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> 大型ドローンによる作業能率や散布精度の検証（鹿児島県 令和３年度）
全国農業システム化研究会｜提案一覧
農業用ドローンは多様な機種が存在が市販化されており、その性能はさまざまである。
そこで、営農現場で広く普及しているＭＧ－１ＳＡＫ及びＴ２０Ｋの性能を比較する。
あわせて農業用ドローンの散布精度に関わってくるダウンウォッシュの測定方法を確立する。
●農業用ドローン（Ｔ２０ＫおよびＭＧ－１ＳＡＫ）
Ｔ２０Ｋ（左）、ＭＧ－１ＳＡＫ（右）
●主要諸元
ＭＧ－１ＳＡＫは散布幅４ｍ、最大散布速度２０ｋｍ／ｈ、タンク積載水量１０Ｌ、ノズルはＴＸ－ＶＫ８を使用。
ＭＧ－１ＳＡＫに比べて大型であるＴ２０Ｋは、散布幅６ｍ、最大散布速度２２．５ｋｍ／ｈ、タンク積載水量１２Ｌ、ノズルはＸＲ１１００１５ＶＳを使用した。
１．試験内容と試験時期
○試験１ 複数の小規模ほ場における作業能率の検証（令和３年７月）
○試験２ 風速の違いによる散布精度への影響の検証（令和３年７月）
○試験３ ダウンウォッシュ測定手法の確立（令和３年７月～１０月）
２．試験区の構成
＜試験１ 複数の小規模ほ場における作業能率の検証＞
ＭＧ－１ＳＡＫは操縦者１名、Ｔ２０Ｋは運搬に２名を要するため、操縦者１名と補助者１名とした。
散布面積は、２０ａ～５０ａ区画のほ場を５筆用意し、計１５０ａとした。
ドローンの飛行方法は自動飛行モードとした。
ほ場１筆の散布完了後、散布終了地点でホバリング（一定の位置にとどまりながら飛行している状態）し、次のほ場を送信機上で呼び出し散布した。
＜試験２ 風速の違いによる散布精度への影響の検証＞
散布精度試験は、強風・弱風条件それぞれにおいて、ＭＧ－１ＳＡＫとＴ２０Ｋを同時に飛行させ、計２フライト行った。
評価は感水紙を用いた。
感水紙は、ドローン飛行ラインの直下、風上側－１ｍ、－２ｍ、－３ｍ、－４ｍ、－５ｍ、－６ｍ、風下側に１ｍ、２ｍ、３ｍ、４ｍ、５ｍ、６ｍ、８ｍ、１０ｍの１５カ所に一列に設置し、５ｍ間隔で３列用意した。高さは６０ｃｍで設置した（図２）。
感水紙は薬剤散布後、速やかに回収、乾燥し、スキャナで画像を取り込んだ。
感水紙は、薬液が付着すると青色に変色する（図３）。全体のうち、青く変色した部分の占める割合を算出することで被覆率が得られる。そこで、取り込んだ画像について、感水紙被覆面積率算出ソフトウェア（窪田ら、２０１０：農業・食品産業技術総合研究機構）を用いて被覆率を算出した。風向・風速は、超音波風向風速計ウィンドソニックで測定した。温度・湿度は、「ＴａｎｄＤおんどとりＪｒ．ＲＴＲ－５０３」で測定した。
図１ 散布精度試験の様子
弱風条件、強風条件それぞれ、Ｔ２０Ｋ、ＭＧ－１ＳＡＫの２機を同時に飛行。赤いもやの部分に感水紙を設置し、中央の青い丸で示したところには、風速計を設置
図２ 感水紙の設置方法
図３ 薬液付着後の感水紙（左：付着多､右：付着少）
＜試験３ ダウンウォッシュ測定手法の確立＞
ア ダウンウォッシュ測定装置及び測定方法
ドローンのダウンウォッシュ（吹き下ろしの風）の測定手法を検討した。
測定装置は、鋼製材で作成した約１５ｋｇの土台中央にロードセルLC4102－K015（定格容量１５ｋｇｆ）を固定し、ダウンウォッシュからの力を受ける天面（１００ｃｍ×１００ｃｍ）はボンデ鋼板で作成しロードセルに固定した。記録はデータロガーＤＣ３１００を使用して行った。（図４）。
図４ 測定装置一式
測定は地上に設置した測定装置上空をドローンがホバリング（３０秒間）している時に生じた力、また、縦に並べた２つの測定装置上空をドローンが通過（５往復）したときに生じた力を計測した（図５）。
風向・風速は、超音波風向風速計ウィンドソニックで測定した。
※ 力の評価 ：本試験では１㎡にかかるダウンウォッシュによる荷重とした
図５ 測定のイメージ
天板の大きさ：１ｍ×１ｍ
ドローンが測定装置真上でホバリング、また通過時のダウンウォッシュにより天板にかかる力（単位：ｇf/m2）を測定
イ 評価方法
本試験で供試したデータロガーＤＣ３１００は、１０回／ｓで記録ができる。また、試験時の風や、機体のわずかな高度・飛行位置の違いにより、測定する力は変動する。
そのため、ホバリング時の測定は、３０秒間で記録した測定値のうち、ＴＯＰ３０の平均でダウンウォッシュの力の差を評価した。通過時の測定は測定装置上空を機体が１０回通過するため、１０回の各通過時における最大の測定値のうちＴＯＰ５の平均で評価した。
１．ＭＧ－１ＳＡＫ及びＴ２０Ｋの主要諸元
ＭＧ－１ＳＡＫは散布幅４ｍ、最大散布速度２０ｋｍ／ｈ、タンク積載水量１０Ｌ、ノズルはＴＸ－ＶＫ８を使用。
ＭＧ－１ＳＡＫに比べて大型であるＴ２０Ｋは、散布幅６ｍ、最大散布速度２２．５ｋｍ／ｈ、タンク積載水量１２Ｌ、ノズルはＸＲ１１００１５ＶＳを使用した。
２．複数の小規模ほ場における作業能率の検証
Ｔ２０Ｋ（０．８Ｌ／１０ａ）の１ｈａ当たりの合計時間が１８．１分でＭＧ－１ＳＡＫ（０．８Ｌ／１０ａ）の２２．７分に比べて約２割短くなった。
同様にＴ２０Ｋ（１．６Ｌ／１０ａ）の１ｈａ当たりの合計時間が１８．８分で、ＭＧ－１ＳＡＫ（０．８Ｌ／１０ａ）の２４．９分に比べて約２割短くなった（表６）。
表６ 作業能率試験結果
大規模面積（２ｈａ×２筆）における作業能率試験では、Ｔ２０Ｋ（０．８Ｌ／１０ａ）の１ｈａ当たりの合計時間がＭＧ－１ＳＡＫ（０．８Ｌ／１０ａ）の合計時間に比べて約３割短くなっているが、今年度実施した複数小規模面積における作業能率試験では約２割短縮となっており、このことから、Ｔ２０Ｋは大規模ほ場で使用することで、より能力を発揮することが示唆された（表７）。
表７ 作業能率試験結果（大規模面積試験と小規面積試験の比較）
３．風速の違いによる散布精度への影響の検証
感水紙を使用して被覆率により評価した。
弱風条件においては、Ｔ２０Ｋの被覆率は飛行直下（０ｍ地点）で最も高く２．６％となっており、ＭＧ－１ＳＡＫの１．３％に比べて高かった（図６）。
強風条件においては、両機体とも被覆率は風下側２ｍ地点で最も高かったが、Ｔ２０ＫがＭＧ－１ＳＡＫに比べて全体的に被覆率が高い傾向にあった（図７）。
これらのことから、Ｔ２０ＫはＭＧ－１ＳＡＫに比べてダウンウォッシュが強いことが示唆された。
図６ 感水紙被覆率の比較（弱風条件）
図７ 感水紙被覆率の比較（強風条件）
４．ダウンウォッシュ測定手法の確立
ロードセルＬＣ４１０２－Ｋ０１５（定格容量１５ｋｈｆ）を使用して測定装置を制作した。
測定装置の上空を機体が通過及びホバリングさせた時の２パターンで、ダウンウォッシュによる力を測定した。
タンクに積載する水の量を増加させた場合、ＭＧ－１ＳＡＫ、Ｔ２０Ｋどちらも圧力は積載量の増加に伴って大きくなる傾向にあった（図８、９）。
図８ 測定装置上空通過時の測定結果
図９ ホバリング時の測定結果
このことから、機体の総重量が大きいほどダウンウォッシュが強くなることが示唆された。
また、作業速度を変更した場合、ＭＧ－１ＳＡＫ、Ｔ２０Ｋどちらも力は作業速度が遅い方が大きかった（表１０）。
作業速度を落とすことで、単位時間当たりの記録回数の増加に伴って測定の精度が上がり、結果として圧力の最大値を記録しやすくなることが要因と考えられた。
図１０ 作業速度変更による差
今後は、記録回数が１０００回／sレベルのデータロガー（※）を使用し測定の精度を向上させ、機体や気象条件とダウンウォッシュの関係性を検証する。
※ 本試験で使用したデータロガーは１０回／s
