機の正面図である。自律制御型作業機の右側面図である。自律制御型作業機の底面図である。自律制御型作業機の平面視構成図である。従来の技術を説明する図である。

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。

図１に示すように、無人作業設備４０は、草場（芝場を含む。）などの作業場４１又は作業場４１の周辺に設置される定置給電部５０と、この定置給電部５０から給電され自律走行しつつ自律的に作業を行う自律制御型作業機１０とからなる。

自律制御型作業機１０は移動体であり、定置給電部５０は地面又は固定物に設置される非移動体である。バッテリや制御部は、移動体と非移動体の両方に、各々搭載もしくは設置される。便宜的に、移動体に搭載されるものを、車載バッテリ、車載制御部とし、非移動体に設置されるものを、定置バッテリ、定置制御部とする。

また、自律制御型作業機１０の走行範囲は、作業場４１に環状に敷設されるワイヤ４２で規定される。このワイヤ４２に通電することにより、自律制御型作業機１０は電気的にワイヤ４２を検出し、ワイヤ４２の外へは出ないように走行が制御される。

定置給電部５０は、太陽光などの光エネルギーを電気エネルギーに変換するソーラーパネル５１と、このソーラーパネル５１で供給される電気エネルギーを蓄える定置バッテリ５２と、この定置バッテリ５２の電圧を検出するバッテリ電圧計５３と、このバッテリ電圧計５３の情報に基づいて定置バッテリ５２の電圧を監視する定置制御部５４と、この定置制御部５４に備えられ無線信号を発する送信部５５と、定置バッテリ５２に蓄えられている電気エネルギーを車載バッテリへ充填する充電ステーション５６とを備えている。

定置バッテリ５２は、充電ステーション５６へ給電する他、ワイヤ４２及び定置制御部５４へも給電する。定置制御部５４は、所定の給電がなされることで、健全な制御を実施する。

なお、ソーラーパネル５１と定置バッテリ５２との間の回路に、第１サブ制御部５８を介在させ、この第１サブ制御部５８に変圧回路を内蔵し、ソーラーパネル５１の出力電圧を定置バッテリ５２に適合した電圧に変圧するようにすることは差し支えない。

同様に、定置バッテリ５２とワイヤ４２との間に、第２サブ制御部５９を介在させ、この第２サブ制御部５９に変圧回路を内蔵し、ワイヤ４２に適合した電圧に変圧するようにしてもよい。
また、定置バッテリ５２と充電ステーション５６との間に、第３サブ制御部６１を介在させ、この第３サブ制御部６１に変圧回路を内蔵し、充電ステーション５６に適合した電圧に変圧するようにしてもよい。

また、第１～第３サブ制御部５８、５９、６１にスイッチング回路を内蔵し、定置制御部５４により回路を、適宜断接制御するようにしてもよい。
次に、図２～図５に基づいて、自律制御型作業機１０の具体的な構造の例を説明する。

図２に示すように、自律制御型作業機（以下、作業機という）１０は、前輪１１と、左後輪１２Ｌと、右後輪１２Ｒを備えている。また、作業機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、作業機側結合部材（図５、符号３６）が配置される。
図３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４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とを備える作業機１０において、この作業機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５は、図４を反転した平面図である。
図５に示すように、車載制御部２７は、送信部（図１、符号５５）が発した無線信号を受信する受信部３５を備えている。また、車載バッテリ２５の残電圧を車載電圧計３８で検出し、この掲出情報が車載制御部２７に送られる。

刈刃１９は刈刃モータ２４で駆動される。この刈刃モータ２４は車載バッテリ２５から給電されると共にドライバ２６を介して、車載制御部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は車載バッテリ２５から給電されると共にドライバ２９を介して、車載制御部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、車載バッテリ２５から給電されると共にドライバ３２を介して、車載制御部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は車載バッテリ２５から給電されると共にドライバ３４Ｌを介して、車載制御部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は車載バッテリ２５から給電されると共にドライバ３４Ｒを介して、車載制御部２７で回転速度及び正転、停止、逆転が制御される。

ところで、従来の多くの作業車は、全輪駆動車ではない。そのため、何らかの理由（例えば、刈刃を囲うカッターハウジングが瘤に乗り上げるなど）で、駆動輪である後輪が地面から浮き上がると、走行不能となる。この場合、管理者が作業車まで走っていって、瘤から作業車を離脱させる。これでは管理者の負担が大きくなる。

対して、図５に示す本発明の作業機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、自力での離脱が可能となり、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、本発明の作業機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の外に示した車載バッテリ２５及び車載制御部２７は、カバー１３内に配置される。
カバー１３の前部に、例えばＶ字形状の作業機側結合部材３６が収納され、この作業機側結合部材３６に充電端子３７が設けられている。充電端子３７を介して、外部から車載バッテリ２５へ充電される。

また、車載制御部２７は、左ワイヤセンサ２１Ｌと右ワイヤセンサ２１Ｒから、ワイヤ（図１、符号４２）を検知した信号を受ける。

以上の構成からなる無人作業設備４０の作用を、次に説明する。
図１に示す送信部５５から「運転許可信号」が発信されると、図５に示す受信部３５を介して車載制御部２７は、運転許可信号を認識する。認識した車載制御部２７は、車載バッテリ２５の電気エネルギーにより、作業機１０を自律走行させつつ自律的に作業（具体的には刈刃１９の回転）を行う。

この走行及び作業により、車載バッテリ２５の電圧は徐々に低下する。車載制御部２７は、車載電圧計３８で検出した電圧を常時監視し、車載バッテリ２５の電圧がある値まで下がったら、充電のために充電ステーション５６へ作業機１０を帰還させる。ある値とは、帰還に必要な電気エネルギーを考慮して決定される。

図１に示す定置制御部５４は、定置バッテリ５２から電気エネルギーを得て所定の制御を実施する。
ところで、曇天や雨天でソーラーパネル５１での発電量が小さくなると、定置バッテリ５２における入力より出力が大きくなり、定置バッテリ５２の電圧が低下する。この低下が著しいときには定置制御部５４の健全な制御が維持できなくなる。

対策として、本発明の定置制御部５４は、定置バッテリ５２の電圧が一定値以上であるときに、「運転許可信号」を送信部５５から発信するようにし、定置バッテリ５２の電圧が一定値を下回ると、「運転許可信号」を発信しないようにした。
図５に示す車載制御部２７は、「運転許可信号」が受信できなくなったら自律制御型作業機１０の走行及び作業を停止する。停止することにより、定置制御部５４が不健全であっても実害は生じない。

なお、定置バッテリ５２の電圧が一定値を下回ったときに、図１に示す第１サブ制御部５８で定置バッテリ５２から定置制御部５４への通電を遮断する。さらには、第２サブ制御部５９で定置バッテリ５２からワイヤ４２への通電を遮断する。加えて、第３サブ制御部６１で充電ステーション５６への通電を遮断してもよい。
この処理により、定置バッテリ５２の過放電を防止することができる。

定置バッテリ５２の電圧が一定値以上になったら、定置制御部５４へ通電され、ワイヤ４２に通電される。定置制御部５４は、「運転許可信号」は発信する。自律制御型作業機１０の走行及び作業を再開する。

尚、本発明の無人作業設備４０は、ワイヤ４２の有無は問わない。すなわち、本発明は、自律制御型草刈機の他、ゴルフ場で芝を刈る自律制御型芝刈機、畠で農作業を行う自律制御型農作業機、農作物を運搬する自律制御型運搬機、除雪を行う自律制御型除雪機、路面を清掃する自律制御型清掃機などの作業機に適用して差し支えない。

また、本発明は、商用電源の併用を不可とするものではない。ただし、商用電源が使用可能な作業場においては、ソーラーパネルによる給電を主とし、商用電源による給電をサブとする。これにより、ソーラーパネルの小型化が可能となる。
仮に、停電や断線によって商用電源が途絶えても、ソーラーパネルによる給電が主であるため、無人作業は遅滞なく実施される。

本発明の無人作業設備は、商用電源が準備できない作業場に好適である。

１０…自律制御型作業機（作業機）、２５…車載バッテリ、２７…車載制御部、３５…受信部、４０…無人作業設備、４２…ワイヤ、５０…定置給電部、５１…ソーラーパネル、５２…定置バッテリ、５４…定置制御部、５５…送信部、５６…充電ステーション。

Claims

地面又は固定物に設置される定置給電部と、この定置給電部から給電され環状に敷設されたワイヤで規定される走行範囲を自律走行しつつ自律的に作業を行う自律制御型作業機とからなり、無人での作業が可能な無人作業設備であって、
前記自律制御型作業機は、電気エネルギーを蓄える車載バッテリと、自律走行及び自律的な作業を制御する車載制御部とを備え、
前記定置給電部は、太陽光を電気エネルギーに変換するソーラーパネルと、このソーラーパネルで供給される前記電気エネルギーを蓄える定置バッテリと、この定置バッテリの電圧を監視する定置制御部と、前記定置バッテリに蓄えられている電気エネルギーを前記車載バッテリへ充填する充電ステーションとを備え、
前記定置バッテリは、前記充電ステーションへ給電する他、前記ワイヤ及び前記定置制御部へも給電し、
前記定置制御部は、前記定置バッテリの電圧が一定値を下回ったときに、前記定置バッテリから自己への通電を遮断すると共に前記ワイヤ及び前記充電ステーションへの通電を遮断して前記定置バッテリの過放電を防止し、
前記定置制御部は、前記定置バッテリの電圧が一定値以上であるときに、運転許可信号を発信する送信部を更に備え、前記自律制御型作業機は、前記送信部が発した信号を受信する受信部を更に備え、
前記車載制御部は、運転許可信号が受信できなくなったら前記自律制御型作業機の走行及び作業を停止し、運転許可信号が受信できたら前記自律制御型作業機の走行及び作業を行う制御を実施することを特徴とする無人作業設備。