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【発明の名称】 水田作業機のローリング制御装置
【発明者】 【氏名】吉川 浩司
【住所又は居所】大阪府堺市石津北町６４番地 株式会社クボタ堺製造所内

【氏名】石見 憲一
【住所又は居所】大阪府堺市石津北町６４番地 株式会社クボタ堺製造所内

【氏名】林 繁樹
【住所又は居所】大阪府堺市石津北町６４番地 株式会社クボタ堺製造所内
【要約】 【課題】走行機体に連結された水田作業装置を、優れた応答性および高い精度でローリング制御する。

【解決手段】水田作業装置に左右方向の傾斜角度を検知する角度センサ２７と、左右方向の傾斜角速度を検知する角速度センサ２８とを装備し、角度センサ２７からの検出信号のうちの低周波成分と、角速度センサ２８からの検出信号を積分して得られた傾斜角度のうちの高周波成分とを加算して水田作業装置における左右方向の検出傾斜角度θとする傾斜角度演算手段を備え、算出された検出傾斜角θを目標傾斜角度θ0に近づけるようローリング用の駆動機構を作動制御する制御手段を備えてある。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行機体に水田作業装置を駆動昇降自在かつ駆動ローリング自在に連結し、水田作業装置の左右方向での傾斜角度検出情報に基づいてローリング用の駆動機構を作動制御して、水田作業装置を目標傾斜角度に近づけるよう構成した水田作業機のローリング制御装置であって、
前記水田作業装置に左右方向の傾斜角度を検知する角度センサと、左右方向の傾斜角速度を検知する角速度センサとを装備し、
前記角度センサからの検出信号のうちの低周波成分と、前記角速度センサからの検出信号を積分して得られた傾斜角のうちの高周波成分とを加算して水田作業装置における左右方向の検出傾斜角度とする傾斜角度演算手段を備え、
算出された前記検出傾斜角を前記目標傾斜角度に近づけるようローリング用の前記駆動機構を作動制御する制御手段を備えてある、
ことを特徴とする水田作業機のローリング制御装置。
【請求項２】
前記角度センサからの検出信号をローパスフィルタに通して低周波成分の角度信号を取得し、角速度センサからの検出信号を積分して得られた角度信号をハイパスフィルタに通して高周波成分の角度信号を取得することを特徴とする請求項１記載の水田作業機のローリング制御装置。
【請求項３】
前記水田作業装置が、ローリング用の前記駆動機構にバネを介して連動連結されている請求項１または２記載の水田作業機のローリング制御装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、田植機や水田直播機などの水田作業機に利用されるローリング制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水田作業機に利用されるローリング制御装置としては、水田作業装置を駆動昇降自在かつ駆動ローリング自在に連結し、水田作業装置の傾斜角検出情報に基づいてローリング用の駆動機構を作動制御して、水田作業装置の左右方向の傾斜角を目標傾斜角に安定維持するよう構成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１４６１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の上記ローリング制御装置においては、水田作業装置に装備した角度センサと加速度センサで左右方向の角度と加速度を検知し、これらセンサの検知情報に基づいてファジー制御を実行して水田作業装置の傾斜姿勢の安定化を図っているのであるが、ファジー制御を好適に実行するためには、種々の作業条件に対応したメンバーシップ函数を構築する必要がある。しかし、水田作業における作業条件は極めて広範であり、例えば、水田条件一つ採ってみても、土質、水量、耕盤深さ、耕盤の均平具合、田面の荒れ具合、など水田条件を決める要素は多くがあり、かつ、機体走行の車輪間隔や走行速度がこれらに関係して水田作業装置の傾斜姿勢変化に影響を与えるものであり、多くのテストデータを収集解析した上でメンバーシップ函数を構築する必要があるとともに、機種ごとに異なった特性の制御を行う必要がある。
【０００４】
本発明は、このような点に着目してなされたものであって、合理的な傾斜角度検知に基づいて優れた応答性かつ高い精度で水田作業装置の左右方向での姿勢を安定維持することができるローリング制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、走行機体に水田作業装置を駆動昇降自在かつ駆動ローリング自在に連結し、水田作業装置の左右方向での傾斜角度検出情報に基づいてローリング用の駆動機構を作動制御して、水田作業装置を目標傾斜角度に近づけるよう構成した水田作業機のローリング制御装置であって、
前記水田作業装置に左右方向の傾斜角度を検知する角度センサと、左右方向の傾斜角速度を検知する角速度センサとを装備し、前記角度センサからの検出信号のうちの低周波成分と、前記角速度センサからの検出信号を積分して得られた傾斜角のうちの高周波成分とを加算して水田作業装置における左右方向の検出傾斜角度とする傾斜角度演算手段を備え、算出された前記検出傾斜角を前記目標傾斜角度に近づけるようローリング用の前記駆動機構を作動制御する制御手段を備えてあることを特徴とする。
【０００６】
上記構成によると、角度センサからの検出信号には振動等による外乱が含まれるとともに、慣性の影響で逆方向の信号が出力されることがあるが、これらを含む高周波成分を除去した値が基本的な傾斜角度として取得される。しかし、この低周波成分だけの傾斜角度は急速な傾斜変化を遅れなくとらえていないので、角速度センサからの検出信号に基づいて取得された高周波成分の傾斜角度を加算し、全体として応答性に優れるとともに精度の高い検出傾斜角度が算出される。
【０００７】
そして、このようにして算出された検出傾斜角度は目標傾斜角度と比較され、両者の偏差が不感帯より大きいと、その偏差が不感帯内に収まる方向に駆動機構が作動制御されることで、水田作業装置が目標傾斜角度に安定維持される。
【０００８】
従って、第１の発明によると、走行機体が水田における耕盤の凹凸等によって左右に傾斜して、走行機体に連結された水田作業装置が同様に傾斜しかかっても、優れた応答性および高い精度の角度検知に基づくローリング制御が実行されて、水田作業装置を所定の傾斜角度に安定維持することができ、左右位置での植付け深さや播種深さを均一化することができる。
【０００９】
第２の発明は、上記第１の発明において、
前記角度センサからの検出信号をローパスフィルタに通して低周波成分の角度信号を取得し、角速度センサからの検出信号を積分して得られた角度信号をハイパスフィルタに通して高周波成分の角度信号を取得することを特徴とする。
【００１０】
上記構成によると、角度センサからの検出信号のうちの低周波成分、および、角速度センサからの検出信号に基づいて得られる角度信号のうちの高周波成分を容易に取得することができ、上記第１の発明を好適に実施することができる。
【００１１】
第３の発明は、上記第１または２の発明において、
前記水田作業装置が、ローリング用の前記駆動機構にバネを介して連動連結されているものである。
【００１２】
上記構成によると、水田作業装置は走行機体に対して所定の範囲内では弾性的に自由ローリングできる状態に連結支持されているので、走行機体が多少左右傾斜しても水田作業装置が自重で田面に追従することになり、自重追従を超える傾斜変化があった場合だけ駆動機構を作動させてのローリング制御を行えばよく、弾性融通なしに駆動機構と水田作業装置を連結して、駆動機構の作動状態によってのみ水田作業装置の姿勢が一義的に決められる場合に比べて、駆動機構が実作動する頻度が少なく、駆動機構の耐久性を維持する面で有利なものとなる。
【００１３】
その反面、水田作業装置は外乱によって左右に自由傾動できる状態にあるので、田面の荒れ、水田作業装置自体の作動や振動、等の外乱を受けても左右傾動することになり、姿勢の安定維持には不利な構造となっているが、角度センサと角速度センサを合理的に利用した傾斜角度検知に基づく応答性および生後に優れたローリング制御を的確に行ってその姿勢を安定維持させることができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に、本発明に係る水田作業機の一例として施肥装置付きの乗用型田植機が示されている。この乗用型田植機は、機体前部にエンジン８が搭載されるとともに４輪駆動で走行可能に構成された走行機体１の後部に、平行四連リンク構造のリンク機構２を介して８条植え仕様の苗植付け装置（水田作業装置）３が昇降自在に連結され、機体後部に施肥装置４が装備されるとともに機体前部の左右に予備苗のせ台５を備えた構造となっており、前記リンク機構２を油圧シリンダ６で上下に駆動揺動することで苗植付け装置３を昇降制御することができるようになっている。また、苗植付け装置３は、リンク機構２の後端下部に前後方向支点Ｐ周りにローリング自在に連結されるとともに、リンク機構２の後端上部に備えた駆動機構７によって苗植付け装置３をローリング制御するようになっている。
【００１５】
図１、２に示すように、前記苗植付け装置３は、横向き角筒状の植付けフレーム１１、走行機体１から取り出された作業用動力を受けるフィードケース１２、一定ストロークで左右に往復横移動する苗のせ台１３、回転式の植付け機構１４、および、後部左右に２条分づつの植付け機構１４を備えて植付けフレーム１１に並列連結された４個の植付けケース１５、田面の植付け箇所を均平整地する５個の整地フロート１６、等を備えている。なお、詳細な構造は省略するが、並列配備された整地フロート１６群のうちの中央のものは、苗植付け装置３の田面に対する高さを検知する接地センサＳＦとして利用されており、この接地センサＳＦの上下揺動変位が電気的に検知され、その検知情報に基づいて前記油圧シリンダ６の制御弁を作動制御することで、苗植付け装置３の対地高さを一定に維持して植付け深さを安定維持する自動植付け深さ制御が実行されるようになっている。
【００１６】
図３に示すように、ローリング用の前記駆動機構７は、リンク機構２の後端上部に連結したブラケット８に前後向き支点Ｑ周りに左右揺動可能な駆動アーム２１と、これをギヤ減速機構９介して揺動駆動する電動モータ（電動アクチュエータ）２２とから構成されており、図２に示すように、苗のせ台１３を横移動可能に苗のせ面背部から支持するよう前記植付けフレーム１１から立設された苗のせ台支持枠２３の上部左右箇所と前記駆動アーム２１の遊端とがバネ２４を介して連結されている。つまり、苗植付け装置３は駆動アーム２１に対して弾性融通をもって所定小範囲で自由ローリング可能に支持されており、苗植付け装置３が整地フロート１６を介して接地している状態では、走行機体１が多少左右傾斜しても苗植付け装置３は田面に接地追従するようになっている。
【００１７】
そして、前記駆動機構７の電動モータ２２は、苗植付け装置３に装備された後述する傾斜角検出手段からの検出情報に基づいて作動制御され、走行機体１が耕盤の凹凸等によって左右に傾斜して苗植付け装置３が傾斜しかかっても、その傾斜を復元させる方向に苗植付け装置３がローリング制御されて、常に設定傾斜角（一般に水平）に安定維持され、もって、左右の各植付け部位での植付け深さに差異の少ない植付けが行われるようになっている。
【００１８】
また、リンク機構２の後端上部に連結した前記ブラケット８と苗のせ台１３の背面における左右箇所とに亘ってローリング復帰用バネ２５が張設されており、苗のせ台１３の往復横移動によって移動方向側のローリング復帰用バネ２５が伸ばされることで、苗のせ台１３の横移動に伴うローリング支点Ｐ周りの重量バランスの崩れを是正する方向の回動力がローリング復帰用バネ２５によってもたらされるようになっている。
【００１９】
前記傾斜角検出手段には、苗植付け装置３の左右方向の傾斜角度を検知する重力式の角度センサ２７と、苗植付け装置３における左右方向の角速度を検知する振動ジャイロ型の角速度センサ２８とが備えられており、両センサ２７，２８からの検出信号に基づいて苗植付け装置３をローリング制御するための検出傾斜角度θが以下のようにして算出されるものであり、その演算およびローリング制御を行うブロック図が図４に示されている。
【００２０】
つまり、前記傾斜センサ２７からの検出信号(θg)は、ローパスフィルタ２９に通されてその低周波成分だけが取得され、また、角速度センサ２８からの検出信号（dθj/dt)は、ローカットフィルタ３０を通されたのち積分処理されて傾斜角が算出され、この演算値が更にローカットフィルタ３１に通されてその高周波成分だけが取得され、次に、角度センサ２７からの検出信号(θg)に基づいて取得された低周波成分の傾斜角度（θ1）と、角速度センサ２８からの検出信号に基づいて取得された高周波成分の傾斜角度（θ2）とが加算されて、この値が検出傾斜角度（θ）とされる。
【００２１】
なお、傾斜センサ２７からの検出信号(θg)はセンサ自体に備えられた平滑特性によって傾斜角信号の高周波成分の一部が外乱とともに除去されているので、この除去された高周波成分を補うために傾斜センサ２７の特性に対応した特性のローカットフィルタ３０が導入されている。また、ローパスフィルタ２９で除去された高周波成分を補うようにローカットフィルタ３１の特性が設定される。
【００２２】
つまり、苗植付け装置３が急速に傾斜すると、角度センサ２７からの検出信号(θg)には振動等による外乱が含まれるとともに、慣性の影響で逆方向の信号が出力されることがあるので、これらを含む高周波成分を除去した値が基本的な傾斜角度（θ1）として取得される。そして、傾斜角変動の除去された高周波成分を補うために、角速度センサ２８からの検出信号（dθj/dt)に基づいて演算取得された高周波成分の傾斜角度（θ2）が加算され、全体として優れた応答性および高い精度で検出傾斜角度（θ）が算出されるのである。
【００２３】
上記のようにして算出された検出傾斜角度（θ）は、傾斜角度設定器３２によって設定された目標傾斜角度（θ0）と比較演算され、両者の偏差（｜θ0-θ｜）が予め入力設定されている不感帯（ε）より大きいと、その偏差が不感帯内に収まる方向に電動モータ２２が通電制御されることで、苗植付け装置３が目標傾斜角度（θ0）に安定維持されるのである。
【００２４】
なお、乗用型田植機においては、ほとんどの植付け田面が水平であるので、前記目標傾斜角度（θ0）を水平に設定することで、苗植付け装置３を田面と平行な水平姿勢に維持して全条での植付け深さを均一にすることができるが、畦際において田面が左右に傾斜しているような水田における畦際での植付け作業においては、傾斜角度設定器３２を調節して目標傾斜角度（θ0）を田面の傾斜に合わせて調整することで、傾斜した田面と平行な植付けを行って植付け深さを均一化を図ることができるものとなる。
【００２５】
また、前記角速度センサ２８は、時間経過とともに誤差が累積するとともに、温度の影響を受けて出力が変化する温度ドリフトがあるので、精度の高い検出を行うためには零点値を適時書き替えてゆく必要がある。苗植付け装置３の左右傾斜は長い距離を走行する間には水平に戻されるので、この間に角速度センサ２８から取得した検出信号を平均した値が水平時の基準出力値、つまり、零点値とみなすことができ、例えば、往復植え作業において畦際で走行機体１を方向転換するたびに、一行程の植付け走行の間に平均処理して得られた零点値に逐次書き替えを行うことで、累積誤差や温度ドリフトの影響を抑制した角速度を精度良く検知することができるのである。
【００２６】
また、エンジン８を始動した際における最初の零点値の設定は以下のようにして行われる。つまり、図５のフロー図に示すように、エンジン８が始動されると、角速度センサ２８からの検知信号が予め設定されている零点値を含む所定の範囲内にあるか否かが判断され（♯01〜♯02）、所定の範囲内の検出信号が複数回続けてあったことが判断されると（♯03）、この複数回の検出信号が平均処理され（♯04）、この値が当初の零点値として設定される（♯06）。
【００２７】
また、エンジン８の始動時に、空中に持ち上がられている苗植付け装置３がふらついたりすると、上記平均処理が行われるまでに所定の範囲から外れた検出信号が発生することになり、このような場合には、予め記憶された暫定零点値を当初の零点値として設定することになる（♯02，♯05，♯06）。
【００２８】
そして、このようにして当初の零点値が設定された状態でローリング制御が行われると、その間の角速度検知を平均処理して上記した零点値の書き替えが逐次実行される（♯06）。
【００２９】
そして、キーオフしてエンジン８が停止されると（♯07）、その時点に設定されている零点値が前記暫定零点値として不揮発性メモリに書込み記憶される（♯08）。
【００３０】
〔他の実施例〕
【００３１】
（１）前記角度センサ２７を、２軸型の加速度センサで構成することができる。つまり、図６に示すように、直交する２軸の加速度検知方向を上下方向と左右方向に設定して水田作業装置（苗植付け装置）３に装着すると、検出された垂直加速度（Ｇｙ）と水平加速度（Ｇｘ）から傾斜角度θは、θ=arcTan（Ｇｘ/Ｇｙ）として演算することができる。
【００３２】
（２）走行機体１に昇降およびローリング自在に連結する水田作業装置３としては、苗植付け装置の他に、水田直播装置、水田除草装置、などが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】乗用型田植機の全体側面図
【図２】苗植付け装置の背面図
【図３】ローリング用駆動機構の縦断側面図
【図４】ローリング制御系のブロック図
【図５】零点設定制御のフロー図
【図６】別実施例の角度センサの原理図
【符号の説明】
【００３４】
１ 走行機体
３ 水田作業装置（苗植付け装置）
７ 駆動機構
２４ バネ
２７ 角度センサ
２８ 角速度センサ
２９ ローパスフィルタ
３０ ローカットフィルタ
θ0 目標傾斜角度
θ 検出傾斜角度
【出願人】 【識別番号】０００００１０５２
【氏名又は名称】株式会社クボタ
【住所又は居所】大阪府大阪市浪速区敷津東一丁目２番４７号
【出願日】 平成１７年３月２４日（２００５．３．２４）
【代理人】 【識別番号】１００１０７３０８
【弁理士】
【氏名又は名称】北村 修一郎
【公開番号】 特開２００６−２６２８０１（Ｐ２００６−２６２８０１Ａ）
【公開日】 平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【出願番号】 特願２００５−８６６５５（Ｐ２００５−８６６５５）