CC BY
21
КВАДРОКОПТЕРЫ - ОПТИМАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ПОВЫШЕНИЯ УРОЖАЯ Несвит В.Д.1, Бондарец О.А.2, Скотаренко В.В.3, Степанищев Н.Н.4, Фесенко А.В.5 Email: [email protected]
1 Несвит Виталий Дмитриевич - кандидат технических наук, доцент; 2Бондарец Олег Анатольевич - старший преподаватель, кафедра сопротивления материалов, инженерной и компьютерной графики; 3Скотаренко Виктор Васильевич - кандидат технических наук, декан, строительный факультет, заведующий кафедрой, кафедра сопротивления материалов, инженерной и компьютерной графики;
4Степанищев Николай Николаевич - старший преподаватель, кафедра сопротивления материалов, инженерной и компьютерной графики; 5Фесенко Андрей Викторович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой, кафедра механизации производственных процессов в животноводстве, Государственное образовательное учреждение Луганский национальный аграрный университет, г. Луганск, Украина
Аннотация: при обработке посевов (подкормка или защита от вредителей, включая саранчу) на первое место встает вопрос о стоимости проведения такой агротехнической операции. В это понятие «стоимость» входят как постоянные затраты, так и временные (например: если вертолет покупной - охрана, хранение и так далее). Поэтому постулат «цена - качество» является ключевым и определяющим при сопоставлении: самолет - вертолет - дельтаплан -квадрокоптер. Кроме того, важным фактором является мобильность и перекомплектация всей системы, основными критериями выступают габариты и время разворачивания/сворачивания системы.
Ключевые слова: кевлар, механизм опрыскивания, увеличение (площади) обработки, соотношение цена - качество, квадрокоптер, нанораспыление.
QUADROCKTERS - THE OPTIMUM HARVEST INCREASE Nesvit V.D.1, Bondarec O.A.2, Skotarenko V.V.3, Stepanishev N.N.4,
Fesenko A.V.5
1Nesvit Vitaly Dmitrievich - Technical Sciences, Associate Professor; 2Bondarec Oleg Anatolievich - Senior Lecturer, DEPARTMENT RESISTANCE OF MATERIALS ENGINEERING AND COMPUTER GRAPHICS; 3Skotarenko Viktor Vasilievich - Candidate of Technical Sciences, Deсan, FACULTY OF CONSTRUCTION, Head,
DEPARTMENT RESISTANCE OF MATERIALS ENGINEERING AND COMPUTER GRAPHIC;
4Stepanishev Nikolay Nikolaevich - Senior Lecturer, DEPARTMENT RESISTANCE OF MATERIALS ENGINEERING AND COMPUTER GRAPHIC; 5Fesenko Andrey Viktorovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Head of the Department, DEPARTMENT MECHANIZATION OF PRODUCTION PROCESSES IN LIVESTOCK, STATE EDUCATIONAL INSTITUTION LUGANSK NATIONAL AGRARIAN UNIVERSITY,
LUGANSK, UKRAINE
Abstract: in the treatment of crops (feeding or protection from pests, including locusts), the question of the cost of carrying out such an agrotechnical operation is in the forefront. In this sense, "cost" includes both fixed costs and temporary (for example: if the helicopter is purchased - security, storage, and so on). Therefore, the postulate "price - quality" is the
key and determining in the comparison: aircraft - helicopter - hang-glider - quadrocopter. In addition, the mobility and recompilation of the entire system is an important factor, the main criteria are the dimensions and the time for the deployment of the folding system. Keywords: kevlar, spraying mechanism, increase (area) of processing, price-quality ratio, quadrocopter, nanospray.
УДК 631.348.46
В статье (первая из цикла) рассматривается вопрос о стоимости, (или цене) такой составляющей затрат на обработки, как топливо: ибо при традиционных первых трех: самолет - вертолет - дельтаплан именно эта затрата является доминирующей. И в этих трех случаях нет альтернативы или бензину или дизтопливу. В случае с квадрокоптером имеется альтернатива: или бензин или аккумуляторные батареи [1]. Во втором случае есть ряд вариантов. Все зависит от организации зарядки этих батарей. На взгляд авторов статьи необходимо использовать альтернативные источники зарядки: солнечные батареи и (или) ветрогенераторы. Кроме того, одним из преимуществ квадрокоптеров перед «вертолет - самолет - дельтаплан» является следующее: квадрокоптер может распылять инсектициды находясь прямо в «облаке» саранчи, поскольку у него нет потребности в заборе воздуха, в то время, как у «вертолет - самолет -беспилотник» все воздухоприемники будут забиты насекомыми. Как видно из рисунка на участке, назовем его базисный, должны располагаться:
а) ветроэлектростанция, адаптированная для применения при невысокой скорости воздушного потока;
б) набор солнечных батарей (рассчитывается);
в) комплекты съемных батарей для тех типов квадрокоптеров, которые находятся в точке базиса.
Рис. 1. Мобильное решение зарядной станции
Возможен вариант с применением готового решения от фирмы WindStream Technologies, гибридной энергосистемы, сочетающую в едином модуле два основных альтернативных источника энергии — солнечные панели и вертикальные ветровые турбины. Изначально устройство предполагалось использовать в регионах с высокими тарифами на электроэнергию и в районах с ненадежной или полностью отсутствующей центральной электросетью. Однако компактные размеры и универсальность установки позволяют разместить ее на мобильную платформу и использовать в наших целях (рис. 1).
Тем более, что организация работы квадрокоптеров менее трудоемка, чем геликоптеров или сельхозавиации. Так предполагается следующая организация обработки полей любого региона [2, 5].
Сначала составляется предполагаемая дорожная карта такой работы:
а) тип реагента для опыления растений, как-то: подкормка, борьба с листогрызущими, листососущими, борьба с милдью или другие виды обработки стационарно расположенных объектов;
б) обработка движущихся объектов: саранчи, и так далее.
Для этого подбираются соответствующие препараты для микрораспыления.
Базироваться отряд (звено, группа или другое название для квадрокоптеров и обслуги) должен в зоне, позволяющей перебазирование всего оборудования в беззаправочной дальности полета квадрокоптера. Кстати, сейчас ряд фирм начал выпуск таких квадрокоптеров с подъемной массой в 120 кг, что позволяет квадрокоптер-матке перевозить, как менее габаритные квадрокоптеры, так и часть груза. Соответственно группа квадрокоптеров должна состоять, как из квадрокоптеров с пластиковыми или не совсем высокопрочными лопастями, так и квадрокоптеров лопасти которых должны изготавливаться из сверхлегкой высокопрочной стали или кевлара фирмы «Дюпон». Также из этого материала изготавливается трубопроводная система опрыскивания. Пока, именно, стоимость такой трубки сопоставима со стоимостью материала, из которого шьют рубашки для американских президентов. Дело в том, что эта продукция фирмы «Дюпон» из пуленепробиваемого материала. И стоимость зависит от того, перейдет ли фирма на массовый выпуск таких труб. Пока они выпускаются для военного применения, но со временем их стоимость упадет на порядок. Не лишним будет напомнить, что во времена Наполеона Бонапарта стоимость алюминия была выше, чем золота.
Такие квадрокоптеры должны использоваться для обработки, как летящих массивов саранчи, так и для их же обработки в местах приземления саранчи. Дело в том, что квадрокоптеры летят на такой высоте, на которой перемещается даже осевшая саранча [3].
Распыляющий блок квадрокоптера разрабатывается, как автономный, способный к установке на любой носитель, как воздушного, так и наземного базирования. Блок состоит из несущей трубы изготовленного из сверхпрочного материала «кевлартекс», разработанного фирмой «Дюпон» для военного применения в авиапромышленности. Пока материал идет под грифом, но фирма обещает в конце 2017 года - начало 2018 года выпустить такие трубы в широкую продажу. По не совсем проверенным источникам, трубы диаметром 9,525 мм (в свету) держат давление в 35 Ваг, что позволяет осуществлять ультрадисперсное опрыскивание. Насос используется из обычного геликоптерного нагнетателя фирмы «Armgedrics» (по данным интернет-ресурса). Насос как раз может создавать давление до 25 Ваг (таким образом, у нас есть запас: положено 25% запаса давления, в нашем случае 40% запаса) и таким образом у нас есть запас, обеспечивающий нормы госгортехнадзора. Для того чтобы обеспечить нанораспыление, применяется ноу-хау в виде насадки с эжектором, вид которого представлен на рис. 2.
Хомут
и
§уг1
Эжекторная вставка
Распылитель
Труба из кевлартекса
Рис. 2. Примерное устройство модуля распыления
Жидкость под большим давлением входит в полость эжектора и выходя получаются очень мелкие пузырьки воздуха с поверхностью из распыленной жидкости. Главное, и то при таком распылении получается электролизация таких пузырьков, что позволяет им попадать не только на наружную поверхность листов, но и на их внутреннюю поверхность. За счет нанораспыления объем необходимой консистенции для опыления гектара посевов является минимальной и по некоторым сведениям достигает 10 килограммам (10 кг). Длина несущей трубы может достигать 7 метров (дальше по расчетам парусность не позволит осуществлять маневры в нужном ритме). При семиметровой длине парусная поверхность самой трубы (при самых невыгодных розах ветров) составит А=70^= =7*0,7*0,010525=0,05м2, то есть по сравнению с поверхностью самого квадрокоптера «0,7мм2 (с учетом неблагоприятного воздушного потока) это составляет примерно 7,3%. Допускается 12%. Следовательно, семиметровая труба такого диаметра позволит совершать маневры без дополнительных противовиражных нагрузок [4].
По сравнению с массой геликоптера, сама труба имеет сравнительно небольшую массу. Масса такой трубы для погонного метра по пресс-релизам фирмы «Дюпон» составляет 0,1652 кг (данные для трубы с толщиной стенки 0,659 мм, расчет же ведется по стенке 0,5 мм). Таким образом масса семиметровой трубы будет равна М=1,15 кг, что тоже не окажет существенного влияния возможной ветровой диверсификации маневров. Примерная масса всего оборудования (включая нейлоновые тросы-растяжки).
1. Бак емкостью 10 литров = 11 кг
2. Труба L = 7 метров = 1 кг
3. Насос Н = 25 Ваг = 1 кг
4. Дополнительные неучтенные мелкие детали = 1 кг
5. Электронные распылители 7 грамм х 10 штук = 70 грамм или =0,07 кг.
Общая масса такого груза для квадрокоптера « до 15 кг. В настоящее время такой квадрокоптер обходится в 3,5 тысячи $ вечнозеленых американских рублей или 210 тысяч рублей. Ориентировочный срок службы квадрокоптера 10 лет.
Для обработки полей нужно 5 квадрокоптеров звена и 1 квадрокоптер - матка примерная стоимость его 500000 рублей. Таким образом стоимость всего звена с учетом всех солнечных батарей, ветроэнергетических установок (передвижных) и так далее составит порядка 3,5 миллиона рублей. На 1 год « 350 тысяч рублей. За год ущерб от всего того с чем могут бороться в регионе квадрокоптеры составляет около 1 миллиарда рублей. «Думайте сами, считайте сами: иметь или не иметь».
Выводы:
1. Оптимальной организацией обработки сельскохозяйственных культур с помощью дронов предполагается комплексная единица, включающая идеальную, по меркам регионов, количественную составляющую обслуживающей структуры.
2. Выбор всех комплектующих для структурного подразделения должен определяться с помощью on-line обсуждения аграриев региона.
3. Оптимальным является организация производства оборудования для распылительных систем дронов после широкого обсуждения и с соответствующей системой оптимального выбора фирмы производителя.
Список литературы /References
1. Несвит В.Д., Кириченкео В.Е., Сеотаренко В.В., Фесенко А.В., Бондарец О.А. Оптимизация применения дронов для обработки сельскохозяйственных культур. В кн.: Итоговая научная конференция ЛНАУ 2017. Луганск, 2017. С. 29-31.
2. Золотухин Ю.Н., Котов К.Ю., Нестеров А.А. Управление автономным объектом при плоском движении по заданной траектории с обходом препятствий // В кн.: Труды IX Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах». Самара: СНЦ РАН, 2007. C. 213-219. XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014 Москва, 16-19 июня 2014 г. 3389.
3. Bristeau P.-J., Callou F., Vissiere D., Petit N. The Navigation and Control Technology Inside the AR.Drone Micro UAV // 18th IFAC World Congress. Milano. Italy, 2011. P. 1477-1484.
4. Kim J., Kang M.-S., Park S. Accurate Modeling and Robust Hovering Control for a Quad-rotor VTOL Aircraft // Journ. Intell. Robotics Syst., 2010. Vol. 57. № 1-4. P. 9-26.
5. Белоконь С.А., Золотухин Ю.Н., Котов К.Ю., Мальцев А.С., Нестеров А.А., Пивкин В.Я., Соболев М.А., Филиппов М.Н., Ян А.П. Использование фильтра Калмана в системе управления траекторным движением квадрокоптера // Автометрия, 2013. № 6. С. 14-24.
