Введение

Развитие беспилотных летательных аппаратов привело к их активному применению в сельском хозяйстве [1]. Беспилотные аппараты, предназначенные для выполнения сельскохозяйственных операций, получили название агродронов и стали одним из инструментов точного земледелия — современной концепции, при которой обработка посевов выполняется дифференцированно с учётом фактического состояния почвы и растений на каждом участке поля [5].

С точки зрения мехатроники и робототехники агродрон представляет собой не просто летательный аппарат, а робототехнический комплекс, в котором летательная платформа, система автоматического управления и навесное технологическое оборудование функционируют как единое целое [2]. Такой взгляд позволяет систематизировать существующее многообразие сельскохозяйственных беспилотных аппаратов и обоснованно подходить к выбору схемы агродрона под конкретную задачу.

Целью настоящей работы является классификация агродронов по существенным с точки зрения проектирования признакам и анализ применимости различных схем для задачи точного внесения сухих минеральных удобрений.

Агродрон как робототехнический комплекс

В составе агродрона как робототехнического комплекса выделяют три функционально различные подсистемы.

Летательная платформа обеспечивает удержание аппарата в воздухе и его перемещение в пространстве. Платформа включает в себя несущие элементы конструкции, двигатели и источник энергии — как правило, аккумуляторную батарею. Конструктивная схема платформы определяет лётные характеристики аппарата — грузоподъёмность, продолжительность полёта, маневренность.

Система автоматического управления выполняет функции стабилизации полёта, навигации, выдерживания заданной траектории и обеспечения связи с оператором. В состав системы входят: бортовой контролер, инерциальные датчики, приёмник спутниковой навигации, радиоканал связи. Уровень совершенства системы управления определяет степень автономности агродрона.

Навесное технологическое оборудование обеспечивает выполнение целевой сельскохозяйственной операции. К нему относятся баки для жидких препаратов и распылители, бункеры и дозаторы для сухих материалов, разбрасыватели, фото- и видеокамеры для мониторинга посевов. Состав и конструкция навесного оборудования определяются назначением агродрона.

Указанные подсистемы взаимосвязаны: характеристики летательной платформы накладывают ограничения на массу и габариты навесного оборудования, а требования технологической операции — на устойчивость и точность работы системы управления. Поэтому проектирование агродрона представляет собой важную задачу согласования всех трёх подсистем под выбранную сельскохозяйственную задачу.

Классификация по конструктивной схеме летательной платформы

По принципу создания подъёмной силы различают три основные конструктивные схемы летательной платформы агродрона [2].

Самолётная схема создаёт подъёмную силу за счёт набегающего потока воздуха. Аппараты этого типа отличаются большой продолжительностью и дальностью полёта, высокой скоростью движения, однако не способны зависать над участком и перемещаться с малой скоростью. Самолётные аппараты применяются преимущественно для мониторинга посевов и аэрофотосъёмки, но не подходят для точного дозированного внесения препаратов.

Вертолётная схема создаёт подъёмную силу за счёт одного несущего винта большого диаметра. Аппараты этой схемы способны зависать над участком и перемещаться с малой скоростью, обладают значительной грузоподъёмностью — до десятков килограммов [3]. Это делает вертолётную схему пригодной для внесения удобрений и средств защиты растений на больших площадях. Недостатками являются сложность конструкции несущего винта и системы управления.

Мультироторная схема создаёт подъёмную силу за счёт нескольких винтов меньшего диаметра. Маневрирование осуществляется изменением скорости вращения отдельных винтов, что обеспечивает простоту управления и устойчивость в полёте [2]. Мультироторные аппараты не требуют взлётной площадки и получили наибольшее распространение для точного внесения препаратов [4]. Ограничением схемы является меньшая по сравнению с самолётной продолжительность полёта.

Сравнительная характеристика конструктивных схем приведена в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительная характеристика конструктивных схем летательной платформы

Классификация по типу навесного оборудования

По типу выполняемых сельскохозяйственных операций и соответствующему навесному оборудованию агродроны разделяют на несколько групп.

Агродроны для опрыскивания жидкими препаратами оборудуются баком, насосом и системой распылительных форсунок. Это наиболее распространённый тип агродронов, применяемый для внесения средств защиты растений, жидких удобрений и регуляторов роста [4]. Точность дозирования достигается регулированием давления в системе распыления и скорости движения аппарата.

Агродроны для внесения сухих и гранулированных удобрений оборудуются бункером и специализированным дозирующим устройством — шнековым, барабанным или вибрационным дозатором. Внесение сухих материалов с борта беспилотника является более сложной технологической задачей по сравнению с распылением жидкостей: точность дозирования сильно зависит от свойств материала, а конструкция дозатора должна обеспечивать малую массу и стойкость к агрессивным средам. Этот тип агродронов наименее развит по сравнению с аппаратами для жидких препаратов. Стоит отметить, что совершенствование бортовых дозаторов сухих материалов является актуальной инженерной задачей.

Агродроны для мониторинга посевов оборудуются фото и видеокамерами, мультиспектральными датчиками. Они не выполняют непосредственной обработки сельскохозяйственных полей, но обеспечивают данные для построения карт неоднородности посевов, на основе которых выполняется дифференцированное внесение препаратов другими агродронами.

Часто на одной летательной платформе может устанавливаться сменное навесное оборудование разных типов, что повышает универсальность комплекса.

Классификация по уровню автономности

С точки зрения робототехники существенным признаком классификации является уровень автономности агродрона — то есть степень, в которой аппарат способен выполнять полётное задание без участия оператора.

Дистанционно управляемые агродроны выполняют все манёвры по командам оператора с пульта или наземной станции. Этот режим применяется при обучении персонала и при выполнении нестандартных операций.

Полуавтономные агродроны выполняют полёт по предварительно загруженному маршруту с использованием системы спутниковой навигации. Оператор задаёт маршрут и контролирует выполнение задания. Этот режим является основным для современных серийных агродронов.

Автономные агродроны способны самостоятельно планировать маршрут на основе карты поля, корректировать его по показаниям бортовых датчиков и принимать решения о выполнении операции — например, об открытии или закрытии дозатора в зависимости от участка. Развитие автономных функций является одним из основных направлений совершенствования агродронов и непосредственно связано с задачами робототехники и систем автоматического управления.

Применимость для задачи точного внесения сухих удобрений

На основе рассмотренных классификаций сформулируем требования к агродрону для поставленной задачи точного внесения сухих минеральных удобрений и определим оптимальный набор признаков.

Задача точного внесения требует способности аппарата зависать над участком и двигаться с малой скоростью для обеспечения равномерности обработки. Этому требованию соответствуют вертолётная и мультироторная схемы летательной платформы.

Внесение сухих материалов требует наличия специализированного бортового дозирующего устройства, обеспечивающего точное регулируемое дозирование при минимальной массе. Ограничение по массе бортового оборудования, накладываемое грузоподъёмностью аппарата, является основным конструктивным требованием к модулю дозирования.

Уровень автономности для типовой задачи внесения удобрений может быть полуавтономным — с заданием маршрута оператором и автоматическим выдерживанием траектории. При наличии карт точного земледелия целесообразен переход к автономному режиму с дифференцированным управлением дозатором по участкам поля.

Таким образом, оптимальной для поставленной задачи точного внесения сухих удобрений является мультироторная или вертолётная схема агродрона со специализированным бортовым модулем дозирования сухих материалов и полуавтономным (с перспективой автономного) режимом полёта.

Заключение

Проведённая классификация показывает, что агродрон как робототехнический комплекс может быть охарактеризован по трём существенным с точки зрения проектирования признакам: конструктивной схеме летательной платформы, типу навесного технологического оборудования и уровню автономности. Для задачи точного внесения сухих минеральных удобрений оптимальной является мультироторная или вертолётная схема в сочетании со специализированным бортовым модулем дозирования.

Развитие бортовых дозаторов сухих материалов представляет актуальное направление совершенствования агродронов; разработка такого модуля дозирования рассматривается в дальнейших работах автора.

Литература:

1. Шевченко, А. В. Обзор состояния мирового рынка робототехники для сельского хозяйства. Ч. 2. Беспилотные летательные аппараты и роботизированные фермы / А. В. Шевченко, Р. В. Мещеряков, А. Н. Мигачев // Проблемы управления. — 2019. — № 6.
2. Ковалев, Д. И. Обзорный анализ БПЛА сельскохозяйственного назначения / Д. И. Ковалев, К. Д. Астанакулов // Информатика. Экономика. Управление. — 2024. — Т. 3, № 4. — С. 0101–0127.
3. Марченко, Л. А. Технический облик беспилотной авиационной системы вертолётного типа для внесения пестицидов и удобрений / Л. А. Марченко, М. В. Мызин, И. В. Кузнецов, А. Ю. Спиридонов // Сельскохозяйственные машины и технологии. — 2021. — Т. 15, № 3. — С. 63–72.
4. Смирнов, И. Г. Беспилотные летательные аппараты для внесения пестицидов и удобрений в системе точного земледелия / И. Г. Смирнов, Л. А. Марченко, Г. И. Личман, Т. В. Мочкова, А. Ю. Спиридонов // Сельскохозяйственные машины и технологии. — 2017. — № 3.
5. Трофимов, Н. В. Проблемы и перспективы применения беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве / Н. В. Трофимов, И. Ф. Яхин // Агробиотехнологии и цифровое земледелие. — 2025. — № 2 (14). — С. 69–76.