CC BY
19
XXXXXXXXXXX технологии, машины и оборудование XXXXXXXXXXX
VWWVV^^^^ ППЯ АГРППРПММШПРННПЮ 1СПМППРКГД W^WWWVW
Научная статья УДК 631.349:631
Б01: 10.24412/2227-9407-2023-12-7-19
Экспериментальные исследования возможности применения в сельском хозяйстве систем группового позиционирования дронов квадрокоптерного типа, работающих в связке, за счет гибких сцепок электропитания и подачи рабочего раствора
Дмитрий Андреевич Ваняев1, Владимир Викторович Косолапов28, Елена Валентиновна Косолапова3, Александр Петрович Мансуров4
1 я 3 4 Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия
1 [email protected], https://orcid.org/0009-0002-2H3-8976
2 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-6061-2701
3 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-0793-0847
4 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-1618-2297
Введение. Современное сельское хозяйство невозможно представить без применения беспилотных систем, в том числе и летающих комплексов, позволяющих выполнять широкий спектр работ мониторингового и технологического характера. При этом основные ограничения применения БПЛА связаны с ограничениями времени полета и массой полезной нагрузки. На решение этих проблем и направлено представленное ниже исследование, включающее в себя создание опытного макета самопозиционирующихся квадрокоптеров, работающих от базовой (наземной) станции на примере операции опрыскивания.
Материалы и методы. В представленном исследовании предлагается использовать рой дронов, выполняющих функцию, аналогичную штанге в колесном опрыскивателе, связанных между собой гибкой связкой, по которой обеспечивается подача рабочей жидкости, а также электропитание каждого квадрокоптера, что в совокупности позволит обеспечить увеличенную ширину захвата обрабатываемой поверхности, а также исключить полетные ограничения за счет применения самоходной базовой станции, оснащенной генераторной установкой и системой подачи рабочих жидкостей.
Результаты. Разработан опытный макет на базе квадрокоптеров COEX Qover-4 и система подачи рабочей жидкости. Предложена система автоматического позиционирования квадрокоптеров в пространстве и управления роем дронов по принципу «ведущий-ведомый», предложена принципиальная схема автономной базовой станции с системой электропитания и подачи рабочей жидкости.
Обсуждение. Проведенные исследования позволяют утверждать перспективность применения БПЛА в связке с автономными базовыми станциями для выполнения технологических операций по внесению различных жидкостей, таких как гербициды, пестициды, жидкие удобрения, а также выполнения мониторинговых работ по определению качества развития сельскохозяйственных культур на протяжении всего вегетационного цикла.
© Ваняев Д. А., Косолапов В. В., Косолапова Е. В., Мансуров А. П., 2023
4.3.1 ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Аннотация
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
Вестник НГИЭИ. 2023. № 12 (151). C. 7-19. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 12 (151). P. 7-19. ISSN 2227-9407 (Print)
V^W^VWW^V ТРГНМП! nniFS МЛГШМРЯ ЛМП FflIIIPMFNT WWW^^WW
WVW^^WWV^^ FnR TUP AiZRn.INnilSTItlA I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
run inn lwuujinirtl, ^итгьсл
Заключение. Представленный макет системы является рабочим макетом, позволяющим получить практическое представление о возможности применения БАС систем для продолжительных по времени работ на больших площадях при значительном сокращении рабочего времени на одном участке по сравнению с классическими агродронами.
Ключевые слова: БАК, БПЛА, дроны, квадрокоптеры, самоорганизующийся рой, средства защиты растений, точное земледелие, удобрения
Для цитирования: Ваняев Д. А., Косолапов В. В., Косолапова Е. В., Мансуров А. П. Экспериментальные исследования возможности применения в сельском хозяйстве систем группового позиционирования дронов квадрокоптерного типа, работающих в связке, за счет гибких сцепок электропитания и подачи рабочего раствора // Вестник НГИЭИ. 2023. № 12 (151). С. 7-19. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-12-7-19
Experimental studies of the possibility of using group positioning systems for quadcopter drones in agriculture, operating in tandem through flexible power and solution delivery couplings
Dmitry A. Vanyaev1, Vladimir V. Kosolapov2B, Elena V. Kosolapova3, Aleksandr P. Mansurov4
12 3 4 Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, Knyaginino, Russia
1 [email protected], https://orcid.org/0009-0002-2H3-8976
2 [email protected]://orcid.org/0000-0001-6061-2701
3 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-0793-0847
4 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-1618-2297
Abstract
Introduction. Modern agriculture cannot be imagined without the use of unmanned systems, including flying systems, which allow performing a wide range of monitoring and technological work. At the same time, the main restrictions on the use of UAVs are associated with limitations on flight time and payload weight. The research presented below is aimed at solving these problems, including the creation of an experimental prototype of self-positioning quadcopters operating from a base (ground) station using the example of a spraying operation.
Materials and methods. The presented study proposes to use a swarm of drones that perform a function similar to a boom in a wheeled sprayer, interconnected by a flexible ligament through which the supply of working fluid is ensured, as well as the power supply of each quadcopter, which together will provide an increased working width of the treated surface, as well as eliminate flight limitations due to the use of a self-propelled base station equipped with a generator set and a working fluid supply system.
Results. An experimental prototype based on COEX Clover-4 quadcopters and a working fluid supply system have been developed. A system for automatic positioning of quadcopters in space and control of a swarm of drones using the «master-slave» principle has been proposed. A schematic diagram of an autonomous base station with a power supply and working fluid supply system has been proposed.
Discussion. The conducted research allows us to confirm the prospects of using UAVs in conjunction with autonomous base stations to perform technological operations for applying various liquids, such as herbicides, pesticides, liquid fertilizers, as well as monitoring work to determine the quality of development of agricultural crops throughout the entire growing season.
Conclusion. The presented model of the system is a working model that allows one to gain a practical understanding of the possibility of using UAS systems for long-term work over large areas with a significant reduction in working time in one area compared to classic agricultural drones.
Keywords: precision agriculture, drones, UAVs, self-organizing swarms, plant protection products, fertilizers, quad-copters
XXXXXXXXXXX технологии, машины и оборудование XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX для агропромышленного комплекса XXXXXXXXXXX
For citation: Vanyaev D. A., Kosolapov V. V., Kosolapova E. V., Mansurov A. P. Experimental studies of the possibility of using group positioning systems for quadcopter drones in agriculture, operating in tandem through flexible power and solution delivery couplings // Bulletin NGIEI. 2023. № 12 (151). P. 7-19. DOI: 10.24412/2227-9407-202312-7-19
Введение
Повышение урожайности сельскохозяйственных культур является одной из важных задач сельхозпроизводителя. Совершенствование технологических операций и применение современных машин позволяют снизить вероятность ошибки и поднять уровень производственной культуры. Одним из таких приемов является применение современных систем опрыскивания наземного типа для внесения различных жидких препаратов: удобрений, пестицидов, гербицидов, инсектицидов и других. При этом предлагается широкий ассортимент как самих машин, устанавливаемых на распространенные виды шасси навесного и прицепного типа, так и менее распространенные, например на пневмоколесах. При этом многочисленные исследования подтверждают их эффективность и даже необходимость в условиях современной рыночной экономики [3].
При совершенствовании конструкций штанговых машин большое внимание уделяется конструктивным особенностям самих штанг, процессу распределения воздушно-минеральной или воздушно-капельной смеси, на который влияют не только потери давления по длине штанги [1], но и потери, возникающие при изменении геометрии выпускного отверстия эжектора [2; 4] и/или колебания штанги при большом размахе [5].
Решением этих проблем может послужить все чаще применяемая для распыления жидких веществ беспилотная авиация на основе аппаратов мульти-коптерного типа [9]. При этом по запросу «опрыскивание с помощью БПЛА» в официальных отечественных и зарубежных научных электронных библиотеках можно видеть рост публикаций и исследований, относящихся к данной тематике, причем полученные результаты ученых как в технической части [8; 10; 14], технологической [7; 11] и экономической [6; 12; 13] показывают значительное преимущество перед традиционными решениями для обработки сельскохозяйственных культур.
Однако предлагаемые современные технические решения, связанные с беспилотными летательными аппаратами не лишены ряда недостатков, одним из которых является малое время нахождения в полете и высокое время простоя. При опросе экс-
пертов компании Galex [19] было выявлено время простоя одного дрона Agras Т40 при заправке и замены аккумулятора при идеальных условиях от 1 до 1,5 минут. При времени полёта, заявленного производителем, от 10 до 12 минут, время простоя занимает более 10 % обрабатываемого времени. Однако в реальных условиях при использовании БПЛА в хозяйствах и нехватке высококвалифицированных кадров время простоя может увеличиваться более чем в 4-5 раз [15; 16; 17].
Главная цель данной работы заключается в предложении альтернативного варианта обработки полей жидкими смесями, включающего в себя как преимущества наземных машин, с точки зрения увеличения объема баков хранения для рабочей жидкости и сокращения времени простоя, так и БПЛА, с точки зрения увеличения качества обработки, снижения расхода рабочей жидкости и уменьшения повреждений растений.
Материалы и методы
Предлагается комбинированная установка, состоящая из наземной базовой станции, несущей на себе бак с рабочей жидкостью, компрессора для подачи раствора, электрогенератор, системы управления роем дронов, собранных в виде линейной цепочки из п-числа БПЛА, связанных друг с другом шлейфом электропитания, и шланга для рабочего раствора, через равные промежутки определяемые характеристиками распыляемого факела. В роли наземной станции может выступать самоходное шасси перечисленных ранее агрегатов (рис. 1).
Требования к системе:
1. Система должна состоять из п-числа дро-нов, связанных между собой по принципу роя с возможностью автоматического поочередного взлета с наземной станции и распределения вдоль линии поля по рабочей ширине.
2. Дроны должны иметь внешний источник питания, непрерывно подающий заряд на расстоянии каждому квадрокоптеру по цепи.
3. Подача жидкости должна происходить из внешней емкости под давлением.
4. Цепочка дронов может идти как с одной стороны наземной станции, так и с обеих, увеличивая рабочую ширину обработки поля.
[ technologies, machines and equipment ; for the agro-industrial complex
а б
Рис. 1. Принципиальная схема системы в транспортировочном (а) и рабочем (б) состоянии: 1 - генератор; 2 - гидравлическая помпа; 3 - бак для жидкости; 4 - питающий шлейф и шланг с жидкими удобрениями; 5 - дроны Fig. 1. Schematic diagram of the system in the transport (a) and working (b) condition: 1 - generator; 2 - hydraulic pump; 3 - liquid tank; 4 - feeding loop and hose with liquid fertilizers; 5 - drones
Источник: составлено авторами
Принцип работы предлагаемого решения заключается в следующем.
Принцип работы системы основан на передвижении наземной станции по краю поля или вдоль него, взлет роя дронов с посадочной платформы, автоматическое распределение дронов вдоль рабочей ширины, подача жидкого раствора по питающему шлангу, дозированная регулируемая подача раствора через систему инжекторов на поверхность поля, автоматическое изменение ширины рабочей ширины (количества работающих дронов) в зависимости от контура поля.
Наиболее подходящим вариантом организации роя дронов из существующих решений [18; 19; 20] и
с учетом вышеуказанных особенностей является -рой с лидером. В рое есть ведущий дрон, относительно которого позиционируются остальные участники в рое. Маршрут полета достаточно задать именно ведущему элементу системы, а у ведомых есть только знания, где они должны находиться относительно ведущего элемента.
В качестве лидера группы устанавливается наземная станция. Как при ручном, так и при автоматическом управлении наземной станицей алгоритм полёта роя не меняется. Дроны стремятся выполнять своё полётное задание: лететь на заданном расстоянии от наземной станции, с её скоростью и на высоте, указанной оператором, относительно земли.
Рис. 2. Вариант организации роя дронов: лидер-рой Fig. 2. Option for organizing a swarm of drones: leader-swarm Источник: составлено авторами
технологии, машины и оборудование ] для агропромышленного комплекса ]
При этом для управления роем подготовлены диаграммы состояния и деятельности, позволяющие более наглядно увидеть принцип работы системы и логики программного кода.
На диаграмме состояний отражены возможные состояния информационной системы, которая имеет начальное и конечное значение (рис. 3, а), а
также может последовательно переходить в любое из положений при каком-либо внешнем воздействии на рой.
Диаграмма деятельности (активности) позволяет смоделировать процесс выполнения операций на языке UML, отображая поток управления системы, находящейся в динамическом состоянии (рис. 3, б).
а б
Рис. 3. Варианты представления логики управления дроном: диаграмма состояний (а) и диаграмма деятельности (б) Fig. 3. Options for presenting drone control logic: state diagram (a) and activity diagram (b)
Источник: составлено авторами
Для внесения жидких растворов в классическом исполнении применяются системы опрыскивания, включающие в себя резервуар для жидкости, систему фильтров, насос, форсунки распылителя, диспенсер, разбрызгиватель, устройство управления, штангу опрыскивателя, шланг. Такая система обеспечивает равномерное распределение жидкости на обрабатываемой поверхности и повышает эффективность опрыскивания.
Учитывая концепцию системы, описанной ранее, штанга заменяется на рой дронов. Комплектующие предполагаемой системы:
1. Напорный шланг с диаметром 13 миллиметров и длиной 100 м.
2. Отсечные устройства на шланг: проходное, левое, правое.
3. Распылитель щелевой ST 110 с рабочим давлением 3 бара.
4. Бак для раствора.
5. Автоматический насос, поддерживающий необходимое давление в системе.
Кроме того, система дополняется электрогенератором, вырабатывающим электроэнергию для работы дронов и передаваемую по силовым проводам, а также цифровой системой управления роем.
Рекомендуемая высота распыления, установленная производителем форсунок - 50 сантиметров от поверхности. При этом необходимо обеспечить двойное перекрытие каждого участка распыления. Факел распыления - конус, в боковой проекции треугольник с высотой 0.5 метров, угол в вершине равен 110° (рисунок 4). Эффект от воздушного по-
[ technologies, machines and equipment ; for the agro-industrial complex
тока дрона на большом удалении отсутствует, следовательно, при развитии системы каждая форсунка должна распылять индивидуальный объем раствора.
Для большей эффективности системы (после построения NDVI карт) распыл в каждом секторе тоже должен быть индивидуальный.
Рис. 4. Проекция конуса распыления Fig. 4. Projection of the spray cone Источник: составлено авторами
Угол «НВС» равен 55°, следовательно, угол «НСВ» равен 35°. Отношение сторон к синусам противолежащего угла равно. Расчёт по формуле (1):
"""" """" (1)
По итогу искомая сторона «СН» имеет величину 0,72 метра, а сторона «АС» 1,44 метра:
0,5-0,82
0,57
= 0, 7 2 ( м ).
(2)
"ВН"
"СН"
s i n( ' ' H CB ' ' ) s i n( ' ' HB С ' )'
Для двойного перекрытия необходимо устанавливать распылители на расстояние 72 сантиметра друг от друга (рис. 5).
Рис. 5. Пример двойного перекрытия конусов распыления Fig. 5. Example of double overlap of spray cones Источник: составлено авторами
Для шланга длиной 100 метров необходимо установить 140 распылителей. Масса 1 распылителя с отсечным устройством равна 80 граммов. Общая масса распылителей составляет 11,2 кг.
Суммарная масса шланга с раствором и распылителями, в зависимости от типа используемого материала шланга и состава раствора, составляет 40-50 кг.
Оптимальным значением каждой единицы БПЛА при использовании их в составе роя дронов является использование пропеллера T-MOTOR 13*4.4 CF при 50 % процентах газа (Throttle), при
этом каждый двигатель способен поднять 544 грамма (Thrust). В случае использования гексакоптера с 6 электродвигателями общая подъемная масса будет составлять 3264 грамма. Общая масса БПЛА (без учета аккумулятора) на раме TAROT 690S составляет 2 кг. Аккумулятор TATTU Li-pol 22.2V 10000 mAh имеет массу 1300 граммов, что существенно в случае беспилотной техники. Однако именно по этой причине изначально расчёты проводились со значением взлётной массы при 50 % уровня газа, это дает запас подъемной силы от 30 до 45 % в зависимости от состояния уровня заряда АКБ.
технологии, машины и оборудование ] для агропромышленного комплекса ]
Таблица 1. Варианты комплектования дронов Table 1. Drone configuration options
№ Наименование / Name Сумма, руб. / Amount, rub.
Комплектующие единые для каждого типа дронов
1 Полётный контроллер HolyBro Pixhawk 4 + GPS M8N + PM07 / HolyBro Pixhawk 4 Flight Controller + GPS M8N + PM07
2 Комплект проводов для Pixhawk 4 Holybro / A set of wires for Pixhawk 4 Holybro
3 Телеметрия 915 Mhz 100 mW 3DR radio Dual TTL радиомодуль / Telemetry 915 MHz 100 mW 3DR radio Dual TTL radio module
4 Приёмник TBS Crossfire Nano RX / TBS Crossfire Nano RX Receiver
5 Разъем XT60 *мама|папа* - XT60 / XT60 Connector *Male|Female* - XT60
6 Набор расходников для пайки дрона / A set of consumables for soldering a drone
7 Raspberry Pi 4 Model B
8 Модуль камеры IMX219 160 ° 8MP / IMX219 160° 8MP Camera Module
9 Карта памяти SanDisk Ultra microSDHC 32 ГБ / SanDisk Ultra microSDHC 32 GB Memory Card
10 Датчики, для дрона: лазерный дальномер / Sensors, for drone: laser rangefinder
Итого: / Total:
39 500 1 550
8 217 4 300 300 1 500 19 500 1 000
650 250 76 767
Для дрона на 2 кг: / For a 2 kg drone:
1
Складная карбоновая рама TAROT 690S (гексакоптер) / TAROT 690S folding carbon frame (hexacopter)
T-Motor Antigravity 4006 KV380 + ESC 25А + пропеллер 13*4.4 (комплект на 6 шт.) / T-Motor Antigravity 4006 KV380 + ESC 25A + propeller 13*4.4 (set for 6 pcs.)
Аккумулятор TATTU Li-pol 22.2 V 10000 mAh / TATTU Li-pol 22.2 V 10000 mAh battery Итого: / Total:
Итого совместно со всеми комплектующими: / Total together with all components: Итого на 20 гексакоптеров: / Total for 20 hexacopters:
Для дрона на 4 кг: / For a 4 kg drone:
"1
2
3
Карбоновая рама гексакоптера TAROT T810 TL810A / Carbon frame of the TAROT T810 TL810A hexacopter
T-Motor MN4120 KV400 + ESC 60A + Пропеллер 15*5 / T-Motor MN4120 KV400 + ESC 60A + Propeller 15*5
Аккумулятор Gens Ace Tattu 16000 mAh 22.2V / Gens Ace Tattoo Battery 16000 mAh 22.2V
Итого: / Total:
Итого совместно со всеми комплектующими: / Total together with all components: Итого на 10 гексакоптеров: / Total for 10 hexacopters:
2
3
13 695
53 085 21 800 88 600 165 367 3 307 340
27 390 78 340
37 433
143 163 219 930 2 199 300
Для дрона на 8 кг: / For an 8 kg drone:
1
2
3
Складная карбоновая рама октокоптера TAROT T15 TL15T00 / TAROT T15 TL15T00 Folding Carbon fiber Octocopter Frame T-Motor MN5212 KV340 + ESC 60A + Пропеллер 18*6.1 / T-Motor MN5212 KV340 + ESC 60A + Propeller 18*6.1
Аккумулятор Gens Ace Tattu 22000 mAh 22.2V 30С / Gens Ace Tattoo Battery 22000 mAh 22.2V 30S Итого: / Total:
Итого совместно со всеми комплектующими: / Total together with all components: Итого на 5 октокоптеров: / Total for 5 hexacopters:
Источник: составлено автором на основании данных из открытых источников
42 272 128 344
55 693
226 309 303 076 1 515 380
[ technologies, machines and equipment ; for the agro-industrial complex
При этом для реализации предлагаемого технического решения можно применять различное количество БПЛА в зависимости от их несущей способности, однако опытным путем авторами выявлено, что применение мощных квадрокоптеров на большом расстоянии друг относительно друга требует размещения форсунок не только на квадроко-птере, но и на самом шланге, что является нецелесообразным из-за большого провисания подающих шлангов и снижения равномерности распыла (угла наклона факелов распыла относительно поля). Кроме того, производителем БПЛА и технологами указаны оптимальные рабочие высоты, на которые беспилотники могут подниматься без потери качества обработки.
Варианты комплектования беспилотных летательных аппаратов различных грузоподъемностей представлены в таблице 1.
Из таблицы 1 заметно, что, несмотря на низкую стоимость самого слабого дрона, общая необходимая стоимость оказалась самой большой. При использовании только 5 дронов расстояние между ними будет существенно большим, что в достаточной мере натянуть шланг. Вариант гексакоптеров на 4 килограмма полезной нагрузки оказался самым удачным.
Для проведения лабораторных исследований были применены квадрокоптеры малого подъемного класса Гаскар Клевер, позволяющие оценить жизнеспособность предлагаемого решения и выявить основные технические особенности, которые в дальнейшем будут перенесены на промышленные устройства. Комплект прототипа состоит из комплектующих, позволяющих в дальнейшем обеспечить масштабирование проекта до промышленного образца (таблица 2).
Таблица 2. Комплект прототипа, применяемый в рамках лабораторных исследований Table 2. Prototype kit used in laboratory research
№
Наименование / Name
1 Полётный контроллер Coex Pix + Coex PDB / Flight controller Coex Pix + Coex PDB
2 Плата питания Coex PDB / Power board Coex PDB
3 Регулятор оборотов COEX ESC 30А / Speed control COEX ESC 30А
4 Бесколлекторный электродвигатель, COEX BR2306, 2400 kV / Brushless electric motor, COEX BR2306, 2400 kV
5 Пропеллер пластиковый 5040^3 / The propeller is plastic 5040^3
6 Приёмник FlySky / Receiver FlySky
7 Raspberry Pi 4 Model B
8 Лазерный дальномер CJMCU-531 / Laser rangefinder CJMCU-531
9 Карта памяти SanDisk Ultra microSDHC 32 ГБ / SanDisk Ultra microSDHC 32 GB Memory Card Источник: составлено автором на основании данных из открытых источников
В ходе решения задач пилотирования роя дронов были разработаны подсистемы: автоматического полёта, передачи данных, экстренной посадки, схема работы ПИД регулятора, суть которых раскрыта в отдельной публикации, посвященной составлению программного кода управления БАС.
Методика проведения эксперимента заключалась в следующем:
1. Подготовка дронов Гаскар Клевер: проверка системы, калибровка датчиков.
2. Перевод одного из дронов в режим работы наземной станции.
3. Подготовка наземной станции: установка параметров полёта - высоты полёта и расстояния между дронами.
4. Проверка автоматически установленного соединения между дронами и наземной станцией.
5. Запуск роя по установленным параметрам в наземной станции.
6. Выполнения полётных тестов роя дронов относительно наземной станции.
7. Оценка корректности полёта дронов с помощью журнала событий и анализа полетных траекторий на основе видеозаписи процесса полета.
Эксперимент проводился в три этапа:
Первый этап - тестирование автоматического взлета и посадки каждого БПЛА с имитацией движения наземной станции.
Второй этап - тестирование систем контроля выполнения полетного задания и синхронизация ведущего и ведомых БПЛА.
технологии, машины и оборудование ] для агропромышленного комплекса ]
Третий этап - тестирование автономного полета роя дронов с одновременным опрыскиванием.
Результаты и обсуждение В ходе проведенного эксперимента были получены результаты, позволяющие в полной мере подтвердить возможность применения роя дронов для внесения жидких растворов при опрыскивании сельскохозяйственных культур.
В настоящее время в Нижегородской области запрещён запуск дронов, вследствие чего дроны запускались в помещении с использованием локальной системы навигации, основанной на технологии ком-
пьютерного зрения и маркеров АШсо. Так как алгоритм расчёта координат способен одинаково корректно работать в глобальных и локальных системах и планируется дальнейшее масштабирование на глобальную систему навигации, например GPS-RTK.
В ходе эксперимента первый дрон выступал в роли лидера и наземной станции, остальные дроны в рое повторяли его движения на указанном заранее расстоянии: высота полёта 1 метр, расстояние между дронами 1 метр, лидер является крайним левым элементом в системе. После взлёта (рис. 6, а), система начала свою работу (рис. 6, б).
а б
Рис. 6. Работа системы: взлёт (а) и полёт роя (б) Fig. 6. Operation of the system: takeoff (a) and flight of the swarm (b) Источник: составлено авторами
а б
Рис. 6. Полиномы накопления ошибки позиционирования дронов на старте эксперимента (а)
и через 140 секунд после начала движения дронов челночным методом (б):----полинома отклонения
точности позиционирования второго ведомого дрона относительно первого лидера;----полинома
отклонения точности позиционирования третьего ведомого дрона относительно второго лидера Fig. 6. Accumulation polynomials of the drone positioning error at the start of the experiment (a)
and 140 seconds after the start of drone movement using the shuttle method (b):----the polynomial of the
deviation of the positioning accuracy of the second slave drone relative to the first leader;----the polynomial
deviation of the positioning accuracy of the third slave drone relative to the second leader
Источник: составлено авторами
[ technologies, machines and equipment ; for the agro-industrial complex
В ходе проведения эксперимента было выявлено, что по мере движения роя дронов в челночном режиме (3 метра в одну сторону и 3 метра в обратном направлении) происходит накопление ошибки позиционирования ведомых БПЛА относительно ведущих (рис. 6). При этом данная ошибка накапливается по мере увеличения числа дронов в рое и их расстояния друг относительно друга. Данный эффект планируется исправить в ходе последующей работы над проектом за счет применения или оптимизации программы расчета координат позиционирования БПЛА, или увеличения вычислительной
мощности каждого элемента роя за счет переноса основных массивов данных на сторону базовой станции по принципу клиент-серверной архитектуры.
Кроме того, было выявлено изменение геометрии и равномерности формируемых факелов распыла ввиду провисания шланга между двумя БПЛА. Жестко закреплённые форсунки изменяли угол наклона в зависимости от силы натяжения шланга, что привело к неполному перекрытию ближайших зон обработки и снижению равномерности внесения рабочей жидкости.
а б
Рис. 6. Факел распыла рабочей жидкости при идеальном натяжении шланга (а), изменение равномерности внесения из-за смещения факела распыла на провисшем шланге (б) Fig. 6. Spray pattern of working fluid with ideal hose tension (a), change in uniformity of application due to displacement of the spray pattern on a sagging hose (b)
Заключение
Цели и задачи исследования выполнены в полном объеме.
По результатам проведенных экспериментальных исследований в лабораторных условиях можно с уверенностью сказать, что техническая реализуемость предлагаемого решения позволяет обеспечить масштабируемость проекта на более грузоподъемные варианты БПЛА с обеспечением технологической целостности процесса внесения жидких растворов различных назначений. Дальнейшее развитие темы направлено на снижение от-
клонения вдоль мыслимой линии строя роя дронов за счет оптимизации программного кода. Следующий этап исследований заключается в замене элементов питания (АКБ) на транзитные источники от наземной станции, что позволит снизить вес каждого БПЛА и увеличить полезную нагрузку.
Так же в ходе эксперимента обнаружен эффект провисания шланга подачи рабочего раствора, что создает предпосылки к разработке нового узла, позволяющего обеспечить строго вертикальный факел распыла и напор в зависимости от места его расположения.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Кулешов М. С. Исследование процесса распределения воздушно-минеральной смеси в штангах машины для рассеивания твердых минеральных удобрений // Вестник РГАТУ. 2015. № 3 (27). С. 69-71..
2. Алдошин Н. В., Бабаев Ш. М., Васильев А. С., Кудрявцев А. В., Голубев В. В. Результаты применения модифицированного наконечника распылителя опрыскивателя при фолиарной обработке посевов кормовых культур // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2020. № 24 (187). С. 51-66.
3. Хайнкель Р. Внесение жидких удобрений с помощью полевых опрыскивателей // Защита и карантин растений. 2009. № 6. С. 39-41.
ХХХХХХХХХХХ технологии, машины и оборудование ХХХХХХХХХХХ ХХХХХХХХХХХ для агропромышленного комплекса ХХХХХХХХХХХ
4. Ротенберг Ю. Ю., Раскатова Т. В., Редкозубов И. А. Правильно выбрать распылитель для полевых опрыскивателей // Защита и карантин растений. 2011. № 2. С. 37-40.
5. Ротенберг Ю. Ю., Раскатова Т. В., Редкозубов И. А. Высота штанги полевого опрыскивателя // Защита и карантин растений. 2011. № 5. С. 42-43.
6. Эфендиева А. А. Практические аспекты внедрения беспилотных летательных аппаратов в растениеводство КБР // Известия КБНЦ РАН. 2021. № 2 (100). С. 86-94.
7. Труфляк Е. В., Кулак А. А. Эффективность использования беспилотной технологии внесения удобрений и средств защиты растений при возделывании озимого ячменя // Естественно-гуманитарные исследования. 2022. № 44 (6). С. 314-318.
8. Применение беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве : дайджест. Вып. 9 (47) / Сост.: А. Г. Цырульник. Москва, 2023. 11 с.
9. Goli S. et al. Experimental study on efficient propulsion system for multicopter UAV design applications // Results in Engineering. 2023. С. 101555.
10. Matache M. G. et al. Development of a tricopter-hexarotor agricultural uav destined for the realization of precision spraying works // INMATEH - Agricultural Engineering. 2023. Т. 70. № 2. P. 11-20.
11. Emimi M., Khaleel M., Alkrash A. The current opportunities and challenges in drone technology // International Journal of Electrical Engineering and Sustainability (IJEES). 2023. С. 74-89.
12. Quan X. et al. The economic effects of unmanned aerial vehicles in pesticide application: evidence from Chinese grain farmers // Precision Agriculture. 2023. С. 1-17.
13. Cavalaris C. et al. Cost Analysis of Using UAV Sprayers for Olive Fruit Fly Control // AgriEngineering. 2023. Т. 5. № 4. С. 1925-1942.
14. Hanif A. S., Han X., Yu S. H. Independent control spraying system for uav-based precise variable sprayer: A review // Drones. 2022. Т. 6. № 12. С. 383.
15. Марченко Л. А. и др. Технология внесения пестицидов и удобрений беспилотными летательными аппаратами в цифровом сельском хозяйстве // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2019. Т. 13. № 5. С. 38-45.
16. Qin W. et al. Droplet deposition and efficiency of fungicides sprayed with small UAV against wheat powdery mildew // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2018. Т. 11. № 2. С. 27-32.
17. Onler E. et al. Spray Characterization of an Unmanned Aerial Vehicle for Agricultural Spraying // The Philippine Agricultural Scientist. 2023. Т. 106. № 1. С. 39-46.
18. Аблец А. А., Стребков А. Н., Завгородняя Е. В. Опыт создания роя БПЛА в вооруженных силах иностранных государств // Военная мысль. 2022. № 6. C. 137-146.
19. Скубиев С. И., Шаповалов Д. А., Лепехин П. П. Опыт применения БПЛА для мониторинга состояния посевов риса в Краснодарском крае // Рисоводство. 2018. № 4 (41). С. 51-55. EDN YXSITJ.
20. Blekanov I., Molin A., Zhang D. et al. Monitoring of grain crops nitrogen status from uav multispectral images coupled with deep learning approaches // Computers and Electronics in Agriculture. 2023. V. 212. P. 108047. DOI 10.1016/j.compag.2023.108047. EDN BWWSHJ.
Дата поступления статьи в редакцию 28.09.2023, одобрена после рецензирования 27.10.2023,
принята к публикации 28.10.2023.
Информация об авторах:
Д. А. Ваняев - аспирант, преподаватель кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», Spin-код: 2476-4767;
В. В. Косолапов - к.т.н., доцент кафедры «Математика и вычислительная техника», Spin-код: 6685-3331; Е. В. Косолапова - к.с.-х.н., доцент кафедры «Информационные системы и технологии», Spin-код: 2297-0016; А. П. Мансуров - д.с.-х.н., профессор кафедры «Товароведение, управление качеством и экономика сферы услуг», Spin-код: 7575-6427.
V^W^VWW^V ТРГНМП! nniFS МЛГШМРЯ ЛМП FflIIIPMFNT WWW^^WW
technologies, machines and equipment
WVW^^WWV^^ FOR THF АПРП.1МПИЯТР1А I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
for the agro-industrial complex
Заявленный вклад авторов:
Ваняев Д. А. - подготовка и проведение эксперимента, сбор и обработка материалов, подготовка первоначального варианта текста.
Косолапов В. В. - научное руководство, формулирование основной концепции исследования, подготовка текста статьи.
Косолапова Е. В. - обработка материалов, осуществление критического анализа и доработка текста. Мансуров А. П. - корректировка текста статьи.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Kuleshov M. S. Issledovanie processa raspredeleniya vozdushno-mineral'noj smesi v shtangah ma-shiny dlya rasseivaniya tverdyh mineral'nyh udobrenij [Investigation of the process of distribution of an air-mineral mixture in the rods of a machine for dispersing solid mineral fertilizers], Vestnik RGATU [Bulletin RGATU], 2015, No. 3 (27), pp. 69-71..
2. Aldoshin N. V., Babaev Sh. M., Vasil'ev A. S., Kudryavcev A. V., Golubev V. V. Rezul'taty primeneniya modificirovannogo nakonechnika raspylitelya opryskivatelya pri foliarnoj obrabotke posevov kormovyh kul'tur [Results of using a modified tip of a sprayer sprayer during foliar processing of forage crops], Izvestiya sel'skohozyajst-vennoj nauki Tavridy [Izvestiya agronomicheskoi nauki Tavrida], 2020, No. 24 (187), pp. 51-66.
3. Hajnkel' R. Vnesenie zhidkih udobrenij s pomoshch'yu polevyh opryskivatelej [Application of liquid fertilizers using field sprayers], Zashchita i karantin rastenij [Protection and quarantine of plants], 2009, No. 6, pp. 39-41.
4. Rotenberg Yu. Yu., Raskatova T. V., Redkozubov I. A. Pravil'no vybrat' raspylitel' dlya polevyh opryskivatelej [Choose the right sprayer for field sprayers], Zashchita i karantin rastenij [Protection and quarantine of plants], 2011, No. 2, pp. 37-40.
5. Rotenberg Yu. Yu., Raskatova T. V., Redkozubov I. A. Vysota shtangi polevogo opryskivatelya [Height of the rod of the field sprayer], Zashchita i karantin rastenij [Protection and quarantine of plants], 2011, No. 5, pp. 42-43.
6. Efendieva A. A. Prakticheskie aspekty vnedreniya bespilotnyh letatel'nyh apparatov v rastenie-vodstvo KBR [Practical aspects of the introduction of unmanned aerial vehicles into the CBD plant], Izvestiya KBNC RAN [Izvestiya KBNTS RAS], 2021, No. 2 (100), pp. 86-94.
7. Truflyak E. V., Kulak A. A. Effektivnost' ispol'zovaniya bespilotnoj tekhnologii vneseniya udobrenij i sredstv zashchity rastenij pri vozdelyvanii ozimogo yachmenya [The effectiveness of the use of unmanned technology for fertilization and plant protection products in the cultivation of winter barley], Estestvenno-gumanitarnye issledo-vaniya [Natural sciences and humanities research], 2022, No. 44 (6), pp. 314-318.
8. Primenenie bespilotnyh letatel'nyh apparatov v sel'skom hozyajstve : dajdzhest [The use of unmanned aerial vehicles in agriculture: digest], Iss. 9 (47), A. G. Cyrul'nik (ed.), Moscow, 2023, 11 p.
9. Goli S. et al. Experimental study on efficient propulsion system for multicopter UAV design applications, Results in Engineering, 2023, pp. 101555.
10. Matache M. G. et al. Development of a tricopter-hexarotor agricultural uav destined for the realization of precision spraying works, INMATEH - Agricultural Engineering, 2023, Vol. 70, No. 2, pp. 11-20.
11. Emimi M., Khaleel M., Alkrash A. The current opportunities and challenges in drone technology [], International Journal of Electrical Engineering and Sustainability (IJEES), 2023, pp. 74-89.
12. Quan X. et al. The economic effects of unmanned aerial vehicles in pesticide application: evidence from Chinese grain farmers, Precision Agriculture, 2023, pp. 1-17.
13. Cavalaris C. et al. Cost Analysis of Using UAV Sprayers for Olive Fruit Fly Control, AgriEngineering, 2023, Vol. 5, No. 4, pp. 1925-1942.
14. Hanif A. S., Han X., Yu S. H. Independent control spraying system for UAV-based precise variable sprayer: A review, Drones, 2022, Vol. 6, No. 12, pp. 383.
15. Marchenko L. A. i dr. Tekhnologiya vneseniya pesticidov i udobrenij bespilotnymi letatel'nymi apparatami v cifrovom sel'skom hozyajstve [Technology of application of pesticides and fertilizers by unmanned aerial vehicles in
xxxxxxxxxxx технологии, машины и оборудование ххххххххххх ххххххххххх для агропромышленного комплекса ххххххххххх
digital agriculture], Sel'skohozyajstvennye mashiny i tekhnologii [Agricultural machines and technologies], 2019, Vol. 13, No. 5, pp. 38-45.
16. Qin W. et al. Droplet deposition and efficiency of fungicides sprayed with small UAV against wheat powdery mildew, International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2018, Vol. 11, No. 2, pp. 27-32.
17. Onler E. et al. Spray Characterization of an Unmanned Aerial Vehicle for Agricultural Spraying, The Philippine Agricultural Scientist, 2023, Vol. 106, No. 1, pp. 39-46.
18. Ablec A. A., Strebkov A. N., Zavgorodnyaya E. V. Opyt sozdaniya roya BPLA v vooruzhennyh silah in-ostrannyh gosudarstv [The experience of creating a swarm of UAVs in the armed forces of foreign states], Voennaya mysl' [Military thought], 2022, No. 6, pp. 137-146.
19. Skubiev S. I., SHapovalov D. A., Lepekhin P. P. Opyt primeneniya BPLA dlya monitoringa sostoyaniya posevov risa v Krasnodarskom krae [The experience of using UAVs to monitor the state of rice crops in the Krasnodar Territory], Risovodstvo [Rice farming], 2018, No. 4 (41), pp. 51-55, EDN YXSITJ.
20. Blekanov I., Molin A., Zhang D. et al. Monitoring of grain crops nitrogen status from uav multispectral images coupled with deep learning approaches, Computers and Electronics in Agriculture, 2023, Vol. 212, pp. 108047, DOI 10.1016/j.compag.2023.108047, EDN BWWSHJ.
The article was submitted 28.09.2023; approved after reviewing 27.10.2023; accepted for publication 28.10.2023.
Information about the authors:
D. A. Vanyaev - postgraduate student, lecturer of the Department of Information and Communication Technologies and Communication Systems, Spin code: 2476-4767;
V. V. Kosolapov - Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the Department of Mathematics and Computer Engineering, Spin code: 6685-3331;
E. V. Kosolapova - Ph. D. (Agricultural), Associate Professor of the Department of Information Systems and Technologies, Spin-code: 2297-0016;
A. P. Mansurov - Ph. D. (Agricultural), Professor of the Department of Commodity Science, Quality Management and Economics of the service sector, Spin-code: 7575-6427.
The declared contribution of the authors: Vanyaev D. A. - preparation and conduct of the experiment, collection and processing of materials, preparation of the initial version of the text.
Kosolapov V. V. - research supervision, developed the theoretical framework, processing materials, preparing the text of the article.
Kosolapova E. V. - processing of materials, critical analysis and revision of the text. Mansurov A. P. - correction of the text of the article.
The authors declare that there is no conflict of interest.
