(57)【要約】  車両の車輪に偏角を与えて車両の操舵系に回転角度であるハンドル角を入力する入力軸を駆動するモータと、入力軸のハンドル角を測定角度として検出する角度センサとを備える操舵駆動装置に対して、測定角度が目標角度に追従するようにモータを制御するハンドル角制御装置２３であって、角度センサにより検出された測定角度を取得する測定角度取得部２３２と、目標角度と測定角度との偏差角度が、目標角度に対して入力軸の変位方向から逆方向に所定の角度を有する減衰閾値以下に、目標角度に近接しているか否かを判定する第１判定部２３３ａと、偏差角度が減衰閾値以下に近接している場合、偏差角度に比例して角速度を減衰させる減衰制御則に基づいてモータの角速度を制御する角速度制御部２３４とを備えた。
2020090862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の車輪に偏角を与えて該車両の操舵系に回転角度であるハンドル角を入力する入力軸を駆動するモータと、該入力軸のハンドル角を測定角度として検出する角度センサとを備える操舵駆動装置に対して、前記測定角度が目標角度に追従するように前記モータを制御するハンドル角制御装置であって、
前記角度センサにより検出された前記測定角度を取得する測定角度取得部と、
前記目標角度と前記測定角度との偏差角度が、前記目標角度に対して前記入力軸の変位方向から逆方向に所定の角度を有する減衰閾値以下に、前記目標角度に近接しているか否かを判定する第１判定部と、
前記偏差角度が前記減衰閾値以下に近接している場合、前記偏差角度に比例して角速度を減衰させる減衰制御則に基づいて前記モータの角速度を制御する角速度制御部と
を備えるハンドル角制御装置。
【請求項２】
前記偏差角度が、２つの閾値により設定されて前記目標角度を含む許容偏差範囲であって、前記２つの閾値のそれぞれが前記減衰閾値より前記目標角度に近接する前記許容偏差範囲内にあるか否かを判定する第２判定部を更に備え、
前記角速度制御部は、前記偏差角度が前記許容偏差範囲内にあると判定された場合、前記モータの角速度をゼロに低減させることを特徴とする請求項１に記載のハンドル角制御装置。
【請求項３】
前記２つの閾値のそれぞれの前記目標角度からの離隔角度は、前記角度センサの測定角度の検出に係る分解能における最小単位であることを特徴とする請求項２に記載のハンドル角制御装置。
【請求項４】
前記角速度制御部は、前記目標角度の更新直後において、下限値として予め設定された下限角速度から、上限値として予め設定された上限角速度まで、一定の角加速度により角速度を加速させる加速制御則に基づいて前記モータの角速度を制御することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のハンドル角制御装置。
【請求項５】
前記下限角速度及び前記上限角速度は、前記入力軸を駆動可能なトルクを前記モータが出力可能な角速度に設定されることを特徴とする請求項４に記載のハンドル角制御装置。
【請求項６】
前記角速度制御部は、前記加速制御則により角速度が前記上限角速度に達した後、該上限角速度に角速度を維持する維持制御則に基づいて前記モータの角速度を制御することを特徴とする請求項４または請求項５に記載のハンドル角制御装置。
【請求項７】
前記第１判定部は、前記維持制御則に基づいて前記モータの角速度の制御がなされている状態において、前記偏差角度が前記減衰閾値以下に前記目標角度に近接しているか否かを判定することを特徴とする請求項６に記載のハンドル角制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、車両のハンドル角を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、農作業の効率化を目的として、トラクタや田植機などの農作業用車両を指定した走行経路に追従させる自動操舵技術が知られている。このような自動操舵がなされる対象車両には、自動操舵に対応した機構が装備されたものと、自動操舵に対応せず手動でハンドル操作を行う機構のみが装備された手動用車両とがある。【０００３】
手動用車両は、操舵系に操舵トルクとしての回転力を入力する入力軸を回転させて手動操舵するためのステアリングハンドルが入力軸から取り外し可能となっている。そこで、入力軸とステアリングハンドルとの間に入力軸を所定のハンドル角に回転駆動させる操舵駆動装置を組み込み、この操舵駆動装置を制御することによって、手動用車両を自動操舵に対応させることが可能となる。【０００４】
このような、手動用車両を操舵駆動装置により制御する技術として、位置指示信号を受信する受信機と、位置指示信号に基づいて操舵制御信号を生成する操舵制御装置と、ステアリングシャフト及びこれを回転させるステアリングホイールと同軸である駆動軸周りにトルクを生成して、操舵制御信号に応答して操舵アセンブリを直接駆動する駆動アセンブリとを含む車両案内システム、が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開２０１０／１３９０１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したような、作業車両の自動操舵は、目標とする走行経路上に作業車両を位置付けるように作業車両の操舵角を制御する操舵角制御と、この操舵角に基づくハンドル角が入力軸に伝達されるように操舵駆動装置を制御するハンドル角制御とを含む。このハンドル角制御においては、測定されたハンドル角と目標値としてのハンドル角を一致させるようにハンドル角の角速度が台形制御される。【０００７】
しかしながら、単にハンドル角の角速度を台形制御した場合、ハンドル角のオーバーシュートやアンダーシュートが頻発し、これらを修正するための制御が生じてしまう、という問題がある。このような制御が生じると、作業車両の自動操舵において、作業車両の蛇行が生じて走行経路に対する追従性が低下する。【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ハンドル角のオーバーシュートやアンダーシュートを修正する制御の発生を低減することができるハンドル角制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するため、本実施形態のハンドル角制御装置は、車両の車輪に偏角を与えて該車両の操舵系に回転角度であるハンドル角を入力する入力軸を駆動するモータと、該入力軸のハンドル角を測定角度として検出する角度センサとを備える操舵駆動装置に対して、前記測定角度が目標角度に追従するように前記モータを制御するハンドル角制御装置であって、前記角度センサにより検出された前記測定角度を取得する測定角度取得部と、前記目標角度と前記測定角度との偏差角度が、前記目標角度に対して前記入力軸の変位方向から逆方向に所定の角度を有する減衰閾値以上以下に、前記目標角度に近接しているか否かを判定する第１判定部と、前記偏差角度が前記減衰閾値以下に近接している場合、前記偏差角度に比例して角速度を減衰させる減衰制御則に基づいて前記モータの角速度を制御する角速度制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ハンドル角のオーバーシュートやアンダーシュートを修正する制御の発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る農用トラクタの構成を示す概略側面図である。
【図２】実施形態に係る自動操舵システムのハードウェア構成を示すブロック図である。
【図３】ハンドル角制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図４】ハンドル角制御装置の機能構成を示すブロック図である。
【図５】ハンドル角制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】ハンドル角制御における角速度及び測定角度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
（対象車両及び自動操舵システムの構成）
まず、本実施形態に係る自動操舵システムとこの自動操舵システムにより自動操舵される対象車両について説明する。図１は、実施形態に係る農業用トラクタの構成を示す概略側面図である。図２は、実施形態に係る自動操舵システムのハードウェア構成を示すブロック図である。
【００１４】
本実施形態に係る自動操舵システムの操舵対象としての車両は、作業車であり、具体的には、図１に示すような農業用のトラクタ１とする。このトラクタ１は、車体１０と、２つの前輪１１と２つの後輪１２とを備える四輪車両とするが、操舵可能な車両であればどのような車両であっても良い。また、トラクタ１は、運転者が座るための座席１３、図示しない作業機を連結接続するリンク機構１４、ステアリングコラム１５、ステアリングハンドル１６、操舵駆動装置１７、アクセル、ブレーキ等を含むペダル類１８、屋根部１９を備える。
【００１５】
ステアリングコラム１５内には前輪１１に操舵角としての偏角を与えてトラクタ１を操舵する操舵系が備えられ、ステアリングハンドル１６または操舵駆動装置１７によるハンドル角を操舵系に入力するための入力軸１５１が内蔵され、この入力軸１５１の回転に基づく操舵角が前輪１１に与えられる。操舵駆動装置１７は、自動操舵制御をするための構成が備えられていない、手動操舵を前提としたトラクタ１を自動操舵するために後付けされる装置であり、上方においては、ステアリングハンドル１６が取り付けられるとともに、下方において、操舵系の入力軸１５１の上端部が嵌合される。屋根部１９は、車体１０において前後左右に異なる位置に設けられた４つの支持フレーム上に載置される全体として略平板上の部材である。
【００１６】
屋根部１９の上面には、少なくともＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）とジャイロセンサとを含むセンサ類２１が設けられる。このセンサ類２１は、少なくとも車両の位置と走行面上の車両の方位とを検出するものであれば、いかなるセンサを含むものであっても良い。また、屋根部１９を支持する支持フレームのうち、前方に位置する１つの支持フレームには、トラクタ１の自動操舵を制御する自動操舵制御装置２２が設けられる。
【００１７】
自動操舵システムは、図２に示すように、操舵系における入力軸１５１を駆動する操舵駆動装置１７と、センサ類２１と、自動操舵制御装置２２と、図１に図示されないハンドル角制御装置２３とにより構成される。
【００１８】
操舵駆動装置１７は、入力軸１５１に駆動力を伝達する伝達軸１７１、伝達軸１７１を駆動するステッピングモータであるモータ１７２、伝達軸１７１の回転角度、即ち入力軸１５１の回転角度をハンドル角として検知するロータリエンコーダである角度センサ１７３を備える。なお、モータ１７２は、入力軸１５１を回転させるのに十分なトルクを出力可能であるモータであれば、どのような種類のモータであっても良い。また、本実施形態において、角度センサ１７３の分解能による角度センサ１７３の最小測定単位は１°とする。
【００１９】
自動操舵制御装置２２は、センサ類２１による検出値に基づいて操舵角を出力し、ハンドル角制御装置２３は、自動操舵制御装置２２により指示された操舵角に基づいて操舵駆動装置１７をフィードバック制御する。ここで、操舵駆動装置１７は、角度センサ１７３により検知された回転位置が所望の回転位置となるハンドル角を目標角度としたモータ１７２の制御により伝達軸１７１を駆動させる。
【００２０】
このように、トラクタ１に対して、操舵駆動装置１７、センサ類２１、自動操舵制御装置２２及びハンドル角制御装置２３を後付けで設置することによって、手動操舵されるように構成されたトラクタ１において自動操舵を実現することが可能となる。
【００２１】
（ハンドル角制御装置の構成）
ハンドル角制御装置のハードウェア構成及び機能構成について説明する。図３、図４は、それぞれ、ハンドル角制御装置のハードウェア構成、機能構成を示すブロック図である。
【００２２】
ハンドル角制御装置２２は、ハードウェアとして、図３に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）３１、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）３２、記憶装置３３、外部Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）３４を備える。
【００２３】
ＣＰＵ３１及びＲＡＭ３２は協働して後述する各種機能を実行し、記憶装置３３は各種機能により実行される処理に用いられる各種データを記憶する。外部Ｉ／Ｆ３４は、外部装置としての自動操舵制御装置２２、モータ１７２、角度センサ１７３とのデータの入出力を行う。
【００２４】
また、ハンドル角制御装置２３は、機能として、図４に示すように、目標角度算出部２３１、測定角度取得部２３２、測定角度判定部２３３、角速度制御部２３４を備える。
【００２５】
目標角度算出部２３１は、自動操舵制御装置２２により出力された操舵角に基づいて、目標角度としてのハンドル角を算出する。測定角度取得部２３２は、角度センサ１７３により測定されたハンドル角を測定角度として取得する。測定角度判定部２３３は、第１判定部２３３ａ及び第２判定部２３３ｂを有し、測定角度取得部２３２により取得された測定角度と、目標角度算出部２３１により算出された目標角度との偏差である偏差角度に対して、予め設定された値との比較による判定を行う。角速度制御部２３４は、偏差角度が低減するようにモータ１７２に対して角速度を指示する。
【００２６】
（ハンドル角制御装置の動作）
ハンドル角制御装置の動作について説明する。図５は、ハンドル角制御装置の動作を示すフローチャートである。図６は、ハンドル角制御における角速度及び測定角度を示すグラフである。なお、図５に示すフローチャートにおいては、９０°の目標角度が予め算出されているものとする。また、図５に示す動作は、所定の周期毎に実行されるものとする。
【００２７】
図５に示すように、まず、角速度制御部２３４は、加速制御則に基づく角速度を指示することによりモータ１７２を制御する（Ｓ１０１）。この加速制御則に基づく制御は、伝達軸１７１の回転開始時、回転方向の反転時のように、目標角度が更新される状況において最初に実行される制御であり、即ち目標角度の更新直後に実行される制御である。
【００２８】
加速制御則は、図６に示すように、目標角度の更新直後の区間Ａにおいて、下限角速度から上限角速度まで、一定の角加速度で角速度を上昇させる制御則である。下限角速度、上限角速度は、それぞれ、伝達軸１７１の回転に掛かる負荷に対するトルク不足が発生せず、伝達軸１７１を回転可能な角速度の範囲の下限、上限に設定される。
【００２９】
次に、角速度制御部２３４は、現行の角速度が上限角速度に到達したか否かを判定する（Ｓ１０２）。
【００３０】
現行の角速度が上限角速度に到達した場合（Ｓ１０２，ＹＥＳ）、角速度制御部２３４は、維持制御則による角速度にモータ１７２を制御する（Ｓ１０３）。この維持制御則は、図６に示すように、加速制御則に基づく制御がなされる区間Ａの直後にある区間Ｂにおいて、角速度を上限角速度に維持する制御則である。
【００３１】
次に、第１判定部２３３ａは、偏差角度が減衰閾値以下であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。図６に示すように、減衰閾値は、予め設定された目標角度との離隔角度であり、目標角度に対して伝達軸１７１（入力軸１５１）の変位方向とは逆側に所定の角度だけ離隔する角度に設定される。ここで、第１判定部２３３ａは、維持制御則による制御中であり、且つ測定角度が目標角度に対して到達または通過しない状態において、現行の偏差角度の絶対値が正値に設定された減衰閾値以下であるかを判定する。
【００３２】
偏差角度が減衰閾値以下である場合（Ｓ１０４，ＹＥＳ）、第２判定部２３３ｂは、偏差角度が許容偏差範囲内であるか否かを判定する（Ｓ１０５）。図６に示すように、許容偏差範囲は、目標角度に対して、変位方向及びその逆方向に同等の角度だけ離隔する２つの離隔角度である第１閾値及び第２閾値により設定され、これらの第１閾値及び第２閾値の絶対値は減衰閾値の絶対値より小さい値に設定される。また、許容偏差範囲における２つの偏差角度は、それぞれ、角度センサ１７３の分解能による最小測定単位に基づいて、１°に設定される。このような許容偏差範囲による判定において、第２判定部２３３ｂは、現行の偏差角度が、目標角度に対して変位方向側に設定された第１閾値以下に目標角度に近接する場合、または、目標角度に対して変位方向とは逆側に設定された第２閾値以下に目標角度に近接する場合に偏差角度が許容偏差範囲内であると判定する。
【００３３】
偏差角度が許容偏差範囲内ではない場合（Ｓ１０５，ＮＯ）、角速度制御部２３４は、減減衰制御則に基づく角速度を指示することによりモータ１７２を制御する（Ｓ１０６）。減衰制御則は、図６に示すように、維持制御則に基づく制御がなされる区間Ｂの直後にある区間Ｃにおいて、ωを角速度、θを偏差角度、ｋを例えば１０［１／ｓ］に設定される減衰係数として、ω＝−ｋ・θの式に基づく角速度ωによりモータ１７２を制御する。
【００３４】
一方、偏差角度が許容偏差範囲内である場合（Ｓ１０５，ＹＥＳ）、角速度制御部２３４は、角速度をゼロとし（Ｓ１０７）、現行の目標角度に対するモータ１７２の制御を終了する。
【００３５】
また、ステップＳ１０４において、偏差角度が減衰閾値以下ではない場合（Ｓ１０４，ＮＯ）、角速度制御部２３４は、維持制御則による角速度にモータ１７２を制御する（Ｓ１０３）。
【００３６】
また、ステップＳ１０２において、現行の角速度が上限角速度に到達していない場合（Ｓ１０２，ＮＯ）、角速度制御部２３４は、加速制御則に基づく角速度を指示することによりモータ１７２を制御する（Ｓ１０１）。
【００３７】
上述したモータ１７２の制御において、加速制御則による制御によれば、伝達軸１７１を確実に回転させることができる下限角速度から上限角速度まで所定の角加速度により角速度が加速されることにより、角速度の不連続な飛びを抑制することができる。
【００３８】
また、減衰制御則により角速度を減衰させることによって、オーバーシュートやアンダーシュートを修正する修正制御の発生を低減することができる。更に、偏差角度が許容偏差範囲内にあれば、偏差角度がゼロでなくとも目標角度に到達したと見做して現行の目標角度に対するモータ１７２の制御を停止することによって、オーバーシュートやアンダーシュートを修正する修正制御の発生をより確実に低減することができる。また、修正制御の発生の低減によって、ハンドル角の制御に係る消費電力を低減でき、部品摩耗を抑制してハンドル角制御装置２３の寿命を延ばすことができ、また、ステッピングモータであるモータ１７２の脱調を抑制することができる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、ハンドル角制御装置２３が、作業車両１に後付けされた操舵駆動装置１７を制御することにより伝達軸１７１を介して入力軸１５１の回転を制御するものとしたが、操舵駆動装置１７は入力軸１５１を直接に駆動するものであっても良い。
【００４０】
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
２３  ハンドル角制御装置
２３２  測定角度取得部
２３３ａ  第１判定部
２３３ｂ  第２判定部
２３４  角速度制御部
【図１】
2020090862.tif 000003
【図２】
2020090862.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020090862.tif 000006
【図５】
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【図６】
2020090862.tif 000008
【国際調査報告】
2020090862.tif 000009
2020090862.tif 000010
2020090862.tif 000011
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