JP6868303B2 - 圃場の水深測定用ドローン - Google Patents

Description

本願発明は、無人飛行体（ドローン）を使用した圃場の水深を測定するためのドローンに関する。

稲をはじめとした作物の育成において圃場の水位の維持はきわめて重要である。たとえば、除草剤を散布する際には適切な処理層が形成されるまでにおよそ１週間を要するが、その間に圃場の一部で水面から地面が露出してしまうと処理層が形成されず、除草剤の効果が得られなくなってしまう。このような状況を防ぐためには圃場の全域における水位の管理が不可欠である。

圃場の水深計測の方法としては、圃場に設置した水深計によることが一般的であった。しかし、圃場の地形には凹凸があり、１箇所の水深計で測定した水深が適切であるからと言って、圃場全体で水位が適切であるとは限らない。ひとつの圃場に対して多数の水深計を使用する方法が知られているが（たとえば、特許文献１）、費用や管理負荷の点で課題があった。

特許公開公報 特開平０９−２０５９０８

圃場、特に、田圃全体の水深を正確に測定できる簡便な装置を提供する。

本願発明は、水面までの距離を測定する第一のセンサーと地面までの距離を測定する第二のセンサーとを備え、両距離の差を取ることで機体直下にある地点の水深を測定する無人飛行体を提供することで上記課題に対応する。

また、本願発明は、所定の速度以上で移動中のみに前記機体直下にある地点の水深を測定する段落０００６に記載の無人飛行体を提供することで上記課題に対応する。

また、本願発明は、さらに、傾きセンサーを備え、前記機体の傾きに応じて測定した距離を補正する手段を備えた段落０００６、または、段落０００７に記載の無人飛行体を提供することで上記課題に対応する。

また、本願発明は、前記第一のセンサーは超音波送受信機であり、前記第二のセンサーは赤外線送受信機、または、マイクロ波送受信機である段落０００６、段落０００７、または、段落０００８に記載の無人飛行体を提供することで上記課題に対応する。

圃場、特に、田圃の水深を全体的に測定できる簡便な装置が提供される。

本願発明に係る作物の圃場水深測定用ドローンの実施例の全体図（平面図および正面図）である。 本願発明に係る圃場水深測定方法の基本的考え方を示す図である。 本願発明に係る圃場水深測定用ドローンが回転翼の風の影響を排除できることを説明した図である。

以下、図を参照しながら、本願発明を実施するための形態について説明する。図はすべて例示である。

図１に本願発明に係るドローン（１００）の全体構造（図１−ａは平面図、図１−ｂは正面図）を示す。本願明細書では、「ドローン」とは、駆動方法や制御方法を問わず、無人飛行体全般を指すこととする。回転翼（ローター）（１０１）とモーター（１０２）は、ドローンを飛行させるための手段である。図では、二段構成のローターを４セット使用した構成が示されているが、ローターの枚数や構成方法はこれとは異なっていてもよい。本願発明に係るドローン（１００）には、飛行の制御や水深の計算と保存等を行なうためのコンピューター装置とプログラム、遠隔操縦のための無線通信手段、位置検出のためのＧＰＳ装置、および、バッテリー等が備えられていることが望ましいが、図示していない。また、着陸の際に必要な脚部、モーターを維持するためのフレーム、および、回転翼に手が触れることを防ぐための安全フレーム等、一般的なドローンに必要な構成要素は図示しているが、自明であるため特に説明しない。なお、本願発明に係るドローン（１００）は、ＲＴＫ−ＧＰＳ等の自機の位置を正確に測定できる手段を備えていることが望ましい。

本願発明に係るドローン（１００）の下部には、超音波送受信機（１０３）と赤外線送受信機（１０４）が設けられている。超音波送受信機（１０３）は水面までの距離を測る手段の一例であり、赤外線送受信機（１０４）は水面下の地面までの距離を測定する手段の一例である。赤外線送受信機（１０４）の代わりにマイクロ波送受信機等を使用してもよい。超音波送受信機（１０３）は、近距離での測定精度向上のために400Khz程度の周波数（少なくとも100Khzの周波数）によるセンサーを使用していることが好ましい。赤外線送受信機は波長が数マイクロメートルの近赤外線を使用し、減衰を少なくするためにレーザーを使用することが好ましい。

図２に、本願発明に係る圃場水深測定方法の基本的考え方を示す。超音波送受信機（１０３）が発生する超音波は主に水面（２０１）上で反射するため、反射波の位相差を計測することで、ドローン（１００）から水面までの距離を測定可能である。出願時点で一般入手可能な超音波送受信機を使用することで、１センチメートル単位での測定が可能である。なお、音速は温度によって変化するため、ドローン（１００）に設け温度センサー等により気温を測定し、音速の補正を行なってもよい。

一方、赤外線送受信機（１０４）が発生する赤外線レーザー光の多くは水を貫通し、圃場の地面（２０２）によって反射される。地面による反射波の位相差を測定することにより、ドローン（１００）から圃場の地面の距離を測定できる。

超音波受信機（１０３）によって求めたドローン（１００）と水面の距離、および、赤外線送受信機によって求めたドローン（１００）と地面との距離の差を取ることで、その時点でドローン（１００）の直下にある圃場内の地点の水深を約１センチメートル単位で測定できることが発明者の実験により明らかになっている。

図３により、本願発明に係る圃場水深測定用ドローン（１００）による水深の測定が回転翼（１０１）の風の影響を排除できることを説明する。一般に、ドローンは回転翼による下方向への気流によって浮上し、移動する。したがって、その気流による水面への影響を排除する必要がある。ドローン（１００）が通常の飛行速度（典型的には毎秒５メートル）で移動中の場合には、回転翼の気流（３０１）による水面（２０１）の乱れは、ドローン（１００）機体の直下ではなく後方（進行方向の反対側）に生じる。超音波送受信機（１０３）による水面までの距離測定はドローン（１００）機体の直下で行なわれるため、水面の乱れによる影響を受けない。たとえば、ローターの半径が７０cmのドローン（１００）が水面から３メートルの高度を毎秒５メートルの速度で飛行するという典型的な条件下では、水面との距離の測定が水面の乱れにより影響を受けないことが発明者による実験により明らかになっている。この理由により、本願発明に係る水深測定は、ドローン（１００）が定常速度（たとえば、毎秒約５メートル）で飛行している時のみに実施し、ホバリング時または低速（たとえば、毎秒約３メートル以下）での飛行時には実施しないような制御を行なうことが望ましい。なお、ドローン（１００）は進行方向前方の回転翼の回転速度よりも、進行方向後方の回転翼の回転速度を速めることで移動するため、移動中には機体に進行方向前方が低くなるような傾きが生じる。そのため、本願発明に係るドローン（１００）にはジャイロセンサー等の機体の傾きを計測できる手段を設け、距離を測定・保存するプログラム等において、超音波送受信機（１０３）および赤外線送受信機（１０４）で測定された距離を補正することが好ましい。

ＲＴＫ−ＧＰＳなどの正確な自機位置測定手段を備えたドローン（１００）を使用することにより、圃場上空でドローン（１００）をくまなく飛行させることが可能である。したがって、本願発明に係る水深測定用ドローン（１００）により圃場全域の水深を容易に測定できる。なお、水深測定と並行して薬剤散布や圃場の作物撮影等の作業を行なわせてもよい。測定した圃場全域の水深はドローン（１００）本体、または、ドローン（１００）と接続された機器のメモリーに保存し、水深管理作業の入力とすることが好ましい。

（本願発明による技術的に顕著な効果）
本願発明により、多数の水深計を使用することなく、圃場全域の水深を効率的かつ正確に測定可能である。また、水深測定において、ドローンの回転翼による気流の影響を最小化することが可能である。

Claims (21)

1. 圃場の水面までの距離を測定する第１のセンサーと、
   前記圃場の地面までの距離を測定する第２のセンサーと、
   第１のセンサーにより測定された第１の距離と第２のセンサーにより測定された第２の距離との差を取ることで機体下方にある地点の水深を測定する制御手段とを備えた無人飛行体であって、
   前記制御手段がさらに機体速度測定手段を有し、
   機体が所定の速度以上で飛行中の場合に前記機体直下にある地点の水面までの距離と地面までの距離とを測定し、
   前記機体が前記所定の速度未満の速度で飛行中またはホバリング中の場合には前記機体直下にある地点の水面までの距離と地面までの距離の測定を行わない、
   無人飛行体。
2. 前記制御手段がさらに傾きセンサーを備え、前記機体の傾きに応じて測定した距離を補正する、請求項１に記載の無人飛行体。
3. 前記第１のセンサーは超音波送受信機である、請求項１、または、請求項２に記載の無人飛行体。
4. 前記超音波送受信機は１００ＫＨｚから４００ＫＨｚの周波数を使用する、請求項３に記載の無人飛行体。
5. 前記制御手段がさらに温度センサーを備え、前記温度センサーが測定した気温に応じて、
   第１の距離の測定における音速の値を調整する、請求項３または請求項４に記載の無人飛行体。
6. 前記第２のセンサーは赤外線送受信機、または、マイクロ波送受信機である、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または、請求項５に記載の無人飛行体。
7. 前記傾きセンサーがジャイロセンサーにより構成される、請求項２に記載の無人飛行体。
8. 第１のセンサーにより、無人飛行体が所定の速度以上で飛行中の場合にのみ、前記無人飛行体から圃場の水面までの第１の距離を測定するステップと、
   第２のセンサーにより、前記無人飛行体が前記所定の速度以上で飛行中の場合にのみ、前記無人飛行体から前記圃場の地面までの第２の距離を測定するステップと、
   前記第１の距離と前記第２の距離の差を取ることで前記無人飛行体下方にある地点の水深を測定するステップとを含む、
   圃場水深計測方法。
9. さらに、傾きセンサーにより、前記無人飛行体の傾きを測定するステップと、
   測定された前記機体の傾きに応じて前記測定された距離を補正するステップとを含む、請求項８に記載の圃場水深計測方法。
10. 前記第１のセンサーは超音波送受信機である、請求項８、または、請求項９に記載の圃場水深計測方法。
11. 前記超音波送受信機は１００ＫＨｚから４００ＫＨｚの周波数を使用する、請求項１０に記載の圃場水深計測方法。
12. さらに、温度センサーにより気温を測定するステップと、
    前記温度センサーが測定した気温に応じて、距離測定における音速の値を調整するステップとを含む、
    請求項１０、または、請求項１１に記載の圃場水深計測方法。
13. 前記第２のセンサーは赤外線送受信機、または、マイクロ波送受信機である、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、または、請求項１２に記載の圃場水深計測方法。
14. 前記傾きセンサーは、ジャイロセンサーにより構成される、
    請求項９に記載の圃場水深計測方法。
15. 第１のセンサーにより、無人飛行体が所定の速度以上で飛行中の場合にのみ、前記無人飛行体から圃場の水面までの第１の距離を測定する命令群と、
    第２のセンサーにより、前記無人飛行体が所定の速度以上で飛行中の場合にのみ、前記無人飛行体から前記圃場の地面までの第２の距離を測定する命令群と、
    前記第１の距離と前記第２の距離の差を取ることで前記無人飛行体下方にある地点の水深を測定する命令群とを
    コンピューターに実行させる圃場水深計測プログラム
16. さらに、傾きセンサーにより、前記無人飛行体の傾きを測定する命令群と、
    測定された前記機体の傾きに応じて前記測定された距離を補正する命令群とをコンピューターに実行させる、
    請求項１５に記載の圃場水深計測プログラム。
17. 前記第１のセンサーは超音波送受信機である、請求項１５、または、請求項１６に記載の圃場水深計測プログラム。
18. 前記超音波送受信機は１００ＫＨｚから４００ＫＨｚの周波数を使用する、
    請求項１７に記載の圃場水深計測プログラム。
19. さらに、温度センサーにより気温を測定する命令群と、
    前記温度センサーが測定した気温に応じて、距離測定における音速の値を調整する命令群とをコンピューターに実行させる、
    請求項１７、または、請求項１８に記載の圃場水深計測プログラム。
20. 前記第２のセンサーは赤外線送受信機、または、マイクロ波送受信機である、請求項１５、請求項１６、請求項１７、請求項１８、または、請求項１９に記載の圃場水深計測プログラム。
21. 前記傾きセンサーは、ジャイロセンサーにより構成される、
    請求項１６に記載の圃場水深計測プログラム。

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