Разработка беспилотного авиационного комплекса для внесения средств защиты растений и удобрений

Введение. Сегодня во всём мире завершается аналоговая эра, сельское хозяйство переходит в цифровую реальность. Применение инновационных технологий в аграрном секторе мировой экономики способно увеличить производство продукции на 70 % уже через пару десятилетий [5].

Благодаря быстрому развитию систем точного земледелия [2] и непрерывному развитию технологий сельскохозяйственному производителю стали доступны более технологичные средства обработки полей и рациональное использование имеющихся ресурсов. Уже сейчас стало возможным получать данные о всех технических и биологических сельскохозяйственных объектах, а значит более точно разрабатывать схему действий и предсказывать результат. К подобным технологиям относятся и новые инженерные системы обработки возделываемых культур средствами защиты и внесения жидких удобрений для питания растений направленные на повышение эффективности этих процессов.

Цель исследования. Проанализировать использование наземных и беспилотных авиационных комплексов для обработки возделываемых культур средствами защиты и внесения удобрений и разработать беспилотный авиационный комплекс, направленный на повышение эффективности использования энергетических, материальных и трудовых ресурсов в отрасли растениеводства на основании технологии самоорганизующег ося р оя 199

БПЛА.

Материалы и методы исследования. Работа построена на основании изученных научных публикаций, посвященных способам внесения жидких удобрений с помощью различной техники. В ходе работы применялись общенаучные методы - аналитический обзор, анализ, обобщение, моделирование.

Результаты исследования. Внесение жидких препаратов в период роста растений позволяет повысить урожайности культур. Это доказывается многочисленные исследования, проводимые Булавинцевым Р.А., Милюткиным В.А. [1, 3].

Для внесения удобрений широкое распространение получили опрыскиватели типа: самоходный (Барс ОС-2500М), прицепной (Amazone UR 3000), навесной (CLASS 1000), имеющих в своей конструкции базовое шасси, бак для жидкости, водяную помпу и штангу со шлангами и форсунками (рисунок 1).

Рисунок 1 - Самоходный и прицепной опрыскиватели

Однако применение данных устройств имеет ряд недостатков, вызванных необходимостью наличия большого парка агрегатов, при значительных обрабатываемых площадях, для выдерживания агротехнических сроков, проблем связанных с повреждением растений во время проходов сельскохозяйственной техники и прочее.

Одним из вариантов решения данных проблем является применение воздушной техники представленной пилотируемой авиацией и беспилотными авиационными системами (рисунок 2). При этом основной упор в настоящее время делается именно на втором варианте в виду отсутствия необходимости дорогостоящего содержания самого летательного аппарата, взлетно-посадочных полос и пилотов. Так, аппараты серии DJI Agras может позволить себе хозяйство средних размеров. С учетом того, что площадь среднего фермерского хозяйства может составлять в Центральной России до 60 га (на юге РФ они могут достигать 1000 га, однако все же средний показатель составляет 200 га или чуть более)[4], дроны могут достаточно эффективно выполнять свои задачи, тем более что в реальности общая территория для обработки может быть существенно меньше указанных выше параметров [6,8].

Рисунок 2 – Пилотируемая и беспилотная авиация

Главными недостатками [7] сельскохозяйственных авиационных дронов являются: существенное ограничение в размере бака, а следствие и объёму жидкости, ограничение времени полёта из-за разряда батареи. Данные два недостатка снижают производительность и эффективность всей системы.

Для решения данной проблемы предлагается применение системы внесения жидких минеральных удобрений с использованием цепочки квадрокоптеров состоящих из n-числа дронов связанных друг с другом шлейфом электропитания и шланга для подачи жидких удобрений с одной стороны, через равные промежутки, определяемые характеристиками распыляемого факела, и наземной станцией с другой, на которой расположены элементы питания, управления и подачи жидких удобрений. В роли наземной станции может выступать самоходное шасси перечисленных ранее агрегатов.

Требования к системе:

• 1.    Система должна состоять из некоторого количества дронов, связанных между собой по принципу роя с возможностью автоматического поочередного взлета с наземной станции и распределения вдоль линии поля по рабочей ширине.

• 2.    Дроны должны иметь внешний источник питания, непрерывно подающий заряд на расстоянии каждому квадрокоптеру.

• 3.    Подача жидкости должна происходить из внешней емкости, перемещающейся параллельно с дронами.

• 4.    Цепочка дронов может идти как с одной стороны наземной станции, так и с обеих, увеличивая рабочую ширину обработки поля.

Беспилотная авиационная система состоит из беспилотного воздушного судна и наземной станции. Роли беспилотных воздушных судов будет выполнять рой дронов, а наземной станции – самоходное шасси, генераторная установка для электропитания дронов, насосная установка, компьютеризированная система автоматического пилотирования.

Принципиальная схема предлагаемой системы представлена на рисунке 3 – система в транспортном состоянии и рисунке 4 – система в рабочем состоянии.

Рисунок 3 – Принципиальная схема предлагаемой системы в транспортном состоянии

Рисунок 4 – Принципиальная схема предлагаемой системы в рабочем состоянии

• 1    – Генератор; 2 – Гидравлическая помпа; 3 – Бак для жидкости; 4 – питающий шлейф и шланг с жидкими удобрениями; 5 – дроны.

Принцип работы системы основан на передвижении наземной станции по краю поля или вдоль поля него, взлет роя дронов с посадочной платформы, автоматическое распределение дронов вдоль рабочей ширины, подача жидкого раствора по питающему шлангу, дозированная регулируемая подача раствопра через систему инжекторов на поверхность поля, автоматическое изменение ширины рабочей ширины (количества работающих дронов) в зависимости от контура поля. Давление в системе создаёт гидравлическая помпа, установленная на станции. Электрогенератор необходим для выработки энергии для работы дронов, которая передается по силовым проводам.

Для работы системы необходимо программное обеспечение для построения маршрута. В него оператором вносятся GPS координаты полёта или область полёта на карте, значения уровня распыления, скорости полёта и высоты.

«ROS система автономной работы» установленная на дронах принимая входные данные-координаты от «ПО для построения маршрута» следует им, отдавая команды «системе автопилота» каждого дрона по отдельности.

Схема работы системы внесения жидких удобрений показана на рисунке 7.

Рисунок 7 – Схема работы системы внесения жидких удобрений Визуальная модель предлагаемого решения представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 – Визуализация рабочего процесса предлагаемого решения

Выводы. Предложенное решение позволит обеспечить снижение затрат на ГСМ и время за счет снижения количества проходов агрегата, снизить расход количества рабочего раствора, за счет более интенсивного распыла, образуемого вихревыми потоками работающего дрона, исключить недостатки коротких полетов беспилотной авиации связанных с необходимостью замены замена АКБ или заправкой топливного бака. Квадрокоптеры в данном решении выступают в роли штанги, размах которой ограничен профилем почвы и количеством дронов. Это позволит увеличить ширину опрыскивания до 60 метров в каждую сторону и более (стандартная штанга суммарной шириной 25-30 метров). Исходя из этого следует снижение количества проходов и уменьшение антропогенного влияния на покров почвы и взращиваемых культур.