JP6148937B2 - 稲株認識センサ、及び稲株認識センサを搭載した水田除草ロボット - Google Patents

Description

本発明は、水田内を自律的に走行して水田の雑草を除草する水田除草ロボット及びそれに搭載される稲株認識センサに関する。

現在、水田の除草は、除草剤を利用した化学的除草法が主流になっている。しかし、近年では、省農薬指向、環境への負荷低減などの理由から、除草剤を使用しない水稲栽培が要望されており、化学的除草法ではなく、歩行型除草機に代表される機械的除草、紙マルチによる物理的除草、アイガモ農法に代表される生物的除草法なども採用されるようになってきている。

歩行型除草機には、手押し型のタイプと動力型のタイプとがある。更に、作業者が歩行せずに済む乗用型の除草機もある。手押し型は歩行作業であるため、炎天下の水田では過酷な労働となる。また、乗用型は労力を軽減できるが、手押し型に比べて高価である。生物的除草法は、水田に放したアイガモにより行うものであるが、除草効果が必ずしも安定せず、更には、飼育に手間とコストが掛かるなどの理由から広く普及するには至っていない。

そこで、人による手間と労力を必要とせず経済的に除草を行う事ができる無人の除草ロボットが提案されている（特許文献１）。この除草ロボットにおいては、稲株を静電容量式のセンサで検知しながら稲株の列に沿って走行し、稲株が植えられていない場所の表層土を撹拌して除草を行うようになっている。植えて間もない小さな稲株も検知できるように静電容量式のセンサの接触子は水面近くに配置されているが、センサの出力値は水面との距離に対して敏感に反応して変化してしまうため、接触子は水面との距離が変化しないように、ロボット本体部に対して昇降自在に取り付けられたフロート上に配置されるようになっている。

特開２０１１−１２０５７３号公報

上述のような従来の水田除草ロボットにおける水面に浮くようにされたフロートは、ロボット本体部の姿勢が比較的に安定している状態では静電容量式センサの接触子を水面から一定の距離に維持することができるが、ロボット本体部の姿勢が変化した直後はロボット本体部の姿勢変化に伴って水面上で揺れて水面との距離が変動することがある。そうすると接触子と水面との距離が変化して静電容量式センサの出力値が変化し、場合によっては稲株の接触を誤検出をしてしまう虞がある。

そこで本発明は、静電容量式のセンサの接触子と水面との距離変化や周辺湿度の変化などの環境変化によるセンサ出力の変動を補償して、稲株の検出精度を高めることができる稲株認識センサ、及びそのような稲株認識センサを搭載した水田除草ロボットを提供することを目的とする。

すなわち本発明は、
前方の左右両側に昇降自在に設けられた一対の昇降自在フロートを備える水田除草ロボットに取り付けられる稲株認識センサであって、
前記昇降自在フロートに取り付けられた接触子と、
前記接触子の静電容量値を示す該接触子の出力値を連続的に検出し、比較基準値を基準とした前記出力値の変化量を演算して、該変化量が第１の基準値以上である場合には前記接触子が稲株に接触したと判断し、前記変化量が前記第１の基準値より小さい第２の基準値以下である場合には前記比較基準値を前記変化量が縮小されるように変更するセンサ演算部と、を備える、稲株認識センサを提供する。

当該稲株認識センサにおいては、接触子に稲株が接触した際には接触子の静電容量が急激に大きく変化し、接触子の水面からの距離の変化や湿度の変化などの外乱に対しては静電容量が緩やかに変化する傾向があることを利用して、任意に設定した比較基準値を基準とした静電容量値を示す接触子からの出力値の変化量が小さい場合には外乱等によって静電容量値が変化したと判断して比較基準値を出力値の変化量が縮小するように変更する。このようにすることにより、種々の外乱による接触子の出力値の変動が補償されて稲株との接触に起因する静電容量値の変化をより正確に検出することができるので、外乱による出力値変動が稲株との接触であると誤検知したり又は稲株に接触した際の出力値の変化が外乱による変化に埋もれて接触を検知できなかったりすることが低減されて、より正確な稲株の検知が可能となる。

好ましくは、前記センサ演算部は、前記水田除草ロボットが水田に搬入されて前記昇降自在フロートが水面上に浮き且つ前記接触子が稲株と接触していない状態における該接触子の前記出力値と同じ大きさの値を前記比較基準値として初期設定するようにすることができる。

さらに好ましくは、前記センサ演算部は、前記出力値と前記比較基準値との差を演算し、該差を前記変化量とするようにすることができる。

比較基準値の初期設定及び変化量の演算をこのようにすることにより、センサ演算部における演算を単純化することが可能となる。

好ましくは、前記接触子に周期的に一定量の電荷を蓄電する定電流電源をさらに備え、前記出力値が、前記定電流電源によって一定量の電荷が蓄電されたときの前記接触子の電圧値であるようにすることができる。

好ましくは、前記センサ演算部は、前記変化量が前記第１の基準値以上で且つ該第１の基準値よりも大きい第３の基準値以下である場合に、前記接触子が稲株に接触したと判断するようにすることができる。

水田除草ロボットが急激な姿勢変化をおこすと、昇降自在フロートとともに接触子が水没する可能性があるが、接触子が水没した際の静電容量値は稲株に接触した際に想定されるよりも大きく変化する。従って、稲株が接触したと判断する接触子の出力値の変化量の範囲に上限を設けることで、接触子が稲に接触したのではなく水没したと判断することが可能となる。

より好ましくは、前記センサ演算部は、前記比較基準値を変更する際の前記比較基準値の変化幅を一定値とし、前記変化量が前記第２の基準値以下で且つ該第２の基準値よりも小さい第４の基準値以上である場合に前記比較基準値を変更するようにすることができる。

また本発明は、
稲株が通過可能なスペースを中央部に有したロボット本体部と、
前記ロボット本体部の下部に設けられた一対又は複数対の車輪と、
前記ロボット本体部の下部に設けられた一対又は複数対の主フロートと、
前記ロボット本体部の前方の左右両側に昇降自在に設けられた一対の昇降自在フロートと、
稲株が前記スペース内の中心部を通過するように前記車輪の回転を制御する制御装置と、
請求項１乃至６の何れか一項に記載の稲株認識センサと、
を備える、水田除草ロボットを提供する。

以下、本発明に係る稲株認識センサ及び該稲株認識センサを搭載した水田除草ロボットの実施形態を添付図面に基づき説明する。

本発明の実施形態に係る水田除草ロボットの斜視図である。 図１の水田除草ロボットの上面図である。 図１の水田除草ロボットの正面図である。 図１の水田除草ロボットの側面図である。 稲株認識センサの回路ブロック図である。 稲株認識センサの計測原理を示す図である。 稲株認識センサの第１の制御フローチャートである。 稲株認識センサの第２の制御フローチャートである。 稲株認識センサの動作例を示す第１の図である。 稲株認識センサの動作例を示す第２の図である。 稲株認識センサの動作例を示す第３の図である。 各接触子への稲株の接触状態を示す模式図である。 水田除草ロボットの制御フローチャートである。

図１乃至図４に示すように、本発明に係る水田除草ロボット１０は、稲株が通過可能な中央スペース１４を有する形状とされたロボット本体部１２と、ロボット本体部１２の下部に設けられた左右の前輪２０Ａ、２０Ｂ及び後輪２４Ａ、２４Ｂと、ロボット本体部１２の下部の前方及び後方の各左右位置に設けられた主フロート２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄと、ロボット本体部１２の前方の左右両側に平行リンク機構３０を介して昇降自在に取り付けられた昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂと、を備える。当該水田除草ロボット１０はさらに、後述する静電容量式の稲株認識センサ５０を搭載しており、この稲株認識センサ５０で稲株との接触を検知しながら、ロボット本体部１２の上部に設けられた制御装置１８によって、水田内を稲株が中央スペース１４を通るようにして稲株を踏み倒さないように自律的に走行して除草を行う。

前輪２０Ａ、２０Ｂ及び後輪２４Ａ、２４Ｂはそれぞれ制御装置１８によって独立して駆動制御されるようになっており、当該水田除草ロボット１０は、各前輪２０Ａ、２０Ｂ及び後輪２４Ａ、２４Ｂの回転速度若しくは回転方向をそれぞれ制御することで、直進、旋回、及びその場での回転をするようになっている。左右の前輪２０Ａ、２０Ｂには複数のフィン２２が放射状に設けられており、これらのフィン２２が前輪２０Ａ、２０Ｂの回転にともなって土壌に突き刺さるようになっている。前輪２０Ａ、２０Ｂの回転が進行すると、これらフィン２２が土壌の一部をひっかけるように回転して雑草と共に土壌の一部を剥離させることで除草を行う。フィン２２によって抜かれた雑草は水中を浮遊し、やがて枯死に至る。また、フィン２２によって巻き上げられた土壌によって水が濁るため、水面下で発芽した雑草は光合成が阻害されて成長が抑制される。後輪２４Ａ、２４Ｂも同様に複数のフィン２６を有し、前輪２０Ａ、２０Ｂと同様の上述の作用効果を奏する。後輪２４Ａ、２４Ｂの車輪間距離は前輪２０Ａ、２０Ｂの車輪間距離よりも小さく設定されていて、当該水田除草ロボット１０が直進したときに、後輪２４Ａ、２４Ｂの走行路が前輪２０Ａ、２０Ｂの走行路と重ならない内側の位置となるようになっている。これにより当該水田除草ロボット１０が走行した際に除草される面積が増加するため、効率的に除草することが可能となる。

ロボット本体部１２の前部に配置された昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂは、図４に示すように、前後方向に延びる２つの水平リンク３２−１、３２−２と上下方向に延びる垂直リンク３４とからなる平行リンク機構３０によって、ロボット本体部１２に対して昇降自在に取り付けられている。昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂと平行リンク機構３０の垂直リンク３４との結合は回転軸３６によってなされ、これにより、昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂは平行リンク機構３０に対して回動可能とされている。昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂは、水面に浮いた状態を保持できるように、例えば、発泡ウレタン等の比重の小さい素材で構成されている。このような構成により昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂは、水田除草ロボット１０の姿勢が変化しても水面からの高さをほぼ一定に維持できるようになっている。

昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂは、図２に示すように、その前面が前方に向けて山形とされており、前方内側を向いた前面内側部４２Ａ、４２Ｂと、前方外側を向いた前面外側部４４Ａ、４４Ｂとを有している。昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂには前面内側部４２Ａ、４２Ｂ及び前面外側部４４Ａ、４４Ｂに対してそれぞれ平行で前方に離れた位置に接触子５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄが取り付けられている。接触子５２Ａ−５２Ｄは互いに電気的に独立するようにされ、それぞれ、図示しないケーブルによって制御装置１８内の信号処理部５４に電気的に接続されている（図５）。

図５に示すように、稲株１との接触を検知する稲株認識センサ５０は上述の接触子５２Ａ−５２Ｄと信号処理部５４とにより構成される。信号処理部５４は、各接触子５２Ａ−５２Ｄに定電流を印加する定電流電源５６と、各接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器５８と、デジタル値に変換された接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値に基づいて稲株１との接触を判断するセンサ演算部６０とからなる。図６に示すように、各接触子５２Ａ−５２Ｄは、定電流電源５６によって所定の充電時間Ｔ_ｃだけ充電されて一定量の電荷を蓄積し、その後所定の放電時間Ｔ_ｄで放電されて蓄積した電荷を放出する。ここで、接触子５２Ａ−５２Ｄに蓄積された電荷量をＱ、接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値をＶとすると、接触子５２Ａ−５２Ｄの静電容量値Ｃは次の式で表される。
（数１）
Ｃ＝Ｑ／Ｖ
充電後の接触子５２Ａ−５２Ｄに蓄積された電荷量Ｑは、定電流電源５６の電流Ｉと充電時間Ｔ_ｃとから
（数２）
Ｑ＝Ｉ×Ｔ_ｃ
となるから、静電容量Ｃは、
（数３）
Ｃ＝（Ｉ×Ｔ_ｃ）／Ｖ
となる。すなわち、充電時間Ｔ_ｃが経過して一定量の電荷Ｑ（＝Ｉ×Ｔ_ｃ）が蓄電された時点での静電容量Ｃは接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値Ｖに反比例するから、接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値Ｖを周期的に測定することにより、接触子５２Ａ−５２Ｄの静電容量値Ｃの変化量を検出することができる。一般に、比誘電率の大きい水を多く含む物質に接触又は近接すると静電容量値は大きく増加し、それに伴って電圧値は低下する。稲株は多くの水分を含んでいるので、図１０に示すように接触子５２Ａ−５２Ｄが稲株１ａ、１ｂに接触すると、接触子５２Ａ−５２Ｄの静電容量値が増加し、それにともなって電圧値が低下することになる。センサ演算部６０は、後述するように、接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値を連続的に測定して、所定の比較基準値（基本的には、水田除草ロボット１０が水田に入れられてフロートが水面上に自然に浮いた状態における接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値と同じ値に初期設定される）を基準とした電圧値の変化量（比較基準値と電圧値との差）を演算し、この変化量が任意に設定された稲株検出下限値（第１の基準値）以上で且つ稲株検出下限値よりも大きい稲株検出上限値（第３の基準値）以下である場合には接触子５２Ａ−５２Ｄが稲株に接触したと判断する。

各接触子５２Ａ−５２Ｄは上述のように水分を多く含む物質に接触又は近接すると静電容量が大きく変化するが、各接触子５２Ａ−５２Ｄは植えて間もない小さな稲株１も検知できるように水面近くに位置するように昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂに配置されているため、水面との距離が変化するとその静電容量も変化し、結果として接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値が変化する。各接触子５２Ａ−５２Ｄは水面上に浮かぶ昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂによって水面との距離が一定に維持されるようになってはいるが、図９に示すように水田地面ＧＬの高低変化などにより水田除草ロボット１０の姿勢が急に変化したときなどには、昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂが水面ＷＬに対して一時的に揺れて各接触子５２Ａ−５２Ｄと水面ＷＬとの距離が変動することがある。そうすると、接触子５２Ａ−５２Ｄの静電容量値は昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂの水面ＷＬに対する上下動に伴って変動して、接触子５２Ａ−５２Ｄが出力する電圧値もまた変動することになる。そのため、接触子５２Ａ−５２Ｄの水面ＷＬとの距離が小さくなってその変動に伴う電圧値の変化量が稲株検出下限値を超えた場合には、稲株に接触したと誤判断することになる。また、逆に接触子５２Ａ−５２Ｄの水面ＷＬとの距離が大きくなった場合には稲株に接触したにも拘わらず静電容量の変化量を過小評価して稲株に接触していないと誤判断する虞がある。そのため、当該稲株認識センサ５０においては、環境変化、特に接触子５２Ａ−５２Ｄと水面ＷＬとの距離の変化により静電容量値が変動した際には静電容量値を示す電圧値の変化量を縮小するように比較基準値を変更して、接触子５２Ａ−５２Ｄの水面ＷＬとの距離変動やその他環境変化による静電容量の変動を補償するようになっている。具体的には、センサ演算部６０は、比較基準値を基準とした接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値の変化量（電圧値と比較基準値との差）が、任意に設定された稲株検出下限値（第１の基準値）よりも小さい基準値追従上限値（第２の基準値）以下であり、且つ基準値追従上限値よりも小さい基準値追従下限値（第４の基準値）以上である場合には、比較基準値を電圧値の変化量を縮小するように変更する。

図７、８に示すフローチャート及び図９−１１に示す動作例に基づいて、当該稲株認識センサ５０の動作を説明する。まず、水田除草ロボット１０の電源をＯＮにすると（Ｓ１００）、稲株認識センサ５０も起動し、定電流電源５６で各接触子５２Ａ−５２Ｄを充電し、充電時間Ｔ_ｃが経過した時点での初期電圧値（ここでは１００とする）を測定する（Ｓ１０２）。次に比較基準値を初期電圧値と同じ値（１００）に初期設定する（Ｓ１０４）。再び接触子５２Ａ−５２Ｄを充電して電圧値を測定する（Ｓ１０６）。新たに測定した電圧値と既に設定されている比較基準値との差を演算し（Ｓ１０８）、この差が基準値追従下限値（ここでは２とする）以上であるかを判断する（Ｓ１１０）。なおここでの「差」とは、電圧値から比較基準値を引いた値の絶対値である。差が基準値追従下限値より小さい場合には、ステップＳ１０６に戻って接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧測定を行う。例えば図９における測定点Ｐ１においては、電圧値が９９で比較基準値が１００となっているため、その差は１であり、基準値追従下限値である２よりも小さいので、そのままＳ１０６のステップに戻ることになる。ステップＳ１１０において差が基準値追従下限値以上である場合には、次に基準値追従上限値（ここでは６とする）以下であるかを判断する（Ｓ１１２）。差が基準値追従上限値以下である場合には比較基準値を変更するステップに移行する（Ｓ１２２）。例えば図９における測定点Ｐ２においては、電圧値が９７で比較基準値が１００であるためステップＳ１１２の条件に合致しステップＳ１２２に移行する。比較基準値を変更するステップＳ１２２においては、図８に示すように、まず、接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値が比較基準値よりも小さいかを判断する（Ｓ１２４）。電圧値が比較基準値よりも小さい場合には、比較基準値を一定の基準値変化幅（ここでは４とする）だけ小さくして電圧値と比較基準値との差（電圧値の変化量）を縮小する（Ｓ１２６）。上述の測定点Ｐ２においては、電圧値（９７）は比較基準値（１００）よりも小さいので、比較基準値は基準値変化幅分だけ減算されて９６に変更され電圧値と比較基準値との差（電圧値の変化量）は３から１に縮小する。変更された比較基準値は次に測定される電圧値との比較のステップ（Ｓ１０８以降）において利用される。すなわち次の測定点Ｐ３における比較基準値が９６となる。ステップＳ１２４において電圧値が比較基準値以上である場合には、電圧値から比較基準値を引いた値が基準値変化幅以上であるかを判断する（Ｓ１２８）。ステップＳ１２８の条件に合致する場合には、比較基準値に基準値変化幅を加算する。図９の測定点Ｐ４においては、電圧値が９７で比較基準値が９２であるので、ステップＳ１２８の条件に合致する。そのため比較基準値は、基準値変化幅の４が加算されて９６に変更されて電圧値と比較基準値との差は５から１に縮小する。ステップＳ１２８の条件に合致しない場合には比較基準値を変更しない（Ｓ１３２）。比較基準値を変更する上記ステップＳ１２８〜Ｓ１３２においては、変更される比較基準値が測定された電圧値より大きい値には設定されないようにしている。上述のステップＳ１１２の条件に合致していない場合には、次に接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値と比較基準値との差が稲株検出下限値（ここでは１０とする）以上であるかを判断する（Ｓ１１４）。差が稲株検出下限値よりも小さい場合には、センサ演算部６０は接触子５２Ａ−５２Ｄは稲株１に接触していないと判断し、ステップＳ１０６に戻る。図１０の測定点Ｐ５においては、電圧値が９２で比較基準値が１００であるので、その差は８であり、稲株検出下限値である１０よりも小さいので、この時点では接触子５２Ａ−５２Ｄが稲株１ａに接触したとは判断されない。ステップＳ１１４の条件に合致する場合には、さらに差が稲株検出上限値（ここでは２５とする）以下であるかを判断する（Ｓ１１６）。差が稲株検出上限値以下である場合には、センサ演算部６０は接触子５２Ａ−５２Ｄが稲株１に接触したと判断する（Ｓ１１８）。図１０の測定点Ｐ６やＰ７においては、比較基準値と接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値との差がそれぞれ１２、２５であるので、このときにはセンサ演算部６０は接触子５２Ａ−５２Ｄに稲株１ａ、１ｂが接触していると判断する。なお、小さな稲株１ａに接触したときよりも大きな稲株１ｂに接触したときの方が接触子５２Ａ−５２Ｄの静電容量の変化量が大きいので、接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値と比較基準値の差の大きさから接触した稲株の大きさを推定することもできる。ステップＳ１１６において差が稲株検出上限値を超えている場合には、センサ演算部６０は接触子５２Ａ−５２Ｄが水没したと判断し、稲株が接触したとは判断しない（Ｓ１２０）。図１１の測定点Ｐ８においては、差が２８になっているため、接触子５２Ａ−５２Ｄが水没したと判断される。

水田除草ロボット１０は、図１乃至４に示すように、左右の昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂの先端部にそれぞれ畦検出センサ６２をさらに備えている。この畦検出センサ６２は、一端６６が昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂに固定され他端６８が平行リンク機構３０の垂直リンク３４内に延在して前後方向に変位可能に保持されているワイヤ部材６４と、ワイヤ部材６４の他端６８の先の位置で垂直リンク３４に取り付けられたマイクロスイッチ７０とからなる。畦検出センサ６２は、ワイヤ部材６４の前端湾曲部６９が畦等の障害物に当たったときにワイヤ部材６４が変形して他端６８が後方に変位し、マイクロスイッチ７０をＯＮにするようになっている。当該水田除草ロボット１０においては、左右の畦検出センサ６２がともにＯＮになったときに前方に畦があると判断して、その場で回転して方向を転換し畦との衝突を回避するようになっている。水田除草ロボット１０にはさらに方位センサも設けられおり、現在どの方向に進行しているかを検知できるようになっている。

次に、水田除草ロボット１０の動作について説明する。作業者は水田除草ロボット１０を、稲株列が水田除草ロボット１０の中央スペース１４を通って前後方向に延びるように位置決め（配置）する。ついで、電源スイッチをＯＮにする。電源ＯＮに伴って制御装置１８が動作を開始し、方位センサから進行方向の方位（目標方位）のデータが入力される。また、稲株認識センサ５０も動作を開始する。水田除草ロボット１０は走行を開始し、走行と同時にフィン２２、２６によって水田内の除草を行う。

水田除草ロボット１０を稲株列に対して上記のように配置した場合には、図１２の（ａ）に示すように、稲株１は接触子５２Ａ−５２Ｄのいずれにも接触しないので、水田除草ロボット１０は目標方位に向けて方位センサに基づいて進行する。

図１２の（ｂ）に示すように、水田除草ロボット１０が稲株列に対してやや左側寄りとなった場合、右内側の接触子５２Ｃが稲株１に接触する。稲株認識センサ５０が接触子５２Ｃに稲株１が接触したと判断すると、制御装置１８は、稲株認識センサ５０が接触子５２Ｃに稲株１に接触していないと判断するまで水田除草ロボット１０を右方向に旋回させる。この旋回は右側の前輪２０Ｂ及び後輪２４Ｂの回転速度に対する左側の前輪２０Ａ及び後輪２４Ｂの回転速度を相対的に速くすることにより行われる。

図１２の（ｃ）に示すように、水田除草ロボット１０が稲株列に対してやや左側寄りになった場合、左内側の接触子５２Ａが稲株１に接触する。稲株認識センサ５０が接触子５２Ａに稲株１が接触したと判断すると、制御装置１８は、稲株認識センサ５０が接触子５２Ａに稲株１が接触していないと判断するまで水田除草ロボット１０を左方向に旋回させる。この旋回は左側の前輪２０Ａ及び後輪２４Ａの回転速度に対する右側の前輪２０Ｂ及び後輪２４Ｂの回転速度を相対的に速くすることにより行われる。

図１２の（ｄ）に示すように、水田除草ロボット１０が稲株列に対して大きく右側寄り位置となった場合、右外側の接触子５２Ｄが稲株１に接触する。稲株認識センサ５０が接触子５２Ｄに稲株１が接触したと判断すると、制御装置１８は、稲株認識センサ５０が接触子５２Ｄに稲株１が接触していないと判断するまで水田除草ロボット１０を左方向に旋回させる。この旋回は左側の前輪２０Ａ及び後輪２４Ａの回転速度に対する右側の前輪２０Ｂ及び後輪２４Ｂの回転速度を相対的に速くすることにより行われる。

図１２の（ｅ）に示すように、水田除草ロボット１０が稲株列に対して大きく左側寄り位置となった場合、左外側の接触子５２Ｂが稲株１に接触する。稲株認識センサ５０が接触子５２Ｂに稲株１が接触したと判断すると、制御装置１８は、稲株認識センサ５０が接触子５２Ｂに稲株１が接触していないと判断するまで水田除草ロボット１０を右方向に旋回させる。この旋回は右側の前輪２０Ｂ及び後輪２４Ｂの回転速度に対する左側の前輪２０Ａ及びも後輪２４Ｂの回転速度を相対的に速くすることにより行われる。

次に、制御装置１８による水田除草ロボット１０の制御の詳細について図１３のフローチャートに基づいて説明する。水田除草ロボット１０を所定の位置にセットした後、制御装置１８の電源スイッチをＯＮにする（Ｓ２００）。まず、制御装置１８は方位センサから現在方位を取得する。また、稲株認識センサ５０は図７及び図８に示すフローチャートに従って稲株１の検出を開始する（Ｓ２０１）。

次に、制御装置１８は、稲株認識センサ５０により右外側の接触子５２Ｄの稲株１への接触を監視し（Ｓ２０２）、接触していない場合には、左外側の接触子５２Ｂの稲株１への接触を監視する（Ｓ２０６）。以降、同様に右内側の接触子５２Ｃの稲株１への接触の監視（Ｓ２１０）、左内側の接触子５２Ａの稲株１への接触の監視（Ｓ２１４）を行う。いずれの接触子５２Ａ−５２Ｄにも稲株１が接触していない場合には、現在の方位角を方位センサから読み込み（Ｓ２１８）、制御装置１８内のメモリに保存されている目標方位と比較し（Ｓ２１８）、両者に差がない場合には、制御装置１８は左右の前輪２０Ａ、２０Ｂ及び後輪２４Ａ、２４Ｂが同じ回転速度となるように制御して水田除草ロボット１０を直進走行させる（Ｓ２２２）。

ステップＳ２２０において現在の方位と目標方位とに差があり、目標方位と現在方位を比較して（Ｓ２２４）、目標方位より現在方位が大きい（目標方位に対して右回りに傾いている場合にプラス数値とし、左方向に傾いている場合にマイナス数値とする）、即ち、水田除草ロボット１０が目標方位に対して右側を向いている場合には、水田除草ロボット１０を左方向へ旋回させる（Ｓ２２６）。この場合、水田除草ロボット１０の走行は、方位の差が大きいほど急な円弧となり、方位の差が小さいほど緩やかな円弧となるように制御される。ステップＳ２２４において、目標方位より現在方位の方が小さい、すなわち、水田除草ロボット１０が目標方位に対して左側を向いている場合には、水田除草ロボット１０を右方向へ旋回させる（Ｓ２２８）。

ステップＳ２０２において右外側の接触子５２Ｄが稲株１に接触したと判断された場合には、水田除草ロボット１０は左側に旋回する（Ｓ２０４）。ステップＳ２０６において左外側の接触子５２Ｂが稲株１に接触したと判断された場合には、水田除草ロボット１０は右側に旋回する（Ｓ２０８）。ステップＳ２１０において右内側の接触子５２Ｃが稲株１に接触したと判断された場合には、水田除草ロボット１０は右側へ旋回する（Ｓ２１２）。ステップＳ２１４において左内側の接触子５２Ａが稲株１に接触したと判断された場合には、水田除草ロボット１０は左側へ旋回する（Ｓ２１６）。上記ステップＳ２０４，Ｓ２０８、Ｓ２１２、又はＳ２１６の処理が終了すると、処理はステップＳ２１８へ移行し、上記したステップＳ２２０〜Ｓ２２８を実行する。

上記実施形態における稲株認識センサ５０によれば、接触子５２Ａ−５２Ｄの静電容量値の変化に基づいて稲株を検出するのでスイッチを機械的にＯＮ／ＯＦＦするようなセンサのように一定の押圧力が必要なく、植えた直後の小さく柔らかい稲であっても検出することができる。また、静電容量値（電圧値）の変化量の大きさから稲株１の大きさを推定することもできる。さらには、当該稲株認識センサ５０は、接触子５２Ａ−５２Ｄと水面との距離の変化や、湿度変化、その他の浮遊静電容量による比較的に小さく緩やかな静電容量値の変化に対しては、比較基準値を静電容量値の変化量が縮小されるように変更するようになっているので、上述のような環境変化による出力変動を補償して、環境変化がある中でも稲株１との接触に起因する静電容量値の変化量を正確に検出することができ、従って稲株１の検出をより正確に行う事が可能となる。

なお上記実施形態においては、比較基準値を、水田除草ロボット１０が水田に搬入されて昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂが水面上に浮き且つ接触子５２Ａ−５２Ｄが稲株１と接触していない状態における接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値Ｖと同じ値に初期設定しているが、比較基準値の初期値は接触子５２Ａ−５２Ｄの初期電圧値と異なる値に設定しても良いし、また接触子５２Ａ−５２Ｄの初期電圧値の値に関わらず常に一定の値に初期設定するようにしてもよい。ただし、比較基準値が電圧値と異なる値に初期設定された場合には、比較基準値を基準とした接触子５２Ａ−５２Ｄの出力値の変化量は出力値と比較基準値との差に一致しなくなるため、別の方法で該変化量を演算する必要がある。そのような方法として、例えば、上述の様に水田除草ロボット１０が水田に設置された状態における接触子５２Ａ−５２Ｄの初期電圧値から任意に初期設定した比較基準値を引いた値を初期差分値とし、それ以降に測定した接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値から比較基準値を引いた値を測定差分値とし、これら初期差分値と測定差分値との差を上記実施形態における接触子５２Ａ−５２Ｄの電圧値の変化量として扱うこともできる。比較基準値を基準とした接触子５２Ａ−５２Ｄの静電容量値（電圧値）の変化量をどのようにして求めるかは、当業者が一般に行う設計事項であり、上述の方法以外の方法で求めるようにしてもよい。

また、稲株検出の上限値及び下限値は、植えられた稲の成長具合によって適宜変更しても良い。稲株認識センサ５０における接触子５２Ａ−５２Ｄの静電容量値の検出方式は、上記実施形態のようなものの他に、高周波発振回路による検出方式を採用することもできる。

稲株１、１ａ、１ｂ； 水田除草ロボット１０； ロボット本体部１２； 中央スペース１４； 制御装置１８； 前輪２０Ａ、２０Ｂ； フィン２２； 後輪２４Ａ、２４Ｂ； フィン２６； 主フロート２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ； 平行リンク機構３０； 水平リンク３２−１、３２−２； 垂直リンク３４； 回転軸３６； 昇降自在フロート４０Ａ、４０Ｂ； 前面内側部４２Ａ、４２Ｂ； 前面外側部４４Ａ、４４Ｂ； 稲株認識センサ５０； 接触子５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ； 信号処理部５４； 定電流電源５６； Ａ／Ｄ変換器５８； センサ演算部６０； 畦検出センサ６２； ワイヤ部材６４； 一端６６； 他端６８； 前端湾曲部６９； マイクロスイッチ７０

Claims (7)

1. 前方の左右両側に昇降自在に設けられた一対の昇降自在フロートを備える水田除草ロボットに取り付けられる稲株認識センサであって、
   前記昇降自在フロートに取り付けられた接触子と、
   前記接触子の静電容量値を示す該接触子の出力値を連続的に検出し、比較基準値を基準とした前記出力値の変化量を演算して、該変化量が第１の基準値以上である場合には前記接触子が稲株に接触したと判断し、前記変化量が前記第１の基準値より小さい第２の基準値以下である場合には前記比較基準値を前記変化量が縮小されるように変更するセンサ演算部と、を備える、稲株認識センサ。
2. 前記センサ演算部は、前記水田除草ロボットが水田に搬入されて前記昇降自在フロートが水面上に浮き且つ前記接触子が稲株と接触していない状態における該接触子の前記出力値と同じ大きさの値を前記比較基準値として初期設定する、請求項１に記載の稲株認識センサ。
3. 前記センサ演算部は、前記出力値と前記比較基準値との差を演算し、該差を前記変化量とする、請求項２に記載の稲株認識センサ。
4. 前記接触子に周期的に一定量の電荷を蓄電する定電流電源をさらに備え、
   前記出力値が、前記定電流電源によって一定量の電荷が蓄電されたときの前記接触子の電圧値である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の稲株認識センサ。
5. 前記センサ演算部は、前記変化量が前記第１の基準値以上で且つ該第１の基準値よりも大きい第３の基準値以下である場合に、前記接触子が稲株に接触したと判断する、請求項１乃至４の何れか一項に記載の稲株認識センサ。
6. 前記センサ演算部は、前記比較基準値を変更する際の前記比較基準値の変化幅を一定値とし、前記変化量が前記第２の基準値以下で且つ該第２の基準値よりも小さい第４の基準値以上である場合に前記比較基準値を変更する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の稲株認識センサ。
7. 稲株が通過可能なスペースを中央部に有したロボット本体部と、
   前記ロボット本体部の下部に設けられた一対又は複数対の車輪と、
   前記ロボット本体部の下部に設けられた一対又は複数対の主フロートと、
   前記ロボット本体部の前方の左右両側に昇降自在に設けられた一対の昇降自在フロートと、
   稲株が前記スペース内の中心部を通過するように前記車輪の回転を制御する制御装置と、
   請求項１乃至６の何れか一項に記載の稲株認識センサと、
   を備える、水田除草ロボット。

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