Zastosowanie bezzałogowych statków powietrznych do opryskiwania upraw rolniczych – Bogusława Berner, Jerzy Chojnacki

Pełen tekst

(1)mgr in¿. Bogus³awa BERNER, dr hab. Jerzy CHOJNACKI prof. nadzw. Politechnika Koszaliñska, Katedra Automatyki Mechaniki i Konstrukcji e-mail: boguslawa.berner@tu.koszalin.pl ; jerzy.chojnacki@tu.koszalin.pl. data przyjêcia: 2017-01-08; data akceptacji: 2017-04-18. ZASTOSOWANIE BEZZA£OGOWYCH STATKÓW POWIETRZNYCH DO OPRYSKIWANIA UPRAW ROLNICZYCH Streszczenie Opisano i porównano konstrukcje dronów s³u¿¹cych do wykonywania oprysków na uprawach. Zestawiono parametry techniczne wybranych bezza³ogowych statków powietrznych oraz opisano budowê montowanych na nich instalacji do rozpylania œrodków ochrony roœlin. Zasygnalizowany zosta³ aspekt prawny wykorzystania dronów do ochrony roœlin. S³owa kluczowe: dron, bezza³ogowy statek powietrzny, opryskiwanie, ochrona roœlin, rolnictwo precyzyjne Wstêp. z uwzglêdnieniem aspektów prawnych ich wykorzystania. Zakresem pracy objêto ocenê oœmiu modeli dronów.. Drony - bezza³ogowe statki powietrzne, nazywane równie¿ platformami lataj¹cymi, stworzone zosta³y g³ównie na potrzeby wojska: do æwiczeñ, obserwacji, rozpoznania oraz ataku na wroga. Popularnoœæ sprzêtu i postêp technologiczny sprawi³y, ¿e s¹ one masowo produkowane i powszechnie dostêpne równie¿ wœród u¿ytkowników cywilnych. Amatorsko stosowane s¹ do zabawy, wykonywania fotografii i filmowania z wysokoœci [2]. Dziêki zamontowanym w nich systemach do nawigacji, pozycjonowania i orientacji oraz multispektralnym sensorom optycznym o du¿ej rozdzielczoœci drony sta³y siê niskobud¿etowym narzêdziem, coraz powszechniej stosowanym w fotogrametrii i teledetekcji [7]. Powoli znajduj¹ równie¿ zastosowanie w leœnictwie i w rolnictwie precyzyjnym do patrolowania i monitorowania lasów, oceny stanu upraw, a tak¿e do obserwacji zwierz¹t [1]. Zaletami wykorzystania dronów jako maszyn rolniczych jest brak ugniatania gleby podczas poruszania siê po polu, mo¿liwoœæ dotarcia do obszarów po³o¿onych na ró¿nych wysokoœciach, do miejsc trudnodostêpnych oraz mo¿liwoœæ wykonania za ich pomoc¹ zabiegu tam, gdzie jest niemo¿liwy lub trudny do zrealizowania dla opryskiwaczy polowych [4]. Korzyœci¹ wykonywania oprysków na uprawach i w lasach za pomoc¹ dronów mo¿e równie¿ byæ to, ¿e znajduj¹cy siê na ziemi operator, który powinien byæ wtedy poza miejscem wykonywania zabiegu, nie jest nara¿ony na wdychanie rozpylanych œrodków chemicznych. W porównaniu do klasycznego agrolotnictwa, znajduj¹cy siê poza statkiem powietrznym, wykonuj¹cym zabieg, operator jest bezpieczny w przypadku katastrofy tego statku. Celem pracy by³o dokonanie przegl¹du konstrukcji dronów mo¿liwych do zastosowania w ochronie upraw rolniczych. Przegl¹d konstrukcji dronów stosowanych w ochronie roœlin Podobnie jak ma to miejsce w przypadku za³ogowych statków powietrznych u¿ywanych do opryskiwania roœlin, w bezza³ogowym lotnictwie mo¿na równie¿ stosowaæ p³atowce (samoloty) i wirnikowce (helikoptery i multikoptery). Mniejsze rozmiary i masa dronów w porównaniu do za³ogowego agrolotnictwa sprawiaj¹, ¿e znacznie ni¿sze s¹ koszty ich u¿ytkowania, na co wp³yw maj¹: brak potrzeby przygotowania lotniska z pe³n¹ infrastruktur¹ i obs³ug¹, mniejsze koszty zu¿ycia paliwa oraz znacznie mniejszy koszt samego sprzêtu. W tabeli przedstawiono charakterystyczne parametry techniczne wybranych dronów przystosowanych do wykonywania zabiegów chemicznej ochrony roœlin. Do napêdu bezza³ogowych statków powietrznych u¿ywa siê silników spalinowych lub silników elektrycznych. Przeciêtnie masa dronów napêdzanych za pomoc¹ silników spalinowych jest wy¿sza od platform napêdzanych silnikami elektrycznymi, ale równie¿ d³u¿szy jest czas ich pracy bez l¹downia. W stosunku do zabiegów wykonywanych za³ogowymi statkami powietrznymi drony umo¿liwiaj¹ obni¿enie pu³apu nalotów nawet do 1 metra. Wœród bezza³ogowych statków powietrznych wykorzystywanych do opryskiwania przewa¿aj¹ wirnikowce, które mog¹ wykonywaæ loty w dowolnych kierunkach niezale¿nie od prêdkoœci przemieszczania siê. Jednym z najpopularniejszych na œwiecie dronów przystosowanych do zwalczaniem chwastów i szkodników za pomoc¹ oprysków jest zbudowany i wypuszczony na rynek. Tabela. Parametry techniczne dronów s³u¿¹cych do opryskiwania Table. Technical parameters of drones used used for spraying Nazwa modelu. Typ drona. £adownoœæ [kg]. PAM - 20 Hercules 30 RHCD01 Yamaha Rmax RHCD 15 AG-6A+v2 AGV8A DJI Agras MG-1. p³atowiec helikopter helikopter helikopter helikopter heksakopter oktokopter oktokopter. 25 30 8 30 15 20 10 10. Pu³ap pracy [m] 10-15 1-3 6 1-3 1-5 1-5 1,5-3. TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA. Szerokoœæ pracy [m] 8 2,7 2,7 7,5 3 5 5 4-6. 2/2017. Czas lotu [min] 180 12-15 5-10 60 10-15 15-30 10-20 10-24. Iloœæ dysz [szt.] 2 2 2 2 4 6 6 4. Masa ca³kowita [kg] 80 120 30 64 36 34,2 19,5 22,5. ród³o energii. ród³o informacji. silnik spal. silnik spal. silnik spal. silnik spal. silnik spal. silnik elektr. silnik elektr. silnik elektr.. [5] [13] [13] [8, 14] [13] [13] [13] [10]. 23.

(2) w 1997 roku przez Yamaha Motor Company model Yamaha R-MAX (rys. 1). Jest to bezza³ogowy helikopter napêdzany dwusuwowym silnikiem spalinowym, ch³odzonym wod¹, o pojemnoœci 246 cm3 i mocy 15,4 kW [8]. Dron zosta³ zaprojektowany przede wszystkim na potrzeby rolnictwa precyzyjnego i poza rozpylaniem œrodków ochrony roœlin mo¿e byæ wykorzystany równie¿ do nawo¿enia upraw p³ynnymi nawozami mineralnymi. Yamaha R-MAX stosowany jest do prac rolniczych w Japonii, Australii i Stanach Zjednoczonych [3, 14]. Wstêpne wyniki wykazuj¹, ¿e œmig³owiec jest stabilny nawet w warunkach porywistego wiatru. Ciecz z helikoptera jest rozpryskiwana rozpylaczami przymocowanymi do belki znajduj¹cej siê pod platform¹.. przyk³ad ze wzglêdu na roz³adowanie akumulatora, brak paliwa lub cieczy opryskuj¹cej, po wymianie akumulatora lub nape³nieniu zbiorników lot mo¿e byæ wznowiony od tego punktu na polu, w którym praca zosta³a przerwana.. Rys. 2. DJI Agras MG-1 [10] Fig. 2. DJI Agras MG-1 [10] Instalacje opryskuj¹ce montowane w dronach Montowane na dronach instalacje, które s³u¿¹ do rozpylania cieczy opryskowej, sk³adaj¹ siê ze zbiornika, pompy napêdzanej silnikiem elektrycznym, przewodów elastycznych i rozpylaczy, które mog¹ byæ montowane na ramionach drona centralnie pod silnikami (rys. 2) albo na belkach lub wysiêgnikach umieszczonych poni¿ej zespo³u œmigie³ (rys. 1). Pêd powietrza generowanego przez œmig³a drona przyspiesza prêdkoœæ opadania rozpylonej cieczy i rozchylaj¹c ³an roœlin u³atwia kroplom dotarcie do liœci i ³odyg, nawet tych, które znajduj¹ siê tu¿ przy ziemi. Do rozpylania cieczy stosowane s¹ najczêœciej wymienne rozpylacze ciœnieniowe szczelinowe. Mog¹ byæ równie¿ zastosowane rozpylacze obrotowe (rys. 3) [4].. Rys. 1. Yamaha RMAX podczas wykonywania oprysku [12] Fig. 1. Yamaha RMAX in the course of spraying [12] Dawki nanoszonego na roœliny p³ynu s¹ rzêdu od 10 do 50 dm3·ha-1. Mo¿na je regulowaæ, m.in. przez zmianê szerokoœci roboczej oprysku, a ta zale¿y od wysokoœci lotu. Efektywna wydajnoœæ pracy œmig³owca to oko³o 2-5 ha h-1, która w du¿ej mierze wynika z ograniczonej ³adownoœci oraz czasu lotu drona do momentu wyczerpania siê Ÿród³a energii [3]. Cena platformy Yamaha R-MAX w wersji rolniczej wynosi 80-120 tys. dolarów [9]. Znacznie tañsze s¹ drony napêdzane silnikami elektrycznymi. S¹ to najczêœciej multikoptery czerpi¹ce energiê z zamontowanych na nich baterii. Zdolne s¹ one do przeniesienia ³adunków cieczy u¿ytkowej w granicach od 10 do 20 kg. Czas lotu zale¿ny jest od masy ³adunku i waha siê w granicach od 15 do 25 minut. Przyk³adem takiego drona rolniczego jest najnowszy produkt firmy DJI - oktokopterAgras MG-1 (rys. 2). Cena tego drona to oko³o 15 tys. dolarów [9]. Rama DJI Agras MG-1 zbudowana jest z wysokiej wytrzyma³oœci, odpornych na korozjê materia³ów, których g³ównym sk³adnikiem jest w³ókno wêglowe. Sk³adana konstrukcja ramy i sk³adane œmig³a umo¿liwiaj¹ ³atwy transport oraz mo¿liwoœæ przewo¿enia drona w baga¿niku samochodu osobowego [10]. Agras MG-1 mo¿e rozwijaæ prêdkoœæ robocz¹ do 8 metrów na sekundê. Wed³ug danych producenta w ci¹gu 1 godziny dron mo¿e opryskaæ od 4 do 6 hektarów pola. W czasie lotu, dziêki mo¿liwoœci pomiaru wysokoœci za pomoc¹ czujnika radarowego, platforma stara siê zachowaæ sta³y poziom nad opryskiwanymi roœlinami, niezale¿nie od ich wysokoœci i nierównoœci pola, co pozwala na równomierne naniesienie dawki preparatu na roœliny. Ca³kowite natê¿enie wyp³ywu cieczy z 4 rozpylaczy XR11001 wynosi 1,7 dm3min-1, kroplistoœæ rozpylonej strugi mieœci siê w zakresie rozmiaru kropel drobnych. U¿ytkownicy mog¹ wybieraæ pomiêdzy manualnym, pó³automatycznym oraz automatycznym trybem sterowania lotem, w zale¿noœci od zastosowañ. Agras MG-1 automatycznie rejestruje wspó³rzêdne lotu. W przypadku, gdy operacja zostanie przerwana, na. 24. Rys. 3. Dron z rozpylaczami obrotowymi [11] Fig. 3. Drone with rotary atomizers [11] Ze wzglêdu na ograniczon¹ warunkami technicznymi pojemnoœæ zbiorników na ciecz, zabiegi dronami opryskuj¹cymi wykonywane s¹ w zakresie dawek cieczy LV, a nawet ULV. Najprostsze montowane na elektrycznych wielowirnikowcach instalacje do opryskiwania przypominaj¹ instalacje rêcznych opryskiwaczy. Brak jest przep³ywomierzy i urz¹dzeñ do automatycznego sterowania natê¿eniem wyp³ywu cieczy z instalacji. Mo¿liwa wtedy jego regulacja polega na wymianie rozpylaczy. Regulacja dawki cieczy na polu odbywa siê przez zmianê wysokoœci lotu i prêdkoœci przemieszczania siê platformy. Przygotowywane s¹ równie¿ bardziej zaawansowane instalacje, w których ciœnienie cieczy jest regulowane za pomoc¹ zmiany prêdkoœci obrotowej pompy, a system steruj¹cy w³¹cza i wy³¹cza rozpylanie automatycznie na podstawie wprowadzonej wczeœniej mapy numerycznej opryskiwanej uprawy [4]. Aspekt prawny zastosowania dronów do opryskiwania roœlin Drony opryskuj¹ce wpisuj¹ siê w zakres coraz czêœciej stosowanej na œwiecie robotyki powietrznej. Sterowanie ich prac¹ nad polem powinno odbywaæ siê na zasadach stosowanych w ramach rolnictwa precyzyjnego. Lot mo¿e byæ lotem. TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA. 2/2017.

(3) autonomicznym, czyli wed³ug zaplanowanej wczeœnie trasy, zgodnej z mapami numerycznymi pola. Do dok³adnego pozycjonowania lotu mo¿e byæ u¿yta nawigacja DGPS (Differential Global Positioning System), podobnie jak w sprzêcie naziemnym, z tym ¿e w przypadku dronów mog¹ wyst¹piæ niedok³adnoœci wykonywania zabiegu spowodowane ruchem powietrza (np. wiatrem bocznym). W porównaniu do zabiegów wykonywanych za³ogowymi statkami powietrznymi drony wykonuj¹ zabiegi na ni¿szych pu³apach, jak na razie nie mniejszych ni¿ jeden metr. W przysz³oœci, ze wzglêdu na postêpuj¹cy szybki rozwój ich systemów sterowania - g³ównie w kierunku podnoszenia bezpieczeñstwa lotów (zdalne omijanie przeszkód, precyzyjne utrzymywanie odleg³oœci nad upraw¹, zastosowanie sieci neuronowych do sterowania) - wysokoœæ lotu mo¿e zmniejszyæ siê nawet do 0,5 metra nad poziomem roœlin. W stosunku do pu³apu lotów wykonywanych za³ogowymi statkami powietrznymi (4-8 metrów, a nawet wy¿ej) tak niska wysokoœæ nalotu wykonywana bezza³ogowymi platformami lataj¹cymi spowoduje, ¿e zabiegi wykonywane za ich pomoc¹ bardziej bêd¹ przypomina³y zabiegi wykonane sprzêtem naziemnym ni¿ z powietrza. Równie¿ znoszenie œrodków chemicznych przy nalotach wykonywanych na tak ma³ej wysokoœci nie mo¿e byæ porównywalne ze znoszeniem rozpylanych preparatów podczas zabiegów wykonywanych za³ogowymi statkami powietrznymi. Drony mog¹ staæ siê w przysz³oœci nieodzownym wyposa¿eniem gospodarstw jako maszyny rolnicze. Obecnie s¹ one klasyfikowane jako statki powietrzne podlegaj¹ce pod nadzór prawa lotniczego. Prawo to okreœla warunki wykonywania lotów oraz wymagane kwalifikacje operatora. Niestety, Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/128/WE z 20 paŸdziernika 2009 roku, której zamiarem jest zapobieganie ska¿eniom œrodowiska powodowanym przez klasyczne agrolotnictwo, w stosunku do agrolotnictwa zaczyna siê od stwierdzenia, ¿e generalnym celem dzia³añ krajów Unii Europejskiej jest wyeliminowanie oprysków wykonywanych z powietrza na terytorium UE. Dopuszczona jest mo¿liwoœæ wykonywania takich zabiegów w szczególnych przypadkach, i to pod pewnymi warunkami. S¹ to: brak mo¿liwoœci wykonania zabiegów metodami alternatywnymi lub gdy zastosowanie oprysków z powietrza da wyraŸne korzyœci pod wzglêdem ograniczenia wp³ywu na zdrowie ludzi i œrodowisko w porównaniu do aplikacji pestycydów sprzêtem naziemnym. Wymagana jest równie¿ koniecznoœæ certyfikacji sprzêtu przez Urz¹d Lotnictwa Cywilnego w celu potwierdzenia jego technicznej sprawnoœci i dopuszczenia do aplikacji pestycydów z powietrza. Zgodnie z prawem lotniczym instalacja opryskuj¹ca zamontowana na bezza³ogowych statkach powietrznych podlega takim samym rygorom jak ta, która jest montowana na statkach za³ogowych stosowanych w agrolotnictwie, ale dronów nie uwzglêdniono w warunkach, jakim ma ta instalacja odpowiadaæ [6]. Warunki przegl¹dów i certyfikacji sprzêtu opryskuj¹cego, montowanego na za³ogowych statkach powietrznych, powinny zostaæ uzupe³nione i dostosowane równie¿ do bezza³ogowych platform lataj¹cych.. Podsumowanie Zastosowanie dronów w rolnictwie precyzyjnym jest uzasadnione i mo¿e byæ w przysz³oœci skuteczne ze wzglêdów ekonomicznych i ekologicznych. Drony ju¿ umo¿liwiaj¹ monitorowanie upraw, wykorzystuj¹c zjawiska zwi¹zane z poch³anianiem i odbiciem œwiat³a w roœlinach, które mo¿liwe s¹ do zarejestrowania za pomoc¹ sensorów optycznych stosowanych w fotodetekcji. Uzyskane w ten sposób dane dostarczaæ bêd¹ rolnikom informacji w czasie rzeczywistym na temat stanu zdrowia roœlin. Drony mog¹ byæ równie¿ wykorzystane jako roboty do wykonania zabiegów ochronnych na uprawach, ze zmiennymi dawkami œrodków chemicznych, adekwatnymi do stanu zdrowotnoœci roœlin. Po³¹czenie tych dwóch funkcji dronów w rolnictwie spowoduje powstanie nowych technologii ochrony roœlin opartych na bezza³ogowych statkach powietrznych. Zbyt rygorystyczne prawo w Unii Europejskiej, w stosunku do agrolotnictwa, mo¿e uniemo¿liwiæ rozwój rolniczej robotyki powietrznej w krajach zjednoczonych w Unii. Mo¿e równie¿ spowodowaæ, ¿e nowoczesne technologie wykorzystuj¹ce drony w rolnictwie rozwin¹ siê w pañstwach, gdzie prawo dotycz¹ce bezza³ogowych statków powietrznych i agrolotnictwa jest bardziej liberalne, albo gdzie go nie ma. Bibliografia [1] Berner B., Chojnacki J.: Wykorzystanie dronów w rolnictwie precyzyjnym. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leœna, 2016, 3, 19-21. [2] Cheng E.: Drony. Tajniki zdjêæ i filmów lotniczych. Helion 2016. [3] Durham K. Giles, Ryan C. Billing: Deployment and Performance of a UAV for Crop Spraying Department of Biological & Agricultural Engineering, University of California, Davis, CA95616 USA. [4] Huang Y., Hoffmann W.C., Lan Y., Wu W., Fritz B.K.: Development of a Spray System for an Unmanned Aerial Vehicle Platform 2009. Applied Engineering inAgriculture Vol. 25(6): 803-809. [5] Pederi Y.A., Cheporniuk H.S.: Unmanned Aerial Vehicles and New Technological Methods of Monitoring and Crop Protection in Precision Agriculture: 2015 International Conference Actual Problems of Unmanned Aerial Vehicles Developments (APUAVD) Proceedings. [6] Rowiñski R.S., Lipiñski A.J., Choszcz D.J., Konopka S.: Ekspertyza: Wymagania techniczne dla sprzêtu montowanego na statkach powietrznych s³u¿¹cego do stosowania œrodków ochrony roœlin oraz zasady jego kontroli. Olsztyn 2011. [7] Sawicki P.: Bezza³ogowe aparaty lataj¹ce UAV w fotogrametrii i teledetekcji - stan obecny i kierunki rozwoju. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, 2012, Vol. 23: 365-376. [8] S a t o A . : T h e R M A X H e l i c o p t e r U AV. 2 0 0 3 . http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a427393.pdf. [9] http://dronesonvideo.com/agriculture-drones-dji-agras-mg-1-vsyamaha-rmax/. [10] http://www.dji.com/. [11] http://www.scmp.com/business/companies/article/1994543/ drones-agricultural-use-taking-china. [12] http://www.thehindu.com/news/international/us-farmers-to-usermax-drones-to-spray-crops/article7175831.ece. [13] http://www.uavcropdustersprayers.com/. [14] https://en.wikipedia.org/wiki/Yamaha_R-MAX.. USE OF UNMANNED AERIAL VEHICLES FOR AGRICULTURAL CROP SPRAYING Summary Constructions of drones designed to perform crop spraying are described and compared. The technical parameters of selected unmanned aerial vehicles were presented and the construction of the installation used for spraying pesticides, mounted on them, was described. The legal aspect of the use of drones to plant protection was signaled. Key words: drone, UAV, spraying, plant protection, precision farming. TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA. 2/2017. 25.

(4)