JP6762629B2 - 圃場作物撮影方法および撮影用ドローン - Google Patents

Description

本願発明は、画像解析による圃場の作物生育状況把握のための作物の撮影方法、および、その撮影に適した無人飛行体（ドローン）に関する。

作物の生育状況を把握するためにドローン（無人飛行体、マルチコプター）等によって上空から圃場を撮影し、撮影した画像を解析する手法が知られている（たとえば、特許文献１）。圃場上を飛行するドローンを使用することで、衛星写真等を使用した場合と比較して精度が高い画像情報が得られるが、それでも正確な分析のために十分な情報が得られないという課題があった。

たとえば、ウンカ等の作物の害虫は株元部分に発生することが多いが、上空からの撮影では株元部分を適切に撮影することは困難であった。同様に、株元に発生する病斑、および、水面に発生している雑草の撮影も困難であった。また、特に稲の場合には、風を受けた時の葉の形状の画像が得られればケイ素の蓄積量を把握でき、それに基づいて稲の育成度を推定し、肥料計画を最適化することが可能だが、上空からの撮影ではそれを適切に把握することが困難であった。

特許公開公報 特開２００３−９６６４

圃場の作物の株元、穂先、および、葉の側面を適切に撮影できるドローン（無人飛行体）を提供する。

本願発明は、カメラと回転翼と飛行制御手段とを備えた圃場撮影用の無人飛行体であって、前記回転翼が発生する下降気流により作物が倒されることにより露出した前記作物の株元を前記カメラが撮影可能な高度と速度で、前記飛行制御手段が前記無人飛行体を飛行させる第一の飛行モードと、前記回転翼が発生する下降気流により作物が倒されることにより露出した前記作物の穂先を前記カメラが撮影可能な高度と速度で、前記飛行制御手段が前記無人飛行体を飛行させる第二の飛行モードとを備える無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記第二の飛行モードにおける高度は前記第一の飛行モードにおける高度よりも高い段落０００６に記載の無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記第二の飛行モードにおける高度が前記第一の飛行モードにおける高度と同一であり、前記第二の飛行モードにおける速度が前記第一の飛行モードにおける速度より速い、段落０００６に記載の無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、前記作物の前記下降気流による露出範囲測定手段を備え、前記露出範囲測定手段が測定した前記作物の露出範囲に応じて、前記飛行制御手段が前記第一の飛行モードと前記第二の飛行モードとの切り替えを行なう段落０００６、段落０００７、または、段落０００８に記載の無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記露出範囲測定手段は倒された作物の葉の曲率を測定することで、作物の露出範囲を測定する段落０００９に記載の無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記露出範囲測定手段は、倒された作物の画像の色相、明度、または、彩度によって作物の露出範囲を測定する段落０００９に記載の無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、第三の飛行モードを備え、前記第三の飛行モードにおける下降気流は前記第二の飛行モードにおける下降気流よりも弱く、前記カメラが撮影を行なっていない時には、前記飛行制御手段が自動的に前記第三の飛行モードへの切り替えを行なう段落０００６、段落０００７、段落０００８、段落０００９、段落００１０、または、段落００１１に記載の無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記第三の飛行モードにおける高度は前記第二の飛行モードにおける高度よりも高い段落００１２に記載の無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記第三の飛行モードにおける高度が前記第二の飛行モードにおける高度と同一であり、前記第三の飛行モードにおける速度が前記第二の飛行モードにおける速度より速い、段落００１２に記載の無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、圃場の作物の株元、葉の側面、または穂先の撮影方法であって、カメラと回転翼とを備えた圃場撮影用の無人飛行体を使用し、前記カメラに前記回転翼が発生する下降気流により作物が倒されることにより露出した前記作物の株元、葉の側面、または穂先を撮影させるステップを含む方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、作物の露出範囲を測定するステップと、前記測定された露出範囲に応じて、機体の高度または速度を調整するステップとを含む段落００１５に記載の方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記作物の露出範囲を測定するステップは、倒された作物の葉の曲率を測定するステップを含む段落００１６に記載の方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記作物の露出範囲を測定するステップは、倒された作物の画像の色相、明度、または、彩度によって作物の露出範囲を測定するステップを含む段落００１６に記載の方法を提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、カメラと回転翼とを備えた圃場撮影用の無人飛行体に圃場の作物の株元、葉の側面、または穂を撮影させるプログラムであって、前記カメラに前記回転翼が発生する下降気流により作物が倒されることにより露出した前記作物の株元、葉の側面、または穂先を撮影させる命令群をコンピューターに実行させるプログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、さらに、作物の露出範囲を測定する命令群と、前記測定された露出範囲に応じて機体の高度または速度を調整する命令群とをコンピューターに実行させる段落００１９に記載のプログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記作物の露出範囲を測定する命令群は、倒された作物の葉の曲率を測定する命令群を含む段落００２０に記載のプログラムを提供することで上記課題を解決する。

また、本願発明は、前記作物の露出範囲を測定する命令群は、倒された作物の画像の色相、明度、または、彩度によって作物の露出範囲を測定する命令群を含む段落００２０に記載のプログラムを提供することで上記課題を解決する。

圃場の作物の株元、穂先、および、葉の側面を適切に撮影できるドローン（無人飛行体）が提供される。

本願発明に係る圃場撮影用ドローンの実施例の平面図である。 本願発明に係る圃場撮影用ドローンの実施例の正面図である。 本願発明に係る圃場撮影用ドローンの実施例の右側面図、背面図、および、斜視図である。 本願発明に係る圃場撮影用ドローンの実施例を使用した圃場撮影システムの全体概念図の例である。 本願発明に係る圃場撮影用ドローンの実施例の制御機能を表した模式図である。 本願発明に係る圃場撮影用ドローンの実施例による撮影モードの基本的考え方を示す図である。 本願発明に係る圃場撮影用ドローンの実施例による作物の株元部分撮影における高度制御の基本的考え方を示す図である。 本願発明に係る圃場撮影用ドローンの実施例の方向転換時における制御の基本的考え方を示す図である。

以下、図を参照しながら、本願発明を実施するための形態について説明する。図はすべて例示である。

図１に本願発明に係るドローン（100）の実施例の平面図を、図２にその底面図を、図３−ａにその（進行方向側から見た）正面図、図３−ｂにその右側面図、図３−ｃに斜視図を示す。なお、本願明細書において、ドローンとは、動力手段（電力、原動機等）、操縦方式（無線であるか有線であるか、および、自律飛行型であるか手動操縦型であるか等）を問わず、複数の回転翼または飛行手段を有する飛行体全般を指すものとする。

回転翼（101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4b）（ローターとも呼ばれる）は、ドローン（100）を飛行させるための手段であり、飛行の安定性、機体サイズ、および、バッテリー消費量のバランスを考慮し、8機（2段構成の回転翼が4セット）備えられていることが望ましい。

モーター（102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、102-4ａ、102-4b）は、回転翼（101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4b）を回転させる手段（典型的には電動機だが発動機等であってもよい）であり、一つの回転翼に対して1機設けられていることが望ましい。１セット内の上下の回転翼（たとえば、101-1aと101-1b）、および、それらに対応するモーター（たとえば、102-1aと102-1b）は、ドローンの飛行の安定性等のために軸が同一直線上にあり、かつ、互いに反対方向に回転することが望ましい。

薬剤ノズル（103-1、103-2、103-3、103-4）は、薬剤を下方に向けて散布するための手段であり4機備えられていることが望ましい。薬剤タンク（104）は散布される薬剤を保管するためのタンクであり、重量バランスの観点からドローン（100）の重心に近い位置でかつ重心より低い位置に設けられていることが望ましい。薬剤ホース（105-1、105-2、105-3、105-4）は、薬剤タンク（104）と各薬剤ノズル（103-1、103-2、103-3、103-4）とを接続する手段であり、硬質の素材から成り、当該薬剤ノズルを支持する役割を兼ねていてもよい。ポンプ（106）は、薬剤をノズルから吐出するための手段である。

圃場撮影カメラ（107）は、ドローン（100）から圃場（農地）を撮影するためのカメラであり、機体の進行方向に対して後方にある圃場を撮影する向きに設置されていることが望ましい。また、圃場撮影カメラ（107）と機体の角度はステッピングモーター等の手段により可変となっていることが望ましい。

図４に本願発明に係るドローン（100）を使用した圃場撮影用システムの実施例の全体概念図を示す。本図は模式図であって、縮尺は正確ではない。操縦器（401）は、使用者（402）の操作によりドローン（100）に指令を送信し、また、ドローン（100）から受信した情報（たとえば、位置、薬剤量、電池残量、圃場撮影カメラ映像等）を表示するための手段であり、コンピューター・プログラムを稼働する一般的なタブレット端末等の携帯情報機器によって実現されてよい。本願発明に係るドローン（100）は自律飛行を行なうよう制御されることが望ましいが、離陸や帰還などの基本操作時、および、緊急時にはマニュアル操作が行なえるようになっていることが望ましい。操縦器（401）とドローン（100）はWi-Fi等による無線通信を行なうことが望ましい。

圃場（403）は、ドローン（100）による撮影の対象となる田圃や畑等である。実際には、圃場（403）の地形は複雑であり、事前に地形図が入手できない場合、あるいは、地形図と現場の状況が食い違っている場合がある。通常、圃場（403）は家屋、病院、学校、他作物圃場、道路、鉄道等と隣接している。また、圃場（403）内に、建築物や電線等の障害物が存在する場合もある。

基地局（404）は、Wi-Fi通信の親機機能等を提供する装置であり、RTK-GPS基地局としても機能し、ドローン（100）の正確な位置を提供できるようにすることが望ましい（Wi-Fi通信の親機機能とRTK-GPS基地局が独立した装置であってもよい）。営農クラウド（405）は、典型的にはクラウドサービス上で運営されているコンピューター群と関連ソフトウェアであり、操縦器（401）と携帯電話回線等で無線接続されていることが望ましい。営農クラウド（405）は、ドローン（100）が撮影した圃場（403）の画像を分析し、作物の生育状況を把握して、飛行ルートを決定するための処理を行なってよい。また、保存していた圃場（403）の地形情報等をドローン（100）に提供してよい。加えて、ドローン（100）の飛行および撮影映像の履歴を蓄積し、様々な分析処理を行なってもよい。

通常、ドローン（100）は圃場（403）の外部にある発着地点（406）から離陸し、圃場（403）に薬剤を散布した後に、あるいは、薬剤補充や充電等が必要になった時に発着地点（406）に帰還する。発着地点（406）から目的の圃場（403）に至るまでの飛行経路（侵入経路）は、営農クラウド（405）等で事前に保存されていてもよいし、使用者（402）が離陸開始前に入力してもよい。

図５に本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の制御機能を表した模式図を示す。フライトコントローラー（501）は、ドローン全体の制御を司る構成要素であり、具体的にはCPU、メモリー、関連ソフトウェア等を含む組み込み型コンピューターであってよい。フライトコントローラー（501）は、操縦器（401）から受信した入力情報、および、後述の各種センサーから得た入力情報に基づき、ESC（Electronic Speed Control）等の制御手段を介して、モーター（102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-b）の回転数を制御することで、ドローン（100）の飛行を制御する。モーター（102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-b）の実際の回転数はフライトコントローラー（501）にフィードバックされ、正常な回転が行なわれているかを監視できる構成になっている。あるいは、回転翼（101）に光学センサー等を設けて回転翼（101）の回転がフライトコントローラー（501）にフィードバックされる構成でもよい。

フライトコントローラー（501）が使用するソフトウェアは、機能拡張・変更、問題修正等のために記憶媒体等を通じて、または、Wi-Fi通信やUSB等の通信手段を通じて書き換え可能になっていることが望ましい。また、フライトコントローラー（501）が制御に使用する計算処理の一部が、操縦器（401）上、または、営農支援クラウド（405）上や他の場所に存在する別のコンピューターによって実行されてもよい。フライトコントローラー（501）は重要性が高いため、その構成要素の一部または全部が二重化されていてもよい。

バッテリー（502）は、フライトコントローラー（501）、および、ドローンのその他の構成要素に電力を供給する手段であり、例えば充電式である。バッテリー（502）はヒューズ、または、サーキットブレーカー等を含む電源ユニットを介してフライトコントローラー（501）に接続されている。バッテリー（502）は電力供給機能に加えて、その内部状態（蓄電量、積算使用時間等）をフライトコントローラー（501）に伝達する機能を有するスマートバッテリーであってもよい。

フライトコントローラー（501）は、Wi-Fi子機機能（503）を介して、さらに、基地局（404）を介して操縦器（401）とやり取りを行ない、必要な指令を操縦器（401）から受信すると共に、必要な情報を操縦器（401）に送信できる。基地局（404）は、Wi-Fiによる通信機能に加えて、RTK-GPS基地局の機能も備えていてもよい。RTK基地局の信号とGPS測位衛星からの信号を組み合わせることで、GPSモジュール（504）により、ドローン（100）の絶対位置を数センチメートル程度の精度で測定可能となる。GPSモジュール（504）は重要性が高いため、二重化・多重化しており、また、特定のGPS衛星の障害に対応するため、冗長化されたそれぞれのGPSモジュール（504）は別の衛星を使用するよう制御されている。

６軸ジャイロセンサー（505）はドローン機体の互いに直交する３方向の加速度を測定する手段（さらに、加速度の積分により速度を計算する手段）である。また、６軸ジャイロセンサー（505）は、上述の３方向におけるドローン機体の姿勢角の変化、すなわち角速度を測定する手段である。地磁気センサー（506）は、地磁気の測定によりドローン機体の方向を測定する手段である。気圧センサー（507）は、気圧を測定する手段であり、間接的にドローンの高度も測定することもできる。レーザーセンサー（508）は、レーザー光の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段であり、例えばIR（赤外線）レーザーを使用してよい。ソナー（509）は、超音波等の音波の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段である。これらのセンサー類は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよい。また、機体の傾きを測定するためのジャイロセンサー（角速度センサー）、風力を測定するための風力センサーなどが追加されていてもよい。また、これらのセンサー類は二重化または多重化されていることが望ましい。

流量センサー（510）は薬剤の流量を測定するための手段であり、薬剤タンク（104）から薬剤ノズル（103）に至る経路の複数の場所に設けられている。液切れセンサー（511）は薬剤の量が所定の量以下になったことを検知するセンサーである。圃場撮影カメラ（107）は圃場(403)を撮影し、画像分析を行なうためのデータを取得する手段であり、マルチスペクトルカメラであることが望ましい。障害物検知カメラ（513）はドローン障害物を検知するためのカメラであり、画像特性とレンズの向きが圃場撮影カメラ（107）とは異なるため、圃場撮影カメラ（106）とは別の機器であることが望ましい。スイッチ（514）はドローン（100）の使用者（402）が様々な設定を行なうための手段である。障害物接触センサー（515）はドローン（100）、特に、そのローターやプロペラガード部分が電線、建築物、人体、立木、鳥、または、他のドローン等の障害物に接触したことを検知するためのセンサーである。カバーセンサー（516）は、ドローン（100）の操作パネルや内部保守用のカバーが開放状態であることを検知するセンサーである。薬剤注入口センサー（517）は薬剤タンク（104）の注入口が開放状態であることを検知するセンサーである。これらのセンサー類はドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。

フライトコントローラー（501）はポンプ（106）に対して制御信号を送信し、薬剤吐出量の調整や薬剤吐出の停止を行なう。ポンプ（106）の現時点の状況（たとえば、回転数等）は、フライトコントローラー（501）にフィードバックされる構成となっていることが望ましい。

LED（517）は、ドローンの操作者に対して、ドローンの状態を知らせるための表示手段である。LEDに替えて、または、それに加えて液晶ディスプレイ等の表示手段を使用してもよい。ブザー（518）は、音声信号によりドローンの状態（特にエラー状態）を知らせるための出力手段である。Wi-Fi子機機能（519）は操縦器（401）とは別に、たとえば、ソフトウェアの転送などのために外部のコンピューター等と通信するためのオプショナルな構成要素である。Wi-Fi子機機能に替えて、または、それに加えて、赤外線通信、Bluetooth（登録商標）、ZigBee（登録商標）、NFC等の他の無線通信手段、または、USB接続などの有線通信手段を使用してもよい。スピーカー（520）は、録音した人声や合成音声等により、ドローンの状態（特にエラー状態）を知らせる出力手段である。天候状態によっては飛行中のドローン（100）の視覚的表示が見にくいことがあるため、そのような場合には音声による状況伝達が有効である。警告灯（521）はドローンの状態（特にエラー状態）を知らせるストロボライト等の表示手段である。これらの入出力手段は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。

本願発明に係るドローン（100）は、圃場の作物の株元部分の撮影に適した株元撮影モード、圃場の作物の穂先部分の撮影に適した穂先撮影モード、または、その両方を備えることが望ましい。株元部分の撮影は、1株当たりの分蘖（出穂の数）の測定、１株当たりの総収穫量の推定、および、根本付近の病理診断や生育診断等に有効であり、穂先部分の撮影は、単位穂数当たりの収穫量、および、葉先付近の病理診断等に有効であることから、単に上空から作物全体を撮影する場合と比較して画像分析の価値を大幅に向上することができる。

特に稲の場合、出穂後から分蘖が終わるまでの時期は、株元撮影と穂先撮影の両方を行なうことが望ましい。穂丈が十分長くなった後は、穂先撮影を頻繁に行ないつつ、定期的には株元撮影を実施し病理生育診断を行なうべきである。収穫が近づいた時期には穂先撮影を中心に行なう必要がある。したがって、本願発明に係るドローン（100）は、ユーザーの指令により、または、自動で株元撮影モードと穂先撮影モードを切り替えられることが望ましい。

図６に本願発明に係る圃場撮影用ドローンの実施例による撮影モードの基本的考え方を示す（本図は概念図であり、縮尺は正確ではない）。一般的にドローン（100）では、回転翼による気流（601）は機体の進行方向の後ろ方向に流れる。回転翼による気流は圃場の作物を一時的になぎ倒す効果を生じさせる。ドローンの回転翼が作り出す気流の影響を最も受ける作物はドローンの進行方向に対して後方であって、俯角約60度の方向にあることが発明者の実験により明らかになっているため、圃場撮影カメラ（107）をこの方向が撮影可能な位置に設置することが望ましい。これに対して、仮にカメラがドローンの直下方向しか撮影できない設計であると、葉の株元や側面の撮影のためにドローンをきわめて低速で移動させる、あるいは、ホバリング状態で撮影を行なう等の手順が必要となり、効率的な撮影を行なうことは不可能になってしまう。

図６-aは株元撮影モードを表わす。ドローン（100）の進行方向の後方に、下降気流によって生じた作物（602）の株元部分、および、葉の側面が上空に対して露出した領域（604）を圃場撮影カメラ（107）によって選択的に撮影する、あるいは、この領域より広い領域を撮影して画像処理により求める領域（604）を抽出することにより、作物の株元、および、葉の側面の画像を取得可能である。葉の側面が上空に対して露出した領域（604）の画像はそれ以外の領域と比較して明度や彩度が大きく異なるため画像処理による抽出は容易である。加えて、風を受けた時の作物の葉の湾曲形状から葉の厚みや硬度が推定できる。

図６-ｂは穂先撮影モードを表わす。基本的な考え方は、株元撮影モードと同様であるが、株元撮影モードの場合よりもドローン（100）の高度を高めて、作物（602）に向かう下降気流（601）の影響を弱めることで、作物（602）の穂先部分が上空に対して露出した領域（605）を創ることができ、株元撮影モードの場合と同様に、穂先部分のみの画像を効果的に取得することができる。

図６-cは通常移動モードを表わす。通常移動モードは、穂先撮影モードよりも、さらに高度を高めるため、作物（602）を倒す効果は小さい。株元や穂先の撮影を行なわない場合には、下降流による倒伏や稲穂へのダメージを最小化するために、ドローン（100）を通常移動モードで飛行させることが望ましい。また、撮影中のバッテリー切れの交換等に伴う飛行の中断・再開の際の移動も同様に通常移動モードとすることが望ましい。この場合には、フライトコントローラー（501）に搭載されたプログラム等により、自動的に通常移動モードへの切り替え、および、株元撮影モード、または、穂先撮影モードへの復帰を行なうことが望ましい。

図６の各モードの切り替えは、ドローン（100）の高度を制御することによって行なうことが望ましい。株元撮影モード時の高度は地面からおよそ0.9メートル、あるいは、穂先から0.1メートルとし、穂先撮影モード時の高度は地面から1.1メートルから2.0メートル、あるいは、穂先から0.3メートルから1.2メートル、通常移動モード時の高度は2メートルから2.5メートル、あるいは、穂先から1.2メートルから1.7メートルとなるようにドローン（100）を制御することが望ましいことが発明者の実験により明らかになっている。この高度制御は、フライトコントローラー（501）に搭載されたプログラム等により自動的に行なうことが望ましい。

ドローン（100）の高度の調整に代えて、または、ドローン（100）の高度の調整に合わせて飛行速度の変化により撮影モードを切り替えるようにしてもよい。ドローン（100）は進行方向に向けて機体を傾けることで飛行するため、飛行速度を下げるにより下降気流が機体の真下に向かうことになり、作物を倒す効果が増す。したがって、穂先撮影モードでの飛行速度を株元撮影モードでの速度より速め、通常飛行モードでの飛行速度を穂先撮影モードでの飛行速度より速めてもよい。たとえば、ドローン（100）の高度を対地2メートルで固定した場合に、速度を株元撮影モードでは時速約7キロメートルに、穂先撮影モードでは時速約20キロメートル、通常飛行モードでは時速約27キロメートルになるように制御することが望ましいことが発明者の実験により明らかになっている。

上記の各モードの高度や速度の数値は例示であり、作物の種類やドローン（100）が採用するテクノロジの変化に合わせて調整できることが望ましい。各撮影モードの目標高度と速度を事前に設定しておき、ユーザーが撮影モードの切り替えを指示するだけで、フライトコントローラー（501）に搭載されたプログラム等により制御を自動的に行なえるようにすることが望ましい。

株元を効果的に撮影できるカメラの向きは移動速度に依存して変わるためドローン（100）の速度センサーにより、圃場撮影カメラ（107）の撮影方向をステッピングモーター等により可変として、移動速度に合わせて調整可能としてもよい。加えて、一時的になぎ倒される作物のドローン機体に対する相対位置は、風力と風向の影響を受けるため、ドローン（100）に風力・風向センサーを設けて、圃場撮影カメラ（107）の撮影方向を自動調整可能としてもよい。また、ドローン（100）の遠隔操縦装置に圃場撮影カメラ（107）が撮影した画像をリアルタイムで表示し、操作者が画像を確認しながら手動で圃場撮影カメラ（103）の方向を微調整可能としてもよい。株元部分、および、穂先部分が上空に対して露出した圃場の領域は他の領域との明度・色調の相違により、画像認識により区別できるため、当該領域が、撮影範囲の中心近くとなるように、圃場撮影カメラ（107）を自動的に調整してもよい。ドローン（100）がホバリング時、あるいは、低速（たとえば、毎秒約３メートル以下）で飛行中である時には圃場撮影カメラ（107）による撮影を行なわないような制御を行なってもよい。

各モードにおけるドローン（100）の目標高度を予め設定した固定値ではなく、圃場撮影カメラ（107）が撮影する圃場の作物の画像に基づいてリアルタイムで制御するようにしてもよい。図７−ａに示すようになぎ倒された作物の茎（701）の曲率（1/r）を画像分析により測定することで、作物が株元撮影に十分なほど倒されているかを推定してもよい。画像分析により得られた曲率が、事前の実験等によって得られた望ましい曲率になっていない場合には、所定の曲率になるまで、高度をさらに低下、または、速度をさら増すようにドローン（100）を制御することが望ましい。

図９−ｂに示すように、圃場全体の画像（902）において、作物の茎が露出した領域（903）、および、穂先が露出した領域（904）の面積が、事前の実験等によって得られた望ましい値の範囲になっていない場合に、当該望ましい範囲になるよう、ドローン（100）の高度、速度、またはその両方を制御してもよい。なお、領域（903）と領域（904）は、圃場全体の画像（902）と比較して、色相、明度、または、彩度が大きく異なるため、画像分析によりその範囲をリアルタイムで特定することが可能である。

圃場撮影カメラ（106）により撮影された株元の画像データを分析することで従来は得ることができなかった様々な情報が得られる。たとえば、近赤外線画像（たとえば、波長780nm近辺）の分析によりクロロフィルの存在を検知でき、これにより画像から作物部分のみを抽出できる。作物部分の画像にエッジ検出を適用し、葉の輪郭線を抽出することで、風を受けた時の葉の曲がり具合が測定できる。これにより、葉厚が推定でき、作物の生育状況を推定できる。特に、作物が稲の場合には、ケイ素の蓄積量を把握することもできる（ケイ素が多ければ葉の硬度が増すからである）。また、近赤外線画像の分析により判明した、作物部分がない部分である水面領域から（エッジ検出処理によって検出された）直線部分が密集している部分は株元であると推定できる。株元に対して近赤外線量が低下している部分をエッジ検出し、斑点状の領域が見られた時はウンカが付着していることが推定できる。株元に赤色が濃い領域が存在する場合には紋枯病が発生していることが推定できる。また、通常、株は20センチメートルから30センチメートルの等間隔で植えられているため、画像上で水面領域が等間隔に現われない場合は、雑草が発生していることが推定できる。また、これらの従来型画像解析に加えて、多数の画像データ例をニューラルネット（望ましくは、ディープ・ニューラルネット）の入力として機械学習を行なわせることで効率的に精度の高い分析を行なえることが発明者の実験により明らかになっている。

同様に、穂先の画像についても、ディープラーニングを用いた穂先形状認識やマルチスペクトルカメラを用いたNDVI解析を飛行中にリアルタイムで実行することで、従来の単なる上空からの撮影と比較してはるかに有用な情報が取得可能である。

図８に、本願発明に係る圃場撮影用ドローンの方向転換時の動作の例を示す（本図は概念図であり縮尺は正確ではない）。なお、図８におけるドローン（800）は、図１、図２、および、図３に示したドローンを、機体の向きをわかりやすくするよう簡略化して模式的に示したものである。通常、ドローンが飛行方向を転換する際は、図８−ａに示すように、機体の絶対的方向は変化させずに移動方向だけを変化させるような制御を行なう。しかし、このような方向転換方式では、圃場撮影カメラ（107）が常にドローン（800）の進行方向の後ろ側を撮影できるようにするために、複数（典型的には４機）の圃場撮影カメラ（107）を設けて適宜切り替えて撮影を行なう、あるいは、ステッピングモーター等の手段により機体の進行方向に合わせて、圃場撮影カメラ（107）の位置を変化させることなどが必要になり、機体の重量増、コスト増、制御の複雑性増などの点で好ましくない。

代替の方法として、図８−ｂのように、方向転換の際には機体の絶対的向きそのものを変えることが望ましい。このような方式を採ることで、１機の圃場撮影カメラ（107）をドローン（800）に設置するだけで、常にドローン（800）の進行方向の後方を撮影することができる。前述のように、俯角の調整が必要となることはあり得るが、複数のカメラを設ける方法やカメラの方向自体を変化させる方法と比較して、コスト、重量、および、正確性の点で有利である。

（本願発明による技術的に顕著な効果）
本願発明に係るドローンにより、圃場の作物全体の株元、葉の側面、穂先の画像を効率的に取得可能である。得られた結果を分析することで効果的かつ効率的な害虫対策や施肥計画に結び付けることができる。また、作物が稲である場合には、風を受けた時の葉の形状の画像によってケイ素の蓄積量を把握し、それに基づいて稲の育成度を推定し、肥料計画を最適化することが可能となる。

Claims (17)

1. カメラと回転翼と飛行制御手段とを備えた圃場撮影用の無人飛行体であって、
   前記回転翼が発生する下降気流により作物が倒されることにより露出した前記作物の株元を前記カメラが撮影可能な高度と速度で、前記飛行制御手段が前記無人飛行体を飛行させる第一の飛行モードと、
   前記回転翼が発生する下降気流により作物が倒されることにより露出した前記作物の穂先を前記カメラが撮影可能な高度と速度で、前記飛行制御手段が前記無人飛行体を飛行させる第二の飛行モードとを備える
   無人飛行体。
2. 前記第二の飛行モードにおける高度は前記第一の飛行モードにおける高度よりも高い
   請求項１に記載の無人飛行体。
3. 前記第二の飛行モードにおける高度が前記第一の飛行モードにおける高度と同一であり、
   前記第二の飛行モードにおける速度が前記第一の飛行モードにおける速度より速い、
   請求項１に記載の無人飛行体。
4. さらに、前記作物の前記下降気流による露出範囲測定手段を備え、
   前記露出範囲測定手段が測定した前記作物の露出範囲に応じて、前記飛行制御手段が前記第一の飛行モードと前記第二の飛行モードとの切り替えを行なう請求項１、請求項２、または、請求項３に記載の無人飛行体。
5. 前記露出範囲測定手段は倒された作物の葉の曲率を測定することで、作物の露出範囲を測定する請求項４に記載の無人飛行体。
6. 前記露出範囲測定手段は、倒された作物の画像の色相、明度、または、彩度によって作物の露出範囲を測定する請求項４に記載の無人飛行体。
7. さらに、第三の飛行モードを備え、
   前記第三の飛行モードにおける下降気流は前記第二の飛行モードにおける下降気流よりも弱く、
   前記カメラが撮影を行なっていない時には、前記飛行制御手段が自動的に前記第三の飛行モードへの切り替えを行なう請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、またたは、請求項６に記載の無人飛行体。
8. 前記第三の飛行モードにおける高度は前記第二の飛行モードにおける高度よりも高い
   請求項７に記載の無人飛行体。
9. 前記第三の飛行モードにおける高度が前記第二の飛行モードにおける高度と同一であり、
   前記第三の飛行モードにおける速度が前記第二の飛行モードにおける速度より速い、
   請求項７に記載の無人飛行体。
10. 圃場の作物の株元、葉の側面、または穂先の撮影方法であって、
    カメラと回転翼とを備えた圃場撮影用の無人飛行体を使用し、
    前記カメラに前記回転翼が発生する下降気流により作物が倒されることにより露出した前記作物の株元、葉の側面、または穂先を撮影させるステップを含む方法。
11. さらに、作物の露出範囲を測定するステップと、
    前記測定された露出範囲に応じて、機体の高度または速度を調整するステップとを含む
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記作物の露出範囲を測定するステップは、倒された作物の葉の曲率を測定するステップを含む請求項１１に記載の方法。
13. 前記作物の露出範囲を測定するステップは、倒された作物の画像の色相、明度、または、彩度によって作物の露出範囲を測定するステップを含む請求項１１に記載の方法。
14. カメラと回転翼とを備えた圃場撮影用の無人飛行体に圃場の作物の株元、葉の側面、または穂を撮影させるプログラムであって、
    前記カメラに前記回転翼が発生する下降気流により作物が倒されることにより露出した前記作物の株元、葉の側面、または穂先を撮影させる命令群をコンピューターに実行させるプログラム。
15. さらに、作物の露出範囲を測定する命令群と、
    前記測定された露出範囲に応じて機体の高度または速度を調整する命令群とをコンピューターに実行させる
    請求項１４に記載のプログラム。
16. 前記作物の露出範囲を測定する命令群は、倒された作物の葉の曲率を測定する命令群を含む請求項１５に記載のプログラム。
17. 前記作物の露出範囲を測定する命令群は、倒された作物の画像の色相、明度、または、彩度によって作物の露出範囲を測定する命令群を含む請求項１５に記載のプログラム。
    
    

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