Защита с небес — обзор БПЛА для внесения агрохимикатов

14 февраля 2023

Технология БПЛА призвана изменить подход к ведению сельского хозяйства и уже приносит реальную выгоду аграриям. Сегодня многие хозяйства могут позволить себе одно или два таких устройства и несомненно приобретут их, как только полностью рассчитают преимущества владения ими. За последние несколько лет производство БПЛА увеличилось, и ожидается, что к 2040 году розничная стоимость этого рынка достигнет 22 млрд долларов и будет продолжать расти.

РАЗВИТИЕ СЕГМЕНТА

Современные дроны для АПК могут получать и передавать большое количество информации о посевах с помощью встроенной программы вегетационного индекса. Так, устройства определяют состояние урожая, влажность и содержание питательных веществ, потребность в новом сорте в следующем в сезоне и прочие параметры. БПЛА успешно сканируют угодья и также указывают, где существует необходимость в дополнительном орошении, применении удобрений или гербицидов. Тем самым они повышают эффективность выращивания сельхозкультур, сокращают затраты и позволяют фермерам перейти от традиционных методов к точному земледелию. Технология обработки изображений, полученных с дронов, дает аграриям возможность видеть дальше и действовать с упреждением на основе составляемых карт полей.

В последние годы БПЛА все чаще стали использоваться в качестве опрыскивателя для внесения средств защиты растений, причем данная тенденция отмечается во многих регионах мира. Например, в Восточной Азии, где полевые условия ограничены, существует острая потребность в таких устройствах. В итоге их количество постепенно растет. В 2014 году в Китае было менее 1000 дронов для защиты растений с годовой рабочей площадью порядка 0,28 млн га. К концу 2020 года показатель увеличился до 106 тыс. штук, а общая территория их применения расширилась до 64 млн га. В Европе из-за ограничений на внесение пестицидов с помощью авиатехники данные летательные аппараты пока не используются в подобных масштабах. Однако, например, в горных районах выращивания винограда производители проявляют большой интерес к БПЛА, которые могут распылять агрохимикаты на холмистой местности и крутых склонах, игнорируя различные препятствия. Более того, эксплуатация дронов избавляет оператора от тесного взаимодействия с СЗР, помогает избежать физического повреждения посевов, снизить расходы за счет сокращения времени опрыскивания и уменьшения количества применяемых препаратов. Для функционирования БПЛА используется электричество, что сокращает углеродное воздействие на окружающую среду и позволяет снизить затраты, ведь данный тип энергии технически можно произвести на ферме. Сейчас дроны уже широко используются на плоских полях или террасах как с низкими культурами, например пшеницей, рисом, так и с товарными разновидностями, в частности хлопком, цитрусовыми и виноградом.

ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛЕТА

Топливные сельскохозяйственные мини-вертолеты, то есть прародители нынешних коптеров, впервые появились в Японии в 1980-х годах. Благодаря дальнейшим техническим разработкам электрические одно- или многороторные модели постепенно заменили аппараты с топливным двигателем. В состав винтокрылых установок в основном входят ротор, бак, системы опрыскивания и управления, датчик окружающей среды, аккумулятор и прочее. Ротор обеспечивает подъемную силу летательного аппарата и в то же время создает нисходящий поток воздуха. Доступные на рынке дроны имеют от одного до восьми роторов. Бак является основным элементом, и его объем связан с максимальной массой полезной нагрузки. С каждым годом данный показатель в новых моделях увеличивается. Первоначально он составлял 8–15 л, а сейчас современные аппараты могут похвастаться объемом бака в 40 л. Система управления и датчики окружающей среды являются самыми быстро обновляемыми элементами дронов, которые эволюционировали от ручного контроля до полностью автономного режима. Устройства для позиционирования также активно совершенствовались и прошли путь от Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) с ошибками на уровне метров до кинематики в реальном времени (RTK) с неточностями в районе сантиметров. Кроме того, постоянно обновляются датчики атмосферного давления, ультразвуковые приборы, радар, бинокулярное зрение и другие устройства, используемые для определения высоты, измерения расстояния и обхода препятствий.

ДВА ТИПА

Форсунка представляет собой неотъемлемую часть системы распыления. Обычно дроны оснащаются гидравлическими или центробежными соплами. Первые созданы на основе наземного специализированного оборудования и являются наиболее распространенным типом форсунок для БПЛА. В них химический раствор рассеивается через полость сопла под заданным давлением и образует пленку жидкости, которая непрерывно растягивается и принимает нитевидную форму под действием разницы давлений. При столкновении с относительно неподвижным воздухом она распадается на мелкие капли. Распыление гидравлической форсунки можно модифицировать за счет регулирования давления, изменения поверхностного натяжения раствора или подбора сопла.

Система центробежного распыления состоит из соответствующей форсунки с вращающимся диском, на внутренней стенке которого присутствует несколько радиальных канавок. Они позволяют уменьшить проскальзывание раствора и иметь ему одинаковую с диском окружную скорость. Смесь поступает в высокоскоростную вращающуюся поворотную платформу, вдоль края которой капли одинакового размера вылетают по спирали в тангенциальном направлении под действием центробежной силы. Для распыления требуется небольшое давление, что приводит к узкому спектру распространения раствора. Однако капли не мешают друг другу, за счет чего их рассеивание становится более равномерным и управляемым. Посредством контроля за скоростью вращения диска можно регулировать спектр капель. Следует отметить, что в центробежной форсунке засорить диск достаточно сложно, поэтому данный тип подходит для внесения растворимых порошков, суспензий и адаптирован к высокой концентрации агрохимической жидкости. Однако подобные сопла производят мелкие капли с горизонтальным направлением движения, поэтому риск сноса высокий.

Разница между обеими системами распыления заключается в диапазоне значений медианного диаметра сопла (VMD). Для гидравлического типа размер капель зависит от типа форсунки, рабочего давления и природы раствора, а для второй разновидности важную роль играет скорость распылительной пластины. Выбор насадки с большим VMD может снизить риск сноса. Например, форсунки с воздушным впуском широко используются в штанговых опрыскивателях. Однако специальные сопла для минимизации сноса раствора при применении БПЛА не всегда могут подойти для защиты урожая. Так, улучшение качества распыления подразумевает ограничение нагрузки и уменьшение размера распространяемых частиц для обеспечения их более высокой плотности и хорошего покрытия. При этом при снижении размера капель повышается риск сноса, в связи с чем для дронов улучшение качества распыления и сокращение риска сноса имеют противоречивые последствия.

ПРЕОДОЛЕТЬ ОГРАНИЧЕНИЯ

Многие аграрии для защиты посевов используют прицепные или самоходные опрыскиватели, отдельные модели которых могут иметь штангу длиной свыше 40 м. Такая техника отлично подходит для больших площадей, однако бывают ситуации, когда ее применение имеет ограничения. Например, сильные дожди или сложный рельеф местности могут затруднить работу подобных машин на конкретном поле, что не позволит своевременно внести пестициды. Кроме того, вредители или болезни могут присутствовать лишь на небольших участках, где прицепные или самоходные опрыскиватели с длинными штангами не могут быть эффективны для целенаправленного применения, к которому стремятся сельхозпроизводители.

Внедрение беспилотных летательных аппаратов — одно из решений этих проблем. Их использование в АПК неуклонно растет в течение последнего десятилетия, но только недавно они стали дополнять работу, выполняемую обычными опрыскивателями. При правильном программировании технического задания и управлении оператором дроны способны обеспечить целенаправленное и точное внесение пестицидов, что сэкономит деньги и время. Данный сегмент оборудования постоянно совершенствуется: модернизируются форсунки, системы контроля расхода и размера капель, технологии распыления. Беспилотные опрыскиватели разнообразны по конструкции, размерам и способам программирования. Их применение для внесения средств защиты дает большие возможности для творчества операторов, ищущих в постоянно изменяющихся полевых условиях идеальную высоту и скорость полета, а также подходящие параметры форсунок и сноса капель.

В АВАНГАРДЕ ОТРАСЛИ

Одним из лидеров рынка БПЛА является компания DJI. В нашей стране доступны две специализированные модели для опрыскивания — Agras T30 и Agras T10. Первое устройство оснащено баком на 30 л для средств защиты растений, имеет полезную нагрузку системы разбрасывания до 40 кг и скорость потока до 50 кг/мин. Аппарат способен рассеивать удобрения и семена на ширину до 7 м. Соответствующая система также осуществляет мониторинг веса в режиме реального времени и имеет датчик, который передает оператору предупреждения о необходимости пополнения. При использовании с цифровыми сельскохозяйственными решениями модель может реализовывать дифференцированное разбрасывание, которое снижает расход удобрений, сохраняет или увеличивает урожайность. Для эффективного внесения пестицидов на дроне имеются 16 форсунок, расположенных таким образом, чтобы обеспечить точное размещение с факелом распыла до 9 м. Данная модель может обработать до 16 га точечным распылением менее чем за час. Аппарат Agras T10 спроектирован как более компактное решение и оснащен баком на 8 л. Он может рассеивать препараты на ширину до 5 м. Такая комбинация позволяет дрону обрабатывать до 6 га/ч. В нем используется сферическая радиолокационная система, сканирующая окружающие территории независимо от степени запыленности и освещенности.

Обе модели оснащены системой предотвращения столкновения с препятствиями и адаптивными функциями полета, которые помогают обеспечить безопасность во время работы. Корпус выполнен из композитного углеродного волокна для снижения полетной массы. Оригинальная конструкция позволяет складывать аппараты для перевозки и хранения с уменьшением объема на 80%. Двойные FPV-камеры гарантируют четкий вид спереди и сзади, а дополнительная лампа удваивает возможности ночного видения. Обновленный пульт дистанционного управления поддерживает стабильную передачу информации на расстоянии до 5 км. Для повышения производительности один пульт может управлять несколькими дронами одновременно. Яркий экран с диагональю 140 мм обеспечивает четкое изображение даже в условиях низкого освещения. На аккумуляторы распространяется гарантия на 1000 циклов и полет на 2000 га. Устройства заряжаются примерно за 10 минут, за счет чего работа может быть практически непрерывной при использовании двух батарей и одной станции.

ЖЕЛЕЗНЫЕ ПТИЦЫ

Сельскохозяйственный беспилотный аппарат P100 бренда XAG имеет конструкцию, позволяющую разделить летающую платформу и рабочие системы для интеграции модулей опрыскивания и разбрасывания удобрений. В первом случае на БПЛА устанавливается бак на 40 л и две форсунки, обеспечивающие размер капель в диапазоне 60–400 мкм и скорость потока 0,3–6 л/мин при центробежном распылении. Максимальная ширина рассеивания составляет 10 м. Сопла снабжены запорными клапанами для предотвращения утечек при поворотах и транспортировке. Для разбрасывания удобрений или посева семян устанавливается контейнер для сыпучих продуктов объемом 60 л и вертикальный центробежный распределяющий диск. У последнего имеется простая регулировка ширины разбрасывания. Датчик обнаруживает оставшиеся гранулы во избежание промахов и пустого вращения. Интеллектуальная система управления позволяет оптимизировать полет и эффективность работы. Динамический радар в сочетании с модулем адаптации к местности обнаруживает приближающиеся препятствия и анализирует окружающую среду. Положение помех, расстояние до них, направление и скорость определяются в пределах 40 м.

Точность полета аграрных дронов DJI и XAG в режиме реального времени обеспечивают соответствующие наземные базовые станции. Они всегда приобретаются в качестве необходимого дополнительного оборудования и разворачиваются на конкретных участках перед началом работ. Следует учитывать тот факт, что БПЛА с функцией опрыскивания выполняют задания по картам полей. Для их составления в летном парке хозяйства должен быть компактный коптер, предназначенный для этих целей и снабженный соответствующими камерами.

ДОСТОЙНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ

Российские разработчики беспилотной техники запустили ряд стартапов в данном направлении, но до серийного производства дошли единичные компании. Среди них можно отметить предприятие «Альбатрос», создающее дроны для различных отраслей экономики. Для обработки посевов средствами защиты выпускается специализированный гексакоптер «Альбатрос Agro Drone», имеющий бак вместимостью до 10 л. Скорость опрыскивания аппарата составляет до 2 л/мин, ширина распыления — до 4 м, производительность — 3–5 га/ч. Размер капли находится в диапазоне 50–150 мкм. В стандартную комплектацию входят необходимые для эксплуатации элементы: пульт управления, программное обеспечение, которое устанавливается на мобильный телефон, комплект аккумуляторных батарей, зарядное устройство и транспортировочное оборудование. Максимальное время полета составляет 15 минут. Если во время работы раствор для опрыскивания заканчивается, аппарат автоматически возвращается на точку старта для дозаправки, а затем продолжает маршрут с того места, на котором он прервался.

На примере БПЛА можно увидеть, как интеллектуальные методы внесения пестицидов быстро развиваются во всем мире по причине наличия у данной технологии ряда важных преимуществ, одним из которых выступает существенное сокращение затрат. Более того, эффективность беспилотных летательных аппаратов в применении средств защиты растений в отдельных ситуациях превышает результативность эксплуатации наземных самоходных и прицепных машин.

Источник