CC BY
8
Вестник аграрной науки Дона. 2022. Т. 15. № 4 (60). С. 29-44. Don agrarian science bulletin. 2022; 15-4(60): 29-44.
Научная статья
УДК 623.746.-519:631.4
doi: 10.55618/20756704_2022_15_4_29-44
EDN: XLBXGC
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Бадма Катинович Салаев1, Александр Анатольевич Серёгин1, Валерий Андреевич Эвиев1, Алдар Батырович Мучаев1, Наталья Александровна Глечикова2, Игорь Викторович Юдаев3
1Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова, Республика Калмыкия, г. Элиста, Россия, [email protected]
2Азово-Черноморский инженерный институт - филиал Донского государственного аграрного университета, Ростовская область, г. Зерноград, Россия, [email protected] 3Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина, г. Краснодар, Россия, [email protected]
Аннотация. В статье рассмотрены виды беспилотных летательных аппаратов и возможность применения в сельском хозяйстве, проведен анализ их отличительных конструктивных особенностей. Описаны преимущества и недостатки. Осуществлена попытка классифицировать производственные процессы, которые выполняются с помощью беспилотных летательных аппаратов при производстве продукции растениеводства и животноводства. Выполнен анализ технологических операций, в которых использование беспилотников позволяет аграриям существенно повысить эффективность производства сельскохозяйственной продукции. Рассмотрена возможность использования беспилотных летательных аппаратов для совместной работы машинно-тракторных агрегатов и сельскохозяйственных машин с целью повышения их эффективности и повышения производительности труда при выполнении технологических операций, таких как вспашка, культивация, дискование, посев и прикатывание и т.п. Описан один из видов основной обработки почвы и проанализированы исследования в области влияния влажности на удельное сопротивление почвы и тяговое усилие при вспашке. Также выполнен анализ влияния влажности почвы на удельный расход топлива. Приведены расчетные зависимости, доказывающие, что агрофизические условия поверхностного слоя почвы влияют на энергетические затраты при выполнении механизированных работ машинно-тракторным агрегатом при глубокой обработке почвы. Установлено, что повышение эффективности функционирования машинно-тракторного агрегата за счет снижения энергетических затрат в процессе выполнения сельскохозяйственных работ по основной обработке почвы обеспечивается при влажности почвы в диапазоне 15-23%. Мониторинг агрофизических условий поверхностного слоя почвы в части определения её влажности предложено проводить с помощью беспилотных летательных аппаратов. Обозначены возможные факторы, сдерживающие их использование для повышения эффективности функционирования машинно-тракторных агрегатов.
Ключевые слова: беспилотные летательные аппараты, технологический процесс, машинно-тракторный агрегат, обработка почвы, агрофизические условия, влажность почвы, энергетические затраты
© Салаев Б.К., Серёгин А.А., Эвиев В.А., Мучаев А.Б., Глечикова Н.А., Юдаев И.В., 2022
Для цитирования: Салаев Б.К., Серёгин А.А., Эвиев В.А., Мучаев А.Б., Глечикова Н.А., Юда-ев И.В. Анализ применения беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве // Вестник аграрной науки Дона. 2022. Т. 15. № 4 (60). С. 29-44.
Original article
ANALYSIS OF USING UNMANNED AERIAL VEHICLES IN AGRICULTURE
Badma Katinovich Salaev1, Alexander Anatolyevich Seregin1, Valery Andreevich Eviev1, Aldar Batyrovich Muchaev1, Natalya Aleksandrovna Glechikova2, Igor Viktorovich Yudaev3
1Kalmyk State University named after B.B. Gorodovikov, Republic of Kalmykia, Elista, Russia, [email protected] 2Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of Don State Agrarian University in Zernograd, Rostov Region, Zernograd, Russia, [email protected]
3Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin, Krasnodar, Russia, [email protected]
Abstract. The article considers the types of unmanned aerial vehicles and analyzes their distinctive design features as well as the possibility of applying them in agriculture. There have been described their advantages and disadvantages. An attempt has been made to classify the production processes that are performed when applying unmanned aerial vehicles in the production of crop and livestock products. There has been conducted an analysis of technological operations involving drones that allow farmers to significantly improve the efficiency of agricultural production. The possibility of applying unmanned aerial vehicles for the combined operation of machine-tractor units and agricultural machines is considered in order to increase their efficiency and increase labor productivity when performing technological operations, such as plowing, cultivating, disking, sowing and rolling, etc. There have been described one of the types of basic tillage and analyzed the studies in the field of the effect of moisture on soil resistivity and traction during plowing. There has also been analyzed the effect of soil moisture on specific fuel consumption. The article presents the calculated dependences proving that the agrophysical conditions of the surface layer of the soil affect the energy costs when performing mechanized works by a machine and tractor unit during deep tillage. It has been established that an increase in the efficiency of the machine and tractor unit by reducing energy costs while performing agricultural works on the main tillage is provided with soil moisture in the range of 15-23%. It is proposed to monitor the agrophysical conditions of the soil surface, in terms of determining its moisture content, to be carried out using unmanned aerial vehicles. Possible factors holding back their use to improve the efficient operation of machine and tractor units are indicated.
Keywords: unmanned aerial vehicles, technological process, machine and tractor unit, tillage, ag-rophysical conditions, soil moisture, energy costs
For citation: Analysis of using unmanned aerial vehicles in agriculture. Salaev B.K., Seregin A.A., Eviev V.A., Muchaev A.B., Glechikova N.A., Yudaev I.V. Vestnik agrarnoy nauki Dona = Don agrarian science bulletin. 2022; 15-4(60): 29-44. (In Russ.)
Введение. Беспилотная авиация в последние годы интенсивно покоряет отрасли сельского хозяйства как в отрасли растениеводства при возделывании сельскохозяйственных культур и животноводства при мониторинге места выпаса и контроля здоровья животных, так и в инвентаризации земельных угодий и технических средств. Беспилотные летательные аппараты по экономической эффективности использования для многих аграриев обеспечивают снижение затрат на производство сельско-
хозяйственной продукции. Возможности применения беспилотников в сельском хозяйстве оказались гораздо шире их изначального основного назначения. Так, беспилотная авиация помогает сельскохозяйственным товаропроизводителям в создании электронных кадастров полей, борьбе с вредителями и болезнями растений, в выявлении проблемных зон угодий, прогнозировании урожайности.
Дроны в сельскохозяйственном производстве - это прежде всего повышение про-
изводительности труда при снижении издержек производства и оптимизация технологических приемов и операций. Однако применение беспилотников требует от аграриев соблюдения определенных условий.
Согласно Федеральному закону от 03.07.2016 № 291-ФЗ «О внесении изменений в воздушный кодекс Российской Федерации» беспилотные летательные аппараты (БПЛА) подлежат обязательной сертификации. Выдача сертификата подтверждает соответствие требованиям к летной готовности беспилотного средства и охране окружающей среды. Управлять дроном может только внешний пилот, имеющий регистрационный документ.
Несмотря на все препятствия и недостатки в использовании беспилотных летательных аппаратов в гражданских целях, они все больше находят применение в раз-
личных отраслях экономики и, прежде всего, в сельскохозяйственном производстве.
Цель исследований заключается в комплексном анализе использования беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве и определении их применения для повышения эффективности функционирования машинно-тракторных агрегатов на полевых работах за счет снижения энергетических затрат.
Материалы и методы исследований. На основе информационно-аналитических исследований выполнен анализ применения беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве и рассмотрена необходимость их использования для определения агрофизических условий поверхностного слоя почвы для повышения эффективности функционирования машинно-тракторных агрегатов.
а a
б b
в c
г d
а - мультикоптерный дрон; б - беспилотник с неподвижным крылом; в - однороторный дрон; г - гибридный дрон в виде квадрокоптера с неподвижным крылом Рисунок 1 - Типы беспилотных летательных аппаратов
a - multicopter drone; b - fixed-wing drone; c - single rotor drone; d - hybrid drone in the form of a quadcope with a fixed wing combined Figure 1 - Types of unmanned aerial vehicles
Результаты исследований и их - мультироторные - мультикоптерные
обсуждение. По разнообразию конструкции дроны;
существует 4 основных типа беспилотных - беспилотник с неподвижным крылом;
летательных аппаратов (рисунок 1), которые - однороторный дрон - беспилотный
используются в гражданских целях [1]: вертолет;
- гибридные дроны.
Таблица 1 - Преимущества и недостатки беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) Table 1 - Advantages and disadvantages of unmanned aerial vehicles (UAVs)
Виды БПЛА Достоинства Недостатки
1 2 3
Мультироторные дроны Multirotor drones Вертикальный взлет, возможность зависать над определенным местом или объектом, имеют горизонтальное положение в полете относительно поверхности земли, могут перемещаться влево, вправо, вперед, назад, вверх и вниз, поворачиваться вокруг своей оси. Vertical takeoff, the ability to hover over a certain place or object, a horizontal position in flight relative to the earth's surface, ability to move left, right, forward, backward, up and down, rotate around its axis. Ограниченное время полета, небольшая грузоподъемность и незначительная скорость полета. Limited flight time, low capacity and insignificant airspeed.
Беспилотники с неподвижным крылом Fixed-wing drones Длительность полета в зависимости от конструкции двигателя составляет от 2-х до 16-ти часов. The flight duration depending on engine design is from 2 to 16 hours. Не могут зависать над объектами, двигаются только по заданному курсу, требуют специальной взлетной полосы либо пусковой установки, что значительно удорожает их использование. Inability to hover over objects, move only on a programmed course, require a special runway or launcher, which significantly increases the cost of their use.
Однороторные дроны Single rotor drones Длительное время полета, приводятся в действие посредством двигателя внутреннего сгорания. Long flight time, powered by an internal combustion engine. Сложная конструкция, значительные габариты ведущего винта, высокие эксплуатационные затраты. Complex design, significant dimensions of the lead screw, high operating costs.
Гибридный дрон в виде квадрокоптера с неподвижным крылом. Hybrid drone in the form of a quadcope with a fixed wing combined. Высокая скорость и время полета, возможность зависать над объектом. High speed and flight time, the ability to hover over an object. Высокая стоимость, значительные издержки. High cost, significant expenses.
Из всех типов мультироторные дроны - наиболее распространенные типы дронов, которые используются, как правило, в сельском хозяйстве и профессионалами, и любителями. Мультироторные дроны представляют собой летающую платформу с несколькими бесколлекторными двигателями с пропеллерами. Так, дрон с четырьмя моторами носит название - квадракоптер, с шестью - гексакоптер, с восемью - октокоп-тер.
Каждый вид БПЛА имеет свои преимущества и недостатки, которые обусловлены, в первую очередь, их конструктивными различиями и особенностями применения. В таблице 1 представлены преимущества и недостатки беспилотников применительно к отраслям сельскохозяйственного производства.
Анализ конструктивных особенностей и опыт использование БПЛА в сельском хозяйстве показывает, что наиболее широкое применение в сельскохозяйственном производстве нашли мультикоптерные дроны (МД).
Для применения их в сельском хозяйстве они оснащаются различного рода датчиками, камерами с высокой четкостью изображения, малогабаритными бортовыми компьютерами и другой аппаратурой, которая позволяет провести мониторинг объектов и выявить проблемные зоны в растениеводстве и животноводстве.
Согласно [2] БПЛА в сельском хозяйстве применяются в следующих технологических процессах (таблица 2).
Выполнение представленных в таблице 2 сельскохозяйственных работ и информация, полученная с помощью БПЛА, позволяют наиболее эффективно использовать земельные ресурсы и получать стабильные высокие урожаи [3-8].
Так, инвентаризация сельскохозяйственных угодий с применением беспилотных авиационных систем позволяет определить сельскохозяйственные территории в части выявления земель, не вовлеченных в сельскохозяйственное производство, полу-
чить актуальную и достоверную информацию о качестве сельхозугодий [9, 10], дать развернутую характеристику производственных участков (по количественным и качественным показателям). Позволяет решить задачи по уточнению актуального списка владельцев земель, фактических их пользователей, выявлению пустующих и заброшенных земельных участков, территорий, которые используются с нарушением законодательных норм и целевого предназначения.
Создание 2D- и 3D-карт электронных полей обеспечивает возможность наглядного отображения всех производственных участков с учетом их географического положения, производственного номера и площади поля [11]; позволит создавать базы данных по полям - электронный журнал агронома - и использовать карты полей в программных продуктах: История поля, ГИС Карта, ArcGis, QGis, FarmWorks и т.д.; использовать электронные карты в системах мониторинга: Автограф, Скаут, Wialon и мобильных приложениях для работы с ними в полях. Кроме того, электронная карта поля позволяет наложить матрицы высот с возможностью просмотра уклона поля в любом интересующем месте, напечатать карту поля на бумажном носителе как целиком, так и отдельными фрагментами и производить поиск поля по различным критериям.
Важным и наиболее перспективным направлением использования БПЛА является мониторинг состояния плодородия почвы и создание карт использования земель для сельскохозяйственного производства [12, 13]. Данный процесс заключается в определении отдельных свойств почв, в частности их деградированности, или оценки параметров плодородия почв отдельных полей. При этом в качестве индикатора состояния и свойств почв может быть использована индикационная роль растительности на полях. Возможна также разработка подходов с помощью беспилотников детектирования свойств почв по состоянию их открытой поверхности.
Таблица 2 - Применение беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве Table 2 - Application of unmanned aerial vehicles in agriculture
Наименование технологического процесса Name of the technological process
в растениеводстве in crop production в животноводстве in animal breeding
Инвентаризация сельскохозяйственных угодий Inventory of agricultural land Мониторинг мест выпаса животных Monitoring of animal grazing areas
Создание электронных карт полей Creation of electronic field maps Дистанционный контроль здоровья животных Remote monitoring of animal health
Мониторинг состояния плодородия почвы и создание карт земель сельскохозяйственного назначения Monitoring of the state of soil fertility and creation of maps of agricultural lands Оценка ущерба (вреда), причиненного животным Animal harm assessment
Определение объемов сельскохозяйственных работ Determination of the amount of agricultural land Мониторинг безопасности животных на выпасе и их охрана Monitoring of the safety of grazing animals and their protection
Оценка всхожести сельскохозяйственных культур Evaluation of crop germination Сбор животных в стадо для перемещения Herding animals for moving
Оперативный мониторинг состояния посевов Operational monitoring of crop condition Мониторинг пастбищ и состояния водных ресурсов Monitoring of pastures and water resources
Фитосанитарный контроль Phytosanitary control Внешняя оценка состояния животноводческих помещений External assessment of the condition of livestock buildings
Дифференцированное внесение средств защиты и удобрений Variable rate application of protection products and fertilizers Ветеринарная помощь для срочной доставки лекарственных препаратов Veterinary assistance for urgent drug delivery
Прогнозирование урожайности Yield forecasting Дистанционная вакцинация животных Remote vaccination of animals
Охрана сельскохозяйственных угодий и объектов Protection of agricultural land and facilities
В [14] рассмотрено использование беспилотных летательных аппаратов для оценки объемов и контроля выполнения полевых работ, а также проверки качества вспашки. Высказывается мнение, что применение беспилотных летательных аппаратов при выполнении технологических процессов существенно снижает негативные влияния агротехнологий на почву, способствует минимизации потребления энергии и стимулирует оперативность выполнения сельскохозяйственных работ.
Особое применение БПЛА нашли при оценке всхожести сельскохозяйственных
культур [2, 15, 16] и оперативного мониторинга состояния посевов [2, 17, 18]. Это позволяет в течение нескольких часов провести обследование посевов, выявить проблемные участки всходов, спланировать необходимые работы. После первичного обследования и оперативно принятых мероприятий можно проводить дальнейшие наблюдения для оценки качества выполнения этих работ и выполнить фиксацию изменений состояния посевных культур.
Другое широкое распространение при производстве продукции растениеводства беспилотники получили в части мониторинга
болезней и вредителей сельскохозяйственных культур [15, 19] и для дифференцированного внесения средств защиты растений и удобрений [20-23]. БПЛА, оснащенные мультиспектральными и RGB-датчиками, выявляют сорняки, болезни и вредителей растений в полях. В результате обработки полученных данных становится известно, на какой территории и какое количество химикатов, необходимых для борьбы с обнаруженными заражениями, следует применить. При этом нет необходимости проводить обработку всего производственного участка. Достаточно выявить очаги заражения и с помощью БПЛА дифференцированно произвести обработку растений. Аналогичным образом, только согласно алгоритму технологического процесса, производят дифференцированное внесение удобрений. Это существенно снижает затраты сельскохозяйственных товаропроизводителей на производство продукции.
Ещё одна важная функция, выполняемая БПЛА при производстве продукции растениеводства, заключается в прогнозировании урожайности [24]. Мультикоптерные дроны, снабженные различным функциональным оборудованием для получения информации, позволяют получить изображения участков сельскохозяйственных полей. В дальнейшем, используя методы искусственного интеллекта (ИИ), когнитивного моделирования (КГ), моделирования на основе искусственных нейронных сетей (ИНС), а также методы классификации изображений и распознавания образов [25], можно непосредственно оценить и спрогнозировать уровень продуктивности сельскохозяйственных культур.
В сфере животноводства мультико-птерные дроны также нашли широкое применение. При выпасе животных БПЛА позволяют оценить количественный состав стада, степень износа пастбища и качество травы, выявить некоторые ядовитые растения. С воздуха достаточно легко обнаружить отбившихся от стада животных и можно направить их туда, куда требуется [26].
С помощью беспилотников проводят дистанционный контроль здоровья животных и оказывают ветеринарную помощь в части доставки лекарственных средств [27]. В первом случае с помощью специальных камер проводят фотосьемку стада для выявления заболевших животных. А затем, на снимках, выполненных в инфракрасном спектре, выявляют животных с повышенной температурой. В случае заболевания животных мультикоптерные дроны-курьеры доставят на ферму заказанные медикаменты для лечения, а материалы анализов заболевших - в ветеринарную клинику. Кроме того, с применением БПЛА дистанционно вводят успокоительное средство, вакцину, антибиотик или глистогонный препарат.
Для охраны и безопасности животных в ночное время также используют БПЛА [27]. Для этого на мультикоптерные дроны устанавливают бортовой тепловизор, который фиксирует приближение к стаду человека или хищника. Единственным требованием к беспилотникам, применяемым для безопасности животных, является длительность их пребывания в полете.
С помощью БПЛА осуществляют и внешнюю оценку состояния животноводческих помещений после возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Посредством беспилотников достаточно быстро получают данные о картографической основе района чрезвычайной ситуации, а после их обработки оценивают нанесенный ущерб и определяют объем восстановительных работ.
Анализ научной и популярной литературы по вопросам использования БПЛА в сельском хозяйстве показывает, что мультикоптерные дроны нашли широкое применение в агропромышленном комплексе (АПК). Однако возможности беспилотников в части повышения эффективности машинно-тракторного агрегата при выполнении технологических операций, таких как вспашка, культивация, дискование, посев и прикаты-вание и т.п., еще не рассмотрены.
На наш взгляд применение различных типов БПЛА в части повышения эффективности функционирования машинно-тракторного агрегата при проведении полевых механизированных работ позволит повысить производительность труда, снизить энергетические затраты на проведение технологической операции и уменьшить эксплуатационные издержки.
Рассмотрим возможность применения беспилотников перед началом проведения технологической операции - вспашка. Вспашка является одной из самых энергоемких и дорогостоящих операций. Известно, что качество вспашки, тяговое сопротивление, энергоемкость и прочие затраты зависят от множества факторов, в том числе от свойств почвы, таких как твердость, плотность, связность, значения которых определяются механическим составом почвы, ее структурой и влажностью.
Исследованиями Латвийского сельскохозяйственного университета и научного института сельскохозяйственной техники (г. Елгава, Латвия) установлено, что больше всего влажность влияет на твердость почвы и сопротивление резанию, которое существенно преобладает в суммарном сопротивлении корпуса плуга. Повышение влажности почвы приводит к снижению тягового сопротивления и затратам энергии на вспашку, что наиболее ярко выражено на глинистых почвах [28].
Согласно [29] влажность почвы оказывает большое влияние на качество и энергоемкость ее обработки. На рисунке 2 представлен график влияния влажности почвы на ее удельное сопротивление.
Как следует из рисунка 2, при вспашке сухих почв при влажности почвы менее 15% образуются массивные пласты диаметром 30-50 см и более, что вызывает повышение удельного сопротивления почвы (участок 1-2 диаграммы). При повышении влажности почвы до 30% удельное давление снижает-
ся (участок 2-3 диаграммы), а затем вновь повышается (участок 3-4 диаграммы). При вспашке влажных почв происходит залипа-ние и сгруживание почвы впереди корпуса плуга. Это и вызывает повышение удельного сопротивления почвы.
При дальнейшем увлажнении почвы более 50% вода выполняет роль смазки рабочей поверхности плуга, и удельное сопротивление почвы снова снижается (отрезок 4-5 на диаграмме).
Повышение удельного сопротивления почвы приводит к увеличению тягового сопротивления. Так, по исследованиям Р.М. Зоненберга снижение тягового сопротивления энергетических средств и удельного сопротивлений рабочих орудий может происходить только в определённом диапазоне влажности почвы (рисунок 3).
Как следует из рисунка 3, на суглинистой и супесчаной почвах снижение тягового сопротивления наблюдается при влажности почвы в пределах 16-21%. При такой влажности почва лучше всего подвергается обработке при наименьшем тяговом усилии.
Совместный анализ рисунков 2 и 3 позволяет заключить, что влажность почвы будет сказываться на энергетических затратах при вспашке.
Рассмотрим уравнение энергозатрат на рабочий процесс машинно-тракторного агрегата при основной обработке почвы. Затраты энергии на технологическую операцию - вспашку можно определить по общеизвестной формуле
ЕРП = ЕП + ЕТП , (1)
где ерп - энергетические затраты на рабочий процесс машинно-тракторного агрегата, отнесенные к 1 га обработанной площади, Дж;
Е^ - затраты энергии на перекатывание агрегата с учетом холостых ходов, Дж;
Еш - затраты энергии на выполнение технологического процесса, Дж.
Рисунок 2 - Зависимость удельного сопротивления почвы от влажности Figure 2 - Dependence of soil resistivity on moisture
P, kH
5.5 4,2
3.6 2,4 1,8 1,2 0,6
О
\ Суглинок
\ \ Loam
¡\ Супесь
Sandy l< am
Песок
Sand
10 15 20 25 W, %
Рисунок 3 - Зависимость тягового сопротивления от влажности почвы (по данным Р.М. Зоненберга)
Figure 3 - Dependence of traction resistance on soil moisture (according to R.M. Sonenberg)
Затраты энергии на перекатывание энергетического средства с учетом КПД двигателя, трансмиссии и буксования будут равны:
Еп =
Рп-fn W)• 104 \1 + г) Лд • Лт • (] ~Лб ) • В
(2)
где рп - сила, необходимая для перекатывания машинно-тракторного агрегата на единицу длины, Н;
/П (W) - коэффициент сопротивления перекатыванию энергетического средства, зависящий от влажности почвы;
у - коэффициент, учитывающий долю холостых ходов;
Лд, Лт'Лб - эффективный КПД соответственно двигателя, трансмиссии и буксования энергетического средства;
в - ширина захвата агрегата (плуга). Затраты энергии на выполнение технологического процесса в зависимости от мощности, затрачиваемой на выполнение рабочим органом (плугом) на обработку почвы, будут равны:
^ = , (3)
Лд ■П
где Nmn(W) - удельные затраты мощноЕ, кг/га Е, kg/ha
за
сти на вспашку, отнесенные к ширине захвата агрегата, и определяемые расходом топлива, зависящего от влажности почвы, Н;
пч - часовая производительность агрегата.
В формуле 3 удельные затраты мощности приняты как функция влажности почвы. Это связано с тем, что энергетические затраты агрегатов на формирование почвенного состава на единицу площади при вспашке зависят от различных агрофизических условий обрабатываемого слоя почвы и, в частности, влажности [30]. Исследованиями [31] установлено, что удельный расход топлива почвообрабатывающими агрегатами как одного из элементов энергозатрат зависит от глубины вспашки и влажности почвы. На рисунке 4 представлен график зависимости удельного расхода топлива от влажности почвы для плуга с культурными отвалами.
10-------
5________
13 1 7 21 23 Щ %
Рисунок 4 - Удельный расход топлива в зависимости от влажности почвы для плуга с культурными отвалами
Figure 4 - Specific fuel consumption depending on soil moisture for a plow with cultural mouldboards
Как следует из рисунка 4, диапазон минимального удельного расхода топлива при вспашке также наблюдается при влажности почвы в пределах 17-21%.
Таким образом, из вышеизложенного можно заключить, что повышение эффективности функционирования машинно-тракторного агрегата в процессе выполне-
ния сельскохозяйственных работ по основной обработке почвы обеспечивается при влажности почвы в диапазоне 15-23%.
В этой связи мониторинг агрофизических условий почвы в период выполнения полевых работ становится первостепеннейшей задачей для аграриев. Очевидно, что для хозяйств агропромышленного комплекса, имеющих в своем составе от 4 тысяч гектаров пашни, расположенных на обширной территории, ситуация с определением влажности почвы на определенном поле обычными средствами является достаточно трудоемким процессом. Совсем иначе будет обстоять положение, если для определения влажности почвы воспользоваться преимуществами мультикоптерных дронов, являющихся универсальным и эффективным инструментом для получения данных о состоянии почвы. БПЛА позволяют в режиме реального времени следить за агрофизическими показателями состояния почвы, что позволяет сельскохозяйственным производителям принимать своевременные решения по обработке поверхностного слоя.
Однако применение БПЛА в части повышения эффективности функционирования машинно-тракторных агрегатов при выполнении сельскохозяйственных работ, связанных с обработкой почвы (вспашка, чизе-левание, дискование, боронование, культивация и другие), сдерживается рядом факторов.
Во-первых, БПЛА является чувствительными к погодным условиям. Достаточно трудно управлять беспилотником в ветреную погоду, да и качество информации в этом случае может оказаться низким.
Во-вторых, использование дронов для мониторинга влажности почвы может быть многократным и требует специального дорогостоящего программного обеспечения и датчиков для решения этих задач.
В-третьих, следует учитывать возможности БПЛА на отдаленных территориях взаимодействовать с использованием интерактивных сервисов, которые позволяют с
высокой интенсивностью покрытия осуществлять эффективную работу беспилот-ников.
Тем не менее, возможность применения БПЛА для повышения эффективности функционирования машинно-тракторных агрегатов при проведении сельскохозяйственных работ, в частности почвообработки, позволит спрогнозировать энергетические и эксплуатационные затраты, снизить и себестоимость производимой продукции и повысить производительность труда при возделывании сельскохозяйственных культур.
Выводы. Проведенный анализ показал, что из всего многообразия БПЛА наиболее применяемыми в сельском хозяйстве являются мультикоптерные дроны, которые за счет конструктивных особенностей имеют преимущества перед другими видами беспилотников.
Мультикоптерные дроны, являясь универсальным и эффективным инструментом получения информации, позволяют использовать их в качестве средства для мониторинга агрофизических условий состояния полей, в частности для определения влажности почвы.
Согласно исследованиям основную обработку почвы следует проводить при влажности почвенного слоя в пределах 1523%, что позволит снизить энергетические и эксплуатационные затраты машинно-тракторного агрегата на проведение технологической операции, уменьшить себестоимость произведенной продукции и сделать сельскохозяйственную отрасль привлекательной для инвестиций.
Список источников
1. Типы беспилотных летательных аппаратов. Обзор. https://aviatest.aero/articles/tipy-bespilotnykh-letatelnykh-apparatov-obzor/ (дата обращения - 01.08.2022).
2. Зубарев Ю.Н., Фомин Д.С., Чащин А.Н., Заболотнова М.В. Использование беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве // Вестник Пермского федерального исследовательского центра. 2019. № 2. С. 47-51.
3. Muhammet Fatih Asian, Akif Durdu, Kadir Sabanci, Ewa Ropelewska and Seyfettin Sinan Gultekin. A Comprehensive Survey of the Recent Studies with UAV for Precision Agriculture in Open Fields and Greenhouses // Appl. Sci. 2022. Vol. 12, 1047/ https://doi.org/10.3390/app12031047.
4. Walter A., Finger R., Huber R., Buchmann N. Opinion: Smart farming is key to developing sustainable agriculture // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2017. Vol. 114 (24). Р. 6148-6150.
5. Mogili U.R., Deepak B. Review on application of drone systems in precision agriculture // Procedia Comput. Sci. 2018. Vol. 133. Р. 502-509.
6. Ayaz M., Ammad-Uddin M., Sharif Z., Mansour A., Aggoune E.H.M. Internet-of-Things (loT)-Based Smart Agriculture: Toward Making the Fields Talk // IEEE Access. 2019. Vol. 7. Р. 129551-129583.
7. Villa-Henriksen A., Edwards G.T., Pesonen L.A., Green O., Sоrensen C.A.G. Internet of Things in arable farming: Implementation, applications, challenges and potential // Biosyst. Eng. 2020. Vol. 191. Р. 60-84.
8. Agarwal P., Singh V., Saini G., Panwar D. Sustainable Smart-farming framework: smart farming. In Smart Farming Technologies for Sustainable Agricultural Development // IGI Global: Hershey. PA. USA, 2019. Р. 147-173.
9. Черкашин К.И. Зонирование сельскохозяйственных земель в муниципальных образованиях как важная составляющая сохранения земельно-ресурсного потенциала страны // Аг-ропродовольственная политика России. 2015. № 11 (47). С. 20-23.
10. Митрофанова Н.О., Чернов А.В., Стег-ниенко Е.С., Гоголев Д.В. Инвентаризация земель сельскохозяйственного назначения с применением беспилотных авиационных систем // Сборник научных трудов 7-й Международной научно-практической конференции «Информационные технологии, системы и приборы в АПК» Агроинфо-2018. Сибирский физико-технический институт аграрных проблем. Новосибирск, 2018. С. 547-550.
11. Абрамов Н.В., Семизоров С.А., Шерстобитов С.В., Гунгер М.В., Петухов Д.А. Использование беспилотного летательного аппарата для мониторинга за состоянием агроцено-зов и составления электронных карт полей // Земледелие. 2021. № 8. С. 8-12.
12. Thomasson J.A., Sui R., and Gе Y. Remote sensing of soil properties in precision agriculture: a review // Front Earth Sci. 2011. Р. 229-238.
13. Савин И.Ю., Вернюк Ю.И., Фараслис И. Возможности использования беспилотных летательных аппаратов для оперативного мониторинга продуктивности почв // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2015. № 80. С. 95-105.
14. Башилов А.М., Королев В.А., Можа-ев К.Ю. Перспективы использования дронов в реализациях новейших агротехнологий // Вестник ВИЭСХ. 2016. № 4 (25). С. 68-75.
15. Трубицын Н.В., Таркивский В.Е., Белик М.А. Мониторинг сельскохозяйственных посевов с помощью беспилотных летательных аппаратов // Евразийский союз ученых. 2018. № 11-2 (56). С. 26-31.
16. Трубицын Н.В., Белик М.А. Мониторинг посевов озимой пшеницы с применением БПЛА // Агровестник Кубани. 2018. № 11. С. 5355.
17. Михайличенко И.М. Беспилотная малая авиация в сельском хозяйстве // Агрофизика. 2015. № 2. С. 16-24.
18. Прокофьев Н. С высоты полета // Агробизнес. 2016. № 3. С.108-111.
19. Дроны с искусственным интеллектом будут новым поколением беспилотников в АПК. https://www.agroxxi.ru/selhoztehnika/stati/drony-s-iskusstvennym-intellektom-budut-novym-pokoleniem-bespilotnikov-v-apk.html (дата обращения - 08.08.2022).
20. Марченко Л.А., Смирнов И.Г., Лич-ман Г.И. и др. Дифференцированное внесение пестицидов с использованием беспилотных летательных аппаратов // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2017. № 4. С. 17-23.
21. Марченко Л.А., Артюшин А.А., Смирнов И.Г. и др. Технология внесения пестицидов и удобрений беспилотными летательными аппаратами в цифровом сельском хозяйстве // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2019. № 5. С. 38-45.
22. Osuch A., Przygodzinski P., Rybacki P., Osuch E., Kowalik I., Piechnik L., Przygodzinski A., Herkowiak M. Analysis of the Effectiveness of Shielded Band Spraying in Weed Control in Field Crops // Agronomy. 2020. Vol. 10. Р. 475. https://doi.org/10.3390/agronomy10040475
23. Кудрявцев Д.В., Магдин А.Г., Горбунов А.А., Нестеренко Р.А., Жанзакова Д.К. Применение сельскохозяйственного беспилотного летательного аппарата для обработки сельскохозяйственных культур // Агротехника и энергообеспечение. 2021. № 2 (31). С. 37-44.
24. Kitonsa H., Kruglikov S.V. Significance of drone technology for achievement of the united nations sustainable development goals // R-Econo-my. 2018. Vol. 4. № 3. Р. 115-120.
25. Рогачев А.Ф., Меликова Е.В., Белоусов И.С. Исследование развития и продуктивности сельскохозяйственных культур с применением беспилотных летательных аппаратов // Известия Нижневолжского агроуниверситетско-го комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2019. № 4 (56). С. 329-339.
26. Всё о беспилотной отрасли на одном ресурсе https://russiandrone.ru/publications/ob-ispolzovanii-bespilotnykh-letayushchikh-apparatov-v-selskom-khozyaystve-rossii/ (дата обращения -09.08.2022).
27. Животноводство и беспилотники https://robotrends.ru/robopedia/zhivotnovodstvo-i-bespilotniki/ (дата обращения - 09.08.2022).
28. Вилде А.А., Руциньш А.А. Влияние влажности почвы на энергоемкость вспашки // Сборник трудов по материалам 7-й Международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения». Институт агроинже-нерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства. Санкт-Петербург, 2011. Т. 2. С. 65-72.
29. Физические свойства почвы - лекция https://mehanik-ua.ru/lektsii-po-tekhnicheskim-temam/181-fizicheskie-svojstva-pochvy.html/ (дата обращения - 09.08.2022).
30. Алексеев В.В., Максимов И.В., Сякаев И.И. Энергетическая оценка механического воздействия на почву почвообрабатывающих машин и орудий // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2012. № 3 (28). С. 70-72.
31. Кузыченко Ю.А. Топливно-энергетические показатели работы МТА при различных агрофизических условиях в пахотном слое почвы // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 1 (75). С.13-15.
References
1. Tipy bespilotnykh letatel'nykh apparatov. Obzor (Types of unmanned aerial vehicles. Overview) https://aviatest.aero/articles/tipy-bespilotnykh-letatelnykh-apparatov-obzor.(data obrascheniya -01.08.2022).
2. Zubarev Yu.N., Fomin D.S., Chashhin A.N., Zabolotnova M.V. Ispol'zovanie bespilotnykh letatel'nykh apparatov v sel'skom khozyaystve (Use of unmanned aerial vehicles (UAVs) in agriculture). Vestnik Permskogo federal'nogo issledovatel'skogo tsentra. 2019; 2: 47-51. (In Russ.)
3. Muhammet Fatih Aslan, Akif Durdu, Kadir Sabanci, Ewa Ropelewska and Seyfettin Sinan Gultekin. A Comprehensive Survey of the Recent Studies with UAV for Precision Agriculture in Open Fields and Greenhouses. Appl. Sci. 2022; 12: 1047. https://doi.org/10.3390/app12031047.
4. Walter A., Finger R., Huber R., Buchmann N. Opinion: Smart farming is key to developing sustainable agriculture. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2017; 114 (24): 6148-6150.
5. Mogili U.R., Deepak B. Review on application of drone systems in precision agriculture. Procedia Comput. Sci. 2018; 133: 502-509.
6. Ayaz M., Ammad-Uddin M., Sharif Z., Mansour A., Aggoune E.H.M. Internet-of-Things (IoT)-Based Smart Agriculture: Toward Making the Fields Talk. IEEE Access. 2019; 7: 129551129583.
7. Villa-Henriksen A., Edwards G.T., Pesonen L.A., Green O., Sorensen C.A.G. Internet of Things in arable farming: Implementation, applications, challenges and potential. Biosyst. Eng. 2020; 191: 60-84.
8. Agarwal P., Singh V., Saini G., Panwar D. Sustainable Smart-farming framework: smart farming. In Smart Farming Technologies for Sustainable Agricultural Development; IGI Global: Hershey, PA, USA, 2019; 147-173.
9. Cherkashin K.I. Zonirovanie sel'skokho-zyaystvennykh zemel' v munitsipal'nykh obra-zovaniyakh kak vazhnaya sostavlyayushhaya sokhraneniya zemel'no-resursnogo potentsiala strany (Zoning of agricultural lands in municipalities as an important component of the preservation of the land resource potential of the country). Ag-roprodovol'stvennaya politika Rossii. 2015; 11 (47): 20-23. (In Russ.)
10. Mitrofanova N.O., Chernov A.V., Ste-gnienko E.S., Gogolev D.V. Inventarizatsiya zemel' sel'skokhozyaystvennogo naznacheniya s prime-neniem bespilotnykh aviatsionnykh sistem (Inventory of agricultural purpose lands with the application of aircraft-free aviation systems): sbornik nauch-nykh trudov 7-y Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Informatsionnye tekhnologii, sistemy i pribory v APK» Agroinfo-2018. Sibirskiy fiziko-tekhnicheskiy institute agrar-nykh problem. Novosibirsk, 2018, pp. 547-550. (In Russ.)
11. Abramov N.V., Semizorov S.A., Shersto-bitov S.V., Gunger M.V., Petukhov D.A. Ispol'zovanie bespilotnogo letatel'nogo apparata dlya monitoringa za sostoyaniem agrotsenozov i sostavleniya elektronnykh kart poley (Use of unmanned aerial vehicles for monitoring the condition of agricultural lands for making electronic field maps). Zemledelie. 2021; 8: 8-12. (In Russ.)
12. Thomasson J.A., Sui R., and Ge Y. Remote sensing of soil properties in precision agriculture: a review. Front Earth Sci. 2011; 229-238.
13. Savin I.Yu., Vernyuk Yu.I., Faraslis I. Vozmozhnosti ispol'zovaniya bespilotnykh le-tatel'nykh apparatov dlya operativnogo monitoringa produktivnosti pochv (The possible use of pilotless aircrafts for operative monitoring of soil productivity). Byulleten' Pochvennogo instituts im. V.V. Do-kuchaeva. 2015; 80: 95-105. (In Russ.)
14. Bashilov A.M., Korolev V.A., Mozha-ev K.Yu. Perspektivy ispol'zovaniya dronov v reali-zatsiyakh noveyshikh agrotekhnologiy (Prospects for the use of drones for the implement-ttation of the latest agricultural technologies). Vest-nik VIESKH. 2016; 4 (25): 68-75. (In Russ.)
15. Trubitsyn N.V., Tarkivskiy V.E., Belik M.A. Monitoring sel'skokhozyaystvennykh posevov s pomoshh'yu bespilotnykh letatel'nykh apparatov (Monitoring agricultural crops with unmanned aerial vehicles). Evraziyskiy soyuz uchenykh. 2018; 11-2 (56): 26-31. (In Russ.)
16. Trubitsyn N.V., Belik M.A. Monitoring po-sevov ozimoy pshenitsy s primeneniem BPLA (Winter wheat crop survey with unmanned aerial vehicle). Agrovestnik Kubani. 2018; 11: 53-55.
(In Russ.)
17. Mikhaylichenko I.M. Bespilotnaya malaya aviatsiya v sel'skom khozyaystve (Small unmanned aircraft in agriculture). Agrofizika. 2015; 2: 16-24. (In Russ.)
18. Prokofev N. S vysoty poleta (Aerial panoramas). Agrobiznes. 2016; 3: 108-111. (In Russ.)
19. Drony s iskusstvennym intelektom budut novym pokoleniem bespilotnikov v APK (Drones with artificial intelligence are going to become a new generation of unmanned aerial vehicles in the agro-industrial complex). https://www.agroxxi.ru/ selhoztehnika/ stati/drony-s-iskusstvennym-intellektom-budut-novym-pokoleniem-bespilotnikov-v-apk.html/(data obrascheniya - 08.08.2022).
20. Marchenko L.A., Smirnov I.G., Lichman G.I. i dr. Differentsirovannoe vnesenie pestitsidov s ispol'zovaniem bespilotnykh letatel'nykh apparatov (Variable rate application of fertilizers and pesticides using unmanned aerial vehicles). Sel'skokho-zyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2017; 4: 1723. (In Russ.)
21. Marchenko L.A., Artyushin A.A., Smirnov I.G. i dr. Tekhnologiya vneseniya pestitsidov i udobreniy bespilotnymi letatel'nymi apparatami v tsifrovom sel'skom khozyaystve (Technology of pesticides and fertilizers application with unmanned aerial vehicles in digital agriculture). Sel'sko-khozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2019; 5: 38-45. (In Russ.)
22. Osuch A., Przygodzinski P., Rybacki P., Osuch E., Kowalik I., Piechnik L., Przygodzinski A., Herkowiak M. Analysis of the Effectiveness of Shielded Band Spraying in Weed Control in Field Crops. Agronomy. 2020; 10: 475. https://doi.org/10.3390/agronomy10040475
23. Kudryavtsev D.V., Magdin A.G., Gor-bunov A.A., Nesterenko R.A., Zhanzakova D.K. Primenenie sel'skokhozyaystvennogo bespilotnogo letatel'nogo apparata dlya obrabotki sel'sko-khozyaystvennykh kul'tur (Application of agricultural unmanned aircraft for processing agricultural crops). Agrotekhnika i energoobespechenie. 2021; 2 (31): 37-44. (In Russ.)
24. Kitonsa H., Kruglikov S.V. Significance of drone technology for achievement of the united nations sustainable development goals. R-Econo-my. 2018; 4-3: 115-120.
25. Rogachev A.F., Melikova E.V., Belou-sov I.S. Issledovanie razvitiya i produktivnosti sel'skokhozyaystvennykh kul'tur s primeneniem bespilotnykh letatel'nykh apparatov (Research of development and productivity of agricultural crops using unmanned aerial vehicles). Izvestiya Nizh-nevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. 2019; 4 (56): 329-339. (In Russ.)
26. Vse o bespilotnoy otrasli na odnom resurse (Everything about the unmanned industry on a single resource) https://russiandrone.ru/ publi-cations/ob-ispolzovanii-bespilotnykh-letayushchikh-apparatov-v-selskom-khozyaystve-rossii/ (data obrascheniya - 09.08.2022).
27. Zhivotnovodstvo i bespilotniki (Animal breeding and drones) https://robotrends.ru/ ro-bopedia/zhivotnovodstvo-i-bespilotniki/ (data obrascheniya - 09.08.2022).
28. Vilde A.A., Rutsin'sh A.A. Vliyanie vla-zhnosti pochvy na energoemkost' vspashki (Influence of soil moisture on the energy intensity of plowing): sbornik trudov po materialam 7-y Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konfe-rentsii «Ekologiya i sel'skokhozyaystvennye technology agroinzhenernye resheniya». Institut agroinzhenernykh i ekologicheskikh problem sel'skokhozyaystvennogo proizvodstva. Sankt-Peterburg, 2011; 2: 65-72.
29. Fizicheskie svoystva pochvy - lektsiya (Physical properties of soil - lecture) https://mehanik-ua.ru/lektsii-po-tekhnicheskim-temam/181-fizicheskie-svojstva-pochvy.html (data obrascheniya - 09.08.2022).
30. Alekseev V.V., Maksimov I.I., Syaka-ev I.V. Energeticheskaya otsenka mekhaniches-kogo vozdeystviya na pochvu pochvoobrabaty-vayuschikh mashin i orudiy (Energy estimation of mechanical impact on the soil by tillage machines and tools). Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2012; 3 (28): 70-72. (In Russ.)
31. Kuzychenko Yu.A. Toplivno-energeticheskie pokazateli raboty MTA pri razlich-nykh agrofizicheskikh usloviyakh v pakhotnom sloe pochvy (Fuel and energy indicators of MTA work under different agro-physical conditions in the arable layer of soil). Izvestiya Orenburgskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta. 2019; 1 (75): 13-15. (In Russ.)
Информация об авторах
Б.К. Салаев - доктор биологических наук, профессор, Калмыцкий государственный университет, Республика Калмыкия, г. Элиста, Россия. Тел.: +7-474-224-10-05. E-mail: @[email protected].
A.А. Серёгин - доктор технических наук, профессор, Калмыцкий государственный университет, Республика Калмыкия, г. Элиста, Россия. Тел.: +7-928-117-20-00.
E-mail: [email protected].
B.А. Эвиев - доктор технических наук, профессор, Калмыцкий государственный университет, Республика Калмыкия, г. Элиста, Россия. Тел.: +7-906-17687-74. E-mail: [email protected].
A.Б. Мучаев - аспирант, Калмыцкий государственный университет, Республика Калмыкия, г. Элиста, Россия. Тел.: +7-917-685-86-67. E-mail: [email protected].
Н.А. Глечикова - доктор экономических наук, профессор, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал Донского государственного аграрного университета в г. Зернограде, Ростовская область, г. Зерноград, Россия. Тел.: +7-928-611-19-77. E-mail: [email protected].
И.В. Юдаев - доктор технических наук, профессор, Кубанский государственный аграрный университет, г. Краснодар, Россия. Тел.: +7-902-381-83-39; +7-905-397-64-17. E-mail: [email protected].
Александр Анатольевич Серёгин, [email protected]
Information about the authors
B.K. Salaev - Doctor of Biological Sciences, Professor, Kalmyk State University, Republic of Kalmykia, Elista, Russia. Phone: +7-474-224-10-05. E-mail: @[email protected].
A.A. Seregin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Kalmyk State University, Republic of Kalmykia, Elista, Russia. Phone: +7-928-117-20-00. E-mail: [email protected].
V.A. Eviev - Doctor of Technical Sciences, Professor, Kalmyk State University, Republic of Kalmykia, Elista, Russia. Phone: +7-906-17687-74. E-mail: [email protected].
A.B. Muchaev - postgraduate student, Kalmyk State University, Republic of Kalmykia, Elista, Russia. Phone: +7-917-685-86-67. E-mail: [email protected].
N.A. Glechikova - Doctor of Economic Sciences, Professor, Azov-Black Sea Engineering Institute -branch of Don State Agrarian University in Zernograd, Rostov region, Zernograd. Russia. Phone: +7-928-611-19-77. E-mail: [email protected].
I.V. Yudaev - Doctor of Technical Sciences, Professor, Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia. Phone: +7-902-381-83-39; 8-905-397-64-17. E-mail: [email protected]. 1° Alexander Anatolyevich Seregin, [email protected]
Вклад авторов. Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors. All authors made an equivalent contribution to the preparation of the article. The authors declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 25.09.2022; одобрена после рецензирования 28.10.2022; принята к публикации 29.10.2022.
The article was submitted 25.09.2022; approved after reviewing 28.10 2022; accepted for publication 29.10.2022
https://elibrary.ru/xlbxgc
