(57)【要約】【課題】不規則に乱れた音圧分布を示す短距離区域と、一様な音圧分布を示す遠距離区域とを含めた障害物検出対象区域での障害物検出において誤検出を抑制する。【解決手段】障害物検出装置は、超音波センサと、受信した超音波の強度がしきい値を超えた場合に障害物検出を行う障害物検出部と、超音波センサの近傍に位置する短距離検出区域における障害物検出に用いられるしきい値として短距離しきい値を設定するとともに、短距離検出区域より超音波センサから遠く離れた長距離検出区域における障害物検出に用いられるしきい値として短距離しきい値より低い長距離しきい値を設定するしきい値設定部とを備える。短距離検出区域は送信超音波の音圧分布のばらつきが所定値以上である区域であり長距離検出区域は送信超音波の音圧分布のばらつきが所定値未満である区域である。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体に作業装置を装備した作業車のための障害物検出装置であって、
超音波を送受信して障害物を検出する超音波センサと、
受信した超音波の強度がしきい値を超えた場合に障害物検出を行う障害物検出部と、
前記超音波センサの近傍に位置する短距離検出区域における前記障害物検出に用いられる前記しきい値として短距離しきい値を設定するとともに、前記短距離検出区域より前記超音波センサから遠く離れた長距離検出区域における前記障害物検出に用いられる前記しきい値として前記短距離しきい値より低い長距離しきい値を設定するしきい値設定部とを備え、
前記短距離検出区域は送信超音波の音圧分布のばらつきが所定値以上である区域であり、前記長距離検出区域は前記送信超音波の音圧分布のばらつきが前記所定値未満である区域である障害物検出装置。
【請求項２】
前記短距離検出区域と前記長距離検出区域との間に中距離検出区域が割り当てられ、前記中距離検出区域では、前記しきい値として前記短距離しきい値と前記長距離しきい値との間の値を有する中距離しきい値が設定される請求項１に記載の障害物検出装置。
【請求項３】
前記音圧分布のばらつきは、微小伝播時間の間における、前記送信超音波の伝播方向に対する直交平面での音圧分布のばらつきである請求項１または２に記載の障害物検出装置。
【請求項４】
前記短距離しきい値は、前記長距離しきい値の３倍以上で４倍以下に設定されている請求項１から３のいずれか一項に記載の障害物検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車体に作業装置を装備した作業車のための障害物検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は、環境条件に応じて、伝播方向及び伝播方向に直交する方向での音圧分布が変動する。このような変動に対する対策が、超音波を用いた障害物検出装置には必要となる。例えば、外気の温度や湿度によって超音波の減衰が異なるという問題を解決するため、特許文献１による、車両に搭載される障害物検出装置では、外気温度と外気湿度とに応じて障害物検出のためのしきい値を調整することで、外気の温度や湿度に左右されずに安定して障害物を検出しようとしている。
【０００３】
また、特許文献２による、車両に搭載される障害物検出装置は、受信した反射波の信号レベルが所定のしきい値を超えた場合に障害物を検出するものであり、車両が後進から前進に変化した場合、車両後方コーナ部の障害物検出器のしきい値を車両後進時に用いるしきい値より低くし、車両が前進から後進に変化した場合、車両前方コーナ部の障害物検出器のしきい値を車両前進時に用いるしきい値より低くしている。これによって、車両後進時においては、車両の前方コーナ部によって巻き込む可能性のある障害物を良好に検出し、車両前進時においては、車両の後方コーナ部によって巻き込む可能性のある障害物を良好に検出しようとしている。
【０００４】
超音波センサでは、その発信源として圧電素子などの振動子が用いられており、振動子から遠く離れた位置では、伝播方向及び伝播方向に直交する方向における音圧分布がほぼ一様となるので、適正な受信信号の増幅やしきい値の調整により、良好に障害物を検出することができる。しかしながら、超音波センサの近傍、つまり、振動子に近い区域では、伝播方向及び伝播方向に直交する方向における音圧分布が環境条件等により、不規則に乱れる場合がある。さらに、作業車のように車体に、車体幅を超えるような作業装置を装備している場合、超音波センサから送信された超音波が作業装置及び作業装置の補機によって複雑に反射することで、超音波センサの近傍では、障害物検出のために送信された超音波の音場が不規則に乱れる。このような音圧分布の乱れが、障害物の誤検出をもたらすが、この問題は、特許文献１や特許文献２によるようなしきい値の調整では、解決できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１９１６１４公報
【特許文献２】特開２００５−３４３４２６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
不規則に乱れた音圧分布を示す短距離区域と、一様な音圧分布を示す遠距離区域とを含めた障害物検出対象区域における障害物検出において誤検出が抑制される障害物検出装置が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
車体に作業装置を装備した作業車のための、本発明による障害物検出装置は、超音波を送受信して障害物を検出する超音波センサと、受信した超音波の強度がしきい値を超えた場合に障害物検出を行う障害物検出部と、前記超音波センサの近傍に位置する短距離検出区域における前記障害物検出に用いられる前記しきい値として短距離しきい値を設定するとともに、前記短距離検出区域より前記超音波センサから遠く離れた長距離検出区域における前記障害物検出に用いられる前記しきい値として前記短距離しきい値より低い長距離しきい値を設定するしきい値設定部とを備え、前記短距離検出区域は送信超音波の音圧分布のばらつきが所定値以上である区域であり、前記長距離検出区域は前記送信超音波の音圧分布のばらつきが前記所定値未満である区域である。
【０００８】
この構成によれば、超音波センサによって障害物を検出する検出対象区域は、短距離検出区域と長距離検出区域とに分けられている。短距離検出区域は、超音波センサ自体の構造的な音場錯乱要因、及び超音波センサが取り付けられた車体近傍の作業装置等の部材で超音波が乱反射することによる音場錯乱要因に基づいて、送信超音波の音圧分布のばらつきが所定値以上となる区域である。長距離検出区域は、上述の２つの音場錯乱要因が実質的になくなり、送信超音波の音圧分布のばらつきが所定値未満となる区域である。長距離検出区域からの反射波を示す時間区域では、標準的に決められているしきい値（適正環境で検出された標準反射体からの受信超音波の強度に基づいて決定される）がそのまま長距離しきい値として用いられる。これに対して、短距離検出区域では、長距離しきい値より、高い値を有する短距離しきい値が用いられる。これにより、短距離検出区域における障害物の誤検出が低減される。
【０００９】
短距離検出区域と遠距離検出区域との境界線は必ずしも明確ではなく、ある程度の幅がある。このため、本発明の好適な実施形態では、前記短距離検出区域と前記長距離検出区域との間に中距離検出区域が割り当てられ、前記中距離検出区域では、前記しきい値として前記短距離しきい値と前記長距離しきい値との間の値を有する中距離しきい値が設定される。これにより、短距離検出区域と遠距離検出区域との境界が明確でなくても、それらの間に移行区域としての中距離検出区域が設定され、中間のしきい値が設定されるので、短距離検出区域と遠距離検出区域との間の障害物検出の移行が良好となる。
【００１０】
超音波の伝播方向での音圧分布は、比較的滑らかな曲線で表せる超音波の距離減衰に大きく依存するので、受信信号の時間軸に沿った増幅で簡単に対処することができる。しかしながら、送信超音波の伝播方向に対する直交平面での音圧分布は、周辺からのノイズ（乱反射など）の影響を受けやすく、微小伝播時間の間においても大きな変動を生じることがある。そのような場合には、距離減衰に基づく受信信号の時間軸に沿った増幅では対処できない。このため、微小伝播時間の間における直交平面における音圧ばらつきに基づいて、短距離検出区域を決定することが好ましい。
【００１１】
短距離検出区域における音場はかなり乱れているので、障害物の誤検出を回避するためには、十分に大きな強度を有する受信信号だけを障害物の存在と関連付けた方がよい。このため、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記短距離しきい値は、前記長距離しきい値の３倍以上で４倍以下に設定されている。
【００１２】
作業装置の幅が車体幅より大きくて、作業装置の一部が車体から側方に突き出ている場合、車体は障害物を回避できても、作業装置が障害物に衝突する可能性がある。したがって、車体の側端から作業装置の側端までの長さが、車体走行によって作り出される作業車の軌跡幅となる。この軌跡幅によって作り出される区域は作業車の走行時に、車体は回避できても作業装置は回避できない障害物の区域であることから、障害物検出の重要な検出対象区域となる。しかも、この検出対象区域は、乱反射の多い領域であり、超音波センサの標準的なしきい値では、誤検出が生じ易くなる。このことから、この検出対象区域の障害物検出には、本発明による障害物検出装置の適用が好適である。このため、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記作業装置の幅は、車体幅より大きく、前記超音波センサは前記車体に取り付けられ、前記超音波センサの検出領域は、前記作業装置の走行軌跡から前記車体の走行軌跡を除外した領域となっている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による障害物検出装置を搭載した作業車の一例であるトラクタの側面図である。
【図２】トラクタに配備された障害物検出センサ群を示す、トラクタの概略平面図である。
【図３】トラクタの制御系を示す機能ブロック図である。
【図４】障害物検出処理ユニットの機能ブロック図である。
【図５】超音波伝播方向での短距離検出区域と遠距離検出区域を説明する説明図である。
【図６】短距離しきい値と中距離しきい値と長距離しきい値との関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、図面を用いて、本発明による自動走行作業車の実施形態の１つを説明する。なお、本明細書では、特に断りがない限り、「前」は機体前後方向（走行方向）に関して前方を意味し、「後」は機体前後方向（走行方向）に関して後方を意味する。また、左右方向または横方向は、機体前後方向に直交する機体横断方向（機体幅方向）を意味する。「上」または「下」は、機体の鉛直方向（垂直方向）での位置関係であり、地上高さにおける関係を示す。
【００１５】
図１に示されているように、このトラクタは、前輪１１と後輪１２とによって支持された車体１の中央部に操縦部２０が設けられている。車体１の後部には油圧式の昇降機構３１を介してロータリ耕耘装置である作業装置３０が装備されている。前輪１１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１１の操舵角は操舵機構１３の動作によって変更される。操舵機構１３には自動操舵のための操舵モータ１４が含まれている。手動走行の際には、前輪１１の操舵は操縦部２０に配置されているステアリングホイール２２の操作によって可能である。トラクタのキャビン２１には、ＧＮＳＳ（global navigation satellite system）モジュールとして構成されてい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、ＧＮＳＳ信号（ＧＰＳ信号を含む）を受信するための衛星用アンテナがキャビン２１の天井領域に取り付けられている。なお、衛星航法を補完するために、衛星測位モジュール８０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組み合わせることも可能である。もちろん、慣性航法モジュールは、衛星測位モジュール８０とは別の場所に設けてもよい。
【００１６】
図２に概略的に示すように、トラクタの車体１には、走行の障害となる障害物を検出する障害物センサ群７が配備されている。障害物センサ群７には、障害物センサとして、ソナーとも呼ばれる超音波センサ７１、及びライダーとも呼ばれるレーザスキャナ７２が含まれている。超音波センサ７１は、車体１の前後左右に２つずつ、合計８つ設けられており、車体１の近くに位置する障害物を車体のほぼ全方位で検出する。レーザスキャナ７２は、車体１の前後に１つずつ、合計２つ設けられており、車体１の前進方向及び後進方向で遠く離れて位置する障害物を検出する。
【００１７】
図３には、このトラクタに構築されている制御系が示されている。この制御系では、互いに車載ＬＡＮに介して接続されている第１制御ユニット４と第２制御ユニット５とが備えられている。障害物センサ群７からの検出信号は、第１制御ユニット４に送られる。障害物検知ユニットとして機能する第１制御ユニット４には、超音波センサ信号処理部４Ａとレーザスキャナ信号処理部４Ｂとが含まれている。超音波センサ信号処理部４Ａは、超音波センサ７１からの検出信号に基づいて障害物を検出し、障害物に関する障害物情報を第２制御ユニット５に送る。同様に、レーザスキャナ信号処理部４Ｂは、レーザスキャナ７２からの検出信号に基づいて障害物を検出し、障害物に関する障害物情報を第２制御ユニット５に送る。衛星測位モジュール８０も、車載ＬＡＮを介して第２制御ユニット５に接続されている。
【００１８】
第２制御ユニット５には、入出力インタフェース６を介して、車両走行機器群９１、作業装置機器群９２、報知デバイス９３、自動／手動切替操作具９４、走行状態検出センサ群８１、作業状態検出センサ群８２が接続されている。車両走行機器群９１には、車両走行のために制御される変速機構やエンジンユニットなどに付属する制御機器が含まれている。作業装置機器群９２には、作業装置３０や昇降機構３１駆動するための制御機器が含まれている。報知デバイス９３には、運転者や監視者に作業走行上の注意を促すための報知を行うディスプレイやランプやスピーカなどが含まれている。
【００１９】
自動／手動切替操作具９４は、自動操舵で走行する自動走行モードと手動操舵で走行する手動操舵モードとのいずれかを選択するスイッチである。例えば、自動操舵モードで走行中に自動／手動切替操作具９４を操作することで、手動操舵での走行に切り替えられ、手動操舵での走行中に自動／手動切替操作具９４を操作することで、自動操舵での走行に切り替えられる。走行状態検出センサ群８１には、操舵角やエンジン回転数や変速状態などの走行状態を検出するセンサが含まれている。作業状態検出センサ群８２には、作業装置３０の姿勢、地上高さ、使用幅、などの使用形態を検出する使用形態検出センサが含まれている。
【００２０】
第２制御ユニット５は、作業走行制御部５０、走行経路設定部５３、自車位置算出部５４、作業走行指令生成部５５、障害物回避部５６を備えている。走行経路設定部５３は、自動走行の走行目標経路となる走行経路を読み出し可能にメモリに展開する。走行経路は、トラクタ側で生成されてもよいし、別なコンピュータ上で生成されてからこの第２制御ユニット５に、ダウンロードされてもよい。自車位置算出部５４は、ＧＰＳ等を採用した衛星測位モジュール８０からの測位データに基づいて、車体１の地図上の座標位置を算出する。作業走行指令生成部５５は、自動走行時において、自車位置算出部５４からの自車位置と、走行経路設定部５３で設定された走行経路とのずれ量を求め、このずれ量を小さくするための走行指令（操舵指令や車速指令を含む）を生成する。
【００２１】
作業走行制御部５０には、走行制御部５１と作業制御部５２とが含まれている。走行制御部５１は、自動走行制御機能（自動走行モード）と手動走行制御機能（手動走行モード）を有する。自動走行モードが選択されると、走行制御部５１は、作業走行指令生成部５５からの走行指令に基づいて、車両走行機器群９１に制御信号を与える。作業制御部５２は、作業走行指令生成部５５からの作業指令に基づいて、作業装置機器群９２に制御信号を与える。手動走行モードが選択されると、運転者によるステアリングホイール２２の操作に基づく手動走行が行われる。同様に、作業制御部５２も、作業装置機器群９２を自動的に動作させる自動作業制御機能と、各種操作具を用いて手動で作業装置機器群９２を制御する手動作業制御機能とを有する。
【００２２】
障害物回避部５６は、第１制御ユニット４から送られてくる障害物情報に基づいて、障害物と車体１及び作業装置３０との接触を回避するための回避指令を生成して、作業走行指令生成部５５または走行制御部５１に与える。回避指令には、緊急制動、エンジン停止、作業装置停止、走行停止、自動走行停止、走行経路変更などが含まれている。さらに、障害物回避部５６は、第１制御ユニット４による障害物の検知を、報知デバイス９３を通じて報知する。
【００２３】
超音波センサ７１と組み合わされて、障害物検出装置を構成する超音波センサ信号処理部４Ａの構成が、図４に示されている。超音波センサ信号処理部４Ａには、送信部４１、受信部４２、増幅部４３、障害物検出部４４、しきい値設定部４５、障害物情報出力部４６が含まれている。
【００２４】
超音波センサ７１には、圧電素子が組み込まれている。送信部４１は、超音波センサ７１に組み込まれている圧電素子にパルス電圧を送る。パルス電圧によって励起された圧電素子から超音波が送信される。送信された超音波は、障害物等、車両周囲に存在する物体に反射され、反射波として超音波センサ７１の圧電素子に受信される。受信部４２は、受信された超音波の信号（超音波信号）を前処理する。増幅部４３は、前処理された超音波信号の強度（振幅）を時間軸に沿って増幅する。この増幅は、超音波の伝播時間 (伝播距離)とともに減衰する強度を補償するような増幅曲線に基づいて行われる。これにより、超音波信号の強度（振幅）は、超音波センサ７１からの距離が違っても、反射特性が同じであれば、実質的に等しくなるように工夫されている。
【００２５】
障害物検出部４４は、増幅部４３で増幅された受信超音波の強度がしきい値を超えた場合に、障害物が存在していると判定する障害物検出を行う。障害物検出の判定条件となるしきい値は、しきい値設定部４５は、超音波センサ７１の近傍に位置する短距離検出区域における障害物検出に用いられるしきい値として短距離しきい値を設定するとともに、短距離検出区域より超音波センサ７１から遠く離れた長距離検出区域における障害物検出に用いられるしきい値として短距離しきい値より低い長距離しきい値を設定する。なお、この実施形態では、図５に示されているように、短距離検出区域と長距離検出区域との間に中距離検出区域がさらに割り当てられ、この中距離検出区域では、しきい値として短距離しきい値と長距離しきい値との間の値を有する中距離しきい値が設定されている。図５では、短距離検出区域は、超音波センサ７１から超音波伝播時間(距離)でＴ１（ｍｓ：マイクロ秒）までの区域となっている。中距離検出区域は、超音波伝播時間(距離)でＴ１（ｍｓ）から超音波伝播時間(距離)でＴ２（ｍｓ）までの区域となっており、長距離検出区域は、超音波伝播時間(距離)でＴ２（ｍｓ）以降の区域となっている。短距離検出区域で用いられる短距離しきい値はＮ−Ｔｈで示され、中距離検出区域で用いられる中距離しきい値はＭ−Ｔｈで示され、長距離検出区域で用いられる長距離しきい値はＬ−Ｔｈで示されている。しきい値は振幅電圧で表されるが、この実施形態では、Ｎ−Ｔｈ（短距離しきい値）は、Ｌ−Ｔｈ（長距離しきい値）の３倍以上で４倍以下に設定され、Ｍ−Ｔｈ（中距離しきい値）は、Ｌ−Ｔｈ（長距離しきい値）の２倍以上で３倍未満に設定されている。また、短距離検出区域の長さ（Ｔ１に対応する）は、約０．７ｍで、中距離検出区域の長さ（Ｔ２に対応する）は、約０．３ｍに設定されている。なお、中距離検出区域は必須ではなく、短距離検出区域の直後に長距離検出区域を設定してもよい。
【００２６】
短距離検出区域と長距離検出区域とは、用いられている超音波センサ７１が作り出す音場における音圧のばらつきに基づいて決定される。つまり、送信超音波の音圧分布のばらつきが所定値以上である区域が短距離検出区域とされ、送信超音波の音圧分布のばらつきが所定値未満である区域が長距離検出区域とされる。中距離検出区域は、短距離検出区域から長距離検出区域への移行区域として、適当に決めることができる。図６に、このことが模式的に示されている。超音波伝播方向である伝播時間軸の各時点における超音波伝播方向に直交する面（直交平面）での音圧分布（中心点は超音波伝播中心としている）を測定し、その測定結果から、各超音波センサ７１に適用される短距離検出区域と中距離検出区域と長距離検出区域及び短距離しきい値と中距離しきい値と長距離しきい値が設定される。
【００２７】
短距離検出区域を求めるために、具体例の１つは、超音波センサ７１の実際の取付位置での測定によって得られた、図６で示したような多数の音圧分布から、微小伝播時間間隔での２つの音圧分布における類似度を演算し、その類似度が小さくなってきて、音圧分布の変動が滑らかになる時点を、短距離検出区域の終了点とすることである。類似度の演算アルゴリズムは種々知られているので、適切な演算アルゴリズムを選択する。さらに、短距離検出区域を判定するために適切な判定類似度（所定値）を決定する際には、障害物の誤検出が少ない、十分に長い伝播距離をもった区域における類似度に比べて、障害物の誤検出が頻繁に生じるような区域の類似度を見つけ出し、当該類似度に基づいて判定類似度を決定してもよい。
【００２８】
レーザスキャナ７２と組み合わされて、障害物検出装置を構成するレーザスキャナ信号処理部４Ｂの構成は、公知のものが採用されているので、ここでの説明は省略する。
【００２９】
上述した、超音波センサ７１を用いた障害物検出装置は、音圧分布がばらついている短距離検出区域と音圧分布が一様な遠距離検出区域の両者を検出区域とするような場所に設置される。特に、図１で示したような、車体幅より幅広の作業装置３０を装備したトラクタでは、作業装置３０の走行軌跡から車体１の走行軌跡を除外した内領域とその外側の外領域を検出領域とする超音波センサのために、本発明による障害物検出装置は有効である。その場合、内領域が短距離検出区域として、外領域が遠距離検出区域として設定される。
【００３０】
〔別実施の形態〕
（１）短距離しきい値、中距離しきい値、長距離しきい値は、平行直線（一定値）であってよいし、斜線（線形）であってもよいし、曲線（非線形）であってもよい。また、それらの任意の組み合わせであってもよい。
（２）上述した実施形態では、本発明による障害物検出装置を搭載する作業車として、耕耘装置を装備したトラクタが取り上げられたが、耕耘装置以外の作業装置３０を装備したトラクタ、さらには、コンバインや田植機などの農作業機や建機などにも本発明は適用可能である。
（３）上述した実施形態では、第１制御ユニット４と第２制御ユニット５とは、車載ＬＡＮで接続されており、トラクタに備えられていたが、第１制御ユニット４は、管理者によって携帯され、トラクタの制御系と無線でデータ交換される、タブレットコンピュータやノート型コンピュータやスマートフォンなどのような装置に組み込むことも可能である。また、第１制御ユニット４は、第２制御ユニット５に組み込んでもよい。
（４）図４で示された超音波センサ信号処理部４Ａの機能ブロック図における各機能部の区分けは、説明を分かりやすくするための一例であり、種々の機能部を統合したり、単一の機能部を複数に分割したりすることは自由である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、種々のタイプの作業車に搭載可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１    ：車体
３０  ：作業装置
４    ：第１制御ユニット
４Ａ  ：超音波センサ信号処理部
４１  ：送信部
４２  ：受信部
４３  ：増幅部
４４  ：障害物検出部
４５  ：しきい値設定部
４６  ：障害物情報出力部
４Ｂ  ：レーザスキャナ信号処理部
５    ：第２制御ユニット
７    ：障害物センサ群
７１  ：超音波センサ
７２  ：レーザスキャナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2019052890.tif 000005
【図４】
2019052890.tif 000006
【図５】
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【図６】
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