超音波による農業機械の地上高検出

超音波による農業機械の地上高検出

その他（別言語等）

のタイトル

Application of ultrasonic wave to the

measuring of working height of farm equipments

著者 佐藤 禎稔, 宮本 啓二, 松田 清明

雑誌名 帯広畜産大学学術研究報告. 第I部

巻 13

号 4

ページ 281‑286

発行年 1984‑06‑20

URL http://id.nii.ac.jp/1588/00002147/

28l   帝大研軋】3（1984）：281−2S6．  

超音波による農業機械の地上高検出   佐藤禎稔＊・宮本啓二＊・松田清明＊  

（受理＝1983年11月28日）  

Application of Ultrasonic Wave to the Measuring   of Working Height of Farm Equipments   

TadatoshiSATOW＊KeijiMTYAMOTO＊KiyoakiMATSUDA＊  

括   要   

トラクタ用直義作業機の地ヒ高制御は，トラクタの油圧三点リンク・ヒッチ装置によって行   われている。しかL，オペレ一夕はこめ装置の外に，常に，ほ場の凹凸や作物の草丈を監視  

し．油汗昇降レバーを操作しなければならず．繁雑な作業のひとつとなっている。そこで，本   研究は農業機械の地上高検出に超音波測取技術が有効であることに着目し，超音波センサによ  

る地上高検出装置の実用化を試みたものである。   

周波数50kHz′以下の超音波の反射特性は，乾燥し膨炊な土表面ほど滅豪雇が大きく．最  

大．15d8程度の減衰奄生じた。また．試作装置の測距精度はCPUクロック2．5M地 で割   り込み機能を使った場合，分解能が】．4mmの精度が得られた。装置の検出距離については2  

血まで測定可能となり，農業機械への応用としては十分に実用可能な結果を得た。  

出して，自動的に制御する方法が普及Lている。また．  

最近はICコントロールのように，ロータリの整地仮   に取り付けたデブス・センサにより．桝深の変化を角  

度変化として電気的に検出し制御する方法も実用化さ  

れている31。   

しかし，従来の方法は接触式が多く，農業機械につ  

いても非接触式が有利な場合が想定される。本研究は   前述の非接触式測距洩の巾で，農業機械に比較的利用  

可能と思われる超音波による方法に着目した。また，  

本研究は超音波センサから地表面までの距離をマイク   ロ・コンビュ←タを便って計測する装置の実用化を目  

的とし，超音波の上壌条件別の反射特性を明らかにし．  

試作地上高検出装置の作動原理と精度について検討を  

行った。  

l緒  

近年．各種電子装置の進歩に伴い様々なセンサが開  

発され実用化されている。電気的に非接触で対象物休   までの距離を測定する方法としては．レーザ測登，赤  

外線センサ．測坪用光電変換素子，槌音披センサ等が   一般に使われているlり㌧ このような非接触式測距法   の利点は， 

て短いこと，直綾対象物に触れないため破損や摩耗が   少ないことが上げられる。反面，高度の電子装置を必  

要とするため製造コストが高くなることが多い。  

トラクタ相席装作業機の地上高制御については，す   でに多くの研究開発がなされ，油圧三点リンク・ヒッ  

チ装置と作業機との相対角度や作業時の負荷抵抗を検  

＊帯広畜産大学農業工学科農業作業機械学研究室（帯広市稲田町〕  

＊l〕epartment of AgrieulturalEngineering、Obihil・o UnivE）rSity of Agric111turc and Veterlnary    Medicine，Obihiro，Hokkaido，J8parl．  

282   佐藤禎稔ら   

なお．本研究は昭和57年度帯広畜産大学後援会助成   金を受けたことを付記する。  

山 地上古検出装走の作動原理と概要   

1．作動原理   

気体巾尉音速経路温匿巴よって変化し，理想気体で  

は   

t・驚荒（研   

L≒170t   （m）  

と義弟される。こめ伝橋畔開音をマイクロ■コンピュ   ータにより計測することにより．土車面までの潅雛養  

榛山するのがこの装置の傭呼である。   

2．装置の概要   

試作装置の概要を図2に示す。超普汝セ㌢サは中心   辟硬数40kH㌶のものを使用した酪超音教軒数玲粧私   受信時の剃り込み．伝播時間の計測春宵ビ・ソト柳澱   理Z一郎をCPUとしたマイクロ■コンビ1−矛で行  

りた。また，7dログラム言語はインターフェースヘ   の制都信号の入出力や処理速度の高速化，および組み  

込み用マイクロ・コンピュータへ執已欄のために磯増   藷を採用Lた。   

この装置の作動順序馴県次列記す昂。マイタロ・コ   ンピュータのCpUかプロタヤラムに従いパス還介して  

ここに y：青森産  mノ器   テ；比熱比 rごep／ぢゾ   p：圧力  曝7m才   p：密度  kg／m3   浣：′気体定数  

鳳：∧愛子竜  

㌣凋転機虐Ⅶ  

と養わき軋絶対親度の平方偲に比列する。1専断こ讐   熱中でめ音速鹿は次式のよう∈こ表わきれており，  

Ⅴ＝Ⅴ申ノ纂   三三3き1．45＋0．6Q7汐    已こFこ 〜方口用 Cの時⑬音速度3al，亜m／s  

タ；摂氏温度  qご  

ほ笥㌻沿と蕃野空気中の音速度榛診拍mノ召とさ汎て輩  

匂一義糖さこおいては夜宮上、この数倍を使用した拙㌔   

国1に示すように．密音感センサ∈送信素子・相田   離所MA4瓜1sおよ汎受信東予≠同加重A亜も1R）  

を配置し，反射物体まそ由雄郵秀も，音速度量Ⅴと   するよ，亀音披が拗如こ当って戻って凍るまでの伝播   時報tは，  

2L l   

も三■−    ご∩さ止＼・■  

督表ねされ童め 2つめ超音波セ㌢サの間隔が鹿厳いこ   射しで十5郎こ／jlさいとき，ロQS伍≒1となり，  

＼／  

J叉射上表両   国2 て鼓直の概要  

囲】 送受信素子の配置と測定距離  

283   

超津波に上る農禁漁棟の昭上高検出   2．供試装層の稀度実験   

Z一射Cl）Uク〕クロックの違い畢使用する汎用ノヾラレ  

ル．インターフェースの削巨により，プログラムの処  

理速度が変化し測定する距離の分解健が変化するコ   CPU夕ロック2．OhI，乞5Nl，4＿地価kの3種儲と  

1−上〉1（ProgramI苅油k飯ri！｝her且1Interねc￠8255  

Aう．円0（アarallell−1putOu伽t〉の2隆雄の汎用  

インターフェースについて測定精度を求めるために，  

任意の高さに′装置のセンサ部を国定し．土表面までの  

実測高さとその時のループ回数との間で轢頂を右■っ   たひ次に，適当に四凸のあるt衷薗や急常な変化を与  

えるた糾こ箱を置いた壌今の試作装置による測定値の   誤差を求めた。また，、超音波の場合にら反射の法則が  

成り立ち，送受信素子の位直と反射面扮傾斜角既によ   る誤差の関係について実況りした。 

lヽ一 緒果と考襲   

1．土壌条件に対する超音波の反射特性    組旨波は実測の周波数2nkHヱから46k11筈の鞄増   で，発信してから受信する去での時間差をシンクロス   コープで計測することにより，上表画 ∈反射すること   が確認された。   

そこで．高さ別に測定した超背彼の苫の捜さのレベ   ルIsを次式によって求めた結果ナ  

1s＝101酬   ^（rlB）   

ここに EM＝マイクロホン州力端子電圧 V   Es：スピーカ人力端子電圧  Ⅴ   距離による減衰は伝播取離に対して直線的に減衰し，  

理論と一致した。   

超音彼の土壌条件別の反射特性を源ペるた捌こ，ほ  

ぼ全反射する鉄枚に対する減衰竜を求めた。その結架   を図3に示す。鉄板に対する減衰量は周波数の増加に  

伴って大きくなり，上壌条件別では．配瀾密度】．2呂イ   汎用パラレル・インターフ1−スに対して超音波発信  

開始信与チを送り仙す。同時に，CPUはル【プ回数（伝   播時間）のかブント盈開始する。次占こ，′（ニM〔〉SIC  

（Mで1邪11別の2人力NANDゲートをインバータ   接続した発振器から発振される40kIIzの方形波を増   幅回路で1701rの交流電圧に増幅して，送信素子から  

超音断言十表面甚向って発信される。反射波は受信素   子によって受信され，2段のオペ了ンプ（Ⅲ4鋤期  

で52dB増幅L，密猟剛鄭こよF〕交流成分を除去する。  

この整流彼の信弓・が判定倍以上の竜圧の場合，コンパ   レーク回路により反射彼が受信されたことを確認し．  

′Ⅰ・TL（Tran如レ汀Tramistor・Lo緑）レベルで汎  

珊パうレル・インターフェースに受信信号を送るや   CPU甘受倍信号を確認L割り込み処理プログラムに  

ょ畑ループ回数カウント・ルMナンから脱転川1Lて．  

この時むループ回数から反射放が戻って来るまでの伝   播鱒間を計算し土表面までの距痴を検出するのかこ′の  

装置の概要であな  

山 実験装置および方法   1．土壌条件による超音波め反射特性実験    紐帯彼の反射特性を周波数帥こ調べるために，槌音   波発信源としてスビ⊥牒（f OSTEXT√「11部）を，受   信許とLてマイクロホン（SONYl壬Cm卜260F）を使  

川した。この時のスピーカ人力端子の電圧とマイクロ   ホン出力端子の電圧をシックロスコープ（着通SS  

51DO）により測定した。超苫彼の周波数は20kHzか   ら46kHzまで2klIzこせに，諷た，塵音波の伝播距   匪を0．4一丁lから2．付加までn．1て几どとに測定し，伝  

播距離による減衰墨を測定した。供試反射面としては   鉄板と，蓑lに示Lたように，乾燥して軟らかい土（乾  

政上）．湿うて軟らかい土（湿軟土）．湿って硬い⊥〔温   碩十）について実験を行った中   

岡様にLて．中心周波数が4nkHzの超苫波センサ  

での⊥域条件別の反射特性を讃巨汀㍉  

蓑1供誹夏晰何の諸条件  

国3 周波掛こ対する起首彼の上壌条件別の反射特性    55  

佐藤禎稔ら  

誕4   

cm3の湿硬土が最も少なく2dB，次に．1．1g／cma   の湿軟土が3dB，最も反射特性の悪い0．8g／cmヨの   乾軟土では最大13d￡の減衰となり，土壌の湿潤密度   が小さいほど減衰量が大きい傾向を示している。また．  

各土姐において，周波数が幼魚Hヱから貌knzまで   は減衰邑が2d王】から10dBに減少するのに射し．知   kHz以上になると18dBから13dBと減衰呈の変化   割合が少なく克る。従って，上記の結果から．農業機   械正利用する鳴禽．反射彼の利得の点では低い周波数   帯域が有利となるが．機械の発する騒音等を考慮して   沈鐘する必要がある。   

次に．発振周波数朝kHzの超音波センサ！己ついて．  

鉄板に対する土壌条件別の反射特性を図dに示す。含   水比36％，産瀾密度1．2g／cmヨの固まった土壌め場   合，0．5dBと鉄板に対する減衰量は少ない。しかL．  

含水此2＆乳1．Og／cmきの乾煉し膨軟な七堤では名．S   dBと減衰崇も大きい。また，同じ萄潤密度でも含水   此g呂％の土土郵ま含水比誕％の土壌に比べて2dBか  

ら5dBほど反射特性が低下している。   

これらの理由は音波の反射特性が周波数や反射物体  

の密度の影響を受け，密度が小さく間隙水の少ない土   壌ほど土粒子の動きが自由となり，音のエネルギーを   松子の振動として吸収してしまうので，乾埠して膨軟  

な土壌では超音波の減衰が大きくなるためと考える。  

従って，このような条件のほ場では，超音波の減衰染   が15dB程度低下すること春着慮して測確装直を製   作する必要がある。  

留った。一方，2．5MHzの場合は2．￠MH2より処理   速匿が25男＝司上し分解能が3．8mmとなり．さらに   割り込みモード使用可能なPlOを便「た場合は，分   解能が1．4mmとなり約4倍向上した。また，4．白   MlizでPlOを使用した場合は分解能が1．1mmま   で向上した。   

さらに，分解能巻向上させる必要がある場合には   CPUクロックの周波数を高くし．プログラムの処理  

速度を上吼一定時間内のループ回数を多くすること  

により可能である。また，汎用パラレル▲インターフ   ェース等を使用する場合は，割り込み磯能を活用出来  

るものを速足することも重要である。→般的な廃業機   械にこの装置を利用する場合は，CPUクロック2、5  

MHzで汎用パラレル・インターフェースとしてPIO  

を使うことで十分な分解能を得られると考える。   

次に．反射面に高低変化を与えた場合の試作装置に   よる漁11定結果を囲5に示す。緩やかな凹凸のある土表  

面ではト比較的平らな部分では実測値とよく→致して  

いるが，斜面では最大4cm（10兇〉）の誤差を生じて   いる。誤差の原因としては．斜面でセンサ部と反射面   の相対角度が変化し担音波が鉛直入射に対し，斜面で  

横方向に反射するため受信か不確実となり誤差が生じ  

たと考える。   

また．急激な変化のある場合で，実線で示されてい   るように高さが急激に変化する側面では，実測値に対   して10cm程度高く測定されている。これは．送信素   子から発信された隠者汝がある程旺の範囲に広がり．  

その範囲の中で近い所からの球面反射波を受信してし  

まうためと考える。このように測定する反射面の高さ   が急激に変化する場合，この装置は高い認分からの反  

射波の影響を受け，頻繁に高低変化のある場合にほ高  

一一  

︹pP︶朝餉繁噂︷亙−是滋   ′り 2 ＄ 4 ハU・・斗  

︵∈ヱ  

囲4 超音波の士境条件別の反射特性   2，供試装讃の精度   

3種類のCPtJのクロックでのループ回数と芙測距   離との関係を見ると，クロック2．OMHzで割り込み   毛−ドのないPf〉Ⅰ（8255A）の場合は，常時卜反射波   受信の信号ビットをプログラムで検索するため叱．プ   ログラム由負荷が大きくなるので分解能が4．71加¶に  

′b 2 eU・4 ∩︼一斗  

勅  櫨  

囲5 実測値と装置による測：走結果   

285  

超音波による農業機械の地上高検山  

Ⅴ 結   論  

超音波センサによる農業機械の地上高検出装置の実  

用化を目的とし，組音波の土壌条件別の反射特性を明   らかにした。次に．超音波センサとマイクロ・コンピ   ュータを用いた試作装置を製作し，その精度を調べた   結果，以下の結論を得た。  

1．拙者彼の土壌条件別の反射特性ほ，乾燥し膨軟な  

⊥壌ほど減衰量が大きく，最大15dIう程度の減衰を生   じる。試作装直では送信素子電圧170Vで高さ2mま   で測距可能であった。  

2．試作装置の測拒構皮はCf）Uの処理速度に関係が   深く．CFUがクロック2．5MIIzZ80で割り込み機   能を使った場合，分解能が1．4mmの精度が得られ  

農業機械用としては十分な精度と考える。  

3．試作装置による取離の測定値は反射面が平らな場   合には実測値とよく一致する。また．測定する高さが   頻繁にかつ急激に変化する場合，測軍値は高い部分に   追従し平滑化される。  

4．超音波送受信素子の位置により，反射面の傾斜角   が25産前後まで測定誤差10mm以内で距離を測定す   ることが可能である。   

以上のことより超音波による測距法は農業機械に十  

分応用可能であると考える。  

参 考 文 恵   

1）高橋 清・′ト長井誠＝センサ技術新時代 工業調   査会19〔軋  

2）高橋 楕他：センサ自 科 日刊工業新聞社1983．  

3）阿部勝寛＝耕深・速度制御トラクタとは何か 機   械化農業 26−28 8．】979。  

4）実菖・菊池・能本 監修＝起音波技術便覧 R刊   工業新聞社1165〜1177 ユ978．  

5）西l＝㍉亀谷・LtJ□・奥島：音響振動工学 コロナ   社1−161981．  

6）藤森聴雄：やさい、超音波の応用 産稲畑版    1982．  

7）榊・緑木・波磨＝周辺装置の製作 アスキー出版    1982。  

8）阿部利男他：センサ・インターフユーシング    仙3CQ出版1983．   

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∴−▲ト  瑚溢型貫︵矩盟g巨︻勅櫨掴窟  

20   0  

反射傾斜角   β（山 

図6 反射面の傾斜角と送受信素  

子の位眉に対する測定誤差   

い部分に追従して測定値が平滑化される樽姓を持って  

いる。   

滑らかな斜面の傾斜角度に対する送受信素子の位眉  

による測定誤差の関係を図8に示す。送受信素子の位  

置が①のように斜面に対して送信素子か谷側に位置す  

る場合には傾斜角10度前後まで距離1mに対し．誤   差が10mm以内で受信か可能である。また，①とは   反対の位置④の場合は25産まで測定可能である。両者   の中隊である㊥の場合では18産まで測定可能である。  

なお，図中の無限大の誤差は反射波が戻って来ず測定   不可能なことを意味している。   

は場においては，上表面の凹凸も多く．ごくわずか   でも平らな部分が存在するので．その部分で短音凌が   反射L，反射波の受イ言が可能であると考える。この装   置では1cm2以ヒの平鹿があれば十分に反射波が受   信され酬町可能であった。丁吏た．受信素子を送信素子   の周りに複数個配置すれば．土表而の凹凸が激しくと  

も測定が可能と考える。  

57  

佐藤禎稔ら  

286  

Summary   

「11Ile pし1rpOSe Or this studyls the practical   appliぐati餌T由一u】tra紬niぐW乱Ve SenSPr tO the   皿CaSuring oflVOrking h8ight of farm oq111p−  

menも巨江口d to find outthe ultr良S〔）nic reflecti（）n   cbaraぐもenstics ur soil．rllhe昇utbors madethe   trial卵・Stem Whichi8eOmpOSed of an11ユtra一   糸OniむもfaIISmittビr，SemSぐ）r and aI18b止s rni（ニrO   COmputer Sy8tem，and（：heckedけte measu−■iTl首   鼠cctユraey Of t】1is systom．   

The resⅦ1tB Obt8il】ed were as rollo，入・S：  

1．In uitra温ロnic reflecti（〕n ごh畠柑Cteri8fごぢ，  

軌e drier and freertIle SOilcondition6∂re，the   higherth占returnloss ofreflectedsoundl粗VeS   is．Itis TleCeSSary tC・SuP、ply adequaもe pol＼rer   to thc ultrasonic transmitterin orderto obもain   det舘table「er】e〔豆e（i＼相VeS，Simcやthemaxim11m   rgtlユml昨bi浅15 dβeil）els．Tllis syst群n C已n  

m組Sur弓up tO2meLer冒in height at170volts   虹）r th￠Er8nSlnitter．   

2．「11Ile且CCuraCy Of this t∫ialaystem has a   close cbnrIe血l）JIWitllthe pr（）CeSSlng Speed clf   CPU，Tllemea裏u日工唱11eSOluti仁）nOfthissyるもem   i量1．4mlllill18terS When usi喝2．5㍉†H宕CI）U   clo∈ks and aninl肥Fl・uPt rTlく）de o∫parallelin   terl、ac（・．   

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