特許 7506103 除草装置及び植物の分裂組織の位置を推定する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-17

(45)【発行日】2024-06-25

(54)【発明の名称】除草装置及び植物の分裂組織の位置を推定する方法

(51)【国際特許分類】

   A01M 21/04 20060101AFI20240618BHJP

【ＦＩ】

A01M21/04 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022019042

(22)【出願日】2022-02-09

(65)【公開番号】P2023116306

(43)【公開日】2023-08-22

【審査請求日】2023-01-20

(73)【特許権者】

【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】加藤 久幸

【審査官】吉田 英一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０５３９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２７５５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０７５７８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０２１－５２０３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００２９６１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２２９４２１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ０１Ｍ ２１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

植物にレーザ照射を実行することにより除草を行う除草装置であって、
植物が存在しうる範囲の画像を取得するように構成された画像取得部と、
前記画像取得部により取得された前記画像から、レーザ照射を実行する対象の植物が存在する領域である対象領域を特定するように構成された特定部と、
前記特定部により特定された前記対象領域の形状に応じて定まる、前記対象領域における特定地点を決定する決定部と、
前記特定地点を含む所定の範囲内を、前記対象領域における他の範囲と比較して高い密度でレーザ照射を実行するように構成された照射部と、
を備え、
前記対象領域は、前記対象の植物の画像である植物画像の部分に外接する矩形の領域であり、
前記決定部は、前記矩形の領域における対角線の交点を、前記特定地点として決定する、除草装置。

【請求項2】

植物にレーザ照射を実行することにより除草を行う除草装置であって、
植物が存在しうる範囲の画像を取得するように構成された画像取得部と、
前記画像取得部により取得された前記画像から、レーザ照射を実行する対象の植物が存在する領域である対象領域を特定するように構成された特定部と、
前記特定部により特定された前記対象領域の形状に応じて定まる、前記対象領域における特定地点を決定する決定部と、
前記特定地点を含む所定の範囲内を、前記対象領域における他の範囲と比較して高い密度でレーザ照射を実行するように構成された照射部と、
を備え、
前記対象領域は、前記対象の植物の画像である植物画像の部分に外接する円形の領域であり、
前記決定部は、前記円形の領域の中心を、前記特定地点として決定する、除草装置。

【請求項3】

植物にレーザ照射を実行することにより除草を行う除草装置であって、
植物が存在しうる範囲の画像を取得するように構成された画像取得部と、
前記画像取得部により取得された前記画像から、レーザ照射を実行する対象の植物が存在する領域である対象領域を特定するように構成された特定部と、
前記特定部により特定された前記対象領域の形状に応じて定まる、前記対象領域における特定地点を決定する決定部と、
前記特定地点を含む所定の範囲内を、前記対象領域における他の範囲と比較して高い密度でレーザ照射を実行するように構成された照射部と、
を備え、
前記対象領域は、前記画像における植物と認識された対象物が示される画素の集合した領域であり、
前記決定部は、前記領域の重心を前記特定地点として決定する、除草装置。

【請求項4】

請求項３に記載の除草装置であって、
前記特定部は、前記画像における緑色部分を前記対象領域として特定する、除草装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の除草装置であって、
当該除草装置を移動させることが可能な移動機構を更に備える、除草装置。

【請求項6】

植物の分裂組織の位置を推定する方法であって、
画像を取得することと、
前記画像から、対象の植物の画像である植物画像の部分に外接する矩形又は円形の領域である対象領域を特定することと、
前記対象領域における中心点を、分裂組織の位置と推定することと、
を含む、植物の分裂組織の位置を推定する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、除草装置及び植物の分裂組織の位置を推定する方法に関する。

【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。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。具体的には、不要植物の分裂組織領域を狙って、レーザ光が照射される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－５３９４１号公報

【文献】特開２０１５－５３９４２号公報

【文献】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】

しかしながら、画像による分裂組織領域の識別は容易ではなく、画像認識の処理時間が長くなるおそれがある。よって、処理負荷が高くなるという問題があった。
本開示の一局面は、処理負荷を抑制しつつ除草することができる装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様は、植物にレーザ照射を実行することにより除草を行う除草装置であって、画像取得部と、特定部と、決定部と、照射部と、を備える。画像取得部は、植物が存在しうる範囲の画像を取得するように構成される。特定部は、画像取得部により取得された画像から、レーザ照射を実行する対象の植物が存在する領域である対象領域を特定するように構成される。決定部は、特定部により特定された対象領域の形状に応じて定まる、対象領域における特定地点を決定する。照射部は、特定地点を含む所定の範囲内を、対象領域における他の範囲と比較して高い密度でレーザ照射を実行するように構成される。

【0006】

このような構成によれば、画像上の植物が存在する領域の形状に基づいてレーザ照射位置を特定するため、画像認識で分裂組織を特定してレーザ照射位置を特定する構成と比較して、処理負荷を抑制しつつ不要な植物を除草することができる。

【0007】

上述した除草装置において、対象領域は、画像における植物が存在する範囲を含む矩形の領域であってもよい。決定部は、矩形の領域における対角線の交点を、特定地点として決定してもよい。
従来、植物の分裂組織にレーザ照射を実行することが知られているが、植物の分裂組織は非常に小さく、画像認識で分裂組織を特定しようとすると、画像認識の処理時間が長くなり、処理負荷が高くなるおそれがある。上述した構成の除草装置では、矩形の領域における対角線の交点を、植物の分裂組織と推定し、レーザ照射を実行することから、処理負荷を抑制しつつ不要な植物を除草することができる。

【0008】

上述した除草装置において、対象領域は、画像における植物が存在する範囲を含む円形の領域であってもよい。決定部は、円形の領域の中心を、特定地点として決定してもよい。このような構成によれば、円形の領域の中心を、植物の分裂組織と推定し、レーザ照射を実行することができる。よって、処理負荷を抑制しつつ不要な植物を除草することができる。

【0009】

上述した除草装置において、対象領域は、画像における植物と認識された対象物が示される画素の集合した領域であってもよい。決定部は、領域の重心を特定地点として決定してもよい。このような構成によれば、画像における植物と認識された対象物が示される画素の集合した領域の重心を、植物の分裂組織と推定し、レーザ照射を実行することができる。よって、処理負荷を抑制しつつ不要な植物を除草することができる。

【0010】

上述した除草装置において、特定部は、画像における緑色部分を対象領域として特定してもよい。このような構成によれば、画像から不要な植物を良好に検出することができ、高い精度で除草を行うことができる。

【0011】

上述した除草装置において、当該除草装置を移動させることが可能な移動機構を更に備えてもよい。このような構成によれば、除草装置を容易に移動させて、除草作業を行うことができる。よって、効率よく除草を行うことができる。

【0012】

本開示の一態様は、植物の分裂組織の位置を推定する方法であって、画像を取得することと、画像から、対象の植物が存在する範囲を含む矩形又は円形の領域である対象領域を特定することと、対象領域における中心点を、分裂組織の位置と推定することと、を含む。このような構成によれば、中心点は対象領域の形状に応じて定まるため、過剰な処理負荷を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施形態における除草装置の模式図である。

【図2】図２は、図１の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、除草処理のフロー図である。

【図4】図４は、矩形の領域における対角線の交点を抽出したときの画像の模式図である。

【図5】図５は、円形の領域の中心を抽出したときの画像の模式図である。

【図6】図６は、対象物が示される画素の集合した領域の重心を抽出したときの画像の模式図である。

【図7】図７は、緑色部分以外の領域を黒色一色に設定したときの画像の模式図である。

【図8】図８は、矩形の枠の大きさの割合に応じて、レーザ照射を実行する範囲を決定したときの画像の模式図である。

【図9】図９は、円の大きさの割合に応じて、レーザ照射を実行する範囲を決定したときの画像の模式図である。

【図10】図１０は、対象物が示される画素の集合した領域の面積に応じて、レーザ照射を実行する範囲を決定したときの画像の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
［１．実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す除草システム１は、例えば農地において、農作物Ｐ１の周辺に発生した不要植物Ｐ２をレーザ照射により除去するためのシステムである。不要植物Ｐ２は、レーザ照射を実行する対象の植物であり、雑草などが該当する。除草システム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。

【0015】

＜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。

【0016】

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、駆動装置を有していてもよい。例えばモータによって車輪２１を回転させる電動式の駆動装置を有してもよい。また、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。

【0017】

＜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。

【0018】

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Ｌの周波数は、例えば４５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。

【0019】

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。

【0020】

＜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像した画像を取得するように構成されている。

【0021】

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の撮像範囲は、装置本体２の移動に伴って変化する。

【0022】

＜制御装置＞
制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等を有する周知のマイクロコンピュータを中心に構成される。ＣＰＵは、非遷移的実体的記録媒体であるＲＯＭに格納されたプログラムを実行する。当該プログラムが実行されることで、当該プログラムに対応する方法が実行される。具体的には、制御装置５は当該プログラムに従い、後述する図３に示す除草処理を実行する。なお、制御装置５は、１つのマイクロコンピュータを備えてもよいし、複数のマイクロコンピュータを備えてもよい。

【0023】

制御装置５は、ＣＰＵがプログラムを実行することで実現される機能ブロック、すなわち、仮想的な構成要素として、図２に示されるように、画像取得部５１と、特定部５２と、決定部５３と、レーザ制御部５４と、を備える。制御装置５に含まれる各部の機能を実現する手法はソフトウェアに限るものではなく、その一部又は全部の機能は、一つあるいは複数のハードウェアを用いて実現されてもよい。例えば、上記機能がハードウェアである電子回路によって実現される場合、その電子回路は、デジタル回路、又はアナログ回路、あるいはこれらの組合せによって実現されてもよい。

【0024】

画像取得部５１は、カメラにより撮像された画像を取得するように構成されている。
特定部５２は、画像取得部５１により取得された画像から、レーザ照射を実行する不要植物Ｐ２が存在する領域である対象領域を特定するように構成されている。

【0025】

決定部５３は、特定部５２により特定された対象領域の形状に応じて定まる、対象領域における特定地点を決定するように構成されている。
レーザ制御部５４は、特定地点に対してレーザ照射を実行するように指示する。レーザ制御部５４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。

【0026】

レーザ制御部５４の指示によって、レーザ照射器３は、特定部５２により不要植物Ｐ２と識別された全ての植物に対してレーザ光Ｌを照射する。
［１－２．処理］
以下、図３のフロー図を参照しつつ、制御装置５が実行する処理の一例について説明する。

【0027】

まず、制御装置５は、Ｓ１０１で、カメラ４が撮像した画像を取得する。
次に、制御装置５は、Ｓ１０２で、画像に写る物体の中から、植物を抽出する。具体的には、制御装置５は、画像に写る物体の色が緑色か緑色以外かを判定する。より詳しくは、制御装置５は、ＲＧＢが緑色を示す所定の範囲内にある画素を抽出する。

【0028】

続いて、制御装置５は、Ｓ１０３で、Ｓ１０２で植物と判定された物体について、農作物Ｐ１か不要植物Ｐ２かを判定する。具体的には、制御装置５は、画像に写る物体について、予め学習させた雑草の色のパターンと類似するか否かを判定する。一例として、制御装置５は、画像を細かく分割し、分割した各区画について、色の並びが雑草の色の並びと類似しているか否かを判定する。制御装置５は、画像に写る物体について、雑草の色のパターンと類似していると判定した場合、不要植物Ｐ２と判定する。

【0029】

なお、画像に写る物体の中から、不要植物Ｐ２を抽出する方法はこれに限定されるものではない。例えば、制御装置５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を抽出してもよい。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。

【0030】

続いて、制御装置５は、Ｓ１０４で、特定地点を決定する。具体的には、制御装置５は、まず不要植物Ｐ２が存在する領域を矩形で囲む。そして、制御装置５は、図４の画像６０に示されるように、矩形の領域６１における対角線６２の交点を、特定地点Ｓ１として決定する。本実施形態では、矩形の領域６１が対象領域に相当する。なお、図４～１０は、カメラ４で撮像した所定範囲の画像のうちの一部を抽出した画像である。

【0031】

続いて、制御装置５は、Ｓ１０５で、レーザ照射器３に対して、Ｓ１０４で決定した特定地点Ｓ１を照射座標として指示する。これにより、レーザ照射器３は、不要植物Ｐ２の特定地点Ｓ１にレーザを照射する。

【0032】

［１－３．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）制御装置５は、矩形の領域における対角線６２の交点を、特定地点Ｓ１として決定する。このような構成によれば、画像認識で分裂組織を特定する構成と比較して、処理負荷を抑制しつつ不要植物Ｐ２を除草することができる。その理由を説明する。従来、不要植物Ｐ２の分裂組織にレーザ照射を実行することが知られている。しかし、不要植物Ｐ２の分裂組織は非常に小さく、画像認識で分裂組織を特定することは困難である。画像認識の処理時間が長くなり、処理負荷が高くなるおそれがある。

【0033】

ここで、分裂組織は真上から見た時に不要植物Ｐ２の中心にあることが多い。そこで、上述した構成によれば、特定地点を分裂組織と推定して、レーザ照射を実行することができる。特定地点を分裂組織と推定することで、過剰な処理負荷を抑制できる。

【0034】

（１ｂ）除草システム１は、装置本体２を移動させることが可能な移動機構を備える。このような構成によれば、装置本体２を容易に移動させて、除草作業を行うことができる。よって、効率よく除草を行うことができる。

【0035】

［１－４．対応関係］
上記実施形態では、レーザ照射器３が照射部に相当し、画像取得部５１、特定部５２、決定部５３、及びレーザ照射器３が除草装置に相当する。

【0036】

［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。

【0037】

（２ａ）上記実施形態では、除草システム１が、矩形の領域６１における対角線６２の交点を、特定地点Ｓ１として決定し、レーザ照射を実行する構成を例示した。しかし、特定地点を決定する方法はこれに限定されるものではない。例えば、除草システム１は、図５の画像７０に示されるように、画像７０における植物が存在する範囲を含む円形の領域７１を対象領域とし、円形の領域７１の中心を、特定地点Ｓ２として決定してもよい。このような構成によっても、画像認識で分裂組織を特定する構成と比較して、処理負荷を抑制しつつ不要植物Ｐ２を除草することができる。

【0038】

また例えば、除草システム１は、図６の画像８０に示されるように、画像８０における植物と認識された対象物が示される画素の集合した領域８１を対象領域とし、当該領域の重心を特定地点Ｓ３として決定してもよい。具体的には、画像８０における緑色部分を対象領域としてもよい。このとき、図７の画像９０に示されるように、緑色部分以外の領域を、例えば黒色一色に設定することで、不要植物Ｐ２の形状をより的確に抽出することができる。このような構成によっても、画像認識で分裂組織を特定する構成と比較して、処理負荷を抑制しつつ不要植物Ｐ２を除草することができる。

【0039】

（２ｂ）上記実施形態では、レーザ制御部５４が、特定地点に対してレーザ照射を実行するように指示する構成を例示した。しかし、レーザ照射を実行する範囲はこれに限定されるものではない。例えば、図８～１０に示されるように、レーザ制御部５４は、特定地点Ｓ１を含む所定の範囲内に対して、レーザ照射を実行してもよい。具体的には、図８に示されるように、矩形の枠の大きさの割合に応じて、レーザ照射を実行する範囲６３を決定してもよい。また、図９に示されるように、円の大きさの割合に応じて、レーザ照射を実行する範囲６４を決定してもよい。また、図１０に示されるように、画像における植物と認識された対象物が示される画素の集合した領域の面積に応じて、レーザ照射を実行する範囲６５を決定してもよい。

【0040】

また、例えば、レーザ制御部５４は、特定地点を含む所定の範囲内を、対象領域における他の範囲と比較して高い密度でレーザ照射を実行するように指示してもよい。具体的には、特定地点を含む所定の範囲内を、対象領域における他の範囲と比較して、高い頻度でレーザ照射を実行してもよいし、高い出力値でレーザ照射を実行してもよいし、長い時間レーザ照射を実行してもよい。

【0041】

（２ｃ）上記実施形態の構成は、植物の分裂組織の位置を推定する方法として用いられてもよい。具体的には、画像を取得することと、画像から、対象の植物が存在する範囲を含む矩形又は円形の領域である対象領域を特定することと、対象領域における中心点を、分裂組織の位置と推定することと、を含んでいてもよい。

【0042】

例えば、図４，５のように特定地点Ｓ１，Ｓ２を決定した画像６０，７０は、機械学習の教師データとして用いられてもよい。具体的には、特定地点Ｓ１，Ｓ２を決定した画像６０，７０を教師データとして機械学習回路に入力し、特定地点を分裂組織の位置として学習させてもよい。

【0043】

（２ｄ）上記実施形態では、装置本体２を移動させることが可能な移動機構を備える構成を例示した。しかし、装置本体２の移動形態は走行に限定されない。装置本体は、例えば、農地に設けられたレールにより移動可能な構成であってもよい。装置本体は、例えば、飛行により移動してもよい。また、装置本体２は、移動機構を備えない構成であってもよい。

【0044】

（２ｅ）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。

【0045】

（２ｆ）本開示は、前述した除草システム１の他、当該除草システム１を構成要素とするシステム、当該除草システム１としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した媒体、不要植物Ｐ２を抽出する方法など、種々の形態で実現することができる。

【符号の説明】

【0046】

１…除草システム、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…画像取得部、５２…特定部、５３…決定部、５４…レーザ制御部、６０，７０，８０，９０…画像、６１…矩形の領域、６２…対角線、７１…円形の領域、８１…領域、６３，６４，６５…範囲、Ｌ…レーザ光、Ｐ１…農作物、Ｐ２…不要植物、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…特定地点。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】