農業と車両と組込みシステム ～独ホーエンハイム大における事例紹介～

1. 農業と車両と組込みシステム～独ホーエンハイム大における事例紹介～農業と車両と組込みシステム～独ホーエンハイム大における事例紹介～ 九州大学大学院システム情報科学研究院情報知能工学部門 九州大学大学院統合新領域学府オートモーティブサイエンス専攻 中西 恒夫 E-mail: tun@f.ait.kyushu-u.ac.jp

2. 講演内容 • StuttgartとHohenheim大学について • 精密農業 • 自律走行トラクタ • ICT技術者は農業のために何をすべきか Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

3. StuttgartとHohenheim大学について

4. Stuttgart について（１） • ドイツ南西部 Baden-Württemberg州の州都 • 人口約60万人 • Münchenと互角の豊かさと物価と治安の良さ • 自動車産業がさかん：　ベンツ，ポルシェ，ボッシュの本社所在地 • でも周辺は農村地帯 • ラの音を440Hzと標準化した街 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

5. Stuttgart について（２）

6. Stuttgart近郊の農業地域（Wolfschlugen）

7. Hohenheim大学について（１） • Stuttgart郊外（Stuttgart空港の近く）にある大学。 • もともとは農学校。 • 3学部：　自然科学系，農業系，ビジネス系 • 九大農学研究院とは部局間交流協定。 • レントゲン博士が教員をしていた。（1年でやめた。） Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

8. Hohenheim大学について（２） 農業工学研究所（Institut für Agrartechnik） • 農業科学部所属の農業工学に関する研究所。 • 6つの講座：　農業工学基礎，家畜，装置・計測，プロセス工学，熱帯／亜熱帯，再生可能エネルギー • 装置・計測講座はDLG（Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft）の寄付講座。 • 装置・計測講座のプロジェクト： • 果樹園におけるモニタリングと灌水最適化（3D-Mosaic）：　ICT-Agriプロジェクトの一環。（ICT-Agri:　農業分野におけるICTとロボティクスの応用に関するEUのプロジェクト） • 農業機械の耐久性 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

9. 精密農業

10. 農業は環境制御 気象 アクチュエーション 作物 センシング 種まき，灌水，水位制御，施肥，農薬散布，除草，間引き，… 葉色，茎径，日照量，気温，湿度，土中湿度，土中pH，土中EC，… 土壌 履歴 カンと経験 意思決定 記録 機械化，機械支援，省力化の余地大 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

11. 農業の情報化 やるべきこと • 熟練営農者や文献からの営農知識の収集と整理 • 営農知識とセンシング／アクチュエーションとの紐づけ（帰納） • 意思決定の視点とプロセスの見える化　＝　モデリング（演繹） 目指すべき「農業の情報化」 営農情報の抽象度 営農知識 （＝意思決定） 高 現在実用化されている「精密農業」？ アクチュエーション センシング 低 葉色，茎径，日照量，気温，湿度，土中湿度，土中pH，土中EC，… 灌水量，施肥量，農薬散布，除草，間引き，… Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

12. 精密農業とは 精密農業（Precision Agriculture）：　情報技術を駆使し，空間的にも時間的にも高精度の多種多様なデータを取得，解析し，作物生産に関わる意思決定や営農活動を行う農業の方法論。（NRC, 1997） ばらつきの把握，対応，緩和が精密農業の基本！ • 収量のばらつき • 土壌のばらつき • 病害虫のばらつき • 汚染のばらつき • 生育や管理のばらつき etc. • 空間的ばらつき • 時間的ばらつき ばらつきはすなわち最適化の余地 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

13. 精密農業を支える技術（１） これらの技術をつなぐソフトウェア技術と通信技術。 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

14. 精密農業を支える技術（２） 各種自律航行機械の長所と短所 • 車両：　トラクタetc. • 高い汎用性。 • 長い連続稼働時間。 • 飛行体よりペイロードが（圧倒的に）大きい。 • 飛行体：　飛行機，ヘリコプタ，飛行船 etc. • 土を踏み固めない。 • 地面の状態が悪くても航行可能。 • 背の高い作物を植えた圃場でも利用可能。 • 飛行機はヘリコプタよりペイロードが大きい。 • ヘリコプタは滑走路不要，ホバリング可能。 cf.) 人工衛星や無線センサネットワークによるセンシング。 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

15. 自律走行トラクタ～ホーエンハイム大学における事例～自律走行トラクタ～ホーエンハイム大学における事例～

16. 農業用トラクタ Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

17. 自律走行トラクタ（１） Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

18. 自律走行トラクタ（２） • RTK-GPSによる測位。 • オドメトリ • ヨーレート，ロール，ピッチ角センサ • Gセンサ • アクチュエータによる制御 • 操舵 • エンジン回転数 • 速度 • PTOの回転 • PTOのリフト操作 • レーザレンジスキャナによる周辺障害物の監視。 ※ 自律走行トラクタの研究は国内農学分野（農業機械学会等）でも多数。 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

19. 自律走行 • 計画走行：　事前に与えられる指令ファイルに基づく走行。 • 緯度，経度で指定される点を指定される速度で走行。 • 緯度，経度で指定される点での指定の作業。 • 動的対応：　計画走行時の計画外の事象への対応。 • 経路上の障害物の回避。 圃場の末端でのターンのパターン Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

20. 測位技術（１） 何のために測位をするのか？ • 車両を計画した経路通りに移動させるため。 • 計画した作業を計画した位置で実施させるため。 • 農作物のトレーサビリティ管理のため。 • 農作物個体の識別のため。 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

21. 測位技術（２） Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

22. 測位技術（３） GPSの測位誤差例：　南北3.7m，東西1.5m（測定条件： 2012年7月8日午前9時～10時，福岡市西区，天候：晴，車載用GPS使用，捕捉衛星数3個）　 40cm程度 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

23. 測位技術（４） 位置情報の劣化：　大陸の移動により過去に計測した位置情報が劣化する。下図は九州の1年間の地殻変動（国土地理院）。 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

24. 自律走行トラクタの使い方 • 各種インプリメントを装着して農作業 • 耕起 • 代掻き（米作） • 播種 • 施肥 • 灌水 • 除草 • 防除 • 収穫 • 各種センサを搭載して圃場／作物情報のモニタリング • マップ作成：　土壌マップなど • 場所ごとのデータ収集 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

25. 載せモノの例（１） 除草用インプリメント：　鍬の水平位置を制御し，作物の列の間の雑草を作物を傷つけることなく除去。 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

26. 載せモノの例（２） 各種センサやカメラ Agritechnica 2011 (Hannover, 2011年11月） Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

27. 自律走行トラクタのソフトウェア（１） • デンマーク工科大学（DTU）で開発されたロボット用ミドルウェア「MobotWare」を使用。 • NASREMアーキテクチャを採用：　NASA/NBS Standard Reference Model for Telerobot Control System • 物体の運動制御を行うアプリケーション向き • センシング→デシジョンメーキング→アクチュエーションの水平構造 • データの抽象度による垂直構造（レイヤ構造） • グローバルメモリ使用 • Linux + RTAI (Real Time Application Interface) • デバイスドライバはプラグイン形式。 プロセス不在，コーディング中心の開発。（∵トライ＆エラー，擦り合わせ開発） Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

28. 自律走行トラクタのソフトウェア（２） ロボット制御ミドルウェアの現状認識 • ロボットはソフトウェアインテンシブシステム • ロボット用ミドルウェアは今後重要（すでにいくつもある。ROS，OpenRTM-aist） ロボット制御ミドルウェアの課題 • ロボット制御ソフトウェア開発へのソフトウェア工学の導入。 • Try & Error，リアルタイム処理，擦り合わせ開発を効率的に行う開発プロセス。 • わかりやすさ，よいインターフェース • モデルベース開発，派生開発，SPL（モデルの成長，プラントモデルの記述）… Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

29. 農業用車両の今後 一般自動車と同じ歴史（多機能化＆ソフトウェア化）を歩む？ • 安全性，信頼性の向上 • ISOBUSによる装置接続の標準化 • ECU数の増加 • インプリメントのインテリジェンス化 • ユーザインターフェース • 無人化は自動車より早い？ Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

30. 欧州における農業用ロボット教育（１） フィールドロボットイベント（Herning, Denmark; June 2011） Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

31. 欧州における農業用ロボット教育（２） ホーエンハイム大学での農業用ロボット開発実習の様子 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

32. 組込み技術者は農業のために何ができるか？（まとめにかえて）組込み技術者は農業のために何ができるか？（まとめにかえて）

33. 農工連携（１） 今さらながらの「農工連携」 • 今「農工連携」を言ってるのはたぶん工学系の人だけです。 • もともと農学系の人の何割かは昔から工学をやっていました。（すぐ思いつくようなことはおおよそやり尽くされています！） • 単に今まで農工間の人や情報の往来が乏しかった？（欧州の場合，多くの工学出身者が農業に関わっていました。） Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

34. 農工連携（２） 組込み技術者としては農業や農家を知ることがおそらく最重要。 • 技術は何を使っても構わない。（農業現場の問題が解決されるなら何をやったって構わない。） • 使えそうな技術はすでにある？ 農業ICTの難しさ • 農業現場への投入 • 規模や収入の小さい農家は買えない。（日本は特にこれが問題！） • 農家が仕事のやり方を変えるのを嫌う。 • ICTへの慣れ。 • 農業そのものの多様性：　経営規模，土地，作物，文化の違い • 生き物相手，お天気相手 Created by Tsuneo Nakanishi, 2012

35. 参考文献 Universität Hohenheim, http://www.hohenheim.de/ National Research Council (NRC), Precision Agriculture in the 21st Century, National Academy Press, 1998. 澁澤 栄（編著）, 精密農業, 朝倉書店, 2006. 近藤 直, 門田 充司, 野口 伸（編著）, 農業ロボット (I)/(II), コロナ社, 2006. 国土地理院, 「最新の地殻変動情報」, http://mekira.gsi.go.jp/project/f3/ja/index.html S. Blackmore, H. W. Griepentrog, H. Nielsen, M. Nørremark, and J. Resting-Jeppesen, “Development of a Deterministic Autonomous Tractor,” Proc. 2004 CIGR Int. Conf., 2004. A. B. Beck, N. A. Andersen, J. C. Andersen, and O. Ravn, “MobotWare: A Plug-In Based Framework for Mobile Robots,” Proc. 7th IFAC Symp. on Intelligent Autonomous Vehicles, Vol.7, Part 1, 2010. J. S. Albus, H. G. McCain, and R. Lumia, “NASA/NBS Standard Reference Model for Telerobot Control System Architecture (NASREM),” NIST Technical Note, No.1235, 1989. Created by Tsuneo Nakanishi, 2012