JP7758591B2 - 移動式除草装置 - Google Patents

Description

本開示は、移動式除草装置に関する。

レーザ照射によって、農地における不要植物（つまり雑草）を除去する除草装置が公知である（特許文献１－３参照）。この除草装置では、不要植物の上方からレーザ光を照射することで、不要植物に損傷を与えて枯死させる。

特開２０１５－５３９４１号公報 特開２０１５－５３９４２号公報 特開２０１５－６２４１２号公報

農地における不要植物はできるだけ成長していない段階で除去することが好ましい。そのため、バッテリ容量、省電力、過度の照射に対する安全性等の観点から、レーザ光の照射量はこのような比較的小さい不要植物に合わせて設定される。

しかしながら、このようにレーザ光の照射量が制限されると、想定以上に成長した不要植物が発生した場合に、レーザ光の出力不足により不要植物が十分に除去できないおそれがある。

本開示の一局面は、不要植物を効率的に除去できる移動式除草装置を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、植物を上方から撮影した画像を取得するように構成されたカメラと、植物の上方から、植物に向けてレーザ光を照射するように構成されたレーザ照射器と、画像に基づいて植物の特性を判定すると共に、特性に基づいてレーザ光の照射量を調整するように構成された制御装置と、カメラ及びレーザ照射器を保持すると共に、移動機構を有する装置本体と、を備える移動式除草装置である。

このような構成によれば、画像解析によって判定された植物の特性に基づいてレーザ光の照射量を調整することができるため、植物に過不足なくレーザ光を照射できる。その結果、バッテリ容量の増大、消費電力の上昇、及び過度のレーザ光の照射を抑制しつつ、不要植物を効率的に除去できる。

本開示の一態様では、制御装置は、レーザ光の照射出力の調整によって、レーザ光の照射量を調整してもよい。このような構成によれば、比較的容易にレーザ光の照射量を調整できる。

本開示の一態様では、制御装置は、レーザ光の照射時間の調整によって、レーザ光の照射量を調整してもよい。このような構成によっても、比較的容易にレーザ光の照射量を調整できる。

本開示の一態様では、特性には、植物の大きさが含まれてもよい。このような構成によれば、植物の大きさにしたがってレーザ光の照射量を調整することができる。

本開示の一態様では、特性には、植物の種類が含まれてもよい。このような構成によれば、植物の形状に合わせてレーザ光の照射量を調整することができる。

図１は、実施形態における移動式除草装置の模式図である。 図２は、図１の移動式除草装置における制御装置の構成を示すブロック図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、図２の制御装置における植物の大きさの判定手順を説明する模式図である。 図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、不要植物に対するレーザ光の照射手順を示す模式図である。 図５は、レーザ光の照射軌跡の一例を示す模式図である。 図６は、図２の制御装置が実行する処理を概略的に示すフロー図である。 図７は、図２の制御装置が実行する処理を概略的に示すフロー図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す移動式除草装置１は、農地において、農作物の周辺に発生した不要植物Ｐ（つまり雑草）を除去するための装置である。移動式除草装置１は、装置本体２と、レーザ照射器３と、カメラ４と、制御装置５とを備える。

＜装置本体＞
装置本体２は、レーザ照射器３、カメラ４、及び制御装置５を保持する筐体である。また、装置本体２は、移動機構を有する。

本実施形態の移動機構は、複数の車輪２１によって構成されている。装置本体２は、複数の車輪２１によって、農地上を走行するように構成されている。移動機構は、モータによって車輪２１を回転させる電動式であってもよいし、作業者が装置本体２を押す又は引くことで移動する手動式であってもよい。また、装置本体２は、移動機構として、車輪２１の替わりに１以上の電動式クローラーを備えてもよい。

＜レーザ照射器＞
レーザ照射器３は、制御装置５によって識別された不要植物Ｐの上方から、不要植物Ｐに向けてレーザ光Ｌを照射するように構成されている。レーザ照射器３は、ミラー等の光学素子を用いてレーザ光Ｌの方向を変えることで、不要植物Ｐ２の上方からレーザ光Ｌを照射するよう構成されていてもよい。

レーザ照射器３は、レーザ光Ｌにより、不要植物Ｐに損傷を与える（具体的には焼損させる）ことで不要植物Ｐを枯死させる。レーザ光Ｌは、不要植物Ｐの成長点又は根元に照射される。不要植物Ｐの成長点及び根元は、カメラ４が取得した画像に基づいて制御装置５によって判定される。

レーザ照射器３としては、バッテリ（図示省略）と、発振器３１と、反射制御部３２（例えばガルバノスキャナ、ＭＥＭＳ等）とを備える公知のレーザ照射装置が使用できる。レーザ照射器３のレーザ光の周波数は、例えば４３０ｎｍ以上６７５ｎｍ以下である。

レーザ照射器３は、レーザ光Ｌの照射方向、照射出力、及び照射時間を変更可能に構成されている。照射出力は、制御装置５から発振器３１に出力される信号（例えばアナログ入力電圧）によって変更される。

レーザ照射器３は、装置本体２の移動中にレーザ照射を行ってもよいし、装置本体２が停止した状態でレーザ照射を行ってもよい。レーザ照射器３は、制御装置５が識別した複数の不要植物Ｐに順次レーザ照射を行う。

＜カメラ＞
カメラ４は、少なくとも１つの農作物及び少なくとも１つの不要植物Ｐが混在する農地を上方から撮影した画像を取得するように構成されている。

カメラ４が取得する画像には、少なくとも１つの農作物、少なくとも１つの不要植物Ｐ及びその他の物体（例えば、柵等の構造物、石等の障害物など）が含まれる。カメラ４の撮影範囲は、装置本体２の移動に伴って変化する。

＜制御装置＞
制御装置５は、主にレーザ照射器３を制御する。制御装置５は、例えばプロセッサと、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶媒体と、通信部と、入出力部とを備えるコンピュータにより構成される。図２に示すように、制御装置５は、画像処理部５１と、レーザ制御部５２と、データベース５３とを有する。

画像処理部５１は、カメラ４が撮影した画像から、不要植物Ｐを識別するように構成されている。画像処理部５１は、公知の統計学的手法によって構築されたＡＩ（人工知能）を用いて、不要植物Ｐを識別する。

統計学的手法としては、例えば、教師あり機械学習、多変量解析等が挙げられる。教師あり機械学習では、多数のラベル（つまり教師データ）付きの植物の画像を機械学習回路にて分析することで、判定式（つまり分類器）を構築する。

画像処理部５１は、不要植物Ｐの識別後、さらに不要植物Ｐの特性を判定するように構成されている。不要植物Ｐの特性には、不要植物Ｐの大きさ及び不要植物Ｐの種類が含まれる。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、画像処理部５１は、例えば、カメラ４が撮影した画像における不要植物Ｐに外接する長方形Ｓの面積を、不要植物Ｐの大きさとして判定する。つまり、画像処理部５１は、不要植物Ｐの基準方向における幅Ｘと、基準方向と直交する方向における幅Ｙとの積を不要植物Ｐの大きさとして求める。

また、画像処理部５１は、データベース５３に記憶されている植物のデータを参照して、不要植物Ｐの種類（つまりカテゴリ）を判定する。具体的には、画像処理部５１は、画像から不要植物Ｐの葉の形状、枚数、位置等を認識し、これを基に不要植物Ｐの種類を判定する。

画像処理部５１は、例えば、図４Ａの不要植物Ｐを「二葉雑草」と判定し、図４Ｂの不要植物Ｐを「多葉雑草」と判定し、図４Ｃの不要植物Ｐを「イネ科雑草」と判定する。なお、画像処理部５１は、４種以上のカテゴリに不要植物Ｐを分類してもよい。

図２に示すレーザ制御部５２は、画像処理部５１によって識別された不要植物Ｐの座標に対するレーザ光の照射をレーザ照射器３に指示する。また、レーザ制御部５２は、画像処理部５１が判定した不要植物Ｐの特性に基づいてレーザ光の照射量及び照射軌跡を調整するように構成されている。

具体的には、レーザ制御部５２は、不要植物Ｐの大きさ及び種類に基づいて、レーザ光の照射量（つまり不要植物Ｐへの照射エネルギー）を決定する。レーザ光の照射量は、レーザ光の照射出力及び照射時間に比例する。

レーザ制御部５２は、不要植物Ｐが大きいほどレーザ光の照射量を大きくし、不要植物Ｐが小さいほどレーザ光の照射量を小さくする。また、レーザ制御部５２は、不要植物Ｐの種類によるレーザ光への耐性（つまりレーザ光による除去のしにくさ）が大きいほどレーザ光の照射量を大きくし、レーザ光への耐性が小さいほどレーザ光の照射量を小さくする。

レーザ光の照射量は、レーザ光の照射出力及び照射時間の少なくとも一方の変更により調整される。レーザ光の照射量を大きくする調整では、照射時間は変えずに照射出力のみを大きくする、照射出力は変えずに照射時間のみを大きくする、又は照射出力及び照射時間の双方を大きくする、のいずれかの調整が行われる。

レーザ光の照射時間は、例えば、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、レーザ光の照射点の周回数によって調整される。レーザ光の照射点は、不要植物Ｐの成長点又は根元を中心に周回するように移動する。

不要植物Ｐの大きさ及び種類に対応するレーザ光の照射出力及び照射時間は、これらの関係を記述したテーブル又は関数としてデータベース５３に記憶される。テーブル又は関数に不要植物Ｐの大きさ及び種類が変数として入力されると、対応する照射出力及び照射時間が出力される。下記の表１は、テーブルの一例である。このように照射出力及び照射時間の双方を調整することで、照射量の調整自由度が高まる。

レーザ制御部５２は、不要植物Ｐに対するレーザ光の照射軌跡（つまり照射模様）を設定する機能も有する。照射軌跡Ｒとしては、図５に示すように、円、四角形、三角形等の幾何学的模様、「Ｚ」、「Ｖ」等の文字、星型、盃型等の象形模様などが挙げられる。

これらの照射軌跡Ｒは、不要植物Ｐ上を移動する照射点の経路であり、途切れの無い連続的な模様である。照射軌跡Ｒを形成する際の照射点の移動速度は、照射軌跡Ｒの全長及び繰り返し回数と、照射時間とによって調整される。

レーザ制御部５２は、レーザ照射器３に対して、上述のようにして調整された照射座標、照射出力、照射時間、照射軌跡等を入力する。レーザ照射器３は、レーザ制御部５２から指示された照射出力及び照射時間にて、照射軌跡に沿って不要植物Ｐへレーザ光を照射する。

＜制御装置の処理＞
以下、図６のフロー図を参照しつつ、制御装置５の画像処理部５１及びレーザ制御部５２が実行する処理の一例について説明する。

本処理では、まず、画像処理部５１が、カメラ４が撮影した画像を取得する（ステップＳ１１０）。次に、画像処理部５１は、画像から不要植物を識別した上で、不要植物の特性を判定する（ステップＳ１２０）。不要植物の特性の判定後、レーザ制御部５２が、レーザ光の照射量を調整する（ステップＳ１３０）。

図７に示す照射量調整処理では、レーザ制御部５２は、不要植物の大きさが閾値以上か否か判定する（ステップＳ２１０）。不要植物の大きさが閾値以上の場合（Ｓ２１０：ＹＥＳ）、レーザ制御部５２は、不要植物の種類が「Ａ」であるか否か判定する（ステップＳ２２０）。不要植物の種類が「Ａ」である場合（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、レーザ制御部５２は、表１における「パターン１」の照射量を設定する（ステップＳ２３０）。

不要植物の種類が「Ａ」でない場合（Ｓ２２０：ＮＯ）、レーザ制御部５２は、不要植物の種類が「Ｂ」であるか否か判定する（ステップＳ２４０）。不要植物の種類が「Ｂ」である場合（Ｓ２４０：ＹＥＳ）、レーザ制御部５２は、表１における「パターン２」の照射量を設定する（ステップＳ２５０）。一方、不要植物の種類が「Ｂ」でない場合（Ｓ２４０：ＮＯ）、レーザ制御部５２は、表１における「パターン３」の照射量を設定する（ステップＳ２６０）。

不要植物の大きさが閾値未満の場合（Ｓ２１０：ＮＯ）も、同様にして、レーザ制御部５２は、不要植物の種類が「Ａ」であるか否かの判定（ステップＳ２７０）及び不要植物の種類が「Ｂ」であるか否かの判定（ステップＳ２９０）により、表１における「パターン４」、「パターン５」又は「パターン６」の照射量を設定する（ステップＳ２８０、ステップＳ３００及びステップＳ３１０）。

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）画像解析によって判定された不要植物の特性に基づいてレーザ光の照射量を調整することができるため、不要植物に過不足なくレーザ光を照射できる。その結果、バッテリ容量の増大、消費電力の上昇、及び過度のレーザ光の照射を抑制しつつ、不要植物を効率的に除去できる。

（１ｂ）レーザ光の照射出力の調整によって、比較的容易にレーザ光の照射量を調整できる。
（１ｃ）レーザ光の照射時間の調整によって、比較的容易にレーザ光の照射量を調整できる。

（１ｄ）画像処理部５１が判定する不要植物の特性に不要植物の大きさが含まれることで、植物の大きさにしたがってレーザ光の照射量を調整することができる。
（１ｅ）画像処理部５１が判定する不要植物の特性に不要植物の種類が含まれることで、植物の形状に合わせてレーザ光の照射量を調整することができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の移動式除草装置において、制御装置は、必ずしも装置本体に保持されなくてもよい。例えば、制御装置は、農地の上又は農地から離れた施設に設置されると共に、カメラ及びレーザ照射器と無線通信を行うように構成されてもよい。

（２ｂ）上記実施形態の移動式除草装置において、制御装置は、植物の大きさのみ、又は植物の種類のみに応じてレーザ光の照射量を調整してもよい。また、制御装置は、植物の大きさ及び種類以外の特性に基づいてレーザ光の照射量を調整してもよい。

（２ｃ）上記実施形態の移動式除草装置において、装置本体の移動形態は走行に限定されない。移動式除草装置は、例えば、飛行により移動してもよい。

（２ｄ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…移動式除草装置、２…装置本体、３…レーザ照射器、４…カメラ、５…制御装置、
２１…車輪、３１…発振器、３２…反射制御部、５１…画像処理部、
５２…レーザ制御部、５３…データベース。

Claims (5)

1. 植物を上方から撮影した画像を取得するように構成されたカメラと、
   前記植物の上方から、前記植物に向けてレーザ光を照射するように構成されたレーザ照射器と、
   前記画像に基づいて前記植物の特性を判定すると共に、前記特性に基づいて前記レーザ光の照射量を調整するように構成された制御装置と、
   前記カメラ及び前記レーザ照射器を保持すると共に、移動機構を有する装置本体と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記画像に基づいて前記植物の成長点及び根元のうちの少なくとも一方を検出し、前記レーザ光の照射点が前記植物の成長点又は根元を中心に周回するように前記レーザ照射器を制御する、移動式除草装置。
2. 請求項１に記載の移動式除草装置であって、
   前記制御装置は、前記レーザ光の照射出力の調整によって、前記レーザ光の照射量を調整する、移動式除草装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の移動式除草装置であって、
   前記制御装置は、前記レーザ光の照射時間の調整によって、前記レーザ光の照射量を調整する、移動式除草装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の移動式除草装置であって、
   前記特性には、前記植物の大きさが含まれる、移動式除草装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の移動式除草装置であって、
   前記特性には、前記植物の種類が含まれる、移動式除草装置。