Техніка

Безпілотні літальні апарати в авіаційних технологіях захисту рослин

10.05.2021

В останні роки стрімкий розвиток компактних, легких та міцних датчиків і пристроїв а також  зростання обчислювальних потужностей процесорів сприяли розвитку безпілотних літальних апаратів (БПЛА). У звіті науково-дослідницької програми SESAR, ініційованої Євросоюзом з метою об’єднати технологічні, економічні та законодавчі аспекти системи організації повітряного руху, прогнозується, що в 2035 році 90 000 БПЛА будуть доступні для виконання поставлених перед ними функціональних задач. Очікується, що 28% від загального обсягу БПЛА буде залучено до реалізації технологічних операцій хімічного захисту рослин.

Важливою метою розвитку технологій сільського господарства є скорочення використання пестицидів та підвищення їх ефективності. Основні переваги внесення пестицидів безпілотною сільськогосподарською авіацією – висока точність, уникнення пошкодження с.-г. культур чи ґрунтів колесами трактора, зменшення витрат господарства на захист рослин.

Особливо високу ефективність застосування малооб’ємних обприскувачів на базі БПЛА має в роботі над ділянками з підвищеними рівнями заселення шкідниками чи бур’янами в межах великого поля, культурами, вирощеними на невеликих полях або в складних географічних місцевостях, які важкодоступні для наземних засобів застосування ЗЗР.

Для дотримання встановлених показників якості роботи обприскувальне обладнання БПЛА повинно виконувати розпилення висококонцентрованої робочої рідини низькими нормами. Обсяг внесеного на гектар розчину у БПЛА нижчий, ніж у традиційних наземних обприскувачів, що з одного боку накладає технологічні обмеження, пов’язані з концентрацією діючої речовини, а з іншого – є їхньою перевагою, забезпечуючи зниження витрат води.

Сучасні БПЛА розраховані на внесення вiд 5,0 до 120,0 л/га робочого розчину. Продуктивність одного пристрою може сягати 12 гектарів на годи-
ну, проте, цей показник залежить від обсягу внесеного робочого розчину, оскільки саме він визначає швидкість прольоту.

Оскільки застосування БПЛА для захисту врожаю є по суті новою технологією, то попри згадані переваги, воно вимагає додаткових досліджень низки питань, таких як проникність у посіви, рівень покриття цільової поверхні та однорідність розподілу крапель.

Безпілотні літальні апарати експлуатуються як у межах видимості, коли оператор підтримує візуальний контакт з літальним апаратом, так і дистанційно – за допомогою телеметрії.

Оптимальний режим роботи – автономний: за попередньо запрограмованим маршрутом з використанням навігаційних систем, оскільки саме він забезпечує максимальну точність внесення розчину.

Застосування БПЛА в технологічних операціях захисту рослин висуває до них низку вимог, а саме: до вантажопідйомності, потужності приводу насоса, тривалості польоту тощо.

За конструкційними особливостями БПЛА поділяють на чотири основних типи.

Найпростішими і найдешевшими агрегатами, що можуть підняти в повітря невеликий вантаж на короткий час, змінювати напрямок та швидкість руху в широкому діапазоні, здійснювати зліт і приземлення на ділянках з мінімальною площею є багатороторні безпілотники.

Багатороторні БПЛА мають чимало переваг: невеликий розмір, високу гнучкість у застосуванні, відсутність жорстких вимог до місця зльоту та кваліфікації оператора, легкість зльоту та посадки. Крім того, вони демонструють хороші показники роботи на горбистих місцевостях, в умовах деревних насаджень зі складною кроною.

Основний їх недолік – обмеженi тривалість польоту та вантажопідйомність.

Хоча технологія постійно вдосконалюється, мультироторні безпілотники за своєю суттю дуже неефективні і витрачають багато енергії лише для подолання гравітації і утримання їх у повітрі. При використанні сучасних акумуляторних батарей вони обмежені 10-50 хвилинами польоту. Важкі багатооборотні ротори здатні підіймати більшу вагу, проте, тоді значно скорочується час польоту. Двигуни внутрішнього згоряння малопридатні для приводу декількох роторів, тому багатороторні безпілотники оснащуються електричними двигунами.

БПЛА з фіксованим крилом побудовані як звичайний літак, тому використовують енергію значною мірою для руху вперед, а не для утримання себе в повітрі. Завдяки цьому вони можуть долати великі відстані, літати протягом довгого часу. Для підвищення ефективності також можна використовувати двигуни внутрішнього згоряння як джерело енергії, що дозволить залишатися в повітрі протягом багатьох годин.

Основними недоліками БПЛА з фіксованим крилом у розрізі внесення засобів захисту рослин є обмежена мінімальна швидкість, нездатність зависати в одному місці та потреба в додатковому просторі й часі для розворотів, що утруднює їх застосування для внесення ЗЗР чи добрив. Конструкція таких безпілотників ускладнює зліт і посадку, оскільки в залежності від їх розміру може знадобитися злітно-посадкова смуга або пускова установка, щоб підняти апарат у повітря, а також парашут чи сітка для безпечного гальмування. Тільки найменші безпілотники з фіксованим крилом придатні для ручного запуску і «приземлення» на полі.

Вертоліт є набагато ефективнішим у порівнянні з мультироторним БПЛА, він може приводитися в рух за допомогою двигуна внутрішнього згоряння. У той час, як мультироторний БПЛА має багато роторів, які його утримують, у гелікоптера їх лише два (розміщуються на одній осі або на різних (хвостовий ротор, для контролю напрямку польоту). Вертольоти дуже популярні в пілотованій авіації, проте, в світі БПЛА наразі займають невелику нішу. Загальним правилом аеродинаміки є те, що чим більша лопать ротора і чим повільніше обертається, тим вона ефективніша. Гелікоптери з одним ротором мають дуже довгі лопаті, які більше схожі на крило, що обертається, ніж на пропелер. Тому, якщо є необхідність поєднати зависання та польоти з високою швидкістю, найкращим вибором буде вертоліт.

До недоліків вертольотів можна віднести їх складність у керуваннi, відносно високу вартість, а також потенційну небезпеку травмування великими лопатями, що передбачає обов’язкову наявність досить великого злітно-посадкового майданчика.

БПЛА, що поєднують переваги апаратів різного типу, – це нова категорія гібридів, котрі можуть злітати і приземлятися вертикально, а в польоті використовувати переваги апаратів з фіксованим крилом. Розробляються різні типи гібридних БПЛА: одні з них є конструкціями з фіксованим крилом і двигунами вертикального підйому, інші ж – це літаки, в яких ротори чи навіть усе крило можуть повертатися від напрямку вгору (для зльоту) до горизонтального напряму (для польоту вперед).

Сьогодні на ринку представлено всього декілька гібридних літаків, проте, в найближчі роки цей варіант набуде більшої популярності, оскільки технологія постійно вдосконалюється.

У науковій літературі наведено чимало результатів досліджень БПЛА, які свідчать про беззаперечну перспективність їх застосування у технологіях сільськогосподарського виробництва, і, зокрема, для виконання технологічних операцій захисту рослин та внесення добрив. Наприклад, у порівнянні з традиційним застосуванням пестицидів, робоча ефективність БПЛА вища у 6-8 разів, а кількість діючої речовини, з розрахунку на гектар, може бути знижена на 20%-30% тощо.

Правила застосування БПЛА

У міру того, як технологія БПЛА стає все більш досконалою та більш доступною, в індустрію БПЛА потрапляє величезна кількість операторів безпілотних літальних апаратів. Тим, хто робить перші кроки в експлуатації, насамперед, необхідно зосередитись на безпечному і легальному їх пілотуванні. В Україні зараз розробляються нові авіаційні правила, які відповідатимуть європейським нормам у галузі експлуатації БПЛА. Верховна Рада у першому читанні затвердила проект Закону про внесення змін до Повітряного кодексу України щодо удосконалення законодавчого врегулювання у сфері безпілотних повітряних суден цивільної авіації (№3716).

Слід взяти до уваги, що внесення засобів захисту рослин з БПЛА коптерного типу проводиться з висоти від 1 до 3 метрів від рівня верхівок культури, а висота польоту в поодиноких випадках сягає 10 метрів.

Детально з правилами польотів можна ознайомитись на сайті державної авіаційної служби України (https://avia.gov.ua/bezpilotni-povitryani-sudna-2/).

Висновки

Існуючі ризики та обмеження через тривалість польоту та масу корисного навантаження, невирішений регулювальний режим з боку авіаційних органів не йдуть у порівняння з потенційною простотою експлуатації, зменшенням впливу хімічних речовин та здатністю своєчасно застосовувати хімічні речовини в просторово вирішений спосіб, що робить застосування БПЛА-обприскувачів привабливим як з організаційної, так і з технологічної та технічної точки зору.

Передовий досвід використання найдосконаліших наземних обприскувачів в Україні дозволяє говорити про продуктивність на одну установку до 60 га/год. Щоб обробити аналогічну площу необхідно приблизно 5 коптерiв. У такому порівнянні необхідно враховувати, що вартість однієї сучасної установки для обприскування приблизно в два рази більша, ніж ціна п’яти коптерів. При розрахунках економічної ефективності слід брати до уваги не тільки початкову вартість устаткування, витрати на його експлуатацію і персонал, а й враховувати зниження витрат на ЗЗР, а також нематеріальну екологічну складову.

Коментар фахівця

Валерій Євтушенко, Голова Агродепартаменту QUADRO.ua

У 2017-2020 роках займався розробкою БПЛА та рішень на їхній базі для агросектора. Сконструював БПЛА за принципом літака для розселення трихограми на полях України. У межах проєкту розробив перший в Україні БПЛА з вертикальним зльотом і посадкою. Створив та впровадив систему автоматичного підрахунку сходів на основі штучного інтелекту, а також систему автоматичного обміру полів, що базується на даних з БПЛА. Зібрав дані з 2 000 000 га землі по всіх областях України.

У 2020 році очолив Агродепартамент QUADRO.ua, першого офіційного партнера DJI, що розвиває ринок коптерів в Україні з 2013 року.

Компанія QUADRO.ua – один із лідерів українського ринку дронів, офіційний партнер, імпортер, дистриб’ютор та інтегратор рішень DJI, DJI Enterprise і DJI Agriculture в Україні.

Facebook https://www.facebook.com/ievtushenko.v

«Ми впроваджуємо технології БПЛА в агробізнес, допомагаючи вітчизняним господарствам вести точне, екологічне та прибуткове землеробство. Багато наших клієнтів, від великих агрохолдингів до маленьких фермерських господарств, вже використовують рішення DJI, світового лідера у сфері безпілотних технологій для сільського господарства.

Озираючись на свій досвід розробки та використання інструментів внесення ЗЗР, можу сміливо стверджувати, що на сьогоднішній день мультироторнi БПЛА коптерного типу є найбільш досконалими технічними засобами. Вони забезпечують точність сантиметрового рівня, здатні вносити ЗЗР у нічний час, покращуючи екологічну ситуацію в господарствах. Працюючи з повітря, коптери не вимогливі до вологості ґрунту і не пошкоджують посіви.

Спостерігаючи еволюцію коптерів-обприскувачів, починаючи з моделі DJI MG-1, ми неодноразово порівнювали продуктивність та якість внесення. Зараз із копетром DJI Agras T20 ми перевершили традиційні причіпні й самохідні обприскувачі за якістю виконання робіт. Сьогодні коптери забезпечують значну, до 30%, економію на закупівлі дорогих ЗЗР.

Ми рекомендуємо коптери DJI, тому що це дійсно техніка світового рівня. Сьогодні DJI – визнаний лідер за кількістю застосовуваних у сільському господарстві дронів. Це стало можливим завдяки надійності БПЛА, високому ступеню автоматизації польотів і внесення агрохімії, легкості освоєння та використання цієї техніки, якісному гарантійному та післягарантійному обслуговуванню.

Наразі ми рекомендуємо для внесення ЗЗР коптер DJI Agras T20. А для великих земельних ділянок можлива ідеальна комбінація DJI Phantom 4 Multispectral та DJI Agras T20. DJI Phantom 4 Multispectral – для точної оцінки вегетаційного індексу і стану рослин, а DJI Agras T20 – для точного внесення ЗЗР.

DJI Agras T20 – краще рішення для внесення ЗЗР, мікродобрив та десикантів.

  • DJI Agras T20 піднімає в повітря до 20 літрів розчину, радіус обприскування – до 7 метрів. Це дозволяє обробляти більшу площу (до 3 гектарів) за один виліт, а погодинна продуктивність сягає 12 гектарів.
  • Конструкція DJI Agras T20 з 8 форсунками і насосом продуктивністю 6 л/хв забезпечує високу швидкість обробки полів, садів, пасовищ тощо. Нещодавно розроблений двоканальний електромагнітний витратомір незалежно управляє 4 трубопроводами. Це дає змогу досягнути однакового розпилення з кожного сопла. Форма форсунок, розроблена з урахуванням вітрового поля від пропелерів, робить краплі однорідними, а їхню хмару – щільною, реагент легко покриває листя рослин з обох боків.
  • DJI T20 оснащений системою моніторингу зображення в реальному часі та світлодіодним прожектором. Мультикоптер можна експлуатувати навіть уночі.
  • DJI Agras T20 оснащений неспрямованим цифровим радаром, який може визначати навіть малопомітні перешкоди, наприклад, опору лінії електропередач. На роботу радара не впливають світло й пил, він здатний сприймати навколишнє середовище сільськогосподарських угідь за будь-якої погоди.
  • DJI Agras T20 надійний і простий в експлуатації. Ця модель БПЛА легко складається, що дає змогу зручно перевозити Agras T20 до місця робіт. Основний модуль виконаний за стандартом IP67. Вузли мультикоптера міцні, довговічні, пилонепроникні та водостійкі, вони не бояться корозії.
  • Апарат може працювати в умовах складного рельєфу місцевості або різноманітних посадок. Попередньо створена з деталізацією до 1 сантиметра тривимірна карта дозволяє оптимізувати роботу.
  • Ще одна корисна опція – система розсіювання. Об’єм резервуара системи розсіювання твердих речовин 2.0 збільшений до 20 л, а швидкість досягає 10 кг/хв.

DJI Phantom 4 Multispectral – ідеальний варіант для точної оцінки вегетаційного індексу і стану рослин

Оснащений мультиспектральною камерою з 6 датчиками, DJI Phantom 4 Multispectral застосовуються у точному землеробстві для апаратної оцінки якості посівів та визначення координат проблемних ділянок для проведення додаткових робіт».

Любченко Сергій Євгенович, завідувач відділу УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого,

Войновський Володимир В’ячеславович, старший науковий співробітник УкрНДІПВТ
ім. Л. Погорілого

Залишити коментар: