Опрыскиватели: от ранцевого до дрона, часть 2 — новшества и перспективы

Продолжение...

Во второй части мы проследим тенденции развития технологий и современные конструкторские решения, повышающие точность внесения пестицидов в минимальных дозировках, как важнейшие составляющие разумного земледелия.

Развитие технологий точного земледелия привело к необходимости модернизации техники для защиты растений. Современные опрыскиватели позволяют выполнять технологический процесс, поддерживая неизменными следующие параметры:

• норму внесения рабочей жидкости на гектар;
• размеры капель рабочей жидкости;
• густоту покрытия объекта обработки каплями.

Одним из перспективных направлений является дифференцированное внесение пестицидов с учетом неоднородности распределения вредоносных объектов на участках поля. Это направление находится сейчас в стадии научных исследований и опытных машин. Самый распространенный элемент системы точного земледелия при опрыскивании — точное вождение.

Основное преимущество систем параллельного вождения при опрыскивании — сокращение до минимума огрехов, особенно если обработка проводится широкозахватной техникой и в условиях плохой видимости. Перекрытия составляют, по разным оценкам, от 5 до 15% площади, а применение GPS-навигации снижает взаимное перекрытие рядов до 1-3%. Применяемая в данное время спутниковая навигационная система позволяет достичь точности обработки 15-30 см от прохода к проходу.

Подруливающие устройства исключают огрехи, увеличивают эффективность эксплуатации техники за счет возможности работать в темное время суток, при плохой видимости и значительно снижают утомляемость механизаторов. При достижении конца гона механизатору остается только вывести машину на новый ряд, пользуясь подсказками курсоуказателя, и снова подключить подруливатель, который передает усилие через резиновый валик на рулевое колесо.

Следуя идеям точного земледелия, в каждую точку поля должен быть доставлен пестицид, тип которого соответствует находящемуся в данной точке вредоносному объекту, а количество пестицида должно соответствовать степени засоренности с учетом экономического порога вредоносности. В связи с этим возникает ряд задач:

• определение в режиме реального времени вида вредоносных объектов и их количества на единице площади;
• определение экономического порога вредоносности;
• подача необходимого вида пестицида в требуемом количестве и распыленного на капли оптимального размера.

В настоящее время не существует опрыскивателя, реализующего все эти задачи, однако работы ведутся. Наиболее продвинулась в этом направлении группа ученых и инженеров из университета Hohenheim (Германия) под руководством проф. R. Gerhards. Ими была разработана и доведена до уровня экспериментального образца система TURBO (Teilschlagspezifische Unkrautbekämpfung durch Raumbezogene Bildverarbeitung im Offline- und Onlineverfahren) — борьба с сорняками точечным методом посредством обработки изображений в on-line или off-line режиме. Система TURBO:

• автоматически определяет вид сорняка с помощью цифровых видеокамер;
• создает прикладные карты, основанные на пороговой модели;
• определяет участок применения гербицида с помощью опрыскивателя, оснащенного GPS- навигацией.

Вид сорняка определяется с помощью имидж-анализа изображений с сильным контрастом между зелеными растениями и почвой, мульчей и камнями. Изображение в зерновых культурах, рапсе, сахарной свекле и кукурузе захватывается специальными камерами в красном и инфракрасном диапазонах при скорости до 10 км/ч. Использование комбинации двух спектральных каналов (IRVIS) исключает помехи в изображениях. Дальнейший анализ изображений проводится контурным методом либо методом скелетных линий (рис. 1).

Получив характеристики контуров сорняков и скелетных линий, система обращается в базу знаний и проводит идентификацию. Дальнейшие действия системы зависят от режима работы: on-line или off-line. В режиме off-line создается карта засоренности посевов, которая в дальнейшем вводится в память навигационного оборудования и компьютера. При работе в on- line режиме информация о типе и количестве сорняков передается непосредственно на компьютер, управляющий технологическим процессом опрыскивания.

Опрыскиватель оснащен баками для трех видов гербицидов и соответственно тремя контурами подачи жидкости к распылителям. На штанге смонтированы три коллектора, по каждому из которых подается отдельный препарат. Количество распыляемого гербицида зависит от засоренности данного участка поля. Если сорняки определенного вида отсутствуют или их количество ниже экономического порога вредоносности, соответствующий коллектор (сегмент штанги) выключается из работы.

Экспериментальные исследования показывают очень высокую экономическую эффективность системы TURBO на различных видах культур. Наибольшая экономия пестицидов может быть достигнута на озимой пшенице — до 71-72%. На других культурах экономия составляет в среднем 34,5%, что при высокой стоимости агрохимикатов является тоже очень значимым результатом.

Для снижения сноса пестицидов и улучшения качества обработки растений в полевых опрыскивателях применяют системы принудительного осаждения капель с использованием дополнительного воздушного потока (модели VORTEX, AIRPLUS, TWIN FORCE). Технология опрыскивания с воздушным сопровождением была разработана более 25 лет назад, однако ее практическое применение началось в 1980-х годах (рис. 3). Компания Degania Sprayers (Израиль) разработала опрыскиватель, оборудованный штангой с системой воздушного сопровождения распыленной жидкости. В Европе эта технология впервые была представлена компанией HARDI (рис. 3в). Бразильская промышленность также применила эту технологию для прицепных штанговых опрыскивателей (рис. 3б).

При работе опрыскивателя направленный воздушный поток из отверстий распределительного воздухопровода захватывает капли рабочей жидкости и активно внедряет их в стеблестой. За счет завихрений может обеспечиваться эффект объемной обработки растений. На участке падения капли рабочего раствора движутся быстрее и уменьшаются их снос и испарение. Технология воздушного сопровождения позволяет снижать снос пестицидов ветром на 50% по сравнению с традиционным опрыскиванием. Однако опрыскиватели с системами воздушного осаждения дороже и сложнее по устройству.

Общей тенденцией в создании новых моделей опрыскивателей является увеличение ширины захвата до 40-50 м и объема резервуаров до 5-14 т. Разработаны и применяются различные устройства для автоматизации и управления работой опрыскивателей с целью поддержания заданных параметров работы.

Система Speed-Spraying разработана компанией Amazone совместно с BASF, Agrotop, Juister Pflanzenbauberatung и сельскохозяйственной палатой земли Северный Рейн- Вестфалия. С меньшими затратами воды и большей скоростью движения (например, 150 л/га при 12 км/час) можно существенно повысить производительность техники и при этом экономить рабочее время и топливо.

Революционной названа разработка SELETRON компании ARAG для независимого управления работой распылителей на штанге опрыскивателя. Устройство повышает точность дозирования препарата. Клапаны, которые управляют открытием и закрытием отдельных распылителей на штанге, приводятся в действие электромоторами (рис. 4).

В случае перекрытия соседних проходов и двойного перерасхода пестицида Bravo-400 автоматически раньше отключал секции штанги, располагающиеся над уже обработанной поверхностью.

Садовый прицепной опрыскиватель с двойным набором препаратов Oktopus Double от компании NOBILI SpA Costruzioni обеспечивает оптимальную обработку при меньшем количестве проходов (рис. 5). У машины есть два отдельных рабочих контура, которые могут распылить два пестицида одновременно, не смешивая их перед внесением.

Несколько производителей машин для химической защиты растений (INUMA, TeeJet, Lemken) разработали системы сенсорного контроля работы форсунок. Благодаря использованию сенсоров регистрируется поток рабочей жидкости на каждой отдельной форсунке (рис. 6). Неполадки каждой отдельной форсунки автоматически и без задержки отражаются на дисплее терминала, что позволяет механизатору быстро устранить неисправность.

Оригинальной разработкой компании TeeJet является форсунка системы AI 3070, у которой из сопла выходят два потока капель в разных направлениях: под углами 30° и 70° (рис. 7). Такая конструкция увеличивает полноту опрыскивания растений, что особенно эффективно при внесении фунгицидов.

Важное экологическое значение имеет программное обеспечение терминалов для определения остатков пестицидов в баках опрыскивателей (Amazonen-Werke H.). AcuraSpray — это программное обеспечение для нового терминала Amapad компании Amazone. Пакет состоит из модулей Smart Refill и Work-to-Zero, которыми обеспечиваются оптимальное время повторного наполнения и минимальные остатки рабочей жидкости в цистерне.

Также компанией Amazonen-Werke H. предложена система BoomWash, которая по окончании работ автоматически проводит наружную мойку штанг опрыскивателя.

Итальянская компания по производству техники для защиты растений CAFFINI S.p.A. предлагает новое решение автоматической системы мойки опрыскивателей и другой специальной техники.

Компания Аgrotop GmbH разработала дозировочный автомат Quantofill M, который набирает из емкостей необходимое количество жидких пестицидов и добавляет их в установленном порядке в цистерну опрыскивателя.

Bagioni Alfiero S.n.c. разработала самоходную автоматическую машину с электрическим приводом колёс для внесения пестицидов и удобрений в теплицах. Она выполняет ярусное воздействие на обрабатываемые растения в соответствии с заданной программой.

Разбрызгиватели для систем капельного орошения TORO AG IRRIGATION от I.S.E. S.r.l. оптимизированы в функциональных особенностях. Жидкость подается с меньшей вероятностью засорения, однородным распределением и сокращением чувствительности при изменении главных операционных параметров, таких как давление и расход.

Устройство Swing Cut С, разработанное Lemken, призвано повысить равномерность внесения пестицидов за счет активного демпфирования штанг при резких движениях (рис. 8). С помощью новой трехмерной камеры регистрируются движения штанг и при превышении крайних показателей (калибровка) подключается активное демпфирование.

Усовершенствованная система управления штангами, предлагаемая компанией Horsch, обеспечивает точное и безопасное ведение штанг опрыскивателя над посевами, причем очень близко к обрабатываемому объекту.

Инновационная система управления внесением пестицидов — комплексная разработка целого ряда компаний: John Deere, ВASF, ISIP, ZEPP, KTBL, JKI и Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen (рис. 9). Эта интеллектуальная система помогает пользователям принять конкретное решение для своевременного и точного внесения пестицида.

AmaSpot — совместное предложение компаний Agrotop, Amazone и Rometron, объединенное интеллектуальной системой управления распылителями, предназначена для определения сорняков на поле (рис.10). Система способна распознавать сорняки в поле и ограничивать опрыскивание. Комбинируя требования отдельных технологий и объединяя их в опрыскивателях Amazone, система позволяет экономить 20-80% химикатов.

Оригинальной является инжекторная форсунка компании Lechler GmbH с двойным факелом распыла (рис. 11). Асимметричная двойная плоская форсунка (углы факелов 30° вперед, 50° к задней части) создает специальный размер капель для высокого эффекта распределения. В направлении движения применяют 60% расхода, в то время как к задней части направляется 40% потока.

Контроль положения штанги опрыскивателя обеспечивает предложение компании Horsch (рис. 12). Система включает лазерный сканер, установленный на крыше трактора, который просматривает поле впереди и в стороне от машины, покрывая полную ширину захвата. Создаваемая таким образом поверхностная модель поля помогает достоверно обнаружить препятствия в области опрыскивания и решить системе, необходимо ли только поднять штангу или остановить агрегат.

Беспилотные летательные аппараты (БЛА), больше известные как дроны, используются в коммерческих целях с начала 1980-х годов. Однако только сейчас возможности их практического применения начинают расширяться. Общая доступная стоимость систем с применением дронов во всех отраслях, по прогнозам, превышает $127 млрд. Сельскохозяйственные дроны набирают популярность в Соединенных Штатах, Европе, Бразилии, России, но лидером остается Китай, где производят беспилотники и запчасти к ним.

Дроны, которые могут стоить от $ 2000, решают многие вопросы, в т.ч. выявление проблем с вредителями, поливом, оценкой состояния почвы, растений, урожая (рис. 13). Эти системы выстреливают капсулы с семенами и вспомогательными веществами в почву, обеспечивая растение всем необходимым для поддержания жизнедеятельности. В США спроектированы дроны для посадки лесов. Летательные аппараты могут сканировать местность, затем из специальных пушек со скоростью выстрела 100 м/с погрузят семена на требуемую глубину в почву.

Применяют дроны и для мониторинга урожая, полива. Правда, пока для полива всего поля их грузоподъемности недостаточно: дроны могут поднимать до 200 кг, а для орошения среднего поля потребуется в 10 раз больше. Российские ученые работают над экспериментальными летательными аппаратами, которые смогут поднять до 5 тонн груза.

Опрыскивание посевов с использованием дронов также имеет определенные перспективы, особенно для труднодоступных полей. Оборудования для измерения дистанции — ультразвуковая эхолокация и лазеры — позволяют дронам регулировать высоту полета в зависимости от топографических и географических условий, чтобы избегать столкновений. Таким образом, дроны могут сканировать рельеф и распылять необходимое количество жидкости, корректируя высоту полета и объем жидкости в реальном времени и обеспечивая равномерное покрытие всей площади поля (рис. 14).

В обозримом будущем квадрокоптер для сельского хозяйства будет таким же необходимым элементом, как комбайн или культиватор. Тем не менее пока сложно представить, что с применением дронов агропроцессы станут полностью автоматизированными и участие человека не потребуется. В России дроны для сельского хозяйства в 2017 году применялись лишь на 1-2% сельскохозяйственных угодий, но судя по прогнозам специалистов — это лишь начало. С другой стороны, на Западе активно ведутся разработки по созданию автоматизированных беспилотников для работ на фермах.

Дальнейший прогресс в конструкциях и применении опрыскивателей связан с непрерывным развитием электроники. Создаются варианты точных и сверхточных технологий опрыскивания в системе разумного земледелия. Следует ожидать более высокой селективности в распылении, например технологию, которая позволяет распознавать нежелательные виды растений или поражения растений и автоматически регулирует распыление. Наблюдаются также тенденции создания все более производительных самоходных опрыскивателей. Новым вариантом является применение беспилотных летательных аппаратов для оперативного и избирательного опрыскивания, особенно в сложных условиях поля.

Подготовлено по материалам, опубликованным в журнале «Наше сельское хозяйство» (2020 г., № 1).