Kazan', Russian Federation
The article analyzes the advantages of using unmanned aerial systems (UAS) for treating agricultural land with chemical plant protection products. The modern market of special equipment offers various solutions, among which ultra-low-volume spraying stands out. It contributes to a more effective action of preparations due to the swirls created by the propellers of the copters and the small size of the drops, ensuring complete coverage of the plant surface. Classic sprayers cannot treat the lower parts of the leaves, while drones, working at a low altitude, create swirls using disc sprayers, which allows for complete treatment of plants. Modern drone models are capable of working in hard-to-reach areas and are more economical compared to traditional methods. They can be equipped with different types of sprayers, adapting to different conditions and requirements. For example, disc sprayers are used to treat large areas, and conical or slot sprayers are used for spot treatment. The use of UAS also has environmental benefits: reduced consumption of chemicals due to more precise application and minimization of environmental impact due to the refusal to use heavy equipment and reduced labor requirements. In addition, the use of UAS allows agricultural producers to quickly respond to changes and adjust the processing process, which increases the overall efficiency of agricultural production. Calculations based on the cost of work and operating efficiency show that when choosing machines for processing fields, agricultural producers should consider the feasibility of purchasing complex and expensive equipment for small areas, since the equipment will be idle for a longer time. Self-propelled sprayers are effective when processing large areas, but become inconvenient for small farms. Thus, the use of unmanned aerial systems is a promising direction that can significantly improve the efficiency and environmental friendliness of agricultural processes.
processing, agrodron, self-propelled sprayer, pesticides, crops, aviation, sprayers.
Анализ рынка беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для сельского хозяйства показывает его значительный потенциал для роста и развития. Различные аналитические компании прогнозируют рост спроса на эти технологии в ближайшие годы.
Согласно данным Markets and Markets, ожидается рост рынка на 35% до 2024 года. PricewaterhouseCoopers оценивает объём рынка в 32,4 миллиарда долларов. Goldman Sachs прогнозирует, что сегмент сельского хозяйства на рынке дронов станет крупнейшим в течение следующих пяти лет.
Министерство сельского хозяйства России также отмечает потенциал цифровизации для увеличения производительности сельскохозяйственных предприятий в два раза к 2025 году. Ожидается, что мировая экономическая эффективность дронов в фермерском хозяйстве и аграрном секторе к 2025 году составит около 82 миллиардов долларов.
Global Market Insights прогнозирует, что к 2025 году рынок агробеспилотников превысит 1 миллиард долларов. Международная ассоциация беспилотных систем отмечает, что 90% дронов в мире будут использоваться только в двух отраслях: сельском хозяйстве и безопасности, причём агросектор будет закупать в 10 раз больше дронов и станет крупнейшей сферой их применения.
Эти данные подчёркивают важность и перспективность развития рынка беспилотных летательных аппаратов для сельского хозяйства, что открывает новые возможности для оптимизации сельскохозяйственных процессов и повышения эффективности производства [1].
Применение авиации в сельском хозяйстве является инструментом повышения его эффективности [2]. А применение беспилотных воздушных судов (БВС) позволит повысить эффективность и безопасность выполнения этих работ [3].
На сегодняшний день при обработке полей пестицидами применяются самоходные опрыскиватели (рис. 1а), однако у них есть свои недостатки, среди которых:
- потеря урожая из-за наличия технологической колеи трактора;
- насыщенная влагой почва часто становится причиной увязания тракторов;
- дроны могут стать настоящим подспорьем для регионов с заметным дефицитом воды. Расход рабочей жидкости в 20 раз ниже, чем у наземной техники.
а) б)
Рис 1. а) - самоходный опрыскиватель, б) - БАС
В современном сельском хозяйстве дроны находят широкое применение, особенно в процессах десикации и обработки высокостебельных культур фунгицидами и инсектицидами [4]. Это обусловлено несколькими ключевыми факторами, среди которых выделяется отсутствие риска для оператора, по сравнению с традиционными методами, такими как использование самолетов.
Применение дронов (рис. 1б) в сельском хозяйстве позволяет существенно повысить эффективность и безопасность агрохимических работ [5]. Благодаря возможности точного и целенаправленного нанесения химических веществ, достигается значительная экономия ресурсов, снижается негативное воздействие на окружающую среду и повышается урожайность [6].
Использование дронов открывает новые горизонты в области сельского хозяйства, позволяя оптимизировать процессы и повышать качество продукции при одновременном снижении затрат и рисков [7].
Беспилотные авиационные системы (БАС) демонстрируют ряд существенных преимуществ перед традиционной наземной агротехникой, что делает их ценным инструментом в арсенале современного сельского хозяйства [8]. Среди основных преимуществ БАС можно выделить:
- отсутствие повреждений обрабатываемых растений. В отличие от наземных агрегатов, которые могут повреждать растения во время обработки, БАС обеспечивают точное и аккуратное нанесение агрохимикатов, минимизируя риск механического воздействия на культуры [9];
- возможность выполнения обработки при влажной почве. Благодаря своей мобильности и способности работать в условиях насыщенной влагой почвы, БАС позволяют проводить необходимые агротехнические мероприятия даже в неблагоприятных погодных условиях, когда использование наземной техники затруднено или невозможно [10];
- более высокая скорость и производительность обработки. Применение БАС обеспечивает значительное ускорение процесса обработки, что приводит к повышению общей производительности и сокращению сроков проведения агротехнических мероприятий [11];
- оперативность и мобильность. Беспилотные системы отличаются высокой степенью оперативности и мобильности, что позволяет быстро реагировать на изменения в погодных условиях и оперативно перемещать оборудование между полями, оптимизируя процесс обработки [12].
Эти преимущества делают БАС эффективным и перспективным инструментом для современного сельского хозяйства, способствуя повышению урожайности, снижению затрат и улучшению экологической ситуации в агропромышленном комплексе.
В связи с этим целью проведения исследования стал анализ преимуществ использования беспилотных авиационных систем (БАС) в процессе обработки сельскохозяйственных угодий пестицидами. Исследование направлено на выявление способов, которыми применение БАС способствует повышению эффективности и точности обработки, а также снижению экологического воздействия.
Условия, материалы и методы.
В ходе подготовки статьи был проведён глубокий анализ 17 актуальных источников, индексируемых в международных базах данных PubMed, Web of Science, Google Scholar, доступных на платформе elibrary.ru и охватывающих период с 2014 по 2024 год.
При написании статьи были рассмотрены новейшие исследования, посвящённые изучению эффективности внедрения современных технологий в сельское хозяйство, включая использование беспилотных авиационных систем.
Выбор статей для анализа основывался на высоком уровне цитируемости и частоты упоминаний этих научных работ в других источниках.
Результаты и обсуждение. Современный подход по применению бeспилотных систем позволяет минимизировать расходы химикатов, снизить химическую нагрузку на почву, воду, культуру, достигая при этом более высоких результатов выращивания культур, чем при традиционных подходах [13]. Это не значит, что технологии защиты растений с помощью БАС неэффективны – это очень перспективное направление, которое несомненно будет развиваться. По сути, самоходные опрыскиватели не конкурируют с авиационными системами – они просто решают разный спектр задач и даже могут успешно дополнять друг друга.
а) б)
Рис 2. Схематический пример распыления пестицидов
Отличительной особенностью применения БАС от распылительного агрегата является то, что при обработке культур на малой высоте химическими препаратами распыление проводится с завихрением благодаря лопастям летательного аппарата (рис. 2).
Стандартное опрыскивание наземным способом проводится лишь только на поверхности листьев. Из-за плотной растительности, препараты не полностью покрывают растение, что в свою очередь приводит к неполному уничтожению вредителей [14].
Самоходный опрыскиватель универсален в плане четкого попадания в агрономические сроки, а за счет многомодульности закрывает весь спектр задач: обработка посевов пестицидами на различных стадиях вегетации, подкормка гранулированными (как разбрасыватель) и жидкими минеральными удобрениями (в режиме опрыскивания по листу или внутрипочвенно — с помощью мультиинжектора).
Распылители — одна из важнейших частей самоходных, прицепных и прочих опрыскивателей. От качества распылителей напрямую зависит эффективность распыления химраствора, что напрямую влияет на урожайность обрабатываемой культуры [15]. Существует множество вариантов распылителей для опрыскивателей, которые отличаются конструкцией, материалом, размером формируемых капель, расходом химического раствора и рабочим давлением [16].
Интересным решением стало то, что теперь в отличие от щелевых форсунок, на новые модели БПЛА мультироторного типа устанавливаются два дисковых распылителя с моделью сопла LX8060SZ (рис.3).
Рис. 3 Дисковый распылитель
Данная дисковая система опрыскивания оснащена лопастным насосом с магнитным приводом. Лопастными называют динамические насосы, в которых жидкость перемещается путем обтекания лопастей [17].
Диапазон скоростей сопла: 8000-16000 об/мин, размер частиц распыления: 50-300 мкм. Суммарный максимальный двух сопел будет составлять 12 л/мин. Подобного рода решения обладают современные дроны Agras T40. Ширина захвата составляет 11 м при высоте полёта от листовой поверхности 2,5 м и скорости полета 7 м/с.
Максимальная взлётная масса квадрокоптера DJI Agras T40 с полезной нагрузкой для опрыскивания составляет 90 кг (вес дрона без батареи 38 кг., с батареей 50 кг + 40 кг заправленный бак). Обрабатываемая площадь до 20 га (табл. 1).
Таблица 1. Характеристика Агродрона DJI Agras T40
|
Характеристика |
DJI Agras T40 |
|
Количество винтов |
8 |
|
Максимальное время полета |
11 мин |
|
Максимальная высота полета |
30 м |
|
Максимальная скорость набора высоты |
10 м/с |
|
Максимальная скорость полета |
10 м/с |
|
Объем бака |
40 л |
|
Производительность |
до 20 га в час |
|
Расход раствора |
5-10 литров/га |
|
Количество распылителей |
2 шт. |
|
Стоимость |
1 633 500 руб. |
Сравнивая цены современных опрыскивателей с беспилотными летательными апаратами то можно видеть, что Туман -3 на сегодняйшний день стоит порядка 11 717 760 руб. (табл. 2), а цена БАС Агродрон DJI Agras T40 стоит порядка 1 633 500 руб.
Таблица 2. Характеристика штатного самоходного опрыскивателя ТУМАН – 3
|
Характеристика |
Туман - 3 |
|
Скорость в поле |
до 35 км/ч |
|
Производительность |
до 80 га/ч |
|
Количество распылителей |
48 шт. |
|
Объем бака |
2500 л |
|
Ширина захвата |
28 м |
|
Расход рабочей жидкости |
15–450 л/га |
|
Давление на почву |
0,4–0,8 кг/см2 |
|
Расход топлива |
до 0,35 л/га |
|
Клиренс |
до 0,8 м |
|
Колея |
2,03–2,1–2,25 м |
|
Рабочее давление в нагнетательной магистрали |
0,15–0,6 Мпа |
|
Стоимость |
11 717 760 руб. |
Расчеты стоимости опрыскивания БАС Агродрон DJI Agras T40 и самоходного опрыскивателя Тумана – 3 приведены в таблицах 3 и 4.
Таблица 3. Анализ экономических показателей применения биспилотных авиационных систем
|
Стоимость 1 агродрона DJI Agras T40 руб |
Средняя производитель ность агродрона за сезон, га (3 обработки) |
Возможные виды обработок |
Стоимость обработок |
|||
|
- внесение СЗР и твердых удобрений; - посев и подсев покровных культур; - искуственное опыление и десикация |
Стоимость ГСМ на 1 га, на 1 дрон, руб. |
Амортизация агродрона и батарей, руб. |
Зароботная плата персонала и прочие расходы, руб. |
Итого, руб. |
||
|
1 633 500 руб. |
6000 |
50 |
280 |
70 |
400 |
|
Таблица 4. Анализ экономических показателей применения самоходного опрыскивателя
|
Стоимость Тумана - 3 руб. |
Средняя производитель ность самоходного опрыскивателя за сезон, га (3 обработки) |
Возможные виды обработок |
Стоимость обработок |
|||
|
- внесение СЗР и твердых удобрений; - посев и подсев покровных культур; - искуственное опыление и десикация. |
Стоимость ГСМ на 1 га, на 1 самоходного опрыскивателя, руб. |
Амортизация самоходного опрыскивателя, руб. |
Заработная плата персонала и прочие расходы, руб. |
Итого, руб. |
||
|
11 717 760 руб. |
6000 |
100 |
610 |
210 |
920 |
|
В контексте анализа экономической эффективности использования агродронов для обработки сельскохозяйственных угодий важно учитывать различные аспекты, включая расходы на горюче-смазочные материалы (ГСМ), затраты на приобретение дополнительных батарей и заработную плату персонала.
Для обработки одного гектара земли требуется определённое количество топлива. В данном случае, учитывая совокупный расход грузовой техники и генератора, предполагается, что на гектар расходуется один литр бензина марки 92. Стоимость одного литра бензина составляет 50 рубля. Таким образом, общие затраты на ГСМ для обработки одного гектара составляют 50 рубля на 2024 год.
Для обеспечения бесперебойной работы агродронов необходимо периодически заменять батареи. В течение трёх лет эксплуатации потребуется приобрести шесть дополнительных батарей. Общие затраты на приобретение батарей составят 1 миллион 248 тысяч рублей. Разделив эту сумму на общее количество гектаров, которые планируется обработать за три года (18 000 гектаров), получаем дополнительные затраты на один гектар, равные 280 рублям.
Помимо расходов на ГСМ и приобретение батарей, необходимо учесть заработную плату персонала и затраты на расходные материалы.
При расчёте прибыли не учитывались работы по посеву дроном и опылению культур, которые существенно улучшают экономику приобретения агродронов. В результате применения дрона средняя дополнительная прибыль при использовании агродронов варьируется от 3 до 12 миллионов рублей в зависимости от культуры и урожайности. При использовании собственного дрона средняя дополнительная прибыль составляет 4,4 миллиона рублей.
Выводы. В завершение можно сказать, что наземная техника отличается более высокой производительностью, однако уступает агродронам в мобильности. Агродроны эффективно дополняют наземный парк, особенно при работе на удалённых небольших полях неправильной формы, где переброска наземной техники и доставка ресурсов затруднены [18].
Современные самоходные опрыскиватели способны обрабатывать большие площади за смену, но они становятся нерентабельными для небольших хозяйств, где приобретение такой техники нецелесообразно из-за долгого срока окупаемости. В таких случаях агродроны становятся отличным решением для технологии опрыскивания. За одну смену не требуется подвозить химические средства и воду, что существенно снижает временные и финансовые затраты. Бригада из двух человек, используя два агродрона, может обработать до 600 гектаров за смену.
Применение беспилотных авиационных систем (БАС) становится возможным после дождей, когда листья растений начинают высыхать, а также на полях с недостаточно плотной почвой, что делает невозможным использование наземной техники на начальных этапах. Это позволяет оптимизировать агротехнические мероприятия и повысить эффективность сельскохозяйственного производства.
1. Zubarev NYu, Urasova AA, Glezman LV. [Significant factors in the development of the agricultural unmanned aerial vehicles market in the new realities]. Agrarnuy vestnik Urala. 2024; Vol.24. 1. 139-150 p. – DOIhttps://doi.org/10.32417/1997-4868-2024-24-01-139-150.
2. Sochneva SV, Loginov NA, Trofimov NV, Filimonenko DS. [Calibration of a non-metric camera in an unmanned aerial vehicle for land monitoring]. Agrobiotekhnologii i tsifrovoe zemledelie. 2022; 4(4). 60-65 p. DOIhttps://doi.org/10.12737/2782-490X-2022-60-65.
3. Yakhin IF, Trofimov NV, Loginov NA. [Modern digital technologies for managing agricultural crops. International Forum Kazan Digital Week-2022]. Sbornik materialov Mezhdunarodnogo foruma, Kazan, 21-24 sentyabrya 2022 goda. General editorship R.N. Minnikhanov. Kazan: Nauchnyi tsentr bezopasnosti zhiznedeyatelnosti. 2022; 839-843 p.
4. Loginov NA, Loginova IM. [Use of unmanned aerial vehicles for aerosol treatment of agricultural crops with hot fog (from pest damage). Global challenges to food security: risks and opportunities]. Nauchnye trudy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, Kazan, 01-03 iyulya 2021 goda. Kazan: Kazanskiy gosudarstvennuy agrarnuy universitet. 2021; 289-295 p.
5. Ibragimov AG. [Environmental problems of agriculture]. Agrarnaya nauka. 2019; 7-8. 41-42 p. DOIhttps://doi.org/10.32634/0869-8155-2019-330-7-41-42.
6. Aslakhanova SA, Khuazheva SA, Dzulaeva IYu. Quality of life, population health and demography as targets for sustainable development. E3S Web of Conferences: 2nd International Conference on Environmental Sustainability Management and Green Technologies (ESMGT 2023), Novosibirsk, 28-29 sentyabrya 2023 goda. Vol.451. EDP Sciences: EDP Sciences. 2023; 05017 p. DOIhttps://doi.org/10.1051/e3sconf/202345105017.
7. Mazitov NK, Sakhapov RL, Khomenko VV. [Agrotechnological sovereignty as the basis for eliminating the economic, environmental and social catastrophe of Russia (on the example of the Republic of Tatarstan)]. Problemy sovremennoy ekonomiki. 2023; 3(87). 227-232 p.
8. Chelysheva DN. [Unmanned aerial vehicles as one of the main tools for digital transformation of the agro-industrial complex]. APK: ekonomika, upravlenie. 2024; 2. 96-101 p. – DOIhttps://doi.org/10.33305/242-96.
9. Teterin VS, Gapeeva NN. [Machine for aerosol treatment of row crops]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2020; 7(277). 22-25 p. DOIhttps://doi.org/10.33267/2072-9642-2020-7-22-24.
10. Dudkin IV, Zhilyakov DI, Dolgopolova NV, Malysheva EV. [Ecological problems of soil science and agriculture]. Vestnik Rossiyskoy selskokhozyaystvennoy nauki. 2023; 4. 72-77 p. DOIhttps://doi.org/10.31857/2500-2082/2023/4/72-77.
11. Safiollin FN, Valiev AR, Khismatullin MM. [Technique and technology of surface improvement of floodplain meadows of the Republic of Tatarstan]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022; Vol.17. 4(68). 50-55 p. DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2023-50-55.
12. Tikhonov AA, Akmatov DZh. [Relevance of using multicopters in production]. Gornuy informatsionno-analiticheskiy byulleten (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal). 2019; 1. 55-62 p. – DOIhttps://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-01-0-55-62.
13. Popova NP, Shevchenko VA, Solovev AM. [Influence of the fertilizer system and precursors on the acidity dynamics of sod-podzolic soils when introducing them into agricultural circulation]. Plodorodie. 2020; 6 (117). 3-6 p. DOIhttps://doi.org/10.25680/S19948603.2020.117.01.
14. Motavalov IF. The effectiveness of the use of pesticides in the cultivation of winter wheat in OOO Nurlat Set Nurlatsky municipal district of the Republic of Tatarstan. 09-10 fevralya 2021 goda. Vol.6. 2021; 78-83 p.
15. Khafizov RN, Nurmiev AA. [Some issues of sprayers usage. Current state and prospects for the development of the technical base of the agro-industrial complex]. Nauchnuy trudy Vserossiyskoy (natsionalnoy) nauchno-prakticheskoy konferentsii, posvyashchennoy pamyati d.t.n., professora P.G.Mudrova, Kazan, 26-27 oktyabrya 2023 goda. Kazan: Kazanskiy gosudarstvennuy agrarnuy universitet. 2023; 175-184 p.
16. Khafizov RN, Nurmiev AA. [Nozzles used on modern sprayers. Current state and development prospects of the technical base of the agro-industrial complex]. Nauchnuy trudy Vserossiyskoy (natsionalnoy) nauchno-prakticheskoy konferentsii, posvyashchennoy pamyati d.t.n., professora P.G.Mudrova, Kazan, 26-27 oktyabrya 2023 goda. Kazan: Kazanskiy gosudarstvennuy agrarnuy universitet. 2023; 185-194 p.
17. Gabdrafikov FZ, Aysuvakov IN, Galiev IG. [Diesel pump-nozzle with a ring control valve]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2020; Vol.15. 1(57). 68-75 p. DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2020-68-75.
18. Glytyan KM, Dulin DA. [Analysis of operational indicators of domestic and foreign technical means. Scientific support of the agro-industrial complex]. Sbornik statey po materialam 76-y nauchno-prakticheskoy konferentsii studentov po itogam NIR za 2020 god. V 3 ch., Krasnodar, 10-30 marta 2021 goda. Tom chast 2. Krasnodar: Kubanskiy gosudarstvennuy agrarnuy universitet imeni I.T.Trubilina. 2021; 445-448 p.
