JP6845485B2 - 玉葱収穫用作業機及び玉葱収穫作業方法 - Google Patents

Description

本発明は、玉葱収穫時の根切りや掘り取りなどの作業を行う玉葱収穫用作業機及び作業方法に関するものである。

玉葱の機械収穫作業体系の一例を説明すると、圃場に植えられている玉葱の根を根切り機を用いて地中で切断する根切り作業、ディガーと呼ばれる作業機で根切りされた玉葱を地上に掘り取る掘り取り作業、掘り取られた玉葱を圃場に放置して地干しを行った後、ピッカーと呼ばれる作業機で、掘り取られた玉葱の拾い上げを行い、拾い上げた玉葱を選別してコンテナなどに収容する拾い上げ・選別作業、コンテナで運搬された玉葱を定置式のタッパーで処理するタッピング作業、などが行われている。また、別の機械収穫作業体系では、根切り機による根切り作業の後、掘り取りとタッピングを行ってコンテナに詰める収穫作業機（オニオンハーベスタ）による作業が行われる場合もある。

このような各種作業を行う作業機のうち、根切り機、ディガー、ピッカー、収穫作業機（オニオンハーベスタ）などは、圃場にある玉葱の下側に作業部を配置させて作業を行うものであるため、作業部の位置を上下に調整する調整機構を備えており、作業者は、作業中に作業部の位置を調整しながら、玉葱を傷付けないように作業を行うことが必要になっている。

これに対して、下記特許文献１に記載される従来技術では、走行装置を具備する機体の前方から上方を経て後側に亘り掘り起こした玉葱を搬送してコンテナに収容する玉葱収穫機であって、圃場にある玉葱を掻き上げる掻き上げ装置を、掻き上げ装置によって掻き上げられた玉葱を上方に持ち上げ搬送する搬送装置の下端に枢着連結し、搬送装置の下端部の対地高さを検出する高さセンサを取り付けて、この高さセンサの検出によって、搬送装置の下端部を上下動させて最適な高さ位置に修正することで、掻き上げ装置の掻き上げ性能を高めることなどが示されている。

特開２００２−２９１３１３号公報

前述した従来技術で用いられている高さセンサには、掻き上げ装置を支持する支杆が前後方向に水平状態であるか否かを検出する水平センサが用いられている。すなわち、前述した従来技術では、搬送装置の下端部に枢着連結されている掻き上げ装置の機構上の角度姿勢を検知することで、間接的に搬送装置の下端部の対地高さを検出している。

このような従来技術は、玉葱収穫機のピッチング動作（機体の前方が上下に振れる動作）によって搬送装置の下端部に枢着連結される掻き上げ装置の角度が変化することを検知しているが、圃場を走行する玉葱収穫機自体が圃場面の泥濘などで全体的に沈み込むような場合には、水平センサの水平状態が維持されていても実際上の接地高さは変化することになるので、このような場合には高い精度で高さ位置を検出することができなくなる。

本発明は、このような問題に対処することを課題としている。すなわち、圃場にある玉葱の下側に作業部を配置させて収穫のための作業を行う玉葱収穫用作業機において、機体の圃場面に対する高さを高い精度で検出して作業部の高さ制御を行うことで、作業部の作業精度を向上させること、が本発明の課題である。

このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。

圃場を走行する走行機体によって圃場を進行する機体と、前記機体に装備され、圃場にある玉葱の下側に位置して前記機体の進行に伴って玉葱の収穫のための作業を行う作業部と、前記作業部の上下位置を調整する上下位置調整部と、前記上下位置調整部の動作を制御し、人工知能システムを有する制御部とを備え、前記機体には、前記作業部の進行方向前方における圃場面からの高さを測距すると共に、前記作業部の進行方向前方における圃場面の画像を取得する測距・撮像装置が設定位置に装備されており、前記制御部は、前記測距・撮像装置が取得した画像に対し、前記人工知能システムが予め多数蓄積された玉葱がある圃場面の画像データを基にした学習能力を働かせることによって、土壌面を画像認識し、前記設定位置から認識された土壌面までの距離を求め、求めた距離に応じて前記上下位置調整部を制御することで、前記作業部の位置を調整することを特徴とする玉葱収穫用作業機。

このような特徴を備えた玉葱収穫用作業機によると、圃場面に存在する玉葱の地上部（茎葉）などを含む画像の中から圃場の土壌面を高い精度で画像認識して、土壌面からの高さを測距しているので、機体と圃場面との高さを高い精度で検出して作業部の高さ制御を行うことができる。これによって、作業部を圃場にある玉葱の適正な位置に調整して、収穫作業の作業精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る玉葱収穫用作業機の構成例を示した説明図である。 人工知能システム（ＡＩシステム）を備える制御部の構成例を示す説明図である。 土壌面の距離情報を得る制御部の処理を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る玉葱収穫用作業機の他の構成例を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は共通する機能を有する部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る玉葱収穫用作業機１は、圃場Ｆを走行する走行機体（例えば、トラクタ）Ｔによって圃場Ｆを進行する機体１０を備えて、機体１０に作業部１１が装備されている。この例では、機体１０は走行機体Ｔの後方に三点リンクなどを介して装着されている。

図１においては、圃場Ｆの走行面（畝間）Ｆｔに走行機体Ｔの車輪が接地し、圃場Ｆの畝Ｆｃに玉葱Ｏが植えられて、畝Ｆｃの土中に作業部１１が位置している。図１における作業部１１は、走行機体Ｔに対して、矢印Ｄで示した進行方向の後方に装備され、圃場Ｆの畝Ｆｃにある玉葱Ｏの下側に位置して、機体１０の進行に伴って玉葱Ｏの根切り作業を行うものである。この作業部１１は、畝Ｆｃの土壌面から設定深さｄｓだけ土中に入った位置で作業を行うことで、玉葱Ｏを傷付けること無く、また余分な根を残さずに、精度の高いに根切り作業を行うことができる。

図１における玉葱収穫用作業機１は、作業部１１の上下位置を調整する上下位置調整部１２と、上下位置調整部１２の動作を制御する制御部１３を備えている。この例では、上下位置調整部１２は、電動シリンダ１２Ａと接地輪１２Ｂを備えており、接地輪１２Ｂの支持フレーム１２Ｃの一端が機体１０に枢支され、支持フレーム１２Ｃの他端が電動シリンダ１２Ａの可動端部に枢支されている。また、電動シリンダ１２Ａの基端部は、機体１０に枢支されている。これによると、制御部１３からの出力によって電動シリンダ１２Ａを伸縮させることで、接地輪１２Ｂを上下動させて、作業部１１の高さ位置、則ち土中での深さ位置を調整することができる。

そして、玉葱収穫用作業機１の機体１０には、作業部１１の進行方向前方における圃場面からの高さを測距すると共に、作業部１１の進行方向前方における圃場面の画像を取得する測距・撮像装置２０が設定位置Ｐｓに装備されている。ここでの設定位置Ｐｓは、機体１０において制御部１３が認識している位置であり、作業部１１の位置調整を行う上での基準となる位置である。

測距・撮像装置２０は、圃場面の画像を取得するカメラ部と圃場からの高さを計測する測距部を別々に備えていても良いし、圃場面の画像を取得する撮像装置の自動焦点調整機能によって圃場面からの高さを計測することで、圃場面の画像取得と圃場面からの高さ計測を行うものであっても良い。測距の形態としては、ＬＲＦ（Laser Range Finder）、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）、ステレオカメラ、ＴＯＦカメラなど、周知の測距システムを採用することができる。

測距・撮像装置２０が取得する圃場面の画像は、圃場面の中から土壌面が識別できる画像であり、測距・撮像装置２０が計測する高さは、圃場面の画像から土壌面であると認識された部分の被撮像面からの高さである。玉葱の収穫作業を行う際の圃場面（畝Ｆｃ上の面）には、玉葱の地上部（茎葉）や圃場に分散されている塵（ワラなど）、或いは地上に持ち上がった玉葱自体が存在しており、これらの存在によって露出している土壌面を認識することが困難な状況になっている。測距・撮像装置２０は、機体１０が圃場を進行する過程で常時土壌面の画像を取得する必要は無いが、間欠的にでも土壌面が識別できる画像を取得して、土壌面と認識できる被撮像面からの高さを計測する構成になっている。このため、測距・撮像装置２０は、圃場面に対して垂直な方向から撮像と測距を行うように配備されていることが好ましい。

測距・撮像装置２０が取得した画像は、機体１０の進行と共に随時制御部１３に送信され、制御部１３は、測距・撮像装置２０が取得した画像を画像処理して土壌面を認識し、前述した設定位置Ｐｓから認識された土壌面までの距離Ｈｓを求め、求めた距離Ｈｓに応じて上下位置調整部１２を制御することで、作業部１１の位置を調整している。この際、制御部１３は、機体１０の進行に伴って随時距離Ｈｓを求め、設定位置Ｐｓと作業部１１との距離が、距離Ｈｓに設定深さｄｓを加えた距離Ｈｃに常時なるように、上下位置調整部１２を制御する。

制御部１３は、例えば、人工知能システムを採用することで、圃場面に存在する玉葱の地上部（茎葉）などを含む画像の中から高い精度で土壌面を認識することができる。

図２に、制御部１３の構成例を示す。この例の制御部１３は、人工知能システム１３Ａと、人工知能システム１３Ａの学習能力の基になる画像データが蓄積されたデータベース１３Ｂと、前述した上下位置調整部１２に制御信号を出力する制御信号出力部１３Ｃを備える。データベース１３Ｂには、玉葱がある圃場面の画像データ（玉葱の地上部などが混在している中で土壌面を識別できる画像データ）が予め多数蓄積されている。

人工知能システム１３Ａは、測距・撮像装置２０のカメラ部２１からの画像が入力されると、データベース１３Ｂに蓄積されている画像データを基に学習能力を働かせ、取得された画像の画像処理情報の中でどのような情報を持つピクセルが土壌面の画像領域にカテゴリー分類できるかの処理を行っており、この処理によって、取得した画像の特定部分が土壌面に対応した領域であることを認識する（図３の（ａ）参照）。

これに対して、測距部２２は、カメラ部２１が取得する画像に対応する被撮像面の測定位置（測定ライン）を特定し、その測定位置の測距情報を随時人工知能システム１３Ａに入力している（図３の（ｂ）参照）。これにより、人工知能システム１３Ａは、一つの画像の中で、土壌面の画像であると認識できる部分を抽出し、その抽出部分と重なる測定ラインの測距情報を選択することができ、これを土壌面からの高さ情報として出力している（図３の（ｃ）参照）。

人工知能システム１３Ａが出力する土壌面からの高さ情報は、制御信号出力部１３Ｃに入力され、制御信号出力部１３Ｃでは、前述した距離Ｈｓに設定深さｄｓを加えて距離Ｈｃを求めるような演算処理が行われ、この演算処理の結果に基づいて、上下位置調整部１２を制御する制御信号を出力する。

図４は、本発明の他の実施形態に係る玉葱収穫用作業機１を示している。この例は、走行機体Ｔが自走式車両であり、この走行機体Ｔの進行方向前方に機体１０が装備されている。そして、作業部１１は、走行機体Ｔの進行方向前方に装着されて、圃場Ｆにある玉葱Ｏの掘り取り又は拾い上げ作業を行うものである。

この例においても、玉葱収穫用作業機１は、作業部１１の上下位置を調整する上下位置調整部（電動シリンダ）１２を備え、上下位置調整部１２の動作を制御する制御部１３を備え、更に、機体１０には、作業部１１の進行方向前方における圃場面からの高さを測距すると共に、作業部１１の進行方向前方における圃場面の画像を取得する測距・撮像装置２０が設定位置に装備されている。

そして、制御部１３は、前述した例と同様に、測距・撮像装置２０が取得した画像を画像処理して土壌面を認識し、測距・撮像装置が装備された設定位置から認識された土壌面までの距離を求め、求めた距離に応じて上下位置調整部１２を制御することで、作業部１１の位置を調整している。この調整によって、作業部１１は、圃場上の玉葱Ｏを傷付けること無く、また、過剰な土を掘り上げる上げること無く、圃場にある玉葱Ｏの掘り取り又は拾い上げ作業を行うことができる。

このような玉葱収穫用作業機１による玉葱の収穫用作業方法は、走行機体Ｔによって圃場を進行する機体１０に作業部１１を装備し、圃場にある玉葱Ｏの下側に作業部１１を位置して、機体１０の進行に伴って玉葱の収穫のための作業を行う方法であって、作業部１１の進行方向前方における圃場面からの高さを測距すると共に、作業部の進行方向前方における圃場面の画像を取得し、取得した画像を画像処理して土壌面を認識し、機体１０の設定位置から認識された土壌面までの距離を求め、求めた距離に応じて作業部１１の上下位置を調整する。これによって、玉葱がある圃場の土壌面を認識して、土壌面からの高さを測距しているので、機体と圃場面との高さを高い精度で検出して作業部の高さ制御を行うことができ、作業部１１を圃場にある玉葱の適正な位置に調整して、収穫作業の作業精度を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：玉葱収穫用作業機，１０：機体，１１：作業部，１２：上下位置調整部，
１３：制御部，１３Ａ：人工知能システム，１３Ｂ：データベース，
１３Ｃ：制御信号出力部，
２０：測距・撮像装置，２１：カメラ部，２２：測距部，
Ｔ：走行機体，Ｆ：圃場，Ｏ：玉葱

Claims (7)

1. 圃場を走行する走行機体によって圃場を進行する機体と、
   前記機体に装備され、圃場にある玉葱の下側に位置して前記機体の進行に伴って玉葱の収穫のための作業を行う作業部と、
   前記作業部の上下位置を調整する上下位置調整部と、
   前記上下位置調整部の動作を制御し、人工知能システムを有する制御部とを備え、
   前記機体には、前記作業部の進行方向前方における圃場面からの高さを測距すると共に、前記作業部の進行方向前方における圃場面の画像を取得する測距・撮像装置が設定位置に装備されており、
   前記制御部は、前記測距・撮像装置が取得した画像に対し、前記人工知能システムが予め多数蓄積された玉葱がある圃場面の画像データを基にした学習能力を働かせることによって、土壌面を画像認識し、前記設定位置から認識された土壌面までの距離を求め、求めた距離に応じて前記上下位置調整部を制御することで、前記作業部の位置を調整することを特徴とする玉葱収穫用作業機。
2. 前記測距・撮像装置は、圃場面の画像を取得するカメラ部と圃場面からの高さを計測する測距部を備えることを特徴とする請求項１記載の玉葱収穫用作業機。
3. 前記測距・撮像装置は、圃場面の画像を取得する撮像装置の自動焦点調整機能によって圃場面からの高さを計測することを特徴とする請求項１記載の玉葱収穫用作業機。
4. 前記測距・撮像装置は、圃場面に対して垂直な方向から撮像と測距を行うように配備されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の玉葱収穫用作業機。
5. 前記作業部は、前記走行機体の進行方向後方に装備され、圃場にある玉葱の根切り作業を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の玉葱収穫用作業機。
6. 前記作業部は、前記走行機体の進行方向前方に装備され、圃場にある玉葱の掘り取り又は拾い上げ作業を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の玉葱収穫用作業機。
7. 走行機体によって圃場を進行する機体に作業部を装備し、圃場にある玉葱の下側に前記作業部を位置して、前記機体の進行に伴って玉葱の収穫のための作業を行う方法であって、
   前記作業部の進行方向前方における圃場面からの高さを測距すると共に、前記作業部の進行方向前方における圃場面の画像を取得し、
   予め多数蓄積された玉葱がある圃場面の画像データを基にした人工知能システムの学習能力を働かせることによって、取得した画像を画像処理して土壌面を画像認識し、前記機体の設定位置から認識された土壌面までの距離を求め、求めた距離に応じて前記作業部の上下位置を調整することを特徴とする玉葱収穫用作業方法。
   

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