JP2014213615A - 作業車両のステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな自動操舵用ステアリング装置を開発するには、開発、設計、実証テストにコストを必要とし、かつ緊急時等のステアリング操作に違和感を生じると共に即応性を欠く。【解決手段】電動式パワーステアリング機構（ＥＰＳ）を適用する。ＥＰＳのトルクセンサ２２からのトルク信号と、自動操舵システムからのＣＡＮＢＵＳ２８を介して入力された信号を疑似トルク信号として、上記ＥＰＳ・ＥＣＵ２５に選択して出力する操舵用コントローラ２４を備える。トルクセンサ２２からのトルク信号が所定値以上の場合、人為操作を優先する。【選択図】図３

Description

本発明は、トラクタ等の作業車両に用いられるステアリング装置に係り、詳しくは自動操舵を可能とするステアリング装置に関する。

一般に、トラクタ等の農用作業車両にあっては、耕耘、播種、畝立、畦塗り等の作業において直進走行が求められるが、走行面の凹凸、作業機の反動により正確に直進作業するのは、熟練を要すると共に、オペレータへの肉体的、精神的な負担も大きい。

従来、直進走行等の自動操舵が可能なステアリング装置が各種提案されている。特許文献１のステアリング装置は、ステアリング軸にステアリングモータを連結し、走行向き検出センサにより車体走行向きが設定基準走行向きから変化したことを検出すると、上記ステアリングモータを駆動して自動操舵し、上記ステアリングモータの電流値が設定電流値を超えると、ステアリングハンドルを人為的に操作したと判断して、ステアリングモータをステアリングハンドルにより自由回転状態にする。

特許文献２のステアリング装置は、ハンドルポストにモータを設け、該モータの駆動力を摩擦部材を介してステアリングシャフトに伝達し、自動モードの場合、直進支援コントローラからの信号に基づき上記モータを駆動する。

特許文献３のステアリング装置は、ステアリングポストに正逆転モータを配置し、該正逆転モータを電磁クラッチを介してステアリングシャフトに連動している。スイッチにより自動モードに切換えると、電磁クラッチが接続され、カメラにより遠目標又は作業の痕跡を倣うように上記正逆転モータが制御されて自動走行し、手動モードに切換えると、電磁クラッチが切断されてステアリングハンドルにより人為操舵される。

特許第４３２８２８９号公報 特開２０１０−１９５２５２号公報 特開２０１２−２３９９７号公報

上記特許文献１，２及び３のものは、いずれも既設の油圧式パワーステアリング装置に電動モータを付設したものであるが、該電動モータを用いる新たな自動操舵用ステアリング装置であるため、その開発、設計及び実証テストに多大なコストを必要とする。特許文献１のものは、ヨーセンサ等の走行向き検出センサを必要とし、かつステアリング（電動モータ）の操作電流値により自動操舵と人為操舵とを切換えるため、自動操舵と人為操舵の切換えに安定を欠き、緊急時のステアリング操作に遅れ感を生じる虞がある。特許文献２のものは、ステアリングホイールの人為操作時、摩擦部材を介して電動モータを回転することになり、緊急時等のステアリング操作が重くなる等の違和感を生じる。特許文献３のものは、電磁クラッチにより自動操舵と人為操舵とを切換えるため、緊急時等のステアリングホイールの人為操作に即応性を欠く虞がある。

そこで、本発明は、既存の電動式パワーステアリング機構を適用して、上述した課題を解決した作業車両のステアリング装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、ステアリングホイール（１５）の人為操作により操舵輪（２）を操舵する人為操舵と、操舵システム（１３）からの信号により前記操舵輪（２）を操舵する自動操舵と、に切換え得るステアリング装置（９）において、
前記ステアリングホイール（１５）と前記操舵輪（２）との間に、前記ステアリングホイールの操舵力を検出するトルクセンサ（２２）と前記操舵輪を操舵する力を発生する電動モータ（２１）と前記電動モータを制御する制御部（２５）とを有する電動式パワーステアリング機構（ＥＰＳ）（２０）を介在し、
前記トルクセンサ（２２）にて検出したトルク信号と、前記操舵システム（１３）からの信号を疑似トルク信号として、前記制御部（２５）に選択して出力する操舵用コントローラ（２４）を備えた、
ことを特徴とするステアリング装置にある。

前記制御部（２５）に、前記トルクセンサ（２２）からの所定値以上のトルク信号が入力すると、該トルク信号を前記疑似トルク信号に優先して、前記ステアリングホイール（１５）の人為操作により前記操舵輪（２）が操舵されてなる。

前記電動式パワーステアリング機構（２０）と前記操舵輪（２）との間に、油圧式パワーステアリング機構（１９）を介在してなる。

前記電動式パワーステアリング機構を機能するか停止するかに切換える切換え手段（Ｓ１３）を備えてなる。

なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これにより特許請求の範囲に記載の構成に何等影響を及ぼすものではない。

請求項１に係る本発明によると、電動モータ，トルクモータ及び制御部を有する既存の電動式パワーステアリング機構（ＥＰＳ）を作業車両の自動操舵に適用することができ、トルクセンサからのトルク信号と、操舵システムからの信号を疑似トルク信号として、ＥＰＳの制御部（ＥＣＵ）に選択して出力する操舵用コントローラを付加するだけで足り、開発，設計及び実証テスト等の時間及びコストを大幅に低減でき、信頼性及び精度の高い自動操舵可能なステアリング装置を提供することができる。

また、人為操舵に際しては、電動式パワーステアリング機構（ＥＰＳ）によりアシストした軽快なステアリング操作が可能となる。

請求項２に係る本発明によると、自動操舵中であっても、オペレータがステアリングホイールの操作を行うと、自動操舵に優先して人為操作に切換えられるので、該人為操作への切換えがスムーズで違和感を生じることがなく、かつ緊急時に即座に対応でき、安全性を向上することができる。

請求項３に係る本発明によると、電動式パワーステアリング機構（ＥＰＳ）の外に、油圧式パワーステアリング機構を備え、例えばトラクタ等の作業車両に本来的に備えられている油圧式パワーステアリング機構をそのまま用いて、トラクタ等の作業車両に対してアシスト力が不足する既存のＥＰＳがそのまま適用可能となり、ＥＰＳの操舵を自動操舵の操舵信号として用いて、油圧式パワーステアリング機構により操舵輪を操舵することができる。

請求項４に係る本発明によると、人為操舵において、ＥＰＳを機能するモードと停止するモードに切換え可能であり、ＥＰＳを機能して、軽快なステアリング操作を行うことができ、またＥＰＳを停止して、例えば油圧式パワーステアリング機構による従来と同様な操作が可能となり、オペレータの好み等に応じて使い分けることができる。

また、ＥＰＳを停止することにより、消費電力をセーブすることができ、またエンスト時等にあって油圧式パワーステアリング機構が使えない場合でも、ＥＰＳを機能して操舵力をアシストすることができる。

本発明を適用し得る作業車両としてのトラクタを示す概略側面図。 そのステアリング装置を示す側面図。 その回路を示す図。 そのフローチャート。 一部変更した実施の形態を示し、（Ａ）はキャビンを示す側面図、（Ｂ）はステアリング装置を示す側面図。 一部変更した実施の形態を示し、（Ａ）はキャビンを示す側面図、（Ｂ）はステアリング装置を示す側面図。 一部変更した実施の形態によるステアリング装置を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図。 一部変更した実施の形態を示し、（Ａ）はステアリング装置を示す側面図、（Ｂ）はそのステアリングホイールの取付部を示す拡大図。

以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。作業車両であるトラクタ１は、図１に示すように、前輪（操舵輪）２及び後輪３で支持される機体５を有しており、機体５の前部にはボンネット６で覆われてエンジンが配置され、その後部にはキャビン７が配置され、該機体５の後方に作業機を装着し得る。キャビン７内には、前部にステアリング装置９が配置され、その後部に運転席８（図２参照）が配置されている。

上記機体５には、前方に向けてカメラ１０、画像処理ボード１１，ＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２及び操舵システム１３が配置されている。上記カメラ１０は、機体走行方向の圃場端に設置される遠目標又は前回の作業時の作業痕跡を撮影し得る。画像処理ボード１１は、上記カメラ１０から得られた映像から、特徴解析して直進操舵に必要な情報を得て、操舵方向を決定し、上記操舵システム１３に操舵信号を送信する。ＨＭＩ１２は、機械（画像処理システム全体）と運転者のインターフェースであり、画像処理システムの状況を表示したり、システムに対して入力する。操舵システム１３は、後述する電動式パワーステアリング機構（ＥＰＳ）を、画像処理ボード１１等から送られてくる操舵信号によって操舵する。

ステアリング装置９は、図２に示すように、ステアリングホイール１５、ステアリングシャフト１６、ユニバーサルリンク１７及び油圧式パワーステアリング機構（オービットロール）１９を有しており、更に電動式パワーステアリング機構（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒ；以下ＥＰＳと称する）２０が付設されている。ＥＰＳ２０は、アシスト（電動）モータ２１を有しており、該アシストモータ２１の動力は、ウォーム等の歯車又はチェーン等の動力伝動装置を介してステアリングシャフト１６に伝達される。ステアリングシャフトには、トーションバーが介在しており、該トーションバーのねじれ量に基づき、ステアリングホイール１５の操舵力及び路面反力並びに操舵方向がトルクセンサ２２により検出される。

トルクセンサ２２は、上記トーションバーのねじれによる上部及び下部の位相ズレを電気的（磁束密度の増減）に検出して（トルクセンサ電圧ｍａｉｎ、トルクセンサ電圧ｓｕｂ）、一般的にはＥＰＳ・ＥＣＵ（制御部）２５に出力する。該ＥＰＳ・ＥＣＵ２５は、上記トルクセンサ２２からの信号に限らず、操舵輪である前輪２の操舵角、車速等の他の信号が入力され、更に上記操舵システム１３からの外部信号が入力される。該ＥＰＳ・ＥＣＵ２５は、各種信号を処理して、前記アシストモータ２１に出力し、該アシストモータ２１は、ステアリングホイール１５による人為操作の操舵力が軽くなるように、かつ自然な感覚で操作されるようにアシスト駆動され、また画像処理ボード１１で処理されて、遠目標に向うように又は既作業痕跡に倣うように、駆動される。

図３に示すように、上記ＥＰＳ・ＥＣＵ２５に加えて、マルチプレクサからなる操舵用コントローラ２４が設けられており、操舵用コントローラ２４は、上記トルクセンサ２２からの信号がＥＰＳ・ＥＣＵ２５に直接出力するか、該操舵用コントローラ２４内のマイコン（マイクロコンピュータ）２６で処理された信号を介して上記ＥＰＳ・ＥＣＵに出力するか、選択される。マイコン２６には、前記操舵システム１３からの信号がＣＡＮ ＢＵＳ２８及びＣＡＮトラシーバ２９を介して入力されており、かつ前記トルクセンサ２２からのトルクセンサ電圧（ｍａｉｎ，ｓｕｂ）及び前輪２の操舵角を検出するポテンショセンサ３０からの信号（前輪角度）が入力される。また、マイコン２６からは、ＥＰＳ・ＥＣＵ２５に対するトルクセンサの直接入力とマイコン２６からの直進操舵信号入力とに切換える信号が出力し、かつＥＰＳ２０のＯＮ／ＯＦＦ切換え信号が出力する。なお、ＥＰＳ・ＥＣＵ２５及び操舵用コントローラ（マルチプレクサ）２４は、電源に連通しており、上記ポテンショセンサ３０はアナログ電流に連通している。また、上記操舵システム１３に基づく直進操舵を行う自動モードを機能するか否かを選択する自動スイッチと、自動制御のパターンを切換える切換えスイッチと、オペレータがステアリングホイールを人為操作する際にＥＰＳ２０を機能するか機能させずに直接人為操作力を作用するかを切換えるスイッチと、を備えている。

即ち、本電動式パワーステアリング機構２０は、自動車又はバギー用として市販されているものを適用することが可能であり、既存の油圧式パワーステアリング機構１９を有するステアリング装置９に付設される。この際、トルクセンサ２２からのＥＰＳ・ＥＣＵ２５への入力回路に、マイコン２６を有するマルチプレクサからなる操舵用コントローラ２４を介在し、入力トルクセンサ２２からの信号に基づくステアリングホイール１５の人為操舵をアシストする通常モードと、操舵システム１３に基づくマイコン２６からの直進操舵信号（疑似トルク信号）による自動モードに切換えられる。

ついで、図４に沿って、上記構成に基づく作用について説明する。まず、本トラクタ１の始動開始時、本操舵システム１３が初期設定される（Ｓ１）。トラクタ１は、走行作業可能状態にあり、ポテンショセンサ３０からの前進角度及びトルクセンサ２２からの電圧（ｍａｉｎ，ｓｕｂ）が、Ｄ／Ａ回路２７によりデジタル、アナログ変換され、マイコン２６からの信号が平滑化される（Ｓ２）。ステアリングホイール１５からの手動入力（人為操舵）があるか否か判断される（Ｓ３）。手動入力がない、即ちＥＰＳのトルクセンサ２２からの入力が所定値未満の場合、ＣＡＮ ＢＵＳ２８からのデータ、例えば自動制御がＯＮかＯＦＦか、操舵システム１３に基づく機体の回転方向、回転速度が取得される（Ｓ４）。自動制御がＯＮかＯＦＦか判断され（Ｓ５）、ＯＮの場合、操舵用コントローラ（マルチプレクサ）２４がマイコン２６側に切換えられる（Ｓ６）。

パターン切換えスイッチによる制御パターンが判断される（Ｓ７）。トルク指定制御の場合（Ｓ８）、ＣＡＮ ＢＵＳ２８からの直進操舵信号等の疑似トルク信号がそのままＥＰＳ・ＥＣＵ２５に出力される（Ｓ９）。制御パターンが角度指定制御の場合（Ｓ１０）、ＣＡＮ ＢＵＳ２８から、例えば直進操舵のためのステアリング角度の指示角度を受信し、またポテンショセンサ３０から前輪の実角度を受信し、これら両角度の差に応じて出力トルクが決定され、該出力トルクが疑似トルク信号としてＥＰＳ・ＥＣＵ２５に出力される（Ｓ９）。該ＥＰＳ・ＥＣＵ２５の疑似トルク信号に基づき、アシストモータ２１が駆動され、ＥＰＳ２０が操作されて、ユニバーサルリンク１７及び油圧式パワーステアリング機構１９を介して、例えば機体が直進するように自動制御される。

一方、ステップＳ５において、自動スイッチがＯＦＦにある場合、又は上記自動制御にあっても、例えば緊急回避等によりオペレータがステアリングホイール１５を人為操作して、ステップＳ３において、トルクセンサ２２から所定値以上の信号の入力が有る場合、操舵用コントローラ（マルチプレクサ）２４がＥＰＳトルクセンサ側に切り換えられる（Ｓ１１）。この際、自動制御に戻った時に急に操舵しないように、ステップＳ４でのデータを回転方向中立、回転速度０に設定される（Ｓ１２）。

そして、ステアリングホイール１５の操作による人為操舵時のアシストモードが、ＥＰＳ２０を機能する併用モードか、ＥＰＳを機能しない単独モードかを判断する（Ｓ１３）。併用モードの場合、トルクセンサ２２からのセンサ信号（電圧ｍａｉｎ，ｓｕｂ）によりアシストモータ２１が駆動され、軽い操舵力により機体進行方向が操作される。単独モードの場合、ＥＰＳ・ＥＣＵ２５に作動停止信号が出力され（Ｓ１４）、ＥＰＳ２０は、停止される。この状態でも、ステアリングホイール１５による人為操作用力は、ステアリングシャフト１６、ユニバーサルリンク１７を介して油圧式パワーステアリング機構１９に作用し、前輪２が操舵される。

従って、バギー車等にあって、実績と信頼のある既存のＥＰＳ２０を、操舵用コントローラ２４を付加する一部の変更によりそのまま用いることができ、新たに専用の自動操舵用駆動装置を開発・設計することによるコストを低減し、信頼の高いかつ精度の高い自動操舵用駆動装置を得ることができる。上記既存のＥＰＳでは、アシスト力が不足して単独でのトラクタへの適用は困難であるが、既存の油圧式パワーステアリング機構（オービットロール）１９に接続することにより、パイロット信号のようにＥＰＳ２０を用いて、ＥＰＳの自動制御により上記オービットロールを作動して、トラクタ等の接地抵抗の大きいものでも、自動制御が可能になる。

人為的にステアリング操作を行うと、自動操舵に優先してステアリング操作を行うことができ、緊急時の対応が即座に、かつ違和感なく人為操舵に移行でき、安全性及びフィーリングを向上し得る。

人為ステアリング操作時、電動式パワーステアリング機構（ＥＰＳ）２０を機能するモード（併用モード）と停止するモード（単独モード）に選択することができ、操舵フィーリングを運転者の好みに応じて変更することができる。併用モードの場合、ＥＰＳ２０により操舵力がアシストされ、軽快にステアリング操作を行うことができる。単独モードの場合、過度にステアリング操作を軽くすることなく、油圧式パワーステアリング機構１９により、普通のトラクタと同様なステアリング操作を行うことができる。

ＥＰＳ２０を機能しない単独モードの場合、ＥＰＳを停止させて消費電力を抑えることができ、またエンスト時に油圧式パワーステアリング機構が使えない場合でも、ＥＰＳ２０により操舵力をアシストすることができる。

ついで、一部変更した実施の形態について説明する。図５は、ＥＰＳ２０と油圧式パワーステアリング機構（オービットロール）１９とを同軸上に隣接して配置したものである。これにより、最小限の部品点数で構成でき、簡素化することが可能となる。また、上記ＥＰＳ２０とオービットロール１９をユニット化としてステアリングアッシーとすることができ、他の機種への適用等の共用化を図ることができる。

ＥＰＳ２０のアシスト（電動）モータ２１が運転席側に突出していると、配置構造は簡単であるが、オペレータの足元空間を制限してしまう。図６は、ＥＰＳ２０アシストモータ２１を運転席側以外の方向、例えばボンネット方向（前方向）に向けたものであり、足元空間を損うことがない。

図７は、ステアリングシャフト１６と直交する平面に横軸４０を配置し、該横軸４０上の両端部にＥＰＳ２０とオービットロール１９とを配置した実施の形態を示す。横軸４０はその中央部にてステアリングシャフト１６とべベルギヤ４１にて連動しており、ＥＰＳ２０のアシストモータ２１は、ＥＰＳ２０に対して下向きに配置される。これにより、ＥＰＳモータ２１とオービットロール１９は、運転席前方に横向きに、かつＥＰＳモータ２１は下方に向けて配置され、オペレータの足元を広くすることができる。

図８は、ステアリングホイール１５の取付けを示す。ステアリングホイール１５のシャフト４２にはスプライン及び複数のデテント用溝４５が形成され、ＥＰＳ２０のステアリングシャフト１６の上部に筒状のボス４６が固定されている。上記ボス４６にはデテント４７が配置され、ステアリングホイール１５を上下方向に移動可能に、かつデテント４７が複数のデテント用溝４５の１個に係合して、位置決めされる。ホイールシャフト４２とボス４６とはスプラインにより一体に回転する。これにより、ＥＰＳ２０はトラクタ機体に固定して取付けられるが、ステアリングホイール１５は軸方向に調節移動可能であり、テレスコピックステアリングとなり、運転者の体格に応じた適正な運転姿勢をとることができる。

なお、アシストモータ２１を含むＥＰＳ２０をステアリングコラムカバー内に配置して、泥や水がかからないようにしてもよい。また、ＥＰＳ２０をオービットロール１９の上方に配置することで、例えオービットロール１９からオイルが漏れても、オイルがＥＰＳ２０にかかることはない。図２に示すように、オービットロール１９をステアリングシャフト１６にユニバーサルリンク１７を介して連結して、騒音を発することがあるオービットロール１９をキャビン７の外に配置することができる。これにより、キャビン内の騒音を低減することができる。

１ 作業車両（トラクタ）
２ 操舵輪（前輪）
５ 機体
９ ステアリング装置
１５ ステアリングホイール
１６ ステアリングシャフト
１９ 油圧式パワーステアリング機構（オービットロール）
２０ 電動式パワーステアリング機構（ＥＰＳ）
２１ 電動（アシスト）モータ
２２ トルクセンサ
２４ 操舵用コントローラ（マルチプレクサ）
２５ 制御部（ＥＰＳ・ＥＣＵ）
２６ マイコン

Claims (4)

1. ステアリングホイールの人為操作により操舵輪を操舵する人為操舵と、操舵システムからの信号により前記操舵輪を操舵する自動操舵と、に切換え得るステアリング装置において、
   前記ステアリングホイールと前記操舵輪との間に、前記ステアリングホイールの操舵力を検出するトルクセンサと前記操舵輪を操舵する力を発生する電動モータと前記電動モータを制御する制御部とを有する電動式パワーステアリング機構を介在し、
   前記トルクセンサにて検出したトルク信号と、前記操舵システムからの信号を疑似トルク信号として、前記制御部に選択して出力する操舵用コントローラを備えた、
   ことを特徴とするステアリング装置。
2. 前記制御部に、前記トルクセンサからの所定値以上のトルク信号が入力すると、該トルク信号を前記疑似トルク信号に優先して、前記ステアリングホイールの人為操作により前記操舵輪が操舵されてなる、
   請求項１記載のステアリング装置。
3. 前記電動式パワーステアリング機構と前記操舵輪との間に、油圧式パワーステアリング機構を介在してなる、
   請求項１又は２記載のステアリング装置。
4. 前記電動式パワーステアリング機構を機能するか停止するかに切換える切換え手段を備えてなる、
   請求項１ないし３のいずれか記載のステアリング装置。

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