(57)【要約】【課題】水田の農業管理を、作物を傷つけることなく、高度に省力化する。【解決手段】船型小型ロボットは、船体と、推進装置と、旋回装置と、水底に向けて水を噴出する水噴出装置と、環境検出装置と、前記船体が障害物を回避しつつ前記水田内を航行できるように、前記環境検出装置の検出結果に基づいて、前記推進装置及び前記旋回装置を制御する制御装置とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水田の農業管理用船型小型ロボットであって、
船体と、
推進装置と、
旋回装置と、
水底に向けて水を噴出する水噴出装置と、
環境検出装置と、
前記船体が障害物を回避しつつ前記水田内を航行できるように、前記環境検出装置の検出結果に基づいて、前記推進装置及び前記旋回装置を制御する制御装置とを有することを特徴とする船型小型ロボット。
【請求項２】
前記推進装置及び前記水噴出装置が共通の水圧発生装置を有し、前記水圧発生装置により発生した水圧により前記推進装置の推進力及び前記水噴出装置の噴流を発生するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の船型小型ロボット。
【請求項３】
前記推進装置が後方を向く左右１対の噴出ノズルを有し、
前記旋回装置が、前記両噴出ノズルからの水の噴出配分を変化させるための構成を含むことを特徴とする請求項１に記載の船型小型ロボット。
【請求項４】
前記推進装置が後方を向く１つの噴出ノズルを有し、
前記旋回装置が、前記噴出ノズルからの水の噴出方向を変化させるための構成を含むことを特徴とする請求項１に記載の船型小型ロボット。
【請求項５】
前記推進装置が後向き方向成分及び下向き方向成分を含む斜め方向を向く左右１対の噴出ノズルを有し、
前記噴出ノズルが、前記推進装置及び前記水噴出装置のために機能するように構成され、かつ前記旋回装置が、前記噴出ノズルからの水の噴出配分を変化させるための構成を含むことを特徴とする請求項１に記載の船型小型ロボット。
【請求項６】
同一の水田に配置された複数の、請求項１〜６のいずれかに記載の船型小型ロボットを協調制御するための自動航行システムであって、
前記船型小型ロボットの制御装置のそれぞれに位置同定装置及び無線送受信機が設けられ、
前記水田に関連して配置された、前記船型小型ロボットの前記無線送受信機と通信するための無線送受信機を備えた基地局制御装置とを設け、
前記基地局制御装置が、前記船型小型ロボットから送信される位置情報に基づいて、前記船型小型ロボットの航行を制御するように構成されていることを特徴とする自動航行システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に水田の管理に使用される小型ロボットに関し、特に水田作物の病害虫予防や、育成管理、雑草の生育防止、害獣対策、防犯などの目的に有用な船型小型ロボット及びそのような船型小型ロボットを複数利用するときに、船型小型ロボットを協調的に航行させるための自動航行システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の農業用ロボットとしては、大型の自律走行型コンバイン、小型の水田除草用ロボットが知られている。とりわけ、田植え以降に生育する雑草の発生を防止するために、遠隔装置によりチェーンや回転体で水田の土壌攪拌をするような水田除草用ロボットが知られている。
【０００３】
しかしながら、これらの農業用ロボットは土壌を機械的に撹拌するものであることから、小型化に限界があり、さらに遠隔装置を行うための操縦者が必要であり、また価格も高いものとなっていた。
【０００４】
また、自律走行を行う水田除草ロボットも知られている。これらの自律走行水田除草ロボットは、車輪やクローラを用いて、水田の水底となる土壌上を走行するタイプや、空気圧を用いるホバークラフトタイプに分かれる。車輪やクローラを用いて土壌を走行するタイプでは、土壌表面には凹凸が多く、走行中にその外乱を受けるので稲株に接触しないように自動制御することが難しい難点がある。ホバークラフトタイプでは、稲の真上からも圧縮された空気を噴射するので、稲が痛む難点がある。
【０００５】
水田稲作では、有機ＪＡＳ栽培の認定を受ければ、米の販売価格が高くなる。しかし、有機ＪＡＳ栽培の認定には、無農薬栽培が必要となるので、雑草を農薬で退治することができずに、毎日の除草作業の負荷が農家にかかってくる。通常は、手押し型や搭乗型の除草機を用いて除草作業を毎日行うことが多いが、このような除草機械を用いたとしても、除草作業は人手と手間とコストがかかり大変であり、この除草作業の省力化が望まれている。
【０００６】
一部の有機栽培稲作では、合鴨を水田に放つ「合鴨農法」が取り入れられている。これは、合鴨を何匹も田植え後の活着時期から出穂時期まで、水田内で自由に泳がせて雑草の育成を防止するものである。ところが、合鴨は犬・猫や野獣、野鳥に襲われることが多く、電気柵の設置を行うか、合鴨専用の檻を設けて毎晩収監する手間が必要となる。また、合鴨には餌が必要であり、さらに、合鴨は水田の全部の区域を移動するわけではないので、どうしても水田の一部に雑草が残り、それを人手で除去する作業が必要となる。このような背景から、合鴨農法では手間と経費がかかり、有機栽培米として販売価格向上しただけの利益増加分が、経費でほとんど差し引かれることが多い。
【０００７】
このような状況で、合鴨の代わりに水田の雑草除去を行う、農作業ロボットが特許文献１−８で示したように開発されている。特許文献１−３に記載されている発明では、水田除草の機構は、車輪又はクローラで水底の土壌部に接触して走行し、同時に雑草を除去する方式であり、このとき水田に植わっている稲株の根本近くを連続的に圧接するおそれがあり、稲株の育成も阻害させる可能性が高い。
【０００８】
上記に対して、特許文献４，５に記載されている発明では、車輪を浮かせて稲株への連続圧接を回避させるために、フロートやエアーボート等の浮力発生機構を必用とするものであり、大型化を避けられない。
【０００９】
特許文献６に記載されている発明では、車輪の先端部を撓む構造として、湾曲して稲株を避けるようにした構成が示されているが、どのように車輪を動かすかという構成は全く開示されていない。特に駆動機構をどのようにするかにより、装置の自重が代わり、車輪の先端部の撓みが、どのような条件でどのような状態になるか明示しておらず、具体的な構造が不明である。
【００１０】
特許文献７に記載されている発明では薄板円盤に固定されたロッドを有する左右車輪を回転させ水田の土の表面を持上げ攪拌し、種子の定着・発芽を阻止する稲株間を回転走行する小型の装置であり、小型、稲株間の走行という点で、本発明と目的の点で共通点が見出せるものである。特許文献８に記載されている発明では、フロートを装備して遊泳する除草機の除草装置として、条間はロータを回転させて土壌を掻きまわす機能を持たせ、除草が難しい株間には水もしくは空気をポンプで加圧して噴射除草をする補助機能方式が記されている。この方式においても、条間をローターで掻きまわすためには大型の除草装置が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１９８６０４号公報
【特許文献２】特開２００７−１２９９１０号公報
【特許文献３】特開２０１１−２２９４６３号公報
【特許文献４】特開２０１１−１２０５７３号公報
【特許文献５】特開２０１１−２０５９６７号公報
【特許文献６】特開２０１２−１０６２９号公報
【特許文献７】特開２０１５−５３８９４号公報
【特許文献８】特開２００２−８４８１３号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、上述したような問題を解消し得るような農業管理用船型小型ロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的は、本発明によれば、水田の農業管理用船型小型ロボットであって、船体と、推進装置と、旋回装置と、水底に向けて水を噴出する水噴出装置と、環境検出装置と、前記船体が障害物を回避しつつ前記水田内を航行できるように、前記環境検出装置の検出結果に基づいて、前記推進装置及び前記旋回装置を制御する制御装置とを有することを特徴とする船型小型ロボットを提供することにより達成される。
【００１４】
このような船型小型ロボットを、障害物を回避しつつ前記水田内を航行させ、同時に水底の土壌に向けて水の噴流を吹き出すことにより、土壌を拡散させて、土壌表面に生えている雑草への太陽光を遮断し、雑草の光合成を阻害させて生育を阻止することができる。株の間を航行することにより、作物を傷つけることがなく、自律航行の機能を付加すれば、オペレータが常時監視する必要がなく、高度の省力化を図ることができる。
【００１５】
前記推進装置及び前記水噴出装置が共通の水圧発生装置を有し、前記水圧発生装置により発生した水圧により前記推進装置の推進力及び前記水噴出装置の噴流を発生するようにすれば、構造の簡素化を図ることができる。
【００１６】
同様の目的で、前記推進装置が後方を向く左右１対の噴出ノズルを有し、前記旋回装置が、前記両噴出ノズルからの水の噴出配分を変化させるための構成を含むものとしたり、前記推進装置が後方を向く１つの噴出ノズルを有し、前記旋回装置が、前記噴出ノズルからの水の噴出方向を変化させるための構成を含むものとすることができる。
【００１７】
前記推進装置が後向き方向成分及び下向き方向成分を含む斜め方向を向く左右１対の噴出ノズルを有し、前記噴出ノズルが、前記推進装置及び前記水噴出装置の両者のために機能するように構成され、かつ前記旋回装置が、前記噴出ノズルからの水の噴出配分を変化させるための構成を含むものとすれば、前記推進装置及び前記水噴出装置のための噴出ノズルを共通化することができ、更なる構造の簡素化を図ることができる。
【００１８】
更に、本発明は、同一の水田に配置された複数の上記形式の船型小型ロボットを協調制御するための自動航行システムであって、前記船型小型ロボットの制御装置のそれぞれに位置同定装置及び無線送受信機が設けられ、前記水田に関連して配置された、前記船型小型ロボットの前記無線送受信機と通信するための無線送受信機を備えた基地局制御装置とを設け、前記基地局制御装置が、前記船型小型ロボットから送信される位置情報に基づいて、前記船型小型ロボットの航行を制御するように構成されていることを特徴とする自動航行システムを提供する。
【００１９】
このような自動航行システムによれば、多数の数１０センチメートル程度の船型小型ロボットを用いることにより、合鴨農法を、合鴨の飼育に伴う労力を伴わずに実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係るロボットの平面図
【図２】ロボットの側面図
【図３】複数のロボットで同一の水田を協調管理作業を行うときの状況を示す説明図
【図４】ロボットを制御するために用いられる通信情報処理システムのブロック図
【図５】変形実施形態に係るロボットの平面図
【図６】更なる変形実施形態に係るロボットの側面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
図１及び２は、本発明に基づく船型小型ロボット１を示す。船体１ａの中央内部に１対のモータ２が左右に配置され、それぞれインペラ３を回転駆動する。このインペラ３は、軸流ポンプ機構をなすもので、船体１ａの前部の左右に設けられた水入口４から、船体１の後部に設けられた水出口７に至る管路内に配置されている。この管路は、更にそれぞれ、船体１の後部にて下方に向けられた左右１対の噴出口８に向けて分岐する１対の分岐管路に接続されている。このようにして、符号Ａにより示すように、水入口４から取り入れた水田の水を水出口７から噴出して前進するための推進力を得ることができ、同時に符号Ｂにより示すように、噴出口８からも水を噴出して水田の水底土壌に吹き付けて土壌を攪乱することができる。このようなインペラ３或いはスクリューを用いた軸流ポンプの代わりに、渦巻きポンプなどのターボ型ポンプやダイヤフラムポンプなどの容積型ポンプを用いることもできる。
【００２３】
水田の条間は３０ｃｍ程度に取ることが多く、株間は最低１８ｃｍ程度であり、その間を稲株へ接触することなくロボット１が航行するためには、小型でコンパクトとなるように部品を筐体内に収めるレイアウト構成が必要となる。本実施例では、できるだけ部品点数を減らすことを念頭におき、構成の設計配慮を行った。
【００２４】
船体１ａには、モータ２を制御するための制御モジュール６と、モータ２及び制御モジュール６とに電流を供給するめのバッテリ５が搭載されている。この制御モジュール６には、船体１ａの適所に配置された運動センサ１１及び環境認識用カメラ１２からの出力信号が供給される。制御モジュール６は、運動センサ１１及び環境認識用カメラ１２からの出力信号に基づき、かつ所定の規則或いは計画に基づいて、船体１を水田内を、障害物を避けつつ、くまなく航行させる。
【００２５】
環境認識用カメラ１２の代わりに、或いはそれに加えて、超音波センサや、光、電波等を媒体としたレーダを用いる方法もある。超音波センサやレーダを用いる環境認識の方式では、超音波センサを船体１ａの前部に設置して、進行方向の周囲に存在している障害物となる稲株などの位置を検知し、衝突を避けるようにロボットの進行方向を制御することとなる。
【００２６】
環境認識と併用して、運動センサ１１を慣性航法用に用いてロボットの自己位置同定を連続的に行うこともできる。自己位置同定にはデジタル地図を用いて、環境認識結果と慣性航法用運動センサから得られた推定値などからマップマッチングの手法を用いて、正確な推定値を取得できる。衛星ＧＰＳ装置を用いても良い。
【００２７】
ロボット１にはアンテナ１３が設置されており、他のロボットや地上のサーバとの通信に用いられる。
【００２８】
図３は、このロボット１を複数台同じ水田地区で同時に使用するときの状況を示す。それぞれのロボット１は水田２０の条間を左右の稲株に接触しないように、ほぼ直線状に走行するように自動制御される。その走行している間に、水田２０の水底へ噴出口８から水を噴流させて、土壌を攪乱して水中を濁らせていく。ロボット１は条間の端部などで、隣の条間へ旋回して移動する。複数台のロボット１で走行・土壌攪乱作業を行う地区を分担するように、管理がサーバ２１，２２（クライアントサーバ、サプライヤサーバ）などからの指令でなされる。そのとき、ロボット１は、水田２０の脇に配置されたランドマーカ２３からの信号を受け、自らの位置を正確に特定することができる。
【００２９】
また、サーバを持たずに、それぞれのロボットどうしが通信を行って、お互いの走行・作業地区を避けるようにする自律分散管理方法をとってもよい。いずれの場合でも、各ロボット１は分担される走行・作業が終了したあとで充電設備２６のところに戻り、自律管理で自動充電される。充電設備２６は、水田２０の脇に配置された太陽電池２５から電力の供給を受ける。必要に応じて、オペレータがスマートフォン等の携帯端末２４から各ロボット１を直接制御することもできる。
【００３０】
ロボット６の走行・除草作業および充電などを行う、情報信号処理プロセスを図３に示す。
【００３１】
図１及び２に示された実施例では、両水出口７からの水の噴出配分を変化させることにより、推進方向を変更することで出来る。そのためには、例えば２つのモータ２の回転速度を調整すると良い。しかしながら、図５に示すように水出口７を１つのみとし、可動ベーン１５等を用いて水の噴出方向を変化させることにより、推進方向を変更することも出来る。通常の舵を用いることもできる。
【００３２】
更に、図６に示すように、推進用の水出口７及び土壌を攪乱する噴出口８を兼ねる１対の噴出口８´を船体の左右後部等に配置することもできる。その場合、噴出口８´は、後向き方向成分及び下向き方向成分を含む斜め方向を向くこととなる。
【００３３】
いずれにせよ、水出口７及び又は噴出口８、８´の噴出方向のベクトルの延長線が、ロボットの重心の下側を通るように配置するのが望ましい。それにより、噴出水流の力が、船体１ａの前部が水面から浮き上がる方向に船体１ａに作用することとなる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本ロボットを無農薬有機栽培の合鴨農法における合鴨に替えて用いて、自律自動走行・除草作業・充電を行わせることにより、農業従事者は合鴨に必要とされる餌やり、外敵からの防護柵設置、合鴨が取り残した雑草の駆除作業から解放されて、楽に有機JAS規格に適する米の生産が行えることになる。
【符号の説明】
【００３５】
１    船体型ロボット
１ａ  船体
２    モータ
３    インペラ
４    水入口
５    バッテリ
６    制御モジュール
７    水出口
８、８´    噴出口
１１    運動センサ
１２    環境認識用カメラ
１３    通信アンテナ
１５    可動ベーン
２０    水田
２１    クライアントサーバ
２２    サプライヤサーバ
２３    ランドマーカ
２４    携帯端末
２５    ワイヤレス充電器
２６    太陽電池
Ａ    推進用噴射水
Ｂ    土壌攪乱用噴射水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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