Современные методы навигации беспилотных летательных аппаратов в АПК

В ближайшие несколько лет интеллектуальное сельское хозяйство охватит все уголки мира. Перспективы использования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для интеллектуального земледелия огромны. Однако стоимость и простота управления беспилотными летательными аппаратами для интеллектуального ведения сельского хозяйства могут сыграть важную роль в мотивации фермеров к использованию беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве. В основном беспилотные летательные аппараты управляются дистанционными контроллерами с использованием радиоволн. Существует несколько технологий, таких как Wi-Fi или ZigBee, которые также используются для управления беспилотными летательными аппаратами. Однако интеллектуальный Bluetooth (также называемый Bluetooth с низким энергопотреблением) является беспроводной технологией, которая используется для передачи данных на короткие расстояния. Bluetooth Smart дешевле, чем другие технологии, и имеет такое преимущество, что он доступен на каждом смартфоне.

В будущем фермеры смогут использовать любой смартфон для управления своими соответствующими беспилотными летательными аппаратами вместе с сельскохозяйственными датчиками с поддержкой Bluetooth Smart. Тем не менее, необходимо решить определенные требования и проблемы, прежде чем беспилотные летательные аппараты смогут использоваться для интеллектуальных приложений, связанных с сельским хозяйством. Поэтому в этой статье была предпринята попытка изучить типы датчиков, подходящих для интеллектуального земледелия, потенциальные требования и проблемы для эксплуатации беспилотных летательных аппаратов в интеллектуальном сельском хозяйстве [2].

Чтобы удовлетворить огромный спрос на продовольствие для растущего населения, сельское хозяйство должно быть революционизировано с использованием информационно-коммуникационных технологий (ИКТ). Умное сельское хозяйство – это модное слово в наши дни, которое использует новейшие технологии ИКТ для выращивания продуктов питания устойчивым и чистым способом. ИКТ-технологии, такие как интернет вещи, дистанционное зондирование и беспилотные летательные аппараты (БПЛА), могут эффективно использовать датчики для интеллектуального сельского хозяйства. Используя эти технологии, фермеры могут автоматизировать процесс орошения, дистанционно контролируя поле сельскохозяйственных культур с помощью нескольких датчиков. Умное сельское хозяйство не только помогает удовлетворять продовольственные потребности растущего населения, но и помогает в последних тенденциях в сельском хозяйстве, таких как органическое земледелие (Нехватка продовольствия, Covid-19). Беспилотные летательные аппараты или дроны - разновидность летательных аппаратов, которые могут летать автономно и управляться дистанционно. Для управления беспилотными летательными аппаратами используются инструменты и методы ИКТ, такие как встроенные системы, системы глобального позиционирования (GPS) и датчики. Беспилотные летательные аппараты могут использоваться для мониторинга ситуаций или миссий, которые очень опасны и рискованны для людей. Беспилотные летательные аппараты изначально были изобретены для использования в военных целях. Постепенно беспилотные летательные аппараты были успешно внедрены в нескольких гражданских приложениях, таких как сельское хозяйство, полиция, наблюдение, рекреационные цели и т.д. Недавно гиганты электронной коммерции, такие как Amazon, начали доставлять свои товары своим клиентам с помощью беспилотных летательных аппаратов. Беспилотные летательные аппараты также успешно используются для мониторинга перемещений гражданского населения и общественных собраний, делают объявления в сельских или отдаленных районах о правилах изоляции для борьбы с пандемией Covid-19, тем самым снижая риск заражения этой болезнью полиции и органов здравоохранения. Основные преимущества использования беспилотных летательных аппаратов для интеллектуального сельского хозяйства приложения включают мобильность беспилотных летательных аппаратов в изменяющихся погодных условиях, возможность делать снимки с высоким разрешением с разных диапазонов (средний диапазон от 50 до 100 метров). Также возможно использовать беспилотные летательные аппараты для определения и мониторинга качества сельскохозяйственных культур, мониторинга атак, предпринимаемых вредителями, сорняками или животными. Фермеры и другие заинтересованные стороны могут получить доступ к данным, собранным с помощью беспилотных летательных аппаратов с облачных платформ, удаленно через приложения со своих интеллектуальных устройств, которые могут помочь в прогнозировании урожайности посевов. Есть несколько обзорных статей о беспилотных летательных аппаратах и сельском хозяйстве. В одном из недавних исследований, авторы исследовали роль интернета вещей и сельскохозяйственного беспилотного летательного аппарата в умном сельском хозяйстве. Основные акценты были сделаны на фундаментальных аспектах технологий интернет-вещей, включая интеллектуальные датчики, типы датчиков интернет-вещей, сети и протоколы, а также на том, как IoT может быть интегрирован с БПЛА для целей интеллектуального земледелия. Аналогичным образом, авторы исследовали потенциальные области применения беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве и обсуждались различные категории платформ беспилотных летательных аппаратов. По сравнению с вышеупомянутыми исследованиями, основные материалы этой статьи резюмируются следующим образом:

• •    обзор Bluetooth Smart и рассмотрены типы беспилотных летательных аппаратов и сельскохозяйственных датчиков в интеллектуальном сельском хозяйстве;

• •    перечислены типы сельскохозяйственных датчиков с выделением областей применения и функций;

• •    включены необходимые требования для успешной адаптации и использования беспилотных летательных

• а ппаратов в интеллектуальном сельском хозяйстве;

• •    изучаются тематические исследования с использованием сельскохозяйственных датчиков с поддержкой Bluetooth Smart и беспилотных летательных аппаратов в интеллектуальном сельском хозяйстве;

• •    также представлены потенциальные будущие проблемы наряду с направлениями исследований.

Беспилотные летательные аппараты являются одним из типов летательных аппаратов, которые могут автономно летать в воздухе без участия пилота на борту, и движение самолета контролируется оператором дистанционно.

Беспилотный летательный аппарат состоит из датчиков и камер, которые записывают и передают изображения оператору.

Беспилотные летательные аппараты первоначально широко использовались в военных целях и для наблюдения. Позже, в связи с быстрым развитием технологий в интеллектуальном сельском хозяйстве, беспилотные летательные аппараты широко использовались в сельском хозяйстве, помогая фермерам в мониторинге урожая, опрыскивании посевов, обнаружении сорняков, выявлении болезней и т.д. Некоторые из дополнительных функций, таких как низкие затраты на техническое обслуживание, быстрая настройка времени, низкие затраты на сбор и оперативный сбор данных позволили стать беспилотным летательным аппаратам лучшим вариантом для фермеров в сельскохозяйственном секторе [5].

Bluetooth Smart или Bluetooth Low Energy (BLE) - это беспроводная система, используемая для технического прогресса в области медицины, охраны окружающей среды, безопасности и энергетики. По сравнению с классической технологией Bluetooth, BLE требует низкой мощности и сниженных затрат, даже если дальность связи остается прежней такой же. BLE был включен в основной стандарт Bluetooth в июле 2010 года, когда спецификация ядра Bluetooth 4.0 была принята в качестве Bluetooth Smart и включал классический протокол Bluetooth, высокоскоростной протокол Bluetooth и BLE. Bluetooth Smart - это двухрежимное устройство, обычно ноутбук или смартфон, аппаратное обеспечение которого совместимо как с классическими, так с устройствами BLE. Bluetooth Smart - это устройство с низким энергопотреблением, которое обычно оснащено датчиком, работающим от батареи, для работы которого требуется интеллектуальное устройство.

BLE - это подмножество Bluetooth 4.0 с новым протоколом, предназначенный для приложений с очень низким энергопотреблением, которые могут работать от батарейки с монетным аккумулятором в течение нескольких месяцев или даже лет.

Говоря о разновидностях БПЛА, то бывают:

• •    многороторные беспилотные летательные аппараты - эти беспилотные летательные аппараты в основном используются для воздушного наблюдения, фотосъемки и т.д. Они просты в изготовлении и являются самыми дешевыми из всех видов беспилотных летательных аппаратов.

• •    беспилотные летательные аппараты с несколькими роторами - трикоптеры с 3 роторами, квадрокоптеры с 4 роторами, гексакоптеры с 6 вертолетами и октокоп-

• теры с 8 роторами. Некоторые из ограничений - ограниченное время полета в 30 минут, ограниченная скорость, поэтому они не подходят для таких проектов, как наблюдение на большие расстояния и аэрофотосъемка.

• •    беспилотные летательные аппараты с неподвижным крылом. Управляются автономно без участия пилота-человека на борту. Их среднее время полета составляет 2 часа, а некоторые из последних беспилотных летательных аппаратов с неподвижным крылом могут летать до 16 часов. Они идеально подходят для операций на большие расстояния. Некоторые из ограничений заключаются в высоких затратах и высококвалифицированной подготовке для работы. Им нужна взлетнопосадочная полоса для запуска.

• •    беспилотные летательные аппараты с одним ротором - выглядят очень похоже на вертолеты. У этих беспилотных летательных аппаратов есть только один огромный ротор и один поменьше возле хвоста БПЛА. Они могут летать большее количество раз по сравнению с многороторными беспилотными летательными аппаратами. Некоторые из ограничений являются более сложными и подвержены операционным рискам, более высоким затратам.

• •    гибридный вертикальный взлет и посадка (ГВВП) -эти беспилотные летательные аппараты представляют собой гибрид беспилотных летательных аппаратов с неподвижным крылом и моделей на основе ротора. Они оснащены датчиками и могут управляться дистанционно.

Различают несколько типов датчиков, подходящие для интеллектуального земледелия (табл. 1)

датчики, основанные на местоположении. Датчики местоположения используются для определения местоположения различных областей и мест на полях сельского хозяйства. Фермеры используют различные датчики местоположения, которые помогают им на разных этапах жизненного цикла сельскохозяйственных культур. Обычно GPS-приемники используются для определения долготы и широты определенной точки на поверхности Земли с помощью спутниковой сети GPS. Эти интеллектуальные датчики местоположения играют важную роль в точном земледелии, указывая на расположение на полях мониторинга выращивания сельскохозяйственных культур для полива, внесения удобрений и обработки от сорняков.

тепловые инфракрасные датчики. Помогают фиксировать температуру объектов, генерируют изображения и отображают их на основе собранной информации. Инфракрасные датчики и оптические линзы используются в тепловизионных камерах для улавливания тепловой энергии. Обычно все объекты с температурой выше абсолютного нуля излучают инфракрасное излучение на определенных длинах волн пропорционально их конкретным температурам. Тепловизионные камеры обнаруживают излучения, соответствующие их длинам волн, и преобразуют их в изображение в оттенках серого, генерируя при этом тепло. Применение этих тепловых датчиков, установленных на БПЛА, позволит управлять орошением, планированием, путем расчета почвы и урожайности, выявление и прогнозирование различных болезней сельскохозяйственных культур, наложение текстур почвы, мониторинг зрелости сбора урожая и т. д.

датчики температуры и влажности. Температура и влажность являются одними из наиболее важных погодных факторов, которые непосредственно влияют на здоровье и рост всех видов сельскохозяйственных культур. Правильное измерение этих факторов окружающей среды помогает фермеру регулировать количество удобрений и воды. Доступны различные типы датчиков температуры и влажности, которые помогают фермерам измерять и контролировать уровни влажности и температуры на своих полях и в теплицах. Эти датчики имеют беспроводную связь и работают от батареи.

оптические датчики. Эти датчики работают по принципу преобразования световых лучей в электрический сигнал. Есть несколько оптических датчиков (таких как RGB-камера, преобразованная камера ближнего инфракрасного диапазона, шестиполосная мультиспектральная камера, спектрометр с высоким спектральным разрешением и т.д.), Которые использовались в беспилотных летательных аппаратах для приложений, связанных с точным сельским хозяйством. Краткое описание нескольких датчиков, работающих по этому принципу, приведено ниже:

датчики видимого света (RGB): Датчики видимого света (RGB) наиболее широко используются беспилотными летательными аппаратами в точном сельском хозяйстве и

Таблица 1 . Типы датчиков в АПК

Датчики	Потребляемая мощность	Время подключения	Скорость передачи данных	Область применения
Основанные на местоположении	Работает на батарейках	-	-	Управление точным сельским хозяйством
Оптические	Работает на батарейках	1 сек.	5 Мбит/С	Точное земледелие, измерение свойств почвы (влажности, глины)
Тепловые	Работает на батарейках	1 мин.	1 Мбит/С	Управление и планирование орошения, обнаружение и прогнозирование различных болезней с/х культур, картирование структуры почвы, мониторинг зрелости с/х культур
Температуры и влажности	Работает на батарейках	-	-	Мониторинг и измерение температуры и влажности на с/х полях и теплицах

связанных с ним приложениях Smart agro. Общепризнанным фактом является то, что человеческий глаз чувствителен к красным, зеленым и синим полосам свет. Датчик RGB в камере БПЛА захватывает изображение таким образом, что они воспроизводят тот же эффект, что и при наблюдении человеческим глазом. В RGB таким образом, камеры помогают эффективно проводить детальный осмотр сельскохозяйственных активов в различных погодных условиях. Связанные с этим проблемы этого датчика включают его неспособность анализировать большое количество агротехнических параметров, требующих спектральной информации, существующей в невидимом спектре.

многоспектральные датчики. Чрезвычайно подходят для сельскохозяйственной аналитики на базе беспилотных летательных аппаратов. Эти датчики захватывают изображения с исключительным пространственным разрешением, а также обладают способностью определять коэффициент отражения в ближнем инфракрасном диапазоне. Таким образом, эти датчики очень эффективны и необходимы фермерам, исследователям и агрономам. Отсутствие таких многоспектральных данных сделало бы практически невозможным раннее выявление болезней растений, сорняков, вредителей и расчет вегетативной биомассы.

гиперспектральные датчики. Способны захватывать подробные изображения в спектральном и пространственном диапазоне. Эти датчики оснащены площадными детекторами, которые количественно измеряют захваченный свет, возникающий в результате преобразования падающих фотонов в электроны. Преобразование достигается с помощью двух датчиков устройства с зарядовой связью

(ПЗС-матрица) и дополнительный металл-оксид-полу-проводник (CMOS). Успешное использование гиперспектральных датчиков в беспилотных летательных аппаратах состоит из наличия готовых систем, производителя датчиков и стороны, ответственной за системную интеграцию на уровне до и после полета. Сочетание всех этих трех аспектов обеспечивает коммерческий успех гиперспектральных датчиков в измерении сотен диапазонов, выполнении обработки данных и принятии решений в сельском и лесном хозяйстве [5].

В настоящее время мы принадлежим к эпохе модернизационного движения, когда новые технологии внедряются во все сферы жизни с обещаниями повышения производительности и эффективности. Адаптация беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве - подход, который сокращает ручной труд в сельском хозяйстве, позволяя проводить детальное наблюдение за полем возделывания, оставаясь незамеченным под покровом облаков. Дополнительные преимущества, очевидно, включают ускоренное развертывание, захват изображений с высоким разрешением с минимальными затратами при выполнении всех действий, аналогичные пилотируемому высотному кораблю, обеспечивают высокую безопасность. Беспилотные летательные аппараты оснащены сложными и специализированными датчиками, которые делают их чрезвычайно мощными для захвата изображений с высоким пространственным и временным разрешением. Эти изображения помогают лучше понять сельскохозяйственные ресурсы и домашний скот, тем самым предоставляя более точные и последовательные данные для лучшего принятия решений.