Price of power sources for agricultural drones

На сьогодні, переважна більшість сучасних БПЛА сконструйована саме під акумуляторні батареї. Але аграрна галузь має свою специфіку, яку необхідно враховувати а саме:

• The need for inspection of large areas, which requires relatively more flight duration;
• = limited infrastructure for recharging batteries, which requires the purchase of several sets of battery and specialized charging devices and the cost of which is high; Protection of plants and micro fertilizers, etc. Their dressing can be organized relatively easily and offline. Flight duration to several hours, which increases the radius of which is relevant in view of the condition of the networks of domestic soil roads and the like. The apparatus created under the ICE has some basic disadvantages, namely significant dimensions, noise during operation and explosion, which limits the constructors when used. However, some of these disadvantages are unacceptable to the conditions of dense construction of metropolitan areas is not critical to rural areas. Therefore, ICE is quite possible to consider as a promising candidate for unmanned agricultural aviation. Electric motors
• Потреба у високій вантажопідйомності з огляду на внесення хімічних та біологічних засобів захисту рослин та мікродобрив тощо.

Можливим рішенням є використання двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), які позбавлені частини властивих акумуляторам проблем. Їх заправку можна організувати відносно легко і в автономному режимі. Тривалість польоту до кількох годин, що збільшує радіус дії величина якого є актуальною з огляду на стан мереж вітчизняних ґрунтових доріг тощо. У апаратів створених під ДВЗ є і певні базові недоліки, а саме значні габарити, шум при експлуатації та вибухонебезпечність, що обмежує конструкторів при їх використанні. Проте частина з цих недоліків неприйнятна для умов щільної забудови мегаполісів є не критичною для сільської місцевості. Тому ДВЗ цілком можливо розглядати як перспективного кандидата для безпілотної сільськогосподарської авіації.

Оскільки інформації про специфіку використання та тонкощі експлуатації дронів обмаль, в метою цієї статті стало намагання ознайомити читача з цими беззаперечно важливими аспектами, які необхідно враховувати при виборі БПЛА.

БПЛА з електродвигунами

= In recent decades in the world there has been a tendency to electrify transport. Thus, in modern models, their high efficiency (in the case of use of a non -cell engine up to 95 %). There are no electrical sparks in the operation of the valve motors, which form powerful electromagnetic imperfections, which significantly complicates remote radiographing with equipment. Electric motors weigh much less than similar internal combustion motors. Moreover, it does not need to supply fuel to ensure the functioning, which dramatically simplifies and reduces the cost of the structure. The number of moving parts of the motors is not equal, which potentially ensures high reliability. The cost of energy required for electric vehicles is less than the cost of energy consumed for traveling on a car operating on fossil fuel at the same distance several times.

Основною переваги електротранспорту є сама специфіка електродвигунів. Так, у сучасних моделей їх високий коефіцієнт корисної дії (в разі застосування безколекторного двигуна до 95 %). У роботі вентильних електродвигунів відсутні електричні іскри, які утворюють потужні електромагнітні поміхи, що значно ускладнює дистанційне радіо-керування обладнанням. Електродвигуни важать значно менше, ніж аналогічні за характеристиками двигуни внутрішнього згоряння. Більше того, до нього не потрібно підводити паливо для забезпечення функціонування, що кардинально спрощує та здешевлює конструкцію. За кількістю рухомих частин електродвигуни не мають рівних, що потенційно забезпечує високу надійність. Вартість енергії, необхідної для поїздки на електромобілі, менша, ніж вартість енергії, споживаної за поїздки на автомобілі, що працює на викопному паливі, на одну й ту ж відстань в кілька разів.

However, if with the electric motor everything is quite good with respect to the ICE, then with energy supply everything on the contrary, the battery is losing gasoline by energy density. So relatively quickly (in tens of minutes, not in a few hours), you can charge battery at specialized charging stations, where the cost of electricity is several times higher, which reduces the economic feasibility of using electric transport. Therefore, electric vehicles are primarily focused on a specific segment of consumers - residents of large cities and suburbs, which can charge their cars at night at a reduced tariff. The focus on metropolitan areas is due to their specificity of traffic with constant presence of congestion - areas with suspended or slow motion. Classic internal combustion engines in traffic jams are mainly operated in idle mode and consume about half of the fuel from maximum load, so motors with minimal consumption are more acceptable. For cities residents, the average mileage distance is up to 50-150 km/day, which can be done on one battery. At great distances, the use of purely battery today can be problematic because of the complexity of energy provision. However, while UAVs are used mainly lithium-polymer (li-pol) battery. They have better than lithium-ion batteries, which is critical for UAVs. The development of Li-Pol Battery began relatively recently-in the 1970s. They, instead of liquid, used a dry polymer inside. In fact, it is not a conductor of current, but does not interfere with the movement and exchange that occurs between the ions. The electrolyte in the polymer format has replaced the traditional porous material impregnated with a liquid electrolyte. New technology has made manufacturers focus on the potential advantages of technology - reliability, safety and ability to reduce the size of the battery. For the thickness of the cell only 1 millimeter, designers in the development of such batteries are limited only by their imagination. In fact, such a battery can be given any shape and size. But in the process of development, manufacturers encountered one significant disadvantage of technology - it was distinguished by poor conductivity, which prevented it from using it to power modern mobile devices. It was only possible to improve this characteristic with heating cells up to 60 degrees, which was unacceptable in view of the durability of the device. Instead, a compromise option was found - adding an electrolyte in the form of gel. Commercial batteries use an electrolyte membrane made using a porous polyethylene or propylene separator filled with polymer, which is converted into gel by contact with liquid electrolyte. As a result, the form has changed, but the essence remained the same as in the case of liquid electrolyite - similar chemistry and capabilities. Due to their capabilities, Li-Pol batteries have found their niche in the market-they are used everywhere, where they need a small size and the ability to change the shape of the battery. However, for UAVs, where the battery is optimized for minimum dimensions and weight operation of Li-Pol Battery, has its own specifics:

Існує багато конструкцій АКБ, і обіцяють все нові рішення. Проте поки на БПЛА використовують переважно літій-полімерні (Li-Pol) АКБ. Вони мають кращу ніж в літій-іонних акумуляторів щільність енергії, що критично важливо для БПЛА. Розвиток Li-Pol акумуляторів почався порівняно недавно – в 1970-х роках. У них, замість рідини, всередині застосовувався сухий полімер. Фактично він не є провідником струму, але не заважає руху й обміну, що відбувається між іонами. Електроліт у форматі полімеру замінив традиційний пористий матеріал, просочений рідким електролітом. Нова технологія дозволила виробникам сфокусуватися на потенційних перевагах технології - надійності, безпеці й можливості зменшити розмір акумулятора. За товщини осередку всього 1 міліметр, дизайнери при розробці таких батарей обмежені лише своєю фантазією. Фактично, такому акумулятору можна надати будь-яку форму і розмір. Але в процесі розробки виробники зіткнулися з одним істотним недоліком технології – вона відрізнялася поганою провідністю, що заважало використовувати її для живлення сучасних мобільних пристроїв. Поліпшити подібну характеристику можна було тільки нагріванням осередків до 60 градусів, що було неприпустимо з огляду на довговічність приладу. Замість цього був знайдений компромісний варіант – додавання електроліту у вигляді гелю. У комерційних акумуляторах використовується мембрана з електролітом, виготовлена з використанням пористого поліетилену або пропіленового роздільнику, заповненого полімером, який перетворюється в гель за контакту з рідким електролітом. В результаті змінилася форма, але суть залишилася тією ж, що й у випадку з рідким електролітом – аналогічна хімія й можливості. Завдяки своїм можливостям, Li-Pol акумулятори знайшли свою нішу на ринку – вони використовуються всюди, де потрібні невеликий розмір та можливість змінити форму батареї. Проте для БПЛА, де АКБ оптимізовані під мінімальні габарити та вагу експлуатація Li-Pol акумуляторів, є своя специфіка:

• in the charge process, visual control must be exercised. If the Li-Pol Battery in the charging process changes the shape, inflamed, ignited or heard the smell of burning, you should immediately stop the charging process by disconnecting the battery from the charger; || 108
• для зберігання та переноски високоємнісних Li-Pol акумуляторів, наприклад для радіокерованих моделей, необхідно використовувати спеціальні захисні сумки, через можливість внутрішнього короткого замикання, що призводить до пожежі. Самозаймання відбувається переважно у повністю заряджених батарей;

= bag for storage and transfer of Li-Pol Battery (https://wwww.dx.com/)

= Photography of the Li-Pol Accumulator after internal short circuit

= As a conclusion, along with significant advantages, the operation of electrical UAVs has its specificity and in the case of industrial use requires qualified service. ICE

За наявним досвідом виключно електричне живлення використовують на БПЛА вагою до 40 кг, у більших апаратів – двигуни внутрішнього згорання.

БПЛА з ДВЗ

such devices are devoid of a large part of the disadvantages inherent in electric UAVs. Gasoline has a higher energy density - almost 100 times compared to the best public batteries, which gives it significant benefits in power. It should be noted that its operation does not require specialized education, as well as in cars. Most of the two -stroke gasoline engines used for UAVs use the fuel and motor lubricants distributed in the market, that is, there is no dependence on the limited number of suppliers or location of service centers. In fact, before the flight preparation consists of a visual inspection of the fuel system for leakage and takes only a few minutes for refueling. Gasoline engines can be used at low temperatures, without significantly deterioration of performance. Gasoline does not freeze in winter, but the engine is required before the first start. An additional advantage of gasoline engines is a good resistance to difficult weather conditions. The electromagnetic field produced by the inflammation system causes radio interruptions that interfere with the confident operation of control channels and information. The problem is solved with the help of additional equipment and a special layout of the apparatus, in which the radio is placed no closer than 30 cm from the chains of inflammation. On the one hand, it requires a significant increase in mass-sized characteristics, which has a positive effect on the wind resistance of UAV, but increases inertia, which complicates management.

Вартість ДВЗ порівняно невисока, особливо якщо мова йде про професійну техніку, проте він складніший в обслуговуванні порівняно з електродвигунами, яким обслуговування в більшості випадків не потрібне. Варто відмітити, що його експлуатація не потребує спеціалізованої освіти, так саме як і у легкових автомобілів. Більшість двотактних бензинових двигунів, що використовуються для БПЛА, використовують розповсюджені на ринку марки палива та моторних мастил, тобто немає залежності від обмеженої кількості постачальників чи локації сервісних центрів. Фактично перед польотна підготовка складається з візуального огляду паливної системи на наявності витікань і займає всього кілька хвилин на дозаправку. Бензинові двигуни можна використовувати за низьких температур, без істотного погіршення експлуатаційних характеристик. Бензин не замерзає взимку, але потрібно здійснити прогрів двигуна перед першим запуском. Додатковою перевагою бензинових двигунів є хороша стійкість до складних погодних умов.

Конструктивно ДВЗ містить велику кількість механічних та електричних компонентів, серед яких є система запалення та радіатору для охолодження, що значно ускладнює конструкцію силового агрегату, його габарити та масу. Електромагнітне поле, що виробляється системою запалення, стає причиною появи радіоперешкод, що заважають впевненій роботі каналів керування й передачі інформації. Проблему вирішують за допомогою додаткового обладнання та спеціальної компоновки апарату, за якої радіоапаратура розміщується не ближче ніж 30 см від ланцюгів запалення. З одного боку, це потребує значного збільшення масо-габаритних характеристик, що позитивно впливає на вітрову стійкість БПЛА, проте збільшує інерційність, чим ускладнює управління.

to the use of ICE Aircraft use allows to create industrial devices for the introduction of plant protection products. Aerodrone on the Ukrainian market represents a DR-60 gasoline unmanned aircraft.

gasoline UAV DR-60 ARODRONE, designed for field processing (https://smartdrones.ua/products/dr-60)

Його порожня злітна маса складає 85 кг, а корисне навантаження може досягати 60 кг. Оскільки робоча висота польоту складає 5-10 метрів, це дозволяє з високою точністю розпорошувати засоби захисту рослин в автоматичному режимі, із продуктивністю обробки полів 75 га/год. Насоси припиняють подачу рідини на розпилювачі, коли БПЛА знаходиться за межами необхідного ділянки.

Вибухонебезпечність бензинових двигунів обмежує варіанти щодо посадки апаратів із такими двигунами. Якщо для електричних літакових апаратів стандартними є посадка на фюзеляж чи парашут, то у ДВЗ використовується шасі, що, з одного боку, вимагає наявності ґрунтових майданчиків, а також певної кваліфікації пілотів.

compared to electric motors, ICEs have a significantly worse speed management dynamics - there is always some delay when it is changed. From this point of view, the classic copter UAV scheme of maneuvering by changing the speed of rotation of the screws, for the ICE has some difficulties associated with their inertia. In a number of models of copter UAVs, a helicopter scheme was borrowed from the ICZ from the manned apparatus with a screw distortion. Due to the complex and high -quality mechanics, the distortion machine causes the relatively high cost of such devices. Yes, the price of Yamaha RMAX is about $ 100,000 (as of 2018), which is about an order of magnitude higher than the average cost of professional electric UAVs capable of making reagents. The Belias model is equipped with a two -stroke engine, and the rotors' design is made so that the pilot can control the step of the screws. Special motors are used to make an instant change of propellers. This makes it possible to quickly change the direction of movement. In the air, the drone is able to spend about 3 hours, and the weight of the amount of load is 10 kilograms. One of the promising ways when creating industrial unmanned ditches, with an inherent electrical models with simplicity of control, power and duration of flight, as in ICE apparatus, is hybrid models (combination of both engines). (http://www.soapdrones.com)

Австралійська компанія SOAPdrones пропонує власний варіант бензинового квадракоптера. Модель Belias оснащується двотактним мотором, а конструкція роторів виконана таким чином, щоб пілот міг керувати кроком гвинтів. Використовуються спеціальні сервомотори, за допомогою яких відбувається миттєва зміна кроку пропелерів. Це дає можливість швидко змінювати напрямок руху. В повітрі безпілотник здатен провести близько 3 годин, а вага корисного навантаження складає 10 кілограм. Одним із перспективних шляхів при створенні промислових безпілотних копте рів, із притаманною електричним моделям простотою керування, потужністю та тривалістю польоту, як у апаратів з ДВЗ, є гібридні моделі (поєднання обох двигунів).

Квадрокоптер із бензиновим ДВЗ компанії SOAPdrones (http://www.soapdrones.com)

= The good example of the hybrid is the yeair. The yeair drone was created by Airstier to deliver goods. It is capable of carrying a pay load weighing up to 5 kilograms, at a speed of up to 100 km/h. On board there is a tank that contains one and a half liters of fuel. The flight range in economical mode reaches 55 km. The use of the internal combustion engine and electrical motors allows the drone to have good thrust at the same time and remain easily kept. A special two -stroke internal combustion engine with a capacity of 10 cm3 was developed for this model. Each of the four electric motors has a power of 600 watts and is powered by a battery with a capacity of 1250m. The battery practically does not require recharging between flights, as they are fueled during flight from the ICE. It is equipped with an autopilot function, is able to take off and land independently, supports several flight modes. You can use a smartphone to control the copy. The peculiarity of the model is the use of protective casing for propeller, which significantly improves the safety conditions for the use of this model. The cost of the apparatus as of 2018 is from 1400 euros, which is competitive for the UAV market.

YEAIR Hybrid UAV AIRSTIER (https://yeair.de)

= The domestic example of hybrid UAVs is Cicada's HExocopter produced by UMT. Cicada is a UAV that has an internal combustion engine with a generator. Thanks to this, the device can be in the air much longer than traditional batteries (150 minutes with a weight of 3 kilograms). In the photo it is visible in front of a plastic fuel tank. In the civilian version, the container can be used, in particular, for biological protection of plants, when the detected pest cell is introduced by trichograms. That is, in addition to monitoring, such UAVs can become an effective tool for directly managing a crop capable of differentiated intervention. || 184

БПЛА «Цикада» розроблявся в Україні для військових потреб і, окрім сенсорного обладнання, оснащений спеціальним додатковим контейнером. На фотографії його видно перед пластиковим баком для палива. В цивільній версії контейнер може використовуватися, зокрема, для біологічного захисту рослин, коли на виявлений осередок шкідників вносять трихограми. Тобто, окрім моніторингу, такі БПЛА можуть стати ефективним знаряддям для безпосередньо управління врожаєм, здатним до диференційованого втручання.

Гібридний БПЛА «Цикада» компанії «UMT»(https://umt.aero/cykada/)

У підсумку...

So battery solutions cannot Already, you can also get serial devices operating on gasoline and the cost of annual service of such devices is relatively insignificant, as well as the usual car. Accordingly, when choosing such devices, it is possible to use more widely the devices for monitoring and introduction of reagents without worrying about the number and duration of flights, given the depreciation of battery.

= Professional Agrodron UAS6-50 from ICE from the Ukrainian company UKRAOROSERVICE. Flight time is 120 minutes, capacity 130 kg, volume of the tank 50 l, high productivity (up to 20 ha/h), water flow consumption 6-7 l/ha. Dense processing of the plant due to a powerful turbulent flow (more than 20 ms).