サトウキビ収穫機のスマート農機化に向けた
アシスト技術に関する調査研究

 

　南西諸島の小型サトウキビ収穫機への低コストで導入可能な操作アシスト技術の開発に向け、以下の三つの事項について基礎的知見を収集した。

　（1）植え付け以外の管理作業時に取得した作業軌跡データから、収穫経路となる畝(うね)位置を推定する新たな手法について
　（2）収穫機の旋回や作業効率に大きく影響する枕地幅の実態を調査し、枕地幅と圃場(ほ じょう)条件との関係性について
　（3）サトウキビの倒伏状態など収穫作業に影響を及ぼす作業条件とオペレータの操作特性との関係性について

　これらの結果から得た基礎データを基に、今後は小型収穫機の現況に即したアシスト機能のさらなる開発・研究を推進する。

　サトウキビは、沖縄県および鹿児島県の南西諸島の基幹作物である。同地域では、毎年のように台風が通過し、沖縄県における令和5（2023）年産のサトウキビは、台風に伴う倒伏などの被害もあり、10アール当たりの単収は5046 キログラムと、前年産の5391キログラムから約6.4％減少した^1）。一方で、こうした被害がある中でも収穫作業などにおける機械化が進み、省力化の推進、さらにはスマート農業技術の導入などが進められている。

　サトウキビの収穫作業において、収穫機の導入は進められているものの、狭小な圃場(ほ じょう)が多いことから、普及しているのは主に小型収穫機であり、その刈り取り操縦には熟練した技術が必要とされている。担い手不足や熟練者の高齢化に加え、操縦技術の習得に時間を要することなどから、収穫機のオペレータ不足の発生が懸念されており、こうした問題を解決するため、南西諸島の小型サトウキビ収穫機の使用に当たり、低コストで対応可能な操作アシスト技術の開発が求められている。

　具体的には、収穫機の走行部と刈り取り部の操作のアシスト技術を開発することで、困難な作業が容易となり、未熟練者の操作が可能になる。走行操作については、GNSS（Global Navigation Satellite System：全地球航法衛星システム）を活用して畝筋を明らかにし、履帯式の走行装置でも畝筋に沿った走行ができるよう、操作をアシストする技術が求められる。また、刈り取り操作については、画像センサーなどから株の状況を判断し、株を刈り取る際のベースカッターの刈り高さ、進行速度などを最適化できるように操作をアシストする技術が必要とされる。

　これらの技術は、前述の通り、現在南西諸島で普及している小型収穫機に適用可能なことが求められる。そのため、大型収穫機で求められる高度なロボットなどの自動運転を目指すものではなく、小規模圃場を経営する生産農家にとって実用性が高く、低コストかつ自助努力で対応できるアシスト技術である必要がある。

　本調査研究は、南西諸島の小型サトウキビ収穫機について、低コストで対応可能な操作アシスト技術を開発することで、機械操作を容易化・高度化し、未熟練者でも操作が可能となることを目指した。そして、このアシスト技術によってオペレータ不足などの問題を解決することを目的とし、小型サトウキビ収穫機の走行性と刈り取り操作性について検証を行った。

　一般に、小型の農業機械は、大型機械と比較して作業能率が低く、費用対効果の観点から装備が簡素化されるため、自動運転などの先端技術の導入が難しい。そこで、経路ガイダンスなどの安価なオペレータ支援技術が有効であるが、南西諸島においてGNSSを用いた作業分析^2）は見られるものの、GNSSを用いたオペレータ支援の導入事例はあまり見られない。先行研究では、大型機械向けのGNSS自動操舵システム^3）が提案されているが、数年に一度の新植データ取得が前提となっており、即時普及には至っていない。

　ここでは、沖縄本島中南部のサトウキビ圃場において、植え付け以外の管理作業軌跡データから、収穫経路となる畝位置の推定のための新たな手法を検討した。これにより、オペレータの負担を軽減させ、収穫ロスを極力抑えた刈り取り作業を実現できる可能性がある。

　実験は二つの試験圃場において行った。管理作業の軌跡データを記録し、その作業軌跡を用いて推定畝位置を算出し、実際の畝位置との差を比較した。

　初めに、琉球大学亜熱帯フィールドセンター内のサトウキビ圃場（土壌：島尻マージ。以下「琉大圃場」という）でデータ取得した。畝の位置情報は自作の測定具（図1）に取り付けたGNSS受信機（Softbank LC01）が畝（サトウキビ株）の直上を通過するようにして取得した。GNSS受信機はネットワーク型RTK-GNSS（観測点の測定値と、データ通信を利用し受信した仮想基準点のデータを用いて観測点の位置を決定する方式。RTKはReal Time Kinematicの略）でサンプリング周波数は1ヘルツとし、7畝分のデータを取得した。

 

　計測した作業軌跡と実際の畝位置のデータを比較すると、作業軌跡は畝位置に平行に記録されることが分かる。これは、記録した作業が高培土であるため、耕うん機やトラクタが畝間を走行するためである。従って、作業軌跡から実際の畝位置を推定する方法として、作業軌跡のデータから線形回帰により作業軌跡を直線に近似し、その後、その直線を平行移動することで畝位置を直線で推定することとした。作業の種類、畝幅などに応じ、平行移動する距離となるパラメータを決定すれば、畝位置の推定が可能となる。

　前述の手法で取得した作業軌跡データを用いて畝位置を推定し、実際の畝位置との差を算出した。琉大圃場においては、5畝分のデータを対象として解析を行った。その結果、畝位置推定誤差の平均値が最も大きかったのは5畝目で0.58メートル、最も小さかったのは4畝目で0.11メートルであった（表1）。図4には、琉大圃場における推定畝位置の代表例として、誤差の小さい畝（j=4）および誤差の大きい畝（j=5）を示す。

　沖縄県においては、サトウキビ収穫作業の省力化を目的として収穫機（ハーベスタ）の導入・普及が進められており、その役割は今後さらに重要になってくると考えられる。しかしながら、収穫機の円滑な作業を前提とした圃場条件の整備だけでは必ずしも十分とは言えず、いくつかの課題が残されている。特に、収穫機の旋回や作業効率に大きく影響する枕地（農業機械が切り返しなどを行うため、圃場の端に設けられた場所）幅については、適切な幅が確保されていない圃場が存在する可能性が指摘されている。一方で、実際の圃場における枕地幅の状況については、十分な実態把握がなされておらず、その現状は明らかではない。ここでは、沖縄県内のサトウキビ圃場を対象に、枕地幅の実態を調査し、枕地幅と圃場条件との関係性について考察することを目的とした。

　本研究では、図6に示したようなサトウキビ収穫機（松元機工製　MCH-30WEC）を使用した。GNSSによる計測項目は、端末日時、緯度および経度とし、これらのデータを作業分析の対象とした。調査は沖縄県本島南部に位置する八重瀬町、南城市、糸満市の三つの市町で、一方向刈りを行っている20筆の圃場を対象として行った。
 

　サトウキビ収穫作業における枕地の平均幅を求めるため、GNSSによって取得した収穫機の作業軌跡データをGIS（Geographic Information System：地理情報システム）上で解析し、QGIS（GISを使用するためのオープンソースソフトウェア）を用いて分析環境を構築し、農林水産省が公開している「農地の区画情報（筆ポリゴン）」および国土地理院の衛星画像をベースマップとして重ね合わせ、圃場位置を明確化した。筆ポリゴンおよび衛星画像は、同一座標系上で表示した（図7）。次に、収穫機に搭載されたGNSS端末から取得した測位データをCSV形式でダウンロードし、QGIS上にポイントデータとして読み込むことで作業軌跡を可視化した。測位データには経度・緯度および測定時刻が含まれており、座標系にはWGS84（EPSG：4326）を用いた。

　各圃場における枕地幅の分布を図9に示す。作業分析の結果、調査対象圃場の枕地幅は一様ではなく、圃場間で大きなばらつきが認められた。枕地幅の最小値は2.185メートル、最大値は13.957メートルであり、広い範囲に分布していることが確認された。度数分布を見ると、枕地幅が2〜3メートルの圃場が最も多く、全体としては5メートル以下の枕地幅を有する圃場が多数を占めていた。一方で、10メートル以上の比較的広い枕地幅を確保している圃場も一部に認められた。

　前述の通り、沖縄県内においては小型サトウキビ収穫機が広く利用されている。しかし、収穫作業中の実際の作業状態や走行速度の変化については、オペレータの経験的な判断に依存する部分が多く、作業効率に影響する要因を把握した研究は十分ではない。特にサトウキビの倒伏状態などの作業条件は、機械の走行速度や作業効率に大きく影響すると考えられ、このときのオペレータの操作特性を把握することが操作アシスト技術を開発するために必要となる。ここでは、GNSSによる位置情報と、収穫機のキャビン内から撮影した360度映像を組み合わせ、小型サトウキビ収穫機の作業状況およびサトウキビの倒伏状態などを記録し、収穫作業中の作業条件と作業操作特性の関係について検討することを目的とした。

　調査は2026年1月12日、15日、19日の3日間にわたり、沖縄県読谷村にあるサトウキビ圃場において実施した。対象機械は、小型サトウキビ収穫機（松元機工製 MCH-30WEC）を用いた。機械には、キャビン内の作業状況を記録するための全方位カメラ（Insta360 X5）、および車両位置を取得するGNSS受信機を搭載した。映像は30フレームレート、GNSSは1ヘルツで記録し、車両の位置と映像による作業状況を対応付けることを可能とした。

　取得したキャビン内の映像を目視で確認し、収穫作業中の刈り取り区間を判定した。また、追い刈りの有無、サトウキビの倒伏状況、オペレータの操作状態などを確認した。得られた画像情報から、サトウキビの倒伏状況とオペレータの操作特性について分析した。

　図10に収穫機の操作レバーを示す。No.1〜No.5は刈り取り部・走行・出力に関する連続調整系、No.6〜No.10は作業部の駆動・停止を切り替える ON/OFF系、No.11〜No.15は収納台・収穫袋・エクストラファンに関する補助操作系である。
 

　キャビン内の映像を目視で判断し、サトウキビの状況を、1）茎が真っ直ぐに立っている（非倒伏）、2）茎が進行順方向に倒伏している（追い倒伏）、3）茎が進行逆方向に倒伏している（向かい倒伏）、そして4）茎が複数方向に倒伏している（乱倒伏）の四つに分類した（図11）。

　南西諸島の基幹的作物であるサトウキビの収穫作業において、収穫機の導入は図られているが、サトウキビの刈り取り作業には、収穫機の操縦に熟練した技術が必要とされている。本調査研究は、南西諸島の小型サトウキビ収穫機について低コストで対応可能な操作アシスト技術を開発することを目的に、収穫機の走行部と刈り取り部の作業支援に関する調査を行なった。

　まず、走行部に関しては、走行位置を明確化する目的で、管理作業において畝の位置を正確に把握する手法を開発し衛星測位システム（GNSS）を用い、畝筋を数センチレベルの精度で確定する技術を開発した。また、旋回作業に重要な枕地幅の調査・解析を行い、必要な枕地幅について知見を得た。刈り取り部に関しては、圃場のサトウキビの状態とオペレータの作業状況を画像情報などで記録した。その結果、サトウキビが複雑に倒れる乱倒伏時には、オペレータによるクロップディバイダの高さ調整操作を行うことで刈り取りを行っていること、また、搬送部の詰まりを解消するための操作が行われていることについても確認された。これらよりオペレータのベースカッターやクロップディバイダの操作特性に関するある程度の知見が得られた。

　完全自動化による収穫作業の実現には、高度な制御技術の導入や機体構造の大幅な改変が必要となり課題が多い。一方で、操作アシスト技術は、導入障壁が低く、既存機械への後付けが可能であることから、現場への普及性が高い技術として期待される。今後は、これらの結果から得られた基礎的知見を踏まえ、小型収穫機の現況に適合した操作アシスト技術の開発をさらに推進し、地域農業における省力化技術の普及に貢献することを目指す。

　調査にご協力頂いた朝比奈大地氏（沖縄県読谷村）にお礼申し上げます。また、データ整理は、末吉わかな氏（琉球大学農学部学生）に協力をいただきました。なお、本調査は独立行政法人農畜産業振興機構の令和7年度砂糖類及びでん粉関係学術研究委託調査により実施したものです。

【引用文献】
1）沖縄県農林水産部糖業農産課（2024）「沖縄県における令和5年産さとうきびの生産状況について」『砂糖類・でん粉情報』2024年9月号、pp50-55、独立行政法人農畜産業振興機構
2）鹿内健志、官森林（2020）「GNSS、ドライブレコーダを活用した農作業データの収集」『農作業研究』55巻3号、pp163-167、日本農作業学会
3）上野正実、川満芳信、渡邉健太（2021）「ウフスマ・プロジェクトの終了とさとうきびスマート農業時代の幕開け」『砂糖類・でん粉情報』2021年7月号、pp46-56、独立行政法人農畜産業振興機構