JP7004756B2 - 作業車協調システム - Google Patents

Description

本発明は、親作業車と、この親作業車に追従する無人操縦式の子作業車とにより対地作業を行う作業車協調システムに関する。

親作業車の実際の走行位置に基づいて順次目標走行位置を決定し、その目標走行位置を目指して子作業車を操縦する車両制御システムが、特許文献１から知られている。この車両制御システムでは、親作業車に対して設定されたＸ（経度）方向とＹ（緯度）方向とのオフセット量を維持するように子作業車を親作業車に追従させる制御モードや親作業車の走行軌跡を作業幅分だけ平行移動させることによって得られる走行経路を目標走行経路として子作業車を親作業車に追従させる制御モードなどが開示されている。

特許文献１による追従制御では、広大な作業地における作業を意図しており、畦等によって境界づけられた比較的狭い面積の田畑などを作業地とする対地作業は意図されていない。そのような作業地（圃場）での対地作業、特に農作を対象とする対地作業は、作業地の中央領域に対して直進作業走行とＵターンとを繰り返して走行する往復走行と、Ｕターン作業領域の周囲に規定される回り作業領域を回りながら作業する回り走行とに分けて行われる。このため、作業地は、予めＵターン作業領域と、回り作業領域とに区分けされる。このＵターン作業領域に対する作業走行である中央作業走行と、回り作業領域対する作業走行である回り走行とでは異なる方向転換操縦アルゴリズムが適用される。

Ｕターン作業領域と回り作業領域とに対する、耕耘作業などの対地作業を、単独の無人作業車によって行うことは、例えば特許文献２から知られている。しかしながら、中央作業走行と回り走行とからなる対地作業を、子作業車を親作業車に追従させる作業車協調制御で実現するためには、特許文献１や特許文献２に開示されている制御を単に組み合わせるだけでは不可能である。

米国特許６,７３２,０２４号公報 特開平１１－２６６６０８号公報

上記実情から、Ｕターン作業領域と回り作業領域とを対象とする対地作業走行を、親作業車に子作業車を追従させる作業車協調制御で実現するためのシステムが要望されている。

本発明の作業車は、親作業車と、前記親作業車に追従する無人操縦式の子作業車とにより対地作業を行う作業車協調システムであって、前記親作業車の位置を検出する親位置検出モジュールと、前記子作業車の位置を検出する子位置検出モジュールと、直進作業走行とＵターンとを繰り返して作業が実施されるＵターン作業領域における走行を制御するＵターン作業領域走行制御モジュールと、を備え、前記Ｕターン作業領域走行制御モジュールが、前記親作業車の前記Ｕターンの開始点である親Ｕターン開始点及び前記親作業車の前記Ｕターンの終了点である親Ｕターン終了点に基づいて、前記子作業車の前記Ｕターンの開始点である子Ｕターン開始点及び前記子作業車の前記Ｕターンの終了点である子Ｕターン終了点を決定し、前記Ｕターン作業領域走行制御モジュールが、前記Ｕターン作業領域の一方の端部側において、前記子Ｕターン開始点及び前記子Ｕターン終了点が、前記親Ｕターン開始点と前記親Ｕターン終了点との間に位置し、且つ、前記Ｕターン作業領域の他方の端部側において、前記親Ｕターン開始点及び前記親Ｕターン終了点が、前記子Ｕターン開始点と前記子Ｕターン終了点との間に位置し、且つ、前記子Ｕターン開始点、前記子Ｕターン終了点、前記親Ｕターン開始点、及び、前記親Ｕターン終了点が、前記一方の端部側及び前記他方の端部側のそれぞれにおいて、横方向で並ぶように、前記子Ｕターン開始点及び前記子Ｕターン終了点を決定し、且つ、前記Ｕターン作業領域走行制御モジュールが、前記子作業車のＵターン経路のうち前記直進作業走行の方向において前記子Ｕターン開始点及び前記子Ｕターン終了点から最も離れた部分が、前記親作業車のＵターン経路のうち前記直進作業走行の方向において前記親Ｕターン開始点及び前記親Ｕターン終了点から最も離れた部分重なるように、前記子作業車のＵターン経路を決定する。
また、本発明の作業車は、親作業車と、前記親作業車に追従する無人操縦式の子作業車とにより対地作業を行う作業車協調システムであって、前記親作業車の位置を検出する親位置検出モジュールと、前記子作業車の位置を検出する子位置検出モジュールと、直進作業走行とＵターンとを繰り返して作業が実施されるＵターン作業領域における走行を制御するＵターン作業領域走行制御モジュールと、を備え、前記Ｕターン作業領域走行制御モジュールが、前記親作業車の前記Ｕターンの開始点である親Ｕターン開始点及び前記親作業車の前記Ｕターンの終了点である親Ｕターン終了点に基づいて、前記子作業車の前記Ｕターンの開始点である子Ｕターン開始点及び前記子作業車の前記Ｕターンの終了点である子Ｕターン終了点を決定し、前記Ｕターン作業領域の周囲に規定される回り作業領域における走行に際して、前記Ｕターン作業領域における作業終了点が外側に位置する機体が、前記Ｕターン作業領域における作業終了点が内側に位置する機体よりも外側を走行する。
また、親作業車と、この親作業車に追従する無人操縦式の子作業車とにより対地作業を行う作業車協調システムにおいて、本発明によるシステムは、前記親作業車の位置を検出する親位置検出モジュールと、前記子作業車の位置を検出する子位置検出モジュールと、前記親作業車の位置から前記親作業車の走行軌跡を算定する親走行軌跡算定部と、直進作業走行とＵターンとを繰り返して作業が実施されるＵターン作業領域の周囲に規定される回り作業領域における、前進と後進とからなる切り返し走行と回り作業走行とを含む回り走行を検知する回り走行検知部と、前記親作業車の対地作業幅及び前記子作業車の対地作業幅と、前記親作業車の切り返し走行における切り返し走行開始点と切り返し走行完了点とを含む切り返し走行軌跡とから、前記子作業車の切り返し走行開始点と切り返し走行完了点とを算定する切り返し走行目標算定部と、前記親作業車の対地作業幅及び前記子作業車の対地作業幅と、前記親作業車の回り作業走行軌跡とから、前記切り返し走行完了点から次の切り返し走行開始点までの前記子作業車の回り作業走行における目標走行位置を算定する回り作業走行目標算定部と、前記切り返し走行開始点と前記切り返し走行完了点と前記目標走行位置とに基づいて前記子作業車を無人操縦する操縦制御部とを備えている。

この構成によれば、親作業車の回り作業領域における回り走行は、切り返し走行と回り作業走行とに区分けされる。第一に、切り返し走行の出発点である切り返し走行開始点から切り返し走行完了点に至る親作業車の切り返し走行軌跡から、対地作業幅を考慮して推定される子作業車の切り返し走行軌跡から、子作業車の切り返し走行開始点及び切り返し走行完了点が算定される。なお、切り返し走行完了点は、実際に対地作業を実施することになる回り作業走行の出発点となる。次に、子作業車を切り返し走行開始点からこの切り返し走行完了点まで導く走行目標位置が算定されると、この走行目標位置に基づいて子作業車を操縦することで、子作業車は切り返し走行完了点に達する。この切り返し走行完了点は、回り作業出発点でもある。したがって、子作業車は、回り作業出発点から、親作業車の作業跡に対して所定のオーバーラップ量を維持するように追従する通常の追従作業走行が実施される。これにより、回り作業領域の回り走行においても、親作業車の対地作業幅と子作業車の対地作業幅とによる効率的な対地作業が実現する。

切り返し走行は、回り作業出発点に移行するための準備走行であるため、前進と後進とを伴う非作業状態の走行となる。このことから、本発明の実施形態では、前記切り返し走行における作業状態から作業状態への移行点が前記親作業車の切り返し走行開始点とみなすことができ、前記切り返し走行における非作業状態から作業状態への移行点が前記親作業車の切り返し走行完了点とみなすことができる。この親作業車の切り返し走行開始点と切り返し走行完了点とに基づいて、子作業車の切り返し走行開始点と切り返し走行完了点とが算定される。

親作業車の切り返し走行をさらに確実に検知するためには、前進時の方向と後進時の方向を考慮するとよい。このため、本発明の好適な実施形態として、前記回り作業走行検知部は、前記親作業車の非作業状態での走行軌跡に基づいて前記親作業車の切り返し走行を認識するように構成してもよい。

切り返し走行では、非作業状態での、方向転換を行う前進とそれに続く後進とで、作業車を回り作業走行の出発点に到達させる。その際、作業は行われないので、回り作業走行の出発点となる切り返し走行完了点にさえ到達できるのなら、子作業車の後進走行は親作業車の走行軌跡を追従する必要はない。例えば、子作業車の後進走行は切り返し走行完了点に向かって最短距離で直進することができる。このことから、本発明の好適な実施形態では、前記子作業車の切り返し走行における切り返し走行完了点に至る後進走行は、前記親作業車の走行軌跡とは無関係に行われる。

先行する親作業車に子作業車を追従させるための機能部は、できるだけ１つのコントロールユニットに収めることが望ましい。この目的のため、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記子位置検出モジュールと前記操縦制御部とが前記子作業車に搭載され、前記親位置検出モジュールと、前記親走行軌跡算定部と、前記回り走行認識部と、前記切り返し走行目標算定部と、前記回り作業走行目標算定部とが前記親作業車に搭載され、前記子作業車と前記親作業車とが相互にデータ伝送可能に接続されている。この構成では、子作業車はわずかな改造だけで済むので、複数台の子作業車を用いるシステムには好都合である。

また、さらに別の好適な実施形態では、前記子位置検出モジュールと前記操縦制御部とが前記子作業車に搭載され、前記親位置検出モジュールが前記親作業車に搭載され、前記親走行軌跡算定部と、前記回り走行認識部と、前記切り返し走行目標算定部と、前記回り作業走行目標算定部とが、別個のコントロールユニットに構築され、前記コントロールユニットと前記子作業車と前記親作業車とが相互にデータ伝送可能に接続されている。この構成では、作業車と別個に構成されるコントロールユニットに本発明を実現する主要な機能が構築されているので、親作業車及び子作業車の改造は少なくて済む。親作業車及び子作業車とコントロールユニットとをＷｉＦｉや電話回線などを利用してデータ伝送可能に接続すれば、この作業車協調システムをクラウドシステムとして利用することが可能となる。

本発明の作業車協調システムにおける、回り作業走行領域での子作業車の親作業車に対する追従の基本原理を説明する模式図であり、（ａ）は作業地全体での親作業者と子作業車の走行軌跡を示し、（ｂ）は親作業車の切り返し走行と回り作業走行の走行軌跡を示し、（ｃ）は子作業車の切り返し走行と回り作業走行の走行軌跡を示す。 作業車協調システムの実施形態において、作業車として適用された耕耘装置付きトラクタの側面図である。 作業車協調システムを構築する機能部を示す機能ブロック図である。 直線状の作業走行における基本的なデータの伝達を示す模式図である。 Ｕターン走行における基本的なデータの伝達を示す模式図である。 切り返し走行における基本的なデータの伝達を示す模式図である。 Ｕターン作業地での走行制御の一例を表すフローチャートである。 Ｕターン作業領域における作業走行とＵターン走行での親作業車及び子作業車の走行軌跡を示す模式図である。 回り作業走行に先立って行われる切り返し走行における親作業車及び子作業車の出発位置を示す模式図である。 親作業車の最初のコーナ部での切り返し走行を説明する模式図である。 子作業車の最初のコーナ部での切り返し走行の目標走行点を説明する模式図である。 子作業車の最初のコーナ部での切り返し走行を説明する模式図である。 親作業車の次のコーナ部での切り返し走行を説明する模式図である。 子作業車の次のコーナ部での切り返し走行を説明する模式図である。

本発明による作業車協調システムの具体的な実施形態を説明する前に、図１を用いて回り作業走行領域での子作業車の親作業車に対する追従の基本原理を説明する。この作業車協調システムでは、有人操縦式の親作業車１Ｐと、この親作業車１Ｐに追従する無人操縦式の子作業車１Ｃとにより対地作業を行う。つまり、先行する親作業車１Ｐの左後方から子作業車１Ｃが親作業車１Ｐを追従走行することで、親作業車１Ｐの作業幅と子作業車１Ｃの作業幅とを合わせた幅（実際にはわずかな幅のオーバーラップが生じる）での対地作業が実現する。

図１で示された対地作業地は、外周囲を畦によって境界づけられ圃場である。簡略化して示されているが、この圃場は、直進作業走行とＵターンとを繰り返して作業が実施される長方形状のＵターン作業領域Ａと、このＵターン作業領域Ａの周囲に規定される四角形環状の回り作業領域Ｂとに区分けされている。この作業地区分けは、圃場作業において一般的に行われているもので、回り作業領域Ｂは枕地作業とも呼ばれる。この例では、対地作業としてトラクタによる耕耘作業を例としており、Ｕターン作業領域に対する作業を最初に行い、その後に回り作業領域Ｂに対する作業を行う。このＵターン作業領域Ａの作業から回り作業領域Ｂの作業に移行する際に、Ｕターン作業領域Ａの作業終了点から、回り作業領域Ｂにおける作業出発点への切り返し走行が行われる。なお、図１では、親作業車１Ｐの走行軌跡は黒太線で示され、子作業車１Ｃの走行軌跡は白太線で示されて、さらに、切り返し走行軌跡は点線描画で区別されている。

回り作業が効率的に行われるように、適切な経路をとって行われる親作業車１Ｐの切り返し走行を、子作業車１Ｃが追従する必要がある。その際に実施される協調制御を以下に説明する。
まず、図１の（ｂ）に示されているように、親作業車１Ｐは、非作業状態（耕耘装置を上昇）で、Ｕターン作業領域の作業終了点である切り返し走行開始点Ｐp1から出発して、圃場の１つのコーナ部に設定された回り作業開始点（切り返し走行完了点でもある）Ｐp3に作業車後端を向き合わせるように前進旋回走行し、作業車後端が回り作業開始点に向き合った切り返し点Ｐp2で停止する。次に、回り作業開始点となる切り返し走行完了点Ｐp3に達するまで後進走行する。切り返し走行を完了すると、親作業車１Ｐは、作業状態（耕耘装置を下降）で、回り作業領域を前進走行する。この回り作業走行は実質的には直線状の走行軌跡となるように行われる。

上述した親作業車１Ｐの走行軌跡から親作業車１Ｐが切り返し走行を実施したことが検知されると、当該走行軌跡と、親作業車１Ｐ及び子作業車１Ｃの対地作業幅（以下単に作業幅と略称し、図１ではそれぞれＷPとＷcで示されている）とから、図１の（ｃ）に示されているように、子作業車１Ｃの切り返し走行開始点Ｐc1と切り返し走行完了点Ｐc3とが算定される。切り返し走行開始点Ｐc1と切り返し走行完了点Ｐc3とが算定されると、親作業車１Ｐの切り返し走行と同じ方向での旋回前進走行の停止点（切り返し点）Ｐc2も算定され、この停止点（切り返し点）Ｐc2まで子作業車１Ｃを、非作業状態で旋回前進走行させる。その際、子作業車１Ｃの旋回前進走行は、回り作業走行を行っている親作業車１Ｐとの干渉が避けられるまで、禁止される。子作業車１Ｃの旋回前進走行の停止点（切り返し点）Ｐc2から切り返し走行完了点Ｐc3までの後進走行における目標走行位置は、子作業車１Ｃの轍が親作業車１Ｐの回り作業幅に入り込まないという条件下で、親作業車１Ｐの切り返し後進走行の走行軌跡とは無関係に算定される。切り返し走行完了点Ｐc3でもある回り作業走行開始点からの回り作業走行における走行目標位置は、親作業車１Ｐの作業幅及び子作業車１Ｃの作業幅と、親作業車１Ｐの回り作業走行軌跡とから、互いの作業幅の所定のオーバーラップを維持する条件下で算定される。算定された回り作業走行における走行目標位置に基づいて、子作業車１Ｃの回り作業走行が、実行される。

図１で示された例では、親作業車１Ｐの作業幅である親作業幅と子作業車１Ｃの作業幅である子作業幅とは同じであるが、相違してもよい。親作業車１Ｐと子作業車１Ｃとの走行横断方向の位置ずれ量は、理想的には（親作業幅＋子作業幅）／２であるが、追従誤差による作業残しを避けるために、例えば数十ｃｍ程度のオーバーラップが設定されている。

次に、本発明の作業車協調システムの具体的な実施形態の１つを説明する。この実施形態では、作業車は、図２で示されているように、畦によって境界づけられた田畑を耕耘する耕耘装置５を対地作業装置として装備したトラクタである。耕耘装置５は車体３の後部に油圧式の昇降機構４を介して装備されている。親作業車１Ｐとしての親トラクタ１Ｐと、子作業車１Ｃとしての子トラクタ１Ｃとは、実質的に同形であり、前輪２ａと後輪２ｂとによって支持された車体３の中央部に操縦部３０が形成されている。親トラクタ１Ｐと子トラクタ１Ｃの操縦部３０には、従来通りのステアリングホイールや各種操作レバー、さらに運転者が着座するシートなどが備えられている。本発明の作業車協調システムに基づく追従制御の実行時には、親トラクタ１Ｐは運転者によって操縦され、子トラクタ１Ｃは無人操縦される。

図３で示すように、この実施形態では、作業車協調システムを構築するための電子コントロールユニットが、親トラクタ１Ｐに装備される親機コントロールユニット６と子トラクタ１Ｃに装備される子機コントロールユニット７とに分割されている。親機コントロールユニット６と子機コントロールユニット７とは、互いに無線方式でデータ伝送できるように、それぞれ通信モジュール６０と７０を備えている。

親機コントロールユニット６は、さらに、親位置検出モジュール６１、親走行軌跡算定部６２、Ｕターン作業領域走行制御モジュール６３、回り作業領域走行制御モジュール６４などの機能部を備えている。これらの機能部は、ハードウエアとの連携動作を行うこともあるが、実質的にはコンピュータプログラムの起動によって実現する。

親位置検出モジュール６１は、ＧＰＳを利用して、自身の位置つまり親トラクタ１Ｐの位置を検出する。親走行軌跡算定部６２は、親位置検出モジュール６１で検出された位置（方位座標）から親トラクタ１Ｐの走行軌跡を算定して記録する。なお、親位置検出モジュール６１及び後で記載される子位置検出モジュール７１は、この実施形態では、位置検出のためにＧＰＳが利用されているが、これに限定されるわけではなく、例えば方位センサやジャイロセンサなど他の機体位置を検出する方法を利用してもよい。

Ｕターン作業領域走行制御モジュール６３は、Ｕターン作業領域Ａにおける走行を制御する制御モジュールであり、Ｕターン作業領域記録部６３ａと、Ｕターン走行検知部６３ｂと、Ｕターン走行目標算定部６３ｃとを備えている。Ｕターン作業領域記録部６３ａは、Ｕターン作業領域Ａの外形を特定する方位座標を記録している。Ｕターン走行検知部６３ｂは、Ｕターン作業領域Ａにおける親トラクタ１Ｐ及び子トラクタ１ＣのＵターンを検知する。このＵターンは、Ｕターン作業領域Ａにおける作業状態での実質的に直線状の往路走行と復路走行との間で必要となる方向転換であり、回り作業領域において非作業状態で行われる。Ｕターン走行目標算定部６３ｃは、親トラクタ１Ｐの耕耘幅及び子トラクタ１Ｃの耕耘幅と、親トラクタ１Ｐの作業走行軌跡と、子トラクタ１Ｃの位置とに基づいて、互いの耕耘幅のオーバーラップも考慮して、子トラクタ１Ｃの目標走行位置を算定する。このため、Ｕターン走行目標算定部６３ｃは、子トラクタ１ＣのＵターン作業領域Ａにおける直線状往復走行経路を算定する往復走行経路算定機能と、子トラクタ１Ｃの回り作業領域におけるＵターン走行経路を所定のＵターン走行経路演算アルゴリズムに基づいて算定するＵターン走行経路算定機能とを有している。このＵターン走行経路演算アルゴリズムは、基本的には、親トラクタ１ＰのＵターン開始点Ｐ１とＵターン終了点Ｐ２とから算定される子トラクタ１ＣのためのＵターン開始点Ｑ１とＵターン終了点Ｑ２とを結ぶように子トラクタ１Ｃの旋回半径を考慮してその走行経路を求める。Ｕターン作業領域走行制御モジュール６３は、算定した子トラクタ１Ｃの目標走行位置を、通信モジュール６０を介して子機コントロールユニット７に送信する。

回り作業領域走行制御モジュール６４は、回り作業領域における走行を制御する制御モジュールであり、回り走行検知部６４ａと、切り返し走行目標算定部６４ｂと、回り作業走行目標算定部６４ｃとを備えている。回り走行検知部６４ａは、親トラクタ１Ｐ及び子トラクタ１Ｃの回り作業領域における、前進と後進とからなる切り返し走行と回り作業走行とを含む回り走行を検知する。当該検知のために、回り走行検知部６４ａは、Ｕターン作業領域Ａの外形を特定する位置座標及び作業対象となっている圃場の外形を特定する位置座標を利用する。切り返し走行目標算定部６４ｂは、親トラクタ１Ｐの作業幅及び子トラクタ１Ｃの作業幅と、親トラクタ１Ｐの切り返し走行における切り返し走行開始点と切り返し走行完了点とを含む切り返し走行軌跡とから、子トラクタ１Ｃの切り返し走行開始点と切り返し走行完了点とを算定する。回り作業走行目標算定部６４ｃは、親トラクタ１Ｐの作業幅及び子トラクタ１Ｃの作業幅と、親トラクタ１Ｐの回り作業走行軌跡とから、切り返し走行完了点から次の切り返し走行開始点までの子トラクタ１Ｃの回り作業走行における目標走行位置を算定する。回り作業領域走行制御モジュール６４は、算定した子トラクタ１Ｃの目標走行位置を、通信モジュール６０を介して子機コントロールユニット７に送信する。

子機コントロールユニット７は、通信ジュール７０と、子位置検出モジュール７１と、操縦制御部７２とを備えている。子位置検出モジュール７１は、親位置検出モジュール６１と同様に、ＧＰＳを利用して自身の位置つまり子トラクタ１Ｃの位置（方位座標）を検出する。得られた子トラクタ１Ｃの位置データは通信ジュール７０を介して親機コントロールユニット６に送信される。操縦制御部７２は、親機コントロールユニット６から無線送信されてきた走行目標位置に基づいて、子トラクタ１Ｃの前輪２ａの操向や後輪２ｂの駆動を制御して、子トラクタ１Ｃを順次設定される目標走行位置に無人操縦する。

Ｕターン作業領域Ａでの走行においては、耕耘装置５は、作業走行から非作業Ｕターンに入る時点で上昇され、Ｕターン走行から作業走行に入り時点で下降される。この耕耘装置５の昇降は、親トラクタ１Ｐに搭載された作業装置制御部３１からの制御指令による昇降機構４の昇降動作によって実現する。この実施形態では、作業装置制御部３１は車載ＬＡＮを通じて親機コントロールユニット６と接続されており、作業装置制御部３１の昇降機構４に対する動作指令は、Ｕターン作業領域走行制御モジュール６３及び回り作業領域走行制御モジュール６４によって管理される。したがって、Ｕターン走行検知部６３ｂは、昇降機構４に対する上昇指令の出力タイミングでＵターンの開始を確認し、下降指令の出力タイミングでＵターンの終了を確認することも可能である。また、回り作業領域Ｂでの走行においては、耕耘装置５は、切り返し走行時に上昇され、切り返し走行時から回り作業走行時に移行する時点で下降される。したがって、回り走行検知部６４ａは、昇降機構４に対する上昇指令の出力タイミングで切り返し走行の開始を確認し、下降指令の出力タイミングで切り返し走行の終了を確認する。

次に、図４、図５、図６を用いて、有人操縦の親トラクタ１Ｐと無人操縦の子トラクタ１Ｃとの間の協調制御における基本的なデータの流れを説明する。図４は、実質的に直線状の走行軌跡を残す作業走行のための協調制御におけるデータの流れを模式的に示している。図５は、Ｕターン走行のための協調制御におけるデータの流れを模式的に示している。図６は、切り返し走行のための協調制御におけるデータの流れを模式的に示している。

直線状の走行軌跡を残す作業走行における協調制御では、図４に示すように、所定のサンプリング周期で生成された親トラクタ１Ｐの実際の走行位置を示す親位置から親走行軌跡が算定される（＃ａ）。算定された親走行軌跡と各時点での、子トラクタ１Ｃの実際の走行位置を示す子位置とを用い、さらに親作業車対地作業幅（親対地作業幅）と子作業車対地作業幅（子対地作業幅）と双方の作業幅のオーバーラップ量とを考慮して、作業走行目標位置が算定される（＃ｂ）。この算定された作業走行目標位置が操縦制御目標値となって、子トラクタ１Ｃは、親トラクタ１Ｐと共同して幅広の対地作業を行うべく無人操縦される（＃ｃ）。なお、親トラクタ１Ｐの走行中に実施された運転者による走行及び作業に関する操作情報は、走行・作業パラメータ（親パラメータ）として生成され、子トラクタ１Ｃのための走行・作業パラメータ（子パラメータ）に変換された後、子トラクタ１Ｃの走行制御及び作業制御のために利用される。

図８でその走行軌跡が示されているＵターン走行における協調制御では、図５に示すように、親位置に関連付けられた、親トラクタ１ＰにおけるＵターン開始操作及びＵターン終了操作とから、親トラクタ１ＰのＵターン開始点（図８ではＰ１で示されている）とＵターン終了点（図８ではＰ２で示されている）が算定される（＃ａ1）。なお、Ｕターン開始操作やＵターン終了操作などの操作データは、走行・作業パラメータ（親パラメータ）として親トラクタ１Ｐで生成される。この算定された両データに親作業車作業幅と子作業車作業幅を考慮して、Ｕターン走行経路が生成される（＃ａ2）。Ｕターン走行経路の生成時に、回り作業領域Ｂの形状データが考慮される。生成された子Ｕターン走行経路データと各時点での子作業車位置とからＵターン走行目標位置が算定される（＃ｂ）。この算定された作業走行目標位置が操縦制御目標値となって、子トラクタ１Ｃは、Ｕターン領域内で適切なＵターン走行をすべく無人操縦される（＃ｃ）。

図１の（ｂ）と（ｃ）とでその走行軌跡が示されている、回り作業領域Ｂにおける切り返し走行時には、図６に示すように、親トラクタ１Ｐにおける親トラクタ１Ｐの切り返し走行での停止、前進、後進などの走行操作に基づいて、親トラクタ１Ｐの切り返し走行開始点、切り返し点、切り返し走行完了点（図１の（ｂ）ではそれぞれＰp1、Ｐp2、Ｐp3で示されている）が親位置に関連付けられて算定される（＃ａ1）。なお、ここでも、停止、前進、後進などの走行操作は、走行・作業パラメータ（親パラメータ）として親トラクタ１Ｐで生成される。算定された切り返し走行の各点と親作業幅と子作業幅とを考慮して、子トラクタ１Ｃの切り返し走行経路が生成される（＃ａ2）。生成された切り返し走行経路データと各時点での子位置とから切り返し走行目標位置が算定される（＃ｂ）。この算定された切り返し走行目標位置が操縦制御目標値となって、子トラクタ１Ｃは、適切な切り返し走行をすべく、無人操縦される（＃ｃ）。

次に、この実施形態における親トラクタ１Ｐと子トラクタ１Ｃとの協調走行の制御の流れの一例を説明する。図７に、Ｕターン作業領域Ａで実施される親トラクタ１Ｐと子トラクタ１Ｃとの協調走行制御のフローチャートが示されており、その際の互いの走行軌跡が図８に示されている。回り作業領域Ｂで実施される親トラクタ１Ｐと子トラクタ１Ｃとの走行パターンを説明する模式図が図９～１４に示されている。

協調制御がスタートすると、まず初期設定処理が行われる（＃１０）。この初期設定処理では、例えば、耕耘作業を行う圃場の形状から、直進作業走行とＵターンとを繰り返しながら耕耘作業が実施されるＵターン作業領域Ａと、このＵターン作業領域Ａの周囲の回り作業領域Ｂとが設定され、記録される。なお、回り作業領域Ｂは、Ｕターン作業領域Ａに対する耕耘作業時の非作業Ｕターン走行のための領域としても利用される。なお、通常、Ｕターン作業領域Ａは圃場の中央に位置するので、Ｕターン作業領域Ａを簡単に中央領域Ａとも呼び、回り作業領域Ｂは圃場の周辺近くに位置するので、回り作業領域Ｂを簡単に周辺領域Ｂとも呼ぶ。

親トラクタ１Ｐによる中央領域Ａの作業走行（実質的には直線走行）が開始される（＃１１）。所定時間遅れて、子トラクタ１Ｃによる追従作業走行が開始される（＃１２）。
これにより、親トラクタ１Ｐの作業幅と子トラクタ１Ｃの作業幅とによる協調的な耕耘作業が行われていく。そして、図８に示されているように、親トラクタ１Ｐが周辺領域Ｂに到達すると、耕耘装置５が上昇させられ、親トラクタ１ＰのＵターン走行が開始される（＃２１）。その時点の親トラクタ１Ｐの位置が、親Ｕターン開始点Ｐ1として記録される（＃２２）。親トラクタ１ＰがＵターン走行し、中央領域Ａに再び進入すると、耕耘装置５が下降させられ、親トラクタ１Ｐの作業走行が再開される（＃２３）。その時点の親トラクタ１Ｐの位置が、親Ｕターン終了点Ｐ2として記録される（＃２４）。親Ｕターン開始点Ｐ1及び親Ｕターン終了点Ｐ2が記録されると、子トラクタ１Ｃの子Ｕターン開始点Ｑ1及び子Ｕターン終了点Ｑ2が算定される。対応する図示された周辺領域Ｂでは、子Ｕターン開始点Ｑ1は、親トラクタ１Ｐと子トラクタ１Ｃの横方向の間隔及びオーバーラップ量を考慮して、親Ｕターン開始点Ｐ1からずらせた位置となる。子Ｕターン終了点Ｑ2は、親Ｕターン終了点Ｐ2と子Ｕターン開始点Ｑ1とのの間の位置となり、例えば図８では中間位置としている。なお、図示されていないが、反対側でＵターンを行うさいには、親Ｕターン開始点Ｐ1及び親Ｕターン終了点Ｐ2と子Ｕターン開始点Ｑ１及び子Ｕターン終了点Ｑ2との位置関係はちょうど逆となり、子Ｕターン終了点Ｑ2は親Ｕターン終了点Ｐ2よりさらに外側の位置で、親トラクタ１Ｐと子トラクタ１Ｃの耕耘幅及びそのオーバーラップ量から求められる。

子Ｕターン開始点Ｑ1及び子Ｕターン終了点Ｑ2が算定されると子Ｕターン開始点Ｑ１から子Ｕターン終了点Ｑ2に至る子Ｕターン走行経路が算定される（＃２５）。さらに、子Ｕターン終了点Ｑ2の手前で、子トラクタ１Ｃがほぼ作業走行の方向姿勢に達する位置を追従開始点Ｑsとして算定する（＃２６）。つまり、この追従開始点Ｑsは、ここから親トラクタ１Ｐへの追従を開始することにより、Ｕターン終了点Ｑ2から始まる子トラクタ１Ｃの作業走行軌跡が親トラクタ１Ｐの作業走行軌跡に正確に対応することができる位置である。

子トラクタ１Ｃが子Ｕターン開始点Ｑ1に達すると、子トラクタ１ＣのＵターン走行が開始される（＃２７）。子トラクタ１ＣのＵターン走行においては、子トラクタ１Ｃが追従開始点Ｑsに到達するかどうかがチェックされる（＃２８）。子トラクタ１Ｃが追従開始点Ｑsに到達すると（＃２８Yes分岐）、子トラクタ１ＣのＵターン走行が終了し、子トラクタ１Ｃの追従走行、つまり作業走行が再開される（＃１２へのジャンプ）。

なお、親トラクタ１ＰのＵターン走行が終了して作業走行が開始されない限り、子トラクタ１ＣのＵターン終了点Ｑ2（作業走行開始点）を算定することができないので、このことを考慮して、親トラクタ１Ｐと子トラクタ１Ｃとの間の距離を設定している。親トラクタ１ＰのＵターン走行中に子トラクタ１ＣがＵターン走行するために回り作業領域Ｂに達した場合には子トラクタ１Ｃがその時点での位置で停止して親トラクタ１ＰがＵターン走行を終了するまで待機するような待機制御が組み込まれているが、このフローチャートでは省略されている。

さらに、このフローチャートは説明目的のものであり、ルーチンの終了がなく、無限ループとなっているが、実際には、この中央領域Ａの耕耘作業の終了を意味する指令が入力されたかどうかが割り込み処理としてチェックされており、そのような終了指令が入力されると、次に、以下に示す回り作業における協調制御が実行される。

周辺領域Ｂでの回り作業における協調制御の開始時の親トラクタ１Ｐの停止点である切り返し走行開始点Ｐp1と子トラクタ１Ｃの停止点Ｐc0は、図９に示すように、中央領域Ａの耕耘作業の終了時の停止点である。なお、この実施形態では、周辺領域Ｂの作業幅は、トラクタ３台分であり、親トラクタ１Ｐの二周の回り作業走行と子トラクタ１Ｃの一周の回り作業走行が要求される。

まず、親トラクタ１Ｐが、耕耘装置５を上昇させた状態（非作業状態）で、最外周の作業幅区域の切り返し点Ｐp2まで旋回前進を行い、その後ほぼ直線状の後進で、切り返し走行完了点Ｐp3に達する(図１０参照)。この切り返し走行完了点Ｐp3が回り作業走行の出発点となるので、ここで、耕耘装置５を下降させ（作業状態）、前進することで、直線状の回り作業走行が開始する。

子トラクタ１Ｃの切り返し走行は、親トラクタ１Ｐとの干渉を避けるため、親トラクタ１Ｐが子トラクタ１Ｃの前方を過ぎるまで待つ必要があるが、その間に子トラクタ１Ｃの切り返し走行開始点Ｐc1と切り返し走行の目標となる切り返し点Ｐc2と切り返し走行完了点Ｐc3が算定される(図１２参照)。子トラクタ１Ｃの切り返し走行開始点Ｐc1までの走行は、中央領域Ａにおける親トラクタ１Ｐを追従する作業走行と同じであるため、親トラクタ１Ｐと干渉しない場合は、子トラクタ１Ｃは、切り返し走行開始点Ｐc1まで前進し、そこで耕耘装置５を上昇させて、待機する。

図１１を用いて、子トラクタ１Ｃの切り返し走行の目標となる切り返し点Ｐc2と切り返し走行完了点Ｐc3の算定方法を説明する。親トラクタ１Ｐが耕耘装置５を下降させた位置、つまり回り作業走行の出発点（切り返し走行完了点）Ｐp3からの親トラクタ１Ｐの走行軌跡を、親トラクタ１Ｐと子トラクタ１Ｃとの作業幅の半分の距離だけ平行移動させた線を切り返し補助線として算定する。この切り返し補助線と回り作業領域Ｂの外縁との交点が子トラクタ１Ｃの切り返し走行完了点Ｐc3となる。子トラクタ１Ｃの切り返し走行開始点Ｐc1から切り返し旋回用切れ角で子トラクタ１Ｃが切り返し補助線上に達する位置を切り返し点Ｐc2として算定する。子トラクタ１Ｃの切り返し走行制御が開始されると、図１２に示すように、子トラクタ１Ｃは、耕耘装置５を上昇させた非作業状態で、切り返し走行開始点Ｐc1から切り返し点Ｐc2まで旋回前進し、その後、切り返し点Ｐc2から切り返し走行完了点Ｐc3まで後進する。当該後進は、切り返し走行完了点Ｐc3を走行目標位置として、直線的に行われる。切り返し走行完了点Ｐc3は回り作業走行の出発点となるので、この位置で耕耘装置５を下降させた作業状態で、親トラクタ１Ｐの走行軌跡から算定される走行目標位置に基づいて親トラクタ１Ｐを追従しながら、回り作業走行を行う。

先行する親トラクタ１Ｐが次のコーナ領域の外周端まで作業走行すると、図１３に示すように、次いで、耕耘装置５を上昇させた非作業状態で、切り返し走行開始点Ｐp1まで後進する。ここから２回目の切り返し走行が開始する。つまり、この切り返し走行開始点Ｐp1から非作業状態で、切り返し点Ｐp2まで旋回前進する。次いで、回り作業領域Ｂの外縁まで後進して、停止する。この停止点が次の回り作業走行の出発点となるので、親トラクタ１Ｐは耕耘装置５を下降させた作業状態で、前進走行を始める。その際、この親トラクタ１Ｐの前進走行(回り作業走行)の走行軌跡を、親トラクタ１Ｐと子トラクタ１Ｃとの作業幅の半分の距離だけ平行移動させた線を、ここでの切り返し補助線として算定するともに、その切り返し補助線上に切り返し点Ｐc2を算定する。さらに、切り返し旋回用切れ角で当該切り返し点Ｐc2に到達できる切り返し走行開始点Ｐc1を算定しておく。

次のコーナ領域に接近した子トラクタ１Ｃは、切り返し走行時に親トラクタ１Ｐと干渉しないように親トラクタ１Ｐが所定地点に達するまで待機する。その後、図１４に示すように、子トラクタ１Ｃは、切り返し走行開始点を超えてできるだけ回り作業領域Ｂの外縁まで作業状態のままで、前進する。次いで、耕耘装置５を上昇させた非作業状態で、切り返し走行開始点Ｐc1まで後進する。切り返し走行開始点Ｐc1からの切り返し走行は、前回の切り返し走行と同様に、切り返し点Ｐp2まで旋回前進する。次いで、回り作業領域Ｂの外縁まで後進して、停止する。この停止点が、回り作業走行の開始点なので、耕耘装置５を下降させた作業状態で、前進走行する。

同様にして、回り作業領域Ｂの全てのコーナ部を経て一周回すると、この例では、回り作業領域Ｂの未作業地は親トラクタ１Ｐだけで行うことができるので、先に子トラクタ１Ｃは、圃場から退出する。

〔別実施の形態〕
（１）上述した実施形態では、子トラクタ１Ｃは一台であったが、類似する制御方法で複数台の子トラクタ１Ｃにも本発明を適用することは可能である。その際、子トラクタ１Ｃが２台とすれば、２つの追従制御方法が可能である。その１つでは、第１の子トラクタ１Ｃは、親トラクタ１Ｐの軌跡に基づいて親トラクタ１Ｐの作業幅を考慮して追従制御され、第２の子トラクタ１Ｃは、親トラクタ１Ｐの軌跡に基づいて、第１の子トラクタ１Ｃの作業幅も考慮して追従制御される。他の１つでは、第１の子トラクタ１Ｃは、親トラクタ１Ｐの軌跡に基づいて追従制御され、第２の子トラクタ１Ｃは、第１の子トラクタ１Ｃを親トラクタ１Ｐとして追従制御される。つまり、子トラクタ１Ｃが複数台ある場合には、先行する子トラクタ１Ｃを、親トラクタ１Ｐとする追従制御も可能である。
（２）本発明による作業車協調システムでは、親トラクタ１Ｐと子トラクタ１Ｃの切り返し走行軌跡は、上述した実施形態における走行軌跡に限定されるわけではない。親トラクタ１Ｐの作業幅及び子トラクタ１Ｃの作業幅と、親トラクタ１Ｐの切り返し走行における切り返し走行開始点Ｐp1と切り返し点Ｐp2と切り返し走行完了点Ｐp3とを含む切り返し走行軌跡とから、子トラクタ１Ｃの切り返し走行開始点Ｐc1と切り返し点Ｐc2と切り返し走行完了点Ｐc3とが算定可能な種々の切り返し走行軌跡を採用することができる。また、親トラクタ１Ｐ及び子トラクタ１Ｃの切り返し点Ｐp2、Ｐc2は単一でも複数でもよい。
（３）上述した実施の形態では、親トラクタ１Ｐは有人操縦式であったが、この親トラクタ１Ｐも、プログラム制御方式やリモコン制御方式を採用して、無人運転することも可能である。本発明は、親トラクタ１Ｐ、つまり親作業車も無人運転される形態も対象としている。
（４）上述した実施形態では、作業車として耕耘装置５を搭載したトラクタを取り上げたが、耕耘装置５に代えて散布装置や施肥装置など他の作業装置を搭載しても、本発明の特徴を有効に利用することができる。さらにはその他の作業車、例えばコンバイン、田植機、芝刈機、除草機、ブルドーザなどの土木建設機械などにも本発明は適用可能である。また、親作業車と子作業車は同機種でなくてもよい、例えばコンバインと搬送トラックなどの組み合わせでもよい。
（５）対地作業装置が耕耘装置などの場合には、親作業幅と子作業幅との重なり長さであるオーバーラップは、基本的には必須であるが、散布装置や施肥装置などの場合、オーバーラップを設けずに、むしろ親作業幅と子作業幅との間に所定間隔をとる、いわゆるアンダーラップが設定される。したがって、本発明では、オーバーラップＯＬを設定することは必須ではなく、親作業車１Ｐと子作業車１Ｃの互いの経路間隔が所定範囲を保持するような追従制御の実現が要点である。

本発明は、複数の作業車が協調して作業走行する協調制御システムに適用可能である。

１Ｐ：親作業車（親トラクタ）
１Ｃ：子作業車（子トラクタ）
６１：親位置検出モジュール
６２：親走行軌跡算定部
６３：Ｕターン制御モジュール
６３ａ：Ｕターン作業領域記録部
６３ｂ：Ｕターン走行検知部
６３ｃ：Ｕターン走行目標算定部
６４：回り走行制御モジュール
６４ａ：回り走行検知部
６４ｂ：切り返し走行目標算定部
６４ｃ：回り作業走行目標算定部
７ ：子機コントロールユニット
７０：通信ジュール
７１：子位置検出モジュール
７２：操縦制御部
８ ：子機制御モジュール
Ｐc0：子作業車の待機点
Ｐp1：親作業車の切り返し走行開始点（回り作業走行出発点）
Ｐc1：子作業車の切り返し走行開始点（回り作業走行出発点）
Ｐp2：親作業車の切り返し点
Ｐc2：子作業車の切り返し点
Ｐp3：親作業車の切り返し走行完了点
Ｐc3：子作業車の切り返し走行完了点
Ｔp：親走行軌跡
Ｔc：子走行軌跡
Ａ：Ｕターン作業領域（中央領域）
Ｂ：回り作業領域（Ｕターン領域；周辺領域）

Claims (2)

1. 親作業車と、前記親作業車に追従する無人操縦式の子作業車とにより対地作業を行う作業車協調システムであって、
   前記親作業車の位置を検出する親位置検出モジュールと、
   前記子作業車の位置を検出する子位置検出モジュールと、
   直進作業走行とＵターンとを繰り返して作業が実施されるＵターン作業領域における走行を制御するＵターン作業領域走行制御モジュールと、を備え、
   前記Ｕターン作業領域走行制御モジュールが、前記親作業車の前記Ｕターンの開始点である親Ｕターン開始点及び前記親作業車の前記Ｕターンの終了点である親Ｕターン終了点に基づいて、前記子作業車の前記Ｕターンの開始点である子Ｕターン開始点及び前記子作業車の前記Ｕターンの終了点である子Ｕターン終了点を決定し、
   前記Ｕターン作業領域走行制御モジュールが、前記Ｕターン作業領域の一方の端部側において、前記子Ｕターン開始点及び前記子Ｕターン終了点が、前記親Ｕターン開始点と前記親Ｕターン終了点との間に位置し、且つ、前記Ｕターン作業領域の他方の端部側において、前記親Ｕターン開始点及び前記親Ｕターン終了点が、前記子Ｕターン開始点と前記子Ｕターン終了点との間に位置し、且つ、前記子Ｕターン開始点、前記子Ｕターン終了点、前記親Ｕターン開始点、及び、前記親Ｕターン終了点が、前記一方の端部側及び前記他方の端部側のそれぞれにおいて、横方向で並ぶように、前記子Ｕターン開始点及び前記子Ｕターン終了点を決定し、
   且つ、前記Ｕターン作業領域走行制御モジュールが、前記子作業車のＵターン経路のうち前記直進作業走行の方向において前記子Ｕターン開始点及び前記子Ｕターン終了点から最も離れた部分が、前記親作業車のＵターン経路のうち前記直進作業走行の方向において前記親Ｕターン開始点及び前記親Ｕターン終了点から最も離れた部分に重なるように、前記子作業車のＵターン経路を決定する作業車協調システム。
2. 親作業車と、前記親作業車に追従する無人操縦式の子作業車とにより対地作業を行う作業車協調システムであって、
   前記親作業車の位置を検出する親位置検出モジュールと、
   前記子作業車の位置を検出する子位置検出モジュールと、
   直進作業走行とＵターンとを繰り返して作業が実施されるＵターン作業領域における走行を制御するＵターン作業領域走行制御モジュールと、を備え、
   前記Ｕターン作業領域走行制御モジュールが、前記親作業車の前記Ｕターンの開始点である親Ｕターン開始点及び前記親作業車の前記Ｕターンの終了点である親Ｕターン終了点に基づいて、前記子作業車の前記Ｕターンの開始点である子Ｕターン開始点及び前記子作業車の前記Ｕターンの終了点である子Ｕターン終了点を決定し、
   前記Ｕターン作業領域の周囲に規定される回り作業領域における走行に際して、前記Ｕターン作業領域における作業終了点が外側に位置する機体が、前記Ｕターン作業領域における作業終了点が内側に位置する機体よりも外側を走行する作業車協調システム。

Images