みちびきを活用した
中小規模農家向け
農業用ローバーの取組
ドローン・ジャパン株式会社

自己紹介
春原久徳（すのはらひさのり）（一社）セキュアドローン協議会（一社）ドローン自動⾶⾏開発協会会⻑
代表理事

NEDO技術委員

ドローン・ジャパン株式会社 CEO•••

ドローンの業務活用に関するコンサルティング
ドローン技術者育成のための教育サービス
ドローンによる農業サービス

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背景と目的■ 背景
就農人口の減少、高齢化が進む農業において、収穫物や農業器具などの重量物の搬送に、普及したドローン技術を応用し、低価格の無人搬送ローバーの開発と、無人ローバーのスケーラブルな導入のための複数台運用が実現すれば中小規模農家のスマート化の大きな一助になると想定される。
■ 目的
既存のフライトコントローラー（オープンソース）を陸上用に転用することにより、コントロールソフトウェアの低コスト化、複数台自動運航の簡素化を実現するための実証実験を提案する。
農場（露地作物）における、複数圃場より収穫物の倉庫などへの運搬を複数台の自律ローバーによる自動搬送時の課題の抽出と整理を⾏うことを目的とする。

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プロジェクトの概略
実証実験の内容
農地や荒地を自律⾛⾏可能なローバーを３台開発（CLAS対応、SLAS対応）し、事前に⾛路（農地〜倉庫）を設定し、それに伴う自動搬送（作物や農業資材など）するストーリーを設定し模擬農場において実施

みちびき採用の意義
空中でのドローンはGNSS搭載するものが多いが、それは通常⾶⾏時に障害物も少なく、数ｍの誤差を許容することが多いからである。
それに引き換え、陸上での自律⾛⾏⾞に関しては、数ｍの誤差が⽣じると、⾛路を離脱したり、障害物への衝突を⽣じる可能性が多く、１ｍ以内の誤差が必要となるシーンが多い。
みちびき搭載により、⾛⾏精度を⾼めることで運用の安全性を⾼めることが可能となる。
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ラジコンとドローンの違い
ラジコン

ラジコン

受信機

動⼒用サーポモータ・アンプ

動⼒用モーター

操舵用サーポモータ・アンプ

操舵用モーター

リモコン

送信機
ドローンドローン

受信機

フライトコントローラー

モーター
アンプ

各モーター

マイコン
各種センサー

リモコン

送信機
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機体制御（フライトコントローラー）
ドローンはフライトコントローラーの値段が下がったことで浸透した技術システム

フライトコントローラーとは︖

各種センサを内蔵、機体姿勢を計算、モータ回転を制御

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機体の状態管理
ジャイロセンサ
加速度センサ姿勢

磁気方位センサ

方向

気圧・超音波センサ

⾼度GPS／GNSS

緯度経度

センサで機体の状況を計測し、機体を自動制御
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Autonomous Navigation (自律移動）

自律移動のプロセス
１．自己位置推定 (Localization)２．周辺環境の地図構築 (Mapping)
３．経路計画 (Path Planing)
４．経路追従 (Path Following)
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ドローンの自律移動のためのプロセス（フライトコントローラー内部）

ＥＫＦ

コントロール

拡張型カルマンフィルタ

ＰＩＤ制御

コマンド

プロポ
コンパニオンコンピュター

モーター

センサー

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10自己位置推定を⾏うためのEKF（Extended Kalman Filter）
なぜEKFが必要か・細かい誤差が⽣じる（不確かな）各種センサーの強みを考慮し、確率的な⼿法を通じ、効果的にフィルタリン
グを⾏い、より正確な位置を⽰すため
EKFのプロセス
１．IMU（ジャイロ・加速度）（相対的な変化量）–

角度やスピードによる移動幅（X,Y,Z）検出

２．気圧計（相対的な変化量）– 気圧差による高度移動幅（Z）
３．コンパス（絶対値）– 方角の差分による方向
４．GPS・GNSS（絶対値）←みちびきにより改善する– 上記、プロセスを経由した後、位置情報の微調整
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移動（経路追従）に関する雑音A）継続期間が一瞬であるもの（偶然誤差）■

小石の乗り上げ、⾛り出し、停止時の揺れ

B）継続期間が数秒から数十秒であるもの（AとCの中間）■

縁石の乗り上げ、⾛⾏環境の傾斜C)⾛⾏中ずっと継続するもの（系統誤差）■

左右の⾞輪にかかる荷重のバランスやモーターの個体差、タイヤの状態

D)雑音のレベルを超えたもの■

⾛⾏不能になるレベルの障害物へのスタック、⼈間の⼲渉対策
１）雑音︓突発的にロボットの向きを少し変化
２）バイアス︓制御指令値と実際の出⼒値を常に一定の⼤きさだけシフト
３）スタック︓ロボットを同じ姿勢に抑留
４）誘拐︓ロボットを別の場所に突然ワープ

実証実験シナリオ■

3種の異なる構造の⾞両① 差動2輪後輪駆動（電動⾞、左右の後輪の回転差により制御、CLAS搭載）② クローラー（エンジン、左右のキャタピラーの回転差で制御、SLAS搭載）③ ４輪後輪駆動（電動⾞、前輪のかじを切ることで制御、SLAS搭載）■

実証実験シナリオは、3種の⾞両の特性を考慮し、３⾞両に次の役割を設定して各自律⾛⾏と同時⾛⾏を実施。

① は、細いあぜ道や作物のある農地内などの搬送を想定し、指定したルートを精度⾼く⾛⾏し荷物や農具を運搬する役割。（収穫物、農具や肥料などの搬送）② は、⽐較的広い道や農道を通って重量のある収穫物をトラックや倉庫まで運搬する役割。（搭載可能重量３００ｋｇあり、まとまった収穫物を搬送）③ は、機動⼒を⽣かし、より広域の害獣被害等の監視の役割（監視以外も各動物の嫌がる音などを発⽣させ、追い払う機能なども付加）
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実験用自律⾞１１．差動2輪後輪駆動
種類︓電動モーター式、両２輪駆動
形式︓台⾞型
みちびき︓CLAS
役割︓農地内搬送
メリット︓FCに適した⾛⾏性能。精緻な⾛⾏が可能課題︓悪路の⾛⾏。

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実験用自律⾞２２．改造自律クローラー
種類︓ガソリンエンジン
両キャタピラ駆動
形式︓アナログ操作みちびき︓SLAS
役割︓幹線搬送メリット︓積載300kg程度。
課題︓エンジン方式のため、振動があり、センサにノイズが乗る。また、アナログ操作のため、アクチュエータ（サーボモーター）によるデジアナ変換が必要
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実験用自律⾞３３．改造４輪後輪駆動
種類︓電動モーター式、２輪駆動
形式︓ハンドル方式、FR式
みちびき︓SLAS
役割︓農地内監視（搬送）メリット︓安全設計。積載50kg程度。
課題︓ハンドル方式のため、細かい動きが難しい。

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複数機体の運用手法１■

ＧＣＳ（Ground Control Station）で各⾞両の⾛路を設定–各⾞両の⾛路を事前に設定する。

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複数機体の運用手法２■

GCSを利用し、複数機体の運用を実施–

各⾞両に異なるＩＤを設定し、設定した⾛路を呼び出し、運用。

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シナリオベース
①
農地内搬送
自律台⾞
CLAS

③

①

②
幹線搬送
クローラー
SLAS
②

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③
農地内監視Ranger
SLAS

実証実験の検証内容
1.

空中ドローン用フライトコントローラーの陸上への適用時の課題の整理– 開発のしやすさ– 操作の簡素化、等

2.

陸上における複数機体での精緻な航⾏検証– 設定コースの正確なトレースの検証– 衝突防止– 誤差範囲と搬送への影響の整理 など

3.

既存のGNSS、RTK GPSと、みちびき（SLAS／CLAS）の⽐較検証– 測位精度と実⾛⾏への課題の整理– 開発のしやすさ、捜査の簡素化– エラー事例の抽出と解決のための課題整理– コストとの関係 など

4.

複数機体の運用に関する技術検証
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実証結果１■ 空中ドローン用フライトコントローラーの陸上への適用時の課題の整理– 開発のしやすさ■■■

陸上に関して、地⾯からの揺れも⼤きいため、空と異なる細かいチューニングが必要となる。
電動式陸上⾞に関しては、フライトコントローラーとの適用度が⾼い
ガソリンエンジン方式陸上⾞に関しては、フライトコントローラー内部のジャイロ・加速度・コンパスなどのセンサに対してのノイズが多く、自己位置推定に難しい部分がある。

– 操作の簡素化■

自律化を図ることで、オートでの操作も可能となるだ
けでなく、セミオートでの操作により、操作の簡素化が図られた。

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実証結果２■ 陸上における複数機体での精緻な航⾏検証– 設定コースの正確なトレースの検証■

精緻な⾛⾏性能可能な⾞両に関しては、CLASのようなｃｍ級のＧＮＳＳを搭載することで数ｃｍでの誤差でのトレースが実証できた。

– 衝突防止■

各⾞両のリアルタイム位置が管制ソフトウェア（GCS）上で把握し、制御を⾏った。

– 誤差範囲と搬送への影響の整理■

空の⾶⾏の場合、数ｍの誤差はあまり問題にならないが、陸上⾛⾏の場合、１ｍ以内の誤差、ケースによっては、数１０ｃｍの誤差範囲での⾛⾏が必要となり、CLASの装備が必須となるケースが多い。

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実証結果３■ 既存のGNSS、RTK GPSと、みちびき（SLAS／CLAS）の⽐較
検証– 測位精度と実⾛⾏への課題の整理■–

開発のしやすさ、操作の簡素化■–

一般的なGNSSと同様の扱いでの開発が可能なため、“みちびき”での実装もしやすい。

エラー事例の抽出と解決のための課題整理■–

測位精度と各自律⾛⾏⾞の特性に合わせた正確な自律⾛⾏の細かい作りこみや調整が重要。

“みちびき”の精度が悪い場合、何らかの補助する方法が必要。“みちびき”の信号が入らない空間を想定したRTK GPSとの連動や非GPS環境での機構との連動が実地現場では必要。

コストとの関係■

精度が同等を⽰すRTK GPSのコストも下がってきており、価格が同額となれば、“みちびき”は設定の容易さなど優位性も⾼い。

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SLASとCLASの精度⽐較
SLAS

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SLASとCLASの精度⽐較
CLAS

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実証結果４■ 複数機体の運用に関する技術検証– 同時⾛⾏■

事前に経路指定された⾛路を繰り返し、⾛⾏させることは⽐較的容易だが、実際はより複雑な⾛路や⾛⾏の正確性も問われるため、機体の改良だけでなく、アプリケーションをより作りこむことも必要となる。

– 各役割に関する動作■

各役割に応じた現場での操作効率を上げるため、現場での操作のユーザビリティの向上が必要となる。

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まとめ１■ 空中ドローン用フライトコントローラーの陸上⾛⾏⾞への適用– 空中ドローン用フライトコントローラーの陸上⾛⾏⾞への適用による自律⾛⾏⾞の開発および改造は十分に効果が⾒られる。特に農場といった土や傾斜が存在する場所においては、従前より各用途や場所に⾒合った形で使われている農業機械の改造による自律化といったケースで効果をより発するものと思われる。
■ 各⾞両の⾞体開発時において、想定した特性と実⾛⾏時の差– ほぼ想定通りの挙動となったが、エンジン搭載⾞は、自律制御の精緻さに関しては、エンジンの振動がフライトコントローラーに搭載したセンサに影響を及ぼし差分が⽣じるため、より改良が必要。
■ 陸上⾛⾏⾞での“みちびき”採用の意義– 陸上では空中に⽐べて、より精緻な⾛⾏が求められるため、“みちびき”のCLASクラスの精度が必須となり、⾞両コストも廉価での提供の可能性も⾼いため、搭載の数量も⾒込めるため、CLASのコストを下げるための効果も⾒込まれる。
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まとめ２■ 複数台⾞両の自律⾛⾏– 異なる３台の自律搬送⾞の同時自動⾛⾏に成功したが、社会実装においては、各利用者のユーザビリティの向上や安全性の向上が求められる。
■ 実証実験シナリオ– 就農⼈口の減少や⾼齢化が進む日本の農業環境において、収穫物や各種農機具、肥料や農薬の搬送の負担は⼤きくなっている。その中で特に農地内から農地外に停⾞したトラックまでの搬送負担が⼤きいと⾒聞しており、今回の実
験で⾏われた農地内搬送はそういった社会課題の解決に寄与するものである。
■ みちびき実装のためのエンジニアの育成– オープンソース系のフライトコントローラーのソフトウェア（Ardupilot）を採用したが、“みちびき実装”のためのコンテンツを作成し、オンラインセミナーを実施。
– 今後、“みちびき”を拡げていくためには、こういった技術者・開発者向けの啓蒙活動も必要。
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課題及びその解決に向けた方策■

自律⾛⾏の安定性– 地⾯からの影響– ガソリンエンジンの振動– デジタル－アナログのアクチュエーターの改良■

自律⾛⾏の精緻性– 外部センサ（LEDやBEACONなど）の活用連携■

手動操作の自動化– エンジン始動やクラッチ操作などのエンジン関連の手動操作■

衝突防止– 各⾞両に適したセンサ装備および相互通信■“みちびき”エラー時の⾛⾏安定性– GNSSとの自動切換え– 非GPS環境下のコントロールとの連動■

利用者のユーザビリティ– タブレットおよびスマートフォンアプリの開発■

中央制御のユーザビリティ– 機能を限定したアプリケーションの開発■

無線の通信距離– SIMの標準搭載
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「みちびき」の優位性■ SLAS（サブメートル級）測位– 「みちびき」が必ず天頂に存在するためにHDOP、VDOPの値が小さくなり、GNSS（GPS、GLONASSなど）に⽐べて、精度が向上する
精度︓SLAS ＞ GNSS
■ CLAS（センチメートル級）測位– 精度に関しては、RTK－GPSと同程度となっているが、現場での基地局の設置が必要がなく、また、現場での基地局設置を⾏う必要がないWeb経由のRTK基地局サービスのランニング費用を必要としない。
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「みちびき」あり（GPS、GLONASS含)「みちびき」なし（GPS、GLONASSのみ)

今後の展開1. 農業機械もしくは農業資材メーカーとの連携（２０２０年度〜２０２１年度）→ぜひ、ご興味のある企業はお声がけください
2. 農業用自律搬送⾞の開発
3. 国内での展開
4. 海外（東南アジア）への展開
その他、建設資材用自律搬送⾞への展開