JP6906959B2

JP6906959B2 - ドローンを使用した肥料散布方法

Info

Publication number: JP6906959B2
Application number: JP2017003705A
Authority: JP
Inventors: 與明鳥潟; 和光工藤; 友樹佐藤
Original assignee: TOKO TEKKO CO.,LTD.
Current assignee: TOKO TEKKO CO.,LTD.
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: JP2018111429A

Description

本発明は、肥料などの薬剤を所定の散布領域内にムラなく一様に、且つ効率的に散布することができるドローンを使用した肥料散布方法に関する。

マルチローター機（通称、ドローンという。）は、シングルロータ型の無人ヘリコプターと比較して機構が簡単で、複数ローターを駆動するモータの回転数制御のみで飛行が可能であり、しかも製作が容易であることから多方面の分野に利用されている。そして、このドローンを使用して所定の領域に農薬などの薬剤を空中散布することが行われている（特許文献１を参照）。

従来、構造がシンプルなマルチコプターを使用して、農薬などの薬剤を所定の散布領域内にムラなく一様に、且つ効率的に散布することができるマルチローター型ヘリコプター及びこれを使用した薬剤の空中散布方法が知られている（特許文献２を参照）。

この公知技術は、機体の左右にそれぞれ併設された複数のローターの外側にそれぞれローターを配置し、これら複数のローターの直下に薬剤を散布するノズルを各々配置して、薬剤が幅広な面状に散布されるように構成したものである。

この公知技術によれば、複数の散布装置の配置方向がマルチコプターの進行方向と直交する向きとなるように機体を制御し、散布領域の一側の端部に沿ってマルチコプターを飛行させつつ薬剤を散布し、散布領域の他端まで薬剤を散布したならば、散布領域の中央にマルチコプターを移動させ、手前側の端部までマルチコプターを飛行させつつ薬剤を散布することで、散布領域内の広い面積内に薬剤を散布することが可能である。
しかし、前記公知技術は、散布領域全体に均等に散布することを主眼としており、散布領域内の稲の生育状況に応じた散布量の制御は行われていなかった。

実用新案登録第３２０４５０５号公報特許第５８９０５６９号公報

本発明は、肥料などの薬剤を所定の散布領域内の各散布区画単位に稲の生育状況に応じた散布量及び散布パターンの制御による肥料散布方法（散布高度、散布量、散布速度）を提供することを目的とする。

本発明のドローンを使用した肥料散布方法は、農地空撮用ドローンを使用して撮影した近赤外線画像を散布区画幅の行列を作成し、ドローンの飛行高度から決定される散布幅により散布区画幅毎に平均化して画像を得、この画像を基にＮＤＶＩにより画像の散布計画画面を得、最も効果的な追肥時期を予測した上で、散布量の計算を行い、必要な散布区画幅毎の散布量、散布パターンＡ〜Ｇ、散布速度を決定し、農薬散布用ドローンで散布区画幅毎のパターンＡ〜Ｇのいずれか一つのパターンで散布を実施し、散布領域全体にわたるタンパク質含有量の平準化を行う。

本発明のドローンを使用した肥料散布方法は、農地空撮用ドローンを使用して撮影した近赤外線画像より散布区画幅の行列を作成し、更に散布区画幅毎に平均化して画像を得、この画像を基にＮＤＶＩにより画像の散布計画画面を得、最も効果的な追肥時期を予測した上で、農薬散布用ドローンの飛行高度から決定される散布幅により散布区画幅毎のパターンＡ〜Ｇのいずれか一つのパターンで散布を実施し、タンパク質含有量の平準化を行うため、散布業務の自動化による作業の軽減化を図ることができ、且つ経験、勘からの脱却を図ることができる。
また、本発明のドローンを使用した肥料散布方法は、農地空撮用ドローンを使用して撮影した近赤外線画像より散布区画幅の行列を作成し、更にドローンの飛行高度から決定される散布幅により散布区画幅毎に平均化して画像を得、この画像を基にＮＤＶＩにより画像の散布計画画面を得、最も効果的な追肥時期を予測した上で、散布量の計算を行い必要な散布区画幅毎の散布量、散布パターンＡ〜Ｇ、散布速度を決定し、農薬散布用ドローンで散布区画幅毎のパターンＡ〜Ｇのいずれか一つのパターンで散布を実施し、散布領域全体のタンパク質含有量の平準化を行うため、おいしい米作り（タンパク均質化）ブランド化や肥料、農薬の節約を図ることができる。

本発明のドローンを使用した肥料散布方法に利用できるドローンの（ａ）正面図、（ｂ）平面図である。ドローンの機器接続概念図である。散布区画幅平均化画像から散布計画散布区画幅画像の作成過程を示すメッシュ作成画面図である。ドローンの液剤散布の飛行高度による散布幅の説明図である。ドローンの液剤散布パターンの種類に関する説明図である。ドローンの粒剤散布パターンの種類に関する説明図である。地域別施肥基準表(サンプル例)である。

本発明のドローンを使用した肥料散布装置の一実施例を添付図面に基づいて、以下に説明する。
図１の（ａ）正面図、（ｂ）平面図に示すように、農地空撮用及び農薬散布用ドローン６は、自動航行を制御する制御部（図示省略）を備えた機枠本体１と、該機枠本体１から水平放射状に伸びた複数本のロータアーム２と、該ロータアーム２の先端に固定された電動モータ３と、該電動モータ３に接続されたプロペラ４と、前記機枠本体１から左右側下方に伸びた複数個の脚５と、前記機枠本体１の下面に薬剤タンクやカメラなどの積載物７を着脱自在に保持する保持機構８を備える。
なお、前記保持機構８の具体的な構造は、前記特許文献１（実用新案登録第３２０４５０５号公報）に詳細に述べられている。

図２の機器接続概念図に示すように、前記制御部は、自動航行プログラムにより制御を行うフライトコントローラと各プロペラの回転数を制御する慣性制御装置とを備えた中央処理装置（ＣＰＵ）と、該中央処理装置に接続されたＧＰＳ補正システム、無線通信装置、電源管理装置、補助用慣性制御装置並びに液剤又は粒剤散布装置を制御する機体制御用１ボードＰＣとからなる。
また、ドローンの機体外部機器として、ＧＰＳ補正システム地上局、機体位置表示＆命令指示用ソフトウエアを備えたタブレット型の送信機、テレメトリーを介して機体位置表示＆命令指示用ソフトウエアを制御するＰＣを備えている。

次に、本発明のドローンを使用した肥料散布方法の操作動作を添付図面に基づいて、以下に説明する。
自動航行プログラムにより空撮用ドローンで広範囲の圃場の特殊撮影、すなわち近赤外線カメラ、マルチスペクトルカメラ又はハイパースペクトルカメラでの撮影を行い、近赤外線空撮を行う。
得られた近赤外線空撮画像に標高データを用いて空中写真の歪をなくし、真上から見たような傾きのない画像に変換し、近赤外線画像を作成する。
得られた近赤外線画像からＮＤＶＩ（正規化植生指数）を使用してタンパク質含有量を推定する。
ＮＤＶＩ（正規化植生指数）を分析した画像データを基にタンパク質含有率を散布区画幅で行列を作成する。

図３のメッシュ作成画面図に示すように、農地空撮用ドローンを使用して撮影した近赤外線画像より散布区画幅の行列を作成し、更に散布区画幅毎に平均化して図３の左側画像を得、この画像を基にＮＤＶＩにより図３の右側画像の散布計画画面を得る。
この結果をもとに散布区画ごとに必要な散布量、散布速度、ドローンの散布高度により決定される散布パターンを決定する。

散布量決定後、塗りつぶし区画部分をドローンが自動航行をして散布する。

図４の説明図に示すようにドローンの飛行高度により地上での散布幅は異なるため散布区画幅のサイズにより散布パターンを変える必要がある。

図５の説明図に示すように、液剤散布に関する散布パターンはパターンＡ〜Ｅの５種類で、パターンＡは、ドローンが一定高さで散布しながら散布区画幅を手前端右から左へ移動し、次に手前から奥へ直線的に移動し散布区画幅奥端に至り、左から右へ移動し、再び奥端から直線的に手前端の始動位置へ戻る、ボックス状の自動航行を行う。

パターンＢは、ドローンが一定高さで散布しながら散布区画幅を手前端左から右へ移動し、次に手前から奥へドローンの幅だけ移動し、再び右から左へ移動し、再び手前から奥へドローンの幅だけ移動し、この動作を順次繰り返して散布区画幅奥端に至る、屈曲繰返し状の自動航行を行う。

パターンＣは、ドローンが一定高さで散布しながら散布区画幅を手前端左から上斜め右へドローンの幅だけ移動し、次に右から上斜め左へドローンの幅だけ移動し、これを繰り返して散布区画幅奥へ至り、次に右から下斜め左へドローンの幅だけ移動し、再び左から下斜め右へドローンの幅だけ移動し、この動作を順次繰り返して散布区画幅手前端に至る、ジグザク繰返し状の自動航行を行う。

パターンＤは、ドローンが一定高さで１８０度又は３６０度回転しながら自動で肥料散布の自動航行を行う。

パターンＥは、ドローンが一定高さで進行方向に向かって真っすぐ自動で肥料散布の自動航行を行う。

図６の説明図に示すように、主に粒剤散布に関する散布パターンはパターンＦ、Ｇの２種類で、パターンＦは、ドローンが一定高さで左に約３０度まで機首を向けながら秒速１〜２mで前進し、次に機首を右に約６０度まで右に向けながら秒速１〜２mで前進し、さらに機首を左に６０度まで向けながら前進する。この動作を繰り返して散布区画幅端まで前進しながら散布する自動航行を行う。

パターンＧは、主に粒剤散布に関する散布パターンで、ドローンの散布幅が散布区画幅に概ね等しい場合にはドローンが一定高さで散布区画幅端までまっすぐ前進しながら散布する自動航行を行う。

散布量の決定については、図７の「地域別施肥基準表(サンプル例)」に示す基準表の内容をプログラム化されたものとして使用する。この基準表は都道府県の農業行政機関が年度別に刊行しているデータを使用した内容となっている。一例として青森県が発行した基準表について以下の通り説明を行う。例として基準表の最上位欄の「青森県津軽中央」（地域大区分）、「山間冷涼地域」（地域小区分）、「泥炭・黒泥」（土壌類型別）圃場の追肥量の算定を行う。
この土地の窒素の年間施肥量は１０a当たり５kgである。ただし、多くの圃場では田植え時期の施肥量は年間施肥量の７０%程度であるので、田植え時施肥量は当初施肥量欄の記載の通り１０a当たり３．５kgである。ドローンの空撮によるＮＤＶＩの結果、ある散布区画のレベルが「Level2」と判定された場合は、表より追肥量が１０ａ当たり１．０５ｋｇであることがわかる。これを１a(１０m×１０m)当たりの追肥量で再計算すると０．１０５kgとなるので散布区画が５m×５mの場合、面積は１/４であるので、０．１０５kg÷４=０．0２６２５となり、約２６gの追肥量であることが判明する。このデータ及び計算式をプログラム化して追肥計画を作成し、追肥散布ドローンに指示することで追肥量及び散布速度が決定される。さらに、ドローンの飛行高度及び散布幅により散布幅４mのドローンの場合には、５m×５m幅に均等に散布しなければならない。
また、この追肥に使用する薬剤が液剤の場合と粒剤の場合では散布パターンが異なるので以下のような基準で散布パターンを決定する。
ａ)液剤の場合(表１；ドローンの散布幅４m、散布区画５mの場合)の例(パターンの設定及び散布速度は変更可能)

ｂ)液剤の場合(表２；ドローンの散布幅５m、散布区画５mの場合)の例(パターンの設定及び散布速度は変更可能)

ｃ)粒剤の場合(表３；ドローンの散布幅４m、散布区画５mの場合)の例(パターンの設定及び散布速度は変更可能)

ｄ)粒剤の場合(表４；ドローンの散布幅５m、散布区画５mの場合)の例(パターンの設定及び散布速度は変更可能)

最も効果的な追肥時期を予測した上で、農薬散布用ドローンで散布区画幅毎の前記パターンＡ〜Ｇのいずれか一つのパターンで散布を実施し、タンパク質含有量の平準化を行う。
散布効果を確認するために再度空撮用ドローンで特殊撮影、すなわち近赤外線カメラ、マルチスペクトルカメラ又はハイパースペクトルカメラでの撮影を行い、近赤外線画像を得、稲の食味予測と収量予測を得る。

１機枠本体
２ロータアーム
３電動モータ
４プロペラ
５脚
６農地空撮用及び農薬散布用ドローン
７積載物
８保持機構

Claims

農地空撮用ドローンを使用して撮影した近赤外線画像より散布区画幅の行列を作成し、更に散布区画幅毎に平均化して画像を得、この画像を基にＮＤＶＩにより画像の散布計画画面を得、最も効果的な追肥時期を予測した上で、ドローンの飛行高度から決定される散布幅により散布区画幅ごとに施肥基準表に基づき必要な散布パターン、散布量及び散布速度を求め、農薬散布用ドローンで散布区画幅毎にボックス状のパターンＡ、屈曲繰返し状のパターンＢ、ジグザク繰返し状のパターンＣ、１８０度又は３６０度回転のパターンＤ、真っすぐのパターンＥ、粒剤散布における機首を左右交互に６０度まで向けるパターンＦ、粒剤散布におけるまっすぐ前進するパターンＧのいずれか一つの散布パターンで散布を実施し、タンパク質含有量の平準化を行うことを特徴とするドローンを使用した肥料散布方法。
前記パターンＡは、ドローンが一定の高さで散布しながら散布区画幅を手前端右から左へ移動し、次に手前から奥へ直線的に移動し散布区画幅奥端に至り、左から右へ移動し、再び奥端から直線的に手前端の始動位置へ戻る、ボックス状の自動航行を行うことを特徴とする請求項１記載のドローンを使用した肥料散布方法。
前記パターンＢは、ドローンが一定の高さで散布しながら散布区画幅を手前端左から右へ移動し、次に手前から奥へドローンの幅だけ移動し、再び右から左へ移動し、再び手前から奥へドローンの幅だけ移動し、この動作を順次繰り返して散布区画幅奥端に至る、屈曲繰返し状の自動航行を行うことを特徴とする請求項１記載のドローンを使用した肥料散布方法。
前記パターンＣは、ドローンが一定の高さで散布しながら散布区画幅を手前端左から上斜め右へドローンの幅だけ移動し、次に右から上斜め左へドローンの幅だけ移動し、これを繰り返して散布区画幅奥へ至り、次に右から下斜め左へドローンの幅だけ移動し、再び左から下斜め右へドローンの幅だけ移動し、この動作を順次繰り返して散布区画幅手前端に至る、ジグザク繰返し状の自動航行を行うことを特徴とする請求項１記載のドローンを使用した肥料散布方法。
前記パターンＤは、ドローンが一定の高さで１８０度又は３６０度回転しながら自動で散布を行うことを特徴とする請求項１記載のドローンを使用した肥料散布方法。
前記パターンＥは、ドローンが一定の高さで進行方向に向かって真っすぐ自動で散布を行うことを特徴とする請求項１記載のドローンを使用した肥料散布方法。
前記パターンＦは、主に粒剤散布に関する散布パターンで、ドローンが一定の高さで左に約３０度まで機首を向けながら秒速１〜２mで前進し、次に機首を右に約６０度まで右に向けながら秒速１〜２mで前進し、さらに機首を左に６０度まで向けながら前進する、この動作を繰り返して散布区画幅端まで前進しながら散布する自動航行を行うことを特徴とする請求項１記載のドローンを使用した肥料散布方法。
前記パターンＧは、主に粒剤散布に関する散布パターンで、ドローンが一定の高さで散布区画幅端までまっすぐ前進しながら散布することを特徴とする請求項１記載のドローンを使用した肥料散布方法。