Инновационный подход к автоматизированной фотоактивации посевных площадей посредством БпЛА с целью стимуляции роста культур
Ключевые слова:
лазерная установка, стимуляция роста растений, БпЛА, сельское хозяйство, планирование пути, планирование покрывающей траектории, маломощный лазер, лазерная фотоактивацияАннотация
Фотоактивация растений посредством лазерной обработки является перспективным направлением развития современного аграрного производства. Обработка растений излучением с заданными характеристиками стимулирует развитие растений, формирование генеративных признаков и рост урожайности. Для автоматизации процесса фотоактивации больших посевных площадей предложен подход, основанный на использовании специализированной лазерной установки, монтируемой на беспилотный летательный аппарат (БпЛА). При помощи БпЛА можно производить лазерную обработку сельскохозяйственных полей большой площади при минимальных затратах временных и человеческих ресурсов. В работе предложен алгоритм расчета траектории для равномерного покрытия прямоугольного участка земли лазерным излучением с заданными характеристиками. Приводится методика расчета требуемой мощности лазерной установки в зависимости от высоты и времени полета БпЛА. Преимуществом разработанного подхода является его универсальность, поскольку данный подход учитывает характеристики лазерного устройства и может применяться с устройствами различного типа. В зависимости от параметров лазера алгоритм строит такую траекторию для БпЛА, чтобы облучение всходов растений было равномерным на протяжении всего процесса обработки. При проведении полевых экспериментов при движении БпЛА вдоль рассчитанной траектории со скоростью 0,3 м/c время обработки поля длиной в 200 м и шириной 1 м составило 9 мин. Результаты полевых экспериментов показывают, что лазерное облучение для большей части изучаемых культур увеличило урожайность и высоту травостоя (у злаковых – для четырех из шести культур, у бобовых – для четырех из пяти изучаемых культур). Предлагаемый алгоритм построения пути для равномерного лазерного облучения участка учитывает площадь проекции лазерного излучения для обеспечения требуемых характеристик обработки поля.
Литература
2. Rakosy-Tican L., Aurori C.M., Morariu V.V. Influence of near null magnetic field on in vitro growth of potato and wild Solanum species // Bioelectromagnetics. 2005. vol. 26. pp. 548–557.
3. Kovács E., Keresztes Á. Effect of gamma and UV-B/C radiation on plant cells // Micron. 2002. vol. 33: pp. 199–210
4. Podleśny J. The effect of seed irradiation with laser and plant desiccation on yielding and quality features of white lupine seeds // Acta Agrophysica. 2007. vol. 9. Issue 3. pp. 733–745.
5. Chen Y.P., Jia J.F., Yue M. Effect of CO2 laser radiation on physiological tolerance of wheat seedlings expose to chilling stress // Photochem Photobiol. 2010. vol. 86. pp. 600–605.
6. Инюшин В.М., Ильясов Г.У., Федорова Н.Н. Луч лазера и урожай // Издательство: Алма-Ата: Кайнар. 1981. 188 с.
7. Журба П.С., Журба Т.П., Журба Е.П. Способ промышленного возделывания сельскохозяйственных культур с использованием лазерного облучения // Патент РФ RU 2240663 C1. 2004.
8. Брижанский Л.В. , Кузнецов П.Н., Кузнецова А.П. Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения на семена болгарского перца и огурца // Наука и Образование. 2019. Т. 2. № 4. С. 201.
9. Челышева Д.Н. Эффективность лазерного облучения семян тыквы и арбуза // Всероссийский Фестиваль науки студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: новые идеи и решения в АПК», посвященный 100-летию академика Д.К. Беляева: сборник материалов Всероссийских научно-методических конференций с международным участием. Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская ГСХА. 2017. С. 269–271.
10. Скотникова А.И. Влияние лазерного излучения на всхожесть и урожайность сельскохозяйственных культур // Молодежь - науке и практике АПК: материалы 100-й Международной научно-практической конференции студентов и магистрантов. Витебск: ВГАВМ. 2015. С. 90.
11. Будаговский А.В., Будаговская О.Н. Фотоника в сельском хозяйстве и природопользовании, перспективные направления развития // Лазер-Информ. 2016. № 15-16 (582–583). С. 1–7.
12. Курьянов С.А. Устройство для автоматического лазерного досвечивания растений // Материалы международной научно-практической конференции «Робототехника в сельскохозяйственных технологиях». 2014. C. 222–225.
13. Курьянов С.А. Инфракрасная лазерная досветка как метод повышения продуктивности томатов. Материалы V Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики (АПК)». 2014. С. 183–185.
14. Lottes P. et al. UAV-Based Crop and Weed Classification for Smart Farming. In Proceedings of the 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2017. pp. 3024–3031.
15. Lebedev I., Izhboldina V. Method for Inspecting High-voltage Power Lines Using UAV Based on the RRT Algorithm. Proceedings of 16th International Conference on Electromechanics and Robotics "Zavalishin's Readings" (ER(ZR) 2021). 2022. pp. 179–190.
16. Di Franco C., Buttazzo G. Energy-Aware Coverage Path Planning of UAVs // Proceedings of the IEEE International Conference on Autonomous Robot Systems and Competitions (ICARSC). 2015. pp. 111–117.
17. Di Franco C., Buttazzo G. Coverage path planning for UAVs photogrammetry with energy and resolution constraints // J. Intell. Robot. Systems. 2016. pp. 1–18.
18. Choset H. Coverage for robotics—A survey of recent results // Ann. Math. Artif. Intell. 2001. pp. 113–126.
19. Andersen H.L. Path Planning for Search and Rescue Mission Using Multicopters // Master’s Thesis. Institutt for Teknisk Kybernetikk. 2014. 137 p.
20. Coombes M., Chen W.H., Liu C. Boustrophedon Coverage Path Planning for UAV Aerial Surveys in Wind // Proceedings of the 2017 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS). 2017. pp. 1563–1571.
21. Oborne M. Mission Planner-Ground Station. URL: http://planner.ardupilot.com (дата обращения: 21.08.2021).
22. Cabreira T.M., Di Franco C., Ferreira P.R., Jr., Buttazzo G.C. Energy-Aware Spiral Coverage Path Planning for UAV Photogrammetric Applications // IEEE Robot. Autom. Lett. 2018. vol. 3. pp. 3662–3668.
23. Cabreira T.M., Brisolara L.B., Ferreira Jr. P.R. Survey on Coverage Path Planning with Unmanned Aerial Vehicles // Drones. 2019. vol. 3(1). pp. 4.
24. Avellar G.S., Pereira G.A., Pimenta L.C., Iscold P. Multi-UAV routing for area coverage and remote sensing with minimum time // Sensors. 2015. vol. 15(11). pp. 27783–27803.
25. Vasquez-Gomez J.I., Marciano-Melchor M., Valentin L., Herrera-Lozada J.C. Coverage path planning for 2d convex regions // Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2020. vol. 97(1). pp. 81–94.
26. Даниловских С.М., Даниловских М.Г., Винник Л.И. Способ лазерной обработки растений с беспилотного летательного аппарата // Патент РФ RU 2740543. 2021.
27. Barrientos A., et al. Aerial remote sensing in agriculture: A practical approach to area // J. Field Robot. 2011. vol. 28. pp. 667–689.
Опубликован
Как цитировать
Раздел
Copyright (c) Наталья Николаевна Севостьянова, Игорь Владимирович Лебедев, Валерия Валентиновна Лебедева, Ирина Валерьевна Ватаманюк
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).