Беспилотники против борщевика

На полях страны идёт бесшумная война — земли захватывает борщевик Сосновского, превратившийся в настоящее бедствие для сельского хозяйства и окружающей природы. 

На борьбу с борщевиком отправляются тысячи людей, сотни единиц тяжелой техники, тратятся бюджетные средства. Ввести в бой новую «силу» — умных летающих роботов — предложили в Институте проблем управления имени В.А. Трапезникова РАН.

Низко летит над весенним полем дрон. Оно только начинает зеленеть травой, в ней выделяются пышные розетки борщевика, которые появляются после зимы одними из первых. Можно было бы выставить против этой напасти армию людей в спецодежде или в полном комплекте химзащиты. Но на поле — никого, только летающие машины, как в фантастическом фильме: цифровое зрение не пропускает ни одного «врага», химикаты попадают точно в цель, а в битве участвует всего несколько операторов, дистанционно управляющих беспилотниками. Через неделю после обработки гербицидом листья борщевика пожухнут, растения-агрессоры начнут погибать, не успев разрастить. И все это не фантастика, а реальность в телерепортажах с полей Московской области, где новые технологии уже опробовали на практике.

«С темой борщевика Сосновского я впервые столкнулся года два-три назад, общаясь с сельхозпроизводителями Подмосковья,— рассказывает Сергей Терехин, руководитель проекта Института проблем управления РАН по направлению использования беспилотников в агрономии и сельском хозяйстве.— Мы два года вынашивали идею обработки борщевика с беспилотников. Ведь именно они могут обработать практически любой сложный участок и они на порядок производительнее человека. Используя потенциал Института проблем управления, мы создали и отработали технологию обработки борщевика и понимаем, как с ним бороться и как контролировать его распространение».

В Подмосковье проблема засорения борщевиком плодородных сельхозугодий достигла катастрофических масштабов: им заражены свыше 35 тыс. гектаров земель. Борщевик очень неприхотлив, растёт повсюду и распространяется неконтролируемо, вытесняя все остальные культуры. Одно растение производит от 20 до 80 тыс. семян, которые сохраняют всхожесть, находясь в земле до 5–8 лет, поэтому площади распространения борщевика могут увеличиваться на 5–10% ежегодно.

По поручению Министерства сельского хозяйства и продовольствия Подмосковья в ИПУ РАН подготовили расчет экономической целесообразности использования беспилотников в сравнении с использованием ручного труда — себестоимость обработки всех 35 тыс. гектаров получилась в два раза ниже, чем вручную. «Да, беспилотники не панацея», — признает Сергей Терехин. Есть ряд территорий, где дроны не могут работать (например, под деревьями) или где им летать небезопасно: над дорогами тяжелые летающие аппараты могут быть небезопасны. "По нашей оценке, обработать с дронов в реальности удается около 70% всей проблемной территории«,— резюмирует он .

На сверхнизкой высоте

Команда Сергея Терехина и его компания «Флора -Сервис+» погрузились в тему беспилотников в 2016 году. Тогда впервые на рынке беспилотных летательных аппаратов появились первые тяжеловесные беспилотники и перспективы обработки культур пестицидами с дронов выглядели заманчивыми.

"Мы первыми в России представили эту идеологию и технологию и прошли большой путь по проектированию и созданию таких беспилотников«,— констатирует Сергей Терехин. Компания участвовала во всевозможных сельскохозяйственных выставках и активно занималась популяризацией своих идей.

В 2017 году у проекта появился партнер—Институт проблем управления РАН. Совместно начали решать задачу моделирования полета дрона по трёхмерным координатам над сложным рельефом: на склонах, горах и холмах. Загвоздка состояла в том, что для этого требовалась большая точность позиционирования беспилотника. Обычно для ориентации на полях достаточно двух координат со спутника — X и Y. Для полетов по 3D-координатам приходилось использовать специальное оборудование для коррекции сигнала, или, иначе говоря, RTK-станцию.

«Сложность обработки культур с беспилотников — в том, что обработка ведётся на сверхнизких высотах, от 1,5 до 2,5 м,— поясняет Сергей Терехин.— Немногие производители беспилотников предлагают подходящие для этого технологии управления дронами, зачастую точность полёта на высоте — плюс-минус 50 м. Такие беспилотники используются для топографической съемки, но для обработки сельхозкультур пестицидами их применять невозможно. Мы начали сотрудничество с ИПУ РАН для совместного решения этой проблемы. В начале 2019 года дважды были в Германии и отрабатывали полёты по 3D-координатам на очень сложных рельефах — на виноградниках в горах. На сегодняшний день технология готова».

Агрокоптер, созданный в ИПУ РАН, — полностью отечественная разработка. Ряд блоков приобретают за рубежом (двигатели и центральные полетные процессоры с открытым кодом), весь остальной софт, электронная начинка, механические компоненты делаются в России. Дрон поднимает в воздух 10 литров химикатов и способен за восемь минут обработать один гектар, что в среднем в 40–50 раз производительнее ручной обработки.

Как победим

Обычно борьба с борщевиком ведётся двумя способами: механическим выкашиванием, но оно не везде возможно, и гербицидами селективного или сплошного действия с использованием как техники, так и человеческого труда. При этом зачастую на полях работает неквалифицированный персонал: тендеры в отдельных муниципалитетах по борьбе с борщевиком выигрывают подрядчики, предложившие самую низкую цену .

«Людям даже не объясняют, что нужно сделать,— сетует Сергей Терехин, не раз наблюдавший за такими работами.— Я сам был свидетелем и видел в телерепортажах, как безграмотно работают исполнители „на земле“. Недавно „Вести“ показывали, как в Истринском районе его сначала косят, а потом обрабатывают химией. Зачем? Химией нужно обрабатывать листву, чтобы гербицид через поверхность листа дошел до корневой системы и уничтожил её».

Еще один важный фактор — люди, обрабатывая растения химией из ранцевого опрыскивателя, не имеют возможности контролировать необходимую норму внесения и расход гербицида. На борщевик выливают двойные или тройные нормы, чтобы было «наверняка», и это наносит вред всей окружающей природе.

«Сколько вносит оператор вручную — никто не знает, для этого приходится размечать участки и примерно контролировать расход, тренировать персонал, как требуют имеющиеся на сегодняшний день методички по ручной обработке,— рассказывает Сергей Терехин.—А дрон — это машина, он запрограммирован на нужный расход гербицида и способен сам построить траекторию для опрыскивания всех замеченных на участке кустов борщевика по координатам. Важна и точность обработки. Людям тяжело отследить на больших площадях, какие кусты они обработали, возникают большие допуски и погрешности».

По технологии обработки борщевика с применением беспилотников вся работа происходит в три этапа. Сначала проводится мониторинг полей: дроны-разведчики с большой высоты строят карту заражения, распознавая борщевик при помощи специального ПО и определяя точки заражения, частично в этом участвует и оператор. Эта процедура недорогая и очень эффективная. С карты заражения координаты участков, заросших борщевиком, транслируются в дроны-опрыскиватели, и они отправляются обрабатывать нужные участки.

Полевые работы

Разработчики из ИПУ РАН за лето 2019 года протестировали новую методику в четырех областях России: в Лобнинском и Подольском районах Подмосковья, в Тульской области (Заокском районе) и в Ленинградской области. Экспериментировали с обработкой борщевика на разных стадиях роста растений. Считается, что оптимально обрабатывать его в мае, но оказалось, что и обработка в период бутонизации, когда у борщевика уже сформированы соцветия, тоже дает эффект. В результате учёные пришли к выводу: лучше использовать селективные гербициды и именно дроны позволят сделать их применение экономически оправданным. Препараты сплошного действия дешевле. Однако если учесть, что люди с трудом могут контролировать расход гербицида, а дрон это делает автоматически, в реальности уровень затрат оказывается сравнимым.

«После воздействия системными гербицидами сплошного действия остаются буквально „выжженные“ сухие поля, гибнут все растения,— описывает свои впечатления Сергей Терехин.—А вот после селективных гербицидов картина совсем другая, поле выглядит прекрасно: борщевик погибает, а вся остальная луговая трава растет».

В ИПУ РАН надеются, что уже в 2020 году дроны получат часть подрядов на борьбу с борщевиком. Сам институт готов развиваться в двух направлениях: вести уже налаженную разработку, производство, сборку и поставку дронов, одновременно запустив новый бизнес—по проведению обработок. Опираясь на собственный опыт, разработчики считают: государству необходим централизованный оператор, который будет контролировать всю работу по борьбе с борщевиком, пусть даже это будет государственная структура.

«Институт проблем управления РАН подходит на эту роль как нельзя лучше,— заявляет Сергей Терехин.— Это и научный потенциал, и системный подход к решению проблемы, и проработка единой технологии, и мониторинг до и после обработки».

Сейчас на борьбу с борщевиком в одном только Подмосковье выделяется, по разным данным, от 180 до 300 млн бюджетных рублей в год. Применение беспилотных технологий позволит эффективнее расходовать бюджетные средства и контролировать выполнение работ в режиме реального времени. Так, например, борьба с борщевиком предусматривает построение карты биологического загрязнения для формирования траектории полета дрона, вносящего действующее вещество. Обычно это происходит после обработки результатов мультиспектральной съемки, выполняемой на БПЛА самолётной схемы. Обработка занимает достаточно продолжительное время. Сегодня в МАИ разрабатывается технология, позволяющая ускорить процесс формирования траектории и выполнять обработку непосредственно на борту БПЛА, осуществляющего съемку.

Елена Панасенко