| 【発明の名称】 |
農作業機における姿勢制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】岡田 悟
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| 【要約】 |
【課題】農作業機における苗植装置１０等の作業機のローリング制御やピッチング制御等の姿勢制御を実行する際して、制御の応答性を向上させると共に、走行機体１に搭載されたエンジン８の振動やエンジン８に付随する電気機器から発生する磁気の悪影響を受け難くして、センサが誤作動するのを防止する。
【解決手段】前部にエンジン８を搭載した走行機体１の後部側に角速度センサ５８を設け、走行機体１の後部側に連結した苗植装置１０側に傾斜角度センサ５１を設ける。角速度センサ５８の検出値が０もしくはその近傍の所定値以内にあるとき、傾斜角度センサ５１の検出値に応じ、且つ緩やかな作動による姿勢制御を実行する一方、角速度センサ５８の検出値が前記所定値の範囲外にあるときには、角速度センサ５８の検出値を優先的に考慮して姿勢制御を実行するような制御手段を備える。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 前部にエンジンを搭載した走行機体の後部に作業機を左右回動可能又は／及び前後回動可能に装着し、作業機に当該作業機の姿勢の変動程度を検出するための、傾斜角度センサを設ける一方、走行機体の後部側には、当該機体の傾斜速度を検出するための角速度センサを配置し、これら２つのセンサの検出値に応じてアクチェータにて前記作業機の姿勢制御を実行するように構成したことを特徴とする農作業機における姿勢制御装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圃場に苗を植付けする田植機等の農作業機における苗植装置等の作業機の左右水平姿勢を保持（ローリング姿勢制御）したり、この作業機の前後水平姿勢を保持（ピッチング姿勢制御）するための姿勢制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、乗用型田植機により圃場に苗を植付ける場合、走行機体の前部または後部に苗植装置を左右回動及び前後回動可能に装着し、苗植装置には、その進行方向左右に適宜間隔で植付機構を設け、田植機の進行につれて上下回動する植付機構にて苗植装置における苗載台の苗マットを適宜株数ごとに分割しながら圃場面に植付けるように構成することは、例えば、先行技術の特開平２−１３５０１５号公報や特公昭５７−２７６８２号公報に開示されており、この特開平２−１３５０１５号公報では、苗植装置の左右水平姿勢を保持する制御（ローリング制御）の際の検出手段として、苗植装置とその下方のフロートとの間に設けた接地圧センサの検出信号を利用することが開示されている。
【０００３】また特公昭５７−２７６８２号公報では、苗植装置の前後傾動姿勢を無くするように略水平状に姿勢保持しようとする姿勢制御（ピッチング制御）に際して、水平線または鉛直線に対する被測定物の傾き角度を検出するための傾斜角度センサの検出信号を利用することが開示されている。しかしながら、この種の傾斜角度センサだけでは、苗植装置の姿勢変動程度を的確に把握できず、姿勢制御に遅れが生じる等の不都合があるため、本出願人は、先に、特願平２−２２３３７６号（特開平４−１０４７１３号公報）において、苗植装置に、その傾きの速度を検出することができる角速度センサと、傾斜角度センサとを設けることを提案した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この苗植装置のローリング制御（左右傾斜姿勢制御）の場合について考察すると、苗植装置はリンク機構等の連結機構を介して走行機体に左右回動可能に連結されており、走行機体の車輪等の走行装置が圃場の耕盤に接地し、苗植装置は前記耕盤上の泥面に浮いているから、通常左右重量バランスのとれた苗植装置は泥面に対して左右方向に傾斜しないで水平状の姿勢をとる。
【０００５】そして、苗植装置は走行機体に牽引されたり、押し進められたりして前進するとき、走行機体の車輪等が凹凸のある耕盤に乗り上げ、または落ち込むと、走行機体がまず左右に傾斜し、次いで前記連結機構を介して苗植装置の左右傾斜姿勢が変わる。この変動した姿勢を元の水平姿勢に復元するように前記連結機構と苗植装置との間に設けた油圧シリンダ等の駆動手段にて姿勢調節するのである。
【０００６】この場合、前記先行技術のように、角速度センサ５８と傾斜角度センサとを、同じ被測定物であり、且つ姿勢制御対象物である苗植装置に装着すると、次のような理由から制御アルゴリズム（制御規則）が複雑になるのである。即ち、水平線に対して苗植装置の左右傾斜角度が大きくなる状態を傾斜角度センサで検出する、つまり傾斜角度センサの検出値は、苗植装置の水平状態に対して「０」で傾斜角度が大きくなるにつれて、検出値が正の値で大（右下傾斜）、負の値で大（左下傾斜）のようになる。
【０００７】他方、苗植装置は左右水平状態を振動の中心として左右揺動し、しかも、左右水平状態を維持するように姿勢制御されるので、当該苗植装置の角速度は、水平状態のとき、および左右に傾いたのち反対方向に揺り戻す反転時に「０」となり、これらの中間状態で角速度が大きい値（例えば右下向き運動状態を正の値、左下向き運動状態を負の値とする）をとる。
【０００８】しかも、前記復元しようとする苗植装置の動きに応じて角速度センサでその復元時の角速度も検出するのであるから、角速度センサの検出値の結果だけでは、それが圃場の耕盤の凹凸によるものであるか、復元するときのものであるかの判別は不可能である。なお、傾斜角度センサでは、水平状態に対する傾き角度として検出値は一義的に決定でき、通常、その検出値を制御系のフィードバック量として利用することができるが、前記角速度の検出値はフィードバック量となり得ない。
【０００９】従って、前記傾斜角度の大小に対して角速度の大小の影響を考慮するため、この２つの検出値の大小の組合せで、前記制御アルゴリズム（制御規則）を決めなければならず、これを解決するにはファジィ推論のようなものを採用しなければならなくなる。また、前述のように、走行機体が左右に傾いた後に連結機構を介して苗植装置が左右に傾斜し、その後走行機体が水平状態に復元しているのに苗植装置は傾斜状態から復帰していない等、左右傾斜の原因となる部分と、姿勢制御すべき対象との間に時間的ずれがあり、しかも、角速度は前記左右傾斜の原因となる部分の運動状態の傾向を検出するのに適している。換言すると、被測定物であり、且つ姿勢制御対象物である苗植装置に角速度センサを装着してその結果を知っても時間的ずれが解消されないという問題があった。
【００１０】さらに、前記傾斜角度センサと角速度センサとでは検出特性としての応答性に著しい差がある。即ち、角速度センサでは、被測定物の傾き速度を検出するのであるから、その応答性は数ミリ秒単位であり、その応答性が遅いときには、瞬時の変位速度が測定できず、角速度センサとして役に立たない。これに対して傾斜角度センサでは、あまりに微小な傾斜変位を検出できるとすると、その検出値に応じて姿勢制御する場合、却ってハンチング現象などを起こすおそれがあるので、その応答性は、通常数百ミリ秒単位としている。
【００１１】このように、応答性が著しく異なる２種類のセンサからの信号を、同一時間の情報として、制御手段により同時に処理すると、次のような不都合が生じる。即ち、前述のように、傾斜角度センサによる検出応答性は角速度センサによるものに比べて遅いので、両者の検出値を同時期のものと仮定したことによる矛盾による食い違いが顕著になり、制御の演算結果が実体とかけ離れて信頼性が無くなるのである。
【００１２】このような問題は、田植機ばかりでなく、圃場を耕す場合のトラクタと、これに牽引される耕耘装置（作業機）においても発生するものである。そこで、本発明では、この種の農作業機における前記問題を解決して制御精度を向上させることを目的とするものである。また、農作業機に動力源としてのエンジンを搭載すると、その駆動により走行機体が振動したり、エンジンの作動に必要なオルタネータやセルモータ等の付随的な電気機器から発生する磁気により、角速度センサや傾斜角度センサが悪影響を受け易いという問題があった。本発明はこれらの問題を解決することも目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するため、本発明の農作業機における姿勢制御装置は、前部にエンジンを搭載した走行機体の後部に作業機を左右回動可能又は／及び前後回動可能に装着し、作業機に当該作業機の姿勢の変動程度を検出するための、傾斜角度センサを設ける一方、走行機体の後部側には、当該機体の傾斜速度を検出するための角速度センサを配置し、これら２つのセンサの検出値に応じてアクチェータにて前記作業機の姿勢制御を実行するように構成したものである。
【００１４】
【発明の作用及び効果】このような構成にすると、前述のように、走行機体が左右等に傾いた後に連結機構を介して苗植装置などの作業機が左右（前後）に傾斜し、その後走行機体が水平状態に復元しているのに苗植装置は傾斜状態から復帰していない等、左右傾斜または前後傾斜の原因となる部分と、姿勢制御すべき対象との間に時間的ずれがある制御に対しては、作業機の傾斜の原因となる側である走行機体側に、検出値の変動の激しい角速度センサを設けることで、いち早く作業機の姿勢制御のための検出値を得ることができる。
【００１５】また、制御対象物である作業機にはその傾斜状態を検出するための傾斜角度センサを設ける一方、角速度センサを走行機体側に設けることで、前記左右（前後）傾斜の原因となる部分の運動状態の傾向を検出し、制御対象物である作業機の姿勢復元時の運動状態を検出しないというように、検出対象を別にすることで、姿勢制御のアルゴリズムを簡単にすることができる。
【００１６】しかも、本発明では、前部にエンジンを搭載した走行機体における後部側に角速度センサを配置し、さらに走行機体の後部に連結した作業機に傾斜角度センサを設けたもので、傾斜角度センサは言うに及ばず角速度センサもエンジンの位置からできるかぎり離間して配置できるから、傾斜角度センサ及び角速度センサが、エンジンの振動や、エンジンに付随するオルタネータやセルモータ等の電気機器からの磁気の悪影響を受け難くできる結果、角速度センサや傾斜角度センサが誤作動することを確実に防止できる。従って、姿勢制御の精度が向上して円滑な制御を実現できる効果を有するのである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、田植機に適用した実施形態について説明すると、図において１は走行機体を示し、該走行機体１は、車体フレーム２とその前部側に取付く前車輪３，３と後部側に上下回動自在なスイングケース４，４を介して取付く後車輪５，５とからなり、車体フレーム２の上面には操縦座席６と操縦ハンドル７とを備え、車体フレーム２前部上面のエンジン８の駆動力を、動力伝達部ケース９内の変速機構およびスイングケース４，４を介して後車輪５を駆動する構成である。
【００１８】前記走行機体１の後部に平行リンク機構１１を介して上下動自在に取付く苗植装置１０は、中央伝動ケース１２と、この中央伝動ケース１２の左右両側に、伝動軸を内挿した連結パイプ１２ａを介して適宜間隔で取付く植付伝動ケース１４，１４と、上端が走行機体に近付くように傾斜配設する横往復動自在な苗載台１５とからなり、左右両植付伝動ケース１４の後部左右両側には、苗載台１５下端の苗取り出し口と圃場面１７との間で植え付け爪が昇降する苗植付機構１６が設けられている。
【００１９】また、平行リンク機構１１を走行機体１側の油圧シリンダ１３にて大きく昇降駆動する。前記平行リンク機構１１は、トップリンク１８と左右一対のロワーリンク１９，１９とから成り、トップリンク１８の基端は車体フレーム２に立設する門型フレームにピン枢着され、トップリンク１８，ロワーリンク１９，１９の各先端が取付く門型支柱２０は、苗植装置１０におけるヒッチ部２１のローリング軸２２と回動自在に連結されて、苗植装置１０は、その下面のフロート１０ａが圃場面を滑走するように、ローリング軸２２を中心にして走行機体１の左右に上下回動（ローリング）できる構成である。
【００２０】左右両植付伝動ケース１４，１４に突出するガイド部２３，２３に苗載台１５の裏面下端のレール２４に摺動自在に被嵌する一方、苗載台１５の裏面上部側の案内レール２５は前記左右両植付伝動ケース１４，１４から突設した一対の支柱２６，２６上端のコロ部２７，２７にそれぞれ摺動自在に被嵌する。前記門型支柱２０に取付くブラケット２８には、ローリング制御用アクチェータである横往復型の油圧シリンダ２９を固定し、該油圧シリンダ２９における左右移動自在なピストンロッド３０の両端を前記左右一対の支柱２６，２６に取付く連結杆３２に自在継手部３１を介して回動自在に装着してある。
【００２１】前記エンジン８からの動力は、主クラッチ３３を介して動力伝達部ケース９内の変速機構に伝達し、後車輪５を駆動する一方、ＰＴＯ軸３４を介して苗植装置１０に伝達される。なお、符号３５は主クラッチ３３のオンオフ用アクチェータ、３６は走行変速用アクチェータ、３７は走行クラッチ用アクチェータである。
【００２２】前記操縦ハンドル７に関連したステアリングギアボックス３８から突出する前後揺動自在なアーム３９の回動にて操作できる制御弁４０は、油圧回路４１における油圧シリンダ４２を作動させるもので、この首振り自在な油圧シリンダ４２に連結したステアリング機構４３におけるステアリングアーム４４は、回動支点４５廻りに回動自在であり、該ステアリングアーム４４に連結する一対のタイロッド４６，４６にて前車輪３，３の向きを変更して操向操作できる機構であり、油圧回路４１におけるもう一つの電磁ソレノイド制御弁４７は自動操向制御用であり、符号４８は前記ローリング（水平姿勢）制御用の電磁ソレノイド制御弁である。
【００２３】また符号４９は走行機体の操向角度を検出するために前記回動支点４５箇所に設けたポテンショメータ等からなるステアリングセンサで、該ステアリングセンサ４９の出力信号を、後述するマイクロコンピュータ等の電子制御式の制御手段６９に入力する。符号５１は、苗植装置１０等の作業機の圃場面に対する左右傾斜角度を検出するため、苗植装置１０の適宜箇所に設けた傾斜角度センサで、該傾斜角度センサ５１は、図６に示すように、ケース５２内に軸５３を中心に回動自在な振子５４付きの可動コイル５５を設けると共に、Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２からなるブリッジ回路と、発光素子であるＬＥＤ１と、ＬＥＤ２、及び受光素子ＰＴ１，ＰＴ２の左右一対のフオトカプラと外部電源Ｅとからなる。
【００２４】傾斜角度センサ５１が水平状態では受光素子ＰＴ１，ＰＴ２の受光量が等しくブリッジ回路はバランスしている。傾斜角度（θ１）傾斜すると、振子５４は重力方向（鉛直方向）になるように残り、光遮断板５４ａにて一方の受光素子ＰＴ１の受光は遮断され、他方の受光素子ＰＴ２は光を受けてＯＮとなり、ブリッジ回路のバランスが崩れて電流が可動コイル５５に流れ、その電流により可動コイル５５に生じる回転トルクと振子５４の重量によるモーメントが平衡したところ（θ２）で当該振子５４が停止し、そのときの電流値（Ｉ）が出力信号となり、これは傾斜角度（θ１）に比例するものである（図６参照）。
【００２５】図７に示す符号５８は、音叉振動型（ピエゾジャイロ型）の角速度センサで、該角速度センサ５８は走行機体１の適宜箇所、例えば、操縦座席６の下方など走行機体１の左右中心位置等に設ける。実施例では、図１及び図２に示すように、操縦座席６の下方であって、車体フレーム２の後部側のうち、前記操縦座席６を支持する部分の平板２ａ上に角速度センサ５８が固定されている。従って、角速度センサ５８は、走行機体１の前部に搭載されたエンジン８の箇所からできるかぎり離間した位置に配置できる結果、エンジン８の駆動により走行機体１が振動したり、エンジン８の作動に必要なオルタネータやセルモータ等の付随的な電気機器から発生する磁気による悪影響を受け難くできるので、角速度センサ５８や傾斜角度センサ５１が誤作動することを確実に防止できるのである。
【００２６】次に角速度センサ５８の構造について説明すると、圧電バイモルフからなる駆動素子５９とモニタ素子６０との底部を連結ブロック６１で連結する一方、前記駆動素子５９とモニタ素子６０とに、同じく圧電バイモルフからなる検知素子６２，６３を各々直交結合して音叉構造を形成したもので、駆動素子５９にのみ電圧を印加して振動させると、連結ブロック６１を介してモニタ素子６０が振動する。モニタ素子６０の振動振幅・位相をモニタすることで印加電圧を制御するという振動帰還制御方式にて駆動振動の周波数の安定を図る。
【００２７】そして、この安定状態で、角速度センサ５８に図７のセンサ軸６４回りに角速度ωの回転運動があると、検知素子６２，６３の振動方向（Ｘ−Ｘ方向）と直角の方向にコリオリの力Fcが生じる。このコリオリの力により撓みを生じた駆動素子５９とモニタ素子６０側の各々検知素子６２，６３からその撓みに応じた電圧を検出できるから、これにより角速度を検出することができるのである。
【００２８】符号６６、６７は、前記各センサ５１、５８に対応させて設けた増幅回路付きのＡ／Ｄ変換器である。図３に示す制御手段６９は、８ビットの１チップマイクロプロセッサ等からなるマイクロコンピュータであって、姿勢制御のためのプログラム制御を実行するものであり、各種演算を実行する中央処理装置（ＣＰＵ）と、初期値や制御プログラムを予め記憶する読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）と、入力信号等をそのつど記憶し演算時に出すことのできる読み書き可能メモリ（ＲＡＭ）と、入出力部に接続するインターフェイス等を備えている。
【００２９】インターフェイスの入力部には、前記各センサ５１、５８からの出力信号、および、走行クラッチの切り替え作動に連動したクラッチスイッチ７０の信号を入力する。走行クラッチ用アクチェータ３７の操作に応じて作動するクラッチスイッチ７０の出力信号は、走行クラッチが切り（走行停止）のときＯＮとなり、走行クラッチが入り（走行中）は、ＯＦＦ信号を出す。
【００３０】インターフェイスの出力部には、前記操舵操作のための油圧シリンダを駆動する制御弁４７の電磁ソレノイド７１，７２のほか、ローリング制御のための制御弁４８に対する電磁ソレノイド７３，７４を接続する。次に、姿勢制御用センサである傾斜角度センサ５１及び角速度センサ５８によるローリング姿勢制御に関する制御装置とその制御方法について述べる。
【００３１】制御装置は、前記マイクロコンピュータ等の制御手段６９を使用するものであり、マイクロコンピュータでのプログラムによる、ソフト的制御方法を採用する。まず、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）には、予め次に示す〔表１〕及び〔表２〕のテーブルを記憶させ、傾斜角度センサ５１の検出値と、角速度センサ５８の検出値との組合せから、〔表１〕に基づいて油圧シリンダ２９の制御弁４８へのパルス駆動のための駆動指令信号Ｓの値を演算（検索）し、求められたＳの値により〔表２〕のような油圧シリンダ２９のピストンロッド３０が移動するように制御するのである。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】前記〔表１〕は、傾斜角度の検出値と、角速度の検出値との組合せに対するローリング制御のための油圧シリンダ２９の制御弁４８への駆動指令信号Ｓの関係を示すテーブルで、駆動指令信号Ｓの値（−７〜０〜＋７）は、その数値が大きくなるにつれて油圧シリンダの駆動速度が大きくなり、また正負の符号のうち正は、苗植装置１０を走行機体の進行方向を向いて右下げ方向に回動（姿勢修正）させる場合を示し、負符号（−、マイナス）は反対に苗植装置１０を走行機体の進行方向を向いて左下げ方向に回動（姿勢修正）させる場合を示す。〔表２〕は前記駆動指令信号Ｓと、前記実施例の箇所に設けた油圧シリンダ２９のピストンロッド３０の移動速度との関係を示すテーブルで、油圧シリンダ２９の取り付け箇所（苗植装置１０のローリング回動中心からの距離）に応じて前記移動速度の大きさを設定する。
【００３５】〔表１〕におけるグレードは、各センサの入力値（検出値）に対応して割当られるもので、傾斜角度センサ５１に対するグレードθの１段階は0.22度であり、角速度センサ５８に対するグレードＶの１段階は 0.8度/ 秒である。そして、傾斜角度センサ５１の検出値の中央値（水平状態）はグレード５のときであり、そのグレードθ値が大きくなれば（進行方向に向いて）右下りの傾斜角度が大きくなり、グレードθ値が小さくなれば（進行方向に向いて）左下りの傾斜角度が大きくなることを示す。角速度センサ５８の検出値の中央値（角速度零、静止状態のとき）はグレードＶ値は８であり、進行方向に向いて反時計廻り方向の角速度のときグレードＶ値は８より小さい値で、その方向の角速度の検出値が大きくなるに従ってグレードＶ値が小さくなる。反対に、進行方向に向いて時計廻り方向の角速度のときグレードＶ値が８より大きい値で、その方向の角速度の検出値が大きくなるに従ってグレードＶ値が大きくなる。
【００３６】この〔表１〕から理解できるように、角速度に対応するグレードＶ値が（６）、７、８、９、（１０）程度、即ち、前記角速度センサの検出値が零もしくはその近傍の所定値以内にあるときであって、傾斜角度に対応するグレードθ値が１〜９の範囲のときには、駆動指令信号Ｓの値を「０」（静止）と設定する。これは、走行機体１の左右傾斜運動がないか、極めて遅い角速度で左右傾斜運動している状態のときには、苗植装置１０がある程度左右に傾斜していてもその傾斜状態を強制的に修正しない方が、かえって姿勢修正センサの安定性が向上するからである。
【００３７】そして、前記角速度に対応するグレードＶ値が７、８（反時計方向の角速度が零か小さい値）であって、傾斜角度に対応するグレードθ値が０（左下り程度が大きい）のときには、極めて遅い速度で苗植装置を左上げ方向に姿勢修正する。同様に前記角速度に対応するグレードＶ値が８、９（時計方向の角速度が零か小さい値）であって、傾斜角度に対応するグレードθ値が１０（右下り程度が大きい）のときには、極めて遅い速度で苗植装置を右上げ方向に姿勢修正する。このように、前記傾斜角度センサの検出値に応じ、且つ緩やかな作動による姿勢制御を実行すると、姿勢修正制御応答性が安定する。
【００３８】また、前記角速度センサの検出値が前記所定値（零か小さい値）の範囲外にあるときには、当該角速度センサの検出値を優先的に考慮して姿勢制御を実行する。例えば、走行機体１が反時計廻りに回動する運動程度が大きくなる（グレードＶ値が６から０へと変化するにつれて、苗植装置１０の左右傾斜の大きさ（傾斜角度に対応するグレードθ値が０〜１０）にはあまり影響されず、前記角速度の大きさ及び方向を優先的に考慮して、姿勢修正する制御を実行するのである。
【００３９】このように、走行機体１が左右に傾く運動程度が大きいときには、この走行機体に回動可能に連結された苗植装置１０自体の傾斜角度よりも、その傾斜の原因となる走行機体の運動程度（角速度の大きさ及び方向）により苗植装置の姿勢を制御したほうが、制御の応答性は安定する。しかも、角速度センサの検出の応答性が傾斜角度センサの検出の応答性よりも格段に早い時には、苗植装置の傾斜の原因となる走行機体に設けた角速度センサの検出結果を利用することで、ますます制御の応答性が安定するのである。
【００４０】なお、前記傾斜センサ、角速度センサを使用して、苗植装置の前後回動姿勢の変動を検出して、ピッチング姿勢制御を実行する場合にも適用できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６８５１
【氏名又は名称】ヤンマー農機株式会社
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| 【出願日】 |
平成３年（１９９１）９月２６日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】石井 暁夫 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１３７０１４ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）５月２５日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２６２９６０ |
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