Анализ технологий применения БПЛА CE20 в составе беспилотных авиационных систем защиты растений

DOI:

Практика применения современных беспилотных систем защиты растений (БСЗ) на сегодняшний день достаточно обширная. Такие системы формируются на базе БПЛА различных типов. При этом характеристики БПЛА существенно влияют на эффективность применения данных систем. Такой новый тип беспилотных технологий для защиты растений быстро развивается и широко используется в Китае. При этом многие исследователи, работающие в данной области, отмечают, что в настоящее время вопрос о том, как использовать БСЗ с научной точки зрения, стал главным приоритетом [1-5].

В работах [1, 2] авторы показывают, что на сегодняшний день взаимосвязь между рабочими параметрами БСЗ и эффективной шириной распыления (ЭШР), а также между характеристиками распределения капель при распылении и эффектом борьбы с насекомыми-вредителями и болезнями пока не ясна. Для выявления данных взаимосвязей предпринимается ряд экспериментальных исследований с использованием различных БПЛА с варьированием основных технических параметров, таких как скорость полета, высота полета, объем распыления.

В работе [1] для электрического однороторного БПЛА типа CE20 проведены эксперименты с тремя уровнями скорости полета - 3, 4 и 5 м/с, тремя уровнями высоты полета - 1,5, 2,0 и 2,5 м и объемом распыления 2,0 л/мин. Исследовалось, как изменяемые параметры влияют на ЭШР, равномерность осаждения капель и скорость проникновения капель [3].

На основании полученных результатов в сочетании с агрономическими закономерностями возникновения насекомых-вредителей и болезней растений выбирались оптимальные параметры работы БСЗ. Результаты показали, что ЭШР для БПЛА CE20 не была постоянной. Максимальное значение ЭШР составило 5,78 м, а минимальное - 2,51 м. Скорость полета БПЛА оказала весьма значимое влияние на ЭШВ (p = 0,0033 <0,01), в то время как высота полета и взаимодействие между скоростью и высотой полета не оказали существенного влияния на ЭШР. Коэффициент вариации осаждения капель составлял от 23,3% до 34,4%, что означало хорошую однородность осаждения.

Отмеченные нами результаты исследований доказывают, что за счет оптимизации параметров и сочетания агротехнологических приемов с помощью БСЗ можно добиться существенного повышения эффективности борьбы с насекомыми-вредителями и болезнями растений.

Предлагаемый нами анализ применения БПЛА CE20 в составе беспилотных авиационных систем защиты растений позволит выявить основные технические характеристики БПЛА и их взаимосвязи с агротехнологическими приемами, обеспечивающими техническую поддержку для приложений БСЗ в точном земледелии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В настоящее время в КНР на базе БПЛА CE20 формируются беспилотные авиационные системы защиты растений (Crop Protection Unmanned Aerial System – CPUAS [1]). Внешний вид CE20 производства Wuxi Hanhe Aviation Technology Co., Ltd., Китай показан на рисунке 1.

Рисунок 1. БПЛА CE20 (источник: Smart_ Products/ Drone/.

Figure 1. CE20 UAV (source: Drone/.

CE20 представляет собой электрический одновинтовой БПЛА (вертолетного типа) с кинематической системой глобального позиционирования в реальном времени (RTK-GPS). Это позволяет обеспечивать полностью автономный полет по маршрутам, запланированным с помощью мобильного приложения. Более того, CE20 оснащен системой визуального отслеживания распыления в режиме реального времени. Это позволяет оператору обеспечивать обратную связь в режиме реального времени через приложение на смартфоне или планшете. Поэтому опрыскиваемую площадь можно рассчитать одновременно с выполнение БПЛА последовательных операций транспортно-технологического цикла (ТТЦ), не прерывая работу вертолета [6-8].

Кроме того, система GPS-слежения автоматически регулирует скорость выброса пестицидов в зависимости от скорости полета вертолета. Функция поддерживает равномерную норму расхода на единицу площади. Такие параметры, как скорость полета (FS) и высота полета (FH), а также объем распыления, настраиваются в мобильном приложении с точностью, контролируемой в пределах 0,30 м, 0,30 м/с и 0,05 л/мин., соответственно. Основные технические параметры дрона следующие:

• •    размер дрона - 1880 mm × 618 mm × 758 mm;

• •    диаметр ротора - 2388 mm;

• •    емкость батареи - 28,000 mAh × 2;

• •    длина штанги опрыскивателя - 1442 mm;

• •    максимальная загрузка - 20 L;

• •    количество насадок – 2;

• •    тип насадок – Hydraulic;

• •    расположение сопел – 800 мм по обе стороны фюзеляжа;

• •    объем распыления - 2.0 L/min;

• •    ширина распыления - 3–5 m.

Экспериментально полученные характеристики, например, разброс капель во время экспериментального распыления, получены при использовании водочувствительной бумаги (WSP). Дрон предназначен для использования инсектицидов и фунгицидов высокой концентрации для опрыскивания с воздуха для борьбы с тлей, мучнистой росой и фитофторозом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При фактическими применении CE20 устанавливаются следующие уровни: для FS -три уровня: 3, 4 и 5 м/с; для FH - три уровня: 1,5, 2,0 и 2,5 м. Объем распыления составляет 2,0 л/мин во время работы. Как правило, CE20 перелетает из зоны разгона в зону остановки для распыления по центральной линии зоны отбора проб в автономном режиме. Параметры обработки и результаты выполненных функций БПЛА CE20 представлены в [2].

С учетом того, что грузоподъемность БПЛА CE20 составляет до 35 килограммов сельскохозяйственных химикатов, то за каждый транспортно-технологический цикл данный БПЛА позволяет осуществить опрыскивание до 2,7 гектара земли за 20 минут, в зависимости от навыков оператора. Отметим, что это в 60-80 раз эффективнее, чем традиционное ручное опрыскивание.

Во время распыления пестицидов интенсивный нисходящий поток от вращения винта вертолета может способствовать раскрытию посевов, и пестициды смогут равномерно наноситься на нижнюю или корневую часть сельскохозяйственных культур, что способствует лучшей защите растений.

В точном земледелии использование сверхмалых объемов распыления сокращает затраты на воду и пестициды. Использование бензина с октановым числом 95 в качестве топлива может также снизить затраты на выполнение полетного задания. Кроме того, использование дистанционного управления позволяет оператору избегать взаимодействия с химическими веществами, что значительно снижает как вред для оператора, так и влияние на окружающую среду.

Тестовые данные, представленные в [1] дают представление о результатах проведенных испытаний для заданной полосы обработки (ширина полосы варьировалась в пределах от 2,51 м. до 5,43 м.). Изучалась равномерность осаждения капель и скорость проникновения. Полоса обработки БПЛА CE20 не была постоянной и уменьшалась по мере общего увеличения скорости полета. Минимальная ширина составила 2,51, а максимальное значение составляло 5,78 м.

Для всех тестовых полетов БПЛА коэффициент вариации осаждения капель не превышал 35 %, из них минимальный - 23,30 % составил для двух экспериментальных обработок транспортно-технологических циклов ТТЦ-1 и ТТЦ-4, а максимальный - 34,40 % (экспериментальная обработка ТТЦ-6). Это подтвердило хорошую однородность осаждения в ЭШР.

Общее представление проведенных в [1] испытаниях БПЛА CE20 дает таблица 1.

Результаты исследования показывают, что ЭШР и КВ, влияя на эффективность распыления, тесно связаны и зависят от параметров БПЛА. Таким образом, обзор результатов, приведенных в [1-5], показывает, что при оптимизации параметров воздушного опрыскивания достигается эффект борьбы с тлей, мучнистой росой и фитофторозом, соответствующий реальным требованиям. Однако оптимизация должна сочетаться с агрономическими требованиями на основе выбора типов сельскохозяйственных культур, периода роста, характеристик вредителей и болезней, а также условий окружающей среды [8-10].

Таблица 1. Результаты испытаний БПЛА CE20.

Table 1. Test results of the CE20 UAV.

Номер транспортнотехнологического цикла (ТТЦ 1-9)	Эффективная ширина распыления (ЭШР)	Коэффициент вариации осаждения капель (КВ)
ТТЦ-1	5,42	23,30%
ТТЦ-2	5,78	24,80%
ТТЦ-3	4,58	26,20%
ТТЦ-4	3,51	23,30%
ТТЦ-5	5,75	26,20%
ТТЦ-6	4,17	34,40%
ТТЦ-7	2,58	27,20%
ТТЦ-8	2,77	28,15%
ТТЦ-9	2,51	32,65%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный анализ применения БПЛА в составе беспилотных авиационных систем защиты растений представляет результаты тестирования БПЛА CE20. Соответственно приведенные нами выводы применимы только к этому БПЛА. БСЗ, созданные на базе других типов БПЛА могут иметь отличные от рассмотренных характеристики распыления и осаждения капель, например, для многороторных БСЗ. Следовательно, в случаях применения других типов БПЛА необходимо выполнять систематические эксперименты для определения оптимальных сочетаний параметров [11-13]. В дальнейшем необходимо учитывать влияние структуры обрабатываемого поля [14] и силы ветра [15, 16] на эффект осаждения капель, чтобы установить их корреляцию, что будет способствовать достижению лучших практик в области управления и контроля БПЛА в точном земледелии.