JP2866723B2 - 農作業機における作業機の左右水平姿勢制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圃場に既に植付けらた植付け苗箇所等の作
物列を撮像することにより、田植機等の農作業機の圃場
面に対する左右傾斜状態の急激な変動を検出し、農作業
機の左右水平姿勢を制御するための装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来、例えば乗用型の田植機においてその車輪が接地
する耕盤深さの食い違いにより、苗植装置の左右装置の
うち一方のフロートが泥押したり、泥面から不必要に浮
き上がったりしないように、先行技術の特開昭59−5910
7号公報や特公昭58−22163号公報では、左右のフロート
を一本の左右上下回動する作動杆にて連結し、この作動
杆の上下回動の動きを油圧回路の切換弁に関連させて、
左右両フロートの泥面に対する押圧程度を一定にするよ
うに制御する、いわゆるローリング制御（左右水平姿勢
制御）のための傾斜センサーを設けたものが開示されて
いる。

また、特開昭59−82002号公報では、ロータリ耕耘機
等の作業機をトラクタの機体に対して左右傾動自在に連
結しておき、牽引される作業機を機体の進行方向の左右
に傾斜する耕盤においてその傾斜面と略平行状に姿勢保
持させて、傾斜地における山側と谷側との作業深さを一
定にするため、その作業機の左右傾斜角度を検出する傾
斜センサーとして、常時地球中心方向に向かうように回
動自在に吊り下げられた振子を作業機に設け、作業機に
対する振子の傾斜角度を検出する傾斜センサーが開示さ
れている。

さらに、特公平１−12441号公報では、ロータリ作業
機の左右水平制御のための傾斜センサーとして、内部に
液体を入れたＵ字管に磁性を備えた一対の浮子を浮設
し、この一対の浮子に対するリードスイッチのオン・オ
フにて一定角度以上の左右傾斜を検出する手段が開示さ
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの傾斜センサーはいずれも機械的センサーであ
り、重力を利用するものであって、機体や作業機の移動
に際しての振動等の外乱を傾斜センサーが拾って出力が
安定しないおそれがあるから、これらのセンサーでは、
外乱を適宜減衰させるダンパー等の減衰手段を設けてい
る。

この減衰手段の減衰係数を大きくすると、応答性が悪
くなると共に通常の傾斜角度を検出する出力信号も微小
になり、このような傾斜センサーを設けた作業機等が急
激に傾斜した場合（例えば、耕盤の段部を田植機におけ
る走行始端が通過したとき）には、減衰手段のため傾斜
センサーの動的応答性に遅れが生じる。

反対に、減衰係数の小さい傾斜センサーを用いると、
動的応答性が良くなるが、過度応答して出力の安定性を
欠くという問題があった。

しかも、前記各傾斜センサーの検出結果に基づいて、
作業機の左右姿勢の油圧シリンダ等のアクチェータの作
動にて水平となるように修正制御するので、作業機が実
際にある程度左または右に傾斜して、これを傾斜センサ
ーで感知してからアクチェータを作動させるので、制御
のタイミングが遅れ勝手となり、正確な姿勢制御を達成
てきない問題があった。

特に、田植機において、苗植装置を走行機体に上下動
可能に装着し、且つその苗植装置を圃場の泥水面に接地
させない状態に保持したまま苗植付け作業を実行する形
式のものでは、従来のフロート接地式のものに比べて、
苗植装置自体の左右水平姿勢の制御を正確且つ迅速に実
行しないと、苗植付け深さに大きなバラツキが生じ、酷
い場合には浮き苗による植え付け不良となる等の問題が
あった。

このような問題は、作業機自体圃場面に接地させない
で、いわゆる浮かせた状態で且つ作業機の左右水平姿勢
を保持するようにしたものについても、作業機と圃場面
と対地高さが左右に大きく、且つ容易に変動し易いので
同様に生じるのであった。

本発明は、この技術的課題を解消することを目的とす
るものである。

〔問題を解決するための手段〕

この目的を達成するため本願の一つの発明は、圃場を
走行する田植機等の農作業機に、その走行機体の操向角
度を検出するステアリングセンサーと、走行機体または
作業機の圃場面に対する左右傾斜角度を検出する傾斜セ
ンサーと、走行機体の側方に沿って既に植付けられた作
物列を撮像する二次元撮像手段と、該二次元撮像手段の
画像情報から前記作物列の仮想線を演算する画像処理装
置とを設け、適宜微小時間差で得られた２つの仮想線の
方向偏差の差と、操向角度に対応する期待方向偏差とに
差異があるとき、走行機体または作業機に左右方向の傾
斜があると判別し、前記傾斜センサーの検出結果を待た
ずに作業機の左右水平姿勢制御を実行するものであり、
他の発明は、画像処理装置によって得られた作物列の仮
想線のデータから前記作物列に倣う操向制御を実行する
ようにしたものである。

〔発明の作用および効果〕

この構成によれば、進行中の走行機体または作業機が
水平面に対しての略一定に傾斜している状態では、当該
機体または作業機に載せた傾斜せンサーにて検出するこ
とができ、その場合の傾斜センサーは、時間的にあまり
変動しない静的な応答性を重視した構成のものを用いれ
ばよい。

他方、走行機体または作業機に搭載した二次元撮像手
段で、走行機体の側方に沿って既に植付けられた作物列
を撮像することによって得られた画像情報は、空間的に
二次元の情報を有するので、作物列の位置とその向き
（列の方向）を一挙に知ることができ、従ってこの画像
情報から画像処理装置にて演算することで、作物列を一
本の仮想線として抽出することができる。

そして、前記演算された結果の仮想線の基準線に対す
る方向偏差は、走行機体の左右方向への操向によって変
動するし、また、二次元撮像手段が搭載された走行機体
または作業機自体が圃場面に対して左右に傾斜すること
でも変動する。

従って、走行中に適宜微小時間差で時間的に前後して
２つの仮想線を演算により得ると、その得られた２つの
仮想線の方向偏差に差異があるときには、左右操向操作
（ステアリング操作）による操向角度に対応して当然生
じるべき方向偏差（これを期待方向偏差という）による
成分と、前記走行機体または作業機の左右傾斜による成
分との合計として方向偏差の差が得られることになる。

ここで、前記２つの仮想線の方向偏差の差から期待方
向偏差の成分を除去（減算）すれば、前記左右傾斜によ
る成分、つまり、左右傾斜の程度（傾斜角度）を知るこ
とができる。

そこで、前記得られた２つの仮想線の方向偏差と期待
方向偏差とに差異があるとき、走行機体または作業機に
左右方向の傾斜があると判別し、前記傾斜センサーの検
出結果を待たずに作業機の左右水平姿勢制御を実行する
と、微小時間の前後における走行機体または作業機に左
右方向の傾斜を迅速に感知することができることにな
り、従来の傾斜センサーの検出結果から姿勢制御するの
に比べ、鋭敏な姿勢制御を達成することができるのであ
る。

さらに、前記仮想線のデータから前記作物列に倣う操
向制御を実行すれば、この仮想線を得るための前記二次
元撮像手段と画像処理装置は、傾斜制御と操向制御との
二種類の異なる制御に同時に利用することができ、装置
のコストを低減させることができる効果も有するもので
ある。

〔実施例〕

以下田植機に適用した実施例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とその前部下面に取付く前車輪3,3と後部下面
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。

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13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。

また、平行リンク機構11を走行機体１側の油圧シリン
ダ（図示せず）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。

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。

前記エンジン９からの動力は、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PTO軸変速用ア
クチェータある。

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
グ制御用の電磁ソレノイド制御弁である。

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ーで、該ステアリングセンサー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50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
けた傾斜センサーで、該傾斜センサー51は、第６図に示
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。

傾斜センサー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（第６図参照）。

符号56は、走行機体の側方に沿って既に植付けられた
作物列を撮像するための、二次元撮像手段で、符号57は
二次元撮像手段56にて得られた画像情報から後述する仮
想線を演算処理するための画像処理装置であり、走行機
体１が急激に左右傾斜するときには、その影響をうけて
この走行機体１の後部に連結された苗植装置10も左右傾
斜の変動が急激に起こるので、苗植装置10に搭載された
傾斜センサー51にて現実に左右傾斜を検出れるのに先立
って、走行機体１の左右傾斜の変動に応じて、制御手段
50にて、苗植装置10の左右傾斜を修正して略水平状に姿
勢保持するように制御する信号を、前記姿勢制御用油圧
シリンダ29に対する制御弁48の電磁ソレノイドの駆動回
路59に向かって出す。

また、緩やかな左右傾斜変動の場合には、前記苗植装
置10に搭載された傾斜センサー51の出力のみから、その
傾斜角度読取り回路60及び制御手段50を介して油圧シリ
ンダ29を作動させる。

植付け苗箇所（NAE）等の作物列SLを撮像する二次元
撮像手段56は、カラービデオカメラのように検出対象を
撮像してその撮像画面の画像情報を電気信号として出力
できるものであり、二次元MOS撮像素子や二次元CCD撮像
素子を内臓した撮像手段56では、レンズを通して結ばれ
た像は、その結像面に二次元的アレイ状に配列された各
撮像素子にて感知されて撮像画面の情報を電気信号とし
て出力できるものである。

二次元撮像手段56はカラー用、白黒用のいずれてあっ
ても良いが、カラー用とすることにより、圃場面17と植
え付け作物箇所との区別を一層明確にして認識すること
ができる。

二次元撮像手段56は、その撮像画面58の左右中心線Ｙ
軸（基準線という）（第８図参照）が走行機体１の側方
における進行方向と並行状になるように、且つ前向き斜
め下向きにセットする。

撮像された画像を処理して必要な情報（データ）を出
すための画像処理装置57では、前記二次元撮像手段56に
て撮像される撮像画面のデータを適宜時間間隔（Δｔ）
ごとに出力し、この適宜時間毎のデータから検出対象物
を２値化して特定領域（Ａ）の座標を決定する演算を実
行し、後述する仮想線KLを決定する演算等を実行するも
のであり、制御手段50では、適宜微小時間差（Δｔ）で
得られた２つの仮想線KL1（前回のデータによるもの）
とKL2（今回のデータによるもの）との方向偏差の差
（α１−α２＝Δα）（ここで、α１は撮像画面58中で
仮想線KL1が基準線Ｙ軸となす角度（方向偏差）であ
り、α２は撮像画面58中で仮想線KL2が基準線Ｙ軸との
なす角度（方向偏差）である）と、操向角度βに対応す
る期待方向偏差（Δβ）とに差異があるとき、走行機体
または作業機に左右方向の傾斜があると判別し、前記傾
斜センサーの検出結果を待たずに作業機の左右水平姿勢
制御を実行するものである。

即ち、走行中に適宜微小時間差で時間的に前後して２
つの仮想線を演算により得ると、その得られた２つの仮
想線の方向偏差の差Δαに差異があるときには、左右操
向操作（ステアリング操作）による操向角度βに対応し
て撮像画面58中で当然生じるべき方向偏差（＝期待方向
偏差Δβ）による成分と、前記走行機体または作業機の
左右傾斜による成分Δθとの合計として方向偏差の差が
得られることになる（第８図から第10図までを参照）。

ここで、前記２つの仮想線の方向偏差の差から期待方
向偏差の成分を除去（減算）すれば、前記左右傾斜によ
る成分、つまり、左右傾斜の程度（傾斜角度）を知るこ
とができる。

この制御の実施例について第11図のフローチャートに
従って説明すると、まず田植機を圃場に既に植付けられ
た植付苗列に沿わせて進行させる。

姿勢制御オンにより初期値を設定し、Δｔ時間間隔ご
とにステアリングの操向角度βを読み込み記憶し（ステ
ップ101）、同じくΔｔ時間間隔ごとに傾斜センサー51
による検出値θ１を読み込み記憶する（ステップ10
2）。

また、その機体に隣接する植付苗列のうち複数の植付
け苗箇所（NAE）を二次元撮像手段56にて適宜時間間隔
毎に撮像する。このときの時間間隔（Δｔ）は、いわゆ
る撮像画面の走査（スキャン）に要する時間程度であ
る。

そして、前記時間間隔（Δｔ）毎に取出した撮像画面
のデータを読み込む（ステップ103）。次いでステップ1
04では、前記データから植付けられた苗箇所（NAE）を
他の圃場の泥面から抽出する２値化する。この２値化処
理は、撮像された画像をカラー画面にて構成するときに
は、RGB表色系〔赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）
の色光を原色光とし、加光により白が得られる〕による
赤色成分、緑色成分、青色成分との各色成分の信号にて
圃場面の特徴を抽出し、この三色成分の信号出力の総和
（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ＝１）に対する緑色（Ｇ）成分の信号出力
比率が所定の値以上のときを苗と判別してその領域
（Ａ）を画面の他の箇所から分割（Segmentation）して
特定する２値化処理を実行する。

その他、画像において色信号のうち緑色成分から青色
成分を引いた色差画像データ（Ｇ−Ｂ）が一定以上の出
力である箇所を苗と判断する色差処理による２値化を実
行しても良い。

この２値化した前記各対象領域（Ａ）は、複数の画素
の集合として特定されているので、この画素の集合から
各植付け作物箇所の位置の座標を決定する演算を実行し
た後、これらのデータから、前記複数の座標に最も近い
直線近似としての仮想線KLを計算する。この場合、前記
時間間隔（Δｔ）ごとのデータから、前回の仮想線KL1
と今回の仮想線KL2とを別個に演算処理する（ステップ1
05）。

この仮想線を得るための演算は、画像処理装置57に組
み込まれたソフトによる予め定められた計算手法、例え
ば、ハフ（HOUGH）変換法や最小二乗誤差推定法等があ
る。

ステップ106では、撮像画面58中における基準線Ｙ軸
に対する仮想線KL1の方向偏差α１と、仮想線KL2の方向
偏差α２とを演算し、且つその差Δαを演算する。

次いでステップ107において、前記操向角度βに対応
する期待方向偏差Δβを演算し、ステップ108で、前記
Δαの絶対値がΔβの絶対値よりも大きいか否を判別
し、小さいとき（noのとき）には、前記微小時間間隔
（Δｔ）内に大きな左右傾斜変動がないものと判断し
て、通常の傾斜センサーの検出値θ１に基づいて油圧シ
リンダ29に対する駆動回路59を作動させて姿勢制御を実
行して、苗植装置の左右が略水平状になるように保持す
るのであり（ステップ109）、大きいとき（yesのとき）
には、前記微小時間間隔（Δｔ）内に大きな左右傾斜変
動があったものと判断して、ステップ110で、Δαの絶
対値とΔβの絶対値との差を求め、この差に対応して油
圧シリンダ29の駆動回路59を作動させて（ステップ11
1）、苗植装置の左右が略水平状になるように保持する
のである。

なお、前記仮想線KL1,KL2の撮像画面588中における基
準線Ｙ軸に対する方向偏差から、植付け作物列と略並行
状に走行機体を走行させる操向制御も同時に実行するよ
うにしても良いのであり、この場合、二次元撮像手段56
における基準線のＹ線に対して仮想線が横ずれしいてい
る量も演算し、前記仮想線の方向偏差と横ずれ量とが所
定の値の範囲内に収まるように、ステアリングの制御弁
47に出力信号を与えるのである。

この場合、水平姿勢制御手段としての中央処理装置
（CPU）と操向制御手段としての中央処理装置（CPU）と
を別個にして各制御を並行処理できるように構成しても
良いのである。

また、前記と同様の構成の傾斜センサー51及び撮像手
段56を走行機体１の適宜箇所に設ける一方、車体フレー
ム２と各スイングケース４との間に油圧シリンダを装架
し、前記実施例と同様にして傾斜センサー51の出力信号
及び撮像手段56を介して得られた画像情報から制御手段
50を作動し、前記油圧シリンダの作動にて左右の後車輪
5,5が各々独立的に昇降することにより、傾斜状の耕盤
に沿って走行する走行機体１が左右水平状に姿勢保持し
たり、その耕盤に急激な凹凸がある場合に、走行機体１
が左右に水平状態になるように復帰する制御を実行する
こともできる。

このように、本発明によれば、傾斜の変動が時間的に
緩やかである場合には通常の機械的な傾斜センサーによ
る検出で制御すれば良く、急激な傾斜変動に対しては、
撮像手段による画像情報からの検出結果を利用すれば、
傾斜センサーの検出結果のみに頼る場合のように作業機
等姿勢制御に遅れが生じることがないので、傾斜検出装
置と作業機とのミスマッチングの問題を解消できるとい
う効果を有するのである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は乗用型田植機の
平面図、第２図は側面図、第３図は傾斜センサーと撮像
手段とによる傾斜検出及び制御手段のブロック図、第４
図は苗植付装置の連結部を示す要部拡大側面図、第５図
は第４図のＶ−Ｖ視一部切欠き平面図、第６図は傾斜セ
ンサーのブロック図、第７図は撮像手段傾斜角度を示す
作用説明図、第８図と第９図と第10図は撮像画面中の説
明図、第11図はフローチャートである。 １……走行機体、２……車体フレーム、3,5……車輪、1
0……苗植装置、11……平行リンク機構、15……苗載
台、16……植付機構、21……ヒッチ部、22……ローリン
グ軸、26……支柱、29……油圧シリンダ、49……ステア
リングセンサー、50……制御手段、51……傾斜センサ
ー、56……二次元撮像手段、57……画像処理装置、60…
…傾斜角度読取り回路、59……駆動回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ａ０１Ｃ 11/02 ３３１ Ａ０１Ｃ 11/02 ３３１Ｄ Ｇ０６Ｔ 1/00 Ｇ０６Ｆ 15/62 ３８０ (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) A01C 11/02 320 A01C 11/02 331 A01B 63/10 A01B 69/00 303 G06F 15/62 380

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圃場を走行する田植機等の農作業機に、そ
   の走行機体の操向角度を検出するステアリングセンサー
   と、走行機体または苗植装置等の作業機の圃場面に対す
   る左右傾斜角度を検出する傾斜センサーと、走行機体の
   側方に沿って既に植付けられた作物列を撮像する二次元
   撮像手段と、該二次元撮像手段の画像情報から前記作物
   列の仮想線を演算する画像処理装置とを設け、適宜微小
   時間差で得られた２つの仮想線の方向偏差の差と、操向
   角度に対応する期待方向偏差とに差異があるとき、走行
   機体または作業機に左右方向の傾斜があると判別し、前
   記傾斜センサーの検出結果を待たずに作業機の左右水平
   姿勢制御を実行することを特徴とする農作業機における
   作業機の水平姿勢制御装置。
2. 【請求項２】圃場を走行する田植機等の農作業機に、そ
   の走行機体の操向角度を検出するステアリングセンサー
   と、走行機体または苗植装置等の作業機の圃場面に対す
   る左右傾斜角度を検出する傾斜センサーと、走行機体の
   側方に沿って既に植付けられた作物列を撮像する二次元
   撮像手段と、該二次元撮像手段の画像情報から前記作物
   列の仮想線を演算する画像処理装置とを設け、前記仮想
   線のデータから前記作物列に倣う操向制御を実行する一
   方、適宜微小時間差で得られた２つの仮想線の方向偏差
   の差と、操向角度に対応する期待方向偏差とに差異があ
   るとき、走行機体または作業機に左右方向の傾斜がある
   と判別し、前記傾斜センサーの検出結果を待たずに作業
   機の左右水平姿勢制御を実行することを特徴とする農作
   業機における作業機の水平姿勢制御装置。