特開 2023-116305 移動式除草装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023116305

(43)【公開日】2023-08-22

(54)【発明の名称】移動式除草装置

(51)【国際特許分類】

   A01M 21/04 20060101AFI20230815BHJP

   A01M 21/00 20060101ALI20230815BHJP

【ＦＩ】

A01M21/04 Z

A01M21/00 Z

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022019041

(22)【出願日】2022-02-09

(71)【出願人】

【識別番号】391002498

【氏名又は名称】フタバ産業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】谷澤 好人

【テーマコード（参考）】

2B121

【Ｆターム（参考）】

2B121AA19

2B121DA16

2B121DA17

2B121DA62

2B121DA63

2B121FA15

(57)【要約】

【課題】処理時間を短縮しつつ、画像認識による不要植物の識別精度を高められる移動式除草装置を提供する。
【解決手段】本開示の一態様は、農地を撮影した画像を取得するカメラと、画像から不要植物を識別する制御装置と、制御装置によって識別された不要植物の上方から、不要植物に向けてレーザ光を照射するレーザ照射器とを備える移動式除草装置である。制御装置は、画像から複数の農作物を識別する処理と、識別された複数の農作物が直線状に並んでいる領域を播種ゾーンとして設定する処理と、播種ゾーン内において画像から不要植物の識別を行う処理と、播種ゾーン外において不要植物の存在率が播種ゾーン内よりも高いと想定した上で、画像から不要植物の識別を行う処理とを実行する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の農作物及び少なくとも１つの不要植物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たカメラと、
前記画像から前記不要植物を識別するように構成された制御装置と、
前記制御装置によって識別された前記不要植物の上方から、前記不要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、
前記画像から前記複数の農作物を識別する農作物識別処理と、
識別された前記複数の農作物が直線状に並んでいる領域を播種ゾーンとして設定するゾーン設定処理と、
前記播種ゾーン内において、前記画像から前記不要植物の識別を行う第１不要植物識別処理と、
前記播種ゾーン外において、前記不要植物の存在率が前記播種ゾーン内よりも高いと想定した上で、前記画像から前記不要植物の識別を行う第２不要植物識別処理と、
を実行するように構成される、移動式除草装置。

【請求項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、前記第２不要植物識別処理において、前記画像の前記播種ゾーン外で抽出された植物を前記不要植物と識別する、移動式除草装置。

【請求項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、前記第１不要植物識別処理において、前記画像の前記播種ゾーン内で抽出された植物のうち、隣接する植物との間隔が前記複数の農作物の平均間隔に対する許容範囲未満の植物を、前記不要植物と識別する、移動式除草装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、移動式除草装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－５３９４１号公報

【特許文献2】特開２０１５－５３９４２号公報

【特許文献3】特開２０１５－６２４１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

レーザ光は、画像認識処理によって識別された不要植物の位置に向けて照射される。しかしながら、不要植物が十分に成長していない状態では、画像による不要植物の識別は容易ではない。そのため、不要植物の識別精度が低下するおそれや、画像認識の処理時間が長くなるおそれがある。

【0005】

本開示の一局面は、処理時間を短縮しつつ、画像認識による不要植物の識別精度を高められる移動式除草装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様は、複数の農作物及び少なくとも１つの不要植物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たカメラと、画像から不要植物を識別するように構成された制御装置と、制御装置によって識別された不要植物の上方から、不要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、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。

【0007】

制御装置は、画像から複数の農作物を識別する農作物識別処理と、識別された複数の農作物が直線状に並んでいる領域を播種ゾーンとして設定するゾーン設定処理と、播種ゾーン内において、画像から不要植物の識別を行う第１不要植物識別処理と、播種ゾーン外において、不要植物の存在率が播種ゾーン内よりも高いと想定した上で、画像から不要植物の識別を行う第２不要植物識別処理と、を実行するように構成される。

【0008】

このような構成によれば、農作物の存在可能性が高い播種ゾーンと、それ以外の領域とを区別した上で、不要植物の識別を行うことができる。そのため、処理時間を短縮しつつ、不要植物の識別精度を高めることができる。その結果、制御装置の消費電力を抑えられる。また、不要植物が大きくなる前に不要植物を除去することができる。

【0009】

本開示の一態様では、制御装置は、第２不要植物識別処理において、画像の播種ゾーン外で抽出された植物を不要植物と識別してもよい。このような構成によれば、第２不要植物識別処理における処理時間が格段に短縮される。

【0010】

本開示の一態様では、制御装置は、第１不要植物識別処理において、画像の播種ゾーン内で抽出された植物のうち、隣接する植物との間隔が複数の農作物の平均間隔に対する許容範囲未満の植物を、不要植物と識別してもよい。このような構成によれば、第１不要植物識別処理における処理時間を短縮しつつ、不要植物の識別精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】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】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3】図３は、図１の移動式除草装置におけるカメラの取得画像の一例である。

【図4】図４Ａ及び図４Ｂは、播種ゾーンにおける農作物の間隔を説明する模式図である。

【図5】図５は、図２の制御装置における画像処理部が実行する処理を概略的に示すフロー図である。

【図6】図６は、図２の制御装置における画像処理部が実行する処理を概略的に示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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Ｐ１の周辺に発生した不要植物Ｐ２（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。

【0013】

＜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。

【0014】

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。

【0015】

＜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Ｐ２の上方から、不要植物Ｐ２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。

【0016】

レーザ照射器３は、レーザ光Ｌにより、不要植物Ｐ２に損傷を与える（具体的には焼損させる）ことで不要植物Ｐ２を枯死させる。レーザ光Ｌは、不要植物Ｐ２の成長点又は根元に照射される。不要植物Ｐ２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。

【0017】

レーザ照射器３としては、バッテリと、発振器と、集光部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。

【0018】

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Ｐ２に順次レーザ照射を行う。

【0019】

＜カメラ＞
カメラ４は、複数の農作物Ｐ１及び少なくとも１つの不要植物Ｐ２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。

【0020】

カメラ４が取得する画像には、複数の農作物Ｐ１、少なくとも１つの不要植物Ｐ２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。

【0021】

＜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とを有する。

【0022】

画像処理部５１は、カメラ４が撮影した画像から、不要植物Ｐ２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Ｐ２を識別する。

【0023】

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。

【0024】

画像処理部５１は、農作物識別処理と、ゾーン設定処理と、第１不要植物識別処理と、第２不要植物識別処理とを実行するように構成されている。

【0025】

図３に示すように、農作物識別処理では、画像処理部５１は、カメラ４が取得した画像Ｉから複数の農作物Ｐ１を識別する。具体的には、画像処理部５１は、画像Ｉから抽出された複数の植物に対し、例えば、ＡＩが予め学習した農作物の画像又は特徴とのパターンマッチングによって、農作物Ｐ１を識別する。

【0026】

複数の農作物Ｐ１は、一般的に播種センターラインＣに沿って一定の間隔で存在する。播種センターラインＣは、農地の畝の幅方向中心を通る直線である。農作物Ｐ１は、種の位置によって播種センターラインＣから畝の幅方向にずれて存在し得る。また、農作物Ｐ１の播種センターラインＣに沿った間隔にもバラツキがある。

【0027】

ゾーン設定処理では、画像処理部５１は、農作物識別処理において識別された複数の農作物Ｐ１が直線状に並んでいる領域を播種ゾーンＺとして設定する。播種ゾーンＺは、農作物Ｐ１の播種が行われたと想定される領域であり、農作物Ｐ１が存在している可能性が高い帯状の領域である。

【0028】

具体的には、画像処理部５１は、まず、複数の農作物Ｐ１の配置から播種センターラインＣを抽出する。播種センターラインＣは、例えば、Ｙ方向座標が一定範囲（例えば後述する幅Ｗ）内にある複数の農作物Ｐ１の、Ｙ方向座標の平均値として求められる。なお、「Ｙ方向」とは、畝の長手方向と平行な「Ｘ方向」と直交する方向である。播種センターラインＣは、Ｘ方向と平行である。

【0029】

播種センターラインＣの抽出後、画像処理部５１は、播種センターラインＣに対するＹ方向の距離が幅Ｗ内の範囲を播種ゾーンＺとして設定する。幅Ｗは、畝の大きさに合わせて、適宜設定される。幅Ｗとしては、例えば１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とすることができる。画像に複数の畝（つまり播種センターラインＣ）が存在する場合は、画像処理部５１は、複数の播種ゾーンＺを設定する。

【0030】

本実施形態では、移動式除草装置１は、畝の長手方向（つまりＸ方向）に沿って移動する。そのため、播種ゾーンＺの長手方向と、装置本体２の走行方向とは一致する。また、カメラ４の撮影範囲は、装置本体２の走行に伴ってＸ方向に移動する。

【0031】

第１不要植物識別処理では、画像処理部５１は、播種ゾーンＺ内において、画像Ｉから不要植物Ｐ２の識別を行う。

【0032】

具体的には、図４Ａに示すように、画像処理部５１は、まず、複数の農作物Ｐ１の播種ゾーンＺの長手方向（つまりＸ方向）における平均間隔Ｓを求める。平均間隔Ｓは、画像処理部５１が識別した複数の農作物Ｐ１のＸ方向座標によって算出される。なお、画像処理部５１は、２つの農作物Ｐ１の間隔が他の２つの農作物Ｐ１の間隔の約２倍以上である領域を、農作物Ｐ１が間引かれた領域と判断し、この領域の間隔を平均間隔Ｓの算出基データから除外する。

【0033】

次に、画像処理部５１は、画像Ｉの播種ゾーンＺ内で抽出された植物のうち、Ｘ方向において隣接する植物との間隔が平均間隔Ｓに対する許容範囲未満の植物を、不要植物Ｐ２と識別する。

【0034】

許容範囲は、平均間隔Ｓから調整値αを減じた値（Ｓ－α）である。調整値αは、農作物Ｐ１のＸ方向における間隔のバラツキの大きさに合わせて、適宜設定される数値である。調整値αとしては、例えば平均間隔Ｓの１０％以上５０％以下とすることができる。

【0035】

図４Ｂに示すように、農作物Ｐ１は生育状況等によって間引かれることがある。画像処理部５１は、播種ゾーンＺ内で平均間隔Ｓよりも大きい間隔を有する２つの農作物Ｐ１が存在する場合は、この間の領域を間引き領域Ｔとして識別する。

【0036】

例えば、２つの農作物Ｐ１の間隔が平均間隔Ｓの２倍の場合、画像処理部５１は、間引き領域Ｔにおいては、平均間隔Ｓの２倍から調整値αを減じた値（２Ｓ－α）を許容範囲として、不要植物Ｐ２を識別する。具体的には、画像処理部５１は、間引き領域Ｔを挟んで隣接する２つの農作物Ｐ１それぞれからの距離が（２Ｓ－α）未満である植物を不要植物Ｐ２と識別する。

【0037】

画像処理部５１は、２つの農作物Ｐ１の間において間引かれた農作物Ｐ１が２つ以上の場合も同様に処理する。すなわち、間引かれた農作物Ｐ１の数がＮの場合、画像処理部５１は、（（Ｎ＋１）Ｓ－α）を平均間隔Ｓに対する許容範囲として、不要植物Ｐ２を識別する。

【0038】

第２不要植物識別処理では、画像処理部５１は、不要植物Ｐ２の存在率が播種ゾーンＺ内よりも高いと想定した上で、画像Ｉから不要植物Ｐ２の識別を行う。具体的には、画像処理部５１は、画像Ｉの播種ゾーンＺ外で抽出された全ての植物を不要植物Ｐ２と識別する。

【0039】

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Ｐ２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。レーザ制御部５２は、レーザ照射器３に対して、照射座標、照射時間、照射強度等を入力する。

【0040】

レーザ制御部５２の指示によって、レーザ照射器３は、画像処理部５１により播種ゾーンＺの内部及び外部おいて不要植物Ｐ２と識別された全ての植物に対してレーザ光を照射する。

【0041】

＜画像処理部の処理＞
以下、図５のフロー図を参照しつつ、画像処理部５１が実行する処理の一例について説明する。

【0042】

本処理では、まず、画像処理部５１は、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、画像から複数の農作物を識別する（ステップＳ１２０）。

【0043】

農作物の識別後、画像処理部５１は、播種ゾーンを設定する（ステップＳ１３０）。播種ゾーンの設定後、画像処理部５１は、不要植物識別処理を実行する（ステップＳ１４０）。不要植物識別処理は、画像に含まれている複数の植物それぞれに対し、個別に実行される。

【0044】

図６に示す不要植物識別処理では、画像処理部５１は、識別対象の植物が播種ゾーン内に存在するか否か判定する（ステップＳ２１０）。識別対象の植物が播種ゾーン外に存在する場合（Ｓ２１０：ＮＯ）、画像処理部５１は、識別対象の植物が不要植物であると判定する（ステップＳ２４０）。

【0045】

一方、識別対象の植物が播種ゾーン内に存在する場合（Ｓ２１０：ＹＥＳ）、画像処理部５１は、識別対象の植物と隣接する農作物との距離が農作物の平均間隔に対する許容範囲未満か否か判定する（ステップＳ２２０）。

【0046】

識別対象の植物と隣接する農作物との距離が許容範囲未満の場合（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、画像処理部５１は、識別対象の植物が不要植物であると判定する（Ｓ２４０）。一方、識別対象の植物と隣接する農作物との距離が許容範囲以上の場合（Ｓ２２０：ＮＯ）、画像処理部５１は、識別対象の植物が農作物であると判定する（ステップＳ２３０）。

【0047】

［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）農作物の存在可能性が高い播種ゾーンと、それ以外の領域とを区別した上で、不要植物の識別を行うことができる。そのため、処理時間を短縮しつつ、不要植物の識別精度を高めることができる。その結果、制御装置５の消費電力を抑えられる。また、不要植物が大きくなる前に不要植物を除去することができる。

【0048】

（１ｂ）画像処理部５１が画像の播種ゾーン外で抽出された植物を不要植物と識別することで、第２不要植物識別処理における処理時間が格段に短縮される。

【0049】

（１ｃ）画像処理部５１が隣接する植物との間隔が許容範囲未満の植物を不要植物と識別することで、第１不要植物識別処理における処理時間を短縮しつつ、不要植物の識別精度を向上できる。

【0050】

［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。

【0051】

（２ａ）上記実施形態の移動式除草装置において、制御装置（つまり画像処理部）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。

【0052】

（２ｂ）上記実施形態の移動式除草装置において、制御装置（つまり画像処理部）は、必ずしも播種ゾーン外で抽出された植物を無条件に不要植物と識別しなくてもよい。例えば、制御装置は、第１不要植物識別処理で用いられる画像識別アルゴリズムよりも不要植物の抽出精度を高めた（つまり処理負荷の大きい）画像識別アルゴリズムによって不要植物を１つずつ識別してもよい。

【0053】

（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。

【0054】

（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。

【符号の説明】

【0055】

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、５１…画像処理部、５２…レーザ制御部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】