Анализ применения беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве

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 машиннотракторных 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

а – 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 обсуждение. По разнообразию конструкции существует 4 основных типа беспилотных летательных аппаратов (рисунок 1), которые используются в гражданских целях [1]:

– мультироторные – мультикоптерные дроны;

– беспилотник с неподвижным крылом;

– однороторный дрон – беспилотный 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 мульти-коптерные дроны нашли широкое применение в агропромышленном комплексе (АПК). Однако возможности беспилотников в части повышения эффективности машиннотракторного агрегата при выполнении технологических операций, таких как вспашка, культивация, дискование, посев и прикатывание 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 залипание 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

Е РП = Е п + ^ЕТП , (1) где Е – 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;

Е – затраты энергии на выполнение технологического процесса, Дж.

Рисунок 2 – Зависимость удельного сопротивления почвы от влажности

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:

Р П ■ f n ( W ) ■ 10 • ( ¹ + ү )

П       П д ■ n ■ ( 1 - П б ) ■ В ’  ⁽⁾

где Р – сила, необходимая для перекатывания машинно-тракторного агрегата на единицу длины, Н;

fn (W) - коэффициент сопротивле- ния перекатыванию энергетического средства, зависящий от влажности почвы;

ү - коэффициент, учитывающий долю холостых ходов;

П д , П т , П б — эффективный КПД соответственно двигателя, трансмиссии и буксования энергетического средства;

В – ширина захвата агрегата (плуга).

Затраты энергии на выполнение технологи- ческого процесса в зависимости от мощности, затрачиваемой на выполнение рабочим органом (плугом) на обработку почвы, будут равны:

„  ₌ 3.6 • N „„ ( W ) • В

Е ТП                т-r        ,

П д • ^ПЧ

где Nmn(W) - удельные затраты мощно- сти на вспашку, отнесенные к ширине захвата агрегата, и определяемые расходом топлива, зависящего от влажности почвы, Н;

П – 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.

Е, кг/га

13   17  21   23W,%

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 машиннотракторного 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 беспилотников.

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 15– 23%, 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.