JP7038536B2

JP7038536B2 - 作業車両

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Publication number: JP7038536B2
Application number: JP2017237637A
Authority: JP
Inventors: 健介上本; 武史小森田; 伸幸吉井; 勝彦上村; 進一山田
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2037-12-12
Also published as: EP3498070B1; JP2019103436A; EP3498070A1; US20190179326A1; US11194336B2

Description

本発明は、自律走行しながら作業を行う作業車両に関する。

従来、車両を自律走行させる技術が利用されてきた。このような自律走行する車両の一例として、例えば広大な圃場で所定の作業（例えば芝刈り）を行いながら無人で走行する作業車両がある。この種の技術として例えば特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載の無人走行作業車は、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、車体に搭載される原動機とを備えて構成され、原動機で車輪を駆動して作業エリアを走行しつつ、電動モータで車体に搭載される作業機を駆動して作業を行う。

特開２０１３－１６４７４１号公報

上述したように特許文献１に記載の技術は、車体に搭載される作業機を駆動して作業を行っている。例えば特許文献１に記載のように作業として草刈り作業を行う場合がある。係る場合、特許文献１に記載の無人走行作業車は、例えば草の密生度や長さ等の作業環境の違いを認識することができず、一定の作業条件で作業を行うことになる。このため、作業機を駆動する電動モータに過剰な負荷がかかると、電動モータが停止し作業を継続することができなくなってしまう。

そこで、作業環境に拘らず、継続して作業を行うことが可能な作業車両が求められる。

本発明に係る作業車両の特徴構成は、自律走行しながら作業を行う作業車両であって、車体に搭載され、刈り刃を有する芝刈装置と、前記車体に搭載され、作業対象である芝の状況を撮像した撮像画像を取得する撮像画像取得部と、前記車体に搭載され、前記撮像画像に含まれる前記芝の状況として前記芝の草丈と前記芝の密生度との少なくとも一方を取得する作業対象情報取得部と、前記草丈と前記密生度との少なくとも一方に基づいて、前記作業の負荷を算定する負荷算定部と、前記作業の負荷毎に、前記刈り刃の駆動条件を予め記憶しておく記憶部と、前記負荷算定部により算定された負荷に応じて前記記憶部に記憶された駆動条件を抽出し、抽出した当該駆動条件に基づいて前記刈り刃を駆動する駆動部と、を備え、前記記憶部に記憶された前記駆動条件に、前記芝を刈り込む高さとしての第１高さと、前記第１高さよりも高い第２高さと、前記刈り刃の回転速度としての第１速度と、前記第１速度よりも低速の第２速度と、が含まれ、前記負荷算定部は、前記作業の負荷の強度を段階分けする値として第１所定値及び第２所定値を算定し、前記駆動部は、前記草丈が前記第１所定値以下であれば前記芝を刈り込む高さが前記第１高さとなり、前記草丈が前記第１所定値を超えると前記芝を刈り込む高さが前記第２高さとなり、前記密生度が前記第２所定値以下であれば前記回転速度が前記第１速度となり、前記密生度が所定値を超えると前記回転速度が前記第２速度となるように、前記刈り刃を駆動する点にある。

このような特徴構成とすれば、作業環境にあった作業条件を自動で選択し、当該作業条件で作業を行うことができるので、作業ユニットや当該作業ユニットを駆動する駆動装置（例えばモータ等）に過剰な負荷をかけることなく作業を完了することができる。このように本構成によれば、作業環境に拘らず、継続して作業を行うことが可能となる。

また、このような構成とすれば、作業対象の状況を適切に把握することができる。したがって、正確な作業対象情報を取得することが可能となる。

また、本発明に係る作業車両の特徴構成は、自律走行しながら作業を行う作業車両であって、車体に搭載され、刈り刃を有する芝刈装置と、前記車体に搭載され、作業対象である芝に接触して前記芝の状況を検出する接触センサと、前記車体に搭載され、前記接触センサの検出結果に含まれる前記芝の状況として前記芝の草丈と前記芝の密生度との少なくとも一方を取得する作業対象情報取得部と、前記草丈と前記密生度との少なくとも一方に基づいて、前記作業の負荷を算定する負荷算定部と、前記作業の負荷毎に、前記刈り刃の駆動条件を予め記憶しておく記憶部と、前記負荷算定部により算定された負荷に応じて前記記憶部に記憶された駆動条件を抽出し、抽出した当該駆動条件に基づいて前記刈り刃を駆動する駆動部と、を備え、前記記憶部に記憶された前記駆動条件に、前記芝を刈り込む高さとしての第１高さと、前記第１高さよりも高い第２高さと、前記刈り刃の回転速度としての第１速度と、前記第１速度よりも低速の第２速度と、が含まれ、前記負荷算定部は、前記作業の負荷の強度を段階分けする値として第１所定値及び第２所定値を算定し、前記駆動部は、前記草丈が前記第１所定値以下であれば前記芝を刈り込む高さが前記第１高さとなり、前記草丈が前記第１所定値を超えると前記芝を刈り込む高さが前記第２高さとなり、前記密生度が前記第２所定値以下であれば前記回転速度が前記第１速度となり、前記密生度が所定値を超えると前記回転速度が前記第２速度となるように、前記刈り刃を駆動する点にある。

このような特徴構成とすれば、作業環境にあった作業条件を自動で選択し、当該作業条件で作業を行うことができるので、作業ユニットや当該作業ユニットを駆動する駆動装置（例えばモータ等）に過剰な負荷をかけることなく作業を完了することができる。このように本構成によれば、作業環境に拘らず、継続して作業を行うことが可能となる。また、このような構成とすれば、作業対象の状況を適切に把握し、正確な作業対象情報を取得することが可能となる。

また、前記作業車両は、前記車体に搭載され、前記作業を行う作業地における前記芝の状況を撮像した撮像画像を取得する作業地撮像画像取得部と、前記撮像画像に含まれる前記芝の状況としての前記草丈と前記密生度との少なくとも一方に基づいて、前記作業が行われた領域か否かを判定する判定部と、を更に備え、前記駆動部は、前記作業が行われた領域であると判定された場合は前記作業を行わず、前記作業が行われていない領域であると判定された場合は前記作業の負荷と前記駆動条件との関係に基づいて前記刈り刃を駆動すると好適である。

このような構成とすれば、作業が行われた領域か否かを判定し、その判定結果で作業ユニットを駆動するので、作業地の状況に応じた作業ユニットの駆動を行うことができる。したがって、作業忘れを防止しつつ、効率良く作業を行うことが可能となる。

作業車両の側面図である。作業車両の平面図である。作業車両の要部の構成を模式的に示したブロック図である。記憶部に記憶される作業条件を示した図である。

本発明に係る作業車両は、作業環境に拘らず、継続して作業を行うことができるように構成されている。作業車両は、自律走行しながら作業を行うが、以下では、作業車両が行う作業として、芝刈り作業を例に挙げて説明する。ここで、本実施形態に係る「自律走行」とは、作業車両に搭載されるデバイスの出力（例えばセンサの出力やカメラによる撮像画像等）に基づいて設定された走行経路に沿って、物体（例えば障害物等）を避けながら走行することを言う。このような作業車両は、所謂自律型ロボットに相当する。

図１には、本実施形態に係る作業車両１の側面図が示され、図２には、作業車両１の平面図が示される。図１及び図２に示されるように、作業車両１は、車輪２と機体３とを備えて構成される。車輪２は、車体の車長方向の一端側の第１車輪２Ａ（駆動輪ユニットの一例）、及び車長方向の他端側の第２車輪２Ｂから構成される。第１車輪２Ａ及び第２車輪２Ｂは、夫々、車体の幅方向に沿って左右一対で設けられる。本実施形態では、第１車輪２Ａが作業車両１の進行方向後側に設けられる駆動輪且つ操舵輪として構成され、後述する走行制御装置１０によって駆動される。第２車輪２Ｂは作業車両１の進行方向前側に設けられる所謂キャスター輪として構成される。したがって、第１車輪２Ａの左右の車輪が等速で同一方向に回転している場合には直進走行を行い、第１車輪２Ａの左右の車輪が互いに異なる速度で同一方向に回転している場合には、第１車輪２Ａの左右の車輪のうち速度が遅い側に操舵されている状態となる。更には、第１車輪２Ａの左右の車輪が等速で互いに異なる方向に回転している場合には、作業車両１はその場で回転することが可能となる。なお、第１車輪２Ａ及び第２車輪２Ｂは車体の幅方向に沿って左右一対で設けられるとして説明したが、これは一例であり、例えば車体の大きさに応じて、第１車輪２Ａ及び第２車輪２Ｂの夫々の数が異なるように構成することも可能であるし、夫々１つ或いは３つ以上で構成することも可能である。

機体３には、第１車輪２Ａの動力源である一対のモータ４、モータ４及び作業車両１が有する電気機器に電力供給する電力が蓄電されるバッテリ５、作業車両１の走行を制御する走行制御装置１０、バッテリ５から供給される電力に基づき駆動され、芝刈りに使用する刈り刃５４を有する芝刈装置５３（作業ユニットの一例）を駆動するモータ６を備えている。

また、機体３には、ＧＮＳＳモジュールとして構成されている衛星測位モジュール９９が設けられている。この衛星測位モジュール９９は、ＧＰＳ信号やＧＮＳＳ信号（本実施形態では「ＧＰＳ信号」とする）を受信するための衛星用アンテナを有している。なお、衛星測位モジュール９９には、衛星航法を補完するために、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含めることができる。もちろん、慣性航法モジュールは、衛星測位モジュール９９とは別の場所に設けてもよい。衛星測位モジュール９９により取得されたＧＰＳ信号は、上述した作業車両１の自律走行に利用される。

図３は、本実施形態の作業車両１の要部の構成を模式的に示したブロック図である。作業車両１は、上述した機能部に加えて、作業対象情報取得部２１、接触センサ２２、撮像画像取得部２３、負荷算定部２４、記憶部２５、駆動部２６、作業地撮像画像取得部２７、判定部２８の各機能部も備えて構成され、各機能部は、作業車両１が継続して作業を行えるようにＣＰＵを中核部材としてハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。なお、図３には、上述した芝刈装置５３も示される。

作業対象情報取得部２１は、車体に搭載され、作業対象の情報を示す作業対象情報を取得する。「車体に搭載され」とは、作業車両１の機体３に搭載されることを意味する。作業対象の情報とは、本実施形態では芝刈り作業の対象となる芝の情報であり、例えば芝の草丈や芝の密生度が相当する。本実施形態では、このような芝の草丈や芝の密生度を示す情報は作業対象情報として取り扱われ、作業対象情報取得部２１は作業対象情報を取得する。

接触センサ２２は、車体に搭載され、作業対象に接触して作業対象の状況を検出する。接触センサ２２により検出される作業対象の状況とは、本実施形態では刈り取り対象の芝の草丈や芝の密生度が相当する。接触センサ２２は、芝を押し倒した際の反力を測定し、芝の草丈や芝の密生度を検出する。ここで、芝の草丈や芝の密生度は、作業車両１の車輪２に踏みつけられることで適切に算定することができなくなる可能性がある。そこで、適切に算定することができるように、本実施形態では接触センサ２２は、作業車両１の進行方向前側に設けられた第２車輪２Ｂの更に進行方向前側に設けられる。したがって、接触センサ２２は、作業車両１の進行方向前側に設けられた第２車輪２Ｂよりも更に進行方向前側に設けられ、刈り取り対象の芝に接触して芝の草丈や芝の密生度を検出する。接触センサ２２の検出結果は上述した作業対象情報取得部２１に伝達される。この接触センサ２２の検出結果に基づいて、作業対象情報取得部２１は芝の草丈や芝の密生度を示す情報を含む作業対象情報を取得することが可能となる。

撮像画像取得部２３は、車体に搭載され、作業対象の状況を撮像した撮像画像を取得する。撮像画像取得部２３により検出される作業対象の状況とは、本実施形態では刈り取り対象のや芝の草丈や芝の密生度が相当する。撮像画像取得部２３は、芝刈り作業を行う作業地をカメラ６０で撮影して取得された撮像画像を取得する。ここで、撮像画像は、作業車両１の走行方向前方の作業地が含まれるように撮像したものであると好適である。そこで、当該作業地を適切に撮像できるように、本実施形態ではカメラ６０が、図１に示されるように、作業車両１の進行方向前方側を向けて設けられる。撮像画像取得部２３により取得された撮像画像は、上述した作業対象情報取得部２１に伝達される。この撮像画像取得部２３により取得された撮像画像に基づいて、作業対象情報取得部２１は芝の草丈や芝の密生度を示す情報を含む作業対象情報を取得することが可能となる。

負荷算定部２４は、作業対象情報に基づいて、作業の負荷を算定する。作業対象情報は、上述した作業対象情報取得部２１から伝達される。作業の負荷とは、予め設定された負荷の強度毎に、何段階かに分けて設定しておくと好適である。具体的には、図４に示されるように、例えば芝の草丈が所定値（第１所定値）以下であり、密生度が所定値（第２所定値）以下である場合には、芝刈り作業の負荷は軽いと言えることからレベル１に該当し、刈り込む高さを所定の第１高さとし、刈り刃５４の回転速度を第１速度とする。また、例えば芝の草丈が所定値（第１所定値）を超えるが、密生度が所定値（第２所定値）以下である場合には、芝刈り作業の負荷はやや軽いと言えることからレベル２に該当し、刈り込む高さを前記第１高さよりも高い第２高さとし、刈り刃５４の回転速度を第１速度とする。また、例えば芝の草丈が所定値（第１所定値）以下であるが、密生度が所定値（第２所定値）を超える場合には、芝刈り作業の負荷はやや重いと言えることからレベル３に該当し、刈り込む高さを前記第１高さとし、刈り刃５４の回転速度を前記第１速度よりも遅い第２速度とする。更に、例えば芝の草丈が所定値（第１所定値）を超え、密生度が所定値（第２所定値）を超える場合には、芝刈り作業の負荷は重いと言えることからレベル４に該当し、刈り込む高さを第２高さとし、刈り刃５４の回転速度を第２速度とする。負荷算定部２４はこのように芝刈り作業の負荷を算定する。この算定結果は、後述する駆動部２６に伝達される。

記憶部２５には、作業の負荷毎に、芝刈装置５３の駆動条件を予め記憶されている。作業の負荷毎とは、負荷の強度毎であり、本実施形態では上述したように、芝刈りの負荷は、レベル１からレベル４までの４段階で区分けされている。芝刈装置５３の駆動条件とは、作業速度や刈り込む高さをいう。作業速度とは、芝刈装置５３の刈り刃５４の回転速度に相当する。刈り込む高さとは、刈り刃５４の作業面からの高さに相当する。記憶部２５には、芝刈りの負荷に応じて４段階で、芝刈り作業の作業速度や刈り込む高さが記憶されている。

駆動部２６は、負荷算定部２４により算定された負荷に応じて記憶部２５に記憶された駆動条件を抽出し、抽出した当該駆動条件に基づいて芝刈装置５３を駆動する。「負荷算定部２４により算定された負荷」とは、上述したように負荷算定部２４により算定された芝刈り作業の負荷である。駆動部２６は、負荷算定部２４から伝達された算定結果に応じて、記憶部２５に記憶された芝刈装置５３の駆動条件を抽出する。更に、駆動部２６は、このような算定結果に応じた駆動条件で、芝刈装置５３を駆動する。これにより、モータ６に過剰な負荷が作用することを防止できるので、芝刈り作業を継続して行うことが可能となる。

また、本実施形態では、車体に、作業を行う作業地の状況を撮像した撮像画像を取得する作業地撮像画像取得部２７が搭載されている。ここで、作業車両１は、作業地において自律走行を行いつつ、芝刈り作業を行う。このため、走行経路は走行しながら設定される。この際、一旦、刈り込み作業を行った領域を再度、走行すると作業時間が長くなるだけでなく、走行に係る電力消費量も増加し、効率的でない。ここで、作業地の状況とは、芝刈り作業の有無の状況である。そこで、作業地撮像画像取得部２７は、作業地において芝刈り作業の有無の状況を撮像したカメラ６０による撮像画像を取得する。作業地撮像画像取得部２７により取得された撮像画像は、後述する判定部２８に伝達される。

判定部２８は、作業地撮像画像取得部２７により取得された撮像画像に基づいて、作業が行われた領域か否かを判定する。判定部２８には、上述した作業地撮像画像取得部２７により取得された撮像画像が伝達され、判定部２８は当該撮像画像に対して画像認識処理を施し、撮像画像に含まれる作業地が、芝刈り作業が行われた領域であるか否かを判定する。また、芝刈り作業が行われていない領域である場合には、芝の草丈と、密生度とを判定することも可能である。判定部２８の判定結果は、上述した駆動部２６に伝達される。

駆動部２６は、上述したように、負荷算定部２４から伝達された算定結果に応じて、記憶部２５に記憶された芝刈装置５３の駆動条件を抽出し、当該算定結果に応じた駆動条件で芝刈装置５３を駆動するが、判定部２８からの判定結果も用いて芝刈装置５３を駆動する。これにより、芝刈り作業を行う作業地において、一旦、芝刈り作業を行った区画を再度、走行しないように制御したり、当該区画においては芝刈装置５３を停止したりすることで、効率良く芝刈り作業を行うことが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、作業車両１は、接触センサ２２及び撮像画像取得部２３を備えているとして説明したが、作業車両１は、接触センサ２２及び撮像画像取得部２３の一方のみを備えるように構成しても良いし、接触センサ２２及び撮像画像取得部２３の双方を備えずに構成することも可能である。

上記実施形態では、作業車両１は作業地撮像画像取得部２７及び判定部２８を備えて構成されるとして説明したが、作業車両１は作業地撮像画像取得部２７及び判定部２８を備えずに構成することも可能である。

上記実施形態では、記憶部２５に記憶される作業条件がレベル１からレベル４の４段階に区分され、夫々刈り込む高さと刈り刃５４の回転速度とが規定されるとして説明したが、作業条件の区分けは３段階以下でも良いし、５段階以上で行っても良い。また、刈り込む高さと刈り刃５４の回転速度とは、夫々、互いに異なるように規定することも当然に可能である。

上記実施形態では、作業が芝刈り作業であるとして説明したが、他の作業であっても良い。

本発明は、自律走行しながら作業を行う作業車両に用いることが可能である。

１：作業車両
２１：作業対象情報取得部
２２：接触センサ
２３：撮像画像取得部
２４：負荷算定部
２５：記憶部
２６：駆動部
２７：作業地撮像画像取得部
２８：判定部
５３：芝刈装置（作業ユニット）

Claims

自律走行しながら作業を行う作業車両であって、
車体に搭載され、刈り刃を有する芝刈装置と、
前記車体に搭載され、作業対象である芝の状況を撮像した撮像画像を取得する撮像画像取得部と、
前記車体に搭載され、前記撮像画像に含まれる前記芝の状況として前記芝の草丈と前記芝の密生度との少なくとも一方を取得する作業対象情報取得部と、
前記草丈と前記密生度との少なくとも一方に基づいて、前記作業の負荷を算定する負荷算定部と、
前記作業の負荷毎に、前記刈り刃の駆動条件を予め記憶しておく記憶部と、
前記負荷算定部により算定された負荷に応じて前記記憶部に記憶された駆動条件を抽出し、抽出した当該駆動条件に基づいて前記刈り刃を駆動する駆動部と、を備え、
前記記憶部に記憶された前記駆動条件に、前記芝を刈り込む高さとしての第１高さと、前記第１高さよりも高い第２高さと、前記刈り刃の回転速度としての第１速度と、前記第１速度よりも低速の第２速度と、が含まれ、
前記負荷算定部は、前記作業の負荷の強度を段階分けする値として第１所定値及び第２所定値を算定し、
前記駆動部は、前記草丈が前記第１所定値以下であれば前記芝を刈り込む高さが前記第１高さとなり、前記草丈が前記第１所定値を超えると前記芝を刈り込む高さが前記第２高さとなり、前記密生度が前記第２所定値以下であれば前記回転速度が前記第１速度となり、前記密生度が所定値を超えると前記回転速度が前記第２速度となるように、前記刈り刃を駆動する作業車両。
自律走行しながら作業を行う作業車両であって、
車体に搭載され、刈り刃を有する芝刈装置と、
前記車体に搭載され、作業対象である芝に接触して前記芝の状況を検出する接触センサと、
前記車体に搭載され、前記接触センサの検出結果に含まれる前記芝の状況として前記芝の草丈と前記芝の密生度との少なくとも一方を取得する作業対象情報取得部と、
前記草丈と前記密生度との少なくとも一方に基づいて、前記作業の負荷を算定する負荷算定部と、
前記作業の負荷毎に、前記刈り刃の駆動条件を予め記憶しておく記憶部と、
前記負荷算定部により算定された負荷に応じて前記記憶部に記憶された駆動条件を抽出し、抽出した当該駆動条件に基づいて前記刈り刃を駆動する駆動部と、を備え、
前記記憶部に記憶された前記駆動条件に、前記芝を刈り込む高さとしての第１高さと、前記第１高さよりも高い第２高さと、前記刈り刃の回転速度としての第１速度と、前記第１速度よりも低速の第２速度と、が含まれ、
前記負荷算定部は、前記作業の負荷の強度を段階分けする値として第１所定値及び第２所定値を算定し、
前記駆動部は、前記草丈が前記第１所定値以下であれば前記芝を刈り込む高さが前記第１高さとなり、前記草丈が前記第１所定値を超えると前記芝を刈り込む高さが前記第２高さとなり、前記密生度が前記第２所定値以下であれば前記回転速度が前記第１速度となり、前記密生度が所定値を超えると前記回転速度が前記第２速度となるように、前記刈り刃を駆動する作業車両。
前記車体に搭載され、前記作業を行う作業地における前記芝の状況を撮像した撮像画像を取得する作業地撮像画像取得部と、
前記撮像画像に含まれる前記芝の状況としての前記草丈と前記密生度との少なくとも一方に基づいて、前記作業が行われた領域か否かを判定する判定部と、を更に備え、
前記駆動部は、前記作業が行われた領域であると判定された場合は前記作業を行わず、前記作業が行われていない領域であると判定された場合は前記作業の負荷と前記駆動条件との関係に基づいて前記刈り刃を駆動する請求項１または２に記載の作業車両。