WO2019208608A1 - 故障検知システム、方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents

故障検知システム、方法、及びコンピュータプログラム Download PDF

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WO2019208608A1
WO2019208608A1 PCT/JP2019/017342 JP2019017342W WO2019208608A1 WO 2019208608 A1 WO2019208608 A1 WO 2019208608A1 JP 2019017342 W JP2019017342 W JP 2019017342W WO 2019208608 A1 WO2019208608 A1 WO 2019208608A1
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WO
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medicine
drug
failure
failure detection
agricultural machine
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/017342
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
千大 和氣
洋 柳下
Original Assignee
株式会社ナイルワークス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社ナイルワークス filed Critical 株式会社ナイルワークス
Priority to JP2020515508A priority Critical patent/JP6913978B2/ja
Publication of WO2019208608A1 publication Critical patent/WO2019208608A1/ja

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01M—CATCHING, TRAPPING OR SCARING OF ANIMALS; APPARATUS FOR THE DESTRUCTION OF NOXIOUS ANIMALS OR NOXIOUS PLANTS
    • A01M7/00—Special adaptations or arrangements of liquid-spraying apparatus for purposes covered by this subclass

Definitions

  • the present invention relates to an unmanned aerial vehicle (drone) for spraying chemicals such as agricultural chemicals on a field, and more particularly to a drone with improved safety, a control method thereof, and a program.
  • drone unmanned aerial vehicle
  • the drone can know the absolute position of its own aircraft accurately in centimeters during flight. Even in farmland with a narrow and complex terrain typical in Japan, it is possible to fly autonomously with a minimum of manual maneuvering, and to disperse medicines efficiently and accurately.
  • the purpose is to detect a failure so that it can be used safely in an agricultural machine that spreads medicine.
  • a failure detection system is a system for detecting a failure provided in an agricultural machine for spraying a medicine from a medicine tank for storing the medicine.
  • a pressure sensor provided in a path leading to the discharge port of the agricultural machinery, and a failure detection means for detecting a failure of the agricultural machine, wherein the failure detection means detects the discharge pressure of the medicine over time by the pressure sensor.
  • a change is acquired, and a failure is detected based on the change over time of the acquired discharge pressure of the medicine.
  • the agricultural machine is provided with a shut-off mechanism that shuts off a path from the drug tank to the discharge port, and the failure detection means has a path from the drug tank to the discharge port by the shut-off mechanism.
  • a change with time of the discharge pressure of the medicine may be acquired by the pressure sensor, and a failure may be detected based on the change with time of the acquired discharge pressure of the medicine.
  • the shut-off mechanism may be a check valve.
  • the blocking mechanism may be a solenoid valve.
  • the failure detecting means may detect a failure based on a change with time of the discharge pressure of the medicine and a change with time of the discharge pressure of the medicine at a normal time by the pressure sensor.
  • a plurality of the pressure sensors may be provided, and the failure detection unit may detect a failure based on a temporal change in pressure loss calculated from a discharge pressure acquired by the plurality of pressure sensors.
  • the agricultural machine is provided with a pump that discharges the medicine stored in the medicine tank downstream, and the number of rotations of the rotor that sucks the medicine from the medicine tank and discharges the medicine downstream in the pump.
  • a sensor for measuring the pump, and the failure detection means measures the ratio of the rotation speed of the rotor of the pump measured by the sensor for pump and the discharge pressure of the medicine measured by the pressure sensor over time. A failure may be detected based on the change.
  • the failure detection unit when a failure is detected by the failure detection unit, it may further include a control unit that causes the agricultural machine to take a predetermined safety action.
  • the predetermined safety action is a control for retracting the agricultural machine during the spraying of the medicine on the agricultural machine, and regulation of the spraying of the medicine by the agricultural machine in a preparatory stage before the spraying of the medicine on the agricultural machine. Or it is good also as what is control which regulates use of the said agricultural machine.
  • the agricultural machine may be a drone.
  • a failure detection method is a method that is provided in an agricultural machine that sprays a medicine and that is executed by a system that detects the failure, wherein the system stores the medicine.
  • a time-dependent change in the discharge pressure of the drug is acquired by a pressure sensor provided in a path from the tank to the discharge port of the drug, and the agricultural machine malfunctions based on the change over time in the acquired discharge pressure of the drug Is detected.
  • a computer program according to still another aspect of the present invention is a computer program that is provided in an agricultural machine that disperses a medicine and that is executed by a system that detects a failure.
  • a change in the discharge pressure of the drug with time is acquired by a pressure sensor provided in a path from the drug tank to be stored to the discharge port of the drug, and based on the change with time of the acquired discharge pressure of the drug, the agricultural Detect machine failures.
  • FIG. 1 is a plan view of an embodiment of the drone 100 according to the present invention
  • FIG. 2 is a front view thereof (viewed from the traveling direction side)
  • FIG. 3 is a right side view thereof.
  • drone refers to power means (electric power, prime mover, etc.) and control method (whether wireless or wired, autonomous flight type or manual control type).
  • power means electric power, prime mover, etc.
  • control method whether wireless or wired, autonomous flight type or manual control type.
  • the rotor blades 101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b are means for flying the drone 100 Considering the balance between flight stability, airframe size, and battery consumption, it is desirable to have 8 aircraft (4 sets of 2-stage rotor blades).
  • the motors 102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 102-4a, 102-4b are connected to the rotor blades 101-1a, 101-1b, 101-2a, 101- 2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b
  • Rotating means typically an electric motor, but it may be a motor
  • the upper and lower rotors for example, 101-1a and 101-1b
  • their corresponding motors for example, 102-1a and 102-1b
  • the axes are collinear and rotate in opposite directions.
  • the radial member for supporting the propeller guard provided so that the rotor does not interfere with the foreign object is desirably a horizontal structure rather than horizontal. This is to prevent the member from buckling and deforming to the rotor side at the time of collision and to prevent interference with the rotor.
  • medical agent generally refers to the liquid or powder disperse
  • the medicine tank 104 is a tank for storing medicine to be sprayed, and is preferably provided at a position close to the center of gravity of the drone 100 and lower than the center of gravity from the viewpoint of weight balance.
  • the chemical hoses 105-1, 105-2, 105-3, 105-4 are means for connecting the chemical tank 104 and the chemical nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4, and are rigid. And may also serve as a support for the drug nozzle.
  • the pump 106 is a means for discharging the medicine from the nozzle.
  • FIG. 4 shows an overall conceptual diagram of a system using an embodiment of the drug spraying application of the drone 100 according to the present invention.
  • the controller 401 is a means for transmitting a command to the drone 100 by an operation of the user 402 and displaying information received from the drone 100 (for example, position, amount of medicine, remaining battery level, camera image, etc.). Yes, it may be realized by a portable information device such as a general tablet terminal that operates a computer program.
  • the drone 100 according to the present invention is desirably controlled so as to perform autonomous flight, but it is desirable that a manual operation can be performed at the time of basic operations such as takeoff and return, and in an emergency.
  • an emergency operating device (not shown) that has a dedicated emergency stop function may be used (the emergency operating device has a large emergency stop button etc. so that it can respond quickly in an emergency) It is desirable to be a dedicated device with It is desirable that the controller 401 and the drone 100 perform wireless communication using Wi-Fi or the like.
  • the field 403 is a rice field, a field, or the like that is a target of drug spraying by the drone 100.
  • the topography of the field 403 is complicated, and a topographic map cannot be obtained in advance, or the topographic map and the situation at the site may be different.
  • the farm 403 is adjacent to houses, hospitals, schools, other crop farms, roads, railways, and the like. Further, there may be an obstacle such as a building or an electric wire in the field 403.
  • the base station 404 is a device that provides a base unit function of Wi-Fi communication, etc., and preferably functions as an RTK-GPS base station so that the exact position of the drone 100 can be provided (Wi-Fi
  • the communication master unit and the RTK-GPS base station may be independent devices).
  • the farming cloud 405 is typically a computer group operated on a cloud service and related software, and is desirably wirelessly connected to the controller 401 via 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 status of the crop, and perform processing for determining the flight route.
  • the drone 100 may be provided with the topographic information and the like of the stored farm 403.
  • the history of the flight of the drone 100 and the captured video may be accumulated and various analysis processes may be performed.
  • the drone 100 takes off from the landing point 406 outside the field 403 and returns to the landing point 406 after spraying the medicine on the field 403 or when it is necessary to refill or charge the medicine.
  • the flight route (intrusion route) from the landing point 406 to the target field 403 may be stored in advance in the farming cloud 405 or the like, or may be input by the user 402 before the takeoff starts.
  • the flight controller 501 is a component that controls the entire drone. Specifically, the flight controller 501 may be an embedded computer including a CPU, a memory, related software, and the like.
  • the flight controller 501 receives motors 102-1a and 102-1b via control means such as ESC (Electronic Speed Control) based on input information received from the pilot 401 and input information obtained from various sensors described below.
  • 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 104-a, and 104-b are controlled to control the flight of the drone 100.
  • the actual rotational speed of motors 102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 104-a, and 104-b is fed back to the flight controller 501, and normal rotation is performed. It is desirable to have a configuration that can monitor whether Alternatively, a configuration in which an optical sensor or the like is provided on the rotor blade 101 and the rotation of the rotor blade 101 is fed back to the flight controller 501 may be employed.
  • the software used by the flight controller 501 is desirably rewritable through a storage medium or the like for function expansion / change, problem correction, or through communication means such as Wi-Fi communication or USB. In this case, it is desirable to protect by encryption, checksum, electronic signature, virus check software, etc. so that rewriting by illegal software is not performed. Further, a part of calculation processing used for control by the flight controller 501 may be executed by another computer that exists on the pilot 401, the farming cloud 405, or in another place. Since the flight controller 501 is highly important, some or all of the components may be duplicated.
  • the battery 502 is a means for supplying power to the flight controller 501 and other components of the drone, and is preferably rechargeable.
  • the battery 502 is preferably connected to the flight controller 501 via a power supply unit including a fuse or a circuit breaker.
  • the battery 502 is desirably a smart battery having a function of transmitting the internal state (amount of stored electricity, accumulated usage time, etc.) to the flight controller 501 in addition to the power supply function.
  • the flight controller 501 communicates with the pilot 401 via the Wi-Fi slave function 503 and further via the base station 404, receives necessary commands from the pilot 401, and sends necessary information to the pilot. It is desirable to be able to send to 401. In this case, it is desirable to encrypt the communication so that it is possible to prevent illegal acts such as interception, spoofing, and takeover of the device.
  • the base station 404 preferably has an RTK-GPS base station function in addition to a 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 about several centimeters. Since the GPS module 504 is highly important, it is desirable to duplicate or multiplex, and each redundant GPS module 504 should use a different satellite in order to cope with the failure of a specific GPS satellite. It is desirable to control.
  • the acceleration sensor 505 is a means for measuring the acceleration of the drone body (further, means for calculating the speed by integrating the acceleration), and is preferably a six-axis sensor.
  • the geomagnetic sensor 506 is a means for measuring the direction of the drone body by measuring geomagnetism.
  • the atmospheric pressure sensor 507 is a means for measuring atmospheric pressure, and can indirectly measure the altitude of the drone.
  • the laser sensor 508 is a means for measuring the distance between the drone body and the ground surface using the reflection of laser light, and it is preferable to use an IR (infrared) laser.
  • the sonar 509 is a means for measuring the distance between the drone body and the ground surface using reflection of sound waves such as ultrasonic waves.
  • sensors may be selected according to drone cost targets and performance requirements. Further, a gyro sensor (angular velocity sensor) for measuring the inclination of the aircraft, a wind sensor for measuring wind force, and the like may be added. In addition, these sensors are preferably duplexed or multiplexed. When there are a plurality of sensors having the same purpose, the flight controller 501 may use only one of them, and when a failure occurs, it may be switched to an alternative sensor. Alternatively, a plurality of sensors may be used at the same time, and when each measurement result does not match, it may be considered that a failure has occurred.
  • the flow sensor 510 is a means for measuring the flow rate of the medicine, and is preferably provided at a plurality of locations in the path from the medicine tank 104 to the medicine nozzle 103.
  • the liquid shortage sensor 511 is a sensor that detects that the amount of the medicine has become a predetermined amount or less.
  • the multispectral camera 512 is a means for capturing the field 403 and acquiring data for image analysis.
  • the obstacle detection camera 513 is a camera for detecting a drone obstacle. Since the image characteristics and the lens orientation are different from those of the multispectral camera 512, the obstacle detection camera 513 is preferably a device different from the multispectral camera 512.
  • the switch 514 is a means for the user 402 of the drone 100 to perform various settings.
  • Obstacle contact sensor 515 is a sensor for detecting that the drone 100, in particular, its rotor or propeller guard part has come into contact with an obstacle such as an electric wire, a building, a human body, a tree, a bird, or another drone.
  • the cover sensor 516 is a sensor that detects that the operation panel of the drone 100 and the internal maintenance cover are open.
  • the medicine inlet sensor 517 is a sensor that detects that the inlet of the medicine tank 104 is open. These sensors may be selected according to drone cost targets and performance requirements, and may be duplicated or multiplexed.
  • a sensor may be provided in the base station 404, the controller 401, or other place outside the drone 100, and the read information may be transmitted to the drone.
  • a wind sensor may be provided in the base station 404, and information regarding wind power and wind direction may be transmitted to the drone 100 via Wi-Fi communication.
  • the flight controller 501 transmits a control signal to the pump 106 to adjust the medicine discharge amount and stop the medicine discharge. It is desirable that the current situation (for example, the rotational speed) of the pump 106 is fed back to the flight controller 501.
  • the LED 107 is a display means for informing the drone operator of the drone status.
  • Display means such as a liquid crystal display may be used instead of or in addition to the LED.
  • the buzzer 518 is an output means for notifying a drone state (particularly an error state) by an audio signal.
  • the Wi-Fi handset function 519 is an optional component for communicating with an external computer or the like for software transfer or the like, separately from the controller 401. In place 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 May be used.
  • the speaker 520 is an output means for notifying a drone state (particularly an error state) by a recorded human voice or synthesized voice. Depending on the weather conditions, it may be difficult to see the visual display of the drone 100 during the flight, and in such a case, the situation transmission by voice is effective.
  • the warning light 521 is a display unit such as a strobe light that notifies the drone state (particularly an error state).
  • the altitude and speed upper limit of the drone is extremely important for maintaining safety. This is because the user 402 is not always attached to the controller 401 and is operating the drone 100. If the altitude of the drone 100 exceeds the predetermined altitude, the impact at the time of a ground collision in the event of a fall may exceed the safety regulations (in the unlikely event that it may cause serious damage when it collides with a person) . In addition, it is desirable to limit the altitude in order to minimize the scattering (drift) of the drug outside the target field. Similarly, if the speed of the drone 100 exceeds a predetermined speed, it can be a big problem in terms of safety. In addition to falling, impacts when colliding with obstacles (especially humans) may exceed safety standards.
  • the drone 100 includes altitude measurement means, speed measurement means, or both for input to the flight controller 501.
  • a weight measuring means may be provided. It is desirable that the flight controller 501 receives the measured information as input and controls the motor 102 so that the drone 100 does not exceed a predetermined limit altitude, a predetermined limit speed, or both.
  • the drone 100 measures the aircraft altitude using a plurality of sensors.
  • a combination of GPS 504, acceleration sensor 505, barometric pressure sensor 507, sonar 509, and laser sensor 508 may be used.
  • the distance to the ground may be measured by providing the multispectral camera 512 or the obstacle detection camera 513 with a passive autofocus function.
  • Duplexing / multiplexing may be performed by using a plurality of sensors of the same type, may be performed by using a plurality of sensors in combination, or may be performed by both.
  • the sonar 509 can perform accurate measurement when the field 403 is the ground, but is difficult when the field 403 is water (in this case, the laser sensor 508 is appropriate). Since there are advantages and disadvantages depending on the measurement method, it is desirable to use a plurality of types of sensors together. In addition, in the event of disturbance of GPS radio waves, abnormality of the base station, etc., even if the GPS 504 is multiplexed, it will be an obstacle, so it is desirable to provide altitude measuring means other than GPS.
  • GPS504 can make the most accurate measurement, but only absolute height can be measured, so it is impossible to measure accurate ground altitude in uneven field 403 such as irrigation channels, while Sonar 509 measures ground altitude to measure the distance to the ground. This is because it can be measured.
  • measurements are made using both GPS504 and Sonar 509, and the results are compared. If the difference is within a predetermined threshold (for example, 10 centimeters), the measured value of GPS504 is used for altitude measurement. May be determined that the unevenness of the field 403 is large, and the measurement value of the sonar 509 may be used for altitude measurement.
  • GPS504 is an indispensable function for grasping the drone's flight position anyway, so if GPS504 does not function during takeoff due to malfunction or disturbance, control (interlock) prohibiting drone takeoff is performed. It is desirable to do so.
  • GPS stops functioning due to interruption of radio waves from GPS satellites during flight, temporary interruption of communication, or reception interruptions due to communication interference the drone 100 will fly over on the spot. It is desirable to perform control to stop (hover). If the GPS does not function even after a predetermined time has elapsed, the hovering may be stopped and the drone 100 may be softly landed on the spot, or returned to the landing point 406 or the like. At this time, an error message may be displayed on the controller 401 and the user 402 may be instructed.
  • the drone 100 can be operated within the restricted altitudes defined by laws and regulations, safety standards, etc. It is possible to fly with.
  • the limit altitude at the time of measurement using the sonar 509 is 2 meters
  • the limit altitude at the time of measurement using the GPS 504 may be 1.5 meters.
  • the ascent rate (altitude change over time) may be limited. This is because if the ascent rate is not limited, there is a risk that the drone 100 may temporarily exceed the limit altitude due to sensor measurement delay, flight controller 501 processing delay, and the like.
  • the upper limit value of the ascending speed may be set lower than when the altitude is measured by another method such as the sonar 509. This is because the GPS 504 may not be able to measure temporarily due to radio wave disturbances or positioning satellite conditions, so the risk of the drone temporarily exceeding the restricted altitude increases.
  • the drone 100 may measure the aircraft speed using a plurality of sensors.
  • acceleration sensor 505 speed can be obtained by integrating acceleration
  • GPS Doppler 504-3 aircraft speed can be measured by processing the phase difference of radio waves from multiple GPS base stations with software
  • a change in absolute coordinates measured by the GPS 504 may be used.
  • Duplexing or multiplexing is preferably performed within the same system and between different systems. For example, if GPS cannot be used due to radio wave disturbance or positioning satellite failure, the entire failure will occur if only GPS is duplicated.
  • the drone 100 can be operated within the speed limit defined by laws and regulations, safety standards, etc. It is possible to fly at a speed of 20 km / h.
  • the weight of the drug is over 10 kilograms. Since the weight of the fuselage only is typically about 25 kilograms, there is a big difference in the overall weight at the start of spraying and near the end of spraying.
  • the altitude and speed of the drone 100 may be adjusted according to changes in the overall weight. For example, if the safety standards stipulate the impact force on the surface of the drone 100 when it falls naturally, the impact force is determined by altitude, speed, and weight (proportional to the square of speed and proportional to altitude and weight) Therefore, the altitude limit may be increased when the aircraft weight is light. Similarly, the speed limit may be increased when the aircraft weight is light. Alternatively, the limit altitude may be set low when the flight speed is fast, and the limit speed may be set slow when the flight altitude is high.
  • the airframe weight may be estimated using acceleration measured by the acceleration sensor 505 or acceleration as a differential value of velocity measured by means such as the GPS Doppler 504-3 or GPS504.
  • the thrust of the motor 102 is T
  • the acceleration of gravity is g
  • the measured acceleration of the aircraft is ⁇
  • the weight of the aircraft may be estimated by measuring the inclination of the aircraft of the drone 100 during the uniform speed flight.
  • the inclination of the airframe may be directly measured by providing a gyro sensor, or may be estimated by differentiating the measured value of the six-axis acceleration sensor 505 twice.
  • the aircraft's air resistance, gravity, and thrust from the rotor blades are balanced. Air resistance is a function of the aircraft's flight speed, thrust by the rotor blades is a function of the number of revolutions of the motor, and gravity is a function of the weight of the aircraft, so weight is the inclination of the aircraft, the number of revolutions of the motor, If the flight speed is known, it can be estimated.
  • a wind sensor may be provided and the air resistance coefficient may be corrected by the wind force and the wind direction.
  • the level of the drug is measured by the level sensor in the drug tank, and the remaining amount of drug is measured.
  • the weight of the entire aircraft may be estimated by providing a water pressure sensor in the medicine tank and estimating the weight of the medicine in the medicine tank.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the failure detection system according to the embodiment of the present invention.
  • the failure detection system according to the present embodiment is provided in an agricultural machine for spraying medicine, particularly in this example, a drone 100 for spraying medicine, and detects a failure in advance.
  • the case of “failed state” refers to a state in which the medicine is leaking from a normally managed route, or check valves 121-1, 121-2, 121-3. This is a state in which the drone 100 cannot accurately perform the originally assumed operation such as a state in which the device does not function properly.
  • the medicine tank 104 is a tank for storing the medicine to be sprayed.
  • the medicine tank 104 is provided with an openable / closable lid for filling medicine or taking out medicines stored.
  • An open / close sensor 104a capable of detecting an open / close state is attached to the openable / closable lid.
  • the open / close sensor 104a can be constituted by, for example, a magnet attached to the lid and a sensor attached to the main body and sensing the magnetic force and contact of the magnet. Thereby, the open / closed state of the lid is determined, the user can recognize the open / closed state of the lid, and the situation where the medicine is sprayed while the lid is open can be prevented.
  • the medicine tank 104 is provided with a medicine type discrimination sensor 104b.
  • the medicine type discrimination sensor 104b can discriminate the type of medicine stored in the medicine tank 104.
  • the medicine type discrimination sensor 104b is constituted by, for example, a device capable of measuring the viscosity, conductivity, or pH of the medicine in the medicine tank 104, and the value of each measured item and the reference value for each medicine And the type of medicine can be determined.
  • the particle size of the drug varies depending on the type. If a drug with a particle size smaller than the drug intended to be sprayed is accidentally sprayed, drift (scattering of the drug other than the target) will occur. , Adhesion) is high and cannot be overlooked.
  • the medicine tank 104 is provided with a liquid shortage sensor 511 for detecting the liquid shortage of the medicine.
  • a liquid shortage sensor 511 for detecting the liquid shortage of the medicine.
  • the medicine when the medicine runs out, it includes not only the case where the medicine runs out, but also the case where the amount of medicine falls below a predetermined amount, and detects the running out of medicine according to an arbitrarily set amount. Can do.
  • a medicine transpiration detection function and a temperature / humidity measurement function in the medicine tank 104 may be provided in the medicine tank 104 so that the medicine is managed in an appropriate state.
  • the pump 106 discharges the medicine stored in the medicine tank 104 downstream, and each medicine nozzle 103-1, 103-2, via the medicine hose 105-1, 105-2, 105-3, 105-4, Send to 103-3, 103-4.
  • the medicine is delivered from the medicine tank 104 to the medicine nozzles 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4.
  • the medicine is delivered along this delivery path. Is referred to as the downstream direction, and the opposite direction may be referred to as the upstream direction.
  • a part of the medicine is sent again from the medicine tank 104 to the medicine tank 104 through the three-way valve 122.
  • the three-way valve 122 side is referred to as a downstream direction
  • the medicine tank 104 side is referred to as an upstream direction. Yes.
  • the expansion tank 141 is a tank for temporarily storing the medicine delivered from the three-way valve 122 and returning it to the medicine tank 104.
  • a path from the three-way valve 122 to the drug tank 104 via the expansion tank 141 is a path for removing (defoaming) air (bubbles) in the drug. By circulating this path and temporarily storing it in the expansion tank 141, the defoaming of the medicine can be performed.
  • the check valves 121-1, 121-2, and 121-3 are valves for sending the medicine only in a certain direction and preventing inflow in the direction opposite to the certain direction, that is, backflow.
  • the check valves 121-1, 121-2, and 121-3 block the discharge of the drug in the path from the drug tank 104 to the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4.
  • the medicine discharge is regulated.
  • the state where the drone 100 flies and the drone 100 accepts the command for dispensing the drug the drone 100 becomes abnormal, the drone 100 accepts the command to regulate the dispensing of the drug, and the main drive power supply has stopped In the state, etc., the medicine discharge is cut off.
  • Stop valves 121-1, 121-2, 121-3 are provided between the medicine tank 104 and the pump 106.
  • the check valve 121-1 controls the medicine sent out from the medicine tank 104 in the downstream direction so that it cannot flow back to the medicine tank 104.
  • the check valve 121-2 controls the medicine sent from the pump 106 in the downstream direction so that it cannot flow back to the pump 106.
  • the check valve 121-3 controls the medicine sent from the three-way valve 122 in the upstream direction where the expansion tank 141 is present and prevents the backflow to the three-way valve 122.
  • These check valves 121-1, 121-2, and 121-3 are normally closed (NC: normally closed) and opened according to the discharge pressure of the medicine discharged from the medicine tank 104.
  • the check valves 121-1, 121-2, 121-3 are predetermined in a route from the drug tank 104 to the discharge port 103a-1, 103a-2, 103a-3, 103a-4 to the outside of the drug. It is provided for each allowable leakage amount. That is, the volume of the path between one check valve 121-1, 121-2, 121-3 and the check valve 121-1, 121-2, 121-3 adjacent in the upstream or downstream direction is The predetermined leakage allowable amount is not exceeded.
  • the path between the check valve 121-1 and the discharge port of the medicine in the upstream drug tank 104, the check valve 121-2 and the discharge port 103a-1, 103a-2, 103a-3 on the downstream side thereof , 103a-4 also has a volume equal to or less than a predetermined allowable leakage amount.
  • the leakage allowable amount is the upper limit of the amount that the concentration of the drug in the spread crops etc. does not affect the human body even if the leaked drug is sprayed locally at the field 403 at one time, or leaked Even if the medicine is sprayed on the field 403, it means the upper limit of the amount that does not affect the surrounding environment at the time of spraying.
  • the check valve 121-1 is provided between the medicine tank 104 and the pump 106 and in the vicinity of the medicine discharge port provided in the medicine tank 104.
  • the check valve 121-1 controls the medicine sent from the medicine tank 104 in the downstream direction so that it cannot flow back to the medicine tank 104.
  • the check valve 121-2 is provided between the three-way valve 122 and the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4. This check valve 121-2 controls the medicine delivered from the pump 106 in the downstream direction so that it cannot flow back to the pump 106.
  • the check valve 121-3 is provided between the three-way valve 122 and the expansion tank 141. This check valve 121-3 controls the medicine sent out from the three-way valve 122 in the upstream direction in which the expansion tank 141 is present and prevents the backflow to the three-way valve 122.
  • the check valves 121-1, 121-2, and 121-3 can be of various types such as swing type, lift type, and wafer type, and are not particularly limited. Regardless of this example, more check valves may be provided in appropriate locations than in this example.
  • the check valves 121-1, 121-2 When 121-3 is closed, the medicine contained in the path between the check valves 121-1, 121-2, 121-3 adjacent in the upstream direction or the downstream direction is only leaked. And since the quantity of the chemical
  • the three-way valve 122 is provided between the pump 106 and the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4, and from the pump 106 to the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, A branch point between the path connected to 103-4 and the path connected from the pump 106 to the drug tank 104 via the expansion tank 141 is configured, and the drug is sent to each path according to the switching operation.
  • the path leading from the pump 106 to the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4 causes the drug to be discharged from the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4. It is a route for spraying medicine.
  • the path leading from the pump 106 to the medicine tank 104 via the expansion tank 141 is a path for removing (defoaming) bubbles in the medicine as described above.
  • the flow sensor 510 is provided between the pump 106 and the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4, and is sent to the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4. Measure the drug flow rate. Based on the flow rate of the medicine measured by the flow sensor 510, the amount of the medicine spread on the field 403 can be grasped.
  • the pressure sensors 111-1 and 111-2 measure the discharge pressure of the medicine at the attachment position.
  • the pressure sensor 111-1 is attached to the downstream side of the pump 106 and upstream of the check valve 121-2 and the three-way valve 122, and measures the discharge pressure of the medicine discharged downstream.
  • the pressure sensor 111-2 is attached to the downstream side of the check valve 121-2 and upstream of the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4, and is used for the drug discharged to the downstream. Measure the discharge pressure.
  • each of the pressure sensors 111-1, 121-2, 121-3 is closed with the check valves 121-1, 121-2, 121-3 closed.
  • the failure can be detected by acquiring the change with time of the discharge pressure of the medicine measured by -1 and 111-2 and comparing this with the change with time of the discharge pressure of the medicine at the normal time. For example, if the discharge pressure of the medicine acquired by the pressure sensors 111-1 and 111-2 draws a descending line over time, and this descending line exceeds the error range and is different from the normal time, It can be inferred that a failure such as drug leakage has occurred.
  • a position where a failure has occurred such as a path where a medicine leaks. That is, in this example, when it is determined that the measured value of the pressure sensor 111-1 is normal but the measured value of the pressure sensor 111-2 is abnormal, the downstream of the pressure sensor 111-1. It can be assumed that a failure has occurred.
  • the pump sensor 106a measures the number of rotations of the rotor that sucks the drug from the drug tank 104 and discharges it downstream in the pump 106.
  • the pump sensor 106a measures the rotational speed of the rotor of the pump 106 and compares it with the drug discharge pressure measured by the pressure sensors 111-1 and 111-2 to determine whether it matches the normal ratio. Can be detected. That is, when the discharge pressure of the medicine corresponding to the rotation speed of the pump 106 is not obtained as compared with the normal time, it is estimated that the medicine leaks and the discharge pressure is reduced.
  • Nozzle type determination sensors 104-1, 104-2, 104-3, 104-4 are drug nozzles 103-1, 103 attached to the drug discharge ports 103a-1, 103a-2, 103a-3, 103a-4. -2, 103-3, 103-4 types can be identified. Due to the difference in particle diameter for each sprayed drug, the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4 are usually used in accordance with the drug. Therefore, by determining whether the types of the medicine nozzles 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4 are appropriate, it is possible to prevent the wrong medicine from being sprayed.
  • a mechanism for fitting or engaging with the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4 is provided at the discharge port, and the drug nozzles 103-1, 103-2, 103 are provided.
  • -3, 103-4 is a mechanism that fits or engages with the spout-side fitting or engagement mechanism, and includes a plurality of drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4 A differently shaped mechanism is provided for each.
  • the medicine nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4 are attached to the discharge ports, different shapes are identified for the medicine nozzles 103-1, 103-2, 103-3, 103-4.
  • the types of the medicine nozzles 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4 can be determined. Thereby, it is possible to prevent a drug drift from being caused by using a medicine having a particle diameter smaller than that of a medicine to be used.
  • a discharge port with a cock for discharging medicine stored in the path to the outside (Indicated as “DRAIN” in FIG. 6).
  • DRAIN a discharge port with a cock for discharging medicine stored in the path to the outside
  • the flight controller 501 includes a determination processing unit 11 for detecting a failure, an information storage unit 32 that stores data necessary for the determination processing, and a check valve 121-
  • the controller 12 controls the opening / closing operation of 1 and 121-2 and the spraying operation of the medicine.
  • control unit 12 causes the drone 100 to take a predetermined safety action when it is determined that a failure has occurred as a result of determination processing by the determination processing unit 11 described later.
  • the predetermined safety action is a evacuation action during flight, or a medicine spraying regulation measure or a flight regulation measure if it is in a pre-flight preparation state.
  • the evacuation action includes, for example, a normal landing operation, an air stop such as hovering, and “emergency return” that moves immediately to a predetermined return point by the shortest route.
  • the predetermined return point is a point that is previously stored in the flight controller 501, for example, a point that has taken off.
  • the predetermined return point is a land point where the user 402 can approach the drone 100, for example, and the user 402 can check the drone 100 that has reached the return point or manually carry it to another location. can do.
  • the evacuation action may be a “normal return” that moves to a predetermined return point by an optimized route.
  • the optimized route is, for example, a route that is calculated with reference to a route in which medicine is dispersed before receiving a normal feedback command.
  • the drone 100 moves to a predetermined return point while spraying the drug via a route where the drug is not yet sprayed.
  • the retreating action includes “emergency stop” in which all the rotary blades are stopped and the drone 100 is dropped downward from the spot.
  • the flight regulation measure is a measure that regulates the flight in a pre-flight preparation stage, and rejects the flight instruction of the user or requests the user to check the state.
  • a flight regulation measure When a flight regulation measure is taken, it may be controlled so that it cannot fly unless an abnormality is confirmed or maintained.
  • the control unit 12 is not limited to the case where an abnormality occurs in the drone 100, and can control to a predetermined discharge amount or flow rate based on the discharge amount or flow rate of the medicine measured by each sensor.
  • the functions directly required for the processing executed by the determination processing unit 11 are as shown in FIG. 7, and the first determination processing unit 11 performs the following first and second determination processing by these functional units. Can be executed.
  • the flow of each determination process is as shown in FIG. 8, and each process will be described based on this. Note that the processing by the determination processing unit 11 is executed before the drone 100 flies, that is, in a preparation state in which medicine is sprayed. That is, the user of the drone 100 confirms the safety of the drone 100 in advance and then sprays the medicine using the drone 100.
  • the determination processing unit 11 performs a time course of the discharge pressure of the medicine measured by the pressure sensors 111-1 and 111-2 in a state where the check valves 121-1 and 121-2 are closed. And determining whether or not there is a failure by comparing the obtained temporal change in the discharge pressure of the medicine and the temporal change in the normal medicine discharge pressure stored in the information storage unit 32. be able to.
  • the determination processing unit 11 acquires a change over time in the discharge pressure of the medicine as a status (S101), and whether a failure has occurred in comparison with a change over time during normal time stored in the information storage unit 32 It is determined whether or not (S102).
  • the control unit 12 takes a flight regulation measure, a medicine spraying regulation measure, or a use regulation measure (S103).
  • flight regulation measures, use regulation measures, or spraying regulation measures are measures that regulate flight, use, or automatic operation, and reject the user's flight instructions or require the user to check the status. To do. Forcible closing of the check valves 121-1, 121-2, 121-3 may be performed.
  • control measures or drive control measures are taken, control may be performed so that flight is not possible unless an abnormality is confirmed or maintained. The same applies to the second determination process described below.
  • the first determination process is not only performed with changes in the discharge pressure of the medicine measured by the pressure sensors 111-1 and 111-2, but also measured by the pressure sensors 111-1 and 111-2.
  • the failure can also be determined based on the change over time in the pressure loss calculated from the discharged pressure.
  • the rotation speed of the rotor of the pump 106 is measured by the pump sensor 106a, and the ratio is compared with the discharge pressure of the medicine measured by the pressure sensors 111-1 and 111-2. Can be determined by determining whether or not it matches the normal ratio stored in the information storage unit 32.
  • the determination processing unit 11 acquires the number of rotations of the rotor of the pump 106 and the medicine discharge pressure measured by the pressure sensors 111-1 and 111-2 as the status (S101). Then, by comparing these, the ratio is determined, and a failure is determined based on whether or not it matches the normal ratio stored in the information storage unit 32 (S102). As a result, if it is determined that there is a failure, flight regulation measures or drive regulation measures are taken (S103).
  • the flight controller 501 executes an operation for ensuring safety. Specifically, when a failure is detected, the flight controller 501 transmits a control signal to the pump 106 to stop the discharge of the medicine and to close the check valves 121-1 and 121-2, Keep the valve closed. Further, the flight instruction from the user 402 may be regulated until the failure is resolved.
  • the drug discharge pressure measured by the pressure sensors 111-1 and 111-2 the drug discharge measured by the pressure sensor 111-1 and the pressure sensor 111-2, regardless of the above.
  • a failure is determined by combining any one of the pressure loss calculated from the pressure difference, the rotational speed of the rotor in the pump 106 measured by the pump sensor 106a, and the drug flow rate measured by the flow sensor 510. You can also.
  • the number of rotations of the rotor in the pump 106, the flow rate of the drug measured by the flow sensor 510, the discharge pressure of the drug measured by the pressure sensors 111-1, 111-2, and the pump measured by the pump sensor 106a The number of rotations of the rotor in 106, the pressure loss calculated from the difference between the discharge pressures of the drugs measured by the pressure sensor 111-1 and the pressure sensor 111-2, the drug flow rate measured by the flow sensor 510, etc.
  • a plurality of detection information is used. By comparing the information acquired by the plurality of sensors, it is possible to determine a drug ejection abnormality from the ratio.
  • the discharge pressure measured by the pressure sensors 111-1 and 111-2 is smaller or larger than the normal time with respect to the flow rate of the drug measured by the flow sensor, a drug discharge abnormality has occurred. Can be judged. Thereby, the presence or absence of a failure can be determined.
  • the flight controller 501 can also take flight regulation measures when detecting a failure (state abnormality) of the drone 100 (S201) as shown in FIG. 9 (S202). .
  • the open state is regarded as a failure and detected, and flight control measures are taken. You can also.
  • a blocking mechanism for forcibly blocking the discharge or delivery of the medicine may be provided.
  • each sensor and the determination processing unit 11 is performed as an inspection at the preparation stage for spraying the drug, that is, the stage before the drone 100 is allowed to fly, but regardless of this, the drone 100 is caused to fly. Further, even when the medicine is sprayed on the field 403, it can be configured to always or intermittently execute at a predetermined timing.
  • failure detection processing by the determination processing unit 11 is always performed before using the drone 100, and unless a failure is detected and it can be safely used, it is determined by the user. Use may be restricted, such as refusing to fly the drone 100 or spraying medicine.
  • the status relating to disturbance factors such as wind speed, temperature, and humidity may be used as basic data for determination to determine whether or not the flight is possible.
  • the higher the wind speed the higher the chance that the drug will fly out of place.
  • temperature and humidity the higher the temperature and the lower the humidity, the easier the sprayed drug itself dries, and the moisture of the drug sprayed on the field 403 evaporates, resulting in dry drug particles. Is likely to scatter outside the field 403.
  • the drone 100 is provided with wind speed measuring means and temperature / humidity measuring means.
  • the flight is possible based on the wind speed measured by the wind speed measuring means. Specifically, when the wind speed measured by the wind speed measuring unit is equal to or higher than a predetermined speed, it can be determined that the flight is impossible.
  • the information regarding the wind speed is acquired as the status, and it is determined whether or not the flight is possible in comparison with the predetermined value stored in the information storage unit. As a result, if it is determined that flight is not possible, measures should be taken to regulate flight.
  • the temperature and humidity measuring means determines whether or not the flight is possible (whether or not the medicine can be sprayed). Specifically, regarding the temperature and humidity measured by the temperature and humidity measuring means, when the temperature is not less than a predetermined value and the humidity is not more than a predetermined value, it can be determined as an abnormal state.
  • the second determination processing unit acquires information related to temperature and humidity as the status (S201), and determines whether or not the flight is possible in comparison with the predetermined value stored in the threshold information storage unit (S202). As a result, if it is determined that flight is not possible, measures should be taken to regulate flight.
  • the temperature / humidity measuring means may be provided in the drone 100 itself, but may be provided in the vicinity of a communication base station or the field 403, which may be acquired by the drone 100 by communication.
  • air contained in the medicine may be detected, and air bleeding may be performed when the air exceeds the allowable range.
  • Whether or not the air contained in the medicine is within an allowable range is obtained, for example, by acquiring information related to the actual medicine flow rate by the flow sensor 510 and by the judgment processing unit 11 according to the flow rate and the setting. To determine whether the flow rate falls within a predetermined allowable range.
  • the flow rate is reduced as compared with the setting, so that it can be determined by such processing.
  • air bleeding can be performed by circulating the path from the three-way valve 122 to the medicine tank 104 via the expansion tank 141 to the medicine and storing the medicine in the expansion tank 141 temporarily.
  • the flow rate sensor acquires the flow rate information of the chemical solution (S301).
  • the determination processing unit 11 compares the flow rate information with the flow rate of the designated or set medicine, and determines whether or not the error falls within an allowable range (S302). As a result, if the error is within the allowable range, the chemical solution is sprayed as normal. On the other hand, if the error is outside the allowable range, the air is vented until normal (S303).
  • the determination processing unit 11 is provided in the flight controller 501 of the drone 100.
  • the present invention is not limited to this, and a server or the like that acquires data from the flight controller 501 via a predetermined communication line A determination processing unit may be provided, and determination processing may be executed by the server or the like.
  • the present invention is applicable to, for example, an agricultural drone that monitors the growth by a camera and a general drone without spraying the drug.
  • a failure in an agricultural machine for spraying a medicine, a failure can be reliably detected in advance and safety can be improved. In particular, it can be detected automatically and immediately by a sensor. In addition, the system can be widely applied to various agricultural machines for spraying medicine.

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Abstract

【課題】薬剤の散布を行なう農業用機械において、故障を事前に検知して、安全に使用する 【解決策】薬剤を散布する農業用機械に備えられ、故障を検知するシステムであって、薬剤を保管する薬剤タンクから薬剤の吐出口に至る経路に設けられた圧力センサーと、農業用機械の故障を検知する故障検知手段と、を有し、故障検知手段は、圧力センサーによって薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、当該取得した薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、故障を検知する。

Description

故障検知システム、方法、及びコンピュータプログラム
本願発明は、圃場に対して農薬などの薬剤散布等を行なう農業用無人飛行体（ドローン）、特に、安全性を高めたドローン、その制御方法、および、プログラムに関する。
一般にドローンと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）への農薬や液肥などの薬剤散布が挙げられる（たとえば、特許文献1）。欧米と比較して農地が狭い日本においては、有人の飛行機やヘリコプターではなくドローンの使用が適しているケースが多い。
準天頂衛星システムやRTK-GPS（Real Time Kinematic-Global Positioning System）などの技術によりドローンが飛行中に自機の絶対位置をセンチメートル単位で正確に知ることができるようになったことで、日本において典型的な狭く複雑な地形の農地でも、人手による操縦を最小限として自律的に飛行し、効率的かつ正確に薬剤散布を行なえるようになっている。
その一方で、農業用の薬剤散布向け自律飛行型ドローンについては安全性に対する考慮が十分とは言いがたいケースがあった。薬剤を搭載したドローンの重量は数10キログラムになるため、人の上に落下する等の事故が起きた場合に重大な結果を招きかねない。また、通常、ドローンの操作者は専門家ではないためフールプルーフの仕組みが必要であるが、これに対する考慮も不十分であった。今までに、人間による操縦を前提としたドローンの安全性技術は存在していたが（たとえば、特許文献2）、特に農業用の薬剤散布向けの自律飛行型ドローンに特有の安全性課題に対応するための技術は存在していなかった。
特許公開公報　特開２００１－１２０１５１ 特許公開公報　特開２０１７－１６３２６５ 特許公開公報　特開平１１－９４ 特許公開公報　特開平１１－９８９４７
薬剤の散布を行なう農業用機械において、安全に使用できるように故障を検知することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一の観点に係る故障検知システムは、薬剤を散布する農業用機械に備えられ、故障を検知するシステムであって、前記薬剤を保管する薬剤タンクから前記薬剤の吐出口に至る経路に設けられた圧力センサーと、前記農業用機械の故障を検知する故障検知手段と、を有し、前記故障検知手段は、前記圧力センサーによって前記薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、当該取得した薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、故障を検知する。
また、前記農業用機械には、前記薬剤タンクから前記吐出口に至る経路を遮断する遮断機構、が備えられ、前記故障検知手段は、前記遮断機構によって前記薬剤タンクから前記吐出口に至る経路を遮断した状態において、前記圧力センサーによって前記薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、当該取得した薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、故障を検知するものとしてもよい。
また、前記遮断機構は、逆止弁であるものとしてもよい。
また、前記遮断機構は、電磁弁であるものとしてもよい。
また、前記故障検知手段は、前記圧力センサーによって前記薬剤の吐出圧の経時的変化と、正常時の前記薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、故障を検知するものとしてもよい。
また、前記圧力センサー、を複数、有し、前記故障検知手段は、複数の前記圧力センサーによって取得された吐出圧から算出される圧力損失の経時的変化に基づき、故障を検知するものとしてもよい。
また、前記農業用機械には、前記薬剤タンク内に貯留された前記薬剤を下流へ吐き出すポンプ、が備えられ、前記ポンプ内において前記薬剤を前記薬剤タンクから吸い込むと共に下流へ吐き出す回転子の回転数を測定するポンプ用センサー、をさらに有し、前記故障検知手段は前記ポンプ用センサーによって測定されたポンプの回転子の回転数と、前記圧力センサーによって測定された薬剤の吐出圧の比率の経時的変化に基づき、故障を検知するものとしてもよい。
また、前記故障検知手段により故障が検知された場合、前記農業用機械に所定の安全行動を取らせる制御手段、をさらに有するものとしてもよい。
前記所定の安全行動は、前記農業用機械の薬剤散布中においては前記農業用機械を退避させる制御であり、前記農業用機械の薬剤散布前の準備段階においては前記農業用機械による薬剤散布の規制あるいは前記農業用機械の使用を規制する制御であるものとしてもよい。
また、前記農業用機械はドローンであるものとしてもよい。
また、本発明の別の観点に係る故障検知方法は、薬剤を散布する農業用機械に備えられ、故障を検知するシステムにより実行される方法であって、前記システムが、前記薬剤を保管する薬剤タンクから前記薬剤の吐出口に至る経路に設けられた圧力センサーによって前記薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、当該取得した薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、前記農業用機械の故障を検知する。
また、本発明のさらに別の観点に係るコンピュータプログラムは、薬剤を散布する農業用機械に備えられ、故障を検知するシステムにより実行されるコンピュータプログラムであって、前記システムに対して、前記薬剤を保管する薬剤タンクから前記薬剤の吐出口に至る経路に設けられた圧力センサーによって前記薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、当該取得した薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、前記農業用機械の故障を検知させる。
本発明によれば、薬剤の散布を行なう農業用機械において、故障を事前に検知して、安全に使用することができる。
本願発明に係る故障検知システムを搭載した薬剤散布用ドローンの実施例の平面図である。 本願発明に係る故障検知システムを搭載した薬剤散布用ドローンの実施例の正面図である。 本願発明に係る故障検知システムを搭載した薬剤散布用ドローンの実施例の右側面図である。 本願発明に係る故障検知システムを搭載した薬剤散布用ドローンの実施例を使用した薬剤散布システムの全体概念図の例である。 本願発明に係る故障検知システムを搭載した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である。 本願発明に係る故障検知システムの構成を表した模式図である。 本願発明に係る故障検知システムが備える機能の一部を表した機能ブロック図である。 本願発明に係る故障検知システムによって実行される処理の一例を表した処理フロー図である。 本願発明に係る故障検知システムによって実行される処理の一例を表した処理フロー図である。 本願発明に係る故障検知システムによって実行される処理の一例を表した処理フロー図である。
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（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。
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。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変形することを防ぎ、ローターと干渉することを防ぐためである。
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。
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。
図４に本願発明に係るドローン100の薬剤散布用途の実施例を使用したシステム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。携帯情報機器に加えて、緊急停止専用の機能を有する非常用操作機（図示していない）を使用してもよい（非常用操作機は緊急時に迅速に対応が取れるよう大型の緊急停止ボタン等を備えた専用機器であることが望ましい）。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による薬剤散布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ことが望ましい。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。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なうことが望ましい。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、充電式であることが望ましい。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に接続されていることが望ましい。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ることが望ましい。
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に送信できることが望ましい。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しておくことが望ましい。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ることが望ましい。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・多重化しておくことが望ましく、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することが望ましい。
加速度センサー505はドローン機体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）であり、6軸センサーであることが望ましい。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、IR（赤外線）レーザーを使用することが望ましい。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。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。
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ことが望ましい。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。
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。
LED107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。
自律飛行により薬剤等の散布を行なう農業用ドローンにおいては、ドローンの高度、および、速度の上限を維持することが安全性維持のためにきわめて重要である。使用者402に操縦器401に常に貼り付いてドローン100を操縦しているわけではないからである。ドローン100の高度が所定の高度を超えると万一の落下時の地上衝突時の衝撃が安全規制を超える可能性がある（万一、人に衝突した時に深刻な被害を与える可能性がある）。加えて、目的とする圃場外への薬剤の飛散（ドリフト）を最小化するためにも高度を制限することが望ましい。同様に、ドローン100の速度が所定の速度を超えると安全面で大きな問題となり得る。落下時に加えて、障害物（特に人間）に衝突した際の衝撃が安全基準を超える可能性がある。
安全基準を遵守するために、本願発明に係るドローン100は、フライトコントローラー501の入力とするための高度測定手段、速度測定手段、または、その両方を備えることが望ましい。加えて、重量測定手段を備えていてもよい。フライトコントローラー501は、これらの測定された情報を入力とし、ドローン100が所定の制限高度、所定の制限速度、または、その両方を超えないようモーター102を制御することが望ましい。
（高度測定）
本願発明に係るドローン100は複数のセンサーを使用して機体高度を測定することが望ましい。高度の測定には、GPS504、加速度センサー505、気圧センサー507、ソナー509、レーザーセンサー508の組み合わせを使用してよい。また、マルチスペクトルカメラ512、または、障害物検知カメラ513にパッシブ方式のオートフォーカス機能を備えることで対地距離を測定してもよい。この場合に、測定器やセンサーは故障に備えて二重化または多重化することが望ましい。二重化・多重化は同種のセンサーを複数使用することで行なってもよく、複数方式のセンサーを併用することで行なってもよく、その両方によって行なってもよい。
たとえば、ソナー509は圃場403が地面である場合には正確な測定が可能だが、圃場403が水面である場合には正確な測定が難しい（この場合には、レーザーセンサー508が適切である）等、測定方式により得手不得手があるため、複数方式のセンサーを併用することが望ましい。また、GPSの電波の外乱や基地局の異常等が発生した場合には仮にGPS504を多重化していたとしても全体障害となってしまうため、GPS以外の高度測定手段も備えることが望ましい。
特に、離陸時の初期高度測定にはGPS504を使用し、飛行中はソナー509を使用することが望ましい。GPS504は最も正確な測定を行なえるが絶対高度しか測定できないため、用水路など凹凸のある圃場403では正確な対地高度を測定できないのに対して、ソナー509は地面に対する距離を測定するため対地高度を測定できるからである。水平飛行中にGPS504とソナー509の両方による測定を行なって結果を比較し、その差が所定の閾値（たとえば10センチメートル）以内であるときにはGPS504の測定値を高度測定に使用し、所定の閾値を超えたときには圃場403の凹凸が大きいと判断して、ソナー509の測定値を高度測定に使用するようにしてもよい。
なお、GPS504は、ドローンの飛行位置の把握のためにいずれにせよ不可欠な機能となるため、離陸時にGPS504が故障や外乱等により機能しない場合にはドローンの離陸を禁止する制御（インターロック）を行なうことが望ましい。また、飛行中にGPS衛星からの電波がさえぎられて一時的な受信不能となる、通信妨害が発生し受信不能となる等によりGPSが機能しなくなった場合には、ドローン100をその場で上空停止（ホバリング）させる制御を行なうことが望ましい。所定時間経過後もGPSが機能しない場合には、ホバリングを停止し、その場でドローン100をその場で軟着陸、または、発着地点406等に帰還させる制御を行なってもよい。この際に、操縦器401にエラー・メッセージを表示し、使用者402の指示を仰いでもよい。
これらの高度測定手段により測定された高度情報をドローン100の飛行制御手段の入力とすることで、人間の目視による操縦がなくとも、ドローン100を法規制や安全基準等により定められた制限高度内で飛行させることが可能となる。
GPS504によって高度を測定している場合には、ソナー509により測定を行なっている場合と比較して、制限高度を低く設定することが望ましい。GPSはドローン100の高度の絶対値を測定しているのに対して、ソナー509はドローン100と地表との距離を測定しているため、地形の高低を考慮して制限高度に余裕を持たせることが望ましいからである。たとえば、ソナー509を使用した測定時の制限高度が2メートルである場合には、GPS504を使用した測定時の制限高度を1.5メートルとしてよい。
ドローン100の絶対的な高度の制限に加えて、上昇速度（高度の時間あたりの変化）を制限してもよい。上昇速度を制限しないとセンサーの測定の遅延、および、フライトコントローラー501の処理の遅延等により、ドローン100が制限高度を一時的に超えてしまうリスクがあるからである。この場合において、GPS504によって高度を測定している場合には、ソナー509等の他の方法によって高度を測定している場合と比較して上昇速度の上限値を低く設定してもよい。GPS504は、電波の外乱や測位衛星の状況により一時的に測定ができないことがあるため、ドローンが制限高度を一時的に超えるリスクが高くなるからである。
（速度制限）
本願発明に係るドローン100は、複数のセンサーを使用して機体速度を測定してよい。速度の測定には、加速度センサー505（加速度の積分により速度が得られる）、GPSドップラー504-3（複数のGPS基地局からの電波の位相差をソフトウェアで処理することで機体速度を測定できる）、または、GPS504が測定した絶対座標の変化等を使用してよい。この場合に、測定器やセンサーは故障に備えて、二重化または多重化することが望ましい。二重化または多重化は同一方式内で行なうと共に、異なる方式間で行なうことが好ましい。たとえば、GPSが電波外乱や測位衛星の障害により利用できない場合には、GPSのみを二重化していた場合に全体障害となってしまうからである。
これらの高度測定手段により測定された速度情報をフライトコントローラー501の入力とすることで、人間の目視による操縦がなくとも、ドローン100を法規制や安全基準等により定められた制限速度内（たとえば、時速20Km）で飛行させることが可能となる。
（重量測定）
典型的なドローン100による農薬散布のケースでは、薬剤の重量は10キログラム以上となる。機体部分のみの重量は典型的には25キログラム程度であるため、散布開始時と散布終了間近の時では全体重量には大きな差が生じる。全体重量の変化に応じて、ドローン100の高度および速度を調整してもよい。たとえば、安全基準により、ドローン100の自然落下時の地表での衝撃力が規定されているのであれば、衝撃力は高度と速度と重量により決まる（速度の二乗に比例し、高度と重量に比例する）ため、機体重量が軽い時には制限高度を高くしてもよい。同様に、機体重量が軽い時には制限速度を速くしてもよい。また、飛行速度が速い時には制限高度を低く設定し、飛行高度が高い時には制限速度を遅く設定してもよい。
機体重量は加速度センサー505によって測定された加速度、または、GPSドップラー504-3やGPS504等の手段によって測定された速度の微分値としての加速度を使用して推定してよい。上昇時であれば、モーター102の推力をＴ、重力加速度をｇ、測定された機体の加速度をαとすれば、機体全体の重量Mは、M=T/（α＋g）として求められる。モーター102の推力Ｔはモーターの回転数によって決まり、フライトコントローラー501はモーター回転数を測定できることから、機体の重量を推定可能である。また、モーター回転数を直接的に測定できない場合には、フライトコントローラー501がモーター102に指令した目的回転数をモーター回転数とみなし、そこから推力を推定してもよい。
また、等速水平飛行中のドローン100の機体の傾きを測定することで機体重量を推定してよい。機体の傾きはジャイロセンサーを備えることで直接測定してもよいし、6軸方式の加速度センサー505の測定値を二回微分することで推定してもよい。等速水平飛行中には機体の空気抵抗力、重力、回転翼による推力が釣り合っている。空気抵抗力は機体の飛行速度の関数であり、回転翼による推力はモーターの回転数の関数であり、重力は機体重量の関数であることから、重量は機体の傾き、モーターの回転数、機体の飛行速度が既知であれば推定することができる。なお、風力センサーを設けて、風力と風向によって空気抵抗係数を補正してもよい。
また、飛行中に重量が変化する最大の要因は薬剤の量であることから、薬剤タンク中のレベルセンサーで薬剤の液面の高さを測定することで薬剤の残量を測定し、そこから機体全体の重量を推定してもよい。この場合には、薬剤タンク中に水圧センサーを備え、薬剤タンク中の薬剤の重量を推定することで、機体全体の重量を推定してもよい。
図６に本願発明の実施例に係る故障検知システムの構成を表した模式図を示す。
本実施形態に係る故障検知システムは、薬剤を散布する農業用機械、特に本例では薬剤散布用ドローン100に備えられ、故障を事前に検知する。なお、本実施形態において、「故障している状態」といった場合とは、薬剤が正常に管理された経路から漏出している状態や、逆止弁121-1、121-2、121-3が正常に機能していない状態など、本来想定された動作をドローン100が正確に実行できない状態である。
薬剤タンク104は上述の通り、散布される薬剤を保管するためのタンクである。
なお、この薬剤タンク104には、薬剤を充填したり、保管している薬剤を出したりするための開閉可能な蓋が取り付けられている。この開閉可能な蓋には、開閉状態を検知可能な開閉センサー104aが取り付けられている。この開閉センサー104aは例えば、蓋に取り付けられたマグネットと、本体に取り付けられて、このマグネットの磁力や接触を感知する感知器によって構成することができる。これにより蓋の開閉状態を判別して、使用者に蓋の開閉状態を認識可能とし、蓋が開いたまま薬剤の散布が行われるといった事態を防ぐことができる。
また、薬剤タンク104には薬剤種別判別センサー104ｂが設けられている。薬剤種別判別センサー104ｂは、薬剤タンク104内に貯留されている薬剤の種別を判別することができる。
この薬剤種別判別センサー104ｂは例えば、薬剤タンク104内の薬剤の粘度や導電率、あるいはｐHを測定することのできる装置によって構成され、測定された各項目の値と、薬剤ごとの基準となる値とを対比し、薬剤の種別を判別することができる。
ここで、薬剤は複数の種類のものが用いられる場合があるため、散布を予定している薬剤が薬剤タンク104内に保管されているかどうかを判別することは有用である。特に、薬剤の粒子径は種類に応じて異なるところ、散布を予定していた薬剤よりも粒子径の小さい薬剤を誤って散布してしまった場合には、ドリフト（薬剤の目的物以外への飛散、付着）を惹き起こす可能性が高く、看過できない。
また、薬剤タンク104には、薬剤の液切れを検知するための液切れセンサー511が取り付けられている。なお、薬剤の液切れには、薬剤がなくなった場合のほか、薬剤の量が所定の量以下になった場合を含み、任意に設定された量に応じて、薬剤の液切れを検知することができる。
なお、薬剤タンク104内における薬剤の蒸散検知機能や、温度・湿度の測定機能などを薬剤タンク104に設け、薬剤が適切な状態に管理されるようにするとよい。
ポンプ106は、薬剤タンク104内に保管されている薬剤を下流へ吐き出し、薬剤ホース105-1、105-2、105-3、105-4を介して各薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4へ送出する。
なお、薬剤は薬剤タンク104から薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4へ送出されるところ、本実施形態の説明では、この送出経路に沿って薬剤が送出される方向を下流方向と称し、これとは逆の方向を上流方向と称することがある。なお、薬剤は一部、薬剤タンク104から三方弁122を介して再び薬剤タンク104へ送出されるが、この経路に関しては、三方弁122側を下流方向、薬剤タンク104側を上流方向と称している。
拡張タンク141は、三方弁122から送出された薬剤を一時的に貯留させ、薬剤タンク104に戻すためのタンクである。
三方弁122から拡張タンク141を介して薬剤タンク104に至る経路は、薬剤中のエア（気泡）を除去（脱泡）するための経路である。この経路を循環させると共に、拡張タンク141に一時的に貯留させることで薬剤の脱泡を行うことができる。
逆止弁121-1、121-2、121-3は、薬剤を一定方向のみに送出し、当該一定方向とは逆の方向への流入、即ち逆流を防ぐための弁である。また、この逆止弁121-1、121-2、121-3は、薬剤タンク104から薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4に至る経路において、薬剤の吐出を遮断する遮断機構の役割を果たし、ドローン100が薬剤を散布させる動作状態でない場合には、薬剤の吐出を規制する。例えば、ドローン100が飛行し、薬剤散布の指令をドローン100が受け付けるまでの状態、ドローン100が異常状態となり、薬剤の散布を規制する指令をドローン100が受け付けている状態、主たる駆動電源が停止した状態などにおいて、薬剤の吐出を遮断する。
本例では、薬剤タンク104とポンプ106の間、三方弁122と薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4の間、三方弁122と拡張タンク141の間に夫々、逆止弁121-1、121-2、121-3が設けられている。逆止弁121-1は、薬剤タンク104から送出された薬剤を下流方向へ送出させ、薬剤タンク104へ逆流不能に制御している。また、逆止弁121-2は、ポンプ106から送出された薬剤を下流方向へ送出させ、ポンプ106へ逆流不能に制御している。また、逆止弁121-3は、三方弁122から送出された薬剤を拡張タンク141のある上流方向へ送出させ、三方弁122へ逆流不能に制御している。これらの逆止弁121-1、121-2、121-3は、常時閉弁（NＣ:ノーマルクローズ）するとともに、薬剤タンク104からの吐き出された薬剤の吐出圧に応じて開弁する。
また、逆止弁121-1、121-2、121-3は、薬剤タンク104から薬剤の外部への吐出口103a-1、103a-2、103a-3、103a-4に至る経路において、所定の漏出許容量ごとに設けられている。即ち、一の逆止弁121-1、121-2、121-3と、上流方向又は下流方向において隣り合う逆止弁121-1、121-2、121-3との間の経路の容積は、所定の漏出許容量以下になっている。
さらに、逆止弁121-1とその上流側の薬剤タンク104の薬剤の吐出口の間の経路、逆止弁121-2とその下流側の吐出口103a-1、103a-2、103a-3、103a-4の間の経路についても、その容積は、所定の漏出許容量以下になっている。
ここで、漏出許容量とは、漏出した薬剤が圃場403へ局地的に一度に散布されたとしても、散布を受けた農作物等における薬剤の濃度が人体に影響しない量の上限、あるいは漏出した薬剤が圃場403へ散布されたとしても、散布時の周辺環境に影響を及ぼさない量の上限等を意味する。
本例では、逆止弁121-1は、薬剤タンク104とポンプ106の間であって、薬剤タンク104に設けられた薬剤吐出口近傍に設けられている。この逆止弁121-1は、薬剤タンク104から送出された薬剤を下流方向へ送出させ、薬剤タンク104へ逆流不能に制御している。
また、逆止弁121-2は、三方弁122と薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4の間に設けられている。この逆止弁121-2は、ポンプ106から送出された薬剤を下流方向へ送出させ、ポンプ106へ逆流不能に制御している。
また、逆止弁121-3は、三方弁122と拡張タンク141の間に設けられている。この逆止弁121-3は、三方弁122から送出された薬剤を拡張タンク141のある上流方向へ送出させ、三方弁122へ逆流不能に制御している。
なお、逆止弁121-1、121-2、121-3には、スイング式、リフト式、ウエハ式など、各種のものを用いることができ、特に特定のものに限られることはない。また、本例に関わらず、本例よりも多くの逆止弁を適宜の箇所に設けてもよい。
なお、逆止弁121-1、121-2、121-3に限らず、薬剤タンク104から薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4に至る経路において、薬剤の吐出を遮断する役割を果たすことができれば、遮断機構として電磁弁など、他の機構のものを用いることもできる。
これにより、万一、薬剤タンク104から吐出口103a-1、103a-2、103a-3、103a-4に至る経路において薬剤漏れが発生した場合でも、逆止弁121-1、121-2、121-3が閉弁すれば、上流方向又は下流方向に隣り合う逆止弁121-1、121-2、121-3間の経路に含まれる薬剤が漏出するにとどまる。そして、この漏出する薬剤の量は、漏出許容量以下となることから、薬剤が外部へ漏出したとしても安全である。
三方弁122は、ポンプ106と薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4の間に設けられており、ポンプ106から薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4へつながる経路と、ポンプ106から拡張タンク141を介して薬剤タンク104へつながる経路の分岐点を構成しており、切替操作に応じて薬剤を各経路へ送出させる。
ここで、ポンプ106から薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4へつながる経路は、薬剤を薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4から吐出させ、薬剤を散布させるための経路である。
また、ポンプ106から拡張タンク141を介して薬剤タンク104へつながる経路は上述の通り、薬剤中の気泡を除去（脱泡）するための経路である。
流量センサー510は、ポンプ106と薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4の間に設けられ、薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4へ送出されている薬剤の流量を測定する。この流量センサー510によって測定された薬剤の流量に基づき、圃場403に散布した薬剤の量を把握することができる。
圧力センサー111-1、111-2は、取り付け位置における薬剤の吐出圧を測定する。
圧力センサー111-1は、ポンプ106の下流側であって、逆止弁121-2及び三方弁122の上流側に取り付けられ、下流へ吐き出される薬剤の吐出圧を測定する。
圧力センサー111-2は、逆止弁121-2の下流側であって、薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4の上流側に取り付けられ、下流へ吐き出される薬剤の吐出圧を測定する。
これらの圧力センサー111-1、111-2によって薬剤の吐出圧を測定することができることから、逆止弁121-1、121-2、121-3を閉弁させた状態で各圧力センサーの111-1、111-2によって測定された薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、これを正常時の薬剤の吐出圧の経時的変化と対比することで、故障を検知することができる。例えば、圧力センサー111-1、111-2によって取得された薬剤の吐出圧が経時的に下降線を描き、この下降線が誤差の範囲を超えて、正常時と異なる場合には、経路中に薬剤の漏出が発生しているなどの故障が起きていると推測することができる。
また、圧力センサー111-1、111-2ごとに判断することで、薬剤の漏出が発生している経路など、故障が発生している位置を大まかに特定することができる。即ち、本例であれば、圧力センサー111-1の測定値が正常である一方、圧力センサー111-2の測定値が異常であると判別される場合には、圧力センサー111-1よりも下流で故障が発生していると推測することができる。
ポンプ用センサー106aは、ポンプ106内において薬剤を薬剤タンク104から吸い込むと共に下流へ吐き出す回転子の回転数を測定する。
このポンプ用センサー106aによってポンプ106の回転子の回転数を測定した上、圧力センサー111-1、111-2によって測定された薬剤の吐出圧と対比し、正常時の比率と一致するか否かを判別することで、故障を検知することができる。即ち、正常時に比して、ポンプ106の回転数に応じた薬剤の吐出圧が得られていない場合には、薬剤の漏出が発生して、吐出圧が減少していると推測される。
ノズル種別判別センサー104-1、104-2、104-3、104-4は、薬剤の吐出口103a-1、103a-2、103a-3、103a-4に取り付けられる薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4の種別を判別することができる。
散布される薬剤ごとの粒子径の違いから、薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4は通常、薬剤に応じて用いられるものが異なっている。そのため、薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4の種別が適切か否かを判別することで、誤った薬剤の散布を防ぐことができる。
具体的には例えば、吐出口に薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4と嵌合又は係合する機構を設けておき、薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4には、当該吐口側の嵌合又は係合機構に嵌合又は係合する機構であって、複数の薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4ごとに異なる形状の機構を設ける。そして、吐出口に薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4を取り付けた際、薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4ごとに異なる形状を識別することにより、薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4の種別を判別することができる。
これにより、とりわけ使用予定の薬剤よりも粒子径の小さい薬剤が用いられることで、薬剤のドリフトが引き起こされるのを防ぐことができる。
なお、薬剤タンク104から薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4に至る経路の途中には、当該経路中に貯留する薬剤を外部へ排出するためのコック付きの排出口（図６中、「DRAIN」と表記）が設けられている。圃場403への薬剤の散布が終わった後などにおいて、薬剤タンク104から薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4に至る経路に溜まっている薬剤を排出させる場合には、この排出口より薬剤を排出させることができる。
本実施形態において、フライトコントローラー501は図７に示されるように、故障を検知するための判断処理部11、判断処理に必要なデータを記憶した情報記憶部32を有すると共に、逆止弁121-1、121-2の開閉動作や薬剤の散布動作を制御する制御部12を有する。
ここで、制御部12は、後述する判断処理部11による判断処理の結果、故障が発生していると判断されたときに、ドローン100に所定の安全行動を取らせる。
ここで、所定の安全行動とは、飛行中であれば退避行動、飛行前の準備状態であれば薬剤の散布規制措置あるいは飛行規制措置である。
退避行動は例えば、通常の着陸動作、ホバリングを例とする空中停止や、最短のルートで直ちに所定の帰還地点まで移動する「緊急帰還」を含む。所定の帰還地点とは、あらかじめフライトコントローラー501に記憶させた地点であり、例えば離陸した地点である。所定の帰還地点とは、例えば使用者402がドローン100に近づくことが可能な陸上の地点であり、使用者402は帰還地点に到達したドローン100を点検したり、手動で別の場所に運んだりすることができる。
また、退避行動は、最適化されたルートで所定の帰還地点まで移動する「通常帰還」であってもよい。最適化されたルートとは、例えば、通常帰還指令を受信する前に薬剤散布したルートを参照して算出されるルートである。例えば、ドローン100は、まだ薬剤を散布していないルートを経由して、薬剤を散布しながら所定の帰還地点まで移動する。
さらに、退避行動は、すべての回転翼を停止させてドローン100をその場から下方に落下させる「緊急停止」も含む。
飛行規制措置は、飛行前の準備段階において飛行を規制する措置であって、使用者の飛行命令を拒否したり、使用者に状態の確認を要求したりするものである。
飛行規制措置がとられた場合には、異常の確認や整備がなされない限り、飛行できないように制御されてもよい。
なお、制御部12は、ドローン100に異常が生じた場合に限らず、各センサーによって測定された薬剤の吐出量や流量に基づき、所定の吐出量や流量に制御することができる。
判断処理部11によって実行される処理に直接、必要とされる機能は図７に示されるとおりであり、これらの機能部により、第一判断処理部11は以下の第一及び第二の判断処理を実行することができる。なお、各判断処理の流れは図８に示す通りとなり、これに基づき、各処理について説明する。
なお、この判断処理部11による処理は、ドローン100の飛行前、即ち、薬剤の散布を行う準備状態において実行する。即ち、ドローン100の使用者は、事前にドローン100の安全性を確認してから、ドローン100を使用して薬剤の散布を行う。
判断処理部11は、第一の判断処理として、逆止弁121-1、121-2を閉弁させた状態において、圧力センサー111-1、111-2によって測定された薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、当該取得した薬剤の吐出圧の経時的変化と、情報記憶部32に記憶されている正常時の薬剤の吐出圧の経時的変化とを対比して故障の有無を判断することができる。
即ち、判断処理部11は、ステータスとして薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し（S101）、情報記憶部32に記憶されている正常時の経時的変化を対比して故障が発生しているか否かを判断する（S102）。その結果、故障が発生していると判断した場合には、制御部12により飛行規制措置又は薬剤の散布規制措置あるいは使用規制措置をとる（S103）。
ここで、飛行規制措置又は使用規制措置あるいは散布規制措置は飛行や使用、あるいは自動運転を規制する措置であって、使用者の飛行命令を拒否したり、使用者に状態の確認を要求したりする。逆止弁121-1、121-2、121-3の強制閉弁などが行われてもよい。飛行規制措置あるいは駆動規制措置がなされた場合には、異常の確認や整備がなされない限り、飛行できないように制御されてもよい。この点については、以下の第二の判断処理についても同様である。
なお、この第一の判断処理については、各圧力センサー111-1、111-2によって測定された薬剤の吐出圧の経時的変化のみならず、各圧力センサー111-1、111-2によって測定された吐出圧から算出される圧力損失の経時的変化に基づき、故障を判断することもできる。
また、第二の判断処理として、ポンプ用センサー106aによってポンプ106の回転子の回転数を測定した上、圧力センサー111-1、111-2によって測定された薬剤の吐出圧と対比してその比率を割り出し、情報記憶部32に記憶されている正常時の比率と一致するか否かを判別することで、故障を判断することができる。
即ち、判断処理部11は、ステータスとしてポンプ106の回転子の回転数と、圧力センサー111-1、111-2によって測定された薬剤の吐出圧を取得する（S101）。そして、これらを対比してその比率を割り出し、情報記憶部32に記憶されている正常時の比率と一致するか否かによって故障を判断する（S102）。その結果、故障と判断した場合には、飛行規制措置あるいは駆動規制措置をとる（S103）。
なお、ポンプ106の回転子の回転数単独であっても、要求された吐出量と対比することで、それに満たない場合には故障と判断することもできる。
このような判断処理部11による判断処理の結果、故障が検知された場合には、フライトコントローラー501は安全性を確保するための動作を実行する。具体的には、故障が検知された場合、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、薬剤の吐出を停止させると共に、逆止弁121-1、121-2を閉弁させ、閉弁状態を維持する。また、故障が解消されるまで使用者402からの飛行の命令が規制されるようになっていてもよい。
なお、故障検知のシステムにおいては、上記にかかわらず、圧力センサー111-1、111-2によって測定された薬剤の吐出圧、圧力センサー111-1及び圧力センサー111-2によって測定された薬剤の吐出圧の差分から算出された圧力損失、ポンプ用センサー106aにより測定されたポンプ106内の回転子の回転数、流量センサー510により測定された薬剤の流量、のいずれかを組み合わせて故障を判断することもできる。例えば、ポンプ106内の回転子の回転数と流量センサー510により測定された薬剤の流量、圧力センサー111-1、111-2によって測定された薬剤の吐出圧とポンプ用センサー106aにより測定されたポンプ106内の回転子の回転数、あるいは、圧力センサー111-1及び圧力センサー111-2によって測定された薬剤の吐出圧の差分から算出された圧力損失と流量センサー510により測定された薬剤の流量など、複数の検出情報を用いる。これら複数のセンサーによって取得された情報を対比することにより、その比率から薬剤の吐出異常を判断することができる。例えば、流量センサーにより測定された薬剤の流量に対し、圧力センサー111-1、111-2によって測定された吐出圧が、正常時よりも小さいあるいは大きい場合には、薬剤の吐出異常が発生していると判断することができる。これにより、故障の有無を判別することができる。
なお、フライトコントローラー501は上述の制御に加え、図９に示されるように、ドローン100の故障（状態異常）を検知した時に（S201）、飛行規制措置をとるようにすることもできる（S202）。
例えば、薬剤タンク104の蓋に取り付けられ、開閉状態を検知可能な開閉センサー104aからの情報に基づき、蓋が開放された状態を故障とみなしてこれを検知し、飛行規制措置をとるようにすることもできる。
また、逆止弁121-1、121-2とは別に、薬剤タンク104の吐出口や薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4といった箇所に、薬剤の漏出を検知した時に、薬剤の吐出又は送出を強制的に遮断する遮断機構を別途設けてもよい。
なお、各センサー及び判断処理部11によって実行される故障検知は、薬剤散布を行う準備段階、即ちドローン100を飛行させる前の段階で点検として実行するが、これに関わらず、ドローン100を飛行させ、圃場403への薬剤散布を行っている時においても常時、あるいは断続的に所定のタイミングで実行するように構成することもできる。
なお、本実施形態において、ドローン100の使用の前には必ず、判断処理部11による故障の検知処理を実行するものとし、故障が検知されず、安全に使用できることが示されない限り、使用者によるドローン100に対する飛行や薬剤の散布の命令を拒否する等、使用を規制するようにしてもよい。
また、故障検知と合わせた飛行前の準備段階の確認処理として、風速、温度、湿度といった外乱要因に係るステータスを判断の基礎データとして用い、飛行の可否を判断するようにしてもよい。これらのステータスについて、通常、風速は速くなればなるほど、薬剤が目的外のところへ飛散する可能性が高くなる。また、温度と湿度については、温度が高く、湿度が低い状態になればなるほど、散布した薬剤自体が乾燥しやすくなり、圃場403に散布された薬剤の水分が蒸散する結果、乾いた薬剤の粒子が圃場403外へ飛散する可能性が高くなる。
これらのステータスを取得するため、ドローン100には、風速測定手段、温湿度測定手段が備えられる。
具体的な判断処理として、風速測定手段によって測定された風速に基づき、飛行可能か否かを判断することができる。具体的には、風速測定手段によって測定された風速が所定の速度以上であった場合に、飛行不可能と判断することができる。
即ち、ステータスとして風速に係る情報を取得し、情報記憶部に記憶されている所定値と対比して飛行可能か否かを判断する。その結果、飛行不可能と判断した場合には、飛行を規制する措置を講じるとよい。
また温湿度測定手段によって測定された温湿度に基づき、飛行可能か否か（薬剤を散布可能か否か）を判断することができる。具体的には、温湿度測定手段によって測定された温湿度について、温度が所定値以上、湿度が所定値以下であった場合に、異常状態と判断することができる。
即ち、第二判断処理部は、ステータスとして温湿度に係る情報を取得し（S201）、閾値情報記憶部に記憶されている所定値と対比して飛行可能か否かを判断する（S202）。その結果、飛行不可能と判断した場合には、飛行を規制する措置を講じるとよい。なお、温湿度測定手段は、ドローン100自体が備えてもよいが、通信の基地局や、圃場403周辺に備えるものとし、これを通信によってドローン100が取得するものとしてもよい。
また、薬剤中に含まれるエアを検知し、当該エアが許容範囲を超えるときにエア抜きを行うようにしてもよい。
薬剤中に含まれるエアが許容範囲か否かは例えば、流量センサー510により実際の薬剤の流量に係る情報を取得すると共に、判断処理部11により当該流量と、設定に応じて送出されるべき薬剤の流量とを対比し、所定の許容範囲に収まるか否かを判断する。通常、薬剤中にエアが多く含まれると、設定に比して流量は減るため、このような処理により判断することができる。また、エア抜きは、三方弁122から拡張タンク141を介して薬剤タンク104に至る経路を薬剤に循環させると共に、拡張タンク141に一時的に貯留させることによって行うことができる。
具体的な処理の一例を示すと、図１０のとおりとなる。
即ち、流量センサーが薬液の流量情報を取得する（S301）。子に応じて判断処理部11は、当該流量情報と、指定あるいは設定された薬剤の流量とを対比し、その誤差が許容範囲に収まるか否かを判断する（S302）。その結果、誤差が許容範囲内であれば、正常なものとして薬液の散布を行う。
一方、誤差が許容範囲外であれば、正常になるまでエア抜きを行う（S303）。
なお、以上の実施例では、判断処理部11をドローン100のフライトコントローラー501が備えるものとしたが、これに限らず、フライトコントローラー501から所定の通信回線を介してデータを取得したサーバ等が当該判断処理部を備え、当該サーバ等で判断処理が実行されるようになっていてもよい。
薬剤散布を目的とするドローンの実施例を説明してきたが、本願発明は薬剤散布を行なわず、たとえば、カメラによる生育監視を行なう農業用ドローン、および、一般的なドローンにも適用可能である。
（本願発明による技術的に顕著な効果）
本願発明により、薬剤の散布を行なう農業用機械において、事前に故障を確実に検知し、安全性を高めることができる。特に、センサーによって自動的且つ即座に検知することができる。
また、本システムは薬剤を散布する各種の農業用機械に広く適用することができる。

 

Claims (12)

  1. 　薬剤を散布する農業用機械に備えられ、故障を検知するシステムであって、
    　前記薬剤を保管する薬剤タンクから前記薬剤の吐出口に至る経路に設けられた圧力センサーと、
    　前記農業用機械の故障を検知する故障検知手段と、を有し、
    　前記故障検知手段は、前記圧力センサーによって前記薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、当該取得した薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、故障を検知する、
    　故障検知システム。
  2. 　前記農業用機械には、前記薬剤タンクから前記吐出口に至る経路を遮断する遮断機構、が備えられ、
    　前記故障検知手段は、前記遮断機構によって前記薬剤タンクから前記吐出口に至る経路を遮断した状態において、前記圧力センサーによって前記薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、当該取得した薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、故障を検知する、
    　請求項１記載の故障検知システム。
  3. 　前記遮断機構は、逆止弁である、
    　請求項２記載の故障検知システム。
  4. 　前記遮断機構は、電磁弁である、
    　請求項２記載の故障検知システム。
  5. 　前記故障検知手段は、前記圧力センサーによって前記薬剤の吐出圧の経時的変化と、正常時の前記薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、故障を検知する、
    　請求項１乃至４いずれかの項に記載の故障検知システム。
  6. 　前記圧力センサー、を複数、有し、
    　前記故障検知手段は、複数の前記圧力センサーによって取得された吐出圧から算出される圧力損失の経時的変化に基づき、故障を検知する、
    　請求項１乃至５いずれかの項に記載の故障検知システム。
  7. 　前記農業用機械には、前記薬剤タンク内に貯留された前記薬剤を下流へ吐き出すポンプ、が備えられ、
    　前記ポンプ内において前記薬剤を前記薬剤タンクから吸い込むと共に下流へ吐き出す回転子の回転数を測定するポンプ用センサー、をさらに有し、
    　前記故障検知手段は前記ポンプ用センサーによって測定されたポンプの回転子の回転数と、前記圧力センサーによって測定された薬剤の吐出圧の比率の経時的変化に基づき、故障を検知する、
    　請求項１乃至６いずれかの項に記載の故障検知システム。
  8. 　前記故障検知手段により故障が検知された場合、前記農業用機械に所定の安全行動を取らせる制御手段、をさらに有する、
    　請求項１乃至７いずれかの項に記載の故障検知システム。
  9. 　前記所定の安全行動は、前記農業用機械の薬剤散布中においては前記農業用機械を退避させる制御であり、前記農業用機械の薬剤散布前の準備段階においては前記農業用機械による薬剤散布の規制あるいは前記農業用機械の使用を規制する制御である、
    　請求項８記載の故障検知システム。
  10. 　前記農業用機械はドローンである、
    　請求項１乃至９いずれかの項に記載の故障検知システム。
  11. 　薬剤を散布する農業用機械に備えられ、故障を検知するシステムにより実行される方法であって、
    　前記システムが、
    　前記薬剤を保管する薬剤タンクから前記薬剤の吐出口に至る経路に設けられた圧力センサーによって前記薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、当該取得した薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、前記農業用機械の故障を検知する、
    　故障検知方法。
  12. 　薬剤を散布する農業用機械に備えられ、故障を検知するシステムにより実行されるコンピュータプログラムであって、
    　前記システムに対して、
    　前記薬剤を保管する薬剤タンクから前記薬剤の吐出口に至る経路に設けられた圧力センサーによって前記薬剤の吐出圧の経時的変化を取得し、当該取得した薬剤の吐出圧の経時的変化に基づき、前記農業用機械の故障を検知させる、
    　コンピュータプログラム。

     
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