5 Декабря 2018

Небесные помощники: обзор беспилотных летательных аппаратов для сельского хозяйства

Небесные помощники: обзор беспилотных летательных аппаратов для сельского хозяйства

Текст: В. Я. Гольтяпин, канд. техн. наук, вед. науч. сотр., ФГБНУ «Росинформагротех»

Применение беспилотных летательных аппаратов в аграрной отрасли имеет огромный потенциал. Подобные устройства способны выполнять множество важных и актуальных задач, особенно в сфере точного земледелия, поэтому с каждым годом среди сельхозпроизводителей возрастает интерес к их использованию.

В 2016 году мировой рынок беспилотных аппаратов оценивался в 7,3 млрд долларов. По мнению многих экспертов, к 2020 году он может увеличиться до 9,5 млрд долларов, причем до 80% коммерческого сегмента этих устройств будет приходиться именно на сельскохозяйственные машины. Однако уже сегодня на российском рынке доступны различные модели таких агрегатов как зарубежного, так и отечественного производства.

СОВРЕМЕННОЕ ОСНАЩЕНИЕ

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) не имеет экипажа на борту и использует аэродинамический принцип создания подъемной силы с помощью фиксированного или вращающегося крыла самолетного или вертолетного типа. Механизм оснащен двигателем и обладает полезной нагрузкой и продолжительностью полета, достаточными для выполнения специальных задач. В зависимости от поставленных целей эти устройства оснащаются мультиспектральными камерами, высокая четкость изображения которых позволяет точно определять проблемные участки поля. Кроме того, машины могут снабжаться разнообразными датчиками, малогабаритными бортовыми компьютерами и оборудованием для внесения агрохимикатов. В определении координат и скорости современных БПЛА, как правило, задействованы навигационные приемники систем GPS или ГЛОНАСС, а углы ориентации и перегрузки в них определяются с применением гироскопов и акселерометров.

Фото 1. БПЛА DJI T600 Inspire 1

DJI T600

С помощью БПЛА в сельском хозяйстве можно решать множество задач — создание электронных карт полей посредством разработки 3D-моделей, инвентаризация земель, оценка объема работ и контроль над их выполнением в целях оптимального построения систем ирригации и мелиорации. Устройства могут опрыскивать посевы специальными препаратами для борьбы с вредителями и болезнями, определять химический состав почвы и отслеживать нормализованный вегетационный индекс NDVI для продуктивного внесения удобрений. БПЛА дает возможность быстро и эффективно строить карты всходов, то есть осуществлять оперативное наблюдение за состоянием посевов, анализировать всхожесть и прогнозировать урожайность культур, проводить экологический мониторинг полей и мест выпаса животных, а также охрану сельхозугодий и стада. Кроме того, в животноводческом направлении данные агрегаты могут использоваться для контроля над здоровьем скота, в частности определения температуры животных и оказания ветеринарной помощи посредством доставки медикаментов. Оценка причиненного животными ущерба посевам, то есть судебная экспертиза, также доступна для реализации с помощью коптеров.

Фото 2. БПЛА Ebee SQ

eBeeSQ

УЧАСТИЕ ЧЕЛОВЕКА

Существует несколько способов управления БПЛА. Ручное, или дистанционное, пилотирование производится со специального пульта в пределах оптической наблюдаемости или по видовой информации, поступающей с видеокамеры переднего обзора. При таком методе оператор, прежде всего, решает задачи пилотирования, в частности поддержание нужного курса, высоты и так далее. Автоматическое управление с помощью бортовых программных устройств обеспечивает возможность полностью автономного полета устройства по заданной траектории с необходимыми показателями скорости, высоты и стабилизации углов ориентации. Полуавтоматическое управление реализуется с помощью автопилота по первоначально установленным параметрам, но при этом человек может вносить изменения в маршрут в интерактивном режиме. Благодаря этому появляется возможность влиять на результат функционирования без отвлечения на сам процесс пилотирования. Последние два способа сейчас наиболее востребованы, так как предъявляют наименьшие требования к уровню подготовки персонала и обеспечивают безопасную и эффективную эксплуатацию систем беспилотных летательных аппаратов. Полностью автоматическое управление может быть оптимальным решением для аэрофотосъемки заданного участка, который расположен на большом удалении от места базирования, вне контакта с наземной станцией.

ДЛЯ БОЛЬШИХ ГРУЗОВ

Сегодня беспилотные аппараты широко применяются в сельском хозяйстве многих зарубежных стран для реализации различных целей — в США, Японии, Китае, Италии, Бразилии и так далее. Например, американским производителем Norsk Aerial System был создан один из самых больших в мире грузовых БПЛА. Модель Agronator представляет собой октокоптер — устройство с восемью винтами. Оно подходит для посева промежуточных культур, внесения удобрений и средств защиты растений. Благодаря высокой грузоподъемности этот агрегат может выполнять задачи, с которыми бы не справились обычные механизмы, используемые в аграрном секторе.

Фото 3. БПЛА Agronator

agronator

Конструкция данного аппарата достаточно проста. Восемь лопастей с электродвигателями и пропеллерами скрепляются вместе в центральной части рамы. На ней же устанавливается система управления — приемник, сенсоры, процессоры и GPS-модуль. Вес прибора составляет 53 кг, вместе с батареей — 85 кг, а с однодисковым разбрасывателем — 90 кг. Диаметр агрегата достигает 4,6 м, взлетная масса — 115 кг, что многократно превосходит параметры классического сельскохозяйственного БПЛА, максимальный вес которого обычно не превышает пяти килограммов. По отдельности каждый пропеллер этого агрегата равняется 1,2 м в диаметре. Масса допустимого груза составляет 30 кг, длительность полета — в среднем 30 минут. В силу своих немалых размеров коптер требует транспортировки до места назначения в защитном кофре и в микроавтобусе. Его настройка и подготовка к работе обычно занимают около 15 минут. Сегодня существуют еще два прототипа подобных агрегатов, разработанных и сконструированных в Германии.

ОБРАБОТКА С ВОЗДУХА

В последние годы в мире активно разрабатываются БПЛА, предназначенные не только для стандартной аэрофотосъемки, но и для решения новых задач. К примеру, представленная в России немецкая фирма Agrofly International предлагает методику внесения пестицидов по технологии ультрамалого объемного опрыскивания с использованием автономного агрокоптера Agrofly TF1A. Он оборудован четырьмя форсунками, размещенными на распылительной штанге, что позволяет ему обрабатывать ряд шириной 2–6 м. Воздушный поток, создаваемый пропеллерами, дополнительно вбивает распыляемую рабочую жидкость в посевы, а также разрушает капли, тем самым превращая их в спрей и увеличивая площадь воздействия. Грузоподъемность этого устройства составляет до 10 л раствора, высота полета — 0,5–3 м. Для обработки одного гектара аппарату требуется лишь 10 минут. Кроме того, он может снабжаться микроволновым радаром, отслеживающим уровень высоты, за счет чего становится возможной работа на склонах с уклоном до 45º. Коптер имеет три полетных режима. При автоматическом типе план передвижения программируется заранее с помощью компьютера и загружается в опрыскиватель по беспроводному каналу связи. В АБ-режиме агрегат совершает перемещения по рядам и автоматически перестраивается на соседние посевы, но границы поля оператор фиксирует непосредственно в полете переключением одного тумблера на пульте управления. Данная схема позволяет обрабатывать сложные участки и не требует наличия компьютера. В ручном режиме пилот управляет устройством самостоятельно.

Октокоптер DJI Agras MG-1 аналогичного назначения и производительности предлагает компания DigBox, являющаяся официальным дистрибьютором китайской фирмы DJI Inovations в России. В агрегате используется насосная система опрыскивания. Всего на нем можно установить четыре распылителя, которые помещаются под электродвигателем. Нисходящий воздушный поток от винтов является частью процесса обработки, помогающей жидкости достигать корневой области растений и попадать на тыльную поверхность листьев, а также усиливающей проникающую способность раствора. БПЛА оснащен функцией интеллектуальной регистрации текущей и прошедших точек маршрута. Если во время полета заканчивается рабочая смесь, коптер автоматически отмечает данный участок и после заполнения бака одним нажатием кнопки возвращается к нему для продолжения работы.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЕРТОЛЕТЫ

Основными отечественными компаниями, занимающимися разработкой авиационных систем для сельского хозяйства, являются ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис», Zala Aero Group, ГК «Геоскан» и ГК «Беспилотные системы». При этом практически все они специализируются не только на воздушных суднах, но и на аппаратах вертолетного типа. К ним, например, относятся модели ZALA 421-22 и ZALA 421-21 фирмы Zala Aero Group. Первая обладает системой автоматического управления средней дальности, навигацией и встроенной цифровой телеметрией. Ее конструкция предусматривает навигационные огни, трехосевой магнитометр, а также модуль удержания и активного сопровождения цели. Данный прибор снабжен широкополосным видеопередатчиком C-OFDM-модуляции, радиомодемом с приемником спутниковых систем, устройством самодиагностики и поисковыми возможностями. Продолжительность полета аппарата составляет порядка 35 минут, наибольшая высота, которую он может достигнуть, — 1000 м, максимальная взлетная масса — восемь килограммов, целевая нагрузка — до двух килограммов. Еще одна модель беспилотного вертолета этого же производителя — малогабаритный агрегат ZALA 421-21 тактической дальности с автопилотом, навигацией и телеметрией. Помимо встроенного трехосевого магнитометра устройство обладает аналоговым видеорегистратором, радиомодемом и поисковым передатчиком. Для его запуска не требуются специальные установки. Продолжительность его полета составляет примерно 40 минут, максимальная высота — 1000 м, наибольшая взлетная масса — 1,5 кг, целевая нагрузка — 300 г.

Модельный ряд БПЛА компании ГК «Беспилотные системы» также включает прибор вертолетного типа Х6М2. Он может применяться в целях картографирования, поиска, обнаружения и слежения за статичными и подвижными объектами в режиме реального времени. Благодаря встроенному автопилоту и автоматическому планированию полетного задания полностью исключается человеческий фактор. Продолжительность нахождения в воздухе этого устройства достигает 60 минут, максимальная высота — 500 м, взлетная масса — 8,5 кг, полезная нагрузка — до одного килограмма.

Фото 4. БПЛА вертолетного типа Х6М2

x6m2

Компания «Геоскан» также занимается разработкой и поставкой на российский рынок аппаратов вертолетного типа. Так, ассортимент этого производителя включает комплекс «Геоскан 401», предназначенный для получения детальных 3D-моделей локальных объектов и фотомониторинга. Вертикальные взлет и посадка обеспечивают возможность работы агрегата в ограниченном пространстве. В случае низкого заряда или потери связи он возвращается к месту старта и совершает мягкую посадку. Продолжительность полета составляет до 60 минут, максимальная высота — 500 м, наибольшая взлетная масса — 9,3 кг, масса полезной нагрузки — 2,5 кг. В серию также входят модификации этого устройства — модели «Геодезия», «Геофизика» и «Видео», которые оснащены различным дополнительным оборудованием.

МАЛЫЕ САМОЛЕТЫ

Беспилотные воздушные суда фирмы Zala Aero Group оснащаются механизмом автопилотирования, навигационной системой с инерциальной коррекцией, модулем удержания и активного сопровождения цели. Все предлагаемые устройства снабжены встроенными цифровой телеметрией, магнитометром, фотоаппаратом, широкополосным видеопередатчиком, радиомодемом, отцепом парашюта и поисковым модулем. Аппарат ZALA 421-16E предназначен для ведения воздушного наблюдения на удалении до 50 км с передачей изображения в режиме реального времени. Он имеет датчики влажности, температуры и тока, а также воздушный амортизатор для защиты груза при посадке. Для его запуска необходимо использовать пневматическую или механическую катапульту. Продолжительность полета агрегата составляет более четырех часов, максимальная высота — 3600 м, наибольшая взлетная масса — 8–10,5 кг, целевая нагрузка — до 1,5 кг.

Фото 5. БПЛА самолетного типа Zala.

zala

Модель ZALA 421-16ЕМ отличается от предыдущей физическими характеристиками, в то время как обладает практически аналогичным оснащением. Находиться в воздухе этот аппарат может в течение 2,5 ч и достигать высоты до 3600 м. Его максимальная взлетная масса равняется 6,5 кг, а нагрузка не должна превышать одного килограмма. Данное устройство специализируется на мониторинге местности в любое время суток, обеспечении безопасности объектов, поиске и обнаружении актов несанкционированной деятельности в зонах ответственности. Еще одна модель беспилотного судна этого же производителя — ZALA 421-08М. Она не требует специально подготовленной взлетно-посадочной площадки, а при соответствующих навыках оператора может подниматься в воздух с его рук. Продолжительность полета этого агрегата составляет 80 минут, за которые он может подняться на 3600 м, наибольшая взлетная масса — 2,5 кг, целевая нагрузка — 300 г.

МОНИТОРИНГ И ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ

Группа компаний «Геоскан» поставляет на рынок оборудование с оптимальными показателями и характеристиками. К примеру, модель беспилотного воздушного судна «Геоскан 101» была разработана для съемки небольших территорий, поэтому продолжительность ее полета не превышает одного часа, а лимит взлетной массы — 3,1 кг. Однако этот аппарат может подняться на высоту до 4000 м и перенести до 0,8 кг груза. Для выполнения обследований и инвентаризации земель, сопровождения мелиоративного строительства и создания карты с индексом NDVI сельхозпроизводителям следует выбирать комплекс «Геоскан 201». С его помощью можно контролировать проведение различных агротехнических мероприятий, в частности внесение удобрений. Устройство оборудовано цифровой и модифицированной ИК-камерой. Продолжительность полета составляет до трех часов, максимальная высота — 4000 м, взлетная масса — 8,5 кг, наибольший вес полезной нагрузки — 1,5 кг. В серию также входят модификации этого устройства — модели «Геодезия», «Агро» и «Агрогеодезия», которые оснащены различным дополнительным оборудованием.

Фото 6. БПЛА "Геоскан"

geoscan

Еще одним российским производителем БПЛА, которые могут успешно использоваться при создании электронных карт полей, расчете NDVI и других индексов, а также инвентаризации сельскохозяйственных угодий, является ООО НПП «Авакс-ГеоСервис». Предлагаемая компанией модель Delta-M может оснащаться различным оборудованием — мультиспектральной, тепловизионной, фото- и видеокамерами. Для ее запуска необходима специальная катапульта, а для посадки используется парашютная система. Продолжительность полета аппарата составляет до 2,5 ч, высота — 100–3000 м, взлетная масса — девять килограммов, полезная нагрузка — до 1,75 кг. Для этих же целей с аналогичным оснащением компанией были разработаны модели Gamma и Vzor. От предыдущего устройства они отличаются показателями нахождения в воздухе — до 12 и 3 ч, максимальной высотой полета — 100–5000 и 150–3000 м, взлетной массой — 50 и 4,9 кг, а также весом переносимой нагрузки — до 25 и 1 кг соответственно.

В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

ГК «Беспилотные системы» обладает широкой линейкой специализированного оборудования, облегчающего выполнение сложных сельскохозяйственных задач. Многие устройства под маркой Supercam обеспечивают возможность полного автономного полета и режима зависания, что позволяет получать высококачественные аэрофотоснимки, видеозаписи, тепловизионные данные в режиме реального времени. Область применения данных приборов в аграрном секторе — высокоточное земледелие, борьба с вредителями, мелиорация, управление стадами животных и землеустройство. В серию S компании входят модели 100, 150, 250, 350 и 450. Первые три устройства различаются техническими характеристиками: продолжительность их полета составляет 1, 1,5 и 3 ч, рабочая высота — не менее 1000, 3000 и 5000 м, наибольший взлетный вес — 3,5, 5,5 и 9,5 кг, масса нагрузки — 0,4, 1 и 1,5 кг соответственно. Беспилотные аппараты Supercam S350 и S450 предназначены для осуществления панорамной и плановой аэрофото- и видеосъемки, авиапатрулирования в любое время суток, а также для других аналогичных задач. Они могут взлетать при помощи специальной катапульты, а при посадке использовать парашют. Длительность полета устройств равняется 4,5 и 8 ч, максимальная высота работы — не менее 5000 м, взлетная масса — 11,5 и 21 кг, вес полезной нагрузки — до 2,5 и 4 кг соответственно.

Особое место в линейке БПЛА компании занимает модель SX350. Она является устройством конвертопланного типа, созданным на основе летающего крыла прибора S350. Измененная конструкция позволяет агрегату осуществлять взлет и посадку на небольшом участке вертикально, как коптеры вертолетного типа, а после набора высоты продолжать полет горизонтально, то есть как обычные воздушные беспилотные судна. Данная модель оснащается стандартным для всех приборов компании оборудованием — фото- и видеокамерой, тепловизором, модулем совмещения ЦН, двухчастотным геодезическим приемником и прибором автоматического сопровождения цели. Продолжительность полета аппарата составляет два часа, наибольшая рабочая высота — 5000 м, взлетная масса — 11,5 кг, вес полезной нагрузки — 2,5 кг.

УДАЧНАЯ КОМБИНАЦИЯ

Сегодня многие организации и фирмы продолжают исследования и разработки в сфере беспилотных летательных аппаратов. К примеру, НПК «АгроДронГрупп» совместно с ведущими институтами России создала комплекс, включающий БПЛА и программное обеспечение, которые оперативно предоставляют полную информацию о состоянии посевов и почвы. В частности, с их помощью можно контролировать урожайность, определять места зарождения болезней и очаги поражения. Программное обеспечение дает возможность выводить обработанные данные на смартфон или компьютер в понятном для агрария виде. Входящий в комплекс коаксиальный гексакоптер «Орлан» с мультиспектральной камерой использует дублирующую схему расположения моторов для обеспечения безопасного полета. При поломке можно легко произвести замену одного из них в течение двух минут непосредственно в полевых условиях. Подобное решение позволяет стандартизировать процессы и сократить риск простоя оборудования из-за ремонта. Другая модель этого же производителя Phantom 4 Pro является полностью переработанным и обновленным устройством. Модернизированная камера оснащена сенсором с разрешением в 20 Мп. При резких порывах ветра или других воздействиях агрегат автоматически возвращается в прежнее местоположение без какой-либо внешней коррекции.

Таким образом, сегодня российскому сельхозпроизводителю доступен широкий ассортимент беспилотных летательных аппаратов, отличающихся не только производителями и стоимостью, но и техническими характеристиками, функциями и возможностями. Несмотря на это, практически любое подобное устройство, тщательно выбранное в соответствии с задачами, которые оно должно будет решать, способно стать незаменимым помощником сельхозпроизводителя в ведении и развитии его аграрного бизнеса.

Популярные статьи