JP7073462B2

JP7073462B2 - 圃場管理装置

Info

Publication number: JP7073462B2
Application number: JP2020158982A
Authority: JP
Inventors: 英樹三谷; 昌紀奥山
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-05-23
Anticipated expiration: 2038-03-22
Also published as: JP2021006045A

Description

この発明は、圃場管理装置に関する。

特許文献１には、圃場での農作物の生育状況を小領域毎に把握するために、圃場マップ上で圃場を複数の小領域、例えば一辺が数ｍの正方形の領域に分割し、小領域毎に育成状況および作業状況の管理を図る営農手法が開示されている。

特開２０１７－１０２９２４号公報

一般的に、圃場内には、作物を生育させるための複数の細長矩形状の作物生育領域が、ストライプ状に形成されている。作物生育領域の代表的な例として、畝や条を挙げることができる。農作業時には、作業車両は、圃場内の作物生育領域に沿って移動しながら農作業を行う。したがって、圃場を作業車両の移動方向に沿った複数の小領域に分割して管理することができれば、作業車両の作業方向と管理領域の配置方向とが合致するので、作物の栽培管理を行いやすくなる。

この発明の目的は、圃場内における作業車両の主たる移動方向に沿って、圃場を小領域に分割して管理することが可能となる圃場管理装置を提供することである。

この発明による情報取得装置は、手動操向操作を行うための操舵手段を有する作業車両が、搭乗しているユーザの手動操向操作により圃場内を作業しつつ走行している間に測定された前記作業車両の時刻毎の位置情報に基づいて、前記作業車両の主たる移動方向である主移動方向を決定する主移動方向決定部と、前記主移動方向決定部によって決定された主移動方向に平行な第１仮想直線と、前記第１仮想直線に直交する第２仮想直線とを用いて、前記圃場の領域を複数の矩形状の管理領域に分割し、前記各管理領域を特定するための特定情報を生成する情報生成部を備える。

この構成では、圃場内における作業車両の主たる移動方向に沿って、圃場を小領域に分割して管理することが可能となる。これにより、作業車両の作業方向と管理領域の配置方向とを合致させることが可能となるので、作物の栽培管理を行いやすくなる。
この発明の一実施形態では、前記作業車両の時刻毎の位置情報に基づいて、前記各位置情報に対応する位置での前記作業車両の移動方向を算出する移動方向算出部を備え、主移動方向決定部は、前記移動方向算出部によって算出された各位置情報に対応する移動方向に基づいて、主移動方向を決定するように構成されている。

この発明の一実施形態では、前記圃場内には作物を生育させるための複数の細長矩形状の作物生育領域がストライプ状に形成されており、前記主移動方向が前記作物生育領域の延びる方向である。この構成では、作物生育領域の延びる方向に沿って、圃場を小領域に分割して管理することが可能となる。

図１は、この発明の一実施形態に係る圃場管理装置が適用された圃場管理システムの構成を示す模式図である。図２は、主としてトラクタを示す側面図である。図３は、図２の平面図である。図４は、圃場内でトラクタがサトウキビの植付作業を行う様子を説明するための模式図である。図５は、トラクタおよび管理サーバの電気的構成を示すブロック図である。図６Ａは、圃場分割処理部によって実行される圃場分割処理の手順の一部を示すフローチャートである。図６Ｂは、圃場分割処理部によって実行される圃場分割処理の手順の一部を示すフローチャートである。図７は、図６ＡのステップＳ１の処理を説明するための模式図である。図８は、図６ＡのステップＳ３によって算出された確率密度関数の一例を示すグラフである。図９は、図６ＡのステップＳ６の処理を説明するための模式図である。図１０は、図６ＢのステップＳ８の処理を説明するための模式図である。図１１は、図６ＢのステップＳ９の処理を説明するための模式図である。

以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この発明の一実施形態に係る圃場管理装置が適用された圃場管理システムの構成を示す模式図である。圃場管理システム１は、作業車両としてのトラクタ１１に搭載された通信端末２と、圃場管理装置としての管理サーバ３とを含む。トラクタ１１には作業機１３が装着されている。通信端末２は、通信網５を介して、管理サーバ３と通信可能である。

通信端末２は、測位衛星６を利用してトラクタ１１の位置を測位する機能を備えている。通信端末２は、位置情報および可動情報を管理サーバ３に送信する。管理サーバ３は、管理センター４内に設けられている。管理サーバ３は、通信端末２から送信されてきた位置情報および可動情報を受信する。管理サーバ３は、受信した位置情報および可動情報を記憶部に記憶する。

図２は、主としてトラクタ１１を示す側面図である。図３は、図２の平面図である。トラクタ１１は、圃場内を走行する車体部としての走行機体１２を備えている。走行機体１２には、例えば、植付機、耕耘機、プラウ、施肥機、草刈機、播種機等の種々の作業機を選択して装着することができるようになっている。トラクタ１１の走行機体１２は、図２に示すように、その前部が左右１対の前輪１７で支持され、その後部が左右１対の後輪１８で支持されている。

走行機体１２の前部にはボンネット１９が配置されている。本実施形態では、このボンネット１９内に、トラクタ１１の駆動源であるエンジン２０、燃料タンク（図示略）等が収容されている。このエンジン２０は、例えばディーゼルエンジンにより構成することができるが、これに限るものではなく、例えばガソリンエンジンにより構成してもよい。また、駆動源として、エンジン２０に代えてまたは加えて電気モータを採用してもよい。

ボンネット１９の後方には、ユーザが搭乗するためのキャビン２１が配置されている。このキャビン２１の内部には、ユーザが操向操作するためのステアリングハンドル２２、ユーザが着座可能な座席２３、通信端末２、各種の操作を行うための様々な操作装置等が配置されている。通信端末２は、キャビン２１の屋根１５の下面に固定された端末支持部１６に、着脱可能に装着されている。なお、トラクタ１１は、キャビン２１付きのものに限られず、キャビン２１を備えていない構成であってもよい。

図２に示すように、走行機体１２の下部には、トラクタ１１のシャーシ３０が設けられている。シャーシ３０は、機体フレーム３１、トランスミッション３２、フロントアクスル３３、リアアクスル３４等から構成されている。機体フレーム３１は、トラクタ１１の前部における支持部であって、直接または防振部材等を介してエンジン２０を支持している。トランスミッション３２は、エンジン２０からの動力を変化させてフロントアクスル３３およびリアアクスル３４に伝達する。フロントアクスル３３は、トランスミッション３２から入力された動力を前輪１７に伝達する。リアアクスル３４は、トランスミッション３２から入力された動力を後輪１８に伝達する。

この実施形態においては、走行機体１２には、作業機１３としてサトウキビを植付けるためのサトウキビ植付機が装着されている。サトウキビ植付機の構成は公知なので、説明の便宜上、サトウキビ植付機の具体的な構成の図示は省略する。なお、サトウキビ植付機としては、例えば、特開２０１７-１９２３２７号公報に開示されているサトウキビ植付機（サトウキビ移植機）を用いることができる。特開２０１７-１９２３２７号公報に開示されているサトウキビ植付機は、圃場に溝を形成するための作溝部、サトウキビ苗を切断して種キビを作成する切断部、種キビを溝内に落下させるガイド部、種キビに覆土する覆土部、サトウキビ苗を切断部に投入させる作業者が着座する座席等を備えている。サトウキビ植付機には、トラクタ１１のエンジン２０の駆動力の一部が図示しないＰＴＯ軸を介して伝達されるようになっている。

図４は、圃場内でトラクタ１１がサトウキビの植付作業を行う様子を説明するための模式図である。トラクタ１１は、手動運転によって走行されてもよいし、自動運転によって走行されてもよい。圃場Ｆ内には、作物を生育させるための複数の細長矩形状の作物生育領域Ｌが、ストライプ状に形成されている。作物生育領域Ｌの両端のうち、図４の下側の端部を手前側端といい、図４の上側の端部を奥側端ということにする。

トラクタ１１は、前側の左右の車輪１７および後側の左右の車輪１８がそれぞれ作物生育領域Ｌを挟むような姿勢で、作物生育領域Ｌに沿って移動しながらサトウキビの植付作業を行う。トラクタ１１は、例えば、最も左側の作物生育領域Ｌに対して手前側から奥側端に向かって走行する。そして、当該作物生育領域Ｌの奥側端に到達すると、トラクタ１１は、進行方向に向かって右方向に旋回して、右隣りの作物生育領域Ｌの奥側端に移動する。

次に、トラクタ１１は、当該作物生育領域Ｌを奥側端から手前側に向かって走行する。そして、当該作物生育領域Ｌの手前端に到達すると、トラクタ１１は、進行方向に向かって左向に旋回して、右隣りの作物生育領域Ｌの手前端に移動する。このような走行動作が繰り返し行われる。したがって、トラクタ１１の移動経路は、一般的には、図４に破線で示すように、つづら折り状となる。

図５は、トラクタ１１および管理サーバ３の電気的構成を示すブロック図である。トラクタ１１は、トラクタ制御装置１０と、トラクタ１１に搭載された通信端末２とを含む。トラクタ制御装置１０には、走行機体１２の動作（前進、後進、停止、旋回等の動作）と、作業機１３の動作とを制御する。トラクタ制御装置１０は、トラクタ１１の各部を制御するための複数のコントローラ（図示略）が電気的に接続されている。複数のコントローラは、エンジン２０の回転数等を制御するエンジンコントローラ、トラクタ１１の車速を制御する車速コントローラ、トラクタ１１の前輪１７の転舵角を制御する操向コントローラ、ＰＴＯ軸の回転を制御するＰＴＯ軸コントローラ等を含む。

トラクタ制御装置１０は、稼働情報を所定時間毎に通信端末２に与える。稼働情報には、エンジン回転数、排気温度、アクセルの操作状態、ブレーキの操作状態等が含まれる。通信端末２は、制御部４０を備えている。制御部４０には、位置検出部５１、通信部５２、操作表示部５３、操作部５４、記憶部５５等が接続されている。位置検出部５１は、衛星測位システムに基づいてトラクタ１１（通信端末２）の位置情報を算出する。衛星測位システムは、例えば、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）である。具体的には、位置検出部５１は、複数の測位衛星６（図１参照）からの衛星信号を受信して、トラクタ１１の位置情報を検出する。位置情報は、例えば、緯度、経度および高度情報と、当該位置情報が取得された時刻情報とからなる。この実施形態では、説明の便宜上、位置情報は、緯度情報および経度情報と時刻情報とからなるものとする。記憶部５５には、位置情報記憶部５６、稼働情報記憶部５７等が設けられている。

通信部５２は、制御部４０が通信網５（図１参照）を介して管理サーバ３と通信するための通信インタフェースである。操作表示部５３は、例えば、タッチパネル式ディスプレイからなる。操作部５４は、例えば、１または複数の操作ボタンを含む。記憶部５５は、不揮発性メモリ等の記憶デバイスから構成されている。制御部４０は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）４１を備えたマイクロコンピュータを含む。制御部４０は、情報取得処理部４２を含んでいる。情報取得処理部４２は、位置検出部５１によって算出される位置情報を取得して位置情報記憶部５６に記憶する。そして、情報取得処理部４２は、位置情報記憶部５６に記憶された位置情報を、リアルタイムにまたは所定のタイミングで管理サーバ３に送信する。

また、情報取得処理部４２は、トラクタ制御装置１０から与えられる稼働情報を取得して稼働情報記憶部５７に記憶する。そして、情報取得処理部４２は、稼働情報記憶部５７に記憶された稼働情報を、リアルタイムにまたは所定のタイミングで管理サーバ３に送信する。管理サーバ３は、制御部６０を備えている。制御部６０には、通信部７１、操作表示部７２、操作部７３、記憶部７４等が接続されている。通信部７１は、制御部６０が通信網５を介して通信端末２と通信するための通信インタフェースである。操作表示部７２は、例えば、タッチパネル式ディスプレイからなる。操作部７３は、例えば、キーボード、マウス等を含む。記憶部７４は、ハードディスク、不揮発性メモリ等の記憶デバイスから構成されている。

記憶部７４には、位置情報記憶部７５、稼働情報記憶部７６、圃場情報記憶部７７等が設けられている。位置情報記憶部７５には、通信端末２から受信した位置情報が記憶される。稼働情報記憶部７６には、通信端末２から受信した稼働情報が記憶される。圃場情報記憶部７７には、圃場に関する情報（圃場情報）が記憶される。制御部６０は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）６１を備えたマイクロコンピュータを含む。制御部６０は、情報記憶処理部６２と、圃場分割処理部６３とを含む。情報記憶処理部６２は、通信端末２から位置情報を受信したときに、受信した位置情報を位置情報記憶部７５に記憶する。また、情報記憶処理部６２は、通信端末２から稼働情報を受信したときに、受信した稼働情報を稼働情報記憶部７６に記憶する。

圃場分割処理部６３は、サトウキビの植付作業が行われた圃場Ｆを複数の管理領域に分割するための圃場分割処理を行う。以下において、圃場分割処理を行おうとしている圃場Ｆを「処理対象圃場Ｆ」といい、処理対象圃場Ｆに対してサトウキビの植付作業が行われている間に、位置検出部５１によって検出されたトラクタ１１の時刻毎の位置情報を「処理対象データ」ということにする。位置情報記憶部７５には、処理対象データが記憶されているものとする。

圃場分割処理部６３は、移動方向算出部８１と、主移動方向決定部８２と、情報生成部８３とを含む。移動方向算出部８１は、処理対象データ内の各位置情報に対応する位置でのトラクタ１１の移動方向を算出する。主移動方向決定部８２は、
移動方向算出部によって算出された全ての位置情報に対応する移動方向に基づいて、トラクタ１１の主たる移動方向である主移動方向を決定する。

情報生成部８３は、主移動方向決定部によって決定された主移動方向に平行な第１仮想直線と、第１仮想直線に直交する第２仮想直線とを用いて、処理対象圃場Ｆの領域を複数の矩形状の管理領域に分割し、各管理領域を特定するための特定情報を生成する。以下、移動方向算出部８１、主移動方向決定部８２および情報生成部８３の動作の詳細について詳しく説明する。

図６Ａおよび図６Ｂは、圃場分割処理部６３によって実行される圃場分割処理の手順を示すフローチャートである。まず、圃場分割処理部６３内の移動方向算出部８１は、処理対象データに含まれている経緯度座標系（地理座標系）の各位置情報（経度，緯度）を、第１平面座標系の位置情報（Ｘ方向距離，Ｙ方向距離）に変換する（ステップＳ１）。

第１平面座標系は、例えば、図７に示すように、所定位置を原点Ｏとし、原点Ｏを通りかつ東西方向に延びる直線をＸ軸とし、原点Ｏを通りかつ南北方向に延びる直線をＹ軸とする座標系である。Ｙ軸の正方向が北とされ、Ｘ軸の正方向が東とされているものとする。図７において、Ｆは、処理対象圃場を示している。図７において、Ｓは、植付作業時のトラクタ１１の移動軌跡を模式的に表したものである。この移動軌跡は、ステップＳ１による座標変換後の各位置情報を時刻順に結ぶことによって得られる曲線である。図７においては、移動軌跡は簡素化して描かれており、実際の移動軌跡には図７に示される移動軌跡よりも複雑である。また、図７の例では、説明の便宜上、処理対象圃場Ｆの形状を矩形としているが、処理対象圃場Ｆの形状は矩形以外の形状であってもよい。

次に、移動方向算出部８１は、座標変換後の各位置情報に対応する位置でのトラクタ１１の移動方向を算出する（ステップＳ２）。ある位置情報に対応する位置でのトラクタ１１の移動方向は、例えば、次のように算出される。第１平面座標系において、ある位置情報を注目位置情報とし、注目位置情報に対して時間的に１回前に取得された位置情報の座標を（ｘ１，ｙ１）とし、注目位置情報の座標を（ｘ２，ｙ２）とすると、注目位置情報に対応する位置の移動方向（移動方向角）θは、次式（１）に基づいて算出される。

θ＝tan^－１｛（ｙ２－ｙ１｝／（ｘ２－ｘ１）） …（１）移動方向角θは、－９０度から＋９０度の範囲内の値をとる。次に、圃場分割処理部６３内の主移動方向決定部８２は、全ての位置情報に対応する移動方向に基づいて、これらの移動方向の分布の確率密度関数を算出する（ステップＳ３）。

具体的には、主移動方向決定部８２は、カーネル密度推定によって、移動方向の分布の確率密度関数（カーネル密度関数）を算出する。図８は、ステップＳ３によって算出された確率密度関数の一例を示すグラフである。このグラフは、移動方向の分布のヒストグラムを滑らかにしたような曲線となる。なお、図８のグラフは、図７の移動軌跡に正確に対応するものではない。

次に、主移動方向決定部８２は、確率密度関数のピークを検出する（ステップＳ４）。そして、主移動方向決定部８２は、検出されたピークのうち、ピーク高さが最も大きいピークに対応する移動方向θをトラクタ１１の主移動方向として決定する（ステップＳ５）。図８の例では、主移動方向は５０度となる。次に、圃場分割処理部６３内の情報生成部８３は、図９に示すように、所定の位置情報に対応する点を原点Ｏ’とし、原点Ｏ’を通りかつトラクタ１１の主移動方向と平行な直線を第１軸とし、原点Ｏ’を通りかつ第１軸と直交する直線を第２軸とする第２平面座標系を設定する（ステップＳ６）。

図９の例では、位置情報に対応する位置のうち最も西側にある点が、第２平面座標系の原点Ｏ’として設定されている。また、第１軸がＹ’軸に設定され、第２軸がＸ’軸として設定されている。次に、情報生成部８３は、第１平面座標系の各位置情報を、第２平面座標系の位置情報に座標変換する（ステップＳ７）。

次に、情報生成部８３は、図１０に示すように、第２平面座標系において、Ｘ’座標値の最小値ｘ’minおよび最大値ｘ’maxならびにＹ’座標値の最小値ｙ’minおよび最大値ｙ’maxから、処理対象圃場Ｆに近似する矩形領域Ｅを生成する（ステップＳ８）。具体的には、情報生成部６３Ｃは、点ａ（ｘ’min，ｙ’min）と、点ｂ（ｘ’min，ｙ’max）と、点ｃ（ｘ’max，ｙ’max ）と、点ｄ（ｘ’max，ｙ’min）とを頂点とする矩形領域Ｅを、処理対象圃場Ｆに近似する矩形領域として生成する。

次に、情報生成部８３は、第２平面座標系において、主移動方向に平行な第１仮想線と、第１仮想線に直交する第２仮想線とを用いて、矩形領域Ｓを複数の矩形状の管理領域ｅに分割する（ステップＳ９）。例えば、情報生成部８３は、図１１に示すように、矩形領域Ｓに対して、所定の第１間隔をおきに複数の第１仮想線Ｋ１を設定するとともに、所定の第２間隔おきに第２仮想線Ｋ２を設定することにより、矩形領域Ｓ内に、これらの仮想線によって区画された複数の管理領域ｅを設定する。

次に、情報生成部８３は、各管理領域ｅを特定するための特定情報を生成し、処理対象圃場Ｆに対する圃場情報として圃場情報記憶部７７内に記憶する（ステップＳ１０）。具体的には、情報生成部８３は、各管理領域ｅの４頂点の第２平面座標系での座標値を、経緯度座標系の座標値に変換する。そして、情報生成部６３Ｃは、各管理領域ｅの４頂点の経緯度座標系の座標値を、処理対象圃場Ｆに対する圃場情報として、圃場情報記憶部７７内に記憶する。

上記実施形態では、移動方向算出部８１は、処理対象データに含まれている経緯度座標系の各位置情報を第１平面座標系の位置情報に変換しているが（図６ＡのステップＳ１参照）、処理対象データに含まれている経緯度座標系の各位置情報を第１平面座標系の位置情報に変換しなくてもよい。その場合には、ステップＳ１の処理は省略される。その場合、ステップＳ２では、次のようにして、各位置情報に対応する位置でのトラクタ１１の移動方向が算出される。経緯度座標系において、ある位置情報を注目位置情報とし、注目位置情報に対して時間的に１回前に取得された位置情報の経度および緯度を（λ１，φ１）とし、注目位置情報の経度および緯度を（λ２，φ２）とすると、注目位置情報に対応する位置の移動方向（移動方向角）θは、次式（２）に基づいて算出される。

θ＝tan^－１｛（φ２－φ１｝／（λ２－λ１）） …（２）ステップＳ３以降の処理は、図６のステップＳ３以降の処理と同様である。前述の実施形態では、圃場Ｆ内におけるトラクタ１１の主たる移動方向に沿って、圃場Ｆを小領域に分割して管理することが可能となる。これにより、トラクタ１１の作業方向と管理領域の配置方向とを合致させることが可能となるので、作物の栽培管理を行いやすくなる。

以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。例えば、前述の実施形態では、通信端末２に用いられている測位システムとして、ＧＮＳＳの単独測位システムが用いられているが、ＲＴＫ－ＧＮＳＳ（リアルタイム・キネマティクＧＮＳＳ）等のような単独測位システム以外の測位システムを用いてもよい。

前述の実施形態では、作業車両はトラクタであるが、作業車両は、田植え機、コンバイン、土木・建設作業装置、除雪車、乗用型作業機、歩行型作業機等であってもよい。その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１圃場管理システム２通信端末３管理サーバ（圃場管理装置）１０トラクタ制御装置１１トラクタ（作業車両）６０制御部６１メモリ６２情報記憶処理部６３圃場分割処理部８１移動方向算出部８２主移動方向決定部８３情報生成部

Claims

手動操向操作を行うための操舵手段と農作業を行う作業部とを有する作業車両が、ユーザの手動操向操作により圃場内を走行しつつ前記作業部に農作業を実行させている間に測定された前記作業車両の時刻毎の位置情報に基づいて、前記作業車両の主たる移動方向であって前記圃場について唯一の主移動方向を決定する主移動方向決定部と、
前記主移動方向決定部によって決定された主移動方向に平行な第１仮想直線と、前記第１仮想直線に直交する第２仮想直線とを用いて、前記圃場の領域を複数の矩形状の管理領域に分割し、前記各管理領域を特定するための特定情報を生成する情報生成部と
を備える圃場管理装置。
前記作業車両の時刻毎の位置情報に基づいて、前記各位置情報に対応する位置での前記作業車両の移動方向を算出する移動方向算出部を備え、
主移動方向決定部は、前記移動方向算出部によって算出された各位置情報に対応する移動方向に基づいて、主移動方向を決定することを特徴とする請求項１に記載の圃場管理装置。
前記圃場内には作物を生育させるための複数の細長矩形状の作物生育領域がストライプ状に形成されており、前記主移動方向が前記作物生育領域の延びる方向である、請求項１または２に記載の圃場管理装置。