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JP5859870B2 - 無人走行作業車の誘導装置 - Google Patents

無人走行作業車の誘導装置 Download PDF

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Description

この発明は無人走行作業車の誘導装置に関し、より詳しくは作業エリアを無人走行して搭載作業機に作業させる作業車を充電器に誘導する装置に関する。
作業エリアを無人走行して芝刈り作業用ブレードなどの搭載作業機に作業させるようにした無人走行作業車は種々提案されており、その例として下記の特許文献1記載の技術を挙げることができる。
特許文献1記載の技術においては作業車の前端に取り付けた磁気センサで作業エリアの周縁に配置されたエリアワイヤの磁界強度を検出して作業エリアを認識し、認識された作業エリアにおいて電動モータを搭載された芝刈り作業用ブレードからなる作業機を駆動して作業させている。
特許文献1記載の技術に係る作業車の電動モータは搭載されたバッテリから通電されて動作するが、バッテリの充電のためにエリアワイヤ上に充電器を設置し、作業車は、バッテリの残量が低下したとき、磁気センサでエリアワイヤを辿って充電器まで帰還するように制御される。
国際公開公報WO2005/074362号公報
特許文献1記載の作業車は上記したようにバッテリの残量が低下したときはエリアワイヤ上に設置された充電器に帰還して充電するように構成されるが、そのとき作業車を充電器に適正に誘導する必要がある。
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、車体に搭載されてバッテリから通電される電動モータで作業機を駆動して作業させるようにした無人走行作業車において、バッテリ充電のために充電器に帰還するときに作業車を充電器に適正に誘導するようにした無人走行作業車の誘導装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項1に係る無人走行作業車の誘導装置にあっては、車体に搭載されてバッテリから通電される電動モータと前記車体に搭載される原動機とを備え、前記原動機で車輪を駆動してエリアワイヤで規定される作業エリアを走行しつつ前記電動モータで前記車体に搭載される作業機を駆動して作業すると共に、前記エリアワイヤの磁界強度を前記車体に配置される磁気センサで検出しつつ走行して前記バッテリ充電のために前記エリアワイヤ上に配置された充電器に帰還するようにした無人走行作業車において、前記エリアワイヤを平面視において左右いずれかの方向にオフセットさせ、よって前記作業車が前記充電器に接続されるとき、前記作業車が直進姿勢から前記オフセット方向に旋回し、次いで前記直進姿勢に戻るように前記作業車を誘導する如く構成した。
請求項2に係る無人走行作業車の誘導装置にあっては、前記磁気センサが前記車体の両側に配置される左右の磁気センサからなると共に、前記エリアワイヤが、前記左右の磁気センサの配置位置の中心点と前記車体の進行方向中心線とを結ぶ線に対して前記オフセット方向に所定値だけオフセットさせられる如く構成した。
請求項3に係る無人走行作業車の誘導装置にあっては、前記所定値は、磁気センサの配置位置の中心点と前記車体の進行方向中心線とを結ぶ線に対して前記オフセット方向にある側の磁気センサの配置位置までの距離以上の値である如く構成した。
請求項4に係る無人走行作業車の誘導装置にあっては、前記作業車が前輪と後輪からなると共に、前記原動機で前記後輪が駆動される後輪駆動型である如く構成した。
請求項1に係る無人走行作業車の誘導装置にあっては、バッテリから通電される電動モータと原動機を備え、原動機で車輪を駆動してエリアワイヤで規定される作業エリアを走行しつつ電動モータで作業機を駆動して作業すると共に、エリアワイヤの磁界強度を車体に配置される磁気センサで検出しつつ走行してバッテリ充電のためにエリアワイヤ上に配置された充電器に帰還するようにした無人走行作業車において、エリアワイヤを平面視において左右いずれかの方向にオフセットさせ、よって作業車が充電器に接続されるとき、作業車が直進姿勢からオフセット方向に旋回し、次いで直進姿勢に戻るように作業車を誘導する如く構成したので、作業車を充電器に適正に誘導することができる。
即ち、作業車は、磁気センサの出力から自車の前部が作業エリアの内、外、内、外・・・に位置するように微小に首振り運動しながらエリアワイヤに沿って走行するが、上記のようにエリアワイヤを設置することで、充電器に接近したとき、直進姿勢からオフセット方向に旋回させることで駆動側の車軸を充電器の中心付近まで接近させることができる。次いで作業車を再び直進姿勢に戻るように誘導することで、作業車を充電器に適正に誘導でき、相互の充電端子を的確に接続させることができる。
請求項2に係る無人走行作業車の誘導装置にあっては、磁気センサが車体の両側に配置される左右の磁気センサからなると共に、エリアワイヤが、左右の磁気センサの配置位置の中心点と前記車体の進行方向中心線とを結ぶ線に対してオフセット方向に所定値だけオフセットさせられる如く構成したので、作業車をオフセット方向に効果的に旋回させて駆動側の車軸を充電器の中心付近まで接近させることができる。
請求項3に係る無人走行作業車の誘導装置にあっては、所定値は、磁気センサの配置位置の中心点と車体の進行方向中心線とを結ぶ線に対してオフセット方向にある側の磁気センサの配置位置までの距離以上の値である如く構成したので、作業車をオフセット方向に一層効果的に旋回させて駆動側の車軸を充電器の中心付近まで接近させることができる。
請求項4に係る無人走行作業車の誘導装置にあっては、作業車が前輪と後輪からなると共に、原動機で前記後輪が駆動される後輪駆動型である如く構成したので、作業車をオフセット方向に旋回させるとき、駆動側の車軸を充電器の中心付近まで接近させることができると共に、前輪は従動輪であることから、作業車を再び直進姿勢に戻るように一層確実に誘導することができる。
この発明の実施例に係る無人走行作業車の誘導装置を全体的に示す無人走行作業車の側面図である。 図1に示す無人走行作業車の平面図である。 図1に示す無人走行作業車に搭載される機器の入出力関係を示すブロック図である。 図1に示す無人走行作業車が作業を予定する作業エリアの平面図である。 に示す充電ST(ステーション)の構成を示すブロック図である。 図5に示す充電STでの充電を示す説明図である。 図4に示す作業エリアに埋設されるエリアワイヤの磁界を示す説明図である。 図1に示す無人走行作業車の誘導装置の構成を示すエリアワイヤの平面図である。 図1に示す無人走行作業車の誘導装置の動作構成を示すエリアワイヤの説明図である。
以下、添付図面に即してこの発明に係る無人走行作業車の誘導装置を実施するための形態について説明する。
図1はこの発明の実施例に係る無人走行作業車の誘導装置を全体的に示す無人走行作業車の側面図、図2はその無人走行作業車の平面図、図3はその無人走行作業車に搭載される機器の入出力関係を示すブロック図、図4はその無人走行作業車が作業を予定する作業エリアの平面図である。
図1と図2に示す如く、符号10は無人走行作業車(以下「作業車」という)を示す。作業車10は車体12と車輪14を備える。車体12はシャシ12aとそれに取り付けられるフレーム12bからなる。車輪14はシャシ12aの前端側にステー12a1を介して固定される比較的小径の左右の前輪14aとシャシ12aに直接取り付けられる比較的大径の左右の後輪14bとからなる。
作業車10のシャシ12aの中央位置付近には芝刈り作業用のブレード(ロータリブレード。作業機)16が取り付けられると共に、その上部には電動モータ20が配置される。ブレード16は電動モータ20に接続され、電動モータ(以下「作業モータ」という)20によって回転駆動される。
ブレード16にはユーザの手動操作自在なブレード高さ調整機構22が接続される。ブレード高さ調整機構22はネジ(図示せず)を備え、そのネジをユーザが手で廻すことでブレード16の接地面GRからの高さが調整可能に構成される。
また作業車10のシャシ12aには、ブレード16の後端側で2個の電動モータ(原動機。以下「走行モータ」という)24が取り付けられる。走行モータ24は左右の後輪14bに接続され、前輪14aを従動輪、後輪14bを駆動輪として左右独立に正転(前進方向への回転)あるいは逆転(後進方向への回転)させる。ブレード16、作業モータ20、走行モータ24などはフレーム12bで被覆される。
作業車10の後部には充電ユニット(AC/DC変換器を含む)26とバッテリ30が格納されると共に、フレーム12bには充電端子32が2個、前方に突出するように取り付けられる。充電端子32は内側に接点32aを備える。
充電端子32は充電ユニット26に配線を介して接続されると共に、充電ユニット26はバッテリ30に配線を介して接続される。作業モータ20と走行モータ24はバッテリ30に配線を介して接続され、バッテリ30から通電されるように構成される。図1,2では配線の図示を省略する。
このように作業車10は4輪の電動式の無人の走行作業車(芝刈り作業車)として構成され、例えば全長600mm、全幅300mm、高さ300mm程度の大きさを備える。
作業車10の前端には左右2個の磁気センサ(磁気検出手段)34が配置される。またフレーム12bには接触センサ36が取り付けられる。接触センサ36は、障害物や異物との接触によってフレーム12bがシャシ12aから外れるとき、オン信号を出力する。
作業車10の中央位置付近には収納ボックスが設けられ、その内部に収納された基板40上にはCPU,ROM,RAMなどを備えるマイクロコンピュータからなる電子制御ユニット(Electronic Control Unit。制御装置。以下「ECU」という)42が配置されると共に、それに近接して作業車10の重心位置のz軸回りに生じる角速度(ヨーレート)を示す出力を生じるYawセンサ(角速度センサ)44と、作業車10に作用するx,y,z(3軸)方向の加速度Gを示す出力を生じるGセンサ(加速度センサ)46が配置される。
後輪(駆動輪)14bの付近には後輪14bの車輪速を示す出力を生じる車輪速センサ50が配置されると共に、シャシ12aとフレーム12bの間にはリフトセンサ52が配置され、ユーザなどによってフレーム12bがシャシ12aからリフトされた(持ち上げられた)とき、オン信号を出力する。
またバッテリ30には電流・電圧センサ54が配置され、バッテリ30の残量(State of Charge)を示す出力を生じる。作業車10にはメインスイッチ56と非常停止スイッチ60がユーザの操作自在に設けられる。
上記した磁気センサ34、接触センサ36、Yawセンサ44、Gセンサ46、車輪速センサ50、リフトセンサ52、電流・電圧センサ54、メインスイッチ56、および非常停止スイッチ60の出力は、ECU42に送られる。
作業車10のフレーム12bは上面で大きく切り欠かれ、そこにディスプレイ62が設けられる。ディスプレイ62はECU42に接続され、ECU42の指令に応じて作業モードなどを表示する。
次いで、作業車10が走行する作業エリア70を説明すると、作業エリア70は図4に示すように略矩形状を呈する。作業エリア70は土地Lの周縁(境界)にエリアワイヤ(電線)72が埋設(配置)されることで画成される。エリアワイヤ72上には充電ST(ステーション)74が配置される。図4で作業車10の大きさは誇張して示す。
また充電ST74にはSTコイル76が配置される。STコイル76から発せられる磁界によって充電ST74を中心として半径1m程度の円内に充電器検出エリア76aが形成される。
充電ST74は、図5に示す如く、商用電源80にコンセント82を介して接続される充電器84と、充電器84に接続されると共に、作業車10の充電端子32の接点32aと接点を介して接続自在な充電端子86を備える。図6に充電端子86を示す(接点の図示省略)。
充電器84は、AC/AC変換器84aと、AC/AC変換器84aの動作を制御する、ECU42と同様にマイクロコンピュータからなる、ECU(電子制御ユニット)84bと、エリアワイヤ72とSTコイル76に交流を通電して信号を発生させる信号発生器84cを備える。
充電ST74において商用電源80からコンセント82を通じて送られる交流は充電器84のAC/AC変換器84aで適宜な電圧に降圧され、帰還した作業車10が充電端子32,86を介して充電ST74に接続されたとき、作業車10に送られて充電ユニット26を介してバッテリ30を充電するように構成される。
作業エリア70の検出について説明すると、信号発生器84cによる通電によってエリアワイヤ72には磁界が生じる。磁界強度はエリアワイヤ72の全長によって相違すると共に、図7に示す如く、エリアワイヤ72からの離間距離によって相違する。
エリアワイヤ72の磁界強度は、作業車10に取り付けられた磁気センサ34によって検出されてECU42に送られる。ECU42は検出値から自車(作業車10)のエリアワイヤ72に対する位置(即ち、自車が作業エリア70の内と外のいずれにいるか)とエリアワイヤ72(作業エリア70の境界)からの離間距離を検出する。
より具体的には、図7に示す如く、自車が作業エリア70を内側から外側に向けて矢印aで示す方向に移動するとき、エリアワイヤ72への離間距離が減少(接近)するにつれ、磁界強度は正側で徐々に増加した後に反転して低下し、エリアワイヤ72の上で零となり、次いでエリアワイヤ72からの離間距離が増加するにつれ、負側で同様の特性を示す。自車が作業エリア70を内側から外側に向けて矢印bで示す方向に移動するときも、同様の特性を示す。
作業車10の作業について説明すると、作業エリア70の芝の生育状況に応じてユーザによってブレード16の高さがブレード高さ調整機構22を介して手動で調整されてメインスイッチ56がオンされてオン信号が出力されたとき、ECU42は動作を開始して作業モードに入り、芝刈り作業を行う。
ECU42は作業モードにおいて、車輪速センサ50から検出される車速が所定の値となるように通電制御値を算出してドライバ24aを介して走行モータ24に供給して作業車10を走行させると共に、ブレード16の回転数が所定の値となる通電制御値を算出してドライバ20aを介して作業モータ20に供給してブレード16で作業させる。
より具体的には、ECU42は作業モードにおいて、作業エリア70の内側でランダムに(あるいは作業パターンに従って)走行させて作業させると共に、作業車10が磁気センサ34の出力から作業エリア70の外に出たと判断するときはYawセンサ44の出力から検出される進行方向を所定の角度変更して作業エリア70の内側に復帰させる。
尚、左右の後輪(駆動輪)14bは左右の走行モータ24で独立して正逆両方向に駆動可能に構成されることから、左右の走行モータ24を同一回転数で正転させると、作業車10は直進し、異なる回転数で正転させると、作業車10は回転数が少ない方向に旋回する。左右の走行モータ24の一方を正転、他方を逆転させると、左右の後輪14bもその方向に回転するため、作業車10はその場旋回(いわゆる超信地旋回)する。
このようにしてECU42は作業モードにおいて走行(作業)して領域に到達する度にランダムな方向に自車の進行を変更しながら、作業エリア70内を走行させ、ブレード16を駆動して作業させる。
また、ECU42は作業モードにおいて電流・電圧センサ54の出力からバッテリ30の残量を監視し、残量が所定値まで低下すると、充電ST74に帰還走行しての充電器84でバッテリ30を充電する帰還モードに移行する。
尚、ECU42は作業モードあるいは帰還モードにおいて接触センサ36とリフトセンサ52と非常停止スイッチ60のいずれかからオン信号が出力されたとき、作業モータ20と走行モータ24を停止させて走行と作業を停止する。
ECU42は、帰還モードにあっては、左右の磁気センサ34の出力から自車の前部が作業エリア70の内、外、内、外・・・と位置することで微小に首振り運動するように、P項などのフィードバック制御則を用いて走行モータ24への通電量を制御して自車をエリアワイヤ72上を走行させるように制御する。
図8はこの実施例に係る無人走行作業車の誘導装置の構成を具体的に示す、エリアワイヤの設置手法である。
図8に示す如く、この実施例にあっては、エリアワイヤ72を平面視において左右いずれかの方向、図示例の場合は左方向にオフセットさせるように設置する。即ち、エリアワイヤ72は左右いずれかの方向(左方向)大きくオフセットさせられる第1オフセット部位72a1とそれに続く、第1オフセット部位72a1に比してオフセット量の少ない第2オフセット部位72a2とを備える。
具体的には、図9に示す如く、第1オフセット部位72a1、第2オフセット部位72a2は、車体12の両側に配置される左右の磁気センサ34の配置位置の中心点34cと車体12の進行方向中心線12cとを結ぶ線に対してオフセットされると共に、第1オフセット部位72a1はその線に対して所定値doだけオフセットさせられる。
所定値doは、磁気センサ34の配置位置の中心点34cと車体の進行方向中心線12cとを結ぶ線に対してオフセット方向にある側(図示例では左側)の磁気センサ34の配置位置までの距離以上の値とする。
これにより、図9に示す如く、作業車10がエリアワイヤ72上を走行して充電ST74の充電器84に接続されるとき、作業車10が直進姿勢からオフセット方向(左方向)に大きく旋回し、次いで直進姿勢に戻るように作業車10を誘導することができ、作業車10を充電ST74の充電器84に適正に誘導することができる。
即ち、作業車10は、充電器84に帰還するとき、左右の磁気センサ34の出力から自車の前部が作業エリア70の内、外、内、外・・・に位置するように微小に首振り運動しながらエリアワイヤ72に沿って走行するが、上記のようにエリアワイヤ72を設置することで、充電器84に接近したとき、第1オフセット部位72a1を介して直進姿勢からオフセット方向に旋回させることで後輪(駆動輪)14b側の車軸を充電器84の中心付近まで接近させることができる。
次いで、エリアワイヤ72は第2オフセット部位72a2を介して作業車10を再び直進姿勢に戻るように誘導するので、作業車10を充電ST74の充電器84に適正に誘導でき、相互の充電端子32,86を的確に接続させることができる。
尚、図8においては破線で示す如く、エリアワイヤ72を平面視において右方向にオフセットさせるように設置しても良い。また、実施例では作業車10を後輪駆動型としたが、前輪駆動型であっても良いことはいうまでもない。
上記した如く、この実施例に係る無人走行作業車10の誘導装置にあっては、車体12に搭載されてバッテリ30から通電される電動モータ20と前記車体に搭載される原動機(電動モータ)24とを備え、前記原動機で車輪を駆動してエリアワイヤ72で規定される作業エリア70を走行しつつ前記電動モータ20で前記車体に搭載される作業機(ブレード)16を駆動して作業すると共に、前記エリアワイヤ72の磁界強度を前記車体の両側に配置される左右の磁気センサ34で検出しつつ走行して前記バッテリ充電のために前記エリアワイヤ上に配置された充電器(充電ST74(充電器84))に帰還するようにした無人走行作業車10において、前記エリアワイヤ72を平面視において左右いずれかの方向に(第1、第2オフセット部位72a1,72a2を介して)オフセットさせ、よって前記作業車10が前記充電器84に接続されるとき、前記作業車10が直進姿勢から前記オフセット方向に旋回し、次いで前記直進姿勢に戻るように前記作業車10を誘導する如く構成したので、作業車10を充電器84に適正に誘導することができる。
即ち、作業車10は帰還するとき、左右の磁気センサ34の出力から自車の前部が作業エリア70の内、外、内、外・・・に位置するように微小に首振り運動しながらエリアワイヤ72に沿って走行するが、上記のようにエリアワイヤ72を設置することで、充電器84に接近したとき、直進姿勢からオフセット方向に旋回させることで駆動側の車軸(後輪14bの車軸)を充電器84の中心付近まで接近させることができる。次いで作業車10を再び直進姿勢に戻るように誘導することで、作業車10を充電器84に適正に誘導でき、相互の充電端子32,86を的確に接続させることができる。
また、前記磁気センサ34が前記車体の両側に配置される左右の磁気センサからなると共に、前記エリアワイヤ72が、前記左右の磁気センサ34の配置位置の中心点34cと前記車体12の進行方向中心線12cとを結ぶ線に対して前記オフセット方向に所定値doだけオフセットさせられる如く構成したので、作業車10をオフセット方向に効果的に旋回させて後輪(駆動輪)14bの車軸を充電器84の中心付近まで接近させることができる。
また、前記所定値は、磁気センサ34の配置位置の中心点34cと前記車体12の進行方向中心線12cとを結ぶ線に対して前記オフセット方向にある側の磁気センサ34の配置位置までの距離以上の値である如く構成したので、作業車10をオフセット方向に一層効果的に旋回させて後輪(駆動輪)14bの車軸を充電器84の中心付近まで接近させることができる。
また、前記作業車10が前輪14aと後輪14bからなると共に、前記原動機(電動モータ)24で前記後輪14bが駆動される後輪駆動型である如く構成したので、作業車10をオフセット方向に旋回させるとき、後輪14bの車軸を充電器84の中心付近まで接近させることができると共に、前輪14aは従動輪であることから、作業車10を再び直進姿勢に戻るように一層確実に誘導することができる。
尚、上記において原動機として電動モータを開示したが、それに限られるものではなく、エンジン(内燃機関)あるいはエンジンと電動モータのハイブリッドであっても良い。
作業機として芝刈り作業用のブレードを示したが、それに限られるものではなく、作業エリアの美観が要求されるものであれば、どのようなものであっても良い。
10 無人走行作業車(作業車)、12 車体、12a シャシ、14 車輪、 14a 前輪(従動輪)、14b 後輪(駆動輪)、16 ブレード(作業機)、20 電動モータ(作業モータ)、22 ブレード高さ調整機構、24 電動モータ(走行モータ。原動機)、26 充電ユニット、30 バッテリ、32 充電端子、34 磁気センサ(磁気検出手段)、42 ECU(電子制御ユニット)、44 Yawセンサ、46 Gセンサ、50 車輪速センサ、54 電流・電圧センサ、70 作業エリア、72 エリアワイヤ、72a1,72a2 第1、第2オフセット部位、74 充電ST(ステーション)、76 STコイル、76a充電器検出エリア、84 充電器、86 充電端子

Claims (4)

  1. 車体に搭載されてバッテリから通電される電動モータと前記車体に搭載される原動機とを備え、前記原動機で車輪を駆動してエリアワイヤで規定される作業エリアを走行しつつ前記電動モータで前記車体に搭載される作業機を駆動して作業すると共に、前記エリアワイヤの磁界強度を前記車体に配置される磁気センサで検出しつつ走行して前記バッテリ充電のために前記エリアワイヤ上に配置された充電器に帰還するようにした無人走行作業車において、前記エリアワイヤを平面視において左右いずれかの方向にオフセットさせ、よって前記作業車が前記充電器に接続されるとき、前記作業車が直進姿勢から前記オフセット方向に旋回し、次いで前記直進姿勢に戻るように前記作業車を誘導するようにしたことを特徴とする無人走行作業車の誘導装置。
  2. 前記磁気センサが前記車体の両側に配置される左右の磁気センサからなると共に、前記エリアワイヤが、前記左右の磁気センサの配置位置の中心点と前記車体の進行方向中心線とを結ぶ線に対して前記オフセット方向に所定値だけオフセットさせられることを特徴とする請求項1記載の無人走行作業車の誘導装置。
  3. 前記所定値は、磁気センサの配置位置の中心点と前記車体の進行方向中心線とを結ぶ線に対して前記オフセット方向にある側の磁気センサの配置位置までの距離以上の値であることを特徴とする請求項2記載の無人走行作業車の誘導装置。
  4. 前記作業車が前輪と後輪からなると共に、前記原動機で前記後輪が駆動される後輪駆動型であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の無人走行作業車の誘導装置。
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