博 士 （ 農 学 ） Mohammed Gana ， YISA
学 位 論 文 題 名
DYNAIVIICS OF TRACTOR ‑ IIVIPLEh/IENT COMBINATIONS ON SLOPES
（ 傾 斜 農 地 に お け る ト ラ ク 夕 ― 作 業 機 系 の 横 方 向 安 定 性 に 関 す る 研 究 ）
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
ナ イ ジ ェ リ ア で は ト レ ー ラ に 人 を 乗 せ て 農 場 に 移 動 し た り ， 農 産 物 を ほ 場 か ら 倉 庫 や 市 場 に 運 搬 し て い る ． 多 く の 場 合 ， ト ラ ク タ や 作 業 機 は 「 カ ス タ ム サ ー ピ ス 」 と 呼 ば れ る 営 農 家 相 互 の 請 負 作 業 で 使 用 さ れ る た め ， ト ラ ク タ に 作 業 機 を け ん 引 ， ま た は 直 装 し た 状 態 で 未 舗 装 の 丘 陵 地 上 の 道 路 を 走 行 し ， 農 場 か ら 農 場 へ と 移 動 し て い る ， こ の よ う な 状 態 で ト ラ ク タ を 使 用 す る の は ， 傾 斜 角 や 進 行 角 が 変 化 す る 複 雑 な 傾 斜 地 で 作 業 す る の と 同 様 で あ る ， 傾 斜 の な い ほ 場 は 存 在 せ ず ， 時 に は 急 傾 斜 地 を 含 む ほ 場 も あ る ． ト ラ ク タ は 異 な っ た 地 形 で 運 用 さ れ る た め ， 外 カ に 対 す る 動 的 な 応 答 性 の 研 究 は ， 「 安 全 性 」 と「 作業 性能 」 の2つ の 側 面 か ら 研 究 さ れ な け れ ば な ら な い ． し か し ， 実 際 の ト ラ ク タ 及 ぴ 作 業 機 で ほ 場 実 験 を 行 っ た 場 合 ， 熟 練 し た オ ベ レ ー タ が 必 要 で ， し か も オ ベ レ ー タ や 機 械 に と っ て は 危 険 性 が 大 き い ． ま た ， そ の よ う な 実 験 を 繰 り 返 し 行 う こ と は 不 可 能 で あ る ， こ の 理 由 か ら ， ト ラ ク タ 一 作 業 機 系 の 安 定 性 や ダ イ ナ ミ ク ス の 研 究 で は コ ン ピ ュ ー タ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン が 有 効 な 手 法 と な る ． コ ン ピ ュ ー タ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 有 利 な 点 を 列 記 す る と ， ＠ 安 全 で あ る ， ◎ 危 険 な 条 件 設 定 が 可 能 で あ る ， ◎ 反 復 実 験 が 可 能 で あ る ，O比 較 的 低 コ ス ト で あ る ， な ど で あ る ． 設 計 段 階 に お い て ， ほ 場 条 件 や 走 行 条 件 か ら ト ラ ク タ が ど の よ う な 挙 動 を 示 す か を 予 測 で き る こ と も 重 要 で あ る ． さ ら に ， ト ラ ク タ と 作 業 機 と の 相 互 作 用 が 把 握 で き れ ば ， 安 全 性 が 高 い ， 高 性 能 な ト ラ ク タ ― 作 業 機 系 （TICs） の 設 計 に 有 用 で あ る と の 見 解 か ら ， 本 研 究 は コ ン ピ ュ ー タ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 技 法 の 修 得 を 試 み た も の で あ る ．
1． 本 研 究 の 目 的 及 び 範 囲
傾 斜 農 地 に お け る 下 ラ ク タ と ト ラ ク タ ー 作 業 機 系 の 安 定 性 と ダ イ ナ ミ ク ス に 関 す る 既 往 の 文 献 を 調 査 し ， 本 研 究 の 位 置 づ け を 行 う と と も に ， 本 研 究 の 目 的 を 整 理 し た ．1） 傾 斜 農 地 に お け る ト ラ ク タ 一 作 業 機 系 の 横 滑 り 現 象 に つ い て ， 2） ト ラ ク タ ― 作 業 機 系 の 安 定 性 を 評 価 す る 基 準 の 確 立 に つ い て ，3） 高 い 安 ―795−
定性を実現する最適なトラクタ・作業機の設計パラメータを決定するためのコ ンピュータシミュレーションモデルを構築する．最後に，作成した数式モデル の 検 証 を す る た め の 模 型 実 験 方 法 を 開 発 す る こ と を 述 べ て い る ・
2 ．シミュレーションモデルの開発
傾斜農地におけるトラクタ作業の横方向の運動特性の解析のために，それら を参考に数式モデルを開発した，数式モデルは進行方向，横方向，ヨー方向の 3 自由度を有しており，けん引荷重を与えることが可能である．このモデルを 使用して，傾斜農地におけるトラクタ一作業機系の進行方向の安定性について 詳細な解析を行った．その理由は，傾斜農地でのTICs 作業時における横滑り 現象及ぴロードトランスフんデイストリビューション（LTD ）の影響を明らか にすることにある．コンピュータシミュレーションの結果から，傾斜農地にお けるTICs 作業の場合，操向制御が常に必要であることが判明した．所定の走 行経路での作業を規定するための制御量は，システムとしての設定値，状態変 数，傾斜角，進行角の関数で表現される．また，横滑り量とLTD の関係は非 線形性を持つことが明らかとなった．
3 ．卜ラクタ単体モデルでの試験結果
傾斜農地でのトラクタ作業は常に操向制御が必要で，これは傾斜角・進行角 による横滑り角の変化により明らかとなった．また，トラクタ作業機系の挙動 は， LTD の影響を受けるので， LTD を調整することでその挙動を変化させる ことが可能となる．横滑りが最大となる進行角は90 ゜と270 ゜となり，この 角度は等高線方向での走行時を意味し，既往の知見と一致した結果を得られた このLTD に影響を与えるトラクタのパラメータを決定するためのシミュレー ション結果から，トラクタの輪距がLTD に影響を与える設計バラメータであ ることが判明した．
4 ．トラクタ―作業機系モデルでの評価試験
最終的な目的はトラクタ一作業機系の解析であるため，直装式とけん引式の 作業機を上記モデルに導入して，安定領域を確立した．安全作業領域の予測と，
これらの領域を最大化するための設計バラメータを決定するために，3 つの基 準による方法を開発した．その3 基準とは次の通りである．O 横滑りによる基 準は，制御不能な滑りを生じさせるような進行角と傾斜角を決定する．O 転倒 による基準は1 つ又は 2 つの車輪の垂直抗カがゼロになるときである．0 一 般的な基準 は，トラクタの左右前輪，もしくは左右のどちらか一方の前後輪 にかかる荷重がトラク夕―作業機系の総質量の20 ％以下になったときである．
以上の 3 基準を同時に適用すれば最適な安定性を確保できる設計バラメータ を決定することが可能であり，以下の結論が得られた．
1 ）けん引式作業時では，傾斜地で優れた性能を引き出すためには作業機の重
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心が車軸より後方になけれぱならないこと．
2 ）スプレーヤや施肥機のような直装式作業機の場合は，質量が減少するにつ れ て 作 業 機 の 重心 位 置 を 前 方 に 移 動 さ せ る配 慮 が 必要 であ ること ， 3 ）作業機の質量は操舵制御に影響を与えるので，一定の前輪負担荷重を確保 ためにも，容易で安定した操舵を可能とするには，作業機の質量はトラク夕 総 質 量 の 21 ％ 以 下 に す る こ と が 望 ま し い こ と を 明 ら か に し た ．
5 ．模型実験とシミュレーション結果の比較検証
さらに，傾斜角が連続して可変となる走行路面と模型トラクタ及び作業機か らなる実験装置を設計・製作し，それを使用して傾斜角3 ，操舵角3 ，進行角 2 ，合計 18 点の組み合わせ条件下での比較のための検証実験を行った．その 結果，模型モデル機の走行軌跡は数式モデルのシミュレーション軌跡とほぽ一 致した実験結果が得られた．
以上のように，本研究で考案されたシュミュレーション技法の有効性が検証 され，新しいトラクタ・作業機の設計研究に適用されることが明かとなった．
また，この手法を適用することにより，現行トラクタ作業時のダイナミックス や 安 定 性 の 解 析 を 行 う こ と も 可 能 で あ る と 結 論 し て い る ．
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学位論文審査の要旨 主 査 教 授 寺 尾日 出 男 副 査 教 授 伊 藤 和 彦
副査 副査
教 授 助 教授
高井 近江谷
学位論文題名
宗宏 和彦
DYNAIVIICS OF TRACTOR‑IIVIPLEMENT COIVIBINATIONS ON SLOPES
（傾斜農地におけるトラク夕―作業機系の横方向安定性に関する研究）
本 論文は，総頁数114の英文論文で，図43，表17，引用文献107を含み，6章で構成されて いる‐
ナイジェリアではトレーラに人を乗せて農場に移動したり，農産物をほ場から倉庫や市場 に運搬している．多くの場合，トラクタや作業機は「カスタムサーピス」と呼ばれる営農家相 互の請負作業で使用されるため，トラクタに作業機をけん引，または直装した状態で未舗装の 丘陵地上の道路を走行し，農場から農場へと移動している．このような状態でトラクタを使用 するのは，傾斜角や進行角が変化する複雑な傾斜地で作業するのと同様である．傾斜のないほ 場は存在せず，時には急傾斜地を有するほ場もある．トラクタは異なった地形で運用されるた め，外カに対する動的な応答性の研究は，「安全性」と「作業性能」の2つの側面から研究さ れなけれぱならない．設計段階において，ほ場条件や走行条件からトラクタがどのような挙動 を示すかを予測，理解できることが特に重要である．さらにトラクタと作業機との相互作用が 把握できれぱ，安全性が高く高性能なトラクタ―作業機系(TICs)の設計に有用な手法となる．
本論文は以上の見地からの検討・考察を試みたものである．
1）本研究の目的及び範囲は，＠傾斜農地におけるトラクタとトラクタ―作業機系の安定性と ダイナミックスに関する文献を調査し，問題点とその解決策を明らかにする．◎傾斜農地にお けるトラクタ一作業機系の横滑り現象，トラクター作業機系の安定性を評価する基準の確立，
高い安定性を実現する最適な設計バラメータの決定などを考慮したコンピュータシュミレーシ ヨンモデルを開発する．◎作成した数式モデルの検証をするための実験方法を開発する．
2）まず，トラクタ―作業機系の安定性とダイナミックスの研究の詳細な文献調査を行った．
傾斜農地におけるトラクタ作業の横方向の運動特性の解析のために，それらを参考に数式モデ ルを開発した．モデルは進行方向，横方向，ヨー方向の3自由度を有しており，けん引カを与 えることが可能である．このモデルを使用して，傾斜農地におけるトラクタ一作業機系の進行
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方向の安定性について詳細な解析を行った．その理由は，傾斜農地でのTICs作業時における横 滑り現象及びロードトランスファデイストリビューション(LTD)の影響を明らかにすることに ある．コンピュータシミュレーションの結果から，傾斜農地におけるT[Cs作業の場合，操向制 御が常に必要であることが判明した．所定の経路での作業を規定するための制御量は，システ ムとしての設定値，状態変数，傾斜角，進行角の関数で表現される．また横滑り量とLTDの関 係は非線形陸を持つことが明らかとなった．
3）以上のシミュレーションの結果は，O傾斜農地での作業は常に操向制御が必要で，これは 傾斜角・進行角による横滑り角の変化から明らかとなった．＠傾斜農地におけるトラクタ―作 業系の挙動は，LTDの影響を受ける．よってLTDを調整することでその挙動を変化せることが 可能となる．◎横滑りが最大となる進行角は90゜と270゜となり，この角度は等高線方向での 走行時を意味し，既往の知見と一致した結果を得ることができた． LTDに影響を与えるトラ クタのパラメータを決定するためのシミュレーションを行った結果，トラクタの輪距がLTDに 影響を与える設計バラメータであることが判明した・
4）最終的な目的はトラクタ一作業機系の解析であるため，直装式とけん引式の作業機をモデ ルに導入して，安定領域を確立した．安全作業領域の予測と，これらの領域を最大化するため の設計バラメータを決定するために，3つの基準による方法を開発した．O横滑りによる基準 は，制御不能な滑りを生じさせるような進行角と傾斜角を決定する．O転倒による基準は1つ または2つの車輪の垂直抗カがゼロになるときである．O 一般的な基準 は，トラクタの左 右前輪，もしくは左右のどちらか一方の前後輪にかかる荷重がトラク夕―作業機系の総質量の 20％以下になったときである，以上の3基準を同時に適用すれば最適な安定性を確保できる 設計バラメータを決定することが可能である．
5）以上のシミュレーション結果からは，Oけん引式作業時では，傾斜地で優れた性能を引き 出すためには作業機の重心が車軸より後方になければならない．◎スプレーヤや施肥機のよう な直装式作業機の場合は，質量が減少するにっれて重心位置を前方に移動するような配慮が必 要である．◎前輪負担荷重の結果からは，作業機の質量は操舵制御に影響を与え，容易で安定 した操舵を行うには作業機の質量はトラクタの総質量の21％以下にすることが望ましいことを 明らかにした．
6）さらに，傾斜角が連続可変の走行路面と模型トラクタ・作業機からなる実験装置を設計・
製作し，傾斜角3，操舵角3，進行角2の組み合わせ条件下で模型実験を実施して検証実験を 行った．その結果，走行軌跡において計算機シミュレーションとほぽ一致した結果が得られた と結論している．
以上のように，本研究で展開されたシミュレーション技法は危険を伴う農業機械の走行安定 性やダイナミックスの毅育研究に有効な手法であり，学術的にも高く評価できる．よって審査 員一同は，最終試験の結果と合わせて，本論文の提出者Mohammed Gana, YISAは博士（農学）
の学位を受けるのに十分な資格あるものと認定した．
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