Создание сельскохозяйственного квадрокоптера «Агро 500»

Актуальность

Одной из самых острых экологических проблем сельского хозяйства во многих регионах России является широкое распространение борщевика Сосновского, который наносит вред ландшафтам и крайне опасен для здоровья человека. Для борьбы с борщевиком традиционно используются наземные методы с применением сельскохозяйственной техники и ручного труда. Наземные методы трудозатратны, возможен непосредственный контакт с растением, что несёт в себе риски для здоровья. Кроме того, с помощью наземных методов невозможно обработать труднодоступные места при прорастании борщевика между заборами, около воды, в заболоченной местности.

До сих пор в нашей стране не нашел широкого применения метод распыления гербицидов с воздуха. Сдерживающими факторами выступают высокая стоимость и внушительные габариты существующих беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Цель

Создать беспилотный летательный аппарат – квадрокоптер с устройством распыления жидкости, позволяющий распылять гербициды в автономном режиме, доступный по стоимости и габаритам для широкого применения на малых предприятиях агропромышленного комплекса и в личном подсобном хозяйстве.

Задачи

1. Произвести выбор рамы и комплектующих квадрокоптера «Агро 500» согласно требуемой полезной нагрузке и собрать квадрокоптер «Агро 500».
2. Разработать в программе «Fusion 360» 3D-модель устройства для распыления жидкости.
3. Создать в программе «Компас 3D» чертежи устройства распыления жидкости и напечатать на 3D-принтере детали. 
4. Установить готовое устройство на квадрокоптер и провести лётные испытания.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• ноутбук с установленным ПО (Autodesk Fusion 360, Python)
• 3D-принтер «Ultimaker 3», паяльная станция «Lukey 702»
• модифицированная плата Arduino Mega
• насос мембранный R385 и радиоуправляемым переключателем RC-switch
• для квадрокоптера (рама ReadyToSky Martian II, полётный контроллер PX4 Autopilot PixRacer R15, моторы EMAX ECO 2306)
• различные компоненты и расходные материалы, непосредственно использованные в устройстве

Описание

Создание сельскохозяйственного квадрокоптера «Агро 500». Согласно требуемой полезной нагрузке автором был произведен выбор рамы и комплектующих, после чего был собран квадрокоптер на 500 раме.

Для создания устройства распыления жидкости в программе «Fusion 360» автором была разработана 3D-модель устройства, созданы чертежи устройства и напечатаны на 3D-принтере детали.

Устройство распыления жидкости состоит из следующих деталей:

• напечатанный на 3D-принтере бак для жидкостей объемом 1 литр;
• напечатанный на 3D-принтере быстросъёмный крепеж;
• насос мембранный R385;
• 4 силиконовые трубки;
• 4 регулируемые форсунки.

Бак устанавливается на квадрокоптер «Агро 500» с помощью быстросъёмного крепежа, который в свою очередь прикручивается к раме. Четыре форсунки закреплены на четырёх лучах. Мембранный насос, работающий от 12 вольт, питается от платы распределения питания на квадрокоптере. Насос включается радиоуправляемым переключателем RC-switch вручную с пульта либо программным методом. Форсунки регулируются, позволяя менять размер капель в зависимости от цели.

Детали устройства распыления жидкости были созданы с помощью аддитивной технологии FDM.

Устройство распыления жидкости можно напечатать на 3D-принтерах с размером стола не менее 200х200х210 мм. В проекте используется принтер Ultimaker 3.

Время изготовления всех печатаемых деталей около суток (~26 часов) при толщине слоя 0,2 мм и заполнении 10 %. Используется 30 м ABS пластика. Общий вес напечатанных на 3D-принтере деталей устройства распыления жидкости составляет 224 грамма. Готовое устройство распыления жидкости было установлено на квадрокоптер. Затем для проверки работоспособности и надежности системы автором были проведены лётные испытания. Квадрокоптер «Агро 500» пилотируется как в ручном, так и в автономном режиме. После установки и подготовки устройства создается план облёта территории. Оператор, управляющий БПЛА, запускает программу, созданную с помощью планировщика заданий (Qgroundcontroll, Mission Planer). Квадрокоптер «Агро 500» автономно облетает территорию, опрыскивая растения. После того как закончится миссия, квадрокоптер возвращается в точку взлёта и заканчивает полёт.

В результате проектной работы был создан сельскохозяйственный квадрокоптер «Агро 500», который имеет следующие технические характеристики:

• габаритный размер 400^х400^х250 мм
• масса без полезной нагрузки – 1,5 кг
• максимальный взлетная масса – 2,5 кг
• ёмкость бака - 1 литр, для обработки гербицидами 0,1 га
• дальность радиоуправления – 1 км
• максимальная скорость полета без полезной нагрузки ~65 км/ч
• максимальная производительность насоса – 1,6 л/мин
• дальность приема радиотелеметрии ~ 500 м
• время висения в идеальных условиях ~25мин
• время полета ~15 мин
• стоимость квадрокоптера «Агро 500» (стоимость комплектующих) – 29150 руб.

Результаты работы/выводы

Созданный сельскохозяйственный квадрокоптер «Агро 500» позволяет бороться с борщевиком путём распыления гербицидов с воздуха полностью в автономном режиме. Квадрокоптер может также использоваться для распыления пестицидов, фунгицидов, жидких удобрений, орошения растений.

Квадрокоптер «Агро 500» имеет низкую стоимость и небольшие размеры, что позволяет использовать его в личном подсобном хозяйстве и на малых предприятиях агропромышленного комплекса.

Перспективы использования результатов работы

В перспективе возможно добавление опций автоматического распознавания растений и автономного обхода препятствий.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МАИ, ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

• Победитель – Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ обучающихся;
• Победитель – XLVII Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения» МАИ;
• Лауреат – Московский международный фестиваль творческих открытий и инициатив «Леонардо»;
• Победитель конкурса лучших роликов – 2021 «Леонардо»;
• Призёр – XXX Открытая московская инженерная конференция школьников «Потенциал»;
• Призёр – Всероссийский конкурс научно-технологических проектов «Большие вызовы».