(57)【要約】【課題】例えば、水田で散布作業機を使用する場合、水田の中まで該散布作業車に乗って走行し、作業開始位置で停車させた後、オペレータは稲の植わった水田の中を歩いて畦まで戻ることにより圃場の外に退出しなければならず、オペレータの負担となっていた。【解決手段】ＧＰＳユニット１０２の移動局ユニット１０３と、内界センサ１２２と、株倣いセンサ１２３とを搭載し、自律走行開始地点（作業車進入地点１２７）と作業開始地点１２８とを異なる場所に設定可能に農業用作業車１０１を構成した。【選択図】　　　　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＳと、内界センサとを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車であって、
自律走行開始地点と作業開始地点とを異なる場所に設定可能とすることを特徴とする農業用作業車。
【請求項２】
自律走行開始地点から作業開始地点までの走行経路を自動的に生成し、該走行経路に沿って自律走行することを特徴とする請求項１に記載の農業用作業車。
【請求項３】
前記作業開始地点まで自律走行後、続けて作業を開始することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の農業用作業車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）と、方位センサや傾斜センサ、車速センサなどの内界センサと、株倣いセンサとを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車の走行作業管理の技術に関する。
詳細には、ＧＰＳにより、対象となる圃場と農業用作業車との位置関係を計測し、その計測情報を基に圃場の内部から自律走行を開始する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、既に作物が植わっている圃場において、ＧＰＳやセンサ類を備え、自律的に走行・作業を行う農業用作業車が知られている。該農業用作業車の例としては、耕耘装置を備えたトラクタや、散布機を搭載した散布作業機などが挙げられる。このような農業用作業車は、圃場内の作業開始地点まではオペレータが農業用作業車を運転する。そして、オペレータは作業開始地点に到達後、該作業車から降りて圃場の外に退出し、作業車は自律走行・作業を開始する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、水田で前述の農業用作業車の一形態である散布作業機を使用する場合、水田の中まで散布作業車に乗って走行し、作業開始位置で停車させた後、オペレータは稲の植わった水田の中を歩いて畦まで戻ることにより圃場の外に退出しなければならず、オペレータの負担となっていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００５】
即ち、請求項１においては、ＧＰＳと、内界センサとを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車であって、
自律走行開始地点と作業開始地点とを異なる場所に設定可能とするものである。
【０００６】
請求項２においては、自律走行開始地点から作業開始地点までの走行経路を自動的に生成し、該走行経路に沿って自律走行するものである。
【０００７】
請求項３においては、前記作業開始地点まで自律走行後、続けて作業を開始するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の側面図、図２は本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の平面図、図３は本発明における自律走行システムの模式図、図４は移動局ユニットを示す図、図５は基準局ユニットを示す図、図６は本発明の農業用作業車による自律走行経路を示す模式図、図７は従来の農業用作業車による自律走行経路を示す模式図、図８は本発明における自律走行のフローチャート図、図９は圃場内のスリップ率分布を示す図、図１０は本発明における異常検出のフローチャート図、図１１は自律走行途中で薬剤を補充する場合の自律誘導経路を示す模式図、図１２はステアリング制御に係る自律操作手段を示す模式図、図１３はステアリング制御方法の実施例を示す模式図、図１４はアクセルアクチュエータの連結方法を示す模式図である。
【０００９】
まず、本発明に係る農業用作業車の実施の一形態である散布作業機１０１について、図１および図２を用いて説明する。なお、本発明は本実施例の散布作業機に限定されるものではなく、圃場表面を走査しつつ作業を行う農業作業車に適用可能である。
散布作業機１０１は乗用型の走行機体２２と、薬液を散布するための複数のノズル２３・２３・・・を有するブーム４０と、該ブーム４０の昇降や展開を行うための機構よりなるブーム駆動部３５と、エンジン９から動力を得て薬液タンク２４内の薬液をノズル２３・２３・・・へ圧送する噴霧ポンプ４及び該噴霧ポンプ４から吐出される薬液の制御に関わる散布量制御装置３等よりなるポンプ部３６等で構成される。なお、本実施例では、ブーム駆動部３５は走行機体２２の前部及び側部に配設され、ポンプ部３６は後部に配設されている。
走行機体２２の機体前端より後方へ向けて、左右一対の機体フレーム６Ｌ・６Ｒが平行に水平方向に延設されている。該機体フレーム６Ｌ・６Ｒの前部下方には前車輪７・７が支承され、後部下方に後車輪８・８が支承されている。
【００１０】
また、走行機体２２前部の機体フレーム６Ｌ・６Ｒ上にはエンジン９を被覆するボンネット１０が配設されている。該ボンネット１０後方のカバー上に操作パネル１１が設けられており、該操作パネル１１の上方には運転ハンドル１２が設けられて、操作パネル１１及び運転ハンドル１２等で散布作業機１０１の操縦部を構成している。前記操作パネル１１下方より後方に向けて、機体フレーム６Ｌ・６Ｒ上にはステップ１３を設けている。また機体フレーム６Ｌ・６Ｒ後部上には薬液タンク２４が配設されており、該薬液タンク２４の前部中央には運転席１４が形成されて、該薬液タンク２４によって側部と後部を取り囲まれるように載置されている。
また、散布作業機１０１のフレームの各構成部材である機体フレーム６Ｌ・６Ｒ、サブフレーム５２Ｌ・５２Ｒは夫々中空の四角または丸型のパイプまたはＬ型やＨ型等の鋼材を用いて、軽量かつ高剛性に構成されている。
【００１１】
前記ブーム駆動部３５は、薬液散布用のブーム４０と、昇降リンク機構３７とから構成される。ブーム４０は走行機体２２の前方の前方ブーム４１及び、該前方ブーム４１の両端に枢支して、折畳み可能に側方に延設される左右の側方ブーム４２Ｌ・４２Ｒから構成されている。そして、該ブーム４０には薬液を散布するための複数のノズル２３・２３・・・が一定間隔をおいて配設されている。
前記前方ブーム４１と側方ブーム４２Ｌ・４２Ｒの間には、それぞれシリンダ４３・４３が介装され、該シリンダ４３・４３を伸縮させることによって、側方ブーム４２Ｌ・４２Ｒを左右水平方向へ延設した作業位置と、前後方向で後ろ上がりに位置させた収納位置に回動可能としている。
【００１２】
また、昇降リンク機構３７は平行リンクにより前方ブーム４１と機体フレーム６Ｌ・６Ｒの前部の間を連結し、該平行リンクの一方と機体フレーム６Ｌ・６Ｒの間にシリンダ３８・３８を介装して、該シリンダ３８・３８を伸縮させることによってブーム４０を上下昇降可能としている。
そして、前方ブーム４１の左右中央が昇降リンク機構３７に対して枢支されて左右傾倒可能に支持され、該前方ブーム４１と昇降リンク機構３７の間にシリンダ３９を介装して、ブーム４０を水平制御する構成としている。
【００１３】
ポンプ部３６は、走行機体２２の後部に延設したサブフレーム５２Ｌ・５２Ｒ上に支持部材を介して噴霧ポンプ４のクランク軸が機体前後方向に位置するよう配設されている。ポンプ部３６は主に噴霧ポンプ４及び散布量制御装置３より構成され、該噴霧ポンプ４のクランクケース２６の右上部に図示せぬエアチャンバや安全弁等が設けられている。そして、散布量制御装置３は図示せぬ流量制御弁及び該流量制御弁の開閉に関わるモータ等より構成される。
【００１４】
次に、本発明の農業用作業車におけるＧＰＳについて説明する。
ＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）とは、元来航空機・船舶等の航法支援用として開発されたシステムであって、上空約二万キロメートルを周回する二十四個のＧＰＳ衛星（六軌道面に四個ずつ配置）、ＧＰＳ衛星の追跡と管制を行う管制局、測位を行うための利用者の受信機で構成される。
ＧＰＳを用いた測量方法としては、単独側位、相対側位、ＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）側位、ＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティック−ＧＰＳ）側位など種々の方法が挙げられる。
【００１５】
単独側位とは、ＧＰＳ衛星から送信される衛星の位置や時刻などの情報を一台のアンテナで受信する方法である。衛星から電波が発信されてから受信機に到達するまでに要した時間を測り、該時間と電波の速度から距離を求める
このとき、位置の判っているＧＰＳ衛星を動く基準点とし、四個以上の衛星から観測点までの距離を同時に知ることにより観測点の位置を決定する。
【００１６】
相対側位とは、二台以上の受信機を使い、同時に四個以上の同じＧＰＳ衛星を観測する方法であり、ＧＰＳ衛星の位置を基準として、ＧＰＳ衛星からの電波信号それぞれの受信機に到達する時間差（電波の位相差）を測定して、二点（二台の受信機）間の相対的な位置関係を求める。
各測定点で同じ衛星の電波を受信し、衛星から発射された電波が同じような気象条件の中を通過してくることから、二点（二台の受信機）間の観測値の差を取ることにより、観測値に含まれる衛星の位置誤差や対流圏・電離層遅延量などの誤差を解消することができる。
【００１７】
ＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）側位、ＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティック−ＧＰＳ）側位は、位置が判っている基準局と、位置を求めようとする観測点とで同時にＧＰＳ観測を行い、基準局で観測したデータを無線等の方法で観測点にリアルタイムで送信し、基準局の位置成果に基づいて観測点の位置をリアルタイムに求める方法である。
ＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）側位は、基準局と観測点の両点で単独側位を行い、基準局において位置成果と観測された座標値の差を求め、観測点に補正情報として送信する。
ＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティック−ＧＰＳ）側位は、基準局と観測点の両点で位相の測定（相対側位）を行い、基準局で観測した位相データを観測点に送信する、
観測点のＧＰＳ受信機では、受信データと基準局から送信されたデータとをリアルタイムで解析することにより、観測点の位置を決定する。
【００１８】
本発明においては、測定精度の高いＲＴＫ−ＧＰＳ側位方式が採用されているが、前記他の方式を用いてもよく、限定されない。
【００１９】
図３に示すように、本発明におけるＧＰＳユニット１０２は、主に、散布作業機１０１本体に搭載される移動局ユニット１０３と、水田などの圃場の近くに設置される基準局側ユニット１０４からなる。該基準局ユニット１０４は地面に固定された基準局の役割を果たし、移動局側ユニット１０３は位置を求めようとする移動局（観測点）として機能する。
図４に示すように、散布作業機１０１本体上面の運転席１４の後部から正面視門型のフレーム１０５が立設されている。フレーム１０５の横架部１０５ａおよび立設部１０５ｂ・１０５ｂで囲まれる部分には収納部１０６が設けられ、該収納部１０６に移動局ユニット１０３の内、ＧＰＳアンテナ１０８を除く部材が収納される。ＧＰＳアンテナ１０８はフレーム１０５の横架部１０５ａ上面に固設される。
【００２０】
移動局ユニット１０３は、ＧＰＳアンテナ１０８の他、ＧＰＳ受信部１０９、ＣＰＵやＲＡＭやＲＯＭ等を備える制御手段となる処理部１１０、操作部１１１、表示部１１２、無線部１１３などで構成される。
ＧＰＳアンテナ１０８で受信されたＧＰＳ衛星からの電波信号は、ケーブルでＧＰＳ受信部１０９を経て処理部１１０に送信される。操作部１１１は後述する自律走行の設定や、ＧＰＳの初期設定などを行うためのインターフェースであり、処理部１１０にケーブル接続されている。表示部１１２は処理部１１０にケーブル接続されており、処理部１１０におけるデータ処理の状況や、操作部１１１により入力された各種設定を表示する。無線部１１３は基準局ユニット１０４およびオペレータが携帯する無線操作手段１３３と、移動局ユニット１０３とが無線交信するためのものである。また、無線操作手段１３３からの制御信号を受信し、該無線操作手段１３３からの作動確認信号が途絶えたときは散布作業機１０１の自律走行を停止させるための受信部１０７が設けられている。
なお、本実施例においては移動局ユニット１０３をフレーム１０５に固設しているが、例えばＧＰＳアンテナ１０８以外の移動局ユニット１０３を構成する他の部材はボンネット９に収納し、運転席１４の前に位置する操縦部の操作パネル１１に、操作部１１１および表示部１１２を組み込む構成としても良い。
また、操作部１１１はキーボードやスイッチ、レバー、押しボタン、ダイアルなどオペレータが操作可能であればよく、その形式は限定されない。さらに、操作部１１１と表示部１１２をタッチパネルとし、一体化してもよい。
また、処理部１１０、操作部１１１および表示部１１２として、既存のパソコンを使用してもよい。
【００２１】
基準局ユニット１０４も移動局ユニット１０３と略同じ構成であり、ＧＰＳアンテナ１１４、ＧＰＳ受信部１１５、処理部１１６、操作部１１７、表示部１１８、無線部１１９などで構成される。
【００２２】
図５に示すように、ＧＰＳアンテナ１１４は支柱１１４ａにより地面より立設される。基準局ユニット１０４を構成するＧＰＳアンテナ１１４以外の部材は筐体１２０に収納可能に構成される。
なお、基準局ユニット１０４は本発明の散布作業機１０１を使用する圃場の近傍に常設してもよく、あるいは使用後撤去可能な構成としても良い。
【００２３】
次に、本発明の散布作業機１０１における自律走行システムについて、図３を用いて説明する。該自律走行システムは、前述のＧＰＳユニット１０２の他、自律走行プログラム１２１や、散布作業機１０１の種々の情報を検出する内界センサ１２２、株倣いセンサ１２３、自律走行・作業をするための自律操作手段１２４などからなる。
【００２４】
ある時刻に発信されたＧＰＳ衛星１２５からの電波信号は、散布作業機１０１に設けられた移動局ユニット１０３のＧＰＳアンテナ１０８により受信され、ＧＰＳ受信部１０９を経て処理部１１０に送信される。
【００２５】
一方、前記ＧＰＳ衛星１２５から同時刻に発信された電波信号は、圃場付近に設置された基準局ユニット１０４のＧＰＳアンテナ１１４によっても受信され、ＧＰＳ受信部１１５を経て処理部１１６に送信される。さらに、無線部１１９から無線部１１３を経て処理部１１０に無線送信される。
【００２６】
処理部１１０では、前記基準局ユニット１０４において受信された電波信号と、移動局ユニット１０３において受信された電波信号とを比較対照し、同時刻に発信された電波信号がＧＰＳアンテナ１０８およびＧＰＳアンテナ１１４で受信されたときの位相差や、複数の衛星からの電波信号情報に基づき、移動局ユニット１０３と基準局ユニット１０４との相対位置を計算し、移動局ユニット１０３の位置計算を行う。上記の計算は処理部１１０に格納された自律走行プログラム１２１により行われる。
【００２７】
このように構成することにより、散布作業機１０１と基準局ユニット１０４との三次元の相対位置、すなわち、圃場内における散布作業機１０１の位置（高さ方向のデータを含む）を高精度かつリアルタイムで測定可能である。
【００２８】
内界センサ１２２は、速度、姿勢、エンジン回転数、ステアリングの操舵角など、散布作業機１０１を自律走行させる上で必要な情報を検知するためのセンサ類を指す。より具体的には、エンジン回転数センサ、車速センサ、操舵角センサ、方位センサ、ロール傾斜センサ、ピッチ傾斜センサなどである。これら内界センサ１２２からの検知信号は、処理部１１０に送信される。なお、本実施例においては、内界センサ１２２のうち、方位センサ、ロール傾斜センサ、ピッチ傾斜センサなどは移動局ユニット１０３と同じ収納部１０６内に配設されているが、これらのセンサ類の配設位置については特に限定されない。
【００２９】
株倣いセンサ１２３は、散布作業機１０１の機体前部下面に配設される。株倣いセンサ１２３は散布作業機１０１が作物を車輪で踏んだりしないように、圃場に所定の間隔を空けて植わっている作物を検知し、該散布作業機１０１の走行方向を制御するために用いられる。株倣いセンサ１２３からの検知信号も処理部１１０に送信される。
【００３０】
内界センサ１２２、株倣いセンサ１２３からの検知信号、およびＧＰＳユニット１０２による散布作業機１０１の位置情報に基づき、処理部１１０内に格納された自律走行プログラム１２１によって散布作業機１０１の速度、姿勢、エンジン回転数、ステアリングの操舵角などを自律操作するための信号が自律操作手段１２４に送信される。該自律操作手段１２４は、より具体的には、ステアリング駆動アクチュエータやステアリング駆動電磁弁（図示せず）、ブーム昇降用パワーシリンダ（シリンダ３８に相当）、ブーム開閉用パワーシリンダ（シリンダ４３に相当）、ブーム水平制御用パワーシリンダ（シリンダ３９に相当）、アクセルアクチュエータ、主クラッチ用アクチュエータなどである。
なお、本実施例においては、ＧＰＳユニット１０２から得られる散布作業機１０１の位置情報は高さ方向に対しても高い精度を持つ。そのため、自律作業中に圃場からブームまでの高さが略一定となるようシリンダ３８を制御し、薬剤の散布状態を一定にすることが可能である。
【００３１】
無線操作手段１３３はオペレータが携帯し、散布作業車１０１から離れた位置から各種の操作をおこなうためのものである。より具体的には、後で詳述する散布作業車１０１の自律走行の開始・停止、エンジンの停止、側方ブーム４２Ｌ・４２Ｒの開閉、ブーム４０の昇降などを該無線操作手段１３３で操作可能に構成される。
【００３２】
続いて、本発明の要部である散布作業の実施方法を図６から図８を用いて説明する。
例えば図６や図７に示すような平面視長方形の圃場である水田１２６で散布作業を行う場合、水田１２６内に均一に（言い換えれば、一度も散布されていない場所や複数回散布される場所が極力発生しないように）薬剤を散布するためには、散布作業を行う散布作業機１０１が側方ブーム４２Ｌ・４２Ｒを車体側方に伸ばした時の横幅（以後「作業幅」と呼ぶ。１０メートル程度）と略同じ幅を持つ水田１２６の外縁部１２６ａ（図６および図７における斜線部）を残し、外縁部の内側に位置する作業開始地点１２８（または作業開始地点１３１）から散布作業を開始する。最後に外縁部を一周しながら散布作業して作業終了地点１２９（または作業終了地点１３２）から散布作業機１０１が水田１２６の外に退出する。すなわち、図６および図７において実線および点線で示された経路に沿って散布作業機１０１が走行しつつ、散布作業を行うのである。
このとき、図６および図７において示される散布作業機１０１の走行経路のうち、実線で示された部分は薬液散布作業を行いつつ走行することを示し、点線で示された部分は薬液散布作業を行わずに走行することを示している。
【００３３】
本発明の散布作業機１０１における散布作業の場合、図６および図８に示すように、水田１２６端部の任意の地点である作業車進入地点１２７までオペレータが散布作業機１０１を運転し、作業車進入地点１２７で停車させて散布作業機１０１から降りる。なお、圃場の最外周の位置（水田１２６の形状）は予め処理部１１０に記憶させている。また、予め水田毎の作業経路データを作成しておき、処理部１１０に記憶しておく。次に、オペレータは携帯している無線操作手段１３３により、散布作業機１０１の自律走行を開始させる（自律走行開始ボタンを押す）。
散布作業機１０１は処理部１１０内に格納されている自律走行プログラム１２１により、水田１２６の形状に関する情報および作業経路データを基に作業車進入地点１２７から作業開始地点１２８まで自律走行し、その後停車することなく薬剤散布作業を開始し、ＧＰＳユニット１０２による位置情報を基に自律走行を続ける。最後に作業終了地点１２９まで到達すると、散布作業機１０１は自動的に自律走行を終了し、停車する。
【００３４】
一方、従来の散布作業機における散布作業の場合、図７に示すように、水田１２６端部の任意の地点である作業車進入地点１３０を経て作業開始地点１３１までオペレータが散布作業機を運転する。オペレータは、散布作業機に搭載され、現在の散布作業機の位置と、予め自動作成された作業経路の作業開始地点が表示されるモニタを見ながら作業開始地点１３１まで誘導・停車させた後、散布作業機１０１から降りる。そして、作物が植わり、ぬかるんだ水田１２６内を歩いて退出する。次に、オペレータは携帯している無線操作手段により、散布作業機の自律走行を開始させる。従来の散布作業機は作業直前に水田１２６の外縁部１２６ａを周回し、ＧＰＳユニットから得られた水田１２６の形状を処理部に記憶し、自律走行プログラムにより、水田１２６の形状に関する情報を基に作業経路を自動作成しておくか、予め水田毎の作業経路データを作成しておき、処理部に記憶しておく。
散布作業機１０１はＧＰＳユニットによる位置情報を基に薬剤散布作業・自律走行を開始する。最後に作業終了地点１３２まで到達すると、従来の散布作業機は自動的に自律走行を終了し、停車する。
【００３５】
以上の如く、本発明の農業作業車である散布作業機１０１は、次のような利点を有する。
【００３６】
第一に、本発明の散布作業機１０１は、圃場である水田１２６の外縁部より自律走行を開始可能に構成されている。すなわち、自律走行を開始する地点（本実施例においては作業車進入地点）と作業開始地点とを異なる場所に設定可能とした。一方、従来の散布作業機は自律走行可能であるものの、自律走行開始地点と作業開始地点が同一であるため、オペレータは圃場（本実施例では水田１２６）内を歩いて退出しなければならなかった。
従って、オペレータは圃場の外縁部まで散布作業機を運転するだけで良く、オペレータが圃場端部から作業幅（１０メートル）程度中に入った位置にある作業開始地点まで散布作業機を乗り入れ、圃場を歩いて退出するという作業を省略することが可能であり、作業性に優れる。
【００３７】
第二に、本発明の散布作業機１０１は、水田１２６の外縁部に位置する自律走行開始地点（本実施例においては作業車進入地点）から作業開始地点までの作業車誘導経路を自動作成し、自律走行開始と同時に作業開始地点まで自律走行する。このとき高精度のＧＰＳユニットにより誘導されるため、作業開始地点到達時の散布作業車の位置精度は非常に高い。
一方、従来の散布作業機では、手動で運転しつつ、モニタを見ながら作業開始地点に正確に停車させるのは容易ではなかった。特に、水田の場合、散布作業機と水田の稲穂との条合わせも合わせて行わねばならず、煩雑な作業であった。
このように、オペレータが圃場内の作業開始地点まで作業機を乗り入れ、作業開始地点に精度良く停車させ、圃場を歩いて退出するという煩雑な作業を省略することが可能であり、作業性に優れる。特に、作業開始時点における散布作業車の位置精度、作業経路への追従性が向上する。
さらに、作業開始地点への進入方向を作業開始時の走行方向に略一致するように作業車誘導経路を作成するべく自律走行プログラムを構成しておくとさらに作業性が良い。
【００３８】
第三に、作業開始地点に到達後、停車せずに続けて作業開始可能であり、作業の迅速化に寄与する。
【００３９】
本発明においては、自律走行時にはＧＰＳユニット１０２により散布作業機１０１の圃場内の位置を測定している。そのため、例えば、散布作業機１０１の車軸に回転数を検知するセンサを設け、該センサによる車軸回転数から予測される散布作業機１０１の走行距離（予想走行距離）と、ＧＰＳユニット１０２より得られる散布作業機１０１の実際の走行距離（実走行距離）とを比較することにより、現在散布作業機１０１が通過する場所における走行スリップ率を計算することが可能である。
走行スリップ率は以下の式で表される。
走行スリップ率（％）＝｛１−（実走行距離）／（予想走行距離）｝×１００
また、該走行スリップ率と、ＧＰＳユニット１０２より得られる散布作業機１０１の位置情報とを組み合わせることにより、当該圃場における軟弱地盤の分布を把握することが可能である。
このように、圃場における軟弱地盤の分布を把握することにより、例えば、軟弱地盤部分を通過するときには実走行速度が遅くなるため散布量を抑えたりして、散布作業の安定化を図ることが可能である。また、圃場における軟弱地盤の分布データを処理部１１０に記憶しておき、圃場整備のためのデータとして活用することも可能である。
例えば図９に示すように、前述した水田１２６の形状データの上に、走行スリップ率の分布を重ね合わせることにより、圃場の軟弱地盤分布情報を容易に得ることが可能である。図９に示すデータは、散布作業機１１０の表示部１１２、基準局ユニット１０４の表示部１１８に表示することが可能である。また該データを外部出力することも可能であり、耕耘作業や植付作業や収穫作業等にも適用できる。
さらに、前記スリップ率が極度に大きい（予想走行距離に比べて実走行距離が極端に小さい）場合は、散布作業機１０１が圃場に車輪をとられて走行不能になったものとみなして、救助信号を発する（散布作業機１０１に取り付けられたブザーやランプが作動する、あるいは無線操作手段１３３に設けられたブザーやバイブレータ、ランプが作動するなど）ことも可能である。
【００４０】
次に、散布作業機１０１が自律走行時に何らかの異常を検出した場合の散布作業機１０１の動作フローについて説明する。
図１０に示すように、エンジン系統のトラブルの場合、直ちに散布作業機１０１のエンジンを停止させ、異常表示または無線通信（散布作業機１０１に取り付けられたブザーやランプが作動する、あるいは無線操作手段１３３に設けられたブザーやバイブレータ、ランプが作動するなど）を行う。
作業機（本実施例においては散布機）系統のトラブルの場合、該作業機を停止させ、異常表示または無線通信（散布作業機１０１に取り付けられたブザーやランプが作動する、あるいは無線操作手段１３３に設けられたブザーやバイブレータ、ランプが作動するなど）を行う。このとき、エンジン系統やステアリング系統にトラブルがなければ、緊急の自動走行経路を作成し、圃場の端部まで自律走行させるように自律走行プログラム１２１を構成しても良い。
このように構成することにより、オペレータは自律走行中における散布作業機１０１の異常を離れた位置からでも容易に検知することが可能である。また、異常が検知された時点で異常箇所を停止させるので、散布作業機１０１の異常箇所を作動させ続けることによる装置の破損などを防止することが可能である。また、エンジントラブルなどやむを得ない場合を除いて、圃場内にオペレータが入らずとも散布作業機１０１を水田１２６の外縁部１２６ａまで誘導可能であり、作業性に優れる。
【００４１】
また、前記異常検出の方法と関連して、散布作業機１０１の薬液タンク２４内にレベルスイッチ（レベルセンサ、液面センサ等）を設け、薬液タンク２４内の薬液残量が少なくなったり、なくなったことを検知することも可能である。
さらに、図１１に示すように、該レベルスイッチが作動した時の散布作業機１０１の位置１３４（以後、散布作業中断地点１３４という）を処理部１１０に記憶させると共に、散布作業中断地点１３４と、圃場端部１３５間の誘導経路を自動作成し、該誘導経路に沿って散布作業機１０１が圃場端部１３５まで自律走行で戻ってきたら薬液タンク２４に薬液を補充し、再び前記誘導経路に沿って散布作業中断地点１３４まで自律走行し、自律的に散布作業を再開する（散布作業中断以前の作業経路に復帰する）ように自律走行プログラム１２１を構成することも可能である。
このように構成することにより、自律走行プログラム１２１により薬液散布が中断された地点が記憶されているため、自律走行により散布作業を行っている途中で薬液が無くなっても、同一地点に複数回散布したり、一度も散布しない地点を残すことなく薬液散布を再開することが可能である、また、前記薬液タンク２４のレベルスイッチを薬液が無くなる時点ではなく、薬液が少量残っている状態で作動するよう構成しても良い。この場合、散布作業機１０１は薬液切れを起こすことなく早めに薬液を補充しながら散布作業を行うことが可能である。
また、圃場端部１３５の位置を、水田１２６端部の任意の位置に設定可能とする、あるいは作業車進入地点１２７と一致させるように自律走行プログラム１２１を構成しても良い。
【００４２】
続いて、自律走行時のステアリング制御について、図１２を用いて説明する。
前述したように、本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機１０１においては、自律走行時には内界センサ１２２、株倣いセンサ１２３、ＧＰＳユニット１０２からの各種検知信号、位置情報等に基づき、処理部１１０が自律操作手段１２４を作動させて、作業経路に沿って走行するとともに、散布作業を行う。
このとき、自律操作手段１２４の内、ステアリングに関するものとしては、ステアリング駆動アクチュエータである油圧モータ１３６、ステアリング駆動電磁弁１３７などが挙げられる。
【００４３】
図１２に示すように、運転ハンドル１２はハンドルシャフト１３８の上端に設けられている。該ハンドルシャフト１３８の下端とシャフト１３９の上端とはユニバーサルジョイント１４０により連結されている。該シャフト１３９下端とシャフト１４１上端との間にはトルクジェネレータ１４２が設けられ、運転ハンドル１２を操作する回動力が小さくてもシャフト１４１を容易に回動可能に構成される。シャフト１４１は図示せぬステアリング機構に連結されており、運転ハンドル１２の左右の回動操作によって散布作業車１０１の操舵を行う。
【００４４】
一方、自律走行時は自律走行プログラム１２１によりステアリング機構を作動させる必要がある。本実施例においてはハンドルシャフト１３８の中途部にスプロケット１４３が設けられ、油圧モータ１３６の出力軸に設けられたスプロケット１４４との間はチェーン１４５が巻回される。油圧モータ１３６には油圧配管１４６・１４７の一端が接続され、油圧配管１４６・１４７の他端はステアリング駆動電磁弁１３７と接続される。そして、油圧配管１４６・１４７の中途部において両油圧配管をバイパスするバイパス配管１４８が設けられ、該バイパス配管１４８の中途部にバルブ１４９が配設される。
ステアリング駆動電磁弁１３７は図示せぬ油圧ポンプから送られてきた作動油を油圧配管１４６、油圧モータ１３６、油圧配管１４７の順に送った後作動油タンクに戻す、油圧配管１４７、油圧モータ１３６、油圧配管１４６の順に送った後作動油タンクに戻す、あるいはステアリング駆動電磁弁１３７側の油圧配管１４６・１４７端部を閉塞する、という三つの油圧回路を自律走行プログラム１２１らの指令により選択可能に構成されており、左右の操舵と、ある操舵角でのステアリング機構の固定が可能である。なお、自律走行時にはバルブ１４９は閉じられており、手動走行時にはバルブ１４９は開けられ運転ハンドル１２を自在に操作できる。
【００４５】
このように構成することは、以下の如き利点を有する。
【００４６】
第一に、ステアリング駆動アクチュエータとして油圧モータ１３６を用いることにより、自律操作手段１２４のうち、ステアリング制御に関わる部位のサイズを小さくし、コンパクトに配置することが可能である。
【００４７】
第二に、ステアリング機構から油圧モータ１３６までの動力伝達経路の間にトルクジェネレータ１４２が配置される構成としたので、油圧モータ１３６にトルクの大きいものを使用する必要がない。
【００４８】
第三に、トルクジェネレータ１４２の入力軸、すなわちシャフト１４０の回転数が追従回転数以下となるように、油圧モータ１３６からの回転駆動力を伝達する必要がある。本実施例では、油圧モータ１３６からシャフト１４０までの動力伝達経路にスプロケット１４３・１４４およびチェーン１４５が介装されており、該スプロケット１４３・１４４を適宜選択すれば、容易にシャフト１４０の回転数が追従回転数以下となるように設定可能である。
【００４９】
第四に、油圧モータ１３６とステアリング駆動電磁弁１３７とを接続する油圧配管１４６・１４７の中途部にバイパス回路（バイパス配管１４８およびバルブ１４９）を設けたので、複雑な機構を用いることなく油圧モータ１３６の油圧回路をオープンにすることが可能である。これにより手動時の駆動アクチュエータに起因する回動抵抗を小さくし、手動で容易に回動可能とするとともに、破損防止にも寄与する。
なお、バルブ１４９は、手動により開閉させる構成としてもよく、あるいは自律走行時にはバルブ１４９が閉じ、手動時にはバルブ１４９が開くように自律走行プログラム１２１により操作するよう構成しても良い。また、本実施例のステアリング駆動電磁弁１３７は油圧モータ１３６の正・逆転および油圧モータ１３６の油圧回路両端の閉塞をおこなうものであるが、該ステアリング駆動電磁弁１３７内に油圧モータ１３６の油圧回路をオープンにする油圧経路を設け、前記バイパス配管１４８およびバルブ１４９を省略する構成としても良い。
但し、電磁バルブや油圧モータを用いる代わりに電動モータを用いて制御することもできる。
【００５０】
次に、ステアリング制御方法について、図１３を用いて説明する。
前述したように、自律走行時のステアリング操舵を油圧モータ１３６で行い、油圧モータ１３６からシャフト１４０までの動力伝達経路にスプロケット１４３・１４４およびチェーン１４５を介装することは、油圧モータ１３６とトルクジェネレータ１４２の回転数の関係を調整する上で有効である。その反面、チェーン１４５とスプロケット１４３・１４４との間でガタが大きく、自律走行中に自律走行プログラム１２１により操舵角を変更する指令が出されてから、実際に操舵角が変化するまでの間にタイムラグが発生するという問題がある。このようなタイムラグが大きいと、自律走行プログラム１２１により自動作成された自律走行経路への追従性に影響をおよぼす可能性がある。
そこで、本発明においては、現在の散布作業機１０１（図１２においては、散布作業機１０１ａで表される）の目標軌道、すなわち自律走行プログラム１２１により作成された走行経路との距離偏差（Δｄ）および方位偏差（Δｄｉｒｅ）を、それぞれＧＰＳユニット１０２および内界センサ１２２の一つである方位センサからの情報を基に求めると共に、前記タイムラグに相当する時間ｔ経過後の散布作業機１０１（図１２においては、散布作業機１０１ｂで表される）の位置、方位を予測し、目標軌道との距離偏差（Δｆｄ）および方位偏差（Δｆｄｉｒｅ）を計算する。
これらΔｄ、Δｄｉｒｅ、Δｆｄ、Δｆｄｉｒｅを用いて、目標制御ステアリング角度（θｔａｒｇｅｔ）を計算により求め、ＰＩＤ制御を行うように自律走行プログラム１２１を構成した。
【００５１】
以下に本実施例の散布作業機１０１におけるステアリング制御方法の例を示す。なお図１３において、角度は反時計回りを正とする。
目標制御ステアリング角度（θｔａｒｇｅｔ）は下記の（式１）で表される。
θｔａｒｇｅｔ＝−Δｄｉｒｅ−Δａｄｄｉｒｅ　（式１）
ここで、Δａｄｄｉｒｅ（以下、追加制御角度とよぶ）は時間ｔ経過後の予想位置における散布作業機１０１のステアリング中心点１５１ｂと目標地点１５２との成す角度である。該Δａｄｄｉｒｅは下記の（式２）で表される。
Δａｄｄｉｒｅ＝Ａｒｃｔａｎ（Δｆｄ／Ｍｄ）　（式２）
ここで、式２中のＭｄ（図１３に図示）は目標復帰長さであり、予め設定しておく既知の値である。Δｆｄは、前述した時間ｔ経過後の散布作業機１０１の位置から計算により求められる目標軌道との距離偏差である。該Δｆｄは下記の（式３）で表される。
Δｆｄ＝Δｄ＋Ｖ×ｔ×ｓｉｎ（Δｆｄｉｒｅ）　（式３）
ここで、Ｖは散布作業機１０１の走行速度であり、内界センサ１２２の一つである車速センサにより計測される。Δｆｄｉｒｅは、前述した時間ｔ経過後の散布作業機１０１の方位と、目標軌道１５０との成す角度を計算により求めた方位偏差である。該Δｆｄｉｒｅは下記の（式４）または（式５）で表される。
Δｆｄｉｒｅ＝Δｄｉｒｅ＋Ｖ×ｔ×ｔａｎ（２×φ）／（Ｌ×ｃｏｓφ）（式４）
Δｆｄｉｒｅ＝Δｄｉｒｅ＋Ｖ×ｔ×ｔａｎφ／Ｌ　　　　　　（式５）
ここで、φは現在の操舵角であり、内界センサ１２２の一つである操舵角センサにより計測される。また、Ｌはホイルベースを表す。
なお、式４は本実施例の散布作業機１０１のように四輪操舵機構を採用している場合に用いられる式であり、式５は例えばトラクタなどのように前輪操舵機構を採用している場合に用いられる式である。
【００５２】
以上の式１から式４を用いて、または式１から式３と式５を用いて、目標制御ステアリング角度（θｔａｒｇｅｔ）が計算される。そして、該θｔａｒｇｅｔを自律走行時のステアリング制御に用いることにより、ステアリング装置全体のガタに起因するタイムラグを加味したステアリング制御を行うこととなり、自律走行時の走行経路に対する追従性が向上する。
【００５３】
次に、手動運転時に用いられる可動部と自律走行時に用いられる駆動アクチュエータとの連結部の構成について図１４を用いて説明する。
【００５４】
前述したように、ステアリング駆動アクチュエータである油圧モータ１３６の場合は油圧モータ１３６の油圧配管１４６・１４７間にバイパス回路を設けることにより、手動時における駆動アクチュエータの破損防止および負荷軽減を行った。しかし、本発明の作業散布機１０１にはこの他にも自律操作手段１２４として種々のアクチュエータが存在する。これらについても、手動時における破損防止および負荷軽減を行う必要がある。
【００５５】
エンジン回転数を制御するアクセルペダル１５２の場合、図１４に示すように手動運転時にはオペレータが足で踏むことにより、回動支点１５３を中心に下方に回動する。また足をアクセルペダル１５２から離すと、図示せぬ付勢手段により、アクセルペダル１５２は上方に回動するよう構成されている。
【００５６】
一方、自律操作手段１２４の一つであり、自律走行時にエンジン回転数を制御するアクセルアクチュエータである油圧シリンダ１５４には、シリンダロッド１５４ａの先端に、長孔１５５が穿設された取り付け部材１５６が配設されている。そして、アクセルペダル１５２より略下方に突設されたステー１５７の下端部から、さらに側方（図１４においては紙面手前側）へ向けて係合部材１５８が突設されている。該係合部材１５８は前記長孔１５５に嵌まっている。
【００５７】
手動時においては、オペレータがアクセルペダル１５２を踏むと、該アクセルペダル１５２は回動支点１５３を中心に下方に回動する。このときステー１５７先端の係合部材１５８は長孔１５５内を移動するものの、その移動軌跡（図１４の斜線部）と長孔１５５の上下の周縁部とは干渉しないように長孔の形状が構成されている。そのため、油圧シリンダ１５４のシリンダロッド１５４ａを無理に押し込んだり、シリンダロッド１５４ａに曲げモーメントが作用したりして変形・破損することがない。
【００５８】
一方、自律走行時においては、油圧シリンダ１５４のシリンダロッド１５４ａが収縮する方向に作動すると、長孔１５５の先端部１５５ａと係合部材１５８とが当接し、係合部材１５８が油圧シリンダ１５４に引き寄せられる方向にステー１５７が回動する。結果として、アクセルペダル１５２が回動支点１５３を中心に下方に回動する。すなわち、手動時においてアクセルペダル１５２をオペレータが踏んだのと同じ挙動となるのである。
また、油圧シリンダ１５４のシリンダロッド１５４ａが伸張する方向に作動すると、アクセルペダル１５２は図示せぬ付勢手段により上方に回動する方向に付勢されているので、長孔１５５の先端部１５５ａに係合部材１５８が当接しつつアクセルペダル１５２は回動支点１５３を中心に上方へ回動する。すなわち、手動時においてアクセルペダル１５２からオペレータが足を離したのと同じ挙動となるのである。
【００５９】
このように構成することにより、簡単な構造で駆動アクチュエータの破損防止を行うことが可能である。また手動時にはアクセルペダル１５２と油圧シリンダ１５４とは干渉しないので、手動時にも余分な負荷がかかることがない。
【００６０】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。
【００６１】
即ち、請求項１に示す如く、ＧＰＳと、内界センサとを搭載し、自律的に作業を行う農業用作業車であって、
自律走行開始地点と作業開始地点とを異なる場所に設定可能とするので、オペレータは圃場の外縁部まで農業用作業車を運転するだけで良く、圃場外縁部から作業幅程度中に入った位置にある作業開始地点まで農業用作業車を乗り入れ、圃場を歩いて退出するという作業を省略することが可能であり、作業性に優れる。
【００６２】
請求項２に示す如く、自律走行開始地点から作業開始地点までの走行経路を自動的に生成し、該走行経路に沿って自律走行するので、オペレータが圃場内の作業開始地点まで農業用作業車を乗り入れ、作業開始地点に精度良く停車させ、圃場を歩いて退出するという煩雑な作業を省略することが可能であり、作業性に優れる。特に、作業開始時点における農業用作業車の位置精度、作業経路への追従性が向上する。
【００６３】
請求項３に示す如く、前記作業開始地点まで自律走行後、続けて作業を開始するので、作業の迅速化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の側面図。
【図２】本発明の農業用作業車の一実施例である散布作業機の平面図。
【図３】本発明における自律走行システムの模式図。
【図４】移動局ユニットを示す図。
【図５】基準局ユニットを示す図。
【図６】本発明の農業用作業車による自律走行経路を示す模式図。
【図７】従来の農業用作業車による自律走行経路を示す模式図。
【図８】本発明における自律走行のフローチャート図。
【図９】圃場内のスリップ率分布を示す図。
【図１０】本発明における異常検出のフローチャート図。
【図１１】自律走行途中で薬剤を補充する場合の自律誘導経路を示す模式図。
【図１２】ステアリング制御に係る自律操作手段を示す模式図。
【図１３】ステアリング制御方法の実施例を示す模式図。
【図１４】アクセルアクチュエータの連結方法を示す模式図。
【符号の説明】
１０１　農業用作業機
１０２　ＧＰＳユニット
１０３　移動局ユニット
１０４　基準局ユニット
１０８　ＧＰＳアンテナ
１２１　自律走行プログラム
１２６　圃場（水田）
１２７　作業車進入地点（自律走行開始地点）
１２８　作業開始地点
【図１】
2004008053.tif 000003
【図２】
2004008053.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004008053.tif 000006
【図５】
2004008053.tif 000007
【図６】
2004008053.tif 000008
【図７】
2004008053.tif 000009
【図８】
2004008053.tif 000010
【図９】
2004008053.tif 000011
【図１０】
2004008053.tif 000012
【図１１】
2004008053.tif 000013
【図１２】
2004008053.tif 000014
【図１３】
2004008053.tif 000015
【図１４】
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