JP7670285B2

JP7670285B2 - 収穫機

Info

Publication number: JP7670285B2
Application number: JP2021147884A
Authority: JP
Inventors: 類福井; 勇児福岡; 隼輔宮下; 憲一石見
Original assignee: Kubota Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Kubota Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2025-04-30
Anticipated expiration: 2041-09-10
Also published as: JP2023040743A

Description

本発明は、収穫機に関する。

例えば特許文献１に開示された収穫機では、圃場の作物（文献では「植立穀稈」）を収穫する収穫部（文献では「刈取部」）の現状対地高さが検出される。収穫部の現状対地高さは、収穫部の底部に設けられた板状の接地部によって検出される。

特開２０２１－２３１１９号公報

しかし、特許文献１に開示された収穫機に備えられた接地部は、接地部の真下における圃場面に対する対地高さを検出するに過ぎず、収穫部の前方に位置する圃場面に対する対地高さを検出できない。このため、収穫部の前端部が圃場面に対して高過ぎたり低過ぎたりする状況の検出が遅れがちとなる。

本発明の目的は、収穫部の前方における圃場面に対する収穫部の現状対地高さを好適に検出できる収穫機を提供することにある。

本発明による収穫機では、機体に上下昇降可能に支持され、圃場の作物を収穫する収穫部と、前記収穫部に設けられ、作業走行中に、前記収穫部の前方に位置する圃場面を撮像対象として撮像する撮像装置と、前記撮像装置によって撮像された撮像画像に基づいて、前記撮像画像に写っている前記撮像対象の位置情報を算出する位置算出部と、複数の前記撮像画像の夫々における前記撮像対象の前記位置情報の経時的な変化分に基づいて前記撮像対象における平面部分を特定する平面特定部と、複数の前記撮像画像の夫々における前記撮像対象の前記位置情報の経時的な変化分に基づいて前記平面部分と前記撮像装置との距離を算出する距離算出部と、前記距離に基づいて圃場面に対する前記収穫部の現状対地高さを算出する高さ算出部と、が備えられていることを特徴とする。

本発明によると、撮像装置が収穫部に設けられ、撮像装置は収穫部の前方に位置する圃場面を撮像対象として撮像する。そして、撮像画像に基づいて撮像対象の位置情報が算出され、撮像装置と、撮像対象における平面部分との距離に基づいて、収穫部の現状対地高さが算出される。つまり、本発明であれば、収穫部の前方に位置する圃場面に対する現状対地高さの算出が可能となる。このため、特許文献１に開示された手法と比較して、収穫部の前端部が圃場面に対して高過ぎたり低過ぎたりする状況が早く検出される。これにより、収穫部の前方における圃場面に対する収穫部の現状対地高さを好適に検出できる収穫機が実現される。
また、圃場面における平面部分では、圃場面における凹凸部分と比較して、圃場面に対する収穫部の現状対地高さを精度良く算出し易い。平面部分は撮像対象の位置情報に基づいて特定されるが、本構成であれば、撮像対象の位置情報が複数の撮像画像から得られるため、圃場面に対する収穫部の現状対地高さが一層精度よく算出される。

本発明において、前記位置情報は、前記撮像装置を基準点とした座標であると好適である。

本構成であれば、撮像装置によって撮像された撮像画像に写っている撮像対象が座標として管理され、撮像装置と撮像対象との距離の算出が容易に可能となる。

本発明において、前記現状対地高さと予め設定された前記収穫部の目標対地高さとに基づいて、前記収穫部の対地高さが前記目標対地高さに近づくように前記収穫部の昇降制御を実行する収穫高さ制御部が備えられていると好適である。

本構成によって、収穫部の前方における圃場面に応じて収穫部の対地高さを好適に調整できる。

本発明において、前記撮像装置は、前記収穫部の下部に備えられていると好適である。

作業走行中、収穫部の前方には圃場の作物が植立している。本構成であれば、撮像装置が収穫部の上部に備えられる構成と比較して、撮像装置による圃場面の撮像が容易になる。

収穫機の全体側面図である。収穫機の全体平面図である。制御系のブロック図である。撮像画像に基づいて平面部分を特定することの説明図である。収穫高さ制御の一例を示す図である。

〔収穫機の基本構成〕
図１及び図２には、収穫機の一例として自脱型コンバインを示している。図１及び図２に示すように、本コンバインには、走行機体１が備えられている。走行機体１には、クローラ走行装置２と、クローラ走行装置２に支持される機体フレーム３と、が備えられている。走行機体１の前方に収穫部４が設けられている。収穫部４は、揺動軸芯Ｘまわりに走行機体１に上下昇降可能に支持され、圃場の作物（植立穀稈Ｓ、図４参照）を収穫する。
コンバインは、クローラ走行装置２で前進しながら、機体前方の作物を収穫部４で次々に収穫する。走行機体１の前部に運転キャビン５が設けられ、運転キャビン５は収穫部４の後方に位置する。

運転キャビン５の下方には、エンジン（図示省略）が設けられている。運転キャビン５の後方に穀粒貯留タンク６が設けられ、穀粒貯留タンク６は脱穀処理後の穀粒を貯留する。穀粒貯留タンク６の左隣に脱穀装置７が設けられ、脱穀装置７は収穫部４からの刈取穀稈を脱穀処理する。これにより、コンバインは作業走行を可能なように構成されている。穀粒貯留タンク６に穀粒排出装置８が接続され、穀粒排出装置８は穀粒貯留タンク６内の穀粒を排出する。

収穫部４は、複数刈り仕様（本実施形態では、六条刈り仕様）に構成されている。収穫部４に、複数（本実施形態では、七つ）の分草具９と、引き起こし部１０と、刈刃装置１１と、搬送部１２と、が備えられている。分草具９は植立穀稈Ｓ（図４参照、以下同じ）を分草する。引き起こし部１０は、分草具９によって分草された植立穀稈Ｓを引き起こす。刈刃装置１１は、引き起こし部１０によって引き起こされた植立穀稈Ｓの株元を切断する。搬送部１２は、刈刃装置１１によって切断された刈取穀稈を機体後方に向けて搬送する。複数の分草具９のうち、機体右端の分草具９に対して二つ隣（機体右端から三個目）の分草具９に撮像装置１３が設けられている。つまり、収穫部４の下部に撮像装置１３が備えられている。撮像装置１３は、いわゆる単眼カメラであって、収穫部４の前方における圃場面をカラー画面で撮像するように構成されている。

図２に示す例では、未刈の植立穀稈Ｓを丸印で示し、既刈の残稈をバツ印で示している。二つの分草具９の間に未刈の植立穀稈Ｓが位置する状態でコンバインが前進走行することによって、収穫部４は前方の植立穀稈Ｓを収穫する。撮像装置１３は、機体右端から三個目の分草具９に設けられている。このため、撮像装置１３によって撮像される撮像画像は、図４の画像Ｐ１～画像Ｐ３のようになる。図４の画像Ｐ１～画像Ｐ３では、左右に未刈の植立穀稈Ｓが写され、左右の植立穀稈Ｓの間に圃場面が写されている。

〔制御系の構成〕
図３に、本発明による収穫機の制御系を示す。コンバインの制御系は、制御ユニット２０、及び、この制御ユニット２０との間で車載ＬＡＮなどの配線網を通じて信号通信（データ通信）を行う各種入出力機器等によって構成されている。制御ユニット２０は、多数のＥＣＵと呼ばれる電子制御ユニットからなる。制御ユニット２０は、撮像装置１３から撮像画像のデータを入力するように構成されている。また、制御ユニット２０は、収穫部４の昇降制御用の信号を出力する。制御ユニット２０に、位置算出部２１と、平面特定部２２と、距離算出部２３と、高さ算出部２４と、収穫高さ制御部２５と、目標収穫高さ設定部２６と、が備えられている。

上述したように、撮像装置１３は分草具９に設けられ、撮像装置１３は収穫部４の前方を撮像する。このため、収穫部４が圃場の植立穀稈Ｓを収穫するとき、撮像装置１３は、図４に示すような、植立穀稈Ｓと、二条分の植立穀稈Ｓの条間における地面と、を撮像する。つまり、撮像装置１３は、コンバインの作業走行中に、収穫部４の前方に位置する圃場面を撮像対象として経時的に撮像する。撮像装置１３によって撮像された撮像画像は、経時的に位置算出部２１へ送られる。

撮像装置１３によって撮像された撮像画像の例として、図４に画像Ｐ１～画像Ｐ３を示す。画像Ｐ１～画像Ｐ３はコンバインの作業走行中に撮像されている。画像Ｐ２は画像Ｐ１よりも後の時間に撮像され、画像Ｐ３は画像Ｐ２よりも後の時間に撮像されている。画像Ｐ１～画像Ｐ３の夫々に、撮像対象の一例として物体Ａ（特定の物ではなく、圃場面の一部分である場合も含む）が写っている。位置算出部２１は、撮像装置１３によって撮像された撮像画像に基づいて、撮像画像に写っている物体Ａの位置情報を算出する。

画像Ｐ１～画像Ｐ３の夫々で物体Ａの画面上の位置情報が異なる。位置算出部２１は、画像Ｐ１～画像Ｐ３の夫々に対して、例えばＯＲＢ（ＯｒｉｅｎｔｅｄＦＡＳＴａｎｄＲｏｔａｔｅｄＢＲＩＥＦ）等の公知のマッチング処理を行って物体Ａを検出し、物体Ａの画面上の位置情報の変化分に基づいて、撮像装置１３を基準点とした物体Ａの三次元座標を算出する。つまり、位置算出部２１は、物体Ａの位置情報として、複数の撮像画像に基づいて撮像装置１３を基準点とした物体Ａの三次元座標を算出する。

なお、画像Ｐ１～画像Ｐ３の夫々の撮像タイミングにおいて、圃場における撮像装置１３の位置は異なる。撮像装置１３の位置の変化分は、例えば衛星測位システム（ＧＮＳＳ）や慣性計測センサ（ＩＭＵ）や車速センサ等を用いて検出可能である。位置算出部２１は、物体Ａの画面上の位置情報の変化分と、撮像装置１３の位置の変化分と、に基づいて撮像装置１３を基準点とした物体Ａの三次元座標を算出しても良い。

画像Ｐ１～画像Ｐ３には、物体Ａの他にも、圃場面や植立穀稈Ｓにおける多数の撮像対象が存在し、これら多数の撮像対象が点群データとして位置算出部２１に取り込まれる。これらの点群データの夫々において三次元座標が位置算出部２１によって算出される。これらの点群データは、位置算出部２１から平面特定部２２へ送られる。

平面特定部２２は、位置算出部２１から送られた多数の点群データに基づいて、公知のＲＡＮＳＡＣ（ランダム・サンプル・コンセンサス）という技術を用いて、撮像対象における平面部分Ｆ、即ち圃場面を特定する。図３に示される例では、画像Ｐ１～画像Ｐ３に基づいて、画像ＰＦに示されるような、植立穀稈Ｓの条間における平面部分Ｆが特定される。つまり、多数の撮像対象から物体Ａを含む多数の点群データが取得されるが、これらの点群データのうち、平面部分Ｆに示される部分の点群データが、インライア（ｉｎｌｉｅｒ）の点群データとして特定される。このように、平面特定部２２は、複数の撮像画像から得られた位置情報に基づいて平面部分Ｆを特定する。平面特定部２２の特定結果は、距離算出部２３へ送られる。

距離算出部２３は、平面部分Ｆに示される部分の点群データに含まれる三次元座標に基づいて、平面部分Ｆと撮像装置１３との距離Ｄを算出する。距離算出部２３の算出結果は高さ算出部２４へ送られる。そして高さ算出部２４は、距離Ｄに基づいて圃場面に対する前記収穫部の現状対地高さＨを算出する。

目標対地高さＨＴは目標収穫高さ設定部２６によって設定される。目標収穫高さ設定部２６は、例えば制御ユニット２０の内部に組み込まれた記憶装置（不図示）に予め記憶された値を目標対地高さＨＴとして設定する構成であっても良いし、人為的操作によって設定された値を目標対地高さＨＴとして設定する構成であっても良い。

収穫高さ制御部２５は、現状対地高さＨと目標対地高さＨＴとに基づいて、収穫部４の対地高さが目標対地高さＨＴに近づくように昇降制御を実行する。ここで、昇降制御とは、収穫部４の昇降アクチュエータ（不図示）の駆動を制御することを意味する。収穫高さ制御部２５は昇降制御を自動的に実行する。なお、収穫高さ制御部２５は、昇降制御を自動的に実行しなくても良く、例えば、手動による昇降制御をアシストするものであっても良い。つまり、収穫高さ制御部２５は、現状対地高さＨと予め設定された収穫部４の目標対地高さＨＴとに基づいて、収穫部４の対地高さが目標対地高さＨＴに近づくように収穫部４の昇降制御を実行すれば良い。

例えば、平面部分Ｆと隆起部分Ｇとが存在する圃場を図５に示す。隆起部分Ｇは、平面部分Ｆに対してコンバインの進行方向手前側に位置する。平面部分Ｆは図５において太線で示している。コンバインは、隆起部分Ｇを乗り越えてから平面部分Ｆにおける植立穀稈Ｓを収穫する。コンバインが隆起部分Ｇを乗り越える際に、コンバインの機体全体が前上がりに傾斜し、平面部分Ｆに対する収穫部４の現状対地高さＨが隆起部分Ｇの高さ分だけ高くなる。このため、平面部分Ｆのうち隆起部分Ｇと隣接する領域では、残稈高さが高くなる。後の耕耘等を考慮すると、圃場の残稈高さは出来るだけ低い方が望ましい。

図５に示す例では、コンバインが隆起部分Ｇを乗り越える際に、平面部分Ｆと撮像装置１３との距離Ｄが距離算出部２３によって算出される。そして、高さ算出部２４が距離Ｄに基づいて現状対地高さＨを算出する。図５に示す現状対地高さＨは、目標対地高さＨＴよりも高くなっている。このため、収穫高さ制御部２５は、収穫部４の平面部分Ｆに対する対地高さを低くするように、収穫部４を下降制御する。このため、収穫部４は、図５の破線で示される状態から図５の実線で示される状態となるように降下する。

図５では、収穫部４が降下した後における平面部分Ｆと撮像装置１３との距離ｄが距離算出部２３によって算出される。距離ｄは、収穫部４の降下前において算出された距離Ｄよりも短い。そして、高さ算出部２４が距離ｄに基づいて、収穫部４が降下した後における現状対地高さｈを算出する。図５では、目標対地高さＨＴが一点鎖線で示されている。現状対地高さｈは、図５に示している現状対地高さＨよりも低くなっており、図５に示している現状対地高さＨよりも目標対地高さＨＴに近いものとなっている。

また、コンバインが隆起部分Ｇを乗り越えた直後、コンバインの機体全体が前下がりに傾斜し、平面部分Ｆに対する収穫部４の現状対地高さＨが目標対地高さＨＴよりも低くなる場合が考えられる。この場合、収穫高さ制御部２５は、収穫部４の平面部分Ｆに対する対地高さを高くするように、収穫部４を上昇制御する。これにより、収穫部４の先端が圃場面に突き刺さる虞が軽減される。

〔別実施形態〕
本発明は、上述の実施形態に例示された構成に限定されるものではなく、以下、本発明の代表的な別実施形態を例示する。

（１）上述の実施形態に示した撮像装置１３は、いわゆる単眼カメラであるが、撮像装置１３はステレオカメラであっても良い。この構成であっても、平面特定部２２は、複数の撮像画像から得られた位置情報に基づいて平面部分Ｆを特定できる。

（２）上述の実施形態では、位置算出部２１によって算出される撮像対象の位置情報は、撮像装置１３を基準点とした座標である。この実施形態に限定されず、撮像対象の位置情報は、例えば収穫部４の任意の位置（収穫部４の底部など）を基準点とした座標であっても良い。

（３）上述の実施形態では、機体右端の分草具９に対して二つ隣（機体右端から三個目）の分草具９に撮像装置１３が設けられている。この実施形態に限定されず、撮像装置１３は、どの分草具９に設けられても良い。例えば、図２に示すような既刈の残稈が写っても問題なければ、撮像装置１３は機体右端の分草具９に設けられても良い。また、撮像装置１３は、例えば引き起こし部１０の前部に設けられても良い。

（４）上述の実施形態では、撮像装置１３は、収穫部４の前方における圃場面をカラー画面で撮像するが、グレースケール値を有するグレースケール画像で圃場面を撮像する構成であっても良い。

なお、上述の実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能である。また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、自脱型コンバイン以外に、全稈投入型のコンバイン、トウモロコシ収穫機、飼料収穫機等にも適用できる。

１：走行機体
４：収穫部
１３：撮像装置
２１：位置算出部
２２：平面特定部
２３：距離算出部
２４：高さ算出部
２５：収穫高さ制御部
Ｄ：平面部分と撮像装置との距離
Ｆ：平面部分
ＨＴ：目標対地高さ
Ｈｄ：現状対地高さ

Claims

機体に上下昇降可能に支持され、圃場の作物を収穫する収穫部と、
前記収穫部に設けられ、作業走行中に、前記収穫部の前方に位置する圃場面を撮像対象として撮像する撮像装置と、
前記撮像装置によって撮像された撮像画像に基づいて、前記撮像画像に写っている前記撮像対象の位置情報を算出する位置算出部と、
複数の前記撮像画像の夫々における前記撮像対象の前記位置情報の経時的な変化分に基づいて前記撮像対象における平面部分を特定する平面特定部と、
複数の前記撮像画像の夫々における前記撮像対象の前記位置情報の経時的な変化分に基づいて前記平面部分と前記撮像装置との距離を算出する距離算出部と、
前記距離に基づいて圃場面に対する前記収穫部の現状対地高さを算出する高さ算出部と、が備えられている収穫機。
前記位置情報は、前記撮像装置を基準点とした座標である請求項１に記載の収穫機。
前記現状対地高さと予め設定された前記収穫部の目標対地高さとに基づいて、前記収穫部の対地高さが前記目標対地高さに近づくように前記収穫部の昇降制御を実行する収穫高さ制御部が備えられている請求項１または２に記載の収穫機。
前記撮像装置は、前記収穫部の下部に備えられている請求項１から３の何れか一項に記載の収穫機。