Применение БПЛА в точном земледелии: обзор результатов тестирования октокоптера Agras MG-1S

DOI:

Расширение производства сельскохозяйственной продукции растениеводства часто связано с увеличением количества пестицидов, используемых при обработке сельскохозяйственных культур [1-6]. Большинство из них применяются путем опрыскивания, которое заключается в нанесении жидкого состава на объекты обработки в виде капель [7]. Традиционные технологии опрыскивания сельскохозяйственных культур, например, опрыскиватели рюкзачного типа с ручными насосами или пилотируемые самолеты могут оказаться неэффективными, особенно при опрыскивании небольших и труднодоступных полей со сложным рельефом почвы. В таких условиях высока вероятность избыточного внесения на доступные части целевой растительной поверхности и недостаточное внесение на труднодоступные части посевов [8, 9]. Кроме того, эти традиционные технологии связаны с рядом негативных последствий для здоровья сельскохозяйственных рабочих из-за воздействия химических пестицидов [10].

В настоящее время существенно возрос интерес к использованию в сельскохозяйственном секторе БПЛА для выполнения задач по опрыскиванию сельскохозяйственных культур [11, 12]. В качестве преимуществ БПЛА относительно традиционных авиационных технологий указываются: лучшая управляемость, способность летать на малых высотах, обрабатывать небольшие участки с затрудненным доступом (горный рельеф), меньшее энергопотребление и высокая эффективность. Кроме того, сельскохозяйственные БПЛА не требуют специальных взлетно-посадочных площадок, а их обслуживание обходится дешевле [13]. Как отмечается в работах [14-16] анализ и оптимизация транспортно-технологических циклов (ТТЦ) сельскохозяйственных БПЛА, используемых в процессе распыления жидких удобрений и пестицидов может способствовать дополнительному усовершенствованию этой новой технологии за счет установления, спецификации и стандартизации параметров всех задействованных операций ТТЦ. Это может существенно противодействовать естественным недостаткам использования беспилотных летательных аппаратов, таким как их малый размер, ограниченная грузоподъемность рабочей жидкости и краткость времени полета из-за ограниченного срока службы батареи. С этой целью актуальным является анализ тестовых данных применения БПЛА для защиты растений в системе точного земледелия на примере октокоптера Agras MG-1S.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В статье рассматриваются тестовые данные [17, 18], полученные при проведении экспериментов по распылению удобрений и пестицидов с помощью БПЛА-октокоптера с дистанционным управлением модели Agras MG-1S производства компании DJI Technology Co., Шэньчжэнь, Китай (см. табл. 1).

Таблица 1. Характеристики БПЛА Agras MG-1S.

Table 1. Characteristics of the Agras MG-1S UAV.

Параметры	Значения
Размер (мм)	1471/1471/482 (длина/ширина/высота)
Масса (кг)	14 (включая батарею)
Скорость полета (м/с)	2,80 / 4,75 / 5,97
Высота полета (м)	2,00 / 2,75 / 3,50
Максимальная загрузка жидкости (л)	10

Таблица 1 включает основные характеристики БПЛА. Основные составляющие элементы БПЛА: модуль управления полетом, GPS-антенна, авиационная батарея MG-12000P, радиолокационный модуль, распылительный бак и дистанционный контроллер.Внешний вид октокоптера Agras MG-1S показан на рисунке 1. Характеристики октокоптера Agras MG-1S соответствуют современным требованиям систем точного земледелия. Отмечается его высокая грузоподъемность, скорость и мощность, которые обеспечивают его применимость для обработки полей путем опрыскивания культур жидкими пестицидами, удобрениями и гербицидами.

Рисунок 1. Внешний вид БПЛА-октокоптера Agras MG-1S (источник:

• Figure 1.    Appearance of the Agras MG-1S octocopter UAV (source: https://www.energoskan.ru/catalog/tovar/dji-agras-mg-1s/ )

Система распыления БПЛА Agras MG-1S включает в себя бак для жидкости с датчиком давления и датчиком расхода, четыре разбрызгивателя с соответствующими форсунками и шлангами, а также два насоса, управляющие передней и задней парой форсунок по отдельности.

На рисунке 2 иллюстрируется функционирование четырех разбрызгивателей, которые симметрично распределены по двум сторонам БПЛА и обращены вниз. Максимальная скорость распыления каждой форсунки составляет 0,43 л/мин, а диаметр капель варьируется от 130 до 250 мкм. Ширина распыления БПЛА составляет от 4 до 6 метров в зависимости от высоты полета.

Для анализа тестовых данных применения БПЛА Agras MG-1S для защиты растений в системе точного земледелия при сборе капель при опрыскивании поверхностей были использованы водочувствительные бумажные полоски модели 3"х2" (76 x 52 мм) производства компании Syngenta International AG, Базель, Швейцария.

Рисунок 2. БПЛА Agras MG-1S в процессе опрыскивания растений (источник: .

• Figure 2.    Agras MG-1S UAV in the process of spraying plants (source: https://www.energoskan.ru/catalog/tovar/dji-agras-mg-1s/ ).

Водочувствительная бумага (ВЧБ) Syngenta для определения качества опрыскивания представляет собой жесткую бумагу со специальным желтым покрытием поверхности, которая окрашивается в темно-синий цвет из-за попадания на нее капель воды. ВЧБ специально разработана для оценки распределения опрыскивания и плотности капель после выполнения операций опрыскивания в полевых условиях. ВЧБ позволяет проверять распределение рабочего раствора, плотность и размер капель как при авиационном, так и наземном опрыскивании. Отмечается, что использование водочувствительной бумаги для калибровки опрыскивателя является залогом качественного внесения средств защиты растений и микроудобрений в точном земледелии. Анализ рисунка распределения капель и подсчет количества капель может осуществляться оператором визуально либо при помощи автоматического анализатора изображения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ тестовых данных в работе [17] сравнивался с полученными ранее результатами в [19]. Исходя из этого выбирались параметры полета БПЛА. Поэтому авторами в [17] было решено оценивать проникновение капель при максимально близких параметрах, а именно, с использованием трех уровней рабочей высоты: 2,00 м, 2,75 м и 3,50 м. и трех уровней рабочей скорости: 2,80 м/с, 4,75 м/с и 5,97 м/с.

Для выбранных параметров полета (для разных скоростей и высот) осуществлялось измерение эффективности распыления. Тестирование осуществлялось на посевах кукурузы. Площадь, выделенная для размещения водочувствительных полосок, составила 20×1,5 м. Выделенный фрагмент площади был расположен на расстоянии 40 метров от начала и конца области полета БПЛА. Это было сделано для обеспечения однородности применения опрыскивающей жидкости на данной экспериментальной площадке. В рамках периметра экспериментальной площадки выбирались по три растения с каждой стороны от центральной линии полета БПЛА с интервалом 10 м между ними. Левая линия (обозначена LLi) и правая LRi (i= 1, 2 и 3) имели расстояние 1,5 м, определяемое двойным расстоянием между почвенными бороздками (0,75 м), что было короче ширины опрыскивания [20].

На выбранной площадке по правой и левой линии к каждому из выбранных растений на листья прикреплялись три полоски ВЧБ для сбора капель: сверху (Т), посередине (М) и снизу (В) стебля высокорослой кукурузы.

Вышеупомянутая схема повторялась в каждом из девяти возможных сценариев с учетом сочетания параметров полета, как показано в таблице 2.

Таблица 2. Экспериментальные сочетания параметров полета БПЛА Agras MG-1S.

Table 2. Experimental combinations of flight parameters of the Agras MG-1S UAV.

Высота полета (м)	Скорость полета (м/с)	Количество экземпляров ВЧБ (полоски)
2,00	2,80	18
2,00	4,75	18
2,00	5,97	18
2,75	2,80	18
2,75	4,75	18
2,75	5,97	18
3,50	2,80	18
3,50	4,75	18
3,50	5,97	18

В работе [17] охарактеризованы факторы окружающей среды, которые были учтены при проведении экспериментов. К ним были отнесены: средняя влажность, температура и скорость ветра. Так как продолжительность одного полета БПЛА составляла от 7 до 15 секунд, в основу мониторинга факторов окружающей среды был положен метод TWC (The Weather Channel), используемый на метеостанциях. Зарегистрированные значения указанных параметров были следующие: средняя зарегистрированная температура составила 25°C; средняя относительная влажность составила 57%. Несмотря на то, что в процессе тестирования БПЛА наблюдался северный ветер со скоростью 5 км/ч, авторы отмечают, что направление и скорость ветра имели незначительное влияние в каждой контрольной точке. Для создания таких условий послужило проведение испытаний в подветренной зоне.

Обработка образцов ВЧБ и статистический анализ

Распыление осуществлялось по 9 сценариям, для которых сочетания параметров БПЛА представлены в таблице 2. В итоге было экспериментально обработано 162 полоски образцов ВЧБ, которые после проведенного эксперимента удалялись с растений и помещались в закрывающиеся герметичные пакеты с маркировкой номера образца. Это исключало ошибки и случайную замену образцов, а также внешних загрязнения. После доставки в лабораторию образцы примерно через 2 часа подвергались анализу с помощью программного обеспечения сканирования SnapCard. С помощью программы SnapCard определялась степень их покрытия, которая получается путем сопоставления подвергнутой распылению синей площади и общей площади водочувствительной бумажной полоски.

После получения результатов сканирования о степени покрытия каждой полоски ВЧБ определяют среднюю степень покрытия e для каждой из трех высот следующим образом:

e = - S ? ₌₁(LL_f + LR_t ),                                                                (1)

где n соответствует количеству контрольных точек на экспериментальной площадке.

В процессе экспериментов выявлялась степень покрытия полосок ВЧБ, закрепленных в контрольных точках на всех трех уровнях экспериментального растения: e t - верхний;

eb – нижний; em – средний. Среднее значение этих трех показателей рассчитывалось по следующему уравнению:

e = ¹ ( e t + е ь + e m ).

Стабильность показателей подтверждается расчетом стандартных отклонений ST показателей охвата на всех трех уровнях: верхнем, среднем и нижнем уровнях [15].

Для сравнения однородности отбора проб на различной высоте используется коэффициент вариации Kvar , который для каждого уровня рассчитывается следующим образом:

Kvar = — ■ 100% , e где e и ST были получены ранее [17]. Коэффициенты вариации в верхней et, средней em и нижней eb части растений определялся при подстановке в уравнение (3) соответствующих значений.

Также важно оценить индекс проникновения капель IP, который позволяет узнать, как вода достигает нижних уровней растений:

IP =

^emax-e_min ^^^^^

e

В [21, 22] отмечается, что чем меньше этот показатель, тем лучше равномерность проникновения капель, то есть разница между степенью покрытия раствором при опрыскивании наверху и внизу стебля растения минимальна и, соответственно, близка к общему среднему уровню покрытия.

Анализ результатов тестирования октокоптера Agras MG-1S

Выполнение анализа результатов целесообразно разделить на два аспекта:

• •  анализ влияния скорости и высоты полета на степень покрытия;

• •   анализ влияния скорости и высоты полета на проницаемость.

В рамках первого аспекта анализа, чтобы оценить влияние рабочей скорости на степень охвата, обрабатываются показатели охвата на каждой выборочной высоте с учетом различных скоростей полета на фиксированных высотах. Сочетания высоты и скорости приведены в таблице 2. Результаты обработки данных при различных высотах полета демонстрируют единство в том, что степень покрытия на самом высоком уровне снижается с увеличением скорости БПЛА, а степень покрытия на самом низком уровне увеличивается по мере роста скорости.

Отметим, что это может быть связано с тем, что скорость БПЛА-октокоптера Agras MG-1S прямо пропорциональна скорости вращения несущих винтов. В процессе опрыскивания с помощью Agras MG-1S несущими винтами создается сила тяги к растениям. Это приводит к тому, что самые высокие части растения открываются и именно этот эффект обеспечивает проникновение капель в самую нижнюю часть высокорослых растений.

Для детального анализа данного явления и понимания того, как влияет рабочая высота полета октокоптера на коэффициент покрытия, обрабатываются отдельно коэффициенты покрытия для каждой выборки с учетом различных высот полета на фиксированных скоростях.

Второй аспект анализа также влияет на выбор оптимальных параметров полета БПЛА, так как кроме учета среднего охвата растения (аспект 1), позволяет учитывать проникающую способность капель с учетом различной высоты растения. Для выполнения данного анализа строится график проникновения капель при различных параметрах полета, рассчитанный по уравнению (4). По результатам испытаний в [17] показано, что капли имели лучший индекс проникновения, когда IP достигал минимального значения 0,34, то есть, когда Agras MG-1S находился в режиме полета со значениями скорости и высоты 5,97 м/с и 2 м соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные результаты анализа тестовых данных применения БПЛА Agras MG-1S для защиты растений в системе точного земледелия показали, что оптимальными параметрами полета при опрыскивании посевов кукурузы на стадии репродуктивного роста со средней высотой растений около 2 м являются скорость и высота 5,97 м/с и 2,0 м соответственно. Именно при этих значения достигается максимально возможное проникновение и самый высокий коэффициент охвата. Следует отметить разницу в результатах при сравнении с данными работы [19]. При сравнении с этими результатами, полученными ранее для той же высоты растений и аналогичных погодных условий, отмечается, что оптимальная рабочая высота и скорость были определены значениями 2,0 м и 2 м/с соответственно. Это может объясняться спецификой БПЛА-октокоптера Agras MG-1S и может быть связано с разницей в силах, которые различные БПЛА оказывают на растения кукурузы. На эти силы влияют размеры и используемые роторы, которые определяют скорости вращения несущих винтов.

С учетом характеристик БПЛА-октокоптера Agras MG-1S и выделенных аспектов влияния скорости и высоты полета на степень покрытия и проницаемость многими авторами ведется дальнейшая работа, связанная с оптимизацией транспортнотехнологических циклов и параметров полета для защиты растений от заболеваний на других стадиях вегетативного роста не только кукурузы, но и других распространенных культур, например, таких как фасоль, сорго и пшеница.