作業機及び作業システム
【課題】、高価な機器を利用せずに、圃場表面を一定の深さで削る。
【解決手段】圃場作業システムは、トラクタに接続され、駆動機構により接続部分の高さ位置が変更可能とされたフレーム１２と、フレームの一部を圃場２００から所定高さの位置で支持する尾輪１４と、圃場表面の土壌を削り、運搬する排土板１６と、フレームに対する排土板の高さ方向の位置を変更する位置変更機構１８と、フレームの水平面に対する角度を検出する角度検出部３０と、圃場の未削部分の表面に対するフレームの高さを検出する高さ検出部３４と、フレームに対する排土板の高さ方向の位置関係を検出する位置関係検出部３２と、角度検出部の検出結果に基づいてフレームの角度を水平に維持するように駆動機構を制御し、当該制御状態での高さ検出部と位置関係検出部の検出結果に基づいて、位置変更機構を制御する制御部と、を備える。
【解決手段】圃場作業システムは、トラクタに接続され、駆動機構により接続部分の高さ位置が変更可能とされたフレーム１２と、フレームの一部を圃場２００から所定高さの位置で支持する尾輪１４と、圃場表面の土壌を削り、運搬する排土板１６と、フレームに対する排土板の高さ方向の位置を変更する位置変更機構１８と、フレームの水平面に対する角度を検出する角度検出部３０と、圃場の未削部分の表面に対するフレームの高さを検出する高さ検出部３４と、フレームに対する排土板の高さ方向の位置関係を検出する位置関係検出部３２と、角度検出部の検出結果に基づいてフレームの角度を水平に維持するように駆動機構を制御し、当該制御状態での高さ検出部と位置関係検出部の検出結果に基づいて、位置変更機構を制御する制御部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業機及び作業システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、隣接する複数の作業地（例えば、圃場）を合筆（１筆に合体）する作業において、圃場の境界にある畦畔を除去した後に段差がある場合は、その後の耕作に支障とならないように段差を解消することが必要となる。
【０００３】
圃場が水田の場合、合筆前の圃場はそれぞれある程度の均平度を保った状態であるため、上段側の圃場から一定の深さの土壌を削って下段側へ移動し、下段側でその移動した土を均すことで段差を解消することができる。
【０００４】
このような作業を行う場合、リヤグレーダなどを利用したり、あるいはレーザレベラを利用したりすることができる。これらのうち、リヤグレーダは、排土板を備えており、作業者が目視により作業基準を設定し、排土板の位置（高さ）を手動で調整することで圃場表面の土を移動する作業機である。一方、レーザレベラは、特許文献１〜３等に開示されているように、レーザ発光器、レーザ受光部、作業機昇降部、排土板等を備えている。このレーザレベラは、レーザ発光器から放射されるレーザ光により設定された作業基準平面に対し、排土板又は作業機を所定の位置（高さ）に自動制御することで圃場表面を均平にする作業機である。なお、レーザの代わりに、ＧＰＳを利用して排土板又は作業機を所定の位置（高さ）に自動調整する方法もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−９７１０号公報
【特許文献２】特開２００４−８１１７３号公報
【特許文献３】特開２００４−２４２６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、リヤグレーダは、手動で排土板の位置を調整しながら一定の深さで土壌を削る必要があるため、作業には、熟練した技能が求められる。
【０００７】
一方、レーザレベラを利用すれば、熟練した技能がなくても一定の深さで土壌を削ることは可能であるが、レーザレベラは、平均的な規模の生産者が購入するには高価である。また、レーザレベラでは、土壌を削る深さを正しく設定するために、事前に圃場の標高をくまなく測定し、圃場ごとにレーザ発光器を適正な高さに設定する作業などが必要となるため、作業が煩雑になるおそれがある。さらに、レーザに代えて、高精度なＧＰＳを利用する場合、基地局・移動局など更に高価な装備が必要になるため生産者向けの機械ではない。また、高精度なＧＰＳを使用してはいるものの、高さ方向の計測精度はレーザを利用する方式に比べ劣る。
【０００８】
そこで本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高価な機器を利用せずに、作業地表面の土壌を一定の深さで削り、運搬することが可能な作業機及び作業システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の作業機は、牽引装置に牽引された状態で作業地を移動する作業機であって、前記牽引装置に接続され、前記牽引装置が有する駆動機構により前記接続部分の高さ位置が変更可能とされたフレームと、前記フレームの一部を前記作業地表面から所定高さの位置で支持する尾輪と、前記作業地表面の土壌を削り、運搬する排土板と、前記フレームに対する前記排土板の高さ方向の位置を変更する位置変更機構と、前記フレームの水平面に対する角度を検出する角度検出部と、前記排土板よりも前記牽引装置側の前記作業地表面に対する前記フレームの高さを検出する高さ検出部と、前記フレームに対する前記排土板の高さ方向の位置関係を検出する位置関係検出部と、前記角度検出部の検出結果に基づいて、前記フレームの角度を水平に維持するように前記駆動機構を制御するとともに、前記フレームの角度が水平に維持された状態での前記高さ検出部と前記位置関係検出部の検出結果に基づいて、前記位置変更機構を制御する制御部と、を備えている。
【００１０】
これによれば、制御部は、フレームの水平面に対する角度を検出する角度検出部の検出結果に基づいて、フレームの角度を水平に維持し、フレームの角度が水平に維持された状態で高さ検出部と位置関係検出部との検出結果に基づいて位置変更機構を制御するので、従来のようなレーザレベラやＧＰＳのような高価な機器を利用することなく、作業地表面を一定の深さで削り、運搬することが可能である。また、位置変更機構の人手による操作は不要であるため、リヤグレーダのように熟練の技術を要せずに、作業地表面の土壌を一定の深さで削り、運搬することができる。
【００１１】
この場合において、前記位置変更機構には、前記フレームに設けられた水平方向に延びる回転軸を中心として前記排土板を揺動することで、前記排土板の前記フレームに対する高さ位置を変更し、前記制御部は、前記揺動の角度に基づいて前記位置変更機構を制御することとすることができる。かかる場合には、排土板の揺動の角度を考慮した高精度な位置変更機構の制御が可能となり、作業地表面を一定の深さで削る作業を高精度に行うことが可能となる。
【００１２】
この場合において、前記排土板に直接的又は間接的に固定され、前記作業地又は前記作業地近傍に設置されたレーザ発光器から発光されるレーザを受光可能なレーザ受光器を更に備え、前記制御部は、前記レーザ受光器の受光結果が一定になるように、前記位置変更機構の制御を行うこととすることができる。かかる場合には、レーザ発光器及びレーザ受光器を用いた作業地の均平作業が可能となる。
【００１３】
また、前記排土板が前記作業地に接触しない状態で、前記作業地又は前記作業地近傍に設置されたレーザ発光器から発光されるレーザを受光するように前記排土板に直接的又は間接的に固定されたレーザ受光器と、前記作業地内における前記尾輪の水平面内の位置を検出する水平面内位置検出部と、を更に備え、前記制御部は、前記角度検出部の検出結果に基づいて、前記フレームの角度を水平に維持するように前記駆動機構を制御するとともに、前記レーザ受光器の受光結果が一定になるように前記位置変更機構を介して前記排土板の高さ方向の位置を変更し、当該変更の間における、前記位置関係検出部の検出結果と前記水平面内位置検出部の検出結果とに基づいて、前記作業地の測量を行うこととすることができる。かかる場合には、牽引装置により作業機が作業地内で牽引されている間に測量することができるため、時間の短縮及び労力の軽減が可能となる。また、牽引装置の自重による測量への影響が少なく、また、高さ情報の取得に、高価なＧＰＳ装置等を用いる必要が無くなる。
【００１４】
本発明の作業システムは、牽引装置と、前記牽引装置に牽引された状態で作業地を移動する本発明の作業機と、を備えている。
【００１５】
これによれば、本発明の作業機を備えているので、高価な機器を利用せずに、作業地表面の土壌を一定の深さで削り、運搬することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の作業機及び作業システムは、高価な機器を利用せずに、作業地表面を一定の深さで削り、運搬することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る圃場作業システムの構成を概略的に示す図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の圃場作業機の平面図であり、図２（ｂ）は、図１の圃場作業機の側面図である。
【図３】第１の実施形態の圃場作業システム１００の制御系がブロック図にて示されている。
【図４】図４（ａ）は、圃場２００上での削土・運搬作業を開始した直後の圃場作業機１０の状態を示す図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の排土板１６近傍の拡大図である。
【図５】図５（ａ）は、圃場２００上での削土・運搬作業を開始して、ある程度の時間が経過した時点における圃場作業機１０の状態を示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の排土板１６近傍の拡大図である。
【図６】第２の実施形態に係る圃場作業システムの構成を概略的に示す図である。
【図７】図７（ａ）は、第３の実施形態に係る圃場作業システムの構成を概略的に示す図であり、図７（ｂ）は、第３の実施形態の比較例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
《第１の実施形態》
以下、第１の実施形態にかかる作業システムとしての圃場作業システム１００について、図１〜図５に基づいて説明する。図１の圃場作業システム１００は、牽引装置としてのトラクタ９０と、作業機としての圃場作業機１０とを備える。トラクタ９０は、作業地としての圃場２００上を圃場作業機１０を牽引した状態で移動する。圃場作業機１０は、トラクタに牽引された状態で、圃場２００表面の土を削り、運搬する。
【００１９】
トラクタ９０は、一本のトップリンク９２と、当該トップリンク９２から等距離の位置に設けられた一対のロアリンク９４ａ，９４ｂと、を有する。また、トラクタ９０には、トップリンク９２及びロアリンク９４ａ，９４ｂを上下動する駆動機構９６（図１では不図示、図３参照）が設けられている。駆動機構９６の駆動制御は、図３に示すトラクタ側制御装置９９により行われる。
【００２０】
図２（ａ）には、圃場作業機１０の平面図が示され、図２（ｂ）には、圃場作業機１０の側面図が示されている。これらの図に示すように、圃場作業機１０は、フレーム１２と、一対の尾輪１４と、排土板１６と、排土板１６の高さ位置を変更する位置変更機構１８と、を備える。
【００２１】
フレーム１２のトラクタ９０側の上側端部１２ａは、トラクタ９０のトップリンク９２に接続されている。また、フレーム１２のトラクタ９０側の下側端部１２ｂ、１２ｃは、トラクタ９０のロアリンク９４ａ，９４ｂに接続されている。
【００２２】
一対の尾輪１４は、圃場２００表面上で、フレーム１２の牽引方向後側の端部（後端部）を、所定高さに維持する機能を有する。ここで、前述したフレーム上側端部１２ａには、長穴が形成されており、フレーム１２は、当該長穴を介してトップリンク９２に接続されている。このため、トラクタ９０が圃場作業機１０を牽引している間は、トップリンク９２の連結部分と、フレーム１２の上側端部１２ａとの牽引方向に関する位置関係が可変な状態となっている。これにより、トラクタ９０により、圃場作業機１０が牽引される間は、ロアリンク９４ａ，９４ｂと、尾輪１４とにより、フレーム１２が支持されるようになっている。なお、尾輪１４としては、図２のような幅の狭い車輪（タイヤ）を用いる場合に限られるものではない。地表面が軟弱な場合において尾輪１４が沈むのを防止するため、尾輪１４として、接地圧の低い、幅広の車輪やローラ状の車輪を用いることとしてよい。
【００２３】
排土板１６は、フレーム１２に設けられた一対の回転軸としての揺動軸２２に接続された揺動体２４により、吊り下げ支持されている。排土板１６は、圃場２００表面に接触することで圃場２００表面を削るとともに、削った土を運搬する機能を有する。排土板１６は、揺動軸２２を中心とした揺動体２４の揺動により、高さ方向の位置が変更されるようになっている。なお、本実施形態では、図２（ｂ）のように、フレーム１２の上面が水平で、かつ揺動体２４の延びる方向が水平方向である場合には、尾輪１４の下端部と、排土板１６の下端部とが同一高さとなるように設定されているものとする。
【００２４】
位置変更機構１８は、シリンダ等を含み、シリンダの作用により揺動体２４を揺動させることが可能となっている。すなわち、位置変更機構１８は、揺動体２４を揺動させることで、排土板１６の高さ方向の位置を変更する。
【００２５】
上記圃場作業機１０のフレーム１２には、更に、各種検出部が設けられている。具体的には、図２（ｂ）等に示すように、角度検出部３０と、位置関係検出部３２と、高さ検出部３４と、が圃場作業機１０のフレーム１２に設けられている。
【００２６】
角度検出部３０は、傾斜角センサを含み、フレーム１２上面の水平面に対する傾斜角（ピッチング方向の傾斜角）を検出する。角度検出部３０の検出結果は、図３の作業機側制御装置５０に送信される。
【００２７】
位置関係検出部３２は、レーザセンサを含み、揺動体２４に設けられた反射板４２に対して検出光を照射し、当該反射板４２における反射光を受光することで、フレーム１２に対する反射板４２の位置、ひいては、フレーム１２に対する排土板１６の位置関係を検出する。ここで、反射板４２の上面の高さ方向に関する位置は、揺動軸２２の中心の高さ方向に関する位置と同一となっている。したがって、本実施形態では、位置関係検出部３２による検出結果と、位置関係検出部３２と揺動軸２２の中心との距離（既知）から、図４（ｂ）に示す距離ｆを検出することができる。距離ｆは、揺動軸２２と反射板４２上面の位置関係検出部３２の検出光の光軸到達点との高さ方向に関する距離を意味する。なお、位置関係検出部３２の検出結果（ｆ）は、図３の作業機側制御装置５０に送信される。なお、位置関係検出部３２としては、レーザセンサ以外のセンサ（例えば、超音波センサなど）を用いることとしても良い。
【００２８】
高さ検出部３４は、超音波センサ等の非接触式センサを含み、圃場２００の未削部分（トラクタ９０と排土板１６との間の部分）の高さを検出する。この場合、高さ検出部３４は、超音波センサと未削部分との距離ｂ，ｂ’（図４（ａ）、図５（ａ）参照）を検出することになる。高さ検出部３４の検出結果（ｂ、ｂ’）は、図３の作業機側制御装置５０に送信される。なお、高さ検出部３４としては、超音波センサのような非接触式のセンサに限らず、接触式のセンサを用いることとしてもよい。
【００２９】
図３には、本第１の実施形態の圃場作業システム１００の制御系がブロック図にて示されている。この図３に示すように、圃場作業システム１００では、トラクタ９０に設けられたトラクタ側制御装置９９と、制御部としての作業機側制御装置５０とが連携して、圃場作業機１０による圃場表面の削土、及び運搬の制御を行う。なお、図３に示すように作業機側制御装置５０には、作業機情報格納部４０が接続されている。作業機情報格納部４０には、圃場作業機１０に関する既知の値（後述）が格納されている。
【００３０】
次に、本第１の実施形態の圃場作業システム１００における処理について、図４、図５に基づいて、詳細に説明する。
【００３１】
図４（ａ）には、圃場２００上での削土・運搬作業を開始した直後の圃場作業機１０の状態が示され、図４（ｂ）には、図４（ａ）の排土板１６近傍の拡大図が示されている。また、図５（ａ）には、圃場２００上での削土・運搬作業を開始して、ある程度の時間が経過した時点における圃場作業機１０の状態が示され、図５（ｂ）には、図５（ａ）の排土板１６近傍の拡大図が示されている。
【００３２】
作業機側制御装置５０は、角度検出部３０の検出結果に基づいて、フレーム１２の上面の傾斜角（ピッチング方向の傾斜角）を常時取得する。そして、作業機側制御装置５０は、当該取得した傾斜角に基づいて、トラクタ側制御装置９９に対して、フレーム１２の上面が常時水平となるよう指示を出す。
【００３３】
これに対し、トラクタ側制御装置９９では、作業機側制御装置５０からの指示に基づいて、駆動機構９６を駆動し、フレームの下側端部１２ｂ，１２ｃを上下方向に移動させ、フレーム１２の上面を水平に維持する。
【００３４】
また、作業機側制御装置５０は、フレーム１２の上面が水平に維持された状態で、位置関係検出部３２の検出結果と、高さ検出部３４の検出結果とを用いて、排土板１６の高さ調整を行う。具体的には、圃場２００の未削部分の表面と排土板１６の下端部との高さ差（削土深さ）が一定となるように排土板の高さ位置を調整する。この場合、図４（ａ）、図４（ｂ）の場合であれば、削土深さは、ｈ−ａとなり、図５（ａ）、図５（ｂ）の場合であれば、削土深さは、ｈ’−ａ’となる。
【００３５】
ここで、図４（ａ）、図４（ｂ）の場合の削土深さ（ｈ−ａ）について説明する。
【００３６】
ａは、フレーム１２上面と圃場２００の未削部分表面との距離であり、高さ検出部３４の検出値ｂと、フレーム１２上面と高さ検出部３４との距離ｃ（既知）とを用いれば、次式（１）のように表すことができる。
ａ＝ｂ＋ｃ …（１）
なお、既知の距離ｃは、作業機情報格納部４０に格納されているものとする。
【００３７】
また、前述のように、位置関係検出部３２の検出値と、位置関係検出部３２と揺動軸２２の中心との高さ方向に関する距離（既知）とからは、距離ｆ（揺動軸２２と反射板４２上面の位置関係検出部３２の検出光の光軸到達点との高さ方向に関する距離）が検出される。そして、当該距離ｆ、及び揺動軸２２の中心と位置関係検出部３２との水平方向に関する距離ｅ（既知）を用いれば、揺動軸２２の中心を通る水平面と反射板４２上面とがなす角θ1は、次式（２）のように表すことができる。
θ1＝tan-1（ｆ／ｅ） …（２）
【００３８】
なお、上記既知の値（位置関係検出部３２と揺動軸２２の中心との高さ方向に関する距離、及び揺動軸２２の中心と位置関係検出部３２との水平方向に関する距離ｅ）は、作業機情報格納部４０に格納されているものとする。
【００３９】
更に、揺動体２４が延びる方向と、揺動軸２２の中心と排土板１６下端部とを結ぶ方向とがなす角をθ2（既知）とし、揺動軸２２の中心と排土板１６下端部との距離をｇとすると、ｈは、次式（３）のように表すことができる。
ｈ＝ｄ＋ｇ・sin（θ1＋θ2） …（３）
なお、既知の値θ2及びｇは、作業機情報格納部４０に格納されているものとする。
【００４０】
したがって、削土深さ（ｈ−ａ）は、上式（１）〜（３）より、次式（４）のように表すことができる。
ｈ−ａ＝ｄ＋ｇ・sin（tan-1（ｆ／ｅ）＋θ2）−（ｂ＋ｃ） …（４）
【００４１】
ここで、上式（４）の右辺は、検出値ｂ、ｆ及び既知の値を含んでいるのみである。したがって、作業機側制御装置５０は、削土深さ（ｈ−ａ）の値を正確に算出することができるため、当該削土深さ（ｈ−ａ）が予め定められた値となるように、位置変更機構１８のシリンダを制御することで、削土深さを一定に維持するようにする。
【００４２】
一方、図５（ａ）、図５（ｂ）の場合には、既に尾輪１４が圃場２００の既削部分に位置しており、尾輪１４の下端部と排土板１６の下端部とは、同一高さとなっている。この場合、図５（ａ）より、フレーム１２上面と圃場２００の未削部分表面との距離ａ’は、高さ検出部３４の検出値ｂ’と、フレーム１２上面と高さ検出部３４との距離ｃ（既知）とから、次式（５）のように表すことができる。
ａ’＝ｂ’＋ｃ …（５）
【００４３】
また、ｈ’は、次式（６）にて表すことができる。
ｈ’＝ｄ＋ｇ・sin θ2 …（６）
【００４４】
したがって、削土深さ（ｈ’−ａ’）は、上式（５）、（６）より、次式（７）のように表すことができる。
ｈ’−ａ’＝ｄ＋ｇ・sinθ2−（ｂ’＋ｃ） …（７）
【００４５】
ここで、上式（４）の右辺は、検出値ｂ’及び既知の値を含んでいるのみである。したがって、作業機側制御装置５０は、削土深さ（ｈ’−ａ’）の値を正確に算出することができる。ここで、圃場２００の未削部分が一定高さに均されている場合には、排土板１６の高さを変更しなくとも削土深さを一定に維持することができるため、以降の位置変更機構１８の制御が不要である。しかしながら、圃場２００の未削部分の凹凸によっては、位置変更機構１８による制御が必要なる場合がある。この場合、位置変更機構１８を制御すると、図４（ｂ）と同様、角度θ1が、削土深さ（ｈ’−ａ’）に対して影響を与えるようになる。この場合、作業機側制御装置５０は、上式（４）に基づいて導き出される次式（４）’に基づいて、削土深さ（ｈ’−ａ’）が予め定められた値となるように、位置変更機構１８を制御すればよい。
ｈ’−ａ’＝ｄ＋ｇ・sin（tan-1（ｆ’／ｅ）＋θ2）−（ｂ’＋ｃ）
…（４）’
【００４６】
なお、上式（４）’の値ｆ’は、値ｆと同様、位置関係検出部３２の検出結果から求められる値である。
【００４７】
以上のようにすることで、圃場２００の未削部分の表面から一定の深さで、圃場２００表面を削土し、運搬することが可能となる。
【００４８】
以上、詳細に説明したように、本第１の実施形態によると、作業機側制御装置５０は、フレーム１２の水平面に対する角度を検出する角度検出部３０の検出結果に基づいて、フレーム１２の角度を水平に維持するように、トラクタ側制御装置９９を介して駆動機構９６の駆動を制御する。そして、作業機側制御装置５０は、フレーム１２の角度が水平に維持された状態で、圃場の未削部分に対するフレーム１２の高さを検出する高さ検出部３４の検出結果（ｂ、ｂ’）と、フレームに対する排土板１６の高さ方向の位置関係を検出する位置関係検出部３２の検出結果（ｆ、ｆ’）と、に基づいて位置変更機構１８を制御する（上式（４）、（４）’参照）。これにより、本第１の実施形態では、レーザレベラやＧＰＳのような高価な機器を利用せずに、圃場表面の土壌を一定の深さで削り、運搬することが可能である。また、位置変更機構１８の人手による操作は不要であるため、リヤグレーダのように熟練の技術を要せずに、土壌を一定の深さで削り、運搬することができる。
【００４９】
また、本第１の実施形態では、排土板１６が、揺動軸２２を中心とした揺動により、フレーム１２との高さ位置が変更され、作業機側制御装置５０は、揺動時の角度（θ1）にも基づいて、位置変更機構１８を制御することとしている。これにより、本第１の実施形態では、高精度な排土板１６の位置変更が可能となり、ひいては高精度な圃場表面の削土が可能となる。
【００５０】
なお、上記第１の実施形態では、角度検出部３０、位置関係検出部３２、高さ検出部３４のそれぞれを、１つずつ設ける場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、各検出部を複数個ずつ設けることとしてもよい。この場合、水平面内において牽引方向に直交する方向に離れた位置に同一種類の検出部を設け、それらの平均値を用いて上記第１の実施形態と同様の処理を行うこととすれば、より高精度に上記作業を行うことができる。特に、高さ検出部３４を複数用いることとすれば、圃場表面に凹凸がある場合でも圃場表面の土壌を一定の深さで削る作業を精度良く行うことができる。
【００５１】
なお、上記第１の実施形態では、作業機側制御装置５０は、排土板１６の揺動時の角度（θ1）を考慮して、排土板１６の高さ位置を調整する場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、揺動時の角度（θ1）が排土板１６の高さ位置の制御に与える影響が小さい場合には、角度θ1を考慮しなくてもよい。この場合、作業機側制御装置５０は、例えば、反射板４２と排土板１６の下端部との高さ方向に関する距離ｘ、位置関係検出部３２の検出値から得られるフレーム１２上面から反射板４２までの距離ｙ、及びフレーム１２上面から未削部分までの距離ａを用いた値（ｘ＋ｙ−ａ）が一定となるように、位置変更機構１８を制御するようにすればよい。
【００５２】
なお、上記第１の実施形態では、排土板１６を揺動軸２２を中心として揺動させることで、排土板１６の高さ位置を変更する場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、排土板１６を高さ方向に延びるガイドに沿って高さ方向に移動させるようにしてもよい。この場合、上記の値（ｘ＋ｙ−ａ）が一定となるように、位置変更機構１８を制御するようにすればよい。
【００５３】
なお、上記第１の実施形態では、圃場作業システム１００による作業を行う前に、圃場２００の土壌表面を掘り起こし、乾燥させ、均しておいてもよい。このようにすることで、圃場作業機１０における削土、運搬時の負荷を軽減することができる。また、圃場作業機１０の排土板１６よりも前側（トラクタ側）に土壌を耕耘し、均すための装置を設けることとしてもよい。
【００５４】
なお、上記第１の実施形態では、尾輪１４をフレーム１２の牽引方向後端部に設け、当該後端部の圃場表面からの高さを所定高さに維持する場合について説明したが、これに限られるものではない。尾輪１４は、フレーム１２の牽引方向後端部以外の部分に設けることとしてもよい。
【００５５】
《第２の実施形態》
次に、第２の実施形態について、図６に基づいて、説明する。本第２の実施形態では、第１の実施形態の構成に加えて、圃場作業機１０が、レーザレベラで用いられるレーザ受光器７０を備えている点に特徴を有している。
【００５６】
レーザ受光器７０は、図６に示すように、排土板１６に立てられたポール７４の上端部近傍に固定されている。なお、ポール７４は、排土板１６が接続されている揺動体２４に立てられてもよい。すなわち、レーザ受光器７０は、排土板１６に直接的又は間接的に固定されていればよい。また、本第２の実施形態では、圃場２００内又は圃場２００近傍に、レーザ発光器７２が設けられる。なお、従来方式のレーザレベラには、トラクタ直装式とけん引式があるが、本第２の実施形態では、けん引式レベラと同等の構成のレーザレベラを採用することができる。すなわち、レーザコントロール装置はトラクタ９０側ではなく、圃場作業機１０側に装備することになる。このため、従来のけん引式レベラと同様、レーザ制御機能を装備しないトラクタでも作業が可能となる。
【００５７】
本第２の実施形態の作業機側制御装置５０では、レーザ発光器７２から発光されるレーザの、レーザ受光器７０における受光結果が一定となるように、排土板１６の高さ位置を位置変更機構１８を制御して変更する。このようにすることで、圃場２００表面を所定高さに均すことができる。
【００５８】
なお、ポール７４は、排土板１６や揺動体２４が水平面に対して傾いた場合でも、ポール７４が常に垂直に近い状態となるように維持できる台座に固定されることが好ましい。
【００５９】
以上、説明したように、本第２の実施形態によると、上記第１の実施形態の構成に加え、排土板１６に直接的又は間接的に固定されたレーザ受光器７０を備えており、レーザ受光器７０が圃場２００又は圃場２００近傍に設置されたレーザ発光器７２から発光されるレーザを受光したときの受光結果が一定になるように、作業機側制御装置５０が、位置変更機構１８の制御を行う。このようにすることで、本第２の実施形態では、圃場作業機１０を用いた圃場の均平作業が可能となる。
【００６０】
また、本第２の実施形態では、フレームをロアリンク９４ａ，９４ｂと尾輪１４で支持するため、圃場の凹凸に起因するトラクタのピッチングの影響を比較的受けにくいという効果を奏する。また、本第２の実施形態では、駆動機構９６により、フレーム１２を水平に維持することができるため、従来のけん引式レベラ以上にトラクタのピッチングの影響を抑制することができる。
【００６１】
《第３の実施形態》
次に、第３の実施形態について、図７（ａ）に基づいて説明する。従来のように、レーザやＧＰＳを使って均平作業を行うためには、作業の前に圃場全体の高低差をくまなく測定し、運土計画を立てることが必要とされている。そこで、本第３の実施形態では、均平作業を行う前の、圃場全体の高低差を測量する作業に、圃場作業システム１００を利用する場合について説明する。
【００６２】
本第３の実施形態では、図７（ａ）に示すように、圃場作業機１０が、上記第２の実施形態と同様、レーザレベラで用いられるレーザ受光器７０を備えているとともに、水平面内位置検出部としてのＧＰＳ受信機７８を備えている。
【００６３】
ここで、ＧＰＳ受信機７８は、圃場作業機１０の位置情報を取得するための装置である。ＧＰＳ受信機７８の取り付け位置は、尾輪１４の直上付近とする。
【００６４】
本第３の実施形態では、排土板１６が常に圃場２００表面を削土しない高さに位置した状態、すなわち、排土板１６が常に圃場２００表面から浮いた状態で、レーザ発光器７２から発光されるレーザを受光できる位置に、レーザ受光器７０をポール７４を介して取り付ける。なお、ポール７４は、揺動体２４に設けられてもよい。すなわち、レーザ受光器７０は、排土板１６に対して直接的又は間接的に固定されていればよい。
【００６５】
そして、作業機側制御装置５０は、レーザ受光器７０による受光結果が一定となるように、位置変更機構１８を介して排土板１６の高さ制御を行うとともに、駆動機構９６を介してフレーム１２上面の水平を維持しつつ、トラクタ９０を圃場２００内で走行させる。この場合、一定の高さに保たれている排土板１６に対し、フレーム１２が上下しながら進むということになる。
【００６６】
作業機側制御装置５０は、上記走行中、位置関係検出部３２の検出結果と、ＧＰＳ受信機７８の検出結果（緯度、経度）を取得する。この場合において位置関係検出部３２から得られる、フレーム１２に対する排土板１６の相対位置の値（高さ方向に関する距離）は、圃場２００表面の高さを表す。したがって、作業機側制御装置５０は、位置関係検出部３２から得られる圃場２００表面の高さと、当該表面の高さが得られた時点におけるＧＰＳ受信機７８の検出結果（緯度、経度）を関連付けて記録することで、圃場２００の高低差マップの作成（測量）を行うことが可能となる。
【００６７】
なお、本第３の実施形態においても、上記第２の実施形態と同様、ポール７４は、排土板１６や揺動体２４が水平面に対して傾いた場合でも、ポール７４が常に垂直に近い状態となるように維持できる台座に固定されることが好ましい。
【００６８】
以上、説明したように、本第３の実施形態によると、レーザ受光器７０が、排土板１６が圃場２００に接触しない状態で、レーザ発光器７２から発光されるレーザを受光するように排土板１６に直接的又は間接的に固定されており、作業機側制御装置５０は、角度検出部３０の検出結果に基づいて、フレーム１２の角度を水平に維持するように駆動機構９６を制御するとともに、レーザ受光器７０の受光結果が一定になるように位置変更機構１８を介して排土板１６の高さ方向の位置を変更し、当該変更の間における、位置関係検出部の検出結果とＧＰＳ受信機７８の検出結果（圃場２００内における尾輪１４の水平面内の位置）とに基づいて、圃場２００の測量を行う。これにより、本第３の実施形態では、簡易な方法で、圃場２００の測量を行うことが可能となる。ここで、従来は、例えば、図７（ｂ）の比較例の図に示すように測量用の受光器１７０を用い、レーザ発光器７２による基準平面からの標高差を測定する方法や、トラクタに高さ情報の取得が可能なＧＰＳ受信装置を取り付けて圃場をくまなく走行し、ＧＰＳの高さ情報、緯度、経度情報を取得する方法などがあった。しかし、図７（ｂ）のような方法では、多くの時間と労力が必要である。また、高さ情報の取得が可能なＧＰＳ受信装置をトラクタに取り付ける方法では、トラクタの自重により車輪が沈んだ場合は正確に測量ができず、更に、高さ情報取得精度がＧＰＳ受信装置の測定精度に依存するおそれがあった。これに対し、本第３の実施形態では、トラクタを圃場内で走行させている間に測量ができるため、時間の短縮及び労力の軽減が可能となる。また、本第３の実施形態では、トラクタの自重による影響がなく、また、高さ情報の取得に、高さ情報を高精度に取得するための高価なＧＰＳ装置を用いる必要が無い。
【００６９】
なお、上記第２の実施形態を用いて、圃場２００の均平作業を行った後に、上記第３の実施形態を用いて、圃場２００の測量作業を行うこととしてもよい。この場合、測量結果を用いることで、圃場の均平作業が完了したか否かを判断することが可能となる。
【００７０】
なお、上記各実施形態では、作業地が圃場２００である場合について説明したが、これに限られるものではない。作業地は、圃場以外の領域（例えば、学校の校庭や砂浜、宅地など）であってもよい。
【００７１】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０ 圃場作業機（作業機）
１２ フレーム
１４ 尾輪
１６ 排土板
１８ 位置変更機構
２２ 揺動軸（回転軸）
３０ 角度検出部
３２ 位置関係検出部
３４ 高さ検出部
５０ 作業機側制御装置（制御部）
７０ レーザ受光器
７２ レーザ発光器
７８ ＧＰＳ受信機（水平面内位置検出部）
９０ トラクタ（牽引装置）
１００ 圃場作業システム（作業システム）
２００ 圃場（作業地）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業機及び作業システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、隣接する複数の作業地（例えば、圃場）を合筆（１筆に合体）する作業において、圃場の境界にある畦畔を除去した後に段差がある場合は、その後の耕作に支障とならないように段差を解消することが必要となる。
【０００３】
圃場が水田の場合、合筆前の圃場はそれぞれある程度の均平度を保った状態であるため、上段側の圃場から一定の深さの土壌を削って下段側へ移動し、下段側でその移動した土を均すことで段差を解消することができる。
【０００４】
このような作業を行う場合、リヤグレーダなどを利用したり、あるいはレーザレベラを利用したりすることができる。これらのうち、リヤグレーダは、排土板を備えており、作業者が目視により作業基準を設定し、排土板の位置（高さ）を手動で調整することで圃場表面の土を移動する作業機である。一方、レーザレベラは、特許文献１〜３等に開示されているように、レーザ発光器、レーザ受光部、作業機昇降部、排土板等を備えている。このレーザレベラは、レーザ発光器から放射されるレーザ光により設定された作業基準平面に対し、排土板又は作業機を所定の位置（高さ）に自動制御することで圃場表面を均平にする作業機である。なお、レーザの代わりに、ＧＰＳを利用して排土板又は作業機を所定の位置（高さ）に自動調整する方法もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−９７１０号公報
【特許文献２】特開２００４−８１１７３号公報
【特許文献３】特開２００４−２４２６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、リヤグレーダは、手動で排土板の位置を調整しながら一定の深さで土壌を削る必要があるため、作業には、熟練した技能が求められる。
【０００７】
一方、レーザレベラを利用すれば、熟練した技能がなくても一定の深さで土壌を削ることは可能であるが、レーザレベラは、平均的な規模の生産者が購入するには高価である。また、レーザレベラでは、土壌を削る深さを正しく設定するために、事前に圃場の標高をくまなく測定し、圃場ごとにレーザ発光器を適正な高さに設定する作業などが必要となるため、作業が煩雑になるおそれがある。さらに、レーザに代えて、高精度なＧＰＳを利用する場合、基地局・移動局など更に高価な装備が必要になるため生産者向けの機械ではない。また、高精度なＧＰＳを使用してはいるものの、高さ方向の計測精度はレーザを利用する方式に比べ劣る。
【０００８】
そこで本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高価な機器を利用せずに、作業地表面の土壌を一定の深さで削り、運搬することが可能な作業機及び作業システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の作業機は、牽引装置に牽引された状態で作業地を移動する作業機であって、前記牽引装置に接続され、前記牽引装置が有する駆動機構により前記接続部分の高さ位置が変更可能とされたフレームと、前記フレームの一部を前記作業地表面から所定高さの位置で支持する尾輪と、前記作業地表面の土壌を削り、運搬する排土板と、前記フレームに対する前記排土板の高さ方向の位置を変更する位置変更機構と、前記フレームの水平面に対する角度を検出する角度検出部と、前記排土板よりも前記牽引装置側の前記作業地表面に対する前記フレームの高さを検出する高さ検出部と、前記フレームに対する前記排土板の高さ方向の位置関係を検出する位置関係検出部と、前記角度検出部の検出結果に基づいて、前記フレームの角度を水平に維持するように前記駆動機構を制御するとともに、前記フレームの角度が水平に維持された状態での前記高さ検出部と前記位置関係検出部の検出結果に基づいて、前記位置変更機構を制御する制御部と、を備えている。
【００１０】
これによれば、制御部は、フレームの水平面に対する角度を検出する角度検出部の検出結果に基づいて、フレームの角度を水平に維持し、フレームの角度が水平に維持された状態で高さ検出部と位置関係検出部との検出結果に基づいて位置変更機構を制御するので、従来のようなレーザレベラやＧＰＳのような高価な機器を利用することなく、作業地表面を一定の深さで削り、運搬することが可能である。また、位置変更機構の人手による操作は不要であるため、リヤグレーダのように熟練の技術を要せずに、作業地表面の土壌を一定の深さで削り、運搬することができる。
【００１１】
この場合において、前記位置変更機構には、前記フレームに設けられた水平方向に延びる回転軸を中心として前記排土板を揺動することで、前記排土板の前記フレームに対する高さ位置を変更し、前記制御部は、前記揺動の角度に基づいて前記位置変更機構を制御することとすることができる。かかる場合には、排土板の揺動の角度を考慮した高精度な位置変更機構の制御が可能となり、作業地表面を一定の深さで削る作業を高精度に行うことが可能となる。
【００１２】
この場合において、前記排土板に直接的又は間接的に固定され、前記作業地又は前記作業地近傍に設置されたレーザ発光器から発光されるレーザを受光可能なレーザ受光器を更に備え、前記制御部は、前記レーザ受光器の受光結果が一定になるように、前記位置変更機構の制御を行うこととすることができる。かかる場合には、レーザ発光器及びレーザ受光器を用いた作業地の均平作業が可能となる。
【００１３】
また、前記排土板が前記作業地に接触しない状態で、前記作業地又は前記作業地近傍に設置されたレーザ発光器から発光されるレーザを受光するように前記排土板に直接的又は間接的に固定されたレーザ受光器と、前記作業地内における前記尾輪の水平面内の位置を検出する水平面内位置検出部と、を更に備え、前記制御部は、前記角度検出部の検出結果に基づいて、前記フレームの角度を水平に維持するように前記駆動機構を制御するとともに、前記レーザ受光器の受光結果が一定になるように前記位置変更機構を介して前記排土板の高さ方向の位置を変更し、当該変更の間における、前記位置関係検出部の検出結果と前記水平面内位置検出部の検出結果とに基づいて、前記作業地の測量を行うこととすることができる。かかる場合には、牽引装置により作業機が作業地内で牽引されている間に測量することができるため、時間の短縮及び労力の軽減が可能となる。また、牽引装置の自重による測量への影響が少なく、また、高さ情報の取得に、高価なＧＰＳ装置等を用いる必要が無くなる。
【００１４】
本発明の作業システムは、牽引装置と、前記牽引装置に牽引された状態で作業地を移動する本発明の作業機と、を備えている。
【００１５】
これによれば、本発明の作業機を備えているので、高価な機器を利用せずに、作業地表面の土壌を一定の深さで削り、運搬することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の作業機及び作業システムは、高価な機器を利用せずに、作業地表面を一定の深さで削り、運搬することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る圃場作業システムの構成を概略的に示す図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の圃場作業機の平面図であり、図２（ｂ）は、図１の圃場作業機の側面図である。
【図３】第１の実施形態の圃場作業システム１００の制御系がブロック図にて示されている。
【図４】図４（ａ）は、圃場２００上での削土・運搬作業を開始した直後の圃場作業機１０の状態を示す図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の排土板１６近傍の拡大図である。
【図５】図５（ａ）は、圃場２００上での削土・運搬作業を開始して、ある程度の時間が経過した時点における圃場作業機１０の状態を示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の排土板１６近傍の拡大図である。
【図６】第２の実施形態に係る圃場作業システムの構成を概略的に示す図である。
【図７】図７（ａ）は、第３の実施形態に係る圃場作業システムの構成を概略的に示す図であり、図７（ｂ）は、第３の実施形態の比較例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
《第１の実施形態》
以下、第１の実施形態にかかる作業システムとしての圃場作業システム１００について、図１〜図５に基づいて説明する。図１の圃場作業システム１００は、牽引装置としてのトラクタ９０と、作業機としての圃場作業機１０とを備える。トラクタ９０は、作業地としての圃場２００上を圃場作業機１０を牽引した状態で移動する。圃場作業機１０は、トラクタに牽引された状態で、圃場２００表面の土を削り、運搬する。
【００１９】
トラクタ９０は、一本のトップリンク９２と、当該トップリンク９２から等距離の位置に設けられた一対のロアリンク９４ａ，９４ｂと、を有する。また、トラクタ９０には、トップリンク９２及びロアリンク９４ａ，９４ｂを上下動する駆動機構９６（図１では不図示、図３参照）が設けられている。駆動機構９６の駆動制御は、図３に示すトラクタ側制御装置９９により行われる。
【００２０】
図２（ａ）には、圃場作業機１０の平面図が示され、図２（ｂ）には、圃場作業機１０の側面図が示されている。これらの図に示すように、圃場作業機１０は、フレーム１２と、一対の尾輪１４と、排土板１６と、排土板１６の高さ位置を変更する位置変更機構１８と、を備える。
【００２１】
フレーム１２のトラクタ９０側の上側端部１２ａは、トラクタ９０のトップリンク９２に接続されている。また、フレーム１２のトラクタ９０側の下側端部１２ｂ、１２ｃは、トラクタ９０のロアリンク９４ａ，９４ｂに接続されている。
【００２２】
一対の尾輪１４は、圃場２００表面上で、フレーム１２の牽引方向後側の端部（後端部）を、所定高さに維持する機能を有する。ここで、前述したフレーム上側端部１２ａには、長穴が形成されており、フレーム１２は、当該長穴を介してトップリンク９２に接続されている。このため、トラクタ９０が圃場作業機１０を牽引している間は、トップリンク９２の連結部分と、フレーム１２の上側端部１２ａとの牽引方向に関する位置関係が可変な状態となっている。これにより、トラクタ９０により、圃場作業機１０が牽引される間は、ロアリンク９４ａ，９４ｂと、尾輪１４とにより、フレーム１２が支持されるようになっている。なお、尾輪１４としては、図２のような幅の狭い車輪（タイヤ）を用いる場合に限られるものではない。地表面が軟弱な場合において尾輪１４が沈むのを防止するため、尾輪１４として、接地圧の低い、幅広の車輪やローラ状の車輪を用いることとしてよい。
【００２３】
排土板１６は、フレーム１２に設けられた一対の回転軸としての揺動軸２２に接続された揺動体２４により、吊り下げ支持されている。排土板１６は、圃場２００表面に接触することで圃場２００表面を削るとともに、削った土を運搬する機能を有する。排土板１６は、揺動軸２２を中心とした揺動体２４の揺動により、高さ方向の位置が変更されるようになっている。なお、本実施形態では、図２（ｂ）のように、フレーム１２の上面が水平で、かつ揺動体２４の延びる方向が水平方向である場合には、尾輪１４の下端部と、排土板１６の下端部とが同一高さとなるように設定されているものとする。
【００２４】
位置変更機構１８は、シリンダ等を含み、シリンダの作用により揺動体２４を揺動させることが可能となっている。すなわち、位置変更機構１８は、揺動体２４を揺動させることで、排土板１６の高さ方向の位置を変更する。
【００２５】
上記圃場作業機１０のフレーム１２には、更に、各種検出部が設けられている。具体的には、図２（ｂ）等に示すように、角度検出部３０と、位置関係検出部３２と、高さ検出部３４と、が圃場作業機１０のフレーム１２に設けられている。
【００２６】
角度検出部３０は、傾斜角センサを含み、フレーム１２上面の水平面に対する傾斜角（ピッチング方向の傾斜角）を検出する。角度検出部３０の検出結果は、図３の作業機側制御装置５０に送信される。
【００２７】
位置関係検出部３２は、レーザセンサを含み、揺動体２４に設けられた反射板４２に対して検出光を照射し、当該反射板４２における反射光を受光することで、フレーム１２に対する反射板４２の位置、ひいては、フレーム１２に対する排土板１６の位置関係を検出する。ここで、反射板４２の上面の高さ方向に関する位置は、揺動軸２２の中心の高さ方向に関する位置と同一となっている。したがって、本実施形態では、位置関係検出部３２による検出結果と、位置関係検出部３２と揺動軸２２の中心との距離（既知）から、図４（ｂ）に示す距離ｆを検出することができる。距離ｆは、揺動軸２２と反射板４２上面の位置関係検出部３２の検出光の光軸到達点との高さ方向に関する距離を意味する。なお、位置関係検出部３２の検出結果（ｆ）は、図３の作業機側制御装置５０に送信される。なお、位置関係検出部３２としては、レーザセンサ以外のセンサ（例えば、超音波センサなど）を用いることとしても良い。
【００２８】
高さ検出部３４は、超音波センサ等の非接触式センサを含み、圃場２００の未削部分（トラクタ９０と排土板１６との間の部分）の高さを検出する。この場合、高さ検出部３４は、超音波センサと未削部分との距離ｂ，ｂ’（図４（ａ）、図５（ａ）参照）を検出することになる。高さ検出部３４の検出結果（ｂ、ｂ’）は、図３の作業機側制御装置５０に送信される。なお、高さ検出部３４としては、超音波センサのような非接触式のセンサに限らず、接触式のセンサを用いることとしてもよい。
【００２９】
図３には、本第１の実施形態の圃場作業システム１００の制御系がブロック図にて示されている。この図３に示すように、圃場作業システム１００では、トラクタ９０に設けられたトラクタ側制御装置９９と、制御部としての作業機側制御装置５０とが連携して、圃場作業機１０による圃場表面の削土、及び運搬の制御を行う。なお、図３に示すように作業機側制御装置５０には、作業機情報格納部４０が接続されている。作業機情報格納部４０には、圃場作業機１０に関する既知の値（後述）が格納されている。
【００３０】
次に、本第１の実施形態の圃場作業システム１００における処理について、図４、図５に基づいて、詳細に説明する。
【００３１】
図４（ａ）には、圃場２００上での削土・運搬作業を開始した直後の圃場作業機１０の状態が示され、図４（ｂ）には、図４（ａ）の排土板１６近傍の拡大図が示されている。また、図５（ａ）には、圃場２００上での削土・運搬作業を開始して、ある程度の時間が経過した時点における圃場作業機１０の状態が示され、図５（ｂ）には、図５（ａ）の排土板１６近傍の拡大図が示されている。
【００３２】
作業機側制御装置５０は、角度検出部３０の検出結果に基づいて、フレーム１２の上面の傾斜角（ピッチング方向の傾斜角）を常時取得する。そして、作業機側制御装置５０は、当該取得した傾斜角に基づいて、トラクタ側制御装置９９に対して、フレーム１２の上面が常時水平となるよう指示を出す。
【００３３】
これに対し、トラクタ側制御装置９９では、作業機側制御装置５０からの指示に基づいて、駆動機構９６を駆動し、フレームの下側端部１２ｂ，１２ｃを上下方向に移動させ、フレーム１２の上面を水平に維持する。
【００３４】
また、作業機側制御装置５０は、フレーム１２の上面が水平に維持された状態で、位置関係検出部３２の検出結果と、高さ検出部３４の検出結果とを用いて、排土板１６の高さ調整を行う。具体的には、圃場２００の未削部分の表面と排土板１６の下端部との高さ差（削土深さ）が一定となるように排土板の高さ位置を調整する。この場合、図４（ａ）、図４（ｂ）の場合であれば、削土深さは、ｈ−ａとなり、図５（ａ）、図５（ｂ）の場合であれば、削土深さは、ｈ’−ａ’となる。
【００３５】
ここで、図４（ａ）、図４（ｂ）の場合の削土深さ（ｈ−ａ）について説明する。
【００３６】
ａは、フレーム１２上面と圃場２００の未削部分表面との距離であり、高さ検出部３４の検出値ｂと、フレーム１２上面と高さ検出部３４との距離ｃ（既知）とを用いれば、次式（１）のように表すことができる。
ａ＝ｂ＋ｃ …（１）
なお、既知の距離ｃは、作業機情報格納部４０に格納されているものとする。
【００３７】
また、前述のように、位置関係検出部３２の検出値と、位置関係検出部３２と揺動軸２２の中心との高さ方向に関する距離（既知）とからは、距離ｆ（揺動軸２２と反射板４２上面の位置関係検出部３２の検出光の光軸到達点との高さ方向に関する距離）が検出される。そして、当該距離ｆ、及び揺動軸２２の中心と位置関係検出部３２との水平方向に関する距離ｅ（既知）を用いれば、揺動軸２２の中心を通る水平面と反射板４２上面とがなす角θ1は、次式（２）のように表すことができる。
θ1＝tan-1（ｆ／ｅ） …（２）
【００３８】
なお、上記既知の値（位置関係検出部３２と揺動軸２２の中心との高さ方向に関する距離、及び揺動軸２２の中心と位置関係検出部３２との水平方向に関する距離ｅ）は、作業機情報格納部４０に格納されているものとする。
【００３９】
更に、揺動体２４が延びる方向と、揺動軸２２の中心と排土板１６下端部とを結ぶ方向とがなす角をθ2（既知）とし、揺動軸２２の中心と排土板１６下端部との距離をｇとすると、ｈは、次式（３）のように表すことができる。
ｈ＝ｄ＋ｇ・sin（θ1＋θ2） …（３）
なお、既知の値θ2及びｇは、作業機情報格納部４０に格納されているものとする。
【００４０】
したがって、削土深さ（ｈ−ａ）は、上式（１）〜（３）より、次式（４）のように表すことができる。
ｈ−ａ＝ｄ＋ｇ・sin（tan-1（ｆ／ｅ）＋θ2）−（ｂ＋ｃ） …（４）
【００４１】
ここで、上式（４）の右辺は、検出値ｂ、ｆ及び既知の値を含んでいるのみである。したがって、作業機側制御装置５０は、削土深さ（ｈ−ａ）の値を正確に算出することができるため、当該削土深さ（ｈ−ａ）が予め定められた値となるように、位置変更機構１８のシリンダを制御することで、削土深さを一定に維持するようにする。
【００４２】
一方、図５（ａ）、図５（ｂ）の場合には、既に尾輪１４が圃場２００の既削部分に位置しており、尾輪１４の下端部と排土板１６の下端部とは、同一高さとなっている。この場合、図５（ａ）より、フレーム１２上面と圃場２００の未削部分表面との距離ａ’は、高さ検出部３４の検出値ｂ’と、フレーム１２上面と高さ検出部３４との距離ｃ（既知）とから、次式（５）のように表すことができる。
ａ’＝ｂ’＋ｃ …（５）
【００４３】
また、ｈ’は、次式（６）にて表すことができる。
ｈ’＝ｄ＋ｇ・sin θ2 …（６）
【００４４】
したがって、削土深さ（ｈ’−ａ’）は、上式（５）、（６）より、次式（７）のように表すことができる。
ｈ’−ａ’＝ｄ＋ｇ・sinθ2−（ｂ’＋ｃ） …（７）
【００４５】
ここで、上式（４）の右辺は、検出値ｂ’及び既知の値を含んでいるのみである。したがって、作業機側制御装置５０は、削土深さ（ｈ’−ａ’）の値を正確に算出することができる。ここで、圃場２００の未削部分が一定高さに均されている場合には、排土板１６の高さを変更しなくとも削土深さを一定に維持することができるため、以降の位置変更機構１８の制御が不要である。しかしながら、圃場２００の未削部分の凹凸によっては、位置変更機構１８による制御が必要なる場合がある。この場合、位置変更機構１８を制御すると、図４（ｂ）と同様、角度θ1が、削土深さ（ｈ’−ａ’）に対して影響を与えるようになる。この場合、作業機側制御装置５０は、上式（４）に基づいて導き出される次式（４）’に基づいて、削土深さ（ｈ’−ａ’）が予め定められた値となるように、位置変更機構１８を制御すればよい。
ｈ’−ａ’＝ｄ＋ｇ・sin（tan-1（ｆ’／ｅ）＋θ2）−（ｂ’＋ｃ）
…（４）’
【００４６】
なお、上式（４）’の値ｆ’は、値ｆと同様、位置関係検出部３２の検出結果から求められる値である。
【００４７】
以上のようにすることで、圃場２００の未削部分の表面から一定の深さで、圃場２００表面を削土し、運搬することが可能となる。
【００４８】
以上、詳細に説明したように、本第１の実施形態によると、作業機側制御装置５０は、フレーム１２の水平面に対する角度を検出する角度検出部３０の検出結果に基づいて、フレーム１２の角度を水平に維持するように、トラクタ側制御装置９９を介して駆動機構９６の駆動を制御する。そして、作業機側制御装置５０は、フレーム１２の角度が水平に維持された状態で、圃場の未削部分に対するフレーム１２の高さを検出する高さ検出部３４の検出結果（ｂ、ｂ’）と、フレームに対する排土板１６の高さ方向の位置関係を検出する位置関係検出部３２の検出結果（ｆ、ｆ’）と、に基づいて位置変更機構１８を制御する（上式（４）、（４）’参照）。これにより、本第１の実施形態では、レーザレベラやＧＰＳのような高価な機器を利用せずに、圃場表面の土壌を一定の深さで削り、運搬することが可能である。また、位置変更機構１８の人手による操作は不要であるため、リヤグレーダのように熟練の技術を要せずに、土壌を一定の深さで削り、運搬することができる。
【００４９】
また、本第１の実施形態では、排土板１６が、揺動軸２２を中心とした揺動により、フレーム１２との高さ位置が変更され、作業機側制御装置５０は、揺動時の角度（θ1）にも基づいて、位置変更機構１８を制御することとしている。これにより、本第１の実施形態では、高精度な排土板１６の位置変更が可能となり、ひいては高精度な圃場表面の削土が可能となる。
【００５０】
なお、上記第１の実施形態では、角度検出部３０、位置関係検出部３２、高さ検出部３４のそれぞれを、１つずつ設ける場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、各検出部を複数個ずつ設けることとしてもよい。この場合、水平面内において牽引方向に直交する方向に離れた位置に同一種類の検出部を設け、それらの平均値を用いて上記第１の実施形態と同様の処理を行うこととすれば、より高精度に上記作業を行うことができる。特に、高さ検出部３４を複数用いることとすれば、圃場表面に凹凸がある場合でも圃場表面の土壌を一定の深さで削る作業を精度良く行うことができる。
【００５１】
なお、上記第１の実施形態では、作業機側制御装置５０は、排土板１６の揺動時の角度（θ1）を考慮して、排土板１６の高さ位置を調整する場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、揺動時の角度（θ1）が排土板１６の高さ位置の制御に与える影響が小さい場合には、角度θ1を考慮しなくてもよい。この場合、作業機側制御装置５０は、例えば、反射板４２と排土板１６の下端部との高さ方向に関する距離ｘ、位置関係検出部３２の検出値から得られるフレーム１２上面から反射板４２までの距離ｙ、及びフレーム１２上面から未削部分までの距離ａを用いた値（ｘ＋ｙ−ａ）が一定となるように、位置変更機構１８を制御するようにすればよい。
【００５２】
なお、上記第１の実施形態では、排土板１６を揺動軸２２を中心として揺動させることで、排土板１６の高さ位置を変更する場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、排土板１６を高さ方向に延びるガイドに沿って高さ方向に移動させるようにしてもよい。この場合、上記の値（ｘ＋ｙ−ａ）が一定となるように、位置変更機構１８を制御するようにすればよい。
【００５３】
なお、上記第１の実施形態では、圃場作業システム１００による作業を行う前に、圃場２００の土壌表面を掘り起こし、乾燥させ、均しておいてもよい。このようにすることで、圃場作業機１０における削土、運搬時の負荷を軽減することができる。また、圃場作業機１０の排土板１６よりも前側（トラクタ側）に土壌を耕耘し、均すための装置を設けることとしてもよい。
【００５４】
なお、上記第１の実施形態では、尾輪１４をフレーム１２の牽引方向後端部に設け、当該後端部の圃場表面からの高さを所定高さに維持する場合について説明したが、これに限られるものではない。尾輪１４は、フレーム１２の牽引方向後端部以外の部分に設けることとしてもよい。
【００５５】
《第２の実施形態》
次に、第２の実施形態について、図６に基づいて、説明する。本第２の実施形態では、第１の実施形態の構成に加えて、圃場作業機１０が、レーザレベラで用いられるレーザ受光器７０を備えている点に特徴を有している。
【００５６】
レーザ受光器７０は、図６に示すように、排土板１６に立てられたポール７４の上端部近傍に固定されている。なお、ポール７４は、排土板１６が接続されている揺動体２４に立てられてもよい。すなわち、レーザ受光器７０は、排土板１６に直接的又は間接的に固定されていればよい。また、本第２の実施形態では、圃場２００内又は圃場２００近傍に、レーザ発光器７２が設けられる。なお、従来方式のレーザレベラには、トラクタ直装式とけん引式があるが、本第２の実施形態では、けん引式レベラと同等の構成のレーザレベラを採用することができる。すなわち、レーザコントロール装置はトラクタ９０側ではなく、圃場作業機１０側に装備することになる。このため、従来のけん引式レベラと同様、レーザ制御機能を装備しないトラクタでも作業が可能となる。
【００５７】
本第２の実施形態の作業機側制御装置５０では、レーザ発光器７２から発光されるレーザの、レーザ受光器７０における受光結果が一定となるように、排土板１６の高さ位置を位置変更機構１８を制御して変更する。このようにすることで、圃場２００表面を所定高さに均すことができる。
【００５８】
なお、ポール７４は、排土板１６や揺動体２４が水平面に対して傾いた場合でも、ポール７４が常に垂直に近い状態となるように維持できる台座に固定されることが好ましい。
【００５９】
以上、説明したように、本第２の実施形態によると、上記第１の実施形態の構成に加え、排土板１６に直接的又は間接的に固定されたレーザ受光器７０を備えており、レーザ受光器７０が圃場２００又は圃場２００近傍に設置されたレーザ発光器７２から発光されるレーザを受光したときの受光結果が一定になるように、作業機側制御装置５０が、位置変更機構１８の制御を行う。このようにすることで、本第２の実施形態では、圃場作業機１０を用いた圃場の均平作業が可能となる。
【００６０】
また、本第２の実施形態では、フレームをロアリンク９４ａ，９４ｂと尾輪１４で支持するため、圃場の凹凸に起因するトラクタのピッチングの影響を比較的受けにくいという効果を奏する。また、本第２の実施形態では、駆動機構９６により、フレーム１２を水平に維持することができるため、従来のけん引式レベラ以上にトラクタのピッチングの影響を抑制することができる。
【００６１】
《第３の実施形態》
次に、第３の実施形態について、図７（ａ）に基づいて説明する。従来のように、レーザやＧＰＳを使って均平作業を行うためには、作業の前に圃場全体の高低差をくまなく測定し、運土計画を立てることが必要とされている。そこで、本第３の実施形態では、均平作業を行う前の、圃場全体の高低差を測量する作業に、圃場作業システム１００を利用する場合について説明する。
【００６２】
本第３の実施形態では、図７（ａ）に示すように、圃場作業機１０が、上記第２の実施形態と同様、レーザレベラで用いられるレーザ受光器７０を備えているとともに、水平面内位置検出部としてのＧＰＳ受信機７８を備えている。
【００６３】
ここで、ＧＰＳ受信機７８は、圃場作業機１０の位置情報を取得するための装置である。ＧＰＳ受信機７８の取り付け位置は、尾輪１４の直上付近とする。
【００６４】
本第３の実施形態では、排土板１６が常に圃場２００表面を削土しない高さに位置した状態、すなわち、排土板１６が常に圃場２００表面から浮いた状態で、レーザ発光器７２から発光されるレーザを受光できる位置に、レーザ受光器７０をポール７４を介して取り付ける。なお、ポール７４は、揺動体２４に設けられてもよい。すなわち、レーザ受光器７０は、排土板１６に対して直接的又は間接的に固定されていればよい。
【００６５】
そして、作業機側制御装置５０は、レーザ受光器７０による受光結果が一定となるように、位置変更機構１８を介して排土板１６の高さ制御を行うとともに、駆動機構９６を介してフレーム１２上面の水平を維持しつつ、トラクタ９０を圃場２００内で走行させる。この場合、一定の高さに保たれている排土板１６に対し、フレーム１２が上下しながら進むということになる。
【００６６】
作業機側制御装置５０は、上記走行中、位置関係検出部３２の検出結果と、ＧＰＳ受信機７８の検出結果（緯度、経度）を取得する。この場合において位置関係検出部３２から得られる、フレーム１２に対する排土板１６の相対位置の値（高さ方向に関する距離）は、圃場２００表面の高さを表す。したがって、作業機側制御装置５０は、位置関係検出部３２から得られる圃場２００表面の高さと、当該表面の高さが得られた時点におけるＧＰＳ受信機７８の検出結果（緯度、経度）を関連付けて記録することで、圃場２００の高低差マップの作成（測量）を行うことが可能となる。
【００６７】
なお、本第３の実施形態においても、上記第２の実施形態と同様、ポール７４は、排土板１６や揺動体２４が水平面に対して傾いた場合でも、ポール７４が常に垂直に近い状態となるように維持できる台座に固定されることが好ましい。
【００６８】
以上、説明したように、本第３の実施形態によると、レーザ受光器７０が、排土板１６が圃場２００に接触しない状態で、レーザ発光器７２から発光されるレーザを受光するように排土板１６に直接的又は間接的に固定されており、作業機側制御装置５０は、角度検出部３０の検出結果に基づいて、フレーム１２の角度を水平に維持するように駆動機構９６を制御するとともに、レーザ受光器７０の受光結果が一定になるように位置変更機構１８を介して排土板１６の高さ方向の位置を変更し、当該変更の間における、位置関係検出部の検出結果とＧＰＳ受信機７８の検出結果（圃場２００内における尾輪１４の水平面内の位置）とに基づいて、圃場２００の測量を行う。これにより、本第３の実施形態では、簡易な方法で、圃場２００の測量を行うことが可能となる。ここで、従来は、例えば、図７（ｂ）の比較例の図に示すように測量用の受光器１７０を用い、レーザ発光器７２による基準平面からの標高差を測定する方法や、トラクタに高さ情報の取得が可能なＧＰＳ受信装置を取り付けて圃場をくまなく走行し、ＧＰＳの高さ情報、緯度、経度情報を取得する方法などがあった。しかし、図７（ｂ）のような方法では、多くの時間と労力が必要である。また、高さ情報の取得が可能なＧＰＳ受信装置をトラクタに取り付ける方法では、トラクタの自重により車輪が沈んだ場合は正確に測量ができず、更に、高さ情報取得精度がＧＰＳ受信装置の測定精度に依存するおそれがあった。これに対し、本第３の実施形態では、トラクタを圃場内で走行させている間に測量ができるため、時間の短縮及び労力の軽減が可能となる。また、本第３の実施形態では、トラクタの自重による影響がなく、また、高さ情報の取得に、高さ情報を高精度に取得するための高価なＧＰＳ装置を用いる必要が無い。
【００６９】
なお、上記第２の実施形態を用いて、圃場２００の均平作業を行った後に、上記第３の実施形態を用いて、圃場２００の測量作業を行うこととしてもよい。この場合、測量結果を用いることで、圃場の均平作業が完了したか否かを判断することが可能となる。
【００７０】
なお、上記各実施形態では、作業地が圃場２００である場合について説明したが、これに限られるものではない。作業地は、圃場以外の領域（例えば、学校の校庭や砂浜、宅地など）であってもよい。
【００７１】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０ 圃場作業機（作業機）
１２ フレーム
１４ 尾輪
１６ 排土板
１８ 位置変更機構
２２ 揺動軸（回転軸）
３０ 角度検出部
３２ 位置関係検出部
３４ 高さ検出部
５０ 作業機側制御装置（制御部）
７０ レーザ受光器
７２ レーザ発光器
７８ ＧＰＳ受信機（水平面内位置検出部）
９０ トラクタ（牽引装置）
１００ 圃場作業システム（作業システム）
２００ 圃場（作業地）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
牽引装置に牽引された状態で作業地を移動する作業機であって、
前記牽引装置に接続され、前記牽引装置が有する駆動機構により前記接続部分の高さ位置が変更可能とされたフレームと、
前記フレームの一部を前記作業地表面から所定高さの位置で支持する尾輪と、
前記作業地表面の土壌を削り、運搬する排土板と、
前記フレームに対する前記排土板の高さ方向の位置を変更する位置変更機構と、
前記フレームの水平面に対する角度を検出する角度検出部と、
前記排土板よりも前記牽引装置側の前記作業地表面に対する前記フレームの高さを検出する高さ検出部と、
前記フレームに対する前記排土板の高さ方向の位置関係を検出する位置関係検出部と、
前記角度検出部の検出結果に基づいて、前記フレームの角度を水平に維持するように前記駆動機構を制御するとともに、前記フレームの角度が水平に維持された状態での前記高さ検出部と前記位置関係検出部の検出結果に基づいて、前記位置変更機構を制御する制御部と、
を備える作業機。
【請求項２】
前記位置変更機構には、前記フレームに設けられた水平方向に延びる回転軸を中心として前記排土板を揺動することで、前記排土板の前記フレームに対する高さ位置を変更し、
前記制御部は、前記揺動の角度に基づいて前記位置変更機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の作業機。
【請求項３】
前記排土板に直接的又は間接的に固定され、前記作業地又は前記作業地近傍に設置されたレーザ発光器から発光されるレーザを受光可能なレーザ受光器を更に備え、
前記制御部は、前記レーザ受光器の受光結果が一定になるように、前記位置変更機構の制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の作業機。
【請求項４】
前記排土板が前記作業地に接触しない状態で、前記作業地又は前記作業地近傍に設置されたレーザ発光器から発光されるレーザを受光するように前記排土板に直接的又は間接的に固定されたレーザ受光器と、
前記作業地内における前記尾輪の水平面内の位置を検出する水平面内位置検出部と、を更に備え、
前記制御部は、前記角度検出部の検出結果に基づいて、前記フレームの角度を水平に維持するように前記駆動機構を制御するとともに、前記レーザ受光器の受光結果が一定になるように前記位置変更機構を介して前記排土板の高さ方向の位置を変更し、当該変更の間における、前記位置関係検出部の検出結果と前記水平面内位置検出部の検出結果とに基づいて、前記作業地の測量を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の作業機。
【請求項５】
牽引装置と、
前記牽引装置に牽引された状態で作業地を移動する請求項１〜４のいずれか一項に記載の作業機と、を備える作業システム。
【請求項１】
牽引装置に牽引された状態で作業地を移動する作業機であって、
前記牽引装置に接続され、前記牽引装置が有する駆動機構により前記接続部分の高さ位置が変更可能とされたフレームと、
前記フレームの一部を前記作業地表面から所定高さの位置で支持する尾輪と、
前記作業地表面の土壌を削り、運搬する排土板と、
前記フレームに対する前記排土板の高さ方向の位置を変更する位置変更機構と、
前記フレームの水平面に対する角度を検出する角度検出部と、
前記排土板よりも前記牽引装置側の前記作業地表面に対する前記フレームの高さを検出する高さ検出部と、
前記フレームに対する前記排土板の高さ方向の位置関係を検出する位置関係検出部と、
前記角度検出部の検出結果に基づいて、前記フレームの角度を水平に維持するように前記駆動機構を制御するとともに、前記フレームの角度が水平に維持された状態での前記高さ検出部と前記位置関係検出部の検出結果に基づいて、前記位置変更機構を制御する制御部と、
を備える作業機。
【請求項２】
前記位置変更機構には、前記フレームに設けられた水平方向に延びる回転軸を中心として前記排土板を揺動することで、前記排土板の前記フレームに対する高さ位置を変更し、
前記制御部は、前記揺動の角度に基づいて前記位置変更機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の作業機。
【請求項３】
前記排土板に直接的又は間接的に固定され、前記作業地又は前記作業地近傍に設置されたレーザ発光器から発光されるレーザを受光可能なレーザ受光器を更に備え、
前記制御部は、前記レーザ受光器の受光結果が一定になるように、前記位置変更機構の制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の作業機。
【請求項４】
前記排土板が前記作業地に接触しない状態で、前記作業地又は前記作業地近傍に設置されたレーザ発光器から発光されるレーザを受光するように前記排土板に直接的又は間接的に固定されたレーザ受光器と、
前記作業地内における前記尾輪の水平面内の位置を検出する水平面内位置検出部と、を更に備え、
前記制御部は、前記角度検出部の検出結果に基づいて、前記フレームの角度を水平に維持するように前記駆動機構を制御するとともに、前記レーザ受光器の受光結果が一定になるように前記位置変更機構を介して前記排土板の高さ方向の位置を変更し、当該変更の間における、前記位置関係検出部の検出結果と前記水平面内位置検出部の検出結果とに基づいて、前記作業地の測量を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の作業機。
【請求項５】
牽引装置と、
前記牽引装置に牽引された状態で作業地を移動する請求項１〜４のいずれか一項に記載の作業機と、を備える作業システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−６６４５２（Ｐ２０１３−６６４５２Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０９３１７（Ｐ２０１１−２０９３１７）
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（５０１２０３３４４）独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構 (827)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（５０１２０３３４４）独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構 (827)
【Ｆターム（参考）】
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