Применение беспилотных летательных аппаратов в точном земледелии

Применение беспилотных летательных аппаратов в точном земледелии

Агроном | Direct.Farm
1,00К

Сельское хозяйство издавна является важной частью жизнедеятельности человека. Поэтому повышение эффективности сельскохозяйственного производства ставит перед исследователями смежных отраслей определенные трудности. Революция в технологиях сельскохозяйственного производства часто сопровождается промышленной революцией. По мере того как промышленность переходит от первой к четвертой эпохе, сельское хозяйство также вступает в четвертую эпоху, то есть на смену традиционному трудоемкому сельскому хозяйству приходит индустриальное, в котором важное место занимает точное земледелие.

Индустриальные и автоматизированные методы производства снижают потребность в человеческих ресурсах и повышают эффективность, но в то же время создают недостаток в виде снижения качества продукции. По сравнению с ручным управлением в традиционном сельском хозяйстве крупногабаритная автоматизированная техника, широко применяемая в промышленном сельском хозяйстве, снижает точность работы и больше подходит для больших площадей и несложного рельефа. Поэтому целью точного земледелия является повышение точности работы автоматизированной техники.

В воздушной сфере точного земледелия БПЛА выделяются среди средств автоматизации благодаря высокой гибкости, простоте управления, высокой приспособленности к сложному рельефу и высокой эффективности. Кроме того, БПЛА обеспечивают существенные преимущества при выполнении многих сельскохозяйственных операций, таких как опрыскивание с воздуха, посев с воздуха, дистанционное зондирование и сбор информации. Следовательно исследования беспилотников особенно важны для развития точного земледелия.

В связи с этим цель данной статьи привлечь внимание к различным областям применения БПЛА в точном земледелии и текущему ходу исследований. Особое внимание мы уделили влиянию распределения пестицидов и удобрений на сельскохозяйственные культуры и важности сбора сельскохозяйственной информации. Данная статья посвящена научному вкладу БПЛА в двух аспектах: опрыскивание с воздуха и мониторинг сельскохозяйственной информации.

Воздушное распыление

При проведении сельскохозяйственных работ использование пестицидов и удобрений влияет на качество роста сельскохозяйственных культур. Точный контроль применения пестицидов и удобрений, зоны и места действия может повысить качество роста и урожайность сельскохозяйственных культур. Что касается опрыскивания пестицидами, то на распределение пестицидов на посевах обычно влияют два фактора: количество внесенного пестицида и степень его проникновения. Под внесенным количеством пестицида понимается среднее количество пестицида, распределенное на единицу площади. Проникающая способность - это способность пестицида эффективно проникать под полог культуры, обеспечивая его попадание в различные зоны внутри культуры. Если эти два показателя низкие, то есть капли тумана дрейфуют в воздухе, эффективность пестицида снижается. При опрыскивании с помощью БПЛА основными параметрами, влияющими на эти два фактора распределения пестицидов, являются модель БПЛА и форсунка, установленная на нем.

С макроскопической точки зрения параметры БПЛА включают в себя маршрут полета, высоту, скорость и форм-фактор. С точки зрения эффективности работы, совместная работа нескольких машин является наиболее эффективной и будет использоваться на фермах будущего. Совместная работа нескольких машин не только повышает эффективность работы, но и позволяет добиться лучших результатов.

Chen и др. оценили эксплуатационный эффект от использования БПЛА. Основное внимание они уделили равномерности распределения пестицидного раствора в зоне перекрытия опрыскивания и обнаружили, что при формировании полета использование различных режимов опрыскивания в зоне перекрытия внешнего фюзеляжа и в зоне перекрытия центра маршрута БПЛА позволяет достичь лучшего эффекта применения. Однако изменение маршрута и схемы распыления не решает проблему дрейфа одиночного беспилотника. Авторы предполагают, что это требует дальнейших исследований и обсуждения параметров внутреннего состава БПЛА.

К параметрам внутреннего состава БПЛА, то есть с микроскопической точки зрения, относятся скорость вращения ротора, распределение ротора и распределение сопел. Поле ветра, создаваемое ротором БПЛА, является важным фактором, влияющим на распыление капель. Ветровое поле увеличивает проникающую способность капель, а дальность действия ветрового поля влияет на количество оседающих капель пестицида. Однако механизм взаимодействия ветрового поля, капель и сельскохозяйственных культур до сих пор остается неясным и является узким местом, ограничивающим повышение качества осаждения. 

Yang и др. предложили метод исследования закона распределения нисходящего поля мультироторных БПЛА. Метод включает в себя компьютерные имитационные расчеты для создания трехмерной численной расчетной модели омывающего поля шестироторного БПЛА при различных нагрузках пестицидов и анализ полученных результатов. Полученные результаты дают ценные рекомендации для определения эксплуатационных параметров БПЛА, таких как высота полета и положение установки сопла. 

Liu и др.сосредоточили свое внимание на произведении поля приземного воздуха под БПЛА на уровне кроны растений: ветровом вихре. В этом исследовании для определения вихря во время полета использовался метод разности кадров. С помощью этого более интуитивного процесса параметры работы БПЛА связываются с параметрами ветрового вихря, и устанавливается соответствующая взаимосвязь для управления БПЛА с целью достижения лучшего эффекта опрыскивания пестицидами. 

В отношении управления БПЛА Su и др. применили другой подход. Они объединили сельскохозяйственные особенности удобрения риса с однонейронной адаптивной пропорционально-интегрально-деривативной (ПИД) технологией управления, которая была усовершенствована с помощью обучения по взвешенным коэффициентам, для исследования и разработки системы управления переменным удобрением в реальном времени, пригодной для работы на рисовых полях в северном Китае. Результаты экспериментов показывают, что данный метод управления повышает равномерность и точность внесения удобрений.

Как уже отмечалось выше, исследование параметров БПЛА не является единственным методом повышения эффективности их работы.

Wang и др. оценили влияние различных сопел на миграцию капель в процессе эксплуатации. Согласно результатам испытаний в аэродинамической трубе, риск дрейфа капель выше при использовании центробежной форсунки, чем при использовании гидравлической форсунки. Результаты экспериментов также показывают, что добавки для распыления сильно влияют на снижение дрейфа капель. 

Liu и др.оценили эффект снижения дрейфа капель при распылении жидкости в гидравлических форсунках с помощью четырех различных вспомогательных добавок. Три широко используемые коммерческие форсунки (XR, AIXR и TXVK) были исследованы с точки зрения эффекта распыления с различными вспомогательными веществами (додецилсульфат натрия, аэрозоль ОТ и 1% силикон). Дрейф был значительно снижен за счет изменения типа форсунки и добавления в раствор адъювантов. 

В двух предыдущих работах исследователи изучали существующие на рынке продукты, в то время как Yang и др. изучили и оптимизировали конструкцию и характеристики распыления пневматического центробежного распылителя с двойным распылением. В данном исследовании параметры распыления и конструктивные параметры рассматривались комплексно, а объемный медианный диаметр и спектральная ширина капель использовались в качестве оценочных показателей для оптимизации конструкции и характеристик распыления распылителя при различных скоростях и расходах. Принимая в качестве оценочного показателя эффективную ширину полосы оптимизированного распылителя, изучалось влияние скорости, расхода и высоты распыления на характеристики распылителя. Данное исследование представляет собой эталонную модель для эффективного распыления с БПЛА.

Мониторинг сельскохозяйственной информации

В процессе роста урожая или работы сельскохозяйственной техники постоянно генерируется сельскохозяйственная информация. Эта информация включает в себя не только данные о росте сельскохозяйственных культур, их заболевании и другую информацию о культурах, но и данные о состоянии работающей техники, параметры работы техники и др. информацию. Сегодня, когда информационные технологии получили широкое распространение, под сельскохозяйственной информацией понимается информация в с/х и областях, связанных с ним, а также процесс информатизации с/х, включающий в себя обобщение, сбор и распространение информации. Таким образом, получение такой информации имеет важное значение для процесса эксплуатации.

Получение адекватной сельскохозяйственной информации может уменьшить потерю предсказуемости в процессе производства сельскохозяйственных культур. При мониторинге сельскохозяйственной информации БПЛА обладают такими преимуществами, как высокая гибкость и большой радиус действия. 

Yan и др.использовали небольшой БПЛА с камерой для обнаружения плесени на околоплоднике цитрусовых. Они обнаружили, что плесень более чувствительна к свету с длиной волны 625~740 нм, а признаки плесени были извлечены с помощью инфракрасной камеры 1.4R-G и бинаризованы программой Otus. Была достигнута точность обнаружения 93,3%. Данная методика позволяет снизить потери мандариновой кожуры при хранении из-за плесени.

Хлорофилл является важным веществом в зеленых культурах и может указывать на состояние здоровья этих культур. Для точного определения относительного содержания хлорофилла в кукурузе Ji и др. исследовали зависимость индекса вегетации в почве и величины развития растительного анализатора (SPAD) кукурузы на различных пространственных вертикальных масштабах. Была создана модель прогнозирования величины SPAD листьев кукурузы на основе мультиспектральных изображений с БПЛА, полученных в различных пространственных масштабах. Эта модель позволяет оперативно получать данные о содержании хлорофилла, контролировать состояние растений кукурузы и управлять полевыми работами.

Адекватная сельскохозяйственная информация может также предотвратить проблемы безопасности при проведении работ. Хотя БПЛА обладают чрезвычайно высокой гибкостью, их устойчивость несколько уступает устойчивости других автоматизированных машин. Дискретные препятствия на сельскохозяйственных угодьях, такие как деревья и линии электропередач, часто представляют серьезную угрозу для безопасности полета БПЛА. Поэтому к условиям эксплуатации часто предъявляются достаточно жесткие требования. 

Wang и др. усовершенствовали оригинальный деформируемый преобразователь обнаружения (DETR), ввели в переднюю сеть ResNet возможность глобального моделирования и создали нелокальный деформируемый DETR. Это усовершенствование позволило увеличить значение средней точности обнаружения объектов (MAP) с 71,3 до 78,0%, показав хорошую производительность при обнаружении тонких объектов.

Источники:

  1. Liu, Y.; Ma, X.; Shu, L.; Hancke, G.P.; Abu-Mahfouz, A.M. From Industry 4.0 to Agriculture 4.0: Current Status, Enabling Technologies, and Research Challenges. IEEE Trans. Ind. Inform. 2021, 17, 4322–4334.
  2. Chen, P.; Ouyang, F.; Zhang, Y.; Lan, Y. Preliminary Evaluation of Spraying Quality of Multi-Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Close Formation Spraying. Agriculture 2022, 12, 1149. 
  3. Yang, F.; Zhou, H.; Ru, Y.; Chen, Q.; Zhou, L. A Method to Study the Influence of the Pesticide Load on the Detailed Distribution Law of Downwash for Multi-Rotor UAV. Agriculture 2022, 12, 2061.
  4. Liu, Z.; Fan, G.; Ye, S.; Zhang, Z.; Wu, H.; Long, B.; Li, H.; Cheng, H.; Wu, L.; Li, J. Flight Parameter—Wind Vortex Characteristic Control Model of a Four-Multirotor Unmanned Aerial Vehicle Operating in Pesticide Spraying of Rice. Agriculture 2023, 13, 892.
  5. Su, D.; Yao, W.; Yu, F.; Liu, Y.; Zheng, Z.; Wang, Y.; Xu, T.; Chen, C. Single-Neuron PID UAV Variable Fertilizer Application Control System Based on a Weighted Coefficient Learning Correction. Agriculture 2022, 12, 1019.
  6. Wang, G.; Zhang, T.; Song, C.; Yu, X.; Shan, C.; Gu, H.; Lan, Y. Evaluation of Spray Drift of Plant Protection Drone Nozzles Based on Wind Tunnel Test. Agriculture 2023, 13, 628. 
  7. Liu, Q.; Shan, C.; Zhang, H.; Song, C.; Lan, Y. Evaluation of Liquid Atomization and Spray Drift Reduction of Hydraulic Nozzles with Four Spray Adjuvant Solutions. Agriculture 2023, 13, 236.
  8. Yang, Z.; Yu, J.; Duan, J.; Xu, X.; Huang, G. Optimization-Design and Atomization-Performance Study of Aerial Dual-Atomization Centrifugal Atomizer. Agriculture 2023, 13, 430.
  9. Yan, G.; Qu, J.; Li, W.; Chen, D.; Zhong, C.; Luo, H.; Ou, G.; Mo, J. Research on UAV Remote Sensing Method of Mold Detection Suitable for Pericarp of Citri Reticulatae ‘Chachi’ Warehouses. Agriculture 2023, 13, 528.
  10. Ji, J.; Li, N.; Cui, H.; Li, Y.; Zhao, X.; Zhang, H.; Ma, H. Study on Monitoring SPAD Values for Multispatial Spatial Vertical Scales of Summer Maize Based on UAV Multispectral Remote Sensing. Agriculture 2023, 13, 1004. 
  11. Wang, D.; Li, Z.; Du, X.; Ma, Z.; Liu, X. Farmland Obstacle Detection from the Perspective of UAVs Based on Non-local Deformable DETR. Agriculture 2022, 12, 1983.
  12. www.mdpi.com ...
Опубликовано: 22 августа, 2023 в 16:00
Тэги:
Похожие посты
Самые точные автопилоты на выставке ИНТЕРАГРОМАШ 2024, Ростов-на-Дону
День Донского Поля 2023
Золотая Нива 2023. Решения для точного земледелия
Поле-Лето: жаркая акция в Полеводе!
Самая важная новость о Полеводе!

Нет комментариев