Выбор беспилотного авиационного средства для решения задач дистанционного зондирования и восстановления агроландшафтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт

Выбор беспилотного авиационного средства для решения задач дистанционного зондирования и восстановления агроландшафтов

Быков С.Н., Бережнов Н.Н.

Аннотация

беспилотный авиационный информация сельскохозяйственный

В статье приводится обоснование применения беспилотных авиационных средств для обнаружения и локализации участков поражения сельскохозяйственных культур в результате воздействия различных природно-климатических факторов с целью получения информации для принятия управленческих решений, а также реализации мероприятий по восстановлению агроландшафтов в рамках применяемой технологии возделывания конкретной сельскохозяйственной культуры.

На основании заданных тактико-технических характеристик проведен анализ потребительских свойств в пределах выборки беспилотных авиационных средств путем оценки показателей уровня конкурентоспособности, в том числе с учетом ценовой категории изделия.

Ключевые слова: БЕСПИЛОТНОЕ АВИАЦИОННОЕ СРЕДСТВО, АГРОЛАНДШАФТ, КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ, ПОСЕВ, МУЛЬТИКОПТЕР, МОНИТОРИНГ, ПОКАЗАТЕЛЬ, ХАРАКТЕРИСТИКА, ПРОДУКЦИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ВЕСОМОСТИ

Основная часть

Использование дронов (от англ. drone (прилаг.) - «беспилотный», «радиоуправляемый») в точном земледелии и в целом в сельском хозяйстве - одно из наиболее перспективных направлений применения этой технологии. Беспилотные авиационные средства (далее - БАС) могут быть эффективно использованы для планирования и контроля этапов аграрного производства путем проведения аэромониторинга сельскохозяйственных угодий. При этом одним из весомых аргументов для внедрения БАС является экономическая целесообразность, заключающаяся в большей оперативности и низкой стоимости получения данных по сравнению с технологией дистанционного зондирования поверхности Земли с использованием космических аппаратов [1].

БАС позволяют получать актуальную информацию о росте и развитии сельскохозяйственных культур тогда, когда она необходима и, впоследствии, анализируя ее накопленный массив за длительный период, изучать происходящие процессы в динамике и прогнозировать их развитие.

Отдельного внимания заслуживает применение БАС в аграрном производстве в качестве технических средств реализации технологий защиты растений, способных в определенных условиях заменить собой традиционно используемые для этих целей прицепные, навесные и самоходные сельскохозяйственные машины [1, 2, 3].

При выполнении технологической операции посева или химической обработки сельскохозяйственной культуры машинно-тракторный агрегат перемещается по полю с помощью ходовой системы трактора и прицепной или полунавесной машины. Маневренность и проходимость такого агрегата ограничена несущей способностью и влажностью почвы.

Низкая агротехническая проходимость агрегата затрудняет посев сельскохозяйственных культур ранней весной - в «февральские окна», а также весенний «ремонт» посевов озимых зерновых колосовых культур путем посева, например, гороха на участках полей, на которых вымерзли посевы опорной культуры [4] (рис. 1).

Рис. 1 Посевы озимых культур с поврежденными участками

Кроме того, решение проблемы фитосанитарного состояния посевов (рис. 2), защиты путем применения химических или биологических средств защиты растений (СЗР) также связано с многочисленными проходами по полю машинно-тракторного агрегата. При отсутствии на поле технологической колеи это ведет к негативному воздействию на почву ходовой системы машинно-тракторного агрегата.

Рис. 2 Посевы сельскохозяйственных культур, засоренных сорняками, пораженных болезнями и вредителями

Воздействие ходовых систем машинно-тракторного агрегата на переувлажненную почву ведет к ее интенсивному переуплотнению и колееобразованию, что в дальнейшем негативно сказывается на агрофизических свойствах почвы, равномерности заделки семян при посеве и удобрений при внесении, росте рабочего сопротивления почвообрабатывающих и посевных орудий и машин [5].

Агрегатом, включающим в себя сельскохозяйственную машину и трактор, ввиду ограниченности маневренности из-за особенностей кинематики сложно обрабатывать СЗР и засевать поля относительно небольшой площади и сложной конфигурации.

Кроме того, ходовыми системами машинно-тракторного агрегата травмируются растения при выполнении операции подсева травостоев культурных сенокосов и пастбищ [6].

Обеспечить не только своевременное выявление и локализацию возникшей проблемы (мониторинг), но и качественное выполнение определенных операций в рамках установленной технологии возделывания сельскохозяйственных культур в природно-климатических условиях, неблагоприятных для использования машинно-тракторных агрегатов, возможно посредством применения беспилотных авиационных средств.

В качестве технического решения предлагается использование БАС вертолетного типа (мультикоптеров), обладающих высокой маневренностью, компактностью и малой энергоемкостью. При этом перед мультикоптером ставится как «традиционная» задача дистанционного зондирования сельскохозяйственных угодий с целью оценки фитосанитарного состояния посевов, выявления очагов поражения болезнями и повреждения вредителями, так и задача выполнения технологических операций по подсеву и обработке СЗР сельскохозяйственных культур.

Пример мультикоптера, оснащенного устройством для подсева сельскохозяйственных культур, показан на рис. 3 [6].

Рис. 3 БАС вертолетного типа (мультикоптер) с устройством для подсева сельскохозяйственных культур

Пример мультикоптера, оснащенного устройством для химической обработки полей, показан на рис. 4.

Рис. 4 БАС вертолетного типа, оснащенный устройством для химической обработки полей

Современный рынок мультикоптеров предлагает потенциальному потребителю средства с самым разнообразным уровнем технической оснащенности и комплектации для выполнения широкого спектра задач в соответствии со сферой применения. Таким образом, в условиях обилия информации субъект принятия решения о приобретении и использовании продукции нуждается в расчетно-аналитическом обосновании выбора, основанном на использовании различных систем поддержки принятия решений [7, 8]. Важным критерием при принятии решения являются потребительские свойства продукции, которые объективно выражаются уровнем конкурентоспособности, количественно оцениваемым через комплекс адекватных показателей, в том числе на основе анализа технических характеристик [7].

Целью проводимых исследований является обоснованный выбор модели мультикоптера для дистанционного мониторинга агроландшафтов с высоким временным и пространственным разрешением, а также возможностью установки на него технических средств для их восстановления, путем проведения мероприятий в рамках применяемой технологии возделывания конкретной сельскохозяйственной культуры на основе оценки уровня конкурентоспособности.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- определить перечень ТТХ мультикоптера с учетом решаемых с его помощью задач и обосновать рекомендуемый диапазон значений их изменения;

- провести анализ рынка мультикоптеров и разработать перечень моделей-конкурентов с учетом ценовой категории, перечня характеристик и диапазонов их значений;

- разработать методику оценки конкурентоспособности мультикоптеров по комплексу технических характеристик и рассчитать значения показателей конкурентоспособности для выбранных моделей мультикоптеров;

- определить оптимальную модель мультикоптера для установленного порога из принятого диапазона значений технических характеристик.

С учетом поставленных перед мультикоптером задач были определены его тактико-технические характеристики (далее - ТТХ) и установлены диапазоны изменения их значений:

1. время полета - 20-30 мин;

2. дальность полета - 0,5-2 км;

3. взлетная масса (с фото- и видеоаппаратурой) - 1-2,5 кг;

4. максимальная скорость - 20-30 км/ч;

5. расстояние между осями несущих винтов по диагонали - 40 см;

6. функция «Облет по заданным точкам» - очень желательна;

7. функция «Headless» (Безголовый режим) - желательна;

8. функция «Follow Me» (Следуй за мной) - желательна;

9. разрешающая способность видео- и фотоаппаратуры - 12-24 Мп;

10. емкость аккумулятора - 5000-6000 mAh;

11. время зарядки аккумулятора - 120-180 мин;

12. рабочая высота полета - 100-200 м;

13. количество несущих винтов - 4-6;

14. функция «Возврат домой» - обязательна;

15. функция «Удержание высоты» - обязательна.

Из перечисленных ТТХ 8 характеристик были взяты для дальнейшего анализа как имеющие наибольшее критическое значение. Прочие 7 характеристик у всех рассмотренных моделей полностью соответствуют требованиям, имеют приблизительно одинаковые значения и в дальнейшем анализе не использовались.

При выборе оптимальной модели мультикоптера были использованы показатели и методики оценки конкурентоспособности, изложенные в работах [7, 8]. Для нижнего и верхнего пороговых значений установленных диапазонов каждой из выбранных технических характеристик (условно I и II группа изделий), имеющих количественное представление, был рассчитан показатель конкурентоспособности К_ТЕХ.

Для нахождения значений показателя К_ТЕХ по комплексу технических характеристик использовалась модель средневзвешенного

где: m - количество учитываемых технических характеристик;

j = 1…m - порядковый номер характеристики;

a_j - нормированный коэффициент весомости характеристики (табл. 1), рассчитанный в соответствии с арифметической прогрессией;

Х_minj - минимальное значение технической характеристики (табл. 1).

Для опциональных безразмерных характеристик (дополнительных функций) принимались значения Х_{min j} = 1. При наличии функции - Х_j = 1, при отсутствии функции - Х_j = 0.

Нижнему порогу установленных диапазонов изменения значений ТТХ соответствуют мультикоптеры из ценовой категории 40-50 тыс. руб. (по ценам на 01.03.2019) - I группа. На основе анализа рынка данной категории аппаратов (использовались тематические сайты) для сравнения были выбраны 9 моделей (табл. 2).

Таблица 1

Расчетные составляющие показателя К_ТЕХ

Таблица 2

Характеристики мультикоптеров и результаты расчетов

В таблице 2 приведены рассчитанные на основании формулы (1) значения показателей К_ТЕХ для рассматриваемых моделей мультикоптеров из I группы.

По результатам расчетов, оптимальной моделью мультикоптера для выполнения поставленных задач с учетом нижнего порога установленного диапазона значений ТТХ (I группа) является Xiaomi Mi Drone 4K (рис. 5).

По аналогичной методике проанализированы модели мультикоптеров с ТТХ, соответствующими верхнему порогу значений из установленных диапазонов. Такие мультикоптеры находятся в ценовой категории 90-130 тыс. руб. (по ценам на 01.03.2019) - II группа.

Рис. 5 Мультикоптер Xiaomi Mi Drone 4K

Результаты расчета показателя конкурентоспособности К_ТЕХ мультикоптеров из II группы представлены в таблице 3.

Таблица 3

Характеристики мультикоптеров и результаты расчетов

По результатам расчета (табл. 3) установлено, что оптимальной моделью мультикоптера во II группе является DJI Phantom 4 (рис.6).

Рис. 6 Мультикоптер DJI Phantom 4

Сравнение результатов расчета показателя конкурентоспособности К_ТЕХ по комплексу технических характеристик по группам БАС приведены на рис. 7.

Рис. 7 Сравнение результатов расчета показателя конкурентоспособности К_ТЕХ по комплексу технических характеристик по группам БАС

На основании представленных на рис. 7 результатов очевидно конкурентное преимущество БАС, имеющих верхние пороговые значения из установленных диапазонов ТТХ и относящихся к более высокой ценовой категории (II группа).

На основании данных таблиц 2 и 3 определяем средний по группе показатель конкурентоспособности К_ТЕХср следующим образом:

где n - количество моделей в группе.

У изделий II группы средний показатель конкурентоспособности К_ТЕХср увеличивается в 2 раза, составляя 2,605 против 1,332 для изделий I группы, при повышении средней стоимости приобретения аппарата почти в 2,5 раза.

Для оценки конкурентоспособности продукта с учетом его ценовой категории может быть использован т.н. интегральный показатель конкурентоспособности продукции К_ИНТ, определяемый по выражению

где Ц_СР - средняя рыночная цена реализации продукта, тыс. руб.

На основании формул (1), (2) и (3) определялись как средневзвешенные значения показателей К_ТЕХ и К_ИНТ по анализируемым группам, так и максимальные показатели в пределах группы изделий. Результаты расчета представлены в таблице 4 и на рис. 8.

Таблица 4

Показатели конкурентоспособности БАС по группам изделий

Рис. 8 Показатели конкурентоспособности БАС по техническим характеристикам

Анализ данных на рис. 8 позволяет сделать вывод о том, что для данной ограниченной выборки моделей БАС и выбранных для анализа ТТХ I группа изделий имеет преимущество по интегральному показателю конкурентоспособности как по среднему для группы (выше на 19,9%), так и по максимальному (выше на 12,3%), на что, несомненно, оказывает влияние средняя цена изделия.

Однако у изделий II группы значительно выше неучтенные в расчетах дополнительные характеристики. К ним относятся более высокое пространственное разрешение фото- и видеоаппаратуры (20-40 Мп), более высокий показатель поперечного угла обзора, высокое качество сборки и изготовления, простые и гибкие настройки на режимы работы и процесс управления.

В целом необходимо отметить в качестве дополнительных аргументов при принятии субъектом решения об использовании изделия: уровень технической поддержки со стороны официального производителя в сфере эксплуатации, сервисного обслуживания и обновления программного обеспечения; возможность выбора комплектации аппарата для решения конкретных задач, а также сопутствующего оборудования и дополнительных опций.

Для принятия окончательного решения о выборе мультикоптера целесообразно провести дополнительный анализ с учетом источников, к которым можно отнести:

- объективные обзоры на специализированных интернет-ресурсах;

- отзывы пользователей о достоинствах и недостатках;

- детальный анализ инструкций по эксплуатации и прочей технической документации.

Выводы

Определены рекомендуемые ТТХ БАС для решения задач по обнаружению и локализации участков поражения сельскохозяйственных культур в результате воздействия различных природно-климатических факторов с целью получения информации для принятия управленческих решений, а также реализации мероприятий по восстановлению агроландшафтов в рамках применяемой технологии возделывания конкретной сельскохозяйственной культуры.

На основании установленных диапазонов изменения ТТХ сформирована выборка моделей БАС, которые условно сгруппированы в две категории, в зависимости от ценового диапазона, для проведения дальнейшего анализа.

Установлено, что I группа БАС имеет преимущество по интегральному показателю конкурентоспособности как по среднему для группы (выше на 19,9%), так и по максимальному (выше на 12,3%), на что оказывает влияние средняя цена изделия, которая в 2,5 раза ниже по сравнению со II группой. Однако при обоснованном выборе БАС необходимо также руководствоваться комплексом потребительских характеристик, связанных с уровнем технической поддержки со стороны официального производителя в сфере эксплуатации, сервисного обслуживания и обновления программного обеспечения; возможностью выбора комплектации аппарата для решения конкретных задач, а также сопутствующего оборудования и дополнительных опций.

Список использованных источников

1. Сельское хозяйство и беспилотники [Электронный ресурс] // RoboTrends [сайт]. Режим доступа: http://robotrends.ru/robopedia/selskoe-hozyaystvo-i-bespilotniki (дата обращения 24.02.2019).

2. Беспилотники в сельском хозяйстве [Электронный ресурс] // Российские беспилотники. Russian Drones [сайт]. Режим доступа: https://russiandrone.ru/publications/bespilotniki-v-selskom-khozyaystve_/ (дата обращения 24.02.2019).

3. Ерошкин А.В., Глущенко А.А., Марьин Д.М. Использование беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве // Материалы Международной студенческой научной конференции «В мире научных открытий», Т. V. Ч. 1 (23-25 мая 2017 г.). Ульяновский. гос. аграр. ун-т. им. П.А. Столыпина. Ульяновск. 2017. С. 160-162.

4. Летающий высевающий аппарат [Электронный ресурс]: Полезная модель к пат. 167073 Россия, МПК В64D 1/16, A01C 7/08 / Куцеев В.В., Голицын А.С.; ФГБОУ ВПО КубГАУ. - № 2016131112/11: заявл. 27.07.2016; опубл. 20.12.2016, Бюл. № 35. 6 с. Режим доступа: http://www.fips.ru/Archive4/PAT/2016FULL/2016.12.20/DOC/RUNWU1/000/000/000/167/073/DOCUMENT.PDF (дата обращения: 23.02.2019)

5. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система - почва - урожай. М.: Агропромиздат. 1985. 304 с.

6. Летающий высевающий аппарат [Электронный ресурс]: Полезная модель к пат. 174507 Россия, МПК В64D 1/16, A01C 7/08 / Куцеев В.В., Голицын А.С.; ФГБОУ ВПО КубГАУ им. И.Т. Трубилина. № 2017119491: заявл. 02.06.2017; опубл. 18.10.2017, Бюл. № 29. 8 с. Режим доступа: http://www1.fips.ru/wps/PA_FipsPub/res/Doc/IZPM/RUNWU1/000/000/000/174/507/%D0%9F%D0%9C-00174507-00001/document.pdf (дата обращения: 22.02.2019 г.).

7. Быков С.Н. Экологический показатель конкурентоспособности наукоемкой машиностроительной продукции // Использование и охрана природных ресурсов в России. М.: Изд-во «Природные ресурсы». 2017, № 1. С. 55-61.

8. Быков С.Н. Показатель «значимость информационной технологии» конкурентоспособности наукоемкой машиностроительной продукции // Современные наукоемкие технологии. 2018, № 12-1. С. 25-30.

Размещено на Allbest.ru