JP2016094093A

JP2016094093A - 衛星航法システム用アンテナ

Info

Publication number: JP2016094093A
Application number: JP2014231125A
Authority: JP
Inventors: 横山　和寿; Kazuhisa Yokoyama; 和寿横山
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2016-05-26

Abstract

【課題】作業場近くを通行する人等に対して、容易に自律走行中であることが認識でき、どのような作業や走行状態であるかを認識できるアンテナを提供しようとする。
【解決手段】衛星測位システムを利用して、設定した走行経路に沿って自動的に走行及び作業を可能とする自律走行作業車両１に取り付ける衛星航法システム用アンテナユニット５０であって、移動用ＧＰＳアンテナ３４と、該ＧＰＳアンテナ３４の周囲に配置する複数のランプ５２・５２・・・と、スピーカ５１と、回路基板５３と、慣性計測装置３１とを、一体的に一つの筐体５４内に収納した。
【選択図】図３

Description

本発明は、衛星航法システムを利用して作業車の位置を測位するための衛星航法システム用アンテナに関し、作業車の周りにいる人に対して作業車の走行・作業状態が容易に認識できるようにする衛星航法システム用アンテナの技術に関する。

従来から人工衛星から送出された衛星信号を受信するアンテナ装置において、電波受信器が内臓されたＧＰＳアンテナと、このＧＰＳアンテナの裏面に配置され、電波受信器からの信号に基づいてＬＥＤランプ及びブザーをオン・オフ制御する回路を有するＬＥＤプリント基板と、このＬＥＤプリント基板の四箇所に設けられたＬＥＤランプと、このＬＥＤランプ用の一対のアウターレンズと、スピーカを前面に有する一対のブザーとを備えるＧＰＳアンテナの技術は公知となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−４８８５７号公報

前記技術は、乗用車のルーフに取り付けるルーフマーカ付きＧＰＳアンテナであって、電波式遠隔操作装置の遠隔操作でランプを点灯させ、またはブザー音を出すことによって広大な駐車場や地下駐車場等で容易に自己の乗用車を容易に見つけることができるようになっていた。このような、ＧＰＳアンテナは単に自己の乗用車を見つけるためのものであったので、乗用車がどのような状態であるかを表すものではなかった。

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、自律走行作業車両のルーフに、今どのような状態で走行しているのか、周りで監視・操作するオペレータや補助者、または、作業場近くを通行する人等に対して、容易に自律走行中であることが認識でき、どのような作業や走行状態であるかを認識できるアンテナを提供しようとする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、請求項１においては、衛星測位システムを利用して、設定した走行経路に沿って自動的に走行及び作業を可能とする自律走行作業車両に取り付ける衛星航法システム用アンテナであって、ＧＰＳアンテナと、該ＧＰＳアンテナの周囲に配置する複数のランプと、スピーカと、回路基板と、慣性計測装置とを、一体的に一つの筐体内に収納したものである。

請求項２においては、前記ランプは複数の色を発光可能とし、発光された色により自律走行作業車両の状態を認識できるようにしたものである。

請求項３においては、前記ランプとスピーカは連動され、発光色とスピーカから発する音により自律走行作業車両の状態を認識できるようにしたものである。

以上のような手段を用いることにより、ＧＰＳアンテナと複数のランプとスピーカと回路基板と慣性計測装置とが一体的になりコンパクトな構成となって設置が容易にでき、デザイン性も向上できる。また、自律走行作業車両がどのような状態であるかが、ランプの点灯により容易に認識することができる。また、周りの人にスピーカからの音により自律走行作業車両の存在を容易に知らせることができ、安全性を向上できる。

自律走行作業車両のお概略側面図。制御ブロック図。アンテナユニットの側面断面図。同じく平面図。同じくアンテナユニットの他の実施形態の平面図。

本発明の衛星航法システム用アンテナを備えるアンテナユニット５０が取り付けられる自律走行作業車両１となるトラクタの全体構成について、図１、図２より説明する。
ボンネット２内にエンジン３が内設され、該ボンネット２の後部のキャビン１１内にダッシュボード１４が設けられ、ダッシュボード１４上に操向操作手段となるステアリングハンドル４が設けられている。該ステアリングハンドル４の回動により操舵装置を介して前輪９・９の向きが回動される。

自律走行作業車両１の操舵方向は操向センサ２０により検知される。操向センサ２０はロータリエンコーダ等の角度センサからなり、前輪９の回動基部に配置される。但し、操向センサ２０の検知構成は限定するものではなく操舵方向が認識されるものであればよく、ステアリングハンドル４の回動を検知したり、パワーステアリングの作動量を検知してもよい。操向センサ２０により得られた検出値は制御装置３０に入力される。制御装置３０はＣＰＵ（中央演算処理装置）やＲＡＭやＲＯＭ等の記憶装置３０ｍやインターフェース等を備え、記憶装置３０ｍには自律走行作業車両１を動作させるためのプログラムやデータ等が記憶される。

前記ステアリングハンドル４の後方に運転席５が配設され、運転席５下方にミッションケース６が配置される。ミッションケース６の左右両側にリアアクスルケース８・８が連設され、該リアアクスルケース８・８には車軸を介して後輪１０・１０が支承される。エンジン３からの動力はミッションケース６内の変速装置（主変速装置や副変速装置）により変速されて、後輪１０・１０を駆動可能としている。変速装置は例えば油圧式無段変速装置で構成して、可変容量型の油圧ポンプの可動斜板をモータ等の変速手段４４により作動させて変速可能としている。変速手段４４は制御装置３０と接続されている。後輪１０の回転数は車速センサ２７により検知され、走行速度として制御装置３０に入力される。但し、車速の検知方法や車速センサ２７の配置位置は限定するものではない。

ミッションケース６内にはＰＴＯクラッチやＰＴＯ変速装置が収納され、ＰＴＯクラッチはＰＴＯ入切手段４５により入り切りされ、ＰＴＯ入切手段４５は制御装置３０と接続され、ＰＴＯ軸への動力の断接を制御可能としている。

前記エンジン３を支持するフロントフレーム１３にはフロントアクスルケース７が支持され、該フロントアクスルケース７の両側に前輪９・９が支承され、前記ミッションケース６からの動力が前輪９・９に伝達可能に構成している。前記前輪９・９は操舵輪となっており、ステアリングハンドル４の回動操作により回動可能とするとともに、操舵装置の駆動手段となるパワステシリンダからなる操舵アクチュエータ４０により前輪９・９が左右操舵回動可能となっている。操舵アクチュエータ４０は制御装置３０と接続され、自動走行手段により制御されて駆動される。

制御装置３０にはエンジン回転制御手段となるエンジンコントローラ６０が接続され、エンジンコントローラ６０にはエンジン回転数センサ６１や水温センサや油圧センサ等が接続され、エンジンの状態を検知できるようにしている。エンジンコントローラ６０では設定回転数と実回転数から負荷を検出し、過負荷とならないように制御するとともに、後述する操作端末となる遠隔操作装置１１２にエンジン３の状態を送信して表示装置１１３で表示できるようにしている。

また、ステップ下方に配置した燃料タンク１５には燃料の液面を検知するレベルセンサ２９が配置されて制御装置３０と接続され、自律走行作業車両１のダッシュボードに設ける表示手段４９には燃料の残量を表示する燃料計が設けられ制御装置３０と接続されている。そして、制御装置３０から遠隔操作装置１１２に燃料残量に関する情報が送信されて、遠隔操作装置１１２の表示装置１１３に燃料残量と作業可能時間が表示可能とされる。

前記ダッシュボード１４上にはエンジンの回転計や燃料計や油圧等や異常を示すモニタや設定値等を表示する表示手段４９が配置されている。

また、トラクタ機体後方に作業機装着装置２３を介して作業機としてロータリ耕耘装置２４が昇降自在に装設させている。前記ミッションケース６上に昇降シリンダ２６が設けられ、該昇降シリンダ２６を伸縮させることにより、作業機装着装置２３を構成する昇降アームを回動させてロータリ耕耘装置２４を昇降できるようにしている。昇降シリンダ２６は昇降アクチュエータ２５の作動により伸縮され、昇降アクチュエータ２５は制御装置３０と接続されている。

制御装置３０には衛星測位システムを構成する移動通信機３３が接続されている。移動通信機３３には移動用ＧＰＳアンテナ３４とデータ受信アンテナ３８が接続され、移動用ＧＰＳアンテナ３４とデータ受信アンテナ３８は前記キャビン１１上に設けられる。移動用ＧＰＳアンテナ３４は後述するアンテナユニット５０内に設けられる。前記移動通信機３３には、位置算出手段を備えて緯度と経度を制御装置３０に送信し、現在位置を把握できるようにしている。なお、ＧＰＳ（米国）に加えて準天頂衛星(日本)やグロナス衛星（ロシア）等の衛星測位システム（ＧＮＳＳ）を利用することで精度の高い測位ができるが、本実施形態ではＧＰＳを用いて説明する。

自律走行作業車両１は、機体の姿勢変化情報を得るために慣性計測装置（ＩＭＵ）３１を具備し制御装置３０と接続されている。なお、方位はＧＰＳの位置計測から進行方向を算出できるが、方位センサを別に設けることもできる。慣性計測装置３１はアンテナユニット５０に一体的に設けられる。

慣性計測装置３１は３軸のジャイロと３方向の加速度計によって、３次元の角速度と加速度が求められる。該慣性計測装置３１の検出値が制御装置３０に入力され、制御装置３０は、姿勢・方位演算手段により演算し、自律走行作業車両１の姿勢（向き、機体前後方向及び機体左右方向の傾斜、旋回方向）を求め、設定経路Ｒに沿って自動走行するように制御する。

次に、自律走行作業車両１の位置情報をＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）を用いて取得する方法について説明する。
ＧＰＳは、元来航空機・船舶等の航法支援用として開発されたシステムであって、上空約二万キロメートルを周回する二十四個のＧＰＳ衛星（六軌道面に四個ずつ配置）、ＧＰＳ衛星の追跡と管制を行う管制局、測位を行うための利用者の通信機で構成される。

ＧＰＳを用いた測位方法としては、単独測位、相対測位、ＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）測位、ＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティック−ＧＰＳ）測位など種々の方法が挙げられ、これらいずれの方法を用いることも可能であるが、本実施形態では測定精度の高いＲＴＫ−ＧＰＳ測位方式を採用し、この方法について図１、図２より説明する。

ＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティック−ＧＰＳ）測位は、位置が判っている基準局と、位置を求めようとする移動局とで同時にＧＰＳ観測を行い、基準局で観測したデータを無線等の方法で移動局にリアルタイムで送信し、基準局の位置成果に基づいて移動局の位置をリアルタイムに求める方法である。

本実施形態においては、自律走行作業車両１に移動局となる移動通信機３３と移動用ＧＰＳアンテナ３４とデータ受信アンテナ３８が配置され、基準局となる固定通信機３５と固定ＧＰＳアンテナ３６とデータ送信アンテナ３９が圃場の作業の邪魔にならない所定位置に配設される。本実施形態のＲＴＫ−ＧＰＳ（リアルタイムキネマティック−ＧＰＳ）測位は、基準局および移動局の両方で位相の測定（相対測位）を行い、基準局の固定通信機３５で測位したデータをデータ送信アンテナ３９からデータ受信アンテナ３８に送信する。

自律走行作業車両１に配置された移動用ＧＰＳアンテナ３４はＧＰＳ衛星３７・３７・・・からの信号を受信する。この信号は移動通信機３３に送信され測位される。そして、同時に基準局となる固定ＧＰＳアンテナ３６でＧＰＳ衛星３７・３７・・・からの信号を受信し、固定通信機３５で測位し移動通信機３３に送信し、観測されたデータを解析して移動局の位置を決定する。こうして得られた位置情報は制御装置３０に送信される。

こうして、この自律走行作業車両１における制御装置３０は自動走行させる自動走行手段を備えて、自動走行手段はＧＰＳ衛星３７・３７・・・から送信される電波を受信して移動通信機３３において設定時間間隔で機体の位置情報を求め、慣性計測装置３１から機体の変位情報および方位情報を求め、これら位置情報と変位情報と方位情報に基づいて機体が予め設定した設定経路に沿って走行するように、操舵アクチュエータ４０、変速手段４４、昇降アクチュエータ２５、ＰＴＯ入切手段４５、エンジンコントローラ６０等を制御して自動走行し自動で作業できるようにしている。なお、作業範囲となる圃場の外周の位置情報も周知の方法によって予め設定され、記憶装置３０ｍに記憶されている。

また、自律走行作業車両１には障害物センサ４１が配置されて制御装置３０と接続され、障害物に当接しないようにしている。例えば、障害物センサ４１はレーザセンサや超音波センサで構成して機体の前部や側部や後部に配置して制御装置３０と接続し、機体の前方や側方や後方に障害物があるかどうかを検出し、障害物が設定距離以内に近づくと走行を停止させるように制御する。

また、自律走行作業車両１には前方を撮影するカメラ４２や後方の作業機や作業後の状態を撮影するカメラ４２が搭載され制御装置３０と接続されている。カメラ４２で撮影された映像は遠隔操作装置１１２の表示装置１１３に表示される。

操作端末となる遠隔操作装置１１２は前記自律走行作業車両１の走行経路を設定したり、自律走行作業車両１を遠隔操作したり、自律走行作業車両１の走行状態や作業機の作動状態を監視したり、作業データを記憶したりするものであり、制御装置（ＣＰＵやメモリ）１１９や通信装置１１１や表示装置１１３等を備える。なお、前記圃場の位置を定めたり、衛星測位システムを利用して走行したり、走行経路を設定したりするために地図データ（情報）が参照されるが、この地図データは、インターネットに公開されている地図データや地図メーカ等が配信している地図データやカーナビ地図データ等が用いられる。

前記遠隔操作装置１１２と自律走行作業車両１は無線で相互に通信可能に構成しており、自律走行作業車両１と遠隔操作装置１１２には通信するための通信装置１１０・１１１がそれぞれ設けられている。通信装置１１１は遠隔操作装置１１２に一体的に構成されている。通信手段は例えばＷｉＦｉ等の無線ＬＡＮで相互に通信可能に構成されている。遠隔操作装置１１２は画面に触れることで操作可能なタッチパネル式の操作画面とした表示装置１１３を筐体表面に設け、筐体内に通信装置１１１やＣＰＵや記憶装置やバッテリ等を収納している。

つぎに、本発明のアンテナユニット５０について図３より説明する。
アンテナユニット５０は、慣性計測装置３１と移動用ＧＰＳアンテナ３４とスピーカ５１とランプ５２と回路基板５３が一体的に構成され、一つの筐体５４内に収容されている。

前記筐体５４は透明または半透明の樹脂で半球状として、円板状の底板５５上に固定される。底板５５には磁石が一体的に貼り付けられており、キャビン１１のルーフの任意位置に吸着させて取り付けられるようにしている。従って、容易に着脱できて取付位置の調整やメンテナンス等が容易にできるものである。

前記底板５５の中央上には回路基板５３が設けられ、回路基板５３はスピーカ５１やランプ５２の駆動回路や慣性計測装置３１の給電回路が設けられ、制御装置３０と接続されている。回路基板５３上に移動用ＧＰＳアンテナ３４と慣性計測装置３１が設けられ、その外側にスピーカ５１が配置され、さらに外周に沿ってランプ５２・５２・・・が配置される。

前記スピーカ５１は外部へ音が発せられるように一つまたは複数配置される。スピーカ５１からは音声や音楽や断続音等を発することが可能であり、自律走行作業車両１の状態に応じて音の種類や音量が変更される。本実施形態では、４つのスピーカ５１・５１・・・が前後左右方向に音を発するように配置される。但し、スピーカ５１の代わりにブザーを用いてもよく、連続音と断続音、或いは、音色の違うブザーを複数配置して、自律走行作業車両１の状態を表現してもよい。そして、スピーカ５１から発する音はランプ５２の点灯と連動させている。

ランプ５２は本実施形態ではＬＥＤを用いているが、発光体は限定するものではなく、有機ＥＬや電球等であってもよい。ランプ５２は複数の発光色の異なるランプ５２・５２・・・が並べて配置される。例えば、図３に示すように、下から円周帯状に青、黄、赤と配置される。または、図５に示すように、縦の青列、黄列、赤列と円周方向に順に繰り返し配置される。ただし、ランプ５２の配置位置は限定するものではなく、異なる色のランプ５２が複数組順番に配置されればよい。また、ランプの発光色も限定するものではない。こうして、自律走行作業車両１の状態を発光する色と音によって判別できるようにしている。

具体的には、青色のランプ５２ｂが点灯または点滅されている場合は、自律走行作業車両１が正常に自動走行されているときである。このとき、スピーカ５１からは進行がスムースに行われていることが分かるような心地よい（後進曲や童謡のような）音楽またはメロディ等が流されるようにしている。こうして、周囲に自律走行作業車両１が近づいてきたことが周囲の人に分かるようにしている。

また、黄色のランプ５２ｙが点灯または点滅される場合は、自律走行作業車両１に停止させるほどではないが注意すべき事態が発生したときとしている。このときスピーカ５１から音量がそれほど大きくはなく注意を促す音を発生させる。または、注意事項を音声で知らせる。例えば、燃料が少なくなってきた場合や、作業機の過負荷が設定時間以上回復しない場合や、エンジンやその他の機器の部品交換が近づいてきた場合等であり、ランプ５２ｙの発光と音によってオペレータや補助者に注意を喚起できるようにする。

また、赤色のランプ５２ｒが点灯または点滅される場合は、自律走行作業車両１に異常が発生して走行及び作業を停止したときとしている。このときスピーカ５１から比較的大きい音量の警報音を発する。または、異常事態が発生したことを音声で知らせるようにする。例えば、エンジンの水温や油温が設定温度以上に上昇した場合や、燃料噴射系で所定量、所定時期に燃料が噴射しないような異常や、ＧＰＳ測位ができないような異常や、走行経路からズレたり旋回しない等の操向系の異常や、作業機が作動しない場合や、電気系統の短絡・断線等の異常等であり、スピーカ５１から音量を大きくして警報音を発する。または、異常個所を音声で知らせる。なお、ランプ５２の発光タイミングやスピーカ５１から発する音は制御装置３０に記憶装置３０ｍに記憶されている。

以上のように、衛星測位システムを利用して設定した走行経路に沿って自動的に走行及び作業を可能とする自律走行作業車両１に取り付ける衛星航法システム用アンテナユニット５０であって、移動用ＧＰＳアンテナ３４と、該ＧＰＳアンテナ３４の周囲に配置する複数のランプ５２・５２・・・と、スピーカ５１と、回路基板５３と、慣性計測装置３１とを、一体的に一つの筐体５４内に収納したので、アンテナユニット５０はコンパクトに構成されて、取付や着脱等が容易に行える。

また、前記ランプ５２・５２・・・は複数の色を発光可能とし、発光された色により自律走行作業車両１の状態を認識できるようにしたので、自律走行作業車両１のルーフ上に取り付けられたアンテナユニット５０の発光色を確認するだけで、周囲から容易に自律走行作業車両１の状態を認識することができる。

また、前記ランプ５２・５２・・・とスピーカ５１は連動され、発光色とスピーカ５１から発する音により自律走行作業車両の状態を認識できるようにしたので、ランプ５２の発光色とスピーカ５１からの音により、自律走行作業車両１の状態を間違いがなく確実に認識することができる。

１自律走行作業車両
３０制御装置
３１慣性計測装置
３４ＧＰＳアンテナ
５０アンテナユニット
５１スピーカ
５２ランプ
５３回路基板
５４筐体

Claims

衛星測位システムを利用して、設定した走行経路に沿って自動的に走行及び作業を可能とする自律走行作業車両に取り付ける衛星航法システム用アンテナであって、ＧＰＳアンテナと、該ＧＰＳアンテナの周囲に配置する複数のランプと、スピーカと、回路基板と、慣性計測装置とを、一体的に一つの筐体内に収納したことを特徴とする衛星航法システム用アンテナ。
前記ランプは複数の色を発光可能とし、発光された色により自律走行作業車両の状態を認識できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の衛星航法システム用アンテナ。
前記ランプとスピーカは連動され、発光色とスピーカから発する音により自律走行作業車両の状態を認識できるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の衛星航法システム用アンテナ。