WO2017175804A1

WO2017175804A1 - 無人飛行体による薬剤散布方法、プログラム、および、装置

Info

Publication number: WO2017175804A1
Application number: PCT/JP2017/014272
Authority: WO
Inventors: 柳下洋
Original assignee: 株式会社ナイルワークス
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2017-10-12
Also published as: JP6842190B2; JPWO2017175804A1

Abstract

【課題】狭く入り組んだ地形の農地においても正確な薬剤散布を行なうドローンの飛行制御方法を提供する。【解決策】農地の境界線頂点または農地内に一つ以上の基準点ポールを設置し、カメラを備えたドローンを薬剤散布対象農地を俯瞰できる位高度まで上昇させて農地全体を撮影することで農地マップを作成し、基準点ポールからのＧＰＳ信号の搬送波の位相差から算出した基準点ポールからの正確な距離に基づいて、農地内に正確な薬剤散布を実現できるようにする。

Description

無人飛行体による薬剤散布方法、プログラム、および、装置

本願発明は、無人飛行体（ドローン）を用いた農薬などの薬剤散布の方法、プログラム、および、装置、特に複雑な形状の狭い農地でも正確な散布が可能な方法、プログラム、および、装置に関する。

一般にドローンと呼ばれる遠隔操縦型小型無人ヘリコプターの応用が進んでいる。その応用分野のひとつとして農地（圃場）への農薬や液肥などの薬剤散布が挙げられる（たとえば、特許文献１）。欧米と比較して農地が広くない日本においては、有人の飛行機やヘリコプターではなく、ドローンの使用が適しているケースが多い。

ドローンによる薬剤散布は、日本において典型的な狭く複雑な地形の農地でも効率的かつ正確に薬剤散布を行なえるという長所がある。しかし、この長所を最大限に発揮するためには、ドローンの飛行制御を正確に行なう必要がある。飛行制御の正確性が不十分であり、たとえば、隣接する無農薬栽培の農地や住宅の庭に本来散布してはならない農薬を散布してしまうと大きな問題になる。また、農薬や肥料の重複散布や散布漏れが発生して生育状況に差ができてしまうと、規格外作物として商品流通できない、商品の等級が下がるといった問題が生じ得る。

ドローンの位置制御に一般的に使用されているＧＰＳによる絶対位置測位（たとえば、特許文献１）は数メートルの精度のため正確な薬剤散布のためには不十分であった。また、農地の形状は、作付け状態や生育状況により変化するため、固定的な地図に基づいた飛行制御では限界があるという問題もあった。ＧＰＳ搬送波の位相差を使用して基準点からの相対位置を正確に知る技術（ＲＴＫ－ＧＰＳ）が知られているが（たとえば、特許文献２）、相対位置の情報だけでは薬剤散布すべき領域を完全に把握することはできなかった。

特許公開公報　特開２００１－１２０１５１特許公開公報　特願平１０－１７０６２９

複雑な農地にも対応可能な、ドローンによる正確な薬剤散布装置と方法を提供する。

本願発明は、カメラを備えた薬剤撒布用無人飛行体の飛行制御方法であって、前記無人飛行体を薬剤撒布対象圃場の全体を前記カメラで撮影可能な高度にまで上昇させる第一のステップと、前記カメラによって撮影した映像に基づいて対象圃場の境界線の地図を作成する第二のステップと、前記無人飛行体を薬剤散布に適した高度にまで下降させる第三のステップと、前記地図にしたがって前記無人飛行体に薬剤散布を行なわせる第四のステップとを含む飛行制御方法を提供することで前記課題を解決する。

また、本願発明は、前記第二のステップは、前記薬剤撒布対象圃場に設置された一つ以上の基準点ポールの色を識別するステップをさらに含む、段落０００７に記載の飛行制御方法を提供することで前記課題を解決する。

また、本願発明は、前記第四のステップは、ＧＰＳ搬送波の位相に基づき測定された前記基準点ポールからの相対位置に基づいて前記無人飛行体の位置を把握するステップをさらに含む段落０００８に記載の飛行制御方法を提供することで前記課題を解決する。

また、本願発明は、カメラを備えた薬剤撒布用無人飛行体の飛行制御プログラムであって、前記無人飛行体を薬剤撒布対象農地の全体を前記カメラで撮影可能な高度にまで上昇させる第一の手順と、前記カメラによって撮影した映像に基づいて対象農地の境界線の地図を作成する第二の手順と、前記無人飛行体を薬剤散布に適した高度にまで下降させる第三の手順と、前記地図にしたがって前記無人飛行体に薬剤散布を行なわせる第四の手順とをコンピューターに実行させる飛行制御プログラムを提供することで前記課題を解決する。

また、本願発明は、前記第二の手順は、前記薬剤撒布対象圃場に設置された一つ以上の基準点ポールの色を識別する手順をさらにコンピューターに実行させる段落００１０に記載の飛行制御プログラムを提供することで前記課題を解決する。

また、本願発明は、前記第四の手順は、ＧＰＳ搬送波の位相に基づき測定された前記基準点ポールからの相対位置に基づいて前記無人飛行体の位置を把握する手順をさらにコンピューターに実行させる段落００１１に記載の飛行制御プログラムを提供することで前記課題を解決する。

また、本願発明は、薬剤撒布機能とカメラとを備えた無人飛行体を含む薬剤散布装置であって、前記薬剤散布装置は、圃場マップ保存手段と制御機能とを備え、前記制御機能が、前記無人飛行体を薬剤撒布対象圃場の全体を前記カメラで撮影可能な高度にまで上昇させ、前記カメラに前記薬剤撒布対象圃場の全体を撮影させ、撮影した前記薬剤撒布対象圃場の全体を前記圃場マップ保存手段に保存し、前記無人飛行体に前記圃場マップ保存手段に保存された情報に基づいて薬剤散布を行なわせる薬剤散布装置を提供することで前記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、ひとつ以上の基準点ポールを含み、前記制御機能が、前記カメラに前記基準点ポールの色を認識させる、段落００１３に記載の薬剤散布装置を提供することで前記課題を解決する。

また、本願発明は、前記制御機能が、ＧＰＳ搬送波の位相に基づき測定された前記基準点ポールからの相対位置に基づいて前記無人飛行体の位置を把握する段落００１４に記載の薬剤散布装置を提供することで前記課題を解決する。

日本において典型的な複雑な形状の農地においても、また、農地の形状が変化する場合においても、正確な薬剤散布を実現可能になる。

本願発明に係る薬剤散布システムの第一の実施例の全体図である。本願発明に係る薬剤散布システムを構成するドローンの機能構成の例である。本願発明に係る薬剤散布システムを構成する基準点ポールの機能構成の例である。本願発明に係る薬剤散布システムにおけるＧＰＳ位相差を使用した正確な相対位置計測の仕組みを表わす図である。本願発明の第一の実施例に係る薬剤散布の方法を示す図である。本願発明の第二の実施例に係る薬剤散布の方法を示す図である。

図１に本願発明に係る薬剤散布装置の第一の実施例の全体図を示す（図は概念図であり縮尺は正確ではない）。図１－ａは正面図（水平方向から見た図）であり、図１－ｂは平面図（上空から見た図）である。ドローン（１０１）は薬剤散布を行なうための無人飛行体である。なお、一般に、ドローンとは複数の回転翼を持つ無線操縦型の小型無人ヘリコプター（マルチコプター）を指すことが多いが、本願明細書では無人の飛行体の総称として使用する。すなわち、機体の大きさ、回転翼の数、飛行方式（プロペラ、ジェットエンジン等）、自律型であるか遠隔操縦型であるか、有線操縦であるか無線操縦であるか等にかかわらず、無人飛行体の総称としてドローンという名称を使用することとする。また、ドローンが散布する薬剤には、農薬、殺虫剤、液肥、水等、空中から地上に向けて散布可能な任意の液体・粉体が含まれるものとする。基準点ポール（１０２）は、圃場（１０４）の境界線上または基準となる位置に設置される機器であり、ドローン（１０１）が自身の正確な位置を把握するための基準点を提供する役割を果たす。境界線ポール（１０３）は、圃場（１０４）の境界線上の頂点にあたる部分に置かれた機器であり、ドローン（１０１）が上空から圃場（１０４）の形状を把握できるようにする役割を果たす。操縦器（１０５）は、通常は無線によってドローン（１０１）を人間（オペレーター）が操縦するための機器であり、一般的なスマートフォンやタブレット端末を使用することが望ましい。

図２に本願発明に係る薬剤散布装置のドローン（１０１）が備える機能構成の例を示す。制御手段（２０１）は、プログラムからの指令に従ってドローン（１０１）の水平位置と高度を制御すると共に他の構成要素を制御する構成要素であり、典型的には組み込み機器向けの小型コンピューターと関連ソフトウェアにより実現される。通信手段（２０２）は操縦器（１０５）との無線または有線の通信により、制御手段（２０１）にドローン（１０１）操縦の指令を提供し、また、ドローン（１０１）の状態（電池の残量等）やカメラ（２０５）で撮影した画像を操縦器（１０５）に送信する等の処理を行なうと共に、基準点ポール（１０２）との通信を提供する構成要素であり、典型的には無線ＬＡＮ関連のハードウェアとソフトウェアにより実現される。薬剤散布機能（２０３）は、タンク、ノズル、および、ポンプ等から成る構成要素であり、制御機能（２０１）からの指令にしたがって圃場（１０４）への薬剤散布を行なう構成要素である。薬剤散布手段（２０３）は、常時薬剤を散布するのではなく、制御機能（２０１）からの指令を受けた時のみ薬剤を散布する構造となっていることが望ましい。ＧＰＳ信号受信手段（２０４）は、通常は受信機とアンテナから構成され、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、搬送波の位相差の情報を利用して基準点ポール（１０２）に対するドローン（１０１）の正確な相対位置を把握するための手段である。また、実施例によっては衛星からのＧＰＳ信号を受信してドローン（１０１）の絶対位置を知るためにも使用される。カメラ（２０５）は、圃場（１０４）を撮影し、その形状を把握するための機器である。圃場マップ保存手段（２０６）は、カメラ（２０５）により圃場（１０４）を撮影した画像を保存して、薬剤散布の対象地域を把握するための手段である。圃場マップ保存手段（２０６）は、制御手段（２０１）を構成するコンピューターのメモリー上にあってもよいし、操縦器（１０４）のメモリー上にあってもよいし、その両方に分散されてあってもよいし、他のコンピューター上にあってもよい。プロペラ等の飛行手段や姿勢安定手段はドローン（１０１）における一般的技術であるため特に図示していない。

図３に、本願発明に係る薬剤散布システムを構成する基準点ポール（１０２）の機能の例を示す。基準点ポール（１０２）はカメラ（２０５）で上空から撮影した画像において、画像処理によって容易に識別が可能な色（典型的には農地の緑と補色関係にある色）から成る部分（識別マーカー（３０１））を上面に備えていることが望ましい。また、基準点ポール（１０２）を農地の境界線（特に頂点にあたる位置）に設置する取り決めとしてもよい。ＧＰＳ受信機能（３０２）は、ＧＰＳ搬送波を受信する手段である。ＧＰＳ信号送信機能（３０３）は、無線ＬＡＮなどの手段によってドローン（１０１）に対して、受信したＧＰＳ信号を再送信する手段である。ドローン（１０１）の制御手段（２０１）は、ドローン（１０１）自身が受信したＧＰＳ信号と基準点ポール（１０２）のＧＰＳ受信機能（３０２）とＧＰＳ信号再送信機能（３０３）とを経由して受信したＧＰＳ信号の位相差を検知することで、次段落に示す方法で、自身と基準点ポール（１０２）の距離を正確に知ることができる。境界線ポール（１０３）は識別マーカー（３０１）に相当する部分（ただし、基準点ポール（１０２）とは色が異なることが望ましい）のみを有する機器である。同じ機器をスイッチの設定等によって基準点ポール（１０２）と境界線ポール（１０３）に切り替えて使用できるようにしてもよい。

図４に、本願発明に係る薬剤散布システムにおけるＧＰＳ位相差を使用した正確な相対位置計測の仕組みを示す。図は概念図であって縮尺は正確ではない。ドローン（１０１）および基準点ポール（１０２）は、複数のＧＰＳ衛星（４０１－１、および、４０１－２）からの送信信号（４０２）を受信する。送信信号（４０２）の位相差を測定することにより三角測量の原理によってドローン（１０１）と基準点ポール（１０２）の間の相対座標（４０３）をセンチメートル単位で測定できる。

図５に、本願発明に係る薬剤散布システムの第一の実施例における農地マップ作成の方法の例を示す。この例では基準点ポール（１０２）を圃場（１０４）の境界線の頂点のひとつに置く取り決めとしているが、基準点ポール（１０２）は圃場（１０４）内外の任意の場所に置いてよい。ドローン（１０１）または操縦器（１０５）に内蔵された飛行制御コンピューター・プログラムにより、ドローン（１０１）は以下のように制御される。ドローン（１０１）が起動され、飛行を開始すると、最初に圃場（１０４）全体を俯瞰できる高度にまで上昇し、そこでホバリングし、カメラ（２０５）によって圃場（１０４）全体を撮影し、画像を分析して得られた結果を農地マップ保存手段（２０６）に保存する（図５－ａ（正面図））。基準点ポール（１０２）と境界線ポール（１０３）は識別マーカー（３０１）により上空から容易に画像認識できることから、圃場（１０４）の境界線の相対的位置がわかり、圃場（１０４）の形状を容易に把握できる。また、圃場（１０４）内における基準点ポール（１０２）の位置もわかる。第一の実施例では、圃場（１０４）の形状を事前に知らなくても、動的にマップを構築できるが、たとえば航空地図から得られた圃場（１０４）のおおよその形状を事前に保存しておき、上空からの撮影画像の画像認識で得られた基準点ポール（１０２）と境界線ポール（１０３）の位置と照合することでより正確な圃場（１０４）の形状を把握できるようにしてもよい。

ドローン（１０１）が、十分な高度にまで上昇すれば一般的な画角のカメラ（２０５）であっても圃場（１０４）全体を撮影することが可能である。代替の方法として、ドローン（１０１）が、上空の複数の位置間を移動し、カメラ（２０５）によって複数の画像を撮影して、画像処理により当該複数の画像を組み合わせてひとつの圃場マップを構成できるようにしてもよい（このように複数の画像をつなぎ合わせる技術は公知である）。撮影時の水平方向の位置は基準点ポール（１０２）と境界線ポール（１０３）の画像認識（たとえば、所定数のポールが認識される位置に移動し、そこでホバリングする）によって、あるいは、ＧＰＳなどの絶対位置把握手段によってドローン（１０１）の制御手段（２０１）が自律的に決定するようにしてもよいし、操縦器（１０５）を使用して、操作者が操縦器（１０５）に表示されるカメラ（２０５）の映像を見ながらドローン（１０１）を操縦することで、手作業で決定してもよい。

同様に、撮影時の垂直方向の位置（高さ）は、カメラ（２０５）の画像に基づきドローン（１０１）の制御手段（２０１）が自律的に決定するようにしてもよい（たとえば、所定の数のポールが認識されるまで高度を高める）し、操縦器（１０５）の操作者が送信されたカメラ（２０５）画像を見ながら決定してもよい。事前に圃場のおおよその形状と絶対位置がわかっている場合には、圃場全体をカメラ（２０５）で俯瞰できるおおよその高度まで上昇するよう制御手段（２０１）のプログラム・ロジックで計算できるようにしてもよい。

圃場マップの保存が終了すると、図５－ｂ（正面図）に示すように、ドローン（１０１）を薬剤散布に適した高度まで下降させる。圃場マップにより薬剤を散布すべき農地の形状は明らかになっており、また、図４に示したようにＧＰＳ搬送波位相に基づいて各基準点ポール（１０２）からの相対位置を正確に知ることができることから、図５－ｃ（平面図）に示すように、複雑な農地の形状であっても無駄なく、かつ、漏れなく飛行して薬剤の散布を行なうことができ、農地の外への薬剤散布を防ぐことができる。ここで、農地の境界線上に近い位置では薬剤散布の量を減少、あるい、停止させるよう薬剤散布機能（２０３）のノズルを制御することで、農地外への薬剤散布量を最小化するようにしてもよい。

図６に、本願発明に係る薬剤散布システムの第二の実施例における薬剤散布方法の例を示す。第二の実施例と第一の実施例の基本的な考え方は同一であるが、第一の実施例では圃場（１０４）の境界線の頂点にあたる位置に複数の境界線ポール（１０３）（および、場合によっては基準点ポール（１０２））を設置するのに対して、第二の実施例では境界線ポール（１０３）を使用せず、かつ、農地内外の任意の位置に基準点ポール（１０２）を置く点が異なる（図６－ａ）。農地境界線の頂点上にポールを設置することが困難な場合には、第二の実施例が有効である。第二の実施例では、事前に地図情報等に基づいた農地マップが作成され、保存されていることが前提である。第二の実施例では、第一の実施例と同様にドローン（１０１）を圃場全体を俯瞰できる高度まで上昇させる（図５－ａと同様）。一般に圃場と圃場外とでは上空から撮影した画像における色相・彩度・明度が大きく異なるため、圃場の境界線は、カメラ（２０５）の画像を画像処理することで識別可能である。事前に保存してある圃場マップと画像処理の結果とを照合することで、圃場内における基準点ポール（１０２）の相対的位置が明らかになり、以降は図５－ｂおよび図５－ｃと同様にして、ドローン（１０１）を薬剤散布に適した高度まで降下させ、正確な薬剤散布を行なうことが可能になる。基準点ポール（１０２）からの相対位置はセンチメートル単位で測定可能であるため、ＧＰＳの絶対位置情報のみに基づいた従来型の方法と比較して正確な薬剤散布が可能である。もし、事前に設定した圃場マップと現状の圃場の形状に多少相違がある場合でも、画像認識により把握した現状の圃場の境界線に基づいて正確な薬剤散布を行なうことができる。

本願発明に係る薬剤散布システムの第三の実施例では、第二の実施例に加えて、ドローン（１０１）が高度を変化させながら、圃場（１０４）の境界線をより正確に把握する。一般に、圃場を撮影する場合には、どの角度から撮影するかにより画像の状態が異なる。たとえば、水平方向に近い角度から撮影すると、苗が画像の大部分を占めるため緑一色に近い画像が撮影される。一方、垂直方向に近い角度から撮影すると水や地面の占める部分が多くなるため黒に近い画像が撮影される。ドローン（１０１）を高い位置から段階的に下降させていきながら、カメラ（２０５）によって圃場（１０４）を撮影していくことで、最も明確に農地の境界線を把握できるポイントを探し出すことができる。最も明確に農地の境界線を把握できるポイントとは、事前に保存した圃場マップの境界線と画像認識により得られた境界線との一致度が最も高くなるポイントである。画像認識により最も現状に近い農地マップが得られた後は、図５－ｂおよび図５－ｃと同様にして正確な薬剤散布を行なうことができる。もし、事前に設定した圃場マップと現状の圃場の形状に多少の相違がある場合でも、画像認識により把握した現状の圃場の境界線に基づいて正確な薬剤散布を行なうことができる。

（本願発明による技術的に顕著な効果）
本願発明の第一の実施例では、事前に圃場の地形・位置情報が入手できていなくても、散布対象地域を動的に把握することができ、ＧＰＳによる絶対測位だけでは実現不可能であったセンチメートル単位での薬剤散布が可能になる。本願発明の第二の実施例および第三の実施例では、事前にある程度正確な圃場マップを保存しておくことを前提にして、ひとつの基準点ポールを農地内に設置するだけで、ＧＰＳによる絶対測位だけでは実現不可能であったセンチメートル単位での正確な薬剤散布が可能になる。ここで、事前に保存してあった圃場マップと現状の圃場の形状に多少相違がある場合でも、画像認識により把握した現状の圃場の境界線に基づいて正確な薬剤散布を行なうことができる。

Claims

カメラを備えた薬剤撒布用無人飛行体の飛行制御方法であって、
前記無人飛行体を薬剤撒布対象圃場の全体を前記カメラで撮影可能な高度にまで上昇させる第一のステップと、
前記カメラによって撮影した映像に基づいて前記薬剤撒布対象圃場の境界線の地図を作成する第二のステップと、
前記無人飛行体を薬剤散布に適した高度にまで下降させる第三のステップと、
前記地図にしたがって前記無人飛行体に薬剤散布を行なわせる第四のステップとを
含む飛行制御方法。
前記第二のステップは、前記薬剤撒布対象圃場に設置されたポールの色を識別するステップをさらに含む、
請求項１に記載の飛行制御方法。
前記第四のステップは、ＧＰＳ搬送波の位相に基づき測定された前記ポールからの相対位置に基づいて前記無人飛行体の位置を把握するステップをさらに含む
請求項２に記載の飛行制御方法。
カメラを備えた薬剤撒布用無人飛行体の飛行制御プログラムであって、
前記無人飛行体を薬剤撒布対象圃場の全体を前記カメラで撮影可能な高度にまで上昇させる第一の手順と、
前記カメラによって撮影した映像に基づいて前記薬剤撒布対象圃場の境界線の地図を作成する第二の手順と、
前記無人飛行体を薬剤散布に適した高度にまで下降させる第三の手順と、
前記地図にしたがって前記無人飛行体に薬剤散布を行なわせる第四の手順とを
コンピューターに実行させる飛行制御プログラム。
前記第二の手順は、前記薬剤撒布対象農地に設置されたポールの色を識別する手順をさらにコンピューターに実行させる
請求項４に記載の飛行制御プログラム。
前記第四の手順は、ＧＰＳ搬送波の位相に基づき測定された前記ポールからの相対位置に基づいて前記無人飛行体の位置を把握する手順をさらにコンピューターに実行させる
請求項５に記載の飛行制御プログラム。
薬剤撒布機能とカメラとを備えた無人飛行体を含む薬剤散布装置であって、
前記薬剤散布装置は、圃場マップ保存手段と制御機能とを備え、
前記制御機能が、前記無人飛行体を薬剤撒布対象圃場の全体を前記カメラで撮影可能な高度にまで上昇させ、
前記カメラに前記薬剤撒布対圃場の全体を撮影させ、
撮影した前記薬剤撒布対象圃場の画像から得られた地図をを前記圃場マップ保存手段に保存し、
前記無人飛行体に前記地図に基づいて薬剤散布を行なわせる
薬剤散布装置。
さらに、圃場に設置されたポールを含み、
前記制御機能が、前記画像中のポールの色を認識する、
請求項７に記載の薬剤散布装置。
さらに、前記制御機能が、ＧＰＳ搬送波の位相に基づき測定された前記ポールからの相対位置に基づいて前記無人飛行体の位置を把握する
請求項８に記載の薬剤散布装置。