JP6973829B2 - Field photography camera - Google Patents

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Description

本願発明は、圃場撮影用カメラ、特に、無人飛行体（ドローン）に備えられ、作物の生育状況を把握するための画像分析に適したカメラに関する。 The present invention relates to a camera for field photography, particularly a camera provided in an unmanned aerial vehicle (drone) and suitable for image analysis for grasping the growth state of a crop.

一般にドローンとも呼ばれる小型無人ヘリコプター（マルチコプター）の応用が進んでいる。その重要な応用分野の一つとして農地（圃場）の撮影による作物の生育状況の分析が挙げられる（たとえば、特許文献１）。ドローンにより、衛星写真等の手段と比較して比較的低コストで正確なリアルタイムの分析を行なうことができる。 The application of small unmanned helicopters (multicopters), which are also generally called drones, is advancing. One of the important application fields is analysis of the growth state of crops by photographing agricultural land (field) (for example, Patent Document 1). Drones can perform accurate real-time analysis at a relatively low cost compared to means such as satellite photography.

作物の生育状況分析ではNDVI（Normalized Difference Vegetation Index）と呼ばれる指標が一般化している（たとえば、特許文献２）。NDVIの算出には、同じ圃場の赤外線光反射と遠赤外線光反射を同時に撮影することが必要である。このためには、マルチスペクトルカメラが使用されることが多いが、従来のマルチスペクトルカメラはドローンでの使用に最適化されているとは言えなかった。また、天候、機体の向き、太陽の位置等により時々刻々と変化する入射光の状態をリアルタイムに反映した正確な測定を行なうことは困難であった。 An index called NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) has become common in crop growth analysis (for example, Patent Document 2). In order to calculate NDVI, it is necessary to photograph infrared light reflection and far infrared light reflection in the same field at the same time. Multispectral cameras are often used for this purpose, but conventional multispectral cameras have not been optimized for use in drones. In addition, it has been difficult to make accurate measurements that reflect the state of incident light, which changes from moment to moment depending on the weather, the orientation of the aircraft, the position of the sun, etc., in real time.

特許公開公報 特開２０１７−０６８５３３Patent Publication Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-068533 特許公開公報 特開２０１０−１６６８５１Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-166851

無人飛行体による生育状況の分析のための圃場の撮影に適したマルチスペクトルカメラを提供する。 Provided is a multispectral camera suitable for field photography for analysis of growth conditions by an unmanned flying object.

本願発明は、無人飛行体に備えられる圃場撮影用のカメラであって、レンズとビームスプリッターと第一のバンドパスフィルターと第一のイメージセンサーと第二のバンドパスフィルターと第二のイメージセンサーとを含み、前記レンズを通った光束が前記ビームスプリッターにより第一の光束と第二の光束に分割され、前記第一の光束が前記第一のバンドパスフィルターを通って前記第一のイメージセンサーによって検知され、前記第二の光束が前記第二のバンドパスフィルターを通って前記第二のイメージセンサーによって検知されるカメラを提供することで上記課題を解決する。 The present invention is a camera for field photography provided in an unmanned flying object, which includes a lens, a beam splitter, a first bandpass filter, a first image sensor, a second bandpass filter, and a second image sensor. The luminous flux passing through the lens is split into a first luminous flux and a second luminous flux by the beam splitter, and the first luminous flux is passed through the first bandpass filter by the first image sensor. The problem is solved by providing a camera that is detected and the second luminous flux is detected by the second image sensor through the second bandpass filter.

また、本願発明は、前記第一のバンドパスフィルターと前記第一のイメージセンサー間の距離が前記第一のバンドパスフィルターと前記ビームスプリッター間の距離よりも短い段落０００６に記載のカメラを提供することで上記課題を解決する。 The present invention also provides the camera according to paragraph 0006, wherein the distance between the first bandpass filter and the first image sensor is shorter than the distance between the first bandpass filter and the beam splitter. This solves the above problem.

また、本願発明は、前記第一のバンドパスフィルターと前記第一のイメージセンサーが略密着している段落０００６に記載のカメラを提供することで上記課題を解決する。 Further, the present invention solves the above-mentioned problems by providing the camera according to paragraph 0006 in which the first bandpass filter and the first image sensor are substantially in close contact with each other.

また、本願発明は、前記第一のバンドパスフィルターまたは第二のバンドパスフィルターが近赤外光のみを透過する段落０００６、段落０００７、または、段落０００８に記載のカメラを提供することで上記課題を解決する。 The present invention also provides the camera according to paragraph 0006, paragraph 0007, or paragraph 0008, wherein the first bandpass filter or the second bandpass filter transmits only near-infrared light. To solve.

また、本願発明は、圃場撮影用のカメラを備えた無人飛行体であって、前記カメラに撮影され、圃場画像分析の際に撮影時の太陽光の情報を得るための反射光補正用部材が備えられた無人飛行体を提供することで上記課題を解決する。 Further, the present invention is an unmanned flying object provided with a camera for field photography, and a reflected light correction member for obtaining information on sunlight at the time of shooting by the camera and performing field image analysis is provided. The above problem is solved by providing an unmanned air vehicle provided.

また、本願発明は、前記反射光補正用部材の少なくとも前記カメラに向かう面がつや消し加工されている段落００１０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。 The present invention also solves the above problems by providing the unmanned vehicle according to paragraph 0010, wherein at least the surface of the reflected light correction member facing the camera is matted.

また、本願発明は、前記反射光補正用部材の少なくとも前記カメラに向かう面が略球面である段落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。 The present invention also solves the above problems by providing the unmanned vehicle according to paragraph 0010 or paragraph 0011, wherein at least the surface of the reflected light correction member facing the camera is a substantially spherical surface.

また、本願発明は、前記カメラは段落０００６、段落０００７、段落０００８、または、段落０００９に記載のカメラである段落００１０、段落００１１、または、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。 The present invention also provides the unmanned vehicle according to paragraph 0006, paragraph 0007, paragraph 0008, or paragraph 0009, paragraph 0010, paragraph 0011, or paragraph 0012. Solve the problem.

また、本願発明は、前記カメラの機体に対する角度が可変であり、前記カメラの地面に対する角度を一定に保つ機構を備えた段落００１０、段落００１１、段落００１２、または、段落００１３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。
Further, in the present invention, the unmanned vehicle according to paragraph 0010, paragraph 0011, paragraph 0012, or paragraph 0013, which has a variable angle with respect to the body of the camera and has a mechanism for keeping the angle of the camera with respect to the ground constant. The above problem is solved by providing.

無人飛行体による生育状況の分析のための圃場の撮影に適したカメラが提供される。 A camera suitable for field photography for analysis of growth conditions by unmanned flying objects is provided.

本願発明に係る農業用ドローンの実施例の平面図である。It is a top view of the Example of the agricultural drone which concerns on this invention. 本願発明に係る農業用ドローンの実施例の正面図である。It is a front view of the Example of the agricultural drone which concerns on this invention. 本願発明に係る農業用ドローンの実施例の右側面図である。It is a right side view of the Example of the agricultural drone which concerns on this invention. 本願発明に係る農業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。It is an example of the whole conceptual diagram of the field photography system using the example of the agricultural drone which concerns on this invention. 本願発明に係る農業用ドローンの実施例の制御機能を表した模式図である。It is a schematic diagram which showed the control function of the Example of the agricultural drone which concerns on this invention. 本願発明に係る農業用ドローン向けカメラの構造を表した模式図である。It is a schematic diagram showing the structure of the camera for agricultural drones which concerns on this invention. 本願発明に係る農業用ドローン向け反射光補正用部材の動作原理を表した模式図である。It is a schematic diagram showing the operation principle of the reflected light correction member for an agricultural drone which concerns on this invention. 本願発明に係る農業用ドローン向けの反射光補正用部材の取付け方法の一例を表した図である。It is a figure which showed an example of the attachment method of the reflected light correction member for the agricultural drone which concerns on this invention. 本願発明に係る農業用ドローンのカメラの角度調整方法の一例を表した図である。It is a figure which showed an example of the angle adjustment method of the camera of the agricultural drone which concerns on this invention.

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 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. All figures are illustrations

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（進行方向側から見た）正面図を、図３にその右側面図を示す。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こととする FIG. 1 shows a plan view of an embodiment of the drone (100) according to the present invention, FIG. 2 shows a front view thereof (viewed from the traveling direction side), and FIG. 3 shows a right side view thereof. In the specification of the present application, the drone may be a power means (electric power, motor, etc.) and a maneuvering method (whether it is wireless or wired, and whether it is an autonomous flight type or a manual maneuvering type, etc.). Instead, it refers to all aircraft with multiple rotors or means of flight.

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。 Rotors (101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b) (also known as rotors) are used to fly the drone (100). It is desirable to have eight aircraft (four sets of two-stage rotor blades) in consideration of the balance between flight stability, aircraft size, and battery consumption.

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。なお、一部の回転翼（101-3b）、および、モーター（102-3b）が図示されていないが、その位置は自明であり、もし左側面図があったならば示される位置にある。図２、および、図３に示されるように、ローターが異物と干渉しないよう設けられたプロペラガードを支えるための放射状の部材は水平ではなくやぐら上の構造であることが望ましい。衝突時に当該部材がローター側に座屈し、ローターと干渉することを防ぐためである。 The motors (102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 102-4a, 102-4b) are the rotary blades (101-1a, 101-1b, 101-2a). , 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b). It is desirable that one machine is installed. The upper and lower rotors (eg 101-1a and 101-1b) in one set and their corresponding motors (eg 102-1a and 102-1b) are for the stability of the drone's flight, etc. It is desirable that the axes are on the same straight line and rotate in opposite directions. Although some rotor blades (101-3b) and motors (102-3b) are not shown, their positions are self-explanatory and are shown if there is a left side view. As shown in FIGS. 2 and 3, it is desirable that the radial member for supporting the propeller guard provided so that the rotor does not interfere with foreign matter has a structure that is not horizontal but is slightly above. This is to prevent the member from buckling toward the rotor during a collision and interfering with the rotor.

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。なお、本願明細書において、薬剤とは、農薬、除草剤、液肥、殺虫剤、種、および、水などの圃場に散布される液体または粉体を一般的に指すこととする。 The drug nozzles (103-1, 103-2, 103-3, 103-4) are means for spraying the drug downward, and it is desirable that four drug nozzles are provided. In the specification of the present application, the term "drug" generally refers to a liquid or powder sprayed in a field such as a pesticide, a herbicide, a liquid fertilizer, an insecticide, a seed, and water.

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。 The medicine tank (104) is a tank for storing the medicine to be sprayed, and it is desirable that the medicine tank (104) is provided at a position close to the center of gravity of the drone (100) and at a position lower than the center of gravity from the viewpoint of weight balance. The drug hose (105-1, 105-2, 105-3, 105-4) connects the drug tank (104) and each drug nozzle (103-1, 103-2, 103-3, 103-4). It is made of a hard material and may also serve to support the drug nozzle. The pump (106) is a means for discharging the drug from the nozzle.

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、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。 FIG. 4 shows an overall conceptual diagram of an embodiment of a field photography system using the drone (100) according to the present invention. This figure is a schematic diagram, and the scale is not accurate. The pilot (401) sends a command to the drone (100) by the operation of the user (402), and the information received from the drone (100) (for example, position, amount of drug, remaining battery level, camera image, etc.) ), Which may be realized by a portable information device such as a general tablet terminal that runs a computer program. It is desirable that the drone (100) according to the present invention be controlled to perform autonomous flight, but it is desirable that the drone (100) can be manually operated during basic operations such as takeoff and return, and in an emergency. It is desirable that the pilot (401) and the drone (100) perform wireless communication by Wi-Fi or the like.

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。 The field (403) is a rice field, a field, or the like to be photographed by the drone (100). In reality, the terrain of the field (403) is complicated, and the topographic map may not be available in advance, or the topographic map and the situation at the site may be inconsistent. Normally, the field (403) is adjacent to houses, hospitals, schools, other crop fields, roads, railroads, and the like. In addition, obstacles such as buildings and electric wires may exist in the field (403).

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。 The base station (404) is a device that provides a master unit function for Wi-Fi communication, and it is desirable that it also functions as an RTK-GPS base station so that it can provide the accurate position of the drone (100). (The base unit function of Wi-Fi communication and the RTK-GPS base station may be independent devices). The farming cloud (405) is typically a group of computers and related software operated on a cloud service, and it is desirable that the farming cloud (405) is wirelessly connected to the controller (401) by a mobile phone line or the like. The farming cloud (405) may analyze the image of the field (403) taken by the drone (100), grasp the growth state of the crop, and perform a process for determining the flight route. In addition, the topographical information of the stored field (403) may be provided to the drone (100). In addition, the history of the flight and shot images of the drone (100) may be accumulated and various analysis processes may be performed.

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）の撮影を行なった後に、あるいは、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。 Normally, the drone (100) takes off from the departure / arrival point (406) outside the field (403), and after taking a picture of the field (403), or when charging or the like is required, the departure / arrival point (406). Return to. The flight route (invasion route) from the departure / arrival point (406) to the target field (403) may be stored in advance in a farming cloud (405) or the like, or before the user (402) starts takeoff. You may enter in.

図５に本願発明に係る農業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。 FIG. 5 shows a schematic diagram showing a control function of an embodiment of the agricultural drone according to the present invention. The flight controller (501) is a component that controls the entire drone, and may be an embedded computer including a CPU, memory, related software, and the like. The flight controller (501) is a motor (102-) via a control means such as ESC (Electronic Speed Control) based on the input information received from the pilot (401) and the input information obtained from various sensors described later. By controlling the number of revolutions of 1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 104-a, 104-b), the flight of the drone (100) is controlled. The actual rotation speed of the motors (102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 104-a, 104-b) is fed back to the flight controller (501) and is normal. It is configured to be able to monitor whether or not the rotation is being performed. Alternatively, the rotary wing (101) may be provided with an optical sensor or the like so that the rotation of the rotary wing (101) is fed back to the flight controller (501).

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。この場合において、不正なソフトウェアによる書き換えが行なわれないように、暗号化、チェックサム、電子署名、ウィルスチェックソフト等による保護を行ってもよい。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。 The software used by the flight controller (501) can be rewritten through a storage medium or the like for function expansion / change, problem correction, etc., or through communication means such as Wi-Fi communication or USB. In this case, protection may be performed by encryption, checksum, digital signature, virus check software, or the like so as not to be rewritten by unauthorized software. Also, even if some of the computations used by the flight controller (501) for control are performed by another computer located on the pilot (401), on the farming support cloud (405), or elsewhere. good. Due to the high importance of the flight controller (501), some or all of its components may be duplicated.

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。バッテリー（502）は多重化されていてもよく、本実施形態では第１バッテリー(502a)および第２バッテリー（502b）を有する。第１バッテリー(502a)および第２バッテリー（502b）は、互いに同等のものであってもよいし、互いに異なるバッテリー容量を有してもよいし、異なる機能を有するものでもよい。 The battery (502) is a means of supplying power to the flight controller (501) and other components of the drone, eg, rechargeable. The battery (502) is connected to the flight controller (501) via a fuse or a power supply unit including a circuit breaker or the like. The battery (502) may be a smart battery having a function of transmitting its internal state (storage amount, total usage time, etc.) to the flight controller (501) in addition to the power supply function. The battery (502) may be multiplexed and has a first battery (502a) and a second battery (502b) in this embodiment. The first battery (502a) and the second battery (502b) may be equivalent to each other, may have different battery capacities from each other, or may have different functions.

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。この場合に、通信には暗号化を施し、傍受、成り済まし、機器の乗っ取り等の不正行為を防止できるようになっている。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。 The flight controller (501) communicates with the pilot (401) via the Wi-Fi slave unit function (503) and further via the base station (404), and gives necessary commands from the pilot (401). At the same time as receiving, the necessary information can be transmitted to the controller (401). In this case, the communication is encrypted to prevent fraudulent acts such as interception, spoofing, and device hijacking. The base station (404) may have an RTK-GPS base station function in addition to the Wi-Fi communication function. By combining the signal from the RTK base station and the signal from the GPS positioning satellite, the GPS module (504) can measure the absolute position of the drone (100) with an accuracy of several centimeters. Since the GPS module (504) is so important, it is duplicated and multiplexed, and each redundant GPS module (504) uses a different satellite to cope with the failure of a specific GPS satellite. Is controlled.

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）レーザーを使用する。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。同一目的複数のセンサーが存在する場合には、フライトコントローラー（501）はそのうちの一つのみを使用し、それが障害を起こした際には、代替のセンサーに切り替えて使用するようにしてもよい。あるいは、複数のセンサーを同時に使用し、それぞれの測定結果が一致しない場合には障害が発生したと見なすようにしてもよい。 The 6-axis gyro sensor (505) is a means for measuring the acceleration of the drone aircraft in three directions orthogonal to each other (further, a means for calculating the velocity by integrating the acceleration). Further, the 6-axis gyro sensor (505) is a means for measuring the change in the attitude angle of the drone aircraft in the above-mentioned three directions, that is, the angular velocity. The geomagnetic sensor (506) is a means for measuring the direction of the drone aircraft by measuring the geomagnetism. The barometric pressure sensor (507) is a means for measuring barometric pressure, and can also indirectly measure the altitude of the drone. The laser sensor (508) is a means for measuring the distance between the drone aircraft and the ground surface by utilizing the reflection of the laser light, for example, an IR (infrared) laser is used. Sonar (509) is a means for measuring the distance between the drone aircraft and the ground surface by utilizing the reflection of sound waves such as ultrasonic waves. These sensors may be selected according to the cost target and performance requirements of the drone. In addition, a gyro sensor (angular velocity sensor) for measuring the inclination of the airframe, a wind sensor for measuring wind power, and the like may be added. Further, these sensors are duplicated or multiplexed. If there are multiple sensors for the same purpose, the flight controller (501) may use only one of them and switch to an alternative sensor if it fails. .. Alternatively, a plurality of sensors may be used at the same time, and if the measurement results do not match, it may be considered that a failure has occurred.

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。マルチスペクトルカメラ（512）は圃場(403)を撮影し、画像分析のためのデータを取得する手段である。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マルチスペクトルカメラ（512）とは異なるため、マルチスペクトルカメラ（512）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。また、ドローン（100）外部の基地局（404）、操縦器（401）、または、その他の場所にセンサーを設けて、読み取った情報をドローンに送信してもよい。たとえば、基地局（404）に風力センサーを設け、風力・風向に関する情報をWi-Fi通信経由でドローン（100）に送信するようにしてもよい。 The flow rate sensor (510) is a means for measuring the flow rate of the drug, and is provided at a plurality of locations on the route from the drug tank (104) to the drug nozzle (103). The liquid shortage sensor (511) is a sensor that detects that the amount of the drug has fallen below a predetermined amount. The multispectral camera (512) is a means of photographing the field (403) and acquiring data for image analysis. The obstacle detection camera (513) is a camera for detecting drone obstacles, and since the image characteristics and lens orientation are different from the multispectral camera (512), it is a device different from the multispectral camera (512). It is desirable to have. The switch (514) is a means for the user (402) of the drone (100) to make various settings. The obstacle contact sensor (515) detects that the drone (100), in particular its rotor or propeller guard, has come into contact with an obstacle such as an electric wire, building, human body, standing tree, bird, or other drone. It is a sensor of. The cover sensor (516) is a sensor that detects that the operation panel of the drone (100) and the cover for internal maintenance are in the open state. The drug inlet sensor (517) is a sensor that detects that the inlet of the drug tank (104) is in an open state. These sensors may be selected according to the cost target and performance requirements of the drone, and may be duplicated or multiplexed. Further, a sensor may be provided at a base station (404), a pilot (401), or another place outside the drone (100), and the read information may be transmitted to the drone. For example, a wind sensor may be installed in the base station (404) to transmit information on the wind and wind direction to the drone (100) via Wi-Fi communication.

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。 The flight controller (501) transmits a control signal to the pump (106) to adjust the drug discharge amount and stop the drug discharge. The current status of the pump (106) (for example, the number of revolutions, etc.) is fed back to the flight controller (501).

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。 The LED (517) is a display means for informing the drone operator of the state of the drone. Display means such as a liquid crystal display may be used in place of or in addition to the LED. The buzzer (518) is an output means for notifying the state of the drone (particularly the error state) by an audio signal. The Wi-Fi slave unit function (519) is an optional component for communicating with an external computer or the like for software transfer, for example, apart from the control unit (401). Instead of or in addition to the Wi-Fi handset function, other wireless communication means such as infrared communication, Bluetooth (registered trademark), ZigBee (registered trademark), NFC, or wired communication means such as USB connection. You may use it. The speaker (520) is an output means for notifying the state of the drone (particularly the error state) by means of a recorded human voice, synthetic voice, or the like. Depending on the weather conditions, it may be difficult to see the visual display of the drone (100) in flight. In such cases, voice communication is effective. The warning light (521) is a display means such as a strobe light for notifying the state of the drone (particularly the error state). These input / output means may be selected according to the cost target and performance requirements of the drone, and may be duplicated / multiplexed.

圃場の画像に基づいた作物の生育状況の分析には、赤色光（波長約680nm）と近赤外光（波長約780nm）の反射光による画像を取得してNDVIを計算することが求められる。この場合において、赤色光向けと近赤外光向けのそれぞれに独立したカメラを設けることは、視差の発生、および、重量・スペース・コストの増加という点で問題である。特に、バッテリーで稼働するドローンにおいては、バッテリー持続時間を延ばすためにも重量をできるだけ抑えることが重要である。 In order to analyze the growth condition of crops based on the image of the field, it is required to acquire the image by the reflected light of red light (wavelength about 680 nm) and near infrared light (wavelength about 780 nm) and calculate the NDVI. In this case, providing independent cameras for red light and near-infrared light is problematic in terms of generation of parallax and increase in weight, space, and cost. Especially for battery-powered drones, it is important to keep the weight as low as possible to extend battery life.

図６に本願発明に係るマルチスペクトルカメラ（512）の概念的構造図を示す（本図は模式図であり縮尺は正確ではない）。レンズ（601）は圃場を撮影するためのレンズであり複数のレンズの組み合わせ（レンズセット）であってもよいが、ドローン1機あたりにレンズ（601）（またはレンズセット）が1機のみ備えられていることが望ましい。ビームスプリッター（602）はレンズを通った光束の一部を透過し、一部を反射することで、光束を二方向に分割する装置であり、プリズムにより実現されていてよい。ビームスプリッター（602）は偏光ビームスプリッターであってもよい。 FIG. 6 shows a conceptual structural diagram of the multispectral camera (512) according to the present invention (this figure is a schematic diagram and the scale is not accurate). The lens (601) is a lens for photographing a field and may be a combination of a plurality of lenses (lens set), but only one lens (601) (or lens set) is provided for each drone. It is desirable to be. The beam splitter (602) is a device that splits a light beam in two directions by transmitting a part of the light flux passing through the lens and reflecting a part of the light beam, and may be realized by a prism. The beam splitter (602) may be a polarizing beam splitter.

バンドパスフィルター（603）は特定の波長の範囲の光のみを通す光学フィルターである。第一のバンドパスフィルター（603-1）が赤色光（望ましくは、波長680±10ナノメートル））のみを透過し、第二のバンドパスフィルター（603-2）が近赤外光（望ましくは、波長780±10ナノメートル）のみを透過する構成であることが望ましい（逆に、第一のバンドパスフィルター（603-1）が近赤外光のみを透過し、第二のバンドパスフィルター（603-2）が赤外光のみを透過する構成であってもよい。） The bandpass filter (603) is an optical filter that passes only light in a specific wavelength range. The first bandpass filter (603-1) transmits only red light (preferably wavelength 680 ± 10 nanometers) and the second bandpass filter (603-2) transmits near infrared light (preferably wavelength 680 ± 10 nanometers). It is desirable to have a configuration that transmits only the wavelength of 780 ± 10 nanometers (conversely, the first bandpass filter (603-1) transmits only near-infrared light, and the second bandpass filter (conversely). 603-2) may be configured to transmit only infrared light.)

イメージセンサー（604）は光を検出して画像情報に変換するためのセンサーであり、CMOSセンサーであってよい。第一のイメージセンサー（604-1）が第一のバンドパスフィルター（603-1）により透過した光を検出し、第二のイメージセンサー（604-2）が第二のバンドパスフィルター（603-1）により透過した光を検出する構成であってよい。屈折の影響を最小化し、かつ、できるだけ多くの光を検知して精度が高い画像を得るために、バンドパスフィルター（603）とそれに対応するイメージセンサー（604）は近い位置（望ましくは1ミリメートル以下）に配置することが好ましく、少なくともバンドパスフィルター（603）とビームスプリッター（602）の間の距離よりもバンドパスフィルター（603）とイメージセンサー（603）の間の距離の方が短いことが好ましい。また、バンドパスフィルター（603）と対応するイメージセンサー（603）とがほぼ密着した構造（たとえば、0.1ミリメートル以下の距離）であってもよい。 The image sensor (604) is a sensor for detecting light and converting it into image information, and may be a CMOS sensor. The first image sensor (604-1) detects the light transmitted by the first bandpass filter (603-1), and the second image sensor (604-2) detects the light transmitted by the second bandpass filter (603-1). It may be configured to detect the light transmitted by 1). In order to minimize the effect of refraction and detect as much light as possible to obtain a highly accurate image, the bandpass filter (603) and the corresponding image sensor (604) are located close to each other (preferably 1 mm or less). ), And at least the distance between the bandpass filter (603) and the image sensor (603) is shorter than the distance between the bandpass filter (603) and the beam splitter (602). .. Further, the structure may be such that the bandpass filter (603) and the corresponding image sensor (603) are in close contact with each other (for example, a distance of 0.1 mm or less).

複数のビームスプリッター（602）の組み合わせにより、レンズ（601）を通った光束を3以上の光束に分割し、分割されたそれぞれの光束に対してバンドパスフィルター（603）とイメージセンサー（604）が備えられた構成であってもよい。 By combining a plurality of beam splitters (602), the luminous flux passing through the lens (601) is divided into three or more luminous fluxes, and a bandpass filter (603) and an image sensor (604) are used for each divided luminous flux. It may be provided.

圃場等の対象物からの光がレンズ（601）、ビームスプリッター（602）、バンドパスフィルター（603）の順で経由してイメージセンサー（604）に到達する構成であれば、カメラの構成要素の物理的配置は図６のとおりでなくてもよい。 If the configuration is such that light from an object such as a field reaches the image sensor (604) via the lens (601), beam splitter (602), and bandpass filter (603) in that order, it is a component of the camera. The physical arrangement does not have to be as shown in FIG.

マルチスペクトルカメラ（512）で撮影した画像に基づいてNDVIを計算する際には、撮影時点の入射光（太陽光）の状況（強さと方向）がわかることが好ましい。仮に圃場の画像において特定波長光の強さが同等であっても、入射光の特性が異なれば作物の生育状況は大きく異なることがあるからである。このため、図7-aに示すように、マルチスペクトルカメラ（512）で撮影される画角内に常に入る位置に、補正（キャリブレーション）用に反射特性が既知である補正用部材（701）を備え、太陽光（702）を反射する補正用部材（701）の画像と圃場（403）の画像が常に同一画像内に入るようにすることで、撮影時の画像補正を行なえるようにすることが好ましい。図7-bに撮影された画像の模式図を示す。圃場の画像（703）と補正用部材の画像（704）が常に同一画像内に含まれることが望ましい。これにより、圃場の作物による太陽光の反射率を反射特性が既知である補正用部材（701）との相対値として知ることができ、太陽光の向き・強さ、雲の状態等に依存せず正確な反射率測定を行なうことができるようになり、結果的に正確なNDVIの測定が行なえるようになる。 When calculating NDVI based on an image taken with a multispectral camera (512), it is preferable to know the condition (intensity and direction) of the incident light (sunlight) at the time of shooting. This is because even if the intensity of the specific wavelength light is the same in the image of the field, the growth condition of the crop may be significantly different if the characteristics of the incident light are different. Therefore, as shown in FIG. 7-a, the correction member (701) whose reflection characteristics are known for correction (calibration) at a position that is always within the angle of view taken by the multispectral camera (512). By ensuring that the image of the correction member (701) that reflects sunlight (702) and the image of the field (403) are always in the same image, it is possible to perform image correction at the time of shooting. Is preferable. Figure 7-b shows a schematic diagram of the captured image. It is desirable that the image of the field (703) and the image of the correction member (704) are always included in the same image. This makes it possible to know the reflectance of sunlight from crops in the field as a relative value to the correction member (701) whose reflectance characteristics are known, and it depends on the direction and intensity of sunlight, the state of clouds, and the like. It will be possible to measure the reflectance accurately, and as a result, it will be possible to measure the NDVI accurately.

補正用部材には、特定の入射光角度のみで強い反射光が発生しないような塗装および表面加工（マット仕上げ、つや消し仕上げ）を行なうことが好ましい。また、太陽光の入射角によって反射率が変わることがないよう、少なくともマルチスペクトルカメラ（512）に向かう側では球面状の形状を有することが好ましい。 It is preferable that the correction member is coated and surface-treated (matte finish, matte finish) so that strong reflected light is not generated only at a specific incident light angle. Further, it is preferable to have a spherical shape at least on the side facing the multispectral camera (512) so that the reflectance does not change depending on the incident angle of sunlight.

補正用部材（701）は常にマルチスペクトルカメラ（512）で撮影される画角内にあり、かつ、機体自体の影に入らない位置に設けることが好ましい。たとえば、図８に示すようにドローン（100）の脚部（801）のひとつから支柱（802）により保持される位置に置いてよい。複数の補正用部材（701）を異なる位置に設け、機体の影になっていないもの（たとえば、反射光が最も強いもの）を画像補正用に選択するようにしてもよい。なお、図１、図２、図３にはこの補正用部材は示していない。 It is preferable that the correction member (701) is always within the angle of view taken by the multispectral camera (512) and is provided at a position that is not in the shadow of the machine itself. For example, as shown in FIG. 8, one of the legs (801) of the drone (100) may be placed in a position held by the support (802). A plurality of correction members (701) may be provided at different positions, and the one that is not in the shadow of the machine (for example, the one with the strongest reflected light) may be selected for image correction. Note that FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 3 do not show this correction member.

一般に、ドローン（100）は機体を傾けることで水平方向に移動する。このため、ホバリング（上空停止）時と水平飛行時において機体の対地角度が変化する。この対地角度の変化による反射光撮影の影響をなくすために、マルチスペクトルカメラ（512）のドローン（100）に対する取り付け角度をステッピングモーター等の手段により可変とすることが望ましい。 Generally, the drone (100) moves horizontally by tilting the aircraft. Therefore, the ground angle of the aircraft changes during hovering (stopping in the sky) and during level flight. In order to eliminate the influence of reflected light photography due to this change in the ground angle, it is desirable to make the mounting angle of the multispectral camera (512) with respect to the drone (100) variable by means such as a stepping motor.

図９に本願発明に係る農業用ドローンのカメラの角度調整方法の一例を示す。図９-aはホバリング状態、図９-bは水平飛行時の図である。水平飛行時にドローン（100）の機体が進行方向に向かって傾いた場合の角度は、６軸ジャイロセンサー（505）等の手段により知ることができるため、機体の傾きにかかわらず、マルチスペクトルカメラ（512）の圃場に対する撮影角度αを一定に保つようにマルチスペクトルカメラ（512）のドローン（100）に対する取り付け角度を制御することが望ましい。代替の構成としてマルチスペクトルカメラ（512）に傾斜センサーを設けて傾きを一定に維持する制御を行なってもよい。


FIG. 9 shows an example of an angle adjusting method for the camera of the agricultural drone according to the present invention. FIG. 9-a is a hovering state, and FIG. 9-b is a diagram during level flight. The angle when the drone (100) is tilted toward the direction of travel during level flight can be known by means such as a 6-axis gyro sensor (505), so regardless of the tilt of the aircraft, a multispectral camera ( It is desirable to control the mounting angle of the multispectral camera (512) with respect to the drone (100) so that the shooting angle α with respect to the field of 512) is kept constant. As an alternative configuration, the multispectral camera (512) may be provided with a tilt sensor to control the tilt to be kept constant.

Claims (7)

圃場撮影用のカメラを備えた無人飛行体であって、
前記カメラに撮影され、圃場画像分析の際に撮影時の太陽光の情報を得るための反射光補正用部材が備えられ、
前記反射光補正用部材は、
前記カメラで撮影される画角内に入るよう前記無人飛行体に固定されており、
前記カメラは、
レンズとビームスプリッターと第一のバンドパスフィルターと第一のイメージセンサーと第二のバンドパスフィルターと第二のイメージセンサーとを含み、
前記レンズを通った光束が前記ビームスプリッターにより第一の光束と第二の光束に分割され、
前記第一の光束が前記第一のバンドパスフィルターを通って前記第一のイメージセンサーによって検知され、
前記第二の光束が前記第二のバンドパスフィルターを通って前記第二のイメージセンサーによって検知され、
前記第一のバンドパスフィルターと前記第一のイメージセンサー間の距離が前記第一のバンドパスフィルターと前記ビームスプリッター間の距離よりも短くなるよう構成されており、
前記反射光補正用部材が複数存在し、その中から前記無人飛行体の影になっていないものが画像補正用に選択されるよう構成された、
無人飛行体。 An unmanned aircraft equipped with a camera for field photography,
A member for correcting reflected light is provided, which is photographed by the camera and for obtaining information on the sunlight at the time of image analysis in the field.
The reflected light correction member is
It is fixed to the unmanned flying object so as to be within the angle of view taken by the camera.
The camera
It includes a lens, a beam splitter, a first bandpass filter, a first image sensor, a second bandpass filter, and a second image sensor.
The luminous flux passing through the lens is split into a first luminous flux and a second luminous flux by the beam splitter.
The first luminous flux is detected by the first image sensor through the first bandpass filter.
The second luminous flux is detected by the second image sensor through the second bandpass filter.
The distance between the first bandpass filter and the first image sensor is configured to be shorter than the distance between the first bandpass filter and the beam splitter .
There are a plurality of the reflected light correction members, and among them, the one that is not in the shadow of the unmanned flying object is configured to be selected for image correction.
Unmanned flying object. 圃場撮影用のカメラを備えた無人飛行体であって、
前記カメラに撮影され、圃場画像分析の際に撮影時の太陽光の情報を得るための反射光補正用部材が備えられ、
前記反射光補正用部材は、
前記カメラで撮影される画角内に入るよう前記無人飛行体に固定されており、
前記カメラは、
レンズとビームスプリッターと第一のバンドパスフィルターと第一のイメージセンサーと第二のバンドパスフィルターと第二のイメージセンサーとを含み、
前記レンズを通った光束が前記ビームスプリッターにより第一の光束と第二の光束に分割され、
前記第一の光束が前記第一のバンドパスフィルターを通って前記第一のイメージセンサーによって検知され、
前記第二の光束が前記第二のバンドパスフィルターを通って前記第二のイメージセンサーによって検知され、
前記第一のバンドパスフィルターと前記第一のイメージセンサーが略密着するよう構成されており、
前記反射光補正用部材が複数存在し、その中から前記無人飛行体の影になっていないものが画像補正用に選択されるよう構成された、
無人飛行体。 An unmanned aircraft equipped with a camera for field photography,
A member for correcting reflected light is provided, which is photographed by the camera and for obtaining information on the sunlight at the time of image analysis in the field.
The reflected light correction member is
It is fixed to the unmanned flying object so as to be within the angle of view taken by the camera.
The camera
It includes a lens, a beam splitter, a first bandpass filter, a first image sensor, a second bandpass filter, and a second image sensor.
The luminous flux passing through the lens is split into a first luminous flux and a second luminous flux by the beam splitter.
The first luminous flux is detected by the first image sensor through the first bandpass filter.
The second luminous flux is detected by the second image sensor through the second bandpass filter.
The first bandpass filter and the first image sensor are configured to be in close contact with each other.
There are a plurality of the reflected light correction members, and among them, the one that is not in the shadow of the unmanned flying object is configured to be selected for image correction.
Unmanned flying object. 前記反射光補正用部材が前記無人飛行体の脚部に固定されている、
請求項１または請求項２に記載の無人飛行体。 The reflected light correction member is fixed to the leg portion of the unmanned flying object.
The unmanned aircraft according to claim 1 or 2. 前記第一のバンドパスフィルターまたは第二のバンドパスフィルターが近赤外光のみを透過する、請求項１から請求項3のいずれか１項に記載の無人飛行体。 The unmanned vehicle according to any one of claims 1 to 3 , wherein the first bandpass filter or the second bandpass filter transmits only near-infrared light. 前記反射光補正用部材の少なくとも前記カメラに向かう面がつや消し加工されている、
請求項１から請求項4のいずれか１項に記載の無人飛行体。 At least the surface of the reflected light correction member facing the camera is matted.
The unmanned aircraft according to any one of claims 1 to 4. 前記反射光補正用部材の少なくとも前記カメラに向かう面が略球面である、
請求項１から請求項5のいずれか１項に記載の無人飛行体。 At least the surface of the reflected light correction member facing the camera is a substantially spherical surface.
The unmanned aircraft according to any one of claims 1 to 5. 前記カメラの機体に対する角度が可変であり、前記カメラの地面に対する角度を一定に保つ機構を備えた、
請求項１から請求項6のいずれか１項に記載の無人飛行体。
The angle of the camera with respect to the airframe is variable, and a mechanism for keeping the angle of the camera with respect to the ground constant is provided.
The unmanned aircraft according to any one of claims 1 to 6.
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