研究論文農業食料工学会誌 77(6): ,2015 * 自脱コンバインロボットによる隅刈制御 1 2 2 1 *2 望月裕貴飯田訓久栗田寛樹趙元在村主勝彦要旨本研究では, 自脱コンバインロボットによる隅刈制御手法の開発を行った隅刈とは, コンバインが圃場の 4 隅で

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ぎんとしげい
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1 研究論文農業食料工学会誌 77(6): ,2015 * 自脱コンバインロボットによる隅刈制御 *1 *2 *2 *1 *2 望月裕貴飯田訓久栗田寛樹趙元在村主勝彦要旨本研究では, 自脱コンバインロボットによる隅刈制御手法の開発を行った隅刈とは, コンバインが圃場の 4 隅で旋回するために必要なスペースを作るための刈取作業である 4 条刈自脱コンバインロボットにより実験を行った結果, 稲の踏み倒しや刈残しをせずに十分な旋回スペースを作ることが可能であった目標経路に対する走行精度は, 隅刈行程時の横偏差で最大 m, 旋回後に次刈取経路に対する横偏差で最大 m, 方位偏差で最大 8.10 であった [ キーワード ] 農業ロボット, 自脱コンバイン, ロボット収穫, 隅刈,GNSS, コンパス Corner Harvesting Method for a Head-feeding Combine Robot * Yuki MOCHIZUKI *1, Michihisa IIDA *2, Hiroki KURITA *2, Won-jae CHO *1, Masahiko SUGURI *2 Abstract This paper proposes a corner harvesting control for reliable turning at headlands during automatic harvesting operations using a head-feeding combine robot. On the basis of field experiments with a 4-row head-feeding combine robot, the proposed control methodology enabled the robot to make turns without trampling crop down or leaving any crops uncut. Regarding the accuracy of following the target path, the maximal lateral error of corner harvesting was m, and the maximal lateral error was m, and the angle error at the next target path after turning was [Keywords]agricultural robot, head-feeding combine, robotic harvesting, corner harvesting, GNSS, compass I 緒言近年の日本の農業が直面している大きな問題として, 農業従事者の高齢化や減少が挙げられるそれらの対策として, 農作業の軽労化に向けた農業自動化アシストシステムの開発が進められている ( 農林水産省,2014) 農業用ロボットの研究開発としては, トラクタ ( 木瀬ら, 2002;Takai et al., 2010), 田植機 (Nagasaka et al., 2004; Nagasaka et al., 2009), 自脱コンバイン ( 斎藤ら,2012; Iida et al., 2013 a;iida et al., 2013 b; 内田ら,2013; 栗田ら,2014) などが報告されている特に自脱コンバインの自動化ロボット化に関しては, 稲の刈取や運搬車への穀粒排出といった一連の動作を連続して自動で行う研究が報告されている ( 栗田ら,2014) しかしながら, それらの研究についても, 圃場一筆の稲すべてを最初から最後まで自動刈取することはできず, 最外周 3 4 周分を有人運転で刈取った後にロボットによる刈取を開始しているその理由は,1 つ目に 3 4 周分を刈取らなければ, コンバインが圃場 4 隅で旋回するためのスペースを十分に確保できないこと,2 つ目に 1 周目の刈取は, 畦際の位置が不明瞭であり, 畦や水口水尻との接触や衝突によりコンバインや畦にダメージを与える恐れがあるためであるこのため, 通常人が刈取を行う場合は,1 周目と 2 周目に圃場の四隅で隅刈を行って旋回に要するスペースを確保するこのような隅刈の自動化に関する研究として, 大豆コンバインロボットによる収穫において 1 周目から隅刈を行うことに成功した研究が報告されている ( 斎藤ら,2014) この研究は, 低い畦で囲まれた実験圃場で行われており, 一般的な日本の稲作圃場のように高い農道や畦に囲まれている圃場 * 2014 年 5 月第 73 回農業食料工学会年次大会 ( 沖縄県那覇市 ) にて一部講演 * 1 学生会員, 京都大学大学院農学研究科 ( 京都府京都市左京区北白川追分町 TEL )Graduate School of Agriculture, Kyoto University, Kitashirakawaoiwake-cho, Sakyo-ku, Kyoto-shi, Kyoto , Japan * 2 会員, 同上 Corresponding author : iida@elam.kais.kyoto-u.ac.jp

2 望月飯田栗田趙村主 : 自脱コンバインロボットによる隅刈制御 465( 77 ) で自脱コンバインに自動隅刈を行った例は報告されていないしたがって, 本研究では有人作業による稲収穫の労働力及び作業時間を削減するため, 自脱コンバインロボットのための隅刈制御を開発し, その作業精度を明らかにした II 実験装置および方法 1. 自脱コンバインロボット供試機は市販の 4 条刈自脱コンバイン ( 三菱農機 ( 株 ) VY446) をベース機として開発されたコンバインロボットである ( 栗田ら,2014) 機体の寸法は図 1に示す通りで, 全長 4.01 m, 全幅 1.9 m に対して最大刈幅は 1.4 m である従って, 枕地で 90 旋回するためには, 最低でも 3 周分 (1.4 m 3 周 =4.2 m>4.01 m) の稲を刈取る必要がある図 2 にロボットの制御ネットワーク図を示すこのコンバインロボットは, 航法センサとして GPS,GLONASS 対応の Global Navigation Satellite System 受信機 (GNSS 図 1 供試コンバインの機体寸法 Fig. 1 Dimension of test combine receiver)( トプコン ( 株 )AGI-3),GPS コンパス ( ヘミスフィア ( 株 )ssv-102) を搭載し, 位置情報及び方位情報をそれぞれ 10Hz 周期で取得するこれらはコンバインのキャビン上に設置されているまた, 運搬用コンテナの検出用マシンビジョンのための USB カメラ ( エレコム ( 株 )UCAM-DLA200 H) を有する供試機には2つのElectric Control Unit(ECU)(ECU- A 及び ECU-B) が標準搭載されており, これらは車両の制御 ( 走行操向刈取脱穀選別排出等 ) のために用いられている加えて, ロボット化のため新たに 2 つの ECU(ECU-C 及び ECU-D) が開発設置された GNSS によって得られた位置情報と,GPS コンパスによる方位情報はそれぞれ ECU-C,ECU-D に送られる ECU-C は,ECU-A 及び ECU-B から車両の情報を受け取り,ECU-D からは方位情報を取得する ECU 間は CAN バスを経由して通信するまた, 制御用 PC として PC(Intel Core i5,8 GB RAM) を使用する制御用 PC はECU-C から RS-232 C によりコンバインの車体データ, 航法データを取得し,USB 接続されたカメラから画像データを取得するこれらの情報に基づき算出した制御量は,RS-232 C ポートから 10 Hz の周期で ECU- Cへ送られ, 走行制御や作業機の制御が行われる 2. ロボットによる収穫作業本研究で想定するロボット収穫作業は, 最外周 1 周を有人作業で収穫した後, 残りの稲をロボット作業によりすべて自動で収穫することであるこのため, ロボットによる自動刈取 1 周目に 4 隅の枕地で隅刈を行い, その後は周回刈取を行う作業方法を適用するここで周回刈取とは, 直線走行による刈取と 90 左旋回を繰り返す刈取方法である周回刈取中に, グレンタンク内に設置したモミセンサ ( 感圧スイッチ ) によりタンク容量の約 70 % に達するとタンク満量と判別し, 刈取中の行程を終えるまで刈取を行うその行程が終了すると, 刈取を図 2 コンバインロボットの制御ネットワーク Fig. 2 Control network of combine robot

3 466( 78 ) 農業食料工学会誌第 77 巻第 6 号 (2015) 図 3 有人により外周 1 周を刈取った後の稲領域 Fig. 3 Uncut rice area after 1-lap manned harvesting 中断して農道上の運搬車の傍まで自律走行で移動, 運搬用コンテナへ穀粒を排出, 未収穫の稲領域の再近傍までの移動, そして刈取再開といった一連の行程を自動で繰り返し行う ( 栗田ら,2014) 周回刈取時の直線経路においては, 経路に対する横偏差及び方位偏差から操舵量を決定し, 経路追従制御を行う (Iida et al., 2013 b) 本研究における刈取行程の目標速度は 0.8 m/s とした枕地へ到達すると, 適当な距離を行き過ぎ, 切り返しながら 90 左旋回を行うただし, 残りの周回数が十分少なくなった場合には, 短辺方向の刈取を行わず, 長辺方向のみを刈取るこの際には枕地で U ターンを行う 3. 隅刈方法供試コンバインの最大刈幅は 1.4 m であるため, 自動刈取を始める際の稲領域は, 図 3 のような状態であると仮定するただし, 農道側の短辺は穀粒排出に必要なスペースを確保するため 2 回刈取っておくものとする実際の収穫実験では, 安全確保のために外周 4 周分を有人作業で収穫してから自動刈取を開始した隅刈りの目標経路を図 4に示す xy 軸は畦との境界, 実線は稲領域の境界, 破線は前進時に追従する目標経路, 一点鎖線は後進時に追従する目標経路を示している P に到達すると, 周回刈取モードから隅刈モードへ移行し, 後進 (P-A, A -B, B -C) と前進刈取 (A-A,B-B, C-C ) を3 回繰り返したのち,90 旋回を行い, 次の周回刈取モードへ戻る各前進後進制御は周回刈取の直進走行と同様であるただし, 刈取方向を変えるために前進開始から 0.8s 間は左急旋回を行うこれにより, 車両が大きく蛇行することを防ぐ目標速度は, 前進時後進時ともに 0.4 m/s としたこの目標経路の各点の座標は, 前進後進時にディバイダや車体が畦に接触せずに十分な旋回スペースを確保するために以下の方法で決定する供試車両の横幅を w c, 刈幅を w, 重複刈幅を w,ap 間の距離を l,ab, BC 間の距離を l 前進時目標経路の y 軸に対する角度をそれぞれ θ 1,θ 2,θ 3, 旋回のために確保する必要のある x 図 4 Fig. 4 コンバインロボットのための隅刈経路 Corner harvesting path for combine robot 軸方向の距離を a とする l,θ 1,θ 2,θ 3 は以下の 4 式を満たす w+ w w cos θ cos θ cos θ =a (1) tan θ = w w 2l 1+ 1 cos θ (2) tan θ = w w 2 l l 1+ 2 cos θ + 1 cos θ (3) tan θ = w w 2 l 2l 1+ 2 cos θ + 2 cos θ + 1 cos θ (4) また, コンバインと畦との接触を避けるため,θ i (i= 1, 2, 3) は以下の式を満たす必要がある w c sinθ<w (5) ここで w c =1.9 m,w=1.4 m とすると,θ<42.54 となる θ 3 =42.0 とし, 残りの θ と l を求めると,θ 1 =10.4, θ 2 =24.4,l=7.12 m となる (a=6.56 m, w =0.3 m, l =1. 0 m, とする ) したがって, 各点の (x, y) 座標は,A: (8.32, 1.95),B:(7.52, 1.95),C:(6.52, 1.95),A :(3.26, 1.40),B :(4.72, 1.40), および C :(6.56, 1.40) となる 4. 旋回と位置合わせ方法隅刈を終えると, 次の周回経路に進入するために 90 旋回を行う必要がある隅刈が終了した時点での圃場におけるコンバインの位置姿勢は図 5と仮定する次の刈取経路に対して車両の方位偏差が 2.5 ( 反時計回り正 )

4 望月飯田栗田趙村主 : 自脱コンバインロボットによる隅刈制御 467( 79 ) 図 5 隅刈後のコンバインの位置 Fig. 5 Position of combine after corner harvesting を超えるまで後進急旋回を行い, 車両の後端と畦との距離が 0.15 m となるまで後進位置合わせを行うこれらの走行精度は, 周回刈取を再開する直前 (GNSS によるコンバイン位置が畦から x=4.96 m) での目標経路との横偏差と方位偏差を用いて評価する 5. 圃場実験方法 2014 年 10 月 18 日に, 京都府南丹市の水田 (83 m 23 m) において水稲の収穫実験を行った稲の品種はヒノヒカリで, 天候は晴天で圃場の土壌も乾いた状態であった安全のため, 有人運転で外周 4 周分刈取った後に, 74.0 m 20.5 m の未収穫稲領域を用いて無人収穫実験を行ったロボットによる自動刈取 1 周目に四隅の枕地で隅刈を行い, その後は周回刈取と穀粒排出を自動で繰り返す実験は圃場の稲をすべて刈終えるまで連続で行ったが, ここでは 1 周目に行った隅刈のデータ分析結果のみを報告する III 実験結果および考察本実験でのロボットによる自動収穫では, 周回刈取だけでなく, 隅刈 4 回と穀粒排出 3 回を含めて全作業時間 4495 s で稲をすべて収穫できた図 6に四隅での隅刈および 90 旋回におけるコンバインの走行軌跡を示す実線がコンバインの走行軌跡, 破線が刈取のための目標直線経路を示す ( 図 4 参照 ) いずれも, 稲の刈残しは見られなかったまた, 表 1 に 4 回の隅刈における各前進後進行程の横偏差の RMS, 図 7 にその時間推移を, 前進時は実線, 後進時は破線で示す隅刈においては, 前進時の方が未収穫の稲との距離が近く, 刈取も行っているため高い精度が必要となるしたがって, ここでは前進時の横偏差について評価を行う重複刈幅が 0.30 m であるため, 横偏差は 0.15 m 程度に収まれば十分な精度を持っているといえる前進時の横偏差の RMS はすべてこれを満たしているため, 隅刈は十分な精度を実現している次に, 表 2 に 90 旋回を終えて周回刈取を再開する直前の横偏差 ( 左向き正 ) 及び方位偏差 ( 反時計回り正 ) を示すこの行程においても, 刈残しは見られなかった周回刈取の再開直後にわずかに外側に膨らむように走行する挙動が見られたこれは後進による位置合わせのときに内側 ( 左側 ) に寄せるようにしたため, 横偏差が大きくなり, 前進時にこれを修正しようと大きく操舵を行ったためであるしかし, その角度の変化はどの隅刈でも 5 以下であり, また急激な角度変化も見られなかったしたがって, 滑らかに周回刈取モードへ移行しているといえる続いて, 畦農道との接触について評価する斜刈を終了した時点 ( 図 5の状態 ) でのコンバイン刈取部右端と畦との距離は, それぞれ 0.23 m, 0.23 m, 0.26 m, および 0.25 m であったまた,90 旋回後に後進位置合わせをした時点でのコンバイン後端と畦との距離は, それぞれ m, m, m, および 0.10 m であったいずれの場合も, 現状では畦との接触の危険が見られるこれは, 制御コマンドの遅延が原因であり, 今後時間遅れを考慮に入れた制御を行えば低減されると考えられる 4 回の隅刈および旋回位置合わせに要した時間は, 平均 155 s で, 合計 621 s であったこれは, 一連の自動収穫作業に要した時間は 4495 s の 13.8 % であったまた, 参考値として本実験における有人運転での隅刈に要した時間は最短で 35 s, 最長で 74 s であった所要時間に大差があるのは, 有人とロボットによる隅刈では刈取経路と作業速度が同じではないためである以上の結果から, 本研究で提案した隅刈制御の手法は, 有人運転で外周 1 周分だけ刈取れば, 残りの稲をロボットによる自動作業で収穫が可能であったただし, 本研究で提案する隅刈経路は, 供試コンバインの機体寸法に合わせたもので, 使用するコンバインに応じて経路を作成する必要があるまた, 今回の実験は圃場がよく乾燥し, 稲が立毛した良好な状態であったが, 今後湿田や稲が倒伏した条件での実験も必要と考えられる特に, 隅刈後の急旋回でどの程度圃場の表土を荒らしてしまうか, あるいはコンバインの走行部がどの程度のぬかるみまで走行可能かを検証する必要がある最後に, 本研究では GNSS 受信機とコンパスから得られる位置と方位だけで制御を行ったが, 今後カメラやレーザースキャナなどを用いて, 畦や農道などを検出することで接触や衝突を回避することが重要である IV 摘要本研究では, 有人作業にて最外周 1 周分の稲を刈取った後, ロボット作業で残りの稲すべてを収穫することを

5 468( 80 ) 農業食料工学会誌第 77 巻第 6 号 (2015) 表 1 Table 1 P-A コンバインロボットによる隅刈精度 [m] Accuracy of corner harvesting by combine robot [m] A-A 横偏差の RMS[m] 後進 1 前進 1 後進 2 前進 2 後進 3 前進 3 A -B B-B B -C C-C 表 2 コンバインロボットにおける位置合わせ精度 Table 2 Accuracy of positioning by combine robot 横偏差 [m] 方位偏差 [ ] 隅刈隅刈 2 隅刈隅刈 Fig. 6 図 6 隅刈の目標経路及び走行軌跡 Target path for corner harvesting and trajectory of the combine 前提として, 自脱コンバインロボットのための隅刈制御を開発し, 圃場実験によって作業精度を明らかにした主な内容は以下の通りである 1) 開発した隅刈制御では, コンバインロボットは稲を 3 回斜めに刈取った後,90 左旋回を行う圃場実験の結果, 稲の刈残しや踏み倒しが無く自動で隅刈が可能であった 2) 隅刈作業時において, 目標経路に対する前進時の横偏差の RMS は最大 m, 後進時の横偏差の RMS は最大 m であった 3) 隅刈を終了して 90 左旋回を行った後, 次の刈取経路に対する横偏差の最大値は m, 方位偏差の最大値は 8.10 であった 4) 隅刈 1 回あたりの平均作業時間は 155 s であった今後, 稲収穫をすべてロボット作業で達成するためには, 最外周 1 周の刈取を高精度かつ安全に行う手法の開発が必要であるそのためには, 制御コマンドの遅延を考慮に入れた制御方法や, マシンビジョンやレーザレンジファインダによって, 周辺環境を認識して畦などとの接触衝突を回避しながら走行するための制御法の開発が必要である

6 望月飯田栗田趙村主 : 自脱コンバインロボットによる隅刈制御 469( 81 ) Fig. 7 図 7 隅刈における横偏差の推移 Transition of lateral error of corner harvesting 謝本研究は, 平成 26 年度農林水産省委託プロジェクト国産農産物の革新的低コスト実現プロジェクト研究費の交付を受けたまた, 三菱農機株式会社からはコンバイン技術資料の提供を受けたここに記して謝意を表す辞 References Iida, M., Kurita, H., Cho, W., Mochizuki, Y., Yamamoto, R., Suguri, M., Masuda, R., 2013 a. Turning performance of combine robot by various compasses. Proceedings of the 4 th IFAC ASABE CIGR conference on Modelling and Control in Agriculture, Horticulture and Post-Harvest Industry AGRICONTROL, Espoo, Finland, Iida, M., Uchida, R., Zhu, H., Suguri, M., Kurita, H., Masuda, R., 2013 b. Path following control for a head-feeding combine robot. Engineering on Agriculture, Environment and Food, 6 (2), 木瀬道夫, 野口伸, 石井一暢, 寺尾日出男,2002.RTK-GPS と FOG を使用したほ場作業用ロボット ( 第 3 報 ), 農業機械学会誌,64(2), 栗田寛樹, 飯田訓久, 趙元在, 村主勝彦,2014. 稲のロボット収穫作業における作業能率の予測手法. 農業食料工学会誌, 76(5), Nagasaka, Y., Umeda, N., Kanetani, Y., Taniwaki, K., Sasaki, Y., Automated rice transplanter using global positioning and gyroscopes. Computers and Electronics in Agriculture, 43 (3), Nagasaka, Y., Saito, H., Tamaki, K., Seki, M., Kobayashi, K., Taniwaki, K., An autonomous rice transplanter guided by global positioning system and inertial measurement unit. Journal of Field Robotics, 26 (6-7), 農林水産省,2014. 農作業の軽労化に向けた農業自動化アシストシステムの開発, information/ashisuto.htm.accessed Jul. 10, 斎藤正博, 玉城勝彦, 西脇健太郎, 長坂善禎,2012.CAN バスを利用した無人自脱コンバインの開発. 農業機械学会誌,74 (4), Takai, R., Barawid, O. Jr., Ishii,K., Noguchi, N., Development of Crawler-Type Robot Tractor based on GPS and IMU, Preprint of the IFAC International Conference on AGRICONTROL 2010 (CD-ROM), A3-5. 内田諒, 飯田訓久, 祝華平, 栗田寛樹, 村主勝彦, 増田良平, 自脱コンバインロボットの経路追従制御. 計測自動学会論文集,49(1), ( 受付 :2014 年 12 月 26 日受理 :2015 年 7 月 10 日質問期限 :2016 年 1 月 31 日 )

( ), ( ) Patrol Mobile Robot To Greet Passing People Takemi KIMURA(Univ. of Tsukuba), and Akihisa OHYA(Univ. of Tsukuba) Abstract This research aims a

( ), ( ) Patrol Mobile Robot To Greet Passing People Takemi KIMURA(Univ. of Tsukuba), and Akihisa OHYA(Univ. of Tsukuba) Abstract This research aims at the development of a mobile robot to perform greetings