Педагогические науки/ 5. Современные методы
преподавания
зав.кафедрой
СХМ Зеленин А.Н., декан факультета ТТМС Юсупов М.Л.
Уральский
государственный аграрный университет
О
ПРЕПОДАВАНИИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БПЛА
Вот какое определение дает Википедия понятию
–дрон.
Дрон (англ. drone — трутень, бездельник; гудеть, жужжать) — беспилотный летательный аппарат
(БПЛА) военного
назначения, разновидность военного робота. В задачу этих автономных
систем, созданных для полёта, входит выполнение миссий, потенциально опасных
для человека. В более широком смысле: мобильный, автономный аппарат,
запрограммированный на выполнение каких-либо задач.
В 1933 году
в Великобритании разработан первый БПЛА
многократного использования Queen Bee. Были использованы три
отреставрированных биплана Fairy Queen, дистанционно управляемые с судна по
радио. Два из них потерпели аварию, а третий совершил успешный полёт, сделав
Великобританию первой страной, извлёкшей пользу из БПЛА. Эта радиоуправляемая
беспилотная мишень под названием DH82A Tiger Moth использовалась на королевском Военно-морском флоте
с 1934 по 1943 годы.
Армия и ВМФ США с 1940 года
использовали дистанционно-пилотируемый летательный
аппарат (ДПЛА) Radioplane
OQ-2 в качестве самолёта-мишени. В 1948 году
в США был создан разведывательный беспилотный летательный аппарат AQM-34.
Его первый полёт состоялся в 1951 году, в том же году «беспилотник» был пущен в
массовое производство. Он стал первым серийно строящимся разведывательным БПЛА.
В настоящее время США создаёт кольцо баз для
вооруженных дронов вокруг Индийского океана, Восточной Африки и Аравийского
полуострова для охоты на «Аль-Каиду» и слежения за
активностью пиратов. Создание новых баз беспилотных
летательных аппаратов MQ-9 Reaper запланировано в Эфиопии, а также их базирование будет расширено на Сейшельских островах и в Джибути, крошечной стране на берегу Красного моря.
В настоящее время беспилотники начинают
применятся и в сельском хозяйстве. Их внедряют и практики – сами фермеры. Их
изучают и ученые в области сельского хозяйства.
В частности ученые из Университета Калифорнии в
Дэвисе, в сотрудничестве с Yamaha Motor Corporation, изучают БПЛА
предназначенный для распыления удобрений на экспериментальном винограднике
Оуквила с использованием вертолета Yamaha RMax с дистанционным управлением.
Целью является изучение адаптации японской
техники БПЛА для сельского хозяйства США. Идея использования беспилотных
летательных аппаратов как распылители, может быть новинкой на Западе, но в
Японии это давно не новость. Беспилотные вертолеты на службе вот уже более 20
лет с тех пор как Министерство Японии сельского хозяйства начало продвигать эту
идею в 80-х годах.
В 1991 году небольшие дистанционно управляемые
вертолеты были использованы для опыления рисовых полей, а сегодня уже
обрабатывают 40 процентов риса и других культур. Одним из основных игроков в
этой сфере является вертолет Yamaha Rmax с научно-исследовательского центра
Калифорнийского Университета в Дэвисе.
Yamaha Rmax – вертолет размером с мотоцикл,
оснащен двухтактным двухцилиндровым двигателем объемом 2,4 литра и
грузоподъемность 28 кг (61 фунтов). Он оснащен системой распыления аппликатором
и может распылить около 15 миль / ч (24 км/час). В настоящее время, в Японии
используются 2400 вертолетов Rmax.
Предварительные результаты показывают, что
вертолет стабилен даже в условиях повышенной турбулентности. Однако
Правительство США не будет признавать использование БПЛА, пока закон не будет
изменен в 2015 году.
С помощью беспилотника длиной около полутора
метров и весом чуть более 4,5 кг фермер Роберт Блэр следит за полями, где
посеяны горох и пшеница, а также за своими стадами коров. По словам
крестьянина, он ещё только начинает понимать, какую пользу могут приносить
дроны в его сфере деятельности.
Фермеры из американского штата Айдахо решили не
ждать, пока власти страны разработают чёткие правила для использования
беспилотных летательных аппаратов. Они построили собственный маленький дрон,
оснастили его видеокамерами и используют в сельском хозяйстве.
С фермером согласны многие эксперты. По их
мнению, роль, которую могут играть БПЛА в сельском хозяйстве, трудно
переоценить. Это одна из самых многообещающих отраслей в коммерческом
использовании беспилотников, поскольку территория, занятая посевами, огромна. В
то же время право на тайну частной жизни, о нарушении которого беспокоятся
правозащитники, на пространствах этих полей гораздо менее значимо.
Беспилотники в агротехнике используются не
только в Соединённых Штатах, но и в Бразилии, и в Японии. С их помощью можно проводить
мониторинг посевов, вовремя фиксировать распространение заболеваний растений,
целенаправленно вносить удобрения или распылять химикаты от вредителей.
По словам фермеров, дроны могут совершить
настоящий прорыв в сельском хозяйстве, значительно снизив производственные
затраты.
Однако в настоящее время БПЛА используются в
основном военными. Хотя заинтересованность в применении дронов в других сферах
очень высока, возможности для этого ограничены из-за многочисленных запретов.
Как сообщает The Washington Post, Федеральное управление гражданской авиации не
позволяет использовать беспилотники в коммерческих целях. Исключение составляют
только особые случаи, когда дроны применяют в ходе различных экспериментов,
показательных полётов или для тренировки специалистов.
Недавно Управление гражданской авиации разрешило
государственным организациям получать сертификаты на использование и управление
БПЛА. Ими уже обзавелись около 12 полицейских управлений и пожарных станций.
Однако такой шаг сразу же вызвал опасения, что власти будут использовать
беспилотники для слежки за гражданами. В результате, во многих штатах запретили
применение дронов с целью слежения за территорией.
Впрочем, интереса к использованию дронов в
сельском хозяйстве это не снизило. Как и планы более широкого внедрения
радиоуправляемых аппаратов в таких областях, как доставка товаров и почты. В
частности, руководство компании Amazon уверено, что, используя дроны, можно
сократить время доставки до 30 минут.
Известно сельскохозяйственное применение дронов
на Украине.
Результатом поиска стал совместный выезд с экспертами компании
Drone UA и Аграрного страхового пула Украины на полевые испытания разных типов
дронов и БЛА, собираемых компанией-партнером.
Проверка на практике и выявление плюсов и минусов
работы дронов была организована в полях, рядом с Киевом. Специалистами Drone UA
были продемонстрированы 3 вида дронов: квадрокоптеры, гексакоптеры,
октокоптеры, а также бесплотный летательный аппарат на базе пеностирольной
рамы.
По результатам «тест-драйва» был определен ряд
недостатков: ограниченное время работы батареи (13–15 минут), необходимость
постоянной прямой видимости аппарата, невозможность использования в условиях
сильных порывов ветра и в дождливую погоду, а также необходимость специального
обучения управлению некоторыми моделями.
Вместе с тем, количество положительных качеств
дронов значительно превышает их недостатки, которые нивелируются доступными на
сегодня более совершенными моделями и дальнейшим развитием технологий.
Руководство «Агроиншуранс Интернешнл» заинтересовано в приобретении дронов с
целью повышения качества предоставляемых услуг своим клиентам – агрохолдингам,
банкам, страховым компаниям и международным заказчикам.
Однако специалисты обеих компаний-партнеров
отмечают, что данная технология рассматривается к применению в агростраховании
как вспомогательный инструмент для проведения мониторинга посевов и
урегулирования рисков в сельском хозяйстве. Дроны, к сожалению, пока не готовы
полностью заменить присутствие экспертов на поле. В конце концов, такими
аппаратами должен кто-то управлять.
В
Уральском государственном аграрном университете отслеживают инновационные
тенденции в области сельского хозяйства. На кафедре сельскохозяйственных машин
видеоматериалы, полученные с помощью дронов, используются в учебном процессе
для студентов агрофакультета по направления агрономия и землеустроители, ну и
конечно для студентов технических специальностей, изучающих конструкцию
сельскохозяйственных машин. Таким образом, в дисциплинах «сельскохозяйственные
машины» и «фотограмметрия и дистанционное зондирование» рассматриваются аспекты
применения дронов в аграрном секторе.
Например, на кадрах очень хорошо видно
использование дроном для наблюдения за животными. Раньше был известен
электрический пастух. Натягивалась проволока и по ней пропускался слабый ток.
Животное получало небольшой разряд, и тем самым, оставалось в пределах
требуемой территории. Теперь же, по современным технологиям, применяется
электронный пастух, который с высоты в 20-50 метров может показать нахождений
животных, а при необходимости, подлетая к ним ближе, перегнать их на новый
участок.
Рис.1 Дрон
наблюдает за стадом коров (овалом выделен БПЛА)
Так же изучаются новые диссертации посвящённые
данной тематике. В частности Люк Оливер Уоллес (Luke Oliver Wallace) написал
докторскую диссертацию для университета Тасмании (University of Tasmania) в
апреле 2014 году посвящённую применению БПЛА для исследование лесонасаждений
(The development and application of a unmanned aerial vehicle laser scanning
system for forest management), где оценивал точность и достоверность информации
полученную с дронов.
Таким образом, дроны также могут расширить такое
научное направление как точное земледелие (Precision farming), когда пользуясь
данными о питательных элементах в почве, засоренностью полей сорняками,
распределением заболевания среди растений, предыдущими распределениями
урожайности, можно получать дополнительный положительный эффект.
Дрон — мобильный, автономный аппарат,
запрограммированный на выполнение каких-либо задач [1].
Дроны представляют собой разновидность летающих
роботов с возможностью передачи частичного [2], либо полного управления
человеку. Впервые подобные роботы применялись в 1983 году армией США, где от
них требовались задачи нахождения баз, лучших путей отхода или глубокая
разведка. Применение дронов, таким образом, помогло сохранить множество жизней,
и минимизировать ущерб в боевых действиях [3].
Однако время идет, и теперь подобные технологии
становятся общедоступными для множества потребителей, и соответственно к дронам
начинают предъявлять более специфичный спектр задач. В наши дни они применяются
спасателями в случае чрезвычайных ситуаций, после катастроф, если необходимо
провести осмотр больших территорий, для поиска выживших. Также с помощью них
производится съемка объектов, погрузо-разгрузочные работы на больших высотах,
где затруднен проход человека [4].
Есть и отрицательные последствия применения
дронов.
В Коми оштрафован руководитель компании Copter
Express Олег Понфиленок, который организовал первую коммерческую доставку пиццы
с использованием робота-дрона. Об этом сам Понфиленок написал на своей странице
в соцсети "ВКонтакте", опубликовав копию судебного постановления.
Согласно постановлению, поводом для
административного дела стал рекламный ролик сети пиццерий "Додо
Пицца". В видеоролике запечатлена доставка пиццы по воздуху с помощью
беспилотника в июне текущего года. Гендиректор "Додо Пицца" Федор
Овчинников тогда заявил, что это была первая коммерческая доставка пиццы
дронами в России. Организовала перевозку компания Copter Express, которая
занимается развитием коммерческого использования беспилотников.
Мировой судья Куратовского судебного участка
Сыктывкара Юлия Малышева признала главу Copter Express Олега Понфиленка
виновным в нарушении правил использования воздушного пространства РФ и в
осуществлении воздушной перевозки грузов без лицензии. В соответствии с ч. 1
ст. 14.1.2. КоАП РФ судья оштрафовала предпринимателя на 50 000 руб.
Напомним, это уже не первый случай наложения штрафа за
использование дронов. В Красноярском крае был оштрафован владелец
радиоуправляемого беспилотника, не согласовавший его план полета при проведении
видеосъемок.
В Великобритании зафиксировали первый случай
атаки дрона на самолёт. Специалисты службы UK Airprox Board (UKAB),
занимающиеся расследованием нештатных ситуаций в воздушном пространстве
Великобритании, зафиксировали первый случай умышленной атаки дрона на
пассажирский самолёт. Об этом говорится в докладе, опубликованном на
официальном сайте организации.
Нападению со стороны беспилотника подвергся
двухмоторный авиалайнер ATR72-500, совершавший посадку в лондонском аэропорту
Саутенд. Инцидент произошёл 30 мая 2014 года, однако известно о нём стало
только сейчас.
Находясь на высоте около 450 метров, экипаж
самолёта заметил в небе небольшой объект, двигавшийся параллельно авиалайнеру
со стороны его правого двигателя. Связавшись с диспетчером Саутенда, один из
пилотов сообщил, что объект представляет собой управляемый с земли
квадрокоптер.
Вскоре пилот доложил диспетчеру, что дрон,
находившийся в 100 метрах от ATR72-500, резко сменил направление, стал
двигаться навстречу самолёту и в итоге пролетел рядом с ним на расстоянии в 25
метров.
Тем не менее, по причине недостаточности
информации и отсутствия показаний оператора дрона по шкале UK Airpox Board
инциденту была присвоена крайне низкая степень опасности «D» — четвертая из
пяти возможных.
Происшествия с участием дронов случаются всё
чаще. Из-за полёта квадрокоптера был прерван футбольный
матч между сборными Сербии и Албании.
Чётких законодательных норм, регулирующих
управление беспилотными летательными аппаратами, нет практически ни в одной
стране мира. Из-за этого чиновниками разного уровня в США, Великобритании,
России и других странах периодически выдвигаются требования полностью запретить
дроны как объекты, представляющие угрозу полётам гражданской авиации.
Не смотря на имеющийся правовой нигилизм
применение данных устройств в сельском хозяйстве, имеет свой потенциал. Для
примера, рассмотрим конструкцию и технические характеристика наиболее
распространенного на данное время дрона модели Parrot AR. Drone 2.0.
Конструкция его (Рис. 2) как и любого летающего
дрона, представляет из себя, защитный кожух 1, внутри которого находится
бортовая ЭВМ с датчиками положения, системой управления и собственным
программным обеспечением, доступным для корректировки. Для маневрирования в
воздухе, и набора высоты дрон использует винты 2, количество и мощность которых
варьируется в зависимости от модификации. Чтобы человек-оператор мог получать
сигналы от дрона, и корректировать его движение, робот снабжен видеокамерой 3 и
системой беспроводного соединения компьютером оператора, радиус взаимодействий
которых также может варьироваться. Чтобы предотвратить поломку винтов, имеются
предохранительные ограждения 4 [5]. Для того чтобы дрон мог захватывать и
перетаскивать вещи, имеются крепежные элементы 5 находящиеся под защитным
кожухом.
Рис. 2. Parrot AR. Drone
2.0
1 -
защитный кожух, 2 - винты, 3 - видеокамера, 4 - крепежные элементы, 5 -
крепежные элементы
Представленный дрон имеет следующие интересующие
нас технические характеристики (таблица 1).
Естественно, данные характеристики могут варьироваться
в зависимости от конструкции. Дрону свойственно и автоматическое управление.
Таблица 1.
Технические характеристики Parrot AR.
Drone 2.0
|
Характеристика |
Значение |
|
Тип |
квадрокоптер |
|
Габариты, см |
52,5 x 51,5 |
|
Вес, г |
380 – с корпусом для
полетов на улице, 420 – с корпусом для полета в помещении |
|
Аккумулятор |
LiPo 1000 mAh |
|
Двигатель |
4 бесщеточных мотора,
14.5 Ватт, скорость вращения 28,500 об/мин |
|
Пульт |
iOS- и
Android-устройства |
|
Частота |
40 кГц |
|
Радиус действия
дистанционного управления, м |
50 |
|
Скорость, км/ч |
18 |
|
Материал корпуса |
пластик |
|
Гироскоп |
3-х осевой с углом
вращения 2000 градусов/сек. |
|
Мотор |
4 бесщеточных мотора,
14.5 Ватт, скорость вращения 28,500/мин |
|
Время полета |
16 мин |
|
Комплект |
AR.Drone 2.0, закрытый
корпус (для полётов в помещении), открытый корпус (для полётов на улице),
аккумулятор, зарядное устройство, инструкция |
|
Особенности |
HD-камеры разрешения
720p, усовершенствованный гироскоп. Parrot Ar.Drone 2.0 стало намного проще
управлять, что позволяет совершать кувырки в воздухе на 360 градусов. Видео
передается и записывается на устройство управления или на usb-накопитель |
Дрону свойственно и автоматическое управление.
На рисунке 5 приведены примеры траекторий полета робота, который он может
выполнять без участия оператора, ориентируясь лишь на собственную систему
управления, и собственный выбор возможности преодоления преграды, либо
выполнения задания [6].
В итоге, после приведенной информации применение
дронов в сельском хозяйстве может представляться в следующем:
1. Контроль с высоты
птичьего полета за состоянием посевов, за проведением сельскохозяйственных
работ, качеством уборки, в общем все те объемы которые необходимы для ведения
точного земледелия (Precision farming).
2. Распыление химических
веществ над локальными территориями сельскохозяйственного назначения. Более
точное, чем обработка полей с помощью сельскохозяйственной авиации.
3. Быстрое оперирование
грузами. Доставка инструментов семян и прочих предметов небольшого веса
4. Картографическая съемка
местности. Более быстро доступная и менее дорогая, чем спутниковая или аэро-
фото и видео съемка.
Таким образом, обозначен ряд направлений
применения дронов. Их требуемые характеристики, учитывая сложности ландшафта, и
более конкретные способы можно рассмотреть, когда будут наработаны методики
применения дронов.
Рис.3 Дрон в упаковочной
коробке
Рис.4 Распаковка дрона
Рис. 5.
Возможные виды траекторий движения дрона при автоматическом управлении
Среди многообразия радиоуправляемых устройств
выделяется одна модель, популярность и известность которой не пошатнула даже
довольно высокая стоимость. Это – радиоуправляемый квадрокоптер AR.Drone,
детище французской компании Parrot. Спустя два года Parrot выпускает
обновленную версию своего четырехкрылого покорителя небес – AR.Drone 2.0, в
котором инженеры учли ошибки первенца и постарались улучшить аппарат во всех
отношениях.
Основные изменения касаются внутренней начинки,
поэтому чисто внешне отличить первый дрон от второго будет довольно сложно. Оба
защитных кожуха выглядят чуть более агрессивно за счет острых граней и слегка
изменившегося силуэта. В наиболее слабых местах конструкции используется карбон
– легкий и прочный материал. В теории теперь он должен выживать в больших
случаях без критических последствий для аппарата
В техническом плане изменений значительно
больше. Это и гигагерцовый процессор ARM Cortex A8 с отдельным процессором для
обработки видеопотока, работающим на частоте 800Мгц. И 128МБ оперативной памяти
DDR2, работающей на частоте 200Мгц, скоростной модуль Wi-Fi стандартов b, g и
n, а также порт USB 2.0, который можно использовать для записи видео-материалов
прямо на флешку.
Датчики представлены 3-осевым гироскопом,
3-осевым акселерометром, 3-осевым магнетометром и двумя ультразвуковыми
сенсорами. Все эти датчики призваны максимально быстро и точно отслеживать
положение дрона в воздухе с учетом ветра, высоты над землей и скорости полета.
Передняя камера обзавелась приставкой HD и
теперь позволяет вести запись видео в разрешении 1280х720 пикселей со средним
битрейтом около 4-х Мбит/сек, а также делать снимки примерно такого же
качества, как и видео. Нижняя камера способна вести запись в разрешении 640х480
пикселов с частотой 60 кадров за секунду и определять скорость полета вашего
дрона.
Каждый из четырех моторов крутит лопасти на
значительно снизившейся скорости – 28500 об/мин вместо 35000 в первом AR.Drone.
Также немного снизилась и мощность. Это положительно сказалось на автономности
– теперь есть шанс отлетать целых 16 минут вместо 12 на стандартном
аккумуляторе 1000 миллиампер/час.
Новые датчики и быстрое железо обеспечивают
новому дрону значительно возросшую стабильность в воздухе, маневренность и
управляемость. Задержки между действиями на контролере и реакцией дрона
сократились до минимально возможных значений, доступных по wi-fi сети.
Как и раньше, для управления вам понадобится
любой смартфон или планшет на ОС Android или iOS с поддержкой довольно старых
версий систем. Для соединения с дроном нужно подсоединиться к нему напрямую по
Wi-Fi сети, не забыв перед этим поставить режим “в самолете”, а не то случайный
звонок или смс могут привести к потере управления и падению дорогой игрушки.
Обновилась основная программа для управления
дроном – FreeFlight 2.0. В новой версии вас ждет дружественный интуитивно
понятный интерфейс и новые возможности. Основное меню разбито на 6 разделов –
пилотирование, академия AR.Drone, галерея фото/видео, обновление ПО, игры с
дополненной реальностью и пользовательские видео.
Из галереи можно сразу же выгрузить видео и фото
в Youtube, Picasa, Twitter или послать по электронной почте.
Настройки собраны по категориям, из которых
стоит отметить режим абсолютного контроля, активировав который, дроном можно
управлять относительно расположения пользователя, а не направления носовой
части квадролета. В результате поворота смартфона или планшета от себя дрон
тоже будет лететь от вас независимо от его положения – боком, под углом или
двигаясь задом. В настройках можно отметить автозапись видео при запуске. В
этом случае вы никогда не забудете нажать кнопку записи и не упустите
интересные моменты.
Инженеры Parrot оснастили AR.Drone 2.0 системой
мгновенного выключения всех двигателей при касании хотя бы одной из лопастей
чего-то твердого. В общем случае это сохраняет лопасти от поломки, но если дрон
зацепится за ветку дерева на высоте более трех метров, то лучше бы он как-то
отлетел от нее и по возможности стабилизировался, чем рухнул с большой высоты.
В общем, управлять AR.Drone 2.0 стало легче, он
лучше справляется с противостоянием несильному ветру и быстрее реагирует на
действия смартфона, но со средним и сильным ветром он уже справляется
значительно хуже. В таких условиях больше думаешь не о том, куда полететь, а
как не врезаться во что-нибудь.
Из-за низкого битрейта и довольно сильного
сжатия, качество видео хромает на обе ноги. Оно сравнимо со средними камерами в
телефонах 5-летней давности. Даже в случае, когда связь по Wi-Fi стабильная и
дрон зависает в воздухе, детализация остается сравнительно небольшая, а во
время даже неспешного и плавного движения артефакты начисто съедают все детали.
Надежды на запись напрямую на флешку по USB
также не оправдались. Несмотря на меньшую загруженность трафика Wi-Fi, битрейт
видео выше не стал.
Вывод
Применение
БПЛА в сельском хозяйстве отслеживается
в УрГАУ в необходимом объеме и используется в учебном процессе. Для развития
этого направления необходимо объединение специалистов разных направлений:
-
Технических
специалистов - для совершенствования параметров БПЛА
-
Ученые
агрономы – для углубленного изучения направления «точное земледелие» (Precision
farming)
-
Землеустроители
– для совершенствования программного обеспечения при картографировании и
контроле за наземными объектами
-
Юристы
и правоведы - для заполнения правового вакуума в области использования БПЛА
Литература:
1. Кулешов В. С., Лакота Н.
А. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы. М.: Машиностроение, 1986.
2. Лесков А. Г., Илларионов
В. В., Лескова С. М., Полухин В. И. Разработка функционально-моделирующих
стендов для подготовки операторов космических манипуляционных роботов // Тез.
докл. 6-й МНТК «Пилотируемые полеты в космос», Звездный городок, 2005. С.
179–180.
3. Медведев В. С., Лесков
А. Г., Ющенко А. С. Системы управления манипуляционных роботов. М.: Наука,
1978.
4. Егоров И. Н., Жигалов Б.
А., Кулешов В. С. Проектирование следящих систем двустороннего действия. М.:
Машиностроение, 1980.
5. Nohmi M.,Bock T. Contact task by force feedback teleoperation under
communication time delay. Human-robot interaction. Ed. by Nilanjan Sarkar,
Itech Education and Publishing, Vienna, Austria, 2007. Р. 522.
6. Алферов Г. В., Кулаков
Ф. М., Нечаев А. И., Чернакова С. Э. Информационные системы виртуальной
реальности в мехатронике и робототехнике. СПб.: СОЛО, 2006.