CN109154817B - 自动行驶作业车辆 - Google Patents

Abstract

自动行驶作业车辆具备：第一控制运算部，输出基于本车位置与目标行驶路径之间的位置偏差为了偏差消除而运算出的第一操舵值；第二控制运算部，输出基于位置偏差和使用伴随着位置偏差变大而示出减少趋势的权重系数来调整的方位偏差、为了偏差消除而运算出的第二操舵值；目标操舵运算部，基于第一操舵值和第二操舵值，输出用于沿着目标行驶路径进行行驶的目标操舵值；操舵驱动控制部，将目标操舵值作为输入来输出操舵驱动信号；以及操舵驱动部，基于操舵驱动信号来进行转向轮的操舵。

Description

自动行驶作业车辆

技术领域

本发明涉及沿着设定的目标行驶路径进行自动操舵行驶的自动行驶作业车辆。

背景技术

作为具有沿着设定的目标行驶路径自动操舵的自动操舵功能的作业车辆，在专利文献1中公开了基于由GPS（Global Positioning System，全球定位系统）装置测量的位置信息来生成与由示教路径生成单元生成的示教路径平行的目标路径，在该目标路径上自主地行驶的插秧机。

在该插秧机中，利用GPS单元测定自动行驶中的实际的行驶路径，运算目标路径与实际的行驶目标路径的偏离量，将其与预先设定的阈值比较。此时，将目标路径方向与前进方向所形成的角度作为偏离量，在该偏离量超过阈值的情况下，感测偏离相对于基准线的方向来进行判定，在左方产生偏离的情况下根据该偏离量向右方向校正转向装置（steering device），在右方产生偏离的情况下根据该偏离量向左方向校正转向装置。

可是，在采用了这样的自动行驶的原理的作业车辆中，仅将目标路径方向与前进方向所形成的角度作为行驶偏离而用于操舵控制，因此，在目标路径与车体接近但只有偏离量较大的情况下或偏离量较小但目标路径与车体远离的情况下难以进行适当的行驶。

在专利文献2中公开的车辆系统的行驶控制技术中，针对各种曲率混合的目标行驶路径（目标轨道），测量与目标行驶路径的横偏离量和方位角的偏离量以及目标行驶路径的曲率，运算输出与2个偏离量和曲率对应的操舵角。

具体地，以车辆位置成为目标行驶路径的法线方向的方式设置参照点，针对其坐标系根据车辆位置的绝对坐标系将坐标系变换为将参照点作为基准的相对坐标系，并且，计算与目标行驶路径的相对的横偏离和方位角的偏离，通过比例控制利用与偏离量对应的反馈的操作量以及与目标轨道的曲率和横偏离量对应的反馈的操作量，求取操舵角。

可是，该行驶控制技术对于在铺路后的道路上行驶的自动车等可能是有效的，但是，在插秧机或拖拉机或联合收割机进而割草机等农业作业机或者推土机等土木作业机中，由于其行驶速度为低速，所以与以相同的操舵角进行高速行驶的车辆相比，在行驶偏离的消除中花费时间。进而，存在由于打滑或土块的搁浅等瞬时地产生与目标位置的位置偏离的情况。因此，不能将专利文献2所公开的行驶控制技术直接应用于作业车辆的自动操舵行驶。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-131880号公报（JP 2008-131880 A）；

专利文献2：日本特开2002-215239号公报（JP 2002-215239 A）。

发明内容

发明要解决的课题

鉴于上述实情，本发明的目的在于提供即使沿着设定的目标行驶路径在作业行驶中也能够以高的精度进行自动操舵行驶的自动行驶作业车辆。

用于解决课题的方案

沿着设定的目标行驶路径进行自动操舵行驶的、本发明的自动行驶作业车辆具备：本车位置估算部，估算本车位置；本车方位估算部，估算本车的行驶方位；位置偏差运算部，运算所述本车位置与所述目标行驶路径之间的位置偏差；方位偏差运算部，运算所述目标行驶路径的方位线与所述行驶方位之间的方位偏差；第一控制运算部，输出基于所述位置偏差为了偏差消除而运算出的第一操舵值；第二控制运算部，输出基于所述位置偏差和使用伴随着所述位置偏差变大而示出减少趋势的权重系数来调整的所述方位偏差、为了偏差消除而运算出的第二操舵值；目标操舵运算部，基于所述第一操舵值和所述第二操舵值，输出用于沿着所述目标行驶路径进行行驶的目标操舵值；操舵驱动控制部，将所述目标操舵值作为输入来输出操舵驱动信号；以及操舵驱动部，基于所述操舵驱动信号来进行转向轮的操舵。

根据该结构，根据针对目标行驶路径的位置偏差和针对目标行驶路径的方位偏差，输出用于沿着目标行驶路径进行行驶的目标操舵值。可是，并不是单纯地根据针对目标行驶路径的位置偏差求取为了偏差消除而运算出的第一操舵值、以及为了针对目标行驶路径的方位偏差和偏差消除而运算出的第二操舵值，而是在求取第二操舵值时也考虑针对目标行驶路径的位置偏差。具体地，导入将前述位置偏差作为变量而导出权重系数的权重函数，此时，该权重函数假设具有位置偏差越大而权重系数越是减少的趋势。也就是说，当将位置偏差设为d且将权重函数设为G时，权重系数w由G（d）求取，G为单调减少或阶段性地减少的函数。w通常为比0大且1以下的数值。在乘法运算中使用权重系数w。由此，在前述位置偏差较大的情况下减少前述方位偏差的权重这样的条件下，基于前述位置偏差和前述方位偏差来输出偏差消除的第二操舵值。基于像这样做求取的第一操舵值和第二操舵值，输出用于沿着目标行驶路径进行行驶的最终的目标操舵值。在该结构中位置偏差较大的情况下，某种程度忽视方位偏差，输出在位置偏差的消除中放置权重的目标操舵值，因此，在车体由于打滑或土块的搁浅等产生了较大的位置偏差（位置偏离）的情况下，能够迅速地消除该位置偏差。该情况对于如插秧机、联合收割机、拖拉机、割草机等那样即使使仅仅笔直地行驶为牺牲也必须极力避免从直线状的目标行驶路径较大地偏离的作业车辆来说，存在优点。

再有，在本申请中，假设目标行驶路径为直线状，位置偏差被定义为能够表示为从车体下到目标行驶路径的垂线的长度的值，方位偏差是指被定义为能够表示为车体的行驶方向线与目标行驶路径所形成的角度的值。

在低速或中速的行驶中适当地输出偏差消除用的目标操舵值的控制系统的情况下，只要为同一操舵角度，则车速越是高速，则固定时间中的车体的位置变化或方位变化越大。其结果是，在高速行驶时存在车体容易进行蛇行这样的问题。为了解决该问题，在本发明的优选的实施方式之一中，被构成为：具备车速估算部，所述车速估算部估算车速，所述目标操舵运算部在基于所述第一操舵值和所述第二操舵值来输出所述目标操舵值时，使用伴随着所述车速变大而示出减少趋势的调整系数，在所述车速较大的情况下减少所述目标操舵值。具体地，导入将前述车速作为变量而导出调整系数（例如比0大且1以下的数值）的调整函数，此时，该调整函数假设具有车速越大而调整系数越是减少的趋势。也就是说，当将车速设为s且将调整函数设为K时，调整系数k由K（k）求取，K为单调减少或阶段性地减少的函数。在乘法运算中使用调整系数k。由此，只要车速为高速，则减少目标操舵值，因此，从低速行驶遍及高速行驶实现适当的偏差消除，自动操舵行驶稳定。

作为针对车速越高速则偏差消除的操舵角对车体造成的影响越大这样的问题的另外的方法，在本发明的优选的实施方式之一中，所述目标操舵运算部具有针对所述目标操舵值的上限限制器功能，根据所述车速设定上限限制值。该上限限制值优选能够根据作业种类进行变更。由此，从低速行驶遍及高速行驶实现适当的偏差消除，自动操舵行驶稳定。

本发明的特征之一在于，在如上述那样位置偏差较大的情况下，某种程度忽视方位偏差，输出在位置偏差的消除中放置权重的目标操舵值，此时，根据作业行驶的土壤的状态或作业种类改变忽视方位偏差的程度得到更适应于作业的自动操舵行驶的可能性更高。因此，在本发明的优选的实施方式之一中，被构成为所述第二控制运算部中的、使用了依赖于所述位置偏差的大小的所述方位偏差的权重系数的、权重的减少程度能够进行变更。

将基于第一操舵值和第二操舵值来输出用于沿着目标行驶路径进行行驶的目标操舵值的目标操舵运算部简单化，因此，在本发明的优选的实施方式之一中，所述目标操舵运算部被构成为对所述第一操舵值和所述第二操舵值进行加法运算来输出所述目标操舵值。由此，一边进行使车体的行驶方向与相对于目标行驶路径平行的线一致的控制，一边进行使车体逐渐地接近目标行驶路径的控制，由此，适当地进行特别地由田地作业等要求的沿着直线状的目标行驶路径的作业行驶。

附图说明

图1是说明本发明的自动操舵行驶控制的基本原理的示意图。

图2是作为本发明的自动行驶作业车辆的实施方式之一的拖拉机的侧面图。

图3是示出装载于拖拉机的控制系统的功能框图。

图4是示出自动操舵控制系统的控制线图。

图5是示出另一自动操舵控制系统的控制线图。

图6是示出又一自动操舵控制系统的控制线图。

具体实施方式

在说明本发明的自动行驶作业车辆的具体的实施方式之前，使用图1来说明本发明的自动操舵行驶控制的基本原理。在此，作为自动行驶作业车辆（以下仅简称为作业车辆），设想了在田地一边进行U形转弯一边重复直线状的行驶作业的、插秧机、拖拉机、联合收割机等农作业机。该作业车辆被构成为沿着预先设定的目标行驶路径进行自动操舵行驶。为了进行自动操舵，需要知晓作业车辆的当前的位置（以下称为“本车位置”）和当前的行驶方向（相当于本车的行驶方位。以下称为“本车方位”）。因此，该作业车辆具备使用了被称为GPS（Global Positioning System，全球定位系统）或GNSS（Global NavigationSatellite System，全球导航卫星系统）的卫星的卫星导航设备和使用了加速度计或陀螺仪的惯性导航设备。如图1所示那样，在此，本车位置由作业车中心的测位值（纬度、经度）示出，本车方位由根据单位时间本车位置的变化估算的行驶方向示出。

如图1所示那样，从作业车中心起与直线状的目标行驶路径（方位线）平行地拉长的直线与目标行驶路径的间隔：d被看待为位置偏差，通过车体中心的车体前后方向线（行驶方位）与目标行驶路径所形成的角度：θ被看待为方位偏差。成为自动操舵行驶控制中的目标的本车位置为目标行驶路径上的点，成为目标的本车方位为目标行驶路径的方位。因此，本车位置与目标行驶路径之间的位置偏差为d，目标行驶路径的方位线与行驶方位之间的方位偏差为θ。

基于位置偏差来运算偏差消除用的第一操舵值。对于该运算，优选的是，能够采用PID（Proportional-Integral-Differential，比例积分微分）控制运算。基于方位偏差来运算偏差消除用的第二操舵值，但是，在此时也考虑位置偏差。在位置偏差较大的情况下，减少第二操舵值中的方位偏差的权重。例如，针对由基于方位偏差导出第二操舵值的函数F（θ）得到的值，制作导出位置偏差越大而该值越小的权重系数w（0<w<1）的函数W（d），通过W（d）×F（θ）来求取第二操舵值。也就是说，在位置偏差较大的情况下减少方位偏差的权重之后，基于前述位置偏差和前述方位偏差来输出偏差消除用的第二操舵值。再有，在基于方位偏差来导出第二操舵值时，也优选采用PID控制运算。

将像这样做求取的第一操舵值和第二操舵值作为输入，求取并输出用于作业车辆沿着目标行驶路径进行行驶的目标操舵值。最简单地，目标操舵值能够通过考虑了第一操舵值和第二操舵值的符号的加法运算来求取。进而，具备操舵控制系统，所述操舵控制系统将该目标操舵值作为输入，向对作业车辆的转向轮（也包含履带（crawler））的操舵角进行驱动的操舵驱动部输出操舵驱动信号。操舵驱动部能够由电动机或油压设备或者其双方构成。操舵控制系统优选由PI（Proportional-Integral，比例积分）反馈控制手法构筑，但是，也可以使用其他的控制手法。在此，作为反馈，采用了操舵速度和操舵角。

再有，虽然在图1中由虚线示出，但是，在根据第一操舵值和第二操舵值求取目标操舵值时，也优选考虑作业车辆的行驶速度即车速。也就是说，在同一操舵角的情况下，车速越快，每小时的车体的姿势变更量越大。当每小时的姿势变更量过于大时，产生破坏田地这样的问题。因此，优选的是，车速越快，根据第一操舵值和第二操舵值运算的目标操舵值越弱。例如，优选在低速行驶时直接使用运算出的目标操舵值，在规定以上的高速行驶时以规定的减少比例使目标操舵值变小。

接着，对本发明的自动行驶作业车辆的具体的实施方式之一进行说明。

如图2所示那样，在该实施方式中，作业车辆为装备有对由田埂建立边界后的田地进行耕耘作业等农作业的作业装置的拖拉机。该拖拉机在由前轮2a和后轮2b支承的车体3的中央部形成有操纵部30。在车体3的后部经由油压式的升降机构4装备有对地作业装置5。前轮2a作为转向轮发挥作用，通过变更其操舵角来变更拖拉机的行驶方向。前轮2a的操舵角由操舵机构6的工作变更。在操舵机构6中具备自动操舵用的操舵驱动部60（后述。参照图3）。构成操舵驱动部60的电动机的控制由来自电子控制单元7（后述。参照图3和图4）的操舵驱动信号进行。再有，前轮2a的操舵角也能够根据如以往的方向盘的操作，方向盘在操纵部30中与各种操作杆（operating lever）或操纵者就坐的坐席一起被配置于拖拉机的操纵部30。在操纵部30中也配置有用于在自动操舵转向时测定需要的本机位置的测位单元8。在测位单元8中，包含构成为GNSS模块的卫星导航用模块、以及构成为装入有陀螺仪加速度传感器或磁方位传感器的陀螺仪模块的惯性导航用模块。在卫星导航用模块中，包含用于接收GPS信号或GNSS信号的卫星用天线，但是，在图2中省略。

在图3中示出了在该作业车辆中装备的控制系统。该控制系统挪用使用图1说明的自动操舵控制的基本原理。图3所示的控制系统包含电子控制单元7、测位单元8、开关·传感器组9、操舵驱动部60。

测位单元8具备使用GNSS来检测纬度或经度等方位的卫星导航用模块81，其结构与在汽车导航系统等中使用的测位单元类似。在测位单元8中具备具有陀螺仪加速度传感器等的惯性导航用模块82，以便检测瞬间的作业车辆的活动（方向向量等）或方向以及以便补充卫星导航用模块81。操舵驱动部60基于从电子控制单元7输出的操舵驱动信号来调整作为转向轮的前轮2a的操舵角。开关·传感器组9为对作业车辆的行驶状态或设定状况进行检测的开关或传感器的总称，来自它们的检测信号向电子控制单元7输入，将其用作各种控制用的输入参数。在开关·传感器组9中也包含对用于估算车速的检测信号进行输出的传感器或对用于估算操舵驱动部60的驱动状态（例如，操作速度或操舵角）的检测信号进行输出的传感器。

在电子控制单元7中，特别是作为与本发明有关系的功能部，包含基准路径取得部71、基准路径设定部72、本车位置估算部731、本车方位估算部732、位置偏差运算部741、方位偏差运算部742、第一控制运算部751、第二控制运算部752、目标操舵运算部76、车速估算部78、操舵驱动控制部79。

基准路径取得部71基于成为作业对象的田地的地图位置或对该田地的边界线进行规定的田埂的位置数据等田地信息、或与应该实施的田地作业有关的设备设定数据（例如作业宽度）等作业信息，取得自动操舵作业行驶用的目标行驶路径。关于目标行驶路径的取得，能够采用来自远距离地的管理服务器的下载、来自根据每个田地和每个作业而作业车辆自身所保有的目标行驶路径的读出等。利用对目标行驶路径进行估算的算法，每次进行运算来求取也可。此外，通过示教（ teaching）行驶来估算目标行驶路径也可。

当决定目标行驶路径时，基准路径设定部72进行内部处理，以使将该目标行驶路径编入到作业行驶用地图而能够用作自动操舵行驶的控制目标。

本车位置估算部731基于从测位单元8送出来的测位数据来估算作业行驶用地图中的本车位置。本车方位估算部732基于从测位单元8送出来的测位数据来估算作业行驶用地图中的本车的行驶方位。位置偏差运算部741运算本车位置与目标行驶路径之间的位置偏差（在图1中由记号d表示）。方位偏差运算部742运算目标行驶路径的方位线与行驶方位之间的方位偏差（在图1中由记号θ表示）。

第一控制运算部751基于位置偏差来输出为了偏差消除而运算的第一操舵值。第二控制运算部752在位置偏差较大的情况下使用上述那样的权重系数来减少方位偏差的权重之后，基于位置偏差和方位偏差来输出偏差消除用的第二操舵值。该第二控制运算部752也可以构成为基于方位偏差来输出偏差消除用的临时第二操舵值，位置偏差越大而越是使该临时第二操舵值减少，将其作为正式的第二操舵值输出。再有，依赖于位置偏差的大小的方位偏差的减少程度能够通过输入设备调整或变更。

目标操舵运算部76基于第一操舵值和第二操舵值来输出用于该作业车辆沿着目标行驶路径进行行驶的目标操舵值。在最简单的方式中，第一操舵值与第二操舵值的加法运算结果为目标操舵值。从目标操舵运算部76输出的目标操舵值在操舵驱动控制部79中被用作用于输出操舵驱动信号的控制运算中的输入参数，所述操舵驱动信号用于驱动操舵驱动部60。

在该实施方式中，目标操舵运算部76也具备以下功能：在运算目标操舵值时考虑从车速估算部78得到的作业车辆的车速，在车速较快的情况下减去基于第一操舵值和第二操舵值运算输出的目标操舵值。具体地，目标操舵运算部76在基于第一操舵值和第二操舵值输出目标操舵值时，使用伴随着车速变大而示出减少趋势的调整系数k，在车速较大的情况下减少目标操舵值。

进而，在目标操舵运算部76中装入了操舵上限设定部760，该操舵上限设定部760具有对使用第一操舵值和第二操舵值以及进而使用车速求取的目标操舵值钳位（clamp）其上限的功能即上限限制器功能。该上限限制值也优选根据车速进行变动。也就是说，设定为车速越大而输出的最大目标操舵值越低，由此，高速行驶时的转向稳定性提高。

使用图4所示的控制线图来说明如以上那样构成的电子控制单元7的更具体的控制的结构。第一控制运算部751将目标位置偏差：Δd和位置偏差：d作为输入参数，使用PI控制来运算输出用于使位置偏差：d小的第一操舵值。代替PI控制而使用PID控制也可。第二控制运算部752将目标方位偏差：Δθ和方位偏差：θ作为输入参数，使用PI控制来运算输出用于使方位偏差：θ小的临时的第二操舵值。在此，代替PI控制而使用PID控制也可。但是，在第二控制运算部752中位置偏差较大的情况下，根据位置偏差量成比例地或非线性地减少基于方位偏差而得到的临时的第二操舵值，并将其输出为第二操舵值。目标操舵运算部76将从第一控制运算部751输出的第一操舵值和从第二控制运算部752输出的第二操舵值的加法运算值控制输出为目标操舵值。

操舵驱动控制部79被构成为反馈方式的操舵控制模块。关于输入的目标操舵值，输入由与实际的操舵角：Sθ的比较运算得到的操舵角指令值：Sθ*，使用PI控制来求取前级输出值。该前级输出值与从使用了微分的速度运算器：du/dt输出的实际的操舵速度：Sω比较运算，将其运算结果（操舵速度指令值：Sω*）作为输入，使用PI控制来输出操舵驱动信号。操舵驱动信号经由驱动器对构成操舵驱动部60的电动机进行驱动，对前轮2a进行操舵。

再有，操舵驱动控制部79中的PI控制也可以替换为PID控制。

[自动操舵控制系统的变形例1]

在图5中，示出了由图4示出的电子控制单元7的控制线图的变形例。图5的控制线图在附加有对根据车速最终向目标操舵运算部76输出的目标操舵值进行减少的功能的方面与图4不同。

也就是说，在该变形例中，附加有以下运算功能：将从第一控制运算部751输出的第一操舵值和从第二控制运算部752输出的第二操舵值的加法运算值进一步减少，车速越大而越是减少该加法运算值。

[自动操舵控制系统的变形例2]

在图6中，示出了由图5示出的电子控制单元7的控制线图的变形例。图6的控制线图在目标操舵运算部76中装入操舵上限设定部760而附加了将最终输出的目标操舵值上限钳位的功能的方面与图5不同。

也就是说，在该变形例中，在输出求取出的目标操舵值的跟前，控制住根据按照车速进行变化的阈值而输出的最高目标操舵值。被设定为车速越大而输出的最高目标操舵值越小。

〔另外实施方式〕

（1）在上述的实施方式中，操舵驱动控制部79被构成为将实际的操舵角和操舵速度作为反馈量的操舵控制模块。可是，在本发明中，并不限定操舵驱动控制部79的控制结构，也能够采用其他的公知的控制结构。

（2）在上述的实施方式中，将目标行驶路径看作直线，但是，即使目标行驶路径为曲线，也能够应用本发明。

（3）在上述的实施方式中，测位单元8由卫星导航用模块81和惯性导航用模块82构成，但是，也能够仅由卫星导航用模块81构成。

（4）在上述的实施方式中，作为自动行驶作业车辆而例示出拖拉机，但是，并不限定于此。自动行驶作业车辆也可以为装备各种作业装置且能够进行自动操舵行驶的、插秧机、联合收割机等其他的农作业车辆。此外，本发明不仅能够应用于农作业车辆，也能够应用于其他的作业车辆。

附图标记的说明

60：操舵驱动部

76：目标操舵运算部

78：车速估算部

79：操舵驱动控制部

731：本车位置估算部

732：本车方位估算部

741：位置偏差运算部

742：方位偏差运算部

751：第一控制运算部

752：第二控制运算部。

Claims (5)

1.一种自动行驶作业车辆，沿着设定的目标行驶路径进行自动操舵行驶，其中，所述自动行驶作业车辆具备：

本车位置估算部，估算本车位置；

本车方位估算部，估算本车的行驶方位；

位置偏差运算部，运算所述本车位置与所述目标行驶路径之间的位置偏差；

方位偏差运算部，运算所述目标行驶路径的方位线与所述行驶方位之间的方位偏差；

第一控制运算部，输出基于所述位置偏差为了偏差消除而运算出的第一操舵值；

第二控制运算部，输出基于所述位置偏差和使用伴随着所述位置偏差变大而示出减少趋势的权重系数来调整的所述方位偏差、为了偏差消除而运算出的第二操舵值；

目标操舵运算部，基于所述第一操舵值和所述第二操舵值，输出用于沿着所述目标行驶路径进行行驶的目标操舵值；

操舵驱动控制部，将所述目标操舵值作为输入来输出操舵驱动信号；以及

操舵驱动部，基于所述操舵驱动信号来进行转向轮的操舵。

2.根据权利要求1所述的自动行驶作业车辆，其中，

具备车速估算部，所述车速估算部估算车速，

所述目标操舵运算部在基于所述第一操舵值和所述第二操舵值来输出所述目标操舵值时，使用伴随着所述车速变大而示出减少趋势的调整系数，在所述车速较大的情况下减少所述目标操舵值。

3.根据权利要求1或2所述的自动行驶作业车辆，其中，

具备车速估算部，所述车速估算部估算车速，

所述目标操舵运算部具有针对所述目标操舵值的上限限制器功能，根据所述车速设定上限限制值。

4.根据权利要求1或2所述的自动行驶作业车辆，其中，所述第二控制运算部中的、使用了依赖于所述位置偏差的大小的所述方位偏差的权重系数的、权重的减少程度能够进行变更。

5.根据权利要求1或2所述的自动行驶作业车辆，其中，所述目标操舵运算部对所述第一操舵值和所述第二操舵值进行加法运算来输出所述目标操舵值。

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