WO2019189929A1 - 薬剤散布用ドローン - Google Patents

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WO2019189929A1
WO2019189929A1 PCT/JP2019/014466 JP2019014466W WO2019189929A1 WO 2019189929 A1 WO2019189929 A1 WO 2019189929A1 JP 2019014466 W JP2019014466 W JP 2019014466W WO 2019189929 A1 WO2019189929 A1 WO 2019189929A1
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WO
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drug
rotor blades
medicine
spraying
spray nozzles
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/014466
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English (en)
French (fr)
Inventor
千大 和氣
洋 柳下
Original Assignee
株式会社ナイルワークス
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20—Rotors; Rotor supports
    • B64U30/29—Constructional aspects of rotors or rotor supports; Arrangements thereof
    • B64U30/299—Rotor guards
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01M—CATCHING, TRAPPING OR SCARING OF ANIMALS; APPARATUS FOR THE DESTRUCTION OF NOXIOUS ANIMALS OR NOXIOUS PLANTS
    • A01M7/00—Special adaptations or arrangements of liquid-spraying apparatus for purposes covered by this subclass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C13/00—Control systems or transmitting systems for actuating flying-control surfaces, lift-increasing flaps, air brakes, or spoilers
    • B64C13/02—Initiating means
    • B64C13/16—Initiating means actuated automatically, e.g. responsive to gust detectors
    • B64C13/18—Initiating means actuated automatically, e.g. responsive to gust detectors using automatic pilot
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENTS OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D1/00—Dropping, ejecting, releasing, or receiving articles, liquids, or the like, in flight
    • B64D1/16—Dropping or releasing powdered, liquid, or gaseous matter, e.g. for fire-fighting
    • B64D1/18—Dropping or releasing powdered, liquid, or gaseous matter, e.g. for fire-fighting by spraying, e.g. insecticides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/10—Rotorcrafts
    • B64U10/13—Flying platforms
    • B64U10/14—Flying platforms with four distinct rotor axes, e.g. quadcopters

Definitions

  • the present invention relates to an unmanned aerial vehicle (drone) for spraying chemicals such as agricultural chemicals, and more particularly to an unmanned aerial vehicle capable of minimizing the scattering of a drug to the outside of a field even in a narrow field having a complicated shape.
  • drone unmanned aerial vehicle
  • the drone can know the absolute position of its own aircraft in centimeters while flying. Even in farmland with a narrow and complex terrain typical in Japan, it is possible to fly autonomously with a minimum of manual maneuvering, and to disperse medicines efficiently and accurately.
  • a drug spraying drone unmanned aerial vehicle that minimizes drug scattering outside the field.
  • the invention of the present application is an unmanned flying object for spraying medicine comprising a plurality of medicine spraying nozzles, a plurality of rotor blades, and airframe control means, wherein at least one of the plurality of medicine spraying nozzles is at least one of the plurality of rotor blades.
  • the aircraft control means is disposed below, and the aircraft control means provides the unmanned vehicle for spraying medicines that adjusts the flight speed or altitude of the aircraft according to the rotational speed of at least one of the plurality of rotor blades. Solve the problem.
  • the invention of the present application is an unmanned flying object for drug distribution comprising a plurality of drug spray nozzles, a plurality of rotor blades, and a medicine discharge amount adjusting means, wherein at least one of the plurality of drug spray nozzles is the plurality of rotor blades.
  • the medicine discharge amount adjusting means adjusts the medicine discharge amount according to at least one rotational speed of the plurality of rotary blades.
  • the invention of the present application is an unmanned flying object for drug distribution comprising a plurality of drug spray nozzles, a plurality of rotor blades, and a drug spray nozzle position adjusting means, wherein at least one of the plurality of drug spray nozzles is the plurality of rotations.
  • An unmanned agent for spraying a medicine which is arranged below at least one of the blades, and wherein the medicine spray nozzle position adjusting means adjusts the position or orientation of the medicine spray nozzle according to the number of rotations of at least one of the plurality of rotor blades.
  • the invention of the present application is an unmanned air vehicle for spraying medicine comprising a plurality of medicine spraying nozzles, a plurality of rotor blades, airframe weight measuring means, and airframe control means, wherein at least one of the plurality of medicine spraying nozzles is the plurality of medicine spraying nozzles.
  • An unmanned air vehicle for spraying medicine wherein the airframe control means adjusts the flight speed or altitude of the airframe according to the airframe weight measured by the airframe weight measuring means.
  • the invention of the present application is an unmanned air vehicle for drug distribution comprising a plurality of drug spray nozzles, a plurality of rotor blades, a body weight measuring unit, and a drug discharge amount adjusting unit, wherein at least one of the plurality of drug spray nozzles is An unmanned flying object for spraying medicine is disposed below at least one of the plurality of rotor blades, and the medicine discharge amount adjusting means adjusts the medicine discharge amount according to the body weight measured by the body weight measuring means.
  • the invention of the present application is an unmanned air vehicle for drug distribution comprising a plurality of drug spray nozzles, a plurality of rotor blades, an airframe weight measuring means, and a drug spray nozzle position adjusting means, wherein at least one of the plurality of drug spray nozzles. Is disposed below at least one of the plurality of rotor blades, and the drug spray nozzle position adjusting means adjusts the position or orientation of the drug spray nozzle according to the machine weight measured by the machine weight measuring means.
  • the above problem is solved by providing an unmanned air vehicle for spraying medicine.
  • the invention of the present application is an unmanned air vehicle for drug distribution comprising a plurality of drug spray nozzles, a plurality of rotor blades, a body speed measuring means, and a drug discharge amount adjusting means, wherein at least one of the plurality of drug spray nozzles is An unmanned flying object for spraying medicine is arranged below at least one of the plurality of rotor blades, and the medicine discharge amount adjusting means adjusts the medicine discharge amount according to the body speed measured by the body speed measuring means.
  • the invention of the present application is an unmanned flying object for spraying medicine comprising a plurality of medicine spraying nozzles, a plurality of rotor blades, and a medicine discharge amount adjusting means, and is positioned above and below the plurality of rotor blades and opposite to each other.
  • a set of rotating blades rotating in a direction constitutes a counter rotating blade, and at least one of the plurality of chemical spray nozzles is disposed below the counter rotating blade, and the rotating blade above the counter rotating blade.
  • Paragraph 0007 relates to Paragraph 0007, Paragraph 0008, Paragraph 0009, and Paragraph 0010, each of which includes a propeller guard including a peripheral portion including a rigid member and an upper and lower portion including a mesh-like member made of fiber or wire.
  • Paragraph 0011, Paragraph 0012, Paragraph 0013, or Paragraph 0014 provides an unmanned air vehicle for spraying medicine according to any one of the above problems.
  • the present invention provides paragraphs 0007, paragraph 0008, paragraph 0009, paragraph 0010, paragraph 0011, paragraph 0012 having a propeller guard connected to the main body by a thin plate member whose longitudinal direction of the cross section is arranged substantially perpendicularly.
  • the problem is solved by providing the unmanned air vehicle for spraying medicine according to any one of paragraphs 0013 and 0014.
  • the present invention also includes a plurality of medicine spray nozzles, a plurality of rotor blades, and a body control means, wherein at least one of the plurality of medicine spray nozzles is disposed below at least one of the plurality of rotor blades.
  • a method for controlling an unmanned flying object for spraying the step of acquiring at least one rotation speed of the plurality of rotor blades, and a flight speed of the aircraft, an aircraft flight altitude, and a medicine discharge according to the acquired rotation speed
  • the above problem is solved by providing a method including adjusting the amount or the position or orientation of the medicine nozzle.
  • the invention of the present application is an unmanned flying object for spraying medicine comprising a plurality of medicine spraying nozzles, a plurality of rotor blades, and a medicine discharge amount adjusting means, and is positioned above and below the plurality of rotor blades and opposite to each other.
  • a method of controlling an unmanned vehicle for spraying medicine in which a set of rotating blades rotating in a direction constitutes a counter rotating blade, and at least one of the plurality of drug spraying nozzles is disposed below the counter rotating blade. And when the difference between the rotational speed of the upper rotating blade of the counter rotating blade and the rotational speed of the lower rotating blade exceeds a predetermined value, the step of stopping the spraying of the medicine by the medicine discharge amount adjusting means.
  • the invention of the present application further includes a plurality of drug spray nozzles, a plurality of rotor blades, and an airframe control unit, and at least one of the plurality of drug spray nozzles among the plurality of rotor blades is at least one of the plurality of rotor blades.
  • a program for controlling two unmanned flying vehicles for spraying medicines disposed below, a command for acquiring at least one rotation speed of the plurality of rotor blades, and a flight speed of the aircraft according to the acquired rotation speed The above problem is solved by providing a program for causing a computer to execute an aircraft flight altitude, a medicine discharge amount, or a command for adjusting the position or orientation of a medicine nozzle.
  • the present invention also includes a plurality of medicine spray nozzles, a plurality of rotor blades, and a medicine discharge amount adjusting means, and among the plurality of rotor blades, a set of rotor blades that are positioned vertically and rotate in opposite directions is provided.
  • FIG. 1 is a plan view of an embodiment of the drone (100) according to the present invention
  • FIG. 2 is a front view thereof (viewed from the traveling direction side)
  • FIG. 3 is a right side view thereof.
  • drone refers to power means (electric power, prime mover, etc.) and control method (whether wireless or wired, autonomous flight type or manual control type).
  • power means electric power, prime mover, etc.
  • control method whether wireless or wired, autonomous flight type or manual control type.
  • Rotor blades (101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b) (also called rotor) are used to fly the drone (100) Considering the balance of flight stability, aircraft size, and battery consumption, it is desirable to have 8 aircraft (4 sets of 2-stage rotor blades).
  • the motors (102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 102-4a, 102-4b) are connected to the rotor blades (101-1a, 101-1b, 101-2a). , 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b) (typically an electric motor, but it may be a motor). It is desirable to have one machine.
  • the upper and lower rotors (for example, 101-1a and 101-1b) in one set and their corresponding motors (for example, 102-1a and 102-1b) are used for drone flight stability, etc. It is desirable that the axes are collinear and rotate in opposite directions.
  • the radial member for supporting the propeller guard provided so that the rotor does not interfere with the foreign object is desirably a horizontal structure rather than horizontal. This is to prevent the member from buckling toward the rotor side at the time of collision and interfering with the rotor.
  • the drug nozzles (103-1, 103-2, 103-3, 103-4) are means for spraying the drug downward and are desirably provided in four units.
  • medical agent generally refers to the liquid or powder disperse
  • the medicine tank (104) is a tank for storing the medicine to be sprayed, and is preferably provided at a position close to the center of gravity of the drone (100) and lower than the center of gravity from the viewpoint of weight balance.
  • the drug hose (105-1, 105-2, 105-3, 105-4) connects the drug tank (104) to each drug nozzle (103-1, 103-2, 103-3, 103-4) It is a means to do it, consists of a hard material, and may serve also as the support of the said chemical
  • the pump (106) is a means for discharging the medicine from the nozzle.
  • FIG. 4 shows an overall conceptual diagram of a system using an embodiment of a drone (100) medicine application application according to the present invention.
  • the controller (401) transmits a command to the drone (100) by the operation of the user (402), and information received from the drone (100) (for example, position, drug amount, remaining battery level, camera image, etc.) ), And may be realized by a portable information device such as a general tablet terminal that operates a computer program.
  • the drone (100) according to the present invention is desirably controlled to perform autonomous flight, but it is desirable that manual operation can be performed during basic operations such as takeoff and return, and in an emergency.
  • an emergency operating device (not shown) that has a dedicated emergency stop function may be used (the emergency operating device has a large emergency stop button etc. so that it can respond quickly in an emergency) It is desirable to be a dedicated device with It is desirable that the pilot (401) and the drone (100) perform wireless communication using Wi-Fi or the like.
  • the farm field (403) is a rice field, a field, or the like that is a target for spraying medicine by the drone (100).
  • the topography of the field (403) is complex, and a topographic map may not be obtained in advance, or the topographic map and the situation at the site may be inconsistent.
  • the farm field (403) is adjacent to houses, hospitals, schools, other crop fields, roads, railways, and the like. Further, there may be an obstacle such as a building or an electric wire in the farm field (403).
  • the base station (404) is a device that provides a base unit function of Wi-Fi communication, etc., and preferably functions as an RTK-GPS base station so that it can provide an accurate location of the drone (100).
  • Wi-Fi communication base unit and RTK-GPS base station may be independent devices).
  • the farming cloud (405) is typically a computer group operated on a cloud service and related software, and is desirably wirelessly connected to the controller (401) via a mobile phone line or the like.
  • the farming cloud (405) may analyze the image of the field (403) photographed by the drone (100), grasp the growth state of the crop, and perform processing for determining the flight route. Moreover, you may provide the drone (100) with the topographical information of the agricultural field (403) which was preserve
  • the drone (100) takes off from the landing point (406) outside the field (403) and sprays the medicine on the field (403), or when it is necessary to refill or charge the drug. Return to (406).
  • the flight route (intrusion route) from the landing point (406) to the target field (403) may be stored in advance in the farming cloud (405) or before the user (402) starts taking off. May be entered.
  • the flight controller (501) is a component that controls the entire drone. Specifically, the flight controller (501) may be an embedded computer including a CPU, a memory, related software, and the like.
  • the flight controller (501) receives the motor (102-) via control means such as ESC (Electronic Speed Control) based on the input information received from the pilot (401) and input information obtained from various sensors described below.
  • the flight of the drone (100) is controlled by controlling the rotation speed of 1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 104-a, 104-b).
  • the actual rotation speed of the motor (102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 104-a, 104-b) is fed back to the flight controller (501) and normal It is desirable to have a configuration that can monitor whether or not proper rotation is being performed. Alternatively, a configuration may be adopted in which an optical sensor or the like is provided on the rotor blade (101) and the rotation of the rotor blade (101) is fed back to the flight controller (501).
  • the software used by the flight controller (501) is desirably rewritable through a storage medium or the like for function expansion / change and problem correction, or through communication means such as Wi-Fi communication or USB. In this case, it is desirable to protect by encryption, checksum, electronic signature, virus check software, etc. so that rewriting by illegal software is not performed.
  • a part of the calculation process used by the flight controller (501) for control may be executed by another computer that exists on the pilot (401), the farming cloud (405), or elsewhere. . Since the flight controller (501) is highly important, some or all of the components may be duplicated.
  • the battery (502) is a means for supplying power to the flight controller (501) and other components of the drone, and is preferably rechargeable.
  • the battery (502) is preferably connected to the flight controller (501) via a power supply unit including a fuse or a circuit breaker.
  • the battery (502) is preferably a smart battery having a function of transmitting its internal state (amount of stored electricity, accumulated usage time, etc.) to the flight controller (501) in addition to the power supply function.
  • the flight controller (501) communicates with the pilot (401) via the Wi-Fi cordless handset function (503) and the base station (404), and sends necessary commands from the pilot (401). It is desirable to be able to receive and transmit the necessary information to the pilot (401). In this case, it is desirable to encrypt the communication so that it is possible to prevent illegal acts such as interception, spoofing, and takeover of the device.
  • the base station (404) preferably has an RTK-GPS base station function in addition to a Wi-Fi communication function. By combining the signal from the RTK base station and the signal from the GPS positioning satellite, the GPS module (504) can measure the absolute position of the drone (100) with an accuracy of several centimeters. Since the GPS module (504) is highly important, it is desirable to duplicate or multiplex, and each redundant GPS module (504) is a separate satellite to cope with the failure of a specific GPS satellite. It is desirable to control to use.
  • the acceleration sensor (505) is a means for measuring the acceleration of the drone body (further, means for calculating the speed by integrating the acceleration), and is preferably a 6-axis sensor.
  • the geomagnetic sensor (506) is a means for measuring the direction of the drone body by measuring the geomagnetism.
  • the atmospheric pressure sensor (507) is a means for measuring atmospheric pressure, and can also indirectly measure the altitude of the drone.
  • the laser sensor (508) is a means for measuring the distance between the drone body and the ground surface using the reflection of laser light, and it is desirable to use an IR (infrared) laser.
  • the sonar (509) is a means for measuring the distance between the drone body and the ground surface using reflection of sound waves such as ultrasonic waves.
  • sensors may be selected according to drone cost targets and performance requirements. Further, a gyro sensor (angular velocity sensor) for measuring the inclination of the aircraft, a wind sensor for measuring wind force, and the like may be added. In addition, these sensors are preferably duplexed or multiplexed. If there are multiple sensors for the same purpose, the flight controller (501) may use only one of them, and switch to an alternative sensor when it fails. . Alternatively, a plurality of sensors may be used at the same time, and when each measurement result does not match, it may be considered that a failure has occurred.
  • the flow rate sensor (510) is a means for measuring the flow rate of the medicine, and is preferably provided at a plurality of locations in the path from the medicine tank (104) to the medicine nozzle (103).
  • the liquid shortage sensor (511) is a sensor that detects that the amount of the medicine has become a predetermined amount or less.
  • the multispectral camera (512) is a means for capturing the field (403) and acquiring data for image analysis.
  • the obstacle detection camera (513) is a camera for detecting drone obstacles, and the image characteristics and lens orientation are different from the multispectral camera (512). It is desirable to be.
  • the switch (514) is a means for the user (402) of the drone (100) to make various settings.
  • Obstacle contact sensor (515) detects drone (100), especially when its rotor or propeller guard is in contact with an obstruction such as an electric wire, building, human body, tree, bird, or other drone Sensor.
  • the cover sensor (516) is a sensor that detects that the operation panel of the drone (100) and the cover for internal maintenance are open.
  • the medicine inlet sensor (517) is a sensor that detects that the inlet of the medicine tank (104) is open. These sensors may be selected according to drone cost targets and performance requirements, and may be duplicated or multiplexed.
  • a sensor may be provided in the base station (404), the controller (401), or other location outside the drone (100), and the read information may be transmitted to the drone.
  • a wind sensor may be provided in the base station (404), and information on wind power and wind direction may be transmitted to the drone (100) via Wi-Fi communication.
  • the flight controller (501) transmits a control signal to the pump (106) to adjust the medicine discharge amount and stop the medicine discharge.
  • the current situation for example, the rotational speed
  • the current situation is preferably fed back to the flight controller (501).
  • the LED (517) is a display means for informing the drone operator of the drone status. Display means such as a liquid crystal display may be used instead of or in addition to the LED.
  • the buzzer (518) is an output means for notifying a drone state (particularly an error state) by an audio signal.
  • the Wi-Fi slave function (519) is an optional component for communicating with an external computer or the like for software transfer, for example, separately from the controller (401). In place of or in addition to the Wi-Fi handset function, other wireless communication means such as infrared communication, Bluetooth (registered trademark), ZigBee (registered trademark), NFC, or wired communication means such as USB connection May be used.
  • the speaker (520) is an output means for notifying a drone state (particularly an error state) by using a recorded human voice or synthesized voice. Depending on the weather conditions, it may be difficult to see the visual display of the drone (100) during the flight. In such a case, the situation transmission by voice is effective.
  • the warning light (521) is a display means such as a strobe light for informing the drone state (particularly an error state).
  • FIG. 6 shows a diagram of experimental results showing the principle of the drift reduction effect by the agricultural drone according to the present invention.
  • FIG. 6-a according to the inventors' experiment, under the rotor blade having the two-stage rotor configuration, it is approximately 90% from the position at a distance of approximately 50% of the radius from the center of the rotor blade when viewed from above. It has become clear that there is a cylindrical region where the velocity of the airflow is particularly high before reaching the position.
  • FIG. 6B is a schematic diagram of FIG. 6A
  • the rotary blade (601) is a schematic diagram of the rotary blade described in FIGS. 1, 2, and 3.
  • FIG. 6-c shows a similar experimental result (reference diagram) with a drone having a single-stage rotor configuration, but the cylindrical region where the air velocity is fast is not clear as compared with the case of a two-stage rotor configuration.
  • the altitude at which the airflow reaching the crop is about 7 meters per second (typically about 75 cm from the top of the crop in the field). It is desirable to fly a meter).
  • FIG. 7 shows the principle that the scattering of the medicine can be minimized by the position of the medicine nozzle of the drone according to the present invention, which is clarified by the experiment by the inventor.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the drone shown in FIGS. 1, 2, and 3 (a cross-sectional view taken along a plane passing through the central axis of the rotary blade (701)).
  • the region where the cylindrical air current shown in FIG. 6 has a high velocity is inclined backward in the traveling direction. It is desirable to place the medicine nozzle (702) inside this inclined cylindrical region and on the front side when viewed from the traveling direction.
  • the medicine is efficiently sprayed (while minimizing undesirable scattering) in the downward direction of the drone in the first air flow (703-1) downward in the drone.
  • Some medicine flows backward, but is efficiently sprayed downward in the drone by riding the second air flow (703-2) directed downward in the drone again.
  • using the third air flow (703-3) and the fourth air flow (703-4) it is possible to spray the medicine directly under the drone while minimizing undesirable scattering of the medicine. .
  • the flight controller (501) controls the pump (106) based on the flow rate sensor (510) to keep the medicine discharge amount constant.
  • the medicine discharge amount may be adjusted based on the air temperature measured by the air temperature sensor or the air pressure measured by the air pressure sensor (507).
  • the weight of the drug to be sprayed is about 10 kilograms. Since the weight of the aircraft body is about 20 kilograms, there is a large difference in the weight of the entire aircraft between the start and end of drug spraying. Since the drone (100) supports the entire aircraft with the downward airflow created by the rotor blades (101), when the weight is light, the rotational speed of the rotor blades decreases, and the speed of the airflow downwards accordingly decreases. In addition, the effect of preventing the above-mentioned scattering of the medicine is also reduced.
  • the flight controller (501) has the rotational speed of the rotor blade (101), in particular, the rotor blades (101-2a, 101-2b, 101-4a, It is desirable to constantly measure the rotation speed of 101-4b), and to reduce the amount of medicine ejected from the pump (106), decrease the flight speed, or both in accordance with the decrease in the rotation speed.
  • the rotational speed of the rotor blade (101) cannot be measured directly, it is indicated by a control signal that the flight controller (501) sends to the motor (102) via control means such as ESC (Electronic Speed Control).
  • the rotation number may be regarded as the rotation number of the rotor blade (101) corresponding to the motor (102).
  • the drone (100) tilts the fuselage forward and moves forward by increasing the rotational speed of the rotor blade (101) at the rear in the traveling direction than the rotational speed of the rotor blade (101) at the front in the traveling direction. Therefore, the flight speed can be reduced by reducing the difference between the rotational speed of the rotor blade (101) behind the traveling direction and the rotational speed of the rotor blade (101) ahead of the traveling direction.
  • the flight controller (501) controls the pump (106) to keep the amount of medicine sprayed per unit area of the field (403) constant.
  • the flight speed can be measured by calculating the derivative of the horizontal coordinate of the aircraft using GPS (504).
  • the flight controller (501) may perform control to reduce the flight altitude of the drone (100) instead of or in addition to the control to reduce the flight speed of the drone (100) in the above description. This is because if the flight altitude is low, the influence of the chemical scattering can be reduced and the influence of the decrease in the airflow speed of the rotor blade (101) can be offset. Further, as a structure in which the position and direction of the medicine nozzle (103) can be changed by, for example, a stepping motor, the flight controller (501) lowers the position of the medicine nozzle (103), or turns the direction downward. You may perform control which performs both. This is because if the position of the medicine nozzle (103) is low, the influence of scattering can be similarly reduced. Note that lowering the position of the drug nozzle (103) from the beginning increases air resistance during flight, makes stable landing difficult, and increases the risk of drone contact with obstacles. Since it is not preferable, it is desirable to lower the position of the medicine nozzle (103) as needed during flight.
  • the discharge amount based on the weight of the entire aircraft, the aircraft speed, the aircraft altitude, and the position and orientation of the spray nozzle may be adjusted.
  • the weight is reduced, as with the case where the rotational speed of the rotor blades is reduced, any of the measures of reducing the amount of medicine discharged, reducing the aircraft speed, lowering the aircraft altitude, or lowering the nozzle position It is preferable to do one or more.
  • the thrust T of the motor (102) is determined by the rotational speed of the motor, and the flight controller (501) can measure the rotational speed of the motor, so that the weight of the aircraft can be estimated.
  • the target rotation speed commanded by the flight controller (501) to the motor (102) may be regarded as the motor rotation speed, and the thrust may be estimated therefrom.
  • the weight of the airframe may be estimated by measuring the inclination of the airframe of the drone (100) during uniform horizontal flight.
  • the inclination of the airframe may be directly measured by providing a gyro sensor, or may be estimated by differentiating the measured value of the six-axis acceleration sensor (505) twice.
  • the aircraft's air resistance, gravity, and thrust from the rotor blades are balanced. Air resistance is a function of the aircraft's flight speed, thrust by the rotor blades is a function of the number of revolutions of the motor, and gravity is a function of the weight of the aircraft, so weight is the inclination of the aircraft, the number of revolutions of the motor, If the flight speed is known, it can be estimated.
  • a wind sensor may be provided and the air resistance coefficient may be corrected by the wind force and the wind direction.
  • the level of the drug is measured by the level sensor in the drug tank, and the remaining amount of drug is measured.
  • the weight of the entire aircraft may be estimated by providing a water pressure sensor in the medicine tank and estimating the weight of the medicine in the medicine tank.
  • the upper rotor blade and the lower rotor blade in the two-stage rotor rotate at substantially the same rotational speed (in the opposite direction). It is necessary to be.
  • the difference in rotation speed between the upper rotor blade and the lower rotor blade exceeded the predetermined reference value. If this is detected, it is desirable to control the pump (106) and stop the spraying of medicine even if continuous flight is possible. This is because a sufficient scattering prevention effect may not be exhibited. In this case, it is desirable for the flight controller (501) to display an error message on the pilot (401) and to perform control to quickly return to the departure / arrival point (406).
  • the drone (100) according to the present invention preferably includes a propeller guard. It is desirable that the propeller guard has the safety and strength necessary to prevent a finger insertion accident.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of the first embodiment of the propeller guard used in the drone (100) according to the present invention. This figure is a schematic diagram, and the scale is not accurate. Further, the propeller guard shown in this figure is not shown in FIGS. 1, 2, and 3. FIG. 8 shows only one stage of the rotary blade (801). However, as described above, it is preferable that the rotary blade (801) is actually composed of two stages. Further, members for fixing the motor and the propeller guard to the main body are not shown.
  • Propeller guards especially those that are in contact with the fuselage in order to prevent accidents involving fingers and foreign objects, and to protect important parts such as rotor blades in the event of a collision or crash
  • the portion needs to have a sufficiently fine lattice structure (network structure) maintaining the necessary strength, but on the other hand, it is desirable that the portion does not hinder the above-described scattering prevention effect.
  • the outer peripheral portion (802) of the propeller guard is a member made of a rigid member to ensure the strength at the time of collision, and the upper and lower portions (803) of the rotor (801) are made of a mesh-like member made of fiber or wire. It is good as a structure to do.
  • the lower member of the rotor (801) is not shown in FIG. 8, it is actually desirable that the member be a net-like member made of fiber or wire as in the upper portion.
  • the gap is not wide enough to allow fingers (approximately 15 mm or less) to prevent finger insertion accidents.
  • the outer peripheral part and the upper and lower parts close to the outer peripheral part are positions where the drone (100) is grasped by hand when transporting, so that the gap is not wide enough (for example, approximately 10 mm or less). It is desirable.
  • a propeller guard member on the upper surface particularly a member (901) connected to the entire propeller guard and the fuselage as shown in FIG. 9 (typically a rotor blade (902)
  • the radial support member (903) that connects to the member on the central axis of the plate is not a round wire or a square rod, but a strip (flat plate) shape, maintaining the strength and keeping the air flow downward May be arranged so that the longitudinal direction is in the vertical direction.
  • the support member (903) is also provided in front of the drawing and below the rotor blade (902).
  • the member of the outer peripheral part of a propeller guard is not shown. Although it is desirable that two rotor blades (902) are actually provided, only one is shown.
  • the gap between the support members (903) may be protected by a net-like member as shown in FIG. Moreover, you may arrange

Abstract

【課題】圃場外への好ましくない薬剤飛散を最小化した薬剤散布用ドローン（無人飛行体）を提供する。 【解決策】ローターの下降気流を積極的に利用して、目的場所以外の薬剤の飛散を最小化する。互いに反対方向に回転する二段ローターを活用してもよい。さらに、ローターの回転速度、機体総重量などのパラメーターの変化に応じて、薬剤吐出量、飛行速度、高度、ノズル位置を調整する。二段ローターの上下のローターの回転数の差が所定値を超えた場合には、薬剤散布を中止することが望ましい。加えて、下降気流の空気抵抗を低減できる形状のプロペラガードを採用することが望ましい。

Description

薬剤散布用ドローン
本願発明は、農薬などの薬剤散布を行なう無人飛行体（ドローン）、特に、複雑な形状の狭い圃場でも圃場外への薬剤の飛散を最小化できる無人飛行体に関する。
一般にドローンと呼ばれる小型ヘリコプター（マルチコプター）の応用が進んでいる。その重要な応用分野の一つとして農地（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狭い日本においては、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。
準天頂衛星システムやRTK-GPS（Real Time Kinematic - Global Positioning System）などの技術によりドローンが飛行中に自機の絶対位置をセンチメートル単位で正確に知ることができるようになったことで、日本において典型的な狭く複雑な地形の農地でも、人手による操縦を最小限として自律的に飛行し、効率的かつ正確に薬剤散布を行なえるようになっている。
しかし、仮にドローンが正確に圃場上を飛行できたとしても、風の影響等により、薬剤が圃場外に飛散するという問題は残る。特に、農薬が圃場外にある無農薬栽培の作物に飛散するケース、あるいは、圃場外にある畦畔等に散布する除草剤が圃場内に栽培用植物に飛散するケース等を避ける必要があるが、従来型のドローンはこの問題に適切に対応できていなかった。ヘリコプターに風力・風向センサーを設けて、風向と風力に応じて航路を微調整する技術は公知（たとえば、特許文献２）であったが、狭い圃場に適用するには制御の精度および機構の複雑性の点で課題があった。
特許公開公報　特開２００１－１２０１５１ 特許公開公報　特開２００６－１７６０７３
圃場外への薬剤飛散を最小化した薬剤散布用ドローン（無人飛行体）を提供する。
本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体制御手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、前記機体制御手段が、前記複数の回転翼の少なくとも一つの回転数に応じて機体の飛行速度、または、高度を調整する薬剤散布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と薬剤吐出量調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、前記薬剤吐出量調整手段が、前記複数の回転翼の少なくとも一つの回転数に応じて薬剤吐出量を調整する薬剤散布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と薬剤散布ノズル位置調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、前記薬剤散布ノズル位置調整手段が、前記複数の回転翼の少なくとも一つの回転数に応じて前記薬剤散布ノズルの位置または向きを調整する薬剤散布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体重量測定手段と機体制御手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、前記機体制御手段が、前記機体重量測定手段が測定した機体重量に応じて機体の飛行速度、または、高度を調整する薬剤散布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体重量測定手段と薬剤吐出量調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、前記薬剤吐出量調整手段が、前記機体重量測定手段が測定した機体重量に応じて薬剤吐出量を調整する薬剤散布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体重量測定手段と薬剤散布ノズル位置調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、前記薬剤散布ノズル位置調整手段が、前記機体重量測定手段が測定した機体重量に応じて前記薬剤散布ノズルの位置または向きを調整する薬剤散布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体速度測定手段と薬剤吐出量調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、前記薬剤吐出量調整手段が、前記機体速度測定手段が測定した機体速度に応じて薬剤吐出量を調整する薬剤散布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と薬剤吐出量調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、前記複数の回転翼のうち、上下に位置し、互いに反対方向に回転する回転翼のセットが二重反転翼を構成し、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記二重反転翼の下方に配置されており、前記二重反転翼の上方の回転翼の回転数と下方の回転翼の回転数の差が所定の値を超えた場合に、前記薬剤吐出量調整手段が薬剤散布を停止する薬剤散布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、剛性を持つ部材からを備えた周辺部と繊維または針金から成る網目状の部材を備えた上下部とから成るプロペラガードを備えた段落０００７、段落０００８、段落０００９、段落００１０、段落００１１、段落００１２、段落００１３、または、段落００１４のいずれかに記載の薬剤散布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、断面の長手方向が略垂直に配置された薄板状の部材によって機体本体と接続されるプロペラガードを備えた段落０００７、段落０００８、段落０００９、段落００１０、段落００１１、段落００１２、段落００１３、または、段落００１４のいずれかに記載の薬剤散布用無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体制御手段とを備え、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されている薬剤散布用無人飛行体を制御する方法であって、前記複数の回転翼の少なくとも一つの回転数を取得するステップと、前記取得した回転数に応じて機体の飛行速度、機体飛行高度、薬剤の吐出量、または、薬剤ノズルの位置若しくは向きを調整するステップとを含む方法を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と薬剤吐出量調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、前記複数の回転翼のうち、上下に位置し、互いに反対方向に回転する回転翼のセットが二重反転翼を構成し、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記二重反転翼の下方に配置されている薬剤散布用無人飛行体を制御する方法であって、前記二重反転翼の上方の回転翼の回転数と下方の回転翼の回転数の差が所定の値を超えた場合に、前記薬剤吐出量調整手段が薬剤散布を停止するステップを含む方法を提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体制御手段とを備え、前記複数の回転翼のうち、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されている薬剤散布用無人飛行体を制御するプログラムであって、前記複数の回転翼の少なくとも一つの回転数を取得する命令と、前記取得した回転数に応じて機体の飛行速度、機体飛行高度、薬剤の吐出量、または、薬剤ノズルの位置若しくは向きを調整する命令とをコンピューターに実行させるプログラムを提供することで上記課題を解決する。
また、本願発明は、複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と薬剤吐出量調整手段とを備え、前記複数の回転翼のうち、上下に位置し、互いに反対方向に回転する回転翼のセットが二重反転翼を構成し、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記二重反転翼の下方に配置されている薬剤散布用無人飛行体を制御するプログラムであって、前記二重反転翼の上方の回転翼の回転数と下方の回転翼の回転数の差が所定の値を超えた場合に、前記薬剤吐出量調整手段が薬剤散布を停止する命令をコンピューターに実行させるプログラムを提供することで上記課題を解決する。
日本において典型的な複雑な形状の圃場においても、圃場外への飛散を最小化した正確な薬剤散布を実現可能になる。
本願発明に係る農業用ドローンの実施例の平面図である。 本願発明に係る農業用ドローンの実施例の正面図である。 本願発明に係る農業用ドローンの実施例の右側面図である。 本願発明に係る農業用ドローンの実施例を使用した薬剤散布システムの全体概念図の例である。 本願発明に係る農業用ドローンの実施例の制御機能を表した模式図である。 本願発明に係る農業用ドローンによるドリフトの減少効果の原理を表した実験図である。 本願発明に係る農業用ドローンによるドリフトの減少効果の原理を表した模式図である。 本願発明に係る農業用ドローンによるドリフトの減少に適したプロペラガードの第一の実施例の模式図である。 本願発明に係る農業用ドローンによるドリフトの減少に適したプロペラガードの第二の実施例の模式図である。
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）の実施例の平面図を、図２にその（進行方向側から見た）正面図を、図３にその右側面図を示す。なお、本願明細書において、ドローンとは、動力手段（電力、原動機等）、操縦方式（無線であるか有線であるか、および、自律飛行型であるか手動操縦型であるか等）を問わず、複数の回転翼または飛行手段を有する飛行体全般を指すこととする。
回転翼（101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4b）（ローターとも呼ばれる）は、ドローン（100）を飛行させるための手段であり、飛行の安定性、機体サイズ、および、バッテリー消費量のバランスを考慮し、8機（2段構成の回転翼が4セット）備えられていることが望ましい。
モーター（102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、102-4ａ、102-4b）は、回転翼（101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4b）を回転させる手段（典型的には電動機だが発動機等であってもよい）であり、一つの回転翼に対して1機設けられていることが望ましい。１セット内の上下の回転翼（たとえば、101-1aと101-1b）、および、それらに対応するモーター（たとえば、102-1aと102-1b）は、ドローンの飛行の安定性等のために軸が同一直線上にあり、かつ、互いに反対方向に回転することが望ましい。なお、一部の回転翼（101-3b）、および、モーター（102-3b）が図示されていないが、その位置は自明であり、もし左側面図があったならば示される位置にある。図２、および、図３に示されるように、ローターが異物と干渉しないよう設けられたプロペラガードを支えるための放射状の部材は水平ではなくやぐら上の構造であることが望ましい。衝突時に当該部材がローター側に座屈し、ローターと干渉することを防ぐためである。
薬剤ノズル（103-1、103-2、103-3、103-4）は、薬剤を下方に向けて散布するための手段であり4機備えられていることが望ましい。なお、本願明細書において、薬剤とは、農薬、除草剤、液肥、殺虫剤、種、および、水などの圃場に散布される液体または粉体を一般的に指すこととする。
薬剤タンク（104）は散布される薬剤を保管するためのタンクであり、重量バランスの観点からドローン（100）の重心に近い位置でかつ重心より低い位置に設けられていることが望ましい。薬剤ホース（105-1、105-2、105-3、105-4）は、薬剤タンク（104）と各薬剤ノズル（103-1、103-2、103-3、103-4）とを接続する手段であり、硬質の素材から成り、当該薬剤ノズルを支持する役割を兼ねていてもよい。ポンプ（106）は、薬剤をノズルから吐出するための手段である。
図４に本願発明に係るドローン（100）の薬剤散布用途の実施例を使用したシステムの全体概念図を示す。本図は模式図であって、縮尺は正確ではない。操縦器（401）は、使用者（402）の操作によりドローン（100）に指令を送信し、また、ドローン（100）から受信した情報（たとえば、位置、薬剤量、電池残量、カメラ映像等）を表示するための手段であり、コンピューター・プログラムを稼働する一般的なタブレット端末等の携帯情報機器によって実現されてよい。本願発明に係るドローン（100）は自律飛行を行なうよう制御されることが望ましいが、離陸や帰還などの基本操作時、および、緊急時にはマニュアル操作が行なえるようになっていることが望ましい。携帯情報機器に加えて、緊急停止専用の機能を有する非常用操作機（図示していない）を使用してもよい（非常用操作機は緊急時に迅速に対応が取れるよう大型の緊急停止ボタン等を備えた専用機器であることが望ましい）。操縦器（401）とドローン（100）はWi-Fi等による無線通信を行なうことが望ましい。
圃場（403）は、ドローン（100）による薬剤散布の対象となる田圃や畑等である。実際には、圃場（403）の地形は複雑であり、事前に地形図が入手できない場合、あるいは、地形図と現場の状況が食い違っている場合がある。通常、圃場（403）は家屋、病院、学校、他作物圃場、道路、鉄道等と隣接している。また、圃場（403）内に、建築物や電線等の障害物が存在する場合もある。
基地局（404）は、Wi-Fi通信の親機機能等を提供する装置であり、RTK-GPS基地局としても機能し、ドローン（100）の正確な位置を提供できるようにすることが望ましい（Wi-Fi通信の親機機能とRTK-GPS基地局が独立した装置であってもよい）。営農クラウド（405）は、典型的にはクラウドサービス上で運営されているコンピューター群と関連ソフトウェアであり、操縦器（401）と携帯電話回線等で無線接続されていることが望ましい。営農クラウド（405）は、ドローン（100）が撮影した圃場（403）の画像を分析し、作物の生育状況を把握して、飛行ルートを決定するための処理を行なってよい。また、保存していた圃場（403）の地形情報等をドローン（100）に提供してよい。加えて、ドローン（100）の飛行および撮影映像の履歴を蓄積し、様々な分析処理を行なってもよい。
通常、ドローン（100）は圃場（403）の外部にある発着地点（406）から離陸し、圃場（403）に薬剤を散布した後に、あるいは、薬剤補充や充電等が必要になった時に発着地点（406）に帰還する。発着地点（406）から目的の圃場（403）に至るまでの飛行経路（侵入経路）は、営農クラウド（405）等で事前に保存されていてもよいし、使用者（402）が離陸開始前に入力してもよい。
図５に本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の制御機能を表した模式図を示す。フライトコントローラー（501）は、ドローン全体の制御を司る構成要素であり、具体的にはCPU、メモリー、関連ソフトウェア等を含む組み込み型コンピューターであってよい。フライトコントローラー（501）は、操縦器（401）から受信した入力情報、および、後述の各種センサーから得た入力情報に基づき、ESC（Electronic Speed Control）等の制御手段を介して、モーター（102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-b）の回転数を制御することで、ドローン（100）の飛行を制御する。モーター（102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-b）の実際の回転数はフライトコントローラー（501）にフィードバックされ、正常な回転が行なわれているかを監視できる構成になっていることが望ましい。あるいは、回転翼（101）に光学センサー等を設けて回転翼（101）の回転がフライトコントローラー（501）にフィードバックされる構成であってもよい。
フライトコントローラー（501）が使用するソフトウェアは、機能拡張・変更、問題修正等のために記憶媒体等を通じて、または、Wi-Fi通信やUSB等の通信手段を通じて書き換え可能になっていることが望ましい。この場合において、不正なソフトウェアによる書き換えが行なわれないように、暗号化、チェックサム、電子署名、ウィルスチェックソフト等による保護を行なうことが望ましい。また、フライトコントローラー（501）が制御に使用する計算処理の一部が、操縦器（401）上、または、営農クラウド（405）上や他の場所に存在する別のコンピューターによって実行されてもよい。フライトコントローラー（501）は重要性が高いため、その構成要素の一部または全部が二重化されていてもよい。
バッテリー（502）は、フライトコントローラー（501）、および、ドローンのその他の構成要素に電力を供給する手段であり、充電式であることが望ましい。バッテリー（502）はヒューズ、または、サーキットブレーカー等を含む電源ユニットを介してフライトコントローラー（501）に接続されていることが望ましい。バッテリー（502）は電力供給機能に加えて、その内部状態（蓄電量、積算使用時間等）をフライトコントローラー（501）に伝達する機能を有するスマートバッテリーであることが望ましい。
フライトコントローラー（501）は、Wi-Fi子機機能（503）を介して、さらに、基地局（404）を介して操縦器（401）とやり取りを行ない、必要な指令を操縦器（401）から受信すると共に、必要な情報を操縦器（401）に送信できることが望ましい。この場合に、通信には暗号化を施し、傍受、成り済まし、機器の乗っ取り等の不正行為を防止できるようにしておくことが望ましい。基地局（404）は、Wi-Fiによる通信機能に加えて、RTK-GPS基地局の機能も備えていることが望ましい。RTK基地局の信号とGPS測位衛星からの信号を組み合わせることで、GPSモジュール（504）により、ドローン（100）の絶対位置を数センチメートル程度の精度で測定可能となる。GPSモジュール（504）は重要性が高いため、二重化・多重化しておくことが望ましく、また、特定のGPS衛星の障害に対応するため、冗長化されたそれぞれのGPSモジュール（504）は別の衛星を使用するよう制御することが望ましい。
加速度センサー（505）はドローン機体の加速度を測定する手段（さらに、加速度の積分により速度を計算する手段）であり、6軸センサーであることが望ましい。地磁気センサー（506）は、地磁気の測定によりドローン機体の方向を測定する手段である。気圧センサー（507）は、気圧を測定する手段であり、間接的にドローンの高度も測定することもできる。レーザーセンサー（508）は、レーザー光の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段であり、IR（赤外線）レーザーを使用することが望ましい。ソナー（509）は、超音波等の音波の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段である。これらのセンサー類は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよい。また、機体の傾きを測定するためのジャイロセンサー（角速度センサー）、風力を測定するための風力センサーなどが追加されていてもよい。また、これらのセンサー類は、二重化または多重化されていることが望ましい。同一目的複数のセンサーが存在する場合には、フライトコントローラー（501）はそのうちの一つのみを使用し、それが障害を起こした際には、代替のセンサーに切り替えて使用するようにしてもよい。あるいは、複数のセンサーを同時に使用し、それぞれの測定結果が一致しない場合には障害が発生したと見なすようにしてもよい。
流量センサー（510）は薬剤の流量を測定するための手段であり、薬剤タンク（104）から薬剤ノズル（103）に至る経路の複数の場所に設けられていることが望ましい。液切れセンサー（511）は薬剤の量が所定の量以下になったことを検知するセンサーである。マルチスペクトルカメラ（512）は圃場(403)を撮影し、画像分析のためのデータを取得する手段である。障害物検知カメラ（513）はドローン障害物を検知するためのカメラであり、画像特性とレンズの向きがマルチスペクトルカメラ（512）とは異なるため、マルチスペクトルカメラ（512）とは別の機器であることが望ましい。スイッチ（514）はドローン（100）の使用者（402）が様々な設定を行なうための手段である。障害物接触センサー（515）はドローン（100）、特に、そのローターやプロペラガード部分が電線、建築物、人体、立木、鳥、または、他のドローン等の障害物に接触したことを検知するためのセンサーである。カバーセンサー（516）は、ドローン（100）の操作パネルや内部保守用のカバーが開放状態であることを検知するセンサーである。薬剤注入口センサー（517）は薬剤タンク（104）の注入口が開放状態であることを検知するセンサーである。これらのセンサー類はドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。また、ドローン（100）外部の基地局（404）、操縦器（401）、または、その他の場所にセンサーを設けて、読み取った情報をドローンに送信してもよい。たとえば、基地局（404）に風力センサーを設け、風力・風向に関する情報をWi-Fi通信経由でドローン（100）に送信するようにしてもよい。
フライトコントローラー（501）はポンプ（106）に対して制御信号を送信し、薬剤吐出量の調整や薬剤吐出の停止を行なう。ポンプ（106）の現時点の状況（たとえば、回転数等）は、フライトコントローラー（501）にフィードバックされる構成となっていることが望ましい。
LED（517）は、ドローンの操作者に対して、ドローンの状態を知らせるための表示手段である。LEDに替えて、または、それに加えて液晶ディスプレイ等の表示手段を使用してもよい。ブザー（518）は、音声信号によりドローンの状態（特にエラー状態）を知らせるための出力手段である。Wi-Fi子機機能（519）は操縦器（401）とは別に、たとえば、ソフトウェアの転送などのために外部のコンピューター等と通信するためのオプショナルな構成要素である。Wi-Fi子機機能に替えて、または、それに加えて、赤外線通信、Bluetooth（登録商標）、ZigBee（登録商標）、NFC等の他の無線通信手段、または、USB接続などの有線通信手段を使用してもよい。スピーカー（520）は、録音した人声や合成音声等により、ドローンの状態（特にエラー状態）を知らせる出力手段である。天候状態によっては飛行中のドローン（100）の視覚的表示が見にくいことがあるため、そのような場合には音声による状況伝達が有効である。警告灯（521）はドローンの状態（特にエラー状態）を知らせるストロボライト等の表示手段である。これらの入出力手段は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。
図６に本願発明に係る農業用ドローンによるドリフトの減少効果の原理を表した実験結果の図を示す。図６－ａに示すように、発明者の実験によれば、二段ローター構成の回転翼下では、上から見て回転翼の中心から半径のおよそ50%の距離にある位置からおよそ90%の位置に至るまでの間に特に気流の速度が速い円筒状の領域が存在することが明らかになっている。図６－ｂは図６－ａを模式化した図であり、回転翼（601）は、図１、図２、および、図３に記載した回転翼を模式化したものである。典型的な設計数値として、ローターの直径が70センチメートル、ローター回転速度が毎分2,000回転、機体重量が20キログラムの場合に、この円筒状の領域（602）での風速は毎秒10メートル以上である。この円筒状の領域に薬剤ノズルを置いて薬剤を散布することにより、この円筒状の領域がいわば保護壁となって、その外部への好ましくない薬剤飛散を最小化できることが発明者の実験により明らかになっている。なお、図６－ｃは、一段ローター構成のドローンによる同様の実験結果（参考図）であるが、気流の速度が速い円筒状の領域は二段ローター構成の場合と比較して明確ではない。また、発明者による実験では、一段ローター構成の場合には、ローターの旋回流の影響によりかえって薬剤の圃場外への好ましくない飛散が増すことが明らかになっている。したがって、本願発明の効果を最大化するためには、二段ローター構成のドローンを使用することが望ましい。さらに、二段ローター構成を使用することで、気流の乱れを削減し、風速を維持できるため、圃場の作物の株元にも薬剤を効果的に散布できるという副次的効果も得られる。なお、本願に係るドローンの回転翼が作る気流を積極的に利用するためには、作物に到達する気流が秒速7メートル程度となるような高度（典型的には圃場の作物上部から約75センチメートル）を飛行させることが望ましい。
 
図7に、発明者による実験により明らかになった、本願発明に係るドローンの薬剤ノズルの位置により薬剤の飛散が最小化できる原理を示す。図７は図１、図２、および、図３に示したドローンを模式図化（回転翼（701）の中心軸を通る平面による断面図）したものである。ドローンが移動する時には、図６に示した円筒状の気流の速度の速い領域は進行方向の後ろに向けて傾く。薬剤ノズル（702）をこの傾いた円筒状の領域内部であって、かつ、進行方向から見て前側にある部分に置くことが望ましい。こうすることで、薬剤はドローンの下方向に向かう第一の気流（703-1）に乗ってドローンの下方向に向けて効率的に（望ましくない飛散を最小化しつつ）散布される。一部の薬剤は後方に流れるが、再びドローンの下方向に向かう第二の気流（703-2）に乗ってドローンの下方向に向けて効率的に散布される。以下同様に、第三の気流（703-3）、第四の気流（703-4）も利用して、薬剤の好ましくない飛散を最小限に抑えながらドローンの直下に散布することが可能となる。
フライトコントローラー（501）は、流量センサー（510）に基づいて、ポンプ（106）を制御し、薬剤吐出量を一定に維持することが望ましい。この場合において、気温センサーで測定した気温、または、気圧センサー（507）で測定した気圧に基づいて薬剤吐出量を調整してもよい。
（ローター回転数に基づく調整）
典型的な薬剤撒布用ドローンでは散布の対象になる薬剤の重量は約10キログラムである。機体本体の重量は約20キログラムであるため、薬剤散布開始時と終了間際の間で機体全体の重量には大きな差が生じる。ドローン（100）は回転翼（101）が作り出す下方向に向かう気流で機体全体を支えることになるため、重量が軽いときには回転翼の回転数は低くなり、それに伴い下方に向かう気流の速度も低下し、前述の薬剤の飛散防止効果も低減する。したがって、フライトコントローラー（501）は、回転翼（101）の回転数、特に、薬剤ノズル（103）の上位にある二段ローターを構成する回転翼（101-2a、101-2b、101-4a、101-4b）の回転数を常時測定し、回転数の低下に応じて、ポンプ（106）の薬剤噴出量を減らす、飛行速度を低下する、または、その両方を行なうことが望ましい。回転翼（101）の回転数が直接的に測定できない場合には、フライトコントローラー（501）が、ESC（Electronic Speed Control）等の制御手段を介してモーター（102）に送信する制御信号で示された回転数が、そのモーター（102）に対応する回転翼（101）の回転数であるとみなしてもよい。
ドローン（100）は、進行方向後方の回転翼（101）の回転速度を進行方向前方の回転翼（101）の回転速度より高めることで、機体を前方に傾斜させ、前方に進んでく。したがって、進行方向後方の回転翼（101）の回転速度と進行方向前方の回転翼（101）の回転速度の差を小さくすることで飛行速度を低下させることができる。フライトコントローラー（501）は、ドローン（100）の飛行速度を低下させた時には、圃場（403）の単位面積あたりの薬剤散布量を一定にするために、ポンプ（106）を制御し、薬剤散布量を低下させることが望ましい。この場合に、飛行速度が所定の下限速度（たとえば、時速5キロメートル）を下回ったときには、安定した薬剤散布が困難になるため、薬剤散布を停止してもよい。なお、飛行速度はGPS（504）により機体水平座標の微分を計算することで測定可能である。
（散布位置可変）
上記の説明における、ドローン（100）の飛行速度を低下させる制御に替えて、または、それと併せて、フライトコントローラー（501）は、ドローン（100）の飛行高度を低下させる制御を行なってもよい。飛行高度が低ければ、薬剤飛散の影響を低減し、回転翼（101）の気流速度低下の影響を相殺できるからである。また、薬剤ノズル（103）の位置および方向を、たとえば、ステッピングモーター等により可変にできる構造として、フライトコントローラー（501）が、薬剤ノズル（103）の位置を下げる、方向を下向きにする、またはその両方を行なう制御を行なってもよい。薬剤ノズル（103）の位置が低ければ、同様に飛散の影響を小さくできるからである。なお、最初から薬剤ノズル（103）の位置を下げておくことは飛行時の空気抵抗を増すこと、安定した着陸が困難になること、および、ドローンの障害物への接触のリスクを増すことから好ましくないため、飛行時に必要に応じて薬剤ノズル（103）の位置を下げることが望ましい。
（重量に基づく調整）
前述の回転翼の回転数に基づく制御に替えて、または、それに加えて、機体全体の重量に基づく吐出量、機体速度、機体高度、および、散布ノズルの位置と向きの調整を行なってもよい。重量が減少したときは、回転翼の回転速度が低下した時と同様に、薬剤の吐出量を削減する、機体速度を低下させる、機体高度を下げる、または、噴出ノズル位置を下げるという対策のいずれかひとつ以上を行なうことが好ましい。
機体重量は加速度センサー（505）によって測定された加速度、または、GPSドップラー（504-3）やGPS（504）等の手段によって測定された速度の微分値としての加速度を使用して推定してよい。上昇時であれば、モーター（102）の推力をＴ、重力加速度をｇ、測定された機体の加速度をαとすれば、機体全体の重量Mは、M=T/（α＋g）として求められる。モーター（102）の推力Ｔはモーターの回転数によって決まり、フライトコントローラー（501）はモーター回転数を測定できることから、機体の重量を推定可能である。また、モーター回転数を直接的に測定できない場合には、フライトコントローラー（501）がモーター（102）に指令した目的回転数をモーター回転数とみなし、そこから推力を推定してもよい。
また、等速水平飛行中のドローン（100）の機体の傾きを測定することで機体重量を推定してよい。機体の傾きはジャイロセンサーを備えることで直接測定してもよいし、6軸方式の加速度センサー（505）の測定値を二回微分することで推定してもよい。等速水平飛行中には機体の空気抵抗力、重力、回転翼による推力が釣り合っている。空気抵抗力は機体の飛行速度の関数であり、回転翼による推力はモーターの回転数の関数であり、重力は機体重量の関数であることから、重量は機体の傾き、モーターの回転数、機体の飛行速度が既知であれば推定することができる。なお、風力センサーを設けて、風力と風向によって空気抵抗係数を補正してもよい。
また、飛行中に重量が変化する最大の要因は薬剤の量であることから、薬剤タンク中のレベルセンサーで薬剤の液面の高さを測定することで薬剤の残量を測定し、そこから機体全体の重量を推定してもよい。この場合には、薬剤タンク中に水圧センサーを備え、薬剤タンク中の薬剤の重量を推定することで、機体全体の重量を推定してもよい。
（故障検知）
前述の説明のとおり、本願発明に係る飛散防止効果が効果的であるためには、二段ローターにおける上側の回転翼と下側の回転翼はほぼ同じ回転数で（反対方向に）回転していることが必要である。フライトコントローラー（501）は、上側の回転翼と下側の回転翼の回転数の差（特に、ノズル（103）の上方にある回転翼セットにおける回転数の差）が所定の基準値を上回ったことを検知した場合には、たとえ継続的な飛行が可能であった場合でも、ポンプ（106）を制御し、薬剤散布を停止することが望ましい。十分な飛散防止効果が発揮できない可能性があるからである。この場合には、フライトコントローラー（501）は、操縦器（401）にエラー・メッセージを表示すると共に、発着地点）（406）に迅速に帰還する制御を行なうことが望ましい。
（プロペラガードの構造）
本願発明に係るドローン（100）はプロペラガードを備えていることが望ましい。プロペラガードは指入れ事故等を防ぐために必要な安全性と強度とを備えていることが望ましい。図８に本願発明に係るドローン（100）で使用するプロペラガードの第一の実施例模式図を示す。本図は模式図であり、縮尺は正確ではない。また、本図で示したプロペラガードは図１、図２、および、図３には示していない。図８では、回転翼（801）は一段しか示していないが、前述のとおり実際には二段で構成されることが好ましい。また、モーターおよびプロペラガードを機体本体に固定する部材は図示していない。指入れ事故や異物の巻き込み事故の防止、および、万一の衝突や墜落時における回転翼等の重要な部品の保護のために、プロペラガード、特に機体を持つ場合に手が触れることになる周辺部は、必要な強度を維持した十分に細かい格子構造（網構造）を備える必要があるが、その一方で、前述の飛散防止効果を阻害しない構造であることが望ましい。このため、プロペラガードの外周部（802）を剛性のある部材から成る部材として衝突時の強度確保をしつつ、ローター（801）の上下部分（803）を繊維または針金から成る網目状の部材とする構造としてよい。なお、図8ではローター（801）の下部の部材が図示されていないが実際には上部と同様に繊維または針金から成る網目状の部材とする構造とすることが望ましい。いずれの部材も指入れ事故を防ぐために隙間は指が入らない広さ（およそ15ミリ以下）とすることが望ましい。特に外周部、および、外周部に近い上下部は、ドローン（100）を運搬の際に手で掴む位置となることから、隙間を指が入らない広さ（たとえば、およそ10ミリメートル以下）としておくことが望ましい。
図８の構成に替えて、または、加えて、図９に示すように上面のプロペラガード部材、特に、プロペラガード全体と機体に接続する部材（901）（典型的には、回転翼（902）の中心軸上に存在する部材）とをつなぐ放射状上の支持部材（903）は、丸線または角材計上ではなく、短冊状（平板）の形状として、強度を維持しつつ、下方向に向かう気流を最大化できるよう、長手方向が垂直方向に向くよう配置してもよい。図９では、支持部材（903）は一部しか示していないが、実際には、図面の前方、および、回転翼（902）の下方にも設けられることが望ましい。また、図９ではプロペラガードの外周部の部材は示していない。回転翼（902）は実際には２機備えられていることが望ましいが、1機のみ図示している。支持部材（903）の間の隙間は、図８に示したような網状の部材で保護してもよい。また、放射状の支持部材と同様に平板形状の部材を長手方向が垂直方向に向くよう配置してもよい。
（本願発明による技術的に顕著な効果）
本願発明に係るドローンにより、回転翼の気流を最大限に利用しつつ、飛散最小化のために特別な追加装置を設けることなく、薬剤の好ましくない飛散を最小化し、薬剤散布ドローンの効率性と効果を向上することができる。

 

Claims (14)

  1. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体制御手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、
    前記機体制御手段が、前記複数の回転翼の少なくとも一つの回転数に応じて機体の飛行速度、または、高度を調整する薬剤散布用無人飛行体。
  2. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と薬剤吐出量調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、
    前記薬剤吐出量調整手段が、前記複数の回転翼の少なくとも一つの回転数に応じて薬剤吐出量を調整する薬剤散布用無人飛行体。
  3. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と薬剤散布ノズル位置調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、
    前記薬剤散布ノズル位置調整手段が、前記複数の回転翼の少なくとも一つの回転数に応じて前記薬剤散布ノズルの位置または向きを調整する薬剤散布用無人飛行体。
  4. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体重量測定手段と機体制御手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、
    前記機体制御手段が、前記機体重量測定手段が測定した機体重量に応じて機体の飛行速度、または、高度を調整する薬剤散布用無人飛行体。
  5. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体重量測定手段と薬剤吐出量調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、
    前記薬剤吐出量調整手段が、前記機体重量測定手段が測定した機体重量に応じて薬剤吐出量を調整する薬剤散布用無人飛行体。
  6. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体重量測定手段と薬剤散布ノズル位置調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、
    前記薬剤散布ノズル位置調整手段が、前記機体重量測定手段が測定した機体重量に応じて前記薬剤散布ノズルの位置または向きを調整する薬剤散布用無人飛行体。
  7. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体速度測定手段と薬剤吐出量調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されており、
    前記薬剤吐出量調整手段が、前記機体速度測定手段が測定した機体速度に応じて薬剤吐出量を調整する薬剤散布用無人飛行体。
  8. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と薬剤吐出量調整手段とを備える薬剤散布用無人飛行体であって、
    前記複数の回転翼のうち、上下に位置し、互いに反対方向に回転する回転翼のセットが二重反転翼を構成し、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記二重反転翼の下方に配置されており、
    前記二重反転翼の上方の回転翼の回転数と下方の回転翼の回転数の差が所定の値を超えた場合に、前記薬剤吐出量調整手段が薬剤散布を停止する薬剤散布用無人飛行体。
  9. 剛性を持つ部材からを備えた周辺部と繊維または針金から成る網目状の部材を備えた上下部とから成るプロペラガードを備えた請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、または、請求項８のいずれかに記載の薬剤散布用無人飛行体。
  10. 断面の長手方向が略垂直に配置された薄板状の部材によって機体本体と接続されるプロペラガードを備えた請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、または、請求項９のいずれかに記載の薬剤散布用無人飛行体。
  11. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体制御手段とを備え、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの配置されている薬剤散布用無人飛行体を制御する方法であって、
    前記複数の回転翼の少なくとも一つの回転数を取得するステップと、
    前記取得した回転数に応じて機体の飛行速度、機体飛行高度、薬剤の吐出量、または、薬剤ノズルの位置若しくは向きを調整するステップとを含む方法。
  12. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と薬剤吐出量調整手段とを備え、
    前記複数の回転翼のうち、上下に位置し、互いに反対方向に回転する回転翼のセットが二重反転翼を構成し、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記二重反転翼の下方に配置されている薬剤散布用無人飛行体を制御する方法であって、
    前記二重反転翼の上方の回転翼の回転数と下方の回転翼の回転数の差が所定の値を超えた場合に、前記薬剤吐出量調整手段が薬剤散布を停止するステップを含む方法。
  13. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と機体制御手段とを備え、前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記複数の回転翼の少なくとも一つの下方に配置されている薬剤散布用無人飛行体を制御するプログラムであって、
    前記複数の回転翼の少なくとも一つの回転数を取得する命令と、
    前記取得した回転数に応じて機体の飛行速度、機体飛行高度、薬剤の吐出量、または、薬剤ノズルの位置若しくは向きを調整する命令とをコンピューターに実行させるプログラム。
  14. 複数の薬剤散布ノズルと複数の回転翼と薬剤吐出量調整手段とを備え、前記複数の回転翼のうち、上下に位置し、互いに反対方向に回転する回転翼のセットが二重反転翼を構成し、
    前記複数の薬剤散布ノズルの少なくとも一つが前記二重反転翼の下方に配置されている薬剤散布用無人飛行体を制御するプログラムであって、
    前記二重反転翼の上方の回転翼の回転数と下方の回転翼の回転数の差が所定の値を超えた場合に、前記薬剤吐出量調整手段が薬剤散布を停止する命令をコンピューターに実行させるプログラム。
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