Автономные беспилотные летательные аппараты в точных системах агропроизводства

Проблемность. Технологические регламенты агропроцессов (полеводство, животноводства, природопользование) предусматривают выполнение большого числа (комплексов) технологических операций в различные моменты времени в разных точках сельхозугодья. Эти операции выполняют в соответствии с технологическими картами процессов, а в ситуациях отклонений характеристик объекта аграрного производства (ОАП) от нормируемых (увядание, пожелтение растений), критических (возникновение на угодьях депрессивных либо заражённых болезнями или вредителями зон, болезни животных и т.п.) оперативно по необходимости. Регламентируемые агротехнологиями воздействия на ОАП предусматривают использование наземных технологических агрегатов (подвижных, стационарных), сопровождающееся негативным влиянием на почву, окружающую среду и ОАП. Данные недостатки могут быть устранены заменой наземных технологических средств беспилотными летательными аппаратами (БПЛА).

Уже сегодня БПЛА активно применяют в технологиях агропроизводства. Отечественные и зарубежные фирмы (VANADIS, RC-LIKE, АгроДрон, Геоскан, ARMAIR, Агропрактик и др.) используют технологические решения для контроля состояния посевов озимых культур до и после зимовки, реализации процессов мелиорации сельскохозяйственных угодий, оценки характеристик земельных угодий, оценки параметров агротехнологических процессов в режиме on-line, применения химикатов (ликвидация вредителей, болезней сельхозкультур, внесение удобрений и др.), охраны объектов и т.п. [1]. Результаты исследований и практического использования аналогичных объектов показывают, что сферу применения БПЛА вертолётного типа (агрокоптеров), оснащённых специальными технологическими органами локальных оперативных технологических воздействий на биообъект аграрного производства (БАП), следует значительно расширить. Реализация энергоэффективных экологически чистых сельскохозяйственных технологий с применением БПЛА – одно из перспективных направлений их совершенствования.

Задачи и методы исследования. Для развития специализированных поисково-преобразовательных и технологических функций БПЛА для высокоэффективного использования в агропроизводстве необходимо исследовать особенности функционирования БПЛА в сель-хозпроизводстве, описать и дифференцировать агротехнологические операции, их рабочие технологические параметры, разработать математические и физические модели, отладить специализированные функции адаптации БПЛА в агротехнологиях, сопоставить полётные распознавательные и поисковые, роботизированные рабочие параметры БПЛА на соответствие требованиям сельхозтехнологий.

Решение данных задач предполагает при учёте специфики функционирования БПЛА в агротехнологиях применение системного анализа, имитационных программных моделей управления БПЛА (самоорганизационный эксер- гетический анализ, алгоритмы, аналитика и семантика управления), конструирование (блочномодульная структура), испытание и апробацию модулей различных структур. Отдельная задача исследования – изучение особенностей функционирования БПЛА при групповом взаимодействии техногенных устройств с БАП в самораз-вивающихся агроценозах [2, 3], нового комбинированного метода целеориентированно-само-настраиваемой регистрации изображений биообъектов в агроценозах, семантических специальных алгоритмов распознавания с применением анатомо-морфологических параметров БАП агротехноценоза.

БПЛА в новейших агротехнологиях. Постоянный тотальный мониторинг условий реализации агропроцессов, динамики изменений состояния сельхозугодий, характеристик технологических процессов с применением технических средств наблюдения в режиме реального времени – важнейшее необходимое условие реализации высокопроизводительных и эффективных агротехнологий.

Информацию о сельскохозяйственном угодье используют для формирования реальных электронных почвенных и других карт, контроля динамики изменений состояния, характеристик БАП, оперативной корректировки выполняемых технологических процессов [4].

На сельскохозяйственном угодье определяют приоритетные технологические зоны: производства семян, рассады, закладки ее в почву, возделывания БАП (рисунок 1).

В приоритетных зонах сельскохозяйственного угодья взаимосвязанно и параллельно проводят комплекс технологических процессов агропроизводства: процессы получения семян сельскохозяйственной культуры, выращивания и закладки рассады в почву, выращивания и стимуляции развития растений. Полученные в зоне семеноводства семена транспортируются в приоритетную зону выращивания с использованием мостового технологического агрегата рассады для производства высококачественного рассадного материала. Беспилотным летающим аппаратом (БПЛА) рассадный материал транспортируют в приоритетную зону возделывания БАП (закладка рассады в почву). В ходе возделывания на разных этапах развития БАП БПЛА реализуют малоэнергоёмкие технологические операции обслуживания процессов развития БАП (в том числе, локально):

борьба с болезнями растений и вредителями, ускорение развития растений в депрессивных зонах и т.п. Технологические операции закладки рассады, выращивания и стимуляции развития растений, требующие существенных затрат энергетических и агрегатных ресурсов, реализуют рабочие технологические машины наземного функционирования.

1 – модуль наблюдения; 2 – модуль передачи данных; 3 – модуль управления; 4 – БПЛА;

5 – мостовой технологический агрегат; 6 – рабочая технологическая машина наземного функционирования; 7 – сельскохозяйственное угодье; 8, 9, 10 – соответственно, приоритетные зоны производства семян, рассады, возделывания БАП

Рисунок 1 – Пример реализации информационно- и интеллектуально-насыщенных агротехнологий

Таким образом, взаимодействие между выполняемыми процессами полного комплекса технологических операций по производству продукции растениеводства при этом выполняют в режиме реального времени с возможностью выполнения необходимых корректировок процессов в ходе их выполнения.

Рассмотренная технология предусматривает оперативную реализацию малоэнергопотребляющих технологических процессов при отсутствии отрицательных влияний на БАП, сельскохозяйственное угодье и окружающую среду. При этом обеспечивается высокая технологическая эффективность процессов производства агропродукции (так, при выращивании помидоров затраты энергии снижаются на 9%, а увеличение урожайности может достигать 17%).

Известно, что взаимосвязь явлений и процессы, как в области существования человека, так и внутри структур, организованных растительными животными особями БАП, в части взаимодействия лидирующих особей и подчиненных особей происходят в соответствии с теорией конституентов. Более конкретно, при взаимодействии структур, организованных растительными животными особями БАП, возникают биоинформационные кооперативные связи:

прогрессирующие в развитии структуры усиливают динамику развития отстающих в развитии структур, и наоборот – отстающие тормозят развитие структур, прогрессирующих в развитии. Таким образом, учитывая биоинформаци-онные кооперативные взаимосвязи, можно стимулировать положительное влияние прогрессирующих в развитии структур для ускорения развития отстающих.

С этой целью на сельскохозяйственном угодье создают управляемые технологические зоны (рисунок 2). Образование на сельхозяйст-венном угодье приоритетных управляемых зон в режиме реального времени позволяет анализировать анатомо-морфологические параметры БАП (главным образом, геометрические и цветовые характеристики) на разных участках сельскохозяйственного угодья.

В ходе управления агропроцессами по всей площади сельскохозяйственного угодья согласно технологическому регламенту выполняют полный комплекс технологических операций возделывания конкретного БАП в реальных агроклиматических условиях. Определяют на сельхозяйственном угодье зоны развития БАП, зоны удовлетворительного и прогрессирующего развития.

Увеличивают положительное стимулирующее биохимическое и электрофизическое влияние, кооперативное биоинформационное влияние БАП (интерференции взаимного воз- действия отдельных особей БАП друг на друга) зоны прогрессирующего развития на зоны отстающего развития и удовлетворительного развития.

• 1    – управляющий модуль; 2 – блок контроля характеристик БАП; 3 – сельхозугодье; 4 – БПЛА; 5 – технологическое устройство введения гормональных ингредиентов; 6 – лазер; 7 – блок связи;

• 8    – технологический агрегат; 9 – зоны депрессивного развития агрокультур; 10 – зоны удовлетворительного развития агрокультур; 11 – зоны отстающего развития; 12 – рабочие устройства на технологическом агрегате; 13 – направления биохимических и электрофизических воздействий для усиления кооперативного положительного биоинформационного влияния БАП в различных зонах развития; 14 – направления биохимических и электрофизических воздействий для ослабления кооперативного негативного биоинформационного влияния БАП в различных зонах развития

Рисунок 2 – Зонная технология возделывания БАП

Это воздействие осуществляют путём ускорения интенсивности развития агрокультур зон опережающего развития. Корректировку генофенотипического индекса БАП осуществляют применением гормональных ингредиентов и (или) с помощью воздействий на БАП лазерного облучения. Кроме этого, рядом с депрессивными зонами и зонами удовлетворительного развития целесообразно образовывать новые зоны прогрессирующего развития БАП. Для снижения отрицательного кооперативного био-информационного влияния особей депрессивных зон на БАП в пограничных зонах выполняют технологические операции стимулирования интенсивности созревания и роста БАП рядом с отстающими зонами.

Технологические воздействия на БАП в зонах прогрессирующего развития выполняют роботизированными агрегатами, не оказывающими при функционировании отрицательных влияний и воздействий на окружающую среду и БАП.

Усиление развития БАП в зонах прогрессирующего развития за счёт изменения БАП на генотипическом уровне с применением гормональных препаратов либо лазерного воздействия обеспечивает рост урожайности БАП (рисунки 3, 4).

Вариант применения БПЛА в технологиях производства агропродукции приведен в [5–10]. Здесь БПЛА осуществляет заборы проб почвы на сельскохозяйственном угодье. Блочномодульная организация структуры БПЛА позво- ляет использовать его по иному назначению, например, для получения и передачи видеоданных о состоянии БАП в любой зоне угодья, сбора и транспортировки образцов фрагментов БАП и т.п.

о о

Контрастность информативного анатомо-морфологического признака

Рисунок 3 – Проявление информативного параметра развития БАП до стимуляции зон прогрессирующего развития

Контрастность информативного анатомо-морфологического признака

Рисунок 4 – Проявление информативного параметра развития БАП после стимуляции зон прогрессирующего развития

Заключение. В рамках важнейшей научно-практической проблемы повышения продуктивности и производительности труда в агропроизводстве необходима целенаправленная адаптация БПЛА к реальным условиям применения для оперативного обеспечения достоверной информации о ходе изменений выполняемых технологических процессов: регистрация агротехнологических параметров (температура, влажность, плодородие), инспекция полей, взятие проб почвы (воды, воздуха), корректировка электронных карт реальной пространственнодифференцированной урожайности и др. При обнаружении отклонений параметров процессов от заданных (обнаружение депрессивных зон (вредителей, болезней) и т.п.) БПЛА незамедлительно осуществляет лазерно-оптические и биохимические воздействия на БАП (избирательно либо по площадям). Условия использования в агротехнологиях с самоорганизующимся БАП приводят к необходимости изменения полётных действий БПЛА, возможности осуще- ствления несвойственных ему роботизированных технологических наблюдения, приёма, обработки, распознавания изображений, самоорганизации и управления, алгоритмов нахождения, наведения и наблюдения интересуемых агрообъектов на основе системы технического зрения, а также воздействия на БАП.

Для ведения точного аграрного производства необходимы новые роботизированные технические средства, особенно в условиях территориально рассредоточенного размещения сельскохозяйственных объектов и при отсутствии достаточных трудовых человеко-ресурсов. В животноводстве для управления стадом, персонального целенаправленного ухода за животными и предполагается применение «видеопастуха» на базе БПЛА с многофункциональным событийно-информационным модулем, способным к саморегулированию, самообучению, самопрограммированию. В растениеводстве при реализации технологии дифференцированного земледелия, учитывающего состояние отдельной особи БАП, целесообразно использование «видеотехнолога агроугодья» на базе многофункционального мехатронного рабочего технологического модуля БПЛА, способного к самоорганизации. В природопользовании, в частности, в деятельности лесных, охотоведческих хозяйств, при разведении рыбы предполагается создание «видеоинспектора территорий» на основе разработки многофункционального разведывательно-поискового блока БПЛА, с алгоритмами самообучения, самопрограммирования и самоорганизации. Биоагротехнологизация БПЛА с разработкой уникальных и оригинальных поисково-преобразовательных функций, адаптированных в современные агротехнологии, позволит существенно повысить уровень и изменить условия производства агропродукции, столь необходимые и привлекательные для молодых специалистов.

Создание многофункционального высокоманёвренного блочно-модульного БПЛА обеспечит выполнение поисково-преобразовательных агротехнологических функций в реализациях технологий дифференцированного растениеводства на пространственно-распределённых территориях.

Оригинальные и уникальные способности БПЛА определяются системой распознавания анатомо-морфологических и этологических характеристик живых развивающихся биообъек- тов при своевременном обнаружении локально детерминированных зон зарождения (развития) инфекций и появления (распространения) вредителей, интересуемых, инородных или пропавших биообъектов. Эти особенности позволят осуществлять точечно-выборочные агротехно-логические мероприятия и перейти к технологии упреждающего управления ростом и развитием сельскохозяйственных культур, использовать эти прогрессивные преимущества для наблюдения физиологических и поведенческих проявлений животных при управлении стадом на роботизированных фермах.

Применение БПЛА определяет исполнительно-преобразовательная система БПЛА для взятия проб, лазерно-оптического, электрофизического и биохимического воздействий, для предотвращения негативных тенденций в производстве агропродукции, стимуляции положительных эффектов, сигнального группового и индивидуального управления биообъектами.