Беспилотные тракторы, агророботы, дистанционное определение состава почв, онлайн-наблюдение за обработкой полей — всё это инструменты и технологии «умного сельского хозяйства», которое приходит в России на смену традиционным способам земледелия. Такая модернизация позволяет существенно снизить трудозатраты человека и за счет непрерывности рабочего процесса повысить производительность труда, рассказали «Известиям» в ведущих российских вузах.
Через 30 лет для того, чтобы прокормить население всего мира, понадобится значительно больше продовольствия, чем сейчас, утверждают ученые. Число жителей Земли увеличится к 2050 году с нынешних 7,6 млрд человек до 9,8 млрд, а к 2100 году достигнет 11,2 млрд человек. Для решения проблем, связанных с увеличением численности населения, человечеству необходимо изменить методы ведения сельского хозяйства. Снижение количества плодородных земель, перемена климата, высокая стоимость энергоносителей — всё это грозит нехваткой продуктов питания.
Повысить урожайность и одновременно сократить издержки позволяет концепция «умного сельского хозяйства», основанного на использовании фермерами различных инновационных решений. Ученые России в настоящий момент работают над созданием техники для высокотехнологичного сельского хозяйства.
Трактор Черепанова
Научные сотрудники Уральского федерального университета (УрФУ), вуза – участника программы «5–100», совместно с учеными из Бразилии и Аргентины разрабатывают беспилотный трактор с искусственным интеллектом.
— В ходе наших исследований обозначены основные принципы создания беспилотного сельхозтранспорта, предложены ключевые элементы: датчики, исполнительные механизмы и алгоритмы их взаимодействия, — рассказал один из создателей беспилотного трактора, доцент физико-технологического института УрФУ Александр Черепанов.
Ученые уже испытывают прототип такой беспилотной машины в полях. Элементы управления трактора дополняются различными системами датчиков, которые обеспечивают регулирование процесса движения. Прямолинейный ход машины позволяет качественно обрабатывать почву, без просевов и пустот. По мнению ученых, это позволит повысить урожаи и рентабельность сельхозпроизводства.
Наладить выпуск таких беспилотных тракторов ученые планируют в течение трех лет. По мнению разработчиков, использование такой техники обеспечит расширение диапазона агротехнических работ, повысит качество и безопасность обработки сельхозугодий. Также будет исключен человеческий фактор, в частности нарушения трудовой дисциплины.
Механический садовник
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разработали агроробота, получившего название AgrY. Это самоходный аппарат на бензиновом двигателе размером с мини-трактор. Робот может автоматически прокладывать свой маршрут, без участия человека. Также он способен многократно повторять однажды пройденный путь.
— Управление и принятие решений осуществляется на основе анализа видеоизображений с использованием алгоритмов библиотеки OpenCV и идентификации местоположения относительно выбранных ориентиров. Предполагается, что данный вид агророботов заменит садово-огородную мототехнику (мотоблоки, культиваторы, газонокосилки). В перспективе устройство сможет культивировать землю с помощью активной почвофрезы и обрабатывать растения от вредителей, — пояснил один из разработчиков робота, доцент кафедры технологии машиностроения ЮТИ ТПУ Андрей Проскоков.
Разработчики также сконструировали роботизированный комплекс, с помощью которого можно модернизировать бензиновую газонокосилку: режущая часть механизма дополняется управляемыми моторами-редукторами. Для обеспечения безопасности на косилке установлены ультразвуковые датчики определения расстояния до препятствий, а на верхней крышке закреплена сигнальная лампа. Как считают ученые, применение такой техники сможет существенно сократить людские трудозатраты.
Интеллектуальный дождь
Ученые Самарского университета разработали систему оперативного сельскохозяйственного мониторинга для оценки состава почвы. Для этого предлагается использовать поливальную установку, которая по ходу движения в режиме реального времени оценит влажность почвы и содержание в ней минеральных веществ, а также сможет управлять интенсивностью полива.
— Данные по оценке влажности почвы поступают со спутников или беспилотников с большой задержкой, — пояснил ведущий сотрудник ИСОИ РАН, профессор кафедры «Техническая кибернетика» Самарского университета Роман Скиданов.
Определение влажности почвы производится с помощью специального гиперспектрометра — прибора, который позволяет получить высокоточные изображения местности. Такая технология широко используется в космической съемке. В отличие от простой фотографии, которая фиксирует всего три цвета — синий, красный и зеленый в их различных сочетаниях, гиперспектрометр анализирует длину световой волны, что позволяет получать более точное изображение. По гиперспектральному снимку из космоса или с беспилотника можно определить химический состав почв на полях и решить, где и какие удобрения нужны.
Габариты же разработанного в Самаре прибора гораздо меньше, чем у его космических собратьев: он весит всего 5 кг. Ученые предложили установить его на поливальную машину. Как пояснили в университете, характер гиперспектрального изображения земной поверхности зависит от влажности почвы. По изображению фрагмента поля под гиперспектрометром можно определить, каким должен быть расход воды через конкретную форсунку, нацеленную на определенный участок. Помимо этого, машина одновременно с поливом сможет адресно доставлять в почву минеральные удобрения. По подсчетам разработчиков, такое «умное земледелие» позволит повысить урожайность в среднем на 25–30%.
В настоящее время ученые работают над еще более компактной гиперспектральной насадкой на фото- и видеокамеры, масса которой будет всего 300 г.
Контроль со спутников
Ученые Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) внедряют географические информационные системы для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных. Созданный ими программно-аппаратный комплекс «Геоинформационные системы» используется для определения неучтенных, заброшенных или обрабатываемых земель. Комплекс включает в себя несколько беспилотных летательных аппаратов и геоинформационные системы.
Сперва создаются электронные карты (с помощью дронов или снимков со спутника), затем на сельскохозяйственную технику ставятся GPS-трекеры. Установив специальное приложение на телефон или планшет, фермеры могут в режиме реального времени наблюдать, как идет обработка их полей. Кроме того, специальные датчики, также в режиме онлайн, позволяют следить за расходом топлива.
— Помимо удобства такая система еще и защищает от несанкционированного слива горючего. Но главное — это, конечно, экономическая выгода, — уверена руководитель НОЦ «Геоинформационные технологии» Валентина Максимова.
При помощи разработки уральских ученых один фермер с пятью единицами техники, владеющий землями площадью примерно 15–20 тыс. га, сможет экономить на бензине около 300 тыс. рублей в год — ведь ему больше не придется лично объезжать все поля.
В настоящее время ЮУрГУ и кубинский Университет Гуантанамо сотрудничают в области применения ГИС-технологий для отслеживания и предсказания определенных климатических событий на острове. Большой интерес к ГИС-разработкам ЮУрГУ проявили и коллеги из Индии, которые заинтересованы в создании карт урожайности на основе снимков из космоса.
