JP7794066B2 - 刈取集草作業車両 - Google Patents

Description

本発明は、公園等を走行させて園内の芝草刈りを行う先行車両と集草を行う後続車両を備えた作業車両に係り、特にその制御システムに関するものである。

作業車両において、地面に拡散した刈草を進行方向に対して左右いずれか一方に寄せる集草作業機を備えた先行作業車両と先行車両の走行軌跡に基づいて走行しながら集草された刈草をロール状に梱包する梱包作業機を備えた後続車両がそれぞれ自動運転により走行する作業車両の制御システムが公知である（特許文献１）。

特開２０２１－１０５７９４号公報

特許文献１によると、先行作業車両の作業速度については一律に設定されていたが、過負荷を回避するため、余裕のある作業速度を設定する必要があったため、先行作業車両の作業能力を最大限活かした作業を効率よく行うことは困難であった。

本発明は、自動で草刈り作業を効率よく行うことが可能な作業車両の制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、走行しながら芝草を刈り取る刈取専用機（１）と、芝草を集めて回収する集草専用機（２）とを備え、刈取専用機（１）及び集草専用機（２）にはそれぞれ互いに通信可能な制御部（１００，２００）を設け、集草専用機（２）の収容部（８）内芝草の重量を検知する重量検知センサ（２１１）を設け、刈取専用機（１）の制御部（１００）は、刈取対象の芝草の平均高さ（Ｋ）、刈取手段（５）の刈幅（Ｓ）と刈高さ（Ｋａ）、移動距離（Ｌ）によって刈り取る芝草量（Ｑ）を演算する芝草刈取状況演算手段（１１１）を備え、この芝草量（Ｑ）の前記重量検知センサ（２１１）による検出重量値（Ｐｒ）に基づく実際の芝草密度（ρｒ）と予め設定された理論芝草密度（ρｔ）の比較により前記実際の芝草密度（ρｒ）が、前記理論芝草密度（ρｔ）よりも大であれば、刈取専用機（１）の走行制御部（１０２）に作業走行速度（Ｖ）を低下させるべく出力し、
前記実際の芝草密度（ρｒ）が、前記理論芝草密度（ρｔ）よりも小であれば、作業走行速度（Ｖ）を上昇させるべく出力することを特徴とする作業車両である。

請求項２に記載の発明は、
走行しながら芝草を刈り取る刈取専用機（１）と、芝草を集めて回収する集草専用機（２）とを備え、刈取専用機（１）及び集草専用機（２）にはそれぞれ互いに通信可能な制御部（１００，２００）を設け、集草専用機（２）の収容部（８）内芝草の重量を検知する重量検知センサ（２１１）及び収容部（８）内芝草の堆積量を検知する堆積検知センサ（２１５）を設け、堆積検知センサ（２１５）によって検知される芝草堆積量（Ｑｒ）とその時の重量値（Ｐｒ）によって芝草密度（ρｒ）を算出し、予め設定された理論芝草密度（ρｔ）の比較により前記実際の芝草密度（ρｒ）が、前記理論芝草密度（ρｔ）よりも大であれば、刈取専用機（１）の走行制御部（１０２）に作業走行速度（Ｖ）を低下させるべく出力し、
前記実際の芝草密度（ρｒ）が、前記理論芝草密度（ρｔ）よりも小であれば、作業走行速度（Ｖ）を上昇させるべく出力することを特徴とする作業車両である。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、刈取専用機１の作業走行速度に基づいて集草専用機２の作業走行速度を調整する構成とした。

請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、理論芝草密度ρｔと実際の芝草密度ρｒとの比較により刈取専用機１の走行制御部１０２に作業走行速度Ｖを補正するものであるから、理論芝草密度ρｔよりも実際の芝草密度ρｒの方が大きいと判定されるとき、刈取作業機１の走行制御部１０２に速度低下を促すことで、刈取専用機１の過負荷を回避できる。一方、理論芝草密度ρｔよりも実際の芝草密度ρｒの方が小さいと判定されるとき、刈取作業機１の走行制御部１０２に速度上昇を促すことで、刈取専用機１の作業効率ひいては集草作業機２の作業効率向上に寄与できる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１及び請求項２に記載の効果に加え、集草を伴う刈取作業は集草の完了により作業全体が完了するため、刈取専用機の作業速度が上がれば集草専用機の作業速度も上げることで作業全体の効率が上がり、早く作業を終えることができる。刈取専用機の作業速度が低下したときは刈取専用機の作業速度を低下することで作業機同士の接触や作業停止による無駄の発生を抑制できる。

本発明の実施形態にかかる作業車両の刈取専用機と集草専用機の概要を示す平面図である。 同作業車両の刈取専用機と集草専用機の概要を示す側面図である。 同作業車両の制御ブロック図である。 同作業車両のフローチャートである。 同作業車両のフローチャートである。 同作業車両の別例の刈取専用機と集草専用機の概要を示す側面図である。 同作業車両のフローチャートである。 同作業車両の集草専用機と廃棄位置の概要を示す平面図である。 （Ａ）（Ｂ）同作業車両の芝草回収コンテナと集草専用機の側面図である。 同作業車両の芝草回収コンテナと集草専用機の平面図である。

図１に示すように、作業車両は、先行する刈取専用機１と、後続する集草専用機２とからなる。刈取専用機１は、前後左右の走行車輪３によって支持される車体４内に刈刃による刈取手段５を備えている。刈取手段５は公知の形態であって芝草等を所定刈高さに揃えて切断処理する構成としている。

集草専用機２は、前後左右の走行車輪６に支持された車体７の前方には地面や圃場面に散乱する芝草Ｇを集めて車体７上部の収容部８に送り込む回転掻込み装置とブロア装置とからなる集草手段９を備えている。収容部８は車体７にダンプ手段１０を介して設けられ、収容部８に順次送り込まれた芝草を廃棄場所において収容部８を反転させて排出する構成である。

なお、刈取専用機１、集草専用機２ともに走行駆動手段、作業部駆動手段として電動モータ又はエンジンを備え、走行部、作業部をそれぞれ独立的に駆動できる構成としている。

ついで、刈取専用機１の制御部１００と集草専用機２の制御部２００の構成及び機能について説明する。

制御部１００及び制御部２００にはそれぞれ測位衛星システムからの測位信号を受信し現在位置を認識できる位置情報処理手段１０１，２０１を設けている。また、両制御部１００，２００は互いに通信手段３００を介して通信可能に構成され、互いの情報を発信しまたは受信できるように構成されている。

さて、刈取専用機１の制御部１００には、走行車輪３に関する回転速度や左右回転数の相違による操舵を実行する走行制御部１０２を備え、あらかじめ入力する作業領域情報や往復行程経路情報に基づいて自律走行可能に構成している。また、オペレータからの発信信号や刈取専用機１車体３に設けるセンサ等の検知信号により障害物の有無を検知しながら走行経路を補正しつつ作業走行できるように構成している。なお、作業領域の走行行程が終了すると駆動力オフ出力し、作業中において各種情報に基づいて車速制御が行われる。

刈取専用機１の制御部１００には、作業制御部１１０を備える。作業制御部１１０には、刈取手段５の設置条件、芝草の植立状況、刈取専用機１の走行状態（速度）等の条件入力によって、刈取作業を演算する芝草刈取状況演算手段１１１を有する。具体的には、車体４の前方に撮像カメラ１１２の撮像結果に基づいて刈取対象の芝草高さ（丈）の平均高さＫを演算し、位置情報処理手段１０１の情報に基づいて移動速度Ｖ及び移動距離Ｌを演算する。そして予め設定された刈取手段５に固有の刈幅Ｓと刈高さＫａとによって、刈り取った芝草量（体積）Ｑを演算するものである。すなわち、Ｑ＝Ｓ×（Ｋ－Ｋａ）×Ｌで表わされる。

芝草刈取状況演算手段１１１は、更に、単位容積当りの芝草重量、つまり芝草密度ρｔを乗ずることによって刈取処理した芝草重量Ｐｔを演算できる。すなわち、Ｐｔ＝ρｔ×Ｑである。ここで、ρｔは予め記憶された理論値であり、芝草重量Ｐｔも予測理論値である。この芝草刈取状況演算手段１１１の演算結果は、後続の集草専用機２の制御部２００に送信される。

集草専用機２の制御部２００は、走行車輪６の回転速度や操舵制御を行う走行制御部２０２を備える。例えば、先行する刈取専用機１の走行制御部１０２は、刈取専用機１の走行軌跡Ｒを演算して集草専用機２の制御部２００に送信する。そして制御部２００の走行制御部２０２は走行軌跡Ｒに沿うように後続の集草専用機２の走行車輪６を回転制御する。また後述満杯判定手段の判定結果に基づいて、満杯に達すると芝草を廃棄場所へ移動するための排出移動制御手段２１４を備える。

集草専用機２の制御部２００には、作業制御部２１０を備える。この作業制御部２１０には収容部８の芝草の重量を検知する検知センサ２１１からの検知信号を入力している。また、集草手段９の回転送込み装置回転数やブロア装置の回転数を適宜に設定する集草作業演算手段２１２、この収容部８の芝草が所定重量に達したか否かを判定する満杯判定手段２１３等を備える。

ここで、前記芝草刈取状況演算手段１１１の演算結果として通信された芝草重量Ｐｔと前記重量検知手段２１１による検知重量Ｐｒとの関係と、処理について説明する。図４のフローチャートは、集草専用機２の芝草排出判定制御について一般的な制御を示すもので、集草専用機２は先行する刈取専用機１の走行軌跡に追従し集草作業を行う（Ｓ１０１，Ｓ１０２）。所定タイミングで芝草量すなわち体積Ｑを前記刈幅Ｓ、芝草高さＫ等に基づき演算する（Ｓ１０３）。そしてこの芝草量Ｑが、集草専用機２の収容部８容積の満杯に見合う量Ｑｍａｘであるか否かを判定する（Ｓ１０４）。なお、Ｑｍａｘ＝Ｐｍａｘ／ρｔで演算できるが、収容部８容積に見合うＱｍａｘの値は予め設定できるので、Ｓ１０４は、重量検知センサ２１１の値が満杯重量値（以下排出重量値）Ｐｍａｘに達したか否かの判定に置き換えられる。Ｓ１０４でＱｍａｘに達したと判定されると、集草作業機２は停止され集草作業は中断され、あらかじめ設定している芝草廃棄位置に向けて走行開始する（Ｓ１０５，Ｓ１０６）。廃棄位置に達して収容部８の芝草を排出すると集草作業機２は集草作業中断位置に向けて走行し、この中断位置において集草作業を再開する（Ｓ１０７～Ｓ１１１）。

そして、芝草量Ｑの演算を再開し（Ｓ１１２）、満杯判定手段２１３による演算制御、つまりＱｍａｘに達したか否かを判定する（Ｓ１１３）。

満杯判定演算制御について、収容部８内芝草の重量検知センサ２１１の検出によって精度良い判定について、図５のフローチャートに基づき説明する。刈取専用機１の制御部１００との通信によって、集草専用機２の制御部２００は芝草密度ρｔ，予測重量Ｐｔ等を受信する（Ｓ２０１）。これら芝草密度ρｔと予測重量Ｐｔ、及び予め設定された収容部８の満杯に見合う量Ｑｍａｘによって、満杯状態での芝草重量である排出重量値Ｐｍａｘが算出される（Ｓ２０２）。つまり排出重量値Ｐｍａｘ＝ρｔ×Ｑｍａｘで算出される予測値である。

ところで、所定タイミングで重量検知センサ２１１値Ｐｒを読み込むと共に、この実測重量Ｐｒと前記刈取専用機１の制御部１００から通信される予測重量Ｐｔを比較する（Ｓ２０３，Ｓ２０４）。実測重量Ｐｒが予測重量Ｐｔより大の場合、当該刈取集草作業における芝草密度ρｒは、通信された芝草密度ρｔよりも大と判定でき（Ｓ２０５，Ｓ２０６）、ＱｍａｘはＱｍａｘプラスαに置換できる（Ｓ２０７）。なお、Ｓ２０７で理論芝草密度ρｔよりも実際の芝草密度ρｒの方が大きいと判定されるとき、刈取作業機１の走行制御部１０２に速度低下の指令信号を促す情報を発信する（Ｓ２０８）ことで、刈取専用機１の過負荷を回避できる。一方、Ｓ２０５で、実測重量Ｐｒが予測重量Ｐｔより小の場合、当該刈取集草作業における芝草密度ρｒは、通信された芝草密度ρｔよりも小と判定でき（Ｓ２０９）、ＱｍａｘはＱｍａｘマイナスβに置換できる（Ｓ２１０）。なお、Ｓ２０９で理論芝草密度ρｔよりも実際の芝草密度ρｒの方が小さいと判定されるとき、刈取作業機１の走行制御部１０２に速度上昇の指令信号を促す情報を発信する（Ｓ２１１）ことで、刈取専用機１の作業効率ひいては集草作業機２の作業効率向上に寄与できる。Ｓ２０７及びＳ２１０の処理による置換後の満杯量Ｑｍａx´に基づき満杯判定できる（Ｓ２１２）。すなわち、重量センサ２１１による重量が排出重量値Ｐｍａｘ＝ρｔ×Ｑｍａｘ´になると満杯と判定するのである。

したがって、芝草密度ρが、気候、刈取作業時刻、芝草植立区域によって相違しても収容部８内へ供給する芝草量を調整でき作業の効率化が図れる。

次いで、図７に基づき、さらに集草作業の精度を向上する満杯判定手段２１３における判定制御構成について説明する。集草作業機２の収容部８内には、堆積検知センサ２１５を設ける。堆積検知センサ２１５は、複数の検知部２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃを上下に配設するもので、各検知部は堆積される芝草の圧力を受けて作動し得て、徐々に増加する芝草量を検知して制御部２００に出力できる構成としている。なお、最上位の検知部２１５ｃが検知するときは収容部８が満杯を検知するもので、つまりこの場合の芝草量はＱｍａｘである。図７のフローチャートは、堆積検知センサ２１２及び前記重量検知センサ２１１に基づいて芝草密度ρｔを補正する補正演算制御に関する。

図７において、集草専用機２が走行開始し集草作業を開始すると（Ｓ３０１）、刈取専用機１の制御部１００との通信によって、集草専用機２の制御部２００は芝草密度ρｔ，予測重量Ｐｔ等を受信する（Ｓ３０２）。堆積検知センサ２１５による検知を行いそのセンサ値Ｑｒを順次読込むが、最上位の検知部２１５ｃが芝草を検知するＱｍａｘに達すると同時に重量検知センサ２１１のセンサ値（排出重量値）Ｐｍａｘを読み込む（Ｓ３０３～Ｓ３０５）。そして芝草密度ρを演算する。ρ＝Ｐｍａｘ／Ｑｍａｘで算出されるが、最初の芝草密度ρ１として記憶する（Ｓ３０６）。一旦集草作業を中断し適宜廃棄位置に移動して芝草排出処理を行う（Ｓ３０７）。その後、刈取集草作業予定領域内の作業中断位置に戻り作業再開し、Ｓ３０３～Ｓ３０７を繰り返し、Ｑｍａｘ毎に芝草密度ρ２，ρ３…を演算し記憶する。

そして、予定領域の集草作業が終了すると（Ｓ３０９）、作業停止前に、当該集草作業で得た芝草密度ρ１，ρ２…ρｎの平均芝草密度ρを算出し記憶する（Ｓ３１０）。平均ρ＝（ρ１＋ρ２＋…＋ρｎ）／ｎで算出できるが、この単純平均に限らず荷重平均その他算出の方法は任意である。算出された平均ρは、刈取専用機１の制御部１００に送信され、位置情報や刈取集草日時等各種条件と共に新たな理論芝草密度ρｔとして記憶される。

Ｓ３０６で算出された実際の芝草密度ρ１，ρ２…（ρｒで総称）がＳ３０２で受信した理論芝草密度ρｔと比較している。つまり、堆積検知センサ２１５によって検知される芝草堆積量Ｑｒとその時の重量値Ｐｒによって芝草密度ρｒを算出し、予め設定された理論芝草密度ρｔの比較により刈取専用機１の走行制御部１０２に作業走行速度Ｖを補正すべく出力することにより、ρｒがρｔよりもよりも小さい場合は、先行する刈取作業機１における作業負荷が低いと判断される。よって作業速度を適宜に上昇すべく先行する刈取作業機１の走行制御部１０２に対して情報発信する構成とすれば作業効率を向上できる。逆に、ρｒがρｔよりも大きい場合は、作業速度を低下すべく情報発信し過負荷防止する。

なお、刈取専用機１の作業速度に基づいて集草専用機２の作業速度を調整するように両専用機１，２の走行制御部１０２，２０２を連繋する構成としている。つまり、先行する刈取専用機１の作業速度に追従して集草専用機２の作業速度を増減調整したり、先行する刈取専用機１が停止すると所定間隔を置いて後続の集草専用機２を停止するものである。このように構成することで、集草を伴う刈取作業は集草の完了により作業全体が完了するため、刈取専用機の作業速度が上がれば集草専用機の作業速度も上げることで作業全体の効率が上がり、早く作業を終えることができる。刈取専用機の作業速度が低下したときは刈取専用機の作業速度を低下することで作業機同士の接触や作業停止による無駄の発生を抑制できる。

図４のＳ１０６の廃棄位置への走行において、廃棄位置への移動経路に関しては未刈取領域を避けて集草専用機２車体を移動させる必要がある。このため最短ルートを辿るのではなく、廃棄位置に移動した経路を記憶しこの移動経路を逆に辿って中断位置に復帰することで未刈取領域への進入を防止できる。

図８は、廃棄位置における刈草排出の例を示すもので、順次排出位置をずらせることにより、同一箇所に山積み傾向となるのを回避することができる。

図９，図１０は廃棄位置に回収コンテナ２０を設けるものである。集草専用機２はこの収容コンテナ２０に接近位置してダンプシリンダ２１を伸長することで収容部８をダンプ状態とすると、芝草は回収コンテナ２０内に落下し回収される。なお、集草専用機２の後面に超音波型検知センサを設け、照射信号Ｔ１，Ｔ２…の授受によって、回収コンテナ２０の存否及び回収コンテナ２０との距離等の情報を認識できる構成とすることにより、回収コンテナ２０の幅を認識するとともに当該検出された幅に対する適正排出位置の判断に利用できる。回収コンテナ２０の存在しない箇所への落下排出といった不測の事態も避けられる。

１ 刈取専用機
２ 集草専用機
５ 刈取手段
８ 収容部
１００ 制御部
１０２ 走行制御部
１１１ 芝草刈取状況演算手段
２００ 制御部
２１１ 重量検知センサ
２１５ 堆積検知センサ
Ｋ 平均高さ
Ｋａ 刈高さ
Ｌ 移動距離
Ｐｒ 検出重量値
Ｐｔ 理論重量値
Ｑ 芝草量
Ｓ 刈幅
Ｖ 作業走行速度
ρｔ 理論芝草密度
ρｒ 実際芝草密度

Claims (3)

1. 走行しながら芝草を刈り取る刈取専用機（１）と、芝草を集めて回収する集草専用機（２）とを備え、刈取専用機（１）及び集草専用機（２）にはそれぞれ互いに通信可能な制御部（１００，２００）を設け、集草専用機（２）の収容部（８）内芝草の重量を検知する重量検知センサ（２１１）を設け、刈取専用機（１）の制御部（１００）は、刈取対象の芝草の平均高さ（Ｋ）、刈取手段（５）の刈幅（Ｓ）と刈高さ（Ｋａ）、移動距離（Ｌ）によって刈り取る芝草量（Ｑ）を演算する芝草刈取状況演算手段（１１１）を備え、この芝草量（Ｑ）の前記重量検知センサ（２１１）による検出重量値（Ｐｒ）に基づく実際の芝草密度（ρｒ）と予め設定された理論芝草密度（ρｔ）の比較により前記実際の芝草密度（ρｒ）が、前記理論芝草密度（ρｔ）よりも大であれば、刈取専用機（１）の走行制御部（１０２）に作業走行速度（Ｖ）を低下させるべく出力し、
   前記実際の芝草密度（ρｒ）が、前記理論芝草密度（ρｔ）よりも小であれば、作業走行速度（Ｖ）を上昇させるべく出力することを特徴とする作業車両。
2. 走行しながら芝草を刈り取る刈取専用機（１）と、芝草を集めて回収する集草専用機（２）とを備え、刈取専用機（１）及び集草専用機（２）にはそれぞれ互いに通信可能な制御部（１００，２００）を設け、集草専用機（２）の収容部（８）内芝草の重量を検知する重量検知センサ（２１１）及び収容部（８）内芝草の堆積量を検知する堆積検知センサ（２１５）を設け、堆積検知センサ（２１５）によって検知される芝草堆積量（Ｑｒ）とその時の重量値（Ｐｒ）によって芝草密度（ρｒ）を算出し、予め設定された理論芝草密度（ρｔ）の比較により前記実際の芝草密度（ρｒ）が、前記理論芝草密度（ρｔ）よりも大であれば、刈取専用機（１）の走行制御部（１０２）に作業走行速度（Ｖ）を低下させるべく出力し、
   前記実際の芝草密度（ρｒ）が、前記理論芝草密度（ρｔ）よりも小であれば、作業走行速度（Ｖ）を上昇させるべく出力することを特徴とする作業車両。
3. 刈取専用機（１）の作業走行速度に基づいて集草専用機（２）の作業走行速度を調整する構成とした請求項１又は請求項２に記載の作業車両。