CC BY
159УДК 632.95:629.734.3
ПРИМЕНЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
КУЛЬТУР
Д.В. Кудрявцев, А.Г. Магдин, А.А. Горбунов, Р.А. Нестеренко, Д.К. Жанзакова Аэрокосмический Институт Оренбургского Государственного Университета
Аннотация. Целью исследовательской работы, проведенной в статье, является подбор более эффективного способа обработки полей. Задача, решению которой посвящена статья, заключается в замене традиционного способа обработки посевов на альтернативный, более экономичный и простой способ обработки сельскохозяйственных культур. В основе теоретического материала лежит исследование преимуществ беспилотных летательных аппаратов над традиционной авиацией и иными способами обработки сельскохозяйственных культур, а также использование практического многолетнего опыта обработки посевов. Для повышения эффективности хозяйства необходимо использовать сельскохозяйственные беспилотные летательные аппараты, которые помогают решить следующие задачи: создание электронных карт полей, обработка земель химическими жидкостями, мониторинг посевов. Используя беспилотный летательный аппарат в обработке полей, можно увеличить эффективность обработки. Преимущество обработки полей с помощью сельскохозяйственного беспилотного летательного аппарата заключается в: экономии используемой химической жидкости, экономии топлива и экономии времени на обработку посевов. В статье приведен новый способ обработки деревьев и высоких кустарников с помощью сельскохозяйственного беспилотного летательного аппарата путём изменения положения рычага и отклонение его на необходимый угол для обработки всех необходимых поверхностей. По результатам исследований, самым эффективным способом обработки полей является обработка с помощью сельскохозяйственного беспилотного летательного аппарата.
Ключевые слова: сельскохозяйственный БПЛА, сельское хозяйство, дифференцированное внесение, удобрения, пестициды, химическая жидкость.
Введение. Численность населения на земле за последние десятилетия возросла, что, в свою очередь, привело к необходимости увеличения объема сельскохозяйственной продукции. Так, например, по оценке продовольственной и сельскохозяйственной организации, к 2050 году численность населения на планете составит 9,6 млрд. человек, то есть численность населения станет на треть больше, чем численность на сегодняшний день. Следовательно, необходимо увеличение объема сельскохозяйственной продукции [1].
Объем продукции можно увеличить с помощью повышения эффективности хозяйства, то есть с применением передовых технологий. Раньше передовой технологией в сельском хозяйстве считалось применение тракторов и комбайнов, однако на сегодняшний день передовыми технологиями в сельском хозяйстве является управление хозяйством с помощью компьютеров, а также применение сельскохозяйственной авиации [2].
Перспективы применения беспилотных летательных аппаратов в сельскохозяйственных целях. Первой страной, которая начала применять
специализированную беспилотную сельскохозяйственную технику, является Япония. Еще в восьмидесятых годах прошлого столетия японские инженеры активно начали искать альтернативный, более экономный и простой способ обработки полей. На смену традиционной сельскохозяйственной авиации пришли радиоуправляемые вертолеты небольших размеров [3].
На сегодняшний день многие страны заинтересованы использовать беспилотные летательные аппараты в сельскохозяйственных целях. Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) - это летательный аппарат, который способен выполнять длительные полеты по аэродинамическому принципу, предназначен для управления летательным аппаратом без человека на борту [4].
В России актуально использование сельскохозяйственных БПЛА, ведь страна имеет большую посевную площадь. Беспилотные летательные аппараты России в основном применялись в военной сфере и МЧС. За последние 6 лет машиностроительные предприятия сделали БПЛА сельскохозяйственного назначения больше, чем за все предыдущее годы. Такой интерес связан с большими перспективами и разнообразными конструкторскими решениями. По оценке экспертов к 2035 году при спонсировании государства Россия может занять порядка 20 % мирового рынка в сельском хозяйстве [5].
Сельскохозяйственные беспилотные летательные аппараты, у которых полезная нагрузка составляет менее 10 килограммов, в основном применяются для внесения трихограммы, а для обработки сельскохозяйственных культур химическими жидкостями применяют БПЛА с полезной нагрузкой от 80 до 400 килограммов. Трихограмма - это очень маленькие перепончатокрылые насекомые, которых размножают в лаборатории и яйца насекомых разбрасывают по полю, в свою очередь они являются биологическим оружием, которые уничтожают вредителей.
Автоматические или дистанционно управляемые комплексы БПЛА требуют более высокого уровня обеспечения. Такие комплексы основаны на программируемых, полностью автономно функционирующих или дистанционно управляемых беспилотных авиационных системах [6,7].
Преимущества применения БПЛА аграрного назначения:
- использование БПЛА при повышенной влажности, из-за которой затруднено использование наземной техники;
- отказ от ручного опрыскивания (рабочие больше не будут контактировать с опасной химической жидкостью во время распыления);
- по сравнению с традиционной сельскохозяйственной авиацией БПЛА летают ниже, вследствие этого экономят химическую жидкость (благодаря возможности точечного внесения химических жидкостей);
- традиционная сельскохозяйственная авиация окупается только при использовании ее на больших и средних по объему полях, использование ее на малых по объему полях не экономично;
- традиционная сельскохозяйственная авиация не способна точечно опрыскивать сельскохозяйственные культуры гербицидами или пестицидами (в зависимости от стоящей задачи);
- в условиях холмистой местности эффективность ручного труда сокращается, однако эту проблему можно избежать, если использовать БПЛА.
Применение БПЛА в аграрной отрасли помогает решить такие задачи как:
- анализ почвы, создание и обновление трехмерных карт обрабатываемых земель в электронном виде;
- обработка сельскохозяйственных культур методом опрыскивания химической жидкостью или применение трихограммы;
- мониторинг посевов, то есть контроль состояния сельскохозяйственных культур (определение вегетационного периода, зараженности болезнями, прогноз урожайности, планирование посевных работ, обмерка полей, контроль качества сбора урожая наблюдаемых земель). На сегодняшний день с помощью БПЛА можно получить детализированные фотографии полей в реальном времени и предпринять необходимые решения для улучшения показателей посевов;
- посев некоторых сельскохозяйственных культур осуществляется путём «выстрелов» в почву капсул с семенами [8].
Интерес в использовании сельскохозяйственного БПЛА обусловлен следующими причинами:
- приемлемая цена на БПЛА по сравнению с использованием спутниковых технологий (при построении электронных карт полей), БПЛА, однако, не являются полностью заменой спутников, а лишь дополняют в качестве локальной системы;
- способность запрограммировать БПЛА на полет по заданному маршруту и точечно обрабатывать каждый необходимый участок;
- высокая ремонтопригодность (нет необходимости проводить техническое обслуживание настолько часто, как это необходимо в традиционной сельскохозяйственной авиации) [9].
Использование БПЛА для дифференцированного внесения средств защиты растений и удобрений. Применение БПЛА многоразового использования считается предпочтительным для дифференцированного внесения средств защиты и удобрения. Для упрощения контроля над эксплуатацией сельскохозяйственного БПЛА применяют такие БПЛА, у которых взлет и посадка осуществляется вертикально или с помощью взлетно-посадочной полосы малой протяженности. БПЛА, которые осуществляют вертикальный взлет и посадку, относятся к вертолетному или мультироторному типу.
Дифференцированное внесение удобрений или пестицидов в сельском хозяйстве выполняется в режиме off-line или on-line.
В режиме off-line реализация технологической операции, которая производится на стационарном компьютере, предусматривает подготовку электронной карты-задания с применением дифференцированного внесения пестицидов или удобрений. В электронных каратах указывается количество дозы для каждого отдельного участка поля с применением GPS-приемника.
В режим on-line количество дозы внесения удобрений или пестицидов определяется с помощью бортового компьютера (с предварительно заложенной программой) на основании датчиков, которые установлены на БПЛА. Такой метод чаще всего применяют при подкормке сельскохозяйственных культур азотными удобрениями на этапе их вегетации.
Дифференцированное внесение пестицидов и удобрений с применением БПЛА осуществляется по алгоритму технологического процесса, который включает в себя разработку полетного задания, предполетную подготовку, взлет, программируемый полет БПЛА с внесением химических жидкостей, посадку БПЛА в заданную точку.
В полетное задание сельскохозяйственного БПЛА входит: регистрационный номер, дата полета, маршрут полета (траектория, по которой будет передвигаться БПЛА),
электронная карта-задание в которой указаны координаты обрабатываемого поля, начальные точки полета, участки разворота, крейсерская скорость и высота полета.
В предполетную подготовку сельскохозяйственного БПЛА входит: доставка БПЛА и вспомогательных технических средств на место обрабатываемого поля, заправка топливом, внесение химической жидкости, подготовка датчиков и бортового компьютера, мониторинг метеоусловий, установка на исходную позицию БПЛА и запуск двигателя.
Технологическая операция методом дифференцированного внесения пестицидов или удобрений включает в себя: взлет БПЛА, подлет на установленную точку, набор крейсерской скорости и высоты, программируемый полет по заданной траектории, распыление химической жидкости, контроль над параметрами полета и внесение химической жидкости, дозаправка химической жидкостью или топливом на месте посадки [10].
Предлагаемый сельскохозяйственный беспилотный летательный аппарат, который осуществляет дифференцированную обработку сельскохозяйственных культур пестицидами или удобрениями, оснащен видеокамерой для позиционирования БПЛА в пространстве и над сельскохозяйственными культурами, емкостью для химической жидкости, подающим устройством - насосом, системой гибких трубок-шлангов, форсунок, для внесения химической жидкости. Форсунки и трубки-шланги закреплены на штанге, расположенной симметрично относительно центра тяжести БПЛА, с установленными на ней поворотными рычагами, на которых закреплены форсунки на шарнирах, позволяющие производить распыление в необходимом направлении.
Сельскохозяйственный БПЛА, который осуществляет опрыскивание в вертикальном направлении (сверху вниз) схематично изображен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Сельскохозяйственный БПЛА, который осуществляет опрыскивание в вертикальном направлении (сверху вниз)
Способ опрыскивания, изображенный на рисунке 1, подходит лишь для вертикальной обработки (полевых растений). Для деревьев и высокорослых кустарников когда требуется точная или точечная обработка в горизонтальном направлении или снизу таким способом не получится полностью обработать необходимые поверхности. Решение данной проблемы заключается в разработке нового сельскохозяйственного БПЛА. Обработка деревьев и высокорослых кустарников будет происходить с помощью изменения положения рычага, поднятого вверх на угол 90°. При таком способе происходит опрыскивание сельскохозяйственных культур в горизонтальном положении (рисунок 2).
Рисунок 2 - Сельскохозяйственный БПЛА, который осуществляет опрыскивание в
горизонтальном направлении
Сельскохозяйственный БПЛА, представленный на рисунке 2 более качественно и точечно способен обработать необходимые поверхности высокорослых кустарников с целевым расходом химических веществ, однако для полной обработки поверхностей деревьев этого недостаточно. На рисунке 3 представлен способ, при котором сельскохозяйственный БПЛА сможет в полной мере обработать все необходимые поверхности деревьев. На разрабатываемом БПЛА возможность изменения вектора опрыскивания будет осуществляться с помощью рычагов на шарнирах, поднятых до необходимого угла. При таком способе происходит опрыскивание сельскохозяйственных культур в вертикальном направлении или под углом (снизу вверх).
Рисунок 3 - Сельскохозяйственный БПЛА, который осуществляет опрыскивание в вертикальном направлении под углом (снизу вверх)
Штанга, которая расположена на БПЛА способна отклоняться в разных направлениях, такой процесс происходит благодаря поворотному механизму ( шарниру). На рисунке 4 изображена штанга, которая оснащена рычагами, форсунками и поворотными механизмами. На рисунке 4(а) изображена штанга, которая осуществляет опрыскивание в вертикальном направлении (сверху вниз). При расположении штанги с
поднятым рычагом до 90° опрыскивание происходит в горизонтальном направлении (рисунок 4(б)). На рисунке 4(в) изображена штанга, отклоненная на необходимый угол, которая осуществляет опрыскивание в вертикальном направлении (снизу вверх).
Рисунок 4 - Штанга с разными положениями рычагов
Работа разрабатываемого сельскохозяйственного БПЛА осуществляется в следующей последовательности: беспилотный летательный аппарат запускают над обрабатываемым сельскохозяйственным участком, заранее установив положение штанг, зависящем от ширины захвата обрабатываемой полосы, а так же с установленным углом рычагов, зависящем от направления опрыскивания поверхности растений, вертикальное (сверху - вниз), горизонтальное (в направлении от беспилотного летательного аппарата), вертикальное направление (снизу вверх, под углом необходимым для данного вида обработки). После этого БПЛА производит полёт по заданному маршруту над обрабатываемыми культурами, внося химические вещества непосредственно на целевые поверхности, требующие обработки, а также в зону высокого качества опрыскивания с минимальными потерями химической жидкости, что немаловажно в целях материальной экономии, экономии времени и точности внесения химических веществ.
Заключение. Внедрение беспилотных летательных аппаратов в сельское хозяйство позволяет сократить нецелевой расход химической жидкости путём точечного внесения пестицидов и удобрений, а также обрабатывать сельскохозяйственные культуры без их повреждения, что в свою очередь приведет к увеличению урожая, тем самым решая проблему издержек производства.
Список используемых источников:
1. Семыкин, В. А. Научное обеспечение инновационного развития сельского хозяйства Курской области / В. А. Семыкин, И. Я. Пигорев // Региональные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса : материалы всерос. науч.-практ. конф. - 2007. - № 1.- С. 3-10.
2. Кучкарова, Д. Ф. Современные системы ведения сельского хозяйства / Д. Ф. Кучкарова, Б. У. Хаитов // Молодой ученый. - 2015. - № 12. - С. 222-223.
3. Коротаев, А. А. Применение беспилотных летательных аппаратов для мониторирования сельскохозяйственных угодий и посевных площадей в аграрном секторе / А. А. Коротаев, Л. А. Новопашин // Аграрный вестник Урала. - 2015. - № 12. - С. 38-42.
4. Зубарев, Ю. Н. Использование беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве / Ю. Н. Зубарев, Д. С. Фомин, А. Н. Чащин, М. В. Заболотов // Вестник ПФИЦ. -2019. - № 2. - С. 47-51.
5. Вторый, В. Ф. Перспективы экологического мониторинга сельскохозяйственных объектов с использованием беспилотных летательных аппаратов / В. Ф. Вторый, С. В. Вторый // Теоретический и научно-практический журнал ИАЭП. - 2017. - № 92. -С. 158-165.
6. Марченко, Л. А Дифференцированное внесение пестицидов с использованием беспилотных летательных аппаратов / Л. А. Марченко, И. Г. Смирнов, Г. И. Личман [и др.] // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2017. - № 4. - С. 17-23.
7. Михайленко, И. М. Беспилотная малая авиация в сельском хозяйстве / И. М. Михайленко // Агрофизика. - 2015..- № 2. С. 16-24.
8. Захаров Р. В. Применение беспилотного летательного аппарата при десикации масличных культур / Р. В. Захаров, И. Г. Гайнутдинов. - Текст : электронный // Вектор экономики : электронный журнал. - URL: http://www.vectoreconomy.ru/. Дата публикации: 13 ноября 2018.
9. Брюханов, А. Ю. Методика определения биогенной нагрузки сельскохозяйственного производства на водные объекты / А. Ю. Брюханов, С. А. Кондратьев, Н. С. Обломкова [и др.] // Теоритический и научно-практический журнал ИАЭП. - 2016. - № 89. - С. 175-182.
10. Марченко, Л. А. Технология внесения пестицидов и удобрений беспилотным летательным аппаратами в цифровом сельском хозяйстве / Л. А. Марченко, А. А. Артюшин, И. Г. Смирнов [и др.] // Сельскохозяйственные машины и технологии - 2019. - № 5. - С. 38-45.
Кудрявцев Дмитрий Викторович, студент, кафедра летательных аппаратов Аэрокосмического Института Оренбургского Государственного Университета, г. Оренбург, Россия, тел. +798 78430 727, e-mail: 9878430727@mail.ru
Магдин Александр Геннадьевич, к.т.н., преподаватель, кафедра летательных аппаратов Аэрокосмического Института Оренбургского Государственного Университета, г. Оренбург, Россия, тел. +79128447038, e-mail: magdin.sasha@yandex.ru
Горбунов Александр Алексеевич, к.т.н., доцент, кафедра летательных аппаратов Аэрокосмического Института Оренбургского Государственного Университета, г. Оренбург, Россия, тел. + 79225461343, e-mail: gorbynovaleks@mail.ru
Нестеренко Руслан Андреевич, студент, кафедра летательных аппаратов Аэрокосмического Института Оренбургского Государственного Университета, г. Оренбург, Россия, тел. +79501804764, e-mail: nstrnk.rsln@,gmail.com
Жанзакова Данагуль Кайдарбековна, студент, кафедра летательных аппаратов Аэрокосмического Института Оренбургского Государственного Университета, г. Оренбург, Россия, тел. +79198438257, e-mail: danagul-99@mail.ru
APPLICATION OF AGRICULTURAL UNMANNED AIRCRAFT FOR PROCESSING
AGRICULTURAL CROPS
Abstract. The purpose of the research work carried out in the article is to select a more efficient way of processing fields. The problem to which the article is devoted is to replace the traditional method of cultivating crops with an alternative, more economical and simple way of cultivating crops. The theoretical material is based on the study of the advantages of unmanned aerial vehicles over traditional aviation and other methods of processing crops, as well as the use of practical long-term experience in crop processing. To improve the efficiency of the economy, it is necessary to use agricultural unmanned aerial vehicles, which help to solve the following tasks: creating electronic maps of fields, processing land with chemical liquids, monitoring crops. By using an unmanned aerial vehicle in the processing of fields, the processing efficiency can be increased. The advantage of processing fields with an agricultural unmanned aerial vehicle is: saving the used chemical liquid, saving fuel and saving time for processing crops. The article presents a new method for treating trees and tall shrubs using an agricultural unmanned aerial vehicle by changing the position of the lever and deflecting it to the required angle to process all the required surfaces. According to research, the most efficient way to cultivate fields is with an agricultural unmanned aerial vehicle.
Key words: agricultural drones, agriculture, differential application, fertilizers, pesticides, chemical liquid.
Kudryavtsev Dmitry Viktorovich, student, Department of Aircraft, Aerospace Institute, Orenburg State University, Orenburg, Russia, tel. +798 78430 727, e-mail: 9878430727@mail.ru
Magdin Alexander Gennadievich, Candidate of Technical Sciences, Lecturer, Department of Aircraft Aerospace Institute, Orenburg State University, Orenburg, Russia, tel. +79128447038, e-mail: magdin.sasha@yandex.ru
Gorbunov Alexander Alekseevich, Ph.D., Associate Professor, Department of Aircraft Aerospace Institute, Orenburg State University, Orenburg, Russia, tel. +79225461343, e-mail: gorbynovaleks@mail.ru
Ruslan Andreevich Nesterenko, student, Department of Aircraft, Aerospace Institute, Orenburg State University, Orenburg, Russia, tel. +79501804764, e-mail: nstrnk.rsln@,gmail.com
Zhanzakova Danagul Kaidarbekovna, student, Department of Aircraft, Aerospace Institute, Orenburg State University, Orenburg, Russia, tel. +79198438257, e-mail: danagul-99@,mail.ru
